KR20140048567A

KR20140048567A - 펠티어 방식의 냉각 탱크

Info

Publication number: KR20140048567A
Application number: KR1020120114677A
Authority: KR
Inventors: 김기태
Original assignee: 주식회사 우진정공
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-04-24

Abstract

본 발명은 펠티어 방식을 적용하여 유체를 냉각하는 냉각 탱크에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 펠티어를 유체 탱크 상단에 위치시키고 히트싱크를 상기 펠티어 상단에 위치시켜 유체 탱크 내 자연대류현상과 히트싱크의 자연대류 현상을 유도함과 동시에 교반모듈을 더하여 펠티어의 가동능력을 효율적으로 향상시키고 소비전력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 냉각속도를 향상시킬 수 있으며, 냉매를 사용하지 않아 친환경적이고 복잡한 구성 및 조립공정이 필요치 않아, 제품의 소형화 및 생산속도를 극대화할 수 있는 펠티어 방식의 냉각 탱크에 대한 것이다.

Description

펠티어 방식의 냉각 탱크{Peltier type cooling Tank}

일반적인 냉동 사이클을 이용한 냉각기는 압축기, 응축기, 드라이어, 증발기 등으로 구성이 되며, 용접 및 냉매 주입공정이 필요하다. 그러나, 이러한 냉각기는 냉매를 사용함에 따라 환경 오염의 원인이 될 뿐만 아니라 제품의 부피도 커지게 하며, 압축기 사용에 따른 소음도 상당하다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 펠티어(peltier)를 적용한 냉각 제품들이 일부 개발되었으나, 일반적인 냉동 사이클을 이용한 액체 냉각기에 비해 펠티어의 냉각능력 부족으로 이를 다양한 용도로 활용하는데에는 한계가 있었다.

이에, 펠티어를 사용한 제품의 냉각속도를 향상하고 소비전력을 최소화하며, 펠티어의 수명을 연장시키고 기존 펠티어 방식의 냉각기에 비해 냉각능력을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 구성으로 소형화가 가능하고 다양한 용도에 접목이 가능한 펠티어 방식의 냉각기에 대한 기술 개발이 필요한 상황이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 펠티어의 효율적인 가동 및 제어를 할 수 있도록 하고 소비전력을 최소화하며, 펠티어의 수명 및 냉각능력을 극대화할 수 있는 펠티어 방식의 냉각기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 간단한 구성으로 냉온수기, 정수기, 냉장고, 칠러(chiller) 등 다양한 분야에 접목할 수 있는 냉각기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 냉각 탱크는 유체가 유입, 배출되는 유체 탱크(fluid tank)(10); 상기 유체 탱크(10) 상단에 위치하며, 상기 유체 탱크(10) 내부 상단의 유체를 냉각시킴으로써 유체 탱크(10) 내에 유체의 자연대류현상을 유도하는 펠티어(peltier) 모듈(20); 및 상기 펠티어 모듈(20) 상단에 위치하여 자연대류를 통해 위로 효율적으로 방출하는 히트 싱크(heat sink)(30);를 포함하는 구성을 가진다.

이때, 상기 펠티어 모듈(20)은 i) 상기 유체 탱크(10) 내 유체의 열을 흡열하여 상기 방열판 측으로 방출하는 펠티어 소자(21), ⅱ) 상기 펠티어 소자(21)와 유체 사이의 열 교환 역할을 하는 열교환판(22), 및 ⅲ) 단열재로 이루어져 냉각을 위한 체적을 최소화함과 동시에 열차폐 역할을 하는 단열커버(23)로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 펠티어 소자(21)의 결로 현상을 방지하기 위하여, 상기 펠티어 모듈(20)이 외부의 액체 또는 기체와 접촉하지 못하도록 실링(24) 처리되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우 상기 유체 탱크(10) 상단의 열교환판(22)에 버블(bubble)이 머무르지 않도록, 상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제1 버블 가이드(23-1)가 형성되어, 상기 버블을 상기 단열커버(23)에 형성된 버블 배출구(23-3) 방향으로 유도하는 것이 바람직하며, 상기 제1 버블 가이드(23-1)에 의하여 유도된 버블은 상기 버블 배출구(23-3)로 배출되도록, 상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제2 버블 가이드(23-2)가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우 상기 유체 탱크(10) 내의 유체 냉각을 촉진하기 위하여, 상기 유체 탱크(10) 하부에 교반 모듈(40)이 추가로 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 펠티어 모듈(20)을 효율적으로 제어하기 위하여, 상기 유체 탱크(10) 에 온도 센서(10-1)가 설치되는 것이 바람직하며, 상기 히트 싱크(23)의 방열을 돕기 위하여 상기 히트 싱크(23) 상부에 팬(50)이 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 냉각 탱크는 일반적인 냉온수기, 정수기 등에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 기체(gas)인 경우, 제1 버블 가이드(23-1), 제2 버블 가이드(23-2), 버블 배출구(23-3) 및 교반 모듈(40)과 같이 액체 관련 부품이 설치되지 않고, 상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 또는 펠티어(peltier) 모듈(20)의 일 단면에 도어가 형성되어 냉장고로 활용될 수도 있다.

그 외에도, 본 발명의 냉각 탱크는 상기 유체 탱크(fluid tank)(10)로부터 유체를 배출하는 유체 배출구에 펌프가 연결되어 칠러(chiller)로 활용하거나, 상기 유체 탱크(10) 내의 유체가 음료수인 경우, 상기 유체의 유입구에 필터를 형성하여 활용하는 등 간단한 구성 및 향상된 냉각능력으로 인하여 다양한 분야에 접목될 수 있다.

본 발명의 냉각탱크는 유체 탱크 내 자연대류현상과 히트싱크의 자연대류 현상을 이용함과 동시에 교반모듈을 더하여 펠티어를 효율적으로 제어하여 펠티어의 소비전력을 최소화하며 냉각속도를 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명의 냉각탱크는 냉매를 전혀 사용하지 않아 친환경적이며, 복잡한 구성 및 조립공정이 필요치 않아 제품의 소형화 및 생산속도를 극대화할 수 있다. 그리고, 간단한 구성 및 높은 냉각 효율로 냉온수기, 정수기, 냉장고, 칠러 등 다양한 분야에 접목이 가능하다.

도 1 - 본 발명의 냉각탱크에 액체를 사용한 일실시예를 보여주는 사시도
도 2 - 본 발명의 냉각탱크에 액체를 사용한 일실시예의 작동원리를 보여주는 단면도
도 3 - 본 발명의 펠티어 모듈 및 히트 싱크의 조립구성을 보여주는 분해사시도
도 4 - 본 발명의 펠티어 모듈의 실링 처리를 보여주는 단면도
도 5 - 본 발명의 냉각탱크에 액체를 사용한 일실시예로서, 버블 가이드가 형성된 펠티어 모듈의 배면도
도 6 - 본 발명의 냉각탱크에 액체를 사용한 일실시예로서, 버블 가이드가 형성된 펠티어 모듈의 단면도
도 7 - 본 발명의 냉각탱크에 액체를 사용한 일실시예로서, 유체 탱크의 하단을 보여주는 평면도
도 8 - 본 발명의 냉각탱크가 칠러(chiller)로 활용되는 모습을 보여주는 개념도
도 9 - 펠티어 소자의 흡열량과 △T와의 관계를 보여주는 그래프

이하에서는, 본 발명의 펠티어 방식의 냉각 탱크를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 냉각 탱크는 도 1, 2에 도시된 바와 같이 유체가 유입, 배출되는 유체 탱크(fluid tank)(10); 상기 유체 탱크(10) 상단에 위치하며, 상기 유체 탱크(10) 내부 상단의 유체를 냉각시킴으로써 유체 탱크(10) 내에 유체의 자연대류현상을 유도하는 펠티어(peltier) 모듈(20); 및 상기 펠티어 모듈(20) 상단에 위치하여 열을 자연대류 현상으로 자연스럽게 외부로 방출하는 히트 싱크(heat sink)(30)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

종래의 펠티어를 사용한 냉각기는 조립 및 운행의 편의를 위해 히트 싱크가 냉각기의 측면 또는 하단에 장착되는 것이 일반적이었다. 그러나, 본 발명의 펠티어 방식을 적용한 냉각 탱크는 기존의 방식을 벗어나 유체 탱크(10), 펠티어 모듈(20), 히트 싱크(30)를 순서대로 상하로 조립하여 자연대류현상(도 2)을 최대한 활용할 수 있도록 설계하였다.

이를 상세히 살펴보면, 상기 펠티어 모듈(20)은 유체 탱크(10) 내부 상단의 액체로부터 열을 흡수하고, 상기 흡수한 열을 상부에 위치한 히트 싱크(30)를 통하여 자연대류를 통해 위로 효율적으로 방출한다.

상기 펠티어 모듈(20)은 도 9에 도시된 바와 같이 △T가 증가할수록 흡열량 Q가 감소하는 시스템으로서, 예를 들어 도 9의 빨간 선으로 표시된 부분을 살펴볼 때, △T가 15℃(점A)인 경우와 △T가 35℃(점B)인 경우에 약 2배의 흡열량 차이를 보인다.

즉, 열전소자를 효율적으로 사용하려면 △T를 줄여야 하는데, 흡열부인 유체 탱크(10) 상단에 냉각된 액체가 그대로 유지되면 △T가 커지게 되어 열의 이동이 원활하지 않고 전력만 소비하게 된다. 본 발명의 구성을 가진 냉각 탱크는 냉각된 유체 탱크(10) 내부 상단의 유체가 자연대류현상에 의하여 아래로 가라앉아 빠져나가게 되고, 유체 탱크(10) 하단에 존재하는 상온의 유체가 상단으로 올라오게 되어, 상기 펠티어 모듈(20)은 항상 적절한 온도차가 유지되게 되고 따라서 유체로부터 열을 쉽게 흡수할 수 있게 된다. 이때, 히트 싱크(30) 측의 방열이 좀 더 원활하게 이루어져 △T를 더욱 줄일 수 있도록 상기 히트 싱크(30) 상부에 팬(50)을 장착할 수도 있다.

한편, 상기 펠티어 모듈(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 i) 상기 유체 탱크(10) 내 유체의 열을 흡열하여 상기 방열판 측으로 방출하는 펠티어 소자(21), ⅱ) 상기 펠티어 소자(21)와 유체 사이의 열 교환 역할을 하는 열교환판(22), 및 ⅲ) 단열재로 이루어져 냉각을 위한 체적을 최소화함과 동시에 열차폐 역할을 하는 단열커버(23)로 이루어질 수 있다.

종래의 펠티어를 이용한 냉각장치들에서는 기구 구성상 열교환판이 커버 형상까지 포함하도록 구성되었으며, 그에 따라 재질도 열교환판과 커버가 하나의 금속으로 이루어졌다. 그러나, 이러한 구성은 펠티어가 불필요하게 넓은 체적을 냉각 또는 가열하도록 하여, 정작 유체를 냉각 또는 가열하는 데에 많은 시간이 소요되었으며, 열손실 또한 커서 펠티어 소자의 효율적인 가동을 방해하는 요인이 되었다.

본 발명은 이런 문제를 해결하기 위하여, 금속재 등으로 이루어져 상기 펠티어 소자(21)와 유체 사이의 열 교환 역할을 하는 열교환판(22)과 플라스틱과 같은 단열재로 이루어져 냉각을 위한 체적을 최소화함과 동시에 열차폐 역할을 하는 단열커버(23)를 분리하여 구성하였다. 이러한 구성을 통하여 종래 장치들과 달리 초기 가동시 정상상태에 더 빨리 도달할 수 있을 뿐만 아니라 열 차폐 역할도 훨씬 효율적으로 이루어질 수 있다.

한편, 펠티어 소자(21)는 한쪽 면이 흡열, 다른 한쪽 면은 발열을 하는 구조를 가지는데, 상기 펠티어 소자(21)가 장착된 공간이 외부에 노출이 될 경우에는 흡열하는 면에 상온의 습도 및 온도의 영향으로 결로가 발생할 수 있다. 결로가 생기면 펠티어 소자(21) 상 하단이 물로 연결이 되어 펠티어 소자가 제대로 작동할 수 없을 뿐 아니라, 주위의 습기로 녹거나 곰팡이를 피할 수 없게 된다.

이를 막기 위해 본 발명에서는 상기 펠티어 소자(21)의 결로 현상을 방지하기 위하여, 펠티어 소자(21)가 외부의 액체 또는 기체와 접촉하지 못하도록 도 3, 4에 도시된 바와 같이 완벽히 상기 펠티어 모듈(20)이 완벽히 실링(24) 처리되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 단열커버(23)에는 열손실을 최대한 줄일 수 있는 별도의 단열재를 장착할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예로서 유체 탱크(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우, 펠티어 모듈(20)이 유체 탱크(10)의 상부에 위치하기 때문에, 유체 탱크(10) 내의 유체가 액체인 경우 버블(bubble)이 유체 탱크(10) 상단의 열교환판(22)에 머물러 펠티어 소자(21)의 흡열을 방해하게 된다.

이에, 본 발명에서는 도 5, 6에 도시된 바와 같이 유체 탱크(10) 상단의 열교환판(22)에 버블(bubble)이 머무르지 않도록, 상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제1 버블 가이드(23-1)를 형성하여 버블이 상기 단열커버(23)에 형성된 버블 배출구(23-3) 방향으로 유도되도록 하였다.

또한, 상기 제1 버블 가이드(23-1)에 의하여 유도된 버블이 상기 버블 배출구(23-3)로 배출되도록, 상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제2 버블 가이드(23-2)를 형성할 수 있다.

이때, 상기 버블 배출구(23-3)는 단열커버(23)에 기 형성된 유체 투입구를 활용할 수도 있으며, 별도로 형성할 수도 있다. 한편, 상기 유체 탱크(10) 내의 유체로 공기와 같은 기체(gas)가 사용되는 경우에는, 상기 버블 가이드 및 버블 배출구의 구성을 생략할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예로서 상기 유체 탱크(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우 상기 유체 탱크(10) 내의 유체 냉각을 촉진하기 위하여, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 상기 유체 탱크(10) 하부에 교반 모듈(40)을 별도로 설치할 수 있다. 이때, 상기 교반 모듈(40)은 상기 유체 탱크(10) 내의 액체를 교반할 수 있는 다양한 교반 수단들이 사용될 수 있으며, 일 실시예로서 교반 자기 모듈이 사용될 수 있다.

상기 교반 모듈(40)로서 교반 자기 모듈이 사용되는 경우, 상기 유체 탱크(10) 내에 마그네틱 바(41)가 위치하게 되며, 상기 마그네틱 바(41)의 교반 효과(도 7)로 탱크 내의 온도 분포도가 고르게 되어 펠티어의 효율상승으로 소비전력 저하, 수명 연장 및 냉각 능력 향상을 더욱 극대화할 수 있다. 한편, 상기 유체 탱크(10) 내의 유체로 공기와 같은 기체(gas)가 사용되는 경우에는, 상기 교반 모듈(40)의 구성을 생략할 수 있다.

또한, 상기 펠티어 모듈(20)을 더욱 효율적으로 제어하기 위하여, 상기 유체 탱크(10)에 도 7에 도시된 바와 같이 온도 센서(10-1)를 설치할 수 있다. 즉, 셋팅 온도만큼 액체 또는 공기의 온도가 떨어지게 되면 자동으로 펠티어 소자를 OFF하며, 셋팅 온도보다 온도가 올라가면 자동으로 펠티어 소자를 ON하게 하여 펠티어 소자를 효율적으로 가동할 수 있다. 즉, △T가 커져 열의 이동이 원활하지 않은 경우에도 펠티어가 전력만 소비하는 현상을 방지함으로써, 소비전력을 최소화하고 냉각 능력을 최대화할 수 있다.

한편, 상기 유체 탱크(10)의 재질은 금속 또는 비금속을 모두 사용할 수 있으며, 별도의 단열재를 장착할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 냉각 탱크는 그 구성 및 조립이 간단하고 효율적인 구조로 인하여 소비전력을 최소화하고 냉각 능력을 최대화할 수 있으며, 다양한 제품의 모듈 부품으로 적용될 수 있다. 또한, 종래의 냉온수기 및 정수기에 사용되는 압축기, 응축기, 드라이어, 증발기 등의 구성을 필요로 하지 않으며, 용접, 냉매 주입 등의 복잡한 조립공정이 없어지게 된다. 따라서, 친환경적이고 소음 및 제품 부피를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 생산속도를 극대화할 수 있다.

일 실시예로, 본 발명의 펠티어 방식을 적용한 냉각 탱크는 도 1에 도시된 바와 같이 픽스 풋(60)에 볼트만 체결하여 고정시키고, 예를 들어 유체가 물의 경우, 상부에 상온의 물 공급라인 Liquid In과 하부에 냉수의 공급라인 Liquid Out을 연결하며, 펠티어 소자, 팬, 모터 등에 전원을 공급함으로써 간단하게 설치를 끝낼 수 있다. 또한, 냉각 탱크의 구조가 대류현상을 최대한 활용할 수 있기에 냉수소비가 적은 환경에서는 교반 기능 등을 빼고도 원활하게 이용할 수 있다.

이 외에도, 공기 등의 기체 냉각의 경우에는 본 발명의 구조에서 버블 가이드, 버블 배출구, 교반 모듈과 같은 구성들을 삭제한 뒤, 상기 유체 탱크(10) 또는 펠티어 모듈(20)의 일 단면에 도어를 형성하여 차량 냉장고 등으로 활용할 수도 있다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이 상기 유체 탱크(fluid tank)(10)로부터 유체를 배출하는 유체 배출구에 펌프를 연결하여 칠러(chiller)로도 활용할 수 있으며, 상기 칠러는 소형 공업용 기기의 방열, 공기 중에 습기를 제거하기 위해 필요한 제습기 등에 다양하게 사용될 수 있다. 이 밖에도 상기 유체 탱크(10) 내의 유체가 음료수인 경우, 상기 유체의 유입구에 필터를 형성하여 활용하는 등 소형 제품의 열 교환을 위해 본 발명은 다양하게 활용이 될 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10 : 유체 탱크(fluid tank) 10-1 : 온도 센서
20 : 펠티어(peltier) 모듈 21 : 펠티어 소자
22 : 열교환판 23 : 단열커버
23-1 : 제1 버블 가이드 23-2 : 제2 버블 가이드
23-3 : 버블 배출구 24 : 실링
30: 히트 싱크(heat sink) 40 : 교반 모듈
41 : 마그네틱 바 50 : 팬
60 : 픽스 풋(fix foot)

Claims

유체가 유입, 배출되는 유체 탱크(fluid tank)(10);
상기 유체 탱크(10) 상단에 위치하며, 상기 유체 탱크(10) 내부 상단의 유체를 냉각시킴으로써 유체 탱크(10) 내에 유체의 자연대류현상을 유도하는 펠티어(peltier) 모듈(20); 및
상기 펠티어 모듈(20) 상단에 위치하여 자연대류를 통해 위로 효율적으로 방출하는 히트 싱크(heat sink)(30);
를 포함하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 펠티어 모듈(20)이 i) 상기 유체 탱크(10) 내 유체의 열을 흡열하여 상기 방열판 측으로 방출하는 펠티어 소자(21), ⅱ) 상기 펠티어 소자(21)와 유체 사이의 열 교환 역할을 하는 열교환판(22), 및 ⅲ) 단열재로 이루어져 냉각을 위한 체적을 최소화함과 동시에 열차폐 역할을 하는 단열커버(23)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제2항에 있어서,
상기 펠티어 소자(21)의 결로 현상을 방지하기 위하여, 외부의 액체 또는 기체와 접촉하지 못하도록 상기 펠티어 모듈(20)이 실링(24) 처리되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제2항에 있어서,
상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우 상기 유체 탱크(10) 상단의 열교환판(22)에 버블(bubble)이 머무르지 않도록,
상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제1 버블 가이드(23-1)가 형성되어, 상기 버블을 상기 단열커버(23)에 형성된 버블 배출구(23-3) 방향으로 유도하는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제4항에 있어서,
상기 제1 버블 가이드(23-1)에 의하여 유도된 버블이 상기 버블 배출구(23-3)로 배출되도록, 상기 단열커버(23)에 일정한 경사각을 가지는 제2 버블 가이드(23-2)가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 액체(liquid)인 경우 상기 유체 탱크(10) 내의 유체 냉각을 촉진하기 위하여, 상기 유체 탱크(10) 하부에 교반 모듈(40)이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 펠티어 모듈(20)을 효율적으로 제어하기 위하여, 상기 유체 탱크(10) 에 온도 센서(10-1)가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 히트 싱크(23)의 방열을 돕기 위하여 상기 히트 싱크(23) 상부에 팬(50)이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 내의 유체가 기체(gas)인 경우, 제1 버블 가이드(23-1), 제2 버블 가이드(23-2), 버블 배출구(23-3) 및 교반 모듈(40)이 설치되지 않으며, 상기 유체 탱크(fluid tank)(10) 또는 펠티어(peltier) 모듈(20)의 일 단면에 도어가 형성되어 냉장고로 활용되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 유체 탱크(fluid tank)(10)로부터 유체를 배출하는 유체 배출구에 펌프가 연결되어 칠러(chiller)로 활용되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.
제1항에 있어서,
상기 유체 탱크(10) 내의 유체가 음료수인 경우, 상기 유체의 유입구에 필터가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 탱크.