JP2021520636A - 熱変換装置 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例に係る熱変換装置は、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ配列される複数個の単位モジュール；そして、前記複数個の単位モジュールを支持し、前記第１方向に沿って配置された一面を通じて冷却水が流入し、前記第１方向に沿って配置された他面を通じて冷却水が排出されるフレーム；を含み、各単位モジュールは、前記第１方向に沿って離隔するように配置された第１面と第２面、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に沿って離隔するように配置された第３面と第４面、そして、前記第２方向に沿って離隔するように配置されて冷却水が流入する第５面と冷却水が排出される第６面を含む冷却水通過チャンバー；前記第１面に配置された第１熱電モジュール；および前記第２面に配置された第２熱電モジュール；を含み、前記第１熱電モジュールは複数個のグループ熱電素子を含み、各グループ熱電素子は前記第４面から第３方向に最小離隔距離が同じである複数個の熱電素子を含み、前記複数個のグループ熱電素子のうち少なくとも一つのグループ熱電素子において複数個の熱電素子は互いに電気的に連結される。【選択図】図１５

Description

本発明は熱変換装置に関し、より詳細には暑い空気からの熱を利用して発電させる熱変換装置に関する。

熱電現象は材料内部の電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と正孔（ｈｏｌｅ）の移動によって発生する現象であって、熱と電気間の直接的なエネルギー変換を意味する。

熱電素子は熱電現象を利用する素子を総称し、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てＰＮ接合対を形成する構造を有する。

熱電素子は電気抵抗の温度変化を利用する素子、温度差によって起電力が発生する現象であるゼーベック効果を利用する素子、電流による吸熱または発熱が発生する現象であるペルチェ効果を利用する素子などに区分され得る。

熱電素子は家電製品、電子部品、通信用部品などに多様に適用されている。例えば、熱電素子は冷却用装置、温熱用装置、発電用装置などに適用され得る。これに伴い、熱電素子の熱電性能に対する要求はますます高くなっている。

最近、自動車、船舶などのエンジンから発生した廃熱および熱電素子を利用して電気を発生させようとするニーズがある。この時、発電性能を高めるための構造が要求される。

このように廃熱を利用する発電用装置の場合、組立性の改善および一部のモジュールの取り換え可能性が要求され、冷却水の循環構造の効率化が要求されている。

本発明が達成しようとする技術的課題は廃熱を利用する熱変換装置を提供することである。

本発明の一実施例に係る熱変換装置は、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ配列される複数個の単位モジュール；そして、前記複数個の単位モジュールを支持し、前記第１方向に沿って配置された一面を通じて冷却水が流入し、前記第１方向に沿って配置された他面を通じて冷却水が排出されるフレーム；を含み、各単位モジュールは、前記第１方向に沿って離隔するように配置された第１面と第２面、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に沿って離隔するように配置された第３面と第４面、そして、前記第２方向に沿って離隔するように配置されて冷却水が流入する第５面と冷却水が排出される第６面を含む冷却水通過チャンバー；前記第１面に配置された第１熱電モジュール；および前記第２面に配置された第２熱電モジュール；を含み、前記第１熱電モジュールは複数個のグループ熱電素子を含み、各グループ熱電素子は前記第４面から第３方向に最小離隔距離が同じである複数個の熱電素子を含み、前記複数個のグループ熱電素子のうち少なくとも一つのグループ熱電素子において複数個の熱電素子は互いに電気的に連結される。

前記複数個のグループ熱電素子は、第１グループ熱電素子；および前記第１グループ熱電素子と離隔して配置される第２グループ熱電素子を含み、前記第１グループ熱電素子の前記第４面から前記第３方向に最小離隔距離は前記第２グループ熱電素子の前記第４面から前記第３方向に最小離隔距離より大きくてもよい。

各熱電素子は、第１基板、前記第１基板上に配置される複数の第１電極、前記複数の第１電極上に配置される複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置される複数の第２電極および前記複数の第２電極上に配置される第２基板を含み、各グループ熱電素子に含まれる複数の熱電素子のうち一つの熱電素子の複数の第１電極のうち一部は、同一のグループ熱電素子内で隣り合う熱電素子の複数の第１電極のうち一部と電気的に連結され得る。

各グループ熱電素子内の最大温度差は隣接するグループ熱電素子間の最小温度差より大きく、前記最大温度差は前記各グループ熱電素子内で発熱部と吸熱部の最高温度差と最低温度差間の差であり、前記最小温度差は前記隣接するグループ熱電素子の間で発熱部と吸熱部の温度差の最小偏差であり得る。

前記フレームの前記一面には第１冷却水流入口が形成され、前記フレームの前記他面には第１冷却水排出口が形成され、前記各単位モジュールの一側から前記第２方向に向かって複数個の第２冷却水流入口が形成され、前記各単位モジュールの他側から前記第２方向に向かって複数個の第２冷却水排出口が形成され得る。

前記複数個の単位モジュールは前記第１方向に沿って配置された複数個の単位モジュールを含む第１単位モジュールグループおよび前記第１方向に沿って配置された複数個の単位モジュールを含む第２単位モジュールグループを含み、前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループは前記第２方向に沿って離隔するように配置され、前記フレームは前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループの間に配置された支持壁を含むことができる。

前記支持壁には前記複数個の第２冷却水流入口および前記複数個の第２冷却水排出口に対応するホールが形成され、前記第１単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールに配置された複数個の第２冷却水排出口は、前記ホールを通じて前記第２単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールに配置された複数個の第２冷却水流入口に連結され得る。

前記第１単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールの冷却水通過チャンバーは複数個の第２冷却水流入口側に配置された第１フランジを含み、前記第２単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールの冷却水通過チャンバーは複数の第２冷却水排出口側に配置された第２フランジを含み、前記第１フランジおよび前記第２フランジそれぞれは前記フレームの外壁面に配置され得る。

前記冷却水の温度より高い温度の気体が前記第３方向に沿って前記複数の単位モジュールの間を通過することができる。

前記冷却水通過チャンバーの内部には前記第２冷却水流入口から前記第２冷却水排出口まで連結される冷却水通過管が形成され、冷却水は前記冷却水通過管を通じて前記第２方向に沿って流れることができる。

本発明の他の実施例に係る熱変換装置は、第１単位モジュール、前記第１単位モジュールの側面に配置される第２単位モジュール、前記第１単位モジュールおよび前記第２単位モジュールと所定の間隔で離隔するように前記第１単位モジュールおよび前記第２単位モジュールを一体に囲む空気通過配管、前記第１単位モジュール側で前記空気通過配管と連結される空気流入管、そして、前記第２単位モジュール側で前記空気通過配管と連結される空気排出管を含み、前記第１単位モジュールおよび前記第２単位モジュールそれぞれは、第１面、前記第１面に対向して配置された第２面、前記第１面と前記第２面の間に配置された第３面、および第１面と前記第２面の間に配置されて前記第３面と対向して配置された第４面を含む冷却水通過配管、前記第１面に配置された第１熱電モジュール、そして、前記第２面に配置された第２熱電モジュールを含む。

各冷却水通過配管の前記第３面に冷却水流入口および冷却水排出口が配置され得る。

空気は前記空気流入管に流入して前記空気通過配管を通過した後前記空気排出管から排出される方向に移動し、冷却水は前記第２単位モジュールに含まれた冷却水通過配管の冷却水流入口に流入して前記第１単位モジュールに含まれた冷却水通過配管の冷却水排出口から排出される方向に移動することができる。

前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールそれぞれは、前記第１面または前記第２面に配置された熱電素子、そして、前記熱電素子上で前記空気通過配管の内部表面に向かうように配置されたヒートシンクを含み、前記ヒートシンクは前記空気通過配管の内部表面と所定の間隔で離隔され得る。

前記第２単位モジュールに含まれた冷却水通過配管の冷却水排出口から排出された冷却水は、前記第１単位モジュールに含まれた冷却水通過配管の冷却水流入口に流入され得る。

各冷却水通過配管の内部には前記第３面の内部表面から前記第４面の内部表面へ向かう方向を有する複数のピンが配置され、前記複数のピンのうち一部は前記第３面の内部表面に接触するように配置され、前記複数のピンのうち残りの一部は前記第３面の内部表面に接触しないように配置され、前記第３面の内部表面に接触しないように配置された複数のピンは前記第３面の内部表面に接触するように配置された複数のピンの間に配置され得る。

前記第３面の内部表面に接触するように配置された複数のピンは前記第４面の内部表面には接触しないように配置され、前記第３面の内部表面に接触しないように配置された複数のピンの少なくとも一部は前記第４面の内部表面にも接触しないように配置され得る。

前記第３面の内部表面および前記第４面の内部表面のいずれにも接触しないように配置された複数のピンの間に、前記第４面の内部表面に接触し前記第４面の内部表面から前記第３面の内部表面に向かう方向に配置された内壁をさらに含むことができる。

前記空気通過配管は前記空気流入管と接合する第１フランジ部、前記空気排出管と接合する第２フランジ部、そして、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部の間を連結する配管部を含み、前記配管部は前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面にそれぞれ対応する第５面、第６面、第７面および第８面を含み、前記第１フランジ部から前記第７面まで繋がるか、前記第２フランジ部から前記第７面まで繋がる溝が形成され、前記第１フランジ部または前記第２フランジ部に形成された溝の高さは前記各冷却水通過配管の前記第３面に形成された冷却水流入口および冷却水排出口の高さより高くてもよい。

前記第１単位モジュールおよび前記第２単位モジュールの間に少なくとも一つの単位モジュールがさらに配置され得る。

本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置は、冷却水通過管、前記冷却水通過管の冷却水流入口に配置された第１フランジ、そして、前記冷却水通過管の冷却水排出口に配置された第２フランジを含む冷却部材、前記冷却水通過管の第１外壁面に配置された第１熱電モジュール、前記冷却水通過管の第２外壁面に配置された第２熱電モジュール、そして、前記冷却水通過管、前記第２フランジ、前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールを収容するフレームを含み、前記フレームは前記冷却水流入口に対応する第１ホールが形成された第１壁、そして、前記第１壁と向かい合って前記冷却水排出口に対応する第２ホールが形成された第２壁、前記第１壁と前記第２壁の間に配置されて前記第１熱電モジュールと向かい合うように離隔して配置された第３壁、前記第１壁と前記第２壁の間に配置されて前記第２熱電モジュールと向かい合うように離隔して配置された第４壁を含み、前記第１フランジの大きさは前記第２フランジの大きさより大きく、前記第１フランジは前記第１壁の外壁面に配置され、前記第２フランジは前記第２壁の内壁面に配置される。

冷却水は前記第１フランジから前記第２フランジに向かう方向に流れ、前記冷却水の温度より高い温度を有する気体は前記第１熱電モジュールと前記第３壁の間および前記前記第２熱電モジュールと前記第４壁の間で前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールが配置された方向と平行であり、前記冷却水が流れる方向と垂直であるように流れることができる。

前記フレームは前記第１壁、前記第２壁、前記第３壁および前記第４壁で囲まれる第１開口部および前記第１壁、前記第２壁、前記第３壁および前記第４壁で囲まれる第２開口部をさらに含み、前記気体は前記第１開口部から流入して前記第２開口部に排出され得る。

前記冷却水通過管は前記第１外壁面と前記第２外壁面の間で気体が流入する方向に向かうように配置された第３外壁面、そして、前記第１外壁面と前記第２外壁面の間で前記気体が排出される方向に向かうように配置された第４外壁面をさらに含み、前記第３外壁面上に配置され、前記第１外壁面と前記第２外壁面の間の中心に行くほど前記第３外壁面との距離が遠くなる形状を有する気体ガイド部材をさらに含むことができる。

前記第３外壁面と前記気体ガイド部材の間に配置された断熱層をさらに含むことができる。

前記冷却部材の熱伝導度は前記フレームの熱伝導度より高くてもよい。

前記冷却部材はアルミニウムからなり、前記フレームはステンレススチールからなり得る。

前記第１ホールの大きさは前記第１フランジの大きさより小さく、前記第２フランジの大きさより大きく、前記第２ホールの大きさは前記第２フランジの大きさより小さくてもよい。

前記第１フランジは前記第１壁と締結され、前記第２フランジは前記第２壁と締結され得る。

前記第１フランジと前記第１壁の外壁面の間および前記第２フランジと前記第２壁の内壁面の間それぞれにはシーリング材が配置され得る。

本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置は、平行になるように配置された複数の単位モジュール、そして、フレームを含み、各単位モジュールは冷却水通過管、前記冷却水通過管の冷却水流入口に配置された第１フランジ、そして、前記冷却水通過管の冷却水排出口に配置された第２フランジを含む冷却部材、前記冷却水通過管の第１外壁面に配置された第１熱電モジュール、そして、前記冷却水通過管の第２外壁面に配置された第２熱電モジュールを含み、各単位モジュールの第１熱電モジュールは隣り合う単位モジュールの第２熱電モジュールと向かい合うように離隔して配置され、前記フレームは各単位モジュールの前記冷却水通過管、前記第２フランジ、前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールを収容し、前記フレームは前記冷却水流入口に対応する複数の第１ホールが形成された第１壁、そして、前記第１壁と向かい合って前記冷却水排出口に対応する複数の第２ホールが形成された第２壁、前記第１壁と前記第２壁の間に配置されて前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールと平行になるように配置された第３壁、前記第１壁と前記第２壁の間に配置されて前記第３壁と向かい合う第４壁を含み、前記第１フランジの大きさは前記第２フランジの大きさより大きく、前記第１フランジは前記第１壁の外壁面に配置され、前記第２フランジは前記第２壁の内壁面に配置される。

本発明の実施例によると、発電性能が優秀な熱変換装置を得ることができる。特に、本発明の実施例によると、組立が容易であり、構造が簡単な熱変換装置を得ることができる。

また、本発明の実施例によると、設置される空間および要求される発電量に応じて大きさを調節することが容易な熱変換装置を得ることができる。

また、本発明の実施例によると、一部のモジュールの取り換えが可能であり、温度差に応じて熱電レッグの電気的連結を変更する温度勾配が改善された熱変換装置を得ることができる。

また、本発明の実施例によると、熱電モジュールの追加設計が容易であり、一部の熱電モジュールに故障が発生した場合、全体の熱電モジュールを取り換えることなく故障した熱電モジュールのみを取り換えることができる。

また、本発明の実施例によると、冷却水の循環が均一に行われ、冷却水の流失可能性が少ないため冷却性能が改善し得る。

また、本発明の実施例によると、高温の気体が等しく流動できるため発電効率が改善し得る。

本発明の一実施例に係る熱変換装置の斜視図。

本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の斜視図。

本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の分解斜視図。

図４（ａ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の一例であり、図４（ｂ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の他の例。

図５（ａ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールの断面図であり、図５（ｂ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールの分解断面図であり、図５（ｃ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールが配置される冷却水通過配管の上面図。

本発明の一実施例に係る熱変換装置の熱電モジュールに含まれた熱電素子の断面図。

本発明の一実施例に係る熱変換装置の熱電モジュールに含まれた熱電素子の斜視図。

図８（ａ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた複数の単位モジュールの一例であり、図８（ｂ）は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれた複数の単位モジュールの他の例。

図９（ａ）は本発明の一実施例に係る冷却水通過配管の内部構造および冷却水の移動経路を示した図面であり、図９（ｂ）は本発明の一実施例に係る冷却水通過配管の冷却水流入口および冷却水排出口の一例。

本発明の一実施例に係る熱変換装置の空気通過配管の斜視図。

図１１（ａ）は図１０の空気通過配管が結合された本体部の斜視図であり、図１１（ｂ）は空気通過配管が結合された本体部を空気流入口側から見た平面図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置の斜視図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置の部分拡大図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置に含まれる単位モジュールの斜視図。

図１４の単位モジュールの分解図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置の断面図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置内で高温気体および冷却水が流れる動作を説明するための図面。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置の断面図。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面。

本発明の他の実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面。

本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面。

図１９の変形例。

第２実施例に係る第１熱電モジュールの効果を説明する図面。 第２実施例に係る第１熱電モジュールの効果を説明する図面。

本発明の第３実施例に係る熱変換装置の斜視図。

図２５の熱変換装置のフレームの内部を図示した図面。 図２５の熱変換装置のフレームの内部を図示した図面。

本発明の他の実施例に係る熱変換装置の冷却水流入口側の正面図。

図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の斜視図。

図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の分解斜視図。

図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の冷却水流入口側の正面図。

図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の冷却水排出口側の正面図。

図２５の熱変換装置の第１方向の断面図。

図３３の一部拡大図。

図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の第２方向の断面図。

気体の流れをシミュレーションした結果。 気体の流れをシミュレーションした結果。 気体の流れをシミュレーションした結果。

本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

第２、第１等のように序数を含む用語は多様な構成要素の説明に使われ得るが、前記構成要素は前記用語によって限定されはしない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく第２構成要素は第１構成要素と命名され得、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名され得る。および／またはという用語は複数の関連した記載された項目の組み合わせまたは複数の関連した記載された項目のうちいずれかの項目を含む。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されていてもよく、または接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいと理解されるべきである。その反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されるべきである。

本出願で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等の用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものと理解されるべきである。

異なって定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使われるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有している。一般的に使われる辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。

以下、添付された図面を参照して実施例を詳細に説明するものの、図面符号にかかわらず同一または対応する構成要素は同じ参照番号を付し、これに対する重複する説明は省略する。

以下、本発明の第１実施例に係る熱変換装置を説明する。

図１は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図２は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の斜視図であり、図３は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の分解斜視図である。図４（ａ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の一例であり、図４（ｂ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた本体部の他の例である。図５（ａ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールの断面図であり、図５（ｂ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールの分解断面図であり、図５（ｃ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の本体部に含まれた熱電モジュールが配置される冷却水通過配管の上面図である。図６は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の熱電モジュールに含まれた熱電素子の断面図であり、図７は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の熱電モジュールに含まれた熱電素子の斜視図である。

図１〜図４を参照すると、本発明の第１実施例に係る熱変換装置１０は本体部１０００、空気流入管２０００および空気排出管３０００を含む。

空気排出管３０００から排出される空気の温度は空気流入管２０００に流入する空気の温度より低い。例えば、空気流入管２０００に流入する空気は自動車、船舶などのエンジンから発生する廃熱であり得るが、これに制限されるものではない。例えば、空気流入管２０００に流入する空気の温度は１００℃以上、好ましくは２００℃以上、さらに好ましくは２２０℃〜２５０℃であり得るが、これに制限されるものではない。

空気は空気流入管２０００に流入して本体部１０００を通過した後、空気排出管３０００から排出される方向に移動する。空気流入管２０００および空気排出管３０００の断面形状と本体部１０００の断面形状が異なる場合、熱変換装置１０は空気流入管２０００と本体部１０００を連結する第１連結管２１００および本体部１０００と空気排出管３０００を連結する第２連結管３１００をさらに含んでもよい。例えば、一般的な空気流入管２０００および空気排出管３０００は円筒状であり得る。これに反し、熱電性能を高めるために、本体部１０００に含まれる熱電モジュール１００は平面上に配置されなければならない場合がある。これに伴い、一末端は円筒状であって、他末端は四角筒状である第１連結管２１００と第２連結管３１００を媒介として空気流入管２０００および本体部１０００の一末端が連結され、空気排出管３０００および本体部１０００の他末端が連結され得る。

この時、空気流入管２０００と第１連結管２１００、第１連結管２１００と本体部１０００、本体部１０００と第２連結管３１００、第２連結管３１００と空気排出管３０００等は締結部材によって連結され得る。

本発明の第１実施例に係る熱変換装置１０は、本体部１０００を通じて熱電モジュール１００を挟んで流れる空気および冷却水間の温度差、すなわち熱電モジュール１００の吸熱面および発熱面間の温度差を利用して電力を生産することができる。

このために、本体部１０００は複数の単位モジュール１１００、１２００、１４００および空気通過配管１３００を含む。以下では、説明の便宜のために、図４（ａ）のように、複数の単位モジュールは第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００の実施例を中心に説明しているが、これに制限されるものではなく、複数の単位モジュールは２以上の単位モジュールを含むことができる。例えば、図４（ｂ）のように第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００の間には追加の単位モジュール、例えば第３単位モジュール１４００がさらに配置されてもよい。追加の単位モジュールの個数は設置される空間および要求される発電量により変わり得る。

第２単位モジュール１２００は第１単位モジュール１１００の側面に配置され、空気通過配管１３００は第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００と所定の間隔で離隔するように第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００を一体に囲むことができる。

空気流入管２０００は直接または第１連結管２１００を通じて第１単位モジュール１１００側で空気通過配管１３００の一フランジ１３０２と連結され得、空気排出管３０００は直接または第２連結管３１００を通じて第２単位モジュール１２００側で空気通過配管１３００の他のフランジ１３０４と連結され得る。

ここで、第１単位モジュール１１００と第２単位モジュール１２００それぞれは第１熱電モジュール１００、第２熱電モジュール２００および冷却水通過配管３００を含む。

この時、冷却水通過配管３００は第１面３０２、第１面３０２に対向して配置された第２面３０４、第１面３０２と第２面３０４の間に配置された第３面３０６、および第１面３０２と第２面３０４の間に配置されて第３面３０６と対向して配置された第４面３０８を含むことができ、第１面３０２、第２面３０４、第３面３０６および第４面３０８によって形成された内部空間を通じて冷却水が通過することができる。例えば、冷却用流体は水であり得るが、これに制限されるものではなく、冷却性能がある多様な種類の流体であり得る。冷却水通過配管３００に流入する冷却用流体の温度は１００℃未満、好ましくは５０℃未満、さらに好ましくは４０℃未満であり得るが、これに制限されるものではない。冷却水通過配管３００を通過した後排出される冷却用流体の温度は冷却水通過配管３００に流入する冷却用流体の温度より高くてもよい。

そして、第１熱電モジュール１００は冷却水通過配管３００の一つの外部表面、例えば第１面３０２の外部表面に配置され、第２熱電モジュール２００は冷却水通過配管３００の他の外部表面、例えば第２面３０４の外部表面に配置され得る。

このように、本発明の一実施例によると、本体部１０００の中心に配置された冷却水通過配管３００を通じて冷却水が流れ、冷却水通過配管３００の外部表面に熱電モジュール１００、２００が配置され、熱電モジュール１００、２００と所定の間隔で離隔して熱電モジュール１００、２００を囲むように空気配管ダクト１３００が配置される構造を有することができる。これに伴い、本発明の実施例に係る熱変換装置１０は、冷却水通過配管３００を通じて流れる冷却用流体および空気通過配管１３００を通過する高温の気体間の温度差、すなわち熱電モジュール１００、２００の低温部および高温部間の温度差を利用して電力を生産することができる。特に、本発明の一実施例によると、熱電モジュール１００、２００、例えば熱電モジュール１００、２００のヒートシンクは空気配管ダクト１３００を流れる高温の気体に直接露出され得るため、熱電モジュール１００、２００の低温部および高温部間の温度差が大きくなり、そのため発電効率を高めることができる。

この時、空気配管ダクト１３００の内部表面には断熱層がさらに配置され得る。これに伴い、空気配管ダクト１３００を通過する空気の温度が外部に流失しないことができ、熱電モジュール１００、２００の低温部および高温部間の温度差を最大化することができる。

この時、冷却水流入口３１０および冷却水排出口３２０は各冷却水通過配管３００の第３面３０６に配置され得る。空気が空気流入管２０００に流入して空気通過配管１３００を通過した後に空気排出管３０００から排出される方向に移動する時、冷却水は第２単位モジュール１２００に含まれた冷却水通過配管３００の冷却水流入口３１０に流入して第１単位モジュール１１００に含まれた冷却水通過配管３００の冷却水排出口３２０に排出される方向に移動することができる。空気の温度は空気流入管２０００に近いほど高く空気排出口３０００に近いほど低く、冷却水の温度は第２単位モジュール１２００に近いほど低く第１単位モジュール１１００に近いほど高いため、熱電モジュール１００、２００の高温部側と低温部側間の温度差、すなわちΔＴを均一に維持することができ、これに伴い、本体部１０００の全領域で均一な発電性能を得ることができる。

一方、本体部１０００は断熱層１４００およびシールド層１５００をさらに含むことができる。

断熱層１４００は冷却水通過配管３００の外部表面のうち熱電モジュール１００、２００が配置される領域を除いて冷却水通過配管３００の外部表面を囲むように配置され得る。特に、冷却水通過配管３００の外部表面のうち熱電モジュール１００、２００が配置される第１面３０２および第２面３０４に配置される断熱層１４０２、１４０４によって熱電モジュール１００、２００の低温部側と高温部側間の断熱が維持され得るため、発電効率を高めることができる。

そして、シールド層１５００は、第１単位モジュール１１００に含まれる冷却水通過配管３００の第３面３０６および第２単位モジュール１２００に含まれる冷却水通過配管３００の第３面３０６を一体にカバーする第１シールド層１５０２と、第１単位モジュール１１００に含まれる冷却水通過配管３００の第４面３０８および第２単位モジュール１２００に含まれる冷却水通過配管３００の第４面３０８を一体にカバーする第２シールド層１５０４と、を含むことができる。これによって、複数の単位モジュール１１００、１２００を並列に連結することが可能である。

シールド層１５００は第１単位部材１１００のうち空気流入管２０００に向かう側面に配置された第３シールド層１５０６をさらに含んでもよい。この時、第３シールド層１５０６は空気通過配管１３００の内部表面にスクリューを通じて締結されるものの、ヒートシンク１９０が配置される領域を除いた領域に配置され得る。これに伴い、空気流入管２０００に流入した空気は第１熱電モジュール１００側および第２熱電モジュール２００側に均一に分散して空気通過配管１３００を通過することができる。

図５〜図７を参照すると、第１熱電モジュール１００および第２熱電モジュール２００はスクリューＳを利用して冷却水通過配管３００と締結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール１００および第２熱電モジュール２００は冷却水通過配管３００の表面に安定的に結合することができる。または冷却水通過配管３００はサーマルパッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｄ）を通じて冷却水通過配管３００の表面にそれぞれ接着されてもよい。

説明の便宜のために、第１熱電モジュール１００を例にして説明するか、同じ内容は第２熱電モジュール２００にも適用され得る。

第１熱電モジュール１００は冷却水通過配管３００の第１面３０２の外部表面に配置された熱電素子および熱電素子上に配置されたヒートシンク１９０を含む。この時、ヒートシンク１９０は空気通過配管１３００の内部表面に向かって配置され、空気通過配管１３００の内部表面と所定の間隔で離隔され得る。これに伴い、空気通過配管１３００を通過する空気の温度がヒートシンク１９０を通じて熱電素子の高温部側に効率的に伝達され得る。そして、冷却水通過配管３００の第１面３０２の外部表面と熱電素子の間にはアルミニウムプレート１９２がさらに配置されてもよい。アルミニウムプレート１９２は熱伝達効率が高いため、冷却水通過配管３００を通過する冷却水の温度がアルミニウムプレート１９２を通じて熱電素子の低温部側に効率的に伝達され得る。

各熱電素子は第１基板１１０、第１基板１１０上に配置された複数の第１電極１２０、複数の第１電極１２０上に配置された複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０上に配置された複数の第２電極１５０、そして、複数の第２電極１５０上に配置された第２基板１６０を含む。

この時、第１電極１２０は第１基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の下部底面の間に配置され、第２電極１５０は第２基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の上部底面の間に配置され得る。これに伴い、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０は第１電極１２０および第２電極１５０によって電気的に連結され得る。第１電極１２０と第２電極１５０の間に配置され、電気的に連結される一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は単位セルを形成することができる。

ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｉ）を主原料として含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系熱電レッグであり得る。Ｐ型熱電レッグ１３０は全体重量１００ｗｔ％に対してアンチモン（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）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウムＩｎのうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系主原料物質９９〜９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１〜１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１〜１ｗｔ％でさらに含むことができる。Ｎ型熱電レッグ１４０は全体重量１００ｗｔ％に対してセレニウム（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）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウムＩｎのうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系主原料物質９９〜９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１〜１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１〜１ｗｔ％でさらに含むことができる。

Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はバルク型または積層型で形成され得る。一般的にバルク型Ｐ型熱電レッグ１３０またはバルク型Ｎ型熱電レッグ１４０は熱電素材を熱処理してインゴット（ｉｎｇｏｔ）を製造し、インゴットを粉砕して篩分けをして熱電レッグ用粉末を獲得した後、これを焼結して焼結体をカッティングする過程を通じて得られ得る。積層型Ｐ型熱電レッグ１３０または積層型Ｎ型熱電レッグ１４０はシート状の基材上に熱電素材を含むペーストを塗布して単位部材を形成した後、単位部材を積層しカッティングする過程を通じて得られ得る。

この時、一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は同じ形状および体積を有するか、互いに異なる形状および体積を有し得る。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の電気伝導特性が異なるので、Ｎ型熱電レッグ１４０の高さまたは断面積をＰ型熱電レッグ１３０の高さまたは断面積と異なるように形成してもよい。

本発明の一実施例に係る熱電素子の性能は熱電性能指数で示すことができる。熱電性能指数（ＺＴ）は数学式１のように示すことができる。

ここで、αはゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］であり、σは電気伝導度［Ｓ／ｍ］であり、α^２σはパワー因子（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ、［Ｗ／ｍＫ^２］）である。そして、Ｔは温度であり、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃ_ｐ・ρで示すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ^２／Ｓ］であり、ｃ_ｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは密度［ｇ／ｃｍ^３］である。

熱電素子の熱電性能指数を得るために、ｚメーターを利用してＺ値（Ｖ／Ｋ）を測定し、測定したＺ値を利用して熱電性能指数（ＺＴ）を計算することができる。

第１電極１２０および第２電極１５０間の温度差を加えると、ゼーベック効果によってＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０内の電荷が移動し、電気が発生することができる。

本発明の実施例によると、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は図６（ｂ）で図示する構造をゆうしてもよい。図６（ｂ）を参照すると、熱電レッグ１３０、１４０は熱電素材層１３２、１４２、熱電素材層１３２、１４２の一面上に積層される第１メッキ層１３４、１４４、熱電素材層１３２、１４２の一面と対向して配置される他面に積層される第２メッキ層１３４、１４４、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４、１４４の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４、１４４の間にそれぞれ配置される第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６、そして、第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４上にそれぞれ積層される第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８を含む。

ここで、熱電素材層１３２、１４２は半導体材料であるビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を含むことができる。熱電素材層１３２、１４２は図６（ａ）で説明したＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と同じ素材または形状を有することができる。

そして、第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８は銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金から選択され得、０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．２〜０．３ｍｍの厚さを有することができる。第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８の熱膨張係数は熱電素材層１３２、１４２の熱膨張係数と類似するか、より大きいので、焼結時に第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８と熱電素材層１３２、１４２間の境界面で圧縮応力が加えられ、そのため亀裂または剥離を防止することができる。また、第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８と電極１２０、１５０間の結合力が高いため、熱電レッグ１３０、１４０は電極１２０、１５０と安定的に結合することができる。

次に、第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４はそれぞれＮｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｓｂ、ＣｒおよびＭｏのうち少なくとも一つを含むことができ、１〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍの厚さを有することができる。第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４は、熱電素材層１３２、１４２内の半導体材料であるＢｉまたはＴｅと第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８との間の反応を防止するため、熱電素子の性能低下を防止できるだけでなく、第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８の酸化を防止することができる。

この時、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４、１４４の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４、１４４の間には第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６が配置され得る。この時、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６はＴｅを含むことができる。例えば、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６はＮｉ−Ｔｅ、Ｓｎ−Ｔｅ、Ｔｉ−Ｔｅ、Ｆｅ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｔｅ、Ｃｒ−ＴｅおよびＭｏ−Ｔｅのうち少なくとも一つを含むことができる。本発明の実施例によると、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６それぞれの厚さは０．５〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍであり得る。本発明の実施例によると、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４の間にＴｅを含む第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６をあらかじめ配置することにより、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅが第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４に拡散することを防止することができる。これに伴い、Ｂｉリッチ領域の発生を防止することができる。

一方、第１基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される第１電極１２０、そして、第２基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される第２電極１５０は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）およびニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一つを含み、０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さを有することができる。第１電極１２０または第２電極１５０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、電極としての機能が低下して電気伝導性能が低くなり得、０．３ｍｍを超過する場合、抵抗の増加によって伝導効率が低くなり得る。

そして、互いに対向する第１基板１１０と第２基板１６０は絶縁基板または金属基板であり得る。

第１基板１１０と第２基板１６０が金属基板である場合、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金またはＣｕ−Ａｌ合金を含むことができ、その厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであり得る。金属基板の厚さが０．１ｍｍ未満であるか、０．５ｍｍを超過する場合、放熱特性または熱伝導率が過度に高くなり得るため、熱電素子の信頼性が低下し得る。また、第１基板１１０と第２基板１６０が金属基板である場合、第１基板１１０と第１電極１２０の間および第２基板１６０と第２電極１５０の間にはそれぞれ樹脂層１７０がさらに形成され得る。樹脂層１７０は５〜２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する素材を含み、０．０１ｍｍ〜０．１５ｍｍの厚さで形成され得る。樹脂層１７０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、絶縁効率または耐電圧特性が低下し得、０．１５ｍｍを超過する場合、熱伝導度が低くなって放熱効率が低下し得る。

第１基板１１０と第２基板１６０が絶縁基板である場合、絶縁基板はアルミナ基板または高分子樹脂基板であり得る。高分子樹脂基板はポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、環状オレフィンコポリ（ＣＯＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような高透過性プラスチックなどの多様な絶縁性樹脂材を含むことができる。

樹脂層１７０または高分子樹脂基板はエポキシ樹脂と無機充填材を含むエポキシ樹脂組成物からなるか、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）のようなシリコン樹脂および無機充填材を含むシリコン樹脂組成物からなり得る。これに伴い、第１基板１１０または第２基板１６０が金属基板である場合、熱電素子１００との接合力が高くなり得る。

ここで、無機充填材は高分子樹脂基板の６８〜８８ｖｏｌ％で含まれ得る。無機充填材が６８ｖｏｌ％未満で含まれると、熱伝導効果が低くなり得、無機充填材が８８ｖｏｌ％を超過して含まれると高分子樹脂基板は容易に壊れ得る。

樹脂層１７０の厚さは０．０２〜０．６ｍｍ、好ましくは０．１〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．２〜０．６ｍｍであり得、熱伝導度は１Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは２０Ｗ／ｍＫ以上であり得る。高分子樹脂基板の厚さがこのような数値範囲を満足する場合、高分子樹脂基板が温度変化によって収縮および膨張を繰り返しても、金属基板との接合には影響を及ぼさないことができる。

このために、エポキシ樹脂はエポキシ化合物および硬化剤を含むことができる。この時、エポキシ化合物１０体積比に対して硬化剤１〜１０体積比で含まれ得る。ここで、エポキシ化合物は結晶性エポキシ化合物、非結晶性エポキシ化合物およびシリコンエポキシ化合物のうち少なくとも一つを含むことができる。

無機充填材は酸化アルミニウムおよび窒化物のうち少なくとも一つを含むことができ、窒化物は窒化ホウ素および窒化アルミニウムのうち少なくとも一つを含むことができる。この時、窒化ホウ素は複数の板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体を含んでもよい。窒化ホウ素凝集体の粒子の大きさＤ５０は２５０〜３５０μｍであり、酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０は１０〜３０μｍであり得る。窒化ホウ素凝集体の粒子の大きさＤ５０と酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０がこのような数値範囲を満足する場合、窒化ホウ素凝集体と酸化アルミニウムが高分子樹脂基板内に均一に分散され得、これに伴い、高分子樹脂基板が全体として均一な熱伝導効果および接着性能を有することができる。

第１基板１１０と第２基板１６０が高分子樹脂基板である場合、金属基板に比べて薄い厚さ、高い放熱性能および絶縁性能を有することができる。また、ヒートシンク１９０またはアルミニウムプレート１９２上に塗布された半硬化状態の高分子樹脂層上に電極を配置した後熱圧着する場合、別途の接着層が要求されないこともある。

この時、第１基板１１０と第２基板１６０の大きさは異なって形成されてもよい。例えば、第１基板１１０と第２基板１６０のうち一つの体積、厚さまたは面積は他の一つの体積、厚さまたは面積より大きく形成され得る。これに伴い、熱電素子の吸熱性能または放熱性能を高めることができる。

また、第１基板１１０と第２基板１６０のうち少なくとも一つの表面には放熱パターン、例えば凹凸パターンが形成されてもよい。これに伴い、熱電素子の放熱性能を高めることができる。凹凸パターンがＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と接触する面に形成される場合、熱電レッグと基板間の接合特性も向上し得る。

一方、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は円筒状、多角柱状、楕円形柱状などを有し得る。

本発明の一実施例によると、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は電極と接合する部分の幅が広く形成されてもよい。

以下、図面を参照して冷却水の移動をさらに具体的に説明する。

図８（ａ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた複数の単位モジュールの一例であり、図８（ｂ）は本発明の第１実施例に係る熱変換装置に含まれた複数の単位モジュールの他の例である。図９（ａ）は本発明の第１実施例に係る冷却水通過配管の内部構造および冷却水の移動経路を示し、図９（ｂ）は本発明の第１実施例に係る冷却水通過配管の冷却水流入口および冷却水排出口の一例である。

図８（ａ）に図示された通り、各単位モジュール１１００、１２００に含まれる各冷却水通過配管３００は冷却水流入口３１０と冷却水排出口３２０をすべて含むことができる。この時、第２単位モジュール１２００に含まれた冷却水通過配管３００の冷却水排出口３２０から排出された冷却水は、第１単位モジュール１１００に含まれた冷却水通過配管３００の冷却水流入口３１０に流入され得る。または図８（ｂ）に図示された通り、一つの単位モジュール１２００に含まれた冷却水通過配管３００が冷却水流入口３１０を含むと、他の単位モジュール１１００に含まれた冷却水通過配管３００が冷却水排出口３２０を含むことができる。

図９（ａ）を参照すると、各冷却水通過配管３００の内部には第３面３０６の内部表面から第４面３０８の内部表面に向かう方向を有する複数のピン３３０が配置され得る。このように、冷却水通過配管３００の内部にピン３３０が形成されると、冷却水と冷却水通過配管３００間の熱交換が効率的に行われ得る。例えば、冷却水通過配管３００の内部にピン３３０が形成された場合の冷却水通過配管３００の表面温度は、冷却水通過配管３００の内部にピン３３０が形成されていない場合の冷却水通過配管３００の表面温度に比べて約２℃以上低い場合もある。

この時、複数のピン３３０のうち一部３３２は第３面３０６の内部表面に接触し、複数のピン３３０のうち残りの一部３３４は第３面３０６の内部表面に接触しないように配置され、第３面３０６の内部表面に接触しないように配置された複数のピン３３４は第３面３０６の内部表面に接触するように配置された複数のピン３３２の間に配置され得る。

この時、第３面３０６の内部表面に接触するように配置された複数のピン３３２は第４面３０８の内部表面には接触しないように配置され得、第３面３０６の内部表面に接触しないように配置された複数のピン３３４のうち少なくとも一部は第４面３０８の内部表面にも接触しないように配置され得る。または第３面３０６の内部表面に接触するように配置された複数のピン３３２は第４面３０８の内部表面には接触しないように配置され得、第３面３０６の内部表面に接触しないように配置された複数のピン３３４のうち少なくとも一部は第４面３０８の内部表面に接触するように配置されてもよい。

そして、前記第３面３０６の内部表面および第４面３０８の内部表面のいずれにも接触しないように配置された複数のピン３３４の間に、第４面３０８の内部表面に接触し第４面３０８の内部表面から第３面３０６の内部表面に向かう方向に配置された内壁３４０をさらに含んでもよい。この時、第３面３０６の内部表面に接触しないように配置された複数のピン３３４のうち一部は内壁３４０に接触するように配置され得る。すなわち、内壁３４０は第４面３０８の内部表面となり得、これに伴い、第３面３０６の内部表面および第４面３０８の内部表面のいずれにも接触しないように配置された複数のピンの間に、第３面３０６の内部表面には接触せず第４面３０８の内部表面には接触するように配置された複数のピンが配置され得る。これによると、冷却水通過配管３００の内部で冷却水がＷ状に流れることになって冷却水の流路が長くなり得、冷却水と冷却水通過配管３００の間の熱交換時間が増加し得る。

一方、図９（ｂ）を参照すると、冷却水流入口３１０および冷却水排出口３２０のうち少なくとも一つにはタップ（ｔａｐ）の形状が加工されてもよい。これに伴い、流速が低い場合、流速を向上させる効果を得ることができる。

次に、図面を参照して単位モジュールと空気通過配管の結合構造を説明する。

図１０は本発明の第１実施例に係る熱変換装置の空気通過配管の斜視図であり、図１１（ａ）は図１０の空気通過配管が結合された本体部の斜視図であり、図１１（ｂ）は空気通過配管が結合された本体部を空気流入口側から見た平面図である。

図１０〜図１１を参照すると、空気通過配管１３００は空気流入管２０００と接合する第１フランジ部１３０２、空気排出管３０００と接合する第２フランジ部１３０４、そして、第１フランジ部１３０２と第２フランジ部１３０４の間を連結する配管部１３０６を含み、配管部１３０６は第１面３０２、第２面３０４、第３面３０６および第４面３０８にそれぞれ対応する第５面１３１２、第６面１３１４、第７面１３１６および第８面１３１８を含み、第１フランジ部１３０２から第７面１３１６まで繋がるか、第２フランジ部１３０４から第７面１３１６まで繋がる溝１３２０が形成され得る。この時、第１フランジ部１３０２または第２フランジ部１３０４に形成された溝１３２０の高さは各冷却水通過配管３００の第３面３０６に形成された冷却水流入口３１０および冷却水排出口３２０の高さより高くてもよい。これに伴い、溝１３２０を通じて第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００を押し込む方法で第１単位モジュール１１００および第２単位モジュール１２００と空気通過配管１３００を組み立てることができる。溝１３２０が第２フランジ部１３０４に形成される場合、第２フランジ部１３０４は第１フランジ部１３０２より大きく形成され得る。

以下、本発明の第２実施例に係る熱変換装置を説明する。第１実施例で説明した内容と同じ内容については重複した説明を省略する。

図１２は本発明の第２実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図１３は本発明の第２実施例に係る熱変換装置の部分拡大図であり、図１４は本発明の第２実施例に係る熱変換装置に含まれる単位モジュールの斜視図であり、図１５は図１４の単位モジュールの分解図であり、図１６は本発明の第２実施例に係る熱変換装置の断面図である。

図１２〜図１６を参照すると、熱変換装置４０は複数個の単位モジュールグループおよび複数個の単位モジュールグループを支持するフレーム５０００を含む。ここで、各単位モジュールグループは複数個の単位モジュール４０００を含む。

ここで、複数個の単位モジュール４０００は第１方向および第２方向にそれぞれ複数個配列され得、第２方向は第１方向と交差する方向、例えば第１方向と直角をなす方向であり得る。本明細書で、第１方向に配列された複数個の単位モジュール４０００は一つの単位モジュールグループをなすものと説明され得、これに伴い、複数個の単位モジュールグループは第２方向に沿って配列され得る。ここで、一つの単位モジュールグループ内に含まれる複数個の単位モジュール４０００は、所定の間隔で互いに離隔して配置され得る。本明細書で、説明の便宜のために、熱変換装置４０は第２方向に沿って配置された５個の単位モジュールグループ、すなわち第１単位モジュールグループ４０００−Ａ、第２単位モジュールグループ４０００−Ｂ、第３単位モジュールグループ４０００−Ｃ、第４単位モジュールグループ４０００−Ｄおよび第５単位モジュールグループ４０００−Ｅを含むものを例にして説明するが、これに制限されるものではない。

フレーム５０００は複数個の単位モジュール４０００の外郭を囲むように配置される枠または縁であり得る。この時、フレーム５０００には複数個の単位モジュール４０００の内部に冷却水を注入するための冷却水流入管（図示されず）および複数個の単位モジュール４０００の内部を通過した冷却水を排出するための冷却水排出管（図示されず）が形成され得る。冷却水流入管および冷却水排出管のうち一つは複数個の単位モジュールグループのうち一端に配置された単位モジュールグループ、例えば第１単位モジュールグループ４０００−Ａの側面に配置された縁に形成され、他の一つは複数個の単位モジュールグループのうち他端に配置された単位モジュールグループ、例えば第５単位モジュールグループ４０００−Ｅの側面に配置された縁に形成され得る。

特に、図１４〜図１５を参照すると、各単位モジュール４０００は冷却水通過チャンバー４１００、冷却水通過チャンバー４１００の一面４１０１に配置された第１熱電モジュール４２００および冷却水通過チャンバー４１００の他面４１０２に配置された第２熱電モジュール４３００を含む。ここで、冷却水通過チャンバー４１００の一面４１０１および他面４１０２は第１方向に沿って所定の間隔で互いに離隔するように配置された両面であり得、本明細書で冷却水通過チャンバー４１００の一面４１０１および他面４１０２は冷却水通過チャンバー４１００の第１面および第２面と混用され得る。

第１熱電モジュール４２００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー４１００の第１面４１０１の外部表面に配置され、第１熱電モジュール４２００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位モジュール４０００の第２熱電モジュール４３００に向かうように配置され得る。これと同様に、第２熱電モジュール４３００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー４１００の第２面４１０２の外部表面に配置され、第２熱電モジュール４３００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位モジュール４０００の第１熱電モジュール４２００に向かうように配置され得る。

本発明の第２実施例に係る熱変換装置４０は、冷却水通過チャンバー４１００を通じて流れる冷却水および複数個の単位モジュール４０００間の離隔した空間を通過する高温の気体間の温度差、すなわち第１熱電モジュール４２００の吸熱部と発熱部間の温度差および第２熱電モジュール４３００の吸熱部と放熱部間の温度差を利用して電力を生産することができる。ここで、冷却水は水であり得るが、これに制限されるものではなく、冷却性能を有する多様な種類の流体であり得る。冷却水通過チャンバー４１００に流入する冷却水の温度は１００℃未満、好ましくは５０℃未満、さらに好ましくは４０℃未満であり得るが、これに制限されるものではない。冷却水通過チャンバー４１００を通過した後排出される冷却水の温度は、冷却水通過チャンバー４１００に流入する冷却水の温度より高くてもよい。複数個の単位モジュール４０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は冷却水の温度より高くてもよい。例えば、複数個の単位モジュール４０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は１００℃以上、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上であり得るが、これに制限されるものではない。この時、複数個の単位モジュール４０００間の離隔した空間の幅は数ｍｍ〜数十ｍｍであり得、熱変換装置の大きさ、流入する気体の温度、気体の流入速度、要求される発電量などにより変わり得る。

第１熱電モジュール４２００および第２熱電モジュール４３００はそれぞれ複数個の熱電素子１００を含むことができる。要求される発電量により各熱電モジュールに含まれる熱電素子の個数を調節することができる。

そして、各熱電モジュールに含まれる複数個の熱電素子１００は電気的に連結され得、複数個の熱電素子１００の少なくとも一部はバスバー（図示されず）を利用して電気的に連結され得る。バスバーは、例えば高温の気体が複数個の単位モジュール４０００間の離隔した空間を通過した後排出される排出口側に配置され得、外部端子と連結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール４２００および第２熱電モジュール４３００のためのＰＣＢが熱変換装置の内部に配置されなくても第１熱電モジュール４２００および第２熱電モジュール４３００に電源が供給され得、これに伴い、熱変換装置の設計および組立が容易である。

そして、各熱電モジュールは第３面４１０３または第４面４１０４から第３方向に離隔した距離によって複数個のグループ熱電素子を含むことができる。例えば、第１熱電モジュール４２００は第４面４１０４から第３方向に離隔した最小距離（以下、最小離隔距離）が同じである複数個のグループ熱電素子を含むことができ、複数個のグループ熱電素子は第１グループ熱電素子ＨＡ１〜第４グループ熱電素子ＨＡ４を含むことができる。ここで、第１グループ熱電素子ＨＡ１は第１熱電モジュール４２００のグループ熱電素子のうち第４面４１０４に最も隣接するように配置され、第４グループ熱電素子ＨＡ４は第１熱電モジュール４２００のその熱電素子のうち第３面４１０３に最も隣接するように配置され得る。そして、以下これを基準として説明する。

そして、各単位モジュール４０００は複数個の熱電素子１００の間に配置される断熱層４４００およびシールド層４５００をさらに含むことができる。断熱層４４００は冷却水通過チャンバー４１００の外部表面のうち、熱電素子１００が配置される領域を除いて冷却水通過チャンバー４１００の外部表面の少なくとも一部を囲むように配置され得る。特に、冷却水通過チャンバー４１００の外部表面のうち、複数個の熱電素子１００が配置される第１面４１０１および第２面４１０２で熱電素子１００の間に断熱層４４００が配置される場合、断熱層４４００によって熱電素子１００の低温部側と高温部側の間の断熱が維持され得るため、発電効率を高めることができる。

そして、シールド層４５００は断熱層４４００上に配置され、断熱層４４００および複数個の熱電素子１００を保護することができる。このために、シールド層４５００はステンレス素材を含むことができる。

シールド層４５００と冷却水通過チャンバー４１００はスクリューによって締結され得る。これに伴い、シールド層４５００は単位モジュール４０００に安定的に結合することができ、第１熱電モジュール４２００または第２熱電モジュール４３００と断熱層４４００も共に固定され得る。

この時、第１熱電モジュール４２００および第２熱電モジュール４３００それぞれは、冷却水通過チャンバー４１００の第１面４１０１および第２面４１０２にサーマルパッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｄ、４６００）を利用して接着されてもよい。サーマルパッド４６００は熱伝達が容易であるため、冷却水通過チャンバー４１００と熱電モジュール間の熱伝達が妨害されなくなる。そして、第１熱電モジュール４２００および第２熱電モジュール４３００それぞれは、熱電素子１００の高温部側に配置されたヒートシンク４００および熱電素子１００の低温部側に配置された金属プレート５００、例えばアルミニウムプレートをさらに含むことができる。この時、ヒートシンク４００は隣接する他の単位モジュールに向かって配置される。第１熱電モジュール４２００に含まれるヒートシンク４００は隣接する他の単位モジュール（４０００−１、図１３参照）の第２熱電モジュール４３００に向かって配置され、第２熱電モジュール４３００に含まれるヒートシンク４００は隣接するさらに他の単位モジュール（４０００−２、図１３参照）の第１熱電モジュール４２００に向かって配置され得る。この時、隣接する互いに異なる単位モジュール４０００のヒートシンク４００は所定の間隔で離隔され得る。これに伴い、複数個の単位モジュール４０００の間を通過する空気の温度がヒートシンク４００を通じて熱電素子１００の高温部側に効率的に伝達され得る。一方、金属プレート５００、例えばアルミニウムプレートは熱伝達効率が高いため、冷却水通過チャンバー４１００を通過する冷却水の温度が金属プレート５００を通じて熱電素子１００の低温部側に効率的に伝達され得る。図示された通り、一つの金属プレート５００には複数個の熱電素子１００が配置されてもよいが、これに制限されるものではなく、一つの金属プレート５００には一つの熱電素子１００が配置されてもよい。

各熱電素子１００に関する説明は第１実施例に関する説明と共に前述されているため、これと関連した重複した説明を省略する。

一方、各単位モジュール４０００は冷却水通過チャンバー４１００の第１面４１０１と第２面４１０２の間の第３面４１０３側に配置される第１支持フレーム４７００および冷却水通過チャンバー４１００の第１面４１０１と第２面４１０２の間の第４面４１０４側に配置される第２支持フレーム４８００をさらに含んでもよい。ここで、第３面４１０３は第３方向から下を向く面であり得、第４面４１０４は第３面４１０３と向かい合う面であって、第３方向から上を向く面であり得る。

第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００のうち少なくとも一つの形状はＨ状、例えばＨビームであり得る。熱変換装置４０内に含まれた第１支持フレーム４７００と第２支持フレーム４８００それぞれの個数は熱変換装置４０内に含まれた単位モジュール４０００の全体の個数と同じであり得る。図１４〜図１５で図示された通り、同一の単位モジュール側に配置された第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００を一対の支持フレームと称することもある。第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００がそれぞれ冷却水通過チャンバー４１００の第３面４１０３側および第４面４１０４側に配置されると、単位モジュールの剛性を維持することができ、振動時に曲がったり変形する問題を防止することができる。

このために、フレーム５０００は第１単位モジュールグループ４０００−Ａおよび第２単位モジュールグループ４０００−Ｂの間に配置された支持壁５３００をさらに含むことができ、第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれは支持壁５３００と締結され得る。この時、支持壁５３００はフレーム５０００の枠または縁と締結されるか、一体に成形され得る。

さらに具体的に説明すると、第１単位モジュールグループ４０００−Ａおよび第２単位モジュールグループ４０００−Ｂの間には支持壁５３００が配置され、第１単位モジュールグループ４０００−Ａの各単位モジュール４０００に配置された第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれは第２単位モジュールグループ４０００−Ｂが配置された方向に向かって支持壁５３００の下部および上部から延び、第２単位モジュールグループ４０００−Ｂの各単位モジュール４０００に配置された第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれは第１単位モジュールグループ４０００−Ａが配置された方向に向かって支持壁５３００の下部および上部に延長され得る。この時、第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれの延長長さは支持壁４３００の厚さの半分を超過できない。そして、第１支持フレーム４７００と支持壁５３００の下部および第２支持フレーム４８００と支持壁５３００の上部はそれぞれスクリューによって締結され得る。これによると、単位モジュール自体がスクリューによってフレームに直接固定される必要がないため、組立が容易である。また、要求される発電量に応じて単位モジュールの個数の調節が容易である。

ここで、一対の支持フレームが一つの単一モジュールを支持するものとして図示されているが、これに制限されるものではない。第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれは、一つの単位モジュールグループに含まれた複数個の単位モジュールの中の一つおよびこれと隣接する他の単位モジュールグループに含まれた複数個の単位モジュールの中の一つを同時に支持するように第２方向に沿って延長されてもよい。これによると、熱変換装置４０内に含まれた第１支持フレーム４７００と第２支持フレーム４８００それぞれの個数は第１単位モジュールグループ４０００−Ａ内に含まれた単位モジュール４０００の個数と同じであるか、第１単位モジュールグループ４０００−Ａ内に含まれた単位モジュール４０００の個数の倍数でもよい。

このために、支持壁５３００の下端には第１支持フレーム４７００が配置される複数個の溝が形成され、支持壁５３００の上端には第２支持フレーム４８００が配置される複数個の溝が形成され得、第１支持フレーム４７００および第２支持フレーム４８００それぞれはスクリューなどの固定部材によって支持壁５３００と締結され得る。一つの支持壁５３００の下端および上端に形成された各溝の個数は一つの単位モジュールグループ内に配列された単位モジュール４０００の個数と同じであり得る。

本発明の実施例によると、冷却水通過チャンバー４１００の一側面には冷却水流入口が形成され、他の側面には冷却水排出口が形成される。

すなわち、冷却水通過チャンバー４１００の第１面４１０１、第２面４１０２、第３面４１０３および第４面４１０４の間の両面のうち一つである第５面４１０５には冷却水流入口４１１０が形成され、第１面４１０１、第２面４１０２、第３面４１０３および第４面４１０４の間の両面のうち他の一つである第６面４１０６には冷却水排出口４１２０が形成され得る。図１２で第１単位モジュールグループ４０００−Ａ、第２単位モジュールグループ４０００−Ｂ、第３単位モジュールグループ４０００−Ｃ、第４単位モジュールグループ４０００−Ｄおよび第５単位モジュールグループ４０００−Ｅが第２方向に沿って順次配列され、冷却水が第１単位モジュールグループ４０００−Ａから第５単位モジュールグループ４０００−Ｅに向かう方向に流れる場合、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の一側面、すなわち外側の側面である第５面４１０５に冷却水流入口４１１０が形成され、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の他の側面、すなわち第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに向かうように配置された側面である第６面４１０６に冷却水排出口４１２０が形成され得る。これと同様に、第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の一側面、すなわち第１単位モジュールグループ４０００−Ａに向かうように配置された側面である第５面４１０５に冷却水流入口４１１０が形成され、第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の他の側面、すなわち第３単位モジュールグループ４０００−Ｃに向かうように配置された側面である第６面４１０６に冷却水排出口４１２０が形成され得る。

この時、冷却水が第１単位モジュールグループ４０００−Ａから第５単位モジュールグループ４０００−Ｅに向かう方向に流れるために、両単位モジュールグループの間に配置された支持壁５３００には冷却水流入口４１１０および冷却水排出口４１２０の位置に対応するようにホール５３１０が形成され得る。例えば、ホール５３１０は第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水排出口４１２０の位置および第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水流入口４１１０の位置に同時に対応するように形成され得る。これに伴い、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水排出口４１２０は、ホール５３１０を通じて第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水流入口４１１０に連結され得、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００から第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００から冷却水が流れることができる。このような構造は第２単位モジュールグループ４０００−Ｂ、第３単位モジュールグループ４０００−Ｃ、第４単位モジュールグループ４０００−Ｄおよび第５単位モジュールグループ４０００−Ｅにも同様に適用され得る。

本発明の実施例によると、図１６に図示された通り、各冷却水流入口４１１０には第１フィッティング部材４１１２が連結され、各冷却水排出口４１２０には第２フィッティング部材４１２２が連結され得る。この時、第１フィッティング部材４１１２および第２フィッティング部材４１２２それぞれは冷却水流入口４１１０および冷却水排出口４１２０に差し込まれ、冷却水が通過できるように中空の管の形状を有し得る。そして、一つのホール５３１０には第１フィッティング部材４１１２および第２フィッティング部材４１２２が同時に差し込まれ得る。例えば、第１単位モジュールグループ４０００−Ａおよび第２単位モジュールグループ４０００−Ｂの間に配置された支持壁５３００に形成された複数個のホール５３１０のうち一つには、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水排出口４１２０に連結された第２フィッティング部材４１２２および第２単位モジュールグループ４０００−Ｂに含まれた各単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００に形成された冷却水流入口４１１０に連結された第１フィッティング部材４１１２が共に差し込まれ得る。この時、第２フィッティング部材４１２２と第１フィッティング部材４１１２の間で冷却水が流出する問題を防止するために、第１フィッティング部材４１１２の外周面、第２フィッティング部材４１２２の外周面およびホール５３１０の内周面は共にシーリングされ得る。

本発明の実施例によると、各冷却水通過チャンバー４１００の第５面４１０５および第６面４１０６それぞれには複数個の冷却水流入口４１１０および複数個の冷却水排出口４１２０が形成され、支持壁５３００には複数個の冷却水流入口４１１０の位置および複数個の冷却水排出口４１２０の位置に対応するように複数個のホール５３１０が形成され得る。

この時、冷却水の円滑な流れのために、冷却水通過チャンバー４１００の内部には複数個の冷却水通過管４１３０が形成され得る。冷却水通過管４１３０は冷却水通過チャンバー４１００の内部で冷却水流入口４１１０から冷却水排出口４１２０まで連結され、冷却水は冷却水通過管４１３０を通じて第２方向に沿って流れることができる。これによると、冷却水の流量が各冷却水通過チャンバー４１００の内部を満たす程度に充分でなくても冷却水が各冷却水通過チャンバー４１００内に均一に分散され得るため、各冷却水通過チャンバー４１００の全面に対して均一な熱電変換効率を得ることが可能である。

このように、冷却水は第１単位グループモジュール４０００−Ａに流入した後、第２方向に沿って第２単位グループモジュール４０００−Ｂ、第３単位グループモジュール４０００−Ｃおよび第４単位グループモジュール４０００−Ｄを経て第５単位グループモジュール４０００−Ｅに排出され得る。

そして、高温の気体は冷却水通過チャンバー４１００の上端から下端に向かうように流れる。例えば、高温の気体は第４面４１０４から第３面４１０３に向かって流れることができる。そして、本発明の実施例のように単位モジュール４０００の上端に第２支持フレーム４８００が配置される場合、高温の気体の高い温度によって熱電素子の性能が低下する問題を防止することができる。

また、図示されていないが、本発明の実施例によると、第１単位モジュールグループ４０００−Ａの一側面、例えば第５面４１０５が向かっているフレーム５０００の枠または縁には冷却水流入管が形成され、第５単位モジュールグループ４０００−Ｅの他の側面、例えば第６面４１０６が向かっているフレーム５０００の枠または縁には冷却水排出管が形成され得る。冷却水流入管に流入した冷却水は、第１単位モジュールグループ４０００−Ａに含まれた複数個の単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の冷却水流入口４１１０に分散して流入し得る。そして、第５単位モジュールグループ４０００−Ｅに含まれた複数個の単位モジュール４０００の各冷却水通過チャンバー４１００の冷却水排出口４１２０から排出された冷却水は冷却水排出管で集められて外部に排出され得る。

本発明のさらに他の実施例によると、各冷却水通過チャンバー４１００の内壁または冷却水通過管４１３０の内壁には放熱ピンが配置されてもよい。放熱ピンの形状、個数、各冷却水通過チャンバー４１００の内壁に占める面積などは、冷却水の温度、廃熱の温度、要求される発電容量などにより多様に変更され得る。放熱ピンが各冷却水通過チャンバー４１００の内壁に占める面積は、例えば各冷却水通過チャンバー４１００の断面積の１〜４０％であり得る。これによると、冷却水の流動に妨害を与えることなく高い熱電変換効率を得ることが可能である。また、冷却水は第２方向に移動し、気体は第３方向に移動するため、冷却水と気体は互いに交差する方向に移動することができる。

図１７は、本発明の第２実施例に係る熱変換装置内で高温気体および冷却水が流れる動作を説明するための図面である。

図１７を参照すると、前述した通り、単位モジュール４０００で冷却水は第５面４１０５上に配置された冷却水流入口４１１０に流入し得る。そして、冷却水は内部の冷却水通過チャンバーを通じて第２方向に移動して冷却水排出口４１２０に排出され得る。これとは異なり、高温の気体は第３方向に流れることができる。例えば、高温の気体は第４面４１０４から第３面４１０３に向かって流れることができる。そして、複数個のグループ熱電素子は第３方向に順次配置されるため、高温の気体は第３方向に配列された複数個のグループ熱電素子と熱交換が行われ得る。これに伴い、複数個のグループ熱電素子は高温の気体との熱交換によって、第３面４１０３に隣接するほどまたは第４面４１０４から遠くなるほど温度が高くなり得る。すなわち、高温の気体が熱電モジュールを通過しながら熱交換によって温度が低下し得る。

例えば、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４は、第３方向に並んで配列され得る。これに伴い、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４は、それぞれ第４面４１０４から離隔した最小距離が次第に大きくなり得る。例えば、第４面４１０４から第１グループ熱電素子ＨＡ１の間の最小離隔距離ｄ１、第４面４１０４から第２グループ熱電素子ＨＡ２の間の最小離隔距離ｄ２、第４面４１０４から第３グループ熱電素子ＨＡ３の間の最小離隔距離ｄ３および第４面４１０４から第４グループ熱電素子ＨＡ４の間の最小離隔距離ｄ４は次第に大きくなり得る。

そして、前述した通り、熱交換によって、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４の順に通過する高温の気体は次第に温度が低下し得る。

すなわち、第１−１ａ熱電素子１００−１ａは第２グループ熱電素子ＨＡ２の第２−１ａ熱電素子１００−２ａ、第３グループ熱電素子ＨＡ３の第３−１ａ熱電素子１００−３ａおよび第４グループ熱電素子ＨＡ４の第４−１ａ熱電素子１００−４ａと第３方向に並んで配置され得、第１−１ａ熱電素子１００−１ａ、第２−１ａ熱電素子１００−２ａ、第３−１ａ熱電素子１００−３ａおよび第４−１ａ熱電素子１００−４ａは順に相対的に低い温度の気体と接して熱交換が行われ得る。

同様に、冷却水は冷却水流入口４１１０を通じて移動しながら第２方向に配列された複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子と熱交換が行われ得る。これに伴い、前述した通り、冷却水通過チャンバーを通過した後排出される冷却水の温度は冷却水通過チャンバー４１００に流入する冷却水の温度より高くてもよい。

具体的には、第１グループ熱電素子ＨＡ１は第２方向に配列された複数個の第１熱電素子１００−１として第１−１ａ熱電素子１００−１ａ、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂ、第１−１ｃ熱電素子１００−１ｃ、第１−１ｄ熱電素子１００−１ｄ、第１−１ｅ熱電素子１００−１ｅ、第１−１ｆ熱電素子１００−１ｆ、第１−１ｇ熱電素子１００−１ｇ、第１−１ｈ熱電素子１００−１ｈを含むことができる。そして、第１−１ａ熱電素子１００−１ａと冷却水通過チャンバーが接する領域（例えば、第１方向に重なる領域）での冷却水の温度は第１−１ｈ熱電素子１００−１ｈと冷却水通過チャンバーが接する領域での冷却水の温度より低くてもよい。

ただし、気体は冷却水より同一体積対比熱交換される熱量が大きいこともある。これは気体（例えば、空気）の比熱が液体（例えば、水）の比熱より大きいため起こり得る。

また、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４の順に接する気体の温度が低くなり、低くなる温度の変化率が冷却水の温度変化率より大きいので、第１熱電モジュール４２００の吸熱部と発熱部間の温度差は第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４の順に低下し得る。このため、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４の順に、各熱電素子が発生する電力も減少し得る。ただし、実施例に係る熱変換装置は第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４の順に吸熱部と発熱部間の温度差が大きくなっても電力量の効率を向上させることができる構造を有することができる。これについては以下でさらに詳しく説明する。

図１８は、本発明の第２実施例に係る熱変換装置の断面図である。

図１８を参照すると、図１６で説明した通り、冷却水は冷却水通過チャンバーを通じて第２方向に移動することができ、冷却水通過チャンバー４１００は第１熱電モジュール４２００の熱電素子１００および第２熱電モジュール４３００の熱電素子１００とそれぞれ第１面４１０１と第２面４１０２で接することができる。前述した通り、第１熱電モジュール４２００の熱電素子１００の放熱部（冷却）は第１面４１０１と接し、第２熱電モジュール４３００の熱電素子１００の放熱部（冷却）は第２面４１０２に接することができる。そして、第１熱電モジュール４２００の熱電素子１００の吸熱部はヒートシンク４００と接して気体と熱交換が行われ得る。同様に第２熱電モジュール４３００の熱電素子１００の吸熱部はヒートシンク４００と接して気体と熱交換が行われ得る。

図１９は、本発明の第２実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面である。

図１９を参照すると、第１熱電モジュール４２００および第１熱電モジュール４２００内の第１熱電素子１００を基準として説明する。ただし、以下で説明する構造は第２熱電モジュール４３００だけでなく、他の単位モジュール４０００の各熱電モジュールにも同様に適用され得る。

第１熱電モジュール４２００は前述した通り、第３方向に並んで配列された第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４を含むことができ、第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４は、順に吸熱部の温度が気体の熱交換によって低下して発熱部と吸熱部の温度差が増加し得る。

これに対し、一実施例に係る熱変換装置で最小離隔距離が同じであるグループ熱電素子ＨＡ１〜ＨＡ４内の熱電素子は電気的に連結され得、特に隣接した熱電素子間に直列連結され得る。

具体的には、第１グループ熱電素子ＨＡ１は図１７で説明した通り、第２方向に配列された複数個の第１熱電素子１００−１として第１−１ａ熱電素子１００−１ａ、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂ、第１−１ｃ熱電素子１００−１ｃ、第１−１ｄ熱電素子１００−１ｄ、第１−１ｅ熱電素子１００−１ｅ、第１−１ｆ熱電素子１００−１ｆ、第１−１ｇ熱電素子１００−１ｇ、第１−１ｈ熱電素子１００−１ｈを含むことができる。

そして、第１−１ａ熱電素子１００−１ａ、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂ、第１−１ｃ熱電素子１００−１ｃ、第１−１ｄ熱電素子１００−１ｄ、第１−１ｅ熱電素子１００−１ｅ、第１−１ｆ熱電素子１００−１ｆ、第１−１ｇ熱電素子１００−１ｇおよび第１−１ｈ熱電素子１００−１ｈは電気的に連結され、隣接した熱電素子と直列連結され得る。これに伴い、グループ熱電素子内の各熱電素子は発熱部と吸熱部間の温度差が類似する値を有することができる。例えば、温度差が所定の誤差範囲内となり得る。これとは異なり、電気的に連結された熱電素子間の温度差が大きい場合、発電された最適の電力に対応した電流が異なるため、発電性能が減少する問題が存在し得る。このため、実施例に係る熱変換装置は温度差が類似した熱電素子が電気的に互いに連結されて発電出力を同一に維持するので、電力効率を改善することができる。それだけでなく、熱電素子の断線などの不良が発生しても電力の検出を通じて容易に熱電素子の不良を確認することができる。

前述した通り、第２グループ熱電素子ＨＡ２は第２方向に配列された複数個の熱電素子を含み、配列された複数個の熱電素子は互いに電気的に連結され得、隣接した熱電素子間に直列連結され得る。

同様に、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４はそれぞれ第２方向に配列された複数個の熱電素子を含み、配列された複数個の熱電素子は互いに電気的に連結され得、隣接した熱電素子間に直列連結され得る。

また、熱変換装置で第１グループ熱電素子ＨＡ１、第２グループ熱電素子ＨＡ２、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４は、各グループ熱電素子内で最大温度差が隣接したグループ熱電素子間の最小温度差より大きくてもよい。ここで、最大温度差は各グループ熱電素子内で発熱部と吸熱部の最高温度差と最低温度差間の差を意味する。そして、最小温度差は隣接した互いに異なるグループ熱電素子の間で発熱部と吸熱部の温度差の最小偏差を意味する。例えば、最大温度差は、第１グループ熱電素子ＨＡ１で第１−１ａ熱電素子１００−１ａの発熱部と吸熱部の温度差（最高温度差）と第１−８熱電素子１００−１ｈの発熱部と吸熱部の温度差（最低温度差）間の温度差を意味する。そして、最小温度差は、第１グループ熱電素子ＨＡ１と第２グループ熱電素子ＨＡ２で第１−８熱電素子１００−１ｈの発熱部と吸熱部の温度差および第２−１熱電素子１００−２ａの発熱部と吸熱部の温度差の間の温度偏差を意味する。

これに伴い、実施例に係る熱変換装置は同一のグループ熱電素子内の熱電素子は直列連結されることによって、熱変換装置の発電性能を改善することができる。

また、熱電素子内の各熱電レッグおよび電極間の電気的連結は多様な方向に行われ得、第１電極を基準として説明する時、複数個の第１電極は第３−２方向、第３−１方向および第２方向に多様に連結され得る。以下においても第１電極を基準として熱電素子内の電気的連結を説明する。ここで、第３−１方向は第３面から第４面に向かう方向であり、第３−２方向は第４面から第３面に向かう方向であり、気体が流れる移動方向と同じであり得る。

図２０は、本発明の他の実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面である。

図２０を参照すると、他の実施例に係る熱変換装置で同一のグループ熱電素子内の複数個の熱電素子それぞれは、第４面から第３方向に最小離隔距離が同一の熱電レッグまたは電極間に電気的に連結され得、特に隣接した熱電レッグまたは電極は互いに直列連結され得る。ただし、前述した通り、以下で第１電極を基準として説明（第１電極上にＰ型レッグおよびＮ型熱電レッグが両方とも配置されるため）し、熱電レッグにも以下で説明する内容が同様に適用され得る。

具体的には、第１グループ熱電素子ＨＡ１で第１−１ａ熱電素子１００−１ａと第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂを基準として説明する。まず、第１−１ａ熱電素子１００−１ａは複数個の熱電レッグおよび電極を含むことができる。特に、第１−１ａ熱電素子１００−１ａは第３−２方向に順次配列された第１−１電極１１０−１、第１−２電極１１０−２、第１−３電極１１０−３および第１−４電極１１０−４を含むことができる。第１−１電極１１０−１、第１−２電極１１０−２、第１−３電極１１０−３および第１−４電極１１０−４は、順に第４面から第３−２方向に最小離隔距離が増加し得る。また、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂは第３−２方向に順次配列された第１−５電極１１０−５、第１−６電極１１０−６、第１−７電極１１０−７および第１−８電極１１０−８を含むことができる。第１−５電極１１０−５、第１−６電極１１０−６、第１−７電極１１０−７および第１−８電極１１０−８は、順に第４面から第３−２方向に最小離隔距離が増加し得る。すなわち、複数個の熱電素子内においても各熱電レッグまたは電極の位置が第３方向を軸として異なるか同じであり得る。

他の実施例に係る熱変換装置は、複数個の熱電素子内で各熱電レッグまたは電極が第４面から最小離隔距離が同一の熱電レッグまたは電極間に電気的連結がなされ得る。

まず、第１−１ａ熱電素子１００−１ａで第１−１電極１１０−１は、第２方向に羅列された複数個の第１サブ電極１１０−１ａ〜１１０−１ｃを含むことができる。また、第１−１電極１１０−１は「第１グループサブ電極」と呼称し、複数個の熱電素子は「複数個のグループサブ電極」を含むと呼称し得るが、以下、第１−１電極を基準として説明する。例えば、第１−１電極１１０−１は第１−１サブ電極１１０−１ａ、第１−２サブ電極１１０−１ｂ、第１−３サブ電極１１０−１ｃを含むことができる。そして、第１−１サブ電極１１０−１ａ、第１−２サブ電極１１０−１ｂ、第１−３サブ電極１１０−１ｃは第２方向に並んで配置され、第４面から第３−２方向に最小離隔距離が同じであり得る。すなわち、第１−１サブ電極１１０−１ａ、第１−２サブ電極１１０−１ｂ、第１−３サブ電極１１０−１ｃは熱交換する気体の温度がほぼ類似し得る。これに伴い、第１−１サブ電極１１０−１ａ、第１−２サブ電極１１０−１ｂ、第１−３サブ電極１１０−１ｃは電気的に直列連結されて熱変換装置の発電性能が向上し得る。

第１−２電極１１０−２、第１−３電極１１０−３および第１−４電極１１０−４は第１−１電極１１０−１と同様に複数個のサブ電極を含むことができ、第１−２電極１１０−２、第１−３電極１１０−３および第１−４電極１１０−４それぞれで複数個のサブ電極は第４面から第３−２方向に最小離隔距離が同じであるため、熱交換する気体の温度が類似し得る。

同様に、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂで第１−５電極１１０−５は第２方向に羅列された複数個のサブ電極を含むことができ、複数個のサブ電極は第５サブ電極１１０−５ａ〜１１０−５ｃであり得る。

また、第１−５電極１１０−５は第５−１サブ電極１１０−５ａ、第５−２サブ電極１１０−５ｂ、第５−３サブ電極１１０−５ｃを含むことができる。そして、第５−１サブ電極１１０−５ａ、第５−２サブ電極１１０−５ｂ、第５−３サブ電極１１０−５ｃは第２方向に並んで配置され、第４面から第３−２方向に最小離隔距離が同じであり得る。すなわち、第５−１サブ電極１１０−５ａ、第５−２サブ電極１１０−５ｂ、第５−３サブ電極１１０−５ｃは熱交換する気体の温度がほぼ類似し得る。これに伴い、第５−１サブ電極１１０−５ａ、第５−２サブ電極１１０−５ｂ、第５−３サブ電極１１０−５ｃは電気的に直列連結されて熱変換装置の発電性能が向上し得る。

また、第１−５電極１１０−５は隣接した熱電素子である第１−１ａ熱電素子１００−１ａの第１−１電極１１０−１と第２方向に並んで配置されて電気的に連結され得る。具体的には、第１−５電極１１０−５で第５−１サブ電極１１０−５ａは第１−３サブ電極１１０−１ｃと電気的に直列連結され得る。そして、第１−５電極１１０−５は第１−１電極１１０−１と第４面から第３−２方向に最小離隔距離が同じであり、熱交換する気体の温度がほぼ類似し得る。これに伴い、熱変換装置の発電性能はさらに向上し得る。

同様に、第１−６電極１１０−５は第１−２電極１１０−２と電気的に連結され、第１−７電極１１０−７は第３電極１１０−３と電気的に連結され、第１−８電極１１０−８は第１−４電極１１０−４と電気的に連結され得る。

このように、他の実施例に係る熱変換装置は、各グループ熱電素子で熱電素子内の複数個の電極間の連結が第４面から第３方向に最小離隔距離が同じであるかの可否によりなされ得る。これにより、熱変換装置の熱変換効率はさらに改善し得る。

図２１は、本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置で第１熱電モジュールと第１熱電素子を図示した図面である。

図２１を参照すると、さらに他の実施例に係る熱変換装置で同一のグループ熱電素子内の複数個の熱電素子のうち少なくとも一つは、第４面から第３方向に最小離隔距離が同一の熱電レッグまたは電極間に電気的に連結され得る。特に、隣接した熱電レッグまたは電極は互いに直列連結され得る。

具体的には、第１グループ熱電素子ＨＡ１において第１−１ａ熱電素子１００−１ａと第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂを基準として説明する。まず、第１−１ａ熱電素子１００−１ａは複数個の熱電レッグおよび電極（ただし、前述した通り、第１電極を基準として説明する）を含むことができる。特に、第１−１ａ熱電素子１００−１ａは第３−２方向に順次配列された第１−１電極、第１−２電極、第１−３電極および第１−４電極を含むことができる。前述した説明は図２０で説明した内容と同じであり、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂの第１−５〜第１−８電極に対する説明も図２０で説明した内容が同様に適用され得る。

これに対し、第１−１電極、第１−２電極、第１−３電極および第１−４電極は、順に第４面から第３−２方向に最小離隔距離が増加し得る。また、第１−１ｂ熱電素子１００−１ｂは第３−２方向に順次配列された第１−５電極、第１−６電極、第１−７電極および第１−８電極を含むことができる。そして、第１−５電極、第１−６電極、第１−７電極および第１−８電極は、順に第４面から第３−２方向に最小離隔距離が増加し得る。このように、複数個の熱電素子内においても各熱電レッグまたは電極の位置が第３方向を軸として異なるか同じであり得る。

ただし、さらに他の実施例に係る熱変換装置で第１−１電極は第１−１サブ電極１１０−１ａ〜第１−４サブ電極１１０−１ｄを含むことができる。図２０とは異なり、さらに他の実施例に係る熱変換装置は第１−４サブ電極１１０−１ｄをさらに含むが、このようなサブ電極の個数は熱電素子の大きさなどによって変形され得る。

そして、第１−２電極は第２−１サブ電極１１０−２ａ〜第２−４サブ電極１１０−２ｄを含むことができる。この時、第１−１電極と第１−２電極は互いに電気的に連結され得る。例えば、第１−１サブ電極１１０−１ａは第２−１サブ電極１１０−２ａと直列連結され、第２−１サブ電極１１０−２ａは第２−２サブ電極１１０−２ｂと直列連結され得る。そして、順に第２−２サブ電極１１０−２ｂは第１−２サブ電極１１０−１ｂと、第１−２サブ電極１１０−１ｂは第１−３サブ電極１１０−１ｃと、第１−３サブ電極１１０−１ｃは第２−３サブ電極１１０−２ｃと、第２−３サブ電極１１０−２ｃは第１−４サブ電極１１０−１ｄと直列連結され得る。

同様に、第１−５電極は第５−１サブ電極１１０−５ａ〜第５−４サブ電極１１０−５ｄを含み、第１−６電極は第６−１サブ電極１１０−６ａ〜第６−４サブ電極１１０−６ｄを含むことができる。この時、第１−５電極と第１−６電極は互いに電気的に連結され得る。例えば、第５−１サブ電極１１０−５ａは第６−１サブ電極１１０−６ａと直列連結され、第６−１サブ電極１１０−６ａは第６−２サブ電極１１０−６ｂと直列連結され得る。そして、順に第６−２サブ電極１１０−６ｂは第５−２サブ電極１１０−５ｂと、第５−２サブ電極１１０−５ｂは第５−３サブ電極１１０−５ｃと、第５−３サブ電極１１０−５ｃは第６−３サブ電極１１０−６ｃと、第６−３サブ電極１１０−６ｃは第５−４サブ電極１１０−５ｄと直列連結され得る。

ただし、第１−３電極は第１−７電極と直列連結され、第１−４電極は第１−８電極と直列連結され得る。複数個のサブ電極も図２１で説明した通り、同様に適用され得る。そして、このような構成によって熱変換装置の発電性能を向上させることができる。それだけでなく、サブ電極間の連結関係を調節して所望の発電性能に容易に合わせることができる。

図２２は、図１９の変形例である。

図２２を参照すると、複数個のグループ熱電素子のうち少なくとも一つは、第４面から第３方向に最小離隔距離が同じであるグループ熱電素子と電気的に連結され得る。

具体的には、第１グループ熱電素子ＨＡ１は第２方向に並んで配置された複数個の熱電素子を含み、第２方向に複数個の熱電素子が互いに直列連結され得る。同様に、第２グループ熱電素子ＨＡ２は第２方向に並んで配置された複数個の熱電素子を含み、第２方向に複数個の熱電素子が互いに直列連結され得る。

これとは異なり、第３グループ熱電素子ＨＡ３および第４グループ熱電素子ＨＡ４はそれぞれ複数個の熱電素子を含み、第３−２方向または第３−１方向に向かって電気的に連結された複数個の熱電素子を含むことができる。

図２３と図２４は、第２実施例に係る第１熱電モジュールの効果を説明する図面である。

図２３および図２４を参照すると、同一の熱電素子３個（以下、第１熱電素子ＴＥ１、第２熱電素子ＴＥ２、第３熱電素子ＴＥ３）に対してそれぞれ吸熱部と発熱部間の温度差を異ならせた場合、それぞれの電流別発電電力（図２４）および第１〜第３熱電素子ＴＥ１〜ＴＥ３が直列連結された場合のそれぞれの電流別発電電力（図２３）を図示する。

ここで、熱電素子は発熱部と吸熱部の温度差が１００℃である場合の内部抵抗は１．７３Ωであり、温度差が１５０℃である場合の内部抵抗は１．９４Ωであり、温度差が２００℃である場合の内部抵抗は２．１１Ωである。

まず、図２４を参照すると、第１熱電素子ＴＥ１は発熱部と吸熱部の温度差が１００℃である場合であって、約１．４［Ａ］である第１電流ＣＡ１で最大発電された電力（約３．４３［Ｗ］）を提供することができる。そして、第２熱電素子ＴＥ２は発熱部と吸熱部の温度差が１５０℃である場合であって、約１．８［Ａ］である第２電流ＣＡ２で最大発電された電力（約６．７９［Ｗ］）を提供することができる。そして、第３熱電素子ＴＥ２は発熱部と吸熱部の温度差が２００℃である場合であって、約２．２［Ａ］である第３電流ＣＡ３で最大発電された電力（約１０．２６［Ｗ］）を提供することができる。そして、第１熱電素子ＴＥ１〜第３熱電素子ＴＥ３がそれぞれ複数個で直列連結された場合には個数に比例して電力量が増加し得る。

これとは異なり、図２３を参照すると、第１熱電素子ＴＥ１、第２熱電素子ＴＥ２および第３熱電素子ＴＥ３が直列に連結された場合に発熱部と吸熱部の温度差は平均１５０℃（すなわち、（１００℃＋１５０℃＋２００℃）／３）であるが、第２電流（ＣＡ）と類似する約１．７２［Ａ］で最大発電された電力（１８．２２［Ｗ］）を提供することができる。すなわち、これは３個の第２熱電素子ＴＥ２が直列連結された場合の最大発電された電力（約２０．４［Ｗ］）より小さくてもよい。それだけでなく、前述した値は第１熱電素子ＴＥ１〜第３熱電素子ＴＥ３の各最大発電された電力の和（２０．４８［Ｗ］、３．４３＋６．７９＋１０．２６）より小さくてもよい。

すなわち、温度差が大きい熱電素子間の直列連結は最大発電された電力が減少することが分かる。これに伴い、前述した多様な実施例に係る熱電変換装置は温度差が類似する熱電素子または熱電レッグ（電極）間に直列連結をなすことによって、発電性能を改善することができる。

図２５は本発明の第３実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図２６〜図２７は図２５の熱変換装置のフレームの内部を図示し、図２８は本発明の他の実施例に係る熱変換装置の冷却水流入口側の正面図である。図２９は図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の斜視図であり、図３０は図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の分解斜視図である。図３１は図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の冷却水流入口側の正面図であり、図３２は図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の冷却水排出口側の正面図である。図３３は図２５の熱変換装置の第１方向の断面図であり、図３４は図３３の一部拡大図である。図３５は図２５の熱変換装置のフレームを除いた構造の第２方向の断面図であり、図３６は気体の流れをシミュレーションした結果である。

図２５〜図３６を参照すると、熱変換装置６０は単位モジュール６０００およびフレーム７０００を含む。

単位モジュール６０００は複数の熱電モジュール６１００および冷却部材６２００を含む。

冷却部材６２００は冷却水通過管６２１０、冷却水通過管６２１０の冷却水流入口Ｉｎに配置された第１フランジ６２２０、そして、冷却水通過管６２１０の冷却水排出口Ｏｕｔに配置された第２フランジ６２３０を含む。

複数の熱電モジュール６１００は冷却水通過管６２１０の第１外壁面６２１２に配置された第１熱電モジュール６１００−１および冷却水通過管６２１０の第２外壁面６２１４に配置された第２熱電モジュール６１００−２を含む。

ここで、第２外壁面６２１４は第１外壁面６２１２に対向する面である。

フレーム７０００は単位モジュール６０００を支持し、複数の熱電モジュール６１００を収容し、冷却部材６２００の冷却水通過管６２１０および第２フランジ６２３０をさらに収容する。

このために、フレーム７０００は第１壁７１００、第２壁７２００、第３壁７３００および第４壁７４００を含む。第１壁７１００と第２壁７２００は互いに向かい合うように配置され、第３壁７３００および第４壁７４００は互いに向かい合うように配置され、第３壁７３００および第４壁７４００それぞれは第１壁７１００と第２壁７２００の間に配置され得る。これに伴い、第１壁７１００、第２壁７２００、第３壁７３００および第４壁７４００は互いに連結されて一つの内部空間を形成することができる。そして、フレーム７０００は第１壁７１００、第２壁７２００、第３壁７３００および第４壁７４００で囲まれる第１開口部７００２および第１壁７１００、第２壁７２００、第３壁７３００および第４壁７４００で囲まれる第２開口部７００４を含むことができる。

第１壁７１００は単位モジュール６０００に含まれる冷却部材６２００の第１フランジ６２２０側に配置され、第１壁７１００には冷却水流入口Ｉｎに対応する第１ホール７１１０が形成される。第２壁７２００は単位モジュール６０００に含まれる冷却部材６２００の第２フランジ６２３０側に配置され、第２壁７２００には冷却水排出口Ｏｕｔに対応する第２ホール７２１０が形成される。第３壁７３００は単位モジュール６０００に含まれる第１熱電モジュール６１００−１側に配置され、第１熱電モジュール６１００−１と向かい合うように離隔して配置される。そして、第４壁７４００は単位モジュール６０００に含まれる第２熱電モジュール６１００−２側に配置され、第２熱電モジュール６１００−２と向かい合うように離隔して配置される。

これに伴い、冷却水は第１フランジ６２２０から第２フランジ６２３０に向かう方向に流れることができる。すなわち、冷却水は第１壁７１００側の冷却水流入口Ｉｎに流入して冷却水通過管６２１０を通過した後、第２壁７２００側の冷却水排出口Ｏｕｔに排出され得る。そして、冷却水の温度より高い温度を有する高温の気体は、第１熱電モジュール６１００−１と第３壁７３００の間および第２熱電モジュール６１００−２と第４壁７４００の間で第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−２が配置された方向と平行であり、冷却水が流れる方向と垂直であるように流れることができる。すなわち、冷却水の温度より高い温度を有する高温の気体はフレーム７０００の第１開口部７００２に流入して第２開口部７００４に排出され得る。本明細書において、説明の便宜のために、冷却水が流れる方向を第１方向とし、高温の気体が流れる方向を第２方向とし、第１方向と第２方向に垂直な方向、すなわち第１熱電モジュール６１００−１から第２熱電モジュール６１００−２に向かう方向を第３方向と指し示し得る。

これに伴い、複数の熱電モジュール６１００の両面のうち冷却水通過管６２１０側に配置された面は、低温部、すなわち放熱部となり得、フレーム７０００の壁面、例えば第３壁面７３００および第４壁面７４００に向かうように配置された面は高温部、すなわち吸熱部となり得る。

本発明の第３実施例に係る熱変換装置６０は、冷却水通過管６２１０を通じて流れる冷却水および複数の熱電モジュール６１００とフレーム７０００の壁面の間の離隔した空間を通過する高温の気体間の温度差、すなわち熱電モジュール６１００の放熱部と吸熱部間の温度差を利用して電力を生産することができる。ここで、冷却水は水であり得るが、これに制限されるものではなく、冷却性能を有する多様な種類の流体であり得る。冷却水通過管６２１０に流入する冷却水の温度は１００℃未満、好ましくは５０℃未満、さらに好ましくは４０℃未満であり得るが、これに制限されるものではない。冷却水通過管６２１０を通過した後排出される冷却水の温度は冷却水通過管６２１０に流入する冷却水の温度より高くてもよい。複数の熱電モジュール６１００とフレーム７０００の壁面の間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は冷却水の温度より高くてもよい。例えば、複数の熱電モジュール６１００とフレーム７０００の壁面の間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は１００℃以上、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上であり得るが、これに制限されるものではない。この時、複数の熱電モジュール６１００とフレーム７０００の壁面の間の離隔した空間の幅は数ｍｍ〜数十ｍｍであり得、熱変換装置の大きさ、流入する気体の温度、気体の流入速度、要求される発電量などにより変わり得る。

本明細書において、フレーム７０００が一つの単位モジュール６０００を収容する例を中心に説明するが、これに制限されるものではない。図２８に図示された通り、フレームは複数の単位モジュール６０００を収容してもよい。

このために、フレーム７０００の第１壁７１００には複数の単位モジュール６０００の複数の冷却水流入口に対応する複数の第１ホールが形成され得、フレーム７０００の第２壁７２００には複数の単位モジュール６０００の複数の冷却水排出口に対応する複数の第２ホールが形成され得る。また、複数の単位モジュールは互いに離隔して平行に配置され得る。例えば、各単位モジュール６０００の第１熱電モジュール６１００−１は隣り合う単位モジュール６０００の第２熱電モジュール６０００−２と向かい合うように離隔して平行に配置され得る。フレーム７０００内に収容される単位モジュール６０００の個数は熱変換装置の大きさ、流入する気体の温度、気体の流入速度、要求される発電量などにより変わり得る。

この時、冷却部材６２００の熱伝導度はフレーム７０００の熱伝導度より高くてもよい。例えば、冷却部材６２００はアルミニウムからなり、フレーム７０００はステンレススチールからなり得る。これに伴い、熱電モジュールの低温部と高温部間の温度差が最大化されて熱変換装置の性能が向上し得る。

第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−２はそれぞれ複数個の熱電素子１００を含むことができる。要求される発電量に応じて各熱電モジュールに含まれる熱電素子の個数を調節することができる。

各熱電モジュールに含まれる複数個の熱電素子１００は電気的に連結され得、複数個の熱電素子１００の少なくとも一部はバスバー（図示されず）を利用して電気的に連結され得る。バスバーは、例えば高温の気体が通過した後排出される排出口側に配置され得、外部端子と連結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−２のためのＰＣＢが熱変換装置の内部に配置されなくても第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−１に電源が供給され得、これに伴い、熱変換装置の設計および組立が容易である。

本発明の第３実施例によると、単位モジュール６０００は断熱層６４００およびシールド層６５００をさらに含むことができる。断熱層６４００は冷却水通過管６２１０の外部表面のうち熱電モジュール６１００が配置される領域を除いて冷却水通過管６２１０の外部表面の少なくとも一部を囲むように配置され得る。断熱層６４００によって熱電モジュール６１００の低温部側と高温部側間の断熱が維持され得るため、発電効率を高めることができる。

そして、シールド層６５００は断熱層６４００上に配置され、断熱層６４００および熱電モジュール６１００を保護することができる。このために、シールド層６５００はステンレス素材を含むことができる。

シールド層６５００と冷却水通過管６２００はスクリューによって締結され得る。これに伴い、シールド層６５００は単位モジュール６０００に安定的に結合することができる。

この時、第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−２それぞれは冷却水通過管６２００の第１外壁面６２１０および第２外壁面６２２０にサーマルパッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｄ）を利用して接着されてもよい。サーマルパッドは熱伝達が容易であるため、冷却水通過管６２１０と熱電モジュール間の熱伝達が妨害されなくなる。そして、第１熱電モジュール６１００−１および第２熱電モジュール６１００−２それぞれは熱電素子１００の高温部側に配置されたヒートシンク（図示されず）および熱電素子１００の低温部側に配置された金属プレート（図示されず）、例えばアルミニウムプレートをさらに含んでもよい。この時、ヒートシンクは隣接するフレーム７０００の壁面に向かって配置され得、ヒートシンクとフレーム７０００の壁面は所定の間隔で離隔され得る。これに伴い、本発明の実施例に係る熱変換装置６０を通過する高温の気体がヒートシンクを通じて熱電素子１００の高温部側に効率的に伝達され得る。一方、金属プレート、例えばアルミニウムプレートは熱伝達効率が高いため、冷却水通過管６２１０を通過する冷却水の温度が金属プレートを通じて熱電素子１００の低温部側に効率的に伝達され得る。

以下、本発明の第３実施例に係る熱変換装置の冷却部材の構造をさらに詳細に説明する。

本発明の実施例によると、冷却水通過管６２１０の冷却水流入口Ｉｎに配置された第１フランジ６２２０の大きさは冷却水通過管６２１０の冷却水排出口Ｏｕｔに配置された第２フランジ６２３０の大きさより大きく、第１フランジ６２２０はフレーム７０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に配置され、第２フランジ６２３０はフレーム７０００の第２壁７２００の内壁面７２２０に配置される。

この時、第１フランジ６２２０の大きさおよび第２フランジ６２３０の大きさそれぞれは高さ（Ｈ）および幅（Ｗ）のうち少なくとも一つを意味し得る。

このために、フレーム７０００の第１壁７１００に形成された第１ホール７１１０の大きさは第１フランジ６２２０の大きさより小さく、第２フランジ６２３０の大きさより大きく、フレーム７０００の第２壁７２００に形成された第２ホール７２１０の大きさは第２フランジ６２３０の大きさより小さくてもよい。これに伴い、図２７に図示された通り、熱変換装置６０の組立時に、フレーム７０００の第１ホール７１１０を通じて単位モジュール６０００の第２フランジ６２３０から注入され得、第２フランジ６２３０は第２壁７２００の内壁面７２２０に配置され、第１フランジ６２２０はフレーム７０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に配置され得る。

このように、第１フランジ６２２０はフレーム７０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に配置され、第２フランジ６２３０はフレーム７０００の第２壁７２００の内壁面７１３０に配置される場合、前述した通り、熱変換装置６０の組立性が改善し得るだけでなく、冷却水と冷却部材間の効率的な熱交換が可能である。

すなわち、冷却水流入口Ｉｎを通じて冷却水を注入しようとする場合、外部の冷却水供給部（図示されず）はフレーム７０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に固定された状態で冷却水を注入することができる。この時、冷却水供給部（図示されず）は第１フランジ６２２０の全体を囲むように配置され得、これに伴い、冷却水と接触する冷却部材６２００の全体面積が広くなり得る。前述した通り、冷却部材６２００が熱伝導度が高い素材、例えばアルミニウムなどからなる場合、冷却水流入口Ｉｎ側に配置されて供給される冷却水と直接接触する第１フランジ６２２０は急速に冷却され得、第１フランジ６２２０の冷気は冷却水通過管６２１０を通じて熱電モジュール６１００の低温部に伝達され得る。

また、第１フランジ６２２０はフレーム７０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に配置され、第２フランジ６２３０はフレーム７０００の第２壁７２００の内壁面７１３０に配置される場合、冷却水の流出も防止され得る。

すなわち、冷却水流入口Ｉｎを通じて冷却水を注入しようとする場合、外部の冷却水供給部（図示されず）はフレーム２０００の第１壁７１００の外壁面７１２０に固定された状態で冷却水を注入することができる。この時、冷却水供給部（図示されず）は第１フランジ６２２０の全体を囲むように配置され得、冷却水供給部（図示されず）から供給される冷却水は第１フランジ６２２０に連結された冷却水流入口Ｉｎを通じて冷却水通過管６２１０内に流入することができる。

もし、図３４に図示された通り、フレーム７０００の内壁面に配置されたフランジ、すなわち第２フランジ６２３０側が冷却水流入口になる場合、フレーム７０００の内壁面とフランジの間の空間を通じて冷却水が流出され得、これに伴い、熱電モジュール６１００の高温部側に冷却水が浸透する可能性もある。

一方、本発明の第３実施例によると、高温の気体の流動を制御する気体ガイド部材をさらに含むことができる。

このために、図３５を参照すると、気体ガイド部材６６００は高温の気体が流入する方向に配置され得る。例えば、冷却水通過管６２１０は第１外壁面６２１２と第２外壁面６２１４の間で高温の気体が流入する側、すなわち第１開口部７００２に向かうように配置された第３外壁面６２１６、そして、第１外壁面６２１２と第２外壁面６２１４の間で高温の気体が排出される側、すなわち第２開口部７００４に向かうように配置された第４外壁面６２１８をさらに含み、第３外壁面６２１６上に配置され、前記第１外壁面６２１２と第２外壁面６２１４の間の中心に行くほど第３外壁面６２１６との距離が遠くなる形状を有する気体ガイド部材６６００をさらに含むことができる。すなわち、気体ガイド部材６６００は傘状または屋根状を有し得る。これに伴い、高温の気体が流入する時、高温の気体が単位モジュール６０００の側面、すなわち単位モジュール６０００とフレーム７０００の間の離隔した空間を通過できるようにガイドされ得る。また、気体ガイド部材６６００が傘状または屋根状を有する場合、冷却水通過管６２１０の第３外壁面６２１６と気体ガイド部材６６００の間には空気層が形成されて断熱性能を高めることができる。

ここで、高温の気体が流入する方向に配置された冷却水通過管６２１０の第３外壁面６２１６の断熱性能を高めるために、第３外壁面６２１６には断熱層６４００がさらに配置され得る。そして、冷却水通過管６２１０および断熱層６５００を保護するために断熱層６４００と気体ガイド部材６６００の間にはシールド層６５００がさらに配置されてもよい。ここで、シールド層は断熱層６４００が配置された第３外壁面６２１６だけでなく、第１外壁面６２１２の一部および第２外壁面６２１４の一部にも配置されるように「⊂」の形状を有し得、気体ガイド部材６６００、シールド層６５００および冷却水通過管６２１０は共に締結され得る。または図示されてはいないが、気体ガイド部材６６００およびシールド層６５００は一体に形成されてもよい。

図３６は、気体ガイド部材の効果を示すためのシミュレーション結果である。図３６（ａ）のように気体ガイド部材がない構造に比べて、図３６（ｂ）および図３６（ｃ）のように気体ガイド部材がある構造で気体がさらに均一に分布して流れることが分かる。また、図３６を参照すると、図３６（ｃ）のように気体ガイド部材の高さが高くなるほど気体がさらに均一に分布して流れることが分かる。ただし、気体ガイド部材６６００の最高点が第２フランジ６２３０より高くなると、気体ガイド部材６６００とシールド層６５００の間の空間に高温の気体が流入し得、これによって、冷却性能に影響を及ぼしかねない。したがって、気体ガイド部材の最高点が第２フランジ６２３０より高くないように形成され得る。または気体ガイド部材の最高点が第２フランジ６２３０より高く形成される場合、気体ガイド部材６６００とシールド層６５００の間を密閉させて気体ガイド部材６６００とシールド層６５００の間の空間に高温の気体が流入する現象を防止してもよい。

前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることが理解できるであろう。

Claims (10)

1. 第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ配列される複数個の単位モジュール；そして、
   前記複数個の単位モジュールを支持し、前記第１方向に沿って配置された一面を通じて冷却水が流入し、前記第１方向に沿って配置された他面を通じて冷却水が排出されるフレーム；を含み、
   各単位モジュールは、
   前記第１方向に沿って離隔するように配置された第１面と第２面、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に沿って離隔するように配置された第３面と第４面、そして、前記第２方向に沿って離隔するように配置されて冷却水が流入する第５面と冷却水が排出される第６面を含む冷却水通過チャンバー；
   前記第１面に配置された第１熱電モジュール；および
   前記第２面に配置された第２熱電モジュール；を含み、
   前記第１熱電モジュールは複数個のグループ熱電素子を含み、
   各グループ熱電素子は前記第４面から第３方向に最小離隔距離が同じである複数個の熱電素子を含み、
   前記複数個のグループ熱電素子のうち少なくとも一つのグループ熱電素子において複数個の熱電素子は互いに電気的に連結される、熱変換装置。
2. 前記複数個のグループ熱電素子は、
   第１グループ熱電素子；および前記第１グループ熱電素子と離隔して配置される第２グループ熱電素子を含み、
   前記第１グループ熱電素子の前記第４面から前記第３方向に最小離隔距離は前記第２グループ熱電素子の前記第４面から前記第３方向に最小離隔距離より大きい、請求項１に記載の熱変換装置。
3. 各熱電素子は、第１基板、前記第１基板上に配置される複数の第１電極、前記複数の第１電極上に配置される複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置される複数の第２電極および前記複数の第２電極上に配置される第２基板を含み、
   各グループ熱電素子に含まれる複数の熱電素子のうち一つの熱電素子の複数の第１電極のうち一部は、同一のグループ熱電素子内で隣り合う熱電素子の複数の第１電極のうち一部と電気的に連結される、請求項２に記載の熱変換装置。
4. 各グループ熱電素子内の最大温度差は隣接するグループ熱電素子間の最小温度差より大きく、
   前記最大温度差は前記各グループ熱電素子内で発熱部と吸熱部の最高温度差と最低温度差間の差であり、
   前記最小温度差は前記隣接するグループ熱電素子の間で発熱部と吸熱部の温度差の最小偏差である、請求項２に記載の熱変換装置。
5. 前記フレームの前記一面には第１冷却水流入口が形成され、前記フレームの前記他面には第１冷却水排出口が形成され、
   前記各単位モジュールの一側から前記第２方向に向かって複数個の第２冷却水流入口が形成され、前記各単位モジュールの他側から前記第２方向に向かって複数個の第２冷却水排出口が形成される、請求項１に記載の熱変換装置。
6. 前記複数個の単位モジュールは、前記第１方向に沿って配置された複数個の単位モジュールを含む第１単位モジュールグループおよび前記第１方向に沿って配置された複数個の単位モジュールを含む第２単位モジュールグループを含み、前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループは前記第２方向に沿って離隔するように配置され、
   前記フレームは前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループの間に配置された支持壁を含む、請求項５に記載の熱変換装置。
7. 前記支持壁には前記複数個の第２冷却水流入口および前記複数個の第２冷却水排出口に対応するホールが形成され、
   前記第１単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールに配置された複数個の第２冷却水排出口は、前記ホールを通じて前記第２単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールに配置された複数個の第２冷却水流入口に連結される、請求項６に記載の熱変換装置。
8. 前記第１単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールの冷却水通過チャンバーは複数個の第２冷却水流入口側に配置された第１フランジを含み、前記第２単位モジュールグループに含まれた各単位モジュールの冷却水通過チャンバーは複数の第２冷却水排出口側に配置された第２フランジを含み、
   前記第１フランジおよび前記第２フランジそれぞれは前記フレームの外壁面に配置される、請求項６に記載の熱変換装置。
9. 前記冷却水の温度より高い温度の気体が前記第３方向に沿って前記複数の単位モジュールの間を通過する、請求項５に記載の熱変換装置。
10. 前記冷却水通過チャンバーの内部には前記第２冷却水流入口から前記第２冷却水排出口まで連結される冷却水通過管が形成され、冷却水は前記冷却水通過管を通じて前記第２方向に沿って流れる、請求項９に記載の熱変換装置．

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