KR200222502Y1 - 히트 파이프를 집적시킨 열전 열펌프 소자 - Google Patents

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KR200222502Y1
KR200222502Y1 KR2020000025007U KR20000025007U KR200222502Y1 KR 200222502 Y1 KR200222502 Y1 KR 200222502Y1 KR 2020000025007 U KR2020000025007 U KR 2020000025007U KR 20000025007 U KR20000025007 U KR 20000025007U KR 200222502 Y1 KR200222502 Y1 KR 200222502Y1
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thermoelectric
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정성엽
최진규
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Abstract

본 고안은 열전소자 기술에 관한 것으로, 특히 히트 파이프를 집적시킨 열전 열펌프 소자(thermoelectric device)에 관한 것이다. 본 고안은 열전달 능력을 증대시키고, 대형화가 가능한 열전 열펌프 소자를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 고안은 열전 열펌프 소자 제작 단계에서 히트 파이프(Heat Pipe)를 하나의 칩에 집적(Integration) 시키는 기술로서, 이와 같은 집적을 통해 제작 상의 용이성 확보와 함께 열전달 능력 및 성능계수(COP)를 향상시키고, 소자의 대형화를 도모할 수 있다.

Description

히트 파이프를 집적시킨 열전 열펌프 소자{A heat pipe-integrated thermoelectric device}
본 고안은 열전소자 기술에 관한 것으로, 특히 히트 파이프를 집적시킨 열전 열펌프 소자(thermoelectric device)에 관한 것이다.
열역학 제2 법칙에 의해 저온에서 고온으로 열을 이동시키는 데는 단위 열량당 온도차에 따라 필요한 최소의 에너지가 정해진다. 이 최소의 필요한 에너지는 주어진 온도차에 대해 열역학적인 관점에서는 방식이나 소재에 상관없이 일정하나 실제로 공학적인 측면에서는 많은 차이가 있으며 특히 효율, 편의성 측면에서는 더욱 차이가 나타난다.
기존의 열펌프(Heat Pump)는 냉매 - 주로 프레온(Freon) 가스를 사용함 - 를 사용하여 압축-응축(냉각)-팽창-증발(가열)의 과정을 거치도록 되어 있으며, 실내용인 경우 성능계수(COP, Coefficient of Performance)가 3∼5 정도이다. 즉, 전력 소모량이 냉방 열량의 1/3∼1/5 정도로 매우 우수하다. 이처럼 냉매를 사용하는 기존의 열펌프는 우수한 성능과 대용량화할 수 있는 장점이 있는 반면, 냉매에 따른 공해 - 프레온 가스는 오존층을 파괴한다는 이유로 사용규제 대상임 -, 간헐적인 압축기의 작동으로 인한 소음, 응축기와 증발기등 설치에 따른 많은 실내공간 소요, 응축기와 증발기의 사용에 따른 부품비 증가 등의 많은 단점도 갖고 있다.
근자에 이르러 펠티어 효과(Peltier's Effect) - 기전력 차이를 이용하여 양단 간의 온도차를 얻어내는 현상을 의미함 - 를 이용한 열전 열펌프(Thermoelectric Heat Pump) 방식이 새로이 도입되었다.
열전 열펌프는 전기를 이용하여 온도차를 얻는 열전소자로서, 열역학적인 이론에 근거하여 그 실용화 가능성이 충분할 뿐만 아니라 일부 특수 목적에 실용화가 입증되고 있으나, 실용적(공학적) 측면에서 해결해야 할 많은 문제점을 갖고 있다. 즉, 열전 열펌프 소자의 개발과 관련한 재료 측면의 기술과 소자 내의 발열 - 전류가 흐르므로 열이 발생함 -과 그에 따른 불리한 성능계수(약 0.5 정도임), 높은 열전달 계수의 필요성(공기를 사용한 대류시 열전달 계수를 증가시키는데 한계가 있음) 등의 단점을 가지고 있다. 그러나, 이러한 단점에도 불구하고 열전 열펌프 방식은 현재 소형화를 요구하는 반도체 칩 냉각이나 군사목적(예컨대, 미사일 탄두, 탱크 냉각) 등과 같은 특수 목적 - 에너지와 장치비용이 민감하지 않은 목적 - 에 실용화 되고 있으며, 그 적용 분야를 넓혀 가고 있다.
현재 열전 열펌프 소자와 관련된 기술 개발은 크게 두 가지로 진행되고 있다. 하나는 열전소자 관련 재료 개발이며, 다른 하나는 열전달 능력을 향상시키는 기술 개발이다. 이중 열전 열펌프 소자 관련 재료 기술은 날로 발전하여 상당한 진전을 이룩하였으나, 열전달 능력 향상과 관련한 기술은 답보 상태에 있다.
일반적인 열전 열펌프 소자는 첨부된 도면 도 1에 도시된 바와 같이 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)가 π자 형태로 배치된 구조를 가진다. 반도체(11, 12)의 양단은 세라믹 플레이트(13)로 절연되어 있으며, 금속전극(14)이 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)를 연결하고 있다.
도시된 바와 같은 P형 반도체(11)와 N형 반도체(12)를 금속전극(14)에 접합시킨 π형 직렬회로 P-N 쌍(couple) 양분지단의 극을 각각 -, + 로 되도록 전류를 N형에서 P형으로 흘리면 P형 반도체(11) 내의 정공은 -극으로, N형 반도체(12) 내의 전자는 +전극으로 이끌리게 된다. 이때, 정공과 전자 모두 상부의 금속전극(14)으로부터 열을 빼앗고 하부의 양분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 금속전극(14)은 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고 하부의 양분지단은 열을 방출하게 된다.
또한, 전류의 방향을 역으로 하면 정공과 전자 모두 상부의 금속전극(14)으로 열을 운반하기 때문에 상부에서는 발열이 하부에서는 흡열이 일어나게 된다. 이러한 현상을 펠티어 효과라고 한다.
그런데, 이러한 종래의 열전 열펌프 소자는 작은 두께 내에서 매우 큰 온도차가 발생하므로 열적 응력(Thermal Stress)으로 인하여 소자가 쉽게 파손될 우려가 있어 일정 정도 이상의 크기로 칩을 제작할 수 없는 단점이 있다. 또한, 절연체로 세라믹을 사용하고 있기 때문에 큰 열저항을 야기하여 세라믹 안팎의 온도차가 매우 크게 되며, 이에 따른 열손실과 아울러 소자 내부에서 외부로의 열이동이 원활하지 않아 열전소자의 성능저하를 초래하는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 고온부와 저온부가 격리되지 않고 반도체로 연결되어 있기 때문에 소자 자체에서 발생되는 온도차의 크기가 감소할 수 밖에 없는 단점이 있었다.
다시 말해, 열전 열펌프 소자는 냉각에 필요한 열량에 추가하여 공급된 전력이 열량으로 바뀌므로 밀집된 소자 표면에서 고열속이 나오게 되며, 이 때문에 그 만큼 높은 열전달 능력(열전달 계수 및 열전달 면적)이 필요하다. 이와 같이 열전달 능력을 높이기 위해 강제대류용 팬(Fan)을 설치하고 있으며, 이와 함께 방열판(Fin)이나 히트 파이프(Heat Pipe)를 열전판에 추가적으로 설치하고 있다.
첨부된 도면 도 2는 열전달 능력을 개선하기 위하여 추가적인 장치를 설치한 종래의 열전 열펌프를 도시한 것으로, 열전소자(20)의 양면에 다수의 냉각 핀(fin)을 가지는 열 싱크(heat sink)(21)를 설치한 후 냉각 팬(Fan)(22)을 추가하고 있다.
그러나, 이러한 추가적인 장치들은 결국 열전판에 추가로 부착하게 되므로 제작 상의 어려움이 있으며, 열저항이 상존하고 열전소자(20)의 절연체 밖에 설치하기 때문에 열전소자(20)의 열전달 능력을 크게 향상시키지 못하고 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 열전소자(20)의 크기가 제한되고 효율이 현저히 떨어지기 때문에 이러한 응용제품은 대형화 할 수 없는 단점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 고안은, 열전달 능력을 증대시키고, 대형화가 가능한 열전 열펌프 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 열전 열펌프 소자의 개략적 구성도.
도 2는 열전달 능력을 개선하기 위하여 추가적인 장치를 설치한 종래의 열전 열펌프의 구성도.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 열전 열펌프 소자의 개략적 구성도.
도 4는 일반적인 열전 열펌프 소자에서 반도체의 배치 상태를 나타낸 레이아웃도.
도 5는 본 고안 및 종래기술에 따른 열전 열펌프 소자 내/외부의 온도 분포도.
도 6a는 △T에 따른 전류 - QC(냉각용량) 곡선을 나타낸 특성도.
도 6b는 △T에 따른 전류 - COP(성능계수) 곡선을 나타낸 특성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
33, 34 : 반도체
35 : 상하 연결도체
36a, 36b : 수평 연결도체
37, 38 : 히트 파이프
39, 40 : 냉매
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안의 특징적인 열전 열펌프 소자는, 고온부와 저온부를 분리하기 위한 분리판; 상기 분리판 상부 및 하부에 제공되는 다수의 고온부 반도체 및 저온부 반도체; 상기 분리판 상부에 제공되며, 그 내부에 배치된 고온부 반도체를 보호하고, 고온부 냉매를 저장하기 위한 고온부 하우징; 상기 고온부 하우징에 연결되어 소정의 길이만큼 연장되어 제공되는 고온부 히트 파이프; 상기 분리판 하부에 제공되며, 그 내부에 배치된 저온부 반도체를 보호하고 저온부 냉매의 증발 및 응축 공간을 제공하기 위한 저온부 하우징; 상기 저온부 하우징에 연결되어 소정의 길이만큼 연장되어 제공되며, 저온부 냉매가 채워진 저온부 히트 파이프; 상기 분리판을 사이에 두고 상하로 인접한 극성이 같은 두 개의 상기 고온부 및 저온부 반도체를 전기적으로 연결하기 위한 다수의 상하 연결도체; 및 수평적으로 인접한 극성이 다른 두 개의 상기 고온부 반도체 및 상기 저온부 반도체 각각을 전기적으로 연결하여 상기 다수의 고온부 반도체와 상기 저온부 반도체가 직렬 연결을 이루도록 상기 고온부 반도체측과 상기 저온부 반도체측에 교번하여 배치된 수평 연결도체를 구비한다.
바람직하게, 본 고안의 열전 열펌프 소자는 상기 저온부 히트 파이프 하부에 배치되어 상기 저온부 히트 파이프를 지지하고 상기 저온부 냉매를 저장하기 위한 저온부 냉매 저장부와, 상기 고온부 히트 파이프 상부에 배치되어 상기 히트 파이프를 지지하기 위한 상부 지지기판을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 고온부 냉매 및 상기 저온부 냉매는 각각 CO2또는 H2O이다.
즉, 본 고안은 열전 열펌프 소자 제작 단계에서 히트 파이프(Heat Pipe)를 하나의 칩에 집적(Integration) 시키는 기술로서, 이와 같은 집적을 통해 제작 상의 용이성 확보와 함께 열전달 능력 및 성능계수(COP)를 향상시키고, 소자의 대형화를 도모할 수 있다.
이하, 본 고안이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 고안을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 고안의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 열전 열펌프 소자의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 열전 열펌프 소자는 분리판(separation plate)(32)을 사이에 두고 서로 대칭적인 구조를 이루는 고온부와 저온부로 이루어진다. 물론 고온부와 저온부가 정확히 대칭을 이룰 필요는 없다.
분리판(32)은 열전달이 불필요하므로 세라믹과 같은 절연체를 사용하며, 다수의 고온부 반도체(34) 및 저온부 반도체(33)가 분리판(32)을 기준으로 상부 및 하부에 일정 간격을 두고 배치된다. 고온부 반도체(34) 및 저온부 반도체(33)는 상하 방향으로는 같은 극성의 반도체가 배치되어 상하 연결도체(35)로 연결되며, 수평 방향으로는 서로 다른 극성의 반도체가 교대로 배치되어 수평 연결도체(36a, 36b)로 연결된다. 수평 연결도체(36a, 36b)는 전도성이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
첨부된 도면 도 4는 일반적인 열전 열펌프 소자에서 반도체의 배치 상태를 나타낸 레이아웃도로서, 지지기판(53) 상에 수 많은 반도체(52)가 일정 간격을 두고 배치되며, 그 각각은 연결도체(51)를 통해 전원의 양극 단자로부터 음극 단자까지 지그재그(zigzag) 형태로 연결된다. 하나의 반도체(52)가 N형이면, 그와 연결도체(51)로 연결된 인접 반도체(52)는 P형이 된다. 상기 도 3에 도시된 본 고안의 일 실시예에 따른 열전 열펌프 소자의 경우에는 반도체(52)가 상/하부로 분리되어 있기 때문에 연결도체(51)는 상부와 하부에 번갈아가면서 배치된다.
다시 도 3을 참조하여, 저온부 반도체(33) 및 고온부 반도체(34)는 각각 일정 압력을 유지하기 위해 밀폐된 공간, 즉 하우징(41, 42) 내부에 제공된다.
고온부 하우징(42)은 고온부 반도체(34)를 보호하고 고온부 냉매(40)를 저장하기 위한 공간을 제공하며, 상부 수평 연결도체(36a)가 잠길 정도의 높이 만큼 고온부 냉매(예컨대, CO2, H2O 등)(40)가 채워진다. 고온부 냉매(40)는 운전 용도 및 열전달량(냉방열량)에 따라 그 압력과 충전량을 조절한다. 그리고, 고온부 하우징(42)에는 다수의 고온부 히트 파이프(38)가 연결되어 상부 지지기판(31)까지 연장되어 있다.
한편, 저온부 하우징(41)에도 다수의 저온부 히트 파이프(37)가 연결되어 최하단의 저온부 냉매 저장부(30)까지 연장되어 있다. 저온부 냉매 저장부(30)은 저온부 냉매(39)의 저장하고 저온부 히트 파이프(37) 및 다른 구성품 들을 지지한다. 저온부 냉매(39)는 하부 수평 연결도체(36b)가 잠기지 않을 정도로 저온부 냉매 저장부(30)와 저온부 히트 파이프(37)에 채워지며, 저온부 하우징(41)은 저온부 반도체(33)을 보호하고 저온부 냉매(39)를 일정 압력으로 유지시키기 위한 공간을 제공한다. 저온부 냉매(39)로는 CO2, H2O 등이 사용될 수 있으며, 역시 운전 용도 및 열전달량(냉방열량)에 따라 그 압력과 충전량을 조절한다. 히트 파이프(37, 38)는 구리와 같이 열전도도가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
도면에서 히트 파이프(37, 38) 사이의 화살표는 냉각기체(대기)가 흐르는 것을 나타낸 것이다.
한편, 도면 좌측의 분해 사시도를 참조하면 열전 열펌프 소자의 전체적인 구성 및 히트 파이프(37, 38)의 집적 상태 등을 쉽게 파악할 수 있을 것이다.
이하, 도시된 열전 열펌프 소자의 동작을 살펴본다.
반도체(33, 34)에 소정의 DC 전원을 인가하여 도시된 바와 같이 전류가 흐르게 하면, 상부 수평 연결도체(36a)에서는 발열이 일어나고, 하부 수평 연결도체(36b)에서는 냉각이 일어나게 된다. 이는 펠티어 효과에 따른 것으로 이미 앞에서 설명한 바 있다.
상부 수평 연결도체(36a)에서 발열이 일어나면 고온부 냉매(40)가 가열되고, 고온부 히트 파이프(38)로 증발된 냉매가 상대적으로 저온인 고온부 히트 파이프(38) 외부로 열을 발산하고 응축되어 아래로 떨어지게 된다. 이러한 원리로 고온부 히트 파이프(38) 외부의 온도를 높이게 된다.
반면, 상대적으로 고온인 저온부 히트 파이프(37) 외부의 온도에 의해 저온부 히트 파이프(37)에 채워진 저온부 냉매(39)가 가열되고, 저온부 하우징(41)로 증발된 냉매는 냉각된 하부 수평 연결도체(36b)에 의해 응축되어 아래로 떨어지게 된다. 이러한 원리로 저온부 히트 파이프(37) 외부의 온도를 낮추게 된다.
상기와 같은 본 고안의 일 실시예에 따른 열전 열펌프 소자는 종래의 열전 열펌프에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.
우선, 반도체와 히트 파이프를 하나의 소자에 집적하였기 때문에 종래의 열전 열펌프에서 나타나는 열전소자와 열전판 사이의 접촉 열저항을 없앨 수 있다. 같은 이유로 열전 열펌프 소자의 제작이 간편해진다. 종래의 열전 열펌프 소자는 열전 열펌프 칩 제작 후 열전판에 핀 또는 히트 파이프를 추가적으로 부착하였기에 제작이 용이하지 않았다.
또한, 기존의 열전 열펌프에 비해 열전달 면적이 획기적으로 증가하고, 열전달 능력을 향상시킨다.
그리고, 열전소자 자체 내의 온도차 △T를 획기적으로 낮출 수 있다. △T는 이론적으로 외기와 내기의 온도차이나 실제로는 첨부된 도면 도 5에 나타난 바와 같이 저온부와 고온부 사이에는 이보다 훨씬 큰 △T가 존재한다. 이는 열전달을 위한 △TH.T와 △TT/E두 성분이 합쳐진 결과이다. 본 고안에 따른 열전 열펌프 소자는 △TH.T성분을 획기적으로 줄일 수 있다. 실례로 냉방공간과 외부와의 온도차는 15。C 안팎이지만 열전 열펌프 자체의 온도차가 매우 크기 때문에 열펌프의 성능이 상당히 저하되었으나, 본 고안에서는 이를 획기적으로 줄여 성능계수(COP)를 크게 개선할 수 있다. 한편, 본 고안의 열전 열펌프 소자는 COP의 향상으로 필요 전력이 급감하여 불필요한 발열을 획기적으로 줄일 수 있으며, 이는 또다시 △T를 줄이는 피드백(Feedback) 효과로 나타난다. 종래의 열전 열펌프 소자의 사이즈를 제약하는 요소는 소자 내의 온도차에 의한 열적 응력이었다. 본 고안에서는 소자 내의 온도차를 줄임으로써 이러한 열적 응력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 또한 반도체 간의 전기적 연결을 위한 연결도체가 유동적이기 때문에 소자의 사이즈를 대형화할 수 있다.
상기와 같은 본 고안의 열전 열펌프 소자의 특징은 다음의 표 1과 같이 정리할 수 있다.
프레온 가스를 사용한 종래의 열펌프 핀이나 히트 파이프를 부착한 종래의 열전 열펌프 본 고안의 열전 열펌프 소자
공 해 프레온, 소음 거의 없음 거의 없음
COP 3∼5 0.5 2.0
열전달 성능 보 통 양 호 아주 양호
제 작 어려움 어려움 용이함
부품 비용 (응축제, 증발기) 과다 없음 없음
설 치 복잡 간편 간편
소요 공간 큼 작음 작음
칩 사이즈 해당 없음 제 한 대형화 가능
첨부된 도면 도 6a는 △T에 따른 전류 - QC(냉각용량) 곡선을 나타낸 특성도이며, 도 6b는 △T에 따른 전류 - COP(성능계수) 곡선을 나타낸 특성도로서, 각각 T=300 K를 기준으로 하여 측정한 것이다.
이들을 참조하면, △T가 줄어들수록 냉각용량 및 성능계수가 증가함을 확인할 수 있으며, 이는 곧 열전 열펌프 소자의 성능이 개선됨을 반증하는 것이라 할 수 있다.
이는 열역학의 카르노 사이클 효과(Carnot Cycle Effect)로부터도 입증이 가능하다. 카르노 사이클 효과는 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
η= 1 - TCH
여기서, TC는 저온부의 온도, TH는 고온부의 온도를 각각 나타낸다.
이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 고안은 열전소자와 열전판 사이의 열저항을 최소화하여 열전달 능력 및 성능계수를 극대화하는 효과가 있다. 또한, 본 고안은 △T를 획기적으로 낮춰 소자 내의 온도차에 의한 열적 응력을 최소화할 수 있고 또, 반도체 간의 전기적 연결을 위한 연결도체가 유동적이기 때문에 소자의 사이즈를 대형화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 고안은 열전 열펌프 소자의 제작을 용이하게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 고온부와 저온부를 분리하기 위한 분리판;
    상기 분리판 상부 및 하부에 제공되는 다수의 고온부 반도체 및 저온부 반도체;
    상기 분리판 상부에 제공되며, 그 내부에 배치된 고온부 반도체를 보호하고, 고온부 냉매를 저장하기 위한 고온부 하우징;
    상기 고온부 하우징에 연결되어 소정의 길이만큼 연장되어 제공되는 고온부 히트 파이프;
    상기 분리판 하부에 제공되며, 그 내부에 배치된 저온부 반도체를 보호하고 저온부 냉매의 증발 및 응축 공간을 제공하기 위한 저온부 하우징;
    상기 저온부 하우징에 연결되어 소정의 길이만큼 연장되어 제공되며, 저온부 냉매가 채워진 저온부 히트 파이프;
    상기 분리판을 사이에 두고 상하로 인접한 극성이 같은 두 개의 상기 고온부 및 저온부 반도체를 전기적으로 연결하기 위한 다수의 상하 연결도체; 및
    수평적으로 인접한 극성이 다른 두 개의 상기 고온부 반도체 및 상기 저온부 반도체 각각을 전기적으로 연결하여 상기 다수의 고온부 반도체와 상기 저온부 반도체가 직렬 연결을 이루도록 상기 고온부 반도체측과 상기 저온부 반도체측에 교번하여 배치된 수평 연결도체
    를 구비하는 열전 열펌프 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저온부 히트 파이프 하부에 배치되어 상기 저온부 히트 파이프를 지지하고 상기 저온부 냉매를 저장하기 위한 저온부 냉매 저장부와,
    상기 고온부 히트 파이프 상부에 배치되어 상기 히트 파이프를 지지하기 위한 상부 지지기판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 열펌프 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고온부 냉매 및 상기 저온부 냉매는 각각 CO2또는 H2O인 것을 특징으로 하는 열전 열펌프 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100817266B1 (ko) * 2007-01-23 2008-03-27 박송현 열전소자를 이용한 난방장치
KR101459292B1 (ko) * 2013-03-27 2014-11-10 한국에너지기술연구원 보일러 장치 및 그 제어 방법
KR20160046645A (ko) * 2014-10-21 2016-04-29 국민대학교산학협력단 유연열전소자 모듈 장치

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