홈 형태의 전극을 이용한 열전소자의 기계적인 강도 개선

김교민(Kyomin Kim),김훈(Hoon Kim),김우철(Woochul Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.4

열전소자는 에너지 변환장치의 한 종류로 특히 폐열을 이용하여 전기를 생산해 낼 수 있는 장치로 각광받고 있다. 열전소자는 열전성능지수가 높음과 동시에 기계적인 강도가 높을수록 좋은 성능을 낼 수 있다. 본 연구에서는 열전소자의 기계적인 강도를 개선하기 위해 접착 강도에 취약한 기존의 평판 형태의 전극이 아닌 홈 형태의 전극을 소개한다. 평판 형태의 전극과 홈 형태의 전극은 Ag 페이스트를 이용하여 열전소재와 부착하였다. 각각의 열전소재가 부착된 전극은 인장 강도와 전단 강도를 만능시험기로 접착 강도를 측정하였다. 이를 통해 기존의 평판 형태의 전극보다 홈 형태의 전극을 사용하였을 때 더 높은 접착 강도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한 열-전기 수치해석 프로그램을 이용하여 기존 평판 형태의 전극과 홈 형태의 전극을 사용하여 모델링 한 소자의 성능 차이를 확인하였다. Thermoelectric modules are energy conversion devices. They are attracting attention as a devices capable of producing electricity by utilizing waste heat. Thermoelectric modules require a high zT, and mechanical stability for reliable operation. In this research, we introduce the groove-type electrode to improve mechanical stability. Each electrode is attached to the thermoelectric element using a silver paste. The tensile and the shear strength of the thermoelectric materials’ electrodes are measured using a universal testing machine. Results show that the groove-type electrode has higher bonding strength than the flat-type electrode. We also confirmed the difference in the performance of the element modeled using flat- and groove-type electrodes for thermo-electric numerical analysis.

원자력전지용 열전소자의 발전성능해석

한승우,아지즈 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

우주탐사선의 전력원으로 사용되는 방사성 동위원소 열전발전기(RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator)는 대표적인 원자력 전지이다. 본 연구에서는 원자력 전지에 사용하는 열전소자에 대하여 유한요소해석(Finite element method)을 이용하여 발전성능을 평가하고자 한다. 이때 유한요소해석은 전기장과 온도장을 연계하여 수행하게 된다. 해석결과를 통하여 주어진 온도조건에 대하여 열전소자의 전형적인 발전특성인 발전량-저항 특성곡선, 전압-전류 특성곡선을 얻을 수 있게 된다. 이러한 해석 결과는 열전소자의 소재선정, 구조설계, 치수 및 형상 결정 등 원자력전지 설계를 위한 유용한 데이터로 활용할 수 있다. RTG(Radioisotope thermoelectric generator) is the representative power generator for spacecraft. In this study, FEA(Finite element analysis) of thermoelectric modules for RTG was carried out in order to evaluate power production performance. Electrical fields and thermal fields coupled problems are solved in thermoelectric analysis. The relationships between power output and electrical resistance, voltage and current of thermoelectric modules according to temperature differences are obtained as results. These analysis results are useful in the design of RTG; materials selection, structural design, dimension decision and shape decision.

열전소자 및 열전냉각장치의 성능에 관한 연구

유성연,홍정표,심우섭 대한설비공학회 2004 설비공학 논문집 Vol.16 No.1

Thermoelectric module is a device that can produce cooling in a direct manner using the electrical energy. The purpose of this study is to investigate the performance of thermoelectric module and cooling system equipped with the thermoelectric module. The performance of a thermoelectric module is estimated using two methods; theoretical analysis based on one-dimensional energy equations and experimental tests using heat source, heat sink and brass conduction extenders. For the thermoelectric cooling system, the temperatures in the chamber are recorded and then compared with those of lumped system analysis. The results show that the cooling capacity and COP of the thermoelectric module increases as the temperature difference between hot and cold surface decreases, and there is particular current at which cooling capacity reaches its maximum value. The experimental results for the thermoelectric cooling system are similar to those of lumped system analysis.

열전소자의 효율 개선을 위한 고립유로 구조 냉장고

손현준(Hyun-Joon Son),김건호(Gun-Ho Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6

기존의 냉매와 압축기를 사용한 냉장고는 큰 소음과 정밀한 온도제어가 불가능하다. 이와 같은 단점을 보안하기위해 열전효과(Peltier effect)를 이용해 냉각하는 열전소자 냉장고가 개발되었지만 열전소자의 전력대비 냉각효율(COP)이 낮아 전력소모가 크다. 이 연구에서는 위의 단점을 보안하기위해 고립 유로라는 시스템을 고안하였다. 고립 유로구조란 cold sink가 저장공간(Target space) 위쪽에 고립된 유로속에 위치해 열전소자를 껐을 때에 Cold sink로 역류한 열이 내부 저장공간에 영향을 끼치지 못하게 한 구조이다. 이 연구에서는 유로 내부에 공기 단열층이 형성되는 것을 확인하였고 비교군과 비교하여 내부 온도변화를 확인하였다. 또한, 저장공간의 단열성능이 높을수록, Cold sink의 열용량이 작을수록 더 효과적이고, 단열재의 성능이 개선되거나 열용량이 최소화된 Cold sink연구가 진행된다면 더 개선된 효율을 보여줄 것으로 예상된다. Traditional refrigerator such as compressor refrigerator have disadvantages of high noise and imprecise temperature control. In contrast, thermoelectric refrigerators are silent and highly precise, however their low coefficient of performance (COP) limits practical use. In this study, we present a system called isolate d cooling channel (ICC). ICC has an unique structure that locates cold sink at a gravitationally high position and thereby prevents backflow from cold sink to refrigeration area during the period of cold sink at warm temperatures. We confirmed the insulation layer between the refrigeration area and cold sink that leads to a higher COP of the suggested system compared with the conventional thermoelectric refrigerators. Higher insulation of refrigeration area and smaller cold sink heat capacity are found to be crucial to improving the COP of the suggested refrigeration system.

열전소자를 활용한 방호복 냉각장치 설계 연구

이용균,김태영 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.7

In this study, a compact and portable cooling equipment applicable to protective clothing was developed using thermoelectric modules (TEMs) to ensure the thermal comfort of workers wearing protective clothing in harsh working conditions. The air circulation flow rate and thermal resistance of a plate-fin heat sink used to enhance the operating performance of TEMs were theoretically modeled to achieve a target cooling power estimated using the amount of heat released from the human body. The cooling power and COP of the fabricated cooling equipment were experimentally derived and analyzed according to the change in the number of TECs and applied voltage. When a voltage of 5 V was applied to the four TECs, a maximum cooling power of 33 W, a circulation air temperature reduction of 7.6°C, and a COP of 0.87 were obtained. When a voltage of 2 V was applied to the two TECs, the highest COP of 1.82 was obtained, achieving a cooling power of 9.93 W. Finally, when the developed cooling system was applied to a worker wearing a protective clothing, a cooling power of ~50 W and circulation air temperature reduction of ~13°C were obtained. 본 연구에서는 기존 열전 냉각시스템의 낮은 열량제거 및 냉각성능(COP: coefficient of performance) 특성을 개선하여 방호복을 착용하고 열악한 상황에서 근무하는 작업자의 열적 쾌적성을 확보할 수 있는 휴대용 방호복 냉각장치를 개발한다. 목표 제거 열량을 달성하기 위해 순환 공기 유량과 방열핀 열저항을 이론적으로 모델링 하고, 이를 통해 설계·제작된 냉각장치의 성능검증 및 최적화를 위해 열전소자 개수와 인가전압 변화에 따른 제거 열량 및 COP를 도출하여 분석하였다. 병렬 연결된 4개의 소자에 5 V의 전압 인가 시 최대 33 W의 열량제거 및 7.6°C의 순환공기 냉각을 확인하였으며 이때의 COP는 0.87로 나타났다. 병렬 연결된 2개의 소자에 2 V의 전압인가 시 가장 높은 1.82의 COP를 획득하였으며, 이때의 제거 열량은 9.93 W로 나타났다. 방호복을 착용한 작업자에게 적용 시 ~13°C의 순환공기 온도 저감 및 ~50 W의 제거 열량을 확인하였다.

열전소자를 이용한 차량용 독립 냉난방시스템에 대한 실험적 연구

이대웅(Dae-Woong Lee) 대한설비공학회 2014 설비공학 논문집 Vol.26 No.8

The purpose of this paper is to investigate the cooling and heating performance of a standalone-type thermoelectric system equipped with a thermoelectric module. The system consists of a blower and two thermoelectric modules with a fin, which is soldered onto both sides of the thermoelectric module and a courtesy light. The thermoelectric system experiment is conducted with the intake voltage to find the optimum cooling and heating performance of each. The results showed that the cooling capacity and coefficient of performance (COP) were 22 W and 0.31, and the heating capacity and COP were 147 W and 1.1, respectively. In the vehicle cooling and heating performance test in a climate wind tunnel, the results showed that the standalone thermoelectric system"s cooling performance was slightly better than the base system; and the heating performance of the standalone thermoelectric system was 54.1°C and the COP was 1.3, compared to the base system.

열전소자 내부 층간 결함과 열성능 관계에 관한 연구

최철준(Choul-Jun Choi),고가진(Jia-Chen Gao),김재열(Jae-Yeol Kim),정윤수(Yoon-Soo Jung) 한국기계가공학회 2016 한국기계가공학회지 Vol.15 No.4

From the first application of a thermoelectric module to nowtoday, it has been more than half a century. The application of a thermoelectric module is becoming more and more widely accepted since, people"s requirement rely more and more on the efficiency of thermoelectric modules and their reliability become higher and higher. So people pay more and more attention to the thermoelectric module. In Around the world, the more research for into improving the efficiency of thermoelectric modules is focused on the current materials. at present. However, the research of into available materials had has some limitations, and the research of materials had reached a bottleneckthere are limits to current applications. On the other hand, from the production process, if we assembled by materials withoutmodules without any damages and achieve the ideal state of a joint, we can make the a product to maximize performance and have a longer service life. SoTherefore, in this study we will prove the relationship between the any defects inside and the efficiency of a thermoelectric module to improve the quality management and performance of modern thermoelectric modules at present.

열전소자를 이용한 적외선 방사량 감소 기술에 관한 연구

김훈(Hoon Kim),김교민(Kyomin Kim),김우철(Woochul Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.3

열전소자를 이용하여 고온의 표면을 능동적으로 냉각하여 적외선 방사량을 줄이는 기술을 소개한다. 공력가열이나 자체 발열 등에 의한 고온 표면 환경을 구현하였고, 여기에 열전소자를 설치하여 냉각하였을 때의 표면 온도와 적외선 방사량을 상용 수치해석 소프트웨어를 사용하여 계산하였다. 이를 통해 특정 환경에서 열전냉각소자를 이용하여 고온 표면에 있어 외부 환경과 비교했을 때의 적외선 방사량 대비를 이론적으로 완전히 제거할 수 있음을 확인하였다. We introduced a technology for reducing infrared radiation through the active cooling of hot surfaces by using a thermoelectric refrigerator. Certain surfaces were heated by aerodynamic heating, and the heat generation processes are proposed here. We calculated the temperatures and radiations from surfaces, while using thermoelectric refrigerators to cool the surfaces. The results showed that the contrast between the radiations of certain surfaces and the ambient environments can be removed using thermoelectric refrigerators.

응축수를 활용한 열전 냉각장치의 회로 모델링 및 시뮬레이션

이상윤(Sang-Yun Lee),장석윤(Sukyoon Jang),박민용(Mignon Park),윤창용(Changyong Yoon) 한국지능시스템학회 2015 한국지능시스템학회논문지 Vol.25 No.2

본 논문에서는 응축수를 활용하는 새로운 열전 냉각장치를 소개하고 이 냉각장치에 대한 전기적 등가회로 모델을 제안한다. 소개된 냉각장치는 수집된 응축수를 히트싱크로 분무함으로써 응축수를 처리함과 동시에 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 기존의 열전 냉각장치에 대한 회로 모델과 열전소자-응축수 간의 열교환 방정식을 결합함으로써 소개된 냉각장치의 전기적 등가회로 모델을 유도한다. 유도된 모델의 파라미터는 별도의 실험을 통한 데이터 측정 없이 열전소자의 데이터시트 정보만으로 결정되기 때문에 소개된 냉각장치의 제어기를 설계하는 단계에서 해당 모델이 유용하게 사용될 수 있다. 제안된 모델의 타당성을 모의실험을 통해 확인하고 기존의 열전 냉각장치와 성능을 비교함으로써 응축수를 활용한 열전 냉각장치의 우수성 또한 검증한다. In this paper, a novel thermoelectric cooling system utilizing condensed water is introduced and its electrical equivalent circuit model is proposed. The introduced system can deals with the condensed water and improves efficiency by spraying the condensed water on heat sink. The electrical equivalent circuit model is derived by combining the circuit model of the classical thermoelectric cooling system with equation of heat exchange. Because the parameters of the model can be defined from not other experimental data but just the data sheet of the thermoelement, the model can be useful to design and develop the controller of the proposed system. We verify that the proposed model is valid and the introduced system is more efficient than the previous thermoelectric cooling system through simulations.

압전 엑츄에이터를 이용한 열전냉각장치의 냉각효율에 관한 실험적 연구

오율권(Yoolkwon Oh),최제세(Jese Choi),윤희성(Heesung Yoon) 한국자동차공학회 2008 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.2008 No.11

This study was experimentally investigated on cooling effect of cold region to thermoelectric cooling device using thermoelectric module when piezoelectric actuator was used. In this study, a prototype of a miniature thermoelectric cooling device using thermoelectric module and piezoelectric actuator were proposed and constructed. The temperature of cold region was measured to investigate cooling effect of cold region to thermoelectric cooling device when piezoelectric actuator wasn't operated and was operated. Also, the flow visualization of cold region using He-Ne laser and CCD camera was experimentally investigated. The experimental set-up for temperature measurement and the flow visualization consisted of thermoelectric cooling device using thermoelectric module, piezoelectric actuator, T-type thermocouple, data acquisition unit, He-Ne laser, CCD camera, image grabber and PC. When piezoelectric actuator was operated, acoustic streaming was occurred by vibration of piezoelectric actuator, and it was improved cooling effect.