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사업명 : 산업체 필요기술개발과제
세부과제명 : 열전 소자를 이용한 냉난방실험장치
연구지원기관 : 강원신소재사업단
개발기간 : 2007. 09. 01 ~ 2008. 04. 30
주관연구기관 : 강릉대학교 정밀기계공학과 이종석 교수
참여기업 : (주)케이티이엔지

연구개요

 몬트리올 의정서가 오존층 파괴물질의 사용을 많이 제한하고 있지만, 지구온난화의 문제는 아직 완전히 해결되고 있지 않다. 따라서 과학기술자들은 기존의 증기압축식 냉동에 사용되어온 프레온을 대체할 새로운 대체냉매의 개발과 과거에 사용했던 천연냉매를 사용하는 방법에 대한 연구를 지속하는 한편, 열전냉동, 열음향냉동, 흡수/흡착냉동 그리고 자기냉동 등과 같은 새로운 냉동기술에 대해서도 많은 연구를 하고 있다.(1)

열전냉동과 자기냉동은 열전소자 또는 자성재료를 냉매로 사용하기 때문에 기존의 증기압축식 냉동에서 사용하는 CFC, HCFC 등의 냉매가 가지고 있는 오존층 파괴 등의 문제를 발생시키지 않으며, 대체냉매인 HFC가 가지고 있는 지구 온난화의 문제도 일으키지 않으므로 인체나 환경에 무해하다는 점에서 친환경적인 냉동기술이라고 할 수 있다. 게다가 열전냉동기와 자기냉동기는 소형으로 만들 수 있으며, 둘 다 전력소모, 소음, 진동 등이 발생하는 압축기를 필요로 하지 않는 것이 최대의 장점이다.

열전냉동의 특징은 다음과 같다.

1. 공급전력량에 따른 정밀항온 제어를 한다.
2. 전원공급 후 급속한 냉각이 이루어진다.
3. 전류의 방향에 따라 흡, 발열을 바꿀 수 있다.
4. 26db의 소음이므로 거의 느끼지 못한다.(저소음, 저진동)
5. 기계적인 작동부분이 없다.
6. 국부 냉각이 가능하다.
7. 소형, 경량화가 가능하다.
8, 어떠한 위치나 방향에서도 작동한다.(무중력)
9. 프레온 가스를 사용하지 않아 환경오염의 문제가 없다.(환경친화성)
10. 냉매 가스(CFC)를 사용하지 않는다.
11. 20만 시간의 내구성으로 고신뢰성을 가지고 있다.

열전소자는 열전재료를 이용하여 직류전원의 공급만으로 냉각 및 가열을 동시에 이룰 수 있는 간편하고 확실한 소자로서, 이는 기존의 컴프레서를 이용한 증기압축 냉동법을 대체하여 언제 어디든지 간편하게 냉각과 발열이 동시에 가능하게 하는 특성으로 인해, 공학자들뿐만 아니라 일반인들에게도 큰 관심의 대상이다. 본 연구의 참여업체인 (주)케이티이엔지는 여러 종류의 냉동실험장치를 개발하여 판매하고 있으며, 많은 대학과 실업계 고등학교로부터 호평을 받고 있다. 이번에 열전냉동의 원리를 보여주며 실험/실습이 가능한, 열전소자를 이용한 새로운 냉난방 실험장치를 개발하여 보급하고자 필요기술개발과제를 요청함에 따라 본 연구를 수행하게 되었다.

본 연구과제의 연구목표는 기존의 냉매 대신에 열전소자를 이용한 냉난방실험장치를 개발하는 것이다. 연구목표를 달성하기 위한 방안으로는 우선 열전소자의 종류와 특성을 파악하는 것이다. 가장 적합한 열전소자를 선정하여 열전냉동시스템을 구성하고, 성능실험을 통해 시스템의 적합성과 수정 및 보완사항들을 점검한다. 열전냉동시스템에 대한 성능을 기초로 열전소자를 이용한 냉난방실험장치를 구성하고 제작하여 성능실험 및 수정/보완을 통해 연구목표를 달성하고자 하였다.

이 연구과제의 범위는 열전소자의 종류 및 특성 조사, 열전 냉동시스템과 냉난방실험장치의 구성 및 성능실험을 통해 냉방모드와 난방모드에서 열전소자의 흡열부와 발열부의 온도변화, 냉장고 또는 온장고의 달성온도, 냉각팬 구동에 따른 성능변화 등을 파악하는 것을 포함한다.

* 상세 연구결과는 첨부화일 참조