WO2015163729A1 - 열전환장치 - Google Patents

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WO2015163729A1
WO2015163729A1 PCT/KR2015/004110 KR2015004110W WO2015163729A1 WO 2015163729 A1 WO2015163729 A1 WO 2015163729A1 KR 2015004110 W KR2015004110 W KR 2015004110W WO 2015163729 A1 WO2015163729 A1 WO 2015163729A1
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WO
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heat conversion
substrate
heat
thermoelectric
conversion device
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PCT/KR2015/004110
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English (en)
French (fr)
Inventor
조용상
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Definitions

  • Embodiments of the present invention are directed to a thermal conversion apparatus including a thermoelectric element.
  • thermoelectric element including a thermoelectric conversion element is a structure in which a PN junction pair is formed by bonding a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material between metal electrodes.
  • the thermoelectric element can function as a power generation device by generating power by a Seeback effect.
  • the thermoelectric element may be used as a temperature control device.
  • thermoelectric element In such a temperature control device, the heat transfer action due to the heat generation and heat absorption of the thermoelectric element is realized by using a heat dissipation fin structure that is connected to the heat generating portion and the heat absorbing portion of the thermoelectric element. Heat exchange efficiency is low due to the small specific surface area.In case of increasing the density or size of the heat radiation fin to increase heat exchange efficiency, the volume of the equipment itself increases, which makes it difficult to install in devices requiring temperature control devices. Will result.
  • Embodiments of the present invention have been devised to solve such a problem, and in particular, arrange a heat conversion member in surface contact with air, and apply a heat conversion member having a folding structure while forming a plurality of passages in a folding structure. By maximizing the contact area with air to provide a heat conversion device that can improve the heat conversion efficiency.
  • thermoelectric module including a thermoelectric semiconductor element between the first substrate and the second substrate facing each other, and the thermal conversion in contact with the first substrate and the second substrate.
  • a heat conversion device comprising a heat conversion module including a heat conversion member for performing the.
  • the heat conversion member may be implemented in a structure including a flow path pattern forming a flow path of the fluid on the surface of the substrate.
  • the temperature increase of the heat generating portion and the temperature reduction effect of the heat absorbing portion are maximized, and, due to the folding structure, the volume of the heat transfer member such as aluminum is 50% or more compared to the same volume space. As a result, the thickness of the product itself can be reduced.
  • FIG. 1 shows a perspective conceptual view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a side view of FIG.
  • FIG 3 illustrates an embodiment of a structure of a heat conversion member included in a heat conversion module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is an enlarged conceptual view of a structure in which one flow path pattern is formed in the heat conversion member.
  • FIG. 5 is a conceptual view illustrating various embodiments of the flow path pattern of the heat transfer member described above.
  • Figure 6 shows a heat conversion apparatus according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7 shows a plan layout diagram of the thermoelectric module arranged in FIG.
  • thermoelectric module 8 illustrates a structure of a unit cell of a thermoelectric module including a thermoelectric element contacting a first module and a second module in the above-described embodiment of the present invention
  • FIG. 9 illustrates a structure in which a plurality of structures of FIG. 8 are arranged. It is an example of a thermoelectric module.
  • FIG. 1 shows a perspective conceptual view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a side view of FIG.
  • thermoelectric module includes a thermoelectric module including a thermoelectric semiconductor element 120 between a first substrate 140 and a second substrate 150 facing each other. And a heat conversion module (200, 300) including a heat conversion member (220, 320) for performing thermal conversion in contact with the first substrate 140 and the second substrate 150,
  • the heat conversion members 220 and 320 may include a flow path pattern for forming a flow path of the fluid on the surface of the substrate. That is, in the thermoelectric conversion apparatus according to the embodiment of the present invention shown in Figs. 1 and 2 illustrate a structure in which the thermoelectric conversion modules 200 and 300 are disposed on the upper and lower portions of the thermoelectric module 100, respectively. If necessary, it is also possible to implement a structure using only one of the heat generating portion or the heat absorbing portion.
  • the heat conversion member 220, 320 may be formed in a structure disposed in the separate receiving module (210, 310).
  • the thermoelectric module 100 has a structure in which thermoelectric semiconductor elements 120 electrically connected to each other on a pair of substrates 140 and 150 facing each other are disposed, and the thermoelectric semiconductor elements include a P-type semiconductor and an N-type semiconductor. Are arranged in pairs, and the heat absorbing portion and the heat generating portion are implemented on the pair of substrates by the Peltier effect when the current is applied.
  • an endothermic region is formed at the side of the first substrate 140 in the structure of FIGS. 1 and 2
  • a heat generating region is formed at the side of the second substrate 150.
  • the heat conversion modules 200 and 300 are disposed on the pair of first substrate 140 and the second substrate 150, and in the illustrated structure, the heat conversion members 220 and 320 are formed of the first substrate.
  • the structure of direct contact with the surfaces of the substrate 140 and the second substrate 150 is illustrated, the structure includes an intermediate member between the first substrate 140 and the second substrate 150 and the heat conversion member. It is also possible.
  • the structure in direct contact with the surfaces of the first substrate 140 and the second substrate 150 is to directly transfer the heat and endothermic action of the thermoelectric module bar heat transfer efficiency is improved, in the structure that the intermediate member is placed Its advantage is that its stability is improved.
  • the structure of the heat conversion units 220 and 320 that perform heat conversion by contacting the first substrate 140 and the second substrate 150 is in contact with air, liquid, or the like.
  • a surface to be configured to maximize the contact area can be implemented in a structure having a flow path groove.
  • Figure 3 shows an embodiment of the structure of the heat conversion member 220 included in the heat conversion module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is one flow path pattern 220A in the heat conversion member 220 This is an enlarged conceptual view of the structure in which) is formed.
  • the heat conversion member 220 is a flat plate-shaped substrate of the second plane 222 opposite to the first plane 221 and the first plane 221 to perform surface contact with air
  • At least one flow path pattern 220A forming an air flow path C 1, which is a movement path of constant air, may be formed in the structure.
  • the flow path pattern 220A has a folding structure, that is, a folding structure, so that a curvature pattern having a constant pitch P 1 and P 2 and a height T 1 is formed.
  • the flow path pattern may be formed in various modifications as shown in FIG. 5 as well as the structure shown in FIG. 4.
  • the heat conversion members 220 and 320 may have a planar surface in which air is in surface contact, and may have a structure in which a flow path pattern for maximizing contact surface area is formed.
  • the heat conversion member 220 is configured to include a resistance pattern 223 on the surface of the substrate, as shown in Figs. Can be.
  • the resistance pattern 223 may be formed on each of the first curved surface B1 and the second curved surface B2 in consideration of the unit flow path pattern.
  • the resistance pattern may be embodied in a structure protruding in any one direction between a first plane and a second plane facing the first plane.
  • the heat conversion member 220 may further include a plurality of fluid flow grooves 224 penetrating the surface of the substrate, and thus, between the first and second planes of the heat conversion member 240. The air contact and movement can be made more freely.
  • the resistance pattern 224 is formed of a protruding structure inclined to have an inclination angle ⁇ in the direction in which air enters, so as to maximize friction with air so as to maximize the contact area.
  • the inclination angle ⁇ is more preferably such that the horizontal extension line of the resistance pattern surface and the extension line of the surface of the substrate form an acute angle, because the effect of resistance is reduced when the angle is perpendicular or obtuse.
  • the arrangement of the above-described flow groove 224 may be disposed at the connection portion between the resistance pattern and the substrate to increase the resistance of the fluid such as air and to efficiently move to the opposite side.
  • the flow grooves 224 are formed in the base surface of the front portion of the resistance pattern 223, so that a part of the air contacting the resistance pattern 223 passes through the front and rear surfaces of the substrate, The area can be further increased.
  • FIG. 5 is a conceptual view illustrating various implementations of the flow path pattern of the above-described heat conversion member.
  • the unit pattern may be variously changed to have a polygonal cross section.
  • the flow path pattern may include the resistance patterns described above with reference to FIG. 4 on the surfaces B1 and B2 of the pattern.
  • the flow path pattern is formed to have a constant period in a structure having a constant pitch.
  • the flow path pattern may be modified so that the pitch of the unit pattern is not uniform and the period of the pattern is also uniformly implemented.
  • the height T 1 of each unit pattern may also be unevenly deformed.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a structure in which one heat conversion member included in a heat conversion module is included in a heat transfer device according to an embodiment of the present invention, but as another embodiment, a plurality of heat conversion members are stacked in one heat transfer module. It can be implemented in a structure that is. Through this, it is possible to further maximize the contact surface area with the air, such a structure is implemented in a structure that can implement a large number of contact surface in a narrow area due to the special characteristics of the heat conversion member of the present invention formed of a folding structure, More heat conversion members can be arranged. Of course, in this case, a supporting substrate, such as a second intermediate member, may be further disposed between each of the thermal conversion members stacked. Furthermore, in another embodiment of the present invention, it is also possible to implement a structure having two or more thermoelectric modules.
  • FIG. 6 is provided with two thermoelectric modules 100 and 400, and includes a thermal conversion member including a plurality of laminated structures on a substrate on which a heating part and an endothermic part of each thermoelectric module are formed. It illustrates the implementation of the module (200, 500).
  • a heat conversion module that implements the same function is disposed in the space between adjacent thermoelectric modules 100 and 400 so as to maximize heat generation or endothermic performance. That is, as shown in FIG. 6, the heat generating unit may be disposed between the two thermoelectric modules 100 and 400 (X region) to enhance the heat generation characteristics, or the heat absorbing unit may be arranged in the X region to enhance the endothermic characteristics. .
  • the pitch of the thermoelectric conversion member of the thermoelectric module (region X) forming the heat generating unit and the pitch of the thermoelectric conversion member of the thermoelectric modules 100 and 400 forming the heat absorbing portion are different from each other. It is also possible.
  • the pitch of the flow path pattern of the heat conversion member in the heat conversion module forming the heat generating portion may be formed to be greater than the pitch value of the flow path pattern of the heat conversion member in the heat conversion module forming the heat absorbing portion.
  • the ratio of the pitch of the heat conversion member forming the heat generating portion and the heat absorbing portion may be formed in the range of (1 to 1.4): 1.
  • the structure of the heat conversion member according to the embodiment of the present invention forming the flow path pattern described above can implement a much more contact area in the same volume than the heat conversion member of the plate-type structure or the conventional heat sink fin bar, Increasing the air contact area by more than 50% compared to the heat conversion member, thereby greatly reducing the size of the module.
  • the heat conversion member may be applied to a variety of members, such as high heat transfer efficiency metal material, such as aluminum, synthetic resin.
  • FIG. 7 is a plan view illustrating an arrangement structure of thermoelectric modules 100 and 400 in the structure of FIG. 6. That is, in the exemplary embodiment of the present invention, one thermoelectric module may be disposed in the arrangement of the thermoelectric modules 100 and 400, but the plurality of unit thermoelectric modules 100a, 100b and 100c may be separated from the heat dissipation substrate 101. It is also possible to arrange including.
  • thermoelectric module 8 illustrates a structure of a unit cell of a thermoelectric module including a thermoelectric element contacting a first module and a second module in the above-described embodiment of the present invention
  • FIG. 9 illustrates a structure in which a plurality of structures of FIG. 8 are arranged. It is an example of a thermoelectric module.
  • thermoelectric module including a thermoelectric device includes a first substrate 140 and a second substrate 150 and a first substrate 140 facing each other. And at least one unit cell including a second semiconductor element 130 electrically connected to the first semiconductor element 120 between the second substrate 150.
  • the first substrate 140 and the second substrate 150 may use an insulating substrate, such as an alumina substrate.
  • a metal substrate may be used to realize endothermic, heat generating efficiency, and thinning. have.
  • the electrode layers 160a and 160b formed on the first and second substrates 140 and 150, respectively.
  • the dielectric layer further includes the dielectric layers 170a and 170b.
  • the third substrate 210A and the fourth substrate 310B of the first module 200 and the second module 300 are integrally formed with the first substrate and the second substrate.
  • materials such as alumina, Cu, and Cu alloys can be applied.
  • the thickness that can be thinned can be formed in a range of 0.1 mm to 0.5 mm.
  • the thickness of the metal substrate is 0.1 mm or thinner, or in the thickness exceeding 0.5 mm, the heat dissipation characteristics are too high or the thermal conductivity is too high, which greatly reduces the reliability of the thermoelectric module.
  • a material having a high heat dissipation performance is used as a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K in consideration of the thermal conductivity of the cooling thermoelectric module, and the thickness is 0.01 mm to 0.15.
  • the electrode layers 160a and 160b electrically connect the first semiconductor element and the second semiconductor element by using electrode materials such as Cu, Ag, and Ni, and when the unit cells shown in FIG. As such, electrical connections are formed with adjacent unit cells.
  • the electrode layer may have a thickness ranging from 0.01 mm to 0.3 mm. If the thickness of the electrode layer is less than 0.01mm, the electrical conductivity is poor due to poor function as an electrode, and even if it exceeds 0.3mm, the conductivity becomes lower due to the increase in resistance.
  • the thermoelectric device constituting the unit cell may be a thermoelectric device including a unit device having a stacked structure according to an embodiment of the present invention.
  • one side of the thermoelectric device includes a P-type semiconductor as the first semiconductor device 120.
  • the second semiconductor device 130 may be formed of an N-type semiconductor, and the first semiconductor and the second semiconductor are connected to the metal electrodes 160a and 160b, and a plurality of such structures are formed.
  • the Peltier effect is realized by circuit lines 181 and 182 supplied with current.
  • a P-type semiconductor or an N-type semiconductor material may be used for the semiconductor device in the thermoelectric module.
  • the N-type semiconductor device is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B ), Gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), bismuth telluride-based (BiTe-based) including indium (In), and 0.001 ⁇ 1.0wt% of the total weight of the main raw material It can be formed using a mixture of Bi or Te corresponding to.
  • the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te. That is, when 100 g of Bi-Se-Te is added, it is preferable to add Bi or Te to be mixed in a range of 0.001 g to 1.0 g.
  • the weight range of the material added to the above-described main raw material is in the range of 0.001wt% to 0.1wt%, the thermal conductivity is not lowered, the electrical conductivity is lowered can not be expected to improve the ZT value
  • the P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (A mixture of a main raw material consisting of Te), bismuth (Bi), bismuth telluride (BiTe) including indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It is preferable to form using.
  • the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to a weight corresponding to 0.001 to 1.0wt% of the total weight of Bi-Sb-Te.
  • Bi or Te further mixed may be added in the range of 0.001g ⁇ 1g.
  • the weight range of the material added to the above main raw material has a significance in that the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity decreases outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, so that the ZT value cannot be improved.
  • the shape and size of the first semiconductor element and the second semiconductor element which form a unit cell and face each other are the same, but in this case, the electrical conductivity of the P-type semiconductor element and that of the N-type semiconductor element are different from each other, thereby improving cooling efficiency. In consideration of the fact that it acts as a deterrent factor, it is also possible to improve the cooling performance by forming one volume different from the volume of the other semiconductor element facing each other.
  • differently forming the volume of the semiconductor elements of the unit cells that are arranged to face each other may form a large overall shape or widen the diameter of one of the cross-sections of a semiconductor device having the same height, or of the same shape. It is possible to implement the semiconductor device by a method of varying the height or the diameter of the cross section. In particular, the diameter of the N-type semiconductor device is formed larger than the P-type semiconductor device to increase the volume to improve the thermoelectric efficiency.

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Abstract

본 발명의 실시예들은 열전소자를 포함하는 열전환장치에 대한 것으로, 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판 사이에 열전반도체소자를 포함하는 열전모듈 및 상기 제1기판 및 제2기판에 접촉하여 열변환을 수행하는 열전환부재를 포함하는 열변환모듈을 포함하는 열전환장치를 제공한다. 특히 이 경우 상기 열전환부재는, 기재의 표면에 유체의 유로를 형성하는 유로패턴을 포함하는 구조로 구현하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전환장치
본 발명의 실시예들은 열전소자를 포함하는 열전환장치에 대한 것이다.
일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생함으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.
이러한 온도 제어장치에서는 열전소자의 발열부와 흡열부와 연결되는 방열핀 구조의 구조물을 이용하여 열전소자의 발열 및 흡열로 인한 열전달 작용을 구현하고 있으나, 방열핀 구조를 이용하는 온도 제어 장치의 경우 방열핀 구조 자체의 비표면적이 적어 열교환효율이 떨어지는 문제가 있으며, 열교환효율을 높이기 위해 방열 핀의 밀도나 크기를 증가시키는 경우에는 장비 자체의 부피가 증가하여 온도제어장치를 필요로 하는 디바이스에 장착이 어려운 문제를 초래하게 된다.
본 발명의 실시예들은 이러한 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로, 특히 공기와 면 접촉을 하는 열전환부재를 배치하되, 폴딩(folding) 구조로 다수의 유로를 형성하면서 접히는 구조의 열전환부재를 적용하여 공기와의 접촉면적을 극대화하여 열변환 효율을 향상시킬 수 있는 열전환장치를 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판 사이에 열전반도체소자를 포함하는 열전모듈 및 상기 제1기판 및 제2기판에 접촉하여 열변환을 수행하는 열전환부재를 포함하는 열변환모듈을 포함하는 열전환장치를 제공한다. 특히 이 경우 상기 열전환부재는, 기재의 표면에 유체의 유로를 형성하는 유로패턴을 포함하는 구조로 구현하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기와 면 접촉을 하는 열전환부재를 배치하되, 폴딩(folding) 구조로 다수의 유로를 형성하면서 접히는 구조의 열전환부재를 적용하여 공기와의 접촉면적을 극대화하여 열변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 폴딩 구조의 열전환부재로 인해 제한적인 열교환 장치의 면적에도 고효율의 열전환장치를 형성할 수 있으며, 제품 자체의 부피를 얇게 형성하여 범용적인 설계배치를 구현할 수 있는 효과도 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 열전환부재의 구조로 인해 발열부의 온도 상승 및 흡열부의 온도 감소 효과가 극대화됨은 물론, 폴딩구조로 인해 알루미늄 등의 열전달부재의 체적이 동일 부피 공간 대비 50% 이상 감소하기 때문에 제품 자체의 두께를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치의 사시개념도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 측면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열변환모듈 내에 포함되는 열전환부재의 구조의 일실시예를 도시한 것이다.
도 4는 상기 열전환부재에서 하나의 유로패턴이 형성된 구조의 확대개념도이다.
도 5는 상술한 열전달부재의 유로패턴의 구현예를 다양하게 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 열전환장치를 도시한 것이며, 도 7은 도 6에 배치되는 열전모듈의 평면 배치개념도를 도시한 것이다.
도 8은 상술한 본 발명의 실시예에서 제1모듈과 제2모듈과 접촉하는 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단위 셀의 구조를 도시한 것이며, 도 9는 도 8의 구조를 다수 배치한 구조의 열전모듈을 예시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치의 사시개념도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 측면도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 상호 대향 하는 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 열전반도체소자(120)를 포함하는 열전모듈(100) 및 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150)에 접촉하여 열변환을 수행하는 열전환부재(220, 320)를 포함하는 열변환모듈(200, 300)을 포함하여 구성되며, 특히 이 경우 상기 열전환부재(220, 320)는, 기재의 표면에 유체의 유로를 형성하는 유로패턴을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 상기 열전모듈(100)의 상부 및 하부에 열변환모듈(200, 300)이 각각 배치되는 구조를 예로 설명하나, 필요에 따라 발열부 또는 흡열부의 어느 한쪽만을 이용하는 구조로 구현하는 것도 가능함은 물론이다. 아울러, 도시된 것과 같이, 상기 열전환부재(220, 320)는 별도의 수용모듈(210, 310)의 내에 배치되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전모듈(100)은 상호 대향 하는 한 쌍의 기판(140, 150) 상이에 서로 전기적으로 연결되는 열전반도체소자(120)가 배치되는 구조로, 상기 열전 반도체소자는 P형 반도체 와 N형 반도체가 쌍을 이루며 배치되며, 전류의 인가 시 펠티어 효과에 의해 상술한 한 쌍의 기판에 흡열부와 발열부를 구현하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 도 1 및 도 2의 구조에서 제1기판(140) 쪽에서 흡열영역이 형성되며, 제2기판(150) 쪽에서 발열영역이 형성되는 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
아울러, 상기 열변환모듈(200, 300)은 한 쌍의 제1기판(140) 및 제2기판(150) 상에 배치되는 구성으로, 도시된 구조에서는 열전환부재(220, 320)가 제1기판(140) 및 제2기판(150)의 표면과 직접 접촉하는 구조를 예시하였으나, 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 열전환부재 사이에 중간부재를 포함하는 구조로 구현하는 것도 가능하다. 제1기판(140) 및 제2기판(150)의 표면과 직접 접촉하는 구조는 열전모듈의 발열 및 흡열의 작용을 직접 전달하게 되는바 열전달효율이 좋아지게 되며, 중간부재가 게재되는 구조에서는 장비 자체의 안정성이 좋아지게 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전환장치는 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150)에 접촉하여 열변환을 수행하는 열전환부(220, 320)의 구조가 공기, 액체 등과 접촉하는 면을 구비하되, 접촉면적을 극대화할 수 있는 구조로 유로 홈을 구비하는 구조로 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열변환모듈 내에 포함되는 열전환부재(220)의 구조의 일실시예를 도시한 것이며, 도 4는 상기 열전환부재(220)에서 하나의 유로패턴(220A)이 형성된 구조의 확대개념도이다.
도시된 것과 같이, 상기 열전환부재(220)는 공기와 면접촉을 수행할 수 있도록 제1평면(221)과 상기 제1평면(221)의 반대 면인 제2평면(222)의 평판형상의 기재에 일정한 공기의 이동로인 공기 유로(C 1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(220A)이 구현되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 유로패턴(220A)은 도 4에 도시된 것과 같이, 일정한 피치(P 1, P 2)와 높이(T 1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding) 구조, 즉 접는 구조로 형성하는 방식으로 구현하는 것도 가능하며, 이러한 유로패턴은 도 4에 도시된 구조뿐 아니라 도 5에 도시된 것과 같이 다양한 변형형태로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 열전환부재(220, 320)는 공기가 면 접촉하는 평면을 2면을 구비하고, 접촉하는 표면적을 극대화하기 위한 유로패턴을 형성되는 구조로 구현될 수 있다.
도 4에 도시된 구조에서는, 공기가 유입되는 유입부의 유로(C 1)방향에서 유입되는 경우, 상술한 제1평면(221)과 상기 제1평면(221)의 반대 면인 제2평면(222)과 공기가 고르게 접촉하며 이동하여 유로의 말단(C 2)방향으로 진행될 수 있도록 하는바, 단순한 평판형상과의 접촉 면보다 동일 공간에서 훨씬 많은 공기와의 접촉을 유도할 수 있게 되는바, 흡열이나 발열의 효과가 더욱 증진되게 된다.
특히, 공기의 접촉면적을 더욱 증대하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 열전환부재(220)는 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 기재의 표면에 저항패턴(223)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 저항패턴(223)은 단위 유로패턴을 고려할 때, 제1곡면(B1) 및 제2곡면(B2)에 각각 형성될 수 있다. 상기 저항패턴은 제1평면과 상기 제1평면에 대향 하는 제2평면 중 어느 하나의 방향으로 돌출되는 구조로 구현될 수 있다.
나아가, 상기 열전환부재(220)에는 상기 기재의 표면을 관통하는 다수의 유체 유동 홈(224)을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 열전환부재(240)의 제1평면과 제2평면 사이에 공기 접촉과 이동을 더욱 자유롭게 구현할 수 있도록 할 수 있다.
특히, 도 4의 부분 확대도와 같이, 상기 저항패턴(224)은 공기가 진입하는 방향으로 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출구조물로 형성되어 공기와의 마찰을 극대화하는 할 수 있도록 하여 접촉면적이나 접촉효율을 더욱 높일 수 있도록 한다. 상기 경사각(θ)은 상기 저항패턴 표면의 수평연장선과 상기 기재의 표면의 연장선이 예각을 이루도록 함이 더욱 바람직하며, 이는 직각이나 둔각일 경우 저항의 효과가 절감되기 때문이다.
아울러, 상술한 유동홈(224)의 배치를 저항패턴과 상기 기재의 연결부에 배치되도록 하여 공기 등의 유체의 저항을 높게 함과 동시에 반대 면으로 이동을 효율화할 수 있도록 할 수 있다. 구체적으로, 상기 저항패턴(223)의 앞 부분의 기재 면에 유동 홈(224)을 형성하여, 상기 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부를 기재의 전면과 후면을 통과하여 접촉의 빈도나 면적을 더욱 높일 수 있도록 할 수 있다.
도 5는 상술한 열전환부재의 유로패턴의 구현예를 다양하게 도시한 개념도이다.
도 5에 도시된 것과 같이, (a) 일정한 피치(P 1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, (b) 유로패턴의 단위패턴이 첨부를 가지는 패턴 구조의 반복구조로 구현하거나, (c) 및 (d)에 도시된 것과 같이 단위패턴이 다각형 구조의 단면을 가지도록 다양하게 변화시킬 수 있다. 이상이 유로패턴은 패턴의 표면(B1, B2)에 도 4에서 상술한 저항패턴이 구비될 수 있음은 물론이다.
도 5에서 도시된 것은 유로패턴이 일정한 피치를 가지는 구조로 일정한 주기를 가지도록 형성한 것이지만, 이와는 달리 단위패턴의 피치를 균일하게 하지 않고, 패턴의 주기 역시 불균일하게 구현하도록 변형할 수 있으며, 나아가 각 단위패턴의 높이(T 1) 역시 불균일하게 변형할 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서 본 발명의 실시예에 따른 열전달장치에서 열변환모듈 내에 포함되는 열전환부재가 1 개가 포함되는 구조를 설명하였으나, 다른 실시예로서는 하나의 열전달모듈 내에 다수의 열전환부재가 적층되는 구조로 구현될 수 있다. 이를 통해 공기 등과의 접촉표면적을 더욱 극대화할 수 있으며, 이러한 구조는 폴딩 구조로 형성되는 본 발명의 열전환부재의 특수성 상 좁은 면적에 많은 접촉 면을 구현할 수 있는 구조로 구현되는바, 동일 체적에 더욱 많은 수의 열전환부재를 배치할 수 있다. 물론, 이 경우 각각 적층되는 열전환부재 사이에는 제2중간부재 등의 지지기판이 더 배치될 수도 있다. 나아가 본 발명의 또 다른 실시예에서는 2개 이상의 열전모듈을 구비하는 구조로 구현하는 것도 가능하다.
도 6을 참조하면, 도 6은 열전모듈(100, 400)을 2개 구비하고, 각 열전모듈의 발열부와 흡열부를 형성하는 기판상에 다수의 적층구조를 가지는 열전환부재를 구비하는 열변환모듈(200, 500)을 구현한 것을 예시한 것이다. 특히, 이러한 구조에서 각각 인접하는 열전모듈(100, 400)의 사이 공간에는 동일한 기능을 구현하는 열변환모듈을 배치하여 발열이나 흡열 성능을 극대화할 수 있도록 한다. 즉 도 6에 도시된 것과 같이, 발열부를 2개의 열전모듈(100, 400) 사이(X영역)에 배치하여 발열의 특성을 강화하거나, 또는 X영역에 흡열부를 배치하여 흡열의 특성을 강화할 수도 있다.
또한, 도 6에 도시된 것과 같이, 발열부를 형성하는 열전모듈(X영역)의 열전환부재의 피치와 흡열부를 형성하는 열전모듈(100, 400)의 열전환부재의 피치를 서로 상이하게 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 특히, 발열부를 형성하는 열변환모듈 내의 열전환부재의 유로패턴의 피치가 흡열부를 형성하는 열변환모듈 내의 열전환부재의 유로패턴의 피치치 이상으로 형성될 수 있다. 이 경우 발열부와 흡열부를 형성하는 열전환부재의 피치의 비율은 (1~1.4):1의 범위에서 형성될 수 있다.
상술한 상기 유로패턴을 형성하는 본 발명의 실시예에 따른 열전환부재의 구조는 평판형 구조의 열전환부재나 기존이 방열핀 구조보다 동일한 체적 내에 훨씬 많은 접촉면적을 구현할 수 있는바, 평판구조의 열전환부재 대비 50% 이상의 공기 접촉면적의 증대를 가져올 수 있으며, 이에 따라 모듈의 크기도 대폭 절감할 수 있게 된다. 아울러, 이러한 열전환부재는 알루미늄과 같은 열전달효율이 높은 금속재질, 합성수지 등 다양한 부재를 적용할 수 있다.
도 7은 도 6의 구조에서 열전모듈(100, 400)의 배치 구조를 예시한 평면 개념도이다. 즉, 본 발명의 실시형태에서는 상기 열전모듈(100, 400)의 배치를 하나의 열전모듈을 배치하는 것도 가능하나, 다수의 단위 열전모듈(100a, 100b, 100c)을 별도의 방열기판(101)을 포함하여 배치하는 것도 가능하다.
도 8은 상술한 본 발명의 실시예에서 제1모듈과 제2모듈과 접촉하는 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단위 셀의 구조를 도시한 것이며, 도 9는 도 8의 구조를 다수 배치한 구조의 열전모듈을 예시한 것이다.
도 8 및 도 9에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향 하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위 셀을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 다른 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 흡열 및 발열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 제1기판(140) 및 제2기판(150) 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 8에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)을 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 이는 도 1에서 상술한 구조에서 제1모듈(200)과 제2모듈(300)의 제3기판(210A) 및 제4기판(310B)와 상기 제1기판 및 제2기판과 일체형 구조로 구현되는 경우, 알루미나, Cu, Cu 합금 등의 소재를 적용할 수 있다.
금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다. 또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다. 상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위 셀이 다수 연결되는 경우, 도 9에 도시된 것과 같이 인접하는 단위 셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극 층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
특히, 이 경우 단위 셀을 이루는 열전소자는 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.
아울러, 도 8 및 도 9에서 열전모듈 내의 반도체소자는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
단위 셀을 이루며 상호 대향 하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향 하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
즉, 상호 대향 하여 배치되는 단위 셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 상호 대향 하는 제1기판 및 제2기판 사이에 열전반도체소자를 포함하는 열전모듈; 및
    상기 제1기판 및 제2기판에 접촉하여 열변환을 수행하는 열전환부재를 포함하는 열변환모듈; 을 포함하며,
    상기 열전환부재는, 기재의 표면에 유체의 유로를 형성하는 유로패턴을 포함하는 열전환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로패턴은,
    상기 기재의 길이방향으로 피치를 가지는 곡률 패턴인 열전환장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유로패턴의 피치는 균일 또는 불균일한 열전환장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 유로패턴의 표면에 상기 기재의 표면에서 돌출되는 저항패턴;
    을 더 포함하는 열전환장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기재의 표면을 관통하는 다수의 유체 유동 홈을 더 포함하는 열전환장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유동 홈은,
    상기 저항패턴과 상기 기재의 연결부에 배치되는 열전환장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 저항패턴은,
    상기 저항패턴 표면의 수평연장선과 상기 기재의 표면의 연장선이 예각인 열전환장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 저항패턴은,
    제1평면과 상기 제1평면에 대향 하는 제2평면 중 어느 하나의 방향으로 돌출되는 열전환장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열변환모듈은,
    상기 기판상에 열전환부재가 2 이상 적층되는 열전환장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판과 상기 열전환부재 사이에 배치되는 중간부재;
    를 더 포함하는 열전환장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판과 상기 열전환부재가 직접 접촉하는 열전환장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 적층되는 열전환부재들 사이에 제2중간부재;
    를 더 포함하는 열전환장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 열전모듈을 적어도 2 이상 포함하는 열전환장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판 상이 열변환모듈에 포함되는 열전환부재의 유로패턴의 피치가 서로 상이한 열전환장치.
  15. 청구항 9의 열전환장치를 적어도 2 이상 포함하며,
    각 열전환장치의 발열부 및 흡열부 중 어느 하나가 마주하도록 상기 열변환모듈이 배치되는 구조의 열전환장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 발열부와 흡열부를 형성하는 열전환부재의 피치의 비율은 (1~1.4):1의 범위에서 형성되는 열전환장치.
  17. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판 사이에 배치되는 상호 인접하는 열전반도체소자간의 체적이 상이한 열전환장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 열전반도체소자는,
    P형 반도체소자 및 N형 반도체소자가 상호 인접하여 배치되며,
    상기 N형 반도체소자의 체적이 상기 P형 반도체소자의 체적보다 크게 구현되는 열전환장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 N형 반도체소자의 직경이 상기 P형 반도체소자의 직경보다 크게 구현되는 열전환장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 P형 반도체소자 및 N형 반도체소자의 단면의 형상이 상호 동일한 열전환장치.
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