KR102588422B1 - 링형 열전 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 링형상의 절연판을 포함하는 열전 모듈에서 링형상의 절연판의 전체 면적에 대하여 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 링형 열전 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 링형 열전 모듈에 있어서, 링형상의 상단 절연판; 상기 상단 절연판과 동일한 형태인 하단 절연판; 및 복수의 p형소자와 복수의 n형소자를 포함하며, 상기 상단 절연판과 상기 하단 절연판 사이에 배치되는 소자모듈을 포함하며, 상기 p형소자와 n형소자는 상기 상단 절연판 및 하단 절연판에 반경 방향으로 반복적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

링형 열전 모듈{Ring-shape thermoelectric module}

본 발명은 링형 열전 모듈에 관한 것으로 더욱 상세하게는 표면의 온도가 균일하게 구현되는 링형 열전 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 열전 모듈은 펠티어(Peltier) 효과와 제벡(seebeck) 효과를 이용한 것으로, 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환시스템으로, 극전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환할 수 있으며, 또한 제벡 효과에 의해 모듈 양단 간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 장치이다.

이와 같은 열전 모듈은 냉각용과 발전용이 있으며, 빠르고 우수한 냉각효과 또는 발전효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부피가 매우 작기 때문에 차세대 냉각 및 발전소자로 각광받고 있으며, 특히 냉각용 전자소자와 같이 시스템의 안정성을 요하나 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 요하는 경우, 온도의 정밀 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되어지고 있고, 발전용은 배폐열과 같은 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는데 사용되어지고 있다.

상기와 같은 용도로 활용되는 열전 모듈은 예를 들면 공개특허 제2010-0024028호에 개시된 바와 같이, 상부 및 하부 절연기판과; 상하로 비대칭적으로 돌출된 돌출부가 형성된 p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 교대로 배열형성되되, 상기 p형 소자 및 n형 소자의 돌출부 간에 서로 대향되도록 배치되어 형성된 열전소자와; 상기 절연기판과 열전소자를 접합시키면서, 상기 열전소자의 돌출부 간을 전기적으로 연결시켜 정공 또는 전자의 이동경로를 제공하는 복합접합층을 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 의료기기, 예를 들면 PCR 검사용 장치에서 시료 등을 정밀한 온도 범위로 가열하기 위하여 열전 모듈이 사용되고 있다.

특히 의료기기 분야에서 요구되는 열전 모듈은 구조적 특성에 의하여 링형 요구하고 있다.

링형의 열전 모듈은 링형 절연판 사이에 복수의 단위소자들이 배치되어 구성될 수 있으나, 가장 간단한 방식으로는 링형 절연판에 격자 형태로 단위소자들이 배치하는 구성을 들 수 있으나, 상기와 같은 방식은 링 표면에 따라 온도 분포가 달리 구현되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로, 링형상의 절연판을 포함하는 열전 모듈에서 링형상의 절연판의 전체 면적에 대하여 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 링형 열전 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 링형 열전 모듈에 있어서 외경 중심에 동심으로 형성되는 내경을 포함하는 링 형상으로 형성되는 설치면적을 제공하는 상단 절연판과, 상기 상단 절연판과 동일한 형태인 하단 절연판 및 복수의 p형소자와 복수의 n형소자 및 상기 p형소자와 n형 소자의 상단을 연결하는 상단전극과, 하단을 연결하는 하단전극을 포함하여 상기 상단 절연판과 하단 절연판 사이에서 상기 복수의 p형 소자 및 n형 소자가 반경 방향으로 복수 열을 형성하면서 일정 간격으로 방사형 배치되는 소자모듈을 포함하되, 상기 소자모듈은 링형상 내경에 근접한 부분에서 p형소자와 n형소자가 외경 방향으로 하나의 열을 이루도록 반복 배치된 이후 외경에 근접한 열의 끝단 부분에서 원주 방향을 따라 하나 더 반복 배치되고, 다시 내경 방향을 따라 방사형으로 p형소자와 n형소자가 반복되면서 다른 열이 배치된 이후 내경에 근접한 열의 끝단 부분에서 원주 방향을 따라 하나 더 배치되는 형태가 상기 설치면적을 따라 시작 지점부터 마지막 지점까지 반복되도록 연결되어 전원 인가 시 가열되는 링형상의 절연판이 전체적으로 균일한 온도분포를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소자모듈은 p형소자와 n형소자 상단을 연결하는 상단전극과 상기 p형소자와 n형소자의 하단을 연결하는 하단전극을 포함하고, 상기 상단전극과 하단전극은 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 상단전극은 상기 상단 절연판과 접촉하고, 상기 하단전극은 상기 하단 절연판과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

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바람직하게는, 상기 상단 절연판과 하단 절연판은 세라믹 재질 또는 절연을 위해 산화피막이 형성된 알루미늄 합금인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 링형 열전 모듈은 링형 절연판 사이에 배치되는 복수의 단위소자를 p형과 n형을 반경 방향으로 반복되는 형태로 배치되며, p형과 n형은 상부와 하부가 지그재그 형태로 연결되는 것을 특징으로 하여, 전원 인가 시에는 가열되는 링형 절연판이 전체 영역에 대하여 비교적 균일한 온도 분포를 나타내어, 의료기기 용도로 충분히 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 링형 열전 모듈의 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 소자모듈의 전기적인 연결 구성도이며,
도 3은 도 2의 설치 배치도이며,
도 4는 본 발명의 실시예의 구성도이며,
도 5는 본 발명의 비교예의 구성도이며,
도 6은 도 5의 온도 분포도이며,
도 7은 도 5의 시간에 대한 온도 변화 도표이며,
도 8은 도 4의 온도 분포도이며,
도 9는 도 4의 시간에 대한 온도 변화 도표이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 링형 열전 모듈(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 링형상의 상단 절연판(10)과 동일한 형상의 하단 절연판(20) 및 상기 상단 절연판(10)과 하단 절연판(20) 사이에 배치되는 소자모듈(30)을 포함하여 구성된다.

상기 소자모듈(30)에 전원이 공급되는 경우, 상기 상단 절연판(10)은 가열되고, 상기 하단 절연판(20)은 냉각되는 형태로 구현될 수 있다.

물론 가열 및 냉각이 반대로 구현될 수도 있으나, 상기와 같이 상단 절연판(10)이 가열되는 것으로 이하에서는 설명한다.

상기 상단 절연판(10)과 하단 절연판(20)은 균일한 두께로 구현되며, 서로 동일한 형태로 구성되며, 절연 특성이 있는 세라믹 재질 또는 절연을 위해 산화피막이 형성된 알루미늄 합금인 것이 바람직하나, 필요한 경우 다른 절연 재질로도 구성될 수 있다.

또한 상기 상단 절연판(10)과 하단 절연판(20)은 외경(11, 21)과 외경(11, 21) 중심에 동심으로 형성되는 내경(12, 22)를 포함하여 구성된다.

이때 내경(12, 22)과 중심(13, 23) 사이에는 관통부(14, 24)가 형성되고, 내경(12, 22)과 외경사이(11, 21)에는 설치면적(15, 25)이 링형으로 형성된다.

상기 설치면적(15, 25)에 상기 소자모듈(30)이 결합한다.

상기 소자모듈(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 전기적으로 연결되는 것으로, p형소자(31), n형소자(32)가 반복적으로 배치된다.

여기서 상기 p형소자(31)는 p-leg를 의미하고, 상기 n형소자(32)는 n-leg를 의미한다.

또한 상기 소자모듈(30)은 p형소자(31)와 n형소자(32)를 상단에서 전기적으로 연결하는 상단전극(41)과 반대편 p형소자(31)와 n형소자(32)를 하단에서 전기적으로 연결하는 하단전극(42)을 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 상단전극(41)과 하단전극(42)은 서로 지그재그 형태로 배치되고, 상기 하단전극(42)의 양끝단에 전원을 공급하는 경우 절연판(10, 20)이 가열 또는 냉각되고, 반대로 절연판(10, 20)을 차이가 있는 온도에 노출되는 경우 하단전극(42) 양끝단에서 기전력을 얻을 수 있다.

상기 소자모듈(30)은 상기 설치면적(15, 25)에 배치되며, 도 3에 도시된 바와 같이 반경 방향으로 방사형으로 배치된다.

먼저 상기 내경(12, 22)에 초기 위치부터 p형소자(31)와 n형소자(32)가 반복적으로 반경 방향 중 외경 방향으로 하나의 열이 배치된다.

그리고 외경(11, 22)에 근접한 부분에서 원주 방향으로 한단계 배치된 후(a), 다시 반경 방향 중 내경 방향으로 방사형으로 다른 열이 배치된다.

그리고 내경에 근접한 부분에서 원주 방향으로 한단계 배치된 후(b), 초기와 같이 반복된다.

상기 전극(41, 42)은 화살표 방향으로 지그재그 형태로 배치되며, (a)와 (b)부분에는 원주 방향으로 전극(41, 42)이 형성된다.

즉, 상기 소자모듈(30)은 상기 화살표 방향으로 상기 도 2에 도시된 바와 같이 p형소자(31)와 n형소자(32)가 반복적으로 배치되고, 상단전극(41)과 하단전극(42)이 지그재그 형태로 배치된다.

초기의 하단전극(41)과 마지막 하단전극(41)에 전원선을 연결하고 전원을 인가하는 경우 가열 또는 냉각된다.

이하 본 발명에 따른 링형 열전 모듈을 실시예를 통하여 더욱더 상세하게 설명한다.

실시예

본 발명에 따른 링형 열전 모듈(100)은 기본적으로 축대칭 요소이므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 1/4모델로 p형소자와 n형소자를 반복적으로 반경 방향 7개를 원주 방향으로 24개를 배치하였다.

비교예

상기 실시예와 대비를 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 1/4모델로 p형소자와 n형소자를 격자 형태로 배치하였다.

시험예(온도 시뮬레이션)

상기 비교예와 실시예에 대하여 동일한 조건으로 온도 변화 시뮬레이션을 수행하였다. 전류는 5A를 통전하였고, 시간에 대한 상단 단열판의 온도 변화를 획득하였다.

비교예의 통전 후 5초 후의 표면 온도 분포를 도 6에 도시하였고, 시간에 대한 온도 변화를 도 7에 도시하였다.

동일하게 실시예의 통전 후 5초 후의 표면 온도 분포를 도 8에 도시하였고, 시간에 대한 온도 변화를 도 9에 도시하였다.

상기 도면들을 통하여 실시예의 구성이 비교예에 비하여 균일한 온도 분포를 가짐을 확인하였다(비교예: 30.39℃, 실시예: 28.36℃).

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 링형 열전 모듈을 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10: 상단 절연판 11: 외경
12: 내경 13: 중심
14: 관통부 15: 설치면적
20: 하단 절연판 21: 외경
22: 내경 23: 중심
24: 관통부 25: 설치면적
30: 소자모듈 31: p형소자
32: n형소자 41: 상단전극
42: 하단전극 100: 링형 열전 모듈

Claims (7)

1. 링형 열전 모듈에 있어서,
   외경 중심에 동심으로 형성되는 내경을 포함하는 링 형상으로 형성되는 설치면적을 제공하는 상단 절연판;
   상기 상단 절연판과 동일한 형태인 하단 절연판; 및
   복수의 p형소자와 복수의 n형소자 및 상기 p형소자와 n형 소자의 상단을 연결하는 상단전극과, 하단을 연결하는 하단전극을 포함하여 상기 상단 절연판과 하단 절연판 사이에서 상기 복수의 p형 소자 및 n형 소자가 반경 방향으로 복수 열을 형성하면서 일정 간격으로 방사형 배치되는 소자모듈을 포함하되,
   상기 소자모듈은,
   링형상 내경에 근접한 부분에서 p형소자와 n형소자가 외경 방향으로 하나의 열을 이루도록 반복 배치된 이후 외경에 근접한 열의 끝단 부분에서 원주 방향을 따라 하나 더 반복 배치되고, 다시 내경 방향을 따라 방사형으로 p형소자와 n형소자가 반복되면서 다른 열이 배치된 이후 내경에 근접한 열의 끝단 부분에서 원주 방향을 따라 하나 더 배치되는 형태가 상기 설치면적을 따라 시작 지점부터 마지막 지점까지 반복되도록 연결되어 전원 인가 시 가열되는 링형상의 절연판이 전체적으로 균일한 온도분포를 가지는 것을 특징으로 하는 링형 열전 모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상단전극과 상기 하단전극은 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 링형 열전 모듈.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 상단전극은 상기 상단 절연판과 접촉하고, 상기 하단전극은 상기 하단 절연판과 접촉하는 것을 특징으로 하는 링형 열전 모듈.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상단 절연판과 하단 절연판은 세라믹 재질 또는 산화피막이 형성된 알루미늄 합금 재질인 것을 특징으로 하는 링형 열전 모듈.
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