KR101842367B1 - 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자를 활용하여 소규모 공간을 대상으로 단일 장치를 통해 냉방과 난방기능을 모두 구현할 수 있도록 구성되되 열전소자에서 발생하는 열 또는 냉기를 코어 내부의 열전달매체에 빠르고 효과적으로 전달함으로 저전력으로도 구동 가능한 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치에 관한 것이다.

Description

열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치 {LOW-POWER CONSUMPTION AIR-CONDITIONING DEVICE USING A THERMOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 자세하게는 열전소자를 활용하여 소규모 공간을 대상으로 단일 장치를 통해 냉방과 난방기능을 모두 구현할 수 있도록 구성되되 열전소자에서 발생하는 열 또는 냉기를 코어 내부의 열전달매체에 빠르고 효과적으로 전달함으로 저전력으로도 구동 가능한 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치에 관한 것이다.

우리나라와 같이 계절별 온도 차이가 큰 환경에서는 기온이 낮은 시기에는 난방을, 기온이 높은 시기에는 냉방을 통해 쾌적한 실내환경의 조성과 원활한 활동이 이루어지도록 한다. 즉 겨울철에는 히터, 보일러로 대표되는 난방장치를, 여름철에는 에어컨으로 대표되는 냉방장치를 운영하게 되며, 생활 및 업무공간에 대한 원활한냉난방을 위해서는 일정 규격 이상의 장치가 필요하다.

이러한 냉방장치 및 난방장치는 개별 장치로 제작되는 것이 일반적이므로 사용하지 않을 경우에도 상시 공간을 차지할 수밖에 없으며, 최근에는 이를 하나의 장치로 합친 제품도 개발되고 있으나 높은 가격과 가격 대비 낮은 효율로 인해 사용자들로부터 관심받지 못하는 것이 현실이다.

특히 전통적인 보일러, 에어컨 방식의 냉난방은 집안 또는 사무실의 전체 공간의 온도를 컨트롤하는 방식이기 때문에 에너지 소모가 많다. 이에 최근에는 난방비를 절감하기 위한 방편으로, 보조난방기구로써 온수매트나 전기매트, 소형 히터 등의 개인 난방기구를 활용하기도 하며 가정용 난방텐트의 사용, 일인가구를 비롯하여 캠핑과 같은 레저활동의 증가와 함께 이러한 보조난방기구의 수요도 늘어나고 있다.

하지만, 이러한 보조난방기구는 대부분 전기를 사용하는 니크롬선이나 면상 발열체 등을 이용하는 경우가 대부분이므로 소비전력이 비교적 높고 상대적으로 효율도 떨어진다.

더군다나 냉방장치의 경우 압축기, 증발기 등 기본적으로 요구되는 요소의 규격을 비롯하여 소요전력 대비 효율, 소음 등의 이유로 보조난방기기와 같이 한정된 공간에서 효과적으로 온도를 낮출 수 있는 장치는 전무한 실정이다.

등록특허공보 제10-1505384호(2015.03.25.)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 열전소자를 활용하여 냉방과 난방기능을 모두 구현할 수 있도록 구성되되 열전소자에서 발생하는 열 또는 냉기를 코어 내부에 빠르고 효과적으로 전달함으로 특정 소규모 공간에 대하여 저전력으로 효율적인 냉난방이 이루어질 수 있는 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 코어와 송풍팬을 구비하는 냉난방장치에 있어서, 좌우 측에 구비되며 고분자물질로 이루어지는 열전달 유체가 수용되는 한 쌍의 수용부와, 상기 수용부 사이를 가로방향으로 연결하되 내측으로 열전달 유체가 통과하는 다수의 연결관과, 상기 연결관 사이마다 형성되는 다수의 방열판을 구비하는 열전도성 금속재질의 코어; 상기 좌우 측 수용부 외측에 각각 세로 방향으로 적어도 2개 이상 설치되며 인가되는 전원의 극성에 따라 수용부 측의 일면으로 열 또는 냉기를 발산하는 열전소자와, 상기 수용부 내측으로 형성되되 다수의 방열핀을 구비하여 열전소자의 열 또는 냉기를 상기 열전달 유체에 전달하는 열전도부를 구비하는 열전소자부; 상기 수용부 외측을 감싸는 단열체; 상기 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 전환부와, 동작신호를 입력받는 인터페이스부를 구비하며, 상기 동작신호에 따라 상기 전환부와 송풍팬 및 각 열전소자를 개별제어하는 제어부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 코어는 하측에 응축수를 수용하는 트레이와, 상기 수용부 외측을 감싸되 열전소자 타측의 열 또는 냉기의 통로를 형성하는 커버와, 상기 커버 내측의 열 또는 냉기를 배출하는 배출수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 냉방모드에는 상측의 열전소자를 냉각시키고 난방모드에서는 하측의 열전소자가 열을 발생하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전달 유체는 프로필렌글리콜을 주재료로 하는 것이 바람직하다.

본 발명을 통해 작은 방이나 텐트와 같은 소규모의 공간을 단일 장치를 통해 저전력으로 냉방과 난방을 모두 할 수 있다. 특히 다수의 열전소자를 개별적으로 제어함으로 펌프와 같이 열전달 유체에 강제 순환을 유도하지 않고도 온도차에 따른 대류를 활용하여 빠르고 효과적으로 코어를 냉각 또는 가열할 수 있으며, 이러한 부속장치가 불필요함에 따라 소형화 및 전력효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어의 외형을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어의 분해 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자적인 관계를 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명의 냉방동작시의 모습을 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명의 난방동작시의 모습을 나타낸 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치의 구성을 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어의 외형을 나타낸 사시도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어의 분해 사시도, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자적인 관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 기본적으로 코어(110)와 송풍팬(150)을 구비하게 된다.

상기 코어(110)는 기본적으로 열전도성 금속재질로 이루어지며 상기 송풍팬(150) 전면에 위치하여 열 또는 냉기를 발산함으로 실내로 열풍 또는 냉풍을 공급하는 구성으로 통상의 냉난방기에 기본적으로 구비된다.

본 발명에서 상기 코어(110)의 좌우 측에는 고분자물질로 이루어지는 열전달 유체가 일정량 수용되는 한 쌍의 수용부(111)가 구비되며, 상기 수용부(111) 사이를 가로방향으로 연결하되 내측으로 열전달 유체가 통과하는 다수의 연결관(112) 및 상기 연결관(112) 사이마다 형성되는 다수의 방열판(113)을 구비하는 통상의 코어와 유사한 구조를 갖는다.

종래에는 상기 수용부(111)의 한쪽에 물이나 냉매로 대표되는 열전달 유체의 공급 및 배출을 위한 파이프가 연결되어 온수를 공급함으로 코어에서 열을 발산하고, 저온의 냉매가스를 공급함으로 코어에서 냉기가 발산하도록 구성되는 것이 일반적이었다. 하지만, 이러한 종래의 구성은 온수 생성 및 순환을 위한 보일러나, 냉동 사이클이 적용된 압축기, 응축기, 팽창밸브 등 비교적 큰 부속장치를 구비함에 따라 전체 장치의 부피가 커질 뿐 아니라 효율도 낮은 편이었다.

본 발명에서는 작은 방이나 텐트 등과 같이 비교적 좁은 공간을 냉난방하게 됨에 따라 언급한 열전달 유체의 공급 및 배출을 위한 파이프를 비롯하여 보일러나 냉동계통 등의 부속장치 없이 코어(110)에서 열기 또는 냉기가 방출될 수 있도록 함으로 전체 장치의 부피를 현저히 줄일 수 있을 뿐 아니라 효율도 높일 수 있도록 구성된다. 물론 열전달 물질의 순환을 위해 펌프를 설치하는 것도 가능하나 별도의 부속장치 없이 상기 수용부(111) 외측에 유지 보수 목적으로 상기 열전달 유체를 보충하거나 배출할 수 있는 밸브 또는 마개만 구비할 수도 있다.

본 발명에서 상기 열전달 유체로 물을 비롯한 다양한 물질을 사용할 수 있으나, 후술되는 바와 같이 열전소자(121)의 흡열시 표면온도가 -40℃까지 떨어짐에 따라 0℃ 이하의 온도에서도 동결되지 않는 물질을 사용할 필요가 있다. 또한, 수용부(111) 내부에 충진된 열전달 유체가 비교적 장기간 동안 교체되지 않고 사용됨에 따라 물질에 따라서는 세균증식 및 변질의 가능성이 크므로 본 발명에서 바람직하게는 넓은 상변이 온도범위를 갖고 쉽게 변질되지 않으며 안정한 특성의 프로필렌글리콜을 주재료로 사용하게 된다. 이때 상기 프로필렌글리콜을 순수하게 사용하거나 필요에 따라서는 물과 일정 비율로 섞어 사용하는 것도 가능하다.

상기 좌우 측 수용부(111) 외측에는 열 또는 냉기의 생성을 위한 열전소자(121)와, 열전도부(122)로 이루어지는 열전소자부(120)가 구비된다.

상기 열전소자(thermoelectric element, 熱電素子)는 펠티에 효과에 의한 흡열 또는 발열을 이용한 소자로서 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열을, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키게 된다. 특히 매우 짧은 시간에 약 -40℃까지 냉각되거나 60~70℃까지 방열부 온도가 올라가게 되므로 냉난방을 위한 적정온도 범위를 갖고 있으며 하나의 소자를 이용한 난방과 냉방이 모두 가능한 장점이 있다.

본 발명에서 상기 열전소자(121)는 좌우측 수용부(111) 외측으로 각각 세로 방향으로 적어도 2개 이상 설치되어 인가되는 전원의 극성에 따라 수용부(111) 측의 일면으로 열 또는 냉기를 발산하게 된다. 설치되는 열전소자(121)의 개수는 코어의 규격에 따라 상이할 수 있으며 첨부된 도면에서는 바람직한 실시예로 좌우측에 각각 4개의 열전소자(121)가 설치된 모습을 나타내고 있다.

상기 열전소자(121)를 간단하게는 열전도성이 뛰어난 재질로 이루어지는 수용부(111) 외측에 붙이는 방식을 사용할 수도 있으며, 보다 열효율을 높이기 위해서는 수용부(111)에 열전소자가 삽입될 수 있는 삽입공(118)을 형성하고 열전소자(121)의 일면인 발열부 또는 흡열부의 일부가 상기 수용부(111) 내측에 삽입될 수 있도록 상기 삽입공(118)에 삽입하는 형태로 설치하는 것도 가능하다. 이 경우 상기 수용부(111) 내부에 수용된 열전달 유체가 누설되지 않도록 상기 삽입공(118) 및 삽입된 열전소자 사이에 단열 특성의 패킹재가 설치되고, 설치된 열전소자가 삽입공(118)으로부터 이탈하지 않도록 수용부(111)와 연결되는 전후방향의 돌기나 지지턱 등이 구비될 필요가 있다.

상기 열전도부(122)는 상기 수용부(111) 내측으로 형성되어 상기 열전소자(121)에서 발생하는 열 또는 냉기를 상기 열전달 유체에 효율적으로 전달하기 위한 구성으로, 구리와 같이 열전도성이 뛰어난 재질로 이루어지되 얇은 판이 수회 접철된 형상의 방열핀(123)을 다수 구비하여 열전소자(121)의 일면이나 상기 수용부(111) 내벽에 부착된다. 다양한 형태로 열전도부(122)가 구성될 수 있으나 본 발명의 바람직한 실시예에서는 열전소자(121)에서 발생하는 열 또는 냉기를 대류를 통해 코어(110) 내부의 열전달 유체를 통해 확산시키게 되므로 좌우측으로 접철되어 상하방향의 유동로를 형성하는 형태로 구성되고 있다.

또한, 상기 수용부(111) 외측으로는 상기 열전소자(121)를 통해 가열 또는 냉각된 열전달 유체의 온기 또는 냉기가 상기 연결관(112) 및 방열판(113) 측으로 집중되고, 수용부(111) 외측으로 방출되는 것을 방지하여 열효율을 높이기 위한 단열체(130)가 구비된다.

즉 상기 단열체(130)는 합성수지를 비롯한 단열 특성의 다양한 소재를 활용하여 상기 수용부(111)를 덮어 열을 차단하되, 상기 열전소자(121)의 외측에서는 내측과는 반대의 방열 또는 흡열 현상이 발생함에 따라 상기 단열체(130)가 열전소자의 외측을 덮지 않도록 구성하여 열전소자의 성능저하를 방지한다.

이와 더불어 상기 열전소자(121)의 외측, 즉 수용부(111)의 반대쪽 면에서의 열방출을 위해 앞서 언급한 열전도부(122)와 동일한 기능의 열전도부(122)를 설치함으로 특히 여름철 냉방작용시 상기 열전소자(121)의 외측에서의 냉각이 원활하게 이루어지도록 하게 된다.

이와 함께 외부로부터 전원을 공급받아 난방 또는 냉방동작 제어를 하기 위해 전환부(141) 및 인터페이스부(142)를 갖춘 제어부(140)가 구비된다.

상기 제어부(140)는 전원부(143)를 구비하여 상용전원을 공급받아 상기 열전소자(121)를 비롯하여 송풍팬(150)을 동작시키기 위한 적정 전압으로 조절하거나, 온도센서부(144)를 구비하여 열전달 매체나 코어(110)를 통과하여 송풍되는 공기의 온도를 측정할 수 있다.

또한, 앞서 언급한 바와 같이 상기 열전소자(121)는 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이 바뀌게 되므로 상기 전환부(141)를 통해 상기 열전소자(121)에 인가되는 전원의 극성을 전환함으로 냉방 또는 난방 기능을 선택할 수 있게 된다.

또한, 상기 인터페이스부(142)는 사용자로부터 난방 또는 냉방에 따른 동작신호를 입력받는 구성으로 장치의 On/Off, 기능선택을 비롯하여 원하는 실내온도 및 송풍량 등을 조절할 수 있도록 구성되며, 이를 통해 상기 제어부(140)는 입력된 동작신호에 따라 상기 전환부(141)와 송풍팬(150) 및 각 열전소자(121)를 개별제어하게 된다.

본 발명에서는 열효율을 극대화하고 저전력 운용을 위해 상기 제어부(140)는 냉방모드에는 상측의 열전소자를 냉각시키고 난방모드에서는 하측의 열전소자가 열을 발생하도록 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명의 냉방동작시의 모습을 나타낸 개념도, 도 5는 본 발명의 난방동작시의 모습을 나타낸 개념도이다.

즉 상기 열전소자(121)에서 발생하는 열 또는 냉기를 효율적으로 열전달 유체에 공급하는 것도 중요하지만, 상기 송풍팬(150)을 통해 송풍되는 바람을 통해 열 또는 냉기를 효과적으로 실내 공간으로 전달하기 위해서는 비교적 좁은 형상의 상기 연결관(112)을 통해 열 또는 냉기가 코어(110) 전체로 빠르고 효율적으로 전달되는 것이 중요하다.

종래의 보일러의 펌프나 냉매가스와 같이 한 방향으로 유체를 밀어주는 경우 원활히 열 또는 냉기가 상기 연결관(112)을 통해 쉽고 빠르게 확산 가능하나 본 발명의 바람직한 실시예와 같이 별도의 순환수단 없는 경우 열전달 매체의 부분적인 온도차에 의한 대류를 통해 열 또는 냉기의 확산이 빠르고 효율적으로 이루어지도록 한다.

즉 난방동작시에는 도 5와 같이 하측에 설치된 열전소자를 통해 열이 방출되도록 함으로 수용부(111) 하측에 수용된 열전달 유체를 가열하게 되고, 대류를 통해 상측으로 빠른 열확산이 이루어지며 코어 전체가 빠르게 가열된다.

반대로 냉방동작시에는 도 4와 같이 상측에 설치된 열전소자를 통해 흡열반응이 이루어지도록 함으로 수용부(111) 상측에 수용된 열전달 유체를 냉각하게 되고, 대류를 통해 상측으로 빠른 냉기의 확산이 이루어지며 코어 전체가 빠르게 냉각된다.

일례로 이를 초기에 대류 현상을 이용하여 코어를 빠르게 가열 또는 냉각하기 위한 방식으로 사용하고 상기 온도센서부(144)를 통해 설정된 온도로 가열 또는 냉각이 되었다고 판단시 온도 유지를 위해 전체 열전소자를 동작하도록 제어하는 등 다양한 방식의 열전소자 개별제어가 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명을 냉방 용도로 활용시 상기 코어(110)의 표면온도가 이슬점 이하로 떨어짐에 따라 상기 연결관(112) 및 방열판(113)에 공기 중 수분이 응축되므로 상기 코어(110)의 하측에 응축수를 수용하는 트레이(114)가 구비된다. 이때 상기 트레이(114)에 수용된 응축수가 한쪽으로 모여 쉽게 배출될 수 있도록 상기 트레이(114)는 한쪽으로 하향 경사진 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연결관(112) 및 방열판(113)이 형성된 부분의 하측에만 트레이(114)를 형성할 수도 있으나 상기 커버 하측까지 연장되는 형태로 트레이(114)를 형성함으로 커버(115) 내측에서 상기 열전소자(121)의 외측의 응축수 또는 냉각수를 받을 수 있도록 구성할 수도 있다.

또한, 앞서 언급한 바와 같이 상기 열전소자(121)의 외측에서는 내측과는 반대의 방열 또는 흡열 현상이 발생함에 따라 사용 목적과 반대인 외측의 열 또는 냉기는 차단하거나 상기 송풍팬(150) 측으로 유입되지 않도록 별도로 배출할 필요가 있다.

이를 위해 본 발명에서는 상기 수용부(111) 외측을 감싸되 열전소자(121) 타측의 열 또는 냉기의 통로를 형성하는 커버(115)를 형성하게 되며, 필요에 따라서는 상기 제어부(140)를 통해 제어되는 저전력의 소형팬으로 이루어져 상기 커버(115) 내측의 열 또는 냉기를 배출하는 배출수단(116)을 더 포함할 수도 있다.

이를 위해서 상기 커버(115)에는 상기 소형팬이 설치되어 공기를 흡입하는 흡입구와 커버 내측의 공기를 배출하는 배출구가 구비되고, 상기 배출구에는 플렉시블 재질의 배관(117)이 연결되어 커버 내측의 열 또는 냉기가 상기 송풍팬(150)과 떨어져 배출될 수 있도록 구성될 수 있으며, 커버 내측에 별도의 보조온도센서(145)를 구비하여 상기 제어부(140)가 상기 보조온도센서(145)의 측정결과를 반영하여 선택적으로 상기 소형팬의 동작을 제어할 수 있다. 첨부된 도면에서는 흡입구 측에 소형팬이 형성된 모습을 나타내고 있으나 배출구측이나 커버와 분리된 상태로 설치될 수 있다.

또한, 상기 배출수단(116) 및 배관(117)을 통해 공기가 강제 배출됨에 따라 상기 배관(117) 상에 이젝터 기능의 구성을 부가하여 공기 배출시 상기 트레이에 수집된 응축수를 흡입하여 함께 배출시키는 것도 가능하다.

또한, 도면상에 미도시하였지만, 본 발명을 여름철 냉방 용도로 활용시 앞서 언급한 바와 같이 상기 트레이(114)가 상기 커버(115)를 포함하는 코어(110) 전체의 하측에 형성함과 더불어 소형의 순환펌프를 구비하여 상기 트레이(114)에 모인 응축수를 흡입하고 이를 상기 커버(115) 내측 상부에서 배출하여 열전소자(121)의 외측면에서 발생하는 열을 냉각시킴으로 냉방효율을 높일 수 있다. 이 경우 트레이(114)에 일정량의 응축수가 존재하도록 응출수를 배출하기 위한 배출구를 일정 높이 이상에 설치하는 등의 조치가 이루어지게 된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양하게 변형할 수 있다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

110: 코어 111: 수용부
112: 연결관 113: 방열판
114: 트레이 115: 커버
116: 배출수단 117: 배관
118: 삽입공 120: 열전소자부
121: 열전소자 122: 열전도부
123: 방열핀 130: 단열체
140: 제어부 141: 전환부
142: 인터페이스부 143: 전원부
144: 온도센서부 145: 보조온도센서
150: 송풍팬

Claims (4)

1. 코어(110)와 송풍팬(150)을 구비하는 냉난방장치에 있어서,
   좌우 측에 구비되며 대류를 통해 열 또는 냉기를 확산시키되 0℃ 이하의 온도에서도 동결되지 않는 열전달 유체가 수용되는 한 쌍의 수용부(111)와, 상기 한 쌍의 수용부(111) 사이를 가로방향으로 연결하되 내측으로 열전달 유체가 통과하는 다수의 연결관(112)과, 상기 연결관 사이마다 형성되는 다수의 방열판(113)을 구비하는 열전도성 금속재질의 코어(110);
   상기 좌우 측 수용부(111) 외측에 각각 세로 방향으로 적어도 2개 이상 설치되며 인가되는 전원의 극성에 따라 수용부 측의 일면으로 열 또는 냉기를 발산하는 열전소자(121)와, 상기 수용부(111) 내측으로 형성되되 다수의 방열핀(123)을 구비하여 열전소자의 열 또는 냉기를 상기 열전달 유체에 전달하는 열전도부(122)를 구비하는 열전소자부(120);
   상기 수용부(111) 외측을 감싸는 단열체(130);
   상기 열전소자(121)에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 전환부(141)와, 동작신호를 입력받는 인터페이스부(142)를 구비하며, 상기 동작신호에 따라 상기 전환부(141)와 송풍팬(150) 및 각 열전소자(121)를 개별제어하되 냉방모드에는 상측의 열전소자를 냉각시키고 난방모드에서는 하측의 열전소자가 열을 발생하도록 제어하는 제어부(140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어(110)는 하측에 응축수를 수용하는 트레이(114)와, 상기 수용부(111) 외측을 감싸되 열전소자(121) 타측의 열 또는 냉기의 통로를 형성하는 커버(115)와, 상기 커버(115) 내측의 열 또는 냉기를 배출하는 배출수단(116)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전달 유체는 프로필렌글리콜을 주재료로 하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 저전력 냉난방장치.

Images