KR200221693Y1 - 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종(異種)의 금속 접합체로 되어 직류전원의 공급으로 가열작용과 냉각작용이 양단 접합면으로 나타나는 열전소자를 인가전압의 세기와 극성이 일정한 고정형 열전소자와, 설정온도와 표준 현재온도의 비교값에 따라 인가전압의 세기와 극성이 가변되는 가변형 열전소자로 구분 장착하여 챔버 내부를 정확한 설정온도로 신속하게 안정화 할 수 있는 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치에 관한 것이다.

본 고안의 목적은 설정온도 조작부와 설정온도 및 실제온도 표시창이 전면으로 형성된 챔버 내부에 현재온도가 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 표준온도 산출 근사식으로 교정된 실제온도 감지센서와; 직류전압의 세기와 극성이 일정하게 공급되는 다수개의 고정 냉각형 열전소자와; 직류전압의 세기와 극성이 가변으로 공급되는 다수개의 가변형 열전소자와; 설정온도에 맞게 상기 고정 냉각형 열전소자와 가변형 열전소자의 작동을 제어하는 제어부와; 상기 고정 냉각형 열전소자와 가변형 열전소자의 작동에 따른 팬을 포함한 방열기구가 설치된 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치를 제공함에 있다.

Description

열전소자를 이용한 온도조절 실험장치{Temperature control-test device using thermoelement}

본 고안은 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종(異種)의 금속 접합체로 되어 직류전원의 공급으로 가열작용과 냉각작용이 양단 접합면으로 나타나는 열전소자를 인가전압의 세기와 극성이 일정한 고정형 열전소자와, 설정온도와 실제온도의 비교값에 따라 인가전압의 세기와 극성이 가변되는 가변형 열전소자로 구분 장착하여 챔버 내부를 정확한 설정온도로 신속하게 안정화 할 수 있는 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉각과 가열작용의 반복수행으로 설정온도에 도달하게 하는 종래의 온도 실험기는 프레온 가스를 냉매로 하는 냉각용 콤푸레샤와 대전력이 소비되는 가열용 히터가 각각 내장된 대용량으로 설치됨에 따라 설치공간과 비용이 많이 들어갈 뿐 아니라 매우 큰 구동전력으로 인한 많은 전력손실이 발생됨으로서 소형의 피측정물에 대한 온도변화를 측정하는 데 많은 부담을 가중시키는 문제점이 있었고, 또한 프레온 가스에 의한 오존층의 파괴로 인한 환경훼손을 유발하는 등의 많은 문제점이 있었다.

근래에는 펠티어 효과에 의한 열 분극작용이 일어나는 접합면을 경계로 냉각과 가열이 동시에 수행되는 반도체 열전소자를 이용하여 실험기의 전체부피를 소형으로 제작이 가능하고 프레온 가스를 사용하지 않음으로서 전술한 문제점을 해소할 수 있었다. 그러나 공급되는 직류전원의 인가전압에 비례하여 열분극에 의한 냉각속도와 가열속도가 결정되는 열전소자는 전압 인가시 저항성질로 인한 자체발열 특성을 가지고 있으므로 냉각속도에 비해 가열속도가 증가되어 설정온도 부근에서 오버슈트와 언드슈트와 같은 과도현상이 심하게 발생됨에 따라 안정된 설정온도에 도달하는 시간이 길어짐으로서 피측정물에 대한 정확한 온도측정이 힘든 문제점이 있었고, 또한 과도현상에 의한 가열과 냉각이 반복 수행되는 열전소자의 인가전압 극성변화가 급속하게 일어남으로서 상기 열전소자에 인가전압의 극성을 전환하는 릴레이의 작동이 많아짐에 따라 접점마모에 의한 릴레이의 수명을 단축시키는 등의 여러가지 폐단이 있었다.

본 고안의 목적은 종래의 이와같은 문제점을 해소하고자 한 데 있는 것으로 설정온도 조작부와 설정온도 및 실제온도 표시창이 전면으로 형성된 챔버 내부에 현재온도가 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 표준온도 산출 근사식으로 교정된 실제온도 감지센서와; 직류전압의 세기와 극성이 일정하게 공급되는 다수개의 고정 냉각형 열전소자와; 직류전압의 세기와 극성이 가변으로 공급되는 다수개의 가변형 열전소자와; 설정온도에 맞게 상기 고정 냉각형 열전소자와 가변형 열전소자의 작동을 제어하는 제어부와; 상기 고정 냉각형 열전소자와 가변형 열전소자의 작동에 따른 팬을 포함한 방열기구가 설치된 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치를 제공코자 한 데 있는 것이다.

이하 첨부도면에 의거 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 고안의 실시예에 따른 챔버내부의 횡 단면도

도 2 는 본 고안의 실시예에 따른 챔버내부의 종 단면도

도 3 은 본 고안의 결합상태를 도시한 전기적 결선도

도 4 은 본 고안에 따른 제어부의 결선상태를 도시한 블록도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

가 : 챔버 나 : 제어부

1 : 설정온도 조작부 2 : 설정 및 실제온도 표시창

3 : 현재온도 감지센서 4 : 실제온도 감지센서

5,5' : 고정 냉각형 열전소자 6,6' : 가변형 열전소자

7,7' : 릴레이 8,8' : 릴레이 접점

9 : 마이콤 10 : 열 흡수용 팬

11 : 방열판 12 : 급수관

12' : 배수관 13 : 수냉 케이스

14 : 외부 방열 케이스 15 : 내부 방열 케이스

16 : 단열재 17 : 온도 스위치

18 : 차단막

통상의 열전소자를 이용한 온도 실험장치에 있어서, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와같이 설정온도 조작부(1)와 설정온도 및 실제온도 표시창(2)이 전면 일측에 형성된 챔버(가)의 내부에 현재온도 감지센서(3) 및 이를 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 표준온도 산출 근사식으로 교정한 실제온도 감지센서(4)와; 직류전압의 세기와 극성이 일정하게 공급되는 다수개의 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와; 직류전압의 세기와 극성이 가변으로 공급되는 다수개의 가변형 열전소자(6)(6')와; 설정온도에 맞게 상기 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 작동을 다수의 릴레이(7)(7')에 의한 접점(8)(8')으로 제어하는 마이콤(9)이 내장된 제어부 (나)와; 상기 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 작동에 따른 열 흡수용 팬(10)이 포함된 방열판(11)를 설치하여서 됨을 특징으로 한 것이다.

여기서 온도조절 실험장치로 사용되는 챔버(가)에는 도 1에 도시한 바와 같이 일측 상하부에 냉각수가 순환되는 급수관(12)과 배수관(12')을 형성시킨 스테인레스 재질로 된 수냉 케이스(13)와; 이의 내벽으로 밀착 고정되는 열전도성이 높은 알루미늄 재질의 외부 방열 케이스(14)와 일정거리를 두고 장착된 동일 재질의 내부 방열 케이스(15)의 사이에 다수개의 직렬 결합된 고정 냉각형 열전소자(5)(5') 및 가변형 열전소자(6)(6')가 격설되는 사이틈으로 단열재(16)를 충진하고, 상기 내부 방열 케이스(15)의 내부에는 고정 냉각형 열전소자(5)(5') 및 가변형 열전소자(6) (6')가 외벽으로 고정된 내부 방열 케이스(15)의 내면 접합부에 열 흡수용 팬(10)을 부착한 방열판(11)이 장착되어 있으며, 외부 방열 케이스(14)의 일측에는 과열 방지용 온도 스위치(17)가 부착되어 있다.

도면중 미설명부호 18은 수냉 케이스(13)의 내부 중앙을 분리하는 차단막이다.

이와같이 된 본 고안은 온도 실험기로 사용되는 챔버(가)의 내부에 직류전압의 세기와 극성이 일정하게 인가되는 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와, 설정온도 및 실제온도의 온도차에 따라 직류전압의 세기와 극성이 가변으로 인가되는 가변형 열전소자(6)(6')를 각각 장착하여 피측정물에 대한 안정화 된 설정온도로 신속하고 정확하게 측정할 수 있게 한 것이므로 이의 실시예에 따른 작동과정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 피측정물이 들어있는 챔버(가)의 전면 일측에 부착된 설정온도 조작부 (1)를 조작하게 되면 챔버(가)의 설정온도와 실제온도가 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 세계 표준에 맞게 정확한 실제온도로 교정하는 표준온도 산출 근사식 {T= a + b Δt + c Δt²+ d Δt³}으로 교정 산출되어 표시창(2)에 나타남과 동시에 챔버(가)의 구동전원이 작동하여 상기 실제온도와 설정온도가 비교된 온도차를 마이콤(9)이 내장된 제어부(나)에서 검출하여 챔버(가) 내부에 일정간격으로 격설된 다수개의 고정 냉각형 열전소자(5)(5')의 냉각과 가변형 열전소자(6)(6')를 냉각 또는 가열하게 된다.

여기서 T= 세계표준으로 교정 산출된 실제온도 값을 나타내고, Δt= 지정된 세계 표준온도와 비교되는 온도의 차를 나타낸 값이며, 각각의 상수 a, b, c, d는 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 근사법에 의해 구해진 상수를 표시한 것이다.

그리고 상기 챔버(가)의 구동전원이 작동하게 되면 제어부(나)의 마이콤(9)에서는 현재온도를 세계 표준온도로 교정하여 감지하는 실제온도 감지센서(4)와 설정온도를 비교하여 가변형 열전소자(6)(6')와 알루미늄 재질의 내,외부 방열 케이스 (14),(15) 및 챔버(가) 내부를 포함한 각종 온도변화량을 전압으로 환산하고 이의 시간지연에 따른 오버슈트와 언더슈트와 같은 과도현상을 통상의 P.I.D 제어계에 의한 산출식{ V= P(T - st) + I(T - st)²+ D(T - st)³}으로 제거할 뿐 아니라 상기 설정온도와 실제온도가 같은 값이 되는 온도를 산출하여 가변형 열전소자(6) (6')에 인가되는 가변 전압값을 0V로 설정과 동시에 고정 냉각형 열전소자(5)(5')에 일정전압을 인가하게 되고, 상기 설정온도보다 실제온도가 낮으면 가변형 열전소자 (6)(6')에 브릿지 형태로 연결된 릴레이(7)(7')의 접점(8)(8')을 가열극성으로 변환 및 인가전압의 세기를 부(負)의 값으로 하여 가변형 열전소자(6)(6')가 챔버(가) 내부를 가열하게 되며, 상기 설정온도보다 실제온도가 높으면 반대로 가변형 열전소자 (6)(6')에 릴레이(7)(7')의 접점(8)(8')을 냉각극성으로 변환 및 인가전압의 세기를 정(正)의 값으로 하여 챔버(가) 내부를 냉각하게 된다.

이때 가변형 열전소자(6)(6')에 인가되는 가변전압의 세기가 P.I.D 제어계에 의한 산출식{ V= P(T - st) + I(T - st)²+ D(T - st)³}에 의해 정(正) 또는 부(負)의 값으로 변환될 때 릴레이(7)(7')에 인가되는 전압은 상승 또는 하강하여 0V를 기점으로 릴레이(7)(7')의 접점(8)(8')이 냉각극성 또는 가열극성으로 전환됨에 따라 극성이 변화될 때 접접(8)(8')간에 발생되는 아크(ARC)량이 최소로 되어 릴레이(7) (7')의 수명을 오랫동안 연장할 수 있게 된다.

이와같이 가변형 열전소자(6)(6')가 냉각극성으로 되면 고정 냉각형 열전소자 (5)(5')에 의해 일정속도로 냉각되고 있는 챔버(가) 내부의 냉각속도를 빠르게 하고, 가변형 열전소자(6)(6')가 가열극성으로 되면 저항성 반도체소자로 된 가변형 열전소자(6)(6')의 자체발열과 인가전압에 의한 가열이 합산되어 가열속도가 증가함으로서 냉각 또는 가열되는 챔버(가)의 냉각속도와 가열속도를 균형있고 신속하게 하며, 챔버(나) 내부의 온도가 설정온도로 도달될 때 오버슈트와 언더슈트와 같은 과도현상이 제거됨에 따라 가변형 열전소자(6)(6')에 인가되는 가변전압의 극성변화를 줄임으로서 보다 신속하고 안정화된 설정온도의 도달시간을 단축하게 된다.

여기서 상기 P.I.D 제어 산출식에 의한 V는 시간지연에 의한 과도현상이 3차방정식의 미적분으로 제거된 가변형 열전소자(6)(6')에 인가되는 가변전압을, T는 상기 세계표준으로 교정 산출된 실제온도 값을, st는 최초의 설정온도를 나타내고, 상수 P,I,D는 위치 및 미적분 요소를 나타내고 있다.

이때 실제온도 감지센서(4)가 부착된 챔버(가)의 내부에는 세계 표준온도로 교정되지 않은 현재온도 감지센서(3)와, 과열 방지용 온도 스위치(17)를 스테인레스 재질로 된 수냉 케이스(13)에 밀착 고정되는 열전도성이 높은 알루미늄 재질의 외부 방열 케이스(14)의 일측으로 부착시켜 각각의 감지센서(3),(4)에서 감지되는 현재온도와 실제온도가 일정온도 이상 차이가 발생되거나 과열 방지용 온도 스위치(17)가 특정온도 이상 상승할 때 구동전원을 차단함으로서 시스템의 안전한 구동을 할 수 있게 된다.

그리고 외부 방열 케이스(14)와 함께 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 양단 접합면을 고착하는 내부 방열 케이스(15)의 내면에는 열 흡수용 팬(10)이 부착된 방열판(11)을 상기 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 접합면과 대접되게 부착하고, 내부 중앙에 차단막(18)을 형성시킨 수냉 케이스(13)의 일측 상하부에 냉각수가 순환되는 급수관(12)과 배수관(12')을 형성시켜 열전도성이 높은 알루미늄 재질로 된 내부 방열 케이스(15)를 통해 냉각되는 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가열 또는 냉각되는 가변형 열전소자(6)(6')에서 발생되는 열을 방열판(11)에 부착된 흡수용 팬(10)으로 흡입하여 챔버(가)의 내부에 안치된 피측정물의 온도를 신속하게 설정온도로 도달되게 하고, 열전도성이 높은 알루미늄 재질로 된 외부 방열 케이스(14)를 통해 가열되는 고정 냉각형 열전소자(5) (5')와 가열 또는 냉각되는 가변형 열전소자(6)(6')에서 발생되는 열을 수냉 케이스 (13)의 내부를 순환하는 냉각수로 방열하게 되며, 내ㆍ외부 방열 케이스(14)(15)의 내부에 일정간격으로 격설되어 고착된 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 사이틈으로 열 이탈방지용 단열재(16)를 충진함으로서 양단 접합면에 가열과 냉각이 동시에 발생하는 각종 열전소자의 흡열과 방열이 내,외부 방열 케이스(14)(15)를 통해 챔버(가) 내부와 수냉 케이스(13)로 신속하게 전달되어 시스템의 열적 안정도를 높이게 된다.

이와같이 본 고안은 챔버(가)의 내부에 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')를 일정간격으로 격설하고 상기 가변형 열전소자(6)(6')에 인가되는 직류전압의 세기와 극성을 온도차이에 따라 가변시킴으로서 챔버(가) 내부의 냉각속도와 가열속도를 균형있게 증가시켜 설정온도의 도달시간을 단축할 수 있는 잇점이 있고, 또한 뉴튼이나 라그랑제의 표준온도 산출 근사식에 의한 정확한 실제온도와 설정온도를 비교하여 P.I.D 제어 산출식으로 시간지연에 의한 과도현상이 제거된 안정된 가변전압값을 가변형 열전소자(6)(6')에 인가함으로서 오버슈트나 언드슈트에 의한 릴레이(7)(7')의 극성변화와 접점(8))(8')간의 아크 발생량을 최소로 줄임으로서 릴레이(7)(7')의 수명을 연장시킬 뿐 아니라 안정하고 신속하게 도달된 설정온도로 정확한 피측정물의 온도를 측정 신뢰성을 높일 수 있는 그 효과가 매우 크다.

Claims (2)

1. 통상의 열전소자를 이용한 온도 실험장치에 있어서, 설정온도 조작부(1)와 설정온도 및 실제온도 표시창(2)(2')이 전면 일측에 형성된 챔버(가)의 내부에 현재온도 감지센서(3) 및 이를 수치해석에 의한 뉴튼이나 라그랑제의 표준온도 산출 근사식으로 교정한 실제온도 감지센서(4)와; 직류전압의 세기와 극성이 일정하게 공급되는 다수개의 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와; 직류전압의 세기와 극성이 가변으로 공급되는 다수개의 가변형 열전소자(6)(6')와; 설정온도에 맞게 상기 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 작동을 다수의 릴레이(7)(7')에 의한 접점(8)(8')으로 제어하는 마이콤(9)이 내장된 제어부(나)와; 상기 고정 냉각형 열전소자(5)(5')와 가변형 열전소자(6)(6')의 작동에 따른 열 흡수용 팬(10)이 포함된 방열판(11)를 설치하여서 됨을 특징으로 한 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치.
2. 제 1항에 있어서, 온도조절 실험장치로 사용되는 챔버(가)에는 일측 상하부에 냉각수가 순환되는 급수관(12)과 배수관(12')을 형성시킨 스테인레스 재질로 된 수냉 케이스(13)와; 이의 내벽으로 밀착 고정되는 열전도성이 높은 알루미늄 재질의 외부 방열 케이스(14)와 일정거리를 두고 장착된 동일 재질의 내부 방열 케이스 (15)의 사이에 다수개의 직렬 결합된 고정 냉각형 열전소자(5)(5') 및 가변형 열전소자(6)(6')가 격설되는 사이틈으로 단열재(16)를 충진하고, 상기 내부 방열 케이스 (15)의 내부에는 고정 냉각형 열전소자(5)(5') 및 가변형 열전소자(6)(6')가 외벽으로 고정된 내부 방열 케이스(15)의 내면 접합부에 열 흡수용 팬(10)을 부착한 방열판(11)이 장착되어 있으며, 외부 방열 케이스(14)의 일측에는 과열 방지용 온도 스위치(17)가 부착됨을 특징으로 한 열전소자를 이용한 온도조절 실험장치.