KR101822482B1 - 단열 패키징 방식 열전모듈 - Google Patents

단열 패키징 방식 열전모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 단열 패키징 방식 열전모듈은 온도차를 전기에너지로 전환하는 열전 소자(10)가 수용되는 밀폐형 박스 공간(40A)을 형성한 단열 패키징 박스(40), 열전 소자(10)로 채워지지 않은 단열 공간(50A)으로 박스 공간(40A)을 확장하도록 단열 패키징 박스(40)에 형성된 단열 벽(50), 고온용 상부 절연 기판(20-1)과 저온용 하부 절연 기판(20-2)으로 이루어져 열전 소자(10)와 함께 박스 공간(40A)에 수용되는 절연 기판(20), 열전 소자(10)에서 발생된 전기를 인출하는 전극(30)을 포함함으로써 단열 벽(50)에 의한 단열효과로 기존 패키징 방식의 열전 소자(10)의 양단간 온도차이 유지 어려움을 해소하고, 특히 단열 벽(50)에 진공공간을 형성함으로써 외부 고온 환경에서도 높은 단열 효과를 유지하는 특징이 구현된다.

Description

단열 패키징 방식 열전모듈{Insulated Packaging type Thermoelectric Module}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 특히 밀폐구조의 패키징에 단열구조를 적용한 열전모듈에 관한 것이다.
일반적으로 온도차를 전기에너지로 전기에너지를 온도차로 전환하는 열전소자(thermoelectric element)는 p형 열전소자(홀 이동에 의한 열에너지 이동)와 n형 열전소자(전자 이동에 의한 열에너지 이동)로 구분되고, 수㎜ ~ 500㎛의 크기의 벌크소재로 가공되어 열전모듈(Thermoelectric Module)로 제조된다.
일례로, 열전모듈은 p-n 열전소자, 상/하부 절연 기판 및 전극을 구성요소로 하고, 벌크 타입 열전소자를 전극 및 기판과 접합하거나 또는 페이스트(paste) 타입 열전소자를 전극 및 기판 상에 직접 제조하거나 또는 스퍼터링(Sputtering)타입 열전소자를 전극 및 기판에 코팅함으로써 제조된다.
특히 열전모듈은 몰딩(molding)방식 또는 패키징(packaging)방식을 더 부가함으로써 고온 노출에 의한 산화로 소자특성이 사라지거나 부서지는 현상을 차단하여 준다. 여기서, 상기 몰딩방식은 열전소자가 산소와 접촉하는 것을 차단하기 위해 열전모듈 옆면을 실리콘 등을 사용해 몰딩하는 구조이고, 상기 패키징 방식은 금속 등을 이용해 밀폐구조로 패키징하는 구조이다. 그러므로 상기 패키징 방식은 고온용 열전모듈에 적용된다.
따라서 열전모듈은 몰딩방식과 패키징 방식의 밀폐구조로 소자특성을 사라지게 하는 고온 노출이 방지되면서 전극과 함께 집적된 열전소자의 온도 차이를 이용한 전력발전이 이루어진다.
국내 등록실용신안공보 20-0447536(2010년01월25일)
하지만, 상기 몰딩방식은 열전모듈 옆면을 실리콘 등을 사용해 몰딩함으로써 고온에는 적용할 수 없는 근본적인 한계를 갖는 방식이다.
또한 상기 패키징 방식은 금속 등을 이용해 밀폐구조로 패키징함으로써 고온 적용성을 가지나 패키징에 의해 열전모듈이 전체적으로 가열되고, 그 결과 열전 소자 양단간의 온도차이 유지에 어려움이 있어 기전력 약화를 방지할 수 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 단열층이 형성된 금속을 이용한 밀폐구조로 산소와의 접촉을 차단하면서 패키징 방식이 갖던 열전 소자 양단간의 온도차이 유지 어려움을 해소하고, 특히 단열층을 진공으로 형성함으로써 구조적 단순화도 이루어진 단열 패키징 방식 열전모듈을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단열 패키징 방식 열전모듈은 온도차를 전기에너지로 전환하는 열전 소자가 수용되는 밀폐형 박스 공간을 형성한 단열 패키징 박스; 상기 단열 패키징 박스에 형성되고, 상기 열전 소자로 채워지지 않은 단열 공간으로 상기 박스 공간을 확장하는 라운드형 단열 벽; 고온용 상부 절연 기판과 저온용 하부 절연 기판으로 구분되어 상기 열전 소자와 결합되고, 상기 박스 공간에 수용되는 절연 기판; 상기 열전 소자에서 발생된 전기를 인출하는 전극; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 라운드형 단열 벽은 상기 단열 패키징 박스의 측면에서 돌출되어 상기 단열 공간을 형성하도록 상기 단열 패키징 박스에 일체로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 라운드형 단열 벽은 진공 공간의 호형 단열층을 형성하는 두께로 이루어진다. 상기 라운드형 단열 벽과 상기 호형 단열층의 각각은 반원형상으로 이루어진다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단열 패키징 방식 열전모듈은 온도차를 전기에너지로 전환하는 열전 소자가 수용되는 밀폐형 박스 공간을 형성한 단열 패키징 박스; 상기 단열 패키징 박스에 형성되고, 상기 열전 소자로 채워지지 않은 단열 공간으로 상기 박스 공간을 확장하는 직각형 단열 벽; 고온용 상부 절연 기판과 저온용 하부 절연 기판으로 구분되어 상기 열전 소자와 결합되고, 상기 박스 공간에 수용되는 절연 기판; 상기 열전 소자에서 발생된 전기를 인출하는 전극; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 직각형 단열 벽은 상기 단열 패키징 박스의 측면에서 돌출되어 상기 단열 공간을 형성하도록 상기 단열 패키징 박스에 일체로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 직각형 단열 벽은 진공 공간의 직선형 단열층을 형성하는 두께로 이루어진다. 상기 직각형 단열 벽은 사각형상으로 이루어지고, 상기 직선형 단열층은 직선형상으로 이루어진다.
이러한 본 발명의 열전모듈은 단열 패키징 방식을 적용함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 구현한다.
첫째, 열전소자 양단간 온도차이 유지와 산소와의 접촉 차단에 진공을 이용한 패키징 방식이 적용됨으로써 밀폐구조의 다양화가 이루어진다. 둘째, 고온에 적합하나 열전모듈 가열에 의한 온도차이 유지의 어려움이 있던 금속재를 이용한 패키징 방식의 단점을 모두 해소할 수 있다. 셋째, 금속재에 단열층을 적용함으로써 기존 패키징 방식의 구조적 변경이 거의 없이 열전모듈의 기전력 약화를 방지할 수 있다. 넷째, 금속재의 단열층을 진공으로 형성하여 열전달을 방지함으로써 구조적 단순화가 가능하다. 다섯째, 진공의 단열층을 다양한 형상으로 변경함으로써 열전모듈의 외관 디자인이 다양화되고, 디자인 다양성으로 상품성도 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 단열 패키징 방식 열전모듈의 구성도이고. 도 2는 본 발명에 따른 단열 패키징 박스의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열전모듈에 적용된 단열 패키징 박스의 단열작용상태이고, 도 4는 본 발명에 따른 단열 패키징 방식 열전모듈의 변형 예이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단열 패키징 방식 라운드형 열전모듈(1)을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단열 패키징 방식 열전모듈은 열전 소자(10), 절연 기판(20), 전극(30), 단열 패키징 박스(40) 및 단열 벽(50)을 구성요소로 포함하고, 상기 단열 벽(50)이 라운드형을 이룸으로써 라운드형 열전모듈(1)로 제조된다. 그러므로 상기 라운드형 열전모듈(1)은 열전 소자(10), 절연 기판(20), 전극(30), 단열 패키징 박스(40) 및 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)으로 구성된다.
구체적으로 상기 열전 소자(10)는 온도차를 전기에너지로 전기에너지를 온도차로 전환한다. 일례로, 상기 열전 소자(10)는 수㎜ ~ 500㎛의 크기의 벌크소재로 가공되고, p형 열전소자(홀 이동에 의한 열에너지 이동)와 n형 열전소자(전자 이동에 의한 열에너지 이동)로 이루어진 p-n 열전소자일 수 있다.
구체적으로 상기 절연 기판(20)은 상부 절연 기판(20-1)과 하부 절연 기판(20-2)으로 구성되고, 상기 상부 절연 기판(20-1)은 열전 소자(10)의 위쪽부위로 덧대어짐으로써 고온을 형성하며, 상기 하부 절연 기판(20-2)은 열전 소자(10)의 아래쪽부위로 덧대어짐으로써 상대적으로 저온을 형성한다. 그러므로 상기 상부 절연 기판(20-1)과 상기 하부 절연 기판(20-2)의 사이 공간은 열전 소자(10)로 채워진다. 일례로, 상기 상,하부 절연 기판(20-1,20-2)과 상기 열전 소자(10)의 일체화는 전극(30)과 함께 직접 제조되거나 또는 전극(30)과 함께 코팅하거나 또는 정전 열 접합(Electrostatic bonding)을 이용한 진공실장으로 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 전극(30)은 - 단자(30-1)와 + 단자(30-2)로 구성되어 연정 소자(20)에 연결되어 단열 패키징 박스(40)의 전원단자(도시되지 않음)로 이어지고, 열전 소자(10)의 온도차로 발생된 전기에너지를 인출한다.
구체적으로 상기 단열 패키징 박스(40)는 내부의 박스 공간(40A)(도 2참조)이 밀폐된 사각박스형상으로 이루어지고, 상기 박스 공간(40A)으로 열전 소자(10)와 일체화된 절연 기판(20)이 수용된다.
구체적으로 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)은 단열 패키징 박스(40)의 박스 공간(40A)에 열전 소자(10)로 채워지지 않은 단열 공간(50A)(도 2 참조)을 형성한다. 이를 위해, 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)은 단열 패키징 박스(40)의 측면 변형을 통해 형성됨으로써 단열 패키징 박스(40)와 일체로 이루어진다. 특히, 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)은 단열 패키징 박스(40)의 측면중 서로 대향되도록 2개의 측면에 각각 형성되지만 필요 시 4개의 측면에 모두 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 라운드형 단열 벽(50-1)은 단열 패키징 박스(40)에서 돌출된 반원형상구조로 이루어짐으로써 열전소자(10)가 점유한 박스 공간(40A)에 단열 공간(50A)을 더 형성한다. 특히 상기 제1 라운드형 단열 벽(50-1)은 반원형상의 빈공간인 호형 단열 층(51)을 형성한 반원형상구조로 이루어지고, 상기 호형 단열 층(51)은 진공을 형성함으로써 단열 공간(50A)에 대한 외부 열 차단 효과를 더 높여준다. 필요 시 상기 호형 단열 층(51)은 진공대신 단열재로 채워질 수 있다. 그리고 상기 제2 라운드형 단열 벽(50-2)은 상기 제1 라운드형 단열 벽(50-1)과 동일한 형성 및 동일한 구조로 이루어짐으로써 단열 공간(50A)과 호형 단열 층(51)을 형성한다.
그러므로 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)의 각각은 단열 공간(50A)을 통해 단열 패키징 박스(40)의 박스 공간(40A)을 확장하고, 호형 단열 층(51)을 통해 진공에 의한 외부 열 차단 효과를 형성한다.
또한, 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)은 다양한 방식으로 제조될 수 있으나 단열 패키징 박스(40)의 두께를 이용하여 함께 제조된다. 일례로, 단열 패키징 박스(40)가 소정 두께로 사각판재로 형성되는 과정에서 2곳의 위치에 호형 단열 층(51)을 진공으로 형성하고, 이후 호형 단열 층(51)이 좌,우 측면에서 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)이 형성되도록 단열 패키징 박스(40)를 사각박스형상으로 접어준 다음, 열전소자(10)및 전극(30)과 일체화된 상,하부 절연 기판(20-1,20-2)을 박스 공간(40A)에 수용한 상태로 밀폐하는 방식을 적용할 수 있다.
특히, 상기 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)은 다양한 재질로 이루어질 수 있으나 높은 열전도율을 유지하면서 쉽게 산화되지 않는 SUS 계열 금속재질을 적용한다.
도 3을 참조하면, 단열 패키징 박스(40)의 박스 공간(40A)과 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)의 단열 공간(50A)은 열전소자(10)의 발전을 위한 내부 온도를 형성한다. 동시에 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)의 호형 단열 층(51)은 진공에 의한 단열작용으로 내부 온도와 외부 온도 간 열전달 현상을 차단함으로써 외부의 고온에 노출된 라운드 형 열전모듈(1)은 온도 상승이 방지된다.
그 결과 박스 공간(40A)과 단열 공간(50A)의 내부 온도는 열전소자(10)의 산화를 일으키는 고온으로 상승되지 않고 열전소자(10)의 발전이 이루어지는 온도 차이로 유지된다. 따라서 라운드 형 열전모듈(1)은 외부의 열악한 온도 환경에서도 기전력 저하 없이 정상적인 발전을 수행할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단열 패키징 방식 사각형 열전모듈(1-1)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 단열 패키징 방식 열전모듈은 열전 소자(10), 절연 기판(20), 전극(30), 단열 패키징 박스(40) 및 단열 벽(50)을 구성요소로 포함하고, 상기 단열 벽(50)이 사각형을 이룸으로써 사각형 열전모듈(1-1)로 제조된다. 그러므로 상기 사각형 열전모듈(1-1)은 열전 소자(10), 절연 기판(20), 전극(30), 단열 패키징 박스(40) 및 제1,2 직각형 단열 벽(50-3,50-4)으로 구성된다.
구체적으로 상기 열전 소자(10), 상기 절연 기판(20), 상기 전극(30), 상기 단열 패키징 박스(40)는 도 1 내지 도 3을 통해 기술된 라운드형 열전모듈(1)의 구성요소와 동일하다.
구체적으로 상기 제1,2 직각형 단열 벽(50-3,50-4)은 단열 패키징 박스(40)의 박스 공간(40A)을 확장하는 단열 공간(50A)을 형성함에 있어 도 1 내지 도 3을 통해 기술된 제1,2 라운드형 단열 벽(50-1,50-2)의 구성요소와 동일하다. 다만, 상기 제1,2 직각형 단열 벽(50-3,50-4)은 직선형 단열 층(51-1)으로 진공공간을 형성함으로써 반원형상의 호형 단열 층(51)과 차이를 갖는다. 특히, 상기 직선형 단열 층(51-1)은 "ㄷ "형상으로 이루어짐으로써 단열 공간(50A)의 전체에 대한 단열 효과를 형성한다.
그러므로 상기 사각형 열전모듈(1-1)도 도 1 내지 도 3을 통해 기술된 라운드형 열전모듈(1)의 온도 차이 유지와 산화방지 및 기전력 저하 방지 등을 동일하게 구현한다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 단열 패키징 방식 열전모듈은 온도차를 전기에너지로 전환하는 열전 소자(10)가 수용되는 밀폐형 박스 공간(40A)을 형성한 단열 패키징 박스(40), 열전 소자(10)로 채워지지 않은 단열 공간(50A)으로 박스 공간(40A)을 확장하도록 단열 패키징 박스(40)에 형성된 단열 벽(50), 고온용 상부 절연 기판(20-1)과 저온용 하부 절연 기판(20-2)으로 이루어져 열전 소자(10)와 함께 박스 공간(40A)에 수용되는 절연 기판(20), 열전 소자(10)에서 발생된 전기를 인출하는 전극(30)을 포함함으로써 단열 벽(50)에 의한 단열효과로 기존 패키징 방식의 열전 소자(10)의 양단간 온도차이 유지 어려움을 해소하고, 특히 단열 벽(50)에 진공공간을 형성함으로써 외부 고온 환경에서도 높은 단열 효과를 유지한다.
1 : 라운드형 열전모듈 1-1 : 사각형 열전모듈
10 : 열전 소자 20 : 절연 기판
20-1,20-2 : 상,하부 절연 기판
30 : 전극 30-1 : - 단자
30-2 : + 단자 40 : 단열 패키징 박스
40A : 박스 공간 50 : 단열 벽
50-1,50-2 : 제1,2 라운드형 단열 벽
50-3,50-4 : 제1,2 직각형 단열 벽
50A : 단열 공간 51 : 호형 단열 층
51-1 : 직선형 단열 층

Claims (11)

  1. 온도차를 전기에너지로 전환하는 열전 소자가 수용되는 밀폐형 박스 공간을 형성한 단열 패키징 박스;
    상기 단열 패키징 박스에 형성되고, 상기 열전 소자로 채워지지 않은 단열 공간으로 상기 박스 공간을 확장하는 단열 벽;이 포함되고,
    상기 단열 벽은 단열 층을 빈 공간으로 형성하는 두께인 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 단열 벽은 상기 단열 패키징 박스에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 단열 벽은 상기 단열 패키징 박스의 측면에서 돌출되어 상기 단열 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 단열 벽은 금속 재질인 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 단열 층은 진공 공간인 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 단열 벽과 상기 단열 층은 각각 반원형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 단열 벽은 사각형상으로 이루어지고, 상기 단열 층은 직선형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 직선형상은 "ㄷ "형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 열전 소자는 상기 박스 공간에 수용되는 절연 기판과 결합되고, 발생된 전기를 인출하는 전극과 연결된 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 절연 기판은 고온을 형성하는 상부 절연 기판과 상대적으로 저온을 형성하는 하부 절연 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 단열 패키징 방식 열전모듈.
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