펠티어소자 냉장고 - peltieosoja naengjang-go

펠티어 소자를 이용한 미니 냉장고 만들기

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펠티어(Peltier) 소자라는 것이 있습니다. 전류가 흐르면 소자의 한쪽 면의 열을 빨아당겨 반대쪽으로 전달해주는 특징이 있습니다.

1834년 발견되어 프랑스의 물리학자 장 펠티에(Jean Charlse Athanase Peltier)가 소개했다고 하며, 펠티에 효과(Peltier effect, hermoelectric effect)라로 부릅니다. 이 소자는 냉각면의 열을 흡수해서 반대쪽으로 뿜어주는데 냉각면의 열 + 회로가 작동하며 소모되는 에너지 전부가 열로 전환되어 발열부로 나오게 됩니다.

이 소자의 가장 큰 특징은 기존의 열교환기(에어컨 실외기를 생각하세요)와 같은 기계적 설비가 필요없고 작은 사이즈로도 충분한 열 교환 능력을 얻을 수 있다는 것이 장점이지만 낮은 에너지 효율과 발열부를 충분히 냉각시키지 못하면 점차 효율이 떨어지다가 결국에는 회로가 파괴되는 단점을 가지고 있습니다. 결국 사이즈가 소형 냉장고나 정수기, 그리고 일부 컴퓨터의 CPU쿨러로 사용되고는 있으나 낮은 효율 문제로 실험적인 장난질(?!)정도에 그치고 있는 것이 대부분입니다. 그나마 펠티어 효과를 이용해 효과를 보고 있는 분야는 연료전지의 원자력 전지 정도일 것입니다. 잠깐 원자력 전지에 대해 설명하자면 펠티어 효과를 역 이용한 것으로, 열 흡수부에 고열을 가하고 열 방출부에 저온을 가해서 열 제거를 도와주면 낮기는 하나 회로에서 전기가 생산되는 것을 이용한 기법입니다. 지구와 같은 환경에서 쓰기는 그렇고 주로 우주에서 사용하는 것으로 알고 있습니다.

저 같은 경우, 펠티어 냉방기를 만들어볼까 하는 상상을 해보고 시도도 해봤지만 실패했습니다 (중요!) 아래와 같은 문제가 있었기 때문입니다.

펠티어의 열용량(열 제거 능력)은 기존 에어컨에 비해 극히 떨어진다

펠티어는 소자 한 개가 40x40mm정도인데 그에비해 몇 배가 큰 방열회로가 필요해서 소자를 높은 밀도로 설치할 수 없다. (아주 복잡한 방열 구조를 만들면 가능)

40만원 정도의 10,000BTU 에어컨을 모사하려면 비용만 100만원 이상 들며, 엄청난 사이즈(열 배출부)와 극심한 전기비를 감당할 수 있어야 한다.

미친 짓이죠? ㅋ 어디서 봤는지는 모르겠지만 펠티어 열제거 능력은 투입한 전력량의 40%정도 밖에 되지 않아서, 1200Wh의 미니 에어컨을 모사하려면 2400~2600Wh의 에너지를 소비해야 합니다. 참으로 엔트로피(entropy) 친화적인(!!!) 소자라고 할 수 있습니다.

그래도 체렌코프 현상에서 발생하는 아름다운 푸른 빛과 함께 무의미하지만 사람을 끌어들이는 능력이 있는 펠티어 소자입니다. 저도 초기 시도를 포기하고 나서 한 2년 그냥 버려두었다가 최근에 재미있는 제품을 발견해서 다시 시도하게 된 것입니다. 문제는 지인이 알려준 알리 익스프레스 때문이지요. ㅡㅡ;

필요한 부품

펠티어 소자 + 히트싱크 모듈

12Vdc 전원 공급장치

스티로폼으로 만들어진 아이스박스 또는 비슷한 것

글루건 (만병 통치약!)

전선 조금과 납땜 도구들

펠티어 소자는 알리 익스프레스에서 지인이 소개해 준 것을 구입했습니다. 알리 익스프레스가 오만 것을 다 팔기는 하는데 그래도 불안해서 전 2개 (예비용) 주문했습니다.

혹시나 "히트싱크까지 내가 직접 고르겠어!"하시는 분이 있다면 말리고 싶습니다. 저 제품의 방열부 방열핀은 대략 100x120mm정도 되는데요, 그만한 제품 구하기 너무나 어렵습니다. 구한다 하더라도 저 제품보다 비싸다는 사실을 꼭 참고하셔요.

하나의 모듈 형태로 배송이 됩니다

잘 보시면 커넥터 위쪽의 전선 피복이 잘려있습니다.
여러가지 목적으로 이렇게 해 준 것이라고 생각하면 되겠지만..... 아무튼 주의!

전원공급 장치는 간판에 사용하는 12Vdc 300W SMPS를 사용했는데요, 딱히 이유가 있었다기 보다는 그냥 지난번 시도때 남은 제품이라 이용하기로 했습니다.

만드는 법

별 다른것 없습니다. 스티로폼 박스 하나 구해서 냉각부가 충분히 들어갈 수 있도록 구멍을 내고, 결로현상으로 인해 냉각팬에 물이 닿지 않도록 구멍 주위를 사선으로 깎아낸 후 모듈을 붙이면 끝입니다. 글루건의 경우 밀폐가 가능하고 제거도 용이하니까 사정없이 뿌려주시면 됩니다.

테스트를 위해 정전압/정전류 전원공급장치에 12V 10A를 세팅한 후 테스트 해 봤습니다. 5분 정도 지나니 냉장고 정도의 온도로 떨어지는 것이 확인되었습니다.

보시면 아시겠지만 그냥 구멍내서 모듈을 박아넣고 고정했습니다. 그리고 전선 좀 더 길게 만들어주고...

다른 것을 할 게 없습니다.

SMPS로 전원 교체

뭐 당연히 잘 작동 합니다. 문제가 있을 것이 없지요. ㅡㅡ; 모듈 사서 스티로폼 박스에 박아넣고 전원 연결한 것이 다 인데요...; 고장날 것이나 오작동할 것도 없습니다. 참으로...DIY맞나 싶을 정도입니다.
현재 이 프로토타입은 제 연구실에 갖다 놨습니다. 버리기도 아깝고, 그렇다고 전기를 미친듯이 먹어 치우는 이 녀석을 집에서 쓰기는 좀 그랬거든요.;

위에 책은 그냥...;

제작 후기

펠티어 소자는 저 같은 평범이들에게는 상당히 매력적인 소자입니다. 신기하기도 하고 재미있기도 하니까요. 하지만 조금만 이과적인 마음으로 돌아가면 '세상에 이런 의미없는 소자도 있을까' 하는 생각도 듭니다. 에어컨 실외기보다 극히 낮은 효율에 전기는 미친듯이 먹고... 그나마 수냉식 시스템으로 발열부를 만들면 조금 낫기는 하겠지만 그래도 효율이 떨어지는 것은 어쩔 수 없으니 그다지 추천하고 싶지 않습니다. (초기 시도는 수냉식이었죠.. 먼산)

그래도 만들어 보고 싶은 저의 동족들에게 몇 가지 팁을 제공해 드리면

반드시 모듈 형태의 펠티어 소자를 구입하세요. 히트싱크는 개인이 구입하면 너무 비쌉니다

발열부의 열을 제대로 제거하지 못하면 회로 망가집니다. 처음 시도에는 반드시 낮은 전류를 공급해서 발열부의 열 제거가 충분히 이루어 지는지 확인하세요

냉각부 결로현상에 대한 대비가 있어야 합니다

발열부 냉각팬은 소자의 전력이 차단된 이후에도 수 분간 작동시키도록 하세요. 회로의 손상을 보호해야 합니다

만약 저 처럼 냉장고를 만들고 싶으시다면 내부에 미리 얼려놓은 냉매를 하나쯤 가져다 놓아 두기를 권합니다

아두이노와 MOSFET을 이용해 작은 회로를 구성하면 좀 더 냉장고스러운 제품을 만들 수 있습니다.

아래는 이 프로토타입을 만들기 전에 아두이노 나노와 몇 가지 부품을 통해 냉각기능을 조절하기 위해 회로도를 작성한 것입니다. 도움이 되시면 좋겠네요. 전.. 안 만들 겁니다. ㅋㅋ

그래도 회로 설명을 드리자면, 아두이노 나노와 LM317정전압 레귤레이터(아두이노 공급용), MOSFET(펠티어 조절용 스위치), 온도 센서 2개와 LCD입니다. 여기까지 읽으시면 이해 하시겠지만, 내부 흡열판의 온도와 방열판의 온도를 확인해서 LCD에 보여주고, 온도가 특정값 이상 오르면 펠티어 회로를 동작시키거나 차단하면서 냉각상태를 조절해 주는 회로입니다. 그것 말고는 아무것도 없어요. ㅋ

실제론.. 이런 디자인도 혼자 만들어 봤습니다. ㅠㅠ