휴대용 냉온 장치 개발설계

휴대용 냉온 장치 개발설계

휴대용 냉온 장치 개발설계

음료나 과일 등을 시원하게 보관할 수 있는 아이스박스는 여름철 피크닉에 없어서는 안 되는 아이템입니다. 이러한 아이스박스는 사용 전 미리 얼음, 드라이아이스, 특수화학제를 사용한 냉각제 등을 준비해야 하는 번거로움이 있습니다. 이런 번거로움을 없애고 성능을 향상한 아이스박스를 만들 수는 없을까 하고 생각해 본 적이 있으실 겁니다. 열전소자는 전류를 흘려주면 한 면은 냉각이, 다른 면은 발열이 일어나는 소자입니다. 이러한 열전소자를 이용하여 아이스박스에 온장기능을 더한 휴대용 냉장/온장 보관상자를 만들 수 있지 않을까 생각이 들었습니다. 상자를 두 부분으로 나누어 한쪽은 냉각을 통해 낭장기능을 수행하고 다른 쪽은 연전소자의 발열성질을 이용하여 온장이 되도록 설계하며 적절한 온도를 맞추기 위하여 온도를 감지하여 제어할 수 있도록 구성하면 냉온장 장치를 만들 수 있을 것으로 보였습니다.

시장조사와 개발목표

시장에 판매되고 있는 유사제품이 있는지 찾아보았는데 아이스박스, 냉온장고, 차량용 냉온장고 등이 있었습니다. 이 중 가장 비슷한 건 차량용 냉온장고였습니다. 휴대용으로 들고 다닐 수 있도록 만드는 것이 목표이기 때문입니다. 그래서 차량용 냉온장고에 대해 더 자세히 알아보았습니다. 차량용 냉온장고는 본체와 열전소자를 포함하는 차량용 온냉장고입니다. 본체는 물품 저장이 가능하 돌고 내부에 둘 이상의 저장실이 형성되고, 각 저장실의 내부가 외부로 노출되도록 각 저장실의 일측면에 관통구가 형성되어 있습니다. 열전소자는 각 관통구에 결합되어 사용자의 선택에 따라 저장실로 냉기를 발산하거나 온기를 발산하도록 독립적으로 제어 가능한 구조로 되어 있습니다. 일면에 열전도가 가능한 재질의 전열블록이 결합되어 있습니다. 따라서 열전소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 저장실 내부로 전달시킬 수 있고, 저장실 내부의 온도가 고르게 분포되므로 저장실 내부에 저장되는 물품을 적재 위치에 관계없이 동일하게 가열하거나 냉각시킬 수 있습니다. 차량용 냉온장고에 대해 알아보았는데, 말로는 어려운 면이 있는데 도면을 보면 그렇게 어려운 장치는 아니었습니다. 이걸 참고로 냉온장치의 가닥을 잡아보았습니다. -10도에서 30도까지 온도조절이 가능한 휴대용 냉온장치를 목표로 계획을 잡았습니다. 자본은 100만 원 내외를 쓰도록 하였습니다. 열연소자를 이용하여 냉장부를 냉각할 때, 열전소자의 발열부에서 나오는 열기를 효과적으로 온장부에 전달되도록 추가적인 작업이 필요할 것입니다. 목표한 온도에 도달하거나, 온장부의 온도가 필요이상으로 많이 올라갈 경우를 감지하여 시스템을 정지시킬 수 있는 온도 제어부 역시 필요할 것으로 보입니다. 냉장부 -> 흡열 -> 열전소가 -> 발열 -> 온장부식의 형태를 띠게 될 예정입니다. 시스템을 동작시키면 열전모듈이 배터리로부터 전원을 공급받아 동작합니다. 냉장부의 온기를 열전소자가 흡열 하여 온장부로 이동시킵니다. 이 관정을 통하여 냉장부의 온도는 내려가고, 온장부의 온도는 올라가게 됩니다. 열전소자는 흡열부와 발열부의 온도차이가 많이 날수록 효율이 떨어지므로 발열부는 방열판과 팬을 이용하여 적절히 냉각시켜 줍니다.

종합 및 타당성 검토

내부케이스는 냉장부의 내부케이스의 크기는 1.5L 콜라병(높이 30CM, 지름 10CM)을 기준으로 4개를 눕혀서 놓고 약간 여유가 있도록 치수를 정하였습니다.(250 * 220 *310mm) 열전도도가 좋은 알루미늄을 사용합니다. 외부케이스는 두께 2cm에 하부에는 온도제어부와 배터리를 넣을 수 있도록 10cm의 여유를 주며 내부케이스 두 개 크기의 내부 공간을 가집니다.(350 * 500 * 350mm) 가공이 쉽고 아이스박스에 많이 쓰이고 있는 플라스틱을 사용합니다. 열전소자는 시스템 성능을 물 6L 기준으로 상온 18도에서 4도까지 2시간 이내에 냉각할 수 있도록 설계하였습니다. 필요한 총열량을 계산하면 352800J이 나옵니다. 그리고 열량을 2시간 이내에 흡열 하기 위한 열전소자의 흡열량 Q는 49W입니다. 열전소자는 리빙케어소재기술의 모델 LCDM1 L-1.4-127-7.0을 사용하였습니다. 냉장부(목표치 4도)와 온장부(약 35도)의 온도차를 약 35도라 한다면 제품 성능표에 따르면 12V에서 흡열량 Q는 약 25W이므로 소자를 2개 사용한다면 냉각을 위해 필요한 49W를 충족시킬 수 있습니다. 제품에 대해 총 5가지의 모델링과 해석을 하였습니다. 우선 형태는 열전소자를 하나를 달았을 때(열 전달률 약 100W)와 두 개를 달았을 때(열 전달률 약 50W)를 비교해 보고, 냉장 부분의 재료에 따른 전도율을 알아보았습니다. 재료는 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸로 테스트하였습니다. TYPE2의 열전소자에 팬과 핀을 달아야 하기 때문에 가능한 멀리 떨어뜨려 놓았습니다. 우선 각 타입별로 성능을 알아보기 위해 각각 냉장부의 케이스의 재료는 알루미늄으로 하고 해석을 진행하였습니다. 정상상태 일 때 비교해 보면 TYPE2의 열전달 면적이 크므로 냉장 쪽에서 빨리 저온으로 내려간다는 것을 알게 되었습니다. 그러므로 TYPE2를 선정하였습니다. 그리고 소재를 변경해 보았습니다. 실험결과를 보면, 구리를 사용할 때 성능이 가장 좋은 것을 알 수 있습니다. 하지만 구리의 재료비가 비싸기 때문에 성능이 그렇게 낮지 않고 구리보다 저렴한 알루미늄을 사용하는 게 경제적으로 이득이라는 결과를 낼 수 있었습니다. 현재까지는 열전소자를 이용하여 원하는 성능을 어떻게 얻을 것인가에 대해 해석설계를 진행하였습니다. 이제 열전소자와 전체 형상들의 구조 및 치수, 재질 등이 정해졌으므로, 실제로 제품을 동작시키기 위한 온도 제어부와 전원 공급부에 관한 메커니즘을 구성하는 것이 필요합니다. 아이스박스를 대체하기 위한 제품을 목표로 하였지만 온도제어부와 전원공급부를 제외하고도 원가에서 20만 원이 넘는 금액이 나왔습니다. 소비자들에게 선택받기 위해서는 원가를 낮출 수 있는 방법을 고민해보아야 할 것입니다.