펠티에 모듈을 열 관리 시스템에 통합하는 방법

특정 응용 분야에서 엔지니어는 부품을 일정 온도로 또는 주위 온도보다 낮은 작동 온도로 냉각해야 합니다. 열전 모듈(펠티에 모듈이라고도 함)을 사용하면 콤팩트하고 가벼우면서 전력 효율적인 솔루션을 구축할 수 있지만, 최적화된 열전 시스템을 구축하려면 장치를 적절히 통합하고 구동하기 위해 몇 가지 설계 작업이 필요합니다.

펠티에 모듈 기본 사항

열전 모듈은 전기적으로 결합된 상이한 컨덕터를 전류가 통과하면 두 컨덕터 사이에 온도 차이가 생성되는 현상을 관찰한 프랑스 과학자 Jean Peltier의 이름을 따서 명명된 펠티에 효과를 활용합니다. 일반적으로 최신 펠티에 모듈은 P-N 반도체 펠릿에 의해 구분되는 두 세라믹 외판과 내부 전도층으로 구성된 부품으로 제공됩니다. 이 P-N 펠릿은 전기적으로 직렬 연결되고 열적으로 병렬 연결되도록 배열되어 있습니다.

펠티에 모듈에 DC 전압을 인가하면 이 양극 소자와 음극 소자가 작동하여 한 표면에서 열을 흡수한 후 다른 측면으로 배출합니다. 그러면 열을 흡수한 측면은 냉각되고 열이 배출된 측면은 가열됩니다.

펠티에 효과를 사용하여 물체를 가열하거나 냉각할 수 있습니다. 이 기사에서는 냉각 분야를 중심으로 살펴보지만 인가 전압의 극성, 전류 방향 및 모듈을 통과하는 열 흐름이 반대 방향이라는 점만 제외하면 가열 시 설계 고려 사항도 동일합니다.

펠티에 모듈 시스템 설계

그림 1: 펠티에 모듈은 열원에서 방열판으로 열을 전달합니다. (이미지 출처: Same Sky)

그림 1과 같이 열원(예: IC 표면)과 방열판 사이에 구동된 펠티에 모듈을 배치하면 IC가 능동적으로 냉각될 수 있습니다. 펠티에 모듈의 냉각 면을 열원에 부착하고 방열판을 가열 면에 부착합니다. 이 모듈은 열을 냉각 면에서 가열 면으로 전달하지만 열을 흡수하지는 않습니다. 열을 방열판으로 일정한 속도로 배출하도록 시스템을 설계하거나, 인가되는 전력을 제어하여 부품에 접촉하는 표면이 일정한 온도로 유지되도록 시스템을 변경할 수 있습니다. 필요한 경우 이 온도를 주위 온도보다 낮게 설정할 수도 있습니다.

그림 2는 IC와 같은 부품을 냉각하는 시스템의 기본 소자를 보여줍니다. 펠티에 모듈은 냉각할 물체에서 열을 배출하지만, 방열판은 IC의 열뿐만 아니라 전류의 흐름으로 인해 펠티에 모듈에서 생성되는 열도 배출해야 합니다. IC의 온도 센서에 연결된 외장형 피드백 루프는 펠티에 모듈에 인가되는 전력을 제어하여 물체의 온도를 안정적으로 유지합니다.

그림 2: 온도 제어용 피드백 루프가 실장된 펠티에 모듈 시스템 (이미지 출처: Same Sky)

응용 분야의 열 요구 사항에 따라 펠티에 모듈을 선택합니다. 여기에는 모듈 전반에서 전달되는 열, 모듈 전반의 최대 온도, 최대 가열 면 온도가 포함됩니다. 적절한 모듈을 선택한 후 전원 공급 장치 요구 사항을 결정할 수 있습니다.

전압원을 사용할 수 있지만 펠티에 모듈은 통제된 전류원에 의해 최적의 상태로 구동되는 전류 구동 소자입니다. 지속적으로 최대 냉각을 제공하기 위해 모듈을 사용할 경우 일정한 전압을 인가할 수 있습니다(그림 3). 이 경우 주어진 냉각 요구 사항에 대한 부하 전류와 입력 전압을 규격서의 특성화 그래프에서 직접 확인할 수 있습니다. 자세한 내용은 Same Sky의 “열전 냉각을 위한 고급 펠티에 모듈 선택 및 사용” 기사를 참조하세요.

그림 3: 전압원에 의해 구동되는 간단한 펠티에 시스템 (이미지 출처: Same Sky)

반면에 열 부하 및/또는 주위 온도 변화에 상관없이 부품을 일정한 온도로 유지하기 위해 모듈이 필요한 경우 온도 센서 및 피드백 루프가 필요합니다. 그림 2를 참조하세요.

상대적으로 낮은 루프 대역폭을 통해 피드백을 유연하게 구현할 수 있습니다. 온도 센서는 열전대나 무접점 또는 적외선 센서일 수 있으며, 인가 전압을 조정하기 위해 사용 중인 전원에 데이터를 다시 공급합니다. 전원 공급 장치에서 충분한 폭의 조정 범위를 제공할 수 없는 경우 외장형 PWM 회로를 사용하여 전압을 조정할 수 있습니다. 리플을 약 5% 이하로 유지하도록 PWM 출력을 필터링하는 것이 좋습니다(그림 4). 그러면 모듈이 높은 성능 계수(COP)로 작동하여 주위 부품과의 전파 방해를 최소화합니다.

그림 4: 일정한 온도 제어를 위한 펠티에 시스템 (이미지 출처: Same Sky)

냉각할 부품에서 열을 배출하는 외에도 펠티에 모듈은 전류 흐름으로 인해 내부적으로 열을 생성합니다. 이 자가 가열은 모듈이 원하는 것보다 낮은 COP로 작동하거나 모듈의 열 전달 기능을 초과하는 경우 문제가 될 수 있습니다.

따라서 시스템을 설계할 때 두 열원을 모두 고려하여 적절한 모듈 및 방열판을 선택하고 작동 전압 및 전류 요구 사항을 결정해야 합니다. 적절한 부품을 선택하면 펠티에 모듈 시스템은 냉각된 부품에 대해 원하는 열 전달 또는 목표 작동 온도를 실현하는 뛰어난 솔루션을 제공할 수 있습니다.

결론

펠티에 모듈은 전자 온도 제어를 위한 매우 효과적인 기반을 제공할 수 있습니다. 콤팩트하고 가벼우면서 높은 COP에서 작동할 때 효과적이며, 전류원 또는 전압원을 사용하여 모듈을 제어할 수 있습니다. 모듈 이외에 적은 수의 표준 부품만 있으면 소자의 작동 온도를 주위 온도 이하로 유지할 수 있는 효과적인 온도 제어 솔루션을 구축할 수 있습니다. 다양한 프로젝트를 해결하기 위해서는 이러한 소자를 사용하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다. Same Sky의 펠티에 모듈은 다양한 성능 등급과 크기로 제공되므로 설계자가 다음 열 관리 시스템을 설계할 때 다양한 옵션을 제공합니다.