KR19980064197A - Thermoelectric element and thermoelectric cooling device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전반도체 소자(熱電半導體 素子)를 이용한 열전소자(熱電素子) 및 그 냉각장치에 관한 것으로서, 상세하게는 냉각효율의 저하를 방지함과 동시에 열전소자의 수명을 길게하는 것을 실현시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element using a thermoelectric semiconductor element and a cooling device thereof. Specifically, the present invention provides a technique for preventing the deterioration of the cooling efficiency and at the same time extending the life of the thermoelectric element. It is about.
본 발명에서는 열전반도체 소자의 상하의 금속전극의 쌍방이 단단한 기판에 고정되어 있지 않으므로 열전반도체 소자에 가해지는 열응력이 완화되며, 그 결과 열전반도체 소자의 수명을 길게 하는 것(長壽命化)이 실현가능하다.In the present invention, since both the upper and lower metal electrodes of the thermoelectric semiconductor element are not fixed to the rigid substrate, the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element is alleviated. As a result, the life of the thermoelectric element can be extended. It is possible.
또한, 열전반도체 소자를 직접적으로 냉각하므로써 냉각효율의 저하를 최소한으로 억제하고, 열전반도체 소자가 갖는 성능을 유효하게 끌어내는 것이 가능하다.In addition, by directly cooling the thermoelectric semiconductor elements, it is possible to minimize the decrease in the cooling efficiency and effectively bring out the performance of the thermoelectric semiconductor elements.
Description
본 발명은 열전반도체 소자(熱電半導體 素子)를 이용한 열전소자(熱電素子) 및 그 냉각장치에 관한 것으로서, 상세하게는 냉각효율의 저하를 방지함과 동시에 열전소자의 수명을 길게하는 것(長壽命化)을 실현시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element using a thermoelectric semiconductor element and a cooling device thereof. Specifically, the present invention relates to preventing a decrease in cooling efficiency and extending the life of a thermoelectric element. The present invention relates to a technique for realizing a change.
비스무스·텔루니윰계, 철·실리콘계 혹은 코발트·안티몬계 등의 화합물로 구성된 열전반도체 소자를 이용한 열전소자는, 냉각/가열장치 등에 사용되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION A thermoelectric element using a thermoelectric semiconductor element composed of a compound such as bismuth tellurine, iron, silicon or cobalt and antimony is used for a cooling / heating device and the like.
이들 열전소자는 액체, 기체를 사용하지 않고, 빈 공간도 없으며 또한, 회전마찰도 없이 보수도 필요없는 냉각/가열원으로서 편리하게 잘 사용되는 것이다.These thermoelectric elements are conveniently used as cooling / heating sources that do not use liquids or gases, have no empty space, have no rotational friction, and do not require maintenance.
이 열전소자는 일반적으로 p형과 n형으로 이루어진 두 종류의 열전반도체 소자을 정연하게 배열하고, 열전반도체 소자를 금속전극에 납땜하여 접합하고, π형 직렬회로를 구성함과 동시에 이를 열전반도체 소자 및 금속전극을 금속막을 가지는 세라믹 기판에 끼워서 구성한 것이 열전모듈로서 넓게 사용되고 있다.The thermoelectric elements are generally arranged in two layers of p- and n-type thermoelectric elements, and the thermoelectric elements are soldered and bonded to a metal electrode, and a π-type series circuit is formed. BACKGROUND ART A metal electrode sandwiched with a ceramic substrate having a metal film is widely used as a thermoelectric module.
종래부터 알려져 있는 열전모듈 구성을 도 7에 나타내었다. 도 7에서 (a)는 정면도이고 (b)는 사시도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이 열전모듈은 n형 열전반도체 소자와 p형 열전반도체 소자를 교대로 배열하고, n형 열전반도체 소자와 p형 열전반도체 소자를 금속전극에 접속한다. n형 열전반도체 소자와 p형 열전반도체 소자는 금속전극에 상측과 하측으로 교대로 접속되고 최종적으로 전체소자가 직렬로 접속된다. 상하(上下) 금속전극과 열전반도체 소자와의 접속은 납땜으로 이루어진다. 그리고 상측, 하측의 각각의 금속전극은 동과 알루미늄 등의 금속으로 메탈라이즈된 세라믹 기판에 접착하여 전체를 고정한다. 이렇게 하여 만들어진 열전소자를 통상 열전모듈이라고 부른다.7 illustrates a conventional thermoelectric module configuration. In FIG. 7, (a) is a front view and (b) is a perspective view. As shown in FIG. 7, the thermoelectric module alternately arranges the n-type thermoconductor element and the p-type thermoconductor element, and connects the n-type thermoconductor element and the p-type thermoconductor element to the metal electrode. The n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element are alternately connected to the metal electrode in an upper side and a lower side, and finally all the elements are connected in series. The connection between the upper and lower metal electrodes and the thermoelectric semiconductor element is made by soldering. Each of the upper and lower metal electrodes is bonded to a ceramic substrate metalized with copper and aluminum to fix the whole. The thermoelectric element thus produced is usually called a thermoelectric module.
이러한 열전모듈의 전극에 전원을 접속하여 n형 소자로부터 p형 소자의 방향으로 전류를 흐르게 하면 빼르체 효과에 의하여 π형의 상부에서 흡열이, 하부에서는 방열(放熱)이 일어난다. 이때 전극의 접속방향을 역전시키면, 흡열, 방열의 방향이 바뀐다. 이 현상을 이용하여 열전소자가 냉각/가열장치에 사용되는 것이다. 열전모듈은 LSI, 컴퓨터의 CPU, 레이저 등의 냉각을 비롯하여 보온냉장고에 이르는 광범위가 용도를 가지고 있다.When a power source is connected to the electrode of such a thermoelectric module and a current flows from the n-type element to the p-type element, the endothermic effect causes heat absorption at the upper portion of the π-type and dissipation at the lower portion. At this time, if the connection direction of the electrodes is reversed, the direction of heat absorption and heat dissipation is changed. By using this phenomenon, thermoelectric elements are used in cooling / heating devices. Thermoelectric modules have a wide range of applications, from cooling to LSIs, computer CPUs, and lasers, to thermal refrigerators.
이러한 열전소자를 냉각장치로서 사용하는 경우에는 방열측을 냉각하는 것이 필요하다. 그래서 종래, 열전소자를 냉각하는 방법으로서는 도 8(a)에 나타내어 있는 것처럼 열전소자 31의 방열측에 방열핀 32를 설치하고 이 방열된 32를 향해 팬(FAN) 33으로부터 바람을 보내도록 한 공기냉각방식(空冷方式)과 도 8(b)에 나타내어 있는 것처럼 열전소자 31의 방열속에 수냉 재킷(水冷 Jacket) 34를 설치하고 이 수냉재킷 34 내에 냉각수를 통과시키도록 한 수냉방식 등이 있었다.When using such a thermoelectric element as a cooling device, it is necessary to cool the heat radiation side. Therefore, conventionally, as a method of cooling a thermoelectric element, as shown in FIG. 8 (a), an air cooling fin is installed on a heat dissipating side of the thermoelectric element 31, and air is blown out of the fan 33 toward the heat dissipated 32. As shown in Fig. 8 (b) and a water cooling system 34, a water cooling jacket 34 is provided in the heat dissipation heat of the thermoelectric element 31, and the water cooling system allows the cooling water to pass through the water cooling jacket 34.
도 9는 열전소자의 온도상태를 나타내는 도이다. 열전소자의 냉각능력을 평가하는 파라미터로서 모듈 ΔT와 시스템 ΔT가 있다. 모듈 ΔT라 함은 열전소자의 냉각측단의 온도, 즉 상측의 세라믹 기판의 온도(Q2)와, 열전소자의 방열측단의 온도, 즉 하측의 세라믹 기판의 온도(Q5)와의 차(ΔT1)이다. 그리고 시스템 ΔT라 함은 열전소자의 냉각측 부분의 온도(Q3)와 방열측의 주위온도(Q6')와의 차(ΔT2)이다. 여기에서 주위온도 도 8(a)에서는 방열핀 32의 주위온도에 상당하며 도 8(b)에서는 수냉재킷 34내의 수온에 상당(相當)한다.9 is a diagram illustrating a temperature state of a thermoelectric element. The parameters for evaluating the cooling capability of the thermoelectric element are the module ΔT and the system ΔT. The module ΔT is the difference ΔT1 between the temperature at the cooling end of the thermoelectric element, that is, the temperature Q2 of the upper ceramic substrate, and the temperature at the heat dissipating side of the thermoelectric element, that is, the temperature Q5 of the lower ceramic substrate. The system ΔT is the difference ΔT 2 between the temperature Q 3 of the cooling side portion of the thermoelectric element and the ambient temperature Q 6 ′ on the heat dissipation side. Here, the ambient temperature corresponds to the ambient temperature of the heat radiation fin 32 in FIG. 8 (a) and the water temperature in the water cooling jacket 34 in FIG. 8 (b).
도 9로부터 알 수 있듯이, 열전소자에 있어서 가장 온도가 낮은(온도 Q1) 부분은 열전반도체 소자의 냉각측의 단(端)이며, 그로부터 금속전극, 세라믹기판을 지남에 따라 온도가 상승하여 냉각부하(冷却負荷)의 부분에서 온도가 Q3이 된다.As can be seen from FIG. 9, the portion of the thermoelectric element having the lowest temperature (temperature Q1) is the stage on the cooling side of the thermoelectric semiconductor element, from which the temperature rises as it passes through the metal electrode and the ceramic substrate, thereby cooling load. At part (iii), the temperature is Q3.
또한, 가장 온도가 높은 (온도 Q4) 부분은 열전반도체 소자의 방열측의 단이며, 그로부터 금속전극, 세라믹 기판을 지남에 따라 온도가 하강하여, 방열측의 주위온도 Q6'이 된다. 특히, 세라믹은 열전도율이 작기 때문에 세라믹 기판이 개재하므로써 냉각효율의 저하가 크다.The highest temperature (temperature Q4) is the end of the heat dissipation side of the thermoelectric semiconductor element, and the temperature decreases as it passes through the metal electrode and the ceramic substrate, resulting in the ambient temperature Q6 'on the heat dissipation side. In particular, since ceramics have a low thermal conductivity, the cooling efficiency is greatly reduced by interposing a ceramic substrate.
여기서, 세라믹 기판을 대신하여 표면을 산화시킨 알루미늄 기판을 사용함과 동시에, 분사노즐이 부착된 수냉재킷을 사용하여 방열측의 알루미늄 기판을 효율적으로 냉각할 수 있도록 하는 것으로 냉각효율의 저하를 방지한 빼르체 냉각장치가 제안되어 있다(일경(日經)메카니컬, 1996. 9.16, 48~56페이지). 이 빼르체 냉각장치에 의하면 프론 가스를 사용한 통상의 냉각시스템과 동등한 냉각효율이 실현될 수 있는 것으로 되어 있다.In this case, an aluminum substrate whose surface is oxidized in place of the ceramic substrate is used, and a water cooling jacket equipped with a spray nozzle is used to efficiently cool the aluminum substrate on the heat dissipation side. A Lecce cooling system has been proposed (Nikkei Mechanical, Sept. 16, 1996, 48--56). According to this Pulse cooling apparatus, the cooling efficiency equivalent to the normal cooling system using a flon gas can be implement | achieved.
그러나, 상기 삐르체 냉각장치 및 도 8에 표시된 냉각장치는 모두 하측의 기판을 통하여 간접적으로 열전반도체 소자를 냉각하는 것이기 때문에 열전반도체 소자가 가지는 성능을 최대로 끌어내지는 못하였다.However, since both the Pyrche cooling device and the cooling device shown in FIG. 8 are indirectly cooling the thermoelectric element through the lower substrate, the performance of the thermoelectric element cannot be maximized.
또한, 도 7에 표시된 열전소자는 상하를 세라믹 기판으로 고정한 강구조(剛構造)이므로 동작시에 열전반도체 소자에 큰 열응력(熱應力)이 가해져서 열전반도체 소자의 수명이 짧아진다.In addition, since the thermoelectric element shown in FIG. 7 is a steel structure in which upper and lower sides are fixed with a ceramic substrate, a large thermal stress is applied to the thermoelectric semiconductor element during operation, thereby shortening the life of the thermoelectric semiconductor element.
본 발명은 이러한 상항을 감안한 것으로 방열측의 열전반도체 소자 및 금속전극을 직접적으로 냉각하므로써 냉각효율의 저하를 최소한으로 하고 열전반도체 소자가 갖고 있는 성능을 최대로 끌어내는데 목적이 있다. 또한 본 발명은 열전반도체 소자에 가해지는 열응력을 완화함으로써 열전반도체 소자의 수명을 길게하는 것을 실현시키는 것을 목적으로 한다.In view of the above situation, the present invention aims to minimize the reduction in cooling efficiency and to maximize the performance of the thermoelectric semiconductor element by directly cooling the thermoelectric semiconductor element and the metal electrode on the heat dissipation side. In addition, an object of the present invention is to realize that the life of the thermoelectric semiconductor element is extended by alleviating the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element.
도 1은 본 발명을 적용한 열전소자의 구성의 한 예와 그 동작을 나타낸 것이고,Figure 1 shows an example of the configuration of the thermoelectric element to which the present invention is applied and its operation,
도 2는 본 발명을 적용한 열전소자의 냉각방식을 나타낸 것이고,Figure 2 shows the cooling method of the thermoelectric device to which the present invention is applied,
도 3은 본 발명을 적용한 열전소자의 온도상태를 나타낸 것이고,Figure 3 shows the temperature state of the thermoelectric element to which the present invention is applied,
도 4는 본 발명을 적용한 열전소자의 구체적인 예를 나타낸 것이고,Figure 4 shows a specific example of the thermoelectric device to which the present invention is applied,
도 5는 도 4에 나타낸 열전소자를 사용한 액체 냉각식 열전냉각 유니트의 구체적인 예를 나타낸 것이고,FIG. 5 shows a specific example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit using the thermoelectric element shown in FIG. 4,
도 6은 액체 냉각식 열전냉각 유니트의 다른 예를 나타낸 것이고,6 shows another example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit,
도 7은 종래의 열전소자의 구성을 나타낸 것이고,7 shows a configuration of a conventional thermoelectric element,
도 8은 종래의 열전소자의 냉각방식을 나타낸 것이고,8 shows a cooling method of a conventional thermoelectric device,
도 9는 종래의 열전소자의 온도상태를 나타낸 것이다.9 shows a temperature state of a conventional thermoelectric element.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1-열전소자2-사절판1-thermoelectric element 2- trimmer
3A-p형 열전 반도체 소자3B-n형 열전 반도체 소자3A-p type thermoelectric semiconductor element 3B-n type thermoelectric semiconductor element
4-동전극5-T자형 동전극4- copper electrode 5-T-shaped coin pole
6-공기 냉각재킷9-액체 냉각재킷6-Air Cooling Jacket 9-Liquid Cooling Jacket
10-배이스판11-알루미늄 흡열블록10-Bass Plate 11-Aluminum Endothermic Block
본 발명에 관한 열전소자는 전기절연성을 갖는 사절판(仕切板:일종의 분할판) 2와 사절판 2를 관통한 상태에서 사절판 2에 고정된 같은 수의 p형 열전반도체 소자 및 n형 열전반도체 소자와, p형 열전반도체 소자 및 n형 열전반도체 소자의 흡열측에 접속된 제1의 금속전극과, p형 열전반도체 소자 및 n형 열전반도체 소자의 방열측에 접속된 제2의 금속전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.The thermoelectric elements according to the present invention are the same number of p-type thermoconductor elements and n-type thermoconductors fixed to the trimming plate 2 while penetrating through the trimming plate 2 and the trimming plate 2 having electrical insulation properties. An element, a first metal electrode connected to the heat absorbing side of the p-type thermoconductor element and the n-type thermoconductor element, and a second metal electrode connected to the heat dissipation side of the p-type thermoconductor element and the n-type thermoconductor element. It is characterized in that the configuration.
그리고, 본 발명에 관한 열전냉각장치(熱電冷却裝置)는 상기 본 발명에 관한 열전소자의 구성요건과 그 사절판 2로부터 방열측을 수납(收納)하는 냉각용기를 갖추는 것을 특징으로 한 것이다.The thermoelectric cooling device according to the present invention is characterized by comprising a cooling container for housing the heat dissipation side from the trimming plate 2 and the structural requirements of the thermoelectric element according to the present invention.
본 발명에 관한 열전소자에 의하여 제1의 금속전극, 제2의 금속전극의 양방향 모두 세라믹 기판에 고정되어 있지 않기 때문에, 열전반도체 소자에 가해지는 열응력이 완화된다. 또한, 본 발명에 관한 열전냉각장치에 의하면 사절판으로부터 방열측, 즉 p형 열전반도체 소자 및 n형 열전반도체 소자중에서 사절판에서 방열측으로 돌출되어 있는 부분과 그 단부에 접속되어 있는 제2의 금속전극이 냉각용기내에서 직접적으로 냉각되므로 냉각 효율의 저하를 최소한으로 억제하는 것이 가능하다.Since both the first metal electrode and the second metal electrode are not fixed to the ceramic substrate by the thermoelectric element according to the present invention, the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element is alleviated. In addition, according to the thermoelectric cooling device according to the present invention, a portion of the p-type thermoconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element protruding toward the heat dissipation side from the trimming plate and the second metal connected to the end thereof from the trimming plate. Since the electrode is directly cooled in the cooling vessel, it is possible to minimize the decrease in cooling efficiency.
더욱이, 본 발명에 있어서, 제2의 금속전극이 p형 열전반도체 소자 및 n형 열전반도체 소자와의 접속단의 면적이 타단의 면적보다도 넓은 형상을 가지도록 구성하게 함으로써 냉각용기내에 공간을 두게하여 기체와 액체의 흐름을 부드럽게 하는 것이 가능하다.Furthermore, in the present invention, the second metal electrode is configured such that the area of the connection end with the p-type thermoconductor element and the n-type thermoconductor element has a shape larger than that of the other end, thereby leaving a space in the cooling vessel. It is possible to smooth the flow of gases and liquids.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 1(a)는 본 발명을 적용한 열전소자의 정면도이다. 이 열전소자 1은 사절판 2에 대하여 p형 열전반도체 소자 3A와 n형 열전반도체 소자 3B가 관통한 상태로 고정된 구조를 가지는 것이 하나의 특징이다. p형 열전반도체 소자 3A와 n형 열전반도체 소자 3B의 상측에는 판상의 동전극(銅電極) 4가, 하측에는 측면의 형상의 T자형인 동전극(이하 T자형 동전극이라 한다) 5가, 각각 비스무스-주석 합금과 같은 저온 납땜에 의해 고정되어 있다. 열전반도체 소자의 하측의 동전극을 T자형으로 형성한 것도 특징의 하나이다. 또한, 동전극 4의 상측과 T자형 동전극 5의 하측에 세라믹 기판을 갖추고 있지 않는 것도 특징이다. 이와 같이 금속전극을 기판에 고정하지 않고, 금속전극을 노출시킨 구조는 스켈턴(skeleton) 구조라고 한다. 본 실시의 형태에서는 상하의 금속전극을 노출시키고 있기 때문에 양측 스켈턴 구조이다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail, referring drawings. 1 (a) is a front view of a thermoelectric device to which the present invention is applied. One of the features of the thermoelectric element 1 is a structure in which the p-type thermoconductor element 3A and the n-type thermoconductor element 3B are fixed to the trimming plate 2. On the upper side of the p-type thermoconductor element 3A and the n-type thermoconductor element 3B, a plate-shaped coin electrode 4 is formed, and on the lower side, a T-shaped coin electrode (hereinafter referred to as a T-shaped coin electrode) 5 is formed. Each is fixed by low temperature soldering such as a bismuth-tin alloy. It is also one of the features to form a T-shaped coin pole on the lower side of the thermoelectric semiconductor element. It is also characterized by not having a ceramic substrate above the coin 4 and below the T-shaped coin 5. As such, the structure in which the metal electrode is exposed without fixing the metal electrode to the substrate is referred to as a skeleton structure. In this embodiment, since the upper and lower metal electrodes are exposed, they have both Skelton structures.
사절판 2는 예를들어 두게가 0.2~0.5mm 정도의 전기절연물판, 예를들어 유리에폭시판(glass epoxy板) 또는 알루마이트 가공을 한 알루미늄판으로 구성되어 있다. p형 및 n형의 열전반도체 소자 3A, 3B는 예를들어 길이가 1.5~2mm 정도로서 단면적이 1.5~2mm2정도의 비스무스·텔루니윰 등의 반도체 단결저으로 구성되어 있다. 그리고 사절판 2의 하측에 길이 0.2~0.3mm 정도가 돌출하도록 끼워넣어 고정시킨다. 이러한 한 장의 사절판에 열전반도체 소자가 매입(埋入) 고정된 구조의 열전소자의 제조방법에 대해서는 일본특허 평7-276751호 (특허공개 평8-228027호)에 상세하게 설명되어 있으므로 여기서는 설명하지 않겠다.The trimming plate 2 is composed of, for example, an electrically insulating plate of about 0.2 to 0.5 mm, for example, a glass epoxy plate or an aluminum plate subjected to anodization. The p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 3A and 3B are each formed of a semiconductor unit bottom such as bismuth-telunique having a length of about 1.5 to 2 mm and a cross section of about 1.5 to 2 mm 2 . And it is fixed to the bottom of the trimming plate 2 so that the length of 0.2 ~ 0.3mm protrudes. Since a method for manufacturing a thermoelectric element having a structure in which a thermoelectric semiconductor element is fixed to a single trimmer is described in detail, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-276751 (Patent Publication Hei 8-228027) will be described herein. I will not.
도 1(b)는 도 (a)의 T자형 동전극 5의 확대정면도, 도 1(c)는 동일한 확대 측면도, 도 1(d)는 확대저면도이다. 도 1에 나타나 있는 7개의 T자형 동전극 5는 전부 똑같은 형상과 크기를 가지고 있으나 양단의 2개는 도 1(c)와 같이 측면이 보이는 방향으로 부착되어 있으며, 기타 5개는 도 1(b)와 같이 정면이 보이는 방향으로 부착되어 있다. 더욱 상세하게는 후에 기술하겠으나, 이러한 T자형 동전극 5는 수중(水中) 등에 배치되므로 니켈이나 주석으로 도금하는 것이 바람직하다.FIG. 1 (b) is an enlarged front view of the T-shaped coin pole 5 of FIG. (A), FIG. 1 (c) is the same enlarged side view, and FIG. 1 (d) is an enlarged bottom view. The seven T-shaped coin poles 5 shown in FIG. 1 all have the same shape and size, but two of the two ends are attached in a side view as shown in FIG. 1 (c), and the other five are shown in FIG. 1 (b). ) Is attached in the direction of the front view. Although described later in more detail, such a T-shaped coin pole 5 is disposed in water or the like, and is preferably plated with nickel or tin.
도 1(e)은 도 1(a)의 열전소자의 동작을 설명하기 위해 ○로 둘러싸인 부분을 확대한 도면이다. 이 도면에 나타나 있는 것과 같이 도 1(a)의 열전소자를 사용할때에는 p형 및 n형 열전반도체 소자 3A, 3B 중 사절판 2의 하측에 위치하는 부분과, T자형 동전극 5는 공기등의 기체나 물과 같은 액체와 직접적으로 접착하여 열이 제거된다. T자형 동전극 5의 상하길이가 길수록 열교환 효율이 높게되나 중량과 비용이 커지므로 본 실시의 형태에서는 5mm 정도로 하였다.FIG. 1E is an enlarged view of a portion enclosed by O in order to explain the operation of the thermoelectric device of FIG. 1A. As shown in this figure, when the thermoelectric element of FIG. 1 (a) is used, the portion of the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 3A and 3B, which is located below the trimming plate 2, and the T-shaped electrode 5 are formed of air or the like. Heat is removed by directly adhering to a liquid such as gas or water. The longer the vertical length of the T-shaped coin pole 5 is, the higher the heat exchange efficiency is, but the weight and cost are increased, so the thickness is about 5 mm in this embodiment.
도 2는 본 발명을 적용한 열전소자의 냉각방식을 나타내는 도이다. 도 2의 (a)는 공기냉각방식이며, (b)는 액체냉각방식(液冷方式)이다. 여기에서, 도 1과 대응하는 부분에는 도 1과 동일한 번호가 붙어있다.2 is a view showing a cooling method of a thermoelectric device to which the present invention is applied. (A) of FIG. 2 is an air cooling system, (b) is a liquid cooling system. Here, parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same numbers as in FIG. 1.
도 2(a)에 나타낸 공기냉각방식은 열전소자의 하측에 공기 냉각재킷(6)을 부착하고 공기 냉각재킷 6의 하측으로부터 팬 7로부터 바람을 보내도록 구성한다.The air cooling system shown in FIG. 2 (a) is configured to attach an air cooling jacket 6 to the lower side of the thermoelectric element and to send wind from the fan 7 from the lower side of the air cooling jacket 6.
공기 냉각재킷 6의 하측에서 팬 7로 송풍하도록 구성한다. 공기 냉각재킷 6의 저면에는 팬 7로부터 보내진 바람을 통과시키는 구멍등(도에는 나타나있지 않음)을 설치하였다. 공기 냉각재킷 6은 알루마이트 가공을 실시한 알루미늄으로 구성한다. 또한 공기 냉각재킷 6의 내부에는 T자형 동전극 5을 아래로부터 받히는 동시에 팬 7로부터 보내지는 바람을 T자형 동전극 5에 공급하기 위한 통풍·지지부재(通風·支持部材) 6C을 설치한다. 이 통풍·지지부재 6C는 플라스틱으로 발 또는 망목상(網目狀)으로 형성한다. 공기 냉각재킷 6의 상부양측에는 바람 출구 6A를 설치한다. 그리고 공기 냉각재킷 6의 상측단을 접착씰(seal) 8에 의해 사절판 2에 접착한다. 이렇게 구성하면 팬 7로부터 보내지는 바람은 공기 냉각 재킷 6의 저면과 통풍·지지부재 6C을 통과하여 T자형 동전극 5에 부딪힌다.It is configured to blow into the fan 7 from the lower side of the air cooling jacket 6. The bottom of the air cooling jacket 6 was provided with a hole lamp (not shown) to allow the wind sent from the fan 7 to pass through. The air cooling jacket 6 is made of aluminum subjected to anodization. In addition, the air cooling jacket 6 is provided with a ventilation / supporting member 6C for receiving a T-shaped coin 5 from below and supplying the wind from the fan 7 to the T-shaped coin 5. This ventilation / support member 6C is made of plastic with feet or mesh. Air outlets 6A are installed on both sides of the air cooling jacket 6. Then, the upper end of the air cooling jacket 6 is bonded to the trimming plate 2 by an adhesive seal 8. In this configuration, the wind sent from the fan 7 passes through the bottom of the air cooling jacket 6 and the ventilation / support member 6C to strike the T-shaped coin pole 5.
그리고 T자형 전극 5의 양측을 지나 공기 냉각배킷 6의 내부를 흘러 바람출구 6A로부터 공기 냉각재킷 6 밖으로 나간다. T자형 동전극 5에 있어서 T자의 폭이 좁은 부분의 양측에 공간이 존재하므로 바람의 흐름이 부드럽게 된다. 도 2(b)에 나타낸 액체 냉각방식에서는 열전자소자의 하측에 액체 냉각재킷 9을 부착한다.Then, it passes through both sides of the T-shaped electrode 5 and flows through the inside of the air cooling jacket 6 to exit the air cooling jacket 6 from the wind outlet 6A. In the T-shaped coin pole 5, the space exists on both sides of the narrow portion of the T-shape so that the wind flows smoothly. In the liquid cooling method shown in Fig. 2B, a liquid cooling jacket 9 is attached to the lower side of the thermoelectronic element.
액체 냉각재킷 9는 알루마이트 가공을 실시한 알루미늄으로 구성한다. 또한, 액체 냉각재킷 9의 하부중앙에는 액체 입구 9A를 설치하고, 상부양측에는 액체 출구 9B를 설치한다. 그리고 액체 냉각재킷 9의 상측의 단을 접착씰 8을 이용하여 사절판 2에 접착한다. 액체 냉각재킷 9의 내측의 저면은 T자형 동전극 5의 하단에 접한다. 이렇게 구성하여 액체 입구 9A로부터 액체 냉각재킷 9의 내부로 물 또는 유기용매, 예를들어 에틸렌글리콜로 구성된 냉각액을 보내면, 보내진 냉각액은 T자형 동전극 5의 양측을 지나 액체 냉각재킷 9의 내부를 흘러 액체 출구 9B로부터 액체 냉각재팃 9 밖으로 나간다. 이때, 냉각액을 하측으로부터 흘려 넣어줌으로써, 옆에서부터 넣어주는 것보다도 양호하게 확산시키는 것이 가능한다.The liquid cooling jacket 9 is made of aluminum subjected to anodization. In addition, a liquid inlet 9A is provided at the lower center of the liquid cooling jacket 9, and a liquid outlet 9B is provided at both upper sides. Then, the upper end of the liquid cooling jacket 9 is bonded to the trimming plate 2 using the adhesive seal 8. The inner bottom of the liquid cooling jacket 9 is in contact with the lower end of the T-shaped coin pole 5. In this configuration, when a coolant consisting of water or an organic solvent such as ethylene glycol is sent from the liquid inlet 9A to the interior of the liquid cooling jacket 9, the sent cooling liquid flows through both sides of the T-shaped coin pole 5 and flows inside the liquid cooling jacket 9 Exit liquid coolant 9 from liquid outlet 9B. At this time, the coolant is poured from the lower side, whereby the coolant can be diffused better than from the side.
또한 T자형 동전극 5에서의 T자의 폭이 좁은 부분의 양측에 공간이 존재함으로써 냉각액의 흐름이 부드럽게 된다. 도 2(b)에서는 T자형 동전극 5에서 T자의 폭의 좁은 부분의 형상을 직방체로 했으나 직방체의 각을 둥글게 한다든지 직방체 대신 원주를 하면 냉각액의 흐름이 더욱 부드럽게 된다. 도 2(a)에서도 같은 경우이다. 또한 방열측의 전극의 형상은 열전반도체 소자와의 접속단의 면적이 타단의 면적보다도 넓으면 T자형 이외의 형태라도 좋고, 예를들면자형 (자의 종선(縱線) 부분이 열전반도체 소자에 고정된다)이나 L 자형 등으로 해도 좋다.In addition, since the space exists on both sides of the narrow portion of the T in the T-shaped coin pole 5, the flow of the cooling liquid is smooth. In FIG. 2 (b), the T-shaped coin 5 has a rectangular shape of a narrow portion of the T-shape. However, when the angle of the rectangular parallelepiped is rounded or circumferential instead of the rectangular parallelepiped, the flow of the coolant becomes smoother. The same is true in FIG. The shape of the electrode on the heat dissipation side may be a form other than a T-shape as long as the area of the connection end with the thermoelectric element is larger than the area of the other end. Shape ( The vertical line portion of the ruler may be fixed to the thermoelectric semiconductor element), an L shape, or the like.
그리고, 흡열측의 전극의 형상도 냉각부하에 적합하도록 구성하면 좋다.The shape of the electrode on the heat absorbing side may also be configured to be suitable for the cooling load.
도 2(a) 및 (b)에 있어서, 냉각부하는 동전극 4에 직접적으로 접촉하므로 열전도율이 높고, 또한 전기절연성을 갖는 재료, 예를들면 알루마이트 가공을 한 알루미늄으로 구성한다. 또한 냉각부하의 주위에 수지제(樹脂製)의 방습테두리를 배치하고 접착씰로 고정한다.2 (a) and 2 (b), the cooling load is made of a material having high thermal conductivity and electrically insulating property, for example, aluminum which has been subjected to anodization because the cooling load is in direct contact with the coin electrode 4. Further, a resin moisture barrier is placed around the cooling load and fixed with an adhesive seal.
도 3은 본 실시의 형태에 있어서 열전소자의 온도상태를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing a temperature state of the thermoelectric element in the present embodiment.
도 3에 있어서 모듈 ΔT는 냉각측의 하부의 온도(P2)와 T자형 동전극 5의 온도(P5)와의 차(ΔT1')이다. 그리고, 시스템 ΔT는 냉각측의 상부의 온도(P3)와 방열측의 주위온도(P6)와의 차(ΔT2')이다. 여기서 냉각측은 도 2의 냉각부하에 상당한다. 또한 주위온도는 도 2(a)에서는 공기 냉각재킷 6 내의 공기의 온도에 상당하며 도 2(b)에서는 액체 냉각재킷 9 내의 액체의 온도에 상당한다.In FIG. 3, module (DELTA) T is the difference (DELTA) T1 'between the temperature P2 of the lower side of a cooling side, and the temperature P5 of T-shaped coin electrode 5. As shown in FIG. The system ΔT is the difference ΔT 2 ′ between the upper temperature P 3 on the cooling side and the ambient temperature P 6 on the heat dissipation side. Here, the cooling side corresponds to the cooling load of FIG. In addition, the ambient temperature corresponds to the temperature of the air in the air cooling jacket 6 in Fig. 2 (a) and the temperature of the liquid in the liquid cooling jacket 9 in Fig. 2 (b).
이와 같이, 본 실시의 형태의 냉각측에는 열전도율이 작은 세라믹 기판이 존재하지 않고 냉각부하가 동전극 4와 직접적으로 접촉한다. 또한 방열측에는 열전도율이 작은 세라믹 기판이 존재하지 않고 T자형 동전극 5가 냉각용 공기나 액체와 직접적으로 접촉한다. 따라서 도 9와 비교하면 ΔT1'ΔT1이며, 또한 ΔT2'ΔT2가 된다. 즉 종래의 열전소자에 대해 모듈로 하거나, 냉각장치로 하여도 냉각효율이 높아진다.As described above, the ceramic substrate having a low thermal conductivity does not exist on the cooling side of the present embodiment, and the cooling load is in direct contact with the coin electrode 4. In addition, there is no ceramic substrate having a low thermal conductivity on the heat dissipation side, and the T-shaped coin pole 5 is in direct contact with the cooling air or liquid. Therefore, when compared with FIG. 9, it is (DELTA) T1 '(DELTA) T1 and (DELTA) T2' (DELTA) T2. In other words, even if a module or a cooling device of a conventional thermoelectric element is used, the cooling efficiency is increased.
도 4는 본 발명을 적용한 열전소자의 구체적인 예이다. 도 4에 있어서 (a)는 평면도, (b)는 우측면도, (c)는 정면도, (d)는 저면도이다. 또한 도 4에서 도 1과 대응하는 부분에는 도 1과 동일한 번호를 붙였다.4 is a specific example of a thermoelectric device to which the present invention is applied. In FIG. 4, (a) is a top view, (b) is a right side view, (c) is a front view, (d) is a bottom view. In Fig. 4, parts corresponding to those in Fig. 1 are labeled with the same numbers as in Fig. 1.
이 열전소자는 48mm×48mm의 크기의 사절판 2의 상측에 128(=16×8)매(枚)의 동전극 4를 부착하고, 하측에 127매의 T자형 동전극 5를 설치하였다.In this thermoelectric element, 128 (= 16x8) sheets of coins 4 were attached on the upper side of the trimming plate 2 having a size of 48mm x 48mm, and 127 T-shaped coins 5 were provided on the bottom.
그리고 상측의 동전극 4중 정면측의 양단의 일대(一對)를 L자형으로 형성하고 거기에 직류전원을 인가(印加)하기 위한 단자를 부착하였다.Then, a pair of both ends of the front side of the upper four poles was formed in an L shape, and a terminal for applying a direct current power supply was attached thereto.
도 5는 도 4에 나타낸 열전소자를 사용한 액체냉각식 열전냉각 유니트의 구체적인 예이다. 도 5에서 (a).는 평면도, (b)는 (a)에 있어서 A-A'단면도, (c)는 (a)에 있어서 B-B'단면도, (d)는 저면도이다. 여기에서 열전소자에 대하여는 도 1과 동일한 번호를 붙였다.FIG. 5 is a specific example of the liquid-cooled thermoelectric cooling unit using the thermoelectric element shown in FIG. 4. In FIG. 5, (a). Is a plan view, (b) is A-A 'cross section figure in (a), (c) is B-B' cross section figure in (a), and (d) is bottom view. In this case, the same reference numerals are given to the thermoelectric elements.
이 액체냉각식 열전냉각 유니트는 구형(矩形)베이스판 10을 하측에 배치하고, 구형의 알루미늄 흡열블록 11을 상측에 배치하며 열전소자를 이들 사이의 중앙부에 배치하고 베이스판 10과 알루미늄 흡열블록 11과의 사이는 주변 8개소에서 단열성이 있는 수지제의 볼트 12로 조여서 고정한 것이다. 그리고, 도 5에서는 수지볼트 12와 같이 스프링 와셔를 병용하고 있으나 이것은 없어도 좋다. 또한 동전극 4와 알루미늄 흡열블록 11과의 접촉면 및 T자형 동전극 5와 베이스판 10과의 사이는 실리콘 그리이스(silicon grease) 또는 겔상의 절연물로 접착하고 있다.The liquid-cooled thermoelectric cooling unit has a spherical base plate 10 on the lower side, a spherical aluminum endothermic block 11 on the upper side, a thermoelectric element in the center between them, the base plate 10 and the aluminum endothermic block 11. It is fixed by tightening with bolt 12 made of resin with heat insulation in eight places around. In addition, although the spring washer is used together like FIG. 5 in resin bolt 12, this may be omitted. In addition, the contact surface between the coin electrode 4 and the aluminum endothermic block 11 and the T-shaped coin electrode 5 and the base plate 10 are bonded with a silicon grease or a gel-like insulator.
베이스판 10, 알루미늄 흡열블록 11은 각각 T자형 동전극 5, 동전극 4와 접촉하기 위해 알루마이트 가공한 알루미늄에 의해 형성하였다. 베이스판 10의 하측의 중앙에는 액체액구 10A을 설치하고, 베이스판 10의 하측에 열전소자의 단과 대향(對向)하는 2개소에는 액체출구 10B를 설치하였다.The base plate 10 and the aluminum heat absorbing block 11 were formed of aluminum anodized to contact with the T-shaped coin electrode 5 and the coin electrode 4, respectively. The liquid liquid port 10A was provided in the center of the lower side of the base plate 10, and the liquid outlet 10B was provided in the two places which oppose the stage of a thermoelectric element below the base plate 10. As shown in FIG.
베이스판 10의 상측의 중앙부에는 열전소자의 사절판 2로부터 아래부분을 넣기위한 바닥이 평평한 홈부를 형성하였다. T자형 동전극 5의 하단은 이 홈부의 바닥에 의해 지지된다. 단, 액체입구 10A와 대향하는 부분에는 T자형 동전극 5의 폭(정면에서 본 횡(橫)방향의 길이) 보다도 폭이 좁은 홈부 10D를 형성하고 T자형 동전극 5을 지지함과 동시에 냉각액이 도 5(d)의 횡방향으로 흐르도록 하였다.In the center part of the upper side of the base plate 10, the groove part with a flat bottom for inserting the lower part from the trimming plate 2 of a thermoelectric element was formed. The lower end of the T-shaped coin pole 5 is supported by the bottom of this groove portion. However, in the portion facing the liquid inlet 10A, a groove portion 10D narrower than the width of the T-shaped coin pole 5 (the length in the lateral direction seen from the front) is formed, supporting the T-shaped coin pole 5, and the cooling liquid It was made to flow in the transverse direction of FIG.
같은 모양으로 2개소의 액체 출구 10B와 대향하는 부분에도 홈부 10E을 형성하였다.In the same way, the groove portion 10E was also formed in the portion facing the two liquid outlets 10B.
베이스판 10에 있어서 홈부의 외측에는 접착제 15을 흘려넣기 위한 홈부를 형성하였다. 이 혼부에 접착제 15을 흘려넣고 열전소자의 사절판 2를 그 위에 얹고 접착한다.In the base plate 10, the groove part for flowing the adhesive agent 15 was formed in the outer side of the groove part. The adhesive 15 is flowed into this mixing part, and the trimming plate 2 of a thermoelectric element is put on it, and it adheres.
접착제을 흘려넣은 홈부의 외측에는 고무링 13과 단열재 14를 끼워넣기 위한 홈부를 형성하였다. 또한 알루미늄 흡열블록 11에서 이 홈부와 대향하는 부분에도 고무링 13과 단열재 14를 끼워넣기 위한 홈부를 형성하였다. 그래서 상하 대향하는 홈부의 각각에 고무링을 끼워넣고 그 사이에 단열재 14를 끼워 넣는다.The groove part for fitting the rubber ring 13 and the heat insulating material 14 was formed in the outer side of the groove part which flowed in the adhesive agent. In the aluminum heat absorbing block 11, grooves for inserting the rubber ring 13 and the heat insulating material 14 were also formed in the portion facing the grooves. Thus, a rubber ring is inserted into each of the groove portions facing up and down, and a heat insulating material 14 is inserted therebetween.
그리고 단열재 14는 세라믹이나 플라스틱을 미리 홈부 크기에 적합하도록 형성한 것을 사용한다.And the heat insulating material 14 uses what ceramic or plastic was formed previously suitable for the groove part size.
그리고, 실제 시스템에서는 이 액체냉각식 열전냉각 유니트에 펌프와 라지에타와 팬을 접속하여 사용한다.In a real system, a pump, a radiator and a fan are connected to this liquid-cooled thermoelectric cooling unit.
이상과 같이 구성한 액체냉각식 열전냉각 유니트에 있어서 액체입구 10A로부터 베이스판 10의 홈부내에 공급된 냉각액은 홈부 10D를 따라 도 5(d)의 횡방향으로 흐름과 동시에 T자형 동전극 5의 사이를 지나 도 5(d)의 종방향으로 흐른다.In the liquid-cooled thermoelectric cooling unit configured as described above, the coolant supplied from the liquid inlet 10A into the groove of the base plate 10 flows along the groove 10D in the transverse direction of FIG. 5 (d) and at the same time between the T-shaped coin 5. It passes in the longitudinal direction of Fig. 5 (d).
그리고 홈부 10E를 지나 2개소의 액체출구 10B로부터 외부로 나온다.Then, it passes through the groove portion 10E and comes out from two liquid outlets 10B.
또한, 이 액체냉각식 열전냉각 유니트는 열전소자의 외측을 단열재 14로 둘러싸고 또한 베이스판 10과 알루미늄 흡열블록 11과의 사이를 단열성이 높은 수지볼트 12로 고정하므로써 베이스판 10로부터 알루미늄 흡열블록 11로의 열의 역류방지와 열전소자의 방습이 실현된다.In addition, the liquid-cooled thermoelectric cooling unit surrounds the outer side of the thermoelectric element with a heat insulating material 14 and fixes the base plate 10 to the aluminum heat absorbing block 11 by fixing the resin bolt 12 having high thermal insulation between the base plate 10 and the aluminum heat absorbing block 11. Prevention of heat backflow and moistureproofing of thermoelectric elements are realized.
그리고, 이 액체냉각식 열전냉각 유니트에서는 액체출구 10B의 개수는 2개였으나 이것을 4개 또는 6개로 해도 좋다.In this liquid-cooled thermoelectric cooling unit, the number of the liquid outlets 10B is two but may be four or six.
도 6은 액체냉각식 열전냉각 유니트의 다른예이다. 여기에서, 도 5와 대응하는 부분에는 도 5와 동일한 번호를 붙였다. 그리고 도 6의 실시예는 ○로 둘러싸인 부분만이 도 5의 실시예와 다르기 때문에 도 5의 B-B' 단면도에 상당하는 도면을 나타냈다.6 is another example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit. Here, parts corresponding to those in FIG. 5 are assigned the same numbers as in FIG. 5. In the embodiment of FIG. 6, only the portion enclosed by ○ is different from the embodiment of FIG. 5, and thus, a view corresponding to the cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 5 is shown.
도 6(a)는 금속볼트 16에 의해 베이스판 10의 측과 알루미늄 흡열불록 11측의 양측으로부터 고정한 것이다. 그리고 금속볼트 16는 단열성이 낮으므로 도 5 보다도 큰 단열재 14를 사용하고 이 단열재 14와 베이스판 10 및 알루미늄 흡열블록 11을 금속볼트 16으로 고정하였다.Fig. 6A is fixed from both sides of the base plate 10 side and the aluminum endotherm 11 side by the metal bolt 16. Figs. And since the metal bolt 16 is low insulator, the heat insulating material 14 larger than FIG. 5 was used, and the heat insulating material 14, the base board 10, and the aluminum heat absorption block 11 were fixed with the metal bolt 16. FIG.
도 6(b)는 도 6(a)에 있어서 알루미늄 흡열블록 11의 측으로부터 고정되어 있는 금속볼트 16 대신에 접착제 17로 고정시킨 것이다.6 (b) is fixed with an adhesive 17 instead of the metal bolt 16 fixed from the side of the aluminum heat absorbing block 11 in FIG. 6 (a).
상기 설명에서는 한장의 사절판에 열전반도체 소자가 매입되어 고정된 구조의 열전소자는 일본특허 공개 평 8-2228027호에 기재된 방법으로 제조한 것이다라고 하였지만 유리에폭시판 또는 알루마이트 가공한 알루미늄판에 구형의 구멍을 뚫어놓고, 그 구멍에 입방체상의 보통 열전반도체 소자를 끼워넣고, 폴리이미르수지 등의 가열경화형 수지로 고정하는 것으로 한장의 사절판에 열전반도체 소자가 매입되어 고정된 구조의 열전소자를 제조하여도 좋다.In the above description, a thermoelectric device having a structure in which a thermoelectric semiconductor element is embedded in a single trimmer plate and fixed is manufactured by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-2228027, but the glass epoxy or anodized aluminum plate is spherical. Punch a hole, insert a regular thermoelectric element in a cube into the hole, and fix it with a heat-curable resin such as polyimide resin. A thermoelectric element is embedded in a single trimmer to manufacture a thermoelectric element having a fixed structure. Also good.
이상 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열전반도체 소자의 상하의 금속전극의 쌍방이 단단한 기판에 고정되어 있지 않으므로 열전반도체 소자에 가해지는 열응력이 완화된다. 그 결과 열전반도체 소자의 수명을 길게 하는 것이 실현가능하다.As described in detail above, according to the present invention, since both the upper and lower metal electrodes of the thermoelectric semiconductor element are not fixed to the rigid substrate, the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element is alleviated. As a result, it is possible to extend the life of the thermoelectric semiconductor element.
또한, 열전반도체 소자를 직접적으로 냉각하므로써 냉각효율의 저하를 최소한으로 억제하고, 열전반도체 소자가 갖는 성능을 유효하게 끌어내는 것이 가능하다.In addition, by directly cooling the thermoelectric semiconductor elements, it is possible to minimize the decrease in the cooling efficiency and effectively bring out the performance of the thermoelectric semiconductor elements.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1019970069400A KR19980064197A (en) | 1997-12-16 | 1997-12-16 | Thermoelectric element and thermoelectric cooling device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100642418B1 (en) * | 1999-11-26 | 2006-11-03 | 혼다 기켄 코교 가부시키 가이샤 | Thermoelectric module |
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1997
- 1997-12-16 KR KR1019970069400A patent/KR19980064197A/en not_active Application Discontinuation
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