KR20050093553A - 열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치 및 그 방법 - Google Patents

열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자를 이용하여 실내의 열을 흡수하고 실외로 방열시켜 실내를 냉방시키거나 실외열을 흡수하고 실내로 방열시켜 실내를 난방시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나 이상의 열전소자가 내장된 열전소자판을 중복 적층하여 전열효과를 배가하는 냉·난방장치에 관한 것이다.
열전소자는 직류전원을 인가하면 일측면은 열을 흡수하여 타측면으로 열을 보내므로 냉각이 되고 전열되어 열을 받는 타측면은 발열되는 소자이다. 즉, 열이 흡수되는 흡열면은 온도가 내려가서 냉각이 되고 반대측의 발열면은 온도가 올라가서 고온이 형성되는 전열현상이 일어난다.
또한, 열전소자는 가역 반응을 하여 전극을 바꿔서 전기를 인가하면 흡열면과 발연면이 바뀌어 반대로 흡열면이 발열면이 되고 발열면이 흡열면으로 되어 전열작용을 하므로 필요에 따라 전류흐름을 바꾸어 실내를 냉방 또는 난방으로 할 수 있다.
이와 같은 현상을 이용하여 여름철 냉방의 경우를 예를 들면, 흡열면에서 발생되는 저온의 실내 순환수로 실내를 냉방하고 실내에서 흡수된 열로 인하여 온도가 높아진 물은 순환하여 열전소자의 흡열면에서 다시 열이 흡수되어 실내로 순환하게 된다. 또한 순환수에서 흡열된 열은 열전소자의 발열면으로 전열하여 실외의 냉각된 순환수에 흡수시켜 실외열교환기를 통하여 외부로 방열하고 열교환기에서 온도가 낮아진 순환수가 다시 발열통으로 들어와 열전소자의 발열면에서 열을 흡수하여 온도가 높아지고 순환되면 열전소자는 열전소자의 흡열면으로부터 더욱 많은 열을 흡수하여 발열면에서 방열하게 되므로 흡열면에는 더 낮은 온도의 순환수가 형성되고 여기서 발생된 저온의 순환수를 실내로 공급하여 실내냉각기에서 실내를 냉방하게 된다.

Description

열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치 및 그 방법 {Air conditioner and Heating system using overlapping thermoelectric-element panel and the making method thereof}
본 발명은 열전소자를 이용하여 실내의 열을 흡수하고 실외로 방열시켜 실내를 냉방시키거나 실외열을 흡수하고 실내로 방열시켜 실내를 난방시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나 이상의 열전소자가 내장된 열전소자판을 중복 적층하여 전열효과를 배가하는 냉·난방장치에 관한 것이다.
열전소자는 직류전원을 인가하면 일측면은 열을 흡수하여 타측면으로 열을 보내므로 냉각이 되고 전열되어 열을 받는 타측면은 발열되는 소자이다.
즉, 열이 흡수되는 흡열면에 밀착된 흡열통 속의 순환수는 온도가 내려가서 냉각이 되고 반대측의 발열면에 밀착된 발열통 속의 순환수는 온도가 올라가서 고온으로 되는 전열현상이 일어난다.
또한, 열전소자는 가역 반응을 하여 전극을 바꿔서 전기를 인가하면 흡열면과 발연면이 바뀌어 반대로 흡열면이 발열면이 되고 발열면이 흡열면으로 되어 전열작용을 하므로 필요에 따라 전류흐름을 바꾸어 실내의 냉방 또는 난방으로 이용할 수 있다.
이와 같은 현상을 이용하여 여름철 냉방의 경우를 예를 들면, 열전소자의 흡열면에서 발생되는 저온의 실내 순환수로 실내를 냉방하고 실내에서 흡수된 열로 인하여 온도가 높아진 물은 순환하여 열전소자의 흡열면에서 다시 열이 흡수되어 냉각되고 실내로 순환하게 된다. 또한 열전소자의 흡열면에서 순환수로부터 흡열된 열은 열전소자의 발열면으로 전열하여 실외의 냉각된 순환수에 흡수시켜 실외열교환기를 통하여 외부로 방열하고 열교환기에서 온도가 낮아진 순환수가 다시 발열통으로 들어와 열전소자의 발열면에서 열을 흡수하여 온도가 높아지고 순환되면 열전소자는 열전소자의 흡열면으로부터 더욱 많은 열을 흡수하여 발열면에서 방열하게 되므로 흡열면에는 더 낮은 온도의 순환수가 형성되고 여기서 발생된 저온의 순환수를 실내로 공급하여 실내냉각기에서 실내를 냉방하게 된다.
열전소자를 이용한 종래 냉·난방 장치로는 다수의 출원이 있었고, 그 중에서 본 출원의 발명인이 출원번호 10-1899-0013880와 출원번호 10-1901-0059463로 이미 출원된 바 있으나 이들은 모두 하나의 열전소자판을 사용하고 그 양측에 흡열통과 발열통(열교환통)을 각각 밀착시켜 열전소자판의 흡열면에서는 흡열통의 물에서 열을 빼앗아 냉각시킨 후 실내로 순환시켜 실내 냉방에 사용하고 열전소자의 발열면에서는 방열통의 물에 방열시켜 더워진 물을 다시 실외열교환기로 순환시켜서 냉각시키고 필요에 따라 열전소자의 전극을 바꾸어 실내난방에 이용한다. 그러나, 상기 발명들은 실제 건축물에 적용한 결과 열전소자가 내장된 열전소자판을 하나만 사용하고 양측에 흡열통과 발열통을 각각 하나씩 부착하는 것이기 때문에 실제로 실내 냉방 또는 난방용으로는 전열용량에 한계가 있어 하나의 열전소자판만으로는 실내에 적용하기에 부족한 문제점이 있었다.
본 발명은 이와같은 문제점을 해소하기 위한 것으로 하나 이상의 열전소자가 내장된 열전소자판을 복수개 사용하여 흡열통 및 발열통과 적층함으로써 전열용량을 배가시키는데 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 흡열통의 양측에 열전소자판의 흡열면이 각각 밀착되고 열전소자판의 발열면에는 발열통이 각각 밀착하는 방법으로 열전소자판과 흡열통과 발열통을 교대로 적층하여 열교환능력을 증가시키는데 특징이 있다.
본 발명의 바람직한 구성을 도면에 의해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 열전소자부(2)와 실내냉방부(3)와 실외방열부(4)와 제어부(28)로 구성되어 있다.
열전소자부(2)는 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)과 흡열통(8)과 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)이 구비되어 있는데, 열전소자부(2)의 가운데 부분에는 흡열통(8)이 위치해 있고 상기 흡열통(8) 양측면에는 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)이 각각 맞닿아 있으며 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)의 일측이 맞닿아 있어 제1발열통(9a)과 제1열전소자판(7a)과 흡열통(8)과 제2열전소자판(7b)과 제2발열통(9b)이 차례로 맞닿아 밀착되어 있다.
제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)은 도 2와 같이 1개 이상의 통상의 열전소자(21)가 내장되어 있는데, 일측은 흡열면(32a)(32b)이고 타측은 발열면(33a)(33b)으로 되어 있어 각 흡열면(32a)(32b)에는 흡열통(8)이 맞닿아 밀착되어 있고, 발열면(33a)(33b)에는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)이 맞닿아 밀착되어 있다.
제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)은 흡열면(32a)(32b)이 흡열통(8)의 양측면에 맞닿아 밀착되어 흡열통(8) 내부의 순환수로부터 열을 흡수하고 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 각 발열면(33a)(33b)으로 열을 보내어 상기 발열면(33a)(33b)에 각각 맞닿아 밀착된 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b) 내부의 냉각된 순환수에 열을 방출하도록 되어 있다.
제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)과 흡열통(8)은 동일한 형상으로서 열매체인 물의 열교환 효율을 높이도록 도 3과 같이 각각 내부에 열교환판(22)이 지그재그로 부착되어 있고 외부에는 단열재(23)로 코팅되어 있다.
제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)은 실외방열부(4)의 중간열교환기(5)와 저온수공급관(13) 및 온수배출관(14)으로 연결되어 있어 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에 의해 더워진 온수는 온수배출관(14)을 통하여 중간열교환기(5)에서 열교환되어 냉각된 후 저온수공급관(13)을 통하여 다시 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)에 냉각된 저온의 물을 공급하면서 순환되도록 되어 있다.
흡열통(8)은 실내냉방부(3)의 실내냉방장치(10)와 냉각수공급관(11) 및 냉각수회수관(12)으로 연결되어 있어 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)에 의해 냉각된 냉각수는 냉각수공급관(11)을 통하여 실내냉방장치(10)로 보내져 실내를 냉방한 후 냉방에 사용되어 가온된 물이 냉각수회수관(12)을 통하여 흡열통(8)으로 들어오면 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열에 의하여 다시 냉각된 후 실내냉방장치(10)로 순환되도록 되어 있다.
실내냉방부(3)는 실내를 냉각시키기 위하여 흡열통(8)에서 냉각된 물을 냉각수공급관(11)을 통하여 실내 바닥면의 냉각코일이나 에어콘 등의 실내냉방장치(10)로 보내고 실내냉방장치(10)에서 실내냉각 후 더워진 물은 다시 냉각수회수관(12)을 통하여 열전소자부(2)의 흡열통(8)으로 들어와 냉각된 후 실내냉방장치(10)로 순환되도록 되어 있다.
실외방열부(4)는 중간열교환기(5)와 지하열교환기(6)로 되어 있다.
중간열교환기(5)는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)에서 더워진 물이 온수배출관(14)을 통하여 들어오면 지하열교환기(6)에서 냉각된 찬물과 내측에 구비된 중간열교환코일관(15)을 통해 열교환하여 냉각된 후 저온수공급관(13)을 통하여 냉각된 저온의 물을 열전소자부(2)의 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)으로 순환시키도록 되어 있다.
지하열교환기(6)는 지하열교환코일관(16)을 지하에 묻은 것으로 여름철 지하의 냉온에 의하여 중간열교환기(5)로부터 지하수배출관(17)을 통해 들어오는 더운물을 지하열교환코일관(16)에서 냉각시킨 후 다시 지하수공급관(18)을 통하여 중간열교환기(5)로 순환시킨다.
필요에 따라 도 4와 같이 지하열교환기(6) 대신 중간열교환기(5)에서 더워진 물을 지하수배출관(17)을 통하여 하천으로 방류하고 여름철 지하 또는 하천의 냉수를 지하수공급관(18)을 통하여 중간열교환기(5)로 보낼 수도 있다.
상기 순환수는 순환모터(19a)(19b)(19c)에 의하여 순환된다.
제어부(28)는 실내온도센서(29)와 순환모터(19a)(19b)(19c)와 열전소자부(2)의 제1열전소자판(7a) 및 제2열전소자판(7b)의 전극과 연결되어 실내온도센서(29)에서 감지된 온도와 설정 온도를 비교하고, 설정 시간에 의하여 순환모터(19a)(19b)(19c)가 작동하도록 한다.
한편, 필요에 따라 상기 실내 냉방을 실내 난방으로 할 경우 도 5와 같이 제1열전소자판(7a) 및 제2열전소자판(7b)의 전극을 반대로 바꿔 상기 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)과 발열면(33a)(33b)이 반대로 작동하도록 하여 겨울철에는 실내를 가온시키도록 할 수도 있다. 이때 실내냉방부(3)는 실내난방부(3')로 되고 실외방열부(4)는 실외흡열부(4')로 바뀌며 흡열통(8)은 발열통(8')으로 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)은 제1흡열통(9a')과 제2흡열통(9b')으로 되어 흡열 작용을 하도록 하고 지하열교환기(6) 대신 태양열에 의한 온수나 겨울철 더운 지하수를 중간열교환기(5)에 순환시키도록 하는데 제1흡열통(9a')과 제2흡열통(9b')에서는 밀착된 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열 작용에 의하여 중간열교환기(5)로부터 들어온 온수에서 흡열하여 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 가운데 부분에 맞닿아 밀착된 발열통(8')으로 발열하면 발열통(8') 내부의 물이 가온되어 실내로 순환되어 실내 난방이 이루어지게 된다.
미설명부호 24는 볼트이고, 25은 너트이며, 26는 스페이서고, 27은 브라켓으로서 흡열통(8)과 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b) 및 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)을 결합한다.
본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본원 발명은 여름철 실내를 냉방할 경우 제어부(28)의 실내온도를 설정하고 전원을 실내냉방쪽으로 한다. 이때 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 각 흡열면(32a)(32b)이 흡열통(8)의 양측에 밀착되어 있으므로 흡열통(8) 속의 물에서 열을 2중으로 빼앗아 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 각 발열면(33a)(33b)으로 열을 방출하면 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 각 발열면(33a)(33b)에 각각 밀착되어 있는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b) 속의 냉각수로 열이 전달되고 이 냉각수는 방출열을 흡수하여 온도가 가온되어 순환모터(19b)에 의하여 온수배출관(14)을 통해 중간열교환기(5)로 보내지고 중간열교환코일관(15)에서 냉각된 후 저온수공급관(13)을 통해 다시 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)으로 순환되는데, 상기 중간열교환기(5)내의 가온된 냉각수는 순환모터(19c)에 의해 지하수배출관(17)을 통하여 여름철 찬 지하에 매립된 지하열교환기(6)로 보내져 지하열교환코일관(16)을 통과하는 동안 냉각된 후 지하수공급관(18)을 통해 다시 중간열교환기(5)로 보내져 순환 하게된다. 이때 흡열통(8)의 물은 양측 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)으로부터 2중으로 빠르게 열을 빼앗기게(흡열)되므로 냉각이 배가되어 냉각수공급관(11)을 통하여 실내냉방장치(10)로 보내지며 실내냉방장치(10)에서는 실내의 더운 공기를 냉각시키면서 더워진 물을 순환모터(19a)에 의해 냉각수회수관(12)을 통하여 다시 흡열통(8)으로 보내 냉각시키는 순환을 계속하게 되고, 설정 온도까지 실내온도가 내려가면 실내온도센서(29)로부터의 신호를 제어부(28)에서 체크하여 냉방작동이 중단되고 실내온도가 설정온도 이상으로 되면 다시 냉방작동이 시작된다.
한편, 겨울철에 실내를 난방하게 할 경우에는 제어부(28)에서 제1열전소자판(7a) 및 제2열전소자판(7b)의 전극을 반대로 바꾸고 중간열교환기(5)에 지하열교환기(6) 대신 태양열집열판(20)이나 또는 겨울철 지하열교환기(6)를 연결하여 이로부터의 온수를 순환시키면 실내 냉방 작동이 실내 난방 작동으로 바뀌게 된다.
본 발명에서는 실내 냉·난방의 필요에 따라 상기와 같은 방법으로 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)과 흡열통(8)과 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)을 다중으로 적층하여 설치함으로써 열량이 증가하게 된다.
종래 하나의 열전소자판에 의한 열전작용에 의하여 냉·난방을 함으로써 실제 건축물의 공간이 큰 실내 냉·난방에는 전열량이 부족하여 적용하기 어려웠던 것을 열전소자판을 복수개 사용하여 발열통 및 흡열통과 다중 적층시킴으로써 필요에 따라 전열량을 증가시킬 수 있어 건축물의 넓은 실내공간에도 적용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 실내 냉방시의 전체 구성도
도 2는 본 발명에 따른 열전소자부의 분해도
도 3는 본 발명에 따른 흡열통 또는 발열통의 단면도
도 4는 본 발명에서 지하열교환기 대신 중간열교환기에서 배출수를 하천으로 방류하고 지하수를 중간열교환기로 공급하는 상태의 개략도
도 5은 본 발명에서 실내 난방시 중간열교환기에 태양열 집열판으로부터의 온수를 순환시키는 상태의 개략도
도 6은 본 발명에 따른 회로 구성도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 열전소자판을 중복 사용하는 냉·난방 장치 2 : 열전소자부
3 : 실내냉방부 3' : 실내난방부
4 : 실외방열부 4' : 실외흡열부
5 : 중간열교환기 6 : 지하열교환기
7a : 제1열전소자판 7b : 제2열전소자판
8 : 흡열통 8' : 발열통
9a : 제1발열통 9a' : 제1흡열통
9b : 제2발열통 9b' : 제2흡열통
10 : 실내냉방장치 11 : 냉각수공급관
12 : 냉각수회수관 13 : 저온수공급관
14 : 온수배출관 15 : 중간열교환코일관
16 : 지하열교환코일관 17 : 지하수배출관 18 : 지하수공급관 19a, 19b, 19c : 순환펌프
20 : 태양열집열판 21 : 열전소자
22 : 열교환판 23 : 단열재
24 : 볼트 25 : 너트
26 : 스페이서 27 : 브라켓
28 : 제어부 29 : 온도센서
30 : 입력회로 31 : 구동회로
32a, 32b : 흡열면 33a, 33b : 발열면

Claims (4)

  1. 전류의 인가 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열작용을 하고 반대쪽 면에서는 발열작용을 하는 열전소자를 포함하는 열전소자부와, 상기 열전소자의 흡열면과 발열면에 각각 밀착되고 순환수가 들어 있는 흡열통 및 발열통과 상기 흡열통에서 발생되는 저온을 순환수를 통해 전달받아 실내로 냉온을 전달하는 실내냉방부와, 상기 열전소자의 타측면에 밀착된 발열통에서 발생되는 열을 순환수를 통해 전달받아 실외열교환기로 열을 전달하는 실외방열부와, 순환수를 순환시키는 순환펌프와, 상기 열전소자부 및 순환펌프를 제어하는 제어부로 구성된 실내 냉난방 장치에 있어서, 상기 열전소자부(2)는 가운데 부분에 흡열통(8)이 위치되어 있고 흡열통(8)의 양측면에는 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)이 맞닿아 밀착되어 있으며 상기 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)이 맞닿아 밀착되어 있어 흡열통(8) 내부의 순환수로부터 열을 이중으로 빠르게 흡수하여 실내냉방부(3)를 통해 실내를 냉방시키도록 되어 있고, 상기 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)은 실외방열부(4)의 중간열교환기(5)와 연결되어 있어 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에 의해 더워진 온수가 온수배출관(14)을 통하여 중간열교환기(5)에서 열교환되어 냉각된 후 저온수공급관(13)을 통해 다시 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)에 냉각된 저온의 물을 공급하면서 순환되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실외방열부(4)는 중간열교환기(5)와 지하열교환기(6)로 되어 있는데 중간열교환기(5)는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)에서 가온되어 들어오는 순환수를 중간열교환코일관(15)을 통하여 지하열교환기(6)로부터의 냉각된 냉각수로 냉각시켜 다시 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)으로 순환시키며, 지하열교환기(6)는 중간열교환기(5)로부터 배출되는 가온수를 지하열교환코일관(16)을 통하여 냉각시킨 후 냉각수를 다시 중간열교환기(5)로 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 한 열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 중간열교환기(5)는 여름철 냉각된 지하수를 공급받아 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)으로부터 배출되는 가온된 순환수를 냉각시키는데 사용하고 난 후 지하로 방류하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열전소자판을 중복 적층하는 냉·난방장치.
  4. 전류의 인가 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열작용을 하고 반대쪽 면에서는 발열작용을 하는 열전소자를 포함하는 열전소자부와, 상기 열전소자의 흡열면과 발열면에 각각 밀착되고 순환수가 들어 있는 흡열통 및 발열통과 상기 흡열통에서 발생되는 저온을 순환수를 통해 전달받아 실내로 냉온을 전달하는 실내냉방부와, 상기 열전소자의 타측면에 밀착된 발열통에서 발생되는 열을 순환수를 통해 전달받아 실외열교환기로 열을 전달하는 실외방열부와, 순환수를 순환시키는 순환펌프와, 상기 열전소자부 및 순환펌프를 제어하는 제어부로 실내를 냉난방하는 방법에 있어서, 상기 열전소자부(2)는 가운데 부분에 흡열통(8)을 위치되도록 하고 흡열통(8)의 양측면에는 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 흡열면(32a)(32b)이 맞닿아 밀착되도록 하며 상기 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에는 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)이 맞닿아 밀착되도록 하여 흡열통(8) 내부의 순환수로부터 열을 이중으로 빠르게 흡수하여 실내냉방부(3)를 통해 실내를 냉방시키고, 상기 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)은 실외방열부(4)의 중간열교환기(5)와 연결하여 제1열전소자판(7a)과 제2열전소자판(7b)의 발열면(33a)(33b)에 의해 더워진 온수를 온수배출관(14)을 통하여 중간열교환코일관(15)이 내장된 중간열교환기(5)에서 열교환하여 냉각시키고 저온수공급관(13)을 통하여 순환하며, 상기 실외방열부(4)는 중간열교환기(5)와 연결된 지하열교환기(6)를 구비하며, 상기 지하열교환기(6)는 지하에 순환수를 냉각시키는 지하열교환코일관(16)이 매장되어 있고 양단에 냉각수를 중간열교환기(5)로 순환시키는 지하수배출관(17)과 지하수공급관(18)을 구비하여 냉각된 저온의 물이 순환과 열교환에 의하여 제1발열통(9a)과 제2발열통(9b)으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 중복 적층하는 냉·난방방법.
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