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KR20140016266A - 펠티에 소자를 갖춘 액체-공기 열교환 장치를 구비한 실내형 공기 조화기 - Google Patents

펠티에 소자를 갖춘 액체-공기 열교환 장치를 구비한 실내형 공기 조화기 Download PDF

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KR20140016266A
KR20140016266A KR1020137021248A KR20137021248A KR20140016266A KR 20140016266 A KR20140016266 A KR 20140016266A KR 1020137021248 A KR1020137021248 A KR 1020137021248A KR 20137021248 A KR20137021248 A KR 20137021248A KR 20140016266 A KR20140016266 A KR 20140016266A
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KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
air
liquid
flow channel
peltier element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020137021248A
Other languages
English (en)
Inventor
슈테판 호일레
알렉산드르 졸로구벤코
Original Assignee
멘투스 홀딩 아게
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 멘투스 홀딩 아게 filed Critical 멘투스 홀딩 아게
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

본 발명은 공기를 위한 제1 유동 채널(2; 2A) 및 액체를 위한 제2 유동 채널(5)과 적어도 하나의 펠티에 소자(14)를 포함하는, 액체와 공기 사이의 열교환을 위한 액체-공기 열교환 장치를 갖춘 실내형 공기 조화기에 관한 것이다. 열교환 장치(1)는 열이 액체와 공기 사이에서 수동적으로 교환되는 제1 스테이지(17)와, 적어도 하나의 펠티에 소자(14)에 전류를 인가함으로써 열이 액체로부터 공기로 또는 공기로부터 액체로 전달되는 후속 제2 스테이지(18)로 분할된다.

Description

펠티에 소자를 갖춘 액체-공기 열교환 장치를 구비한 실내형 공기 조화기{ROOM AIR CONDITIONER HAVING A LIQUID-TO-AIR HEAT EXCHANGING DEVICE HAVING PELTIER ELEMENTS}
본 발명은 펠티에 소자를 갖춘 액체-공기 열교환 장치를 구비한 실내형 공기 조화기에 관한 것이다.
용어 "열전 소자(thermoelectric element)" 또는 "펠티에 히트 펌프(Peltier heat pump)"가 흔히 현장에서 용어 "펠티에 소자(Peltier element)"에 대해 호환되어 사용되고 있다. 용어 "펠티에 소자"는 본 명세서 및 특허청구범위의 범위 내에서 그 내부 구조에서 1개 또는 수개의 열전 소자로 구성되는 열전 구성요소로서 이해되어야 한다. 열전 소자는 특히 펠티에 효과에 기반하지만, 그것들은 또한 열 터널링(thermo tunnelling)으로 알려진 원리와 같은 다른 열전 효과에 기반할 수 있다.
펠티에 소자는 서로 접촉하고 있는 그리고 보통 열전쌍(thermo pair)으로 알려진 2개의 금속 또는 2개의 반도체로 구성된다. 전기 직류가 펠티에 소자를 통해 흐를 때, 하나의 금속 또는 하나의 반도체가 가열되는 반면에, 다른 하나의 금속 또는 다른 하나의 반도체는 냉각될 것이다. 따라서, 펠티에 소자는 펠티에 소자의 하나의 표면으로부터 펠티에 소자의 대향 표면으로 또는 반대로 전류에 의해 열을 운반하는 전류-작동식 히트 펌프로서 작동하며, 즉 그것은 하나의 표면을 냉각시킴과 동시에 다른 하나의 표면을 가열한다.
수개의 방을 갖춘 건물을 위한 난방 및 냉방 설비가 DE 1817077로부터 알려져 있다. 이러한 설비는 중앙 난방 장치와 방 내에 배치되는 펠티에 히트 펌프를 포함한다. 펠티에 히트 펌프는 열전달 회로를 통해 중앙 난방 장치에 연결된다. 중앙 난방 장치는 난방력 및 냉방력의 주된 부분을 공급하는 반면에, 펠티에 히트 펌프는 개별 방 내의 온도의 미세 조절을 위해 사용된다.
본 발명은 그러한 난방 및 냉방 설비의 효율을 개선하는데 목적을 두고 있다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명의 결과는 공기를 위한 제1 유동 채널 및 액체를 위한 제2 유동 채널을 포함하는, 액체와 공기 사이의 열교환을 위한 액체-공기 열교환 장치를 갖춘 실내형 공기 조화기이다. 열교환 장치는 두 유동 채널이 열 수동형(thermally passive) 분리 벽에 의해 분리되는 제1 스테이지와, 두 유동 채널이 열 능동형(thermally active) 분리 벽에 의해 분리되는 후속 제2 스테이지를 포함한다. 열 수동형 분리 벽은 열을 잘 전도하는 재료로 구성된다. 열 능동형 분리 벽은 적어도 하나의 펠티에 소자로 구성되거나 적어도 하나의 펠티에 소자를 포함한다. 펠티에 소자는 유리하게는 그것이 열 능동형 분리 벽으로서 열교환 장치 내에 직접 설치될 수 있도록 하는 구성요소로서 형성된다.
열은 제1 스테이지에서 액체와 공기 사이에서 수동적 방식으로 교환되고(열전달로서), 공기의 온도는 액체와 온도와 동일해진다. 열은 제2 스테이지에서 적어도 하나의 펠티에 소자에 전류를 공급함으로써 액체로부터 공기로 또는 반대 방향으로 공기로부터 액체로 펌핑된다. 펠티에 소자는 공기가 가열될 필요가 있을 때 액체로부터 공기로 열을 펌핑하는 그리고 공기가 냉각될 필요가 있을 때 공기로부터 액체로 열을 펌핑하는 히트 펌프로서 작동한다. 액체는 이러한 과정에서 전체 상태의 어떠한 변화도 겪지 않는다. 열교환 장치는 또한 전압원 및/또는 전류원을 포함하는 그리고 적어도 하나의 펠티에 소자를 통해 흐르는 전류를 발생시키도록 그리고 상기 전류를 상응하게 제어하도록 구성되는 제어 장치를 포함한다.
용어 "능동적(active)"은 열이 전력의 공급에 의해 액체로부터 공기로 또는 적어도 하나의 펠티에 소자를 통해 흐르는 전류의 반대 방향으로 공기로부터 액체로 펌핑됨을 의미하도록 의도된다. 특히, 열은 열 능동형 분리 벽의 고온측으로부터 저온측으로 그리고 저온측으로부터 고온측으로 펌핑될 수 있다. 반면에, 용어 "수동적(passive)"은 액체와 공기 사이의 열수송이 외부 에너지 공급에 의해 지원되지 않아, 열이 단지 열 수동형 분리 벽의 고온측으로부터 저온측으로 흐를 것임을 의미한다.
본 발명에 의하면, 난방 및 냉방 설비의 효율이 개선된다.
이하에서는 본 발명이 실시 형태 및 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 도면은 개략적이며 축척에 맞게 도시되지 않는다. 도면에서 동일한 도면 부호가 동일한 요소에 대해 사용된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 액체-공기 열교환 장치의 상이한 실시 형태를 도시한다.
도 5는 건물의 방을 난방 및/또는 냉방하기 위한 그러한 열교환 장치를 갖춘 설비를 도시한다.
도 6은 실내형 공기 조화기로서 배치되는 열교환 장치를 개략적으로 도시한다.
도 1은 이하에서 열교환 장치(1)로 지칭될, 액체와 공기 사이의 열교환을 위한 본 발명에 따른 액체-공기 열교환 장치를 개략적으로 도시한다. 열교환 장치(1)는 제1 입구(3) 및 제1 출구(4)를 갖춘, 공기를 위한 제1 유동 채널(2)과 제2 입구(6) 및 제2 출구(7)를 갖춘, 액체를 위한 제2 유동 채널(5)을 포함한다. 유동 채널(2, 5) 내에서 공기와 액체의 바람직한 유동 방향이 화살표로 예시된다. 제1 유동 채널(2)은 제1 챔버(8) 및 후속 제2 챔버(9)를 포함하고, 제2 유동 채널(5)은 제3 챔버(10) 및 후속 제4 챔버(11)를 포함한다. 제1 챔버(8)와 제3 챔버(10)는 예를 들어 금속과 같은 열을 아주 잘 전도하는 재료로 구성되는 열 수동형(thermally passive) 분리 벽(12)에 의해 분리된다. 제2 챔버(9)와 제4 챔버(11)는 적어도 하나의 제1 펠티에 소자(14)로 구성되는 또는 적어도 하나의 제1 펠티에 소자(14)를 포함하는 열 능동형(thermally active) 분리 벽(13)에 의해 분리된다. 분리 벽(12, 13)의 일측 또는 양측에 핀(fin)(15)이 제공될 수 있다. 핀(15)은 이것들이 가장 효율적인 방식으로 공기 또는 액체로 열을 방열하거나 그것으로부터 상기 열을 흡열할 수 있도록 예를 들어 판금, 리브, 핑거 등으로서 배치된다.
열교환 장치(1)는 또한 제1 펠티에 소자(14)를 통해 흐르는 전류를 제어하는 제어 장치(16)를 포함한다. 이러한 과제를 수행하기 위해, 제어 장치(16)는 온도 센서 및/또는 상위-레벨(higher-level) 제어 장치(미도시)에 의해 온도 신호 또는 제어 명령을 공급받을 것이다. 온도 센서는 예를 들어 입구 또는 출구에 근접하여 또는 챔버 내에 배치된다.
제1 챔버(8)와 제3 챔버(10)는 열 수동형 분리 벽(12) 및 존재하는 경우 관련 핀(15)과 함께 액체와 공기 사이의 수동적(passive) 열교환을 위한 제1 스테이지(17)를 공동으로 형성한다. 제2 챔버(9)와 제4 챔버(11)는 열 능동형 분리 벽(13) 및 존재하는 경우 관련 핀(15)과 제어 장치(16)와 함께 액체로부터 공기로 또는 반대로 열의 능동적(active) 펌핑을 위한 제2 스테이지(18)를 형성한다.
도 1을 참조하여 기술된 제1 스테이지(17)의 실시 형태는 액체와 공기 사이의 효율적인 열교환을 허용한다. 그러나, 제1 스테이지(17)는 또한 제2 유동 채널(5) 내에 형성되는 전체 상태의 어떠한 변화 없이 액체와 공기 사이의 열교환에 적합한 다른 열교환기에 의해 실현될 수 있다.
액체는 전형적으로 액체가 그것을 통해 펌핑 수단(미도시)에 의해 운반되는 그리고 열교환 장치(1)가 그것에 연결되는 폐회로 내에서 순환한다. 열교환 장치(1) 또는 열교환 장치(1)를 갖춘 실내형 공기 조화기는 또한 공기를 유동 채널(2)을 통해 운반하기 위해 팬(28)을 포함할 수 있다. 자연 대류도 또한 유동 채널(2)을 통한 유동을 위해 사용될 수 있다. 도 1에 명확하게 도시된 바와 같이, 공기와 액체의 유동 방향은 이 실시예에서 동일한 방향으로 서로에 대해 평행하게 연장된다. 그러나, 대향류 또는 역류를 위한 구성도 또한 가능하다.
도 2는 공기 유동 채널(2A, 2B)이 액체 유동 채널(5)의 양측에 배치되는, 본 발명에 따른 열교환 장치(1)의 유리한 실시 형태를 도시한다. 공기 유동 채널(2A, 2B)은 제1 스테이지(17)에서 열 수동형 분리 벽(12A, 12B)에 의해 그리고 제2 스테이지(18)에서 열 능동형 분리 벽(13A, 13B)에 의해 액체 유동 채널(5)로부터 분리되며, 여기에서 열 능동형 분리 벽(13A, 13B)은 적어도 하나의 각각의 제1 펠티에 소자(14A, 14B)로 구성되거나(이전 실시예에서와 같이), 제1 펠티에 소자(14A, 14B)를 포함한다. 공기 유동 채널(2A)의 요소의 도면 부호에는 문자 A가 부가되고, 공기 유동 채널(2B)의 요소의 도면 부호에는 문자 B가 부가된다. 입구(3A, 3B)가 서로 연결될 수 있고, 출구(4A, 4B)도 또한 서로 연결될 수 있다. 유동 채널(2A, 2B) 내의 공기는 또한 각각의 채널에 대해 다른 공급원으로부터 유래될 수 있고, 그리고/또는 각각의 채널에 대해 열교환기 장치(1)로부터 빠져나간 후 다른 위치로 운반될 수 있다. 필요하다면, 제어 장치(16)는 분리 벽(13A)의 펠티에 소자(14A)를 분리 벽(13B)의 펠티에 소자(14B)와는 독립적으로 작동시키도록 구성된다.
도 3은 적어도 하나의 제2 펠티에 소자(20)로 구성되거나 적어도 하나의 제2 펠티에 소자(20)를 포함하는 열 능동형 분리 벽(19)으로서 제4 챔버(11)의 다른 벽이 형성되는, 본 발명에 따른 열교환 장치의 다른 실시 형태를 도시하며, 여기에서 제2 펠티에 소자(20)는 열교환 장치(1)의 외벽(21)의 일부와 우수한 열접촉을 하고 있다. 외벽(21)은 특히 알루미늄과 같은 열을 아주 잘 전도하는 재료로 구성되는, 열교환 장치(1)의 전방 플레이트이어서, 전방 플레이트가 제2 펠티에 요소(20)와 함께 가열될 수 있고, 열이 열교환 장치(1)가 내부에 위치되는 방으로 복사열로서 방열될 수 있다. 외벽(21)은 이상적으로는 적합한 색의 비-금속성 표면과 같은 높은 방열 계수를 갖는 표면을 포함한다. 이 실시예에서, 열 능동형 분리 벽(19)은 열 능동형 분리 벽(13)에 비해 챔버(11)의 반대측에 배치되며, 즉 두 열 능동형 분리 벽(19, 13)은 챔버(11)의 서로 대향하는 경계이다. 제어 장치(16)는 유리하게는 제2 펠티에 소자(20)를 제1 펠티에 소자(14)와는 독립적으로 작동시키도록 구성된다.
도 4는 도 3과는 대조적으로 제4 챔버(11)의 다른 벽이 없지만 그 대신에 제3 챔버(10)의 다른 벽이 제2 펠티에 소자(20)로부터 열 능동형 분리 벽(22)으로서 형성되는, 본 발명에 따른 열교환 장치의 실시 형태를 도시한다. 도 3과 도 4는 단지 각각의 열 능동형 분리 벽(19, 22)과 우수한 열접촉을 하고 있는 외벽(21)의 부분만을 도시한다.
열교환 장치(1) 또는 실내형 공기 조화기의 외벽과 우수한 열접촉을 하고 있는 열 능동형 분리 벽(19, 22)을 갖춘 제4 챔버(11) 및 제3 챔버(10) 둘 모두를 형성하는 것도 또한 가능하다.
도 5는 건물(24)의 방(23)을 난방 및/또는 냉방하기 위한 본 발명에 따른 열교환 장치(1)를 갖춘 설비를 예시한다. 이러한 설비는 중앙 난방 장치(25)와 본 발명에 따른 적어도 하나의 열교환 장치(1)를 포함하는, 방(23) 내에 배치되는 실내형 공기 조화기(26)를 포함한다. 열교환 장치(1)는 액체가 그것 내에서 순환하는 하나의 각각의 공급 라인 및 하나의 각각의 복귀 라인으로의 1개의 또는 수개의 난방 회로(27)를 통해 병렬 방식으로 난방 장치(25)에 연결된다. 사용되는 액체는 보통 물 또는 수성 액체이지만, 임의의 다른 적합한 액체가 사용될 수 있다. 중앙 난방 장치(25)는 액체를 특정 유동 온도로 가열하거나 냉각시킨다.
이하에서는 그러한 열교환 장치(1)의 기능이 설명될 것이다. 제1 수동적 스테이지(17)는 제1 챔버(8)를 통해 유동하는 공기를 가열하거나 냉각시키며, 여기에서 수동적 열전달이 항상 보다 고온측으로부터 보다 저온측으로, 즉 제1 챔버(8)로부터 열 수동형 분리 벽(12)을 통해 제3 챔버(10)로, 또는 반대 방향으로 제3 챔버(10)로부터 열 수동형 분리 벽(12)을 통해 제1 챔버(8)로 일어난다. 제2 능동적 스테이지(18)는 제4 챔버(11)를 통해 유동하는 액체를 원하는 출구 온도로 동시에 냉각 또는 가열함으로써 제2 챔버(9)를 통해 후속하여 유동하는 공기를 가열하거나 냉각시킨다. 이러한 열수송은 제1 펠티에 소자(14)에 전류를 공급함으로써 달성된다.
열교환 장치(1)는 또한 제2 스테이지(18) 내의 공기가 제1 펠티에 소자(14)에 의해 이슬점 아래로 냉각되므로 공기를 제습하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에 제어 장치(16)는 공기가 이슬점 아래로 냉각되도록 제1 펠티에 소자(14)를 통해 흐르는 전류를 설정하도록 구성된다.
본 발명은 다음의 이점을 제공한다:
- 액체와 공기 사이의 열교환이 액체의 전체 상태의 어떠한 변화없이 일어나며, 즉 액체가 항상 전체 유동 채널(5) 내에서 액체 상태로 유지된다.
- 제1 스테이지(17) 내에서 액체의 온도로의 공기의 온도의 증가(난방 중) 및 감소(냉방 중)가 효율을 증가시킨다.
- 열교환 장치(1)의 제2 스테이지(18) 내에서의 능동적 냉각이 또한 공기 온도를 이슬점 아래로 감소시킴으로써 공기의 제습을 허용한다.
실내형 공기 조화기(26)는 실질적으로 열교환 장치로 구성되며, 즉 열교환 장치는 이것에 이러한 목적에 따라 시각적으로 매력적인 하우징이 형성될 때 실내형 공기 조화기이다. 도 6은 그러한 열교환 장치 또는 실내형 공기 조화기의 하우징(29)을 개략적으로 도시한다. 하우징(29)은 전방 패널(30)과 입구(3) 및 출구(4) 전방에 배치되는 제1 및 제2 통기 슬릿(31, 32)을 포함한다. 제1 통기 슬릿(31)은 바람직하게는 전방 패널(30)의 기저부 영역에 배치되고, 제2 통기 슬릿(32)은 바람직하게는 하우징(29)의 상부 영역에 배치된다. 전방 패널(30)은 열교환 장치(1)의 전술된 전방 패널에 해당한다.
1: 열교환 장치 2: 제1 유동 채널
5: 제2 유동 채널 14: 펠티에 소자
17: 제1 스테이지 18: 제2 스테이지

Claims (6)

  1. 실내형 공기 조화기로서,
    공기를 위한 제1 유동 채널(2; 2A) 및 액체를 위한 제2 유동 채널(5)을 포함하고, 제2 유동 채널(5)은 열전달 유동 매체를 전도하는 외부 회로에 연결가능한 입구(6) 및 출구(7)를 연결하는, 액체와 공기 사이의 열교환을 위한 액체-공기 열교환 장치;
    공기를 제1 유동 채널(2; 2A)을 통해 전달하기 위한 팬(28); 및
    제어 장치(16)
    를 포함하는 실내형 공기 조화기에 있어서,
    열교환 장치(1)는 제1 유동 채널(2; 2A)과 제2 유동 채널(5)이 열 수동형 분리 벽(12; 12A)에 의해 분리되는 제1 스테이지(17)와, 제1 유동 채널(2; 2A)과 제2 유동 채널(5)이 열 능동형 분리 벽(13; 13A)에 의해 분리되는 후속 제2 스테이지(18)를 포함하고, 열 능동형 분리 벽(13; 13A)은 적어도 하나의 제1 펠티에 소자(14)로 구성되거나 적어도 하나의 제1 펠티에 소자(14)를 포함하며, 제어 장치(16)는 공기가 가열되도록 의도될 때 열이 액체로부터 공기로 펌핑되고 공기가 냉각되도록 의도될 때 열이 공기로부터 액체로 펌핑되도록 적어도 하나의 제1 펠티에 소자(14)를 통해 흐르는 전류를 발생시키고 제어하도록 구성되고, 액체는 전체 상태의 어떠한 변화도 겪지 않는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 유동 채널(2; 2A)은 제1 챔버(8; 8A) 및 제2 챔버(9; 9A)를 포함하고, 제2 유동 채널(5)은 제3 챔버(10) 및 제4 챔버(11)를 포함하며, 제1 챔버(8; 8A)와 제3 챔버(10)는 열 수동형 분리 벽(12; 12A)에 의해 분리되고, 제2 챔버(9; 9A)와 제4 챔버(11)는 열 능동형 분리 벽(13; 13A)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    공기를 위해 제3 유동 채널(2B)이 존재하고, 공기를 위한 두 유동 채널(2A, 2B)은 액체를 위한 제2 유동 채널(5)의 양측에 배치되며, 제3 유동 채널(2B)은 열 수동형 분리 벽(12B)에 의해 제3 챔버(10)로부터 분리되는 제5 챔버(8B)와, 열 능동형 분리 벽(13B)에 의해 제4 챔버(11)로부터 분리되는 제6 챔버(9B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 펠티에 소자(20)로 구성되거나 적어도 하나의 제2 펠티에 소자(20)를 포함하는 그리고 실내형 공기 조화기의 외벽(21)의 일부와 우수한 열접촉을 하고 있는, 제3 챔버(10)의 다른 벽이 열 능동형 분리 벽(22)으로서 형성되고 그리고/또는 제4 챔버(11)의 다른 벽이 열 능동형 분리 벽(19)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 수동형 분리 벽(12; 12A) 및/또는 열 능동형 분리 벽(13; 13A)의 양측에 핀(15)이 제공되는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 장치(16)는 공기를 제1 펠티에 소자(14)에 의해 이슬점 아래로 냉각시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실내형 공기 조화기.
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