KR20210027570A

KR20210027570A - 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈

Info

Publication number: KR20210027570A
Application number: KR1020190105824A
Authority: KR
Inventors: 김승현; 임환규
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-11
Also published as: KR102228439B1

Abstract

본 발명은 막증발 모듈 내에 구비되는 열전소자를 이용하여 원수 가열 및 상기 원수와의 접촉을 통해 온도가 상승된 냉각용 응축수를 냉각시킬 수 있는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈은, 외부로부터 내부로 투입되는 원수(1)의 막증발을 통해 수증기가 발생되도록 하며, 수증기를 원수(1)의 투입 경로와 다른 경로를 통해 내부로 투입되는 냉각용 응축수(2)와 접촉시켜 액체상으로 상변화시키고, 접촉을 통해 냉각용 응축수(2)의 온도가 상승되도록 하는 막증발부(100); 막증발부(100)의 하측 방향에 위치되며, 원수(1)의 막증발이 이루어지도록 원수(1)를 가열 및 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키기 위한 열전소자(200); 막증발부(100)로부터 이동되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되며, 열전소자(200) 하부와의 접촉을 통해 열전소자(200)에 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지가 흡수되도록 하여 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키는 열교환기(300); 및 상부가 막증발부(100)의 하부와 접촉되며, 하부가 열전소자(200)의 상부와 접촉되고, 열전소자(200)로부터 발생되는 열 에너지를 막증발부(100)로 전달하여 원수(1)를 가열시키는 열교환판(400);을 포함한다.

Description

열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈{Integrated membrane distillation module using thermoelectric element for heating and cooling}

본 발명은 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 막증발 모듈 내에 구비되는 열전소자를 이용하여 원수 가열 및 상기 원수와의 접촉을 통해 온도가 상승된 냉각용 응축수를 냉각시킬 수 있는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈에 관한 것이다.

막증발 기술은 소수성 표면을 가지는 다공성의 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기상태로 물을 분리하는 공정 기술이다.

막증발법에 의해 처리되는 원수는 분리막의 한쪽 면과 접촉하게 되지만, 분리막 표면의 높은 소수성 때문에 발생된 표면장력으로 인해 원수가 분리막의 기공 안으로 투과되지 않는다. 이에 의해, 물은 투과되지 않고 증기만 분리막을 통과하게 되어 증기로부터 담수를 만들게 된다.

막증발 공정에서 물질전달이 발생하는 이유는 분리막을 경계로 높은 온도의 원수와 낮은 온도의 여과수 사이에 형성되는 온도차이 때문이며, 이러한 온도차이로 인해 형성되는 물의 증기압 차이는 액체상태의 물이 수증기 상태로 전환되면서 원수로부터 여과수쪽으로 이동하게 만드는 구동력이 된다.

막증발법은 이러한 구동력인 증기압 구배를 발생시키기 위해 여과수 측에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증발법(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD), 공기 간극형 막증발법(Air Gap Membrane Distillation: AGMD), 스윕가스 흐름형 막증발법(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD), 진공 막증발법(Vacuum Membrane Distillation: VMD)의 4가지 방식으로 구분될 수 있다.

이러한 막증발법은 상변화를 통해 대상 원수를 처리하는 기술로서, 비휘발성 오염물질의 제거율이 100%에 가깝고 역삼투법에 비해 낮은 압력으로 운전되며, 막오염에 대한 저항성이 크기 때문에 전처리 장치 및 설비를 간소화할 수 있는 장점이 있다.

그리고 막증발법은 원수의 가열에 많은 에너지를 투입하게 되며, 가열되지 않는 원수를 이용하여 증기를 응축시키게 된다. 이에, 막증발법을 이용한 설비는 별도로 가열 장치와 냉각(응축)장치를 구비하게 되어 구성이 복잡한 문제점이 있었다.

또한, 원수 가열 및 증기 응축 과정에서 이송 펌프 및 이송 배관 등의 장치가 포함되어야 하며, 상기 장치들에 의해 원수 가열 및 증기 응축 과정에서는 열 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0008871호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 막증발법을 이용한 설비에 비해 구성의 단순화와 열 손실을 최소화시키기 위해, 흡열부와 발열부가 별도로 구비되도록 특수제작된 열전소자를 이용하여 막증발 모듈 내에서 원수 가열 및 상기 원수와의 접촉을 통해 온도가 상승된 냉각용 응축수를 냉각시킬 수 있는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈을 제공하는데 그 목적이 있습니다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈은, 외부로부터 내부로 투입되는 원수(1)의 막증발을 통해 수증기가 발생되도록 하며, 수증기를 원수(1)의 투입 경로와 다른 경로를 통해 내부로 투입되는 냉각용 응축수(2)와 접촉시켜 액체상으로 상변화시키고, 접촉을 통해 냉각용 응축수(2)의 온도가 상승되도록 하는 막증발부(100); 막증발부(100)의 하측 방향에 위치되며, 원수(1)의 막증발이 이루어지도록 원수(1)를 가열 및 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키기 위한 열전소자(200); 막증발부(100)로부터 이동되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되며, 열전소자(200) 하부와의 접촉을 통해 열전소자(200)에 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지가 흡수되도록 하여 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키는 열교환기(300); 및 상부가 막증발부(100)의 하부와 접촉되며, 하부가 열전소자(200)의 상부와 접촉되고, 열전소자(200)로부터 발생되는 열 에너지를 막증발부(100)로 전달하여 원수(1)를 가열시키는 열교환판(400);을 포함한다.

그리고 막증발부(100)는, 챔버(110); 챔버(110)의 내부에 설치되되, 원수(1)가 내부로 투입되며, 내부에서 원수(1)의 막증발이 발생되어, 원수(1)의 막증발에 의한 수증기가 발생되는 막증발 모듈(120); 및 챔버(110)의 내부에 설치되되, 막증발 모듈(120)의 상부에 설치되며, 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되며, 내부에서 수증기와 냉각용 응축수(2) 간의 접촉을 통해 수증기가 액체상으로 상변화되도록 하는 응축 모듈(130);을 포함한다.

또한, 막증발 모듈(120)은, 막증발 챔버(121); 막증발 챔버(121)의 측부에 구비되어, 외부로부터 원수(1)가 내부로 투입되도록 하는 원수 투입관(123); 원수 투입관(123)이 구비되는 막증발 챔버(121)의 측부와 대향되는 막증발 챔버(121)의 측부에 원수 투입관(123)을 통해 내부로 투입된 원수(1)가 외부로 배출되도록 하는 원수 배출관(125); 및 원수 투입관(123) 및 원수 배출관(125)과 각각 연결되며, 내부에서 이동되는 원수(1)를 막증발시켜 원수(1)에 막증발에 의한 수증기가 발생되도록 하는 막(127);을 포함한다.

그리고 막(127)은, 원수(1)의 막증발에 의해 발생되는 수증기만 막증발 챔버(121)의 내부로 유출시키기 위한 직경을 가지는 소수성 중공사막 또는 평막으로 이루어진다.

또한, 응축 모듈(130)은, 응축 챔버(131); 응축 챔버(131)의 상부의 일측에 구비되어, 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되도록 하는 제1 응축수 투입관(133); 및 제1 응축수 투입관(133)이 구비되는 응축 챔버(131)의 상부의 일측과 다른 위치인 응축 챔버(131)의 상부의 타측에 구비되어, 수증기와의 접촉에 의해 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 외부로 배출되도록 하는 제1 응축수 배출관(135);을 포함한다.

그리고 열전소자(200)는, 막증발부(100)의 내부에 원수(1)가 투입되되, 열교환기(300)의 내부에 온도가 상승된 응축수(2)가 투입되는 경우, 원수(1)의 가열 및 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각이 동시에 이루어진다.

또한, 열전소자(200)는, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각이 이루어지도록, 열교환기(300)의 상부와 접촉이 이루어지는 하부에 구비되어, 열교환기(300)의 내부에 투입되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지를 흡수하는 흡열부(200a); 및 원수(1)의 가열이 이루어지도록, 열교환판(400)의 하부와 접촉이 이루어지는 상부에 구비되되, 내부에 전류가 흐르는 전극이 설치되어, 흡열부(200a)에 흡수되는 열 에너지와 전극에서 흐르는 전류를 통해 발열되는 발열부(200b);를 포함한다.

그리고 열전소자(200)는, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각 효율을 향상시키기 위해, 흡열부(200a)가 발열부(200b)보다 면적 차지 비율이 클 수 있다.

또한, 흡열부(200a)는, 열교환판(400)의 하부와 접촉되는 발열부(200b)의 일부를 제외한 나머지 발열부(200b)의 타부를 감쌀 수 있다.

그리고 열전소자(200)는, 원수(1)의 가열 효율을 향상시키기 위해, 발열부(200b)가 흡열부(200a)보다 면적 차지 비율이 클 수 있다.

또한, 발열부(200b)는, 열교환기(300)의 상부와 접촉되는 흡열부(200a)의 일부를 제외한 나머지 흡열부(200a)의 타부를 감쌀 수 있다.

그리고 발열부(200b)는, 전극의 전류가 DC 10~20 V이다.

또한, 열교환기(300)는, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 위해 상부가 열전소자(200)의 하부와 접촉되는 워터블럭(310); 워터블럭(310)의 측부에 구비되며, 막증발부(100)로부터 이동되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 워터블럭(310)의 내부로 투입되도록 하는 제2 응축수 투입관(321); 및 워터블럭(310)의 측부에 구비되며, 열전소자(200)와 워터블럭(310)에 의해 냉각되어 온도가 감소되는 냉각용 응축수(2)가 외부로 배출되도록 하는 제2 응축수 배출관(323);를 포함한다.

그리고 열교환판(400)은, 열전소자(200)로부터 발생되는 열 에너지를 막증발부(100)로 전달하기 위한 SUS 재질로 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡열부와 발열부가 별도로 구비되도록 특수제작된 열전소자를 이용하여 막증발 모듈 내에서 원수 가열 및 상기 원수와의 접촉을 통해 온도가 상승된 냉각용 응측수를 냉각시킬 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원수의 가열 및 온도가 상승된 냉각용 응축수의 냉각을 위한 구성들이 모듈화됨으로써, 종래의 막증발법을 이용한 설비에 비해 열 손실을 최소화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전소자를 이용하여 온도가 상승된 냉각용 응축수로부터 흡수한 폐열로 원수를 가열함으로써, 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 분해 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 막증발 모듈 및 응축 모듈을 나타내는 측면도이다.
도 5 내지 도 6은 열전소자의 다양한 실시예를 나타내는 측면도이다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

< 구성 >

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈을 자세히 설명하도록 하겠다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 측면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 분해 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈의 분해 사시도이며, 도 4는 막증발 모듈 및 응축 모듈을 나타내는 측면도이고, 도 5 내지 도 6은 열전소자의 다양한 실시예를 나타내는 측면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈은 흡열면과 발열면이 별도로 구비되는 특수제작된 열전소자(200)을 이용하여 막증발 모듈 내에서 원수(1)의 가열 및 상기 원수(1)에 의해 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각이 이루어지도록 한다.

여기서, 원수(1)는 보일러 보급수에서 원료로 하는 물이며, 천연수(하천수, 호소(湖沼)수, 지하수 등) 또는 처리수(수돗물, 공업용 수돗물 등)를 이용하는데, 원수(1)에는 많은 종류의 불순물을 함유하고 있기 때문에 수처리를 진행한 뒤 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 냉각용 응축수(2)는 보일러(냉각계)에 공급하는 물인 급수(청정수)이며, 원수(1)의 막증발에 의해 발생되는 수증기와 접촉을 통해 수증기가 액체상으로 상변화(응축)되어 온도가 상승되는 응축수를 의미한다.

한편, 본 발명의 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈은 막증발부(100), 열전소자(200), 열교환기(300) 및 열교환판(400)이 구비된다.

막증발부(100)는 원수(1)의 막증발 및 냉각용 응축수(2)의 온도 상승이 이루어지는 구성으로서 챔버(110), 막증발 모듈(120) 및 응축 모듈(130)이 구비된다.

챔버(110)는 막증발부(100)의 외형을 이루는 챔버로서, 막증발 모듈(120)과 응축 모듈(130)이 내부에 설치된다.

막증발 모듈(120)은 외부로부터 이동되어 내부로 투입되는 원수(1)의 막증발을 통해 수증기가 발생되도록 한다. 이러한 원수(1)의 막증발 기반의 수증기 발생을 위해 막증발 모듈(120)은 막증발 챔버(121), 원수 투입관(123), 원수 배출관(125) 및 막(127)이 구비된다.

막증발 챔버(121)는 막증발 모듈(120)의 외형을 이루는 챔버로서, 원수(1)의 막증발에 의해 발생되어 막(127)으로부터 유출되는 수증기를 수용한다.

이러한 막증발 챔버(121)는 도면에 미도시되었으나, 막(127)으로부터 유출되는 수증기를 외부로 배출시키기 위한 배출장치(미도시)가 상부에 구비된다. 여기서, 막증발 챔버(121)가 상부로 수증기를 배출시키는 것은 수증기를 막증발 챔버(121)의 상부에 설치되는 응축 모듈(130)로 전달하기 위함이다.

원수 투입관(123)은 외부로부터 이동되는 원수(1)가 막(127)의 내부로 투입되도록 하기 위해 막(127)의 일측과 연결되며, 막증발 챔버(121)의 측부에 구비된다.

원수 배출관(125)은 막(127)의 내부로 투입되어 이동되는 원수(1)를 외부로 배출시키기 위해 막(127)의 타측과 연결되며, 원수 투입관(123)이 구비되는 막증발 챔버(121)의 측부와 대향되는 막증발 챔버(121)의 측부에 구비된다.

막(127)은 일측이 원수 투입관(123)과 연결되며, 타측이 원수 배출관(125)과 연결되고, 내부에서 이동되는 원수(1)의 막증발을 통해 발생되는 수증기가 막증발 챔버(121)의 내부로 유출시키기 위해 막증발 챔버(121)의 내부에 구비된다.

그리고 막(127)은 열전소자(200)로부터 발열되는 열 에너지가 열교환판(400)을 통해 막증발부(100)에 전달되는 경우, 내부에서 이동되는 원수(1)가 열 에너지에 의해 가열되면서 원수(1)의 막증발이 이루어지며, 원수(1)의 막증발에 의해 발생되는 수증기를 막증발 챔버(121)의 내부로 유출시킨다.

여기서, 막(127)은 원수(1)의 막증발을 위해 원수(1)가 막증발 챔버(121)의 내부로 유출되는 것을 차단하되, 원수(1)의 수증기만 막증발 챔버(121)의 내부로 유출 가능한 직경을 가지는 소수성 중공사막 또는 평막으로 이루어진다.

더 나아가, 소수성 중공사막은 높은 소수성 때문에 발생되는 표면장력으로 인해 원수(1)가 기공을 통과하지 못하여 막증발 챔버(121)의 내부로 유출되지 않도록 하되, 수증기만 기공을 통과하여 막증발 챔버(121)의 내부로 유출되도록 하는 막을 의미한다.

응축 모듈(130)은 막증발 챔버(121)로부터 배출되는 수증기와 외부로부터 이동되어 내부로 투입되는 냉각용 응축수(2)를 접촉시킴으로서, 수증기의 응축에 따라 냉각용 응축수(2)의 온도가 상승되도록 한다. 이를 위해, 응축 모듈(130)은 응축 챔버(131), 제1 응축수 투입관(133) 및 제1 응축수 배출관(135)이 구비된다.

응축 챔버(131)는 응축 모듈(130)의 외형을 이루는 챔버로서, 막증발 챔버(121)로부터 배출되는 수증기와 냉각용 응축수(2)를 접촉시키기 위해 막증발 챔버(121)의 상부에 설치된다.

이러한 응축 챔버(131)는 도면에 미도시되었으나, 막증발 챔버(121)의 상부로 배출되는 수증기가 내부에 투입되도록 하기 위해 수증기가 투입되는 투입장치(미도시)가 하부에 구비된다.

또한, 응축 챔버(131)는 막증발 챔버(121)의 상부로 배출되는 수증기는 내부로 투입되되, 제1 응축수 투입관(133)을 통해 내부로 투입되는 냉각용 응축수(2)가 투입장치(미도시)를 통해 역류하여 막증발 챔버(121)로 향하지 않도록 소수성 중공사막 또는 평막으로 이루어진다.

제1 응축수 투입관(133)은 외부로부터 이동되는 냉각용 응축수(2)가 응축 챔버(131)의 내부로 투입되도록 하기 위해 응축 챔버(131)의 상부의 일측에 구비된다.

제1 응축수 배출관(135)은 투입장치(미도시)를 통해 투입되는 수증기와의 접촉을 통해 수증기가 응축됨에 따라 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 외부로 배출시키기 위해 응축 챔버(131)의 상부의 타측에 구비된다.

여기서, 제1 응축수 배출관(135)이 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 외부로 배출시키는 것은 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 열교환기(300)로 배출시키는 것을 의미한다.

이와 같이, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 열교환기(300)로 이동시키는 것은 열전소자(200)의 흡열을 통해 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시킴으로서, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 폐열을 회수하기 위함이다.

열전소자(200)는 열교환판(400)을 사이에 두고, 막증발부(100)의 하측 방향에 위치되며, 원수(1)의 막증발이 이루어지도록 막(127)의 내부에서 이동되는 원수(1)를 가열시키고, 열교환기(300)에 투입되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시킨다.

그리고 열전소자(200)는 막(127)의 내부로 원수(1)가 투입되되, 열교환기(300)의 내부로 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 투입되는 경우, 원수(1)의 가열과 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 동시에 수행한다.

또한, 열전소자(200)는 원수(1)의 가열과 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 동시에 수행하기 위해 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 위한 흡열부(200a)와 원수(1)의 가열을 위한 발열부(200b)가 구비된다. 즉, 본 발명의 열전소자(200)는 열 에너지의 흡열과 발열이 별도로 이루어지도록 특수제작된다.

흡열부(200a)는 열교환기(300)의 내부에 투입되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지 흡열을 기반으로 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키기 위해 열교환기(300)의 상부와 접촉이 이루어지는 열전소자(200)의 하부에 구비된다.

이러한 흡열부(200a)는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)로부터 흡열한 열 에너지를 발열부(200b)로 전달한다.

발열부(200b)는 흡열부(200a)로부터 전달받은 열 에너지를 기반으로 막(127)의 내부에서 이동되는 원수(1)를 가열시키기 위해 열교환판(400)의 하부와 접촉이 이루어지는 열전소자(200)의 상부에 구비된다.

이러한 발열부(200b)는 도면에는 미도시되었으나 전류가 흐르는 전극(미도시)이 내부에 설치된다. 여기서, 전극(미도시)에서 흐르는 전류는 DC 10~20 V(바람직하게는, DC 12 V)일 수 있다.

즉, 발열부(200b)는 흡열부(200a)로부터 전달받은 열 에너지와 전극(미도시)에서 흐르는 전류를 통해 발열되며, 열 에너지 및 전류를 통해 막(127)의 내부에서 이동되는 원수(1)를 가열시킨다.

한편, 본 발명의 열전소자(200)는 원수(1)의 가열 효율과 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각 효율을 고려하여, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 흡열부(200a)와 발열부(200b)가 다양한 실시예로 구현될 수 있다.

먼저, 열전소자(200)는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각 효율을 향상시키기 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 흡열부(200a)가 발열부(200b)보다 열전소자(200)의 면적을 크게 차지하도록 한다.

특히, 흡열부(200a)는 발열부(200b)보다 열전소자(200)의 면적을 크게 차지하도록 하기 위해 도 5의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 열교환판(400)의 하부와 접촉되는 발열부(200b)의 일부를 제외한 나머지 발열부(200b)의 타부를 감싸는 형태로 구비될 수 있다.

이때, 발열부(200b)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 다른 발열부(200b)와 이격되어 발열 면적을 확장하거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 다른 발열부(200b)와 밀착되어 챔버(110)의 일부 면적에 집중적으로 열 에너지가 전달되도록 할 수 있다.

이와 달리, 열전소자(200)는 원수(1)의 가열 효율을 향상시키기 위해 도 6에 도시된 바와 같이, 발열부(200b)가 흡열부(200a)보다 열전소자(200)의 면적을 크게 차지하도록 한다.

특히, 발열부(200b)는 흡열부(200a)보다 열전소자(200)의 면적을 크게 차지하도록 하기 위해 도 6의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 열교환기(300)의 상부와 접촉되는 흡열부(200a)의 일부를 제외한 흡열부(200a)의 타부를 감싸는 형태로 구비될 수 있다.

이때, 흡열부(200a)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 다른 흡열부(200a)와 이격되어 흡열 면적을 확장하거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 다른 흡열부(200a)와 밀착되어 열교환기(300)의 일부 면적과 접촉됨으로서, 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다.

열교환기(300)는 열전소자(200)의 하부에 구비되는 흡열부(200a)와의 접촉을 통해 내부에 투입되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지가 흡수되도록 하여 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시킨다. 이를 위해, 열교환기(300)는 워터블럭(310) 및 워터블럭 관(320)이 구비된다.

워터블럭(310)은 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 위해 상부가 열전소자(200)의 흡열부(200a)와 접촉된다. 이러한 워터블럭(310)은 흡열부(200a)와의 접촉을 통해 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지(폐열)가 흡열부(200a)에 흡열되도록 한다.

워터블럭 관(320)은 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 투입 및 배출을 위해 구비되며, 본 발명에서는 제2 응축수 투입관(321) 및 제2 응축수 배출관(323)으로 구비된다.

제2 응축수 투입관(321)은 제1 응축수 배출관(135)으로부터 배출되어 이동되는 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 워터블럭(310)의 내부로 투입되도록 하기 위해 워터블럭(310)의 측부에 구비된다.

제2 응축수 배출관(323)은 흡열부(200a)의 열 에너지 흡열에 의해 냉각되어 온도가 감소된 냉각용 응축수(2)를 워터블럭(310)로부터 외부로 배출시키기 위해 워터블럭(310)의 측부에 구비된다.

여기서, 제2 응축수 배출관(323)이 온도가 감소된 냉각용 응축수(2)를 외부로 배출시키는 것은 온도가 감소된 냉각용 응축수(2)를 처리하기 위한 별도의 처리장치(미도시) 또는 제1 응축수 투입관(133)으로 투입시키는 것을 의미한다.

열교환판(400)은 상부가 챔버(110)의 하부와 접촉되며, 하부가 열전소자(200)의 발열부(200b)와 접촉되어, 발열부(200b)로부터 전달받는 흡열 및 전류 기반의 열 에너지를 챔버(110)로 전달하여 막(127)의 내부에서 이동되는 원수(1)를 가열시킨다.

이를 위해, 열교환판(400)은 열 전도가 우수하며, 내구성이 좋은 SUS 재질로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

1: 원수,
2: 응축수,
100: 막증발부,
110: 챔버,
120: 막증발 모듈,
121: 막증발 챔버,
123: 원수 투입관,
125: 원수 배출관,
127: 막,
130: 응축 모듈,
131: 응축 챔버,
133: 제1 응축수 투입관,
135: 응축수 배출관,
200: 열전소자,
200a: 흡열부,
200b: 발열부,
300: 열교환기,
310: 워터블럭,
320: 워터블럭 관,
321: 제2 응축수 투입관,
323: 제2 응축수 배출관,
400: 열교환판.

Claims

외부로부터 내부로 투입되는 원수(1)의 막증발을 통해 수증기가 발생되도록 하며, 상기 수증기를 상기 원수(1)의 투입 경로와 다른 경로를 통해 내부로 투입되는 냉각용 응축수(2)와 접촉시켜 액체상으로 상변화시키고, 상기 접촉을 통해 상기 냉각용 응축수(2)의 온도가 상승되도록 하는 막증발부(100);
상기 막증발부(100)의 하측 방향에 위치되며, 상기 원수(1)의 막증발이 이루어지도록 상기 원수(1)를 가열 및 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키기 위한 열전소자(200);
상기 막증발부(100)로부터 이동되는 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되며, 상기 열전소자(200) 하부와의 접촉을 통해 상기 열전소자(200)에 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지가 흡수되도록 하여 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)를 냉각시키는 열교환기(300); 및
상부가 상기 막증발부(100)의 하부와 접촉되며, 하부가 상기 열전소자(200)의 상부와 접촉되고, 상기 열전소자(200)로부터 발생되는 열 에너지를 상기 막증발부(100)로 전달하여 상기 원수(1)를 가열시키는 열교환판(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 막증발부(100)는,
챔버(110);
상기 챔버(110)의 내부에 설치되되, 상기 원수(1)가 내부로 투입되며, 상기 내부에서 상기 원수(1)의 막증발이 발생되어, 상기 원수(1)의 막증발에 의한 수증기가 발생되는 막증발 모듈(120); 및
상기 챔버(110)의 내부에 설치되되, 상기 막증발 모듈(120)의 상부에 설치되며, 상기 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되며, 상기 내부에서 상기 수증기와 상기 냉각용 응축수(2) 간의 접촉을 통해 상기 수증기가 액체상으로 상변화되도록 하는 응축 모듈(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 막증발 모듈(120)은,
막증발 챔버(121);
상기 막증발 챔버(121)의 측부에 구비되어, 외부로부터 상기 원수(1)가 내부로 투입되도록 하는 원수 투입관(123);
상기 원수 투입관(123)이 구비되는 상기 막증발 챔버(121)의 측부와 대향되는 상기 막증발 챔버(121)의 측부에 상기 원수 투입관(123)을 통해 상기 내부로 투입된 원수(1)가 외부로 배출되도록 하는 원수 배출관(125); 및
상기 원수 투입관(123) 및 상기 원수 배출관(125)과 각각 연결되며, 상기 내부에서 이동되는 원수(1)를 막증발시켜 상기 원수(1)에 막증발에 의한 수증기가 발생되도록 하는 막(127);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 막(127)은,
상기 원수(1)의 막증발에 의해 발생되는 수증기만 상기 막증발 챔버(121)의 내부로 유출시키기 위한 직경을 가지는 소수성 중공사막 또는 평막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 응축 모듈(130)은,
응축 챔버(131);
상기 응축 챔버(131)의 상부의 일측에 구비되어, 상기 냉각용 응축수(2)가 내부로 투입되도록 하는 제1 응축수 투입관(133); 및
상기 제1 응축수 투입관(133)이 구비되는 상기 응축 챔버(131)의 상부의 일측과 다른 위치인 상기 응축 챔버(131)의 상부의 타측에 구비되어, 상기 수증기와의 접촉에 의해 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 외부로 배출되도록 하는 제1 응축수 배출관(135);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 열전소자(200)는,
상기 막증발부(100)의 내부에 상기 원수(1)가 투입되되, 상기 열교환기(300)의 내부에 상기 온도가 상승된 응축수(2)가 투입되는 경우, 상기 원수(1)의 가열 및 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 6 항에 있어서,
상기 열전소자(200)는,
상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각이 이루어지도록, 상기 열교환기(300)의 상부와 접촉이 이루어지는 하부에 구비되어, 상기 열교환기(300)의 내부에 투입되는 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 열 에너지를 흡수하는 흡열부(200a); 및
상기 원수(1)의 가열이 이루어지도록, 상기 열교환판(400)의 하부와 접촉이 이루어지는 상부에 구비되되, 내부에 전류가 흐르는 전극이 설치되어, 상기 흡열부(200a)에 흡수되는 열 에너지와 상기 전극에서 흐르는 전류를 통해 발열되는 발열부(200b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 7 항에 있어서,
상기 열전소자(200)는,
상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각 효율을 향상시키기 위해, 상기 흡열부(200a)가 상기 발열부(200b)보다 면적 차지 비율이 큰 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 8 항에 있어서,
상기 흡열부(200a)는,
상기 열교환판(400)의 하부와 접촉되는 상기 발열부(200b)의 일부를 제외한 나머지 발열부(200b)의 타부를 감싸는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 7 항에 있어서,
상기 열전소자(200)는,
상기 원수(1)의 가열 효율을 향상시키기 위해, 상기 발열부(200b)가 상기 흡열부(200a)보다 면적 차지 비율이 큰 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 10 항에 있어서,
상기 발열부(200b)는,
상기 열교환기(300)의 상부와 접촉되는 상기 흡열부(200a)의 일부를 제외한 나머지 흡열부(200a)의 타부를 감싸는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 7 항에 있어서,
상기 발열부(200b)는,
상기 전극의 전류가 DC 10~20 V인 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기(300)는,
상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)의 냉각을 위해 상부가 상기 열전소자(200)의 하부와 접촉되는 워터블럭(310);
상기 워터블럭(310)의 측부에 구비되며, 상기 막증발부(100)로부터 이동되는 상기 온도가 상승된 냉각용 응축수(2)가 상기 워터블럭(310)의 내부로 투입되도록 하는 제2 응축수 투입관(321); 및
상기 워터블럭(310)의 측부에 구비되며, 상기 열전소자(200)와 상기 워터블럭(310)에 의해 냉각되어 온도가 감소되는 냉각용 응축수(2)가 외부로 배출되도록 하는 제2 응축수 배출관(323);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환판(400)은,
상기 열전소자(200)로부터 발생되는 열 에너지를 상기 막증발부(100)로 전달하기 위한 SUS 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 가열 및 냉각 일체형 막증발 모듈.