KR20110045409A - 잠열식 열전소자 냉각장치 - Google Patents

Abstract

잠열식 열전소자 냉각장치(100)가 개시된다. 본 발명의 잠열식 열전소자 냉각장치(100)는 공기와의 열전달을 위한 핀(40), 내부에 상변화물질을 포함하는 콘테이너부(10), 상기 핀(40)과 콘테이너부(10) 사이에 위치하여 열전달을 일으키는 열전소자(30)를 포함한다. 또한, 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)는 상기 콘테이너부(10)가 외부에 상기 열전소자(30)가 효율적인 열전달을 할 수 있도록 하는 안착면(15) 및 내부에 상기 상변화물질이 상변화할 때에 균일할 수 있도록 하는 립 구조체(21)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서 차량 내부에 별도의 열이 유출되지 않으므로 효율적으로 열전소자를 이용한 실내의 냉각을 실시할 수 있게 된다.

Description

잠열식 열전소자 냉각장치{A COOLING DEVICE WITH THERMOELECTRIC ELEMENT USING LATENT HEAT}

본 발명의 잠열식 열전소자 냉각장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 상변화물질을 이용하여 열을 방출하는 잠열식 열전소자 냉각장치에 관한 것이다.

열전소자는 전기가 공급되면 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 강제적으로 이동시키는 성질을 가지는 소자이다. 최근 들어 이를 차량용 냉방장치에 이용하고자 하는 시도가 있다. 예를 들어, 효율이 향상된 열전소자를 이용한 냉난방 장치 상에 대류 매체에 의한 열전달을 하여 열용량을 증대하는 구성이 소개된 바 있다. 이 경우에는 팬을 통하여 흡입된 냉각유동이 통로를 통하여 열전모듈을 냉각하고 위로 올라가 좁은 유로를 거쳐서 배출되는 구조이다.

다른 예로서는, 차량 덕트와 연결된 열전소자를 이용한 냉온장고가 있다. 덕트로 바람을 흡입하여 열전소자에 의하여 콘솔을 차갑게 한 후, 핀으로 배출되는 고온열원을 유로를 통하여 외부로 배출하며, 이때 팬을 가동하는 특성이 있다.

이러한 종래의 열전소자를 이용한 장치 중, 냉/난방 시스템은 효율을 향상하기 위하여 대류열전달을 이용한 경우인데, 대류열전달을 이용하여 효과적인 냉각으 로 열전소자의 성능을 향상하는 구조이긴 하나, 궁극적으로 대류 열전달을 하기 위하여 별도의 장치를 구성하여야 하는 문제점이 있다.

또한, 열전소자를 이용한 콘솔 냉각/난방 시스템 역시 공기에 의한 냉각이기 때문에 냉각성능의 한계가 있게 마련이다. 더욱이 외부로 열원을 배출하는 구조를 별도로 설치하여야 하기 때문에, 실내 전체의 열평형상의 관점으로 볼 때 불리한 구조를 가지게 된다.

본 발명의 목적은 열전소자의 고온부에서 발생하는 열원을 효과적으로 제거할 수 있는 잠열식 열전소자 냉각장치를 제공하는 데에 있다.

이러한 목적을 가지는 본 발명의 잠열식 열전소자 냉각장치는 공기와의 열전달을 위한 핀, 내부에 상변화물질을 포함하는 콘테이너부, 상기 핀과 콘테이너부 사이에 위치하여 열전달을 일으키는 열전소자를 포함한다.

또한, 상기 잠열식 열전소자 냉각장치는 상기 콘테이너부는 외부에 상기 열전소자가 효율적인 열전달을 할 수 있도록 하는 안착면 및 내부에 상기 상변화물질이 상변화할 때에 균일할 수 있도록 하는 립 구조체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는 상기 콘테이너부가 상기 상변화물질의 부피팽창을 고려한 부피팽창 흡수부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 잠열식 열전소자 냉각장치는 상기 콘테이너부가 상변화시의 열전달이 유리하도록 복수개의 알루미늄 플레이트 유닛들이 적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 잠열식 열전소자 냉각장치가 HVAC내에 설치되며, 장착위치는 증발기 후단에서 부터 벤트 토출구 사이의 차가운 공기가 지나는 유로상에 위치하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 콘테이너부는 증발기와 일체로 구성되어 직접적인 접촉 및 전도와 대류에 의한 열전달로 상변화물질이 응고되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 상변화물질은 증발기 후단의 토출 공기온도로 고상으로 응고될 수 있는 대략 2~8℃ 범위의 응고점을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치에 따르면, 열전소자 냉방시스템에서 기존의 장치와는 달리 고온부에서 발생하는 열원을 효과적으로 제거하여 열전소자의 성능을 향상할 수 있다.

또한, 발열부의 열원을 제거하는 방법으로 상변화물질을 이용한 잠열영역의 냉각방식이므로, 발열부의 열원을 제거하기 위한 추가의 온도상승은 없기 때문에, 차 실내의 냉방성능에는 전혀 영향을 미치지 않게 된다.

또한, 콘테이너부의 내부에 채워진 상변화물질의 냉각 방식에는 평상시 차량 에서 에어컨 작동시 토출되는 차가운 바람 또는 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 변경함으로써 용이하게 실시할 수 있기 때문에, 에너지 이용면에서도 효율적인 구조이다.

이하 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치(100)는 공기와의 열전달을 위한 핀(40), 내부에 상변화물질을 포함하는 콘테이너부(10) 및 상기 핀(40)과 콘테이너부(10) 사이에 위치하여 열전달을 일으키는 열전소자(30)를 포함한다.

본 발명은 열전소자(30)에 전원을 인가하는 경우, 한면은 차가워지고 다른 한면은 뜨기워지는 원리를 이용하여 공기를 냉각한다. 본 실시예의 경우 상기 열전소자(30) 상부에 핀(40)이 연결되어 있으므로, 상기 열전소자(30)의 차가워지는 면은 상기 핀(40)과 접촉하여 상기 핀(40)을 냉각하게 되고, 상기 핀(40)을 통과하면서 공기가 냉각되어 차 실내로 공급되게 된다. 하지만, 이와는 반대로 상기 열전소자(30)의 다른 면은 뜨거워지기 때문에 냉방의 측면에서 보면 매우 불합리한 구조를 가지게 된다. 따라서 이를 해결하기 위하여 상기 콘테이너부(10)에 상변화물질을 투입하여, 상기 열전소자(30)가 작동하는 경우에 발생하는 열을 상기 상변화물질에서 흡수함으로써 차량 내부에 또 다른 열이 방출되는 것을 방지한다.

상기 콘테이너부(10)의 내부에는 상변화물질로 가득 차 있으며, 상기 열전소자(30)로부터 공급되는 열이 상기 상변화물질이 상변화함에 따라 흡수되게 된다. 상기의 냉각과정이 마무리 된 후에는 외부의 동작에 의해 제어되며, 상기 상변화물질은 다시 고체의 상태로 상변화하여 다음 냉각 시에 사용할 수 있도록 준비한다. 이를 자세히 살펴보면, 상기의 콘테이너부(10) 내부에 상변화물질은 상기 열전소자(30)의 극성을 바꾸어 임의적으로 냉각할 수 있으며, 또 다른 방법으로는 비교적 높은 온도의 상변화 온도를 가지는 상변화 물질을 사용하여 냉방장치가 가동하지 않을 때에 상기 콘테이너부(10) 주변의 냉각만으로 상변화를 일으킬 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 외부를 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 상기 콘테이너부(10)의 상부 좌우측에는 부피팽창흡수부(20)가 위치한다. 상기 부피팽창흡수부(20)는 상기 콘테이너부(10)의 내부에 상변화물질이 상변화할 때에 부피가 증가하거나 감소하는 경우에 상기 콘테이너부(10)의 변형을 일으키지 않고 상기 상변화물질이 상변화 할 수 있도록 여분의 부피를 제공한다. 예를 들어, 상기 상변화물질로 냉각수가 사용되는 경우, 물이 액체에서 고체로 상변화하는 때에는 부피가 증가하게 된다. 이때에 상기 콘테이너부(10)의 훼손을 방지하기 위해 상기 부피팽창흡수부(20)가 사용된다. 또한, 상기 부피팽창흡수부(20)는 상변화물질을 주입하는 통로로서 사용될 수도 있다.

또한, 상기 콘테이너부(10)의 상부에는 상기 열전 소자(미도시)와 접촉하는 안착면(15)을 포함한다. 상기 콘테이너부(10)의 상부에 존재하는 안착면은 실질적으로 상기 열전 소자(미도시)의 열이 전달되는 부분이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 내부를 나타내는 사시도이다.

도 4는 도 3에 나타난 상기 콘테이너부(10)의 내부를 뒤집어서 나타낸 사시도이다. 상기 콘테이너부(10)의 내부에는 립 구조체(21)가 포함된다. 상기 립 구조체(21)는 상기 상변화물질이 상변화할 때에 균일하게 변화할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 구체적으로는 상기 콘테이너부(10)의 내부를 복수개의 영역으로 분리하여 지정된 구간에서만 열교환이 일어나 상변화하게 한다. 상기 립 구조체(21)가 존재하지 않는 경우에는 상기 콘테이너부(10)의 일부분만 상변화하고, 나머지 부분은 상변화하지 않는 등 전반적으로 불균일한 상변화를 보일 수 있으나, 상기 립 구조체(21)가 존재하는 경우에는 상기 콘테이너부(10)를 균일하게 일정한 영역으로 분할함으로써 상기 콘테이너부(10) 내부의 상변화물질이 고르게 상변화하게 되는 것이다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 알루미늄 플레이트 유닛을 나타내는 사시도이다. 도 5b는 도 5a의 알루미늄 플레이트 유닛을 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.

도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서의 콘테이너부는 복수개의 플레이트 유닛(50)을 적층하여 형성된다. 앞서의 도면에서 설명된 콘테이너부(10)와는 달리 적층구조를 채택함으로써 보다 효율적인 상변화를 유도할 수 있는 구조를 가지게 된다. 또한, 재질적인 측면에서는 상기 플레이트 유닛(50)은 열전달이 쉽게 이루어지는 알루미늄으로 형성될 수 있다. 도 5a에 나타난 플레이트 유닛(50)은 하나의 유닛을 도시한 것이고, 이러한 상기 플레이트 유닛(50)이 복수개가 적층하여 하나의 콘테이너부를 형성한다. 도 5b는 상기 도 5a에 나타난 I-I'의 절단선을 따라 상기 플레이트 유닛(50)의 단면을 나타낸 단면도이다. 상기 플레이트 유닛(50)은 상부 및 하부가 주름진 형태로 되어 있어, 내부에 상변화물질을 포함하는 구조로 되어 있는 구조를 채택하고 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치(110)는 주름진 산모양의 핀(40)을 포함한다. 도 6에 도시되는 바와 같이 콘테이너부(10)의 구조는 열전 소자(30)와 접하는 부분의 높이는 비교적 낮게 제작하고, 상기 콘테이너부(10)상의 열전 소자(30)와 만나지 않는 좌우 부분에는 공간을 확보하여 상변화물질을 충진하는 구조를 채택할 수 있다. 이러한 실시예에서는 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(110)는 다른 냉각장치에 직접 부착하여 적용될 수 있다. 예를 들어, HVAC의 증발기에 일체형으로 형성될 수 있는 구조이다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다. 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치(100)은 바람이 지 나는 유로상에 도 7a에 도시된 바와 같이 배치될 수 있다. 도 7a에는 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)를 상기 유로 내에 완전히 포함되도록 배치한 경우이다. 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)는 아이들 스탑(Idle Stop)시에 보조적으로 사용되는데, 아이들 스탑(Idle Stop)시에 지나가는 공기를 상기 열전소자(30)가 작동하여 상기 핀(40)을 통하여 냉각하고, 이에 대해 상대적으로 발생되는 열은 상기 콘테이너부(10) 내의 상변화물질의 상변화를 통하여 상쇄한다. 이후 공조시스템이 동작하는 때에, 냉각된 공기가 상기 화살표 방향으로 이동하면서 상기 콘테이너부(10) 내의 액체 상태로 상변화를 마친 상변화물질을 다시 냉각하여 고체로 상변화 시키는 과정을 반복하게 된다.

다시 차량이 정지하는 동안에는 다시 제어장치에 의하여 상기 열전소자(30)에 전원이 공급되어 상기 핀(40)으로 차가운 냉기가 전달되고 일시적인 냉방이 지속되는 동안 상기 열전소자(30)의 다른 한 면에서 발생되는 뜨거운 열은 상기 콘테이너부(10) 내의 상변화물질이 다시 상변화하면서 흡수하는 과정을 반복하게 된다. 따라서 유로 내부의 공기를 냉각하면서도 별도의 열이 내부로 토출되지 않기 때문에 쾌적한 냉방이 이루어지게 된다.

도 7b의 경우에는, 상기 콘테이너부(10)가 상기 유로 바깥에 위치하도록 배치되는 실시예를 도시한 것이다. 상기 콘테이너부(10) 내부에 존재하는 상변화물질을 별도로 냉각할 수 있는 구조가 포함되는 경우에는 이와 같은 실시예를 적용할 수도 있을 것이다. 이 경우에는 상기 유로로 지나가는 공기에 의해 상기 콘테이너부(10)의 상변화물질이 냉각될 수는 없고, 별도의 냉각 구조나 냉각 환경을 이용하 여 상기 상변화물질을 냉각할 수 있다.

도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다. 도 8b는 도 8a의 'A' 부분을 확대한 단면도이다.

도 8a 및 8b를 참조하면, HVAC 내의 공기가 토출되는 벤트 토출구 측면에 본 발명의 잠열식 열전소자 냉각장치(A)를 배치한 배치도이다. HVAC 내의 공기는 화살표 방향으로 이동하게 되며, 기본적인 동작구조는 도 7a 및 7b에서 설명한 바와 같다. 상기 도 8b와 같이, 공기가 흐르는 면으로 상기 핀(40)이 향하도록 배치되며, 상기 벤트 토출구의 벽면을 향하여 상기 콘테이너부(10)가 배치되게 된다.

도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 단면도이다.

도 9a를 참조하면, 공기의 흐름과 잠열식 열전소자 냉각장치(100)의 배치를 확인할 수 있다. 도 9a의 실시예에는 벤트 토출구(320) 유로 사이에 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)가 배치되어 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 초기 가동시에 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100) 상에서 흐르는 공기를 냉각하여 보내고, 본 HVAC이 가동될 경우에는 다시 HVAC로부터 토출되는 냉각 공기에 의해서 상기 콘테이너부(10) 내의 상변화 물질을 다시 냉각할 수 있다. 그후 상기 HVAC이 정지하는 기간에는 초기에 동작한 바와 같이 상기 열전소자(30)가 작동하여 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)가 차량 내부로 유입되는 공기를 냉각하게 된다. 이러한 과정에서 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)에서 발생되는 열은 상기 콘테이너부(10) 내의 상변화물질의 상변화를 통하여 흡수되므로, 차량 내부에는 열평형상으 로 발생되는 별도의 온도상승이 일어나지 않게 된다.

도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 단면도이다.

도 9b를 참조하면, 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)가 증발기(310) 후단의 도어 상에 위치한다. 이 경우에도 역시 가동 초기에 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)의 열전소자(30)가 가동하여 흐르는 공기를 냉각시킬 수 있으며, HVAC이 가동하여 내부에 냉각된 공기가 흐르는 경우 상기 콘테이너부(10) 내에 위치하는 상변화물질을 냉각하여 고체로 상변화하고, 이후에 다시 HVAC이 구동을 멈추는 시기에는 상기 열전소자(30)가 다시 작동하여 HVAC 자체의 구동없이 내부에 흐르는 공기를 냉각할 수 있게 된다.

이외에도 본 도면에서는 도시되어 있지 않지만, 상기 콘테이너부(10)는 상기 증발기(310)와 일체로 형성될 수 있다. 이러한 경우에는 직접적인 접촉이나 전도 또는 대류에 의한 열전달에 의해 상기 콘테이너부(10)의 상변화물질이 상변화 하게 된다.

상기 콘테이너부(10) 내의 상변화물질은 일반적으로 사용되는 냉각수 이외에도 상온에서 응고점을 가지는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 대략 2~8℃ 범위의 응고점을 가지는 물질을 사용할 수 있다. 상온에서 상변화를 일으키는 물질을 사용하는 경우 상변화를 위해서 온도를 과도하게 낮출 필요가 없으므로 보다 효율적으로 상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)를 이용할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 기존의 장치와는 달리 열전소자(30)의 고온부 에서 발생하는 열원을 효과적으로 제거하여 내부에 별도로 유출되는 열이 발생하지 않게 되기 때문에 열전소자(30)의 성능을 향상할 수 있다. 또한, 발열부의 열원을 제거하는 방법으로 상변화물질을 이용한 잠열영역의 냉각방식이므로, 발열부의 열원을 제거하기 위한 온도상승은 없으므로 차 실내의 냉방성능에는 전혀 영향을 미치지 않게 된다.

또한, 잠열식 열전소자 냉각장치는 상기 콘테이너부(10) 내부에 채워진 상변화물질을 냉각하는 경우에, 차량에서 일반적인 에어컨 작동시 토출되는 차가운 바람을 이용할 수 있게 되므로, 추가적인 에너지 투입이 필요 없게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주 내에서 변경할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 측면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 외부를 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 내부를 나타내는 사시도이다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 콘테이너부의 알루미늄 플레이트 유닛을 나타내는 사시도이다.

도 5b는 도 5a의 알루미늄 플레이트 유닛을 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 사시도이다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다.

도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다.

도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 측면도이다.

도 8b는 도 8a의 'A' 부분을 확대한 단면도이다.

도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 단면도이다.

도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열식 열전소자 냉각장치의 배치를 나타내는 단면도이다.

< 도면 부호에 대한 간단한 설명 >

10 : 콘테이너부 20 : 부피팽창 흡수부

30 : 열전소자 40 : 핀

21 : 립 구조체 50 : 알루미늄 플레이트 유닛

310 : 증발기 320 : 벤트 토출구

Claims (7)

1. 공기와의 열전달을 위한 핀(40);

   내부에 상변화물질을 포함하는 콘테이너부(10); 및

   상기 핀(40)과 콘테이너부(10) 사이에 위치하여 열전달을 일으키는 열전소자(30)를 포함하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 콘테이너부(10)는 외부에 상기 열전소자가 효율적인 열전달을 할 수 있도록 하는 안착면(15); 및

   내부에 상기 상변화물질이 상변화할 때에 균일할 수 있도록 하는 립 구조체(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 콘테이너부(10)는 상기 상변화물질의 부피팽창을 고려한 부피팽창 흡수부(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 콘테이너부(10)는 상변화시의 열전달이 유리하도록 복수개의 알루미늄 플레이트 유닛(50)들이 적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 잠열식 열전소자 냉각장치(100)가 HVAC내에 설치되며, 장착위치는 증발기 후단에서 부터 벤트 토출구 사이의 공기가 지나는 유로상에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 콘테이너부(10)는 증발기와 일체로 구성되어 직접적인 접촉 및 전도와 대류에 의한 열전달로 상변화물질이 응고되는 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 상변화물질은 증발기 후단의 토출 공기온도로 고상으로 응고될 수 있는 대략 2~8℃ 범위의 응고점을 갖는 것을 특징으로 하는 잠열식 열전소자 냉각장치.

Images