KR20140000863A

KR20140000863A - 열전소자를 이용한 열교환기

Info

Publication number: KR20140000863A
Application number: KR1020120068406A
Authority: KR
Inventors: 이환동
Original assignee: 이환동
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-06

Abstract

본 발명은 열전소자의 열 흡수 및 발산을 이용하여 기체나 액체 등의 전열매체에 포함된 수분을 제거하는 열교환기에 관한 것으로, 원통 형상의 케이스; 상기 케이스 내에 상하로 적층 설치되고, 내측에 통공이 형성되며, 외측에 요철이 형성된 원통형 방열기; 상기 방열기 내측면에 일정 간격으로 면 접촉되어 복수로 결합되는 열전소자; 상기 열전소자와 면 접촉되어 결합되는 링 또는 다각 형상의 냉각기; 상기 열전소자에 전원을 공급하는 전원공급기; 상기 케이스 내의 온도를 검출하여 전기적인 신호를 출력하는 온도센서; 및 외부로부터 입력된 온도의 설정과 상기 온도센서에서 검출된 신호에 따라 상기 전원공급기에서 출력되는 전원을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 케이스 내부로 유입된 고온 다습한 전열매체에 포함된 수분을 냉각 제거하여 저온 건조한 전열매체로 배출하는 것이다. 본 발명은 방열기와 냉각기 사이에 열전소자가 결합되어 냉각기에서 열을 흡수하여 내부에 가두고 방열기에서 열을 외부로 발산시킬 수 있도록 함으로써, 고온 다습한 전열매체가 열교환기를 거치면서 냉각 및 제습되어 저온 건조한 전열매체로 배출되도록 하고, 열전소자에 인가되는 전압 및 전류의 조절로 설정 온도의 유지가 간편한 뿐만 아니라 냉각기와 방열기의 냉각 및 가열 시간을 단축시킬 수 있으며, 소형으로 제작할 수 있어 해당 기능의 적용을 위한 다양한 설비나 장치 등에 이용할 수 있도록 한 것이다.

Description

열전소자를 이용한 열교환기{Heat Exchanger using Thermoelectric Device}

본 발명은 열전소자를 이용한 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자의 흡열과 발열을 이용하여 전열매체에 포함된 수분을 제거하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치이다. 열교환기는 통상 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등에 사용된다. 목적으로 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열매체를 열매(熱媒)라고 하며, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매(冷媒)라고 한다. 열교환기의 형식에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 이 형식에는 주수식, 이중관식, 핀붙이 다관식, 투관형식 등이 있다. 이중관식 열교환기는 내관과 외관으로 되어 있으며, 내관 내부의 유체와 관과 관 사이에 있는 고리 모양 부분의 유체 사이에서 열교환이 이루어진다. 이 형식은 구조는 간단하지만 처리하는 양이 적다. 대용량인 것에는 커다란 외관에 여러 개의 작은 관을 넣은 투관형식을 사용한다. 열이 높은 유체와 낮은 유체의 흐름에서 같은 방향으로 흐르는 것을 병류형, 반대방향으로 흐르는 것을 역류형, 직각방향으로 흐르는 것을 직교류형이라 한다. 보통 공업에서 사용되는 전열매체에는 물, 수증기, 공기, 연도 가스, 석유, 수은, 나트륨, 칼륨 및 비페닐에테르와 비페닐의 혼합물인 다우섬(Dowtherm) 등이 있다.

종래에 열교환기에는 열매나 냉매 등이 사용되고, 특히 열매나 냉매로 프레온 가스 등을 사용하여 환경문제가 있었다. 또한, 열교환기는 용량이나 용도에 따라 크기 및 모양이 다양하게 제작되는 등 구조가 복잡하였다. 또한, 열교환기의 용량을 조절하기가 어려운 문제와 더불어 냉각이나 가열 시간이 길어지는 단점도 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열교환기에 사용되는 전열매체에 포함된 수분을 열전소자와 방열기 및 냉각기가 일체 결합되는 복수의 조립체를 이용하여 제거하기 위한 것이 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 열교환기에 있어서, 원통 형상의 케이스; 상기 케이스 내에 상하로 적층 설치되고, 내측에 통공이 형성되며, 외측에 요철이 형성된 원통형 방열기; 상기 방열기 내측면에 일정 간격으로 면 접촉되어 복수로 결합되는 열전소자; 상기 열전소자와 면 접촉되어 결합되는 링 또는 다각 형상의 냉각기; 상기 열전소자에 전원을 공급하는 전원공급기; 상기 케이스 내의 온도를 검출하여 전기적인 신호를 출력하는 온도센서; 및 외부로부터 입력된 온도의 설정과 상기 온도센서에서 검출된 신호에 따라 상기 전원공급기에서 출력되는 전원을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 케이스 내부로 유입된 고온 다습한 전열매체에 포함된 수분을 냉각 제거하여 저온 건조한 전열매체로 배출하는 열전소자를 이용한 열교환기를 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 냉각기는 내측에 통공이 형성된 제1냉각기 또는 내측에 복수의 냉각핀이 돌출 형성된 제2냉각기를 포함하고, 상기 열전소자가 결합된 방열기 내측에 제1냉각기 또는 제2냉각기가 선택적으로 결합되되, 제1냉각기가 결합된 방열기 또는 제2냉각기가 결합된 방열기가 케이스 내에 하나 이상으로 선택되어 적층 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 케이스 상부에 전열매체가 송풍팬을 통해 유입되는 입구가 구비되고, 상기 케이스 내에서 수분이 제거된 전열매체가 외부로 배출되는 출구가 구비되며, 상기 케이스 하부에 냉각기를 통과하면서 전열매체에서 응축된 물이 모여 배출되고 냉각기를 통과하는 전열매체와의 접촉을 최소로 하기 위한 배수부와, 상기 배수부에서 배출된 물을 집수하기 위한 집수탱크 및 상기 집수탱크에 집수된 물을 외부로 배출하기 위한 드레인밸브가 포함된 배수장치가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 원통형 방열기는 복수의 호 형상 방열편이 원통형으로 일체 결합되고, 상기 냉각기는 복수의 호 형상 냉각편이 원통형으로 일체 결합될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 방열편에 상하를 관통하는 관통공이 형성되고, 관통공에 냉각수가 공급되는 냉각파이프가 결합될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 전원공급기는 메인파워서플라이와 각 방열기에 설치된 열전소자에 전원을 공급하는 복수의 서브파워서플라이가 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 방열기와 냉각기 사이에 결합된 열전소자 사이에 단열재가 결합될 수 있다.

본 발명은 방열기와 냉각기 사이에 열전소자가 결합되어 냉각기에서 열을 흡수하여 내부에 가두고 방열기에서 열을 외부로 발산시킬 수 있도록 함으로써, 고온 다습한 전열매체가 열교환기를 거치면서 냉각 및 제습되어 저온 건조한 전열매체로 배출되도록 하고, 열전소자에 인가되는 전압 및 전류의 조절로 설정 온도의 유지가 간편한 뿐만 아니라 냉각기와 방열기의 냉각 및 가열 시간을 단축시킬 수 있으며, 소형으로 제작할 수 있어 해당 기능의 적용을 위한 다양한 설비나 장치 등에 이용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예로, 열전소자를 이용한 열교환기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기의 작동을 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기에서 방열기 및 냉각기의 결합을 나타낸 분리사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기에서 방열기 및 냉각기의 결합을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기에서 방열기 및 냉각기의 다른 결합을 나타낸 분리사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기에서 방열기 및 냉각기의 결합을 나타낸 평면도이다.

이하, 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 열교환기에 관한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에서, 열교환기(1)는 고온 다습한 전열매체로부터 수분을 제거한 후에 저온 건조한 전열매체를 배출하기 위한 것이다. 열교환기(1)는 전열매체에 포함된 수분을 제거하기 위한 설비나 장치 등에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

도 2에서, 케이스(2)는 대략 원통 형상으로 상부와 하부가 밀폐된 것이다. 케이스(2) 상부에는 고온 다습한 전열매체가 유입되는 입구(3)와 수분이 제거된 후에 일정 온도 이하로 냉각된 전열매체가 유출되는 출구(5)가 구비되어 있다. 입구(3)에는 송풍팬(4)이 장착되어 전열매체가 케이스(2) 내부로 유입되도록 한다.

상기 케이스(2) 하부에는 배수장치(10)가 구비되어 있다. 배수장치(10)는 냉각기를 통과하면서 전열매체에서 응축된 물이 모여 배출되고 냉각기를 통과하는 전열매체와의 접촉을 최소로 하기 위한 배수부(11)와, 배수부에서 배출된 물을 집수하기 위한 집수탱크(12), 그리고 집수탱크에 집수된 물을 외부로 배출하기 위한 드레인밸브(13)가 포함되어 있다. 배수부(11)는 응축된 물은 통과시키면서 집수탱크(12)에 집수된 물로부터 수분이 케이스(2)로 전달되지 않도록 차단하는 기능이 포함되어 있다.

도 3 내지 도 6에서, 케이스(2) 내부에는 복수의 방열기(20)가 상하로 적층 설치된다. 방열기(20)는 대략 원통형으로 내측에 통공이 형성되어 있다. 방열기(20) 외측으로는 요철이 형성되어 있다. 방열기(20)는 복수의 방열편(21a-21d)이 일체 결합되어 원통 형상을 이룬다. 즉 방열기(20)는 4부분의 호 형상 방열편(21a-21d)이 원통형으로 일체 결합된다. 또한, 상기 방열편(21a-21d)에 상하를 관통하는 관통공(16)이 각각 형성되고, 관통공(16)에 일정 온도의 냉각수가 공급되는 냉각파이프(15)가 결합된다. 냉각파이프(15)는 방열기(20)에서 발생되는 열을 흡수하여 냉각시킬 수 있도록 하는 수냉식 냉각장치에 해당된다.

열전소자(27)는 방열기(20) 내측면에 일정 간격으로 면 접촉되어 복수로 결합되는 것이다. 즉 방열기(20) 내측면에는 열전소자(27)가 면 접촉으로 결합될 수 있는 결합면이 형성되어 있다. 열전소자(27)는 방열기(20) 내측면 전면에 걸쳐 결합될 수 있다. 열전소자(27)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자로서, 특히 전류에 의해 열의 흡수 또는 발생하는 현상인 펠티에효과를 이용한 펠티에소자가 적용된다. 따라서 펠티에효과를 이용한 펠티에소자는 2종류의 금속 끝을 접속시킨 후 여기에 전류를 흘려보내면 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 것이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트와 텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열과 발열 작용을 하는 펠티에소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열과 발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열과 발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조에 응용되는 것이다.

냉각기는 링 또는 다각 형상으로, 방열기(20)에 면 접촉으로 결합된 열전소자(27)의 다른 쪽 면에 접촉 결합되는 것이다. 냉각기는 도 3에서, 내측에 통공이 형성된 제1냉각기(24) 또는 도 5에서, 내측에 복수의 냉각핀(26)이 돌출 형성된 제2냉각기(25)로 구분된다. 따라서 방열기(20)에는 제1냉각기(24)가 결합되거나 제2냉각기(25)가 선택적으로 결합될 수 있다. 제1냉각기(24)는 대략 링 형상으로 내측에 통공이 형성되어 있다. 제1냉각기(24)는 방열기(20)에 면 접촉으로 결합된 열전소자(28)의 다른 쪽 면에 접촉 결합되는 것이다. 제1냉각기(24)는 방열기(20)에 대응하여 4부분의 냉각편(24a-24d)이 일체 결합된다. 또한, 제2냉각기(25)는 대략 링 형상으로 내측에 복수의 냉각핀(26)이 돌출 형성되되, 대응하는 냉각핀(26)이 접촉되어 있다. 제2냉각기(25)는 방열기(20)에 대응하여 4부분의 냉각편(25a-25d)이 일체 결합된다.

상기 제1냉각기(24)가 결합된 방열기(20) 또는 제2냉각기(25)가 결합된 방열기(20)가 케이스(2) 내에 하나 이상으로 선택적으로 적층되어 설치될 수 있다. 예들 들어, 케이스(2) 내에 제1냉각기(24)가 결합된 방열기(20)가 모두 적층되어 설치될 수 있고, 케이스(2) 내에 제2냉각기(25)가 결합된 방열기(20)가 모두 적층되어 설치될 수 있으며, 제1냉각기(24)가 결합된 방열기(20)와 제2냉각기(25)가 결합된 방열기(20)가 혼용되어 적층 설치될 수 있다.

또한, 상기 방열기(20)와 냉각기(24, 25) 사이에 결합된 열전소자(27) 사이에는 단열재(28)가 결합된다. 단열재(28)는 방열기(20)에서 발생된 열이 냉각기(24, 25)로 흡수되지 않도록 하는 것이다. 또한, 케이스(2)의 내벽이나 외벽에도 단열을 위한 단열재가 설치되는 것이 좋다.

따라서 상기 열전소자(27) 외측에 면 접촉되어 설치된 방열기(20)는 열전소자(27)에서 발생된 열을 방열하되, 관통공(16)에 결합된 냉각파이프(15)를 통해 순환하는 냉각수에 의하여 냉각되고, 열전소자(27) 내측에 면 접촉되어 설치된 냉각기(24, 25)는 통과하는 전열매체로부터 열을 흡열하는 구조로 이루어진 것이다.

또한, 열전소자(27)에 전원을 공급하는 전원공급기(7)는 메인파워서플라이(8)와 각 방열기(20)에 설치된 열전소자(27)에 전원을 공급하는 복수의 서브파워서플라이(9)가 포함된다. 메인파워서플라이(8)는 외부에서 인가된 전원을 정류 및 변환한 후에 제어부(6)의 제어에 따라 서브파워서플라이(9)로 공급하기 위하여 조절된 전원이 생성되도록 한다.

온도센서(14)는 케이스(2) 내의 온도를 검출하여 전기적인 신호를 출력하는 것으로, 케이스(2)에서 배출되는 전열매체의 온도를 감지하여 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 것이다.

제어부(6)는 외부로부터 입력된 온도의 설정과 온도센서(14)에서 검출된 신호에 따라 전원공급기(7)에서 출력되는 전원을 제어하는 신호를 출력하는 것이다. 제어부(6)는 사용자에 의하여 설정된 온도 정보와 온도센서(14)의 검출 값에 따라 전원공급기(7)를 제어함으로써 케이스(2)로부터 배출되는 전열매체의 온도를 조절할 수 있도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 열전소자를 이용한 열교환기의 작동은 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 제어부(6)의 제어로 열교환기의 작동이 이루어지면, 열교환기(1)는 입구(3)의 송풍팬(4)을 통해 전열매체가 유입된다. 입구(3)로 유입되는 전열매체는 고온 다습한 것이다. 전열매체는 복수로 적층된 방열기(20) 내측에 결합된 냉각기를 통해 유입된다. 이때, 본 발명의 실시예에서는 제1냉각기(24)가 결합된 방열기(20)가 케이스(2) 내측 상부에 적층되고, 제2냉각기(25)가 결합된 방열기(20)가 케이스(2) 내측 하부에 적층된다. 제1냉각기(24) 내측에는 통공이 형성되어 있어 전열매체가 용이하게 유입되면서 냉각될 수 있도록 하고, 제2냉각기(25) 내측에는 냉각핀(26)이 형성되어 있어 전열매체가 통과하면서 저온으로 냉각될 수 있도록 한다. 그리고 제어부(6)의 제어로 전원공급기(7)의 메인파워서플라이(8)를 통해 개별 서브파워서플라이(9)로 인가되는 전류 및 전압은 달리할 수 있다. 이는 케이스(2) 상부에서 하부로 통과하는 고온 다습한 전열매체에 포함된 수분을 냉각시켜 응축시키는 정도를 조절하거나 수분의 제거 속도 등을 조절할 수 있을 것이다.

냉각기를 통과하면서 응축된 수분은 케이스(2) 하부에 설치된 배수장치(10)로 물이 되어 낙하된다. 낙하된 물은 배수부(11)를 거쳐 집수탱크(12)에 집수된다. 집수탱크(12)에 집수된 물은 드레인밸브(13)의 개폐로 배출시킬 수 있을 것이다. 드레인밸브(13)는 제어부(6)의 제어로 집수탱크(12)에 일정량의 물이 채워지면 자동으로 배출되도록 하는 것이 좋다.

냉각기를 통과하면서 수분이 제거된 전열매체는 방열기(20) 외측, 즉 방열기(20)와 케이스(2) 사이의 공간을 따라 상부로 상승되어 출구(5)를 통해 저온의 건조한 공기로 배출된다.

이와 같이 열전소자를 이용한 열교환기는 고온 다습한 전열매체를 냉각시켜 수분이 제거된 저온 건조한 전열매체로 배출시킬 수 있도록 하는 것으로, 다양한 열교환기에 적용이 가능하고, 열교환기의 크기를 소형화시킬 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1: 열교환기 2: 케이스 3: 입구 4: 송풍팬 5: 출구 6: 제어부 7: 전원공급기 8: 메인파워서플라이 9: 서브파워서플라이 10: 배수장치 11: 배수부 12: 집수탱크 13: 드레인밸브 14: 온도센서 15: 냉각파이프 20: 방열기 21a-21d: 방열편 22: 홈 24, 25: 냉각기 24a-24d, 25a-25d: 냉각편 26: 냉각핀 27: 열전소자 28: 단열재

Claims

열교환기에 있어서,
원통 형상의 케이스;
상기 케이스 내에 상하로 적층 설치되고, 내측에 통공이 형성되며, 외측에 요철이 형성된 원통형 방열기;
상기 방열기 내측면에 일정 간격으로 면 접촉되어 복수로 결합되는 열전소자;
상기 열전소자와 면 접촉되어 결합되는 링 또는 다각 형상의 냉각기;
상기 열전소자에 전원을 공급하는 전원공급기;
상기 케이스 내의 온도를 검출하여 전기적인 신호를 출력하는 온도센서; 및
외부로부터 입력된 온도의 설정과 상기 온도센서에서 검출된 신호에 따라 상기 전원공급기에서 출력되는 전원을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 케이스 내부로 유입된 고온 다습한 전열매체에 포함된 수분을 냉각 제거하여 저온 건조한 전열매체로 배출하는 열전소자를 이용한 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 냉각기는 내측에 통공이 형성된 제1냉각기 또는 내측에 복수의 냉각핀이 돌출 형성된 제2냉각기를 포함하고, 상기 열전소자가 결합된 방열기 내측에 제1냉각기 또는 제2냉각기가 선택적으로 결합되되, 제1냉각기가 결합된 방열기 또는 제2냉각기가 결합된 방열기가 케이스 내에 하나 이상으로 선택되어 적층 설치된 열전소자를 이용한 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 케이스 상부에 전열매체가 송풍팬을 통해 유입되는 입구가 구비되고, 상기 케이스 내에서 수분이 제거된 전열매체가 외부로 배출되는 출구가 구비되며, 상기 케이스 하부에 냉각기를 통과하면서 전열매체에서 응축된 물이 모여 배출되고 냉각기를 통과하는 전열매체와의 접촉을 최소로 하기 위한 배수부와, 상기 배수부에서 배출된 물을 집수하기 위한 집수탱크 및 상기 집수탱크에 집수된 물을 외부로 배출하기 위한 드레인밸브가 포함된 배수장치가 구비된 열전소자를 이용한 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 원통형 방열기는 복수의 호 형상 방열편이 원통형으로 일체 결합되고, 상기 냉각기는 복수의 호 형상 냉각편이 원통형으로 일체 결합된 열전소자를 이용한 열교환기.
제4항에 있어서, 상기 방열편에 상하를 관통하는 관통공이 형성되고, 관통공에 냉각수가 공급되는 냉각파이프가 결합된 열전소자를 이용한 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 전원공급기는 메인파워서플라이와 각 방열기에 설치된 열전소자에 전원을 공급하는 복수의 서브파워서플라이가 포함된 열전소자를 이용한 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 방열기와 냉각기 사이에 결합된 열전소자 사이에 단열재가 결합된 열전소자를 이용한 열교환기.