KR101150287B1

KR101150287B1 - 냉각장치를 가진 정수기

Info

Publication number: KR101150287B1
Application number: KR1020110097527A
Authority: KR
Inventors: 정상호
Original assignee: 정상호
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-05-24

Abstract

본 발명은 열전소자(thermoelectric module；TEM), 열전소자의 흡열 측 면에 솔더링(soldering)에 의한 솔더층을 매개로 접합되어 냉각대상에 열전소자로부터의 냉기를 전달하는 구리(Cu) 계열 금속의 스페이서(spacer), 열전소자의 발열 측에서 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크(heat sink)를 갖춘 냉각장치 및 이러한 냉각장치를 이용하여 물탱크에 저장된 물을 냉각하는 정수기를 제공한다.

Description

냉각장치를 가진 정수기{WATER PURIFIER WITH COOLING APPARATUS}

본 발명은 열전소자(열전반도체소자, thermoelectric module；TEM)를 이용하여 냉각대상을 냉각하는 냉각장치를 가진 정수기에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 냉각장치가 도시된 구성도이다.

열전소자(TEM)는 전원 공급 시 펠티에효과(Peltier effect)에 의하여 한쪽은 흡열(cooling)하고 다른 쪽은 발열(heating)하도록 된 소자이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 열전소자가 적용된 냉각장치는 열전소자(1)의 흡열 측에서 열전소자(1)로부터의 냉기를 발산하는 콜드싱크(cold sink)(2) 및 열전소자(1)의 발열 측에서 열전소자(1)로부터 방출되는 열을 발산하는 히트싱크(heat sink)(3)를 포함한다. 이 때, 콜드싱트(2)와 히트싱크(3)는 볼트(4) 등의 체결수단에 의하여 서로 체결되어 열전소자(1)의 흡열과 발열 측에 각각 밀착된다.

이와 같이 구성되는 냉각장치는 정수기에 적용 시 정수기의 물탱크(일반적으로, 정수과정을 거친 물이 저장된다.) 내부의 바닥 측에 콜드싱크(2)가 위치하도록 장착되어 물탱크에 저장된 물을 냉각한다.

그러나, 설명한 바와 같은 냉각장치는 열전소자(1)와 콜트싱크(2)가 서로 간에 단지 면 접촉하기 때문에, 열전소자(1)와 콜드싱크(2) 간의 열전달율이 낮을 수밖에 없었다. 즉, 열저항이 크다는 문제점이 있었던 것이다.

또한, 이와 같은 문제를 안고 있는 냉각장치가 적용된 정수기의 경우에는 시간당 물 냉각속도를 단축하는 데 한계가 있었고, 이에 따라 물탱크 내 수위별 온도차이(상부의 물과 콜드싱크 측인 하부의 물 온도차이)가 심하여 물탱크에서 일시에 많은 양의 물을 빼낸 후에는 장시간 냉수를 제공할 수 없었다.

본 발명의 목적은 냉각대상을 보다 신속하게 냉각할 수 있는 냉각장치를 가진 정수기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전원이 공급되면 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자와; 상기 열전소자의 흡열 측 면에 솔더층(solder layer)을 매개로 접합되어 냉각대상에 상기 열전소자로부터의 냉기를 전하는 구리(Cu) 계열 금속의 전열 스페이서(heat transfer spacer)와; 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함하는 냉각장치가 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스테인리스스틸(stainless steel) 계열 금속으로 이루어지며 물이 저장되는 물탱크와; 상기 물탱크에 저장된 물을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각장치를 포함하고, 상기 냉각장치는 전원이 공급되면 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자와; 상기 열전소자의 흡열 측 면에 한쪽 면이 제1솔더층을 매개로 접합된 것과 동시에, 상기 물탱크의 외표면에 다른 쪽 면이 제2솔더층을 매개로 접합되어 상기 물탱크에 상기 열전소자로부터의 냉기를 전달하는 구리 계열 금속의 전열 스페이서와; 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함하는 정수기가 제공된다.

여기에서, 상기 제1 및 제2솔더층은 주석(Sn)을 포함할 수 있다. 즉, 주석계 합금의 솔더에 의한 솔더링(soldering)으로 마련될 수 있는 것이다.

또한, 상기 물탱크는 상기 전열 스페이서가 접합된 부분의 내표면에 전열면적 확장을 위한 돌출부가 마련될 수 있다.

또한, 상기 물탱크는 상부가 개방된 구조를 가져, 상기 물탱크의 개방된 상부는 덮개에 의하여 개폐될 수 있다. 그리고, 상기 냉각장치는 상기 물탱크의 바닥에 장착되며, 상기 덮개에는 보조냉각장치가 장착될 수 있다. 그리고, 상기 보조냉각장치는 전원이 공급되면 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자와; 상기 열전소자의 흡열 측 면에 한쪽 면이 제3솔더층을 매개로 접합된 구리 계열 금속의 전열 스페이서와; 상기 전열 스페이서의 다른 쪽 면에 제4솔더층을 매개로 접합되고 상기 덮개에 관통되어 상기 물탱크의 내부에 상기 전열 스페이서를 통하여 상기 열전소자로부터 전달받은 냉기를 발산하는 콜드싱크와; 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 물이 저장되는 물탱크와; 상기 물탱크에 저장된 물을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각장치를 포함하고, 상기 냉각장치는 전원 공급 시 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자와; 상기 열전소자의 흡열 측 면에 한쪽 면이 제1솔더층을 매개로 접합된 구리 계열 금속의 전열 스페이서와; 상기 전열 스페이서의 다른 쪽 면에 제2솔더층을 매개로 접합되고 상기 물탱크에 관통되어 상기 물탱크의 내부에 상기 전열 스페이서를 통하여 상기 열전소자로부터 전달받은 냉기를 발산하는 콜드싱크와; 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함하는 정수기가 제공된다.

본 발명은 열전소자의 흡열 측 면에 전열 스페이서의 한쪽 면이 솔더층을 매개로 접합되고 전열 스페이서의 다른 쪽 면에 냉각대상(물탱크, 콜트싱크 등)이 솔더층을 매개로 접합되어 일체형의 구조를 가지며, 이에 따라 열전소자와 전열 스페이서 및 전열 스페이서와 냉각대상 간의 열저항이 작기 때문에, 냉각속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 냉각장치가 도시된 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 정수기가 도시된 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열전소자 측에 대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 정수기의 주요부가 도시된 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 정수기의 주요부가 도시된 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 정수기가 도시된 구성도로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 정수기는 물 공급원으로부터의 물이 저장되는 물탱크(10), 물 공급원으로부터 물탱크(10)에 공급되는 물을 처리하는 정수장치(도시되지 않음), 물탱크(10)에 저장된 물(정수)을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각장치(5A), 냉각장치(5A)에 의하여 냉각된 물을 배출하기 위한 냉수배출장치(도시되지 않음)를 포함한다. 냉수배출장치는 콕(cock)을 포함할 수 있다.

도시된 바는 없으나, 제1실시예는 별도의 물탱크를 비롯하여 이 별도의 물탱크에 저장된 물을 가열하기 위한 적어도 하나의 가열장치, 가열장치에 의하여 가열된 물을 배출하기 위한 온수배출장치를 더 포함할 수 있다.

물탱크(10)는 열전도성 재질로 이루어지는데, 여기에서는 내식성이 우수하여 물을 보다 안전하게 보관할 수 있는 스테인리스스틸 계열 금속을 적용하였다. 물탱크(10)는 평편한 바닥(11) 및 바닥(11)의 가장자리를 따라 세워진 벽체(12)로 구성되어 전체적으로 보았을 때 상부가 개방된 컵(cup)의 구조를 가진다. 물탱크(10)의 개방된 상부에는 덮개(15)가 개폐 가능하게 결합된다. 벽체(12)의 외표면에는 절연재(20)가 피복된다. 절연재(20)는 바닥(11)의 외표면에도 피복될 수 있다.

냉각장치(5A)는 전원 공급 시 펠티에효과에 의하여 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽 면은 발열하는 열전소자(30A), 한쪽 면은 열전소자(30A)의 한쪽 면인 흡열 측에 접합되고 다른 쪽 면은 바닥(11)의 외표면에 접합되어 열전소자(30A)의 흡열작용에 따른 냉기를 물탱크(10)에 전달, 물을 얼려서 바닥(11)의 내표면 측에 얼음을 생성하는 열전도성 재질의 전열 스페이서(40A), 열전소자(30A)의 다른 쪽 면인 발열 측에 장착되어 열전소자(30A)의 발열작용으로 인하여 방출되는 열을 발산하는 히트싱크(50A), 히트싱크(50A)에 냉각공기를 제공하기 위한 팬(fan)(55A)을 포함한다. 전열 스페이서(40A)는 평편한 플레이트의 구조를 가지도록 형성된다.

도 3은 도 2의 일부분 확대도로, 이는 열전소자(30A)와 전열 스페이서(40A), 전열 스페이서(40A)와 바닥(11) 간의 접합구조를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열전소자(30A)와 전열 스페이서(40A)는 무연솔더링(Pb-free soldering)에 의한 제1솔더층(60A)을 매개로 서로 접합되어 일체화(일체형의 구조)가 된다. 제1솔더층(60A)은 열전소자(30A)와 전열 스페이서(40A) 사이에 주석계 합금의 솔더를 적층한 후, 적층된 솔더에 열과 압력을 가하는 과정에 의하여 마련될 수 있다.

전열 스페이서(40A)와 바닥(11)도 열전소자(30A)와 전열 스페이서(40A) 간의 접합구조와 마찬가지의 제2솔더층(65A)을 매개로 서로 접합되어 일체화가 된다.

전열 스페이서(40A)의 재질로는 물탱크(10)에 열전소자(30A)로부터의 냉기를 전달하기 위한 우수한 열전도율 및 스테인리스스틸 계열 금속인 바닥(11)과의 솔더링에 의한 우수한 접합성을 보장할 수 있다면 어떠한 것이라도 적용이 가능하지만, 여기에서는 구리 계열 금속을 적용하였다. 알루미늄 계열 금속의 경우, 열전도율은 우수한 편이나, 스테인리스스틸 계열 금속과의 솔더링에 의한 접합성은 만족스러운 수준이 아니므로, 이는 전열 스페이서(40A)의 재질로서 바람직하다고 할 수 없다.

도 2를 참조하면, 바닥(11)의 상면(내표면)에는 물탱크(10)에 저장된 물과의 전열면적을 확장하기 위한 적어도 하나의 돌출부(13)가 일체형으로 마련된다. 돌출부(13)는 전열 스페이서(40A)와 대응하도록 배치되는 것이 바람직하다. 돌출부(13)의 형상은 매끈한 융기의 구조 또는 요철의 구조를 가지도록 형성될 수 있다.

도시된 바는 없으나, 제1실시예는 물탱크(10)의 바닥(11) 측에 생성, 부착된 얼음이 바닥(11) 측에서 분리되어 물탱크(10) 내 저장된 물의 수면으로 부상하도록 냉각장치(5A)를 온(on), 오프(off) 시키는 제어장치를 더 포함한다. 제어장치는 물탱크(10)에 저장된 물 온도, 냉각장치(5A)의 작동시간 등 사전에 정하여 놓은 조건에 따라 냉각장치(5A)의 작동을 제어할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 정수기는 다음과 같이 작동한다.

냉각장치(5A)에 전원을 공급하면, 열전소자(30A)의 흡열에 따른 냉기는 전열 스페이서(40A)를 거쳐 물탱크(10)에 전달, 물탱크(10)에 저장된 물을 냉각한다. 이 때, 전열 스페이서(40A)는 그 양쪽 면이 제1, 제2솔더층(60A,65A)에 의하여 열전소자(30A) 및 바닥(11)과 각각 접합되어 일체화를 이루고 있기 때문에, 냉기는 큰 열저항 없이 바닥(11)까지 전도된다. 따라서, 물탱크(10)에 저장된 물은 한층 향상된 속도로 냉각된다.

전열 스페이서(40A) 부근의 물은 냉각시간이 경과함에 따라 더욱 냉각되면서 얼기 시작한다. 이에 따른 얼음은 냉기가 상대적으로 더 집중되는 돌출부(13)에 주로 생성된다.

한편, 열전소자(30A)에서 방출되는 열은 히트싱크(50A) 및 팬(55A)에 의하여 발산된다.

제어장치에 의하여 냉각장치(5A)의 작동이 정지되면, 돌출부(13)를 비롯하여 바닥(11) 측에 부착된 얼음은 서서히 녹으면서 바닥(11) 측과 분리된다. 이 때, 분리된 얼음은 수면으로 부상되어 상대적으로 수온이 높은 상부 측의 물을 냉각한다.

냉각장치(5A)는 제어장치에 의하여 다시 작동되는바, 제어장치에 의하여 온, 오프가 반복된다.

아래의 표는 본 발명의 제1실시예에 따른 정수기 및 비교예에 대한 냉각성능 시험결과를 나타낸다.

1. 열전소자(30A)와 바닥(11)에 전열 스페이서(40A)의 양면을 각각 제1, 제2솔더층(60A,65A)에 의하여 접합시킨 제1실시예와 비교하여 볼 때, 비교예는 열전소자와 바닥에 전열 스페이서의 양면이 밀착되도록 구성한 점만이 상이하다.

2. 제1실시예와 비교예에 대한 냉각성능 시험은 다음과 같은 동일한 조건 하에서 진행하였다.

- 물탱크에 공급한 물의 온도 및 양 : 33℃, 3ℓ

- 분위기(외부) 온도 : 35±1℃

- 물탱크 하부의 수온(a)이 4℃에 도달하는 데 소요된 시간(T) 및 하부의 수온(a)이 4℃에 도달한 때의 상부의 수온(d)을 측정

표에 나타낸 바와 같이, 제1실시예는 하부수온(a)을 4℃에 이르도록 함에 있어 소요시간(T)이 비교예에 비하여 2시간 정도 빠른 데다, 하부수온(a)이 4℃에 도달한 때의 상부수온(d)과 하부수온(a) 간 차이[(d)-(a)]가 비교예에 비하여 현격하게 작다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 정수기가 도시된 구성도로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 정수기는 제1실시예와 비교하여 볼 때, 기타 구성 및 작용은 모두 동일한 것에 대하여, 열전소자로부터의 냉기를 물탱크에 전달하지 않고 물탱크에 저장된 물에 직접 전달하도록 구성된 점만이 상이하다. 이를 설명하면 다음과 같다.

제2실시예는 그 냉각장치(5B)가 열전소자(30B), 전열 스페이서(40B), 히트싱크(50B), 팬(55B), 제3과 제4솔더층(60B,65B), 콜드싱크(70)를 포함한다. 열전소자(30B), 히트싱크(50B) 및 팬(55B)은 제1실시예의 그것과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

전열 스페이서(40B)는 제1실시예의 그것과 마찬가지로 열전소자(30B)의 한쪽 면인 흡열 측에 제3솔더층(60B)을 매개로 접합되어 열전소자(30B)와 일체화가 되는 반면, 전열 스페이서(40B)의 다른 쪽 면에는 콜드싱크(70)가 제4솔더층(65B)을 매개로 접합되어, 콜드싱크(70)는 전열 스페이서(40B)를 통하여 열전소자(30B)로부터 냉기를 전달받아서 냉각된다. 콜드싱크(70)는 물탱크(10)의 바닥(11)에 관통됨으로써 물탱크(10)의 내부에서 냉기를 발산하는바, 스테인리스스틸 계열 금속으로 이루어진다. 제3과 제4솔더층(60B,65B)에 대한 기타 사항은 제1실시예의 제1과 제2솔더층(60A,65A)와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

이와 같은 제2실시예의 냉각장치(5B)는 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 합성수지 등 열전도성이 낮은 재질에 의하여 물탱크(10)를 구성한 경우에 적용하면 물탱크(10)에 저장된 물을 제1실시예와 마찬가지로 신속히 냉각할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 정수기가 도시된 구성도로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 정수기는 제1실시예와 비교하여 볼 때, 기타 구성 및 작용은 모두 동일한 것에 대하여, 제2실시예의 냉각장치(5B)를 더 포함한다는 점만이 상이하다. 이에 관하여 설명하면, 제3실시예는 덮개(15) 측에 제2실시예의 냉각장치(5B)가 배치되는데, 제2실시예의 냉각장치(5B)는 콜드싱크(70)가 덮개(15)에 관통되어 물탱크(10)의 상부에 저장된 물부터 냉각한다.

이에 따르면, 도면부호 5A의 냉각장치는 물탱크(10)의 하부에 저장된 물부터 냉각하고, 도면부호 5B의 냉각장치는 물탱크(10)의 상부에 저장된 물부터 냉각하므로, 물탱크(10)에 저장된 물의 수위별 온도차이를 대폭 줄일 수 있다.

이상, 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

5A, 5B : 냉각장치 10 : 물탱크
13 : 돌출부 15 : 덮개
30A, 30B : 열전소자 40A, 40B : 전열 스페이서
50A, 50B : 히트싱크 60A : 제1솔더층
65A : 제2솔더층 60B : 제3솔더층
65B : 제4솔더층 70 : 콜드싱크

Claims

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열전도성 재질로 이루어지며 물이 저장되는 물탱크 및 상기 물탱크에 저장된 물을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각장치를 포함하고,
상기 냉각장치는 전원이 공급되면 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자, 열전도성 재질로 이루어지며 상기 열전소자의 흡열 측의 면에 한쪽 면이 제1솔더층을 매개로 접합된 것과 동시에 상기 물탱크의 외표면에 다른 쪽 면이 제2솔더층을 매개로 접합되어 상기 물탱크에 상기 열전소자로부터의 냉기를 전달하는 전열 스페이서, 및 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함하고,
상기 물탱크는 상부가 개방된 구조를 가지며, 상기 물탱크의 개방된 상부는 덮개에 의하여 개폐되고,
상기 냉각장치는 상기 물탱크의 바닥에 장착되며,
상기 덮개에는 보조냉각장치가 장착되고,
상기 보조냉각장치는 전원이 공급되면 한쪽 면은 흡열하고 다른 쪽은 발열하는 열전소자, 열전도성 재질로 이루어지며 상기 열전소자의 흡열 측의 면에 한쪽 면이 제3솔더층을 매개로 접합된 전열 스페이서, 상기 전열 스페이서의 다른 쪽 면에 제4솔더층을 매개로 접합되고 상기 덮개에 관통되어 상기 물탱크의 내부에 상기 전열 스페이서를 통하여 상기 열전소자로부터 전달받은 냉기를 발산하는 콜드싱크, 및 상기 열전소자의 발열 측에서 상기 열전소자에서 방출되는 열을 발산하는 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수기.
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