JP7072004B2 - 熱変換装置 - Google Patents

Description

本発明は熱変換装置に関し、より詳細には熱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。

熱電素子とは熱電現象を利用する素子の総称であり、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接合ペア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。

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、平たい第１面および前記第１面と平行に配置された平たい第２面を含み、流入した空気の温度より低い温度の空気が排出される配管と、前記第１面および前記第２面のそれぞれの外部に吸熱面が配置される複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子と電気的に連結される複数のＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）と、前記複数の熱電素子の放熱面に配置される冷却水通過部材とを含み、前記冷却水通過部材の外部底面は第１高さを有する複数の第１外部底面および前記第１高さと異なる第２高さを有する複数の第２外部底面を含み、前記複数の第１外部底面は前記複数の熱電素子の前記放熱面と接触し、前記複数の第２外部底面には前記複数のＰＣＢが配置される。

前記ＰＣＢのそれぞれは前記複数の熱電素子のうち少なくとも２つの熱電素子と連結され得る。

前記複数の熱電素子は複数の列および複数の行を含むアレイの形態で配列され、前記ＰＣＢのそれぞれは、１つの列に含まれる前記複数の熱電素子と連結されるか、または、１つの行に含まれる前記複数の熱電素子と連結され得る。

前記複数の熱電素子の間には断熱部材がさらに配置され、前記断熱部材と前記複数のＰＣＢは所定間隔で離隔され得る。

前記断熱部材と前記複数のＰＣＢの間にはエアギャップが存在し得る。

前記配管の内面には放熱フィンが配置され得る。

前記配管と前記放熱フィンは一体に形成され得る。

前記冷却水通過部材は、ケースと、前記ケースの一壁面に形成され、冷却水が流入する複数の流入管と、前記ケースの他壁面に形成され、前記冷却水が流出する複数の流出管と、前記複数の流入管から前記複数の流出管に向かって前記冷却水が流れる方向において前記ケースの内部底面に形成される複数の放熱フィンと、前記ケースを覆うカバーとを含むことができる。

前記放熱フィンのそれぞれは、前記複数の流入管のそれぞれの側の第１領域と、前記複数の流出管のそれぞれの側の第２領域と、前記第１領域および前記第２領域の間の第３領域とを含み、前記第１領域および前記第２領域の高さは前記第３領域の高さより低くてもよい。

前記複数の流入管から前記複数の流出管に向かって前記冷却水が流れる前記方向は前記配管に流入した空気が排出される方向と異なり得る。

前記配管に連結され、前記配管に空気を流入させる空気流入管と、前記配管に連結され、前記配管から空気が排出される空気排出管とをさらに含むことができる。

前記空気流入管の断面形状および前記空気排出管の断面形状は異なってもよく、前記空気流入管と前記配管を連結する第１連結管および前記配管と前記空気排出管を連結する第２連結管をさらに含むことができる。

前記配管の外部には前記複数の熱電素子を配置するための複数の溝が形成され得る。

本発明の他の実施例に係る熱変換装置は、吸熱面および発熱面を含む複数の熱電素子；および前記複数の熱電素子と電気的に連結される基板；を含み、前記複数の熱電素子の吸熱面には流入した流体の温度より低い温度の流体が排出される配管が配置され、前記複数の熱電素子の発熱面には冷却水通過部材が配置され、前記基板は、前記基板に最も隣接した熱電素子と前記基板の間に配置されて前記基板と前記基板に最も隣接した熱電素子を電気的に連結する連結部；を含み、前記基板と前記熱電素子の間の最短距離は、前記基板に接触する前記連結部の一端と前記熱電素子の間の距離より小さい。

前記基板と前記熱電素子の間の最大距離は、前記基板と接触する前記連結部の一端と前記熱電素子の間の最大距離より大きくてもよい。

前記複数の熱電素子は複数の列および複数の行を含むアレイの形態で配列され得る。

前記基板は前記複数の列に配置された複数の熱電素子のうち、前記基板に最も隣接するように配置された熱電素子と連結されるか、前記複数の行に配置された複数の熱電素子のうち、前記基板に最も隣接するように配置された熱電素子と連結され得る。

前記基板は前記複数の列のうち一つの列に含まれた複数の熱電素子と連結されるか、前記複数の行のうち一つの行に含まれた複数の熱電素子と連結され得る。

前記複数の熱電素子は前記複数の列のうち一つの列または前記複数の行のうち一つの行で隣接した熱電素子と連結され得る。

前記配管は第１面および前記第１面に対向する第２面を含み、前記冷却水通過部材の内面に配置される放熱フィンをさらに含むことができる。

前記放熱フィンは溝を含み、前記基板は前記溝に配置され得る。

前記溝は前記放熱フィンの縁のうち前記配管で前記流体が排出される縁側に配置され得る。

前記冷却水通過部材は、ケース；前記ケースの一壁面に形成され、冷却水が流入する複数の流入管；前記ケースの他壁面に形成され、冷却水が流出する複数の流出管；および前記ケースを覆うカバーを含むことができる。

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、熱変換装置の全領域で均一な性能を得ることができ、配管を通じて流れる空気の高い温度によって熱電素子に電気的に連結されるＰＣＢが損傷する問題を防止することができる。

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の分解斜視図。 本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の断面図。 本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の斜視図。 本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の上面図。 本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の断面図。 本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の外部に複数の熱電素子が配置された上面図。 本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる冷却水通過部材の外部底面を図示する図面。 図８の冷却水通過部材の外部底面に配置されたＰＣＢを図示する図面。 本発明の一実施例に係る熱変換装置の配管、熱電素子、ＰＣＢおよび冷却水通過部材の配置関係を示す断面図。 本発明の一実施例に係る冷却水通過部材の斜視図。 本発明の一実施例に係る配管、熱電素子および冷却水通過部材の断面図。 本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管上に熱電素子が配置された上面図。 本発明の他の実施例に係る熱変換装置に含まれる冷却水通過部材の外部底面を図示する図面。 図１４の冷却水通過部材の外部底面に配置された基板を図示する図面。 本発明の他の実施例に係る熱変換装置の配管、熱電素子、基板および冷却水通過部材の配置関係を示す断面図。 本発明の他の実施例に係る熱電素子、放熱フィンおよび基板間の配置関係を示す斜視図。 図１７でＤの拡大図。

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、本発明の技術的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たり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。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ることを意味しない限り、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と解釈されない。

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、同一であるか対応する構成要素は同じ参照番号を付与し、これに対する重複する説明は省略する。

図１は本発明の一実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図２は本発明の一実施例に係る熱変換装置の分解斜視図である。図３は本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の断面図であり、図４は本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の斜視図である。

図１～図２を参照すると、熱変換装置１０００は複数の熱電素子１００、複数のＰＣＢ２００、配管３００および冷却水通過部材４００を含む。

配管３００から排出される流体（以下、空気を例にして説明する）の温度は配管３００に流入する空気の温度より低い。例えば、配管３００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、配管３００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。

冷却水通過部材４００から流出する冷却水の温度は冷却水通過部材４００に流入する冷却水の温度より高い。例えば、冷却水通過部材４００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。冷却水通過部材４００に流入する冷却水の温度は配管３００に流入する空気の温度より低い。例えば、配管３００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。

複数の熱電素子１００の吸熱面は配管３００の外部に配置され、発熱面は冷却水通過部材４００に配置される。そして、複数の熱電素子１００と電気的に連結される複数のＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）は複数の熱電素子１００に電源を供給する。

本発明の実施例に係る熱変換装置１０００は、配管３００を通じて流れる空気および冷却水通過部材４００を通じて流れる冷却水間の温度差、すなわち複数の熱電素子１００の吸熱面および発熱面間の温度差を利用して熱電素子１００を通じて電力を生産することができる。

この時、配管３００を通じて流れる空気の方向と冷却水通過部材４００を通じて流れる冷却水の方向は異なり得る。例えば、配管３００を通じて流れる空気の方向と冷却水通過部材４００を通じて流れる冷却水の方向は、約９０°異なり得る。これによると、配管３００の外部に冷却水通過部材４００を配置する構造の設計が容易である。それだけでなく、配管３００に空気が流入する領域と配管３００から空気が排出される領域での冷却水の温度を均一に維持させることができるので、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、本発明の実施例に係る熱電装置１０００は配管３００に連結され、配管３００に空気を流入させる空気流入管５００、そして、配管３００に連結され、配管３００から空気が排出される空気排出管５０２をさらに含むことができる。

空気流入管５００および空気排出管５０２の断面形状と配管３００の断面形状が互いに異なる場合、空気流入管５００と配管３００を連結する第１連結管６００および配管３００と空気排出管５０２を連結する第２連結管６０２をさらに含んでもよい。例えば、一般的な空気流入管５００および空気排出管５０２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、外部に複数の熱電素子１００の吸熱面が配置される配管３００は四角筒状または多角筒状であり得る。これに伴い、一末端は円筒状であり、他末端は四角筒状である第１連結管６００と第２連結管６０２を媒介として空気流入管５００および配管３００の一末端が連結され、空気排出管５０２および配管３００の他末端が連結され得る。

この時、空気流入管５００と第１連結管６００、第１連結管６００と配管３００、配管３００と第２連結管６０２、第２連結管６０２と空気排出管５０２等は締結部材によって連結され得る。

そして、本発明の実施例に係る熱変換装置１０００は断熱部材７００をさらに含んでもよい。例えば、断熱部材７００は冷却水通過部材４００を囲むように配置されたり、配管３００の外部で複数の熱電素子１００の間に配置され得る。

一方、図３～図４を参照すると、本発明の実施例に係る熱電素子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。

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、リード線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、ペルチェ効果によって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されて発熱部として作用することができる。本明細書で、吸熱面は冷却部として作用する基板の一面であり、発熱面は発熱部として作用する基板の一面でもよい。

ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はビスマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔe）を主原料として含むビスマステルル（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）、ビスマス（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ル（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）、ビスマス（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ル（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、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したり、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の電気伝導特性が互いに異なるため、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。

本発明の一実施例に係る熱電素子の性能はゼーベック指数で表すことができる。ゼーベック指数（ＺＴ）は数式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で表すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ^２／Ｓ］で、ｃ_ｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは密度［ｇ／ｃｍ^３］である。

熱電素子のゼーベック指数を得るために、Ｚメーターを利用してＺ値（Ｖ／Ｋ）を測定し、測定したＺ値を利用してゼーベック指数（ＺＴ）を計算することができる。

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３（ｂ）で図示する構造を有してもよい。図３（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スマス（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３（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と同一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、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間の結合力が高いので、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。

次いで、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間の反応を防ぐので、熱電素子の性能ｎ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のそれぞれの厚さは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をあらかじめ配置して、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、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、および、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）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、電極としての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、相互に対向する下部基板１１０と上部基板１６０は絶縁基板または金属基板であり得る。絶縁基板はアルミナ基板または柔軟性を有する高分子樹脂基板であり得る。柔軟性を有す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マー（ＣＯＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、レジン（ｒｅｓｉｎ）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。金属基板はＣｕ、Ｃｕ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、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の間にはそれぞれ誘電体層１７０がさらに形成され得る。誘電体層１７０は５～１０Ｗ／Ｋ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。誘電体層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、熱電伝度が低くなって放熱効率が低下し得る。

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。例えば、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。これにより、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、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。これにより、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され得る。

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、本発明の実施例に係る熱変換装置に含まれる配管、熱電素子、ＰＣＢおよび冷却水通過部材をさらに詳細に説明する。

図５は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の上面図、図６は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の断面図であり、図７は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管の外部に複数の熱電素子が配置された上面図である。そして、図８は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる冷却水通過部材の外部底面を図示し、図９は図８の冷却水通過部材の外部底面に配置されたＰＣＢを図示し、図１０は本発明の一実施例に係る熱変換装置の配管、熱電素子、ＰＣＢおよび冷却水通過部材の配置関係を示す断面図である。図１１は本発明の一実施例に係る冷却水通過部材の斜視図であり、図１２は本発明の一実施例に係る配管、熱電素子および冷却水通過部材の断面図である。

図５～図７を参照すると、配管３００は平たい第１面３１０および第１面３１０に対向する平たい第２面３２０を含み、第１面３１０および第２面３２０のそれぞれの外部には熱電素子１００が載置されるための溝３１２が設けられる。そして、溝３１２ごとに一つの熱電素子１００の吸熱面が配置される。ここで、各熱電素子１００は図４に図示された通り、交互に直列配置される複数のＰ型熱電レッグと複数のＮ型熱電レッグを含むことができる。この時、複数の熱電素子１００は複数の列および複数の行を含むアレイの形態で配列され得る。ここで、３×４構造を例示しているが、これに制限されるものではなく、望む出力に応じて多様な大きさのアレイで配列され得る。図示してはいないが、複数の熱電素子１００はサーマルグリス（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒｅａｓｅ）によって配管３００の第１面３１０および第２面３２０と接着され得る。

このように、配管３００が平たい第１面３１０および第１面３１０と平行に配置される平たい第２面３２０を含むと、曲率を有する面に比べて熱電素子１００を配置することが容易であり、配管３００の外部表面と熱電素子１００の吸熱面間の全面接触による吸熱性能を高めることができる。

一方、第１面３１０および第２面３２０上で熱電素子１００が配置された領域を除いた領域、すなわち複数の熱電素子１００の間には断熱部材７００がさらに配置されてもよい。これにより、配管３００を通過する熱い空気によって配管３００の外部表面から熱が発生しても、配管３００の第１面３１０および第２面３２０に隣接して配置される冷却水通過部材４００またはＰＣＢ２００には影響を及ぼさないことができる。

再び図６を参照すると、配管３００の内面には放熱フィン３３０がさらに配置され得る。放熱フィン３３０は配管３００と一体に形成され得、配管３００およびこれを含む放熱フィン３３０は一つのヒートシンクとして作用してもよい。このように、配管３００の内面に放熱フィン３３０がさらに配置されると、配管３００を通過する熱い空気の熱が熱電素子１００の吸熱面側にさらに効率的に伝達され得る。

一方、図６では配管３００の断面が四角状のものを例示しているが、これに制限されるものではない。第１面３１０および第１面３１０に対向する第２面３２０が平行であれば、第１面３１０および第２面３２０を連結する面が曲率を有する面でもよい。

図８～図１０を参照すると、冷却水通過部材４００の外部底面の一部は複数の熱電素子１００の発熱面と接触し、冷却水通過部材４００の外部底面の他の一部には複数のＰＣＢ２００が配置され得る。この時、各ＰＣＢ２００は冷却水通過部材４００の外部底面にスクリュー２０２を通じて締結され得る。そして、各ＰＣＢ２００はアレイの形態で配列された複数の熱電素子１００のうち一つの列に含まれる複数の熱電素子１００と連結されるか、一つの行に含まれる複数の熱電素子１００と連結されてもよい。ここで、各ＰＣＢ２００と複数の熱電素子１００はコネクターによって連結されるか、ハンダ付け方式で連結され得る。

一方、冷却水通過部材４００の外部底面は、第１高さを有する複数の第１外部底面４０２および第１高さと異なる第２高さを有し複数の第１外部底面４０２の間に配置される複数の第２外部底面４０４を含むことができる。そして、第１外部底面４０２は複数の熱電素子１００の発熱面と接触し、第２外部底面４０４には複数のＰＣＢ２００が配置され、複数の熱電素子１００の発熱面を基準とする時、第２高さは第１高さより高くてもよい。例えば、複数の第２外部底面４０４は複数の第１外部底面４０２の間に形成された溝の形態を有し得る。これにより、各ＰＣＢ２００は複数の熱電素子１００の間に配置された断熱部材７００から所定間隔ｄで離隔して配置され得、断熱部材７００と各ＰＣＢ２００の間にはエアギャップが存在し得る。これによると、ＰＣＢ２００は配管３００を通じて流れる熱い空気によって配管３００の外部表面に放出される熱によって受ける影響を最小化することができる。

図１１～図１２を参照すると、本発明の実施例に係る冷却水通過部材４００は、底面および壁面からなるケース４０６、ケース４０６の一壁面に形成され、冷却水が流入する複数の流入管４１０、ケース４０６の他壁面に形成され、冷却水が流出する複数の流出管４２０、ケース４０６の内部底面で複数の流入管４１０から複数の流出管４２０に向かって冷却水が流れる方向に沿って形成される複数の放熱フィン４３０、および、ケース４０６を覆うカバー４５０を含む。ケース４０６にはカバー４５０と締結されるための溝４４０がさらに形成されてもよい。

この時、複数の流入管４１０および複数の流出管４２０は同じ個数を有し、互いに対応する位置に配置され得、各流入管４１０から各流出管４２０に向かう方向は配管３００を通じて熱い空気が流れる方向と交差する方向であり得る。

一方、冷却水通過部材４００のケース４０６の内部底面に形成される各放熱フィン４３０は、複数の流入管４１０側の第１領域４３２、複数の流出管４２０側の第２領域４３４、および、第１領域４３２と第２領域４３４の間の第３領域４３６を含むことができる。この時、第１領域４３２および第２領域４３４の高さは第３領域４３６の高さより低くてもよい。このように、冷却水が流入する流入管周辺および冷却水が流出する流出管周辺の放熱フィンの高さが低い場合、流路を妨害することなく、冷却水が円滑に流れることができる。

一方、本発明の実施例によると、配管３００に流入する空気の温度と配管３００を通過した後に排出される空気の温度は異なり得る。すなわち、配管３００を通過した後に排出される空気の温度は配管３００に流入する空気の温度より低くてもよい。ところが、本発明の実施例に係る熱変換装置に含まれる熱電素子の熱電性能は吸熱面と発熱面間の温度差が大きいほど高く現れ得る。これに伴い、配管３００の排出口周辺での熱電性能は流入口周辺での熱電性能に比べて低く現れ得る。本発明の実施例では、このような問題を解決するために、配管３００の流入口および排出口の幅または面積を互いに異ならせたり、位置別に各熱電素子の大きさ、配置形態、配置個数などを変更して温度差による熱電性能の減少を補償することができる。

図１３は、本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる配管上に熱電素子が配置された上面図である。

図１３を参照すると、配管３００の第１面３１０および第２面３２０の幅は空気の流入口から排出口に行くほど大きくなり、これと共に配置された熱電素子の個数も多くなる。これにより、排出口周辺の熱電性能の減少が補償され得る。

この他にも、冷却水通過部材４００が複数の流入管を含む場合、配管３００の排出口に近いほど、より低い温度の冷却水を流入することができる。これにより、配管３００の流入口周辺に配置された熱電素子の吸熱面および発熱面間の温度差と配管３００の排出口周辺に配置された熱電素子の吸熱面および発熱面間の温度差を類似するように維持することができるため、排出口周辺の熱電性能の減少が補償され得る。

一方、冷却水通過部材および基板は他の実施例で配置されてもよい。

図１４は本発明の他の実施例に係る熱変換装置に含まれる冷却水通過部材の外部底面を図示し、図１５は図１４の冷却水通過部材の外部底面に配置された基板を図示し、図１６は本発明の他の実施例に係る熱変換装置の配管、熱電素子、基板および冷却水通過部材の配置関係を示す断面図である。

図１４～図１６を参照すると、冷却水通過部材４００の外部底面の一部は複数の熱電素子１００の発熱面と接触することができる。そして、冷却水通過部材４００の外部底面の他の一部には基板２００が配置され得る。この時、基板２００は複数個であり得、各基板２００は冷却水通過部材４００の外部底面にスクリュー２０２を通じて締結され得る。ここで、基板２００はＰＣＢと混用され得る。

基板２００は複数の熱電素子１００のうち一つの列に含まれる複数の熱電素子１００と連結され得る。また、一つの行に含まれる複数の熱電素子１００と連結されてもよい。そして、基板２００は冷却水通過部材４００の外部底面の縁に位置することができる。例えば、各基板２００と複数の熱電素子１００は一つの列に配置された複数の熱電素子１００のうち基板２００に最も隣接するように位置した熱電素子と直接的に連結され得る。そして、基板２００に最も隣接して位置した熱電素子１００は同じ列の他の熱電素子と電気的に連結され得る。このような構成によって、基板２００は所定の列に配置された熱電素子のうち最も隣接して配置された熱電素子１００と直接連結されることによって、前記所定の列に配置された熱電素子以外の熱電素子とも電気的に連結され得る。

一方、冷却水通過部材４００の外部底面は、第１高さを有する複数の第１外部底面４０２および第１高さと異なる第２高さを有し複数の第１外部底面４０２の間に配置される複数の第２外部底面４０６を含むことができる。そして、第１外部底面４０２は複数の熱電素子１００の発熱面と接触し、第２外部底面４０６には複数の基板２００が配置され、複数の熱電素子１００の発熱面を基準とする時、第２高さは第１高さより高くてもよい。例えば、複数の第２外部底面４０６は複数の第１外部底面４０２の間に形成された溝の形態を有し得る。これにより、各基板２００は複数の熱電素子１００の間に配置された断熱部材７００から所定間隔ｄで離隔して配置され得、断熱部材７００と各基板２００の間にはエアギャップが存在し得る。これによると、基板２００は配管３００を通じて流れる熱い空気によって配管３００の外部表面に放出される熱によって受ける影響を最小化することができる。

図１７は本発明の他の実施例に係る熱電素子、放熱フィンおよび基板間の配置関係を示す斜視図であり、図１８は図１７でＤの拡大図である。

図１７および図１８を参照すると、前述した通り、複数の熱電素子１００はアレイの形態で列と行で配置され得る。そして、熱電素子１００は下部に放熱フィン４３０が配置され得る。そして、放熱フィン４３０は熱電素子１００の列および行のうちいずれか一つに沿って配置され得る。例えば、放熱フィン４３０は熱電素子１００の列に沿って配置され得る。そして、放熱フィン４３０は冷却水通過部材で冷却水が流れる方向と同じ方向にパターンが形成され得る。具体的には、放熱フィン４３０はパターンを含むことができ、放熱フィン４３０に形成されたパターンは冷却水の流れを妨害しないように形成され得る。例えば、放熱フィン４３０は複数の貫通ホールを有することができる。そして、複数の貫通ホールは、貫通方向が冷却水が流れる方向と同じ方向であり得る。このような構成によって、放熱フィン４３０は冷却水と熱電素子の間の熱交換の効率を改善することができる。

前述した通り、放熱フィン４３０のパターンは冷却水が流れる方向と同じ方向に形成され得る。そして、放熱フィン４３０のパターンは複数の熱電素子１００の列または行と一致し得る。このような構成によって、放熱フィン４３０は複数の熱電素子１００の列方向と同じ方向を有する貫通ホール（例えば、パターン）または複数の熱電素子１００の行方向と同じ方向を有する貫通ホールを含むことができる。

また、放熱フィン４３０は複数個であり得、複数の熱電素子１００の列または行ごとにそれぞれ配置され得る。ただし、これに限定されず、放熱フィン４３０は一体に形成されてもよい。

放熱フィン４３０は溝であるリセスｈを含むことができる。リセスｈは放熱フィン４３０の一側に設けられ得る。例えば、リセスｈは放熱フィン４３０の縁に配置され得る。また、リセスｈは複数の熱電素子１００の列または行と同じ方向に放熱フィン４３０の縁に配置され得る。

そして、基板２００はリセスｈに配置され得る。リセスｈは放熱フィン４３０の縁に配置され得る。したがって、基板２００は放熱フィン４３０の縁に配置され得る。例えば、基板２００は放熱フィン４３０の縁のうち、配管で前記流体が排出される排出管側に配置され得る。このような配置によって、基板２００は冷却水とヒートシンク間の熱交換を妨害しないため冷却水の冷却作用を阻害しない。そして、基板２００は配管を通過した流体から影響を受けるため、高温の流体ではなく温度が低くなった流体から熱の伝達を受けて耐久性の低下を防止することができる。また、高温によって基板２００の特性が変わることを防止することができる。

また、基板２００は熱電素子１００と連結される連結溝２１０および連結部２２０を含むことができる。連結溝２１０および連結部２２０は基板２００上に位置し、熱電素子１００のリード線１８１、１８２と電気的連結のために伝導性物質が配置され得る。連結ホール２１０および連結部２２０は一体に形成され得る。

また、連結部２２０は基板２００に最も隣接した列または行に配置された熱電素子１００と基板２００の間に配置され、基板２００と基板２００に最も隣接した列または行に配置された熱電素子１００を電気的に連結することができる。

そして、基板２００と基板２００に最も隣接した熱電素子１００間に電気的連結がなされると、基板２００に最も隣接した熱電素子１００と同じ列または同じ行に配置された他の熱電素子１００間の電気的連結がなされているので、他の熱電素子１００も結果的に基板２００から電気の供給を受けることができる。このような構成によって、基板２００に最も隣接した熱電素子１００と基板２００間を電気的に連結するだけで、複数の熱電素子１００をすべて駆動することができる。このような駆動は、複数の熱電素子１００が同じ行または同じ列に配置された熱電素子１００間の電気的連結によって提供され得る。これにより、複数の熱電素子１００のそれぞれと基板２００間のワイヤー、コネクターなどによる電気的連結が個別的になされない可能性もある。したがって、実施例に係る熱変換装置は熱電素子１００に加えられる物理的、熱的衝撃から前記電気的連結が切れる問題を防止することができる。したがって、実施例に係る熱変換装置は物理的、熱的衝撃から自由であり得る。それだけでなく、実施例に係る熱変換装置は基板２００と複数の熱電素子１００間の個別的な連結が要求されないので、連結による不良の発生率も減少し得る。

そして、基板２００と基板２００に最も隣接した熱電素子１００の間の最短距離ｈ５は、基板２００に接触する連結部２２０の一端と熱電素子１００の間の距離ｈ４より小さくてもよい。そして、基板２００と基板２００に最も隣接した熱電素子１００の間の最短距離は、図１８のように断面上の基板２００の上面と隣接した熱電素子１００の基板の下面間の最小距離であり得る。そして、ここで、基板２００に接触する連結部２２０の一端と熱電素子１００の間の距離は、基板２００に接触する連結部２２０の一端と熱電素子１００の間の最短距離ｈ４を含む意味である。

また、例えば、基板２００と基板２００に最も隣接した熱電素子１００の間の最短距離ｈ５は、基板２００に接触する連結部２２０の一端と熱電素子１００の間の最短距離ｈ４より小さいので、連結部２２０は基板と電気的に連結され得る。このような構成によって、基板２００は熱電素子１００のリード線１８１、１８２を通じて熱電素子１００と電気的結合が大きくなり得る。

また、基板２００は前記の通り、リセスｈに配置されて熱電素子１００と離隔距離を有し得る。これにより、基板２００は熱電素子１００から伝達された熱を放熱フィン４３０を通じて伝達を受けるだけであり、熱電素子１００と接触によって直接的に伝達を受けないため、放熱フィン４３０での熱伝達効率を低下させることを防止することができる。また、基板２００はリセスｈに配置され、熱電素子１００と離隔して配置されるため、外部の衝撃から影響を少なく受けることができる。

また、基板２００と熱電素子１００の間の最大距離は、基板２００と接触する連結部２２０の一端と前記熱電素子の間の最大距離より大きくてもよい。基板２００と熱電素子１００の間の最大距離は、基板２００の下面の所定の地点と基板２００の下面の所定の地点に対して最も隣接した熱電素子１００の間の最大距離を含むことができる。そして、基板２００と接触する連結部２２０の一端と熱電素子１００の間の最大距離は、基板２００の下面の所定の地点から前記所定の地点に最も隣接した熱電素子１００の間の最大距離を含むことができる。すなわち、連結部２２０の一端は放熱フィン４３０に接触せずに基板２００内に配置されて、基板２００と電気的に連結され得る。したがって、基板２００内に存在する電気的連結地点は多様に配置され得るため、基板２００で回路パターンなどの設計が自由であり得る。また、このような構成によって、連結部２２０と基板２００の間の電気的連結による結合力が改善され得る。

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はずである。

Claims (15)

1. 平たい第１面および前記第１面と平行に配置された平たい第２面を含み、流入した空気の温度より低い温度の空気が排出される配管と、
   前記第１面および前記第２面のそれぞれの外部に吸熱面が配置される複数の熱電素子と、
   前記複数の熱電素子と電気的に連結される少なくとも１つのＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）と、
   前記複数の熱電素子の放熱面に配置される冷却水通過部材とを含み、
   前記冷却水通過部材の外部底面は第１高さを有する少なくとも１つの第１外部底面および前記第１高さと異なる第２高さを有する少なくとも１つの第２外部底面を含み、
   前記少なくとも１つの第１外部底面は前記複数の熱電素子の前記放熱面と接触し、前記少なくとも１つの第２外部底面には前記複数のＰＣＢが配置される、熱変換装置。
2. 前記ＰＣＢのそれぞれは前記複数の熱電素子のうち少なくとも２つの熱電素子と連結される、請求項１に記載の熱変換装置。
3. 前記複数の熱電素子は複数の列および複数の行を含むアレイの形態で配列され、
   前記ＰＣＢのそれぞれは、１つの列に含まれる前記複数の熱電素子と連結されるかまたは１つの行に含まれる前記複数の熱電素子と連結される、請求項２に記載の熱変換装置。
4. 前記複数の熱電素子の間には断熱部材がさらに配置され、
   前記断熱部材と前記少なくとも１つのＰＣＢは所定間隔で離隔する、請求項１に記載の熱変換装置。
5. 前記断熱部材と前記少なくとも１つのＰＣＢの間にはエアギャップが存在する、請求項４に記載の熱変換装置。
6. 前記配管の内面には放熱フィンが配置される、請求項１に記載の熱変換装置。
7. 前記配管と前記放熱フィンは一体に形成される、請求項６に記載の熱変換装置。
8. 前記冷却水通過部材は、
   ケースと、
   前記ケースの一壁面に形成され、冷却水が流入する複数の流入管と、
   前記ケースの他壁面に形成され、前記冷却水が流出する複数の流出管と、
   前記複数の流入管から前記複数の流出管に向かって前記冷却水が流れる方向において前記ケースの内部底面に形成される複数の放熱フィンと、
   前記ケースを覆うカバーとを含む、請求項１に記載の熱変換装置。
9. 前記放熱フィンのそれぞれは、
   前記複数の流入管のそれぞれの側の第１領域と、
   前記複数の流出管のそれぞれの側の第２領域と、
   前記第１領域および前記第２領域の間の第３領域とを含み、
   前記第１領域および前記第２領域の高さは前記第３領域の高さより低い、請求項８に記載の熱変換装置。
10. 前記複数の流入管から前記複数の流出管に向かって前記冷却水が流れる前記方向は、前記配管に流入した空気が排出される方向と異なる、請求項９に記載の熱変換装置。
11. 前記配管に連結され、前記配管に空気を流入させる空気流入管と、前記配管に連結され、前記配管から空気が排出される空気排出管とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱変換装置。
12. 前記空気流入管の断面形状および前記空気排出管の断面形状は異なり、前記空気流入管と前記配管を連結する第１連結管および前記配管と前記空気排出管を連結する第２連結管をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の熱変換装置。
13. 前記配管の外部には前記複数の熱電素子を配置するための複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱変換装置。
14. 前記少なくとも１つのＰＣＢは、前記少なくとも１つのＰＣＢと前記少なくとも１つのＰＣＢに最も隣接する前記熱電素子の間に配置されて前記少なくとも１つのＰＣＢと前記少なくとも１つのＰＣＢに最も隣接する前記熱電素子を電気的に連結する連結部をさらに含み、
    前記少なくとも１つのＰＣＢと前記熱電素子の間の最短距離は、前記熱電素子と前記少なくとも１つのＰＣＢに接触する前記連結部の一端の間の距離よりも短い、請求項１に記載の熱変換装置。
15. 前記少なくとも１つのＰＣＢと前記熱電素子の間の最大距離は、前記熱電素子と前記少なくとも１つのＰＣＢに接触する前記連結部の一端の間の最大距離よりも大きい、請求項１４に記載の熱変換装置。

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