KR20100029572A - 열전소자모듈을 이용한 열교환장치 - Google Patents

열전소자모듈을 이용한 열교환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 열전소자모듈에 서로 다르게 전류를 부여하도록 한 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 기재부(12)와 방열핀(14)을 갖는 방열판(10)과, 상기 기재부(12)에 일정 간격을 두고 부착되어 2개 이상의 열전소자모듈(20,30) 및 상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 전류를 공급하는 전류공급부(40)를 포함하는 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 있어서, 상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 인접하게 배치되어 유동되는 공기온도를 감지하는 온도센서(50,60)와, 상기 온도센서(50,60)에서 감지된 온도를 비교하여 온도가 상대적으로 낮은 상기 열전소자모듈(20)에 보다 많은 전류가 공급되도록 상기 전류공급부(40)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함한다. 따라서, 제어부(70)에 의해 전류공급부(40)가 공기의 유동입구쪽에 있는 열전소자모듈(20)에 상대적으로 전류를 많이 공급하여 열교환장치 전체의 열교환이 원활하게 이루어지게 된다.
방열판, 열전소자모듈, 전류공급부, 제어부

Description

열전소자모듈을 이용한 열교환장치{A HEAT EXCHANGER USING THERMOELECTRIC ELEMENT MODULES}
본 발명은 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 열전소자모듈에 서로 다르게 전류를 부여하도록 한 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 말한다. 전기적으로는 직렬, 열적으로는 평행인 두 개나 더 많은 반도체 커플로 구성된다. 그리고 두 개의 다른 금속이 양끝만 서로 접합한 어느 한 시스템의 양쪽 접합에 전기를 흘려주면 한 접합에서는 열을 흡수하고 다른 접합에서는 열을 방출한다.
상기 열전소자를 이용하여 모듈을 구성한 것을 열전소자모듈(Thermoelectric Module)라 한다. 이러한 열전소자모듈은 냉매 순환식 냉각방식과는 달리, 기계적인 작동부분이 필요 없게 되고, 공간적으로 제한이 있거나 신뢰성이 요구되는 부분이 나 프레온 냉매(CFC)를 사용할 수 없는 여러 부속품에 널리 사용되고 있다.
상기 열전소자모듈은 직류 전원에 의해 작동되며 냉각기 또는 전류 방향을 반대로 바꾸어 히터로 사용할 수 있으므로 동적인 부분이 없는 소형 히트 범프(Heat Pump)라고 할 수 있다.
이러한 열전소자모듈에서 열을 방열시키기 위해 방열판을 사용하게 되는 바, 방열판은 일반적으로 본체와 본체의 외측면에 접촉면적을 넓히기 위해 복수개의 방열핀들을 형성하게 된다. 여기서, 상기 방열핀은 판상의 형태로 본체에 구성되기 때문에 열전소자모듈과 열교환을 하는 공기는 각각의 방열핀 사이로 유입되어 통과되며 가열 또는 냉각되게 된다.
열전소자모듈을 갖는 열교환장치는, 시트공조장치, 공조케이스의 보조 열교환장치 등에서 활용된다. 이러한 열교환장치는 덕트 내부에 내장되므로 전체 크기를 컴팩트하고 공기의 유동방향에 온도차가 발생되지 않도록 설치하여야 한다.
열전소자모듈을 갖는 열교환장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 방열판(110)에 복수의 열전소자모듈(120,130)이 장착되어 있고, 상기 열전소자모듈(120,130)에 전류공급부(140)로부터 전류가 공급되도록 되어 있다.
상기 방열판(110)은 기재부(112)와 방열핀(114)으로 구성되어 있고, 상기 기재부(112)의 내표면에 복수의 열전소자모듈(120,130)이 부착되도록 되어 있다. 상기 방열핀(114)은 상기 기재부(112)의 외표면에 방열핀(114)이 돌출되게 형성되어 있다.
그런데, 종래의 열교환장치는 방열판(110)에 장착된 열전소자모듈(120,130) 이 장착된 위치에 관계없이 전류공급부(140)에서 균일한 전력을 부여함으로써 공기와의 열교환이 원활하게 이루어지지 못하는 단점이 있었다. 즉 공기의 유동입구와 유동출구에 온도가 서로 다름에도 불구하고 열전소자모듈(120,130)에 균일한 전력을 부여함으로써 열교환장치 전체의 열교환이 원활하게 이루어지지 않게 되었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 열전소자모듈(120,130)이 위치하는 방열판(110)을 기준으로 유동출구쪽(파란색)이 유동입구쪽(붉은색)에 비하여 온도가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 종래의 열교환장치는 공기의 유동입구와 유동출구에 온도가 다를 때(공기의 유동입구쪽에 온도가 낮을 때)에, 전류공급부(140)가 열전소자모듈(120,130)로 균일한 전력을 부여할 경우 열교환장치 전체의 방열성능을 높이는데 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공기의 유동입구와 유동출구에 온도가 다르더라도 공기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 하여 방열성능을 높일 수 있도록 한 열전소자모듈을 이용한 열교환장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기재부와 방열핀을 갖는 방열판과, 상기 기재부에 일정 간격을 두고 부착되어 2개 이상의 열전소자모듈 및, 상기 열전소자모듈에 각각 전류를 공급하는 전류공급부를 포함하는 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 있어서, 상기 열전소자모듈에 각각 인접하게 배치되어 유동되는 공기온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서에서 감지된 온도를 비교하여 온도가 상대적으로 낮은 상기 열전소자모듈에 보다 많은 전류가 공급되도록 상기 전류공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 온도센서에서 감지되는 공기의 온도가 같아질 때까지 상기 전류공급부를 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열전소자모듈을 이용한 열교환장치는, 공기의 유동출구쪽에 위치한 열전소자모듈에 비하여 공기의 유동입구쪽에 위치한 열전소자모듈에 상대적으로 많은 전류가 공급되게 하여, 공기의 유동방향에 따라 나타나는 온도차를 최소화하여 공기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 되고, 이로 인하여 열교환장치의 전체 방열성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환장치를 도시한 개략도이고, 도 4a 및 도 4b는 방열판에 장착되는 열전소자모듈을 도시한 상세도이다.
본 발명에 따른 열교환장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 기재부(12)와 방열핀(14)을 갖는 방열판(10)과, 상기 기재부(12)에 일정 간격을 두고 부착되어 2개 이상의 열전소자모듈(20,30) 및 상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 전류를 공급하는 전류공급부(40)를 포함한다. 여기서, 상기 열전소자모듈(20)은 덕트 내부에서 공기의 유동입구쪽에 위치해 있고, 상기 열전소자모듈(30)은 공기의 유동출구쪽에 위치해 있다.
그리고, 상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 인접하게 배치되어 유동되는 공기온도를 감지하는 온도센서(50,60)와, 상기 온도센서(50,60)에서 감지된 온도를 비교하여 온도가 상대적으로 낮은 상기 열전소자모듈(20)에 보다 많은 전류가 공급되도록 상기 전류공급부(40)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함한다.
상기 방열판(10)은 기재부(12)와, 이 기재부(12)의 외표면에 연장된 방열핀(14)으로 구성되어 있다. 상기 방열판(10)의 기재부(12)의 내면에는 상기 열전소자모듈(20,30)이 일정 간격을 두고 부착되어 있다. 여기서, 열전소자모듈(20,30)은 방열판(10)의 크기에 따라 2개 이상으로 설치할 수 있다.
상기 열전소자모듈(20)은 도 4a 및 도 4b를 기초로 설명하면, 복수의 N형 소자(20a)와 P형 소자(20b)가 교대로 열을 지어 형성하고 있고, 상기 N형 소자(20a)에 (+)극이 연결되어 있고, 상기 P형 소자(20b)에 (-)극이 연결되도록 되어 있다.
그리고, 열전소자모듈(20)은 상기 N형 반도체 소자(20a)와 P형 반도체 소 자(20b)가 상부 금속(22) 및 하부 금속(24)을 통하여 전기적으로 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결되어 있다. 여기서, 상기 하부 금속(24)에는 전원부로부터 전원이 공급되도록 되어 있다.
한편, 상기 상부 금속(22)과 하부 금속(24) 각각에 절연되는 열전도체(26,28)가 구비되어 있다. 여기서, 열전도체(26,28)는 절연성이 높은 세라믹 기판으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열전소자모듈(20)에 히팅 작용이 일어나는 과정을 설명하면, 전류가 상기 하부 금속(24)으로 공급되어 N형 반도체 소자(20a)로부터 P형 반도체 소자(20b)로 흐르게 된다. 이 때, 펠티어 효과(Peltier Effect)로 인해 N형 반도체 소자(20a)로부터 P형 반도체 소자(20b)로 전자가 이동하는 과정에서 상부 금속 전극(22)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수하여 상면은 냉각되는 반면, 하부 금속 전극(24)에서 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 하면은 가열되게 된다. 즉 열교환기 쪽에 부착되는 상부 열전도체(26)에서 열을 흡수하여 냉각 작용이 일어나고, 방열판(10) 쪽에 부착되는 하부 열전도체(28) 쪽으로 열을 방열하는 작용이 일어나게 된다.
상기 열전소자모듈(30)은 상기 열전소자모듈(20)과 동일한 구조로 되어 가열 작용이 일어나도록 되어 있다. 다만, 상기 열전소자모듈(20)은 상기 제어부(70)에 의해 상기 전류공급부(40)를 통하여 상기 열전소자모듈(30)에 비하여 상대적으로 많은 전류를 공급받도록 되어 있다.
상기 전류공급부(40)는 상기 열전소자모듈(30,40)에 전류를 공급하는 역할을 한다. 여기서, 전류공급부(40)는 파워스플라이(power supply)로 사용하여 구성할 수 있다.
상기 온도센서(50,60)와 제어부(70)는 상기 열전소자모듈(30,40)에 서로 다른 전류를 공급하기 위한 수단으로 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 온도센서(50)는 상기 열전소자모듈(20)과 인접하게 위치되어 그 주변 공기의 온도를 감지한다. 그리고, 상기 온도센서(60)는 상기 열전소자모듈(30)과 인접하게 위치되어 그 주변 공기의 온도를 감지한다.
상기 제어부(70)는 상기 온도센서(50,60)에서 각각 감지된 온도를 비교하고, 공기의 유동입구쪽에 위치하여 온도가 낮은 상기 열전소자모듈(20)에 보다 많은 전류가 공급되도록 상기 전류공급부(40)를 제어한다. 동시에, 상기 열전소자모듈(30)에 보다 적은 전류가 공급되게 상기 전류공급부(40)를 제어한다. 여기서, 상기 제어부(70)는 상기 온도센서(50,60)에서 감지되는 공기의 온도가 같아질 때까지 상기 전류공급부(40)를 지속적으로 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
결국, 상기 제어부(70)는 상기 온도센서(50,60)에서 감지되는 온도의 신호를 받아서 상기 전류공급부(40)를 제어하여 상기 열전소자모듈(30,40)에 서로 다른 전류가 공급되게 하고, 연속적으로 상기 열전소자모듈(30,40)의 주변 온도를 상기 온도센서(50,60)를 통하여 온도신호를 전달받아서 공기의 온도가 같아질 때까지 상기 전류공급부(40)를 제어한다. 이에 따라, 상기 열전소자모듈(30,40)의 주변에 공기의 온도가 일정하게 유지되면서 공기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 의하면, 제어부(70)가 온도센서(50,60)의 온도신호를 받아서 공기의 유동입구쪽에 배치되어 온도가 낮은 열전소자모듈(20)에 상대적으로 많은 전류를 공급하도록 전류공급부(40)를 제어함으로써, 공기의 유동방향에 따라 나타나는 온도차를 줄이면서 공기와의 열교환이 이루어지게 한다. 이로 인하여, 열교환장치 전체의 방열성능을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 열교환장치를 도시한 개략도,
도 2는 열전소자모듈이 장착된 입구와 출구에서 방열판의 온도차를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 열교환장치를 도시한 개략도,
도 4a 및 도 4b는 방열판에 장착되는 열전소자모듈을 도시한 상세도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 방열판 12 : 기재부
14 : 방열핀 20 : 열전소자모듈
22 : 상부 금속 24 : 하부 금속
26,28 : 열전도체 30 : 열전소자모듈
40 : 전류공급부 50,60 : 온도센서
70 : 제어부

Claims (2)

  1. 기재부(12)와 방열핀(14)을 갖는 방열판(10)과, 상기 기재부(12)에 일정 간격을 두고 부착되어 2개 이상의 열전소자모듈(20,30) 및 상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 전류를 공급하는 전류공급부(40)를 포함하는 열전소자모듈을 이용한 열교환장치에 있어서,
    상기 열전소자모듈(20,30)에 각각 인접하게 배치되어 유동되는 공기온도를 감지하는 온도센서(50,60)와,
    상기 온도센서(50,60)에서 감지된 온도를 비교하여 온도가 상대적으로 낮은 상기 열전소자모듈(20)에 보다 많은 전류가 공급되도록 상기 전류공급부(40)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자모듈을 이용한 열교환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(70)는 상기 온도센서(50,60)에서 감지되는 공기의 온도가 같아질 때까지 상기 전류공급부(40)를 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 열전소자모듈을 이용한 열교환장치.
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WO2016025985A1 (en) * 2014-08-20 2016-02-25 Vand Technology Pty Ltd Method and system of rapid heating and cooling of a fluid

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