In this study, the cooling characteristics of a liquid cooler using thermoelectric module was experimentally investigated. The experiment was conducted for various inner structures of liquid cooler (4 cases), hot fluid flow rates (0.15-0.25 L/min), number of T.E module (2, 4, 6 set), and the cooling...
In this study, the cooling characteristics of a liquid cooler using thermoelectric module was experimentally investigated. The experiment was conducted for various inner structures of liquid cooler (4 cases), hot fluid flow rates (0.15-0.25 L/min), number of T.E module (2, 4, 6 set), and the cooling water flow rates (200-600 cc/min) for both parallel and counter flow types. Among the results, better cooling performance geometry was selected. And experiment was also carried out to examine further enhancement of cooling performance by inserting coils (pitches: 0.2, 3, 6 mm) into the hot-fluid channel. Present results showed that the short serpentine type(case2) indicated the best cooling performance. In the case of coil pitch of 3 mm, the best cooling performance was shown, more than 10% increase of the inlet and outlet temperature difference, compared with the case of the cooler without coil. Consequently, the inserted coil pitch should be properly selected to improve cooling performance.
In this study, the cooling characteristics of a liquid cooler using thermoelectric module was experimentally investigated. The experiment was conducted for various inner structures of liquid cooler (4 cases), hot fluid flow rates (0.15-0.25 L/min), number of T.E module (2, 4, 6 set), and the cooling water flow rates (200-600 cc/min) for both parallel and counter flow types. Among the results, better cooling performance geometry was selected. And experiment was also carried out to examine further enhancement of cooling performance by inserting coils (pitches: 0.2, 3, 6 mm) into the hot-fluid channel. Present results showed that the short serpentine type(case2) indicated the best cooling performance. In the case of coil pitch of 3 mm, the best cooling performance was shown, more than 10% increase of the inlet and outlet temperature difference, compared with the case of the cooler without coil. Consequently, the inserted coil pitch should be properly selected to improve cooling performance.
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문제 정의
Phelan et al.(1)은 열전소자의 냉각시스템에서 열전소자의 고온부에 부착되는 방열기의 설계에 대한 연구를 하였다. Yoo et al.
본 연구에서는 액체냉각기 표면에 열전소자(thermoelectric module, 이하 T.E module)를 부착한 액체 냉각기에서 냉각기 내부의 유로 형상, 유량, 냉각수 유량 변화가 냉각 특성에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 이를 위해 냉각기 내부에 고온 유체(등유, kerosene)가 흐르고 열전소자를 이용하여 표면을 냉각시키는 액체냉각기를 고안하여 내부 유로형상의 변화, 열전소자의 작동 개수, 냉각수 유량의 변화에 따른 냉각 특성에 대한 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 추가적으로 냉각기의 성능을 향상시키기 위하여 실험 결과로부터 가장 좋은 결과를 나타내는 형상인 case2를 선택하여 유로 내부에 구리 coil을 삽입하고 coil의 피치(pitch)를 각각 다르게 하여 열교환 성능에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다.
제안 방법
25L/min로 증가시키고, 냉각기 입구에서부터 차례로 상⋅하의 열전소자를 한 쌍씩(2, 4, 6개) 작동시켰다. 또한 냉각 자켓의 냉각수는 병행류(등유와 동일 유동방향)로 유량 200, 400, 600 cc/min 로 증가 시켜가며 냉각기 입⋅출구의 온도를 측정하였다. 여기서 냉각성능이 양호한 형상을 선택하고 냉각수를 대향류(등유와 반대유동방향)로 하여 동일한 조건에서 다시 실험을 하였다.
여기서 냉각성능이 양호한 형상을 선택하고 냉각수를 대향류(등유와 반대유동방향)로 하여 동일한 조건에서 다시 실험을 하였다. 또한 추가적으로 병행류와 대향류 실험에서 가장 우수한 성능을 나타내는 냉각기 형상(case)을 선택하고, 냉각기 내부 유체의 열확산율을 높이기 위해 유로내부에 구리 coil을 삽입하여 coil의 피치변화에 따른 냉각기의 냉각성능 실험을 하였다.
본 연구에서는 열전소자를 이용한 액체 냉각기의 내부 형상, 열전소자의 작동개수, 냉각수 유량, 고온 유체(등유) 유량을 변화시켜 우수한 성능의 형상을 선택하였으며, 내부에 코일을 삽입하여 실험한 결과 본 실험 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험은 가열된 등유의 유량을 0.15, 0.20, 0.25L/min로 증가시키고, 냉각기 입구에서부터 차례로 상⋅하의 열전소자를 한 쌍씩(2, 4, 6개) 작동시켰다. 또한 냉각 자켓의 냉각수는 병행류(등유와 동일 유동방향)로 유량 200, 400, 600 cc/min 로 증가 시켜가며 냉각기 입⋅출구의 온도를 측정하였다.
또한 냉각 자켓의 냉각수는 병행류(등유와 동일 유동방향)로 유량 200, 400, 600 cc/min 로 증가 시켜가며 냉각기 입⋅출구의 온도를 측정하였다. 여기서 냉각성능이 양호한 형상을 선택하고 냉각수를 대향류(등유와 반대유동방향)로 하여 동일한 조건에서 다시 실험을 하였다. 또한 추가적으로 병행류와 대향류 실험에서 가장 우수한 성능을 나타내는 냉각기 형상(case)을 선택하고, 냉각기 내부 유체의 열확산율을 높이기 위해 유로내부에 구리 coil을 삽입하여 coil의 피치변화에 따른 냉각기의 냉각성능 실험을 하였다.
E module)를 부착한 액체 냉각기에서 냉각기 내부의 유로 형상, 유량, 냉각수 유량 변화가 냉각 특성에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 이를 위해 냉각기 내부에 고온 유체(등유, kerosene)가 흐르고 열전소자를 이용하여 표면을 냉각시키는 액체냉각기를 고안하여 내부 유로형상의 변화, 열전소자의 작동 개수, 냉각수 유량의 변화에 따른 냉각 특성에 대한 실험을 수행하였다.
6은 냉각기 내부의 유로에 coil을 삽입한 모습이다. 피치의 길이는 각각 short(0.2mm), middle(3mm), long(6mm) 3가지 경우에 대하여 열전소자의 냉각기의 조건은 앞선 실험결과에서 최대냉각효과를 나타내는 냉각수 유량 600 cc/min, 열전소자 작동 개수 6개로 하고, 냉각기의 등유 유량을 0.15 ～ 0.6 L/min으로 증가시키며 실험을 수행하였다.
대상 데이터
E module cooling system)의 세부적인 모습을 나타낸다. 열전소자는 공급 전압 12V, 전류 5A, 크기 40×40×3mm를 사용하였다. 열전소자의 저온부는 액체냉각기에 고온부는 냉각 자켓에 각각 부착하였다.
성능/효과
(1)열전소자의 고온부 냉각수가 냉각기 내부 유체와 병행류로 흐를 때, 4가지 냉각기 형상들 중 냉각기의 길이 방향으로 짧은 채널(case2)과 긴 채널(case3)이 있는 경우 냉각수량 600 cc/min이고 열전소자의 작동개수가 6개일 때 우수한 냉각성능을 나타냈다.
(2)열전 모듈의 고온부 냉각을 병행류보다는 대향류로 흐를 때 동일한 조건에서 3쌍의 열전 모듈의 성능이 양호하게 작동하므로 냉각성능이 좋으며, 길이방향으로 짧은 채널(case2)이 있는 경우 고온의 등유를 냉각 하는데 가장 우수한 성능을 나타냈다.
(2)은 열전소자의 고온부를 액체 냉각하는 시스템의 성능에 대한 실험적 연구를 하였으며, Huang et al.(3)는 열전소자의 최대냉각성능은 열전소자 고온측의 충분한 방열 조건에서 이루어질 수 있다는 연구 결과를 발표하였다. Lee et al.
case 2의 실험결과 냉각수량이 600 cc/min, 열전소자 작동개수 6개 이고, 등유 유량이 0.15 L/min, 0.2 L/min, 0.25 L/min 일 때 각각 냉각기의 입⋅출구 온도차는 62℃, 57℃, 50℃ 이고, case 3의 실험결과 동일한 조건에서 입⋅출구의 온도차는 59℃, 51℃, 47℃로 나타났다.
(7)은 평판에 장애물을 부착하면 유동불안정성을 촉진하고 열교환기에 있어서는 전열면적의 확대와 유동의 혼합(mixing) 및 분산(dispersion)현상을 초래하여 열전달효율을 높여준다고 하였다. 또한 배플 사이의 간격과 평판사이의 거리의 비(baffle ratio, BR)를 변경시키며 수치 해석을 수행하여, BR이 작을 경우 배플 뒷면에서 유동의 재부착점이 생성되지 않고 유동 불안정성을 감소시키는 결과를 얻었다. 이는 Fig.
5와 같은 결과를 얻었다. 병행류 실험 결과와 유사하게, 냉각수 유량과 열전소자의 작동개수가 증가할수록 냉각성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
(3)냉각기 내부에 coil을 삽입한 경우 coil의 피치에 따라 각기 다른 결과를 나타냈다. 이는 유량과 coil의 피치 크기에 따라 유동박리 및 재부착점이 달라지므로 유량과 코일피치의 적절한 조합을 선정함으로써 냉각기의 열전달 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
4는 냉각수 유량을 200, 400, 600 cc/min로 각각 고정시키고, 열전소자의 개수와 열교환기를 통과하는 등유의 유량을 변화시키면서 실험한 결과이며, 수직축은 냉각기 입⋅출구의 온도차를 나타낸다. 전체적인 경향은 동일한 등유 유량에서 열전소자의 개수가 증가할수록, 냉각수의 유량이 증가할수록 출구 온도가 감소하여 냉각성능이 향상되는 것을 알 수 있다. 이에 대해 Hwang and Kang(5)은 열전모듈 냉방기에서 열전모듈 개수가 감소할수록 열전 모듈 개당 입력전압이 증가하여 열전모듈 자체에서 발생하는 열이 증가하고, 고온 측에서 발생한 열이 저온 측으로 전도되어 냉방성능이 저하된다고 하였다.
지금까지의 결과로부터 4가지의 열교환기 형상 중에서 case 2의 경우 열전소자 6개 모두 작동시키고 냉각수 유량을 증가할수록 열전소자의 방열 성능이 향상되고, 냉각기의 냉각성능 또한 향상되는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전소자를 이용한 냉각의 구조는 어떠한가?
열전소자를 이용한 냉각은 저온부에서 흡수한 열을 고온부에서 방열시키는 간단한 구조이며, 열전소자의 방열기는 방열휜(fin)과 방열팬(fan)방식을 이용하고 있으나 최근 열전냉각 방식에 관해 많은 연구가 진행 중이다. Phelan et al.
열교환기의 성능은 무엇에 따라 달라지는가?
열교환기의 성능은 입⋅출구온도차, 전열 면적, 유로의 형상, 유로 내부 유체의 통과 유량, 냉각시키고자 하는 유체의 물리적 성질 등에 따라 달라진다.
열전소자를 이용한 액체 냉각기의 냉각열전달 특성에 대해 분석한 결과는 어떠한가?
(1)열전소자의 고온부 냉각수가 냉각기 내부 유체와 병행류로 흐를 때, 4가지 냉각기 형상들 중 냉각기의 길이 방향으로 짧은 채널(case2)과 긴 채널(case3)이 있는 경우 냉각수량 600 cc/min이고 열전소자의 작동개수가 6개일 때 우수한 냉각성능을 나타냈다.
(2)열전 모듈의 고온부 냉각을 병행류보다는 대향류로 흐를 때 동일한 조건에서 3쌍의 열전 모듈의 성능이 양호하게 작동하므로 냉각성능이 좋으며, 길이방향으로 짧은 채널(case2)이 있는 경우 고온의 등유를 냉각 하는데 가장 우수한 성능을 나타냈다.
(3)냉각기 내부에 coil을 삽입한 경우 coil의 피치에 따라 각기 다른 결과를 나타냈다. 이는 유량과 coil의 피치 크기에 따라 유동박리 및 재부착 점이 달라지므로 유량과 코일피치의 적절한 조합을 선정함으로써 냉각기의 열전달 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
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