KR20110091285A

KR20110091285A - 열제어 모듈 및 이를 포함하는 항온조 모듈

Info

Publication number: KR20110091285A
Application number: KR1020100011047A
Authority: KR
Inventors: 권재용; 김정환; 강태원; 강노원
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-11
Also published as: KR101132772B1

Abstract

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양은 항온공간이 형성된 제1금속실드와, 상기 제1금속실드를 둘러싸고 외면에 제1항온유지장치가 밀착형성되는 제2금속실드와, 상기 제2금속실드를 둘러싸고 외면에 제2항온유지장치가 밀착형성되는 제3금속실드를 포함하고, 상기 제1금속실드와 제2금속실드 및 제3금속실드 사이에는 각각 단열재가 충진된 항온용기와,
상기 제1항온유지장치와 제2항온유지장치의 온도를 제어하는 온도제어부 및
상기 항온용기 외부에 형성되어 상기 제2항온유지장치 및 제1항온유지장치와 관으로 연결되는 유체공급장치를 포함하여 간단한 구성으로 미세한 온도제어가 가능한 항온조 모듈에 관한 것이다.

Description

열제어 모듈 및 이를 포함하는 항온조 모듈{THERMOSTATIC BATH MODULE}

본 발명은 항온조 모듈에 관한 것으로서 더욱 자세하게는 2중 항온구성에 의하여 항온유지가 용이하고 구성이 간단한 열제어 모듈 및 이를 포함하는 항온조 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 항온조는 온도의 영향을 배제해야 하는 실험 및 측정에 반드시 필요한 주요기구이다. 그러나 일정 수준의 항온환경을 얻기 위해서는 냉각, 가열을 반복하는 정밀한 온도제어가 필요하므로 쉽게 구현하기 어려운 문제가 있다.

최근에는 열전소자를 이용하여 공급전력량을 조절함으로서 정밀항온제어를 가능하게 하는 기술이 개발되고 있다.

이러한 열전소자는 n, p type 열전쌍(Thermo couple)을 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬이 되도록 연결한 모듈의 형태로 구성되어있다. 직류 전류를 흘렸을 때는 열전효과에 의해서 모듈의 양면에 온도차가 발생하게 된다. 이는 일반적으로 펠티어(Peltier) 현상에 의해 나타나는 냉각효과를 이용하는 고체식 힛펌프(solid state heat pump)를 말한다.

상기 열전소자의 경우 한쪽 면을 가열(냉각)하면 반드시 그 반대쪽이 냉각(가열)이 되므로 적절한 heat sink를 장치하여야 온도제어가 가능하다.

그러나 기존의 능동 공랭식 heat sink의 경우 충분환 열교환이 일어나지 못하여 항온조 내의 열 순환을 촉진하게 되어 전체적인 온도제어가 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 구성이 간단하면서도 미세한 온도의 항온유지가 가능한 열제어 모듈 및 이를 포함한 항온조 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양은 항온공간이 형성된 제1금속실드와, 상기 제1금속실드를 둘러싸고 외면에 제1항온유지장치가 밀착형성되는 제2금속실드와, 상기 제2금속실드를 둘러싸고 외면에 제2항온유지장치가 밀착형성되는 제3금속실드를 포함하고, 상기 제1금속실드와 제2금속실드 및 제3금속실드 사이에는 각각 단열재가 충진된 항온용기와,

상기 제1항온유지장치와 제2항온유지장치의 온도를 제어하는 온도제어부 및

상기 항온용기 외부에 형성되어 상기 제2항온유지장치 및 제1항온유지장치와 관으로 연결되는 유체공급장치를 포함한다.

이때 상기 온도제어부는 상기 제1금속실드과 제2금속실드에 부착된 온도센서에 의하여 온도를 측정하여 제1항온유지장치와 제2항온유지장치를 제어한다.

상기와 같은 구성에 의하여 열제어 모듈의 구성이 간단하면서도 미세한 온도제어가 가능하며, 복수 개의 항온유지장치가 설치된 경우에도 서로 간의 열 교환이 일어나지 않는 장점이 있다.

또한, 항온용기가 2중 구조로 형성되어 더욱 정밀한 온도제어가 가능하게 되며, 온도제어부가 항온조 내부의 온도를 측정하여 온도변화를 제어하므로 항온유지가 뛰어난 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열제어모듈의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 항온유지장치의 사시도,
도 3은 도 2의 AA방향 단면도,
도 4는 항온대상체에 복수 개의 항온유지장치가 설치된 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 항온조 모듈의 개념도,
도 6은 외부온도와 제3금속실드 및 제2금속실드의 내부온도변화를 나타내는 그래프,
도 7은 외부온도와 항온공간의 내부온도 변화량을 나타내는 그래프.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 출원에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열제어모듈의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 항온유지장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 AA방향 단면도이고, 도 4는 항온대상체에 복수 개의 열제어모듈이 설치된 평면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 열제어모듈은 항온유지장치(100)와 상기 항온유지장치(100)에 유체를 공급하는 유체공급장치(300) 및 상기 항온유지장치(100)를 제어하는 온도제어부(200)로 구성된다.

먼저 상기 항온유지장치(100)는 제1열전도판(110), 상기 제1열전도판(110)에 적층되는 펠티어 모듈(120), 상기 펠티어 모듈(120)에 대응되는 크기로 적층되는 제2열전도판(130) 및 상기 제2열전도판(130)으로부터 열을 흡수 또는 공급하는 열교환부(140)를 포함하여 구성된다.

상기 제1열전도판(110)은 열전도가 우수한 금속재질로서 판상으로 형성되어 항온대상체(A)의 상면에 밀착되어 상기 펠티어 모듈(120)에서 방출된 열을 항온대상체(A)에 전달하는 역할을 수행하게 된다.

이때 항온대상체(A)에 상기 제1열전도판(110)이 고정될 수 있도록 상기 제1열전도판(110)의 모서리에는 홈(111)이 형성되어 있다.

상기 제1열전도판(110)의 상면에 형성된 펠티어 모듈(120)은 도면에 도시되지 않았지만 복수 개의 P-N 반도체가 결합되고 그 상하면에 금속판이 형성되고 각각의 금속판에 전류가 통하지 않는 세라믹 기판이 적층되어 구성된다.

상기 펠티어 모듈(120)은 전류의 방향에 따라 제1열전도판(110)을 가열 또는 냉각하게 되고 상기 제1열전도판(110)의 대응되게 제2열전도판(130)을 냉각 또는 가열하게 된다.

즉, 제1열전도판(110)이 가열되면 이에 상응되게 제2열전도판(130)이 냉각되게 되는 것이다 . 이는 전류가 흐를 때 정공이 금속의 에너지를 빼앗아 이동하는 펠티어 효과에 의한 것이다.

상기 펠티어 모듈(120)의 상에는 상기 펠티어 모듈(120)과 동일한 크기의 제2열전도판(130)이 적층되어 상기 펠티어 모듈(120)에서 방출되는 열을 효과적으로 전달하는 역할을 한다.

상기 제2열전도판(130)의 상면에는 방출되는 열을 교환할 수 있는 열교환부(140)가 형성되는데 이러한 열교환부(140)는 유체 유입공(142)과 토출공(141) 및 유체가 유입되어 열교환하는 저수통(143)을 포함한다.

상기 유입공(142)에 유체가 유입되어 상기 저수통(143)에 저수되는 동안 상기 제2열전도판(130)의 열을 흡수하고 상기 토출공(141)을 통하여 유체를 배출하여 제2열전도판(130)과 열교환을 수행하게 된다.

이때 상기 제2열전도판(130)이 발열하는 경우에는 상기 열교환부(140)가 제2열전도판(130)의 열을 흡수하는 역할을 수행하며, 상기 제2열전도판(130)이 냉각되는 경우에는 상기 열교환부(140)가 상기 제2열전도판(130)에 열을 공급하는 역할을 수행하게 된다.

이러한 구성에 의하여 상기 펠티어 모듈(120)에 전류가 인가되어 제1열전도판(110)이 가열되는 경우 제1열전도판(110)은 항온대상체(A)에 열을 전달하여 항온을 유지하게 하고, 냉각된 제2열전도판(130)은 상기 열교환부(140)에 의하여 열을 교환하게 되어 열에너지가 역류하지 않게 된다.

만약 제2열전도판(130)의 발열 정도나 냉각 정도가 일반 유체의 온도로는 충분히 열교환하기 어려운 경우에는 상기 유체가 냉각 또는 가열되어 상기 열교환부(140)에 공급함으로서 제2열전도판(130)과 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록 구성할 수도 있다.

상기 하우징(150)은 도 1과 같이 일면이 개방된 박스형상으로 형성되어 상기 제1열전도판(110)과 결합함으로서 내부에 상기 펠티어 모듈(120), 제2열전도판(130) 및 열교환부(140)가 포함되는 공간이 형성되도록 구성된다.

이러한 구성에 의하여 펠티어 모듈(120)에 의하여 발생되는 열에너지가 외부로 방출되지 않는 장점이 있으며, 상기 하우징(150)은 단열재질로 구성되어 제1열전도판(110)과 제2열전판의 온도차이가 큰 경우에도 상기 하우징(150)을 통하여 외부로 열전달이 일어나지 않도록 구성된다.

그러나 이러한 하우징(150)의 구성은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 실시예에 맞게 다양하게 변형하여 구성될 수 있다.

예를 들면, 도 2와 같이 제1고정부(161)와 제2고정부(162)로 분리되어 상기 제1고정부(161)가 상기 제1열전도판(110)에 결합되고 제2고정부(162)가 제1고정부(161)와 결합핀(163)에 의하여 고정되어 상기 제1고정부(161)와 제2고정부(162) 사이에 상기 펠티어 모듈(120),제2열전도판(130) 및 열교환부(140)가 고정되는 구성을 가질 수도 있다.

상기 온도제어부(200)는 상기 항온대상체(A)의 외면에 형성된 온도센서(210)에 의하여 항온대상체(A)의 온도 정보를 받아 상기 펠티어 모듈(120)의 발열량을 결정하여 펠티어 모듈(120)에 인가되는 전류량을 제어한다.

상기 온도제어부(200)는 일반적으로 상기 항온유지장치(100)의 외부에 설치되어 작동될 수 있으나 소형 온도제어부(200)를 상기 항온유지장치(100) 내부에 삽입하도록 구성될 수도 있음은 자명하다.

상기 유체공급장치(300)는 외부에 설치되고 유체가 저장된 펌프(미도시)와 상기 펌프의 유체를 상기 항온유지장치(100)의 열교환부(140)로 유입 및 배출하는 연결관(미도시)을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 유체공급장치(300)는 온도컨트롤러(미도시)를 포함하여 상기 펠티어 모듈(120)에서 방출되는 열이 높아 일반 유체로는 충분한 열 교환이 어려운 경우 유체의 온도를 조절하여 열 교환이 가능하도록 조절할 수 있다.

도 4를 참고할 때 항온대상체(A)의 면적이 커서 복수 개의 항온유지장치(100)가 형성되는 경우 상기 유체공급장치(300)는 어느 하나의 항온유지장치(100A)의 유입공(142)과 연결되는 제1연결관(320)과, 상기 항온유지장치(100A)의 토출공(141)과 이웃한 항온유지장치(100B)의 유입공(142)에 연결되는 제2연결관(330) 및 상기 이웃한 항온유지장치(100B)의 토출공(141)과 상기 펌프에 연결되는 제3연결관(310)으로 구성된다.

따라서 최초 유체공급장치(300)를 통하여 어느 하나의 항온유지장치(100A)에 공급된 유체가 이웃한 항온유지장치(100B)를 거쳐 다시 유체공급장치(300)로 순환되게 된다.

상기 온도컨트롤러는 전체 순환되는 열에너지를 산출하여 유체의 온도를 조절하게 된다.

또한 항온유지장치(100)가 더 설치되는 경우에도 상기 유체공급장치(300)에서 배출된 유체가 전체 항온유지장치(100)에 순환되고 배출될 수 있도록 적절하게 조절될 수 있음은 자명하다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 항온조 모듈의 개념도이고, 도 6은 외부온도와 제3금속실드 및 제2금속실드의 내부온도변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 외부온도와 항온공간의 내부온도 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 실시예에 따른 항온조 모듈은 크게 항온용기(70)와 온도제어부(200) 및 유체공급장치(300)로 구성된다.

상기 항온용기(70)는 항온공간(P)이 형성된 제1금속실드(10)와, 상기 제1금속실드(10)를 둘러싸고 외면에 제1항온유지장치(100C)가 밀착형성되는 제2금속실드(20)와, 상기 제2금속실드(20)를 둘러싸고 외면에 제2항온유지장치(100D)가 밀착형성되는 제3금속실드(30)를 포함하고, 상기 제1금속실드(10)와 제2금속실드(20) 및 제3금속실드(30) 사이에는 각각 단열재(40)가 충진되어 구성된다.

제1금속실드(10)는 항온대상체가 위치하는 항온공간(P)을 형성하고 열전달이 용이한 금속재질로 형성된다.

상기 제1금속실드(10)는 제2금속실드(20)에 포함되며 상기 제1금속실드(10)와 제2금속실드(20) 사이에는 단열재(40)가 충진되어 제2금속실드(20)의 온도가 변화하는 경우에도 제1금속실드(10)의 온도는 단열재(40)에 의하여 둘러싸여 온도의 변화폭이 상대적으로 적도록 설계된다.

상기 제2금속실드(20)의 외면에는 제1항온유지장치(100C)가 형성되어 제2금속실드(20)의 내부 온도를 제어하게 된다.

그러나 앞서 설명한 바와 같이 제1금속실드(10)의 온도는 제2금속실드(20)의 내부온도에 민감한 영향을 받지 않으므로 제2금속실드(20)의 온도를 조절하여 더욱 정밀하게 제1금속실드(10)의 내부온도의 항온을 유지하도록 구성할 수 있다.

제3금속실드(30)는 상기 제2금속실드(20)를 포함하고 그 사이에 단열재(40)가 충진되어 있고 외면에 제2항온유지장치(100D)가 밀착형성되어 있다.

이러한 항온용기(70)의 2중 구조에 의하여 외부온도가 급격하게 변화하는 경우에도 1차적으로 제2항온유지장치(100D)에 의하여 제3금속실드(30)의 내부온도를 조절하고, 2차적으로 제1항온유지장치(100C)에 의하여 제2금속실드(20)의 내부온도를 조절하게 되어 항온유지 효과가 더욱 뛰어나게 되며, 더욱 정밀한 항온 유지가 가능하게 된다.

예를 들면 주변 온도가 10℃이고 항온 목표온도가 70℃인 경우 제2항온유지장치(100D)가 목표온도에 맞게 70℃의 열을 방출하여도 실제 외부온도와의 열교환에 의하여 제2금속실드(20)의 온도가 69℃로 형성되는 경우, 제1항온유지장치(100C)가 다시 70℃를 유지하도록 열을 방출하여 최종 항온공간의 온도는 70℃가 정확하게 유지되도록 미세하게 조절하는 것이다.

이러한 구성은 항온대상체가 항온목표온도와 0.001℃ 차의 미세한 온도에도 민감한 경우 더욱 효과적으로 작용하게 된다.

상기 제1항온유지장치(100C)와 제2항온유지장치(100D)의 구체적인 구성은 앞서 설명한 열전달 모듈의 항온유지장치(100)와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

상기 온도제어부(200)는 상기 제1항온유지장치(100C)와 제2항온유지장치(100D)에 연결되어 가열 또는 냉각온도를 제어하게 된다. 이때 상기 온도제어부(200)는 제1금속실드(10)에 형성된 제1온도센서(210)에 의하여 항온공간의 온도를 주기적으로 측정하고, 제2금속실드(20)의 온도를 측정하는 제2온도센서(220)와 제3금속실드(30)의 온도를 측정하는 제3온도센서(230)를 구비할 수 있다.

이러한 구성에 의하여 제3금속실드(30)의 온도 정보와 항온공간(P)의 목표온도 차이를 산출하여 제2항온유지장치(100D)를 가동하고, 제2금속실드(20)의 온도와 항온공간(P)의 목표온도 차이를 산출하여 제1항온유지장치(100C)를 가동한다.

그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2온도센서(220)와 제1온도센서와(210)의 차이를 산출하여 상기 제1항온유지장치(100C)와 제2항온유지장치(100D)를 제어하도록 구성할 수도 있다.

상기 유체공급장치(300)는 외부에 형성되어 유체를 공급하는 펌프와 제1항온유지장치(100C)와 제2항온유지장치(100D)에 유체를 공급하고 배출하는 관을 포함한다.

따라서 최초 유체공급장치(300)를 통하여 제1항온유지장치(100C)에 공급된 유체가 제2항온유지장치(100D)를 거쳐 다시 유체공급장치(300)로 순환되게 된다.

또한, 상기 유체공급장치(300)는 온도컨트롤러를 구비하여 전체 순환되는 열에너지를 산출하여 유체의 온도를 조절할 수도 있다.

도 6을 참고할 때 외부온도가 시간에 따라 큰 폭으로 변화하는 경우에도 제3금속실드(30)의 내부온도는 외부온도 변화에 비하여 온도변화가 줄어들었음을 알 수 있고, 제2금속실드(20)의 내부온도는 거의 없음을 알 수 있다.

또한, 도 7을 참고할 때 시간의 경과함에 따라 외부온도가 랜덤하게 변화하는 경우에도 제1금속실드(10)의 항온공간의 온도변화량은 시간에 따라 수렴하여 일정시간이 경과하면 안정상태로 유지되고 있음을 알 수 있다.

10: 제1금속실드 20: 제2금속실드
30: 제3금속실드 40: 단열재
70: 항온조 100: 항온유지장치
110: 제1열전도판 120: 펠티어 모듈
130: 제2열전도판 140: 열교환부
150: 하우징 160: 고정부
200: 온도제어부 300: 유체공급장치

Claims

항온공간이 형성된 제1금속실드와, 상기 제1금속실드를 둘러싸고 외면에 제1항온유지장치가 밀착형성되는 제2금속실드와, 상기 제2금속실드를 둘러싸고 외면에 제2항온유지장치가 밀착형성되는 제3금속실드를 포함하고, 상기 제1금속실드와 제2금속실드 및 제3금속실드 사이에는 각각 단열재가 충진된 항온용기;
상기 제1항온유지장치와 제2항온유지장치의 온도를 제어하는 온도제어부; 및
상기 항온용기 외부에 형성되어 상기 제2항온유지장치 및 제1항온유지장치와 관으로 연결되는 유체공급장치를 포함하는 항온조 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1항온유지장치와 제2항온유지장치는 제1열전도판, 상기 제1열전도판에 적층되는 펠티어모듈, 상기 펠티어모듈에 대응되는 크기로 적층되는 제2열전도판 및 상기 제2열전도판으로부터 열을 흡수 또는 공급하는 열교환부를 포함하는 항온조 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1열전도판, 펠티어모듈 및 제2열전도판 사이에는 열 페이스트(Thermal paste)가 형성된 항온조 모듈.
제2항에 있어서,
상기 열교환부는 유체 유입공과 토출공 및 유체가 유입되어 열교환하는 저수통을 포함하는 항온조 모듈.
제1항에 있어서,
상기 온도제어부는 상기 제1금속실드과 제2금속실드에 부착된 온도센서에 의하여 온도를 측정하여 제1항온유지장치와 제2항온유지장치를 제어하는 항온조 모듈.
제5항에 있어서,
상기 온도제어부는 상기 제3금속실드에 부착된 온도센서를 더 포함하는 항온조 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1항온유지장치와 제2항온유지장치는 상기 펠티어모듈, 제2열전도판 및 열교환부를 상기 제1열전도판에 고정하는 단열재질의 고정수단을 포함하는 항온조 모듈.
제7항에 있어서,
상기 고정수단은 상기 제1열전도판과 결합하여 내부에 상기 펠티어모듈,제2열전도판 및 열교환부가 삽입되는 공간이 형성되는 하우징인 항온조 모듈.
제7항에 있어서,
상기 고정수단은 제1고정부가 상기 제1열전도판에 결합되고 제2고정부가 제1고정부와 결합하여 상기 제1고정부와 제2고정부 사이에 상기 펠티어모듈,제2열전도판 및 열교환부가 고정되는 항온조 모듈.