전자냉각시스템의 구조

제 3 장 실험 장치 및 방법

는 전자가 부족한 반도체이며, N형 반도체는 전자가 초과된 반도체이다. P형 반도 체와 N형 반도체를 П자 형태로 연결하여 직류 전류를 공급하였을 경우, 서로 다른 P형과 N형 반도체 내에서 같은 방향으로 전자가 열을 이동시켜 한쪽 면은 열이 모 이기 때문에 발열 작용이 일어나고 다른 면은 열이 이동하여 없어졌기 때문에 냉 각 작용이 일어나게 된다. 에폭시실링을 사용하여 기존의 열전소자에서 냉각면과 발열면의 온도차로 인해 발생하던 습기에 의한 단락문제를 근본적으로 해결하였고, 기계적인 강도와 열전도성 또한 개선된 열전소자를 선정하여 사용하였다.

Fig. 7 Schematic diagram of cooling system

Fig. 8 Photograph of cooling system

(a) Composition (b) Dimensions

Fig. 9 Schematic diagram of thermoelectric module

Table 1 Performance specifications of thermoelectric module

Specifications(HMN6040) Unit Value

Qmax W 53

Imax A 6.0

Vmax V 15.5

ΔTmax ℃ 72

Weight g 23.21

Number of Thermocouples

(p-n Type semiconductor) pair 81 Dimensions mm × mm × mm 40 × 40 × 4.0

또한, 본 실험에 사용되는 열전소자의 최대허용전압은 15V이지만, 본 실험에서 사용되는 전자냉각시스템은 전자기기의 발열부 온도제어를 위해 제작한 것이므로 0℃이하의 온도로 낮아질 필요가 없기 때문에 온도가 0℃이하로 내려가지 않는 범 위에서 일정한 온도를 유지하고, 장시간 사용에도 열전소자에 무리를 발생하지 않 기 위해 직류 전원공급장치를 통해 12V의 전압을 열전소자에 공급하였다. 또한, 열 전소자의 특성상 인가된 전압에 의해 냉각면의 온도가 낮아질수록 발열면의 온도 는 높아지기 때문에 발열면에서 발생하는 고온의 열원을 제어하지 못하면 발열면 의 열이 열전소자 내부로 전도되어 소자가 파괴되거나 냉각면의 온도가 높아질 우 려가 있기 때문에 열전소자 발열면의 방열은 매우 중요하며 이를 위해 발열면에 방열판(Heat sink)과 냉각팬(Cooling fan)을 장착하였다.

방열판의 제원 및 형상은 Fig. 10와 Table 2에 나타내었다. 방열판은 공기와 닿는 표면적을 넓힌 구조이기 때문에 열전소자의 발열면에서 발생한 열을 방열판으로 전체로 넓게 분산시켜 발열면의 방열을 더 원활하게 한다. 열전소자의 발열면에 방 열판을 밀착하여 장착하였으며, 발열면에서 방열판으로 흡수된 열이 공기의 대류로 인해 다시 전자냉각시스템의 냉각영역으로 들어가는 것을 방지하고 그 외의 외부 의 온도로부터 발생하는 영향을 최소화하기 위하여 방열판에 단열재를 부착하였다.

또한, 열전소자의 발열면과 방열판을 정확하게 밀착하여 고정시켜야 열전소자에 서 발생된 열이 더 원활하게 방열판으로 전도되기 때문에 열의 방출 또한 원활하 게 될 수 있다. 이를 위해 열전도율이 좋은 재료를 사용하여 냉각플레이트(AS52)를 만들어 열전소자와 방열판을 완전하게 밀착시켜 고정하였다. 이렇게 방열판을 잘 장착했음에 불구하고, 방열판만으로 열전소자의 발열면에서 발생하는 열을 충분히 방열하기 위해서는 방열판의 크기가 커야하고 주위의 온도에 따라 방열 능력이 차 이가 발생하기 때문에, 방열판의 방열성능 향상을 위해 냉각팬을 장착하여 발열면 에서 발생하는 열의 방출이 더욱 원활하게 될 수 있도록 하였다. 또한, 발열면의 온도를 제어함으로써 열전소자의 파손을 방지하고 냉각면의 온도가 일정하게 유지 될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 사용된 냉각팬은 일반적으로 PC의 냉각에 많이 사용하는 크기와 성능의 냉각팬을 사용하였고, 그 형상은 Fig. 11에 나타내었다. 냉

(a) Front view (b) Right side view

Fig. 10 Dimensions of heat sink

Table 2 Performance specifications of heat sink at heat side

Specifications Value Units

Material Al-alloy 60series

Weight 940 g

Type Fin

Dimensions 190 × 125 × 40 mm × mm × mm

Fig. 11 Photograph of cooling fan