KR101297845B1 - 열교환 유니트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전소자의 냉각면이 열교환매체가 통과하는 열교환기를 냉각시키고, 열전소자의 방열면은 별도의 냉각싸이클의 열교환매체가 통과하는 방열판으로 냉각시키는 열교환 유니트에 관한 것으로,
내부 저장실(20a-1)에 냉각수가 충전된 냉각블록(20);
일측면이 상기 냉각블록(20)에 밀착고정되어 상기 냉각블록(20)을 냉각시키는 열전소자(11);
상기 열전소자(11)를 방열시킬 수 있도록 열전소자(11) 타측면에 밀착고정되는 방열판(12); 및
입,출구가 노출되도록 상기 냉각블록(20) 내부에 수밀가능하게 수용되어 상기 냉각수에 수장되는 열교환기(10);를 포함하며,
여기서, 상기 방열판(12)은 상기 열교환기(10)와 연결된 유로파이프(P)가 아닌 별도의 냉동싸이클의 유로파이프(P1)를 순환하는 열교환매체에 의해 냉각되어 상기 열전소자(11)의 방열면을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 유니트{Heat-exchanger unit}
본 발명은 열교환매체가 순환하는 유로파이프에 설치되어 열교환매체가 통과할 때 열전소자를 이용하여 열교환매체를 냉각시키는 열교환 유니트에 관한 것으로, 특히 열전소자의 냉각면이 열교환매체가 통과하는 열교환기를 냉각시키고, 열전소자의 방열면은 별도의 냉각싸이클의 열교환매체가 통과하는 방열판으로 냉각시키는 열교환 유니트에 관한 것이다.
냉각장치는 열교환매체(작동유체 또는 냉매)를 일정한 싸이클로 순환시키면서 열교환기에서 냉각시키고, 이렇게 열교환에 의해 냉각된 열교환매체가 목적하는 냉각대상물, 예컨대 실내공간을 지나면서 열을 흡열하여 실내를 냉각시키게 된다.
프레온가스를 열교환매체로 사용하는 냉각장치는 널리 알려진 바와 같이 프레온가스를 압축기에서 고온,고압으로 압축시켜 응축기로 보내고, 응축기는 고온,고압의 프레온가스를 방열시켜 액체상태로 만들어 팽창밸브로 보내고, 팽창밸브는 액상의 프레온의 압력을 낮추어 기체상태로 만들어 증발기로 보내고, 증발기는 기체상태의 프레온가스를 외기에 노출시켜 증발시키게 된다. 따라서 프레온가스는 증발기에서 증발되면서 냉각대상물의 열을 빼앗아 냉각시키게 된다.
액체를 열교환매체로 사용하는 냉각장치는 액체를 일정한 싸이클로 순환시키면서 열교환기에서 열교환시켜 온도를 낮추고, 상기 냉각된 액체를 원하는 냉각대상물로 공급하여 냉각시키게 된다.
이와 같이 냉각장치는 냉각대상물을 냉각시키는 열교환매체의 온도를 낮추기 위해 열교환매체가 순환하는 유로파이프 경로에는 반드시 열교환기가 설치되는데, 각종 냉각장치들의 냉각효율은 상기 열교환기의 열교환 성능, 즉 열교환매체의 온도를 낮추는 성능에 따라 결정된다.
종래의 냉각장치는 송풍팬을 이용하여 공기를 열교환기에 압송시켜 공냉식으로 냉각하였다. 이러한 공냉식 냉각방식은 여름철과 같이 외기가 높을 경우 열교환기를 저온상태로 냉각시키지 못하였다. 특히 열교환매체가 액체일 경우 액체는 프레온가스와 달리 압축되지 않아 기체상태로 상변화되지 않아 증발하지 않게 된다. 그러므로 액체 열교환매체는 송풍팬에 의한 공랭식으로 냉각되므로 이에 의해 냉각된 열교환매체는 냉각대상물을 저온상태로 냉각시키지 못하는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 열전소자를 이용하여 열교환기를 냉각시키고 있다. 열전소자는 박판의 몸체 양측면이 전극전환을 통해 일측면이 냉각되고 타측면이 동시에 방열되면서 상온의 냉각대상물을 -30∼+180C까지 냉각과 가열을 통해 일정 온도로 유지시키는 환경친화적인 구성요소이다.
더 구체적으로, 열전소자는 전기를 공급하면 일측이 냉각되어 냉각면이 되고 그 반대측이 열을 방출하는 방열면이 되는데, 냉각면에 열전도율이 우수한 금속재를 밀착시키고 이 금속재를 냉각대상물에 밀착고정하면 냉각대상물을 효과적으로 냉각시킬 수 있어, 현재 냉동 산업분야에서 널리 사용되고 있다.
이와 같이 열전소자를 이용한 냉각장치는 부피가 작은 열전소자를 이용하기 때문에 소형제작이 가능한 장점은 있고, 특히 방열면의 온도가 낮으면 낮을수록 냉각면의 온도가 비례해서 낮아지게 되므로 냉각효율을 높이기 위해서는 반드시 방열면을 효율적으로 냉각시키는 것이 필요하다.
그러나, 종래의 열전소자의 방열면 냉각은 송풍팬을 구동시켜 방열면에 외기를 강제 송풍시켜 공랭식으로 냉각하였기 때문에 냉각효율이 프레온가스를 이용한 냉각장치보다 뛰어나지 못하였다.
이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 냉각장치의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 열전소자의 냉각면이 열교환매체가 통과하는 열교환기를 냉각시키고, 열전소자의 방열면은 별도의 냉각싸이클의 열교환매체가 통과하는 방열판으로 냉각시키는 열교환 유니트를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환 유니트는, 내부에 열교환매체가 흐르는 유로가 형성되는 열교환기;
일측면이 상기 열교환기에 밀착고정되어 상기 열교환기를 냉각시키는 열전소자; 및
상기 열전소자를 방열시킬 수 있도록 열전소자 타측면에 밀착고정되는 방열판;을 포함한다.
본 발명에 따른 다른 실시예 열교환 유니트는, 내부 저장실에 냉각수가 충전된 냉각블록;
일측면이 상기 냉각블록에 밀착고정되어 상기 냉각블록을 냉각시키는 열전소자;
상기 열전소자를 방열시킬 수 있도록 열전소자 타측면에 밀착고정되는 방열판; 및
입,출구가 노출되도록 상기 냉각블록 내부에 수밀가능하게 수용되어 상기 냉각수에 수장되는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 열교환 유니트는 열교환기를 냉각시키는 열전소자 방열면을 공랭식으로 방열시키기 않고 별도의 냉각싸이클의 열교환매체가 통과하는 방열판으로 냉각시키게 되므로, 특히 상기 방열판이 프레온가스가 증발하여 냉각되는 증발기와 동일한 기능을 갖도록 하면 열전소자의 방열면의 온도를 공랭식보다 현저히 낮출 수 있어 냉각효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 열교환 유니트는 하나의 부품형태로 소형 또는 휴대용으로 제조되기 때문에 운반과 취급이 편리하고, 이로 인하여 열전소자의 방열면에 장착하기 편리한 장점이 있다.
그러므로, 본 발명의 열교환 유니트는 이미 설치된 공지의 냉각장치의 열전소자 방열면에 설치가 가능하여 호환성이 뛰어난 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제1실시예 열교환 유니트 분해도
도 2는 도 1의 조립도
도 3은 본 발명에 따른 제1실시예 열교환 유니트 사시도
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예 방열판이 부착된 조립도
도 5는 본 발명에 따른 방열판의 조립 사시도
도 6은 본 발명에 따른 방열판의 분해 사시도
도 7은 본 발명에 따른 방열판의 조립 단면도
도 8은 본 발명에 따른 방열판의 수조 평면도
도 9는 본 발명에 따른 제2실시예 열교환 유니트 분해도
도 10은 본 발명에 따른 제2실시예 열교환 유니트 조립단면도
도 11은 본 발명에 따른 제2실시예 열교환 유니트 조립 사시도
도 12는 본 발명에 따른 냉각블록 분해사시도
도 13은 본 발명에 따른 안내관 단면도
도 14는 본 발명에 따른 제2실시예 열교환 유니트 분해 단면도
도 15는 도 14의 조립 단면도
도 16은 본 발명의 제2실시예 따른 열교환 유니트가 사용된 냉각싸이클 개념도
도 17은 본 발명의 제2실시예 따른 다른 열교환 유니트가 사용된 냉각싸이클 개념도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열교환 유니트의 구성을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 제1실시예 열교환 유니트 도면이다.
상기 제1실시예 열교환 유니트(1)는 내부에 열교환매체가 흐르는 유로가 형성되는 열교환기(10), 일측면이 상기 열교환기(10)에 밀착고정되어 상기 열교환기(10)를 냉각시키는 열전소자(11) 및 상기 열전소자(11)를 방열시킬 수 있도록 열전소자(11) 타측면에 밀착고정되는 방열판(12)을 포함한다.
여기서, 상기 방열판(12)는 상기 열교환기(10)와 연결된 유로파이프(P)가 아닌 도 16 및 도 17과 같이 별도의 냉동싸이클의 유로파이프(P1)를 순환하는 열교환매체에 의해 냉각되어 상기 열전소자(11)의 방열면을 냉각시키게 된다.
상기 열교환기(10)는 공지의 것으로 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 예컨대 공지의 라디에이터와 같이 두께가 얇은 유로가 지그재그식으로 길게 형성되어 있다. 상기 열교환기(10)는 열교환매체가 상기 긴 유로를 저속으로 통과할 때 그와 직접 접촉하고 있는 열전소자(11)의 냉각면에 의해 냉각된다. 따라서 열교환매체는 상기 열교환기(10)와 연결된 유로파이프(P)를 순환하면서 그 유로파이프(P)에 장착된 냉각대상물(S)을 냉각시키게 된다.
상기 열교환기(10)는 유로파이프(P)를 착탈가능하게 연결할 수 있도록 입,출구에 연결조인트(10a)가 설치된다.
상기 열교환기(10)는 외기와 열교환을 차단할 수 있도록 단열부재(13)로 감싸 보호한다.
상기 열전소자(11)는 이미 설명한 바와 같이 가볍고 소형으로 제작되어 냉동관련 산업분야에서 널리 사용되고 있는 것으로, 전기를 공급하면 일측면은 차가워져 냉각면이 되고 타측면은 상기 냉각을 도울 수 있도록 열을 방출하는 방열면이 된다.
이러한 열전소자(11)는 냉각면이 상기 열교환기(10)에 밀착고정되고 타측면에는 방열판(12)이 고정된 상태로 사용된다. 따라서 본 발명의 열교환 유니트(1)의 냉각효율은 상기 열전소자(11)의 방열면의 온도를 단시간에 최대한 저온상태로 만드는 것에 결정된다.
본 발명은 상기 열전소자(11)의 방열면을 효율적으로 냉각시키기 위해 열전소자(11)의 방열면에 고정된 방열판(12)을 별도 냉동싸이클의 유로파이프(P1)에 연결하여 사용한다. 특히 상기 방열판(12)은 별도 유로파이프(P1)를 통과하는 열교환매체, 예컨대 프레온가스를 증발시키는 증발기로 사용하면 열전소자(11)의 방열면을 효율적으로 냉각시킬 수 있어 바람직하다.
상기 방열판(12)은 그와 연결된 별도 냉동싸이클(도 16 내지 도 17참조)의 유로파이프(P1)를 순환하는 열교환매체가 열전소자(11)의 방열면을 냉각시킬 수 있도록 상기 열전소자(11)의 방열면에 밀착고정되어 방열면을 냉각시키는 것으로, 2가지 실시예로 구성될 수 있다.
첫째 실시예의 방열판(12)은 도 1 내지 도 3과 같이 열전소자(11)의 방열면과 밀착고정되는 금속재의 냉각플레이트(12a); 및 상기 냉각플레이트(12a)의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 외측면이 상기 냉각플레이트(12a)와 접촉된 상태로 관통하고 내부에 열교환매체가 흐르는 유로를 갖는 안내관(12b);을 포함한다.
상기 냉각플레이트(12a)는 상기 열전소자(11)의 방열면에 직접 밀착고정되어 열전달을 수행하여 방열면을 냉각시키므로, 열전달이 우수하고 비용이 싼 알루미늄 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 냉각플레이트(12a)는 판상의 몸체로 구성되고, 상기 안내관(12b)이 관통할 수 있도록 복수 개의 구멍(12a-1)이 관통된다.
상기 안내관(12b)은 노출된 부분에 외기와 열교환을 차단할 수 있도록 단열부재(13)가 감싸여진다.
본 발명의 방열판(12)은 도 3과 같이 상기 냉각플레이트(12a)를 복수 개 구성하고, 상기 냉각플레이트(12a)의 각 구멍(12a-1)에 상기 안내관(12b)이 관통시켜 코일형상으로 감기게 하는 것이 좋다. 이와 같이 안내관(12b)이 냉각플레이트(12a)의 구멍(12a-1)을 관통하여 코일형상으로 감기게 되면, 안내관(12b)과 냉각플레이트(12a)의 접촉면적이 증가되므로 그만큼 안내관(12b) 내부를 흐르는 열교환매체의 냉각열이 열전소자(11)의 방열면에 전달되어 온도를 낮추게 된다.
둘째 실시예의 방열판(12)은 도 4 내지 도 8과 같이 열전소자(11)의 방열면과 밀착고정되고, 내부에 열교환매체를 저장하는 수납실(12c-1)이 형성되며 상기 수납실(12c-1)과 연통되게 입구(12c-2)와 출구(12c-3)가 관통되는 수납부재(12c); 및 상기 수납실(12c-1)을 개폐할 수 있도록 상기 수납부재(12c)에 착탈가능하게 조립되는 커버(12d);를 포함한다. 상기 수납부재(12c)와 커버(12d)가 보울트(B)에 의해 착탈가능하게 조립된다.
상기 방열판(12)의 수납부재(12c) 및 커버(12d)는 열교환매체가 통과할 때 충돌할 수 있도록 마찰돌기(12c-4)(12d-1)가 돌출형성되는 것이 바람직하다. 열교환매체가 상기 마찰돌기(12c-4)(12d-1)가 충돌하게 되면 순환액체는 난류 형태로 방열판(12)을 균일한 온도로 통과하게 된다.
상기 방열판(12)은 복수 개 설치할 수 있도록 도 17과 같이 방열판(12)을 경계로 양측에 분기관(12e)이 설치되고, 상기 양측 분기관(12e)에는 각 방열판(12)을 통과하는 연결관(12f)을 이음하여 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 방열판(12)들은 그 외측면이 열전소자(11)의 방열면에 밀착고정되어 그 내부를 통과하는 열교환매체에 의해 냉각되어 열전소자(11)의 방열면을 지속적으로 냉각시키게 된다. 그러므로 열전소자(11)의 냉각면은 종래 공랭식에 의해 냉각온도보다 더 낮아져 냉각효율이 향상된다.
한편, 본 발명에 따른 제2실시예 열교환 유니트는 도 9 내지 도 15에 도시된다.
상기 제2실시예의 열교환 유니트(2)는 내부 저장실(20a-1)에 냉각수가 충전된 냉각블록(20); 일측면이 상기 냉각블록(20)에 밀착고정되어 상기 냉각블록(20)을 냉각시키는 열전소자(11); 상기 열전소자(11)를 방열시킬 수 있도록 열전소자(11) 타측면에 밀착고정되는 방열판(12); 및 입,출구가 노출되도록 상기 냉각블록(20) 내부에 수밀가능하게 수용되어 상기 냉각수에 수장되는 열교환기(10);를 포함한다.
여기서, 상기 방열판(12)은 상기 열교환기(10)와 연결된 유로파이프(P)가 아닌 별도의 냉동싸이클의 유로파이프(P1)를 순환하는 열교환매체에 의해 냉각되어 상기 열전소자(11)의 방열면을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 냉각유니트.
상기 냉각블록(20)은 내부에 냉각수 및 상기 열교환기(10)를 수용하는 저장실(20a-1)이 형성되는 수조(20a); 및 상기 저장실(20a-1)을 수밀가능하게 밀폐할 수 있도록 상기 수조(20a)에 착탈가능하게 조립되는 덮개(20b);를 포함한다.
상기 냉각블록(20)은 저장실(20a-1) 내벽에는 냉각수와 접촉면적을 넓히기 위해 돌기(20a-2)가 돌출된다. 냉각블록(20)의 재질은 열전달이 우수한 알루미늄 재질을 사용하면 좋다.
상기 냉각블록(20)은 저장실(20a-1)에 냉각수가 충전되어 있으므로, 상기 냉각수에 열교환기(10)를 수장한 상태에서 열전소자(11)의 냉각면과 밀착고정되므로 그 열전소자(11)에 의해 냉각된다.
따라서 상기 냉각블록(20) 내부에 저장된 냉각수는 수장된 열교환기(10)를 상시 냉각시켜 냉각효율을 높이게 된다. 이러한 냉각블록(20)은 종래에 없는 기술로서 본 발명을 구성하는 중요한 요소이다.
상기 냉각수는 냉각블록(20)에 정지상태로 저장되어 있기 때문에 열전소자(11)에 의해 상시 냉각된 상태를 유지하게 되므로 열교환기(10)를 흐르는 작동액체를 종래보다 현저하게 저온상태로 냉각시키게 된다.
만약, 열교환기(10)를 사용하지 않고, 유로파이프(P)를 냉각블록(20)의 저장실(20a-1)과 연통되게 직접 연결하면 냉각블록(20) 자체가 열교환기가 되는데, 이 경우 냉각수는 정지되지 않고 유로파이프(P)를 순환하게 되어 순환액체가 되므로, 순환에 의해 저장실(20a-1)을 벗어나게 되면 열전소자(11)에 의해 냉각되지 않아 냉각효율이 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 저장실(20a-1) 내부에 냉각수를 담수상태로 채우고, 상기 열교환기(10)를 유로파이프(P)에 연결하여 상기 냉각수에 수장하였다.
여기서, 상기 냉각수는 본 발명에 적용할 수 있는 것은 모두 사용할 수 있고, 바람직하게는 열교환 효율이 좋으면서 결빙되지 않고, 수장된 열교환기(10)를 부식시키지 않은 액체를 사용하는 것이 좋다.
한편, 상기 냉각블록(20)은 외기로부터 열손실을 차단할 수 있도록 단열부재(13)가 씌워지는 것이 바람직하다.
상기 제2실시예 열교환 유니트에 사용된 상기 열전소자(11), 2종류의 방열판(12) 및 열교환기(10)는 이미 설명하였으므로 더 자세한 설명은 생략한다.
상기 제2실시예의 열교환 유니트(2)는 상기 열전소자(11)의 냉각면은 열교환기(10)를 수장하고 있는 냉각수를 냉각시킨다는 것에 있다. 따라서, 열교환기(10) 전체는 냉각수에 수장되어 잠기게 되는데, 이는 열교환기(10)가 단순히 열전소자(11)의 냉각면에 접촉되는 것과 냉각효율에 있어 큰 차이가 난다.
다시 말해, 열교환기(10)가 냉각수에 잠기게 되면 열교환기(10)는 전체 면적이 냉각수와 접촉하여 냉각수의 냉각잠열을 그대로 전달받아 급속히 냉각되어 냉각효율이 향상된다.
따라서, 본 발명은 도 16 내지 도 17과 같이 방열판(12)은 별도의 냉각사이클의 열교환매체에 의해 냉각되어 그와 밀착고정된 열전소자(11)의 방열면을 냉각시키게 되므로 종래 열교환 장치와 비교할 수 없을 정도로 우수한 냉각효율을 가지게 되는 유용한 발명이다.
1,2 : 열교환 유니트 10 : 열교환기
11 : 열전소자 12 : 방열판
12a : 냉각플레이트 12b : 안내관
12c : 수납부재 12d : 커버
13 : 단열부재 20 : 냉각블록
20a : 수조 20b : 덮개

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  4. 내부 저장실(20a-1)에 냉각수가 충전된 냉각블록(20);
    일측면이 상기 냉각블록(20)에 밀착고정되어 상기 냉각블록(20)을 냉각시키는 열전소자(11);
    상기 열전소자(11)를 방열시킬 수 있도록 열전소자(11) 타측면에 밀착고정되는 방열판(12); 및
    입,출구가 노출되도록 상기 냉각블록(20) 내부에 수밀가능하게 수용되어 상기 냉각수에 수장되는 열교환기(10);를 포함하며,
    여기서, 상기 방열판(12)은 상기 열교환기(10)와 연결된 유로파이프(P)가 아닌 별도의 냉동싸이클의 유로파이프(P1)를 순환하는 열교환매체에 의해 냉각되어 상기 열전소자(11)의 방열면을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 냉각블록(20)은 내부에 냉각수 및 상기 열교환기(10)를 수용하는 저장실(20a-1)이 형성되는 수조(20a); 및
    상기 저장실(20a-1)을 수밀가능하게 밀폐할 수 있도록 상기 수조(20a)에 착탈가능하게 조립되는 덮개(20b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 방열판(12)은 열전소자(11)의 방열면과 밀착고정되며, 내부에 상기 방열판을 냉각시키는 열교환매체를 저장하는 수납실(12c-1)이 형성되고, 상기 열교환매체가 상기 수납실(12c-1)을 출입할 수 있도록 수납실(12c-1)과 연통되게 입구와 출구가 관통되는 수납부재(12c); 및
    상기 수납실(12c-1)을 개폐할 수 있도록 상기 수납부재(12c)에 착탈가능하게 조립되는 커버(12d);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 방열판(12)은 열전소자(11)의 방열면과 밀착고정되는 금속재의 냉각플레이트(12a); 및
    상기 냉각플레이트(12a)와의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 외측면이 상기 냉각플레이트(12a)와 접촉된 상태로 관통하고 내부에 열교환매체가 흐르는 유로를 갖는 안내관(12b);을 포함하고,
    여기서, 상기 안내관(12b)는 열교환매체가 유로파이프를 순환할 수 있도록 상기 안내관(12b)와 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 수조(20a)는 저장실(20a-1) 내벽에 냉각수와 접촉면적을 증대시키는 돌기(20a-2)가 돌출되는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 수납부재(12c)의 수납실(12c-1) 또는 커버(12d) 또는 상기 저장실(20a-1)과 커버(12d)에 열교환매체가 충돌할 수 있도록 마찰돌기(12c-4)(12d-1)가 돌출되는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 냉각플레이트(12a)를 복수 개 구성하고, 상기 각 냉각플레이트(12a)에 상기 안내관(12b)을 수용하는 구멍(12a-1)이 관통되며, 상기 냉각플레이트(12a)의 각 구멍(12a-1)에 상기 안내관(12b)이 관통하여 코일형상으로 감기는 것을 특징으로 하는 열교환 유니트.


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