KR100373546B1 - 전자냉각블럭의 열전도 통제장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자냉각블럭의 열전도 통제장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열전도통제장치는 다수의 열전소자 모듈이 장착되어 흡열부와 방열부를 가진 전자냉각모듈; 전자냉각모듈에 접속되어 전자냉각모듈로 직류전류를 공급하는 전원; 흡열부와 온도조절이 수행되는 부하에 연결되어 내부에 냉매가 흐르는 냉매유통유로; 냉매유통유로 상에 설치되어 냉매의 온도조절을 수행하는 히터; 열전소자 모듈에 접속되어 전원의 공급이 차단된 상태에서 열전소자 모듈의 흡열부에서 소정온도의 온도조절이 가능하도록 열전소자에 접속 설치된 적어도 하나이상의 저항을 구비한 것으로, 이러한 본 발명에 따른 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제장치 및 방법은 열전소자에 외부 전원을 차단한 상태에서 저항의 접속으로 열전소자의 P형 반도체와 N형 반도체 사이의 전위차에 의한 미세 온도 조절이 가능하므로 보다 미세하고, 정확한 냉매의 온도조절이 가능하여 보다 정밀한 부하에 대한 온도 유지와 관리가 가능해지는 효과가 있다.

Description

전자냉각블럭의 열전도 통제장치 및 방법{The thermal conduction control device and its method for a thermal electronic module}

본 발명은 전자냉각블럭의 열전도 통제장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세 온도 조절이 가능하도록 열전소자에 저항소자를 접속설치하여 미세 온도 조절이 가능하도록 한 전자냉각블럭의 열전도 통제장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 온도제어용 열전소자를 이용하여 흡열과 발열작용이 이루어지는 기술은 공지되어 있는 기술이다.

도 1에 도시된 바와 같이 이 열전소자(10)에 직류전류를 공급하면 전류는 전선을 통해 접촉금속판을 거쳐 N형 반도체소자(12)로 전달되어 연결금속판과 P형 반도체소자(11)를 거쳐 다른 접촉금속판을 흐르게 된다. 이때 P형 반도체소자(11)와 N형 반도체소자(12)의 접촉금속판 쪽에는 방열현상이 일어나는 반면, 연결금속판 쪽으로는 흡열현상이 일어난다.

이와 같이 작용하는 다수의 열전소자(10)를 여러개 직렬 접속시켜 비교적 큰 용량을 발휘하는 냉각시스템이 근래에 개발되어 반도체 제조용 온도통제장치(일종의 "Chiller")로 사용되고 있다.

이 종래의 반도체 제조용 온도통제장치의 경우는 다수의 열전소자(10) 된 전자냉각블럭의 양측으로 흡열부(30)과 방열부(40)을 설치하고, 열전냉각소자(10)에는 직류전원을 접속시킨다. 그리고 방열부(40) 측으로는 냉각수유통유로를 형성하고, 흡열부(30) 측으로는 냉매유통유로를 형성시킨다. 여기서 냉매유통유로는 유로 상에는 보조탱크가 설치되고, 이 보조탱크 내부에 히터가 내장되어 설치된다. 그리고 냉매의 순환을 위한 펌프가 유로상에 설치되며, 이 유로를 유통한 냉매에 의한 온도절이 이루어지는 최종부하인 반도체설비들이 구현된다.

한편, 이러한 종래의 전자냉각블럭을 이용한 냉매의 온도조절은 전자냉각블럭에 소정시간동안 직류전압이 가해지면 전자냉각블럭에서는 냉매의 냉각이 실시된다. 그리고 냉각된 냉매가 냉매유통유로를 유통하면서 설정된 온도보다 과냉상태이면 히터가 작동하여 냉매의 온도 상승이 이루어진다.

그런데 종래의 이러한 냉매온도제어방법에서는 외부전류의 공급 없이는 냉매의 온도조절이 일어나지 않고, 더욱이 순간적인 미세온도저절을 수행할 수 없기 때문에 보다 정밀한 온도제어를 수행할 수 없었고, 방열부에서 단순히 냉각수의 순환만으로 방열이 수행되도록 되어 있기 때문에 방열효율이 낮아 보다 효율적인 온도조절이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열전소자에 적어도 하나이상의 저항소자를 접속시켜 저항소자의 접속을 스위칭동작으로 제어함으로써 열전소자에서 발생한 기전력을 저항을 통해 방전하느냐의 여부에 따라 미세 온도조절이 가능하도록 한 전자냉각블럭의 열전달 통제장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 일반적인 열전소자의 접속상태를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 열전소자의 접속상태를 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전자냉각블럭의 열전도 통제장치를 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 전자냉각블럭의 열전도 통제장치의 작동상태를 도시한 플로우 챠트이다.

도 5는 본 발명에 따른 전자냉각블럭의 열전도 통제장치의 실험상태를 나타낸 그래프이다.

( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 )

100...열전도 통제장치

110...메인제어부

120...전자냉각블럭

130...직류전원

140...전류제어부

150...히터제어부

180...히터

200...저항

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전자냉각블럭 열전도 통제장치는, 다수의 열전소자가 장착되고, 작용 부하에 대한 온도조절이 수행되도록 내부에 냉매가 흐르는 냉매유통유로를 갖는 흡열부와 방열부를 가지며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이상이면 작동되고, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이하이면 작동이 정지되는 전자냉각블럭; 상기 열전소자에 접속되어 상기 열전소자로 전류를 공급하는 전원; 상기 흡열부와 연결되어 작용부하에 대한 온도조절이 수행되도록 내부에 냉매가 흐르는 냉매유통유로; 상기 냉매유통유로 상에 설치되며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 하한온도 이상이면 작동되어 냉매의 온도조절을 수행하는 히터; 상기 열전소자에 접속되며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이하에서 상기 열전소자와 접속되어 폐회로를 구성하고, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제2상한온도 이하에서는 상기 열전소자와 접속이 분리되는 적어도 하나 이상의 저항을 포함한다(단, 제1상한온도>제2상한온도>하한온도의 관계임).

그리고 상기 직류전원과 상기 열전소자사이에는 전원의 공급을 제어하며, 상기 저항의 접속을 제어하는 전원제어부가 마련된 것이다.

또한, 상기 방열부측에는 상기 방열부의 방열을 위한 냉동사이클이 구현되고, 상기 냉동사이클의 응축부에는 증류수의 유통이 가능하도록 된 냉각부가 구현된 것을 특징으로 하는 열전도 통제장치

그리고 본 발명에 따른 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제방법은 냉매의 온도를 감지하는 온도감지단계; 상기 온도감지단계에서 감지된 온도가 미리 설정된 제 1상한온도 이상인가를 판단하는 제 1상한온도 판단단계; 상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 1상한 온도이상이 아니면 미리 설정된 제 2상한온도 이상인가를 판단하는 제 2상한온도 판단단계; 상기 제 2상한온도 판단단계를 거친상기 냉매의 온도가 미리 설정된 제 2상한온도이상이면 상기 전자냉각블럭의 열전소자들과 저항이 접속되도록 하여 상기 전자냉각블럭에서의 냉매에 대한 흡열이 수행되도록 하는 저항접속단계를 구비한다. 그리고 상기 제 1상한온도는 상기 제 2상한온도보다 높은 온도이다.

또한, 위의 단계들에 더하여 상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 1상한 온도이상이면 상기 전자냉각블럭에 전원을 공급하여 흡열이 일어나도록 하는 전자냉각블럭 작동단계를 구비하며, 상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 2상한온도이상이 아니면 상기 냉매의 온도가 하한온도인가를 판단하는 하한온도 판단단계, 상기 하한온도 판단단계에서 판단된 온도가 하한온도 이하이면 히터를 작동시켜 상기 냉매를 가열하는 가열단계를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 열전소자(10)에는 직류전원이 열전소자의 P형반도체(11)와 N형 반도체(12)을 서로 다른 극으로 접속시키고, 이와 다르게 저항(50)이 P반도체(11)와 N형 반도체(12)에 접속되어 있다.(여기서 저항은 도 2에서 부호 "50"으로 표기되어 있고, 이하의 도 3에서는 배치상태에 대한 실시예로써 별도의 부호 "200"으로 표기되어 있다.)

이러한 접속상태에서 전자냉각블럭(120)은 방열부(121)와 흡열부(123)이 형성되며, 이 각각의 블럭(121)(123) 사이에 다수의 열전소자(122)가 직렬로 배치되어 후술할 열전도 통제장치(100) 내에 구현된다.

이 열전도 통제장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 방열부(121) 측으로 냉동사이클이 배치되고, 흡열부(123) 측으로 냉매유통유로(102)가 배치되어 전자냉각블럭(120)이 설치되고, 이 전자냉각블럭(120)의 열전소자(122)에는 직류전원(130)이 접속된다. 그리고 이 직류전원(130)의 공급통제를 위한 전류제어부가(140) 구현되며 이 전류제어부(140)에는 직류전원(130)과 다른 회로상태로 구성된 저항(200)이 접속 설치된다.

그리고 냉매유통유로(102)상에는 냉매저장탱크(160)가 설치되며, 냉매저장탱크(160)에는 갈덴, 플로리넷, 부동액 또는 DI와 에틸렌 글리콜의 혼합물 등이 저장되며, 냉매저장탱크(160) 내부에는 히터(180)가 설치된다. 그리고 이 히터(180)의 작동을 제어하기 위한 히터제어부(150)가 설치된다.

또한, 냉매유통유로(102)상에는 냉매의 원활한 강제 유통을 위한 펌프(170)가 설치되고, 이 펌프(170)를 통하여 펌핑된 냉매에 의한 온도조절작업이 수행되도록 반도체 설비와 같은 작용부하(103)가 구현됨으로써 이루어진다.

그리고 최종적으로 전류제어부(140)와 히터제어부(150)가 접속되어 전술한 장치들의 작동이 제어되는 메인제어부(110)가 설치되어 작용부하(103)에 대한 온도제어가 이루어진다.

한편, 전술한 냉동사이클은 방열부측에 접하여 방열부측을 냉각시키는 증발부와, 이 증발부에서 토출된 냉매가 압축되는 압축기, 그리고 압축된 냉매의 응축이 수행되는 응축부, 그리고 응축부에서 토출되어 증발부로 공급되는 냉매의 팽창이 이루어지는 모세관 또는 전자팽창밸브로 된 팽창밸브가 설치된다.

그리고 응축부에는 외주 증류수가 유통하여 응축부의 방열이 수행되도록 하는 냉각부가 구현되어 있다.

다음으로는 전술한 구성과 같이 된 열전도 통제장치의 구동방법에 대하여 설명하기로 하되, 이하에서 서술하는 제 1상한온도는 설정된 냉매온도의 최상한값이며, 제 2상한온도는 제 1상한온도보다 낮은 온도값이다. 그리고 하한온도는 냉매의 최하한값을 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 최초 냉매의 온도가 체크되는 온도체크 단계(S10)를 거치게 되고, 이 온도체크 단계(S10)를 거친후 체크된 온도가 제 1상한온도 이상인가를 판단하는 제 1상한온도 판단단계(S21)를 거치게 된다.

이 단계(S21)에서 냉매의 온도가 제 1상한온도 이상이라고 판단되면 전류제어부(140)에서 전자냉각블럭(120)으로 직류전류를 공급하게 되고, 이 직류전류의 공급으로 전자냉각블럭(120)은 작동시작 단계(S22)를 거치게 된다. 이후 다시 한번 더 제 1상한온도 이상인가를 판단하는 단계(S22)를 거치게 되고, 여기서도 계속해서 냉매의 온도가 제 1상한온도 이상이라고 판단되면 전자냉각블럭을 계속 작동시키게 된다.

반면에 냉매의 온도가 제 1상한온도 이하라고 판단되면 전자냉각블럭(120) 작동 정지단계(S23)를 거쳐 최초 온도체크 단계를 리턴(S50)하게 된다.

한편, 최초 제 1상한 온도이상인가를 판단하는 단계(S20)에서 제 1상한 온도이하라고 판단되면 다음으로 제 2상한온도 이상인가를 판단하는 단계(S30)로 진행하게 되고, 제 2상한온도 이상이라고 판단되면 소정시간동안 저항(200)이 접속되는단계(S31)를 거치게 되는데. 이 저항(200)은 열전소자(10)의 P형 반도체 소자(11)와 N형 반도체 소자(12)를 서로 접속시켜 이 각각의 반도체 소자(11)(12) 사이의 전위차로 인한 전류가 흐르게 하고, 이때의 과부하를 방지하기 위하여 전술한 저항(200)들이 부하로써 작용하게 되어 안정적인 전류의 흐름을 제공하도록 한다.

그리고 이때의 저항(200)의 접속으로 열전소자(10)에서는 소정크기의 흡열작용이 수행되어 냉매의 냉각이 이루어지게 한다.

이후 한번 더 냉매의 온도가 제 2상한온도 이상인가를 판단하는 단계(S32)를 거치게 되며 냉매의 온도가 제 2상한온도 이상이 아니라고 판단되면 최초 상태로 리턴(S50)하게 된다. 그러나 냉매의 온도가 저항(200)의 접속단계(S31) 이후에도 제 2상한온도 이하로 떨어지지 않았다면 이때에는 전자냉각블럭 작동시작 단계(21S)로 진행하게 되어 전자냉각블럭(120)의 작동으로 냉매의 냉각이 이루어지도록 하여 위에서 상술한 바와 같은 제 1상한온도 판단단계(S22)들을 거쳐 다시 최초 상태로 리턴(S50)하게 된다.

다음으로 최초 제 2상한온도 이상인가를 판단하는 단계(S30)에서 냉매의 온도가 제 2상한온도 이상이 아니라고 판단되면 하한온도 이하인가를 판단하는 단계(S40)로 진행하게 되고, 이때의 냉매 온도가 하한 온도이하가 아니라고 판단되면 계속해서 이 하한온도 이하인가를 판단하는 단계(S40)를 반복해서 거치게 된다.

그런 반면 냉매의 온도가 하한 온도이하라고 판단되면 히터작동단계(S41)를 거치게 되고, 이 히터작동단계(S41)를 거친 냉매의 온도가 다시 한번 더 하한온도 이하인가를 판단하는 단계(S42)를 거치게 된다. 그리고 이때의 냉매의 온도가 계속해서 하한온도 이하라고 판단되면 히터(180)의 작동이 계속적으로 이루어지고, 냉매의 온도가 하한온도 이하가 아니라고 판단되면 히터정지단계(S43)를 거치게 된다.

그리고 이 히터정지단계(S43) 이후에는 다시 최초상태로 리턴(S50)하여 위에서와 상술한 바와 같은 단계로 진행되어 냉매의 온도가 통제되는 것이다.

한편, 도 5는 이러한 저항(200)을 열전소자(10)에 접속시킴으로써 부분적인 열전소자(10)의 작동이 일어나는 것에 나타낸 실험 그래프로써, 저항(200)을 접속시킴으로써 흡열과 방열이 열전소자(10)에서 발생한다는 것을 나타낸 것이다. 여기서 가로축은 시간을 나타내고 새로축은 온도를 나타낸다.

온도의 측정은 흡열부(123)에서만 실시하였고, 냉매의 펌핑 전과 펌핑 후를 나누어서 나타내고 있다.

이에 따르면 통상적인 대략 21-22℃의 냉매를 히터를 통하여 약 73℃ 내외로 까지 가열한다. 그러다가 열전소자(10)에 저항(200)을 접속하면 냉매의 온도는 최하 66℃ 내외로까지 하락하게 되어 냉매를 냉각하는 효과를 발휘하게 된다.

그리고 냉매의 펌프전에는 냉매의 펌핑상태 보다 냉매의 온도가 조금 낮게 유지되어 대략 70℃내외의 온도가 유지되고, 열전소자(10)에 저항(200)을 접속하면 63℃ 정도로 온도가 하락하게 된다. 즉, 열전소자(10)에 직류전류를 차단하고 저항(200)을 접속시킴에 따라 대략 7.5℃ 내외의 온도 하락 효과를 발휘하게 되는 것이다.

이러한 것은 열전소자(10)에 저항을 접속시키면 열전소자(10)의 P형반도체(11)와 N형 반도체(12) 사이에 전압이 발생되고(seeback 효과), 이때 발생된 전력을 저항을 통해서 방전시키면 열전소자(10)의 양단간에 열전도 효과가 커지고, 고온측에서 저온측으로 열의 전달이 원활하게 이루어져서 냉각효과가 커진다. 그리고 저항(200)을 오픈하면 발전된 전력이 소모되지 않고, 상대적으로 열의 전달이 작아지게 된다.

그리고 방열부(121)에 대한 방열은 냉동사이클장치가 구동함으로써 증류수로 냉매의 효율적인 외부 방열이 수행되게 되는데. 이러한 냉동사이클장치의 구동은 전술한 저항(200)과 전자냉각블럭(120)의 작동제어에서 서로 연동하도록 하여 보다 효과적인 온도조절이 수행되도록 할 수 있다.

즉, 냉동사이클에서의 방열에 따른 온도저하를 달성하고, 이때의 온도저하시 저항(200)을 접속시킴으로써 보다 큰 냉각효과를 발휘할 수 있게 되며, 상대적으로 저항을 오프시킨 상태와 냉동사이클을 구동시키기 않은 상태에서 열전달이 보다 작아지게 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제장치 및 방법은 열전소자에 외부 전원을 차단한 상태에서 저항의 접속으로 열전소자의 P형 반도체와 N형 반도체 사이의 전위차에 의한 미세 온도 조절이 가능하므로 보다 미세하고, 정확한 냉매의 온도조절이 가능하여 보다 정밀한 부하에 대한 온도 유지와 관리가 가능해지는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 다수의 열전소자가 장착되고, 작용 부하에 대한 온도조절이 수행되도록 내부에 냉매가 흐르는 냉매유통유로를 갖는 흡열부와 방열부를 가지며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이상이면 작동되고, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이하이면 작동이 정지되는 전자냉각블럭;

   상기 열전소자에 접속되어 상기 열전소자로 전류를 공급하는 전원;

   상기 흡열부와 연결되어 작용부하에 대한 온도조절이 수행되도록 내부에 냉매가 흐르는 냉매유통유로;

   상기 냉매유통유로 상에 설치되며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 하한온도 이상이면 작동되어 냉매의 온도조절을 수행하는 히터;

   상기 열전소자에 접속되며, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제1상한온도 이하에서 상기 열전소자와 접속되어 폐회로를 구성하고, 상기 냉매의 온도가 기 설정된 제2상한온도 이하에서는 상기 열전소자와 접속이 분리되는 적어도 하나 이상의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제장치(단, 제1상한온도>제2상한온도>하한온도의 관계임).
2. 제 1항에 있어서, 상기 직류전원과 상기 열전소자사이에는 전원의 공급을 제어하며, 상기 저항의 접속을 제어하는 전원제어부가 마련된 것을 특징으로 하는 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제장치.
3. 제 1항 또는 제 2항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 방열부측에는 상기 방열부의 방열을 위한 냉동사이클이 구현되고, 상기 냉동사이클의 응축부에는 증류수의 유통이 가능하도록 된 냉각부가 구현된 것을 특징으로 하는 열전도 통제장치.
4. 전자냉각블럭을 이용한 열전도 통제방법에 있어서,

   냉매의 온도를 감지하는 온도감지단계;

   상기 온도감지단계에서 감지된 온도가 미리 설정된 제 1상한온도 이상인가를 판단하는 제 1상한온도 판단단계;

   상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 1상한 온도이상이 아니면 미리 설정된 제 2상한온도 이상인가를 판단하는 제 2상한온도 판단단계;

   상기 제 2상한온도 판단단계를 거친 상기 냉매의 온도가 미리 설정된 제 2상한온도이상이면 상기 전자냉각블럭의 열전소자들과 저항이 접속되도록 하여 상기 전자냉각블럭에서의 냉매에 대한 흡열이 수행되도록 하는 저항접속단계를 구비한 것을 특징으로 하는 전자냉각블럭의 열전도 통제방법(단, 제1상한온도>제2상한온도>하한온도의 관계임).
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서, 상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 1상한 온도이상이면 상기 전자냉각블럭에 전원을 공급하여 흡열이 일어나도록 하는 전자냉각블럭 작동단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 전자냉각블럭의 열전도 통제방법.
7. 제 4항 또는 제 6항에 있어서, 상기 제 1상한온도 판단단계에서 판단된 온도가 제 2상한온도이상이 아니면 상기 냉매의 온도가 하한온도인가를 판단하는 하한온도 판단단계;

   상기 하한온도 판단단계에서 판단된 온도가 하한온도 이하이면 히터를 작동시켜 상기 냉매를 가열하는 가열단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 전자냉각블럭의 열전도 통제방법.