KR101820424B1 - 열전환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예들은 열전소자를 포함하는 열전환장치에 대한 것으로, 열전모듈을 적용하는 열교환장치의 구조에서 한 쌍의 흡열모듈과 발열모듈을 수평방향으로 배치하여, 공기 유로의 저항 없이 원하는 풍량과 풍속을 유지하면서 공기에 대한 열변환효과를 구현하며, 유입공기의 건조 및 제습의 효과를 구현할 수 있으면서도, 낮은 소비전력에도 고효율의 열변환기능을 구현할 수 있는 열전환장치를 제공한다.

Description

열전환장치{DEVICE USING THERMOELECTRIC MOUDULE}

본 발명의 실시예들은 열전소자를 포함하는 열전환장치에 대한 것이다.

일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생함으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.

이 경우, 열전소자는 발열부와 흡열부 상에 방열부재를 형성하여 유입되는 공기에 대한 제습과 건조를 병행하는 장치로 응용될 수 있으나, 이 경우 열전모듈에서 흡열부로 유입되는 공기를 1차적으로 제습한 후, 다시 공기를 열전소자의 상부에 배치된 발열부로 유도하여 건조하게 할 수 있으나, 공기의 유동이 많아 지면서 유로 저항이 발생하게 되어 제습 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다. 이를 해소하기 위해서는 유입되는 공기의 강도를 강하게 하여 전체적인 공기의 유동을 강하게 하는 방안이 있으나, 소비전력의 증가와 소음 증가로 이어져 제습기로서의 성능이 매우 떨어지게 되는 문제로 이어지게 된다.

또한, 열전소자는 발열부와 흡열부 상에 방열부재를 형성하여 유입되는 공기에 대한 제습과 건조를 병행하는 장치로 응용하는 경우, 다습의 공기가 유입되어 히트싱크를 지나면 낮은 습도의 온도에너지를 공기가 지니게 되어 밀폐된 공간에서 사용될 경우, 온도가 올라가게 되어 사용에 제약이 있었다.

본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 본 발명의 실시예에서는, 열전모듈을 적용하는 열교환장치의 구조에서 유입되는 공기의 응축과 건조, 그리고 재응축의 과정이 가능한 열전환장치를 제공하여 건조된 공기의 온도를 재차 제어하여 원하는 온도로 유지하여 배출할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 실시예에서는, 상호 대향하는 기판 사이에 열전반도체를 포함하는 열전모듈, 상기 열전환모듈의 열전환기능을 매개로, 유입되는 공기의 온도를 변환하는 제1모듈, 상기 제1모듈을 경유한 공기의 온도를 재변환하는 제2모듈, 상기 제2모듈을 경유한 공기의 온도를 제어하는 제3모듈을 포함하는 열전환장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈을 적용하는 열교환장치의 구조에서 유입되는 공기의 응축과 건조, 그리고 재응축의 과정이 가능한 열전환장치를 제공하여 건조된 공기의 온도를 재차 제어하여 원하는 온도로 유지하여 배출할 수 있도록 하는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈을 매개로 흡열과 발열효과를 제1모듈 내지 제3모듈에 구현하며, 특히 한쌍의 냉각모듈과 하나의 건조모듈을 수평방향으로 배치하여, 공기 유로의 저항 없이 원하는 풍량과 풍속을 유지하면서 공기에 대한 열변환효과를 구현하여 낮은 소비전력에도 고효율의 열변환기능을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 흡열모듈과 발열모듈에 공기와 면접촉을 하는 열전환부재를 배치하되, 폴딩(folding) 구조로 다수의 유로를 형성하면서 접히는 구조의 열전환부재를 적용하여 공기와의 접촉면적을 극대화하여 열변환 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

나아가, 열전환부재의 단위 열전환부의 곡률 표면에 공기와의 마찰을 높일 수 있으며, 공기의 순환을 증대하는 저항패턴 및 유로홈이 결합된 구조의 패턴을 형성하여 열변환효율을 더욱 높일 수 있도록 한다.

또한, 폴딩 구조의 열전환부재로 인해 제한적인 열교환 장치의 면적에도 고효율의 열전환장치를 형성할 수 있으며, 제품 자체의 부피를 얇게 형성하여 범용적인 설계배치를 구현할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치의 사시개념도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 측면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열변환모듈 내에 포함되는 열전환부재의 구조의 일실시예를 도시한 것이다.
도 4는 상기 열전환부재에서 하나의 유로패턴이 형성된 구조의 확대개념도이다.
도 5는 상술한 열전달부재의 유로패턴의 구현예를 다양하게 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 열전환장치를 도시한 것이며, 도 7은 도 6에 배치되는 열전모듈의 평면 배치개념도를 도시한 것이다.
도 8은 상술한 본 발명의 실시예에서 제1모듈과 제2모듈과 접촉하는 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단위셀의 구조를 도시한 것이며, 도 9는 도 8의 구조를 다수 배치한 구조의 열전모듈을 예시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치의 사시개념도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 W-W' 단면도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 상호 대향하는 기판 사이에 열전반도체를 포함하는 열전모듈(100)과, 상기 열전모듈(100)의 열전환기능을 매개로, 유입되는 공기의 온도를 변환하는 제1모듈(200), 상기 제1모듈을 경유한 공기의 온도를 재변환하는 제2모듈(300), 상기 제2모듈을 경유한 공기의 온도를 제어하는 제3모듈(400)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통해 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는, 제1모듈 및 제3모듈을 냉각모듈로, 제2모듈을 건조모듈로 구현하는 경우에는 최초 유입되는 공기에 대하여 1차적으로 냉각응축을 수행한 후, 2차적으로 건조 가열을 통해 공기를 건조하고, 온도가 높아진 공기는 3차적으로 다시 냉각을 통해 원하는 온도로 제어하여 배출할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 이러한 모듈의 배치는 냉각-건조-냉각의 기능 외에, 건조-냉각-건조 등으로 변경하여 실시할 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 건조모듈을 중심으로 양측에 냉각모듈의 기능을 수행하는 예를 통해 본 발명에서의 열전환장치의 기능을 설명하기로 한다.

상기 열전모듈(100)은 상호 대향 하는 한 쌍의 기판(140, 150) 상이에 서로 전기적으로 연결되는 열전반도체소자(120)가 배치되는 구조로, 상기 열전 반도체소자는 P형 반도체 와 N형 반도체가 쌍을 이루며 배치되며, 전류의 인가 시 펠티어 효과에 의해 상술한 한 쌍의 기판에 흡열부와 발열부를 구현하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 도 1 및 도 2의 구조에서 제1기판(140) 쪽에서 흡열영역이 형성되며, 제2기판(150) 쪽에서 발열영역이 형성되는 것을 예로 하여 설명하기로 한다.

아울러, 공기에 대한 열변환 기능을 수행하는 제1모듈 내지 제3모듈(200, 300, 400)은 상기 열전모듈의 제1기판(140) 및 제2기판(150) 중 어느 하나와 인접하여 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1모듈 내지 제3모듈(200, 300, 400)은 열전모듈(100)에서의 발열, 흡열의 효과를 전달받을 수 있도록 도시된 구조에서는 열전환부재(220, 320, 420)가 별도의 수용부재의 내부에 수용되고, 상기 수용부재의 표면과 열전모듈(100)의 제1기판(120) 또는 제2기판(150)의 표면이 접촉하는 구조로 구현할 수 있도록 하였으나, 이는 하나의 실시예이며, 도시된 제1기판(120)과 접촉하는 중간부재(100A)를 연장하여 제1모듈(200) 및 제3모듈(400)이 접촉하는 구조 외에도, 제1기판(120) 자체를 연장하여 직접 제1모듈(200) 및 제3모듈(400)이 접촉하는 구조로도 구현가능하다. 이렇게 제1기판(140) 및 제2기판(150)의 표면과 제1모듈 및 제2모듈이 직접 접촉하는 구조는 열전모듈의 발열 및 흡열의 작용을 직접 전달하게 되는바 열전달효율이 좋아지게 되며, 중간부재가 게재되는 구조에서는 장비 자체의 안정성이 좋아지게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150)에 접촉하여 열변환을 수행하는 제1모듈 내지 제3모듈의 내부에 수용되는 열전환부재(220, 320, 420)가 포함될 수 있으며, 다양한 방열부재나 흡열부재 등의 구조물이 적용될 수 있으나, 특히 본 발명의 실시예에서는 상기 열전환부재의 구조가 공기, 액체 등과 접촉하는 면을 구비하되, 접촉면적을 극대화할 수 있는 구조로 유로홈을 구비하는 구조로 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 구조와 같이, 열전모듈(100)에서는 제1기판(140)과 제2기판(150)이 포함되는 구조를 구비하고 있으며, 특히 제1기판(140)이 배치되는 영역에서는 흡열기능을 수행하는 영역으로 제1열전환부라 정의하고, 제2기판(150)이 배치되는 영역에서는 발열기능을 수행하는 영역으로 제2열전환부로 정의하여 설명하기로 한다. 상기 제1 및 제2열전환부는, 열전소자(120)의 기능에 의해 흡열과 발열의 기능이 구현되는 것으로, 제1기판 및 제2기판 외에도 내부에 전극, 유전체 등의 구성을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이는 후술하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 제1모듈(200) 및 상기 제3모듈(400)은, 상기 열전모듈(100)의 제1열전환부와 접촉하도록 구현될 수 있으며, 특히 제1열전환부의 제1기판(140)의 흡열기능이 전달될 수 있도록 중간부재(100A)를 배치하여 접촉이 구현될 수 있도록 할 수 있다.

또한, 상기 제2모듈(300)은 제2열전환부와 접촉하도록 배치하되, 특히 상기 열전모듈(100)의 제2기판(150) 부분과 접촉하여 발열기능이 전달될 수 있도록 구현할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 상술한 제1모듈 내지 제3모듈의 배치를 열전모듈(100)을 기준으로 편방향으로 배치하도록 함이 더욱 바람직하다. 이 경우 편방향 배치란, 도 1 및 도 2와 같이, 열전모듈(100)과 제1모듈 내지 제3모듈(200, 300, 400)이 수평방향으로 배치되는 구조와 같이, 열전모듈을 기준으로 상부 방향이나 하부 방향 중 어느 한 방향을 의미하며, 예를 들면, 본 발명의 일 실시예로서 상기 제2모듈(300)을 상기 열전모듈(100)의 하부에 배치하고, 상기 제2모듈(300)과 수평방향으로 공기 유로가 형성되도록 상기 제1모듈(200) 및 제3모듈(400)을 배치하는 구조를 들 수 있다. 이러한 구조는 동일한 공간에 공기의 유로가 연속적으로 흡열과 발열기능, 흡열기능을 순차로 구현하는 모듈을 거칠 수 있도록 하여 유로 저항을 최소화하며 열전효율을 높일 수 있게 하는 장점이 구현된다.

상기 제1모듈 내지 제3모듈(200, 300, 400) 내에는 공기를 건조, 냉각할 수 있도록, 발열과 흡열의 기능을 전달받아 열변환을 구현하는 열전달부재(220, 320, 420)를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다. 상기 열전달부재(220, 320, 420)들은 별도의 열전달부재수용유닛(210, 310, 410)을 구비하여 그 내부에 하나 또는 다수의 열전달부재가 적층되도록 구비될 수 있으며, 공기 유입로를 제외한 다른 부분은 밀폐하는 구조로 구현되는 것도 가능하다. 도 1 및 도 2의 실시예에서는 다수의 열전달부재가 적층되는 경우, 각 열전달부재의 사이에는 별도의 중간부재(211, 212, 311, 312, 411, 412) 가 배치될 수도 있다. 아울러 상술하였지만, 제1모듈(200)의 상부가 중간부재(100A)와 접촉하는 경우, 최상층의 열전달부재와 상기 중간부재(100A)가 직접접촉하는 구조로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 수용부재에 열전달부재를 수용한 것이 접촉하는 것도 가능함을 상술한 바와 같다.

도 1에 도시된 구조에서 상기 제1모듈(200)의 중간부재(100A)는 흡열반응이 일어나는 제1기판(140)과 접촉하여 상기 제1모듈(200)에서 흡열기능, 즉 온도는 낮추는 기능을 수행할 수 있다. 따라서 외부의 팬(fan) 등에서 유입되는 외부 공기가 상기 제1모듈(200)에 유입되는 경우, 유입되는 공기가 상기 열전모듈(100)의 상기 제1기판(140)을 통해 상기 제1모듈(200)과 내부의 제1열전환부재(220)과 접촉하면서 공기의 온도가 낮아지게 되며, 이를 통해 다습한 공기의 수분을 응축시킬 수 있게 된다.

이를 위해 상기 제1모듈(200)은 제1기판(140)에서 흡열반응으로 인해 온도가 낮아지도록 유도되어 제1기판의 낮은 온도가 상기 중간부재(100A)을 통해 상기 제1모듈(200)의 제1열전환부재(220) 및 그 수용유닛에까지 전달되어 낮은 온도를 유지할 수 있게 된다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1열전달부재(220)는 공기와의 접촉면적을 극대화할 수 있도록 특유의 유로패턴을 형성하는 구조로 구현될 수 있도록 한다(도 4 참조). 아울러, 도 1에 도시된 구조에서는 상기 중간부재(100A)과 상기 제1기판(140)이 별개의 구조물로 형성되는 것을 예시하고 있으나, 구조를 더욱 간소화하며 효율적인 열전달을 위해서 상기 제1기판(140)과 상기 중간부재(100A)는 일체형 구조로 구현될 수도 있다.

상기 제2모듈(300)은 상기 제1모듈(200)의 내부를 경유한 냉각된 공기의 내부의 습기가 응결되어 배출된 이후 공기를 유입하게 되며, 상기 열전모듈(100)의 발열 영역(제2열전환부)을 형성하는 제2기판(150)과 접촉하는 제2열전달부재 수용유닛(310)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제2기판(150)과는 면접촉을 하여 제2모듈의 발열반응의 열을 상기 제2열전달부재 및 그 수용유닛(310)의 내부로 전달하여, 상기 제1모듈(200)을 통과한 공기를 유입 받아 그 열로 건조한 공기로 전환하게 하는 기능을 수행한다. 아울러, 이 경우, 제2열전달부재(320)과 제2기판(150) 사이에는 별개의 중간부재가 더 포함될 수도 있다. 물론, 이 경우 중간부재와 상기 제2기판(150)은 별개의 구조물로 형성할 수 있으나, 구조를 더욱 간소화하며 효율적인 열전달을 위해서 일체형 구조로 구현될 수도 있다.

상기 제3모듈(400)은 상기 제1모듈(200)과 동일한 구조로 상기 중간부재(100A)와 접촉하여, 제2모듈(300)을 경유하여 건조 가열된 공기를 다시 냉각시키는 기능을 수행할 수 있도록 한다. 따라서, 제3모듈을 통과한 공기는 최종적으로 최초 유입된 공기와 비교하여 낮은 습도와 낮은 온도를 가지는 공기로 변환되어 배출될 수 있게 된다. 상기 제3모듈(400)의 구성은 제1모듈(200)의 구성과 동일하게 형성할 수 있다. 물론, 열전달부재의 구성을 달리하여, 도 7에서 제시한 구조의 열변환모듈을 배치하는 것도 가능하다.

도 3은 도 1 및 도 2에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 제1모듈(200)과 제2모듈(300) 및 제3모듈(400)의 배치 구조의 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 실시예에 따른 제1모듈(200)과 제2모듈(300), 제3모듈(400)은 상술한 바와 같이, 상기 열전모듈(100)을 기준으로 '편방향'으로 배치될 수 있다. 이 경우 상기 '편방향'이란 상기 열전모듈(100)을 기준으로 상부 방향(Y1)이나 하부 방향(Y2) 중 어느 한 방향을 의미한다. 즉, 열전모듈(100)의 제1기판(140)의 상부평면 연장선(X 1), 하부평면의 연장선(X 2)을 고려할 때, 제1모듈 또는 제2모듈, 제3모듈 중 하나가 열전모듈과 직접 접촉하는 방향에 배치되며, 그 방향과 수평 성분의 방향에 다른 모듈을 배치하도록 한다.

예를 들면, 즉, 도 1 및 도 2에서 상술한 것과 같이 상기 제2모듈(300)을 상기 열전모듈(100)의 하부에 배치하고, 상기 제2모듈(300)과 수평방향으로 공기 유로가 형성되도록 상기 제1모듈(200) 및 제3모듈(400)을 배치하는 구조를 들 수 있다.

그러나 이러한 제1모듈 내지 제3모듈이 수평방향의 배치구조에만 한정되는 것은 아니며, 도 3의 (b)에 도시된 것과 같이, 열전모듈(100)의 제1기판을 기준으로 제1모듈(200)이나 제3모듈(400) 중 어느 하나가 일정하게 기울어진 상태로 배치되더라도 제1모듈과 제2모듈을 경유하는 공기가 이동하는 유로의 절곡 상태에 따라 유로 저항이 발생함 없이 제1모듈에서 제2모듈, 그리고 제3모듈에서 제3모듈로 바로 유입될 수 있는 구조이면 모두 본 발명의 편방향 배치 구조에 포함될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시형태에서 정의하는 '편방향 배치 구조'의 형태로 '수평방향의 배치'란, 외부 공기가 최초로 제1모듈을 통과한 이후에, 통과한 배출공기의 일부 또는 전부가 제2모듈로, 그리고 제2모듈을 경유한 공기가 제3모듈로 바로 유입되어 통과될 수 있는 배치구조를 모두 포함하는 개념이다. 따라서, 이러한 배치구조라면 제1모듈 내지 제3모듈의 배치는 어떠한 형태로든 변형설치된다 하여도 본 발명의 요지에 포함된다고 할 것이다.

즉, 도 3의 (a)와 같이 열전모듈(100)의 상부에 배치되는 제1모듈(200)과, 열전모듈(100)의 하부에 배치되는 제2모듈(300)의 배치구조와 같이, 열전모듈을 기준으로 상부 및 하부에 밀착하여 배치되는 양방향배치구조가 아닌, 상기 열전모듈의 상에 접촉하는 하나의 제2모듈(300)을 제외하고, 도 3의 (b), (c)와 같이 나머지 제1모듈(200) 및 제3모듈(400)이 열전모듈의 제1기판(140)과 접촉은 하되, 그 상부가 아닌 외부 측면방향으로 연장되어 제2모듈(300)이 배치되는 방향으로 배치되는 경우의 변형실시예는 모두 본 발명의 실시예에 포함된다고 할 것이다.

이는 도 3의 (a)의 구조에서는 유입되는 공기(A)가 제1모듈(200)을 경유하면서 냉각되며, 공기 내의 수분이 응축되며, 제1모듈을 통과한 이후 공기가 "U" 자형으로 절곡된 공기이동로를 돌아, 열전모듈의 하부 방향에 배치되는 제2모듈(300)으로 유입되어 발열기능으로 인한 건조가 수행되도록 배치되면, 절곡된 영역에서 심판 유로저항이 생겨 제습의 효과가 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들은, 이러한 "U"자형으로 절곡된 공기 유로를 형성하지 않고, 공기 유로의 수평방향으로의 진행방향에 제1모듈 및 제2모듈, 제3모듈을 배치하여 유로 저항을 최소화할 수 있도록 한다.

도 4 내지 도 6은 도 1에서의 제1모듈 내지 제3모듈 내에 수용되는, 제1열전달부재(220) 및 제2열전달부재(320), 제3열전달부재(420)의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.(이 중, 제1열전달부재(220)을 기준으로 구조를 설명하기로 한다.)

도 1 및 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제1열전달부재(220)는 공기와 면접촉을 수행할 수 있도록 제1평면(221)과 상기 제1평면(221)의 반대 면인 제2평면(222)의 평판형상의 기재에 일정한 공기의 이동로인 공기 유로(C 1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(220A)이 구현되는 구조로 형성될 수 있다.

상기 유로패턴(220A)은 도 4 및 도 6에 도시된 것과 같이, 일정한 피치(P 1, P 2)와 높이(T 1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding) 구조, 즉 접는 구조로 형성하는 방식으로 구현하는 것도 가능하며, 이러한 유로패턴은 도 4에 도시된 구조뿐 아니라 도 6에 도시된 것과 같이 다양한 변형형태로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 제1열전달부재(220) 또는 제2열전달부재(320)는 공기가 면접촉하는 평면을 2면을 구비하고, 접촉하는 표면적을 극대화하기 위한 유로패턴을 형성되는 구조로 구현될 수 있다. 도 4에 도시된 구조에서는, 공기가 유입되는 유입부의 유로(C 1)방향에서 유입되는 경우, 상술한 제1평면(221)과 상기 제1평면(221)의 반대 면인 제2평면(222)과 공기가 고르게 접촉하며 이동하여 유로의 말단(C 2)방향으로 진행될 수 있도록 하는바, 단순한 평판형상과의 접촉 면보다 동일 공간에서 훨씬 많은 공기와의 접촉을 유도할 수 있게 되는바, 흡열이나 발열의 효과가 더욱 증진되게 된다.

특히, 공기의 접촉면적을 더욱 증대하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 제1열전달부재(220)는 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(223)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 저항패턴(223)은 단위 유로패턴을 고려할 때, 제1곡면(B1) 및 제2곡면(B2)에 각각 형성될 수 있다.

나아가, 상기 저항패턴(223)은 도 5의 부분 확대도와 같이, 공기가 진입하는 방향으로 일정한 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출구조물로 형성되어 공기와의 마찰을 극대화하는 할 수 있도록 하여 접촉면적이나 접촉효율을 더욱 높일 수 있도록 한다. 나아가, 저항패턴(223)의 앞 부분의 기재 면에 홈(224)을 형성하여, 상기 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부를 상기 홈(이하 '유동홈(224)'이라 한다.)을 형성하여 기재의 전면과 후면을 통과하여 접촉의 빈도나 면적을 더욱 높일 수 있도록 할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 예에서는 저항패턴이 공기의 유동방향에 저항을 극대화하도록 배치되는 구조로 형성하였으나, 이 형상에 한정되는 것은 아니며, 저항 설계에 따라 저항의 정도를 조절할 수 있도록 돌출되는 저항패턴의 방향을 반대로 설계되도록 할 수 있으며, 도 5에서는 저항패턴(223)이 열전달부재의 외표면에 형성되도록 구현하였으나, 반대로 열전달부재의 내표면에 형성하는 구조로도 변형이 가능하다.

도 6은 상술한 제1열전달부재, 제2열전달부재, 제3열전달부재의 유로패턴의 구현예를 다양하게 도시한 개념도이다.

도 6에 도시된 것과 같이, (a) 일정한 피치(P 1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, (b) 유로패턴의 단위패턴이 첨부를 가지는 패턴 구조의 반복구조로 구현하거나, (c) 및 (d)에 도시된 것과 같이 단위패턴이 다각형 구조의 단면을 가지도록 다양하게 변화시킬 수 있다. 이상이 유로패턴은 패턴의 표면(B1, B2)에 도 5에서 상술한 저항패턴이 구비될 수 있음은 물론이다.

도 6에서 도시된 것은 유로패턴이 일정한 피치를 가지는 구조로 일정한 주기를 가지도록 형성한 것이지만, 이와는 달리 단위패턴의 피치를 균일하게 하지 않고, 패턴의 주기 역시 불균일하게 구현하도록 변형할 수 있으며, 나아가 각 단위패턴의 높이(T 1) 역시 불균일하게 변형할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 제1열전달부재, 제2열전달부재, 제3열전달부재의 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 실시예로서의 열전환장치를 고려할 때, 제1모듈(200)과 제2모듈(300), 그리고 제3모듈(400)에 포함되는 제1열전달부재 및 제2열전달부재, 제3열전달부재의 유로패턴의 피치를 각각 상이하게 조절하거나 제1 및 제3열전달부재와 제2열전달부재간의 유로패턴의 피치를 상호 상이하게 조절할 수 있다.

특히, 상기 제1열전환부재의 유로패턴의 피치가 상기 제2열전환부재의 유로패턴의 피치 이상으로 형성될 수 있다.

구체적으로는, 상기 제1모듈(200)의 제1열전달부재(220)의 피치(P 1)와 상기 제2모듈(300)의 제2열전달부재(320)의 피치(P 2)의 비율(P 1:P 2)은 (1~1.4):1의 범위에서 형성될 수 있다. 또한, 제3열전달부재(420)의 피치는 상기 제1열전달부재의 피치와 동일하게 형성할 수 있다.

도 4 및 도 5에서 유로패턴을 형성하는 본 발명의 실시예에 따른 열전달부재의 구조는 평판형 구조의 열전달부재나 기존이 방열핀 구조보다 동일한 체적 내에 훨씬 많은 접촉면적을 구현할 수 있는바, 평판구조의 열전달부재 대비 50% 이상의 공기 접촉면적의 증대를 가져올 수 있으며, 이에 따라 모듈의 크기도 대폭 절감할 수 있게 된다. 다만, 도 1 및 도 2의 구조에서와 같이, 최초 유입되는 다습한 공기의 응축의 효율과 습기가 응축제거된 이후의 공기에 대한 발열 건조의 효율을 고려할 때, 상기 제1모듈(200)의 제1열전달부재(220)의 피치와 상기 제2모듈(300)의 제2전달부재(320)의 피치의 비율은 (1~1.4):1의 범위에서 형성됨이 바람직하다.

또한, 제1모듈(200)의 체적은 상기 제2모듈(300)의 체적 이하로 형성되는 것이 바람직하며, 특히 이 경우 제1모듈(200)인 흡열모듈이 차지하는 평면면적이 상기 제1모듈 및 제2모듈이 형성하는 전체 평면면적을 고려할 때 5% ~ 50%를 차지하도록 형성하는 것이 바람직하다. 흡열모듈의 면적이 5% 미만이면 공기의 응축과정이 제대로 발생되지 않아 응축효율이 떨어지게 되며, 50%를 초과하는 경우에는 응축 지연으로 인하여 응축공기의 일부가 배출되지 않을 수 있게 된다.

더욱 바람직하게는, 도 2에 도시된 제1모듈의 평면면적(d1*e1)과 제2모듈의 평면면적(d2*e2)의 비율이 1:(1~10)의 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1모듈(200)과 제2모듈(300)은 상호 이격되어 일정한 최대 이격거리(d3)를 구비함이 바람직하며, 재응축을 방지하여 응축공기의 효율적인 전달 및 발열 건조효율의 증대를 위해서는 상기 최대 이격거리(d3)가 0.01mm~50.0mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이는 상기 최대 이격거리(d2)가 0.01mm 미만으로 구현되는 경우에는 제1모듈 및 제2모듈의 흡열 및 발열부의 인접으로 인하여 인접부에서 온도 상쇄가 일어나게 되는바, 냉각효율이 저하되며, 50.0mm를 초과하는 경우에는 응축공기의 다수가 분산되어 제2모듈로의 전달이 효율적으로 이루어지지 않는 문제가 초래하게 된다. 또한, 이 경우 상기 제3모듈(400)과 상기 제2모듈(300)과의 면적비율 및 이격거리(d5) 역시 상기 제1모듈과 제2모듈간의 비율과 동일하게 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달장치의 구조를 도시한 것이다.

상술한 것과 같이, 본 발명의 실시예에서는 열전달부재로 공기와의 면접촉을 수행하는 폴딩구조(유로패턴이 형성된 구조)의 구조물을 적용하며, 이 경우 공기유동의 수평방향으로 공기 전달이 되도록 제1모듈(흡열모듈;200)과 제2모듈(발열모듈; 300), 제3모듈(흡열모듈;400)을 배치하여 유로 저항을 최소화하며, 냉각, 건조, 응축의 과정을 순차로 구현하는 적용예를 설명하였다.

도 7의 실시예에서는, 이러한 도 4와 같은 구조의 열전달부재가 아닌, 핀(Pin) 타입의 다수의 구조물을 흡열부재(230) 및 발열부재(330)로 적용하며, 이 경우에도 공기유동의 수평방향으로 공기 전달이 되도록 제1모듈(흡열모듈)과 제2모듈(발열모듈) 및 제3모듈(흡열모듈)을 배치하여 유로 저항을 최소화하는 열전환장치를 도시한 것이다.

물론, 이 경우의 실시예에서는 도 4의 열전달부재보다는 동일 면적에 배치할 수 있는 흡열부재(230, 430) 및 발열부재(330)의 체적이 줄어들며, 일정한 공간에 배치될 수 있는 흡열부재(230, 430) 및 발열부재(330)의 크기도 한정되어 있어 열전환 효율은 다소 떨어지나 상술한 것과 같이, 공기유동의 수평방향으로 공기 전달이 되도록 제1모듈(흡열모듈)과 제2모듈(발열모듈), 제3모듈(흡열모듈)을 배치하여 유로 저항을 최소화하는 효과를 구현할 수 있는 장점이 구현된다.

또한, 도 7에서는 도시되지 않았으나, 도 1 및 도 2에 적용되는 열전달부재의 형상을 포함하는 제1모듈 내지 제3모듈 중 어느 하나의 구조를 도 7에서 상수한 방열핀 구조를 적용하는 구조와 조합하여 열전달장치를 구현하는 것도 가능하다.

도 8은 상술한 본 발명의 실시예에서 제1모듈과 제2모듈과 접촉하는 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단위셀의 구조를 도시한 것이며, 도 9는 도 8의 구조를 다수 배치한 구조의 열전모듈을 예시한 것이다.

도 8 및 도 9에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향 하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 다른 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 흡열 및 발열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 제1기판(140) 및 제2기판(150) 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 8에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 이는 도 1에서 상술한 구조에서 제1모듈(200)과 제2모듈(300)의 제3기판(210A) 및 제4기판(310B)와 상기 제1기판 및 제2기판과 일체형 구조로 구현되는 경우, 알루미나, Cu, Cu 합금 등의 소재를 적용할 수 있다.

금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다. 또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다. 상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우, 도 9에 도시된 것과 같이 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극 층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.

특히, 이 경우 단위셀을 이루는 열전소자는 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.

아울러, 도 8 및 도 9에서 열전모듈 내의 반도체소자는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

단위셀을 이루며 상호 대향 하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향 하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 상호 대향 하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 열전모듈을 통해 구현되는 발열 및 흡열의 효과를 제1모듈 내지 제3모듈의 배치에 적용하여 응축, 건조, 응축과정을 거쳐서, 최종적으로 습기는 최소화하면서도 낮은 온도로 조절되는 공기를 구현할 수 있게 된다. 따라서, 차량의 헤드램프에 본 발명의 열전환장치를 적용하는 경우, 밀폐된 공간에서 온도가 올라가서 LED의 효율을 감소하는 문제를 일소할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치를 제습기에 사용할 경우, 여름 실내 공기의 온도 상승을 막아줌으로써, 제습효과 및 냉방효과를 구현할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는, 냉각, 제습이 필요한 세탁기, 제습기, 냉장고 등을 포함하는 다양한 가전장비, 산업장비 등에 매우 범용적으로 적용할 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 열전모듈
120: 열전소자
130: 열전소자
140: 제1기판
150: 제2기판
200: 제1모듈(냉각모듈)
210: 제1열전달부재 수용유닛
220: 제1열전달부재
300: 제2모듈(발열모듈)
310: 제2열전달부재 수용유닛
320: 제2열전달부재
400: 제3모듈(냉각모듈)
410: 제3열전달부재 수용유닛
420: 제3열전달부재

Claims (20)

1. 제1 기판, 상기 제1 기판에 대향하여 배치된 제2 기판, 그리고 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 P형 반도체 소자 및 N형 반도체 소자를 포함하는 열전모듈;
   상기 열전모듈의 제1 기판과 접촉된 중간부재;
   상기 중간부재와 접촉된 제1 모듈 및 제3 모듈; 그리고
   상기 열전모듈의 제2 기판과 접촉된 제2 모듈;을 포함하고,
   상기 제2 모듈은 상기 제1 모듈 및 상기 제3 모듈 사이에 배치되고,
   상기 제1 모듈, 상기 제2 모듈 및 상기 제3 모듈은 공기 유로가 형성된 열전환장치.
   
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4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1기판은 흡열기판인 열전환장치.
   
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7. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2기판은 발열기판인 열전환장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1모듈, 상기 제2모듈 및 상기 제3모듈은,
   상기 열전모듈을 기준으로 편방향으로 배치되며, 상기 편방향은 상기 열전모듈의 상부 및 하부 방향 중 어느 한쪽 방향으로 정의되는 열전환장치.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 열전모듈의 제2기판 하부에 상기 제2모듈이 배치되며,
   상기 중간부재의 하부 및 상기 열전모듈의 양측에 상기 제1모듈 및 상기 제3모듈이 배치되는 열전환장치.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1모듈, 상기 제2모듈, 및 상기 제3모듈의 사이가 이격되는 열전환장치.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1모듈의 평면면적(d1*e1)과 상기 제2모듈의 평면면적(d2*e2)의 비율이 1:(1~10)의 범위인 열전환장치.
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈의 이격거리가 0.01mm~50.0mm의 범위인 열전환장치.
    
13. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 모듈로 유입된 공기는 상기 제1 모듈을 통과하며 냉각 및 응축된 후 상기 제2 모듈로 유입되고,
    상기 제2 모듈로 유입된 공기는 상기 제2 모듈을 통과하며 건조 및 가열된 후 상기 제3 모듈로 유입되며,
    상기 제3 모듈로 유입된 공기는 상기 제3 모듈을 통과하며 냉각된 후 배출되는 열전환장치.
    
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 모듈, 상기 제2 모듈 및 상기 제3 모듈은 열전달부재를 포함하고,
    상기 열전달부재로 유입되는 공기와 면접촉하는 제1평면과 상기 제1평면에 대향 하는 제2평면을 구비하는 방열기재;와
    공기 유동 방향으로 상기 방열기재 내에 공기 유로를 형성하는 적어도 하나 이상의 유로패턴; 을 포함하는 열전환장치.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 유로패턴은,
    상기 방열기재의 길이방향으로 일정한 피치를 가지는 곡률 패턴이 구현되는 구조인 열전환장치.
    
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 유로패턴의 표면에 상기 방열기재의 표면에서 돌출되는 저항패턴;을 더 포함하는 열전환장치.
    
    
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