KR20210029522A - 열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 - Google Patents

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KR20210029522A
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노명래
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 개구부를 포함하는 단열 하우징, 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 단열 하우징을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈, 그리고 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 적어도 하나의 열전모듈의 양면 중 상기 단열 하우징의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체를 포함하고, 상기 금속 구조체의 면적은 상기 적어도 하나의 열전모듈의 면적보다 크며, 상기 개구부는 냉각 대상을 지지하는 지지체에 의하여 닫히고, 상기 단열 하우징의 내부 공간에는 상기 냉각 대상과 상기 지지체를 연결하는 연결부의 일부가 배치된다.

Description

열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템{THERMOELECTRIC DEVICE AND THERMOELECTRIC SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 열전소자를 이용하는 열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템에 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 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있으며, 이를 위해 열전 소자는 냉각 또는 가열 대상이 되는 구조물과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 구조물의 형상, 구조물의 배치 위치, 구조물과 열전 소자 간의 이격 거리 등에 따라 구조물과 열전 소자는 전도성 매개체를 통하여 간접적으로 접촉하도록 배치될 수도 있다. 이때, 전도성 매개체가 외부에 노출될 경우, 외부 열원으로부터의 열이 불필요하게 전도성 매개체를 통하여 냉각 또는 가열 대상이 되는 구조물로 전달될 수 있으며, 이에 따라 열전 소자의 열전 효율이 낮아질 수 있다.
한편, 냉각 대상이 되는 구조물은 지면에 고정된 소정의 지지체 상에 배치될 수 있다. 이때, 냉각 대상이 되는 구조물의 무게를 지탱하기 위하여, 소정의 지지체는 강성이 높은 재료로 이루어져야 하며, 이에 따라 지면의 열이 지지체를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물로 전달되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위하여, 냉각 대상이 되는 구조물의 표면을 단열처리할 수 있으나, 그럼에도 불구하고 냉각 대상이 되는 구조물과 지지체 간의 연결을 위한 연결 구조물은 필수적으로 채용되어야 한다. 지지체 상에 냉각 대상이 되는 구조물을 안정적으로 고정하기 위하여, 연결 구조물의 적어도 일부는 금속으로 이루어진 구성을 포함하여야 하며, 이에 따라 지지체 및 연결 구조물을 통하여 지면으로부터 냉각 대상이 되는 구조물로 전달되는 열을 원천적으로 차단하기는 어려운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉각 대상의 온도를 제어하는데 적용되는 열전 장치 및 열전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치는 개구부를 포함하는 단열 하우징, 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 단열 하우징을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈, 그리고 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 적어도 하나의 열전모듈의 양면 중 상기 단열 하우징의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체를 포함하고, 상기 금속 구조체의 면적은 상기 적어도 하나의 열전모듈의 면적보다 크며, 상기 개구부는 냉각 대상을 지지하는 지지체에 의하여 닫히고, 상기 단열 하우징의 내부 공간에는 상기 냉각 대상과 상기 지지체를 연결하는 연결부의 일부가 배치된다.
상기 단열 하우징은 제1 벽면, 상기 제1 벽면에 마주하도록 배치된 제2 벽면, 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면 사이에서 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제3 벽면, 상기 제3 벽면과 마주하며 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제4 벽면, 그리고 상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면, 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면을 연결하도록 배치된 제5 벽면을 포함하며, 상기 개구부는 상기 제5 벽면에 마주하고, 상기 금속구조체는 상기 제1 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제1 금속면, 상기 제2 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제2 금속면, 상기 제3 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제3 금속면, 상기 제4 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제4 금속면 및 상기 제5 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제5 금속면 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 열전모듈은 상기 제1 벽면에 배치된 제1 열전모듈, 상기 제2 벽면에 배치된 제2 열전모듈, 상기 제3 벽면에 배치된 제3 열전모듈, 상기 제4 벽면에 배치된 제4 열전모듈 및 상기 제5 벽면에 배치된 제5 열전모듈 중 적어도 하나를 포함하고, 각 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판 및 상기 제2 기판 상에 배치된 쿨러를 포함하며, 상기 각 열전모듈의 제1 기판이 상기 금속구조체의 각 금속면과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 외부에 배치될 수 있다.
상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 내부에서 상기 단열 하우징의 벽면을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 벽면을 관통하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면은 서로 연결될 수 있다.
상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면, 상기 제4 금속면 및 상기 제5 금속면 중 적어도 하나는 상기 제1 열전모듈, 상기 제2 열전모듈, 상기 제3 열전모듈, 상기 제4 열전모듈 및 상기 제5 열전모듈 중 적어도 하나의 제1 기판의 일부와 접촉하며, 상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면 중 적어도 일부는 서로 이격되도록 배치되며, 상기 제5 금속면을 매개로 연결될 수 있다.
상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면과 연결되며, 상기 제5 금속면과 마주하도록 배치된 제6 금속면을 더 포함할 수 있다.
상기 제6 금속면의 적어도 일부에는 개구 영역이 형성되며, 상기 연결부의 일부는 상기 개구 영역을 통하여 상기 단열 하우징의 내부 공간에 배치될 수 있다.
상기 제6 금속면은 十자 형상일 수 있다.
상기 개구 영역은 상기 연결부의 일부가 관통하기 위한 홀일 수 있다.
상기 제5 금속면과 상기 제6 금속면을 연결하는 금속로드를 더 포함할 수 있다.
상기 단열 하우징 내에 수용된 금속핀 및 팬 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 연결부의 일부는 볼트일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템은 냉각 대상을 지지하는 지지체, 그리고 상기 지지체에 배치된 열전 장치를 포함하고, 상기 지지체는, 제1 지지벽, 상기 제1 지지벽의 일측에서 제1 방향으로 연장되는 제2 지지벽, 상기 제1 지지벽의 타측에서 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 지지벽, 그리고 상기 제2 지지벽의 일단 및 상기 제3 지지벽의 일단을 연결하도록 상기 제1 지지벽으로부터 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 지지벽을 포함하고, 상기 열전 장치는, 개구부를 포함하는 단열 하우징, 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 단열 하우징을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈, 그리고 상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 적어도 하나의 열전모듈의 양면 중 상기 단열 하우징의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체를 포함하고, 상기 금속 구조체의 면적은 상기 적어도 하나의 열전모듈의 면적보다 크며, 상기 개구부는 상기 제1 지지벽에 의하여 닫히고, 상기 단열 하우징의 내부 공간에는 상기 냉각 대상과 상기 제1 지지벽을 연결하는 연결부의 일부가 배치된다.
상기 단열 하우징은 제1 벽면, 상기 제1 벽면에 마주하도록 배치된 제2 벽면, 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면 사이에서 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제3 벽면, 상기 제3 벽면과 마주하며 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제4 벽면, 그리고 상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면, 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면을 연결하도록 배치된 제5 벽면을 포함하며, 상기 개구부는 상기 제5 벽면에 마주하고, 상기 금속구조체는 상기 제1 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제1 금속면, 상기 제2 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제2 금속면, 상기 제3 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제3 금속면, 상기 제4 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제4 금속면 및 상기 제5 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제5 금속면 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면 및 상기 제3 벽면은 각각 상기 지지체의 상기 제2 지지벽, 상기 제3 지지벽 및 상기 제4 지지벽에 대응하도록 배치될 수 있다.
상기 연결부의 나머지는 단열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각 대상이 되는 구조물의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치를 이용하면, 미리 설치된 냉각 대상이 되는 구조물 및 이를 지지하는 지지체의 구조를 변형하거나 추가로 가공하지 않고도 지지체를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치를 이용하면, 냉각 대상이 되는 구조물로 전달되는 열을 차단하는 것뿐만 아니라, 냉각 대상이 되는 구조물을 냉각 시키는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치는 소형 애플리케이션뿐만 아니라, 대형 애플리케이션에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치가 적용되는 열전 시스템의 일부를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이다.
도 9는 도 7의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이다.
도 11은 도 10의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이다.
도 12는 도 10의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다.
도 13은 도 7의 실시예에 따른 열전 장치에서 열전 장치와 지지벽 간 접촉 면적에 따른 냉각 성능을 비교하는 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
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 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치가 적용되는 열전 시스템의 일부를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템(10)은 열전 장치(1000) 및 지지체(2000)를 포함한다.
지지체(2000)는 제1 지지벽(2010), 제1 지지벽(2010)의 일측에서 제1 방향으로 연장되는 제2 지지벽(2020), 제1 지지벽(2010)의 타측에서 제1 방향으로 연장되는 제3 지지벽(2030), 그리고 제2 지지벽(2020)의 일단 및 제3 지지벽(2030)의 일단을 연결하도록 제1 지지벽(2010)으로부터 제1 방향으로 연장되는 제4 지지벽(2040)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 지지벽(2010), 제2 지지벽(2020), 제3 지지벽(2030) 및 제4 지지벽(2040)은 열전도체로 이루어지며, 서로 열전도될 수 있다.
한편, 열전 장치(1000)는 지지체(2000)에 배치된다. 예를 들어, 열전 장치(1000)는 제1 지지벽(2010), 제2 지지벽(2020), 제3 지지벽(2030) 및 제4 지지벽(2040)에 의하여 이루어진 공간 내에 수용될 수 있다.
지지체(2000)의 측면에는 제2 지지체(2100)가 배치되고, 도시되지 않았으나, 제2 지지체(2100)의 측면에는 제3 지지체가 더 배치될 수 있다. 이때, 각 지지체의 제2 지지벽과 이웃하는 지지체의 제3 지지벽은 하나의 지지벽일 수 있다. 이와 같이, 총 N개의 지지체가 배치되며, 각 지지체에 포함된 제1 지지벽들로 이루어진 면 상에 하나의 냉각 대상이 되는 구조물이 배치될 수 있다. 여기서 지지체는 냉각 대상이 되는 구조물을 지지하거나, 다른 구조물과의 접촉/이격 등의 목적으로 냉각 대상이 되는 구조물과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 배치되며, 냉각 대상이 되는 구조물의 형상, 크기 또는 위치 등에 따라 그 형상, 크기 또는 위치는 가변적일 수 있다. 이때 냉각 대상이 되는 구조물의 예로서는, 곡면 형상을 포함하는 구조물, 외부의 환경에 직접적인 영향을 받는 위치에 배치된 구조물, 지면과 이격되어 배치된 구조물 등을 포함할 수 있으며, 더 자세하게는, 저장용기, 유체이동용 유로 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 여기서, 지면은 냉각 대상이 되는 구조물을 지지하는 지지체가 고정된 모든 면이 포함되는 것으로 정의할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 장치는 N개의 지지체에 대하여 지지체마다 배치되거나, N개의 지지체의 일부에만 배치될 수도 있다.
한편, 도 1에서는 각 지지체의 제2 지지벽과 제3 지지벽이 서로 평행하며, 지면과 수직인 것을 예로 들고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 도시되지 않았으나, 각 지지체의 제2 지지벽과 제3 지지벽은 방사상으로 배치될 수도 있다.
다양한 크기 및 형상의 구조물에 적용하기 위하여, 조립되는 지지체의 개수 및 형상을 변형할 수 있다. 이에 따라, 다양한 크기 및 형상의 구조물에 범용적으로 적용 가능한 열전 시스템을 얻는 것이 가능하다.
이때, 지지체(2000) 상에 냉각 대상이 되는 구조물(3000), 예를 들어 저장용기가 외부의 환경에 배치된 경우, 지면의 열 및 외부의 열은 지지체(2000)를 통하여 전도되어 냉각 대상이 되는 구조물(3000)로 전달될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 냉각 대상이 되는 구조물(3000)의 표면에 단열재(3100)를 배치하여 단열처리할 수 있다.
한편, 지지체(2000)와 냉각 대상이 되는 구조물(3000)을 안정적으로 고정하기 위하여, 지지체(2000)와 냉각 대상이 되는 구조물(3000)은 연결부(4000)에 의하여 연결되어야 한다. 예를 들어, 연결부(4000)는 냉각 대상이 되는 구조물(3000)의 표면에 접촉하는 돌기부(4100) 및 돌기부(4100)와 지지체(2000)의 제1 지지벽(2010) 사이를 고정하는 체결부(4200)를 포함할 수 있다. 여기서, 체결부는 체결을 위한 수단 예를 들어, 볼트, 로드, 스파이크 등일 수 있으나 이로 제한되지 않으며, 체결부는 복수개일 수 있다. 또한, N개의 지지체 중 가장 가장자리에 있는 지지체(2000)와 냉각 대상이 되는 구조물(3000)을 연결하기 위하여, 냉각 대상이 되는 구조물(3000)의 표면으로부터 측면을 향하여 돌기부(4100)가 접촉되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 대상이 되는 구조물(3000)과 지지체(2000)의 제1 지지벽(2010)이 체결부(4200)에 의하여 직접 고정될 수도 있다.
일반적으로, 돌기부(4100) 및 체결부(4200)는 소정의 강성을 가지기 위하여 금속 재질로 이루어지며, 이에 따라 외부의 열이 돌기부(4100) 및 체결부(4200)를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물(3000)로 전달될 수 있다. 돌기부(41000 및 체결부(4200)를 통한 열전달을 최소화하기 위하여 냉각 대상이 되는 구조물(3000)과 지지체(2000) 사이에 배치된 돌기부(4100) 및 체결부(4200) 중 적어도 하나의 표면을 단열처리(4300)할 수 있으나, 체결부(4200)가 제1 지지벽(2010)을 관통하여 제1 지지벽(2010) 아래로 돌출되는 것은 필연적이며, 이에 따라 체결부(4200)를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물(3000)로 열이 전달되는 것을 원천적으로 차단할 수는 없다.
본 발명의 실시예에서는, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 제1 지지벽(2010) 아래에 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치(1000)를 배치하여 제1 지지벽(2010)을 관통하여 제1 지지벽(2010) 아래로 돌출되어 있는 체결부(4200)를 직접 냉각시키고자 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이며, 도 4는 도 2의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 열전 장치(1000)는 개구부(1102)를 포함하는 단열 하우징(1100), 단열 하우징(1100) 내에 적어도 일부가 수용되고, 단열 하우징(1100)을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈(1200), 그리고 단열 하우징(1100) 내에 적어도 일부가 수용되고, 적어도 하나의 열전모듈(1200)의 양면 중 단열 하우징(1100)의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체(1300)를 포함한다.
여기서, 금속 구조체(1300)의 면적은 적어도 하나의 열전모듈(1200)의 면적보다 크고, 개구부(1102)는 지지체(2000), 예를 들어 제1 지지벽(2010)에 의하여 닫히며, 단열 하우징(1100)의 내부 공간에는 냉각 대상이 되는 구조물(3000)과 지지체(2000)를 연결하는 연결부(4000)의 일부, 예를 들어 체결부(4200)가 배치될 수 있다.
이에 따르면, 적어도 하나의 열전모듈(1200)의 구동에 의하여 열전모듈(1200)의 저온부와 접촉하는 금속 구조체(1300)는 냉각될 수 있고, 금속 구조체(1300)를 통하여 냉기가 전도되며, 금속 구조체(1300) 주변의 공기도 냉각될 수 있다. 이에 따라 단열 하우징(1100)의 내부 공간 전체가 소정 온도 이하로 냉각될 수 있다. 단열 하우징(1100)의 내부 공간의 온도는 체결부(4200) 및 돌기부(4100)를 통하여 전도될 수 있으며, 이에 따라 냉각 대상이 되는 구조물(3000)도 냉각될 수 있다.
더욱 구체적으로, 단열 하우징(1100)은 제1 벽면(1110), 제1 벽면(1110)에 마주하도록 배치된 제2 벽면(1120), 제1 벽면(1110)과 제2 벽면(1120) 사이에서 제1 벽면(1110)과 제2 벽면(1120)을 연결하도록 배치된 제3 벽면(1130), 제3 벽면(1130)과 마주하며 제1 벽면(1110)과 제2 벽면(1120)을 연결하도록 배치된 제4 벽면(1140), 그리고 제1 벽면(1110), 제2 벽면(1120), 제3 벽면(1130) 및 제4 벽면(1140)을 연결하도록 배치된 제5 벽면(1150)을 포함하며, 개구부(1102)는 제5 벽면(1150)에 마주하도록 배치될 수 있다. 여기서, 단열 하우징(1100)이 육면체 형상을 가지는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 제1 벽면(1110)과 제2 벽면(1120)이 평면이고, 제3 벽면(1130) 및 제4 벽면(1140)이 곡면인 다면체 또는 육면체 이상의 다면체일 수도 있다.
그리고, 금속 구조체(1300)는 제1 벽면(1110)과 소정 간격 이격되어 마주하는 제1 금속면(1310), 제2 벽면(1120)과 소정 간격 이격되어 마주하는 제2 금속면(1320), 제3 벽면(1130)과 소정 간격 이격되어 마주하는 제3 금속면(1330), 제4 벽면(1140)과 소정 간격 이격되어 마주하는 제4 금속면(1340) 및 제5 벽면(1150)과 소정 간격 이격되어 마주하는 제5 금속면(1350) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 열전모듈(1200)은 제1 벽면(1110)에 배치된 제1 열전모듈(1210), 제2 벽면(1120)에 배치된 제2 열전모듈(1220), 제3 벽면(1130)에 배치된 제3 열전모듈(1230), 제4 벽면(1140)에 배치된 제4 열전모듈(1240) 및 제5 벽면(1150)에 배치된 제5 열전모듈(1250) 중 적어도 하나를 포함한다. 도면에서, 5개의 벽면에 5개의 열전모듈이 배치된 것을 예시하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 2개 이상의 벽면에 열전모듈이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230) 및 제4 열전모듈(1240) 중 적어도 하나와 제5 열전모듈(1250)이 배치될 수 있다.
냉각 효과를 더 강화하기 위해서, 각 열전모듈(1200)은 열전소자(100) 및 쿨러(200)를 더 포함할 수 있다. 도 5 내지 6을 함께 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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 제2 전극(150)은 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 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 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 제1 전극(120) 및 제2 전극(150) 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.
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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 다결정 열전 레그를 위하여, 열전 레그용 분말을 소결할 때, 100MPa 내지 200MPa로 압축할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 100 내지 150MPa, 바람직하게는 110 내지 140MPa, 더욱 바람직하게는 120 내지 130MPa로 소결할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 150 내지 200MPa, 바람직하게는 160 내지 195MPa, 더욱 바람직하게는 170 내지 190MPa로 소결할 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 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.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 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 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 전극(120) 또는 제2 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 다만, 여기에서 설명한 금속 기판의 두께는 예시적인 것이며, 열전소자(100)의 크기 및 적용되는 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 금속 기판은, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 또는 알루미늄-구리 합금 기판일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며 열전도 성능이 높은 금속으로 이루어진 기판일 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 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 절연층(170)은 수지 조성물 및 무기충전재를 포함할 수 있다. 수지 조성물은 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있으며, 무기충전재는 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 절연층(170)은 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서 절연성은 인접한 층 간의 절연은 물론 고전압 하에서의 절연 파괴를 방지하는 내전압 특성을 의미할 수 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 68 내지 88vol%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 68vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 88vol%를 초과하여 포함되면 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 수지 조성물이 에폭시 수지를 포함하는 경우, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 수지 조성물이 실리콘 수지를 포함하는 경우, 실리콘 수지는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
무기충전재는 방열 또는 절연 특성을 갖는 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 질화물은 무기충전재의 55 내지 95wt%로 포함될 수 있으며, 더 좋게는 60~80wt% 일 수 있다. 질화물이 이러한 수치범위로 포함될 경우, 열전도도 및 접합 강도를 높일 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 산화물은 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화아연 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
질화물이 질화붕소를 포함하는 경우, 질화붕소는 응집체 형태로 적용될 수 있으며, 이때, 질화붕소 응집체의 입자크기 D50은 250 내지 350㎛이고, 산화알루미늄의 입자크기 D50은 10 내지 30㎛일 수 있다. 질화붕소 응집체의 입자크기 D50과 산화알루미늄의 입자크기 D50이 이러한 수치 범위를 만족할 경우, 질화붕소 응집체와 산화알루미늄이 수지층 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 수지층 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 기판(110)과 제1 전극(120) 사이 및 제2 기판(160)과 제2 전극(150) 사이에 배치된 절연층(170) 중 적어도 하나는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 이때, 복수의 층 각각은 동일하거나 서로 상이한 수지 조성물 또는 무기충전재를 포함하여 형성될 수 있으며, 각각의 층 두께는 서로 상이할 수 있다. 이에 따라, 절연층(170)은 절연성, 접합력 및 열전도 성능 중 적어도 하나의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또는, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 절연 기판일 수도 있다. 절연 기판은 열전도 성능 및 절연 성능을 가지는 세라믹 기판 또는 고분자 수지로 이루어진 기판일 수 있다. 세라믹 기판은, 예를 들어 산화알루미늄 기판, 질화알루미늄 기판 등일 수 있다.
또는, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 하나는 금속 기판이고, 다른 하나는 절연 기판일 수도 있다.
제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 제1 기판(110)제2 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적을 제2 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성하여 고온영역 또는 저온영역에 선택적으로 배치할 수 있다. 예를 들어, 방열 성능의 상대적 향상을 통한 열전달 효율 최적화가 필요한 경우, 제1 기판(110)은 고온영역에 배치될 수 있으며, 이와는 반대로 흡열 성능의 상대적 향상을 통한 열전달 효율 최적화가 필요한 경우, 제1 기판(110)은 저온영역에 배치될 수 있다. 제1 기판(110)제2 기판(160)제1 기판(110)다른 예로서, 외부환경으로부터 열전모듈의 보호를 위한 실링부재가 제1 기판(110) 상에 배치되는 경우, 저온영역 또는 고온영역과의 결합을 위하여 별도의 접합 또는 체결영역이 제1 기판(110)에 형성되는 경우에 제2 기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 제1 기판(110)의 면적은 제2 기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 제1 기판(110)의 면적이 제2 기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 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. 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.
도시되지 않았으나, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 제1 기판(110)과 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, 실링부재는, 복수의 제1 전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 제2 전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스, 실링 케이스와 제1 기판(110) 사이에 배치되는 실링재 및 실링 케이스와 제2 기판(160) 사이에 배치되는 실링재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스는 실링재를 매개로 하여 제1 기판(110) 및 제2 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스가 제1 기판(110) 및 제2 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재는 실링 케이스와 제1 기판(110) 사이 및 실링 케이스와 제2 기판(160) 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, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 1(a) 또는 도 1(b)에서 도시하는 구조를 가질 수 있다. 도 1(a)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 및 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2)을 포함할 수 있다. 또는, 도 1(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 각각 배치되는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)을 포함할 수 있다. 또는, 열전 레그(130, 140)는 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 각각과 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 각각 사이에 적층되는 금속층을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 전술한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다. 열전 소재층(132, 142)이 다결정인 경우, 열전소재층(132, 142), 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제1 도금층(134-1, 144-1)의 접합력 및 열전소재층(132, 142), 제2 버퍼층(136-2, 146-2) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 간의 접합력이 높아질 수 있다. 이에 따라, 진동이 발생하는 애플리케이션, 예를 들어 차량, 선박, 항공 등의 이동수단에 열전소자(100)가 적용되더라도 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)로부터 이탈되어 탄화되는 문제를 방지할 수 있으며, 열전소자(100)의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
그리고, 금속층은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 금속층 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속층의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(136-1, 146)-1 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 Te를 포함하는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치되면, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역으로 인하여 열전소재층 내 전기 저항이 증가하는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 열전모듈(1200)의 제1 기판(110)은 금속구조체(1300)의 각 금속면(1310, 1320, 1330, 1340, 1350)과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(110)의 열이 금속구조체(1300)의 각 금속면(1310, 1320, 1330, 1340, 1350)을 통하여 전도될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)이 저온부일 경우, 금속구조체(1300)의 각 금속면(1310, 1320, 1330, 1340, 1350)은 냉각될 수 있으며, 이에 따라 금속구조체(1300)의 각 금속면(1310, 1320, 1330, 1340, 1350) 주변의 온도도 냉각될 수 있다.
또한, 금속 구조체(1300)의 면적은 열전 장치(1000)에 포함되는 전체 열전모듈(1200)의 제1 기판(110)의 면적의 합보다 클 수 있다. 이에 따르면, 열전 장치(1000)의 냉각 용량은 더욱 커질 수 있다.
한편, 각 열전모듈(1200)의 제1 기판(110)은 금속구조체(1300)의 각 금속면(1310, 1320, 1330, 1340, 1350)과 직접 접촉하도록 배치되는 경우 또는 냉각 효과를 더 강화하여야 하는 경우, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160)에는 쿨러(200)가 배치될 수도 있다. 쿨러(200)는, 예를 들어 유체 통과 부재이거나 히트싱크일 수 있다. 쿨러(200)가 유체 통과 부재인 경우, 유체 통과 부재의 내부를 통해 냉각용 유체가 흐를 수 있다. 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각용 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유체 통과 부재를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 유체 통과 부재로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다. 도시되지 않았으나, 유체 통과 부재의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀이 유체 통과 부재의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 유체 통과 부재(300)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 냉각 성능을 얻는 것이 가능하다. 이때, 방열핀은 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 방열핀은 냉각용 유체가 흐르는 방향을 따라 형성될 수 있다. 즉, 방열핀은 냉각용 유체 유입구로부터 냉각용 유체 배출구를 향하는 방향으로 연장된 플레이트 형상일 수 있으며, 복수의 방열핀은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 방열핀은 유체 통과 부재의 내벽과 일체로 형성될 수도 있다. 이와 같이, 제2 기판(160)에 쿨러(200)가 더 배치되는 경우, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 간 온도 차(△T)에 따라 제1 기판(110)의 온도가 더욱 낮아질 수 있으며, 이에 따라 단열 하우징(1100)의 내부 공간의 온도는 더욱 낮아질 수 있다.
열전 장치(1000)의 냉각 성능을 높이기 위하여, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 단열 하우징(1100)의 벽면을 관통하도록 배치될 수도 있다. 이를 위하여, 단열 하우징(1100)의 복수의 벽면 중 열전모듈이 배치된 벽면(1110)에는 관통홀(1112)이 형성되며, 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는 관통홀(1112)에 배치될 수 있다. 또는, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는 도 4(b)에 도시된 바와 같이 단열 하우징(1100)의 외부에 배치될 수도 있다. 이를 위하여, 단열 하우징(1100)의 복수의 벽면 중 열전모듈이 배치된 벽면(1110)에는 관통홀(1112)이 형성되며, 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는 관통홀(1112)을 통하여 외부에 배치될 수 있다. 또는, 도 4(a) 및 도 4(b)의 실시예에서, 단열 하우징(1100)의 단열 성능을 위하여, 관통홀(1112)은 추가로 실링처리될 수 있다. 이에 따르면, 열전모듈의 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 분리된 영역 내에 배치될 수 있으므로, 제1 기판(110)의 냉각 성능을 더욱 높일 수 있다.
또는, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는, 도 4(c)의 실시예에 도시된 바와 같이, 단열 하우징(1100)의 내부에서 단열 하우징(1100)의 벽면을 향하도록 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 단열 하우징(1100)의 벽면에 관통홀을 형성할 필요가 없으므로, 단열 하우징(1100)의 단열 성능을 높일 수 있다. 다만, 열전모듈의 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 간 온도 차(△T)를 위하여, 제2 기판(160)이 쿨러(200)와 접촉되는 면을 제외한 나머지 면을 별도로 단열처리할 필요가 있다.
한편, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160) 및 쿨러(200)는 도 4(d)에 도시된 바와 같이 단열 하우징(1100)의 외부에 배치된 경우, 각 열전모듈(1200)의 제1 기판(110)과 금속 구조물(1300) 사이에는 금속 플레이트(300)가 더 배치되거나, 제1 기판(110)은 금속 플레이트(300)로 대체되거나, 또는, 금속 플레이트(300)는 금속 구조물(1300)의 각 금속면의 일부 구성이 될 수도 있다.
다시 도 3 내지 4를 참조하면, 금속 구조체(1300)의 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350) 중 적어도 일부는 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350)은 모두 서로 연결될 수 있다. 이에 따르면, 단열 하우징(1100)의 5개의 벽면 중 일부의 벽면에만 열전모듈이 배치된 경우에도, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350)을 통하여 제1 기판(110)의 냉기가 전도될 수 있으며, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350)에 의하여 이루어진 공간이 고르게 냉각될 수 있다.
이때, 단열 하우징(1100) 내에는 금속핀(1400) 및 팬(미도시) 중 적어도 하나가 더 수용될 수도 있다. 이에 따르면, 열전 장치(1000)의 냉각 용량이 더욱 높아질 수 있으며, 팬에 의하여 공기가 빠르게 냉각될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이고, 도 8은 도 7의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이며, 도 9는 도 7의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다. 여기서, 도 1 내지 6에서 설명한 내용과 동일하거나 유사한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 7 내지 9를 참조하면, 금속 구조물(1300)의 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350) 중 적어도 하나는 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230), 제4 열전모듈(1240) 및 제5 열전모듈(1250) 중 적어도 하나의 제1 기판(110)의 일부와 접촉하며, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340) 중 적어도 일부는 서로 이격되도록 배치되고, 제5 금속면(1350)을 매개로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 폭은 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230) 및 제4 열전모듈(1240)의 각각의 폭보다 작고, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 길이는 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230) 및 제4 열전모듈(1240)의 각각의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 또한, 제5 금속면(1350)은 '十'자 형상으로, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 말단은 '十'자 형상인 제5 금속면(1350)의 말단과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350) 중 일부만이 열전모듈과 접촉하도록 배치되더라도, 서로 연결된 금속면들을 통하여 냉기가 전도될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 구조체(1300)는 제6 금속면(1360)을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 제6 금속면(1360)은 '十'자 형상으로 제5 금속면(1350)과 마주하도록 배치되며, 제6 금속면(1360)의 '十'자 형상의 말단은 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 말단과 연결될 수 있다. 이에 따르면, 단열 하우징(1100)의 제1 벽면(1110) 내지 제4벽면(1140)과 제5 벽면(1150)에 대응하는 면뿐만 아니라 개구부(1102)에 대응하는 면에도 금속면이 배치되므로, 열전 장치(1000)의 냉각 성능을 더욱 개선할 수 있다.
이때, 제6 금속면(1360)은 제1 지지벽(2010)에 접촉하도록 배치될 수 있으며, '十'자 형상에 의하여 형성된 개구 영역을 통하여 체결부(4200)가 단열 하우징(1100)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 열전 장치(1000)의 제6 금속면(1360)의 냉기가 제1 지지벽(2010)에 직접 전달되므로 제1 지지벽(2010)을 직접 냉각시킬 수 있고, 이에 따라 제1 지지벽(2010)을 관통하는 체결부(4200)가 냉각될 수 있다. 또한, 체결부(4200)는 열전 장치(1000)의 단열 하우징(1100)의 내부 공간의 차가운 공기에 의하여 냉각될 수도 있다. 이에 따르면, 체결부(4200)의 냉기는 돌기부(4100)를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물(3000)에 전달되므로, 냉각 대상이 되는 구조물(3000)을 냉각시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 장치(1000)는 제5 금속면(1350)과 제6 금속면(1360)을 연결하는 금속로드(1500)를 더 포함할 수도 있다. 이에 따르면, 제5 금속면(1350)의 냉기가 금속로드(1500)를 통하여 제6 금속면(1360)으로 전달될 수 있다. 이에 따르면, 제5 금속면(1350)으로부터 제6 금속면(1360)까지 가는 열전도 경로가 짧아질 수 있으며, 금속로드(1500) 주변의 공기는 금속로드(1500)에 의하여 냉각되므로, 단열 하우징(1100)의 내부 공간 내 열평형이 빠른 시간 내에 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 장치의 사시도이고, 도 11은 도 10의 실시예에 따른 열전 장치의 분해 사시도이며, 도 12는 도 10의 실시예에 따른 열전 장치의 단면도이다. 여기서, 도 1 내지 6에서 설명한 내용과 동일하거나 유사한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 10 내지 12를 참조하면, 금속 구조물(1300)의 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350) 중 적어도 하나는 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230), 제4 열전모듈(1240) 및 제5 열전모듈(1250) 중 적어도 하나의 제1 기판의 일부를 각 금속면은 각 열전모듈의 제1 기판의 일부와 접촉하며, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340) 중 적어도 일부는 서로 이격되도록 배치되고, 제5 금속면(1350)을 매개로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 폭은 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230) 및 제4 열전모듈(1240)의 각각의 폭보다 작고, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 길이는 제1 열전모듈(1210), 제2 열전모듈(1220), 제3 열전모듈(1230) 및 제4 열전모듈(1240)의 각각의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 또한, 제5 금속면(1350)은 '十'자 형상으로, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330) 및 제4 금속면(1340)의 각각의 말단은 '十'자 형상인 제5 금속면(1350)의 말단과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340) 및 제5 금속면(1350) 중 일부만이 열전모듈과 접촉하도록 배치되더라도, 서로 연결된 금속면들을 통하여 냉기가 전도될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 구조체(1300)는 제6 금속면(1360)을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 제6 금속면(1360)은 제5 금속면(1350)과 마주하도록 배치되며, 제6 금속면(1360)은 단열 하우징(1100)의 개구부(1102)에 대응하는 형상을 가질 수 있다.
이때, 제6 금속면(1360)은 제1 지지벽(2010)에 접촉하도록 배치될 수 있으며, 체결부(4200)의 체결 수단이 관통하기 위한 홀(1362)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 체결부(4200)는 단열 하우징(1100)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 열전 장치(1000)의 제6 금속면(1360)의 냉기가 제1 지지벽(2010)에 직접 전달되므로 제1 지지벽(2010)을 직접 냉각시킬 수 있고, 이에 따라 제1 지지벽(2010)을 관통하는 체결부(4200)가 냉각될 수 있다. 또한, 체결부(4200)는 열전 장치(1000)의 단열 하우징(1100)의 내부 공간의 차가운 공기에 의하여 냉각될 수 있다. 이에 따르면, 체결부(4200)의 냉기는 돌기부(4100)를 통하여 냉각 대상이 되는 구조물(3000)에 전달되므로, 냉각 대상이 되는 구조물(3000)을 냉각시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 장치(1000)는 제5 금속면(1350)과 제6 금속면(1360)을 연결하는 금속로드(1500)를 더 포함할 수도 있다. 이에 따르면, 제5 금속면(1350)의 냉기가 금속로드(1500)를 통하여 제6 금속면(1360)으로 전달될 수 있다. 이에 따르면, 제5 금속면(1350)으로부터 제6 금속면(1360)까지 가는 열전도 경로가 짧아질 수 있으며, 금속로드(1500) 주변의 공기는 금속로드(1500)에 의하여 냉각되므로, 단열 하우징(1100)의 내부 공간 내 열평형이 빠른 시간 내에 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 장치의 냉각 성능은 냉각된 공기가 지지벽과 접촉하는 접촉 면적에 따라 달라질 수 있다.
도 13은 도 7의 실시예에 따른 열전 장치에서 열전 장치와 지지벽 간 접촉 면적에 따른 냉각 성능을 비교하는 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13(a)에서 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적 및 단열 하우징의 개구부의 면적의 합은 46000mm2이고, 지지벽과 냉각된 공기가 접촉하는 면적, 즉 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적 및 단열 하우징의 개구부의 면적의 합에서 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적, 제6 금속면의 면적 및 체결부의 단면적을 뺀 값이 18837mm2이다.
도 13(b)에서 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적 및 단열 하우징의 개구부의 면적의 합은 65208mm2이고, 지지벽과 냉각된 공기가 접촉하는 면적, 즉 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적 및 단열 하우징의 개구부의 면적의 합에서 지지벽과 접촉하는 단열 하우징의 벽면의 면적, 제6 금속면의 면적 및 체결부의 단면적을 뺀 값이 36365mm2이다. 도 13(a) 및 도 13(b)에서 지지벽과 냉각된 공기가 접촉하는 면적은 초록색으로 나타낸 부분일 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)에서, 이를 제외한 다른 조건, 예를 들어 열전 장치 내 핀의 면적, 열전모듈의 위치 및 개수, 제5 금속면과 제6 금속면 간의 거리 등은 동일하게 설정하였다.
본 명세서에서, 열전 장치가 없는 경우 냉각 대상이 되는 구조물에 유입되는 열량을 기준으로, 열전 장치가 있는 경우 냉각 대상이 되는 구조물에 유입되는 열량의 감소율을 열량의 저감효과라고 정의한다. 예를 들어, 열전 장치가 없는 경우 냉각 대상이 되는 구조물에 유입되는 열량이 100와트이고, 열전 장치가 있는 경우 냉각 대상이 되는 구조물에 유입되는 열량이 98와트인 경우, 열량의 저감효과는 2%가 될 수 있다.
도 13(a)의 조건 하에서 열량의 저감효과는 2%로 측정되었고, 도 13(b)의 조건 하에서 열량의 저감효과는 3.37%로 측정되었다.
이로부터 지지벽과 냉각된 공기가 접촉하는 면적이 커질수록 열량의 저감효과가 커짐을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 장치의 냉각 성능은 열전 장치에 포함된 열전모듈의 개수 및 위치에 따라 달라질 수도 있다.
표 1은 도 10의 실시예에 따른 열전 장치에서 열전모듈의 개수를 다르게 하여 냉각 효율을 측정한 결과이다.
열전모듈 1250(실시예 1) 1210, 1230, 1250(실시예 2) 1210, 1220, 1230(실시예 3) 1210, 1220, 1230, 1250(실시예 4)
저감 효과 2.22% 3.45% 3.63% 3.94%
표 1을 참조하면, 열전모듈의 개수가 커질수록 열량의 저감효과가 커짐을 알 수 있다. 다만, 구조적으로, 단열 하우징의 바닥면인 제5 벽면에 배치되는 제5 열전모듈(1250)과 제6 금속면(1360) 간의 거리는 단열 하우징의 측면인 제1 내지 제4 벽면에 배치되는 제1 내지 제 4 열전모듈(1210, 1220, 1230, 1240)과 제6 금속면(1360) 간의 거리보다 클 수 밖에 없다. 이에 따라, 동일한 개수의 열전모듈을 배치하더라도, 측면에만 열전모듈을 배치하는 경우(실시예 3)에 비하여 측면과 바닥면에 열전모듈을 배치하는 경우(실시예 2)의 열량의 저감효과가 미소하게 낮을 수 있다. 이에 따라, 열량의 저감효과를 높이기 위하여, 제5 금속면(1350)과 제6 금속면(1360) 간의 거리는 제1 금속면(1310), 제2 금속면(1320), 제3 금속면(1330), 제4 금속면(1340)에 배치된 각 열전모듈의 높이의 1배를 초과하고, 2배 이하, 바람직하게는 1.5배 이하, 더욱 바람직하게는 1.2배 이하로 설정될 수 있다.
본 명세서에서, 도 2 내지 4의 실시예에서는 단열 하우징의 내부 공간에 금속핀과 팬이 배치되고, 도 7 내지 9의 실시예와 도 10 내지 12의 실시예에서는 단열 하우징의 내부 공간에 금속로드가 배치되는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 도 2 내지 4의 실시예에서도 단열 하우징의 내부 공간에 금속로드가 배치될 수도 있으며, 도 7 내지 9의 실시예와 도 10 내지 12의 실시예에서도 단열 하우징의 내부 공간에 금속핀과 팬이 배치될 수도 있다.
또한, 금속로드는 도 7 내지 9의 실시예와 도 10 내지 12의 실시예서 제5 금속면과 제6 금속면을 연결하는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 제1 금속면 내지 제6 금속면 중 2개의 금속면을 연결할 수 있다. 그리고, 금속핀은 도 2 내지 4의 실시예에서 제5 열전모듈이 배치되는 제5 금속면에 배치되는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 제1 내지 제5 열전모듈이 배치되는 제1 내지 제5 금속면 중 적어도 하나에 배치될 수 있다.
본 명세서에서, 냉각 대상이 되는 구조물을 냉각시키기 위한 열전 장치를 중심으로 설명하고 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 가열 대상이 되는 구조물을 가열시키기 위한 열전 장치에 적용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치의 제1 기판이 고온부인 경우, 열전 장치의 단열 하우징의 내부 공간의 공기는 가열될 수 있으며, 가열된 공기의 온도는 체결부 및 돌기부를 통하여 전도되어 가열 대상이 되는 구조물을 가열하는데 이용될 수도 있다. 본 경우, 각 열전모듈(1200)의 제2 기판(160)에는 쿨러(200)가 생략될 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.

Claims (19)

  1. 개구부를 포함하는 단열 하우징,
    상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 단열 하우징을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈, 그리고
    상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 적어도 하나의 열전모듈의 양면 중 상기 단열 하우징의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체를 포함하고,
    상기 금속 구조체의 면적은 상기 적어도 하나의 열전모듈의 면적보다 크며,
    상기 개구부는 냉각 대상을 지지하는 지지체에 의하여 닫히고,
    상기 단열 하우징의 내부 공간에는 상기 냉각 대상과 상기 지지체를 연결하는 연결부의 일부가 배치된 열전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 하우징은 제1 벽면, 상기 제1 벽면에 마주하도록 배치된 제2 벽면, 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면 사이에서 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제3 벽면, 상기 제3 벽면과 마주하며 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제4 벽면, 그리고 상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면, 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면을 연결하도록 배치된 제5 벽면을 포함하며, 상기 개구부는 상기 제5 벽면에 마주하고,
    상기 금속구조체는 상기 제1 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제1 금속면, 상기 제2 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제2 금속면, 상기 제3 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제3 금속면, 상기 제4 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제4 금속면 및 상기 제5 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제5 금속면 중 적어도 하나를 포함하는 열전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전모듈은 상기 제1 벽면에 배치된 제1 열전모듈, 상기 제2 벽면에 배치된 제2 열전모듈, 상기 제3 벽면에 배치된 제3 열전모듈, 상기 제4 벽면에 배치된 제4 열전모듈 및 상기 제5 벽면에 배치된 제5 열전모듈 중 적어도 하나를 포함하고,
    각 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판 및 상기 제2 기판 상에 배치된 쿨러를 포함하며,
    상기 각 열전모듈의 제1 기판이 상기 금속구조체의 각 금속면과 직접 접촉하도록 배치된 열전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 외부에 배치된 열전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 내부에서 상기 단열 하우징의 벽면을 향하도록 배치된 열전 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 열전모듈의 복수의 쿨러 중 일부는 상기 단열 하우징의 벽면을 관통하도록 배치된 열전 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면은 서로 연결된 열전 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면, 상기 제4 금속면 및 상기 제5 금속면 중 적어도 하나는 상기 제1 열전모듈, 상기 제2 열전모듈, 상기 제3 열전모듈, 상기 제4 열전모듈 및 상기 제5 열전모듈 중 적어도 하나의 제1 기판의 일부와 접촉하며,
    상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면 중 적어도 일부는 서로 이격되도록 배치되며,
    상기 제5 금속면을 매개로 연결된 열전 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속면, 상기 제2 금속면, 상기 제3 금속면 및 상기 제4 금속면과 연결되며, 상기 제5 금속면과 마주하도록 배치된 제6 금속면을 더 포함하는 열전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제6 금속면의 적어도 일부에는 개구 영역이 형성되며,
    상기 연결부의 일부는 상기 개구 영역을 통하여 상기 단열 하우징의 내부 공간에 배치된 열전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제6 금속면은 十자 형상인 열전 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 개구 영역은 상기 연결부의 일부가 관통하기 위한 홀인 열전 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제5 금속면과 상기 제6 금속면을 연결하는 금속로드를 더 포함하는 열전 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단열 하우징 내에 수용된 금속핀 및 팬 중 적어도 하나를 더 포함하는 열전 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 연결부의 일부는 볼트인 열전 장치.
  16. 냉각 대상을 지지하는 지지체, 그리고
    상기 지지체에 배치된 열전 장치를 포함하고,
    상기 지지체는,
    제1 지지벽,
    상기 제1 지지벽의 일측에서 제1 방향으로 연장되는 제2 지지벽,
    상기 제1 지지벽의 타측에서 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 지지벽, 그리고
    상기 제2 지지벽의 일단 및 상기 제3 지지벽의 일단을 연결하도록 상기 제1 지지벽으로부터 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 지지벽을 포함하고,
    상기 열전 장치는,
    개구부를 포함하는 단열 하우징,
    상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 단열 하우징을 이루는 복수의 벽면 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 열전모듈, 그리고
    상기 단열 하우징 내에 적어도 일부가 수용되고, 상기 적어도 하나의 열전모듈의 양면 중 상기 단열 하우징의 내부 공간을 향하도록 배치된 면에 배치된 금속 구조체를 포함하고,
    상기 금속 구조체의 면적은 상기 적어도 하나의 열전모듈의 면적보다 크며,
    상기 개구부는 상기 제1 지지벽에 의하여 닫히고,
    상기 단열 하우징의 내부 공간에는 상기 냉각 대상과 상기 제1 지지벽을 연결하는 연결부의 일부가 배치된 열전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단열 하우징은 제1 벽면, 상기 제1 벽면에 마주하도록 배치된 제2 벽면, 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면 사이에서 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제3 벽면, 상기 제3 벽면과 마주하며 상기 제1 벽면과 상기 제2 벽면을 연결하도록 배치된 제4 벽면, 그리고 상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면, 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면을 연결하도록 배치된 제5 벽면을 포함하며, 상기 개구부는 상기 제5 벽면에 마주하고,
    상기 금속구조체는 상기 제1 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제1 금속면, 상기 제2 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제2 금속면, 상기 제3 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제3 금속면, 상기 제4 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제4 금속면 및 상기 제5 벽면과 소정 간격 이격되어 마주하는 제5 금속면 중 적어도 하나를 포함하는 열전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 벽면, 상기 제2 벽면 및 상기 제3 벽면은 각각 상기 지지체의 상기 제2 지지벽, 상기 제3 지지벽 및 상기 제4 지지벽에 대응하도록 배치된 열전 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 연결부의 나머지는 단열된 열전 시스템.
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