KR20050006529A

KR20050006529A - 열교환 장치

Info

Publication number: KR20050006529A
Application number: KR1020030046381A
Authority: KR
Inventors: 임창학; 이재승; 이수일
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-01-17
Also published as: KR100512737B1

Abstract

본 발명은 펠티어(peltier)소자에서 발생되는 열을 열교환부를 통해 효율적으로 방열시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 열교환 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 열교환 장치는, 펠티어소자(20)와; 작동유체가 순환되는 파이프라인(31)과; 펠티어소자(20)와 접촉되도록 파이프라인(31) 상에 마련되는 열교환부재(32)와; 파이프라인(31) 상에 병렬로 연통 설치되어, 열교환부재(32)를 거친 작동유체와 열교환하는 제1,2열교환기(33,34)와; 제1,2열교환기(33,34)와 인접하게 설치되는 방열팬(35)과; 열교환부재(32) 및 제1,2열교환기(33,34) 사이의 파이프라인(31) 상에 설치되어, 작동유체의 유동방향을 선택적으로 제어하는 제어밸브(36)를 포함하여 구성된다. 이에 따라, 펠티어소자의 방열효율이 극대화되어 열교환 장치의 열교환 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라 그에 따른 경제적 비용을 상대적으로 절감할 수 있다.

Description

열교환 장치 {HEAT EXCHANGE APPARATUS}

본 발명은 열교환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펠티어(peltier)소자에서 발생되는 열을 열교환부를 통해 효율적으로 방열시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 열교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환 장치는 서로 온도가 다르고 고체벽 등으로 분리된 두 작동유체의 열교환을 수행하는 장치를 일컫는 말로서, 공기조화와 동력발생 및 폐열회수 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 열교환 장치는 열교환을 수행할 수 있는 열교환수단에 따라 다양하게 분류되며, 최근에 들어 펠티어소자를 이용한 열교환 장치의 사용이 늘어나고 있는 추세이다.

펠티어(peltier)소자는 전자공학분야나 재료공학분야에서 다루어지는 접합에 따른 전기적 성질의 하나인 펠티어 효과를 이용한 것으로서, 직류전원을 공급해 주면 열의 흡수 및 방출에 의해 한쪽 면에서는 냉각이 되고 다른 면은 가열되는 특성을 지니고 있다. 그로 인해, 펠티어소자를 이용한 열교환 장치에는 냉각부 및 방열부에 열교환부가 필수적으로 요구되며, 목적하는 냉각 및 가열 특성을 얻기 위해서는 방열부의 효율을 극대화할 수 있는 열교환기의 최적 설계가 매우 중요하다.

종래 열교환 장치의 열교환부 대부분은 도 1에 도시된 바와 같이, 순환펌프(2)와; 순환펌프(2)에 의해 작동유체가 순환되는 파이프라인(4)과; 펠티어소자(5)와 접촉되도록 파이프라인(4) 상에 마련되는 열교환부재(6)와; 파이프라인(4) 상에 연통 설치되어, 열교환부재(6)를 거친 작동유체와 열교환하는 열교환기(8)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 구조의 열교환 장치는 열교환부에서 펠티어소자(5)의 방열량을 증가시켜 펠티어소자(5)의 냉각능력을 최대화시키기 위해 주로 열교환기(8)의 전열면적을 증가시키는 방법을 사용하였으며, 이렇게 열교환기(8)의 전열면적을 증가시키기 위해서는 그와 관련된 순환펌프(2) 및 팬(미도시)의 용량도 동시에 증가되어야 한다. 그러나 순환펌프(2) 및 팬(미도시)의 용량을 증가시키는 것은 열교환 장치의 사이즈에 영향을 미치게 되어 이러한 방법에 의해 열교환기(8)의 방열량을 증가시키는 데 한계가 있다.

또한, 펠티어소자(5)의 방열량을 증가시키는 데 따른 비용이 상당하여 경제적인 측면에서도 문제가 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 펠티어소자의 방열효율을 향상시킴과 동시에 그에 따른 경제적 비용을 최소화할 수 있는 열교환 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 열교환 장치의 열교환부를 통한 열교환 과정을 도시한 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 열교환 장치의 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 열교환 장치의 온도제어 과정을 도시한 순서도이고,

도 4는 본 발명에 따른 열교환 장치의 열교환부를 통한 열교환 과정을 도시한 구성도이고,

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 본체 20 : 펠티어소자

30 : 열교환부 31 : 파이프라인

32 : 열교환부재 33 : 제1열교환기

34 : 제2열교환기 35 : 방열팬

36 : 제어밸브 37 : 순환펌프

38 : 센서

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 펠티어소자와; 작동유체가순환되는 파이프라인과; 상기 펠티어소자와 접촉되도록 상기 파이프라인 상에 마련되는 열교환부재와; 상기 파이프라인 상에 병렬로 연통 설치되어, 상기 열교환부재를 거친 작동유체와 열교환하는 제1,2열교환기와; 상기 제1,2열교환기와 인접하게 설치되는 송풍팬과; 상기 열교환부재 및 상기 제1,2열교환기 사이의 상기 파이프라인 상에 설치되어, 작동유체의 흐름을 선택적으로 제어하는 제어밸브를 포함하여 구성되는 데 그 특징이 있다.

상기 제어밸브는 센서에 의해 작동되는 것이 바람직하다.

상기 센서는 작동유체의 온도에 의해 작동되는 온도감지센서 또는 설정시간에 의해 작동되는 타임스위치를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 작동유체는 브라인(brine)을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 파이프라인 내의 작동유체는 유체순환수단에 의해 순환되는 것이 바람직하며, 상기 유체순환수단으로는 펌프가 사용된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 열교환 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 열교환 장치의 냉각작용에 따른 흐름을 도시한 순서도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 열교환 장치는 저장실(12)이 형성된 본체(10)와; 본체(10)의 후방에 설치되어, 냉각 및 방열작용을 동시에 수행하는 펠티어소자(20)와; 펠티어소자(20)와 접촉되도록 설치되어, 펠티어소자(20)의 방열부와 열교환 작용을 하는 열교환부와(30); 본체(10)의 저장실(12) 전면개구를 선택적으로 개폐하는 도어(40)를 포함하여 구성된다.

본체(10)의 저장실(12) 내벽면 상에는 알루미늄 및 히트싱크 등과 같은 흡열부(14)가 장착되며, 흡열부(14)와 펠티어소자(20) 사이에는 열전달 매개체 역할을 하는 열전달블럭(16)이 설치된다.

펠티어소자(20)는 전기를 흘려 주면 한쪽 면의 열을 능동적으로 다른쪽 면으로 이동시켜 주는 역할을 수행한다. 즉, 전원을 가해주면 일측은 전자가 주위로부터 열에너지를 흡수하는 흡열현상이 일어나고(냉각작용), 타측은 전자의 열에너지 방출에 의해서 발열이 일어나게 된다(방열작용). 이러한 특성으로 인해 냉장고 및 온장고 등의 열전소자로 주로 사용된다.

열교환부(30)는 펠티어소자(20)의 발열에 따른 방열작용을 수행하며, 그 구성 및 기능 그리고 작동과정에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 하고 생략한다.

이상에서 설명한 열교환 장치의 온도제어 과정을 도 3을 참조하여 간단히 살펴보면 하기와 같다.

먼저, 열교환 장치의 최적화를 구현하기 위해 고내 최저온도를 미리 설정한다(S1). 그리고 펠티어소자(20) 및 열교환부(30)에 의해 열교환 작용을 수행하며, 이러한 과정 중에 고내의 온도를 주기적으로 검출한다(S2).

그리고 제어부를 통해 고내 검출온도와 고내 최저온도를 비교 판단한다(S3). 이 과정에서 고내 검출온도가 고내 최저온도 미만이 되면 펠티어소자(20) 및 열교환부(30)의 작동이 오프되어 열교환 장치의 열교환 작용이 일시 종료되고(S4), 고내 검출온도가 고내 최저온도 이상이 되면 피드백 되어 펠티어소자(20) 및 열교환부(30)를 통한 열교환 작용이 지속적으로 수행된다(S5).

한편, 상기에서 설명한 일 실시예는 열교환 장치의 대표적인 예인 냉장고에 대해 설명한 것으로, 필요에 따라 온장고와 냉·온장고 및 각종 냉각 및 가열장치에 응용할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 열교환 장치의 열교환부를 통한 열교환 과정을 도시한 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 작동유체가 순환되는 파이프라인(31)과; 펠티어소자(20)와 접촉되도록 파이프라인(31) 상에 마련되는 열교환부재(32)와; 파이프라인(31)상에 병렬로 연통 설치되어, 열교환부재(32)를 거친 작동유체와 열교환하는 제1,2열교환기(33,34)와; 제1,2열교환기(33,34)와 인접하게 설치되는 방열팬(35)과; 열교환부재(32)및 제1,2열교환기(33,34) 사이의 파이프라인(31) 상에 설치되어, 작동유체의 흐름을 선택적으로 제어하는 제어밸브(36)를 포함하여 구성된다.

파이프라인(31)은 작동유체가 순환되도록 엔드리스(endless)형 구조를 지니고 있으며, 파이프라인(31) 상에는 작동유체를 강제적으로 순환시킬 수 있는 유체순환수단(37) 설치되어 있다. 유체순환순환(37)으로는 작동이 간단하면서도 그 효율이 뛰어난 순환펌프가 사용되며, 작동유체로는 열교환 가능한 여러 종류의 것을선택적으로 사용할 수 있지만 상대적으로 열교환 효율이 우수한 브라인(brine)을 사용하는 것이 바람직하다.

열교환부재(32)는 펠티어소자(20)와의 열교환 효율을 높이기 위해 일정 크기를 지닌 박스(box) 형상을 지니고 있으며, 그 크기 및 형상은 전열면적을 충분히 확보할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다.

제1,2열교환기(33,34)는 공지된 여러 형태의 것을 선택적으로 적용할 수 있으며, 방열팬(35)을 통해 상온의 주위 공기를 강제 대류시킴으로써 열교환부재(32)를 거친 파이프라인(31) 내의 작동유체를 열교환시키는 역할을 수행한다.

방열팬(35)은 제1,2열교환기(34,35)를 향해 송풍할 수 있는 위치에 하나 이상 설치된다.

제어밸브(36)는 열교환부재(32)를 거쳐 일방향으로 진행되던 파이프라인(31) 내 작동유체의 유동방향을 제1열교환기(33) 또는 제2열교환기(34)로 선택적으로 유도할 수 있는 3-way 밸브가 사용되며, 이 제어밸브(36)는 센서(38)의 작동에 의해 개폐 여부가 결정된다.

센서(38)는 작동유체의 온도를 통해 제어밸브(36)를 제어하고자 할 때에는 온도감지센서를 사용하고, 설정시간을 통해 제어밸브(36)를 제어하고자 할 때에는 타임스위치를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 열교환 장치의 열교환부를 통한 열교환 과정을 살펴보면 하기와 같다.

순환펌프(37)의 작동에 의해 작동유체가 파이프라인(31)을 통해 펠티어소자(20)와 접촉되어 있는 열교환부재(32)로 이동되고, 열교환부재(32)를 거친 작동유체는 센서(38)에 의해 작동되는 제어밸브(36)의 선택적인 개폐에 의해 제1열교환기(33) 또는 제2열교환기(34)로 공급된다. 예를 들어, 작동유체의 온도가 설정온도 보다 낮을 때에는 제1열교환기(33)로 작동유체가 유도되고, 그 이상이 되면 제어밸브(36)에 의해 제1열교환기(33)로의 작동유체 공급이 차단되고 제2열교환기(34)로 작동유체가 유도되어 열교환하게 된다.

작동유체의 유동방향이 제1열교환기(33)에서 제2열교환기(34)로 전환되는 작동유체의 설정온도는 온도 조건에 의해 제1열교환기(33)의 발열효율이 상대적으로 저하되는 시점을 기준으로 결정되며, 설정시간을 적용할 때에도 마찬가지로 시간 조건에 의해 제1열교환기(33)의 발열효율이 상대적으로 저하되는 시점을 기준으로 결정된다.

그리고 제1열교환기(33) 또는 제2열교환기(34)를 거친 작동유체는 다시 순환펌프(37)로 유입된다.

한편, 제1열교환기(33)에 의해 방열작용이 진행되고 있는 동안 제2열교환기(34) 내의 작동유체는 방열팬(35)에 의해 주위 온도와 강제 대류되어 상온의 유체가 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 밸브를 통해 제1,2열교환기를선택적으로 사용하여 발열효율을 극대화시킴으로써 최적의 열교환 성능을 구현할 수 있는 열교환 장치를 제공할 수 있다.

또한, 기존 펌프 및 방열팬 등의 용량을 줄일 수 있어 전력소모를 줄일 수 있는 등 경제적인 측면에서도 유리하다.

Claims

펠티어소자와;

작동유체가 순환되는 파이프라인과;

상기 펠티어소자와 접촉되도록 상기 파이프라인 상에 마련되는 열교환부재와;

상기 파이프라인 상에 병렬로 연통 설치되어, 상기 열교환부재를 거친 작동유체와 열교환하는 제1,2열교환기와;

상기 제1,2열교환기와 인접하게 설치되는 방열팬과;

상기 열교환부재 및 상기 제1,2열교환기 사이의 상기 파이프라인 상에 설치되어, 작동유체의 유동방향을 선택적으로 제어하는 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항에 있어서,

상기 제어밸브는 센서에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제2항에 있어서,

상기 센서는 작동유체의 온도에 의해 작동되는 온도감지센서인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제2항에 있어서,

상기 센서는 설정시간에 의해 작동되는 타임스위치인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 작동유체는 브라인(brine)인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파이프라인 내의 작동유체는 유체순환수단 의해 순환되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제6항에 있어서,

상기 유체순환수단은 순환펌프인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.