냉각시스템 온도 측정결과

In document 열전소자를 이용한 소형 냉각시스템의 냉각성능에 관한 연구 (Page 78-92)

4.1 냉각시스템 성능 실험 결과

4.1.1 냉각시스템 온도 측정결과

제 4 장 실험 및 수치해석 결과

냉각팬에 의해 발열부가 일정한 온도로 유지되며, 열전소자의 발열부에서 발생한 열원의 일부가 열전소자 내부를 구성하는 반도체와 열전소자의 표면재료인 세라믹 을 통해 열전소자의 냉각부로 전도되면서 발열부와 냉각부 사이의 열교환에 의한 열적평형 상태가 구성되어 열전달 프로세스가 형성되며, 이로 인해 냉각시스템의 냉각영역에서 급격하게 온도가 떨어지다가 일정시간 이후 온도가 일정하게 유지되 는 것이다.

Fig. 28 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 5V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 29 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 5V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 30과 Fig. 32는 냉각시스템의 열전소자에 6V와 7V의 정전압을 공급하고 냉 각팬에 12V를 공급하였을 경우, 각 냉각시스템 냉각영역에서 발생하는 온도를 측 정한 결과들이다. 각 결과들은 Fig. 28의 결과와 유사하게 냉각시스템을 작동시킨 후 약 60초 동안 급격하게 온도가 낮아졌으며 약 120초 이후부터는 각 측정 지점 별로 일정한 온도를 유지하였다.

냉각시스템의 열전소자에 공급하는 전압에 따른 냉각영역에서 발생하는 온도결 과에서, 냉각시스템 냉각영역의 중앙부인 무차원 좌표 X=1인 지점에서 온도가 가 장 낮게 나타났으며, 다른 지점들과 약 4 ~ 6℃의 온도차가 발생하였다.

Fig. 30 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 6V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 31 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 6V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 32 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 7V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 33 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 7V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

냉각시스템의 열전소자에 공급하는 전압을 증가하였을 경우 냉각시스템 냉각영 역에서 발생하는 온도는 낮아졌으며, 열전소자에 10V의 전압을 공급하였을 경우 약 120초 이후부터 약 -3.8 ~ 2.6℃로 냉각시스템의 냉각영역에서 가장 낮은 온도 를 형성하였으며 온도가 일정하게 유지되었다.

냉각시스템의 열전소자에 공급하는 전압을 증가시킬 경우 냉각시스템 냉각영역 에서 발생하는 온도는 낮아졌으나, 냉각영역의 온도가 너무 낮아지면서 열전소자 냉각부의 표면이 0℃ 이하로 내려가게 되어 결빙되거나, 주위와의 온도차에 의하여 결로 현상이 발생할 수 있다.

Fig. 34와 Fig. 35의 결과에서 보는 바와 같이, 열전소자에 8V의 정전압을 공급하 였을 경우 냉각시스템 냉각영역에서 0℃ 이하로 내려가는 것을 확인할 수 있었으 며, 이는 컴퓨터 내부에서 발생하는 열을 제어하기 위한 열전소자를 이용한 냉각시 스템에서 결로 현상에 의해 컴퓨터 내부의 전자장비에 영향을 줄 수 있다.

열전소자 냉각부의 흡열량은 열전소자에 공급하는 전압과 열전소자의 발열부와 냉각부 표면의 온도차에 영향을 받으며, 열전소자의 발열량과 흡열량은 열전소자에 공급되는 전압에 비례하여 증가하게 된다.

본 연구에서는 냉각시스템 열전소자의 발열부를 방열판과 냉각팬을 사용하여 일 정한 온도로 유지되도록 제어하여 냉각부로의 영향을 최소화 시켰으며, 이로 인해 열전소자에 공급되는 전압을 증가시켜도 발열부에서 발생하는 열원의 영향을 적게 받기 때문에 냉각부의 흡열량이 증가하여 냉각시스템의 냉각영역에서 발생하는 온 도가 낮아지게 되는 것이다.

열전소자의 흡열량은 열전소자에 공급되는 전압에 비례하여 증가하지만 공급되 는 전압이 일정 이상 되면 발열부에서 발생하는 고온의 발열량도 증가하게 되어 열의 효과와 발열부와 냉각부의 온도차의 증가로 인하여 흡열량이 다시 감소할 수 있기 때문에 공급하는 전압을 낮게 설정하고 열전소자 발열부의 제어를 통해 열전 소자의 흡열량을 증가시키는 것이 효과적일 것으로 사료된다.

Fig. 34 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 8V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 35 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 8V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 36 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 9V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 37 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 9V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 38 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 10V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 39 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module as 10V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X

Fig. 40은 냉각시스템을 작동시켰을 경우, 열전소자 냉각부의 표면온도를 적외선 열화상카메라를 이용하여 촬영한 결과를 보여주고 있다. 냉각시스템을 작동시키고 시간이 경과되면서 열전소자의 중앙부와 양쪽 가장자리(측면부) 사이에는 가시적으 로도 확인할 수 있듯이 중앙부의 파란색 영역이 측면부보다 짙게 형성되었으며 측 면부에서는 다소 연하게 나타나고 있으며, 이는 열전소자에 전압을 공급하였을 경 우 열전소자를 구성하고 있는 81쌍의 p-n형 반도체에서 발생하는 냉기가 열전소자 표면의 세라믹에 전도되면서 냉각부의 표면에 냉각이 이루어지게 되면, 특히 p-n형 반도체가 열전소자의 중앙부에 집중되어 있기 때문에 냉각영역의 중앙부에서 온도 가 낮게 형성되게 된다.

이러한 결과는 열전소자에 공급한 전압에 따른 냉각영역의 온도 측정결과와 유 사한 결과를 나타내고 있으며, 냉각시스템의 냉각영역에서 중앙부가 측면부보다 온 도가 낮게 형성되는 것을 증명하고 있다.

또한, 열전소자의 가장자리 부분에 형성된 붉은색 영역은 열전소자 발열부의 표 면과 방열판이 부착되어 있는 부분으로 발열부 표면에서 발생된 열원이 방열판으 로 전도되고 있는 것을 확인할 수 있다.

(a) after 5 seconds

(b) after 60 seconds

Fig. 40 IR image on cold surface of thermoelectric module by infrared thermal camera

열전소자의 냉각부의 흡열량(Qc)은 2.2절의 식(2.2.5)에서와 같이 열전소자에 공급 하는 전압과 열전소자 발열부와 냉각부 표면의 온도차에 영향을 받으며, 열전소자 의 발열과 흡열은 열전소자에 공급되는 전압에 비례하여 증가하고 열전소자에 일 정한 전압을 공급하였을 경우 열전소자의 발열부의 표면온도를 낮추어 열전소자 발열부와 냉각부의 표면온도차가 감소할수록 열전소자의 냉각성능이 향상되게 된 다.

열전소자에 공급하는 전압에 따른 냉각시스템 냉각영역의 온도 측정결과를 통해, 앞 2.3절의 식 (2.3.14)을 통해 성능계수를 도출하여 각 결과를 Table 6에 나타내었 다. 열전소자에 공급하는 전압이 높을수록 냉각시스템 냉각영역에서 발생하는 온도 는 낮아지면서 냉각성능이 향상되었으나 소비전력이 증가함에 따라 COP는 감소하 였다.

열전소자를 이용한 냉각시스템을 제작할 경우 열전소자를 이용하여 충분한 냉각 성능을 얻고자 한다면 열전소자 발열부에서 발생하는 열을 제어하는 것이 매우 중 요하며 시스템의 방열 성능에 따라 열전소자의 최적의 공급전압이 존재함을 알 수 있었다.

냉각시스템의 열전소자에 공급하는 전압을 증가시킬 경우 냉각시스템 냉각영역 에서 발생하는 온도가 낮아지면서 열전소자 냉각부의 표면이 0℃ 이하로 내려가게 되어 결빙되거나, 주위와의 온도차에 의하여 결로 현상이 발생할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 냉각시스템 냉각영역에서 0℃ 이하로 내려가지 않으면서 충분한 냉 각성능을 얻을 수 있는 열전소자에 공급하는 최적의 전압은 7V이었다.

Table 6 Comparison of performance coefficient by applied voltage conditions

Condition

Initial Temperature

[ ℃]

Final Temperature

[ ℃]

Cooling Power

[W]

Input Power

[W]

COP

5V 25.6 11.0 157.1 28.6 5.49

6V 24.6 8.0 158.2 33.6 4.71

7V 25.5 6.2 159.6 38.6 4.14

8V 24.0 5.5 159.2 43.6 3.65

9V 24.6 3.8 160.5 48.6 3.30

10V 24.4 2.5 161.1 53.6 3.00

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