WO2025101005A1 - 열전소자를 포함하는 열교환장치 - Google Patents

열전소자를 포함하는 열교환장치 Download PDF

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gasket
thermoelectric
thermoelectric module
substrate
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양태수
이형의
원부운
조용상
봉상훈
손형민
김성철
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    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger including a thermoelectric element.
  • a plate heat exchanger has a structure in which multiple plates are stacked. Two fluids with different temperatures flow between the plates through different paths and exchange heat.
  • thermoelectric element to a plate heat exchanger.
  • the power generation efficiency can vary depending on the heat exchange efficiency of the plate heat exchanger.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a heat exchange device including a thermoelectric element.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to increase the heat exchange efficiency of a heat exchange device including a thermoelectric element.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to prevent moisture from penetrating into a thermoelectric element of a heat exchanger.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to increase the efficiency of wire connection of a heat exchange device including a thermoelectric element.
  • a heat exchanger includes a first plate, a second plate disposed on the first plate, a thermoelectric module disposed on the second plate, a third plate disposed on the thermoelectric module, and a fourth plate disposed on the third plate, wherein each plate includes a plurality of through holes, and a first gasket is disposed along the plurality of through holes on a surface of both sides of the second plate on which the thermoelectric module is disposed, and the thermoelectric module includes a plurality of thermoelectric elements disposed to be spaced apart from each other, and each thermoelectric element includes a first substrate portion, a first electrode portion disposed on the first substrate portion, a semiconductor structure portion disposed on the first electrode portion, a second electrode portion disposed on the semiconductor structure portion, and a second substrate portion disposed on the second electrode portion, and the second gasket is disposed on the first substrate portion so as to contact a side surface of the second substrate portion.
  • the first substrate portion is formed of one first substrate
  • the second substrate portion includes a plurality of second substrates arranged to be spaced apart from each other, and the second gasket can be arranged between the plurality of second substrates on the first substrate.
  • the first width of the second gasket on the first substrate portion in the horizontal direction of the second plate, the second width of the second gasket between the plurality of second substrates, and the third width of the second gasket on the side of the semiconductor structure may be different from each other.
  • the third width may be greater than the first width and greater than the second width.
  • the second width may be greater than the first width and greater than the third width.
  • the second gasket may be positioned to contact the side surfaces of the plurality of second substrates, the lower surfaces of the plurality of second substrates, and the side surfaces of the semiconductor structure.
  • the first electrode portion may include a terminal electrode that overlaps the first substrate portion in the vertical direction of the second plate and does not overlap the second substrate portion, and the terminal electrode may be positioned outside an area surrounded by the second gasket.
  • the thickness of the first gasket in the vertical direction of the second plate may be greater than the thickness of the second gasket.
  • the second gasket may be further arranged on the side of the first substrate portion and the second plate.
  • the first substrate portion may further include a stop member positioned between the side surface of the second substrate portion and the second gasket, and the height of the stop member may be 0.95 to 1.05 times the height of the second substrate portion.
  • the first substrate portion may include a groove, and the second gasket may be placed in the groove.
  • the above second gasket may include at least one of a rubber material and an asbestos material.
  • Each plate includes first to fourth through holes, and the first through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, the second through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, the third through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, and the fourth through holes of the first to fourth plates can be aligned to be connected to each other.
  • the first through hole and the second through hole of the second plate are arranged to be spaced apart from each other between the first outer surface of the second plate and the area where the thermoelectric module is arranged, and the third through hole and the fourth through hole of the second plate are arranged to be spaced apart from each other between the second outer surface opposite the first outer surface of the second plate and the area where the thermoelectric module is arranged, and the first through hole and the fourth through hole may be arranged in the first diagonal direction of the second plate, and the second through hole and the third through hole may be arranged in the second diagonal direction of the second plate.
  • the first plate may further include a second through hole, a fourth through hole, and a third gasket arranged along the outer periphery of the first plate on a surface facing the second plate among both surfaces of the first plate, and a fourth gasket arranged along the outer periphery of the third plate on a surface facing the fourth plate among both surfaces of the third plate.
  • a heat exchanger includes a first plate, a second plate disposed on the first plate, a thermoelectric module disposed on the second plate, a third plate disposed on the thermoelectric module, and a fourth plate disposed on the third plate, wherein each plate includes a plurality of through holes, and a groove is formed along the plurality of through holes on a surface of both surfaces of the second plate on which the thermoelectric module is disposed, and a gasket is disposed in the groove, and a width of the groove in a horizontal direction of the second plate is larger than a width of the gasket, a volume of the groove is smaller than a volume of the gasket, and the gasket is in contact with a surface of both surfaces of the third plate that is disposed to face the thermoelectric module.
  • the volume of the above home portion can be 70 to 80% of the volume of the gasket.
  • the width of the above home portion may be 1 mm to 2 mm larger than the width of the gasket.
  • the height of the groove in the vertical direction of the second plate may be lower than the height of the gasket.
  • Each plate includes first to fourth through holes, and the first through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, the second through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, the third through holes of the first to fourth plates are aligned to be connected to each other, and the fourth through holes of the first to fourth plates can be aligned to be connected to each other.
  • the first through hole and the second through hole of the second plate are arranged to be spaced apart from each other between the first outer surface of the second plate and the area where the thermoelectric module is arranged, and the third through hole and the fourth through hole of the second plate are arranged to be spaced apart from each other between the second outer surface opposite the first outer surface of the second plate and the area where the thermoelectric module is arranged, and the first through hole and the fourth through hole may be arranged in the first diagonal direction of the second plate, and the second through hole and the third through hole may be arranged in the second diagonal direction of the second plate.
  • the first plate On one side of the first plate, which is arranged to face the second plate, the second through hole, the fourth through hole, and a groove portion formed along the outer edge of the first plate are formed, and on one side of the third plate, which is arranged to face the fourth plate, the first through hole, the third through hole, and a groove portion formed along the outer edge of the third plate are formed, and a gasket may be arranged in each of the groove portions of the first plate and the groove portions of the third plate.
  • the width of the groove of the first plate may be larger than the width of the gasket of the first plate
  • the volume of the groove of the first plate may be smaller than the volume of the gasket of the first plate
  • the width of the groove of the third plate may be larger than the width of the gasket of the third plate
  • the volume of the groove of the third plate may be smaller than the volume of the gasket of the third plate.
  • One of the first through hole and the third through hole of the first to fourth plates may be an inlet passage for the first fluid, and the other may be an outlet passage for the first fluid, and one of the second through hole and the fourth through hole of the first to fourth plates may be an inlet passage for a second fluid having a different temperature from the first fluid, and the other may be an outlet passage for the second fluid.
  • the first fluid may be set to flow between the first plate and the second plate, and the second fluid may be set to flow between the third plate and the fourth plate.
  • a heat exchanger includes a first plate, a second plate disposed on the first plate, a first thermoelectric module disposed on the second plate, a third plate disposed on the first thermoelectric module, a fourth plate disposed on the third plate, a second thermoelectric module disposed on the fourth plate, and a fifth plate disposed on the second thermoelectric module, wherein each plate includes a plurality of through holes, a groove is formed on a front surface of each plate, a gasket is disposed in each groove, a width of the groove in a horizontal direction of each plate is larger than a width of the gasket, a volume of the groove is smaller than a volume of the gasket, and the gasket is in contact with a rear surface of an adjacent plate.
  • the shapes of the grooves formed in the second plate and the fourth plate may be the same.
  • the shape of the groove formed in the first plate may be different from the shape of the groove formed in the second plate and the shape of the groove formed in the third plate, and may be the same as the shape of the groove formed in the fifth plate.
  • a heat exchanger comprises a first plate, a second plate disposed on the first plate, a first thermoelectric module disposed on the second plate, a third plate disposed on the first thermoelectric module, and a fourth plate disposed on the third plate, wherein the first plate, the second plate, the first thermoelectric module, the third plate, and the fourth plate are sequentially stacked along a first direction, and the first thermoelectric module comprises a first thermoelectric element and a second thermoelectric element that are disposed to be spaced apart from each other along a second direction perpendicular to the first direction, and the second plate comprises a first region that overlaps the third plate in the first direction, a second region that does not overlap the third plate in the first direction on one side of the second direction, and a third region that does not overlap the third plate in the first direction on the other side of the second direction, and a first wire connected to the first thermoelectric element is disposed on the second region and connected to the second thermoelectric element.
  • the second front is placed on the third area
  • the second region of the second plate may not vertically overlap with the first plate and the fifth plate on one side in the second direction, and the third region of the second plate may not vertically overlap with the first plate and the fifth plate on the other side in the second direction.
  • the second region of the second plate may vertically overlap with the fourth plate and the sixth plate on one side in the second direction, and the third region of the second plate may vertically overlap with the fourth plate and the sixth plate on the other side in the second direction.
  • the width of the second plate, the width of the fourth plate, and the width of the sixth plate may be equal to each other, and the width of the first plate, the width of the third plate, and the width of the fifth plate may be equal to each other.
  • Each plate may include first through holes and second through holes arranged to be spaced apart from each other in a third direction perpendicular to the first direction and the second direction, and third through holes and fourth through holes arranged to be spaced apart from each other in the third direction on the other side of the second direction.
  • Each thermoelectric element includes a first substrate portion, a first electrode portion disposed on the first substrate portion, a semiconductor structure portion disposed on the first electrode portion, a second electrode portion disposed on the semiconductor structure portion, and a second substrate portion disposed on the second electrode portion, and a first gasket and a second gasket are disposed on a surface of both sides of the second plate on which the first thermoelectric module is disposed, the first gasket being disposed along the first to fourth through holes, and the second gasket being disposed between the first substrate portion and the second substrate portion of each thermoelectric element.
  • the first substrate portion is formed of one first substrate
  • the second substrate portion includes a plurality of second substrates arranged to be spaced apart from each other, and the second gasket can be arranged between the plurality of second substrates on the first substrate.
  • the first wire connected to the first thermoelectric element and the second wire connected to the second thermoelectric element can be positioned outside the area surrounded by the second gasket.
  • the first electrode portion of the first thermoelectric element includes a terminal electrode extending toward one side of the second direction
  • the first electrode portion of the second thermoelectric element includes a terminal electrode extending toward the other side of the second direction
  • the first wire can be arranged on the terminal electrode of the first thermoelectric element
  • the second wire can be arranged on the terminal electrode of the second thermoelectric element.
  • the first through hole and the fourth through hole of each plate are arranged in a first diagonal direction
  • the second through hole and the third through hole of each plate are arranged in a second diagonal direction
  • the second through hole, the fourth through hole, and the third gasket arranged along the outer periphery of the first plate may be further included on a surface of the first plate facing the second plate
  • the first through hole, the third through hole, and the fourth gasket arranged along the outer periphery of the third plate may be further included on a surface of the third plate facing the fourth plate.
  • a heat exchanger with improved heat exchange efficiency and power generation efficiency can be obtained.
  • a heat exchanger with high adhesion between a thermoelectric element and a plate and high sealing performance between plates can be obtained.
  • a heat exchanger with a thermoelectric element hermetically sealed can be obtained.
  • wires can be efficiently connected to a thermoelectric element included in a heat exchanger.
  • when a failure occurs in a part of a thermoelectric element included in a heat exchanger it is easy to correct the wire connection.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figures 3 and 4 are examples of thermoelectric elements included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5(a) is a first surface of a first plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 5(b) is a second surface of the first plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6(a) is a first surface of a second plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 6(b) is a shape in which a first thermoelectric module is arranged on the first surface of the second plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7(a) is a first surface of a third plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 7(b) is a second surface of a third plate included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is an enlarged view of area A of Figure 8.
  • Fig. 10 is an example of a shape in which a gasket is placed in a groove of a plate.
  • Figure 11 is an exploded view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a cross-sectional view of a portion of Figure 11.
  • FIG. 13 illustrates one of a plurality of thermoelectric elements forming a thermoelectric module according to one embodiment of the present invention.
  • Figures 14 to 16 show a thermoelectric module and a sealing structure arranged on a second plate of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 17 is a thermoelectric element and sealing structure of one of a plurality of thermoelectric elements forming a thermoelectric module in the embodiment of Fig. 16.
  • FIG. 18 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to one embodiment of the present invention.
  • Fig. 19 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of Fig. 18.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of a second gasket according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 22 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of Fig. 21.
  • FIG. 23 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 24 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of Fig. 23.
  • FIG. 25 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 26 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of Fig. 25.
  • Figure 27 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 28(a) is a top view of a second plate included in the heat exchanger of Fig. 27, and Fig. 28(b) is a top view of a third plate included in the heat exchanger of Fig. 27.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • a component when a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, it may include not only cases where the component is directly connected, coupled or connected to the other component, but also cases where the component is 'connected', 'coupled' or 'connected' by another component between the component and the other component.
  • each component when described as being formed or arranged "above or below” each component, above or below includes not only the case where the two components are in direct contact with each other, but also the case where one or more other components are formed or arranged between the two components.
  • it when expressed as "above or below", it can include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one component.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention
  • FIGS. 3 to 4 are examples of thermoelectric elements included in a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • a heat exchanger (1000) includes a plurality of plates sequentially stacked along a first direction. More specifically, the heat exchanger (1000) includes a first plate (1010), a second plate (1020) disposed on the first plate (1010), a third plate (1030) disposed on the second plate (1020), a fourth plate (1040) disposed on the third plate (1030), and a fifth plate (1050) disposed on the fourth plate (1040).
  • the first to fifth plates are described as examples, but the present invention is not limited thereto, and tens to hundreds of plates may be stacked along the first direction.
  • the heat exchanger (1000) further includes a thermoelectric module disposed between the plates. More specifically, the heat exchanger (1000) includes a first thermoelectric module (1100) disposed on a second plate (1020) and a second thermoelectric module (1200) disposed on a fourth plate (1040). Each of the first thermoelectric module (1100) and the second thermoelectric module (1200) includes at least one thermoelectric element.
  • thermoelectric element (100) includes a first substrate (110), a first electrode portion (120), a P-type semiconductor element (130), an N-type semiconductor element (140), a second electrode portion (150), and a second substrate (160).
  • the first electrode portion (120) is disposed between the first substrate (110) and the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140), and the second electrode portion (150) is disposed between the second substrate (160) and the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140). Accordingly, a plurality of P-type semiconductor elements (130) and a plurality of N-type semiconductor elements (140) are electrically connected by the first electrode portion (120) and the second electrode portion (150). A pair of P-type semiconductor elements (130) and N-type semiconductor elements (140) disposed between the first electrode portion (120) and the second electrode portion (150) and electrically connected can form a unit cell.
  • the substrate through which current flows from the P-type semiconductor element (130) to the N-type semiconductor element (140) due to the Peltier effect absorbs heat and acts as a cooling part, and the substrate through which current flows from the N-type semiconductor element (140) to the P-type semiconductor element (130) is heated and can act as a heating part.
  • a temperature difference is applied between the first electrode part (120) and the second electrode part (150)
  • charges within the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140) may move due to the Seebeck effect, and electricity may be generated.
  • the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140) may be bismuth telluride (Bi-Te)-based semiconductor elements including bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main materials.
  • the P-type semiconductor element (130) may be a bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the P-type semiconductor element (130) may include 99 to 99.999 wt% of Bi-Sb-Te as a main raw material with respect to 100 wt% of the total weight, and may include 0.001 to 1 wt% of at least one of nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In).
  • the N-type semiconductor element (140) may be a bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric generator including at least one of selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • Bi-Te bismuth telluride
  • thermoelectric generator including at least one of selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the N-type semiconductor device (140) may contain 99 to 99.999 wt% of Bi-Se-Te as a main raw material with respect to 100 wt% of the total weight, and may contain 0.001 to 1 wt% of at least one of nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In).
  • the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140) can be formed in a bulk type or a laminated type.
  • the bulk P-type semiconductor element (130) or the bulk N-type semiconductor element (140) can be obtained through a process of heat-treating a thermoelectric material to manufacture an ingot, crushing and sieving the ingot to obtain powder for a thermoelectric leg, sintering the powder, and cutting the sintered body.
  • the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140) can be polycrystalline thermoelectric legs.
  • a stacked P-type semiconductor element (130) or a stacked N-type semiconductor element (140) can be obtained by forming a unit member by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate, and then stacking and cutting the unit members.
  • a pair of P-type semiconductor elements (130) and N-type semiconductor elements (140) may have the same shape and volume, or different shapes and volumes.
  • the height or cross-sectional area of the N-type semiconductor element (140) may be formed differently from the height or cross-sectional area of the P-type semiconductor element (130).
  • the P-type semiconductor element (130) or the N-type semiconductor element (140) may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, etc.
  • thermoelectric leg a thermoelectric structure
  • semiconductor structure a semiconductor structure
  • thermoelectric device The performance of a thermoelectric device according to one embodiment of the present invention can be expressed by a figure of merit (ZT).
  • ZT figure of merit
  • the figure of merit (ZT) can be expressed as shown in mathematical expression 1.
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V/K]
  • ⁇ is the electrical conductivity [S/m]
  • ⁇ 2 ⁇ is the power factor ([W/mK 2 ])
  • T is the temperature
  • k is the thermal conductivity [W/mK].
  • k can be expressed as a ⁇ cp ⁇ , where a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is the specific heat [J/gK], and ⁇ is the density [g/cm 3 ].
  • thermoelectric performance index of a thermoelectric device the Z value (V/K) is measured using a Z meter, and the thermoelectric performance index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
  • the first electrode portion (120) disposed between the first substrate (110) and the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140), and the second electrode portion (150) disposed between the second substrate (160) and the P-type semiconductor element (130) and the N-type semiconductor element (140) include at least one of copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and nickel (Ni), and may have a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm.
  • the thickness of the first electrode portion (120) or the second electrode portion (150) is less than 0.01 mm, the function as an electrode may be degraded, thereby lowering the electrical conductivity performance, and when it exceeds 0.3 mm, the conductivity efficiency may be lowered due to an increase in resistance.
  • the first substrate (110) and the second substrate (160) facing each other may be metal substrates, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 1.5 mm. If the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or more than 1.5 mm, the heat dissipation characteristics or thermal conductivity may become excessively high, so that the reliability of the thermoelectric element may deteriorate.
  • an insulating layer (170) may be further formed between the first substrate (110) and the first electrode portion (120) and between the second substrate (160) and the second electrode portion (150), respectively.
  • the insulating layer (170) may include a material having a thermal conductivity of 1 to 20 W/mK.
  • the insulating layer (170) may be a resin composition including at least one of an epoxy resin and a silicone resin and an inorganic substance, a layer formed of a silicon composite including silicon and an inorganic substance, or an aluminum oxide layer.
  • the inorganic substance may be at least one of an oxide, nitride, and carbide of aluminum, boron, silicon, etc.
  • Each insulating layer (170) may be one insulating layer or may be a plurality of insulating layers having different compositions. At least a portion of a side surface of at least one of the first electrode portion (120) and the second electrode portion (150) is embedded in the insulating layer (170), and an upper surface of the insulating layer (170) arranged between the plurality of electrodes included in each electrode portion may have a concave shape toward each substrate.
  • each insulating layer (170) is a plurality of insulating layers
  • at least a portion of a side surface of at least one of the first electrode portion (120) and the second electrode portion (150) is embedded in the insulating layer (170) arranged at the uppermost position with respect to each substrate, and an upper surface of the insulating layer (170) arranged between the plurality of electrodes included in each electrode portion may have a concave shape toward each substrate.
  • the sizes of the first substrate (110) and the second substrate (160) may be formed differently. That is, the volume, thickness, or area of one of the first substrate (110) and the second substrate (160) may be formed larger than the volume, thickness, or area of the other.
  • the thickness may be the thickness in the direction from the first substrate (110) toward the second substrate (160), and the area may be the area in the direction perpendicular to the direction from the first substrate (110) toward the second substrate (160). Accordingly, the heat absorption performance or heat dissipation performance of the thermoelectric element may be increased.
  • the volume, thickness, or area of the first substrate (110) may be formed larger than at least one of the volume, thickness, or area of the second substrate (160).
  • the first substrate (110) when the first substrate (110) is disposed in a high temperature area for the Seebeck effect, when applied as a heat generation area for the Peltier effect, or when a sealing member for protecting the thermoelectric element from the external environment is disposed on the first substrate (110), at least one of the volume, thickness, or area may be larger than that of the second substrate (160).
  • the area of the first substrate (110) may be formed in a range of 1.2 to 5 times that of the second substrate (160).
  • the area of the first substrate (110) is formed to be less than 1.2 times that of the second substrate (160)
  • the effect on improving the heat transfer efficiency is not high, and when it exceeds 5 times, the heat transfer efficiency is significantly reduced, and it may be difficult to maintain the basic shape of the thermoelectric module.
  • a heat dissipation pattern for example, a rough pattern, may be formed on the surface of at least one of the first substrate (110) and the second substrate (160). Accordingly, the heat dissipation performance of the thermoelectric element can be improved.
  • the rough pattern is formed on a surface that contacts the P-type semiconductor element (130) or the N-type semiconductor element (140), the bonding characteristics between the semiconductor element and the substrate can also be improved.
  • a sealing member may be further arranged between the first substrate (110) and the second substrate (160).
  • the sealing member may be arranged on the side of the first electrode portion (120), the P-type semiconductor element (130), the N-type semiconductor element (140), and the second electrode portion (150) between the first substrate (110) and the second substrate (160). Accordingly, the first electrode portion (120), the P-type semiconductor element (130), the N-type semiconductor element (140), and the second electrode portion (150) may be sealed from external moisture, heat, contamination, etc.
  • a first fluid may flow between a first plate (1010) and a second plate (1020), a first thermoelectric module (1100) may be arranged between the second plate (1020) and a third plate (1030), and a second fluid having a different temperature from the first fluid may flow between the third plate (1030) and a fourth plate (1040).
  • a second thermoelectric module (1200) may be arranged between the fourth plate (1040) and a fifth plate (1050), and a first fluid may flow between the fifth plate (1050) and a sixth plate (not shown) arranged on the fifth plate (1050).
  • the first fluid may be a low-temperature fluid and the second fluid may be a high-temperature fluid.
  • the first fluid may be a high-temperature fluid and the second fluid may be a low-temperature fluid.
  • the low-temperature fluid may be a fluid having a temperature of less than 100°C, preferably less than 50°C, more preferably less than 40°C
  • the high-temperature fluid may be a fluid having a temperature of 100°C or higher, preferably 200°C or higher, more preferably 220°C to 250°C, but is not limited thereto.
  • the first thermoelectric module (1100) may be arranged to be in direct or indirect contact with the second plate (1020) and the third plate (1030), and the second thermoelectric module (1200) may be arranged to be in direct or indirect contact with the fourth plate (1040) and the fifth plate (1050).
  • one surface of the first thermoelectric module (1100) may be arranged to be in contact with the second plate (1020), and the other surface of the first thermoelectric module (1100) may be arranged to be in contact with the third plate (1030).
  • one side of the first thermoelectric module (1100) may be interchangeably used with the first side of the first thermoelectric module (1100), one side of the first thermoelectric module (1100), the lower side of the first thermoelectric module (1100), the rear side of the first thermoelectric module (1100), etc.
  • the other side of the first thermoelectric module (1100) may be interchangeably used with the second side of the first thermoelectric module (1100), the other side of the first thermoelectric module (1100), the upper side of the first thermoelectric module (1100), the front side of the first thermoelectric module (1100), etc.
  • first to fifth plates (1010 to 1050) may be thermally conductive plates.
  • the first to fifth plates (1010 to 1050) may be metal plates.
  • the first to fifth plates (1010 to 1050) may include copper, aluminum, silver, stainless steel, and the like.
  • the heat exchange device (1000) may be a power generation device or a power generation system.
  • one side of the first thermoelectric module (1100) may correspond to the first substrate (110) of the thermoelectric element (100) of FIGS. 3 to 4
  • the other side of the first thermoelectric module (1100) may correspond to the second substrate (160) of the thermoelectric element (100) of FIGS. 3 to 4.
  • each of the first to sixth plates includes a plurality of through holes, and the areas between the first plate (1010) and the second plate (1020), between the third plate (1030) and the fourth plate (1040), and between the fifth plate (1050) and the sixth plate (not shown) are each sealed by a gasket.
  • a groove is formed in each plate for receiving a gasket.
  • FIG. 5(a) is a first surface of a first plate included in a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5(b) is a second surface of the first plate included in the heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6(a) is a first surface of a second plate included in a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6(b) is a shape in which a first thermoelectric module is arranged on the first surface of the second plate included in the heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7(a) is a first surface of a third plate included in a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7(b) is a second surface of the third plate included in the heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional perspective view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is an enlarged view of area A of FIG. 8
  • FIG. 10 is an example of a shape in which a gasket is arranged in a groove of a plate.
  • the first side of the first plate (1010) is a side of both sides of the first plate (1010) that is arranged to face the second plate (1020), the second side is an opposite side of the first side, the first side of the second plate (1020) is a side of both sides of the second plate (1020) that is arranged to face the third plate (1030), that is, a side on which the first thermoelectric module (1100) is arranged, and the second side may be the opposite side of the first side.
  • the first side of the third plate (1030) is a side of both sides of the third plate (1030) that is arranged to face the fourth plate (1040), and the second side may be an opposite side of the first side.
  • first side of each plate can be used interchangeably with the front side
  • second side of each plate can be used interchangeably with the back side.
  • the description is centered on the first plate, the second plate, and the third plate, but the shape of the first plate can be the same as the shape of the fifth plate, and the shape of the second plate can be the same as the shapes of the fourth plate and the sixth plate.
  • grooves for accommodating gaskets are formed in the first to third plates (1010 to 1030).
  • the position of the gasket is fixed, so that the gasket can stably seal between the plates even when the heat exchanger (1000) is subject to frequent vibration or shaking.
  • the shapes of the grooves of the first to third plates may be different from each other.
  • the shape of the groove (1010G) formed on the first surface of the first plate (1010) may be different from the shape of the groove (1030G) formed on the first surface of the third plate (1030).
  • a second through hole (1010T2), a fourth through hole (1010T4), and a groove (1010G) may be formed along the outer periphery of the first plate (1010) on the first surface of the first plate (1010). That is, the groove (1010G) may be formed along the outer periphery of the first plate (1010) so as to include the first through hole (1010T1) and the third through hole (1010T3), but not include the second through hole (1010T2) and the fourth through hole (1010T4).
  • a gasket is arranged in the groove portion (1010G) formed on the first surface of the first plate (1010), a first fluid flowing in through one of the first through-hole (1010T1) and the third through-hole (1010T3) and discharged along the other flows between the first surface of the first plate (1010) and the second surface of the second plate (1020), and a second fluid flowing in through one of the second through-hole (1010T2) and the fourth through-hole (1010T4) and discharged along the other is blocked by the gasket arranged in the groove portion formed along the outer surface of the second through-hole (1010T2) and the fourth through-hole (1010T4), and thus may not flow between the first surface of the first plate (1010) and the second surface of the second plate (1020).
  • the groove formed on the plate on which the first fluid flows on the first surface among the plurality of plates included in the heat exchange device (1000) may have the shape of Fig. 5(a).
  • the groove formed on the fifth plate (1050) may have the shape of Fig. 5(a).
  • a groove formed on a plate on which a second fluid flows on a first surface among a plurality of plates included in a heat exchange device (1000) may have a shape as shown in Fig. 7(a).
  • a groove formed in a plate on a first surface of a plurality of plates included in a heat exchanger (1000) through which a first fluid flows and a groove formed in a plate on a first surface of a plurality of plates included in a heat exchanger (1000) through which a second fluid flows may be different from each other.
  • a groove (1010G) formed in a first plate (1010) on a first surface of a plurality of plates included in a heat exchanger (1000) through which a first fluid flows and a groove (1030G) formed in a third plate (1030) on a first surface of a plurality of plates included in a heat exchanger (1000) through which a second fluid flows may have shapes that are symmetrical to each other.
  • the second surface of the first plate (1010) and the second surface of the third plate (1030) may be flat plates. That is, an area corresponding to a groove (1010G) formed on the first surface of the first plate (1010) on the second surface of the first plate (1010) may be flat plates, and an area corresponding to a groove (1030G) formed on the first surface of the third plate (1030) on the second surface of the third plate (1030) may be flat plates.
  • the second surface of the first plate (1010) may be closely bonded with a gasket arranged on a plate facing the second surface of the first plate (1010)
  • the second surface of the third plate (1030) may be closely bonded with a gasket arranged on a plate facing the second surface of the third plate (1030).
  • the shape of the groove (1020G) formed in the second plate (1020) on which the first thermoelectric module (1100) is placed may be different from the shape of the groove (1010G) formed in the first plate (1010) through which the first fluid is set to pass and the shape of the groove (1030G) formed in the third plate (1030) through which the second fluid is set to pass.
  • a groove (1020G) is formed along the first to fourth through holes (1020T1 to 1020T4) on the first surface of the second plate (1020).
  • the groove (1020G) may be formed along the edge of the first to fourth through holes (1020T1 to 1020T4) and may be formed to be spaced apart from the edge of the first to fourth through holes (1020T1 to 1020T4) by a predetermined distance.
  • a gasket is placed in the groove (1020G) formed on the first surface of the second plate (1020), the first fluid and the second fluid flowing along the first to fourth through holes (1020T1 to 1020T4) may be blocked by the gasket and may not flow between the first surface of the second plate (1020) and the second surface of the third plate (1030).
  • an area corresponding to a groove (1020G) formed on the first surface of the second plate (1020) on the second surface of the second plate (1020) may have a protruding shape. Accordingly, the second surface of the second plate (1020) may be closely bonded to a plate facing the second surface of the second plate (1020), for example, a gasket disposed on the first surface of the first plate (1010).
  • the shape of the second surface of the second plate (1020) is not limited thereto, and may have a flat shape, as shown in FIG. 5(b) and FIG. 7(b).
  • a plurality of protrusions (1020P) may be arranged on the first surface of the second plate (1020).
  • the protrusions (1020P) may serve to guide the positions of the thermoelectric elements.
  • an area corresponding to the plurality of protrusions (1020P) formed on the first surface of the second plate (1020) on the second surface of the second plate (1020) may have a sunken shape.
  • a gasket is placed in the groove formed in the first to fifth plates (1010 to 1050).
  • gaskets (1010S to 1050S) are arranged in grooves (1010G to 1050G) formed on the first surfaces of the first to fifth plates (1010 to 1050). As illustrated in FIG. 9, the gaskets (1010S to 1050S) arranged on the first surfaces of each plate (1010 to 1050) can contact the second surfaces of adjacent plates. Accordingly, the plurality of plates forming the heat exchanger (1000) are sealed to each other, and the first fluid and the second fluid can flow along a predetermined path without leakage.
  • a groove (1020G) is formed along each through hole on the first surface of the second plate (1020), and a gasket (1020S) is received in the groove (1020G).
  • the width (W1) of the groove (1020G) in the horizontal direction of the second plate (1020) is larger than the width (W2) of the gasket (1020S), and the volume of the groove (1020G) is smaller than the volume of the gasket (1020S), so that the gasket (1020S) comes into contact with the second surface of the third plate (1030).
  • the horizontal direction of the second plate (1020) may mean a direction parallel to the first surface and the second surface of the second plate (1020).
  • the gasket (1020S) may include an elastic material.
  • the gasket (1020S) may include rubber or silicone. Accordingly, when assembling the heat exchanger (1000), through a process of pressing a plurality of plates, the gasket (1020S) arranged on the first surface of the second plate (1020) may come into contact with the second surface of the third plate (1030).
  • the width (W1) of the groove (1020G) in the horizontal direction of the second plate (1020) may be 0.1 mm to 2 mm, preferably 0.5 mm to 2 mm, and more preferably 1 mm to 2 mm larger than the width (W2) of the gasket (1020S). Accordingly, it is easy to secure the gasket (1020S) to the groove (1020G) without applying physical force when assembling the heat exchanger (1000).
  • the width (W1) of the groove (1020G) and the width (W2) of the gasket (1020S) may mean the width in the cross section along the radial direction of the through hole.
  • the volume of the groove (1020G) may be 70 to 90%, preferably 70 to 85%, and more preferably 70 to 80% of the volume of the gasket (1020S).
  • the width (W1) of the groove (1020G) is larger than the width (W2) of the gasket (1020S), so that the volume of the groove (1020G) is smaller than the volume of the gasket (1020S)
  • the height (H1) of the groove (1020G) may be lower than the height (H2) of the gasket (1020S).
  • the height (H2) of the gasket (1020S) may be 1 mm to 1.5 mm higher than the height (H1) of the groove (1020G).
  • the heat exchanger (1000) when assembling the heat exchanger (1000), it is possible to easily seat the gasket (1020S) in the groove (1020G), and since the gasket (1020S) comes into contact with the second surface of the third plate (1030), an airtight seal between the second plate (1020) and the third plate (1030) is possible.
  • the groove (1020G) since the groove (1020G) includes a bottom surface and a wall surface extending from the bottom surface in a direction toward the third plate (1030), the volume of the groove (1020G) can be obtained using the area of the bottom surface and the height of the wall surface.
  • a groove (1020G) formed in a second plate (1020) and a gasket (1020S) accommodated in the groove (1020G) are illustrated as an example, but the same configuration can be applied to grooves and gaskets formed in other plates. That is, explanations regarding the difference between the width of the groove and the width of the gasket, the difference between the volume of the groove and the volume of the gasket, and the difference between the height of the groove and the height of the gasket, etc. can be equally applied to the grooves formed in the first to fifth plates (1010 to 1050) and the gaskets accommodated therein.
  • a heat exchanger according to another embodiment of the present invention may further include a thermal interface material (TIM).
  • TIM thermal interface material
  • FIG. 11 is an exploded view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a portion of FIG. 11.
  • a heat transfer material may be further arranged between the thermoelectric module and the plate.
  • a first heat transfer material TIM
  • the heat transfer material may be a thermal pad or thermal grease.
  • thermoelectric module when a heat transfer material is placed between the thermoelectric module and the plate, not only does the heat transfer efficiency from the plate to the thermoelectric module increase, but the heat transfer material can also absorb the shock that the thermoelectric module may receive from the plate when assembling the heat exchange device (1000).
  • the heat exchange device (1000) generates electricity by utilizing the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part of the thermoelectric module. At this time, condensation and condensate may occur around the thermoelectric module due to the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part of the thermoelectric module. In order to maintain the performance of the thermoelectric module, a sealing structure that prevents moisture from penetrating into the thermoelectric module is required.
  • thermoelectric module (1100) includes a plurality of thermoelectric elements arranged to be spaced apart from each other.
  • FIG. 13 illustrates one of a plurality of thermoelectric elements forming a thermoelectric module according to one embodiment of the present invention.
  • a thermoelectric device (1300) includes a first substrate portion (1310), a first electrode portion (not shown) disposed on the first substrate portion (1310), a semiconductor structure portion (not shown) disposed on the first electrode portion, a second electrode portion (not shown) disposed on the semiconductor structure portion, and a second substrate portion (1320) disposed on the second electrode portion.
  • a first terminal electrode (1300T1) and a second terminal electrode (1300T2) are disposed, extending from the first electrode portion (not shown) toward one side of the first substrate portion (1310), and the second substrate portion (1320) includes a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) disposed to be spaced apart from each other.
  • the first terminal electrode (T1) and the second terminal electrode (T2) can be arranged so as to overlap the first substrate portion (1310) in the vertical direction of the second plate (1020) and not overlap the second substrate portion (1320). If the second substrate portion (1320) includes a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) arranged so as to be spaced apart from each other, deformation due to thermal stress can be minimized.
  • FIGS. 14 to 16 illustrate a thermoelectric module and a sealing structure arranged on a second plate of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 17 illustrates a thermoelectric element and a sealing structure of one of a plurality of thermoelectric elements forming a thermoelectric module in the embodiment of FIG. 16.
  • thermoelectric module (1100S) is arranged to surround a thermoelectric module (1100). Accordingly, even if condensation and moisture occur around the thermoelectric module (1100) due to a temperature difference between the high temperature section and the low temperature section of the thermoelectric module (1100), moisture can be prevented from penetrating into the thermoelectric module (1100).
  • thermoelectric module (1100) includes a plurality of thermoelectric elements arranged to be spaced apart from each other
  • a second gasket (1100S) may be arranged to surround the periphery of the thermoelectric module (1100).
  • thermoelectric module (1100) includes a plurality of thermoelectric elements arranged to be spaced apart from each other
  • the second gasket (1100S) may be arranged to surround the outer surface of each of the plurality of thermoelectric elements.
  • the second gasket (1100S) may be arranged to surround the outer periphery of each of the plurality of thermoelectric elements (1300), as well as be arranged between a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) arranged to be spaced apart from each other.
  • thermoelectric module (1100) of FIGS. 14 to 16 is illustrated as including a plurality of thermoelectric elements, for example, eight thermoelectric elements (1300) as exemplified in FIG. 13, but the number of thermoelectric elements (1300) included in the thermoelectric module (1100) is not limited thereto.
  • the first terminal electrode (1300T1) and the second terminal electrode (1300T2) may be positioned outside the area surrounded by the second gasket (1100S).
  • FIG. 18 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of FIG. 18.
  • a material for a second gasket (1100S) is placed while a thermoelectric module (1100) is placed on a second plate (1020).
  • the material for the second gasket (1100S) may be, for example, a non-metallic material.
  • the material for the second gasket (1100S) may include, for example, at least one of a rubber material and an asbestos material.
  • the rubber material may include, for example, at least one of natural rubber, butadiene acrylonitrile rubber, chlorprene rubber, butadiene styrene rubber, Hypalon, silicone, fluorinated rubber, and urethane rubber.
  • the asbestos material may include, for example, at least one of an asbestos seal board, an asbestos joint sheet, and asbestos sand.
  • the material for the second gasket (1100S) includes a rubber material and an asbestos material, moisture penetration into the interior of the thermoelectric module can be prevented, and the amount of the material for the second gasket (1100S) can be applied by appropriately adjusting it according to the height between the first substrate portion and the second substrate portion of the thermoelectric module (1100), so that the sealing process is easy.
  • the material for the second gasket (1100S) includes a rubber material and an asbestos material, since it is elastic, a close seal is possible while dispersing the pressure applied to the thermoelectric module (1100) during the thermal compression process of the heat exchanger (1000).
  • a second gasket (1100S) is formed as in the shape of Fig. 19.
  • the material for the second gasket (1100S) prior to pressurization may be arranged higher than the second substrate portion (1320). Accordingly, since the pressure is first applied to the material for the second gasket (1100S) when pressurized, the force received by the second substrate portion (1320) is distributed, thereby preventing the problem of the semiconductor structure portion under the second substrate portion (1320) from being damaged.
  • the material for the second gasket (1100S) is pressed by an upper plate, for example, a third plate (1030), and is stretched to both sides, thereby filling the gap between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) arranged to be spaced apart from each other and between the semiconductor structure portions.
  • the drawing symbol 1330 means a configuration including a first electrode portion, a semiconductor structure portion, and a second electrode portion sequentially laminated between a first substrate portion (1310) and a second substrate portion (1320).
  • the second gasket (1100S) is positioned on the first substrate portion (1310) to contact the side surface of the second substrate portion (1320). Accordingly, the space between the first substrate portion (1310) and the second substrate portion (1320) is hermetically sealed, so that moisture cannot penetrate into the internal space between the first substrate portion (1310) and the second substrate portion (1320), for example, the space where the first electrode portion, the semiconductor structure portion, and the second electrode portion are sequentially laminated.
  • the first substrate portion (1310) may be formed of one first substrate
  • the second substrate portion (1320) may include a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) arranged to be spaced apart from each other.
  • the second gasket (1100S) may be arranged between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) on the first substrate portion (1310).
  • the second gasket (1100S) not only serves to seal between a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324), but also insulates between the first substrate portion (1310) and the second substrate portion (1320), supports the second substrate portion (1320), and prevents distortion of the second substrate portion (1320) due to thermal deformation.
  • a first width (D1) of the second gasket (1100S) on the first substrate portion (1310) in the horizontal direction of the second plate (1020), a second width (D2) of the second gasket (1100S) between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324), and a third width (D3) of the second gasket (1100S) on the side of the semiconductor structure portion may be different from each other.
  • the third width (D3) may be larger than the first width (D1) and larger than the second width (D2). Accordingly, since the second gasket (1100S) fills the space between the semiconductor structure portions and contacts the side surface of the semiconductor structure portion, the semiconductor structure portion can be stably supported and sealed.
  • the second gasket (1100S) may be arranged to contact side surfaces of the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324), lower surfaces of the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324), and a side surface of the semiconductor structure portion (1330). Accordingly, the second gasket (1100S) may hermetically seal between the first substrate portion (1310) and the second substrate portion (1320). According to an embodiment of the present invention, a cross section of the second gasket (1100S) may have a convex curve. Accordingly, the second gasket (1100S) may fill a gap between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) and within the semiconductor structure portion (1330).
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of a second gasket according to another embodiment of the present invention.
  • the first substrate portion (1310) may be formed of one first substrate, and the second substrate portion (1320) may include a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) that are arranged to be spaced apart from each other. Referring to FIG. 20, a cross-section in a spaced area between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) can be seen.
  • the first substrate portion (1310) may be arranged on the second plate (1020), the second gasket (1100S) may be arranged on the first substrate portion (1310), and the third plate (1030) may be arranged on the second gasket (1100S). Accordingly, the second gasket (1100S) is arranged from the first substrate portion (1310) placed on the second plate (1020) to the lower surface of the third plate (1030) to hermetically seal the interior of the thermoelectric module (1100).
  • the second gasket (1100S) may be further arranged on the side of the first substrate portion (1310) and the upper surface of the second plate (1020). Accordingly, the second gasket (1100S) may not only hermetically seal the interior of the thermoelectric module (1100), but may also improve the bonding strength between the second plate (1020) and the first substrate portion (1310). In addition, the second gasket (1100S) may have an insulating function between the second plate (1020) and the third plate (1030).
  • the second gasket (1100S) may be arranged from the upper surface of the first substrate portion (1310) to the lower surface of the third plate (1030), or may be arranged from the upper surface of the second plate (1020) to the lower surface of the third plate (1030). Accordingly, the thickness of the first gasket (1020S) arranged in the groove (1020G) formed along the first to fourth through holes (1020T1 to 1020T4) may be greater than the thickness of the second gasket (1100S), and not only sealing between plates but also sealing inside the thermoelectric module is possible.
  • FIG. 21 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of FIG. 21.
  • a material for a second gasket (1100S) is placed while a thermoelectric module (1100) is placed on a second plate (1020).
  • a part of the material for the second gasket (1100S) may be placed on the first substrate portion (1310), and another part may be placed on the second plate (1020).
  • the material for the second gasket (1100S) may be placed on the first substrate portion (1310) between a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) forming the second substrate portion (1320).
  • the material for the second gasket (1100S) may be placed on the second plate (1020) so as to surround the outer surface of the first substrate portion (1310) at the outer surface of the first substrate portion (1310).
  • a groove (1300G) is formed in the second plate (1020) to surround the periphery of the first substrate portion (1310), and a material for the second gasket (1100S) can be placed within the groove (1300G).
  • a second gasket (1100S) is formed as in the shape of Fig. 22.
  • the second gasket (1100S) may be arranged to fill a space between a plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) on the first substrate portion (1310).
  • the second gasket (1100S) may be arranged between the second plate (1020) and the third plate (1030) to surround an outer periphery of the first substrate portion (1310). Accordingly, the space between the first substrate portion (1310) and the second substrate portion (1320) and between the second plate (1020) and the third plate (1030) may be hermetically sealed.
  • FIG. 23 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of FIG. 23.
  • a material for a second gasket (1100S) is placed while a thermoelectric module (1100) is placed on a second plate (1020).
  • a stop member (2300) may be further placed on the first substrate portion (1310).
  • the stop member (2300) is placed on the first substrate portion (1310) with the side of the second substrate portion (1320) and the second gasket (1100S) interposed therebetween, and the height of the stop member (2300) may be 0.95 to 1.05 times the height of the second substrate portion (1320).
  • a second gasket (1100S) is formed as in the shape of Fig. 24.
  • FIG. 25 is a drawing for explaining a method of forming a second gasket according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of a second gasket formed according to the method of FIG. 25.
  • a material for a second gasket (1100S) is placed while a thermoelectric module (1100) is placed on a second plate (1020).
  • the material for the second gasket (1100S) may be applied in a form in which the width becomes wider as it gets farther away from the first substrate portion (1310).
  • a second gasket (1100S) is formed as in the shape of Fig. 26.
  • the second width (D2) of the second gasket (1100S) between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324), and the third width (D3) of the second gasket (1100S) on the side of the semiconductor structure portion the second width (D2) is formed to be the largest, so that the gap between the plurality of second substrates (1321, 1322, 1323, 1324) can be eliminated.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 28(a) is a top view of a second plate included in the heat exchanger of FIG. 27, and
  • FIG. 28(b) is a top view of a third plate included in the heat exchanger of FIG. 27.
  • the heat exchanger (1000) includes a first plate (1010), a second plate (1020) disposed on the first plate (1010), a first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020), a third plate (1030) disposed on the first thermoelectric module (1100), a fourth plate (1040) disposed on the third plate (1030), a second thermoelectric module (1200) disposed on the fourth plate (1040), a fifth plate (1050) disposed on the second thermoelectric module (1200), and a sixth plate (1060) disposed on the fifth plate (1050).
  • the first plate (1010), the second plate (1020), the first thermoelectric module (1100), the third plate (1030), the fourth plate (1040), the second thermoelectric module (1200), the fifth plate (1050), and the sixth plate are sequentially stacked along the first direction.
  • each plate includes first through holes and second through holes arranged to be spaced apart from each other in a third direction perpendicular to the first and second directions on one side in the second direction perpendicular to the first direction, and third through holes and fourth through holes arranged to be spaced apart from each other in the third direction on the other side in the second direction.
  • thermoelectric module (1100) is arranged on a second plate (1020), and the first thermoelectric module (1100) includes a plurality of thermoelectric elements (1300-1, 1300-2) arranged to be spaced apart from each other along the second direction and the third direction.
  • thermoelectric element (1300-1) and the second thermoelectric element (1300-2) which are arranged to be spaced apart from each other along the third direction will be described.
  • the structure of the first thermoelectric element (1300-1) and the second thermoelectric element (1300-2) can refer to the structure of the thermoelectric element (1300) described with reference to FIGS. 13 and 17.
  • the first terminal electrode (1300T1) and the second terminal electrode (1300T2) of the thermoelectric element (1300) are illustrated as extending toward one side in the third direction.
  • the first and second terminal electrodes (1300-1T) of the first thermoelectric element (1300-1) extend toward one side in the third direction
  • the second thermoelectric element (1300-2) extends toward one side in the third direction
  • the first and second terminal electrodes (1300-2T) can extend toward the other side in the third direction.
  • the second plate (1020) includes a first region (1020A1) that vertically overlaps with the third plate (1030), a second region (1020A2) that does not vertically overlap with the third plate (1030) on one side of the third plate (1030) in the third direction, and a third region (1020A3) that does not vertically overlap with the third plate (1030) on the other side in the third direction.
  • the first and second terminal electrodes (1300-1T) of the first thermoelectric element (1300-1) are disposed on the second region (1020A2), and the first and second terminal electrodes (1300-2T) of the second thermoelectric element (1300-2) are disposed on the third region (1020A3). Accordingly, the first wire (X1) connected to the first thermoelectric element (1300-1) is disposed on the first and second terminal electrodes (1300-1T) in the second region (1020A2), and the second wire (X2) connected to the second thermoelectric element (1300-2) is disposed on the first and second terminal electrodes (1300-2T) in the third region (1020A3).
  • first wire (X1) and the second wire (X2) can be connected on the second plate (1020), the first wire (X1) and the second wire (X2) can be stably supported by the second plate (1020).
  • the second plate (1020) is illustrated in FIG. 28(a)
  • the fourth plate (1040) and the sixth plate (1060) have the same shape and width as the second plate (1020) of FIG. 28(a), and the second plate (1020), the fourth plate (1040), and the sixth plate (1060) can be aligned along the first direction.
  • the third plate (1030) is illustrated in FIG. 28(b)
  • the first plate (1010) and the fifth plate (1050) have the same width as the third plate (1030) of FIG. 28(b), and the first plate (1010), the third plate (1030), and the fifth plate (1050) can be aligned along the first direction.
  • the width of the second plate (1020), the width of the fourth plate (1040), and the width of the sixth plate (1060) may be greater than the width of the first plate (1010), the width of the third plate (1030), and the width of the fifth plate (1050).
  • the second area (1020A2) of the second plate (1020) may not vertically overlap with the first plate (1010) and the fifth plate (1050) on one side in the third direction
  • the third area (1020A3) of the second plate (1020) may not vertically overlap with the first plate (1010) and the fifth plate (1050) on the other side in the third direction.
  • the second area (1020A2) of the second plate (1020) may vertically overlap with the fourth plate (1040) and the sixth plate (1060) on one side in the third direction
  • the third area (1020A3) of the second plate (1020) may vertically overlap with the fourth plate (1040) and the sixth plate (1060) on the other side in the third direction.
  • thermoelectric module (1100) placed on the second plate (1020) can be secured for connecting wires to not only the first thermoelectric module (1100) placed on the second plate (1020), but also the second thermoelectric module (1200) placed on the fourth plate (1040) and the third thermoelectric module (not shown) placed on the sixth plate (1060).
  • thermoelectric module (1100) on the surface of the second plate (1020) on which the first thermoelectric module (1100) is arranged, a gasket (1020S) is arranged to surround the first to fourth through holes (1020T1 to T4), and a gasket (1100S) is further arranged to surround the first thermoelectric module (1100).
  • the gasket (1100S) arranged to surround the first thermoelectric module (1100) may be arranged to surround the entire first thermoelectric module (1100) as described with reference to FIG. 14, may be arranged to surround each of a plurality of thermoelectric elements forming the first thermoelectric module (1100) as described with reference to FIG. 15, or may be arranged to surround each thermoelectric element and fill the space between the dividing substrates within each thermoelectric element as described with reference to FIG. 16.
  • the first and second terminal electrodes (1300-1T) of the first thermoelectric element (1300-1) and the first and second terminal electrodes (1300-2T) of the second thermoelectric element (1300-2) may be arranged outside the area surrounded by the gasket (1100S). Accordingly, the first wire (X1) may be connected to the first and second terminal electrodes (1300-1T) of the first thermoelectric element (1300-1) and the second wire (X2) may be connected to the first and second terminal electrodes (1300-2T) of the second thermoelectric element (1300-2) outside the area surrounded by the gasket (1100S), so that the first electrode portion, the semiconductor structure portion, and the second electrode portion included in the first and second thermoelectric elements may be prevented from being exposed to moisture during the wire connection or wire replacement process.
  • Fig. 29 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention. Duplicate descriptions of the same contents described with reference to Figs. 27, 28(a), and 28(b) are omitted.
  • the heat exchanger (1000) includes a first plate (1010), a second plate (1020) disposed on the first plate (1010), a first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020), a third plate (1030) disposed on the first thermoelectric module (1100), a fourth plate (1040) disposed on the third plate (1030), a second thermoelectric module (1200) disposed on the fourth plate (1040), a fifth plate (1050) disposed on the second thermoelectric module (1200), and a sixth plate (1060) disposed on the fifth plate (1050).
  • the first plate (1010), the second plate (1020), the first thermoelectric module (1100), the third plate (1030), the fourth plate (1040), the second thermoelectric module (1200), the fifth plate (1050), and the sixth plate are sequentially stacked along the first direction.
  • the width of the third plate (1030) in the third direction may be smaller than the width of the second plate (1020). That is, as described above, the second region (1020A2) and the third region (1020A3) of the second plate (1020) may not vertically overlap with the third plate (1030). Accordingly, it is easy to connect a wire to the first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020).
  • the second region (1020A2) and the third region (1020A3) of the second plate (1020) may not vertically overlap with the fourth plate (1040). That is, the width of the second plate (1020) in the third direction may be larger than the width of the fourth plate (1040). Accordingly, it may be easier to connect a wire to the first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020).
  • the extension length of the first to second terminal electrodes (1300-1T, 1300-2T) of the first to second thermoelectric elements (1300-1, 1300-2) of the first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020) may be longer than the extension length of the first to second terminal electrodes (1300-3T, 1300-4T) of the third to fourth thermoelectric elements (1300-3, 1300-4) of the second thermoelectric module (1200) disposed on the fourth plate (1040). Accordingly, it may be easier to connect a wire to the first thermoelectric module (1100) disposed on the second plate (1020).
  • the power generation system can generate power using heat sources generated from ships, automobiles, power plants, geothermal heat, etc., and can arrange multiple power generation devices to efficiently converge the heat sources.
  • each power generation device can improve the cooling performance of the low-temperature part of the thermoelectric element by improving the bonding force between the thermoelectric module and the fluid flow part, and thus the efficiency and reliability of the power generation device can be improved, so that the fuel efficiency of transportation devices such as ships and automobiles can be improved. Therefore, in the shipping and transportation industries, transportation costs can be reduced and an eco-friendly industrial environment can be created, and when applied to manufacturing industries such as steel mills, material costs, etc. can be reduced.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치는 제1 플레이트, 상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트, 상기 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈, 상기 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 그리고 상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트를 포함하고, 각 플레이트는 복수의 관통홀을 포함하며, 상기 제2 플레이트의 양면 중 상기 열전모듈이 배치된 면에는 상기 복수의 관통홀을 따라 제1 가스켓이 배치되고, 상기 열전모듈은 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하며, 각 열전소자는 제1 기판부, 상기 제1 기판부 상에 배치된 제1 전극부, 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물부, 상기 반도체 구조물부 상에 배치된 제2 전극부, 그리고 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판부를 포함하고, 상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 기판부의 측면에 접촉하도록 제2 가스켓이 배치된다.

Description

열전소자를 포함하는 열교환장치
본 발명은 열교환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자를 포함하는 열교환장치에 관한 것이다.
판형 열교환장치는 여러 개의 플레이트(plate)가 적층된 구조를 가진다. 서로 다른 온도를 가지는 2종의 유체가 서로 다른 경로를 통해 플레이트 사이를 흐르며, 열을 교환한다.
한편, 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.
열전소자를 판형 열교환장치에 적용하여 2종의 유체 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성하고자 하는 시도가 있다. 판형 열교환장치의 열교환 효율에 따라 발전 효율이 달라질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자를 포함하는 열교환장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자를 포함하는 열교환장치의 열교환 효율을 높이는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열교환장치의 열전소자 내로 수분 침투를 방지하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자를 포함하는 열교환장치의 전선 연결의 효율을 높이는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치는 제1 플레이트, 상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트, 상기 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈, 상기 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 그리고 상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트를 포함하고, 각 플레이트는 복수의 관통홀을 포함하며, 상기 제2 플레이트의 양면 중 상기 열전모듈이 배치된 면에는 상기 복수의 관통홀을 따라 제1 가스켓이 배치되고, 상기 열전모듈은 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하며, 각 열전소자는 제1 기판부, 상기 제1 기판부 상에 배치된 제1 전극부, 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물부, 상기 반도체 구조물부 상에 배치된 제2 전극부, 그리고 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판부를 포함하고, 상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 기판부의 측면에 접촉하도록 제2 가스켓이 배치된다.
상기 제1 기판부는 하나의 제1 기판으로 이루어지고, 상기 제2 기판부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판을 포함하며, 상기 제2 가스켓은 상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제2 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 제2 플레이트의 수평 방향으로 상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 가스켓의 제1 폭, 상기 복수의 제2 기판 사이에서 상기 제2 가스켓의 제2 폭 및 상기 반도체 구조물의 측면에서 상기 제2 가스켓의 제3 폭은 서로 상이할 수 있다.
상기 제3 폭은 상기 제1 폭보다 크고, 상기 제2 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 폭은 상기 제1 폭보다 크고, 상기 제3 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 가스켓은 상기 복수의 제2 기판의 측면, 상기 복수의 제2 기판의 하면 및 상기 반도체 구조물의 측면에 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 전극부는 상기 제2 플레이트의 수직 방향으로 상기 제1 기판부와 중첩되고, 상기 제2 기판부와 중첩되지 않는 터미널 전극을 포함하고, 상기 터미널 전극은 상기 제2 가스켓에 의해 둘러싸이는 영역 바깥에 배치될 수 있다.
상기 제2 플레이트의 수직 방향으로 상기 제1 가스켓의 두께는 상기 제2 가스켓의 두께보다 클 수 있다.
상기 제2 가스켓은 상기 제1 기판부의 측면 및 상기 제2 플레이트에 더 배치될 수 있다.
상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 기판부의 측면과 상기 제2 가스켓을 사이에 두고 배치된 멈춤부재를 더 포함하고, 상기 멈춤부재의 높이는 상기 제2 기판부의 높이의 0.95 내지 1.05배일 수 있다.
상기 제1 기판부는 홈을 포함하고, 상기 제2 가스켓은 상기 홈에 배치될 수 있다.
상기 제2 가스켓은 고무 재질 및 석면 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
각 플레이트는 제1 내지 제4 관통홀을 포함하고, 제1 내지 제4 플레이트의 제1 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되고, 제1 내지 제4 플레이트의 제2 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되며, 제1 내지 제4 플레이트의 제3 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되고, 제1 내지 제4 플레이트의 제4 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬될 수 있다.
상기 제2 플레이트의 제1 관통홀 및 제2 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 외곽과 상기 열전모듈이 배치된 영역 사이에서 서로 이격되도록 배치되고, 상기 제2 플레이트의 제3 관통홀 및 제4 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 외곽에 대향하는 제2 외곽과 상기 열전모듈이 배치된 영역 사이에서 서로 이격되도록 배치되며, 상기 제1 관통홀 및 상기 제4 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 대각선 방향으로 배치되고, 상기 제2 관통홀 및 상기 제3 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제2 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1 플레이트의 양면 중 상기 제2 플레이트를 향하도록 배치된 면에 상기 제2 관통홀, 상기 제4 관통홀 및 상기 제1 플레이트의 외곽을 따라 배치된 제3 가스켓, 그리고 상기 제3 플레이트의 양면 중 상기 제4 플레이트를 향하도록 배치된 면에 상기 제1 관통홀, 상기 제3 관통홀 및 상기 제3 플레이트의 외곽을 따라 배치된 제4 가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치는 제1 플레이트, 상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트, 상기 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈, 상기 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 그리고 상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트를 포함하고, 각 플레이트는 복수의 관통홀을 포함하며, 상기 제2 플레이트의 양면 중 상기 열전모듈이 배치된 면에는 상기 복수의 관통홀을 따라 홈부가 형성되고, 상기 홈부에는 가스켓이 배치되며, 상기 제2 플레이트의 수평 방향으로 상기 홈부의 폭은 상기 가스켓의 폭보다 크고, 상기 홈부의 부피는 상기 가스켓의 부피보다 작으며, 상기 가스켓은 상기 제3 플레이트의 양면 중 상기 열전모듈을 향하도록 배치된 면과 접촉한다.
상기 홈부의 부피는 상기 가스켓의 부피의 70~80%일 수 있다.
상기 홈부의 폭은 상기 가스켓의 폭보다 1mm 내지 2mm 클 수 있다.
상기 제2 플레이트의 수직 방향으로 상기 홈부의 높이는 상기 가스켓의 높이보다 낮을 수 있다.
각 플레이트는 제1 내지 제4 관통홀을 포함하고, 제1 내지 제4 플레이트의 제1 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되고, 제1 내지 제4 플레이트의 제2 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되며, 제1 내지 제4 플레이트의 제3 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬되고, 제1 내지 제4 플레이트의 제4 관통홀들은 서로 연결되도록 정렬될 수 있다.
상기 제2 플레이트의 제1 관통홀 및 제2 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 외곽과 상기 열전모듈이 배치된 영역 사이에서 서로 이격되도록 배치되고, 상기 제2 플레이트의 제3 관통홀 및 제4 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 외곽에 대향하는 제2 외곽과 상기 열전모듈이 배치된 영역 사이에서 서로 이격되도록 배치되며, 상기 제1 관통홀 및 상기 제4 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제1 대각선 방향으로 배치되고, 상기 제2 관통홀 및 상기 제3 관통홀은 상기 제2 플레이트의 제2 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1 플레이트의 양면 중 상기 제2 플레이트를 향하도록 배치된 면에는 상기 제2 관통홀, 상기 제4 관통홀 및 상기 제1 플레이트의 외곽을 따라 홈부가 형성되고, 상기 제3 플레이트의 양면 중 상기 제4 플레이트를 향하도록 배치된 면에는 상기 제1 관통홀, 상기 제3 관통홀 및 상기 제3 플레이트의 외곽을 따라 홈부가 형성되며, 상기 제1 플레이트의 홈부 및 상기 제3 플레이트의 홈부에는 각각 가스켓이 배치될 수 있다.
상기 제1 플레이트의 홈부의 폭은 상기 제1 플레이트의 가스켓의 폭보다 크고, 상기 제1 플레이트의 홈부의 부피는 상기 제1 플레이트의 가스켓의 부피보다 작으며, 상기 제3 플레이트의 홈부의 폭은 상기 제3 플레이트의 가스켓의 폭보다 크고, 상기 제3 플레이트의 홈부의 부피는 상기 제3 플레이트의 가스켓의 부피보다 작을 수 있다.
상기 제1 내지 제4 플레이트의 상기 제1 관통홀 및 상기 제3 관통홀 중 하나는 제1 유체의 유입 통로이고, 다른 하나는 상기 제1 유체의 배출 통로이며, 상기 제1 내지 제4 플레이트의 상기 제2 관통홀 및 상기 제4 관통홀 중 하나는 상기 제1 유체와 온도가 상이한 제2 유체의 유입 통로이고, 다른 하나는 상기 제2 유체의 배출 통로일 수 있다.
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에는 상기 제1 유체가 흐르도록 설정되고, 상기 제3 플레이트와 상기 제4 플레이트 사이에는 상기 제2 유체가 흐르도록 설정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치는 제1 플레이트, 상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트, 상기 제2 플레이트 상에 배치된 제1 열전모듈, 상기 제1 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트, 상기 제4 플레이트 상에 배치된 제2 열전모듈, 그리고 상기 제2 열전모듈 상에 배치된 제5 플레이트를 포함하고, 각 플레이트는 복수의 관통홀을 포함하며, 각 플레이트의 전면에는 홈부가 형성되고, 각 홈부에는 가스켓이 배치되며, 각 플레이트의 수평 방향으로 상기 홈부의 폭은 상기 가스켓의 폭보다 크고, 상기 홈부의 부피는 상기 가스켓의 부피보다 작으며, 상기 가스켓은 인접하는 다른 플레이트의 후면과 접촉한다.
상기 제2 플레이트 및 상기 제4 플레이트에 형성된 홈부의 형상은 동일할 수 있다.
상기 제1 플레이트에 형성된 홈부의 형상은 상기 제2 플레이트에 형성된 홈부의 형상 및 상기 제3 플레이트에 형성된 홈부의 형상과 상이하고, 상기 제5 플레이트에 형성된 홈부의 형상과 동일할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치는 제1 플레이트, 상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트, 상기 제2 플레이트 상에 배치된 제1 열전모듈, 상기 제1 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 그리고 상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트를 포함하고, 상기 제1 플레이트, 상기 제2 플레이트, 상기 제1 열전모듈, 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트는 제1 방향을 따라 순차적으로 적층되며, 상기 제1 열전모듈은 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 제1 열전소자 및 제2 열전소자를 포함하고, 상기 제2 플레이트는 상기 제3 플레이트와 상기 제1 방향으로 중첩되는 제1 영역, 상기 제2 방향의 일측에서 상기 제3 플레이트와 상기 제1 방향으로 중첩되지 않는 제2 영역 및 상기 제2 방향의 타측에서 상기 제3 플레이트와 상기 제1 방향으로 중첩되지 않는 제3 영역을 포함하며, 상기 제1 열전소자에 연결되는 제1 전선은 상기 제2 영역 상에 배치되고, 상기 제2 열전소자에 연결되는 제2 전선은 상기 제3 영역 상에 배치된다.
상기 제4 플레이트 상에 배치된 제2 열전모듈, 상기 제2 열전모듈 상에 배치된 제5 플레이트, 그리고 상기 제5 플레이트 상에 배치된 제6 플레이트를 더 포함하고, 상기 제2 방향으로 상기 제2 플레이트의 폭, 상기 제4 플레이트의 폭 및 상기 제6 플레이트의 폭은 상기 제1 플레이트의 폭, 상기 제3 플레이트의 폭 및 상기 제5 플레이트의 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 플레이트의 상기 제2 영역은 상기 제2 방향의 일측에서 상기 제1 플레이트 및 상기 제5 플레이트와 수직으로 중첩되지 않고, 상기 제2 플레이트의 상기 제3 영역은 상기 제2 방향의 타측에서 상기 제1 플레이트 및 상기 제5 플레이트와 수직으로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 제2 플레이트의 상기 제2 영역은 상기 제2 방향의 일측에서 상기 제4 플레이트 및 상기 제6 플레이트와 수직으로 중첩되고, 상기 제2 플레이트의 상기 제3 영역은 상기 제2 방향의 타측에서 상기 제4 플레이트 및 상기 제6 플레이트와 수직으로 중첩될 수 있다.
상기 제2 플레이트의 폭, 상기 제4 플레이트의 폭 및 상기 제6 플레이트의 폭은 서로 동일하고, 상기 제1 플레이트의 폭, 상기 제3 플레이트의 폭 및 상기 제5 플레이트의 폭은 서로 동일할 수 있다.
각 플레이트는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직하는 제3 방향으로 서로 이격되도록 배치된 제1 관통홀 및 제2 관통홀과 상기 제2 방향의 타측에서 상기 제3 방향으로 서로 이격되도록 배치된 제3 관통홀 및 제4 관통홀을 포함할 수 있다.
각 열전소자는 제1 기판부, 상기 제1 기판부 상에 배치된 제1 전극부, 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물부, 상기 반도체 구조물부 상에 배치된 제2 전극부, 그리고 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판부를 포함하고, 상기 제2 플레이트의 양면 중 상기 제1 열전모듈이 배치된 면에는 제1 가스켓 및 제2 가스켓이 배치되며, 상기 제1 가스켓은 상기 제1 내지 제4 관통홀을 따라 배치되고, 상기 제2 가스켓은 상기 각 열전소자의 상기 제1 기판부와 상기 제2 기판부 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 기판부는 하나의 제1 기판으로 이루어지고, 상기 제2 기판부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판을 포함하며, 상기 제2 가스켓은 상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제2 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 열전소자에 연결되는 상기 제1 전선 및 상기 제2 열전소자에 연결되는 상기 제2 전선은 상기 제2 가스켓에 의해 둘러싸이는 영역 바깥에 배치될 수 있다.
상기 제1 열전소자의 제1 전극부는 상기 제2 방향의 일측을 향하여 연장된 터미널 전극을 포함하고, 상기 제2 열전소자의 제1 전극부는 상기 제2 방향의 타측을 향하여 연장된 터미널 전극을 포함하며, 상기 제1 전선은 상기 제1 열전소자의 터미널 전극 상에 배치되고, 상기 제2 전선은 상기 제2 열전소자의 터미널 전극 상에 배치될 수 있다.
각 플레이트의 상기 제1 관통홀 및 상기 제4 관통홀은 제1 대각선 방향으로 배치되고, 각 플레이트의 상기 제2 관통홀 및 상기 제3 관통홀은 제2 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제1 플레이트의 양면 중 상기 제2 플레이트를 향하도록 배치된 면에 상기 제2 관통홀, 상기 제4 관통홀 및 상기 제1 플레이트의 외곽을 따라 배치된 제3 가스켓, 그리고 상기 제3 플레이트의 양면 중 상기 제4 플레이트를 향하도록 배치된 면에 상기 제1 관통홀, 상기 제3 관통홀 및 상기 제3 플레이트의 외곽을 따라 배치된 제4 가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열교환 효율 및 발전 효율이 개선된 열교환 장치를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자와 플레이트 간 밀착력이 높고, 플레이트와 플레이트 간 실링 성능이 높은 열교환 장치를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자가 기밀하게 실링된 열교환장치를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열교환장치에 포함된 열전소자에 효율적으로 전선을 연결할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열교환장치에 포함된 열전소자의 일부에 고장이 발생한 경우, 전선 연결의 수정이 용이하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치의 분해 사시도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함된 열전소자의 예이다.
도 5(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제1 플레이트의 제1면이고, 도 5(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제1 플레이트의 제2면이다.
도 6(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제2 플레이트의 제1면이고, 도 6(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제2 플레이트의 제1면에 제1 열전모듈이 배치된 형상이다.
도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제3 플레이트의 제1면이고, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제3 플레이트의 제2면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치의 단면도이다.
도 9는 도 8의 A 영역의 확대도이다.
도 10은 플레이트의 홈에 가스켓이 배치된 형상의 한 예이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치의 분해도이다.
도 12는 도 11의 일부 영역의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈을 이루는 복수의 열전소자 중 하나를 도시한다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 열교환장치의 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈 및 실링 구조이다.
도 17은 도 16의 실시예에서 열전모듈을 이루는 복수의 열전소자 중 하나의 열전소자 및 실링 구조이다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 18의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 가스켓의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 도 21의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 23의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 도 25의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치의 단면도이다.
도 28(a)는 도 27의 열교환장치에 포함된 제2 플레이트의 상면도이고, 도 28(b)는 도 27의 열교환장치에 포함된 제3 플레이트의 상면도이다.
도 29은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치의 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 열교환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치의 분해 사시도이며, 도 3 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함된 열전소자의 예이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치(1000)는 제1 방향을 따라 순차적으로 적층된 복수 매의 플레이트를 포함한다. 보다 구체적으로, 열교환장치(1000)는 제1 플레이트(1010), 제1 플레이트(1010) 상에 배치된 제2 플레이트(1020), 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제3 플레이트(1030), 제3 플레이트(1030) 상에 배치된 제4 플레이트(1040) 및 제4 플레이트(1040) 상에 배치된 제5 플레이트(1050)를 포함한다. 설명의 편의 상 제1 내지 제5 플레이트만을 예로 들어 설명하지만, 이로 제한되는 것은 아니며, 제1 방향을 따라 수십 내지 수백 개의 플레이트가 적층될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열교환장치(1000)는 플레이트들 사이에 배치된 열전모듈을 더 포함한다. 보다 구체적으로, 열교환장치(1000)는 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100) 및 제4 플레이트(1040) 상에 배치된 제2 열전모듈(1200)을 포함한다. 제1 열전모듈(1100) 및 제2 열전모듈(1200) 각각은 적어도 하나의 열전소자를 포함한다.
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) 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, 제1 플레이트(1010)와 제2 플레이트(1020) 사이에는 제1 유체가 흐르고, 제2 플레이트(1020)와 제3 플레이트(1030) 사이에는 제1 열전모듈(1100)이 배치되며, 제3 플레이트(1030)와 제4 플레이트(1040) 사이에는 제1 유체와 온도가 상이한 제2 유체가 흐르도록 설정될 수 있다. 그리고, 제4 플레이트(1040)와 제5 플레이트(1050) 사이에는 제2 열전모듈(1200)이 배치되고, 제5 플레이트(1050)와 제5 플레이트(1050) 상에 배치된 제6 플레이트(미도시) 사이에는 제1 유체가 흐를 수 있다.
예를 들어, 제1 유체가 저온의 유체이고, 제2 유체가 고온의 유체일 수 있다. 또는, 제1 유체가 고온의 유체이고, 제2 유체가 저온의 유체일 수 있다. 예를 들어, 저온의 유체는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만의 유체이고, 고온의 유체는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃의 유체일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
이때, 제1 열전모듈(1100)은 제2 플레이트(1020) 및 제3 플레이트(1030)와 직접 또는 간접 접촉하도록 배치되고, 제2 열전모듈(1200)은 제4 플레이트(1040) 및 제5 플레이트(1050)와 직접 또는 간접 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 열전모듈(1100)의 일면은 제2 플레이트(1020)와 접촉하고, 제1 열전모듈(1100)의 타면은 제3 플레이트(1030)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 제1 열전모듈(1100)의 일면은 제1 열전모듈(1100)의 제1면, 제1 열전모듈(1100)의 일측, 제1 열전모듈(1100)의 하면, 제1 열전모듈(1100)의 후면 등과 혼용될 수 있으며, 제1 열전모듈(1100)의 타면은 제1 열전모듈(1100)의 제2면, 제1 열전모듈(1100)의 타측, 제1 열전모듈(1100)의 상면, 제1 열전모듈(1100)의 전면 등과 혼용될 수 있다.
그리고, 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)는 열전도성 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)는 금속 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)는 구리, 알루미늄, 은, 스테인리스 스틸 등을 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1 플레이트(1010)와 제2 플레이트(1020) 사이를 흐르는 제1 유체의 온도는 제2 플레이트(1020)를 통하여 제1 열전모듈(1100)의 일면에 전달되고, 제3 플레이트(1030)와 제4 플레이트(1040) 사이를 흐르는 제2 유체의 온도는 제3 플레이트(1030)를 통하여 제1 열전모듈(1100)의 타면에 전달될 수 있다. 이에 따르면, 제1 열전모듈(1100)의 일면과 제1 열전모듈(1100)의 타면 간 온도 차에 따라 전기가 생성될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치(1000)는 발전 장치 또는 발전 시스템일 수 있다. 여기서, 제1 열전모듈(1100)의 일면은 도 3 내지 도 4의 열전소자(100)의 제1 기판(110)에 대응하고, 제1 열전모듈(1100)의 타면은 도 3 내지 도 4의 열전소자(100)의 제2 기판(160)에 대응할 수 있다.
한편, 제1 플레이트(1010)와 제2 플레이트(1020) 사이에는 제1 유체가 흐르고, 제3 플레이트(1030)와 제4 플레이트(1040) 사이에는 제2 유체가 흐르며, 제5 플레이트(1050)와 제6 플레이트(미도시) 사이에는 제1 유체가 흐르기 위하여, 제1 내지 제6 플레이트 각각은 복수의 관통홀을 포함하고, 제1 플레이트(1010)와 제2 플레이트(1020) 사이, 제3 플레이트(1030)와 제4 플레이트(1040) 사이 및 제5 플레이트(1050)와 제6 플레이트(미도시) 사이는 각각 가스켓에 의하여 실링된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플레이트 간 실링 성능을 개선하기 위하여, 각 플레이트에는 가스켓을 수용하기 위한 홈이 형성된다.
도 5(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제1 플레이트의 제1면이고, 도 5(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제1 플레이트의 제2면이다. 도 6(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제2 플레이트의 제1면이고, 도 6(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제2 플레이트의 제1면에 제1 열전모듈이 배치된 형상이다. 도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제3 플레이트의 제1면이고, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치에 포함되는 제3 플레이트의 제2면이다. 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열교환장치의 단면 사시도이고, 도 9는 도 8의 A 영역의 확대도이며, 도 10은 플레이트의 홈에 가스켓이 배치된 형상의 한 예이다.
여기서, 제1 플레이트(1010)의 제1면은 제1 플레이트(1010)의 양면 중 제2 플레이트(1020)를 향하도록 배치된 면이고, 제2면은 제1면의 반대면이며, 제2 플레이트(1020)의 제1면은 제2 플레이트(1020)의 양면 중 제3 플레이트(1030)를 향하도록 배치된 면, 즉 제1 열전모듈(1100)이 배치되는 면이고, 제2면은 제1면의 반대일 수 있다. 제3 플레이트(1030)의 제1면은 제3 플레이트(1030)의 양면 중 제4 플레이트(1040)를 향하도록 배치된 면이고, 제2면은 제1면의 반대면일 수 있다.
본 명세서에서, 각 플레이트의 제1면은 전면과 혼용되고, 각 플레이트의 제2면은 후면과 혼용될 수 있다. 설명의 편의 상 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 제3 플레이트를 중심으로 설명하고 있으나, 제1 플레이트의 형상은 제5 플레이트의 형상과 동일하고, 제2 플레이트의 형상은 제4 플레이트 및 제6 플레이트의 형상과 동일할 수 있다.
도 5(a), 도 5(b), 도 6(a), 도 6(b), 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 제1 내지 제3 플레이트(1010~1030)에는 가스켓을 수용하기 위한 홈이 형성된다. 이와 같이, 가스켓이 제1 내지 제3 플레이트(1010~1030)의 홈에 배치되면, 가스켓의 위치가 고정되므로, 열교환장치(1000)의 잦은 진동 또는 흔들림에도 가스켓이 플레이트들 사이를 안정적으로 실링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 플레이트의 홈의 형상은 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 제1 유체가 통과하도록 설정된 제1 플레이트(1010)에 관한 도 5(a)와 제2 유체가 통과하도록 설정된 제3 플레이트(1030)에 관한 도 7(a)에 따르면, 제1 플레이트(1010)의 제1면에 형성된 홈부(1010G)의 형상은 제3 플레이트(1030)의 제1면에 형성된 홈부(1030G)의 형상과 상이할 수 있다.
도 5(a)를 참조하면, 제1 플레이트(1010)의 제1면에는 제2 관통홀(1010T2), 제4 관통홀(1010T4) 및 제1 플레이트(1010)의 외곽을 따라 홈부(1010G)가 형성될 수 있다. 즉, 홈부(1010G)는 제1 관통홀(1010T1)과 제3 관통홀(1010T3)을 포함하되, 제2 관통홀(1010T2) 및 제4 관통홀(1010T4)을 포함하지 않도록 제1 플레이트(1010)의 외곽을 따라 형성될 수 있다. 제1 플레이트(1010)의 제1면에 형성된 홈부(1010G)에 가스켓이 배치되면, 제1 관통홀(1010T1) 및 제3 관통홀(1010T3) 중 하나를 따라 유입되고 다른 하나를 따라 배출되는 제1 유체는 제1 플레이트(1010)의 제1면과 제2 플레이트(1020)의 제2면 사이를 흐르며, 제2 관통홀(1010T2) 및 제4 관통홀(1010T4) 중 하나를 따라 유입되고 다른 하나를 따라 배출되는 제2 유체는 제2 관통홀(1010T2) 및 제4 관통홀(1010T4)의 외곽을 따라 형성된 홈부에 배치된 가스켓에 의해 차단되어 제1 플레이트(1010)의 제1면과 제2 플레이트(1020)의 제2면 사이로 유입되지 않을 수 있다. 이와 같이, 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제1 유체가 흐르는 플레이트에 형성된 홈부는 도 5(a)의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제5 플레이트(1050)에 형성된 홈부는 도 5(a)의 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 도 7(a)를 참조하면, 제3 플레이트(1030)의 제1면에는 제1 관통홀(1030T1), 제3 관통홀(1030T3) 및 제3 플레이트(1030)의 외곽을 따라 홈부(1030G)가 형성될 수 있다. 즉, 홈부(1030G)는 제2 관통홀(1030T2)과 제4 관통홀(1030T4)을 포함하되, 제1 관통홀(1030T1) 및 제3 관통홀(1030T3)을 포함하지 않도록 제3 플레이트(1030)의 외곽을 따라 형성될 수 있다. 제3 플레이트(1030)의 제1면에 형성된 홈부(1030G)에 가스켓이 배치되면, 제2 관통홀(1030T2) 및 제4 관통홀(1030T4) 중 하나를 따라 유입되고 다른 하나를 따라 배출되는 제2 유체는 제3 플레이트(1030)의 제1면과 제4 플레이트(1040)의 제2면 사이를 흐르며, 제1 관통홀(1030T1) 및 제3 관통홀(1030T3) 중 하나를 따라 유입되고 다른 하나를 따라 배출되는 제1 유체는 제1 관통홀(1030T1) 및 제3 관통홀(1030T3)의 외곽을 따라 형성된 홈부에 배치된 가스켓에 의해 차단되어 제3 플레이트(1030)의 제1면과 제4 플레이트(1040)의 제2면 사이로 유입되지 않을 수 있다. 이와 같이, 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제2 유체가 흐르는 플레이트에 형성된 홈부는 도 7(a)의 형상을 가질 수 있다.
도 5(a) 및 도 7(a)를 참조하면, 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제1 유체가 흐르는 플레이트에 형성된 홈부와 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제2 유체가 흐르는 플레이트에 형성된 홈부는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제1 유체가 흐르는 제1 플레이트(1010)에 형성된 홈부(1010G)와 열교환장치(1000)에 포함된 복수의 플레이트 중 제1면에 제2 유체가 흐르는 제3 플레이트(1030)에 형성된 홈부(1030G)는 서로 대칭인 형상을 가질 수 있다.
도 5(b) 및 도 7(b)를 참조하면, 제1 플레이트(1010)의 제2면 및 제3 플레이트(1030)의 제2면은 평판 형상일 수 있다. 즉, 제1 플레이트(1010)의 제2면에서 제1 플레이트(1010)의 제1면에 형성된 홈(1010G)에 대응하는 영역은 평판 형상일 수 있고, 제3 플레이트(1030)의 제2면에서 제3 플레이트(1030)의 제1면에 형성된 홈(1030G)에 대응하는 영역은 평판 형상일 수 있다. 이에 따르면, 제1 플레이트(1010)의 제2면은 제1 플레이트(1010)의 제2면과 마주보는 플레이트에 배치된 가스켓과 밀접하게 접합될 수 있으며, 제3 플레이트(1030)의 제2면은 제3 플레이트(1030)의 제2면과 마주보는 플레이트에 배치된 가스켓과 밀접하게 접합될 수 있다.
한편, 제1 열전모듈(1100)이 배치되는 제2 플레이트(1020)에 형성된 홈부(1020G)의 형상은 제1 유체가 통과하도록 설정된 제1 플레이트(1010)에 형성된 홈부(1010G)의 형상 및 제2 유체가 통과하도록 설정된 제3 플레이트(1030)에 형성된 홈부(1030G)의 형상과 상이할 수 있다.
도 6(a)를 참조하면, 제2 플레이트(1020)의 제1면에는 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)을 따라 홈부(1020G)가 형성된다. 홈부(1020G)는 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)의 가장자리를 따라 형성될 수 있으며, 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)의 가장자리로부터 소정 거리 이격되도록 형성될 수 있다. 제2 플레이트(1020)의 제1면에 형성된 홈부(1020G)에 가스켓이 배치되면, 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)을 따라 흐르는 제1 유체 및 제2 유체는 가스켓에 의해 차단되어 제2 플레이트(1020)의 제1면과 제3 플레이트(1030)의 제2면 사이로 유입되지 않을 수 있다.
도시되지 않았으나, 제2 플레이트(1020)의 제2면에서 제2 플레이트(1020)의 제1면에 형성된 홈(1020G)에 대응하는 영역은 돌출된 형상일 수 있다. 이에 따르면, 제2 플레이트(1020)의 제2면은 제2 플레이트(1020)의 제2면과 마주보는 플레이트, 예를 들어 제1 플레이트(1010)의 제1면에 배치된 가스켓과 밀접하게 접합될 수 있다. 다만, 제2 플레이트(1020)의 제2면의 형상이 이로 제한되는 것은 아니며, 도 5(b), 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 평판 형상일 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 제2 플레이트(1020)의 제1면에는 복수의 돌출부(1020P)가 배치될 수 있다. 도 6(b)에 도시된 바와 같이. 제1 열전모듈(1100)이 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하는 경우, 돌출부(1020P)는 열전소자의 위치를 가이드하는 역할을 수행할 수 있다. 도시되지 않았으나, 제2 플레이트(1020)의 제2면에서 제2 플레이트(1020)의 제1면에 형성된 복수의 돌출부(1020P)에 대응하는 영역은 함몰된 형상일 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)에 형성된 홈부에는 가스켓이 배치된다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)의 제1면에 형성된 홈부(1010G~1050G)에는 가스켓(1010S~1050S)이 배치된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각 플레이트(1010~1050)의 제1면에 배치된 가스켓(1010S~1050S)은 인접하는 다른 플레이트의 제2면과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 열교환장치(1000)를 이루는 복수의 플레이트는 서로 실링되며, 제1 유체 및 제2 유체는 누설되지 않고 정해진 경로에 따라 흐를 수 있다.
도 10을 참조하면, 제2 플레이트(1020)의 제1면에는 각 관통홀을 따라 홈부(1020G)가 형성되며, 홈부(1020G)에는 가스켓(1020S)이 수용된다. 여기서, 제2 플레이트(1020)의 수평 방향으로 홈부(1020G)의 폭(W1)은 가스켓(1020S)의 폭(W2)보다 크고, 홈부(1020G)의 부피는 가스켓(1020S)의 부피보다 작으며, 이에 따라 가스켓(1020S)은 제3 플레이트(1030)의 제2면과 접촉한다. 여기서, 제2 플레이트(1020)의 수평 방향은 제2 플레이트(1020)의 제1면 및 제2면과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가스켓(1020S)은 탄성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스켓(1020S)은 고무 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 열교환장치(1000)의 조립 시 복수의 플레이트를 압착하는 과정을 통해 제2 플레이트(1020)의 제1면에 배치된 가스켓(1020S)은 제3 플레이트(1030)의 제2면과 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 플레이트(1020)의 수평 방향으로 홈부(1020G)의 폭(W1)은 가스켓(1020S)의 폭(W2)보다 0.1mm 내지 2mm, 바람직하게는 0.5mm 내지 2mm, 더욱 바람직하게는 1mm 내지 2mm 클 수 있다. 이에 따르면, 열교환장치(1000)의 조립 시 물리적 힘을 가할 필요 없이 홈부(1020G)에 가스켓(1020S)을 안착하기 용이하다. 여기서, 홈부(1020G)의 폭(W1) 및 가스켓(1020S)의 폭(W2)은 관통홀의 반경 방향에 따른 단면에서의 폭을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 홈부(1020G)의 부피는 가스켓(1020S)의 부피의 70 내지 90%, 바람직하게는 70 내지 85%, 더욱 바람직하게는 70 내지 80%일 수 있다. 전술한 바와 같이, 홈부(1020G)의 폭(W1)은 가스켓(1020S)의 폭(W2)보다 크므로, 홈부(1020G)의 부피가 가스켓(1020S)의 부피보다 작기 위하여, 홈부(1020G)의 높이(H1)는 가스켓(1020S)의 높이(H2)보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가스켓(1020S)의 높이(H2)는 홈부(1020G)의 높이(H1)보다 1mm 내지 1.5mm 높을 수 있다. 이에 따르면, 열교환장치(1000)의 조립 시 홈부(1020G)에 가스켓(1020S)을 용이하게 안착하는 것이 가능하면서도, 가스켓(1020S)이 제3 플레이트(1030)의 제2면에 접촉하므로, 제2 플레이트(1020)와 제3 플레이트(1030) 간 기밀한 실링이 가능하다. 여기서, 홈부(1020G)는 바닥면 및 바닥면으로부터 제3 플레이트(1030)를 향하는 방향으로 연장된 벽면을 포함하므로, 홈부(1020G)의 부피는 바닥면의 면적 및 벽면의 높이를 이용하여 얻어질 수 있다.
도 10에서는 설명의 편의를 위하여 제2 플레이트(1020)에 형성된 홈부(1020G) 및 홈부(1020G)에 수용된 가스켓(1020S)을 예로 들어 도시하고 있으나, 동일한 구성이 다른 플레이트에 형성된 홈부 및 가스켓에도 적용될 수 있다. 즉, 홈부의 폭과 가스켓의 폭 간 차이, 홈부의 부피와 가스켓의 부피 간 차이 및 홈부의 높이와 가스켓의 높이 간 차이 등에 관한 설명은 제1 내지 제5 플레이트(1010~1050)에 형성된 홈부 및 이에 수용된 가스켓에 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치는 열전달 물질(thermal interface material, TIM)를 더 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치의 분해도이고, 도 12는 도 11의 일부 영역의 단면도이다. 도 11 내지 도 12에서 열전달 물질을 제외한 나머지 내용은 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 내용과 동일하므로, 중복된 설명을 생략한다. 도 11 내지 도 12를 참조하면, 열전모듈과 플레이트 사이에는 열전달 물질이 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100)과 제3 플레이트(1030)의 제2면 사이에는 제1 열전달 물질(TIM)이 배치될 수 있다. 여기서, 열전달 물질은 서멀 패드(thermal pad) 또는 서멀 그리스(thermal grease)일 수 있다. 이와 같이, 열전모듈과 플레이트 사이에 열전달 물질이 배치되면, 플레이트로부터 열전모듈까지의 열전달 효율이 높아질 뿐만 아니라, 열교환장치(1000)의 조립 시 열전모듈이 플레이트로부터 받을 수 있는 충격을 열전달 물질이 흡수할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열교환장치(1000)는 열전모듈의 고온부와 저온부 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성한다. 이때, 열전모듈의 고온부와 저온부 간 온도 차로 인해 열전모듈 주변에 결로 및 응축수가 발생할 수 있다. 열전모듈의 성능을 유지하기 위하여, 열전모듈 내부에 수분 침투를 방지하는 실링 구조가 필요하다.
도 6a 및 도 6b를 참조하여 전술한 바와 같이, 제2 플레이트(1020)의 제1면에는 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)을 따라 홈부(1020G)가 형성되며, 홈부(1020G)에 제1 가스켓(1020S)이 배치되면, 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)을 따라 흐르는 제1 유체 및 제2 유체는 제1 가스켓(1020S)에 의해 차단되어 제2 플레이트(1020)의 제1면과 제3 플레이트(1030)의 제2면 사이로 유입되지 않을 수 있다. 한편, 도 6(b)에 도시된 바와 같이. 열전모듈(1100)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함한다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈을 이루는 복수의 열전소자 중 하나를 도시한다.
도 13을 참조하면, 열전소자(1300)는 제1 기판부(1310), 제1 기판부(1310) 상에 배치된 제1 전극부(미도시), 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물부(미도시), 반도체 구조물부 상에 배치된 제2 전극부(미도시), 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판부(1320)를 포함한다. 제1 기판부(1310) 상에는 제1 전극부(미도시)로부터 제1 기판부(1310)의 일측을 향하여 연장된 제1 터미널 전극(1300T1) 및 제2 터미널 전극(1300T2)이 배치되고, 제2 기판부(1320)는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)을 포함한다. 이때, 제1 터미널 전극(T1) 및 제2 터미널 전극(T2)은 제2 플레이트(1020)의 수직 방향으로 제1 기판부(1310)와 중첩되고, 제2 기판부(1320)와 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 제2 기판부(1320)가 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)을 포함하면, 열응력에 따른 변형을 최소화할 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 열교환장치의 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈 및 실링 구조이고, 도 17은 도 16의 실시예에서 열전모듈을 이루는 복수의 열전소자 중 하나의 열전소자 및 실링 구조이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 열전모듈(1100)을 둘러싸도록 제2 가스켓(1100S)이 배치된다. 이에 따르면, 열전모듈(1100)의 고온부와 저온부 간 온도 차로 인해 열전모듈(1100) 주변에 결로 및 응축수가 발생하더라도, 열전모듈(1100) 내부로 수분의 침투를 방지할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 열전모듈(1100)이 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하는 구조에서, 제2 가스켓(1100S)은 열전모듈(1100)의 외곽을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 열전모듈(1100)이 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하는 구조에서, 제2 가스켓(1100S)은 복수의 열전소자 각각의 외곽을 둘러싸도록 배치될 수도 있다.
도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 열전모듈(1100)이 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하는 구조에서, 제2 가스켓(1100S)은 복수의 열전소자(1300) 각각의 외곽을 둘러싸도록 배치될 뿐만 아니라, 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이에 배치될 수도 있다.
도 14 내지 도 16의 열전모듈(1100)은 복수의 열전소자, 예를 들어 도 13에 예시된 열전소자(1300)를 8개 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 열전모듈(1100)이 포함하는 열전소자(1300)의 개수가 이로 제한되는 것은 아니다. 도 14 내지 도 16에 구체적으로 도시되지 않았으나, 도 17에 도시된 바와 같이, 제1 터미널 전극(1300T1) 및 제2 터미널 전극(1300T2)은 제2 가스켓(1100S)에 의해 둘러싸이는 영역 바깥에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판부(1310) 및 제2 기판부(1320) 사이의 제1 전극부, 반도체 구조물부 및 제2 전극부로 수분의 침투를 방지하면서도 제1 터미널 전극(1300T1) 및 제2 터미널 전극(1300T2)에 커넥터 또는 전선을 연결하기 용이하다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 19는 도 18의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 18을 참조하면, 제2 플레이트(1020) 상에 열전모듈(1100)이 배치된 상태에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재를 배치한다. 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는, 예를 들어 비금속 재질일 수 있다. 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는, 예를 들어 고무 재질 및 석면 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 고무 재질은, 예를 들어 천연고무, 부타디엔 아크릴로니트릴 고무, 클로르프렌 고무, 부타디엔 스티렌 고무, 하이파론, 실리콘, 플루오르화 고무, 우레탄 고무 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 석면 재질은, 예를 들어 석면 실(seal) 보드, 석면 조인트 시트, 석면사 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재가 고무 재질 및 석면 재질을 포함하면, 열전모듈 내부로의 수분 침투를 방지할 수 있으며, 열전모듈(1100)의 제1 기판부 및 제2 기판부 간 높이에 따라 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재의 양을 적절히 조절하여 도포할 수 있으므로, 실링 공정이 용이하다. 또한, 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재가 고무 재질 및 석면 재질을 포함하면, 탄성이 있으므로, 열교환장치(1000)의 열압착 공정 시 열전모듈(1100)에 가해지는 압력을 분산시키면서도 밀접한 실링이 가능하다.
도 18의 상태에서 제3 플레이트(1030)를 적층한 후 가압하면, 도 19의 형상과 같이 제2 가스켓(1100S)이 형성된다.
이를 위해, 가압 전 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는 제2 기판부(1320)보다 높게 배치될 수 있다. 이에 따르면, 가압 시 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재에 압력이 먼저 가해지므로, 제2 기판부(1320)가 받는 힘이 분산되어 제2 기판부(1320) 아래의 반도체 구조물부가 파손되는 문제가 방지될 수 있다. 또한, 가압 시 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는 상부 플레이트, 예를 들어 제3 플레이트(1030)에 의해 눌리면서 양 옆으로 늘어나게 되어 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이 및 반도체 구조물부 사이의 갭을 메꿀 수 있다. 이하에서, 도면부호 1330은 제1 기판부(1310)와 제2 기판부(1320) 사이에서 순차적으로 적층된 제1 전극부, 반도체 구조물부 및 제2 전극부를 포함하는 구성을 의미한다.
도 19를 참조하면, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310) 상에서 제2 기판부(1320)의 측면에 접촉하도록 배치된다. 이에 따르면, 제1 기판부(1310) 및 제2 기판부(1320) 사이는 기밀하게 실링되어 제1 기판부(1310) 및 제2 기판부(1320) 사이의 내부 공간, 예를 들어 제1 전극부, 반도체 구조물부 및 제2 전극부가 순차적으로 적층된 공간에 수분이 침투할 수 없다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판부(1310)는 하나의 제1 기판으로 이루어지고, 제2 기판부(1320)는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310) 상에서 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)은 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이를 실링하는 역할 뿐만 아니라, 제1 기판부(1310)와 제2 기판부(1320) 사이를 단열하고, 제2 기판부(1320)를 지지하며, 열변형에 따른 제2 기판부(1320)의 뒤틀림을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 플레이트(1020)의 수평 방향으로 제1 기판부(1310) 상에서 제2 가스켓(1100S)의 제1 폭(D1), 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이에서 제2 가스켓(1100S)의 제2 폭(D2) 및 반도체 구조물부의 측면에서 제2 가스켓(1100S)의 제3 폭(D3)은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제3 폭(D3)은 제1 폭(D1)보다 크고, 제2 폭(D2)보다 클 수 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)이 반도체 구조물부 사이를 채우며 반도체 구조물부의 측면에 접촉하므로, 반도체 구조물부를 안정적으로 지지하면서 실링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 가스켓(1100S)은 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)의 측면, 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)의 하면 및 반도체 구조물부(1330)의 측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310)와 제2 기판부(1320) 사이를 기밀하게 실링할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 가스켓(1100S)의 단면은 볼록한 곡면을 가질 수 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)이 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이 및 반도체 구조물부(1330) 내 틈새를 채울 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 가스켓의 단면도이다. 전술한 바와 같이, 제1 기판부(1310)는 하나의 제1 기판으로 이루어지고, 제2 기판부(1320)는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324)을 포함할 수 있다. 도 20을 참조하면, 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 간 이격 영역에서의 단면을 알 수 있다. 제2 플레이트(1020) 상에 제1 기판부(1310)가 배치되고, 제1 기판부(1310) 상에 제2 가스켓(1100S)이 배치되며, 제2 가스켓(1100S) 상에 제3 플레이트(1030)가 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)은 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 기판부(1310)로부터 제3 플레이트(1030)의 하면까지 배치되어 열전모듈(1100)의 내부를 기밀하게 실링할 수 있다.
이때, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310)의 측면 및 제2 플레이트(1020)의 상면에 더 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 가스켓(1100S)이 열전모듈(1100)의 내부를 기밀하게 실링할 뿐만 아니라, 제2 플레이트(1020)와 제1 기판부(1310) 간 접합력을 개선할 수도 있다. 또한, 제2 가스켓(1100S)은 제2 플레이트(1020)와 제3 플레이트(1030) 간 단열 기능을 가질 수도 있다.
도 18 내지 도 20의 실시예에서 설명한 바와 같이, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310)의 상면으로부터 제3 플레이트(1030)의 하면까지 배치되거나, 제2 플레이트(1020)의 상면으로부터 제3 플레이트(1030)의 하면까지 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~1020T4)을 따라 형성된 홈(1020G)에 배치된 제1 가스켓(1020S)의 두께가 제2 가스켓(1100S)의 두께보다 클 수 있으며, 플레이트 간 실링 뿐만 아니라 열전모듈 내부의 실링도 가능하다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 22는 도 21의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 21을 참조하면, 제2 플레이트(1020) 상에 열전모듈(1100)이 배치된 상태에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재를 배치한다. 여기서, 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재의 일부는 제1 기판부(1310) 상에 배치되고, 다른 일부는 제2 플레이트(1020) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 기판부(1320)를 이루는 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는 제1 기판부(1310) 상에 배치될 수 있다. 제1 기판부(1310)의 외곽에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는 제1 기판부(1310)의 외곽을 둘러싸도록 제2 플레이트(1020) 상에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 제2 플레이트(1020)에는 제1 기판부(1310)의 외곽을 둘러싸도록 홈(1300G)이 형성되며, 홈(1300G) 내에 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재가 배치될 수 있다.
도 21의 상태에서 제3 플레이트(1030)를 적층 후 가압하면, 도 22의 형상과 같이 제2 가스켓(1100S)이 형성된다.
도 22를 참조하면, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310) 상에서 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이의 공간을 채우도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 가스켓(1100S)은 제1 기판부(1310)의 외곽을 둘러싸도록 제2 플레이트(1020)와 제3 플레이트(1030) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판부(1310) 및 제2 기판부(1320) 사이와 제2 플레이트(1020) 및 제3 플레이트(1030) 사이는 기밀하게 실링될 수 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 24는 도 23의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 23을 참조하면, 제2 플레이트(1020) 상에 열전모듈(1100)이 배치된 상태에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재를 배치한다. 이때, 제1 기판부(1310) 상에는 멈춤부재(2300)가 더 배치될 수 있다. 멈춤부재(2300)는 제1 기판부(1310) 상에서 제2 기판부(1320)의 측면과 제2 가스켓(1100S)을 사이에 두고 배치되며, 멈춤부재(2300)의 높이는 제2 기판부(1320)의 높이의 0.95 내지 1.05배일 수 있다.
도 23의 상태에서 제3 플레이트(1030)를 적층 후 가압하면, 도 24의 형상과 같이 제2 가스켓(1100S)이 형성된다.
이에 따르면, 가압 시 제3 플레이트(1030) 상에 높은 압력이 가해지더라도, 제2 가스켓(1100S)의 과압착으로 인한 반도체 구조물부의 파손이 방지될 수 있다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제2 가스켓을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 26은 도 25의 방법에 따라 형성된 제2 가스켓의 단면도이다.
도 25를 참조하면, 제2 플레이트(1020) 상에 열전모듈(1100)이 배치된 상태에서 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재를 배치한다. 이때, 제2 가스켓(1100S)을 위한 소재는 제1 기판부(1310)로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태로 도포될 수 있다.
도 25의 상태에서 제3 플레이트(1030)를 적층 후 가압하면, 도 26의 형상과 같이 제2 가스켓(1100S)이 형성된다.
이에 따르면, 제2 플레이트(1020)의 수평 방향으로 제1 기판부(1310) 상에서 제2 가스켓(1100S)의 제1 폭(D1), 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이에서 제2 가스켓(1100S)의 제2 폭(D2) 및 반도체 구조물부의 측면에서 제2 가스켓(1100S)의 제3 폭(D3) 중 제2 폭(D2)이 가장 크게 형성되므로, 복수의 제2 기판(1321, 1322, 1323, 1324) 사이의 갭이 제거될 수 있다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치의 단면도이고, 도 28(a)는 도 27의 열교환장치에 포함된 제2 플레이트의 상면도이고, 도 28(b)는 도 27의 열교환장치에 포함된 제3 플레이트의 상면도이다. 도 1 내지 도 26을 참조하여 설명한 내용 중 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 27, 도 28(a) 및 도 28(b)를 참조하면, 열교환장치(1000)는 제1 플레이트(1010), 제1 플레이트(1010) 상에 배치된 제2 플레이트(1020), 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100), 제1 열전모듈(1100) 상에 배치된 제3 플레이트(1030), 제3 플레이트(1030) 상에 배치된 제4 플레이트(1040), 제4 플레이트(1040) 상에 배치된 제2 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1200) 상에 배치된 제5 플레이트(1050) 및 제5 플레이트(1050) 상에 배치된 제6 플레이트(1060)를 포함한다.
제1 플레이트(1010), 제2 플레이트(1020), 제1 열전모듈(1100), 제3 플레이트(1030), 제4 플레이트1040), 제2 열전모듈(1200), 제5 플레이트(1050) 및 제6 플레이트는 제1 방향을 따라 순차적으로 적층된다.
전술한 바와 같이, 각 플레이트는 제1 방향에 수직하는 제2 방향의 일측에서 제1 방향 및 제2 방향에 수직하는 제3 방향으로 서로 이격되도록 배치된 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 포함하며, 제2 방향의 타측에서 제3 방향으로 서로 이격되도록 배치된 제3 관통홀 및 제4 관통홀을 포함한다.
도 28(a)에 도시된 바와 같이, 제2 플레이트(1020) 상에는 제1 열전모듈(1100)이 배치되며, 제1 열전모듈(1100)은 제2 방향 및 제3 방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자(1300-1, 1300-2)를 포함한다.
이하에서, 설명의 편의를 의하여, 제3 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 제1 열전소자(1300-1) 및 제2 열전소자((1300-2)를 중심으로 설명한다. 제1 열전소자(1300-1) 및 제2 열전소자(1300-2)의 구조는 도 13 및 도 17을 참조하여 설명한 열전소자(1300)의 구조를 참조할 수 있다. 도 13 및 도 17에서 열전소자(1300)의 제1 터미널 전극(1300T1) 및 제2 터미널 전극(1300T2)은 제3 방향의 일측을 향하여 연장된 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전소자(1300-1)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-1T)은 제3 방향의 일측을 향하여 연장되고, 제2 열전소자(1300-2)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-2T)은 제3 방향의 타측을 향하여 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 플레이트(1020)는 제3 플레이트(1030)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(1020A1), 제3 방향의 일측에서 제3 플레이트(1030)의 일측에서 제3 플레이트(1030)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(1020A2), 제3 방향의 타측에서 제3 플레이트(1030)와 수직으로 중첩되지 않는 제3 영역(1020A3)을 포함한다.
제1 열전소자(1300-1)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-1T)은 제2 영역(1020A2) 상에 배치되고, 제2 열전소자(1300-2)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-2T)은 제3 영역(1020A3) 상에 배치된다. 이에 따라, 제1 열전소자(1300-1)에 연결되는 제1 전선(X1)은 제2 영역(1020A2)에서 제1 및 제2 터미널 전극(1300-1T) 상에 배치되고, 제2 열전소자(1300-2)에 연결되는 제2 전선(X2)은 제3 영역(1020A3)에서 제1 및 제2 터미널 전극(1300-2T) 상에 배치된다.
이와 같이, 제2 플레이트(1020)의 제2 영역(1020A2) 및 제3 영역(1020A3)이 제3 플레이트(1030)와 수직으로 중첩되지 않으면, 제1 열전소자(1300-1)에 제1 전선(X1)을 연결하고, 제2 열전소자(1300-2)에 제2 전선(X2)을 연결하기 위한 작업 공간이 확보되므로, 전선 연결이 용이하다.
뿐만 아니라, 제1 전선(X1) 및 제2 전선(X2)이 제2 플레이트(1020) 상에서 연결될 수 있으므로, 제1 전선(X1) 및 제2 전선(X2)이 제2 플레이트(1020)에 의하여 안정적으로 지지될 수 있다.
도 28(a)에서 제2 플레이트(1020)를 도시하고 있으나, 제4 플레이트(1040) 및 제6 플레이트(1060)는 도 28(a)의 제2 플레이트(1020)와 동일한 형상 및 폭을 가지며, 제2 플레이트(1020), 제4 플레이트(1040) 및 제6 플레이트(1060)는 제1 방향을 따라 정렬될 수 있다. 도 28(b)에서 제3 플레이트(1030)를 도시하고 있으나, 제1 플레이트(1010) 및 제5 플레이트(1050)는 도 28(b)의 제3 플레이트(1030)와 동일한 폭을 가지며, 제1 플레이트(1010), 제3 플레이트(1030) 및 제5 플레이트(1050)는 제1 방향을 따라 정렬될 수 있다.
즉, 제3 방향으로 제2 플레이트(1020)의 폭, 제4 플레이트(1040)의 폭 및 제6 플레이트(1060)의 폭은 제1 플레이트(1010)의 폭, 제3 플레이트(1030)의 폭 및 제5 플레이트(1050)의 폭보다 클 수 있다.
또한, 제2 플레이트(1020)의 제2 영역(1020A2)은 제3 방향의 일측에서 제1 플레이트(1010) 및 제5 플레이트(1050)와 수직으로 중첩되지 않고, 제2 플레이트(1020)의 제3 영역(1020A3)은 제3 방향의 타측에서 제1플레이트(1010) 및 제5 플레이트(1050)와 수직으로 중첩되지 않을 수 있다.
이와 함께, 제2 플레이트(1020)의 제2 영역(1020A2)은 제3 방향의 일측에서 제4 플레이트(1040) 및 제6 플레이트(1060)와 수직으로 중첩되고, 제2 플레이트(1020)의 제3 영역(1020A3)은 제3 방향의 타측에서 제4 플레이트(1040) 및 제6 플레이트(1060)와 수직으로 중첩될 수 있다.
이에 따르면, 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100) 뿐만 아니라, 제4 플레이트(1040) 상에 배치된 제2 열전모듈(1200) 및 제6 플레이트(1060) 상에 배치된 제3 열전모듈(미도시)에 전선을 연결하기 위한 작업 공간이 확보될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 제2 플레이트(1020)의 양면 중 제1 열전모듈(1100)이 배치된 면에는 제1 내지 제4 관통홀(1020T1~T4)을 둘러싸도록 가스켓(1020S)이 배치되고, 제1 열전모듈(1100)을 둘러싸도록 가스켓(1100S)이 더 배치된다. 제1 열전모듈(1100)을 둘러싸도록 배치된 가스켓(1100S)은 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이 제1 열전모듈(1100) 전체를 둘러싸도록 배치되거나, 도 15를 참조하여 설명한 바와 같이 제1 열전모듈(1100)을 이루는 복수의 열전소자 각각을 둘러싸도록 배치되거나, 도 16을 참조하여 설명한 바와 같이 각 열전소자를 둘러싸면서 각 열전소자 내 분할기판 사이를 채우도록 배치될 수 있다.
이때, 제1 열전소자(1300-1)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-1T)과 제2 열전소자(1300-2)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-2T)은 가스켓(1100S)에 둘러싸이는 영역 바깥에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 가스켓(1100S)에 둘러싸이는 영역 바깥에서 제1 열전소자(1300-1)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-1T)에 제1 전선(X1)을 연결하고, 제2 열전소자(1300-2)의 제1 및 제2 터미널 전극(1300-2T)에 제2 전선(X2)을 연결할 수 있으므로, 전선 연결 또는 전선 교체 과정에서 제1 내지 제2 열전소자에 포함되는 제1 전극부, 반도체 구조물부 및 제2 전극부가 수분에 노출되지 않도록 할 수 있다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환장치의 단면도이다. 도 27, 도 28(a) 및 도 28(b)를 참조하여 설명한 내용 중 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 29를 참조하면, 열교환장치(1000)는 제1 플레이트(1010), 제1 플레이트(1010) 상에 배치된 제2 플레이트(1020), 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100), 제1 열전모듈(1100) 상에 배치된 제3 플레이트(1030), 제3 플레이트(1030) 상에 배치된 제4 플레이트(1040), 제4 플레이트(1040) 상에 배치된 제2 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1200) 상에 배치된 제5 플레이트(1050) 및 제5 플레이트(1050) 상에 배치된 제6 플레이트(1060)를 포함한다.
제1 플레이트(1010), 제2 플레이트(1020), 제1 열전모듈(1100), 제3 플레이트(1030), 제4 플레이트1040), 제2 열전모듈(1200), 제5 플레이트(1050) 및 제6 플레이트는 제1 방향을 따라 순차적으로 적층된다.
이때, 제3 방향으로 제3 플레이트(1030)의 폭은 제2 플레이트(1020)의 폭보다 작을 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 제2 플레이트(1020)의 제2 영역(1020A2) 및 제3 영역(1020A3)은 제3 플레이트(1030)와 수직으로 중첩되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 제2 플레이트(1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100)에 전선을 연결하기 용이하다.
한편, 제2 플레이트(1020)의 제2 영역(1020A2) 및 제3 영역(1020A3)의 적어도 일부는 제4 플레이트(1040)와 수직으로 중첩되지 않을 수 있다. 즉, 제3 방향으로 제2 플레이트(1020)의 폭은 제4 플레이트(1040)의 폭보다 클 수 있다. 이에 따르면, 제2 플레이트((1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100)에 전선을 연결하기 더욱 용이할 수 있다.
제2 플레이트(1020)에 배치된 제1 열전모듈(1100)의 제1 내지 제2 열전소자(1300-1, 1300-2)의 제1 내지 제2 터미널 전극(1300-1T, 1300-2T)의 연장 길이는 제4 플레이트(1040)에 배치된 제2 열전모듈(1200)의 제3 내지 제4 열전소자(1300-3, 1300-4)의 제1 내지 제2 터미널 전극(1300-3T, 1300-4T)의 연장 길이는 보다 길 수 있다. 이에 따르면, 제2 플레이트((1020) 상에 배치된 제1 열전모듈(1100)에 전선을 연결하기 더욱 용이할 수 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 플레이트,
    상기 제1 플레이트 상에 배치된 제2 플레이트,
    상기 제2 플레이트 상에 배치된 열전모듈,
    상기 열전모듈 상에 배치된 제3 플레이트, 그리고
    상기 제3 플레이트 상에 배치된 제4 플레이트를 포함하고,
    각 플레이트는 복수의 관통홀을 포함하며,
    상기 제2 플레이트의 양면 중 상기 열전모듈이 배치된 면에는 상기 복수의 관통홀을 따라 제1 가스켓이 배치되고,
    상기 열전모듈은 서로 이격되도록 배치된 복수의 열전소자를 포함하며,
    각 열전소자는 제1 기판부, 상기 제1 기판부 상에 배치된 제1 전극부, 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물부, 상기 반도체 구조물부 상에 배치된 제2 전극부, 그리고 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 기판부를 포함하고,
    상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 기판부의 측면에 접촉하도록 제2 가스켓이 배치된 열교환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판부는 하나의 제1 기판으로 이루어지고, 상기 제2 기판부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판을 포함하며,
    상기 제2 가스켓은 상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제2 기판 사이에 배치된 열교환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 수평 방향으로 상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 가스켓의 제1 폭, 상기 복수의 제2 기판 사이에서 상기 제2 가스켓의 제2 폭 및 상기 반도체 구조물의 측면에서 상기 제2 가스켓의 제3 폭은 서로 상이한 열교환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 폭은 상기 제1 폭보다 크고, 상기 제2 폭보다 큰 열교환장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 폭은 상기 제1 폭보다 크고, 상기 제3 폭보다 큰 열교환장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 가스켓은 상기 복수의 제2 기판의 측면, 상기 복수의 제2 기판의 하면 및 상기 반도체 구조물의 측면에 접촉하도록 배치된 열교환장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 상기 제2 플레이트의 수직 방향으로 상기 제1 기판부와 중첩되고, 상기 제2 기판부와 중첩되지 않는 터미널 전극을 포함하고,
    상기 터미널 전극은 상기 제2 가스켓에 의해 둘러싸이는 영역 바깥에 배치된 열교환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 수직 방향으로 상기 제1 가스켓의 두께는 상기 제2 가스켓의 두께보다 큰 열교환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가스켓은 상기 제1 기판부의 측면 및 상기 제2 플레이트에 더 배치된 열교환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판부 상에서 상기 제2 기판부의 측면과 상기 제2 가스켓을 사이에 두고 배치된 멈춤부재를 더 포함하고,
    상기 멈춤부재의 높이는 상기 제2 기판부의 높이의 0.95 내지 1.05배인 열교환장치.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011071338A (ja) * 2009-09-25 2011-04-07 Daikin Industries Ltd 熱交換器
JP2012080761A (ja) * 2010-09-10 2012-04-19 Toshiba Corp 温度差発電装置及び熱電変換素子フレーム
JP2016158424A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 千代田化工建設株式会社 発電システム
WO2017056514A1 (ja) * 2015-10-01 2017-04-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 熱電発電装置及び熱電発電方法
KR20220082219A (ko) * 2020-12-10 2022-06-17 엘지이노텍 주식회사 열전 소자

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011071338A (ja) * 2009-09-25 2011-04-07 Daikin Industries Ltd 熱交換器
JP2012080761A (ja) * 2010-09-10 2012-04-19 Toshiba Corp 温度差発電装置及び熱電変換素子フレーム
JP2016158424A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 千代田化工建設株式会社 発電システム
WO2017056514A1 (ja) * 2015-10-01 2017-04-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 熱電発電装置及び熱電発電方法
KR20220082219A (ko) * 2020-12-10 2022-06-17 엘지이노텍 주식회사 열전 소자

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