KR20030029071A - 상 변환 물질과 열전소자를 이용한 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장비의 열에너지가 발생하는 경우에 열을 효율적으로 흡수하여 방출하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 이 냉각 시스템은 특정 온도에서 고체에서 액체로 변하는 상 변환 물질인 PCM (Phase Change Material)과 열전 반도체(Thermoelectric semiconductor)의 전자 냉각 특성을 열 전달체로 연결하여 결합한 장치이다.

이 장치의 특징은 PCM 용액의 잠열을 이용 축냉하여 먼저 열에너지를 흡수하여 저장하고, 열 전도체에 의해 PCM의 일정 온도가 상승되면 이 열을 열전 반도체에 전달하여 열을 방출하고, 열 방출이 완료되면 다시 PCM 용액에 축냉을 하는 냉각 장치 이다.

이 장치는 열 분배가 가능하여 효과적으로 장비를 가동할 수 있어 적정 온도를 유지 할 수 있다. 또한 심야 시간대 또는 온도 낮은 시간에 PCM 용액을 축냉하고 온도가 높을 때 방열하므로 에너지 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

Description

상 변환 물질과 열전소자를 이용한 냉각 장치 {The Cooler using PCM(Phase change material) and Thermoelectric module}

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로서, 장비에서 발생하는 열 에너지를 효율적으로 냉각 시키기 위한 장치에 관한 것이다. 기존의 냉각 시스템은 에어컨(Vapor compressor) 방식과 전자 냉각(Thermoelectric module)방식이 있다. Vapor compressor 방식은 압축기, 응축기, 팽창장치(모세관), 증발기와 냉매로 구성된다. 그 작용을 보면, 냉매가 압축기를 거치면서 고온 고압의 기체 상태로 되어 응축기로 보내지고, 응축기를 통과한 냉매는 실외 팬(실외기)에 의한 열을 방출한다. 열을 방출한 냉매는 모세관의 팽창 작용에 의해 저온 저압의 상태로 되어 증발기로 통하면서 실내팬에 의한 실내 공기와의 열 교환 작용을 하여 실내공기를 빼앗아 증발한다. 주로 대형 시스템으로 가정용, 차량용, 산업용 에어컨으로 이용되고 있다.

또한 전자 냉각 방식은 냉매 가스 (CFC) 없이 열전 반도체에 전원을 공급하였을 때 열전 효과에 의하여 모듈의 양면에 온도차가 발생하여 한쪽에서는 열에너지를 흡수하고 다른 쪽에서는 열을 방출하게 된다. 주로 첨단 정밀 장치, 군사장비, 정수기, 제습기등에 응용 되고 있다. 이러한 냉각 시스템은 항시 운전을 하여야 함으로써 및 경제성이 떨어진다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 장비에서 발생하는 열을 효율적으로 관리 하기 위하여 열의 흡수, 저장하는 특성이 있는 PCM과 열전모듈를 이용한 전자 냉각 방식을 결합한 방식이다. 이 시스템은 먼저 PCM에서 열 에너지를 흡수하여 저장하고, PCM 용기과 열전모듈에 연결된 열전달체인 파이프 코일 또는 금속판에 의해 전달된 열 에너지를 열전소자(Thermoelectric module)에서 열을 방출한다. 열 방출이 완료 되면 PCM에 냉열을 축적하여 전원 공급 없이 일정 온도를 유지 시키는 특징 이다. 이러한 결합 장치는 잠열량이 뛰어나고 인체에 무해한 상변환 물질인 PCM과 열전모듈(Thermoelectric)의 냉각 성능, 이 소재를 연결하는 열 전달체의 열 전달 성능에 의해 냉각 시스템의 성능이 결정된다.

도 1 본 발명의 냉각 장치 사시도 이고,

도2 본 발명의 PCM 용액을 봉입한 용기 사시도이고,

도3는 본 발명의 열전모듈 외형도 및 기능 작동도 이고,

도4는 본 발명의 열 전달체의 사시도 이다.

이 발명의 냉각 시스템은 열원에서 발생하는 열 에너지을 흡수하여 방출하고, PCM에 냉열을 축냉하는 냉각 장치(도1)에 관한 것이다. 이 장치는 열의 흡수,저장이 가능한 PCM을 봉입한 용기(도2), 전자 냉각 기능의 열전모듈(Thermoelectric module)(도3)와 이 재료간의 열을 전달 및 교환 할 수 있는 파이프, 코일 또는 판(도4)으로 이루어져 있다.

PCM을 봉입한 용기(201)는 파라핀 계열또는 공융염(Eutectic salts) 계열의 PCM(203)을 주로 봉입한다. 이 PCM용액은 주위의 열을 흡수하여 고체에서 액체로 상이 변한다. 이때 PCM의 분자들은 운동에너지 형태로 열을 보관하고 있다. 반대로 주변 온도가 PCM의 녹는점보다 낮아지거나 열전모듈(Thermoelectric module)(도3)에서 전달된 냉열을 이용하여 액체 상태에 있던 분자들이 축냉되면서 고체로 바뀌게 됩니다. PCM 용기(201)의 내부에는 열전달 및 교환을 용이하게 하기 위하여 내부에 냉매 파이프(301),코일(302) 또는 판(303)이 통과하는 구조로 되어 있다. 또한 공기의 순환을 용이하게 위하여 공기 순환 통로(202)를 설치 할 수 있다.

그리고 열전모듈(Thermoelectric module)(도2)는 N,P 타입(Type) 열전반도체 (Thermoelectric semiconductor)에 직류 전원을 흘렸을 때는 열전효과(Peltier 현상) 에 의해서 모듈의 양면에 온도차가 발생하여 냉각 작용을 한다. 열 전달체(도4)는 PCM 용기(201)와 열전모듈(Thermoelectric module)의 열 전달과 교환을 할 수 있는 파이프(301), 코일(302) 또는 판(303)으로 이루어져 있다.

이 장치의 작동은 PCM이 봉인된 용기(201)의 PCM 용액(203)이 가지고 있는 잠열량 만큼 열에너지를 흡수하여 저장한다. 이 열에너지는 열 전달과 교환을 할 수 있는 열 전달체(301,302,303)를 통하여 열전모듈의 냉각판(102)까지 전달된다. 이 전달된 열은 열전반도체(Thermoelectric semiconductor)에 전원이 공급 되면서열이 흡수되며 방열판(401)에서 방출 한다. 일정한 온도 범위의 열 방출이 완료 되면 PCM 용액에 냉열을 공급하여 축냉을 하는 열 순환 사이클 구조로 이루어져 있다.

어느 일정 온도에서 고체→액체, 액체→고체로 상이 바뀌면서 잠열을 흡수 또는 방출하는 물질인 PCM(Phase change material)은 녹는점과 어는점을 원하는 온도에 맞춰 충진 할 수 있고, 이 PCM의 열 에너지를 열전모듈(Thermoelectric module)에 의해 방출함으로써 효과적인 냉각이 가능하다. 또한 제품의 경량화, 무소음, 저 전력으로 급속 냉각이 가능하여 경제성이 뛰어난 냉각 장치의 제조가 가능하다

Claims (5)

1. 이 냉각 시스템은 상변환 물질인 PCM 용액을 봉인한 용기와 전자 냉각의 기능을 가지고 있는 열전모듈(Thermoelectric module)을 열 전달체인 파이프, 코일, 판으로 하는 연결된 구조,

   또는 공기 순환의 대류 작용에 의해 냉각과 축냉을 할 수 있는 장치에 있어서,
2. 제1항에 있어서, 이 장치는 PCM 용액을 봉인한 용기의 내부에는 파이프, 코일, 판이 통과하는 구조 또는 공기 순환의 대류 통로를 형성하여 열 전달 및 교환이 용이한 구조
3. 제2항에 있어서, PCM 용액이 열이 흡수, 저장되어 열 온도가 상승하면 파이프, 코일 또는 판의 열 전달체를 통하여 열전모듈(Thermoelectric module)의 냉각판에 열을 전달되는 구조
4. 제 2항에 있어서 PCM 용액에 열이 흡수, 저장되어 열 온도가 상승하면 열전모듈이 작동하여 냉각판에서 냉기의 대류로 PCM 용기에 냉열을 공급하여 축냉하는 구조
5. 제 1항에 있어서 열전소자는 N, P type 열전반도체(Thermoelectric semiconductor)를 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬이 되도록 연결한 모듈의 형태로 전원을 공급하여 열전효과에 의하여 모듈의 양면에 온도차가 발생하여 열을 흡수하는 냉각판과 열 방출할 수 있는 히트싱크(Heat sink)가 부착된 방열판으로 이루어져 있는 구조