KR20000069515A - 열전 모듈 유니트 - Google Patents

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KR20000069515A
KR20000069515A KR1019997005406A KR19997005406A KR20000069515A KR 20000069515 A KR20000069515 A KR 20000069515A KR 1019997005406 A KR1019997005406 A KR 1019997005406A KR 19997005406 A KR19997005406 A KR 19997005406A KR 20000069515 A KR20000069515 A KR 20000069515A
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thermoelectric
thermoelectric semiconductor
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semiconductor elements
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야마다카주키요
이토쇼헤이
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세이코 세이키 가부시끼가이샤
이사오 모리노
모릭스 가부시끼가이샤
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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Abstract

냉각 로드(CL)는 이중 측벽 스켈리튼 구조를 갖는 열전 모듈의 구리 전극(4)에 고정되어 있다. 박스형 케이스(8)는 열전 모듈의 구획 플레이트(2) 상부 표면에 고정된다. p형 열전 반도체 요소(3A)와 n형 열전 반도체 요소(3B) 사이에 돌출된 구획 플레이트(2)의 상부는 T형 구리 전극(5)와 함께 케이스(8) 내에 배치된다. 열 파이프들(9)의 선단들은 케이스(8)의 상부 표면에 제공된 관통 홀들(8A)에 고정된다. 각 열 파이프(9)의 내부는 모세관 구조를 가지며, 작동 유체는 그 내부 및 케이스(8)의 내부에서 진공밀봉(vacuum-sealed)된다.

Description

열전 모듈 유니트{Thermoelectric module unit}
비스무스/텔루리움 조성물, 철/실리콘 조성물, 또는 코발트/안티모니 조성물등과 같은 조성물들로 이루어진 열전 반도체 요소들을 이용한 열전 요소들은 냉각/가열 장치 등과 같은 분야에 사용된다. 이러한 열전 요소는 액체 또는 가스를 사용하지 않고 공간을 거의 점유하지 않을 뿐만 아니라 회전마찰력에 영향을 받지 않으며 유지보수가 필요치 않는 냉각/가열원(cooling/heating source)으로서 편리하다.
선행기술로 알려진 열전 모듈의 구조가 도 11A 및 도 11B에 도시되어 있다. 이 도면에서, 도 11A는 정면도를, 도 11B는 사시도를 나타낸다. 본 도면들에서 도시된 바와 같이, n형 열전 반도체 요소들과 p형 반도체 요소들로 이루어진 열전 반도체 요소들(33; thermoelectric semiconductor element)은 교대로 배열되어 있으며, 열전 반도체 요소들(33)의 상부 및 하부 표면들은 금속 전극(32)과 금속 전극 (34)에 각각 접속되어 있다. 열전 반도체 요소들(33)은 그 상부 및 하부 표면들을 통하여 금속 전극(32) 및 금속 전극(34)에 교대로 접속되며, 따라서 결국 모든 열전 반도체 요소들(33)은 전기적으로 직렬 접속된다. 상부 및 하부 전극들(32 및 34)과 열전 반도체 요소들(33)간의 접속은 납땜(soldering)에 의하여 이루어진다. 이들 상부 및 하부 표면들에서의 금속 전극들(32 및 34)은 금속화된 세라믹 기판들(31 및 33) 상에 각각 접속되어 전체 조립체가 함께 고정된다.
DC 전원(DC power source)은 이 열전 모듈의 전극들에 연결된다. 전류가 각 n형 열전 반도체 요소들로 부터 p형 열전 반도체 요소들로 흐를 때, 펠티어 효과는 열이 π형의 상부에 의하여 흡수되고 그 하부를 통하여 방사되는 것을 보장한다. 다시 말해, 도 11A에 도시된 바와 같이, 각 π형 상부는 흡수부 냉각 접합부(CJ)로서 작용하며, 각 하부는 방사부 가열 접합부(HJ)로서 작용한다. 전원의 연결방향의 반전은 열이 흡수되고 방출되는 방향을 변화시킨다. 이 현상을 이용함으로서 열전 요소를 냉각/가열장치에 이용할 수 있다. 이러한 열전 모듈은 고집적 회로(large-scale integrated circuit; LSIs), 컴퓨터 중앙처리 유니트(CPUs) 및 레이져 등과 같은 장치의 냉각에서 부터 절연된 냉각기에서의 사용까지 광범위한 분야에 유용하다.
만일, 이러한 열전 모듈이 냉각장치로서 이용된다면, 방사부로 부터 열을 효과적으로 분산시키는 것이 필요하다. 열전 모듈의 열 방사부로 부터 열을 분산시키기 위한 기술에서 사용되는 방법들은 공냉법과 수냉법을 포함하며, 공냉법에서는 도 12A에 도시된 바와 같이, 라디에이터 핀들(41; radiator fins)이 열전 모듈의 열 방사부에 부착되어 있으며, 팬(42)으로 부터의 바람은 이들 라디에이터 핀들 (41)을 향한다. 수냉법에서는 도 12B에 도시된 바와 같이, 수냉 자켓(51; liquid cooling jacket)이 열전 모듈의 열 방사부에 부착되며, 냉매는 이 수냉 자켓(51)의 액체 유입단(52)로 부터 액체 배출단(53)으로 유동한다. 도 12A에서의 빈 화살표는 공기의 흐름을, 도 12B에서의 검은 화살표는 냉매의 흐름을 각각 나타낸다. 도 12A 및 도 12B에서, CL은 냉각 로드(cooling load)를 나타낸다.
그러나, 이들 냉각 장치들 각각에서의 열전 반도체 요소들은 그 하부상의 세라믹 기판을 통하여 간접적으로 냉각되기 때문에 열은 열전 모듈의 열 방사부로 부터 효과적으로 분산될 수 없다. 더우기, 도 11의 열전 모듈 상부 및 하부에 고정된 세라믹 기판들은 강성구조(rigid structure)를 형성함으로서 작동 과정에서 큰 열 응력이 필연적으로 열전 반도체 요소들에 작용하게 되며, 따라서 이들 열전 반도체 요소들의 수명이 단축된다.
본 발명의 발명자들은 이미 이러한 열전 모듈을 이용한 열전 냉각 유니트와 함께 열전 모듈을 제안해 왔으며, 여기서, 열전 반도체 요소에 작용하는 열 응력은 열전 반도체 요소들의 열 방사부와 여기에 접속된 금속 전극들을 직접 냉각시킴으로서 경감되어 열 방사부로 부터 열이 효율적으로 분산되며, 또한 이중측벽 스켈리튼 구조(double-sided skeleton structure; 일본특허출원 평 8-354136 호)를 형성함으로서 열 응력은 경감된다.
이전에 제안된 열전 냉각 유니트에서, 열전 반도체 요소들의 열 방사부와 여기에 접속된 금속 전극들은 직접 냉각됨으로서 열은 열 방사부로 부터 효과적으로 분산되어 열전 반도체 요소의 용량을 충분히 이용할 수 있다. 열전 반도체 요소들에 작용하는 열 응력이 감소되기 때문에 열전 반도체 요소들에 있어서 보다 긴 수명이 이루어진다.
본 발명은 펠티어 소자(peltier element) 등과 같은 열전 반도체 요소 및 열 파이프를 구비한 열전 모듈 유니트에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 도시한 도면으로서, 그 작동을 나타내는 도면을 함께 도시함.
도 2는 도 1의 열전 모듈을 이용한 열전 모듈 유니트를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 본 실시예의 열전 모듈의 열 방사부 상에서의 전극 구조의 다른 예를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 열전 모듈을 이용한 열전 모듈 유니트의 다른 구조 예를 나타낸 도면.
도 5는 도 1의 열전 모듈을 이용한 열전 모듈 유니트의 다른 구조 예를 나타낸 도면.
도 6은 보강된 구획 플레이트들의 구조들의 예들을 나타낸 도면.
도 7은 열전 모듈의 또다른 구조 예를 나타낸 도면.
도 8은 도 7의 열전 모듈들을 이용한 열전 모듈 유니트 구조의 예를 나타낸 도면.
도 9는 도 7의 열전 모듈들을 이용한 열전 모듈 유니트 구조의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 단지 전극들의 형태만 다르게 도시된 도면.
도 10은 도 9의 다양한 구리 전극들의 사시도.
도 11은 공지의 열전 모듈의 구조를 나타낸 도면; 및
도 12는 공지의 열전 모듈에 적용된 냉각 방법을 나타낸 도면.
본 발명의 목적은 열 분산 효율을 향상시킬 수 있는 이중측벽 스켈리튼 구조의 열전 모듈을 이용한 열전 모듈 유니트를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈 유니트는 열전 모듈을 구비하며, 열전 모듈은 구획 플레이트, 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 구획 플레이트에 고정된 열전 반도체 요소, 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 1 금속 전극 및 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 2 금속 전극, 구획 플레이트로부터 제 1 표면을 향하는 영역을 둘러싸며 제 1 열 파이프와 접속되는 제 1 한정부를 포함하며, 작동 유체는 제 1 한정부와 제 1 열 파이프 내에서 진공 밀봉(vacuum-sealed)된다.
본 열전 모듈 유니트에서, 구획 플레이트, 제 1 열 파이프 및 제 1 한정부에 의하여 밀봉된 형상의 공간이 형성되며, 작동 유체는 그 내부에서 진공 밀봉된다. 이 작동 유체는 가열될 때 증기로 변환되며 따라서 그 증기의 잠열에 의하여 열을 흡수한다. 이 증기는 온도가 낮은 부분을 향하여 고속으로 유동한다. 증기는 이 온도가 낮은 부분에 의하여 응축되어 액화된다. 이러한 과정동안, 열은 그 응축물의 잠열(latent heat)에 발산된다. 작동 유체는 모세관 작용에 의하여 가열된 부분으로 복귀하며, 증기 발생/유동/응축의 주기는 열을 연속적으로 전달하기 위하여 반복된다.
이 구조는 구획 플레이트로부터 제 2 표면을 향하는 영역을 둘러싸며 제 2 열 파이프와 접속되는 제 2 한정부를 더 구비할 수 있으며, 작동 유체는 제 2 열 파이프 내에서 진공 밀봉(vacuum-sealed)된다. 이 경우에서, 만일 제 1 열 파이프가 열 방사부상에 있다면, 제 2 열 파이프는 열 흡수부 상에 위치한다.
동일한 수의 p형 열전 반도체 요소와 n형 열전 반도체 요소들이 구획 플레이트에 고정되는 상태로 열전 모듈을 구성할 수 있으며, 또한 모든 열전 반도체 요소들이 제 1 및 제 2 금속 전극에 의하여 전기적으로 직렬 연결된다. 이 형상은 단지 한 그룹의 p형 열전 반도체 요소들 또는 한 그룹의 n형 열전 반도체 요소들이 구획 플레이트에 고정되고, 또한 모든 p형 열전 반도체 요소들 또는 n형 열전 반도체 요소들의 제 1 표면들이 제 1 금속 전극들에 의하여 공통으로 연결되며, 모든 p형 열전 반도체 요소들 또는 n형 열전 반도체 요소들의 제 2 표면들이 제 2 금속 전극들에 의하여 공통으로 연결되는 상태일 수도 있다. 후자의 열전 모듈에서, p형 열전 반도체 요소들 만이 구획 플레이트에 고정되어 있는 열전 모듈들 및 n형 열전 반도체 요소들 만이 구획 플레이트에 고정되어 있는 열전 모듈들을 교대로 적층함으로서 블록이 형성될 수 있으며, 여기서 인접한 부분들의 금속 전극들은 공통으로 사용된다. 나아가, 교대로 적층된 열전 모듈의 블록들은 다수의 그룹들 내에서 수평방향으로 배치될 수 있다. 이 경우에서, 동일한 높이에서 구획 플레이트들을 수평방향으로 일체화하여 형성하는 것이 바람직하다.
각 구획 플레이트와 대응하는 열전 반도체 요소들간의 전기적인 절연 상태를 보장하기 위하여 전기적 절연 재료로 구획 플레이트를 형성할 뿐만 아니라 열전 반도체 요소들의 외주면을 전기적 절연 물질로 도포한다.
구획 플레이트들의 강도를 향상시키기 위하여, 각 구획 플레이트를 금속으로 형성하거나, 각 구획 플레이트의 두께를 증가시키거나, 또는 2개의 플레이트를 제공하고 이들을 서로 고정시키기 위하여 그 사이의 공간에 수지를 충진시키는 구조를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 따른 열전 모듈 유니트는 제 2 열전 모듈과 교대로 적층된 제 1 열전 모듈을 구비하며,제 1 열전 모듈은 제 1 구획 플레이트, 제 1 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 제 1 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 제 1 구획 플레이트에 고정된 p형 열전 반도체 요소, p형 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 1 금속 전극 및 p형 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 2 금속 전극을 포함하며, 제 2 열전 모듈은 제 2 구획 플레이트, 제 2 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 제 2 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 제 2 구획 플레이트에 고정된 n형 열전 반도체 요소, n형 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 3 금속 전극 및 n형 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 4 금속 전극을 포함한다; 열 파이프는 인접한 열전 모듈들 사이에 위치한다. 이외에, 열 파이프는 최상단 열전 모듈의 상단 및 최하단 열전 모듈의 하단에 부착되어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 구조가 도 1A에 도시되어 있다. 이 열전 모듈은 위에서 언급한 일본특허출원 제 8-354136 호(일본특허공개 제 10-178216 호)에 제안된 열전 모듈과 기본적으로 동일하다.
이 열전 모듈(1)은 글래스 에폭시(glass epoxy)와 같은 전기적 절연체인 수지로 이루어진 구획 플레이트(2; partitioning plate)에 고정된 p형 열전 반도체 요소들(3A)과 n형 열전 반도체 요소들(3B)이 구획 플레이트를 관통하여 통과하는 상태로 구성된다. 이 열전 반도체 요소들이 구획 플레이트를 관통하여 통과하는 상태로 단일 구획 플레이트에 고정되는 구성의 실현수단은 일본특허출원 제 7-276751 호(일본특허공개 제 8-228027 호) 내에 상세하게 설명되어 있으며, 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
평면 구리 전극들(4)은 납땜에 의하여 p형 열전 반도체 요소들(3A)과 n형 열전 반도체 요소들(3B)의 상부 표면들에 접속되며, 영문 대문자 T 형의 측표면들을 갖는 구리 전극들(5; 이하 "T형 구리 전극"이라 칭함)은 납땜에 의하여 하부 표면들에 접속된다. 구리 전극들(4)의 상부 표면들 및 T형 구리 전극들(5)의 하부 표면상에는 세라믹 기판이 제공되지 않는다. 기판들이 금속 전극들에 고정되지 않는 최종 구조, 즉 전극들이 노출된 상태의 구조는 스켈리튼 구조라 불리운다. 본 도면에 도시된 열전 모듈의 상부 및 하부 금속 전극들 모두 노출된 상태이기 때문에 이는 이중 측부 스켈리튼 구조(double-sided skeleton structure)이다.
도 1A의 T형 구리 전극의 확대 정면도가 도 1B에, 확대 측면도가 도 1C에, 그리고 확대 배면도가 도 1D에 도시되어 있다. 도 1A에 도시된 7개의 T형 구리 전극들(5)은 모두 동일한 형태 및 규격이나, 2개의 최외곽 전극들은 도 1C에 도시된 바와 같이 그 측표면들이 시각적으로 관찰될 수 있는 상태로 부착되어 있으며, 나머지 5개의 전극들은 도 1B에 도시된 바와 같이 그 앞 표면이 시각적을 관찰될 수 있는 상태로 부착된다.
도 1A의 열전 모듈의 작동이 도 1A 내의 원형으로 도시된 한쌍의 열전 반도체 요소들의 확대도인 도 1E에 설명되어 있다. 도 1A의 열전 모듈의 사용시, 구획 플레이트(2) 하부에 위치하는 T형 구리 전극들(5) 및 각 p형 열전 반도체 요소들 (3A)과 n형 열전 반도체 요소들(3B)의 일부는 공기 또는 냉매와 같은 가스에 직접 접촉되며, 따라서 열은 제거된다(도 1E에서, 구획 플레이트(2) 하부에 해칭된 부분은 공기 또는 냉매와 같은 가스에 직접 접촉된다). T형 구리 전극들(5)이 냉매류 내에 위치하기 때문에 니켈 또는 주석으로 도금하는 것이 바람직하다. 나아가, T형 구리 전극들(5)이 냉매에 의하여 산화 또는 부식되는 것을 방지하기 위하여 실리콘 수지류의 코팅막(6)을 열전 반도체 요소들과 접촉상태에 있는 표면을 포함한 전극들 위에 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 열전 모듈이 이중 측부 스켈리튼 구조를 갖기 때문에 열전 반도체 요소들에 가해지는 열 응력이 감소되며, 그 결과, 열전 반도체 요소들의 수명은 연장된다. 열 방사부가 직접적으로 냉각되기 때문에 열 방사부로 부터 열은 효과적으로 추출되며, 따라서 열전 반도체 요소들의 냉각 능력은 최대 한계까지 나타난다.
도 1의 열전 모듈을 사용하는 열전 모듈 유니트가 도 2에 도시된다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 냉각 로드(cooling load; CL)는 열전 모듈의 하부상의 구리 전극들(4)의 하부 표면(도 1A의 상부와 대응)에 고정된다. 이외에, 박스형 케이스 (8)는 열전 모듈의 구획 플레이트의 상부 표면(도 1A의 하부 표면과 대응)에 고정된다. 구획 플레이트(2)로 부터 돌출된 p형 열전 반도체 요소들(3A)과 n형 열전 반도체 요소들(3B)의 상부는 T형 구리 전극들(5)과 함께 케이스(8) 내에 배치된다. 전기적 절연층(10)은 T형 구리 전극들(5)과 마주보는 케이스(8)의 내부벽의 측부상에 제공된다. U형 단면의 열 파이프들(9)의 단부들(tips)은 케이스(8)의 상부 표면을 개방하는 관통 홀들(8A)을 통하여 고정된다. 지면(plane of the paper)에 수직방향으로의 열 파이프들(9)의 횡단면은 원형 또든 납작한 형태임을 주목하자. 스미모토 라이트 메날 인더스트리스사(社)에서 제조된 히펠(heapel; 제품 명칭)과 같은 금속이 이들 열 파이프(9)를 위하여 사용될 수 있다.
케이스(8)와 열 파이프들(9)은 구리 또는 알루미늄 등과 같은 금속으로 제조된다. 열 파이프들(9)의 내부는 모세관(capillary)구조를 갖는다. 박스형 케이스 (8)를 구획 플레이트(2)의 상부 표면에 고정한 후 열 파이프들(9)을 케이스(8)의 상부 표면에 부착함으로서 밀봉된 구조가 형성되며, 이후 설정된 양의 작동 유체(예를 들어, 물 또는 프레온)가 그 내부에서 진공 밀봉(vacuum-sealed)된다. 도 2에서, 작동 유체로 충만된 부분은 해칭된 부분(이 부분은 후술할 도 4, 도 5 및 도 9에도 역시 적용됨)으로 도시된다. 다수의 핀들(fins; F1)이 열 파이프들(9)에 부착된다. 본 도면에는 도시되지 않았지만, 클로로프린, 에틸렌 프로필렌 또는 염소화된 폴리에틸렌 등과 같은 점착성 또는 고무물질로 이루어진 밀봉구조가 구획 플레이트(2)와 케이스(8) 사이에 제공된다.
이러한 구조의 열전 모듈 유니트 내에서 작동 유체가 T형 구리 전극들(5)에 의하여 가열될 때, 작동 유체는 증발하여 증기로 변화된다. 이러한 과정동안, 열은 작동 유체의 증기의 잠열(latent heat)에 의하여 흡수된다. 이 증기는 온도가 낮은 부분으로 고속으로 유동(도 2에 도시된 열 파이프들(9) 내에서 상향)된다. 증기는 온도가 낮은 부분에 의하여 냉각, 응축되어 액화된다. 이러한 과정동안에, 응축물의 잠열에 의하여 열은 발산된다. 응축물은 모세관 작용에 의하여 가열된 부분으로 되돌아가며, 증기의 발생/유동/응축의 주기는 연속적이고 효과적인 열 전달을 위하여 반복된다.
열 방사부상의 전극들의 형태는 도 3A의 측면도에 도시된 바와 같은 평면형, 도 3B의 측면도에 도시된 바와 같은 L형, 도 3C의 측면도에 도시된 바와 같은 U형중 어느 형태로도 이루어질수 있다. 열 흡수부상의 전극들은 냉각 로드에 적절한 어느 형태로도 구성될 수 있다.
열전 모듈 유니트 구조의 다른 예가 도 4에 도시된다. 이 열전 모듈 유니트에서, T형 구리 전극들(5-2)은 열 방사부상의 구리 전극들과 유사한 상태로 열전 모듈의 열 흡수부상에 위치하며, 이들은 열 파이프들(9-2)이 부착된 케이스(8-2) 내에 배치된다. 이러한 구조에서, 케이스(8-2)는 구리 또는 알루미늄과 같은 금속으로 제조할 수 있으며, 또는 수지로도 제조할 수 있다. 만일 케이스가 수지로 이루어진다면, 전기 절연층(10-2)는 필요하지 않다. 여기서, 도 2와 유사한 형태로, 구획 플레이트(2)와 각 케이스(8 및 8-2) 사이에 밀봉구조가 존재한다는 것을 주목하자.
도 2 및 도 4에서, 공기 냉각 팬 또는 물 또는 대기에 의한 열 파이프들(9)의 냉각에 의하여 보다 효과적인 열의 발산을 이룰 수 있다. 만일, 열 파이프(9)의 냉각을 위하여 공기 또는 물과 같은 유체가 사용된다면, 공기 또는 물은 다수의 열 파이프(9)에 의하여 형성되는 터널(열 파이프(9)의 U형 곡선 내부) 내로 유동하는 방법으로 열 파이프(9)로 공급된다. 한 예로서의 도 5에 도시된 열전 모듈 유니트 내에서, 수냉 파이프들(CP)은 열 파이프들(9)의 외주 주변에 감겨져 있고, 수냉 파이프들(CP)은 냉매 열발산 및 순환 시스템에 연결되어 있으며, 이 시스템은 라디에이터(Ra), 팬(Fa) 및 펌프(Po)를 포함하며, 이들은 수냉 파이프(CP)로 부터 일정거리(외부) 떨어지게 위치하는 구조이며, 따라서 열 파이프들(9)은 이 냉매에 의하여 냉각된다. 도 5에서 빈 화살표는 공기의 흐름을, 검은 화살표는 냉매의 흐름을 각각 나타냄을 주목하자.
향상된 강도를 갖는 구획 플레이트 구조의 예를 도 6A 내지 도 6D에 도시하였다. 도 6A에서, 전기적 절연 구획 플레이트(2)의 두께는 증가되어 있다. 도 6B에서, 도 1의 구획 플레이트(2)의 두께와 대략 동일한 2개의 구획 플레이트들(2A 및 2B)은 상부와 하부에 제공되며, 플레이트들 사이의 전체 공간은 플레이트들을 서로 고정하기 위하여 폴리마이드 또는 에폭시와 같은 수지(7)로 채워져 있다. 도 6C에서, 2개의 구획 플레이트들(2A 및 2B)은 도 6B와 동일한 방법으로 제공되나, 플레이트들을 서로 고정하기 위하여 플레이트들 사이의 공간의 외측부에만 수지(7)가 채워져 있다. 도 6D에서, 전기적 절연 플레이트(2C)가 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 제조된 플레이트들(2D, 2E) 사이에 끼워져 위치한다.
도 6A 내지 도 6D에 도시된 구조적 예들은 기본적으로 상술한 일본특허공개 제 8-228027호에 개시된 바와 같은 수단에 의하여 구성된다. 그러나, 도 6B와 도 6C의 구조적 예들에서는 수지(7)의 주입 단계를 추가하는 것이 필요함을 주목하자. 도 6D의 구조적 예에서, 일본특허공개 제 8-228027호에 개시된 바와 같이, 절연 특성들을 전달하기 위하여 수지(제품명 : 파릴린 수지)층이 바늘형(needle type) 열전 반도체 결정들의 외부 표면상에 도포 또는 화학증착됨에 의하여 형성되는 공정이 이용되며, 그 후 열전 반도체 결정들은 금속 플레이트들 사이에 끼워져 붙어 있는 전기적 절연 플레이트들 내로 삽입되어 부착된다.
도 6A 내지 도 6D의 각 구조적 예들의 구획 플레이트의 결과적인 강도 증가는 작동 유체가 케이스(8)와 열 파이프들(9)의 내부에서 밀봉될 때 가해지는 압력 또는 작동과정에서 얻어지는 압력으로 인한 열전 모듈의 손상을 방지하는 것을 가능하게 한다.
열전 모듈의 또다른 구조적 예들이 도 7A 및 도 7B에 도시된다. 도 7A는 p형 모듈을, 도 7B는 n형 모듈을 각각 나타낸다. p형 모듈(1P)에서, 다수의 p형 열전 반도체 요소들(3A; 본 도면에서는 4개)만이 구획 플레이트(2)를 관통하여 통과하는 상태로 구획 플레이트(2)에 고정되며, 상부 구리 전극(4A)과 하부 구리 전극(4B)은 모든 p형 열전 반도체 요소들(3A)의 상부 및 하부에 각각 접속된다. n형 모듈(1N)에서도 이와 유사하게, 다수의 n형 열전 반도체 요소들(3B)만이 구획 플레이트(2)를 관통하여 통과하는 상태로 구획 플레이트(2)에 고정되며, 상부 구리 전극(4A)과 하부 구리 전극(4B)은 모든 n형 열전 반도체 요소들(3B)의 상부 및 하부에 각각 접속된다. DC 전압이 이들 각 열전 모듈들의 상부 및 하부 전극에 인가되어 전류가 내부를 흐를 때, 이 전류는 모든 열전 반도체 요소들를 통하여 병렬로 흐른다.
도 7의 열전 모듈들을 사용하는 열전 모듈 유니트의 구조적 예가 도 8에 도시되어 있다. 이 열전 모듈 유니트는 p형 모듈들(1P)과 n형 모듈들(1N)들이 고대로 적층된 형상을 가지며, 열 파이프들이 인접하는 모듈들 사이에 고정된다. 각 열 파이프들은 이들 종단들이 오른쪽 및 왼쪽을 향하여 교대로 연장되는 상태로 고정된다. DC 전압이 상부의 p형 모듈(1P)의 상부 구리 전극과 하부의 n형 모듈(1N)의 하부 구리 전극 사이에 인가될수 있는 구조이며, 따라서 전류는 그들 사이를 흐른다.
이 DC 전류가 열전 모듈 유니트의 하부로 부터 열전 모듈 유니트의 상부를 향하여 흐를 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 오른쪽을 향하여 연장되도록 부착된 열 파이프들(9A)은 열 방사 파이프가 되며, 왼쪽을 향하여 연장되도록 부착된 열 파이프들(9B)은 열 흡수 파이프가 된다. 이들 열 파이프들의 작동은 도 2의 열 파이프의 설명으로 부터 명백하기 때문에 보다 상세한 설명은 생략한다.
만일, 도 8에 도시된 구성이 사용되면, 열전 반도체 요소들의 수를 설정함으로서 사용하기 위한 최적의 작동 전류를 배합(matched)할 수 있으며, 열 방사 표면 및 열 흡수 표면의 외부 표면적을 증가시킬 수 있어 열 전달 효율을 향상시킬수 있다.
도 7의 열전 모듈들을 이용하지만 다른 전극 형상을 갖는 열전 모듈 유니트의 다른 구성예가 도 9에 도시되어 있다. 이 열전 모듈 유니트에서, p형 모듈들과 n형 모듈들이 교대로 적층되어 있으며, 인접한 모듈들 사이의 구리 전극들(4C)이 p형 모듈들과 n형 모듈들에 의하여 공통으로 사용된다. 다시 말해, 구획 플레이트들 (2)를 관통하여 통과하지만 이들 구획 플레이트들(2)에 고정된 상태의 다수의 p형 열전 반도체 요소들과 구획 플레이트들(2)를 관통하여 통과하지만 이들 구획 플레이트들(2)에 고정된 상태의 다수의 n형 열전 반도체 요소들은 수직방향으로 등간격으로 배치된 5개의 구리 전극들(4C) 사이에 교대로 끼워져 있다. 이와 같은 방법으로 적층된 4개의 열전 모듈들로 이루어진 다수의 블록의 그룹들(도 9에서는 2개의 그릅)이 구획 플레이트들과 함께 제공되며, 이들 블록들은 동일한 높이에서 배치되어 일체로 형성된다. 이들 블록의 하단에 위치한 구리 전극은 (+)가, 상단에 위치한 구리 전극은 (-)가 되는 방법으로 DC 전압이 인가되어 DC 전류가 블록들을 관통하여 흐른다.
나아가, 2개의 열 파이프들은 열 방사부와 열 흡수부의 각각에 부착된다. 열 방사부상의 제 1 열 파이프(9A-1)은 실질적인 J형 단면의 외부 부재(9A-11)와 실질적인 U형 단면의 내부 부재(9A-12)로 이루어진다. 외부 부재(9A-11)는 최상단 p형 모듈의 상부 및 3단 p형 모듈의 구획 플레이트의 상부면에 고정되며, 내부 부재 (9A-12)는 최상단 p형 모듈의 구획 플레이트의 상부 표면과 2단 n형 모듈의 구획 플레이트의 하부면에 고정된다. 열 방상부상의 제 2 열 파이프(9A-2)는 실질적인 J형 단면을 갖는다. 제 2 열 파이프는 최하단 n형 모듈의 하부 및 그 구획 플레이트의 하부 표면에 고정된다. 열 흡수부상의 제 1 열 파이프(9B-1)와 열 흡수부상의 제 2 열 파이프(9B-2) 각각은 실질적인 U형 단면(본 도면에서는 각 U형 파이프의 일부는 도시되지 않음)을 갖는다. 열 흡수부상의 제 1 열 파이프(9B-1)의 오른쪽 종단은 최상단 p형 모듈의 구획 플레이트의 하부 표면 및 2단 n형 모듈의 구획 플레이트의 상부 표면에 고정되며, 열 흡수부상의 제 2 열 파이프(9B-2)의 오른쪽 종단은 3단 p형 모듈의 구획 플레이트의 하부 표면 및 최하단 n형 모듈의 구획 플레이트의 상부 표면에 고정된다.
열 방사부의 제 1 열 파이프(9A-1)의 외측 부재(9A-11)의 종단부와 최상단 p형 모듈 상부의 구리 전극 사이에 전기적 절연층(10)이 제공된다. 유사하게, 열 방사부상의 제 2 열 파이프(9A-2)와 최하단 n형 모듈 하부상의 구리 전극 사이에 전기적 절연층(10)이 제공된다. 이 전기적 절연층들(10)은 열 파이프들(9A 및 9B)과 그 핀들(Fi)에 의한 DC 전원의 어떠한 단락(short circuiting)을 방지한다.
열 방사부상의 제 1 열 파이프(9A-1)의 외부 부재(9A-11)의 좌측 단부와 최상단 p형 모듈의 구획 플레이트의 좌측 단부 사이의 간격은 리드(11-1; lid)에 의하여 밀폐되며, 2단 n형 모듈의 구획 플레이트의 좌측 단부와 3단 p형 모듈의 구획 플레이트의 좌측단부간의 간격은 리드(11-2)에 의하여 밀폐된다. 이는 리드들(11-1 및 11-2), 최상단 p형 모듈의 구획 플레이트의 상부, 열 방사부상의 제 1 열 파이프(9A-1), 2단 n형 모듈의 구획 플레이트의 하부 및 3단 p형 모듈의 구획 플레이트의 상부에 의하여 둘러싸여진 공간을 형성한다. 이들 리드들(11-1 및 11-2)은 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 또는 수지로 이루어질 수 있다. 이 외에, 도 2에서의 구획 플레이트(2)와 케이스(8) 간을 밀봉하는 방법과 유사한 방법으로 접착제 또는 고무 물질(본 도면에는 도시되지 않음)의 밀봉 구조를 각 리드(11-1 및 11-2)와 그에 의해 밀폐된 부분들 사이에 제공한다.
유사하게, 열 방사부상의 제 2 열 파이프(9A-2)의 좌측 단부와 최하단 n형 모듈의 구획 플레이트의 좌측 단부 사이의 간격은 리드(11-3)에 의하여 밀폐되어 이 리드(11-3), 열 방사부 상의 제 2 열 파이프(9A-2), 최하단 n형 모듈의 구획 플레이트의 하부에 의하여 둘러싸여진 공간을 형성한다. 이 외에, 최상단 p형 모듈의 구획 플레이트의 우측 단부와 2단 n형 모듈 사이의 간격은 리드(11-4)에 의하여 밀폐되어 이들 구획 플레이트들, 열 흡수부 상의 제 1 열 파이프(9B-1) 및 리드(11-4)에 의하여 둘러싸여진 공간을 형성한다. 나아가, 3단 p형 모듈의 구획 플레이트들의 우측단부와 최하단 n형 모듈 사이의 간격은 리드(11-5)에 의하여 밀폐되어 이들 구획 플레이트들, 열 흡수부상의 제 2 열 파이프(9B-2) 및 리드(11-5)에 의하여 둘러싸여진 공간을 형성한다.
열전 모듈 유니트는 이들 둘러싸여진 공간들 내부에 각각으로 설정된 양의 작동 유체를 진공 밀봉함으로서 완성된다. 이 열전 모듈 유니트의 열 파이프의 작동은 도 2에 도시된 열전 모듈 유니트의 열 파이프들의 작동과 유사하다.
도 9의 다양한 형태의 구리 전극들(4C)의 사시도가 도 10A 내지 도 10E에 도시되어 있다. 도 10A에서, 도 9에 도시된 각 구리 전극(4C)의 상부 표면상의 플레이트 부재를 하부 표면의 플레이트 부재에 연결하는 3개의 연결 플레이트 부재에 홀들(H)이 형성되어 있어 이를 통과하는 작동 유체의 흐름을 보다 원활하게 하는 것을 보장한다. 도 10B에서, 종단들에 2개의 연결 플레이트가 있으며, 도 10C에서는, 중앙부에 한개의 연결 플레이트가 있다. 도 10D에서, 전체 구조는 U형 형상을 갖는다. 도 10E에서, 상부 플레이트 부재와 하부 플레이트 부재는 4개의 원주형 부재에 의하여 연결된다. 연결 플레이트 부재들의 수가 보다 적을 경우 또는 이들 플레이트 부재에 홀들이 형성된 경우 작동 유체의 흐름이 보다 원활하기 때문에 열 전달 효율은 증가된다. 도 10E에 도시된 바와 같은 원주형 부재들의 제공은 작동 유체의 흐름을 보다 더 원활하게 한다.
본 발명에 따른 열전 모듈 유니트는 반도체 직접 회로용 냉각 장치, 냉각기 또는 음료수 공급기용 냉각 또는 가열장치와 같은 광범위한 분야에서의 냉각 또는 가열장치로서 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 구획 플레이트, 상기 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 상기 구획 플레이트에 고정된 열전 반도체 요소, 상기 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 1 금속 전극 및 상기 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 2 금속 전극를 포함하는 열전 모듈; 및
    상기 구획 플레이트로 부터 상기 제 1 표면까지의 영역을 둘러싸며 제 1 열 파이프에 접속된 제 1 한정 부분(confined portion)을 포함하며, 작동 유체는 상기 제 1 한정 부분과 상기 제 1 열 파이프 내에 진공 밀봉(vacuum-sealed)되는 열전 모듈 유니트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈 유니트는 상기 구획 플레이트로 부터 상기 제 2 표면까지의 영역을 둘러싸며 제 2 열 파이프에 접속된 제 2 한정 부분(confined portion)을 더 포함하며, 작동 유체는 상기 제 2 열 파이프 내부로 진공 밀봉(vacuum-sealed)되는 열전 모듈 유니트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 열 파이프는 열 방사부상에 있으며, 제 2 열 파이프는 열 흡수부상에 있는 열전 모듈 유니트.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    동일한 수의 p형 열전 반도체 요소들과 n중 열전 반도체 요소들은 상기 구획 플레이트에 고정되어 있으며, 모든 열전 반도체 요소들은 상기 제 1 금속 전극과 제 2 금속 전극에 의하여 전기적으로 직렬 접속되어 있는 열전 모듈 유니트.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    단지 한 그룹의 p형 열전 반도체 요소들 또는 한 그룹의 n형 열전 반도체 요소들이 상기 구획 플레이트에 고정되고, 또한 모든 p형 열전 반도체 요소들 또는 n형 열전 반도체 요소들의 제 1 표면들이 상기 제 1 금속 전극에 의하여 공통으로 연결되며, 모든 p형 열전 반도체 요소들 또는 n형 열전 반도체 요소들의 제 2 표면들이 상기 제 2 금속 전극에 의하여 공통으로 연결되는 열전 모듈 유니트.,
  6. 제 5 항에 있어서
    p형 열전 반도체 요소들만이 구획 플레이트들에 고정되어 있는 열전 모듈들은 n형 열전 반도체 요소들만이 구획 플레이트들에 고정되어 있는 열전 모듈과 교대로 적층되어지며 인접한 부분들의 금속 전극들은 공통으로 사용되는 열전 모듈 유니트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    교대로 적층된 상기 열전 모듈들의 블록들은 수평방향으로 다수의 그릅들 형태로 배치되는 열전 모듈 유니트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    동일한 높이에서의 구획 플레이트들은 수평방향으로 일체로 형성되는 열전 모듈 유니트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구획 플레이트는 전기적 절연 재료로 구성되는 열전 모듈 유니트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구획 플레이트는 2개의 구획 플레이트로 이루어지며, 그들 사이의 공간의 적어도 일부분에는 수지가 채워진 열전 모듈 유니트.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구획 플레이트는 금속 플레이트들 및 상기 금속 플레이트들 사이에 위치하는 전기적 절연 플레이트로 형성되며, 상기 열전 반도체 요소들의 외주부는 전기적 절연 물질로 덮혀져 있는 열전 모듈 유니트.
  12. 제 1 구획 플레이트, 상기 제 1 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 제 1 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 상기 제 1 구획 플레이트에 고정된 p형 열전 반도체 요소, 상기 p형 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 1 금속 전극 및 상기 p형 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 2 금속 전극를 포함하고 제 2 열전 모듈과 교대로 적층된 제 1 열전 모듈을 포함하되; 상기 제 2 열전 모듈은 제 2 구획 플레이트, 상기 제 2 구획 플레이트와 전기적으로 절연된 상태에서 제 2 구획 플레이트를 관통 통과하는 상태로 상기 제 2 구획 플레이트에 고정된 n형 열전 반도체 요소, 상기 n형 열전 반도체 요소의 제 1 표면에 접속된 제 3 금속 전극 및 상기 n형 열전 반도체 요소의 제 2 표면에 접속된 제 4 금속 전극를 포함하며; 열 파이프는 인접하는 열전 모듈들 사이에 위치하고, 열 파이프는 최상단 열전 모듈의 상부에 부착되며, 열 파이프는 최하단 열전 모듈의 하부에 부착되는 열전 모듈 유니트.
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