KR200194349Y1 - 열전발전 모듈을 이용한 개인용 공기청정 에어콘 - Google Patents

Abstract

본 고안은 반도체로서 이루어져 통전시 펠티어 현상이 일어나 냉각 및 가열 작용이 일어나는 열전모듈이 구성된 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨에 관한 것이다.

냉각장치에 있어서, 냉매체와 압축기로 구성된 종래의 냉각장치 냉각기능을 열전모듈을 중앙에 두고 열전모듈(20)의 냉각면에 냉각판(21)을 방열면에 방열브라켓(22)을 각 각 접착시켜 구성된 열전냉각장치(2)의 냉각기능으로 대체하는 것인데, 본 고안에 따른 에어컨에 이용되는 열전냉각장치(2)의 냉각기능은 n-형 반도체 소자와 p-형 반도체 소자가 접합된 구조로된 열전모듈(20)의 펠티어(Peltier)현상에 의한 흡열 작용에 기인한 것이다.

이와 같이 본 고안에 따른 열전냉각장치(2)를 이용한 에어컨은 에어컨의 냉각수단을 열전발전 모듈(20)로 이루어진 열전냉각장치(2)로 대체함으로써 무공해 무소음이며 경량화되고 상대적으로 소형화된 에어컨을 제공하고 특히 설치장소에 구애됨이 없고 오염된 실내환경 속에서 소량의 청정공기를 공급하여 인체의 건강을 도모하는 에어컨을 제공하고자 하는데 그 특징이 있다.

Description

열전발전 모듈을 이용한 개인용 공기청정 에어콘 {Personal aircleaning airconditioner Using Thermoelectric Cooling apparatus}

본 고안은 반도체로서 이루어져 통전시 펠티어 현상이 일어나 냉각 및 가열 작용이 일어나는 열전모듈이 구성된 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨에 관한 것이다.

기존 에어콘 및 기타 냉각장치는 일반적으로 냉매체 (예: CFC)를 사용하며, 또한 이를 일정한 관상 통로내에서 압축기(Compressor)를 사용 순환시키도록 한 구조를 갖고 있다.

이처럼 기존의 에어컨 및 냉장고등에 냉매체를 사용하므로 냉매체의 누설등으로 오염발생 요인이 되어 환경 친화적이 못되며, 냉매체는 일정기간이 지나면 소모되므로 주기적으로 공급하여야 하기에 번거럽고 비경제적이다.

그리고 구조적으로 압축기와 배관설비가 필요하기에 그만큼 무겁고 복잡한 구조와 소음이 많은 구조를 갖고 있으며, 직립된 위치와 진동이 없는 위치에서 효율적으로 작동되므로 그만큼 불편하며 장치의 이동이 실질적으로 불가능하다. 특히 에어콘의 경우 작동 중 외부의 공기가 냉각될 때 생성되는 응축수를 외부로 배출하기 위한 특수한 배수 배관설비가 필요하고, 원리적으로 응축설비인 실외장치가 수반하게 되므로 별도의 설치 공간과 위치가 필요하기에 설치위치의 공간적 제한을 더욱 받으며, 특히 기존의 에어컨은 실내 공기의 청정개념이 없다.

상기한 바와 같은 종래의 냉각장치의 문제점을 해결하기 위하여 본 고안이 창안되었는데, 본 고안의 목적은 에어컨의 냉각수단을 열전발전 모듈로 이루어진 열전발전 냉각장치로 대체함으로써 무공해 무소음이며 경량화되고 휴대와 설치가 간단한 소형화된 에어컨을 제공하고 특히 근거리에서 호흡할 때 오염된 실내공기가 혼합되지 않는 청정공기를 공급하고 설치장소에 구애됨이 없는 에어컨을 제공하고자 하는데 그 특징이 있다.

도 1은 열전모듈 냉각 모듈의 구성 설명도

도 2는 본 고안에 따른 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨의 일실시예 구성 단면도

도 3은 본 고안에서 열전발전 냉각모듈의 배열도

도 4는 본 고안의 열전냉각장치를 구성하는 방열브라켓의 사시도

도 5는 본 고안의 열전냉각장치를 구성하는 열전모듈 온도제어 피드백 회로

도 6은 본 고안에 따른 에어컨의 다른 실시예의 구성 단면도

<도면의 주요부호에 대한 부호의 설명>

1: 용기 케이스 2: 열전냉각장치

11: 흡열부 12: 방열부

11p: 냉풍팬 12p: 열풍팬

13s: 스크린 20: 열전모듈

21: 냉각판 22: 방열브라켓

22B: 베이스판 22P: 방열핀

222: 방열블록 223: 냉각수로

H1, H2: 외기 유입구 10: 절연체

S: 전원

이하 첨부 도면과 함께 본 고안의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 고안에서 사용되는 열전발전 냉각장치(Thermoelectric cooling apparatus, 이하 열전냉각장치라 함)의 기본단위인 열전발전 냉각모듈(이하 열전모듈이라 함)은 군사 및 인공위성용으로 개발되어 현재에는 다양한 냉각용 부품 또는 장치에 많이 사용되고 있다. 예로서, 냉온수 정수기, 소형냉장고, 컴퓨터의 CPU 냉각, 레이저 다이오드 냉각 등에 사용되고 있다.

이와같은 열전냉각장치를 구성하는 열전모듈은 기본적으로 반도체 장치로써 전기에너지를 공급할 때 발생하는 온도변화에 대항하여 열을 뽑아내는(pumping) 장치로서 [도 1]에 열전모듈의 구성단면을 도시되어 있다. 즉, 본 열전모듈에 직류전류을 걸어주면 양전자가 p-형 반도체 소자에서 n-형 반도체 소자로 흐르는데, 이때 에너지의 흡수와 방출이 일어나 열의 흡수가 있는 한쪽 면은 저온면이 되어 냉각되어 외부로부터 열을 흡수하고, 반대 면은 고온이 되어 외부로 열을 방출하여 열원으로 되어 가는 펠티어(Peltier)현상이 일어난다. 이러한 열전모듈의 펠티어현상을 이용하기 위하여 만들어진 열전냉각장치는 여러개의 조그마한 반도체 소자(p-n thermocouples)가 전기적으로는 직열로 연결되어 있고 열적으로는 병렬로 연결되어 있다. 기본 반도체 소자로는 텔루화 비스무스(Bismuth Telluride, Bi₂Te₃) 종류를 주로 사용하고 있다.

이와 같은 본 고안의 열전냉각장치를 사용한 개인용 공기청정 에어컨의 구성단면을 [도 2]에 도시하고 있다.

[도 2]에 도시되어 있듯이 본 고안에 따른 열전냉각장치를 구비한 개인용 공기청정 에어컨은 양단이 개방된 통상의 용기케이스(1)에 내부공간을 구분하며 열전냉각장치(2)가 형성되어 있는데, 일측 공간은 흡열부(11)이고 타측 공간은 방열부(12)로 정의한다.

상기 흡열부와 방열부에는 서로 대향하여 냉기 또는 열기를 본 에어컨 장치 밖으로 강제 송풍하는 냉기팬(11P)과 열기팬(12P)이 형성되고 상기 흡열부(11)와 방열부(12)의 개방단부에는 그릿(grid) 모양의 스크린(13S)이 형성되어 있다.

본 고안에서 사용되는 열전냉각장치(2)는 [도 2]에 도시되어있듯이 중앙에 열전모듈(20), 일측 즉 흡열부(11) 쪽에 열전모듈에 열을 공급하는 냉각판(21), 타측 즉 방열부(12) 쪽에 열전모듈(20)을 냉각하는 방열브라켓(22)이 상호 접착 형성되어 있다.

열전모듈(20)은 1 개 또는 복수개로 냉각판(21)과 [도 3]과 같이 배열되어 전기적으로 직렬로, 열적으로 냉각판(21)과 방열브라켓(22)에 병렬로 가상적으로 열적 손실이 없이 접촉 연결하여 있다

열전발전 냉각모듈(20)과 냉각판(21) 및 방열브라켓(22)의 접촉수단은 접착제(adhesive bonding; 예: 열전도성 에폭시), 열성 그리이스(thermal grease)를 사용한 기계적 압축, 또는 땜납(solder)을 이용하여 서로 접촉되어 있다

상기 냉각판(21)은 알루미늄이나 구리와 같은 전도성이 높은 금속재로 된 후판상체로 되며, 방열브라켓(22)은 [도 2]와 [도 4]에 도시되어 있듯이 베이스판(22B)위에 판상체로된 다수의 방열핀(22P)이 층상 배열하여 형성된 구조를 하여 방열효과를 배가하도록 하고 있다.

방열브라켓(22)도 열전도성을 높이기위하여 전도성이 높은 알루미늄이나 구리와같은 금속제로 되어 있다.

상기 용기케이스(1)는 외곽판과 내판으로 이루어진 이중구조를 하여 사이간에 스티로포움(Styrofoam), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리우레탄(Polyurethane) 등과 같은 절연체(10)를 삽입 형성시키며, 용기케이스(1)에는 내부공간인 흡열부(11)와 방열부(12)에 외부공기를 도입시키기 위한 복수개의 외기유입구(H1, H2)가 관통하여 형성된다.

이상과 같은 구조로 이루어진 본 고안에 따른 개인용 공기청정 에어컨의 작동상태를 살펴보면, 열전냉각장치(2)의 열전모듈(20)에 직류전류를 통전하면 일측에서 흡열 일측에서 방열이 일어나는데, 흡열은 냉각판(21)을 통하여 흡열부(11)에 도입되어 있는 공기에서 열을 흡수 공기를 냉각시킨다. 이와 동시에 방열브라켓 (22)에서는 열전모듈(20)에서 방출되는 열을 전달받아 방열부(12)에 방출하여 도입된 공기를 데우면서 열전모듈(20)을 냉각하는 것이다.

이와같이 흡열부(11)와 방열부(12)에 도입되어 냉각 또는 가열된 공기는 냉기팬(11P)과 열기팬(12P)에 의하여 외부로 강제 방출된다. 흡열부(11)와 방열부(12)에서 냉각된 공기와 가열된 공기가 강제 배출됨과 동시에 흡열부(11)와 방열부(12)의 내부공간에 외기유입구(H1, H2)를 통하여 외부공기가 도입 재충진되며 연속하여 냉각판(21)과 방열브라켓(22)에 의하여 재도입된 공기가 냉각 가열되어 외부로 방출된다.

여기서 방열브라켓의 기능은 열전모듈의 냉각기능 수행으로 인한 열을 흡수하므로 열전모듈을 냉각하는 것이다.

따라서 흡열부(11)에 냉각된 공기가 외부에 방출됨으로써 에어컨 기능을 수행하며, 방출된 냉각공기는 일정거리와 폭내에서 실내공기가 혼합되지 않아 맑은 공기상태를 유지한다.

본 고안의 에어컨에 있어 열전발전모듈(20)에서 발생되는 온도는 [도 5]에서와 같이 전자적 피드백 회로에 의하여 조절 제어되게 구성한다.

본 고안에서 사용되는 열전모듈(20)의 응용 바람직한 온도영역은 종류에 따라 다양하나 단층모듈은 양면의 최대 온도영역이 약 ±70℃이며, 다층 모듈은 약 -100/+250℃이다. 이 온도차 범위 내에서 어떤 온도차이든지 필요한 영역을 택하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 온도차이가 50℃이면 한쪽 면은 0℃, 반대 면은 -50℃; 또는 한 면은 +3℃, 반대 면은 +53℃ 등으로 필요에 따라 선택할 수 있다. 실내에 거주하는 사람을 위한 청정공기로 사용할 수 있는 최적온도는 20℃이며, 사람이 부드럽게 호흡할 수 있는 풍속은 3.5 Liter/sec/person 이다.

따라서 본 고안의 공기청정 에어컨은 가장최적의 냉각온도 및 풍량을 갖는 냉각공기를 공급하도록 전자적으로 제어하도록 구성한다.

[도 6]은 본 고안에 따른 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨의 다른 실시예로서 열전모듈(20)을 냉각함에 있어 강제 공냉방식이 아닌 액체를 이용한 강제 수냉수단을 적용한 실시예인 것이다.

[도 6]에 도시된 바와 같이 전기한 실시예와 달리 방열브라켓(22) 대신 방열블록(222)을 열전모듈(20)에 접촉시켜 열전모듈을 냉각시키도록 하고 있는데, 방열블록(222)은 알미늄(또는 동)블록(block)으로 구성되어 있고 본 블록은 내부에 여러개의 평행하는 구멍을 뚫어 냉각수가 흐를 수 있는 통로를 구성하고, 이 통로에 관이 연결하여 하나의 냉각수 유통로를 형성한 냉각수로(223)가 형성되게 한다. 이 냉각수로(223)의 단부는 액체의 유입구와 유출구가 되어 유체가 외부에서 공급되어 열전모듈(20)에 의하여 가열된 방열블록(222)을 냉각시킨 후 가열된 유체가 외부로 배출되게 구성되는데, 유체는 강제로 순환시켜야 한다. 따라서 첨부도면에는 도시하지 않았으나 별도의 유체저장탱크와 펌프가 필요하다. 이와 같은 본 실시예는 장치의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있으나 별도의 유체공급장치로 인한 불편이 따른다. 그러나 방열부분의 온도가 대기의 온도보다 찬 경우 효율적인 냉각이 되며 따라서 열전 냉각 모듈의 성능효율도 향상된다.

그리고 본고안에 따른 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨 장치의 바람직한 사이즈는 직경이 약 220mm이고 길이가 약 200mm인 원통형 또는 사각기둥형(도시 생략)으로 형성되며, 약 350W의 전력을 공급하여 대기의 온도보다 약 7℃의 차이의 저온이 발생되게 함이 적절한데, 이때의 장치 소음은 30db이하이다.

그리고 본 고안의 열전냉각장치를 이용한 공기청정 에어컨에 있어 열전모듈(20)에 전류의 방향을 바꾸어 주면 반대로 저온 면이 승온되므로 온풍기로서의 기능을 하게 된다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 고안에 따른 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨은 업무용 테이블이나 책상 또는 차량실내 등에 간단하게 설치하여 사용할 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안의 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨은 열전냉각장치가 열전모듈을 사용한 것이기에 종래의 기계식 에어컨에 비하여 경량 소형이며, 냉매를 사용하지 않기에 냉매의 누설등의 문제가 없어 환경오염이 없어 그만큼 환경친화적인 에어컨이다. 더욱이 압축기를 사용하지 않기에 기기의 작동시 소음이 없고, 설비가 그만큼 단순하며, 특히 본 고안의 일실시예인 공랭식 에어컨은 별도의 배관등이 없어 설치위치가 자유로우며 장치의 이동이 자유롭다 할 것이다. 또한 냉각온도 제어가 기계식에 비하여 용이하고,온도제어가 정확하며, 소모 에너지 측면에서도 종래의 기계식에 비하여 20％-80％정도의 에너지 절감효과가 있는 에너지 절약형 에어컨이다.

특히 본 고안에 따른 열전 냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨은 상술한 바처럼 개인의 테이블 이나 책상등에 놓고 사용하게 되는데 이렇게 사용하게 되면 일정 개방된 공간내에서 사용자는 실내의 오염된 공기와 혼합되지 않은 신선하고 맑은 공기를 임의적으로 얻을 수 있을 뿐아니라 휴대하여 원하는 장소에서 시원하고 신선한 공기를 얻을 수 있어 그 만큼 유용한 에어컨이라 할 것이다

상술한 바처럼 열전모듈에 전류방향을 바꾸어 주면 에어컨기능에서 손쉽게 온풍기 기능을 하게 되므로 4계절에 사용될 수 있는 매우 유용한 기기라 할 것이다.

Claims (6)

1. 중앙에 직류전원에 연결된 열전모듈(20), 일측에 냉각판(21), 타측에 열전모듈을 냉각하는 방열브라켓(22)이 상호 접착 형성된 열전냉각장치(2)가 양단이 개방된 통상의 용기케이스(1)에 설치되어 외부공기를 냉기팬(11P)이 형성된 용기케이스(1)의 내부공간에 강제 유입시켜 냉각한다음 외부로 강제 배출하도록 하고 타측에 방열브라켓(22)의 열을 열기팬(12P)에 의하여 외부로 방출하도록 한 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨
2. 제 1항에 있어서, 열전냉각장치(2)를 구성하는 열전모듈(20)은 복수개의 표준형 단층모듈을 사용하며, 열전모듈(20)의 일측면에 냉각판(21)과 반대측면에 방열브라켓(22)이 전기적으로 직렬로 연결되고 열적으로는 병렬로 접촉되어 있는 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 방열브라켓(22) 대신 방열블록(222)를 형성하여 이 방열블록에 유수유통로인 냉각수로(223)가 형성되게 하여 방열블록(222)을 강제 유통 순환하는 액체에 의하여 냉각하도록 한 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨
4. 제 1항에 있어서, 열전냉각장치(2)를 구성하는 열전모듈(20)에 전류방향을 임의로 바꾸어 냉각효과 외에 가온효과를 얻을 수 있게하여 온풍기로서 기능을 겸하여 수행할 수 있게 한 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨
5. 제 1항에 있어서, 열전모듈이 구비된 열전냉각장치(2)를 설치한 개인용 공기청정 에어컨은 휴대하기 용이하고 테이블에 설치하기 용이하도록 크기가 30㎝×30㎝ 를 넘지 않는 열전냉각장치를 이용한 개인용 공기청정 에어컨
6. 제 1항에 있어서, 열전모듈(20)에 의한 냉각판(21)의 온도와 냉기팬(11P)의 송풍량을 제어하여 쾌적하고 청정한 냉풍을 발생하도록 구성한 개인용 공기청정 에어컨