KR20090089512A - 열전모듈 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전모듈 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 핀블럭에 설계를 최적화한 코루게이트 루버 핀을 사용함으로써 방열성능 향상, 압력강하 저감, 열교환기의 소형화 및 생산성 증대를 도모하는 열전모듈 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 열전모듈 열교환기는, 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부 또는 외부에 형성되는 수냉블록(200), 상기 수냉블록(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉블록(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 상기 단위 열교환기(500)는 하나 또는 적어도 2개 이상이 높이 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 방열핀블록(300)에 사용되는 핀은 코루게이트 루버 핀으로서, 핀 높이(H)가 3mm 내지 15mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 한다.
열전소자, 열전모듈, 열교환기, 코루게이트 루버 핀, 핀 높이, 핀 피치, 핀 소재 두께

Description

열전모듈 열교환기 {A Heat Exchanger using Thermoelectric Modules}
본 발명은 열전모듈 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핀블럭에 설계를 최적화한 코루게이트(corrugate) 루버 핀을 사용함으로써 방열성능 향상, 압력강하 저감, 열교환기의 소형화 및 생산성 증대를 도모하는 열전모듈 열교환기에 관한 것이다.
열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로도 프레온식 컴프레서나 흡열식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전모듈(Thermoelectric Module)이라 한다. 펠티에 효과란 서로 다른 두 개의 전기적 양도체에 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일측은 가열되고 타측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.
도 1은 이러한 열전모듈의 작동원리를 설명할 수 있는 간단한 회로를 도시하고 있다. N형 반도체(전류 캐리어가 주로 전자인 반도체)와 P형 반도체(전류 캐리어가 주로 정공인 반도체)를 도 1(A)와 같이 연결하고 직류 전원(3)을 인가하면 전자들은 시스템을 통과하는데 필요한 에너지를 얻게 되며, N형 반도체로부터 P형 반도체로 전자가 이동하는 과정에서, 상면(5)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수함으로써 상면(5)은 냉각되며, 하면(4)에서는 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 하면(4)은 가열되게 된다. 이 때, 냉각이 일어나는 상면(5)과 가열이 일어나는 하면(4) 사이에 적절한 열전달을 시키면, 열전모듈은 상면(5)에서 하면(4)으로 열을 이동시키는 열펌프(Heat Pump)로서 작동하게 된다. 열전모듈은 작동 환경에 따라 그 효율과 용량이 변화하게 되는데, 냉온 양측면의 온도차가 클수록 효율이 낮아지는 경향이 있다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서 열전모듈의 냉온 양측면의 온도차를 감소시켜 줄수록 열전모듈의 효율이 상승된다. 이와 같이 열전모듈은 전기에너지와 열에너지를 상호 교환할 수 있게 해 주는 소자이다.
도 1(B)는 일반적인 열전모듈의 형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 P형 반도체와 N형 반도체는 평면 상에 서로 교차되게 배열되어 도체에 의해 서로 연결되고, 상하에 기판이 덮여진다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 (+), (-)의 전기를 외부에서 인가해 주면, 역시 도시된 바와 같이 일측에서는 흡열 현상이, 타측에서는 방열 현상이 발생하게 된다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 일반적으로 사용되는 열전모듈들은 다수 개의 P형 및 N형 반도체가 배열되고, 여기에 전기를 공급하기 위해 양, 음의 전선 1쌍이 결합된 형태로 이루어져 있다. 이와 같은 규격으로 만들어진 다수 개의 열전모듈들을 열교환기의 겉면에 배치하여 열전모듈 어레이를 형성함으로써, 열전모듈을 이용하여 열교환기의 열교환성능을 보다 향상시키려는 연구가 있어 왔다.
미국특허등록 제5,561,981호("Heat Exchanger for Thermoelectric Cooling Device", 이하 선행기술)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 열전모듈 열교환기(1000')의 중앙에 냉각수 유입구 및 배출구가 구비된 수냉블록(200')을 배치하고, 상기 수냉블록(200')의 바깥쪽에 다수 개의 열전모듈들이 배열되어 있는 열전모듈 어레이(100') 및 방열핀블록(300')을 배치하여 하나의 열교환기에서 냉각 및 가열이 동시에 가능하도록 구설하고 있다. 방열핀블록(300')은 다수 열의 핀이 평행으로 적층된 구조로 되어 있으며, 중앙의 수냉블록(200')과 방열핀블록(300')도 서로 평행으로 배치된다. 상기 방열핀블록(300')들이 고정볼트(310')에 의하여 서로 체결됨으로써 상기 방열핀블록(300'), 수냉블록(200') 및 열전모듈 어레이(100')가 서로 일체로 결합될 수 있게 된다. 또한, 상기 열전모듈 어레이(100')에는 전선(110')이 연결되어 외부로부터 상기 열전모듈 어레이(100')에 전원을 공급한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 핀블럭에 설계를 최적화한 코루게이트 루버 핀을 사용함으로써 방열성능 향상, 압력강하 저감, 열교환기의 소형화 및 생산성 증대를 도모하는 열전모듈 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전모듈 열교환기는, 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부 또는 외부에 형성되는 수냉블록(200), 상기 수냉블록(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉블록(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 상기 단위 열교환기(500)는 하나 또는 적어도 2개 이상이 높이 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 방열핀블록(300)에 사용되는 핀은 코루게이트 루버 핀으로서, 핀 높이(H)가 3mm 내지 15mm의 범위 내로 형 성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 핀 높이(H)가 5mm 내지 12mm의 범위 내로 형성되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 코루게이트 루버 핀은 핀 피치(Fp)가 0.5mm 내지 3mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 코루게이트 루버 핀은 핀 소재 두께(t)가 0.04mm 내지 0.2mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유로(230)는 상기 수냉블록(200)의 내측에 U자형으로 형성되는 내측유로로서 구현되는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 유로(230)는 상기 수냉블록(200)의 외측에 U자형으로 벤딩된 파이프가 부착되는 외측유로로서 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는 적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 형성되며, 상기 단위 열교환기(500)들의 상기 유입구(210)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 유입구(210)들로 냉각수를 분배하여 유입시키도록 냉각수 입구(410)가 형성되는 제1연통로(400a); 및 상기 단위 열교환기(500)들의 상기 배출구(220)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 배출구(220)들로부터 배출된 냉각수를 모아 배출시키도록 냉각수 출구(420)가 형성되는 제2연통로(400b); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에, 상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 유입구(210) 및 상기 배출구(220)는 공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 핀블럭에 코루게이트 루버 핀을 채용하는 열전모듈 열교환기에 있어서, 수치적으로 설계를 최적화함으로써 방열성능 향상과 압력강하 저감을 동시에 달성하게 되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의한 코루게이트 루버 핀은 최적화로 인하여 같은 방열성능을 내면서도 종래의 코루게이트 루버 핀보다 작은 크기로 형성될 수 있으므로 종래에 비해 열전모듈 열교환기의 크기가 소형화되는 효과가 있으며, 이에 따라 엔진룸 내의 공간활용성을 증대시키는 효과가 있다. 또한, 상술한 바와 같이 코루게이트 루버 핀의 크기가 작아짐으로써 핀 소재로 사용되는 재료를 절약할 수 있으며, 따라서 생산 시 비용 절감 효과가 있으며 이에 따른 생산성 향상 효과 역시 도모할 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열전모듈 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 열전모듈 열교환기를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 열전모듈 열교환기(1000)는 단일 개 또는 적어도 2개 이상의 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 이루어진다. 상기 단위 열교환기는 중앙에 배치되어 내부 에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부(도 3(A)의 좌측) 또는 외부(도 3(A)의 우측)에 형성되는 수냉블록(200), 상기 수냉블록(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100) 및 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉블록(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)을 포함하여 이루어진다.
상기 수냉블록(200)은 도 3(A)의 좌측에 도시된 바와 같이 유로(230)가 몸체의 내부에 형성되거나 또는 우측에 도시된 바와 같이 외부에 형성될 수도 있다. 도 3(A)의 우측에 도시된 바와 같이 상기 유로(230)가 상기 수냉블록(200) 몸체 외부에 형성될 경우 상기 유로(230)의 지름보다 상기 수냉블록(200) 몸체의 두께가 동일하거나 작게 형성될 수 있는데, 이와 같이 형성될 경우 상기 수냉블록(200) 몸체 상에 구비되는 상기 열전모듈 어레이(100)가 상기 수냉블록(200) 외측으로 돌출되는 높이를 크게 줄일 수 있기 때문에 궁극적으로 열전모듈 열교환기(1000) 자체의 부피를 줄일 수 있게 되는 장점이 있다.
상기 방열핀블록(300)은 핀으로만 구성될 수도 있고, 도 3(C)에 도시된 바와 같이 핀의 변형 및 손상을 막기 위해 핀 주변에 구비되는 보호판을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 또한 본 발명의 열전모듈 열교환기(1000)에서, 각 단위 열교환 기(500)들의 유입구(210) 및 배출구(220)는 외측으로 연장 돌출되어 있는데, 상기 유입구(210)들끼리 또는 상기 배출구(220)들끼리를 연결하여 연통시키는 연통로(400a, 400b)가 더 구비된다. 상기 유입구(210)들을 연결하는 제1연통로(400a)에는 냉각수 입구(410)가, 상기 배출구(220)들을 연결하는 제2연통로(400b)에는 냉각수 출구(420)가 구비된다. 상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에, 상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 구비되는 것이 바람직하다.
도 3(C)에서 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 정면에서 보았을 때 오른쪽으로부터 왼쪽으로 통과하는데, 고온의 공기가 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 통과하면서 저온이 된다. 또한, 도 3(C)에서 상기 냉각수 입구(410)는 왼쪽에, 상기 냉각수 출구(420)는 오른쪽에 배치되는데, 저온의 냉각수가 상기 열전모듈 열교환기(1000)를 통과하면서 고온이 된다. 따라서 도 3(C)에서, 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 왼쪽에서는 저온의 공기 및 저온의 냉각수가, 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 오른쪽에서는 고온의 공기 및 고온의 냉각수가 각각 서로 열교환하게 된다. 일반적으로 열전모듈은 양쪽 온도차가 적을수록 높은 성능을 낸다는 점이 잘 알려져 있는 바, 이와 같이 공기와 냉각수가 대향류를 이루도록 유로를 설계함으로써 상기 열전모듈 열교환기(1000)의, 특히 상기 열전모듈 어레이(100)에서의 열교환성능을 더욱 높일 수 있다. 도 3(C)에서는 공기가 오른쪽에서 왼쪽으로 통과하는 것으로 도시되어 있으므로 상기 냉각수 입구(410)가 왼쪽에, 상기 냉각수 출구(420)가 오른쪽에 배치되었으나, 물론 공기의 방향이 반대(왼쪽에서 오른쪽으로 통과)인 경우라면 상기 냉각수 입구(410)가 오른쪽에, 상기 냉각수 출구(420)가 왼쪽에 배치되어야 한다. 즉, 공기의 방향이 어느 쪽이라 하더라도 상기 냉각수 입구(410) 및 냉각수 출구(420)는 공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 형성되기만 하면 된다. 즉 상기 유로(230)로 유통되는 냉각수와 상기 방열핀블록(300)을 통과하여 유통되는 공기는 서로 그 유동 방향이 직교하도록 되어 있으며, 또한 고온의 냉각수는 고온의 공기와, 저온의 냉각수는 저온의 공기와 열교환을 하는 대향류를 이루도록 되어 있다.
상술한 바와 같이 상기 수냉블록(200)의 내부에는 냉각수가 유통되며, 상기 방열핀블록(300)은 냉각수의 유통 방향과 직교하는 방향으로 공기를 유통시킨다. 냉각수로부터 발산된 열을 상기 방열핀블록(300)에서 공기로 전달함으로써 냉각수가 냉각되게 되며, 따라서 상기 방열핀블록(300)에 구비되는 방열핀은 방열성능이 높을수록 좋다는 것은 자명한 사실이다. 방열핀의 방열성능을 높이기 위해서는 공기와 접촉하는 면적을 넓히면 되지만, 이를 위해 방열핀을 지나치게 촘촘하게 형성하면 흐름 저항이 커지게 된다. 상기 방열핀블록(300)을 통과하는 흐름 저항이 커지게 되면 방열성능에도 악영향을 끼칠 뿐만 아니라 공기를 펌핑하는 파워도 커져야 하기 때문에 에너지의 손실이 발생하게 된다. 따라서 상기 방열핀블록(300)에 구비되는 코루게이트 루버 핀을 설계함에 있어서, 방열성능을 높이면 압력강하가 커진다는 점을 고려하여 방열성능 및 압력강하의 양이 최적화되는 설계 조건을 찾는 것이 필요하다.
도 4는 방열핀블록에 사용되는 코루게이트 루버 핀을 도시한 것이다. 코루게이트 루버 핀은 도시된 바와 같이 하나의 판재가 폭 방향에서 볼 때 물결 모양을 형성하도록 벤딩되어 형성되며, 높이 방향으로 연장되는 다수 개의 루버가 핀의 각 면 상에 길이 방향으로 배열되어 형성된다. 도 4(A)는 코루게이트 루버 핀의 사시도로서, 이하에서 도시된 바와 같이 코루게이트 루버 핀의 길이는 L, 폭은 W, 높이는 H로 표시한다.
도 4(B)는 도 4(A)에서의 A-A 단면을 도시한 것으로, 루버의 형상이 상세하게 도시되어 있다. 도 4(B)에 도시된 바와 같이, 이하에서 각 루버 간의 간격 즉 루버 피치(pitch)는 Lp로, 핀 면에 대한 루버의 각도는 La로 표시한다. 또한, 핀을 이루는 소재의 두께는 t로 표시한다.
도 4(C)는 도 4(A)에 도시된 코루게이트 루버 핀을 폭 방향에서 본 모습을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 폭 방향에서 보았을 때 코루게이트 루버 핀은 주기적인 물결 모양을 이루며, 이하에서 도시된 바와 같이 핀의 각 면들 사이의 간격 즉 핀 피치를 Fp로 칭한다.
이하에서 코루게이트 루버 핀의 핀 높이(H), 핀 피치(Fp), 핀 소재 두께(t)의 설계를 최적화하기 위한 과정을 설명한다. 이하의 실험 결과를 얻는데 사용된 코루게이트 루버 핀은, 루버 피치(Lp)가 0.8mm ~ 1.5mm 범위 내의 수치를, 루버 각 도(La)가 18ㅀ ~ 37ㅀ 범위 내의 수치를 갖는 루버가 형성된 코루게이트 루버 핀이다.
도 5는 핀 소재 두께 및 핀 피치에 따른 방열성능의 변화를 도시한 그래프이다. 도 5에서 핀 소재 두께(t) 및 핀 피치(Fp)의 단위는 모두 mm이다. 방열성능은 최대치를 100%로 하여 단계적으로 % 값이 표시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 핀 소재 두께(t)가 작아질수록 방열성능이 높아지며, 핀 소재 두께(t)가 0.2mm 정도이고 핀 피치(Fp)가 1mm ~ 3mm 정도의 범위 내에 있을 때 가장 높은 방열성능을 보이는 것을 알 수 있다. 핀 피치(Fp)가 커질수록 핀과 공기의 접촉 면적이 작아지게 되기 때문에 방열성능이 낮아진다는 것은 자명한 사실이다. 그러나 핀 피치(Fp)가 지나치게 작아지게 되면 핀과 공기의 접촉 면적이 커져 방열성능이 향상을 기대할 수 있는 대신 공기의 흐름 저항이 커져 압력강하가 커지게 된다. 압력강하가 커지게 되면 공기가 핀을 통과하여 나오지 못하거나 매우 느린 속도로 통과하게 되므로 이에 따라 방열성능이 낮아질 수도 있다. 이러한 문제를 피하기 위하여 핀 피치(Fp)가 많이 작은 경우에는 공기가 핀을 통과하여 나오게 하기 위하여 보다 강하게 공기를 불어 주어야 하며, 이에 따라 결국은 공기의 펌핑 파워가 증가하여 전체적인 시스템에서의 에너지 낭비가 발생하게 된다. 즉 압력강하가 커지면 방열성능에 악영향을 끼치거나 또는 전체 시스템에서의 에너지 낭비가 발생하게 되는 것이 다.
따라서 코루게이트 루버 핀을 설계할 때에는 방열성능과 압력강하를 모두 고려하여 최적의 설계 조건을 찾아야 한다.
도 6은 핀 높이와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프로, 핀 높이(H)는 도 4(A) 및 도 4(C)에 표시된 바와 같은 부분의 수치이다. 핀 높이(H)가 커지면 단일 핀으로서는 공기와의 접촉 면적이 넓어져 방열성능이 증가할 것을 기대할 수 있지만, 도 3에 도시된 바와 같은 열전모듈 열교환기(1000) 전체의 관점에서 볼 때, 핀 높이(H)가 커지면 방열핀블록(300)의 부피가 증가하게 되며 따라서 열전모듈 열교환기(1000) 자체의 부피 제한 조건에 따라 방열핀블록(300)의 개수, 나아가서는 단위 열교환기(500)의 개수를 줄여야 하거나 또는 수냉블록(200)이 차지하는 부피와 방열핀블록(300)이 차지하는 부피 사이의 비율 관계에 따라 오히려 전체적인 방열성능이 감소할 가능성도 있다. 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이, 실제로 방열성능은 핀 높이(H)가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다 어느 시점부터는 오히려 감소하는 경향을 보이고 있다는 것을 알 수 있다. 도 6의 핀 높이(H)-방열성능 그래프를 얻기 위한 실험 결과치에서 방열성능 최대값을 100%로 잡았을 때, 상기 방열핀블록(300)에 채용되는 코루게이트 루버 핀을 설계함에 있어서, 코루게이트 루버 핀의 핀 높이(H)는 90% 이상의 방열성능을 얻을 수 있는 값으로 잡는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이 방열성능 뿐만 아니라 압력강하 역시 설계 조건으로 고려되어야 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 압력강하 양은 핀 높이(H)가 작아짐에 따라 급격하게 증가한다. 도 6의 핀 높이(H)-압력강하 그래프를 얻기 위한 실험 결과치에서 압력강하 최대값을 100%로 잡았을 때, 코루게이트 루버 핀의 핀 높이(H)는 90% 이하의 압력강하가 발생할 수 있는 값으로 잡는 것이 바람직하다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 방열핀블록(300)에 채용되는 코루게이트 루버 핀의 핀 높이(H)는 3mm ~ 15mm 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하다.
이 때, 보다 바람직하게는, 압력강하는 보다 낮아지고 방열성능이 최대한 극대화될수록 좋다. 따라서 압력강하 80% 이하, 방열성능이 97% 이상인 범위로서 핀 높이(H)가 5mm 내지 12mm의 범위 내로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
도 7은 핀 피치와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프로, 핀 피치(Fp)는 도 4(C)에 표시된 바와 같은 부분의 수치이다. 도 7에서 방열성능 및 압력강하는 모두 % 값으로 표시되었으며, 이 때 도 7에서의 100%는 상기 도 6의 그래프에서의 100%와 동일한 값이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 핀 피치(Fp)가 증가함에 따라 압력강하가 감소하는 경향이 보이기는 하나, 핀 피치(Fp)의 변화량에 따른 압력강하의 변화량의 폭은 크지 않다. 또한 도 6에서 압력강하의 최대치(100%)와 대비하였을 때 90% 이하의 압력강하가 발생하는 값을 기준으로 잡았던 바, 도 7에서는 모든 핀 피치(Fp) 범위 에서 압력강하가 90% 이하가 되므로, 핀 피치(Fp)의 최적값을 찾음에 있어서 압력강하는 고려하지 않아도 무방하다.
핀 피치(Fp)가 증가하게 되면, 공기의 유통이 원활해져서(즉 공기의 흐름 저항이 작아지고 압력강하가 낮아져서) 방열성능이 증가할 수도 있으나, 또한 핀 전체 크기가 제한되었을 경우 핀과 공기의 접촉 면적이 줄어들게 되어 방열성능이 오히려 감소할 수도 있다. 실제로 실험 결과를 보면, 도 7에 도시된 바와 같이 핀 피치(Fp)가 증가함에 따라 방열성능도 증가하다가 어느 시점을 지나면 다시 감소하는 경향을 뚜렷이 보이고 있다. 이 때 핀 피치(Fp)의 최적값은, 도 6에서와 같은 기준, 즉 방열성능이 90% 이상이 되도록 하는 핀 피치(Fp) 값으로 잡는 것이 바람직하다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 방열핀블록(300)에 채용되는 코루게이트 루버 핀의 핀 피치(Fp)는 0.5mm ~ 3mm 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하다.
도 8은 핀 소재 두께와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프로, 핀 소재 두께(t)는 도 4(B) 및 도 4(C)에 표시된 바와 같은 부분의 수치이다. 도 8에서 방열성능 및 압력강하는 역시 모두 % 값으로 표시되었으며, 이 때 도 8에서의 100%는 역시 상기 도 6의 그래프에서의 100%와 동일한 값이다.
도 8의 핀 소재 두께(t)와 방열성능 관계 그래프를 보면, 방열성능은 핀 소 재 두께(t)가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 도 6 및 도 7에서와 같은 기준을 적용하면, 90%의 방열성능을 얻을 수 있는 지점은 핀 소재 두께(t)가 0.04mm가 되는 지점이다. 특히 이 경우에 있어, 핀 소재 두께(t)가 0.04mm 이하가 될 경우, 소재가 찢어지는 등의 파손이 일어날 위험성이 있으므로, 핀 소재 두께(t)는 0.04mm 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 8의 핀 소재 두께(t)와 압력강하 관계 그래프를 보면, 압력강하 역시 핀 소재 두께(t)가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있다. 상술한 바와 같이 압력강하는 핀을 통과하는 공기의 흐름 저항이 높아질수록 커지는데, 핀 소재 두께(t)가 증가하면 당연히 흐름 저항이 높아지게 되며, 따라서 압력강하도 증가 경향을 보일 것을 쉽게 알 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 압력강하는 핀 소재 두께(t)의 증가에 따라 매우 급격하게 증가하고 있다. 도 6과 같은 기준을 적용하면, 90%의 압력강하가 발생하는 지점은 핀 소재 두께(t)가 0.2mm가 되는 지점이다. 따라서 핀 소재 두께(t)는 0.2mm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 열전모듈 열교환기(1000)의 방열핀블록(300)에 채용되는 코루게이트 루버 핀의 핀 소재 두께(t)는 0.04mm ~ 0.2mm 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하다.
정리하자면, 방열성능과 압력강하를 모두 고려하여 열전모듈 열교환기(1000)의 방열핀블록(300)에 채용되는 코루게이트 루버 핀을 설계함에 있어서, 핀 높 이(H)는 3mm ~ 15mm 범위 내의 값을, 핀 피치(Fp)는 0.5mm ~ 3mm 범위 내의 값을, 핀 소재 두께(t)는 0.04mm ~ 0.2mm 범위 내의 값을 가지도록 함으로써 최적의 방열성능 및 압력강하가 발생되는 코루게이트 루버 핀의 설계 조건을 결정할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 열전모듈의 작동원리.
도 2는 종래의 열전모듈 열교환기.
도 3은 본 발명의 열전모듈 열교환기.
도 4는 코루게이트 루버 핀.
도 5는 핀 높이 및 핀 피치에 따른 방열성능의 변화를 도시한 그래프.
도 6은 핀 높이와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프.
도 7은 핀 피치와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프.
도 8은 핀 소재 두께와 방열성능 및 압력강하의 관계 그래프.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1000: 열전모듈 열교환기
100: 열전모듈 어레이 200: 수냉블록
210: 유입구 220: 배출구
230: 유로 300: 방열핀블록
500: 단위 열교환기

Claims (9)

  1. 내부에 냉각수가 유통되며, 유입 공기의 하류측에 냉각수가 유입되는 유입구(210)가 길이 방향으로 형성되고 유입 공기의 상류측에 상기 유입구(210)가 형성된 면에 냉각수가 배출되는 배출구(220)가 길이 방향으로 형성되고, 상기 유입구(210) 및 배출구(220) 각각과 연결되는 통로를 포함하여 적어도 2개 이상의 통로가 길이 방향으로 연장되어 서로 연결되어 형성되는 유로(230)가 그 내부 또는 외부에 형성되는 수냉블록(200), 상기 수냉블록(200)의 상하 양면에 구비되는 열전모듈 어레이(100), 상기 열전모듈 어레이(100) 층의 바깥쪽 양측에 밀착되어 고정 구비되며 상기 수냉블록(200)의 폭 방향으로 공기를 유통시키는 방열핀블록(300)으로 이루어지는 단위 열교환기(500); 를 포함하되, 상기 단위 열교환기(500)는 하나 또는 적어도 2개 이상이 높이 방향으로 적층되어 구성되며,
    상기 방열핀블록(300)에 사용되는 핀은 코루게이트 루버 핀으로서,
    핀 높이(H)가 3mm 내지 15mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 코루게이트 루버 핀은
    핀 높이(H)가 5mm 내지 12mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 코루게이트 루버 핀은
    핀 피치(Fp)가 0.5mm 내지 3mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 코루게이트 루버 핀은
    핀 소재 두께(t)가 0.04mm 내지 0.2mm의 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유로(230)는
    상기 수냉블록(200)의 내측에 U자형으로 형성되는 내측유로로서 구현되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 유로(230)는
    상기 수냉블록(200)의 외측에 U자형으로 벤딩된 파이프가 부착되는 외측유로로서 구현되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 열전모듈 열교환기(1000)는
    적어도 2개 이상의 상기 단위 열교환기(500)가 높이 방향으로 적층되어 형성되며,
    상기 단위 열교환기(500)들의 상기 유입구(210)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 유입구(210)들로 냉각수를 분배하여 유입시키도록 냉각수 입구(410)가 형성되는 제1연통로(400a); 및
    상기 단위 열교환기(500)들의 상기 배출구(220)들을 높이 방향으로 서로 연결하며, 상기 배출구(220)들로부터 배출된 냉각수를 모아 배출시키도록 냉각수 출구(420)가 형성되는 제2연통로(400b);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 냉각수 입구(410)는 상기 제1연통로(400a)의 하부에,
    상기 냉각수 출구(420)는 상기 제2연통로(400b)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 유입구(210) 및 상기 배출구(220)는
    공기의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 열교환기.
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