KR20100078596A - Cooling and heating box for a vehicle using thermoelectric element module and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 냉온장고에 있어서 냉장고에서 온장고로, 온장고에서 냉장고로 그 기능이 전환될 때, 열전소자 모듈 양단의 온도차를 측정하여 이 온도차가 허용범위보다 큰 경우에는 냉온장고의 전원을 차단하고, 온도차가 허용범위 이내인 경우에 비로소 냉온장고에 전원이 공급되도록 함으로써 급격한 온도 변화에 의해 열전소자 모듈이 열 충격을 받는 것을 방지하도록 한 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cold and cold refrigerator for a car using a thermoelectric module, and more particularly, when the function is switched from a refrigerator to a warmer, and from a warmer to a refrigerator in a cold or cold storage for the car, measuring the temperature difference across the thermoelectric module Therefore, if the temperature difference is larger than the allowable range, the power supply of the cold and cold cabinet is cut off, and when the temperature difference is within the allowable range, the power is supplied to the cold and cold cabinet to prevent the thermoelectric module from being thermally shocked by the sudden temperature change. It relates to a cold and cold refrigerator for cars using the thermoelectric module and a control method thereof.
최근에 생산되는 자동차에는 간단한 음료수 캔이나 소량의 음식물을 보관하기 위해 냉온장고를 설치하고 있으며, 이 냉온장고는 도 1에 보인 바와 같이 주로 조수석 앞에 위치된 글로브 박스(G)나, 전석의 중앙부에 위치된 콘솔 박스(C) 또는 후석 중앙에 위치된 암레스트(A) 등의 내부 공간에 설치되는데, 이하에서는 본 출원인이 출원한 공개특허공보 제2007-69058호에 개시된 암레스트의 내부 공간에 설치된 냉온장고를 기준으로 설명한다.Recently produced cars are equipped with cold and cold storage to store a simple drink can or a small amount of food, which is mainly shown in the glove box (G) located in front of the passenger seat, or in the center of all seats It is installed in the interior space of the console box (C) located or the armrest (A) located in the center of the rear seat, and is installed in the interior space of the armrest disclosed in the Patent Application Publication No. 2007-69058 Explain based on cold and hot.
도 2는 상기 문헌에 개시된 발명을 도시한 도면으로서 냉온장고(100)는 일측이 개방된 저장실(112)과, 상기 저장실(112)의 개방부를 개폐하는 커버(120)와, 상기 저장실(112)의 하부에 설치되는 열전소자 모듈(140)과, 상기 열전소자 모듈(140)의 외부에 설치되어 열전소자 모듈(140)에 또는 열전소자 모듈(140)로부터 열을 흡입/배출하는 덕트(130)와, 상기 덕트(130) 내의 공기를 차량 내외부로 인입/토출하는 배기팬(150)으로 이루어져 있다.FIG. 2 is a view illustrating the invention disclosed in the document. The cold /
상기와 같은 구조의 냉온장고(110)를 사용자가 냉장고로부터 온장고 또는 온장고로부터 냉장고로 그 기능을 전환하여 사용하고자 하는 경우 사용자가 기능전환 버튼(또는 기능선택 버튼)을 누르게 되면 냉온장고(110)에 공급되고 있던 전원의 극성이 반대로 전환되고, 이로 인해 한쪽에서는 흡열하고 반대쪽에서는 방열하던(또는 그 역으로 작동하던) 열전소자 모듈(140)의 기능이 그 즉시 전환되게 된다. If the user wants to use the cold or
상기와 같은 동작에 의해 열전소자 모듈(140)에 공급되는 전원의 극성이 급격하게 반대로 전환되게 되면 열전소자 모듈(140) 양단의 현저한 온도 차이에 의해 열전소자 모듈(140)에 상당한 열 충격이 가해지게 되는데, 이는 곧 냉온장고(110)의 핵심부품인 열전소자 모듈(140)의 고장의 원인이 될 뿐만 아니라 수명 단축의 원인이 되기도 한다.When the polarity of the power supplied to the
또한, 기능을 변경하기 위해 전원을 전환하는 것과는 상관없이 호기심 많은 어린이들에 의해 기능전환 버튼이 의미 없이 조작되기도 하는데, 이 경우에도 갑작스런 기능 전환동작에 의해 열전소자 모듈(140)에 상당한 열 충격이 가해지게 된다.In addition, regardless of switching power to change the function, the function switch button is operated by a curious children irrelevant, even in this case a significant thermal shock to the
본 발명은 상기와 같은 종래의 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 냉온장고의 기능이 전환될 때 전환 동작시에 열전소자 모듈에 곧바로 전원을 공급하지 않고 열전소자 모듈 양단의 온도차를 산출하여 그 온도차가 허용범위 이내에 도달하는 경우에 비로소 냉온장고에 전원을 공급함으로써 급격한 온도 변화에 의한 열 충격으로부터 열전소자 모듈을 보호할 수 있도록 한 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고 및 그 제어방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of a cold and cold refrigerator for a vehicle using the conventional thermoelectric module as described above, the present invention is to supply power directly to the thermoelectric module during the switching operation when the function of the cold and hot refrigerator is switched The thermoelectric module that calculates the temperature difference across the thermoelectric module without supplying it and supplies power to the cold and hot storage room only when the temperature difference reaches the allowable range so that the thermoelectric module can be protected from thermal shock due to rapid temperature change. An object of the present invention is to provide a cold and cold refrigerator for a car and a control method thereof.
상기와 같은 본 발명의 목적은 기능전환 버튼의 누름에 의해 그 기능이 전환되도록 신호를 받는 경우 곧바로 전원의 극성을 바꾸어 냉온장고에 공급하지 않고, 열전소자 모듈(40)의 양단의 온도차를 산출한 다음 그 온도차가 허용범위 이내에 도달되면 그때서야 비로소 전원의 극성을 바꾸어 전원을 공급하는 것에 의해 달성된다.An object of the present invention as described above is to calculate the temperature difference between the both ends of the
본 발명은 기능전환 버튼의 누름에 의해 그 기능이 전환되도록 신호를 받는 경우 곧바로 전원의 극성을 바꾸어 냉온장고에 전원을 공급하지 않고, 열전소자 모듈(40)의 양단의 온도차를 산출한 다음 그 온도차가 허용범위 이내에 도달되면 그때서야 비로소 전원의 극성을 바꾸어 냉온장고에 전원을 공급함으로써 냉온장고의 핵심부품인 열전소자 모듈에 가해지는 열 부하를 최소화하여 고장과 수명 단축의 의 원인을 미리 제거할 수 있다.According to the present invention, when the signal is switched by pressing a function switch button, the polarity of the power supply is immediately changed, and the temperature difference is calculated between both ends of the
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 구성과 실시 형태를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고의 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고의 주요부 구성도이며, 도 5는 본 발명의 냉온장고의 기능전환 동작의 순서를 나타낸 순서도이다.3 is a side cross-sectional view of a cold and cold refrigerator for a vehicle using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a configuration of the main part of a cold and cold refrigerator for a vehicle using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, 5 is a flowchart showing the procedure of the function switching operation of the cold and hot refrigerator of the present invention.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고(50)는 소량의 음식물을 보관하기 위한 저장실(52)과, 상기 저장실(52)을 개폐하는 커버(54)와, 상기 저장실(52)의 하부에 설치되어 저장실(52)에 열을 공급하거나 흡수하는 열전소자 모듈(40)과, 상기 열전소자 모듈(40) 의 외부를 감싸도록 설치되며 열전소자 모듈(40)로부터 발생되는 열을 배출하거나 또는 열전소자 모듈에 열을 공급하는 덕트(56)와, 상기 열전소자 모듈(40)의 양단의 전류를 측정하는 열전대(20)와, 상기 열전대(20)에 연결되어 열전대(20)로부터 흐르는 전류를 측정하여 온도차를 연산한 후 그 결과에 따라 냉온장고(50)에 극성이 바뀐 전원을 공급할지 여부를 결정하는 컨트롤러(30)를 포함한다.3 to 5 together, the cold and
그 내부에 소량의 음식물을 보관하기 위한 저장실(52)은 통상 조수석 앞에 위치된 글로브 박스(G)나, 전석의 중앙부에 위치된 콘솔 박스(C) 또는 후석 중앙에 위치된 암레스트(A) 등의 내부 공간에 설치되고, 이 저장실(52) 외부에는 단열재가 충전되어 있어 주위와의 열전달에 의해 저장실(52) 내부의 온도가 변하는 것을 최소화되도록 한다. The
저장실(52)의 상부에는 저장실(52)에 저장된 음식물 등을 쉽게 인출할 수 있도록 저장실(52)을 개폐하는 커버(54)가 설치되고, 저장실(52)의 하부에는 저장실(52)에 열을 공급하거나 흡수하는 열전소자 모듈(40)이 설치된다.A
열전소자 모듈(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 N형 반도체 열전소자와 P형 반도체 열전소자가 교대로 배열되며, 이들 반도체 열전소자들은 전기적으로 직렬 접속되어 있는데, 이를 위해 반도체 열전소자들의 상부 및 하부 표면에는 각각 상부전극연결판(42a)과 하부전극연결판(42b)이 반도체 열전소자들에 직렬로 연결되도록 교대로 반도체 열전소자의 표면에 납땜에 의해 부착되어 있으며, 이들 반도체 열전소자들에는 좌우측단에 위치하는 하부전극열결판(42b)을 통해 DC 전원이 공급된다.In the
그리고 상부전극연결판(42a) 및 하부전극연결판(42b)의 외부에는 각각 금속화된 세라믹 기판(44a, 44b)이 설치되고, 이들 반도체 열전소자들과 상하부전극연결판(42a, 42b) 및 세라믹 기판(44a, 44b)이 함께 조립되어 열전소자 모듈(40)을 구성한다. Metalized
상기와 같은 구성으로 이루어진 열전소자 모듈(40)에 전선을 연결하여 DC 전원을 공급하게 되면 열이 발생되거나 열을 흡수하게 되는데, 이하에서는 이에 대해 설명한다.When the DC power is supplied by connecting a wire to the
먼저, 열전소자 모듈(40)의 좌우측단의 하부전극을 통해 전원을 공급할 때 N형 반도체측이 +(plus)가 되고, P형 반도체측이 -(minus)가 되도록 DC 전원을 공급하게 되면, 전류가 N형 반도체 소자로부터 P형 반도체 소자로 흐르게 되고, 이때 펠티에(Peltier) 효과(두 종류의 금속을 접합하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상)에 의해 열전소자 모듈의 상부에는 흡열반응이 일어나고, 하부에는 발열반응이 일어나게 된다.First, when the DC power is supplied such that the N-type semiconductor side becomes + (plus) and the P-type semiconductor side becomes-(minus) when power is supplied through the lower electrodes at the left and right ends of the
이와 반대로 열전소자 모듈에 전원을 공급할 때 P형 반도체측이 +(plus)가 되고, N형 반도체측이 -(minus)가 되도록 DC 전원을 공급하게 되면, 이번에는 전류가 P형 반도체 소자로부터 N형 반도체 소자로 흐르게 되고, 펠티에(Peltier) 효과에 의해 열전소자 모듈의 상부에는 발열반응이 일어나고 하부에는 흡열반응이 일어나게 된다.On the contrary, if DC power is supplied such that the P-type semiconductor side becomes + (plus) and the N-type semiconductor side becomes-(minus) when supplying power to the thermoelectric element module, this time, the current flows from the P-type semiconductor element to N. It flows into the semiconductor device, the exothermic reaction occurs in the upper portion of the thermoelectric element module due to the Peltier effect and the endothermic reaction occurs in the lower portion.
이를 달리 표현하면, N형 반도체측을 +극, P형 반도체측을 -극이 되도록 DC 전원을 공급하는 N-P형 반도체 열전소자인 경우 그 상부는 냉각 접합부(CJ, Cooling Junction)로서 기능하고, 그 하부는 가열 접합부(HJ, Heating Junction)로서 기능하며, 반대로 P형 반도체측을 +극, N형 반도체측을 -극이 되도록 전원의 극성을 바꾸어 전원을 공급하면 P-N형 반도체 열전소자로 되어 냉각 접합부(CJ)와 가열 접합부(HJ)의 위치 및 기능이 서로 바뀌게 된다.In other words, in the case of an NP type semiconductor thermoelectric element supplying DC power such that an N-type semiconductor side is a + pole and a P-type semiconductor side is a-pole, the upper portion functions as a cooling junction (CJ). The lower part functions as a heating junction (HJ). On the contrary, when the power is supplied by changing the polarity of the power so that the P-type semiconductor side becomes the + pole and the N-type semiconductor side becomes the-pole, it becomes a PN-type semiconductor thermoelectric element. The positions and functions of the CJ and the heat-junction HJ are changed to each other.
상기와 같은 기능을 가진 열전소자 모듈(40)은 냉온장고(50)의 저장실(52)의 바닥측에 설치되어 전류의 흐름 방향에 따라 열전소자 모듈(40)로부터 발생되는 고온의 열 또는 냉기를 저장실(52)에 공급하고, 이 저장실(52)로부터 배출되는 냉기 또는 고온의 열을 그 반대편에 설치된 방열핀(48)에 의해 덕트(56) 내로 방출된다.The
그리고 저장실(52)의 하부에 설치되어 냉온장고(50)에 열을 공급하거나 냉온장고(50)로부터 발생된 열을 배출하는 덕트(56)는 실내측과 연결된 흡입덕트(56a)와 실외측과 연결된 배기덕트(56b)로 이루어져 자동차의 실내측과 실외측을 서로 연통시킨다.In addition, the
상기와 같은 구조로 된 냉온장고(50)가 예를 들어, 냉장고 기능을 하고 있을 때 갑자기 전원의 극성을 바꾸어 공급하게 되면, 즉, 온장고로서의 기능을 하도록 전원의 극성을 바꾸게 되면 그 과정에서 앞에서 설명한 바와 같이 열전소자 모듈(40)에 열 충격이 가해질 수 있다.For example, when the cold /
이에 따라 본 발명에서는 냉장고에서 온장고 혹은 온장고에서 냉장고로 그 기능이 급작스럽게 전환됨으로써 열전소자 모듈(40)에 열 충격이 가해지는 것을 방지하기 위해 열전소자 모듈(40)의 양단의 온도차를 측정하여 그 온도차가 허용범위 이내에 도달하게 되면 비로소 극성이 바뀐 전원을 공급하여 전환된 기능대로 동작 되게 한다.Accordingly, the present invention measures the temperature difference between both ends of the
이를 위해 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 열전소자 모듈(40)의 상하부면에 각각 열전대(20)의 감지봉(22, 24)을 부착 설치하여 열전소자 모듈(40)의 상하부의 표면온도의 차이에 따라 발생되는 열기전력에 의한 전류를 측정한다.To this end, in the present invention, as shown in FIG. 4, the
열전소자 모듈(40)의 상하부면 사이의 온도차를 측정하기 위한 방안으로 상하부에 각각 하나씩의 온도센서를 부착하여 이들 온도센서들로부터 감지되는 온도에 의해 온도차를 산출할 수도 있으나, 이 경우 구성이 복잡하고 비용도 많이 들기 때문에 본 발명에서는 온도차 검출 수단으로서 2개의 온도 센서를 사용하는 대신에 양단의 온도 차이에 따라 열기전력이 발생되는 열전대(20, Thermocouple)를 사용한다.In order to measure the temperature difference between the upper and lower surfaces of the
컨트롤러(30)는 상기 열전대(20)와 연결되어 열전대(20)에 흐르는 전류를 측정하여 열전소자 모듈(40)의 상하부면 간의 온도차를 산출한 다음, 온도차가 설정된 허용범위 이내인지 여부를 판단하여 온도차가 허용범위보다 크면 냉온장고(50)로의 전원이 공급되는 것을 차단하고, 그 온도차가 허용범위 이내에 도달되면 비로소 그 기능이 전환되도록 전원의 극성을 바꾸어 공급하여 냉장고에서 온장고 또는 온장고에서 냉장고로 그 기능을 전환시켜 동작되도록 한다.The
이때 열전대(20)에 의해 생성되는 전류값은 온도차에 따라 다를 뿐만 아니라, 그 외 배선 길이, 열전대 설치 방법 및 주위의 환경 등에 따라서도 달라질 수 있으므로 사전 시험을 통해 실제의 열전대(20)의 전류와 온도차 간의 관계에 따라 "온도-전류값 관계식"을 구하여 이 관계식에 의해 온도차를 구함으로써 정확한 온 도차가 산출되도록 한다.In this case, the current value generated by the
그리고 열전소자 모듈(40)의 상하부면 간의 허용온도차를 어느 범위로 결정할지는 상황에 따라 다를 수 있으나, 지나치게 허용온도 범위를 작게 하면 그 상태까지 도달하는 데에 많은 시간이 걸리게 되므로 소요시간과 열 부하를 감안하면서 실험을 통해 적절히 설정하는 것이 바람직하며, 이때 정해진 허용온도 범위를 미리 컨트롤러(30)에 입력해 두어야 한다.The range of the allowable temperature difference between the upper and lower surfaces of the
이하에서는 상기와 같이 이루어진 본 발명의 냉온장고를 운전하는 방법에 대해 기술한다. Hereinafter will be described a method for operating the cold and hot refrigerator of the present invention made as described above.
일반적으로 열전소자 모듈(40)을 이용한 냉온장고(50)는 주로 여름철에는 냉장고로 사용되며 겨울철에는 온장고로 사용되는데, 냉온장고(50)를 냉장고 용도로 사용하는 경우 일반적으로 저장실(52)의 온도는 -10∼-4℃이고, 온장고 용도로 사용하는 경우의 저장실(52)의 온도는 50∼60℃이다. In general, the cold and
이러한 조건하에서 일예로 냉장고로 사용하다가 사용자가 기능전환 버튼(도시하지 않음)을 눌러 온장고로 그 기능 전환을 선택하게 되면(S1 단계), 컨트롤러(30)는 열전대(20)를 통해 먼저 열전소자 모듈(40)의 상하부면 간의 온도차를 산출한 다음(S2 단계), 감지된 온도차가 설정된 허용범위 이내인지 여부를 판단하고(S3 단계), 산출된 온도차가 허용범위보다 크면 냉장고로의 전원 공급을 차단한다. Under these conditions, for example, when the user presses a function switch button (not shown) and selects a function switch to a warmer box (step S1), the
전원이 차단되면 저장실 주위의 온도, 즉 자동차의 실내온도가 그 보다 높은 상태이기 때문에 저온상태이던 저장실(52) 내부의 온도는 서서히 상승하게 되고, 고온상태이던 덕트(56)측의 온도는 서서히 하강하게 되며, 이에 따라 열전소자 모듈(40)의 상하부면 간의 온도차가 줄어들게 된다.When the power is cut off, the temperature around the storage compartment, i.e., the indoor temperature of the vehicle, is higher than that, so that the temperature inside the
이때 컨트롤러(30)는 지속적으로 열전대(20)를 통해 열전소자 모듈(40)의 상하부면 간의 온도차를 계속 모니터링하여 온도차가 여전히 허용범위보다 크면 계속 상기 과정을 반복하고(S4 단계), 온도차가 허용범위 이내이면 그때서야 비로소 냉온장고에 전원을 역으로 공급하여(S5 단계) 이제는 온장고로서의 기능을 수행하도록 한다.At this time, the
상기에서는 냉온장고(50)를 냉장고에서 온장고로 그 기능을 전환할 때를 예를 들어 설명하였으나, 온장고에서 냉장고로 그 기능이 전환될 때도 동일한 순서와 로직에 의해 수행되므로 이에 대한 설명은 생략한다.In the above description, for example, when the function of switching the cold /
도 1은 일반적인 자동차의 내부에 냉온장고가 설치된 것을 나타낸 개략도,1 is a schematic view showing that a cold and hot refrigerator is installed inside a typical vehicle;
도 2는 종래의 자동차용 냉온장고의 내부 구성을 알 수 있는 측단면도,Figure 2 is a side sectional view showing the internal configuration of a conventional cold and cold storage for cars,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고의 측단면도,Figure 3 is a side cross-sectional view of a cold and cold refrigerator for cars using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 모듈을 이용한 자동차용 냉온장고의 주요부 구성도,4 is a configuration of the main part of a cold and cold refrigerator for cars using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 냉온장고의 기능전환 동작의 순서를 나타낸 순서도이다.Figure 5 is a flow chart showing the procedure of the function switching operation of the cold and hot refrigerator of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
20: 열전대 22, 24: 감지봉20:
30: 컨트롤러 40: 열전소자 모듈30: controller 40: thermoelectric module
42a: 상부전극연결판 42b: 하부전극연결판42a: upper
44a: 상부 세라믹 기판 44b: 하부 세라믹 기판44a: upper
46: 열전소자 48: 방열핀46: thermoelectric element 48: heat dissipation fin
50: 냉온장고 52: 저장실50: cold storage 52: storage room
54: 커버 56: 덕트54: cover 56: duct
56a: 흡입덕트 56b: 배출덕트56a:
58: 배기팬58: exhaust fan
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KR20120056597A (en) * | 2010-11-25 | 2012-06-04 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell stack |
KR20120120905A (en) * | 2011-04-25 | 2012-11-02 | 델피 테크놀로지스 인코포레이티드 | Thermoelectric heat exchanger capable of providing two different discharge temperatures |
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2008
- 2008-12-30 KR KR1020080136898A patent/KR101514077B1/en active IP Right Grant
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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