WO2024117759A1 - 열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 - Google Patents

열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 Download PDF

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WO2024117759A1
WO2024117759A1 PCT/KR2023/019411 KR2023019411W WO2024117759A1 WO 2024117759 A1 WO2024117759 A1 WO 2024117759A1 KR 2023019411 W KR2023019411 W KR 2023019411W WO 2024117759 A1 WO2024117759 A1 WO 2024117759A1
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봉상훈
조용상
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엘지이노텍 주식회사
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본 발명의 한 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 배치된 제1 실드부재, 상기 제1면 및 상기 제2면 사이에 형성되고 상기 제3면과 대향하는 제4면에 배치된 제2 실드부재, 그리고 상기 제1면 및 상기 제1 열전모듈에 배치되며, 상기 제3면 및 상기 제4면으로 연장된 제3 실드부재를 포함하고, 상기 제3 실드부재는 상기 제3면에 배치된 제3-1 영역, 상기 제1면에 배치된 제3-2 영역 및 상기 제4면에 배치된 제3-3 영역을 포함하며, 상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 방향을 따라 상기 제3면, 상기 제1 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-1 영역은 순차적으로 배치되고, 상기 제3면으로부터 상기 제4면을 향하는 방향을 따라 상기 제4면, 상기 제2 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-3 영역은 순차적으로 배치된다.

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 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 배치된 제1 실드부재, 상기 제1면 및 상기 제2면 사이에 형성되고 상기 제3면과 대향하는 제4면에 배치된 제2 실드부재, 그리고 상기 제1면 및 상기 제1 열전모듈에 배치되며, 상기 제3면 및 상기 제4면으로 연장된 제3 실드부재를 포함하고, 상기 제3 실드부재는 상기 제3면에 배치된 제3-1 영역, 상기 제1면에 배치된 제3-2 영역 및 상기 제4면에 배치된 제3-3 영역을 포함하며, 상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 방향을 따라 상기 제3면, 상기 제1 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-1 영역은 순차적으로 배치되고, 상기 제3면으로부터 상기 제4면을 향하는 방향을 따라 상기 제4면, 상기 제2 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-3 영역은 순차적으로 배치된다.
상기 제3 실드부재는 상기 제3-1 영역으로부터 상기 제3-3 영역까지 4개 이하의 굴곡부를 포함할 수 있다.
상기 제3 실드부재는 상기 제3-1 영역과 상기 제3-2 영역 사이에 배치된 제1 굴곡부, 상기 제3-2 영역 내에 배치된 제2 및 제3 굴곡부 및 상기 제3-2 영역과 상기 제3-3 영역 사이에 배치된 제4 굴곡부를 포함할 수 있다.
상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 방향을 따라 상기 제3-1 영역 상에 배치된 제1 유체가이드, 그리고 상기 제3면으로부터 상기 제4면을 향하는 방향을 따라 상기 제3-3 영역 상에 배치된 제2 유체가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유체가이드 및 상기 제2 유체가이드 중 적어도 하나는 상기 제3면 및 상기 제4면 중 적어도 하나에 평행한 면을 포함할 수 있다.
상기 제1 유체가이드의 상기 제1 방향에 따른 최대 폭은 상기 제2 유체가이드의 상기 제1 방향에 따른 최대 폭보다 클 수 있다.
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, 상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크, 일부 영역은 상기 제1 기판 상에 배치되고, 나머지 일부 영역은 상기 제1면 상에서 상기 제1 기판의 제1 외곽과 상기 제3면 사이에 배치된 제1 프레임, 그리고 일부 영역은 상기 제1 기판 상에 배치되고, 나머지 일부 영역은 상기 제1면 상에서 상기 제1 기판의 제2 외곽과 상기 제4면 사이에 배치된 제2 프레임을 포함할 수 있다.
상기 제1 프레임의 상기 나머지 일부 영역과 상기 제3 실드부재 각각에는 서로 대응하는 제1 관통홀이 배치되며, 상기 제1 관통홀은 상기 제1 기판과 상기 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않고, 상기 제2 프레임의 상기 나머지 일부 영역과 상기 제3 실드부재 각각에는 서로 대응하는 제2 관통홀이 배치되며, 상기 제2 관통홀은 상기 제1 기판과 상기 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 제1 프레임의 상기 나머지 일부 영역 및 상기 제2 프레임의 상기 나머지 일부 영역 중 적어도 하나는 상기 제3 실드부재를 향하도록 배치된 상면 및 상기 제1면을 향하도록 배치된 하면을 포함하고, 상기 하면에는 홈이 형성되며, 상기 홈의 상기 제1 방향에 따른 깊이는 상기 제1 기판의 상기 제1 방향에 따른 높이보다 클 수 있다.
상기 홈은 실링재로 채워질 수 있다.
상기 제2면 및 상기 제2 열전모듈에 배치되며, 상기 제3면 및 상기 제4면으로 연장된 제4 실드부재를 더 포함하고, 상기 제1 프레임의 상기 나머지 일부 영역에서 상기 제3 실드부재와 상기 제4 실드부재 간 거리는 상기 제2 프레임의 상기 나머지 일부 영역에서 상기 제3 실드부재와 상기 제4 실드부재 간 거리보다 클 수 있다.
상기 제4 실드부재는 상기 제3 실드부재와 대칭일 수 있다.
상기 제1 프레임은 상기 제1 열전모듈에 연결된 전선을 가이드할 수 있다.
상기 제2 프레임은 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이를 실링할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전시스템은 열전장치, 상기 열전장치에 전기적으로 연결된 배선부, 그리고 상기 배선부를 수용하도록 상기 열전장치의 일측 상부에 배치된 배선수용부를 포함하고, 상기 배선수용부는 상기 열전장치의 일측 상부에 배치된 케이스, 그리고 상기 케이스를 덮는 커버를 포함하고, 상기 케이스의 바닥부에는 상기 배선부가 통과하는 바닥홀이 형성되고, 상기 케이스의 측벽에는 상기 배선부가 통과하는 측벽홀이 형성되며, 상기 바닥부는 상기 커버를 향하도록 배치된 바닥부 상면 및 상기 열전장치를 향하도록 배치된 바닥부 하면을 포함하고, 상기 바닥부의 하면은 상기 바닥홀의 가장자리를 따라 상기 열전장치를 향하는 방향으로 돌출된 제1 단차부를 포함한다.
상기 열전장치는, 유체유동부, 상기 유체유동부 상에 배치된 열전모듈, 그리고 상기 유체유동부 상에서 상기 열전모듈의 측면에 배치된 실드부재를 포함하고, 상기 배선수용부는 상기 실드부재의 상부 상에 배치되고, 상기 실드부재의 상부에는 상기 배선부가 통과하는 상부홀이 형성되고, 상기 상부홀은 상기 바닥홀에 대응하도록 배치될 수 있다.
상기 실드부재의 상부는 상기 배선수용부를 향하도록 배치된 상면, 그리고 상기 유체유동부를 향하도록 배치된 하면을 포함하고, 상기 상면은 상기 상부홀의 가장자리를 따라 상기 배선수용부를 향하는 방향으로 돌출된 제2 단차부를 포함할 수 있다.
상기 제2 단차부는 상기 제1 단차부에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
상기 제1 단차부와 상기 제2 단차부는 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 케이스의 측벽은 상기 케이스의 외부를 향하도록 배치된 케이스 외면 및 상기 케이스의 내부를 향하도록 배치된 케이스 내면을 포함하고, 상기 케이스 외면은 상기 측벽홀의 가장자리를 따라 상기 케이스의 외부를 향하는 방향으로 돌출된 제3 단차부를 포함할 수 있다.
상기 제1 단차부와 상기 제2 단차부 간 이격 거리는 상기 제3 단차부의 높이보다 클 수 있다.
상기 제2 단차부의 높이는 상기 배선수용부의 상기 바닥부 하면보다 높고 상기 배선수용부의 바닥부 상면보다 낮을 수 있다.
상기 실드부재의 상부와 상기 배선수용부 사이에 배치된 단열부재를 더 포함할 수 있다.
상기 배선수용부는 상기 케이스와 상기 커버 사이에 배치된 단열부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전시스템은 제1 열전장치, 상기 제1 열전장치와 이격되도록 배치된 제2 열전장치, 상기 제1 열전장치에 전기적으로 연결된 제1 배선부, 상기 제2 열전장치에 전기적으로 연결된 제2 배선부, 상기 제1 배선부 및 상기 제2 배선부를 수용하도록 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 일측 상부에 배치된 배선수용부를 포함하고, 상기 배선수용부는 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치의 일측 상부에 배치된 케이스, 그리고 상기 케이스를 덮는 커버를 포함하고, 상기 케이스의 바닥부에는 상기 제1 배선부가 통과하는 제1 바닥홀 및 상기 제2 배선부가 통과하는 제2 바닥홀이 형성되고, 상기 케이스의 측벽에는 상기 제1 배선부 및 상기 제2 배선부가 통과하는 측벽홀이 형성되며, 상기 바닥부는 상기 커버를 향하도록 배치된 바닥부 상면 및 상기 열전장치를 향하도록 배치된 바닥부 하면을 포함하고, 상기 바닥부의 하면은 상기 제1 바닥홀 및 상기 제2 바닥홀의 가장자리를 따라 상기 제1 열전장치 및 상기 제2 열전장치를 향하는 방향으로 각각 돌출된 제1 단차부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구조가 간단하고, 조립이 용이하면서도 소정의 공간 내에 최대 개수의 열전소자를 수용할 수 있는 열전 시스템을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고온부와 저온부 간 온도 차를 크게 하여 열전성능이 높은 열전 시스템을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 시스템은 고온부와 저온부 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성하는 발전장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 시스템은 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 일부 분해도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 포함되는 유체유동부의 사시도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 프레임의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제2 프레임의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재가 조립된 상태에서의 단면도이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 도 10의 R1 및 R2의 확대 단면을 도시한다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 각각 도 9의 R3 및 R4의 확대 단면을 도시한다.
도 13은 본 발명의 유체 가이드의 하면을 도시한다.
도 14는 비교예 및 실시예에 따른 열전장치의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 복수의 열전장치의 일측 상부에 배치된 배선수용부의 분해사시도이다.
도 17은 도 16의 D1의 확대도이다.
도 18(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 케이스의 상면 사시도이고, 도 18(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 케이스의 저면 사시도이 사시도이다.
도 19(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 제6 실드부재의 사시도이고, 도 19(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 제5 실드부재의 사시도이다.
도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에서 실드부재와 배선수용부가 조립된 상태에서 배선수용부의 내부 구조를 나타내는 단면 사시도이다.
도 21은 도 20의 E1 영역의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 내부 구조를 도시한다.
도 23은 도 22의 F1 영역의 상면도이다.
도 24는 도 22의 F2 영역의 단면도이다.
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 일부 분해도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 포함되는 유체유동부의 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 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, 제5면(1150)으로부터 제6면(1160)을 향하는 방향, 즉 제1 유체가 통과하는 방향을 제2 방향이라고 지칭하며, 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향, 즉 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 히트싱크(1220)를 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 아니다.
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.
도 3에 도시된 바와 같이, 유체유동부(1100)는 유로 영역(500), 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)을 포함하며, 유로 영역(500)의 제1 방향 두께는 유체 유입 영역(510) 및 유체 배출 영역(520)의 제1 방향 두께와 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. 여기서, 유체 유입 영역(510)은 유체유동부(1100)의 일측면(1150)을 포함하는 영역이고, 유체 배출 영역(520)은 유체유동부(11000의 타측면(1160)을 포함하는 영역이다.
유로 영역(500)의 양면에는 열전모듈(1200)이 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, 열전모듈(1200)은 열전소자 및 열전소자 상에 배치된 히트싱크(1220)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 도 4 내지 5에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다.
도 4 내지 도 5를 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) 사이에 배치되고, 제2 전극부(150)는 제2 기판(160)과 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140) 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.
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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 열전소자(100)는 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, 절연 프레임(900)을 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 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 평면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이며, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 프레임의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제2 프레임의 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 각각 열전모듈(1200)이 배치될 수 있다. 열전모듈(1200)은 열전소자 및 히트싱크를 포함하며, 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 열전모듈(1200)은 제1 기판(1201), 제1 기판(1201) 상에 배치되는 복수의 반도체 소자(1202) 및 복수의 반도체 소자(1202) 상에 배치되는 제2 기판(1203)을 포함한다. 제1 기판(1201)은 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 제1 기판(110)일 수 있고, 복수의 반도체 소자(1202)는 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 P형 반도체 소자(130) 및 N형 반도체 소자(140)일 수 있으며, 제2 기판(1203)은 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 제2 기판(160)일 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 기판(1201)과 복수의 반도체 소자(1202) 사이에는 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 제1 전극(120)이 배치되고, 복수의 반도체 소자(1202)와 제2 기판(1203) 사이에는 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한 제2 전극(150)이 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(1201)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된다. 이때, 제1 기판(1201)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 기판(1201)은 제1 내지 제4 외곽(1201S1~1201S4)을 포함하고, 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1) 및 제2 외곽(1201S2)은 서로 마주보고, 제1 기판(1201)의 제3 외곽(1201S3) 및 제4 외곽(1201S4)은 서로 마주보며, 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1) 및 제2 외곽(1201S2)은 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 기판(1203)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 서브 제2 기판(1203-1, ..., 1203-4)을 포함하며, 각 서브 제2 기판(1203-1, ..., 1203-4)에는 서브 히트싱크(1220-1, ..., 1220-4)가 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 기판(1203)이 고온에 노출되더라도, 제2 기판(1203)의 휨에 따라 열전소자가 파손되는 문제를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(1201) 상에는 실링 프레임(800)이 더 배치될 수 있다. 실링 프레임(800)은 절연물질을 포함할 수 있으며, 제1 기판(1201) 상에서 복수의 서브 제2 기판(1203-1, ..., 1203-4) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 실링 프레임(800)은 복수의 서브 제2 기판(1203-1, ..., 1203-4)을 서로 이격시키며, 제1 기판(1201)과 복수의 서브 제2 기판(1203-1, ..., 1203-4) 사이를 실링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 실링 프레임(800)의 일부 영역인 제1 영역(800A)은 제1 기판(1201) 상에 배치되고, 나머지 일부 영역인 제2 영역(800B)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 상에서 제1 기판(1201)의 제2 외곽(1201S2)과 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 실링 프레임(800)의 제2 영역(800B)은 제1 기판(1201)과 제1 방향으로 중첩되지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 기판(1201)과 복수의 반도체 소자(1202) 사이에는 전극부가 배치될 수 있다.
그리고, 제1 기판(1201) 상에는 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1)을 향하여 연장된 연장 전극(T1, T2)이 더 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 제2 유체는 제2 외곽(1201S2)으로부터 제1 외곽(1201S1)을 향하는 방향으로 흐를 수 있다. 연장 전극(T1, T2)에는 커넥터가 배치되며, 커넥터에는 배선이 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연장전극(T1, T2) 상에는 절연 프레임(900)이 더 배치된다. 절연 프레임(900)은 열전모듈(1200)과 유체유동부(1100) 간 접합력을 균일하게 유지하고, 커넥터에 연결되는 배선을 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연 프레임(900)에는 개구(910)가 형성되며, 개구(910)는 연장전극(T1, T2)의 적어도 일부에 대응하는 위치에 배치될 수 있고, 개구(910)는 수지로 채워질 수 있다. 이에 따라, 연장전극(T1, T2) 상에 수지가 배치되어 절연될 수 있으며, 열전모듈(1200)의 내전압 성능을 높일 수 있다. 여기서, 수지는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 포함할 수 있다. 절연 프레임(900)이 플라스틱 소재를 포함할 경우, 절연 프레임(900)은 다양한 크기 및 형상으로 용이하게 성형될 수 있다. 예를 들어, 절연 프레임(900)은 PPS(polyphenylene sulfide) 등과 같이 고온에서 적용 가능한 플라스틱 소재일 수 있다. 이에 따르면, 고온인 제2 유체에 의하여 절연 프레임(900)의 형상이 변형되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연 프레임(900)의 일부 영역인 제1 영역(900A)은 제1 기판(1201) 상에 배치되고, 나머지 일부 영역인 제2 영역(900B)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 상에서 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1)과 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)은 제1 기판(1201)과 제1 방향으로 중첩되지 않을 수 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) 상에 흐른다. 여기서, 제3 방향은 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향일 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전장치에 실드부재가 조립된 상태에서의 단면도이고, 도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 도 10의 R1 및 R2의 확대 단면을 도시하고, 도 12(a) 및 도 12(b)는 각각 도 9의 R3 및 R4의 확대 단면을 도시하며, 도 13은 본 발명의 유체 가이드의 하면을 도시하고, 도 14는 비교예 및 실시예에 따른 열전장치의 단면도이다.
도 2 및 도 10을 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 배치하고, 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 제2 실드부재(1520)를 배치한다. 도 2에서 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 제2 방향을 따라 2개의 제1 실드부재(1510)가 배치되고, 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 제2 방향을 따라 2개의 제2 실드부재(1520)가 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 제1 실드부재(1510) 및 제2 실드부재(1520)의 개수가 이로 제한되는 것은 아니다.
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.
이와 마찬가지로, 제2 실드부재(1520)는 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 배치되되, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)의 일부까지 덮도록 연장될 수 있다. 예를 들어, 제2 실드부재(1520)의 단면은 "ㄷ" 형상일 수 있다. 이에 따르면, 제2 실드부재(1520)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.
이때, 유체유동부(1100)와 제1 실드부재(1510) 사이에는 제1 단열부재(1610)가 더 배치되고, 유체유동부(1100)와 제2 실드부재(1520) 사이에는 제2 단열부재(1620)가 더 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 실드부재(1510) 및 제2 실드부재(1520)의 표면에 고온의 제2 유체가 흐르더라도, 제2 유체가 유체유동부(1100) 내 제1 유체의 냉각 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
제1 실드부재(1510)에는 체결홀이 형성되며, 이를 통하여 유체유동부(1100)의 제3면(1130)과 체결될 수 있다. 이에, 제1 단열부재(1610)는 체결홀 사이에 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 실드부재(1520)에는 체결홀이 형성되며, 이를 통하여 유체유동부(1100)의 제4면(1140)과 체결될 수 있다. 이에, 제2 단열부재(1620)는 체결홀 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1 면(1110) 및 제2 면(1120)에 각각 열전모듈(1200)이 조립되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 및 제4면(1140)에 제1 실드부재(1510) 및 제2 실드부재(1520)가 조립된 상태에서, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 열전모듈(1200)에 제3 실드부재(1530)가 배치되고, 유체유동부(1100)의 제2면(1120) 및 열전모듈(1200)에는 제4 실드부재(1540)가 배치된다. 도 2에서 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 제2 방향을 따라 2개의 제3 실드부재(1530)가 배치되고, 유체유동부(1100)의 제2면(1120)에 제2 방향을 따라 2개의 제4 실드부재(1530)가 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 제3 실드부재(1530) 및 제4 실드부재(1540)의 개수가 이로 제한되는 것은 아니다.
이때, 제3 실드부재(1530)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)의 제1 실드부재(1510) 및 제4면(1140)의 제2 실드부재(1520) 상으로 연장되고, 제4 실드부재(1540)도 유체유동부(1100)의 제3면(1130)의 제1 실드부재(1510) 및 제4면(1140)의 제2 실드부재(1520) 상으로 연장될 수 있다.
즉, 제3 실드부재(1530)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 배치된 제3-1 영역(1531), 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된 제3-2 영역(1532) 및 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 배치된 제3-3 영역(1533)을 포함한다.
이때, 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향을 따라 유체유동부(1100)의 제3면(1130), 제1 실드부재(1510) 및 제3 실드부재(1530)의 제3-1 영역(1531)은 순차적으로 배치된다. 제3면(1130)과 제1 실드부재(1510) 사이에 제1 단열부재(1610)가 배치될 경우, 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향을 따라 제3면(1130), 제1 단열부재(1610), 제1 실드부재(1510) 및 제3 실드부재(1530)의 제3-1 영역(1531)은 순차적으로 배치될 수 있다.
또한, 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향을 따라 제4면(1140), 제2 실드부재(1520) 및 제3 실드부재(1530)의 제3-3 영역(1533)은 순차적으로 배치된다. 제4면(1140)과 제2 실드부재(1520) 사이에 제2 단열부재(1620)가 배치될 경우, 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향을 따라 유체유동부(1100)의 제4면(1140), 제2 단열부재(1620), 제2 실드부재(1520) 및 제3 실드부재(1530)의 제3-3 영역(1533)은 순차적으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 실드부재(1510)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 측에서 제3 실드부재(1530) 및 제4 실드부재(1540)에 의해 커버되고, 제2 실드부재(1520)는 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 측에서 제3 실드부재(1530) 및 제4 실드부재(1540)에 의하여 커버되므로, 제1 실드부재(1510)와 제3 실드부재(1540) 간 갭, 제1 실드부재(1510)와 제4 실드부재(1540) 간 갭, 제2 실드부재(1520)와 제3 실드부재(1540) 간 갭, 제2 실드부재(1520)와 제4 실드부재(1540) 간 갭으로 제2 유체가 흐르는 문제를 방지할 수 있으며, 이에 따라 고온의 제2 유체가 유체유동부(1100) 내 제1 유체의 온도에 미치는 영향을 최소화할 수 있고, 열전성능을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에서 제1 실드부재(1510)와 제3 실드부재(1530) 사이, 제2 실드부재(1520)와 제3 실드부재(1530) 사이, 유체유동부(1100)의 제2면(1120)에서 제1 실드부재(1510)와 제4 실드부재(1540) 사이, 제2 실드부재(1520)와 제4 실드부재(1540) 사이에는 단열부재(미도시)가 더 배치될 수도 있다. 이에 따라 고온의 제2 유체가 유체유동부(1100) 내 제1 유체의 온도에 미치는 영향을 최소화할 수 있고, 열전성능을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제3 실드부재(1530)는 제3-3 영역(1533)으로부터 제3-1 영역(1531)까지 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 4개 이하의 굴곡부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 실드부재(1530)는 제3-3 영역(1533)과 제3-2 영역(1532) 사이에 배치된 굴곡부(1530B4), 제3-2 영역(1532) 내에 배치된 굴곡부(1530B2, 1530B3) 및 제3-2 영역(1532)과 제3-1 영역(1531) 사이에 배치된 굴곡부(1530B1)를 포함할 수 있다.
제2 유체가 흐르는 방향을 따라 제3 실드부재(1530)에 형성된 굴곡부가 많아질수록 제2 유체의 흐름을 방해하며, 제2 유체의 유입 측과 배출 측 간 압력 차가 커지는 경향이 있다. 본 발명의 실시예와 같이, 제3 실드부재(1530)가 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 4개 이하의 굴곡부를 포함할 경우, 제2 유체의 흐름이 변경되는 지점이 4개 이하임을 의미하며, 이로 인해 제2 유체의 유입 측과 배출 측 간 압력 차가 현저히 줄어들 수 있다.
도 14(a)에 도시된 바와 같이, 제3 실드부재(1530)가 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 8개의 굴곡부를 포함하는 비교예와 도 14(b)에 도시된 바와 같이, 제3 실드부재(1530)가 제2 유체가 흐르는 방향을 따라 4개의 굴곡부를 포함하는 실시예에서 제2 유체의 유입 측과 배출 측 간 압력 차를 비교한 결과, 비교예(150mmAg)에 비하여 실시예(100mmAg)에서 20 내지 40%의 개선 효과를 가짐을 확인하였다.
한편, 전술한 바와 같이, 절연 프레임(900)의 제1 영역(900A)은 제1 기판(1201) 상에 배치되고, 제2 영역(900B)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 상에서 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1)과 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 실링 프레임(800)의 제1 영역(800A)은 제1 기판(1201) 상에 배치되고, 제2 영역(800B)은 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 상에서 제1 기판(1201)의 제2 외곽(1201S2)과 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 사이에 배치될 수 있다.
이때, 실링 프레임(800) 및 절연 프레임(900)은 제3 실드부재(1530) 아래에 배치될 수 있다. 즉, 제3 실드부재(1530)는 실링 프레임(800) 및 절연 프레임(900)를 덮도록 배치될 수 있다.
도 2, 도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)과 제3 실드부재(1530) 각각에는 서로 대응하는 관통홀(S11, S12)이 배치되며, 관통홀(S11, S12)은 제1 기판(1201)과 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 관통홀(S11, S12)에는 체결부재(200)가 배치되어, 유체유동부(1100)의 제1면(1110), 절연 프레임(900) 및 제3 실드부재(1530)를 고정한다. 이와 같이, 체결부재(200)를 위한 관통홀(S11, S12)이 제1 기판(1201)의 제1 외곽(1201S1)으로부터 벗어난 영역까지 연장된 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)에 형성될 경우, 제1 기판(1201)과 체결부재(200)가 접촉하지 않으므로 열전소자의 내전압이 개선되고, 제3 실링부재(1530)의 굴곡부를 증가시키지 않을 수 있으므로 제2 유체의 흐름이 개선될 수 있다.
이와 마찬가지로, 실링 프레임(800)의 제2 영역(800B)과 제3 실드부재(1530) 각각에는 서로 대응하는 관통홀(S21, S22)이 배치되며, 관통홀(S21, S22)은 제1 기판(1201)과 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 관통홀(S21, S22)에는 체결부재(200)가 배치되어, 유체유동부(1100)의 제1면(1110), 실링 프레임(800) 및 제3 실드부재(1530)를 고정한다. 이와 같이, 체결부재(200)를 위한 관통홀(S21, S22)이 제1 기판(1201)의 제2 외곽(1201S2)으로부터 벗어난 영역까지 연장된 실링 프레임(800)의 제2 영역(800B)에 형성될 경우, 제1 기판(1201)과 체결부재(200)가 접촉하지 않으므로 내전압이 개선되고, 제3 실링부재(1530)의 굴곡부를 증가시키지 않을 수 있으므로 제2 유체의 흐름이 개선될 수 있다.
도 14(a)의 비교예에 도시된 바와 같이, 제3 실링부재(1530)와 유체유동부(1100)가 직접 체결될 경우, 제2 유체의 흐름에 미치는 영향을 줄이기 위하여 제3 실링부재(1530)에 경사면이 배치되어야 한다. 이에 따라, 제2 유체가 흐르는 방향으로 제3 실링부재(1530)의 길이(z1, z2)가 연장되어야 하며, 이에 따라 반도체 소자가 배치되기 위한 실질적인 면적이 줄어들게 될 수 있다. 반면에, 도 14(b)의 실시예에 도시된 바와 같이, 제3 실링부재(1530)와 유체유동부(1100)가 절연 프레임(900) 및 실링 프레임(800)을 통하여 체결될 경우, 굴곡부의 개수를 증가시키지 않고, 제2 유체가 흐르는 방향으로 제3 실링부재(1530)의 길이가 필요 이상으로 연장될 필요가 없으므로, 열전효율이 개선될 수 있다. 또한, 도 14(b)의 실시예에 도시된 바와 같이, 제3 실링부재(1530)와 유체유동부(1100)가 절연 프레임(900) 및 실링 프레임(800)을 통하여 체결될 경우, 제1 실링부재(1510)는 제3 실링부재(1530) 및 제4 실링부재(1540)에 의하여 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 고정되고, 제2 실링부재(1520)는 제3 실링부재(1530) 및 제4 실링부재(1540)에 의하여 유체유동부(1100)의 제4면(1140)에 고정될 수 있으므로, 제1 실링부재(1510)와 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 간 체결 및 제2 실링부재(1520)와 유체유동부(1100)의 제4면(1140) 간 체결을 위한 체결홀 및 체결부재의 개수를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 체결부재(200)의 헤드(200H)는 제3 실드부재(1530)의 관통홀(S11, S21) 가장자리 상에 안착되며, 체결부재(200)의 헤드(200H), 제3 실드부재(1530) 및 실링 프레임(800) 또는 체결부재(200)의 헤드(200H), 제3 실드부재(1530) 및 절연 프레임(900)은 제1 방향으로 서로 중첩될 수 있다. 이와 같이, 체결부재(800)의 헤드(200H)가 실링 프레임(800) 또는 절연 프레임(900)과 같은 절연 부재 상에 배치될 경우, 열전장치의 내전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 제3 실드부재(1530)가 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 직접 닿지 않으므로, 유체 유동부(1100)를 고온의 제2 유체로부터 보호할 수 있다.
한편, 실링 프레임(800)의 관통홀(S22) 또는 절연 프레임(900)의 관통홀(S12)은 체결부재(200)의 기둥과 이격되도록 배치될 수 있다. 이를 위하여, 실링 프레임(800)의 관통홀(S22) 또는 절연 프레임(900)의 관통홀(S12)의 직경은 체결부재(200)의 기둥의 직경보다 클 수 있다. 이에 따르면, 체결부재(200)의 체결이 용이하고, 잦은 진동 환경 하에서 실링 프레임(800) 또는 절연 프레임(900)을 보호할 수 있다.
다음으로, 도 2, 도 12(a) 및 도 12(b)를 참조하면, 실드 프레임(800)의 제2 영역(800B) 및 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)은 제3 실드부재(1530)를 향하도록 배치된 상면 및 유체유동부(1100)의 제1면(1110)을 향하도록 배치된 하면을 포함한다.
이때, 실드 프레임(800)의 제2 영역(800B)의 하면 및 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)의 하면 중 적어도 하나에는 홈(G1, G2)이 형성되며, 홈(G1, G2)의 제1 방향에 따른 깊이는 제1 기판(1201)의 제1 방향에 따른 높이보다 클 수 있다. 이에 따르면, 홈(G1, G2)은 실링재 또는 접착제로 채워질 수 있으며, 실드 프레임(800) 또는 절연 프레임(900)과 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 간 접합력이 높아질 수 있고, 제1 기판(1201)으로 외부 물질이 침투되는 문제를 방지할 수 있다. 다만, 실링재 또는 접착제의 과충진을 방지하기 위하여, 홈(G1, G2)의 제1 방향에 따른 깊이는 제1 기판(1201)의 제1 방향에 따른 높이의 2배 이하일 수 있다.
다시 도 2 및 도 10 내지 도 13을 참조하면, 제1 유체 가이드(1710)는 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향을 따라 제3 실드부재(1530)의 제3-1 영역(1531) 상에 배치되고, 제2 유체 가이드(1720)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향을 따라 제3 실드부재(1530)의 제3-3 영역(1533) 상에 배치된다.
제2 유체 가이드(1720)는 제2 유체를 분기하여 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된 열전모듈 및 제2면(1120)에 배치된 열전모듈에 제2 유체가 고르게 분포되도록 하고, 제1 유체 가이드(1710)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된 열전모듈 및 제2면(1120)에 배치된 열전모듈을 통과한 제2 유체가 유입 측과 배출 측 간 압력 차를 유발하지 않고 배출되도록 한다.
이때, 제1 유체 가이드(1710)는 제3면(1130)과 평행한 면(1712)을 포함하고, 제2 유체 가이드(1720)는 제4면(1140)과 평행한 면(1722)을 포함한다. 이에 따르면, 제1 유체 가이드(1710)와 제3면(1130) 간 체결을 위한 체결부재가 통과하기 위한 관통홀 및 제2 유체 가이드(1720)와 제4면(1140) 간 체결을 위한 체결부재가 통과하기 위한 관통홀을 형성하기 용이하며, 체결부재의 헤드가 제1 및 제2 유체 가이드(1710, 1720)의 평행한 면(1712, 1722)에 안착될 수 있으므로, 안정적인 체결이 가능하다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이 제1 유체 가이드(1710) 또는 제2 유체 가이드(1720)의 하면에는 팬넛(1730)이 배치될 수 있다. 팬넛(1730)은 체결부재가 통과하기 위한 관통홀에 대응하도록 배치될 수 있으며, 절연 소재로 이루어질 수 있다. 이에 따르면, 체결부재가 팬넛(1730)을 관통할 수 있으며, 제1 및 제2 유체 가이드(1710, 1720)가 유체 유동부(1100)에 안정적으로 안착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 유체 가이드(1710)의 제1 방향에 따른 최대 폭(W1)은 제2 유체 가이드(1720)의 제1 방향에 따른 최대 폭(W2)보다 클 수 있다. 그리고, 절연 프레임(900)의 제2 영역(900B)에서 제3 실드부재(1530)와 제4 실드부재(1540) 간 거리(d1)는 실링 프레임(800)의 제2 영역에서 제3 실드부재(1530)와 제4 실드부재(1540) 간 거리(d2)보다 클 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 유입되는 영역보다 배출되는 영역에서 열전장치 간 거리가 좁으므로, 제2 유체가 빠른 속도로 배출되지 않고 열전장치의 히트싱크에 보다 오래 머무르며 열전장치의 열전 성능을 높일 수 있다.
이상에서, 설명의 편의를 위하여, 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치되는 제3 실드부재(1530)를 중심으로 설명하고 있으나, 동일한 설명이 유체유동부(1100)의 제2면(1120)에 배치되는 제4 실드부재(1540)에도 적용될 수 있다. 제3 실드부재(1530) 및 제4 실드부재(1540)는 유체유동부(1100)에 대하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다.
한편, 전술한 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.
본 발명의 실시예에 따르면, 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) 및 제6 실드부재(1560)가 더 배치되고, 유체 배출 영역(520) 상에 제7 실드부재(1570) 및 제8 실드부재(1580)가 더 배치될 수 있다. 이때, 제5 실드부재(1550), 제6 실드부재(1560), 제7 실드부재(1570) 및 제8 실드부재(1580)는 각각 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 및 제4면(1140)의 일부를 커버하도록 연장될 수 있다. 도시되지 않았으나, 유체 유입 영역(510)과 제5 실드부재(1550) 사이, 유체 유입 영역(510)과 제6 실드부재(1560) 사이, 유체 배출 영역(520)과 제7 실드부재(1570) 사이 및 유체 배출 영역(520)과 제8 실드부재(1580) 사이에는 각각 단열부재가 더 배치될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 열전모듈의 연장 전극은 제2 유체가 배출되는 방향을 향하여 연장되며, 연장 전극에는 커넥터가 배치되고, 커넥터에는 배선이 연결될 수 있다.
즉, 제2 유체가 유체유동부(1100)의 제4면(1140)으로부터 제3면(1130)을 향하는 방향으로 흐르는 경우, 연장 전극, 커넥터 및 배선은 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 측에 배치되고, 배선은 유체 유입 영역(510)과 제5 실드부재(1550) 사이 및 유체 유입 영역(510)과 제6 실드부재(1560) 사이의 공간에서 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 가이드된 후 외부로 인출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 열전장치는 열전 시스템을 이룰 수도 있다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템이다.
도 15를 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(미도시), 그리고 배선부의 일부를 수용하도록 제1 열전장치(1000-1), 제2 열전장치(1000-2) 및 제3 열전장치(1000-3)의 일측 상부에 배치된 배선수용부(2700)를 포함한다. 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서 제1 내지 제3 열전장치(1000-1, ..., 1000-3)를 예로 들어 설명하고 있으나, 열전 시스템(2500)에 포함되는 열전장치의 개수가 이로 제한되는 것은 아니며, 2이상의 열전장치를 포함할 수 있다.
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 13을 참조하여 설명한 열전장치일 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 열전장치에 포함된 열전모듈에 연결된 배선은 유체유동부(1100)의 유체 유입 영역(510)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 인출된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배선수용부(2700)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.
배선수용부(2700)는 복수의 열전장치로부터 인출된 배선을 모아 외부로 가이드하는 역할을 한다. 배선수용부(2700)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, 배선수용부(2700)를 통과하는 배선의 온도를 보다 낮은 상태로 유지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 복수의 열전장치의 일측 상부에 배치된 배선수용부의 분해사시도이고, 도 17은 도 16의 D1의 확대도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배선수용부(2700)는 제1 내지 제3 열전 장치(1000-1, 1000-2, 1000-3)의 일측 상부에 배치된 케이스(2710) 및 케이스(2710)를 덮는 커버(2720)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제1 내지 제3 열전 장치(1000-1, 1000-2, 1000-3)의 일측, 즉 유체 유입 영역(510)에는 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560)가 더 배치될 수 있다. 제5 실드부재(1550)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 측에 배치되고, 제6 실드부재(1560)는 유체유동부(1100)의 제2면(1120) 측에 배치될 수 있다. 이에 따라, 배선수용부(2700)는 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560) 상에 배치될 수 있다.
케이스(2710)의 바닥부(2712)에는 복수의 바닥홀(2712H)이 형성되고, 케이스(2710)의 측벽(2714)에는 복수의 측벽홀(2714H)이 형성된다.
제1 열전장치(1000-1)에 연결되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 가이드된 제1 배선부(W1)는 제1 바닥홀(2712H1)을 통과한 후 측벽홀(2714H)을 통하여 외부로 인출되고, 제2 열전장치(1000-2)에 연결되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 가이드된 제2 배선부(W2)는 제2 바닥홀(2712H2)을 통과한 후 측벽홀(2714H)을 통하여 외부로 인출되며, 제3 열전장치(1000-3)에 연결되고, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 가이드된 제3 배선부(W3)는 제3 바닥홀(2712H3)을 통과한 후 측벽홀(2714H)을 통하여 외부로 인출될 수 있다.
이때, 케이스(2710)에 형성된 복수의 측벽홀(2714H)의 개수는 복수의 바닥홀(2712H)의 개수보다 적을 수 있다. 예를 들어, 각 열전장치에 연결된 배선부는 각 바닥홀을 통과하되, 복수의 바닥홀을 통과한 복수의 배선부는 하나의 측벽홀을 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배선수용부(2700)는 단열부재(2730)를 더 포함할 수 있다. 단열부재(2730)는 케이스(2710)와 커버(2720) 사이에 배치될 수 있다. 배선부(W)가 케이스(2710)의 바닥홀(2712H) 및 측벽홀(2714H)을 통과한 상태에서 케이스(2710) 내에 단열부재(2730)가 수용되고, 단열부재(2730) 상에 커버(2720)가 배치되면, 고온의 제2 유체로부터 배선부(W)를 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 케이스(2710)와 커버(2720)는 체결부재(1900)에 의하여 체결될 수 있다. 이를 위하여, 케이스(2710) 및 커버(2720)에는 서로 대응하는 체결홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 케이스(2710)의 측벽 중 측벽홀(2714H)이 형성된 측벽에 대향하는 측벽에는 소정 간격으로 이격된 복수의 체결홀(2714T)이 형성되며, 커버(2720)의 측벽에도 케이스(2710)의 체결홀(2714T)에 대응하는 복수의 체결홀(2720T)이 형성되고, 체결부재(1900)는 체결홀(2720T) 및 체결홀(2714T)을 관통하여 케이스(2710)와 커버(2720)를 고정할 수 있다. 이때, 케이스(2710)의 측벽 중 체결홀(2714T)이 형성된 측벽은 케이스(2710)의 내부를 향하여 돌출된 돌출부(2714P)를 포함할 수 있다. 돌출부(2714P)는 체결홀(2714T)에 대응하며, 체결홀(2714T)을 수용할 수 있다. 이에 따르면, 돌출부(2714P)는 케이스(2710)의 내부를 향하여 진입하는 체결부재(1900)를 수용할 수 있으므로, 체결부재(1900)가 케이스(2710)의 내부에 수용된 배선부(W) 또는 단열부재(2730)에 손상을 가하는 문제를 방지할 수 있다.
도 18(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 케이스의 상면 사시도이고, 도 18(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 케이스의 저면 사시도이 사시도이며, 도 19(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 제6 실드부재의 사시도이고, 도 19(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 제5 실드부재의 사시도이며, 도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 시스템에서 실드부재와 배선수용부가 조립된 상태에서 배선수용부의 내부 구조를 나타내는 단면 사시도이고, 도 21은 도 20의 E1 영역의 단면도이다.
도 18 내지 도 21을 참조하면, 케이스(2710)의 바닥부(2712)는 커버(2720)를 향하도록 배치된 바닥부 상면(2712U) 및 열전장치(1000)를 향하도록 배치된 바닥부 하면(2712L)을 포함한다. 그리고, 바닥부 하면(2712L)은 바닥홀(2712H)의 가장자리를 따라 열전장치(1000)를 향하는 방향으로 돌출된 제1 단차부(2712S)를 포함한다.
이러한 제1 단차부(2712S)는 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700)의 하부 사이의 갭에서 배선부(W)를 고온인 제2 유체로부터 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700) 사이에 단열부재(1800)가 더 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700)의 하부 사이의 갭에서 배선부(W)가 고온인 제2 유체에 노출될 가능성을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 측에는 제5 실드부재(1550)가 배치되고, 제2면(1120) 측에는 제6 실드부재(1560)가 배치된다. 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560)는 유체유동부(1100)의 제3면(1130) 및 제4면(1140)에서 만나도록 배치될 수 있다. 설명의 편의 상, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에 배치된 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)를 각각 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부라 지칭한다. 각 열전장치(1000)에 전기적으로 연결된 배선부(W)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110)과 제5 실드부재(1550) 사이 및 유체유동부(1100)의 제2면(1120)과 제6 실드부재(1560) 사이의 공간에서 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향으로 가이드된 후, 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560)에 의해 형성된 상부홀(1500H) 및 케이스(2710)의 바닥홀(2712H)을 통과한다. 이를 위하여, 제5 실드부재(1550) 및 제6 실드부재(1560)에 의해 형성된 상부홀(1500H)은 케이스(2710)의 바닥홀(2712H)에 대응하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부는 배선수용부(2700)를 향하도록 배치된 상면(1550U, 1560U) 및 유체유동부(1100)의 제3면(1130)을 향하도록 배치된 하면(1550B, 1560B)을 포함한다. 그리고, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상면(1550U, 1560U)은 상부홀(1500H)의 가장자리를 따라 배선수용부(2700)를 향하는 방향으로 돌출된 제2 단차부(1550S, 1560S)를 포함한다.
이러한 제2 단차부(1550S, 1560S)는 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700)의 하부 사이의 갭에서 배선부(W)를 고온인 제2 유체로부터 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 단차부(1550S, 1560S)는 제1 단차부(2712S)에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700)의 하부 사이의 갭에서 배선부(W)는 제1 단차부(2712S) 및 제2 단차부(1550S, 1560S)에 의하여 이중으로 보호되므로, 고온인 제2 유체로부터 받는 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 단차부(1550S, 1560S)의 높이는 배선수용부(2700)의 바닥부 하면(2712L)보다 높을 수 있다. 이에 따르면, 제5 및 제6 실드부재(1550, 1560)의 상부와 배선수용부(2700)의 하부 사이의 갭에서 배선부(W)는 제1 단차부(2712S) 및 제2 단차부(1550S, 1560S)에 의하여 이중으로 보호되므로, 고온인 제2 유체로부터 받는 영향을 최소화할 수 있다. 그리고, 제2 단차부(1550S, 1560S)의 높이는 배선수용부(2700)의 바닥부 상면(2712U)보다 낮게 배치될 수 있다. 이에 따르면, 배선부(W)가 제2 단차부(1550S, 1560S)의 에지에 의하여 손상될 가능성을 줄일 수 있다.
도 22는 본 발명의 한 실시예에 따른 배선수용부의 내부 구조를 도시하고, 도 23은 도 22의 F1 영역의 상면도이고, 도 24는 도 22의 F2 영역의 단면도이다.
도 22 내지 도 24를 참조하면, 배선수용부(2700)의 케이스(2710)의 측벽(1714)은 케이스(2710)의 외부를 향하도록 배치된 케이스 외면(2714_O) 및 케이스(2710)의 내부를 향하도록 배치된 케이스 내면(2714_I)을 포함하며, 케이스 외면(2714_O)은 측벽홀(2714H)의 가장자리를 따라 케이스(2710)의 외부를 향하는 방향으로 돌출된 제3 단차부(2714S)를 포함한다.
측벽홀(2714H) 및 제3 단차부(2714S)는 복수의 열전장치(1000)의 일측에서 복수의 열전장치(1000)를 고정하는 지지 플레이트(3000)의 홀(3000H)에 끼워질 수 있다. 이에 따르면, 배선수용부(2700)의 케이스(2710)와 지지 플레이트(3000)는 서로 고정될 수 있으므로, 배선수용부(2700)의 케이스(2710)와 지지 플레이트(3000) 간 체결을 위한 체결부재의 개수를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 배선수용부(2700)의 케이스(2710)의 바닥부(2712)에는 제1 단차부(2712S)가 배치되고, 측벽(2714)에는 제3 단차부(2714S)가 배치된다. 이때, 배선수용부(2700), 복수의 열전장치(1000) 및 지지 플레이트(3000)의 조립을 위하여, 배선수용부(2700)의 케이스(2710)는 복수의 열전장치(1000)를 향하는 방향으로 이동시켜 제1 단차부(2712S) 내에 제2 단차부(1550S, 1560S)를 배치한 후, 지지 플레이트(3000)를 향하는 방향으로 이동시켜 지지 플레이트(3000)의 홀(3000H)에 제3 단차부(2714S)를 끼워 넣을 수 있다. 배선수용부(2700)의 케이스(2710)가 지지 플레이트(3000)를 향하는 방향으로 이동시키기 위하여, 제2 단차부(1550S, 1560S)를 둘러싸는 제1 단차부(2712S)는 제2 단차부(1550S, 1560S)와 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 단차부(2712S)와 제2 단차부(1550S, 1560S) 간 이격 거리(x1)는 제3 단차부(2714S)의 높이(x2)보다 클 수 있다. 이에 따르면, 케이스 외면(1714_O)이 지지 플레이트(3000)의 벽면까지 이동할 수 있다.
본 명세서 전체적으로, 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)을 포함하는 것으로 설명되고 있으나, 열전소자(100)의 정의가 이로 제한되는 것은 아니며, 열전소자(100)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. 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 배치된 제1 실드부재,
    상기 제1면 및 상기 제2면 사이에 형성되고 상기 제3면과 대향하는 제4면에 배치된 제2 실드부재, 그리고
    상기 제1면 및 상기 제1 열전모듈에 배치되며, 상기 제3면 및 상기 제4면으로 연장된 제3 실드부재를 포함하고,
    상기 제3 실드부재는 상기 제3면에 배치된 제3-1 영역, 상기 제1면에 배치된 제3-2 영역 및 상기 제4면에 배치된 제3-3 영역을 포함하며,
    상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 방향을 따라 상기 제3면, 상기 제1 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-1 영역은 순차적으로 배치되고,
    상기 제3면으로부터 상기 제4면을 향하는 방향을 따라 상기 제4면, 상기 제2 실드부재 및 상기 제3 실드부재의 상기 제3-3 영역은 순차적으로 배치된 열전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 실드부재는 상기 제3-1 영역으로부터 상기 제3-3 영역까지 4개 이하의 굴곡부를 포함하는 열전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 실드부재는 상기 제3-1 영역과 상기 제3-2 영역 사이에 배치된 제1 굴곡부, 상기 제3-2 영역 내에 배치된 제2 및 제3 굴곡부 및 상기 제3-2 영역과 상기 제3-3 영역 사이에 배치된 제4 굴곡부를 포함하는 열전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4면으로부터 상기 제3면을 향하는 방향을 따라 상기 제3-1 영역 상에 배치된 제1 유체가이드, 그리고
    상기 제3면으로부터 상기 제4면을 향하는 방향을 따라 상기 제3-3 영역 상에 배치된 제2 유체가이드를 더 포함하는 열전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유체가이드 및 상기 제2 유체가이드 중 적어도 하나는 상기 제3면 및 상기 제4면 중 적어도 하나에 평행한 면을 포함하는 열전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유체가이드의 상기 제1 방향에 따른 최대 폭은 상기 제2 유체가이드의 상기 제1 방향에 따른 최대 폭보다 큰 열전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    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,
    상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크,
    일부 영역은 상기 제1 기판 상에 배치되고, 나머지 일부 영역은 상기 제1면 상에서 상기 제1 기판의 제1 외곽과 상기 제3면 사이에 배치된 제1 프레임, 그리고
    일부 영역은 상기 제1 기판 상에 배치되고, 나머지 일부 영역은 상기 제1면 상에서 상기 제1 기판의 제2 외곽과 상기 제4면 사이에 배치된 제2 프레임
    을 포함하는 열전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 프레임의 상기 나머지 일부 영역과 상기 제3 실드부재 각각에는 서로 대응하는 제1 관통홀이 배치되며, 상기 제1 관통홀은 상기 제1 기판과 상기 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않고,
    상기 제2 프레임의 상기 나머지 일부 영역과 상기 제3 실드부재 각각에는 서로 대응하는 제2 관통홀이 배치되며, 상기 제2 관통홀은 상기 제1 기판과 상기 제1 방향을 따라 서로 중첩되지 않는 열전장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 프레임의 상기 나머지 일부 영역 및 상기 제2 프레임의 상기 나머지 일부 영역 중 적어도 하나는 상기 제3 실드부재를 향하도록 배치된 상면 및 상기 제1면을 향하도록 배치된 하면을 포함하고,
    상기 하면에는 홈이 형성되며,
    상기 홈의 상기 제1 방향에 따른 깊이는 상기 제1 기판의 상기 제1 방향에 따른 높이보다 큰 열전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 홈은 실링재로 채워진 열전장치.
PCT/KR2023/019411 2022-11-29 2023-11-29 열전장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 WO2024117759A1 (ko)

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