(57)【要約】      （修正有）【課題】低消費電力で、高効率の熱変換機能を実現する熱変換装置を提供する。【解決手段】第１熱変換部材を含む吸熱モジュール２００と、吸熱モジュール２００を経由した空気を入れて熱変換を行う第２熱変換部材を含む発熱モジュール３００と、吸熱モジュール２００及び発熱モジュール３００に接触して熱変換機能を制御する熱電モジュール１００と、を含む。吸熱モジュール２００及び発熱モジュール３００が、熱電モジュール１００を基準に片方向に、かつ、水平方向に配置する。【選択図】図１
2015154082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱変換部材を含む第１モジュールと、
前記第１モジュールを経由した空気を入れて熱変換を行う第２熱変換部材を含む第２モジュールと、
前記第１モジュール及び前記第２モジュールに接触して熱変換機能を制御する熱電モジュールとを含み、
前記第１モジュール及び前記第２モジュールが、前記熱電モジュールを基準に片方向に配置される熱変換装置。
（「片方向」とは、熱電モジュールの上部及び下部方向のうちいずれか１方向と定義する。）
【請求項２】
前記片方向に配置される熱変換装置は、前記第１モジュール及び前記第２モジュールが、前記熱電モジュールの第１基板と第２基板が形成される長さ方向の水平方向に配置される請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項３】
前記第１モジュールは、前記熱電モジュールの第１基板と接触して延長される第３基板を含む第１熱変換部材収容ユニットをさらに含む請求項１又は２に記載の熱変換装置。
【請求項４】
前記第３基板は、第１基板と一体に形成される請求項３に記載の熱変換装置。
【請求項５】
前記第２モジュールは、前記熱電モジュールの第２基板と接触する第４基板を含む第２熱変換部材収容ユニットをさらに含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項６】
前記第１モジュールの空気排出面と前記第２モジュールの空気流入面が互いに離隔される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項７】
前記互いに離隔される距離は０．０１ｍｍ〜５０．０ｍｍである請求項６に記載の熱変換装置。
【請求項８】
前記第１モジュールの体積は、前記第２モジュールと同一である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項９】
前記第１モジュールの体積は、前記第２モジュールよりも小さい請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項１０】
前記第１モジュールの体積と前記第２モジュールの体積比は１：（１〜１０）である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項１１】
前記第１熱変換部材又は前記第２熱変換部材のうち少なくともいずれか１つは、
空気と面接触する第１平面と前記第１平面に対向する第２平面とを備える基材と、
空気の流動方向に前記基材内に空気流路を形成する少なくとも１つ以上の流路パターンと、を含む請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項１２】
前記流路パターンの表面に前記基材の表面から突出する抵抗パターンをさらに含む請求項１１に記載の熱変換装置。
【請求項１３】
前記抵抗パターンの末端と連結される流動溝をさらに含む請求項１２に記載の熱変換装置。
【請求項１４】
前記流路パターンは、前記基材の長さ方向に一定のピッチを有する曲率パターンが実現される構造である請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の熱変換装置。
【請求項１５】
前記第１モジュール及び前記第２モジュールの熱伝達部材に形成される曲率パターンのピッチの割合は、（１〜１．４）：１である請求項１４に記載の熱変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子を含む熱変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、熱電変換素子を含む熱電素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を金属電極の間に接合させることにより、ＰＮ接合対を形成する構造を有する。このようなＰＮ接合対の間に温度差を与えると、ゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果により電力が発生し、これにより、熱電素子は発電装置として機能をすることができる。また、ＰＮ接合対のいずれか一方は冷却され、他方は発熱されるペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果により、熱電素子は温度制御装置として用いることもできる。
【０００３】
この場合、熱電素子は、発熱部と吸熱部上に放熱部材を形成して流れ込む空気に対する除湿と乾燥を並行する装置として応用することができるが、このとき、熱電モジュールから吸熱部に流れ込む空気を１次的に除湿した後、再度空気を熱電素子の上部に配置された発熱部に誘導して乾燥させることができるが、空気の流動が多くなって流路抵抗が発生することになり、除湿効率が低下するという問題が発生する。これを解消するためには、流れ込む空気の強度を強くして全体的な空気の流動を強くする方法があるが、消費電力及び騒音の増加につながり、除湿機としての性能が非常に低くなるという問題につながることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、特に、熱電モジュールを適用する熱交換装置の構造において、吸熱モジュールと発熱モジュールを水平方向に配置し、空気流路の抵抗がなく所望の風量と風速を維持しながら、空気に対する熱変換効果を実現することにより、低消費電力にもかかわらす、高効率の熱変換機能を実現できる熱変換装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するための手段として、本発明の実施例によると、第１熱変換部材を含む第１モジュールと、前記第１モジュールを経由した空気を入れて熱変換を行う第２熱変換部材を含む第２モジュールと、そして前記第１モジュール及び前記第２モジュールに接触して熱変換機能を制御する熱電モジュールと、を含み、前記第１モジュール及び前記第２モジュールが、前記熱電モジュールを基準に片方向に配置される熱変換装置を提供することができる。すなわち、熱電モジュールを基準に上下方に配置する方式ではなく、水平方向に配置することにより、流入空気の流路抵抗を減少させ、熱変換効率を最大化させることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施例によると、熱電モジュールを適用する熱交換装置の構造において、吸熱モジュールと発熱モジュールを水平方向に配置し、空気流路の抵抗なく所望の風量と風速を維持しながら、空気に対する熱変換効果を実現することにより、低消費電力にもかかわらず、高効率の熱変換機能を実現できる効果がある。
【０００７】
なお、吸熱モジュールと発熱モジュールに空気と面接触をする熱変換部材を配置し、折りたたみ（ｆｏｌｄｉｎｇ）構造で多数の流路を形成しながら、折りたたまれる構造の熱変換部材を適用し、空気との接触面積を最大化して熱変換効率を大幅に向上させることができる。
【０００８】
さらに、熱変換部材の単位熱変換部の曲率表面に空気との摩擦を高めることができ、空気の循環を増大させる抵抗パターン及び流路溝が結合された構造のパターンを形成して熱変換効率をさらに高めることができる。
【０００９】
なお、折りたたみ構造の熱変換部材による制限的な熱交換装置の面積にもかかわらず、高効率の熱変換装置を形成することができ、製品自体のサイズを薄く形成して汎用的な設計配置を実現することができる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例による熱変換装置の斜視概念図を示すものである。
【図２】図１の側面概念図を示すものである。
【図３】図１及び図２で上述した本発明の実施例による第１モジュールと第２モジュールの配置構造の実施例を説明するための概念図である。
【図４】図１での第１熱伝達部材及び第２熱伝達部材の構造を説明するための概念図である。
【図５】図１での第１熱伝達部材及び第２熱伝達部材の構造を説明するための概念図である。
【図６】図１での第１熱伝達部材及び第２熱伝達部材の構造を説明するための概念図である。
【図７】本発明の他の実施例による熱伝達装置の構造を示す図である。
【図８】上述した本発明の実施例で第１モジュール及び第２モジュールと接触する熱電素子を含む熱電モジュールの単位セルの構造を示す図である。
【図９】図８の構造を多数配置した構造の熱電モジュールを例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明による構成及び作用について詳しく説明する。
【００１２】
但し、本発明はこれらにより限定されるものではない。本明細書に亘って同じ構成要素に対しては同じ符号を付す。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による熱変換装置の斜視概念図を示すものであり、図２は、図１のＷ−Ｗ’の断面概念図を示すものである。
【００１４】
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例による熱変換装置は、第１熱変換部材２２０を含む第１モジュール２００と、前記第１モジュールを経由した空気を入れて熱変換を行う第２熱変換部材３２０を含む第２モジュール３００と、前記第１モジュール及び前記第２モジュールに接触して熱変換機能を制御する熱電モジュール１００とを含んで構成される。特に、本発明の実施例による熱変換装置は、前記第１モジュール及び前記第２モジュールが、前記熱電モジュールを基準に‘片方向’に配置されるようにする。
【００１５】
この場合、「片方向」とは、後述するが、熱電モジュールを基準に上部方向や下部方向のうちいずれかの１方向を意味し、例えば、本発明の一実施例として、前記第２モジュール３００を前記熱電モジュール１００の下部に配置し、第２モジュール３００と水平方向に空気流路が形成されるように前記第１モジュール２００を配置する構造を挙げることができる。このような構造によると、同一の空間に空気の流路が連続的に吸熱と発熱機能をするモジュールを経ることができるようにし、流路抵抗を最小化し、熱電効率を高めるという利点を実現することができる。
【００１６】
前記熱電モジュール１００は、後述（図７参照）するが、互いに対向する一対の基板１４０、１５０の間に互いに電気的に接続される熱電半導体素子１２０が配置される構造であって、前記熱電半導体素子はＰ型半導体とＮ型半導体が対を成して配置され、電流の印加のとき、ペルチェ効果により、上述した一対の基板に吸熱部と発熱部を実現することになる。本発明の実施例では、図１の構造において、第１基板１４０の方に吸熱領域が形成され、第２基板１５０の方に発熱領域が形成されることを例にして説明する。
【００１７】
前記第１モジュール２００は、前記熱電モジュール１００の吸熱領域を形成する第１基板１４０と接触する第３基板２１０Ａを含む第１変換部材収容ユニット２１０を備える。前記第１変換部材収容ユニット２１０は、図１及び図２に示された構造では第３基板２１０Ａとその反対面に別途の下部基板２１０Ｂとを含む構造を例示としたが、これに限定されるのではなく、空気の流入路を除いた他の部分は密閉構造で実現されることも可能である。
【００１８】
また、前記第１熱変換部材収容ユニット２１０の内部には、第１熱変換部材２２０が少なくとも１つ以上含まれる構造で実現される。図１に示された構造において、前記第１モジュール２００の第３基板２１０Ａは、吸熱反応が起こる第１基板１４０と接触して前記第１モジュール２００で吸熱機能、すなわち、温度を下げる機能を実行することができる。したがって、外部のファン（ｆａｎ）などから流れ込む外部空気が前記第１モジュール２００に流れ込んだ場合、流れ込んだ空気が、前記熱電モジュール１００の前記第１基板１４０を通じて前記第１モジュール２００と内部の第１熱変換部材２２０と接触しながら、空気の温度が低くなり、これにより、多湿な空気の水分を凝縮させることができるようになる。
【００１９】
このために、前記第１モジュール２００は、第１基板１４０で吸熱反応により温度が低くなるように誘導され、第１基板の低い温度が前記第３基板を通じて前記第１モジュール２００の第１熱変換部材及びその収容ユニットまで伝達されて低い温度を維持できるようになる。特に、本発明の実施例では、前記第１熱伝達部材２２０は、空気との接触面積を最大化できるように特有の流路パターンを形成する構造で実現されるようにする（図４参照）。図１に示された構造では、前記第３基板２１０Ａと前記第１基板１４０が別個の構造物として形成されることを例示しているが、構造をさらに簡素化し、効率的な熱伝達のために前記第１基板１４０と前記第３基板２１０Ａは、一体型構造で実現することもできる。
【００２０】
前記第２モジュール３００は、前記第１モジュール２００の内部を通過した冷却された空気内部の湿気が凝結されて排出された後空気を入れることになり、前記熱電モジュール１００の発熱領域を形成する第２基板１５０と接触する第２熱伝達部材収容ユニット３１０を含んで構成することができる。前記第２基板１５０は、第４基板３１０Ａのような部材と面接触をして第２モジュールの発熱反応の熱を前記第２熱伝達部材及びその収容ユニット３１０の内部に伝達し、前記第１モジュール２００を通過した空気を入れて、その熱で流入空気を乾燥した空気に変換させる機能をする。併せて、前記第４基板３１０Ａと前記第２基板１５０は、別個の構造物として形成することができるが、構造をさらに簡素化し、効率的な熱伝達のために一体型構造で実現することもできる。
【００２１】
図３は、図１及び図２で上述した本発明の実施例による第１モジュール２００と第２モジュール３００の配置構造の実施例を説明するための概念図である。
【００２２】
本発明の実施例による第１モジュール２００と第２モジュール３００は、上述したように、前記第１モジュール及び前記第２モジュールを前記熱電モジュール１００を基準に‘片方向’に配置することができる。この場合、前記「片方向」とは、前記熱電モジュール１００を基準に上部方向Ｙ１や下部方向Ｙ２のうちいずれか１方向を意味する。すなわち、熱電モジュール１００の第１基板１４０の上部平面の延長線Ｘ１、下部平面の延長線Ｘ２を考慮するとき、第１モジュール又は第２モジュールのいずれかが熱電モジュールと直接接触する方向に配置され、その方向と水平成分の方向に他のものを配置するようにする。
【００２３】
例えば、すなわち、図１及び図２で上述したように、前記第２モジュール３００を前記熱電モジュール１００の下部に配置し、前記第２モジュール３００と水平方向に空気流路が形成されるように前記第２モジュール２００を配置する構造を挙げることができる。しかしながら、このような第１モジュールと第２モジュールが水平方向の配置構造のみに限定されるものではなく、図３の（ｂ）に示すように、熱電モジュール１００の第１基板を基準に第２モジュール２００が一定に傾いた状態で配置されても、第１モジュールと第２モジュールを経由する空気が移動する流路の折り曲がり状態により流路抵抗が発生することなく、第１モジュールから第２モジュールに直接流れ込む構造であれば、いずれも本発明の片方向の配置構造に含むことができる。すなわち、本発明の実施形態で定義する「片方向の配置構造」の形態で「水平方向の配置」とは、外部の空気が最初に第１モジュールを通過した後に、通過した排出空気の一部又は全部が第２モジュールに直接流れ込んで通過できる配置構造を含む概念である。したがって、このような配置構造であれば、第２モジュールの配置は、何らかの形態に変形及び設置しても本発明の要旨に含まれると言える。
【００２４】
すなわち、図３の（ａ）でのように熱電モジュール１００の上部に配置される第１モジュール２００と、熱電モジュール１００の下部に配置される第２モジュール３００の配置構造のように、熱電モジュールを基準に上部及び下部に密着して配置される両方向の配置構造ではない、前記熱電モジュールの上に接触する１つの第２モジュール３００を除き、他の第１モジュール２００が、熱電モジュールの第１基板１４０と接触はするが、その上部ではない、外部の側面方向に延びて第２モジュール３００が配置される方向に配置される場合の変形実施例は、すべて本発明の実施例に含まれると言える。
【００２５】
これは、図３の（ａ）の構造では、流れ込む空気Ａが第１モジュール２００を経由しながら冷却され、空気内の水分が凝縮され、第１モジュールを通過した後空気が‘Ｕ’字型に折り曲げられた空気移動路を回り、熱電モジュールの下部方向に配置される第２モジュール３００に流れ込んで発熱機能による乾燥が行われるように配置されると、折り曲げられた領域で大きい流路抵抗が生じ、除湿効果が低下することになる。したがって、本発明の望ましい実施例らは、このような「Ｕ」字型に折り曲げられた空気流路を形成せずに、空気流路の水平方向への進行方向に第１モジュール及び第２モジュールを配置して流路抵抗を最小化できるようにする。
【００２６】
図４〜図６は、図１での第１熱伝達部材及び第２熱伝達部材の構造を説明するための概念図である。
【００２７】
図１及び図４〜図５を参照すると、本発明の実施例による第１熱伝達部材２２０又は第２熱伝達部材３２０は、空気と面接触を行うことができるように、第１平面２２１と前記第１平面２２１の反対面である第２平面２２２の平板状の基材に一定の空気の移動路である空気流路Ｃ１を形成する少なくとも１つの流路パターン２２０Ａが実現される構造で形成することができる。
【００２８】
前記流路パターン２２０Ａは、図４及び図６に示すように、一定のピッチＰ１、Ｐ２と高さＴ１を有する曲率パターンが形成されるように基材を折りたたみ（ｆｏｌｄｉｎｇ）構造、すなわち、折りたたまれる構造で形成する方法で実現することも可能であり、このような流路パターンは、図４に示された構造だけでなく、図６に示すように、様々な変形形態に形成することができる。すなわち、本発明の実施例による第１熱伝達部材２２０又は第２熱伝達部材３２０は、空気が面接触する平面を２面を備え、接触する表面積を最大化するための流路パターンを形成する構造で実現することができる。図４に示された構造では、空気が流れ込む流入部の流路Ｃ１方向から流れ込んだ場合、上述した第１平面２２１と前記第１平面２２１の反対面である第２平面２２２と空気が均一に接触しながら移動して流路の末端Ｃ２方向に進むようにするので、単純な平板状との接触面よりも同一の空間においてはるかに多くの空気との接触を誘導できるようになり、吸熱や発熱の効果をより一層向上させることができる。
【００２９】
特に、空気の接触面積をさらに増大させるために、本発明の実施例による第１熱伝達部材２２０又は第２熱伝達部材３２０は、図４及び図５に示すように、基材の表面に突出型抵抗パターン２２３を含んで構成することができる。前記抵抗パターン２２３は、単位流路パターンを考慮するとき、第１曲面Ｂ１と第２曲面Ｂ２にそれぞれ形成することができる。
【００３０】
さらに、前記抵抗パターン２２３は、図５の部分拡大図のように、空気が進入する方向に一定の傾斜角θを有するように傾いた突出構造物として形成され、空気との摩擦を最大化できるようにして、接触面積や接触効率をさらに高めることができるようにする。さらに、抵抗パターン２２３の前の部分の基材面に溝２２４を形成して前記抵抗パターン２２３と接触する空気の一部を前記溝（以下、「流動溝２２４」とする。）を形成することにより、基材の前面と後面を通過して接触の頻度や面積をさらに高めるようにすることができる。また、図５に示された例では、抵抗パターンが空気の流動方向に抵抗を最大化するように配置される構造に形成したが、この形態に限定されるのではなく、抵抗設計に応じて抵抗の程度を調節できるように突出される抵抗パターンの方向を反対に設計することができ、図５では、抵抗パターン２２３が熱伝達部材の外表面に形成されるように実現したが、反対に熱伝達部材の内表面に形成する構造にも変形が可能である。
【００３１】
図６は、上述した第１熱伝導部材及び第２熱伝達部材の流路パターンの実現例を多様に示した概念図である。
【００３２】
図６に示すように、（ａ） 一定のピッチＰ１で曲率を有するパターンを繰り返して形成したり、（ｂ） 流路パターンの単位パターンが尖部を有するパターン構造の繰り返し構造で実現したり、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、単位パターンが多角形構造の断面を有するように多様に変形させることができる。上述した流路パターンは、パターンの表面Ｂ１、Ｂ２に図５で上述した抵抗パターンを備えることができることはもちろんである。
【００３３】
図６では、流路パターンが一定のピッチを有する構造で一定の周期を有するように形成したものを示したが、これとは異なり、単位パターンのピッチを均一にせず、パターンの周期も不均一に実現するように変形することができ、さらに各単位パターンの高さＴ１も不均一に変形することができることはもちろんである。
【００３４】
以上で上述した第１熱伝導部材及び第２熱伝達部材の構造は、図１及び図２に示された本発明による実施例としての熱変換装置を考慮すると、第１モジュール２００と第２モジュール３００に含まれる第１熱伝達部材及び第２熱伝達部材の流路パターンのピッチを異なるように調節できる。特に、前記第１熱変換部材の流路パターンのピッチを前記第２熱変換部材の流路パターンのピッチ以上に形成することができる。
【００３５】
具体的には、前記第１モジュール２００の第１熱伝達部材２２０のピッチＰ１と前記第２モジュール３００の第２熱伝達部材３１０のピッチＰ２の割合（Ｐ１：Ｐ２）は、（１〜１．４）：１の範囲で形成できる。図４及び図５で流路パターンを形成する本発明の実施例による熱伝達部材の構造は、平板型構造の熱伝達部材や既存の放熱フィン構造よりも、同じ体積内にはるかに多くの接触面積を実現することができるので、平板構造の熱伝達部材に対して５０％以上の空気接触面積の増大を実現することができ、これにより、モジュールの大きさも大幅に減らすことができるようになる。但し、図１及び図２の構造でのように、最初に流れ込む多湿な空気の凝縮効率や湿気が凝縮及び除去された後の空気に対する発熱乾燥の効率を考慮すると、前記第１モジュール２００の第１熱伝達部材２２０のピッチと前記第２モジュール３００の第２熱伝達部材３１０のピッチの割合は、（１〜１．４）：１の範囲で形成されることが望ましい。
【００３６】
また、第１モジュール２００の体積は、前記第２モジュール３００の体積以下に形成することが望ましく、特に、この場合、第１モジュール２００である吸熱モジュールが占める平面面積は、前記第１モジュール及び第２モジュールが形成する全体の平面面積を考慮するとき、５〜５０％を占めるように形成することが望ましい。吸熱モジュールの面積が５％未満であると、空気の凝縮過程が円滑に行われず凝縮効率が低下し、５０％を超えると、凝縮遅延により凝縮空気の一部が排出されない可能性がある。
【００３７】
より望ましくは、図２に示された第１モジュールの平面面積（ｄ１*ｅ１）と第２モジュールの平面面積（ｄ２*ｅ２）の割合が１：（１〜１０）の範囲を満足することが望ましい。また、前記第１モジュール２００と第２モジュール３００は、互いに離隔されて一定の最大離隔距離ｄ２を備えることが望ましく、再凝縮を防止して凝縮空気の効率的な伝達及び発熱乾燥効率の向上のためには、前記最大離隔距離ｄ２が０．０１ｍｍ〜５０．０ｍｍの範囲で形成することができる。これは、前記最大離隔距離ｄ２が０．０１ｍｍ未満であると、第１モジュール及び第２モジュールの吸熱及び発熱部の隣接により隣接部で温度相殺が起こるようになり、冷却効率が低下し、５０．０ｍｍを超えると、凝縮空気の多数が分散され、第２モジュールへの伝達が効率的に行われないという問題をもたらすことになる。
【００３８】
図７は、本発明の他の実施例による熱伝達装置の構造を示す図である。
【００３９】
上述したように、本発明の実施例では、熱伝達部材として空気との面接触を行う折りたたみ構造（流路パターンが形成された構造）の構造物を適用し、この場合、空気流動の水平方向に空気が伝達されるように、第１モジュール（吸熱モジュール；２００）と第２モジュール（発熱モジュール；３００）を配置して流路抵抗を最小化する適用例を説明した。
【００４０】
図７の実施例では、この図４のような構造の熱伝達部材ではない、ピン（Ｐｉｎ）タイプの多数の構造物を吸熱部材２３０及び発熱部材３３０として適用し、この場合にも、空気流動の水平方向に空気が伝達されるように、第１モジュール（吸熱モジュール）と第２モジュール（発熱モジュール）を配置して流路抵抗を最小化する熱変換装置を示した。もちろん、この場合の実施例では、図４の熱伝達部材よりは、同じ面積に配置できる吸熱部材２３０及び発熱部材３３０の体積が減少し、一定の空間に配置できる吸熱部材２３０及び発熱部材３３０の大きさも限られており、熱変換効率は少し低下するが、上述したように、空気流動の水平方向に空気が伝達されるように、第１モジュール（吸熱モジュール）と第２モジュール（発熱モジュール）を配置して流路抵抗を最小化する効果を奏することができる利点が実現される。
【００４１】
図８は、上述した本発明の実施例において第１モジュール及び第２モジュールと接触する熱電素子を含む熱電モジュールの単位セルの構造を示す図であり、図９は、図８の構造を多数配置した構造の熱電モジュールを例示した図である。
【００４２】
図８及び図９に示すように、本発明の実施例による熱電素子を含む熱電モジュールは、互いに対向する第１基板１４０及び第２基板１５０と前記第１基板１４０及び第２基板１５０の間に第１半導体素子１２０と電気的に接続される第２半導体素子１３０を含む単位セルを少なくとも１つ以上含む構造で形成することができる。前記第１基板１４０及び前記第２基板１５０は、絶縁基板、例えば、アルミナ基板を用いることができ、或いは他の実施形態の場合、金属基板を用いて吸熱及び発熱効率と薄型化を実現することができる。もちろん、第１基板１４０及び第２基板１５０を金属基板で形成する場合には、図８に示すように、第１基板及び第２基板１４０、１５０に形成される電極層１６０ａ、１６０ｂとの間に誘電体層１７０ａ、１７０ｂをさらに含んで形成することが望ましい。これは、図１で上述した構造において、第１モジュール２００と第２モジュール３００の第３基板２１０Ａ及び第４基板３１０Ｂと前記第１基板及び第２基板が一体型構造で実現される場合、アルミナ、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの材料を適用することができる。
【００４３】
金属基板の場合、Ｃｕ又はＣｕ合金を適用することができ、薄型化が可能な厚さは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲で形成することが可能である。金属基板の厚さが０．１ｍｍより薄い場合や０．５ｍｍを超えると、放熱特性が非常に高いか、熱伝導率が非常に高くて、熱電モジュールの信頼性が大きく低下することになる。また、前記誘電体層１７０ａ、１７０ｂの場合、高放熱性能を有する誘電材料として冷却用熱電モジュールの熱伝導度を考慮すると、５〜１０Ｗ/Ｋの熱伝導度を有する物質を用い、厚さは０．０１ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲で形成することができる。この場合、厚さが０．０１ｍｍ未満であると、絶縁効率（あるいは耐電圧特性）が大きく低下し、０．１５ｍｍを超える場合には熱電伝導度が低くなって放熱効率が低下することになる。前記電極層１６０ａ、１６０ｂは、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉなどの電極材料を用いて第１半導体素子及び第２半導体素子を電気的に接続し、図示された単位セルが多数接続される場合、図９に示すように、隣接する単位セルと電気的に接続を形成するようになる。前記電極層の厚さは０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲で形成することができる。電極層の厚さが０．０１ｍｍ未満であると、電極としての機能が低下して電気伝導率が不良になり、０．３ｍｍを超える場合にも、抵抗の増加により伝導効率が低くなることになる。
【００４４】
特に、この場合、単位セルを成す熱電素子は、本発明の実施形態による積層型構造の単位素子を含む熱電素子を適用することができ、このとき、一方は第１半導体素子１２０としてＰ型半導体と第２半導体素子１３０としてＮ型半導体で構成することができ、前記第１半導体及び前記第２半導体は、金属電極１６０ａ、１６０ｂと接続され、このような構造が多数形成され、前記半導体素子に電極を媒介に電流が供給される回路線１８１、１８２によってペルチェ効果を実現するようになる。
【００４５】
なお、図８及び図９において熱電モジュール内の半導体素子は、Ｐ型半導体又はＮ型半導体材料を適用することができる。このようなＰ型半導体又はＮ型半導体材料として、前記Ｎ型半導体素子は、セレン（Ｓｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）を含むテルル化ビスマス系（ＢｉＴｅ系）からなる主原料物質と、前記主原料物質の全体重量の０．００１〜１．０ｗｔ％に相当するＢｉ又はＴｅが混合された混合物を用いて形成することができる。例えば、前記主原料物質は、Ｂｉ-Ｓｅ-Ｔｅ物質とし、ここでＢｉ又はＴｅをＢｉ-Ｓｅ-Ｔｅ全体重量の０．００１〜１．０ｗｔ％に相当する重量をさらに追加して形成することができる。すなわち、Ｂｉ-Ｓｅ-Ｔｅの重量が１００ｇ投入される場合、追加で混合されるＢｉ又はＴｅは０．００１〜１．０ｇの範囲で投入することが望ましい。上述したように、上述した主原料物質に追加される物質の重量範囲は、０．００１〜０．１ｗｔ％の範囲外では熱伝導度が低くならず、電気伝導度は低くなってＺＴ値の向上を期待できないという点で意義を有する。
【００４６】
前記Ｐ型半導体材料は、アンチモン（Ｓｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）を含むテルル化ビスマス系（ＢｉＴｅ系）からなる主原料物質と、前記主原料物質の全体重量の０．００１〜１．０ｗｔ％に相当するＢｉ又はＴｅが混合された混合物を用いて形成することが望ましい。例えば、前記主原料物質は、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ物質とし、ここでＢｉ又はＴｅをＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ全体重量の０．００１〜１．０ｗｔ％に相当する重量をさらに追加して形成することができる。すなわち、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅの重量が１００ｇ投入される場合、追加に混合されるＢｉ又はＴｅは０．００１〜１ｇの範囲で投入することができる。上述した主原料物質に追加される物質の重量範囲は、０．００１％〜０．１ｗｔ％の範囲外では熱伝導度が低くならず、電気伝導度は低くなってＺＴ値の向上を期待できないという点で意義を有する。
【００４７】
単位セルを成し、互いに対向する第１半導体素子及び第２半導体素子の形状及び大きさは、同一に形成されるが、この場合、Ｐ型半導体素子の電気伝導度とＮ型半導体素子の電気伝導度の特性が互いに異なり、冷却効率を阻害する要素として作用する点を考慮して、いずれか一方の体積を互いに対向する他方の半導体素子の体積とは異なるように形成することにより、冷却性能を改善させることも可能である。
【００４８】
すなわち、互いに対向して配置される単位セルの半導体素子の体積を異なるように形成することは、全体的な形状を大きく異なるように形成したり、同一の高さを有する半導体素子においていずれか一方の断面の直径を広く形成したり、同一の形状の半導体素子において高さや断面の直径を異なるようにする方法で実現することが可能である。特に、Ｎ型半導体素子の直径をＰ型半導体素子よりも大きく形成して体積を増加させることにより、熱電効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００  熱電モジュール、  １２０  熱電半導体素子、  １４０  基板、  ２００  吸熱モジュール、  ２１０  第１変換部材収容ユニット、  ２２３  抵抗パターン、  ２２３  突出型抵抗パターン、  ２２４  流動溝、  ２３０  吸熱部材、  ３００  発熱モジュール、  ３１０  収容ユニット、  ３３０  発熱部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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