KR19980035985U - Cooling / heating furnace device for precise temperature control using thermoelectric elements - Google Patents

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김종진
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신창식
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Abstract

본 고안은 열전소자의 히트펌핑기능을 이용하여 로 내부의 온도를 광범위한 온도범위로 정밀하게 제어할 수 있도록 구성된 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치의 제공에 관한 것이다.The present invention relates to the provision of a precise temperature control cooling / heating furnace apparatus using a thermoelectric element configured to precisely control the temperature in a furnace using a heat pumping function of a thermoelectric element in a wide temperature range.

본 고안의 장치는 양호한 열전도성 재질로 이루어지고 단열재로 둘러싸인 챔버(42)와, 상기 챔버(42)내의 온도를 측정할 수 있는 온도계(45)와, 상기 챔버(42)의 표면측에 부착설치되어 챔버(42)를 냉각/가열시킬 수 있는 열전소자(41)와, 상기 열전소자(41)의 냉각 기능을 보조하는 냉각핀(43) 및 냉각팬(44)으로 이루어진 냉각 보조장치와, 상기 요소들을 전기적으로 제어할 수 있도록 연결설치된 조절부(46)를 포함하는 구성을 특징으로 한다.The device of the present invention comprises a chamber 42 made of a good thermal conductive material and surrounded by a heat insulating material, a thermometer 45 capable of measuring the temperature in the chamber 42, and an attachment to the surface side of the chamber 42. And a cooling assist device including a thermoelectric element 41 capable of cooling / heating the chamber 42, a cooling fin 43 and a cooling fan 44 to assist the cooling function of the thermoelectric element 41, and It is characterized in that it comprises a control unit 46 connected to be installed to control the elements electrically.

상기와 같은 열전소자(41)를 이용한 구성에 의해 본 고안의 장치는 그 전체 구성이 간소, 효율적이면서 로 내부의 온도를 더욱 정밀하게 그리고 보다 넓은 온도범위로 제어할 수 있는 효과를 제공한다.By the configuration using the thermoelectric element 41 as described above, the device of the present invention provides the effect that the overall configuration is simple and efficient, and the temperature inside the furnace can be controlled more precisely and in a wider temperature range.

Description

열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치Cooling / heating furnace device for precise temperature control using thermoelectric elements

본 고안은 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로(Furnace) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 고유기능인 히트펌핑(Heat Pumping) 기능을 이용하여 닫힌 계(Closed System)의 온도를 정밀하게 제어하는 효과를 얻을 수 있는 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a precise temperature control cooling / heating furnace (Furnace) device using a thermoelectric element, and more specifically to the temperature of the closed system using the heat pumping function (Heat Pumping), a unique function of the thermoelectric element The present invention relates to a cooling / heating apparatus for precision temperature control using a thermoelectric element capable of precisely controlling the temperature.

먼저, 본 고안의 이해를 돕기 위해 열전소자를 이용한 냉각/가열로 장치의 개략에 대하여 설명한다.First, the outline of the apparatus for cooling / heating using a thermoelectric element will be described to help understanding of the present invention.

열전소자는 고체 혹은 액상의 전도체(Conductor)내에서 열(Heat)이 전기적 에너지로 혹은 그 반대로 직접 전환되는 현상을 이용한 것으로, 특히 두 개의 상이한 전도체 사이의 접합점(Junction)에 전류가 흐를 때 발생되는 가역적인 열(Reversible Heat)에 관련된 Peltier 효과(Peltier effect)를 응용한 것이다.The thermoelectric element is a phenomenon in which heat is directly converted into electrical energy or vice versa in a solid or liquid conductor, especially when a current flows through a junction between two different conductors. It is the application of the Peltier effect related to reversible heat.

이를 좀 더 자세히 설명하면, 열전소자는 하나의 작은 열 펌프(Heat Pump)로서의 기능을 하는 것으로, 이 열전소자에 낮은 전압의 직류전원을 공급함으로써 열이 열전소자를 통해 한쪽 면에서 다른쪽 면으로 이동하게 된다. 그러므로 열전소자의 한쪽 면은 냉각되고 동시에 반대쪽 면은 가열되게 된다. 또한 이런 현상은 가역적(Reversible)으로 인가하는 직류전계의 양과 음의 방향을 반대로 하게 되면 냉각면과 가열면이 바뀌게 된다. 결과적으로 열전소자는 정밀 온도제어용의 냉각/가열 장치로의 응용이 가능한 것이다.In more detail, a thermoelectric element functions as a small heat pump, and heat is transferred from one side to the other through the thermoelectric element by supplying a low voltage DC power to the thermoelectric element. Will move. Therefore, one side of the thermoelectric element is cooled and at the same time the other side is heated. In addition, this phenomenon is reversed in the positive and negative direction of the DC field applied to the reversible (Reversible) will change the cooling surface and the heating surface. As a result, the thermoelectric element can be applied as a cooling / heating device for precise temperature control.

Peltier 효과(Peltier effect)란 도 1에 나타난 바와 같이 회로를 구성한 경우 전압(Vin)이 인가되면 전류(1)가 흐르게 되며, 전류의 흐름에 따라 접합점 A에서는 냉각 효과가 발생하고 반대로 접합점 B에서는 발열 효과가 발생되어 열이 발산되는 현상을 말한다. 이 효과는 가역적이므로 전류의 방향이 반대일 경우 열의 흐름도 반대로 바뀌게 된다. 이를 수학적으로 정의하면 다음과 같이 표현된다.As shown in FIG. 1, in the circuit configuration, the Peltier effect causes a current (1) to flow when a voltage (V in ) is applied, and a cooling effect occurs at junction A as a result of the flow of current. It is a phenomenon in which heat is generated and heat is emitted. This effect is reversible, so reverses the flow of heat if the current is reversed. If this is defined mathematically, it is expressed as follows.

Qcor Qh=πxy×IQ c or Q h = π xy × I

여기에서, πxy는 두 개의 재료 x, y 사이의 Peltier 계수(Peltier coefficient), I는 전류량, Qc, Qh는 각각 냉각량 및 발열량을 나타낸다.Here, π xy is the Peltier coefficient between two materials x and y, I is the amount of current, Q c , and Q h is the amount of cooling and calorific value, respectively.

도 2는 종래의 일반적인 로(Furnace)의 구조를 나타낸 개략도로서, 로 내부의 가열을 위한 발열체(21)와 온도를 측정하기 위한 온도계(22) 그리고 이를 제어하기 위한 전원 공급부(Power supply) 및 피드백시스템(Feed-back system)이 갖춰진 조절부(23)로 구성되어 있다.2 is a schematic view showing a structure of a conventional furnace, a heating element 21 for heating the inside of the furnace, a thermometer 22 for measuring temperature, and a power supply and feedback for controlling the furnace. It consists of the control part 23 equipped with a feed-back system.

이 장치는 원하는 로 내부 온도를 얻기 위하여 조절부(23)를 통하여 니크롬선이나 SiC, Khantal 등으로 된 발열체(21)에 전력을 공급하여 발열을 시키고 온도계(22)를 통하여 내부 온도를 측정한 후 이를 피드백시스템을 통해 발열체(21)에 공급되는 전력량을 미세 조절함으로써 원하는 내부 온도를 유지하는 방식을 취하고 있다.The device generates heat by supplying electric power to the heating element 21 made of nichrome wire, SiC, Khantal, etc. through the control unit 23 to obtain a desired internal furnace temperature, and then measures the internal temperature through the thermometer 22. This is finely controlled by controlling the amount of power supplied to the heating element 21 through the feedback system to maintain the desired internal temperature.

그러나 이러한 종래의 장치는 냉각장치가 없고 발열체(21)만 내장되어 있기 때문에 내부 온도가 원하는 온도 이상으로 과열되었을 경우 별도의 방법없이 단지 발열체(21)의 발열량을 조절하여 자연 냉각되는 효과만을 기대할 수 밖에 없으므로 온도 제어의 편차가 심하고, 제어 속도가 느리다는 단점이 있다. 또한 자연 냉각 방식이므로 외부 온도의 영향을 따라 냉각속도가 달라지게 되며, 일반적으로 상온 이하로는 냉각이 어렵기 때문에 0℃ 이하의 온도 제어가 불가능하다는 단점이 있어 다양한 목적의 온도 조절 시스템용으로는 사용이 곤란한 실정이다.However, since such a conventional apparatus does not have a cooling device and only a heating element 21 is built in, when the internal temperature is overheated above a desired temperature, only the effect of naturally cooling by adjusting the calorific value of the heating element 21 can be expected without a separate method. There is a disadvantage in that the temperature control is severely different, and the control speed is slow. In addition, because of the natural cooling method, the cooling rate is changed according to the influence of the external temperature, and in general, it is difficult to control the temperature below 0 ° C because it is difficult to cool below room temperature. It is difficult to use.

도 3은 상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 종래의 냉각/가열로의 구성개요도로서, 이는 상기 도 2의 가열로에 별도의 냉각 수단으로서 냉각용 가스장치(31)와 냉각용 가스를 내부에 공급하기 위한 분사 노즐(32) 및 공기순환장치(33)를 부착한 구성으로 되어 있다.FIG. 3 is a schematic view of a conventional cooling / heating furnace proposed to solve the above problems, which is a cooling gas apparatus 31 and a cooling gas therein as separate cooling means in the heating furnace of FIG. 2. The injection nozzle 32 and the air circulation device 33 for supplying are attached.

이 도 3의 장치는 도 2에 나타낸 가열로의 단점을 보완하기 위하여 별도의 냉각장치로 액화점이 낮으면서 비교적 안전한 액체 질소(N2)나 액체 이산화탄소(CO2) 등을 공급할 수 있는 냉각용 가스 장치(31)를 부착하고, 가스를 분사 노즐(32)을 통해 로 내부에 공급함으로써 인위적인 냉각의 효과를 얻을 수 있도록 설계되어 있으며, 또한 로 내부에 분사된 가스가 내부 공기와 원활히 혼합될 수 있도록 공기순환장치(33)가 장착되어 냉각의 효과를 극대화하도록 되어 있다.The apparatus of FIG. 3 is a cooling gas capable of supplying relatively safe liquid nitrogen (N 2 ) or liquid carbon dioxide (CO 2 ) with a low liquefaction point as a separate cooling device to compensate for the shortcomings of the heating furnace shown in FIG. 2. It is designed to achieve the effect of artificial cooling by attaching the device 31 and supplying the gas into the furnace through the injection nozzle 32, and also so that the gas injected into the furnace can be mixed with the internal air smoothly. An air circulation device 33 is mounted to maximize the effect of cooling.

그러나 이 도 3의 장치는 원하는 온도 제어를 위해 가스 분사 방식을 취하고 있기 때문에 로 내부의 실링(Sealing)을 위해 실리콘 고무(Silicon Rubber) 등을 사용해야 하게 되며, 또 로 내부 재질이 일반적인 내화 단열재가 아닌 스텐레스스틸 등으로 구성되어 있으므로 이로 인하여 300℃ 이상의 고온에서는 사용하기가 불가능하다. 또한 가스 분사량에 따라 온도 조절이 이루어지므로 정밀한 온도제어가 곤란하며 이를 조절하기 위하여서는 구조가 복잡해지고 비용이 많이 드는 단점이 있다.However, since the apparatus of FIG. 3 adopts a gas injection method for controlling a desired temperature, a silicone rubber or the like must be used for sealing in the furnace, and the furnace inner material is not a general fireproof insulation material. Because it is made of stainless steel, etc., it is impossible to use it at a high temperature of more than 300 ℃. In addition, since the temperature control is made according to the gas injection amount, it is difficult to precisely control the temperature, and there is a disadvantage in that the structure is complicated and expensive.

따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결할 수 있는 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치를 제공할 목적으로 안출된 것이다.Accordingly, the present invention has been made for the purpose of providing a device for precise temperature control cooling / heating using a thermoelectric element that can solve the conventional problems as described above.

상기의 목적은 본 고안에 따라 냉각/가열용 열전소자와 냉각핀 및 냉각팬으로 구성된 냉각 보조 장치 및 이를 제어하는 조절부를 포함하는 구성의 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치를 제공함으로써 달성된다.The purpose of the above is to provide a precise temperature control cooling / heating apparatus using a thermoelectric element of the configuration including a cooling auxiliary device consisting of a cooling / heating thermoelectric element, a cooling fin and a cooling fan and a control unit for controlling the same according to the present invention Is achieved.

도 1은 Peltier 효과를 설명하기 위한 도면.1 is a diagram for explaining a peltier effect.

도 2는 종래의 일반적인 로(Furnace)의 구성개요도.2 is a configuration diagram of a conventional general furnace (Furnace).

도 3은 종래의 냉각/가열로의 구성개요도.3 is a schematic view of a conventional cooling / heating furnace.

도 4는 본 고안의 구성개요도.4 is a schematic view of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

21,36:발열체22,34,45:온도계23,35,46:조절부21, 36: heating element 22, 34, 45: thermometer 23, 35, 46: control unit

31:냉각용 가스장치32:분사 노즐33:공기 순환 장치31: gas device for cooling 32: spray nozzle 33: air circulation device

41:열전소자42:챔버43:냉각핀41: thermoelectric element 42: chamber 43: cooling fin

44:냉각팬44: cooling fan

이하에서, 본 고안에 따른 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치의 구체적인 구성 및 작용효과를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings the specific configuration and effect of the device for precise temperature control cooling / heating using a thermoelectric device according to the present invention will be described in detail.

도 4는 본 고안에 따른 장치의 구성개요를 보여준다.Figure 4 shows the configuration of the device according to the present invention.

여기에 도시된 바와 같이, 본 고안의 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치는 냉각/가열 효율을 극대화하기 위하여 단열재로 둘러싸인 챔버(Chamber)(42)와, 그 내부의 온도를 측정할 수 있는 온도계(45), 상기 챔버(42)를 둘러싸고 있으며 이 챔버(42)를 냉각/가열시킬 수 있는 열전소자(41)와, 상기 열전소자의 한쪽 면을 냉각시킬 수 있는 냉각핀(43) 및 냉각팬(44)으로 구성된 냉각 보조장치 및 이를 조절할 수 있는 파워서플라이(Power supply)가 내장된 조절부(46)를 포함하는 구성을 특징으로 한다.As shown here, the precision temperature control cooling / heating furnace apparatus using the thermoelectric device of the present invention is to measure the chamber (42) surrounded by the heat insulating material and the temperature therein, in order to maximize the cooling / heating efficiency A thermometer 45, a thermoelectric element 41 surrounding the chamber 42, and capable of cooling / heating the chamber 42, and a cooling fin 43 for cooling one side of the thermoelectric element. And a cooling unit 44 including a cooling auxiliary device configured with a cooling fan 44 and a control unit 46 having a built-in power supply.

상기 챔버(42)는 열을 잘 전달할 수 있는 동(Cu) 혹은 알루미늄(Al) 등의 열전도도가 좋은 금속재질로 이루어져 있으며, 열전소자(41)의 냉각/가열 효과를 극대화하기 위하여 열전소자(41)와의 접촉면을 제외한 나머지 부분은 단열재로 싸여 있다. 상기 열전소자(41)는 챔버(42)에 밀착되게 부착하여 공급되는 전류의 양이나 방향에 따라 챔버(42)를 냉각/가열시키는 역할을 수행하며 이에 따라 챔버(42) 내부의 온도가 상승 혹은 하강하여 상기 챔버(42)로 하여금 냉각/가열로로서의 기능을 갖도록 하게 된다. 냉각 보조장치는 상기 열전소자(41)의 원활한 냉각 기능을 돕기 위하여 필요한 장치로서, 챔버(42)의 온도를 하강시키고자 할 때 열전소자(41)의 한쪽면에 부착되어 챔버(42) 내부로부터 열전소자를 통해 이동된 열을 대기중으로 손쉽게 방출시킴으로써 열전소자의 양쪽면의 온도차를 유지시켜 열 펌프로서의 기능을 극대화시킬 수 있는 역할을 하게 되며, 특히 챔버(42) 내부를 상온 이하의 저온으로 유지하고자 할 때 필요하게 된다. 이러한 열전소자(41)의 냉각/가열 기능은 직류 전원을 공급할 수 있는 파워서플라이가 포함된 조절부(46)에서 제어하게 되는데, 열전소자(41)의 특성상 공급되는 전류의 양이나 방향의 미세한 변화에 따라 챔버(42) 내부의 온도를 매우 정밀하게 제어할 수 있다.The chamber 42 is made of a metal material having good thermal conductivity such as copper (Cu) or aluminum (Al), which can transfer heat well, and in order to maximize the cooling / heating effect of the thermoelectric element 41, a thermoelectric element ( Except for the contact surface with 41), the rest is covered with insulation. The thermoelectric element 41 closely adheres to the chamber 42 and serves to cool / heat the chamber 42 in accordance with the amount or direction of the supplied current. Accordingly, the temperature inside the chamber 42 is increased or increased. It is lowered to allow the chamber 42 to function as a cooling / heating furnace. The cooling aid is a device necessary to help the cooling function of the thermoelectric element 41 and is attached to one side of the thermoelectric element 41 when the temperature of the chamber 42 is to be lowered. By easily dissipating the heat transferred through the thermoelectric element into the atmosphere to maintain the temperature difference between both sides of the thermoelectric element serves to maximize the function as a heat pump, in particular to keep the chamber 42 inside a low temperature below room temperature You will need it when you want to. The cooling / heating function of the thermoelectric element 41 is controlled by the control unit 46 including a power supply capable of supplying DC power, and a slight change in the amount or direction of current supplied due to the characteristics of the thermoelectric element 41 is provided. Accordingly, the temperature inside the chamber 42 can be controlled very precisely.

따라서 본 고안에 따른 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치에 의하면, 열전소자(41)와 열전도도가 좋은 금속재질의 챔버(42) 및 냉각핀(43)과 냉각팬(44)으로 구성된 간단한 냉각 보조장치만으로 번잡하고 효율이 낮은 별도의 가스 냉각 장치 없이도 냉각/가열로의 기능을 수행할 수 있으며, 이의 효과적인 사용을 위해 열전소자(41)를 조절부(46)를 통해 작동시킴으로써 정밀한 온도제어가 가능한 동시에 및 챔버 내부를 상온 이하의 저온으로도 유지할 수 있어 보다 다양한 유지 온도 범위의 구현이 가능하므로 여러 분야에서 광범위하게 응용될 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the precise temperature control cooling / heating furnace device using the thermoelectric device according to the present invention, the thermoelectric element 41 and the metal chamber 42 and the cooling fin 43 and the cooling fan 44 of good thermal conductivity It is possible to perform the function of cooling / heating furnace without the complicated and low efficiency gas cooling device with only a simple cooling aid configured, and precise operation by operating the thermoelectric element 41 through the control unit 46 for its effective use. At the same time, the temperature control is possible and the inside of the chamber can be maintained at a low temperature below room temperature, thereby realizing a wider range of maintenance temperatures, which can be widely applied in various fields.

Claims (2)

열전도도가 좋은 금속재질로 이루어지고 단열재로 둘러싸인 챔버(42)와, 상기 챔버(42) 내부의 온도를 측정할 수 있는 온도계(45)와, 챔버(42) 표면측에 부착 설치되어 챔버(42)를 냉각/가열시킬 수 있는 열전소자(41)와, 상기 열전소자(41)의 냉각/가열 특성을 온도에 따라 조절할 수 있도록 상기 열전소자(41)에 연결설치된 조절부(46)를 포함하는 구성을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치.A chamber 42 made of a metal material having good thermal conductivity and surrounded by a heat insulating material, a thermometer 45 capable of measuring a temperature inside the chamber 42, and a chamber 42 attached to a surface of the chamber 42. A thermoelectric element 41 capable of cooling / heating) and an adjusting unit 46 connected to the thermoelectric element 41 to adjust cooling / heating characteristics of the thermoelectric element 41 according to temperature. Cooling / heating furnace device for precise temperature control using a thermoelectric element characterized by the configuration. 제1항에 있어서, 상기 장치가 상기 열전소자(41)의 냉각 기능을 보조하는 냉각핀(43) 및 냉각팬(44)으로 이루어진 냉각 보조장치를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 정밀 온도제어용 냉각/가열로 장치.2. The precision according to claim 1, wherein the apparatus further comprises a cooling auxiliary device comprising a cooling fin 43 and a cooling fan 44 to assist the cooling function of the thermoelectric element 41. Temperature control cooling / heating furnace device.
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