[논문]열전소자를 이용한 차량용 독립 냉난방시스템에 대한 실험적 연구

이대웅

doi:10.6110/kjacr.2014.26.8.375

열전소자를 이용한 차량용 독립 냉난방시스템에 대한 실험적 연구
Experimental Study of Standalone Cooling and Heating System using Thermoelectric Element for Vehicles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.8, 2014년, pp.375 - 380

이대웅 (한라비스테온공조 연구본부)

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The purpose of this paper is to investigate the cooling and heating performance of a standalone-type thermoelectric system equipped with a thermoelectric module. The system consists of a blower and two thermoelectric modules with a fin, which is soldered onto both sides of the thermoelectric module and a courtesy light. The thermoelectric system experiment is conducted with the intake voltage to find the optimum cooling and heating performance of each. The results showed that the cooling capacity and coefficient of performance (COP) were 22 W and 0.31, and the heating capacity and COP were 147 W and 1.1, respectively. In the vehicle cooling and heating performance test in a climate wind tunnel, the results showed that the standalone thermoelectric system's cooling performance was slightly better than the base system; and the heating performance of the standalone thermoelectric system was $54.1^{\circ}C$ and the COP was 1.3, compared to the base system.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 차량용 국부 냉난방시스템으로 열전소자를 적용한 독립형 열전 냉난방시스템을 연구하였다. 독립형 열전소자 냉난방시스템 시제품에서 인가전압별 시험하여, 최적 성능을 찾아내고 독립형 열전냉난방시스템을 실차에 장착하여 실차 냉난방 성능을 비교하여 독립형 열전 냉난방시스템이 실차 냉난방 성능에 미치는 영향을 살펴보고 차량의 적용 가능성에 대하여 검토하고자 한다.
본 연구에서는 차량용 국부 냉난방시스템으로 열전소자를 적용한 독립형 열전 냉난방시스템을 연구하였다. 독립형 열전소자 냉난방시스템 시제품에서 인가전압별 시험하여, 최적 성능을 찾아내고 독립형 열전냉난방시스템을 실차에 장착하여 실차 냉난방 성능을 비교하여 독립형 열전 냉난방시스템이 실차 냉난방 성능에 미치는 영향을 살펴보고 차량의 적용 가능성에 대하여 검토하고자 한다.

제안 방법

(8)은 싱글 타입(single type)과 캐스케이드타입(cascade type)의 냉동시스템에 열전소자를 적용하여 냉방성능을 비교하였다. 캐스케이드 타입은 냉동실의 폐열을 외부로 배출하지 않고 냉장실의 차가운 공기를 이용하여 냉각하는 방식으로, 열전소자의 흡열량과 성적계수는 접점온도가 작아질수록 증가하였다.
먼저 차량의 공조장치에서 냉방과 난방으로 작동될 때 차 실내 온도의 변화를 측정하기 위하여 T형 열전대를 차실내 전석과 후석 가슴부분에 각각 8개씩, 발부분에도 각각 8개씩 설치하였다. 그리고 독립형 열전냉난방시스템을 실차에 장착후 냉방과 난방성능을 확인하기 위하여 입구와 출구에 각각 3개의 열전대를 설치하였다. T형 열전대의 측정 오차는 ±0.
먼저 차량의 공조장치에서 냉방과 난방으로 작동될 때 차 실내 온도의 변화를 측정하기 위하여 T형 열전대를 차실내 전석과 후석 가슴부분에 각각 8개씩, 발부분에도 각각 8개씩 설치하였다. 그리고 독립형 열전냉난방시스템을 실차에 장착후 냉방과 난방성능을 확인하기 위하여 입구와 출구에 각각 3개의 열전대를 설치하였다.
실험은 독립형 열전 냉난방시스템의 작동유무에 따라 Table 1의 조건으로 시험하여 냉방과 난방성능에 미치는 영향을 살펴보았고, 열전소자에 의한 냉방과 난방성능을 분석하였다. 시스템에 인가되는 전압의 측정오차는 ±0.
차량용 보조 냉난방장치로 열전소자를 이용한 독립형 냉난방시스템을 제작하여 실차 냉난방 성능시험을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

(1) 독립형 열전 냉난방시스템의 냉방성능은 인가전압에 따라 달라지지만, 8 V에서 냉방능력은 최대 22 W, 온도강하는 4.3℃, 성적계수는 0.34로 나타났다.
(2) 열전 난방시스템으로 가동하였을 경우 성능은 인가전압이 증가함에 따라 계속 증가하며, 12 V에서 난방능력은 최대 147 W, 28.3℃의 온도 상승, 성적계수는 1.1로 나타났다.
(3) 환경제어풍동에서 독립형 열전 냉방시스템을 차량에 장착하여 냉방성능을 시험한 결과, 약 30분 시점에서 토출 공기온도는 8.4℃ 저감되었고, 성적계수는 0.2로 나타났다.
(4) 실차에서 열전 난방시스템을 가동할 때, 가동하지 않았을 때 보다 45분 시점에서 토출 공기온도는 36.4℃ 상승하였고, 성적계수는 1.3으로 나타났다.
Fig. 4의 (a)는 냉방성능 시험 결과로 시스템에 인가되는 전압이 증가함에 따라 냉방능력은 증가하고, 토출온도는 저감하다가 8V를 지난 후에는 냉방능력은 다시 감소하고, 토출온도도 다시 상승하고 있다. 열전소자에 인가되는 전압이 8V에서 최대 냉방성능을 나타내고 있으며, 이때 토출 온도는 4.
Fig. 6의 (a)는 열전난방시스템의 입구와 출구 공기온도를 비교한 것으로 열전 난방시스템을 작동하지 않았을 때에는 입구와 출구의 공기온도 차이가 거의 없으나, 열전 난방시스템을 작동한 경우, 입구 공기온도는 열전 난방시스템을 작동하지 않았을 때와 별반 차이가 없으나, 출구 공기온도는 급격히 상승하여 약 45분 시점에서는 입구 공기온도 대비 약 36.4℃가 상승하였다. 이때 성적계수는1.
캐스케이드 타입은 냉동실의 폐열을 외부로 배출하지 않고 냉장실의 차가운 공기를 이용하여 냉각하는 방식으로, 열전소자의 흡열량과 성적계수는 접점온도가 작아질수록 증가하였다. 동일한 외기온도에서 캐스케이드 시스템이 싱글 시스템 대비 냉장고의 열부하가 9.3% 감소하였고, 흡열량 및 성능계수가 싱글 시스템 대비 1.7배 우수하게 나타났다.
⁽⁶⁾은 열전소자에 대하여 이론식을 바탕으로 성능을 해석하고, 인가전류를 변화하면서 실험을 하여전류가 증가하면 흡열량과 성능계수는 증가하다가 어느 시점에서 다시 감소함을 밝혔다. 또한 열전소자를 이용한 냉각장치를 구성하여 인가전류와 주위온도를 변화하면서 성능실험을 하여 고온부와 저온부의 온도차가 작을수록 흡열량과 성능계수는 증가하며, 온도차 0℃일 때 흡열량과 성능계수는 모두 최대가 되고, 5 A의 인가전류에서 최저 냉각온도를 얻을 수 있었다.
는 열전소자를 이용한 냉각장치에서냉각효율 향상을 위하여 압전구동기(piezoelectric actuator)를 이용하여 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 압전구동기에서 발생한 진동에 의하여 음향흐름이 냉각 영역에서 열전달을 촉진하여 성능이 향상되고, 고른 온도분포를 형성하는 것을 볼 수 있었다.
이상으로 차량에서 냉난방 성능시험 결과를 바탕으로 독립형 보조 열전 냉난방시스템의 타당성을 살펴보면, 난방성능 향상에는 어느 정도 효과가 있는 것으로 나타났으며, 냉방성능은 그 효과는 미미하지만, 차 실내의 고른 온도분포와 온도저감 효과가 있는 것으로 보인다.
4(b)는 열전소자에 인가되는 전압을 변경하면서 난방성능을 시험한 결과이다. 인가전압의 증가에 따라 난방능력과 토출온도는 계속 증가하고 있으며, 12 V에서 토출온도는 28.3℃가 상승되었고, 난방능력은 140 W, 성적계수는 1.1로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자냉각이란?	전자냉각은 제벡 효과(Seebeak effect), 펠티어 효과(Peltier effect) 및 톰슨 효과(Thomson effect)를 통칭하는 열전현상에 의하여 전류의 극성에 따라 열을 흡수, 방출하는 열전소자를 이용한 냉방방식으로 기존의 증기 압축식 냉방시스템과는 달리 냉매순환을 위한 기계적인 구동부가 없기 때문에 고장이 적고, 소음이 없고, 소형화가 가능하며, 냉매의 누출이나, 폐기시 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있다.(1, 2)
	전자냉각의 장점은?	전자냉각은 제벡 효과(Seebeak effect), 펠티어 효과(Peltier effect) 및 톰슨 효과(Thomson effect)를 통칭하는 열전현상에 의하여 전류의 극성에 따라 열을 흡수, 방출하는 열전소자를 이용한 냉방방식으로 기존의 증기 압축식 냉방시스템과는 달리 냉매순환을 위한 기계적인 구동부가 없기 때문에 고장이 적고, 소음이 없고, 소형화가 가능하며, 냉매의 누출이나, 폐기시 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있다.(1, 2)
	캐스케이드 타입 냉동시스템이란?	(8)은 싱글 타입(single type)과 캐스케이드타입(cascade type)의 냉동시스템에 열전소자를 적용하여 냉방성능을 비교하였다. 캐스케이드 타입은 냉동실의 폐열을 외부로 배출하지 않고 냉장실의 차가운 공기를 이용하여 냉각하는 방식으로, 열전소자의 흡열량과 성적계수는 접점온도가 작아질수록 증가하였다. 동일한 외기온도에서 캐스케이드 시스템이 싱글 시스템 대비 냉장고의 열부하가 9.

참고문헌 (8)

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상세보기
Huang, B. J., Chin, C. J., and Duang, C. L., 2000, A design method of thermoelectric cooler, International Journal of Refrigeration, Vol. 23, No. 3, pp. 208-218.

상세보기
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Lim, C. H., Kim, D. W., Kim, Y. C., and Seo, K. J., 2013, Study on the cooling performance of single and cascade refrigeration systems using thermoelectric modules, Korean Journal of Air Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 12, pp. 641-646.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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