KR20120070924A

KR20120070924A - Thermoelectric module

Info

Publication number: KR20120070924A
Application number: KR1020100132452A
Authority: KR
Inventors: 양현직; 신동익; 장수봉
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-02

Abstract

PURPOSE: A thermoelectric module is provided to improve a cooling effect by preventing thermal imbalance on a surface of a substrate according to the thermoelectric performance difference of a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element. CONSTITUTION: A plurality of P-type thermoelectric elements and N type thermoelectric elements are alternatively arranged. A plurality of metal electrodes(130) electrically connects the P-type thermoelectric elements and the N type thermoelectric elements. A first region(130a) is combined with a P-type thermoelectric element. A second part(130b) is combined with the N type thermoelectric element. An upper plate and a lower plate(150) support the thermoelectric element and the metal electrode.

Description

Thermoelectric module {THERMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 P형 열전소자가 결합되는 영역과 N형 열전소자가 결합되는 영역의 단면적이 서로 다른 금속전극을 이용한 열전 모듈에 관한 것이다.
The present invention relates to a thermoelectric module, and more particularly to a thermoelectric module using a metal electrode having a different cross-sectional area of the region to which the P-type thermoelectric element is coupled and the region to which the N-type thermoelectric element is coupled.

열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다. Thermoelectric phenomenon refers to the reversible direct energy conversion between heat and electricity, a phenomenon caused by the movement of electrons and holes in the material, the temperature difference between the two ends formed by the current applied from the outside It is divided into Peltier effect applied to cooling field by using and Seebeck effect applied to power generation field by using electromotive force generated from temperature difference between both ends of material.

이와 같은 열전 현상을 이용하는 열전 모듈(thermoelectric module)은 크게 교대로 배열된 P형 열전소자 및 N형 열전소자, 상기 열전소자를 연결하는 금속전극, 상기 열전소자와 금속전극을 지지하며 열교환 기능을 하는 상부 기판 및 하부 기판으로 구성된다.A thermoelectric module using such a thermoelectric phenomenon is a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element arranged largely alternately, a metal electrode connecting the thermoelectric element, and supporting the thermoelectric element and the metal electrode to perform heat exchange functions. It consists of an upper substrate and a lower substrate.

여기서, 금속전극은 P형 열전소자 및 N형 열전소자와 π결합 형태로 열전소자의 상면 및 하면에 형성되어, 각 열전소자들을 전기적으로 직렬로 연결하는 기능을 하는데, 종래의 열전 모듈에서 사용되는 금속전극의 경우, P형 열전소자가 결합되는 영역과 N형 열전소자가 결합되는 영역의 단면적이 동일한 형태로 형성된다.Here, the metal electrode is formed on the upper and lower surfaces of the thermoelectric element in the form of π coupling with the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element, and serves to electrically connect each thermoelectric element in series, which is used in the conventional thermoelectric module In the case of the metal electrode, the cross-sectional area of the region to which the P-type thermoelectric element is coupled and the region to which the N-type thermoelectric element are coupled are formed in the same shape.

한편, 열전소자의 성능은 하기의 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값에 의해 결정된다. On the other hand, the performance of the thermoelectric element is determined by the dimensionless performance index ZT value defined as in Equation 1 below.

S : 제벡(Seebeck)계수S: Seebeck coefficient

σ : 전기전도도σ: electrical conductivity

T : 절대온도T: absolute temperature

κ : 열전도도κ: thermal conductivity

무차원 성능지수 ZT값이 클수록 열전 성능이 우수한 특성을 나타내므로, 열전소자는 제벡계수 및 전기전도도는 크고, 반대로 열전도도는 낮은 재료로 구성되어야 바람직하다. 한편, 제벡계수의 경우 온도의 함수로 주어지는 각 소자 고유의 물성치로써 소자를 구성하는 재료의 조성 차이로 인해 달라지는데, 대체로, P형 열전소자가 N형 열전소자에 비해 무차원 성능지수 ZT값이 높게 나타난다.Since the higher the dimensionless performance index ZT, the better the thermoelectric performance, the thermoelectric element is preferably made of a material having a high Seebeck coefficient and high electrical conductivity and a low thermal conductivity. On the other hand, the Seebeck coefficient is a property of each device given as a function of temperature, which is different due to the difference in the composition of materials constituting the device. In general, P-type thermoelectric devices have a higher dimensionless performance index ZT than N-type thermoelectric devices. appear.

금속전극에 리드선을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 펠티에 효과에 의해 N형 열전소자에서 P형 열전소자로 전류가 흐르는 기판 측은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, P형 열전소자에서 N형 열전소자로 전류가 흐르는 기판 측은 가열되어 발열부로 작용하므로, 열전 모듈은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포가 균일하게 저온으로 형성되어야 냉각 효과가 향상된다고 볼 수 있다.When a DC voltage is applied to the metal electrode through the lead wire, the substrate side where the current flows from the N-type thermoelectric element to the P-type thermoelectric element by the Peltier effect absorbs heat to act as a cooling unit, and the N-type thermoelectric element in the P-type thermoelectric element Since the substrate side on which the furnace current flows is heated to act as a heat generating unit, the thermoelectric module can be considered to have an improved cooling effect only when the temperature distribution on the surface of the substrate serving as the cooling unit is uniformly formed at a low temperature from the viewpoint of the module unit.

그러나 P형 열전소자가 결합되는 영역과 N형 열전소자가 결합되는 영역의 단면적이 동일한 형태의 금속전극을 사용하여 열전 모듈을 구성하는 경우, 상술한 P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전 성능 차이에 따른 열적 불균형이 고려되지 않아 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포의 편차가 발생하여 냉각 효과가 떨어지는 문제가 발생한다.
However, when the thermoelectric module is configured using a metal electrode having the same cross-sectional area of the region where the P-type thermoelectric element is coupled and the region where the N-type thermoelectric element is coupled, the thermoelectric performance of the aforementioned P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element Since the thermal imbalance due to the difference is not considered, the temperature distribution on the surface of the substrate acting as the cooling unit occurs, which causes a problem of inferior cooling effect.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명은 P형 열전소자가 결합되는 영역과 N형 열전소자가 결합되는 영역의 단면적이 서로 다른 금속전극을 사용한 열전 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the present invention provides a thermoelectric module using a metal electrode having a different cross-sectional area of a region to which the P-type thermoelectric element is coupled and a region to which the N-type thermoelectric element is coupled. Has its purpose.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예를 따르면, P형 열전소자, N형 열전소자, 금속전극, 상부 기판 및 하부 기판으로 이루어지는 열전 모듈에 있어서, 상기 금속전극은 P형 열전소자가 결합되는 제1영역과 N형 열전소자가 결합되는 제2영역으로 이루어지고, 상기 제1영역과 상기 제2영역의 단면적이 서로 다른 열전 모듈을 제공한다.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, in the thermoelectric module consisting of a P-type thermoelectric element, an N-type thermoelectric element, a metal electrode, an upper substrate and a lower substrate, the metal electrode is a P-type thermoelectric element A thermoelectric module includes a first region coupled to a second region coupled to an N-type thermoelectric element, and has different cross-sectional areas of the first region and the second region.

또한, 상기 제1영역의 단면적은 상기 제2영역의 단면적에 비해 큰 것을 특징으로 하는 열전 모듈을 제공한다.In addition, the cross-sectional area of the first region provides a thermoelectric module, characterized in that larger than the cross-sectional area of the second region.

또한, 상기 제2영역의 단면적에 대한 상기 제1영역의 단면적의 비율(N)은 1<N≤2 범위 내인 것을 특징으로 하는 열전 모듈을 제공한다.
In addition, the ratio (N) of the cross-sectional area of the first region to the cross-sectional area of the second region provides a thermoelectric module, characterized in that 1 <N ≤ 2 range.

본 발명에 따르면, P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전 성능 차이에 따라 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 해소하여 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the cooling effect can be improved by eliminating the temperature distribution variation on the surface of the substrate serving as the cooling unit according to the thermoelectric performance difference between the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element.

또한, P형 열전소자가 결합되는 영역과 N형 열전소자가 결합되는 영역의 단면적을 달리하는 금속전극을 제조하는 것은, 기존의 설계 공정에서 단순히 전극 형상에 대한 설계 변경을 함으로써 제조 가능하므로, 별도의 비용을 들이지 않고도 열전 효과를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
In addition, manufacturing a metal electrode having a different cross-sectional area between a region where the P-type thermoelectric element is coupled and a region where the N-type thermoelectric element is coupled can be manufactured by simply changing the design of the electrode shape in the existing design process. There is an advantage to improve the thermoelectric effect without the cost of.

도 1은 본 발명에 따른 열전 모듈의 일부를 절개한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 열전모듈에 포함되는 금속전극이 인쇄된 기판을 나타낸 도면.
도 3은 시뮬레이션에 따라 본 발명에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차와 종래 기술에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 비교한 그래프.1 is a perspective view cut away a part of the thermoelectric module according to the present invention.
2 is a view showing a substrate on which a metal electrode included in the thermoelectric module according to the present invention is printed.
Figure 3 is a graph comparing the temperature distribution deviation on the substrate surface of the thermoelectric module according to the prior art and the temperature distribution deviation on the substrate surface of the thermoelectric module according to the simulation.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 열전 모듈(100)의 일부를 절개한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열전모듈에 포함되는 금속전극이 인쇄된 기판을 나타낸 도면이다.1 is a perspective view showing a portion of the thermoelectric module 100 according to the present invention, and FIG. 2 is a view showing a substrate on which a metal electrode included in the thermoelectric module according to the present invention is printed.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)은 교대로 배열된 복수의 P형 열전소자(110) 및 N형 열전소자(120)와, 상기 열전소자의 상/하 양 측면에 형성되어 P형 열전소자와 N형 열전소자를 전기적으로 연결하는 복수의 금속전극(130)과, 열교환 기능을 하며 상기 열전소자(110,120)와 금속전극(130)을 지지하는 상부 기판(140) 및 하부 기판(150)으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the thermoelectric module 100 according to the present invention is formed on a plurality of P-type thermoelectric elements 110 and N-type thermoelectric elements 120 alternately arranged on upper and lower sides of the thermoelectric elements. And a plurality of metal electrodes 130 electrically connecting the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element, the upper substrate 140 supporting the thermoelectric elements 110 and 120 and the metal electrode 130 to exchange heat. It may be composed of a substrate 150.

도 2를 참조하여 상기 금속전극(130)을 더욱 자세하게 살펴보면, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)에 사용되는 금속전극(130)은 P형 열전소자(110)가 결합되는 제1영역(130a)과 N형 열전소자(120)가 결합되는 제2영역(130b)으로 이루어지고, 상기 제1영역(130a)과 상기 제2영역(130b)의 단면적은 서로 다르게 형성될 수 있다.Looking at the metal electrode 130 in more detail with reference to Figure 2, the metal electrode 130 used in the thermoelectric module 100 according to the present invention is the first region 130a to which the P-type thermoelectric element 110 is coupled; And the N-type thermoelectric element 120 are coupled to each other, and the cross-sectional areas of the first region 130a and the second region 130b may be different from each other.

또한, 바람직하게는 상기 제1영역(130a)의 단면적이 상기 제2영역(130b)의 단면적에 비해 크게 형성될 수 있다.In addition, the cross-sectional area of the first region 130a may be larger than the cross-sectional area of the second region 130b.

상기 금속전극(130)에 리드선(미도시)을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 펠티에 효과에 의해 상기 N형 열전소자(120)에서 P형 열전소자(110)로 전류가 흐르는 기판(140) 측은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, 상기 P형 열전소자(110)에서 N형 열전소자(120)로 전류가 흐르는 기판(150) 측은 가열되어 발열부로 작용하므로, 상기 열전 모듈(100)은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 냉각부로 작용하는 기판(140) 표면에서의 온도 분포가 균일하게 저온으로 형성되어야 냉각 효과가 향상된다.When a direct current voltage is applied to the metal electrode 130 through a lead wire (not shown), the substrate 140 on which the current flows from the N-type thermoelectric element 120 to the P-type thermoelectric element 110 by the Peltier effect is The thermoelectric module 100 absorbs heat and acts as a cooling unit, and the substrate 150 on which the current flows from the P-type thermoelectric element 110 to the N-type thermoelectric element 120 is heated to act as a heat generating unit. In view of the above, the cooling effect is improved when the temperature distribution on the surface of the substrate 140 serving as the cooling unit is uniformly formed at a low temperature.

따라서, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)에 사용되는 금속전극(130)이 P형 열전소자가 결합되는 제1영역(130a)과 N형 열전소자가 결합되는 제2영역(130b)으로 형성되고, 상기 제1영역(130a)의 단면적이 제2영역(130b)의 단면적에 비해 크게 형성되는 경우, P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전성능 차이에 따른 기판 표면에서의 열적 불균형 현상을 방지하여 냉각 효과를 향상할 수 있다.Therefore, the metal electrode 130 used in the thermoelectric module 100 according to the present invention is formed of the first region 130a to which the P-type thermoelectric element is coupled and the second region 130b to which the N-type thermoelectric element is coupled. When the cross-sectional area of the first region 130a is larger than the cross-sectional area of the second region 130b, thermal imbalance on the surface of the substrate due to the difference in thermoelectric performance of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is prevented. The cooling effect can be improved.

즉, 전압 인가시 펠티에 효과에 의해 열이 발생하므로 상기 P형 열전소자(110)와 N형 열전소자(120)에서의 열 전달을 열량의 관점에서 보았을 때, 열전성능이 더 높은 P형 열전소자가 N형 열전소자에 비해 열량 발생이 크게 나타나고, 따라서, P형 열전소자가 결합되는 제1영역(130a)의 단면적이 N형 열전소자가 결합되는 제2영역(130b)의 단면적에 비해 크게 형성된 금속전극(130)을 사용함으로써 P형 열전소자가 결합되는 제1영역(130a)에서 열을 효과적으로 분배하여 P형 열전소자에서 발생하는 열량의 크기를 N형 열전소자에서 발생하는 열량의 크기에 근접하도록 함으로써 기판 표면에서의 열적 불균형을 해소할 수 있다.That is, since heat is generated by the Peltier effect when voltage is applied, when the heat transfer from the P-type thermoelectric element 110 and the N-type thermoelectric element 120 is viewed in terms of calories, the P-type thermoelectric element with higher thermoelectric performance is higher. Since heat generation is greater than that of the N-type thermoelectric device, the cross-sectional area of the first region 130a to which the P-type thermoelectric device is coupled is greater than that of the second region 130b to which the N-type thermoelectric device is coupled. By using the metal electrode 130, heat is effectively distributed in the first region 130a to which the P-type thermoelectric element is coupled, so that the amount of heat generated in the P-type thermoelectric element is close to that of the N-type thermoelectric element. By doing so, thermal imbalance at the substrate surface can be eliminated.

한편, 상기 제2영역(130b)의 단면적에 대한 상기 제1영역(130a)의 단면적의 비율(N)은 1<N≤2 범위 내인 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the ratio N of the cross-sectional area of the first area 130a to the cross-sectional area of the second area 130b is in a range of 1 <N ≦ 2.

제2영역(130b)의 단면적에 대한 상기 제1영역(130a)의 단면적의 비율(N)이 2를 초과하는 경우, 인접한 금속전극(130) 간에 접합이 일어날 수 있고, 이를 피하기 위해 열전소자들의 배치 간격을 넓게 형성하는 경우, 열전 모듈 전체의 크기가 커지게 되어 열전 모듈의 이점으로 작용하고 있는 제품 소형화의 관점에 부합되지 못하게 된다.When the ratio N of the cross-sectional area of the first region 130a to the cross-sectional area of the second region 130b exceeds 2, bonding between adjacent metal electrodes 130 may occur, so as to avoid this. In the case where a wider gap is formed, the size of the entire thermoelectric module becomes larger, which is inconsistent with the aspect of product miniaturization which serves as an advantage of the thermoelectric module.

도 2는 하부 기판(150) 위에 인쇄되어 각 열전소자의 하면과 결합되는 금속전극을 예시로 설명하였으나, 상부 기판(140) 아래에 인쇄되어 각 열전소자의 상면과 결합되는 금속전극의 경우도 마찬가지로, P형 열전소자가 결합되는 제1영역과 N형 열전소자가 결합되는 제2영역으로 형성될 수 있고, 상기 제1영역의 단면적이 상기 제2영역의 단면적에 비해 크게 형성될 수 있다.FIG. 2 illustrates a metal electrode printed on the lower substrate 150 and coupled to the bottom surface of each thermoelectric element, but similarly to a metal electrode printed below the upper substrate 140 and coupled to the top surface of each thermoelectric element. The first region to which the P-type thermoelectric element is coupled and the second region to which the N-type thermoelectric element are coupled may be formed, and the cross-sectional area of the first region may be larger than the cross-sectional area of the second region.

도 3은 시뮬레이션에 따라 본 발명에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차와 종래 기술에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 비교한 그래프로써, 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)에 사용되는 금속전극(130)을 사용하는 경우, 종래 기술에 따른 금속전극을 사용한 열전 모듈에 비해 기판 표면에서의 온도 편차가 5.3℃에서 4.8℃로, 약 0.5℃ 가량 줄어드는 것을 알 수 있다.3 is a graph comparing the temperature distribution deviation on the substrate surface of the thermoelectric module according to the present invention and the temperature distribution variation on the substrate surface of the thermoelectric module according to the prior art according to the simulation, as shown in FIG. In the case of using the metal electrode 130 used in the thermoelectric module 100 according to the present invention, the temperature variation on the surface of the substrate is 5.3 ° C to 4.8 ° C, about 0.5 ° C compared to the thermoelectric module using the metal electrode according to the prior art. You can see it shrinks.

여기서, 온도 편차는 기판 표면에서 나타나는 최고 온도와 최저 온도의 편차로써, 상기 온도 편차가 줄어들수록 P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전성능 차이에 따른 기판 표면에서의 열적 불균형 현상을 해소하여 열전 모듈의 냉각 효과를 향상시킬 수 있게 된다.Here, the temperature deviation is a deviation between the highest temperature and the lowest temperature appearing on the surface of the substrate, and as the temperature deviation decreases, the thermal imbalance on the surface of the substrate due to the difference in thermoelectric performance of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is eliminated. It is possible to improve the cooling effect of the module.

한편, P형 열전소자가 결합되는 제1영역(130a)과 N형 열전소자가 결합되는 제2영역(130b)의 단면적을 달리하는 금속전극(130)을 제조하는 것은, 기존의 설계 공정에서 단순히 전극 형상에 대한 설계 변경을 함으로써 제조 가능하므로, 별도의 비용을 들이지 않고도 열전 효과를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Meanwhile, fabricating the metal electrode 130 having different cross-sectional areas of the first region 130a to which the P-type thermoelectric element is coupled and the second region 130b to which the N-type thermoelectric element is coupled is simply required in the existing design process. Since it is possible to manufacture by changing the design of the electrode shape, there is an advantage that can improve the thermoelectric effect without additional costs.

본 명세서에 기재되는 실시예와 도면에 도시되는 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 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.The embodiments described in the present specification and the configuration shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be water and variations.

100 : 열전 모듈
110 : P형 열전소자
120 : N형 열전소자
130 : 금속전극
130a : 제1영역
130b : 제2영역
140 : 상부기판
150 : 하부기판100: thermoelectric module
110: P-type thermoelectric element
120: N type thermoelectric element
130: metal electrode
130a: first region
130b: second area
140: upper substrate
150: lower substrate

Claims

In the thermoelectric module consisting of a P-type thermoelectric element, an N-type thermoelectric element, a metal electrode, an upper substrate and a lower substrate,
The metal electrode includes a first region in which a P-type thermoelectric element is coupled and a second region in which an N-type thermoelectric element is coupled, and the cross-sectional areas of the first region and the second region are different from each other.

The method of claim 1,
The cross-sectional area of the first region is larger than the cross-sectional area of the second region.

The method of claim 1,
The ratio (N) of the cross-sectional area of the first area to the cross-sectional area of the second area is in the range 1 <N≤2.