KR101373225B1 - 열전모듈 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부피를 최소화하고 유로 상의 흐름저항 및 열저항을 저감시킴으로써 열교환성능을 향상시키는 열전모듈 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 평행한 2개 이상의 파이프들 사이에 플레이트를 부착하여 수냉플레이트를 형성함으로써 냉각수 유로를 단순화하며 또한 수냉플레이트의 두께를 크게 저감시킴으로써, 흐름저항 및 열저항을 개선하여 열교환성능을 높이고, 더불어 열교환기의 부피 저감 효과까지 얻을 수 있는 열전모듈 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 열전모듈 열교환기는, 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부에 형성되는 수냉플레이트(200), 상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉플레이트(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 단일 개의 단위 열교환기(500) 또는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 수냉플레이트(200)가 길이 방향으로 연장되며 소정 간격 이격되고 서로 평행한 적어도 한 쌍 이상의 파이프(231)들 및 상기 파이프(231)들을 폭 방향으로 서로 연결하는 유통로(232)로 이루어지는 유로(230); 및 상기 파이프(231)들 사이에 결합되며 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 적은 두께(t)를 가지는 플레이트(240); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
열전소자, 열전모듈, 열교환기, 수냉플레이트, 두께, 부피

Description

열전모듈 열교환기 {A Heat Exchanger using Thermoelectric Modules}
본 발명은 열전모듈 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부피를 최소화하고 유로 상의 흐름저항 및 열저항을 저감시킴으로써 열교환성능을 향상시키는 열전모듈 열교환기에 관한 것이다.
열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로도 프레온식 컴프레서나 흡열식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전모듈(Thermoelectric Module)이라 한다. 펠티에 효과란 서로 다른 두 개의 전기적 양도체에 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일측은 가열되고 타측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.
도 1은 이러한 열전모듈의 작동원리를 설명할 수 있는 간단한 회로를 도시하고 있다. N형 반도체(전류 캐리어가 주로 전자인 반도체)와 P형 반도체(전류 캐리어가 주로 정공인 반도체)를 도 1(A)와 같이 연결하고 직류 전원(3)을 인가하면 전자들은 시스템을 통과하는데 필요한 에너지를 얻게 되며, N형 반도체로부터 P형 반도체로 전자가 이동하는 과정에서, 상면(5)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수함으로써 상면(5)은 냉각되며, 하면(4)에서는 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 하면(4)은 가열되게 된다. 이 때, 냉각이 일어나는 상면(5)과 가열이 일어나는 하면(4) 사이에 적절한 열전달을 시키면, 열전모듈은 상면(5)에서 하면(4)으로 열을 이동시키는 열펌프(Heat Pump)로서 작동하게 된다. 열전모듈은 작동 환경에 따라 그 효율과 용량이 변화하게 되는데, 냉온 양측면의 온도차가 클수록 효율이 낮아지는 경향이 있다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서 열전모듈의 냉온 양측면의 온도차를 감소시켜 줄수록 열전모듈의 효율이 상승된다. 이와 같이 열전모듈은 전기에너지와 열에너지를 상호 교환할 수 있게 해 주는 소자이다.
도 1(B)는 일반적인 열전모듈의 형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 P형 반도체와 N형 반도체는 평면 상에 서로 교차되게 배열되어 도체에 의해 서로 연결되고, 상하에 기판이 덮여진다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 (+), (-)의 전기를 외부에서 인가해 주면, 역시 도시된 바와 같이 일측에서는 흡열 현상이, 타측에서 는 방열 현상이 발생하게 된다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 일반적으로 사용되는 열전모듈들은 다수 개의 P형 및 N형 반도체가 배열되고, 여기에 전기를 공급하기 위해 양, 음의 전선 1쌍이 결합된 형태로 이루어져 있다. 이와 같은 규격으로 만들어진 다수 개의 열전모듈들을 열교환기의 겉면에 배치하여 열전모듈 어레이를 형성함으로써, 열전모듈을 이용하여 열교환기의 열교환성능을 보다 향상시키려는 연구가 있어 왔다.
미국특허등록 제5,561,981호("Heat Exchanger for Thermoelectric Cooling Device", 이하 선행기술)에서는 도 2(A)에 도시된 바와 같이 열전모듈 열교환기(1000')의 중앙에 냉각수 유입구(210') 및 배출구(220')가 구비된 수냉블록(200')을 배치하고, 상기 수냉블록(200')의 바깥쪽에 다수 개의 열전모듈들이 배열되어 있는 열전모듈 어레이(100') 및 방열핀블록(300')을 배치하여 하나의 열교환기에서 냉각 및 가열이 동시에 가능하도록 구설하고 있다. 방열핀블록(300')은 다수 열의 핀이 평행으로 적층된 구조로 되어 있으며, 중앙의 수냉블록(200')과 방열핀블록(300')도 서로 평행으로 배치된다. 도 2(B)는 상기 종래기술에 의한 열전모듈 열교환기(1000')의 분해사시도로서, 도시된 바와 같이 상기 수냉블록(200')의 내부에는 복잡한 형상의 유로(230')가 형성되어 있다.
이와 같은 종래의 열전모듈 열교환기(1000')에서, 상기 유로(230')는 상기 수냉블록(200') 전체를 통과할 수 있도록 형성되어야만 하며, 따라서 상기 유로(230')는 필연적으로 도 2(B)에 도시된 바와 같이 다수의 휘는 부분을 가지는 매우 복잡한 형상으로 형성된다. 그런데, 이러한 복잡한 형상으로 인하여 상기 유 로(230')를 통과하는 냉각수의 흐름에 매우 큰 저항이 생기는 문제점이 있으며, 따라서 압력강하량이 증대되어 상기 종래의 열전모듈 열교환기(1000')로 냉각수를 공급하는 펌프의 파워도 증대되어야만 하는 문제점 또한 있다.
뿐만 아니라, 상기 수냉블록(200')은 상기 유로(230')로부터의 냉각수 누출을 방지할 수 있도록 내부 압력 또는 외부 힘에 의한 파손 등의 위험 요소를 고려하여 견고하게 제작되어야 하는 바, 상기 유로(230')가 있는 부분에서 일정 이상의 두께를 가지도록 형성되어야만 한다. 그러나 이와 같이 수냉블록(200')의 두께가 두꺼워지게 되면, 상기 유로(230') 내의 냉각유로부터 상기 열전모듈 어레이(100') 또는 상기 방열핀블록(300')으로의 열전달에 있어서 열저항이 커지게 되는 문제점이 있다. 즉 상기 수냉블록(200')의 두께가 두꺼워질수록 열저항이 커져 상기 종래의 열전모듈 열교환기(1000')의 열교환성능이 크게 저하되는 것이다.
뿐만 아니라, 상기 수냉블록(200')의 두께가 두꺼워짐에 따라, 상기 종래의 열전모듈 열교환기(1000')의 부피를 일정 수준 이하로 낮추는 것이 불가능해진다. 경량화 및 소형화 추세가 강해지고 엔진 룸 내의 공간 활용도가 높아지고 있는 현재 자동차 부품의 생산 경향에 비추어, 종래의 열전모듈 열교환기(1000')의 부피를 줄일 수 없다는 점은 생산에 있어서 매우 큰 문제점으로 여겨지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 평행한 2개 이상의 파이프들 사이에 플레이트를 부착하여 수냉플레이트를 형성함으로써 냉각수 유로를 단순화하며 또한 수냉플레이트의 두께를 크게 저감시킴으로써, 흐름저항 및 열저항을 개선하여 열교환성능을 높이고, 더불어 열교환기의 부피 저감 효과까지 얻을 수 있는 열전모듈 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전모듈 열교환기는, 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부에 형성되는 수냉플레이트(200), 상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉플레이트(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 단일 개의 단위 열교환기(500) 또는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 수냉플레이트(200)가 길이 방향으로 연장되며 소정 간격 이격되고 서로 평행한 적어도 한 쌍 이상의 파이프(231)들 및 상기 파이프(231)들을 폭 방향으로 서로 연결하는 유통로(232)로 이루어지는 유로(230); 및 상기 파이프(231)들 사이에 결합되며, 상기 파이프(231)들의 높이 방향으로 정가운데 위치에 배치되고, 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 적은 두께(t)를 가지는 플레이트(240); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 플레이트(240)는 하기의 식의 범위 내에 있는 두께(t)를 가지는 것이 더욱 바람직하다.
Figure 112008011933470-pat00001
(t: 상기 플레이트(240)의 두께, D: 상기 파이프(231)의 외부 직경, ta: 상기 열전모듈 어레이(100)의 두께)
또한, 상기 플레이트(240)는 상기 파이프(231)와 브레이징 결합 공정에 의하여 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유로(230)는 상기 파이프(231)들 중 최외곽에 배치된 파이프(231)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 유입구(210)를 형성하고, 반대쪽 최외곽에 배치된 파이프(213)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 배출구(220)를 형성하며, 상기 유입구(210) 또는 배출구(220)를 형성하지 않는 상기 파이프(231)들의 끝단들은, 상기 파이프(231)들과 상기 유통로(232)가 서로 연결되어 일방향의 단일 유동 경로를 형성하도록, 서로 이웃한 끝단들끼리 상기 유통로(232) 에 의하여 서로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유로(230)는 하나의 파이프가 U자형으로 벤딩되어 형성되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 형성되며, 상기 단위 열교환기(500)들의 상기 유입구(210)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 유입구(210)들로 냉각수를 분배하여 유입시키도록 냉각수 입구(410)가 형성되는 제1연통로(400a); 및 상기 단위 열교환기(500)들의 상기 배출구(220)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 배출구(220)들로부터 배출된 냉각수를 모아 배출시키도록 냉각수 출구(420)가 형성되는 제2연통로(400b); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에, 상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는 공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 상기 유입구(210) 및 상기 배출구(220)가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 수냉블록보다 훨씬 얇은 수냉플레이트의 구조를 도입함함으로써, 종래의 열전모듈 열교환기에 사용되는 수냉블록이 파손 및 냉각수의 누출을 방지하기 위한 견고성을 유지하기 위해 일정 수준 이상의 두께로 제작되어야만 했던 문제점을 해결하고, 충분한 견고함과 안정성을 가지면서도 열전모듈 열교환기의 부피를 크게 줄일 수 있게 해 주는 효과가 있다. 이와 같이 열전모듈 열교환기의 전체 부피를 줄임으로써 부품의 경량화 및 소형화를 실현하는 효과가 있으며, 엔진룸 내부의 공간 활용성을 크게 향상시키는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 수냉플레이트는 종래의 수냉블록과 비교하였을 때 훨씬 단순한 형상의 유로를 형성하게 됨으로써, 흐름저항을 크게 줄여 압력강하량을 저감시키는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 열전모듈 열교환기에 냉각수를 공급하는 펌프의 파워 역시 감소시킬 수 있어 시스템 전체의 에너지 효율을 높일 수 있게 해 주는 효과가 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 발명의 수냉플레이트는 종래의 수냉블록과 비교하여 훨씬 두께를 저감시키기 때문에, 본 발명의 수냉플레이트로부터 열전모듈 어레이 및 방열핀블록으로의 열저항 역시 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 본 발명의 수냉플레이트 구조를 도입한 열전모듈 열교환기의 열교환성능을 더욱 향상시키는 효과도 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열전모듈 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 열전모듈 열교환기(1000)의 정면도 및 측면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 열전모듈 열교환기(1000)는, 내부에 냉각수가 유 통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부에 형성되는 수냉플레이트(200), 상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉플레이트(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 단일 개의 단위 열교환기(500) 또는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 구성된다.
본 발명의 열전모듈 열교환기(1000)에서, 각 단위 열교환기(500)들의 유입구(210) 및 배출구(220)는 외측으로 연장 돌출되어 있는데, 상기 유입구(210)들끼리 또는 상기 배출구(220)들끼리를 연결하여 연통시키는 연통로(400a, 400b)가 더 구비된다. 상기 유입구(210)들을 연결하는 제1연통로(400a)에는 냉각수 입구(410)가, 상기 배출구(220)들을 연결하는 제2연통로(400b)에는 냉각수 출구(420)가 구비된다. 상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에, 상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 구비되는 것이 바람직하다.
도 3(A) 및 도 3(B)에서 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 정면에서 보았을 때 오른쪽으로부터 왼쪽으로 통과하는데, 고온의 공기가 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 통과하면서 저온이 된다. 또한, 도 3(A) 및 도 3(B)에서 상기 냉각수 입구(410)는 왼쪽에, 상기 냉각수 출구(420)는 오른쪽에 배치되는데, 저온의 냉각수가 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 통과하면서 고온이 된다. 따라서 도 3(A) 및 도 3(B)에서, 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 왼쪽에서는 저온의 공기 및 저온의 냉각수가, 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 오른쪽에서는 고온의 공기 및 고온의 냉각수가 각각 서로 열교환하게 된다. 일반적으로 열전모듈은 양쪽 온도차가 적을수록 높은 성능을 낸다는 점이 잘 알려져 있는 바, 이와 같이 공기와 냉각수가 대향류를 이루도록 유로를 설계함으로써 상기 열전모듈 열교환기(1000)의, 특히 상기 열전모듈 어레이(100)에서의 열교환성능을 더욱 높일 수 있다.
도 3(A) 및 도 3(B)에서는 공기가 오른쪽에서 왼쪽으로 통과하는 것으로 도시되어 있으므로 상기 냉각수 입구(410)가 왼쪽에, 상기 냉각수 출구(420)가 오른쪽에 배치되었으나, 물론 공기의 방향이 반대(왼쪽에서 오른쪽으로 통과)인 경우라면 상기 냉각수 입구(410)가 오른쪽에, 상기 냉각수 출구(420)가 왼쪽에 배치되어야 한다. 즉, 공기의 방향이 어느 쪽이라 하더라도 상기 냉각수 입구(410) 및 냉각수 출구(420)는 공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 형성되기만 하면 된다.
상술한 바와 같이 상기 유로(230)로 유통되는 냉각수와 상기 방열핀블록(300)을 통과하여 유통되는 공기는 서로 그 유동 방향이 직교하도록 되어 있으며, 또한 고온의 냉각수는 고온의 공기와, 저온의 냉각수는 저온의 공기와 열교환을 하는 대향류를 이루도록 되어 있다.
도 4는 본 발명에 의한 수냉플레이트(200)의 상면도이며, 도 5는 본 발명에 의한 수냉플레이트(200)의 정면도이다. 본 발명의 열전모듈 열교환기(1000)는, 종래에 내부에 유로(230')가 형성된 수냉블록(200')을 채용하였던 것과는 달리 수냉플레이트(200)를 채용한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 유로(230)는 길이 방향으로 연장되며 소정 간격 이격되고 서로 평행한 적어도 한 쌍 이상의 파이프(231)들 및 상기 파이프(231)들을 폭 방향으로 서로 연결하는 유통로(232)가 결합되어 이루어진다. 상기 파이프(231)들 중 최외곽에 배치된 파이프(231)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 유입구(210)를 형성하고, 반대쪽 최외곽에 배치된 파이프(213)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 배출구(220)를 형성한다. 또한, 상기 유입구(210) 또는 배출구(220)를 형성하지 않는 상기 파이프(231)들의 끝단들은, 상기 파이프(231)들과 상기 유통로(232)가 일방향의 단일 유동 경로를 형성하도록, 서로 이웃한 끝단들끼리 상기 유통로(232)에 의하여 서로 연결된다.
도 4(A)에는 상기 파이프(231)들이 1쌍이 있는 실시예를 도시하였으며, 이 경우 상기 유로(230)는 1개의 파이프를 U자 형상으로 벤딩함으로써 용이하게 제작할 수 있다. 도 4(B)에는 상기 파이프(231)들이 2쌍이 있는 실시예를 도시하였으며, 이 경우 상기 유로(230)는 1개의 파이프를 W자 형상으로 벤딩함으로써 역시 용이하게 제작할 수 있다. 물론 3쌍 이상의 파이프(231)들로 상기 유로(230)를 형성할 수도 있으나, 본 발명은 냉각수의 유동 경로를 단순화함으로써 흐름 저항을 저감시키고자 하는 목적을 가지고 있으므로, 상기 유로(230)는 1쌍의 파이프(231)들 로 이루어져 U자를 형성하는 것이 가장 바람직하다.
도 2(B)에 도시되어 있는 종래의 수냉블럭(200')의 유로(230')와 비교하였을 때, 본 발명의 유로(230)는 훨씬 단순한 형태로 되어 있으므로, 흐름 저항이 훨씬 저감되며, 따라서 본 발명의 유로(230)를 통과하는 냉각수의 압력강하량도 크게 줄어들게 된다. 물론 이에 따라, 상기 유로(230)로 냉각수를 유입시키는 펌프의 부하도 크게 줄일 수 있다.
상기 유로(230)를 형성하는 평행한 파이프(231)들 사이에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 플레이트(240)가 부착된다. 상기 플레이트(240)와 상기 파이프(231)는 브레이징 결합 공정에 의하여 결합되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 유로(230)와 상기 플레이트(240)가 결합되어 본 발명의 수냉플레이트(200)를 형성한다.
상기 플레이트(240)는 도 5(A)에 도시된 바와 같이 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 적은 두께(t)를 가진다. 상기 플레이트(240)의 두께(t)가 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 작게 형성됨으로써, 상기 수냉플레이트(200)의 상기 플레이트(240) 부분은 상기 수냉플레이트(200)의 최외곽보다 소정 깊이((D-t)/2)함몰되어 형성되게 된다.
상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에는 도 3에 도시된 바와 같이 열전소자 어레이(100)가 배치되고, 그 바깥쪽에 방열핀블록(300)이 배치된다. 즉, 상기 수냉플레이트(200)의 상기 플레이트(240) 부분에는 상기 열전소자 어레이(100)가 배치 되게 된다. 그런데, 본 발명의 수냉플레이트(200)의 상기 플레이트(240) 부분은 상술한 바와 같이 상기 수냉플레이트(200)의 최외곽보다 소정 깊이만큼 함몰되어 형성되기 때문에, 상기 열전소자 어레이(100)를 부착하였을 때 도 5(B)와 같은 형상이 된다.
상기 열전소자 어레이(100)의 두께를 ta라 할 때, 본 발명의 수냉플레이트(200)의 상하 양면에 상기 열전소자 어레이(100)를 결합한 조립체의 전체 두께(t0)는 상기 플레이트(240)의 두께(t)와 상기 열전소자 어레이(100) 두 층의 두께(2ta)를 합한 값이 된다. 즉 상기 조립체의 두께(t0)는 하기의 식으로 구할 수 있다.
Figure 112008011933470-pat00002
도 5(C)는 종래의 수냉블록(200')의 상하 양면에 열전소자 어레이(100)를 결합한 조립체를 도시하고 있다. 본 발명의 수냉플레이트(200)와 종래의 수냉블록(200')의 냉각수 유로 직경이 동일하다고 할 때(즉 본 발명의 파이프(231) 내부 직경과 종래의 수냉블록(200')의 유로(230') 직경이 d로 동일하다고 할 때), 상기 종래의 수냉블록(200')은 상기 유로(230')의 바깥쪽으로 ts만큼의 두께가 더해진 d+2ts의 두께를 갖게 되며, 여기에 열전소자 어레이(100') 두 층이 결합되면, 상기 종래의 수냉블록(200')의 상하 양면에 열전소자 어레이(100)를 결합한 조립체의 두께(t1)는 하기의 식으로 구할 수 있다.
Figure 112008011933470-pat00003
도 5(B) 및 도 5(C) 또는 위의 두 수식들을 비교하여 볼 때, 본 발명의 수냉플레이트(200) 및 열전소자 어레이(100)들의 조립체 두께(t0)와 종래의 수냉블록(200') 및 열전소자 어레이(100')들의 조립체 두께(t1)를 비교하면, 본 발명의 조립체 두께(t0)가 훨씬 작아진다는 것이 자명하다.
상기 플레이트(240)의 두께(t)는 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 작아야 함은 당연하다. 또한, 상기 열전소자 어레이(100)를 상기 플레이트 양면에 부착하였을 때 상기 열전소자 어레이(100)가 상기 수냉플레이트(200) 최외곽 면과 동일 높이에 있거나 또는 더 높은 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서 상기 조립체의 두께(t0)는 상기 파이프(231)의 외부 직경(D)보다 크거나 같은 것(t0 ≥ D)이 바람직하다. 따라서 상기 플레이트(240)의 두께(t)는 하기의 식과 같이, D보다 작고 D-2ta보다 같거나 큰 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다.
Figure 112008011933470-pat00004
본 발명의 상기 수냉플레이트(200) 및 열전소자 어레이(100)들의 조립체 외곽에 방열핀 블록(300)이 부착됨으로써 하나의 단위 열교환기(500)가 형성되는데, 상술한 바와 같이 본 발명의 수냉플레이트(200)를 채용한 단위 열교환기(500)는 종래의 수냉블록(200')을 채용하는 경우와 비교하였을 때 단위 열교환기(500)의 부피 를 훨씬 줄일 수 있게 된다. 특히, 열전모듈 열교환기(1000)는 상기 단위 열교환기(500)를 단일 개 사용하여 구성될 뿐만 아니라 다수 개 높이 방향으로 적층되어 구성될 수 있는 바, 다수 개의 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 구성될 경우 이와 같은 부피 저감 효과는 더욱 커지게 된다. 따라서 본 발명의 수냉플레이트(200)를 채용한 열전모듈 열교환기(1000)는 전체 부피가 크게 줄어들 수 있게 되며, 물론 이에 따라 엔진룸 내부의 공간 활용성도 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 수냉플레이트(200)를 채용하는 열전모듈 열교환기(1000)는 종래보다 열교환성능 역시 향상된다. 상술한 바와 같이 상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에는 열전소자 어레이(100) 층이 부착되고, 그 외측에 방열핀블록(300)이 부착되어 단위 열교환기(500)가 형성된다. 따라서 본 발명의 경우, 본 발명의 조립체 두께(t0)가 종래보다 훨씬 작아짐으로써 열저항이 크게 줄어들기 때문에, 유로(230) 내부의 냉각수로부터 열전소자 어레이(100) 또는 상기 방열핀블록(300)으로의 열전달이 종래보다 훨씬 쉽게 잘 일어나게 되며, 궁극적으로는 열전모듈 열교환기(1000) 전체적인 열교환성능이 훨씬 증가하게 된다.
상기 유로(230)를 형성하는 파이프는 도면에서와 같이 원형이어도 무방하나, 물론 타원, 다각형 등 어떤 형상으로 형성되어도 무방하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하 는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 열전모듈의 작동원리.
도 2는 종래기술에 의한 열전모듈 열교환기.
도 3은 본 발명에 의한 열전모듈 열교환기의 정면도 및 측면도.
도 4는 본 발명에 의한 수냉플레이트의 상면도.
도 5는 본 발명에 의한 수냉플레이트의 정면도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1000': (종래의) 열전모듈 열교환기
100': (종래의) 열전모듈 어레이 200': (종래의) 수냉블록
210': (종래의) 유입구 220': (종래의) 배출구
230': (종래의) 유로 300': (종래의) 방열핀블록
500': (종래의) 단위 열교환기
1000: 열전모듈 열교환기
100: 열전모듈 어레이 200: 수냉플레이트
210: 유입구 220: 배출구
230: 유로 300: 방열핀블록
400a: 제1연통로 400b: 제2연통로
410: 냉각수 입구 420: 냉각수 출구
500: 단위 열교환기

Claims (8)

  1. 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부에 형성되는 수냉플레이트(200), 상기 수냉플레이트(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉플레이트(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 단일 개의 단위 열교환기(500) 또는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 구성되며,
    상기 수냉플레이트(200)가
    길이 방향으로 연장되며 소정 간격 이격되고 서로 평행한 적어도 한 쌍 이상의 파이프(231)들 및 상기 파이프(231)들을 폭 방향으로 서로 연결하는 유통로(232)로 이루어지는 유로(230); 및
    상기 파이프(231)들 사이에 브레이징 공정에 의해 결합되며, 상기 파이프(231)들의 높이 방향으로 정가운데 위치에 배치되고, 두께(t)가 하기의 식을 만족시키도록 형성되는 플레이트(240);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
    Figure 112013120162077-pat00005
    (t: 상기 플레이트(240)의 두께, D: 상기 파이프(231)의 외부 직경, ta: 상기 열전모듈 어레이(100)의 두께)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유로(230)는
    상기 파이프(231)들 중 최외곽에 배치된 파이프(231)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 유입구(210)를 형성하고, 반대쪽 최외곽에 배치된 파이프(213)의 일측 끝단은 외부로 개방되어 냉각수의 배출구(220)를 형성하며,
    상기 유입구(210) 또는 배출구(220)를 형성하지 않는 상기 파이프(231)들의 끝단들은, 상기 파이프(231)들과 상기 유통로(232)가 서로 연결되어 일방향의 단일 유동 경로를 형성하도록, 서로 이웃한 끝단들끼리 상기 유통로(232)에 의하여 서로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 유로(230)는
    하나의 파이프가 U자형으로 벤딩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는
    적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 형성되며,
    상기 단위 열교환기(500)들의 상기 유입구(210)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 유입구(210)들로 냉각수를 분배하여 유입시키도록 냉각수 입구(410)가 형성되는 제1연통로(400a); 및
    상기 단위 열교환기(500)들의 상기 배출구(220)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 배출구(220)들로부터 배출된 냉각수를 모아 배출시키도록 냉각수 출구(420)가 형성되는 제2연통로(400b);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에,
    상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는
    공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 상기 유입구(210) 및 상기 배출구(220)가 배치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
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