[논문]열전모듈을 이용한 에어컨의 방열부 냉각특성에 대한 연구

김서영; 강병하; 장혁재; 김석현

문제 정의

본 실험에서는 열전모듈을 이용한 소형 에어컨개발을 위한 기초 실험으로서 가장 중요한 방열부의 냉각방법을 결정하기 위해서 공기 또는 냉각수만으로 냉각하였을 경우와 냉각수와 공기를 함께 사용한 증발냉각방법을 이용한 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 위의 세 가지 방열부 냉각방법에 대하여 시스템의 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)의 시간에 따른 변화를 Fig.
본 실험에서는 열전모듈을 이용한 소형 에어컨의 방열부에 대한 효율적인 냉각방법을 연구하기 위하여 Fig. 2와 같은 냉각시스템을 고안하였다. Fig.
본 연구에서는 열전모듈을 이용한 소형 에어컨의 성능을 유지시키기 위하여 가장 문제점이 되고 있는 방열부의 냉각방법에 대한 실험을 수행하였다. 먼저 공기 또는 냉각수를 이용하여 방열부를 냉각하는 현열냉각방법과 공기와 냉각수를 함께 사용하는 증발냉각방법에 대해 열전모듈을 이용한 에어컨 시스템의 성능에 미치는 영향을 규명하였다.

가설 설정

세번째 방법은 공기와 냉각수를 모두 이용한 경우로서 Fig. 3(c)와 같이 열교환기의 하부로부터 흡입된 공기와 상부로부터 공급된 냉각수의 현열냉각과 냉각수가 공기에 의해 증발되는 잠열냉각까지 이용한 것이다.

제안 방법

그러므로 열전모듈을 이용한 에어컨의 경우, 충분한 냉열을 얻기 위해서는 방열부의 충분한 방열이 동시에 이루어져야한다. 그러므로 본 연구에서는 열전모듈의 방열부의 방열효과에 따른 에어컨의 성능을 평가하기 위해서 기존에 사용하고 있는 공기, 물을 각 각이용하였을 경우와 새로운 방법인 공기와 물을 동시에 사용함으로써 현열냉각과 더불어 잠열냉각을 이용한 증발냉각방식을 도입하여 3가지 방열방법에 대하여 비교하였다. 또한 방열부의 냉각을 위하여 증발냉각방식을 채택한 경우에 대하여 열전모듈을 이용한 소형 에어컨 시스템을 제작하여 이에 대한 성능평가를 수행하였다.
)을 사용하여 풍량을 변화시켜 주었고, 흡열부에서 역시 같은 관류팬을 사용하여 풍량을 조절하였다. 그리고 냉각수의 유량을 조절하기 위하여 DC 펌프(Mabu-chi:24V)를 이용하여 냉각수의 양을 조절하였다. 열전모듈 저온측에는 열교환을 목적으로 각각 ε(다공도)값이 0.
열전모듈은 시중에 나와 있는 냉각열량이 70W급인 제품(TK08127 : Thermotek)으로 선정하였다. 냉각효율의 변수로서 열전모듈의 입력전압의 영향을 실험하기 위해서 직류전원 공급장치(ESF150-13.8 : Fine Suntronix)를 이용하여, 6 V, 8V, 10 V, 12V 및 14V로 변화시켜 주었으며, 공기유동은 관류팬(Cross flow fan Model FL-06036-BA : Royal Electric Co.)을 사용하여 풍량을 변화시켜 주었고, 흡열부에서 역시 같은 관류팬을 사용하여 풍량을 조절하였다. 그리고 냉각수의 유량을 조절하기 위하여 DC 펌프(Mabu-chi:24V)를 이용하여 냉각수의 양을 조절하였다.
주위의 건구온도를 측정하기 위해서 온도계(Digital Thermo-Hygrometer Model RH411 : OMEGA)를 이용하였으며, 덕트를 통과하는 풍량을 측정하기 위해서 속도계(Anemomastjer Model 6112 : Kanomax)를 사용하여 평균 풍속을 측정하여 풍량을 구하였다. 덕트 내에서의 평균 풍속은 덕트 단면의 8곳을 측정하여 평균값으로 구하였다.
또한 유량증가로 인한 펌프의 동력이 증가하므로 성능계수(COP) 역시 감소하게 된다. 또한 공기량을 변화시켜 주었을 경우 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)의 변화를 알아보기 위해서 열전모듈의 방열부에 1.14L/min 냉각수를 공급하면서 공기량을 변화시켜 Fig. 8과 같은 결과를 얻었다. 공기량을 증가하였을 경우 성능계수(COP)는 증가하다가 16m³/min 이상이 되면 감소하는 것을 볼 수 있으며, 냉방용량(Q_c)는 증가하다가 공기의 유량이 16m³/min 이상이 되면 포화상태에 이른다.
그러므로 본 연구에서는 열전모듈의 방열부의 방열효과에 따른 에어컨의 성능을 평가하기 위해서 기존에 사용하고 있는 공기, 물을 각 각이용하였을 경우와 새로운 방법인 공기와 물을 동시에 사용함으로써 현열냉각과 더불어 잠열냉각을 이용한 증발냉각방식을 도입하여 3가지 방열방법에 대하여 비교하였다. 또한 방열부의 냉각을 위하여 증발냉각방식을 채택한 경우에 대하여 열전모듈을 이용한 소형 에어컨 시스템을 제작하여 이에 대한 성능평가를 수행하였다.
먼저 공기 또는 냉각수를 이용하여 방열부를 냉각하는 현열냉각방법과 공기와 냉각수를 함께 사용하는 증발냉각방법에 대해 열전모듈을 이용한 에어컨 시스템의 성능에 미치는 영향을 규명하였다. 공기 또는 냉각수를 이용하여 열전모듈의 방열부를 냉각할 경우에는 시간에 따른 지속적인 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 얻을 수 없었으나 공기와 냉각수를 같이 사용한 증발냉각방법에서는 헌열 이외에 잠열에 의한 냉각효과로 인하여 지속적인 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 얻을 수 있었다.
있다. 시스템이 작동할 때 흡열부 및 방열부에 공급되는 공기의 온도를 31℃로 일정하게 하기 위하여 공기온도 조절장치를 사용하였으며, 냉각수는 초기에 수조 안에 24℃의 물을 넣어 이 물을 가지고 방열부를 냉각하면서 계속 순환하도록 하였다. 열전모듈은 시중에 나와 있는 냉각열량이 70W급인 제품(TK08127 : Thermotek)으로 선정하였다.
그리고 냉각수의 유량을 조절하기 위하여 DC 펌프(Mabu-chi:24V)를 이용하여 냉각수의 양을 조절하였다. 열전모듈 저온측에는 열교환을 목적으로 각각 ε(다공도)값이 0.92인 알루미늄 발포성 재료로 만들어진 크기가 190×14×20(length×width×height)로 된 알루미늄 다공성 핀을 부착하였고, 열전모듈의 고온측에는 사각형 형태의 방열기를 부착하였다.
우선 열전모듈에 공급되는 전압에 따른 에어컨의 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)의 변화를 알아보기 위해서 방열부를 0.33m³/min의 공기와 1.14L/min의 냉각수로 냉각시키는 증발냉각 조건하에서 열전모듈에 들어가는 입력전압을 변화시켜 주었다. Fig.
또한 소형 에어컨에서 현열 냉각뿐만 아니라 잠열냉각을 고려하였을 경우 방열부를 충분히 냉각시켜 원하는 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 유지할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 본 연구에서는 열전모듈의 방열부를 공기와 냉각수 두 가지를 모두 이용한 증발냉각방식을 채택하여, 정상상태를 유지시킨 후 열전모듈의 입력전압, 냉각수량, 냉각풍량, 그리고 홉열부의 풍량조절에 따른 냉동기의 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)의 변화를 규명하였다.
이러한 증발냉각방법하에 열전모듈의 입력 전압과 풍량, 냉각수량을 변화시켜 그에 따른 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 실험하였다. 열전모듈의 입력전압이 증가함에 따라 냉방용량(Q_c)은 증가하는데 반하여 성능계수(COP)는 감소하였다.
3과 같이 세 가지 방법으로 실험하고 이를 비교하였다. 첫번째 방법은 열전모듈의 방열부분을 팬을 이용하여 공기만으로 냉각시켰다. Fig.
2에서와 같이 열전모듈을 사이에 두고 상부의 흡열부분과 하부의 방열부분에는 열교환기를 설치하여 열교환이 이루어지게 하였다. 특히 방열부에서의 방열방법에 따른 열전모듈의 성능을 평가하기 위해서 Fig. 3과 같이 세 가지 방법으로 실험하고 이를 비교하였다. 첫번째 방법은 열전모듈의 방열부분을 팬을 이용하여 공기만으로 냉각시켰다.
효과적인 방열부의 냉각방법을 제시하기 위하여 냉각수량과 풍량을 변화시켜 실험을 수행하였다. 냉각수에 의한 방열부 냉각효과를 알아보기 위하여 열전모듈의 방열부에 0.
흡열부에서 풍량의 변화에 따른 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)의 변화를 알아보기 위해서 8V 전압의 일정공급하에 열전모듈의 방열부를 0.33 m³/min 공기와 1.14L/min 냉각수로 냉각시키는 조건하에 흡열부에서 풍량을 변화시켰다. 그에 대한 결과는 Fig.

대상 데이터

그밖에 열전모듈의 흡열부와 방열부, 양쪽의 입출구 온도, 냉각수의 입출구 온도를 측정하기 위해서 T type 열전대(상대온도편차 ±0.1℃)를 설치하였고, 이를 데이터 처리장치(Yokogawa DR230)를 사용하여 노트북으로 데이터를 받았다. 주위의 건구온도를 측정하기 위해서 온도계(Digital Thermo-Hygrometer Model RH411 : OMEGA)를 이용하였으며, 덕트를 통과하는 풍량을 측정하기 위해서 속도계(Anemomastjer Model 6112 : Kanomax)를 사용하여 평균 풍속을 측정하여 풍량을 구하였다.
실험영역은 열전모듈, 공기유동이 흐르는 채널 2개, 냉각수를 공급하는 수조와 펌프, 고온측과 저온측에서 열을 교환하는 두 개의 열교환기로 되어 있다. 시스템이 작동할 때 흡열부 및 방열부에 공급되는 공기의 온도를 31℃로 일정하게 하기 위하여 공기온도 조절장치를 사용하였으며, 냉각수는 초기에 수조 안에 24℃의 물을 넣어 이 물을 가지고 방열부를 냉각하면서 계속 순환하도록 하였다.
시스템이 작동할 때 흡열부 및 방열부에 공급되는 공기의 온도를 31℃로 일정하게 하기 위하여 공기온도 조절장치를 사용하였으며, 냉각수는 초기에 수조 안에 24℃의 물을 넣어 이 물을 가지고 방열부를 냉각하면서 계속 순환하도록 하였다. 열전모듈은 시중에 나와 있는 냉각열량이 70W급인 제품(TK08127 : Thermotek)으로 선정하였다. 냉각효율의 변수로서 열전모듈의 입력전압의 영향을 실험하기 위해서 직류전원 공급장치(ESF150-13.

이론/모형

1℃)를 설치하였고, 이를 데이터 처리장치(Yokogawa DR230)를 사용하여 노트북으로 데이터를 받았다. 주위의 건구온도를 측정하기 위해서 온도계(Digital Thermo-Hygrometer Model RH411 : OMEGA)를 이용하였으며, 덕트를 통과하는 풍량을 측정하기 위해서 속도계(Anemomastjer Model 6112 : Kanomax)를 사용하여 평균 풍속을 측정하여 풍량을 구하였다. 덕트 내에서의 평균 풍속은 덕트 단면의 8곳을 측정하여 평균값으로 구하였다.

성능/효과

먼저 공기 또는 냉각수를 이용하여 방열부를 냉각하는 현열냉각방법과 공기와 냉각수를 함께 사용하는 증발냉각방법에 대해 열전모듈을 이용한 에어컨 시스템의 성능에 미치는 영향을 규명하였다. 공기 또는 냉각수를 이용하여 열전모듈의 방열부를 냉각할 경우에는 시간에 따른 지속적인 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 얻을 수 없었으나 공기와 냉각수를 같이 사용한 증발냉각방법에서는 헌열 이외에 잠열에 의한 냉각효과로 인하여 지속적인 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)을 얻을 수 있었다.
열전모듈의 입력전압이 증가함에 따라 냉방용량(Q_c)은 증가하는데 반하여 성능계수(COP)는 감소하였다. 냉각수량이 증가함에 따라 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)은 증가하다가 1.2L/min 이상이 되면 감소하였으며, 풍량을 증가함에 따라 성능계수(COP)는 증가하다가 16m³/min 이상이 되면 감소하는데 반하여 냉방용량(Q_c)은 증가하다가 16 m³/min 이상이 되면 포화상태가 되었다. 즉, 적정한 공기와 냉각수량이 공급되었을 때 시스템의 성능계수(COP)와 냉방용량(Qc)이 최적의 값을 유지함을 알 수 있었다.
있다. 또한 방열부 냉각방법과 조건들에 따라서 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)이 변화한다는 것을 알 수 있다. 즉, 가장 최적의 냉각조건과 방법을 선정하면 열전모듈을 이용한 에어컨을 효율적으로 이용할 수 있다.
열전모듈의 입력전압이 증가함에 따라 냉방용량(Q_c)은 증가하는데 반하여 성능계수(COP)는 감소하였다. 냉각수량이 증가함에 따라 성능계수(COP)와 냉방용량(Q_c)은 증가하다가 1.
Attey⁽⁵⁾는 열전모듈의 고온측을 공기 대신 액체로 냉각시켜 줌으로써 성능을 2배 이상 향상시킬 수 있었다. 즉, 열전모듈 자체가 아닌 시스템의 최적화로 냉동기의 성능을 향상시켰다. 이와 같이 현재 국외에서는 열전모듈을 이용한 많은 제품들의 개발과 더불어 성능향상에 대한 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다.
2L/min 이상이 되면 감소하였으며, 풍량을 증가함에 따라 성능계수(COP)는 증가하다가 16m³/min 이상이 되면 감소하는데 반하여 냉방용량(Q_c)은 증가하다가 16 m³/min 이상이 되면 포화상태가 되었다. 즉, 적정한 공기와 냉각수량이 공급되었을 때 시스템의 성능계수(COP)와 냉방용량(Qc)이 최적의 값을 유지함을 알 수 있었다.

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