[논문]밀폐 형 전장 박스 온도 제어를 위한 히트 펌프 설계

이영태

밀폐 형 전장 박스 온도 제어를 위한 히트 펌프 설계
Design of Heat Pump for Temperature Control of Sealed Electric Box 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.2, 2020년, pp.110 - 114

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In this paper, a heat pump using a Peltier device was developed for heat dissipation in a sealed electric box. The heat pump was designed with a cooling fin attached to both sides of the Peltier device, and a fan was mounted on the cooling fin on the hot side to increase the efficiency. The heat dissipation efficiency could be improved by directly connecting the electronic component having high heat to the cooling fin using a heat conducting wire. The fabricated heat pump was designed to operate only in the temperature range set by the temperature control system to improve the problem of high power consumption of the Peltier element.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

025 (W/m·K)로 비교적 낮아서 효과적으로 열을 전달이 힘든다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 재료가 구리인 열도선으로 열원(발열이 문제되는 특정 부품 또는 시스템 보드)과 cold side 냉각핀을 직접 연결하는 방법으로 열 방출 효율을 높이기 위한 설계를 하였다. 구리 열도선은 열이 통과하는 단면적은 작지만, 열전도도가 401 (W/m·K)로 공기에 비해 16,000배 크다.
본 논문에서는 농업용 로봇의 전장 박스 내부의 온도를 항상 특정 범위 내로 유지할 수 있는 전장 박스 용 히트 펌프(heat pump)[2]를 개발하였다. 본 히트 펌프는 펠티어 소자(peltier device)[3] 기반으로 설계 되어, 전장 박스 내부의 온도를 낮추거나, 높일 수 있으며, 전력 소모를 고려하여 상시 “ON” 상태를 유지하는 것이 아니라 특정 범위의 온도 범위 이내에 있을 경우에는 “OFF” 상태가 되도록 설계 하였다.
밀폐된 전장 박스 내부의 열원 에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 필요가 있다. 본 논문에서는 밀폐된 전장 박스에서 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 펠티어 소자를 이용한 히트 펌프를 개발했다. 펠티어 소자의 높은 소비 전력을 개선하기 위하여 설정 온도 범위에서만 히트 펌프를 구동하는 온도 제어기를 사용하였다.
전장 박스 내에 배치되어 있는 열 방출이 많은 소자 및 모듈을 전선을 이용, 직접 히트 펌프의 냉각핀에 연결하는 방법으로 히트 펌프의 효율을 높일 수 있었다. 본 논문에서는 히트 펌프를 설계 제작하고, 전장 박스 모형을 구축하여 성능을 평가했다.
구리 열도선은 열이 통과하는 단면적은 작지만, 열전도도가 401 (W/m·K)로 공기에 비해 16,000배 크다. 본 연구에서는 공기 중의 열을 cold side 냉각핀으로 흡수하여 방출하는 방법과 열 방출이 많은 특정 부품 또는 시스템 보드에 직접 연결된 열도선을 통한 열 방출을 병행하도록 하여 효율을 높였다. 열 방출 효율을 높이기 위하여 hot side 냉각핀에 냉각 팬(fan)을 장착하였다.

제안 방법

밀폐된 전장 박스 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위하여 히트 펌프를 설계하였다. 전장 박스 내부의 열원으로부터 방출되는 열은 cold side 냉각핀에 흡수되어 펠티어 소자와 hot side 냉각핀을 통해 외부로 방출된다.
습도가 높은 농업 환경에서 사용하는 로봇 등의 전장 박스는 전장 시스템을 보호하기 위하여 밀폐시킬 수밖에 없다. 밀폐된 전장 박스 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위하여 히트 펌프를 개발하였다. 히트 펌프를 이용하여 공기 중의 열을 방출하면서, 열 방출이 많은 부품에는 열 도선을 이용하여 cold side와 직접 연결하는 방법으로 열 방출의 효율을 더 높일 수 있었다.
밀폐된 전장 박스 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하지 않으면 내부 온도가 높아져, 전장 부품 및 시스템의 오동작이 발생할 수 있다. 밀폐된 전장 박스 내부의 열을 방출하기 위하여 펠티어 소자(peltier device)를 이용한 히트 펌프를 설계했다. 펠티어 소자 양단(hot side 및 cold side)에 냉각핀을 부착하여 열의 방출과 흡수 효율을 높였다.
전장 시스템의 특정 부품과 냉각핀을 직접 연결한 열도선(heat conducting wire)은 특정 부품 또는 시스템으로부터 더욱 적극적으로 열을 방출하기 위한 방법으로 열전도도가 좋은 도선을 사용하였다. 본 히트 펌프는 전장 박스 내부의 공기 중의 열을 cold side 냉각핀에서 흡수하여 hot side로 방출하는 경로와 전장 시스템과 같은 열원에 열도선을 직접 연결하여 cold side와 hot side를 통하여 열을 방출하는 경로로 이원화하여 열 방출 효율을 높이는 방법으로 설계했다. 펠티어 소자는 비교적 소비전력이 높기 때문에 상시적으로 펠티어 소자를 구동하지 않고, 온도 제어기에서 설정한 온도를 범위에서만 구동시켜, 가급적 전력소모가 최소화 되도록 설계했다.
본 히트 펌프는 펠티어 소자(peltier device)[3] 기반으로 설계 되어, 전장 박스 내부의 온도를 낮추거나, 높일 수 있으며, 전력 소모를 고려하여 상시 “ON” 상태를 유지하는 것이 아니라 특정 범위의 온도 범위 이내에 있을 경우에는 “OFF” 상태가 되도록 설계 하였다.
펠티어 소자의 높은 소비 전력을 개선하기 위하여 설정 온도 범위에서만 히트 펌프를 구동하는 온도 제어기를 사용하였다. 열 방출 효율을 높이기 위하여 열 방출이 많은 부품에 열 도선을 직접 연결하는 방법을 적용하여 열방출 효율을 높일 수 있었다. 감사의 글 본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(317072-04).
온도 제어기에서 전류의 방향을 설정하여 열속도 방향을 정하고, 온도 범위를 설정하여 특정 범위에서만 펠티어 소자가 “ON” 되도록 설계했다.
1에 전장 박스, 전장 시스템 (센서 시스템) 및 히트 펌프 나타냈다. 전장 시스템의 특정 부품과 냉각핀을 직접 연결한 열도선(heat conducting wire)은 특정 부품 또는 시스템으로부터 더욱 적극적으로 열을 방출하기 위한 방법으로 열전도도가 좋은 도선을 사용하였다. 본 히트 펌프는 전장 박스 내부의 공기 중의 열을 cold side 냉각핀에서 흡수하여 hot side로 방출하는 경로와 전장 시스템과 같은 열원에 열도선을 직접 연결하여 cold side와 hot side를 통하여 열을 방출하는 경로로 이원화하여 열 방출 효율을 높이는 방법으로 설계했다.
본 히트 펌프는 전장 박스 내부의 공기 중의 열을 cold side 냉각핀에서 흡수하여 hot side로 방출하는 경로와 전장 시스템과 같은 열원에 열도선을 직접 연결하여 cold side와 hot side를 통하여 열을 방출하는 경로로 이원화하여 열 방출 효율을 높이는 방법으로 설계했다. 펠티어 소자는 비교적 소비전력이 높기 때문에 상시적으로 펠티어 소자를 구동하지 않고, 온도 제어기에서 설정한 온도를 범위에서만 구동시켜, 가급적 전력소모가 최소화 되도록 설계했다.
펠티어 소자에 공급되는 전류의 방향을 전환하면 전장 박스 내부의 온도를 높이는 것도 가능하도록 설계 했다. Fig.
따라서 외부 환경의 온도가 높고 낮은 어떤 경우에도 전장 박스 내부의 온도를 특정 범위 내에서 제어할 수 있다. 펠티어 소자의 높은 소비 전력 문제를 개선하기 위하여 상시 구동하지 않고, 설정 온도 범위 내에서만 구동하여 소비 전력을 최소화 했다.
본 논문에서는 밀폐된 전장 박스에서 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 펠티어 소자를 이용한 히트 펌프를 개발했다. 펠티어 소자의 높은 소비 전력을 개선하기 위하여 설정 온도 범위에서만 히트 펌프를 구동하는 온도 제어기를 사용하였다. 열 방출 효율을 높이기 위하여 열 방출이 많은 부품에 열 도선을 직접 연결하는 방법을 적용하여 열방출 효율을 높일 수 있었다.
전장 박스 내부의 열원으로부터 방출되는 열은 cold side 냉각핀에 흡수되어 펠티어 소자와 hot side 냉각핀을 통해 외부로 방출된다. 펠티어 소자의 소비 전력이 비교적 높기 때문에 일반적으로 상시 구동되는 히트 펌프를 온도 제어기로 설정된 온도 범위에서만 구동 되도록 설계 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 펠티어 소자의 사이즈는 50*50*3.4(mm2) 이며, 내부 저항은 1.46 (Ω) 이며, 제벡 계수는 200*10-6(V/K)이다.
본 연구에서 우수한 FOM 확보를 위하여 가급적 내부 저항이 낮고, 제벡 계수가 높은 Bi₂Te₃ 펠티어 소자를 선택 하였다. 본 연구에서 사용한 펠티어 소자의 사이즈는 50*50*3.

성능/효과

열 도선을 연결하지 않고 공기를 통한 열을 방출할 경우 부품 페키지 표면의 온도가 27℃ 이상을 나타냈지만, 열도선을 이용할 경우 16℃로 약 11℃ 정도로 온도가 낮아진 것을 확인했다. 부품 주변의 PCB의 온도는 46℃를 나타냈다.
전장 박스 외부에 노출된 냉각핀이 hot side로, 전장 박스 내부의 냉각핀이 cold side로 작동하고 있는 것을 확인할 수 있다. 인가 전압이 5.67(V), 전류가 3(A)일 경우 hot side와 cold side의 최대 온도 차가 최대 27℃인 것을 확인하였다. 전압 및 전류의 값을 증가하면 온도 차가 크지는 것을 확인하였다.
67(V), 전류가 3(A)일 경우 hot side와 cold side의 최대 온도 차가 최대 27℃인 것을 확인하였다. 전압 및 전류의 값을 증가하면 온도 차가 크지는 것을 확인하였다. 식 (1)에 나타낸 cold side 통해 펌핑되는 열 유속(heat flux)은 약 23.
펠티어 소자는 소비 전력이 비교적 높은 편이기 때문에 전력 소모를 최소화할 수 있는 방안을 고려하지 않는다면 실제 현장에서 적용하기 힘들 것으로 판단된다. 전장 박스 내에 배치되어 있는 열 방출이 많은 소자 및 모듈을 전선을 이용, 직접 히트 펌프의 냉각핀에 연결하는 방법으로 히트 펌프의 효율을 높일 수 있었다. 본 논문에서는 히트 펌프를 설계 제작하고, 전장 박스 모형을 구축하여 성능을 평가했다.
8에 전류의 방향을 전환했을 경우의 히트 펌프의 적외선 사진을 나타냈다. 전장 박스 외부에 노출된 냉각핀이 cold side로, 내부의 냉각핀이 hot side로 작용하는 것을 확인하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전장 박스 용 히트 펌프(heat pump)란?	본 논문에서는 농업용 로봇의 전장 박스 내부의 온도를 항상 특정 범위 내로 유지할 수 있는 전장 박스 용 히트 펌프(heat pump)[2]를 개발하였다. 본 히트 펌프는 펠티어 소자(peltier device)[3] 기반으로 설계 되어, 전장 박스 내부의 온도를 낮추거나, 높일 수 있으며, 전력 소모를 고려하여 상시 “ON” 상태를 유지하는 것이 아니라 특정 범위의 온도 범위 이내에 있을 경우에는 “OFF” 상태가 되도록 설계 하였다.
	밀폐된 전장 박스 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하지 않는다면 어떠한 문제점이 생기는가?	밀폐된 전장 박스 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하지 않으면 내부 온도가 높아져, 전장 부품 및 시스템의 오동작이 발생할 수 있다. 밀폐된 전장 박스 내부의 열을 방출하기 위하여 펠티어 소자(peltier device)를 이용한 히트 펌프를 설계했다.
	전장 박스 용 히트 펌프(heat pump)의 특징은?	본 논문에서는 농업용 로봇의 전장 박스 내부의 온도를 항상 특정 범위 내로 유지할 수 있는 전장 박스 용 히트 펌프(heat pump)[2]를 개발하였다. 본 히트 펌프는 펠티어 소자(peltier device)[3] 기반으로 설계 되어, 전장 박스 내부의 온도를 낮추거나, 높일 수 있으며, 전력 소모를 고려하여 상시 “ON” 상태를 유지하는 것이 아니라 특정 범위의 온도 범위 이내에 있을 경우에는 “OFF” 상태가 되도록 설계 하였다. 펠티어 소자는 소비 전력이 비교적 높은 편이기 때문에 전력 소모를 최소화할 수 있는 방안을 고려하지 않는다면 실제 현장에서 적용하기 힘들 것으로 판단된다.

참고문헌 (6)

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Nemati A., Nami H., Yari M., Ranjbar F., and Kolvir H.R., "Development of an exergoeconomic model for analysis and multi-objective optimization of a thermoelectric heat pump," Energy Conversion and Management, Vol. 130, pp. 1-13, 2016.

상세보기
Mannella GA, La Carrubba V., and Brucato V., "Peltier cells as temperature control elements: Experimental characterization and modeling," Applied Thermal Engineering, Vol.63(1), pp234-245, 2014.

상세보기
Jugsujinda S., Voraud A., and Seetawan T., "Analyzing of thermoelectric refrigerator performance," Procedia Engineering, Vol.8, pp154-159, 2011.

상세보기
Goldsmid H. J., "Theory of thermoelectric refrigeration and generation," In Introduction to Thermoelectricity, Springer Berlin, Heidelberg, pp9-24, 2016.
Goldsmid H.J., "Conversion efficiency and figure-ofmerit," In CRC Handbook of Thermoelectrics; CRC Press: Boca Raton, FL., USA, pp19-25, 1995.

저자의 다른 논문 :

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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