KR20120104213A - 열전 모듈에서 접촉 접속부로서 다공성 금속 재료의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 비평면 열 수송체 표면에 유연하게 매치될 수 있고 열적이고 기계적인 스트레스에 유연하게 반응할 수 있는 열전 모듈을 제공하는 것이다. 접촉성 접속은 열전 재료가 전기적 절연 기판에 우수하게 열적 접속될 수 있도록 해야 한다.
본 발명의 목적은 또한 열전 재료 다리의 전기 전도성 접촉성 접속 또는 열전 재료 다리가 전기적으로 비전도성 기판에 열 접촉성 접속되기 위한 다공성 금속 재료의 이용을 제공하는 것이다.

Description

열전 모듈에서 접촉 접속부로서 다공성 금속 재료의 용도{USE OF POROUS METALLIC MATERIALS AS CONTACT CONNECTION IN THERMOELECTRONIC MODULES}
본 발명은 평평하지 않은 고체 열 수송체 표면에 이용하기 위한 열전 모듈에 관한 것이다.
열전 발전기 및 펠티에 배치(Peltier arrangement)는 그 자체로 예전부터 알려져 왔다. 한 면에서 가열되고 다른 면에서 냉각되는 p- 및 n- 도핑 반도체는 외부 회로를 통해 전기 전하를 수송하고, 전기 일은 회로에서의 부하에 의해 수행될 수 있다. 이러한 공정에 의해 얻어지는 열의 전기 에너지로의 변환의 효율은 카르노 효율(Carnot efficiency)에 의해 열역학적으로 제한된다. 따라서, 뜨거운 면에서의 1000 K의 온도 및 "저온" 면에서의 400 K의 온도에서, (1000-400):1000 = 60%의 효율이 가능할 것이다. 그러나, 현재까지는 불과 6%까지의 효율을 얻을 수 있었다.
한편, 직류가 이러한 배치에 인가될 때, 열은 한 면으로부터 다른 면으로 수송된다. 이러한 펠티에 배치는 열펌프로서 작동하고 따라서 장치 부품, 차량 또는 건물을 냉각하기에 적합하다. 제공된 에너지 상당량에 해당하는 것보다 더 많은 열이 항상 수송되므로, 펠티에 원칙에 따른 가열은 또한 종래 가열보다 바람직하다.
현재, 직류를 발생시키기 위해, 파이프 라인의 음극 부식 보호를 위해, 등 부표 및 라디오 부표에 대한 에너지 공급을 위해, 그리고 라디오 및 텔레비전 세트를 조작하기 위해 공간 프로브에서 예를 들면 열전 발전기가 사용된다. 열전 발전기의 이점은 이의 극도의 신뢰성에 있다. 예를 들면, 이것은 대기 조건, 예컨대 대기 수분과 관계없이 작동하고; 결합이 생기기 쉬운 질량 이동은 없지만, 오히려 오직 전하 이동이 있다. 생물학적으로 얻은 연료, 예컨대 유채유 메틸 에스테르에 이르기까지 천연 가스, 가솔린, 등유, 디젤 연료를 통해 수소로부터 얻은 임의의 연료를 사용할 수 있다.
따라서, 열전 에너지 변환은 수소 경제 또는 재생 가능한 에너지로부터의 에너지 생성과 같은 추가의 요건에 매우 유통성 있게 맞는다.
본 발명의 목적은 비평면 열 수송체 표면에 유연하게 매치될 수 있고 열적이고 기계적인 스트레스에 유연하게 반응할 수 있는 열전 모듈을 제공하는 것이다. 접촉성 접속은 열전 재료가 전기적 절연 기판에 우수하게 열적 접속될 수 있도록 해야 한다.
본 발명의 목적은 또한 열전 재료 다리의 전기 전도성 접촉성 접속 또는 열전 재료 다리가 전기적으로 비전도성 기판에 열 접촉성 접속되기 위한 다공성 금속 재료의 이용을 제공하는 것이다.
전기적으로 측면 배열, 열적으로 평행 배열되어 연결되어 있는 p- 및 n-다리로 구성된 열전 모듈을 도 1에 나타낸다.
종래의 구조는 두 개의 세라믹 플레이트로 사이에 개별적인 다리가 교대로 배열되어 있는 것으로 구성된다. 두 개의 다리마다 말단면(end face)을 통해 전기적으로 접촉되어 전도성있는 접속을 하고 있다.
전기 전도성 접촉부뿐만 아니라, 별도의 부가적인 층이 실제 재료로 이용되며 이는 보호층 또는 땜납층(solder layers)으로 제공된다. 결론적으로, 전기적 접촉은 두 개의 다리 사이에서 이루어지나, 금속 브릿지(bridge)를 통해 이루어진다.
열전 구성 요소의 주요 성분은 접촉성 접속부이다. 접촉성 접속부는 구성 요소의 “심장”(구성 요소의 원하는 열전 효과를 담당하는) 및 “외부 세계”에서 재료간의 물리적 접속을 이룬다. 이러한 접촉성 접속 구조는 도 2에 도식적으로 자세히 나타내고 있다.
구성 요소 내의 열전 재료(1)은 구성 요소의 실질적 효과를 담당한다. 이것은 열전 다리이다. 전류 및 열류는 재료(1)을 통해 흐르는데, 총체적인 구조에서 목적을 수행하기 위함이다.
재료(1)은 적어도 두 면에 접촉부(4) 및 (5)를 통하여 공급 라인(6) 및 (7)에 접속되어 있다. 층(2) 및 (3)은 재료(1) 및 접촉부(4) 및 (5) 사이에 필요한 경우 1 이상의 중간층(보호 재료, 땜납, 접촉 프로모터 등)을 나타내기 위해 의도된다. 층 (2/3), (4/5)은 항상은 아니지만 필요한 경우 존재할 수 있다. 상기의 것들의 용도는 사용되는 TE 재료 및 특정 이용에 달려 있다. 서로 짝을 지어 상응하는 세그먼트(segment) (2/3), (4/5), (6/7)는 동일할 필요가 없다. 이는 결과적으로 특정 구조 및 작용, 즉 상기 구조를 통한 전류나 열류의 방향에 의존한다.
중요한 역할은 접촉부 (4) 및 (5)에 의하는 것으로 생각된다. 상기의 접촉부는 재료와 공급 라인 간에 확실히 근접한 접속을 할 수 있게 한다. 접촉이 불량한 경우, 여기에서 많은 손실이 발생하며, 구성 요소의 작용성을 심각하게 제한하게 된다. 이러한 이유로, 접촉부는 종종 재료 위로 프레스 되기도 한다. 따라서 상기 접촉부는 높은 기계적 스트레스를 받게 된다. 이러한 기계적인 스트레스는 온도 및/또는 열순환이 상승(또는 하강)함에 따라 증가하게 된다. 구성 요소와 함께 재료의 열팽창은 필연적으로 기계적인 스트레스를 발생시키고, 이는 접촉을 단절시켜 구성요소가 작용할 수 없는 극한 상황을 만든다.
이를 방지하기 위해, 탄성 또는 가요성 있는 접촉부를 이용하는 것이 이상적이며 열적인 스트레스도 균형을 이룰 수 있다.
총 구조에 안정성을 주고 총 개수의 다리에 실질적으로 균일하고 필요한 열적 커플링을 확실히 하기 위해 위해, 수송체 플레이트가 필요하다. 이러한 목적을 위해서는, 세라믹, 예를 들어 Al2O3, SiO2 또는 AlN과 같은 산화물 또는 질소 화합물과 같은 세라믹이 통상적으로 사용된다.
이러한 통상적인 구조는 일련의 단점을 가지고 있다. 세라믹 및 그 접촉부는 기계적 내구성에 한계가 있다. 기계적인 및/또는 열적인 스트레스는 접촉성 접속이 쉽게 균열되거나 고장나게 하여, 전체 모듈을 사용 불가능하게 한다.
게다가, 종래의 구조도 적용상의 한계점이 있는바, 오로지 평면 표면만 열전 모듈에 접속될 수 있었다. 모듈 표면과 열 공급원/열 싱크 사이의 근접한 접속은 충분한 열 흐름을 확실히 하기 위해 필수적이다.
비평면 표면, 예를 들어 환형 폐열 튜브는, 종래의 모듈에서 직접적인 접촉을 하기에 적합하지 않거나, 비평면 표면으로부터 평면 모듈로의 이동을 위해 상응하는 직선형 열 교환기 구조가 필요하다.
열전 모듈에서 접촉성 접속은 일반적으로 경직되어 있다. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 234, 1991, (p. 167-177)에는 납 텔루라이드(lead telluride)를 이용하는 것이 개시되어 있다. 이 문서의 도 1에는 열전 모듈의 냉온부에 접촉성 접속으로서, 상기 접촉부는 U-형태의 자국을 남긴다. 모듈의 고온부에는, 경직된 접촉에 의해 접촉브가 접속되어 있다. 상기 접촉성 접속 방법은 비평면 표면에 사용하는 것을 허용하지 않는다.
US 제4,611,089호에는 n 및 p 전도성 열전 재료가 각기 다른 구역에 분리되어 있는 열전 컨버터(converter)가 개시되어 있다. 각 구역에 있는 각각의 재료는 열류성 금속 화이버(fiber) 패드에 열접속되어 있다.
본 발명의 목적은 비평면 열 수송체 표면에 유연하게 매치될 수 있고 열적이고 기계적인 스트레스에 유연하게 반응할 수 있는 열전 모듈을 제공하는 것이다. 접촉성 접속은 열전 재료가 전기적 절연 기판에 우수하게 열적 접속될 수 있도록 해야 한다.
상기 목적은 전기 전도성 접촉부(contacts)를 통해 서로 엇갈려 접속된 p- 및 n- 전도성 열전 재료 다리(legs)로 구성된 열전(thermoelectric) 모듈로써, 열전 모듈의 저온부(cold side) 및/또는 고온부(warm side) 상에 전기 전도성 접촉부의 적어도 일부가, 다공성 금속 재료로 구성된 열전 재료 다리 사이에 형성되거나, 다공성 금속 재료로 구성된 열전 재료 다리로 매입되는 것인 열전 모듈에 의해 달성된다. 다공성 금속 재료의 장점에 의해, 열전 재료 다리는 자체 프로파일(profile) 내에서 가요성 부분을 가지며, 이는 열전 재료 다리가 구부러지거나 서로 약간씩 이동하거나 수축 내지 완화될 수 있게 한다.
“가요성 부분(flexibility site)”이란 p 다리 및 n 다리가 구부러지거나 접촉성 접속이 이동하는 것이 허용된 전기적 접촉부의 프로파일 내의 부분을 말한다. 두 다리는 약간씩 이동 가능해야 하고 각기 압축될 수 있어야 한다. “약간씩”이란 특정 p 및 n 전도성 열전 재료 다리 사이, 또는 다리 높이의 20% 이하, 더욱 바람직하게는 10% 이하를 말한다. 구부러질 수 있는 가능성은 열전 모듈이 비평면 표면 상에 있거나 열팽창 및/또는 기계적인 스트레스를 받을 때 임의의 재료 다리에서 접촉성 접속이 끊어지지 않게 한다.
다공성 금속 재료은 임의의 원하는 모양이 될 수 있고, 그 공극도는 금속 재료에 충분한 기계적인 가요성을 제공한다. 본 발명에 이용되는 다공성 금속 재료은 예를 들어, 금속 폼, 금속 부직, 금속 직물 또는 금속 니트일 수 있다.
“금속 폼”이란, 예를 들면 벽에 의해 서로 제한된 캐비티(cavity)를 포함하는 특정 공극도를 가지는 금속으로 만들어진 전기 전도성 접촉을 말한다. 따라서, “금속 폼” 이라는 용어는 넓게 해석되어야 하며 금속 액체의 포밍(foaming)이나 폼의 납땜에 의한 생산 방법에 한정되어서는 안된다. 금속 폼은 다공성 구조를 형성하는 임의의 적절한 방법일 수 있다. 금속 폼은 접촉부의 특정한 구부러짐도(bendability), 이동가능도(displaceability) 및 압축도(compressibility)로 설정되어 만들어질 수 있다. 공극도는 접촉 표면 면적을 증가시킬 수도 있다.
금속 부직, 금속 직물 또는 금속 니트는, 예를 들어, 일렉트로 스피닝(electrospinning)에 의한 나노와이어 또는 나노튜브로부터 만들어 질 수 있다. 적절한 일렉트로 스피닝 방법에 의한 초박막 금속 와이어는 예를 들어, EP B 1 제969 166호 및 WO 제2007/077065호에 개시되어 있다. 이용되는 와이어는 바람직하게는 직경이1 mm 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 mm미만, 특히0.1 mm미만이다. 적절한 조건 하, 일렉트로 스피닝은 직접적으로 스푼 화이버(spun fiber)의 교차 연결(crosslinking), 또는 다공성 화이버 구조를 형성할 수 있다. 생산된 화이버로부터 차후적으로 적절한 후처리 및 공정을 통하여 차후적으로 금속 부직, 금속 직물 또는 금속 니트도 얻을 수 있다. 더욱 바람직하게는, 직물, 니트 또는 교차 연결(crosslinking)된 화이버가 존재한다. 금속 부직, 금속 직물 또는 금속 니트는 또한 화이버를 포밍, 롤링(rolling) 또는 프레스 또는 트위스팅(twisting)하여 제조할 수 있다. 통상, 일렉트로 스피닝은 스피닝 되는 금속염 용액과 환원에 의해 영향을 받는다.
따라서 본 발명에 따라 이용되는 다공성 금속 재료은 바람직하게는 금속 폼, 금속 부직, 금속 직물 또는 금속 니트이다.
구부러짐은 접촉부의 열전 재료 다리가 끊어지지 않고, 바람직하게는 45°미만, 더욱 바람직하게는 20°미만의 각도로 가능해야 한다.
본 발명은 또한 열전 재료 다리의 전기 전도성 접촉성 접속 또는 열전 재료 다리가 전기적으로 비전도성 기판에 열 접촉성 접속되기 위한 다공성 금속 재료의 이용에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 다공성 금속 재료에서, 바람직하게는 금속 폼에서, 바람직하게는 99 내지 20 거시 부피%(macroscopic volume%), 더욱 바람직하게는 99 내지 50% 거시 부피%(macroscopic volume%)가 금속으로 이루어져야 한다. 나머지 부피는 공극으로서 계산된다. 다시 말해서, 금속 재료의 공극도는 바람직하게는 1 내지 80%, 더욱 바람직하게는 1 내지 50%이다. 상기 금속 폼은 폐기공 또는 개기공을 포함할 수 있다. 또한 폐기공 및 개기공이 혼합되어 존재 할 수도 있다. 개기공은 서로 연결되어 있다.
공극도는 특히 금속 폼과 같은 오픈-셀(open-cell) 금속 재료에서는 예를 들어 수은 포로시미트리(mercury porosimetry)로 측정될 수 있다. 한편, 공극도의 측정은 압축된 금속의 밀도와 대조되는 금속 재료의 밀도에 의해 영향을 받을 수도 있다.
공극도는, 공극 크기의 분배 및 연속적 채널(오픈-셀 폼에 상응하는)의 비율은 실질적인 요건에 따라 조절될 수 있다. 공극도는 금속 (폼) 접촉부의 우수한 기계적 가요성을 제공하기에 충분히 높아야 한다. 그러나, 공극도는 재료를 통한 전기적 및 열적 전도도를 우수하게 유지하기 위해 너무 높지 않아야 한다. 적절한 공극도는 간단한 테스트를 통해 결정될 수 있다. 공극 직경은, 예를 들어, 금속 폼의 제조를 통해 조절될 수 있다. 예를 들어, 금속 폼은 펠렛, 파우더 또는 금속 파우더의 압착체에 의해 제조될 수 있다. 공극의 평균 직경은 통상 입자의 평균 직경보다 15 내지 40 배, 특히 20 내지 30 배 만큼 작다. 펠렛, 파우더 또는 압착체는 소결되어 금속 폼이 된다.
금속 폼을 제조하는 한가지 방법으로는, 금속 파우더를 성형하여 파우더 입자가 접착되고 따라서 다공성 구조를 형성하는 것이다. 상기 파우더는 예를 들어, 선택적으로 열처리와 함께, 또는 소결 과정에 의해 또는 폼 형성 과정에 의해 프레스될 수 있다.
프레스에 의한 방법에서, 파우더의 특정 입자 사이즈의 분배는 원하는 공극도를 제공한다. 이 경우 유효 입자 직경은 바람직하게는 원하는 공극의 평균 직경의 20 내지 30배 이다. 상기 파우더는 접촉부를 위해 적절하게 성형되어 프레스되거나 임의의 원하는 기하 형태로 제조되어 원하는 모양으로 절단될 수 있다.
프레스는 예를 들어 저온 프레스 또는 고온 프레스일 수 있다. 프레스는 소결 과정이 뒤따를 수도 있다.
소결 과정 또는 소결된 금속 방법은 금속 파우더를 원하는 모양의 성형체로 전환하는 제 1 전환 단계와, 소결하여 서로 접착시켜 원하는 성형체를 만드는 단계를 포함한다.
폼을 형성하는 과정은 임의의 적절한 방법; 예를 들어 금속 용융체에 비활성 기체를 불어 넣어 다공성 구조를 만드는 방법으로 수행될 수 있다. 다른 요소를 이용하여 불어 넣는 것도 물론 가능하다.
폼은 또한 금속을 격렬하게 비팅(beating), 쉐이킹(shaking), 스프레잉(spraying) 또는 교반(stirring) 하여 형성될 수도 있다.
부가적으로, 본 발명에 따르면 금속 파우더를 중합체 바인더에 도입하여 열가소성 몰딩 재료를 성형하고, 바인더를 제거하고, 생소지(green body)를 소결하는 것도 가능하다. 금속 파우더를 중합체 바인더와 함께 코팅하여 프레스로 성형하고 선택적으로 열처리 하는 것도 가능하다.
금속 폼을 형성하기 위한 또 다른 방법은 당업자에게 알려져 있다.
본 발명에 따르면 금속 폼의 표면의 성질에는 제한이 없다. 거친 폼 표면은 TE재료와 열전 모듈의 접촉성 재료 사이를 딱 맞게 채워 주고 접촉 면적을 증가시켜 준다.
가요성 부분은 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼에 의해 형성될 수 있고, 부가적으로 상기 설명한 기능을 수행하는 임의의 적절한 형태를 포함할 수 있다. 가요성 부분은 적어도 하나의 금속 재료 가닥에 형성될 수 있고, 가요성을 증가시키기 위해 특정 접촉부에서 U-형태, V-형태 또는 움푹한 직사각형으로 존재할 수도 있다.
대안적으로, 가요성 부분은 바람직하게는 물결형 또는 나선형으로 형성될 수 있고 또는 특정 접촉부에서 톱니형으로 형성될 수도 있다 만약 다른 곳에서 가요성도 (flexibility) 또는 구부러짐도(bendability)가 증가된다면, 예를 들어 입방체 형태에서 금속 재료 가닥에 비해 접촉성 접속이 더 필요하다.
본 발명의 열전 모듈은 특히 열전 재료 다리가 평면 형태로 배열되지 않는 경우, 또는 최적의 기능을 위해 열전 모듈에 가압해야 할 필요가 있는 경우 유용하다.
본 발명의 열전 재료 다리의 설계는 임의의 교차 구역의 튜브 위로 열전 모듈을 나선형 권취하는 것을 가능케 한다. 이 교차 구역은 직사각형, 환형, 구형 또는 다른 형태일 수 있다.
본 발명에 따르면 열전 모듈을 열 교환 재료의 임의의 원하는 3차원 표면에 매칭(maching) 시키는 것이 가능하다. 또한 이러한 방법으로서, 비평면인 열 공급원 또는 열 싱크는 열전 모듈에 근접한 접속을 하기에 적합하다.
통상, 폐열 또는 냉각재는 튜브를 통과한다. 열전 모듈을 자동차의 폐열이나 배기 가스의 폐열을 전환하는 데 사용하는 경우, 가요성 및 진동-안정성이 요구된다.
본 발명의 접촉의 압축도(compressibility), 구부러짐도(bendability) 및 이동도(displaceability)를 설정하는 것은 열적 및 기계적 스트레스를 소진하고 더 우수하게 보상할 수 있게 한다.
열전 모듈을 권취할 수 있다는 것의 장점에 의해서, 접촉을 끊지 않고 환형 또는 구형 튜브에 대하여 교대인 p- 및 n-다리 가닥을 권취하는 것이 가능하다. 이는 예를 들어 자동차의 배기 가스 라인, 자동차의 촉매 컨버터, 가열 장치 등에 열전 규성 요소를 저렴하게, 빠르게, 그리고 단순하게 적용시키는 것을 가능케 한다.
본 발명은 전기 전도성 접촉부(contacts)를 통해 서로 엇갈려 접속된 p- 및 n-전도성 열전 재료 다리(legs)로 구성된 열전(thermoelectric) 모듈로써, 열전 모듈의 저온부(cold side) 및/또는 고온부(warm side) 상에 전기 전도성 접촉부의 적어도 일부가, 다공성 금속 재료로 구성된 열전 재료 다리 사이 또는 다공성 금속 재료로 구성된 전기적 절연 기판에 형성되는 것인 열전 모듈에 관한 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 열전 재료와 전기적 비전도성 기판 사이에 열 전도성 접촉이 가능하다. 다공성 금속 재료, 예를 들어, 금속 폼을 통해, 열전 재료와 기판간 열류가 가능하다; 도 1에는, 상, 하부의 기판층 사이에 열전 재료가 접촉성 접속을 하며 매입되어 있는 것을 보여주고 있다. 본 발명에 따르면, 기판 위의 열 접속은 다공성 금속 재료를 통해 이루어질 수도 있다. 금속 재료는 열전 요소를 가열 또는 냉각함으로서 발생하는 열적 스트레스를 보상해 준다.
이러한 작용을 위해, 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼은, 바람직하게는 예를 들어 폼 안에 특정 압축도를 보이는 구조를 갖거나, 예를 들어 폼 위에서 외부 압력을 제거하는 경우 다공성 금속 재료은 감압이 뒤따르며, 따라서 열전 다리를 기판에 연속적으로 우수하게 열적 접촉성 접속할 수 있다
금속 폼을 사용하는 것은 예를 들어 구리 부직의 이용과 비교하여 전기 전도도 및 열 전도도에 있어 뚜렷한 향상을 보인다. 부직에서 와는 달리 폼 안에서는 금속 접속이 연속적으로 존재하기 때문이다. 따라서, 금속 폼의 물성은 금속 부직의 물성에 비하여 다시 한번 명확하게 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼은 모든 종류의 열적, 전기 전도성있는 금속으로부터 제조될 수 있다. 다공성 금속 재료은 바람직하게는 구리, 은, 알루미늄, 철, 니켈, 몰리브덴, 티타늄, 크로뮴, 코발트 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 다공성 금속 재료이 전기 전도성 접촉을 상승시키는 경우, 하기에 나열한 재료로부터 형성되는 것도 가능하다.
전기 전도성 접촉은 임의의 적절한 재료로부터 형성될 수 있다. 이것은 통상 금속 또는 금속 합금, 예를 들어 철, 니켈, 알루미늄, 백금 또는 다른 금속으로부터 형성될 수 있다. 전기적 접촉이 특히, 열전 모듈이 종종 500°C 이상의 고온에 노출되는 경우 열저항이 충분해야 한다.
열전 재료 다리가 고체, 전기적 비전도성 매트릭스 재료에 끼워짐으로서 기계적인 강도는 더 증가할 수 있다.
열전 재료가 권취 형태에서 안정성을 유지하기 위해 열전 모듈을 안정화시키기 위한 매트릭스 또는 그리드를 이용하는 것을 권장한다. 이를 위해서는, 낮은 열 전도도 및 영(0)의 전기 전도도를 가지는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 적절한 재료의 예로는 에어로겔, 세라믹, 특히 폼 세라믹, 유리 울(glass wool), 유리, 유리-세라믹 혼합물, 전기적 절연된 금속 그리드, 미카(mica), 유기 중합체(폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리에테르, 등)또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 400°C까지의 온도 범위를 위해, 탄소 기반의 합성 고분자 중합체 즉, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 또는 고무와 같은 천연 중합체를 사용하는 것도 가능하다. 매트릭스 재료는 성형체 형태, 서스펜션 형태, 페이스트(paste) 형태, 폼 형태 또는 유리 형태로 이용될 수 있다. 열처리 또는 (UV) 처리는 용매의 증발 또는 재료의 교차연결(cross-linking)을 발생시켜 매트릭스를 더욱 단단하게 만들어 줄 수 있다. 매트릭스 또는 그리드는 사용하기 전 또는 사용하는 도중에 성형, 캐스팅(casting), 스프레잉(spraying)등의 적절한 적용과 매치될 수 있다.
전기적 접촉부는 임의의 원하는 방법으로 열전 재료 다리와 접속될 수 있다. 이들은 열전 다리가 적용되기 전, 예를 들어 열전 모듈 내로 들어가기 전에 위치되거나, 위로 프레스되거나, 프레스되거나, 소결되거나, 고온 프레스되거나, 납땜되거나, 용접될 수 있고, 전기적 절연된 기판에 적용될 수도 있다. 게다가, 전기적 절연된 기판 및 열전 다리를 함께 한-단계로 프레스, 납땜 또는 용접할 수 있다.
접촉 면적을 넓히기 위한 안정적인 접속은: 첫째, 전기적 접촉부는 예컨대 그래파이트(graphite), 글레이즈드 그래파이트(glazed graphite), 열 안정성이 높은 금속 합금, 석영, 질화 붕소, 세라믹, 또는 미카로부터 형성된 몰드 안으로 삽입될 수 있다. 그리고 접촉부에 알맞은 각도로 분리벽이 삽입되며, p- 및 n-열전 재료는 형성된 두 챔버 안으로 삽입된다. 열전 재료는 완성된 다리 형태로 직접 삽입될 수 있고, 또는 파우더나 용융 형태로서 부어질 수 있다. 파우더를 사용하는 경우, 전기적 접촉부와 열전 재료는 몰드 내에서 단시간에, 바람직하게는 1분 내지 1시간 안에 용융 온도에 도달해야 한다. 차후적으로, 소결 과정에서 전기적 접촉성 접속된 열전 다리가 완성된다. 열전 재료가 용융체로부터 캐스트(cast)되는 경우 몰드 안에서 소결하는 것이 또한 유리하다. 열전 재료는 용융점 이하의 100 내지 500°C의 소결 온도에서 0.5 내지 72시간 동안 소결되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3 내지 24시간이다. p- 및 n 다리 사이의 분리 벽은 예를 들어 소결하는 동안 연소되는 폴리머에 기반한 유기 화합물이거나 전기적으로 절연되고 모듈 내에서 보존되는 열적 안정성 있는 재료일 수 있다. 산화물, 질소 화합물, 붕화물 및 미카와 같은 고열에서 안정한 재료가 당업자에게 잘 알려져 있다. 또한 열전 모듈은 전기적/열적 접촉부가 몰드의 하부에 위치하고 접촉부가 열전 다리를 통해 오프셋 방법으로 접속되어 있는 경우 다리는 양면으로 접촉성 접속될 수 있으며, 따라서 일련의 전기적 접속을 얻을 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 보호층이 열전 재료에 첫 번째로 적용되며, 이후 다공성 금속 재료로 만든 접촉부가 부착된다. 금속 폼 접촉부는 가요성 전기적 접촉, 또는 가요성 열 컨덕터 브릿지로서 제공될 수 있다. 금속 폼 접촉은 폼, 또는 금속 브릿지로 적용될 수 있고 이 경우 제자리에(in situ) 형성된다. 제자리 형성된 폼은 직접 형성의 경우 부가적인 접속 단계가 필요하지 않기 때문에 열커플링을 위한 접촉부를 단순화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 몇몇의 전기 전도성 접촉부는 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼으로부터 형성될 수 있다. 이는 모든 접촉부가 금속 폼으로부터 형성되는 것은 아니라는 것을 의미한다. 예를 들어, 리본 형태의 열전 발전기가 권취에 의한 입방체의 교차 구역의 튜브에 적용되어야 하는 경우 가요성 접촉은 오로지 코너(corner)에만 필요하게 된다. 전기 전도성 접촉부는 바람직하게는 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 85%가, 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼으로부터 형성된다. 일 구체예에서, 모든 전기 전도성 접촉부는 금속 폼으로부터 형성된다.
게다가, 열전 모듈의 저온부와 고온부 사이의 접촉성 접촉부를 구별하는 것이 가능하다. 예를 들어, 열전 모듈의 저온부 또는 고온부에만 있는 접촉부는 다공성 금속 재료, 예를 들어 금속 폼으로부터 형성될 수 있다. 모듈의 저온부와 모듈의 고온부에 상이한 재료를 사용하는 것도 가능하다. 모듈의 저온부에 사용하기 위해 열류도가 우수한 임의의 금속 폼을 이용하거나 원한다면 우수한 전기 전도도를 가진 금속폼을 이용하는 것도 가능하다. 모듈의 고온부에 사용하기 위해서는 접촉 재료의 열 안정성이 우수해야 한다.
열전(thermoelectronic) 접촉성 접속된 다리는 임의의 적절한 방법으로 열 수송체 미디엄(medium)에 접촉성 접속될 수 있다. 열전 모듈의 예시로는, 외부적으로 권취되거나, 예를 들어 전기적 절연된 환형 튜브, 또는 내부적으로 권취된, 예를 들면 튜브 내에 마운트(mount)된 내부 수송체를 들 수 있다. 내부 수송체는 전기적으로 절연된 코팅일 수 있다.
게다가, 상기 열전 모듈(전기적으로 접촉성 접속된 일련의 열전 다리)은 전기적으로 절연된 금속, 세라믹, 유리, 또는 이들의 혼합물에 의해 캡슐화될 수 있고, 열교환 미디엄 또는 냉각 미디엄 안으로 곧바로 도입될 수 있다.
통상, 접촉부는 냉각을 위한 열교환 미디엄이나 가열플랜트 또는 연소 엔진에서 나온 가열된 배기 가스와 함께 이루어진다. 그러나, 폐열을 광전(photovoltaic) 시스템의 파라볼릭 트러프(parabolic trough)의 비-거울면에 이용하기 위해 열전 모듈을 위치시키는 것도 가능하다.
본 발명은 또한 열전 모듈을 평평하지 않은 고체 열 수송체 표면에 이용하기 위한 용도 및 배기가스 라인 상에 나선형으로 권취된 열전 모듈을 이용하는 배기 가스 라인에 관한 것이다.
본 발명은 또한 다공성 금속 재료로 구성된 열 또는 전기 전도성 접촉부를 프레스, 납땜, 용접 또는 포밍(foaming)에 의해 열전 재료 다리에 적용시켜 상기의 열전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 추가적으로, 다공성 금속 재료로 구성된 접촉부 위로 열전 재료의 분말을 프레스한 후 소결하여 상기의 열전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 폼 또는 금속 부직을 이용함에 있어 장점은:
- 가요성 접촉성 접속이 가능하고;
- 열팽창으로 인한 열적인 스트레스가 소진되며;
- 접촉 경계의 다공성 표면으로 인해 접촉 면적이 넓어지고;
- 금속 부직 또는 금속 폼의 표면에/표면 내로 열전 파우더나 열전 용융체가 침투하는 것 또는 교차 연결되는 것의 장점으로 인해 전기적 접촉부와 열전 다리 사이의 더 우수한 접촉 내지 접속이 가능하고;
- 상기 접촉부의 다공성 구조는 접촉 경계의 기계적인 스트레스를 소진시킨다.
상기 발명의 반도체 재료는, 당업자에게 그 자체가 공지되어 있고, 예를 들어 WO 제98/44562호, US 제5,448,109호, EP-A-1 제102334호 또는 US 제5,439,528호에 기재되어 있는 방법에 의해 조합하여 열전 발전기 또는 펠티어 장치를 형성할 수 있다.
열전 발전기 또는 펠티어 장치는, 그 화학 조성을 바꿈으로써, 다수의 가능성이 있는 용도에 있어서의 여러가지 요구를 만족시키는 여러가지 시스템을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 열전 발전기 또는 펠티어 장치는 이러한 시스템의 적용 범위를 확대한다.
본 발명은 또한 본 발명의 열전 모듈을
ㆍ 열 펌프로서,
ㆍ 착석 가구, 차량 및 건물의 온도 조절을 위해,
ㆍ 냉장고 및 (세탁물) 건조기에,
ㆍ 예를 들어,
- 흡수,
- 건조,
- 결정화,
- 증발,
- 증류 등의 재료 분리 공정에서 스트림의 동시 가열 및 냉각을 위해,
ㆍ 예를 들어,
- 태양 에너지,
- 지열,
- 화석 연료의 연소열,
- 차량 및 고정 유닛의 폐열원,
- 액체 재료의 증발에 있어서의 히트 싱크,
- 생물학적 열원 등의 열원을 이용하는 발전기로서,
ㆍ 전자 부품의 냉각을 위해,
ㆍ 예를 들어, 자동차, 난방 장치 또는 발전소에서, 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로서 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 열 펌프, 냉장고, (빨래)건조기, 열 공급을 위한 발전기로서 적어도 하나의 발명상의 열전 발전기 또는 발명상의 펠티에 배열을 포함하는 것, (빨래) 건조기의 경우 건조될 대상이 직접 또는 간접적으로 가열되며 건조되는 동안 물 또는 용매 증기는 직접 또는 간접적으로 냉각되는 것에 관한 것이다.
바람직한 구체예에 있어, 건조기는 빨래 건조기이고, 건조될 대상은 빨래이다.
본 발명의 열전 모듈은 비평면 열 수송체 표면에 유연하게 매치될 수 있고 열적이고 기계적인 스트레스에 유연하게 반응할 수 있다.
전기적으로 측면 배열, 열적으로 평행 배열되어 연결되어 있는 p- 및 n-다리로 구성된 열전 모듈을 도 1에 나타낸다.
접촉성 접속 구조는 도 2에 도식적으로 자세히 나타내고 있다.

Claims (14)

  1. 전기 전도성 접촉부(contacts)를 통해 서로 엇갈려 접속된 p- 및 n-전도성 열전 재료 다리(legs)로 구성된 열전(thermoelectric) 모듈로써, 열전 모듈의 저온부(cold side) 및/또는 고온부(warm side) 상에 전기 전도성 접촉부의 적어도 일부가, 다공성 금속 재료로 구성된 열전 재료 다리 사이에 형성되거나, 다공성 금속 재료로 구성된 열전 재료 다리로 매입되는 것인 열전 모듈.
  2. 전기 전도성 접촉부를 통해 서로 엇갈려 접속된 p- 및 n-전도성 열전 재료 다리로 구성되고 전기적으로 절연된 기판에 대해 열접촉 접속부를 갖는 열전 모듈로써, 열전 모듈의 저온부 및/또는 고온부 상에 열 전도성 접촉부의 적어도 일부가, 전기적 접촉 접속부를 갖는 열전 재료 다리와 다공성 금속 재료로 구성된 전기적 절연 기판 사이에 형성되는 것인 열전 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다공성 금속 재료는 Cu, Ag, Al, Fe, Ni, Mo, Ti, Cr, Co 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 열전 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열전 재료 다리는 평면 배열이 아닌 것인 열전 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 열전 재료 다리는 임의의 교차 구역의 튜브 위로 나선형으로 권취되는 것인 열전 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 폐열(廢熱)과 냉각제는 튜브를 통과하는 것인 열전 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 금속 재료는 금속 폼(foam), 부직(nonwoven), 직물(woven) 또는 니트(knit) 중에서 선택되는 것인 열전 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서, 열전 재료 다리는 고체, 전기적 비전도성 매트릭스 재료에 매입되는 것인 열전 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전 모듈을 평평하지 않은 고체 열 수송체 표면에 이용하기 위한 용도.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전 모듈이 자동차 배기가스 라인 상에 나선형으로 권취된 것을 포함하는 자동차 배기 가스 라인.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전 모듈이 열 수송체 라인 상에 나선형으로 권취된 것을 포함하는 열 펌프, 냉장고, 건조기 또는 발전기.
  12. 열전 재료 다리의 전기 전도성 접촉 접속 또는 열전 재료 다리를 전기적 비전도성 기판에 열접촉 접속하기 위한 다공성 금속 재료의 용도.
  13. 다공성 금속 재료로 구성된 열 또는 전기 전도성 접촉부를 프레스, 납땜, 용접 또는 포밍(foaming)에 의해 열전 재료 다리에 적용시켜 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전 모듈을 제조하는 방법.
  14. 다공성 금속 재료로 구성된 접촉부 위로 열전 재료의 분말을 프레스한 후 소결하여 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전 모듈을 제조하는 방법.
KR1020127013579A 2009-11-03 2010-10-29 열전 모듈에서 접촉 접속부로서 다공성 금속 재료의 용도 KR20120104213A (ko)

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