KR102129964B1 - 열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자 - Google Patents

열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR102129964B1
KR102129964B1 KR1020187025818A KR20187025818A KR102129964B1 KR 102129964 B1 KR102129964 B1 KR 102129964B1 KR 1020187025818 A KR1020187025818 A KR 1020187025818A KR 20187025818 A KR20187025818 A KR 20187025818A KR 102129964 B1 KR102129964 B1 KR 102129964B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric conversion
electrode
conversion element
conversion module
heating source
Prior art date
Application number
KR1020187025818A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180111946A (ko
Inventor
나오키 우치야마
카즈야 쿠보
Original Assignee
가부시키가이샤 아쯔미테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 아쯔미테크 filed Critical 가부시키가이샤 아쯔미테크
Publication of KR20180111946A publication Critical patent/KR20180111946A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102129964B1 publication Critical patent/KR102129964B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H01L35/32—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H01L35/04—
    • H01L35/34—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

가열원에 설치되는 열전 변환 모듈에 있어서, 나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자; 상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원으로부터 이격되어 배설되는 제1 전극; 및 상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원측에 배설되는 제2 전극;을 가지며, 상기 열전 변환 소자는 상기 제1 전극에 접속한 제1 구조부, 및 상기 제2 전극에 접속하되, 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부를 구비하는 것.

Description

열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자
본 발명은 제벡 효과(Seebeck effect)에 의한 열전 발전을 수행하는 열전 변환 모듈 및 상기 열전 변환 모듈을 구성하는 열전 변환 소자에 관한 것이다.
열전 변환 모듈은 제벡 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이 가능한 열전 변환 소자로 구성되는 모듈이다. 이러한 에너지의 변환 성질을 이용함으로써, 산업·민생용 프로세스나 이동체에서 배출되는 배열(排熱)을 유효한 전력으로 변환할 수 있기 때문에, 환경 문제를 배려한 에너지 절약 기술로서 상기 열전 변환 모듈 및 이를 구성하는 열전 변환 소자가 주목받고 있다.
이러한 열전 변환 모듈은 일반적으로 복수개의 열전 변환 소자(p형 반도체 및 n형 반도체)를 전극으로 접합하여 구성된다. 이러한 열전 변환 모듈은 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시되어 있는 열전 변환 모듈은 한 쌍의 기판과, 한쪽 단부가 상기 기판의 한쪽에 배치되는 제1 전극과 전기적으로 접속되며, 다른쪽 단부가 상기 기판의 다른쪽에 배치되는 제2 전극과 전기적으로 접속되는 복수의 열전 변환 소자와, 상기 열전 변환 소자에 전기적으로 접속되는 제1 전극을, 인접하는 열전 변환 소자에 전기적으로 접속되는 제2 전극에 전기적으로 접속하는 접속부를 구비하고 있다.
일본 공개특허공보 특개2013-115359호
그러나 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 열전 변환 모듈의 구조에서는, 상기 열전 변환 모듈을 엔진의 배기부 등의 가열원에 탑재하여 사용하는 경우, 엔진 근방에 탑재하는 경우나 엔진의 배기량의 증가 등에 수반하여 열량이 상승하면, 열전 변환 소자 자체의 온도가 과잉으로 상승하여 열전 변환 소자의 발전 성능이 저하되는 문제가 발생하고 있었다.
본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 비교적 고온의 열원에 설치해도 우수한 발전 성능을 유지할 수 있는 열전 변환 모듈, 및 비교적 고온의 환경하에서도 발전 성능이 열화되지 않는 열전 변환 소자를 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열전 변환 모듈은 가열원에 설치되는 열전 변환 모듈에 있어서, 나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자; 상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원으로부터 이격되어 배설되는 제1 전극; 및 상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원측에 배설되는 제2 전극을 가지며, 상기 열전 변환 소자는 상기 제1 전극에 접속한 제1 구조부, 및 상기 제2 전극에 접속하되 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부를 구비한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열전 변환 소자는 제1 구조부; 및 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부를 가지며, 상기 제1 구조부에 비해 제2 구조부가 고온에 노출된다.
본 발명에 따른 열전 변환 모듈에 의하면, 비교적 고온의 열원에 설치해도 우수한 발전 성능을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열전 변환 소자에 의하면, 비교적 고온의 환경하에서도 발전 성능의 열화가 발생하지 않는다.
도 1은 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 상면도이다.
도 3은 도 2에서의 선 III-III에 따른 절단부 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 열전 변환 모듈에 사용되는 열전 변환 소자의 개략 구성도이다.
도 5는 실시예에 따른 열전 변환 모듈에 사용되는 전극의 측면도이다.
도 6은 변형예에 따른 열전 변환 소자의 개략 구성도이다.
도 7은 변형예에 따른 열전 변환 소자의 개략 구성도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 열전 변환 모듈의 실시 형태에 대해 실시예를 기초로 상세히 설명한다. 아울러, 본 발명이 이하에 설명하는 내용으로 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 임의로 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 또한, 실시예의 설명에 이용하는 도면은 모두 본 발명에 따른 열전 변환 모듈 또는 그 구성 부재를 모식적으로 나타내는 것으로, 이해를 돕기 위한 부분적인 강조, 확대, 축소, 또는 생략 등을 실시하고 있으며, 각 구성 부재의 축척이나 형상 등을 정확하게 나타내지 않는 경우가 있다. 또한, 실시예에서 이용하는 다양한 수치는 모두 일 예를 나타내는 것으로, 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
<실시예>
(열전 변환 모듈의 구조)
이하에서, 도 1 내지 도 4를 참조하면서, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)의 구조에 대해 설명한다. 여기서, 도 1은 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)의 사시도이다. 또한, 도 2는 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)의 상면도이다. 또한, 도 3은 도 2에서의 선 III-III에 따른 절단부 단면도이다. 그리고 도 4는 열전 변환 모듈(1)을 구성하는 열전 변환 소자의 개략 구성도이다. 아울러, 도 1에서의 일 방향을 X방향으로 정의하고, X방향에 직교하는 방향을 Y방향 및 Z방향으로 정의하는 동시에, 특히 열전 변환 모듈(1)의 높이 방향을 Z방향으로 정의한다.
도 1 내지 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)은 나란히 설치된 복수의 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b), 상기 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 단부에 설치된 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 가지고 있다. 또한, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)은 열전 변환 모듈(1)의 X방향의 단부에 위치하는 제1 전극(3a)끼리를 접속하는 접속 전극(3c), 열전 변환 모듈(1)의 외부 접속 전극으로서 기능하는 인출 전극(3d)을 가지고 있다. 또한, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)은 제1 전극(3a)을 피복하도록 설치된 제1 피복 부재(4), 상기 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b) 및 접속 전극(3c)을 피복하도록 설치된 제2 피복 부재(5), 제2 전극(3b)을 지지하도록 설치된 지지 기판(6)을 가지고 있다. 그리고 지지 기판(6)측이 차량용 엔진 등의 가열원에 접촉하도록, 열전 변환 모듈(1)이 상기 가열원에 설치되게 된다.
아울러, 접속 전극(3c) 중 어느 하나를 선택하여 설명하는 경우에는, 접속 전극(3c1), 접속 전극(3c2), 접속 전극(3c3), 또는 접속 전극(3c4)으로 설명하고, 인출 전극(3d) 중 어느 하나를 선택하여 설명하는 경우에는, 인출 전극(3d1) 또는 인출 전극(3d2)으로 설명한다.
본 실시예에 있어서, 제1 열전 변환 소자(2a)는 N형 반도체 재료로 구성되며, 제2 열전 변환 소자(2b)는 P형 반도체 재료로 구성되어 있다. 또한, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 교대로 및 매트릭스 형상(X방향으로 8개, Y방향으로 5개, 합계 40개)으로 배치되어 있다. 또한, 인접하는 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 직경이 서로 다른 원기둥체가 연결된 형상을 가지고 있다. 보다 구체적으로는 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 외형 치수인 직경이 큰 제1 원기둥부(제1 구조부, 11)(예를 들어, 직경 5mm)가 제1 전극(3a)측에 위치하고, 직경이 작은 제2 원기둥부(제2 구조부, 12)(예를 들어, 직경 3mm)가 제2 전극(3b)측에 위치하고 있다. 즉, 각 열전 변환 소자는 제1 전극(3a)에 접속한 제1 원기둥부(11), 제2 전극(3b)에 접속하며 제1 원기둥부(11)보다 부피가 작은 제2 원기둥부(12)로 구성되어, 외형으로서 단차가 형성되어 있다. 이러한 각 열전 변환 소자에서의 부피 차를 둠으로써, 가열원으로부터의 열전도를 제어할 수 있게 된다. 아울러, 상기 열전도의 제어에 대해서는 후술하는 시험 결과의 설명 시에 상세히 설명한다.
제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 동일한 형상(평판 형상)을 가지며, 예를 들어 구리판으로 형성되어 있다. 또한, 제1 전극(3a)은 X방향으로 5개, Y방향으로 5개(합계 25개) 나란히 설치되어 있다. 또한, X방향의 양단에 위치하는 제1 전극(3a)의 일단에는 제1 열전 변환 소자(2a) 또는 제2 열전 변환 소자(2b) 중 어느 하나만이 접속되고, 타단에는 접속 전극(3c) 또는 인출 전극(3d)이 접속되어 있다. 한편, 제2 전극(3b)은 X방향으로 4개, Y방향으로 5개(합계 20개) 나란히 설치되어 있다. 또한, 제2 전극(3b)의 일단에는 제1 열전 변환 소자(2a)가 접속되고, 타단에는 제2 열전 변환 소자(2b)가 접속되어 있다. 그리고 도 1 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 Z방향에서 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 사이에 두도록 배치되어 있다.
이러한 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 배치 관계에 의해, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)가 직렬로 접속되게 된다. 특히, 본 실시예에서는, X방향으로 나란히 설치된 4개의 제1 열전 변환 소자(2a), 4개의 제2 열전 변환 소자(2b), 5개의 제1 전극(3a) 및 4개의 제2 전극(3b)으로, 1개의 직렬 접속체(13)가 형성되어 있다. 즉, 열전 변환 모듈(1)에는 합계 5개의 직렬 접속체(13)가 형성되어 있다. 또한, Y방향에서 인접하는 직렬 접속체(13)끼리는 각각의 일단끼리가 접속 전극(3c)을 통해 접속되어 있다. 아울러, 직렬 접속체(13) 중 어느 하나를 선택하여 설명하는 경우에는, 직렬 접속체(13a), 직렬 접속체(13b), 직렬 접속체(13c), 직렬 접속체(13d), 또는 직렬 접속체(13e)로서 설명한다.
여기서, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 구리판으로 한정되지 않고, 다른 도전성 재료(예를 들어, 알루미늄 등의 금속 재료)에 의해 형성될 수도 있다. 또한, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 수량, 형상은 상술한 내용으로 한정되지 않고, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)(즉, 기전력의 크기)에 따라 적절히 변경할 수 있다. 나아가서는, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 병렬로 접속하도록 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 배설할 수도 있다.
접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)은 동일한 구조를 가지고 있다. 구체적으로는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 양 전극은 메쉬 형상 금속(21)과, 상기 메쉬 형상 금속(21)의 양단에 고착된 2개의 금속판(22)으로 구성되어 있다. 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)은 양호한 가요성을 구비하는 메쉬 형상 금속(21)을 포함하기 때문에, 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d) 자체로도 가요성을 구비하게 된다. 여기서, 메쉬 형상 금속(21)의 개구율 및 개구 치수는 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)에 우수한 가요성을 구비하게 할 수 있는 범위 내에서 적절히 설정할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 메쉬 형상 금속(21) 및 금속판(22)은 구리로 형성되어 있으나, 이들 재료는 구리로 한정되지 않고 다른 금속을 이용할 수 있다. 특히, 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)의 양호한 가요성을 유지하면서, 우수한 전기 전도율도 유지할 수 있는 재료가 바람직하다. 또한, 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)은 전극 자체가 양호한 가요성을 유지할 수 있다면, 메쉬 형상 금속(21)을 이용하지 않고 메쉬 형상과는 다른 구조의 금속 재료를 사용할 수도 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, -Y측에 위치하는 인출 전극(3d1)에 접속된 직렬 접속체(13a)의 타단(＋X측)에 접속 전극(3c1)이 접속되어 있으며, 상기 접속 전극(3c1)을 통해 하나의 Y측에 위치하는 직렬 접속체(13b)가 접속되게 된다. 또한, 직렬 접속체(13b)는 직렬 접속체(13a)와 접속한 단부와는 반대측(-X측)에서도 접속 전극(3c2)이 접속되어 있으며, 상기 다른 접속 전극(3c2)을 통해 하나의 Y측에 위치하는 직렬 접속체(13c)에 접속되게 된다. 또한, 유사한 접속 구성에 의해, 직렬 접속체(13c)와 직렬 접속체(13d)가 ＋X측에서 접속 전극(3c3)을 통해 접속되고, 직렬 접속체(13d)와 직렬 접속체(13e)가 -X측에서 접속 전극(3c4)을 통해 접속되어 있다. 그리고, 직렬 접속체(13e)의 ＋X측에는 인출 전극(3d2)이 접속되어 있다.
이러한 직렬 접속체(13)와 접속 전극(3c)의 접속 관계에 의해, 열전 변환 모듈(1)에는 지그재그 형상의 하나의 직렬 접속 회로가 형성되게 된다. 그리고 상기 직렬 접속 회로의 양단에는 외부 접속용 인출 전극(3d)이 배치되어 있기 때문에, 열전 변환 모듈(1)에서 생긴 전력을 외부로 취출하는 것이 가능해진다. 아울러, 이러한 지그재그 형상의 하나의 직렬 접속 회로를 형성하기 때문에, 직렬 접속체(13a, 13c, 13e)와 직렬 접속체(13b, 13d)에서의 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 배치 관계는 반대로 되어 있다.
또한, 본 실시예에서는, 직렬 접속체(13)의 단부에 가요성을 구비하는 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)이 배설되어 있기 때문에, 열전 변환 모듈(1)의 온도 상승에 수반하는 응력 집중이 발생했더라도 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)이 제1 전극(3a)으로부터 박리되는 경우가 없어진다. 또한, 상술한 구조에 의해, 열전 변환 모듈(1)을 차량에 탑재한 경우, 엔진의 진동에 의한 전극 박리도 방지할 수 있다.
도 1 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 피복 부재(4)는 제1 전극(3a)이 매설되도록 제1 전극(3a)의 표면을 피복하고 있다. 또한, 제1 피복 부재(4)는 절연성을 구비하는 수지로 형성되되, 상기 수지에는 열전도성 재료로 기능하는 알루미늄, 구리, 또는 질화알루미늄 등의 금속 재료가 혼합되어 있다. 이러한 구조에 의해, 제1 피복 부재(4)는 비교적 높은 열전도성을 구비하는 동시에, 제1 전극(3a) 주위의 전기적 절연 상태를 양호하게 유지한다.
또한, 도 1 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 피복 부재(5)는 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제2 전극(3b) 및 접속 전극(3c)이 매설되도록, 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제2 전극(3b) 및 접속 전극(3c)을 피복하고 있다. 또한, 제2 피복 부재(5)는 절연성을 구비하는 수지로 형성되되, 상기 수지에는 단열 재료가 혼합되어 있다. 예를 들어, 제2 피복 부재(5)를 형성하는 단열 재료로는 글라스 울 등의 섬유계 단열재나 폴리스티렌 폼 등의 발포계 단열재를 이용할 수 있다.
이러한 구조에 의해, 제2 피복 부재(5)는 제1 피복 부재(4)보다 낮은 열전도성을 구비하며, 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제2 전극(3b) 및 접속 전극(3c)에서의 방열을 억제하는 기능을 구비한다. 그리고 제2 피복 부재(5)는 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b) 간의 온도차를 크게 하는 동시에 그 온도차를 일정하게 유지하여, 보다 큰 기전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 제2 피복 부재(5)는 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제2 전극(3b) 및 접속 전극(3c) 주위의 전기적 절연 상태를 양호하게 유지한다.
또한, 제2 피복 부재(5)에 의해 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제2 전극(3b) 및 접속 전극(3c)이 비교적 견고하게 유지되기 때문에, 열전 변환 모듈(1) 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)가 완전히 피복되어 있기 때문에, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 파손 및 오염 등을 방지할 수 있으며, 열전 변환 모듈(1) 자체의 열전 변환 효율 및 신뢰성의 저하를 억제할 수 있다. 그리고 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)와 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 접합 계면의 가장자리부가 노출되지 않기 때문에, 열전 변환 소자와 전극의 접합 강도를 향상시키는 동시에, 경년 변화에 수반하는 접합 강도의 저하를 억제할 수 있어, 접합 계면에서의 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
아울러, 제2 피복 부재(5)는 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 완전히 피복할 필요는 없으며, 그 일부분을 피복할 수도 있다. 이러한 경우에도, 제1 전극(3a)과 제2 전극(3b) 사이에 온도차를 발생시키면서 상기 온도차를 일정하게 유지할 수 있으며, 열전 변환 모듈(1) 자체의 강도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 제2 피복 부재(5)는 제1 피복 부재(4)와 마찬가지로, 열전도성 재료로 기능하는 재료가 혼합될 수도 있다. 이러한 경우에도, 제2 피복 부재(5)는 제1 피복 부재(4)보다 낮은 열전도성을 구비할 필요가 있다. 또한, 본 실시예에서는 제1 피복 부재(4) 및 제2 피복 부재(5)의 주재료가 수지였지만, 세라믹 등의 재료를 이용할 수도 있다. 이러한 경우에도, 제2 전극(3b)을 피복하는 재료가 제1 전극(3a)을 피복하는 재료보다 낮은 열전도율을 구비할 필요가 있다.
그리고 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 지지 기판(6)은 제2 전극(3b)을 지지하도록 제2 전극(3b)과 접합하고 있다. 지지 기판(6)은 절연 재료로 구성되어 있으며, 예를 들어 유리 에폭시 기판 등의 일반적인 절연 기판을 이용할 수 있다.
(열전 변환 모듈의 제조 방법)
본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)의 제조 방법으로서는, 제조 장치를 구성하는 통전 가압 부재로서 기능하는 2개의 펀치 사이에, 준비한 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b), 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)을 배치한다. 그 후, 2개의 펀치를 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b), 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)을 향해 가압하면서 전류를 공급한다. 이로써, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)와, 제1 전극(3a), 제2 전극(3b), 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)이 확산 접합(플라즈마 접합)되고, 복수의 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)가 직렬로 접속되어, 5개의 직렬 접속체(13) 및 이들 직렬 접속체로 이루어지는 직렬 접속 회로가 형성된다. 이러한 통전 가압은 진공, 질소 가스, 또는 불활성 가스 분위기의 챔버 내에서 수행된다.
그 다음, 접합한 상태의 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b), 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)을 지지 기판(6) 위에 실장한다. 보다 구체적으로는, 지지 기판(6) 위에 형성된 금속 패턴 위에 제2 전극(3b)을 솔더 등의 접합 부재를 통해 접합하여, 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b), 접속 전극(3c) 및 인출 전극(3d)의 지지를 이룬다.
그 다음, 일반적인 인서트 형성에 의해 제2 피복 부재(5)를 형성하고, 그 후 유사한 인서트 형성에 의해 제1 피복 부재(4)를 형성한다. 이상의 공정을 거쳐, 열전 변환 모듈(1)이 완성된다.
(본 실시예품과 비교예품의 비교)
그 다음, 이하의 표 1을 참조하면서, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)을 구성하는 1개의 직렬 접속체(13)(이하, 실시예품이라 칭함)와, 본 실시예에 따른 직렬 접속체(13)와는 상이한 구조를 갖는 비교예로서의 직렬 접속체(이하, 비교예품)에 대해 실시한 시험 및 그 결과에 대해 설명한다. 여기서, 본 실시예품과 비교예품의 차이점은, 비교예품에는 단차진 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)에 상당하는 부재로서, 원기둥 형상의 열전 변환 소자가 사용되고 있는 것이다. 또한, 본 성능 비교를 위한 시험 내용으로는, 실시예품과 비교예품을 핸드 핫 프레스(hand hot press)를 이용하여 80℃로 가열하고, 디지털 저항계를 사용해 저항, 전압 및 전력을 측정했다. 아울러, 가열은 실시예품에서의 제2 전극(3b)(즉, 제2 원기둥체(12))측부터 수행하고 있다.
표 1: 실시예품과 비교예품의 성능 비교
저항(mΩ) 전압(mV) 전력(μW)
실시예품 19 7.5 740
비교예품 12 4.5 420
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예품은 저항, 전압 및 전력의 모든 값이 비교예품보다 높게 되어 있다. 상기 저항값, 전압값, 전력값의 차를 기초로 발전 성능을 평가하면, 실시예품이 비교예품과 비교하여 발전 성능이 약 43% 향상되어 있는 것을 알 수 있었다. 이는, 실시예품에 있어서, 부피가 보다 작은 제2 원기둥부(12)측이 가열되고, 부피가 보다 큰 제1 원기둥부(11)측을 향해 열이 전도되어 방열되기 때문에, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 온도 상승이 억제되기 때문이다. 즉, 각 열전 변환 소자의 재료 구성을 바꾸지 않고, 각 열전 변환 소자의 제1 원기둥부(11) 및 제2 원기둥부(12)의 부피 차만으로 가열원으로부터의 열전도가 제어되어, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화가 도모되게 된다. 이러한 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화에 의해, 각 열전 변환 소자 및 열전 변환 모듈(1) 자체의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 열전 변환 모듈(1)을 구성하는 각 열전 변환 소자가 서로 부피가 다른 제1 원기둥부(제1 구조부, 11) 및 제2 원기둥부(제2 구조부, 12)를 구비하고 있다. 그리고 이러한 각 열전 변환 소자의 구조로 인해, 부피가 작은 제2 원기둥부(12)를 가열원인 고온측에 배치하고(즉, 고온측에 노출되고), 부피가 큰 제1 원기둥부(11)를 저온측에 배치(즉, 가열원인 고온측에서 이격하여 배치)할 수 있기 때문에, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 도모하도록 각 열전 변화 소자에서의 열전도를 제어하는 것이 가능해진다. 바꿔 말하면, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1) 및 각 열전 변환 소자는 열전 변화 소자의 재료 구성을 변경하지 않고 형상의 조정이라는 간단한 방밥만으로, 비용을 억제하여 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 도모할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(1)은 비교적 고온의 열원에 설치하더라도 우수한 발전 성능을 유지할 수 있으며, 본 실시예에 따른 각 열전 변환 소자는 비교적 고온의 환경하에서도 발전 성능의 열화가 발생하지 않게 된다.
(열전 변환 소자의 변형예)
상술한 실시예에 있어서, 각 열전 변환 소자가 서로 부피가 다른 제1 원기둥부(11) 및 제2 원기둥부(12)로 구성되었지만, 열전 변환 모듈(1)을 가열원에 설치했을 때, 고온측에 부피가 작은 구조부가 위치하고, 저온측에 부피가 큰 구조부가 위치할 수 있다면, 각 열전 변환 소자의 구조는 상술한 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 열전 변환 소자 내에 공동(空洞)을 형성할 수도 있다. 여기서, 도 6 및 도 7은 변형예에 따른 열전 변환 소자의 개략 구성도이다.
보다 구체적으로, 도 6에서, 열전 변환 소자(31)(P형 반도체 재료 및 N형 반도체 재료 중 어느 것으로 구성되어도 무방함)의 외형은 원기둥 형상이다. 또한, 열전 변환 소자(31)는 그 중심으로부터 상측에 제1 구조부(31a)가 배치되고, 하측에 제2 구조부(31b)가 배치되어 있다. 즉, 제1 구조부(31a)와 제2 구조부(31b)는 외형 치수 및 외형 형상이 동일하게 이루어져 있다. 또한, 제2 구조부(31b)에만 원기둥 형상의 공동(32)이 형성되어 있다. 이러한 공동(32)에 의해, 제1 구조부(31a)와 제2 구조부(31b)의 외형 치수 및 외형 형상이 동일해도, 제1 구조부(31a)의 부피는 제2 구조부(31b)의 부피보다 크게 되어 있다.
또한, 도 7에서도, 열전 변환 소자(41)(P형 반도체 재료 및 N형 반도체 재료 중 어느 것으로 구성되어도 무방함)의 외형은 원기둥 형상이지만, 그 내부에는 원뿔대 형상의 공동(42)이 형성되어 있다. 이로써, 열전 변환 소자(41)는 그 중심으로부터 상측에 부피가 큰 제1 구조부(41a)가 배치되고, 하측에 부피가 작은 제2 구조부(41b)가 배치되게 된다.
도 6 및 도 7에 도시된 열전 변환 소자(31, 41)도, 부피가 작은 제2 구조부(31b, 41b)를 가열원인 고온측에 배치하고, 부피가 큰 제1 구조부(31a, 41a)를 저온측에 배치할 수 있기 때문에, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 도모하도록 각 열전 변화 소자에서의 열전도를 제어하는 것이 가능해진다.
아울러, 열전 변환 소자의 외형은 원기둥 형상으로 한정되지 않고, 예를 들어 사각 기둥일 수도 있다. 이러한 경우에도, 고온측에 배치되는 제2 구조부측에 공동을 적어도 설치함으로써 열전 변환 소자의 구성부의 부피 차를 둘 필요가 있다. 또한, 열전 변환 소자의 외형을 원뿔대 또는 각뿔대로 함으로써, 열전 변환 소자의 외형 치수에 의해 구성부의 부피 차를 구현할 수도 있다. 이 경우에도, 상기 열전 변환 소자에 공동을 적절히 형성할 수 있다.
<본 발명의 실시 형태>
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 가열원에 설치되는 열전 변환 모듈에 있어서, 나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자; 상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원으로부터 이격되어 배설되는 제1 전극; 및 상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원측에 배설되는 제2 전극을 가지며, 상기 열전 변환 소자는 상기 제1 전극에 접속한 제1 구조부, 및 상기 제2 전극에 접속하되 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부를 구비한다. 이로써, 비교적 고온의 열원에 설치해도 우수한 발전 성능을 유지할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 상술한 제1 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제1 구조부와 상기 제2 구조부의 부피 차에 따라, 상기 가열원으로부터의 열전도를 제어한다. 이로써, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 보다 정밀하게 수행할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 상술한 제1 또는 제2 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제2 구조부는 상기 제1 구조부보다 작은 외형 치수를 구비한다. 이로써, 제1 구조부와 제2 구조부의 부피 차를 확실히 설정할 수 있어, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 한층 더 정밀하게 수행할 수 있다.
본 발명의 제4 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 상술한 제3 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제1 구조부 및 상기 제2 구조부의 형상은 원기둥 형상이며, 상기 제2 구조부의 직경은 상기 제1 구조부의 직경보다 작다. 이로써, 제1 구조부와 제2 구조부의 부피 차를 확실히 설정할 수 있어, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 한층 더 정밀하게 수행할 수 있다.
본 발명의 제5 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 상술한 제1 또는 제2 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제2 구조부에 공동이 형성되어 있다. 이로써, 제1 구조부와 제2 구조부의 부피 차를 확실히 설정할 수 있어, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 한층 더 정밀하게 수행할 수 있다.
본 발명의 제6 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈은 상술한 제5 실시 형태에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제1 구조부에 상기 제2 구조부에 형성된 공동보다 작은 공동이 형성되어 있다. 이로써, 제1 구조부와 제2 구조부의 부피 차를 확실히 설정할 수 있어, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 한층 더 정밀하게 수행할 수 있다.
본 발명의 제7 실시 형태에 따른 열전 변환 소자는 제1 구조부; 및 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부;를 가지며, 상기 제1 구조부에 비해 상기 제2 구조부가 고온에 노출된다. 이로써, 비교적 고온의 환경하에서도 발전 성능의 열화가 발생하지 않는다.
본 발명의 제8 실시 형태에 따른 열전 변환 소자는 상술한 제7 실시 형태에 따른 열전 변환 소자에 있어서, 상기 제1 구조부와 상기 제2 구조부의 부피 차에 따라, 가열원으로부터의 열전도를 제어한다. 이로써, 각 열전 변환 소자의 발전 온도의 최적화를 보다 정밀하게 수행할 수 있다.
1: 열전 변환 모듈
2a: 제1 열전 변환 소자
2b: 제2 열전 변환 소자
3a: 제1 전극
3b: 제2 전극
3c: 접속 전극
3d: 인출 전극
4: 제1 피복 부재
5: 제2 피복 부재
6: 지지 기판
11: 제1 원기둥부(제1 구조부)
12: 제2 원기둥부(제2 구조부)
13: 직렬 접속체

Claims (8)

  1. 가열원에 설치되는 열전 변환 모듈에 있어서,
    나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자;
    상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 가열원으로부터 이격되어 배설되는 제1 전극; 및
    상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하되, 상기 열전 변환 소자 자체의 온도를 과잉으로 상승시키는 상기 가열원측에 배설되는 제2 전극;을 가지며,
    상기 열전 변환 소자는 상기 제1 전극에 접속한 제1 구조부, 및 상기 제2 전극에 접속하되 상기 제1 구조부보다 부피가 작은 제2 구조부를 구비하고, 상기 제2 구조부와 상기 제2 전극이 확산 접합되어 있는 열전 변환 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조부와 상기 제2 구조부의 부피 차에 따라, 상기 가열원으로부터의 열전도를 제어하는 열전 변환 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구조부는 상기 제1 구조부보다 작은 외형 치수를 구비하는 열전 변환 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구조부 및 상기 제2 구조부의 형상은 원기둥 형상이며,
    상기 제2 구조부의 직경은 상기 제1 구조부의 직경보다 작은 열전 변환 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구조부에 공동이 형성되어 있는 열전 변환 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 구조부에, 상기 제2 구조부에 형성된 공동보다 작은 공동이 형성되어 있는 열전 변환 모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
KR1020187025818A 2016-03-10 2017-03-07 열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자 KR102129964B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016047301A JP2017163034A (ja) 2016-03-10 2016-03-10 熱電変換モジュール及び熱電変換素子
JPJP-P-2016-047301 2016-03-10
PCT/JP2017/009041 WO2017154918A1 (ja) 2016-03-10 2017-03-07 熱電変換モジュール及び熱電変換素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180111946A KR20180111946A (ko) 2018-10-11
KR102129964B1 true KR102129964B1 (ko) 2020-07-03

Family

ID=59790526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187025818A KR102129964B1 (ko) 2016-03-10 2017-03-07 열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20190088848A1 (ko)
EP (1) EP3442039B9 (ko)
JP (1) JP2017163034A (ko)
KR (1) KR102129964B1 (ko)
CN (1) CN108780835B (ko)
CA (1) CA3014407C (ko)
WO (1) WO2017154918A1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008054015A1 (en) * 2006-11-02 2008-05-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Thermoelectric element and thermoelectric module
US20120025343A1 (en) * 2009-04-15 2012-02-02 Kuekes Philip J Thermoelectric device having a variable cross-section connecting structure

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3245793B2 (ja) * 1991-01-11 2002-01-15 アイシン精機株式会社 熱電変換素子の製造方法
JP2002084005A (ja) * 2000-07-03 2002-03-22 Komatsu Ltd 熱電モジュール
US6700053B2 (en) * 2000-07-03 2004-03-02 Komatsu Ltd. Thermoelectric module
JP4524382B2 (ja) * 2005-03-10 2010-08-18 独立行政法人産業技術総合研究所 温度差がつきやすい熱電発電素子
JP2010212579A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Atsumi Tec:Kk 熱電変換素子の製造方法
US9082928B2 (en) * 2010-12-09 2015-07-14 Brian Isaac Ashkenazi Next generation thermoelectric device designs and methods of using same
CN102569629A (zh) * 2010-12-30 2012-07-11 财团法人工业技术研究院 热电模块及其制造方法
DE102011009428A1 (de) * 2011-01-26 2012-07-26 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Thermoelektrisches Modul mit einer Wärmeleitschicht
JP5913935B2 (ja) 2011-11-30 2016-05-11 日本サーモスタット株式会社 熱電変換モジュール
CN104576912A (zh) * 2013-10-22 2015-04-29 张红碧 热电堆及应用该热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置
JP6225756B2 (ja) * 2014-03-04 2017-11-08 日立化成株式会社 熱電変換モジュール

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008054015A1 (en) * 2006-11-02 2008-05-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Thermoelectric element and thermoelectric module
US20120025343A1 (en) * 2009-04-15 2012-02-02 Kuekes Philip J Thermoelectric device having a variable cross-section connecting structure

Also Published As

Publication number Publication date
CA3014407A1 (en) 2017-09-14
JP2017163034A (ja) 2017-09-14
CA3014407C (en) 2021-03-16
EP3442039A1 (en) 2019-02-13
WO2017154918A1 (ja) 2017-09-14
EP3442039B9 (en) 2020-11-18
CN108780835A (zh) 2018-11-09
EP3442039A4 (en) 2019-09-25
KR20180111946A (ko) 2018-10-11
EP3442039B1 (en) 2020-08-05
US20190088848A1 (en) 2019-03-21
CN108780835B (zh) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108140713B (zh) 热电转换模块及热电转换装置
CA2754081C (en) Method for producing thermoelectric module
US20100258155A1 (en) Thermoelectric element
CN1744338A (zh) 热电变换装置以及热电变换装置的制造方法
KR101822415B1 (ko) 열전 변환 모듈
US20160315242A1 (en) Thermoelectric conversion module
CN110024145B (zh) 热电模块和热电发电机
WO2017057259A1 (ja) 熱電変換モジュール及び熱電変換装置
KR100853749B1 (ko) 열전 발전용 단위 모듈과 이를 포함하는 열전 세트 및 그제조방법
KR102129964B1 (ko) 열전 변환 모듈 및 열전 변환 소자
KR102154007B1 (ko) 열전 변환 모듈
KR20160005588A (ko) 온도센서
JP2018037485A (ja) 熱電変換モジュールの製造方法
KR102423607B1 (ko) 열전 모듈
KR102444852B1 (ko) 열전 모듈 및 그 제조 방법
KR20170004464A (ko) 열전 모듈 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant