KR101713715B1 - 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 다른 냉각 시스템은 냉각 대상물과 접촉하는 일면과, 일면의 반대면인 타면을 포함하며, 전기의 공급에 의하여 일면은 냉각되고 타면은 발열하도록 된 열전 소자, 열전 소자의 타면 상에 위치하며, 열전 소자로부터의 발열에 의하여 냉각수를 기화하도록 된 진공 챔버, 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 냉각수를 유입 받는 냉각수 리저버, 그리고 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 냉각수를 작동 유체와의 열교환을 통하여 냉각시키는 열교환기를 포함한다.

Description

냉각 시스템{COOLING SYSTEM}

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 펠티어 냉각 시스템에 관한 것이다.

자동차에는 차량 내부의 냉, 난방과 환기 또는 하이브리드 차량과 같은 환경차의 에너지 공급 장치인 고전압 배터리의 온도를 낮추기 위한 목적으로 공조 장치가 설치된다.

이러한 공조 장치에는 엔진을 냉각하면서 고온으로 가열된 냉각수를 순환시켜 주위의 공기를 가열하고, 이렇게 가열된 공기를 차량의 내부로 순환시키는 난방 장치와 냉매를 순환시켜 주위 공기의 열을 흡수하는 냉동 사이클을 사용하여 공기를 냉각시킨 후 냉각된 공기를 차량의 내부로 순환시키는 냉방 장치로 구분된다.

냉방 장치의 냉동 사이클은 엔진의 구동에 의해 냉매를 고온 고압의 기체 상태로 압축시키고, 다시 압축된 냉매를 공급받아 열을 방출하고 응축시키는 등의 과정을 거치는 것으로, 차량의 엔진 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

이에, 다양한 펠티어 소자를 이용한 차량의 냉난방 장치를 이용하는 기술이 개발되고 있다.

이러한, 펠티어 소자는 한 쪽면에서 히트 펌프 역할을 수행함으로써 다른 면에서 냉방력(흡열량)이 발생되는데, 냉방력을 증대하려면 펠티어 소자가 적재되는 방열부의 단면적을 넓히든지 단위 면적당 방열 성능을 향상시켜야 한다.

그러나, 외기 온도에 비해서 펠티어 소자의 고온부의 온도가 높지 않아, 외부로 방열하는데 있어 어려움이 있다. 이를 해결하고자 외부로 방열하는 대신 냉각수로 방열할 수 있으나, 냉각수로 방열할 경우 초기에는 성능이 좋으나 차량에서는 결국 외부 공기로 방열되어야 하며, 시스템 구성 시 냉각수 온도는 계속 증가하는 경향이 있어 일정 시간이 지난 후에는 냉각수를 통한 실제적 이득이 크지 않다.

이처럼, 펠티어를 이용할 경우 절대적인 방열량 부족으로 냉방력 증대가 거의 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 펠티어 소자의 방열량을 극대화하여 냉방력을 증대시킬 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 다른 냉각 시스템은 냉각 대상물과 접촉하는 일면과, 일면의 반대면인 타면을 포함하며, 전기의 공급에 의하여 일면은 냉각되고 타면은 발열하도록 된 열전 소자, 열전 소자의 타면 상에 위치하며, 열전 소자로부터의 발열에 의하여 냉각수를 기화하도록 된 진공 챔버, 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 냉각수를 유입 받는 냉각수 리저버, 그리고 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 냉각수를 작동 유체와의 열교환을 통하여 냉각시키는 열교환기를 포함한다.

상기 진공 챔버, 냉각수 리저버, 그리고 열교환기는 냉각수의 흐름을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.

상기 진공 챔버, 열교환기, 그리고 냉각수 리저버는 냉각수의 흐름을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.

상기 진공 챔버를 둘러싸는 단열재를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각수 리저버는 상기 기체 상태의 냉각수가 흐르는 냉각관, 냉각관과 열교환을 통하여 상기 기체 상태의 냉각수를 냉각시키는 냉각유체를 포함하고, 냉각관은 상기 냉각 유체에 잠겨있을 수 있다..

상기 열교환기는 외기와 냉각수를 열교환시키는 공냉식 열교환기일 수 있다.

상기 진공 챔버는 다공성 물질로 이루어지며, 상기 다공에 흡수된 냉각수에 열을 공급하여 냉각수를 기화시키도록 된 다공 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 진공 챔버는 상기 열전 소자의 타면과 접촉하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에서와 같이 냉각 시스템을 형성하면, 펠티어 소자를 이용한 냉방력을 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템에서의 증발 잠열과 압력 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템(1000)은 열전 소자(100), 열전 소자(100) 위에 위치하는 진공 챔버(200), 진공 챔버(200)를 둘러싸는 단열재(300), 진공 챔버(200)와 연결된 냉각수 리저버(reservoir)(400), 냉각수 리저버(400)와 연결된 열교환기(500)를 포함한다.

열전 소자(100)는 펠티어 소자일 수 있다. 펠티어 소자는 전기를 공급하면 일면은 냉각되고, 타면은 발열될 수 있다. 따라서, 열전 소자(100)의 냉각되는 일면은 냉각하고자 하는 대상물(40)과 접촉하도록 배치하고, 발열하는 타면은 진공 챔버(200)와 접촉하도록 설치될 수 있다.

진공 챔버(200)는 열전 소자(100)에서 발열되는 타면과 접촉하도록 위치한다.

진공 챔버(200)는 진공 상태를 유지할 수 있는 공간을 가지는 챔버(22)와 챔버 내부에 설치된 다공부재(24)를 포함한다.

챔버(22)는 열의 이동을 용이하게 하기 위해서 열전도도가 높은 물질로 이루어지는 전도부(22a)와 전도부에 비해서 열전도율이 낮은 비전도부(22b)를 포함할 수 있다. 전도부(22a)는 열전 소자와 접촉하는 챔버의 바닥면(2)과, 상기 바닥면(2)에 연결되어 챔버의 공간을 형성하는 측벽(4)을 포함할 수 있다. 따라서, 열전 소자로부터 전달된 열은 전도부(22a)를 통해서 챔버(22) 내부의 다공부재(24)로 용이하게 전달된다.

다공 부재(24)는 액체 상태의 냉각수를 용이하게 기화시키기 위한 것으로, 복수의 기공을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 이는 금속표면에 다공물질을 용사(Thermal spay) 등의 방식으로 코팅할 수 있으며, 공급된 액체는 모세관 현상에 의해 다공층에 형성된 기공 내부로 확산되어 얇은 액막을 형성시킴으로써 증발이 용이하게 될 수 있도록 한다. 다공물질을 코팅한 표면에 공급된 다공 부재(24)는 챔버(22) 내부의 압력에도 형태를 유지할 수 있는 물질 일 수 있으며, 예를 들어, 다공 부재(24)는 콘크리트나 모르타르 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 다공 부재(24)에 포함된 기공의 크기 및 밀도를 조절하여 냉각수의 기화량을 제어할 수 있다.

다공 부재(24)는 열전 소자(100)로부터 전달되는 열을 공급받아 기공 내에 흡착된 냉각수를 기화시킨다. 따라서, 다공 부재(24)는 열전 소자(100)로부터 최대한 많은 열을 공급받기 위해서 전도부(22a)와 접촉하도록 설치될 수 있으며, 챔버(22)의 바닥면(2) 및 측벽(4) 상에 설치될 수 있다.

챔버(22)는 진공 펌프(50)와 연결되어 있으며, 진공 펌프(50)는 챔버(22) 내의 압력을 조절하도록 되어 있다.

단열재(300)는 챔버(22) 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위한 것으로, 챔버(22)의 측벽을 둘러싸도록 설치하는 것이 바람직하다.

냉각수 리저버(400)는 수증기를 냉각하기 위한 냉각유체, 냉각 유체를 저장하는 저수조, 냉각 유체에 잠긴 상태인 냉각관(42)을 포함한다. 예를 들어, 냉각 유체는 물일 수 있다. 냉각관(42)는 냉각수 리저버(400)와 연결되는 배관(8, 9) 사이를 연결하도록 설치된다.

챔버(22)로부터 배관(8)을 통해서 냉각수 리저버(400)로 공급되는 수증기 형태의 냉각수는 코일 형태의 냉각관(42)을 통과하면서 응축된 후 배관(9)을 통해서 배출될 수 있다. 이때, 냉각관(42)은 냉각 유체에 잠기도록 설치되어 있다. 코일 형태로 냉각관(42)을 설치하면 수증기와 냉각 유체와의 접촉 면적 및 시간을 증가시켜 용이하게 냉각관 내의 수증기를 응축시킬 수 있다.

수증기가 응축되면서 발생하는 잠열에 의해서 냉각수 리저버(400) 내의 냉각 유체의 온도는 상승할 수 있다.

열교환기(500)는 외기를 이용하여 열교환하는 공냉식 열교환기 일 수 있다. 열교환기(500)는 냉각수 리저버(400)로부터 전달되는 응축된 냉각수를 대기와 열교환하여 냉각수의 온도를 외기 온도까지 낮춘다. 냉각수 리저버(400)에 저장되는 냉각 유체는 잠열에 의해서 온도가 상승하여 외기 온도보다 높을 수 있고, 이로 인해서 배관(9)을 통해서 열교환기(500)로 유입되는 냉각수의 온도도 외기 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 열교환기(500)를 이용하여 냉각수의 온도를 낮춘 후 배관(10)을 통해서 챔버(22)로 유입되도록 한다.

이처럼, 본 발명의 한 실시예에서와 같이 냉각 시스템을 제작하면 외부에서 추가적인 냉각수의 공급이 없는 폐회로를 이루어, 열전 소자의 방열량을 증가시킬 수 있다.

이에 대해서는 도 2와 기 설명한 도 1을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템에서의 증발 잠열과 압력 변화를 도시한 그래프이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템을 이용하면 냉각수인 물은 S1, S2, S3, S4 순으로 증발 잠열 및 압력이 변화하면서 폐회로를 형성하면서 순환할 수 있다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 시스템에서, 펌프에 의해서 진공 상태인 챔버(22) 내에 냉각수로 물이 공급된다. 물의 증발은 압력이 낮을수록 낮은 온도에서도 가능하므로, 진공 펌프(50)를 이용하여 챔버(22) 내부를 진공 상태로 유지 하는 것이 바람직하다.

진공 상태는 열전 소자(100)의 표면 온도, 다공 물질 부위의 온도 또는 챔버 내 압력에 따라서 제어될 수 있으며, 진공 챔버(22)의 토출부를 통해서 기체 상태의 냉각수가 토출되는 압력을 측정한 후, 진공 상태를 조절할 수 있다.

챔버(22)에 공급된 물은 챔버 내의 다공 부재(24)에 의해서 챔버(22) 내에 분산된다. 이때, 냉각수는 상온의 액체 상태(S1)이다.

이후, 열전 소자(100)를 작동시키면 열전 소자(100)의 고온부의 열이 챔버의 전도부(22a)를 통해서 전도되고, 전도된 열은 챔버(22) 내의 냉각수에 전달된다.

챔버(22) 내의 냉각수는 열을 흡수하면서 증발하여 기체 상태(S2)가 된다. 이때, 챔버 내의 냉각수가 증발하기 위해서는 증발 잠열을 필요로 하게 되며, 증발 잠열은 열전 소자의 고온부로부터 공급될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서와 같이 진공 상태에서는 대기압 상태에서보다 더 많은 증발 잠열을 흡수하여, 더욱 빠르게 고온부가 냉각될 수 있다.

이처럼, 냉각수가 증발 하면서 열전 소자(100)의 고온부의 열을 빼앗아 가므로, 저온부의 온도는 더욱 내려가게 된다. 따라서 열전 소자(100)가 설치된 냉각 대상물(40)이 냉각된다.

이후, 기체 상태의 냉각수는 챔버(22)의 상부로 이동하고, 진공 펌프(50)에 의해서 챔버(22) 밖으로 배출된 후, 배관(8)을 통해서 냉각수 리저버(400)로 유입된다. 이때, 냉각수는 수증기 상태로 진공 펌프(50)에 의해서 압축되어 수증기의 온도가 증가(S3)한 상태로 냉각수 리저버(400)로 공급될 수 있다.

냉각수 리저버(400)에 유입된 수증기는 냉각관(42)을 통해서 냉각 유체와 열교환으로 냉각되면서 응축되어 액체 상태(S4)가 된다. 이때, 냉각수 리저버(400)로 유입된 수증기는 응축되면서 잠열을 발생시킨다. 발생된 잠열은 냉각수 리저버(400) 내의 온도를 상승시켜, 냉각수 리저버(400)에 저장된 냉각 유체의 온도가 상승할 수 있다.

이후, 냉각수 리저버(400)에서 액체 상태인 냉각수는 배관(9)을 통해서 열교환기(500)로 유입된 후, 외기와 열교환되어 상온인 상태(S1)에서 배관(10)을 통해 챔버(22)로 공급될 수 있다. 챔버(22) 내부로 공급되는 냉각수의 양은 많지 않아 용이하게 상온을 유지시킬 수 있다.

이때, 챔버(22)에 공급되는 냉각수는 펌프를 이용하여 공급하거나, 수위차에 따른 압력차를 이용하여 공급할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 3의 냉각 시스템은 대부분 도 1의 냉각 시스템과 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.

도 3에 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 시스템(1002)은 열전 소자(100), 열전 소자(100) 위에 위치하는 진공 챔버(200), 진공 챔버(200)를 둘러싸는 단열재(300), 진공 챔버(200)와 연결된 열교환기(500), 열교환기(500)와 연결된 냉각수 리저버(400)를 포함한다.

도 3의 냉각 시스템(1002)은 챔버(22)로부터 배출되는 수증기가 열교환기(500)에서 열교환되어 냉각된 후, 냉각수 리저버(400)로 유입된다.

냉각수 리저버(400)로 유입되는 수증기는 열교환기(500)에서 냉각된 상태에서 유입되므로, 냉각유체를 통해서 수증기가 냉각되어 응축되는 시간이 줄어들 수 있다. 이때, 응축 시 발생하는 잠열은 도 1의 냉각 시스템에서 응축 시 발생하는 잠열보다 적다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

2: 바닥면 4: 측벽
8, 9, 10: 배관 22: 챔버
22a: 전도부 22b: 비전도부
24: 다공부재 40: 대상물
42: 냉각관 50: 진공펌프
200: 진공 챔버 300: 단열재
400: 냉각수 리저버 500: 열교환기
100: 열전소자 1002, 1004: 열전소자

Claims (8)

1. 냉각 대상물과 접촉하는 일면과, 상기 일면의 반대면인 타면을 포함하며, 전기의 공급에 의하여 일면은 냉각되고 타면은 발열하도록 된 열전 소자,
   상기 열전 소자의 타면 상에 위치하며, 열전 소자로부터의 발열에 의하여 냉각수를 기화하도록 된 진공 챔버,
   상기 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 냉각수를 유입 받는 냉각수 리저버, 그리고
   상기 진공 챔버에서 기화된 기체 상태의 상기 냉각수를 작동 유체와의 열교환을 통하여 냉각시키는 열교환기
   를 포함하고,
   상기 진공 챔버는 복수의 기공을 가지는 다공성 물질로 이루어지며, 상기 다공에 흡수된 상기 냉각수에 열을 공급하여 상기 냉각수를 기화시키도록 된 다공 부재를 더 포함하는 냉각 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 진공 챔버, 상기 냉각수 리저버, 그리고 상기 열교환기는 상기 냉각수의 흐름을 따라 순차적으로 배치되어 있는 냉각 시스템.
3. 제1항에서,
   상기 진공 챔버, 상기 열교환기, 그리고 상기 냉각수 리저버는 상기 냉각수의 흐름을 따라 순차적으로 배치되어 있는 냉각 시스템.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 진공 챔버를 둘러싸는 단열재를 더 포함하는 냉각 시스템.
5. 제1항에서,
   상기 냉각수 리저버는 상기 기체 상태의 냉각수가 흐르는 냉각관,
   상기 냉각관과 열교환을 통하여 상기 기체 상태의 냉각수를 냉각시키는 냉각유체를 포함하는 냉각 시스템.
6. 제1항에서,
   상기 열교환기는 외기와 상기 냉각수를 열교환시키는 공냉식 열교환기인 냉각 시스템.
7. 제1항에서,
   상기 다공성 물질은 콘크리트 또는 모르타르를 포함하는 냉각 시스템.
8. 제1항에서,
   상기 진공 챔버는 상기 열전 소자의 타면과 접촉하도록 배치되는 냉각 시스템.

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