KR20210145703A

KR20210145703A - 열변환장치

Info

Publication number: KR20210145703A
Application number: KR1020210161156A
Authority: KR
Inventors: 이언학; 봉상훈; 송영길; 송윤상; 김정호; 전성재
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2021-12-02
Also published as: KR102332126B1; KR102434261B9; KR102434261B1; KR20180134070A

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 평평한 제1면, 그리고 상기 제1 면과 평행하게 배치된 평평한 제2 면을 포함하며, 유입된 공기의 온도보다 낮은 온도의 공기가 배출되는 배관, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 각각의 외부에 흡열면이 배치되는 복수의 열전소자, 상기 복수의 열전소자와 전기적으로 연결되는 복수의 PCB(Printed Circuit Board), 그리고 상기 복수의 열전소자의 방열면에 배치되는 냉각수 통과 부재를 포함하며, 상기 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면은 제1 높이를 가지는 복수의 제1 외부 바닥면, 그리고 상기 제1 높이와 다른 제2 높이를 가지는 복수의 제2 외부 바닥면을 포함하고, 상기 복수의 제1 외부 바닥면은 상기 복수의 열전소자의 방열면과 접촉하고, 상기 복수의 제2 외부 바닥면에는 상기 복수의 PCB가 배치된다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}

본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더운 공기로부터의 열을 이용하여 발전시키는 열변환장치에 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 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.

최근, 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생한 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 발전성능을 높이기 위한 구조가 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하는 열변환장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 평평한 제1면, 그리고 상기 제1 면과 평행하게 배치된 평평한 제2 면을 포함하며, 유입된 공기의 온도보다 낮은 온도의 공기가 배출되는 배관, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 각각의 외부에 흡열면이 배치되는 복수의 열전소자, 그리고 상기 복수의 열전소자의 방열면에 배치되는 냉각수 통과 부재를 포함하며, 상기 배관의 배출구로부터 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나와 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나는 상이하다.

상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나는 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나보다 많을 수 있다.

상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1 면의 폭과 상이하고, 상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2 면의 폭과 상이할 수 있다.

상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1 면의 폭보다 크고, 상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2 면의 폭보다 클 수 있다.

상기 배관의 배출구의 단면적은 상기 배관의 유입구의 단면적과 상이할 수 있다.

상기 배관의 배출구의 단면적은 상기 배관의 유입구의 단면적보다 클 수 있다.

상기 냉각수 통과 부재는 냉각수가 유입되는 복수의 유입관 및 상기 냉각수가 유출되는 복수의 유출관을 포함하고, 상기 복수의 유입관으로부터 상기 복수의 유출관을 향하여 냉각수가 흘러가는 방향은 상기 배관으로 유입된 공기가 배출되는 방향과 상이할 수 있다.

상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 배출구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도는 상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 유입구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도와 상이할 수 있다.

상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 배출구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도는 상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 유입구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도보다 낮을 수 있다.

상기 복수의 열전소자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 PCB(Printed circuit board)를 더 포함하고, 상기 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면은 제1 높이를 가지는 적어도 하나의 제1 외부 바닥면, 그리고 상기 제1 높이와 다른 제2 높이를 가지는 적어도 하나의 제2 외부 바닥면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 외부 바닥면은 상기 복수의 열전소자의 방열면과 접촉하고, 상기 적어도 하나의 제2 외부 바닥면에는 상기 적어도 하나의 PCB가 배치될 수 있다.

각 PCB는 상기 복수의 열전소자 중 적어도 2 이상의 열전소자와 연결될 수 있다.

상기 복수의 열전소자 사이에는 단열 부재가 더 배치되며, 상기 단열 부재와 상기 적어도 하나의 PCB는 소정 간격으로 이격될 수 있다.

상기 단열 부재와 상기 적어도 하나의 PCB 사이에는 에어 갭이 존재할 수 있다.

상기 배관의 내면에는 방열 핀이 배치될 수 있다.

상기 배관과 상기 방열 핀은 일체로 형성될 수 있다.

상기 배관에 연결되고, 상기 배관으로 공기를 유입시키는 공기 유입관, 그리고 상기 배관에 연결되고, 상기 배관으로부터 공기가 배출되는 공기 배출관을 더 포함할 수 있다.

상기 공기 유입관의 단면 형상 및 상기 공기 배출관의 단면 형상은 상기 배관의 단면 형상과 상이하며, 상기 공기 유입관과 상기 배관을 연결하는 제1 연결관, 그리고 상기 배관과 상기 공기 배출관을 연결하는 제2 연결관을 더 포함할 수 있다.

상기 배관의 외부에는 상기 복수의 열전소자를 배치하기 위한 복수의 홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열변환장치 전 영역에서 고른 성능을 얻을 수 있으며, 배관을 통하여 흐르는 공기의 높은 온도로 인하여 열전 소자에 전기적으로 연결되는 PCB가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 외부에 복수의 열전소자가 배치된 상면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면을 도시한다.
도 9는 도 8의 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면에 배치된 PCB를 도시한다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 배관, 열전소자, PCB 및 냉각수 통과 부재의 배치 관계를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 부재의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 배관, 열전소자 및 냉각수 통과 부재의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관 상에 열전소자가 배치된 상면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다.

도 1 내지 2를 참조하면, 열변환장치(1000)는 복수의 열전소자(100), 복수의 PCB(200), 배관(300) 및 냉각수 통과 부재(400)를 포함한다.

배관(300)으로부터 배출되는 공기의 온도는 배관(300)으로 유입되는 공기의 온도보다 낮다. 예를 들어, 배관(300)으로 유입되는 공기는 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생하는 폐열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 배관(300)으로 유입되는 공기의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

냉각수 통과 부재(400)로부터 유출되는 냉각수의 온도는 냉각수 통과 부재(400)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높다. 예를 들어, 냉각수 통과 부재(400)는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각수 통과 부재(400)로 유입되는 냉각수의 온도는 배관(300)으로 유입되는 공기의 온도보다 낮다. 예를 들어, 배관(300)으로 유입되는 냉각수의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

복수의 열전소자(100)의 흡열면은 배관(300)의 외부에 배치되고, 발열면은 냉각수 통과 부재(400)에 배치된다. 그리고, 복수의 열전소자(100)와 전기적으로 연결되는 복수의 PCB(Printed Circuit Board)는 복수의 열전소자(100)에 전원을 공급한다.

본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(1000)는, 배관(300)을 통해 흐르는 공기 및 냉각수 통과 부재(400)를 통해 흐르는 냉각수 간의 온도 차, 즉 복수의 열전소자(100)의 흡열면 및 발열면 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.

이때, 배관(300)을 통해 흐르는 공기의 방향과 냉각수 통과 부재(400)를 통해 흐르는 냉각수의 방향은 상이할 수 있다. 예를 들어, 배관(300)을 통해 흐르는 공기의 방향과 냉각수 통과 부재(400)를 통해 흐르는 냉각수의 방향은 약 90°상이할 수 있다. 이에 따르면, 배관(300)의 외부에 냉각수 통과 부재(400)를 배치하는 구조를 설계하는 것이 용이하다. 뿐만 아니라, 배관(300)에 공기가 유입되는 영역과 배관(300)으로부터 공기가 배출되는 영역에서의 냉각수 온도를 균일하게 유지시킬 수 있으므로, 전 영역에서 고른 열변환성능을 얻는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전장치(1000)는 배관(300)에 연결되며, 배관(300)으로 공기를 유입시키는 공기 유입관(500), 그리고 배관(300)에 연결되며, 배관(300)으로부터 공기가 배출되는 공기 배출관(502)을 더 포함할 수 있다.

공기 유입관(500) 및 공기 배출관(502)의 단면 형상과 배관(300)의 단면 형상이 상이할 경우, 공기 유입관(500)과 배관(300)을 연결하는 제1 연결관(600) 및 배관(300)과 공기 배출관(502)을 연결하는 제2 연결관(602)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일반적인 공기 유입관(500) 및 공기 배출관(502)은 원통 형상일 수 있다. 이에 반해, 열전성능을 높이기 위하여, 외부에 복수의 열전소자(100)의 흡열면이 배치되는 배관(300)은 사각통 또는 다각통 형상일 수 있다. 이에 따라, 한 말단은 원통 형상이고, 다른 말단은 사각통 형상인 제1 연결관(600)과 제2 연결관(602)을 매개로 공기 유입관(500) 및 배관(300)의 한 말단이 연결되고, 공기 배출관(502) 및 배관(300)의 다른 말단이 연결될 수 있다.

이때, 공기 유입관(500)과 제1 연결관(600), 제1 연결관(600)과 배관(300), 배관(300)과 제2 연결관(602), 제2 연결관(602)과 공기 배출관(502) 등은 체결 부재에 의하여 서로 연결될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(1000)는 단열부재(700)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단열부재(700)는 냉각수 통과 부재(400)를 감싸도록 배치되거나, 배관(300)의 외부에서 복수의 열전소자(100) 사이에 배치될 수 있다.

한편, 도 3 내지 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.

하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 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 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 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 하부 전극(120) 및 상부 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.

여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 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 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 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 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 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. 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 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

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·c_p·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm²/S]이고, c_p 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm³]이다.

열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 3(b)에서 도시하는 구조를 가질 수도 있다. 도 3(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146), 그리고 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)을 포함한다.

여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 도 3(a)에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.

그리고, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)은 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. 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.

다음으로, 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)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, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 산화를 방지할 수 있다.

이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)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, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.

한편, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 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 하부 기판(110)과 상부 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. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.

이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 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, 하부 기판(110)과 상부 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.

본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관, 열전소자, PCB 및 냉각수 통과 부재를 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 상면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 단면도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관의 외부에 복수의 열전소자가 배치된 상면도이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면을 도시하고, 도 9는 도 8의 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면에 배치된 PCB를 도시하며, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 배관, 열전소자, PCB 및 냉각수 통과 부재의 배치 관계를 나타내는 단면도이다. 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 부재의 사시도이고, 도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 배관, 열전소자 및 냉각수 통과 부재의 단면도이다.

도 5 내지 7을 참조하면, 배관(300)은 평평한 제1면(310), 그리고 제1 면(310)에 대향하는 평평한 제2 면(320)을 포함하며, 제1 면(310) 및 제2 면(320) 각각의 외부에는 열전소자(100)가 안착되기 위한 홈(312)이 마련된다. 그리고, 홈(312) 마다 하나의 열전소자(100)의 흡열면이 배치된다. 여기서, 각 열전소자(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 교대로 직렬 배치되는 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 열전소자(100)는 복수의 열 및 복수의 행을 포함하는 어레이 형태로 배열될 수 있다. 여기서, 3*4 구조를 예시하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 원하는 출력에 따라 다양한 크기의 어레이로 배열될 수 있다. 도시되지 않았으나, 복수의 열전소자(100)는 서멀그리스(thermal grease)에 의하여 배관(300)의 제1 면(310) 및 제2 면(320)과 접착될 수 있다.

이와 같이, 배관(300)이 평평한 제1 면(310), 그리고 제1 면(310)과 평행하게 배치되는 평평한 제2 면(320)을 포함하면, 곡률을 가진 면에 비하여 열전소자(100)를 배치하는 것이 용이하고, 배관(300)의 외부 표면과 열전소자(100)의 흡열면 간의 전면 접촉으로 인한 흡열 성능을 높일 수 있다.

한편, 제1 면(310) 및 제2 면(320) 상에서 열전소자(100)가 배치된 영역을 제외한 영역, 즉 복수의 열전소자(100) 사이에는 단열부재(700)가 더 배치될 수도 있다. 이에 따라, 배관(300)을 통과하는 더운 공기로 인하여 배관(300)의 외부 표면으로부터 열이 발생하더라도, 배관(300)의 제1 면(310) 및 제2 면(320)에 인접하여 배치되는 냉각수 통과 부재(400) 또는 PCB(200)에는 영향을 미치지 않을 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 배관(300)의 내면에는 방열 핀(330)이 더 배치될 수 있다. 방열 핀(330)은 배관(300)과 일체로 형성될 수 있으며, 배관(300) 및 이를 포함하는 방열 핀(330)은 하나의 히트싱크로 작용할 수도 있다. 이와 같이, 배관(300)의 내면에 방열 핀(330)이 더 배치되면, 배관(300)을 통과하는 더운 공기의 열이 열전소자(100)의 흡열면 측으로 더욱 효율적으로 전달될 수 있다.

한편, 도 6에서는 배관(300)의 단면이 사각 형상인 것을 예시하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 면(310), 그리고 제1 면(310)에 대향하는 제2 면(320)이 평행하다면, 제1 면(310) 및 제2 면(320)을 연결하는 면이 곡률을 가지는 면일 수도 있다.

도 8 내지 10을 참조하면, 냉각수 통과 부재(400)의 외부 바닥면의 일부는 복수의 열전소자(100)의 발열면과 접촉하고, 냉각수 통과 부재(400)의 외부 바닥면의 다른 일부에는 복수의 PCB(200)가 배치될 수 있다. 이때, 각 PCB(200)는 냉각수 통과 부재(400)의 외부 바닥면에 스크류(202)를 통하여 체결될 수 있다. 그리고, 각 PCB(200)는 어레이 형태로 배열된 복수의 열전소자(100) 중 하나의 열에 포함되는 복수의 열전소자(100)와 연결되거나, 하나의 행에 포함되는 복수의 열전소자(100)와 연결될 수도 있다. 여기서, 각 PCB(200)와 복수의 열전소자(100)는 커넥터에 의하여 연결되거나, 납땜 방식으로 연결될 수 있다.

한편, 냉각수 통과 부재(400)의 외부 바닥면은 제1 높이를 가지는 복수의 제1 외부 바닥면(402), 그리고 제1 높이와 다른 제2 높이를 가지며 복수의 제1 외부 바닥면(402) 사이에 배치되는 복수의 제2 외부 바닥면(404)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 외부 바닥면(402)은 복수의 열전소자(100)의 발열면과 접촉하고, 제2 외부 바닥면(404)에는 복수의 PCB(200)가 배치되며, 복수의 열전소자(100)의 발열면을 기준으로 할 때, 제2 높이는 제1 높이보다 높을 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 외부 바닥면(404)은 복수의 제1 외부 바닥면(402) 사이에 형성된 홈의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 각 PCB(200)는 복수의 열전소자(100) 사이에 배치된 단열 부재(700)로부터 소정 간격(d)으로 이격되어 배치될 수 있으며, 단열 부재(700)와 각 PCB(200) 사이에는 에어 갭이 존재할 수 있다. 이에 따르면, PCB(200)는 배관(300)을 통하여 흐르는 더운 공기에 의하여 배관(300)의 외부 표면으로 방출되는 열에 의하여 받는 영향을 최소화할 수 있다.

도 11 내지 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각수 통과 부재(400)는 바닥면 및 벽면으로 이루어지는 케이스(406), 케이스(406)의 한 벽면에 형성되며, 냉각수가 유입되는 복수의 유입관(410), 케이스(406)의 다른 벽면에 형성되며, 냉각수가 유출되는 복수의 유출관(420), 케이스(406)의 내부 바닥면에서 복수의 유입관(410)으로부터 복수의 유출관(420)을 향하여 냉각수가 흘러가는 방향을 따라 형성되는 복수의 방열핀(430), 그리고 케이스(406)를 덮는 커버(450)를 포함한다. 케이스(406)에는 커버(450)와 체결되기 위한 홈(440)이 더 형성될 수도 있다.

이때, 복수의 유입관(410) 및 복수의 유출관(420)은 동일한 개수를 가지며, 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있으며, 각 유입관(410)으로부터 각 유출관(420)을 향하는 방향은 배관(300)을 통하여 더운 공기가 흐르는 방향과 교차하는 방향일 수 있다.

한편, 냉각수 통과 부재(400)의 케이스(406)의 내부 바닥면에 형성되는 각 방열 핀(430)은 복수의 유입관(410) 측의 제1 영역(432), 복수의 유출관(420) 측의 제2 영역(434), 그리고 제1 영역(432)과 제2 영역(434) 사이의 제3 영역(436)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 영역(432) 및 제2 영역(434)의 높이는 제3 영역(436)의 높이보다 낮을 수 있다. 이와 같이, 냉각수가 유입되는 유입관 주변 및 냉각수가 유출되는 유출관 주변의 방열 핀의 높이가 낮은 경우, 유로를 방해하지 않으므로, 냉각수가 원활하게 흐를 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 배관(300)으로 유입되는 공기의 온도와 배관(300)을 통과한 후 배출되는 공기의 온도는 상이할 수 있다. 즉, 배관(300)을 통과한 후 배출되는 공기의 온도는 배관(300)으로 유입되는 공기의 온도보다 낮을 수 있다. 그런데, 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 열전소자의 열전성능은 흡열면과 발열면 간 온도 차가 클수록 높게 나타날 수 있다. 이에 따라, 배관(300)의 배출구 주변에서의 열전성능은 유입구 주변에서의 열전성능에 비하여 낮게 나타날 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 이러한 문제를 해결하기 위하여 배관(300)의 유입구 및 배출구의 폭 또는 면적을 상이하게 하거나, 위치별로 각 열전 소자 크기, 배치 형태, 배치 개수 등을 변경하여 온도 차이에 따른 열전 성능 감소를 보상할 수 있다.

도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 배관 상에 열전소자가 배치된 상면도이다.

도 13을 참조하면, 배관(300)의 제1 면(310) 및 제2 면(320)의 폭은 공기의 유입구로부터 배출구로 갈수록 커지며, 이와 함께 배치된 열전소자의 개수도 많아진다. 이에 따라, 배출구 주변의 열전성능 감소가 보상될 수 있다.

이 외에도, 냉각수 통과 부재(400)가 복수의 유입관을 포함하는 경우, 배관(300)의 배출구에 가까울수록 더 낮은 온도의 냉각수를 유입할 수 있다. 이에 따라, 배관(300)의 유입구 주변에 배치된 열전소자의 흡열면 및 발열면 간 온도 차와 배관(300)의 배출구 주변에 배치된 열전소자의 흡열면 및 발열면 간 온도 차를 유사하게 유지할 수 있어, 배출구 주변의 열전성능 감소가 보상될 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

평평한 제1면, 그리고 상기 제1 면과 평행하게 배치된 평평한 제2 면을 포함하며, 유입된 공기의 온도보다 낮은 온도의 공기가 배출되는 배관,
상기 제1 면 및 상기 제2 면 각각의 외부에 흡열면이 배치되는 복수의 열전소자, 그리고
상기 복수의 열전소자의 방열면에 배치되는 냉각수 통과 부재를 포함하며,
상기 배관의 배출구로부터 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나와 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나는 상이한 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나는 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리 이내에 배치된 상기 복수의 열전 소자의 개수 및 면적 중 적어도 하나보다 많은 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1 면의 폭과 상이하고,
상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2 면의 폭과 상이한 열변환장치.
제3항에 있어서,
상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제1 면의 폭보다 크고,
상기 배관의 배출구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2면의 폭은 상기 배관의 유입구로부터 상기 소정 거리를 가지는 상기 제2 면의 폭보다 큰 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관의 배출구의 단면적은 상기 배관의 유입구의 단면적과 상이한 열변환장치.
제5항에 있어서,
상기 배관의 배출구의 단면적은 상기 배관의 유입구의 단면적보다 큰 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각수 통과 부재는 냉각수가 유입되는 복수의 유입관 및 상기 냉각수가 유출되는 복수의 유출관을 포함하고,
상기 복수의 유입관으로부터 상기 복수의 유출관을 향하여 냉각수가 흘러가는 방향은 상기 배관으로 유입된 공기가 배출되는 방향과 상이한 열변환장치.
제7항에 있어서,
상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 배출구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도는 상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 유입구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도와 상이한 열변환장치.
제8항에 있어서,
상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 배출구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도는 상기 복수의 유입관 중 상기 배관의 유입구에 가장 가까운 유입관에 유입되는 냉각수의 온도보다 낮은 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 열전소자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 PCB(Printed circuit board)를 더 포함하고,
상기 냉각수 통과 부재의 외부 바닥면은 제1 높이를 가지는 적어도 하나의 제1 외부 바닥면, 그리고 상기 제1 높이와 다른 제2 높이를 가지는 적어도 하나의 제2 외부 바닥면을 포함하고,
상기 적어도 하나의 제1 외부 바닥면은 상기 복수의 열전소자의 방열면과 접촉하고, 상기 적어도 하나의 제2 외부 바닥면에는 상기 적어도 하나의 PCB가 배치되는 열변환장치.
제10항에 있어서,
각 PCB는 상기 복수의 열전소자 중 적어도 2 이상의 열전소자와 연결되는 열변환장치.
제10항에 있어서,
상기 복수의 열전소자 사이에는 단열 부재가 더 배치되며,
상기 단열 부재와 상기 적어도 하나의 PCB는 소정 간격으로 이격되는 열변환장치.
제12항에 있어서,
상기 단열 부재와 상기 적어도 하나의 PCB 사이에는 에어 갭이 존재하는 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관의 내면에는 방열 핀이 배치되는 열변환장치.
제14항에 있어서,
상기 배관과 상기 방열 핀은 일체로 형성되는 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관에 연결되고, 상기 배관으로 공기를 유입시키는 공기 유입관, 그리고
상기 배관에 연결되고, 상기 배관으로부터 공기가 배출되는 공기 배출관을 더 포함하는 열변환장치.
제16항에 있어서,
상기 공기 유입관의 단면 형상 및 상기 공기 배출관의 단면 형상은 상기 배관의 단면 형상과 상이하며,
상기 공기 유입관과 상기 배관을 연결하는 제1 연결관, 그리고
상기 배관과 상기 공기 배출관을 연결하는 제2 연결관을 더 포함하는 열변환장치.
제1항에 있어서,
상기 배관의 외부에는 상기 복수의 열전소자를 배치하기 위한 복수의 홈이 형성되는 열변환장치.