KR20030076859A

KR20030076859A - 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조

Info

Publication number: KR20030076859A
Application number: KR1020020015849A
Authority: KR
Inventors: 조해광
Original assignee: 조해광
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2003-09-29

Abstract

본 발명은 반도체 열전소자를 이용한 제품(예; 김치냉장고, 소형냉장고, 차량용 냉·온 냉장고, 항온항습기, 동물침대, 제습기, 곡물보관고, 화장품보관고, 의료용 항온기 등)의 냉각장치에 관한 것이다.

이같은 본 발명은, 반도체 열전소자로 가해지는 하중을 효과적으로 분산시키면서 외부공기와 접촉되지 않도록 완전 밀폐된 준 진공상태의 냉각장치 구조를 제작하므로서, 충격흡수율 및 내구성 향상으로 반도체 열전소자를 안전하게 보호할수 있도록 함은 물론 그 수명을 연장하고, 더불어 금속(나사 등)에 의한 열의 전도를 차단하여 냉각기능의 향상과 소비전력의 절감이 이루어지도록 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조를 제공한다.

Description

반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조{Structure for cooling device of using the semiconductor thermoelectric element}

본 발명은 반도체 열전소자를 이용한 제품(예; 김치냉장고, 소형냉장고, 차량용 냉·온 냉장고, 항온항습기, 동물침대, 제습기, 곡물보관고, 화장품보관고, 의료용 항온기 등)의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 반도체 열전소자로 가해지는 하중을 효과적으로 분산시키면서 외부공기와 접촉되지 않도록 완전 밀폐된 준 진공상태의 냉각장치 구조를 제작하여 충격흡수율 및 내구성 향상으로 반도체 열전소자를 안전하게 보호할수 있도록 함은 물론 그 수명을 연장하고, 더불어 금속(나사 등)에 의한 열의 전도를 차단하여 냉각기능의 향상과 소비전력의 절감이 이루어지도록 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조는, 반도체 열전소자의 주변을 열전도성 구리스 등을 게재하여 밀봉재 스폰지 등으로 처리하였는 바, 이로인하여 종래에는 반도체 열전소자 주변의 밀폐성이 크게 불량해지는 단점을 가지고 있다.

이와같이 종래 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조는, 반도체 열전소자를 장기간 동작시킬 경우 반도체 열전소자의 온면과 냉면 온도차(약 70℃)로 인하여 반도체 열전소자의 주변에 이슬맺힘(습기)이 발생하였을뿐만 아니라, 열전소자의 반도체를 연결하여 주는 동판과 리드선의 내부 동선이 외부공기와 접촉하면서 산화되거나 부식되어 반도체 열전소자가 파괴되어 기능이 불량해지는 단점을 가지고 있었다.

더불어, 열전소자내의 반도체와 동판을 납땜한 부분 및 동판과 세라믹기판의 접촉면이 공기와의 접촉으로 균열되거나 이완되어 이의 장기간 사용이 거의 불가능하였을뿐만 아니라, 냉면의 열이 금속을 통하여 열궤환되는 현상(약 15％의 열손실)이 발생하면서 열전소자의 성능이 점점 저하되다가 불능이 되어 버리는 폐단이 따랐다.

또한, 종래 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치는 구조적으로 알루미늄 냉열판과 방열판사이에 반도체 열전소자를 놓는 샌드위치 형태로서, 이는 강력한 힘으로 강제 조임되는 작업으로 인하여 금속체내에 납땜으로 고정된 반도체 열전소자가 미세한 충격에도 쉽게 균열되면서 파괴되는 등 미세한 충격에도 반도체 열전소자의 안전성이 취약하여 그 수명이 짧아지는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 반도체 열전소자로 가해지는 하중을 효과적으로 분산시키면서 외부공기와 접촉되지 않도록 완전 밀폐된 준 진공상태의 냉각장치 구조를 제작하므로서, 충격흡수율 및 내구성 향상으로 반도체 열전소자를 안전하게 보호할수 있도록 함은 물론 그 수명을 연장하고, 더불어 금속(나사 등)에 의한 열의 전도를 차단하여 냉각기능의 향상과 소비전력의 절감이 이루어지도록 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

도 1의 a∼c는 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자와 소자고정용 알루미늄의 결합상태를 보인 흐름도.

도 2는 본 발명의 일실시예로 플라스틱케이스과 알루미늄 냉열판 결합상태를 보인 분해도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 알루미늄 냉열판이 게재된 플라스틱케이스에 반도체 열전소자가 게재된 소자고정용 알루미늄을 결합시키는 상태의 분해도.

도 4는 본 발명의 일실시예로 냉각장치에 지그가 결합되는 상태의 분해도.

도 5는 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자를 이용한 제품에 적용될 냉각장치의 결합사시도.

도 6은 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자를 이용한 제품에 적용될 냉각장치의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 ; 알루미늄 냉열판 2 ; 소자고정용 알루미늄

3 ; 리드선 4 ; 반도체 열전소자

4a,4b; 제 1,2 세라믹박판 5 ; 열경화성 접착제

10; 에폭시 주입홈 11; 제 1 걸림돌기

20; 플라스틱케이스 21; 설치요입부

22; 중앙요입부 23; 인출홈

24,25; 제 1,2 너트구멍 26; 제 2 걸림돌기

30; 구리스 40; 에폭시

50; 실리콘 100,300; 지그

200; 조임볼트

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1의 a∼c는 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자와 소자고정용 알루미늄의 결합상태를 보인 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예로 플라스틱케이스과 알루미늄 냉열판 결합상태를 보인 분해도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예로 알루미늄 냉열판이 게재된 플라스틱케이스에 반도체 열전소자가 게재된 소자고정용 알루미늄을 결합시키는 상태의 분해도 이다.

도 4는 본 발명의 일실시예로 냉각장치에 지그가 결합되는 상태의 분해도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자를 이용한 제품에 적용될 냉각장치의 결합사시도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예로 반도체 열전소자를 이용한 제품에 적용될 냉각장치의 단면도 이다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와같이, 알루미늄 냉열판(1)과 소자고정용 알루미늄(2) 및, 상기 소자고정용 알루미늄(2)의 중심부위에 리드선(3)을 인출시키면서 양면에 각각 제 1 및 제 2 세라믹박판(4a)(4b)을 가지는 반도체 열전소자(4)를 열경화성 접착제(5)로 게재하는 통상의 구조에 있어서,

상기 알루미늄 냉열판(1)의 하단 양측면에는 경사진형태의 제 1 걸림돌기(10)를 형성하고,

상기 알루미늄 냉열판(1)의 소정위치 둘레면에는 에폭시 주입홈(11)을 형성하며,

상기 반도체 열전소자(4)가 게재됨은 물론 알루미늄 냉열판(1)이 끼움방식으로 개재될수 있도록 중앙부의 양측으로 설치요입부(21)와 중앙요입부(22)를 형성한 플라스틱케이스(20)를 사출 성형하고,

상기 플라스틱 케이스(20)의 사출성형시 설치요입부(21)의 둘레면에는 리드선(3)의 인출홈(23)과 제 1 너트구멍(24)을 형성하며,

상기 중앙요입부(22)의 둘레면에는 제 2 너트구멍(25)을 형성하고,

상기 설치요입부(21)와 중앙요입부(22)의 사이에는 알루미늄 냉열판(1)의 끼움시 제 1 걸림돌기(10)와 걸림동작하면서 알루미늄 냉열판(1)의 상하좌우 유동을 방지시키도록 소정의 경사면을 가지는 제 2 걸림돌기(26)를 형성하며,

상기 제 1 세라믹박판(4a)의 표면에는 알루미늄 냉열판(1)으로 냉기의 전달이 보다 활성화되도록 전도성의 구리스(30)를 형성하고,

상기 설치요입부(21)의 둘레면 중앙은 물론 그 가장자리면과 중앙요입부(22)및 알루미늄 냉열판(1)의 사이에는 수분 차단은 물론 공기통로를 차단하면서 반도체 열전소자(4)를 완전 밀폐시켜 준 진공상태로 만들도록 경화되는 에폭시(40)를 형성하며,

상기 중앙요입부(22)와 알루미늄 냉열판(1)의 사이에는 주입된 에폭시(40)의 경화 팽창시에 발생하는 기포구멍을 차단하도록 실리콘(50)을 형성시킨 구조로 이루어짐을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 리드선(3)의 일측단부로서 소자고정용 알루미늄(2)의 평면과 접촉되는 부분(A)은 습기침투가 방지되도록 피복을 벗긴 후 납땜이 이루어지도록 하였다.

또 다른 일면에 따라, 상기 소자고정용 알루미늄(2)의 표면은 피복이 벗겨진 부분(A)의 리드선(3)과 통전되지 않도록 소정의 두께(약 15㎛ 이상)로 하드코팅함을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 열경화성 접착제(5)의 경화는 소자고정용 알루미늄(2)의 중앙위치에서 고정되는 반도체 열전소자(4)의 위치 평탄도를 일정하게 유지하여 표면 접착성을 향상시킴은 물론, 제 2 세라믹박판(4b)과 소자고정용 알루미늄(2)의 팽창지수를 동화시키도록 약 90∼100℃의 온도에서 약 60∼90분의 시간동안 이루어지도록 함을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 에폭시(40)의 경화는 반도체 열전소자(4)가 완전밀폐되어 준 진공상태를 유지하도록 약 90∼100℃의 온도에서 약 3시간 30분∼4시간 동안 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소자고정용 알루미늄(2)의 중심부위에 열경화성 접착제(5)를 도포한 후 그 도포면에 반도체 열전소자(4)의 제 2 세라믹박판(4b)을 부착하여 경화시키는 경우 그 위치 고정에 따른 표면 접착성은 별도의 평판형 지그(300)로 견고하게 잡아주므로서 가능하도록 하였다.

더불어, 상기 알루미늄 냉열판(1)과 플라스틱케이스(20)의 사이에 에폭시(40)를 주입하여 반도체 열전소자(4)의 밀폐를 유지하는 작업은, 먼저 알루미늄 냉열판(1)의 표면에 Ｘ형태의 지그(100)를 밀착한다.

그리고, 상기 지그(100)를 관통하여 조임볼트(200)를 플라스틱케이스(20)의 이면 즉, 상기 중앙요입부(22)의 둘레면에 형성된 제 2 너트구멍(25)으로 체결하여 조인다.

이후, 상기 지그(100)를 실린더(도시하지 않음)로 압입하면, 상기 알루미늄 냉열판(1)이 반도체 열전소자(4)의 제 1 세라믹박판(4a)으로 약간 밀리는 작용을 하므로서 이루어지도록 하였다.

이와같이 구성된 본 발명의 일실시예에 대한 작용을 첨부된 도 1 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a에서와 같이 리드선(3)의 일측단부로서 소자고정용 알루미늄(2)의 평면과 접촉되는 부분(A)의 피복을 벗겨 습기침투가 방지되도록 한 후 그 피복이 벗겨진 부분(A)의 리드선(3) 일측단부를 제 1 및 제 2 세라믹박판(4a)(4b)을 가지는 반도체 열전소자(4)에 납땜하여 고정한다.

그리고, 도 1b에서와 같이 소자고정용 알루미늄(2)의 표면을 피복이 벗겨진리드선(3)과의 통전이 방지되도록 소정의 두께(약 15㎛ 이상)로 하드코팅한 후, 상기 소자고정용 알루미늄(2)의 중심면에 열경화성 접착제(5)를 도포한다.

그러면, 상기 열경화성 접착제(5)는 후술하는 설명에서와 같이 냉각장치 구조가 완성될 때, 방열판(도시하지 않음)으로 온열의 전달이 보다 활성화(온열의 효율이 향상)시키는 작용을 하게 된다.

더불어, 도 1c에서와 같이 상기 소자고정용 알루미늄(2)에 도포된 열경화성 접착제(5) 위로 리드선(3)이 납땜처리된 반도체 열전소자(4)의 제 2 세라믹박판(4b)을 부착한 후, 상기 반도체 열전소자(4)를 별도의 평판형 지그(300)로 잡아 그 위치를 고정시킨다.

이후, 상기 반도체 열전소자(4)와 소자고정용 알루미늄(2)의 부착이 이루어지도록 한 열경화성 접착제(5)를 약 90∼100℃의 온도에서 약 60∼90분의 시간동안 경화시키면, 상기 열경화성 접착제(5)의 경화로 부터 제 2 세라믹박판(4b)과 소자고정용 알루미늄(2)의 팽창지수가 동화되면서 소자고정용 알루미늄(2)의 중앙위치에 고정되는 반도체 열전소자(4)의 위치 평탄도는 일정하게 유지됨은 물론 그 표면 접착성이 견고하게 유지될수 있게 된다.

그리고, 상기 열경화성 접착제(5)의 경화가 완료된 후, 상기 반도체 열전소자(4)의 제 1 세라믹박판(4a) 표면에 전도성의 구리스(30)를 도포시키면, 상기 전도성의 구리스(30)는 알루미늄 냉열판(1)으로 냉기의 전달을 보다 활성화시키는 역할을 하는 바, 이로인하여 냉각장치의 냉각효율은 보다 향상된다.

한편, 반도체 열전소자(4)가 게재됨은 물론 알루미늄 냉열판(1)이 끼움방식으로 개재될수 있도록 중앙부의 양측으로 설치요입부(21)와 중앙요입부(22)를 형성하고, 상기 설치요입부(21)의 둘레면에는 리드선(3)의 인출홈(23)과 제 1 너트구멍(24)을 형성하며, 상기 중앙요입부(22)의 둘레면에는 제 2 너트구멍(25)을 형성하고, 상기 설치요입부(21)와 중앙요입부(22)의 사이에는 알루미늄 냉열판(1)의 끼움시 제 1 걸림돌기(10)와 걸림동작하면서 알루미늄 냉열판(1)의 상하좌우유동을 방지시키도록 소정의 경사면을 가지는 제 2 걸림돌기(26)를 형성한 플라스틱케이스(20)를 사출 성형한다.

이후, 도 2에서와 같이 상기 플라스틱케이스(20)의 설치요입부(21)를 통해 중앙요입부(22)로 알루미늄 냉열판(1)을 삽입한다.

여기서, 상기 알루미늄 냉열판(1)의 하단 양측면에는 경사진형태의 제 1 걸림돌기(10)가 형성되어 있고, 상기 알루미늄 냉열판(1)의 소정위치 둘레면에는 에폭시 주입홈(11)이 형성되어 있는 바,

상기 알루미늄 냉열판(1)이 중앙요입부(22)로 삽입될 때, 상기 제 1 걸림돌기(10)는 상기 설치요입부(21)와 중앙요입부(22)의 사이에 형성된 제 2 걸림돌기(26)와 걸림동작을 하므로서, 상기 알루미늄 냉열판(1)은 도 6에서와 같이 제 1 및 제 2 걸림돌기(10)(26)의 걸림동작으로 부터 그 상하는 물론 좌우 유동이 방지되는 견고한 고정상태를 유지하게 된다.

이때, 도 3에서와 같이 상기 플라스틱케이스(20)의 설치요입부(21) 둘레면 중앙은 물론 그 둘레면의 바깥쪽과 안쪽 가장자리면에 에폭시(40)를 주입한 후, 상기 에폭시(40)가 주입된 설치요입부(21)로 반도체 열전소자(4)가 부착된 소자고정용 알루미늄(2)을 개재하는 한편, 상기 반도체 열전소자(4)에 납땜처리된 리드선(3)을 플라스틱케이스(20)의 인출홈(23)을 통해 외부로 인출시킨다.

이후, 상기 소자고정용 알루미늄(2)과 플라스틱케이스(20)의 설치요입부(21) 둘레면에 주입된 에폭시(40)를 약 90∼100℃의 온도에서 약 3시간 30분∼4시간 동안 경화시킨다.

더불어, 도 4에서와 같이 상기 플라스틱케이스(20)의 중앙요입부(22)와 알루미늄 냉열판(1)의 사이에 에폭시(40)를 주입한 후, 상기 주입된 에폭시(40)를 약 90∼100℃의 온도에서 약 3시간 30분∼4시간 동안 경화시킨다.

여기서, 상기 에폭시(40)는 플라스틱케이스(20)의 중앙요입부(22)와 알루미늄 냉열판(1)의 사이에 주입될 때, 상기 알루미늄 냉열판(1)의 둘레면에 형성된 에폭주입홈(11)으로도 그 유입이 이루어지는 바,

상기 플라스틱케이스(20)의 요입부(22)와 알루미늄 냉열판(1)의 사이에 주입된 에폭시(40)는 물론 알루미늄 냉열판(1)의 에폭시주입홈(11)에 주입된 에폭시(40)의 경화작용으로 부터, 상기 플라스틱케이스(20)에 결합된 알루미늄 냉열판(1)은 그 상단부위의 유동(흔들림)이 방지된다.

이때, 상기 알루미늄 냉열판(1)의 타면에 X자형태의 지그(100)를 밀착한 후, 조임볼트(200)를 상기 지그(100)를 관통시키면서 플라스틱케이스(20)의 이면 즉, 상기 중앙요입부(22)의 둘레면에 형성된 제 2 너트구멍(25)으로 체결하여 조인다.

이후, 상기 지그(100)를 실린더(도시하지 않음)로 압입하면, 상기 알루미늄 냉열판(1)은 반도체 열전소자(4)의 제 1 세라믹박판(4a)으로 약간 밀리는 작용을하게 되고, 이로인하여 상기 중앙요입부(22)와 알루미늄 냉열판(1)의 사이에 주입되어 경화된 에폭시(40)의 팽창으로 부터 약간의 기포구멍이 발생된다.

따라서, 도 5에서와 같이 상기 지그(100)와 조임볼트(200)를 제거한 후 상기 발생된 기포구멍 위로 실리콘(50)을 도포하면, 상기 도포된 실리콘(50)에 의해 반도체 열전소자(4)의 주변은 외부 공기와 전혀 접촉될수 없음은 물론, 사용중에 반도체 열전소자(4)에 수분이 전혀 침투하는 일이 없는 완전 밀폐의 준 진공상태를 유지할수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 반도체 열전소자로 가해지는 하중을 효과적으로 분산시키면서 외부공기와 접촉되지 않도록 완전 밀폐된 준 진공상태의 냉각장치 구조를 제작하므로서, 충격흡수율 및 내구성 향상으로 반도체 열전소자를 안전하게 보호할수 있도록 함은 물론 그 수명을 연장하고, 더불어 금속(나사 등)에 의한 열의 전도를 차단하여 냉각기능의 향상과 소비전력의 절감이 이루어지도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims

알루미늄 냉열판과 소자고정용 알루미늄 및, 상기 소자고정용 알루미늄의 중심부위에 리드선을 인출시키면서 양면에 각각 제 1,2 세라믹박판을 가지는 반도체 열전소자를 열경화성 접착제로 게재하는 통상의 구조에 있어서,

상기 알루미늄 냉열판의 하단 양측면에는 경사진형태의 제 1 걸림돌기를 형성하고, 상기 알루미늄 냉열판의 소정위치 둘레면에는 에폭시 주입홈을 형성하며,

상기 반도체 열전소자가 게재됨은 물론 알루미늄 냉열판이 끼움방식으로 개재될수 있도록 중앙부의 양측으로 설치요입부와 중앙요입부를 형성한 플라스틱케이스를 사출 성형하고,

상기 플라스틱 케이스의 사출성형시 설치요입부의 둘레면에는 리드선의 인출홈과 제 1 너트구멍을 형성하며, 상기 중앙요입부의 둘레면에는 제 2 너트구멍을 형성하고,

상기 설치요입부와 중앙요입부의 사이에는 알루미늄 냉열판의 끼움시 제 1 걸림돌기와 걸림동작하면서 알루미늄 냉열판의 상하좌우 유동을 방지시키도록 소정의 경사면을 가지는 제 2 걸림돌기를 형성하며,

상기 제 1 세라믹박판의 표면에는 알루미늄 냉열판으로 냉기의 전달이 보다 활성화되도록 전도성의 구리스를 형성하고,

상기 설치요입부의 둘레면 중앙은 물론 그 가장자리면과 중앙요입부 및 알루미늄 냉열판의 사이에는 수분 차단은 물론 공기통로를 차단하면서 반도체 열전소자를 완전 밀폐시켜 준 진공상태로 만들도록 경화되는 에폭시를 형성하며,

상기 중앙요입부와 알루미늄 냉열판의 사이에는 주입된 에폭시의 경화 팽창시에 발생하는 기포구멍을 차단하도록 실리콘을 형성시킨 것을 특징으로 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 리드선의 일측단부로서 소자고정용 알루미늄의 평면과 접촉되는 부분은 습기침투가 방지되도록 피복을 벗긴 후 납땜이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 소자고정용 알루미늄의 표면은,

피복이 벗겨진 리드선과의 통전이 방지되도록 소정의 두께로 하드코팅함을 특징으로 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 열경화성 접착제의 경화는,

소자고정용 알루미늄의 중앙위치에서 고정되는 반도체 열전소자의 위치 평탄도를 일정하게 유지하여 표면 접착성을 향상시킴은 물론, 제 2 세라믹박판과 소자고정용 알루미늄의 팽창지수를 동화시키도록 약 90∼100℃의 온도에서 약 60∼90분의 시간동안 이루어지도록 함을 특징으로 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 에폭시의 경화는,

반도체 열전소자가 완전밀폐되어 준 진공상태를 유지하도록 약 90∼100℃의 온도에서 약 3시간 30분∼4시간 동안 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 열전소자를 이용한 제품의 냉각장치 구조.