KR20110012443A - 열교환장치 - Google Patents

Abstract

열교환장치가 개시된다. 본 발명에 따른 열교환장치는 외부의 열 부하 장치의 온도를 일정하게 유지하기 위한 열교환장치에 있어서, 유체가 충전되며, 상기 충전된 유체가 상기 열 부하 장치를 순환하여 회수되도록 상기 열 부하 장치에 연결되는 유체저장탱크; 상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 가열하는 히터; 및 상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 냉각하는 쿨러;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 냉각 및 가열이 동시에 이루어져서 시간 지연이 발생하지 않게 된다. 또한, 히터가 공기 중에 노출되지 않고 과부하도 인가되지 않게 되므로, 히터의 내구성이 향상된다. 그리고, 유체의 순환과정에서 발생되는 기체가 외부로 배출되므로, 폐회로를 구성하는 각종 구성요소에 부식 등이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.

열교환장치, 유체, 히터(heater), 쿨러(cooler), 열전소자

Description

열교환장치{Heat exchange device}

본 발명은 열교환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부의 열 부하 장치에 유체를 공급함으로써 열 부하 장치의 온도가 미리 설정된 온도로 일정하게 유지되도록 하는 열교환장치에 관한 것이다.

열교환장치는 외부 열 부하 장치의 온도를 미리 설정된 온도로 일정하게 유지하기 위한 것으로서 각종 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 도 1에는 열교환장치의 구성도의 일례가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 열교환장치(100')는 유체가 저장되는 유체저장탱크(10')와, 유체저장탱크의 내부에 배치되며 유체를 가열하는 히터(20')와, 열 부하 장치(1)와 연결되며 열 부하 장치로부터 회수되는 유체가 저장되는 유체회수탱크(70')와, 유체회수탱크에 회수된 유체를 냉각하는 냉각수단(미도시)을 포함한다. 유체저장탱크(10'), 유체회수탱크(70') 및 열 부하 장치(1)는 관로를 통해서 폐회로를 이룬다. 그리고, 유체회수탱크(70')는 유체저장탱크(10')와 서로 연결되도록 설치된다. 또한, 유체저장탱크(10')와 열 부하 장치(1) 사이에는 유체이송용 펌프(111')가 설치된다.

그런데, 상술한 바와 같이 구성된 열교환장치(100')에 있어서, 냉각은 유체회수탱크(70')에서 이루어지며 가열은 유체저장탱크(10')에서 이루어지게 되므로, 냉각 및 가열시에 시간 지연이 발생할 수 밖에 없다. 예를 들어, 유체회수탱크(70')에서 냉각된 유체는 유체저장탱크(10')에 저장된 유체와 혼합되어 온도가 상승한 상태로 열 부하 장치로 공급되므로, 열 부하 장치(1)로 공급되는 유체의 온도를 최초 의도한 온도, 즉 유체회수탱크(70')에서 냉각된 유체의 온도로 공급하기 위해서는 유체저장탱크(10')에 저장된 유체가 모두 유체회수탱크(70')로 회수되어 냉각되어야만 한다. 이와 같이 유체저장탱크(10')의 유체가 모두 회수되어 냉각될 때까지 소요되는 시간, 즉 시간 지연이 발생할 수 없게 된다.

또한, 유체저장탱크(10')에 유체가 가득 충전되지 않으면, 히터(20'0가 공기 중에 노출된다. 이와 같이, 히터(20')가 공기 중에 노출된 상태에서는, 특히 히터(20')에 과부하가 발생하는 경우에 히터가 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

그리고, 유체가 폐회로를 순환하는 과정에서 발생되는 각종 기체, 예를 들어 F 등과 같은 부식성 강한 기체가 외부로 배출되지 못하고 폐회로 내부에 존재하게 되므로, 폐회로를 구성하는 각종 구성요소가 쉽게 부식되는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 냉각 및 가열이 동시에 이루어져서 시간 지연이 발생하지 않으며 히터가 공기 중에 노출되지 않고 과부하도 인가되지 않아 히터의 내구성도 향상될 뿐만 아니라 유체의 순환과정에서 발생되는 기체가 외부로 배출될 수 있도록 구조가 개선된 열교환장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열교환장치는 외부의 열 부하 장치의 온도를 일정하게 유지하기 위한 열교환장치에 있어서, 유체가 충전되며, 상기 충전된 유체가 상기 열 부하 장치를 순환하여 회수되도록 상기 열 부하 장치에 연결되는 유체저장탱크; 상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 가열하는 히터; 및 상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 냉각하는 쿨러;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 냉각 및 가열이 동시에 이루어져서 시간 지연이 발생하지 않는다.

또한, 히터가 공기 중에 노출되지 않고 과부하도 인가되지 않게 되므로, 히터의 내구성이 향상된다.

그리고, 유체의 순환과정에서 발생되는 공기가 외부로 배출된다. 따라서, 유체의 순환과정에서 발생될 수 있는 부식성 기체에 의해 폐회로를 구성하는 각종 구성요소 등이 부식되는 현상을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 열교환장치의 제어과정을 설명하기 위한 제어블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 열교환장치(100)는 유체저장탱크(10)와, 히터(20)와, 쿨러(30)와, 유체보조저장탱크(40)와, 전원공급부(50)와, 제어부(60)를 구비한다.

유체저장탱크(10)는 외부 열 부하 장치(1)와 유입관로(11) 및 유출관로(12)를 통해서 서로 연결된다. 유체저장탱크(10)의 내부에는 유체가 저장된다. 유체저장탱크(10)에 저장된 유체는 유체이송용 펌프(111)에 의해 열 부하 장치(1)로 공급되며, 열 부하 장치(1)로 공급된 유체는 유출관로(12)를 통해 다시 유체저장탱크(10)로 회수된다. 여기서, 유체이송용 펌프(111)는 유입관로(11) 상에 설치되며, 도 2에 도시된 화살표는 유체의 순환경로를 도시한다. 그리고, 유입관로(11) 및 유출관로(12)는 바이패스관로(13)를 통해 서로 직접 연결되며, 바이패스관로(13) 상에는 바이패스관로(13)를 개방 및 폐쇄하는 밸브(131)가 설치된다.

히터(20)는 유체저장탱크(10)에 저장된 유체를 가열하기 위한 것이다. 히터(20)는 전원 인가시 발열하며, 유체저장탱크(10) 내부에 배치된다.

쿨러(30)는 유체저장탱크(10)에 저장된 유체를 냉각하기 위한 것이다. 쿨러(30)는 한 쌍의 열전소자(31)와, 한 쌍의 냉각블록(32)를 포함한다.

각 열전소자(31)는 서로 반대방향을 향하는 발열부(미도시) 및 흡열부(미도시)를 가진다. 흡열부는 유체저장탱크(10)에 접촉하도록 설치된다. 따라서, 유체저장탱크(10)의 열은 열전소자(31)를 통해 유체저장탱크(10)의 외부로 배출되며 이에 따라 유체저장탱크(10)는 냉각된다.

각 냉각블록(32)은 열전소자(31)의 발열부와 접촉하도록 설치된다. 냉각블록(32)에는 냉각수가 순환하는 순환유로(미도시)가 형성된다. 냉각블록(32)을 순환하는 냉각수는 유체저장탱크(10)로부터 배출되는 열에 의해 가열되어 외부로 배출된다.

유체보조저장탱크(40)는 유체저장탱크(30)와 연결된다. 유체보조저장탱크(40)에도 유체저장탱크(10)에 저장된 유체와 동일한 종류의 유체가 저장된다. 유체보조저장탱크(40)는 외기와 연결되도록 환기구(41)가 형성되어 있다. 그리고, 유체보조저장탱크(40) 및 유체저장탱크(10)는 서로 연결되도록 구성되어 있어서, 유체보조저장탱크(40)의 유체는 유체저장탱크(10)로 공급되어 유체저장탱크(10)에는 항상 유체가 가득 충전된 상태가 유지된다. 즉, 유체보조저장탱크(40)에 저장된 유체는 기본적으로는 폐회로를 순환하지 않으며 유체의 순환과정에서 손실이 발생하는 경우에는 그 손실량만큼이 유체저장탱크(10)로 공급되어 순환된다. 그리고, 유체보조저장탱크(40)의 수위는 일정하게 유지되나, 유체저장탱크(10)로 회수되는 유체가 유체저장탱크(10)로부터 공급되는 유체에 비해 적은 경우에는 유체보조저장탱크(40)의 수위는 낮아질 수 있으며 그 반대의 경우에는 높아질 수도 있다.

본 실시예에서 유체저장탱크(10), 히터(20) 및 열전소자(31)는 한 몸체로 구 성하여 모듈 형태로 제조하는 것이 바람직하다.

전원공급부(50)는 히터(20) 및 열전소자(31)에 각각 전원을 공급한다. 전원공급부(50)는 히터(20) 및 열전소자(31)에 대응되도록 한 쌍 구비될 수도 있다.

제어부(60)는 전원공급부(50) 및 유체이송용 펌프(111)를 제어한다. 열 부하 장치(1)를 유지하고자 하는 타겟 온도가 설정되면, 그 타겟 온도의 유지에 필요한 유체의 온도 및 유체의 부피가 결정된다. 따라서, 제어부(60)는 결정된 온도의 유체가 공급될 수 있도록 전원공급부(50)로부터 히터(20) 및 열전소자(31)로 인가되는 전원, 예를 들어 전압이나 전류를 제어한다. 또한, 제어부(60)는 유체이송용 펌프(111)를 제어함으로써 공급되는 유체의 부피를 조절한다. 이와 같이 제어부(60)가 유체의 온도 및 유체의 부피를 제어하게 되면, 사용자는 열 부하 장치(1)의 타겟 온도 그리고 타겟 온도까지 이르는 시간을 조절할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 열교환장치(100)에 있어서는, 유체저장탱크(10) 내부에 충전된 유체가 히터(20) 및 열전소자(31)에 의해 각각 가열 및 냉각될 수 있도록 구성되어 있으므로, 유체의 가열 및 냉각시에 시간 지연이 발생하지 않으며 이에 따라 열 부하 장치로 공급되는 유체의 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 특히, 종래와 달리 유체저장탱크 및 유체회수탱크가 필요하지 않고 단순히 하나의 유체저장탱크만 구비되도록 구성할 수도 있으므로, 장치의 구성이 보다 간단해진다.

또한, 유체보조저장탱크(40)가 구비됨으로써 유체저장탱크(10)에는 항상 유체가 가득 충전되므로, 히터(20)가 공기에 노출되는 현상을 방지할 수 있으며, 나 아가 히터(20)에 과부하가 인가되는 경우라도 히터가 유체에 잠기게 되므로 히터(20)가 쉽게 파손되는 현상을 방지하여 히터의 내구성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 유체보조저장탱크(40)에는 환기구(41)가 형성되어 있으므로, 유체가 열 부하 장치(1)를 순환하는 과정에서 발생될 수 있는 각종 기체, 특히 F 등과 같이 부식성이 강한 기체는 환기구(41)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 부식성 강한 기체가 폐회로를 구성하는 각종 구성요소, 예를 들어 유입관로(11), 유출관로(12) 및 유체저장탱크(10) 등을 부식시키는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 유체보조저장탱크(40)는 유체의 회수량이 부족한 경우에도 항상 유체저장탱크(10)가 가득 충전시키는 역할을 수행한다. 따라서, 유체저장탱크(10)에 저장된 유체의 부피는 항상 일정하며, 이에 따라 유체의 온도 제어가 보다 쉽게 그리고 정밀하게 이루어질 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 따라 구성된 열교환장치(100)와 도 1에 도시된 종래의 열교환장치(100')에 있어서 냉각 시간 지연의 정도를 정량적으로 비교하기 위해 다음과 같이 시뮬레이션을 하였다.

열전소자의 냉각용량 및 히터의 가열용량이 각각 300 W(300 J/s)이며, 폐회로를 순환하는 유체의 부피가 1ℓ이고, 유체보조저장탱크에 저장된 유체가 1ℓ이며, 사용되는 유체를 물이라 하자. 열 부하 장치로 공급되는 물의 온도를 20 ℃로부터 10 ℃로 냉각하는 경우라면, 순환되는 물 1ℓ만 냉각되면 되므로 물 1ℓ로부터 방출되어야할 열량은 2 kg * 4.186 KJ/kg.k * 10 ℃ = 83720 J이다. 그리고, 열전소자의 냉각용량이 300W(300J/S)이므로, 결국 10 ℃ 로 냉각하기 위해서 필요한 최소 시간은 83720 J/300 J/s = 279 초임을 알 수 있다.

한편, 동일한 조건을 종래의 열교환장장치에 적용하게 되면, 폐회로를 구성하는 구성요소 중 순환하는 물은 1ℓ이며 나머지 물 1ℓ는 유체저장탱크에 저장되므로, 결국은 물 2ℓ가 모두 20 ℃로부터 10 ℃로 냉각되어야 한다. 따라서, 물의 부피를 2ℓ로 설정하는 것을 제외하고는 앞선 계산식과 동일한 계산식을 적용할 수 있으며, 이에 따라 종래의 열교환장치에 있어서는 279초가 소요됨을 알 수 있다.

그리고, 앞선 시뮬레이션 결과는 가열의 경우에도 동일하게 적용될 수 있으며, 가열의 경우에도 50%의 시간 지연을 줄일 수 있게 된다.

결국, 본 발명에 따라 열교환장치(100)를 구성하게 되면, 가열/냉각 시간 지연을 종래에 비해 50% 줄일 수 있게 된다. 따라서, 공급되는 유체의 온도를 보다 빠르게 조절할 수 있게 되어 응답성이 향상된다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치가 개시된다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 열교환장치(100a)는 쿨러(30a)의 구성을 제외하고는 모두 도 2에 도시된 열교환장치와 동일하므로, 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예의 쿨러(30a)는 한 쌍의 열전소자(31)와, 한 쌍의 히트싱크(33)와, 한 쌍의 팬(34)을 포함한다.

각 열전소자(31)는 유체저장탱크(10)에 접촉하도록 설치된다.

각 히트싱크(33)는 방열면적을 극대화할 수 있도록 형성되며, 히터싱크(33)의 표면은 열전소자(31)의 발열부와 접촉하도록 설치된다.

각 팬(34)은 주위 공기를 히트싱크(33) 쪽으로 유동시킨다. 이와 같이 공기가 유동하게 되며, 히터싱크(33)가 전달받은 열이 효과적으로 방출된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

예를 들어, 본 실시예에서는 유체보조저장탱크가 구비되도록 구성되어 있으나, 유체보조저장탱크가 구비되지 않도록 구성할 수도 있다. 이러한 경우에는 유제저장탱크에 유체를 가득 충전한 후에 유체를 순환시킬 수 있으며, 사용과정에서 유체의 손실이 발생하는 경우에는 유체저장탱크에 손실된 유체를 보충하거나 또는 유체저장탱크에 유체를 보충하는 별개의 유체보충수단을 연결하도록 구성하면 된다.

도 1은 종래의 일례에 따른 열교환장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치의 개략적인 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 열교환장치의 제어과정을 설명하기 위한 제어블록도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...열 부하 장치 10...유체저장탱크

11...유입관로 12...유출관로

13...바이패스관로 20...히터

30,30a...쿨러 31...열전소자

32...냉각블록 33...히트생크

34...팬 40...유체보조저장탱크

41...환기구 50...전원공급부

60...제어부 100,100a...열교환장치

111...유체이송용 펌프 131...밸브

Claims (4)

1. 외부의 열 부하 장치의 온도를 일정하게 유지하기 위한 열교환장치에 있어서,

   유체가 충전되며, 상기 충전된 유체가 상기 열 부하 장치를 순환하여 회수되도록 상기 열 부하 장치에 연결되는 유체저장탱크;

   상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 가열하는 히터; 및

   상기 유체저장탱크에 결합되며, 상기 유체저장탱크에 충전된 유체를 냉각하는 쿨러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유체가 저장되며, 상기 유체저장탱크에 상기 유체가 충전되도록 상기 유체저장탱크와 연결되며, 외기와 연결되는 유체보조저장탱크;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 쿨러는, 발열부 및 흡열부를 가지며 상기 흡열부가 상기 유체저장탱크에 접촉하도록 결합되는 열전소자인 것을 특징으로 하는 열교환장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 히터 및 열전소자에 전원을 공급하는 전원공급부; 및

   상기 열 부하 장치로 미리 설정된 온도의 유체가 공급되도록 상기 전원공급부로부터 상기 히터로의 전원공급 및 상기 전원공급부로부터 상기 열전소자로의 전원공급을 제어하는 제어부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환장치.

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