KR100355663B1 - 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치 - Google Patents

열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치에 관한 것으로, 입력되는 교류전원을 소정의 직류전원으로 강압 및 정류시켜 출력하는 전원공급부(10)와, 전원공급부(10)로부터 인가된 직류전원을 소정의 전압으로 변압시켜 출력하는 변압부(12)와, 인가되는 전원 또는 신호를 연산 및 논리제어하여 설정된 전원이나 제어신호를 출력하는 제어부(14)와, 제어부(14)로부터 입력된 전원을 소정의 전압으로 강하시켜 출력하는 직류전원부(20)와, 직류전원부(20)로부터 인가된 전원으로 접합부에서 온도가 상승 또는 하강하는 열전소자(26)와, 열전소자(26)의 냉각부(26a)에 형성되어 매체를 냉각시키는 냉각탱크(24)와, 열전소자(26)의 발열부(26b)에 구성되어 발생된 열을 냉각시키는 냉각팬(18)과, 매체의 가열 또는 냉각온도를 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 온도감지부(16)와, 제어부(14)로부터 이상상태에 관한 제어신호를 입력받아 가시적으로 표시하는 표시부(22)가 포함된 것인바, 열전소자를 이용하여 냉각탱크내의 냉각수 온도가 설정된 제어온도에 이르면 열전소자에 인가되는 전원을 강하시켜 소정의 전압이 지속적으로 공급되도록 하여 열전소자의 열화를 방지하기 한 것이다.

Description

열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치{Temperature Controller of Cooling Tank for Thermoeletric Element}
본 발명은 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자를 이용하여 냉각탱크내의 냉각수 온도가 설정된 제어온도에 이르면 열전소자에 인가되는 전원을 강하시켜 소정의 전압이 지속적으로 공급되도록 하여 열전소자의 열화를 방지하기 위한 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치에 관한 것이다.
일반적인 열전효과는 도전성 물질내에 흐르는 전류와 열류는 대부분이 전자에 의해 운반되는 것이고, 이들은 상호 간섭하는 성질을 가지고 있다. 이들은 톰슨효과, 펠티에효과 및 제벡효과 등으로 알려져 있다. 이러한 열전효과를 이용한 전자소자로 열전소자(열전쌍; Thermocouple)가 사용되고, 열전소자는 한 쌍의 이종(異種) 금속도선을 두 개의 점으로 결합시킨 것이고, 이들의 결합점(접점)이 다른 온도로 유지될 때에 열전효과에 의하여 온도차에 비례하는 기전력을 발생시키고, 반대로 결합점에 전류를 인가하였을 때에는 온도차가 발생하는 것이다.
이와 같은 열전소자는 전류가 인가되면 결합된 한 쪽은 온도가 상승하고, 다른 쪽은 온도가 하강하게 된다. 즉 예로, 열전 냉각소자의 경우에는 2가지의 이종금속의 접합부를 통해 전류를 흘려 보낼 때에 열이 흡수된다는 펠티에 효과에 의하여 만들어진 전자열 펌프로, Bi2Te3, Sb2Te3와 같은 반도체와 금속 접합부에서와 같은 효과를 이용한 것이다. 반도체를 사용한 것은 양의 전극-n형 반도체-중간전극-p형 반도체-음의 전극이라는 구성에 의하여 전극을 통해 통전됨으로써, 양-음의 양 전극을 발열원으로 중간전극을 흡열원으로 하는 열펌프가 만들어진다.
이러한 열전소자는 가열장치 및/또는 냉각장치에 가열 또는 냉각소자로 이용되고 있고, 가열 또는 냉각을 위한 온도를 설정하거나 제어하기 위하여 제어회로나제어장치가 구성되게 된다.
이와 같이 종래에 열전소자를 이용한 가열 또는 냉각장치의 경우에 가열을 시키거나 냉각을 시키는 매체의 온도가 설정된 온도이상 또는 이하가 되었을 경우에 열전소자에 인가되는 전압을 차단시켜 온도의 상승 또는 하강을 방지하게 되고, 다시 설정된 온도이내에 매체의 온도가 유지되지 않을 경우에 열전소자로 전압이 인가되어 매체를 가열 또는 냉각시키게 된다.
그러나, 열전소자에 인가되는 전압이 설정된 매체의 제어 목표온도를 유지시키기 위하여 온 또는 오프가 반복되므로, 열전소자는 열화되어 수명이 단축될 뿐만 아니라, 매체의 온도가 일정하게 유지되지 않으며, 정확한 온도의 감지가 이루어지지 않을 경우에는 열전소자에 인가되는 전압으로 인하여 열전소자가 망실되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해소하기 위하여, 열전소자에 인가되는 전압이 매체에 설정된 제어를 위한 목표온도에 도달하게 되면, 열전소자에 인가되는 전압을 소정의 전압으로 강하시켜 열평형이 이루어지는 시점에서 지속적으로 열전소자에 공급되도록 하여 주기적인 전원의 온-오프없이 열전소자의 수명을 향상시키기 위한 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치를 제공하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 열전소자로 매체를 냉각(또는 가열)시킬 경우에 반대쪽의 가열(또는 냉각) 상태를 소정의 온도까지 유지시키기 위하여 인가되는 전압을 차단시키거나 이상신호의 발생 등을 가시적으로 표시할 수 있도록 하여 열전소자의 과열 또는 과냉각을 방지하기 위한 것이 목적이다.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치의 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치의 회로구성도.
♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 전원공급부 12: 변압부
14: 제어부 16: 온도감지부
18: 냉각팬 20: 직류전원부
22: 표시부 24: 냉각탱크
26: 열전소자
본 발명은 상기의 목적을 위하여, 입력되는 교류전원을 소정의 직류전원으로 강압 및 정류시켜 출력하는 전원공급부와, 전원공급부로부터 인가된 직류전원을 소정의 전압으로 변압시켜 출력하는 변압부와, 인가되는 전원 또는 신호를 연산 및 논리제어하여 설정된 전원이나 제어신호를 출력하는 제어부와, 제어부로부터 입력된 전원을 소정의 전압으로 강하시켜 출력하는 직류전원부와, 직류전원부로부터 인가된 전원으로 접합부에서 온도가 상승 또는 하강하는 열전소자와, 열전소자의 냉각부에 형성되어 매체를 냉각시키는 냉각탱크와, 열전소자의 발열부에 구성되어 발생된 열을 냉각시키는 냉각팬과, 매체의 가열 또는 냉각온도를 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 온도감지부와, 제어부로부터 이상상태에 관한 제어신호를 입력받아 가시적으로 표시하는 표시부가 포함되어 이루어진 것이 특징이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치의 블록도이고, 도 2는 회로구성도이다.
전원공급부(10)는 외부로부터 입력되는 교류전원(AC220V/60Hz)을 소정의 직류전원(DC)으로 강압 및 정류시켜 출력하는 것으로, 전원공급부(10)에는 과전압의 유입을 차단하는 퓨즈(F)와, 서지성분을 걸러내는 콘덴서(C1)와, 입력되는 전원을 평활하는 복수의 콘덴서(C2, C3)와, 교류전원을 정류하는 브릿지다이오드(BD1)가포함되어 있다.
변압부(12)는 상기 전원공급부(10)로부터 인가된 직류전원을 소정의 전압으로 변압시켜 출력하는 것으로, 복수의 코일이 연결되어 해당하는 전압으로 변압된다.
제어부(14)는 인가되는 전원 또는 신호를 연산 및 논리제어하여 설정된 전원이나 제어신호를 출력하는 것으로, 제어부(14)에는 논리연산을 위한 복수의 집적회로(IC1-IC3)와, 신호의 스위칭 또는 증폭을 위한 복수의 트랜지스터(Q1-Q5) 및 복수의 전자소자들이 구성되어 있다.
직류전원부(20)는 상기 제어부(14)로부터 입력된 전원을 소정의 전압으로 강하시켜 출력하는 것으로, 직류전원부(20)는 열전소자(26)로 인가되는 전원의 크기를 제어하는 것이다.
열전소자(26)는 직류전원부(20)로부터 인가된 전원으로 접합부에서 온도가 상승 또는 하강하는 것으로, 복수의 열전소자(26)가 소정의 형태로 배열된 것이고, 바람직하게는 매트릭스 형태를 갖도록 배열하는 것이다.
냉각탱크(24)는 상기 열전소자(26)의 냉각부(26a)에 형성되어 소정용량의 매체(예로, 물과 같은 액체)를 냉각시키는 저장수단이다.
냉각팬(18)은 열전소자(26)의 발열부(26b)에 구성되어 발생된 열을 냉각시키는 것으로, 냉각팬(18)은 제어부(14)의 제어신호로 구동되고, 냉각팬(18) 이외에 히터싱크(Heat Sink) 등이 장착된다.
온도감지부(16)는 매체의 가열 또는 냉각온도를 감지하여 전기적인 신호로출력하는 것으로, 온도감지부(16)는 서미스터(TH1) 등으로 구성된 것으로, 열전소자(26)의 냉각부(26a)와 발열부(26b)의 온도를 각각 감지하여 감지된 신호를 제어부(14)로 출력한다.
표시부(22)는 상기 제어부(14)로부터 이상상태에 관한 제어신호를 입력받아 가시적으로 표시하는 것으로, 복수의 발광다이오드나 7-세그먼트의 조합 또는 액정표시장치 등이 연결될 수 있다.
본 발명의 온도 제어장치는 열전소자(26)로부터 매체를 가열시키기 위하여 가열탱크가 설치되고 냉각부(26a) 쪽에는 상온을 유지할 수 있는 수단이 구성될 수 있음은 자명하다.
또한, 상기 온도감지부(16)가 감지하는 온도범위는 냉각탱크(24)의 매체의 온도가 예를 들어, 3∼5℃이고, 발열부(26b)의 온도는 예를 들어, 80℃ 이상이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치를 구체적으로 설명하면, 우선 본 발명의 사용전원은 직류전원 12∼24V, 6.5∼10A이다. 더욱이, 본 발명에서는 실시예로 열전소자(26)의 냉각부(26a)만을 사용하여 매체를 냉각시키고, 발열부(26b)는 냉각팬(18) 및 히터싱크 등을 이용하여 외부로 열을 방출할 수 있도록 한 것이지만, 적용을 위하여 냉각부(26a) 및 발열부(26b)를 모두 사용하거나 발열부(26b)만을 사용하는 것도 가능할 것이다.
본 발명의 제어회로에 구성된 복수의 컨넥터(CN1-CN7) 중에서 제 1컨넥터(CN1)는 교류전원이 인가되는 것이고, 제 2컨넥터(CN2)는 냉각팬(18)으로 전원이 인가되는 것이며, 제 3컨넥터(CN3)는 열전소자(26)에 인가되는 직류전원이고, 제 4 및 제 6컨넥터(CN4, CN6)는 표시를 위한 표시부(22)에 연결되며, 제 5 및 제 7컨넥터(CN5, CN7)는 온도감지 및 전원의 공급의 차단을 위한 서미스터(TH1)가 연결되는 것이다.
전원공급부(10)로부터 인가된 교류전원은 전압강하된 후에 직류전원으로 변환되고, 변압부(12)에서는 제어회로의 구동에 필요한 전원을 변압시켜 출력하게 된다.
논리제어를 위한 집적회로(IC1-IC3)에 연결된 전자소자들의 전압강하 및 입출력되는 신호는 각각 복수의 콘넥터(CN2-CN7)로 입력 및 출력하기 위한 것이다.
제 3컨넥터(CN3)를 통해 출력되는 전원은 열전소자(26)에 인가되어 열전소자(26)가 펠티에의 효과에 의하여 냉각부(26a)는 냉각상태가 되고, 발열부(26b)는 가열상태가 된다.
이때, 냉각탱크(24)의 냉각수의 온도를 소정의 온도(3∼5℃)로 설정하였을 때에 제어하기 위한 목표온도가 가까워지면, 제어부(14)는 제 3컨넥터(CN3)를 통해 출력되는 전압이 12 또는 24V에서 예를 들어, 3V정도로 강압된 상태에서 열전소자(26)로 인가되도록 하고, 열전소자(26)의 냉각부(26a)는 현재 설정된 온도, 즉 열전소자(26)의 열평형이 이루어지는 시점에서 계속적으로 유지하게 된다. 상기 강압되는 전압은 냉각탱크(24)의 냉각수가 상승하거나 강하되지 않는 범위내로 열전소자(26)를 열화시키지 않는 상태에서 실험에 의한 데이터를 기준으로 정하는 것이 바람직하다.
따라서, 제어부(14)의 제어신호로 열전소자(26)에 가해지는 전압의 크기가냉각탱크(24)내의 온도가 설정된 목표값에 이르면 설정된 소정의 전압이하로 공급되도록 하여 열전소자(26)에 소정크기의 전압이 지속적으로 입력되거나 전압의 공급이 반복적으로 온 또는 오프되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.
또한, 열전소자(26)의 발열부(26b)에는 냉각팬(18) 또는 히터싱크가 장착되어 있어 발열부(26b)를 소정의 온도이하로 냉각시키지만, 냉각팬(18)이나 제어장치의 고장에 의하여 발열부(26b)의 온도가 소정의 온도(예로, 80℃) 이상이 되면 열전소자(26)의 과열 또는 망실이 우려되므로, 열전소자(26)로 인가되는 전압을 차단시킴과 동시에 표시부(22)에 열전소자(26)의 온도상승에 관한 정보를 가시적으로 표시하여 열전소자(26)를 보호할 수 있도록 하였다.
상기 열전소자(26)의 가열 및 냉각특성에 따라 온도감지를 임의로 설정이 가능하고, 열전소자(26)의 수명을 연장시킬 수 있도록 한 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치는 상술한 실시예에만 한정되지 않고, 당업자가 용이하게 변경 또는 치환할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치는 열전소자를 이용하여 물과 같은 매체를 냉각 또는 승온시키는 장치에서 열전소자에 인가되는 전압을 열전소자로부터 발생된 온도가 설정된 온도에 이르면 열의 평형이 이루어지는 시점에서 소정이하로 지속적으로 공급되도록 제어하여 열전소자가 무단으로 온-오프되는 것을 방지함으로써 열전소자의 수명을 연장하고, 열전소자나 제어장치의 이상발생시에 표시부를 통해 이상상태를 가시적으로 표시하여 사용자에의한 유지보수가 가능하며, 열전소자의 냉온특성을 이용한 매체의 냉각 또는 승온을 보다
효율적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 입력되는 교류전원을 소정의 직류전원으로 강압 및 정류시켜 출력하는 전원공급부(10)와,
    전원공급부(10)로부터 인가된 직류전원을 소정의 전압으로 변압시켜 출력하는 변압부(12)와,
    인가되는 전원 또는 신호를 연산 및 논리제어하여 설정된 전원이나 제어신호를 출력하는 제어부(14)와,
    제어부(14)로부터 입력된 전원을 소정의 전압으로 강하시켜 출력하는 직류전원부(20)와,
    직류전원부(20)로부터 인가된 전원으로 접합부에서 온도가 상승 또는 하강하는 열전소자(26)와,
    열전소자(26)의 냉각부(26a)에 형성되어 매체를 냉각시키는 냉각탱크(24)와,
    열전소자(26)의 발열부(26b)에 구성되어 발생된 열을 냉각시키는 냉각팬(18)과,
    매체의 가열 또는 냉각온도를 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 온도감지부(16)와,
    제어부(14)로부터 이상상태에 관한 제어신호를 입력받아 가시적으로 표시하는 표시부(22)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 온도 제어장치는 열전소자(26)로부터 매체를 가열시키기 위하여 가열탱크가 설치되고 냉각부(26a) 쪽에는 상온을 유지할 수 있는 수단이 구성되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 온도감지부(16)가 감지하는 온도범위는 냉각탱크(24)의 매체의 온도가 3∼5℃이고, 발열부(26b)의 온도가 80℃ 이상인 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 표시부(22)는 복수의 발광다이오드 및 7-세그먼트 또는 액정표시장치가 적용되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각탱크의 온도 제어장치.
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