펠티어 소자를 이용한 수조 냉각기 – 최종 정리본

2019년 카페에 올린글

안녕하세요? 습도가 높은 주말입니다.

이제까지 펠티어소자를 이용한 수조 냉각기 관련해서 글을 올렸었는데, 자작 냉각기 작업이 거의 끝나기도 했고, 이제까지의 내용을 한번 정리를 하는편이 좋을 것 같아서 정리 본으로 올립니다. (펠티어 소자의 낮은 효율에 대해서 추가 자료가 들어가 있습니다.)

다시한번 말씀드리지만 개인적인 의견도 상당히 들어가 있는 글이고, 과학적 오류도 있을 수 있습니다.

그리고 어디까지 펠티어 소자를 이용한 수조 냉각기 자작에 관심이 있으신 분들을 위한 글이므로 조금은 어려울 수 있습니다. ^^ (최대한 쉽게 쓸려고했지만… 음.. 제 능력의 한계인지라 ㅜㅜ) 틀린 부분은 지적해 주시면 수정하도록 하겠습니다. ^^

펠티어 소자를 이용한 냉각이란?

현대의 기술 중 냉각(냉동)에 대한 여러가지 방법(대표적으로는 냉매를 이용한 냉동 사이클)들이 있습니다만, 저는 펠티어 소자를 이용한 냉각에 대해서만 설명하도록 하겠습니다.

관심을 가지신 분이라면 다들 아시겠지만 아래와 같은 원리입니다.

한마디로 전류를 흘리면 한쪽면은 차가워지고 한쪽면은 뜨거워지는 겁니다. 아래와 같이 생겼고, 전압 및 전류에 따라 여러 가지 모델들이 있습니다.

펠티어 소자의 특성 및 효율

펠티어 소자를 이용한 냉각방식은 효율이 많이 떨어진다고 익히 들어서 알고 있습니다. 그럼 얼마나 떨어질까요? 이를 위해서는 무엇인가 비교 대상이 있어야 하는데, 쉽게 일반적인 에어컨을 기준으로 비교해보겠습니다.

먼저 COP (Coefficient of Performance)라는 것을 먼저 이해할 필요가 있습니다. 간단히 말해서 에어컨을 돌리면 실외기가 돌면서 전기를 사용하게 되는데, 이때 소모되는 전력 대비 발생되는(?) 냉방력이라고 생각하면 됩니다.

통상 에어컨은 COP가 3정도 나오는데, 전기 콘센트로 1이라는 에너지를 공급했을 때 3이라는 냉방 에너지를 가진다(실내에서 실외로 이동)는 겁니다. 그러면 펠티어 소자의 COP는 얼마가 될까요?

일반적으로 통상적으로 많이 나와봐야 펠티어 소자의 COP는 0.5 정도입니다. 에어컨의 1/6 수준입니다. 웹에서 보니까 차량에서 쓰는 펠티어 소자를 이용한 소형 냉장고는 COP가 0.2정도랍니다. 이는 에어컨의 1/15 수준입니다.

에어컨에 비해서 상당히 비효율적인 것을 알 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 펠티어소자가 갖는 특수한 장점 때문에 차량용 냉장고, 초소형 정수기 등과 같이 한정적인 범위 내에서 사용하는 것입니다.

조금 더 상세하게 들어가 보겠습니다. 먼저 아래 그래프를 보시죠.

제가 사용한 펠티어 소자 TEC1ー12715에 대한 자료(12V 15A 모델)입니다. (제가 사용한 것은 40×40 사이즈였는데, 이 모델은 50×50사이즈여서 조금 다르기는 한 것 같습니다만 참고용으로 보십시오.) 여기에 COP가 표기되어 있습니다.

저는 이해가 안되서 몇 시간을 노려보았습니다(부릅!). 음.. 대략적으로 유추해 보겠습니다.

x축의 12V를 따라(저는 12V SMPS를 쓰니까요) 주욱 올라가서 그래프와 만나는 점을 보면 모두 COP가 1 이하입니다.

상단 두 개의 그래프에서 Th(펠티어소자의 뜨거운 면 온도)가 27℃일 때 보다 50℃쪽이 COP가 살짝 더 높게 나옵니다. 하지만 하단 두 개의 그래프에서는 반대입니다.

상단의 두 그래프는 차가운 면과 뜨거운 면 온도 차이가 0℃에서 30℃사이일 경우이고 하단의 두 그래프는 차가운 면과 뜨거운 면 온도 차이가 40 ~ 70℃ 사이일 경우입니다.

즉, 펠티어 소자의 차가운 면과 뜨거운 면온도 차이가 0℃에서 30℃이하일 경우에는 뜨거운면 온도가 50℃에서 COP가 1에 가깝게 최대점이 나옵니다. 이것이 펠티어 소자의 최적 운영 방법으로 예상됩니다.

하지만 그래프를 잘 보면 가장 크게 COP에 영향을 미치는 것은 결국 뜨거운 면과 차가운 면의 온도차로 이 온도차를 작게 하는 것이 중요하게 표시되어있습니다.

그래서 발열부의 방열 컨트롤이 매우 중요하다는 것을 알 수 있습니다.

뜨거운 면과 차가운 면 온도 차이를 10℃이내로만 할 수 있다면 펠티어 소자의 COP를 약 0.8정도까지 올릴 수 있을 것 같습니다. (물론 그정도의 퍼포먼스를 보여줄진 모르겠지만요 ^^)

여기서 뜨거운 발열면의 냉각을 공랭식으로 했을 때 보다는 수랭식으로 했을 때가 펠티어 냉각 효율을 높일 수 있다는 것을 알게 됩니다. 그리고 경험적으로 수랭식으로 돌렸을 때가 소모 전력도 높아지는 것을 확인했습니다. 이 말은 총 냉각력을 좀 더 끌어올릴 수가 있다고 생각이 됩니다.

내 어항에 맞는 펠티어 소자 용량

이제까지 펠티어 소자로 냉각기를 만드시는 분들의 글을 보면 자기 수조에 맞는 펠티어 용량은 고려하지 않고 있다는 것에 대해 저는 놀랐습니다. 히터 구매할 때는 다들 수조 용량에 맞는 히터를 구매하시면서 말이죠.

그래서 저는 히터 용량을 기준으로 펠티어 용량을 산정하였습니다. (냉각이나 가열이나 비슷한 조건이라고 가정하였습니다.) 정확히는 히터 용량에 펠티어 효율을 고려해서 역으로 펠티어 용량을 산정한 값입니다.

히터 용량은 저번 글에도 한번 설명하였습니다만.. 아래는 네이버 검색에서 퍼왔습니다.

위의 계산을 제가 좀 요약하면, 어항 1ℓ당 1.32W짜리의 히터를 쓰면 됩니다.

제 어항은 45 ㎝ × 30 ㎝ × 32 ㎝ = 43.2 ℓ가 나오는데 여기다 1.32W를 곱하면 57W이상의 히터를 달면 됩니다. 제가 운영하는 펠티어 소자의 COP를 0.5라고 가정하면 약 114W의 펠티어 소자 용량을 써야 합니다. 간단하게 생각하면 지금 수조에 달린 히터의 최소 두배 이상의 용량의 펠티어 소자를 써야 한다는 겁니다.

즉, 저의 어항 기준이라면 12V 펠티어 10A이상의 모델을 써야 하는겁니다. 그런데 펠티어 소자 모델의 문제점이 하나 있습니다.

펠티어 12V 10A로 나오는 모델의 성능 그래프를 보면 12V가 아닌 14V~17V사이에서 10A의 성능을 내고 12V에서는 7A ~ 8A정도 값을 가집니다. (저는 114W 정도가 필요한데 84 ~ 96W밖에 성능이 나오지 않는 겁니다.) 결국 12V 15A 모델을 써야 합니다.

이런 식으로 자기의 수조에 맞는 펠티어 소자 용량을 생각할 수 있습니다.

펠티어 소자를 이용한 냉각기 제작시 고려할 사항들

이제 펠티어 소자의 용량을 선택했으니 냉각기를 만들어야 겠지요. 가장 좋은 효율로 따지자면 펠티어 소자의 차가운 면을 수조 물에 바로 닿게 하는 것이겠습니다만, 현실적으로 불가능(펠티어 소자가 물에 직접 닿으면 전류가 바로 물로 흘러버리겠죠 ^^) 하므로 대략 아래와 같은 방법으로 사용을 하게 됩니다.

가. 히트 파이프와 같이 직접 열전달을 이용한 냉각 방법

나. 수랭식 냉각 방법

다. 공랭식 냉각 방법

효율은 당연히 가나다 순서대로입니다.

히트 파이프와 같이 직접 열전달을 이용한 냉각방법
- 펠티어 소자의 차가운 면에 히트 파이프 한쪽을 대고, 다른 한쪽은 수조에 넣어서 차가움을 수조로 바로 전달시키는 방식입니다.
- 문제는 히트 파이프로 열을 전달해야 하기 때문에 수조의 물과 가깝게 위치해야 합니다.(공기로 노출되는 부분의 보온도 신경써야 합니다.) 당연히 어항 상부에 위치해야겠지요.
- 그리고 히트 파이프로 대부분 구리 제품을 씁니다만, 구리가 수조에 들어갈 경우 중금속(구리) 용출에 의한 새우 영향이 있다는 글을 봐서 가능한 알루미늄 히트파이프를 쓰는 것을 권고 드립니다. (정말 구리 용출에 의한 새우 사망이었는지는 저도 모르지만요)
- 수조에 들어가는 히트 파이프는 수류가 있는 곳에 위치해서 열전달을 빨리 시켜줄 수 있어야 합니다.
수랭식 냉각 방법
- 펠티어 소자의 차가운 면에 워터 블럭을 대고 이쪽으로 물을 순환시켜 열전달시키는 방법입니다.
- 수조 물을 바로 순환시키는 경우와 수조에도 냉각 코일을 써서 다시한번 더 열전달 시키는 방법이 있고, 이것 역시 구리 재질은 피해야 합니다.
- 그리고 수랭식은 물을 순환시키기 위해 워터펌프를 쓰게 되는데, 워터 펌프 발열이 생각보다 커서 펠티어 소자의 냉각효율을 감소시키는 큰 원인이 됩니다. 워터 펌프 선택에 신중하시길 바랍니다.
공랭식 냉각 방법
- 펠티어 소자의 차가운 면에 열교환 에어 블럭을 대고 차가운 공기를 만들어서 수조에 공급하는 방식입니다.
- 참고로 공기는 대표적인 단열 물질로 열교환을 하기 위해서는 열교환 면적이 커야합니다.
- 개인적으로는 펠티어를 사용한 공랭식 냉각 방식은 비효율적이라고 생각은 합니다만 (펠티어 소자를 이용해서 수조 물 온도를 내린다는 것 자체가 비효율적이기는 합니다. ^^)
- 수랭식과 똑같이 공기 공급 블로워에 의한 발열을 주의 하셔야합니다. 잘못하다가는 투입공기가 블로워를 거치면서 온도가 상승했다가, 펠티어를 거치면서 다시 온도가 내려가 결국은 방온도와 같은 온도로 수조에 공급될 수 있습니다. (물론 공기량에 따라 다르긴 하겠지만요 ^^)
- 그리고 공급 라인의 leak도 주의 하셔야 합니다. 물은 배관이 새면 바로 보이지만, 공기는 보이지 않자나요? 알 수가 없습니다.