KR102267440B1 - 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치 - Google Patents

히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치 Download PDF

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KR102267440B1
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오인석
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주식회사 케이씨파워
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Abstract

본 발명은 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치에 관한 것으로서, 실내에 설치된 발열체 주변을 감싸는 실내측 히트 파이프와 실외로 인출되는 실외측 히트 파이프로 이루어지는 히트 파이프, 실내측 히트 파이프 또는 실외측 히트 파이프에 직접적 또는 간접적으로 접촉하는 전력생산용 열전소자, 상기 전력생산용 열전소자에 연결되어 생산된 전력이 입력되는 전원장치 및, 상기 전원장치로부터 전력을 공급받으며 상기 전력생산용 열전소자와 면하여 상기 전력생산용 열전소자의 냉간부를 냉각하도록 구성되는 열교환용 열전소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하므로, 실내 발열체에서 발생하는 열을 상기 히트 파이프를 통해 실외로 방출할 수 있게 되는 것과 함께 필요한 전력을 생산할 수도 있게 된다.

Description

히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치{COOLING APPARATUS COMPRISING HEAT PIPE FOR COOLING INDOOR HEATING UNIT}
본 발명은 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실내에 설치된 변압기 등의 발열체를 히트 파이프를 이용하여 냉각하는 냉각장치에 관한 것이다.
최근 공공주택(아파트, 오피스 등)의 전기설비 및 전기로 운행되는 전철이 증가하는 추세이고 이러한 전기설비 및 전철이 운행되는 철도에는 전원을 적절한 용량의 전력을 공급하기 위한 변압기를 설치한다.
그리고, 전기설비 및 철도 등에 설치되는 변압기는 미관이나 소음 등으로 인하여 대부분 건물의 내부나 지하에 설치되므로 변압기의 가동에 따라 주변 공간이 가열되는 것이 일반적이다.
이와 같이, 가열된 열에 의해 변압기 자체 및 주변 전기설비가 손상되는 것을 방지하기 위해, 외부로 강제순환 하도록 에어컨이나 공조설비 등이 설치되는 것이 일반적이다.
따라서, 기존에는 설치된 전기설비 외에 공조설비 가동을 위한 전력이 공급되어야 하므로 추가적인 전력소모가 있으며, 변압기의 열을 외부로 발산될 수 있도록 실내가 환기되는 구조로 설계되어 있으므로 변압기에서 발생되는 소음이 외부로 새어나가 환경이 열악해진다거나, 먼지가 유입되어 변압기에 쌓임으로써 절연 성능 저하에 따른 사고의 우려가 상존하였다.
또한, 변압기 절연성능을 유지하고자 정기적으로 변압기 내부의 먼지를 제거하는 경우 많은 인력이 투입되는 것으로 인해 비용이 과다하게 소요되었을 뿐만 아니라 안전사고가 빈번히 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 변압기 등의 발열체를 실내에 밀봉 상태로 유지하더라도 발열체 자체에서 발생되는 열을 외부로 발산하는 것이 가능하므로 외부의 먼지가 침투하거나 소음이 발생되는 것을 확실히 차단하여 전기설비의 내구성을 높이고 효율을 향상시킬 수 있는 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치는,
실내에 설치된 발열체 주변을 감싸는 실내측 히트 파이프와 실외로 인출되는 실외측 히트 파이프로 이루어지는 히트 파이프;
실내측 히트 파이프 또는 실외측 히트 파이프에 직접적 또는 간접적으로 접촉하는 전력생산용 열전소자;
상기 전력생산용 열전소자에 연결되어 생산된 전력이 입력되는 전원장치; 및,
상기 전원장치로부터 전력을 공급받으며 상기 전력생산용 열전소자와 면하여 상기 전력생산용 열전소자의 냉간부를 냉각하도록 구성되는 열교환용 열전소자;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
실외측에서 상기 전원장치에는 히트 파이프를 방열시키는 쿨링 팬이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 전력생산용 열전소자는 실내측 히트 파이프의 상부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
실내측 히트 파이프의 상단 부분에는 제1 히트핀이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자는 상기 제1 히트핀 위에 적재되는 것을 특징으로 한다.
정단면도에서 바라볼 때, 실내측에 배치되는 히트 파이프는 발열체를 덮도록 캡 형태를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력생산용 열전소자는 실외측 히트 파이프의 상부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
실외측 히트 파이프에는 제2 히트핀이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자는 상기 제2 히트핀 위에 적재되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실내 발열체의 냉각장치에 따르면, 실내에 설치된 발열체 주변을 감싸는 실내측 히트 파이프와 실외로 인출되는 실외측 히트 파이프로 이루어지는 히트 파이프, 실내측 히트 파이프 또는 실외측 히트 파이프에 직접적 또는 간접적으로 접촉하는 전력생산용 열전소자, 상기 전력생산용 열전소자에 연결되어 생산된 전력이 입력되는 전원장치 및, 상기 전원장치로부터 전력을 공급받으며 상기 전력생산용 열전소자와 면하여 상기 전력생산용 열전소자의 냉간부를 냉각하도록 구성되는 열교환용 열전소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하므로, 실내 발열체에서 발생하는 열을 상기 히트 파이프를 통해 실외로 방출할 수 있게 되는 것과 함께 필요한 전력을 생산할 수도 있게 된다.
또한 본 발명에 따르면, 발열체에 의해 발생된 열에 의해 전력생산용 열전소자의 양면, 즉 제1 고온부와 제1 냉간부 사이에 온도차가 발생함으로써 전력이 생산되고, 이 전력은 전원장치에 전달된 후 열교환용 열전소자에 공급되어 제2 고온부와 제2 냉간부)를 형성하여, 상기 제2 냉간부는 제1 냉간부와 대향하여 제1 냉간부를 한층 낮게 유지함으로써 전력생산용 열전소자에서 한층 효율적으로 전력을 발생하도록 할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 실외측에서 상기 전원장치에는 히트 파이프를 방열시키는 쿨링 팬이 연결되는 것을 특징으로 하므로, 상기 전력생산용 열전소자에 의해 생산된 전력이 실외측 히트 파이프를 냉각시켜서 열효율을 제고할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 전력생산용 열전소자와 열교환용 열전소자는 실내측 히트 파이프의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하므로 변압기 외함 내에서 차지하는 면적을 최소활 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 정단면도에서 바라볼 때, 실내측에 배치되는 히트 파이프는 발열체를 덮도록 캡 형태를 포함하며, 상기 전력생산용 열전소자와 열교환용 열전소자는 상기 실내측 히트 파이프의 상단에 설치되는 것을 특징으로 하므로, 상기 발열체로부터 발산되는 열을 캡 형태의 실내측 히트 파이프가 온전히 흡수하여 실내측 히트 파이프 내의 냉매가 상변화에 의해 증발하면서 실내 또는 외함 내부를 냉각하게 되며, 상기 실내측 히트 파이프에 의해 전력생산용 열전소자의 하단에 배치된 제1 고온부가 가열되어 전력 생산이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 발열체의 냉각장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실내 발열체의 냉각장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 다른 실내 발열체의 냉각장치에서 전력생산용 열전소자와 열교환용 열전소자의 결합구성을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 다른 실내 발열체의 냉각장치에서 전원장치의 세부 구성을 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 실내 발열체의 냉각장치(1000)는, 전기실 등 실내(950)에 설치된 발열체(900) 주변을 감싸도록 구성되는 실내측 히트 파이프(110)와 실외로 인출되는 실외측 히트 파이프(120)로 이루어지는 히트 파이프(100), 실내에서 발열체(900) 또는 실외측 히트 파이프(120)에 직접적 또는 간접적으로 접촉하는 전력생산용 열전소자(300), 상기 전력생산용 열전소자(300)에 연결되어 생산된 전력이 입력되는 전원장치(400) 및, 상기 전원장치(400)로부터 전력을 공급받으며 상기 전력생산용 열전소자(300)와 면하여 상기 전력생산용 열전소자(300)의 냉간부를 냉각하도록 구성되는 열교환용 열전소자(500)를 포함하여 구성된다.
상기 히트 파이프는 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 포함된 구조로 되어 있으며 상변화를 이용한 잠열을 이용하여 히트 파이프 주위의 온도를 낮추는 기능을 수행하게 된다.
따라서, 실내(950)에 배치된 변압기와 같은 발열체(900)에서 발생하는 열이 상기 실내측 히트 파이프(110)로 전달되면 실내측 히트 파이프(110) 내부의 작동유체가 증발하면서 상변화에 의한 잠열에 의해 주변 온도를 낮추게 되므로 실내를 냉각하게 되고, 압력 또한 상승하여 기체화된 작동유체가 실외측 히트 파이프(120)로 이동하게 된다.
한편, 실외측 히트 파이프(120)는 실외로 열을 발산하면서 작동유체의 온도와 압력이 떨어지면서 액체로 상변화를 일으키며 모세관 현상에 의해 히트 파이프(100)의 내면을 따라 실내측으로 이동하게 된다.
상기 실내측 히트 파이프(110)는 상기 발열체(900) 전체를 덮도록 이격된 다수의 열로 배치될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 상기 실내측 히트 파이프(110)의 상부 또는 실외측 히트 파이프(120)의 상부에 적재되어 접촉하는 제1 고온부(310)와, 그 반대쪽의 제1 냉간부(320)를 포함하며 상기 제1 고온부(310)와 제1 냉간부(320) 사이의 온도차에 의해 전력을 생산한다.
이에 따라, 발열체(900)에 의해 발생된 열에 의해 실내측 히트 파이프(110)는 상변화를 일으켜 기화가 되는 것과 함께, 상기 실내측 히트 파이프(110)에 면하는 전력생산용 열전소자(300)의 제1 고온부(310)가 가열되어 제1 냉간부(320) 사이에 온도차가 발생함으로써 전력이 생산된다.
또한, 상기 생산된 전력은 전원장치(400)에 전달된 후 열교환용 열전소자(500)에 공급되어 제2 고온부(510)와 제2 냉간부(520)를 형성한다.
즉, 상기 열교환용 열전소자(500)는, 상기 전력생산용 열전소자(300)에 결합되어 상기 전원장치(400)로부터 전력을 공급받으며, 열전도체(810)가 채워진 냉각 공간(800)을 통해 상기 전력생산용 열전소자(300)의 제1 냉간부(320)와 면하는 제2 냉간부(520)와, 그 반대쪽의 제2 고온부(510)를 포함하여 상기 제2 냉간부(520)에 의해 상기 전력생산용 열전소자(300)의 제1 냉간부(320)를 냉각하도록 구성된다.
따라서, 상기 제2 냉간부(520)는 제1 냉간부(320)와 대향하여 제1 냉간부(320)를 한층 낮게 유지함으로써 전력생산용 열전소자(300)에서 한층 효율적으로 전력을 발생하도록 한다.
이 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1 냉간부(320)와 제2 냉간부(520) 사이는 이격되어 냉각 공간(800)이 형성될 수 있으며, 상기 냉각 공간(800)은 구리(Cu)나 알루미늄(Al)과 같은 열전도체(810)가 채워지고, 상기 제1 냉간부(320)와 제2 냉간부(520)의 외측면과 상기 열전도체(810)의 외면은 단열재(820)에 의해 감싸여져서 상기 제2 냉간부(520)로부터 제1 냉간부(320)로 냉기가 전달될 때 상기 제1 냉간부(320)와 제2 냉간부(520) 및 열전도체(810)로부터 냉기가 상기 전력생산용 열전소자(300)와 열교환용 열전소자(500)의 외부로 분산되지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 전원장치(400)는 전력생산용 열전소자(300)에 의해 생산된 전력이 입력되는 입력부(410), 입력된 전원이 충전되는 충전부(420), 충전부(420)로부터 공급된 전력을 열교환용 열전소자(500)에 공급하기 위한 출력부(430), 및 상기 입력부(410), 충전부(420) 및 출력부(430)를 상호 제어하기 위한 제어부(440)를 포함할 수 있다.
상기 발열체(900)는 변압기 등 열을 발생시키며 냉각이 요구되는 공지의 다양한 전기설비일 수 있다.
한편, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 발열체(900)가 변압기일 경우 실내의 외함(910) 내에 내장되는 것이 일반적이며, 이 경우 실내측 히트 파이프(110)는 외함(910) 내에서 상기 변압기 주변을 감싸며 외함(910)의 외부로부터 실내(950) 내측면까지 연장되어 노출되는 히트 파이프(110)는 적절한 절연재(920)로 단열 처리하여 히트 파이프(110)로부터 실내(950)에 열이 방출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 실외측에서 상기 전원장치(400)에는 실외측 히트 파이프(120)를 방열시키는 쿨링 팬(600)이 연결되어 상기 전력생산용 열전소자(300)에 의해 생산된 전력의 일부가 실외측 히트 파이프(120)를 냉각시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
하나의 실시예로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 실내측 히트 파이프(110)의 상부에 설치되며, 실내측 히트 파이프(110)로부터 열이 전달되어 전력을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 정단면도에서 바라볼 때, 실내측에 배치되는 히트 파이프(110)는 발열체(900)를 덮도록 캡 형태를 포함하며, 상기 전력생산용 열전소자(300)와 열교환용 열전소자(500)는 상기 실내측 히트 파이프(110)의 상단에 설치될 수 있다.
이에 따라, 상기 발열체(900)로부터 발산되는 열을 캡 형태의 실내측 히트 파이프(110)가 온전히 흡수하여 실내측 히트 파이프(110) 내의 냉매가 상변화에 의해 증발하면서 실내 또는 외함(910) 내부를 냉각하게 되며, 이와 함께 실내측 히트 파이프(110)에 면하는 전력생산용 열전소자(300)의 제1 고온부(310)가 가열되어 제1 냉간부(320)와의 온도차에 의해 전력이 생산된다.
더욱이, 실내측 히트 파이프(110)의 상단 부분에는 복수의 제1 히트핀(130)이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 상기 제1 히트핀(130)에 적재되어 실내측 히트 파이프(110)와 간접적으로 접촉하므로 상기 제1 히트핀(130)을 통해 상기 전력생산용 열전소자(300)의 제1 고온부(310)로 열이 전달되어 가열된다.
또한, 상기 전력생산용 열전소자(300)와 열교환용 열전소자(500)가 실내측 히트 파이프(110)의 상단에 형성된 제1 히트핀(130)에 적재되므로, 평면에서 차지하는 면적을 최소화할 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 실외측 히트 파이프(120)에 면하여 설치될 수도 있다.
이에 따라, 가열된 실외측 히트 파이프(120) 내의 작동유체로부터 전달되는 열이 전력생산용 열전소자(300)에 전달되어 전력을 발생할 수 있다.
실외측 히트 파이프(120)에는 제2 히트핀(140)이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 상기 제2 히트핀(140)에 적재되어 실외측 히트 파이프(120)와 간접적으로 접촉하므로 실외측 히트 파이프(120)에서 발생된 열이 제2 히트핀(140)을 통해 신속히 전력생산용 열전소자(300)에 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전력생산용 열전소자(300)와 열교환용 열전소자(500)가 실외측 히트 파이프(120)의 상단에 형성된 제2 히트핀(140)에 적재되므로 평면에서 차지하는 면적을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100... 히트 파이프
110... 실내측 히트 파이프
120... 실외측 히트 파이프
130... 제1 히트핀
140... 제2 히트핀
300... 전력생산용 열전소자
310... 제1 고온부
320... 제1 냉간부
400... 전원장치
410... 입력부
420... 충전부
430... 출력부
440... 제어부
500... 열교환용 열전소자
510... 제2 고온부
520... 제2 냉간부
600... 쿨링 팬
800... 냉각 공간
810... 열전도체
820... 단열재
900... 발열체
910... 외함
1000... 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치

Claims (5)

  1. 실내(950)에 설치된 발열체(900) 주변을 감싸는 실내측 히트 파이프(110)와 실외로 인출되는 실외측 히트 파이프(120)로 이루어지는 히트 파이프(100);
    상기 실내측 히트 파이프(110)의 상부 또는 실외측 히트 파이프(120)의 상부에 적재되어 접촉하는 제1 고온부(310)와 그 반대쪽의 제1 냉간부(320)를 포함하며 상기 제1 고온부(310)와 제1 냉간부(320) 사이의 온도차에 의해 전력을 생산하는 전력생산용 열전소자(300);
    상기 전력생산용 열전소자(300)에 연결되어 생산된 전력이 입력되는 전원장치(400); 및,
    상기 전력생산용 열전소자(300)에 결합되어 상기 전원장치(400)로부터 전력을 공급받으며, 금속의 열전도체(810)가 채워진 냉각 공간(800)을 통해 상기 전력생산용 열전소자(300)의 제1 냉간부(320)에 면하는 제2 냉간부(520)와 그 반대쪽의 제2 고온부(510)를 포함하여 상기 제2 냉간부(520)에 의해 상기 전력생산용 열전소자(300)의 제1 냉간부(320)를 냉각하도록 구성되는 열교환용 열전소자(500);
    를 포함하여 구성되되,
    상기 실내측 히트 파이프(110)와 발열체(900)는 실내(950)에 배치된 외함(910) 내에 내장되고,
    상기 제1 냉간부(320)와 제2 냉간부(520)의 외측면과 상기 열전도체(810)의 외면은 단열재(820)에 의해 감싸여져서 상기 제2 냉간부(520)로부터 제1 냉간부(320)로 냉기가 전달될 때 상기 제1 냉간부(320)와 제2 냉간부(520) 및 열전도체(810)로부터 냉기가 전력생산용 열전소자(300)와 열교환용 열전소자(500)의 외부로 분산되지 않도록 구성되고,
    상기 외함(910)의 외부로부터 실내(950) 내측면까지 연장되는 실내측 히트 파이프(110)는 절연재(920)에 의해 단열 처리되고,
    실외측에서 상기 전원장치(400)에는 실외측 히트 파이프(120)를 방열시키는 쿨링 팬(600)이 연결되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실내측 히트 파이프(110)의 상단 부분에는 제1 히트핀(130)이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 상기 제1 히트핀(130) 위에 적재되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실외측 히트 파이프(120)에는 제2 히트핀(140)이 형성되며, 상기 전력생산용 열전소자(300)는 상기 제2 히트핀(140) 위에 적재되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프를 구비한 실내 발열체의 냉각장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120078056A (ko) * 2010-12-31 2012-07-10 동명대학교산학협력단 펠티어소자-히트파이프 결합형 냉각모듈을 가진 하이브리드 변압기
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