KR20200105190A - 냉온장치 - Google Patents

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KR20200105190A
KR20200105190A KR1020190024010A KR20190024010A KR20200105190A KR 20200105190 A KR20200105190 A KR 20200105190A KR 1020190024010 A KR1020190024010 A KR 1020190024010A KR 20190024010 A KR20190024010 A KR 20190024010A KR 20200105190 A KR20200105190 A KR 20200105190A
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노명래
김종현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치는 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함하는 하우징, 상기 하우징의 내부로 유입된 공기를 순환시키는 팬, 그리고 상기 하우징 내에 수용되며, 상기 팬에 의하여 송풍되는 공기의 일부를 냉각시키고, 나머지 일부를 가열하는 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈은, 상기 제1 하우징 측에 배치되는 제1 열전달부재, 상기 제2 하우징 측에 배치되는 제2 열전달부재, 그리고 상기 제1 열전달부재와 상기 제2 열전달부재 사이에 배치되는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 제1 열전달부재 측에 배치되는 제1 기판, 상기 제2 열전달부재 측에 배치되는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그를 포함하며, 상기 제1 하우징의 내부공간의 부피는 상기 제2 하우징의 내부공간의 부피보다 크다.

Description

냉온장치{COOLING AND HEATING APPARATUS}
본 발명은 냉온장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자를 포함하는 냉온장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품, 아웃도어제품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉온 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다.
열전 소자가 냉온 장치에 적용되는 경우, 장치 내로 유입된 공기는 열전 소자의 저온부 측에서 냉각되고, 고온부 측에서 가열된 후 배출된다. 이때, 냉온장치의 고온부가 과열될 경우, 장치의 열저항이 높아지면서 소비 전력이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 냉온장치의 소비 전력 감소를 위한 방열 냉각 구조 설계가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉온장치의 방열 냉각 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉온장치는 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함하는 하우징, 상기 하우징의 내부로 유입된 공기를 순환시키는 팬, 그리고 상기 하우징 내에 수용되며, 상기 팬에 의하여 송풍되는 공기의 일부를 냉각시키고, 나머지 일부를 가열하는 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈은, 상기 제1 하우징 측에 배치되는 제1 열전달부재, 상기 제2 하우징 측에 배치되는 제2 열전달부재, 그리고 상기 제1 열전달부재와 상기 제2 열전달부재 사이에 배치되는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 제1 열전달부재 측에 배치되는 제1 기판, 상기 제2 열전달부재 측에 배치되는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그를 포함하며, 상기 제1 하우징의 내부공간의 부피는 상기 제2 하우징의 내부공간의 부피보다 크다.
상기 제1 기판은 저온부이고, 상기 제2 기판은 고온부일 수 있다.
상기 제2 하우징 내부공간에 대한 상기 제1 하우징 내부공간의 비는 1.1 내지 3일 수 있다.
상기 하우징은 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 사이에 배치되어 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 격리시키는 격리부재를 더 포함할 수 있다.
상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나에 연결되거나, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나와 이격거리가 0 내지 1mm 이하일 수 있다.
상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1 열전달부재를 통과한 후 배출되는 공기의 방향은 제2 열전달부재를 통과한 후 배출되는 공기의 방향과 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉온장치는 저온부의 유량을 늘이고 유속을 떨어뜨려 저온부의 온도를 낮춤으로써, 냉온장치의 저온부와 고온부 전체 온도를 낮추고 열전모듈의 저항을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 소비 전력을 저감할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉온장치는 저온부와 고온부 사이를 기밀하여, 고온부의 공기가 저온부로 유입되어 방열 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 열전소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 열전소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함되는 열전모듈의 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함되는 열전달부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 하우징의 다양한 변형예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 2개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 2개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 냉온장치에 관하여 도면을 참조로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치의 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 열전소자의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 열전소자의 사시도이다.
여기서, 냉온장치에 유입되는 공기의 흐름과 일치하는 방향을 제1 방향이라고 하고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(160)과 평행하여 제1 방향에 직교하는 방향으로 제2 방향이라고 하며, 제1 기판(110)으로부터 제2 기판(160)을 향하는 방향을 제3 방향이라고 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 냉온장치(1000)는 제1 하우징(210) 및 제2 하우징(220)을 포함하는 하우징(200), 하우징(200)의 내부로 유입된 공기를 순환시키는 팬(미도시), 그리고 상기 하우징(200) 내에 수용되며, 팬(미도시)에 의하여 송풍되는 공기의 일부를 냉각시키고, 나머지 일부를 가열하는 열전모듈(400)을 포함한다.
열전모듈(400)은 제1 하우징(210) 측에 배치되는 제1 열전달부재(410), 제2 하우징(220) 측에 배치되는 제2 열전달부재(420), 그리고 제1 열전달부재(410)와 제2 열전달부재(420) 사이에 배치되는 열전소자(100)를 포함한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)을 포함한다.
제1 전극(120)은 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 제2 전극(150)은 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 고온부로 작용할 수 있다. 또는, 제1 전극(120) 측의 기판 및 제2 전극(150) 측의 기판 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다.다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제1 전극(120), 그리고 제2기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금, Al, Al 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)이 금속 기판인 경우, 제1 기판(110)과 제1 전극(120) 사이 및 제2 기판(160)과 제2 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~20W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
제1 기판(110)이 저온부이고, 제2 기판(160)이 고온부일 수 있다. 이때, 제1 기판(110)은 제1 열전달부재(410) 측에 배치되고, 제2 기판(160)은 제2 열전달부재(410) 측에 배치될 수 있다. 제1 기판(110)은 제1 열전달부재(410)와 직접 또는 간접으로 연결되고, 제2 기판(160)은 제2 열전달부재(420)와 직접 또는 간접으로 연결될 수 있다. 이때, 제1 열전달부재(410)를 통하여 냉각된 공기가 배출되고, 제2 열전달부재(420)를 통하여 가열된 공기가 배출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함되는 열전모듈의 단면도이고, 도 6 내지 도 8는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함되는 열전달부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8를 참조하면, 제1 열전달부재(410) 및 제2 열전달부재(420)는 공기와의 접촉 면적을 넓히기 위한 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 열전달부재(410) 및 제2 열전달부재(420)는 도 6 내지 도 8에서 예시하는 구조를 가질 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부재(2200)는 제1평면(2210) 및 제2평면(2220)을 가지는 평판형상의 기재로, 공기 유로 방향(C1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(2200A)을 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8에서 도시한 바와 같이, 유로패턴(2200A)은 일정한 피치(P1, P2)와 높이(H)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접는 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이, 열전달부재(2200)의 제1 평면(2210) 및 제2 평면(2220)에는 공기가 면접촉하며, 유로패턴(2200A)에 의하여 공기가 면접촉하는 면적이 최대화될 수 있다.
도 6을 참조하면, 공기가 유로 방향(C1)으로 유입되는 경우, 공기가 제1평면(2210)과 제2평면(222)에 고르게 접촉하며 이동하여, 유로 방향(C2)으로 진행될 수 있다. 이에 따라, 단순한 평판 형상의 기재에 비하여 공기와의 접촉 면이 넓으므로, 흡열이나 발열의 효과가 증가하게 된다. 이때, 유로 방향(C2)은 냉온장치의 제1 방향과 일치한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기의 접촉 면적을 더욱 증대하기 위하여, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(2230)을 형성할 수도 있다.
나아가, 도 7에 도시된 바와 같이, 저항패턴(2230)은 공기가 유입되는 방향으로 일정한 경사각(
Figure pat00002
)을 가지도록 기울어진 돌출 구조물로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 저항패턴(2230)과 공기 간의 마찰을 극대화할 수 있으므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 높일 수 있다. 또한, 저항패턴(2230)의 앞 부분의 기재 면에 홈(2240)을 형성할 수도 있다. 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부는 홈(2240)을 통과하여 기재의 전면과 후면 사이를 이동하므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 더욱 높일 수 있다.
저항패턴(2230)이 제1평면(2210)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 평면(2220)에 형성될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 유로패턴은 다양한 변형예를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 8(a)와 같이 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, 도 8(b)와 같이 첨부를 가지는 패턴이 반복하여 형성되거나, 도8(c) 및 도8(d)에 도시된 바와 같이 단위패턴이 다각형 구조를 가질 수도 있다. 도시되지 않았으나, 패턴의 표면(B1, B2)에 저항패턴이 형성될 수 있음은 물론이다.
도 8에서는 유로패턴이 일정한 주기 및 높이를 가지고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유로패턴의 주기 및 높이(H)는 불균일하게 변형될 수 있다.
도 1을 참조하면, 열전모듈(400)은 하우징(200)의 내부공간에 수용된다. 이때, 하우징(200)은 합성 수지일 수 있으며, 예를 들어 플라스틱일 수 있다. 하우징(200)은 제1 하우징(210) 및 제2 하우징(220)을 포함할 수 있다. 이때, 제1하우징(210) 측에는 제1 열전달부재(410)가 배치되고, 제2 하우징(220) 측에는 제2 열전달부재(420)가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 하우징(210) 내부공간의 부피는 상기 제2 하우징(220) 내부공간의 부피보다 클 수 있다. 상기 제2 하우징(220) 내부공간의 부피에 대한 상기 제1 하우징(210) 내부공간의 부피 비는 1.1 내지 5, 바람직하게는 1.1 내지 3, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5일 수 있다.
도 2를 참조하면, 하우징(200)은 공기가 내부로 유입되는 유입구(201)와, 유입된 공기가 제1 열전달부재(410)를 통과하여 하우징(200)으로부터 배출되는 송풍구(203)와, 유입된 공기가 제2 열전달부재(420)를 통과하여 하우징(200)으로부터 배출되는 배출구(205)를 포함할 수 있다.
이때, 송풍구(203)는 제1 하우징(210)의 일측에 배치되고, 배출구(205)는 제2 하우징(220)의 다른 일측에 배치될 수 있다. 즉, 송풍구(203)와 배출구(205)는 격리부재(230)에 의하여 격리되어, 제1 열전달부재(410) 및 제2 열전달부재(420)를 통과한 공기가 섞이지 않으면서 송풍구(203) 또는 배출구(205)를 통과할 수 있다.
먼저, 유입구(201)를 통하여 팬(미도시)으로부터 공기가 하우징(200) 내부로 유입되어, 열전모듈(400) 측으로 진행할 수 있다. 열전모듈(400)에 포함되는 제1 열전달부재(410) 및 제2 열전달부재(420)는 공기의 유로가 팬(300) 측으로부터 송풍구(203) 측을 향하는 방향에 배치될 수 있다. 냉온장치(1000)가 냉각용 장치로 이용되는 경우, 열전소자(100)의 제1 기판(110)은 저온부가 되어 제 1 열전달부재(410)는 냉각되고, 제2 기판(160)은 고온부가 되어 제 2 열전달부재(420)는 가열된다. 이에 따라 팬(미도시)에 의하여 순환되어 열전모듈(400) 측으로 진행한 공기의 일부는 제1 열전달부재(410)를 통과하여 냉각되고, 다른 일부는 제2 열전달부재(420)를 통과하여 가열될 수 있다. 이때, 냉각된 공기는 송풍구(203)로 송풍되고, 가열된 공기는 배출구(205)로 배출될 수 있다. 이와 반대로, 냉온장치(1000)가 온열용 장치로 이용되는 경우, 열전소자(100)의 제1 기판(110)은 고온부가 되어 제1 열전달부재(410)는 가열되고, 제2 기판(160)은 저온부가 되어 제2 열전달부재(420)는 냉각된다. 이에 따라 팬(300)에 의하여 순환되어 열전모듈(400) 측으로 진행한 공기 중 일부는 제1 열전달부재(410)를 통과하여 가열되고, 다른 일부는 제2 열전달부재(420)를 통과하여 냉각될 수 있다. 이때, 가열된 공기는 송풍구(203)로 송풍되고, 냉각된 공기는 배출구(205)로 배출될 수 있다.
즉, 팬(미도시)에 의하여 순환된 후 제1 열전달부재(410)를 통과한 공기는 송풍구(203)로부터 송풍되어, 냉각 또는 온열에 이용될 수 있다. 그리고, 제2 열전달부재(420)를 통과한 배출구(205)로부터 배출되어, 외부로 버려질 수 있다.
더욱 구체적으로, 송풍구(203)를 통하여 공기가 배출되는 방향(D1)과 배출구(205)를 통하여 공기가 배출되는 방향(D2)은 서로 상이할 수 있다. 이에 따라, 냉온장치(1000)의 성능을 구현하기 위하여 냉각 또는 가열되어 송풍구(203)로 배출된 공기 및 송풍구(203)로 배출되는 공기의 냉각 또는 가열을 위하여 사용된 후 버려지기 위하여 배출관(204)으로 배출된 공기는 서로 섞이지 않으며, 냉각 또는 온열 성능을 높일 수 있다.
이를 위하여, 송풍구(203)는 제1 하우징(210)의 저면에 배치되고, 배출구(205)는 저면과 상이한, 제2 하우징(220)의 측면에 배치될 수 있다. 이때, 측면은 팬(300)에 의하여 순환된 후 열전모듈(400)에 의하여 냉각 및 가열된 공기가 제1 열전달부재(410) 및 제2 열전달부재(420)를 통과한 후 향하는 방향에 배치된 면일 수 있다. 그리고, 저면은 측면에 수직을 향하는 면일 수 있다.
이와 같이, 유입구(201), 송풍구(203) 및 배출구(205)의 방향이 서로 상이하면, 송풍구(203)로 송풍된 공기 또는 배출구(205)로 배출된 공기가 다시 유입구(201)로 흘러 들어가는 문제를 최소화할 수 있으므로, 냉온장치의 냉온성능을 높이는 것이 가능하다.
도면에 표시되지 않았으나, 유입구(201), 송풍구(203) 및 배출구(205) 중 어느 하나 이상은 선택적으로 공기의 유입 또는 송풍 또는 배출 방향을 추가로 제어하기 위한 별도의 공기 이동 통로를 더 연결할 수 있다. 이와 같은 경우, 유입구(201), 송풍구(203) 및 배출구(205)에 선택적으로 연결된 공기 이동 통로의 최종 유입 또는 최종 송풍 또는 최종 배출 방향은 서로 상이할 수 있다.
하우징(200)은 제1 하우징(210)과 제2 하우징(220) 사이에 배치되어 제1 하우징(210)과 상기 제2 하우징(220)을 서로 격리시키는 격리부재(230)를 더 포함할 수 있다. 격리부재(230)는 합성 수지일 수 있으며, 예를 들어 플라스틱 일 수 있고, 하우징(200)과 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 격리부재(230)는 제1 기판(110) 및 제2 기판(160)과 평행한 방향으로 배치된다. 이때, 격리부재(230)는 제1 및 제2 기판(110)(160)의 사이에 위치할 수 있다. 그리고, 격리부재(230)와 열전모듈(400)의 사이에는 실링부(500)가 배치될 수 있다. 실링부(500)는 제1하우징(210)과 제2 하우징(220)을 기밀하여, 제2 하우징(220)에서 가열된 공기가 제1 하우징(210)으로 유입되는 것을 차단한다.
실링부(500)는 제1 기판(110)과 복수의 제2 기판(160) 사이에서 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 제2 전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 제2 전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부(500)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 격리부재(230)와 열전모듈(400) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 제2 전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 다만, 실링부(500)에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부(500)는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부(500)를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부(500)는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 냉온장치에 포함되는 하우징의 다양한 변형예에 관하여 도 9 내지 도 12를 참조로 설명하도록 한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온장치에 포함된 하우징의 다양한 변형예이다.
제1 하우징(210)의 내부공간은 제2 하우징(220)의 내부공간에 비하여 다양한 형상으로 부피가 커질 수 있다. 도 9를 참조하면, 제1 하우징(210)의 내부공간은 제2 하우징(220)의 내부공간에 비하여 제2 방향으로 더 크게 형성될 수 있다. 도 10을 참조하면, 제1 하우징(210)의 내부공간은 제2 하우징(220)의 내부공간에 비하여 제3 방향으로 더 크게 형성될 수 있다. 도 11을 참조하면, 제1 하우징(210)의 내부공간은 제2 하우징(220)의 내부공간에 비하여 제2 방향 및 제3 방향으로 더 크게 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 제2 하우징(220) 내부공간의 부피에 대한 제1 하우징(210) 내부공간의 부피의 비는 1.1 내지 5, 바람직하게는 1.1 내지 3, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5일 수 있다.
격리부재(230)는 제1 기판(110) 및 제2 기판(160)과 평행하게 배치될 수 있다. 이때, 격리부재(230)는 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 중 선택된 어느 하나와 연결될 수 있다. 특히, 도 12와 같이, 격리부재(230)가 제2 기판(160)에 연결된 경우 제1 하우징(210)의 내부공간을 제2 하우징(220)의 내부공간 보다 크게 확보하기에 유리하다. 이때, 격리부재(230)와 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 중 선택된 하나와의 이격 거리는 0 내지 1mm 이하일 수 있다.
이하, 실험예들에 따른 냉온장치를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다.
하기의 표 1은 제1 하우징의 내부공간 부피와 제2 하우징의 내부공간 부피 비에 따른 소비전력을 측정한 표이다.
실험예에 따른 냉온장치는 모두 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함하는 하우징과, 상기 제1 하우징 측에 배치되는 제1 열전달부재, 상기 제2 하우징 측에 배치되는 제2 열전달부재, 그리고 상기 제1 열전달부재와 상기 제2 열전달부재 사이에 배치되는 열전소자를 포함한다.
다만, 제1 비교예는 제1 하우징의 내부공간 부피 및 제2 하우징의 내부공간 부피 비가 1:1이 되도록 실험하였고, 제1 실험예는 부피 비가 1.5:1이 되도록 실험하였으며, 제2 실험예는 부피 비가 2:1이 되도록 실험하였고, 제3 실험예는 부피 비가 3:1이 되도록 실험하였다.
실험예 소비전력
제1 비교예 14.58W
제1 실험예 12.22W
제2 실험예 11.10W
제3 실험예 11.15W
상기 표 1을 참조하면, 제1 하우징의 내부공간 부피 및 제2 하우징의 내부공간 부피 비가 커질수록 소비전력이 점차 감소하다 다시 증가하는 것으로 확인되었다. 실험에 따르면, 제1 하우징의 내부공간 부피 및 제2 하우징의 내부공간 부피 비는 2:1 일 때 소비전력이 가장 효과적으로 감소함을 알 수 있다.
하기의 표 2는 냉온장치를 구동하였을 때 격리부재와 제1 기판 또는 제2 기판 사이의 이격거리에 따른 제2 열전달부재(고온부)의 온도를 측정한 표이다.
실험예에 따른 냉온장치는 모두 실험예에 따른 냉온장치는 모두 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함하는 하우징과, 제1 하우징 측에 배치되는 제1 열전달부재, 상기 제2 하우징 측에 배치되는 제2 열전달부재, 그리고 상기 제1 열전달부재와 상기 제2 열전달부재 사이에 배치되는 열전소자를 포함한다.
다만, 제2 비교예는 제1 하우징과 제2 하우징을 구분하는 격리부재를 포함하지 않고, 제4 실험예 내지 제6 실험예는 도 13의 구조와 같이 제1 하우징과 제2 하우징의 사이에 격리부재를 포함하였다.
단, 제4 실험예 내지 제6 실험예는 격리부재와 제1 또는 제2 기판과 사이의 이격거리를 다르게 하였다. 제4 실험예는 격리부재와 제1 또는 제2 기판 사이의 이격거리가 0mm이고, 제5 실험예는 이격거리가 1mm이 되도록 실험하였으며, 제6 실험예는 이격거리가 2mm이 되도록 실험하였다.
실험예 제2 열전달부재의 온도
제2 비교예 48.22℃
제4 실험예 46.48℃
제5 실험예 46.22℃
제6 실험예 48.13℃
상기 표 2를 참조하면, 제4 실험예와 제5 실험예는 격리부재가 없는 제2 비교예에 비하여 제2 열전달부재(고온부)의 온도가 1℃ 내지 2℃로 떨어졌으나, 제6 실험예는 제2 비교예과 비교하여 제2 열전달부재(고온부)의 온도 차이가 0.1℃ 미만으로 측정되었다. 즉, 격리부재와 제1 또는 제2 기판 사이의 이격거리는 0 내지 1mm일 때 냉온장치의 고온부의 온도가 효과적으로 저감되며, 이격거리가 2mm를 초과하는 경우 격리부재의 효과는 미비함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 냉온장치
100: 열전모듈
110: 제1 기판
120: 제1 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 제2 전극
200: 하우징
201: 유입구
203: 송풍구
205: 배출구
210: 제1 하우징
220: 제2 하우징
300: 팬
400: 열전모듈
500: 실링부

Claims (8)

  1. 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함하는 하우징,
    그리고
    상기 하우징 내에 수용되는 열전모듈을 포함하고,
    상기 열전모듈은,
    상기 제1 하우징 측에 배치되는 제1 열전달부재, 상기 제2 하우징 측에 배치되는 제2 열전달부재, 그리고 상기 제1 열전달부재와 상기 제2 열전달부재 사이에 배치되는 열전소자를 포함하고,
    상기 열전소자는 상기 제1 열전달부재 측에 배치되는 제1 기판, 상기 제2 열전달부재 측에 배치되는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그를 포함하며,
    상기 제1 하우징의 내부공간의 부피는 상기 제2 하우징의 내부공간의 부피보다 큰 냉온장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 저온부이고, 상기 제2 기판은 고온부인 냉온장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하우징 내부공간에 대한 상기 제1 하우징 내부공간의 부피 비는 1.1 내지 3인 냉온장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 사이에 배치되어 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 격리시키는 격리부재를 더 포함하는 냉온장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나에 연결되거나, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 냉온장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나와 이격거리가 0 내지 1mm 이하인 냉온장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 격리부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 배치되는 냉온장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전달부재를 통과한 후 배출되는 공기의 방향은 제2 열전달부재를 통과한 후 배출되는 공기의 방향과 상이한 냉온장치.
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