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문제 정의
- 다음으로, 열전 냉각장치의 저온부가 냉각되었을 때, 저온부가 있는 챔버 내부공기의 온도를 낮추는 효과를 알아보기 위한 모의실험을 진행한다. 저온부와 챔버 내부와의 온도 차이로 인해 공기의 대류가 나타나게 되는데, 이 현상은 뉴턴의 냉각법칙에 따라 다음과 같이 정의된다.
- 본 냉각장치는 현재 설계 및 제작단계에 있으나, 본 연구에서는 응축수가 충분하고 응축수가 항상 분무되고 있다는 가정 하에 이 냉각장치에 대한 회로 모델을 유도한다. 또한 유도된 모델을 대상으로 다양한 모의실험을 수행하여 효율성을 검증하는 것을 목적으로 한다.
- 최근에 열전소자의 모델링에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔으며[5-9], 특히 열전소자의 전기적 등가 회로를 모델링하는 연구가 수행되어 왔다[5-7]. 본 논문에서는 기존의 열전 냉각장치의 회로 모델과 응축수-열전소자 간의 열교환 방정식을 결합하여 응축수를 활용한 열전 냉각장치의 전기적 등가 회로 모델을 유도하는 과정을 보인다.
- 본 논문에서는 응축수를 활용한 열전 냉각장치에 대한 회로 모델을 제안하였다. 먼저 응축수를 처리함과 동시에 냉각효율을 높일 수 있도록 고안된 응축수를 활용한 열전 냉각장치를 소개하고, 기존 열전 냉각장치의 회로 모델과 응축수-열전소자 간의 열교환 방정식을 결합함으로써 이 냉각장치에 대한 회로 모델을 유도하였다.
- 이 절에서는 응축수를 활용한 열전 냉각장치를 소개한다. 기존 열전 냉각장치에서는 저온부의 공기가 냉각되면서 수증기가 응축되어 응축수가 발생하는데, 이 응축수를 처리하기 위한 장치가 별도로 요구된다.
가설 설정
- 가정 1 : 분무된 응축수와 열전소자가 열평형에 이르는 과정과 입력 전류에 의해 열전소자 양쪽의 온도가 변화하는 과정에 걸리는 시간은 무시할 수 있을 정도로 작다.
- 열전소자는 공급되는 전력에 따라 양 쪽의 온도 차이가 결정된다. 다시 말해서, 같은 전력이 공급되고 있다고 가정하면 고온부의 온도가 낮으면 낮을수록 저온부의 온도 또한 낮아진다. 또한 만약 냉각하고자 하는 저온부의 목표 온도가 정해져 있다면, 고온부의 온도가 낮으면 낮을수록 적은 전력으로도 목표 온도까지 냉각시킬 수 있다.
- 또한 열전소자의 소재가 열전도율이 높은 세라믹으로 이루어져 있고, 분무되는 응축수의 질량이 히트싱크에 비해 매우 작다는 점에 근거하여 다음과 같은 가정을 한다.
- 둘 째, 기화된 응축수를 히트싱크에 분무함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다. 본 냉각장치는 현재 설계 및 제작단계에 있으나, 본 연구에서는 응축수가 충분하고 응축수가 항상 분무되고 있다는 가정 하에 이 냉각장치에 대한 회로 모델을 유도한다. 또한 유도된 모델을 대상으로 다양한 모의실험을 수행하여 효율성을 검증하는 것을 목적으로 한다.
- 여기서 I와 R은 각각 열전소자에 흐르는 전류와 전기적 저항이다. 이 열량은 열전소자 양 쪽에 동일하게 나뉘어 발생한다고 가정한다. 펠티어효과는 결합된 두 도체에 전류가 흐를 때, 한 쪽의 접점은 발열하여 온도가 상승하고 다른 쪽의 접점은 흡열하여 온도가 낮아지는 현상이다.
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