KR20140083335A - 열전소자가 구비된 열교환기 - Google Patents

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오만주
김재웅
박재우
김재훈
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현대자동차주식회사
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Abstract

내부에 순환공간이 형성되며 일단부 상측과 타단부 하측에 출입구가 형성된 발열팩; 내부에 순환공간이 형성되며 일단부 하측과 타단부 상측에 출입구가 형성되고, 상기 발열팩과 포개어진 흡열팩; 및 상기 발열팩과 흡열팩의 사이에 개재되며 발열면이 발열팩에 접촉되고 흡열면이 흡열팩에 접촉된 열전소자;를 포함하는 열전소자가 구비된 열교환기가 소개된다.

Description

열전소자가 구비된 열교환기 {HEAT EXCHANGER WITH THERMOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 의해 열교환을 할 수 있는 열전소자가 구비된 열교환기에 관한 것이다.
전기자동차 및 하이브리드 자동차의 냉방시스템은 냉매를 순환시켜 냉기를 발생시키는 냉매 사이클을 이용한다. 따라서 전동 콤프레셔, 콘덴서, 에바포레이터, 냉매 라인 등의 많은 부품 및 공간이 필요하며, 중량/원가가 과다 발생한다.
난방장치는 차량의 특성상 냉각수가 없거나 온도가 낮아 난방을 위해서는 전기를 이용한 PTC 히터가 필요한 문제가 있다. 따라서, 프레온 가스 규제 대상인 냉매를 사용하지 않으며, 중량이 가볍고, 부품이 단순한 냉/난방을 동시에 구현할 수 있는 시스템 개발이 필요한 상황이다.
이에 대한 대안으로써, 펠티어소자에 의한 냉/난방을 동시에 발생하고, 히트펌프의 특성을 이용하여 냉각수를 가열 혹은 냉각시켜 실내 열교환 코어에 이송하며, 실내를 냉/난방 시키기 위한 펠티어소자를 이용한 냉각수 상호 열교환기 시스템이 필요하였다.
종래의 KR10-2012-0026835 A "열교환기"는 "본 발명은, 납작한 튜브형상으로, 내부에 제1유체를 수용하는 제1수용공간이 형성되어 있으며, 열교환기의 상하방향에 대하여 서로 이격되게 배열된 복수 개의 쉘튜브들, 쉘튜브들의 길이방향의 양측부에서 쉘튜브들의 양단부가 연통되게 결합하는 제1헤더부 및 제2헤더부를 포함하고, 외부로부터 제1유체를 공급받기 위한 유입구와, 제1유체를 유출하기 위한 유출구가 형성되어 있는 헤더 및 상면 및 하면이 쉘튜브들의 하면 및 상면과 접촉되게 쉘튜브들 사이사이에 위치하고, 내부에 제2유체를 수용하는 제2수용공간이 형성되며, 제2유체가 유입되는 유입부와 유입부로부터 유입된 제2유체가 유출되는 유출부가 형성된 복수 개의 플레이트튜브들을 포함하는 열교환기를 제공한다. 따라서, 전체적으로 컴팩트하여 차지하는 공간이 적기 때문에 공간활용도를 높일 수 있으며, 동일한 모양의 쉘튜브와 플레이트튜브들을 서로 적층시키는 구조로서 작은 크기로도 우수한 열전달효과를 얻을 수 있으며, 적층개수를 선택적으로 달리 할 수 있기 때문에 설계에 따라 용이하게 변경할 수 있다"를 제시한다.
그러나 이러한 구조는 열전소자를 이용한 것이 아닌 점에서 열전소자의 적용시 구성의 변경이 필요한 상황이었다. 즉, 열전소자를 배치할 경우 효과적으로 사이즈를 컴팩트하게 하면서 열전달이 잘 일어날 수 있도록 해야 하고, 열전소자의 효율을 증대시킬 수 있도록 반대열을 빨리 버리거나 채워야 하는 특성이 잘 반영되지 못한 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0026835 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 적층식 열교환기로서 열전소자를 매입할 경우 최소의 사이즈로 열전소자의 효율을 최대한 끌어내 수 있는 열전소자가 구비된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전소자가 구비된 열교환기는, 내부에 순환공간이 형성되며 일단부 상측과 타단부 하측에 출입구가 형성된 발열팩; 내부에 순환공간이 형성되며 일단부 하측과 타단부 상측에 출입구가 형성되고, 상기 발열팩과 포개어진 흡열팩; 및 상기 발열팩과 흡열팩의 사이에 개재되며 발열면이 발열팩에 접촉되고 흡열면이 흡열팩에 접촉된 열전소자;를 포함한다.
상기 발열팩과 흡열팩은 판상의 상면과 하면이 상호 테두리가 접해지며 결합되어 형성될 수 있다.
상기 발열팩과 흡열팩은 포개어진 상태에서 일단부와 타단부의 출입구가 상호 겹쳐지지 않도록 형성될 수 있다.
상기 발열팩과 흡열팩은 서로 번갈아가며 교대로 다수개 포개어지고, 각각의 팩 사이마다 열전소자가 개재될 수 있다.
상기 다수의 발열팩은 흡열팩과 포개어진 상태에서, 발열팩의 일단부 출입구끼리 연결되고 타단부 출입구끼리 연결될 수 있다.
상기 발열팩의 출입구에는 돌출관이 전후로 형성되고, 발열팩의 일단부 출입구의 돌출관끼리 연결되고 타단부 출입구의 돌출관끼리 연결될 수 있다.
상기 마주보는 돌출관끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자가 발열팩 및 흡열팩의 사이에 밀착될 수 있다.
상기 다수의 흡열팩은 발열팩과 포개어진 상태에서, 흡열팩의 일단부 출입구끼리 연결되고 타단부 출입구끼리 연결될 수 있다.
상기 흡열팩의 출입구에는 돌출관이 전후로 형성되고, 흡열팩의 일단부 출입구의 돌출관끼리 연결되고 타단부 출입구의 돌출관끼리 연결될 수 있다.
상기 마주보는 돌출관끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자가 발열팩 및 흡열팩의 사이에 밀착될 수 있다.
상기 발열팩 또는 흡열팩의 내부 순환공간에는 일단부에서 타단부로 연장된 열전도핀이 내장될 수 있다.
상기 열전도핀은 발열팩 또는 흡열팩의 내측면에 양 단부가 밀착될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 열전소자가 구비된 열교환기에 따르면, 적층식 열교환기로서 열전소자를 매입할 경우 최소의 사이즈로 열전소자의 효율을 최대한 끌어내 수 있다.
또한, 출입구가 복수로 형성되어 목표로 하는 측의 가열/냉각뿐만 아니라 그 열전소자 반대측에도 냉각/가열을 수행함에 따라 차량의 폐열/방열을 이용하는 등의 방식으로 열전소자의 최대효율을 끌어낼 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자가 구비된 열교환기의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 열전소자가 구비된 열교환기의 분해 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 열전소자가 구비된 열교환기의 A-A선을 따라 절개한 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열전소자가 구비된 열교환기에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자가 구비된 열교환기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 열전소자가 구비된 열교환기의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 열전소자가 구비된 열교환기의 A-A선을 따라 절개한 단면도이다.
본 발명의 열전소자가 구비된 열교환기는, 내부에 순환공간(140)이 형성되며 일단부 상측과 타단부 하측에 출입구(120,140)가 형성된 발열팩(100); 내부에 순환공간(240)이 형성되며 일단부 하측과 타단부 상측에 출입구(220,240)가 형성되고, 상기 발열팩(100)과 포개어진 흡열팩(200); 및 상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)의 사이에 개재되며 발열면(520)이 발열팩(100)에 접촉되고 흡열면(540)이 흡열팩(200)에 접촉된 열전소자(500);를 포함한다.
먼저, 상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 판상의 상면(110,210)과 하면(130,230)이 상호 테두리가 접해지며 결합되어 형성된다. 즉, 판상의 상면과 하면이 결합되어 각각의 발열팩과 흡열팩을 이루고 그 상면과 하면은 일정거리 떨어짐으로써 내부에 순환공간을 형성하는 것이다.
또한, 발열팩(100)은 일단부 상측과 타단부 하측에 출입구(120,140)가 형성되고 그 출입구는 내부의 순환공간(140)과 연통되어 일측으로 유체가 유입되고 순환공간을 지나며 열교환 후 타측의 출입구로 토출되는 것이다.
흡열팩(200) 역시 마찬가지로 일단부 하측과 타단부 상측에 출입구(220,240)가 형성된다.
특히, 발열팩(100)과 흡열팩(200)의 출입구는 상호 동일한 지점에서 서로 겹쳐지지 않도록 형성되는데, 발열팩(100)의 일단부에는 그 상측에 출입구(120)가 형성되고 흡열팩(200)의 경우는 그 일단부의 하측에 출입구(220)가 형성되어 서로 겹쳐지지 않는 것이다. 이로써 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 유입되는 유체가 구분되고 토출되는 유체도 구분되어 각각 발열과 흡열의 독립적인 기능을 수행할 수 있는 것이다.
한편, 상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 포개어진 상태에서 일단부와 타단부의 출입구(120,220/140,240)가 상호 겹쳐지지 않도록 형성되고, 상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 서로 번갈아가며 교대로 다수개 포개어지고, 각각의 팩 사이마다 열전소자(500)가 개재되도록 한다.
열전소자(500)는 기본적으로 발열면(520)과 흡열면(540)을 가지고 있으며, 이는 펠티어소자가 그 대표적인 예가 될 수 있다. 펠티어소자는 전류의 인가시 히트펌프의 역할을 수행하는 것으로서, 흡열면(540)에서 열을 흡수하여 발열면(520)으로 배출하는 것이다.
따라서, 열전소자(500)의 흡열면(540)은 흡열팩(200)과 밀착되고 발열면(520)은 발열팩(100)과 밀착되도록 함이 바람직하다.
한편, 상기 다수의 발열팩(100)은 흡열팩(200)과 포개어진 상태에서, 발열팩(100)의 일단부 출입구(120)끼리 연결되고 타단부 출입구(140)끼리 연결되도록 한다. 그리고 이를 위해, 상기 발열팩(100)의 출입구(120,140)에는 돌출관(122,142)이 전후로 형성되고, 발열팩(100)의 일단부 출입구(120)의 돌출관(122)끼리 연결되고 타단부 출입구(140)의 돌출관(142)끼리 연결되도록 하는 것이다.
따라서, 흡열팩(200)을 사이에 두고 연속적으로 배치된 발열팩(100)들은 그 일단부의 출입구(120)끼리 연통되어 유체를 통일되게 공급받거나 토출하며, 타단부의 출입구(140) 역시 마찬가지인 것이다.
한편, 상기 마주보는 돌출관(122,142)끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자(500)의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자(500)가 발열팩(100) 및 흡열팩(200)의 사이에 밀착되도록 할 수 있다.
한편, 상기 다수의 흡열팩(200)은 발열팩(100)과 포개어진 상태에서, 흡열팩(200)의 일단부 출입구(220)끼리 연결되고 타단부 출입구(240)끼리 연결되고, 상기 흡열팩(200)의 출입구(220,240)에는 돌출관(222,242)이 전후로 형성되고, 흡열팩(200)의 일단부 출입구(220)의 돌출관(222)끼리 연결되고 타단부 출입구(240)의 돌출관(242)끼리 연결하도록 한다.
따라서, 흡열팩(200)도 마찬가지로 발열팩(100)과 같이 그 일단부의 출입구(220)끼리 연통되어 유체를 통일되게 공급받거나 토출하며, 타단부의 출입구(240) 역시 마찬가지인 것이다.
또한, 상기 마주보는 돌출관(222,242)끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자(500)의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자(500)가 발열팩(100) 및 흡열팩(200)의 사이에 밀착되도록 한다.
그리고, 상기 발열팩(100) 또는 흡열팩(200)의 내부 순환공간(140,240)에는 일단부에서 타단부로 연장된 열전도핀(300)이 내장되며, 상기 열전도핀(300)은 발열팩(100) 또는 흡열팩(200)의 내측면에 양 단부가 밀착되도록 한다.
이와 같은 구성을 통하여, 발열팩(100)의 일단부 출입구(120)를 통해 유체가 공통되게 각각의 발열팩(100)으로 유입되고 발열팩(100)의 경우에는 열전소자(500)의 발열면(520)과 면적촉을 이루기 때문에 발열팩(100)의 상면과 하면 및 그에 접촉된 내부의 열전도핀(300)에 의해 유체가 가열된다. 그리고 가열된 유체는 타단부의 출입구(140)를 통해 공통적으로 유출되는 것이다.
마찬가지로, 흡열팩(200)의 경우에도 일단부의 출입구(220)를 통해 유체가 공급되고 냉각된 후 타단부의 출입구(240)로 토출된다.
이를 위해, 열전소자(500)는 각각의 발열팩(100)과 흡열팩(200)의 사이마다 개재되되 그 발열면(520)과 흡열면(540)의 경우 서로 뒤바뀌며 개재되도록 해야 할 것이다.
또한, 이러한 구성을 통해 냉방이 목적일 경우 반대측인 발열면에 냉각된 유체를 접촉시킴으로써 냉방이 더욱 효과적이도록 하며, 난방이 목적일 경우 반대측인 흡열면에 가열된 유체를 접촉시킴으로써 난방의 효율을 상승시킬 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 열전소자가 구비된 열교환기에 따르면, 적층식 열교환기로서 열전소자를 매입할 경우 최소의 사이즈로 열전소자의 효율을 최대한 끌어내 수 있다.
또한, 출입구가 복수로 형성되어 목표로 하는 측의 가열/냉각뿐만 아니라 그 열전소자 반대측에도 냉각/가열을 수행함에 따라 차량의 폐열/방열을 이용하는 등의 방식으로 열전소자의 최대효율을 끌어낼 수 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 발열팩 200 : 흡열팩
300 : 열전도핀 500 : 열전소자

Claims (12)

  1. 내부에 순환공간(140)이 형성되며 일단부 상측과 타단부 하측에 출입구(120,140)가 형성된 발열팩(100);
    내부에 순환공간(240)이 형성되며 일단부 하측과 타단부 상측에 출입구(220,240)가 형성되고, 상기 발열팩(100)과 포개어진 흡열팩(200); 및
    상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)의 사이에 개재되며 발열면(520)이 발열팩(100)에 접촉되고 흡열면(540)이 흡열팩(200)에 접촉된 열전소자(500);를 포함하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 판상의 상면(110,210)과 하면(130,230)이 상호 테두리가 접해지며 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 포개어진 상태에서 일단부와 타단부의 출입구(120,220/140,240)가 상호 겹쳐지지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열팩(100)과 흡열팩(200)은 서로 번갈아가며 교대로 다수개 포개어지고, 각각의 팩 사이마다 열전소자(500)가 개재된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수의 발열팩(100)은 흡열팩(200)과 포개어진 상태에서, 발열팩(100)의 일단부 출입구(120)끼리 연결되고 타단부 출입구(140)끼리 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 발열팩(100)의 출입구(120,140)에는 돌출관(122,142)이 전후로 형성되고, 발열팩(100)의 일단부 출입구(120)의 돌출관(122)끼리 연결되고 타단부 출입구(140)의 돌출관(142)끼리 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 마주보는 돌출관(122,142)끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자(500)의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자(500)가 발열팩(100) 및 흡열팩(200)의 사이에 밀착된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수의 흡열팩(200)은 발열팩(100)과 포개어진 상태에서, 흡열팩(200)의 일단부 출입구(220)끼리 연결되고 타단부 출입구(240)끼리 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡열팩(200)의 출입구(220,240)에는 돌출관(222,242)이 전후로 형성되고, 흡열팩(200)의 일단부 출입구(220)의 돌출관(222)끼리 연결되고 타단부 출입구(240)의 돌출관(242)끼리 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 마주보는 돌출관(222,242)끼리 연결된 지점의 두께는 열전소자(500)의 두께와 동일하도록 형성됨으로써 열전소자(500)가 발열팩(100) 및 흡열팩(200)의 사이에 밀착된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열팩(100) 또는 흡열팩(200)의 내부 순환공간(140,240)에는 일단부에서 타단부로 연장된 열전도핀(300)이 내장된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 열전도핀(300)은 발열팩(100) 또는 흡열팩(200)의 내측면에 양 단부가 밀착된 것을 특징으로 하는 열전소자가 구비된 열교환기.
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