KR20080008867A - 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치 - Google Patents

열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 열전소자 모듈의 양측을 수냉식으로 열교환하여 열전달효율을 향상함과 아울러 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환회로의 냉각수가 서로 대향되는 방향으로 순환하도록 함으로써 열전소자 모듈의 양측간에 온도차가 균일하게 되고 열전소자 모듈의 효율이 향상되며 실내측 열교환기 하나로 냉난방이 가능한 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치에 관한 것이다.
이에 본 발명은 제 1 펌프(11)에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 1 순환라인(10); 제 2 펌프(21)에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 2 순환라인(20); 일측이 상기 제 1 순환라인(10)과 열교환하도록 설치되고 타측은 상기 제 2 순환라인(20)과 열교환하도록 설치됨과 아울러 양측간에 온도차가 균일할 수 있도록 복수개로 분할되어 구성된 열전소자 모듈(30)을 포함하여 이루어지고, 상기 제 1 순환라인(10)을 흐르는 냉각수와 제 2 순환라인(20)을 흐르는 냉각수는 상기 열전소자 모듈(30)을 기준으로 서로 대향되는 방향으로 흐르도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
보조 냉난방장치, 열전소자 모듈, 제1순환라인, 제2순환라인

Description

열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치{Assistance cooling and heating device for automobile using thermoelectric element}
도 1은 종래의 공조장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치를 나타내는 구성도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치의 냉난방모드시 냉각수 흐름을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환라인의 냉각수가 서로 대향하는 방향으로 유동하도록 한 상태에서 난방모드시의 각 순환라인의 온도를 측정한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 제 1 순환라인 11: 제 1 펌프
12: 제 1 차단밸브 13: 제 1 열교환기
14: 제 2 차단밸브 15: 제 2 열교환기
16,23: 팬 20: 제 2 순환라인
21: 제 2 펌프 22: 제 3 열교환기
25: 공조덕트
본 발명은 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 열전소자 모듈의 양측을 수냉식으로 열교환하여 열전달효율을 향상함과 아울러 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환회로의 냉각수가 서로 대향되는 방향으로 순환하도록 함으로써 열전소자 모듈의 양측간에 온도차가 균일하게 되고 열전소자 모듈의 효율이 향상되며 실내측 열교환기 하나로 냉난방이 가능한 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치에 관한 것이다.
최근, 자동차 연비향상이라는 시대적인 요구에 따라 엔진의 고효율화가 이루어지고 있고, 이에 따라 엔진냉각으로 방열되는 열량이 감소하여 겨울철에 이를 이용한 난방열원이 부족하게 되어 별도의 보조 열원이 필요한 실정이다.
이러한 보조 난방으로 현재 주로 사용하는 방법은 PTC전기히터, 연소식 히터, 냉매 시스템을 이요한 핫가스 시스템, 냉매 시스템을 이용한 히트펌프 시스템을 들 수 있다.
상기 보조 난방 장치는 각각의 장단점이 있을 수 있으나 가장 큰 문제점은 단지 보조적인 난방만을 할 수 있고 보조 냉방은 할 수 없는 문제가 있다.
특히, 많은 보조 난방 열원을 필요로 하는 곳에 적용되는 연소식이나 히트펌프시스템은 비용이 높고, 적은 보조 난방 열원을 필요로 하는 곳에 적용되는 PTC전기히터는 비용이 적게 든다. 따라서 비용은 적고 많은 보조 난방 열원을 공급할 수 있는 보조 난방 시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 기술로 일본 공개특허 1998-035268호는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수냉식 열교환기(1)와 공냉식 열교환기(2) 사이에 펠티어소자(3)(열전소자 모듈)를 장착하여 구성되는 열교환 유니트(4)와 차량에 탑재되는 폐열회수기(5), 이 폐열회수기(5)와 병렬로 접속되는 팬부착 라디에이터(6)와 상기 폐열회수기(5) 또는 팬부착 라이에이터(6)를 선택적으로 상기 수냉식 열교환기(1)에 접속하는 접속교체수단인 제 1 전자밸브(7) 및 제 2 전자밸브(8)와 제 1 전자밸브(7) 및 제 2 전자밸브(8)의 작동을 제어하는 것과 동시에 상기 펠티어 소자의 인가전압을 전환제어하는 제어수단으로 구성된다.
그러나, 상기 종래기술은, 공냉식 열교환기(2)를 사용함으로써 열교환효율이 저하되고 열교환 면적의 확보가 여러운 문제가 있다.
즉, 열전소자 모듈은 온도차가 발생하는 양측의 열교환효율 중 한쪽이 떨어질 경우 다른 쪽의 기능도 떨어지는 특성이 있다. 예를 들면 실내를 난방하려 할 때 방열쪽은 열배출이 원활해야 하고 흡열쪽은 폐열을 이용한 열흡수가 원활해야 한다. 한쪽이라도 열교환효율이 떨어지면 반대편의 온도가 전도되고 효율이 급격이 떨어지게 되는 것이다.
상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열전소자 모듈의 양측을 수냉식으로 열교환하여 열전달효율을 향상함과 아울러 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환회로의 냉각수가 서로 대향되는 방향으로 순환하도록 함으로써 열전소자 모듈의 양측간에 온도차가 균일하게 되고 열전소자 모듈의 효율이 향상되며 실내측 열교환기 하나로 냉난방이 가능한 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제 1 펌프에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 1 순환라인; 제 2 펌프에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 2 순환라인; 일측이 상기 제 1 순환라인과 열교환하도록 설치되고 타측은 상기 제 2 순환라인과 열교환하도록 설치됨과 아울러 양측간에 온도차가 균일할 수 있도록 복수개로 분할되어 구성된 열전소자 모듈을 포함하여 이루어지고, 상기 제 1 순환라인을 흐르는 냉각수와 제 2 순환라인을 흐르는 냉각수는 상기 열전소자 모듈을 기준으로 서로 대향되는 방향으로 흐르도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
종래에 있어서와 동일한 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치를 나타내는 구성도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치의 냉난방모드시 냉각수 흐름을 나타내는 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환라인의 냉각수가 서로 대향하는 방향으로 유동하도록 한 상태에서 난방모드시의 각 순환라인의 온도를 측정한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치는, 제 1 순환라인(10)과, 제 2 순환라인(20), 그리고 일측이 상기 제 1 순환라인(10)과 열교환하도록 설치되고 타측은 상기 제 2 순환라인(20)과 열교환하도록 설치되는 열전소자 모듈(30)로 구성된다.
먼저, 상기 열전소자 모듈(30)은 전류의 흐름방향에 따라 한 쪽은 흡열작용을 하고 반대 쪽은 방열작용을 하게 된다. 즉, 상기 열전소자 모듈(30)은 전류의 극(+,-)전환을 통해 흡열과 방열이 동시에 가능하기 때문에 냉,난방 기능을 모두 수행 할 수 있는 것이다.
이러한, 상기 열전소자 모듈(30)은, 난방모드시, 상기 제 1 순환라인(10)과 열교환하는 일측에서는 흡열하고, 제 2 순환라인(20)과 열교환하는 타측에서는 방열하며,
냉방모드시, 상기 제 1 순환라인(10)과 열교환하는 일측에서는 방열하고, 제 2 순환라인(20)과 열교환하는 타측에서는 흡열하도록 작동하게 된다.
그리고, 상기 제 1 순환라인(10)은 제 1 펌프(11)에 의해 냉각수가 내부를 순환하도록 이루어진다.
상기 제 1 순환라인(10)에는 제 1 차단밸브(12)와 제 1 열교환기(13) 및 제 2 차단밸브(14)와 제 2 열교환기(15)가 병렬로 설치되어, 냉,난방모드시 상기 제 1 펌프(11)를 통과한 냉각수가 제 1,2 열교환기(13)(15)를 선택적으로 거치도록 되어 있다.
즉, 난방모드시에는 상기 제 1 차단밸브(12)가 개방되고 제 2 차단밸브(14)가 폐쇄됨으로써, 상기 제 1 펌프(11)를 의해 순환하는 냉각수는 제 1 열교환 기(13)를 거쳐 순환하는 과정에서 상기 열전소자 모듈(30)의 일측과 열교환하게 되며,
냉방모드시에는 상기 제 1 차단밸브(12)가 폐쇄되고 제 2 차단밸브(14)가 개방됨으로써, 상기 제 1 펌프(11)를 의해 순환하는 냉각수는 제 2 열교환기(15)를 거쳐 순환하는 과정에서 상기 열전소자 모듈(30)의 일측과 열교환하게 되는 것이다.
이와 같이, 상기 제 1 차단밸브(12)와 제 2 차단밸브(14)는 냉난방시의 전환밸브로써 폐열회수가 필요할 때는 제 2 차단밸브(14)가 폐쇄되어 냉각수가 제 1 열교환기(13)로 흐르도록 하고, 대기중에 열의 방출이 필요할 때는 제 1 차단밸브(12)가 폐쇄되어 냉각수가 제 2 열교환기(15)로 흐르도록 하는 것이다.
여기서, 상기 제 1 열교환기(13)는 폐열회수용 열교환기로써, 엔진의 배기관에 장착되어 엔진의 폐열을 이용하여 열교환하게 된다.
만일, 연료전지 자동차의 경우에는 상기 제 1 열교환기(13)가 연료전지 냉각회로 또는 배터리/모터 냉각회로에서 열을 흡수할 수 있으며, 엔진식 차량의 경우에도 엔진 냉각수로부터 열을 흡수할 수 있다.
참고로, 난방모드시, 제 1 순환라인(10)에서는 열전소자 모듈(30)에서 흡열에 필요한 열을 제 1 열교환기(13)를 통해 계속 공급받아야 싸이클이 완성되는데, 만일 제 1 열교환기(13)가 없거나 하여 열을 공급받지 못하게 되면 싸이클이 완성되지 않을 뿐만아니라 제 1 순환라인(10)을 순환하는 냉각수의 온도가 열전소자 모듈(30)의 흡열작용으로 인해 영하까지 계속 낮아지면서 얼게 되는 것이다. 이처럼, 난방모드시 열전소자 모듈(30)의 흡열측은 폐열을 이용한 열흡수가 원활해야하고 방열측은 열배출이 원활해야 열전소자 모듈(30)이 효율이 향상되는 것이다. 아울러 열전소자 모듈(30)의 흡열측에 흡열에 필요한 열을 많이 공급할수도록 효율이 향상되고 이에따른 난방온도도 상승하게 된다.
그리고, 상기 제 2 열교환기(15)는 냉방모드시 제 1 순환라인(10)을 외부공기를 이용하여 냉각하는 방열기로 구성된다. 즉, 냉방모드시 제 1 순환라인(10)에는 열전소자 모듈(30)의 방열작용으로 인해 열이 유입되어 냉각수의 온도가 상승하기 때문에 제 2 열교환기(15)의 일측에 설치된 팬(16)을 통해 외부공기를 송풍시켜 제 1 순환라인(10)을 냉각시켜 줌으로써 열전소자 모듈(30)의 효율을 향상하게 된다.
계속해서, 상기 제 2 순환라인(20)은 제 2 펌프(21)에 의해 냉각수가 내부를 순환하도록 이루어진다.
상기 제 2 순환라인(20)에는 차량 실내의 공조덕트(25)내에 위치하면서 냉난방 기능을 수행하는 제 3 열교환기(22)가 설치된다.
즉, 난방모드시, 상기 열전소자 모듈(30)이 제 2 순환라인(20)측에 대해 방열작용을 하여 제 2 순환라인(20)이 난방라인이 되면 상기 제 3 열교환기(22)는 난방 열교환기가 된다. 따라서 상기 제 2 펌프(21)에서 토출된 냉각수가 열전소자 모듈(30)측에서 열을 공급받아 뜨겁게 가열된 고온 상태로 제 3 열교환기(22)로 유입되므로 실내를 난방하게 되고,
냉방모드시, 상기 열전소자 모듈(30)이 제 2 순환라인(20)측에 대해 흡열작 용을 하여 제 2 순환라인(20)이 냉방라인이 되면 상기 제 3 열교환기(22)는 냉방 열교환기가 된다. 따라서 상기 제 2 펌프(21)에서 토출된 냉각수가 열전소자 모듈(30)측에서 열을 빼앗겨 차갑게 냉각된 저온 상태로 제 3 열교환기(22)로 유입되므로 실내를 냉방하게 되는 것이다.
한편, 상기 제 3 열교환기(22)는 차량의 앞좌석 공조장치의 공조덕트(25)내에 구비된 증발기(미도시)의 하류측에 설치되어 공조장치의 냉난방성능이 충분하지 않을때(차량의 시동 초기) 추가로 냉난방열원을 제공함으로써 차량의 시동 초기에 실내를 급속으로 냉난방시켜 쾌적한 실내 환경을 제공할 수 있게 된다. 또한, 제 3 열교환기(22)의 일측에는 실내측 공기와의 열교환을 위해 팬(23)이 선택적으로 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 열전소자 모듈(30)은 흡열과 방열을 하는 양측간에 온도차가 균일할 수 있도록 복수개로 분할되어 구성된다. 이때, 상기 복수개로 분할된 열전소자 모듈(30)은 직렬로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 순환라인(10)을 흐르는 냉각수와 제 2 순환라인(20)을 흐르는 냉각수는 상기 열전소자 모듈(30)을 기준으로 서로 대향되는 방향으로 흐르도록 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 도 4는 열전소자 모듈을 복수개로 분할하고 제 1,2 순환라인의 냉각수가 서로 대향하는 방향으로 유동하도록 한 상태에서 난방모드시의 각 라인의 온도를 측정한 그래프로써, 보는 바와 같이, 제 1 순환라인(10)을 흐르는 냉각수는 열전소자 모듈(30)의 흡열작용에 의해 점차 온도가 하강하게 되고, 제 2 순환라인(20)을 흐르는 냉각수는 열전소자 모듈(30)의 방열작용에 의해 점차 온도가 상승하게 된다. 여기서, 주목해야 할 부분은 복수개로 분할된 각 열전소자 모듈(30)의 양측간 온도편차(a)(b)(c)가 균일하다는 것을 알 수 있으며, 이처럼 열전소자 모듈(30)의 양측간 온도차(a)(b)(c)가 균일하게 됨으로써 열전소자 모듈(30)의 효율이 상승하게 된다.
아울러, 복수개로 분할된 열전소자 모듈(30)의 작동온도가 위치에 따라 달라지게 되므로 각 위치에 따라 작동온도조건 및 온도차에 맞춰 최적화된 열전소자 모듈(30)을 사용할 수 있다. 열전소자 모듈(30)은 작동온도 및 온도차에 따라 효율이 많이 변하기 때문에 각 위치에 따라 열전소자 모듈(30)을 최적화하면 열전소자 모듈(30)의 열교환부의 효율이 상승하고 고밀도로써 용량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 복수개로 분할된 각 열전소자 모듈(30)의 온도차가 일정하므로 열전소자 모듈(30)의 설계시에 안정성을 기할수 있게 되어 제작의 편의성이 증대된다.
한편, 상기한 열전소자 모듈(30)은 상기 제 1 순환라인(10)상에서 제 1,2 열교환기(13)(15)의 하류측에 설치되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치의 작용을 설명하기로 한다.
가. 난방모드시,
상기 열전소자 모듈(30)은 상기 제 1 순환라인(10)측에 대해서는 흡열작용을 하게 되고 제 2 순환라인(20)측에 대해서는 방열작용을 하게 된다. 이때, 상기 제 1 차단밸브(12)는 개방되고 제 2 차단밸브(14)는 폐쇄된다.
이에 따라, 제 1 순환라인(10)의 냉각수는 제 1 펌프(11)에서 토출되어 제 1 열교환기(13)를 거치게 되고 이후 열전소자 모듈(30)과 열교환 한 후 제 1 펌프(11)로 순환하게 된다. 이 과정에서 냉각수는 상기 제 1 열교환기(13)를 거치면서 엔진의 폐열을 흡수하여 고온 상태가 되고, 이때 흡수한 열은 열전소자 모듈(30)의 흡열작용에 필요한 열로 사용된다.
그리고, 제 2 순환라인(20)의 냉각수는 제 1 순환라인(10)의 냉각수 흐름방향과 대향되는 방향으로 흐르게 되는데, 즉, 제 2 펌프(21)에서 토출된 냉각수는 열전소자 모듈(30)과 열교환 한 후 제 3 열교환기(22)를 거쳐 제 2 펌프(21)로 순환하게 된다. 이 과정에서 냉각수는 방열작용을 하는 열전소자 모듈(30)에 의해 고온 상태가 된 후 제 3 열교환기(22)로 유입되어 실내롤 난방하게 된다.
이와 같이, 난방모드시 제 2 순환라인(20)은 난방라인이 되고 제 3 열교환기(22)는 난방 열교환기가 됨으로써 차량 실내를 난방하게 되는 것이다.
나. 냉방모드시,
상기 열전소자 모듈(30)은 상기 제 1 순환라인(10)측에 대해서는 방열작용을 하게 되고 제 2 순환라인(20)측에 대해서는 흡열작용을 하게 된다. 이때, 상기 제 1 차단밸브(12)는 폐쇄되고 제 2 차단밸브(14)는 개방된다.
이에 따라, 제 1 순환라인(10)의 냉각수는 제 1 펌프(11)에서 토출되어 제 2 열교환기(15)를 거치게 되고 이후 열전소자 모듈(30)과 열교환 한 후 제 1 펌 프(11)로 순환하게 된다. 이 과정에서 열전소자 모듈(30)의 방열작용에 의해 고온 상태가 된 냉각수는 상기 제 2 열교환기(15)를 통해 방열하게 되는데, 즉, 제 2 열교환기(15)는 외부공기를 이용하여 제 1 순환라인(10)을 냉각하게 된다.
그리고, 제 2 순환라인(20)의 냉각수는 제 1 순환라인(10)의 냉각수 흐름방향과 대향되는 방향으로 흐르게 되는데, 즉, 제 2 펌프(21)에서 토출된 냉각수는 열전소자 모듈(30)과 열교환 한 후 제 3 열교환기(22)를 거쳐 제 2 펌프(21)로 순환하게 된다. 이 과정에서 냉각수는 흡열작용을 하는 열전소자 모듈(30)에 의해 저온 상태가 된 후 제 3 열교환기(22)로 유입되어 실내롤 냉방하게 된다.
이와 같이, 냉방모드시 제 2 순환라인(20)은 냉방라인이 되고 제 3 열교환기(22)는 냉방 열교환기가 됨으로써 차량 실내를 냉방하게 되는 것이다.
상기한 본 발명에 따르면, 상기 열전소자 모듈의 양측을 수냉식으로 열교환하도록 구성함으로써 열전달효율이 향상된다.
또한, 상기 열전소자 모듈을 복수개로 분할함과 아울러 제 1,2 순환회로의 냉각수가 서로 대향되는 방향으로 순환하도록 함으로써 열전소자 모듈의 양측간에 온도차가 균일하게 되고 이에따라 열전소자 모듈의 효율이 향상된다.
그리고, 복수개로 분할된 열전소자 모듈 각부의 온도차 및 온도조건에 맞춰 각 위치에 따라 최적화된 열전소자 모듈을 사용할 수 있게 됨으로써 고밀도의 열전소자 모듈 열교환부를 형성할 수 있게 되어 효율 향상으로 용량을 증대시킬 수 있고 이에 따라 장치의 크기를 줄일 수 있다.
아울러, 실내측 열교환기 하나로 냉난방이 가능하게 함으로써 간단한 히트펌프시스템을 구성할 수 있으며 부품수를 절감할 수 있다.

Claims (4)

  1. 제 1 펌프(11)에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 1 순환라인(10);
    제 2 펌프(21)에 의해 냉각수가 순환하도록 구성된 제 2 순환라인(20);
    일측이 상기 제 1 순환라인(10)과 열교환하도록 설치되고 타측은 상기 제 2 순환라인(20)과 열교환하도록 설치됨과 아울러 양측간에 온도차가 균일할 수 있도록 복수개로 분할되어 구성된 열전소자 모듈(30)을 포함하여 이루어지고,
    상기 제 1 순환라인(10)을 흐르는 냉각수와 제 2 순환라인(20)을 흐르는 냉각수는 상기 열전소자 모듈(30)을 기준으로 서로 대향되는 방향으로 흐르도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 순환라인(10)에는 제 1 차단밸브(12)와 제 1 열교환기(13) 및 제 2 차단밸브(14)와 제 2 열교환기(15)가 병렬로 설치되어, 냉,난방모드시 상기 제 1 펌프(11)를 통과한 냉각수가 제 1,2 열교환기(13)(15)를 선택적으로 거치도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전소자 모듈(30)은 상기 제 1 순환라인(10)상에서 제 1,2 열교환기(13)(15)의 하류측에 설치된 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 자동차 용 보조 냉난방장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 순환라인(20)에는 차량 실내의 공조덕트(25)내에 위치하면서 냉난방 기능을 수행하는 제 3 열교환기(22)가 설치되는 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 보조 냉난방장치.
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KR101472635B1 (ko) * 2012-11-07 2014-12-15 현대하이스코 주식회사 펠티어 효과를 이용한 연료전지 시스템

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