열전소자 온도제어 시스템(Temperature Control System for Thermoelectric Element)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2014년05월20일
(11) 등록번호 10-1397421
(24) 등록일자 2014년05월14일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
G05D 23/19 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2013-0026875
(22) 출원일자 2013년03월13일
심사청구일자 2013년03월13일
(56) 선행기술조사문헌
KR100817419 B1*
KR101227153 B1*
KR1020110125723 A
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
이찬우
경기도 화성시 병점1로 65, 108동 204호 (병점
동, 늘벗마을 신창1차아파트)
(72) 발명자
이찬우
경기도 화성시 병점1로 65, 108동 204호 (병점
동, 늘벗마을 신창1차아파트)
(74) 대리인
신명용
전체 청구항 수 : 총 2 항 심사관 : 김문성
(54) 발명의 명칭 열전소자 온도제어 시스템
(57) 요 약
개시된 본 발명에 따른 열전소자 온도제어 시스템은, 대상 목적물의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전원
공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인 콘트롤러(100); 교류전원의 전압을 직류로 변환시켜
메인 콘트롤러(100)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 출력하는 전원공급모듈(200); 메인 콘
트롤러(100)의 제어신호에 따라 전원공급모듈(200)에서 출력되는 전압의 극성을 정( ) 또는 역(-)으로 전환시켜
출력하는 극성전환모듈(300); 및, 일측에 상기 대상 목적물과 연결된 열교환장치(600)가 설치되고 타측에 방열장
치(700)가 설치되며, 다수의 열전소자를 구비하여 상기 극성전환모듈(300)을 통해 상기 전원공급모듈(200)로부터
공급되는 전원에 의해 양측이 흡열 또는 발열 반응하는 열전모듈(500)을 포함한다. 메인 콘트롤러(100)는 극성전
환점 부근의 설정된 일정출력 범위 내에서 열전모듈(500)의 구동조건에 따라 발생되는 기전력의 값을 연산하고,
이 연산된 기전력에 따른 불감구역을 회피할 수 있는 영역에서 온(ON)/오프(OFF) 방식으로 출력할 수 있도록 제
어하고, 그 이외의 범위에서는 선형 방식으로 출력하도록 제어한다.
대 표 도 - 도7
등록특허 10-1397421
- 1 -
특허청구의 범위
청구항 1
대상 목적물의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전원공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는
메인 콘트롤러(100);
교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 메인 콘트롤러(100)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여
출력하는 전원공급모듈(200);
메인 콘트롤러(100)의 제어신호에 따라 전원공급모듈(200)에서 출력되는 전압의 극성을 정( ) 또는 역(-)으로
전환시켜 출력하는 극성전환모듈(300); 및,
일측에 상기 대상 목적물과 연결된 열교환장치(600)가 설치되고 타측에 방열장치(700)가 설치되며, 다수의 열전
소자를 구비하여 상기 극성전환모듈(300)을 통해 상기 전원공급모듈(200)로부터 공급되는 전원에 의해 양측이
흡열 또는 발열 반응하는 열전모듈(500)을 포함하며,
상기 메인 콘트롤러(100)는 극성전환점 부근의 설정된 일정출력 범위 내에서 열전모듈(500)의 구동조건에 따라
발생되는 기전력의 값을 연산하고, 이 연산된 기전력에 따른 불감구역을 회피할 수 있는 영역에서 온(ON)/오프
(OFF) 방식으로 출력할 수 있도록 제어하고, 그 이외의 범위에서는 선형 방식으로 출력하도록 제어하며,
상기 메인 콘트롤러(100)는 상기 열교환장치(600) 및 방열장치(700)에 설치된 온도센서(610, 710)로부터 수신된
온도 값의 차이(Δ(Th-Tc))와, 상기 열전모듈의 설정된 제백 계수(Seebeck coefficient,α)의 값을 적용하여 상
기 기전력의 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 열전소자 온도제어 시스템.
청구항 2
삭제
청구항 3
제 1 항에 있어서,
상기 메인 콘트롤러(100)는 선형 제어구간에서 온(ON)/오프(OFF) 제어구간으로 또는 온(ON)/오프(OFF) 제어구간
에서 선형 제어구간으로 전환되는 출력의 경계점은 상기 일정출력 범위 내에서 제어출력의 절대값이 상기 연산
된 기전력의 절대값보다 같거나 작지 않은 범위에서 적용하는 것을 특징으로 하는 열전소자 온도제어 시스템.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 열전소자의 온도제어 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 열전소자를 적용한 각종 온도제어 분[0001]
야에서 열전소자를 모듈(Module)로 구성하여 가열 및 냉각의 소스(Source)로 활용하는 열전소자 온도제어 시스
템에 관한 것이다.
배 경 기 술
열전모듈(TEM:Thermoelectric Module)은 냉각시스템 또는 열펌프로의 기능을 수행할 수 있게 되는 전자부품으로[0002]
써, 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 다수의 열전소자(또는 열전
반도체)가 배치되어 있어서 공급된 전원의 극성 전환에 의해 양측면을 통하여 흡열 또는 방열하게 된다. 열전모
듈은 공급되는 전압이나 전류를 제어함에 따라 0.01℃ 수준의 정밀한 온도제어도 가능하고, 소자를 가동시키기
위한 구동부분이 없기 때문에 진동 소음이 없으며, 열전소자의 열전특성으로 이용하므로 냉매를 이용한 냉각시
스템과 같은 오염이나 공해가 없는 특징이 있으므로, 다양한 산업분야에서 현재 광범위하게 적용되고 있고 또한
그 적용을 위해 개발되고 있는 실정이다.
등록특허 10-1397421
- 2 -
각종 온도제어 분야에서 열전모듈을 이용하여 설정된 온도로 조절하기 위한 시스템은 일반적으로, 열전모듈에[0003]
전압공급 여부 및 정,역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인 콘트롤러, 교류전원의 전압을 직류로 변환시켜
메인 콘트롤러에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하는 전압공급장치, 그리고 이를 다시 정( ) 또
는 역(-)으로 전환시키는 극성전환모듈로 구성되는 제어시스템과, 상기 제어시스템으로 통하여 인가된 전원을
공급받아 대상 목적물(유체 또는 고체)의 온도를 조절하기 위한 냉각 및 가열의 출력을 담당하는 다양한 형태의
열전모듈로 구성된다.
종래의 열전모듈을 이용한 온도제어 시스템은 열전모듈을 냉각원으로서만 사용하고 가열원으로서는 별도의 히터[0004]
라는 가열원을 적용시킴에 따라 전체적으로 온도제어 시스템의 구조가 복잡하고 커지게 되어 비용이 증가될 뿐
만 아니라 정밀제어가 쉽지 않고 유지보수가 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점으로 인해 한 개의 열전모듈이 냉각 뿐만 아니라 가열 소스의 기능을 하도록 하는 방안이 연구되[0005]
고 있다.
온도제어를 위한 콘트롤러의 연산방식으로는 PID 연산방식을 보편적으로 적용하며, 연산 결과를 제어출력으로[0006]
변환하는 방식에 따라 디지털 출력방식 또는 아날로그 출력방식을 이용하여 전원공급장치(SMPS:Switching Mode
Power Supply)의 출력량을 제어하게 된다. 열전모듈의 경우 현재 보편적으로 전원공급장치(SMPS)로부터 인가되
는 전력량에 따라 냉각 및 가열의 출력량이 조절되는 방식으로 적용되고 있으며, 열전모듈을 하나의 소스로 하
여 냉각 또는 가열의 출력을 얻기 위해서는 열전모듈로 인가되는 전원의 극성전환을 활용하게 된다.
먼저, 도 1은 기존이 온도제어 시스템에서 온/오프 방식에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태를 나타낸 것[0007]
으로써, 디지털 출력방식인 온(ON)/오프(OFF) 제어 또는 PWM 제어(Pulse Width Modulation) 방식의 경우, 콘트
롤러(10)의 제어신호에 따라 전원공급장치(SMPS)를 포함하는 극성전환부(30)로부터 열전모듈(TEM, 51)에 공급되
는 전압이 다수의 펄스 형태를 이루며 인가되는데, 전압이 이와 같은 형태로 인가되면 열전모듈(51)이 전원 노
이즈와 온/오프에 의한 Thermal Stress가 증가, 누적되어 절연특성이 파괴되거나 내부저항이 점차 증가되어 열
전특성이 감쇠되는 등 내구성이 떨어지는 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제점을 감안하여 대한민국 등록특허 제817419호(열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온[0008]
도제어 시스템)에는 열전모듈에 대한 전원공급을 아날로그 출력방식인 선형제어(Proportional Control)로 인가
하는 기술이 개시되어 있다. 도 2는 상기 개시된 온도제어 시스템에서 아날로그 시그널에 의한 선형제어에 의해
극성전환시킬 때의 전원 인가상태를 나타낸 것이다. 이에 의하면 열전모듈(51)에 가해지는 전압의 출력량을 선
형제어에 의해 가변시킴으로써 Thermal Stress가 작아 절연파괴나 특성감쇠를 방지하여 부품의 내구성 및 신뢰
성을 향상시키는 이점이 있다.
그런데, 상기 아날로그 출력방식의 경우 극성전환 포인트 부근에서는 열전모듈로 인가되는 전압이 거의 제로[0009]
(Zero) 값에 수렴하게 되며, 수렴하는 일정구간에서 열전모듈의 양 측면의 온도편차가 존재하게 될 경우 제어출
력이 실제로 냉각출력 또는 가열출력으로 반응하지 않는 현상이 발생하게 된다. 이는 열전모듈의 양측면의 온도
편차에 의한 기(起)전력의 발생(Seebeck Effect) 조건에서 제어출력에 의해서 열전모듈로 인가되는 전압보다 큰
기전력이 발생될 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 일정구간(극성전환구간)에서 제어출력이 실제로 냉각출력 또는
가열출력으로 반응하지 않는 불감구역(Dead Zone or Dead Band)이 형성하게 된다. 따라서 불감구역이 형성되는
일정구간에서 정밀한 온도제어가 힘들게 된다. 특히, 매우 정밀한 온도제어가 요구되는 분야인 반도체, LED 등
의 항온제어 분야에서는 이러한 문제점은 중요한 문제점으로 부각되고 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 열전소자를 응용한 온도제어 방식에서 구성부품의 내구[0010]
성과 신뢰성을 안정시키기 위해 적용하는 선형제어방식의 장점과 동시에 열전 효과(Seebeck Effect)인 발열측면
과 흡열측면의 온도 차이에 의해 발생되는 기전력의 발생조건에서도 제어 정밀도를 더욱 정밀하게 향상시키도록
하는 열전소자 온도제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
과제의 해결 수단
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전소자 온도제어 시스템은, 대상 목적물의 온도를 설정된 온도로[0011]
조절하기 위하여 전원공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인 콘트롤러(100); 교류전원의 전
등록특허 10-1397421
- 3 -
압을 직류로 변환시켜 메인 콘트롤러(100)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 출력하는 전원
공급모듈(200); 메인 콘트롤러(100)의 제어신호에 따라 전원공급모듈(200)에서 출력되는 전압의 극성을 정( )
또는 역(-)으로 전환시켜 출력하는 극성전환모듈(300); 및, 일측에 상기 대상 목적물과 연결된 열교환장치(60
0)가 설치되고 타측에 방열장치(700)가 설치되며, 다수의 열전소자를 구비하여 상기 극성전환모듈(300)을 통해
상기 전원공급모듈(200)로부터 공급되는 전원에 의해 양측이 흡열 또는 발열 반응하는 열전모듈(500)을 포함하
며, 상기 메인 콘트롤러(100)는 극성전환점 부근의 설정된 일정출력 범위 내에서 열전모듈(500)의 구동조건에
따라 발생되는 기전력의 값을 연산하고, 이 연산된 기전력에 따른 불감구역을 회피할 수 있는 영역에서 온(ON)/
오프(OFF) 방식으로 출력할 수 있도록 제어하고, 그 이외의 범위에서는 선형 방식으로 출력하도록 제어하는 것
을 특징으로 한다.
한편 상기 메인 콘트롤러(100)는 상기 열교환장치(600) 및 방열장치(700)에 설치된 온도센서(610, 710)로부터[0012]
수신된 온도 값의 차이(Δ(Th-Tc))와, 상기 열전모듈의 설정된 제백 계수(Seebeck coefficient,α)의 값을 적용
하여 상기 기전력의 값을 연산한다.
또한 상기 메인 콘트롤러(100)는 선형 제어구간에서 온(ON)/오프(OFF) 제어구간으로 또는 온(ON)/오프(OFF) 제[0013]
어구간에서 선형 제어구간으로 전환되는 출력의 경계점은 상기 일정출력 범위 내에서 제어출력의 절대값이 상기
연산된 기전력의 절대값보다 같거나 작지 않은 범위에서 적용한다.
발명의 효과
이와 같이 본 발명에 의하면 극성전환점 부근, 즉 열전소자의 특성이 발생하기 시작하는 낮은 전위의 전압영역[0014]
에서 일정 출력범위(양측면의 온도차로 발생하는 기전력보다 일정부분 높은 전위의 전압구간)를 미리 설정하고,
이 일정 출력범위 내에서 열전모듈의 특성에 따라 발생되는 기전력을 연산하고 이 연산된 기전력에 따른 불감구
역을 회피할 수 있는 영역을 인식하여 열전모듈에 인가되는 제어출력을 온오프 제어방식으로 출력하고, 그 이외
의 범위에서는 선형 제어방식으로 구분하여 출력을 조절하게 된다. 따라서 기존에 선형제어의 이점을 활용하여
열전모듈의 내구성과 제어정밀도 및 에너지 효율을 향상시키면서, 종래에 기전력에 의한 제어출력전압이 상실되
는 구간에서 선형제어를 적용했을 때 발생하는 불감구역을 회피하면서 출력량을 제어할 수 있게 되는 이점이 있
다. 결국 본 발명에 의하면 열전모듈의 내구성을 유지하는 동시에 전 출력구간에서의 온도 제어의 정밀도를 더
욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 기존의 온도제어 시스템에서 온/오프 방식에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태를 도시한 도면,[0015]
도 2는 기존의 온도제어 시스템에서 선형제어 방식에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태를 도시한 도면,
도 3은 기존 온도제어 시스템에서 극성전환 구간에서 Dead Zone 발생을 설명하는 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 온도제어 시스템의 블록 구성도,
도 5는 펠티어 효과를 설명하기 위해 열전소자에 전원이 연결된 상태에서 열의 흐름방향을 설명하는 도면,
도 6은 열전소자의 COP 곡선을 나타낸 그래프로써 본 발명이 적용되는 구간을 설명하는 그래프,
도 7은 본 발명의 열전소자 온도제어 시스템의 구제적인 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세[0016]
히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자 온도
제어 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자 온도제어 시스템은 메인 콘트롤러(100), 전원공급모듈[0017]
(200), 극성전환모듈(300), 및 열전모듈(500)을 포함한다.
메인 콘트롤러(100)는 온도제어 시스템을 전체적으로 제어하는 역할을 하며, 구체적으로 열전모듈(500)에 의해[0018]
냉각 또는 가열하고자 하는 대상 목적물의 온도와 설정하고자 하는 온도를 비교하여 목적물에 대해 냉각 또는
가열 여부를 판단하고, 그에 따라 전압의 공급 여부 및 전압의 크기 및 정역 여부에 대한 제어신호를 전원공급
모듈(200)과 극성전환모듈(300)에 인가한다. 온도조절이 필요 없을 경우에는 전압의 공급을 중단시키고 온도조
등록특허 10-1397421
- 4 -
절이 필요할 경우에는 전압을 공급하기 위한 제어신호를 인가한다.
한편, 메인 콘트롤러(100)는 제어출력을 온오프 제어방식과 선형 제어방식으로 구분하여 출력을 조절하게 된다.[0019]
즉, 메인 콘트롤러(100)는 설정된 일정 출력범위 내 즉, 극성전환점 근방의 미리 설정된 일정구간 내에서 열전
모듈(500)의 구동조건에 따라 발생되는 기전력의 값을 연산하고, 연산된 기전력에 따른 제어출력의 불감구역
(Dead Zone or Dead Band)을 회피하는 영역을 인식하여 그 영역에서 온(ON)/오프(OFF) 출력과 극성전환이 동작
하도록 제어하게 된다. 그리고, 메인 콘트롤러(100)는 온오프 제어구간 이외의 구간에서는 선형 출력이 이루어
지도록 제어하게 된다(도7 참조).
메인 콘트롤러(100)가 온오프 제어구간과 선형 제어구간 출력의 경계점을 인식하는 방식은 다음과 같다. 전술한[0020]
바와 같이 메인 콘트롤러(100)는 설정된 일정 출력범위 내에서는 기전력의 값을 연산하게 되는데, 메인 콘트롤
러(100)는 열교환장치(600) 및 방열장치(700)에 설치된 온도센서(610, 710)로부터 수신된 온도 값의 차이(Δ
(Th-Tc))와, 상기 열전모듈의 설정된 제백 계수(Seebeck coefficient,α)를 적용하여 상기 기전력의 값을 연산
하게 된다. 한편 불감구역은 극성전환점 부근에서 제어출력의 값이 열전모듈의 기전력 값과 같거나 작을 때 발
생하게 되므로 이를 회피하기 위해, 메인 콘트롤러(100)는 제어출력값이 상기 연산된 열전모듈의 기전력의 값과
같거나 작지 않은 범위에서 상기 온오프 제어구간과 선형 제어구간 출력의 경계점을 결정하게 된다.
예를 들어 제어출력을 임의로 -100% ~ 100% 영역이라고 가정하고, 메인 콘트롤러(100)에 입력조건(설계사양)에[0021]
따라 -20% ~ 20% 또는 -30% ~ 30% 등의 일정 출력범위를 설정하게 되면, 상기 설정된 일정 출력범위 내에서
온도차를 인식하여 그 온도차와 제백계수를 적용하여 기전력의 방향과 크기를 연산하게 된다. 그리고 제어출력
의 절대값이 연산된 기전력의 절대값보다 같거나 작지 않은 범위 내에서 전원공급을 디지털 출력방식인 온오프
제어로 인가하는 경계점을 자동으로 인식하고 극성전환점을 기전력이 발생하는 조건에 따라 극성전환 경계점을
변동하여 제어하게 된다. 한편, 메인 콘트롤러(100)는 상기 온오프 출력 구간 이외의 구간에서는 PWM 출력량 제
어를 위한 온(ON)/오프(OFF) 반복출력을 멈추고 온(ON) 상태로 고정시킨다. 즉, PWM 출력제어는 ON/OFF의 반복
동작에 있어서 일정한 주파수를 가지고 동작하여 ON Time과 Off Time을 조절하게 되는데, 상기 온오프 출력 이
외의 구간에서는 PWM 제어출력을 멈추로 전원의 연결상태는 ON 상태로 고정하도록 함으로써, PID 연산을 통하여
제어량을 계산하고 그 양에 따라서 출력량을 조절하는 선형 출력이 이루어지도록 제어하게 된다.
전원공급모듈(SMPS)(200)은 교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 메인 콘트롤러(100)에서 인가된 제어신호에 따[0022]
라 전압의 크기를 조절하여 구형파로 변환 및 여과처리를 하여 열전모듈(500)로 공급하게 된다. 한편, 전원공급
모듈(200)은 메인 콘트롤러의 제어 신호에 따라 상기 일정 출력범위 이외의 출력범위에서 열전모듈에 대한 전원
공급을 아날로그 출력방식인 선형제어(Proportional Control)로 인가하게 된다. 선형제어방식은 전압공급을 PID
연산방식으로 산출하여 신호를 인가하는 방식이며, 따라서 메인 콘트롤러(100)는 PID 연산을 통하여 제어량을
계산한 후 전원공급모듈(200)로 송신하고, 이를 수신한 전원공급모듈(200)은 그 양에 따라서 출력량을 조절하여
극성전환모듈(300)로 공급하게 된다.
극성전환모듈(300)은 메인 콘트롤러(100)의 제어신호에 따라 전원공급모듈(200)에서 출력되는 전압을 다시 정[0023]
( ) 또는 역(-)으로 전환시켜 제어된 전류를 출력시킴으로써 정류된 전압을 열전모듈(500)에 인가하여 열전모듈
(500)이 흡열 또는 발열 반응을 하도록 한다.
열전모듈(500)은 다수의 열전소자 또는 일군의 열전모듈로 구성되며, 상기 극성전환모듈(300)로부터 인가된 정[0024]
또는 역의 전압에 따라 양측면을 통하여 흡열 또는 방열하게 되며, 그 양측면에는 다양한 열교환 장치 또는 부
품, 방열장치(공냉식 또는 수냉식) 등이 설치될 수 있다. 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 열전모듈(500)의
일측면에는 냉각 가열시키고자 하는 대상 목적물과 연결된 열교환장치(600)가 설치되고, 타측면에는 공냉식 또
는 수냉식 등의 방열장치(700)가 설치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 예를 들어 열전모듈
(500)의 일측면에는 대상 목적물이 직접 부착되도록 설치될 수 있다. 본 발명에서의 열전모듈 및 이와 결합 또
는 연결되는 열교환 장치나 부품, 대상 목적물 들은 다양한 구조, 구성 등을 가질 수 있으며, 본 발명은 특정의
구조나 구성에 한정되지 않는다. 열전모듈(열전소자)에 정방향의 전압이 인가되면 일측면이 흡열 기능을 수행하
여 상기 일측면에 부착된 열교환장치의 냉매 또는 대상 목적물을 냉각시키고, 타측면은 방열기능을 수행하여 타
측면에 설치된 방열장치를 통해 외부로 열을 방출시킨다. 그리고, 열전모듈에 역방향의 전압이 인가되면 일측면
이 방열기능을 수행하여 상기 일측면에 설치된 열교환장치의 냉매 또는 대상 목적물을 가열시키고, 상기 타측면
은 흡열 기능을 수행하게 된다.
한편, 열전모듈(500) 양측면에 부착되는 열교환장치(600) 및 방열장치(700) 각각에는 온도센서(610,710)가 설치[0025]
되고, 메인 콘트롤러(100)는 이 온도센서들로부터 온도정보를 수신한다. 전술한 바와 같이 메인 콘트롤러(100)
등록특허 10-1397421
- 5 -
는 상기 온도센서(610,710)로부터 수신된 온도 값의 차이(Δ(Th-Th))과, 상기 열전모듈(500)의 열전소자의 설정
된 제백 계수(Seebeck coefficient)의 값를 적용하여 기전력의 값을 연산하고, 상기 선형 제어구간에서 상기 온
(ON)/오프(OFF) 제어구간으로 또는 온(ON)/오프(OFF) 제어구간에서 선형 제어구간으로 전환되는 경계점을 인식
하게 된다. 열전재료의 특성은 통상적으로 하기 [식 1]로 표현되는 성능지수(Z)로 평가할 수 있다.
[식 1][0026]
Z = α σ/ κ [0027]
여기에서, [0028]
α : 제벡(Seebeck) 계수, σ : 전기전도도, κ : 열전도도 이다.[0029]
즉, 열전재료는 성능지수가 크면 클수록 발생되는 전위차가 커지므로 우수한 특성을 나타낸다. 따라서 상기 [식[0030]
1 ]로부터 열전재료로서의 응용을 위해서는 제벡계수 및 전기전도도가 크고 열전도도가 작은 재료가
바람직하며, 이는 재료의 형상 및 기공도, 캐리어(carrior) 농도, 결정구조, 결합의 성질, 결합강도 등에 따라
최적화가 가능하다.
한편, 제백 계수(Seebeck coefficient)는 하기 [식 2]로 표현할 수 있다.[0031]
[식 2][0032]
α = V/℃[0033]
즉, 제백 계수는 열전재료의 온도차에 따른 발생전압 특성값을 나타낸 것으로써 열전재료에 따라 달라지게[0034]
된다.
도 5는 열전소자에 직류전원이 연결된 상태에서 전류의 방향에 따라 열의 흐름 방향을 설명하는 도면이다. 여기[0035]
서 전압의 크기에 따라 이동되는 열량의 크기도 달라지며 A면과 B면(열전소자의 양측면)의 온도편차의 크기도
달라지게 된다. 도면에서 직류전원의 전압이 0(Zero)일 때, A면과 B면의 온도편차가 존재할 경우 반대로 기전력
이 발생하는데 이것을 Seebeck Effect 라고 한다. A면의 온도가 B면의 온도보다 높을 때, 도시된 화살표방향과
같은 전류의 방향을 가지며, A면의 온도가 B면의 온도보다 낮을 때 도시된 화살표방향과 반대 방향의 전류가 발
생한다. 또한 온도의 편차가 커질수록 발생되는 직류전압의 크기도 커지게 된다.
예를 들어, A면의 온도를 20℃로 유지하는 상태에서 B면을 이용하여 온도제어를 구현하기 위해서는 전류의 크기[0036]
(전압)와 방향을 조절하게 된다. 이 때, 전류의 공급방식에 있어서 선형제어를 적용하여 Zero Voltage에서 임의
로 정해진 Max Voltage로 조절하는 방식을 적용할 경우에 A면과 B면의 온도편차가 존재하고 제어출력이 Zero
Voltage를 기준으로 극성전환을 포함한 낮은 전압의 출력으로 열전소자(열전모듈)에 인가될 경우, A면과 B면의
온도편차에 의해 발생되는 기전력의 크기와 전류의 방향에 따라서 제어출력이 상쇄되는 불감구역(Dead Zone or
Dead Band)가 형성된다. 한편, 디지털 방식(ON/OFF 제어)서 공급되는 직류전압은 일정한 전위차가 설정된 상태
에서 공급량을 조절하는 방식이므로 위에서 설명한 아날로그 방식(선형제어)에서 발생하는 Seebeck Effect로 발
생하는 기전력에 의한 Dead Band가 발생하지 않는데, 이는 온도편차에 의해 발생하는 기전력의 크기보다 높은
전위차를 가지고 있는 상태에서 제어되고 있기 때문이다.
도 6은 열전소자의 성능지수(Z=COP:Coefficient of performance) 곡선을 나타낸 그래프이다. 열전소자의 경우[0037]
성능곡선의 특성으로 인가되는 구간에 따라 성능지수가 현격하게 차이를 나타낸다. 최상의 냉각성능을 구현하기
위해서는 전압이 높은 구간을 사용하게 되나 성능지수(Z=COP)는 최저점이 된다. 그러므로 필요에 따라 성능곡선
상에서 성능지수가 높은 구간을 활용하는 것이 효과적인데, 본 발명에 따르면 온오프 제어방식을 사용하는 구간
은 도시된 바와 같이 성능지수 즉 에너지효율이 높은 구간을 사용하게 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 극성전환점 근방을 일정 출력범위로 설정하고, 이 일정 출력범위 내에서 열전모듈[0038]
에 인가되는 제어출력을 선형 제어방식 또는 온오프 제어방식으로 구분하여 출력을 조절하게 된다. 즉, 전압이
낮은 구간인 일정 출력범위 내에서는 경계점을 기준으로 온오프 제어를 하며 전압이 점차 높아지는 이 이외의
구간에서는 선형제어를 하는 방식으로 출력 조절을 하여, 기존에 기전력에 의한 출력전압이 상실되는 구간에 선
형제어를 적용했을 때 발생하는 불감구역을 회피하면서 출력량을 제어할 수 있게 된다. 결국 본 발명에 따른
열전소자 온도제어 시스템은 기존에 선형제어의 이점을 활용하여 열전소자의 내구성과 에너지효율을 증대시키는
동시에 전 출력구간에서의 온도 제어의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 열전소자 온도제어 시스템의 구체적인 동작을 예를 들어 설명하기로 한다.[0039]
등록특허 10-1397421
- 6 -
먼저 제어조건을 살펴보면, 적용하는 열전소자의 제백계수(α)=0.05 V/K 이고, 열전모듈은 10개의 직렬회로로[0040]
구성되었다. 그리고 방열장치의 온도(Th)는 수냉식 구조로 20℃를 유지하는 조건이고, 열교환장치의 온도(Tc)를
냉각하기 위한 제어출력 및 전류의 방향을 냉각출력 및 순방향이라고 정의한다. 즉, 여기에서 SV=Tc가 된다. 또
한, 메인 콘트롤러(100)의 제어출력을 -100% ~ 100% 영역일 때 -100Vdc ~ 100Vdc로 가변되어 출력되며, 일정
출력범위를 제어출력의 -20% ~ 20%로 설정한다. 위 조건에서 SV의 온도가 각각 -10℃, 20℃, 50℃일 때의 제어
로직을 살펴보기로 한다.
한편 위 조건에서 Tc가 각각 -10℃, 20℃, 50℃일 때 열전모듈에서 발생하는 기전력의 크기와 방향은 다음과 같[0041]
다. 먼저, Tc가 -10℃일 경우, 무부하 상태에서 안정화 조건이라고 가정하면, 메인 콘트롤러(100)의 출력은 냉
각출력이고 이때 열전모듈에서 발생되는 기전력의 방향은 순방향이며, Th-Tc의 조건에 의해서 발생되는 기전력
은 0.05×10×30=15V가 된다. 그리고, Tc가 20℃일 경우, 역시 무부하 상태에서 안정화 조건이라고 가정하면,
열전모듈에서 발생되는 기전력의 방향은 무 방향이며, Th-Tc의 조건에 의해서 발생되는 기전력은 0.05×10×
0=0V가 된다. 한편, Tc가 50℃일 경우, 역시 무부하 상태에서 안정화 조건이라고 가정하면, 메인 콘트롤러(10
0)의 출력은 가열출력이고 이때 열전모듈에서 발생되는 기전력의 방향은 역방향이며, Th-Tc의 조건에 의해서 발
생되는 기전력은 0.05×10×30=-15V가 된다.
따라서, Th의 온도가 20℃로 일정한 조건이고 SV(Tc)가 20℃ 일 때, 안정화 상태에서 제어대상물에 외란(가열[0042]
및 냉각 부하)이 발생되는 상태에서 메인 콘트롤러(100)의 제어출력이 50% → -30% 까지 변화되는 조건에서의
제어 로직을 설명하면 다음과 같다. 메인 콘트롤러(100)는 그 제어출력이 안정화 상태에서 냉각출력 25%로 유
지되고 있는 상태에서 1차 외란(가열 부하)이 발생되어 50%(50V) 까지 선형제어방식으로 출력을 조절하고, 2차
외란(냉각 부하)이 발생되어 제어출력이 50%에서 20.1%까지 선형제어 출력으로 변화된다. 그리고 20.0% 범위
부터 온도차에 의한 연산값(0.05×10×0=0V)을 적용하여 0%(0V)까지 선형출력을 유지하고, 냉각부하에 대응하기
위해 0%(0V) 기준으로 극성전환하고 가열출력을 -30%에 도달하게 된다. 즉 기전력이 발생하지 않는 조건을 인식
하여 극성전환점을 제외한 출력구간이 전체적으로 선형출력으로 유지한다.
한편 도 7을 참조하면, Th의 온도가 20℃로 일정한 조건이고 SV(Tc)가 -10℃ 일 때, 안정화 상태에서 제어대상[0043]
물에 외란(가열 및 냉각 부하)이 발생되는 상태에서 메인 콘트롤러(100)의 제어출력이 50% → -30% 까지 변화
되는 조건에서의 제어 로직을 설명하면 다음과 같다. 메인 콘트롤러(100)는 그 제어출력이 안정화 상태에서 냉
각출력 35%로 유지되고 있는 상태에서 1차 외란(가열 부하)이 발생되어 50%(50V) 까지 선형제어방식으로 출력
을 조절하고, 2차 외란(냉각 부하)이 발생되어 제어출력이 50%에서 20.1%까지 선형제어 출력으로 변화된다.
그리고 20.0% 범위부터 온도차에 의한 기전력의 연산값(0.05×10×30=15V)을 적용하여, 제어출력의 절대 값이
기전력의 절대 값 보다 작거나 같아지지 않는 지점(A A×0.1 = 15 15×0.1 = 16.5, 이때 A는 Tc, Th의 온
도차를 대입한 기전력 연산값)인 16.5%( 16.5V)까지 선형출력을 유지하고, 16.4%( 16.4V)부터 ON/OFF 출력
을 실행하게 되며, 냉각부하에 대응하여 극성전환하여 가열출력 -16.4% 지점에서 ON/OFF 출력을 유지한다. 이후
출력부터는 선형제어를 적용하여 -30%에 도달하게 된다. 즉 기전력의 발생 조건을 인식하여 일정출력범위에서
선형출력이 아닌 ON/OFF 및 극성전환으로 출력을 대응한다. 여기서 상기 A의 값에 “0.1”을 곱한 것은 제어출
력의 절대 값이 기전력의 절대 값 보다 작거나 같아지지 않는, 즉 큰 지점을 설정하기 위한 값으로, 그 값은 다
양하게 설정할 수 있음은 물론이다.
또한 도 7을 참조하면, Th의 온도가 20℃로 일정한 조건이고 SV(Tc)가 50℃ 일 때, 안정화 상태에서 제어대상물[0044]
에 외란(냉각 및 가열 부하)이 발생되는 상태에서 메인 콘트롤러(100)의 제어출력이 -50% → 30% 까지 변화되
는 조건에서의 제어 로직을 설명하면 다음과 같다. 메인 콘트롤러(100)는 그 제어출력이 안정화 상태에서 가열
출력 -25%로 유지되고 있는 상태에서 1차 외란(냉각 부하)이 발생되어 -50%(-50V) 까지 선형제어방식으로 가열
출력을 조절하고, 2차 외란(가열 부하)이 발생되어 제어출력이 -50%에서 -20.1%까지 선형제어 출력으로 변화된
다. 그리고 -20.0% 범위부터 온도차에 의한 연산값(0.05×10×-30=-15V)을 적용하여 제어출력의 절대 값이 기전
력의 절대 값 보다 작거나 같아지지 않는 지점(A A×0.1 = 15 15×0.1 = 16.5, 이때 A는 Tc, Th의 온도차
를 대입한 연산값)인 -16.5%(-16.5V)까지 선형출력을 유지하고, -16.4%(-16.4V)부터 ON/OFF 출력을 실행하게
되며, 가열부하에 대응하여 극성전환하여 냉각출력 16.4% 지점에서 ON/OFF 출력을 유지한다. 이후 출력부터는
선형제어를 적용하여 30%에 도달하게 된다. 즉 기전력의 발생 조건을 인식하여 일정출력범위에서 선형출력이
아닌 ON/OFF 및 극성전환으로 출력을 대응한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아[0045]
니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주
를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물
등록특허 10-1397421
- 7 -
들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
부호의 설명
100. 메인 콘트롤러 200. 전원공급모듈[0046]
300. 극성전환모듈 500. 열전모듈
600. 열교환장치 700. 방열장치
610. 온도센서 710. 온도센서
도면
도면1
도면2
도면3
등록특허 10-1397421
- 8 -
도면4
도면5
도면6
등록특허 10-1397421
- 9 -
도면7
등록특허 10-1397421
- 10 -