JP2023531413A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例に係る発電装置は、内部に形成された流路管を通じて流体が通過し、第１面、前記第１面に対向する第２面、前記第１面と前記第２面の間の第３面、前記第３面に対向する第４面、前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面の間の第５面、そして前記第５面に対向する第６面を含む流体流動部、そして前記第１面に配置された第１熱電モジュールを含み、前記第３面には互いに離隔するように配置された流体流入口および流体排出口が形成され、前記流路管は前記流体流入口から前記流体排出口まで連結されるように形成され、前記流路管は第１方向に沿って配置される複数の第１流路部、前記第１方向に対して垂直な第２方向に沿って配置される複数の第２流路部、および前記複数の第１流路部および前記複数の第２流路部間を連結する複数のベンディング部を含み、前記流体流動部は前記第３面から前記第４面まで順次第１区域、第２区域および第３区域に任意に設定され、前記複数の第１流路部は前記流体が前記第１区域、前記第３区域、前記第２区域、前記第１区域および前記第３区域を順次通過するように配置される。

Description

本発明は発電装置に関し、より詳細には熱電素子の低温部と高温部間の温度差を利用して電力を生産する発電装置に関する。

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、熱と電気の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ティエ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まっている。

最近、自動車、船舶などのエンジンから発生した高温の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、熱電素子の低温部側に第１流体が通過するダクトが配置され、熱電素子の高温部側に放熱フィンが配置され、第１流体より温度が高い第２流体が放熱を通過することができる。これに伴い、熱電素子の低温部と高温部間の温度差によって電気が生成され得、発電装置の構造により発電性能が変わり得る。

本発明が達成しようとする技術的課題は、熱電素子の低温部と高温部間の温度差を利用して電気を発生させる発電装置を提供することである。

本発明の一実施例に係る発電装置は内部に形成された流路管を通じて流体が通過し、第１面、前記第１面に対向する第２面、前記第１面と前記第２面の間の第３面、前記第３面に対向する第４面、前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面の間の第５面、そして前記第５面に対向する第６面を含む流体流動部、そして前記第１面に配置された第１熱電モジュールを含み、前記第３面には互いに離隔するように配置された流体流入口および流体排出口が形成され、前記流路管は前記流体流入口から前記流体排出口まで連結されるように形成され、前記流路管は第１方向に沿って配置される複数の第１流路部、前記第１方向に対して垂直な第２方向に沿って配置される複数の第２流路部、および前記複数の第１流路部および前記複数の第２流路部間を連結する複数のベンディング部を含み、前記流体流動部は前記第３面から前記第４面まで順次第１区域、第２区域および第３区域に任意に設定され、前記複数の第１流路部は前記流体が前記第１区域、前記第３区域、前記第２区域、前記第１区域および前記第３区域を順次通過するように配置される。

前記第１熱電モジュールは前記第１面に配置された第１熱電素子および前記第１熱電素子上に配置された第１ヒートシンクを含み、前記流体流動部を通過する流体は第１流体であり、前記第５面から前記第６面に向かう方向に前記第１流体と温度が異なる第２流体が前記第１ヒートシンクを通過することができる。

前記第１方向は前記第２流体が通過する方向と平行であり得る。

前記流体流動部は前記第５面から前記第６面まで順次第４区域および第５区域に任意に設定され、前記複数の第２流路部は前記流体が前記第４区域および前記第５区域を交互に通過するように配置され得る。

前記流路管は前記流体流入口に連結され、前記第１区域を通過する第１流路部、前記第５区域を通過する第２流路部、前記第３区域を通過する第１流路部、前記第４区域を通過する第２流路部、前記第２区域を通過する複数の第１流路部、前記第５区域を通過する第２流路部、前記第１区域を通過する第１流路部、前記第４区域を通過する第２流路部、前記第３区域を通過する第１流路部および前記第５区域を通過して前記流体排出口に連結される第２流路部が順次連結され得る。

前記第１区域を通過する二つの第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は互いに反対であり、前記第３区域を通過する二つの第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は互いに反対であり得る。

前記第１区域を通過する二つの第１流路部のうち前記第３面にさらに近く配置される第１流路部と前記第３区域を通過する二つの第１流路部のうち前記第４面にさらに近く配置される第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は、前記第２流体が流れる方向と同一であってもよい。

前記第２区域を通過する複数の第１流路部は３個の第１流路部であり、前記３個の第１流路部内の前記第１流体は前記第２流体が流れる方向と同一の方向に通過し、前記第２流体が流れる方向と反対方向に通過した後、再び前記第２流体が流れる方向と同一の方向に通過するように流れることができる。

前記流体流動部には前記第１面を貫通する複数の貫通ホールが形成され、前記流体流動部と前記第１熱電モジュールは前記複数の貫通ホールに配置された複数の結合部材を通じて結合され得る。

前記第２区域を通過する複数の第１流路部は前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって形成された領域内に配置され得る。

前記複数の第２流路部は前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって形成された領域の外に配置され得る。

前記複数のベンディング部のうち一部は、前記複数の第１流路部のうち一つと前記複数の第２流路部のうち一つを連結し、前記複数のベンディング部のうち他の一部は、前記複数の第１流路部のうち２個を連結することができる。

前記複数のベンディング部のうち他の一部は、前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって形成された領域内に配置され得る。

前記複数のベンディング部のうち少なくとも一つの直径は、前記複数の第１流路部のうち少なくとも一つの直径および前記複数の第２流路部のうち少なくとも一つの直径それぞれより大きくてもよい。

前記流体流入口および前記流体排出口間の距離は、前記複数の第２流路部のうち前記第５面に最も近い第２流路部および前記複数の第２流路部のうち前記第６面に最も近い第２流路部間の距離以上であり得る。

前記第２面に配置された第２熱電素子および前記第２熱電素子上に配置された第２ヒートシンクを含む第２熱電モジュールをさらに含み、前記第５面から前記第６面に向かう方向に前記第２流体が前記第２ヒートシンクを通過することができる。

本発明の実施例によると、発電性能が優秀な発電装置を得ることができる。また、本発明の実施例によると、熱電素子への熱伝達効率が改善された発電装置を得ることができる。

また、本発明の実施例によると、発電装置の冷却部を通過する流路を改善して面積対比高い冷却効率を得ることができる。

本発明の一実施例に係る発電システムの斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電システムの分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電システム内に含まれた発電装置の斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電装置の分解図である。 本発明の一実施例に係る発電装置に含まれた発電モジュールの斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールの分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールの一部拡大図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールの一部拡大図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールに含まれる熱電素子の断面図および斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールに含まれる熱電素子の断面図および斜視図である。 本発明の一実施例に係る発電モジュールの上面図である。 本発明の一実施例に係る流体流動部の断面図である。 本発明の他の実施例に係る流体流動部の断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る流体流動部の断面図である。 図１３の流体流動部の流体移動経路を示す。 図１１の流路の形状である。 図１２の流路の形状である。 図１３の流路の形状で熱分布をシミュレーションした結果である。 本発明の他の実施例に係る発電システムを示す。 本発明のさらに他の実施例に係る発電システムを示す。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

ただし、本発明の技術思想は説明される一部の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され得、本発明の技術思想範囲内であれば、実施例間にその構成要素のうち一つ以上を選択的に結合、置き換えて使うことができる。

また、本発明の実施例で使われる用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特に定義されて記述されない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に一般的に理解され得る意味で解釈され得、辞書に定義された用語のように一般的に使われる用語は関連技術の文脈上の意味を考慮してその意味を解釈できるであろう。

また、本発明の実施例で使われた用語は実施例を説明するためのものであり本発明を制限しようとするものではない。

本明細書で、単数型は文面で特に言及しない限り複数型も含むことができ、「Ａおよび（と）Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つ（または一つ以上）」と記載される場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせできるすべての組み合わせのうち一つ以上を含むことができる。

また、本発明の実施例の構成要素の説明において、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）等の用語を使うことができる。

このような用語はその構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語によって該当構成要素の本質や順番または順序などに限定されない。

そして、或る構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、結合または接続される場合だけでなく、その構成要素とその他の構成要素の間にあるさらに他の構成要素によって「連結」、「結合」または「接続」される場合も含むことができる。

また、各構成要素の「上（うえ）または下（した）」に形成または配置されるものと記載される場合、上（うえ）または下（した）は二つの構成要素が互いに直接接触する場合だけでなく、一つ以上のさらに他の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。また、「上（うえ）または下（した）」で表現される場合、一つの構成要素を基準として上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。

図１は本発明の一実施例に係る発電システムの斜視図であり、図２は本発明の一実施例に係る発電システムの分解斜視図であり、図３は本発明の一実施例に係る発電システム内に含まれた発電装置の斜視図である。図４は本発明の一実施例に係る発電装置の分解図であり、図５は本発明の一実施例に係る発電装置に含まれた発電モジュールの斜視図であり、図６は本発明の一実施例に係る発電モジュールの分解斜視図である。図７は本発明の一実施例に係る発電モジュールの一部拡大図であり、図８～図９は本発明の一実施例に係る発電モジュールに含まれる熱電素子の断面図および斜視図である。

図１～２を参照すると、発電システム１０は発電装置１０００および流体管２０００を含む。

流体管２０００に流入する流体は自動車、船舶などのエンジンまたは発電所、製鉄所などで発生する熱源であり得るが、これに制限されるものではない。流体管２０００から排出される流体の温度は流体管２０００に流入する流体の温度より低い。例えば、流体管２０００に流入する流体の温度は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く、熱電素子の低温部および高温部間の温度差により多様に適用され得る。

流体管２０００は流体流入部２１００、流体通過部２２００および流体排出部２３００を含む。流体流入部２１００を通じて流入した流体は流体通過部２２００を通過して流体排出部２３００を通じて排出される。この時、流体通過部２２００には本発明の実施例に係る発電装置１０００が配置され、発電装置１０００は発電装置１０００を通過する第１流体と流体通過部２２００を通過する第２流体間の温度差を利用して電気を生成する。ここで、第１流体は冷却用流体であり得、第２流体は第１流体より温度が高い高温の流体であり得る。本発明の実施例に係る発電装置１０００は熱電素子の一面に流れる第１流体と熱電素子の他面に流れる第２流体間の温度差を利用して電気を生成することができる。

流体流入部２１００および流体排出部２３００の断面形状が流体通過部２２００の断面形状と異なる場合、流体管２０００は流体流入部２１００と流体通過部２２００を連結する第１連結部２４００および流体通過部２２００と流体排出部２３００を連結する第２連結部２５００をさらに含んでもよい。例えば、一般的な流体流入部２１００および流体排出部２３００は円筒形状であり得る。これに反し、発電装置１０００が配置される流体通過部２２００は四角筒または多角筒形状であり得る。これに伴い、一末端は円筒状であり、他の末端は四角筒状である第１連結部２４００と第２連結部２５００を媒介として流体流入部２１００および流体通過部２２００の一末端が連結され、流体排出部２３００および流体通過部２２００の他の末端が連結され得る。

この時、流体流入部２１００と第１連結部２４００、第１連結部２４００と流体通過部２２００、流体通過部２２００と第２連結部２５００および第２連結部２５００と流体排出部２３００等は締結部材によって連結され得る。

前述した通り、本発明の一実施例に係る発電装置１０００は流体通過部２２００内に配置され得る。発電システム１０の組立を容易にするために、流体通過部２２００の一面は開閉が可能な構造で設計され得る。流体通過部２２００の一面２２１０を開放した後、発電装置１０００を流体通過部２２００内に収容し、流体通過部２２００のオープンされた一面２２１０をカバー２２２０で覆うことができる。この時、カバー２２２０は流体通過部２２００のオープンされた一面２２１０と複数の締結部材によって締結され得る。

第１流体が外部から発電装置１０００に供給された後に再び外部に排出され、発電装置１０００に連結された配線は外部に引き出される場合、第１流体の流入および排出と配線の引き出しのために、カバー２２２０には複数のホール２２２２が形成されてもよい。

図３～図７を参照すると、本発明の実施例に係る発電装置１０００は流体流動部１１００、第１熱電モジュール１２００、第２熱電モジュール１３００、分岐部１４００、離隔部材１５００、シールド部材１６００および断熱部材１７００を含む。そして、本発明の実施例に係る発電装置１０００はガイドプレート１８００および支持フレーム１９００をさらに含む。

図５に図示された通り、流体流動部１１００、第１熱電モジュール１２００、第２熱電モジュール１３００、分岐部１４００、離隔部材１５００、シールド部材１６００および断熱部材１７００は、一つのモジュールで組み立てられ得る。

本発明の実施例に係る発電装置１０００は、流体流動部１１００の内部を通じて流れる第１流体および流体流動部１１００の外部に配置された第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００のヒートシンク１２２０、１３２０を通過する第２流体間の温度差を利用して電力を生産することができる。

本明細書で、流体流動部１１００の内部を通じて流れる第１流体の温度は、流体流動部１１００の外部に配置された熱電モジュール１２００、１３００のヒートシンク１２２０、１３２０を通過する第２流体の温度より低くてもよい。本明細書で、第１流体は冷却用であり得る。このために、第１熱電モジュール１２００は流体流動部１１００の一表面に配置され、第２熱電モジュール１３００は流体流動部１１００の他の表面に配置され得る。この時、第１熱電モジュール１２００と第２熱電モジュール１３００それぞれの両面のうち、流体流動部１１００に向かうように配置される面が低温部となり、低温部と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。これに伴い、本明細書で、流体流動部１１００は冷却部またはダクトと指称され得る。

流体流動部１１００に流入する第１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。流体流動部１１００に流入する第１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。流体流動部１１００を通過した後に排出される第１流体の温度は流体流動部１１００に流入する第１流体の温度より高くてもよい。各流体流動部１１００は第１面１１１０、第１面１１１０に対向して第１面１１１０と平行に配置された第２面１１２０、第１面１１１０と第２面１１２０の間に配置された第３面１１３０および第１面１１１０と第２面１１２０の間で第３面１１３０に対向するように配置された第４面１１４０、第１面１１１０、第２面１１２０、第３面１１３０および第３面１１４０の間に配置された第５面１１５０および第５面１１５０に対向するように配置された第６面１１６０を含み、流体流動部１１００の内部に第１流体が通過する。流体流動部１１００の第１面１１１０および第２面１１２０それぞれに第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置された場合、第３面１１３０は第１流体が流入および排出される方向に配置された面であり、第５面１１５０は第２流体が流入する方向に配置された面であり得る。このために、流体流動部１１００の第３面１１３０には第１流体流入口１１３２および第１流体排出口１１３４が形成され得る。第１流体流入口１１３２および第１流体排出口１１３４は流体流動部１１００内の流路管と連結され得る。これに伴い、第１流体流入口１１３２から流入した第１流体は流路管を通過した後、第１流体排出口１１３４から排出され得る。

図示されてはいないが、流体流動部１１００の内壁には放熱フィンが配置されてもよい。放熱フィンの形状、個数および流体流動部１１００の内壁を占める面積などは、第１流体の温度、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。放熱フィンが流体流動部１１００の内壁を占める面積は、例えば流体流動部１１００の断面積の１～４０％であり得る。これによると、第１流体の流動に妨害を与えないながらも、高い熱電変換効率を得ることが可能である。この時、放熱フィンは第１流体の流動に妨害を与えない形状を有することができる。例えば、放熱フィンは第１流体が流れる方向に沿って形成され得る。すなわち、放熱フィンは第１流体流入口から第１流体排出口に向かう方向に延びたプレート形状であり得、複数の放熱フィンは所定の間隔で離隔するように配置され得る。放熱フィンは流体流動部１１００の内壁と一体に形成されてもよい。

本発明の実施例によると、流体通過部２２００を通じて流れる第２流体の方向と流体流動部１１００を通じて流れる第１流体の流入／排出方向は異なり得る。例えば、第１流体の流入／排出方向と第２流体の通過方向は約９０°異なり得る。これによると、全領域で均一な熱変換性能を得ることが可能である。

一方、第１熱電モジュール１２００は流体流動部１１００の第１面１１１０上に配置され、第２熱電モジュール１３００は流体流動部１１００の第２面１１２０上で第１熱電モジュール１２００に対称となるように配置され得る。

第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００は、スクリューまたはコイルスプリングを利用して流体流動部１１００と締結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００は流体流動部１１００の表面に安定的に結合することができる。または第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００のうち少なくとも一つは、熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）を利用して流体流動部１１００の表面に接着されてもよい。コイルスプリングおよび／または熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）および／またはスクリューを利用することによって、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００に印加される熱の均一度を高温でも均一に制御することができる。

一方、図７（ａ）に図示された通り、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００それぞれは、第１面１１１０および第２面１１２０それぞれに配置された熱電素子１２１０、１３１０および熱電素子１２１０、１３１０に配置されたヒートシンク１２２０、１３２０を含む。このように、熱電素子１２１０、１３１０の両面のうち一面に第１流体が流れる流体流動部１１００が配置され、他面にヒートシンク１２２０、１３２０が配置され、ヒートシンク１２２０、１３２０を通じて第２流体が通過すると、熱電素子１２１０、１３１０の吸熱面と放熱面間の温度差を大きくすることができ、これに伴い、熱電変換効率を上げることができる。この時、第１面１１１０から熱電素子１２１０およびヒートシンク１２２０に向かう方向を第１方向と定義する場合、ヒートシンク１２２０の第１方向の長さは熱電素子１２１０の第１方向の長さより長くてもよい。これによると、第２流体とヒートシンク１２２０間の接触面積が増えるので、熱電素子１２１０の吸熱面の温度が高くなり得る。

この時、図７（ｂ）を参照すると、ヒートシンク１２２０、１３２０と熱電素子１２１０、１３１０は複数の締結部材１２３０、１３３０によって締結され得る。ここで、締結部材１２３０、１３３０はコイルスプリングまたはスクリューなどであり得る。このために、放熱フィン１２２０、１３２０と熱電素子１２１０、１３１０の少なくとも一部には、締結部材１２３０、１３３０が貫通する貫通ホールＳが形成され得る。ここで、貫通ホールＳと締結部材１２３０、１３３０の間には別途の絶縁挿入部材１２４０、１３４０がさらに配置され得る。別途の絶縁挿入部材１２４０、１３４０は締結部材１２３０、１３３０の外周面を囲む絶縁挿入部材または貫通ホールＳの壁面を囲む絶縁挿入部材であり得る。例えば、絶縁挿入部材１２４０、１３４０はリング状であり得る。リング状を有する絶縁挿入部材１２４０、１３４０の内周面は締結部材１２３０、１３３０の外周面に配置され、絶縁挿入部材１２４０、１３４０の外周面は貫通ホールＳの内周面に配置され得る。これによると、締結部材１２３０、１３３０とヒートシンク１２２０、１３２０および熱電素子１２１０、１３１０の間が絶縁され得る。

一方、絶縁挿入部材１２４０、１３４０の形状は図７（ｂ）に例示された通りであり得る。例えば、図７（ｂ）に例示された通り、絶縁挿入部材１２４０、１３４０は熱電素子１２１０、１３１０の基板に形成された貫通ホールＳ領域に段差を形成して、貫通ホールＳの壁面の一部を囲むように配置され得る。または絶縁挿入部材１２４０、１３４０は熱電素子１２１０、１３１０の基板に形成された貫通ホールＳ領域に段差を形成して、貫通ホールＳの壁面に沿って熱電素子１２１０、１３１０の電極（図示されず）が配置される面まで延びるように配置されてもよい。

この時、熱電素子１２１０、１３１０の構造は図８～９に例示された熱電素子１００の構造を有することができる。図８～図９を参照すると、熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０を含む。

下部電極１２０は下部基板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、上部電極１５０は上部基板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は下部電極１２０および上部電極１５０によって電気的に連結される。下部電極１２０と上部電極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。

例えば、口出し線１８１、１８２を通じて下部電極１２０および上部電極１５０に電圧を印加すると、ペルティエ効果によってＰ型熱電レッグ１３０からＮ型熱電レッグ１４０に電流が流れる基板は熱を吸収して冷却部として作用し、Ｎ型熱電レッグ１４０からＰ型熱電レッグ１３０に電流が流れる基板は加熱して発熱部として作用することができる。または、下部電極１２０および上部電極１５０の間に温度差を加えると、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内の電荷が移動して電気が発生することもある。

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（Ｔｅ）を主原料で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）系熱電レッグであり得る。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０は全体重量１００ｗｔ％に対して主原料物質であるＢｉ－Ｓｂ－Ｔｅを９９～９９．９９９ｗｔ％で含み、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）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを０．００１～１ｗｔ％で含むことができる。Ｎ型熱電レッグ１４０はセレニウム（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）系熱電レッグであり得る。例えば、Ｎ型熱電レッグ１４０は全体重量１００ｗｔ％に対して主原料物質であるＢｉ－Ｓｅ－Ｔｅを９９～９９．９９９ｗｔ％で含み、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）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを０．００１～１ｗｔ％で含むことができる。

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篩分け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獲得され得る。この時、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は多結晶熱電レッグであり得る。このように、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は多結晶熱電レッグである場合、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の強度が高くなり得る。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獲得され得る。

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することができる。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らせて形成してもよい。

この時、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することができる。

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（ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍｅｒｉｔ、ＺＴ）で示すことができる。熱電性能指数（ＺＴ）は数式１のように示すことができる。

数式１

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、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃｐ・ρで表すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ^２／Ｓ］であり、ｃｐ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。

ここで、下部基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される下部電極１２０、そして上部基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される上部電極１５０は銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）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。下部電極１２０または上部電極１５０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、電極として機能が落ちることになっ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、互いに対向する下部基板１１０と上部基板１６０は金属基板であり得、その厚さは０．１ｍｍ～１．５ｍｍであり得る。金属基板の厚さが０．１ｍｍ未満であるか、１．５ｍｍ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、下部基板１１０と上部基板１６０が金属基板である場合、下部基板１１０と下部電極１２０の間および上部基板１６０と上部電極１５０の間にはそれぞれ絶縁層１７０がさらに形成され得る。絶縁層１７０は１～２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する素材を含むことができる。この時、絶縁層１７０はエポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つと無機物を含む樹脂組成物であるか、シリコンと無機物を含むシリコン複合体からなる層であるか、酸化アルミニウム層であり得る。ここで、無機物はアルミニウム、ホウ素、ケイ素などの酸化物、窒化物および炭化物のうち少なくとも一つであり得る。

この時、下部基板１１０と上部基板１６０の大きさは異なって形成されてもよい。すなわち、下部基板１１０と上部基板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。ここで、厚さは下部基板１１０から上部基板１６０に向かう方向に対する厚さであり得、面積は基板１１０から上部基板１６０に向かう方向に垂直な方向に対する面積であり得る。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。好ましくは、下部基板１１０の体積、厚さまたは面積は上部基板１６０の体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つより大きく形成され得る。この時、下部基板１１０はゼーベック効果のために高温領域に配置される場合、ペルティエ効果のために発熱領域に適用される場合、または後述する熱電素子の外部環境から保護のためのシーリング部材が下部基板１１０上に配置される場合に上部基板１６０より体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つをもっと大きくすることができる。この時、下部基板１１０の面積は上部基板１６０の面積対比１．２～５倍の範囲で形成することができる。下部基板１１０の面積が上部基板１６０に比べて１．２倍未満で形成される場合、熱伝達効率の向上に及ぼす影響は高くなく、５倍を超過する場合にはかえって熱伝達効率が顕著に落ち、熱電モジュールの基本形状を維持し難い場合もある。

また、下部基板１１０と上部基板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。熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０を含む。

図示されてはいないが、下部基板１１０と上部基板１６０の間にはシーリング部材がさらに配置されてもよい。シーリング部材は下部基板１１０と上部基板１６０の間で下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および上部電極１５０の側面に配置され得る。これに伴い、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および上部電極１５０は外部の湿気、熱、汚染などからシーリングされ得る。

この時、流体流動部１１００上に配置される下部基板１１０はアルミニウム基板であり得、アルミニウム基板は第１表面１１１０および第２表面１１２０それぞれと熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）によって接着され得る。アルミニウム基板は熱伝達性能が優秀であるため、熱電素子１２１０、１３１０の両面のうち一面と第１流体が流れる流体流動部１１００間の熱伝達が容易である。また、アルミニウム基板と第１流体が流れる流体流動部１１００が熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）によって接着されると、アルミニウム基板と第１流体が流れる流体流動部１１００間の熱伝達が妨害を受けないことができる。ここで、熱伝達物質（ＴＩＭ）は熱伝達性能および接着性能を有する物質であり、例えばエポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つおよび無機物を含む樹脂組成物であり得る。ここで、無機物はアルミニウム、ホウ素、ケイ素などの酸化物、炭化物または窒化物であり得る。

再び図３～図７を参照すると、第１熱電モジュール１２００、流体流動部１１００および第２熱電モジュール１３００間のシーリングおよび断熱効果を高めるために、本発明の実施例に係る発電モジュールはシールド部材１６００および断熱部材１７００をさらに含むことができる。断熱部材１７００は、例えば流体流動部１１００の表面のうち第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置された領域を除いた表面に配置され得る。これに伴い、第１流体および第２流体の熱損失を防止することができ、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００それぞれの低温部および高温部間の温度差を大きくして発電性能を高めることができる。また、シールド部材１６００は流体流動部１１００の表面のうち第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置された領域を除いた表面に配置され得る。第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００に連結された配線およびコネクタを外部湿気または汚染から保護することができる。

一方、ガイドプレート１８００は流体通過部２２００内で第２流体の流れをガイドするプレートであり、流体通過部２２００内に流入した第２流体はガイドプレート１８００に沿って流れた後に排出され得る。

第１ガイドプレート１８００－１は第１熱電モジュール１２００と対向するように配置され、第２ガイドプレート１８００－２は第２熱電モジュール１３００と対向するように配置され得、第２流体は第１熱電モジュール１２００と第１ガイドプレート１８００－１の間および第２熱電モジュール１３００と第２ガイドプレート１８００－２の間を通過することができる。

この時、ガイドプレート１８００－１、１８００－２の両側は流体収集プレート１８１０－１、１８１０－２および流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２に延長され得る。流体収集プレート１８１０－１、１８１０－２は流体通過部２２００の入口、すなわち第１連結部２４００に向かって延びるプレートであり、流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２は流体通過部２２００の出口、すなわち第２連結部２５００に向かって延びるプレートを意味し得る。この時、流体収集プレート１８１０－１、１８１０－２、ガイドプレート１８００－１、１８００－２および流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２は一体に連結されたプレートであり得る。第１熱電モジュール１２００に対向して配置された第１ガイドプレート１８００－１および第２熱電モジュール１３００に対向して配置された第２ガイドプレート１８００－２は、一定の距離を維持して対称に配置され得る。ここで、第１ガイドプレート１８００－１および第２ガイドプレート１８００－２間の距離は、第１ガイドプレート１８００－１から第２ガイドプレート１８００－２に向かう水平方向の距離であり得る。これによると、第２流体が第１熱電モジュール１２００および第１ガイドプレート１８００－１の間および第２熱電モジュール１３００および第２ガイドプレート１８００－２の間を一定の流速で通過できるので、均一な熱電性能を得ることができる。これに反し、第１ガイドプレート１８００－１から延びた第１流体収集プレート１８１０－１および第２ガイドプレート１８００－２から延びた第２流体収集プレート１８１０－２の間の距離は、流体通過部２２００の入口に近づくほど遠ざかるように対称に配置され得る。ここで、第１流体収集プレート１８１０－１および第２流体収集プレート１８１０－２の間の距離は、第１流体収集プレート１８１０－１から第２流体収集プレート１８１０－２に向かう水平方向の距離であり得る。これと同様に、第１ガイドプレート１８００－１から延びた第１流体拡散プレート１８２０－１および第２ガイドプレート１８００－２から延びた第２流体拡散プレート１８２０－２の間の距離も流体通過部２２００の出口に近づくほど遠ざかるように対称に配置され得る。これに伴い、流体通過部２２００の入口を通じて流入した第２流体は流体収集プレート１８１０－１、１８１０
－２で集められた後に熱電モジュール１２００、１３００とガイドプレート１８００の間を通過し、流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２で拡散された後に流体通過部２２００の出口を通じて排出され得る。これによると、第２流体が熱電モジュール１２００、１３００とガイドプレート１８００の間を通過する前と通過した後の第２流体の圧力差を最小化できるので、第２流体が流体通過部２２００の入口方向に逆流する問題を防止することができる。

この時、支持フレーム１９００は第１～第２ガイドプレート１８００－１、１８００－２、第１～第２流体収集プレート１８１０－１、１８１０－２および第１～第２流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２を支持する。すなわち、支持フレーム１９００は第１支持フレーム１９００－１および第２支持フレーム１９００－２を含み、第１支持フレーム１９００－１および第２支持フレーム１９００－２の間に第１～第２ガイドプレート１８００－１、１８００－２、第１～第２流体収集プレート１８１０－１、１８１０－２および第１～第２流体拡散プレート１８２０－１、１８２０－２が固定され得る。

一方、本発明の実施例によると、分岐部１４００は流体通過部２２００に流入する第２流体を分岐することができる。分岐部１４００によって分岐された第２流体は、第１熱電モジュール１２００と第１ガイドプレート１８００－１の間および第２熱電モジュール１３００と第２ガイドプレート１８００－２の間を通過することができる。

分岐部１４００は流体流動部１１００の第１面１１１０と第２面１１２０の間に配置され得る。例えば、流体流動部１１００の第５面１１５０が第２流体が流入する方向に向かうように配置される場合、分岐部１４００は流体流動部１１００の第５面１１５０側に配置され得る。または分岐部１４００は空気力学的な原理によって流体流動部１１００の第５面１１５０に対向する第６面１１６０側にも配置され得る。

分岐部１４００は流体流動部１１００の第５面１１５０上で、第５面１１５０の両端から第５面１１５０の両端の間の中心に行くほど第５面１１５０との距離が遠ざかる形状を有することができる。すなわち、分岐部１４００が配置される第５面１１５０は第１面１１１０および第２面１１２０略垂直であり、分岐部１４００は流体流動部１１００の第１面１１１０および第２面１１２０に対して傾斜するように配置され得る。例えば、分岐部１４００は傘状または屋根状を有することができる。これに伴い、第２流体、例えば廃熱が分岐部１４００を通じて分岐されて発電装置の両面に配置された第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００に接触するようにガイドされ得る。すなわち、第２流体は分岐部１４００を通じて分岐されて、第１熱電モジュール１２００と第１ガイドプレート１８００－１の間および第２熱電モジュール１３００と第２ガイドプレート１８００－２の間を通過することができる。

一方、第１熱電モジュール１２００の第１ヒートシンク１２２０の外側と第２熱電モジュール１３００の第２ヒートシンク１３２０の外側の間の幅Ｗ１は分岐部１４００の幅Ｗ２より大きくてもよい。ここで、第１ヒートシンク１２２０の外側と第２ヒートシンク１３２０の外側それぞれは流体流動部１１００に向かう側の反対側を意味し得る。ここで、第１ヒートシンク１２２０および第２ヒートシンク１３２０それぞれは複数の放熱フィンを含むことができ、複数の放熱フィンは気体の流れを妨害しない方向に形成され得る。例えば、複数の放熱フィンは気体が流れる第２方向に沿って延びたプレート状を有することができる。または複数の放熱フィンは気体が流れる第２方向に沿って流路が形成されるように折り曲げられている形状を有してもよい。この時、第１熱電モジュール１２００の第１ヒートシンク１２２０と第２熱電モジュール１３００の第２ヒートシンク１３２０の間の最大幅Ｗ１は、流体流動部１１００を基準として第１ヒートシンク１２２０の最も遠い地点から第２ヒートシンク１３２０の最も遠い地点までの距離を意味し得、分岐部１４００の最大幅Ｗ２は流体流動部１１００の第３表面１１３０と最も近い領域での分岐部１４００の幅を意味し得る。これによると、第２流体の流れが分岐部１４００によって妨害されずに、第１ヒートシンク１２２０および第２ヒートシンク１３２０に直接伝達され得る。これに伴い、第２流体と第１ヒートシンク１２２０および第２ヒートシンク１３２０間の接触面積が大きくなることになって、第１ヒートシンク１２２０および第２ヒートシンク１３２０が第２流体から受ける熱量が増え、発電効率が高くなり得る。

一方、第１ガイドプレート１８００－１は第１熱電モジュール１２００の第１ヒートシンク１２２０と所定間隔離隔するように対称に配置され、第２ガイドプレート１８００－２は第２熱電モジュール１３００の第２ヒートシンク１３２０と所定間隔離隔するように対称に配置され得る。ここで、ガイドプレート１８００－１、１８００－２と各熱電モジュールのヒートシンク間の間隔は、各熱電モジュールのヒートシンクと接触する第２流体の流量および第２流体の差圧に影響を及ぼし得、これに伴い、発電性能に影響を及ぼし得る。

本発明の実施例によると、流体流動部の表面に熱電モジュールが配置される発電装置において、流体流動部の内部を通過する第１流体と熱電モジュールのヒートシンクを通過する第２流体間の温度差を利用して電気を発生させようとする。この時、流体流動部の内部を通過する第１流体の流路は熱電モジュールの熱電レッグが配置された領域に形成される必要がある。これに伴い、面積対比高い冷却効率を得るための流路の設計が必要である。

図１０は本発明の一実施例に係る発電モジュールの上面図であり、図１１は本発明の一実施例に係る流体流動部の断面図であり、図１２は本発明の他の実施例に係る流体流動部の断面図であり、図１３本発明のさらに他の実施例に係る流体流動部の断面図であり、図１４は図１３の流体流動部の流体移動経路を示す。

図１０～図１４を参照すると、本発明の一実施例に係る発電モジュールは流体流動部１１００および流体流動部１１００の第１面１１１０に配置された第１熱電モジュール１２００を含む。流体流動部１１００の第１面１１１０に対向する第２面１１２０には第２熱電モジュール１３００がさらに配置され得る。

流体流動部１１００の第１面１１１０に垂直な他面、すなわち第３面１１３０には流体流入口１１３２および流体排出口１１３４が離隔して配置され、流体流動部１１００の一領域Ａ１には流体収容部３００が配置される。本明細書で、流体流動部１１００の第１面１１１０および第２面１１２０には第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置されるので、流体流動部１１００の第１面１１１０および第２面１１２０は流体流動部１１００の一面および他面と指称され得る。また、流体流動部１１００の第１面１１１０および第２面１１２０の間の第３～第６面１１３０～１１６０は流体流動部１１００の側面または外側面と指称され得る。流体流入口１１３２に流入した第１流体は流体収容部３００を通過した後、流体排出口１１３４を通じて排出され得る。ここで、流体流入口１１３２および流体排出口１１３４の配置順序は図示された通りに制限されるものではなく、流体流入口１１３２および流体排出口１１３４の位置が反対であってもよい。本発明の一実施例によると、流体流動部１１００の一領域Ａ１の表面には第１熱電モジュール１２００が配置される。これに伴い、流体収容部３００が配置された領域に第１熱電モジュール１２００の有効領域、すなわち熱電レッグが配置され得る。流体流動部１１００を通過する第１流体より高い温度を有する第２流体は流体流動部１１００の第５面１１５０からこれに対向する第６面１１６０に向かう方向に熱電モジュール１２００のヒートシンクを通過することができる。

一方、流体流動部１１００と第１熱電モジュール１２００間の結合のために結合部材４００が利用され得る。流体流動部１１００の両表面に第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００を対称に配置するために、結合部材４００は第１熱電モジュール１２００、流体流動部１１００および第２熱電モジュール１３００を通過するように配置され得、このために、流体流動部１１００には結合部材４００が通過するための複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４が形成され得る。複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４は第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置される流体流動部１１００の両面を貫通するように配置され得る。

この時、複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４は流体収容部３００が配置される領域である流体流動部１１００の一領域Ａ１内で流体収容部３００と離隔して配置され得る。すなわち、複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４は流体収容部３００と独立して形成され得、これに伴い、流体収容部３００を通過する第１流体が複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４を通じて外部に流出する問題を防止することができる。

一方、流体流動部１１００の一領域Ａ１の側面に配置された流体流動部１１００の他の領域Ａ２の第１面１１１０には、第１熱電モジュール１２００に連結される配線部（図示されず）および配線部をカバーするシールド部材１６００がさらに配置され得る。流体流動部１１００とシールド部材１６００間の結合のために結合部材５００が利用され得、流体流動部１１００の他の領域Ａ２には流体流動部１１００とシールド部材１６００間の結合のための結合部材５００が通過するための複数の貫通ホールＳ５～Ｓ６が形成され得る。すなわち、複数の貫通ホールＳ５～Ｓ６は、流体収容部３００が配置される領域である流体流動部１１００の一領域Ａ１しか流体収容部３００と重ならないように形成され得る。この時、複数の貫通ホールＳ５～Ｓ６は配線部の位置を考慮して配置され得る。すなわち、熱電モジュールに連結される配線部は熱電モジュールの熱電素子に連結される連結電極（図示されず）、連結電極上に配置されるコネクタ６００およびコネクタ６００に連結される電線（図示されず）を含むことができる。この時、複数の貫通ホールＳ５～Ｓ６はコネクタ６００の位置を避けて配置され得る。これに伴い、貫通ホールＳ５は複数の貫通ホールＳ１、Ｓ２より第３面１１３０にさらに隣接するように配置され得、貫通ホールＳ６は複数の貫通ホールＳ３、Ｓ４より第４面１１４０にさらに隣接するように配置され得る。

ここで、複数の貫通ホールＳ１～Ｓ６の位置および個数は例示的なものであり、本発明の実施例はこれに制限されるものではない。説明の便宜のために図１１～図１４でＡ２領域の貫通ホールＳ５～Ｓを省略したが、これに制限されるものではない。

以下、図１１～図１４を利用して流体流動部１１００の流体収容部３００の形状および貫通ホールの配置関係に関する多様な実施例を説明しようとする。以下、流体収容部は流体流入口１１３２から流体排出部１１３４までの流路を形成できるので、流路と指称されてもよく、流路管と指称されてもよい。

図１１を参照すると、流体流動部１１００内の流体収容部３００は熱電モジュール１２００、１３００が配置される領域に対応する領域である流体流動部１１００のＡ１領域に配置され、流体流入口１１３２に流入した第１流体は流体収容部３００を通過した後、流体排出口１１３４から排出され得る。

ここで、流体収容部３００は別途の流路管を形成しておらず、流体収容部３００と離隔するように複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４が配置され得る。これに伴い、これによると、流体収容部３００が配置された領域と熱電モジュール１２００、１３００が配置された領域が対応するため、熱電モジュールの低温部は冷却性能を得ることができる。また、流体流動部１１００の第１領域Ａ１内に貫通ホールＳ１～Ｓ４が形成されるので、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００は結合部材４００を通じて流体流動部１１００に直接結合され得ながらも、貫通ホールＳ１～Ｓ４が流体収容部３００と離隔して独立的に形成されるので、貫通ホールＳ１～Ｓ４を通じて流体収容部３００内の第１流体が外部に流出する問題を防止することができる。

または図１２～図１４を参照すると、流体収容部３００は流体流入口１１３２から流体排出口１１３４まで連結される流路管の形態を有することができ、流体流入口１１３２に流入した第１流体は流路管に沿って流れた後、流体排出口１１３４を通じて排出され得る。このように、流体収容部３００が流路管の形態を有する場合、流路管の配置構造により最小限の流量で第１流体が第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００が配置されたＡ１領域を全体的に通過することができる。

この時、流路管は複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４と離隔するように配置され得る。これによると、貫通ホールＳ１～Ｓ４を通じて流体収容部３００内の第１流体が外部に流出する問題を防止することができる。

例えば、流体収容部３０００は第１方向Ｘに沿って配置される複数の第１流路部３１０、第１方向Ｘに垂直な第２方向Ｙに沿って配置される複数の第２流路部３２０および複数の第１流路部３１０と複数の第２流路部３２０の間を連結する複数のベンディング部３３０を含むことができる。

ここで、第１方向Ｘは第２流体が通過する方向と平行な方向であり得、第２方向Ｙは第１流体が流入および排出される方向と平行な方向であり得る。すなわち、第１方向Ｘは流体流動部１１００の第５面１１５０から第６面１１６０に向かう方向またはその反対の方向であり得、第２方向Ｙは流体流動部１１００の第３面１１３０から第４面１１４０に向かう方向またはその反対の方向であり得る。

本発明の実施例によると、第３面１１３０から第４面１１４０まで順次Ｙ１区域、Ｙ２区域およびＹ３区域に任意に設定され得る。そして、複数の第１流路部３１０は第１流体がＹ１区域、Ｙ３区域、Ｙ２区域、Ｙ１区域およびＹ３区域を順次通過するように配置され得る。すなわち、複数の流路部３１０は流体流入口１１３２に連結され、第１流体がＹ１区域を通過する第１流路部３１０－１、Ｙ３区域を通過する第１流路部３１０－２、Ｙ２区域を通過する複数の第１流路部３１０－３、３１０－４、３１０－５、再びＹ１区域を通過する第１流路部３１０－６および再びＹ３区域を通過する第１流路部３１０－７を順次通過するように配置され得る。

このように、第１流体が相対的に流体流入口１１３２と近い区域であるＹ１区域と相対的に流体流入口１１３２と遠い区域であるＹ３区域を交互に通過するように複数の第１流路部３１０が配置される場合、流体流動部１１００全体的に均一な温度分布を有することになるので、熱電モジュールの全体領域で均一な熱電性能を得ることができる。

この時、Ｙ１区域を通過する二つの第１流路部３１０－１、３１０－６内の第１流体が通過する方向は互いに反対であり、Ｙ３区域を通過する二つの第１流路部３１０－２、３１０－７内の第１流体が通過する方向は互いに反対であり、Ｙ１区域を通過する二つの第１流路部３１０－１、３１０－６のうち第３面１１３０にさらに近く配置される第１流路部３１０－１とＹ３区域を通過する二つの第１流路部３１０－２、３１０－７のうち第４面１１４０にさらに近く配置される第１流路部３１０－７内の第１流体が通過する方向は、第２流体が流れる方向と同じ方向であり得る。これによると、複数の第１流路部のうち第３面１１３０および第４面１１４０それぞれに最も近く配置される第１流路部３１０－１、３１０－７内の第１流体が通過する方向は、流体流入口１１３２から流体排出口１１３４に向かう方向と同一であり得、これによると、流体収容部内の位置にかかわらず均一な温度分布を有することができ、熱電モジュールの全体領域で均一な熱電性能を得ることができる。

一方、本発明の実施例によると、Ｙ２区域を通過する複数の第１流路部３１０－３、３１０－４、３１０－５は総３個の第１流路部であり得る。この時、複数の第１流路部３１０－３、３１０－４、３１０－５を順次通過する第１流体は第２流体が流れる方向と同一の方向に通過し、第２流体が流れる方向と反対方向に通過した後、再び第２流体が流れる方向と同一の方向に通過するように流れ得る。ここで、Ｙ２区域を通過する複数の第１流路部３１０－３、３１０－４、３１０－５は、複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４を連結する仮想の線によって形成された領域内に配置され得る。これによると、流体収容部３００の中間領域でも第１流体が均一に流れるようにすることができ、これに伴い、流体収容部３００内の温度分布を均一に維持することができ、デッドゾーンの発生を防止できるため、熱電モジュールの全体領域で均一な熱電性能を得ることができる。

一方、本発明の実施例によると、第５面１１５０から第６面１１６０まで順次Ｘ１区域およびＸ２区域に任意に設定され得る。ここで、Ｘ１区域は流体流入口１１３２を含む区域であり、Ｘ２区域は流体排出口１１３４を含む区域であり得る。そして、複数の第２流路部３２０は第１流体がＸ１区域およびＸ２区域を交互に通過するように配置され得る。すなわち、複数の第２流路部３２０は第１流体がＹ１区域の第１流路部３１０－１とＹ３区域の第１流路部３１０－２の間に配置されてＸ２区域を通過する第２流路部３２０－１、Ｙ３区域の第１流路部３１０－２とＹ２区域の第１流路部３１０－３の間に配置されてＸ１区域を通過する第２流路部３２０－２、Ｙ２区域の第１流路部３１０－５とＹ１区域の第１流路部３１０－６の間に配置されてＸ２区域を通過する第２流路部３２０－３、Ｙ１区域の第１流路部３１０－６とＹ３区域の第１流路部３１０－７の間に配置されてＸ１区域を通過する第２流路部３２０－４およびＹ３区域の第１流路部３１０－７と流体排出口１１３４の間に配置されてＸ２区域を通過する第２流路部３２０－５を順次通過するように配置され得る。

このように、第１流体が相対的に流体流入口１１３２と近い区域であるＸ１区域と相対的に流体排出口１１３４と近い区域であるＸ２区域を交互に通過するように複数の第２流路部３２０が配置される場合、流体収容部３００内に全体的に均一な温度分布を有することができ、これに伴い、熱電モジュールの全体領域で均一な熱電性能を得ることができる。

この時、複数の第２流路部３２０は複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４を連結する仮想の線によって形成された領域の外に配置され得る。これによると、流体収容部３００の縁領域でも第１流体が均一に流れるようにすることができ、これに伴い、デッドゾーンの発生を防止でき、熱電モジュールの全体領域で均一な熱電性能を得ることができる。

一方、本発明の実施例によると、流体流入口１１３２および流体排出口１１３４間の距離Ｄ１は、複数の第２流路部３２０のうち第５面１１５０に最も近い第２流路部３２０－４および複数の第２流路部３２０のうち第６面１１６０に最も近い第２流路部３２０－５間の距離Ｄ２以上であり得る。これによると、流体管の経路上屈曲した領域を最小化して第１流体の停滞を最小化することができ、流体管の経路を最短距離で具現することができる。

一方、本発明の実施例によると、流体管は複数のベンディング部３３０を含む。複数のベンディング部３３０のうち一部３３０－１、３３０－２、３３０－３、３３０－４、３３０－７、３３０－８、３３０－９、３３０－１０、３３０－１１は複数の第１流路部３１０のうち一つと複数の第２流路部３２０のうち一つを連結し、複数のベンディング部３３０のうち他の一部３３０－５、３３０－６は複数の第１流路部３１０のうち２個を連結することができる。ここで、複数のベンディング部３３０のうち他の一部３３０－５、３３０－６は複数の貫通ホールＳ１～Ｓ４を連結する仮想の線によって形成された領域内に配置され得る。このように、複数の第１流路部３１０および複数の第２流路部３２０が複数のベンディング部３３０を通じて連結される場合、ベンディング部３３０の壁面に沿った第１流体の流れを誘導するので、流動停滞区間を最小化することができる。

この時、図１３～図１４に図示された通り、複数のベンディング部３３０のうち少なくとも一つの直径ｄ３は、複数の第１流路部３１０のうち少なくとも一つの直径ｄ１複数の第２流路部３２０のうち少なくとも一つの直径ｄ２それぞれより大きくてもよい。ここで、第１流路部３１０、第２流路部３２０およびベンディング部３３０それぞれの直径ｄ１、ｄ２、ｄ３は、第１流体が流れる経路上内壁面間の距離を意味し得る。これによると、ベンディング部３３０で第１流体の流動抵抗を最小化することができ、これに伴い、流体収容部３００全体的に均一な流速を有することができる。

ここで、第１流路部３１０および第２流路部３２０それぞれの直径ｄ１、ｄ２は５ｍｍ以上、好ましくは７ｍｍ以上、さらに好ましくは９ｍｍ以上であり得、ベンディング部３３０の直径ｄ３は第１流路部３１０および第２流路部３２０それぞれの直径ｄ１、ｄ２の１．１倍以上、好ましくは１．２倍以上、さらに好ましくは１．３倍以上であり得る。これによると、流体収容部３００が占める面積および流量対比高い冷却効率を得ることができる。

表１は、図１１～図１３による流路の形状を有する場合の熱電モジュールの温度差をシミュレーションした結果であり、図１５（ａ）は図１１の流路の形状、図１５（ｂ）は図１２の流路の形状および図１５（ｃ）は図１３の流路の形状で熱分布をシミュレーションした結果である。

表１を参照すると、図１１に図示された流路の形状に比べて、図１２および図１２に図示された流路の形状において、流路の面積が減少したにもかかわらず、熱電モジュールの温度差が大きく改善されたことが分かる。特に、図１３に図示された通り、図１２の流路の形状に比べて流路幅をする場合、図１２の流路の長さと同一であるにも関わらず熱交換面積が大きくなり得るため、熱電モジュールの温度差がさらに改善されたことが分かる。

また、図１５（ａ）～図１５（ｃ）を参照すると、図１２および図１３に係る流路の形状は図１１に係る流路の形状に比べて均一な温度分布を有することが分かり、これに伴い高い冷却性能が期待され得る。

このように、本発明の実施例によると、流路の長さを最小化して流体の熱損失を減らしながらも、流路幅を大きくして熱交換面積を増加させるので、高温部と低温部間の温度差を改善できることが分かる。

一方、以上では説明の便宜のために一つの発電装置を中心に説明しているが、これに制限されるものではない。一つの流体通過部２２００内には複数の発電装置が配置されてもよい。

図１６は本発明の他の実施例に係る発電システムを示し、図１７は本発明のさらに他の実施例に係る発電システムを示す。

図１６～図１７を参照すると、発電システムは複数の発電装置を含むことができ、各発電装置は図１～図１４を利用して説明した発電装置と同一であってもよい。

図１６を参照すると、複数の発電装置１０００－１、１０００－２は流体通過部２２００内で第２流体が流れる方向に沿って配置され得る。

または図１７を参照すると、複数の発電装置１０００－１、１０００－２、１０００－３は流体通過部２２００内で互いに離隔して並列的に配置されてもよい。

複数の発電装置の配置構造および個数は発電量などにより変わり得る。

発電システムは船舶、自動車、発電所、地熱、などで発生する熱源を通じて発電することができ、熱源を効率的に取りまとめるために複数の発電装置を配列することができる。この時、各発電装置は冷却部内の流路を改善して熱電素子の低温部の冷却性能を改善することができ、これに伴い、発電装置の効率および信頼性を改善できるため、船舶や車両などの運送装置の燃料効率を改善することができる。したがって、海運業、運送業では運送費の削減と環境に優しい産業環境を造成することができ、製鉄所など製造業に適用される場合、材料費などを節減できる。

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. 内部に形成された流路管を通じて流体が通過し、第１面、前記第１面に対向する第２面、前記第１面と前記第２面の間の第３面、前記第３面に対向する第４面、前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面の間の第５面、そして前記第５面に対向する第６面を含む流体流動部、そして
   前記第１面に配置された第１熱電モジュールを含み、
   前記第３面には互いに離隔するように配置された流体流入口および流体排出口が形成され、前記流路管は前記流体流入口から前記流体排出口まで連結されるように形成され、
   前記流路管は第１方向に沿って配置される複数の第１流路部、前記第１方向に対して垂直な第２方向に沿って配置される複数の第２流路部、および前記複数の第１流路部および前記複数の第２流路部間を連結する複数のベンディング部を含み、
   前記流体流動部は前記第３面から前記第４面まで順次第１区域、第２区域および第３区域に任意に設定され、
   前記複数の第１流路部は前記流体が前記第１区域、前記第３区域、前記第２区域、前記第１区域および前記第３区域を順次通過するように配置される、発電装置。
2. 前記第１熱電モジュールは前記第１面に配置された第１熱電素子および前記第１熱電素子上に配置された第１ヒートシンクを含み、
   前記流体流動部を通過する流体は第１流体であり、
   前記第５面から前記第６面に向かう方向に前記第１流体と温度が異なる第２流体が前記第１ヒートシンクを通過し、
   前記第１方向は前記第２流体が通過する方向と平行な、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記流体流動部は前記第５面から前記第６面まで順次第４区域および第５区域に任意に設定され、
   前記複数の第２流路部は前記流体が前記第４区域および前記第５区域を交互に通過するように配置される、請求項２に記載の発電装置。
4. 前記流路管は前記流体流入口に連結され、前記第１区域を通過する第１流路部、前記第５区域を通過する第２流路部、前記第３区域を通過する第１流路部、前記第４区域を通過する第２流路部、前記第２区域を通過する複数の第１流路部、前記第５区域を通過する第２流路部、前記第１区域を通過する第１流路部、前記第４区域を通過する第２流路部、前記第３区域を通過する第１流路部および前記第５区域を通過して前記流体排出口に連結される第２流路部が順次連結される、請求項３に記載の発電装置。
5. 前記第１区域を通過する二つの第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は互いに反対であり、前記第３区域を通過する二つの第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は互いに反対である、請求項４に記載の発電装置。
6. 前記第１区域を通過する二つの第１流路部のうち前記第３面にさらに近く配置される第１流路部と前記第３区域を通過する二つの第１流路部のうち前記第４面にさらに近く配置される第１流路部内の前記第１流体が通過する方向は、前記第２流体が流れる方向と同一である、請求項５に記載の発電装置。
7. 前記第２区域を通過する複数の第１流路部は３個の第１流路部であり、
   前記３個の第１流路部内の前記第１流体は前記第２流体が流れる方向と同一の方向に通過し、前記第２流体が流れる方向と反対方向に通過した後、再び前記第２流体が流れる方向と同一の方向に通過するように流れる、請求項６に記載の発電装置。
8. 前記流体流動部には前記第１面を貫通する複数の貫通ホールが形成され、
   前記流体流動部と前記第１熱電モジュールは前記複数の貫通ホールに配置された複数の結合部材を通じて結合され、
   前記第２区域を通過する複数の第１流路部は前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって形成された領域内に配置される、請求項１に記載の発電装置。
9. 前記複数の第２流路部は前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって形成された領域の外に配置され、
   前記複数のベンディング部のうち一部は、前記複数の第１流路部のうち一つと前記複数の第２流路部のうち一つを連結し、前記複数のベンディング部のうち他の一部は、前記複数の貫通ホールを連結する仮想の線によって連結された領域内で前記複数の第１流路部のうち２個を連結する、請求項８に記載の発電装置。
10. 前記複数のベンディング部のうち少なくとも一つの直径は、前記複数の第１流路部のうち少なくとも一つの直径および前記複数の第２流路部のうち少なくとも一つの直径それぞれより大きい、請求項１に記載の発電装置。

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