KR20100019140A - 열전 소자를 이용한 흡착식 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착식 냉각 장치를 이용한 옥외형 함체 냉각 장치에 관한 것으로서, 함체의 내부 공간과 열이 전도될 수 있도록 설치되는 증발기, 상기 증발기와 연결되는 흡착기, 상기 흡착기 및 증발기와 연결되는 응축기를 포함하는 흡착식 냉각 장치; 및 상기 함체와 흡착기의 사이에 배치되는 열전 소자를 포함하되, 상기 열전 소자의 흡열부는 상기 함체의 내부 공간과, 상기 열전 소자의 발열부는 상기 흡착기와 열이 전도될 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 흡착식 냉각 장치를 이용한 함체 냉각 장치를 제공한다.
본 발명에서는 흡착식 냉각 장치를 구동하기 위해 필요한 열원을 함체 내부로부터 얻도록 하여, 에너지 이용효율을 높일 수 있고, 그 과정에서 보조적으로 함체 내부의 냉각에 일조하게 되므로 냉방 능력도 향상시킬 수 있다.
함체, 중계기, 흡착식 냉각 장치, 열전 소자.

Description

열전 소자를 이용한 흡착식 냉각 장치{ADSORTION CHILLER USING A THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 소자를 이용한 흡착식 냉각 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡착제와 냉매의 가열 및 흡열 반응을 이용하는 흡착식 냉동 장치에 열전 소자를 결합한 형태의 냉각 장치에 관한 것이다.
냉각 장치 그 구동 원리에 따라 다양한 형태로 구분할 수 있는데, 통상적으로는 냉매의 상변화 과정에서 발생되는 잠열을 이용한 냉매 압축식 냉각 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 냉매 압축식 냉각 장치는 비교적 소형으로 구성할 수 있으면서도 높은 냉각 성능으로 인해서 가정용과 같은 중소 규모의 냉각 장치로서 널리 사용되고 있다. 다만, 상기 냉매 압축식 냉각 장치는 냉매를 압축하기 위한 압축기의 구동에 많은 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라 기계적인 구동부가 필요하므로 소형화에 한계가 있고 그 구조도 비교적 복잡하다.
상술한 바와 같은 냉매 압축식 냉각 장치 외에도 다양한 형태의 냉각 장치가 존재하는데, 그 중 하나가 흡착식 냉각 장치이다.
흡착식 냉각 장치는 흡착제와 냉매(물)의 가열반응에 따르는 발열, 흡열현상 을 이용하고 고온 열원의 에너지로부터 냉각을 발생시키는 냉동열 기관이다. 이 시스템은 흡착기(재생·흡착공정), 응축기, 증발기로 구성되는 밀폐계의 고진공으로 되어 있고, 흡착제로는 실리카(Silica)계 또는 제올라이트(Zeolite)계의 고체흡착제가 주로 사용되고 있다. 이러한 흡착식 냉각 장치는 흡착기 내에서 흡착제에 냉매가 흡착되는 경우에만 대상 공간에 대한 냉각이 가능하므로 단일 시스템으로는 연속적인 냉각이 불가능하다.
이를 해소하기 위해서, 통상적으로는 두 개의 시스템이 쌍을 이루도록 구성하여 서로 번갈아 가며 교번 운전되도록 하고 있다. 즉, 상기 흡착식 냉각 장치는 한 쪽의 흡수재생기가 냉매를 흡수할 때에 다른 쪽의 흡수재생기는 열원으로부터 제공되는 열을 이용해 흡착제를 재생하게 된다. 재생이 완료되면, 증기와 냉매가 재생이 완료된 흡착제를 흡착에 사용하고, 흡착에 사용하지 않은 쪽에서 냉매를 흡착한 흡착제의 재생을 실행하는 일련의 과정을 반복하면서 연속적으로 냉동출력을 얻게 된다.
이러한 흡착식 냉각 장치는 냉매 압축식 냉각 장치에서의 압축기와 같은 기계적 구동부가 존재하지 않으므로 에너지 소모가 적고 구조를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 냉매 압축식 냉각 장치에 비해 소형화가 가능한 장점이 있다. 반면에, 작동과정 중 흡착제에 열을 가하여 흡착제를 재생하여야 하므로, 이를 위한 열원의 공급을 필요로 하게 되고, 냉각 용량도 상대적으로 낮은 문제가 있어 적용 범위가 제한되는 문제가 있다.
이외에, 열전 소자를 이용한 냉각 장치가 존재한다. 열전 소자란 전원이 인 가되면, 소자의 양측면에서 온도차가 발생되는 소자를 말하는 것으로서, 열전 소자를 이용하는 냉각 장치는 열전 소자의 저온측 면을 냉각 대상 공간에 위치시켜 냉각을 수행하는 형태의 장치이다. 이는 구조를 극히 단순화 및 소형화할 수 있어 유리한 장점을 갖지만, 이러한 열전 소자를 사용한 냉각 장치는 효율이 좋지 않아 전력 소모가 큰 문제가 있다. 특히, 고온측 면 주위의 외기 온도가 높아질수록 열전 소자의 효율은 감소하며, 외기 온도가 약 45도 정도인 경우에, 열전 소자의 COP는 약 0.5 ~ 0.7 수준에 불과하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 현재 알려진 형태의 냉각 장치는 각각의 고유한 장단점을 갖기 때문에, 냉각 대상 공간의 특성에 따라서 적절한 형태를 선택하여야 하지만 이것이 쉽지 않은 경우가 발생한다.
예를 들어, 통신 장비를 수용하는 옥외용 함체의 경우를 보면, 최근의 통신 시스템은 고성능화 및 소형화됨에 따라 더욱 더 집적화되어 가며, 기지국이나 중계소에 설치되어 유무선 주파수에 의해 송신된 신호, 또는 수신된 신호를 전달하는 고주파 유니트(RF unit)가 통신장비의 내부 일측에 적층되게 고정되는 바, 그 유니트의 종류와 수량도 최근에는 급격한 증가로 인해 복잡한 조립구조를 갖는다.
이러한 유니트에 적용되는 소자들은 사이즈가 크고 발열량이 많은 발열체가 대부분이며, 상기 발열체에서 발생되는 열을 통신장비의 외부로 방출하여 냉각시키고 외력으로부터 내부 장비들을 보호하기 위한 함체(cabinet)는 그 성능 및 안전도 면에서 매우 중요한 장치로 분류되고 있다. 즉, 함체에 보관된 장비들에 적정한 작동 환경을 제공하기 위해서, 함체는 단순히 거치 공간만을 제공하는 것이 아니 라, 온도 및 습도를 제어할 수 있는 기능도 제공하여야 한다.
따라서, 상기와 같은 옥외용 함체를 냉각하기 위해 냉매 압축식 냉각 장치를 사용하는 방안을 고려해 볼 수 있다. 냉매 압축식 냉각 장치는 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기를 포함하는데, 이러한 형태의 냉매 압축식 냉각 장치가 적절하게 작동하기 위해서는 응축기에서의 냉매의 온도가 외부의 온도보다 높게 유지되어야 한다. 그러나, 한 여름의 외부 온도, 특히 대부분의 함체가 직사광선을 그대로 받는 건물의 옥상에 설치되는 점을 고려하면 응축기에서의 냉매 온도는 상당히 높아져야 하며, 외부 온도가 45도를 초과하는 경우에는 증발기를 통과한 냉매의 온도가 압축기의 모터를 손상시킬 정도로 높아지게 될 뿐만 아니라 압축기에서의 냉매 온도가 90℃ 이상의 고온에 이르게 되어 냉매와 함께 순환하는 윤활유가 변성되게 되므로, 45℃ 이상의 고온의 외부 온도 환경에서는 상기 냉매 압축식 냉방기가 작동 불가능하게 된다.
흡착식 냉각 장치의 경우 별도의 외부 열원을 공급하여야 하나, 이를 위한 충분한 열원을 적절한 시기에 얻는 것이 쉽지 않으며, 열전 소자를 이용한 냉각 장치의 경우, 외기 온도가 높아 효율이 극히 낮아지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 냉각 장치의 단점을 극복하여 대상 냉각 공간의 종류에 관계없이 충분한 용량의 냉각 성능을 제공하면서도 에너지 소모를 줄일 수 있는 냉각 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면 냉각 대상물과 열교환할 수 있도록 설치되는 증발기, 상기 증발기와 연결되는 흡착기, 상기 흡착기 및 증발기와 연결되는 응축기를 포함하는 흡착식 냉각 장치; 및 발열부가 상기 흡착기와 열 교환하도록 설치되는 열전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치가 제공된다.
즉, 본 발명에서는 냉각 대상물을 냉각하기 위한 장치로서 흡착식 냉각 장치를 사용하되, 흡착식 냉각 장치의 흡착기에 제공되는 열을 열전 소자에 의해 공급되도록 하는 것이다. 이를 통해서, 열원을 보다 안정적이고 적절하게 공급받을 수 있을 뿐만 아니라, 열전 소자가 대상물을 냉각하기 위한 것이 아니라 단순히 열을 공급하기 위해 사용되는 것이므로 효율의 향상에도 기여하게 된다. 이는 외기 온도가 고온인 경우에 특히 유효하다.
여기서, 상기 열전 소자의 흡열부는 상기 냉각 대상물 이외의 대상과 열교환하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 열전 소자의 흡열부가 고온의 외기와 열교환 하도록 할 수 있으며, 이를 통해서 흡착기에 더욱 많은 열량을 제공할 수 있다.
또한, 상기 열전 소자의 흡열부는 상기 냉각 대상물과 열교환하도록 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 열전 소자가 냉각 대상물을 추가적으로 냉각하는 역할을 하게 된다. 다시 말해서, 흡착식 냉각 장치를 구동하기 위해 필요한 열원을 냉각 대상물로부터 얻도록 하여, 에너지 이용효율을 높일 수 있다. 상기 열전 소자는 냉각 대상물에 존재하는 열량을 흡착식 냉각 장치의 흡착기로 전달하는 열펌프로서의 역할을 하게 되고, 그 과정에서 보조적으로 냉각 대상물의 냉각에 일조하게 된다. 이를 통해서, 종래에는 방열의 대상이었던 냉각 대상물의 열량을 냉각 장치의 구동에 소요되는 에너지원으로 활용하도록 함으로써 냉각 과정에서 사용되는 에너지를 최소화한 것이다.
여기서, 상기 증발기 및 열전 소자의 흡열부의 열교환 효율을 높이기 위해 히트 싱크를 설치할 수 있으며, 상기 히트 싱크는 증발기 및 열전 소자 마다 각각 설치되거나, 하나의 히트 싱크를 공유하도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 흡착식 냉각 장치를 구동하기 위해 필요한 열원을 열전 소자를 통해 공급되도록 하여, 전체 구조를 단순화 및 소형화 하면서도, 고효율로 냉각 대상물을 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 종래에는 방열의 대상이었던 냉각 대상물의 열량을 냉각 장치의 구동에 소요되는 에너지원으로 활용하도록 함으로써 냉각 과정에서 사용되는 에너지를 최소화하여, 효율을 극대화할 수 있는 것이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열전 소자를 이용한 흡착식 냉각 장치의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 소자를 이용한 흡착식 냉각 장치가 옥외용 함체에 적용된 일 실시예가 도시되어 있다. 여기서, 본 발명은 반드시 함체에 국한되는 것은 아니며, 임의의 특정 냉각 대상물에 적용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 본 발명은 액체 또는 고체 등의 냉각 대상물에도 적용이 가능하다.
도 1에서, 함체(100)는 직사각형의 형태를 가지며, 전면에는 내부 공간을 개폐하기 위한 두 개의 도어(102)가 설치된다. 또한, 상기 함체(100)의 저면에는 받침부(104)를 두어 지면에 안정적으로 고정될 수 있도록 하였다.
상기 함체(100)의 일 측면에는 흡착식 냉각 장치를 구성하는 요소인 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')가 함체(100)에 결합된 형태로 설치된다. 아울러, 흡착식 냉각 장치를 구성하는 또 다른 요소인 응축기(130)는 함체(100)와는 분리된 형태로 위치한다. 상기 증발기(110), 흡착기(120, 120') 및 응축기(130)는 배관에 의해 서로 연결되어 있으며, 냉매는 증발기(110) - 흡착기(120, 120') - 응축기(130)의 순서로 순환된다. 또한, 도시되지는 않았으나, 각 구성요소 사이의 배관에는 냉매의 흐름을 제어하기 위한 밸브가 설치된다. 도 1에서는 2개의 흡착기(120, 120')가 설치되는데, 이는 각각의 흡착기 내에서 냉매의 흡착 및 탈착 과정이 교대로 진행되도록 하여 연속적인 냉각이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
이렇게 2개의 흡착기를 갖는 흡착식 냉각 장치는 이미 알려진 바 있는 형태의 것을 채용할 수 있는 것이므로, 각각의 구성 요소의 내부 구조 및 작동 순서 등에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 2는 상기 함체(100) 중 상기 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')가 설치된 외벽을 도시한 것이며, 상기 함체(100)와 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')의 연결 구조가 도시되어 있다. 여기서, 도시된 실시예에서는 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')가 함체(100)의 측벽에 설치되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 함체의 임의의 개소에 부착될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 함체(100)의 외벽에는 상기 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')가 함체(100)의 외벽을 관통하도록 설치된다. 따라서, 상기 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')의 적어도 일부면이 상기 함체(100)의 내부 공간 내에 위치하게 되며, 이를 위해서, 상기 함체(100)의 외벽에는 이들을 설치하기 위한 설치구가 형성된다.
또한, 상기 함체(100)의 내측에는 격벽(106)이 형성되며, 상기 격벽(106)은 상기 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')를 둘러싸도록 형성된다. 아울러, 상기 격벽(106)의 상부 및 하부에는 각각 배기구(108)가 형성되고, 중앙부에는 흡기구(109)가 형성된다. 상기 흡기구(109)에는 함체 내부 공간의 공기를 상기 격벽(106)에 의해 구획된 공간으로 유입시키기 위한 두 개의 팬(140)이 설치된다. 이러한 구조로 인해서, 함체 내부의 공기는 상기 흡기구(109)를 통해 유입된 후, 상기 격벽(106) 내부 공간을 지나서 배기구(108)를 통해 다시 함체 내부 공간으로 복귀하면서 순환하게 된다.
여기서, 상기 두 개의 흡착기(120, 120')의 표면에는 각각 열전 소자(150)가 부착되며, 상기 열전 소자(150)의 타측면에는 히트 싱크(160)가 부착된다. 상기 히트 싱크(160)는 또한, 상기 증발기(110)의 일측면과도 밀착되어 있다. 여기서, 상기 열전 소자(150)는 흡착기(120, 120')와 접한 면이 발열측이고 히트 싱크(160)와 접한 면이 흡열측이 되도록 배치된다. 따라서, 함체(100)의 내부 공간에 존재하는 열량은 상기 히트 싱트(160)로 전달되고, 이는 각각 상기 증발기(110) 및 흡착기(120, 120')로 전달되게 된다. 증발기로 전달된 열량은 증발기 내부의 냉매를 기화시키며, 흡착기로 전달된 열량은 냉매를 흡착제로부터 탈착시키게 된다.
이러한 구성으로 인해서, 상기 실시예에서는 흡착기를 작동시키기 위해 별도의 에너지를 공급할 필요가 없게 된다. 결과적으로, 상기 실시예는 흡착식 냉각 장치만을 작동시키는 경우에 비해서, 냉매를 탈착시키기 위한 에너지 공급을 줄이는 반면에 열전 소자를 작동시키기 위한 전력이 추가적으로 소요되게 된다. 이하에서는, 상기 실시예에서의 냉각 장치 효율(COP, Coefficient Of Performance)를 계산하여 흡착식 냉각 장치만을 작동시키는 경우에 비해 어느 정도의 효율 향상이 있는지를 알아보도록 한다.
우선, 전체 시스템에 대한 COP를 계산하여 보면, COP는 투입된 에너지에 대한 흡수된 열량의 비를 의미하므로, 상기 시스템에 투입된 에너지는 열전 소자를 작동시키는데 소요된 전력(이하, W)이며, 흡수된 열량은 열전 소자가 흡수한 열량 (이하, Q1) 및 증발기가 흡수한 열량(이하, Q2)이다. 따라서, 전체 시스템에 대한 COP는 다음과 같다.
Figure 112008057072913-PAT00001
여기서, 흡착식 냉각 장치의 냉각 장치 효율(COPad)은 투입된 에너지가 W 및 Q1, 흡수한 열량이 Q2이므로,
Figure 112008057072913-PAT00002
이 되고, 열전 소자의 냉각 장치 효율(COPTEM)은 투입된 에너지가 W, 흡수한 열량이 Q1이므로,
Figure 112008057072913-PAT00003
가 된다.
식 2 및 3을 식 1에 대입하여 보면,
Figure 112008057072913-PAT00004
와 같이 정리할 수 있다.
여기서, COPTEM은 앞서 설명한 바와 같이 약 0.6 정도의 값을 갖는다. 따라서, 상기 식 4에 이러한 값을 대입하면,
Figure 112008057072913-PAT00005
와 같이 되며, 결론적으로 전체 냉각 장치 효율은 흡착식 냉각 장치 효율에 비해서 큰 폭으로 증가하는 것임을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착식 냉각 장치를 갖는 함체 냉각 장치의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

Claims (5)

  1. 냉각 대상물과 열교환할 수 있도록 설치되는 증발기, 상기 증발기와 연결되는 흡착기, 상기 흡착기 및 증발기와 연결되는 응축기를 포함하는 흡착식 냉각 장치; 및
    발열부가 상기 흡착기와 열 교환하도록 설치되는 열전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자의 흡열부는 상기 냉각 대상물 이외의 대상과 열교환하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자의 흡열부는 상기 냉각 대상물과 열교환하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 증발기 및 열전 소자의 흡열부에는 히트 싱크가 설치되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증발기 및 열전 소자의 흡열부는 하나의 히트 싱크에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 흡착식 냉각 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20160341454A1 (en) * 2009-08-27 2016-11-24 Thermotek, Inc. Method and system for maximizing the thermal properties of a thermoelectric cooler and use therewith in association with hybrid cooling
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