KR20180125962A - 열전 변환 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 열전 변환 모듈은, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자는, 서로 열팽창률이 상이한 재료로 이루어지고, n 형 열전 변환 소자의 일면측과 p 형 열전 변환 소자의 일면측이, 서로 공통의 절연성 기판의 일면측에 나열 접합되고, n 형 열전 변환 소자의 타면측과 p 형 열전 변환 소자의 타면측에는, 각각 열전도성 부재가 독립적으로 개개로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

열전 변환 모듈
본 발명은, 복수의 열전 변환 소자를 전기적으로 접속하여 이루어지는 열전 변환 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2016년 3월 24일에 일본에 출원된 특허출원 2016-060866호, 및 2017년 2월 24일에 일본에 출원된 특허출원 2017-033837호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
열전 변환 소자는 제베크 효과, 펠티에 효과와 같은, 열과 전기를 서로 변환 가능한 전자 소자이다. 제베크 효과는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효과로, 열전 변환 재료의 양단에 온도차를 일으키게 하면 기전력이 발생하는 현상이다. 이러한 기전력은 열전 변환 재료의 특성에 따라 정해진다. 최근에는 이 효과를 이용한 열전 발전의 개발이 활발하다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
한편, 펠티에 효과는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 효과로, 열전 변환 재료의 양단에 전극 등을 형성하여 전극 사이에서 전위차를 일으키게 하면, 열전 변환 재료의 양단에 온도차가 생기는 현상이다. 이러한 효과를 갖는 소자는 특히 펠티에 소자라고 불리며, 정밀 기기나 소형 냉장고 등의 냉각이나 온도 제어에 이용되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).
이러한 열전 변환 소자를 복수, 전기적으로 접속하여 구성되는 열전 변환 모듈은, 일반적으로 서로 반도체형이 동일한 열전 변환 소자끼리를 접속한 유니레그형 열전 변환 모듈과, 서로 상이한 반도체형, 즉 n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자를 교대로 접속한 π (파이) 형 열전 변환 모듈이 알려져 있다.
이 중 π (파이) 형 열전 변환 모듈은, 유니 레그형 열전 변환 모듈과 비교하여 전기적인 접속 구성을 단순하게 할 수 있고, 또한 p-n 접속에 의해 효율적으로 열전 변환을 실시할 수 있다.
종래, 이러한 π 형 열전 변환 모듈은, 전극판 등으로 서로 접속된 다수의 n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자의 일면측 및 타면측을, 각각 1 장의 절연판에 접합시킨 구성으로 되어 있다.
일본 공표특허공보 2012-533972호 일본 공개특허공보 2011-249742호
상기 서술한 π (파이) 형 열전 변환 모듈에 있어서, 서로 상이한 조성의 열전 변환 재료를 사용하는 경우에는, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자의 열팽창률도 서로 차이가 난다. 이 때문에, 종래와 같이, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자의 일면측 및 타면측을, 각각 1 장의 절연판에 접합시킨 구성에서는, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자의 열팽창률의 차이에 의해, 어느 일방의 열전 변환 소자가 절연판으로부터 박리되거나, 소자가 균열되거나 하는 문제가 생길 우려가 있었다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 서로 상이한 열팽창률의 열전 변환 재료를 각각 사용하여 형성한 n 형 열전 변환 소자 및 p 형 열전 변환 소자를 조합하여 이루어지는 열전 변환 모듈에 있어서, 기판으로부터 열전 변환 소자가 박리되는 것, 혹은 열전 변환 소자가 균열되는 것을 방지할 수 있는 열전 변환 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈은, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자가, 전극판을 통하여 교대로 직렬 접속하여 이루어지는 열전 변환 모듈로서, 상기 n 형 열전 변환 소자와 상기 p 형 열전 변환 소자는, 서로 열팽창률이 상이한 재료로 이루어지고, 상기 n 형 열전 변환 소자의 일면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 일면측이, 서로 공통의 절연성 기판의 일면측에 나열 접합되고, 상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측에는, 각각 열전도성 부재가 독립적으로 개개로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
열전 변환 모듈의 동작시 (열전 변환시) 에 있어서는, 서로 상이한 열팽창률을 갖는 재료로 형성된 n 형 열전 변환 재료와 p 형 열전 변환 재료는, 고열측의 열에 의해 서로 상이한 크기가 되도록 열팽창한다. 예를 들어, n 형 열전 변환 재료가 p 형 열전 변환 재료보다 열팽창률이 큰 경우, n 형 열전 변환 재료가 p 형 열전 변환 재료보다 크게 팽창한다.
그러나, 이 구성의 열전 변환 모듈에 있어서, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자는, 일면측만이 공통의 절연성 기판에 접합되고, 타면측에 형성된 열전도성 부재는, 개개의 n 형 열전 변환 소자 및 p 형 열전 변환 소자마다 각각 독립적으로 형성되어, 서로 간섭하지 않는다. 그 때문에, n 형 열전 변환 소자나 p 형 열전 변환 소자로부터 열전도성 부재가 박리되거나, 혹은 소자가 균열되거나 할 우려가 없다. n 형 열전 변환 소자는 p 형 열전 변환 소자보다 크게 팽창하는 것이 허용되어, n 형 열전 변환 소자에 형성된 열전도성 부재의 단부가, p 형 열전 변환 소자에 형성된 열전도성 부재의 선단보다 돌출될 수 있다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과 상기 열전도성 부재의 사이, 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측과 상기 열전도성 부재의 사이에는, 각각 열전도성 절연층이 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측과 열전도성 부재의 사이의 절연성이 확보되므로, 열전도성 부재가 다른 금속제 부재와 접촉했을 때에 생기는 전류 리크를 방지할 수 있어, 안전성이 높은 열전 변환 모듈을 실현할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 서로 인접하는 상기 n 형 열전 변환 소자와 상기 p 형 열전 변환 소자의 사이에, 추가로 차열 부재를 배치하는 것이 바람직하다.
이 경우, 차열 부재에 의해 일면측으로부터 타면측으로의 전열이 억제되고, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 일면측과 타면측에서 온도차를 유지할 수 있어, 발전 효율이 향상된다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 차열 부재는, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 관통 가능한, 다수의 개구가 형성된 차열판인 것이 바람직하다.
이 경우, 차열판에 의해 일면측의 복사열이 타면측으로 전달되는 것이 억제되고, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 일면측과 타면측에서 온도차를 유지할 수 있어, 발전 효율이 향상된다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 절연성 기판의 타면측, 및 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 배열된 영역의 주위를 둘러싸도록, 보호 커버가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 보호 커버에 의해 열전 변환 모듈의 부식이나 오손을 방지하여, 열전 변환 모듈의 열전 변환 효율의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 열전도성 부재는, 열전도율이 10 W/(mK) 이상인 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 열전도성 부재의 열전도율이 10 W/(mK) 이상으로 비교적 크게 되어 있으므로, 효율적으로 흡열 및 방열시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측에 형성된 상기 열전도성 부재의 선단부가, 냉각액 중에 침지되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성의 열전 변환 모듈에 의하면, 상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측에 형성된 상기 열전도성 부재의 선단부를 냉각액 중에 침지시킴으로써, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 일면측과 타면측에서 온도차를 유지할 수 있어, 발전 효율이 향상된다.
본 발명의 일 양태인 열전 변환 모듈에 있어서는, 상기 절연성 기판의 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 접합된 면과는 반대측의 면에, 금속층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성의 열전 변환 모듈에 의하면, 상기 절연성 기판의 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 접합된 면과는 반대측의 면에, 금속층이 형성되어 있으므로, 이 금속층을 개재하여 열원을 배치할 수 있고, 상기 절연성 기판에 대한 열충격을 억제하여, 절연성 기판의 수명 연장을 도모할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 모듈에 의하면, 서로 상이한 열팽창률의 열전 변환 재료를 각각 사용하여 형성한 n 형 열전 변환 소자 및 p 형 열전 변환 소자를 조합하여 이루어지는 열전 변환 모듈에 있어서, 기판으로부터 열전 변환 소자가 박리되는 것이나 열전 변환 소자가 균열되는 것을 방지할 수 있다.
도 1 은 제 1 실시형태의 열전 변환 모듈을 측면에서 보았을 때의 단면도이다.
도 2 는 제 1 실시형태의 열전 변환 모듈의 동작시의 모습을 나타낸 주요부 확대 단면도이다.
도 3 은 제 2 실시형태의 열전 변환 모듈의 주요부 확대 단면도이다.
도 4 는 제 3 실시형태의 열전 변환 모듈의 주요부 확대 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시형태의 열전 변환 모듈을 측면에서 보았을 때의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시형태의 열전 변환 모듈을 측면에서 보았을 때의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 실시형태에 있어서의 열전도성 부재의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 열전 변환 모듈에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시형태는, 발명의 취지를 더욱 잘 이해시키기 위해서 구체적으로 설명하는 것으로, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상, 주요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 할 수 없다.
(열전 변환 모듈 : 제 1 실시형태)
도 1 은 제 1 실시형태의 열전 변환 모듈을 측면에서 보았을 때의 단면도이다.
제 1 실시형태의 열전 변환 모듈 (20) 은, 상이한 반도체형, 예를 들어 p 형 및 n 형의 열전 변환 재료를 직렬로 접속하여 이루어지는 π (파이) 형 열전 변환 모듈이다.
열전 변환 모듈 (20) 은, 절연성 기판 (21) 과, 이 절연성 기판 (21) 의 일면측 (21a) 에 교대로 배열된 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 를 구비하고 있다.
절연성 기판 (21) 은, 모든 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 접합되는 공통의 1 장의 기판이다. 절연성 기판 (21) 은, 절연성이며, 또한 열전도성이 우수한 재료, 예를 들어 탄화규소, 질소규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 사이알론 등의 판재를 사용할 수 있다.
또한, 절연성 기판 (21) 은, 기재로서 도전성의 금속 재료를 사용하고, 주위에 수지막이나 세라믹스 박막 등의 절연층을 형성한 복합 기판을 사용할 수도 있다.
이러한 절연성 기판 (21) 은, 후술하는 열전 변환 재료 (11A, 11B) 의 일방의 면 (11a) 에 열을 가하거나, 열을 흡수시키거나 하는 매체이다. 절연성 기판 (21) 의 열전도율은, 예를 들어 20 W/(mK) 이상인 것이 바람직하다. 절연성 기판 (21) 의 열전도율은, 30 W/(mK) 이상인 것이 보다 바람직하고, 40 W/(mK) 이상인 것이 더욱 바람직하다.
열전 변환 소자 (10A) 는, 그 일면측 (10a) 에서 절연성 기판 (21) 에 접합되고, n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 일방의 면 (11a) 및 타방의 면 (11b) 에 메탈라이즈층 (12a, 12b) 이 각각 형성되어 있다.
n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 구체예로는, 마그네슘실리사이드 (Mg2Si) 에 도펀트로서 안티몬 (Sb) 을 첨가하여 소결시켜 얻어진 열전 변환 재료를 절단하고, 원하는 형상으로 가공하여 제조되는 것을 들 수 있다. 또한, 소결시에 SiO2 등의 실리콘 산화물을 0.5 mol％ ∼ 13.0 mol％ 첨가할 수 있다. 실리콘 산화물을 첨가함으로써, 열전 변환 재료의 경도나, 발전 효율이 상승한다.
본 실시형태의 n 형 열전 변환 재료 (11A) 는, Mg2Si 에 안티몬을 0.5 at％ 포함하는 것으로 이루어지는 마그네슘계 소결체를 사용하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 5 가 도너인 안티몬의 첨가에 의해 캐리어 밀도가 높은 n 형 열전 변환 재료로 되어 있다. 또한, 본 실시형태의 n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 열팽창률은 500 ℃ 에서 예를 들어 12.5 × 10-6/K ∼ 17.5 × 10-6/K 정도이다.
또한, n 형 열전 변환 재료 (11A) 를 구성하는 마그네슘계 화합물로는, Mg2Si 이외에도, Mg2SiXGe1-X, Mg2SiXSn1-x 등, Mg2Si 에 다른 원소를 부가한 화합물도 동일하게 사용할 수 있다.
또, n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 도너로는, 안티몬 이외에도, 비스무트, 알루미늄, 인, 비소 등을 사용할 수 있다.
열전 변환 소자 (10B) 는, 그 일면측 (10a) 에서 절연성 기판 (21) 에 접합되고, p 형 열전 변환 재료 (11B) 의 일방의 면 (11a) 및 타방의 면 (11b) 에, 메탈라이즈층 (12a, 12b) 이 각각 형성되어 있다.
p 형 열전 변환 재료 (11B) 의 구체예로는, MnSi1.73, Mn34.6W1.8Si63.6, Mn30.4Re6Si63.6 등을 소결시켜 얻어진 열전 변환 재료를 절단하고, 원하는 형상으로 가공하여 제조되는 것을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, p 형 열전 변환 재료 (11B) 로서, MnSi1.73 으로 이루어지는 망간계 소결체를 이용하고, 열팽창률은, 예를 들어 500 ℃ 에서 10.0 × 10-6/K ∼ 11.5 × 10-6/K 정도이다.
메탈라이즈층 (12a, 12b) 은, n 형 열전 변환 재료 (11A) 나 p 형 열전 변환 재료 (11B) 에 전극판 (13a, 13b) 을 접합시키는 중간층으로, 예를 들어 니켈, 은, 코발트, 텅스텐, 몰리브덴 등이나, 혹은 그들의 금속 섬유로 이루어진 부직포 등이 사용된다.
본 실시형태에서는, 메탈라이즈층 (12a, 12b) 으로서 니켈을 사용하고 있다. 메탈라이즈층 (12a, 12b) 은, 소결, 도금, 전착 등에 의해 형성할 수 있다.
서로 인접하여 배치된 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 는, 전극판 (13a, 13b) 을 통하여 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 구체적으로는, n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 메탈라이즈층 (12a) 과, 근처에 배치된 p 형 열전 변환 재료 (11B) 의 메탈라이즈층 (12a) 이, 전극판 (13a) 에 의해 접속된다. 그리고, 이 p 형 열전 변환 재료 (11B) 의 메탈라이즈층 (12b) 과, 나아가 근처에 배치된 n 형 열전 변환 재료 (11A) 의 메탈라이즈층 (12b) 이, 전극판 (13b) 에 의해 접속된다.
전극판 (13a, 13b) 은, 도전성이 우수한 금속 재료, 예를 들어 구리나 알루미늄 등의 판재로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 알루미늄의 압연판을 사용하고 있다. 또, 메탈라이즈층 (12a, 12b) 과 전극판 (13a, 13b) 은, Ag 납이나 Ag 페이스트 등에 의해 접합할 수 있다.
이와 같이 배열된 다수의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 는, 전기적으로 일렬 연결이 되도록 직렬로 접속되어 있다. 즉, π (파이) 형 열전 변환 모듈 (20) 은, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 교대로 반복하여 직렬로 접속되어 있다.
또한, 도 1 에서는 앞측의 1 열분의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 만을 나타내고 있지만, 실제로는 도면 안길이 방향으로도 동일하게 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 교대로 수열분 배치되어 있다.
이러한 구성에 의해, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 과 타면측 (10b) 의 사이에 온도차를 일으키게 함으로써, 전극판 (13a) 과 전극판 (13b) 의 사이에 전위차를 일으키게 하는 제베크 소자로서 사용할 수 있다.
또, 예를 들어, 전극판 (13a) 측과 전극판 (13b) 의 사이에 전압을 인가함으로써, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 과 타면측 (10b) 의 사이에 온도차를 일으키게 하는 펠티에 소자로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 전극판 (13a) 측과 전극판 (13b) 의 사이에 전류를 흐르게 함으로써, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 또는 타면측 (10b) 을 냉각, 또는 가열할 수 있다.
n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 각각의 외면측 (10b) 에는, 열전도성 부재 (22) 가 형성되어 있다. 즉, 개개의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 마다, 각각 독립된 열전도성 부재 (22) 가 형성되어 있다.
이러한 열전도성 부재 (22) 는, 절연성이며, 또한 열전도성이 우수한 재료, 예를 들어 탄화규소, 질소규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등의 봉재나 판재 등이나, 혹은 표면적을 크게 취하기 위해서 표면에 요철을 형성한 구조의 봉재나 판재 등을 사용할 수 있다. 열전도성 부재 (22) 는, 열전 변환 재료 (11A, 11B) 의 타방의 면 (11b) 에 열을 가하거나, 열을 흡수시키거나 하는 매체이다. 즉, 방열 혹은 흡열을 위한 부재이다. 열전도성 부재 (22) 를 절연성이며, 또한 열전도성이 우수한 재료로 하는 경우, 열전도성 부재 (22) 의 열전도율은, 예를 들어 10 W/(mK) 이상인 것이 바람직하다. 열전도성 부재 (22) 의 열전도율은, 20 W/(mK) 이상인 것이 보다 바람직하고, 30 W/(mK) 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또, 이들 열전도성 부재 (22) 는, 열전도성이 우수한 금속 재료, 예를 들어 알루미늄이나 알루미늄 합금, 마그네슘이나 마그네슘 합금, 구리나 구리 합금 등의 봉재나 판재, 혹은 표면적을 크게 취하기 위해서 표면에 요철을 형성한 구조의 봉재나 판재 등을 사용할 수도 있다. 열전도성 부재 (22) 를, 열전도성이 우수한 금속 재료로 하는 경우, 열전도성 부재 (22) 의 열전도율은, 200 W/(mK) 이상인 것이 바람직하고, 400 W/(mK) 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 서로 인접하는 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 사이에, 차열 부재 (24) 가 배치되어 있다. 구체적으로는, 차열 부재 (24) 는, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 관통 가능한, 다수의 개구가 형성된 차열판으로 이루어지고, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 에 있어서, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 간극을 덮도록 형성되어 있다.
이러한 차열 부재 (24) 는, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 으로부터 복사열이 타면측 (10b) 으로 전파되어, 일면측 (10a) 과 타면측 (10b) 의 사이의 온도차가 감소하고, 열전 변환 효율이 저하되는 것을 방지한다.
혹은 차열 부재 (24) 는, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 으로부터, 복사열이 일면측 (10a) 으로 전파되는 것을 방지하는 부재로 할 수도 있다.
차열 부재 (24) 는, 열전도성이 낮고, 또한 절연성의 부재, 예를 들어 알루미나, 사이알론판, 로크 울제 단열재, 알루미나, 실리카 등의 섬유로 이루어진 단열재로 구성되어 있다.
또, 차열 부재 (24) 로서, 적외선을 반사하는 스테인리스, 알루미늄, 구리, 강 등과 같은 금속의 판이나 박 (箔) 등을 사용할 수도 있지만, 이 경우, 이들 금속의 판이나 박이 열전 변환 소자 (10A 나 10B) 와 접촉하지 않을 정도의 개구부를 형성할 필요가 있다.
이들 차열 부재 (24) 와 절연성 기판 (21) 은, 그 주연 부분에서, 예를 들어 나사 및 비스 등으로 이루어지는 체결 부재 (23) 에 의해, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 를 협지하도록 일체화되어 있다.
또, 절연성 기판의 타면측 (21b), 및 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 배열된 영역의 주위를 둘러싸도록, 보호 커버 (25) 가 형성되어 있다. 이러한 보호 커버 (25) 는, 열전 변환 모듈 (20) 의 부식이나 오손을 방지하여, 열전 변환 모듈 (20) 의 열전 변환 효율의 저하를 방지한다.
보호 커버 (25) 는, 예를 들어 스테인리스, 강이나 알루미늄으로 이루어지는 판재 등으로 구성되어 있다.
이상과 같은 구성의 본 실시형태의 열전 변환 모듈 (20) 의 작용을 설명한다.
열전 변환 모듈 (20) 을, 예를 들어 제베크 소자로서 사용할 때는, 절연성 기판 (21) 과, 개개의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 에 각각 형성된 열전도성 부재 (22) 를 각각 개재하여, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 과 타면측 (10b) 의 사이에 온도차를 일으키게 함으로써, 전극판 (13a) 과 전극판 (13b) 의 사이에 전위차를 일으키게 할 수 있다.
도 2 는 본 실시형태의 열전 변환 모듈의 동작시의 모습을 나타낸 주요부 확대 단면도이다.
열전 변환 모듈 (20) 의 동작시 (열전 변환시) 에 있어서는, 서로 상이한 열팽창률을 갖는 재료로 형성된 n 형 열전 변환 재료 (11A) 와 p 형 열전 변환 재료 (11B) 는, 고열측, 예를 들어 일면측 (10a) 의 열에 의해 서로 상이한 크기가 되도록 열팽창한다.
본 실시형태에서는, n 형 열전 변환 재료 (11A) 는, p 형 열전 변환 재료 (11B) 보다 열팽창률이 크기 때문에, 예를 들어 두께 방향을 따라 n 형 열전 변환 재료 (11A) 가 p 형 열전 변환 재료 (11B) 보다 크게 팽창한다.
그러나, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 는, 일면측 (10a) 만이 공통의 기판인 절연성 기판 (21) 에 전극판 (13a) 을 통하여 접합되고, 타면측 (10b) 에 형성된 열전도성 부재 (22) 는, 개개의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 마다 각각 독립적으로 형성되어 있기 때문에, n 형 열전 변환 소자 (10A) 나 p 형 열전 변환 소자 (10B) 로부터 메탈라이즈층 (12a, 12b), 혹은 전극판 (13a, 13b) 이 박리될 우려가 없다. 또, 열전 변환 소자 (10A, 10B) 에 균열이 생길 우려가 없다. n 형 열전 변환 소자 (10A) 는 p 형 열전 변환 소자 (10B) 보다 크게 팽창하는 것이 허용되어, n 형 열전 변환 소자 (10A) 에 형성된 열전도성 부재 (22) 의 선단이, p 형 열전 변환 소자 (10B) 에 형성된 열전도성 부재 (22) 의 선단보다 돌출될 수 있다.
또한, 이러한 n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 열팽창률의 차이에 의해 전극판 (13b) 은 다소 굴곡지지만, 전극판 (13b) 은 전성이나 연성이 우수한 구리나 알루미늄 등의 판재나 박, 박을 다층으로 포갠 전극으로 형성되어 있기 때문에, 굴곡져도 n 형 열전 변환 소자 (10A) 나 p 형 열전 변환 소자 (10B) 로부터 박리되지 않는다.
이상과 같이, 본 실시형태의 열전 변환 모듈 (20) 에 의하면, 서로 상이한 열팽창률의 n 형 열전 변환 재료 (11A) 와 p 형 열전 변환 재료 (11B) 를 각각 사용하여 형성한 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 를 조합하여 이루어지는 열전 변환 모듈 (20) 이더라도, 절연성 기판 (21) 이나 열전도성 부재 (22) 로부터 열전 변환 소자 (10A, 10B) 가 박리되는 것을 방지할 수 있다.
(열전 변환 모듈 : 제 2 실시형태)
도 3 은 제 2 실시형태의 열전 변환 모듈을 나타내는 주요부 확대 단면도이다.
제 2 실시형태의 열전 변환 모듈 (30) 에서는, n 형 열전 변환 소자 (10A) 의 타면측 (10b) 과 열전도성 부재 (32) 의 사이, 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 과 열전도성 부재 (32) 의 사이에, 각각 열전도성 절연층 (33) 을 형성한 것이다.
이와 같은 열전도성 절연층 (33) 은, 예를 들어 탄화규소, 질소규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등으로 구성할 수 있다. 각각의 열전도성 부재 (32) 에 접하여 열전도성 절연층 (33) 을 형성함으로써, 열전도성 부재 (32) 와 전극판 (13b) 의 사이의 절연성이 확보된다. 이로써, 열전도성이 우수한 금속을 사용하여, 열전도성 부재 (32) 를 형성했을 경우, 열전도성 부재 (32) 가 다른 금속제 부재와 접촉했을 때에 생기는 전류 리크를 방지할 수 있어, 안전성이 높은 열전 변환 모듈을 실현할 수 있다.
(열전 변환 모듈 : 제 3 실시형태)
도 4 는 제 3 실시형태의 열전 변환 모듈을 나타내는 주요부 확대 단면도이다.
제 3 실시형태의 열전 변환 모듈 (40) 에서는, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 에 각각 전극판 (41a, 41b) 을 형성하고, 이 전극판 (41a) 과 전극판 (41b) 의 사이를 유연한 리드선 (42) 으로 접속한 것이다.
이로써, n 형 열전 변환 재료 (11A) 와 p 형 열전 변환 재료 (11B) 의 열팽창률 차이에 의한, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 에 있어서의 위치 어긋남이 커져도, n 형 열전 변환 소자 (10A) 의 타면측 (10b) 과 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 의 사이에 도전성을 확보할 수 있다.
이상, 본 발명의 몇몇 실시형태를 설명했는데, 이들 실시형태는 예로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 실시할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되면 동일하게, 특허 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
예를 들어, 도 5 에 나타내는 열전 변환 모듈 (50) 과 같이, n 형 열전 변환 소자 (10A) 와 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 타면측 (10b) 에 형성된 열전도성 부재 (22) 의 선단을, 저류조 (51) 에 저류한 냉각액 (52) 중에 침지시키는 구성으로 해도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 의 일면측 (10a) 과 타면측 (10b) 에서 온도차를 유지할 수 있어, 발전 효율이 향상된다.
또, 도 6 에 나타내는 열전 변환 모듈 (60) 과 같이, 절연성 기판 (21) 의 n 형 열전 변환 소자 (10A) 및 p 형 열전 변환 소자 (10B) 가 접합된 면과는 반대측의 면에, 금속층 (61) 이 형성되어 있어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 금속층 (61) 을 개재하여 열원을 배치할 수 있고, 절연성 기판 (21) 에 대한 열충격을 억제하여, 절연성 기판 (21) 의 수명 연장을 도모할 수 있다.
또한, 열전도성 부재의 형상에 대해서는, 본 실시형태의 형상에 한정되지 않으며, 다양한 형태를 채용할 수 있다. 예를 들어, 도 7(a) 에 나타내는 열전도성 부재 (121) 와 같이 단면 별 모양 형상으로 하거나, 도 7(b) 에 나타내는 열전도성 부재 (221) 와 같이 단면 다각 형상으로 하거나, 도 7(c) 에 나타내는 열전도성 부재 (321) 와 같이 다단 형상으로 하거나, 도 7(d) 에 나타내는 열전도성 부재 (421) 와 같이 핀 (421A) 을 돌출시키거나 하여, 표면적을 크게 해도 된다.
혹은, 도 7(e) 에 나타내는 열전도성 부재 (521) 와 같이, 관통공 (521A) 을 형성하여, 이 관통공 (521A) 에 냉각 매체가 유통되도록 구성해도 된다. 또, 열전도성 부재를 금속의 다공질체로 구성해도 된다.
산업상 이용가능성
본 발명의 열전 변환 모듈에 의하면, 기판으로부터 열전 변환 소자가 박리되는 것이나 열전 변환 소자가 균열되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 열전 변환 모듈은, 서로 상이한 열팽창률의 열전 변환 재료를 각각 사용하여 형성한 n 형 열전 변환 소자 및 p 형 열전 변환 소자를 조합한 열전 변환 모듈에 바람직하다.
10A ; n 형 열전 변환 소자
10B ; p 형 열전 변환 소자
11A ; n 형 열전 변환 재료
11B ; p 형 열전 변환 재료
12a, 12b ; 메탈라이즈층
13a, 13b ; 전극판
22, 121, 221, 321, 421, 521 ; 열전도성 부재

Claims (8)

  1. n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자가, 전극판을 통하여 교대로 직렬 접속하여 이루어지는 열전 변환 모듈로서,
    상기 n 형 열전 변환 소자와 상기 p 형 열전 변환 소자는, 서로 열팽창률이 상이한 재료로 이루어지고,
    상기 n 형 열전 변환 소자의 일면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 일면측이, 서로 공통의 절연성 기판의 일면측에 나열 접합되고,
    상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측에는, 각각 열전도성 부재가 독립적으로 개개로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과 상기 열전도성 부재의 사이, 및 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측과 상기 열전도성 부재의 사이에는, 각각 열전도성 절연층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    서로 인접하는 상기 n 형 열전 변환 소자와 상기 p 형 열전 변환 소자의 사이에, 추가로 차열 부재를 배치한 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 차열 부재는, 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 관통 가능한, 다수의 개구가 형성된 차열판인 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연성 기판의 타면측, 및 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 배열된 영역의 주위를 둘러싸도록, 보호 커버가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도성 부재는, 열전도율이 10 W/(mK) 이상인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n 형 열전 변환 소자의 타면측과, 상기 p 형 열전 변환 소자의 타면측에 형성된 상기 열전도성 부재의 선단부가, 냉각액 중에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연성 기판의 상기 n 형 열전 변환 소자 및 상기 p 형 열전 변환 소자가 접합된 면과는 반대측의 면에, 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
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