KR101193494B1 - 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법 - Google Patents

열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 열전소자모듈을 사용한 차량용 냉온장고, 냉난방기, 냉온수기 등 냉난방수단의 온도 제어방법에 관한 것이다 이러한 본 발명은 냉/난방부(10)의 온도(T1)와 폐열방출부(10)의 온도(T2)를 각각 측정하는 제1단계와, 제어부(40)로부터 설정된 모드값을 검출하는 제2단계와, 상기 온도(T1)와 설정온도(TL,TH)를 비교하는 제3단계 및, 상기 온도(T1)가 상기 설정온도(TL)에 비하여 높거나 상기 설정온도(TH)에 비하여 낮을 경우, 상기 온도(T1,T2)를 기초로 열전소자모듈(30)의 흡열부(Ta)와 발열부(Te)의 온도차(ΔT)를 계산하여 최대효율모드, 최대성능모드 또는 최적동작모드로 선택 제어되는 제4단계를 포함한다. 따라서, 차량용 냉온장고, 냉난방기, 냉온수기 등에 적용하여 최적의 효율, 최대의 성능 또는 성능과 효율을 적절히 갖도록 열전소자모듈과 동작을 제어할 수 있게 된다.
냉/난방부, 폐열방출부, 열전소자모듈, 제어부

Description

열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE COOLING AND HEATING MEANS USING THERMOELECTRIC ELEMENT MODULES}
본 발명은 열전소자모듈을 사용한 차량용 냉온장고, 냉난방기, 냉온수기 등 냉난방수단의 온도 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 효과를 이용하는 소자를 말한다. 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬 연결된 두 개 이상의 반도체 커플로 구성된다. 그리고 두 개의 다른 금속이 양끝만 서로 접합한 어느 한 시스템의 양쪽 접합에 전기를 흘려주면 한 접합에서는 열을 흡수하고 다른 접합에서는 열을 방출한다.
상기 열전소자를 이용하여 모듈을 구성한 것을 열전소자모듈(Thermoelectric Module)이라 한다. 이러한 열전소자모듈은 냉매 순환식 냉각방식과는 달리, 기계적인 작동부분이 필요 없게 되고, 공간적으로 제한이 있거나 신뢰성이 요구되는 부분이나 프레온 냉매(CFC)를 사용할 수 없는 여러 부속품에 널리 사용되고 있다.
상기 열전소자모듈은 직류 전원에 의해 작동되며 냉각기 또는 전류 방향을 반대로 바꾸어 히터로 사용할 수 있으므로 동적인 부분이 없는 소형 히트 펌프(Heat Pump)라고 할 수 있다.
일반적인 열전소자모듈(100)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 복수의 N형 소자(110a)와 P형 소자(110b)가 교대로 열을 지어 형성하고 있고, 상기 N형 소자(110a)에 (+)극이 연결되어 있고, 상기 P형 소자(110b)에 (-)극이 연결되도록 되어 있다. 그리고, 열전소자모듈(100)은 상기 N형 반도체 소자(110a)와 P형 반도체 소자(110b)가 상부 금속(120) 및 하부 금속(122)을 통하여 전기적으로 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결되어 있다. 여기서, 상기 하부 금속(122)에는 전원부(130)로부터 전원이 공급되도록 되어 있다. 상기 상부 금속(120)과 하부 금속(122) 각각에 절연되는 열전도체(124,126)가 구비되어 있다.
상기 열전소자모듈(100)에 냉각 작용이 일어나는 과정을 설명하면, 전류가 상기 하부 금속(122)으로 공급되어 N형 반도체 소자(110a)로부터 P형 반도체 소자(110b)로 흐르게 된다. 이 때, 펠티어 효과(Peltier Effect)로 인해 전자가 이동하는 과정에서 상부 금속 전극(120)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수하여 상면은 냉각되는 반면, 하부 금속 전극(122)에서 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 하면은 가열되게 된다.
이러한 열전소자모듈은 재료특성에 따라 차이는 있지만 일반적으로 냉방 및 난방시 성능과 효율 곡선은 도 2a 및 도 2b와 같이 나타나게 된다. 여기서, 열전소 자모듈의 온도차가 증가할수록 성능과 효율이 감소하지만, 각 모듈의 온도차에 대하여 최적의 효율점과 최적의 성능점이 모두 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 냉방시에는 최적의 효율점이 모듈의 온도차가 커질수록 전압이 커지며, 최적의 효율점을 최대의 성능점보다 훨씬 낮은 전압, 전류에 형성되는 것을 알 수 있다.
마찬가지로 난방시에는 도 2b와 같이 모듈의 온도차가 커질수록 성능, 효율이 모두 감소하고 모듈의 온도차가 커질수록 최적의 효율전압이 점점 커지게 되는 것을 알 수 있다. 다만, 일정 온도차 이상이거나 일정 전압 이상에서는 효율과 성능이 거의 비슷한 특성을 갖는다.
열전소자모듈을 사용하여 대상물에 온도를 제어하는 선행기술로서, 일본 공개특허공보 제2001-201204호(이하, 특허문헌1 이라함)에서 열전 냉각가열 온도제어장치가 개시되어 있다. 상기 특허문헌1은 도 3에 도시된 바와 같이, 비교부(22a)와 설정부(22b)를 갖는 온도제어부(22)를 두고, 온도검출부(21)와 설정부(22b)의 온도를 비교하여 냉각시 설정온도가 높으면 전원부(23)에서 열전소자(13)로 최소전류를 흘려주고 설정온도가 낮으면 최대전류를 흘려주어 온도를 제어하며, 난방시 설정온도가 높으면 전원부(23)에서 열전소자(13)로 최대전류를 흘려주고 설정온도가 낮으면 최소전류를 흘려주어 온도를 제어하도록 되어 있다.
한편, 한국 공개특허공보 제2004-0016659호(이하, 특허문헌2 이라함)에서 열전반소체소자를 사용한 냉장고 및 그 제어방법이 개시되어 있다. 상기 특허문헌2는 도 4에 도시된 바와 같이, 냉장실 내부온도를 검출하여 목표온도와 비교한 후 온도 조건에 맞게 냉각팬의 속도와 열전모듈의 전압을 조절하면서 냉장실 온도를 제어하도록 되어 있다.
그런데, 특허문헌1에서는 열전소자모듈이 외부환경의 온도 변화에 따라 제어되지 않아서 최적으로 온도를 조절하는데 한계가 있었다. 특허문헌2에서는 필요에 따라 열전소자모듈의 동작전압을 결정할 수 없기 때문에 최적 운전전압에서 동작될 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 내부 온도값과 외부 온도값을 기초로 하여 열전소자모듈이 최적효율점, 최대성능점 또는 최적동작점에서 동작되게 함으로써 냉난방수단의 성능 또는 효율을 높일 수 있도록 한 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 냉/난방부의 내부 온도와 폐열방출부의 외부 온도를 각각 측정하는 제1단계와, 제어부로부터 설정된 모드값을 검출하는 제2단계와, 상기 내부 온도와 설정온도(TL,TH)를 비교하는 제3단계 및, 상기 내부 온도가 상기 설정온도(TL)에 비하여 높거나 상기 설정온도(TH)에 비하여 낮을 경우, 상기 내부 온도를 기초로 열전소자모듈의 흡열부와 발열부의 온도차를 계산하여 최대효율모드, 최대성능모드 또는 최적동작모드로 선택 제어되는 제4단계를 포함한다.
상기 열전소자모듈의 흡열부와 발열부의 온도차를 계산할 경우, 내부 온도(T1)에 0.01 ～ 0.07 정도의 상수값을 곱하고, 외부 온도(T2)에 1.02 ～ 0.07 정도의 상수값을 곱하여 계산하도록 되어 있다.
상기 최대효율모드는, V =
Figure 112012001901671-pat00035
+ αΔT,
Figure 112012001901671-pat00036
(α: 펠티어계수, Ｒ : 저항, Ζ: 열전소자 재료상수, Tave : 평균온도,
Figure 112012001901671-pat00037
: COP식의 미분값을 0으로 하는 전류값) 식을 이용하여 산출하도록 되어 있다.
상기 최대성능모드는, V =
Figure 112012001901671-pat00038
+ αΔT,
Figure 112012001901671-pat00039
(α: 펠티어계수, Ｒ : 저항,
Figure 112012001901671-pat00040
: Ｑ식의 미분값을 0으로 하는 전류값) 식을 이용하여 산출하도록 되어 있다.
상기 최적동작모드는, V =
Figure 112012001901671-pat00041
+ αΔT (α: 펠티어계수, Ｒ : 저항, Ζ: 열전소자 재료상수, Tave : 평균온도, i(QxCOP)max : Ｑ와 COP의 곱을 최대로 하는 전류값) 식을 이용하여 산출 이용하여 산출하도록 되어 있다.
본 발명에 따른 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법은, 차량용 냉온장고, 냉난방기(에어콘,히터), 냉온수기 등에 최적의 효율, 최대의 성능 또는 성능과 효율을 적절히 갖도록 열전소자모듈을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 냉난방수단의 외부온도와 내부온도를 기초로 하여 열전소자모듈의 동작 전압을 결정함으로써 열전소자모듈이 외부 환경의 변화에 따른 성능감소를 최소화할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법에 관한 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉난방수단에 냉/난방부(10), 폐열방출부(20) 및 열전소자모듈(30)을 구비하고 있다. 상기 냉/난방부(10)의 내부에는 온도센서(12)가 설치되어 내부온도(T1)를 측정하도록 되어 있고, 상기 폐열방출부(20)의 근처에는 온도센서(22)가 설치되어 외부온도(T2)를 측정하도록 되어 있다. 그리고, 상기 열전소자모듈(30)을 제어하는 제어부(40)와, 열전소자모듈(30)에 전원을 공급하는 전원부(50)가 구비되어 있다. 여기서, 상기 폐열방출부(10)는 냉각팬, 히트싱크로 구성할 수 있다.
냉난방수단은 차량용 냉온장고, 냉난방기(에어콘,히터), 냉온수기 등으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법은, 냉/난방부(10)의 내부 온도(T1)와 폐열방출부(10)의 외부 온도(T2)를 각각 측정하는 제1단계와, 제어부(40)로부터 설정된 모드값을 검출하는 제2단계와, 상기 내부 온도(T1)와 설정온도(TL,TH)를 비교하는 제3단계 및, 상기 내부 온도(T1)가 상기 설정온도(TL)에 비하여 높거나 상기 설정온도(TH)에 비하여 낮을 경우, 상기 온도(T1,T2)를 기초로 열전소자모듈(30)의 흡열부(Ta)와 발열부(Te)의 온도차(ΔT)를 계산하여 최대효율모드, 최대성능모드 또는 최적동작모드로 선택 제어되는 제4단계를 포함한다.
제1단계에서는 냉난방수단의 내부 온도(T1)과 외부 온도(T2)를 측정한다. 여기서, 내부 온도(T1)와 외부 온도(T2)를 기초로 하여 열전소자모듈(30)의 온도차(ΔT)값을 얻을 수 있다. 수식으로 ΔT = [K1T1-K2T2]로 나타낼 수 있다. 여기서, K1은 열전소자모듈(30)의 흡열부(Ta)에 적용되는 0.01 ～ 0.07 정도의 값을 갖는 상수이다. K2는 열전소자모듈(30)의 발열부(Te)에 적용되는 1.02 ～ 0.07 정도의 값을 갖는 상수이다.
제2단계에서는 제어부(40)에 미리 설정된 모드값을 검출하는데, 최적효율모드를 1로, 최대성능모드를 2로, 최적동작모드를 3으로 검출하도록 되어 있다.
제3단계에서는 제어부(40)에서 내부 온도(T1)에 대하여 설정온도(TL)와 설정온도(TH)를 각각 비교한다. 여기서, 설정온도(TL)는 냉방을 제어하기 위한 것이고, 설정온도(TH)는 난방을 제어하기 위한 것이다.
제4단계에서는 내부 온도(T1)가 상기 설정온도(TL)에 비하여 높은 경우와, 내부 온도(T1)가 상기 설정온도(TH)에 비하여 낮은 경우에 각각 제어부(40)에 의해 열전소자모듈(30)이 최적효율모드, 최대성능모드 또는 최적동작모드로 선택 되어지게 된다.
상기 제2단계에서 기 설정된 모드에 따라 아래의 식을 이용하여 각 모드 별로 열전소자모듈(30)에 인가되는 작동전압을 산출하게 된다.
상기 최대효율모드에서 열전소자모듈(30)에 인가되는 작동전압은, V =
Figure 112012052995782-pat00056
+ αΔT,
Figure 112012052995782-pat00057
(α: 펠티어계수, Ｒ : 저항, Ζ: 열전소자 재료상수, Tave : 평균온도,
Figure 112012052995782-pat00058
: COP식의 미분값을 0으로 하는 전류값, V : 작동전압, COP : 냉각효율) 식을 이용하여 산출하게 된다.
그리고, 최대효율모드에서는 도 6a에 나타난 바와 같이, 열전소자모듈(30)의 온도차(ΔT)가 적을수록 냉각열량이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 최대효율모드에서는 도 6c에 나타난 바와 같이, 열전소자모듈(30)의 온도차(ΔT)가 적을수록 작동전압이 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 열전소자모듈(30)의 온도차(ΔT)가 적을수록 작동전압은 적어지고, 냉각열량 및 냉각효율은 커지게 된다.
이는 각 동작모드에 상관 없이 열전소자모듈(30) 양단의 온도차가 적으면 열량이 커지는 것으로써, 정해진 온도차에서 작동전압의 제어에 따라 각 동작모드의 제어가 가능하다.
상기 최대성능모드에서 열전소자모듈(30)에 인가되는 작동전압은, V =
Figure 112012052995782-pat00059
+ αΔT,
Figure 112012052995782-pat00060
(α: 펠티어계수, Ｒ : 저항,
Figure 112012052995782-pat00061
: Ｑ식의 미분값을 0으로 하는 전류값, V : 작동전압, Q : 냉각열량) 식을 이용하여 산출하도록 되어 있다.
또한, 최대성능모드에서는 도 6b에 나타난 바와 같이, 열전소자모듈(30)의 온도차(ΔT)가 적을수록 냉각효율이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
상기 최적동작모드에서 열전소자모듈(30)에 인가되는 작동전압은, V =
Figure 112012052995782-pat00062
+ αΔT(α: 펠티어계수, Ｒ : 저항, Ζ: 열전소자 재료상수, Tave : 평균온도, i(QxCOP)max : Ｑ와 COP의 곱을 최대로 하는 전류값, V : 작동전압, Q : 냉각열량, COP : 냉각효율) 식을 이용하여 산출 이용하여 산출하도록 되어 있다.
도 7은 본 발명에 따른 냉방수단의 온도 제어방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 냉방수단의 내부 온도(T1)와 외부 온도(T2)를 측정하고(S100), 제어부(40)에 설정된 모드값을 검출한다(S110). 여기서, 최적효율모드를 1로, 최대성능모드를 2로, 최적동작모드를 3으로 검출하도록 되어 있다.
다음으로, 내부 온도(T1)와 설정온도(TL)를 비교, 판단한다(S120). 여기서, 내부 온도(T1)가 설정온도(TL)보다 작을 경우에는 열전소자모듈(30)과 폐열방출부(20)의 작동을 정지시킨다(S130).
내부 온도(T1)가 설정온도(TL)보다 클 경우에는, 내부 온도(T1)가 설정온도(TH)보다 높은가를 판단한다(S140). 내부 온도(T1)가 설정온도(TH)보다 높으며, 최적효율모드인 1로 판정되면(S141), V =
Figure 112012001901671-pat00011
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S142)하여 초기 상태로 피드백시킨다. 한편, 최대성능모드 2로 판정되면(S143), V =
Figure 112012001901671-pat00012
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S144)하여 피드백시킨다. 최적동작모드 3으로 판정되면, V =
Figure 112012001901671-pat00013
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S145)하여 초기 상태로 피드백시킨다.
도 8은 본 발명에 따른 난방수단의 온도 제어방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 난방수단의 내부 온도(T1)와 외부 온도(T2)를 측정하고(S200), 제어부(40)에 설정된 모드값을 검출한다(S210). 여기서, 최적효율모드를 1로, 최대성능모드를 2로, 최적동작모드를 3으로 검출하도록 되어 있다.
다음으로, 내부 온도(T1)와 설정온도(TH)를 비교, 판단한다(S220). 내부 온도(T1)가 설정온도(TH)보다 작을 경우, 내부 온도(T1)를 설정온도(TL)와 비교한다. 내부 온도(T1)보다 설정온도(TL)가 클 경우(S240)에, 최적효율모드인 1로 판정되면(S241), V =
Figure 112012001901671-pat00014
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S242)하여 초기 상태로 피드백시킨다. 한편, 최적동작모드 2로 판정되면(S243), V =
Figure 112012001901671-pat00015
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S244)하여 피드백시킨다. 한편, 최적동작모드 3으로 판정되면, V =
Figure 112012001901671-pat00016
+ αΔT 식에 따라 열전소자모듈(30)에 대한 전류값을 제어(S245)하여 초기 상태로 피드백시킨다.
내부 온도(T1)와 설정온도(TH)를 비교, 판단(S220)하여, 내부 온도(T1)가 설정온도(TH) 보다 클 경우에는 열전소자모듈(30)과 폐열방출부(30)의 작동을 정지시킨다(S230).
본 발명에 따른 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법에 의하면, 차량용 냉온장고, 냉난방기(에어콘,히터), 냉온수기 등에 최적의 효율, 최대의 성능 또는 성능과 효율을 적절히 갖도록 열전소자모듈과 팬의 동작을 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 냉난방수단의 외부온도와 내부온도를 기초로 하여 열전소자모듈의 동작 전압을 결정함으로써 열전소자모듈이 외부 환경의 변화에 따른 성능감소를 최소화할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 열전소자모듈을 도시한 구성도,
도 2a 및 도 2b는 일반적인 열전소자모듈의 냉난방시 성능 및 효율을 도시한 그래프,
도 3은 특허문헌1에 따른 열전 냉각가열 온도제어장치의 블록도,
도 4는 특허문헌2에 따른 냉장고의 제어방법을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법에 관한 블록도,
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 열전소자모듈의 냉난방시 최대성능모드, 최대효율모드, 최대동작모드를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 냉방수단의 온도 제어방법을 도시한 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 난방수단의 온도 제어방법을 도시한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 냉/난방부 12 : 온도센서
20 : 폐열방출부 22 : 온도센서
30 : 열전소자모듈 40 : 제어부
50 : 전원부 T1 : 냉/난방부의 온도
T2 : 폐열방출부의 온도
Ta, Te : 열전소자모듈의 흡열부와 발열부

Claims (3)

  1. 냉/난방부(10)의 온도(T1)와 폐열방출부(20)의 온도(T2)를 각각 측정하는 제1단계와,
    제어부(40)로부터 설정된 모드값을 검출하는 제2단계와,
    상기 온도(T1)와 설정온도(TL,TH)를 비교하는 제3단계 및,
    상기 온도(T1)가 상기 설정온도(TL)에 비하여 높거나 설정온도(TH)에 비하여 낮을 경우, 상기 온도(T1,T2)를 기초로 열전소자모듈(30)의 흡열부(Ta)와 발열부(Te)의 온도차(ΔT)를 계산하여 최대효율모드, 최대성능모드 또는 최적동작모드로 선택 제어되는 제4단계를 포함하되,
    상기 열전소자모듈(30)의 흡열부(Ta)와 발열부(Te)의 온도차(ΔT)를 계산할 경우, 상기 온도(T1)에 0.01 ～ 0.07 정도의 상수(K1)를 곱하고, 상기 온도(T2)에 1.02 ～ 0.07 정도의 상수(K2)를 곱하여 계산하도록 된 것을 특징으로 하는 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대효율모드는,
    V =
    Figure 112012001901671-pat00049
    + αΔT,
    Figure 112012001901671-pat00050
    식을 이용하여 산출하고,
    상기 최대성능모드는,
    V =
    Figure 112012001901671-pat00051
    + αΔT,
    Figure 112012001901671-pat00052
    식을 이용하여 산출하며,
    상기 최적동작모드는,
    V =
    Figure 112012001901671-pat00053
    + αΔT 식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 열전소자모듈을 사용한 냉난방수단의 온도 제어방법.
    (여기서, α: 펠티어계수, Ｒ : 저항, Ζ: 열전소자 재료상수, Tave : 평균온도,
    Figure 112012001901671-pat00054
    : COP식의 미분값을 0으로 하는 전류값,
    Figure 112012001901671-pat00055
    : Ｑ식의 미분값을 0으로 하는 전류값, i(QxCOP)max : Ｑ와 COP의 곱을 최대로 하는 전류값)
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