KR101529024B1 - 열전소자 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열전소자의 발열부의 냉각 시스템을 다양화하여 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은, 열전소자의 발열부의 열 방출 면적을 증가시켜 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.
아울러, 본 발명은, 열전소자의 발열부의 효율적인 냉각에 의하여 열전소자의 흡열부의 냉방 성능을 동시에 향상시키는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.

Description

열전소자 열교환기{HEAT EXCHANGER WITH THERMOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 열전소자 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열부에 수냉식과 공냉식을 동시에 적용함으로써, 열교환 효율을 높일 수 있는 열전소자 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), 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 본 발명에서는 펠티에 효과를 이용한 소자를 일예로 들어 설명한다.

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 발생된다.

도 1은 열전소자의 작동원리를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열전소자는 N형 반도체(전류 캐리어가 주로 전자인 반도체)와, P형 반도체(전류 캐리어가 주로 정공인 반도체)를 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 가열된다. 이 때, 냉각이 일어나는 상면(5)과 가열이 일어나는 하면(4) 사이에 적절한 열전달을 시키면, 열전소자는 상면(5)에서 하면(4)으로 열을 이동시키는 열펌프(heat pump)로서 작동하게 된다.

열전소자는 작동 환경에 따라 그 효율과 용량이 변화하게 되는데, 냉온 양측면의 온도차가 클수록 효율이 낮아지는 경향이 있다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서, 열전소자의 냉온 양측면의 온도차를 감소시켜 줄수록 열전소자의 효율이 상승하게 된다는 것을 알 수 있다.

도 2 (A) 및 도 2 (B)는 종래기술에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면이다. 도 2 (A)에는, 펠티에 효과에 의하여 열을 방출하는 발열부(12) 및 열을 흡수하는 흡열부(13)를 포함하는 열전소자(11), 열전소자(11)의 발열부(12) 위에 위치하는 지지 플레이트(19), 지지 플레이트(19) 위에 위치하며 공기와 열을 교환하는 열교환 핀(18), 열전소자(11)의 흡열부(13) 아래에 위치하며 내부에 냉각수가 지나가는 흡열부 튜브(15)를 포함하는 열전소자 열교환기가 도시되어 있다(선행기술 1). 도 2 (B)에는, 펠티에 효과에 의하여 열을 방출하는 발열부(52) 및 열을 흡수하는 흡열부(53)를 포함하는 열전소자(51), 열전소자(51)의 발열부(52) 위에 위치하며 내부에 냉각수가 지나가는 발열부 튜브(54), 열전소자(51)의 흡열부(53) 아래에 위치하며 내부에 냉각수가 지나가는 흡열부 튜브(55)를 포함하는 열전소자 열교환기가 도시되어 있다(선행기술 2).

그런데, 선행기술 1 및 선행기술 2는 발열부(12, 52)를 냉각하는 방식에 있어서, 선행기술 1은 열교환 핀(18)을 통하여 공기에 의하여, 선행기술 2는 발열부 튜브(54)의 내부를 지나는 냉각수에 의하여 냉각이 이루어지게 되어, 공냉식 또는 수냉식 중 어느 하나의 방식으로만 냉각할 수 밖에 없어 냉각 효율이 제한되었다. 더욱이, 선행기술 1에서는, 열전소자(11) 위에 직접 열교환 핀(18)을 부착하게 되면 견고하게 고정되지 않을 뿐만 아니라 열교환 핀(18)이나 열전소자(11)가 손상될 가능성이 있기 때문에, 열전소자(11) 위에 지지 플레이트(19)를 부착하고 그 바깥쪽에 열교환 핀(18)을 부착하여 열전달 효율이 저하되었다.

대한민국 특허출원 공개번호 제10-2008-0039115호 역시, 발열부를 한 가지 시스템 즉, 공냉식에 의존하여 냉각시키는 내용만을 개시하고 있다.

대한민국 특허출원 공개번호 제10-2008-0039115호

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은, 열전소자의 발열부의 냉각 시스템을 다양화하여 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 열전소자의 발열부의 열 방출 면적을 증가시켜 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 열전소자의 발열부의 효율적인 냉각에 의하여 열전소자의 흡열부의 냉방 성능을 동시에 향상시키는 열전소자 열교환기를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 열전소자 열교환기는 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 제 1 발열부 튜브(300); 일단에서 상기 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)와 접촉하고, 타단에서 공기와 접촉하는 히트 파이프(heat pipe; 500); 및 상기 제 1 열전소자(200)의 흡열부(220)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 흡열부 튜브(350)를 포함한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 히트 파이프(500)의 일단에는, 상기 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)의 길이 방향으로 나란히 연장하여 상기 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)와 접촉하는 연장부(500a)가 형성된다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 히트 파이프(500)는 상기 히트 파이프(500)의 상기 일단이 상기 히트 파이프(500)의 상기 타단보다 중력 방향으로 아래쪽에 위치한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 히트 파이프(500)의 상기 타단에는 열교환 핀(510)을 구비한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 흡열부 튜브(350)에 부착되는 흡열부(270)가 구비된 제 2 열전소자(250); 및 상기 제 2 열전소자(250)의 발열부(260)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 제 2 발열부 튜브(310)를 추가로 포함한다.

이와 같이 본 발명에 의한 열전소자 열교환기는 열전소자의 발열부의 냉각 시스템으로 수냉식과 공냉식을 함께 적용함으로써, 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.

또한 본 발명은 열전소자의 발열부로부터 열을 전달받아 방출하는 히트 파이프 및 열교환 핀을 구비함으로써, 열전소자의 발열부의 열 방출 면적을 증가시켜 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.

또한 본 발명은 열전소자의 효율적인 발열부의 냉각 시스템을 통해 열전소자의 흡열부의 냉방 성능을 동시에 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 열전소자의 작동원리를 도시한 개략도.
도 2는 종래기술에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예인 열전소자 열교환기를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열전소자 열교환기(100)는 열전소자(200)의 발열부(210)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 발열부 튜브(300), 일단에서 열전소자(200)의 발열부(210)와 접촉하고, 타단에서 공기와 접촉하는 히트 파이프(heat pipe; 500), 및 열전소자(200)의 흡열부(220)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 흡열부 튜브(350)를 포함한다.

발열부 튜브(300) 내부에 흐르는 냉각수는 발열부 튜브(300)의 좌측(400a)에서 방열기(radiator, 미도시)로부터 유입되어, 발열부 튜브(300) 내부를 통과한 후, 우측(400b)에서 방열기쪽으로 유출된다. 이 과정에서, 냉각수와 열전소자(200)의 발열부(210) 사이에서 열교환이 이루어진다. 즉, 방열기에서 냉각된 냉각수는 발열부 튜브(300)를 통하여 열전소자(200)의 발열부(210)의 열을 흡수하여 열전소자(200)의 발열부(210)를 냉각시킨 후, 가열된 상태에서 방열기로 유출되어 방열기에서 다시 냉각된다.

흡열부 튜브(350) 내부에 흐르는 냉각수는 흡열부 튜브(350)의 우측(400c)에서 실내 열교환기(미도시)로부터 유입되어, 흡열부 튜브(350) 내부를 통과한 후, 좌측(400d)에서 실내 열교환기쪽으로 유출된다. 이 과정에서, 냉각수와 열전소자(200)의 흡열부(220) 사이에서 열교환이 이루어진다. 즉, 열전소자(200)의 흡열부(220)는 실내 열교환기에서 가열된 냉각수로부터 열을 흡수하고, 냉각된 냉각수는 다시 실내 열교환기로 유출되어 냉방 기능을 위하여 이용될 수 있다.

한편, 발열부 튜브(300) 내부에 흐르는 냉각수와 흡열부 튜브(350) 내부에 흐르는 냉각수는 대향류를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 발열부 튜브(300) 내부의 냉각수의 흐름 방향을 흡열부 튜브(350) 내부의 냉각수의 그것과 반대로 할 경우, 열교환 효율이 높아짐으로써 열전소자의 작동효율을 향상시키는 효과가 있다.

히트 파이프(500)는 열전달에 주로 사용되는 전도체로서, 다수개가 짝을 이루어 배열되는 것이 바람직하며, 주로 원형 단면을 갖는 관 형상으로 이루어진다. 본 발명에 의한 히트 파이프(500)의 일단에는 열전소자(200)의 발열부(210)의 길이 방향으로 나란히 연장하여 열전소자(200)의 발열부(210)와 접촉하는 연장부(500a)가 형성된다. 이러한 구조에 의해 열전소자(200)의 발열부(210)와 히트 파이프(500) 사이에서 열교환이 이루어진다. 즉, 열전소자(200)의 발열부(210)에서 발생하는 열은 히트 파이프(500)로 전달된다.

히트 파이프(500)는 히트 파이프(500)의 일단이 히트 파이프(500)의 타단보다 중력 방향으로 아래쪽에 위치한다. 즉, 열전소자(200)의 발열부(210)로부터 히트 파이프(500)의 일단을 통하여 전달된 열은 히트 파이프의 타단으로 전달되는데, 열전달은 상승하는 방향일 때 높은 효율을 가지기 때문에, 이러한 열전달 특성을 충분히 활용하고자 함이다.

히트 파이프(500)의 타단에는 열교환 핀(510)을 구비할 수 있다. 열교환 핀(510)은 실질적으로 열전소자(200)의 발열부(210)가 공기와 접촉하는 면적을 증가시키는 효과를 가져오기 위한 것으로서, 열전소자(200)의 발열부(210)로부터 전달된 열이 히트 파이프(500)를 통하여 열교환 핀(510)으로 전달되고, 열교환 핀(510)을 통해 유통하는 공기 사이에서 열교환 효율을 높일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예인 열전소자 열교환기는, 열전소자의 발열부에서 이루어지는 냉각 시스템을 발열부 튜브를 통한 수냉식 뿐만 아니라 히트 파이프 및 열교환 핀을 통한 공냉식까지 접목하여 열교환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예인 열전소자 열교환기는, 열전소자의 발열부가 중간에 지지 플레이트를 개재하지 않고 직접 히트 파이프에 접촉하여 열교환 핀으로 열이 전달되는 구조로 형성됨으로써, 열전달 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

따라서, 종래기술에 의한 열전소자 열교환기에 비하여, 열전소자의 발열부의 냉각이 효율적으로 이루어지는 효과가 있다. 아울러, 열전소자의 효율적인 발열부의 냉각 시스템을 통해 열전소자의 흡열부의 냉방 성능을 동시에 향상시키는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기를 도시한 도면이다. 이하에서는, 도 3과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열전소자 열교환기에 추가적으로 열교환기를 세로로 적층할 수 있다. 즉, 흡열부 튜브(350)에 부착되는 흡열부(270)가 구비되는 추가적인 열전소자(250), 및 추가적인 열전소자(250)의 발열부(260)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 추가적인 발열부 튜브(310)를 적층할 수 있다. 이 때, 발열부 튜브(310)에 흐르는 냉각수는, 흡열부 튜브(300)에 흐르는 냉각수와 같이, 발열부 튜브(310)의 좌측(400e)에서 방열기(radiator, 미도시)로부터 유입되어, 발열부 튜브(310) 내부를 통과한 후, 우측(400f)에서 방열기쪽으로 유출된다.

또한, 추가적인 발열부 튜브(310)에 추가적인 히트 파이프(500)를 대칭적인 구조로 형성하여 열교환 효율을 더욱 높일 수 있다. 추가적인 히트 파이프(500)의 일단에는, 추가적인 열전소자(250)의 발열부(260)의 길이 방향으로 나란히 연장하여 추가적인 열전소자(250)의 발열부(260)와 접촉하는 연장부(500a)가 형성되고, 타단에는 열교환 핀(510)을 구비할 수 있다.

따라서, 열전소자(250), 흡열부 튜브(310), 및 히트 파이프(500)의 추가로 복수개의 열전소자를 포함하는 고용량의 열교환기를 매우 용이하고 간단하게 구현할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 열전소자 열교환기 200, 250: 열전소자
210, 260: 열전소자의 발열부 220, 270: 열전소자의 흡열부
300, 310: 발열부 튜브 350: 흡열부 튜브
500: 히트 파이프 500a: 연장부
510: 열교환 핀

Claims (5)

1. 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)에 부착되는 방열부재;
   상기 제 1 열전소자(200)의 흡열부(220)에 부착되는 흡열부재;를 포함하며,
   상기 방열부재(600)는 상기 발열부(210)에 부착되어 내부에 냉각수가 흐르는 제 1 발열부 튜브(300)와, 일단은 상기 제 1 발열부 튜브(300)에 부착되고, 타단은 공기와 접촉하는 히트 파이프(heat pipe; 500)를 포함하고,
   상기 흡열부재는 상기 흡열부(220)에 부착되어 내부에 냉각수가 흐르는 흡열부 튜브(350)를 포함하며,
   상기 히트 파이프(500)의 상기 타단에는 열교환 핀(510)을 구비하는 열전소자 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 히트 파이프(500)의 일단에는, 상기 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)의 길이 방향으로 나란히 연장하여 상기 제 1 열전소자(200)의 발열부(210)와 접촉하는 연장부(500a)가 형성되는 열전소자 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 히트 파이프(500)는 상기 히트 파이프(500)의 상기 일단이 상기 히트 파이프(500)의 상기 타단보다 중력 방향으로 아래쪽에 위치하는 열전소자 열교환기.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡열부 튜브(350)에 부착되는 흡열부(270)가 구비된 제 2 열전소자(250); 및
   상기 제 2 열전소자(250)의 발열부(260)에 부착되고 내부에 냉각수가 흐르는 제 2 발열부 튜브(310)를 추가로 포함하는 열전소자 열교환기.

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