KR20160049514A - 열전소자 복합 특성 평가장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자의 발전 특성 또는 냉각 특성과 같은 복합 특성을 모두 평가할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자에 전류 또는 열을 공급할 수 있는 수단과 발전감지 및 온도감지수단을 동시에 구비하여 열전소자의 발전성능은 물론 냉각특성까지 평가가 가능한 열전소자 복합 특성 평가장치에 관한 것이다.

Description

열전소자 복합 특성 평가장치{Complex Specifics Testing Apparatus for Thermoelectric Element}

본 발명은 열전소자의 발전 특성 또는 냉각 특성과 같은 복합 특성을 모두 평가할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자에 전류 또는 열을 공급할 수 있는 수단과 발전감지 및 온도감지수단을 동시에 구비하여 열전소자의 발전성능은 물론 냉각특성까지 평가가 가능한 열전소자 복합 특성 평가장치에 관한 것이다.

열전소자는, 크게 전기저항의 온도 변화를 이용한 소자인 서미스터, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에효과를 이용한 소자인 펠티에소자 등이 있다.

제베크효과는 2종류 금속의 양끝을 접속하여, 그 양끝 온도를 다르게 하면 기전력이 생기는 현상으로, 열전기쌍을 이용한 온도 측정에 응용한다.

펠티에효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열발열 작용을 하는 펠티에소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조(恒溫槽) 제작에 응용한다.

위와 같은 열전소자는 재료 또는 재료의 혼합비에 따라 각각 다른 발전 특성 또는 냉각 특성을 갖게 되며, 열전소자 제품 생산 시 각 제품의 발전 특성 또는 냉각 특성에 따른 사양서를 작성하도록 하여 사용자가 제품의 사양에 맞는 시스템을 구축하게 된다.

그러나 열전소자를 직접 평가해보면, 사양서에 기재된 특성과 차이가 있는 경우가 많기 때문에 정밀한 시스템을 구축해야 하는 경우 열전소자의 특성을 직접 평가해 보아야 열전소자의 실제 성능을 알 수 있고, 이에 적절한 시스템의 구축이 가능하다.

열전소자의 특성은 크게 발전 특성과 냉각 특성으로 나뉘는데, 이를 평가하는 방법으로 발전 특성의 경우 열전소자에 열을 가하여 이에 따른 발전량을 통해 발전 성능을 평가하게 되며, 냉각 특성의 경우 열전소자에 전류를 인가하여 이에 따른 대상물의 온도변화를 통해 냉각 성능을 평가하게 된다.

종래에는 열전소자의 특성을 평가하기 위해 발전 특성과 냉각 성능 각각을 별도로 평가하기 위한 장비가 공지된 바 있으나, 이를 복합적으로 평가하는 단일의 장비는 공지된 바 없다. 두가지 특성을 복합적으로 평가하기 위한 장치를 구성할 경우 부피와 무게가 증가하여 실효성이 떨어지기 때문이다.

한국공개특허공보 제10-2013-0028470호(2013년 03월 19일 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 챔버 내부에 열전소자를 배치하고 열전소자에 전류 또는 열을 가하여 열전소자의 냉각 특성 또는 발전 특성을 모두 평가할 수 있는 열전소자 복합 특성 평가장치를 제공함에 있다.

또한, 열전소자에 열을 가하는 가열 수단과, 열전소자의 흡열에 의한 온도감지수단을 단일로 구성하여 장치의 부피 및 무게를 줄인 열전소자 복합 특성 평가장치를 제공함에 있다.

또한, 챔버에 열전소자의 방열을 위한 히트 싱크를 일체로 구성하여 장치의 부피 및 무게를 줄인 열전소자 복합 특성 평가장치를 제공함에 있다.

본 발명의 열전소자 복합 특성 평가장치는, 내부에 평가공간이 형성된 챔버,상기 평가공간의 하부에 배치되는 열전소자를 가열하기 위한 것으로, 상기 열전소자의 상측에 맞닿아 배치되는 가열플레이트와 상기 가열플레이트를 가열하기 위한 가열수단을 포함하는 가열부, 상기 가열플레이트의 온도를 감지하기 위해 상기 열전소자의 상측에 배치되는 온도감지부, 상기 열전소자에 전류를 인가하거나, 상기 열전소자에서 발전된 전기를 공급받도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결된 전원부, 및 상기 가열부를 통해 상기 열전소자에 공급되는 가열량을 제어하여 상기 열전소자의 발전 특성을 평가하고, 상기 전원부를 통해 상기 열전소자에 공급되는 전류량을 제어하여 상기 열전소자의 냉각 특성을 평가하는 제어부를 포함하여, 상기 열전소자의 발전 특성과 냉각 특성을 복합적으로 평가할 수 있고, 상기 제어부는 상기 열전소자의 하부에서는 열을 방출하고 상기 열전소자의 상부에서는 열을 흡수하는 반응이 일어나도록 상기 전원부의 전류량을 제어하고, 상기 온도감지부를 통해 상기 열전소자의 상측에 맞닿아 배치된 가열플레이트의 온도변화를 감지하여 상기 열전소자의 냉각 특성을 평가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 챔버는 상기 평가공간의 하면에 인접한 하단부에 상기 챔버와 일체로 히트싱크가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열전소자 복합 특성 평가장치는 상기 가열플레이트의 상면과 일정간격 이격되어 배치되며, 상기 평가공간의 상면과 상기 가열플레이트 사이에 배치되어 상기 가열플레이트의 열이 대류되는 것을 방지하기 위한 단열판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열전소자 복합 특성 평가장치는 상기 평가공간의 벽면 재질보다 열흡수율이 높은 재질로 형성되며, 상기 벽면상에 코팅 형성된 복사방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 열전소자 복합 특성 평가장치는, 열전소자의 발전 특성은 물론 냉각 특성까지 평가가 가능한 효과가 있다. 열전소자의 가열수단과 온도감지수단을 단일로 구성 가능하고, 히트 싱크를 챔버와 일체로 구성하여 평가장치의 소형화에 따라 미세 크기의 열전소자 특성 평가에도 적용이 가능한 효과가 있다.

특히 평가장치의 부피 감소 및 무게 감소에 따라 다양한 분야에서 열전소자의 특성 평가가 손쉽게 이루어질 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 평가장치 전체사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 챔버 투영사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 가열부와 열전소자의 결합관계 및 단열부 사시도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 챔버 단면도 및 열 흐름도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자 복합 특성 평가장치(1000, 이하 '평가장치')의 전체사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 평가장치(1000)는 크게 챔버(100)와 제어부(200)로 구성된다. 챔버(100) 내부에는 열전소자가 배치되어 열전소자에 전류 또는 열을 가한 상태에서 열전소자의 냉각 특성 또는 발전 특성을 시험하게 되며, 제어부(200)는 챔버(100)의 하측에 구비되어 챔버(100)에서 수행되는 시험을 제어 하게 된다. 일예로 열전소자에 가해지는 전류량 또는 가열량을 제어하며, 열전소자로 흡수되는 흡열량 또는 열전소자의 발전량을 전달받게 된다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 챔버(100)의 투영사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 챔버(100)는, 몸체(110), 가열플레이트(120), 전원부(130), 히트싱크(150), 단열부(160), 투영창(170)을 포함하여 이루어진다.

몸체(110)는 내부에 평가공간(TA)이 형성되며, 상측이 개방된 하부케이스(112)와 하부케이스의 상측 개방면을 밀폐하는 상부케이스(111)로 구성된다.

열전소자로 이루어진 샘플(S)은 평가공간(TA)의 하면 중앙에 배치되며, 샘플(S)의 상측에는 샘플(S)의 발전 특성 평가 시 샘플(S)을 가열하기 위한 가열부(미도시)가 구비된다. 가열부는, 하면이 샘플(S)의 상측에 맞닿아 대류에 의해 샘플(S)을 가열하기 위한 가열플레이트(120)와, 가열플레이트(120)를 가열하기 위한 가열 수단으로 구성된다. 가열 수단은 가열플레이트(120)는 가열하기 위한 구성이면 어떠한 구성도 적용될 수 있다. 일예로 가열 수단은 전기를 통해 가열되는 열선 등이 적용될 수 있다. 가열플레이트(120)는 가열 수단을 통해 가열되어 전도를 통해 샘플(S)에 열을 전달하기 위해 열전도성이 높은 금속 재질로 이루어질 수 있다.

전원부(130)는 샘플(S)과 전기적으로 연결되며, 냉각 특성 평가 시 샘플(S)에 전류를 인가하거나, 발전 특성 평가 시 샘플(S)로부터 발전된 전기를 공급받도록 구성된다.

히트 싱크(150)는 샘플(S)의 발열부와 열교환 하여 샘플(S)을 냉각시키기 위한 구성으로 평가공간(S)의 하면에 인접하여 형성된다. 따라서 히트 싱크(150)는 하부케이스(112)의 하단부에 형성되며, 방열 면적을 넓이기 위해 방열핀의 형태로 이루어질 수 있다. 이때 히트 싱크(150)는 하부케이스(112)와 일체로 형성되어 하부케이스(112)의 크기를 줄이고 구성을 간소화한 장점이 있다.

평가공간(TA) 내부의 가열플레이트(120) 상측에는 가열플레이트(120)의 열이 대류되는 것을 방지하기 위해 단열부(160)가 형성된다. 단열부(160)를 통해 가열플레이트(120) 상측으로 열이 대류되는 것을 방지하고, 가열플레이트(120)가 샘플(S) 만을 가열하도록 하여 평가장치(1000)의 정확도를 높인 장점이 있다.

또한, 본 발명의 챔버(100)는 열이 전도되는 것을 방지하기 위해 평가공간(TA)의 내부는 진공 형성될 수 있고, 열이 복사되는 것을 방지하기 위해 평가공간(TA)의 내벽면은 복사방지층(미도시)으로 코팅될 수 있다. 복사방지층은 열흡수율이 높은 재질로 이루어진다.

아울러 하부케이스(112)의 측면 상에는 평가 과정을 육안으로 확인할 수 있도록 투영부(170)가 구비된다. 투영부(170)는 평가공간(S)의 내부가 진공으로 이루어짐에 따라 내구성이 강한 투명강화플라스틱 재질로 구성할 수 있다.

도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 가열플레이트(120) 및 전원부(130)와 샘플(S)의 결합상태 및 단열부(160)를 나타낸 부분사시도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 가열플레이트(120)는 하면이 샘플(S)의 상면에 맞닿도록 구비되어 열의 전도성을 이용하여 샘플(S)에 열을 가하도록 구성된다. 이때 가열플레이트(120)는 샘플(S)을 가열하기 위한 구성뿐만 아니라, 샘플(S)의 냉각 특성 평가 시 샘플(S)의 흡열 반응에 따라 열의 전도에 의해 가열플레이트(120)가 냉각되는 것을 이용하여 샘플(S)의 흡열 성능을 평가할 수 있도록 구성된다. 보다 구체적으로, 가열플레이트(120)의 초기 온도와 샘플(S)의 흡열 반응이 이루어진 후의 온도를 각각 측정하고, 온도변화량을 산출하여 샘플(S)의 흡열 성능을 평가할 수 있도록 구성된다.

즉 본 발명의 평가장치(1000)는 샘플(S)의 냉각 특성을 평가하기 위한 온도감지부(미도시)를 구비하며, 온도감지부는 가열플레이트(120)의 온도변화를 감지하기 위해 구성된다.

따라서 본 발명의 평가장치(1000)는 가열플레이트(120)를 통해 샘플(S)을 가열하며, 샘플(S)의 흡열 반응에 따는 온도변화를 통해 샘플(S)의 냉각 특성을 평가하는 두가지 기능을 수행함에 따라 평가장치(1000)의 소형화에 부합하게 된다.

전원부(130)는 도시된 바와 같이 음극선(131)과 양극선(132)이 샘플(S)에 전기적으로 연결될 수 있다.

단열부(160)는 가열플레이트(120)의 상측에 소정거리 이격 배치된 단열판(161)과, 단열판(161)을 평가공간(TA)상에 고정하기 위한 지지대(162)를 포함하여 구성된다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 열전소자 복합 특성 평가장치(1000)의 평가 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 평가장치(1000)의 단면도 및 열흐름도가 도시되어 있다.

- 발전 특성 평가 시

도시된 바와 같이 샘플(S)의 상측에 배치된 가열플레이트(120)가 제어부(200)의 제어에 의해 가열되면, 샘플(S)의 상측으로 열이 공급되며, 샘플(S)의 하측으로 열이 방출됨에 따라 샘플(S)이 발전하며, 전원부(130)로 전기를 공급한다.

따라서 제어부(200)는 샘플(S)을 가열한 가열량과, 샘플(S)을 통해 발전된 발전량을 통해 샘플(S)의 발전 특성을 평가하게 된다.

- 냉각 특성 평가 시

도시된 바와 같이 샘플(S)에 전기적으로 연결된 전원부(130)에 전류를 인가하면, 샘플(S)의 하부에서는 열을 방출하고, 상부에서는 열을 흡수하는 반응이 일어난다. 이때 샘플(S)의 상측에 맞닿아 있는 가열플레이트(120)는 샘플(S)의 흡열 반응에 의해 온도가 감소되고, 온도감지부는, 가열플레이트의 온도 변화를 감지하여 제어부에 전달한다.

따라서 제어부(200)는 샘플(S)에 인가한 전류량과, 샘플(S)을 통해 냉각된 가열플레이트(120)의 온도변화를 통해 샘플(S)의 냉각 특성을 평가하게 된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 평가장치
100 : 챔버
110 : 몸체 111 : 상부케이스
112 : 하부케이스 120 : 가열플레이트
130 : 전원부 150 : 히트 싱크
160 : 단열부 170 : 투영부
S : 샘플 TA : 평가공간

Claims (4)

1. 내부에 평가공간이 형성된 챔버;
   상기 평가공간의 하부에 배치되는 열전소자를 가열하기 위한 것으로, 상기 열전소자의 상측에 맞닿아 배치되는 가열플레이트와 상기 가열플레이트를 가열하기 위한 가열수단을 포함하는 가열부;
   상기 가열플레이트의 온도를 감지하기 위해 상기 열전소자의 상측에 배치되는 온도감지부;
   상기 열전소자에 전류를 인가하거나, 상기 열전소자에서 발전된 전기를 공급받도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결된 전원부; 및
   상기 가열부를 통해 상기 열전소자에 공급되는 가열량을 제어하여 상기 열전소자의 발전 특성을 평가하고, 상기 전원부를 통해 상기 열전소자에 공급되는 전류량을 제어하여 상기 열전소자의 냉각 특성을 평가하는 제어부;를 포함하여, 상기 열전소자의 발전 특성과 냉각 특성을 복합적으로 평가할 수 있으며,
   상기 제어부는 상기 열전소자의 하부에서는 열을 방출하고 상기 열전소자의 상부에서는 열을 흡수하는 반응이 일어나도록 상기 전원부의 전류량을 제어하고, 상기 온도감지부를 통해 상기 열전소자의 상측에 맞닿아 배치된 가열플레이트의 온도변화를 감지하여 상기 열전소자의 냉각 특성을 평가하는 것을 특징으로 하는 열전소자 복합 특성 평가장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 챔버는,
   상기 평가공간의 하면에 인접한 하단부에 상기 챔버와 일체로 히트싱크가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전소자 복합 특성 평가장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 열전소자 복합 특성 평가장치는,
   상기 가열플레이트의 상면과 일정간격 이격되어 배치되며,
   상기 평가공간의 상면과 상기 가열플레이트 사이에 배치되어 상기 가열플레이트의 열이 대류되는 것을 방지하기 위한 단열판; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자 복합 특성 평가장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 열전소자 복합 특성 평가장치는,
   상기 평가공간의 벽면 재질보다 열흡수율이 높은 재질로 형성되며, 상기 벽면상에 코팅 형성된 복사방지층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자 복합 특성 평가장치.
   

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