WO2023249410A1 - 열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 - Google Patents

열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 Download PDF

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WO2023249410A1
WO2023249410A1 PCT/KR2023/008624 KR2023008624W WO2023249410A1 WO 2023249410 A1 WO2023249410 A1 WO 2023249410A1 KR 2023008624 W KR2023008624 W KR 2023008624W WO 2023249410 A1 WO2023249410 A1 WO 2023249410A1
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disposed
thermoelectric
fluid
substrate
groove
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PCT/KR2023/008624
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French (fr)
Inventor
봉상훈
손형민
양태수
원부운
이승환
이종민
이형의
조용상
최만휴
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
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Priority claimed from KR1020220114292A external-priority patent/KR20240035160A/ko
Priority claimed from KR1020220114298A external-priority patent/KR20230175073A/ko
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • H10N10/17—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 structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric device, and more specifically, to a thermoelectric device that uses the temperature difference between the low-temperature part and the high-temperature part of a thermoelectric element and a thermoelectric system including the same.
  • Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material, and means direct energy conversion between heat and electricity.
  • Thermoelectric elements are a general term for devices that use thermoelectric phenomena, and have a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are joined between metal electrodes to form a PN junction pair.
  • Thermoelectric devices can be divided into devices that use temperature changes in electrical resistance, devices that use the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated due to a temperature difference, and devices that use the Peltier effect, a phenomenon in which heat absorption or heat generation occurs due to current. .
  • thermoelectric elements are widely applied to home appliances, electronic components, and communication components.
  • thermoelectric elements can be applied to cooling devices, heating devices, power generation devices, etc. Accordingly, the demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements is increasing.
  • thermoelectric element a fluid flow part through which the first fluid passes is disposed on the low-temperature side of the thermoelectric element, a heatsink is disposed on the high-temperature side of the thermoelectric element, and a second fluid with a higher temperature than the first fluid passes through the heat sink. You can. Accordingly, electricity can be generated by the temperature difference between the low-temperature part and the high-temperature part of the thermoelectric element.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thermoelectric device that uses the temperature difference between the low-temperature part and the high-temperature part of the thermoelectric element and a thermoelectric system including the same.
  • thermoelectric module array includes a first thermoelectric module; and a second thermoelectric module disposed adjacent to the first thermoelectric module, wherein the first thermoelectric module includes: a first lower substrate; a plurality of semiconductor devices disposed on the first lower substrate; and a first upper substrate disposed on the plurality of semiconductor devices, wherein the second thermoelectric module includes: a second lower substrate; a plurality of semiconductor devices disposed on the second lower substrate; and a second upper substrate disposed on the plurality of semiconductor devices, wherein the first thermoelectric module includes a first groove, and the second thermoelectric module includes a second thermoelectric module disposed at a position corresponding to the first groove. Includes home.
  • the plurality of semiconductor devices disposed on the first lower substrate include 1-1 semiconductor devices disposed in the first region of the first lower substrate and 1-2 semiconductor devices disposed in the second region of the first lower substrate.
  • a plurality of semiconductor devices including semiconductor devices disposed on the second lower substrate include 2-1 semiconductor devices disposed in a third region of the second lower substrate and a plurality of semiconductor devices disposed in a fourth region of the second lower substrate.
  • the first groove may be formed on one side of the first lower substrate, and the second groove may be formed on one side of the second lower substrate.
  • the first groove and the second groove may be disposed at a location corresponding to an area between the 1-1 upper substrate and the 1-2 upper substrate.
  • a frame disposed on the first lower substrate and the second lower substrate and disposed between the first upper substrate and the second upper substrate, the frame corresponding to the first groove and the second groove; It may include a hole.
  • the frame may be disposed between the 1-1 upper substrate and the 1-2 upper substrate and between the 2-1 upper substrate and the 2-2 upper substrate.
  • connection electrode connecting the first area and the second area, and the first groove and the second groove may be disposed at a position overlapping each other along a direction perpendicular to the direction in which the connection electrode extends. there is.
  • first upper substrate includes a first cutting portion
  • second upper substrate includes a second cutting portion
  • first cutting portion and the second cutting portion may be a corner portion adjacent to the fastening member of the first and second upper substrates.
  • the frame may have a shape corresponding to the first cutting part and the second cutting part.
  • first insulating layer disposed between the first lower substrate and the plurality of semiconductor devices; and a second insulating layer disposed between the plurality of semiconductor devices and the first upper substrate.
  • It may further include a third insulating layer disposed between the first insulating layer and the plurality of semiconductor devices.
  • an extension electrode extending to one side from the first electrode portion on the first lower substrate; And it may further include an insulating member disposed on the extension electrode.
  • the ratio of the distance from the end to the nearest semiconductor element among the plurality of semiconductor elements to the distance from the extension electrode to the end of the first lower substrate may be 1.5 or more and 3.5 or less.
  • the ratio of the height of the insulating member to the distance from the extension electrode to the end of the first lower substrate may be 0.25 or more and 0.7 or less.
  • thermoelectric module array includes a first lower substrate; a plurality of semiconductor devices disposed on the first lower substrate; and a 1-1 upper substrate and a 1-2 upper substrate disposed on the plurality of semiconductor devices, wherein the first lower substrate includes a 1-1 groove and a 1-2 groove, and the first lower substrate includes a 1-1 groove and a 1-2 groove.
  • An imaginary line connecting the center of the 1-1 groove and the center of the 1-2 groove is disposed in an area between the 1-1 upper substrate and the 1-2 upper substrate.
  • thermoelectric module array includes a first lower substrate; a plurality of first electrode units disposed on the first lower substrate; a plurality of semiconductor elements disposed on the first electrode portion; a first upper substrate disposed on the plurality of semiconductor devices; an extension electrode extending to one side from the first electrode portion; and an insulating member disposed on the extension electrode, wherein the insulating member includes a resin portion and an insulating frame with an opening formed to accommodate the resin portion, and the resin portion is disposed on the extension electrode.
  • thermoelectric device includes a fluid flow portion including a first surface and a second surface spaced apart from the first surface in a first direction, and a first thermoelectric device disposed on the first surface of the fluid flow portion. module, and a second thermoelectric module disposed on a second surface of the fluid flow portion, wherein the fluid flow portion includes a flow path area including a flow path formed along a second direction perpendicular to the first direction, and one side of the flow path area.
  • the first step surface may be a plane parallel to a plane perpendicular to the second direction.
  • the height of the first step surface may be 1 mm or more from the wall surface of the first hole.
  • the first chamfer surface may be inclined at an angle of 5 degrees to 85 degrees with respect to a plane perpendicular to the first step surface.
  • the length of the first chamfer surface may be three times or more than the height of the first step surface.
  • the cross-sectional area of the first hole may be larger than the cross-sectional area of the flow path.
  • thermoelectric device includes a fluid flow portion including a first surface and a second surface spaced apart from the first surface in a first direction, and a first thermoelectric device disposed on the first surface of the fluid flow portion. module, and a second thermoelectric module disposed on a second surface of the fluid flow portion, wherein the fluid flow portion includes a flow path area including a flow path formed along a second direction perpendicular to the first direction, and one side of the flow path area. and a fluid inlet area disposed on the second direction and including a first hole, and a fluid discharge area disposed on the other side of the passage area and including a second hole formed along the second direction, 1
  • a first groove having a predetermined depth is formed on the wall of the hole.
  • the first fluid passes through the fluid inlet region, the flow path region, and the fluid discharge region along the second direction, and the second fluid, which has a higher temperature than the first fluid, is perpendicular to the first direction and the second direction. It may pass through the heat sinks of the first thermoelectric module and the second thermoelectric module in a third direction.
  • the first groove may be formed in a continuous ring shape along the wall of the first hole.
  • the first groove may be formed in a spiral shape along the wall of the first hole.
  • It may further include a step portion disposed between the first hole and the flow path.
  • a second groove may be further formed on the wall of the first hole, spaced apart from the first groove, and having a predetermined depth.
  • the second shield member may include a through hole through which the heat sink is exposed, and an edge of the through hole may be disposed on the second substrate.
  • the first thermoelectric module may further include an extension electrode extending from the first electrode portion in a direction toward the fourth surface on the first substrate.
  • the wiring may be drawn out through the groove.
  • It may further include a first insulation member disposed between the third surface and the first shield member and a second insulation member disposed between the fourth surface and the third shield member.
  • It may further include a sealing member disposed between the second shield member and the third shield member.
  • thermoelectric system includes a first thermoelectric device, a second thermoelectric device disposed to be spaced apart from the first thermoelectric device in a first direction, and electrically connected to the first thermoelectric device and the second thermoelectric device. It includes a connected wiring portion, and a wiring protection portion disposed on one side of the first thermoelectric device and the second thermoelectric device to surround at least a portion of the wiring portion, and the wiring protection portion includes the first thermoelectric device and the second thermoelectric device.
  • a bottom disposed on the thermoelectric device, a first side wall extending from the first end of the bottom toward the top of the bottom, and a second end spaced apart from the first end of the bottom in the first direction.
  • a second side wall extending in an upward direction with respect to the bottom, disposed between the first side wall and the second side wall, and extending in the upward direction from a third end between the first end and the second end of the bottom; a third side wall extending toward, disposed between the first side wall and the second side wall, from the third end of the bottom portion and a fourth end spaced apart in a second direction intersecting the first direction and the upper direction; A fourth side wall extending toward the top, a first top portion spaced apart from the bottom and extending from the third side wall toward the second direction, spaced apart from the bottom and opposite to the second direction from the fourth side wall.
  • a second tower extending in a direction, and a fifth side wall extending from the second tower toward the upper direction and connected to the first tower, and a distance between the third side wall and the fifth side wall is along the upper direction. gradually decreases.
  • the height of the first tower with respect to the bottom may be higher than the height of the second tower with respect to the bottom.
  • the angle formed by the third side wall and the fifth side wall may be 10 to 70 degrees.
  • the distance between the third side wall and the fourth side wall may gradually decrease along the upper direction.
  • the wiring protection part may be disposed between the first side wall and the second side wall, and may further include a shield cover part covering at least a portion of the first top part, the second top part, and the fifth side wall.
  • the wiring protection unit may further include a first insulating member disposed between the bottom and the first top and a second insulating member disposed between the bottom and the second top.
  • the shapes of the wiring protection unit and the upper structure may be symmetrical to each other.
  • thermoelectric system includes a first thermoelectric system and a second thermoelectric system disposed below the first thermoelectric system, wherein the first thermoelectric system includes a first thermoelectric device and the first thermoelectric system.
  • a second thermoelectric device disposed to be spaced apart from the device in a first direction, a first wiring portion electrically connected to the first thermoelectric device and the second thermoelectric device, and the first wiring portion to surround at least a portion of the first wiring portion. It includes a thermoelectric device and a first wiring protection portion disposed on one side of the second thermoelectric device, wherein the second thermoelectric system includes a third thermoelectric device and a first wiring protection portion disposed to be spaced apart from the third thermoelectric device in a first direction.
  • thermoelectric device a thermoelectric device, a second wiring portion electrically connected to the third thermoelectric device and the fourth thermoelectric device, and an upper portion of one side of the third thermoelectric device and the fourth thermoelectric device to surround at least a portion of the second wiring portion.
  • It includes a second wiring protection unit disposed, and each of the first to fourth thermoelectric devices includes a flow path area formed through which the first fluid passes along a second direction perpendicular to the first direction, and the first thermoelectric device and between the second thermoelectric device and between the third thermoelectric device and the fourth thermoelectric device, a second fluid having a higher temperature than the first fluid flows along a third direction perpendicular to the first direction and the second direction. They are spaced apart from each other, and the width of the bottom of the second wiring protection part is 0.98 to 1.02 times the width of the top part of the second wiring protection part.
  • the first wiring protection unit includes a first bottom disposed on the first thermoelectric device and the second thermoelectric device, and a second wire extending from a first end of the first bottom toward an upper direction with respect to the first bottom.
  • a fourth side wall extending in the upper direction from the third end of the first bottom and the fourth end spaced apart from the first bottom in the second direction, spaced apart from the first bottom and extending from the third side wall in the second direction.
  • an eighth side wall extending toward the upper direction from a seventh end between the fifth end and the sixth end of the second bottom, and disposed between the sixth side wall and the seventh side wall, a ninth side wall extending toward the upper direction from the seventh end of the second bottom and an eighth end spaced apart in the second direction, and spaced apart from the second bottom and extending from the eighth side wall in the second direction; and a third top portion extending toward, wherein the ninth side wall extends to the third top portion, and the eighth side wall and the ninth side wall may be parallel to each other.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 3 and 4 show a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 8 are partial enlarged views of the cross section of the fluid flow portion according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a plan view of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 11 is an exploded perspective view of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a shape of an electrode portion disposed on the lower substrate of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a plan view of a frame included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a plan view of an insulating member included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a graph showing insulation resistance according to insulation distance.
  • Figures 16 to 23 are diagrams showing the process of assembling a shield member to a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 24 is a cross-sectional view of a shield member assembled in a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a perspective view of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention with the third shield member removed.
  • Figure 26 is a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 27 to 29 are diagrams showing the process of assembling a wiring protection unit in a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 30 is a perspective view of an upper structure included in a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 31 is a perspective view of a thermoelectric system according to another embodiment of the present invention.
  • Figures 32 and 33 are diagrams showing the process of assembling a wiring protection unit in a thermoelectric system according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 34 is a perspective view of an upper structure included in a thermoelectric system according to another embodiment of the present invention.
  • the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in various different forms, and as long as it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components may be optionally used between the embodiments. It can be used by combining and replacing.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used.
  • “above” or “below” refers not only to cases where two components are in direct contact with each other, but also to one This also includes cases where another component described above is formed or placed between two components.
  • “top (above) or bottom (bottom)” it may include not only the upward direction but also the downward direction based on one component.
  • thermoelectric device 1000 uses the temperature difference between the first fluid flowing through the inside of the fluid flow part 1100 and the second fluid flowing outside the fluid flow part 1100 to generate power. can produce.
  • a plurality of thermoelectric devices 1000 may be arranged in parallel and spaced apart at predetermined intervals to form a thermoelectric system. According to this, thermoelectric performance or power generation performance per unit area can be maximized.
  • a thermoelectric device may be referred to as a power generation device, and a thermoelectric system may be referred to as a power generation system.
  • a thermoelectric module 1200 may be disposed on the first surface 1110 of the fluid flow unit 1100 and the second surface 1120 opposite the first surface 1110. From one side 1150 between the first side 1110 and the second side 1120 to the other side 1160 opposite the one side 1150 between the first side 1110 and the second side 1120. The first fluid may flow toward the To this end, a fluid inlet may be disposed on one side, and a fluid outlet may be disposed on the other side. From the fourth surface 1140, which is the upper surface between the first surface 1110 and the second surface 1120, toward the third surface 1130, which is the lower surface between the first surface 1110 and the second surface 1120. A second fluid may flow.
  • the direction from the first surface 1110 to the second surface 1120 is referred to as the first direction
  • the direction through which the first fluid passes is referred to as the second direction
  • the second direction is referred to as the second direction
  • the direction through which the fluid passes may be referred to as the third direction, but is not limited thereto.
  • the thermoelectric module 1200 includes a thermoelectric element and a heat sink 1220 disposed on the thermoelectric element.
  • a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may have the structure of the thermoelectric element 100 illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • thermoelectric element 100 includes a first substrate 110, a first electrode portion 120, a P-type semiconductor device 130, an N-type semiconductor device 140, and a second electrode portion. 150 and a second substrate 160.
  • the P-type semiconductor device 130 and the N-type semiconductor device 140 may be bismuth telluride (Bi-Te)-based semiconductor devices containing bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.
  • the P-type semiconductor element 130 is made of antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and tellurium. It may be a bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg containing at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the stacked P-type semiconductor device 130 or the stacked N-type semiconductor device 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then through a process of stacking and cutting the unit members. can be obtained.
  • each insulating layer 170 is a plurality of insulating layers
  • at least a portion of the side surface of at least one of the first electrode portion 120 and the second electrode portion 150 is an insulating layer
  • the uppermost surface of the insulating layer 170 disposed between the plurality of electrodes included in each electrode portion may have a concave shape toward each substrate.
  • each thermoelectric element includes a first substrate 110 disposed to contact the fluid flow portion 1100, a first electrode portion 120 disposed on the first substrate 110, and a first electrode portion ( 120), a plurality of semiconductor elements 130 and 140 disposed on the plurality of semiconductor elements 130 and 140, a second electrode portion 150 disposed on the second electrode portion 150, and a second electrode portion 150 disposed on the second electrode portion 150. It includes a substrate 160, and a heat sink 1220 is disposed on the second substrate 160.
  • the first substrate of the thermoelectric element disposed on the fluid flow part 1100 may be a metal substrate, and the metal substrate is attached to the surface of the fluid flow part 1100 and a heat transfer material (thermal interface material, TIM, not shown).
  • the thermoelectric module 1200 may include a connector for applying electricity to extract the generated electricity to the outside or use it as a Peltier.
  • the insulating member 900 is disposed around the connector to maintain uniform bonding force between the thermoelectric module 1200 and the fluid flow portion 1100 and to protect the wiring (W) connected to the connector. can do.
  • a shield member 1500 may be further disposed to prevent moisture or contaminants from penetrating into the thermoelectric module 1200.
  • the fluid flow portion 1100 is formed along a second direction perpendicular to the first direction from the first surface 1110 of the fluid flow portion 1100 to the second surface 1120.
  • the flow path area 500 includes a plurality of flow paths 502 that are parallel along the second direction
  • the fluid inflow area 510 includes a plurality of first holes 512 that are parallel along the second direction.
  • the fluid discharge area (520) includes a plurality of second holes 522 that are parallel along the second direction, and each flow path 502 is connected to each first hole 512 and each second hole 522.
  • the first fluid flowing into the first hole 512 may pass through the flow path 502 along the second direction and then be discharged into the second hole 522.
  • the first fluid A connecting member (not shown) is disposed in the hole 512, and the fluid flow part 1100 can be connected to the outside through the connecting member.
  • the connecting member is in the shape of a hollow tube, and a portion of it is located within the first hole 512. is inserted, and the remaining part may protrude to the outside of one side 1150 of the fluid flow unit 1100.
  • the first fluid is supplied from the outside through the connecting member, and passes through the connecting member inserted into the first hole 512. It can then be delivered to the flow path 502.
  • a connecting member (not shown) is disposed in the second hole 522, and the fluid flow portion 1100 can be connected to the outside through the connecting member.
  • the first fluid passes through the flow path 502. After that, it can be discharged to the outside through a connecting member inserted into the second hole 522.
  • the connecting member may also be referred to as a connector. In this way, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is connected to the outside through the connecting member. When connected to the configuration, the use of fastening members such as screws can be minimized.
  • the cross-sectional area of each first hole 512 may be larger than the cross-sectional area of each flow path 502.
  • the cross-sectional area may be defined as the area of the cross-section perpendicular to the second direction in which the first fluid flows.
  • the cross-sectional area of the connecting member and the cross-sectional area of the flow path 502 are 0.8 to 1.2 times, 0.85 to 1.15 times, 0.9 to 1.1 times, 0.95 to 1.05 times, and 0.97 to It may be 1.03 times, 0.99 to 1.01 times, and the flow resistance of the first fluid flowing along the second direction can be minimized.
  • the fluid flow part 1100 further includes a first step 530 disposed between the first hole 512 and the flow path 502.
  • the first step portion 530 includes a first step surface 532 and a first chamfer surface 534 extending inclinedly from the first step surface 532 toward the flow path 502.
  • the first step surface 532 may be a plane parallel to a plane perpendicular to the second direction in which the first fluid flows. That is, the first step surface 532 may be a surface protruding from the wall surface of the first hole 512.
  • the first step surface 532 may contact the end of a connecting member (not shown) inserted into the first hole 512, and thus may function as a stopper for the connecting member. According to this, when assembling the connecting member with the fluid flow portion 1100 according to an embodiment of the present invention, when the end of the connecting member contacts the first step surface 532, the connecting member is no longer connected to the fluid flow portion 1100. Since it stops without being inserted into the inside, assembly is easy and the coupling force between the connection member and the fluid flow portion 1100 can be increased.
  • the height 532h of the first step surface 532 may be 1 mm or more from the wall surface of the first hole 512.
  • the height 532h of the first step surface 532 may be less than or equal to the thickness of the hollow tubular connecting member, for example, 0.5 to 1 times the thickness of the connecting member. According to this, while the first step surface 532 maintains the function of a stopper of the connecting member, the flow of the first fluid may not be interrupted by the first step surface 532. According to this, the vortex phenomenon of the first fluid caused by the first step surface 532 can be prevented.
  • an angle ⁇ can be formed between 85 degrees to 85 degrees, 70 degrees to 85 degrees, and 75 degrees to 85 degrees. According to this, the first fluid discharged from the connecting member can flow into the flow path 502 without changing the flow rate.
  • the fluid flow portion 1100 further includes a second step portion 540 disposed between the flow path 502 and the second hole 522.
  • the first step 530 and the second step 540 may be symmetrical to each other. That is, the first step portion 540 extends inclinedly toward the second step surface 542 disposed between the second hole 522 and the flow path 502 and the second step surface 542 toward the flow path 502. It may include a second chamfered surface 544. According to this, a change in the flow rate of the first fluid in the fluid discharge area 520 can be prevented, and the first fluid can be discharged to the outside without flow resistance.
  • thermoelectric device 1000 is connected to an external component through a connecting member (not shown).
  • One end of the connecting member is connected to an external component, and the other end of the connecting member is connected to the fluid flow unit 1100 according to an embodiment of the present invention.
  • the other end of the connecting member may be inserted into the first hole 512 of the fluid flow unit 1100 according to an embodiment of the present invention and then fixed to the first hole 512.
  • a first groove G1 having a predetermined depth is formed on the wall of the first hole 512.
  • the first hole 512 may be designed to be circular like the connecting member, and the diameter of the first hole 512 may be larger than the diameter of the connecting member.
  • the diameter of the first hole 512 may be designed to be 0.2 to 0.4 mm larger than the diameter of the connecting member.
  • the connecting member can be easily inserted into the first hole 512, and airtightness and fastening between the connecting member and the first hole 512 can be improved.
  • the connecting member may be made of a ductile material, and after being inserted into the first hole 512, it may be bent to fit the shape of the first hole 512.
  • the distance 512L from one side of the fluid inlet area 510 to the first step 530 on the other side of the fluid inlet area 510, that is, the first hole 512 is the second hole 512.
  • the distance extended along the direction can be designed to be more than 40% and less than 70% of the total length of the connecting member. According to this, fastening force between the connecting member and the first hole 512 can be secured, and fastening work can be easy.
  • the first groove G1 formed in the first hole 512 may be formed in a continuous ring shape along the wall of the first hole 512. According to this, fixation between the connecting member and the first groove (G1) can be easy.
  • the first groove G1 formed in the first hole 512 may be formed in a discontinuous ring shape along the wall of the first hole 512.
  • the length of the first groove G1 is 20% or more, 30% or more, 40% or more, 50% or more, or 60% or more of the circumferential length of the wall surface of the first hole 512. , may be 70% or more, 80% or more, or 90% or more.
  • the length of the first groove G1 may be the distance the first groove G1 extends along the wall surface of the first hole 512.
  • the length of the first groove G1 may be 1.5 mm to 4 mm. According to this, both fastening force and airtightness between the first groove G1 and the connecting member can be guaranteed.
  • the first groove G1 may be formed in a spiral shape along the wall of the first hole 512. Accordingly, the possibility of the connection member being separated from the thermoelectric device 1000 can be minimized even when the thermoelectric device 1000 according to an embodiment of the present invention is frequently vibrated.
  • the first groove G1 extends from one side of the fluid inlet area 510, that is, the fluid inlet, to the other side of the fluid inlet area 510, that is, the first step 530. It may also be formed to extend along a direction.
  • the length of the first groove G1 may be greater than the depth G1D of the first groove G1.
  • the length of the first groove G1 may be 2 times, 5 times, 10 times, or 2 to 20 times the depth G1D of the first groove G1. According to this, the work to fix the connecting member to the first hole 512 is easy, and airtightness between the connecting member and the first hole 512 can be maintained.
  • a second groove G2 may be further formed on the wall of the first hole 512 and is spaced apart from the first groove G1 and has a predetermined depth.
  • the connecting member fills the space of the first groove (G1) and the second groove (G2) and the fastening force can be further increased in a hook-like form. .
  • the first groove (G1) and the second groove (G2) move in a second direction from one side of the fluid inlet area 510, that is, the fluid inlet, to the other side of the fluid inlet area 510, that is, the first step 530. It is arranged in order along the distance d1 from one side of the fluid inflow area 510 to the first groove G1 and the first step portion ( At least one of the distances d2 to 530) may be greater than or equal to the distance d3 between the first groove G1 and the second groove G2. At this time, the distance between the first groove (G1) and the second groove (G2) may be 6 mm or more. According to this, fastening force and airtightness between the connecting member and the first hole 512 can be guaranteed at the same time.
  • a groove may be formed in the second hole 522 of the fluid discharge area 520 with the same or similar structure as the first hole 512.
  • a protrusion may be formed on the outer wall of the connecting member to engage the groove of the first hole 512.
  • the thickness of the fluid flow part 1100 in the first direction may be different in the flow path area 500, the fluid inlet area 510, and the fluid discharge area 520.
  • the thickness of the fluid flow portion 1100 in the first direction includes the flow path region 500, the fluid inlet region 510, the fluid discharge region 520, the first step 530, and the second The step portion 540 may be different.
  • the thickness of the flow path area 500 in the first direction may be thinner than the thickness of the fluid inlet area 510 and the fluid discharge area 520 in the first direction.
  • the thickness in the first direction in the passage area 500 is thinner than the thickness in the first direction in the first step portion 530 and the second step portion 540, and the first step portion 530 and the second step portion 540
  • the step portion 540 may be thinner than the thickness in the first direction.
  • the fluid inlet area 510 and the fluid discharge area 520 may be thinner than the thickness in the first direction.
  • the first step 530 and the second step 540 include a first chamfer surface 534 and a second chamfer surface 544
  • the thickness of the flow path area 500 in the first direction is the fluid
  • the inflow area 510 and the fluid discharge area 520 may be implemented to be thinner than the thickness in the first direction. Since thermoelectric modules are disposed on both sides of the flow path region 500, the thinner the thickness of the flow path region 500 is, the more the number of thermoelectric devices accommodated per unit volume can be increased, and the thermoelectric performance per unit volume can be improved.
  • a predetermined groove 1114 may be formed on the first surface 1110 and the second surface 1120 of the flow path area 500 of the fluid flow portion 1100.
  • the predetermined groove 1114 can be a position guide for the thermoelectric module 1200, which will be described later.
  • the first thermoelectric module 600 includes a first lower substrate 610, a plurality of semiconductor devices disposed on the first lower substrate 610, and a first thermoelectric module disposed on the plurality of semiconductor devices. It includes an upper substrate 620, and the second thermoelectric module 700 includes a second lower substrate 710, a plurality of semiconductor devices disposed on the second lower substrate 710, and a second thermoelectric module 700 disposed on the plurality of semiconductor devices. 2 Includes an upper substrate 720.
  • the first and second lower substrates 610 and 710 may be the first substrate 110 described with reference to FIGS. 3 and 4, and the plurality of semiconductor devices may be P-type semiconductor devices described with reference to FIGS. 3 and 4. 130 and the N-type semiconductor device 140, and the first and second upper substrates 620 and 720 may be the second substrate 160 described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the first lower substrate 610 includes first to fourth outlines 610S1 to 610S4, and the second lower substrate 710 includes first to fourth outlines 710S1 to 710S4. It includes a first outer portion (610S1) and a second outer portion (610S2) of the first lower substrate 610 facing each other, and a third outer portion (610S3) and fourth outer portion (610S4) of the first lower substrate 610.
  • a frame 800 may be further disposed on the first lower substrate 610 and the second lower substrate 710.
  • the frame 800 may include an insulating material, and includes a 1-1 upper substrate 621, a 1-2 upper substrate 622, a 2-1 upper substrate 721, and a 2-2 upper substrate. It can be placed between (722). Accordingly, the frame 800 separates the 1-1 upper substrate 621, the 1-2 upper substrate 622, the 2-1 upper substrate 721, and the 2-2 upper substrate 722. You can do it.
  • the first thermoelectric module 600 includes a first groove 650
  • the second thermoelectric module 700 includes a second groove 750.
  • the first groove 650 is formed in the first lower substrate 610
  • the second groove 750 is formed in the second lower substrate 710.
  • the first groove 650 includes a 1-1 groove 651 and a 1-2 groove 652, and the 1-1 groove 651 is an outer portion of the first lower substrate 610. It is formed on the outer edge 610S1, and the 1-2 groove 652 may be formed on the second outer edge 610S2, which is another outer edge of the first lower substrate 610.
  • the second groove 750 includes a 2-1 groove 751 and a 2-2 groove 752, and the 2-1 groove 751 is a first groove outside the second lower substrate 710. It is formed on the outer edge 710S1, and the 2-2 groove 752 may be formed on the second outer edge 710S2, which is another outer edge of the second lower substrate 710.
  • the virtual line (V) connecting the center of the 1-1 groove 651 and the center of the 1-2 groove 652 is the 1-1 upper substrate 621 and the 1-2 upper substrate 622.
  • An imaginary line connecting the center of the 2-1 groove 751 and the center of the 2-2 groove 752 is the area between the 2-1 upper substrate 721 and the 2-2 upper substrate 722.
  • the frame 800 may include a hole h2 corresponding to the hole h1 formed by the 1-2 groove 652 and the 2-1 groove 751.
  • the fastening member (not shown) may pass through the hole h2 and the hole h1, and accordingly, the first thermoelectric module 600 and the second thermoelectric module 700 according to an embodiment of the present invention are fastened to each other. It can be fixed simultaneously by members. According to this, since there is no need to penetrate the fastening member within the effective area where the semiconductor device is disposed, placement of the electrode portion and the semiconductor device is easy, and thermoelectric performance per unit area can be improved.
  • the plurality of 1-2 grooves 652 and the plurality of 2-1 grooves 751 are disposed at positions corresponding to each other, and the plurality of 1-2 grooves 652 and the plurality of 2-1 grooves 751 ) may form a plurality of holes h1.
  • the head portion of the fastening member may be disposed on the upper edge of the hole h2 of the frame 800.
  • the cutting part may mean a chamfer shape.
  • the frame 800 includes a 1-1 upper substrate 621, a 1-2 upper substrate 622, a 2-1 upper substrate 721, and a 2-2 upper substrate. To be disposed between (722), the 1-1 upper substrate 621, the 1-2 upper substrate 622, the 2-1 upper substrate 721, and the 2-2 upper substrate 722, respectively. It may include first to fourth openings 810, 820, 830, and 840 surrounding the . The first to fourth openings 810, 820, 830, and 840 of the frame 800 are respectively the 1-1 upper substrate 621, the 1-2 upper substrate 622, and the 2-1 upper substrate 721. ), and each of the 2-2 upper substrates 722 may have a corresponding shape.
  • the corner adjacent to the hole h2 is the 1-1 upper substrate 621 and the 1-2 It may have a shape corresponding to the upper substrate 622, the 2-1 upper substrate 721, and the first to fourth cutting portions 621C, 622C, 721C, and 722C of the 2-2 upper substrate 722. there is.
  • a first insulating layer is disposed between the first lower substrate 610 and the plurality of semiconductor devices, and the plurality of semiconductor devices and the first upper substrate 620 A second insulating layer may be disposed between them. A third insulating layer may be further disposed between the first insulating layer and the plurality of semiconductor devices.
  • the 1-1 electrode portion 631 and the 1-2 electrode portion 632 are disposed between the first lower substrate 610 and the plurality of semiconductor devices, and the second lower substrate 710 and A 2-1 electrode unit 731 and a 2-2 electrode unit 632 may be disposed between the plurality of semiconductor devices.
  • an extension electrode 634 extending toward the fourth outer edge 610S4 of the first lower substrate 610 may be further disposed on the first lower substrate 610.
  • the second fluid may flow in a direction from the fourth outer portion 610S4 to the third outer portion 610S3. That is, the extension electrode 634 may be disposed toward the direction in which the second fluid flows.
  • the area of the extension electrode 634 may be larger than the area of each electrode forming the 1-1 electrode unit 631 and the 1-2 electrode unit 632.
  • a connector is disposed on the extension electrode 634, and a wire may be connected to the connector.
  • an insulating member 900 is further disposed on the extension electrode 634. It is shown that one insulating member 900 is disposed on the first thermoelectric module 600 and the second thermoelectric module 700, but the embodiment of the present invention is not limited thereto, and each insulator is provided in each thermoelectric module. Members may also be placed.
  • the insulating member 900 can maintain uniform bonding force between the first and second thermoelectric modules 600 and 700 and the fluid flow unit 1100 and protect wiring connected to the connector.
  • the insulating member 900 includes an insulating frame 920 having an opening 910, and the opening 910 may be disposed at a position corresponding to the extension electrode 634, and the opening 910 may be disposed at a position corresponding to the extension electrode 634. (910) may be filled with resin. Accordingly, resin can be disposed on the extension electrode 634 to insulate it, and the withstand voltage performance of the first and second thermoelectric modules 600 and 700 can be improved.
  • the resin may include epoxy resin or silicone resin.
  • the insulating frame 920 includes a plastic material, the insulating frame 920 can be easily molded into various sizes and shapes.
  • the insulating frame 920 may be made of a plastic material applicable at high temperatures, such as polyphenylene sulfide (PPS). According to this, it is possible to prevent the problem of the shape of the insulating frame 920 being deformed by the high temperature second fluid.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • a through hole 930 may be formed between the openings 910 of the insulating frame 920, and a fastening member may be fastened to the through hole 930.
  • the insulating member 900 may be disposed with respect to the first thermoelectric module 600 and the second thermoelectric module 700, respectively, and the first thermoelectric module 600 and the second thermoelectric module ( One insulating member 900 may be disposed in 700.
  • the insulation distance may mean the shortest insulation distance from the effective area where the semiconductor device is disposed to the outer edge of the substrate.
  • the insulating distance can be increased by the height of the insulating frame 920, and thus higher insulating resistance can be obtained.
  • the shortest insulation distance can be defined by (2*height of the insulation frame+length of the insulation frame).
  • the height of the insulating frame may be defined as the height along the first direction with respect to the lower substrate, and the length of the insulating frame may be defined as the length along the third direction.
  • a plurality of The ratio of the distance to the nearest semiconductor device among the semiconductor devices may be 1.5 times or more and 3.5 times or less.
  • the ratio of the height of the insulating frame 920 to the distance from the extension electrode 634 to the fourth outer edge 610S4 of the first lower substrate 610 may be 0.25 times or more and 0.7 times or less. there is.
  • the distance from the fourth outer edge 610S4 of the first lower substrate 610 to the nearest semiconductor device among the plurality of semiconductor devices is 9 mm to 21 mm
  • the distance from the extension electrode 634 to the first lower substrate 610 is 9 mm to 21 mm.
  • the distance to the fourth outer perimeter 610S4 may be 3 mm to 14 mm, and the height of the insulating frame 920 may be 1.5 mm to 4 mm. That is, even when the distance from the extension electrode 634 to the fourth outer edge 610S4 of the first lower substrate 610 is 3 mm, an insulation distance of 12 mm can be guaranteed due to the insulating frame 920. According to this, not only does it satisfy high insulation resistance, but it is also possible to maximize the area of the effective area where the semiconductor element is placed to obtain thermoelectric performance, and the insulating frame 920 blocks the flow path of the second fluid passing through the heat sink. You may not.
  • the frame 800 may be arranged to surround the first to fourth upper substrates. Since the frame 800 includes an insulating material, the insulation distance of the thermoelectric module may be further increased due to the frame 800.
  • thermoelectric module 1200 includes a first thermoelectric module 600 and a second thermoelectric module 700, and the first and second thermoelectric modules 600 and 700 include first and second lower substrates 610, respectively. , 710), but is not limited thereto.
  • the first and second lower substrates 610 and 710 are implemented as one lower substrate, and first to fourth upper substrates 621, 622, and 721 are formed on one lower substrate. 722) is disposed, and a hole may be formed in the frame 800 and the lower substrate to correspond to the spaced area between the first to fourth upper substrates 621, 622, 721, and 722.
  • a shield member 1500 may be further disposed to prevent moisture or contaminants from penetrating into the thermoelectric module 1200.
  • the fluid flow unit 1100 includes a first surface 1110 and a second surface 1120 spaced apart from the first surface 1110 in the first direction, and the first surface 1120 of the fluid flow unit 1100 Thermoelectric modules 1200 are disposed on the first side 1110 and the second side 1120, respectively.
  • the first fluid flows between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the fluid flow unit 1100 along a second direction perpendicular to the first direction, and the second fluid has a higher temperature than the first fluid. flows along the heat sink 1220 of the thermoelectric module 1200 along a third direction perpendicular to the first and second directions.
  • the third direction may be a direction from the fourth surface 1140 of the fluid flow unit 1100 to the third surface 1130.
  • Figures 16 to 23 are diagrams showing the process of assembling a shield member to a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 24 is a diagram showing a shield member assembled to a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention. It is a cross-sectional view
  • Figure 25 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention with the third shield member removed.
  • thermoelectric module 1200 assembled on the first surface 1110 and the second surface 1120 of the fluid flow part 1100, the first side of the fluid flow part 1100
  • the first shield member 1510 is placed on three sides 1130.
  • a first insulation member 1610 may be further disposed between the fluid flow unit 1100 and the first shield member 1510. According to this, even if a high-temperature second fluid flows on the surface of the first shield member 1510, the influence on the first fluid within the fluid flow portion 1100 can be minimized.
  • a fastening hole 1512 is formed in the first shield member 1510, through which it can be fastened to the third surface 1130 of the fluid flow unit 1100. Accordingly, the first insulation member 1610 may be disposed between the fastening holes 1512.
  • thermoelectric module 1200 is assembled on the first side 1110 and the second side 1120 of the fluid flow portion 1100, respectively, and the With the first shield member 1510 assembled on the third side 1130, the second shield member 1520 is placed on the first side 1110 of the fluid flow unit 1100 and the thermoelectric module 1200. . At this time, the second shield member 1520 is formed on the third side 1130 of the fluid flow portion 1100 to cover a portion of the first shield member 1510 disposed on the third side 1130 of the fluid flow portion 1100. ) can be extended.
  • a fourth shield member 1540 symmetrical to the second shield member 1520 may be disposed on the second surface 1120 of the fluid flow unit 1100 and the thermoelectric module 1200. (1540) may extend to the third surface 1130 of the fluid flow unit 1100 to cover a portion of the first shield member 1510 disposed on the third surface 1130 of the fluid flow unit 1100. . According to this, the gap between the first shield member 1510 and the second shield member 1520 and the gap between the first shield member 1510 and the fourth shield member 1540 are not located directly in the direction in which the second fluid flows. , it is possible to prevent the problem of the second fluid flowing between the gap between the first shield member 1510 and the second shield member 1520 and the gap between the first shield member 1510 and the fourth shield member 1540.
  • the second shield member 1520 and the fourth shield member 1540 include grooves 1522 and 1542 respectively disposed to correspond to each other, and the grooves 1522 and 1542 are disposed on the third surface 1130. , It may be arranged to correspond to the fastening hole 1512 of the first shield member 1510. Accordingly, the fastening member (not shown) is a hole formed by the grooves 1522 and 1542 of the second shield member 1520 and the fourth shield member 1540, and the fastening hole 1512 of the first shield member 1510. It may be fixed to the third surface 1130 of the fluid flow unit 1100.
  • the second shield member 1520 includes a through hole 1524 through which the heat sink is exposed, and the edge of the through hole 1524 is connected to the first thermoelectric module 600 and the second thermoelectric module. It may be placed on the upper substrate of (700). According to this, the high temperature second fluid can flow along the third direction through the heat sink.
  • thermoelectric module 1200 is assembled on the first side 1110 and the second side 1120 of the fluid flow portion 1100, respectively, and the A first shield member 1510 is assembled on the third side 1130, and a second shield member 1520 and a fourth shield are installed on the first side 1110 and the second side 1120 of the fluid flow unit 1100.
  • the third shield member 1530 is placed on the fourth surface 1140 of the fluid flow unit 1100.
  • the second and 4 When the third shield member 1530 is disposed on the shield members 1520 and 1540, the second and fourth shield members 1520 and 1540 and the third shield member 1530 are formed along the direction in which the second fluid flows. Since the gap is not directly exposed, the problem of the second fluid seeping between the second and fourth shield members 1520 and 1540 and the third shield member 1530 can be minimized.
  • a sealing member 1532 is provided at the boundary between the third shield member 1530 and the second shield member 1520 and at the boundary between the third shield member 1530 and the fourth shield member 1540. It can be applied. According to this, the problem of the high temperature second fluid penetrating into the boundary between the third shield member 1530 and the second shield member 1520 and the boundary between the third shield member 1530 and the fourth shield member 1540 is prevented. It can be.
  • FIG 26 is a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention
  • Figures 27 to 29 are diagrams showing the process of assembling a wiring protection part in a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 30 is a diagram showing a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention. This is a perspective view of the upper structure included in the thermoelectric system according to the embodiment.
  • the thermoelectric system 2500 includes a first thermoelectric device 1000-1 and a second thermoelectric device 1000 arranged to be spaced apart from the first thermoelectric device 1000-1 in a first direction. -2), the third thermoelectric device (1000-3), the first thermoelectric device (1000-1), and the second thermoelectric device (1000-) arranged to be spaced apart from the second thermoelectric device (1000-2) along the first direction. 2) and a wiring portion (W) electrically connected to the third thermoelectric device (1000-3), and a first thermoelectric device (1000-1) and a second thermoelectric device (1000) to surround at least a portion of the wiring portion (W). -2) and a wiring protection unit 1700 disposed on one upper side of the third thermoelectric device 1000-3.
  • the first fluid flows through each of the first thermoelectric device (1000-1), the second thermoelectric device (1000-2), and the third thermoelectric device (1000-3) along a second direction perpendicular to the first direction,
  • the second fluid which has a higher temperature than the first fluid, is connected to the first thermoelectric device 1000-1, the second thermoelectric device 1000-2, and the third thermoelectric device along a third direction perpendicular to the first direction and the second direction ( It can flow between 1000-3).
  • thermoelectric device 1000-1 the second thermoelectric device 1000-2, and the third thermoelectric device 1000-3 may be thermoelectric devices described with reference to FIGS. 1 to 25, respectively.
  • the wiring (W) connected to the thermoelectric module included in each thermoelectric device is at the top of the fluid inlet area 510 of the fluid flow part 1100, that is, the fluid inlet area 510 of the fluid flow part 1100. It is drawn to the fourth side 1140 of .
  • the wiring protection unit 1700 includes a plurality of thermoelectric devices arranged spaced apart along the first direction, for example, a first thermoelectric device 1000-1 and a second thermoelectric device 1000-2. ) and is disposed on one upper side of the third thermoelectric device (1000-3).
  • one side refers to the fluid inflow area 510 of the fluid flow portion 1100
  • the upper side refers to the side disposed in the direction in which the second fluid flows, that is, from the fourth side 1140 of the fluid flow portion 1100.
  • the second fluid flows in the third direction toward the third surface 1130, it refers to the fourth surface 1140 of the fluid flow unit 1100.
  • the wiring protection unit 1700 serves to collect wiring drawn from a plurality of thermoelectric devices and guide them to the outside.
  • the wiring protection unit 1700 When the wiring protection unit 1700 is disposed on one upper side of the fluid flow portion 1100, that is, in the fluid inflow area 510, the second fluid flows through the thermoelectric module 1200 disposed in the flow passage area 520. Since it does not interfere with the thermoelectric performance, thermoelectric performance can be improved. Additionally, since the temperature of the fluid inlet area 510 is lower than that of the fluid discharge area 520, the temperature of the wire passing through the wire protection unit 1700 can be maintained at a lower state.
  • the wiring protection unit 1700 includes a bottom portion 1710 disposed on a plurality of thermoelectric devices 1000-1, ..., 1000-3, and a first portion of the bottom portion 1710.
  • a first side wall 1720 extending from the first end 1711 toward the top of the bottom 1710, a second end 1712 spaced apart from the first end 1711 of the bottom 1710 along the first direction.
  • a second side wall 1730 extending toward the top of the bottom 1710, disposed between the first side wall 1720 and the second side wall 1730, and a first end 1711 of the bottom 1710.
  • the third side wall 1740, the first side wall 1720, and the second side wall 1730 extending from the third end 1713 between the second end 1712 and toward the top of the bottom 1710.
  • a fourth side wall 1742 disposed and extending toward the top of the bottom 1710 from the third end 1713 of the bottom 1710 and the fourth end 1714 spaced apart from the bottom along the second direction.
  • a first top portion 1780 spaced apart from 1710 and extending from the third side wall 1740 toward the second direction, spaced apart from the bottom portion 1710 and extending from the fourth side wall 1742 in a direction opposite to the second direction. It includes a second top part 1790, and fifth side walls 1770 and 1772 extending from the second top part 1790 toward the top of the upper bottom part 1710 and connected to the first top part 1780.
  • first end 1711 and the second end 1712 each extend along the second direction, and the first end 1711 and the second end 1712 are spaced apart from each other along the first direction. can be placed.
  • the third end 1713 and the fourth end 1714 may each extend along the first direction, and the third end 1713 and the fourth end 1714 may be arranged to be spaced apart from each other along the second direction.
  • the height of the first tower 1780 relative to the bottom 1710 may be higher than the height of the second tower 1790.
  • the distance between the third side wall 1740 and the fifth side wall 1771 and 1772 gradually decreases along the upper direction of the bottom portion 1710.
  • the angle in the second direction between the third side wall 1740 and the fifth side wall 1771, 1772 is 10 to 70 degrees, preferably 15 to 60 degrees, more preferably 20 to 50 degrees, further Preferably, it may be arranged at an angle of 25 to 40 degrees. Accordingly, as will be described later, the second fluid can flow between the first to third thermoelectric devices 1000-1, 1000-2, and 1000-3 without flow resistance or loss.
  • the distance between the third side wall 1740 and the fourth side wall 1742 may gradually decrease along the upper direction of the bottom portion 1710.
  • the fourth side wall 1742 may be arranged parallel to the fifth side walls 1770 and 1772. That is, the angle in the second direction between the third side wall 1740 and the fifth side wall 1771 and 1772 may be the same as the angle in the second direction between the third side wall 1740 and the fourth side wall 1742. . Or, that is, the angle in the second direction between the third side wall 1740 and the fifth side wall 1771 and 1772 may be smaller than the angle in the second direction between the third side wall 1740 and the fourth side wall 1742. there is. According to this, the second fluid can flow between the first to third thermoelectric devices 1000-1, 1000-2, and 1000-3 without flow resistance or loss.
  • the first wire W1 connected to the first thermoelectric device 1000-1 penetrates the first hole 1750, extends upward along the third side wall 1740, and extends to the outside through the fourth hole 1756. is withdrawn as
  • the second wiring W2 connected to the second thermoelectric device 1000-2 penetrates the second hole 1752, extends upward along the third side wall 1740, and extends to the outside through the fourth hole 1756. is withdrawn as
  • the third wire W3 connected to the third thermoelectric device 1000-3 penetrates the third hole 1754, extends upward along the third side wall 1740, and extends to the outside through the fourth hole 1756. is withdrawn as
  • the wire protection unit 1700 collects wires connected to a plurality of thermoelectric devices and takes them out to the outside, it is easy to connect and work on the wires, and it is easy to protect the wires from the high-temperature second fluid.
  • the first hole 1750, the second hole 1752, and the third hole 1754 may be formed at the boundary between the bottom 1710 and the third side wall 1740 of the wiring protection unit 1700.
  • the first to third wires (W1, W2, W3) that passed through the first hole 1750, the second hole 1752, and the third hole 1754 are in contact with the third side wall 1740. It may extend upward along the third side wall 1740 and then be drawn out through the fourth hole 1756. Since the third side wall 1740 is disposed on the fluid inlet side, when the first to third wires (W1, W2, W3) contact the third side wall 1740, the first to third wires (W1, W2, W3) ) can be maintained at a lower temperature.
  • the wiring protection unit 1700 may further include a heat insulating member 1760.
  • the insulation member 1760 may be disposed on the bottom 1710 between the first side wall 1720 and the second side wall 1730. At this time, the insulation member 1760 may be disposed to contact the first to third wires W1, W2, and W3 extending along the third side wall 1740. According to this, even if the high-temperature second fluid passes through the surface of the wiring protection unit 1700, the problem of heat being applied to the first to third wirings W1, W2, and W3 by the heat insulating member 1760 is prevented. can do.
  • the insulation member 1760 includes a first insulation member disposed between the bottom portion 1710 and the first top portion 1780 and a second insulation member disposed between the bottom portion 1710 and the second top portion 1790. It can be included.
  • the wiring protection unit 1700 is disposed between the first side wall 1720 and the second side wall 1730, and the first top part 1780, the second top part 1790, and the fifth side wall 1770. , 1772) and further includes a shield cover portion 780 that covers at least a portion of the panel.
  • at least one fastening hole (1782, 1784, 1792, 1794) is formed in each of the first top part (1780) and the second top part (1790), and at least one fastening hole (1782, 1784, 1792, 1794) It can be fastened to the shield cover part 780 using a fastening member.
  • thermoelectric system 2500 is spaced apart from the wiring protection unit 1700 in the second direction and includes the first thermoelectric device 1000-1, the second thermoelectric device 1000-2, and the third thermoelectric device. It may further include an upper structure 1800 disposed on the other side of the device 1000-3.
  • the other side of the first thermoelectric device 1000-1, the second thermoelectric device 1000-2, and the third thermoelectric device 1000-3 may refer to the fluid outlet side of the first fluid.
  • the external shape of the upper structure 1800 may be the same as that of the wiring protection unit 1700, and may be arranged symmetrically with the wiring protection unit 1700.
  • the upper structure 1800 may include an insulating material and may be molded into an exterior shape that is symmetrical to the wiring protection portion 1700.
  • the upper structure 1800 may have the same material and structure as the wiring protection unit 1700.
  • the upper structure 1800 has a shape that is symmetrical to the wiring protection unit 1700 and includes a bottom, a first side wall 1820, a second side wall 1830, a third side wall, a fourth side wall 1844, It may include a first top part 1880, a second top part 1890, and a fifth side wall 1870.
  • the upper structure 1800 may have the same shape as the shape in which the wiring protection unit 1700 is filled with the insulation member 1760.
  • a shield cover portion is disposed on at least a portion of the first top portion 1880, the second top portion 1890, and the fifth side wall 1870 of the upper structure 1800, and the shield cover portion is disposed on the first top portion 1880 and the fifth side wall 1870. It can be fastened to the upper structure 1800 through fastening holes 1882, 1884, 1892, and 1894 formed in the second top portion 1890. According to this, the weight of both sides of the thermoelectric system 2500 can be balanced.
  • the shield cover portion 780 of the wiring protection unit 1700 includes a first inclined surface 782
  • the upper structure 1800 may include a second inclined surface corresponding to the first inclined surface 782.
  • the first inclined surface 782 may be disposed along the fifth side walls 1770 and 1772 of the wiring protection unit 1700.
  • the second inclined surface may be the fifth side wall 1870 of the upper structure 1800 or a surface disposed along the fifth side wall 1870 of the shield cover part of the upper structure 1800.
  • thermoelectric system may be arranged in multiple stages.
  • Figure 31 is a perspective view of a thermoelectric system according to another embodiment of the present invention
  • Figures 32 and 33 are diagrams showing the process of assembling a wiring protection unit in a thermoelectric system according to another embodiment of the present invention
  • Figure 34 is a diagram showing the process of assembling a wiring protection unit according to another embodiment of the present invention. This is a perspective view of an upper structure included in a thermoelectric system according to another embodiment.
  • thermoelectric system 3100 and the second thermoelectric system 3200 Redundant descriptions of content that is the same as that described with reference to FIGS. 26 to 30 for each of the first thermoelectric system 3100 and the second thermoelectric system 3200 will be omitted.
  • the external shape of the wiring protection unit and the upper structure included in the first thermoelectric system 3100 may be different from the external shape of the upper structure of the wiring protection unit included in the second thermoelectric system 3200. there is.
  • the gap D1 between the opposing surfaces of the wiring protection unit 1700 and the upper structure 1800 is the second fluid. It may gradually become narrower along the direction in which it flows. According to this, the second fluid flowing into the thermoelectric system 3000 may collect in the center area where the thermoelectric module 1200 is disposed and then pass along the third direction.
  • the shape of the first and second side walls 2720, 2730, the shape of the insulation member 2760, and the shape of the shield cover portion 2780 of the wiring protection unit 2700 of the second thermoelectric system 3200 are similar to those of the first thermoelectric system 3200.
  • the shape of the first and second side walls 1720 and 1730, the shape of the insulation member 1760, and the shape of the cover member 1780 of the wiring protection unit 1700 of (3100) may be different.
  • the shield cover portion 2780 includes a first inclined surface, and accordingly, the fifth side walls 1770 and 1772 also include an inclined surface so that the shield cover portion 2780 can be disposed. do.
  • the ninth side wall 2740 has a concave shape between both ends in the first direction, the wiring and insulation members are placed in the space between the bottom, the eighth side wall 2740, and the ninth side wall 2740, and then the shield is formed. It is easy to assemble the cover part 2780.
  • thermoelectric system 3200 is shown as being disposed below the first thermoelectric system 3100, but is not limited thereto, and an additional thermoelectric system may be further disposed below the second thermoelectric system 3200. there is.
  • thermoelectric elements 100 and 1210 include a first substrate 110, a first electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, a second electrode 150, and a first electrode 150. 2 Although it is described as including a substrate 160, the definition of the thermoelectric elements 100 and 1210 is not limited thereto, and the thermoelectric elements 100 and 1210 include the first electrode 120 and the P-type thermoelectric leg 130. ), N-type thermoelectric leg 140, second electrode 150, and second substrate 160, and may mean disposed on the first substrate 110.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈 어레이는 제1 열전모듈; 그리고 상기 제1 열전모듈과 인접하여 배치되는 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은, 제1 하부기판; 상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1 상부기판을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은, 제2 하부기판; 상기 제2 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제2 상부기판을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은 제1 홈을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은 상기 제1 홈과 대응되는 위치에 배치된 제2 홈을 포함한다.

Description

열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템
본 발명은 열전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 저온부와 고온부 간 온도 차를 이용하는 열전장치 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.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 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.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
최근, 자동차, 선박 등의 고온의 열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 열전소자의 저온부 측에 제1 유체가 통과하는 유체유동부가 배치되고, 열전소자의 고온부 측에 히트싱크(heatsink)가 배치되며, 제1 유체보다 고온인 제2 유체가 히트싱크를 통과할 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 저온부와 고온부 간 온도 차에 의하여 전기가 생성될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 저온부와 고온부 간 온도 차를 이용하는 열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈 어레이는 제1 열전모듈; 그리고 상기 제1 열전모듈과 인접하여 배치되는 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은, 제1 하부기판; 상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1 상부기판을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은, 제2 하부기판; 상기 제2 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제2 상부기판을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은 제1 홈을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은 상기 제1 홈과 대응되는 위치에 배치된 제2 홈을 포함한다.
상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 상기 제1 하부기판의 제1 영역에 배치되는 제1-1 반도체 소자들과 상기 제1 하부기판의 제2 영역에 배치되는 제1-2 반도체 소자들을 포함하고, 상기 제2 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 상기 제2 하부기판의 제3 영역에 배치되는 제2-1 반도체 소자들과 상기 제2 하부기판의 제4 영역에 배치되는 제2-2 반도체 소자들을 포함하고, 상기 제1 상부기판은 상기 제1-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 반도체 소자들 상에 배치되는 상기 제1-2 상부기판을 포함하고, 상기 제2 상부기판은 상기 제2-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-1 상부기판과 상기 제2-2 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-2 상부기판을 포함할 수 있다.
상기 제1 홈은 상기 제1 하부기판의 일측에 형성되고, 상기 제2 홈은 상기 제2 하부기판의 일측에 형성될 수 있다.
상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 상기 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 상부기판 사이의 영역에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
상기 제1 하부기판과 상기 제2 하부기판 상에 배치되고, 상기 제1 상부기판과 상기 제2 상부기판 사이에 배치되는 프레임을 포함하고, 상기 프레임은 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈에 대응하는 홀을 포함할 수 있다.
상기 프레임은 상기 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 상부기판 사이 및 상기 제2-1 상부기판과 상기 제2-2 상부기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 연결하는 연결 전극을 더 포함하고, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상기 연결 전극이 연장된 방향과 수직한 방향을 따라 서로 중첩되는 위치에 배치될 수 있다.
상기 제1홈과 상기 제2홈에 배치되는 체결부재를 더 포함하고, 상기 제1 상부기판은 제1 컷팅부를 포함하고, 상기 제2 상부기판은 제2 컷팅부를 포함하고, 상기 제1 컷팅부와 상기 제2 컷팅부는 상기 제1 상부기판과 상기 제2 상부기판의 상기 체결부재와 인접한 모서리부일 수 있다.
상기 프레임은 상기 제1 컷팅부 및 상기 제2 컷팅부와 대응되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 하부기판과 상기 복수의 반도체 소자 사이에 배치되는 제1 절연층; 및 상기 복수의 반도체 소자와 상기 제1 상부기판 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 복수의 반도체 소자 사이에 배치되는 제3 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 하부기판 상에서 상기 제1 전극부로부터 일측으로 연장된 연장 전극; 및 상기 연장 전극 상에 배치되는 절연부재를 더 포함할 수 있다.
상기 연장 전극으로부터 상기 제1 하부기판의 끝단까지의 거리에 대한 상기 끝단으로부터 상기 복수의 반도체 소자 중 가장 가까운 반도체 소자까지의 거리의 비율은 1.5 이상 3.5 이하일 수 있다.
상기 연장 전극으로부터 상기 제1 하부기판의 끝단까지의 거리에 대한 상기 절연 부재의 높이의 비율은 0.25 이상 0.7 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈 어레이는 제1 하부기판; 상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1-1 상부기판과 제1-2 상부기판을 포함하고, 상기 제1 하부기판은 제1-1 홈과 제1-2 홈을 포함하며, 상기 제1-1 홈의 중심과 상기 제1-2 홈의 중심을 잇는 가상의 선은 상기 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 상부기판 사이의 영역에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈 어레이는 제1 하부기판; 상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 제1 전극부; 상기 제1 전극부 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1 상부기판; 상기 제1 전극부로부터 일측으로 연장된 연장 전극; 그리고 상기 연장 전극 상에 배치되는 절연부재를 포함하고, 상기 절연부재는 수지부 및 상기 수지부를 수용하도록 개구부가 형성된 절연 프레임을 포함하고, 상기 수지부는 상기 연장 전극 상에 배치된다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치는 제1면 및 상기 제1면과 제1 방향을 따라 이격된 제2면을 포함하는 유체유동부, 상기 유체유동부의 제1면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 유체유동부의 제2면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 유체유동부는 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 형성된 유로를 포함하는 유로 영역, 상기 유로 영역의 일측에 배치되며 상기 제2 방향을 따라 형성된 제1 홀을 포함하는 유체 유입 영역, 상기 유로 영역의 타측에 배치되며 상기 제2 방향을 따라 형성된 제2 홀을 포함하는 유체 배출 영역 및 상기 제1 홀과 상기 유로 사이에 배치된 제1 단차부를 포함하며, 상기 제1 단차부는 제1 단차면, 그리고 상기 제1 단차면으로부터 상기 유로를 향하여 경사지도록 연장된 제1 챔퍼면을 포함한다.
제1 유체는 상기 제2 방향을 따라 상기 유체 유입 영역, 상기 유로 영역 및 상기 유체 배출 영역을 통과하고, 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직하는 제3 방향으로 상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈의 히트싱크를 통과할 수 있다.
상기 제1 단차면은 상기 제2 방향에 수직한 면과 평행한 면일 수 있다.
상기 제1 단차면의 높이는 상기 제1홀의 벽면으로부터 1mm 이상일 수 있다.
상기 제1 챔퍼면은 상기 제1 단차면에 수직한 면에 대하여 5도 내지 85도의 각도로 경사질 수 있다.
상기 제1 챔퍼면의 길이는 상기 제1 단차면의 높이의 3배 이상일 수 있다.
상기 제1 홀의 단면적은 상기 유로의 단면적보다 클 수 있다.
상기 유로와 상기 제2홀 사이에 배치된 제2 단차부를 더 포함하며, 상기 제2 단차부는 제2 단차면, 그리고 상기 제2 단차면으로부터 상기 유로를 향하여 경사지도록 연장된 제2 챔퍼면을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전장치는 제1면 및 상기 제1면과 제1 방향을 따라 이격된 제2면을 포함하는 유체유동부, 상기 유체유동부의 제1면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 유체유동부의 제2면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 유체유동부는 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 형성된 유로를 포함하는 유로 영역, 상기 유로 영역의 일측에 배치되며 상기 제2 방향을 따라 형성된 제1 홀을 포함하는 유체 유입 영역 및 상기 유로 영역의 타측에 배치되며 상기 제2 방향을 따라 형성된 제2 홀을 포함하는 유체 배출 영역을 포함하며, 상기 제1 홀의 벽면에는 소정 깊이를 가지는 제1 홈이 형성된다.
제1 유체는 상기 제2 방향을 따라 상기 유체 유입 영역, 상기 유로 영역 및 상기 유체 배출 영역을 통과하고, 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직하는 제3 방향으로 상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈의 히트싱크를 통과할 수 있다.
상기 제1 홈은 상기 제1 홀의 벽면을 따라 연속적인 링 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 홈은 상기 제1 홀의 벽면을 따라 불연속적인 링 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 홈의 길이는 상기 제1 홀의 벽면의 둘레 길이의 20% 이상일 수 있다.
상기 제1 홈은 상기 제1 홀의 벽면을 따라 나선 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 홀과 상기 유로 사이에 배치된 단차부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 홈은 상기 유체 유입 영역의 일측에서 상기 유체 유입 영역의 타측인 단차부까지 상기 제2 방향을 따라 연장되도록 형성될 수 있다.
상기 제1 홀의 벽면에는 상기 제1 홈과 이격되며, 소정 깊이를 가지는 제2 홈이 더 형성될 수 있다.
상기 유체 유입 영역의 일측에서 상기 유체 유입 영역의 타측까지 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈이 순서대로 배치되며, 상기 유체 유입 영역의 일측에서 상기 제1 홈까지의 거리 및 상기 제2 홈에서 상기 유체 유입 영역의 타측인 상기 단차부까지의 거리 중 적어도 하나는 상기 제1 홈과 상기 제2 홈 간 거리 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전장치는 제1면 및 상기 제1면과 제1 방향으로 이격된 제2면을 포함하는 유체유동부, 상기 제1면에 배치된 제1 열전모듈, 상기 제2면에 배치된 제2 열전모듈, 상기 제1면 및 상기 제2면 사이에 형성된 제3면에 배치되고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면의 적어도 일부를 덮도록 연장된 제1 실드부재, 상기 제1면 및 상기 제1 열전모듈에 배치되며, 상기 제1 실드부재의 적어도 일부를 덮는 제2 실드부재, 그리고 상기 제3면과 대향하는 제4면에 배치되며, 상기 제2 실드부재의 적어도 일부를 덮도록 연장된 제3 실드부재를 포함한다.
상기 유체유동부는, 상기 제1면 및 상기 제2면 사이에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 제1 유체가 유동하도록 형성된 유로 영역을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은, 상기 제1면 상에 배치된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극부, 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 소자, 상기 반도체 소자 상에 배치된 제2 전극부, 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판 및 상기 제2 기판 상에서 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체와 접촉하도록 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 제2 유체는 상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 제3 방향을 따라 흐를 수 있다.
상기 제2 실드부재는 상기 히트싱크가 노출되는 관통홀을 포함하며, 상기 관통홀의 가장자리는 상기 제2 기판 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 열전모듈은 상기 제1 기판 상에서 상기 제4면을 향하는 방향으로 상기 제1 전극부로부터 연장된 연장 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열전모듈은 상기 연장 전극에 연결된 배선을 더 포함하며, 상기 배선의 적어도 일부는 상기 제3 실드부재에 의해 커버될 수 있다.
상기 유체유동부는, 상기 유로 영역의 일측에 배치된 유체 유입 영역 및 상기 일측과 상기 제2 방향으로 이격된 상기 유로 영역의 타측에 배치된 유체 배출 영역을 포함하고, 상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 실드부재는 상기 유로 영역 상에 배치되며, 상기 유체 유입 영역 상에 배치된 제5 실드부재 및 상기 유체 배출 영역 상에 배치된 제6 실드부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제5 실드부재 및 상기 제6 실드부재는 각각 상기 유체유동부의 상기 제3면 및 상기 제4면의 일부를 커버하도록 연장되며, 상기 제5 실드부재는 상기 제4면 상에 형성된 홈을 포함할 수 있다.
상기 배선은 상기 홈을 통하여 인출될 수 있다.
상기 제3면 및 상기 제1 실드부재 사이에 배치된 제1 단열부재와 상기 제4면 및 상기 제3 실드부재 사이에 배치된 제2 단열부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 실드부재 및 상기 제3 실드부재 사이에 배치된 실링부재를 더 포함할 수 있다.
상기 유체유동부의 제2면 및 상기 제2 열전모듈에 배치되며, 상기 제3면의 상기 제1 실드부재의 일부를 커버하도록 연장된 제4 실드부재를 더 포함하고, 상기 제3 실드부재는 상기 제2면의 상기 제4 실드부재의 일부를 더 커버하도록 연장될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템은 제1 열전장치, 상기 제1 열전장치와 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 제2 열전장치, 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치와 전기적으로 연결된 배선부, 그리고, 상기 배선부의 적어도 일부를 둘러싸도록 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 일측 상부에 배치된 배선보호부를 포함하고, 상기 배선보호부는, 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치 상에 배치된 바닥부, 상기 바닥부의 제1 말단으로부터 상기 바닥부의 상부 방향을 향하여 연장된 제1 측벽, 상기 바닥부의 상기 제1 말단과 상기 제1 방향을 따라 이격된 제2 말단으로부터 상기 바닥부에 대하여 상부 방향을 향하여 연장된 제2 측벽, 상기 제1 측벽 및 제2 측벽 사이에 배치되고, 상기 바닥부의 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이의 제3 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제3 측벽, 상기 제1 측벽 및 제2 측벽 사이에 배치되고, 상기 바닥부의 상기 제3 말단과 상기 제1 방향 및 상기 상부 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격된 제4 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제4 측벽, 상기 바닥부와 이격되고 상기 제3 측벽으로부터 상기 제2 방향을 향하여 연장된 제1 탑부, 상기 바닥부와 이격되고 상기 제4 측벽으로부터 상기 제2 방향과 반대방향으로 연장된 제2 탑부, 그리고 상기 제2 탑부로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장되고 상기 제1 탑부와 연결된 제5 측벽을 포함하고, 상기 제3 측벽과 상기 제5 측벽 간의 거리는 상기 상부 방향을 따라 점점 감소한다.
상기 바닥부를 기준으로 상기 제1 탑부의 높이는 상기 바닥부를 기준으로 상기 제2 탑부의 높이보다 높을 수 있다.
상기 제3 측벽과 상기 제5 측벽이 이루는 각도는 10 내지 70도일 수 있다.
상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽 간의 거리는 상기 상부 방향을 따라 점점 감소할 수 있다.
상기 배선보호부는 상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽 사이에 배치되고, 상기 제1 탑부, 상기 제2 탑부 및 상기 제5 측벽의 적어도 일부를 덮는 실드 커버부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 탑부 및 상기 제2 탑부 각각에는 적어도 하나의 체결홀이 형성되고, 상기 적어도 하나의 체결홀을 통하여 상기 실드 커버부와 체결될 수 있다.
상기 배선보호부는 상기 바닥부와 상기 제1 탑부 사이에 배치된 제1 단열부재 및 상기 바닥부와 상기 제2 탑부 사이에 배치된 제2 단열부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 타측 상부에 배치된 상부 구조물을 더 포함할 수 있다.
상기 배선보호부와 상기 상부 구조물의 형상은 서로 대칭할 수 있다.
상기 바닥부에서 상기 제1 방향을 따라 이격되어 형성된 제1홀 및 제2홀, 그리고 상기 제3 측벽에 형성된 제3홀을 더 포함하고, 상기 제1 열전장치에 연결된 제1 배선은 상기 제1홀을 관통하고, 상기 제3홀을 통하여 외부로 인출되고, 상기 제2 열전장치에 연결된 제2 배선은 상기 제2홀을 관통하고, 상기 제3홀을 통하여 외부로 인출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템은 제1 열전 시스템, 그리고 상기 제1 열전 시스템 아래에 배치된 제2 열전 시스템을 포함하고, 상기 제1 열전 시스템은, 제1 열전장치, 상기 제1 열전장치와 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 제2 열전장치, 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치와 전기적으로 연결된 제1 배선부, 그리고 상기 제1 배선부의 적어도 일부를 둘러싸도록 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 일측 상부에 배치된 제1 배선보호부를 포함하고, 상기 제2 열전 시스템은, 제3 열전장치, 상기 제3 열전장치와 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 제4 열전장치, 상기 제3 열전장치 및 상기 제4 열전장치와 전기적으로 연결된 제2 배선부, 그리고 상기 제2 배선부의 적어도 일부를 둘러싸도록 상기 제3 열전장치 및 상기 제4 열전장치의 일측 상부에 배치된 제2 배선보호부를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 열전장치 각각은 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 제1 유체가 관통하도록 형성된 유로 영역을 포함하고, 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치 사이와 상기 제3 열전장치 및 상기 제4 열전장치 사이는 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체가 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직하는 제3 방향을 따라 흐르도록 이격되며, 상기 제2 배선보호부의 바닥부의 폭은 상기 제2 배선보호부의 탑부의 폭의 0.98 내지 1.02배이다.
상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 타측 상부에 상기 제1 배선보호부와 대칭으로 배치된 제1 상부 구조물, 그리고 상기 제3 열전장치 및 상기 제4 열전장치의 타측 상부에 상기 제2 배선보호부와 대칭으로 배치된 제2 상부 구조물을 더 포함하고, 상기 제1 배선보호부 및 상기 제1 상부 구조물의 서로 마주보는 면들 간 간격은 상기 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 점점 좁아지며, 상기 제2 배선보호부의 바닥부와 상기 제2 상부 구조물의 바닥부 간 최단거리는 상기 제2 배선보호부의 탑부와 상기 제2 상부 구조물의 탑부 간 최단거리의 0.96 내지 1.04배일 수 있다.
상기 제1 배선보호부는, 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치 상에 배치된 제1 바닥부, 상기 제1 바닥부의 제1 말단으로부터 상기 제1 바닥부에 대하여 상부 방향을 향하여 연장된 제1 측벽, 상기 제1 바닥부의 상기 제1 말단과 상기 제1 방향을 따라 이격된 제2 말단으로부터 상기 제1 바닥부에 대하여 상부 방향을 향하여 연장된 제2 측벽, 상기 제1 측벽 및 제2 측벽 사이에 배치되고, 상기 제1 바닥부의 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이의 제3 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제3 측벽, 상기 제1 측벽 및 제2 측벽 사이에 배치되고, 상기 제1 바닥부의 상기 제3 말단과 상기 제2 방향으로 이격된 제4 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제4 측벽, 상기 제1 바닥부와 이격되고 상기 제3 측벽으로부터 상기 제2 방향을 향하여 연장된 제1 탑부, 상기 제1 바닥부와 이격되고 상기 제4 측벽으로부터 상기 제2 방향과 반대방향으로 연장된 제2 탑부, 그리고 상기 제2 탑부로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장되고 상기 제1 탑부와 연결된 제5 측벽을 포함하고, 상기 제3 측벽과 상기 제5 측벽 간의 거리는 상기 상부 방향을 따라 점점 감소할 수 있다.
상기 제2 배선보호부는, 상기 제3 열전장치 및 상기 제4 열전장치 상에 배치된 제2 바닥부, 상기 제2 바닥부의 제5 말단으로부터 상기 제2 바닥부에 대하여 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제6 측벽, 상기 제2 바닥부의 상기 제5 말단과 상기 제1 방향을 따라 이격된 제6 말단으로부터 상기 제2 바닥부에 대하여 상부 방향을 향하여 연장된 제7 측벽, 상기 제6 측벽 및 제7 측벽 사이에 배치되고, 상기 제2 바닥부의 상기 제5 말단과 상기 제6 말단 사이의 제7 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제8 측벽, 상기 제6 측벽 및 제7 측벽 사이에 배치되고, 상기 제2 바닥부의 상기 제7 말단과 상기 제2 방향으로 이격된 제8 말단으로부터 상기 상부 방향을 향하여 연장된 제9 측벽, 그리고 상기 제2 바닥부와 이격되고 상기 제8 측벽으로부터 상기 제2 방향을 향하여 연장된 제3 탑부를 포함하고, 상기 제9 측벽은 상기 제3 탑부까지 연장되며, 상기 제8 측벽 및 상기 제9 측벽은 서로 평행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구조가 간단하고, 조립이 용이하면서도 소정의 공간 내에 최대 개수의 열전소자를 수용할 수 있는 열전장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고온부와 저온부 간 온도 차를 크게 하여 열전성능이 높은 열전장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전장치는 고온부와 저온부 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성하는 발전장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전장치는 유체 등의 특정 대상을 냉각 또는 가열하는 펠티에 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치의 분해사시도이다.
도 3 내지 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 포함되는 유체유동부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면의 일부 확대도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 하부 기판 상에 배치된 전극부의 형상이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 프레임의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 절연부재의 평면도이다.
도 15는 절연 거리에 따른 절연저항을 나타내는 그래프이다.
도 16 내지 도 23은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재를 조립하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재가 조립된 상태에서의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에서 제3 실드부재를 제거한 상태의 사시도이다.
도 26은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템이다.
도 27 내지 도 29는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에 배선보호부를 조립하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에 포함되는 상부 구조물의 사시도이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템의 사시도이다.
도 32 내지 도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템에 배선보호부를 조립하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템에 포함되는 상부 구조물의 사시도이다.
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 열전장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치의 분해사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 열전장치(1000)는 유체유동부(1100) 및 유체유동부(1100)의 표면에 배치된 열전모듈(1200)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 열전장치(1000)는, 유체유동부(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체 및 유체유동부(1100)의 외부를 통과하는 제2 유체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 복수 개의 열전장치(1000)는 소정 간격으로 이격되도록 평행하게 배치되어 열전 시스템을 이룰 수도 있다. 이에 따르면, 단위 면적 당 열전 성능 또는 발전 성능을 최대화할 수 있다. 열전장치는 발전장치라 지칭될 수 있고, 열전 시스템은 발전 시스템이라 지칭될 수 있다.
유체유동부(1100) 내로 유입되는 제1 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 유체유동부(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 제2 유체보다 낮은 온도를 갖는 유체일 수 있다. 유체유동부(1100)를 통과한 후 배출되는 제1 유체의 온도는 유체유동부(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1 면(1110) 및 제1 면(1110)에 대향하는 제2 면(1120)에는 열전모듈(1200)이 배치될 수 있다. 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이의 일측면(1150)으로부터 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이에서 일측면(1150)과 대향하는 타측면(1160)을 향하도록 제1 유체가 흐를 수 있다. 이를 위하여, 일측면에는 유체유입구가 배치되고, 타측면에는 유체배출구가 배치될 수 있다. 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이의 상면인 제4면(1140)으로부터 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이의 하면인 제3면(1130)을 향하도록 제2 유체가 흐를 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서는 제1면(1110)으로부터 제2면(1120)을 향하는 방향을 제1 방향이라고 지칭하고, 제1 유체가 통과하는 방향을 제2 방향이라고 지칭하며, 제2 유체가 통과하는 방향을 제3 방향이라고 지칭할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
한편, 제2 유체는 유체유동부(1100)의 외부, 예를 들어 유체유동부(1100)의 외부에 배치된 열전모듈(1200)의 히트싱크를 통과한다. 제2 유체는 자동차, 선박 등의 배기열 또는 흡기열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 유체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 제1 유체의 온도보다 높은 온도를 갖는 유체일 수 있다.
본 명세서에서, 유체유동부(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체의 온도는 유체유동부(1100)의 외부에 배치된 열전모듈(1200)의 히트싱크(1220)를 통과하는 제2 유체의 온도보다 낮은 것을 예로 들어 설명한다. 이에 따라, 본 명세서에서, 유체유동부(1100)는 덕트 또는 냉각부라 지칭될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예는 이로 제한되는 것은 아니며, 유체유동부(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체의 온도는 유체유동부(1100)의 외부에 배치된 열전모듈(1200)의 히트싱크(1220)를 통과하는 제2 유체의 온도보다 높을 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈(1200)은 열전소자 및 열전소자 상에 배치된 히트싱크(1220)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 도 3 내지 4에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 전극부(120), P형 반도체 소자(130), N형 반도체 소자(140), 제2 전극부(150) 및 제2 기판(160)을 포함한다.
제1 전극부(120)는 제1 기판(110)과 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 제2 전극부(150)는 제2 기판(160)과 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 반도체 소자(130) 및 복수의 N형 반도체 소자(140)는 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 제1 전극부(120)와 제2 전극부(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 반도체 소자(130)로부터 N형 반도체 소자(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 반도체 소자(140)로부터 P형 반도체 소자(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
여기서, P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 반도체 소자일 수 있다. P형 반도체 소자 (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 반도체 소자(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 반도체 소자(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 반도체 소자(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 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 반도체 소자(130) 또는 벌크형 N형 반도체 소자(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 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 이와 같이, P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)가 다결정 열전 레그인 경우, P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)의 강도가 높아질 수 있다. 적층형 P형 반도체 소자(130) 또는 적층형 N형 반도체 소자(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 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 반도체 소자(130)와 N형 반도체 소자(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 반도체 소자(140)의 높이 또는 단면적을 P형 반도체 소자(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
이때, P형 반도체 소자(130) 또는 N형 반도체 소자(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 명세서에서, 반도체 소자는 열전 레그, 열전 구조물, 반도체 구조물 등으로 지칭될 수도 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 PCTKR2023008624-appb-img-000001
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 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140) 사이에 배치되는 제1 전극부(120), 그리고 제2 기판(160)과 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140) 사이에 배치되는 제2 전극부(150)는 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 전극부(120) 또는 제2 전극부(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. 또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)이 금속 기판인 경우, 제1 기판(110)과 제1 전극부(120) 사이 및 제2 기판(160)과 제2 전극부(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 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기물을 포함하는 수지 조성물이거나, 실리콘과 무기물을 포함하는 실리콘 복합체로 이루어진 층이거나, 산화알루미늄층일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 질화물 및 탄화물 중 적어도 하나일 수 있다.
각 절연층(170)은 하나의 절연층이거나, 서로 다른 조성의 복수의 절연층일 수 있다. 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(150) 중 적어도 하나의 측면의 적어도 일부는 절연층(170)에 매립되며, 각 전극부에 포함되는 복수의 전극 사이에 배치된 절연층(170)의 상면은 각 기판을 향하여 오목한 형상을 가질 수 있다. 각 절연층(170)이 복수의 절연층인 경우, 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(150) 중 적어도 하나의 측면의 적어도 일부는 각 기판을 기준으로 최상부에 배치된 절연층(170)에 매립되며, 각 전극부에 포함되는 복수의 전극 사이에 배치된 절연층(170)의 최상면은 각 기판을 향하여 오목한 형상을 가질 수 있다.
이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 즉, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 두께는 제1 기판(110)으로부터 제2 기판(160)을 향하는 방향에 대한 두께일 수 있으며, 면적은 제1 기판(110)으로부터 제2 기판(160)을 향하는 방향에 수직하는 방향에 대한 면적일 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 제1 기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 제2 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 제1 기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 열전소자의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 제1 기판(110) 상에 배치되는 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 면적 대비 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 반도체 소자(130) 또는 N형 반도체 소자(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 반도체 소자와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
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 전극부(120), P형 반도체 소자(130), N형 반도체 소자(140) 및 제2 전극부(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극부(120), P형 반도체 소자(130), N형 반도체 소자(140) 및 제2 전극부(150)는 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.
다시 도 1 내지 도 2를 참조하면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 각각 열전모듈(1200)이 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 열전소자는 유체유동부(1100)에 접촉하도록 배치된 제1기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 제1 전극부(120), 제1 전극부(120) 상에 배치된 복수의 반도체 소자(130, 140), 복수의 반도체 소자(130, 140) 상에 배치된 제2 전극부(150) 및 제2 전극부(150) 상에 배치된 제2 기판(160)을 포함하며, 제2 기판(160) 상에 히트싱크(1220)가 배치된다. 이때, 유체유동부(1100) 상에 배치되는 열전소자의 제1 기판은 금속기판일 수 있고, 금속기판은 유체유동부(1100)의 표면과 열전달물질(thermal interface material, TIM, 미도시)에 의하여 접착될 수 있다. 금속기판은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자와 유체유동부(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 금속기판과 유체유동부(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 금속기판과 유체유동부(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 여기서, 금속기판은 구리 기판, 알루미늄 기판 및 구리-알루미늄 기판 중 하나일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
열전모듈(1200)은 생산되는 전기를 외부로 추출하거나, 펠티어로 이용하기 위해 전기를 인가하기 위한 커넥터를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 절연부재(900)를 커넥터의 주변에 배치하여 열전모듈(1200)과 유체유동부(1100) 간 접합력을 균일하게 유지하고, 커넥터에 연결되는 배선(W)을 보호할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈(1200) 내부로 수분 또는 오염물질이 침투하는 것을 방지하기 위하여, 실드부재(1500)가 더 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 포함되는 유체유동부의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이며, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면의 일부 확대도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 유체유동부(1100)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110)으로부터 제2면(1120)을 향하는 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 형성된 유로(502)를 포함하는 유로 영역(500), 유로 영역(500)의 일측에 배치되며, 제2 방향을 따라 형성된 제1홀(512)을 포함하는 유체 유입 영역(510) 및 유로 영역(500)의 타측에 배치되며, 제2 방향을 따라 형성된 제2 홀(522)을 포함하는 유체 배출 영역(520)을 포함한다. 여기서, 유로 영역(500)은 제2 방향을 따라 평행한 복수의 유로(502)를 포함하고, 유체 유입 영역(510)은 제2 방향을 따라 평행한 복수의 제1 홀(512)을 포함하고, 유체 배출 영역((520)은 제2 방향을 따라 평행한 복수의 제2 홀(522)을 포함하며, 각 유로(502)는 각 제1 홀(512) 및 각 제2 홀(522)에 대응하도록 배치될 수 있다. 제1 홀(512)로 유입된 제1 유체는 제2 방향을 따라 유로(502)를 통과한 후 제2 홀(522)로 배출될 수 있다. 이를 위하여, 제1 홀(512)에는 연결부재(미도시)가 배치되며, 유체유동부(1100)는 연결부재를 통하여 외부와 연결될 수 있다. 연결부재는 중공의 관 형상으로, 일부는 제1 홀(512) 내에 끼워지고, 나머지 일부는 유체유동부(1100)의 일측(1150) 외부로 돌출될 수 있다. 제1 유체는 연결부재를 통하여 외부로부터 공급받으며, 제1 홀(512) 내에 끼워진 연결부재를 통과한 후 유로(502)로 전달될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 홀(522)에는 연결부재(미도시)가 배치되며, 유체유동부(1100)는 연결부재를 통하여 외부와 연결될 수 있다. 연결부재는 중공의 관 형상으로, 일부는 제2 홀(522) 내에 끼워지고, 나머지 일부는 유체유동부(1100)의 타측(1160) 외부로 돌출될 수 있다. 제1 유체는 유로(502)를 통과한 후 제2 홀(522) 내에 끼워진 연결부재를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 연결부재는 연결관이라 지칭될 수도 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전장치가 연결부재를 통해 외부 구성과 연결되면, 스크류 등의 체결부재의 사용이 최소화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 제1 홀(512)의 단면적은 각 유로(502)의 단면적보다 클 수 있다. 여기서, 단면적은 제1 유체가 흐르는 제2 방향에 수직하는 단면의 면적으로 정의될 수 있다. 이에 따르면, 제1 홀(512)에 연결부재가 끼워진 상태에서 연결부재의 단면적과 유로(502)의 단면적은 0.8 내지 1.2배, 0.85 내지 1.15배, 0.9 내지 1.1배, 0.95 내지 1.05배, 0.97 내지 1.03배, 0.99 내지 1.01배일 수 있으며, 제2 방향을 따라 흐르는 제1 유체의 유로 저항이 최소화될 수 있다.
여기서, 제1 홀(512) 및 유로(502)는 1대1로 매칭되고, 유로(502) 및 제2 홀(522)은 1대1로 매칭되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 제1 홀(512)을 통과한 유체는 하나의 유로에서 모아질 수도 있고, 하나의 유로를 통과한 유체는 복수의 제2 홀(522)로 분산될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)는 제1 홀(512)과 유로(502) 사이에 배치된 제1 단차부(530)를 더 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 단차부(530)는 제1 단차면(532) 및 제1 단차면(532)으로부터 유로(502)를 향하여 경사지도록 연장된 제1 챔퍼면(534)을 포함한다. 여기서, 제1 단차면(532)은 제1 유체가 흐르는 제2 방향에 수직한 면과 평행한 면일 수 있다. 즉, 제1 단차면(532)은 제1 홀(512)의 벽면으로부터 돌출된 면일 수 있다. 제1 단차면(532)은 제1 홀(512)에 끼워진 연결부재(미도시)의 끝단과 접촉할 수 있으며, 이에 따라 연결부재의 스토퍼 기능을 할 수 있다. 이에 따르면, 연결부재를 본 발명의 실시예에 따른 유체유동부(1100)와 조립하는 경우, 연결부재의 끝단이 제1 단차면(532)과 접촉하면 연결부재가 더 이상 유체유동부(1100)의 내부로 삽입되지 않고 멈추므로, 조립이 용이하고, 연결부재와 유체유동부(1100) 간 결합력을 높일 수 있다.
이때, 제1 단차면(532)의 높이(532h)는 제1 홀(512)의 벽면으로부터 1mm 이상일 수 있다. 제1 단차면(532)의 높이(532h)는 중공의 관 형상인 연결부재의 두께 이하, 예를 들어 연결부재의 두께의 0.5 내지 1배 이하일 수 있다. 이에 따르면, 제1 단차면(532)이 연결부재의 스토퍼의 기능을 유지하면서도, 제1 유체의 흐름이 제1 단차면(532)에 의해 방해 받지 않을 수 있다. 이에 따르면, 제1 단차면(532)에 의한 제1 유체의 와류 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 챔퍼면(534)은 제1 단차면(532)으로부터 유로(502)를 향하여 경사지게 연장된 면이며, 제1 홀(512)에 끼워진 연결부재로부터 배출된 제1 유체는 제1 챔퍼면(534)에 의하여 유로 저항없이 유로(502)로 유입될 수 있다. 제1 챔퍼면(534)은 제1 단차면(532)에 수직한 면에 대하여 5도 내지 85도, 10도 내지 80도, 15도 내지 75도, 20도 내지 70도, 25도 내지 65도, 30도 내지 60도, 35도 내지 55도, 40도 내지 50도, 40도 내지 85도, 45도 내지 85도, 50도 내지 85도, 55도 내지 85도, 60도 내지 85도, 65도 내지 85도, 70도 내지 85도, 75도 내지 85도의 각도(θ)를 이룰 수 있다. 이에 따르면, 연결부재로부터 배출된 제1 유체는 유속 변화 없이 유로(502)로 유입될 수 있다.
이때, 제1 챔퍼면(534)의 길이(534L)는 제1 단차면(532)의 높이(532h))의 3배 이상일 수 있다. 제1 챔퍼면(534)의 길이(534L)는 연결부재의 내경의 60% 이상일 수 있다. 이에 따르면, 제1 유체는 제1 챔퍼면(534)에 의하여 유로 저항없이 유로(502)로 유입될 수 있으며, 유로 영역(500)에서 유체유동부(1100)의 제1 방향 두께가 보다 얇게 구현될 수 있다.
이와 마찬가지로, 유체유동부(1100)는 유로(502)와 제2 홀(522) 사이에 배치된 제2 단차부(540)를 더 포함한다. 여기서, 제1 단차부(530)를 중심으로 설명되고 있지만, 동일한 구조가 제2 단차부(540)에도 적용될 수 있다. 제1 단차부(530) 및 제2 단차부(540)는 서로 대칭할 수 있다. 즉, 제1 단차부(540)는 제2 홀(522) 및 유로(502) 사이에 배치된 제2 단차면(542)과 제2 단차면(542)으로부터 유로(502)를 향하여 경사지도록 연장된 제2 챔퍼면(544)을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 유체 배출 영역(520)에서 제1 유체의 유속 변화를 방지할 수 있으며, 제1 유체가 유로 저항 없이 외부로 배출될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전장치(1000)는 연결부재(미도시)를 통하여 외부 구성과 연결된다. 연결부재의 일단은 외부 구성과 연결되며, 연결부재의 타단은 본 발명의 실시예에 따른 유체유동부(1100)와 연결된다. 연결부재의 타단은 본 발명의 실시예에 따른 유체유동부(1100)의 제1 홀(512)에 삽입된 후 제1 홀(512)에 고정될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홀(512)의 벽면에는 소정 깊이를 가지는 제1 홈(G1)이 형성된다. 연결부재의 타단을 제1 홀(512)에 삽입한 후, 제1 홈(G1)에 대응하는 위치에서 연결부재의 내벽에 힘을 가해 직경을 확장시키면, 연결부재의 타단이 제1 홀(512)에 압입될 수 있다. 이에 따르면, 연결부재와 제1 홀(512)의 제1 홈(G1) 간 갭(gap)이 없어지면서, 기밀성이 확보될 수 있다. 이에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 열전장치(1000)가 스크류 등의 체결부재 없이 연결부재를 통하여 외부 구성과 연결될 수 있으므로, 체결력 및 내구성이 보장될 수 있다.
이때, 제1 홀(512)은 연결부재와 같은 원형으로, 제1 홀(512)의 직경은 연결부재의 직경보다 크게 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 홀(512)의 직경은 연결부재의 직경보다 0.2 내지 0.4mm 크게 설계될 수 있다. 이에 따르면, 연결부재가 제1 홀(512)에 용이하게 삽입될 수 있으며, 연결부재와 제1 홀(512) 간 기밀성과 체결성이 높아질 수 있다. 이를 위하여, 연결부재는 연성이 있는 재질일 수 있으며, 제1 홀(512)에 삽입된 후 제1 홀(512)의 형상에 맞게 구부려질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 유입 영역(510)의 일측에서 유체 유입 영역(510)의 타측인 제1 단차부(530)까지의 거리(512L), 즉 제1 홀(512)이 제2 방향을 따라 연장된 거리는 연결부재의 전체 길이의 40% 이상이고 70% 이하로 설계될 수 있다. 이에 따르면, 연결부재와 제1 홀(512) 간 체결력이 확보될 수 있으며, 체결 작업이 용이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홀(512)에 형성된 제1 홈(G1)은 제1 홀(512)의 벽면을 따라 연속적인 링 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따르면, 연결부재와 제1 홈(G1) 간 고정이 용이할 수 있다.
또는, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홀(512)에 형성된 제1 홈(G1)은 제1 홀(512)의 벽면을 따라 불연속적인 링 형상으로 형성될 수도 있다.
또는, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홈(G1)의 길이는 제1 홀(512)의 벽면의 둘레 길이의 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상일 수 있다. 여기서, 제1 홈(G1)의 길이는 제1 홈(G1)이 제1 홀(512)의 벽면을 따라 연장된 거리일 수 있다. 예를 들어, 제1 홈(G1)의 길이는 1.5mm 내지 4mm일 수 있다. 이에 따르면, 제1 홈(G1)과 연결부재 간 체결력 및 기밀성이 모두 보장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홈(G1)은 제1 홀(512)의 벽면을 따라 나선 형상으로 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 열전장치(1000)의 잦은 진동 시에도 연결부재가 열전장치(1000)로부터 이탈될 가능성이 최소화될 수 있다.
또는, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홈(G1)은 유체 유입 영역(510)의 일측, 즉 유체 유입구에서 유체 유입 영역(510)의 타측, 즉 제1 단차부(530)까지 제2 방향을 따라 연장되도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홈(G1)의 깊이(G1D)는 연결부재의 두께의 20% 이상 50% 이하일 수 있다. 여기서, 제1 홈(G1)의 깊이(G1D)는 제1 홀(512)의 벽면으로부터 제1 홈(G1)의 바닥면까지의 수직 거리일 수 있다. 제1 홈(G1)의 깊이가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 연결부재와의 체결력 및 기밀성이 동시에 보장될 수 있다.
이때, 제1 홈(G1)의 길이는 제1 홈(G1)의 깊이(G1D)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 홈(G1)의 길이는 제1 홈(G1)의 깊이(G1D)의 2배 이상, 5배 이상, 10배 이상, 2배 내지 20배일 수 있다. 이에 따르면, 연결부재를 제1 홀(512)에 고정시키기 위한 작업이 용이하며, 연결부재 및 제1 홀(512) 간 기밀성을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홀(512)의 벽면에는 제1 홈(G1)과 이격되며, 소정 깊이를 가지는 제2 홈(G2)이 더 형성될 수도 있다. 제1 홀(512)에 두 개 이상의 홈이 형성되면, 연결부재가 제1 홈(G1) 및 제2 홈(G2)의 공간을 채우면서도 후크(hook)와 같은 형태로 체결력이 더욱 높아질 수 있다.
이때, 제1 홈(G1) 및 제2 홈(G2)은 유체 유입 영역(510)의 일측, 즉 유체 유입구에서 유체 유입 영역(510)의 타측, 즉 제1 단차부(530)까지 제2 방향을 따라 순서대로 배치되며, 유체 유입 영역(510)의 일측에서 제1 홈(G1)까지의 거리(d1) 및 제2 홈(G2)에서 유체 유입 영역(510)의 타측인 제1 단차부(530)까지의 거리(d2) 중 적어도 하나는 제1 홈(G1)과 제2 홈(G2) 간 거리(d3) 이상일 수 있다. 이때, 제1 홈(G1)과 제2 홈(G2) 간 거리는 6mm 이상일 수 있다. 이에 따르면, 연결부재 및 제1 홀(512) 간 체결력 및 기밀성이 동시에 보장될 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 유체 유입 영역(510)의 제1 홀(512)에 형성된 홈을 위주로 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유체 배출 영역(520)의 제2 홀(522)에도 제1 홀(512)과 동일 또는 유사한 구조로 홈이 형성될 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 홀(512)의 홈에 맞물리도록 연결부재의 외벽에는 돌출부가 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1 방향 두께는 유로 영역(500), 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)에서 상이할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1 방향 두께는 유로 영역(500), 유체 유입 영역(510), 유체 배출 영역(520), 제1 단차부(530) 및 제2 단차부(540)에서 상이할 수 있다. 예를 들어, 유로 영역(500)에서 제1 방향의 두께는 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)에서 제1 방향의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 유로 영역(500)에서 제1 방향의 두께는 제1 단차부(530) 및 제2 단차부(540)에서 제1 방향의 두께보다 얇고, 제1 단차부(530) 및 제2 단차부(540)에서 제1 방향의 두께보다 얇을 수 있다. 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)에서 제1 방향의 두께보다 얇을 수 있다. 제1 단차부(530) 및 제2 단차부(540)가 각각 제1 챔퍼면(534) 및 제2 챔퍼면(544)을 포함하는 경우, 유로 영역(500)의 제1 방향의 두께는 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)에서 제1 방향의 두께보다 얇게 구현될 수 있다. 유로 영역(500)의 양면에는 열전모듈이 배치되므로, 유로 영역(500)의 두께를 얇게 구현할수록 단위 부피당 수용되는 열전장치의 개수를 증가시킬 수 있으며, 단위 부피당 열전 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 유체 유입 영역(510) 또는 유체 유입 영역(510)과 제1 단차부(530)의 제4면(1140)에는 단차면(1142, 1144)이 형성될 수 있다. 단차면(1142, 1144)은 제4면(1140)과 평행하되, 제4면(1140)을 사이에 두고 제4면(1140)과 단차를 이를 수 있다. 단차면(1142)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에 배치된 열전모듈(1200)에 연결되는 배선을 가이드하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 유로 영역(500)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 돌출부(1112)가 배치될 수 있다. 돌출부(1112)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 및 제4면(1140) 중 제4면(1140)에 가까운 측에 제2 방향을 따라 소정 간격을 이루며 서로 이격된 복수의 돌출부일 수 있다. 돌출부(1112)는 후술할 열전모듈(1200) 또는 실드부재(1500)의 위치 고정 수단이 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 유로 영역(500)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 소정의 홈(1114)이 형성될 수 잇다. 소정의 홈(1114)는 후술할 열전모듈(1200)의 위치 가이드가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 열전모듈(1200)이 배치된다. 유체유동부(1100)는 유로 영역(500)과, 유로 영역(500)의 양 측에 배치된 유로 유입 영역(510) 및 유로 배출 영역(520)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈(1200)은 유로 영역(500)에 배치된다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 평면도이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이며, 도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 하부 기판 상에 배치된 전극부의 형상이고, 도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 프레임의 평면도이고, 도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 절연부재의 평면도이고, 도 15는 절연 거리에 따른 절연저항을 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 도 14를 참조하면, 열전모듈(1200)은 제1 열전모듈(600) 및 제1 열전모듈(600)과 인접하여 배치되는 제2 열전모듈(700)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 각각 복수의 열전모듈(1200)이 배치될 수 있다. 열전모듈(1200)은 열전소자 및 히트싱크를 포함하며, 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전모듈(600)은 제1 하부기판(610), 제1 하부기판(610) 상에 배치되는 복수의 반도체 소자 및 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1 상부기판(620)을 포함하고, 제2 열전모듈(700)은 제2 하부기판(710), 제2 하부기판(710) 상에 배치되는 복수의 반도체 소자 및 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제2 상부기판(720)을 포함한다. 제1 및 제2 하부기판(610, 710)은 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 제1 기판(110)일 수 있고, 복수의 반도체 소자는 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)일 수 있으며, 제1 및 제2 상부기판(620, 720)은 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 제2 기판(160)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 하부기판(610, 710)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된다. 이때, 제1 및 제2 하부기판(610, 710)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 직접 접촉하도록 배치되거나, 열전달물질(thermal interface material, TIM) 등을 통하여 간접 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 하부기판(610)은 제1 내지 제4 외곽(610S1~610S4)을 포함하고, 제2 하부기판(710)은 제1 내지 제4 외곽(710S1~710S4)을 포함하며, 제1 하부기판(610)의 제1 외곽(610S1) 및 제2 외곽(610S2)은 서로 마주보고, 제1 하부기판(610)의 제3 외곽(610S3) 및 제4 외곽(610S4)은 서로 마주보며, 제2 하부기판(710)의 제1 외곽(710S1) 및 제2 외곽(710S2)은 서로 마주보고, 제2 하부기판(710)의 제3 외곽(710S3) 및 제4 외곽(710S4)은 서로 마주보고, 제1 하부기판(610)의 제1 외곽(610S1) 및 제2 외곽(610S2)과 제2 하부기판(710)의 제1 외곽(710S1) 및 제2 외곽(710S2)은 제2 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
제1 하부기판(610) 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 제1 하부기판(610)의 제1 영역(611)에 배치되는 제1-1 반도체 소자들과 제1 하부기판(610)의 제2 영역(612)에 배치되는 제1-2 반도체 소자들을 포함하고, 제2 하부기판(710) 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 제2 하부기판(710)의 제3 영역(711)에 배치되는 제2-1 반도체 소자들과 제2 하부기판(710)의 제4 영역(712)에 배치되는 제2-2 반도체 소자들을 포함한다. 제1 하부기판(610)의 제1 영역(611)과 제1-1 반도체 소자들 사이에는 제1-1 전극부(631)가 배치되고, 제1 하부기판(610)의 제2 영역(612)과 제1-2 반도체 소자들 사이에는 제1-2 전극부(632)가 배치되며, 제2 하부기판(710)의 제3 영역(711)과 제2-1 반도체 소자들 사이에는 제2-1 전극부(731)가 배치되고, 제2 하부기판(710)의 제4 영역(714)과 제2-2 반도체 소자들 사이에는 제2-2 전극부(732)가 배치된다. 제1-1 전극부(631)와 제1-2 전극부(632)는 연결전극(633)에 의해 연결되고, 제2-1 전극부(731)와 제2-2 전극부(732)는 연결전극(733)에 의해 연결된다.
제1 상부기판(620)은 제1-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제1-1 상부기판(621)과 제1-2 반도체 소자들 상에 배치되는 제1-2 상부기판(622)을 포함하고, 제2 상부기판(720)은 제2-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-1 상부기판(721)과 제2-2 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-2 상부기판(722)을 포함한다. 제1-1 상부기판(621) 상에는 제1-1 히트싱크(641)가 배치되고, 제1-2 상부기판(622) 상에는 제1-2 히트싱크(642)가 배치되며, 제2-1 상부기판(721) 상에는 제2-1 히트싱크(741)가 배치되고, 제2-2 상부기판(722) 상에는 제2-2 히트싱크(742)가 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연결전극(633, 733)의 장축 방향 길이는 제1-1 전극부(631), 제1-2 전극부(632), 제2-1 전극부(731) 및 제2-2 전극부(732)에 포함된 전극의 장축 방향 길이의 2배 내지 4배가 될 수 있다. 이에 따르면, 제1-1 히트싱크(641) 및 제1-2 히트싱크(642) 간 거리와 제2-1 히트싱크(741) 및 제2-2 히트싱크(742)가 거리가 소정 거리 이상으로 보장될 수 있으므로, 히트싱크 간 간섭이 방지될 수 있고, 작업 효율성이 개선될 수 있다.
제1 하부기판(610) 및 제2 하부기판(710) 상에는 프레임(800)이 더 배치될 수 있다. 프레임(800)은 절연물질을 포함할 수 있으며, 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 프레임(800)은 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722)를 이격시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전모듈(600)은 제1 홈(650)을 포함하고, 제2 열전모듈(700)은 제2 홈(750)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 홈(650)은 제1 하부기판(610)에 형성되고, 제2 홈(750)은 제2 하부기판(710)에 형성된다. 제1 홈(650)은 제1-1 홈(651) 및 제1-2 홈(652)을 포함하고, 제1-1 홈(651)은 제1 하부기판(610)의 한 외곽인 제1 외곽(610S1)에 형성되고, 제1-2 홈(652)은 제1 하부기판(610)의 다른 외곽인 제2 외곽(610S2)에 형성될 수 있다. 제2 홈(750)은 제2-1 홈(751) 및 제2-2 홈(752)을 포함하고, 제2-1 홈(751)은 제2 하부기판(710)의 한 외곽인 제1 외곽(710S1)에 형성되고, 제2-2 홈(752)은 제2 하부기판(710)의 다른 외곽인 제2 외곽(710S2)에 형성될 수 있다. 이때, 제1-1 홈(651)의 중심과 제1-2 홈(652)의 중심을 잇는 가상의 선(V)은 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622) 사이의 영역과 수직으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다. 제2-1 홈(751)의 중심과 제2-2 홈(752)의 중심을 잇는 가상의 선은 제2-1 상부기판(721) 및 제2-2 상부기판(722) 사이의 영역과 수직으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다. 제1-1 홈(651) 및 제1-2 홈(652)은 제1-1 전극부(631) 및 제1-2 전극부(632)를 연결하는 연결전극(633)이 연장된 방향과 수직하는 방향을 따라 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 제2-1 홈(751) 및 제2-2 홈(752)은 제2-1 전극부(731) 및 제2-2 전극부(732)를 연결하는 연결전극(733)이 연장된 방향과 수직하는 방향을 따라 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
이때, 제1-2 홈(652) 및 제2-1 홈(751)은 서로 대응되는 위치에 배치되며, 제1-2 홈(652) 및 제2-1 홈(751)은 하나의 홀(h1)을 형성할 수 있다. 제1-2 홈(652) 및 제2-1 홈(751)에 의해 형성된 홀(h1)은 체결부재(미도시)가 통과하기 위한 홀이 될 수 있다.
그리고, 프레임(800)은 제1-2 홈(652) 및 제2-1 홈(751)에 의해 형성된 홀(h1)에 대응하는 홀(h2)을 포함할 수 있다. 체결부재(미도시)는 홀(h2) 및 홀(h1)을 관통할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700)은 하나의 체결부재에 의하여 동시에 고정될 수 있다. 이에 따르면, 반도체 소자가 배치되는 유효 영역 내에 체결부재를 관통시킬 필요가 없으므로, 전극부 및 반도체 소자의 배치가 용이하며, 단위 면적 당 열전 성능을 개선할 수 있다. 복수 개의 제1-2 홈(652) 및 복수 개의 제2-1 홈(751)은 서로 대응되는 위치에 배치되며, 복수 개의 제1-2 홈(652) 및 복수 개의 제2-1 홈(751)은 복수 개의 홀(h1)을 형성할 수도 있다.
이때, 체결부재(미도시)의 헤드 부분은 프레임(800)의 홀(h2)의 가장자리 상부에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 제1-1 상부기판(621)의 4 개의 모서리 중 홀(h2)에 인접한 모서리, 제1-2 상부기판(622)의 4개의 모서리 중 홀(h2)에 인접한 모서리, 제2-1 상부기판(721)의 4개의 모서리 중 홀(h2)에 인접한 모서리 및 제2-2 상부기판(722)의 4개의 모서리 중 홀(h2)에 인접한 모서리는 각각 제1 내지 제4 컷팅부(621C, 622C, 721C, 722C)를 포함할 수 있다. 여기서, 컷팅부는 모따기 형상을 의미할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프레임(800)은 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722) 사이에 배치되기 위하여, 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722) 각각을 둘러싸는 제1 내지 제4 개구(810, 820, 830, 840)를 포함할 수 있다. 프레임(800)의 제1 내지 제4 개구(810, 820, 830, 840)는 각각 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722) 각각의 외곽에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 즉, 프레임(800)의 제1 내지 제4 개구(810, 820, 830, 840) 각각의 4개의 모서리 중 홀(h2)에 인접한 모서리는 제1-1 상부기판(621), 제1-2 상부기판(622), 제2-1 상부기판(721), 및 제2-2 상부기판(722)의 제1 내지 제4 컷팅부(621C, 622C, 721C, 722C)에 대응하는 형상을 가질 수 있다.
도시되지 않았으나, 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 하부기판(610)과 복수의 반도체 소자 사이에는 제1 절연층이 배치되고, 복수의 반도체 소자와 제1 상부기판(620) 사이에는 제2 절연층이 배치될 수 있다. 제1 절연층과 복수의 반도체 소자 사이에는 제3 절연층이 더 배치될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제1 하부기판(610)과 복수의 반도체 소자 사이에는 제1-1 전극부(631) 및 제1-2 전극부(632)가 배치되고, 제2 하부기판(710)과 복수의 반도체 소자 사이에는 제2-1 전극부(731) 및 제2-2 전극부(632)가 배치될 수 있다.
그리고, 제1 하부기판(610) 상에는 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)을 향하여 연장된 연장 전극(634)이 더 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 제2 유체는 제4 외곽(610S4)으로부터 제3 외곽(610S3)을 향하는 방향으로 흐를 수 있다. 즉, 연장 전극(634)은 제2 유체가 유입되는 방향을 향하여 배치될 수 있다. 연장 전극(634)의 면적은 제1-1 전극부(631) 및 제1-2 전극부(632)를 이루는 각 전극의 면적보다 클 수 있다. 연장 전극(634)에는 커넥터가 배치되며, 커넥터에는 배선이 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연장전극(634) 상에는 절연부재(900)가 더 배치된다. 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700) 상에 하나의 절연부재(900)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예는 이로 제한되는 것은 아니며, 각 열전모듈에 각 절연부재가 배치될 수도 있다. 절연부재(900)는 제1 및 제2 열전모듈(600, 700)과 유체유동부(1100) 간 접합력을 균일하게 유지하고, 커넥터에 연결되는 배선을 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연부재(900)는 개구(910)가 형성된 절연 프레임(920)을 포함하며, 개구(910)는 연장전극(634)에 대응하는 위치에 배치될 수 있고, 개구(910)는 수지로 채워질 수 있다. 이에 따라, 연장전극(634) 상에 수지가 배치되어 절연될 수 있으며, 제1 및 제2 열전모듈(600, 700)의 내전압 성능을 높일 수 있다. 여기서, 수지는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 포함할 수 있다. 절연 프레임(920)이 플라스틱 소재를 포함할 경우, 절연 프레임(920)은 다양한 크기 및 형상으로 용이하게 성형될 수 있다. 예를 들어, 절연 프레임(920)은 PPS(polyphenylene sulfide) 등과 같이 고온에서 적용 가능한 플라스틱 소재일 수 있다. 이에 따르면, 고온인 제2 유체에 의하여 절연 프레임(920)의 형상이 변형되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연 프레임(920)의 개구(910) 사이에 관통홀(930)이 형성될 수 있고, 관통홀(930)에는 체결부재가 체결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연부재(900)는 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700)에 대하여 각각 배치될 수도 있고, 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700)에 하나의 절연부재(900)가 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4) 및 제2 하부기판(710)의 제4 외곽(710S4)에는 각각 제1-3 홈(653) 및 제2-3홈(753)이 더 배치될 수 있고, 절연부재(900)에는 제1-3 홈(653) 및 제2-3홈(753)에 대응하는 홈(940)이 더 배치될 수 있다. 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4) 및 제2 하부기판(710)의 제4 외곽(710S4)에 각각 배치된 제1-3 홈(653) 및 제2-3홈(753)과 절연부재(900)에 배치된 홈(940)은 위치 맞춤 수단이 될 수 있으며, 이들 홈은 유체유동부(1100)의 돌출부(1112)와 맞물려 위치 정렬될 수 있다.
도 15를 참조하면, 500MΩ이상의 절연 저항을 얻기 위하여, 12mm 이상의 절연 거리가 보장되어야 한다. 본 명세서에서, 절연 거리는 반도체 소자가 배치된 유효 영역으로부터 기판의 외곽까지의 최단 절연 거리를 의미할 수 있다. 본 발명의 실시예와 같이 연장전극(634) 상에 절연 프레임(920)이 배치될 경우, 절연 프레임(920)의 높이에 의하여 절연 거리가 늘어날 수 있으며, 이에 따라 보다 높은 절연 저항을 얻을 수 있다. 예를 들어, 최단 절연 거리는 (2*절연 프레임의 높이+절연 프레임의 길이)에 의하여 정의될 수 있다. 여기서, 절연 프레임의 높이는 하부기판을 기준으로 제1 방향에 따른 높이로 정의되고, 절연 프레임의 길이는 제3 방향에 따른 길이로 정의될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연장전극(634)으로부터 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)까지의 거리에 대한 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)으로부터 복수의 반도체 소자 중 가장 가까운 반도체 소자까지의 거리의 비는 1.5배 이상 3.5배 이하일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 연장전극(634)으로부터 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)까지의 거리에 대한 절연 프레임(920)의 높이의 비는 0.25배 이상 0.7배 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)으로부터 복수의 반도체 소자 중 가장 가까운 반도체 소자까지의 거리가 9mm 내지 21mm이고, 연장전극(634)으로부터 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)까지의 거리는 3mm 내지 14mm이며, 절연 프레임(920)의 높이는 1.5mm 내지 4mm일 수 있다. 즉, 연장전극(634)으로부터 제1 하부기판(610)의 제4 외곽(610S4)까지의 거리는 3mm인 경우에도, 절연 프레임(920)으로 인하여 12mm의 절연 거리가 보장될 수 있다. 이에 따르면, 높은 절연 저항을 만족시킬 뿐만 아니라, 열전 성능을 얻기 위하여 반도체 소자가 배치되는 유효 영역의 면적을 최대화할 수 있으며, 절연 프레임(920)이 히트싱크를 통과하는 제2 유체의 유로를 방해하지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 프레임(800)은 제1 내지 제4 상부 기판을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 프레임(800)은 절연 물질을 포함하므로, 프레임(800)으로 인해 열전모듈의 절연거리가 더욱 커질 수도 있다.
여기서, 열전모듈(1200)이 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700)을 포함하며, 제1 및 제2 열전모듈(600, 700)은 각각 제1 및 제2 하부 기판(610, 710)을 포함하는 것으로 설명되고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 하부 기판(610, 710)은 하나의 하부기판으로 구현되고, 하나의 하부 기판 상에 제1 내지 제4 상부기판(621, 622, 721, 722)이 배치되며, 제1 내지 제4 상부기판(621, 622, 721, 722) 사이의 이격 영역에 대응하도록 프레임(800) 및 하부기판에 홀이 형성될 수도 있다.
한편, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 열전모듈(1200) 내로 수분 또는 오염물질이 침투하는 것을 방지하기 위하여, 실드부재(1500)가 더 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 유체유동부(1100)는 제1면(1110) 및 제1면(1110)과 제1 방향으로 이격된 제2 면(1120)을 포함하고, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 각각 열전모듈(1200)이 배치된다. 제1 유체는 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120) 사이를 관통하도록 흐르고, 제1 유체보다 고온인 제2 유체는 제1 방향 및 제2 방향에 수직하는 제3 방향을 따라 열전모듈(1200)의 히트싱크(1220)를 따라 흐른다. 여기서, 제3 방향은 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향일 수 있다.
도 16 내지 도 23은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재를 조립하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 24는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재가 조립된 상태에서의 단면도이며, 도 25는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에서 제3 실드부재를 제거한 상태의 사시도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 유체유동부(1100)의 제1 면(1110) 및 제2 면(1120)에 각각 열전모듈(1200)이 조립된 상태에서, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 제1 실드부재(1510)를 배치한다.
제1 실드부재(1510)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 배치되되, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)의 일부까지 덮도록 연장될 수 있다. 예를 들어, 제1 실드부재(1510)의 단면은 "ㄷ" 형상일 수 있다. 이에 따르면, 제1 실드부재(1510)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)뿐만 아니라, 제1면(1110)과 제3면(1130) 간 경계 및 제2면(1120)과 제3면(1130) 간 경계도 보호할 수 있다.
이때, 유체유동부(1100)과 제1 실드부재(1510) 사이에는 제1 단열부재(1610)가 더 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 실드부재(1510)의 표면에 고온의 제2 유체가 흐르더라도, 유체유동부(1100) 내 제1 유체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 제1 실드부재(1510)에는 체결홀(1512)이 형성되며, 이를 통하여 유체유동부(1100)의 제3면(1130)과 체결될 수 있다. 이에, 제1 단열부재(1610)는 체결홀(1512) 사이에 배치될 수 있다.
다음으로, 도 18 및 도 19를 참조하면, 유체유동부(1100)의 제1 면(1110) 및 제2 면(1120)에 각각 열전모듈(1200)이 조립되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 제1 실드부재(1510)가 조립된 상태에서, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 열전모듈(1200)에 제2 실드부재(1520)를 배치한다. 이때, 제2 실드부재(1520)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 배치된 제1 실드부재(1510)의 일부를 덮도록 유체유동부(1100)의 제3면(1130)까지 연장될 수 있다. 이와 함께, 유체유동부(1100)의 제2면(1120) 및 열전모듈(1200)에도 제2 실드부재(1520)와 대칭하는 제4 실드부재(1540)를 배치할 수 있고, 제4 실드부재(1540)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 배치된 제1 실드부재(1510)의 일부를 덮도록 유체유동부(1100)의 제3면(1130)까지 연장될 수 있다. 이에 따르면, 제1 실드부재(1510)와 제2 실드부재(1520) 간 갭 및 제1 실드부재(1510)와 제4 실드부재(1540) 간 갭이 제2 유체가 흐르는 방향에 직접 배치되지 않으므로, 제2 유체가 제1 실드부재(1510)와 제2 실드부재(1520) 간 갭 및 제1 실드부재(1510)와 제4 실드부재(1540) 간 갭 사이로 흐르는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 제2 실드부재(1520) 및 제4 실드부재(1540)는 각각 서로 대응하도록 배치되는 홈(1522, 1542)을 포함하며, 홈(1522, 1542)은 제3면(1130)에 배치되고, 제1 실드부재(1510)의 체결홀(1512)과 대응하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 체결부재(미도시)는 제2 실드부재(1520) 및 제4 실드부재(1540)의 홈(1522, 1542)에 의해 형성된 홀 및 제1 실드부재(1510)의 체결홀(1512)을 관통하여 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 고정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 열전모듈(1200)은 유체유동부(1100) 상에 배치된 열전소자 및 열전소자 상에 배치된 히트싱크를 포함하며, 열전모듈(1200)은 제1 열전모듈(600) 및 제1 열전모듈(600)과 인접하여 배치된 제2 열전모듈(700)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 실드부재(1520)는 히트싱크가 노출되는 관통홀(1524)을 포함하며, 관통홀(1524)의 가장자리는 제1 열전모듈(600) 및 제2 열전모듈(700)의 상부기판 상에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 고온의 제2 유체는 히트싱크를 통하여 제3 방향을 따라 흐를 수 있다.
다음으로, 도 20 및 도 21을 참조하면, 유체유동부(1100)의 제1 면(1110) 및 제2 면(1120)에 각각 열전모듈(1200)이 조립되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 제1 실드부재(1510)가 조립되며, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에 제2 실드부재(1520) 및 제4 실드부재(1540)가 조립된 상태에서, 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 제3 실드부재(1530)를 배치한다.
제3 실드부재(1530)는 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 배치되되, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)의 일부까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 제3 실드부재(1530)의 단면은 "ㄷ" 형상일 수 있다. 이에 따르면, 제3 실드부재(1530)는 유체유동부(1100)의 제4면(1140)뿐만 아니라, 제1면(1110)과 제4면(1140) 간 경계 및 제2면(1120)과 제4면(1140) 간 경계도 보호할 수 있다. 또한, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120) 상에서 제2 유체가 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하여 흐르는 구조에서, 제2 및 제4 실드부재(1520, 1540) 상에 제3 실드부재(1530)가 배치되는 경우, 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 제2 및 제4 실드부재(1520, 1540)와 제3 실드부재(1530) 간 갭이 직접 노출되는 것은 아니므로, 제2 유체가 제2 및 제4 실드부재(1520, 1540)와 제3 실드부재(1530) 사이에 스며드는 문제를 최소화할 수 있다.
이때, 유체유동부(1100)와 제3 실드부재(1530) 사이에는 제2 단열부재(1620)가 더 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제3 실드부재(1530)의 표면에 고온의 제2 유체가 흐르더라도, 유체유동부(1100) 내 제1 유체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 고온의 제2 유체가 유체유동부(1100) 내 제1 유체에 미치는 영향을 최소화하기 위하여, 유체유동부(1100)와 제3 실드부재(1530) 사이에 배치되는 제2 단열부재(1620)도 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)의 일부까지 연장될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제3 실드부재(1530)에는 체결홀이 형성되며, 이를 통하여 유체유동부(1100)의 제4면(1140)과 체결될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제3 실드부재(1530)와 제2 실드부재(1520) 간 경계 및 제3 실드부재(1530)와 제4 실드부재(1540) 간 경계에는 실링부재(1532)가 도포될 수 있다. 이에 따르면, 고온의 제2 유체가 제3 실드부재(1530)와 제2 실드부재(1520) 간 경계 및 제3 실드부재(1530)와 제4 실드부재(1540) 간 경계로 침투하는 문제가 방지될 수 있다.
한편, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 유체유동부(1100)는 유로 영역(500), 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)을 포함한다. 그리고, 열전모듈(1200)과 제1 내지 제4 실드부재(1510, 1520, 1530, 1540)는 모두 유로 영역(500) 상에 배치된다.
도 22 내지 도 23을 참조하면, 유체유동부(1100) 상에 열전모듈(1200)과 제1 내지 제4 실드부재(1510, 1520, 1530, 1540)가 모두 배치된 상태에서, 유체 유입 영역(510) 상에 제5 실드부재(1550)를 더 배치하고, 유체 배출 영역(520) 상에 제6 실드부재(1560)를 더 배치한다. 이때, 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560)는 각각 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 및 제4면(1140)의 일부를 커버하도록 연장될 수 있다. 그리고, 유체 유입 영역(510)과 제5 실드부재(1550) 사이 및 유체 배출 영역(520)과 제6 실드부재(1560) 사이에는 각각 제3 단열부재(1630) 및 제4 단열부재(1640)가 더 배치될 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이, 열전모듈의 연장 전극은 제2 유체가 유입되는 방향을 향하여 연장되며, 연장 전극에는 커넥터가 배치되며, 커넥터에는 배선이 연결될 수 있다.
즉, 제2 유체가 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하여 흐르는 경우, 연장 전극, 커넥터 및 배선은 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 측에 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 제5 실드부재(1550)는 제4면(1140) 상에 배치된 홈(1552)을 포함할 수 있고, 홈(1552)을 통하여 배선이 외부로 인출될 수 있다.
도 24를 참조하면, 제2 유체는 제3 방향을 따라 흐른다. 즉, 제3 실드부재(1530)가 제2 실드부재(1520) 상에 배치되고, 제2 실드부재(1520)가 제1 실드부재(1510) 상에 배치된 구조에서, 제2 유체가 제3 실드부재(1530), 제2 실드부재(1520) 및 제1 실드부재(1510)를 따라 순차적으로 흐른다. 이에 따르면, 제2 유체는 제3 실드부재(1530)와 제2 실드부재(1520) 사이 및 제2 실드부재(1520)와 제1 실드부재1510) 사이에 스며들지 않고 제3 방향을 따라 통과할 수 있다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구조에 의하면, 열전장치(1000)로부터 제3 실드부재(1530)만을 제거할 수 있으며, 이에 따라 연장 전극, 커넥터 및 배선 등이 노출될 수 있다. 연장 전극, 커넥터 및 배선에 고장이 발생한 경우, 전체 열전장치(1000)를 분해하거나 교체할 필요 없이, 제3 실드부재(1530)의 제거만으로 수리가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 열전장치는 열전 시스템을 이룰 수도 있다.
도 26은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템이고, 도 27 내지 도 29는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에 배선보호부를 조립하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 30은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에 포함되는 상부 구조물의 사시도이다.
도 26 내지 도 29를 참조하면, 열전 시스템(2500)은 제1 열전장치(1000-1), 제1 열전장치(1000-1)와 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 제2 열전장치(1000-2), 제2 열전장치(1000-2)와 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 제3 열전장치(1000-3), 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)와 전기적으로 연결된 배선부(W), 그리고 배선부(W)의 적어도 일부를 둘러싸도록 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 일측 상부에 배치된 배선보호부(1700)를 포함한다.
제1 유체는 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3) 각각을 관통하도록 흐르고, 제1 유체보다 고온인 제2 유체는 제1 방향 및 제2 방향에 수직하는 제3 방향을 따라 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3) 사이를 흐를 수 있다.
제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)는 각각 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 열전장치일 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 열전장치에 포함된 열전모듈에 연결된 배선(W)은 유체유동부(1100)의 유체 유입 영역(510)의 상단, 즉 유체유동부(1100)의 유체 유입 영역(510)의 제4면(1140)으로 인출된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배선보호부(1700)는 제1 방향을 따라 이격되어 배치된 복수의 열전장치, 예를 들어 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 일측 상부에 배치된다. 여기서, 일측은 유체유동부(1100)의 유체 유입 영역(510)을 의미하며, 상부는 제2 유체가 유입되는 방향에 배치된 면, 즉 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 제3 방향으로 제2 유체가 흐르는 경우, 유체유동부(1100)의 제4면(1140)을 의미한다.
배선보호부(1700)는 복수의 열전장치로부터 인출된 배선을 모아 외부로 가이드하는 역할을 한다. 배선보호부(1700)가 유체유동부(1100)의 일측 상부, 즉 유체 유입 영역(510)에 배치된 경우, 유로 영역(520)에 배치된 열전모듈(1200)을 통과하는 제2 유체의 흐름을 방해하지 않으므로, 열전성능을 높일 수 있다. 또한, 유체 배출 영역(520)보다 유체 유입 영역(510)의 온도가 낮으므로, 배선보호부(1700)를 통과하는 배선의 온도를 보다 낮은 상태로 유지할 수 있다.
도 26 내지 도 27을 참조하면, 배선보호부(1700)는 복수의 열전장치(1000-1, ..., 1000-3) 상에 배치된 바닥부(1710), 바닥부(1710)의 제1 말단(1711)으로부터 바닥부(1710)의 상부 방향을 향하여 연장된 제1 측벽(1720), 바닥부(1710)의 제1 말단(1711)과 제1 방향을 따라 이격된 제2 말단(1712)으로부터 바닥부(1710)의 상부 방향을 향하여 연장된 제2 측벽(1730), 제1 측벽(1720) 및 제2 측벽(1730) 사이에 배치되고 바닥부(1710)의 제1 말단(1711)과 제2 말단(1712) 사이의 제3 말단(1713)으로부터 바닥부(1710)의 상부 방향을 향하여 연장된 제3 측벽(1740), 제1 측벽(1720) 및 제2 측벽(1730) 사이에 배치되고 바닥부(1710)의 제3 말단(1713)과 제2 방향을 따라 이격된 제4 말단(1714)으로부터 바닥부(1710)의 상부 방향을 향하여 연장된 제4 측벽(1742), 바닥부(1710)와 이격되고 제3 측벽(1740)으로부터 제2 방향을 향하여 연장된 제1 탑부(1780), 바닥부(1710)와 이격되고 제4 측벽(1742)으로부터 제2 방향과 반대방향으로 연장된 제2 탑부(1790), 그리고 제2 탑부(1790)로부터 상부 바닥부(1710)의 상부 방향을 향하여 연장되고 제1 탑부(1780)와 연결된 제5 측벽(1770, 1772)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 말단(1711) 및 제2 말단(1712)은 각각 제2 방향을 따라 연장되고, 제1 말단(1711) 및 제2 말단(1712)은 제1 방향을 따라 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 제3 말단(1713) 및 제4 말단(1714)은 각각 제1 방향을 따라 연장되고, 제3 말단(1713) 및 제4 말단(1714)은 제2 방향을 따라 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, 바닥부(1710)를 기준으로 제1 탑부(1780)의 높이는 제2 탑부(1790)의 높이보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제3 측벽(1740)과 제5 측벽(1771, 1772) 간의 거리는 바닥부(1710)의 상부 방향을 따라 점점 감소한다. 예를 들어, 제3 측벽(1740)이 바닥부(1710)에 대하여 거의 수직으로 배치된 경우, 제5 측벽(1770, 1772)은 바닥부(1710)로부터 상부 방향으로 멀어질수록 제3 측벽(1740)과 가까워지도록 기울어질 수 있다. 예를 들어, 제3 측벽(1740)과 제5 측벽(1771, 1772) 간의 제2 방향으로의 각도는 10 내지 70도, 바람직하게는 15 내지 60도, 더욱 바람직하게는 20 내지 50도, 더욱 바람직하게는 25 내지 40도를 이루도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 후술하는 바와 같이, 제2 유체가 유로 저항 또는 손실 없이 제1 내지 제3 열전장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이로 유입될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제3 측벽(1740)과 제4 측벽(1742)은 서로 평행하게 배치되고, 이에 따라 제3 측벽(1740)과 제4 측벽(1742) 간의 거리는 바닥부(1710)의 상부 방향을 따라 동일할 수 있다.
또는, 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에서, 제3 측벽(1740)과 제4 측벽(1742) 간의 거리는 바닥부(1710)의 상부 방향을 따라 점점 감소할 수도 있다. 이때, 제4 측벽(1742)은 제5 측벽(1770, 1772)과 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 제3 측벽(1740)과 제5 측벽(1771, 1772) 간의 제2 방향으로의 각도는 제3 측벽(1740)과 제4 측벽(1742) 간의 제2 방향으로의 각도와 동일할 수 있다. 또는, 즉, 제3 측벽(1740)과 제5 측벽(1771, 1772) 간의 제2 방향으로의 각도는 제3 측벽(1740)과 제4 측벽(1742) 간의 제2 방향으로의 각도보다 작을 수도 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 유로 저항 또는 손실 없이 제1 내지 제3 열전장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이로 유입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배선보호부(1700)는 바닥부(1710)에서 제1 방향을 따라 이격되어 형성된 제1 홀(1750), 제2 홀(1752), 제3 홀(1754), 그리고 제3 측벽(1740)에 배치된 제4 홀(1756)을 포함한다. 이때, 제3 측벽(1740)은 제2 방향을 따라 이격된 바닥부(1710)의 양 측 중 상대적으로 유로 영역(520)에 먼 측, 즉 제1 유체의 유체 유입구 측, 즉 제3 말단(1713) 측에 배치될 수 있다.
제1 열전장치(1000-1)에 연결된 제1 배선(W1)은 제1 홀(1750)을 관통하고, 제3 측벽(1740)을 따라 상부로 연장되며, 제4 홀(1756)을 통하여 외부로 인출된다. 제2 열전장치(1000-2)에 연결된 제2 배선(W2)은 제2 홀(1752)을 관통하고, 제3 측벽(1740)을 따라 상부로 연장되며, 제4 홀(1756)을 통하여 외부로 인출된다. 제3 열전장치(1000-3)에 연결된 제3 배선(W3)은 제3 홀(1754)을 관통하고, 제3 측벽(1740)을 따라 상부로 연장되며, 제4 홀(1756)을 통하여 외부로 인출된다.
이와 같이, 배선보호부(1700)가 복수의 열전장치에 연결된 배선을 모아 외부로 인출할 경우, 배선의 연결 및 작업이 용이하며, 배선을 고온의 제2 유체로부터 보호하기 쉽다.
이때, 제1 홀(1750), 제2 홀(1752) 및 제3 홀(1754)은 배선보호부(1700)의 바닥부(1710) 및 제3 측벽(1740) 간 경계에 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 홀(1750), 제2 홀(1752) 및 제3 홀(1754)을 통과한 제1 내지 제3 배선(W1, W2, W3)은 제3 측벽(1740)과 접촉한 상태에서 제3 측벽(1740)을 따라 상부로 연장된 후 제4 홀(1756)을 통하여 외부로 인출될 수 있다. 제3 측벽(1740)은 유체유입구 측에 배치되므로, 제1 내지 제3 배선(W1, W2, W3)이 제3 측벽(1740)과 접촉하면, 제1 내지 제3 배선(W1, W2, W3)의 온도를 보다 낮은 상태로 유지할 수 있다.
도 27 내지 도 28을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 배선보호부(1700)는 단열부재(1760)를 더 포함할 수 있다. 단열부재(1760)는 제1 측벽(1720) 및 제2 측벽(1730) 사이에서 바닥부(1710) 상에 배치될 수 있다. 이때, 단열부재(1760)는 제3 측벽(1740)을 따라 연장되는 제1 배선 내지 제3 배선(W1, W2, W3)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 고온의 제2 유체가 배선보호부(1700)의 표면을 통과하더라도, 단열부재(1760)에 의하여 제1 배선 내지 제3 배선(W1, W2, W3)에 열이 가해지는 문제를 방지할 수 있다. 이때, 단열부재(1760)는 바닥부(1710)와 제1 탑부(1780) 사이에 배치된 제1 단열부재 및 바닥부(1710)와 제2 탑부(1790) 사이에 배치된 제2 단열부재를 포함할 수 있다.
이때, 제1 측벽(1720) 및 제2 측벽(1730)과 단열부재(1760) 사이는 실링부재(770)에 의하여 실링될 수 있다. 이에 따라, 제1 측벽(1720) 및 제2 측벽(1730)과 단열부재(1760) 간 틈을 통하여 제2 유체의 열이 제1 배선 내지 제3 배선(W1, W2, W3)에 가해지는 문제를 방지할 수 있다.
도 29를 참조하면, 배선보호부(1700)는 제1 측벽(1720)과 제2 측벽(1730) 사이에 배치되고, 제1 탑부(1780), 제2 탑부(1790) 및 제5 측벽(1770, 1772)의 적어도 일부를 덮는 실드 커버부(780)를 더 포함한다. 이를 위하여, 제1 탑부(1780) 및 제2 탑부(1790) 각각에는 적어도 하나의 체결홀(1782, 1784, 1792, 1794)이 형성되고, 적어도 하나의 체결홀(1782, 1784, 1792, 1794)을 통하여 체결부재를 이용해 실드 커버부(780)와 체결될 수 있다.
다시 도 26을 참조하면, 열전 시스템(2500)은 배선보호부(1700)와 제2 방향을 따라 이격되어 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 타측 상부에 배치된 상부 구조물(1800)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 타측은 제1 유체의 유체 배출구 측을 의미할 수 있다.
도 30을 참조하면, 상부 구조물(1800)의 외관 형상은 배선보호부(1700)의 외관 형상과 동일할 수 있으며, 배선보호부(1700)와 대칭으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 구조물(1800)은 단열 재료를 포함할 수 있으며, 배선보호부(1700)와 대칭되는 외관 형상으로 성형될 수 있다. 또는, 상부 구조물(1800)은 배선보호부(1700)와 동일한 소재 및 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상부 구조물(1800)도 배선보호부(1700)와 서로 대칭하는 형상으로 바닥부, 제1 측벽(1820), 제2 측벽(1830), 제3 측벽, 제4 측벽(1844), 제1 탑부(1880), 제2 탑부(1890) 및 제5 측벽(1870)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 구조물(1800)은 배선보호부(1700)에 단열부재(1760)가 채워진 형상과 동일한 형상을 가질 수 있다. 도시되지 않았으나, 상부 구조물(1800)의 제1 탑부(1880), 제2 탑부(1890) 및 제5 측벽(1870)의 적어도 일부에는 실드 커버부가 배치되며, 실드 커버부는 제1 탑부(1880) 및 제2 탑부(1890)에 형성된 체결홀(1882, 1884, 1892, 1894)을 통하여 상부 구조물(1800)에 체결될 수 있다. 이에 따르면, 열전 시스템(2500)의 양측 무게가 균형을 이룰 수 있다. 상부 구조물(1800)은 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 유체유동부(1100)의 유체 배출 영역(520) 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 배선보호부(1700)와 상부 구조물(1800)은 제2 유체의 흐름을 가이드하는 역할을 할 수도 있다.
이를 위하여, 배선보호부(1700)의 실드 커버부(780)는 제1 경사면(782)을 포함하고, 상부 구조물(1800)은 제1 경사면(782)에 대응하는 제2 경사면을 포함할 수 있다. 제1 경사면(782)은 배선보호부(1700)의 제5 측벽(1770, 1772)을 따라 배치될 수 있다. 제2 경사면은 상부 구조물(1800)의 제5 측벽(1870)이거나, 상부 구조물(1800)의 실드 커버부 중 제5 측벽(1870)을 따라 배치된 면을 의미할 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 경사면(782) 및 제2 경사면 간 거리(D)는 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 점점 좁아질 수 있다. 이에 따르면, 열전 시스템(2500)으로 유입된 제2 유체는 열전모듈(1200)이 배치된 가운데 영역으로 모인 후 제3 방향을 따라 통과할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열전 시스템은 다단으로 배치될 수도 있다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템의 사시도이고, 도 32 내지 도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템에 배선보호부를 조립하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 34는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 시스템에 포함되는 상부 구조물의 사시도이다.
도 31 내지 도 33을 참조하면, 열전 시스템(3000)은 제1 열전 시스템(3100) 및 제2 유체가 흐르는 제3 방향을 따라 제1 열전 시스템(3100) 아래에 배치된 제2 열전 시스템(3200)을 포함하며, 각 열전 시스템은 제1 방향으로 이격되도록 배치된 복수의 열전장치를 포함한다.
제1 열전 시스템(3100) 및 제2 열전 시스템(3200)에 각각 포함된 복수의 열전장치 각각에 대하여 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 내용이 적용될 수 있다.
제1 열전 시스템(3100) 및 제2 열전 시스템(3200) 각각에 대하여 도 26 내지 도 30을 통하여 설명된 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전 시스템(3100)에 포함된 배선보호부 및 상부 구조물의 외관 형상은 제2 열전 시스템(3200)에 포함된 배선보호부의 상부 구조물의 외관 형상과 상이할 수 있다.
제2 유체의 유입구에 가장 가까운 열전 시스템, 예를 들어 도 31의 제1 열전 시스템(3100)에서 배선보호부(1700) 및 상부 구조물(1800)의 마주보는 면들 간 간격(D1)은 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 점점 좁아질 수 있다. 이에 따르면, 열전 시스템(3000)으로 유입된 제2 유체는 열전모듈(1200)이 배치된 가운데 영역으로 모인 후 제3 방향을 따라 통과할 수 있다.
이와 달리, 제2 유체의 유입구에 가장 가까운 열전 시스템의 하단에 배치된 열전 시스템, 예를 들어 도 31의 제2 열전 시스템(3200)에서 배선보호부(2700) 및 상부 구조물(2800)의 형상은 제2 유체의 유입구에 가장 가까운 열전 시스템, 예를 들어 도 31의 제1 열전 시스템(3100)에서 배선보호부(1700) 및 상부 구조물(1800)의 형상과 상이하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 열전 시스템(3200)의 배선보호부(2700)의 바닥부의 폭은 탑부의 폭의 0.98 내지 1.02배이다. 이와 마찬가지로, 제2 열전 시스템(3200)의 상부 구조물(2800)의 바닥부의 폭은 탑부의 폭의 0.98 내지 1.02배이다. 여기서, 바닥부와 탑부는 제3 방향을 따라 반대로 배치될 수 있다. 예를 들어, 바닥부는 제2 열전 시스템(3200)에 포함된 복수의 열전장치를 향하도록 배치된 바닥면 또는 바닥면을 포함하는 영역일 수 있고, 탑부는 바닥면의 반대면인 탑면 또는 탑면을 포함하는 영역일 수 있다. 탑면은 제1 열전 시스템(3100)을 향하도록 배치된 면일 수 있다.
이에 따르면, 제2 유체의 유입구에 가장 가까운 열전 시스템의 하단에 배치된 열전 시스템, 예를 들어 도 31의 제2 열전 시스템(3200)에서 배선보호부(2700) 및 상부 구조물(2800)의 마주보는 면들은 서로 평행할 수 있다. 본 명세서에서, ±4% 이내의 오차 범위 이내이면, 평행한 것으로 해석될 수 있다. 즉, 도 31의 제2 열전 시스템(3200)에서 배선보호부(2700) 및 상부 구조물(2800)의 마주보는 면들 간 간격(D2)은 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 동일하거나 ±4% 이내의 편차를 가질 수 있다. 예를 들어, 배선보호부(2700)의 바닥부와 상부 구조물(2800)의 바닥부 간 최단거리와 배선보호부(2700)의 탑부와 상부 구조물(2800)의 탑부 간 최단거리의 편차는 ±4% 이내 일 수 있다. 즉, 배선보호부(2700)의 바닥부와 상부 구조물(2800)의 바닥부 간 최단거리는 배선보호부(2700)의 탑부와 상부 구조물(2800)의 탑부 간 최단거리의 0.96 내지 1.04배일 수 있다. 이에 따르면, 열전모듈(1200)이 배치된 가운데 영역 밖에서 제2 유체가 흘러 와류가 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 즉, 배선보호부(2700) 및 상부 구조물(2800)의 마주보는 면들은 제2 유체가 흐르는 경로 내에서 제2 유체의 와류를 제어하는 역할을 할 수 있다.
이를 위하여, 제2 열전 시스템(3200)의 배선보호부(2700)의 제1 및 제2 측벽(2720, 2730) 형상, 단열부재(2760) 형상 및 실드 커버부(2780) 형상은 제1 열전 시스템(3100)의 배선보호부(1700)의 제1 및 제2 측벽(1720, 1730) 형상, 단열부재(1760) 형상 및 커버부재(1780) 형상과 상이할 수 있다. 도 26 내지 도 30을 통하여 설명한 바와 같이, 실드 커버부(2780)는 제1 경사면을 포함하며, 이에 따라 제5 측벽(1770, 1772)도 실드 커버부(2780)가 배치될 수 있도록 경사면을 포함한다. 이와 달리, 제2 열전 시스템(3200)의 배선보호부(2700)의 외관 형상은 직육면체 형상일 수 있고, 이에 따라 제2 열전 시스템(3200)의 상부 구조물(2800)의 외관 형상도 배선보호부(2700)와 동일한 외관 형상인 직육면체 형상을 가질 수 있다.
즉, 제2 열전 시스템(3200)의 배선보호부(2700)는 열전장치 상에 배치되며 제5 말단(2711), 제6 말단(2712), 제7 말단 및 제8 말단(2714)에 둘러싸이는 바닥부, 바닥부의 제5 말단(2711)과 제6 말단(2712)으로부터 바닥부의 상부 방향을 향하여 각각 연장된 제6 측벽(2720) 및 제7 측벽(2730), 제6 측벽(2720) 및 제7 측벽(2730) 사이에 배치되고 바닥부의 제7 말단으로부터 상부 방향을 향하여 연장된 제8 측벽(2740), 제6 측벽(2720) 및 제7 측벽(2730) 사이에 배치되고 바닥부의 제8 말단(2714)으로부터 상부 방향을 향하여 연장된 제9 측벽(2742), 그리고 바닥부와 이격되고 제8 측벽(2740)으로부터 제2 방향을 향하여 연장된 제3 탑부(2790)를 포함한다. 이때, 제9 측벽(2740)은 제3 탑부(2790)까지 연장되며, 제8 측벽(2740) 및 제9 측벽(2740)은 서로 평행하다. 도시된 바와 같이 제9 측벽(2740)의 제1 방향에 따른 양단은 제3 탑부(2790)와 만나도록 연장될 수 있고, 이에 따라 제9 측벽(2740)은 제1 방향에 따른 양단 사이에서 오목한 형상을 가질 수 있다. 제9 측벽(2740)이 제1 방향에 따른 양단 사이에서 오목한 형상을 가지는 경우, 바닥부, 제8 측벽(2740) 및 제9 측벽(2740) 사이의 공간에 배선 및 단열부재를 배치한 후 실드 커버부(2780)를 조립하기 용이하다.
이와 마찬가지로, 제2 열전 시스템(3200)의 상부 구조물(2800)은 배선보호부(2700)에 대칭하는 측벽들(2820, 2842) 및 탑부(2980)를 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 제2 열전 시스템(3200)의 상부 구조물(2800)의 실드 커버부는 제2 열전 시스템(3200)의 배선보호부(2700)의 실드 커버부(2780)와 동일한 형상을 가질 수 있다.
여기서, 제1 열전 시스템(3100) 아래에 제2 열전 시스템(3200)이 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 제2 열전 시스템(3200) 아래에 추가의 열전 시스템이 더 배치될 수도 있다.
본 명세서 전체적으로, 열전소자(100, 1210)는 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)을 포함하는 것으로 설명되고 있으나, 열전소자(100, 1210)의 정의가 이로 제한되는 것은 아니며, 열전소자(100, 1210)는 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)을 포함하며, 제1 기판(110) 상에 배치되는 것을 의미할 수도 있다.
발전 시스템은 선박, 자동차, 발전소, 지열, 등에서 발생하는 열원을 통해 발전할 수 있고, 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 발전 장치를 배열할 수 있다. 이때, 각 발전 장치는 열전모듈과 유체유동부 간 접합력을 개선하여 열전소자의 저온부의 냉각 성능을 개선할 수 있으며, 이에 따라 발전 장치의 효율 및 신뢰성을 개선할 수 있으므로, 선박이나 차량 등의 운송 장치의 연료 효율을 개선할 수 있다. 따라서 해운업, 운송업에서는 운송비 절감과 친환경 산업 환경을 조성할 수 있고, 제철소 등 제조업에 적용되는 경우 재료비 등을 절감할 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 (10)

  1. 제1 열전모듈; 그리고
    상기 제1 열전모듈과 인접하여 배치되는 제2 열전모듈을 포함하고,
    상기 제1 열전모듈은,
    제1 하부기판;
    상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및
    상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제1 상부기판을 포함하고,
    상기 제2 열전모듈은,
    제2 하부기판;
    상기 제2 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자; 및
    상기 복수의 반도체 소자 상에 배치되는 제2 상부기판을 포함하고,
    상기 제1 열전모듈은 제1 홈을 포함하고,
    상기 제2 열전모듈은 상기 제1 홈과 대응되는 위치에 배치된 제2 홈을 포함하는 열전모듈 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 상기 제1 하부기판의 제1 영역에 배치되는 제1-1 반도체 소자들과 상기 제1 하부기판의 제2 영역에 배치되는 제1-2 반도체 소자들을 포함하고,
    상기 제2 하부기판 상에 배치되는 복수의 반도체 소자는 상기 제2 하부기판의 제3 영역에 배치되는 제2-1 반도체 소자들과 상기 제2 하부기판의 제4 영역에 배치되는 제2-2 반도체 소자들을 포함하고,
    상기 제1 상부기판은 상기 제1-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 반도체 소자들 상에 배치되는 상기 제1-2 상부기판을 포함하고,
    상기 제2 상부기판은 상기 제2-1 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-1 상부기판과 상기 제2-2 반도체 소자들 상에 배치되는 제2-2 상부기판을 포함하는 열전모듈 어레이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 홈은 상기 제1 하부기판의 일측에 형성되고,
    상기 제2 홈은 상기 제2 하부기판의 일측에 형성된 열전모듈 어레이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 상기 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 상부기판 사이의 영역에 대응되는 위치에 배치되는 열전모듈 어레이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 하부기판과 상기 제2 하부기판 상에 배치되고, 상기 제1 상부기판과 상기 제2 상부기판 사이에 배치되는 프레임을 포함하고,
    상기 프레임은 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈에 대응하는 홀을 포함하는 열전모듈 어레이.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 제1-1 상부기판과 상기 제1-2 상부기판 사이 및 상기 제2-1 상부기판과 상기 제2-2 상부기판 사이에 배치되는 열전모듈 어레이.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 연결하는 연결 전극을 더 포함하고,
    상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상기 연결 전극이 연장된 방향과 수직한 방향을 따라 서로 중첩되는 위치에 배치되는 열전모듈 어레이.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1홈과 상기 제2홈에 배치되는 체결부재를 더 포함하고,
    상기 제1 상부기판은 제1 컷팅부를 포함하고,
    상기 제2 상부기판은 제2 컷팅부를 포함하고,
    상기 제1 컷팅부와 상기 제2 컷팅부는 상기 제1 상부기판과 상기 제2 상부기판의 상기 체결부재와 인접한 모서리부인 열전모듈 어레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 제1 컷팅부 및 상기 제2 컷팅부와 대응되는 형상을 갖는 열전모듈 어레이.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하부기판과 상기 복수의 반도체 소자 사이에 배치되는 제1 절연층; 및
    상기 복수의 반도체 소자와 상기 제1 상부기판 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함하는 열전모듈 어레이.
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