KR20010096107A - 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 열전모듈을 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

본 발명은, 단열재로 된 분리판에 의해 상, 하로 구획된 상방구획실 및 하방구획실과, 상기 상방구획실 및 하방구획실 사이에 상하로 정렬되어 설치되고 전원에 연결되어 전기력에 의해 흡열부에서 열을 흡수하여 반대편의 발열부를 통해 열을 발열하도록 된 열전모듈과 상기 열전모듈의 흡열부와 발열부 각각에 접하도록 설치되어 외부 공기와 열전모듈 사이에 열교환을 일으키는 열교환판으로 이루어진 열교환수단과, 상기 상방구획실 및 하방구획실 각각의 전방 또는 후방에 설치되어 외부의 공기를 흡입, 토출하는 송풍수단을 포함하되, 상기 송풍수단은 전기력을 인가하면 방전이 일어나는 방전부와 상기 방전부에서 방출된 전자를 포집하는 포집부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치를 제공한다.

Description

냉난방장치 { Heating and cooling device }

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 열전모듈을 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로, 냉난방장치는 주거공간 등의 실내 공간을 냉방 및 난방시키기 의한 장치로서, 이러한 냉난방장치의 작동을 첨부된 도면의 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 압축기(1)에서 고온 고압으로 압축된 냉매 가스는 응축기(2)로 보내지고, 상기 응축기에서는 일측에 설치된 송풍팬(3)에 의해 송풍된 외부 공기에 의해 냉매 가스가 액화되면서 응축열을 방출하는 응축 작용이 일어나게 된다.

이 때, 상기 응축기를 통과한 뜨거운 공기는 실외로 토출된다.

이와 같이 상기 응축기에서 응축된 냉매는 모세관(4)을 지나면서 팽창되어 증발하기 쉬운 압력으로 감압되어 증발기(5)로 보내지고, 상기 증발기에서는 일측에 설치된 송풍팬(5)에 의해 송풍된 외부의 공기에 의해 냉매 액체가 증발하면서 열을 흡수하게 된다.

이에 따라 상기 증발기(5)를 지나면서 열을 빼앗긴 냉각 공기는 실내로 토출되어 실내를 냉방시키게 되며, 상기 증발된 냉매는 저온 저압의 냉매 가스가 되어 상기 압축기(1)로 다시 보내진다.

상기와 같은 과정을 반복하면서 실내 전체를 냉방시키게 된다.

한편, 상기와 같은 냉난방장치로 실내를 난방하고자 하는 경우에는 냉매를 역으로 순환시키면 되는데, 이 경우에는 상기 증발기(5)는 냉매를 응축시키는 응축기로 작용하여 따뜻한 공기가 실내로 흡입되게 되고, 반대로 상기 응축기(2)는 증발기로서 작용하여 차가운 공기를 실외로 토출시키게 된다.

그러나, 종래와 같은 일반적인 냉난방장치는 냉매가 보통 최저 5기압에서 18기압까지 압축되는바, 이를 견디기 위해 압축기와 연결배관 등은 높은 내압성이 요구되어 그 중량과 크기가 커지며, 또한 공기와 냉매의 열교환을 위한 송풍팬도 그 크기가 크다. 이는 종래 냉난방장치의 설치와 이동에 많은 제약을 부가하게 되었고, 개인이 휴대하기가 불가능한 고정식 장치인 관계로 냉난방장치가 설치되어 있지 않은 다른 장소로 이동하는 경우에는 냉방 또는 난방 효과를 전혀 기대할 수 없었다.

또한, 압축기와 실외측의 송풍팬을 구비한 실외기가 실내기와 일체형으로 구성된 일체형 냉난방장치에 있어서, 상기 압축기의 진동 소음과 송풍팬의 소음이 실내로 흡입되어 사용자에게 불쾌감을 주게 된다.

또한, 종래의 냉난방장치는 실내 공간 전체를 냉방 또는 난방하도록 되어 있기 때문에, 냉난방장치에서 제공되는 기류가 실내에 있는 모든 사용자의 개별적인 성향을 모두 만족시킬 수가 없을 뿐만 아니라, 냉난방에 필요한 공기조화량도 비효율적인 문제점이 있었다.

이에 따라, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 사용자가 장소를 이동하면서 사용할 수 있도록 휴대 가능함과 동시에, 소음이 없는 쾌적한 환경을 제공하는 냉난방장치를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 냉난방장치의 구성을 나타낸 개략적인 구성도

도 2는 본 발명에 따른 냉난방장치의 실시예를 나타낸 사시도

도 3은 본 발명에 따른 냉난방장치의 실시예를 나타낸 단면도

도 4는 본 발명의 냉난방장치에 이용되는 열전모듈의 작용원리를 나타낸 구성도

도5는 본 발명의 냉난방장치의 송풍수단의 작용원리를 나타낸 구성도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 - 분리판 20 - 상방구획실

30 - 하방구획실 400 - 열전모듈

42 - 흡열 열교환판 44 - 발열 열교환판

52,62 - 방전부 54,64 - 포집부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단열재로 된 분리판에 의해 상, 하로 구획된 상방구획실 및 하방구획실과, 상기 상방구획실 및 하방구획실 사이에 전원에 연결되어 전기력에 의해 흡열부에서 열을 흡수하여 반대편의 발열부를 통해 열을 발열하도록 된 열전모듈과 상기 열전모듈의 흡열부와 발열부 각각에 접하도록 설치되어 외부 공기와 열전모듈 사이에 열교환을 일으키는 열교환판으로 이루어진 열교환수단과, 상기 상방구획실 및 하방구획실 각각의 전방 또는 후방에 설치되어 외부의 공기를 흡입, 토출하는 송풍수단을 포함하되, 상기 송풍수단은 전기력을 인가하면 방전이 일어나는 방전부와 상기 방전부에서 방출된 전자를 포집하는 포집부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 냉난방장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고로 이해를 돕기 위해 도면상 상부를 장치의 상방으로, 도면상 하부를 장치의 하방으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉난방장치의 실시예를 나타낸 사시도이고, 도 3은 그 단면도이다.

본 발명에 따른 냉난방장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 단열재로 된 분리판(10)에 의해 상방구획실(20)과 하방구획실(30)로 구획되고, 상기 상방 구획실과 하방구획실 사이에 열교환수단(40)이 설치된다.

상기 열교환수단(40)은 전원에 연결되어 전기력에 의해 흡열부에서 열을 흡수하여 반대편의 발열부로 열을 방출하는 열전모듈(400)과, 상기 열전모듈의 흡열부에 접지됨과 동시에 상기 상방구획실(10)로 흡입되는 외부 공기로부터 열을 흡수하는 흡열 열교환판(42)과, 상기 열전모듈(400)의 발열부에 접지됨과 동시에 상기하방구획실(30)로 흡입되는 외부 공기에 열을 방출하는 발열 열교환판(44)으로 구성된다.

그리고, 상기 흡열 열교환판(42)과 발열 열교환판(44)은 다수의 금속판이 직립하여 일정간격으로 배열되도록 형성되는데, 이는 외부 공기와의 접촉면적을 증가시킴으로써 열교환량을 증대시키기 위함이다.

그리고, 상기 열전모듈(400)은 상방구획실(20) 또는 하방구획실(30)에 설치되는 전원에 각각 절환스위치(도시 생략)를 매개로 연결되어, 열전모듈의 전극을 선택적으로 전환시킬 수 있도록 되어 있어 냉방 또는 난방이 자유롭게 선택될 수 있다.

또한, 상기 상방구획실(20) 및 하방구획실(30) 내에 흡열 열교환판(42)의 전방 일측과 발열 열교환판(44)의 후방 일측에 외부 공기를 흡입하여 토출하기 위한 송풍수단(50,60)이 설치된다.

상기 송풍수단(50,60)은 전기 수력학적(EHD ; Electro Hydro Dynamic) 원리를 이용한 것으로, 높은 전압의 낮은 전류를 인가시켰을 때 방전이 일어나는 전극(이하,"방전부(52,62)"라 칭함)과, 상기 방전부로부터 일정간격으로 이격되어 방전부로부터 방출된 전자를 포집하는 전극(이하,"포집부(54,64)"라 칭함)으로 구성된 다.

이하, 본 발명에 따른 냉난방장치의 송풍수단(50,60)을 첨부된 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 송풍수단(50,60)을 구성하는 방전부(52,62)는 (-)전극이 인가되는 다수의 가는 금속봉으로 형성되어 전원이 인가되었을 때 전자를 방출하게 되며, 상기 방출된 전자는 (+)전극이 인가되는 다수의 금속판으로 형성된 포집부(54,64)로 이동하게 된다. 이 때, 전자의 이동시 주변 유체는 전자의 관성력으로 인해 강한 난류로 가진되어 유동이 발생한다. 이로 인해 상방구획실(20) 및 하방구획실(30)의 흡입구(22,32)를 통해 외부의 공기가 흡입되어 상기 열교환판(42,44)을 통과하면서 냉각 또는 가열되고, 가열 또는 냉각된 공기는 토출구(24,34)를 통해 외부로 토출된다.

상기한 공기 유동을 유도하기 위해서는, 각각의 열교환판(42,44) 전면에 방전부(52,62)가 위치하고 상기 방전부로부터 적정간격으로 이격된 거리에 포집부(54,64)가 위치해야 한다.

이 때, 소모되는 전류의 양은 극히 작아 무시할 만 하므로 소비 전력이 거의 없다고 할 수 있다.

그리고, 상기 상방구획실(20)과 하방구획실(30) 내의 공기 유동방향은 서로 반대가 되도록 형성되는데, 이를 위해 상기 상방구획실(20)의 상부면 일측에 외부의 공기가 흡입되는 상방흡입구(22)가 형성되고, 상방구획실(20)의 전면에는 상기 상방흡입구(22)를 통해 흡입된 공기가 토출되는 상방토출구(24)가 형성되어 있는 반면에, 상기 하방구획실(30)의 하부면 일측에는 외부의 공기가 흡입되는 하방흡입구(32)가 형성되고, 하방구획실(30)의 후면에는 상기 하방흡입구(32)를 통해 흡입된 공기가 토출되는 하방토출구(34)가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉난방장치는 상기 열전모듈(400)에 연결되는 전극을 전환시킴으로써, 흡열부와 발열부가 서로 전환되어 냉방 기능에서 난방 기능으로 간단하게 전환될 수 있다.

참고로, 상술한 열전모듈의 작동원리와 구성 및 특성을 첨부된 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 열전모듈은 n형,p형 열전반도체를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 형성되도록 π형으로 연결한 모듈로서, DC 전류를 인가했을 때 열전 효과에 의해 모듈의 양면에 온도차가 발생하는 동시에 발전현상이 일어나는 펠티에 효과(Peltier Effect)를 이용하는 고체식 히트펌프를 말한다.

상기한 원리를 이용한 본 발명의 냉난방장치에 이용되는 열전모듈(400)은, 도 4에 도시된 바와 같이 열을 흡수하여 냉각시키고자 하는 물체(Tc)와 접하도록 형성된 상부 세라믹판(410)과, 열을 방출하기 위한 물체와 접하도록 형성된 하부 세라믹판(420)과, 상기 상부 세라믹판과 하부 세라믹판 사이를 연결하도록 교대로 배열된 n형 반도체(450) 및 p형 반도체(440)와, 상기 n형 반도체 및 p형 반도체를 전기적으로 교차 연결시킴과 더불어 n형 반도체와 p형 반도체의 양단을 상기 상부 세라믹판(410)과 하부 세라믹판(420)에 연결시키는 전기적 교차 연결층(430)으로 이루어지고, 상기 교차 연결층은 DC 전원에 연결되어 상기 n형 반도체 및 p형 반도체에 흐르도록 되어 있다.

따라서, 상기와 같이 구성된 열전모듈(400)을 이용하여 물체를 냉각 또는 가열시키시 위해 사용자가 전원을 인가하면 전류가 상기 교차연결층(430)에 연결된 n형 반도체(450) 및 p형 반도체(440)를 교대로 흐르게 되고, 이에 따라 n형 반도체에서는 전류의 방향과 반대 방향으로 전자(-)가 이동하는 한편, p형 반도체에서는 전류의 흐름방향으로 정공(+)이 이동하게 된다.

즉, 상기 n형 반도체 및 p형 반도체를 통해 전자(-) 및 정공(+)이 상부 세라믹판으로부터 하부 세라믹판으로 이동하게 되고, 이에 따라 상부 세라믹판에서는 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자(-)가 반도체 내부로 이동하여 흡열이 일어나며, 하부 세라믹판에서는 전자의 열에너지 방출에 의해 발열이 일어난다.

그리고, 상기 열전모듈에 연결된 전기의 극성을 바꾸어 전류의 방향을 전환시키면, 상술한 현상과는 반대로 하부 세라믹판으로부터 상부 세라믹판으로 전자(-)가 이동하면서 흡열부와 발열부가 전환된다.

또한, 이와 같은 현상은 공급되는 전류의 크기를 변화시킴으로써, 흡열 및 발열되는 열에너지의 크기를 변화시킬 수 있다.

한편, 상기 열전모듈은 다음과 같은 특성을 갖는다.

첫째, 흡열 또는 발열되는 열에너지의 크기가 공급되는 전류의 크기에 비례하기 때문에 정확한 온도 제어가 가능하다.

둘째, 흡열 및 발열 과정에서 기계적인 요소를 사용하지 않음으로 인해 소음 및 진동이 없다.

셋째, 소형이고 가볍다.

넷째, 국지적인 냉난방이 가능하다.

다섯째, CFC 가스와 같은 냉매를 사용하지 않음으로 인해 환경친화적이다.

여섯째, 공급 전류 방향에 따라 냉방 및 난방의 전환이 용이하다.

이하, 상기와 같은 구성으로 된 본 발명에 따른 냉난방장치의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용자가 냉방작동을 원하는 경우, 열교환수단(40)을 구성하는 열전모듈(400)의 상방구획실(20) 측의 세라믹판(410)을 흡열부로, 하방구획실(30) 측의 세라믹판(420)을 발열부가 되도록 설정하여 장치를 작동시키면 되는데, 상방구획실(20) 전방의 송풍수단(50)에 전원이 인가되면 상기 상방구획실 상부면 일측에 있는 상방흡입구(22)를 통해 외부의 더운 공기가 상방구획실 내로 흡입되어 유동하게 된다.

이어서, 상기 상방구획실920) 내를 유동하는 공기는 흡열 열교환판(42)을 통과하면서 사용자에게 적합한 온도로 냉각된 후, 상방구획실의 전면에 형성된 상방토출구(24)를 통해 토출된다.

이와 동시에, 상기 하방구획실(30)에서는 그 후방에 설치된 송풍수단(60)에 의해 상기 상방구획실(20)에서와는 반대 방향으로 공기 유동이 발생하게 된다. 즉, 상기 하방구획실(30) 하부면 일측에 형성된 하방흡입구(32)를 통해 외부의 공기가 흡입되어 발열 열교환판(44)을 통과하면서 가열되고, 상기 가열된 공기는 하방구획실(30) 후면에 형성된 하방토출구(34)에 연결되는 임의의 토출덕트(도시 생략)에 의해 외부로 토출된다.

다음, 상기 실시예의 난방 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

사용자가 난방을 하고자 하는 경우에는 상기 열교환수단(40)의 열전모듈(400)의 전극을 전환시키도록 절환스위치(도시 생략)를 조작하여 열전모듈의 발열부와 흡열부를 서로 전환시킴으로써 가능하게 된다.

즉, 상기 상방구획실(20) 측의 흡열 열교환판(42)은 유동하는 공기에 열을 방출하는 발열 열교환판으로 작동하도록 함으로써, 상기 상방구획실(20)의 상방토출구(24)를 통해 따뜻한 공기가 토출되도록 하여 난방을 하게 된다.

한편, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 상방토출구(24)를 통해 토출되는 공기의 온도는 상기 열교환수단(40)의 열전모듈(400)에 공급되는 전압을 조절함으로써 가능하다.

한편, 열전모듈(400) 양측에 구성된 열교환판(42,44)은 냉방 및 난방을 위한 열교환 뿐만 아니라, 상기 목적을 달성하는 과정에서 열전모듈 양측면의 온도차를 유지해줌으로써 열전모듈의 효율 저하를 방지할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 냉난방장치는 종래 압축식 냉각사이클에서 필요로 하는 상당한 무게와 부피를 가진 압축기, 송풍팬, 냉매배관 등이 필요없게 됨에 따라 매우 콤팩트하고 경량화된 구조로 구현될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 냉난방장치는 휴대 가능한 이동식 장치로 구현될 수 있으며, 이 경우 휴대가 가능한 통상적인 배터리로써 그 전원을 공급할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 냉난방장치를 구성하는 냉각사이클을 종래의 압축식 냉각사이클로 구현되던 공기조화기나 냉장고에 적용시킴으로써, 그 구조를 단순화시켜 설치성과 이동성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 냉난방장치의 효과는 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따른 냉난방장치는 냉난방 수단으로서 전기적으로 작동하는 열전모듈과 EHD 원리를 이용한 송풍수단을 사용함으로써, 그 구조가 단순하여 설치가 용이하고 휴대 가능할 뿐만 아니라, 사용자 개인의 성향에 따라 사용자 주위의 공간만을 집중 냉난방시킬 수 있어 사용자의 만족도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉난방장치는 기계적 요소인 압축기, 송풍팬 등이 제거됨에 따라 소음 및 진동이 최소화되어 사용자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 냉난방장치는 열전모듈에 연결된 전원을 전환시키는 조작으로 간단히 냉난방을 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열전모듈에 공급되는 전압에 따라 정확한 온도제어가 가능하다.

Claims (10)

1. 단열재로 된 분리판에 의해 상,하방으로 분리되어 외부의 공기가 흡입 또는 토출되는 상방구획실 및 하방구획실과;

   상기 상방구획실 및 하방구획실을 통과하는 열을 교환하도록 상방구획실과 하방구획실 사이에 상하로 정열된 열교환수단과;

   상기 상방구획실과 하방구획실 각각에 설치되어 외부의 공기를 흡입하여 토출시키는 송풍수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환수단은,

   전원에 연결되어 전기력에 의해 열을 흡수하는 흡열부와, 상기 흡열부 반대편에 위치하여 열을 방출하는 발열부로 구성된 열전모듈과;

   상기 열전모듈의 흡열부와 발열부 각각에 접하도록 설치되어, 상기 상방구획실 및 하방구획실 내로 흡입된 공기와 열전모듈 사이에 열교환을 수행하는 흡열 및 발열 열교환판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 열전모듈은,

   전극을 선택적으로 전환시킬 수 있도록 절환스위치를 매개로 전원에 연결된것을 특징으로 하는 냉난방장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 열전모듈은,

   전원에 연결된 전극을 전환시킴으로써 흡열부와 발열부로 전환되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 열교환판은,

   흡입된 공기가 토출되는 유동방향에 나란히 직립하게 형성된 다수의 금속판으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 송풍수단은,

   높은 전압의 낮은 전류를 인가시켰을 때 방전이 일어나는 방전부와, 상기 방전부로부터 일정간격 이격되어 상기 방전부로부터 방출된 전자를 포집하는 포집부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 방전부는 전원이 인가되었을 때 전자를 방출할 수 있도록 (-)전극이 인가되는 다수의 가는 금속봉으로 형성되고,

   상기 포집부는 상기 방전부로부터 방출된 전자를 포집할 수 있도록 (+)전극이 인가되는 다수의 금속판으로 형성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 상방구획실을 유동하는 공기의 유동방향과 상기 하방구획실을 유동하는 공기의 유동방향이 서로 반대 방향으로 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 상방구획실의 상부면 일측에 공기를 흡입하는 흡입구가 형성되고, 상방구획실의 전면에 공기를 토출하는 토출구가 형성되며,

   상기 하방구획실의 하부면 일측에 공기를 흡입하는 흡입구가 형성되고, 하방구획실의 후면에 공기를 토출하는 토출구가 형성된 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 열교환수단의 열전모듈과 송풍수단의 방전부 및 포집부에 배터리를 이용하여 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.