KR101372420B1 - 열전반도체소자유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전반도체소자를 수용하는 하우징의 수납실 양측 개구부를 접착제로 기밀 가능하게 차단하면서, 열전반도체소자와 면접촉 상태로 연결되어 열을 전달하는 블록이 탄성부재의 탄성력에 의해 열전반도체소자와 긴밀한 면접촉상태를 유지할 수 있도록 하는 열전반도체소자유니트에 관한 것으로,
이의 구성은 열전반도체소자(110); 수납실(121) 내측에 단턱(123)이 돌출되는 하우징(120); 일측면이 열전반도체소자(110)와 밀착되게 고정되어 하우징(120)의 수납실(121)에 수용되는 제1블록(130); 하우징(120)의 플랜지(122)에 일측단에 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제2블록(140); 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)에 밀착되도록 탄성을 제공하는 탄성부재(150); 하우징(120)의 단턱(123)에 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제3블록(160); 하우징(120)의 플랜지(122)와 제2블록(140) 및 상기 하우징(120)의 단턱(123)과 제3블록(160)을 기밀 가능하게 접착시키는 접착제(170);를 포함한다.

Description

열전반도체소자유니트{Thermoelectric module unit}

본 발명은 전기공급에 의해 어느 일측면이 냉각되고 타측면이 방열되어 원하는 목적물을 선택적으로 냉각 또는 가열시키는 열전반도체소자유니트에 관한 것으로, 특히 열전반도체소자를 수용하는 하우징의 수납실 양측 개구부를 접착제로 기밀 가능하게 차단하고, 열전반도체소자와 면접촉 상태로 연결되어 열을 전달하는 블록이 탄성부재의 탄성력에 의해 열전반도체소자와 긴밀한 면접촉상태를 유지할 수 있도록 하여 열전달 효율을 극대화할 수 있는 열전반도체소자유니트에 관한 것이다.

열전반도체소자는 냉매를 순환시키기 위해 압축기를 가동시키는 기존의 냉각방식을 탈피한 환경친화적인 냉각방식으로서, 소형이면서도 세라믹 재질로 이루어진 박판의 열전반도체소자 양측면이 전극전환을 통해 간단하게 냉각과 방열을 동시에 수행하는 부품으로써, 그에 부착되는 블록들과 함께 유니트를 형성하여 현재 열교환 산업분야에서 널리 사용되고 있다.

열전반도체소자는 이미 설명한 바와 같이 전원이 공급되면 일측면이 냉각되고 이 냉각상태가 계속해서 유지될 수 있도록 반드시 타측면은 방열되는 특성이 있다. 따라서 타측면의 방열이 효율적으로 진행되면 될수록 냉각면의 온도가 낮아지게 된다.

그러므로, 열전반도체소자유니트의 냉각효율은 열전반도체소자의 방열면에서 방열이 원활하게 이루어져 온도가 낮아지고, 이와 더불어 냉각면의 저온이 열손실없이 냉각대상물까지 그대로 전달되는 것에 의해 결정된다.

종래에 많은 열전반도체소자유니트가 개발되었으나, 얇은 두께를 가진 열전반도체소자 양측면 온도차로 인한 결로현상이 발생하여 열전반도체소자를 비롯한 주변 부품들이 부식되고 또한 응결된 물방물이 열전달을 차단하는 방해요소로 작용하는 등 여러 가지 원인으로 인하여 냉각효율이 좋지 못하였는데 다음에서 그 예를 설명한다.

특허등록 제10-0780734호의 열전반도체소자유니트는 도 1과 같이 하우징(14) 하부에 고정되는 히트싱크(11)와, 하우징(14) 내부에 수용된 상태로 상부로 돌출되게 고정되는 쿨블록(13) 각각은 하우징(14)과 제2접착제(16)인 열경화 에폭시로 접착 고정되어 있다.

따라서, 열전반도체소자를 수용하는 수납실(14a)의 상하 양측 개구부는 각각 제2접착제(16)로 기밀 가능하게 밀폐되어 수납실(14a) 내부로 공기가 침투하는 것을 차단할 수 있어 결로현상으로 열전반도체소자(12)가 부식되는 것을 방지할 수 있었다. 그러나 열전반도체소자유니트를 구성하는 여러 가지 구성요소들의 수축률(열팽창계수) 차이를 감안하지 않아 열전반도체소자 측면에 조립되는 쿨블록(13) 또는 히트싱크(11) 또는 이들 모두가 열전반도체소자(12)에서 벌어지는 심각한 문제가 있어 일정 시간이 지나면 냉각효율이 급격히 저하되는 문제가 있었다.

더 구체적으로, 하우징(14)에 히트싱크(11)가 고정되고 상기 히트싱크(11)에 열전반도체소자(12) 방열면이 견고하게 부착된 상태에서 열전반도체소자(12)를 구동시키게 되면, 냉각면과 밀접하게 접촉된 금속재(주로 알루미늄)인 쿨블록(13)은 수축률이 크고, 쿨블록(13)을 내부에 수용하는 합성수지로 구성된 하우징(14)은 수축률이 거의 없기 때문에 수축률이 큰 쿨블록(13)은 미세하지만 부피가 작아지게 된다.

따라서, 수축률이 큰 쿨블록(13)은 열전반도체소자(12)에서 벌어지거나 또는 최소한 밀착정도가 약하게 되어 결국 열전반도체소자의 냉각열을 원활하게 전달하지 못하는 문제가 있었다. 이러한 원인은 제2접착제(16)인 열경화 에폭시가 쿨블록(13)을 고정함에 의해 발생 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 도 2의 특허공개 제10-2010-0123320호를 개발하였다. 이 기술은 하우징(10)과 쿨블록(20) 사이에 위치한 압축스프링(60)의 탄성력에 의해 항상 쿨블록(20)이 열전반도체소자(T)에 밀착되게 함으로써 열전반도체소자(T)의 방열면에서 발생하는 저온을 쿨블록(20)이 흡수하여 그와 접촉한 목적대상물에 전달하여 냉각토록 하였다.

그러나, 이러한 종래 열전반도체소자유니트는 열경화 에폭시를 사용하지 않아 수출률에 의한 단점은 해결하였으나, 도 2와 같이 하우징(10)과 쿨블록(20) 사이에 틈이 발생하고 이 틈으로 외부공기가 수납실 내부로 공급되어 열전반도체소자(T) 주변에 공기 온도차에 의한 결로현상이 발생하는 문제점을 극복하지 못하였다.

그러므로, 상기에서 지적된 결로현상을 방지함과 동시에 구성요소들의 수축률 차이에 의해 열전반도체소자가 분리되는 현상을 해결할 수 있는 열전반도체소자유니트의 개발이 절실히 요구되고 있다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 열전반도체소자유니트의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 열전반도체소자를 수용하는 하우징의 수납실 양측 개구부를 접착제로 기밀 가능하게 차단하면서, 열전반도체소자와 면접촉 상태로 연결되어 열을 전달하는 블록이 탄성부재의 탄성력에 의해 열전반도체소자와 긴밀한 면접촉상태를 유지할 수 있도록 하여, 종래 문제점으로 지적된 공기 침투에 따른 결로현상 및 구성요소들의 수축률 차이에 의해 발생된 열전반도체소자 분리현상을 방지할 수 있도록 하는 열전반도체소자유니트에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트에 구성은, 전원공급에 의해 어느 일측면이 냉각되고 타측면이 방열되는 열전반도체소자;

상기 열전반도체소자를 수용하는 수납실이 구비되고, 이 수납실 내측에 단턱이 돌출되는 하우징;

상기 단턱과 대응되게 돌출부가 형성되고, 열전반도체소자에서 발생하는 열을 전달할 수 있도록 일측면이 열전반도체소자와 밀착되게 고정되어 상기 하우징의 수납실에 수용되는 제1블록;

상기 열전반도체소자에서 발생하는 열을 전달할 수 있도록 열전반도체소자의 타측면과 밀착되게 고정되고, 하우징의 플랜지에 일측단에 기밀 가능하게 고정되어 수납실을 밀폐시키는 제2블록;

상기 하우징의 단턱과 제1블록의 돌출부 사이에 설치되어 제1블록이 열전반도체소자에 밀착되도록 탄성을 제공하는 탄성부재;

열전달이 가능하도록 상기 제1블록과 밀접하게 연결 또는 고정되고, 상기 하우징의 단턱에 기밀 가능하게 고정되어 수납실을 밀폐시키는 제3블록;

상기 하우징의 플랜지와 제2블록 및 상기 하우징의 단턱과 제3블록을 기밀 가능하게 접착시키는 접착제;를 포함한다.

여기서, 사용되는 탄성부재는 코일스프링, 고무, 우레탄, 고무와 코일스프링의 혼합, 우레탄과 코일스프링의 혼합 중에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.

또한, 상기 제3블록은 냉각 또는 가열하고자 하는 목적대상물이 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트는 하우징의 수납실 양측 개구부가 접착제로 기밀 가능하게 폐쇄됨과 함께 탄성부재에 의해 탄성력에 의해 제2블록이 열전반도체소자에 긴밀히 밀착되므로, 수납실 내부로 공기가 침투하지 못하여 결로현상이 발생하지 않아 열전반도체소자를 비롯한 구성요소들의 부식을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 구성요소들의 수축률 차이가 거의 발생하지 않아 열전반도체소자 분리되는 현상을 방지할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 종래 발명의 일 실시예에 따른 열전반도체소자유니트 단면도
도 2는 종래 발명의 다른 실시예에 따른 열전반도체소자유니트 단면도
도 3은 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트 단면도
도 4는 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트와 제3블록의 분해 사시도
도 5는 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트와 제3블록이 조립되기 전 상태의 단면도
도 6은 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트의 일 실시예 조립단면도
도 7은 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트의 다른 실시예 조립단면도
도 8은 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트의 또 다른 실시예 조립단면도
도 9는 종래 발명의 열전반도체소자유니트를 이용한 칠러의 사시도
도 10은 본 발명의 열전반도체소자유니트를 이용한 칠러의 사시도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열전반도체소자유니트의 구성을 상세히 설명한다.

상기 도면에서와 같이 본 발명의 열전반도체소자유니트(100)는 크게 열전반도체소자(110), 상기 열전반도체소자(110)를 수용하는 하우징(120), 일측면이 열전반도체소자(110)와 밀착되게 고정되어 상기 하우징(120)의 수납실(121)에 수용되는 제1블록(130), 하우징(120)의 플랜지(122)에 일측면이 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제2블록(140), 상기 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)에 밀착되도록 탄성을 제공하는 탄성부재(150), 상기 하우징(120)의 단턱(123)에 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제3블록(160), 상기 하우징(120)의 플랜지(122)와 제2블록(140) 및 상기 하우징(120)의 단턱(123)과 제3블록(160)을 기밀 가능하게 접착시키는 접착제(170);를 포함한다.

상기 열전반도체소자(110)는 전원공급에 의해 어느 일측면이 냉각되고 타측면이 방열되는 것으로, 공지의 구성요소이고 그에 관한 기술이 널리 알려져 있어 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

상기 하우징(120)은 열전반도체소자(110)를 수용할 수 있도록 수납실(121)이 구비되고, 이 수납실(121) 하단부 외측에는 제2블록(140)을 보울트(B)로 체결고정할 수 있도록 플랜지(122)가 돌출되고, 상단 내측에는 탄성부재(150)를 지지하면서 상기 제3블록(160)을 접착제(170)로 기밀 가능하게 고정하기 위한 면적을 제공하는 단턱(123)이 돌출된다.

상기 하우징(120)은 복수 개의 수납실(121)을 형성하여 도 10과 같이 하나의 하우징(120)에 2개 이상의 열전반도체소자(110)를 사용할 수도 있다. 이렇게 되면 단일 하우징(120)에 단위 열전반도체소자유니트(100) 복수 개가 장착되므로 원하는 대형 목적물을 냉각 또는 가열시킬 수 있다.

상기 플랜지(122)의 저면 둘레와 단턱(123)의 상면 둘레에는 접착제(170)가 삽입될 수 있도록 홈(124)(125)이 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 플랜지(122)에는 보울트(B)가 관통할 수 있도록 체결공(126)이 형성된다.

상기 하우징(120)은 제1,2블록(130)(140)들간에 열전달을 억제할 수 있도록 합성수지재로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제1블록(130)은 열전반도체소자(110)의 열을 제3블록(160)에 전달할 수 있도록 금속재, 바람직하게는 알루미늄소재로 구성되면 좋다. 이러한 제1블록(130)은 상기 탄성부재(150)를 지지할 수 있도록 하단부에 상기 하우징(120)의 단턱(123)과 대응되게 돌출부(131)가 형성된다. 제1블록(130)의 상단부는 제3블록(160)과 긴밀하게 면적촉으로 연결되거나 또는 고정될 수 있도록 하우징(120) 외부로 돌출되게 형성된다.

상기 제2블록(140)은 열전반도체소자(110)에서 발생하는 열을 전달할 수 있도록 금속재, 바람직하게는 알루미늄소재로 구성되면 좋다. 이러한 제2블록(140)은 열전반도체소자(110)의 타측면과 밀착되게 고정되고, 또한 하우징(120)의 플랜지(122) 저면에 접착제(170)에 의해 기밀 가능하게 고정되어 하우징(120)의 수납실(121)을 밀폐시키게 된다. 상기 제2블록(140)은 보울트(B) 체결에 의해 하우징(120)의 플랜지(122)에 고정될 수 있도록 체결공(141)이 형성되는데, 상기 체결공(141)은 관통될 수 있다.

여기서, 상기 제2블록(140)은 열전반도체소자(110)와 직접 면접촉상태로 고정되므로 그 자체를 방열판으로 사용하면 좋다.

상기 탄성부재(150)는 상기 하우징(120)의 단턱(123)과 제1블록(130)의 돌출부(131) 사이에 설치되어 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)에 밀착되도록 탄성을 제공하게 된다. 이러한 탄성부재(150)는 탄성력을 조절하여 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)와 과도하게 접촉하여 열전반도체소자(110)가 파손되는 것을 방지하고, 또한 너무 느슨하게 접촉하여 열전달 효율이 저하되는 것을 방지한다. 상기 탄성부재(150)의 탄성력은 반복적 실험을 통해 적합한 탄성력을 도출할 수 있을 것이다. 상기 탄성부재(150)의 다른 실시예는 도 8과 같이 판스프링(151)을 사용할 수 있다.

상기 제3블록(160)은 하우징(120)의 단턱(123)에 도포되는 접착제(170)와 함께 종래에 없는 기술로서, 본 발명을 구성하는 중요한 구성요소이다.

즉, 제3블록(160)은 열전달이 가능하도록 제1블록(130)과 밀접하게 면접촉으로 연결되거나 고정된다. 제3블록(160)의 하부 면적은 하우징(120)의 단턱(123)과 대응되는 위치까지 연장되어 접착제(170)에 의해 상기 단턱(123)에 고정되는 크기를 가져야 한다. 제3블록(160)은 접착력을 높일 수 있도록 저면에 홈(161)이 형성되는 것이 좋다.

상기 제1,3블록(130)(160) 사이에는 열전달이 우수한 별도의 열전달이 우수한 접착제(180)가 도포되어 그들 사이에 공간부가 형성되는 것을 차단토록 한다.

상기 제3블록(160)은 제1블록(130)으로부터 열전반도체소자(110)의 열을 전달받아 냉각되거나 또는 가열되므로, 그 자체가 냉각 또는 가열되는 목적대상물이 될 수 있다.

상기 접착제(170)는 상기 하우징(120)의 플랜지(122) 저면 둘레를 따라 도포되어 제2블록(140)을 기밀 가능하게 고정하고, 또한 상기 하우징(120)의 단턱(123) 상면 둘레를 따라 도포되어 제3블록(160)을 기밀 가능하게 고정하게 된다. 이와 같이 하우징(120)의 상,하단부의 플랜지(122)와 단턱(123)들의 둘레에 도포된 접착제(170)에 의해 하우징(120)의 수납실(121) 상,하 개구부는 기밀 가능하게 폐쇄되므로 수납실(121) 내부로 공기가 침투되는 것을 완전하게 차단하게 된다.

여기서, 단턱(123)에 도포되는 접착제(170)는 단턱(123) 측면부분에 도포 되지 않아 단턱(123) 측면과 제1블록(130) 측면은 자유로운 상태가 된다. 따라서 상기 탄성부재(150)의 탄성력에 의해 제1,3블록(130)(160)은 미세하지만 열전반도체소자(110) 방향으로 항상 이동하여 제1블록(130)의 저면이 열전반도체소자(110)에 긴밀하게 접촉하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 구성요소들의 수축률 차이에 의해 열전반도체소자(110)가 이탈되는 문제 및 공기 침투에 따른 결로현상을 방지할 수 있는 유익한 발명이다.

뿐만 아니라, 본 발명을 이용하여 열교환기의 일종인 도 10과 같은 칠러(190)를 제조할 경우에 제1,3블록(130)(160)이 미세하게 하향으로 이동할 수 있기 때문에 하나의 하우징(120)에 두 개 이상의 열전반도체소자(110)를 장착여 그 상부에 단일체로 구성된 목적대상물이 탑재하여도 제1,3블록(130)(160)들은 높이차가 보정되어 목적대상물과 긴밀히 접촉되여 열교환 효율을 높일 수 있다.

또한, 구성요소들은 수축률 변화에 영향을 받지 않으면서도 결로현상이 방지되므로 칠러(190)의 구성요소를 줄이고 그에 따른 조립공조를 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 도 1의 열전반도체소자유니트 복수 개를 이용하여 칠러를 제조하게 되면, 도 9와 같이 각각의 쿨블록(13)들은 하우징(14)에 고착되어 높이차가 보정되지 않아 그들 상부에 단일 냉각대상물이 탑재되면 각각의 쿨블록(13)과 냉각대상물 저면 사이에 공차가 일정하지 않아 열전달 효율이 현저하게 저하된다.

이상의 본 발명은 하우징 상부를 접착제로 기밀 가능하게 차단하면서도 블록이 수축률에 영향을 받지 않아 발명의 목적을 효과적으로 달성할 수 있는 실용적인 발명이라 할 수 있다.

100 : 열전반도체소자유니트 110 : 열전반도체소자
120 : 하우징 122 : 플랜지
123 : 단턱 130 : 제1블록
140 : 제2블록 150 : 탄성부재
160 : 제3블록 170 : 접착제

Claims (4)

1. 전원공급에 의해 어느 일측면이 냉각되고 타측면이 방열되는 열전반도체소자(110);
   상기 열전반도체소자(110)를 수용하는 수납실(121)이 구비되고, 이 수납실(121) 내측에 단턱(123)이 돌출되는 하우징(120);
   상기 단턱(123)과 대응되게 돌출부(131)가 형성되고, 열전반도체소자(110)에서 발생하는 열을 전달할 수 있도록 일측면이 열전반도체소자(110)와 밀착되게 고정되어 상기 하우징(120)의 수납실(121)에 수용되는 제1블록(130);
   상기 열전반도체소자(110)에서 발생하는 열을 전달할 수 있도록 열전반도체소자(110)의 타측면과 밀착되게 고정되고, 하우징(120)의 플랜지(122)에 일측단에 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제2블록(140);
   상기 하우징(120)의 단턱(123)과 제1블록(130)의 돌출부(131) 사이에 설치되어 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)에 밀착되도록 탄성을 제공하는 탄성부재(150);
   열전달이 가능하도록 상기 제1블록(130)과 밀접하게 연결 또는 고정되고, 상기 하우징(120)의 단턱(123)에 기밀 가능하게 고정되어 수납실(121)을 밀폐시키는 제3블록(160);
   상기 하우징(120)의 플랜지(122)와 제2블록(140) 및 상기 하우징(120)의 단턱(123)과 제3블록(160)을 기밀 가능하게 접착시키는 접착제(170);를 포함하고,
   여기서, 상기 하우징(120)은 단일 몸체에 복수 개의 수납실(121)을 형성하여 이들 각 수납실(121)에 단위 열전반도체소자유니트가 장착되는 것을 특징으로 하는 열전반도체소자유니트.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 탄성부재(150)는 코일스프링, 고무, 우레탄, 고무와 코일스프링의 혼합, 우레탄과 코일스프링의 혼합 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전반도체소자유니트.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제3블록(160)은 냉각 또는 가열되는 목적대상물인 것을 특징으로 하는 열전반도체소자유니트.
   
   
   
   
4. 삭제

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