KR101364297B1 - 열전기 장치 - Google Patents

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KR101364297B1
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에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 제1 유동 덕트(8)와 적어도 하나의 제2 유동 덕트(9)를 구비한 열전기 장치에 관한 것으로서, 상기 열전기 장치(1)는 적어도 하나의 제1 유동 덕트(8)에 할당된 적어도 하나의 제1 이송층(3)과 적어도 하나의 제2 유동 덕트(9)에 할당된 적어도 하나의 제2 이송층(4), 상기 제1 이송층(3)과 상기제2 이송층(4) 사이의 적어도 하나의 중간 공간(5), 및 상기 적어도 하나의 중간 공간에 배치되고 서로 전기적으로 연결된 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자를 포함하며, 상기 제1 이송층의 상대적인 제1 열팽창과 상기 제2 이송층의 상대적인 제2 열팽창은 작동 조건 하에서 동일하다. 더욱이 본 발명은 자동차의 배기 시스템에서 그러한 열전기 장치(1)의 사용을 증진시키는 제1 및 제2 기판에 적합한 재료에 관한 것이다.

Description

열전기 장치{THERMOELECTRIC DEVICE}
본 발명은 열전기 생성기를 사용하여 예를 들어 내연기관의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생성하는 열전기 장치에 관한 것이다. 특히, 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 생성기에 관한 것이다.
자동차 엔진의 배기 가스는 예를 들면 배터리를 충전하기 위해 열전기 생성기나 열전기 장치에 의해 전지 에너지로 변환될 수 있는 열에너지나, 또는 전기부하에 직접적으로 필요한 에너지를 저장하거나 공급할 수 있는 여러 다른 에너지를 갖는다. 따라서, 자동차는 우수한 에너지 효율 레벨로 작동되고 자동차가 작동하는 동안에 비교적 많은 양의 에너지가 이용될 수 있다.
상기 열전기 생성기는 적어도 다수의 열전기 변환 요소들을 갖는다. 열전기 변환 요소들은 열 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환(제벡(Seebeck) 효과)하거나, 그 반대로 변환(펠티에(Peltier) 효과)할 수 있는 타입의 것들이다. "제벡 효과"는 열 에너지를 전기 에너지로의 변환 현상에 기초하며 열전기 에너지를 생성하는데 사용된다. "펠티에 효과"는 상기 "제벡 효과"와 반대이고 열 흡수와 관련된 현상이며 전류의 유동과 관련된 서로 다른 물질에 의해 야기된다. 상기 "펠티에 효과"는 예를 들어, 열전기 냉각의 목적으로 이미 제안되었다.
이와 같은 열전기 변환기 요소들은 다수의 열전기 요소들이 소위 고온측과 소위 저온측 사이에 위치된 다수의 열전기 요소들을 바람직하게 구비한다. 예를 들어, 열전기 요소는 상부측 및 하부측(고온측 및/또는 저온측)에 전기 전도성 브리지가 선택적으로 제공된 적어도 두 개의 반도체 소자(p-도핑된 및 n-도핑된)를 포함한다. 세라믹 플레이트들 또는 세라믹 코팅들 및/또는 이와 유사한 물질들은 상기 금속 브릿지들을 전기적으로 절연시키는 역할을 하며 따라서 바람직하게는 상기 금속 브릿지들 사이에 배치된다. 온도 구배가 상기 반도체 소자들의 각 면에 이용가능하게 제공되면, 전압 전위가 형성된다. 여기서, 열이 제1 반도체 소자의 고온측에서 흡수되고, 하나의 측의 전자들은 후속 반도체 소자의 전기적으로 더 높은 전도대로 통과한다. 저온측에서, 전자들은 그 후 에너지를 방출하고 비교적 낮은 에너지 준위를 갖는 후속 반도체 소자들로 이동한다. 따라서, 전류의 유동은 해당 온도 구배가 주어지면 생성될 수 있다.
자동차의 배기 시스템의 열전기 생성기의 고온측과 저온측 사이에서 발생하는 큰 온도 차이는 상기 시스템의 구조가 큰 응력을 받게 하고 재료를 소비하게 한다. 배기 시스템의 저온측의 열전기 생성기의 온도는 일반적으로 20℃ 내지 110℃ 사이이며, 상온측의 온도는 150℃ 내지 500℃ 사이이다. 큰 온도 차이는 고온측과 저온측에서 서로 다른 정도의 물질 팽창을 유발시킨다. 서로 다른 정도의 팽창은 열전기 생성기에서 응력들을 차례로 발생시키며, 시간 내내 생성기의 일관성 및/또는 기능에 악영향을 끼칠 수 있다. 보상 요소들은 응력들을 줄이기 위하여 열전기 생성기에 이미 제안되어 있다. 그러나 열전기 생성기의 추가적인 보상 요소는 그 제조 동안 기술적인 비용을 증가시킨다.
이를 기초로 하여, 본 발명의 목적은 종래 기술과 연관되어 설명된 이 문제들을 최소한 부분적으로 해결하는 것이다. 특히, 열전기 정치는 배기 시스템에서 열전기 생성기에 사용하기 위해 채택되어 특정화된다. 열전기 장치는 작동 동안 온도 차이에도 불구하고 고온측과 저온측 사이의 열 응력을 줄이는데 사용될 수 있다.
상기 목적들은 제1의 특징에 따른 장치와 청구항 8에 따른 열전기 제조방법으로 수행된다. 본 발명에 따라 유리하게 개선된 장치와 이 장치의 상위 구조 유닛의 통합은 독립 청구항들에 공개된다. 청구항들에서 개별적으로 특정된 특징들은 모든 원하는 기술적으로 적절한 방법으로 서로 결합될 수 있으며 본 발명의 더 개선점을 나타내는 것을 알 수 있는 것이다. 특히 도면과 연관된 상세한 설명은 본 발명을 더 설명하고 본 발명의 추가적인 일례의 실시예들을 특정한다.
본 발명에 따른 열전기 장치는 적어도 하나의 제1 유동 덕트와 적어도 하나의 제2 유동 덕트를 구비하며,
- 적어도 하나의 제1 유동 덕트로 할당된 적어도 하나의 제1 이송층과 적어도 하나의 제2 유동 덕트로 할당된 적어도 하나의 제2 이송층,
- 제1 이송층과 제2 이송층 사이의 적어도 하나의 중간 공간, 및
- 적어도 하나의 중간 공간에 배치되고 서로 전기적으로 연결된 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자들을 가지며,
상기 제1 이송층의 상대적인 제1 열 팽창과 제2 이송층의 상대적인 제2 열 팽창은 작동 조건 하에서 동일하다.
특히, 본 발명에서 제안된 열전기 장치는 개별적인 제1 유동 덕트와 개별적인 제2 유동 덕트 사이, 또는 다수의 제1 유동 덕트와 다수의 제2 유동 덕트 사이에 배치된다. 가스 또는 액체와 같은 유체들은 장치의 각각의 면 상의 유동 덕트를 통해 각각 안내된다. 열전기 장치의 한 측은 고온측으로 언급되고, 고온측으로 할당된 유동 덕트를 통해 고온의 유체가 유동한다. 열전기 장치의 다른 한측은 이에 따라 저온측으로 언급되며, 상대적으로 낮은 온도에서의 유체는 저온측으로 할당된 유동 덕트를 통해 유동한다. 적어도 하나의 제1 유동 덕트는 고온측을 형성하고 적어도 하나의 제2 유동 덕트는 저온측을 항상 형성하는 것으로 알려졌다. 그러나, 이러한 구성 역시 일반적으로 교환가능하다. 그러나, 이와 관련하여, 제1 이송층은 고온측으로 할당되고 제2 이송층은 저온측으로 할당된다고 하였지만, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다. 자동차에서 고온측은 통상적으로 배기 시스템의 가스로 할당되고, 저온측은 냉각 회로의 액체로 할당된다.
특히, 적어도 하나의 제1 유동 덕트에 할당된 제1 이송층과 적어도 하나의 제2 유동 덕트로 할당된 제2 이송층은 즉, 예를 들어 개별적인 유동 덕트의 벽의 일부 또는 다수의 유동 덕트의 벽의 일부인 각각의 유동 덕트의 경계를 적어도 부분적으로 형성한다. 따라서 제1 이송층 및 제2 이송층은 고온측의 유체 또는 저온측의 유체에 열적으로 연결된다. 이러한 방법으로, 온도 구배는 이송층들 사이에 배치되고 "제벡 효과"에 기초한 전류를 생성할 수 있는 반도체 소자에 전달된다.
이송층은 결과적으로 열전기 장치의 경계를 형성한다. 반도체 소자들이 배치된 중간 공간은 이송층들 사이에 제공된다. 따라서 중간 공간은 특히 반도체 소자의 배치에 의할 뿐 아니라 높이와 갯수에 의해서 실질적으로 미리 정의된 정도를 가진다. p-도핑된 그리고 n-도핑된 반도체 소자를 통한 전류의 선택된 유동의 수행을 위하여, 이송층은 적어도 부분적으로 전기 절연층을 각각 가지며, 이 전기 절연층에 반도체 소자들이 고정되고 전기적으로 서로 연결된다. 전기 절연층의 경우 이송층의 외면으로부터 반도체 소자까지 열의 이송을 과도하게 하지 않는 것을 보장할 필요가 있다.
예를 들어 비스무스 텔루라이트(Bi2Te3)는 p-도핑된 그리고 n-도핑된 반도체 소자에 대한 전도성 재질로 사용될 수 있다. 게다가, [아래 기재된 최대 온도 ℃ 까지에서도] 아래 기재된 재료가 사용될 수 있다:
n-타입:
Bi2Te3 [약 250℃]; PbTe [약 500℃]; Ba0 .3Co3 .95Ni0 .05Sb12 [약 600℃]; Bay(Co,Ni)4Sb12 [약 600℃]; CoSB3[약 700℃];Ba8Ga16Ge30 [약 850℃]; La2Te3 [약 1100℃]; SiGe [약 1000℃]; Mg2(Si,Sn) [약 700℃];
p-타입:
(Bi,Sb)2TE3 [약 200℃]; Zn4Sb3 [약 380℃]; TAGS [약 600℃]; PbTe [약 500℃]; SnTe [약 600℃]; CeFe4Sb12[약 700℃]; Yb14MnSb11 [약 1000℃];SiGe [약 1000℃]; Mg2(Si,Sb)[약 600℃].
본 발명에 따른 열전기 장치에서, 두 개의 이송층은 중간층을 형성하고 열을 유동 덕트로부터 반도체 소자들까지 이송되게 사용된다. 본 발명에서 반도체 소자들은 예를 들어 다른 전기 전도성이 있는 재질로 이루어진 작은 직육면체의 방식으로 이용가능하게 만들어질 수 있다. 각각의 경우, 두 개의 서로 다른 반도체 소자들(p-도핑되고 n-도핑된)은 바람직하게 일련의 회로를 형성하는 방식으로 서로 전기적으로 연결된다. 두 이송층 중 하나의 이송층이 안으로 흐르는 열전류(고온측)를 흡수하면서 다른 이송층이 밖으로 흐르는 열 전류(저온측)를 출력한다. 개별 반도체 소자의 배치 설계나 연결과 관련하여, 상기 반도체 소자의 타입, 설계 및/또는 위치가 본 발명에서 특히 상이할 수 있는 설치 공간, 필요한 열 유동, 전류의 안내 경로 등에 채택될 수 있다. 특히, 열전기 장치는 서로 일련으로 연결된 반도체 소자의 하나 또는 그 이상의 그룹을 가지며, 상기 그룹은 각각 서로 독립적인 회로를 형성하거나 전기 평행회로를 통해 서로 연결된 회로를 형성한다.
상대적인 열팽창은 이송층의 평균 팽창 계수와, 이송층이 열전기 장치의 작동 조건하에서 영향을 받게 되는 온도차의 곱으로부터 유도된다. 평균 팽창계수는 정지 온도에서 온도 상승의 경우에 전체 길이에서의 경우 길이의 변화로부터 형성된 비율이다. 평균 팽창 계수의 단위는 1 켈빈이다. 평균 팽창 계수 측정 동안의 길이 변화는 정지 온도에서의 이송층의 길이와 (최대) 작동 온도에서의 이송층의 길이 간의 차이로 본 발명에서 정의된다. 온도 차이는 (최대) 작동 온도와 정지 온도(작동 조건 하에서) 사이의 차이로부터 기인된다.
제1 이송층과 제2 이송층에 대한 정지 온도는 전형적으로 -20℃ 내지 40℃ 사이이며, 바람직하게 0℃ 내지 20℃ 사이이며, 특히 바람직하게는 정확하게 10℃이다. 고온측의 (최대) 작동 온도는 150℃ 내지 900℃ 사이이며, 바람직하게는 250℃ 내지 700℃ 사이이고, 특히 바람직하게는 정확하게 325℃(배기 가스 재순환 시스템에서 열전기 장치에 대하여) 또는 정확하게 625℃(자동차의 하체의 배기 시스템에서 열전기 장치에 대하여)이다. 저온측의 작동온도는 -20℃ 내지 120℃ 사이이며, 바람직하게 50℃ 내지 80℃ 사이이고, 특히 바람직하게는 정확하게 65℃이다. 길이 변화를 측정하는 가능한 측정 방법은 당업자에게 알려져 있다. 측정은 바람직하게 특별히 선호 온도에서 수행된다.
제 1 이송층의 상대적인 제1 열팽창과 제2 이송층의 상대적인 제2 열팽창이 "동일하게" 주어지면, 그 값은 단지 근소하게 서로 다르며, 특히 최대 10% 특히 최대 1.0% 또는 심지어 단지 최대 0.1%의 공차(평균항 또는 심지어 절대항(absolute term)으로)를 가진다.
이러한 구성은 제1 이송층과 제 2 이송층이 상대적인 열 팽창의 동일한 형상을 형성하기 위하여 서로 다른 평균 팽창 계수를 가지는 것을 특히 명확하게 한다. 본 발명에 따르면, 통상적으로 이러한 요소들의 팽창 정도가 상이한 제1 이송층과 제2 이송층 사이의 큰 온도 차이는 채택된 평균 팽창 계수 때문에 작동 동안 또는 작동 조건 하에서 보상된다. 이와 관련하여, 상대적으로 작은 열 팽창은 상대적으로 큰 열 팽창의 특정된 공차 범위 내에 속한다.
열전기 장치의 하나의 바람직한 실시예에서, 제1 이송층은 2*10-6/K 내지 10.2*10-6/K 의 팽창계수를 가지고, 제2 이송층은 12*10-6/K 내지 28.4*10-6/K 의 팽창계수를 가진다. 측정을 위한 기술적인 이유 때문에, 특정한 팽창 계수는 5%까지의 오차를 가질 수 있고 이는 "평균" 값으로 특정된다. 본 발명에서 제1 이송층이 5.5* 10-6/K 내지 8*10-6/K의 팽창 계수를 가지고 제2 이송층이 18* 10-6/K 내지 28.4*10-6/K의 팽창 계수를 가지는 것이 특히 매우 바람직하다.
선호된 팽창 계수를 갖는 합금 선택의 결과로, 제1 이송층은 반도체 소자의 팽창계수와 거의 대응되는 팽창계수를 가지며, 작동시 많아야 450℃까지 온도 차이가 주어질 때, 제2 이송층은 고온측의 이송층과 정확하게 같은 온도까지 팽창된다. 이러한 재료로써 특히 저응력을 갖고 심지어 교호의 응력에서도 사용수명이 긴 열전기 장치를 사용가능할 수 있게 하는 테스트와 분석이 행해졌다.
제1 이송층 또는 제2 이송층에 사용된 재료의 팽창 계수를 결정하기 위하여, 원재료 또는 열전기 장치로부터 제거됨으로써 얻어질 수 있는 재료의 테스트 스트립은 한 면에 우선적으로 클램프될 수 있다. 테스트 스트립은 정지 온도에서 측정 후에 적합한 재료를 상기 스트립에 제공함으로써 (최대) 작동 온도까지 가열된다. 만약 테스트 스트립이 충분한 길이에 대한 매개물이라면, 이 결과 상기 테스트 스트립이 전적으로 상기 매개물의 온도를 가지며, 스트립의 길이는 적어도 일차원으로 측정된다. 이와 관련하여, 매개물의 온도는 선택적으로 몇몇 온도까지 증가되고 테스트 스트립의 온도 증가되는 시간 이후에, 상기 테스트 스트립의 길이는 다시 한번 측정된다. 팽창 계수는 길이, 길이 측정의 차이 및 온도 차이로부터 결정된다.
배기 가스 재순환 시스템에서 그러한 장치의 사용과 관련하여, 저온측의 작동 온도는 전형적으로 50℃ 내지 80℃ 사이이며 (특히 정확히는 65℃), 고온측의 작동 온도는 250℃ 내지 400℃ 사이이다(특히 정확히는 325℃). 저온측의 재료의 팽창 계수의 측정을 위하여, 적합한 가열 플레이트가 있는 워터 배스(water bath)가 사용될 수 있고 이 가열 플레이트로써 상기 워터 배스의 온도는 가능한 정확하게 조정될 수 있다. 추가로, 테스트 스트립은 유체 스트림, 특히 가스 스트림의 영향을 받으며 상기 스트림의 온도는 모니터된 방식으로 제어될 수 있다. 이러한 고온의 유체 스트림은 또한 고온측에서 재료를 측정하기에 적합하다. 그러나, 고온측에서의 재료는 또한 온도가 매우 정확하게 조절가능한 오븐에서 가열될 수 있다.
그러나, 독립적으로 진보성이 있다고 여겨지는 열전기 장치의 한 바람직한 실시예에 있어서, 적어도 제1 이송층 또는 제2 이송층은 합금으로 이루어지며, 상기 합금은
- 비율이 무게의 적어도 9%인 니켈과,
- 비율이 무게의 많아야 1%인 실리콘과,
- 망간, 크롬, 탄소, 몰리브덴, 코발트, 알루미늄, 티타늄, 동 및 니오븀으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함한다.
이로운 합금은 비슷한 기계적 열적 특성을 갖거나 그렇지 않으면 넓은 범위의 팽창계수를 가진다. 본 발명에 따른 합금의 팽창 계수의 범위는 20℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 1.0*10-6/K 내지 31.7*10-6/K 이다. 넓은 범위의 팽창계수에 의해 사용된 반도체 소자들의 재료 특성과 주어진 작동 온도에 이송층의 합금이 적용될 수 있다. 팽창 계수는 합금에서의 니켈의 비율에 의해 상당한 수준으로 영향을 받을 수 있다. 그러므로 니켈의 비율이 무게의 36%인 철/니켈 합금은 최소치의 팽창 계수를 가진다. 합금에서의 실리콘의 비율을 통해, 인장 강도와 그에 따른 탄력한계는 상당한 정도까지 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따라 특정화된 재료의 비율에 추가적으로, 합금은 역시 전형적인 불순물을 가질 수 있으나, 본 발명에서 중요하지 않다.
적어도 제1 이송층 또는 제2 이송층은 이로운 합금으로 이루어진다. 그러나, 제1 이송층 및 제2 이송층은 본 발명에 따른 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 합금은 제1 이송층 및/또는 제2 이송층에 대해 적합하게 선택하면 장치가 작동하는 동안 비록 450℃까지의 온도 차이가 있다 하더라도, 제1 이송층과 제2 이송층의 절대적인 팽창이 비슷한 규모라는 것을 보장한다. 이렇듯, (상당한)응력이 사실상 제1 이송층과 제2 이송층 사이에서 발생하지 않는다. 특히, 제1 이송층의 내면의 지점과 제2 이송층의 내면의 지점은 큰 온도차이가 있는 상태에서 사실상 같은 거리를 유지하는 것을 의미하며, 상기 지점의 연결선은 온도 차이 없는 상태에서 내면에 대하여 직각으로 놓인다.
열전기 장치의 일 실시예에 따르면, 제1 이송층은 제1 합금은 포함하며, 상기 제1 합금은
- 비율이 무게의 적어도 32%인 니켈,
- 비율이 무게의 많아야 1.0% 인 망간, 및
- 실리콘, 크롬, 탄소, 몰리브덴, 코발트, 알루미늄, 티타늄 및 니오븀으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함한다.
이 개선의 제1 합금은 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 2.0*10-6/K 내지 10.2*10-6/K 의 팽창계수를 가진다. 제1 합금의 이 온도 범위에서 저팽창 계수는 제1 합금을 상대적으로 높은 온도에서 고온측의 이송층에 대한 재료로 사용하는 것을 가능하게 한다.
열전기의 더 이로운 개선점에 따라, 제1 이송층은 제1 합금으로 이루어지며 상기 제1 합금은,
- 비율이 무게의 28%와 30% 사이인 니켈과,
- 비율이 무게의 16%와 18% 사이인 코발트,
- 비율이 무게의 많아야 0.1%인 크롬,
- 비율이 무게의 많아야 0.05%인 탄소,
- 비율이 무게의 많아야 0.5%인 망간 및
- 비율이 무게의 많아야 0.3%인 실리콘과, 나머지는 철 및 불가피한 불순물로부터 형성된다.
상기 특정 합금은 또한 아래에서 "바람직한 고온측 재료"라 하였다.
이 제1 합금이 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 5.8*10-6/K 내지 6.1*10-6/K 사이의 팽창계수를 가지며, 상기 제1 합금은 적합한 반도체 소자들의 팽창 계수에 유리하게 적용된다. 제1 합금이 고온측에서 이송층으로 사용되면 특히 이롭다.
상대적으로 높은 온도에서 커지는 알갱이는 코발트에 의해 억제된다. 그러므로 템퍼링 저항과 열저항은 향상된다. 다른 한편으로, 코발트는 흑연 형성을 촉진시킨다. 농도가 증가되면, 열 전도성 역시 증가된다. 크롬은 약간의 팽창저하에 의해 합금의 인장강도를 증가시킨다. 상대적으로 높은 크롬 함유량은 열 저항력을 증가시킨다.
만약 제1 이송층은 비율이 무게의 32% 내지 37% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 많아야 0.6%인 망간과, 그리고 실리콘, 크롬, 코발트, 티타늄 및 니오븀으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함한 제1 합금으로 이루어지는 것이 유리하다. 제1 합금은 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 2.0*10-6/K 내지 10.2*10-6/K 의 팽창계수를 갖는다. 그러므로 이러한 합금들은 고온측의 이송층에 특히 적합하다. 몰리브덴은 인장강도와 특히 열 저항력을 증가시킨다. 크롬과 니켈로 합금될 때, 높은 탄성한계와 강도값이 실현될 수 있다.
이와 같이 제1 이송층은 비율이 무게의 많아야 37%와 43.5% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 많아야 1.0%인 망간과, 비율이 무게의 많아야 0.4%인 실리콘과, 비율이 많아야 무게의 1.0%인 탄소를 포함하지만, 알루미늄, 몰리브듐 및 동은 포함되지 않는 제1 합금으로 이루어지는 것이 가능하다. 제1 합금은 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 3.5*10-6/K 내지 9.3*10-6/K의 팽창 계수를 갖는다. 그러므로 이 합금은 특히 고온측의 이송층에 적합하다.
만약 제1 이송층은 비율이 무게의 45.0% 와 52.0% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 많아야 0.8%인 망간과, 비율이 무게의 많아야 0.5%인 실리콘과, 탄소, 크롬 및 알루미늄으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함하는 제1 합금으로 이루어지는 것이 유리하다. 제1 합금은 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 8.0*10-6/K 내지 10.0*10-6/K 의 팽창계수에 의해 정의된다. 그러므로 이러한 합금들은 특히 고온측의 이송층에 적합하며, 대응하는 팽창 계수를 가지는 반도체 소자들에 이롭게 결합될 수 있다.
만약 제1 이송층이 비율이 무게의 많아야 41%와 43.5% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 많아야 0.6%인 망간과, 비율이 무게의 많아야 1.0%인 실리콘과 비율이 무게의 많아야 6.0%인 크롬과, 알루미늄, 코발트 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함한다면 역시 이롭다. 제1 합금은 200℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에서 7.3*10-6/K 내지 14.4*10-6/K 의 팽창계수를 갖는다.
제2 이송층이 제2 합금으로 이루어지며, 상기 제2 합금은
- 비율이 무게의 12.5%와 23.0% 사이인 니켈,
- 비율이 무게의 많아야 7.0%인 망간,
- 비율이 무게의 많아야 1.0%인 실리콘 및
- 비율이 무게의 많아야 0.65%인 탄소와, 크롬 및 철은 포함할 수 있다.
이 합금은 20℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 18.9*10-6/K 에서 20.7*10-6/K 의 팽창계수를 갖는다. 그러므로, 이 합금은 만약 고온측과 저온측 사이의 팽창 차이가 팽창 계수의 크기만큼 보상되면 저온측의 이송층에 적합하다. 이처럼, 저온측에 열접촉되는 제2 이송층의 절대적인 팽창과, 고온측에 열접촉되는 제1 이송층의 절대적인 팽창은 온도 차이가 매우 클때 실질적으로 동일하다. 열전기 장치의 이로운 또다른 실시예에서, 제2 이송층은 제2 합금으로 이루어지며, 상기 제2 합금은
- 비율이 무게의 9.0%와 11.0% 사이인 니켈과,
- 비율이 무게의 17.0%와 19.0% 사이인 동과,
- 비율이 무게의 많아야 1.0%인 철과,
- 비율이 무게의 많아야 0.1%인 탄소, 및
- 비율이 무게의 많아야 0.25% 사이인 실리콘과, 나머지는 망간으로 이루어진다.
상기 특정된 제2 합금은 또한 "바람직한 저온측 재료"로써 아래에 언급된다.
본 발명에 따른 이 합금은 20℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 26.8*10-6/K 내지 28.4*10-6/K 의 팽창계수를 갖는다. 큰 팽창 계수 때문에, 이 합금은 특히 저온측에 열접촉되는 제2 이송층을 형성하기 적합하다.
"바람직한 고온측 재료"는 제1 이송층을 형성하고 "바람직한 저온측 재료"가 제2 이송층을 형성하는 것이 특히 바람직하다. 이처럼, 제1 이송층은 반도체 소자들에 실질적으로 대응하는 팽창 계수를 가지며, 작동 동안에 450℃까지 온도차이가 주어질 때, 제2 이송층은 고온측의 이송층과 정확하게 같은 온도까지 팽창된다.
열전기 장치의 더 바람직한 실시예에서, 제1 이송층과 제2 이송층은 원통형이며 서로에 대하여 동심으로 배치된다. 원통형이란 의미는 원형 단면을 갖는 긴 몸통을 의미한다. 특히, 단면은 정확히 원은 아니나 타원일 수 있다. 더욱이, 직사각형 단면을 갖는 파이프가 또한 사용될 수 있다. 제1 이송층이 내부 이송층을 형성할 때, 제1 이송층의 외면은 실질적으로 모든 곳인 제2 이송층의 내면으로부터 같은 거리에 위치하는 방식으로 제1 이송층과 제2 이송층이 형성된다. 그러한 원통형 배치에서, 제1 이송층의 내면은 적어도 제1 유동 덕트를 형성하고 제2 이송층의 외면은 적어도 제2 유동 덕트의 경계부의 일부를 형성한다. 그러므로 동심이 두 개인 파이프의 타입이 형성되고, 여기서 열전기 생성기는 다수의 상기 파이프들을 구비하고, 유체 중 하나의 유체에 대한 유동 덕트가 두 개의 파이프의 내에 형성되는 동안 다른 유체에 대한 적어도 하나의 유동 덕트가 두 개의 파이프 외측에 형성된다.
추가적으로, 내연기관, 배기 시스템, 냉각 회로 및 본 발명에 따른 다수의 열전기 장치를 포함한 적어도 하나의 열생성기를 가지는 자동차가 제공되고, 적어도 하나의 제1 유동 덕트는 배기 시스템에 연결되며 적어도 하나의 제2 유동 덕트는 냉각 회로에 연결된다.
추가적으로, 열전기 장치를 제조하는 방법은:
- 청구항 3항 또는 4항에 따른 합금으로 이루어진 제1 이송층이 제공되는 단계;
- 제1 이송층에 대한 제1 전기 절연층이 제공되는 단계;
- 제2 이송층에 대한 제2 전기 절연층이 제공되는 단계;
- 청구항 5항에 따른 합금으로 이루어진 제2 이송층이 제공되는 단계;
- 제1 이송층과 제2 이송층 사이에 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자들이 배치되는 단계; 및
- 상기 반도체 소자가 상기 제1 이송층과 상기 제2 이송층 사이에 배치되도록 제1 이송층과 제2 이송층이 장착되는 단계를 적어도 포함한다.
열거된 각각의 단계는 순차의 의미로 이해되어서는 안되며, 다수의 단계들을 반복, 결합 및/또는 교환이 가능하다.
먼저, 본 발명에 따라 합금으로 이루어진 제1 이송층이 만들어져 사용 가능하고, 이 이송층은 둥근판 및/또는 직사각형판으로 이루어질 수 있으나, 제1 이송층으로 파이프를 사용하는 것 또한 가능하다. 파이프의 단면은 바람직하게 원과 비슷하지만 타원형상일 수 있다. 추가적으로 직사각형 단면을 갖는 파이프도 생각할 수 있다.
전기 절연층은 바람직하게 침지바스, 스크린 인쇄 방법, 박막증착 방법 또는 몇몇 다른 방법들을 사용하여 제1 이송층에 적용된다. 전기 절연층은 바람직하게 유전체, 특히 바람직하게 산화규소(SiO2)로 본 발명에서 이루어진다.
예를 들어, 직사각형 평행육면체 형상 또는 다른 환형상을 가질 수 있는 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자들은 전기적으로 서로 연결되고 특히 선택적으로 직렬로 연결된다. p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자들은 열전기 요소로 전류를 생성할 수 있는 방식으로 특히 전기적인 전도성 연결로써 와이어 연결된다. 반도체 소자들은 배치되기 전에 이미 p-도핑되고 및/또는 n-도핑될 수 있지만, 그러나 실질적인 배치공정 후에 적어도 하나의 도핑(p 또는 n)될 수 있다.
특히, 제2 이송층은 "바람직한 저온측 재료"로 형성되고 전기 절연층이 상기 제2 이송층에 적용된다. 이어서, "바람직하게 고온측 재료"로 형성된 제1 이송층과 제2 이송층은 반도체 소자들이 제1 이송층과 제2 이송층 사이에 배치되는 방법으로 결합된다. 장착은 솔더링, 용접 또는 다른 결합 방법 및 프레임, 플러그 타입 연결 또는 나사와 같은 체결수단을 사용하여 수행될 수 있다.
게다가, "바람직한 고온측 재료"에 따른 제1 합금의 사용 및/또는 "바람직한 저온측 재료"에 따른 제2 합금의 사용은 열전기 생성기에 반도체 소자들을 수용하기에 특히 유리하다고 여겨진다. 특정 사용 가능성에 대해서는 본 명세서 전반을 참조하면 된다.
본 발명 및 기술분야는 도면을 참조하여 아래에서 더 자세히 설명되어 있다. 도면들은 특히 본 발명의 바람직한 실시예의 다양성들을 나타내나 본 발명이 이들로 제한되지 않는다는 것을 주의해야 한다.
도 1은 열전기 장치를 통한 개략적인 단면도이고, 및
도 2는 열전기 장치가 설치될 자동차의 개략도이다.
도 1은 길이방향 축선을 통해 도시된 열전기 장치(1)의 원통형 배치를 나타낸 도면이다. 예시의 실시예에서, 제1 이송층(3)은 제1 유체(16)와 열적으로 전도되는 외부 피복을 형성하므로 제1 유동 덕트(8)의 경계의 일부를 형성한다. 반도체 소자(7)로부터 제1 이송층(3)을 전기적으로 절연하나, 제2 이송층(3)과 반도체 소자(7) 사이의 열 유동에 거의 영향을 주지 않는 제1 절연층(2)은 제1 이송층(3)의 내면에 위치된다. 반도체 소자(7)들은 제1 이송층(3)과 제2 이송층(4) 사이의 중간공간(5)에 배치된다. p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자들(7)은 제1 절연층(2)과 제2 절연층(6) 사이에 교호로 배치되고 서로 전기적으로 연결되며 직렬로 연결된다. 제2 절연층(6)은 제2 이송층(4)으로부터 반도체 소자(7)의 전기 절연부를 형성한다. 제2 이송층(4)은 제2 유체(17)에 열전도성 접촉되며 이 일례의 실시예에서 제2 유동 덕트(9)를 형성한다. 제1 유동 덕트(8)와 제2 유동 덕트(9)는 고온측(14)을 형성할 수 있고, 그 결과 제 2/제 1 유동 덕트는 저온측(15)을 형성한다.
일례의 실시예에서(배기가스 재순환 시스템에 대하여), 적어도 제1 이송층(3) 또는 제2 이송층(4)은 본 발명에 따른 합금으로 이루어진다. 다른 이송층(제2 또는 제1)의 합금은 또다른 재질로 이루어질 수 있다. 한 실시예에서, 제1 이송층(3)과 제2 이송층(4)으로부터 이루어진 합금이 선택되고 제2 이송층(4)과 관련된 제1 이송층(4)의 팽창은 온도차이가 있을 때 보상된다. 이러한 관계에서, 작동 중의 온도는 저온측(15)에서는 20℃와 110℃ 사이, 전형적으로 50℃와 80℃ 사이이며, 고온측(14)에서는 150℃와 500℃ 사이, 전형적으로 250℃와 400℃ 사이이다.
더 이로운 실시예에서, 고온측(14)에서의 제1 이송층에 대한 합금은 합금의 팽창계수가 반도체 소자(7)의 팽창계수에 실질적으로 대응하도록 선택된다. 이와 같이, 온도 변화가 있을 때 제1 이송층(3)과 반도체 요소(7) 사이에는 응력이 발생되지 않는다. 저온측(15)에서 제2 이송층(4)에 대한 합금은, 상대적으로 낮은 온도에도 불구하고 상기 제2 이송층이 작동 중에 제1 이송층(3)과 같은 정도로 팽창하도록 선택된다.
도 2는 열전기 장치(1), 내연기관(11), 배기 시스템(12) 및 냉각 회로(13)를 가지는 자동차(10)의 개략도이다. 내연기관(11)은 배기 시스템(12)에 연결되고, 고온측(14)에 대해 이동하고 제1 유동 덕트(18)를 따라 흐르는 제1 유체(16)를 제공한다. 냉각 회로(13)는 저온측(15)에 대해 이동하는 제2 유체(17)를 제공하며 제2 유동 덕트(9)를 통해 안내된다. 이러한 관계에서 다수의 제1 유동 덕트(8)와 제2 유동 덕트(9)를 형성하는 것이 가능하며 이들 덕트 사이에 배치된 열전기 장치(1)가 배치된다.
열전기 장치(1)는 유동 덕트 사이에 배치된다. 이러한 관계에서, 제1 이송층(3)은 고온측(14)을 형성하는 제1 유체(16)와 열 전도적 접촉상태에 있으며, 제2 이송층(4)은 저온측(15)을 형성하는 제2 유체(17)과 열 전도적으로 접촉상태에 있다. 제1 이송층(3)과 제2 이송층(4) 사이의 중간 공간에서, 반도체 소자(7)가 배치되고, 상기 반도체 소자(7)는 고온측(14)과 저온측(15) 사이의 온도 차이에 의한 전류를 생성한다("제벡 효과"). 이 경우 제1 이송층(3)의 합금들과 제2 이송층(4)의 합금들은, 상이한 온도에서의 열팽창 정도가 서로 보상되도록, 선택된다.
1: 열전기 장치 3: 제1 이송층
4: 제2 이송층 8: 제1 유동 덕트
9: 제2 유동 덕트 10: 자동차
11: 내연기관 12: 배기 시스템
13: 냉각 회로 14: 고온측
15: 저온측 16: 제1 유체
17: 제2 유체

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 제1 유동 덕트(8)와 적어도 하나의 제2 유동 덕트(9)를 구비한 열전기 장치(1)으로서,
    - 적어도 하나의 제1 유동 덕트(8)에 할당된 적어도 하나의 제1 이송층(3)과 적어도 하나의 제2 유동 덕트(9)에 할당된 적어도 하나의 제2 이송층(4),
    - 상기 제1 이송층(3)과 상기 제2 이송층(4) 사이의 적어도 하나의 중간 공간(5), 및
    - 상기 적어도 하나의 중간 공간에 배치되고 서로 전기적으로 연결된 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자를 포함하고, 상기 제1 이송층의 상대적인 제1 열팽창과 상기 제2 이송층의 상대적인 제2 열팽창은 작동 조건 하에서 동일하고,
    상기 제1 이송층은 2*10-6/K 내지 10.2*10-6/K 의 팽창계수를 가지고, 상기 제2 이송층은 12*10-6/K 내지 28.4*10-6/K 의 팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 이송층(3)은 비율이 무게의 적어도 32%인 니켈과 비율이 무게의 최대 1.0%인 망간을 포함하지만 동은 포함하지 않는 제1 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
  5. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 제1 이송층(3)은 비율이 무게의 28% 와 30% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 16% 와 18% 사이인 코발트와, 비율이 무게의 최대 0.1%인 크롬과, 비율이 무게의 최대 0.05%인 탄소와, 비율이 무게의 최대 0.5%인 망간과, 비율이 무게의 최대 0.3%인 실리콘의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 이송층(4)은 비율이 무게의 9% 에서 11% 사이인 니켈과, 비율이 무게의 17% 와 19% 사이인 동과, 비율이 무게의 최대 1.0%인 철과, 비율이 무게의 최대 0.1%인 탄소와, 비율이 무게의 최대 0.25%인 실리콘과, 나머지는 망간인 제2 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
  7. 청구항 1, 4, 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이송층(3)과 상기 제2 이송층(4)은 원통형으로 형성되며 서로 동심으로 배치된 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
  8. 내연기관(11), 배기 시스템(12), 냉각 회로(13), 및 청구항 1, 4, 6 중 어느 한 항의 다수의 열전기 장치(1)를 구비한 적어도 하나의 열생성기를 가지며, 상기 제1 유동 덕트(8)는 상기 배기 시스템(12)에 연결되며, 상기 제2 유동 덕트(9)는 상기 냉각 회로(13)에 연결된 자동차(10).
  9. 열전기 장치(1)의 제조방법으로서,
    - 청구항 1 또는 4에 따른 합금으로 이루어진 제1 이송층(3)을 제공하는 단계;
    - 상기 제1 이송층(3)에 제1 전기 절연층(6)을 제공하는 단계;
    - 상기 제2 이송층(4)에 제2 전기 절연층(6)을 제공하는 단계;
    - 청구항 6에 따른 합금으로 이루어진 상기 제2 이송층(4)을 제공하는 단계;
    - 상기 제1 이송층(3)과 상기 제2 이송층(4) 사이에 다수의 p-도핑되고 n-도핑된 반도체 소자(7)를 배치하는 단계;
    - 상기 반도체 소자가 상기 제1 이송층과 상기 제2 이송층 사이에 배치되도록 상기 제1 이송층과 상기 제2 이송층을 장착하는 단계를 적어도 포함하는 열전기 장치(1)의 제조방법.

  10. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 제1 이송층(3) 또는 상기 제2 이송층(4)은 비율이 무게의 적어도 9%인 니켈과, 비율이 무게의 최대 1%인 실리콘과, 그리고 망간, 크롬, 탄소, 몰리브덴, 코발트, 알루미늄, 티타늄, 동 및 니오븀으로 이루어진 그룹에서 적어도 한 원소와 철을 포함한 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전기 장치(1).
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