KR102079168B1 - Cooling apparatus for heat due to laser launching capable of energy harvesting and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 사출로 인하여 발생한 발열을 냉각하기 위한 기술에 대한 것으로, 더욱 자세하게는 열전소자 및 열발전 소자, 상변화 물질, 히트 파이프를 이용하여 휴대가 용이하도록 별도의 냉매를 이용한 냉각장치 없이도 냉각이 가능하며, 더불어 열 에너지를 이용하여 발전하는 에너지 하베스팅 기능까지 가능한 냉각 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for cooling heat generated by laser injection, and more particularly, without a cooling device using a separate refrigerant to be easily portable using a thermoelectric element, a thermoelectric element, a phase change material, and a heat pipe. The present invention relates to a cooling apparatus and a method for enabling energy harvesting functions that generate power using thermal energy.
에너지 효율적인 냉각 장치의 가장 일반적인 유형은 증기 압축 시스템을 사용하는 것으로써, 이러한 시스템에서, 기계적 구성 요소는 능동적으로 열을 운반하기 위해 에너지를 소비한다.The most common type of energy efficient cooling device is the use of a vapor compression system, in which the mechanical components actively consume energy to carry heat.
이러한 구성 요소는 압축기, 응축기, 열 팽창 밸브, 증발기, 작동 유체(예를 들어, 냉매)를 순환시키는 배관 및 서모스탯을 포함할 수 있으며, 구성 요소들은 냉각 챔버로부터 외부 환경으로 열을 운반하기 위해 강제된 위상 변화를 겪는 냉매를 순환시킬 수 있다.Such components may include compressors, condensers, thermal expansion valves, evaporators, piping and thermostats for circulating the working fluid (eg refrigerant), which components may be used to transfer heat from the cooling chamber to the external environment. It is possible to circulate the refrigerant undergoing a forced phase change.
그러나 이러한 냉매를 이용한 냉각장치에 있어서는 압축을 위한 장치 및 냉매를 보관해야 하는 공간이 필요한 만큼 전력이 많이 소요되며 그 크기 또한 소형화 하는데 어려움이 존재한다.However, in the cooling device using such a coolant requires a lot of power as the space for storing the device and the refrigerant for compression and there is a difficulty in miniaturizing the size.
이러한 어려움을 극복하기 위하여 냉각장치에 열전 냉각 시스템의 적용이 활발하게 이루어 지고 있으며 열전 열 펌프는 냉각 챔버로부터 열을 수용하는 수동적 서브시스템으로부터, 외부 환경에 대한 열을 거부하는 다른 수동적 서브시스템으로 열을 능동적으로 운반할 수 있다. In order to overcome these difficulties, the application of thermoelectric cooling systems to the chillers is being actively promoted, and thermoelectric heat pumps are transferred from a passive subsystem that receives heat from the cooling chamber to another passive subsystem that rejects heat to the outside environment. Can be actively transported.
본 발명은 레이저 다이오드를 통한 레이저 사출 시에 발생하는 열을 효율적으로 관리하고 그 휴대성을 향상시키고자 냉매 대신 열전 소자 및 상변화 물질을 이용하여 열을 냉각시키고, 냉각 시에 발생한 열 에너지를 이용하여 열발전 소자를 통한 에너지 하베스팅을 통해 전력 효율을 향상하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention uses the thermoelectric element and the phase change material to cool the heat in order to efficiently manage the heat generated during the laser injection through the laser diode and improve its portability, and utilizes the heat energy generated during the cooling The purpose is to improve the power efficiency through energy harvesting through the thermoelectric element.
본 발명의 실시 예에 따르면 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치는 레이저 다이오드와 접촉해 있으며, 상기 레이저 다이오드가 발생한 열을 전달받는 발열면; 상기 발열면과 맞닿아 있으며, 발열면으로부터 열을 전도 받아 상기 레이저 다이오드 및 발열면을 냉각시키는 냉각판; 적어도 하나의 열전 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 열전 소자를 이용하여 냉각판을 일정한 온도로 유지시키는 TEC 모듈부; 상기 TEC 모듈부와 상기 냉각판이 맞닿아 있는 면의 반대면에 상기 TEC 모듈부와 맞닿아 있으며, 상기 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 열 에너지를 저장하는 상변화 물질부; 및 상기 상변화 물질부에 과도한 열이 흡수되는 경우 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시키는 히트 파이프를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the exothermic cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting is in contact with a laser diode, and a heat generating surface receiving heat generated by the laser diode; A cooling plate in contact with the heat generating surface and receiving heat from the heat generating surface to cool the laser diode and the heat generating surface; A TEC module unit including at least one thermoelectric element and maintaining a cooling plate at a constant temperature by using the at least one thermoelectric element; A phase change that contacts the TEC module unit on the opposite side of the surface where the TEC module unit and the cooling plate are in contact, wherein the at least one thermoelectric element absorbs heat generated while cooling the cooling plate to store thermal energy. Material part; And a heat pipe discharging heat above a predetermined thermal energy to the outside when excessive heat is absorbed in the phase change material part.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 적어도 하나의 열발전 소자를 포함하고, 상기 TEC 모듈부와 상기 상변화 물질부가 맞닿아 있는 면의 반대 면에 상기 상변화 물질부와 맞닿아 있으며, 상기 상변화 물질부에서 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성하는 TEG모듈부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention includes at least one thermoelectric device, the phase change material portion is in contact with the phase change material portion on the opposite side of the surface contacting the TEC module portion and the phase change material portion, The TEG module unit may further include a TEG module unit that receives electricity absorbed from the unit and generates electricity through energy harvesting.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 냉각판은, 상기 TEC 모듈부 및 상변화 물질부의 전면 및 후면, 측면을 감싸는 케이스 형태를 가지며, 측면 일부분에는 히트 파이프가 연결될 수 있도록 홀을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate may have a case shape surrounding front and rear surfaces and side surfaces of the TEC module unit and the phase change material unit, and may have a hole so that a heat pipe may be connected to a side portion thereof.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각용 전류 제어 회로 및 발전용 충전 제어 회로를 더 포함하고, 상기 TEC 모듈부는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 상기 TEG 모듈부는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작이 제어될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, further comprising a cooling current control circuit and a charging control circuit for power generation, wherein the TEC module unit is controlled through a cooling current control circuit, and the operation of the TEG module is controlled by a charging control circuit for power generation. Can be.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 TEC 모듈부를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시키고, TEC 모듈부의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상기 상변화 물질부가 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우, 상기 상변화 물질부가 흡수한 열 에너지를 이용하여 TEG 모듈부가 전기 에너지를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when heat is conducted to the heat generating surface during operation of the laser diode, the cooling plate is cooled through the TEC module to maintain a predetermined temperature, and the heat energy generated by the operation of the TEC module is When the phase change material part is absorbed and the operation of the laser diode is stopped, the TEG module part may generate electrical energy by using the thermal energy absorbed by the phase change material part.
본 발명의 실시 예에 따르면 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법은 발열면이 레이저 다이오드가 발생한 열을 전달받는 단계; 발열면으로부터 전도 받은 열을 적어도 하나의 열전소자를 이용하여 냉각시켜 냉각판을 일정한 온도로 유지시키는 단계; 상기 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 상변화 물질이 열 에너지를 저장하는 단계; 및 상기 상변화 물질에 과도한 열이 흡수되는 경우 히트 파이프를 통해 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an exothermic cooling method due to laser injection capable of energy harvesting may include receiving heat generated by a laser diode from a heat generating surface; Cooling the heat conducted from the heat generating surface by using at least one thermoelectric element to maintain the cooling plate at a constant temperature; The at least one thermoelectric element absorbs heat generated while cooling the cooling plate, and the phase change material stores thermal energy; And discharging heat above a predetermined thermal energy to the outside through the heat pipe when excessive heat is absorbed by the phase change material.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 적어도 하나의 열발전 소자를 이용하여 상변화 물질이 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the method may further include generating electricity through energy harvesting by receiving heat absorbed by the phase change material using at least one thermoelectric device.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 냉각판은, 상기 적어도 하나의 열전소자 및 상변화 물질의 전면 및 후면, 측면을 감싸는 케이스 형태를 가지며, 측면 일부분에는 히트 파이프가 연결될 수 있도록 홀을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate may have a case shape surrounding the front, rear, and side surfaces of the at least one thermoelectric element and the phase change material, and may have a hole so that a heat pipe may be connected to a portion of the side surface. .
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 적어도 하나의 열전소자는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 상기 적어도 하나의 열발전 소자는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작을 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the at least one thermoelectric element may control an operation through a cooling current control circuit, and the at least one thermoelectric element may be controlled through a charge control circuit for power generation.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 적어도 하나의 열전 소자를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시키고, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상기 상변화 물질이 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우, 상기 상변화 물질이 흡수한 열 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 열발전 소자가 전기 에너지를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when heat is conducted to the heat generating surface during operation of the laser diode, the cooling plate is cooled by at least one thermoelectric element to maintain a predetermined constant temperature. The thermal energy generated by the operation is absorbed by the phase change material, and when the operation of the laser diode is stopped, the at least one thermoelectric element may generate electrical energy by using the thermal energy absorbed by the phase change material. have.
본 발명은 레이저 다이오드의 구동으로 레이저 사출 시에 발생되는 발열은 열전 소자 및 상변화 물질을 통한 냉각으로 균일한 온도를 유지함으로써 사용 효율을 높이고, 레이저 다이오드의 구동 중단으로 레이저를 사출하지 않을 경우 상변화 물질에 전달된 열량을 동일한 열발전 소자를 통해 열전 발전하는 효과를 제공할 수 있다.According to the present invention, the heat generated during the laser injection by driving the laser diode increases the use efficiency by maintaining a uniform temperature by cooling through the thermoelectric element and the phase change material, and when the laser diode is not injected due to the interruption of the driving of the laser diode. The amount of heat transferred to the change material may provide an effect of thermoelectric generation through the same thermoelectric device.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 구성도이다.
도 2은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 회로를 통한 제어 세부 프로세스가 나타난 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 작동 여부에 대응되는 상변화 물질부의 온도 변화 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법의 흐름도이다.1 is a block diagram of an exothermic cooling apparatus due to laser injection capable of energy harvesting according to a first embodiment of the present invention.
2 is a view showing the detailed structure of the exothermic cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting according to the first embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of an exothermic cooling apparatus due to laser injection capable of energy harvesting according to a second embodiment of the present invention.
4 is a view showing the detailed structure of the exothermic cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting according to the second embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a detailed control process through a control circuit according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a temperature change of a phase change material part corresponding to the operation of a laser diode according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a heat generating cooling method due to laser injection capable of energy harvesting according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, except to exclude other components unless specifically stated otherwise.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치 및 그 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, an exothermic cooling device and a method thereof due to laser injection capable of energy harvesting according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치(1000)의 구성도이다.1 is a block diagram of an
도 1을 참조하면 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치(1000)는 발열면(100), 냉각판(200), TEC 모듈부(300), 상변화 물질부(400), 히트 파이프(500)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
발열면(100)는 레이저 다이오드와 접촉해 있으며, 레이저 다이오드가 발생한 열을 전달받을 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면 발열면은 냉각판과 레이저 다이오드 사이에 위치할 수 있으며, 적어도 하나의 레이저 다이오드와 접촉하여 레이저 사출 시 레이저 다이오드가 발생하는 열을 냉각판으로 전도시키는 역할을 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heating surface may be positioned between the cooling plate and the laser diode, and may be in contact with at least one laser diode to conduct heat generated by the laser diode to the cooling plate during laser injection. Can be.
상기 실시 예에 따르면 레이저 다이오드는 그 작동에 적합한 온도가 약 25℃ ~ 30℃ 사이므로, 이를 유지할 수 있도록 냉각판으로 열을 전도시킬 수 있으며 냉각판은 상술한 온도로 발열면이 유지되도록 열전소자를 이용하여 온도를 제어할 수 있다.According to the embodiment, since the laser diode has a temperature suitable for its operation at about 25 ° C. to 30 ° C., the laser diode can conduct heat to the cooling plate so as to maintain it, and the cooling plate can maintain the heating surface at the above-mentioned temperature. The temperature can be controlled using.
냉각판(200) 발열면과 맞닿아 있으며, 발열면으로부터 열을 전도 받아 레이저 다이오드 및 발열면을 냉각시킬 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각판은 발열면을 통해 레이저 다이오드로부터 열을 전도 받을 수 있으며, 열전 소자의 동작으로 인하여 냉각 효과를 발생하여 발열면 및 레이저 다이오드의 온도를 25℃ ~ 30℃ 사이로 유지시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate may conduct heat from the laser diode through the heat generating surface, and a cooling effect is generated due to the operation of the thermoelectric element, so that the temperature of the heat generating surface and the laser diode is between 25 ° C and 30 ° C. It can be maintained.
TEC 모듈부(300)는 적어도 하나의 열전 소자를 포함하고, 적어도 하나의 열전 소자를 이용하여 냉각판을 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.The
여기서 열전 소자란 전자 냉동에서 사용되는 펠티어 효과가 큰 p형 반도체와 n형 반도체로 구성되는 금속 소자를 의미하며, 펠티에 효과에 의한 흡열 또는 발열기능을 수행할 수 있는 소자를 의미할 수 있다.Here, the thermoelectric element refers to a metal element composed of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor having a high Peltier effect used in electronic refrigeration, and may mean an element capable of performing endothermic or exothermic function by the Peltier effect.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 TEC 모듈부(300)는 적어도 하나의 열전 소자로 이루어 질 수 있으며, 일정 수준의 냉각 성능을 발휘하기 위하여 적절한 수의 열전 소자가 배치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
상기 실시 예에 따르면 TEC 모듈부(300)의 적어도 하나의 열전 소자는 흡열 기능을 수행하는 면을 냉각판에 맞닿게 배치할 수 있으며, 발열 기능을 수행하는 면을 상변화 물질부(400)에 맞닿게 배치할 수 있다.According to the embodiment, at least one thermoelectric element of the
상변화 물질부(400)는 TEC 모듈부(300)와 냉각판이 맞닿아 있는 면의 반대면에 TEC 모듈부와 맞닿아 있도록 위치할 수 있으며, 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 열 에너지를 저장할 수 있다.The phase
본 발명의 상변화 물질부(400)는 상변화 물질로 형성될 수 있으며, 이때 상변화 물질은 주변의 온도가 상승하면 열을 흡수하고, 주변의 온도가 낮아지면 결정화되어 열을 방출하는 축열, 발열의 특성을 반복적으로 나타내는 물질을 총칭하며, 해당 기능을 수행할 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.The phase change
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상변화 물질부(400)는 히트 파이프(500)를 감싸는 형태로 형성될 수 있으며, 상변화 물질부(400)가 흡수할 수 있는 일정 수준의 열 에너지 이상의 열이 전도되면 일정 수준 이상의 열을 히트 파이프(500)를 통해 외부로 배출시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the phase
히트 파이프(500)는 상변화 물질부(400)에 과도한 열이 흡수되는 경우 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시킬 수 있다.When the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 히트 파이프(500)는 상변화 물질부(400)의 중앙에 상변화 물질로 감싸여 있는 상태로 형성될 수 있으며, 열을 전달받아 외부로 배출되기 쉬운 형태라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 TEC 모듈부(300)의 적어도 하나의 열전 소자들은 냉각용 전류 제어 회로를 통하여 동작을 제어할 수 있으며, 이러한 제어를 통해 냉각판 및 레이저 다이오드를 일정한 온도로 냉각시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at least one thermoelectric element of the
도 2은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 세부 구조를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing the detailed structure of the exothermic cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting according to the first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 세부 구조가 나타나 있으며, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각판(200)은 TEC 모듈부(300) 및 상변화 물질부(400)의 전면 및 후면, 측면을 감싸는 케이스 형태를 가지며, 측면 일부분에는 히트 파이프(500)가 연결될 수 있도록 홀을 가질 수 있다.2 shows a detailed structure of the exothermic cooling apparatus due to the laser injection capable of energy harvesting according to the first embodiment of the present invention, the
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 구성도(2000)이다.3 is a configuration diagram 2000 of an exothermic cooling apparatus due to laser injection capable of energy harvesting according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치(1000)에 TEG모듈부(600)을 더 포함할 수 있다.3 may further include a
TEG모듈부(600)은 적어도 하나의 열발전 소자를 포함할 수 있으며, TEC 모듈부와 상변화 물질부가 맞닿아 있는 면의 반대 면에 상변화 물질부와 맞닿을 수 있도록 위치할 수 있으며, 상변화 물질부(400)에서 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성할 수 있다.The
여기서 열 발전 소자는 열 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 소자를 의미하며, TEG(Thermo Electronic Generator) 소자를 의미할 수 있다.Here, the thermal power generation device refers to a device capable of generating electrical energy by converting thermal energy, and may mean a TEG (Thermo Electronic Generator) device.
본 발명의 상기 실시 예에 따르면 레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 TEC 모듈부를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, when heat is conducted to the heating surface during the operation of the laser diode, the cooling plate may be cooled through the TEC module to maintain a predetermined constant temperature.
또한 TEC 모듈부의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상변화 물질부가 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우에 상변화 물질부가 흡수한 열 에너지를 이용하여 TEG 모듈부가 전기 에너지를 생성할 수 있다.In addition, the thermal energy generated by the operation of the TEC module unit absorbs the phase change material unit, and when the operation of the laser diode is stopped, the TEG module unit may generate electrical energy using the thermal energy absorbed by the phase change material unit.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치의 세부 구조를 나타낸 도면이다.4 is a view showing the detailed structure of the exothermic cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting according to the second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치(2000)는 제1 실시 예와 동일한 구조에 TEG 모듈부가 냉각판 내부에 위치하여 있으며, 그 위치는 상변환 물질부와 TEC 모듈부가 맞닿아 있는 면의 반대면에 맞닿아 있도록 위치할 수 있다.Referring to FIG. 4, in the
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 회로를 통한 제어 세부 프로세스가 나타난 도면이다.5 is a diagram illustrating a detailed control process through a control circuit according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치는 냉각용 전류 제어 회로 및 발전용 충전 제어 회로를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the exothermic cooling device due to laser injection capable of energy harvesting may further include a cooling current control circuit and a charging control circuit for power generation.
상기 실시 예에 따르면 TEC 모듈부는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 상기 TEG 모듈부는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작이 제어될 수 있으며, 이를 통해 레이저 다이오드 작동 시 발생하는 열을 냉각시켜 일정한 온도를 유지하고, 이때 발생한 열을 이용하여 발전을 통해 전기 에너지를 생성할 수 있다.According to the embodiment, the TEC module unit can be controlled through the cooling current control circuit, the TEG module unit through the charge control circuit for power generation, thereby cooling the heat generated during the operation of the laser diode to maintain a constant temperature In addition, the generated heat may be used to generate electrical energy through power generation.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 작동 여부에 대응되는 상변화 물질부의 온도 변화 그래프이다.6 is a graph showing a temperature change of a phase change material part corresponding to whether the laser diode is operated according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 작동 여부에 대응되는 상변화 물질부의 온도 변화 그래프가 나타나 있으며, 이와 같이 레이저 다이오드를 통해 레이저를 사출함으로써 발생한 열을 TEC 모듈을 통해 냉각시키고, 냉각을 통해 상변화 물질부가 가지고 있던 잠열을 이용하여 TEG 모듈을 통해 발전을 수행함으로써, 레이저 사출시에도 일정한 온도(T값)를 유지할 수 있도록 할 수 있다.Referring to FIG. 6, a temperature change graph of a phase change material part corresponding to the operation of a laser diode according to an embodiment of the present invention is shown. Thus, the heat generated by injecting a laser through the laser diode is cooled by the TEC module. By using the latent heat possessed by the phase change material part through cooling and generating power through the TEG module, it is possible to maintain a constant temperature (T value) even during laser injection.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법의 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a heat generation cooling method due to laser injection capable of energy harvesting according to an embodiment of the present invention.
발열면이 레이저 다이오드가 발생한 열을 전달받는다(S10).The heating surface receives heat generated by the laser diode (S10).
본 발명의 일 실시 예에 따르면 발열면은 레이저 다이오드와 접촉해 있으며, 레이저 다이오드가 발생한 열을 전달받을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heating surface is in contact with the laser diode and may receive heat generated by the laser diode.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 발열면은 냉각판과 레이저 다이오드 사이에 위치할 수 있으며, 적어도 하나의 레이저 다이오드와 접촉하여 레이저 사출 시 레이저 다이오드가 발생하는 열을 냉각판으로 전도시키는 역할을 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heating surface may be positioned between the cooling plate and the laser diode, and may be in contact with at least one laser diode to conduct heat generated by the laser diode to the cooling plate during laser injection. Can be.
상기 실시 예에 따르면 레이저 다이오드는 그 작동에 적합한 온도가 약 25℃ ~ 30℃ 사이므로, 이를 유지할 수 있도록 냉각판으로 열을 전도시킬 수 있으며 냉각판은 상술한 온도로 발열면이 유지되도록 열전소자를 이용하여 온도를 제어할 수 있다.According to the above embodiment, since the laser diode has a temperature suitable for its operation at about 25 ° C. to 30 ° C., the laser diode can conduct heat to the cooling plate so as to maintain it. The temperature can be controlled using.
발열면으로부터 전도 받은 열을 적어도 하나의 열전소자를 이용하여 냉각시켜 냉각판을 일정한 온도로 유지한다(S20).The heat conducted from the heat generating surface is cooled by using at least one thermoelectric element to maintain the cooling plate at a constant temperature (S20).
본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각판은 발열면과 맞닿아 있으며, 발열면으로부터 전도 받은 열을 전도 받아 레이저 다이오드 및 발열면을 냉각시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate is in contact with the heat generating surface, and receives the heat conducted from the heat generating surface to cool the laser diode and the heat generating surface.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각판은 발열면을 통해 레이저 다이오드로부터 열을 전도 받을 수 있으며, 열전 소자의 동작으로 인하여 냉각 효과를 발생하여 발열면 및 레이저 다이오드의 온도를 25℃ ~ 30℃ 사이로 유지시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate may receive heat from the laser diode through the heat generating surface, and a cooling effect is generated due to the operation of the thermoelectric element, so that the temperature of the heat generating surface and the laser diode is between 25 ° C and 30 ° C. It can be maintained.
적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 상변화 물질이 열 에너지를 저장한다(S30).At least one thermoelectric element absorbs heat generated while cooling the cooling plate, and the phase change material stores thermal energy (S30).
본 발명의 일 실시 에에 따르면 적어도 하나의 열전 소자를 이용하여 냉각판을 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooling plate may be maintained at a constant temperature by using at least one thermoelectric element.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 열전 소자는 일정 수준의 냉각 성능을 발휘하기 위하여 적절한 수가 배치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an appropriate number of thermoelectric elements may be arranged to exhibit a certain level of cooling performance.
상기 실시 예에 따르면 적어도 하나의 열전 소자는 흡열 기능을 수행하는 면을 냉각판에 맞닿게 배치할 수 있으며, 발열 기능을 수행하는 면을 상변화 물질에 맞닿게 배치할 수 있다.According to the exemplary embodiment, the at least one thermoelectric element may be disposed to contact the surface of the cooling plate with the heat absorbing function, and may be disposed to be in contact with the phase change material.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상변환 물질은 열전소자를 기준으로 적어도 하나의 열전소자와 냉각판이 맞닿아 있는 면의 반대면에 열전소자와 맞닿도록 위치할 수 있으며, 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 열 에너지를 저장할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the phase change material may be positioned to be in contact with the thermoelectric element on the opposite side of the surface on which the at least one thermoelectric element and the cooling plate are in contact with each other, and the at least one thermoelectric element is cooled. The heat generated by cooling the plates can be absorbed to store thermal energy.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상변화 물질은 주변의 온도가 상승하면 열을 흡수하고, 주변의 온도가 낮아지면 결정화되어 열을 방출하는 축열, 발열의 특성을 반복적으로 나타내는 물질을 총칭하며, 해당 기능을 수행할 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the phase change material is a material that repeatedly absorbs heat when the ambient temperature rises, and crystallizes and releases heat when the ambient temperature decreases. Any material capable of performing the function can be used without limitation.
상변화 물질에 과도한 열이 흡수되는 경우 히트 파이프를 통해 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출한다(S40).When excessive heat is absorbed in the phase change material, the heat is discharged to the outside over a predetermined heat energy through the heat pipe (S40).
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상변화 물질에 과도한 열이 흡수되는 경우 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when excessive heat is absorbed by the phase change material, heat of more than a predetermined thermal energy may be discharged to the outside.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 히트 파이프는 상변화 물질부의 중앙에 상변화 물질로 감싸여 있는 상태로 형성될 수 있으며, 열을 전달받아 외부로 배출되기 쉬운 형태라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heat pipe may be formed in a state of being wrapped with a phase change material in the center of the phase change material part, and may be used without limitation as long as it is easy to be discharged to the outside by receiving heat.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 적어도 하나의 열발전 소자를 포함할 수 있으며, 열전소자와 상변화 물질부가 맞닿아 있는 면의 반대 면에 상변화 물질과 맞닿아 있는 위치에 존재할 수 있다.According to another embodiment of the present invention may include at least one thermoelectric element, it may be present in a position in contact with the phase change material on the opposite side of the surface where the thermoelectric element and the phase change material portion abuts.
상기 실시 예에 따르면 상변화 물질에서 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성할 수 있다.According to the above embodiment, the heat absorbed by the phase change material may be conducted to generate electricity through energy harvesting.
본 발명의 상기 실시 예에 따르면 레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 적어도 하나의 열전 소자를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, when heat is conducted to the heating surface during operation of the laser diode, the cooling plate may be cooled by at least one thermoelectric element to maintain a predetermined constant temperature.
또한 열전 소자의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상변화 물질이 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우에 상변화 물질부가 흡수한 열 에너지를 이용하여 적어도 하나의 열발전 소자가 전기 에너지를 생성할 수 있다.In addition, the thermal energy generated by the operation of the thermoelectric element is absorbed by the phase change material, and when the operation of the laser diode is stopped, the at least one thermoelectric device generates electrical energy by using the thermal energy absorbed by the phase change material. Can be.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 냉각용 전류 제어 회로 및 발전용 충전 제어 회로를 더 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 열전소자는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 적어도 하나의 열발전 소자는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작이 제어될 수 있다.According to an embodiment of the present invention may further include a cooling current control circuit and a charging control circuit for power generation, at least one thermoelectric element through the cooling current control circuit, at least one thermoelectric element is charged for power generation Operation can be controlled via a control circuit.
상기 실시 예에 따르면 이를 통해 레이저 다이오드 작동 시 발생하는 열을 냉각시켜 일정한 온도를 유지하고, 이때 발생한 열을 이용하여 발전을 통해 전기 에너지를 생성할 수 있다.According to the embodiment it is possible to maintain a constant temperature by cooling the heat generated during the operation of the laser diode through this, it is possible to generate electrical energy through power generation using the generated heat.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Embodiments of the present invention are not implemented only by the above-described apparatus and / or method, but the embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited thereto. Various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention as defined in the present invention are also within the scope of the present invention.
Claims (10)
상기 발열면과 맞닿아 있으며, 발열면으로부터 열을 전도 받아 상기 레이저 다이오드 및 발열면을 냉각시키는 냉각판;
적어도 하나의 열전 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 열전 소자를 이용하여 냉각판을 일정한 온도로 유지시키는 TEC 모듈부;
상기 TEC 모듈부와 상기 냉각판이 맞닿아 있는 면의 반대면에 상기 TEC 모듈부와 맞닿아 있으며, 상기 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 열 에너지를 저장하는 상변화 물질부 및
상기 상변화 물질부에 과도한 열이 흡수되는 경우 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시키는 히트 파이프를 포함하고,
적어도 하나의 열발전 소자를 포함하고, 상기 TEC 모듈부와 상기 상변화 물질부가 맞닿아 있는 면의 반대 면에 상기 상변화 물질부와 맞닿아 있으며, 상기 상변화 물질부에서 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성하는 TEG모듈부를 더 포함하며,
레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 TEC 모듈부를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시키고, TEC 모듈부의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상기 상변화 물질부가 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우, 상기 상변화 물질부가 흡수한 열 에너지를 이용하여 TEG모듈부가 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 포함하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치. A heat generating surface in contact with the laser diode and receiving heat generated by the laser diode;
A cooling plate in contact with the heat generating surface and receiving heat from the heat generating surface to cool the laser diode and the heat generating surface;
A TEC module unit including at least one thermoelectric element and maintaining a cooling plate at a constant temperature by using the at least one thermoelectric element;
A phase change in contact with the TEC module part on a surface opposite to the surface where the TEC module part is in contact with the cooling plate, wherein the at least one thermoelectric element absorbs heat generated while cooling the cooling plate and stores thermal energy; Material Department and
And a heat pipe for discharging heat above a predetermined thermal energy to the outside when excessive heat is absorbed in the phase change material part.
It includes at least one thermoelectric element, abutting the phase change material portion on the opposite side of the surface where the TEC module portion and the phase change material portion abuts, and receives the heat absorbed by the phase change material portion Further comprising a TEG module unit for generating electricity through energy harvesting,
During operation of the laser diode, when heat is conducted to the heating surface, the cooling plate is cooled through the TEC module unit to maintain a predetermined temperature. The thermal energy generated by the operation of the TEC module unit is absorbed by the phase change material unit. When the operation of the laser diode is stopped, heat generating cooling apparatus due to the energy harvesting possible laser injection comprising the TEG module unit generates electrical energy by using the heat energy absorbed by the phase change material portion.
상기 TEC 모듈부 및 상변화 물질부의 전면 및 후면, 측면을 감싸는 케이스 형태를 가지며, 측면 일부분에는 히트 파이프가 연결될 수 있도록 홀을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치.The method of claim 1, wherein the cooling plate,
And a case shape surrounding the front, rear, and side surfaces of the TEC module unit and the phase change material unit, and a portion of the side has a hole for connecting a heat pipe.
냉각용 전류 제어 회로 및 발전용 충전 제어 회로를 더 포함하고,
상기 TEC 모듈부는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 상기 TEG 모듈부는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 장치.The method of claim 1,
Further comprising a cooling current control circuit and a charge control circuit for power generation,
The TEC module unit is controlled by the cooling current control circuit, the operation of the TEG module unit is controlled by the charging control circuit for power generation heating cooling device due to the laser injection capable of energy harvesting.
발열면으로부터 전도 받은 열을 적어도 하나의 열전소자를 이용하여 냉각시켜 냉각판을 일정한 온도로 유지시키는 단계;
상기 적어도 하나의 열전소자가 냉각판을 냉각시키면서 발생하는 열을 흡수하여 상변화 물질이 열 에너지를 저장하는 단계 및
상기 상변화 물질에 과도한 열이 흡수되는 경우 히트 파이프를 통해 미리 설정된 열에너지 이상의 열을 외부로 배출시키는 단계를 포함하고,
적어도 하나의 열발전 소자를 이용하여 상변화 물질이 흡수한 열을 전도 받아 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생성하는 단계를 더 포함하며,
레이저 다이오드의 동작 시에는 발열면에 열이 전도되는 경우 적어도 하나의 열전 소자를 통해 냉각판을 냉각시켜 미리 설정한 일정한 온도를 유지시키고, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 동작으로 인해 발생한 열 에너지는 상기 상변화 물질이 흡수하며, 레이저 다이오드의 동작이 중단된 경우, 상기 상변화 물질이 흡수한 열 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 열발전 소자가 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법. The heat generating surface receives heat generated by the laser diode;
Cooling the heat conducted from the heat generating surface using at least one thermoelectric element to maintain the cooling plate at a constant temperature;
The at least one thermoelectric element absorbs heat generated while cooling the cooling plate, and the phase change material stores thermal energy; and
When the excess heat is absorbed by the phase change material, the step of discharging the heat of more than the predetermined thermal energy through the heat pipe to the outside,
And conducting heat absorbed by the phase change material using at least one thermoelectric device to generate electricity through energy harvesting.
During operation of the laser diode, when heat is conducted to the heating surface, the cooling plate is cooled through at least one thermoelectric element to maintain a predetermined temperature, and thermal energy generated by the operation of the at least one thermoelectric element is When the phase change material is absorbed and the operation of the laser diode is stopped, energy harvesting is possible, wherein the at least one thermoelectric device generates electrical energy by using the thermal energy absorbed by the phase change material. Method of exothermic cooling by laser injection.
상기 적어도 하나의 열전소자 및 상변화 물질의 전면 및 후면, 측면을 감싸는 케이스 형태를 가지며, 측면 일부분에는 히트 파이프가 연결될 수 있도록 홀을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법.The method of claim 6, wherein the cooling plate,
The at least one thermoelectric element and the front and rear of the phase change material, the case has a form surrounding the side, the heat generating cooling due to the energy harvesting possible laser injection, characterized in that it has a hole to be connected to the heat pipe Way.
상기 적어도 하나의 열전소자는 냉각용 전류 제어 회로를 통하여, 상기 적어도 하나의 열발전 소자는 발전용 충전 제어 회로를 통해 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅이 가능한 레이저 사출로 인한 발열 냉각 방법.The method of claim 6,
The at least one thermoelectric element is controlled by the current control circuit for cooling, the at least one thermoelectric element is controlled by the injection control circuit for power generation, characterized in that the energy harvesting possible laser cooling exothermic cooling method .
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|---|---|---|---|
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| US6313391B1 (en) * | 1999-04-02 | 2001-11-06 | Russell M. Abbott | Solar power system using thermal storage and cascaded thermal electric converters |
| US20130279115A1 (en) * | 2012-04-19 | 2013-10-24 | Packet Photonics, Inc. | System And Methods For Reduced Power Consumption And Heat Removal In Optical And |
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2019
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