KR102358931B1

KR102358931B1 - 열교환장치

Info

Publication number: KR102358931B1
Application number: KR1020210073982A
Authority: KR
Inventors: 안성욱; 김선수; 한상준
Original assignee: 주식회사 쉬프트베리
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-02-09
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: KR20210108521A; KR102355126B1; KR20210108922A

Abstract

본 발명은 열교환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자의 열전달 특성 효율의 최대화를 위하여 기존 공냉식을 탈피하여 비열이 높고 점도와 빙점이 낮은 열전액체를 이용하여, 워터자켓, 라디에이터, 펌프를 포함한 순환 경로의 구조를 개선한 열교환장치에 관한 것이다.

Description

열교환장치{HEAT EXCHANGER}

일반적으로, 열교환장치(heat exchange equipment ; 熱交換裝置)는 온도가 높은 물체에서 낮은 물체에 효율적으로 열을 이동시키는 장치로서, 액체와 기체 및 고체 등의 열을 이동하는데 사용한다.

이러한 열교환장치는 가열 또는 냉각 용도로 사용하며, 넓은 의미로는 가열기, 냉각기, 응축기 등도 포함되지만 보통은 열을 방출 또는 회수하는 목적으로 사용하는데, 상기 냉각기의 경우 고온 측의 유체의 냉각을 목적으로 사용하고, 가열기는 저온 측 유체의 가열을 목적으로 한다.

이와 같은 열교환장치는 화력발전소ㆍ핵발전소ㆍ가스 터빈ㆍ가열장치ㆍ공기조절기ㆍ냉동장치ㆍ화학산업 태양광용 접속반ㆍ인버터 배전반 등에 사용된다. 보일러ㆍ증발기ㆍ과열기ㆍ응축기ㆍ냉각기 등은 모두 열교환기에 해당한다.

열교환기는 동축으로 배열된 관 2개로 되어 있고 2가지 액체에 대한 각각의 입구와 출구가 있다. 찬 유체는 내관을 통해 흐르고 뜨거운 유체는 내관과 외관 사이에 있는 공간을 통해 같은 방향으로 흐른다. 그 안에서 열은 내관의 벽을 통해 찬 유체로 전달된다.

종래 열전소자를 이용한 열교환기의 냉각 또는 온열 구조를 예로 들자면, 첨부 도면 도 1과 같이, 히트싱크와 팬모터에 의한 공냉식으로, 공기에 의한 흡열 및 방열 시스템으로 열전액체 방식에 비교하여 흡방열 효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 종래 열교환기의 경우, 고온화부와 저온화부를 각각 분리하고, 각각 히트싱크와 팬모터를 구비하여야 하므로, 체적 공간이 커지는 문제점과 팬모터의 수량 증가로 소음이 많이 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 열교환기 특히 열전소자를 이용한 열교환기 내지 열교환장치와 관련된 선행 문헌은 다음과 같다.

문헌 1 : 대한민국등록실용신안공보 제20-0311413호(명칭 : 열전소자와 열교환 장치를 이용한 냉온찜질 기구 ; 출원일 : 2002.11.29.)

문헌 2 : 대한민국공개특허공보 제10-2006-0018181호(명칭 : 열전소자를 이용한 열교환기 ; 출원일 : 2003.08.23.)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로, 열전소자의 열전달 특성 효율의 최대화를 위하여 기존 공냉식을 탈피하여 비열이 높고 점도와 빙점이 낮은 열전액체를 이용하여, 워터자켓, 라디에이터, 펌프를 포함한 순환 경로의 구조를 개선한 열교환장치를 제공하는 것에 목적을 두고 있다.

상기와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은 2개 이상의 병렬 배치된 워터재킷1,2(11)(21)에 대해 열전액체가 각각 경유하여 순환하는 경로를 제공하는 순환경로3,4(P3)(P4) 및 상기 워터재킷2(21)에 간격을 두고 병렬 배치된 워터재킷3(31)을 경유하여 순환경로3(P3)과 통합 순환하는 경로를 제공하는 순환경로5(P5); 상기 워터재킷1,2(11)(21) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷1(11)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자1,2(12)(22) 및 상기 워터재킷2,3(21)(31) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷3(31)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자3,4(32)(33)를 포함하여, 상기 워터재킷1(11) 측과 워터재킷3(31) 측에 각각 형성되는 복수의 고온화부(10)(30) 및 상기 워터재킷2(21) 양측 부분에 형성되는 저온화부(20); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단과 연결되어, 고온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부1(41); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 인입단과 냉각부1(41) 사이에 배치되어, 한 쌍의 고온화부(10)(30)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부1(51); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 배출단과 연결되어, 저온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부2(42); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 인입단과 냉각부2(42) 사이에 배치되어, 상기 저온화부(20)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부2(52); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제해결수단에 의한 본 발명은 상기 열전소자1(12)이 워터재킷1(11)에서 흡열하여 피고온부 즉 고온을 요하는 용기 쪽으로 열을 전달하는 것에 의해, 피고온부에 대한 가열이 이루어지고, 상기 열전소자2(22)가 피저온부 즉 저온을 요하는 용기 쪽에서 흡열하여 워터재킷2(21)으로 열을 전달하는 것에 의해, 피저온부에 대한 냉각이 이루어지도록 함으로써, 단일의 열교환을 위한 순환경로를 통해, 상기 고온화부(10)와 저온화부(20)에서 동시에 고온과 저온의 복합적이면서 다각적인 열교환이 이루어지도록 하는 효과를 얻는다.

또한, 본 발명은 상기 순환유도부(50)인 워터펌프가 냉각부(40)인 라디에이터에서 1차 저온화된 열전액체(A℃)를 워터재킷1(11)로 공급하면, 상기 열전소자1(12)이 열전액체의 열(α℃)을 흡수하여 피고온부로 전달하게 되므로, 상기 피고온부는 열전소자1(12)의 발열 온도가 더해져 온도가 올라가고(A+α℃), 열전액체는 저온화(A-α℃) 되어 피저온부가 위치한 워터자켓2(21)로 이동하게 되며, 이때, 상기 피저온부는 열전소자의 특성상 열전소자2(22)의 양면 온도차이(Δt)에 의한 냉각 성능이 나타남으로써, 상기 피고온부 측으로부터 2차 저온화된 열전액체가 더 많은 열량을 가져가게 되고, 이에 따라 상기 피저온부는 냉각부(40)인 라디에이터에서 1차 저온화된 열전액체(A℃)가 공급된 것보다 더 저온화된 열전액체(A-2α℃)에 의해 냉각되므로, 증대된 냉각 효율로 냉각이 이루어지도록 하는 효과를 얻는다.

또한, 본 발명은 이러한 열전액체의 순환에 의한 흡열 및 방열 작용으로 피고온부의 고온화 및 피저온부의 저온화가 더욱 효율적으로 이루어지도록 하는 효과를 얻는다.

또한, 본 발명은 복수의 워터재킷과 열전소자를 직렬 또는 병렬로 배치하고 이들에 대한 통합적 또는 개별적 순환경로와 냉각부를 제공함으로써, 다각적 적용성을 향상시키는 효과를 얻는다.

도 1은 종래 열교환장치의 예를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구성을 간략히 도시한 구성도.

이와 같이 제시하는 첨부 도면을 참고로 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 첨부 도면 도 2에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 병렬 배치된 워터재킷1,2(11)(21)에 대해 열전액체가 각각 경유하여 순환하는 경로를 제공하는 순환경로3,4(P3)(P4) 및 상기 워터재킷2(21)에 간격을 두고 병렬 배치된 워터재킷3(31)을 경유하여 순환경로3(P3)과 통합 순환하는 경로를 제공하는 순환경로5(P5); 상기 워터재킷1,2(11)(21) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷1(11)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자1,2(12)(22) 및 상기 워터재킷2,3(21)(31) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷3(31)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자3,4(32)(33)를 포함하여, 상기 워터재킷1(11) 측과 워터재킷3(31) 측에 각각 형성되는 복수의 고온화부(10)(30) 및 상기 워터재킷2(21) 양측 부분에 형성되는 저온화부(20); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단과 연결되어, 고온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부1(41); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 인입단과 냉각부1(41) 사이에 배치되어, 한 쌍의 고온화부(10)(30)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부1(51); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 배출단과 연결되어, 저온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부2(42); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 인입단과 냉각부2(42) 사이에 배치되어, 상기 저온화부(20)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부2(52); 를 포함하는 것일 수 있다.

이때, 상기 냉각부1(41)은 일측 단은 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단에 연결되고 타측 단은 순환유도부1(51)로 연결되고, 상기 냉각부2(42)는 일측 단은 워터재킷2(21)의 배출단에 연결되고 타측 단은 순환유도부2(52)에 연결될 수 있다.

여기서, 본 발명 중 상기 순환경로들은 구성요소와 구성요소를 연통시키는 배관 또는 호스일 수 있다.

한편, 본 발명 중 상기 열전소자들은 전류의 흐름에 따라 접합된 다른 종류의 두 금속(열전 반도체 소재)이 고온과 저온으로 온도차가 나타나는 펠티에 소자일 수 있다.

또 한편, 본 발명 중 상기 워터재킷들은 열전소자들과 면접하여 고정된 상태에서 흐르는 열전액체와 열교환이 이루어지도록 하는 중공 경로에 열교환부재가 마련된 블록체일 수 있다.

또 한편, 본 발명 중 상기 냉각부는 라디에이터 또는 팬모터가 구비된 라디에이터일 수 있다.

또 한편, 본 발명 중 상기 순환유도부는 워터펌프 및 워터탱크가 구비된 워터펌프일 수 있다.

이와 같이 되는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 첨부 도면 도 2에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 병렬 배치된 워터재킷1,2(11)(21)에 대해 열전액체가 각각 경유하여 순환하는 경로를 제공하는 순환경로3,4(P3)(P4) 및 상기 워터재킷2(21)에 간격을 두고 병렬 배치된 워터재킷3(31)을 경유하여 순환경로3(P3)과 통합 순환하는 경로를 제공하는 순환경로5(P5); 상기 워터재킷1,2(11)(21) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷1(11)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자1,2(12)(22) 및 상기 워터재킷2,3(21)(31) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷3(31)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자3,4(32)(33)를 포함하여, 상기 워터재킷1(11) 측과 워터재킷3(31) 측에 각각 형성되는 복수의 고온화부(10)(30) 및 상기 워터재킷2(21) 양측 부분에 형성되는 저온화부(20); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단과 연결되어, 고온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부1(41); 상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 인입단과 냉각부1(41) 사이에 배치되어, 한 쌍의 고온화부(10)(30)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부1(51); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 배출단과 연결되어, 저온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부2(42); 상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 인입단과 냉각부2(42) 사이에 배치되어, 상기 저온화부(20)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부2(52); 를 포함하는 열교환장치이다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 열교환 방식은 워터재킷들과 이에 대응되는 순환경로들을 통해 열전액체가 순환하고, 이때, 상기 워터재킷의 일측 면에 열전소자의 흡열부위가 면접되어, 워터재킷 내로 흐르는 열전액체의 온도를 저하시킴과 동시에, 상기 흡열부위와 반대에 위치한 발열부위의 온도가 높아지면서 피고온화부(1)를 가열하고, 상기 워터재킷의 일측 면에 열전소의 발열부위가 면접되어, 워터재킷 내로 흐르는 열전액체의 온도를 상승시킴과 동시에, 상기 발열부위와 반대에 위치한 흡열부위의 온도가 낮아지면서 저온화부(20)를 냉각시키도록 된 것이다.

이때, 상기 워터재킷의 배출단으로 배출되는 고온의 열전액체는 냉각부를 거치면서 냉각된 상태로 순환유도부에 의해 워터재킷의 인입단으로 인입되어, 상기와 같은 동작을 지속한다.

본 발명은 피고온부(1 ; 고온부 용기)와 피저온부(2 ; 저온부 용기)를 동시에 고효율로 가열 및 냉각시킬 수 있는 장치이다.

이러한 본 발명은 상기 열전소자가 워터재킷에서 흡열하여 고온화부(10) 즉 고온을 요하는 용기 쪽으로 열을 전달하는 것에 의해, 고온화부(10)에 대한 가열이 이루어지고, 상기 열전소자가 저온화부(20) 즉 저온을 요하는 용기 쪽에서 흡열하여 워터재킷으로 열을 전달하는 것에 의해, 저온화부(20)에 대한 냉각이 이루어진다.

이때, 상기 순환유도부(50)인 워터펌프가 냉각부(40)인 라디에이터에서 1차 저온화된 열전액체(A℃)를 워터재킷으로 공급하면, 상기 열전소자가 열전액체의 열(α℃)을 흡수하여 고온화부(10)로 전달하게 되므로, 상기 고온화부(10)는 열전소자의 발열 온도가 더해져 온도가 올라가고(A+α℃), 열전액체는 저온화 되어 저온화부(20)가 위치한 워터자켓으로 이동한다.

이때, 상기 저온화부(20)는 열전소자의 특성상 열전소자의 양면 온도차이(Δt)에 의한 냉각 성능이 나타나므로, 상기 고온화부(10) 측으로부터 2차 저온화된 열전액체가 더 많은 열량을 가져가게 되고, 이에 따라 상기 저온화부(20)는 냉각부(40)인 라디에이터에서 1차 저온화된 열전액체(A℃)가 공급된 것보다 더 저온화된 열전액체(A-2α℃)에 의해 냉각되므로, 증대된 냉각 효율로 냉각이 이루어지도록 한다.

상기 저온화부(20)로부터 열을 흡수하여 고온화된 열전액체는 냉각부(40)인 라디에이터와 팬모터의 방열 작용(-α℃)으로 1차 저온화(A℃)되어, 상기 순환유도부(50)를 구성하는 워터탱크로 이동하게 되고, 순환유도부(50)인 워터펌프에 의해, 다시 고온화부(10)가 위치한 워터재킷으로 유도된다.

본 발명 이러한 열전액체의 순환에 의한 흡열 및 방열 작용으로 고온화부(10)의 고온화 및 저온화부(20)의 저온화가 더욱 효율적으로 이루어지도록 한다.

참고로, 열전액체는 증류수에 부패방지 및 부동성분을 첨가한 비열이 1로 열전달특성이 최고인 특성의 액체이다.

정리하자면, 본 발명은 상기 열전소자들의 열전달 손실을 최소화, 효율을 최대화하기 위한 방안으로, 양쪽 면을 열 전달면으로 사용할 수 있는 워터재킷을 중간에 두고, 양쪽 면에 열전소자들을 배치하고 양쪽의 열전소자의 외측에 각각 워터재킷을 장치한 열전소자 2단, 워터재킷 3단을 서로 교대 결합한 구조이다.

이와 같은 본 발명은 중간에 위치한 워터재킷2(21)을 통하는 열전액체를 냉각 또는 온열을 목적으로 사용하는 것에 따라서 양측의 열전소자1,2(12)(22) 및 열전소자3,4(32)(33)의 열전달 방향을 다르게 한다.

상기 중간의 워터자켓2(21)의 열을 바깥쪽 워터재킷1(11)과 워터재킷3(31) 방향으로 전달하게 하면, 상기 워터자켓2(21)는 열을 뺏기면서 저온으로 되어 열전액체를 저온으로 만든다.

이와 같이 저온화된 열전액체를 냉각이 필요한 공간 또는 튜브 등으로 통하게 하여 냉각기능을 이용할 수 있다. 이때에는 양 바깥쪽의 워터자켓1,3(11)(31)의 열전액체는 각각의 순환유도부1,2(51)(52)인 워터펌프에 의해 각각의 냉각부1,2(41)(42)인 라디에이터를 통과하면서 팬모터에 의해 방열하게 되고, 다시 상기 워터재킷1,3(11)(31) 및 워터재킷2(21)로 유도되면서 지속적으로 내부의 열을 흡수하여 순환하면서 외부로 방열하게 된다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들자면, 열전달 매체를 열전액체로 설명하였으나, 기체 또는 고체도 본 발명에서 열전달 매체의 실시예로 적용될 수 있다.

그 밖에도, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : 고온화부 11 : 워터재킷1
12 : 열전소자1 20 : 저온화부
21 : 워터재킷2 22 : 열전소자2
30 : 고온화부 31 : 워터재킷3
32,33 : 열전소자3,4 40 : 냉각부
41,42 : 냉각부1,2 50 : 순환유도부
51,52 : 순환유도부1,2 P3,4,5 : 순환경로3,4,5

Claims

2개 이상의 병렬 배치된 워터재킷1,2(11)(21)에 대해 열전액체가 각각 경유하여 순환하는 경로를 제공하는 순환경로3,4(P3)(P4) 및 상기 워터재킷2(21)에 간격을 두고 병렬 배치된 워터재킷3(31)을 경유하여 순환경로3(P3)과 통합 순환하는 경로를 제공하는 순환경로5(P5);
상기 워터재킷1,2(11)(21) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷1(11)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자1,2(12)(22) 및 상기 워터재킷2,3(21)(31) 사이에서 워터재킷2(21)로부터 흡열하여 워터재킷3(31)에 대해 발열 동작하는 단일 또는 한 쌍의 열전소자3,4(32)(33)를 포함하여, 상기 워터재킷1(11) 측과 워터재킷3(31) 측에 각각 형성되는 복수의 고온화부(10)(30) 및 상기 워터재킷2(21) 양측 부분에 형성되는 저온화부(20);
상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단과 연결되어, 고온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부1(41);
상기 순환경로3,5(P3)(P5) 중 워터재킷1,3(11)(31)의 인입단과 냉각부1(41) 사이에 배치되어, 한 쌍의 고온화부(10)(30)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부1(51);
상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 배출단과 연결되어, 저온의 열전액체의 온도를 저하시키는 냉각부2(42);
상기 순환경로4(P4) 중 워터재킷2(21)의 인입단과 냉각부2(42) 사이에 배치되어, 상기 저온화부(20)에 대한 열전액체의 강제 순환을 유도하는 순환유도부2(52); 를 포함하되,
상기 고온화부(10)에는 고온으로 가열을 요하는 물체가 저장된 용기가 구비되고, 상기 저온화부(20)에는 저온으로 냉각을 요하는 물체가 저장된 용기가 구비된 것,
을 특징으로 하는 열교환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각부1(41)은 일측 단은 워터재킷1,3(11)(31)의 배출단에 연결되고 타측 단은 순환유도부1(51)로 연결되고, 상기 냉각부2(42)는 일측 단은 워터재킷2(21)의 배출단에 연결되고 타측 단은 순환유도부2(52)에 연결된 것,
을 특징으로 하는 열교환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열전소자들은 전류의 흐름에 따라 접합된 다른 종류의 두 금속이 고온과 저온으로 온도차가 나타나는 펠티에 소자이고, 상기 워터재킷들은 열전소자들과 면접하여 고정된 상태에서 흐르는 열전액체와 열교환이 이루어지도록 하는 중공 경로에 열교환부재가 마련된 블록체인 것,
을 특징으로 하는 열교환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각부는 라디에이터 또는 팬모터가 구비된 라디에이터이고, 상기 순환유도부는 워터펌프 또는 워터탱크가 구비된 워터펌프인 것,
을 특징으로 하는 열교환장치.
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