KR20110011717A - 증기 챔버―열전 모듈 조립체 - Google Patents

증기 챔버―열전 모듈 조립체 Download PDF

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KR20110011717A
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thermoelectric module
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마크 스콧 호데스
알란 마이클 라이온스
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알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

장치는, 증기 챔버를 포함하고, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부와, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈을 포함한다. 본체부의 제 2 주표면은 열전 모듈의 제 1 주표면과 열접촉하고 있다. 히트 싱크는 열전 모듈의 제 2 주표면과 열접촉하는 제 1 주표면을 갖고 있다. 열전 모듈은 본체부와 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성된다.

Description

증기 챔버―열전 모듈 조립체{VAPOR CHAMBER-THERMOELECTRIC MODULE ASSEMBLIES}
본 발명은 전반적으로 열전 모듈(a thermoelectric module)에 관한 것이다.
열전 모듈(TEM)은, 예컨대, 물체를 가열하거나 냉각시키는데 사용될 수도 있고, 혹은 고온의 물체와 접촉하도록 배치되었을 때 전력을 생성하는데 사용될 수도 있는 반도체-기반 디바이스의 분류이다. 일반적으로, 도핑 타입을 변경하는 반도체 입자들은 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 배열된다. 이 입자에 전류가 흐르면, TEM 중 한쪽은 차가와지고, 다른 쪽은 뜨거워진다. 반대로, 열 구배(thermal gradient)에 위치되면, TEM은 부하에 전류를 흐르게 한다. TEM은 디바이스를 냉각시키거나, 피드백 제어 루프의 도움으로 동작 온도를 유지하는데 사용되어 왔다.
본 발명은, 증기 챔버를 포함하고 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부와, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈을 포함하는 장치를 제공한다. 본체부의 제 2 주표면은 열전 모듈의 제 1 주표면과 열접촉하고 있다. 히트 싱크는 열전 모듈의 제 2 주표면과 열접촉하는 제 1 주표면을 갖고 있다. 열전 모듈은 본체부와 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성된다.
다른 실시예는, 증기 챔버를 포함하고 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈 및 제 1 주표면을 가진 히트 싱크를 제공하는 단계를 포함하는 방법이다. 열전 모듈의 제 1 주표면은 본체부의 제 2 주표면과 열접촉하도록 위치된다. 히트 싱크의 제 1 주표면은 열전 모듈의 제 2 주표면과 열접촉하도록 위치된다. 이 방법은 본체부와 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 열전 모듈을 구성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예는 증기 챔버를 포함하고 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부를 포함하는 시스템이다. 열전 모듈은 제 1 및 대향하는 제 2 주표면을 갖는다. 본체부의 제 2 주표면은 열전 모듈의 제 1 주표면과 열접촉하고 있다. 히트 싱크는 열전 모듈의 제 2 주표면과 열접촉하는 제 1 주표면을 갖고 있다. 열을 생성하도록 구성된 디바이스가 본체부의 제 1 주표면과 열접촉하고 있다. 열전 모듈은 디바이스와 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해서는, 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 참조한다.
도 1은 디바이스 및 고체 열 확산기의 종래의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 디바이스 및 증기 챔버 열 확산기의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 TEM을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 실시예를 도시하는 도면,
도 5(a) 및 5(b)는 증기 챔버 본체부의 내부 기능을 나타내는 도면,
도 6(a), 6(b) 및 6(c)는 TEM의 동작 모드를 나타내는 도면,
도 7은 디바이스 및 증기 챔버 본체부를 나타내는 도면,
도 8은 온도 분포를 나타내는 도면,
도 9는 TEM의 동작 특성을 나타내는 도면,
도 10은 증기 챔버 본체부와 접촉하도록 배치된 다수의 TEM을 구비한 실시예를 나타내는 도면,
도 11은 증기 챔버가 TEM와 일체화된 것을 나타내는 도면,
도 12는 가변 전도도 전열 파이프를 포함한 실시예를 나타내는 도면이다.
과거, 설계자들은 증기 챔버를 포함하는 본체부와 히트 싱크를 직접 열접촉시켜서 배치했다. 여기서 사용되는 열접촉이란 2개의 본체부 사이 혹은 하나의 본체부와 냉각 매체 사이에서의 상당한 열의 전도를 의미한다. 이 용어를 사용할 때, 예컨대, 공중으로의 부수적인 혹은 사소한 열 전달은 분명하게 배제된다. 또한, 이 용어는, 열 결합 보조제(예컨대, 열 그리스) 혹은 상당히 얇은 절연체와 같은 열 전도층에 의해 분리된 2개의 본체부 사이의 열 결합을 포함한다. 이러한 설계에서는, 증기 챔버와 히트 싱크 사이에서의 열 도전성 패드 혹은 그리스의 통상적인 사용에 의해, 이들 사이의 열 저항을 줄이는 것에 우선 순위를 둔다. 그러나, 이 구성에서 히트 싱크와 증기 챔버 사이의 열 저항은 변함없다.
환언하면, 고체 구리 열 확산기가 열 생성 디바이스에 부착되었다. 하나의 히트 싱크는 열 확산기에 직접 부착되었고, 다른 하나의 히트 싱크는 TEM를 거쳐서 열 확산기에 부착되었다. 예컨대, G.L.Solbrekken 등의 "Heat Driven Cooling of Portable Electronics Using Thermoelectric Technology, IEEE Trans. Advanced Packaging, Vol.31 No, 2, May 2008.를 참고한다. 이 문헌에서는, 디바이스의 냉각은, 고체 열 확산기 및 히트 싱크를 지나는, 디바이스로부터 공중으로의 낮은 열-저항의 열 전달 경로를 포함했다. 또한, 열-생성 디바이스에 의해 생성된 열 중 전력으로 변환되는 부분은 작다.
그러나, 측방향 열 전도도가 한정되어 있기 때문에 고체 열 확산기의 유효 크기는 확산 저항에 의해 제한된다. 도 1은 종래의 열-생성 디바이스(110) 및 고체 열 확산기(120)의 구성을 나타내는 도면이다. 디바이스(110)로부터 열 확산기(120)로의 열 흐름은 열 확산기(120) 상에서 디바이스(110)가 차지하고 있는 공간 내를 향하지만, 이 공간 밖으로 측방향으로도 흐른다. 열 확산기(120)가 한정된 열 전도도를 갖고 있기 때문에, 디바이스(110)로부터의 거리가 증가할수록 열 흐름의 속도는 저하되고, 그 결과 유효 확산 직경(130)이 만들어진다. 직경(130)의 크기는, 디바이스(110)로부터의 열 흐름의 크기 및 열 확산기(120)의 두께 및 열 전도도와 같은 인자에 따라서 달라질 것이다. 그러나, 직경(130) 밖에서, 열 확산기(120)와 열 접촉하는 히트 싱크는 충분한 열을 공중으로 전달하지 않을 것이다. 따라서, 유효하게는, 열 확산기(120) 및 이에 부착된 히트 싱크의 크기는 직경(130)의 범위로 제한된다. 따라서, 예컨대, 고체 열 확산기는, 동작 중인 전자 디바이스로부터의 열을 소멸시키기 위해서 히트 싱크에 접하는데 이용가능한 표면적을 효율적으로 증가시키는 성능이 비교적 제한된다.
TEM를 지나는 열속(heat flux)의 속도(예컨대, w/m2)가 낮으면 TEM의 펌핑 효율은 큰 것이 전형적이다. 전형적으로, 그리고 여기서 사용되는 펌핑 효율은 디바이스로의 혹은 디바이스로부터의 열 전달 속도를 TEM에 공급되는 전력으로 나눈 것이다. 유사하게, TEM에 의한 전력 생성 효율은 TEM에 공급되는 열과 TEM에 의해 생성된 전력의 비율을 나타낸다. 고체 확산기의 유효 부분의 측방향의 범위가 제한되어 있으므로, 설계자가 소망의 효율과 관련해서 충분히 낮은 열속을 달성하는 능력이 제한받는다.
우리는, 디바이스와, 큰 TEM 혹은 TEM의 뱅크 사이에서 열 확산기로서 간단한 금속판 대신 증기 챔버를 사용하면 종래의 실행시에 있었던 제한을 극복할 수 있다는 것을 알았다. 이하 설명된 일부 실시예에서, 증기 챔버 열 확산기는 디바이스 및 TEM과만 열접촉하고 있다. 이러한 새로운 구성은 열 제어 및 전력 생성 애플리케이션에서의 TEM의 효율을 상당히 예상할 수 없을 정도로 증가시킨다.
고체 열 확산기 대신 증기 챔버를 사용함으로써, 큰 TEM 혹은 TEM의 뱅크의 단부(예컨대, 디바이스의 크기×10 이상) 및 TEM에 부착된 히트 싱크를 포함하도록, 열이 흐르는 범위를 효율적으로 연장하는 수단을 제공한다. 측방향의 열의 흐름을 연장시킬 수 있으면, TEM을 지나는 열 흐름 밀도를 감소시켜서 TEM이 더 효율적인 동작 체계로 동작될 수 있게 된다. 따라서, 예컨대, 가열 모드 혹은 냉각 모드에서 TEM에 의해서 열의 낭비가 발생하는 것이 상당히 감소될 수 있고, 혹은 시스템 내에서 열이 낭비되는 것에 의한 전력의 상당한 부분이 복원되어서 시스템 내의 작업을 유용하게 할 수 있다.
도 2는 증기 챔버를 둘러싸는 본체부(220)와 열접촉하고 있는 열 생성 디바이스(210)를 도시하고 있다. 이하 상세하게 설명되는 바와 같이, 본체부(220)는 작동 유체(working fluid)의 기화-응축 순환을 이용해서 동작하고, 그 결과 측방향 열 전도도는 고체 열 확산기(120)보다 더 커진다. 전형적으로, 열 확산기(120)의 종방향 열 전도도는 구리로 이루어진 고체 열 확산기(120)보다 훨씬 더 낮지만, 측방향 전도도는 예컨대, 고체 히트 싱크의 측방향 전도도의 10×~100×가 될 수 있다. 측방향 전도도가 높으면 유효 확산 직경(230)은 열 확산기(220)의 측방향 범위와 거의 동일하게 되어 효율적이다. 따라서, 종방향 열 전도도는, 측방향 열 전도도가 더 커짐으로써 증가될 수 있는 히트 싱크의 유용한 표면적의 오프셋보다, 더 낮아질 수 있다. 또한, 고체 열 확산기(120)를 이용할 때보다 더 균일한 형태로 열이 디바이스(210)로부터 상부 표면으로 전달된다. 따라서, 열 확산기(220) 중 디바이스와 열접촉하는 면에 대향하는 표면이 TEM과 열접촉하도록 배치되는 경우에, 예컨대, TEM은 그 표면에서의 열의 흐름이 더 균일하게 분산된다는 것을 관찰할 수 있다.
도 3에는, 예시적인 TEM(300)이 도시되어 있다. TEM(300)은 n-도핑 입자(310) 및 p-도핑 입자(320)를 포함한다. 입자(310, 320)는 제 1 전극 세트(330) 및 제 2 전극 세트(340)에 의해 접속된다. 입자(310, 320) 및 전극(330, 340)은 전기적으로는 직렬이고, 열적으로는 병렬이 되도록 구성된다. 하부 기판(350) 및 상부 기판(360)은, TEM(300)을, TEM(300)이 열접촉하게 배치되는 물체와 전기적으로 분리시키고, 물리적인 강도를 제공하는 역할을 한다. 동작시에, 전류 I가 흐르면, n-도핑 입자(310)를 지나는 전류 흐름의 방향은 음의 열 구배가 되고, p-도핑 입자(320)를 지나는 전류 흐름의 방향은 반대로 된다. 기판(350, 360)은 예컨대, 알루미나(AI2O3), 질화 알루미늄(AlN) 및 산화베릴륨(BeO)과 같은, 충분히 높은 열 전도도를 가진 전기 절연 세라믹으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 입자(310, 320)를 지나는 열속이 증가함에 따라서 TEM(300)에 의한 열 전달 효율은 감소된다. 열 확산기(220)에 의한 열 전달의 균일성 및 측방향 범위를 더욱 크게 하면, 열 확산기의 크기를 크게 하는 능력을 제공하며, 이로써 입자(310, 320)를 지나는 열속을, 증가된 효율과 관련된 값까지 제한하게 된다. 열 확산기(220)가 더 낮은 확산 저항을 제공하기 때문에, 고체 열 확산기(120)를 사용하는 것보다 열 확산기를 더 크게 할 수 있어서, 원하는 열속을 얻을 수 있다.
도 4를 참조하면, 상술한 인식에 따른 실시예(400)가 도시되어 있다. 디바이스(410)는 증기 챔버를 포함하는 본체부(420)와 열접촉하고 있다. 본체부(420)는 제 1 주표면(422) 및 대향하는 제 2 주표면(424)을 갖고 있다. 디바이스(410)는 본체부(420)의 제 1 주표면(422)과 열접촉하고 있다. 본체부(420)의 제 2 주표면(424)은 TEM(430)의 제 1 주표면(432)과 열접촉하고 있다. TEM(430)의 대향하는 제 2 주표면(434)은 히트 싱크(440)의 제 1 주표면(442)과 열접촉하고 있다. 예시된 실시에서와 같이, 일부 실시예에서, 제 2 주표면(424)만이 제 1 주표면(432)과 열접촉하고 있다. TEM(430)의 대기로의 방사 및 사소한 열 전달은 무시한다. 히트 싱크(440)는 제 2 주표면(444)을 갖고 있으며, 이 제 2 주표면(444)은 냉각 유체와의 경계를 형성하고 있다. 히트 싱크(440)는 예컨대 핀형(finned) 히트 싱크로 도시되어 있으며, 이 경우 냉각 유체는 주변 공기가 될 수 있다. 히트 싱크(440)는 예컨대, 액체 냉각식 히트 싱크 혹은 마이크로채널 히트 싱크를 포함하는 다른 형태의 열 싱크가 될 수도 있고, 핀(fin)을 포함할 수도 포함하지 않을 수도 있다. TEM(430)은 직사각형 형상의 종래의 TEM이 될 수도 있고, 예컨대, 방사형과 같은, 다른 형상을 가질 수도 있다. 미국 특허 출원 제 11/618,056 호를 참조하며, 이는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본체부(420)의 주표면(422, 424)은 전체적으로 본체부(420)의 외부 표면적 대부분을 포함하는 표면이다. 유사하게 TEM(430)의 주표면(432, 434)이 정의된다. 히트 싱크(440)의 제 1 주표면(442)은 실질적으로 매끄러운 표면으로, 히트 싱크(440)가 TEM(430)와 열접촉하게 배치하도록 구성할 수 있다. 일부 경우에, 주표면은 실질적으로 평면이어서, 하나의 소자, 예컨대 본체부(420)를, 이웃하는 소자, 예컨대 TEM(430)과 열접촉하도록 배치하는데 도움이 된다. 주표면은 평면일 필요는 없고, 대신 디바이스(410)의 형상에 맞춰서 곡선형이 될 수 있다.
디바이스(410)는, 예컨대, 동작시에 전력을 소멸시키도록 구성된 전자 구성 요소와 같이 열을 소멸시키도록 구성된 임의의 디바이스가 될 수 있다. 이러한 디바이스의 예는 전력 증폭기, 마이크로프로세서, 광 증폭기 및 일부 레이저를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 디바이스 중 일부는 100W 이상 소멸시킬 수 있으며, 온도로는 300-400℃에 이른다.
도 5(a) 및 5(b)는 본체부(420)를 더 상세하게 도시한 것이다. 도 5(a)는 본체부(420)가 TEM(430)와 함께 동작해서 디바이스(410)로부터 히트 싱크(440)로 열을 전달하는 것을 도시하고 있다. 벽(510)은 심지(wick)(520)와 증기 챔버(530)를 포함하는 본체부(420)의 내부 체적을 형성하고 있다. 심지(520)는 알콜 혹은 물과 같은 작동 유체로 젖어 있다. 벽(510)은 본체부(420)에 구조적인 지지를 제공하며(때로는, 도시 생략한 내부 구조 지지에 더해서), 본체부(420)가 주표면(422, 424) 사이에서의 열 저항이 확실히 낮도록, 충분한 열 전도도를 갖는다. 벽(510)의 열 전도도는 충분히 높아서, 디바이스(410)와 심지(520) 사이 및 심지(520)와 TEM(430) 사이에서 열이 효율적으로 전달될 수 있다. 벽(510)은 열이 심지(520)로 전달되기 전에 측방향 확산도 제공하며, 이는 전형적으로 훨씬 낮은 열 전도도를 갖는다. 벽(510)은 구리 혹은 알루미늄과 같이, 약 200W/m-K 이상의 열 전도도를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 본체부(420)의 현재 시판되고 있는 예는 Thermacore International Co., Lancaster PA가 제조한 Therma-Base™ 증기 확산기이다.
벽(510)은 심지(520)와 적어도 부분적으로 선을 이루고 있다. 심지(520)는 예컨대, 소결 구리, 발포 금속 혹은 스크린, 혹은 유기 섬유 물질과 같은 다공성 물질이 될 수 있다. TEM(430)이 디바이스(410)를 냉각시키도록 구성되는 경우에, 작동 유체는 심지(520)로부터 기화되어서 증기 챔버(530) 내의 증기가 되고, 상태 변화와 관련된 기화 열에 기인한, 디바이스(410) 부근으로부터의 에너지를 전달한다. 증기는 증기 챔버(530)로부터 확산되어서 제 2 주표면(424) 부근에서 심지(520) 상의 액체-증기 계면에서 응축되며, 이로써 작동 유체의 응축열을 제 2 주표면(424)의 넓은 영역으로 전달한다. 이후에 응축된 작동 유체는 모세관 작용에 의해서 심지(520) 내에서 디바이스(410) 부근 영역으로 순환된다.
도 5(b)는 TEM(430)이 열을 히트 싱크(440)로부터 디바이스(410)로 전달하도록 구성되는 경우의 본체부(420)의 동작을 나타내고 있다. 이 경우, 작동 유체는 제 2 주표면(424) 부근의 심지(520)로부터 기화되고, 제 1 주표면(422) 부근의 심지(520)에서 응축된다. 열은 벽(510)을 지나서 전도되어서, 디바이스(410)로 전달된다. 디바이스(410)가 주표면(422) 중 디바이스(410)가 차지하는 부분 밖의 영역보다 더 낮은 온도에 있는 경우에, 디바이스(410) 부근의 심지(520) 영역에서는 응축이 더 클 것으로 생각된다. 따라서, 이 경우, TEM(430)에 의해 공급되는 열은 디바이스(410) 부근으로 집중된다. 디바이스(410)로 열을 전달하는 것은, 예컨대 디바이스(410)의 온도를 능동 피드백에 의해서 제어하는 경우에 바람직할 것이다. 디바이스(410) 온도의 능동 제어가 사용되는 경우에는, 이는 예컨대 펄스폭 변조 혹은 비례 제어와 같은 종래의 방법 혹은 앞으로 개발될 방법을 이용할 수 있다.
TEM(430)를 지나는 전류 흐름의 방향이 TEM(430)의 어느 쪽이 더 냉각될지를 결정한다. 도 6(a)를 참조하면, 전류 흐름의 방향이 n-도핑 입자의 상부로부터 바닥부를 향하도록(규정대로 전자 흐름에 반대 방향) 전원이 구성된다. 정공의 흐름은 p-도핑 입자의 상부로부터 바닥부를 향한다. 결과적으로, 도시된 TEM의 상부측이 하부측보다 더 냉각된다. 도 6(b)에서, 전류 흐름의 방향이 반대가 되면, 하부측이 상부측보다 더 냉각된다. 도 6(c)에서, TEM에 의해 전력이 생성되는 경우가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 구성된 TEM의 상부측이 하부측보다 더 고온이되면, TEM은 전위차를 형성해서, 도시된 방향으로 전류를 구동할 수 있다. 이 전류는 저항 부하 R이 바로, 혹은 원하는 전압으로 변환된 이후에, 작동하는 데 사용될 수 있다.
도 7은 디바이스(410)와 본체부(420)의 상대적인 영역을 도시하고 있다. 정사각형 디바이스(410) 및 정사각형 본체부(420)인 경우가 도시되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본체부(420)의 변 길이는 L1이고, 디바이스의 변 길이는 L2이다. 영역(710)은 디바이스(410)와 본체부(420) 사이의 접촉 영역을 나타낸다. 다른 영역(720)은 본체부(420)의 표면 중 디바이스(410)와 접촉하지 않는 부분을 나타내고 있다. 다른 영역(720)과 접촉 영역(710)의 비율은 디바이스(410)와 본체부(420)의 조합과 관련된 확산 비율이다.
다른 영역(720)은 Δ2+2ΔL2로 표현될 수 있으며, 여기서 Δ=L1-L2이다. Δ=2L2 이상이면, 다른 영역(720)은 Δ의 제곱으로 증가한다. 따라서, Δ가 2L2 이상으로 증가하면 디바이스(410)로부터의 열은 빠르게 확산한다. 확산 인자는 다른 영역(720)을 영역(710)으로 나눈 비율로서 정의된다. 일 실시예에서, L1은 L2의 약 7배 이상이고, 따라서 확산 인자는 약 50이 된다. 다른 실시예에서, L1은 L2의 약 10배 이상이고, 따라서 확산 인자는 약 100이 된다. 원형의 디바이스(410) 및 본체부(420)의 경우에도 유사한 결과가 나온다.
또 다른 실시예에서, 디바이스의 전력 공급이 중단되어 있는 동안, 열은 히트 싱크(440)와 디바이스(410) 사이에서 전달된다. 예컨대, 디바이스(410)는 전력을 공급받기 전에 냉각될 수도 있고, 동작 이후에 가열될 수도 있다. 예컨대 광학 장치는, 개시시에 교정된 온도 범위에서 동작할 수 있도록, 사전 가열되는 것이 바람직할 수 있다. TEM(430)은 필요에 따라서는 본체부(420)와 함께 동작해서, 온도 변화의 속도를 제한할 수도 있다. 디바이스(410)가 고온인 경우에, 예컨대, TEM(430)은 디바이스(410)를 히트 싱크(440)로부터 열적으로 보호하는데 사용될 수도 있고/있거나 디바이스(410) 및 히트 싱크(440)가 낮은 저항 경로에 의해 열적으로 결합되어 있는 경우보다 더 낮은 속도로 열을 제거하도록 제어될 수 있다. TEM(430)이 디바이스(410)로 열을 전달하도록 구성되어 있는 경우에, 디바이스(410)를 가열하는데 이용할 수 있는 전체 전력은 TEM(430)과 디바이스(410)가 동일한 면적을 갖고 있는 경우에 이용할 수 있는 전력보다 크다.
도 8은 본체부(422)의 제 1 주표면에서의 온도 프로파일을 이론적으로 도시한 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 간략하게 하기 위해서 디바이스(410)는 원형인 것으로 도시되어 있다. TEM(430)은 가열 모드로 동작하고 있어서, 즉 제 2 주표면(434)으로부터 제 1 주표면(432)으로 열이 흐르게 하는 경우에, 디바이스(410)의 온도는 국소 최소(local minimum)가 된다. 온도는 디바이스(410)로부터의 거리가 멀어짐에 따라서 증가한다. 증기 챔버에서의 작동 유체의 응축은 온도가 더 낮은 영역에서 더 클 것으로 예상된다. 반대로, TEM(430)이 냉각 모드로 동작하고 있어서, 즉 제 1 주표면(432)으로부터 제 2 주표면(434)으로 열이 흐르게 하는 경우에, 디바이스(410)의 온도는 국소 최대가 된다. 온도는 디바이스(410)로부터의 거리가 멀어짐에 따라서 감소한다. 증기 챔버에서의 작동 유체의 기화는 온도가 훨씬 더 낮은 영역에서 더 클 것으로 예상된다.
일 실시예에서, TEM의 개개의 입자에 부과되는 외부 열속은, TEM가 효율적으로 동작할 수 있는 값 이상으로 제한된다. 예컨대, 이 열속은 주울 열이 TEM을 지나는 열속에 크게 기여하는 값 이상으로 제한될 수 있다. 열속은, 개개의 입자(310, 320)를 지나는 열 흐름의 속도가 최대값을 초과하지 않도록, 디바이스(410) 면적에 상대적인 본체부(420)의 제 1 주표면(422)의 면적을 선택함으로써 제한될 수 있다. 열 전달 효율은, 제어 전류 흐름에 기인해서 입자 내에서 전력이 소멸함으로써 부분적으로 제한된다. 이 전류는 입자 내에서 주울(I2R) 열을 일으키고, 이는 시스템으로부터 추출되어야 하는 열에 더해져서, 열 전달시에 입자(310, 320)의 효율을 감소시킨다.
이렇게 상충되는 인자들이 도 9에 도시되어 있으며, 여기서 임의의 유닛의 TEM 특성이 TEM를 지나는 전류 I의 함수로 도시되어 있다. 전류 I가 증가함에 따라서, 한쪽 입자의 계면(예컨대, 입자(310)와 전극(300) 사이의 계면)으로부터의 펠티어 흡열 효과 및 다른 입자의 계면(예컨대, 입자(310)와 전극(340) 사이의 계면)으로부터의 펠티어 흡열 효과가 거의 선형 특성(910)으로 나타난다. 따라서, 펠티어 흡열 효과는 전류의 증가에 따라서 증가한다. 주울 열은 거의 제곱 법칙 특성(920)으로 증가한다. 따라서, 디바이스측에서 TEM로부터 외부로의 열 전달의 순수한 속도(930)는 제어 전류 950에서 최고값(940)을 보인다. 이하 제어 전류(950)는 Imax로 표시한다. 성능은 예컨대, TEM의 가열측과 냉각측 사이의 온도차 ΔT 혹은 열이 냉각측에서 펌핑되는 속도 q가 될 수 있다. Imax에서, 이들 성능 지표는 각각 ΔTmax 및 qmax로 표시된다.
일부 실시예에서, TEM(430)은, qmax가 디바이스(410)의 최대 설계 전력 소멸값과 거의 같아지도록 구성된다. 최대 설계 전력 소멸값은, 전자 구성 요소의 지정된 최대 설계 전압에서의 전력 소멸값과 같이, 디바이스(410)로부터 예상되는 전력 소멸값이다. 일반적으로, TEM 입자의 제어 전류가 낮다는 것은 입자의 동작 효율, 즉 다수의 입자로 이루어진 TEM의 동작 효율이 크다는 것으로 이어진다. 일부 실시예에서, TEM는 Imax의 약 50% 이하의 전류로 동작된다. 다른 실시예에서, TEM는 Imax의 약 10% 이하의 전류로 동작된다. 또 다른 실시예에서, TEM는 약 Imax의 5% 이하의 전류로 동작된다. 경우에 따라서는, TEM는 약 Imax의 1% 이하의 전류로 동작된다. 일반적으로, 개개의 TEM의 Imax, ΔTmax 및 qmax는 그 TEM의 특정 설계 파라미터에 따라 달라질 것이다.
전력을 생성하도록 구성된 TEM(430)의 성능 특성은 도 8에 도시된 것과 유사하다. 따라서, 전력 생성 효율은 또한 TEM의 개개의 입자를 지나는 전류가 감소함에 따라서 증가한다. 따라서 본체부(420)의 열 흐름의 확산은 전력 생성 모드에서 바람직하다.
도 10을 참조하면, 다수의 TEM(1010)을 가진 실시예가 도시되어 있고, 각각의 TEM(1010)은 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 갖고 있다. TEM(1010)은 제 1 서브셋(1010a)(이 실시예에서는 하나의 TEM) 및 제 2 서브셋(1010b)로 나누어진다. 각각의 열전 모듈의 제 1 주표면은 본체부(420)의 제 2 주표면(424)과 열접촉하고 있다. 각각의 TEM(1010)의 제 1 주표면의 면적은 본체부(420)의 면적보다 작다. 일부 실시예에서, 하나의 히트 싱크(도시 생략)이 하나 이상의 TEM(1010)에 부착되어 있지만, 다른 실시예에서는 개개의 히트 싱크마다 각각의 TEM(1010)가 부착되어 있다.
TEM은 일반적으로 고온측과 냉각측이 서로 다르게 팽창하기 때문에 휘어짐을 경험하게 된다. 전형적으로, 이러한 효과는 TEM의 최대 차지 면적을 약 2인치×2인치로 제한하고, 이 이상에서는 휘어짐은 기계적인 고장을 일으킨다. 일 실시예에서, 다수의 TEM을 사용함으로써 이러한 기계적인 고장의 위험을 제거한다. 도시된 실시예에서는 9개의 개개의 TEM(1010)가 도시되어 있지만, 특정한 설계 요구에 따라서는 더 많거나 더 적은 TEM이 사용될 수 있다. 일반적으로, 고체 열 확산기는 제 2 서브셋(1010b)에 제 1 서브셋(1010a)과 거의 같은 열 흐름을 제공할 정도로 낮은 확산 저항은 제공하지 않을 것이라는 점에 주의한다.
다수의 TEM이 본체부(420)와 열접촉하고 있는 일부 실시예에서, 각각의 TEM(1010a, 1010b)은 히트 싱크, 예컨대 히트 싱크(440) 중 국한된 열 전달 특성을 가진 부분과 열접촉하도록 구성된다. 예컨대, 히트 싱크(440)는 냉각 매체로 열을 전달하는 제 1 속도를 갖도록 구성된 제 1 부분과, 냉각 매체로 열을 전달하며, 이 제 1 속도보다 큰 제 2 속도를 갖도록 구성된 제 2 부분을 가질 수 있다. 이는 히트 싱크(440)의 주변부가 내부보다 더 빠른 속도로 대기중으로 열을 전달하는 경우가 될 수 있다. 일 실시예에서, TEM(1010a)는 유닛 영역 상에서는 제 1 열 전달 속도 q를 갖도록 구성되고, TEM(1010b)는 유닛 영역 상에서는 제 1 열 전달 속도보다 큰 제 2 속도 q+δq를 갖도록 구성된다. 따라서, 예컨대, 열 생성 디바이스로부터의 열은 히트 싱크(440) 중 주변부로 열을 전달하도록 구성된 부분을 향하게 되고, 이는 전체 열 흐름을 증가시킬 수 있다.
경우에 따라서, 히트 싱크의 주변부와 열접촉하는 TEM, 예컨대 TEM(1010b)은 히트 싱크의 내부와 열접촉하는 TEM, 예컨대 TEM(1010b)과는 다른 효율로 동작하도록 구성될 수 있다. 이는, 다른 열 전달 속도로 TEM(1010a, 1010b)가 동작하는 것이, 펠티어 열 전달 특성(910) 상의 다른 지점에서의 동작으로 나타나는 경우가 될 수 있다. 경우에 따라서, TEM(1010a, 1010b)은 개별적으로, 가열 모드 및/또는 냉각 모드에서 서로 다른 열 전달 속도를 생성하도록 전기적으로 제어될 수 있다. 따라서, TEM(1010a, 1010b)은 히트 싱크의 제 1 주표면(442) 상의 열의 분포를 제어하도록 구성될 수 있다. 파워를 생성하도록 구성되는 경우에, 각각의 TEM(1010a, 1010b)은 예컨대, 소망의 전력/전압 관계가 이루어지도록, 필요에 따라서 직렬 혹은 병렬로 구성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 일체형 TEM/증기 챔버(1100)의 실시예가 도시되어 있다. 일체형 TEM/증기 챔버(1100)는 TEM(1110) 및 본체부(420)를 포함한다. 벽(510)이 TEM(1110)의 기판을 형성하고 있으며, 이는 벽(510)이 TEM의 일체형 기판으로서 형성되어 있다는 것을 의미한다. 이렇게 구성함으로써, 각각의 TEM(430)과 본체부(420)가 물리적으로 접촉하도록 배치되어 있는 경우에 존재하는 열 계면을 제거할 수 있다. 열 계면을 제거하면, 본체부(420)가 TEM 기판으로 일체화되지 않은 경우에 비해서 TEM(1110)과 본체부(420) 사이의 열 저항이 감소될 것으로 예상된다. 이로써 조립체의 높이를 감소시킬 수 있다. 높이의 감소는, 예컨대 원격 통신 회로 팩의 경우와 같이, 적층 높이가 제한되는 경우에 바람직하다. 벽(510)이 세라믹 외층을 포함하는 경우에, TEM(1110)의 전극(340)은 벽(510) 바로 위에 형성될 수 있다. 벽(510)이 도체로 이루어지는 경우에, TEM(1110)과 본체부(420) 사이에 광학 절연 박막(1120)이 놓일 수 있다. 박막(1120)은 예컨대, Kapton®와 같은 폴리이미드 막이 될 수 있다. 이 실시예에서, 전극(340)은 제조 과정의 일부로서 박막(1120) 바로 위에 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, TEM(430)은 디바이스(410)에 의해 소멸되는 낭비 열로부터 전기 파워를 생성하도록 구성될 수 있다. 과거, 전자기기의 패키지 온도는 일반적으로 약 100℃를 넘지 않았다. TEM에 의한 전력 생성 효과는 일반적으로, 예컨대, 10% 이하로, 비교적 낮다. 디바이스(410)의 온도가 100℃ 이하면, TEM을 이용한 전력 전환의 효율은, 유용한 전력량을 회복하기에는 너무 낮다. 그러나, 입자-전극 계면에서의 접합 온도가 더 높으면 이 효율은 더 높은 것이 일반적이다. 또한, TEM의 가열측과 냉각측 사이의 온도차가 더 크면, 이 효율은 더 높을 것으로 예상된다.
일부 전자 기기, 예컨대 일부 새로운, 탄화 규소 기반 전력 증폭기는, 약 350℃에서 약 400℃의 범위의 동작 온도를 갖도록 구성될 것으로 예상된다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 메트릭 수치 ZT=2αT/(4*k*p)가 약 0.5인 현재의 열전 물질의 경우에 냉각측이 20℃라고 가정하면, TEM(430)의 최대 변환 효율은 약 350℃에서 약 400℃의 범위에서 약 5%에서 7.5%가 될 것으로 예상되며, 여기서 α는 p형 입자와 n형 입자의 제벡(Seebeck) 계수의 차이이고, k는 입자의 열 전도도이며, p는 입자의 전기 저항이고, T는 켈빈 온도이다. 초격자와 같은 새로운 열전 물질의 경우에, 예컨대, 최대 변환 효율은 이 온도 범위에서 약 20%가 될 것으로 예상된다. 실제 TEM은 일반적으로 서로 다른 효율 특성을 가질 것이다. 이러한 복원 가능 전력의 부분은 복원 범위를 입증하기에 충분히 클 것으로 상정된다. 전력 생성 모드로 동작하는 TEM(430)으로부터의 전류는 종래의 방법에 의해서 원하는 전압으로 변환되어서, 필요로 하는 시스템에서 사용될 수 있다.
도 12를 참조하면, TEM(1210)이 가변 저항 열 전달 디바이스(1230)에 의해서 히트 싱크(1220)에 열 결합된 실시예(1200)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 가변 저항 열 전달 디바이스(1230)는 예컨대, VCHP(a variable conductance heat pipe)이다. 가변 저항 열 전달 디바이스에 대한 세부 사항은 Bolle 등의 미국 특허 제 7,299,859 B2, "Temperature Control of Thermooptic Devices"에서 찾을 수 있고, 이는 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본체부(1240)는 선택적으로 TEM(1210)과 일체화되어서 TEM(1210)의 기판을 형성한다. 디바이스(1250)는 본체부(1240)의 주표면 상에 장착된다. TEM(1210)은, 가변 저항 열 전달 디바이스(1230)의 단부가 삽입되는 열 도전성 블록(1260) 상에 장착된다.
가변 저항 열 전달 디바이스(1230)는 아르곤과 같은 불응축 가스(NCG)와 저장부(1270) 내의 동작 유체의 증기의 혼합물의 체적을 변경해서, 동작 유체의 순수 증기 상태(1280)의 체적을 바꾸는 원리에 따라서 동작한다. 따라서, TEM(1210)을 히트 싱크(1220)에 결합시키는 것은 제어 가능한 상태로 바뀔 수 있다.
가변 저항 열 전달 디바이스(1230)는 예컨대, 디바이스의 열 소멸이 감소될 때, TEM(1210)과 히트 싱크(1220) 사이의 열 저항을 감소시키는 수단을 제공한다. 아울러, 제어되는 TEM(1210)과 히트 싱크(1220) 사이의 열 접촉의 변화율은 바람직하게 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 가변 저항 열 전달 디바이스(1230)는 TEM(1210)의 동작 모드에 따라서 TEM(1210)과 히트 싱크(1220) 사이의 열 결합을 조정하는데 사용된다. 따라서, 일 실시예에서, 이 결합은, TEM(1210)이 디바이스(1250)를 냉각시키도록 구성될 때 증가되고, TEM(1210)이 디바이스(1250)를 가열하도록 구성될 때 감소된다.
본 발명이 관련된 기술 분야에 종사하는 자라면, 본 발명의 범주를 벗어남없는, 상세한 설명에 대한 다른 추가, 삭제, 수정 및 변경을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 증기 챔버를 포함하고, 제 1 주표면(major surface) 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부와,
    제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈 - 상기 본체부의 상기 제 2 주표면은 상기 열전 모듈의 상기 제 1 주표면과 열접촉하고 있음 - 과,
    상기 열전 모듈의 상기 제 2 주표면과 열접촉하는 제 1 주표면을 가진 히트 싱크(heat sink)
    를 포함하되,
    상기 열전 모듈은 상기 본체부와 상기 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성되는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기 챔버 및 상기 열전 모듈은, 상기 본체부가 상기 열전 모듈의 기판을 형성하고 있는 일체형 조립체(integrated assembly)인
    장치.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제 2 주표면의 면적보다 면적이 작은, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 각각 갖고 있는 복수의 열전 모듈을 더 포함하고,
    상기 열전 모듈 각각의 상기 제 1 주표면은 상기 본체부의 상기 제 2 주표면과 열접촉하고,
    상기 복수의 열전 모듈의 제 1 서브셋의 열전 모듈은 제 1 유닛 영역 열 전달 속도를 갖도록 구성되고, 상기 복수의 열전 모듈의 제 2 서브셋의 열전 모듈은 상기 제 1 유닛 영역 열 전달 속도보다 높은 제 2 유닛 영역 열 전달 속도를 갖도록 구성되는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은, 상기 본체부의 상기 제 1 주표면과 열접촉하는 디바이스에 의해서 열이 소멸되는 것에 응답해서, 부하에 전력을 공급하도록 구성되는
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    가변 저항 열 전달 디바이스를 더 포함하고,
    상기 열전 모듈의 상기 제 2 주표면 및 상기 히트 싱크의 상기 제 1 주표면은 상기 가변 저항 열 전달 디바이스와 열접촉하는
    장치.
  6. 증기 챔버를 포함하고, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부를 마련하는 단계와,
    제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈을 마련하는 단계와,
    제 1 주표면을 가진 히트 싱크를 마련하는 단계와,
    상기 본체부의 상기 제 2 주표면을 상기 열전 모듈의 상기 제 1 주표면과 열접촉하도록 배치하는 단계와,
    상기 히트 싱크의 상기 제 1 주표면을 상기 열전 모듈의 상기 제 2 주표면과 열접촉하도록 배치하는 단계
    를 포함하되,
    상기 열전 모듈은 상기 본체부와 상기 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성되는
    방법.

  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제 2 주표면의 면적보다 면적이 작은, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 각각 갖고 있는 복수의 열전 모듈을 마련하는 단계와,
    상기 열전 모듈 각각의 상기 제 1 주표면을 상기 본체부의 상기 제 2 주표면과 열접촉하도록 배치하는 단계와,
    상기 복수의 열전 모듈의 제 1 서브셋의 열전 모듈을, 제 1 유닛 영역 열 전달 속도를 갖도록 구성하고, 상기 복수의 열전 모듈의 제 2 서브셋의 열전 모듈을, 상기 제 1 유닛 영역 열 전달 속도보다 높은 제 2 유닛 영역 열 전달 속도를 갖도록 구성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 열전 모듈을, 상기 본체부의 상기 제 1 주표면과 열접촉하는 디바이스에 의해서 열이 소멸되는 것에 응답해서, 부하에 전력을 공급하도록 구성하는 단계를 더 포함하는
    방법.

  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 열전 모듈의 상기 제 2 주표면과 상기 히트 싱크의 상기 제 1 주표면을 가변 저항 열 전달 디바이스와 열접촉하도록 배치하는 단계와,
    상기 열전 모듈이 자신의 상기 제 2 주표면으로부터 자신의 상기 제 1 주표면으로 열을 전달하도록 구성되는 경우에는, 상기 열전 모듈과 상기 히트 싱크 사이에 더 큰 열 결합을 제공하고, 상기 열전 모듈이 자신의 상기 제 1 주표면으로부터 자신의 상기 제 2 주표면으로 열을 전달하도록 구성되는 경우에는, 상기 열전 모듈과 상기 히트 싱크 사이에 더 작은 열 결합을 제공하도록, 상기 가변 저항 열 전달 디바이스를 구성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  10. 증기 챔버를 포함하고, 제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 본체부와,
    제 1 주표면 및 대향하는 제 2 주표면을 가진 열전 모듈 - 상기 본체부의 상기 제 2 주표면은 상기 열전 모듈의 상기 제 1 주표면과 열접촉하고 있음 - 과,
    상기 본체부의 상기 제 1 주표면과의 열접촉으로 열을 생성하도록 구성된 디바이스와,
    상기 열전 모듈의 상기 제 2 주표면과 열접촉하는 제 1 주표면을 가진 히트 싱크
    를 포함하되,
    상기 열전 모듈은 상기 디바이스와 상기 히트 싱크 사이의 열의 흐름을 제어하도록 구성되는
    시스템.
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