KR20180022427A - 열전 모듈 패키징 장치 - Google Patents

열전 모듈 패키징 장치 Download PDF

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KR20180022427A
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Abstract

열전 모듈 패키징 장치가 개시된다. 열전 모듈 패키징 장치는, 냉각 유로가 내부에 형성되는 제1 바디와 고온의 열원에 접촉되며 제1 바디와의 사이에 열전 모듈이 삽입되는 삽입 공간이 형성되는 제2 바디를 포함하는 패키지 바디와, 열전 모듈의 양측에서 삽입 공간의 내부에 설치되는 열전달부재와, 제1 바디와 제2 바디를 서로 간에 고정하는 고정부를 포함한다.

Description

열전 모듈 패키징 장치{PACKAGING APPARATUS FOR THERMOELELCTRIC MODULE}
본 발명은 열전 모듈의 산화 및 열화가 발생되지 않은 상태로 발전 효율의 향상이 가능하도록 하는 열전 모듈 패키징 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열전 모듈은, 열전 재료(TE: thermoelectric element), 전극 재료와 접합 및 안정성을 위한 재료로 구성되는 것으로, 열전 재료에 가해지는 온도 차이를 이용하여 발전하는 것이 가능하다.
이러한 열전 모듈은, 고상의 재료로 구성되는 것으로 필요에 따라 사이즈의 조절이 가능한 바, 수mm 내지 수십mm의 크기로 제작이 가능하다.
한편, 열전 모듈은 고온에서 장시간 구동하는 경우, 열전 모듈 내의 열전 소재 및 전극 접합부에서의 산화 및 열화가 발생되는 바, 열전 모듈을 이용한 신뢰성 있는 전력의 생산이 어려운 문제점이 있다.
아울러, 열전 모듈을 패키지 타입으로 감싸는 경우, 열전 모듈의 상하부에 효율적인 온도차를 형성하는 것이 어려워 발전 효율이 저하될 수 있다.
또한, 열전 모듈의 작동 과정에서 인접 설비로부터 전단 응력이 작용하는 경우 용이하게 손상될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 산화 및 열화되지 않아 발전 효율이 향상되고, 전단 응력에 대응하여 내구성이 향상되는 열전 모듈 패키징 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 냉각 유로가 내부에 형성되는 제1 바디와 고온의 열원에 접촉되며 제1 바디와의 사이에 열전 모듈이 삽입되는 삽입 공간이 형성되는 제2 바디를 포함하는 패키지 바디와, 열전 모듈의 양측에서 삽입 공간의 내부에 설치되는 열전달부재와, 제1 바디와 제2 바디를 서로 간에 고정하는 고정부를 포함한다.
제1 바디에는 열전 모듈의 일측이 내부로 삽입되는 제1 삽입부가 형성되고, 제2 바디에는 열전 모듈의 타측이 내부로 삽입되는 제2 삽입부가 형성될 수 있다.
패키지 바디는 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 구리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
패키지 바디의 삽입 공간은 진공 상태일 수 있다.
열전달부재는, 삽입 공간에서 열전 모듈의 일측과 제1 바디의 사이에 삽입되는 제1 계면 열전소재와, 삽입 공간에서 열전 모듈의 타측과 제2 바디의 사이에 삽입되는 제2 계면 열전소재를 포함할 수 있다.
열전달부재는, 서멀 그리스(thermal grease), 열전도성 페이스트, 카본 시트 또는 열전도성 패드 중의 적어도 하나 이상으로 선택되어 형성될 수 있다.
고정부는, 제1 바디와 제2 바디를 함께 고정하는 단열 볼트부재일 수 있다.
고정부는, 제1 바디와 제2 바디를 서로간에 고정하는 클랭핑부재일 수 있다.
제1 바디와 제2 바디의 외표면에는 고정홈이 각각 형성될 수 있다.
클램핑부재는, 양단이 고정홈에 고정되도록 절곡된 고정편일 수 있다.
제1 바디와 제2 바디가 접촉되는 부분에 삽입되는 단열부재를 더 포함할 수 있다.
제1 바디와 제2 바디는 단열부재의 가장자리 부분에서 서로간에 용접될 수 있다.
패키지 바디에는 열전 모듈과 연결되어 발전 전력이 전송되는 전선부재가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전 모듈을 진공 분위기에서 패키징하는 것이 가능하여, 고온에서 장시간 구동하여도 산화 및 열화가 발생되지 않도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전 모듈은 강한 수직 응력에 의해 고정된 상태로 설치되는 것이 가능하여, 열전달 향상과 전단 응력에 대한 내구성의 향상이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전 모듈이 패키징되는 사이에 단열부재가 설치되는 바, 열전 모듈의 고온 소자 부분과 저온 소자 부분의 온도차를 효율적으로 유지하는 것이 가능하여, 발전 효율의 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 열전 모듈 패키징 장치의 분해된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 유로가 제1 바디에 형성된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단열부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 열전 모듈 패키징 장치의 분해된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치의 제1 바디와 제2 바디가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치의 제1 바디와 제2 바디가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 열전 모듈 패키징 장치의 분해된 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치(100)는, 냉각 유로(11b)가 내부에 형성되는 제1 바디(11)와, 고온의 열원에 접촉되며 제1 바디(11)와의 사이에 열전 모듈(20)이 삽입되는 삽입 공간(10a)이 형성되는 패키지 바디(10)와, 열전 모듈(20)의 양측에서 삽입 공간(10a)의 내부에 설치되는 열전달부재(30)와, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)를 서로 간에 고정하는 고정부(50)를 포함한다.
열전 모듈(20)은 열전 재료(TE: thermoelectric element), 전극 재료와 접합 및 안정성을 위한 재료로 구성되는 것으로, 열전 재료에 가해지는 온도 차이를 이용하여 발전하는 것이 가능한 것이다. 이러한 열전 모듈(20)은 패키지 바디(10)의 내부에 진공 상태로 패키징될 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 구체적으로 설명한다.
패키지 바디(10)는 열전 모듈(20)의 일측이 위치되는 제1 바디(11)와, 열전 모듈(20)의 타측이 위치되는 제2 바디(13)를 포함할 수 있다. 참조 번호 15는 열전 모듈(20)에서 발전되는 전력이 전송되는 전선부재를 말한다.
제1 바디(11)는 열전 모듈(20)의 일측이 삽입된 상태로 위치되는 제1 삽입부(11a)가 형성될 수 있다. 이러한 제1 바디(11)의 내부에는 냉각 유로(11b)가 형성된다.
제1 바디(11)는 열전 모듈(20)의 저온 소자 부분이 제1 삽입부(11a)의 내부로 위치하도록 형성될 수 있다.
이러한 제1 바디(11)는 열전 모듈(20)의 저온 소자 부분이 저온 상태로 유지할 수 있도록 열전달이 용이한 재질로 형성될 수 있다. 제1 바디(11)는 본 실시예에서 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 등의 금속소재로 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 유로가 제1 바디에 형성된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 바디(11)의 내부에는 냉각 유로(11b)가 형성될 수 있다.
냉각 유로(11b)는 제1 바디(11)의 내부를 통과하도록 형성되는 바, 저온의 냉각수가 이동되도록 한다. 따라서, 제1 바디(11)는 냉각 유로(11b)를 통과하는 저온의 냉각수에 의해 냉각되는 바, 열전 모듈(20)의 저온 소자 부분을 설정 온도 이하로 냉각하는 것이 가능하다. 이러한 제1 바디(11)에는 제2 바디(13)가 결합된다.
제2 바디(13)는 제1 바디(11)에 분해 결합 가능하게 고정되는 것으로서 후술하는 고정부(50)에 의해 제1 바디(11)에 고정될 수 있다. 이러한 제2 바디(13)는 열전 모듈(20)의 타측이 삽입된 상태로 위치되는 제2 삽입부(13a)가 형성될 수 있다
즉, 제2 바디(13)의 제2 삽입부(13a)에는 열전 모듈(20)의 고온 소자 부분이 내부로 위치하도록 형성될 수 있다.
제2 바디(13)는 고온의 열원에 외표면에 접촉되는 바, 고온 소자 부분을 설정 온도 이상으로 유지할 수 있다. 이러한 제2 바디(13)는 고온의 열원으로부터 전달되는 고온의 열을 열전 모듈(20)의 고온 소자 부분으로 용이하게 전달 가능하도록 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 등의 금속소재로 적용될 수 있다.
한편, 패키지 바디(10)의 삽입 공간(10a)은 진공 상태로 유지될 수 있다.
패키지 바디(10)에는 삽입 공간(10a)의 진공 유지를 위해 진공 포트(14)가 설치된다. 이와 같이 삽입 공간(10a)이 진공 상태를 유지하는 바, 열전 모듈(20)이 고온에서 장시간 노출되어도 산화 및 열화가 발생되지 않은 상태에서 효과적인 전력 생산이 이루어질 수 있다.
한편, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 사이에는 열전달부재(30)가 설치될 수 있다.
열전달부재(30)는, 삽입 공간(10a)에서 열전 모듈(20)의 일측과 제1 바디(11)의 사이에 삽입되는 제1 계면 열전소재(31)와, 삽입 공간(10a)에서 열전 모듈(20)의 타측과 제2 바디(13)의 사이에 삽입되는 제2 계면 열전소재(33)를 포함할 수 있다.
제1 계면 열전소재(31) 및 제2 계면 열전소재(33)는, 서멀 그리스(thermal grease), 열전도성 페이스트, 카본 시트 또는 열전도성 패드 중에서 선택된 어느 하나도 적용될 수 있다.
이와 같이, 제1 계면 열전소재(31) 및 제2 계면 열전소재(33)는 열전 모듈(20)의 양측에 각각 설치되는 바, 열전 모듈(20)의 저온 소자 부분이 냉각수의 저온이 용이하게 전달되어 냉각되고, 열전 모듈(20)의 고온 소자 부분이 고온의 열이 용이하게 전달되어 설정 온도 이상으로 적절하게 가열될 수 있다.
한편, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 고정 과정에서 접촉되는 부분에는 단열부재(40)가 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단열부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단열부재(40)는 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 사이 부분의 접촉되는 부분을 따라 가스켓 타입으로 설치될 수 있다.
따라서 제2 바디(13)에 전달되는 고온의 열이 제2 바디(13) 방향으로 전달되지 않도록 하는 것이 가능하다. 아울러, 제1 바디(11)를 통과하는 냉각수에 의해 열전 모듈(20)의 저온 소자 부분이 적절하게 냉각되도록 하는 것이 가능하다.
이에 따라, 열전 모듈(20)은 단열부재(40)에 의해 고온 소자 부분과 저온 소자 부분의 온도차를 효율적으로 유지하는 것이 가능하여, 발전 효율의 향상될 수 있다.
한편, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)는 고정부(50)에 의해 견고하게 고정될 수 있다.
고정부(50)는, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)를 함께 고정하는 단열 볼트부재로 적용될 수 있다. 이하에서 고정부와 단열 볼트부재는 동일 참조 번호를 사용한다.
단열 볼트부재(50)는 제1 바디(11)와 제2 바디(13)를 통과하면서 너트부재(51)의 고정을 통해 고정될 수 있다. 제1 바디(11)와 제2 바디(13)는 단열 볼트부재(50)에 의해 견고하게 고정되어 열전 모듈(20)이 설치된 수직 방향으로 강한 수직 응력이 작용된다. 따라서, 열전 모듈(20)의 열전달 특성이 향상되고 전단 응력에 대한 내구성의 향상이 가능하다.
여기서 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 사이 부분은 용접으로 연결되는 것도 가능하다. 따라서 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 사이는 단열 볼트부재(50)에 의해 견고하게 고정된 상태에서 용접되어 기밀성의 향상이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 열전 모듈 패키징 장치(100)는, 열전 모듈(20)을 패키지 바디(10)의 내부에 진공 분위기에서 패키징하는 것이 가능하여, 고온에서 장시간 구동하여도 산화 및 열화가 발생되지 않도록 한다.
또한, 열전 모듈(20)은 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 내부에서 고정부(50)의 강한 수직 응력에 의해 고정된 상태로 설치되는 것이 가능하여, 열전달 향상과 전단 응력에 대한 내구성의 향상이 가능하다.
아울러, 열전 모듈(20)이 패키징되는 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 사이에 단열부재(40)가 설치되는 바, 열전 모듈(20)의 고온 소자 부분과 저온 소자 부분의 온도차를 효율적으로 유지하는 것이 가능하여, 발전 효율의 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6의 열전 모듈 패키징 장치의 분해된 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 8은 도 6의 열전 모듈 패키징 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 5와 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치(200)의 고정부(150)는 제1 바디(11)와 제2 바디(13)를 서로간에 고정하는 클랭핑부재로 적용된다. 이하에서 고정부와 클램핑부재는 동일 참조번호를 사용한다.
클램핑부재(150)의 설치를 위해 제1 바디(11)와 제2 바디(13)에는 고정홈(111)이 각각 형성될 수 있다.
클램핑부재(150)는 제1 바디(11)와 제2 바디(13)에 고정되도록 양단이 절곡된 고정편으로 적용될 수 있다.
따라서, 고정편의 절곡된 양단이 제1 바디(11)와 제2 바디(13)의 각각에 형성된 고정홈(111)에 고정되는 바, 제1 바디(11)와 제2 바디(13)를 서로간에 견고하게 고정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치의 제1 바디와 제2 바디가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 8과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치(300)의 삽입 공간(10a)은 제2 바디(13)의 내부에 형성된다.
삽입 공간(10a)은 제2 바디(13)의 내부에 다각형으로 인입된 상태로 형성되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 일부분 또는 전체가 라운드 형상으로 변형되는 것도 가능하다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치의 제1 바디와 제2 바디가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 9와 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 모듈 패키징 장치(400)의 삽입 공간(10a)은 제1 바디(11)의 내부에 형성된다.
삽입 공간(10a)은 제1 바디(11)의 내부에 다각형으로 인입된 상태로 형성되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 일부분 또는 전체가 라운드 형상으로 변형되는 것도 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...패키지 바디 11...제1 바디
11a..제1 삽입부 11b..냉각 유로
13...제2 바디 13a..제2 삽입부
14...진공 포트 15...전선부재
20...열전 모듈 30...열전달부재
31...제1 계면 열전소재 33...제2 계면 열전소재
40...단열부재 50, 150...고정부
51...너트부재

Claims (12)

  1. 냉각 유로가 내부에 형성되는 제1 바디와, 고온의 열원에 접촉되며 상기 제1 바디와의 사이에 열전 모듈이 삽입되는 삽입 공간이 형성되는 제2 바디를 포함하는 패키지 바디;
    상기 열전 모듈의 양측에서 상기 삽입 공간의 내부에 설치되는 열전달부재; 및
    상기 제1 바디와 상기 제2 바디를 서로 간에 고정하는 고정부;
    를 포함하는 열전 모듈 패키징 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바디에는 상기 열전 모듈의 일측이 내부로 삽입되는 제1 삽입부가 형성되고, 상기 제2 바디에는 상기 열전 모듈의 타측이 내부로 삽입되는 제2 삽입부가 형성되는 열전 모듈 패키징 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 바디는 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 구리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 재질로 형성되는 열전 모듈 패키징 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 패키지 바디의 상기 삽입 공간은 진공 상태인 열전 모듈 패키징 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    상기 삽입 공간에서 상기 열전 모듈의 일측과 상기 제1 바디의 사이에 삽입되는 제1 계면 열전소재; 및
    상기 삽입 공간에서 상기 열전 모듈의 타측과 상기 제2 바디의 사이에 삽입되는 제2 계면 열전소재;
    를 포함하는 열전 모듈 패키징 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전달부재는, 서멀 그리스(thermal grease), 열전도성 페이스트, 카본 시트 또는 열전도성 패드 중의 적어도 하나 이상으로 선택되어 형성되는 열전 모듈 패키징 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는, 상기 제1 바디와 상기 제2 바디를 함께 고정하는 단열 볼트부재인 열전 모듈 패키징 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는, 상기 제1 바디와 상기 제2 바디를 서로간에 고정하는 클랭핑부재인 열전 모듈 패키징 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 바디와 상기 제2 바디의 외표면에는 고정홈이 각각 형성되고,
    상기 클램핑부재는, 양단이 상기 고정홈에 고정되도록 절곡된 고정편인 열전 모듈 패키징 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바디와 상기 제2 바디가 접촉되는 부분에 삽입되는 단열부재를 더 포함하는 열전 모듈 패키징 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 바디와 상기 제2 바디는 상기 단열부재의 가장자리 부분에서 서로간에 용접되는 열전 모듈 패키징 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 바디에는 상기 열전모듈과 연결되어 발전 전력이 전송되는 전선부재가 설치되는 열전 모듈 패키징 장치.
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