Experimental and theoretical studies on cooling performance of two-channel thermoelectric air-cooling system in parallel flow were conducted. The effects of operating temperature to physical properties of the module are experimentally examined and used in the analysis of a thermoelectric system considering thermal network and energy balance. The plate fin heat sinks were employed on the TEC hot and cold side surfaces to dissipate and absorb heat in the experiment and the thermal resistance of heat sinks is chosen as one of the key parameters in the design of a thermoelectric cooling system. The theoretical predicted temperature variation and cooling capacity were in good agreement with measured data, thereby reasonably validating analytic model. The relationship among the heat sink thermal resistances, electric voltage input and surface temperature of TEC was examined based on theoretical model. The calculated heat absorbed rate was showed for the several cases of heat sinks thermal resistance on the surface of TEC and electric voltage input. The maximum heat absorbed rate can be obtained by increasing the voltage input and decreasing the heat sink thermal resistance. The input power of thermoelectric module is accurately proportional to mean temperature differences due to the influence upon the physical properties. Coefficient of Performance can be expressed by the function of thermal resistance and mean temperature difference. Subsequently, thermal performance of louver fin and plate fin heat sinks with a ducted-flow type fan arrangement is analytically evaluated. Heat sinks of identical base plate area to surfaces of TEC $\times$ 13mm height with a DC blower were chosen for the comparison of performance. The operating point on the fan curve is based on the flow pressure drop impedance curve through a heat sink using the friction factor correlation for the chosen heat sink. After determining the operating air velocity, the convective thermal resistance of heat sinks is evaluated from the Nusselt number correlation. The analytic results show that the optimized louver fin heat sink can enhance the cooling performance of the thermoelectric air-cooling system due to lower thermal resistance and pressure drop than the plate fin.
본 연구에서는 실험 및 해석을 통하여 평행유동에서 공랭식 열전모듈 냉각시스템의 냉각성능에 관하여 알아보았다. 작동온도가 열전모듈의 물리적 특성에 대하여 미치는 영향을 알아보기 위하여 물성치 측정실험을 수행하였으며, 측정데이터를 시스템의 해석에 적용하였다. 시스템의 원활한 흡열 및 발열을 위하여 열전모듈의 고온부와 저온부에 평판핀 히트싱크를 부착하였으며, 히트싱크의 열저항을 냉각시스템 설계의 중요변수로 선정하였다. 해석모델을 통하여 얻은 결과는 실험데이터와의 일치를 통하여 검증되었으며, 그 타당성을 확인하였다. 검증된 해석모델을 이용하여 시스템의 열저항과 입력전압, 그리고 표면온도의 관계를 확인하였다. 입력전압의 증가와 열저항의 감소에 따라 시스템의 흡열량은 증가하였으며, 각 열저항에 따른 최적입력전압이 존재함을 확인하였다. 작동온도에 대한 물성치 변화에 기인하여 열전모듈의 입력전압은 작동온도의 1차함수로 나타낼 수 있으며, 냉각성능을 나타내는 성능계수 또한 작동온도와 열저항의 함수로 표현된다. 다음으로 열전모듈 기저부와 동일한 기저부 면적을 가지는 평판핀, 루버핀 히트싱크의 열적성능을 해석, 비교하였다. 팬 커브와 임피던스 커브를 이용하여 운전점을 계산하였고, 이를 바탕으로 기존의 연구된 상관식을 사용하여 최소 열저항을 가지는 히트싱크를 구하였다. 히트싱크 해석결과, 동일한 형상에서 루버핀이 평판핀보다 낮은 열저항을 가짐으로써 열전모듈 냉각시스템에 적용시 더 우수한 냉각성능을 나타내는 것을 확인하였다.
