열전소자에 전압을 공급하면 열전현상(Peltier effect)에 의해 한쪽 면에서는 발 열이 다른 한쪽 면에서는 냉각이 일어나게 된다. 열전소자의 발열이 일어나는 발 열부에서 급속하게 발생하는 고온의 열원을 제어하기 위해 방열판과 냉각팬을 사 용하였으며, 이러한 방열판과 냉각팬에 의해 발열부에서 발생하는 열원을 일정하 게 유지시켜 줌으로써, 열전소자의 다른 한쪽 면에 냉각면이 형성됨과 동시에 일 정한 냉각영역을 이루는 열전달 프로세스가 형성된다.
온도 측정 데이터는 실험 시작부터 일정한 온도 유지 할 때 까지 약 300초 동안 수집 하였다. Fig. 4-6은 시편 A, B, E에 12의 정전압을 공급하고 냉각팬에 12
의 전압을 공급하였을 경우 냉각면에 있는 측정 포인트 Spot1,Spot2과 방열면 에 부착한 방열판에 있는 측정 포인트 Spot3,Spot4,Spot5 일정한 온도 유지될 때 까지 약 300초 동안의 온도 측정결과를 나타나고 있다.
Fig. 4-6에 시편 A, B, E의 온도 측정 결과에서 보는 봐와 같이, 열전소자를 작 동 시킨 후 단시간에 냉각면 온도가 급격하게 낮아졌으며 방열면 온도가 상승 하 였다. 약 100초 이후부터는 냉각면과 방열면의 온도가 일정하게 유지되었다.
열전소자의 발열부에서 발생하는 고온의 열원을 제어하기 위해 사용한 방열판과 냉각팬에 의해 발열부가 일정한온도로 유지되며, 열전소자의 발열부에서 발생한 열원의 일부가 열전소자 내부를 구성하는 반도체와 열전소자의 표면재료인 세라믹 을 통해 열전소자의 냉각부로 전도 되면서 발열부와 냉각부 사이의 열교환에 의한 열적평형 상태가 구성되어 열전달 프로세스가 형성되며, 이로 인해 열전소자의 방 열면과 냉각면에서 급격하게 온도가 변동하다가 일정시간 이후 온도가 일정하게 유지되는 것이다.
또한 같은 시험편의 방열면과 냉각면에서 측정위치에 따라 온도변화가 같지 않는 것을 알 수 있었다. Fig. 4-6(a)은 보는 봐와 같이 시험편 A을 일정한 온도로 유 지한 후에 방열면과 냉각면에 있는 측정 포인트 온도를 비교해보면 약 1℃의 온도 차를 확인할 수 있었다. 시험편 B의 냉각면에 약4℃의 온도차를 확인 할 수 있었 다. 시험편 E의 냉각면에 약 2℃의 온도차를 확인 할 수 있었으며 비교 분석
시 오차를 최소화 시키기 위해 방열면과 냉각면의 온도는 지정된 측정 포인트에 측정한 온도의 평균값으로 계산하고 비교 하였다.
(a) Temperature distribution of specimen A
(b) Temperature distribution of specimen B
(c) Temperature distribution of specimen E Fig. 4-6 Temperature distribution of specimen A, B, E
수집한 데이터는 평균값으로 계산하여 냉각면과 방열면의 추산온도 값을 얻을 수 있다. Fig. 4-7은 열전소자 시험편 A, B에 12의 정전압을 공급하고 냉각팬에 12의 전압을 공급하였을 경우, 냉각면에서 발생하는 평균온도값 및 방열면에서 발생하는 평균온도값을 정리한 결과이다.
Fig.4-7을 통해 시험편A 작동시킨 후 냉각면에 약 20초 동안 급격하게 온도가 낮 아졌으며 최저온도는 약 -11℃에 도달되고 이때 방열면의 최고온도는 31.1℃에 도달 하였으며 약 200초 이후 -5.8℃에 유지 하였고 이때 방열면의 최고 온도는 37.4℃에 도달 하였다. 시험편B의 냉각면에 약 20초 동안 급격하게 온도가 낮아졌 으며 최저온도는 약 -10.4℃에 도달되고 이때 방열면의 최고온도는 30.3℃에 도달 되었다. 약 200초 이후 -4.4℃에 유지 되었고 이때 방열면의 최고 온도는 38.1℃
에 도달 되었다.
시험편 A, B는 같은 양품으로써 동일 실험 조건에서 냉각면의 최저온도는 약 0.
6℃ 차이가 있고 이때의 방열면의 최고 온도는 약 0.8℃차이가 있는 것을 확인 하 였다. 이를 통해 같은 재료로 같은 공정에서 제작된 열전소자를 작동 시 온도변화 차이가 있는 것을 추측 할 수 있다.
Fig.4-7 Temperature distribution of specimen A, B
Fig.4-8은 열전소자 시험편 A, E에 12의 정전압을 공급하고 냉각팬에 12 의 전압을 공급했을 경우, 냉각면에서 발생하는 온도 평균값 및 방열면에서 발생 하는 온도평균값을 정리한 결과이다.
Fig.4-8을 통해 시험편E를 작동시킨 후 냉각면에 약 20초 동안 급격하게 온도가 낮아졌으며 최저온도는 약 -10.3℃에 도달되고 이때 방열면의 최고온도는 30.1℃
에 도달 되었으며 약 200초 이후 -4.1℃에 유지 하였고 이때 방열면의 최고 온도 는 37.2℃에 도달 되었다.
인공결함을 만든 전/후 즉 시험편A, E의 온도 변화를 비교 해보면 시험편A보다 시험편E의 냉각면 최저온도는 0.7℃ 떨어지는 것을 확인 할 수 있다.
Fig.4-8 Temperature distribution of specimen A, E