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펠티어 소자를 열전 냉각기로 사용

이 예제에서는 온도가 섭씨 50도인 고온부가 있는 펠티어 소자가 냉각 모드로 동작하는 방법을 보여줍니다. 냉각 모드에서 펠티어 셀의 COP(성능 계수)는 TEC(열전 냉각기)를 통해 전달된 총 열을 전기 입력 전력으로 나눈 값입니다(COP = Qc/Pin).

첫 번째 서브플롯은 COP를 몇 개의 다른 온도차에서의 전류의 함수로 보여줍니다. 전류 값이 동일할 때 COP 값은 온도차가 클수록 더 낮다는 사실을 확인할 수 있습니다. 온도차가 클수록 고온부에서 저온부로의 자연적인 열 전도도 더 커지기 때문에 이러한 현상이 일어납니다.

펠티어 모듈의 고온부에 연결된 온도 소스를 사용하면 이상적 히트싱크를 표현할 수 있습니다. 이는 고온부에서 온도 상승 없이 무한한 양의 열을 방출할 수 있는 싱크를 뜻합니다. 이 표현은 COP와 냉각 유동 곡선에 대한 적절한 근사를 제공합니다.

두 번째 그래프는 입력 전류에 따라 열 유동이 어떻게 변하는지 보여줍니다. 전류가 증가함에 따라 저온부에서 추출된 열은 최댓값에 도달할 때까지 증가합니다. 이 피크 후에는 줄 발열(joule heating)으로 인해 전류가 증가해도 냉각 유동이 감소하게 됩니다.

마지막 그래프는 각 온도차에 대해 COP 값을 최대화하는 동작 전류를 보여줍니다. 최적 동작점은 TEC 제어기 출력 전류를 선택할 때 유용한 정보를 제공합니다.

이 모델에 사용되는 Peltier 블록은 다음으로 정의됩니다.

  • 제베크 계수 = 220e-6 V/K

  • 내부 저항 = 0.02옴

  • 열 전도율 = 1.5e-3 W/K

모델

Simscape 기록의 시뮬레이션 결과

아래 플롯은 다양한 온도차에서 펠티어 소자의 성능 계수와 입력 전류 대비 열 펌핑 용량에 대한 결과를 보여줍니다.

실시간 시뮬레이션의 결과

이 예제는 Intel® 3.5 GHz i7 멀티코어 CPU가 탑재된 Speedgoat Performance 실시간 타깃 머신에서 테스트되었습니다. 이 모델은 실시간으로 30마이크로초의 스텝 크기로 실행할 수 있습니다.