KR102365032B1 - 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치 - Google Patents

펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 있어서, 상기 온도제어장치는 펠티에 소자; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 열이 발생하는 히팅부에 밀착하여 열매체를 가열하는 히팅 포켓부; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 냉각되는 쿨링부에 밀착하여 열매체를 냉각하는 쿨링 포켓부; 상기 쿨링 포켓부에 저장되어 냉각된 열매체를 외부로 출수하는 쿨링 출수 밸브; 상기 쿨링 출수 밸브와 연결되어 열교환하는 중공형태의 열교환기; 상기 열교환기와 상기 쿨링 출수 밸브가 연결된 부위와 대칭되는 위치를 관통하여 연결되는 쿨링 입수 밸브; 상기 열교환기 내부에 나선형으로 배치되는 히팅 밸브; 상기 히팅 포켓부와 더 가까운 곳에 위치하는 히팅 밸브의 한 말단과 상기 히팅 포켓부의 일측면을 관통한 부위와 연결되는 히팅 출수 밸브; 상기 히팅 밸브의 타 말단과 상기 히팅 포켓부의 히팅 출수 밸브가 연결되는 부위와 대칭되는 부위와 관통 연결되는 히팅 입수 밸브; 및 상기 중공형 열교환기의 원통형 중공 부분에 설치되어 내부에서 외부로 열매체를 블로잉 하는 제어팬; 으로 구성되어 사용자가 정하는 공간의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 관한 것이다.

Description

펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치{Temperature Control Device Including Heat Exchanger Using Peltier Element}
본 발명은 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 있어서, 상기 온도제어장치는 펠티에 소자; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 열이 발생하는 히팅부에 밀착하여 열매체를 가열하는 히팅 포켓부; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 냉각되는 쿨링부에 밀착하여 열매체를 냉각하는 쿨링 포켓부; 상기 쿨링 포켓부에 저장되어 냉각된 열매체를 외부로 출수하는 쿨링 출수 밸브; 상기 쿨링 출수 밸브와 연결되어 열교환하는 중공형태의 열교환기; 상기 열교환기와 상기 쿨링 출수 밸브가 연결된 부위와 대칭되는 위치를 관통하여 연결되는 쿨링 입수 밸브; 상기 열교환기 내부에 나선형으로 배치되는 히팅 밸브; 상기 히팅 포켓부와 더 가까운 곳에 위치하는 히팅 밸브의 한 말단과 상기 히팅 포켓부의 일측면을 관통한 부위와 연결되는 히팅 출수 밸브; 상기 히팅 밸브의 타 말단과 상기 히팅 포켓부의 히팅 출수 밸브가 연결되는 부위와 대칭되는 부위와 관통 연결되는 히팅 입수 밸브; 및 상기 중공형 열교환기의 원통형 중공 부분에 설치되어 내부에서 외부로 열매체를 블로잉 하는 제어팬; 으로 구성되어 사용자가 정하는 공간의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 관한 것이다.
펠티에 소자와 같은 열전소자자(thermoelectric element)는 전자 냉동 등에서 사용되는 펠티어 효과가 큰 반도체 재료로서, p형 반도체와 n형 반도체로 구성되는 소자들의 집합으로 구성될 수 있다. 열전소자에 직류 전류를 흐르게 한편, 열전모듈은 냉각시스템 또는 열펌프로서의 기능을 수행할 수 있게 되는 전자부품이다.
이러한 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 전자부품으로서, 공급되는 전원의 극성을 제어함에 따라 열전방향을 역전시킴으로써 냉각 또는 가열로의 기능변환이 가능하여 열을 흡열면에서 방열면으로 이동시킬 수 있다.
이러한 열전소자를 이용한 열교환장치는 비교적 소형의 냉각장치로서 널리 활용되고 있으나, 소비전력 대비 발생되는 에너지의 효율이 낮은 편이나, 공급되는 전압이나 전류를 제어함에 따라 0.05℃ 수준의 정밀한 온도제어도 가능하고, 소자를 가동시키기 위한 구동부분이 없기 때문에 진동 소음이 없으며, 열전반도체의 열전특성으로 이용하므로 냉매를 이용한 냉각시스템과 같은 오염이나 공해가 없는 장점이 있어 여러 산업분야에서 널리 사용되고 있다.
이와 같이 열전소자는 전기에너지와 열에너지를 상호 교환할 수 있게 해 주는 소자로서, 열전소자를 이용하여 일반적인 열교환기의 성능을 향상시키려는 연구가 있어 왔다. 미국특허등록 제5,561,981호("Heat Exchanger for Thermoelectric Cooling Device", 이하 선행기술)에서는 열전소자 열교환기의 중앙에 냉각수 유입구 및 배출구가 구비된 수냉블럭을 배치하고, 상기 수냉블럭의 바깥쪽에 다수 개의 열전소자들이 배열되어 있는 열전소자 어레이 및 방열핀블럭을 배치하여 하나의 열교환기에서 냉각 및 가열이 동시에 가능하도록 구성하고 있지만, 열전소자와 냉각수 사이의 벽 두께가 큼으로써 열저항이 커서 열전달효율이 떨어지는 문제가 있고, 열전달 효율에 치우쳐 제어가 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열교환기 자체의 크기를 컴팩트화하여 사용자가 온도제어를 원하는 공간 예를 들면 차량의 엔진룸과 같은 공간에서의 활용도를 높일 뿐만 아니라, 열전소자와 냉각수 사이에 열교환이 효율적으로 이뤄지도록 하는 구조를 가지는 중공형 열교환기를 제공하여 열전달효율과 순시적 온도 제어를 동시에 달성하도록 함에 있다.
본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치는 펠티에 소자(100); 상기 펠티에 소자(100)의 열전효과에 의해 열이 발생하는 히팅부에 밀착하여 열매체를 가열하는 히팅 포켓부(200); 상기 펠티에 소자(100)의 열전효과에 의해 냉각되는 쿨링부에 밀착하여 열매체를 냉각하는 쿨링 포켓부(300); 상기 쿨링 포켓부(300)에 저장되어 냉각된 열매체를 외부로 출수하는 쿨링 출수 밸브(310); 상기 쿨링 출수 밸브(310)와 연결되어 열교환하는 중공형의 원통형태인 열교환기(400); 상기 열교환기(400)와 상기 쿨링 출수 밸브(310)가 연결된 부위와 대칭되는 위치를 관통하여 연결되는 쿨링 입수 밸브(320); 상기 열교환기(400) 내부에 나선형으로 배치되는 히팅 밸브(410); 상기 히팅 포켓부(200)와 더 가까운 곳에 위치하는 히팅 밸브(410)의 한 말단과 상기 히팅 포켓부(200)의 일측면을 관통한 부위와 연결되는 히팅 출수 밸브(210); 상기 히팅 밸브(410)의 타 말단과 상기 히팅 포켓부(200)의 히팅 출수 밸브(210)가 연결되는 부위와 대칭되는 부위와 관통 연결되는 히팅 입수 밸브(220); 및 상기 열교환기(400)의 원통형 중공 부분에 설치되어 내부에서 외부로 열매체를 블로잉 하는 제어팬(500); 으로 구성된다.
상기 히팅 출수 밸브(210)의 일 부위에 설치되어 상기 히팅 포켓부(200)의 열 매체를 열교환기(400) 내부로 유입케 하는 히팅 출수 전동 펌프(230); 상기 히팅 입수 밸브(220)의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 냉각된 열매체를 상기 히팅 포켓부(200)로 이동시키는 히팅 입수 전동 펌프(240); 상기 쿨링 출수 밸브(310)의 일 부위에 설치되어 상기 쿨링 포켓부(300)의 열 매체를 열교환기(400) 내부로 유입케 하는 쿨링 출수 전동 펌프(330); 및 상기 쿨링 입수 밸브(320)의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 가열된 열매체를 상기 쿨링 포켓부(300)로 이동시키는 쿨링 입수 전동 펌프(340); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히팅 출수 전동 펌프(230), 상기 히팅 입수 전동 펌프(240), 상기 쿨링 출수 전동 펌프(330) 및 상기 쿨링 입수 전동 펌프(340)를 제어 하여 열교환기(400)의 내부 온도를 사용자가 원하는 온도로 추종케 하는 제어(미도시 및 부호 미부여)부를 더 포함한다.
상기 제어부(미도시 및 부호 미부여)는 사용자가 공간의 온도를 설정하여 공간의 현재 온도와 상기 제어팬(500)의 속도를 센싱하되, 상기 열교환기(400)의 온도 및 상기 제어팬(500)의 속도를 사용자가 원하는 추종 온도로 수렴하기 위해 비례적분 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 히팅 포켓부(200)와 상기 쿨링 포켓부(300)는 상기 펠티에 소자(100)의 밀착되는 부위의 하부로부터 수직의 판으로 구성된 복수개의 히팅판(250)과 쿨링판(350)을 각각 구비하여 열전달이 효율적으로 이뤄지게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 열교환기 자체의 크기를 컴팩트화하여 사용자가 온도제어를 원하는 공간 예를 들면 차량의 엔진룸과 같은 공간에서의 구비 및 설치가 용이하다.
(2) 열전소자와 냉각수 사이에 열교환이 효율적으로 이뤄지도록 하는 구조를 가지는 중공형 열교환기를 제공하여 열전달효율과 순시적 온도 제어를 동시에 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 표현한 사시도이다.
도 2는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 표현한 전면도이다.
도 3은 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 히팅 포켓부에 대한 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 쿨링 포켓부에 대한 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 열교환기에 대한 투명 사시도이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도제어장치"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 표현한 사시도이고, 도 2는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 표현한 전면도이며, 도 3은 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 히팅포켓부에 대한 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 쿨링포켓부에 대한 부분 단면도이며, 도 5는 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치의 구성인 열교환기에 대한 투명 사시도이다.
도 1 내지 5를 참조하면 본 발명인 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치는 펠티에 소자(100); 상기 펠티에 소자(100)의 열전효과에 의해 열이 발생하는 히팅부에 밀착하여 열매체를 가열하는 히팅 포켓부(200); 상기 펠티에 소자(100)의 열전효과에 의해 냉각되는 쿨링부에 밀착하여 열매체를 냉각하는 쿨링 포켓부(300); 상기 쿨링 포켓부(300)에 저장되어 냉각된 열매체를 외부로 출수하는 쿨링 출수 밸브(310); 상기 쿨링 출수 밸브(310)와 연결되어 열교환하는 중공형의 원통형태인 열교환기(400); 상기 열교환기(400)와 상기 쿨링 출수 밸브(310)가 연결된 부위와 대칭되는 위치를 관통하여 연결되는 쿨링 입수 밸브(320); 상기 열교환기(400) 내부에 나선형으로 배치되는 히팅 밸브(410); 상기 히팅 포켓부(200)와 더 가까운 곳에 위치하는 히팅 밸브(410)의 한 말단과 상기 히팅 포켓부(200)의 일측면을 관통한 부위와 연결되는 히팅 출수 밸브(210); 상기 히팅 밸브(410)의 타 말단과 상기 히팅 포켓부(200)의 히팅 출수 밸브(210)가 연결되는 부위와 대칭되는 부위와 관통 연결되는 히팅 입수 밸브(220); 및 상기 열교환기(400)의 원통형 중공 부분에 설치되어 내부에서 외부로 열매체를 블로잉 하는 제어팬(500); 으로 구성된다.
도 1 내지 5를 참조하면 상기 히팅 출수 밸브(210)의 일 부위에 설치되어 상기 히팅 포켓부(200)의 열 매체를 열교환기(400) 내부로 유입케 하는 히팅 출수 전동 펌프(230); 상기 히팅 입수 밸브(220)의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 냉각된 열매체를 상기 히팅 포켓부(200)로 이동시키는 히팅 입수 전동 펌프(240); 상기 쿨링 출수 밸브(310)의 일 부위에 설치되어 상기 쿨링 포켓부(300)의 열 매체를 열교환기(400) 내부로 유입케 하는 쿨링 출수 전동 펌프(330); 및 상기 쿨링 입수 밸브(320)의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 가열된 열매체를 상기 쿨링 포켓부(300)로 이동시키는 쿨링 입수 전동 펌프(340); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 5를 참조하면 상기 히팅 출수 전동 펌프(230), 상기 히팅 입수 전동 펌프(240), 상기 쿨링 출수 전동 펌프(330) 및 상기 쿨링 입수 전동 펌프(340)를 제어 하여 열교환기(400)의 내부 온도를 사용자가 원하는 온도로 추종케 하는 제어(미도시 및 부호 미부여)부를 더 포함한다.
상기 제어부(미도시 및 부호 미부여)는 사용자가 공간의 온도를 설정하여 공간의 현재 온도와 상기 제어팬(500)의 속도를 센싱하되, 상기 열교환기(400)의 온도 및 상기 제어팬(500)의 속도를 사용자가 원하는 추종 온도로 수렴하기 위해 비례적분 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 3 및 4를 참조하면 상기 히팅 포켓부(200)와 상기 쿨링 포켓부(300)는 상기 펠티에 소자(100)의 밀착되는 부위의 하부로부터 수직의 판으로 구성된 복수개의 히팅판(250)과 쿨링판(350)을 각각 구비하여 열전달이 효율적으로 이뤄지게 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 열교환기 자체의 크기를 컴팩트화하여 사용자가 온도제어를 원하는 공간 예를 들면 차량의 엔진룸과 같은 공간에서의 구비 및 설치가 용이하다.
(2) 열전소자와 냉각수 사이에 열교환이 효율적으로 이뤄지도록 하는 구조를 가지는 중공형 열교환기를 제공하여 열전달효율과 순시적 온도 제어를 동시에 달성할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 펠티에 소자 200 : 히팅 포켓부
210 : 히팅 출수 밸브 220 : 히팅 입수 밸브
230 : 히팅 출수 전동 펌프 240 : 히팅 입수 전동 펌프
250 : 히팅판 300 : 쿨링 포켓부
310 : 쿨링 출수 밸브 320 : 쿨링 입수 밸브
330 : 쿨링 출수 전동 펌프 340 : 쿨링 입수 전동 펌프
350 : 쿨링판 400 : 열교환기
410 : 히팅 밸브 500 : 제어팬

Claims (5)

  1. 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는,
    펠티에 소자; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 열이 발생하는 히팅부에 밀착하여 열매체를 가열하는 히팅 포켓부; 상기 펠티에 소자의 열전효과에 의해 냉각되는 쿨링부에 밀착하여 열매체를 냉각하는 쿨링 포켓부; 상기 쿨링 포켓부에 저장되어 냉각된 열매체를 외부로 출수하는 쿨링 출수 밸브; 상기 쿨링 출수 밸브와 연결되어 열교환하는 중공형태의 열교환기; 상기 열교환기와 상기 쿨링 출수 밸브가 연결된 부위와 대칭되는 위치를 관통하여 연결되는 쿨링 입수 밸브; 상기 열교환기 내부에 나선형으로 배치되는 히팅 밸브; 상기 히팅 포켓부와 더 가까운 곳에 위치하는 히팅 밸브의 한 말단과 상기 히팅 포켓부의 일측면을 관통한 부위와 연결되는 히팅 출수 밸브; 상기 히팅 밸브의 타 말단과 상기 히팅 포켓부의 히팅 출수 밸브가 연결되는 부위와 대칭되는 부위와 관통 연결되는 히팅 입수 밸브; 및 상기 중공형태의 열교환기의 원통형 중공 부분에 설치되어 내부에서 외부로 열매체를 블로잉 하는 제어팬; 으로 구성되어 사용자가 정하는 공간의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히팅 출수 밸브의 일 부위에 설치되어 상기 히팅 포켓부의 열 매체를 열교환기 내부로 유입케 하는 히팅 출수 전동 펌프;
    상기 히팅 입수 밸브의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 냉각된 열매체를 상기 히팅 포켓부로 이동시키는 히팅 입수 전동 펌프;
    상기 쿨링 출수 밸브의 일 부위에 설치되어 상기 쿨링 포켓부의 열 매체를 열교환기 내부로 유입케 하는 쿨링 출수 전동 펌프; 및
    상기 쿨링 입수 밸브의 일 부위에 설치되어 열 교환이 이뤄져 가열된 열매체를 상기 쿨링 포켓부로 이동시키는 쿨링 입수 전동 펌프; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 히팅 출수 전동 펌프, 상기 히팅 입수 전동 펌프, 상기 쿨링 출수 전동 펌프 및 상기 쿨링 입수 전동 펌프를 제어 하여 열교환기의 내부 온도를 사용자가 원하는 온도로 추종케 하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 사용자가 공간의 온도를 설정하여 공간의 현재 온도와 상기 제어팬의 속도를 센싱하되, 상기 열교환기의 온도 및 상기 제어팬의 속도를 사용자가 원하는 추종 온도로 수렴하기 위해 비례적분 제어하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서
    상기 히팅 포켓부와 상기 쿨링 포켓부는 상기 펠티에 소자의 밀착되는 부위의 하부로부터 수직의 판으로 구성된 복수개의 히팅판과 쿨링판을 각각 구비하여 열전달이 효율적으로 이뤄지게 하는 것을 특징으로 하는 펠티에 소자를 이용한 열교환기를 포함하는 온도 제어 장치.
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KR102647159B1 (ko) * 2022-09-13 2024-03-13 한재민 냉각효율개선 구조를 포함하는 냉풍장치

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