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KR102513121B1 - Rapid cooling heat exchanger using cavitation generators and felt-thermal thermocouples - Google Patents

Rapid cooling heat exchanger using cavitation generators and felt-thermal thermocouples Download PDF

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Publication number
KR102513121B1
KR102513121B1 KR1020220056709A KR20220056709A KR102513121B1 KR 102513121 B1 KR102513121 B1 KR 102513121B1 KR 1020220056709 A KR1020220056709 A KR 1020220056709A KR 20220056709 A KR20220056709 A KR 20220056709A KR 102513121 B1 KR102513121 B1 KR 102513121B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cavitation
storage tank
heat storage
cooling
peltier
Prior art date
Application number
KR1020220056709A
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Korean (ko)
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KR20220103070A (en
Inventor
노승동
우종식
Original Assignee
피닉스코리아(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 피닉스코리아(주) filed Critical 피닉스코리아(주)
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Publication of KR20220103070A publication Critical patent/KR20220103070A/en
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Abstract

본 발명은 캐비테이션 발생수단에 의해 생성된 캐비테이션이 펠티어 근처에서 결빙되고, 고온의 유로를 캐비테이션의 해빙과 캐비테이션 소멸과정에 의해 급속 냉각시키게 되는 캐비테이션 발생수단과 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은, 냉각수가 일정 수위까지 담긴 밀폐형 축열조; 상기 축열조 내부에 투입되어 상부 입구로 주입되는 고온 유체와 냉각수를 열교환시켜 저온 유체를 하부 출구로 배출하게 되는 고체유로관; 상기 축열조 저부 외측에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 일측면 냉각부가 상기 축열조 표면에 부착된 펠티어; 상기 펠티어의 타측면 온열부에 부착된 히트싱크모듈; 상기 축열조 저부 내측면에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 상기 펠티어 위치에 대응토록 부착하고, 내부 통로가 위를 향하여 협소해지도록 수직 배치되는 벤츄리관; 상기 축열조의 냉각수가 상기 벤츄리관을 통해 캐비티(기포)를 발생시키기 위한 캐비테이션(Cavitation) 발생수단;을 포함하고, 상기 캐비테이션(Cavitation) 발생수단은, 상기 축열조 외부에서 기포공급관을 통해 상기 벤츄리관 저부로 공기를 투입시켜 다공성 기포발생기를 통해 기포를 발생시키는 기포공급기; 상기 벤츄리관 내측 저부에 구비되어 상기 기포공급기에서 발생되는 기포의 입자크기를 가변시키는 초음파 발생장치;를 더 포함하여, 상기 벤츄리관 내부 캐비테이션(Cavitation)이 상기 초음파 발생장치에 의해 기포 입자크기가 작아질수록 비표면적이 커짐에 따라 상기 펠티어 냉각부에 의한 결정핵 생성률이 높아지는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a rapid cooling heat exchanger using a cavitation generating means and a Peltier thermoelectric element in which cavitation generated by the cavitation generating means is frozen near a peltier and a high-temperature flow path is rapidly cooled by cavitation thawing and cavitation extinction processes. . The present invention, a sealed heat storage tank containing the cooling water to a certain water level; a solid flow pipe through which the high-temperature fluid injected into the heat storage tank and injected into the upper inlet exchanges heat with the cooling water to discharge the low-temperature fluid through the lower outlet; One or a plurality of peltiers provided at regular intervals outside the bottom of the heat storage tank and having one side cooling part attached to the surface of the heat storage tank; a heat sink module attached to the heating part on the other side of the peltier; one or more Venturi tubes provided at equal intervals on the inner surface of the bottom of the heat storage tank, attached to correspond to the position of the Peltier, and arranged vertically so that the inner passage narrows upward; and a cavitation generating means for generating a cavity (bubble) in the cooling water of the heat storage tank through the Venturi tube, wherein the cavitation generating means is located at the bottom of the Venturi tube through a bubble supply pipe from the outside of the heat storage tank. A bubble supplier for generating bubbles through a porous bubble generator by injecting air into the air; An ultrasonic generator provided on the inner bottom of the Venturi tube to change the particle size of bubbles generated by the bubble supply unit; wherein the cavitation inside the Venturi tube is performed by the ultrasonic generator so that the bubble particle size is small. As the specific surface area increases, the crystal nucleus generation rate by the Peltier cooling unit increases.

Description

캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기{Rapid cooling heat exchanger using cavitation generators and felt-thermal thermocouples}Rapid cooling heat exchanger using cavitation generators and felt-thermal thermocouples}

본 발명은 캐비테이션 발생수단과 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캐비테이션 발생수단으로 생성된 캐비테이션이 펠티어 근처에서 결빙되고, 고온의 유로를 캐비테이션의 해빙과 캐비테이션 소멸과정에 의해 급속 냉각시킬 수 있는 급속 냉각 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a rapid cooling heat exchanger using a cavitation generating means and a Peltier thermoelectric element, and more particularly, cavitation generated by a cavitation generating means is frozen near a peltier, and a high-temperature flow path is formed by thawing cavitation and cavitation extinction. It relates to a rapid cooling heat exchanger capable of rapid cooling.

열전소자(이하 '펠티어'라 함)에는 열전효과를 이용하여 전기저항의 온도변화를 이용한 소자(써미스터), 온도차에 의해 기전력(起電力)이 발생하는 현상(제베크효과)을 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상(펠티에효과)을 이용한 소자(펠티에소자)가 있다. Thermoelectric elements (hereinafter referred to as 'Peltier') include elements using the temperature change of electrical resistance by using the thermoelectric effect (thermistor), elements using the phenomenon that electromotive force is generated by the temperature difference (Seebeck effect), and current There is a device (Peltier device) using a phenomenon (Peltier effect) in which heat is absorbed (or generated) by

열교환기의 열전달 방식에 따르면 표면식 열교환기, 축열식 열교환기, 액체 연결 간접식 열교환기, 직접 접촉식 열교환기가 있다. 본 발명과 유사한 방식의 열교환기는 축열식으로, 고체의 축열제 (열을 저장하는 매체)를 고온의 유체에 접촉시켜 고온 유체의 열을 흡수한 다음, 저온 유체와 접촉하여, 저온 유체에 열을 전달하는 열교환기로서 회전형 축열식 열교환기, 밸브식 환형 축열식 열교환기 등이 있다. 종래의 축열식 열교환기를 고온의 유체에 사용할 경우 시스템의 복잡하고, 소형으로 구성하기에는 어려움이 있다. According to the heat transfer method of the heat exchanger, there are a surface heat exchanger, a regenerative heat exchanger, a liquid connection indirect heat exchanger, and a direct contact heat exchanger. The heat exchanger similar to that of the present invention is a heat storage type, which brings a solid heat storage agent (a medium for storing heat) into contact with a high-temperature fluid to absorb heat from the high-temperature fluid, and then contacts the low-temperature fluid to transfer heat to the low-temperature fluid. As the heat exchanger, there are a rotary regenerative heat exchanger, a valve type annular regenerative heat exchanger, and the like. When a conventional regenerative heat exchanger is used for a high-temperature fluid, it is difficult to complicate and compact the system.

(특허문헌 0001) 대한민국 공개특허10-2016-0078764는 압전소자에서 발생되는 초음파를 이용하여 냉각 작용하는 압전소자의 초음파를 이용한 냉각 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 냉각 장치는, 압축 가능한 작동 유체를 내장하는 하우징, 상기 하우징의 내부에 설치되어 양측으로 제1공간과 제2공간을 구획하고 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에서 상기 작동 유체가 진동 및 이동하는 채널을 구비하는 스택, 상기 하우징의 내부에서 상기 스택의 양측에 구비되는 1쌍의 열교환기, 상기 1쌍의 열교환기 중 어느 하나에 마주하여 상기 하우징의 내부에 구비되는 압전소자를 포함한다.
(특허문헌 0002) 대한민국 공개특허 10-2000-0059898호 음파 냉동을 이용한 자동 제빙기 및 이 자동 제빙기를 채용한 냉장고가 개시되어 있다. 자동 제빙기는 그 내부에 불활성 가스를 저장하고 있는 U자형 공명기, U자형 공명기에 음압을 인가하여 U자형 공명기에 저장된 불활성 가스의 분자들을 압축 및 팽창시키므로써 U자형 공명기 내부의 온도 분포를 변화시키는 스피커, U자형 공명기의 내부 온도를 제빙 용기에 전달하고 내부에 통로를 형성하는 열교환기, 및 스피커를 작동시키는 전자 제어유닛을 구비한다. 이와 같이, 파동 냉각 방법은 파동 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 냉각 효과를 얻는 방법이다. 다른 예를 들면, 파동 냉각 장치는 하우징의 일측에 구비되는 스피커로 음파를 발생시켜 하우징 내에 설치되는 스택의 내부통로로 음파의 파동 에너지를 전달하며, 이때 작동 유체가 스택의 양측에 구비되는 콜드 열교환기와 핫 열교환기 사이에서 진동 및 이동하면서 냉각 작용한다.
(Patent Document 0001) Republic of Korea Patent Publication 10-2016-0078764 provides a cooling device using ultrasonic waves of a piezoelectric element that cools using ultrasonic waves generated from a piezoelectric element. A cooling device using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention is installed inside a housing containing a compressible working fluid, the housing divides a first space and a second space on both sides, and the first space and the second space are installed. A stack having a channel through which the working fluid vibrates and moves between two spaces, a pair of heat exchangers provided on both sides of the stack inside the housing, and the housing facing any one of the pair of heat exchangers Includes a piezoelectric element provided inside the.
(Patent Document 0002) Korean Patent Publication No. 10-2000-0059898 discloses an automatic ice maker using sonic wave refrigeration and a refrigerator employing the automatic ice maker. The automatic ice maker is a U-shaped resonator that stores inert gas inside, and a speaker that changes the temperature distribution inside the U-shaped resonator by applying negative pressure to the U-shaped resonator to compress and expand the molecules of the inert gas stored in the U-shaped resonator. , a heat exchanger that transmits the internal temperature of the U-shaped resonator to an ice-making container and forms a passage therein, and an electronic control unit that operates a speaker. As such, the wave cooling method converts wave energy into kinetic energy to obtain a cooling effect. For another example, the wave cooling device generates sound waves with a speaker provided on one side of a housing and transfers the wave energy of the sound waves to an internal passage of a stack installed in the housing, wherein a working fluid is provided on both sides of the stack for cold heat exchange. It cools while vibrating and moving between the heat exchanger and the hot heat exchanger.

대한민국 공개특허 제10-2016-0078764호(공개일자 2016.07.05), 발명의 명칭: 압전소자의 초음파를 이용한 냉각 장치.Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0078764 (published on July 5, 2016), title of the invention: cooling device using ultrasonic waves of piezoelectric elements. 대한민국 공개특허 제10-2000-0059898호(공개일자 2000.10.16), 발명의 명칭: 음파 냉동을 이용한 자동 제빙기 및 이 자동 제빙기를 채용한 냉장고.Republic of Korea Patent Publication No. 10-2000-0059898 (published on October 16, 2000), title of invention: automatic ice maker using sonic wave refrigeration and a refrigerator employing the automatic ice maker.

본 발명의 목적은 축열조로 유입되는 고온의 유체를 캐비테이션 현상과 펠티어를 이용하여 급속 냉각방식으로 축열조 내부 온도를 제어하여 저온 유체로 배출 가능하고, 소형화 및 생산비용을 낮출 수 있어 경제적인 급속 냉각 열교환기를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to discharge the high-temperature fluid flowing into the heat storage tank into low-temperature fluid by controlling the internal temperature of the heat storage tank in a rapid cooling method using a cavitation phenomenon and a peltier, and to reduce miniaturization and production cost, thereby providing economical rapid cooling heat exchange. is to provide gear.

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상기의 목적을 달성하고자 본 발명은, 냉각수가 일정 수위까지 담긴 밀폐형 축열조; 상기 축열조 내부에 투입되어 상부 입구로 주입되는 고온 유체와 냉각수를 열교환시켜 저온 유체를 하부 출구로 배출하게 되는 고체유로관; 상기 축열조 저부 외측에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 일측면 냉각부가 상기 축열조 표면에 부착된 펠티어; 상기 펠티어의 타측면 온열부에 부착된 히트싱크모듈; 상기 축열조 저부 내측면에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 상기 펠티어 위치에 대응토록 부착하고, 내부 통로가 위를 향하여 협소해지도록 수직 배치되는 벤츄리관; 상기 축열조의 냉각수가 상기 벤츄리관을 통해 캐비티(기포)를 발생시키기 위한 캐비테이션(Cavitation) 발생수단;을 포함하고, 상기 캐비테이션(Cavitation) 발생수단은, 상기 축열조 외부에서 기포공급관을 통해 상기 벤츄리관 저부로 공기를 투입시켜 다공성 기포발생기를 통해 기포를 발생시키는 기포공급기; 상기 벤츄리관 내측 저부에 구비되어 상기 기포공급기에서 발생되는 기포의 입자크기를 가변시키는 초음파 발생장치;를 더 포함하여, 상기 벤츄리관 내부 캐비테이션(Cavitation)이 상기 초음파 발생장치에 의해 기포 입자크기가 작아질수록 비표면적이 커짐에 따라 상기 펠티어 냉각부에 의한 결정핵 생성률이 높아지는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기를 제안한다.
본 발명에 따라, 상기 고체유로관은 상기 축열조 내부에 지그재그나 다기관 형태로 형성하여 냉각수와의 열접촉 시간이 연장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 상기 고체유로관은 냉각 효율을 높이기 위해 표면에 냉각 플레이트 및 냉각핀이 형성된 것을 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 상기 축열조 상부 일측에서 외부 공기를 내부로 공급하여 상기 축열조 상층부의 수증기를 응축시키는 송풍팬;을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 상기 축열조의 냉각수 온도를 측정하는 온도센서; 상기 온도센서에서 수신되는 측정값을 처리하여 상기 펠티어 및 캐비테이션 발생수단의 동작을 제어하기 위한 제어유닛;으로 구성된 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, the present invention is a sealed heat storage tank in which the cooling water is contained to a certain water level; a solid flow pipe through which the high-temperature fluid injected into the heat storage tank and injected into the upper inlet exchanges heat with the cooling water to discharge the low-temperature fluid through the lower outlet; One or a plurality of peltiers provided at regular intervals outside the bottom of the heat storage tank and having one side cooling part attached to the surface of the heat storage tank; a heat sink module attached to the heating part on the other side of the peltier; one or more Venturi tubes provided at equal intervals on the inner surface of the bottom of the heat storage tank, attached to correspond to the position of the Peltier, and arranged vertically so that the inner passage narrows upward; and a cavitation generating means for generating a cavity (bubble) in the cooling water of the heat storage tank through the Venturi tube, wherein the cavitation generating means is located at the bottom of the Venturi tube through a bubble supply pipe from the outside of the heat storage tank. A bubble supplier for generating bubbles through a porous bubble generator by injecting air into the air; An ultrasonic generator provided on the inner bottom of the Venturi tube to change the particle size of bubbles generated by the bubble supply unit; wherein the cavitation inside the Venturi tube is performed by the ultrasonic generator so that the bubble particle size is small. As the specific surface area increases, we propose a cavitation generator and a rapid cooling heat exchanger using a Peltier thermoelectric element, characterized in that the rate of crystal nucleation by the Peltier cooling unit increases.
According to the present invention, the solid flow pipe is formed in a zigzag or manifold shape inside the heat storage tank, so that the thermal contact time with the cooling water is extended.
According to the present invention, the solid flow pipe is characterized in that a cooling plate and cooling fins are formed on the surface to increase cooling efficiency.
According to the present invention, it is characterized in that it is configured to further include; a blowing fan for condensing water vapor in the upper layer of the heat storage tank by supplying external air to the inside from one side of the upper part of the heat storage tank.
According to the present invention, the temperature sensor for measuring the cooling water temperature of the heat storage tank; and a control unit for controlling the operation of the peltier and the cavitation generating means by processing the measured value received from the temperature sensor.

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본 발명의 실시예에 따라, 캐비테이션 발생수단에 의해 캐비테이션(Cavitation)이 생성되고, 펠티어의 냉각부분을 통과하는 캐비테이션이 벤츄리관을 통해 이동하면서 결빙되고, 결빙된 캐비테이션이 상승하면서 해빙과 캐비테이션 소멸과정을 통해 냉각수의 강제 순환이 이루어져 급속 냉각이 가능한 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, cavitation is generated by the cavitation generating means, the cavitation passing through the cooling part of the peltier is frozen while moving through the venturi tube, and the frozen cavitation rises while thawing and cavitation disappears. Through the forced circulation of cooling water, there is an effect of rapid cooling.

그리고 본 발명은 축열기 상부에서는 차가운 바람을 송풍팬으로 공급하여 수증기를 응축시켜 열을 회수하고, 냉각수 표면으로 응축된 액체를 재공급하여 냉각 효과 높이는 효과가 있다. 또 구성이 간단한 캐비테이션 발생수단과 펠티어를 이용하여 최소형으로 고온의 유체를 급속 냉각시키는 효과가 있으며, 경제적인 장점이 있다.In addition, the present invention has an effect of increasing the cooling effect by supplying cold wind to the blower fan at the top of the regenerator to condense water vapor to recover heat, and resupplying the condensed liquid to the surface of the cooling water. In addition, it has the effect of rapidly cooling the high-temperature fluid in a minimum size by using a cavitation generating means and a peltier with a simple configuration, and has an economical advantage.

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도1은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 열교환기를 도시한 도면임.
도2은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 열교환기 내부의 온도 분포도를 도시한 도면임.
도3는 다기관으로 구성되는 고체유로관(170)의 사시도임.
도4a는 고체유로관(170)의 냉각 효율을 높이기 위한 냉각플레이트를 도시한 도면임.
도4b는 냉각플레이트의 외부를 감싸는 냉각핀(150) 구조물을 도시한 도면임.
도5는 초음파 진동자 주파수와 발생하는 캐비테이션의 크기를 도시한 그래프임.
도6은 마이크로 노즐(181)을 포함하는 기포공급관(120)의 구조도와 벤츄리관(200) 하부에 설치된 모양을 도시한 도면임.
도7은 냉각수(물)에 대한 상전이 그래프를 도시한 도면임.
도8은 초음파 음압에 따른 캐비테이션의 동작을 도시한 도면임.
도9는 유체 내에서 캐비테이션이 소멸될 때 나타나는 현상을 도시한 도면임.
도10은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 과정을 단계별로 도시한 도면임.
1 is a view showing a quick cooling heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the temperature distribution inside the rapid cooling heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view of a solid flow pipe 170 composed of a manifold.
4A is a diagram showing a cooling plate for increasing the cooling efficiency of the solid flow pipe 170.
4B is a view showing the cooling fin 150 structure surrounding the outside of the cooling plate.
5 is a graph showing the frequency of an ultrasonic transducer and the magnitude of cavitation that occurs.
6 is a diagram showing the structure of the bubble supply pipe 120 including the micro nozzle 181 and the shape installed at the bottom of the venturi pipe 200.
7 is a diagram showing a phase transition graph for cooling water (water).
8 is a diagram showing the operation of cavitation according to ultrasonic sound pressure.
9 is a diagram showing a phenomenon that occurs when cavitation disappears in a fluid.
10 is a diagram showing a rapid cooling process step by step according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 급속 냉각 열교환기는 냉각수가 일정 수위까지 담긴 밀폐형 축열조(100); 상기 축열조(100) 내부에 투입되어 상부 입구로 주입되는 고온 유체와 냉각수를 열교환시켜 저온 유체를 하부 출구로 배출하게 되는 고체유로관(170); 상기 축열조(100) 저부 외측에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 일측면 냉각부가 상기 축열조(100) 표면에 부착된 펠티어(130); 상기 펠티어(130)의 타측면 온열부에 부착된 히트싱크모듈(140); 상기 축열조(100) 저부 내측면에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 상기 펠티어(130) 위치에 대응토록 부착하고, 내부 통로가 위를 향하여 협소해지도록 수직 배치되는 벤츄리관(200); 상기 축열조(100)의 냉각수가 상기 벤츄리관(200)을 통해 캐비티(기포)를 발생시키기 위한 캐비테이션(Cavitation) 발생수단;을 포함하고, 상기 캐비테이션(Cavitation) 발생수단은, 상기 축열조(100) 외부에서 기포공급관(180)을 통해 상기 벤츄리관(200) 저부로 공기를 투입시켜 다공성 기포발생기(182)를 통해 기포를 발생시키는 기포공급기(120); 상기 벤츄리관(200) 내측 저부에 구비되어 상기 기포공급기(120)에서 발생되는 기포의 입자크기를 가변시키는 초음파 발생장치(110);를 더 포함하여, 상기 벤츄리관(200) 내부 캐비테이션(Cavitation)이 상기 초음파 발생장치(110)에 의해 기포 입자크기가 작아질수록 비표면적이 커짐에 따라 상기 펠티어(130) 냉각부에 의한 결정핵 생성률이 높아지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 가지는 본 발명의 급속 냉각 열교환기는 캐비테이션 발생수단으로 생성되는 캐비테이션이 펠티어(130)의 냉각 기능에 의해 미세하게 결빙될 수 있다. 뜨거운 유로에 의해 데워진 축열조(100) 내부에서 해빙된 캐비테이션이 상승 이동하면서 팽창하고, 캐비테이션 소멸과정을 통해 축열조(100) 내부의 냉각수가 강제 순환되어 내부를 빠르게 냉각시킬 수 있다. 또한 상부의 송풍팬(160)에 의해 차가운 바람을 축열조(100) 내부로 공급하고, 축열조(100) 내부에서 발생되는 수증기를 빠르게 응축시켜 축열조(100) 상부의 온도를 냉각할 수 있다. 또한 제어유닛에 의해 온도센서(190)의 측정값을 참조하여 캐비테이션 발생수단(110,120,180), 펠티어(130), 송풍팬(160)의 동작을 제어하여 냉각된 유체를 적절한 온도로 배출할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 열교환기를 좀더 구체적으로 설명하기로 한다.
The rapid cooling heat exchanger of the present invention includes a sealed heat storage tank 100 in which cooling water is contained to a certain level; a solid flow pipe 170 that is injected into the heat storage tank 100 and heat-exchanges the high-temperature fluid injected through an upper inlet with cooling water to discharge the low-temperature fluid through a lower outlet; One or a plurality of peltiers 130 provided on the outside of the bottom of the heat storage tank 100 at equal intervals and attached to the surface of the heat storage tank 100 with a cooling part on one side; A heat sink module 140 attached to the heating part on the other side of the peltier 130; One or a plurality of venturi tubes 200 provided on the inner surface of the bottom of the heat storage tank 100 at equal intervals, attached to correspond to the position of the peltier 130, and arranged vertically so that the internal passage narrows upward; and a cavitation generating means for generating a cavity (bubble) in the cooling water of the heat storage tank 100 through the venturi tube 200, wherein the cavitation generating means is outside the heat storage tank 100. a bubble supplier 120 for generating bubbles through a porous bubble generator 182 by injecting air into the bottom of the venturi tube 200 through the bubble supply pipe 180; An ultrasonic generator 110 provided on the inner bottom of the venturi tube 200 to change the particle size of bubbles generated in the bubble supplier 120; further comprising, cavitation inside the venturi tube 200 It is characterized in that the generation rate of crystal nuclei by the cooling unit of the Peltier 130 increases as the specific surface area increases as the bubble particle size decreases by the ultrasonic generator 110.
In the rapid cooling heat exchanger of the present invention having the above characteristics, the cavitation generated by the cavitation generating means can be finely frozen by the cooling function of the peltier 130. The cavitation melted inside the heat storage tank 100 warmed by the hot flow path expands while moving upward, and the cooling water inside the heat storage tank 100 is forcibly circulated through the cavitation extinction process, thereby rapidly cooling the inside. In addition, cold wind is supplied to the inside of the heat storage tank 100 by the blower fan 160 at the top, and water vapor generated inside the heat storage tank 100 is rapidly condensed to cool the temperature of the upper part of the heat storage tank 100. In addition, the control unit controls the operation of the cavitation generating means 110, 120, 180, the peltier 130, and the blowing fan 160 with reference to the measured value of the temperature sensor 190, so that the cooled fluid can be discharged at an appropriate temperature.
A quick cooling heat exchanger according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

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도1의 고체유로관(170)은 유체가 흐르는 통로로, 고온 고압을 지탱할 수 있고, 지그재그 형태의 수평 또는 수직관으로 구성될 수 있다. 또한 수평 또는 수직관의 내부 구성이 도3처럼 다기관 형태로 구비될 수도 있다. 도3의 고온의 유체가 주입되는 고체유로관(170) 입구와 수조는 단열재로 분리된다.The solid flow pipe 170 of FIG. 1 is a passage through which fluid flows, can support high temperature and high pressure, and can be configured as a zigzag horizontal or vertical pipe. In addition, the internal configuration of the horizontal or vertical pipe may be provided in the form of a manifold as shown in FIG. The inlet of the solid flow passage pipe 170 in FIG. 3 into which the high-temperature fluid is injected is separated from the water tank by an insulating material.

축열조(100)는 도1에 도시한 것처럼, 내부에 고체유로관(170); 고체유로관(170)에 접착하여 열교환 면적을 넓히는 냉각핀(150); 초음파 발생장치(110); 냉각수; 기포공급관(120); 밴츄리관(200)이 구비된다. 축열조(100)의 외부에는 냉각수 투입구 캡; 송풍팬(160); 기포공급기(120); 온도센서(190); 펠티어(130)와 히트싱크모듈(140); 전력구동을 위한 제어유닛(미도시)이 구비된다. 그리고 축열조(100)는 고체유로관(170)을 제외하고는 밀폐되어 고온의 수증기가 외부로 노출되지 않도록 구비한다.As shown in FIG. 1, the heat storage tank 100 includes a solid flow pipe 170 therein; A cooling fin 150 that is attached to the solid flow pipe 170 to increase a heat exchange area; ultrasonic generator 110; cooling water; bubble supply pipe 120; A Venturi tube 200 is provided. A coolant inlet cap outside the heat storage tank 100; Blowing fan 160; bubble supplier 120; temperature sensor 190; Peltier 130 and heat sink module 140; A control unit (not shown) for power driving is provided. In addition, the heat storage tank 100 is sealed except for the solid flow pipe 170 so that high-temperature water vapor is not exposed to the outside.

도2에서 축열조(100)내의 온도 분포를 도시한다. 온도분포는 상층부보다 하층부가 낮고, 밀도는 상층부보다 하층부가 높다. 결빙된 캐비테이션이 상승하면서 해빙되고, 케비테이션의 크기가 중간층에서 임계크기에 빠르게 도달하여 소멸하므로, 축열조(100) 높이에 따른 온도 분포는 상층부와 하층부에서의 온도변화는 작으며, 중간층에서 많은 열교환이 이루어진다. 2 shows the temperature distribution in the heat storage tank 100. The temperature distribution is lower in the lower layer than the upper layer, and the density is higher in the lower layer than in the upper layer. Since the frozen cavitation is thawed as it rises, and the size of the cavitation quickly reaches a critical size in the middle layer and disappears, the temperature distribution according to the height of the heat storage tank 100 has a small temperature change in the upper and lower layers, and a lot of heat exchange in the middle layer It is done.

도1의 냉각핀(150)은 도4a 또는 도4b처럼 단독 구성도 가능하지만, 실시예에서는 도4a의 냉각플레이트 상하부에 도4b의 요철구조인 냉각핀(150)을 복합하는 구조로 구비하여, 축열조(100)내의 냉각수와의 접촉면적을 최대한 높일 수 있도록 구비된다.Although the cooling fin 150 of FIG. 1 can be configured alone as shown in FIG. 4A or 4B, in the embodiment, the cooling fin 150 having the concavo-convex structure of FIG. 4B is provided in the upper and lower parts of the cooling plate of FIG. It is provided to maximize the contact area with the cooling water in the heat storage tank 100.

도1의 캐비테이션 발생수단은 캐비테이션(Cavitation) 생성을 위한 것으로서, 초음파 발생장치(110)와 기포공급기(120), 기포공급관(180)으로 구성된다.The cavitation generating means of FIG. 1 is for generating cavitation and is composed of an ultrasonic generator 110, a bubble supplier 120, and a bubble supply pipe 180.

도5에 초음파 발생장치(110)의 주파수에 대한 캐비테이션의 입자크기를 도시한다. 캐비테이션(Cavitation)은 초음파 주파수대에서 낮은 주파수에서는 캐비테이션 입자크기가 크고, 높은 주파수로 갈수록 작아진다. 초음파 발생장치(110)의 주파수 선택은 펠티어(130)와 결빙을 위한 결정핵의 크기를 고려하여 결정한다. 캐비테이션 입자크기가 작을수록 비표면적이 크고, 펠티어(130)의 냉각부에서 쉽게 결정핵이 생성된다. 그러나 캐비테이션의 크기가 크면, 결정핵이 생성되기 힘들지만 부력이 크고 냉각에 효과적일 수 있다. 따라서 도5에서 초음파 발생장치(110)의 주파수를 비표면적, 결정핵과 부력을 동시에 고려하면, 50KHz~150KHz의 초음파 진동 주파수가 적절하다. 5 shows the particle size of cavitation versus the frequency of the ultrasonic generator 110. In the case of cavitation, the particle size of cavitation is large at low frequencies in the ultrasonic frequency band and becomes smaller at higher frequencies. The frequency selection of the ultrasonic generator 110 is determined in consideration of the size of the peltier 130 and crystal nuclei for freezing. The smaller the cavitation particle size, the larger the specific surface area, and crystal nuclei are easily generated in the cooling part of the peltier 130. However, if the size of cavitation is large, it is difficult to generate crystal nuclei, but the buoyancy is large and it can be effective for cooling. Therefore, considering the specific surface area, crystal nucleus, and buoyancy of the frequency of the ultrasonic generator 110 in FIG. 5 at the same time, an ultrasonic vibration frequency of 50 KHz to 150 KHz is appropriate.

도6에서 초음파 발생장치(110)에서 생성되는 캐비테이션의 진행과 초음파의 음압을 도시한다. 초음파 발생장치(110)의 표면에서 음압은 고압과 저압이 교대로 나타나고, 음압의 저압 위치에서 액체의 포화 수증기압 보다 낮아 액체가 증발하면서 캐비테이션을 생성한다. 음파가 진행하면서 캐비테이션의 압축과 팽창이 이루어진다, 캐비테이션 입자크기가 임계크기에 이르면 압축 폭발하여 소멸된다. 캐비테이션 폭발은 냉각수를 밀도가 낮은 상층부로 밀어낸다. 또한 폭발지점에서는 저압이 형성되어 온도가 낮은 하층부의 냉각수를 끌어당겨 냉각기능을 효율적으로 제공한다. 6 shows the progress of cavitation generated by the ultrasonic generator 110 and the sound pressure of ultrasonic waves. On the surface of the ultrasonic generator 110, the negative pressure appears alternately with high pressure and low pressure, and at the low pressure position of the negative pressure, it is lower than the saturated vapor pressure of the liquid to generate cavitation as the liquid evaporates. As the sound wave progresses, cavitation is compressed and expanded. When the cavitation particle size reaches a critical size, it is compressed and exploded and is extinguished. The cavitational explosion pushes the coolant into the upper layer where it is less dense. In addition, low pressure is formed at the point of explosion, which effectively provides a cooling function by attracting the cooling water in the lower layer where the temperature is low.

캐비테이션의 소멸 방법은 도9에 도시된 두가지 방식으로 구성된다. 등방성 소멸방법은 모든 방향에서 동일한 압축을 받아 소멸하면서 등방 형태로 부동액을 밀어내고, 비등방성 소멸 방법은 마이크로젯이 형성되어, 제트 압력으로 냉각수를 상층부로 강하게 밀어낸다. 기포공급기(120)는 외부의 공기를 일정한 압력으로 기포공급관(180)으로 배기하는 공기 에어펌프나 냉각수가 혼입된 캐비테이션용 에어펌프로 구성될 수 있다. 도1의 기포공급기(120)에서 발생된 기포는 도6처럼 벤츄리관 하부에 배치된 기포공급관(180) 마이크로 노즐(181)을 통해 펠티어(130)에 인접하여 배기된다. The method of extinguishing cavitation consists of two methods shown in FIG. The isotropic extinguishing method pushes the antifreeze in an isotropic form while extinguishing by receiving the same compression in all directions, and the anisotropic extinguishing method forms a microjet and strongly pushes the coolant to the upper layer with jet pressure. The bubble supplier 120 may be composed of an air pump for exhausting external air to the bubble supply pipe 180 at a constant pressure or an air pump for cavitation mixed with cooling water. The bubbles generated in the bubble supplier 120 of FIG. 1 are exhausted adjacent to the peltier 130 through the bubble supply pipe 180 and the micro nozzle 181 disposed below the Venturi tube as shown in FIG. 6 .

도6처럼 기포공급관(180)에는 초음파 발생장치(110)와 마찬가지로 기포의 반경이 2~4μm 범위 이내로 형성되도록 마이크로 노즐(181)이 구비될 수 있다. 기포공급관(180)에서 제공되는 기포는 초음파 발생장치(110)의 음압에 의해 상기에 기술된 캐이테이션과 동일하게 동작한다. 기포공급관(180)의 마이크로 노즐(181)을 크게 하여 많은 공기를 제공하면, 초음파 발생장치(110)에서 생성되는 캐비테이션이 초음파 가습기의 연무처럼 빠르게 상승하고, 냉각수 내부나 표층에서 등방성이나 비등방성 형태로 소멸되면서, 냉각 효율을 높인다. As shown in FIG. 6 , the bubble supply pipe 180 may be provided with micro nozzles 181 such that bubbles have a radius of 2 μm to 4 μm, similarly to the ultrasonic generator 110 . The bubbles provided from the bubble supply pipe 180 operate in the same way as the cavitation described above by the negative pressure of the ultrasonic generator 110. When the micronozzle 181 of the bubble supply pipe 180 is enlarged to provide a lot of air, the cavitation generated by the ultrasonic generator 110 rises rapidly like the mist of an ultrasonic humidifier, and isotropic or anisotropic in the inside or surface of the cooling water As it disappears, the cooling efficiency is increased.

본 발명의 실시예에서는 초음파 발생장치(110)와 기포공급기(120)와 기포공급관(180)을 동시에 구비하지만, 초음파 발생장치(110) 또는 기포공급기(120)와 기포공급관(180)을 선택적으로 구비할 수도 있다. 이때 각 장치의 기포 성질은 차이가 있다. 초음파 발생장치(110)는 음압을 고압과 저압을 교대로 제공하여 캐비테이션이 압축 팽창을 반복하여 소멸시키고, 기포공급기(120)는 단순한 마이크로 버블을 형성하는 차이점이 있지만, 냉각 열교환기의 기능은 동일하게 제공된다. 도1과 도5에 도시한 것처럼 캐비테이션 발생수단(110,120,180)은 벤츄리관(200) 하부에 위치하고, 캐비테이션의 생성 및 진행 방향이 상층부로 향하도록 펠티어(130)와 캐비테이션 발생수단(110,120,180)을 수직으로 근접 배치한다. 벤츄리관(200)을 통해 캐비테이션의 유속이 상승하고, 벤츄리관(200) 내부에서 압력을 낮아져서 결빙 생성이 용이하게 된다. In the embodiment of the present invention, the ultrasonic generator 110, the bubble supply 120, and the bubble supply pipe 180 are provided at the same time, but the ultrasonic generator 110 or the bubble supply 120 and the bubble supply pipe 180 are selectively provided. can also be provided. At this time, the bubble properties of each device are different. The ultrasonic generator 110 provides negative pressure with high pressure and low pressure alternately so that cavitation repeats compression and expansion, and the bubble supplier 120 has a difference in that it forms simple micro bubbles, but the function of the cooling heat exchanger is the same. are provided As shown in FIGS. 1 and 5, the cavitation generating means 110, 120, and 180 are located at the bottom of the Venturi tube 200, and the peltier 130 and the cavitation generating means 110, 120, 180 are vertically positioned so that cavitation is generated and proceeds toward the upper layer. place in close proximity The flow rate of cavitation increases through the Venturi tube 200 and the pressure inside the Venturi tube 200 decreases, so that ice formation is facilitated.

도7에 냉각수인 물에 대한 상전이 그래프를 통해 결빙 생성에 대해 설명한다. 냉각수로 부동액을 사용하는 경우도 동일하다. 도7에서 캐비테이션 발생수단(110,120,180)에 의해 캐비테이션이 발생하고, 벤츄리관(200)을 통해 저압이 형성되어 A점(액체)에서 B점(기체)으로 압력이 낮아지고, 펠티어(130)의 냉각 부분에 인접하여 B점(기체)에서 C점(결빙)으로 상전이가 발생하여 미세한 결정핵이 생성되고, 결정핵이 결빙으로 성장한다.Formation of ice formation will be described through a phase transition graph of water as cooling water in FIG. 7 . The same applies to using antifreeze as a coolant. In FIG. 7, cavitation occurs by the cavitation generating means 110, 120, and 180, and low pressure is formed through the Venturi tube 200, so that the pressure decreases from point A (liquid) to point B (gas), and cooling of the peltier 130 Adjacent to the part, a phase transition occurs from point B (gas) to point C (freezing), and fine crystal nuclei are created, and the crystal nuclei grow into ice.

도1처럼 펠티어(130) 냉각부를 축열조(100)에 접촉하고, 온열부를 외부로 배치한다. 펠티어(130)의 냉각 성능을 유지하기 위해 온열부를 히트싱크모듈(140)에 접합하여 펠티어(130)의 냉각 효율을 높인다.As shown in FIG. 1, the cooling part of the Peltier 130 is in contact with the heat storage tank 100, and the heating part is disposed outside. In order to maintain the cooling performance of the peltier 130, the heating unit is bonded to the heat sink module 140 to increase the cooling efficiency of the peltier 130.

도1의 온도센서(190)는 축열조(100)의 내측 저부에 구비되어 하층부 냉각수 온도를 측정하고, 검출된 측정온도(측정값)을 제어유닛으로 전송할 수 있다.
제어유닛(미도시)은 장치의 동작을 전자적(전기적)으로 제어하기 위한 수단으로, 온도센서(190)에서 수신된 측정온도를 처리하고, 펠티어(130)와 캐비테이션 발생수단(110,120,180), 송풍팬(160)의 동작(구동 전력)을 제어할 수 있다.
제어유닛은 도2의 온도분포도를 이용하여 하층부의 온도가 설정값 이상이면 펠티어(130)에 최대전류를 인가하여 냉각하고, 캐비테이션 발생이 최대가 되도록 제어신호를 인가한다. 온도가 설정값보다 낮은면 펠티어(130)에 인가되는 전원을 차단하고, 캐비테이션 발생은 강제 순환을 위해 차단하지는 않는다.
The temperature sensor 190 of FIG. 1 may be provided on the inner bottom of the heat storage tank 100 to measure the temperature of the cooling water in the lower layer and transmit the detected measured temperature (measured value) to the control unit.
The control unit (not shown) is a means for electronically (electrically) controlling the operation of the device, and processes the measured temperature received from the temperature sensor 190, the peltier 130, the cavitation generating means 110, 120, and 180, and the blowing fan. The operation (driving power) of 160 can be controlled.
The control unit applies a control signal to cool the Peltier 130 by applying a maximum current to the Peltier 130 when the temperature of the lower layer is higher than the set value using the temperature distribution diagram of FIG. 2 and to maximize the occurrence of cavitation. If the temperature is lower than the set value, the power applied to the peltier 130 is cut off, and the occurrence of cavitation is not blocked for forced circulation.

도1의 송풍팬(160)은 축열조(100)의 상층부로 증발하는 뜨거운 수증기를 응축시키고, 응축된 냉각수가 다시 축열조(100)로 공급될 수 있도록 구비된다.
도10은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 과정(프로세서)을 단계별로 도시한 도면이다. 도10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 급속 냉각 열교환기는 급속 냉각을 하기 위해 초기에 캐비테이션 발생수단(110,120,180)에 전력을 인가하는 단계(P10); 벤츄리관 부근에서 저압이 형성되는 단계(P20); 펠티어(130)를 구동하는 단계(P30); 벤츄리관 부근의 냉각수가 냉각되는 단계(P40); 벤츄리관 부근의 냉각수가 어는점에 도달하는 단계(P50); 벤츄리관 부근에서 캐비테이션의 결정핵이 형성되는 단계(P60); 결정핵이 결빙으로 성장하는 단계(P70); 결빙된 캐비테이션의 열교환에 의해 1차 냉각하는 단계(P80); 캐비테이션이 소멸되면서 냉각수를 밀도가 낮은 상부로 밀어내는 단계(P90); 캐비테이션이 소멸된 곳으로 냉각수가 강제 순환하는 단계(P100); 송풍팬(160)을 구동하여 수증기를 응축시키는 단계(P110);를 차례로 수행하여 축열조(100) 내부에서 냉각수를 강제 순환시켜 급속 냉각하게 된다.
The blowing fan 160 of FIG. 1 condenses hot water vapor evaporating to the upper portion of the heat storage tank 100 and is provided so that the condensed cooling water can be supplied to the heat storage tank 100 again.
10 is a diagram showing a step-by-step cooling process (processor) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, the rapid cooling heat exchanger according to an embodiment of the present invention initially applies power to the cavitation generating means (110, 120, 180) for rapid cooling (P10); A step of forming a low pressure in the vicinity of the Venturi tube (P20); Driving the peltier 130 (P30); cooling the cooling water near the venturi tube (P40); Reaching the freezing point of the cooling water near the Venturi tube (P50); Formation of cavitation crystal nuclei in the vicinity of the Venturi tube (P60); growing crystal nuclei by freezing (P70); Primary cooling by heat exchange of frozen cavitation (P80); Pushing the coolant to the upper part of the lower density while the cavitation disappears (P90); Forcibly circulating cooling water to a place where cavitation is eliminated (P100); Condensing the water vapor by driving the blowing fan 160 (P110) is sequentially performed to forcibly circulate the cooling water inside the heat storage tank 100 to achieve rapid cooling.

캐비테이션 발생수단(110,120,180)에 전력을 인가하는 단계(P10)는 초음파 발생장치(110)가 50 ~ 150kHz의 발진 주파수를 갖는 초음파 진동을 가하거나 기포공급기(120)를 가동하게 된다. 초음파 진동은 도 7에 도시된 냉각수에 캐비테이션 현상을 발생시키게 된다. In the step (P10) of applying power to the cavitation generating means (110, 120, 180), the ultrasonic generator 110 applies ultrasonic vibration having an oscillation frequency of 50 to 150 kHz or the bubble supplier 120 is operated. Ultrasonic vibration causes a cavitation phenomenon in the cooling water shown in FIG. 7 .

캐비테이션 현상은 초음파 진동이 액체에 전파될 때 초음파 진동의 압력 변화에 의해 미세 기포가 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이 압력과 고온은 수백분의 1초에서 수천 분의 1초 단위의 짧은 시간 동안 발생한다. Cavitation is a phenomenon in which microbubbles are created and destroyed by pressure changes of ultrasonic vibrations when ultrasonic vibrations are propagated in a liquid, and it is accompanied by very high pressure and high temperature. This pressure and high temperature occurs for a short time, on the order of hundreds of seconds to thousands of seconds.

벤츄리관 부근에서 저압이 형성되는 단계(P20)는 초음파 발생장치(110)나 기포 발생기에 의해 생성되는 캐비테이션이 통로가 좁아지는 관을 통과할 때 속도는 빨라지고, 내부의 압력을 낮아진다.In the step (P20) of forming a low pressure in the vicinity of the venturi tube, when the cavitation generated by the ultrasonic generator 110 or the bubble generator passes through the narrowed tube, the speed increases and the internal pressure decreases.

펠티어(130) 열전소자를 구동하는 단계(P30)는 온도센서(190)의 신호에 기초하여 펠티어(130)에 전력을 인가하고, 온열부에 장착된 히트싱크 모듈의 냉각팬을 구동 시킨다. 벤츄리관 부근의 냉각수가 냉각되는 단계(P40)에서는 펠티어(130)의 냉각부에 인접한 벤츄리관 부분의 냉각수가 주위보다 빠르게 냉각이 진행된다.In step P30 of driving the thermoelectric element of the peltier 130, power is applied to the peltier 130 based on the signal of the temperature sensor 190, and the cooling fan of the heat sink module mounted on the heating unit is driven. In the step of cooling the cooling water near the Venturi tube (P40), the cooling water in the portion of the Venturi tube adjacent to the cooling part of the Peltier 130 cools faster than the surroundings.

벤츄리관 부근에서 냉각수가 어느점에 도달하는 단계(P50)에서 상전이 그래프를 참조하면 벤츄리관에서 압력이 낮아질 때 냉각수의 어는점온도는 D->E로 상승하고, 끓는점의 온도는 F->G로 하강하여 주위보다 빠르게 어느점에 도달하게 된다. Referring to the phase transition graph at the stage where the cooling water reaches a certain point near the Venturi tube (P50), when the pressure in the Venturi tube decreases, the freezing point temperature of the cooling water rises from D->E, and the boiling point temperature goes from F->G It descends and reaches a certain point faster than its surroundings.

벤츄리관 부근에서 캐비테이션 결정핵이 형성되는 단계(P60)에서는 결빙이나 얼음으로 성장하기 쉬운 구조의 결정핵이 형성된다. 결정핵들이 집합되는 속도와 같은 속도로 결정핵들이 분사되려는 성질 때문에 집합체를 이루지 못하는데, 이런 상태에서 만약 온도의 감소 또는 압력의 감소, 농도의 증가 등이 이온들이 집체를 이룰 수 있는 유리한 조건이 되면, 다수의 결정핵이 생성된다. 또한 캐비테이션 현상에 의해 발생된 기포가 소멸될 때의 압력 및 기포 내에서의 방전은 결정핵의 형성을 촉발시킨다.In the step of forming cavitation crystal nuclei near the Venturi tube (P60), crystal nuclei having a structure that easily grows into freezing or ice are formed. Due to the nature of crystal nuclei being sprayed at the same rate as the rate at which crystal nuclei are aggregated, aggregates cannot be formed. , a large number of crystal nuclei are produced. In addition, the pressure generated by the cavitation phenomenon when the bubble disappears and the discharge within the bubble trigger the formation of crystal nuclei.

결정핵이 결빙으로 성장하는 단계(P70)에서는 펠티어(130) 냉각구동에 의해 결정핵을 중심으로 0.01 ~ 0.001mm의 입자경을 갖는 결정핵(미소 얼음결정)이 급격하게 성장하여 결빙으로 된다. 결빙된 캐비테이션의 열교환에 의해 1차 냉각하는 단계(P80)에서는 벤츄리관을 통해 상승하는 결빙된 캐비테이션이 축열조(100)내의 데워진 냉각수와 만나 열교환하여 1차 냉각기능을 제공한다. 캐비테이션이 소멸되면서 냉각수를 밀도가 낮은 상부로 밀어내는 단계(P90)에서는 캐비테이션이 압축되어 폭발할 때 고온 및 고압으로 인해 주위의 냉각수를 밀어낸다. 캐비테이션이 소멸된 곳으로 냉각수가 강제 순환하는 단계(P100)에서는 폭발한 곳에서 저압이 형성되어 순간적으로 주위의 냉각수가 들어와 강제 순환이 이루어진다.In the step of growing crystal nuclei into freezing (P70), crystal nuclei (micro ice crystals) having a particle diameter of 0.01 to 0.001 mm centered on the crystal nucleus are rapidly grown by the cooling drive of the peltier 130, resulting in freezing. In the step of primary cooling by heat exchange of the frozen cavitation (P80), the frozen cavitation rising through the Venturi tube meets the cooled water warmed in the heat storage tank 100 and exchanges heat to provide a primary cooling function. In step P90 of pushing the cooling water to the upper part with low density as the cavitation disappears, when the cavitation is compressed and exploded, the high temperature and high pressure push the surrounding cooling water out. In the step of forcibly circulating the coolant to the place where the cavitation is eliminated (P100), low pressure is formed at the place where the explosion occurred, and the surrounding coolant is momentarily introduced to the forced circulation.

송풍팬(160)을 구동하여 수증기를 응축시키는 단계(P110)에서는 외부의 찬 공기를 축열조(100) 내부로 공급하여 수증기를 응축시키고, 축열조(100) 내부로 다시 냉각수를 재공급한다.In the step of condensing the water vapor by driving the blowing fan 160 (P110), outside cold air is supplied into the heat storage tank 100 to condense the water vapor, and cooling water is re-supplied into the heat storage tank 100.

이상으로 본 발명의 실시예에 따라 고온의 유체가 축열조(100)로 입력되더라도, 펠티어(130), 벤츄리관과 캐비테이션 발생수단(110,120,180), 송풍팬(160)이 구비되어, 축열조(100) 내부에서 결빙을 이용한 1차 냉각 열교환과 캐비테이션 폭발로 강제 순환시키는 2차 냉각 열교환에 의해 급속 냉각 열교환장치가 마련된다. As described above, even if the high-temperature fluid is input to the heat storage tank 100 according to the embodiment of the present invention, the Peltier 130, the Venturi tube, the cavitation generating means 110, 120, and 180, and the blowing fan 160 are provided, so that the inside of the heat storage tank 100 A rapid cooling heat exchanger is provided by primary cooling heat exchange using ice and secondary cooling heat exchange forcibly circulated by cavitation explosion.

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100: 축열조
110: 초음파 발생장치
120: 기포공급기
130: 펠티어(Peltier)
140: 히터싱크모듈(Heat sink)
150: 냉각팬
160: 송풍팬
170: 고체유로관
180: 기포공급관
181: 마이크로 노즐(Micro nozzle)
190: 온도센서
200: 벤츄리관(Venturi tube)
100: heat storage tank
110: ultrasonic generator
120: bubble supplier
130: Peltier
140: Heat sink
150: cooling fan
160: blowing fan
170: solid flow pipe
180: bubble supply pipe
181: Micro nozzle
190: temperature sensor
200: Venturi tube

Claims (8)

냉각수가 일정 수위까지 담긴 밀폐형 축열조(100);
상기 축열조(100) 내부에 투입되어 상부 입구로 주입되는 고온 유체와 냉각수를 열교환시켜 저온 유체를 하부 출구로 배출하게 되는 고체유로관(170);
상기 축열조(100) 저부 외측에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 일측면 냉각부가 상기 축열조(100) 표면에 부착된 펠티어(130);
상기 펠티어(130)의 타측면 온열부에 부착된 히트싱크모듈(140);
상기 축열조(100) 저부 내측면에 하나 또는 복수개가 등간격으로 구비되어 상기 펠티어(130) 위치에 대응토록 부착하고, 내부 통로가 위를 향하여 협소해지도록 수직 배치되는 벤츄리관(200);
상기 축열조(100)의 냉각수가 상기 벤츄리관(200)을 통해 캐비티(기포)를 발생시키기 위한 캐비테이션(Cavitation) 발생수단;을 포함하고,
상기 캐비테이션(Cavitation) 발생수단은,
상기 축열조(100) 외부에서 기포공급관(180)을 통해 상기 벤츄리관(200) 저부로 공기를 투입시켜 다공성 기포발생기(182)를 통해 기포를 발생시키는 기포공급기(120);
상기 벤츄리관(200) 내측 저부에 구비되어 상기 기포공급기(120)에서 발생되는 기포의 입자크기를 가변시키는 초음파 발생장치(110);를 더 포함하여,
상기 벤츄리관(200) 내부 캐비테이션(Cavitation)이 상기 초음파 발생장치(110)에 의해 기포 입자크기가 작아질수록 비표면적이 커짐에 따라 상기 펠티어(130) 냉각부에 의한 결정핵 생성률이 높아지는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기.
A sealed heat storage tank 100 containing cooling water up to a certain level;
a solid flow pipe 170 that is injected into the heat storage tank 100 and heat-exchanges the high-temperature fluid injected through an upper inlet with cooling water to discharge the low-temperature fluid through a lower outlet;
One or a plurality of peltiers 130 provided on the outside of the bottom of the heat storage tank 100 at equal intervals and attached to the surface of the heat storage tank 100 with a cooling part on one side;
A heat sink module 140 attached to the heating part on the other side of the peltier 130;
One or a plurality of venturi tubes 200 provided on the inner surface of the bottom of the heat storage tank 100 at equal intervals, attached to correspond to the position of the peltier 130, and arranged vertically so that the internal passage narrows upward;
A cavitation generating means for generating a cavity (bubble) in the cooling water of the heat storage tank 100 through the venturi tube 200; includes,
The cavitation generating means,
a bubble supplier 120 for generating bubbles through a porous bubble generator 182 by injecting air from the outside of the heat storage tank 100 through the bubble supply pipe 180 to the bottom of the venturi tube 200;
Further including,
Characterized in that the crystal nucleus generation rate by the cooling part of the Peltier 130 increases as the specific surface area of the venturi tube 200 internal cavitation increases as the bubble particle size decreases by the ultrasonic generator 110. A rapid cooling heat exchanger using a cavitation generator and a Peltier thermoelectric element.
제1항에 있어서,
상기 고체유로관(170)은 상기 축열조(100) 내부에 지그재그나 다기관 형태로 형성하여 냉각수와의 열접촉 시간이 연장되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기.
According to claim 1,
The solid flow pipe 170 is formed in a zigzag or manifold shape inside the heat storage tank 100 to extend the thermal contact time with the cooling water. A rapid cooling heat exchanger using a cavitation generator and a Peltier thermoelectric element.
제1항에 있어서,
상기 고체유로관(170)은 냉각 효율을 높이기 위해 표면에 냉각 플레이트 및 냉각핀(150)이 형성된 것을 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기.
According to claim 1,
The solid flow pipe 170 is a rapid cooling heat exchanger using a cavitation generator and a Peltier thermoelectric element, characterized in that a cooling plate and a cooling fin 150 are formed on the surface to increase cooling efficiency.
제1항에 있어서,
상기 축열조(100) 상부 일측에서 외부 공기를 내부로 공급하여 상기 축열조(100) 상층부의 수증기를 응축시키는 송풍팬(160);을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기.
According to claim 1,
A blower fan (160) for condensing water vapor in the upper layer of the heat storage tank (100) by supplying external air to the inside from one side of the upper part of the heat storage tank (100); Quick cooling heat exchanger.
제1항에 있어서,
상기 축열조(100)의 냉각수 온도를 측정하는 온도센서(190);
상기 온도센서(190)에서 수신되는 측정값을 처리하여 상기 펠티어(130) 및 캐비테이션 발생수단의 동작을 제어하기 위한 제어유닛;으로 구성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션 발생장치와 펠티어 열전소자를 이용한 급속 냉각 열교환기.
According to claim 1,
a temperature sensor 190 for measuring the temperature of the cooling water in the heat storage tank 100;
A control unit for controlling the operation of the peltier 130 and the cavitation generating means by processing the measured value received from the temperature sensor 190; rapid cooling heat exchange using a cavitation generator and a peltier thermoelectric element. energy.
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