KR20040045667A - 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치는, 일반적인 냉난방과 달리 열전소자를 이용하여 냉난방을 실시하고 이 과정에서 발생되는 냉수를 냉각에 이용하며, 간단한 조작에 의해 냉난방을 변환시킬 수 있는 냉난방장치에 관한 것이다.

본 발명은 (1) 냉방과 난방의 선택 및 작동상태를 선택조종하고, 이러한 선택조종을 제어하는 제어회로를 통하여 각 구성부들의 동작을 제어하는 제어조종판과, (2) 온열과 냉열을 분리적으로 생성하는 복수개의 열전소자와, (3) 열전소자의 제1측면에 설치된 열전달되는 제1유도열판에 실내의 공기를 환풍시켜 줄 수 있도록 실내공기의 출입에 의한 환풍구조로 설계되어, 실내공기의 온도를 변환시키는 제1열변환단과, (4) 열전소자의 제2측면에 설치된 열전달되는 제2유도열판에, 상기 제1열변환단과 분리된 또 다른 부류의 공기를 순환시키기 위한 제2열변환단을 포함하며, 상기 제1열변환단과 제2열변환단은 서로 단열되어 상호의 열전달이 불가능하도록 단열 설계된 것을 특징이 있으며, 여기에 열변환과정을 통해 형성되는 물을 집수하여 상기 제2열변환단에 이용하기 위한 집수단을 포함시켜 형성할 수 있다.

따라서 본 발명은 냉난방장치에 열전소자를 이용함으로써, 종래 냉난방기기에서의 냉매로 인한 환경문제요인을 없애는 등 새로운 개념의 냉난방장치를 제공하는 효과가 있다.

Description

열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치{Air-conditioner utilized by thermo-electrical module}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 종래의 통상적인 냉난방(air-conditioning)과 달리 냉난방에 열전소자를 이용하고 이러한 과정에서 필터링한 냉수로 냉각을 실시하며, 열전소자에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주는 간단한 조작에 의해 냉난방이 전환이 가능한, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치를 제시한 것이다.

생활하기에 알맞은 환경을 유지하는 것은 편리하고 건강한 생활을 위해서 필요한 사항이다. 그래서 온도가 올라가면 냉방을, 내려가면 난방을 실시하는 기본적인 수준에서부터, 이제는 생활수준의 향상으로 에어콘이나 난로, 선풍기나 온풍기 등의 생활에 필수적인 가전제품이 되었다.

일반적으로 냉방이나 난방의 원리는 열의 교환과정을 적절하게 이용함으로써 냉방은 실내에서 데워진 공기와 에어콘으로 순환되는 차가운 기운을 서로 교환시키키게 되고, 난방은 이와는 반대로 실내의 낮은 온도를 더운 기운과 교환함으로써 필요한 목적을 달성하게 된다.

이러한 냉방 및 난방을 보다 효율적으로 수행하기 위해 많은 재료와 순환과정에 대한 연구가 이루어지고 있다.

일반적으로 냉난방기구의 대표격인 에어콘은 냉매의 흐름을 이용하여 실내의 온도를 냉방시키는 원리를 이용하게 된다. 즉 외부에 설치된 실외기에서 냉매를 식혀 실내에 설치된 에어콘에 공급하고 이 에어콘에서는 차거운 냉매와 실내의 더운 열기를 온도교환함으로써 실내의 공기를 낮추게 되는 것이다. 그리고 열교환됨으로써 더워진 냉매는 다시 실외기로 이송되어 식혀진 다음 다시 실내로 공급되는 과정을 연속적으로 수행함으로써 냉방을 실시하게 된다.

기술의 개발과 함께 냉난방기기도 많은 발전을 하여 실외기가 없이 실내에 설치되는 에어콘이 출시되고 있지만, 실외기를 없앤 것일뿐 더워진 냉매를 식히는데 이용된 더운 공기를 실외로 배출하기 위한 통로를 형성하는 것은 큰 차이가 없다.

아울러 이러한 에어콘에는 플루오르화염화탄화수소계 냉매(프레온), 클로로메틸 등 환경을 파괴하는 물질을 사용하기 때문에, 많은 문제를 야기하여 국제적인 문제와 관심이 되고 있으며, 이를 대체하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.

아울어 냉방 뿐만 아니라 난방을 실시하기 위해서는 난방을 원활하게 하기 위한 보조장치와 장비들이 추가되어야 하므로 냉난방장치들의 단가가 상승하는 요인이 되고 있다.

따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 통상적인 냉난방(air-conditioning)과 달리 냉난방에 열전소자를 이용하고 이러한 과정에서 필터링한 냉수로 냉각을 실시하며, 열전소자에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주는 간단한 조작에 의해 냉난방이 전환이 가능한, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치에 대한 기술을 제공하기 위한 것이다.

이를 통하여 새로운 개념의 냉난방 과정을 제시하고 냉매의 사용을 방지하여 환경문제의 해결에도 일조함은 물론, 냉방과정에서 생성된 냉수를 냉각에 이용함으로써 냉각의 효과도 상승시킬수 있음을 밝히고자 한다.

도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치의 단면도.

도 2는 도 1 실시예의 환풍 냉난방장치에 사용되는 열전소자의 사시도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 환풍냉난방장치

110 : 열전소자(Thermo-Electronical Module)

110a : 열전재료110b, 110c : 열전판

120, 130 : 열변환단

120h, 130h : 유도열판120f, 130f : 팬(fan)

140 : 제어조종판

150 : 집수단

160 : 통수장치

170 : 분무장치

180 : 배기관

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치는,

(1) 냉방과 난방의 선택 및 작동상태를 선택조종하고, 이러한 선택조종을 제어하는 제어회로를 통하여 각 구성부들의 동작을 제어하는 제어조종판과, (2) 제어조종판의 제어에 따라 인가되는 전원에 의해 온열과 냉열을 분리적으로 생성하는 복수개의 열전소자와, (3) 상기 열전소자의 제1측면에 설치된 열전달되는 제1유도열판에 실내의 공기를 환풍시켜 줄 수 있도록 실내공기의 출입에 의한 환풍구조로 설계되어, 실내공기의 온도를 변환시키는 제1열변환단과, (4) 상기 열전소자의 제2측면에 설치된 열전달되는 제2유도열판에, 상기 제1열변환단과 분리된 또 다른 부류의 공기를 순환시키기 위한 제2열변환단을 포함하며, 상기 제1열변환단과 제2열변환단은 서로 각각 단열되어 상호의 열전달이 불가능하도록 단열 설계된 것을 특징이 있다. 아울러 상기 제1열변환단이나 제2열변환단의 하부에는, 상기 제1열변환단에서의 열변환과정을 통해 형성되는 물을 집수하여 상기 제2열변환단에 이용하기 위한 집수단을 포함시켜 본 발명의 환풍 냉난방장치를 형성하는 것도 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치를 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치의 단면도이고, 도 2는 도 1 실시예의 환풍 냉난방장치에 사용되는 열전소자의 사시도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 환풍냉난방장치(10)는 열전소자(Thermo-Electronical Module, 110), 제1열변환단(120), 제2열변환단(130) 그리고 제어조종판(140)으로 크게 구분할 수 있으며, 여기에 집수단(150)를 추가하여 생성하는 경우 냉각의 효과를 증대시킬 수 있다.

먼저 열전소자(110)는 도 2와 같이, 중심부분에는 열전재료(110a)가 정렬된 상태로 얇게 퍼져 있고, 이 열전재료(110a)의 양측면에 열전판(110b, 110c)이 각각 위치하고 있어, 전체적으로 샌드위치와 같은 상태로 형성된다.

열전재료(110a)는 전류의 흐름에 따라 열발생을 구분하여 생성하는 재료이다. 그리고 열전판(110b, 110c)은 세라믹이나 석면 등과 같이 열에 강한 재료가 사용되며, 이러한 재료들은 열에 쉽게 변형되지 않으면서도 발생된 열을 잘 전달하는 특성을 가지고 있다.

때문에 이러한 열전소자(110)는 열을 분리하여 발생시키는 성질을 가지게 되고, 제1 및 제2열전판(110b, 110c)은 각각 온판과 냉판으로 작용하게 된다. 이는 중심부분의 열전재료(110a) 성질 및 작용에 의해 생성된 열이 전달되기 때문이며, 전류의 흐름 즉 극성을 바꾸어 주면 온판은 냉판으로, 냉판은 온판으로 바뀌어 성질과 작용이 변화된다.

본 실시예의 환풍냉난방장치(10)는 이러한 열전소자(110)의 두 열전판(110b, 110c)에 유도열판(120h, 130h)을 각각 장착 연결시켜, 두 열전판(110b, 110c)에서 발생된 열이 유도되도록 구조화되어 있다.

제1열변환단(120)은 제1유도열판(120h)의 전후반 부분에 팬(120f)을 설치하여 실내의 공기를 순환시키게 된다. 그리고 제2열변환단(130)은 제2유도열판(130h)과 팬(130f)으로 구성되어 있다.

여기에 본 환풍냉난방장치의 전원 및 작동과정을 제어하기 위한 제어조종판(140)이 설치되어 있으며, 도시한 바와 같이 냉방시에는 냉방과정에서 발생된 냉수를 데워진 온판의 냉각에 이용하기 위한 집수단(150)을 추가한 구조로 형성하는 것도 가능하다.

< 작동과정 >

이러한 구성을 갖는 본 환풍냉난방장치(10)의 작동과정을 살펴보면, 본 환풍냉난방장치(10)는 냉방, 난방은 물론 실내 환기도 실시할 수 있는 다목적 열기구라고 할 수 있다.

먼저 냉방의 경우를 살펴보면, 최초 제어조종판(140)에서 냉방을 선택하고 환풍냉난방장치(10)를 가동시키면, 선택조종된 상태에 따라 내부의 제어회로를 가동시키게 되고, 따라서 열전소자(110)의 제1열전판(110b)은 냉판으로 작동되어 약 -25℃까지 온도가 내려가게 된다. 이렇게 발생된 냉온은 제1유도열판(120p)의 온도를 낮추게 된다. 그리고 제1열변환단(120)의 팬(120f)들이 작동함에 따라 실내의공기는 점선화살표와 같이 순환하게 되고, 이 과정에서 제1유도열판(120h)의 낮아진 온도는 실내공기를 차갑게 변화시켜 냉방이 수행된다.

그리고 열전소자(110)의 반대편에 장착되는 제2열전판(110c)은 온판으로 작동하게 되어 온도가 올라가게 되며, 제2열변환단(130)에서는 더워진 배출시키거나 또는 자체 냉각하는 기능을 수행한다. 따라서 열전소자(110)를 효율적으로 작동시키기 위해서는 상승된 온도를 냉각시켜 주는 것이 중요하며, 냉각이 잘 되어야 냉방을 효과적으로 실시할 수 있게 된다.

본 환풍냉난방장치(10)는 단열재(10x)를 사용하여 장치 장체의 외형틀을 형성하고 또 열전소자(110)의 두 열전판(110b, 110c)에서 발생되는 온열과 냉열이 서로 잘 분리되도록 구조화함으로써, 제1열변환단(120) 및 제2열변환단(130)에서 발생된 서로 다른 성질의 열을 효과적으로 분리시키고 있다.

그리고 전술한 바와 같이, 본 실시예의 환풍냉난방장치(10)는 추가적으로 제1열변환단(120)이나 제2열변환단(130)의 하부에 집수단(150)을 설치하는 것도 가능하며, 이러한 집수단(150)을 효과적으로 이용하면 냉난방의 효과를 높일 수 있다.

즉, 본 환풍냉난방장치(10)를 이용하여 냉방을 실시하는 경우에는, 점선화살표와 같이 순환되는 실내 공기중의 습기가 제1유도열판(120p)에 맺혀 흘러내리므로써, 집수단(150)에는 냉수가 집수된다. 집수단(150)을 형성시키지 않는 경우에는 흘러내린 냉수를 배출시키게 되지만, 도 1과 같이 집수단(150)을 형성하고 있는 경우에는 여기에 흘러내린 냉수를 모아 반대편의 제2유도열판(130p) 냉각에 이용하게된다.

즉 냉방시 제1유도열판(120p)의 표면을 타고 흘러내리면서 아래로 떨어지거나 장치자체의 열분리벽을 타고 흘러내려 집수단(150)에 모인 냉수는, 통수장치(160)를 가동시키므로써 제2유도열판(130p) 쪽으로 이동시킨다. 아울러 이 통수장치(160)는 냉수를 한 방향으로만 이동시키므로, 제2유도열판(130p) 쪽은 데워진 물은 반대방향으로 흐르지 않게 된다.

집수단(150)의 제2유도열판(130p) 측에는 분무장치(170)가 설치되어 있다. 이 분무장치(170)는 통수장치(160)를 통해 이송된 냉수를 분무하고 다시 이러한 분무를 팬(130f)으로 순환시켜 줌으로써 제2유도열판(130p)을 냉각시킬 수 있다. 아울러 이 과정에서도 제2유도열판(130p)에 물이 맺혀 집수단(150)에 흘러내릴 수 있으며, 이렇게 냉각시킨 후 흘러내리는 물은 다시 분무되어 냉각하는 데 이용할 수 있게 된다. 그리고 냉각후에 증기형태로 된 공기는 배기관(180)을 통해 배출시키게 된다.

배기관(180)에서 배출시킨 배출공기는 수분을 포함하고 있는 공기이다. 일반적인 공기도 약 20∼40% 내외의 습도를 가지지만, 본 배기관(180)을 통해 배출되는 배출공기는 습도가 매우 높으며 공기에 포함된 수분의 알갱이도 일반공기의 수분알갱이보다 큰 것이다.

따라서 열은 이 수분에 거의 포함되게 된다. 때문에 이 수분을 일정 공간에 모아 둘수 있다면, 눈으로 보는 직접적인 차단막이나 단열제가 아니라 할 지라도 효과적으로 열전도를 막을 수 있다. 본 발명에서는 배기관(180)을 통해 배출되는배출공기에 많은 물방울을 머금고 있으며, 이렇게 물방울을 많이 먹고 있는 공기는 열량을 포함하고 있는 경우에도 습도가 낮은 통상의 건조한 공기와 열교환이 쉽게 일어나지 않게 되므로써, 실내의 냉방에 일조하게 된다.

때문에 본 발명의 환풍냉난방장치는 배출되는 가스를 굳이 실외로 배출시키지 않더라도 냉방의 효과를 줄 수 있다. 즉 냉방을 실시해야 할 공간이 약 3∼4평 정도이거나 또는 이 이상의 실내 공간이라면 배기관(180)을 통해 배출된 배출공기가 실내에 존재하는 경우에 있어서도, 자체적으로 열을 포함하고 있지만 어느 정도 무게를 가지고 있기 때문에 냉방해야 할 실내의 공기와 열교환이 많이 일어나지 않게 된다. 그리고 설사 작지만 교환되는 열은 냉방에 의해 식혀지게 되므로, 실제 냉방을 이용하는 입장에서 보면 냉각후 배출된 배출공기는 냉방에 큰 장애를 주지 않게 된다. 결국 본 발명의 환풍냉난방장치로는 배출공기가 실내로 배출되는 경우에도 냉방의 효과에 큰 지장이 없게 된다.

난방을 하는 경우 제어조종판(140)에서 난방을 선택하게 되면 열전소자(110)에 인가되는 전원은 그 극성이 바뀌게 되고, 따라서 전술한 냉방때와는 달리 제1유도열판(120p)은 온판으로 작용하게 되고 제2유도열판(130p)은 냉판으로 작용하게 된다. 이러한 난방의 경우에는 제1열변환단(120)의 팬(120f)을 냉방때와는 달리 약하게 회전시킴으로써 난방의 효과를 증대시키게 된다. 이러한 난방과정에 있어서 제1유도열판(120p)에서는 거의 물이 맺히지 않기 때문에, 집수단(150)를 추가적으로 형성한다 할지라도 이는 실질적으로 거의 작동을 시키지 않게 된다.

또한 이러한 난방의 경우 제2유도열판(130p)은 냉판으로 작용하게 되어 제2열변환단(130)에는 차거운 온도의 공기가 발생하게 된다. 그리고 팬(130f)과 분무기(160)를 거의 작동시키지 않더라도 훌륭하게 난방을 수행할 수 있다. 따라서 이 경우에는 일반 온풍기의 용도로 사용할 수 있다.

더욱이 본 발명은 선풍기와 같이 팬만을 작동시켜 환풍시킬 수도 있다. 하지만 공기만의 환풍이 아닌 더위를 식히려는 용도로 사용할 경우에는 약하더라도 냉방을 실시하여 보다 쾌적한 환경을 유지할 수 있다.

결과적으로 본 발명은 집수단(150)의 추가설치 및 냉난방작동의 변화 등 전체 구조를 필요에 따라 변화시킬 수 있는 등, 본 발명의 기술개념을 바탕으로 다양하게 실시하는 것이 가능하다.

이상에서와 같이 본 발명은 열전소자의 작동원리를 효과적으로 이용하여 실내의 냉난방을 수행할 수 있다. 아울러 냉방과정에서는 공기의 필터링 과정에서 발생된 냉수를 다시 냉각에 이용하도록 구조화시킬 수 있고 냉방시 발생된 열을 효과적으로 격리시킬 수 있는 등 그 효율을 높이는 것이 가능하다.

뿐만아니라 종래 냉난방기기의 문제점이었던 냉매로 인한 환경문제요인을 없애는 등 새로운 개념의 냉난방장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 실내의 냉난방에 있어서,

   냉방과 난방의 선택 및 작동상태를 선택조종하고, 이러한 선택조종을 제어하는 제어회로를 통하여 각 구성부들의 동작을 제어하는 제어조종판과,

   상기 제어조종판의 제어에 따라 인가되는 전원에 의해 온열과 냉열을 분리적으로 생성하는 복수개의 열전소자와,

   상기 열전소자의 제1측면에 설치된 열전달되는 제1유도열판에 실내의 공기를 환풍시켜 줄 수 있도록 실내공기의 출입에 의한 환풍구조로 설계되어, 실내공기의 온도를 변환시키는 제1열변환단과,

   상기 열전소자의 제2측면에 설치된 열전달되는 제2유도열판에, 상기 제1열변환단과 분리된 또 다른 부류의 공기를 순환시키기 위한 제2열변환단을 포함하며,

   상기 제1열변환단 및 제2열변환단은 서로 각각 단열되어 상호의 열전달이 불가능하도록 단열 설계된 것을 특징으로 하는, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1열변환단이나 제2열변환단의 하부에는, 상기 제1열변환단에서의 열변환과정을 통해 형성되는 물을 집수하여 상기 제2열변환단에 이용하기 위한 집수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치.
3. 상기 제1항에 있어서, 상기 열전소자는

   흐르는 전류에 의해 2중 구조의 온도생성 부위를 형성하는 열전재료 형상체가 일정한 방향에 따라 복수로 연결되어 정렬되어 있는 열전재료 형상부와,

   상기 열전재료 형상부를 내포하도록 정렬된 측면에 접착되어 상기 열전재료 형상부에서 분리발생된 열을 모으는 두 개의 열전판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치.
4. 상기 제1항 또는 제2항에 있어서,

   냉방시에는 상기 제1열변환단을 냉방부분으로, 상기 제2열변환단을 난방부분으로 작동시키고, 상기 제1열변환단에서 열변환과정에서 형성된 냉수를 상기 집수단에 집수시키고, 이렇게 집수된 냉수를 분무환풍하여 상기 제2열변환단의 냉각에 이용되도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치.
5. 상기 제1항 또는 제2항에 있어서,

   난방시에는 상기 제1열변환단을 난방부분으로, 상기 제2열변환단을 냉방부분으로 작동시키고, 상기 제1열변환단의 환풍을 냉방시보다 적게 발생되도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 열전소자를 이용한 환풍 냉난방장치.