[논문]두께와 열전소자 부착위치를 고려한 자동차용 고효율 전자 냉온 모듈 형상 최적화 연구

김재원; 이정호; 박찬희

doi:10.5762/kais.2015.16.12.8350

두께와 열전소자 부착위치를 고려한 자동차용 고효율 전자 냉온 모듈 형상 최적화 연구
Research of shape optimization for High-Efficiency Electronic cold modules taking into consideration thickness and thermoelectric element mounting position 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.12, 2015년, pp.8350 - 8356

김재원 ((사)캠틱종합기술원) , 이정호 ((사)캠틱종합기술원) , 박찬희 (전북대학교 기계설계공학부)

초록
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사용자 편의 장치에 대하여 고객들은 높은 효율과 더 많은 기능을 갖는 요구하고 있으며 이러한 자동차 어플리케이션에 대한 중요성이 지속적으로 증가하고 있다. 자동차에서 냉온 컵홀더 모듈은 냉온 모듈의 온도를 제어하여 컵홀더 속의 음료수를 따뜻하게 혹은 차겁게 유지시켜주는 고급 편의 장치이다. 본 연구에서는 자동차용 냉온 모듈의 최적 설계를 위하여 다양한 두께 조건에서 열해석을 수행하였다. 열해석 결과 두께가 2.5mm 로 일정할 때 주요 지점의 온도 분포가 가장 낮게 나타났다. 그리고 열전소자가 아래 쪽에 위치해 있을 때(A-type) 온도 분포가 낮게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for user convenient devices in automotive applications are fast growing, mainly driven by the customer's requirement for higher efficiency and more features. In important such feature is the cold module for cars, which are convenient luxuries that warm or cool drinks placed in the cup holder by means of a thermoelectric element. In present study, we would like to find out the optimal thickness of the cup holder and mounting position of the thermoelectric element through experiments under various testing conditions and thermal analysis. The resulting thermal distribution of the primary area of thermal analysis was found to be lowest when the thickness was 2.5 mm. The temperature distribution was also lowest when the thermal element was positioned underneath the holder (A-type).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 냉온 모듈의 두께, 그리고 열전소자의 부착 위치에 따라서, 열효율이 크게 차이가 나지만 아직까지 위 조건들에 따른 연구가 수행되고 있지 않고 있다[8-10]. 따라서 본 논문에서는 열해석 방법을 통해 열효율이 높은 컵홀더의 최적 두께와 열전소자의 부착 위치를 찾기 위하여 다양한 조건하에서 연구를 수행하고자 하였다.
열해석 진행을 위한 열원(열전소자)는 JMD-00229 열전소자 특성표[6]를 참조하여 그림2와 같은 TJMD-00229의 열전소자를 사용하였다. 또한, 해석에 앞서, 열전소자의 열특성을 열화상 카메라를 이용하여 확인하고자 하였다. 그러나 열화상 카메라 촬영결과 열 번짐 현상으로 측정 포인트를 잡기 어려워 그림2와 같이 열전소자 사진과 합성하여 측정 포인트를 잡아 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 자동차용 냉온 모듈의 최적 설계를 위하여 다양한 두께 조건에서 열해석을 수행하였다. 열해석 결과 두께가 2.

가설 설정

이를 위하여 그림 8과 같이 형상을 음료수 캔과 냉온 모듈의 round를 제거하고, 음료수 캔의 윗부분은 삭제 하였다. 캔에 들어 있는 액체는 물로 가정하였다. 그리고 시간은 0~60분, 10초 간격으로 해석 진행하였고, 캔의 재질은 알류미늄(Thermal Conㅊuctivity 160W/(m K))으로 하였고, 열해석 온도 측정 포인트는 바닥 4포인트와 캔음료의 측면 벽을 10mm간격으로 9개 포인트, 음료수 상부 온도 5포인트 측정하였다.

제안 방법

이와 같은 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 그림. 1과 같이 원형의 기본 내측면에 작은 원형을 적용하여 측면 접선이 두 개가 되도록 설계하여 기존에 비하여 열전달을 효과적으로 할 수 있도록 설계하였다.
또한, 해석에 앞서, 열전소자의 열특성을 열화상 카메라를 이용하여 확인하고자 하였다. 그러나 열화상 카메라 촬영결과 열 번짐 현상으로 측정 포인트를 잡기 어려워 그림2와 같이 열전소자 사진과 합성하여 측정 포인트를 잡아 실험을 수행하였다. 실험결과 열전소자의 오른쪽 면은 히터의 영향을 받아 온도 수치가 약간 높게 나타나고, 열 분포는 열전소자의 중심에서 왼쪽 끝 부분까지 측정하여 사용하였으며 중심에서 3/4 지점까지는 동일한 온도 분포를 나타내고 3/4 지점에서 끝 지점까지는 일정한 기울기로 온도가 상승하는 것을 확인하였다.
그리고 냉온 모듈 최적 두께 결정을 위한 두께별 열해석은 1.5T, 2.0T, 2.5T, 3.0T 총 4가지 경우로 구분하였으며, 이때의 구체적인 해석 조건은 표2와 같다. 열해석 후 온도 측정 포인트는 표2와 같이 음료 측면의 열전도 포인트 9개 지점과 캔음료 바닥면의 사이즈별 각 9개 지점에서 온도를 측정하였다.
캔에 들어 있는 액체는 물로 가정하였다. 그리고 시간은 0~60분, 10초 간격으로 해석 진행하였고, 캔의 재질은 알류미늄(Thermal Conㅊuctivity 160W/(m K))으로 하였고, 열해석 온도 측정 포인트는 바닥 4포인트와 캔음료의 측면 벽을 10mm간격으로 9개 포인트, 음료수 상부 온도 5포인트 측정하였다. 표 3.
그리고 열해석결과 열전달 효율이 가장 좋았던 냉온 모듈 모델에 캔음료를 추가하였을 경우에 대한 온도 분포 해석을 진행하였다. 이를 위하여 그림 8과 같이 형상을 음료수 캔과 냉온 모듈의 round를 제거하고, 음료수 캔의 윗부분은 삭제 하였다.
그리고 해석 후 도출되는 결과 값의 검증을 위하여 냉온 모듈의 2점 접지 mock-up의 7V무부하 상태에서 30분 후 온도 변화 측정과 같은 기초 실험을 수행하였다. 실험결과 표1과 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 이 결과는 해석결과의 검증에 반영되었다.
열해석 결과의 정확도를 높이기 위해 설계 형상을 제작하여 열전소자의 온도를 변화시키며 열평형 상태에서 주요 지점에 대한 온도를 측정하여 실험결과와 해석 결과를 비교하였다.
0T 총 4가지 경우로 구분하였으며, 이때의 구체적인 해석 조건은 표2와 같다. 열해석 후 온도 측정 포인트는 표2와 같이 음료 측면의 열전도 포인트 9개 지점과 캔음료 바닥면의 사이즈별 각 9개 지점에서 온도를 측정하였다.
해석결과 이번 조건에서 자세히 보고자 하였던 캔음료 측면 벽의 온도변화를 측정한 결과 그림 9와 같았다. 온도측정지점은 열전소자와 90도 이루면서 캔과 접촉하는 지점에서의 온도를 측정하였다.
한편, 두께 밀도가 다른 냉온 모듈에 대한 열해석도 수행하기 위하여, 1.0~2.5T 두께를 갖는 컵홀더, 1.5~2.5T 두께를 갖는 컵홀더, 2.0~2.5T 두께를 갖는 컵홀더, 3.0~2.5T 두께를 갖는 컵홀더 총 4가지 경우로 조건을 정하여 해석하였다. 해석결과 예상대로 컵홀더의 두께가 두꺼울수록 낮은 온도를 나타내었고, 밀도를 고려하지 않은 결과와 마찬가지로 열전소자로부터 멀어질수록 온도 차이가 심하게 발생하였다.
냉온 모듈의 두께 뿐만 아니라, 열전 소자의 부착 위치에 따른 냉온 모듈의 온도 분포 경향을 확인하기 위하여 그림6와 같은 조건으로 해석하였다. 해석 조건은 표2에 있는 조건과 동일하나, 열전소자 부착 위치는 그림5와 같이 A type, B type, C type, D type로 하여 총 4가지의 경우로 구분하여 수행하였다.

대상 데이터

냉온 모듈의 재질은 AL6061T6 로 열전도율은 167W/m-K 이고 두께는 2.0mm, 주변 대기 온도는 25.6℃였다. 해석프로그램은 COMSOL Multiphysics 4.
열해석 진행을 위한 열원(열전소자)는 JMD-00229 열전소자 특성표[6]를 참조하여 그림2와 같은 TJMD-00229의 열전소자를 사용하였다. 또한, 해석에 앞서, 열전소자의 열특성을 열화상 카메라를 이용하여 확인하고자 하였다.
실험결과 표1과 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 이 결과는 해석결과의 검증에 반영되었다. 온도 측정위치는 컵 높이의 1/2지점의 7개 지점을 선정하였다. 각 지점에서 해석결과와 실험결과의 온도 차이는 1.

이론/모형

6℃였다. 해석프로그램은 COMSOL Multiphysics 4.3 버전[11]을 사용하였다.

성능/효과

따라서, 두께에 따른 냉온 모듈의 온도 분포는 두께가 일정한 경우에는 2.5T에서 가장 낮은 온도를 보였으며 두께가 균일하지 않은 경우에는 2.5T-3.0T일 때 가장 낮은 열 분포를 보였다. 그리고 두께가 2.
방열판의 열을 고려하지 않고, 해석한 결과 그림4과 같이 냉온 모듈의 두께가 2.5T일 때 가장 낮은 온도를 나타내고, 2.0T → 3.0T → 1.5T 순의로 낮은 온도 분포를 나타내었다.
그러나 열화상 카메라 촬영결과 열 번짐 현상으로 측정 포인트를 잡기 어려워 그림2와 같이 열전소자 사진과 합성하여 측정 포인트를 잡아 실험을 수행하였다. 실험결과 열전소자의 오른쪽 면은 히터의 영향을 받아 온도 수치가 약간 높게 나타나고, 열 분포는 열전소자의 중심에서 왼쪽 끝 부분까지 측정하여 사용하였으며 중심에서 3/4 지점까지는 동일한 온도 분포를 나타내고 3/4 지점에서 끝 지점까지는 일정한 기울기로 온도가 상승하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 자동차용 냉온 모듈의 최적 설계를 위하여 다양한 두께 조건에서 열해석을 수행하였다. 열해석 결과 두께가 2.5mm 로 일정할 때 주요 지점의 온도 분포가 가장 낮게 나타났다. 그리고 열전소자가 아래쪽에 위치하고 열전소자 벽과 컵홀더 바닥면을 연결하는 부위가 두꺼울 때(D-type) 온도 분포가 낮게 나타났다.
그리고 열전소자가 아래쪽에 위치하고 열전소자 벽과 컵홀더 바닥면을 연결하는 부위가 두꺼울 때(D-type) 온도 분포가 낮게 나타났다. 음료수 캔을 컵홀더에 넣고 동작시켰을 때 음료수 캔은 상온에서 10분후 S9지점의 경우 13.38℃까지 하락하였으며 한 시간 후 8.1℃까지 떨어지는 것을 해석을 통해 확인할 수 있었다.
해석 결과 그림 7과 같이 열전소자가 아래쪽에 위치해 있을 때 온도 분포가 낮게 나타났으며, 열전소자 벽과 컵홀더 바닥면을 연결하는 부위가 두꺼울 때 온도가 낮게 나타났다. 그리고 최대 온도는 열전소자가 바닥에서 11mm 위에 있는 B type에서 가장 낮았다.
5T 두께를 갖는 컵홀더 총 4가지 경우로 조건을 정하여 해석하였다. 해석결과 예상대로 컵홀더의 두께가 두꺼울수록 낮은 온도를 나타내었고, 밀도를 고려하지 않은 결과와 마찬가지로 열전소자로부터 멀어질수록 온도 차이가 심하게 발생하였다.

후속연구

향후 추가 열해석을 통해 열평형 상태에 도달하는데 필요한 에너지와 열전소자의 위치에 따른 온도분포 등을 추가하여 최적의 냉온 모듈 형상설계를 진행한다면, 최적의 냉온 모듈 형상 설계안이 도출 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차용 냉온 모듈이란?	자동차용 냉온 모듈은 열전소자로 최고 55℃~최저 5℃까지 보온, 보냉을 할 수 있으며, 냉온 모듈의 온도를 제어하여 냉온 모듈에 올려놓은 음료를 따뜻하게 혹은 차갑게 유지시켜주는 편의 장치이다. 현재 고급 외제차량에 기본옵션으로 많이 적용되고 있으나 국내 완성차에는 아직 적용된 사례는 없지만, 이에 대한 요구가 높아지고 있는 추세이다[7].
	자동차 부품 모듈 개발의 종류에는 무엇이 있는가?	자동차가 발전함에 따라, 운전자 및 탑승자의 편의 증진을 위한 기능성 자동차 부품 모듈 개발이 많이 요구되어 지고 있다[1-3]. 대표적으로 안전 운전을 위한 감성조명, 자동차 실내 공기 정화를 위한 필터 모듈 그리고 자동차용 냉온 컵홀더 모듈 개발 등이 있다[4]. 그러나 앞에서 언급한 감성조명과 캐빈 필터등의 경우는 국내외에서 많은 연구가 활발히 이루어지고 있는데 반해, 본 연구에서 수행하고자 하는 자동차용 고효율 전자 냉온 모듈 개발의 경우는 예상보다 많은 연구가 진행되고 있지 않고 있다[5,6].
	냉온 모듈의 특징은?	현재 고급 외제차량에 기본옵션으로 많이 적용되고 있으나 국내 완성차에는 아직 적용된 사례는 없지만, 이에 대한 요구가 높아지고 있는 추세이다[7]. 냉온 모듈은 간단한 구조로 되어 있지만 자동차의 전원을 이용하기 때문에 열효율에 매우 민감한 제품이다. 또한, 냉온 모듈의 두께, 그리고 열전소자의 부착 위치에 따라서, 열효율이 크게 차이가 나지만 아직까지 위 조건들에 따른 연구가 수행되고 있지 않고 있다[8-10].

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저자의 다른 논문 :

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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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