KR101876215B1 - 열전 모듈을 위한 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 모듈을 위한 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명의 열전 모듈 양단에 전압을 인가하는 전원 공급 장치는 전압원으로부터 전력을 공급받아 제1 전압을 생성하는 정전압 생성부; 상기 제1 전압을 전달받아 제2 제어 신호에 따라 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 생성하는 가변전압 생성부; 상기 제2 제어 신호를 생성하여 상기 가변전압 생성부로 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전압 또는 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하며, 상기 제1 전압은 상기 제3 전압보다 높고 고정 전압이고, 제2 전압은 제3전압 보다 낮다.

Description

열전 모듈을 위한 전원 공급 장치{Power supplier for thermoelectric module}
본 발명은 열전 현상을 이용하는 열전 모듈의 구동에 필요한 전압을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
열전현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 에너지 변환을 의미하며 변환소자의 양단에 온도차이가 있을 때 소자 내부의 carrier가 이동함으로 기전력이 발생하는 현상이다.
열전현상은 1900년도 초부터 연구가 시작되어 구소련의 Ioffe가 약 4%의 변환효율을 얻을 수 있게 연구가 진행되어 현재 약 10%이상의 변환효율을 가지고 있다. 이러한 열전은 양단간의 온도 차를 이용하여 기전력을 얻어내는 Seebeck 효과, 기전력으로 냉각과 가열을 하는 Peltier 효과, 도체의 선상의 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 Tomson 효과로 나눌 수 있으며 재료분야가 핵심기술이나 제품화 과정의 시스템기술이 더욱 부각되고 있다.
열전재료는 열전특성이 우수한 온도 범위에 따라 상온용, 중온용 및 고온용으로 나눌 수 있으며, 상온부근에서 는 (Bi,Te)2 Te3 및 Bi2(Te,Se)3 조성의 Bi2Te3 계 고용체 합금의 열전특성이 우수하다. 이러한 열전재료들을 이용한 열전 냉각 및 발전 모듈은 n형 열전소자와 p형 열전소자들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열 적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다.
열전 모듈은 양단에서의 온도 차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열 이동시 n형 열전소자와 p형 열전소자에서 각각 전자와 hole이 고온 단에서 저온 단으로 이동함으로써 발전이 가능하며, 열전 모듈은 전류를 흘려줌으로써 캐리어(carrier)의 이동에 의해 한쪽 면에서는 냉각이 다른 면에서는 발열이 일어남으로써 냉각 및 가열이 가능하게 된다.
열전모듈의 효율은 n형 및 p형 열전재료의 열기전력, 열전도도 및 전기 비 저항과 같은 열전특성과 열전소자 커플(couple) 수에 의해 결정된다.
또한 열전 모듈을 이용한 냉각 방식은 열 응답 감도가 높으며 국부적으로 선택적 냉각이 가능하고 작동부분이 없어 구조가 간단하기 때문에 고출력 파워 트랜지스터, 레이저 다이오드 등과 같은 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며 자동차용 냉장박스, 가정용 냉장고, 에어컨 등의 민생용으로도 사용이 가능하다.
또한 최근 환경보호를 위해 자동차나 가정용 에어컨, 냉장고 등에 CFC의 사용이 규제됨에 따라, 냉매의 사용 없이 냉각이 가능한 열전재료를 이용한 각종 냉방 시스템의 개발도 유망한 분야로 각광 받고 있다.
열전 모듈은 서로 다른 물질간의 접합을 포함하는 회로에 전류가 흐를 때 Peltier 효과에 의해 저온 부에서 고온 부로 열이 운반될 수 있는 점을 이용한다. 만일 이와 같은 접합을 다수직렬로 연결하면 열전 냉장고를 만들 수 있다.
본 발명은 열전 현상을 이용하는 열전 모듈의 구동에 필요한 전압을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈 양단에 전압을 인가하는 전원 공급 장치는 전압원으로부터 전력을 공급받아 제1 전압을 생성하는 정전압 생성부; 상기 제1 전압을 전달받아 제2 제어 신호에 따라 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 생성하는 가변전압 생성부; 상기 제2 제어 신호를 생성하여 상기 가변전압 생성부로 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전압 또는 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하며, 상기 제1 전압은 상기 제3 전압보다 높고 고정 전압이고, 제2 전압은 제3전압 보다 낮다.
상기 전원 공급 장치는 상기 정전압 생성부 및 상기 가변전압 생성부의 출력단을 연결하고 상기 출력단이 연결된 점에 상기 열전 모듈로 전압을 출력한다.
상기 전원 공급 장치는 상기 정전압 생성부의 출력단과 상기 출력단이 연결된 점의 사이에 전류 흐름을 차단할 수 있는 스위치기를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위치기의 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 더 생성한다.
상기 스위치기는 파워 트랜지스터 또는 파워 FET을 이용해서 구현된다.
전원 공급 장치는 상기 가변전압 생성부의 출력단과 상기 출력단이 연결된 점의 사이에 전류가 상기 가변전압 생성부의 출력단에서 상기 출력단이 연결된 점으로만 형성되도록 하는 전류 방향 제어기를 더 포함한다.
상기 전류 방향 제어기는 다이오드 또는 트랜지스터를 이용해 구현된다.
상기 해결 수단에 의한 본 발명의 열전 모듈을 위한 전원 공급 장치는, 고전압인 정전압 또는 비교적 낮은 전압 대역의 가변 전압을 열전 모듈로 공급할 수 있어, 열전 모듈의 정밀한 온도 제어시 전원공급장치로부터 열전모듈에서 소모되는 소비전력을 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 냉각기나 히터들의 온도 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 전자식 온도 조절 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 전원 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 전원 공급 장치의 일 구현예에 의한 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 적용예에 의한 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7는 본 발명의 다른 적용예에 의한 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8는 본 발명의 또 다른 적용예에 의한 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9은 본 발명의 또 다른 적용예에 의한 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일반적인 냉각기나 히터들의 온도 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
일반적인 냉각기나 히터들은 냉각부 또는 히팅부를 가지고 있고, 냉각부와 히팅부는 전력을 공급받으면 주위의 열을 흡수하거나 주위로 열을 방출한다. 이때, 냉각 정도나 히팅 정도는 결국 냉각부나 히팅부에 공급되는 전력에 비례한다. 따라서, 일반적인 냉각기나 히터들의 온도 제어는 냉각부 또는 히팅부에 공급되는 전압 또는 전류의 크기를 조절함으로써 달성할 수 있다.
도 1(a)를 참조하면, 온도 조절을 위해 PWM(pulse width modulation) 방식으로 전압을 냉각부나 히팅부에 인가함을 알 수 있다.
또한, 도 1(b)는 위상 제어 방식으로 전압을 냉각부나 히팅부에 인가함을 알 수 있고, 도 1(c)는 제로 크로싱 방식으로 전압을 냉각부나 히팅부에 인가함을 알 수 있다.
그런데, 도 1(b)나 도 1(c)와 같은 방식은 교류 전원을 이용할 때 사용되는 방법이며, 도 1(a)는 직류 전원을 이용할 때 사용되는 방법이다. 도 1에 도시된 제어 방법들은 모두 전압을 인가하는 시간을 조절하여 온도를 제어한다.
그런데, 상기와 같이 전압 인가 시간을 조절하는 경우에는 전압을 불연속적으로 인가하기 위해서 스위칭이 필요하다. 이것은 종래의 냉각을 위해 사용했던 압축기의 제어 방식이었으며 본 발명의 전원 공급장치는 전력소모 감소를 감소하기 위하여 출력 전압을 가변시켜 On/Off시 항상 전력을 전부 소모하지 않고 냉각 유지 시에는 낮은 전압을 출력하여 소모전력을 낮추어 불필요한 전력소모를 방지한다.
일반적으로 히팅부나 냉각부가 필요로 하는 전력은 상당히 높은 수준인 경우가 많으며, 공급되는 전압이나 전류에 리플이 적게 발생하여야 한다. 때문에 온도 조절 시스템들에는 SMPS(switching-mode power supply)와 같은 고전력을 안정적으로 공급하는 장비가 사용된다.
다만, SMPS는 고전력을 안정적으로 공급하기 위해서 일정한 전압이 출력되는 것이 일반적이며, 가변 전압을 출력하는 SMPS는 상당히 고가이다. 따라서, 일반적으로 히터부나 냉각부의 가열 또는 냉각 정도를 제어하는 방법은 SMPS와 히터부 또는 냉각부 간의 연결 여부를 제어하는 방식이 적용된다. 즉, 히터부나 냉각부의 가열 또는 냉각 정도는 PWM 제어를 이용해서 제어하는 경우가 많다.
그렇지만, 상기한 바와 같이 PWM 제어를 사용할 경우 스위칭에 따른 손실이 크기 때문에 소형 가전 등에서 중요시 되는 절전 능력이 많이 열화된다.
이에, 본 발명의 열전 모듈을 위한 전원 공급 장치는 정전압 및 가변 전압을 유연하게 공급함으로써, 열전 모듈을 이용한 정밀한 온도 제어 시 발생할 수 있는 스위칭 로스를 줄여 절전이 가능하도록 한다.
도 2는 본 발명의 전원 공급 장치가 적용되는 열전 모듈을 포함하는 온도 조절 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치가 적용되는 열전 모듈을 포함하는 온도 조절 시스템은 열전 모듈(100), 전원 공급 장치(200) 및 제어 장치(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 팬(400)을 더 포함할 수 있다.
열전 모듈(100)은 제1 금속(110) 및 제2 금속(120)을 포함하여 구성되며, 제1 금속(110)과 제2 금속(120)은 서로 접합되어 있어 상호 전류가 흐를 수 있고 열전달이 가능하다. 제1 금속(110)의 타단과 제2 금속(120)의 일단이 접합되어 있는 것으로 가정한다. 제1 금속(110)의 일단은 온도 조절이 필요한 대상체에 접촉되어 있다. 제1 금속(110)의 일단 및 제2 금속(120)의 타단에 전압을 인가하면, 제1 금속(110)과 제2 금속(120) 사이에 전류가 흐르고 열전달이 일어날 수 있다. 제1 금속(110)의 일단 및 제2 금속(120)의 타단에 전압을 인가할 수 있는 제1 단자 및 제2 단자가 설치될 수 있다. 열전 모듈(100)에서 열전달의 방향은 제1 금속(110)의 일단 및 제2 금속(120)의 타단에 인가되는 전위 차에 따라 결정될 수 있다. 즉, 제1 금속(110)의 일단 및 제2 금속(120)의 타단의 전위의 높이에 따라 결정될 수 있다.
전원 공급 장치(200)는 열전 모듈(100)에 제1 전압을 공급하거나 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 공급할 수 있다. 즉, 전원 공급 장치(200)는 정전압인 제1 전압을 공급하거나, 제2 전압 내지 제3 전압 사이의 가변 전압을 공급할 수 있다. 특히, 제1 전압은 가변 전압의 가변 최대치인 제3 전압보다 높은 것이 바람직하다. 즉, 전원 공급 장치(200)는 고전압은 정전압으로 공급하고 저전압은 가변 전압으로 공급할 수 있다. 가변 전압의 범위와 가변 전압의 전압대가 높아질수록 전원 공급 장치(200)의 설계가 어려워지고 전원 공급 장치(200)의 제작 단가가 높아짐을 고려하면 고전압은 정전압으로 공급하고 저전압은 가변 전압으로 공급하는 것이 바람직하다.
제어 장치(300)는 대상체 또는 제1 금속(110)의 온도와 목표 온도 간의 차에 따라서 전원 공급 장치(200)가 열전 모듈(100)에 공급하는 전압을 제어할 수 있다. 즉, 제어 장치(300)는 온도 조절의 대상이 되는 대상체의 온도에 따라서 전원 공급 장치(200)의 공급 전압을 달리하여 대상체의 온도를 제어할 수 있고, 대상체의 온도를 직접 측정하기 힘든 경우에는 대상체와 온도 평행을 이루게 되는 제1 금속(110)의 온도에 따라서 전원 공급 장치(200)의 공급 전압을 달리하여 제1 금속(110)의 온도를 제어할 수 있다.
특히, 제어 장치(300)는 대상체 또는 제1 금속(110)의 온도와 목표 온도 간의 차가 기설정치를 넘는지 여부에 따라서 전원 공급 장치(200)의 출력 전압의 양상을 달리할 수 있으며, 제어 장치(300)는 전원 공급 장치(200)가 가변 전압을 공급할 때 대상체 또는 제1 금속(110)의 온도와 목표 온도 간의 차에 따라 전압의 크기를 조절할 수 있다.
나아가, 제어 장치(300)는 제2 금속(120)의 온도 또는 제2 금속(120) 주변의 외기 온도와 목표 온도를 더 비교하여 전원 공급 장치(200)가 열전 모듈(100)에 공급하는 전압을 조절할 수 있다. 즉, 제어 장치(300)는 대상체에서 전달되는 열을 방출하거나 대상체로 전달될 열을 흡수하는 제2 금속(120)과 그 주변부의 온도를 더 반영하여 열전 모듈(100)의 동작을 제어한다.
또한, 제어 장치(300)는 제2 금속(120)의 타단측에 배치된 팬(400)의 속도를 대상체 또는 제1 금속(110)의 온도와 목표 온도 간의 차에 따라서 제어할 수 있다. 팬(400)의 속도에 따라서 제2 금속(120) 주변의 외기의 순환 속도가 달라지기 때문이다.
이하에서는 본 발명의 전원 공급 장치의 구성 및 동작을 도면과 함께 설명한다.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치(200)는 정전압 생성부(210), 가변전압 생성부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고, 스위치기(240) 및 전류 방향 제어기(250) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
정전압 생성부(210)는 전압원(source)로부터 전력을 공급받아 제1 전압(out1)을 생성할 수 있다. 정전압 생성부(210)에서 생성하여 출력하는 제1 전압(out1)은 리플이 적으며, 정전압 생성부(210)는 고전력을 공급할 수 있다. 즉, 정전압 생성부(210)는 고품질의 정전압을 제공하는 구성이다. 정전압 생성부(210)는 필요에 따라서는 SMTP를 이용해서 구현될 수 있다.
가변전압 생성부(220)는 정전압 생성부(210)에서 생성한 제1 전압(out1)을 전달받아 제2 제어 신호(ctrl2)에 따라 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압(out2)을 생성할 수 있다. 즉, 제1 전압(out1)을 제2 제어 신호(ctrl2)에 대응하는 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압(out2)으로 변환할 수 있다. 필요에 따라서, 가변전압 생성부(220)는 DCDC 컨버터를 이용해서 구현될 수 있으며, 제2 제어 신호(ctrl2)는 DCDC 컨버터의 전압 변환비를 제어하는 신호가 될 수 있다.
제1 전압은 제3 전압보다 높은 전압이면서 정전압이 될 수 있다. 즉, 본 발명의 전원 공급 장치는 열전 모듈에 고전압인 정전압을 공급하거나 상대적으로 낮은 전압 대역의 가변 전압을 공급할 수 있다.
필요에 따라서, 정전압 생성부(210) 및 가변전압 생성부(220)의 출력단이 서로 연결되어 or ring 형태로 출력단에 구성되며, 두 출력단이 연결된 점에서 열전 모듈로 전압이 출력될 수 있다. 즉, 두 출력단이 연결된 점에서는 제1 전압(out1) 또는 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압(out2) 중 하나의 전압이 출력될 수 있다.
스위치기(240)는 정전압 생성부(210)의 출력단과 상기 두 출력단이 연결된 점의 사이에 배치되어 정전압 생성부(210)에서 출력된 제1 전압(out1)이 상기 두 출력단이 연결된 점으로 전달 되는 것을 제어할 수 있다. 특히, 두 출력단이 연결된 경우에는 제1 전압(out1)이 상대적으로 고전압이므로 가변 전압과 동시에 제1 전압(out1)이 전달되면 더 높은 전압인 제1 전압(out1)만이 전달되게 되므로, 제1 전압의 전달을 제어할 필요가 있다. 스위치기(240)는 고전압 고전력의 제1 전압 (out1)의 통전 여부를 제어하기 위해서 파워 트랜지스터 또는 파워 FET으로 구현될 수 있다. 고전력의 신호에 의해서 스위치기(240)가 파괴되거나 단락되는 것을 방지하기 위함이다.
전류 방향 제어기(250)는 가변전압 생성기(220)와 상기 두 출력단이 연결된 점 사이에 배치되어 전류가 가변전압 생성기(220)에서 상기 두 출력단이 연결된 점으로만 생성되도록 제어할 수 있다. 즉, 단방향성 전류 패스를 형성할 수 있는 소자로 전류 방향 제어기(250)가 구현될 수 있다. 단방향성 전류 패스를 형성하는 소자의 예로는 다이오드 또는 트랜지스터를 들 수 있다.
특히, 정전압 생성부(210)에서 제1 전압이 상기 두 출력단이 연결된 점으로 전달되고 있는 경우에 가변전압 생성부(220)의 출력단 또는 가변전압 생성부(220)의 내부 회로를 고전압인 제1 전압(out1)으로부터 보호할 필요가 있다. 나아가, 제1 전압이 고전압으로 전류 방향 제어기(250)는 고전압 고전력을 견딜 수 있는 특성을 가진 소자를 사용함이 바람직하다.
제어부(230)는 제1 제어 신호(out1)를 생성 및 출력하여 스위치기(240)의 제1 전압(out1) 차단 여부를 제어할 수 있고, 제2 제어 신호(out2)를 생성 및 출력하여 가변전압 생성부(220)에서 생성할 전압을 제어할 수 있다. 필요에 따라서, 제2 제어 신호(out2)의 전압 레벨을 이용해서 가변전압 생성부(220)에서 생성할 전압을 제어할 수 있다. 또한, 제2 제어 신호가 다수 비트의 데이터 신호로 출력되어 가변전압 생성부(220)에서 생성할 전압 레벨의 정보를 제공할 수도 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 전원 공급 장치(200)에 따르면, 고전압인 정전압과 상대적으로 낮은 전압 대역의 가변 전압을 선택적으로 열전 모듈로 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 전원 공급 장치(200)가 적용되는 열전 모듈을 포함하는 온도 조절 시스템의 온도 조절 방식의 다양한 실시예를 설명한다. 이하에서, 열전 모듈에 공급되는 전압은 본 발명의 전원 공급 장치(200)에서 출력되는 전압이며, 제1 전압의 출력 여부나 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압이 결정되는 것은 제어부(230)에서 출력되는 제1 제어 신호(ctrl1)나 제2 제어 신호(ctrl2)에 의해서 이루어질 수 있다. 또한 필요에 따라서는 제어부(230)은 제어 장치(300)에 포함되는 구성일 수 있다.
도 4는 본 발명의 전원 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치(200)는 제1 제어 신호(ctrl1) 및 제2 제어 신호(ctrl2)에 따라서 두 출력단이 연결된 점의 전압(Vo)을 제어할 수 있다.
정전압(out1)은 제1 제어 신호(ctrl1) 및 제2 제어 신호(ctrl2)에 상관없이 제1 전압(V1)으로 출력된다.
가변전압(out2)은 제2 제어 신호(ctrl2)에 대응되어 제2 전압(V2) 내지 제3 전압(V3) 중 하나의 전압으로 가변적으로 출력될 수 있다.
두 출력단이 연결된 점의 전압(Vo)은 제1 제어 신호가 인가되는 경우에는 제1 전압(V1)이 출력되고, 제1 제어 신호가 인가되지 않고 제2 제어 신호(ctrl2)가 인가되는 경우에는 제2 전압(V2) 내지 제3 전압(V3) 중 하나의 전압으로 가변적으로 출력될 수 있다.
도 5는 본 발명의 전원 공급 장치의 일 구현예에 의한 회로를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 정전압 생성부(210)는 SMPS로 구현될 수 있고, 가변전압 생성부(220)는 레귤레이터(regulator)인 DCDC 컨버터로 구현될 수 있다. 또한, 스위치기(240)는 파워 FET과 파워 FET의 게이트 단을 구동하기 위한 트랜지스터로 구현될 수 있고, 가변전압 생성부(220)의 출력단쪽에는 전류 방향 제어기(250)로 다이오드가 배치될 수 있다.
제1 제어 신호(ctrl1)에 의해서 파워 FET의 드레인-소스간의 연결 여부가 제어될 수 있고, 제2 제어 신호(ctrl2)에 의해서 DCDC 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 적용예에 의한 온도 조절 시스템의 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일 적용예의 온도 조절 시스템을 이용해서 냉각을 하는 경우의 공급 전압과 대상체의 온도간의 관계를 확인할 수 있고, 일 적용예의 온도 조절 시스템의 열전 모듈(100)에 공급되는 전압은 대상체의 온도가 목표 온도보다 높은 경우 대상체의 온도에 따라 제어될 수 있다. 대상체의 온도가 목표 온도보다 낮은 경우에는 전압을 공급하지 않도록 하여 절전 및 소음 감소를 도모할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 이상인 경우(a)에는 정전압인 제1 전압을 열전 모듈(100)에 공급하고 제1 설정치 미만(b, c, d)이면 가변 전압인 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 열전 모듈(100)에 공급하여 대상체를 냉각할 수 있다.
b 구간을 살펴보면, 일 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 미만인 경우에 대상체의 온도와 목표 온도의 차에 비례하여 전압의 크기를 조절하여 열전 모듈(100)에 공급할 수 있다.
c 구간을 살펴보면, 일 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도가 목표 온도에 도달한 경우에는 목표 온도로부터 일정치가 벗어나기 전까지는 동작하지 않다가 일정치를 벗어나면 대상체의 온도와 목표 온도의 차에 비례하여 전압을 인가할 있다. 이는 잦은 전원 공급 장치(200) 동작에 다른 에너지 손실 및 소음 발생을 감소시키기 위함이다.
d 구간을 살펴보면, 일 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도가 목표 온도와 상이하면 대상체의 온도와 목표 온도의 차에 비례하여 전압을 인가하고, 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 이상이 되면 정전압인 제1 전압을 열전 모듈(100)에 공급할 수 있다.
또한, 제1 설정치는 제3 전압이 열전 모듈(100)에 공급되는 경우에 일정 시간 내에 대상체의 온도가 목표 온도에 도달할 수 있는 정도의 온도일 수 있다. 즉, 제1 설정치는 제3 전압 및 열전 모듈(100)의 열전달 능력을 고려하여 설정할 수 있다.
도시하지는 않았으나, 제어 장치(300)는 전원 공급 장치(200)에서 열전 모듈(100)로 공급되는 전압을 센싱하여 전원 공급 장치(200)가 열전 모듈(100)에 공급하는 전압을 피드백 제어할 수 있다. 즉, 전원 공급 장치(200)에서 출력되는 전압을 제어하는 신호를 보내더라도 다양한 요인에 의해서 전원 공급 장치(200)에서 열전 모듈(100)로 공급되는 전압은 상이할 수 있는 바, 열전 모듈(100)에 목적하는 전압이 인가될 수 있도록 피드백 제어를 할 수 있다.
상기의 제어 방법을 종합하면, 일 적용예의 온도 조절 시스템의 제어 장치(300)는 대상체의 온도와 목표 온도의 차를 분석하여, 고전압의 정전압을 공급하여 급속으로 냉각할 것인지 또는 저전압 대역의 가변 전압을 공급하여 저속으로 냉각할 것인지를 결정하며, 가변 전압의 전압을 대상체의 온도와 목표 온도의 차를 이용하여 도출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 적용예에 의한 온도 조절 시스템의 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 다른 적용예의 온도 조절 시스템을 이용해서 냉각을 하는 경우의 공급 전압과 대상체의 온도간의 관계를 확인할 수 있고, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템의 열전 모듈(100)에 공급되는 전압은 대상체의 온도가 목표 온도보다 높은 경우 대상체의 온도에 따라 제어될 수 있다. 대상체의 온도가 목표 온도보다 낮은 경우에는 전압을 공급하지 않도록 하여 절전 및 소음 감소를 도모할 수 있다.
도 7을 참조하면, 다른 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 이상인 경우(a)에는 정전압인 제1 전압을 열전 모듈(100)에 공급하고 대상체의 온도가 목표 온도에 도달하면 가변 전압인 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 열전 모듈(100)에 공급하여 대상체를 냉각할 수 있다. 즉, 목표 온도에 도달할 때까지는 지속적으로 정전압을 공급하여 빠른 냉각을 도모할 수 있고, 목표 온도에 도달하면, 가변 전압을 공급하여 냉각 상태 유지를 수행할 수 있다.
b 구간을 살펴보면, 다른 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 미만인 경우에 대상체의 온도와 목표 온도의 차에 비례하여 전압의 크기를 조절하여 열전 모듈(100)에 공급할 수 있다.
또한, 제1 설정치는 제3 전압이 열전 모듈(100)에 공급되는 경우에 일정 시간 내에 대상체의 온도가 목표 온도에 도달할 수 있는 정도의 온도일 수 있다. 즉, 제1 설정치는 제3 전압 및 열전 모듈(100)의 열전달 능력을 고려하여 설정할 수 있다.
상기의 제어 방법을 종합하면, 다른 적용예의 온도 조절 시스템의 제어 장치(300)는 대상체의 온도와 목표 온도의 차 및 냉각 이력을 분석하여, 고전압의 정전압을 공급하여 급속으로 냉각할 것인지 또는 저전압 대역의 가변 전압을 공급하여 저속으로 냉각할 것인지를 결정하며, 가변 전압의 전압을 대상체의 온도와 목표 온도의 차를 이용하여 도출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 적용예에 의한 온도 조절 시스템의 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템을 이용해서 냉각을 하는 경우의 공급 전압과 대상체의 온도간의 관계를 확인할 수 있다. 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템의 열전 모듈(100)에 공급되는 전압은 대상체의 온도가 목표 온도보다 높은 경우 정전압이 공급되고, 대상체의 온도가 목표 온도보다 낮은 경우 가변 전압이 공급될 수 있다. 또한, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템의 열전 모듈(100)에 공급되는 전압은 대상체의 온도가 목표 온도에 도달한 후 대상체의 온도가 목표 온도보다 제1 설정치 이상 높아진 경우에는 다시 정전압을 공급할 수 있다.
즉, 대상체의 온도가 목표 온도보다 높은 경우에는 급속 냉각을 위해서 고전압인 정전압을 공급하고, 목표 온도에 도달한 경우에는 냉각 상태를 유지하기 위해 제3 전압을 공급하며, 목표 온도보다 낮은 경우에는 과냉각을 막기 위해서 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 공급할 수 있다. 특히, 대상체의 온도와 목표 온도의 차이에 비례하여 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 선택할 수 있다. 그리고, 대상체의 온도가 목표 온도보다 제1 설정치 이상 높아진 경우에는 제3 전압의 공급만으로는 냉각 상태를 유지하기 힘든 것으로 판정하고 다시 정전압을 공급할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 적용예에 의한 온도 조절 시스템의 열전 모듈에 공급되는 전압과 대상체의 온도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템을 이용해서 가열을 하는 경우의 공급 전압과 대상체의 온도간의 관계를 확인할 수 있고, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템의 열전 모듈(100)에 공급되는 전압은 대상체의 온도가 목표 온도보다 낮은 경우 대상체의 온도에 따라 제어될 수 있다. 대상체의 온도가 목표 온도보다 높은 경우에는 전압을 공급하지 않도록 하여 절전 및 소음 감소를 도모할 수 있다.
도 9를 참조하면, 또 다른 적용예의 온도 조절 시스템은 대상체의 온도와 목표 온도의 차가 제1 설정치 이상인 경우에는 정전압인 제1 전압을 열전 모듈(100)에 공급하고 대상체의 온도가 목표 온도에 도달하면 가변 전압인 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 열전 모듈(100)에 공급하여 대상체를 가열할 수 있다. 즉, 목표 온도에 도달할 때까지는 지속적으로 정전압을 공급하여 빠른 가열을 도모할 수 있고, 목표 온도에 도달하면, 가변 전압을 공급하여 가열 상태 유지를 수행할 수 있다.
상기의 제어 방법을 종합하면, 본 발명의 적용예에 의한 온도 조절 시스템의 제어 장치(300)는 대상체의 온도와 목표 온도의 차 및 가열 이력을 분석하여, 고전압의 정전압을 공급하여 급속으로 가열할 것인지 또는 저전압 대역의 가변 전압을 공급하여 저속으로 가열할 것인지를 결정하며, 가변 전압의 전압을 대상체의 온도와 목표 온도의 차를 이용하여 도출할 수 있다.
상기한 방식의 가열 및 냉각 방법 이외에도 높은 전압의 정전압과 비교적 낮은 최대치를 가지는 가변 대역의 전압을 대상체의 온도 또는 제1 금속(110)의 온도에 따라서 제공함으로써, 온도 조절 속도를 높이면서도 절전을 도모할 수 있다. 즉, 종래의 방법에 따를 경우 목표 온도 근처에서 온도 유지를 위해서는 잦은 전압은 인가 및 전압 인가 차단이 필요하기 때문에 맞은 스위칭 로스가 발생한다. 특히, 이러한 스위칭 시에는 전원 공급 장치(200)에서 큰 발열이 발생할 수 있다.
다만, 상기 도 6 내지 도 9에 제시된 것과 달리 대상체의 온도를 목표 온도의 상하로 기설정 범위내에서 제어해야 하는 경우에는 냉각 및 가열을 열전 모듈(100)과 전원 공급 장치(200)의 연결 상태를 변경하면서 수행할 수 있다. 열전달의 방향은 전위차에 의해서 결정되는 바 열전 모듈(100) 제1 금속(110)의 일단 및 제2 금속(120)의 타단과 전원 공급 장치(200)의 +극 및 -극의 연결을 변경하면 냉각과 가열이 변경될 수 있다.
또한, 냉각 방법의 각 실시예들은 가열 방법에도 설계 변경하여 적용이 가능하다.
또한, 도시하지는 않았으나 제2 금속(120)의 온도 또는 제2 금속(120)의 타단에 접촉되는 외기의 온도가 목표 온도와 지나치게 차이가 큰 경우에는 보다 큰 온도 조절 능력이 필요하게 된다. 따라서, 이 경우에는 온도 조절 시스템의 전원 공급 장치(200)에서 열전 모듈(100)로 공급되는 전압치를 보정할 필요가 있다. 즉, 공급 전압치를 일정량 또는 비율로 증가시키거나, 고전압이 정전압이 인가되는 구간을 더 크게 할 수 있다.
정전압이 인가되는 구간을 더 크게 하기 위해서, 제1 설정치를 낮출 수 있다. 다시 말하면, 제2 금속(120) 또는 외기의 온도와 목표 온도의 차가 제2 설정치 초과인 경우에는 제1 설정치를 낮출 수 있다. 나아가, 제2 금속(120) 또는 외기의 온도와 목표 온도의 차가 적은 경우에는 제1 설정치를 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 전원 공급 장치(200)가 적용된 온도 조절 시스템의 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
냉수의 목표 온도는 5.5도씨가 되도록 제어하고, 제1 설정치는 2도씨, 제1 전압은 21V, 제2 전압은 8.5V, 제3 전압은 12V로 설정하는 것을 가정한다. 냉수의 목표 온도는 필요에 따라서 0도씨 내지 7도씨 중 하나의 값으로 설정할 수 있다. 또한, 제1 설정치는 0도씨 내지 2도씨에서 설정할 수 있다. 다만, 냉수의 온도가 10도씨를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.
냉각을 시작할 때의 정수 탱크 내의 정수의 온도는 실온과 동일하다. 따라서, 목표 온도와 상이한 온도이므로 열전 모듈(100)에 제1 전압을 인가하여 정수를 급속으로 냉각할 수 있다. 일정 시간이 도과된 후 정수의 온도가 목표 온도에 도달하면, 제2 전압을 열전 모듈(100)에 인가하여 냉수의 온도를 유지할 수 있다.
다만, 주변 온도 등의 다양한 요인에 의해서 냉수의 온도가 변화할 수 있는데, 냉수의 온도가 목표 온도보다 낮아져서 2 도씨가 된 경우에는 전압 공급을 차단할 수 있다. 냉수의 온도가 5 내지 7도씨인 경우에는 여전히 제3 전압을 인가할 수 있다.
그러나, 냉수의 온도가 7도씨가 되면, 다시 정전압인 제1 전압을 인가하여 냉수를 냉각할 수 있다.
나아가, 제2 전압은 필요에 따라서 5V로 하향조정 될 수 있다.
필요에 따라서는 열전모듈에 공급되는 전압이 목적한 전압이 되도록 피드백 제어할 수 있고, 열전 모듈(100)의 열전달 능력이 목적한 수준으로 이루어지도록 소비 전류를 측정하여 피드백 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
100: 열전 모듈 110: 제1금속
120: 제2금속
200: 전원공급장치 210: 정전압 생성부
220: 가변전압 생성부 230: 제어부
240: 스위치기 250: 전류 방향 제어기
300: 제어장치
400: 팬

Claims (6)

  1. 열전 모듈 양단에 전압을 인가하는 전원 공급 장치에 있어서,
    전압원으로부터 전력을 공급받아 제1 전압을 생성하는 정전압 생성부;
    상기 제1 전압을 전달받아 제2 제어 신호에 따라 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 생성하는 가변전압 생성부;
    상기 제2 제어 신호를 생성하여 상기 가변전압 생성부로 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 전압 또는 제2 전압 내지 제3 전압 중 하나의 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하며,
    상기 제1 전압은 상기 제3 전압보다 높고 고정 전압이고, 제2 전압은 제3전압 보다 낮으며,
    상기 열전 모듈은 탱크 내의 물을 기 설정된 목표 온도로 냉각시키기 위해 사용되고,
    상기 제어부는,
    냉각 개시시에는 상기 제1 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하고,
    냉각 개시후 상기 물의 온도가 상기 목표 온도에 도달하면 상기 제2 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하고,
    상기 물의 온도가 제1 설정 온도에 도달하면 상기 열전 모듈로의 전압 공급을 차단하고,
    상기 물의 온도가 상기 목표 온도 이상, 제2 설정 온도 미만인 경우 상기 제3 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하고,
    상기 물의 온도가 상기 제2 설정 온도를 초과하면 상기 물의 온도가 상기 목표 온도에 도달할 때까지 상기 제1 전압을 상기 열전 모듈 양단에 인가하도록 제어하며,
    상기 제1 설정 온도는 상기 목표 온도보다 낮은 온도이고,
    상기 제2 설정 온도는 상기 목표 온도보다 높은 온도인 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는
    상기 정전압 생성부 및 상기 가변전압 생성부의 출력단을 연결하고 상기 출력단이 연결된 점에 상기 열전 모듈로 전압을 출력하는 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는
    상기 정전압 생성부의 출력단과 상기 출력단이 연결된 점의 사이에 전류 흐름을 차단할 수 있는 스위치기를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스위치기의 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 더 생성하는 전원 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위치기는 파워 트랜지스터 또는 파워 FET을 이용해서 구현되는 전원 공급 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는
    상기 가변전압 생성부의 출력단과 상기 출력단이 연결된 점의 사이에 전류가 상기 가변전압 생성부의 출력단에서 상기 출력단이 연결된 점으로만 형성되도록 하는 전류 방향 제어기를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전류 방향 제어기는 다이오드 또는 트랜지스터를 이용해 구현되는 전원 공급 장치.
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