KR20060018181A - 열전소자를 이용한 열교환기 - Google Patents

열전소자를 이용한 열교환기 Download PDF

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KR20060018181A
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김상인
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미래냉동공조주식회사
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Abstract

본 발명은 열전소자의 방열을 통해 공간의 냉방 또는 난방을 가능하게 할 수 있는 열전소자를 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 양측 도체판넬을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈과, 이 열전소자 모듈의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판으로 구성된 열전소자에 있어서; 상기 양 비도체판의 표면중 어느 하나에는 열전소자로부터 방출되는 냉기나 열기를 방열하는 방열판이 밀착 고정된 열전소자를 이용한 열교환기를 특징으로 하는 것이다.

Description

열전소자를 이용한 열교환기{Thermoelectric element cooling and heating apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예의 열교환기를 나타낸 일부 절개 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서 사용상태를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시예의 열교환기를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 B-B선 단면도로서 사용상태를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 제3 실시예의 열교환기를 나타낸 사시도.
도 6은 도 5의 C-C선 단면도로서 사용상태를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 제4 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 제5 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 제6 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 열전소자
11 : 열전소자 모듈
111 : 도체판넬
12 : 비도체판
2 : 방열판
21 : 밀착판
22 : 돌출 방열판
3 : 공간
4 : 순환팬
5 : 파이프
51 : 순환펌프
52 : 라디에이터
521 : 냉각팬
6 : 물체
본 발명은 열전소자를 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 열전소자의 방열을 통해 공간의 냉방 또는 난방을 가능하게 할 수 있는 열전소자를 이용한 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열전소자(熱電素子 thermoelectric element)라 함은 열과 전기가 서로 변환되는 현상을 이용한 소자를 총칭하는 것으로서, 전기저항의 온도변화를 이용한 소자(thermistor), 또는 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상(제베크효과)을 이용한 소자, 또는 전류에 따라 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상(펠티어효과)을 이용한 소자(펠티어소자) 등이 있다.
즉 통상적으로 알려진 펠티에효과는 2종류의 금속 양끝을 접속하여 전류를 흘리면 전류방향에 따라 한 단자에는 흡열, 다른 단자에는 발열이 일어나는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도형이 다른 비스무트·텔루르 등의 반도체를 사용하면 효율 좋은 흡열·발열작용을 하는 펠티어소자를 얻을 수 있는 것이다.
따라서 상기 통상적으로 알려진 펠티어소자는, 전류방향에 따라 흡열·발열의 전환과 전류량에 따라 흡열·발열량을 조절할 수 있으므로 응답이 빠른 정밀한 서모스탯(thermostat;恒溫槽)에 응용된다.
즉 종래의 펠티어 소자는 소용량의 냉동기 또는 서모스탯에만 한정되게 적용되었다.
이에 본 발명은 통상적으로 알려진 펠티어 열전소자를 개량한 것으로서, 펠티어 열전소자(이하, 서술함에 있어서 편의상 '열전소자"라 한다.)를 이용하여 냉방 또는 난방할 수 있도록 함으로서 장치의 고장을 최소화하고 소음의 발생을 억제하는 열교환기를 제공함을 목적으로 한다.
그리고 냉매를 환경 친화적인 물이나 공기로 사용할 수 있도록 하는 열교환기를 제공하는 목적도 있다.
또 냉방이나 난방을 전류의 방향을 조정하여 선택적으로 변환함으로서 항온이 필요한 공간에서의 사용을 가능하게 하는 목적도 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 여러 개소의 P형, N형 반도체 가 다수의 양측 도체판넬을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈과, 이 열전소자 모듈의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판으로 구성된 열전소자에 있어서; 상기 양 비도체판의 표면중 어느 하나에는 열전소자로부터 방출되는 냉기나 열기를 방열하는 방열판이 밀착 고정된 열전소자를 이용한 열교환기를 특징으로 하는 것이다.
그리고 상기 방열판의 반대측 표면에 냉기나 열기를 다른 공간으로 방열하는 다른 하나의 방열판이 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 것이다.
또한 상기 방열판의 반대측 표면에는 냉기나 열기를 다른 공간으로 방열할 수 있도록 순환펌프에 의해 물이나 공기가 순환되는 파이프가 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 것이다.
또 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 상하 도체판넬을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈과, 이 열전소자 모듈의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판으로 구성된 열전소자에 있어서; 상기 양 비도체판의 표면에는 냉기나 열기를 각 공간으로 방열할 수 있도록 순환펌프에 의해 물이나 공기가 순환되게 각각의 파이프가 구비된 열전소자를 이용한 열교환기를 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예의 열교환기를 나타낸 일부 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서 사용상태를 나타낸 개략도이다.
이에 본 발명에 따른 제1 실시예의 열교환기는, 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 양측 도체판넬(111)을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬(111)의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈(11)과, 이 열전소자 모듈(11)의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈(11)로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판(12)으로 구성된 열전소자(1)에 있어서; 상기 양 비도체판(12)의 표면중 어느 하나에는 열전소자(1)로부터 방출되는 냉기나 열기를 공간(3)으로 방열하는 방열판(2)이 밀착 고정된다.
그리고 상기 방열판(2)은, 내면이 상기 비도체판(12)의 외면과 완전하게 밀착되는 밀착판(21)과, 밀착판(21)의 외측에 돌출되게 구비되어 밀착판(21)으로부터 전도되는 열을 방출하는 다수의 돌출 방열판(22)으로 구성되는 한편, 상기 밀착판(21)은 열전소자 모듈(11)에 접착재 또는 연결수단(볼트,너트, 리벳, 용접 등)으로 고정되는 것이다.
따라서 상기 열전소자(1)에 전원을 인가하여 전류를 흘리게 되면 전류의 흐르는 방향에 따라 열전소자의 양측에서는 상호 반대로 냉기 또는 열기가 방출되는 것이다.
그러므로 상기 방열판(2)에서는 냉기나 열기가 발산됨에 따라서, 방열판(2)이 구비되어 있는 공간(3)을 선택적으로 냉방 또는 난방할 수 있는 것이다.
즉 상기 열전소자(1)로 인가되는 전류의 방향을 전환함으로서 공간(3)의 냉 방과 난방을 선택할 수 있는 것이다. 그러므로 항온이 필요한 온실 또는 연구실 등에서도 사용이 가능한 것이다. 즉 통상적으로 전류의 방향을 가변시켜 공간(3)의 항온을 가능하게 할 수 있는 것이다.
그리고 상기 방열판(2)을 구성하는 다수의 돌출 방열판(22)을 통해 열전소자(1)에서 방출되는 냉기나 열기의 발산효과를 높일 수 있는 것이다. 즉 상기 돌출 방열판(22)의 발열 면적이 확장됨으로 인하여 냉기 또는 열기의 방출량을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한 전기적 에너지에 구동되는 열전소자를 구비함으로서 열교환기의 고장을 최소화하고 소음의 발생을 억제할 수 있는 것이다. 즉 전기적 에너지를 사용함으로서 기계적인 움직임이 없이도 냉방 또는 난방으로 가능하게 함으로서 상술한 바와 같이 장치의 고장을 최소화 할 수 있는 것이다. 그리고 기계적인 움직임이 없음에 따라서 소음이 발생되지 안음으로서 구동이 조용한 열교환기를 제공할 수 있는 것이다.
또 열전소자의 전류량을 조정하게 되면 주위의 온도보다 낮은 온도의 냉열을 발산할 수 있음에 따라서, 실내의 냉각효율을 증대시키는 열교환기를 제공할 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시예의 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 B-B선 단면도로서 사용상태를 나타낸다.
이에 본 발명에 따른 제2 실시예의 열교환기는, 열전소자(1)의 일측에는 방열판(2)이 구비되어 있고 상기 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기나 열기를 다른 공간(3)으로 방열하는 다른 하나의 방열판(2)이 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 것이다.
그리고 상기 양 방열판(2) 중 어느 하나나 모두의 외측에는 방열판(2)으로부터 방출되는 냉기나 열기를 효율적으로 강제 순환할 수 있도록 순환팬(4)이 더 구비되어 있는 것이다. 그리고 상기 순환팬(4)은 별도의 모터를 통해 구동되도록 방열판(2)의 외측에 구비되는 것이다.
따라서 상기 열전소자(1)에 전원을 인가하여 전류를 흘리게 되면 전류의 흐르는 방향에 따라 열전소자의 양측에서는 상호 반대로 냉기 또는 열기가 방출되는 것이다.
즉 양측에 대칭되게 구비되어 있는 방열판(2)을 통해 양측의 공간을 동시에 냉,난방할 수 있는 것이다.
그리고 상기 방열판(2)의 외측에는 방열판(2)의 발산되는 냉기나 열기를 공간으로 확산시킬 수 있도록 별도의 순환팬(4)을 구비함으로서 냉방 또는 난방을 신속하게 할 수 있는 것이다. 즉 상기 순환팬(4)을 통해 냉방 또는 난방의 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 제3 실시예의 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 C-C선 단면도로서 사용상태를 나타낸다.
이에 본 발명에 따른 제3 실시예의 열교환기는, 열전소자(1)의 일측에는 방열판(2)이 구비되어 있고 기 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기나 열기를 다른 공간(3)으로 방열할 수 있도록 순환펌프(51)에 의해 물이나 공기가 순환되는 파이프 (5)가 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 것이다. 따라서 상기 열전소자(1)에 전원을 인가하여 전류를 흘리게 되면 전류의 흐르는 방향에 따라 열전소자의 양측에서는 상호 반대로 냉기 또는 열기가 방출되는 것이다.
즉 양측에 대칭되게 구비되어 있는 방열판(2)과 파이프(5)를 통해 양측의 공간을 동시에 냉,난방할 수 있는 것이다. 그리고 상기 파이프(5)를 길게 하여 열전소자(1)와 멀리떨어져 있는 공간(3)의 냉방 또는 난방도 가능하게 할 수 있는 것이다.
또한 상기와 같이 냉방 및 난방을 수행하는 매체를 환경 친화적인 물이나 공기로 사용함으로서 환경 오염을 예방하는 열교환기를 제공하는 효과도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제4 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도이다.
이에 본 발명에 따른 제4 실시예의 열교환기는, 열전소자(1)의 일측에는 방열판(2)이 구비되어 있고 이 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기나 열기를 다른 물체(6)로 방열할 수 있도록 순환펌프(51)에 의해 물이나 공기가 순환되는 파이프(5)가 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 것이다.
즉 상기 파이프(5)를 통해 냉방 또는 난방시키고자 하는 물체(6) 주위를 지나치게 함으로서 물체(6)의 냉방 또는 난방도 가능하게 할 수 있는 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 제5 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도이다.
이에 본 발명에 따른 제5 실시예의 열교환기는, 열전소자(1)의 일측에는 방열판(2)이 구비되어 있고 상기 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기만을 다른 공간(3)이나 물체(도시않됨)로 방열할 수 있도록 순환펌프(5)에 의해 물이나 공기가 순 환되는 파이프(5)가 더 밀착 고정되어 있고, 상기 파이프(5)의 공간(3) 배출측과 열전소자(1)의 사이에는 파이프(5) 내를 통과하는 물이나 공기를 1차적으로 냉각시키는 냉각팬(521)을 포함하는 라디에이터(52)가 더 구비되어 있는 것이다.
즉 상기 냉각팬(521)은 모터에 의해 회전되는 것으로서, 파이프(5)를 통해 공간(3)에서 배출되는 더워진 공기 또는 물을 상기 냉각팬(521)이 포함되는 라디에이터(52)에서 1착적으로 냉각시킨 다음, 이를 열전소자(1)의 표면을 통해 냉각시킴으로서 열전소자(1)를 통한 파이프(5) 내의 공기 또는 물의 냉각효율을 높일 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 제6 실시예의 열교환기를 나타낸 단면도이다.
이에 본 발명에 따른 제6 실시예의 열교환기는, 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 상하 도체판넬(111)을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬(111)의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈(11)과, 이 열전소자 모듈(11)의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈(11)로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판(12)으로 구성된 열전소자(1)에 있어서; 상기 양 비도체판(12)의 표면에는 냉기나 열기를 각 공간(3)이나 물체(6)로 방열할 수 있도록 순환펌프(5)에 의해 물이나 공기가 순환되게 각각의 파이프(5)가 구비됨을 특징으로 하는 것이다.
그리고 상기 양 파이프(5) 중 냉기가 통과되는 파이프(5)의 공간(3) 배출측과 열전소자(1)의 사이에는 파이프(5) 내를 통과하는 물이나 공기를 1차적으로 냉각시키는 냉각팬(521)을 포함하는 라디에이터(52)가 더 구비됨을 특징으로 하는 것 이다.
즉 상기 냉각팬(521)은 모터에 의해 회전되는 것으로서, 파이프를 통해 공간(3)에서 배출되는 더워진 물 또는 공기를 상기 냉각팬(521)이 포함되는 라디에이터(52)에서 1착적으로 냉각시킨 다음, 이를 열전소자(1)를 통해 냉각시킴으로서 열전소자(1)를 통한 파이프(5) 내의 공기 또는 물의 냉각효율을 높일 수 있는 것이다.
그리고 상기 라디에이터(52)가 구비된 파이프(5)의 반대편의 파이프(5)는 열기만을 배출하는 것으로 타 공간을 난방하는데 사용하는 것이다. 그러므로 상기와 냉각 파이프(5)는 달리 라디에이터(52)가 구비될 필요가 없는 것이다.
그러므로 열전소자(1)의 양측중 하나에는 난방용 파이프(5)를 설치하고 다른 하나에는 냉방용 파이프(5)를 설치함으로서, 상기 양 파이프(5)를 통해 두 개소의 공간을 냉방하고 난방할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이, 기계적인 움직임이 없이 전기적인 에너지를 통해 구동되는 열교환기를 제공함으로서, 저소음이면서도 고장이 없는 열교환기를 제공하는 효과가 있다.
그리고 냉방 및 난방을 수행하는 냉매를 물이나 공기로 사용함으로서 환경친화적인 열교환기를 제공하는 효과도 있다.
또한 주변의 온도보다 낮은 냉방도 가능하게 할 수 있도록 함으로서, 극저온을 유지해야 하는 냉동창고 등에 사용도 가능한 열교환기를 제공하는 효과도 있다.
또 전기적 에너지를 이용함로서 온도조절의 정밀도를 향상시키고 냉방과 난 방을 선택적으로 바꿀 수 있도록 함으로서 항온이 필요한 공간에서 사용도 가능한 열교환기를 제공하는 효과도 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (8)

  1. 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 양측 도체판넬(111)을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬(111)의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈(11)과, 이 열전소자 모듈(11)의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈(11)로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판(12)으로 구성된 열전소자(1)에 있어서;
    상기 양 비도체판(12)의 표면중 어느 하나에는 열전소자(1)로부터 방출되는 냉기나 열기를 공간(3)으로 방열하는 방열판(2)이 밀착 고정됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방열판(2)의 반대측 표면에 냉기나 열기를 다른 공간(3)으로 방열하는 다른 하나의 방열판(2)이 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 방열판(2)은,
    내면이 상기 비도체판(12)의 외면과 완전하게 밀착되는 밀착판(21)과, 밀착판(21)의 외측에 돌출되게 구비되어 밀착판(21)으로부터 전도되는 열을 방출하는 다수의 돌출 방열판(22)으로 구성됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 양 방열판(2) 중 어느 하나나 모두의 외측에는 방열판(2)으로부터 방출되는 냉기나 열기를 공간(3)에 강제로 투입할 수 있도록 순환팬(4)이 더 구비됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기나 열기를 다른 공간(3)이나 물체(6)로 방열할 수 있도록 순환펌프(51)에 의해 물이나 공기가 순환되는 파이프(5)가 더 밀착 고정됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 방열판(2)의 반대측 표면에는 냉기만을 다른 공간(3)이나 물체로 방열할 수 있도록 순환펌프(5)에 의해 물이나 공기가 순환되는 파이프(5)가 더 밀착 고정되어 있고, 상기 파이프(5)의 공간(3) 배출측과 열전소자(1)의 사이에는 파이프(5) 내를 통과하는 물이나 공기를 1차적으로 냉각시키는 냉각팬(521)을 포함하는 라디에이터(52)가 더 구비됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  7. 여러 개소의 P형, N형 반도체가 다수의 상하 도체판넬(111)을 통해 쌍으로 결합되어 있고 도체판넬(111)의 시작되는 부분과 끝나는 부분에 전원이 인가되는 열전소자 모듈(11)과, 이 열전소자 모듈(112)의 양측에 부착 고정되어 열전소자 모듈(11)로부터 각 표면에 냉기나 열기를 발산되게 하는 양 비도체판(12)으로 구성된 열전소자(1)에 있어서;
    상기 양 비도체판(12)의 표면에는 냉기나 열기를 각 공간(3)이나 물체로 방열할 수 있도록 순환펌프(5)에 의해 물이나 공기가 순환되게 각각의 파이프(5)가 구비됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 양 파이프(5) 중 냉기가 통과되는 파이프(5)의 공간(3) 배출측과 열전소자(1)의 사이에는 파이프(5) 내를 통과하는 물이나 공기를 1차적으로 냉각시키는 냉각팬(521)을 포함하는 라디에이터(52)가 더 구비됨을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 열교환기.
KR1020040066543A 2004-08-23 2004-08-23 열전소자를 이용한 열교환기 KR20060018181A (ko)

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