KR20090120437A

KR20090120437A - 열전달부재를 구비한 열전모듈

Info

Publication number: KR20090120437A
Application number: KR1020090083489A
Authority: KR
Inventors: 박세훈; 윤진원
Original assignee: 주식회사 씨앤엘; 박세훈; 윤진원
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2009-11-24

Abstract

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류전원을 공급받아 발열 또는 흡열기능을 수행하는 열전모듈에 관한 것으로서, 본 발명은 한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자와, 상기 열전소자에 전원이 공급되도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결되는 전원인가부를 포함하는 열전모듈부와, 상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열전도성 접합물질로 결합되는 열교환부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈을 개시한다.

열전모듈, 발열

Description

열전달부재를 구비한 열전모듈 {Thermal electric module having heat exchanging member}

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류전원을 공급받아 발열 또는 흡열기능을 수행하는 열전모듈에 관한 것이다.

열전모듈이란 양단에 직류(DC)를 인가하면 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어(Peltier) 효과를 가지는 다수개의 열전소자를 직렬로 연결하여 흡열 또는 발열을 이용하여 냉각장치 또는 가열장치 등으로 사용되는 모듈을 말한다.

상기와 같은 열전모듈은 흡열되는 흡열부 또는 발열되는 발열부로 이루어지며, 냉각장치 또는 가열장치로 활용될 때 열전달 효율을 높이기 위하여 흡열부 또는 발열부에 방열핀, 방열블록 등 방열부재가 결합된다. 이때 방열부재는 볼트와 같은 체결부재로 고정구에 고정시켜 열전모듈과 결합된다.

그런데 상기와 같이 방열부재가 열전모듈에 볼트와 같은 체결부재로 결합되는 경우 방열부재와 열전모듈이 면접촉을 이루어 열교환을 이루게 되는데 양부재의 표면이 밀착상태에 따라서 방열부재와 열전모듈 사이에서의 열교환 효율이 저하되어 열전모듈의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 열교환부재와 열전모듈을 열전도성 접합물질에 의하여 결합시킴으로써 열교환 효율을 현저하게 개선한 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 접힌 구조를 가지는 판상의 플레이트를 가공하여 열교환부재로 사용함으로써 소형화가 가능한 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전모듈을 이루는 세라믹 기판에 금속재의 열교환부재와 열전도성 접합물질에 의한 결합이 가능하도록 금속층을 추가함으로써 열전모듈과 열교환부재와의 열교환 효율을 현저하게 개선한 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전모듈을 이루는 세라믹 기판에 금속재의 열교환부재와 열전도성 접합물질을 적용하여 결합함으로써 열전모듈과 열교환부재와의 열교환 효율을 현저하게 개선한 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전모듈의 제조 시 열교환부재를 함께 결합시킴으로써 견고한 구조의 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자와, 상기 열전소자에 전원이 공급되도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결되는 전원인가 부를 포함하는 열전모듈부와, 상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열전도성 접합물질에 의해 결합되는 열교환부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈을 개시한다.

상기 열전모듈부의 나머지 기판에도 열교환부재와 결합될 수 있다.

상기 열교환부재는 금속재질의 플레이트가 지그재그로 접힌 구조를 가질 수 있으며, 지그재그로 접힌 구조의 금속재질의 플레이트가 복수개로 결합될 수 있다.

또한 상기 열교환부재는 'ㄷ' 구조의 금속재질의 박판이 복수개로 결합될 수 있다.

상기 열교환부재의 재질은 구리, 구리합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 기판은 세라믹재질을 이루며, 상기 기판의 표면에는 니켈, 은 및 금 중 어느 하나로 이루어진 금속층이 도포되고, 상기 금속층 상에 상기 열교환부재가 열전도성 접합물질로 결합될 수 있다. 이때 상기 금속층은 도금 또는 용사에 의하여 코팅될 수 있다.

또한 상기 기판은 세라믹재질을 이루며, 상기 기판의 표면에는 열전도성 접착제이 도포되고, 상기 기판 상에 상기 열교환부재를 위치시킨 후에 열전도성 접합물질로 경화시켜 상기 기판과 상기 열교환부재가 결합될 수 있다.

상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열교환부재를 열전도성 접합물질로 결합시키기 위한 열전도성 접합물질의 용융점은 상기 열전소자를 고정하기 위한 열전도성 접합물질의 용융점보다 낮거나 같은 값을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 열전모듈은 열교환부재와 열전모듈을 열전도성 접합물질에 의하여 결합시킴으로써 열교환 효율을 현저하게 개선할 수 있는 이점이 있다.

특히 본 발명에 따른 열전모듈은 열전모듈을 구성하는 기판의 표면에 열전도성 접합물질에 의해 결합이 가능하게 하는 금속층을 추가로 형성함으로써 기판과 열교환부재의 부착상태를 견고히 할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 열전모듈은 접힌 구조를 가지는 판상의 플레이트를 가공하여 열교환부재로 사용함으로써 소형의 열전모듈을 제조할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 열전모듈은 열전모듈을 이루는 세라믹 기판에 금속재의 열교환부재와 열전도성 접합물질에 의한 결합이 가능하도록 금속층을 추가함으로써 열전모듈과 열교환부재와의 열교환 효율을 현저하게 개선할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 열전모듈은 열전모듈의 제조 시 열교환부재를 함께 결합시킴으로써 견고한 구조를 가질 수 있으며 생산이 매우 용이한 이점이 있다.

이하 본 발명에 따른 열전모듈 및 그 제조방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 열전모듈은 열전모듈부(100) 및 열교환부재(200)를 포함하여 구성된다.

상기 열전모듈부(100)는 한 쌍의 기판(111, 112)과, 한 쌍의 기판(111, 112)들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자(134)와, 열전소자(134)와 연결되어 전원을 공급하는 전원인가부(140)를 포함하여 구성된다.

상기 기판(111, 113)은 다수개의 열전소자(134)를 전기적으로 직렬로 연결시키면서 고정시키는 동시에 각각의 열전소자(134)와 열교환을 통하여 외부와의 흡열 또는 발열되도록 구성된다.

상기 기판(111, 113)은 금속, 세라믹 등 다양한 재질이 사용될 수 있으나, 열팽창 등을 고려하여 세라믹 재질이 사용되는 것이 바람직하다.

한편 상기 기판(111, 112)은 열전소자(134)를 견고하게 고정시키면서도 열전소자(134)에 의하여 흡열 및 발열 시에 열전달이 원활하게 이루어지도록 열전소자(134)와 결합될 필요가 있다.

따라서 상기 기판(111, 112)의 내측면에 THERMAL LINK38 등과 같은 열전도율이 높은 재질의 열전도성 접착제가 도포된 후에 그 위에 열전소자(134)들을 직렬로 연결될 수 있도록 다수개의 전극(132, 136)들이 소정의 패턴으로 배치되어 접착된다.

그리고 상기 전극(132, 136)의 표면에는 열전소자(134)와의 결합을 위한 솔더부재나 열전도성 접착제와 같은 열전도성 접합물질(133, 135)이 도포되고 그 위에 열전소자(134)가 위치된 후 가열하여 열전도성 접합물질(133, 135)을 용융함으로써 열전소자(134)와 기판(111, 112)이 고정결합된다.

상기 전원인가부는 한 쌍의 전선들로 구성되어 상기 전극(132, 136) 중 일부와 연결되어 외부전원으로부터 전원을 공급한다.

한편 상기와 같이 구성된 열전모듈부(100)는 전기회로를 구성하게 되므로 수 분, 이물질이 유입되는 경우 오작동의 우려가 있는바 비전도성 물질인 에폭시 등과 같은 실링재(140)로 기판(111, 112)의 테두리부분을 실링한다.

상기와 같은 구성을 가지는 열전모듈부(100)은 전원인가부(140)를 DC 전원과 연결하여 한 쌍의 기판(111, 112) 중 어느 하나는 흡열부로서, 다른 하나는 발열부로 활용하여 냉각장치, 가열장치 등 응용제품을 구성하게 된다.

한편 흡열부 또는 발열부를 구성하는 기판(111, 112)은 일반적으로 평판으로 이루어지므로 열교환 성능이 낮아, 한 쌍의 기판(111, 112) 중 어느 하나 또는 모두에 방열핀과 같은 열교환부재를 추가로 설치할 필요가 있다.

그리고 상기와 같은 열전모듈부(100)는 먼저 제작된 후 열교환부재를 결합시킬 필요가 있는 경우 볼팅 등과 같은 기계적 결합에 의하여 열교환부재와 결합된다.

그런데 상기 열교환부재와 열전모듈부(100)의 기판(111, 112)가 기계적으로 결합되는 경우 면접촉에 의한 열교환이 이루어지는데, 기판(111, 112)은 미세하게는 소정의 거칠기를 가져 열전달 성능이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 본원발명은 열전모듈부(100)와 열교환부재와의 결합방식을 개선하여 열전모듈부(100)의 기판(111, 112)와 열교환부재 사이의 열교환 성능을 향상시키는 것을 기술적 특징으로 한다.

즉, 상기 열교환부재(200)는 열전모듈부(100)의 기판(111, 112)과 기계적 결합 방식이 아닌, 솔더부재나 열전도성 접착제와 같은 열전도성 접합물질(220)를 사용하여 결합된다.

상기 열교환부재(200)를 결합시키기 위한 열전도성 접합물질(220)은 기판(111, 112) 표면의 최대 온도를 고려하여 납, 주석합금 등 다양한 재질의 솔더부재 및 열전도성 접착제가 사용될 수 있다.

한편 상기 열교환부재(200)가 결합되는 기판(111, 112)이 금속인 경우 솔더부재와 같은 열전도성 접합물질에 의하여 접합이 가능하나, 세라믹과 같이 비금속성 물질로 이루어진 경우 솔더부재와 같은 열전도성 접합물질에 의하여 결합이 불가능해 진다.

따라서 상기 열교환부재(200)가 결합되는 기판(111, 112)이 세라믹인 경우에는 그 표면에는 세라믹 재질과 친화성이 있는 금속인, 니켈, 은, 금 등으로 이루어진 니켈, 은 및 금으로 이루어진 금속층(113, 114)이 도포된 후에 그 금속층(113, 114) 위에 열교환부재(200)가 열전도성 접합물질에 의하여 결합될 수 있다. 그리고 상기 금속층(113, 114)은 도금 또는 용사에 의하여 코팅될 수 있다.

또한 상기 기판(111, 112)이 세라믹인 경우 기판(111,112)과 열교환부재(200)를 결합시키는 다른 방법으로서 기판(111, 112)에 열전도성 접착제를 도포한 후 열교환부재(200)를 위치시키고 고온 경화시켜 기판(111,112)과 열교환부재(200)를 결합시킬 수 있다.

상기 열교환부재(200)는 열전도율이 높은 재질을 가지는 구리 또는 알루미늄이 주로 사용되어 방열핀 등 다양하게 구성될 수 있다.

한편 본원발명에 따른 열전모듈은 컴팩트한 공간에 설치되는 경우 그 크기를 축소시킬 필요가 있다.

따라서 상기 열교환부재(200)는 열전모듈 전체의 크기가 소형화가 가능하도록 금속재질의 판상의 부재를 가공하여 제작될 수 있으며, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 금속재질의 플레이트가 지그재그로 접힌 구조를 가질 수 있다. 이때 상기 열교환부재(200)는 지그재그로 접힌 구조의 금속재질의 플레이트가 복수개로 결합될 수 있다.

또한 상기 열교환부재(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 'ㄷ' 구조의 금속재질의 박판(210)이 복수개로 결합될 수 있다. 이때 상기 박판(210)는 이웃하는 박판(210)과 결합되는 것이 바람직하며, 이웃하는 박판(210)에 형성된 걸림홈(212)에 걸림되는 걸림부(211)가 형성될 수 있다.

상기 열교환부재(200)는 상기와 같이 판상의 플레이트를 가공하여 열교환부재(200)를 제작하게 되므로 그 제작의 용이성을 고려하여 프레스 가공 등 가공성이 높은 금속이 사용되며, 바람직하게는 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등이 사용될 수 있다.

상기와 같이 열교환부재(200)가 판상의 플레이트를 가공하여 제작하는 경우 설계조건에 따라서 얇은 박판을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 열전모듈 전체의 소형화가 용이하다.

한편 상기 열교환부재(200)를 열전모듈부(100)의 제작을 완료한 후에 별도로 열전도성 접합물질(220)을 사용하여 결합시키는 경우 열전도성 접합물질(220)을 용융하기 위해 열을 가하여야 한다.

그런데 상기 열교환부재(200)를 결합시키기 위한 열전도성 접합물질(220)을 가열할 때 열전소자(134)를 고정하는 열전도성 접합물질(133, 135)까지 용융되어 열전모듈부(100)의 구조를 변형시켜 고장의 원인으로 작용할 수 있다.

따라서 상기 열교환부재(200)를 열전모듈부(100)의 제작을 완료한 후에 별도로 열전도성 접합물질(220)을 사용하여 결합시키는 경우 그 열전도성 접합물질(220)의 용융점은 열전소자(134)를 고정하기 위한 열전도성 접합물질(133, 135)보다 낮거나 같아야 한다.

한편 상기 열교환부재(200)를 결합시키는 열전도성 접합물질(220)의 용융점이 낮게 되면 발열부 쪽에서 사용될 경우 그 발열에 의하여 열전도성 접합물질(220)이 용융될 수 있으며 발열량에 제한을 받게 된다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본원발명에 따른 열전모듈은 열전모듈부(100) 내의 열전소자(134)를 고정시키기 위한 열전도성 접합물질(133, 135)과 열전모듈부(100)의 기판(111, 112) 중 적어도 어느 하나와 열교환부재(200)를 결합시키는 열전도성 접합물질(220)을 동시에 용융시켜 제작한다.

이때 상기 열교환부재(200)를 결합시키기 위한 열전도성 접합물질(220)의 용융점은 열전소자(134)를 고정하기 위한 열전도성 접합물질(133, 135)보다 낮거나 같게 할 수 있다.

한편 열전모듈부(100)의 제작시 함께 제작하게 됨에 따라서 열전모듈 전체의 정렬이 중요하다.

따라서 본 발명에 따른 열전모듈은 도 5와 6에 도시된 바와 같이, 열전모듈부(100) 및 그 상측에 위치된 열교환부재(200)의 결합상태를 유지하기 위한 지 그(300)에 의하여 제작될 수 있다.

상기 지그(300)는 열전모듈의 크기 및 모양에 대응되는 성형틀(311)을 가지며 그 상측에는 열전도성 접합물질(220, 133, 135)의 용융시 각 부재의 결합을 견고히 하기 위하여 가압장치(미도시)가 설치될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열전모듈을 보여주는 절개도이다.

도 2는 본 발명에 따른 열전모듈을 보여주는 단면도이다.

도 3은 도 2의 열전모듈의 열교환부재의 일예를 보여주는 사시도이다.

도 4는 도 2의 열전모듈의 열교환부재의 다른 예를 보여주는 사시도이다.

도 5는 도 2의 열전모듈의 제작을 위한 지그를 보여주는 평면도이다.

도 6은 도 5의 지그의 일부를 보여주는 단면도이다.

***** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *****

100 : 열전모듈부

111, 112 : 기판 134 : 열전모듈

131, 137 : 열전도성 접착제 132, 136 : 전극

133, 135, 220 : 열전도성 접합물질

200 : 열교환부재 300 : 지그

Claims

한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자와, 상기 열전소자에 전원이 공급되도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결되는 전원인가부를 포함하는 열전모듈부와, 상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열전도성 접합물질로 결합되는 열교환부재를 포함하며,

상기 기판은 세라믹재질을 이루며,

상기 기판의 표면에는 금속층이 도금 또는 용사에 의하여 코팅되고,

상기 금속층 상에 상기 열교환부재가 열전도성 접합물질로 결합되며,

상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열교환부재를 열전도성 접합물질로 결합시키기 위한 열전도성 접합물질의 용융점은 상기 열전소자를 고정하기 위한 열전도성 접합물질의 용융점보다 낮거나 같으며,

상기 열교환부재는 금속재질의 판상의 플레이트가 지그재그로 접힌 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자와, 상기 열전소자에 전원이 공급되도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결되는 전원인가부를 포함하는 열전모듈부와, 상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열전도성 접합물질로 결합되는 열교환부재를 포함하며,

상기 기판은 세라믹재질을 이루며,

상기 기판의 표면에는 금속층이 도금 또는 용사에 의하여 코팅되고,

상기 금속층 상에 상기 열교환부재가 열전도성 접합물질로 결합되며,

상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열교환부재를 열전도성 접합물질로 결합시키기 위한 열전도성 접합물질의 용융점은 상기 열전소자를 고정하기 위한 열전도성 접합물질의 용융점보다 낮거나 같으며,

상기 열교환부재는 지그재그로 접힌 구조의 금속재질의 판상의 플레이트가 복수개로 결합된 것을 특징으로 하는 열전모듈.
한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판들 사이에 설치되는 다수 개의 열전소자와, 상기 열전소자에 전원이 공급되도록 상기 열전소자와 전기적으로 연결되는 전원인가부를 포함하는 열전모듈부와, 상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열전도성 접합물질로 결합되는 열교환부재를 포함하며,

상기 기판은 세라믹재질을 이루며,

상기 기판의 표면에는 금속층이 도금 또는 용사에 의하여 코팅되고,

상기 금속층 상에 상기 열교환부재가 열전도성 접합물질로 결합되며,

상기 열전모듈부의 상기 기판 중 어느 하나와 열교환부재를 열전도성 접합물질로 결합시키기 위한 열전도성 접합물질의 용융점은 상기 열전소자를 고정하기 위한 열전도성 접합물질의 용융점보다 낮거나 같으며,

상기 열교환부재는 'ㄷ' 구조의 금속재질의 박판이 복수개로 결합되며 상기 박판은 모두 상기 열전모듈부와 결합된 것을 특징으로 하는 열전모듈.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 열교환부재의 재질은 구리, 구리합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 열전모듈부의 나머지 기판에도 열교환부재와 결합되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.