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열전냉동기용 열전요소의 최적화
Optimization of Thermoelectric Elements for Thermoelectric Coolers 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.5, 2012년, pp.409 - 414  

정은수 (홍익대학교 기계.시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A theoretical investigation to optimize thermoelectric elements for thermoelectric coolers was performed using a new one-dimensional analytic model. Mathematical expressions for the optimum current and the optimum length of a thermoelectric element, which maximize the coefficient of performance of t...

주제어

#열전냉동기   #열전요소   #펠티어 효과   #성능계수   #최적화  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 열전냉동기의 열전요소에 대한 새로운 1차원 해석 모델을 제시하였고, 이 모델을 이용하여 성능계수를 최대로 하는 최적 전류와 열전 요소의 최적 길이를 해석적으로 구하였다. 본 연구에서 제시한 최적 전류와 최적 길이는 고온부와 저온부의 온도, 그리고 열전요소 1개의 냉동용량에 의하여 표현되므로 기존의 방법과 같이 냉동용량을 맞추기 위하여 반복 계산을 할 필요가 없다.
  • 본 연구에서는 열전요소에 대한 새로운 1차원 해석 모델을 제시하였다. 이 모델에서 열전요소의 한 지점을 통과하는 열전달율은 그 지점의 온도와 전류, 그리고 열전재료의 물리적 성질로만 표현된다.

가설 설정

  • (11) 저온부에서 고온부로 이동하는 열전달을 (+) 방향으로 가정하였다.
  • 또, 열전요소의 α는 온도에 따라 변하지 않고 일정하다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
1차원 열평형 방정식에서 구한 냉동용량과 고온부로 배출되는 열전달율은 무엇에 의하여 결정되나? 위에 기술한 열전모듈과 열전냉동시스템의 성능 해석과 최적화에 관한 연구들은 모두 1차원 열평형 방정식에서 구한 관계식들을 사용하고 있다. 이 열평형 방정식에서 구한 냉동용량과 고온부로 배출되는 열전달율은 열전재료의 성질, 열전요소의 단면적과 길이, 고온부의 온도, 저온부의 온도, 그리고 전류에 의하여 결정되므로(1,5) 기존의 열전냉동기의 성능 해석을 하기에는 적합하나 새로운 열전냉동기를 설계하기에는 편리하지 않다. 일반적으로 열전냉동기의 설계는 주어진 고온부와 저온부의 온도, 그리고 냉동용량으로부터 출발하는데(1,8) 위의 관계식들을 사용할 경우에는 열전요소의 단면적, 고온부와 저온부의 온도가 일정하여도 냉동용량이 주어진 값과 같도록 열전요소의 길이와 전류를 변화시켜야 하고 또 성능계수를 최대로 하는 최적 전류가 열전 요소의 길이에 의존하므로 최적화를 위해서는 반복 계산이 필요하다.
열전냉동기의 장점과 사용범위는? 열전냉동기(thermoelectric cooler)는 소형, 고신뢰성, 긴 수명, 빠른 열적 반응 등의 장점을 갖고 있어서 초전도체, 레이저, 전자 기기의 냉각용 냉동기와 냉수기 등으로 사용되는 등 산업용, 군사용 및가정용 기기에 널리 적용되고 있다.(1-3)
열전냉동의 단점은? 열전냉동의 단점은 성능계수가 낮은 것이므로 성능계수를 높이기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.(1, 2) 성능계수를 높이기 위한 연구는 성능지수 (figure of merit)가 높은 열전재료를 개발하는 연구 외에 열전모듈(thermoelectric module)의 최적 설계와 제작에 관한 연구, 그리고 열전모듈과 고온부와 저온부 열교환기로 구성되는 열전냉동시스템의 최적 설계에 관한 연구로 구분할 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Riffat, S. B. and Ma, X., 2004, Improving the coefficient of performance of thermoelectric cooling systems：a review, International Journal of Energy Research, Vol. 28, pp. 753-768. 

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  2. Yu, J. and Wang, B., 2009, Enhancing the maximum coefficient of performance of thermoelectric cooling modules using internally cascaded thermoelectric couples, International Journal of Refrigeration, Vol. 32, pp. 32-39. 

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  3. Tan, F. L. and Fok, S. C., 2008, Development of a multi-vendor software to size and select TEC, Applied Thermal Engineering, Vol. 28, pp. 835-846. 

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  4. Ioffe, A. F., 1957, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch. 

  5. Rowe, D. M., 2006, Thermoelectric Handbook ：macro to nano, CRC Press. 

  6. Min, G. and Rowe, D. M., 2000, Improved model for calculating the coefficient of performance of a Peltier module, Energy Conversion and Management, Vol. 41, pp. 163-171. 

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  7. Yamanashi, M., 1996, A new approach to optimum design in thermoelectric cooling systems, Journal of Applied Physics, Vol. 80, pp. 5494-5502. 

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  8. Huang, B. J., Chin, C. J., and Duang, C. L., 2000, A design method of thermoelectric cooler, International Journal of Refrigeration, Vol. 23, pp. 208-218. 

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  9. Zhang, H. Y., 2010, A general approach in evaluating and optimizing thermoelectric coolers, International Journal of Refrigeration, Vol. 33, pp. 1187-1196. 

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  10. Cheng, Y.-H. and Shih, C., 2006, Maximizing the cooling capacity and COP of two-stage thermoelectric coolers through genetic algorithm, Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp. 937-947. 

    상세보기 crossref

  11. Xuan, X. C., Ng, K. C., Yap, C., and Chua, H. T., 2002, Optimization and thermodynamic understanding of conduction-cooled Peltier current leads, Cryogenics, Vol. 42, pp. 141-145. 

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  12. Available from http://www.melcor.com, homepage of MELCOR, U.S.A. 

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