KR100404430B1 - 열전소자를 이용한 고안정도의 항온장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 정밀도를 갖는 미소 열량계 등에서 이용되는 항온장치에 관한 것으로, 단열된 상자 내에 위치하는 항온실, 상기 단열된 상자 내에 일면이 위치된 열전소자, 상기 열전소자의 상면에 열적으로 접촉된 열전달매체, 및 상기 열전달매체의 상면에 열적으로 접촉된 방열판 위에서 단열된 상자 내의 기체를 순환시키기 위한 팬을 포함하는 항온장치이다. 한편, 상기 단열된 상자 내에 있는 온도센서, 및 상기 온도센서에 접속된 온도조절장치를 더 포함하며 상기 온도조절장치는 전류 또는 전압 출력형 PID식 온도조절기와 푸쉬풀회로가 접속된다.

Description

열전소자를 이용한 고안정도의 항온장치{Thermostat apparatus of high stability with thermoelectric device}

본 발명은 고 정밀도를 갖는 미소 열량계 등에서 이용되는 항온장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열전소자를 이용한 항온장치에 관한 것이다.

상온 근처나 그 이하에서 온도를 일정하게 유지시키는 것은 단순히 항온실을 가열 또는 냉각만을 시켜서 이루어지는 것이 아니고, 냉각과 가열을 동시에 이용하여 일정온도로 유지시켜서 이루어지는 것이 일반적이다. 이 경우 항온실의 온도를 일정하게 유지하기 위하여, 종래에는 열매체로서 사용되는 액체, 즉, 냉매의 액화와 기화에 따른 발열과 흡열을 이용함으로써, 일반적으로 냉각과 동시에 히터의 발열량을 조절하여 소정의 온도를 얻었다. 이 때, 열량계의 항온실 부분을 항온조(恒溫槽)에 잠기게 하거나 온도가 조절된 공기를 항온실 주변에 순환시켜 온도를 안정화시키는 등의 적절한 방법을 이용하여 열교환이 이루어지게 함으로써 항온실의 온도를 일정하게 하는 방법을 사용하고 있다.

온도를 안정화시키는데 필요한 시간이 항온조에 항온실을 잠기게 하는 경우보다 온도가 조절된 공기를 항온실 주변에 순환시켜 온도를 안정화시키는 경우가 온도를 안정화시키는데 필요한 시간이 매우 긴 단점이 있지만, 신호선 등의 전기 리드선들의 배선처리가 전자의 경우보다 수월할 뿐만 아니라 온도안정도도 훨씬 좋기 때문에 많이 후자의 경우가 주로 이용된다.

온도가 조절된 공기를 항온실 주변이 순환시켜 온도를 안정화시키는 종래 기술에 대하여 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 항온을 유지하고자 하는 대상물을 외부온도로부터 차단이 되도록 단열재 등으로 만들어진 밀폐되고 단열된 상자 안에 위치시킨다. 이 밀폐되고 단열된 상자 안에는 내부 공기를 순환시킬 수 있도록 공간이 마련되어 있다. 한편, 외부의 항온조에 의하여 온도가 조절된 열매체가 파이프를 통하여 단열된 상자 안의 하부 공간을 거쳐서 계속 순환하도록 한다. 이 때, 온도가 조절된 열매체가 단열된 상자 안을 통과할 때 열교환이 쉽게 이루어지도록 파이프가 몇 차례 왕복된 뒤 다시 항온조로 되돌아가도록 배관이 되어 있다. 이렇게 배치된 파이프에 팬(fan)을 이용하여 정해진 경로를 따라 공기를 강제 순환시킴으로써 밀폐되고 단열된 상자 안의 온도는 어느 정도의 일정한 온도로 된다. 그러나, 단열된 상자가 외부의 온도 변화에 영향을 받기 때문에 다시 2차적인 온도조절이 필요하다. 즉, 팬 주변에 히터를 장착하여 이 히터를 통하여 순환하는 공기의 온도를 일정한 온도가 되도록 히터의 발열량을 조절하고 있다.

이러한, 복잡한 단계의 제어는 궁극적으로 대상물의 온도를 장기간 고안정도로 유지시키고자 하는 것이지만, 장치의 제작비용과 전력소모, 소음, 및 냉매에 의한 환경문제 등에 있어서 많은 취약점을 갖고 있다. 게다가, 온도안정에 도달하는 시간이 많이 걸린다는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 냉매에 의하여 냉각되는 방식에서 문제되는 온도안정 도달시간이 감소되고, 냉매의 압축 및 팽창에 따른 소음이 제거되고, 안정한 항온이 유지되는 항온장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열전소자를 이용한 항온장치에서 열전소자의 온도를 제어할 수 있는 온도제어기가 포함된 항온장치를 제공하는데 있다.

도 1은 열전소자를 설명하기 위한 설명도;

도 2는 열전소자의 에너지 준위에 의하여 발열과 흡열 과정을 설명하기 위한 설명도;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 항온장치의 도면; 및

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 항온장치에 이용되는 온도조절장치의 회로도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:단열재 외피

2:항온실

3:공기순환통로

4:제1 열전소자

5, 8, 11:방열판

6, 12:팬

7:온도센서

9:열전달매체

10:제2 열전소자

13;단열된 상자

종래 기술의 냉매에 의한 온도조절과 달리, 본 발명은 열전소자에 의하여 항온실의 온도를 조절한다. 먼저, 이하에서 본 발명에 이용되는 열전소자에 대하여 설명한다. 열전소자는 금속과 반도체 사이의 에너지 준위 차이가 다르기 때문에 전하운반자들의 운동에 의하여 전기적 에너지를 열에너지로 전환할 수 있다는 열전효과(소위, 펠티어 효과라고 불린다.)를 이용하는 소자이다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 항온장치는 단열된 상자 내에 위치하는 항온실; 상기 항온실로부터 외부로 또는 그 역으로 열을 전달하기 위한 열전소자 유닛; 및 상기 열전소자 유닛의 상면에 열적으로 접촉된 방열판 위에서 단열된 상자 내의 기체를 순환시키기 위한 팬을 포함한다.

이 경우, 상기 항온실로부터 외부로 또는 그 역으로 열을 전달하기 위한 상기 열전소자 유닛은 상기 단열된 상자 내에 일면이 위치된 제1 열전소자, 및 상기 제1 열전소자의 상면에 열적으로 접촉된 열전달매체를 포함한다.

또한, 상기 항온장치는 상기 항온실 내에 일면이 위치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자 아래에 열적으로 접촉된 방열판을 더 포함한다.

또한, 상기 항온장치는 상기 단열된 상자 내에 있는 온도센서, 및 상기 온도센서에 접속된 온도조절장치를 더 포함한다.

또한, 상기 열전달매체는 금속 또는 히트파이프이며, 상기 온도조절장치는 전류 출력형 PID식 온도조절기와 푸쉬풀회로가 접속된다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 열전효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 동일한 금속들 사이에 반도체, 예를 들면 n형 불순물 반도체가 접합된 상태에서 일단의 금속에 양의 전원을 접속하고 타단의 금속에 음의 전원을 인가한다고 가정하자. 이 경우 도 2에 나타낸 바와 같이, n형 반도체 내의 전자들은 일단의 금속에서 타단의 금속으로 이동하게 되어 전류가 흐른다고 가정하면, 금속으로부터 n형 반도체로 흘러 들어가는 전하운반자, 즉, 전자(n형 반도체의 경우)는 도 2에 나타낸 바와 같이 전위장벽 (E_c-E_f)/e [J/C]보다 큰 에너지를 갖는 전자들로 제한되기 때문에 E_c-E_f와 절대 온도 T에 있는 전자의 평균운동에너지 3k_BT/2의 합을 갖는 전자들만이 n형 반도체영역으로 흘러 들어간다. 여기서 E_c는 n형 반도체의 전도띠의 에너지 준위이고, E_f는 n형 반도체의 페르미준위이고, e는 전자의 전하량이고, K_B는 볼츠만상수이다. 따라서, 금속의 일단과 n형 반도체의 계면에 있어서, 금속의 일단에서 n형 반도체로 전하운반자가 들어갈 때 전하운반자는 △E=E_c-E_f+3k_BT/2 [J]의 에너지를 잃게 되어 이 금속에서는 그 만큼 냉각된다. 반면, n형반도체와 금속의 타단의 계면에 있어서, n형 반도체에서 금속의 타단으로 전하운반자가 들어갈 때 전하운반자는 △E=E_c-E_f+3k_BT/2 [J]의 에너지를 얻게 되어 이 금속에서는 발열이 일어나게 된다. 만약에 상기한 전압의 극성을 바꾸면 반대의 현상이 발생된다. 따라서, 열을 전기적 에너지에 의하여 이동시킬 수 있다. 이와 같이, 금속과 불순물 반도체로 이루어진 소자를 연속적으로 구성시킨 것을 열전소자라 하며 이러한 현상을 열전효과라고 한다. 따라서, 열전소자에 의하여 온도조절을 할 경우, 기존의 종래 기술과 달리 냉매를 사용하지 않고 열전소자에 인가되는 전압의 극성에 따라 냉각과 가열의 제어뿐만 아니라 온도조절이 가능하여 안정한 항온을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 의하여 냉매에 의한 환경오염을 방지와 냉매의 압축장치와 관련된 소음과 진동을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예에 의하면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 항온장치는 외부에 대해 단열시키고 내부에서 조절된 온도를 보온시키기 위한 단열재 외피(1)를 가지는 단열된 상자(13)를 가지며, 단열된 상자(13) 내에서 둘러싸여 밀폐된 항온실(2)이 위치된다. 항온실(2)과 단열재 외피(1) 사이에는 팬(6)에 의하여 강제로 공기가 순환되는 공기순환통로(3)가 형성된다. 한편, 제1 열전소자(4)의 한 면은 금속, 예를 들면 히트파이프 등과 같은 열전달매체(9)를 통하여 단열된 상자(13) 내부에 있는 방열판(8)에 열적으로 접촉되어 있다. 제1 열전소자(4)의 다른 면은 방열판(11)과 열적으로 접촉되고, 방열판(11)의 아래에는 팬(12)이 위치되어, 제1 열전소자(4)에서 냉각 또는 가열 등의 열교환이 이루어진 열은 방열판(11)과팬(12)을 통해서 공기순환통로(3)로부터 외부로 전달되거나 그 역으로 전달된다. 그리고, 방열판(8)의 바로 위에 장치된 팬(6)에 의하여 강제로 순환되는 내부공기는 방열판(8)을 통하여 온도조절을 받게 된다. 한편, 단열된 상자(13)의 내부 순환공기의 온도는 공기순환통로(3) 내에 있는 온도센서(7)에 의하여 측정되며, 제1 열전소자(4)를 제어하는 온도조절기는 온도센서(7)의 온도를 일정하게 유지하도록 제1 열전소자(4)의 전력을 제어한다. 또한, 항온실(2)의 온도가 설정하고자 하는 온도에 대하여 차이가 많을 경우 또 다른 열전소자에 직접 전류를 인가함으로써 항온실(2)의 온도가 설정온도에 빠르고 쉽게 도달하도록, 제2 열전소자(10)와 방열판(5)을 항온실(2)의 외벽 하단에 직접 부착시킨다. 따라서, 제2 열전소자(10)와 그 밑에 열적으로 접촉되어 있는 방열판(5)을 통해 항온실과 공기순환통로(3) 사이에서 열의 전달이 이루어진다. 다만, 항온실(2)의 온도가 설정온도에 가까워지면 제2 열전소자(10)와 방열판(5)은 작동이 멈추어지고 오직 온도센서(7)와 제1 열전소자(4)에 의해서만 항온실(2)의 온도가 제어된다. 한편, 외부에 노출된 방열판(11)이 외부 온도의 급격한 온도변화에 의하여 항온실 내에 미소하기는 하지만, 예를 들면, 수 밀리℃의 영향을 미칠 수도 있기 때문에, 이 영향을 보다 완벽하게 차단하기 위하여, 방열판(11)을 단열재로 둘러싼 다음 다시 그 아래에 새로운 열전소자(미도시)와 새로운 방열판(미도시)을 연속적으로 부착할 수도 있다. 또한, 온도센서(7)를 공기순환통로(3) 내에 한정하여 위치시킬 필요는 없다. 예를 들면, 방열판(8)에 구멍을 뚫어 방열판(8) 위에 부착시킬 수도 있다. 이 경우 외부온도의 영향을 미세하게 받으므로 공기순환통로(3)의 공기의 온도를 조절하도록 히터(미도시)가 함께 장착되며, 이 히터(미도시)는 공기가 올라가기 시작하는 부근에 위치하는 것이 바람직하다.

다음, 열전소자의 온도조절기에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 항온장치에 포함되는 온도조절장치의 회로도이다. 항온실(2) 내에 있는 온도센서(7)의 온도를 일정하게 유지하도록, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 열전소자(4)의 전력을 제어하는 온도조절기(14)는 온도센서(7)에 접속되어 있고, 온도조절기(14)의 출력단자는 열전소자를 구동하기 위한 푸쉬풀회로(push-pull circuit; 안쪽 점선과 바깥쪽 점선 사이의 회로)에 접속된다. 즉, 온도조절기(14)의 출력단자의 하나는 가변저항(17)의 일단, 및 제2 다이오드(D2)와 제1 다이오드(D1) 사이에 접속되고, 온도조절기의 타단은 가변저항(17)의 타단, 제1 저항(R1)의 일단, 제1 트랜지스터(T1), 예를 들면, PNP트랜지스터의 컬렉터 단자 및 접지 단자에 접속된다. 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 제1 저항(R1)의 타단과 제1 트랜지스터(T1)의 베이스에 접속되고, 제1 트랜지스터(T1)의 에미터는 제2 트랜지스터(T2), 예를 들면, NPN트랜지스터의 에미터와 열전소자의 입력단자의 일단에 접속된다. 제2 트랜지스터(T2)의 베이스는 제2 다이오드(D2)와 제2 저항(R2)의 일단 사이에 접속되고, 제2 트랜지스터(T2)의 컬렉터는 제1 저항(R1)과 동일한 저항값을 갖는 제2 저항(R2)의 타단과 전원에 접속된다. 제1 열전소자의 입력단자 일단은 직류 전원의 중간 전원에 접속되고, 제1 열전소자의 타단은 제1 트랜지스터(T1)의 에미터와 제2 트랜지스터(T2)의 에미터의 접속점에 접속된다.

본 발명에 따른 일실시예에 의하면, 가변저항(17)은 1KΩ으로 하고, 전원의전체 전압은 24V로서, 열전소자의 일단이 접속된 점의 전압은 12V이다. 따라서, 온도조절기(14)의 출력단자로부터 출력이 4 내지 20mA인 경우, 이 출력에 의하여 1KΩ의 가변저항(17)에 인가되는 전압은 4 내지 20V가 되며, 이 전압은 제1 트랜지스터(T1)의 에미터 단자의 전압, 즉, 열전소자의 입력단자의 전압이 된다. 따라서, 온도조절기(14)의 출력전류가 4mA일 경우 열전소자 일단의 입력단자 전압은 4V가 되어 열전소자 타단의 입력단자 전압 12V와 -8V의 전위차(-부호는 편의상 방향을 구분하기 위하여 붙인 것임)가 생긴다. 반대로, 온도조절기(14)의 출력전류가 20mA일 경우 열전소자 일단의 입력단자 전압은 20V가 되어 열전소자 타단의 입력단자 전압 12V와 +12V의 전위차가 생긴다. 또한, 온도조절기(14)의 출력전류가 12mA일 경우 열전소자 일단의 입력단자 전압은 12V가 되어 열전소자 타단의 입력단자 전압 12V 사이에 전위차가 발생하지 않게 되어 열전소자가 작동되지 않는다. 따라서, 일반 PID식 전류출력형 온도조절기에 의하여 열전소자 한 면의 온도를 낮추게 할 수도 있고 높일 수도 있도록 제어가 가능하다.

본 발명가는 본 발명에 따른 열전소자용 온도제어를 제작하여 단열된 상자 내부에서 순환하는 공기 온도의 변동폭을 측정하였는바, 하루에 ±0.005℃보다 작은 변동폭을 갖게 되어 항온장치를 효과적으로 안정시킬 수 있었다.

전술한 실시예의 구성은 단지 본 발명을 설명하기 위한 예시에 불과하다. 예를 들면, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 온도조절기의 회로에서 출력전류는 4 내지 20mA에 한정될 필요가 없으며, 그 밖의 가변저항의 저항값과 전원의 전압이 각각 1KΩ과 24V로 한정될 필요가 없는 것은 자명하다. 따라서, 본 발명의 사상과 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경과 수정도 가능하다.

따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에 의하여, 항온실의 온도안정 도달시간이 종래 기술에 비하여 단축될 수 있고, 냉매의 압축 및 팽창에 따른 소음이 제거될 수 있고, 항온장치가 안정한 항온으로 유지될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 온도조절기에 의하여 온도의 변동폭을 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (13)

1. 항온장치에 있어서,

   단열된 상자;

   단열된 상자 내에 위치하는 항온실;

   냉각과 가열의 열교환이 이루어지는 열전소자 유닛;

   상기 열전소자 유닛의 하면에 열적으로 접촉된 방열판 아래에서 열교환이 이루어진 열을 상기 항온실로부터 외부로 또는 그 역으로 전달하기 위한 팬;

   상기 열전소자 유닛의 상면에 열적으로 접촉된 방열판 위에서 단열된 상자 내의 기체를 순환시키기 위한 다른 팬;

   상기 단열된 상자 내에 있는 온도센서; 및

   상기 온도센서에 접속되며, 온도센서의 온도를 일정하게 유지하도록 상기 열전소자 유닛을 구동 제어하는 온도조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 항온장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열전소자 유닛은

   상기 단열된 상자 내에 일면이 위치하며, 냉각과 가열의 열교환이 이루어지는 제 1열전소자; 및

   상기 제 1열전소자의 상면과 방열판 사이에 열적으로 접촉된 열전달매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 항온장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 열전소자 유닛은 상기 단열된 상자 내에 일면이 위치된 열전소자, 및 상기 열전소자의 상면에 열적으로 접촉된 열전달매체가 연속하여 반복적으로 결합된 상기 열전소자들과 상기 열전달매체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 항온장치.
4. 제 2항 있어서, 상기 열전소자 유닛은 상기 항온실 온도의 설정온도 도달시간을 단축하기 위해,

   상기 항온실의 외벽 하단에 부착된 제 2열전소자; 및

   상기 제 2열전소자 아래에 열적으로 접촉된 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 항온실과 상기 단열된 상자 사이에 공기순환통로가 더 포함된 것을 특징으로 하는 항온장치.
6. 제 2항 있어서, 상기 방열판은 상기 열전달매체를 통하여 상기 제 1열전소자와 열적으로 접촉되며, 상기 순환되는 기체 온도를 조절함을 특징으로 하는 항온장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 열전소자 유닛 중에서 최상층에 있는 상기 열전달매체 상에 열적으로 접촉된 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온장치.
8. 삭제
9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 열전달매체가 금속인 것을 특징으로 하는 항온장치.
10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 열전달매체가 히트파이프인 것을 특징으로하는 항온장치.
11. 제 1항에 있어서, 상기 온도조절장치는 전류 출력형 PID식 온도조절기와 푸쉬풀회로가 접속된 것을 특징으로 하는 항온장치.
12. 제 1항에 있어서, 상기 온도조절장치는 전압 출력형 PID식 온도조절기와 푸쉬풀회로가 접속된 것을 특징으로 하는 항온장치.
13. 제 5항에 있어서, 상기 열전소자 유닛 상에 방열판을 더 포함하며, 상기 온도센서는 상기 방열판 상에 위치하며, 외부 온도로부터 상기 단열된 상자 내의 온도가 영향을 받지 않도록 하기 위한 히터가 상기 공기순환통로 내에 더 포함되는 것을 특징으로 하는 항온장치.