KR100304255B1 - 비유동계냉각장치및냉각방법 - Google Patents

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Abstract

시스템 냉각용 외기를 시스템 내부로 통과시킴으로써 발생하는 시스템 내부 오염 및 냉각 효율 저하를 방지하기 위하여 시스템을 비유동계로 형성하고, 시스템 내부의 온도가 일정 온도 이상이 되었을 때, 펠티어 효과를 응용한 펠티어 모듈에 의하여 시스템 내부의 열을 시스템 외부로 방렬하고, 펠티어 모듈에 의하여 시스템중 일부분이 국소 냉각되는 것을 방지하기 위하여 시스템에 대류용 팬을 적용하여 시스템이 항상 일정 온도를 유지 및 시스템이 오염되는 것을 방지하는 비유동계 냉각장치 및 냉각 방법이 개시되고 있다.

Description

비유동계 냉각장치 및 냉각 방법
본 발명은 비유동계 냉각장치 및 냉각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지를 갖고 있는 문질의 이동은 없고 단지 에너지의 이동만이 가능한 비유동계 내부의 열원(heat source)에 의하여 발생한 열을 비유동계 외부로 배출하는 비유동계 냉각 장치 및 냉각 방법에 관한 것이다.
널리 알려진 바와 같이 컴퓨터, 통신기기, 가전기기 등 특정 기능을 수행하는 시스템에는 열을 발생시키는 열원을 구비하고 있다. 열원으로는 예를 들어, 인쇄회로 기판, 각종 인터페이스 카드, 트랜스 등이 있을 수 있으며, 열원에 의하여 발생한 열은 기기의 내부의 온도를 계속 상승시킴으로써, 기기 내부에 설치되어 있는 구성 요소의 성능 저하 및 수명 감소를 초래하게 된다.
이와 같이 시스템 내부에서 발생한 열을 제거하기 위하여 열원을 갖는 대부분의 시스템에서는 시스템 냉각 장치를 구비하고 있다.
종래 시스템을 냉각하는 방식으로는 차가운 외기를 시스템 내부로 흡기하여 시스템 내부를 냉각하는 정압식(positive pressure type) 냉각 방식과, 시스템 내부의 열에 의하여 가열된 공기를 시스템 외부로 배기 시킴으로써, 시스템 내부에 부압(negative pressure)을 형성하여 자연스럽게 외부의 차가운 공기가 시스템 내부로 유입되도록 하는 부압식(negative pressure type) 냉각 방식이 개발되어 있다.
이 정압식 냉각 방식과, 부압식 냉각 방식에 의하여 시스템을 냉각하기 위해서는 열에 의하여 데워진 물질(공기)을 시스템 외부로 강제 이동시키도록 냉각 대상 시스템을 개방계(open system)로 형성하여야 한다.
도 1, 도 2는 종래 시스템 냉각 장치를 나타낸 개념도로, 도 1은 부압식 냉각 장치를 도시하고 있고, 도 2는 정압식 냉각 장치를 도시하고 있다.
첨부된 도 1, 도 2를 참조하면 하우징(10b)의 내부에는 다수개의 열원(2,4,6,8)이 설치되어 있고, 열원(2,4,6,8)으로부터 발생되는 열은 냉각 팬(3)의 구동부에 의해 외부로 방출된다.
이들을 보다 상세하게 설명하면, 하우징(10b)에는 냉각 대상 시스템을 개방계로 형성하기 위하여 적어도 2 이상의 개구(10a,10a')가 형성되어 있다. 개구 중 하나는 차가운 외기가 내부로 유입되는 외기 유입부이고, 다른 하나의 개구는 외기 유입부에 의하여 유입된 차가운 외기가 시스템 내부의 더운 공기와 혼합된 후, 강제 배기 되도록 하는 내기 배출부이다.
정압식 냉각 장치의 경우 외기 유입부(10a')에 냉각 팬(3)이 설치되고, 부압식 냉각 장치의 경우 내기 배출부(10a')에 냉각 팬(3)이 설치된다.
냉각 팬(3)에는 제어 모듈(1)이 연결되어 냉각 팬(3)의 온/오프를 제어한다. 즉, 제어 모듈(1)에 연결된 온도감지 센서(1a)에 의하여 측정된 시스템 내부의 온도가 전기적 신호 형태로 제어 모듈(1)에 입력된다.
제어 모듈(1)은 온도감지 센서(1a)로부터 전기적 신호를 입력받아 기 설정되어 있는 시스템 내부 설정 온도와 온도감지 센서(1a)가 측정한 전기적 신호를 비교하여 시스템 내부 설정 온도가 온도감지 센서(1a)에 의하여 측정한 온도보다 높을 경우 냉각 팬(3)에 전원을 인가하여 도1에 도시된 바와 같이 시스템(10) 내부에 부압을 형성하여 외기를 시스템(10) 내부로 흡기하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 외부의 차가운 공기를 시스템(10) 내부로 강제 송풍하여 시스템(10) 내부를 냉각시킨다.
그러나, 종래 부압식 냉각장치나 정압식 냉각장치에 의하여 시스템의 내부 열원에서 발생한 열을 냉각시키기 위해서는 필연적으로 차가운 공기를 시스템 내부로 유입시켜야만 된다.
이때, 시스템 내부에 설치된 인쇄회로기판에는 다수개의 전기 소자, 반도체 패키지 등이 실장되어 있기 때문에 냉각을 위하여 강제적으로 시스템 외부에서 시스템 내부로 유입된 섬유질, 도전성 파티클 등은 인쇄회로기판의 배선간에 쌓여 배선의 저항을 증가시키거나, 배선들을 상호 연결 시켜 배선에 쇼트를 유발시키거나 시스템 내부 온도를 점증적으로 상승시키는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 냉각 장치를 필요로 하는 시스템을 개방계가 아닌 비유동계로 구성하고, 비유동계의 내부에서 발생하는 열을 시스템 외부로 배출시키기 위하여 비유동계의 내부와 외부 경계면에 펠티어 효과(peltier dffect)에 의하여 시스템 내부에서 발생한 열을 흡열하여 시스템 외부로 방렬하는 냉각 모듈을 설치하고, 냉각 모듈에 의하여 시스템 내부가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하기 위하여 냉기 강제 대류 수단을 시스템 내부에 설치하여 외부로부터 오염물질이 시스템 내부로 유입되지 안토록 함과 동시에 시스템 내부의 온도가 항상 일정 온도가 되도록 함에 있다.
도 1은 종래 부압식 냉각장치가 적용된 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 종래 정압식 냉각장치가 적용된 시스템을 도시한 개념도.
도3은 본 발명에 의한 비유동계 냉각장치를 도시한 개념도.
도 4는 비유동계 냉각장치를 도시한 블록도.
도 5는 본 발명에 의한 대류용 팬이 설치되지 않았을 때 비유동계가 국부 냉각되는 것을 도시한 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 비유동계 냉각방법을 도시한 순서도.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 비유동계 냉각장치는 개구를 갖는 하우징과, 하우징의 내부에 설치되어 특정 기능을 수행하면서 열을 방생시키는 유닛들고, 하우징 내부의 온도를 측정하는 온도감지센서와, 개구에 밀봉 결합되어 하우징 내부를 냉각시키는 펠티어 모듈(peltier module)과, 하우징 내부의 공기를 강제 대류시키는 대류 장치와, 온도감지센서에 의하여 측정된 하우징 온도와 펠티어 모듈이 구동되는 온도를 비교하여 하우징 내부의 온도가 높은 경우, 펠티어 모듈에 전원을 인가하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 펠티어 모듈은 냉각면이 하우징의 내측을 향하고, 방열면이 하우징의 외측을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 대류장치는 펠티어 모듈에 근접 설치되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 대류장치는 냉기 대류용 팬(fan)인 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 대류용 팬과 상기 펠티어 모듈은 상기 제어부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 펠티어 모듈과 냉기 대류용 팬이 구비되어 있는 비유동계를 냉각시키는 방법으로는 열원에 의하여 발생한 열에 의하여 가열된 비유동계 내부 온도를 측정하는 단계와, 측정된 비유동계 내부 온도와 펠티어 모듈 구동 온도를 비교하는 단계와, 비유동계 내부 온도가 높은 경우 펠티어 모듈 및 대류용 팬을 구동시켜 비유동계 내부를 냉각하고, 냉각된 공기를 대류시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
펠티어 모듈 및 대류용 팬을 구동시키는 단계에서 펠티어 모듈 및 대류용 팬에 제1 전압의 전원을 인가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 제1 전압의 전원을 인가하여 소정 시간이 경과한 후, 비유동계 내부 온도를 재측정하는 단계와; 재측정된 비유동계 내부온도와, 펠티어 모듈 구동온도를 비교하여, 비유동계 내부 온도가 높을 경우 펠티어 모듈 및 대류용 팬에 인가된 제1 전압의 전원보다 더 높은 제2 전압의 전원을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 재 측정된 내부 온도가 펠티어 모듈 구동온도보다 낮을 경우 대류용 팬에 인가된 전원을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명은 비유동계 냉각장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 3에는 본 발명에 의한 비유동계 냉각장치가 적용된 시스템의 개념도가 도시되고 있다.
도3에 도시된 시스템은 전체적으로 보아 시스템(100)의 내부와 외부를 경계짓는 하우징(100a), 하우징(100a)의 내부에 설치되어 시스템(100) 고유의 기능을 수행함과 동시에 열원으로 작용하는 유닛(20,30,40,50,)들과, 유닛(20,30,40,50)에서 발생한 열을 시스템 외부로 방열시키는 펠티어 모듈(peltier module;80)과, 시스템(100)의 내부 온도 조건에 따라서 펠티어 모듈(80)의 작동/작동중지 신호를 발생시키는 제어 모듈(60)과, 펠티어 모듈(80)이 작동되고 있을때, 시스템(100)이 국부적으로 냉각되는 것을 방지하는 대류용 팬(90)을 포함한다.
이들을 첨부된 도 4, 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
시스템(100)의 내부와 외부의 경계(boundary)를 결정하기 위한 하우징(100a)에는 적어도 1 이상의 개구(100b)가 형성되어 있고, 각 개구(100b)에는 펠티어 모듈(80)이 개구부(100b)를 밀봉한 상태로 설치된다.
펠티어 모듈(80)은 전기 전도도가 다른 두 개의 금속이 상호 부착되어 정션(junction)을 형성하고, 정션에 직류 전원을 인가하였을 때, 두 개의 금속중 어느 일측의 금속은 냉각되고, 타측 금속은 가열되는 원리를 이용한 모듈이다. 최근에는 이와 유사한 원리를 이용하여 냉각을 수행하는 냉각칩(cooling chip)이 개발된 바 있다.
펠티어 모듈(80)은 이와 같은 냉각칩(미도시)을 구비하고 있고 냉각칩에 공급되는 직류 전류 방향에 의하여 냉각칩의 일측면은 주위의 열을 흡열(heatabsorbed)하는 냉각면이 되고, 타측면은 방열(heat rejected)을 하는 방열면 역할을 한다.
여기서, 주의하여야 할 것은 전류 방향에 의하여 냉각칩의 냉각면, 방열면이 결정되므로, 냉각칩의 냉각면이 시스템(100)의 내부에 위치하도록 하고, 방열되는 냉각칩의 방열면이 시스템(100)의 외부로 노출되도록 하여야 한다.
한편, 이와 같은 펠티어 모듈(80)에는 전원을 공급받기 위한 전원공급단자(미도시)가 형성되어 제어 모듈(60)의 전원공급단자(미도시)와 케이블선(70)과 연결되어 있다.
제어 모듈(60)은 펠티어 모듈(80)에 전원을 인가해주기 위해서 현재 시스템(100)의 내부 온도를 측정하기 위한 온도감지 센서(60a)를 필요로 한다. 이 온도감지 센서(60a)는 일실시에로 열전대(thermocouple)와, 열전대에서 발생한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함한다.
온도감지 센서(60a)의 A/D 컨버터는 제어 모듈(60)과 전기적으로 연결되어 있어, 온도감지 센서(60a)에서 측정한 시스템 내부 온도는 제어 모듈(60)로 입력된다.
제어 모듈(60)은 제어 모듈(60)에 설정되어 있는 펠티어 모듈 구동 온도와 온도감지 센서(60a)에서 입력된 신호를 비교하여 온도감지 센서(60a)에서 측정한 온도가 설정되어 있는 펠티어 모듈 구동 온도보다 더 크게되면 펠티어 모듈(80)에 일정 직류 전원을 인가한다. 이때, 직류 전원의 크기는 온도감지 센서(60a)에서 측정한 온도에 따라서 다를 수 있다.
즉, 시스템에 전원이 온(on)되었을 때, 온도감지 센서(60a)에서 측정한 온도가 펠티어 모듈 구동 온도보다 컸을 경우, 그 차이에 대응하여 제어 모듈(60)은 펠티어 모듈(80)로 공급되는 전원의 크기를 결정하여 조절하는 것이다.
이에 따라서, 펠티어 모듈(80)의 표면은 냉각되면서 펠티어 모듈(80)은 펠티어 모듈(80)과 근접되어 있는 공기가 포함하고 있는 열을 빼앗아 열원(20,30,40,50)으로부터 데워진 공기를 냉각시킨다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이 펠티어 모듈(80)의 주변 A 영역의 공기는 단시간 내에 급속 냉각되지만, A 영역 이외의 부분은 냉각이 상당히 느리게 진행된다.
이유로는 시스템(100)이 외부의 파티클, 섬유 등으로부터 오염되는 것을 방지하는 비유동계이기 때문이다. 이는 시스템(100) 내부가 외부에 대하여 물질 전달이 이루어지지 않음으로써, 공기 대류가 매우 느리게 진행되어 냉각된 공기와 냉각되지 않은 고온의 공기가 쉽게 혼합되지 않음에 기인하다
이와 같이 펠티어 모듈(80) 주변의 냉각 공기의 대류가 잘 이루어지지 않음으로써 냉각 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 시스템(100)의 내부에는 대류용 팬(90)이 설치된다. 대류용 팬(90)은 펠티어 모듈(80)에 밀착하여 설치되거나 근접하여 설치하는 것이 바람직하다. 이 대류용 팬(90)은 전원의 세기에 따라서 회전속도가 가변하는 변속 모터인 것이 바람직하다.
한현, 제어 모듈(60)에 의하여 대류용 팬(90)과 펠티어 모듈(80)은 병렬 방식으로 연결되어 있다. 이와 같이 제어 모듈(60)에 대하여 대류용 팬(90)과 펠티어 모듈(80)이 병렬 연결됨으로써 펠티어 모듈(80)에 전원을 인가함과 동시에 대류용 팬(90)에도 전원이 인가된다. 이때, 펠티어 모듈(80)에 인가되는 전원이 작아지면 대류용 팬(90)에 인가되는 전원 또한 펠티어 모듈(80)의 전원과 동일한 비율로 인가되고, 펠티어 모듈(80)에 인가되는 전원이 커지면 대류용 팬(90)에 인가되는 전원 또한 펠티어 모듈(80)의 전원과 동일한 비율로 커지게 된다.
도 5는 본 발명에 의한 비유동계 냉각장치에 의한 냉각 방법을 도시하고 있는 순서도로 첨부된 순서도를 참조하여 냉각 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 냉각 대상 시스템(100)의 전원이 오프(off)된 상태에서 시스템(100)에 전원이 인가되면(단계 10), 시스템(100)에 제어 모듈(60)은 정해진 순서에 의하여 시스템의 구성 요쇼이자 열원(heat source)으로 작동하는 유닛(20,30,40,50)들을 작동시킨다. 이와 동시에 제어 모듈(60)은 온도감지 센서인 열전대(60a)로부터 시스템(100) 내부 온도 측정에 의하여 생성된 신호를 입력받아 이미 설정되어 있는 펠티어 모듈 작동온도(설정 온도)와 비교하여, 현재 시스템(100) 내부의 온도가 설정온도에 포함되는 가를 판단한다(단계 20).
판단결과, 현재 시스템(100) 내부의 온도가 설정온도에 포함되어 펠티어 모듈(80)을 작동할 필요성이 없을 경우, 제어 모듈(60)은 대기 상태에서 일정 주기로 시스템(100) 내부의 온도를 측정한다(단계 15).
단계 20에서 판단결과, 현재 시스템(100) 내부의 온도가 설정온도에 포함되지 않았을 경우(일실시예로, 시스템의 내부 온도가 설정온도보다 높을 경우), 펠티어 모듈(80)로 일정 크기를 갖는 직류 전원을 인가하여 (단계 30), 펠티어 모듈(80)은 시스템(100) 내부의 냉각을 수행한다.
제어 모듈(60)에 의하여 펠티어 모듈(80)에 직류 전원이 인가됨과 동시에 펠티어 모듈(80)에 의하여 시스템(100)의 일부분만이 국소 냉각되는 것을 방지하기 위해서 대류용 팬(90)에도 전원이 인가되어 대류용 팬(90)도 일정 속도로 회전하게 되어, 펠티어 모듈(80)에 의하여 국소적으로 형성된 냉기를 대류용 팬(90)에 의한 강제 대류에 의하여 시스템(100) 내부의 온도 분포를 보정한다(단계 40).
이어서, 시스템(100) 내부의 온도 분포 보정을 시작한 후, 일정 시간이 경과되면 제어 모듈(60)은 다시 온도 분포가 보정된 시스템(100) 내부의 온도가 기 설정 되어 있는 펠티어 모듈의 구동 온도에 포함되는지를 다시 판단한다(단계 50).
판단결과, 아직도 시스템(100) 내부의 온도가 펠티어 모듈 구동 온도 범위 내에 있으면, 제어 모듈(60)은 시스템(100)의 보다 신속한 냉각을 위하여 펠티어 모듈(80)로 인가되던 전원보다 큰 전원을 펠티어 모듈(80)로 인가한다(단계 60). 여기서, 일반적으로 펠티어 모듈(80)로 큰 전원을 인가할수록 펠티어 모듈(80)의 냉각 능력은 향상된다.
제어 모듈(60)에 의하여 펠티어 모듈(80)로 인가되는 전원이 조절되면, 대류용 팬(90)의 전원 또한 펠티어 모듈(80)과 동일한 비율로 조절되어(단계 65), 펠티어 모듈(80)의 향상된 냉각 능력을 대류용 팬(90)이 수용할 수 있도록 대류용 팬(90)의 회전속도는 조절된다.
이어서, 펠티어 모듈(80)에 인가되는 전원 및 대류용 팬에 인가되는 전원의 세기가 증가된 상태로 다시 일정시간이 경과되어 냉각된 시스템(100) 내부의 온도가 펠티어 모듈 구동 온도에 포함되는지를 다시 판단한다.
판단결과, 시스템(100) 내부의 온도가 펠티어 모듈 구동 온도에 포함되지 않으면 펠티어 모듈(80)에 인가되는 전원을 오프(off)함과 동시에 대기중의 대류용 팬(90)의 전원 또한 오프하고 시작 단계로 피드백하여, 비유동계의 내부에서 발생한 열을 외부로 방열시켜 비유동계 내부로 외부의 오염물질이 유입되는 것을 방지함과 동시에 비유동계 내부 온도를 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 물질의 이동은 불가능하고 다만 물질이 갖고 있는 에너지만이 통과 가능함으로써 외부의 오염물질의 유입이 어려운 비유동계의 내부 및 외부 경계에 비유동계 내부의 열을 냉각시키는 펠티어 모듈을 설치하고, 펠티어 모듈에 의하여 비유동계 내부가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하는 대류용 팬을 비유동계 내부에 설치하여 비유동계의 내부 오염 방지 및 비유동계 내부의 온도 변화를 최소화하여 온도에 의한 비유동계 내부의 주변 기기들의 손상 및 성능저하를 방지하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 하나의 개구를 갖는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 설치되어 특정 기능을 수행하면서 열을 발생시키는 유닛들과; 상기 하우징 내부의 온도를 측정하는 온도감지센서와; 냉각면이 상기 하우징의 내측을 향하고, 방열면이 상기 하우징의 외측을 향하도록 상기 개구의 밀봉 결합되어 상기 하우징 내부를 냉각시키는 펠티어 모듈(peltier module)과; 상기 하우징 내부의 공기를 강제 대류시키는 대류 장치와; 상기 온도감지센서에 의하여 측정된 하우징 온도와 상기 펠티어 모듈이 구동되는 온도를 비교하여 상기 하우징 내부의 온도가 높은 경우, 상기 펠티어 모듈에 전원을 인가하는 제어부를 구비한 비유동계 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대류장치는 상기 펠티어 모듈에 근접 설치되는 것을 특징으로 하는 비유동계 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 대류장치는 냉기 대류용 팬(fan)인 비유동계 냉각장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 대류용 팬과 상기 펠티어 모듈은 상기 제어부와 병렬로 연결되는 비유동계 냉각장치.
  5. 하나의 개구를 구비한 하우징에서, 냉각면이 상기 하우징의 내측을 향하고 방열면이 상기 하우징의 외측을 향하도록 상기 개구에 펠티어 모듈이 밀봉 결합된 비유동계 내부에 설치된 유닛들로부터 발생한 열에 의하여 갸열된 상기 비유동계 내부 온도를 측정하는 단계와; 상기 측정된 비유동계 내부 온도와 상기 펠티어 모듈 구동 온도를 비교하는 단계와; 상기 비유동계 내부 온도가 높은 경우 펠티어 모듈 및 대류용 팬을 구동시켜 상기 비유동계 내부를 냉각하고, 상기 냉각된 공기를 대류시키는 단계를 갖는 비유동계 냉각 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 펠티어 모듈 및 상기 대류용 팬을 구동시키는 단계에서 상기 펠티어 모듈 및 상기 대류용 팬에 제1 전압의 전원을 인가하는 비유동계 냉각 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 전압의 전원을 인가하여 소정 시간이 경과한 후, 상기 비유동계 내부 온도를 재측정하는 단계와; 상기 재 측정된 비유동계 내부온도와, 상기 펠티어 모듈 구동 온도를 비교하여, 상기 비유동계 내부 온도가 높을 경우 상기 펠티어 모듈 및 대류용 팬에 인가된 상기 제1 전압의 전원보다 더 높은 제2 전압의 전원을 인가하는 단계를 포함하는 비유동계 냉각 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재 측정된 내부 온도가 상기 펠티어 모듈의 구동 온도보다 낮을 경우 상기 대류용 팬에 인가된 전원을 차단하는 단계를 포함하는 비유동계 냉각 방법.
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