KR20130138324A - 열전 모듈 장치, 그 구성 방법 및 열전 시스템 - Google Patents

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KR20130138324A
KR20130138324A KR1020137029226A KR20137029226A KR20130138324A KR 20130138324 A KR20130138324 A KR 20130138324A KR 1020137029226 A KR1020137029226 A KR 1020137029226A KR 20137029226 A KR20137029226 A KR 20137029226A KR 20130138324 A KR20130138324 A KR 20130138324A
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마르크 에스 호데스
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알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

장치는 복수의 핑거를 가진 제 1 열전도성 바디와 복수의 제 2 열전도성 바디를 포함한다. 제 1 열전도성 바디 및 제 2 열전도성 바디는 제 1 열전도성 바디의 핑거가 제 2 열전도성 바디의 핑거와 맞물리도록 구성된다. 복수의 열전 모듈의 각각은 제 1 주 표면 및 대향하는 제 2 주 표면을 가진다. 각 열전 모듈의 제 1 주 표면은 제 1 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉하고, 제 2 주 표면은 제 2 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉한다.

Description

열전 모듈 장치, 그 구성 방법 및 열전 시스템{STACKED THERMOELECTRIC MODULES}
본 발명은 일반적으로 열전 모듈(thermoelectric module)에 관한 것이다.
열전 모듈(TEM)은 예를 들면 물체를 가열하거나 또는 냉각시키는데 사용될 수 있거나, 혹은 열원(heat source)과 방열판(heat sink) 사이에 배치하여 전력을 생성하는데 사용될 수 있는 반도체기반의 장치 종류이다. 일반적으로 교호 도핑 유형의 반도체 펠릿(pellets)이 전기적으로 직렬, 열적으로 병렬로 배치된다. 전류가 펠릿을 통해 흐름에 따라, TEM의 한 측면은 더 차갑게 되고, 다른 면은 더 따뜻해진다. 반대로, TEM이 열경사도에 배치될 때에는 부하를 통해 전류를 발생시킬 수 있다. TEM은 장치를 냉각 또는 가열시키는데 사용되거나, 혹은 피드백 제어 루프의 도움으로 동작 온도를 유지시키는데 사용될 수 있다.
일 실시예는 복수의 핑거(fingers)를 가진 제 1 열전도성 바디와 복수의 핑거를 가진 제 2 열전도성 바디를 포함한 장치이다. 제 1 열전도성 바디 및 제 2 열전도성 바디는 제 1 열전도성 바디의 핑거가 제 2 열전도성 바디의 핑거와 서로 맞물리도록(interdigitate) 구성된다. 복수의 열전 모듈의 각각은 제 1 주 표면 및 대향하는(opposing) 제 2 주 표면을 가진다. 제 1 주 표면은 제 1 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉하고, 제 2 주 표면은 제 2 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉한다.
다른 실시예는 복수의 핑거를 가진 제 1 열전도성 바디와 복수의 핑거를 가진 제 2 열전도성 바디를 포함하는 방법이다. 제 1 열전도성 바디 및 제 2 열전도성 바디는 제 1 열전도성 바디의 핑거가 제 2 열전도성 바디의 핑거와 서로 맞물리도록 구성된다. 복수의 열전 모듈의 각각은 제 1 주 표면 및 대향하는 제 2 주 표면을 가진다. 제 1 주 표면은 제 1 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉하고, 제 2 주 표면은 제 2 열전도성 바디의 하나의 핑거와 열접촉하도록 구성된다.
또 다른 실시예는 복수의 핑거를 가진 제 1 열전도성 바디와 복수의 핑거를 가진 제 2 열전도성 바디를 포함하는 시스템이다. 열전도성 바디들은 제 1 열전도성 바디의 핑거가 제 2 열전도성 바디의 핑거와 서로 맞물리도록 구성된다. 복수의 열전 모듈의 각각은 제 1 주 표면 및 대향하는 제 2 주 표면을 가진다. 제 1 주 표면은 제 1 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉하고, 제 2 주 표면은 제 2 열전도성 바디의 일 핑거와 열접촉한다. 제어기는 복수의 열전 모듈을 통한 제 1 열전도성 바디와 제 2 열전도성 바디 간의 열 전송률을 제어하도록 구성된다.
첨부도면을 판독시에 다음의 상세한 설명으로부터 다양한 실시예를 알 수 있다. 다양한 특징부는 논의의 명료성을 위해 스케일을 고려하지 않고 도시될 수 있으며 크기는 임의로 증가 또는 감소될 수 있다. 도면에서 다양한 특징부는 이들 특징부를 언급시에 편리성을 위해 "수직" 또는 "수평"으로 기술될 수 있다. 이러한 설명은 천연 지평선 또는 중력과 관련하여 이러한 특징부의 방위를 제한하지 않는다. 이제 첨부도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조한다.
도 1a는 수직으로 적층된 열전 모듈을 포함하는 장치의 실시예를 도시하는 도면.
도 1b는 수평으로 적층된 열전 모듈을 포함하는 장치의 실시예를 도시하는 도면.
도 2a 내지 도 2c는 복수의 핑거를 가진 두 열전도성 바디의 위치지정을 도시하는 도면.
도 3은 각각이 증기 챔버를 포함하며 열적으로 TEM에 연결된 두 열전도성 바디에서 작동유체 및 증기의 순환 예를 도시하는 도면.
도 4는 두 핑거와 각각 열접촉하는 TEM의 분해도.
도 5는 열원에 의해 생성되는 열에 응답하여 전력을 생성하도록 구성된 TEM 및 4 핑거를 도시하는 도면.
도 6a 내지 도 6c는 전열관 및 열전도성 블록이 열전도성 바디의 핑거를 형성하는 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 방법 예를 도시하는 도면.
열전 모듈(TEM)은 전형적으로 전기적으로 직렬로 연결되고 열적으로 병렬로 연결된 다수의 n 도핑 및 p 도핑 펠릿(pellets)으로부터 조립된다. 전자 및/또는 정공(hole)은 외부적으로 인가된 전위로 인해 펠릿을 통해 흐르게 될 때에 펠릿에 걸쳐 온도차가 유지된다. 펠릿은 TEM의 한 측면이 전류 흐름에 응답하여 더 차갑게 되고, 다른 한 측면은 더 따뜻해지는 교번 방식으로 직렬로 서로 전기접속된다. 따라서 TEM은 열 펌프로서 사용될 수 있다. TEM의 동작은 열경사도가 TEM의 펠릿에 걸쳐 부가될 때에 작업을 생성하는데 이용할 수 있는 전위를 생성한다는 점에서 가역성이다.
전류가 펠릿을 통해 흐름에 따라, 주울 가열(Joule heating)(I2R)로 인해 펠릿에서 전력이 소비된다. 소비된 전력은 펠릿의 온도를 상승시키고, 펌핑 효율(pumping efficiency)을 감소시킨다. 또한 소비된 전력은 TEM에 의해 제거될 열을 증가시킨다. 따라서 일반적으로, TEM의 효율이 높은 펌핑 전류에 대한 것보다 보다 낮은 펌핑 전류에 대해 더 크다. 그러나 펌핑 전류가 낮을수록, 열 전송률이 낮아진다. 이 트레이드오프(tradeoff)로 인하여 특정 시스템 설계의 요건에 대해 특히 설계 협상을 하게 된다.
TEM의 효율성은 TEM의 영역을 증가시킴으로써 증가될 수 있으므로, 각 펠릿을 통한 전류는 감소되고, 그리고/또는 열적으로 절연, 예를 들면 펠릿의 뜨거운 면과 차가운 면을 더 크게 절연시킨다. 여기에 전부 재생된 것처럼 참조로서 여기에 병합된 호데스(Hodes)등의 미국특허출원 시리얼번호 12/128,478은 열원으로부터의 열을 예를 들어 증기 챔버(vapor chamber)와 같은 열전도성 기판을 사용하여 측면으로 확산시키는 장치를 개시한다. 측면의 전도성 기판은 보다 큰 TEM을 사용할 수 있게 하여, TEM을 통한 유닛 영역당 열속(heat flux)(유닛 열속)을 감소시킬 수 있고, 따라서 TEM이 보다 큰 효율성을 가지고 작동할 수 있게 한다. 그러나 이 접근방안은 예를 들어 자동차 배기 시스템과 같은 것으로부터의 냉각 또는 온도 제어 애플리케이션에서, 또는 폐열 회수 애플리케이션에서 회로 어셈블리 기판(예를 들면 인쇄회로기판)의 보다 큰 영역을 사용하도록 요구할 수 있다. 이러한 경우, 동작의 보다 큰 효율성을 얻기 위하여 TEM에 보다 큰 영역을 제공하는 일이 비현실적이고, 그리고/또는 엄청나게 고가일 수 있다. 회로 어셈블리 기판상에 아주 작은 영역을 소비하면서 TEM 펠릿을 통한 전류 밀도를 감소시키는 대안이 필요하다.
전술한 실시예는 TEM이 적층될 수 있지만, 필요한 회로 어셈블리 기판 영역을 감소시키면서 TEM을 통한 유닛 열속을 감소시키기 위해 열적으로 병렬로 동작될 수 있다는 사실에서 유리하다. 따라서 예를 들면 열발생 장치로부터 열을 확산시키는데 사용되는 유효 영역은 수평보다는 오히려 기판에 수직으로 TEM을 확장함으로써 증가된다. 더 후술되는 바와 같이, 수직 어셈플리는 열적으로 병렬로 TEM을 구성하기 위해 열전도성 바디를 사용한다.
먼저 도 1a를 참조하면, 장치(100) 예의 단면도가 도시된다. 장치(100)는 열원(110)과 방열판(120)을 포함한다. 열원(110)은 제 1 열전도성 바디(130)와 열접촉한다. 방열판(120)은 제 2 열전도성 바디(140)와 열접촉한다. 여기에 사용되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 요소 간의 열접촉은 제 1 요소로부터의 열이 제 1 요소가 제 2 요소와 물리적 관계에 있는 영역을 통해 사실상 흐른다는 것을 의미한다.
열원(110)은 임의의 열원일 수 있다. 소정 실시예에서 열원(110)은 예를 들어 마이크로프로세서, 전력 증폭기 또는 고전력 레이저와 같이 에너지화될 때에 열을 발생하도록 구성된 전자 장치이다. 다른 실시예에서, 열원은 예를 들어 자동차의 촉매변환기 또는 스모크 스택(smoke stack)과 같은 폐열(waste heat)원일 수 있다. 장치(100)는 폐열로부터 전력을 복구하기 위해, 또는 그 온도를 유지시키기 위해 열원(110)을 냉각시키도록 구성될 수 있다. 온도가 유지된다면, 예를 들어 능동 피드백 루프를 포함한 제어기가 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열원(110)은 예를 들어 열을 소비하지 않지만 바람직한 동작 온도에서 장치(100)에 의해 유지되는 센서와 같은 수동 장치일 수 있다.
열전도성 바디(130)는 핑거, 예를 들어 핑거(135a, 135b, 135c: 집합적으로 핑거 135로 언급)를 포함한다. 또한 열전도성 바디(140)는 핑거(145a, 145b, 145c: 집합적으로 핑거 145로 언급)를 포함한다. 열전도성 바디(130, 140)가 각각 세 핑거를 가지는 것으로 도시되었지만, 보다 적거나 또는 더 많은 핑거를 가진 실시예를 고려할 수 있다. 도시된 바와 같이, 열전도성 바디(130, 140)는 동일한 수의 핑거를 가질 수 있지만, 동일하지 않은 수의 핑거를 가진 실시예도 본 개시물의 범주 내에 있다. 핑거(135, 145)는 보다 상세히 후술하는 바와 같이 서로 맞물려 있다. TEM(150a)은 핑거(135a, 145a) 사이에 위치한다. 유사하게, TEM(150b, 150c, 150d, 150e)은 도시된 바와 같이 나머지 핑거(135, 145) 사이에 위치한다. (TEM 150a, 150b, 150c, 150d, 150e는 집합적으로 150으로 언급된다.) 따라서 TEM(150)은 방열판(120)에 대해 수직으로 적층된다. TEM 또는 열전도성 바디는 공간(180)을 차지하지 않는다.
열전도성 바디들에 의해 제공되는 열전도성 경로와 TEM에 의해 제공되는 열 절연체의 조합은, 컴팩트하게 공간을 채운 어셈블리를 생성한다. 열전도성 경로는 어셈블리의 풋프린트에서 가능한 것보다, 열을 펌핑하거나 또는 폐열을 복구하기 위해 보다 큰 TEM 표면 영역을 제공하기 위해 사전결정된 3차원 열 회로에서 열을 전도하도록 선택될 수 있다. 사실상 이 구성은 열원(110)을 냉각시키는 경우에 열원(110)과 열접촉하는 열전도성 바디(130) 부분에서 단일 증발기, 그리고 TEM(150)과 열접촉하는 열전도성 바디 부분(140)에서 다중 콘덴서를 제공한다. 열이 열원(110)으로 전송되는 경우, 상황은 반전되어, 사실상 방열판(120)과 열접촉하는 열전도성 바디(140) 부분이 단일 증발기로서 동작하고, TEM(150)과 열접촉하는 열전도성 바디(130) 부분이 다중 콘덴서로서 동작한다.
간단히 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 서로 관련된 열전도성 바디(210)와 열전도성 바디(220)의 두 구성의 투시도가 도시된다. 각 열전도성 바디(210, 220)은 도시만을 위한 세 핑거를 포함한다. 도 2a에서, 핑거는 임의의 범위까지 오버랩하지 않는다. 이 경우, 열전도성 바디(210)의 핑거 셋은 열전도성 바디(220)의 핑거 셋으로부터 분리된다. 도 2b에서, 핑거가 적어도 부분적으로 오버랩되도록 바디(210, 220)를 구성한다. 이 경우, 핑거는 서로 맞물리는 것으로 기술된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 전형적으로 바디는 오버랩, 따라서 일 열전도성 바디로부터 다른 열전도성 바디로의 열 흐름을 위한 가용 영역을 최대화하도록 구성될 것이다. 도 2c는 오버랩이 비교적 작은 실시예의 평면도를 도시한다. 오버랩이 작더라도, 바디(210)의 핑거와 바디(220)의 핑거는 서로 맞물리는 것으로 간주된다. 여기에 사용되는 용어인 임의의 넌-제로 오버랩(nonzero overlap)은 "서로 맞물리는(interdigitated)"의 의미의 범주 내에 있다. 오버랩의 범위는 2 자유도(two degrees of freedom)을 가진다는 데에 주목한다.
도 1a를 다시 참조하면, TEM(150)을 통한 열 흐름은 결과적으로 열원(110)으로부터 방열판(120)으로의 순수 열 흐름(160)이다. 열원(110)으로부터 적어도 소정의 열이 TEM(150a-150e)의 각각을 통해 흐르므로, 열원(110)으로부터 열이 흐르는 유효 영역은 TEM(150a-150e)의 임의의 한 TEM의 영역보다 크고, TEM의 유효성이 증가된다. 소정 실시예에서, TEM(150)의 각각은 열전도성 바디(130)로부터 열전도성 바디(140)로 열을 전송하도록 구성된다. 다른 실시예에서, TEM(150)의 각각은 열전도성 바디(140)로부터 열전도성 바디(130)로 열을 전송하도록 구성된다. 예를 들면, 셋 온도를 유지하기 위해 열원(110)을 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 후술되는 바와 같이 또 다른 실시예에서, TEM(150)은 열원(110)으로부터의 열에 응답하여 전력을 생성하도록 구성된다.
열전도성 바디(130, 140)는 전형적으로 약 200 W/m-k 이상의 열전도성으로 통상 인정되는 임의의 물질로 형성될 수 있다. 바디는 열전도성 바디(130, 140)의 표면에 대해 하나 이상의 방향으로 열전도성을 증가시키도록 설계된 층을 포함할 수 있다. 물질의 예는 예를 들면 알루미늄, 구리, 은 및 금과 같은 금속, Al/SiC와 같은 합성물, 산화베릴륨(beryllia)과 같은 세라믹, 그리고 다이아몬드막 및 열분해 흑연(pyrolitic graphite)과 같은 탄소기반 열 전도체를 포함한다. 소정 경우에, 열전도성은 약 400 W/m-k 이상이다. 더 후술되는 소정 실시예에서, 유효 열전도성이 적어도 일부 방향에서 약 5000 W/m-k 이상일 수 있는 경우에, 열전도성 바디(130, 140)는 증기 챔버 또는 전열관을 포함할 수 있다. 열전도성 바디(130, 140)는 동일 또는 상이한 물질로 형성될 수 있고, 동일 또는 상이한 열전도성 특성을 가질 수 있고, 그리고 동일 또는 상이한 기하학의 핑거(135, 145)를 가질 수 있다.
도 1b는 방열판(120)에 대해 수평으로 적층된 TEM(150a, 150b)을 포함하는 장치(170) 예를 도시한다. 도시된 경우에, 열전도성 바디(130)는 단지 하나의 핑거를 가지고, 열전도성 바디(140)는 두 핑거를 가진다. 스택은 열전도성 바디(130) 및/또는 열전도성 바디(140)의 핑거의 수를 증가시킴으로써 수평으로 확장될 수 있다. 소정 경우, 열전도성 바디(130)와 TEM(150a, 150b)은 평면에 있다. 다른 경우, 핑거(145a, 145b)는 핑거(135a)를 둘러싸는 단일의 고리모양 구조의 일부이다. 이러한 경우, TEM(150a, 150b)은 물리적으로 분리될 수 있거나, 또는 핑거(135a)를 둘러싸는 고리모양 TEM의 일부일 수 있다. 고리모양 TEM의 상세부분은 여기에 전부 재생되는 것처럼 참조로서 여기에 병합된 호데스 등의 미국 특허출원 시리얼 번호 11/618,056에 개시된다. 스택은 TEM(150a, 150b)의 크기를 증가시킴으로써 수직으로 확장될 수 있다.
장치(100)와 장치(170)에서, 임의의 TEM은 원한다면 선택적으로 열 절연물질로써 교체될 수 있다. 예를 들면 하나 또는 몇몇 TEM(150)을 통한 특정 열속 값을 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 절연체는 열전도성 바디(130, 140)의 열 절연성을 높이기 위하여 선택적으로 빈 공간, 예를 들면 공간(180)에 배치될 수 있다. 절연물질의 예는 발포 폴리스티렌 또는 에어로젤을 포함한다.
이제 도 3을 참조하면, 두 열전도성 바디(330, 340)을 포함한 장치(300) 예가 도시된다. 열전도성 바디(330, 340)의 각각은 예를 들면 두개의 핑거를 가지고, 증기 챔버(360, 365)를 제각기 포함한다. 열전도성 바디(330, 340)의 핑거는 서로 맞물려 있다. 열원(110)은 열전도성 바디(320)와 열접촉하고, 방열판(120)은 열전도성 바디(340)와 열접촉한다. TEM(350a, 350b, 350c)(집합적으로 TEM 350)은 열전도성 바디(330)와 열전도성 바디(340)의 핑거들 사이에 위치한다. TEM(350)은 열전도성 바디(330)로부터 열전도성 바디(340)로 열을 펌핑하기 위해 여기 도시된 실시예에 구성된다. 따라서 열전도성 바디(330)와 접촉하는 각 TEM(350)의 표면은 열전도성 바디(340)와 접촉하는 표면보다 더 차갑다. 부분(380)은 차후 논의를 위해 경계 표시가 되어 있다.
증기 챔버의 동작은 예를 들면 '478 출원에 기술되며, TEM(350)이 열전도성 바디(330)로부터 열전도성 바디(340)로 열을 펌핑하도록 구성되는 경우인 예로서 열전도성 바디(330)를 사용하여 여기에 요약된다. 증기 챔버(360)는 임의의 필요한 구조적 지지부를 제외하고는 속이 비어있는 챔버의 하나 이상의 내부 표면을 라이닝(lining)하는 심지(wick)(362)를 포함한다. 심지(362)는 알콜 또는 물과 같은 작동유체(working fluid)로써 젖어 있다. 챔버의 외부면이 열원과 접촉시에, 접촉면 부근의 작동유체는 증기 챔버(360) 내로 증발되며, 가열된 영역으로부터 멀리 운송된다. 상변화(phase change)는 증발 열을 가열 영역으로부터 멀리 운송한다. 그 후, 증기는 챔버의 보다 차가운 영역에서 심지 상에 응결될 수 있다. 상변화는 보다 차가운 영역에서 응결 열을 방출한다. 이런 식으로, (예를 들면 라이닝된(lined) 내부면에 병렬인) 유효 측면 열전도성은 고체금속 열 전도체의 열전도성의 수십에서 수백배(10x-100x)일 수 있다. 5,000-20,000 W/m-k 범위의 열전도성이 가능하다.
열원(110)으로부터의 열은 열전도성 바디(330)로 흐른다. 열원(110)에 가까운 심지(362)에서 작동유체가 증발되어, 증기 챔버(360)의 증기 챔버(360) 오픈 볼륨에 들어간다. 증기는 증기 챔버(360)를 통해 TEM(350a, 350b, 350c)에 가까운 부분으로 확산된다. 열전도성 바디(330)와 접촉하는 각 TEM(350a, 350b, 350c)의 표면이 열전도성 바디(340)와 접촉하는 표면에 비해 차가우므로, 증기는 TEM(350a, 350b, 350c)에 가까운 심지(362)상에 응결된다. 응결 열은 TEM(350a, 350b, 350c)에 의해 열전도성 바디(340)로 펌핑된다.
열전도성 바디(340)에서, TEM(350a, 350b, 350c)에 의해 운송되는 열은 심지(370)의 작동유체가 증발되게 한다. 증기는 챔버(365)를 통해 확산되고, 방열판(120)에 가까운 심지(370)에서 응결된다. 방열판(120)은 열전도성 바디(330)로부터 응결 열을 제거하기 위해 예를 들어 공기 또는 액체에 의해 차가워질 수 있다. 방열판(120)은 TEM(350)보다 큰 풋프린트를 가질 수 있다. 열전도성 바디(340)와 방열판(120)은 시스템 설계에서의 가용 영역에 의해 제한되는 대로, 원하는 대로 열을 소비하기 위해 큰 영역을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 명료성을 위해 장치(300)의 부분(380)의 확대도로써 보다 상세히 도시한다. 논의를 위해 TEM(350b)의 구조적 특징을 또한 도시한다. 당업자는 TEM 구조에 익숙할 것이다. 후속되는 설명은 실례가 되는 것으로 TEM을 임의의 특정 구성으로 제한하려는 것이 아니다. TEM(350b)은 전도체(430)에 의해 직렬 방식으로 연결된 n-펠릿(410)과 p-펠릿(420)을 포함한다. 절연층(440)은 열전도성 바디(330)의 핑거(432)와 열전도성 바디(340)의 핑거(434)로부터 전도체(430)를 전기 절연시키고, 기계적 지지부를 제공하는 기판으로서 동작할 수 있다. TEM의 현 기존의 또는 장래 개발되는 임의의 물질 및 어셈블리 기법은 본 개시물의 범주 내에 있다.
TEM의 크기는 따뜻한 측면과 차가운 측면의 차등 열팽창으로 인하여 한 측면에 예를 들어 약 5cm와 같은 최대치로 제한될 수 있다. 여기에 기술된 실시예에서, 설계가 사용되는 TEM 유형에 대해 허용가능한 최대치보다 큰 치수를 가진 TEM을 요구할 때, 적용가능한 최대치보다 작은 치수를 가진 다수의 TEM이 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 다수의 TEM의 각각은 예를 들면 열전도성 바디(330)와 열전도성 바디(340)의 모두와 열접촉한다.
TEM(350b)는 전류 I가 예를 들어 TEM(350b)의 상부 주 표면(450)을 냉각시키고, 대향하는 하부 주 표면(460)을 따뜻하게 하는 열 경사도(382)를 생성하도록 구성된다. 주 표면은 TEM(350b)이 동작중일 때에 열이 전송되는 표면이다. n-펠릿(410)과 p-펠릿(420)은 예를 들면 10-20 W/m-k의 비교적 낮은 열전도성을 가진다. 따라서 TEM(350b)은 전류 I에 의해 변조될 수 있는 열속을 통해 열 절연체로서 동작한다.
실시예에서, 열전도성 바디(330, 340) 중의 하나 또는 모두는 단일 집적 구조를 형성하기 위해 TEM(350b)과 짝이 된다. 환언하면, 열전도성 바디(330)는 예를 들면 펠릿(410, 420) 및 전도체(430)를 위한 기판으로 동작한다. 이러한 실시예에서, 증기 챔버로부터 전도체(430)의 전기 절연은 예를 들면 얇은 중합체층에 의해 제공될 수 있다. 증기 챔버와 TEM의 집적에 대한 추가적인 상세사항은 본 명세서에 전부 기재되는 것처럼 참조로서 병합된 호데스 등(Hodes et al.)의 미국 특허출원 시리얼번호 12/128,478에 제공된다.
장치(300)에서, 예를 들면 상부 주 표면(450)은 핑거(432)의 하부 표면(470)과 열접촉하도록 배치된다. 유사하게, 하부 주 표면(460)은 핑거(434)의 상부 표면(480)과 열접촉하도록 배치된다. 선택적으로, 예를 들면 써멀 그리스(thermal grease)와 같은 열 전도체 지원부가 TEM(350b)과 핑거(432, 434) 사이에 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, TEM(510a, 510b, 510c)(집합적으로 TEM 510)이 열원(520)에 의해 출력되는 열에 응답하여 전력을 생성하도록 구성되는 장치(500) 예가 도시된다. 핑거(530a, 530b)의 일부는 명료성을 위해 생략된다. 본 실시예는 세 TEM을 사용하지만, 더 많은 TEM이 사용될 수 있고, 예를 들면 일부가 핑거(530a, 530b)인 바디의 한정된 열전도성과 사용가능한 수직 높이를 가질 수 있다. 열원(520)으로부터 열이 세 TEM(510) 간에 분산되므로, TEM(510a, 510b, 510c)의 각각은 보다 적은 TEM, 예를 들면 하나의 TEM이 사용되었던 경우에서보다 더 낮은 열속(heat flux)으로써 동작한다. 보다 낮은 열속을 가진 TEM의 증가된 냉각 효율성과 유사한 방식으로, 전력을 생성하도록 구성된 TEM(510)은 또한 보다 낮은 열속으로써 보다 효율적으로 동작한다. 따라서 열원(520)을 형성하는 가용 전력의 보다 큰 부분이 보다 적은 TEM이 사용되었던 것과 다른 전기 전력으로 변환된다. 또한 열속이 보다 낮아질 때, 비교적 더 많은 열이 TEM을 통해 펌핑되는 것보다는 오히려 가용 형태, 예를 들면 전기 전력으로 변환된다.
전력생성 실시예에서 TEM(510a, 510b, 510c)의 각각을 통한 열속이 보다 낮으므로, TEM의 두 측면 간의 온도차는 보다 높은 열속 경우에 비해 감소된다. 따라서 예를 들면 장치(500)에 의해 냉각되는 전기 구성소자는 보다 높은 열속을 가진 단일 TEM이 전력을 생성하는데 사용된 경우보다 더 낮은 온도에서 동작할 수 있다. 환언하면, 장치(500)는 보다 큰 수의 펠릿에 대해 열속을 확산하기 때문에, 전기 구성소자는 몇몇 TEM을 통과하는 전기 구성소자로부터의 동일한 총 열속에 대해 보다 낮은 온도에서 동작할 수 있다. 이 양상은 고온 동작으로 인하여 구성소자의 수명을 감소시키는 위험없이 가능하다기보다는 전력을 생성하기 위해 전기 구성소자에 의해 소비되는 보다 큰 열 부분을 이용할 수 있다는 것이다. 이 양상은 전형적으로 폐열의 비교적 작은 부분이 TEM의 열 절연 특성으로 인하여 전기 구성소자로부터 복구될 수 있다는 점에서 열 전력 복구 분야의 전류 상태와 상반된다.
TEM(510)은 예를 들어 전력의 I2R 와트를 생성하기 위해 부하 R에 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 열원(520)은 전기 구성소자 또는 고온 배기가스를 위한 도관일 수 있다. 소기(scavenged) 전력을 바람직한 임의의 목적을 위해 사용할 수 있다. 여기의 다양한 실시예에 기술된 방식으로 TEM(510)을 구성하여 사용가능한 폐열의 보다 큰 부분을 가용 전력으로 변환한다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, TEM(510)은 전기적으로 병렬 연결된다. 이러한 실시예에서, 도시된 직렬 구성에서보다 더 높은 전류 및 낮은 전압의 복구 전력을 제공한다.
도 6a는 열전도성 바디(600)가 다수의 전열관(610a, 610b, 610c)(집합적으로 전열관 610)을 포함하는 실시예를 도시한다. 전열관(610)은 열전도성 블록(620a, 620b, 620c)에 삽입된다. 본 예에서, 세개의 전열관(610)이 사용되지만, 전체 시스템 요건에 의해 바람직한 대로, 그리고 예를 들면 전열관(610)과 열전도성 블록(620)의 기계적 강도에 의해 제한되는 대로 임의의 수의 파이프를 사용할 수 있다.
작동유체 및 증기는 전열관(610a, 610b, 610c)의 각각에서 독립적으로 순환한다. 이 실시예 양상은 열전도성 블록(620)과 열접촉하는 TEM의 상이한 영역으로부터의 열 흐름을 맞춤하기 위한 수단을 제공한다. 예를 들면, 전열관(610b)는 TEM의 내부 영역으로부터 열을 에지로부터 멀리 제거하기 위해 전열관(610a, 610b, 610c)보다 큰 레이트로 열을 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 전열관(610b)은 전열관(610a, 610b)과 다른 직경으로써 구성될 수 있다.
도 6b는 열전도성 바디(650)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 열전도성 블록(660a, 660b, 660c)(집합적으로 열전도성 블록 660)은 지지 부재(665)에 의해 결합된다. 지지 부재(665)는 열전도성 바디(650)를 기계적으로 지지하는 역활을 할 수 있다. 지지 부재(665)는 열전도성 블록(660)과 동일 또는 상이한 물질로 이루어질 수 있다. 실시예에서, 지지 부재(665)와 열전도성 블록(660)은 높은 열전도성, 예를 들면 200 W/m-k 이상을 가진 물질의 일체식 구조이다.
도 6c는 열원(110), 두 열전도성 바디(600), 5 TEM(675) 및 방열판(120)을 포함한 장치(670)를 도시한다. 장치(670)는 전술한 장치(100)와 유사하게 동작할 것으로 예상된다.
마지막으로 도 7을 참조하면, 방법(700)의 흐름도가 도시된다. 단계(710)에서, 제 1 열전도성 바디와 제 2 열전도성 바디를 제공한다. 일 열전도성 바디가 적어도 하나의 핑거를 가지도록 구성되고, 다른 일 열전도성 바디는 다수의 핑거를 가지도록 구성된다. 단계(720)에서, 제 1 열전도성 바디와 제 2 열전도성 바디는 한 열전도성 바디의 핑거가 다른 열전도성 바디의 핑거와 서로 맞물리도록 서로에 대해 구성된다. 단계(730)에서, 각 TEM의 제 1 주 표면이 제 1 열전도성 바디와 열접촉하고, 대향하는 제 2 주 표면은 제 2 열전도성 바디와 열접촉하도록 다수의 TEM을 구성한다.
당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 기술한 실시예에 다른 및 더 이상의 추가, 삭제, 대체 및 변경을 행할 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 핑거(finger)를 갖는 제 1 열전도성 바디와,
    복수의 핑거들을 갖는 제 2 열전도성 바디―상기 제 2 열전도성 바디는 상기 복수의 핑거들 중 적어도 제 1 핑거 및 제 2 핑거가 동일한 증기 챔버의 일부분을 포함하고 상기 제 2 열전도성 바디는 상기 제 1 핑거로부터 상기 제 2 핑거로의 증기 전송을 위한 경로를 제공하도록 구성되고, 또한 상기 제 2 열전도성 바디는 상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거가 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 및 상기 제 2 핑거와 서로 맞물리도록(interdigitate) 구성됨―와,
    상기 제 1 열전도성 바디와 상기 제 2 열전도성 바디 사이에 위치되는 복수의 열전 모듈(thermoelectric modules)―상기 복수의 열전 모듈의 각각은 자신의 제 1 주(major) 표면 및 대향하는(opposing) 제 2 주 표면 사이에 전부 위치되는 적어도 하나의 반도체 펠릿(semiconducting pellet)을 각기 포함하고, 상기 제 1 주 표면들 중 하나는 상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거와 열접촉하고, 상기 제 2 주 표면들 중 하나는 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 또는 상기 제 2 핑거와 열접촉함―을 포함하는
    열전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도성 바디와 열접촉하는 열원(heat source)과,
    상기 제 2 열전도성 바디와 열접촉하는 방열판(heat sink)을 더 포함하는
    열전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 상기 열원에 의해 생성되는 열에 응답하여 전기 전력을 생성하도록 구성되는
    열전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 상기 열원과 상기 방열판 사이에 열을 전송하도록 구성되는
    열전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 동일한 증기 챔버는 제 2 증기 챔버이고, 상기 제 1 열전도성 바디는 제 1 증기 챔버를 포함하는
    열전 장치.
  6. 적어도 하나의 핑거를 갖는 제 1 열전도성 바디를 제공하는 단계와,
    복수의 핑거들을 갖는 제 2 열전도성 바디를 제공하는 단계―상기 제 2 열전도성 바디는 상기 복수의 핑거들 중 적어도 제 1 핑거 및 제 2 핑거가 동일한 증기 챔버의 일부분을 포함하고 상기 제 2 열전도성 바디는 상기 제 1 핑거로부터 상기 제 2 핑거로의 증기 전송을 위한 경로를 제공하도록 구성됨―와,
    상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거가 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 및 상기 제 2 핑거와 맞물리도록 상기 제 1 열전도성 바디 및 제 2 열전도성 바디를 구성하는 단계와,
    상기 제 1 열전도성 바디와 상기 제 2 열전도성 바디 사이에 복수의 열전 모듈을 위치시키는 단계―상기 복수의 열전 모듈의 각각은, 자신의 제 1 주 표면 및 대향하는 제 2 주 표면 사이에 전부 위치되는 적어도 하나의 반도체 펠릿을 각기 포함하고, 상기 제 1 주 표면들 중 하나가 상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거와 열접촉하고 상기 제 2 주 표면들 중 하나가 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 또는 상기 제 2 핑거와 열접촉하도록 위치됨―를 포함하는
    열전 장치를 구성하는 방법.

  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 동일한 증기 챔버는 제 2 증기 챔버이고, 상기 제 1 열전도성 바디는 제 1 증기 챔버를 포함하는
    열전 장치를 구성하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도성 바디와 열접촉하는 열원과, 상기 제 2 열전도성 바디와 열접촉하는 방열판을 배치하는 단계를 더 포함하는
    열전 장치를 구성하는 방법.
  9. 적어도 하나의 핑거를 갖는 제 1 열전도성 바디와,
    복수의 핑거들을 갖는 제 2 열전도성 바디―상기 제 2 열전도성 바디는 상기 복수의 핑거들 중 적어도 제 1 핑거 및 제 2 핑거가 동일한 증기 챔버의 일부분을 포함하고 상기 제 2 열전도성 바디는 상기 제 1 핑거로부터 상기 제 2 핑거로의 증기 전송을 위한 경로를 제공하도록 구성되고, 또한 상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거가 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 및 상기 제 2 핑거와 서로 맞물리도록 구성됨―와,
    상기 제 1 열전도성 바디와 상기 제 2 열전도성 바디 사이에 위치되는 복수의 열전 모듈―상기 복수의 열전 모듈의 각각은 자신의 제 1 주 표면 및 대향하는 제 2 주 표면 사이에 전부 위치되는 적어도 하나의 반도체 펠릿을 각기 포함하고, 상기 제 1 주 표면들 중 하나는 상기 제 1 열전도성 바디의 상기 적어도 하나의 핑거와 열접촉하고, 상기 제 2 주 표면들 중 하나는 상기 제 2 열전도성 바디의 상기 제 1 핑거 또는 상기 제 2 핑거와 열접촉함―과,
    상기 복수의 열전 모듈을 통해 상기 제 1 열전도성 바디와 상기 제 2 열전도성 바디 간의 열 전송률을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는
    열전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 동일한 증기 챔버는 제 1 증기 챔버이고, 상기 제 1 열전도성 바디는 제 2 증기 챔버를 포함하는
    열전 시스템.
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