KR20120128564A

KR20120128564A - 열전 변환 모듈

Info

Publication number: KR20120128564A
Application number: KR1020120050829A
Authority: KR
Inventors: 모토아키 오쿠다; 나오야 요코마치; 히로쿠니 아키야마; 나오토 모리사쿠
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-11-27

Abstract

열전 변환 모듈은 서로 대향하도록 배치된 복수의 제1 기판과 복수의 제2 기판, 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 복수의 열전 변환 소자, 베이스 플레이트, 제1핀 및, 제2핀을 포함한다. 각 제1 기판의 내면은 각각의 제2 기판의 내면에 대향한다. 제1 전극은 각각의 제1 기판의 내면에 접합되고, 제2 전극은 각각의 제2 기판의 내면에 접합된다. 열전 변환 소자는 제1, 제2 전극을 통하여 서로 전기적으로 연결된다. 베이스 플레이트는 제1 기판의 외면에 열적으로 접합된다. 각 제1핀은 베이스 플레이트의 외면에 열적으로 접합된다. 각 제2핀은 각각의 제2 기판의 외면에 열적으로 그리고 직접 접합된다.

Description

열전 변환 모듈{THERMOELECTRIC CONVERSION MODULE}

본 발명은 열전 변환 모듈에 관한 것이다.

특허문헌 1에는 종래의 열전 변환 모듈이 개시되어 있다. 도 6에 도시된 것처럼, 열전 변환 모듈은 서로 대향하는 내면(91A, 92A)과, 각각의 외면(91B, 92B)을 갖는 제1 기판(91)과 제2 기판(92)을 포함한다. 또한, 열전 변환 모듈은 제1 기판(91)과 제2 기판(92)의 내면(91A, 92A)에 배치되는 복수의 전극(93A, 93B)과, 전극(93A, 93B)을 통해 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 열전 변환 소자(94)를 포함한다.

펠티어(Peltier) 효과로 작동하는 열전 변환 모듈의 열전 변환 소자(94)에 의해, 흡열은 열전 변환 소자(94)의 제1 기판(91) 쪽에서 발생하고, 방열은 열전 변환 소자(94)의 반대 제2 기판(92) 쪽에서 발생하며, 역(逆) 또한 같다. 종래의 열전 변환 모듈은 공조장치에서 제1, 제2 기판(91, 92)과 같은 부품들 사이의 열교환매체를 냉각 및 가열하기 위한 장치로서 이용된다. 또한, 열전 변환 모듈은 제백(Seebeck) 효과에 기초한 온도차로부터 전력을 발생할 수 있다.

특허문헌 2에 개시된 것처럼, 열전 변환 모듈은 흡열 및 방열 또는, 수열(heat receiving)효과를 향상시키기 위하여, 각각 제1, 제2 기판(91, 92)의 외면(91B, 92B)에 배치된 제1, 제2핀(95, 96)을 구비할 수 있다. 특허문헌 2에 의하면, 제1, 제2핀(95, 96)은 전열 재료로서 알루미늄으로 이루어지며, 제1, 제2 기판(91, 92)의 외면(91B, 92B)에 경납땜으로 직접 연결된다.

일본공개특허공보 제2002-111079호 일본공개특허공보 제2007-173301호

상기 특허문헌의 발명자들에 의하면, 제1, 제2 기판(91, 92)에 제1, 제2핀(95, 96)의 직접 연결은 흡열 및 방열 또는, 수열효과를 향상시킨다. 그러나, CAE(computer aided engineering) 분석결과에 의하면, 제1, 제2 기판(91, 92)에 제1, 제2핀(95, 96)을 경납땜할 경우, 제1, 제2 기판(91, 92)과 제1, 제2핀(95, 96)은 고온에 노출된다. 제1, 제2 기판(91, 92)과 제1, 제2핀(95, 96)의 온도가 정상 수준으로 다시 돌아오는 경우, 제1, 제2 기판(91, 92)은 도 6의 화살표로 표시된 것처럼, 열적으로 변형된다. 따라서, 열전 변환 소자(94)는 변형으로 인한 응력의 부하에 의해 손상되는 경향이 있다.

제1, 제2 기판(91, 92)과 제1, 제2핀(95, 96)은 응력을 줄이기 위해 작게 만들어질 수도 있다. 그러나, 제1, 제2 기판(91, 92)을 작게 만드는 경우, 내면(91A, 92A)에 설치되는 열전 변환 소자(94)의 수를 감소할 필요가 있으며, 그 결과 열전 변환 모듈의 성능이 감소된다. 한편, 제1, 제2핀(95, 96)을 작게 만드는 경우, 흡열 및 방열 또는, 수열효과가 감소되며, 그 결과 열전 변환 모듈의 성능이 감소된다.

각 열전 변환 모듈의 성능의 감소를 보상하기 위해서, 복수의 열전 변환 모듈을 조합하는 방안을 생각할 수도 있다. 그러나, 열전 변환 모듈의 수가 증가되는 경우, 각각의 열전 변환 모듈에 연결되는 배선을 배열 및 취급하는 것이 어려워지며, 이로인해 공조장치 또는 발전 장치에서 열전 변환 모듈의 탑재공간이 감소된다는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점은 특히 공조장치 또는 발전 장치의 탑재공간이 한정된 차량에서 현저하다.

본 발명은 고성능 및 탑재의 용이성을 갖는 열전 변환 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 열전 변환 모듈은, 서로 대향하여 배치된 복수의 제1 기판 및 복수의 제2 기판, 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 복수의 열전 변환 소자, 베이스 플레이트(base plate), 제1핀(fin) 및, 제2핀을 포함한다. 내면과 외면을 포함하는 제1 기판과, 내면과 외면을 포함하는 제2 기판은 서로 대향하게 배치된다. 각 제1 기판의 내면은 각각의 제2 기판의 내면에 대향한다. 제1 전극은 각각의 제1 기판의 내면에 접합되고, 제2 전극은 각각의 제2 기판의 내면에 접합된다. 열전 변환 소자는 제1, 제2 전극을 통하여 전기적으로 서로 연결된다. 외면을 포함하는 베이스 플레이트는 전열(heat-transfer) 재료로 이루어지며, 제1 기판의 외면과 열적으로 접합된다. 각 제1핀은 전열 재료로 이루어지며, 베이스 플레이트의 외면과 열적으로 접합된다. 각 제2핀은 전열 재료로 이루어지며, 제2 기판의 각각의 외면과 열적으로 그리고 직접 접합된다.

본 발명의 다른 실시 형태와 장점은 본 발명의 사상을 일 예로서 보여주는 첨부도면을 참조로 한 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

본 발명의 목적과 장점은, 현재의 실시형태와 동반하는 도면의 하기 설명을 참조하여 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 차량 공조장치의 개략적인 구조도이다.
도 2는 도 1의 차량 공조장치의 열전 변환 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 열전 변환 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에서 V-V'선을 따른 부분 단면도이다.
도 5는 도 2에서 Ⅵ-Ⅵ'선을 따른 부분 단면도이다.
도 6은 모듈의 CAE 분석 결과를 나타내는 종래의 열전 변환 모듈의 부분 단면도이다.

차량 공조장치에 적용되는 열전 변환 모듈의 실시형태를 도 1 내지 도 5를 참조하여 이하 설명한다.

도 1을 참조하면, 차량 공조 장치는 열전 변환 모듈(1), 라디에이터(3) 및, 차량 내부 열교환기(5)를 포함한다. 부호 (4)는 차량 엔진을 나타낸다.

열전 변환 모듈(1)은 도 2에서 나타내는 외관을 갖는다. 도 3을 참조하면, 열전 변환 모듈(1)은 모듈 본체(100)와 케이스(200)를 포함한다. 케이스(200)는 제1 하우징(7)과 제2 하우징(9)을 포함한다. 모듈 본체(100)는 제1, 제2 하우징(7, 9) 사이에 수용된다. 이해를 쉽게 하기 위하여, 도 3에서 제2 하우징(9)은 위아래가 역전되어 도시되고 있으며, 도 4에서 제1, 제2 하우징(7, 9)은 생략되어 있다. 도 4와 도 5에서, 모듈 본체(100)와 제1, 제2 하우징(7, 9)은 간략화하여 도시된다.

도 4를 참조하면, 모듈 본체(100)는 복수쌍의 제1, 제2 기판(11, 13), 복수의 제1 전극(15A), 복수의 제2 전극(15B), 복수의 열전 변환 소자(17) 및, 제1, 제2핀(19, 21)을 포함한다. 제1, 제2 전극(15A, 15B)은 각각 제1, 제2 기판(11, 13)에 배치된다. 각 열전 변환 소자(17)는 제1 기판(11)과 제2 기판(13) 사이에 배치된다.

제1, 제2 기판(11, 13)은 동일한 정사각형 형상으로 형성된다. 제2 기판(13)은, 제2 기판(13)이 열변형 될 때 생성되는 열전 변환 소자(17)로의 응력을 줄이기 위해 작게 만들어진다. 제1, 제2 기판(11, 13)은 질화 알루미늄으로 만들어지고 동일한 정사각형 형상으로 형성된 세라믹 기판(11A, 13A)과, 세라믹 기판(11A, 13A)의 각 외면(11B, 13B)에 접합하는 알루미늄박(aluminum foil; 11C, 13C)을 포함한다. 알루미늄박(11C, 13C)은 경납땜으로 각각 세라믹 기판(11A, 13A)에 접합된다. 제1 기판(11)의 외면은 알루미늄박(11C)의 외면에 대응하고, 제2 기판(13)의 외면은 알루미늄박(13C)의 외면에 대응한다. 알루미늄박(11C, 13C)은 본 발명의 금속박(metal foil)으로서 역할을 한다. 제1, 제2 기판(11, 13)은 각각 세라믹 기판(11A, 13A)에 의해 충분히 단열되며, 제1, 제2 기판(11, 13)은 각각 알루미늄박(11C, 13C)에 의해 제1핀(19), 제2핀(21)에 용이하게 접합된다. 세라믹 기판(11A, 13A)은 질화 알루미늄과 같은 재료로 만들어질 수도 있으며, 알루미늄박(11C, 13C)은 알루미늄 또는 구리와 같은 재료로 만들어질 수도 있다.

제1 기판(11)과 제2 기판(13)은 서로 대향하여 배치된다. 제1, 제2 전극(15A, 15B)은 각각 제1, 제2 기판(11, 13)의 대향하는 내면(11D, 13D)에 경납땜으로 접합된다. 제1 전극(15A)과 제2 전극(15B)이, 도 2와 도 3에 나타난 전원 유닛(8)에 전기적으로 연결되도록, 모듈 본체(100)는 제1, 제2 하우징(7, 9)에 의해 형성된 케이스(200)에 수용된다.

도 4를 참조하면, 각 열전 변환 소자(17)는 비스무트-텔루륨계 합금으로 된, 공지의 p형 및 n형 열전 변환 소자로 만들어진다. 열전 변환 소자(17)는 동일한 각주(角柱; prismatic) 형상으로 형성된다. 열전 변환 소자(17)는 각각, 제1 기판(11)쪽의 제1 전극(15A)과, 제2 기판(13)쪽의 제2 전극(15B)에 납땜으로 접합된다. p형 및 n형 열전 변환 소자는 제1 기판(11)과 제2 기판(13) 사이에 격자 배열로 배치되고, 제1 기판(11)쪽의 제1 전극(15A)과 제2 기판(13)쪽의 제2 전극(15B)을 통하여 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 열전 변환 소자(17)는 제1 기판(11)과 제2 기판(13)을 통해 서로 열적으로 병렬로 연결된다.

열전 변환 모듈(1)은 각각, 제1 기판(11)과, 제1 기판(11)에 연결된 제2 기판(13)으로 구성되는 복수의 기판 유닛을 포함한다. 도 5를 참조하면, 제1핀(19)은 제1 기판(11)의 외면과 평행하게 배치된 기부(base; 19A)와, 기부(19A)로부터 수직으로 연장하는 복수의 판상부(19B)를 포함한다. 제1핀(19)은 복수의 판상부(19B)를 형성하기 위해 파형형상(wave shape)으로 구부러져 형성된 코루게이트 핀(corrugated pin)형이다. 도 4에 도시된 것처럼, 판상부(19B)로 이루어진 판은, 냉매 또는 롱 라이프 쿨런트(Long Life Coolant; 이하 LLC로 언급)가 열전 변환 모듈(1)에서 흐르는 방향으로 볼 때 서로 이웃한 두 기판 유닛 사이의 참조부호 A로 표시된 영역을 통하여 판의 일부가 연장하도록, 또는 서로 이웃한 두 기판 유닛 사이의 기부(19A)의 외면에 판의 일부가 접합되도록 배치된다.

알루미늄판은 판상부(19B) 뿐만 아니라 기부(19A)에도 사용된다. 기부(19A)는, 도 3에 도시된 것처럼, 복수의 제1 기판(11)을 기부(19A)에 접합시킬 수 있도록 직사각형 형상으로 형성된다. 기부(19A)의 일단(one end)에는 절결부(19D)가 형성된다. 기부(19A)는 본 발명의 베이스 플레이트로서 기능한다.

판상부(19B)는 기부(19A)의 외면(19C)에 경납땜으로 직접 접합된다. 기부(19A)는 납땜으로 제1 기판(11)에 접합되거나, 제1 기판(11)의 외면에 열적으로 접합된다. 특히, 판상부(19B)는 기부(19A)의 외면(19C)에 접합되고, 그런 다음 기부(19A)는 제1 기판(11)의 알루미늄박(11C)에 납땜으로 접합된다. 다른 방법으로, 판상부(19B)로 이루어진 판은 기부(19A)의 외면으로부터 수직으로 연장하는 복수의 알루미늄판에 의해 형성될 수도 있다. 판상부(19B)는 기부(19A)의 외면(19C)에 간접적으로 접합될 수도 있지만, 기부(19A)의 외면(19C)에 직접 접합되는 것이 더 바람직하며, 이로 인해 흡열 및 방열, 또는 수열의 효과가 향상된다. 판상부(19B)는 기부(19A)의 외면(19C)에 경납땜 또는 납땜에 의해 연결될 수 있다.

도 5를 참조하면, 각 제2핀(21)은, 제2 기판(13)의 외면과 평행하게 연장하는 복수의 제1 판상부(21A)와, 제2 기판(13)의 외면으로부터 수직으로 연장하는 제2 판상부(21B)를 포함하는 파형형상으로 형성된다. 제2핀(21)은, 제1핀(19)과 마찬가지로, 파형형상으로 알루미늄판을 구부려서 형성된 코루게이트 핀형이다. 제2핀(21)은, 제2 기판(13)의 형상에 맞도록 작게 만들어지며, 또한 제2 기판(13)을 따르는 방향으로 제2핀(21)의 크기가, 제1 기판(11)을 따르는 방향으로 제1핀(19)의 크기보다 작도록 형성된다. 제1핀(19)와 달리, 제2핀(21)의 제1 판상부(21A)는 제2 기판(13)의 알루미늄박(13C)에 경납땜으로 직접 접합된다. 다른 방법으로, 제2핀(21)의 제1 판상부(21A)는 제2 기판(13)의 알루미늄박(13C)에 납땜으로 접합 될 수도 있다. 경납땜된 제2핀(21)의 제1 판상부(21A)와 제2 기판(13)의 알루미늄박(13C)은, 제2핀(21)의 제1 판상부(21A)와 제2 기판(13)의 알루미늄박(13C)이 납땜된 경우에 비해서 견고하게 접합된다. 제2핀(21)과 제2 기판(13)은 서로 경납땜으로 접합되어 있기 때문에, 열전 변환 모듈(1)의 내구성이 향상된다. 제2 판상부(21B)로 이루어진 제2핀(21)은 제2 기판(13)의 외면(13B)으로부터 수직으로 연장하는 복수의 알루미늄판으로 구성될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 제1 하우징(7)은, 직사각형 형상이며, 기부(19A)와 협동하여 그 사이에 제1 공간(7A)을 형성한다. 제1 하우징(7)에는, 제1 하우징(7)의 바닥으로부터 제1 공간(7A)내에 수직으로 연장하도록 칸막이벽(17B)이 형성된다. 제1 열교환매체인 LLC가 도 3에서 화살표로 표시된 일방향으로 흐르거나, LLC가 제1 공간(7A)를 통해 흐르도록, 칸막이벽(7B)에 의해 제1 공간(7A)에 제1 유로(7C)가 형성된다. LLC는, 얼거나 녹이 스는 것을 방지하고 높은 끓는점 속성을 얻기 위하여, 많은 종류의 화학물질을 혼합하여 형성된다. 제1 하우징(7)의 제1 유로(7C)의 최상류부분과 최하류부분에 각각 제1 유입구(7D) 및 제1 유출구(7E)가 형성된다.

기부(19A)의 절결부(19D)와 결합할 수 있는 제1 하우징(7)에 걸림부(7F)가 형성되고, 제1 하우징(7)은 기부(19A)가 탑재될 수 있는 수평면(7G)으로 형성된다. 전원 유닛(8)은 제1 하우징(7)에 탑재되고, 도면에 도시되지 않은 제어 유닛과 배터리에 전기적으로 연결된다. 전원 유닛(8)의 구조는 일반적으로 알려져 있으며, 따라서 구조의 설명은 생략한다.

제2 하우징(9)은 제1 하우징(7)과 유사한 구조를 가진다. 제2 하우징(9)은 직사각형 형상으로 형성되고, 제2 기판(13)의 외면과 함께 이들 사이에 제2 공간(9A)이 형성되어 있다. 제2 하우징(9)에는, 제2 하우징(9)의 바닥으로부터 제2 공간(9A) 내에 수직으로 연장하도록 칸막이벽(9B)이 형성된다. 도 3의 점선 화살표로 표시된 일방향으로 제2 열교환매체인 물을 흐르게 하기 위해, 칸막이벽(9B)에 의해 제2 공간(9A)에 제2 유로(9C)가 형성된다. 제2 하우징(9)의 제2 유로(9C)의 최상류부분과 최하류부분에 각각 제2 유입구(9D)와 제2 유출구(9E)가 형성된다.

모듈 본체(100)와 제1, 제2 하우징(7, 9)은 함께 조립되어, 도 2에 도시된 열전 변환 모듈(1)을 형성한다. 더 구체적으로, 제1핀(19)의 기부(19A)는, 절결부(19D)와 걸림부(7F)가 서로 결합하도록 제1 하우징(7)의 수평면(7G)에 탑재되며, 이에 따라, 모듈 본체(100)는 제1 하우징(7) 내에 위치한다. 그 후, 도 5에 도시된 것처럼, 제1, 제2 하우징(7, 9)은 서로 조립된다. 조립하는 동안, 제1 하우징(7)과 기부(19A) 사이, 제2 하우징(9)과 제2 기판(13) 사이, 제1 하우징(7)과 제2 하우징(9) 사이에는 가스켓(23)이 탑재되고, 이에 따라, 제1 공간(7A), 제2 공간(9A) 및, 기부(19A)와 제2 기판(13) 사이에 열전 변환 소자(17)가 배치되는 제3 공간(B)을 유체 기밀하게 밀봉하는 밀봉 부재로서 역할을 한다. 다른 방법으로, O-링이 밀봉 부재로서 사용될 수 있다.

따라서, 열전 변환 모듈(1)에서, 제1핀(19)은 제1 유로(7C)에 위치하고, 제2핀(21)은 제2 유로(9C)에 위치한다.

도 1에 도시된 것처럼, 라디에이터(3)에는 유입구(3A) 및 유출구(3B)가 형성되고, 유입구(3A)를 통해 유입된 LLC는 라디에이터(3)을 통과하여 흐르며, 유출구(3B)를 통해 흘러나간다. 열교환은 LLC와 차량 외부 공기 사이에 이루어진다. 라디에이터(3) 부근에 배치되는 전동팬(3C)은, 제어 유닛(미표시)과 전기적으로 연결된다.

구동원으로서의 역할을 하는 엔진(4)에 의해 구동되어 차량이 주행된다. 엔진(4) 내에는 워터 자켓(미표시)이 형성된다. 워터 자켓을 통해 흐르는 LLC는 엔진(4)을 냉각하거나 가열할 수 있다. 워터 자켓과 연통(communication)하도록, 엔진(4)에는 유입구(4A)와 유출구(4B)가 형성된다. 엔진(4)의 구조는 일반적으로 알려져 있으며, 따라서 엔진(4)의 설명은 생략한다. 다른 방법으로, 엔진(4)을 대신하는 구동원으로서, 전기 모터가 사용될 수도 있다.

차량 내부 열교환기(5)에는 유입구(5A)와 유출구(5B)가 형성되어 있다. 차량 내부 열교환기(5)는 차량 내부에 배치된다. 물은 차량 내부 열교환기(5)를 통해 흐르며, 열교환은 차량 내부 열교환기(5) 내의 물과 차량 내부 공기 사이에 이루어진다. 차량 내부 열교환기(5) 부근에 배치되는 전동팬(5C)은, 제어 유닛(미표시)과 전기적으로 연결된다.

라디에이터(3)의 유출구(3B)와 엔진(4)의 유입구(4A)는 튜브(25)를 통해 서로 연결된다. 엔진(4)의 유출구(4B)와 제1 하우징(7)의 제1 유입구(7D)는 튜브(26)를 통해 서로 연결된다. 제1 하우징(7)의 제1 유출구(7E)와 라디에이터(3)의 유입구(3A)는 튜브(27)를 통해 서로 연결된다. 각 튜브(25, 26, 27)를 통과하여 흐르는 LLC는, 열전 변환 모듈(1), 라디에이터(3) 및, 엔진(4)의 순서대로 순환한다. 튜브(27)에 연결되는 제1 전동펌프(P1)는 제어 유닛(미표시)과 전기적으로 연결된다. 엔진(4)은 튜브(25, 26) 사이에 배치된다. 튜브(25, 26) 사이에 배터리가 추가될 수도 있다. 다른 방법으로, 배터리가 엔진(4)을 대체할 수도 있다. 또한, 제1 전동펌프(P1)는 튜브(25, 26) 사이에 배치될 수도 있다.

차량 내부 열교환기(5)의 유출구(5B)와 제2 하우징(9)의 제2 유입구(9D)는 튜브(28)을 통해 서로 연결된다. 제2 하우징(9)의 제2 유출구(9E)와 차량 내부 열교환기(5)의 유입구(5A)는 튜브(29)를 통해 서로 연결된다. 튜브(28, 29)를 통과하여 흐르는 물은 열전 변환 모듈(1)과 차량 내부 열교환기(5)를 통과하여 순환한다. 튜브(29)에 연결되는 제2 전동펌프(P2)는 제어 유닛(미표시)과 전기적으로 연결된다. 다른 방법으로, 제2 전동펌프(P2)는 튜브(28)와 연결될 수도 있다.

차량 공조장치는 차실(vehicle compartment)의 공조를 위해, 열전 변환 모듈(1)의 열전 변환 소자(17)에서 일어나는 펠티어 효과를 이용하여 냉방 및 난방 운전을 수행한다.

본 실시형태에 따른, 열전 변환 모듈을 구비한 차량 공조장치의 난방 운전을 이하 설명한다. 도 1의 표시된 각각의 화살표 방향으로 LLC가 튜브(25, 26, 27) 및 튜브(28, 29)를 통과하여 흐르도록, 제어 유닛이 전동팬(3C, 5C)과 제1, 제2 전동펌프(P1, P2)를 작동시킨다. 제1 기판(11) 쪽의 모듈 본체(100)가 열흡수기로서 기능하고, 제2 기판(13)쪽의 모듈 본체(100)가 방열기로서 기능하도록, 제어 유닛은 열전 변환 모듈(1), 보다 구체적으로는 모듈 본체(100)에 전류를 인가시킨다.

따라서, 제1 기판(11) 쪽에 있는 모듈 본체(100)는 튜브(26)로부터 제1 유입구(7D)를 통하여, 제1 유로(7C)로 흐르는 LLC로부터 열을 흡수하며, 제2 기판(13) 쪽에 있는 모듈 본체(100)는 튜브(28)로부터 제2 유입구(9D)를 통하여 제2 유로(9C)로 흐르는 물에 대해 방열한다.

차량 공조장치에서, 엔진(4)은 LLC가 흐르는 방향에 대하여 열전 변환 모듈(1)의 상류에 배치되어, 제1 유로(7C)를 흐르는 LLC는 엔진(4)에 의해 충분히 가열될 수도 있다. 따라서, 제1 기판(11) 쪽에 있는 모듈 본체(100)는 열을 더 흡수할 수도 있으며, 제2 기판(13) 쪽은 더 방열할 수도 있다.

제2 기판(13) 쪽에 있는 모듈 본체(100)로부터 방열된 열에 의해 가열되며 제2 유출구(9E)를 통과하여 흐르는 물은, 튜브(29)와 유입구(5A)를 통과하여 흘러 차량 내부 열교환기(5)에 도달한다. 차량 내부 열교환기(5)는 차실의 공기와 가열된 물 사이의 열교환을 수행하며, 이에 따라 차량 내부의 공기가 가열된다. 이렇게 가열된 공기는 전동팬(5C)에 의해 적극적으로 차실로 공급된다.

제1 기판(11) 쪽의 모듈 본체(100)에 의해 열이 흡수되는 제1 유로(7C) 내의 LLC는 제1 유출구(7E)와 튜브(27)를 통과하고, 그 다음에 유입구(3A)를 통하여 라디에이터(3)로 유입된다. 라디에이터(3)는 LLC와 차량 외부 공기와의 열교환을 수행한다. 따라서, LLC의 남은 열은 전동팬(3C)을 이용하여 차량 외부로 배출되고, 이에 따라 LLC는 더 냉각된다.

차량 공조장치의 냉방 운전을 이하 설명한다. 제어 유닛은 난방 운전과 마찬가지로, 전동팬(3C, 5C)과 제1, 제2 전동펌프(P1, P2)를 작동시킨다. 제1 기판(11) 부근의 모듈 본체(100) 쪽과 제2 기판(13) 부근의 모듈 본체(100) 쪽이 각각 방열기와 흡열기로서 기능하도록, 제어 유닛은 모듈 본체(100)에 공급되는 전류를 인가시킨다.

따라서, 제2 기판(13) 쪽에 있는 모듈 본체(100)는 제2 유로(9C)를 통과하여 흐르는 물로부터 열을 흡수하며, 제1 기판(11) 쪽에 있는 모듈 본체(100)는 제1 유로(7C)를 통과하여 흐르는 LLC로 방열한다. 제2 기판(13) 쪽에 있는 모듈 본체(100)에 의한 열흡수에 의해 냉각된 물은, 차실 내의 공기와 냉각된 물 사이에 열교환을 수행하여 차실 내의 공기를 냉각하는 차량 내부 열교환기로 흐른다. 이렇게 냉각된 공기는 전동팬(5C)에 의해 적극적으로 차실로 공급된다.

제1 기판(11) 쪽의 모듈 본체(100)에서의 방열에 의해 가열된 제1 유로(7C)내의 LLC는 제1 유출구(7E)를 통과하여, 차량 외부 공기와 열교환으로 LLC가 냉각되는 라디에이터(3)로 유입된다.

냉방 운전에서, 제어 유닛은 LLC가 라디에이터(3), 열전 변환 모듈(1) 및, 엔진(4)의 순서대로 순환하도록, 제1 전동펌프(P1)의 작동을 제어한다. 라디에이터(3)는 LLC가 흐르는 방향에 대하여 열전 변환 모듈(1)의 상류에 배치되기 때문에, 라디에이터(3)에 의해 냉각된 LLC는 열전 변환 모듈(1)의 제1 유로(7C)를 통과하여 흐른다. 따라서, 제1 기판(11) 쪽의 모듈 본체(100)는 LLC에 효율적으로 더 많은 열을 방열할 수도 있다. 제2 기판(13) 쪽의 모듈 본체(100)는 제2 유로(9C)를 통과하여 흐르는 물로부터 더 많은 열을 흡수할 수도 있으며, 이에 따라 낮은 온도의 공기를 차실로 공급할 수도 있다.

도 4에 도시된 것처럼, 전체 모듈 본체(100)에 다수의 열전 변환 소자(17)가 형성될 수 있도록, 제1, 제2 기판(11, 13)은 각각 복수로, 열전 변환 모듈(1)의 모듈 본체(100)에 형성된다. 제2 기판(13)의 외면을 형성하는 각각의 알루미늄박(13C)에 제2핀(21)이 직접 연결되는 모듈 본체(100)에서는, 제2 유로(9C)에서 제2핀(21)에 의한, 물로부터의 흡열 및 물로의 방열 효과가 향상된다. 제2 기판(13)과 제2핀(21)은 작게 만들어지기 때문에, 제2 기판(13)에 제2핀(21)을 접합함으로써 발생하는 제2 기판(13)의 열 변형이 감소된다. 이에 따라, 모듈 본체(100)에서 열전 변환 소자(17)의 응력이 감소 될 수 있다.

제1핀(19)의 기부(19A)가 본 발명의 베이스 플레이트로서 복수의 제1, 제2 기판(11, 13)에 공동으로 이용되는 모듈 본체(100)에서는, 모듈 본체(100)가 쉽게 형성될 수 있다. 각 제1핀(19)은 판상부(19B)를 기부(19A)에 직접 접합시키는 것에 의해 형성된다. 판상부(19B)로 이루어진 판은, 기부(19A)와 판이 연장하는 방향으로, 각각 제1, 제2 기판(11, 13)을 포함하는 두 개의 이웃한 기판 유닛 사이의 참조부호 A를 통과하여 연장하도록 배치된다. 제1 기판(11) 쪽의 모듈 본체(100)에 있는 제1핀(19)에 의해, 제1 유로(7C)에서의 LLC로부터의 흡열 및 LLC로의 방열 효과가 향상된다.

모듈 본체(100)에서, 기부(19A)와 판상부(19B)는 대체로 동일한 열팽창 계수를 갖는 동일한 알루미늄 합금으로 이루어지고, 경납땜으로 상호 접합된다. 기부(19A)는 판상부(19B)보다 상대적으로 높은 강도를 갖는다. 판상부(19B)에 기부(19A)를 접합함으로써 발생하는 제1 기판(11)의 열 변형은 감소될 수 있다. 동일한 알루미늄 합금은, 기부(19A)의 알루미늄 합금의 구성 성분이 판상부(19B)의 알루미늄 합금의 구성 성분과 완전하게 일치하도록 요구되는 것을 의미한다. 그러나, 기부(19A)의 알루미늄 합금 구성 성분이 판상부(19B)의 알루미늄 합금 구성 성분과 완전하게 일치되지 않는 경우에도, 기부(19A)와 판상부(19B)가 상기한 유리한 효과를 얻기 위해 충분한 열팽창 계수와 강도를 갖는다면, 기부(19A)와 판상부(19B)가 동일한 알루미늄 합금으로 이루어졌다고 할 수도 있다. 경납땜된 기부(19A)와 판상부(19B)는 서로 단단히 접합되며, 경납땜함으로써 접합부위의 내부식성이 향상된다. 따라서, 제1핀(19)은 제1 유로(7C)를 통해 흐르는 LLC에 의해 거의 열화(deterioration)되지 않는다. 그러므로, 제1 열교환매체로서 많은 재료들이 사용될 수도 있다.

모듈 본체(100)에서, 기부(19A)와, 제1 기판(11)의 각 외면의 알루미늄박(11C)은 납땜으로 서로 접합된다. 납땜에 의한 접합은 경납땜에 의한 접합에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 수행되기 때문에, 제1핀(19)과 제1 기판(11)이 서로 접합될 때, 기부(19A)와 제1 기판(11)에서 열 변형이 거의 발생하지 않는다. 따라서, 제1 기판(11)에 제1핀(19)을 접합함으로써 발생되는 열전 변환 소자(17)의 어떠한 응력도 감소될 수도 있다. 기부(19A)와 판상부(19B)는 경납땜으로써 서로 접합되기 때문에, 제1핀(19)의 내구성이 향상된다.

도 5에 도시된 것처럼, 열전 변환 모듈(1)은 제1, 제2 하우징(7, 9)으로 이루어진 케이스(200)에 모듈 본체(100)가 수용될 수 있게 구성된다. 따라서, 열전 변환 모듈(1)에 의하면, 열은 제1 유로(7C)를 통과하여 흐르는 LLC와 제2 유로(9C)를 통과하여 흐르는 물 사이에 전달될 수 있다.

열전 변환 모듈(1)에 의하면, 제1 공간(7A), 제2 공간(9A) 및, 제3 공간(B)이 각각 가스켓(23)에 의해 유체 기밀하게 밀폐되기 때문에, LLC와 물이 열전 변환 소자(17)의 열화 및 열전 변환 모듈(1)에서의 누전을 거의 초래하지 않는다.

열전 변환 모듈(1)의 모듈 본체(100)에 의하면, 기부(19A)는 복수의 제1, 제2 기판(11, 13)에 공동으로 이용되기 때문에, 가스켓(23)을 위한 공간이 감소된다. 따라서, 케이스(200) 뿐만 아니라 제1, 제2 하우징(7, 9)이 축소될 수도 있다.

열전 변환 모듈(1)은 높은 성능을 가지며 탑재하기 쉽기 때문에, 열전 변환 모듈(1)을 갖춘 차량 공조장치는 고성능과 향상된 차량 탑재 용이성을 발휘한다.

차량 공조장치에서, LLC는 제1 열전달매체로서 사용되며, 열전 변환 모듈(1)은 LLC에 흡열과 방열을 수행할 수도 있다. 일반적으로 엔진의 냉각에 이용되는 LLC를 사용하면, 제1 열교환매체로서 다른 매체를 준비하는 것이 불필요하다. 따라서, 차량 공조장치 및 열전 변환 모듈의 탑재 용이성을 더 향상할 수 있기 때문에, 차량 공조장치 및 이러한 차량 공조장치를 갖춘 차량의 제조비용이 감소될 수 있다.

칸막이벽(7B, 9B)은 제1, 제2 하우징(7, 9)에 형성되고, 각각 제1, 제2 공간(7A, 9A)으로 연장한다. 제1 유로(7C)는 LLC를 일방으로 흐르게 하도록 제1 공간(7A)에 칸막이벽(7B)에 의해 형성되며, 제2 유로(9C)는 물을 일방으로 흐르게 하도록 제2 공간(9A)에 칸막이벽(9B)에 의해 형성된다.

따라서, 제1 유로(7C)에서 LLC의 흐름은 칸막이벽(7C)에 의해 복잡해지며, 제2 유로(9C)에서 물의 흐름 또한 칸막이벽(9C)에 의해 복잡해진다. 열전 변환 모듈(1)에서, 모듈 본체(100)는 LLC와 물로부터 열을 전달하는 것이 가능하다. 따라서, 열전 변환 모듈(1)은 높은 변환 성능을 가지며, 이에 따라, 열전 변환 모듈(1)을 갖춘 차량 공조장치는 높은 공조 성능을 제공한다.

본 발명은 상기 설명된 실시예에 제한되지 않고, 이하 예시될 다양한 방법으로 변형될 수도 있다.

모듈 본체(100)는 제1핀(19)의 각 판상부(19B)와 제2핀(21)의 각 제2 판상부(21B)가 다른 형상을 갖도록 구성될 수도 있다.

제1, 제2핀의 전열 재료는 되도록 제1, 제2 기판의 재료보다 높은 열전도도(heat conductivity)를 갖는 것이 유리하며, 또한 쉽게 구부려지는 것이 유리하다. 알루미늄 또는 구리같은 금속은 이러한 요구사항을 충족시킨다. 제1, 제2핀은 같거나 다른 전열 재료로 구성될 수도 있으며, 또는 같거나 다른 형상을 가질 수도 있다.

물과 LLC 대신, 공기가 제1, 제2 열교환매체로서 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 제1, 제2 열교환매체는 서로 같거나 다를 수도 있다.

칸막이벽(7B, 9B)은 각각, 제1, 제2 하우징(7, 9)의 부분을 변형하거나, 제1, 제2 하우징(7, 9)에 다른 부품을 탑재하여, 제1, 제2 하우징(7, 9)에 형성될 수도 있다. 칸막이벽(7B, 9B)은 제1, 제2 열교환매체의 흐름 방향에 평행하거나, 수직하는 방향으로 연장하도록 형성될 수도 있다. 칸막이벽(7B, 9B)은 다른 방향으로 배향된 복수의 칸막이벽으로 이루어질 수도 있다.

본 발명은 열전 변환 소자의 펠티어 효과를 이용하여 작동하는 차량 공조장치 또는 가정 공조장치 뿐만 아니라, 열전 변환 소자의 제백(Seebeck) 효과를 이용하여 작동하는 차량 발전 장치 또는 건물 발전 장치에도 이용할 수 있다.

Claims

서로 대향하여 배치되는 복수의 제1 기판 및 제2 기판으로, 각 상기 제1 기판은 내면과 외면을 포함하고, 각 상기 제2 기판은 내면과 외면을 포함하며, 상기 제1 기판의 각 내면은 상기 제2 기판의 각각의 내면에 대향하는 복수의 제1 기판 및 제2 기판과,
상기 제1 기판의 각각의 내면에 각각 접합되는 복수의 제1 전극과,
상기 제2 기판의 각각의 내면에 각각 접합되는 복수의 제2 전극과,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 서로 전기적으로 연결되는 복수의 열전 변환 소자와,
전열(heat-transfer) 재료로 이루어지며, 상기 제1 기판의 외면과 열적으로 접합하고, 외면이 포함된 베이스 플레이트와,
전열 재료로 이루어지며, 각각 상기 베이스 플레이트의 외면과 열적으로 접합하는 제1핀과,
전열 재료로 이루어지며, 각각 상기 제2 기판의 각각의 외면과 열적으로 그리고 직접 접합되는 제2핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1 기판은 세라믹 기판 및 상기 세라믹 기판의 적어도 일면에 일체로 접합된 금속박을 포함하고, 상기 제2 기판은 세라믹 기판 및 상기 세라믹 기판의 적어도 일면에 일체로 접합된 금속박을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1핀은 상기 베이스 플레이트의 외면에 직접 접합되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전 변환 모듈은 상기 베이스 플레이트의 외면 부근에 배치된 제1 하우징 및 상기 제2 기판의 외면 부근에 배치된 제2 하우징을 더 포함하며,
상기 제1 하우징과 상기 베이스 플레이트 사이에는 제1 열교환매체가 관통하여 흐르도록 제1 공간이 형성되고, 상기 제2 하우징과 상기 제2 기판 사이에는 제2 열교환매체가 관통하여 흐르도록 제2 공간이 형성되며, 상기 제1 공간, 상기 제2 공간 및, 상기 베이스 플레이트와 상기 제2 기판 사이에 열전 변환 소자가 배치되는 공간은 각각 밀봉 부재에 의해 유체 기밀하게 밀폐되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제4항에 있어서,
롱 라이프 쿨런트(Long Life Coolant)가 제1 열교환매체로서 기능 하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1 하우징 및 상기 제2 하우징에는 각각 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간으로 연장하도록 칸막이벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1핀은 상기 제1 기판의 외면에 평행하게 배치된 기부(base) 및 상기 기부로부터 수직으로 연장하는 판상부(plate portion)를 포함하며, 상기 기부는 베이스 플레이트로서 기능하고, 상기 판상부는 상기 기부에 경납땜으로 접합된 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제7항에 있어서,
상기 베이스 플레이트 및 상기 판상부는 동일한 전열 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 베이스 플레이트는 상기 제1 기판에 납땜으로 접합된 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전 변환 모듈은, 각각 상기 제1 기판 및 상기 제1 기판에 연결된 상기 제2 기판을 포함하는 복수의 기판 유닛을 포함하며, 상기 제1핀은, 이웃하는 두 기판 유닛 사이의 상기 베이스 플레이트의 외면에 상기 제1핀의 부분이 접합되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.