KR102210735B1 - 열전소자 어셈블리 - Google Patents

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KR102210735B1
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Abstract

본 발명은 충전재 주입구를 통해 액상의 충전재를 하우징의 수납실로 공급하여 이 공급된 충전재가 열전소자를 감싸 밀폐시킨 상태로 고착되어 열전소자를 공기와 차단하는 열전소자 어셈블리에 관한 것으로,
수납실이 관통되고 상부에 걸림턱(201)이 형성되는 하우징(20); 전원이 공급될 때 일측면이 냉각면 타측면이 방열면이 되는 열전소자(3); 하부에 받침부재(401)가 돌출되고, 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되어 냉각면의 냉열을 전달받아 냉각목적물로 전달하는 냉각블록(40); 걸림턱(201)과 받침부재(401) 사이에 배치되어 냉각블록(40)을 열전소자(3)에 밀착시키는 탄성력을 제공하는 탄성부재(S); 열전소자(3)의 방열면과 밀착되고, 방열면의 온열을 방열시키는 방열수단(5); 하우징(20)의 수납실로 공급되어 수납된 상기 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6); 및 충전재(6)를 하우징(20)의 수납실로 공급할 수 있도록 하우징(20)의 수납실과 연통되는 충전재 주입구(7);를 포함하고,
여기서, 하우징(20)의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(40)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 수납실과 연통된 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단한다.

Description

열전소자 어셈블리{Thermoelectric element assembly}
본 발명은 열전소자를 이용하여 목적물을 냉각 또는 가열하는 열전소자 어셈블리에 관한 것으로, 특히 충전재 주입구를 통해 액상의 충전재를 하우징의 수납실로 공급하여 이 공급된 충전재가 열전소자를 감싸 밀폐시킨 상태로 고착되어 열전소자를 공기와 완전히 차단함으로써 공기와의 접촉으로 인하여 발생될 수 있는 문제점을 원천적으로 제거할 수 있는 열전소자 어셈블리에 관한 것이다.
현재 널리 사용되고 있는 열전소자는 전원이 공급될 때 일측면은 온도가 낮은 냉각면이 되고 타측면은 고온 상태로 방열되므로 냉각면보다 온도가 높은 방열면이 되는 특징이 있다.
그러므로 냉각대상이 되는 목적물을 냉각면에 밀착시키면 프레온 가스를 이용한 대형 냉동사이클이 적용된 냉각시스템을 사용하지 않고도 소형 구조물로서 그 목적물을 냉각시킬 수 있고, 반대로 가열대상이 되는 목적물을 방열면에 밀착시키면 전력 소모가 많은 히팅수단을 사용하지 않고도 그 목적물을 가열시킬 수 있다.
이러한 열전소자는 얇은 두께를 가지고 소형으로 제작되므로 주로 소형 목적물을 냉각 또는 가열하는 데 널리 사용되고 있고, 본 발명의 명세서에서는 냉각분야에 사용하는 것을 예를 들어 설명한다.
열전소자는 방열면의 방열을 원활하게 하여 온도를 많이 낮추면 그 낮아지는 온도만큼 냉각면의 온도도 함께 낮아진다. 예컨대, 현재 사용되고 있는 열전소자의 냉각면과 방열면의 온도차는 대략 40℃를 유지하므로, 방열면의 온도를 20℃로 유지하면 냉각면의 온도는 -20℃가 되고, 방열효율을 높여 방열면의 온도를 10℃로 낮추면 냉각면의 온도도 -30℃로 낮아지게 된다. 이렇듯 방열면의 온도를 낮추면 낮출수록 냉각면의 온도도 함께 낮아지므로 열전소자의 냉각 성능을 높이려면 방열면의 온도를 최대한 낮추는 것이 요구된다.
하지만, 열전소자의 냉각면과 방열면의 온도를 낮추는 데 방해가 되는 중요한 요소 중 하나는 공기이다. 공기가 열전소자와 접촉하게 되면 공기 중에 포함된 수분이 온도가 낮은 냉각면과 그 주변에 물방울 형태로 응축 부착되고, 시간이 지남에 따라 그 물방울이 점차 방열면까지 커져 냉각면과 방열면을 열교환시키는 매체로 작용한다. 이에 따라 열전소자의 냉각면은 방열면의 온도의 영향을 받아 상승하여 냉각면과 방열면의 온도차가 40℃미만으로 줄어들게 되므로 그 줄어드는 온도만큼 냉각성능이 낮아지는 문제가 발생하게 된다. 예컨대, 방열면의 온도가 20℃를 유지하더라도 냉각면의 온도는 원래 40℃의 간격차에 따른 -20℃를 유지하지 못하고 그보다 높은 -10∼10℃를 유지하게 되므로 냉각 효율이 현저히 낮아지는 문제가 발생된다.
또한, 이와 같이 열전소자의 냉각면 주변의 응축된 수분이나 물방울이 방수처리가 미흡한 열전소자 내부로 침투하면 내부 부품을 부식시키게 되므로 열전소자는 쇼트현상이 발생되어 고장나 기능이 상실되는 문제가 있다.
열전소자 어셈블리는 이미 산업분야에서 널리 사용되고 있는 종래 기술이므로 특허문헌에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 초기 열전소자 어셈블리의 특허문헌은 공개특허 제10-2006-0100882호의 열전소자를 이용한 냉각장치가 2006년 09월 21일에 공개되었다.
이 공개특허는 그의 도면 3 내지 도면 4와 같이 케이스(40) 내부에 위치한 열전소자(20)의 냉각면에 냉각블럭(30)이 밀착되어 있고, 열전소자(20)의 방열면에 베이스판(10)이 밀착되어 있다. 외부에서 열전소자(20)가 수납된 케이스(40) 내부로 공기가 침투하지 않도록 케이스(40)와 냉각블럭(30) 사이 및 케이스(40)와 베이스(10)판 사이에는 기밀부재(50)가 접착되어 있다.
그러나, 상기 공개특허는 열전소자(20)의 측면 주변과 냉각블럭(30) 하부 주변에 형성된 공간에 공기가 채워진 상태에서 기밀부재(50)가 접착되어 외부 공기가 케이스(40) 내부로 유입되는 것을 차단하게 되는 데, 이 공간에 이미 채워진 공기 중에 포함된 수분이 열전소자(20)가 구동할 때 냉각면 주변에 응축되어 물방울 형태로 맺히고 시간이 지남에 따라 이 물방울이 점차 커켜 방열면까지 도달해 냉각면의 온도를 상승시켜 냉각효율을 낮추는 문제가 있었다.
따라서 열전소자(20)는 냉각면의 온도가 방열면으로부터 열을 전달받아 온도가 상승하여 냉각효율이 저하되는 종래 문제점을 여전히 해결하지 못하고 있다. 이러한 문제점의 원인은 결국 열전소자(20)가 공기 중에 노출되어 있기 때문에 발생된다.
다른 열전소자 어셈블리의 특허문헌은 등록특허 제10-0780734호의 열전반도체소자 유니트 제조방법이 2007년 11월 30일 공고되었다.
이 등록특허는 이미 설명한 종래 공개특허의 단점을 해결하기 위한 기술이다. 즉, 조립공정을 거친 유니트 형태의 어셈블리를 건조실에 넣고 가열 건조시켜 히트싱크(11)와 하우징(14) 및 하우징(14)과 쿨블록(13)을 접착한 각각의 제2접착제(16)를 건조시키되, 히트싱크(11)와 쿨블록(13)의 열전달에 의해 하우징(14)의 수납실(14a)에 저장된 공기가 가열되어 하우징(14)과 쿨블록(13) 사이에 충진된 제2접착제(16)를 통과하여 증발토록 하고 증발 후에는 상기 제2접착제(16)가 폐쇄된 상태로 경화되어 수납실(14a) 내부가 진공상태가 되게 건조하였다.
그러나, 이 등록특허는 그의 도면 5 내지 도면 6과 같이 여전히 수납실(14a)이 존재하고, 이 수납실(14a)에 공기가 충전되어 있으므로 열전반도체소자(12)는 공기 중에 노출되어 있다. 따라서 이 공기를 증발시키기 위해 유니트(10)를 건조실에 넣고 30분 동안 가열하여 80℃에 이르게 하고 이 상태에서 1시간 30분동안 방치하여 공기를 증발시키기 때문에 제조 공수가 증가하여 생산성이 극히 낮을 뿐만 아니라 열전반도체소자(12)가 고온에 장시간 노출되어 수명이 단축되는 문제가 있었다. 또한 고온에 의해 수납실(14a)에 존재하는 공기가 제2접착제(16)를 통과하면서 증발하지만 이 과정에서 제2접착제(16)에 포함된 수분도 함께 증발하기 때문에 일부 공기는 제2접착제(16)가 경화되기 전에 미쳐 증발하지 못하고 여전히 수납실(14a)에 남아 열전반도체소자(12) 구동 시 물방울 형태로 응축되어 종래 문제점으로 지적된 냉각면의 온도를 상승시키는 문제점을 여전히 해결하지 못하고 있다.
또 다른 열전소자 어셈블리의 특허문헌은 공개특허 제10-2013-0092291호의 열전반도체소자유니트가 2013년 08월 20일 공개되었다. 이 공개특허는 이미 설명한 2개의 종래 기술과 유사하고, 그의 도면 6에 도시된 바와 같이 하우징(120)의 단턱(123)과 제1블록(130)의 돌출부(131) 사이에 탄성부재(150)가 배치되어 이 탄성부재(150)에 의해 제1블록(130)이 열전반도체소자(110)에 긴밀하게 밀착되고, 또한 하우징(120)의 단턱(123) 상부 둘레에 접착제(170)를 도포하여 제3블록(160)을 접착 고정한 것이 차이가 있다.
그러나, 이 공개특허도 열전반도체소자(110) 측면 둘레에 여전히 공간이 존재하고 이 공간에 채워진 공기에 열전반도체소자(110)가 노출되어 있으므로 열전반도체소자(110) 구동 시 공기에 포함된 수분이 열전반도체소자(110)의 냉각면에 물방울 형태로 응축되어 냉각면과 방열면을 서로 연결하는 열전달 매체로 작용하여 냉각면의 온도를 상승시키는 종래 문제점을 여전히 가지고 있다. 또한 단턱(123) 상부에 도포된 접착제(170)에 의해 제3블록(160)이 접착 고정되어야만 수납실(121)이 밀폐되므로 반드시 제3블록(160)을 부착해야 하므로 제조가 번거롭고 대형화되는 문제가 있었다.
이상의 종래 특허문헌은 하우징의 수납실에 배치된 열전소자가 공기 중에 노출됨에 따라 이 공기 중에 포함된 수분이 열전소자가 구동할 때 냉각면에 물방울 형태로 응축되고 점차 물방울 커져 방열면에 도달함에 따라 열전달 매체로 작용하여 냉각면의 온도를 상승시키는 단점을 모두 가지고 있다.
상기 종래 특허문헌들은 모두 본 발명자가 개발하여 출원한 것으로, 상기 단점을 해결하지 못하는 근본적인 이유는 하우징의 내부 수납실에 열전소자를 수납한 상태로 어셈블리를 조립한 후 이 하우징의 외부에서 열전소자를 감싸 밀폐시키는 방법을 강구하지 못하였기 때문이다.
대한민국 공개특허 제10-2006-0100882호 대한민국 등록특허 제10-0780734호 대한민국 공개특허 제10-2013-0092291호
이에 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 열전소자 어셈블리의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 해결하고자 하는 과제는 충전재 주입구를 통해 액상의 충전재를 하우징의 수납실로 공급하여 이 공급된 충전재가 열전소자를 감싸 밀폐시킨 상태로 고착되어 열전소자를 공기와 완전히 차단함으로써 공기와의 접촉으로 인하여 발생될 수 있는 다양한 문제점을 원천적으로 제거할 수 있는 열전소자 어셈블리를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전소자 어셈블리의 일 실시예는 내부에 수납실이 관통되는 하우징(2);
상기 수납실에 수용되고, 전원이 공급될 때 일측면이 냉각면 타측면이 방열면이 되는 열전소자(3);
상기 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되고, 냉각면의 냉열을 전달받아 냉각목적물로 전달하는 냉각블록(4);
상기 열전소자(3)의 방열면과 밀착되고, 상기 방열면의 온열을 방열시키는 방열수단(5);
상기 하우징의 수납실로 공급되어 수납된 상기 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6); 및
상기 충전재(6)를 하우징의 수납실로 공급할 수 있도록 하우징의 수납실과 연통되는 충전재 주입구(7);를 포함하고,
여기서, 하우징의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(4)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 수납실과 연통된 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전소자 어셈블리의 다른 실시예는 내부에 수납실이 관통되고 상부에 걸림턱(201)이 형성되는 하우징(20);
상기 수납실에 수용되고, 전원이 공급될 때 일측면이 냉각면 타측면이 방열면이 되는 열전소자(3);
하부에 받침부재(401)가 돌출되고, 상기 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되어 냉각면의 냉열을 전달받아 냉각목적물로 전달하는 냉각블록(40);
상기 걸림턱(201)과 받침부재(401) 사이에 배치되어 냉각블록(40)을 열전소자(3)에 밀착시키는 탄성력을 제공하는 탄성부재(S);
상기 열전소자(3)의 방열면과 밀착되고, 상기 방열면의 온열을 방열시키는 방열수단(5);
상기 하우징(20)의 수납실로 공급되어 수납된 상기 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6); 및
상기 충전재(6)를 하우징(20)의 수납실로 공급할 수 있도록 하우징(20)의 수납실과 연통되는 충전재 주입구(7);를 포함하고,
여기서, 하우징(20)의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(40)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 수납실과 연통된 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단한다.
본 발명의 하우징(20)은 충전재 주입구(7)를 통해 충전재(6)가 수납실로 공급될 때 수납실 내부의 공기가 하우징(20) 외부로 배출될 수 있도록 상기 수납실과 연통되게 공기배출구(8)가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 하우징(20)은 방열수단(5)을 고정할 수 있도록 볼트(B)가 관통하는 체결공, 볼트(B)가 체결되는 나사공, 또는 볼트(B) 체결용 너트(N)가 인서트된 것 중에서 선택되는 어느 하나를 갖는다.
본 발명의 하우징(20)은 하부 외측 가장자리에 방열수단(5)을 고정할 수 있도록 단턱(202)이 돌출되고, 이 단턱(202)에는 볼트(B)가 관통하는 체결공, 볼트(B)가 체결되는 나사공, 또는 볼트(B) 체결용 너트(N)가 인서트된 것 중에서 선택되는 어느 하나를 갖는다.
본 발명의 방열수단(5)은 열전소자(3)의 방열면과 밀착된 상태로 하우징(20)에 고정되는 방열블록, 공냉식 방열판 또는 수냉식 쿨러 중에서 선택되는 어느 하나이다.
본 발명의 충전재(6)는 액상의 접착제 또는 액상의 단열재일 수 있다.
본 발명의 충전재(6)는 액상이고 이 액상의 충전재(6)가 수납실로 공급되어 열전소자(3)를 밀폐시키면, 이후 충전재 주입구(7), 하우징(20) 내벽과 냉각블록(40) 사이의 틈새(H-1)를 접착수단으로 밀봉한다.
본 발명의 충전재(6)는 액상의 실리콘, 에폭시, 우레탄, 또는 본드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상이다.
본 발명의 충전재 주입구(7)는 하우징(20), 냉각블록(40), 방열수단(5), 하우징(20)과 냉각블록(40)의 접면부, 또는 하우징(20)과 방열수단(5)의 접면부에 형성되는 것 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상이다.
본 발명의 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면, 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면, 또는 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면 및 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면 모두는 차단부재(9)로 도포되거나 감싸여져 충전재(6)와 격리되게 할 수 있다.
본 발명은 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면, 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면, 또는 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면 및 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면 모두는 차단부재(9)로 도포되거나 감싸여져 충전재(6)와 격리되게 할 수 있고,
여기서, 상기 차단부재(9)는 공기보다 열전도율이 낮은 발포우레탄폼을 사용할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 열전소자 어셈블리는 하우징의 수납실과 연통된 충전재 주입구를 통해 액상의 충전재를 하우징의 수납실로 공급하여 열전소자를 감싸 고착되게 하여 열전소자를 공기와 완전히 격리하게 된다.
따라서 종래와 같이 공기에 포함된 수분이 온도가 낮은 냉각면에 응축된 물방울이 열교환 매체로 작용하여 냉각면의 온도를 상승시키는 현상을 원천적으로 제거함으써 열전소자의 냉각효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 어셈블리를 보인 단면도
도 2는 도 1의 하우징에 수납된 열전소자를 충전재가 감싸 밀폐시킨 상태를 보인 도면
도 3은 도 1의 하우징에 공기배출구가 형성되는 것을 보인 도면
도 4는 도 1의 평면도로서 냉각블록에 충전재 주입구가 형성된 것을 보인 도면
도 5는 도 1의 방열수단에 충전재 주입구가 형성된 것을 보인 도면
도 6은 도 1의 하우징에 방열수단이 체결된 상태를 보인 도면
도 7은 도 1의 하우징에 방열수단이 체결된 상태를 보인 다른 실시예 도면
도 8은 도 1의 하우징에 방열수단이 체결된 상태를 보인 또 다른 실시예 도면
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 어셈블리를 보인 사시도
도 10은 도 9의 평면도
도 11은 도 10의 A-A선을 따라 단면한 단면도
도 12는 도 11의 하우징에 수납된 열전소자를 충전재가 감싸 밀폐시킨 상태를 보인 도면
도 13은 도 11의 하우징에 공기배출구가 형성되는 것을 보인 도면
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 어셈블리의 열전소자가 밀폐되고 탄성부재가 내장된 상태를 확대해서 보인 상세도
도 15는 도 14의 열전소자 어셈블리의 열전소자가 차단부재에 의해 차단된 상태로 밀폐되고 냉각수단이 하우징에 조립된 상태를 보인 상세도
도 16은 도 14의 열전소자 어셈블리의 열전소자가 차단부재에 의해 차단된 상태로 밀폐되고 냉각수단이 하우징에 조립된 상태를 보인 다른 상세도
도 17은 도 14의 열전소자 어셈블리의 열전소자가 차단부재에 의해 차단된 상태로 밀폐되고 냉각수단이 하우징에 조립된 상태를 보인 또 다른 상세도
도 18은 도 14의 하우징에 공기배출구가 형성되는 것을 보인 상세도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열전소자 어셈블리의 구성을 상세히 설명한다.
상기 도면에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 어셈블리(1)의 구성은 하우징(2), 냉각목적물을 냉각시키는 열전소자(3), 열전소자(3)로부터 전달받은 냉열을 냉각목적물에 전달하는 냉각블록(4), 열전소자(3)의 방열면으로부터 전달되는 온열을 방열하는 방열수단(5), 하우징(2) 내부로 공급되어 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6), 상기 충전재(6)를 하우징(2) 내부로 공급 안내하는 충전재 주입구(7)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 어셈블리(1)는 하우징(2)의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(4)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단한다.
상기 하우징(2)은 도 1 내지 도 6과 같이 열전소자(3)와 냉각블록(4)을 수납할 수 있도록 상,하부가 관통된 수납실이 형성된다. 이 하우징(2)은 열전소자(3)의 방열면과 밀착되는 방열수단(5)을 고정하는 볼트(B)가 관통될 수 있도록 체결공(21)이 형성되거나, 상기 방열수단(5)을 고정하는 볼트(B)가 체결될 수 있도록 나사공(22)이 형성되거나, 또는 상기 나사공(22)이 위치한 장소에 암나사가 형성된 너트(N)가 인서트될 수 있다. 상기 체결공(21), 나사공(22), 또는 인서트된 너트(N)의 위치는 선택적으로 결정할 수 있으며, 도면에서는 하우징(2)의 모서리부분에 형성되는 것을 보이고 있다.
상기 하우징(2)은 열전소자(3)와 냉각블록(4)을 보호하면서도 열전달을 차단하거나 억제할 수 있는 재질을 사용하며, 일 예로 합성수지재를 사용할 수 있다.
상기 열전소자(3)는 널리 알려진 바와 같이 펠티어 효과에 의해 전원이 공급되면 일측면이 냉각면이 되고 타측면이 방열면이 되는 특징이 있으며, 이에 관한 설명은 공지 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
열전소자(3)는 두께가 얇고 소형으로 제작됨에 따라 주로 소형 냉동장치에 널리 사용되고 있으며, 냉각면과 방열면의 온도차가 대략 40℃의 차이를 유지하는 것을 사용할 수 있다. 이에 따라 열전소자(3)는 방열면의 온도를 낮추면 그 만큼 냉각면의 온도도 낮아지므로 냉각 효율을 높이기 위해서는 반드시 방열면의 온도를 낮추는 것이 필요하다.
상기 냉각블록(4)은 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되어 이 냉각면의 냉열을 전달받아 그와 밀접하게 접촉하는 냉각목적물로 전달하는 기능을 한다. 이 냉각블록(4)은 냉열을 보관 전달할 뿐만 아니라 그의 접촉부분이 냉각목적물의 접촉부분과 밀접하게 동일한 형상으로 가공되어 그들이 서로 긴밀하게 접촉할 수 있도록 한다.
그러므로, 냉각블록(4)은 열전달이 우수한 금속재로 구성되는 것이 좋으며, 쉬운 구매와 저렴한 가격을 감안하면 알루미늄 또는 구리 재질을 사용하면 좋다.
상기 방열수단(5)은 열전소자(3)의 방열면과 밀접하게 접착 고정되어 방열면의 온열을 방출하여 방열면의 온도를 낮추는 기능을 한다. 이 방열수단(5)은 여러 가지 형태를 사용할 수 있으며, 도면에서는 두께가 얇은 플레이트 형상을 도시하고 있으나, 이 외에도 현재 산업분야에서 널리 사용되고 있는 공랭식 방열판(미도시), 수냉식 쿨러(미도시) 등 효율적으로 방열을 수행할 수 있는 것이라면 모두 적용될 수 있다.
참고로, 상기 플레이트 형상의 방열수단(5)에 추가로 공랭식 방열판 또는 수냉식 쿨러를 밀접하게 접촉하여 방열면을 방열시킬 수도 있다.
방열수단(5)은 열전소자(3)의 방열면의 온도를 낮추는 것이 목적이므로 열전달이 우수한 금속재로 구성되는 것이 좋으며, 쉬운 구매와 저렴한 가격을 감안하면 알루미늄 또는 구리 재질을 사용하면 좋다.
상기 충전재(6)는 하우징(2)의 수납실로 공급되어 열전소자(3)까지 흘러들어가 이 열전소자(3)를 감싼 상태로 고착되어 열전소자(3)를 밀폐시킴으로써 열전소자(3)와 공기를 격리시키는 목적으로 사용된다. 충전재(6)가 열전소자(3)를 감싸 고착되면 열전소자(3)는 완전히 밀폐상태가 되어 공기와 차단되므로, 공기 중에 포함된 수분의 영향을 전혀 받지 않아 냉각면의 온도를 상승시키는 종래의 문제점을 일거에 해결할 수 있다.
즉, 본 발명은 상기 충전재(6)에 의해 공기 중에 포함된 수분이 열전소자(3)의 냉각면 주변에 물방울 형태로 응축되어 열전소자(3)의 냉각면과 방열면을 열교환시켜 냉각면의 온도를 상승시키는 문제, 그리고 장시간 수분 접촉에 의한 내부 부품으로 쇼트가 발생되어 전원이 공급되지 않아 고장을 일으키는 문제를 해결할 수 있다.
상기 충전재(6)는 수납실로 공급된 후 열전소자(3) 부분까지 잘 흘러들어가야 하므로 액상으로 구성되어야 하고 그에 맞는 점성을 가져야 한다. 충전재(6)의 점성이 과도하여 수납실로 공급된 후 열전소자(3)에 도착하기 전에 고착되면 본 발명의 목적을 달성할 수 없으므로 이점을 반드시 고려해야 한다.
이러한 점을 고려하면, 상기 액상의 충전재(6)는 우레탄, 실리콘, 에폭시, 또는 본드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 것을 사용할 수 있다. 특히 우레탄은 열전도율이 낮기 때문에 본 발명에 적용되는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 액상의 충전재(6)는 공기보다 열전도율이 낮는 것을 사용하는 것을 권장한다.
상기 충전재(6)는 충전재 주입구(7)를 통해 하우징(2)의 수납실로 공급되면, 열전소자(3)의 측면에 구비된 공간(H)에 먼저 충전되고, 이 공간(H)이 완충되면 하우징(2)의 내벽과 냉각블록(4) 사이의 틈새(H-1)에 충전된다. 이후 충전재(6)가 고착되면 상기 공간(H), 틈새(H-1), 및 충전재 주입구(7)는 모두 밀폐된다. 상기와 같이 충전재(6)가 열전소자(3)의 측면 공간(H) 또는 상기 공간(H)과 틈새(H-1)에 충전되는 과정에서 그 곳에 미리 존재하던 공기는 틈새(H-1)를 통해 외부로 빠져나와 모두 배출되므로 열전소자(3)는 공기와 완전히 격리된 상태로 밀폐되어 공기의 영향을 전혀 받지 않게 된다. 따라서 충전재(6)는 공간(H)에 완충되어 열전소자(3)를 밀폐시키는 기능과 함께 완충 과정에서 그 곳에 존재하는 모든 공기를 제거하는 기능을 겸하게 된다.
도면에 표시된 바와 같이 하우징(2)의 수납실에 조립된 열전소자(3)는 냉각면이 냉각블록(4)과 그리고 방열면이 방열수단(5)과 각각 긴밀하게 접착되어 있으므로 사방 측면만 노출되는데, 노출된 사방 측면의 공간(H)에 충전재(6)가 완충되면 열전소자(3)는 밀폐되어 공기와 격리됨을 쉽게 알 수 있다.
한편, 충전재(6)가 상기 공간(H), 또는 공간(H)과 틈새(H-1)에 충전된 후 고착되지 않고 처음과 같이 액상의 상태를 유지하면 이 충전재(6)는 충전재 주입구(7)와 틈새(H-1)를 통해 증발하거나 흘러나와 손실되므로 상기 충전재 주입구(7)와 틈새(H-1)를 종래와 같이 접착제(미도시)로 밀봉하여 증발되거나 흘러나와 손실되는 것을 방지해야 한다. 참고로 고착되지 않은 충전재(6)는 열전소자(3)를 부식시키지 않은 성질을 가진 것을 선택하여 열전소자(3)가 부식되는 것을 방지한다. 따라서, 본 발명에 사용되는 충전재(6)는 열전소자(3)를 감싸 밀폐시킨 후 고착되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
여하튼, 충전 후 고착되거나 또는 고착되지 않고 처음과 같이 액상을 유지하는 충전재(6) 중 어느 것을 사용하더라도 사용된 그 충전재(6)는 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기를 차단하게 되므로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
또한, 충전재(6)는 열전소자(3)를 공기와 완전히 차단할 뿐만 아니라 열전소자(3)의 측면 공간(H)에 완충되어 고착되면 냉각블록(4)과 방열수단(5)을 접착하게 되므로, 이에 의해 열전소자(3)의 냉각면과 냉각블록(4)은 견고하게 밀착되고, 또한 열전소자(3)의 방열면과 방열수단(5)이 견고하게 밀착되어 긴밀도를 높이게 된다.
상기 공간(H)에 충전되어 고착된 충전재(6)는 온도가 낮은 냉각블록(4)과 온도가 높은 방열수단(5)을 동시에 접착하게 되므로 이들 사이에 열교환이 진행되지 않거나 공기보다 열전달이 낮은 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 점을 감안하면 본 발명에 사용되는 충전재(6)는 공기의 열전도율 0.025W/mK 보다 낮은 단열 성능이 우수한 재질을 사용한다. 이러한 액상의 충전재(6)는 공기보다 낮은 0.017∼0.024W/mK의 열전도율을 가진 우레탄을 사용하면 좋다.
한편, 본 발명은 충전재 주입구(7)를 통해 충전재(6)가 수납실로 공급될 때 수납실 내부의 공기가 하우징(2) 외부로 배출될 수 있도록 상기 수납실과 연통되게 공기배출구(8)가 더 형성될 수 있다. 이 공기배출구(8)는 하우징(2) 상부에 위치하여 그를 통해 충전재(6)가 외부로 배출될 때 충전재(6)는 이미 열전소자(3)를 밀폐 완료한 상태가 된다. 따라서 충전재(6)가 열전소자(3)를 밀폐 후에 하우징(2)과 냉각블록(4) 사이의 틈새(H-1)를 충전하지 않더라도 열전소자(3)는 그 전에 밀폐되어 공기와 격리되므로 충전재(6) 사용을 절감할 수 있다.
상기 충전재 주입구(7)는 충전재(6)를 하우징(2)의 수납실로 공급하는 유로를 제공하 것으로 본 발명의 중요한 부분의 하나이다. 이 충전재 주입구(7)는 수납실과 연통되게 형성되며, 그 위치는 다양한 장소에 구비할 수 있다. 예컨대 도 1과 같이 충전재 주입구(7)는 하우징(2)의 측면에 형성될 수 있고, 도 4의 평면도와 같이 냉각블록(4)에 형성될 수 있고, 도 5와 같이 방열수단(5)에 형성될 수 있다. 또한 도면에 표시하지 않았지만 충전재 주입구(7)는 하우징(2)과 냉각블록(4)의 접면부, 또는 하우징(2)과 방열수단(5)의 접면부에도 형성될 수 있다. 충전재 주입구(7)는 상기 장소에 1개 또는 그 이상 형성될 수 있고, 그 수량은 냉각장치의 특성에 따라 선택적으로 결정될 수 있을 것이다.
이와 같이 본 발명의 충전재 주입구(7)는 하우징(2) 내부 수납실과 연통되게 형성되므로 이 충전재 주입구(7)를 통해 충전재(6)를 열전소자(3) 주변까지 직접공급하여 내부 공기를 제거함과 동시에 열전소자(3)를 감싸 밀폐하게 된다.
종래의 경우에는 하우징(2) 외부의 공기가 내부로 침투하지 않도록 하우징(2)과 냉각블록(4) 경계부를 밀폐하고, 또한 하우징(2)과 방열수단(5)의 접면부를 밀봉하는 단순한 기밀방법으로 외부 공기의 침투를 차단하였으나, 이는 하우징(2) 내부에 존재하는 공기를 배출할 수 없을 뿐만 아니라 기밀 부분이 누출되면 내부로 공기가 지속적으로 공급되므로 내부 공기에 의해 물방울 응축되는 것은 방지할 수 없었다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예는 충전재 주입구(7)를 통해 하우징(2) 내부로 공급되는 액상의 충전재(6)가 내부 공기를 외부로 배출시키면서 열전소자(3)를 감싼 상태로 고착되어 열전소자(3) 주변의 공기를 제거함은 물론이고 열전소자(3)를 밀폐시켜 공기와 완전히 격리시키므로 수분 응축으로 발생된 물방울이 열전달 매체로 작용하여 냉각면의 온도를 상승시키는 현상을 원천적으로 제거할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 열전소자 어셈블리(10)의 구성을 상세히 설명한다.
상기 다른 실시예의 열전소자 어셈블리(10)는 도 9 내지 도 18과 같이 내부에 수납실이 관통되고 상부에 걸림턱(201)이 형성되는 하우징(20);
상기 수납실에 수용되고, 전원이 공급될 때 일측면이 냉각면 타측면이 방열면이 되는 열전소자(3);
하부에 받침부재(401)가 돌출되고, 상기 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되어 냉각면의 냉열을 전달받아 냉각목적물로 전달하는 냉각블록(40);
상기 걸림턱(201)과 받침부재(401) 사이에 배치되어 냉각블록(40)을 열전소자(3)에 밀착시키는 탄성력을 제공하는 탄성부재(S);
상기 열전소자(3)의 방열면과 밀착되고, 상기 방열면의 온열을 방열시키는 방열수단(5);
상기 하우징(20)의 수납실로 공급되어 수납된 상기 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6); 및
상기 충전재(6)를 하우징(20)의 수납실로 공급할 수 있도록 하우징(20)의 수납실과 연통되는 충전재 주입구(7);를 포함하고,
여기서, 하우징(20)의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(40)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 수납실과 연통된 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단한다.
다른 실시예의 구성은 이미 설명한 일 실시예의 구성과 유사하므로 동일한 구성요소는 중복을 피하기 위해 설명을 생략하고, 상이하거나 추가되는 요소는 자세히 설명한다.
다른 실시예의 하우징(20)은 상부에 걸림턱(201)이 형성되고, 하부 외측 가장자리에 방열수단(5)을 고정할 수 있도록 단턱(202)이 돌출된다. 상기 걸림턱(201)은 후술하는 탄성부재(S)를 장착할 수 있도록 지지하는 기능을 한다. 상기 단턱(202)은 방열수단(5)을 체결하는 볼트(B)가 체결되는 데, 볼트(B)가 관통하는 체결공(21), 또는 볼트(B)가 체결되는 나사공(22), 또는 볼트(B) 체결용 너트(N)가 인서트된다. 상기 체결공(21), 나사공(22), 너트(N)는 볼트(B)를 체결하기 위한 것이므로 이중에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.
상기 냉각블록(40)은 도 9와 같이 탄성부재(S)를 지지할 수 있도록 하부에 받침부재(401)가 돌출된다. 따라서 상기 냉각블록(40)은 탄성부재(S)의 벌어지는 인장력에 의해 상시 열전소자(3)의 냉각면과 긴밀하게 밀착되어 열전소자(3)의 냉각을 전달받아 냉각목적물에 전달하게 된다.
본 발명의 다른 실시예는 탄성부재(S)가 더 장착된다. 상기 탄성부재(S)는 도면에서와 같이 하우징(20)의 걸림턱(201)과 냉각블록(40)의 받침부재(401) 사이에 압축된 상태로 끼워져 냉각블록(40)을 열전소자(3) 방향으로 밀착시켜 냉각블록(40)이 상기 열전소자(3)의 냉각면과 밀착시키는 기능을 한다.
하우징(20)은 열전달을 억제할 수 있도록 합성수지로 구성되므로 팽창과 수축 변화가 거의 없고, 그 내부에 수납되고 열전소자(3) 냉각면과 밀착되는 냉각블록(40)은 열전소자(3)에 의해 냉각된 상태로 사용되고, 또한 열전소자(3)의 방열면과 밀착되는 방열수단(5)은 열전소자(3)의 고온에 의해 가열된 상태로 사용되므로, 이들 하우징(20), 냉각블록(40) 및 방열수단(5)은 각각 열팽창계수가 다를 뿐만 아니라 사용 시 온도변화에 의해 수축과 팽창되므로 이러한 사용환경을 보상할 수 있도록 탄성부재(S)는 냉각블록(40)이 상시 열전소자(3)의 냉각면에 밀착되도록 탄성력을 제공하게 된다.
한편, 본 발명의 모든 실시예는 도 15와 같이 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(4)(40)의 노출된 저면, 도 16과 같이 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면, 또는 도 17과 같이 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(4)(40)의 노출된 저면 및 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면은 차단부재(9)로 도포되거나 감싸여져 충전재(6)와 격리되게 구성할 수 있다. 여기서, 상기 차단부재(9)는 공기보다 열전도율이 낮은 발포우레탄폼을 사용하면 좋다.
충전재 주입구(7)를 통해 하우징(20) 내부로 충전된 후 고착되어 열전소자(3)를 밀폐하는 충전재(6)가 공기보다 열전도율이 놓을 경우 공기를 제거하여 물방울이 응축되는 문제점을 해결할 수 있으나, 냉각된 냉각블록(40)과 가열된 방열수단(5) 사이에 열전달 매체의 기능을 할 우려가 있으므로 상기 차단부재(9)가 양측을 차단하여 열전달이 진행되는 억제하게 된다.
따라서 상기 차단부재(9)를 사용하면 충전재(6)가 공기를 제거하여 물방울 응축현상을 방지할 뿐만 아니라 충전재(6)에 의해 냉각블록(40)과 방열수단(5)이 열전달되는 현상을 억제할 수 있으므로 냉각효율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 하우징(2)(20) 내부로 공급되는 충전재(6)에 의해 열전소자(3)을 감싸고 있는 공기와 외부로 배출된 상태에서 충전재(6)가 열전소자(3)를 감싸 밀폐시키므로 열전소자(3)는 공기와 완전히 격리되어 종래 응축된 물방울에 의해 냉각블록(4)(40)의 온도가 상승하는 것을 원천적으로 방지할 수 있으므로 진보성을 갖춘 발명이라 하겠다.
3,30 : 하우징 4,40 : 냉각블록
5 : 방열수단 7 : 충전재 주입구
8 : 공기배출구 9 : 차단부재

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 내부에 수납실이 관통되고, 상부에 걸림턱(201)이 형성되며, 충전재 주입구(7)를 통해 충전재(6)가 수납실로 공급될 때 수납실 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있도록 상기 수납실과 연통되게 공기배출구(8)가 관통되는 하우징(20);
    상기 수납실에 수용되고, 전원이 공급될 때 일측면이 냉각면 타측면이 방열면이 되는 열전소자(3);
    하부에 받침부재(401)가 돌출되고, 상기 열전소자(3)의 냉각면에 밀접하게 탑재되어 냉각면의 냉열을 전달받아 냉각목적물로 전달하는 냉각블록(40);
    상기 걸림턱(201)과 받침부재(401) 사이에 배치되어 냉각블록(40)을 열전소자(3)에 밀착시키는 탄성력을 제공하는 탄성부재(S);
    상기 열전소자(3)의 방열면과 밀착되고, 상기 방열면의 온열을 방열시키는 방열수단(5);
    상기 하우징(20)의 수납실로 공급되어 수납된 상기 열전소자(3)를 감싸 밀폐시켜 공기와의 접촉을 차단하는 충전재(6); 및
    상기 충전재(6)를 하우징(20)의 수납실로 공급할 수 있도록 하우징(20)의 수납실과 연통되는 충전재 주입구(7);를 포함하고,
    여기서, 하우징(20)의 수납실에 수용된 열전소자(3)의 냉각면에 냉각블록(40)을 방열면에 방열수단(5)을 각각 밀접하게 하여 어셈블리 형태로 조립한 후, 액상의 충전재(6)를 수납실과 연통된 충전재 주입구(7)를 통해 수납실로 공급하여 열전소자(3)를 밀폐되게 감싸 공기와 접촉을 차단하고,
    상기 하우징(20)은 방열수단(5)을 고정할 수 있도록 볼트(B)가 관통하는 체결공(21), 볼트(B)가 체결되는 나사공(22), 또는 볼트(B) 체결용 너트(N)가 인서트되는 것 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하거나, 또는 하부 외측 가장자리에 방열수단(5)을 고정할 수 있도록 단턱(202)이 돌출되고 이 단턱(202)에는 볼트(B)가 관통하는 체결공(21), 볼트(B)가 체결되는 나사공(22), 또는 볼트(B) 체결용 너트(N)가 인서트된 것 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하며,
    상기 충전재(6)는 액상이고 이 액상의 충전재(6)가 수납실로 공급되어 열전소자(3)를 밀폐시키면, 이후 충전재 주입구(7), 하우징(20) 내벽과 냉각블록(40) 사이의 틈새(H-1)를 접착수단으로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 방열수단(5)은 열전소자(3)의 방열면과 밀착된 상태로 하우징(20)에 고정되는 방열블록, 공냉식 방열판 또는 수냉식 쿨러 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 충전재(6)는 액상의 접착제 또는 액상의 단열재인 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  8. 삭제
  9. 청구항 2에 있어서, 상기 충전재(6)는 액상의 실리콘, 에폭시, 우레탄, 또는 본드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  10. 청구항 2에 있어서, 상기 충전재 주입구(7)는 하우징(20), 냉각블록(40), 방열수단(5), 하우징(20)과 냉각블록(40)의 접면부, 또는 하우징(20)과 방열수단(5)의 접면부에 형성되는 것 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  11. 청구항 2에 있어서, 상기 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면, 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면, 또는 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면 및 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면 모두는 차단부재(9)로 도포되거나 감싸여져 충전재(6)와 격리되는 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
  12. 청구항 2에 있어서, 상기 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면, 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면, 또는 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접된 냉각블록(40)의 노출된 저면 및 열전소자(3)의 노출된 측면과 이와 근접하는 방열수단(5)의 상면 모두는 차단부재(9)로 도포되거나 감싸여져 충전재(6)와 격리되고;
    여기서, 상기 차단부재(9)는 공기보다 열전도율이 낮은 발포우레탄폼인 것을 특징으로 하는 열전소자 어셈블리.
KR1020200058732A 2020-05-16 2020-05-16 열전소자 어셈블리 KR102210735B1 (ko)

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