KR101898805B1 - 국부 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국부 냉난방 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 국부 냉난방 장치는 쿠션 내부에 형성되고 전류에 의해 제 1 발열부와 반대쪽 제 2 발열부에 저온부 또는 고온부를 형성하는 열전 소자, 일측면은 상기 제 1 발열부와 접촉하여 상기 제 1 발열부로부터 발생하는 열을 전달하고, 타측면은 신체의 국부와 접촉하며, 박판 진동형 히트파이프로 형성된 국부 접촉부 및 상기 타측면에 형성되어 상기 타측면으로부터 발생하는 열을 방열시키는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

국부 냉난방 장치{APPARATUS FOR COOLING AND HEATING A SPECIFIC PART OF BODY}

본 발명은 국부 냉난방 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베개 또는 쿠션 형태로 형성되어 목과 같은 신체의 국부와 접촉하며 냉난방시키는 국부 냉난방 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 냉난방장치가 형성되어 있어서, 운전자의 조작에 의하여 자동 내부의 환기나 냉난방 등의 각종 공기조화기능을 수행하여 자동차 내부의 운전자나 탑승자에게 쾌적한 환경을 제공한다.

엔진을 이용하는 자동차에 있어서는 엔진에서 발생되는 열을 난방에 사용하거나, 엔진 구동력을 이용하여 자동차용 HVAC(heating, ventilation, air conditioning) 시스템의 압축기를 가동하여 냉난방장치에 활용하도록 설계되나, 최근에 상용화되어 보급화되고 있는 전기자동차에는 기존 엔진을 이용하는 자동차의 냉난방 장치를 적용할 수는 없다. 기존의 차량용 HVAC 시스템을 전기자동차의 냉난방장치에 이용하는 경우 전기사용량이 많아서 주행거리의 감소와 출력 저하에 따른 주행속도의 감소와 같은 문제를 초래할 수가 있기 때문이다. 이와 같은 전기차 HVAC 시스템의 문제점을 해결하는 것은 상용성 향상을 위하여 필수적이다.

따라서, 최소의 소비전력으로 냉난방 효과를 극대화할 수 있는 전기자동차용 냉난방 장치가 요구된다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0025040호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전 소자로부터 발생하는 열을 열전도 효율이 아주 높은 박판 진동형 히트파이프로 전달받아 목과 같은 열에 민감한 신체의 국소 부위와 접촉하여 전달함으로써 적은 전력으로 냉난방 효과를 극대화시킬 수 있는 국부 냉난방 장치를 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 쿠션 내부에 형성되고 전류에 의해 제 1 발열부와 반대쪽 제 2 발열부에 저온부 또는 고온부를 형성하는 열전 소자; 일측면은 상기 제 1 발열부와 접촉하여 상기 제 1 발열부로부터 발생하는 열을 전달하고, 타측면은 신체의 국부와 접촉하며, 박판 진동형 히트파이프로 형성된 국부 접촉부; 및 상기 타측면에 형성되어 상기 타측면으로부터 발생하는 열을 방열시키는 방열부를 포함하는 국부 냉난방 장치에 의해 달성될 수가 있다.

여기서, 상기 쿠션은 차량의 좌석에 착탈 가능하게 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 신체의 국부는 착석자의 목 부위일 수가 있다.

여기서, 상기 쿠션의 일측에는 상기 방열부로부터 방열된 열을 외부로 보내는 통풍구가 형성될 수가 있다.

또한, 상기 방열부는 방열핀 또는 파이프형 히트파이프로 형성될 수가 있다.

또한, 열전달 계수가 낮은 물질로 상기 열전 소자의 둘레에 형성되어 상기 제 1 발열부와 상기 제 2 발열부 사이의 상호 열전달을 차단하는 열전달 차단부를 더 포함할 수가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 국부 냉난방 장치에 따르면 20W이하의 최소전력으로 냉난방 효과를 극대화시킬 수가 있다는 장점이 있다.

또한, 공기를 냉각 또는 가열시키는 구조가 아니라 열전 소자로부터 발생한 저온의 열 또는 고온의 열을 박판 진동형 히트파이프로 전달받아 신체의 국부와 접촉하여 전달하는 구조이기 때문에 팬과 같은 별도의 송풍 장치가 필요 없어서 구조가 간단하고 소음이 발생하지 않는다는 장점도 있다.

또한, 열전달 성능이 아주 높은 박판 진동형 히트파이프를 사용함으로써 동작 시 즉각적으로 냉난방 효과를 발생시킬 수 있다는 장점도 있다.

또한, 박판 진동형 히트파이프를 열전 소자의 발열부에 밀착시킬 수가 있어서 접촉 열저항을 최소로 할 수가 있으므로, 접촉 열저항에 의해 열전달율이 낮아지는 것을 최소화할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 신체 부위의 형상에 따라 박판 진동형 히트파이프의 형상 변형이 가능하므로, 박판 진동형 히트파이프를 신체 부위에 밀착시킬 수가 있어서 냉난방 효과를 극대화시킬 수 있다는 장점도 있다.

또한, 기존의 차량용 냉난방 장치에 비해 저렴하다는 장점도 있다.

도 1은 차량의 좌석에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 후면을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 박판 진동형 히트파이프를 도시하는 도면이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 국부 냉난방 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 차량의 좌석에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 구성을 도시하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치의 후면을 도시하는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 박판 진동형 히트파이프를 도시하는 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 국부 냉난방 장치(100)는 전기자동차의 냉난방 장치에 사용되도록 발명되었으나, 엔진을 이용하는 자동차의 기존 냉난방 장치에 부가하여 냉난방 효과를 극대화하기 위한 장치(100)로 사용될 수도 있다. 또한, 도 2와 같이 쿠션의 형태로 제작되어 일반 의자에 장착하여 사용될 수도 있으며 베개 형태로 제작되어 국부의 냉난방 장치(100)로 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 국소 냉난방 장치(100)가 차량에 사용되는 경우, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 차량의 좌석(200)에 착석자의 목 부위를 지지하는 위치에 형성될 수가 있다. 이때, 상기 국소 냉난방 장치(100)는 차량의 좌석(200)에 일체로 형성될 수도 있으나, 쿠션 형태로 형성되어 차량의 좌석(200)에 착탈 가능하게 형성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 국부 냉난방 장치(100)는 열전 소자(110), 국부 접촉부(120) 및 방열부(130)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 열전달 차단부(140)를 더 포함할 수가 있다.

열전 소자는 열에너지와 전기에너지를 상호 변환하는 소자를 통칭하는 것으로, 특히 본 발명에서의 열전 소자(110)는 펠티에 효과(Peltier effect)에 의해 금속 내에 전류가 흐를 때 열류가 함께 흐르고 양 금속에서의 열류가 서로 같지 않아서 접속면에서 열의 발생 또는 열의 흡수가 일어나는 소자를 의미한다.

따라서, 열전 소자(110)를 형성하는 제 1 발열부(112) 및 반대쪽 제 2 발열부(114)에는 저온부 또는 고온부를 형성할 수가 있다. 이때, 제 1 발열부(112)가 냉각되어 저온부를 형성하고 제 2 발열부(114)가 가열되어 고온부를 형성하는 경우에 있어서의 열전 소자(110)에 가해지는 전류의 방향을 반대로 하면, 반대로 제 1 발열부(112)에 고온부를 형성하고 제 2 발열부(114)에 저온부를 형성할 수가 있다. 즉, 열전 소자(110)에 전류 방향에 따라서 제 1 발열부(112)와 제 2 발열부(114)는 각각 서로 다른 온도의 고온부 또는 저온부를 각각 형성할 수가 있다. 즉, 본 발명에서는 별도의 조작 스위치(미도시)를 이용하여 열전 소자(110)에 흐르는 전류 방향을 제어하여 냉방 장치로 사용할 수도 있고 난방 장치로도 사용할 수도 있다. 이러한 열전 소자(110)의 구성은 공지된 기술이기 때문에 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 후술하는 내용에 있어서는 열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)가 저온부를 형성하고 제 2 발열부(114)가 고온부를 형성하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

열전 소자(110)는 신체와 국부적으로 접촉하는 쿠션 면에 가까운 쪽 쿠션(180)의 내부에 형성될 수가 있다. 또한, 열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)에는 국부 접촉부(120)가 형성될 수가 있고, 열전 소자(110)의 제 2 발열부(114)에는 방열부(130)가 형성될 수가 있다. 또한, 열전 소자(110)를 둘러싸는 주위에는 열전달 차단부(140)가 형성될 수도 있다.

국부 접촉부(120)는 박판으로 형성되어 일측면은 열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)와 접촉하여 제 1 발열부(112)의 저온을 전달 받도록 하고, 타측면은 신체의 국부와 접촉하도록 하여 제 1 발열부(112)로부터 전달 받은 열을 신체의 국부에 전달하는 매체이다.

이때, 본 발명에서 쿠션 형태로 형성되는 국부 냉난방 장치(100)는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 차량 좌석(200)의 등받이(210)와 머리받이(220) 사이에 설치되어 착석자의 목 부위와 접촉할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는 목 부위는 신체 부위 중에서 노출 가능성이 높고, 신체 부위 중에서 열적 민감도가 높은 부위이기 때문이다. 따라서, 열적 민감도가 높은 목 부위가 국부 접촉부(120)와 직접 접촉하도록 하여 열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)에 발생한 저온의 열을 전달 받음으로써, 착석자의 몸을 효과적으로 냉각시킬 수가 있다. 따라서, 기존의 차량용 냉난방 장치와 같이 내기 또는 외기를 가열 또는 냉각시켜 송풍시키는 구조가 아니라, 본 발명의 냉난방 장치(100)는 냉열과 온열을 직접 신체의 국소 부위에 전달시키는 방법의 냉난방 장치(100)이다.

도 3에서는 국부 접촉부(120)와 접촉하는 신체 부위 사이에 쿠션의 커버(182)가 형성되어 있는 것을 도시하고 있는데, 이와 달리 국부 접촉부(120)가 직접 쿠션 외부로 노출된 형태일 수가 있다. 따라서, 본 발명에서 국부 접촉부(120)와 신체의 국소 부위가 접촉한다는 것의 의미는 국부 접촉부(120)에 신체의 국소 부위가 직접 접촉하는 경우와 쿠션의 커버(182)와 같이 국부 접촉부(120)와 신체 사이에 얇은 막이 형성된 경우를 통칭하는 것으로 해석되어야 한다. 이때, 국부 접촉부(120)와 신체 사이에 형성되는 커버(180)는 열전달 계수가 높은 박막의 유연 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 국부 접촉부(120)는 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 박판의 진동형 히트파이프(120)로 형성되는 것이 바람직하다.

진동형 히트파이프(120)는 윅(wick)에 의한 증발부로의 작동액 환원 없이 유체의 진동에 의하여 열을 수송하는 열전달 기구로서, 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 사행(serpentine)의 형태로 밀폐된 미세관(122)이 내부에 형성되며, 미세관(122) 내부를 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로 작동 유체를 충전시킨 구조이다.

기본적인 작동은 작동액 및 증기포의 불규칙적인 루프내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량 만큼의 핵비등을 일으키고, 핵비등에 의해 발생된 기포는 합쳐진 후 기액 슬러그류(slug flow)의 형태로 된다. 슬러그류는 압력파를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유동으로 되어 순환하고, 증기의 기포가 대류 열전달과 잠열 수송을 하며, 이러한 작동을 위하여는 미세관(122)의 내경이 충분히 작아야 된다.

이와 같은 진동형 히트파이프(120)는 충분히 작은 미세관(122)의 내경으로 인한 표면장력과 축방향 진동에 의한 순환운동을 이용하므로 그 길이에 있어서 거의 제한이 없다.

또한, 진동형 히트파이프(120)와 일반 동의 전도율을 비교하였을 때, 진동형 히트파이프(120)는 일반 동보다 약 2,000배 이상 빠른 것으로 알려져 있다. 이와 같이 본 발명에서 국부 접촉부(120)로 사용되는 박판 진동형 히트파이프(120)는 열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)에서 발생한 저온의 열을 접촉하는 목 부위에 빠르게 전달시킬 수가 있다.

또한, 박판 진동형 히트파이프(120)는 판상의 제 1 발열부(112)에 밀착시킬 수가 있어서, 제 1 발열부(112)와 박판 진동형 히트파이프(120) 사이의 접촉 열저항을 최소화시킬 수가 있다. 따라서, 본 발명에서 국부 접촉부(120)로 박판 진동형 히트파이프(120)를 사용함으로써, 제 1 발열부(112)와 국부 접촉부(120) 사이의 접촉 열저항에 의해 열전달율이 낮아지는 것을 최소화할 수 있다.

나아가, 박판 진동형 히트파이프(120)는 접촉하는 신체 부위의 형상에 따라서 형상 변형이 가능하다. 따라서, 접촉하는 신체 부위의 형상에 따라서 박판 진동형 히트 파이프(120)의 형상을 변형시키도록 하여, 박판 진동형 히트파이프(120)와 신체 부위 사이의 접촉 면적을 늘리고 밀착시킬 수가 있으므로 냉난방 효과를 극대화할 수가 있다.

따라서, 본 발명의 박판 진동형 히트파이프(120)는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 중앙부는 수평으로 형성되어 판상의 제 1 발열부(112)와 밀착시키되 양쪽 가장자리는 쿠션에 접촉하는 신체 부위인 목을 감싸도록 휘어지도록 형성될 수가 있다.

방열부(130)는 열전 소자(110)의 제 2 발열부(114)에 형성되어 제 2 발열부(114)에서 발생하는 고온의 열을 빠르게 방열시키도록 한다. 이때, 방열부(130)는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 방열 효율을 높이기 위해 방열핀으로 형성될 수가 있는데, 이에 한정되지 않고 파이프형 히트파이프 또는 이들의 조합으로 형성될 수도 있다.

열전 소자(110)의 제 1 발열부(112)와 제 2 발열부(114)는 근접하는 위치에 형성되기 때문에 제 1 발열부(112)에서 발생한 열을 효율적으로 신체의 국부에 전달시키기 위해서는 제 2 발열부(114)에서 발생한 열을 빠르게 방열시키는 것이 필요하다. 제 1 발열부(112)와 제 2 발열부(114)에서 발생하는 열 사이에 상호 열전달이 이루어져 두 측면 사이의 온도차가 작아진다면 열전달 성능을 극대화시킬 수 없기 때문이다.

따라서, 본 발명에서 방열부(130)는 국부 접촉부(120)와 비교하여 크기를 상대적으로 크게 하여 제 2 발열부(114)에서 발생하는 열을 빠르게 쿠션 외부로 방출시키도록 한다. 또한, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 쿠션의 배면부 또는 측면부에는 방열부(130)로부터 방열된 열이 쿠션 외부로 방출되도록 하는 통풍구(150)가 형성될 수가 있다.

나아가, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 열전 소자(110)의 둘레에 열전달 차단부(140)가 형성될 수가 있는데, 열전달 차단부(140)는 열전달 계수가 낮은 물질로 형성되어 제 1 발열부(112)와 제 2 발열부(114)에서 발생하는 고온 및 저온의 열 사이의 상호 열전달을 차단하여 본 발명의 국부 냉난방 장치(100)의 냉난방 효율을 극대화하도록 할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 국부 냉난방 장치
110: 열전 소자
112: 제 1 발열부
114: 제 2 발열부
120: 국부 접촉부, 박판 진동형 히트파이프
122: 미세관
130: 방열부
140: 열전달 차단부
150: 통풍구
180: 쿠션
182: 커버
200: 좌석
210: 등받이
220: 머리받이

Claims (6)

1. 쿠션 내부에 형성되고 전류에 의해 제 1 발열부와 반대쪽 제 2 발열부에 저온부 또는 고온부를 형성하는 열전 소자;
   일측면은 판상의 상기 제 1 발열부와 접촉하여 상기 제 1 발열부로부터 발생하는 열을 전달하고, 타측면은 신체의 국부와 접촉하며, 상기 신체의 국부 형상에 따라서 형상 변형이 가능한 단일의 박판 진동형 히트파이프로 형성된 국부 접촉부; 및
   상기 제 2 발열부와 접촉하도록 형성되어 상기 제 2 발열부로부터 발생하는 열을 방열시키는 방열부를 포함하는 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 쿠션은 차량의 좌석에 착탈 가능하게 형성되는 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 신체의 국부는 착석자의 목 부위인 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 쿠션의 일측에는 상기 방열부로부터 방열된 열을 외부로 보내는 통풍구가 형성된 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열부는 방열핀 또는 파이프형 히트파이프로 형성되는 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   열전달 계수가 낮은 물질로 상기 열전 소자의 둘레에 형성되어 상기 제 1 발열부와 상기 제 2 발열부 사이의 상호 열전달을 차단하는 열전달 차단부를 더 포함하는 전기자동차용 국부 냉난방 장치.
   
   

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