KR101418054B1 - 발열 온도의 예측 제어 기능을 가지는 냉각 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

발열 온도의 예측 제어 기능을 가지는 냉각 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발열 온도의 예측 제어 기능을 가지는 냉각 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 냉각 장치는 발열체, 냉각부, 전류 감지부, 전압 감지부, 온도 감지부, 및 냉각 제어부를 포함한다. 발열체는 동작 전원이 공급될 때 동작하여 발열한다. 냉각부는 제1 및 제2 냉각 제어 신호에 응답하여 발열체를 냉각시킨다. 전류 감지부는 발열체에 인가되는 전류를 감지한다. 전압 감지부는 발열체에 인가되는 전압을 감지한다. 온도 감지부는 발열체의 온도를 감지한다. 냉각 제어부는 전류 감지부로부터 수신되는 전류 감지 신호와, 전압 감지부로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하고, 온도 감지부로부터 수신되는 온도 감지 신호에 응답하여 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작과 출력 정지 동작 중 하나를 선택적으로 실행한다. 본 발명에 따른 냉각 장치 및 그 동작 방법은 발열체에 인가되는 전류를 감지하여 냉각 장치를 미리 동작시킨 후, 발열체의 온도를 감지하여 냉각 장치의 동작을 제어하므로, 초기 동작시 발열체의 급격한 온도 상승이 억제될 수 있고, 발열체가 신속하게 열 평형 상태에 도달하여 왜곡 없이 안정적으로 동작할 수 있다.

Description

발열 온도의 예측 제어 기능을 가지는 냉각 장치 및 그 동작 방법{Cooling apparatus having a function of predictive controlling heating temperature and operation method of the same}
본 발명은 냉각 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발열 온도의 예측 제어 기능을 가지는 냉각 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 임의의 발열체의 과열을 막기 위해 채용되는 냉각 방식에는, 발열체의 주위에 냉각수를 공급하여 냉각시키는 수랭식(水冷式) 냉각 방식과 열전 소자를 이용한 반도체 냉각 방식이 있다. 이 중에서, 열전 소자를 이용한 냉각 방식은 온도에 대한 가변 성능을 갖는 소자를 발열체에 부착하고, 그 소자의 가변값에 기초하여, 펄스 폭 변조(pulse-width modulation) 제어 방식 또는 선형 제어 방식에 의해 열전 소자의 전력을 조절함으로써 발열체를 냉각시키는 것이다.
하지만 기존의 냉각 방식은 발열체의 순간적인 온도 상승을 억제하는 데에 한계가 있다. 상온에서 순간적인 전력이 발열체에 공급되면, 도 1에 도시된 것과 같이, 발열체는 발열하기 시작하면서 매우 급격한 기울기의 온도 상승 비율을 갖는다. 기존의 냉각 방식에 따르면, 발열체의 급격한 온도 상승을 감지하고 발열체가 목표 온도로 열 평형 상태를 이루도록 냉각시키기까지는 어느 정도의 시간이 필요하다.
도 1에 도시된 "도입 구간"처럼 초기에 온도가 신속하게 제어되지 못하고 불안정한 온도로 동작할 경우 발열체는 왜곡된 동작 특성을 보이게 된다. 따라서 발열체의 동작 초기에 나타나는 순간적인 온도 상승으로 인한 발열량을 예측하여 발열체의 온도를 제어함으로써, 발열체가 신속하게 열 평형 상태를 이루어 안정적으로 동작하도록 할 수 있는 냉각 방식이 절실히 요구된다.
한편, 발열체의 한 종류인 레이저 장치는 광펌핑 작용에 의한 빛의 유도 방출(Stimulated emission) 현상을 이용하거나 또는 레이저 다이오드를 이용하여 레이저 광을 생성한다. 광 펌핑 작용은 이득 매질(gain medium)에 여기 에너지가 주입되는 것을 말하며, 이득 매질 내부의 전자들은 광펌핑 작용에 의해 여기되어 레이저 광을 생성한다. 광펌핑시 또는 레이저 다이오드의 동작시, 레이저 장치는 많은 양의 열을 발생하게 된다. 이러한 발열 현상은 레이저 장치가 레이저 광을 생성하는 동안 지속적으로 발생하며, 레이저 장치의 온도를 점차 상승시키게 된다. 이로 인하여, 레이저 장치에 인가되는 전력 대비 레이저 광의 출력 효율이 저하되는 현상이 발생한다. 예를 들어, 레이저 다이오드의 경우, 레이저 광의 출력 및 파장이 그 발열량에 영향을 받는다. 레이저 다이오드의 온도가 상승하면, 레이저 광의 출력이 저하되고 레이저 광의 파장은 상승하는 특성을 보인다. 레이저 다이오드는 인가되는 전력에 즉각적으로 반응하므로 그 발열 온도가 매우 빠르게 상승한다. 따라서 초기에 신속하게 온도가 보정되지 못할 경우, 열 평형을 이루는데 걸리는 시간 동안 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 광의 출력 및 파장이 왜곡되는 현상이 발생한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발열체에 인가되는 전류를 감지하여 냉각 장치를 미리 동작시킨 후, 발열체의 온도를 감지하여 냉각 장치의 동작을 제어함으로써, 초기 동작시 발열체의 급격한 온도 상승을 억제하고 발열체가 신속하게 열 평형 상태에 도달하게 하여 왜곡 없이 안정적으로 동작하도록 할 수 있는 냉각 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 발열체에 인가되는 전류를 감지하여 냉각 장치를 미리 동작시킨 후, 발열체의 온도를 감지하여 냉각 장치의 동작을 제어함으로써, 초기 동작시 발열체의 급격한 온도 상승을 억제하고 발열체가 신속하게 열 평형 상태에 도달하게 하여 왜곡 없이 안정적으로 동작하도록 할 수 있는 냉각 장치의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들이 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 장치는, 발열체, 냉각부, 전류 감지부, 전압 감지부, 온도 감지부, 및 냉각 제어부를 포함한다. 발열체는 동작 전원이 공급될 때 동작하여 발열한다. 냉각부는 제1 및 제2 냉각 제어 신호에 응답하여 발열체를 냉각시킨다. 전류 감지부는 발열체에 인가되는 전류를 감지한다. 전압 감지부는 발열체에 인가되는 전압을 감지한다. 온도 감지부는 발열체의 온도를 감지한다.
냉각 제어부는 전류 감지부로부터 수신되는 전류 감지 신호와, 전압 감지부로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하고, 온도 감지부로부터 수신되는 온도 감지 신호에 응답하여 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작과 출력 정지 동작 중 하나를 선택적으로 실행한다.
상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 장치의 동작 방법은, 전류 감지부 및 전압 감지부에 의해, 발열체에 인가되는 전류 및 전압을 감지하는 단계; 냉각 제어부에 의해, 상기 전류 감지부로부터 수신되는 전류 감지 신호와, 전압 감지부로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하는 단계; 냉각부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호에 응답하여 상기 발열체를 냉각시키는 단계; 온도 감지부에 의해, 상기 발열체의 온도를 감지하는 단계; 상기 냉각 제어부에 의해, 상기 온도 감지부로부터 수신되는 온도 감지 신호에 기초하여 상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 높은지의 여부를 판단하는 단계; 상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 높을 때, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하는 단계 및 상기 발열체를 냉각시키는 단계를 반복하는 단계; 상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 낮을 때, 상기 냉각 제어부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작을 정지하는 단계; 및 상기 냉각부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호가 수신되지 않을 때 상기 발열체의 냉각 동작을 정지하는 단계를 포함한다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따른 냉각 장치 및 그 동작 방법은 발열체에 인가되는 전류를 감지하여 냉각 장치를 미리 동작시킨 후, 발열체의 온도를 감지하여 냉각 장치의 동작을 제어하므로, 초기 동작시 발열체의 급격한 온도 상승이 억제될 수 있고, 발열체가 신속하게 열 평형 상태에 도달하여 왜곡 없이 안정적으로 동작할 수 있다.
도 1은 종래의 냉각 장치에 의한 발열체의 온도 제어시, 발열체의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각 장치가 적용된 레이저 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 레이저 발진 모듈, 온도 센서, 및 냉각부의 상세한 블록 구성도이다.
도 5는 도 3에 도시된 레이저 장치의 동작과 관련하여, 레이저 발진 모듈에 인가되는 제어 펄스 신호, 레이저 발진 모듈의 온도, 및 레이저 광의 에너지량의 변화를 개략적으로 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 레이저 장치의 비교예인 또 다른 레이저 장치의 동작과 관련하여, 레이저 발진 모듈에 인가되는 제어 펄스 신호, 레이저 발진 모듈의 온도, 및 레이저 광의 에너지량의 변화를 개략적으로 각각 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 레이저 장치의 동작 과정을 상세히 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 블록 구성도이다. 도면의 간략화를 위해, 도 2에는 본 발명과 관련된 부분들만이 도시되고, 각 구성 요소들 간의 송수신 신호의 도시가 생략된다.
냉각 장치(100)는 발열체(111), 냉각부(112), 전류 감지부(120), 온도 감지부(130), 및 냉각 제어부(140)를 포함한다. 또, 냉각 장치(100)는 입력부(150), 메인(main) 제어부(160), 전원 공급부(170), 전압 감지부(180)를 더 포함한다.
발열체(111)는 동작 전원이 인가될 때 동작하여 열을 발산한다. 냉각부(112)는 냉각 제어부(140)로부터 수신되는 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)에 응답하여 발열체(111)를 냉각시킨다.
전류 감지부(120)는 발열체(111)에 인가되는 전류를 감지한다. 전류 감지부(120)는 전류 센서(121), 제1 증폭기(122), 및 제1 A/D 컨버터(123)를 포함한다. 전류 센서(121)는 전원 공급부(170)와 발열체(111) 사이에 연결된다. 전류 센서(121)는 예를 들어 전류 트랜스 센서 또는 션트(shunt) 저항으로 구현될 수 있다. 전원 공급부(170)가 발열체(111)에 동작 전원을 인가할 때, 전류 센서(121)는 전원 공급부(170)로부터 발열체(111)에 흐르는 전류를 감지하고 그 감지 결과에 따른 제1 아날로그 신호(A1)를 출력한다. 제1 증폭기(122)는 제1 아날로그 신호(A1)를 증폭하여 출력한다.
제1 A/D 컨버터(123)는 제1 증폭기(122)로부터 수신되는 제1 아날로그 신호(A1)를 제1 디지털 신호(D1)로 변환하고 그 변환된 제1 디지털 신호(D1)를 전류 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
온도 감지부(130)는 발열체(111)의 온도를 감지한다. 온도 감지부(130)는 온도 센서(131), 제2 증폭기(132), 및 제2 A/D 컨버터(133)를 포함한다. 온도 센서(131)는 발열체(111)에 이웃하여 배치되고, 발열체(111)의 온도를 감지하고 그 감지 결과에 따른 제2 아날로그 신호(A2)를 출력한다. 제2 증폭기(132)는 제2 아날로그 신호(A2)를 증폭하여 출력한다.
제2 A/D 컨버터(133)는 제2 증폭기(132)로부터 수신되는 제2 아날로그 신호(A2)를 제2 디지털 신호(D2)로 변환하고 그 변환된 제2 디지털 신호(D2)를 온도 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
냉각 제어부(140)는 전류 감지부(120)의 제1 A/D 컨버터(123)로부터 수신되는 전류 감지 신호인 제1 디지털 신호(D1)와, 전압 감지부(180)로부터 수신되는 전압 감지 신호인 제3 디지털 신호(D3)에 응답하여, 제1 및 2 냉각 제어 신호(C1, C2)를 출력한다. 냉각 제어부(140)는 제1 및 제3 디지털 신호(D1, D3)에 기초하여, 발열체(111)의 소비 전력(P)을 계산하고, 그 소비 전력(P)을 이용하여 발열체(111)의 발열량을 추정할 수 있다. 발열체(111)의 소비 전력(P)은 전류 감지부(120)에 의해 감지된 전류 값(I)과 전압 감지부(180)에 의해 감지된 전압 값(V)의 곱 연산에 의해 계산될 수 있다.
이 후, 냉각 제어부(140)는 온도 감지부(130)의 제2 A/D 컨버터(133)로부터 수신되는 온도 감지 신호인 제2 디지털 신호(D2)에 응답하여 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)의 출력 동작과 출력 정지 동작 중 하나를 선택적으로 실행한다.
입력부(150)는 사용자의 입력에 따라 입력 신호를 출력한다. 메인 제어부(160)는 입력부(150)로부터 수신되는 입력 신호에 응답하여, 전원 공급 신호를 냉각 제어부(140) 및 전원 공급부(170)에 출력한다. 전원 공급부(170)는 메인 제어부(160)로부터 수신되는 전원 공급 신호에 응답하여, 발열체(111)에 동작 전원을 인가한다.
냉각 제어부(140))는 메인 제어부(160)로부터 수신되는 전원 공급 신호에 더 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)를 설정된 시간 동안 냉각부(112)에 출력할 수 있다. 그 결과, 발열체(111)에 전류가 공급되기 전에 냉각부(112)가 발열체(111)를 미리 약간 냉각시켜둘 수 있다.
전압 감지부(180)는 발열체(111)에 인가되는 전압을 감지한다. 전압 감지부(180)는 전압 분배 회로(181), 제3 증폭기(182), 및 제3 A/D 컨버터(183)를 포함한다. 전압 분배 회로(181)는 전원 공급부(170)와 그라운드(ground) 단자(미도시) 사이에 연결된다. 그라운드 단자에는 그라운드 전압(VSS)이 공급된다. 전압 분배 회로(181)는 예를 들어 직렬 연결되는 저항(R1, R2)을 포함할 수 있다. 저항(R1, R2)은 저항비에 의해, 전원 공급부(170)로부터 발열체(111)에 인가되는 동작 전압을 분배하고, 그 분배된 전압을 노드(N)에 출력한다. 그 결과, 노드(N)에는 분배된 전압에 대응하는 제3 아날로그 신호(A3)가 발생된다.
제3 아날로그 신호(A3)는 발열체(111)에 인가되는 전압 값에 해당한다. 제3 증폭기(182)는 제3 아날로그 신호(A3)를 증폭하여 출력한다.
제3 A/D 컨버터(183)는 제3 증폭기(182)로부터 수신되는 제3 아날로그 신호(A3)를 제3 디지털 신호(D3)로 변환하고 그 변환된 제3 디지털 신호(D3)를 전압 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
발열체의 일례로서 레이저 광을 발생시키는 레이저 발진 모듈이 있다. 레이저 발진 모듈은 레이저 장치에 포함되는 구성 요소로서, 레이저 발진 모듈의 급격한 온도 변화는 레이저 장치의 동작 성능에 매우 큰 영향을 미친다. 따라서 본 발명에 따른 냉각 장치가 레이저 장치에 적용될 경우, 레이저 장치의 동작 성능이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 7을 참고하여, 본 발명에 따른 냉각 장치가 적용된 레이저 장치의 구성 및 구체적인 동작을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각 장치가 적용된 레이저 장치의 개략적인 블록 구성도이다. 도면의 간략화를 위해, 도 3에는 본 발명과 관련된 부분들만이 도시되고, 각 구성 요소들 간의 송수신 신호의 도시가 생략된다.
레이저 장치(101)는 레이저 발생부(110), 전류 감지부(120), 온도 감지부(130), 및 냉각 제어부(140)를 포함한다. 또, 레이저 장치(101)는 입력부(150), 메인(main) 제어부(160), 전원 공급부(170), 및 전압 감지부(180)를 더 포함한다.
레이저 발생부(110)는 펄스 신호 발생부(113), 레이저 발진 모듈(114), 및 냉각부(112)를 포함한다. 레이저 발생부(110)에는 추가의 장치들이 더 포함될 수 있고, 이 추가의 장치들에 대해서는 당업자가 충분히 이해할 수 있는 것이므로 상세한 도시가 생략된다.
펄스 신호 발생부(113)는 메인 제어부(160)로부터 수신되는 펄스 발생 신호에 응답하여 제어 펄스 신호를 발생한다. 레이저 발진 모듈(114)은 펄스 신호 발생부(113)로부터 수신되는 제어 펄스 신호에 응답하여 레이저 광을 발생한다. 레이저 발진 모듈(114)은 예를 들어, 이득 매질과, 이득 매질에 여기광을 방사하여 광펌핑 동작을 실행하는 광펌핑부를 포함하거나, 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 냉각부(112)는 냉각 제어부(140)로부터 수신되는 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)에 응답하여 레이저 발진 모듈(114)을 냉각시킨다.
전류 감지부(120)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 전류를 감지한다. 전류 감지부(120)는 전류 센서(121), 제1 증폭기(122), 및 제1 A/D 컨버터(123)를 포함한다. 전류 센서(121)는 전원 공급부(170)와 레이저 발진 모듈(114) 사이에 연결된다. 전원 공급부(170)가 레이저 발진 모듈(114)에 동작 전원을 인가할 때, 전류 센서(121)는 전원 공급부(170)로부터 레이저 발진 모듈(114)에 흐르는 전류를 감지하고 그 감지 결과에 따른 제1 아날로그 신호(A1)를 출력한다. 제1 증폭기(122)는 제1 아날로그 신호(A1)를 증폭하여 출력한다.
제1 A/D 컨버터(123)는 제1 증폭기(122)로부터 수신되는 제1 아날로그 신호(A1)를 제1 디지털 신호(D1)로 변환하고 그 변환된 제1 디지털 신호(D1)를 전류 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
온도 감지부(130)는 레이저 발진 모듈(114)의 온도를 감지한다. 온도 감지부(130)는 온도 센서(131), 제2 증폭기(132), 및 제2 A/D 컨버터(133)를 포함한다. 온도 센서(131)는 레이저 발진 모듈(114)에 이웃하여 배치되고, 레이저 발진 모듈(114)의 온도를 감지하고 그 감지 결과에 따른 제2 아날로그 신호(A2)를 출력한다. 제2 증폭기(132)는 제2 아날로그 신호(A2)를 증폭하여 출력한다.
제2 A/D 컨버터(133)는 제2 증폭기(132)로부터 수신되는 제2 아날로그 신호(A2)를 제2 디지털 신호(D2)로 변환하고 그 변환된 제2 디지털 신호(D2)를 온도 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
냉각 제어부(140) 전류 감지부(120)의 제1 A/D 컨버터(123)로부터 수신되는 전류 감지 신호인 제1 디지털 신호(D1)와, 전압 감지부(180)로부터 수신되는 전압 감지 신호인 제3 디지털 신호(D3)에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)를 출력한다. 냉각 제어부(140)는 제1 및 제3 디지털 신호(D1, D3)에 기초하여, 레이저 발진 모듈(114)의 소비 전력(P)을 계산하고, 그 소비 전력(P)을 이용하여 레이저 발진 모듈(114)의 발열량을 추정할 수 있다. 레이저 발진 모듈(114)의 소비 전력(P)은 전류 감지부(120)에 의해 감지된 전류 값(I)과 전압 감지부(180)에 의해 감지된 전압 값(V)의 곱 연산에 의해 계산될 수 있다.
이 후, 냉각 제어부(140)는 온도 감지부(130)의 제2 A/D 컨버터(133)로부터 수신되는 온도 감지 신호인 제2 디지털 신호(D2)에 응답하여 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)의 출력 동작과 출력 정지 동작 중 하나를 선택적으로 실행한다.
입력부(150)는 사용자의 입력에 따라 입력 신호를 출력한다. 메인 제어부(160)는 입력부(150)로부터 수신되는 입력 신호에 응답하여, 전원 공급 신호를 냉각 제어부(140) 및 전원 공급부(170)에 출력하고, 펄스 발생 신호를 펄스 신호 발생부(113)에 출력한다. 전원 공급부(170)는 메인 제어부(160)로부터 수신되는 전원 공급 신호에 응답하여, 레이저 발진 모듈(114)에 동작 전원을 인가한다.
냉각 제어부(140))는 메인 제어부(160)로부터 수신되는 전원 공급 신호에 더 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)를 설정된 시간 동안 냉각부(112)에 출력할 수 있다. 그 결과, 레이저 발진 모듈(114)에 전류가 공급되기 전에 냉각부(112)가 레이저 발진 모듈(114)을 약간 냉각시켜둘 수 있다.
전압 감지부(180)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 전압을 감지한다. 전압 감지부(180)는 전압 분배 회로(181), 제3 증폭기(182), 및 제3 A/D 컨버터(183)를 포함한다. 전압 분배 회로(181)는 전원 공급부(170)와 그라운드(ground) 단자(미도시) 사이에 연결된다. 그라운드 단자에는 그라운드 전압(VSS)이 공급된다. 전압 분배 회로(181)는 예를 들어 직렬 연결되는 저항(R1, R2)을 포함할 수 있다. 저항(R1, R2)은 저항비에 의해, 전원 공급부(170)로부터 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 동작 전압을 분배하고, 그 분배된 전압을 노드(N)에 출력한다. 그 결과, 노드(N)에는 분배된 전압에 대응하는 제3 아날로그 신호(A3)가 발생된다. 저항(R2)의 저항값은 레이저 발진 모듈(114)의 저항값과 동일하게 설정될 수 있다.
제3 아날로그 신호(A3)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 전압 값에 해당한다. 제3 증폭기(182)는 제3 아날로그 신호(A3)를 증폭하여 출력한다.
제3 A/D 컨버터(183)는 제3 증폭기(182)로부터 수신되는 제3 아날로그 신호(A3)를 제3 디지털 신호(D3)로 변환하고 그 변환된 제3 디지털 신호(D3)를 전압 감지 신호로서 냉각 제어부(140)에 출력한다.
도 4는 도 3에 도시된 레이저 발진 모듈, 온도 센서, 및 냉각부의 상세한 블록 구성도이다. 냉각부(112)는 열전 소자(221), 방열 패널(222), 냉각 팬(fan)(223), 열전 소자 구동부(224), 및 냉각 팬 구동부(225)를 포함한다.
열전 소자(221)는 서로 대향하는 제1 및 제2 면을 포함하는 판 형상이고, 열전 소자(221)의 제1 면이 레이저 발진 모듈(114))의 저면에 인접하도록 배치된다. 열전 소자(221)에 전원이 인가될 때, 열전 소자(221)의 제1 면은 냉각되고 제2 면은 발열한다. 그 결과, 열전 소자(221)는 냉각된 제1 면을 이용하여 레이저 발진 모듈(114)의 저면을 냉각시킨다.
방열 패널(222)은 열전 소자(122)의 제2 면에 인접하여 배치된다. 방열 패널(222)은 돌출된 복수의 방열 핀을 이용하여 열전 소자(221)의 제2 면으로부터 전달된 열을 외부에 방출한다. 냉각 팬(223)은 열전 소자(221)로부터 방열 패널(222))에 전달된 열을, 회전 동작에 의해 외부로 방출시킨다.
열전 소자 구동부(224)는 제1 냉각 제어 신호(C1)에 응답하여, 열전 소자(221)에 전원을 공급한다. 냉각 팬 구동부(225)는 제2 냉각 제어 신호(C2)에 응답하여, 냉각 팬(223)을 구동한다.
냉각부(112)는 베이스부(226)를 더 포함할 수 있다. 베이스부(226)에는 레이저 발진 모듈(114)과 온도 센서(131)가 고정될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 레이저 장치의 동작과 관련하여, 레이저 발진 모듈에 인가되는 제어 펄스 신호, 레이저 발진 모듈의 온도, 및 레이저 광의 에너지량의 변화를 개략적으로 각각 나타내는 도면이다.
도 5에서, (a)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 제어 펄스 신호의 파형을 나타내고, (b)는 레이저 발진 모듈(114)의 온도 변화를 나타내고, (c)는 레이저 발진 모듈(114)이 출력하는 레이저 광의 에너지량의 변화를 나타낸다.
레이저 발진 모듈은 시간(T) 동안(즉, 제어 펄스 신호가 "하이(high)" 상태인 동안) 레이저 광을 발생시킨다. 전류 센서(121)는 레이저 발진 모듈(114)에 전류가 공급되는 시점을 감지할 수 있고, 그 시점부터 냉각 제어부(140)가 냉각부(112)를 동작시켜 레이저 발진 모듈(114)이 과열되기 전에 미리 냉각시키므로, (b)에 도시된 것과 같이 레이저 발진 모듈(114)의 온도 변화는 그다지 크지 않고, 레이저 발진 모듈(114)의 온도가 비교적 안정적으로 유지될 수 있다. 그 결과, (c)에 도시된 것과 같이, 레이저 광의 에너지량 역시 안정적으로 유지될 수 있다.
상술한 것과 같이, 레이저 장치(100)는 레이저 발진 모듈(114)에 전류가 입력되는 시점부터 냉각부(112)를 동작시키므로, 레이저 발진 모듈(114)의 초기 동작시 레이저 발진 모듈(114)이 과열되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 레이저 발진 모듈(114)이 신속하게 열 평형 상태에 도달할 수 있고, 레이저 장치(100)는 안정적인 레이저 광(L)을 출력할 수 있다.
레이저 장치(100)의 이러한 효과는 도 6을 참고하여 후술하는 비교예에 따른 레이저 장치의 동작과 비교될 때 좀 더 명확해질 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 레이저 장치의 비교예인 또 다른 레이저 장치의 동작과 관련하여, 레이저 발진 모듈에 인가되는 제어 펄스 신호, 레이저 발진 모듈의 온도, 및 레이저 광의 에너지량의 변화를 개략적으로 각각 나타내는 도면이다. 도 4와 관련된 비교예에 따른 레이저 장치(미도시)는 레이저 장치(100)에서 전류 감지부(120)를 제외한 나머지 구성 요소들만을 포함할 수 있다. 즉, 비교예에 따른 레이저 장치는 전류 감지부(120)를 포함하지 않는다.
도 6에서, (a)는 레이저 발진 모듈에 인가되는 제어 펄스 신호의 파형을 나타내고, (b)는 레이저 발진 모듈의 온도 변화를 나타내고, (c)는 레이저 발진 모듈이 출력하는 레이저 광의 에너지량의 변화를 나타낸다.
레이저 발진 모듈은 시간(T1) 동안(즉, 제어 펄스 신호가 "하이(high)" 상태인 동안) 레이저 광을 발생시킨다. 온도 센서가 레이저 발진 모듈의 온도를 감지하기까지 수초 내지 수십초 정도의 시간이 걸리지만, 레이저 발진 모듈은 전류가 공급되는 즉시 발열한다. 이 때문에 온도 센서가 레이저 발진 모듈의 온도를 감지하고 냉각 제어부가 냉각부를 동작시키기까지는 시간(T2)이 걸린다. 결국, 온도 센서의 느린 감지 동작에 의해, 시간(T2) 동안 냉각부는 동작하지 않고, 레이저 발진 모듈의 온도는 급격히 상승하게 된다.
그 후, 온도 센서가 레이저 발진 모듈의 표면 온도에 근접한 온도를 감지하고 냉각 제어부가 냉각부를 동작시킴에 따라, 시간(T3) 동안 레이저 발진 모듈의 온도가 점점 하강하게 된다. 이처럼 레이저 발진 모듈의 온도가 안정적으로 유지되지 않을 경우, 레이저 광의 에너지량이 불규칙해지고 레이저 발진 모듈은 더욱 발열하게 된다. 이러한 문제는 제어 펄스 신호의 주기가 짧아지거나, 제어 펄스 신호가 "하이" 상태인 구간이 짧아질 경우, 온도 센서가 레이저 발진 모듈의 온도를 감지하는데 걸리는 시간을 충분히 확보할 수 없으므로 더욱 심각해질 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 레이저 장치(101)에서는 온도 센서(131)보다 훨씬 더 빠른 감지 반응 속도를 가지는 전류 센서(121)의 감지 결과에 따라, 냉각 제어부(140)가 레이저 발진 모듈(114)의 동작 시작 시점에 냉각부(112)를 미리 동작시킨 후, 온도 센서(131)의 온도 감지 결과에 따라 냉각부(112)의 동작을 제어하므로, 레이저 발진 모듈(114)의 온도가 안정적으로 유지될 수 있다.
선택적으로, 추가의 제어 장치(미도시)에서 실행되는 제어 프로그램의 학습 모드를 통하여, 시간의 경과에 따른 레이저 발진 모듈(114)의 발열량에 관한 정보를 미리 수집해두고, 수집된 레이저 발진 모듈(114)의 발열량에 관한 정보에 기초하여, 레이저 장치(100)의 실제 동작시 냉각 제어부(140)가 냉각부(112)를 동작시키도록 설정될 수 있다.
추가의 제어 장치에서 실행되는 제어 프로그램의 학습 모드 동작을 예를 들어 간략히 설명하면 다음과 같다. 최대 정격 전압을 인가하여 임의의 발열체를 가동시킨 후, 발열체의 온도 상승 시간 또는 하강 시간과, 발열체의 동작 주기와, 발열체의 소비 전력 등의 데이터를 체크하여 저장해 둔다. 이 후, 저장된 데이터에 기초하여 추가의 제어 장치가 열전 소자의 냉각 학습 보정 프로세스를 진행한다.
추가의 제어 장치는 열전 소자의 냉각 학습 보정 프로세스에 의한 자동 보정 과정을 실행한 후, 자동 보정된 기준 데이터가 적용된 채 발열체가 임의 시간 동안 온/오프 될 때, 발열체의 실행 데이터(예를 들어, 발열체의 소비 전력, 온도 변화 주기, 응답 시간 등)를 학습 및 저장한다. 추가의 제어 장치는 학습 및 저장된 데이터를 발열체의 다양한 사용 변수(예를 들어, 발열체의 출력의 가감 및 지속 시간)에 따라 즉시 보정 처리하여, 냉각 제어부가 최적의 응답 속도와 냉각 정밀도를 유지하도록 한다.
만약, 발열체의 사양이나 조건이 바뀔 경우, 추가의 제어 장치가 열전 소자의 냉각 학습 보정 프로세스를 다시 실행하여 학습 보정 성능을 유지할 수 있다. 이러한 학습 보정 기능은 사용자에 의해 해제 또는 적용될 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 레이저 장치의 동작 과정을 상세히 나타내는 흐름도이다.
전원 공급부(170)가 레이저 발진 모듈(114)에 동작 전원을 공급할 때, 전류 감지부(120)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 전류를 감지하고, 전류 감지 신호(즉, 제1 디지털 신호(D1))를 냉각 제어부(140)에 출력하고, 전압 감지부(180)는 레이저 발진 모듈(114)에 인가되는 전압을 감지하고, 전압 감지 신호(즉, 제3 디지털 신호(D3))를 냉각 제어부(140)에 출력한다(단계 1001).
냉각 제어부(140)는 전류 감지부(120)로부터 수신되는 전류 감지 신호와 전압 감지부(180)로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)를 냉각부(112)에 출력한다(단계 1002). 냉각 제어부(140)는 전류 감지 신호와 전압 감지 신호에 기초하여 레이저 발진 모듈(114)의 소비 전력(P)을 계산하고, 그 계산된 소비 전력(P)에 기초하여 레이저 발진 모듈(114)의 발열량을 추정한다. 냉각 제어부(140)는 레이저 발진 모듈(114)의 추정된 발열량에 기초하여 냉각부(112)의 동작을 제어한다.
냉각부(112)는 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)에 응답하여 레이저 발진 모듈(114)을 냉각시킨다(단계 1003).
이 후, 온도 감지부(130)는 레이저 발진 모듈(114)의 온도를 감지하고, 온도 감지 신호(즉, 제2 디지털 신호(D2))를 냉각 제어부(140)에 출력한다(단계 1004).
냉각 제어부(140)는 온도 감지부(130)로부터 수신되는 온도 감지 신호에 기초하여 레이저 발진 모듈(114)의 온도가 설정된 온도보다 높은지의 여부를 판단한다(단계 1005).
단계 1005에서, 레이저 발진 모듈(114)의 온도가 설정된 온도보다 높은 것으로 냉각 제어부(140)가 판단한 경우, 단계 1002 내지 단계 1005가 반복 실행된다.
한편, 단계 1005에서, 레이저 발진 모듈(114)의 온도가 설정된 온도보다 낮은 것으로 판단한 경우, 냉각 제어부(140)는 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)의 출력 동작을 정지한다(단계 1006). 그 결과, 냉각부(112)는 제1 및 제2 냉각 제어 신호(C1, C2)가 수신되지 않는 동안, 레이저 발진 모듈(114)의 냉각 동작을 정지한다(단계 1007). 이 후, 단계 1004 및 단계 1005가 반복 실행된다.
상기한 실시 예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명이 이들 실시 예에 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한, 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 냉각 장치 101: 레이저 장치
110: 레이저 발생부 111: 발열체
112: 냉각부 113: 펄스 신호 발생부
114: 레이저 발진 모듈 120: 전류 감지부
121: 전류 센서 122: 제1 증폭기
123: 제1 A/D 컨버터 130: 온도 감지부
131: 온도 센서 132: 제2 증폭기
133: 제2 A/D 컨버터 140: 냉각 제어부
150: 입력부 160: 메인 제어부
170: 전원 공급부 180: 전압 감지부

Claims (11)

  1. 동작 전원이 공급될 때 동작하여 발열하는 발열체;
    제1 및 제2 냉각 제어 신호에 응답하여 상기 발열체를 냉각시키는 냉각부;
    상기 발열체에 인가되는 전류를 감지하는 전류 감지부;
    상기 발열체에 인가되는 전압을 감지하는 전압 감지부;
    상기 발열체의 온도를 감지하는 온도 감지부; 및
    상기 전류 감지부로부터 수신되는 전류 감지 신호와, 상기 전압 감지부로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하고, 상기 온도 감지부로부터 수신되는 온도 감지 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작과 출력 정지 동작 중 하나를 선택적으로 실행하는 냉각 제어부를 포함하되,
    상기 온도 감지부는,
    상기 발열체에 이웃하여 배치되고, 상기 발열체의 온도를 감지하고 그 감지 결과에 따른 아날로그 신호를 출력하는 온도 센서;
    상기 아날로그 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기로부터 수신되는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 그 변환된 디지털 신호를 상기 온도 감지 신호로서 출력하는 A/D 컨버터를 포함하는 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자의 입력에 따라 입력 신호를 출력하는 입력부;
    상기 입력 신호에 응답하여 전원 공급 신호를 출력하는 메인 제어부; 및
    상기 전원 공급 신호에 응답하여, 상기 발열체에 동작 전원을 인가하는 전원 공급부를 더 포함하는 냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 제어부는 상기 메인 제어부로부터 수신되는 상기 전원 공급 신호에 더 응답하여, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 설정된 시간 동안 출력하는 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 제어부는 상기 전류 감지 신호와 상기 전압 감지 신호에 기초하여 상기 발열체의 소비 전력을 계산하고, 그 계산된 소비 전력에 기초하여 상기 발열체의 발열량을 추정하고, 추정된 발열체의 발열량에 기초하여 상기 냉각부의 동작을 제어하는 냉각 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전류 감지부는,
    상기 전원 공급부와 상기 발열체 사이에 연결되어, 상기 전원 공급부로부터 상기 발열체에 흐르는 전류를 감지하고 그 감지 결과에 따른 아날로그 신호를 출력하는 전류 센서;
    상기 아날로그 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기로부터 수신되는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 그 변환된 디지털 신호를 상기 전류 감지 신호로서 출력하는 A/D 컨버터를 포함하는 냉각 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전압 감지부는,
    상기 전류 감지부에 병렬로 상기 전원 공급부와 그라운드(ground) 단자 사이에 연결되어, 상기 전원 공급부로부터 상기 발열체에 인가되는 동작 전압을 분배하고 그 분배된 전압에 대응하는 아날로그 신호를 출력하는 전압 분배 회로;
    상기 아날로그 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기로부터 수신되는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 그 변환된 디지털 신호를 상기 전류 감지 신호로서 출력하는 A/D 컨버터를 포함하는 냉각 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 분배 회로는 상기 전원 공급부와 상기 그라운드 단자 사이에 직렬 연결된 복수의 저항을 포함하고,
    상기 복수의 저항 중 하나의 저항값은 상기 발열체의 저항값과 동일하게 설정되는 냉각 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각부는,
    상기 발열체의 저면에 인접하여 배치되는 제1 면을 포함하고, 전원이 인가될 때 상기 발열체의 저면을 냉각시키는 판 형상의 열전 소자;
    상기 열전 소자의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 인접하여 배치되고, 돌출된 복수의 방열 핀을 이용하여 상기 열전소자의 제2 면으로부터 전달된 열을 외부에 방출하는 방열 패널;
    상기 열전소자로부터 상기 방열 패널에 전달된 열을, 회전 동작에 의해 외부로 방출시키는 냉각 팬(fan);
    상기 제1 냉각 제어 신호에 응답하여, 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 열전 소자 구동부; 및
    상기 제2 냉각 제어 신호에 응답하여, 상기 냉각 팬을 구동하는 냉각 팬 구동부를 포함하는 냉각 장치.
  10. 전류 감지부 및 전압 감지부에 의해, 발열체에 인가되는 전류 및 전압을 감지하는 단계;
    냉각 제어부에 의해, 상기 전류 감지부로부터 수신되는 전류 감지 신호와, 상기 전압 감지부로부터 수신되는 전압 감지 신호에 응답하여, 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하는 단계;
    냉각부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호에 응답하여 상기 발열체를 냉각시키는 단계;
    온도 감지부에 의해, 상기 발열체의 온도를 감지하는 단계;
    상기 냉각 제어부에 의해, 상기 온도 감지부로부터 수신되는 온도 감지 신호에 기초하여 상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 높은지의 여부를 판단하는 단계;
    상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 높을 때, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호를 출력하는 단계 및 상기 발열체를 냉각시키는 단계를 반복하는 단계;
    상기 발열체의 온도가 설정된 온도보다 낮을 때, 상기 냉각 제어부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작을 정지하는 단계; 및
    상기 냉각부에 의해, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호가 수신되지 않을 때 상기 발열체의 냉각 동작을 정지하는 단계를 포함하는 냉각 장치의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반복 단계 또는 상기 발열체의 냉각 동작을 정지하는 단계 이 후, 상기 판단 단계 및 상기 반복 단계를 반복하거나, 또는 상기 판단 단계, 상기 제1 및 제2 냉각 제어 신호의 출력 동작을 정지하는 단계, 및 상기 발열체의 냉각 동작을 정지하는 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 냉각 장치의 동작 방법.
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