KR102023220B1 - 온디맨드 음료수 쿨러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상변화 물질이 들어있는 음열에너지 저장기를 이용한 온디맨드 음료수 쿨러에 관한 것으로, 이 쿨러는 ⒜ 냉각요소를 갖는 열펌프; ⒝ (ⅰ) 열전달 물질로 이루어진 열에너지 분산기, 및 (ⅱ) 상기 열전달 물질과 열접촉하고 상변화 온도가 0℃ 보다 높은 일정량의 상변화 물질을 포함하며, 냉각요소에 열결합되는 음열에너지 저장기; 및 ⒞ 입구부터 출구까지의 유동로의 적어도 일부분을 따라 음료수를 운반하는 순환로를 형성하면서, 상기 음열에너지 저장기에 열결합하는 도관;을 포함하고, 냉각요소와 상변화 물질 사이의 절대 열저항이 냉각요소와 도관내의 물 사이의 절대 열저항보다 낮도록 상기 음열에너지 저장기와 도관이 배치되어, 열펌프가 도관내의 음료수보다 더 빨리 상변화 물질을 냉각하도록 한다.

Description

온디맨드 음료수 쿨러{ON-DEMAND BEVERAGE COOLER}
본 발명은 냉각된 음료수의 디스펜서에 관한 것으로, 구체적으로는 상변화 물질(PCM; phase-change material)이 들어있는 음열에너지 저장기를 이용한 온디맨드 음료수 쿨러에 관한 것이다.
Cassels의 미국특허 5918468과 Harrison의 미국특허출원 2002/0162339 모두 상변화 물질(PCM)을 이용한 음료수 쿨러를 소개하고 있다. 그러나, 이들 장치에서는 열펌프가 도관에 1차적으로 열결합되고, 도관에 액체가 흐르며, 상변화 물질은 좀더 균일한 냉각효과를 위한 열관성을 제공하는 기능을 할 뿐이다. 천이온도가 0℃보다 높지 않은 PCM을 사용하면, 유동상태가 아닐 때의 열펌프의 기능에 의해 도관내의 모든 수계 음료수가 급속히 얼어버릴 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 음료수 쿨러에 관한 것이다.
본 발명의 음료수 쿨러는, ⒜ 냉각요소를 갖는 열펌프; ⒝ (ⅰ) 열전달 물질로 이루어진 열에너지 분산기, 및 (ⅱ) 열전달 물질과 열접촉하고 상변화 온도가 0℃ 보다 높은 일정량의 상변화 물질을 포함하며, 냉각요소에 열결합되는 음열에너지 저장기; 및 ⒞ 입구부터 출구까지의 유동로의 적어도 일부분을 따라 음료수를 운반하는 순환로를 형성하면서, 음열에너지 저장기에 열결합하는 도관;을 포함하고, 냉각요소와 상변화 물질 사이의 절대 열저항이 냉각요소와 도관내의 물 사이의 절대 열저항보다 낮도록 음열에너지 저장기와 도관이 배치되어, 열펌프가 도관내의 음료수보다 더 빨리 상변화 물질을 냉각하도록 한다.
열펌프는 적어도 하나의 TEC(thermoelectric cooler)를 포함하고, 냉각요소는 TEC의 냉각판일 수 있다.
또, 열펌프가 증기압축 냉장 시스템을 포함할 수 있다.
또, 도관의 입구에서 출구까지의 길이 대부분이 음열에너지 저장기 안에 잠기도록 할 수 있다.
또, 도관의 순환로가 열에너지 분산기내의 구멍들을 관통하는 다수의 평행한 도관구간들을 포함하도록 할 수도 있다.
또, 도관이 내경을 갖고, 순환로의 길이가 도관 내경보다 100배 이상 크도록 하는 것이 좋다.
또, 열에너지 분산기가 두께 1mm 이하의 다수의 열전달 휜이나 오픈셀 발포금속을 포함할 수도 있다.
또, 열에너지 분산기가 두께 1mm 이하의 다수의 열전달 휜을 포함하고, 휜의 간격은 5mm 이하이며, 이 간격이 상변화 물질로 채워지도록 한다.
또, 도관의 순환로가 열전달 휜의 구멍들을 관통하는 다수의 평행한 도관구간들을 포함하도록 할 수도 있다.
또, 도관의 입구부터 출구까지의 길이의 대부분이 열전달 블록 안에 배치되고, 이 열전달 블록은 음열에너지 저장기에 열결합되도록 할 수 있다.
또, 본 발명의 쿨러가 워터필터를 더 포함하고, 이 워터필터의 적어도 일부분이 공동 안에 끼워지며, 이 공동은 음열에너지 저장기로 둘러싸이고, 도관이 워터필터에 연결되어 음료수가 도관의 입구부터 출구까지의 유동로의 일부분으로서의 필터를 통과하도록 할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 열펌프가 유동이 없는 상태에서 동작하여 음열에너지 저장기를 냉각한 다음, 음료수를 도관을 통과하도록 하여 저장기로의 열전달에 의해 냉각하여 음료수를 필요한대로 냉각하는 방법도 제공한다. 이상 설명한 음료수 쿨러의 모든 작동 방법은 전술한 방법과 같이 이루어질 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 음료수 쿨러의 사시도;
도 2는 도 1의 쿨러의 부분절개 사시도;
도 3은 도 1의 쿨러에서 외부 커버와 음열에너지 저장기 케이싱을 제거한 상태의 사시도;
도 4는 도 3과 비슷하되 히트싱크가 제거된 상태의 사시도;
도 5는 도 4와 비슷하되 단열층이 제거된 상태의 사시도;
도 6은 도 1의 VI선 단면도;
도 7은 도 1의 쿨러가 회전한 상태의 사시도;
도 8은 도 7의 구조에서 외부커버와 음열에너지 저장기의 케이싱이 제거된 상태의 사시도;
도 9는 도 8의 구조에서 열에너지 분산기가 제거된 상태의 사시도;
도 10은 도 9의 구조에서 음료수 전달 도관이 제거된 상태의 사시도;
도 11은 도 10의 구조에서 단열구조가 제거된 상태의 사시도;
도 12는 본 발명의 다른 예에 따라 구성된 음료수 쿨러의 개략도;
도 13은 본 발명의 또다른 예에 따라, 워터필터를 갖춘 음료수 쿨러의 사시도;
도 14는 도 13의 쿨러의 워터필터를 보여주는 부분절개 사시도;
도 15는 도 13의 구조에서 커버를 제거하고 워터필터를 보여주는 부분절개 사시도.
도 1~11은 본 발명의 첫번째 실시예를, 도 12는 두번째 실시예를, 그리고 도 13~15는 세번째 실시예를 보여주지만, 이런 실시예들은 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 설명의 편의상 첫번째 실시예를 자세히 설명하겠고, 나머지 실시예들에 대해서는 차이점만 설명한다.
도 1~11의 음료수 쿨러(10)의 열펌프(12)는 음열에너지 저장기(14)에 열접촉된 냉각요소를 갖는다. 음열에너지 저장기(14)의 음열에너지 분산기(16)는 열전도재로 형성되고, 상변화 온도가 0℃보다 높은 일정량의 상변화 물질(18)과 열접촉한다. 도관(20)의 입구(22)부터 출구(24)까지 도관을 타고 음료수가 흐른다. 이 도관(20)은 음열에너지 저장기(14)에 열접촉된 순환로를 형성한다.
열펌프(12)가 도관(20)내의 음료수보다 상변화 물질(18)을 더 냉각할 수 있도록 음열에너지 저장기(14)와 도관(20)이 배치되는 것이 본 발명의 주요 특징이다. 즉, 열펌프(12)가 상변화 물질(18)로부터 열에너지를 흡수하여 유동상태가 없을 때에도 상변화 물질의 온도가 적어도 도관(20) 내 음료수 온도만큼 낮아지도록 음열에너지 분산기(16)가 구성된다. 이때문에, 도관(20)내 음료수가 얼어버릴 위험 없이 음료수를 분배하는 동안 음열에너지 저장기가 충분히 충전될 수 있다.
냉각요소(18)와 상변화 물질(18) 사이의 열접촉이 냉각요소와 도관(20)내 음료수 사이의 열접촉보다 더 효율적이려면, 냉각요소와 상변화 물질 사이의 절대 열저항이 냉각요소와 도관내 음료수 사이의 절대 열저항보다 낮도록 음열에너지 저장기(14)를 구성하는 것이 바람직하다. 이런 조건을 만족하는 구조에 대해서는 후술한다.
본 발명은 음료수 쿨러를 소형화할 수 있음을 전술한바 있다. 구체적으로, 비활동 기간중에 "음열에너지"를 축적하여 상당량의 음료수를 도관(20)을 통과시키면서 필요한대로 냉각할 수 있으면서도, 미리 냉각된 대량의 음료수를 저장할 필요가 없음은 물론, 음료수 자체가 얼어서 생기는 복잡한 문제도 피할 수 있다. 본 발명의 이런 저런 장점들은 첨부 도면들을 참조한 설명에서 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 정의한다. "음료수"란 냉각해야 할 모든 액체로서, 물, 주스, 우유, 커피, 와인 등의 모든 드링크류를 포함하고, 물을 자연적으로나 인공적으로 함유하는 모든 액체를 의미한다. 본 발명의 쿨러는 워터쿨러로서, 온수/냉수 또는 냉수 디스펜서의 일부분이거나, 냉수를 다른 성분과 섞어 최종 음료수를 준비하는 자동 음료분배 시스템의 구성요소일 수 있다.
"도관"은 음료수가 흐르는 모든 폐쇄된 구조로서, 본 발명에서는 보통 금속관을 의미하지만, 어떤 재료의 블록에 구멍들을 뚫은 것일 수도 있다.
"열전달"나 다른 비슷한 용어는 효과적인 열의 도체인 재료와 물체를 의미하는 것으로, 여기서는 주로 "금속성 재료"인 금속과 금속합금을 의미하지만, 이에 한정되는 것도 아니다. 본 발명에서 바람직한 재료는 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸이지만 이에 한정되는 것도 아니다.
"절대 열저항"이란 어떤 물체에 필요한 온도차와 같이 특정 물체에 대해 정의되는 것으로, ℃/Watt와 같이 단위시간당 이 물체에 흐르는 단위 열에너지를 의미한다. 따라서, 열펌프의 냉각요소와 상변화 물질 사이의 절대 열저항은 냉각요소와 도관내 음료수 사이의 절대 열저항보다 낮다는 성질을 이용해 상변화 물질에 주로 작용하는 냉각효과에 우선권을 두어, 도관내 음료수를 얼리지 않고 열저장기를 상변화 온도 미만으로 완전 "충전"하는 것을 촉진한다.
"음열에너지"란 주변 조건이나 음료수의 유입 온도에 비해 열에너지가 부족하여, 인접 물질로부터 열에너지를 흡수하는 능력을 의미한다. 이런 용어에 의하면, 음열에너지 저장기(14)는 기본적으로 음료수를 냉각하는데 사용되는 "냉기"를 저장하는 저장기 역할을 한다. 이 저장기는 상변화 물질이 (열에너지 분산기(16)와 완전히 열접촉하지 않는 PCM의 모든 사장용적을 제외한) 고체상태로 완전히 변화되었을 때 완전히 "충전된" 것으로 간주된다.
음료수 쿨러(10)에 열전 쿨러(TEC; thermoelectric cooler)로서 열펌프(12)를 갖춘 장점에 대해 살펴보겠는데, TEC의 냉각판이 냉각요소이다. TEC는 도 2, 4, 6, 10, 11에서 볼 수 있다. TEC를 사용하면 구성이 컴팩트해지고 유지관리비가 저렴해진다. 본 발명의 저장기 방식에서는 저전력 TEC를 사용해 저장기(14)를 서서히 충전할 수 있으면서도 물은 필요한만큼 빠르게 냉각할 수 있다.
한편, 열펌프를 증기압축 냉장시스템으로 구현할 수도 있다. 이 경우, 냉각요소(증발기)는 도관(20)과 비슷하게 저장기(14)를 관통하는 배관 구조를 취하는 것이 좋다.
열에너지 분산기(16)는 두께 1mm 이하의 열전달 휜(fin) 5mm 정도의 간격으로 여러개 배열된 방식을 채택한다. 설명의 편의상 도 2와 9에는 이런 휜이 생략되었지만, 도 3~5에서는 볼 수 있다. 구체적으로, 휜의 두께는 0.1~0.3 mm이고, 휜의 간격은 3mm 이하이다. 이와 비슷한 구조는 공랭식 열교환기 분야에 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 본 발명에 의하면 이런 구조가 상변화 물질 안에 잠겨서 휜 사이의 간격이 상변화 물질로 채워진다. 그 결과, 휜과 PCM 사이의 열접촉 표면적이 대단히 커져, 열펌프의 냉각요소와 PCM 사이에 고효율 열결합(낮은 절대 열저항)이 이루어진다. TEC(12)의 표면에 대한 열결합은 열전달판(26)을 통해 이루어진다.
가스켓(30)으로 열전달판(26)에 대해 밀봉되는 하우징(28)에 의해 PCM은 휜 안과 둘레에 머무른다. 외부 단열커버(32)가 하우징(28)을 둘러싼다. 이런 휜들은 하우징(28) 내부 공간에 충분히 퍼져있는 것이 바람직하지만, 내부공간 주변에는 PCM이 비효율적으로 열결합되는 "죽은 공간"이 어쩔 수 없이 어느정도 존재한다. 이런 죽은 공간은 본 발명의 열역학적 성능의 설명상 무시해도 된다.
적당한 천이온도를 갖는 다양한 상변화 물질들을 시중에서 구할 수 있다. 본 발명을 구현하기에 적당한 천이온도는 0℃ 이상이고 음료수의 원하는 분배온도보다 낮은데, 보통 5~12 ℃ 정도이지만, 2~8 ℃가 바람직하다. PCM으로는 용융점이 5~6 ℃ 정도이고 독일 Rubitherm-Technologies GmbH에서 RUBITHERM®RT5HC란 모델명으로 판매하는 것이 적당하다.
저장기의 상태(충전도)는 PCM과 열접촉하는 온도센서로 관찰한다. 특히, 열펌프의 작동에 의해 PCM을 냉각하는 정상 열속(thermal flux) 패턴에 맞게 "최종 응고"되는 것으로 결정될 장소에 하나 이상의 온도센서를 배치하여, 저장기의 만충전 상태를 표시하도록 하는 것이 좋다. 더 바람직한 것은, 저장기 내부나 부근의 여러 장소에 배치된 여러개의 센서들을 이용해 광범위한 작동상태에서의 저장기의 상태에 관한 더 정확한 데이터를 제공하는 것이다.
도관(20)은 열전달 휜들에 있는 구멍을 관통하면서 이들 휜에 열결합하는 것이 좋다. 도관이 외경보다 약간 작은 크기의 구멍을 휜에 뚫고 이들 구멍에 도관을 압입하면 가장 효과적인 열결합이 이루어진다. 이를 위해, 도관 순환로가 열전달 휜들의 구멍들을 관통하는 다수의 평행한 도관구간들을 갖는 것이 바람직하다. 이런 도관구간들은 정확한 연결부들에 의해 서로 연결되어 기다란 유동로를 형성한다.
휜과 도관(20) 사이의 열결합은 휜과 PCM 사이의 접촉면이 큰데 비해 휜들의 구멍 가장자리를 따라 이루어지는 것이 보통이므로, 전술한 바와 같은 열저항차를 이룰 수 있다. 경우에 따라서는, 열펌프(12)에 직접 결합하지 않고 별도의 휜 세트를 PCM에 대한 도관(20)의 열결합용으로 제공할 수도 있다.
1.5ℓ/m 이상(바람직하게는 1.8ℓ/m 이상의) 연속 유동조건하에 충분한 열교환을 이루려면, 비교적 소구경의 도관으로 긴 유동로를 구현하는 것이 좋다. 따라서, 도관(20)의 내경은 12mm 이하가 좋지만, 5~8 mm 정도가 더 좋다. 유동로 길이는 3m 이상이 좋지만, 5~8 m가 더 좋다. 유동로 길이 대 내경의 비는 100 이상이 좋다. 도관에 음료수가 머무는 충분한 시간을 확보하고 음료수와 도관 사이의 열전달을 위한 비교적 큰 표면적을 제공하는 외에, 이런 변수들은 도관에 난류 특성을 더 잘 일으키고, 이때문에 음료수와 도관벽 사이의 열전달이 더 강화된다.
지금까지 열전달 휜을 예로들어 설명했지만, 일정량의 오픈셀 발포금속을 이용해 열에너지 분산기(16)를 구현할 수도 있다. 셀 벽두께와 셀크기를 적절히 선택한 열전달 발포금속은 이상 설명한 휜의 구조와 아주 비슷한 열분산 성질을 갖는다.
도 3, 4, 10, 11에서는 음료수 쿨러(10)의 나머지 특성을 볼 수 있는데, TEC(12)나 다른 열펌프의 고온측은 히트싱크(34)에 열결합하고, 히트싱크는 송풍기(36)에서 생긴 공기류에 의해 공랭된다. 열펌프의 고온측과 저온측은 단열체(38)로 분리된다. 외부 커버(40는 히트싱크(34)를 보호하면서, 송풍기(36)에서 생긴 공기가 흐르는 환기통로를 형성한다.
전술한 바와 같이, 음료수 쿨러(10)는 온수와 냉수는 물론 다른 따뜻하거나 찬 음료수를 제공하는 대형 시스템의 일부분인 것이 보통이다. 지금까지 설명한 구조적 요소들 외에도, 쿨러는 다양한 제어요소들을 포함하는데, 예를 들면 전자작동 유동제어 밸브, 열펌프의 동작을 조절하는 스위치, 음열에너지 저장기의 PCM이 응고된 때를 결정하는 온도센서나 서모스탯, 자동 시스템의 다른 모듈로부터의 자동입력이나 사용자 입력장치, 및 입력값들과 각종 센서에 반응해 밸브와 열펌프를 작동시키는 전자 컨트롤러 등이 있다. 이런 제어요소들은 복합 음료수 디스펜싱 시스템의 다른 모듈과 공유될 수도 있다.
음료수의 분배온도를 조절해야할 경우에는, 필요한 분배온도 범위의 하한값의 천이온도를 갖는 PCM과 작업한 다음 냉각된 음료수와 냉각되지 않은(비냉각) 음료수를 적당량 혼합하여 원하는 최종 온도를 얻도록 한다. 이때 냉각된 음료수와 비냉각 음료수를 동시에나 순차적으로 컵에서 혼합할 수 있다. 한편, 디스펜싱하기 직전에 필요한 비율로 음료수들을 혼합하는 전용 냉각기를 사용할 수도 있다.
도 12의 실시예에서는 도관(20)이 반드시 음열에너지 저장기(14) 안에 잠길 필요가 없다. 도시된 음료수 쿨러(100)에서는 입구(22)부터 출구(24)까지의 도관(20)의 길이 대부분이 음열에너지 저장기(14)에 열결합된 열전달 블록(102) 안에 위치한다. 이런 구성에서도 열펌프(12)와 저장기(14) 사이의 절대 열저항이 열펌프(12)와 도관(20) 사이보다 낮은 전술한 조건을 만족할 수 있는데, 이는 도관(20)에서 열펌프(2)로의 열전달이 저장기(14)를 통해 일어나기 때문이다. 기타 다른 관점에서 이 음료수 쿨러(100)는 전술한 음료수 쿨러(10)의 구조 및 기능과 비슷하다.
도 13~15에 도시된 본 발명의 또다른 음료수 쿨러(200)는 구조와 기능이 음료수 쿨러(100)와 비슷하고, 동일한 요소에는 같은 번호로 표시한다.
이 음료수 쿨러(200)는 음열에너지 저장기(14) 안에 형성된 공동(204)에 일부 끼워지는 워터필터(202)를 더 포함한다. 저장기(14) 내부에 워터필터의 일부분이 있기 때문에, 저장기는 필터 내부의 물을 냉각하거나 냉각된 온도를 유지하는데 도움을 주어, 필요에 따라 냉수를 전달하는 성능을 효과적으로 높일 수 있다.
구조적으로 공동(204)을 저장기(14)가 둘러싸는데, 보통은 공동(204)을 270°이상 둘러싼다. 특히 바람직한 것은, 공동(204)이 저장기(14)로 완전히 둘러싸이고, 워터필터(202) 전체를 다 끼우기에 충분한 깊이를 갖는 것이다.
도관(20)을 워터필터(202)에 연결해, 입구(22)부터 출구(24)까지의 유동로의 일부로서의 필터를 음료수(이 경우, 물)가 통과하도록 한다. 도시된 실시예에서는 워터필터(202)가 출구(24)에 직접 이어진 유동로의 열적 부분을 제공한다. 이런 구성은 많은 장점을 갖는데, 예컨대 필터를 교체할 때 버리는 물의 양을 최소화할 수 있다.
이 음료수 쿨러(200)의 다른 구조와 기능은 전술한 음료수 쿨러(10)와 비슷하다고 보면 된다.

Claims (11)

  1. ⒜ 냉각요소를 갖는 열펌프;
    ⒝ (ⅰ) 열전달 물질로 이루어진 열에너지 분산기, 및
    (ⅱ) 상기 열전달 물질과 열접촉하고 상변화 온도가 0℃ 보다 높은 일정량의 상변화 물질을 포함하며, 상기 냉각요소에 열결합되는 음열에너지 저장기; 및
    ⒞ 입구부터 출구까지의 유동로의 적어도 일부분을 따라 음료수를 운반하는 순환로를 형성하면서, 상기 음열에너지 저장기에 열결합하는 도관;을 포함하고,
    상기 냉각요소와 상변화 물질 사이의 절대 열저항이 냉각요소와 도관내의 물 사이의 절대 열저항보다 낮도록 상기 음열에너지 저장기와 도관이 배치되어, 상기 열펌프가 도관내의 음료수보다 더 빨리 상변화 물질을 냉각하며;
    상기 열에너지 분산기가 두께 1mm 이하의 다수의 열전달 휜과 오픈셀 발포금속으로 이루어진 군에서 선택된 구조를 포함하고, 상기 구조의 열전달면들 사이의 간격이 5mm 이하이며, 이 간격이 상변화 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열펌프가 적어도 하나의 TEC(thermoelectric cooler)를 포함하고, 상기 냉각요소가 TEC의 냉각판인 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열펌프가 증기압축 냉장 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도관의 입구에서 출구까지의 길이 일부분이 음열에너지 저장기 안에 잠기는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  5. 제4항에 있어서, 상기 도관의 순환로가 열에너지 분산기내의 구멍들을 관통하는 다수의 평행한 도관구간들을 포함하는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 평행한 도관구간들이 아치형 연결부들에 의해 상기 열에너지 분산기의 외부에 연결되어 상기 순환로를 형성하는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도관이 내경을 갖고, 상기 순환로의 길이가 도관 내경보다 100배 이상 큰 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  8. 제1항에 있어서, 상기 도관의 입구부터 출구까지의 길이의 일부분이 열전달 블록 안에 배치되고, 이 열전달 블록은 음열에너지 저장기에 열결합되는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
  9. 제1항에 있어서, 워터필터를 더 포함하고, 이 워터필터의 적어도 일부분이 공동 안에 끼워지며, 상기 공동은 음열에너지 저장기로 둘러싸이고, 상기 도관이 워터필터에 연결되어 음료수가 도관의 입구부터 출구까지의 유동로의 일부분으로서의 필터를 통과하는 것을 특징으로 하는 음료수 쿨러.
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