KR20120048352A - 열전 장치 - Google Patents

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KR20120048352A
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장수봉
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Abstract

본 발명은 교류 전원을 출력하는 전원부, 복수 개의 열전 모듈 및 복수 개의 열전 모듈 각각에 직렬로 연결되고, 복수 개의 열전 모듈 각각에 서로 다른 극성을 갖는 교류 전원을 인가하는 복수 개의 정류부를 포함하는 열전 장치로 교류 전원을 사용하면서도 발열부 및 냉각부의 위치를 고정시켜 발열 및 냉각 장치의 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.

Description

열전 장치{AC POWERED THERMOELECTRIC DEVICE}
본 발명은 열전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 열전 모듈 각각에 다이오드를 연결하여 교류 전원을 사용하면서도 발열 및 냉각 장치의 기능을 수행할 수 있는 열전 장치에 관한 것이다.
화석 에너지의 사용이 급증함에 따라 지구 온난화 및 에너지 고갈의 문제가 야기되고 있어 최근에는 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 열전 장치에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
열전 장치는 열전 소자의 양단에 온도차를 부여할 경우, 기전력이 발생하는 제백(seebeck) 효과를 이용하는 발전 장치 또는 열전 소자에 전원을 인가할 경우, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어(peltier) 효과를 이용하는 발열 및 냉각 장치로 이용될 수 있다.
상기 펠티어 효과를 이용하는 발열 및 냉각 장치의 경우, 열전 장치에 인가되는 전류의 방향에 따라 발열부(hot side) 및 냉각부(cold side)가 바뀌기 때문에 직류 전원(DC)을 필요로 하였다.
즉, 교류 전원(AC)을 사용할 경우, 열전 소자에 인가되는 전류의 방향에 수시로 바뀌기 때문에 발열부 및 냉각부의 위치가 수시로 변하게 되어 발열 및 냉각 장치로서의 기능을 수행할 수 없었기 때문이다.
따라서, 상기 직류 전원 대신에 교류 전원을 사용하기 위하여 열전 장치에 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터를 열전 장치에 설치하였으나, 열전 장치를 구현하는 시스템이 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명의 사상은 복수 개의 열전 모듈 각각에 다이오드를 서로 다른 방향으로 연결하여 교류 전원을 사용하면서도 발열부 및 냉각부의 위치를 고정시켜 발열 및 냉각 장치의 기능을 수행할 수 있는 열전 장치를 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 의한 열전 장치는 교류 전원을 출력하는 전원부; 복수 개의 열전 모듈; 상기 복수 개의 열전 모듈 각각에 직렬로 연결되고, 상기 복수 개의 열전 모듈 각각에 서로 다른 극성을 갖는 상기 교류 전원을 인가하는 복수 개의 정류부를 포함한다.
이때, 상기 복수 개의 정류부는 상기 전원부에서 양극의 교류 전원이 인가되면, 상기 복수 개의 열전 모듈 중에서 일부가 동작하게 하고, 상기 전원부에서 음극의 교류 전원이 인가되면, 상기 복수 개의 열전 모듈 중에서 나머지가 동작하게 한다.
그리고, 상기 복수 개의 정류부는 서로 다른 극성으로 병렬 연결된다.
또한, 상기 정류부는 다이오드이다.
게다가, 상기 복수 개의 열전 모듈은 서로 병렬로 연결된다.
아울러, 상기 복수 개의 열전 모듈 각각은 제1 및 제2 기판; 상기 제1 및 제2 기판의 내측면에 각각 배치된 제1 및 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되어 제1 및 제2 전극과 접합된 열전 소자를 포함한다.
그리고, 상기 정류부는 상기 열전 모듈 내부에 마련된다.
또한, 상기 복수 개의 열전 모듈은 적층 구조로 구성된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전 장치는 상기 제1 열전 모듈과 병렬로 연결된 제2 열전 모듈; 상기 제1 열전 모듈에 직렬로 연결되어 제1 극성의 교류 전원이 상기 제1 열전 모듈로 인가되도록 제어하는 제1 정류부; 상기 제2 열전 모듈에 직렬로 연결되어 제2 극성의 교류 전원이 상기 제2 열전 모듈로 인가되도록 제어하는 제2 정류부를 포함한다.
이때, 상기 제1 극성은 양극 및 음극 중 어느 하나이고, 상기 제2 극성은 상기 제1 극성과 반대의 극성이다.
그리고, 상기 제1 및 제2 정류부는 서로 다른 극성으로 병렬 연결된다.
또한, 상기 제1 정류부는 애노드-캐소드 순서로 배열되고, 상기 제2 정류부는 캐소드-애노드 순서로 배열된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 열전 장치에 따르면, 복수 개의 열전 모듈 각각에 서로 반대의 극성을 갖는 다이오드를 연결함으로써 양극의 교류 전원이 인가될 때는 일부의 열전 모듈이 동작하고, 음극의 교류 전원이 인가될 때는 나머지의 열전 모듈이 동작하여 교류 전원의 양극을 모두 사용할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 교류 전원을 그대로 사용함에 따라 전원 장치의 단순화가 가능하기 때문에 열전 장치를 경박단소화할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 열전 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 열전 모듈의 상세 구성도이다.
도 3은 도 1의 전원부에서 출력되는 교류 전원의 일례를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시한 열전 모듈의 다른 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전 장치의 구성도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 열전 장치의 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 열전 장치(100)는 전원부(110), 열전 모듈(120) 및 정류부(130)를 포함하여 구성된다.
전원부(110)는 교류(Alternating Current : AC) 전원을 출력하는 수단으로서, 교류 전원을 출력할 수 있는 다양한 형태의 전원 장치로 구성된다.
열전 모듈(120 : 120a~120n)은 복수 개로 구성되고, 각 열전 모듈(120)은 제1 및 제2 기판(121, 122), 제1 및 제2 기판(121, 122)의 내측면에 각각 배치된 제1 및 제2 전극(123, 124) 및 제1 및 제2 전극(123, 124) 사이에 마련되어 제1 및 제2 전극(123, 124)과 접합된 열전 소자(125, 126)를 포함한다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 2개의 열전 모듈(120)로 구성된 제1 및 제2 열전 모듈(120a, 120b)을 예로 들어 설명하도록 한다.
제1 및 제2 기판(121, 122)은 일정한 간격으로 이격되며, 서로 대향하도록 배치된다. 제1 및 제2 기판(121, 122)은 절연성 재질로서, 열전도율이 뛰어난 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 전극(123, 124)은 Ag, Au, Pt, Sn 및 Cu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 전극(123, 124)은 단일 성분의 단일층 구조 또는 적어도 두 층을 포함하는 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극(123, 124)은 적어도 두 가지 성분이 혼합된 단일층 구조로 형성될 수 있다.
열전 소자(125, 126)는 제1 및 제2 전극(123, 124) 사이에 마련되며, 제1 및 제2 전극(123, 124)과 접합되어 있다. 이때, 제1 및 제2 전극(123, 124)은 각각 제1 및 제2 기판(121, 122)에 매립되어 있고, 제1 및 제2 기판(121, 122)의 평탄도를 유지하고 있어 열전 소자(125, 126)와 제1 및 제2 전극(123, 124) 간의 접합 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 열전 소자(125, 126)와 제1 및 제2 전극(123, 124) 간의 접합 안정성으로 인해 전기적 저항 및 열 저항을 낮출 수 있어 결국 열전 모듈(120)의 성능 지수를 높일 수 있다.
열전 소자(125, 126)는 N형 반도체(125)와 P형 반도체(126)를 포함하여 구성된다.
여기서, N형 반도체(125)와 P형 반도체(126)는 동일한 평면상에 교대로 배열될 수 있다. 이때, 한 쌍의 N형 반도체(125)와 P형 반도체(126)는 그 상면에 배치된 제1 전극(123)에 의해 전기적으로 접속되고, 이웃한 다른 한 쌍의 N형 반도체(125)와 P형 반도체(126)는 그 하면에 배치된 제2 전극(124)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
도 2는 도 1의 열전 모듈의 상세 구성도로서, 도 2에 도시한 바와 같이, A 및 B 접점을 통해 열전 모듈(120)에 전원이 인가되면, 한 면의 전극에서는 캐리어(carrier)인 전자(e-)와 정공(h+)이 생성되어 N형 반도체(125)로는 전자가 흐르고, P형 반도체(126)로는 정공이 흘러 열과 전기를 전달한다.
그리고, 이들 캐리어는 반대면의 전극에서 재결합되고, 캐리어가 생성되는 제2 전극(124))과 인접한 제2 기판(122)에서는 흡열이 발생한다. 또한, 캐리어가 재결합하는 제1 전극(123)과 인접한 제1 기판(121)에서는 발열이 발생하는데, 이 부분을 각각 냉각부(cold side)와 발열부(hot side)로 구성하여 열전 모듈(120)의 양면을 구성한다.
한편, 복수 개의 열전 모듈(120a, 120b)은 서로 다른 극성 즉, 반대의 극성으로 병렬 연결된다.
예를 들어 설명하면, 제1 열전 모듈(120a)은 제1 열전 소자가 N형-P형-N형-P형-N형-P형 반도체의 순서로 배열될 수 있도록 구성하고, 제2 열전 모듈(120b)은 제2 열전 소자가 P형-N형-P형-N형-P형-N형 반도체의 순서로 배열될 수 있도록 구성한다.
이와 같이, 복수 개의 열전 모듈(120a~120n)을 서로 다른 극성으로 연결하는 이유는 하기에서 설명할 교류 전원의 양극을 모두 인가받아 열전 모듈을 구동하는데 이용하기 위해서이다.
정류부(130 : 130a~130n)는 복수 개의 열전 모듈(120a~120n)에 서로 다른 극성의 교류 전원이 인가되도록 제어하는 수단으로서, 다이오드(diode)로 구성될 수 있다.
이러한 다이오드는 복수 개의 열전 모듈(120a~120n) 각각에 직렬로 연결되며, 다이오드 간에는 서로 다른 극성으로 병렬 연결된다.
도 3은 도 1의 전원부에서 출력되는 교류 전원의 일례를 보여주는 그래프로서, 도 1 및 도 3을 참조하여 예를 들면, 제1 열전 모듈(120a)에는 제1 다이오드(130a)를 애노드(anode)-캐소드(cathode) 순서로 배열하고, 제2 열전 모듈(120b)에는 제2 다이오드(130b)를 캐소드(cathode)-애노드(anode) 순서로 배열한다.
그리고, 전원이 인가되면, 다이오드는 애노드단에서 캐소드단으로 전류가 흐르기 때문에 전원부(110)로부터 도 3의 ①, ③, ⑤와 같은 양극의 교류 전원이 인가되면, 제1 열전 모듈(120a)이 동작하고, 도 3의 ②, ④, ⑥와 같은 음극의 교류 전원이 인가되면, 제2 열전 모듈(120b)이 동작하게 된다.
이러한 구성으로 인해 각 열전 모듈 내에서는 한쪽의 방향으로만 전류가 흐르기 때문에 발열부(hot side)와 냉각부(cold side)의 위치가 고정될 수 있는 것이다.
한편, 복수 개의 열전 모듈(120a~120n) 각각에 다이오드(130a~130n)를 직렬로 연결하는 구성은 복수 개의 열전 모듈(120a~120n)을 사용하여 열전 장치(100)를 구현할 때도 적용이 가능하고, 복수 개의 열전 소자 배열을 사용하여 하나의 열전 모듈(120)을 구현할 때도 사용이 가능하다.
이에 대하여 보다 자세하게 설명하면, 도 4는 도 1에 도시한 열전 모듈의 다른 실시예를 보여주는 구성도로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 다이오드(130a, 130b)를 열전 모듈(120) 내부에 실장하여 완전히 독립적으로 교류 전원의 사용이 가능한 열전 모듈을 구성할 수 있다.
즉, 도 1의 다이오드(130)는 열전 모듈(120) 외부에 마련되어 있으나, 도 4의 다이오드(130)는 열전 모듈(120)의 내부에 마련되어 있는 것이 특징이다.
또한, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전 장치의 구성도로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 열전 모듈(120)은 복수 개의 열전 모듈(120a~120n)을 적층한 스택 구조로 구성된다. 또한, 다른 한 편으로는 복수 개의 열전 소자를 적층한 하나의 열전 모듈(120)로 볼 수도 있다.
예를 들어, 제1 열전 모듈(120a)의 하부면이 발열부일 때, 제2 열전 모듈(120b)의 상부면이 냉각부일 때, 제1 열전 모듈(120a)과 제2 열전 모듈(120b)이 접하는 면은 하나의 기판으로 구성되기 때문에 발열 및 냉각 기능을 수행하지 않고, 제1 열전 모듈(120a)의 하부면에서 가열 기능을 수행하고, 제2 열전 모듈(120b)의 상부면에서 냉각 기능을 수행한다.
상술한 바와 같이, 복수 개의 열전 모듈을 적층한 스택 구조로 열전 모듈을 구성하면, 열전 모듈 내의 저항치를 조절하여 최적의 전류가 흐르게 할 수 있으므로 열전 장치의 성능이 좋아지는 장점이 있다.
결론적으로, 복수 개의 열전 모듈을 서로 반대 극성으로 병렬 연결하고, 각 열전 모듈에 대하여 서로 반대의 극성을 갖는 다이오드를 직렬 연결한 구조에서 양극의 교류 전원을 인가하면, 일부의 열전 모듈이 동작하고, 음극의 교류 전원을 인가하면 나머지의 열전 모듈이 각각 동작하기 때문에 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치 없이도 교류 전원을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100. 열전 장치
110. 전원부 120. 열전 모듈
121, 122. 제1 및 제2 기판 123, 124. 제1 및 제2 전극
125, 126. 열전 소자 130. 정류부

Claims (12)

  1. 교류 전원을 출력하는 전원부;
    복수 개의 열전 모듈;
    상기 복수 개의 열전 모듈 각각에 직렬로 연결되고, 상기 복수 개의 열전 모듈 각각에 서로 다른 극성을 갖는 상기 교류 전원을 인가하는 복수 개의 정류부를 포함하는 열전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 정류부는,
    상기 전원부에서 양극의 교류 전원이 인가되면, 상기 복수 개의 열전 모듈 중에서 일부가 동작하게 하고,
    상기 전원부에서 음극의 교류 전원이 인가되면, 상기 복수 개의 열전 모듈 중에서 나머지가 동작하게 하는 열전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 정류부는,
    서로 다른 극성으로 병렬 연결된 열전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부는,
    다이오드인 열전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 열전 모듈은,
    서로 병렬로 연결된 열전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 열전 모듈 각각은,
    제1 및 제2 기판;
    상기 제1 및 제2 기판의 내측면에 각각 배치된 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되어 제1 및 제2 전극과 접합된 열전 소자를 포함하는 열전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부는,
    상기 열전 모듈 내부에 마련되는 열전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 열전 모듈은,
    적층 구조로 구성된 열전 장치.
  9. 제1 열전 모듈;
    상기 제1 열전 모듈과 병렬로 연결된 제2 열전 모듈;
    상기 제1 열전 모듈에 직렬로 연결되어 제1 극성의 교류 전원이 상기 제1 열전 모듈로 인가되도록 제어하는 제1 정류부;
    상기 제2 열전 모듈에 직렬로 연결되어 제2 극성의 교류 전원이 상기 제2 열전 모듈로 인가되도록 제어하는 제2 정류부를 포함하는 열전 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 극성은,
    양극 및 음극 중 어느 하나이고,
    상기 제2 극성은,
    상기 제1 극성과 반대의 극성인 열전 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정류부는,
    서로 다른 극성으로 병렬 연결된 열전 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 정류부는,
    애노드-캐소드 순서로 배열되고,
    상기 제2 정류부는,
    캐소드-애노드 순서로 배열되는 열전 장치.
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