KR101712354B1 - 고효율 열전발전 시스템 - Google Patents

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KR101712354B1
KR101712354B1 KR1020150058300A KR20150058300A KR101712354B1 KR 101712354 B1 KR101712354 B1 KR 101712354B1 KR 1020150058300 A KR1020150058300 A KR 1020150058300A KR 20150058300 A KR20150058300 A KR 20150058300A KR 101712354 B1 KR101712354 B1 KR 101712354B1
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김태영
조규백
김홍석
이석환
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 온도차에 따라 전기를 발생시키는 열전발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자가 가열수단 및 냉각수단에 직접 접촉하여 열교환함으로써 열전발전 시스템의 발전 효율을 향상시킨 고효율 열전발전 시스템에 관한 것이다.

Description

고효율 열전발전 시스템{High efficiency thermoelectric generation system}
본 발명은 온도차에 따라 전기를 발생시키는 열전발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자가 가열수단 및 냉각수단에 직접 접촉하여 열교환함으로써 열전발전 시스템의 발전 효율을 향상시킨 고효율 열전발전 시스템에 관한 것이다.
열전소자를 사용하여 어떤 물질을 가열 또는 냉각시키거나, 열전소자의 양단에 존재하는 온도차를 이용하여 전기적 발전을 통해 전류를 생산해내는 것은, 새로운 청정에너지 개발에 있어 최근 각광을 받고 있다.
한편, 자동차의 내연기관에 공급되는 총 에너지 중 고온의 배기가스를 통해 버려지는 에너지양은 전체의 30~40%에 달하고 있고, 실제 동력에 사용되는 량 역시 20~32%정도에 불과하다. 따라서 배기가스의 열을 이용하여 차량의 전기에너지를 생산하는 열전발전시스템이 개발되고 있다. 이는 물질에 가해지는 열차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생현상(Zeebeck effect) 또는 이 현상을 역으로 하여 외부에서 부하되는 전기에너지에 의해 발생하는 물질의 발열 또는 흡열(Peltier effect)을 총칭하는 열전변환기술을 이용하는 것이다.
도 1에는 종래의 배기가스의 열을 이용한 열전발전장치의 개략 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전발전장치(10)는 열전소자(1)의 일면이 고온의 배기가스가 유동하는 배기관(2)의 외면에 부착된 형태를 이루며, 열전소자(1)의 타면은 냉각을 위한 방열핀(3)이 구비되거나 별도의 수냉식 냉각수단이 구비될 수 있다. 따라서 열전소자(1)의 일면은 배기가스에 의해 가열되고, 타면은 방열핀(3)을 통해 냉각되어 열전소자(1)의 일면과 타면의 온도차에 따라 발전하도록 구성된다.
상기와 같은 구성의 종래의 열전발전장치는 열전소자(1)가 배기관(2)에 부착되는 경우가 대부분인데, 배기관(2)의 두께가 두껍거나 열전소자(1)가 배기관(2)의 외면에 완벽하게 밀착되지 않을 경우 열손실이 발생하여 배기열이 열전소자(1)에 효율적으로 전달되지 못하는 문제가 발생한다. 또한, 방열핀(3)도 마찬가지로 열전소자(1)에 완벽하게 밀착되지 않을 경우 냉각 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.
따라서 열전소자(1)의 일면이 충분히 가열되지 못하고, 타면이 충분히 냉각되지 못함에 따라 온도차가 줄어들게 되고, 발전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
한국공개특허 제2015-0000305호(2015.01.02. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 열전소자의 일면이 배기관 내부 배기가스에 노출되어 직접 열교환하도록 하고, 타면이 냉각수단 내부 냉매에 노출되어 직접 열교환하도록 하여 배기가스로부터 전달되는 열의 손실 및 냉매로 전달되는 열의 손실을 최소화한 고효율 열전발전 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 고효율 열전발전 시스템은, 일측에 제1 개방부가 형성되며, 내부에 제1 유체가 유동하는 가열수단; 상기 가열수단의 일측에 이격 배치되며, 타측에 제2 개방부가 형성되고, 내부에 상기 제1 유체보다 저온의 제2 유체가 유동하는 냉각수단; 상기 가열수단과 상기 냉각수단 사이에 구비되되, 타측이 상기 제1 유체에 노출되도록 타측이 상기 제1 개방부를 밀폐하고, 일측이 상기 제2 유체에 노출되도록 일측이 상기 제2 개방부를 밀폐하는 열전소자; 를 포함한다.
이때, 상기 고효율 열전발전 시스템은, 상기 열전소자의 타측면에서 타측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀; 및 상기 열전소자의 일측면에서 일측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 방열핀; 을 포함한다.
또한, 상기 제1 개방부는, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되며, 상기 냉각수단 및 열전소자는 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비된다.
다른 실시 예로, 상기 제1 개방부는, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되며, 상기 냉각수단은, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 단일로 형성되되, 상기 제2 개방부가 상기 제1 개방부에 대응되도록 상기 냉각수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되고, 상기 열전소자는, 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비된다.
또한, 상기 가열수단은, 단면이 다각형으로 이루어지며, 상기 제1 개방부는, 상기 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고, 상기 냉각수단 및 열전소자는 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비된다.
또한, 상기 가열수단은, 단면이 다각형으로 이루어지며, 상기 제1 개방부는, 상기 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고, 상기 냉각수단은, 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고, 상기 제2 개방부가 상기 제1 개방부에 대응되도록 상기 냉각수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되고, 상기 열전소자는, 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비된다.
아울러, 상기 제1 개방부의 둘레면과, 상기 열전소자의 타측 둘레면 사이에는 실링을 위한 개스킷이 구비된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고효율 열전발전 시스템은, 배기가스에서 열전소자로 전달되는 열의 손실을 최소화하고, 열전소자에서 냉각수단으로 전달되는 열의 손실을 최소화하여 열전소자의 온도차를 증가시킴에 따라 열전발전 시스템의 발전 효율이 높아지는 효과가 있다.
도 1은 종래의 열전발전 시스템 개략 단면도
도 2는 본 발명의 열전발전 시스템 사시도
도 3은 본 발명의 열전발전 시스템 제품 사진
도 4는 본 발명의 열전발전 시스템 정면도
도 5는 본 발명의 열전발전 시스템 단면도
도 6은 본 발명의 열전발전 시스템 부분확대단면도
도 7은 본 발명의 가열수단 제품 사진
도 8은 본 발명의 가열수단 부분 제품 사진
도 9는 본 발명의 냉각수단 제품 사진
도 10은 본 발명의 냉각수단에 결합된 열전소자 제품 사진
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(100)의 사시도가 도시 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(100)의 제품 사진이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(100)은 가열수단(150) 및 열전발전모듈(T1, T2)을 포함하여 구성된다.
도시된 바와 같이 열전발전 시스템(100)은 가열수단(150)의 단면을 사각형으로 구성하고 위 사각형의 각 변마다 열전발전모듈(T1, T2)이 구비된 예를 도시하였다. 도면상에는 가열수단(150)의 단면이 사각형으로 도시되어 있으나, 필요에 따라 오각형 또는 육각형 등의 다각형으로 이루어질 수 있다. 열전발전모듈(T1, T2)은 가열수단(150)의 상측에 구비된 제1 열전발전모듈(T1)과 가열수단(150)의 측면에 구비된 제2 열전발전모듈(T2)이 도시되어 있으나, 제1 열전발전모듈(T1)의 대향측에 제3 열전발전모듈이 구비될 수 있고, 제2 열전발전모듈(T2)의 대향측에 제4 열전발전모듈이 구비될 수 있다.
이때, 제1 열전발전모듈(T1)은 가열수단(150)의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 배치되는 제1 열전소자(E1-1, E1-2)와, 각각의 제1 열전소자(E1-1, E1-2)의 상측에 결합되어 제1 열전소자(E1-1, E1-2)를 냉각시키기 위한 제1 냉각수단(C1)을 포함하여 구성된다. 제1 냉각수단(C1)은 단일로 구성되며, 가열수단(150)의 길이방향을 따라 형성될 수 있다. 제1 냉각수단(C1)에는 냉각유체의 유입을 위한 제1 냉각유체 유입구(C1-1) 및 도시되지는 않았으나, 열전소자와 열교환된 열교환 유체가 유출되는 제1 냉각유체 유출구가 형성될 수 있다.
마찬가지로, 제2 열전발전모듈(T2)은 가열수단(150)의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 배치되는 제2 열전소자(E2-1, E2-2)와, 각각의 제2 열전소자(E2-1, E2-2)의 상측에 결합되어 제2 열전소자(E2-1, E2-2)를 냉각시키기 위한 제2 냉각수단(C2)을 포함하여 구성된다. 제2 냉각수단(C2)은 단일로 구성되며, 가열수단(150)의 길이방향을 따라 형성될 수 있다. 제2 냉각수단(C2)에는 냉각유체의 유입을 위한 제2 냉각유체 유입구(C2-1) 및 도시되지는 않았으나, 열전소자와 열교환된 열교환 유체가 유출되는 제1 냉각유체 유출구가 형성될 수 있다.
따라서 가열수단(150)의 외면에 구비된 열전발전모듈(T1, T2)을 보다 효율적으로 배치하여 발전량을 더욱 늘릴 수 있다.
도 4에는 본 발명의 열전발전 시스템(100)의 정면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 열전발전 시스템(100)의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 단면의 사각으로 이루어진 가열수단(150)의 상측에 제1 열전발전모듈(T1)이 설치되며, 가열수단(150)의 하측에 제3 열전발전모듈(T3)이 설치된다. 또한, 가열수단(150)의 일측에 제2 열전발전모듈(T2)이 설치되며, 가열수단(150)의 타측에 제4 열전발전모듈(T4)이 설치된다.
제1 열전발전모듈(T1)을 기준으로 세부 구성에 대하여 알아보면, 가열수단(150)의 상측에 맞닿도록 제1 열전소자(E1)가 구비되며, 제1 열전소자(E1)의 상측에 제1 열전소자(E1)를 냉각시키기 위한 제1 냉각수단(C1)이 구비된다. 제1 냉각수단(C1)은 내부에 냉각수가 유동하도록 하여 냉각수를 통해 제1 열전소자(E1)를 냉각시키게 된다. 제1 냉각수단(C1)의 상측에는 제1 냉각수단(C1)으로 냉각수를 공급 또는 열교환된 냉각수를 토출하기 위한 제1 파이프(P1)가 구비된다.
마찬가지로 제2 열전발전모듈(T1)은 가열수단(150)의 일측에 맞닿는 제2 열전소자(E2), 제2 열전소자(E2)의 상측에 구비된 제2 냉각수단(C1) 및 제2 냉각수단에 냉각수를 공급하는 제2 파이프(P2)를 포함한다.
또한, 제3 열전발전모듈(T3)은 가열수단(150)의 하측에 맞닿는 제3 열전소자(E3), 제3 열전소자(E3)의 상측에 구비된 제3 냉각수단(C3) 및 제3 냉각수단에 냉각수를 공급하는 제3 파이프(P3)를 포함한고, 제4 열전발전모듈(T4)은 가열수단(150)의 타측에 맞닿는 제4 열전소자(E4), 제4 열전소자(E4)의 상측에 구비된 제4 냉각수단(C4) 및 제4 냉각수단에 냉각수를 공급하는 제4 파이프(P4)를 포함한다.
이하 상기와 같은 배치구성을 갖는 열전발전모듈 각각의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(100)의 개략 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 열전발전 시스템(100)은 가열수단(150)에 부착되는 열전소자(110) 및 냉각수단(120)을 포함하여 구성된다. 가열수단(150)은 일예로 내부에 고온의 배기가스가 유동하는 배기관일 수 있다. 냉각수단(120)은 일예로 입구파이프(C)로부터 냉매를 유입 받아 내부에 냉매(냉각유체)가 저장되고, 열전소자(110)와 열교환된 냉매를 유출하는 수냉식 냉각장치일 수 있다.
열전소자(110)는 흡열판과 냉각판의 온도차에 의해 열전 발전하는 통상의 열전소자가 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세 설명은 생략한다. 즉 열전소자(110)는 열을 흡수하여 전기를 생산하는 통상의 열전소자 기판과, 열전소자 기판에 전기적으로 연결되어 열전소자 기판에서 생산된 전기를 외부에 공급하는 와이어를 포함하여 이루어진다.
따라서 열전소자(110)는 타측면(흡열판)이 가열수단(150)과 맞닿아 열을 공급받고, 일측면(방열판)이 냉각수단(120)과 맞닿아 열을 방출함으로써 일측과 타측의 온도차에 의해 발전하도록 구성된다.
이때 본 발명은 타측면으로부터 공급받는 열의 손실을 최소화하고, 일측면으로부터 방출되는 열의 손실을 최소화하기 위해 다음과 같은 특징적인 구성을 갖는다.
가열수단(150)의 타측에는 제1 개방부(152)가 형성되며, 냉각수단(120)의 일측에는 제2 개방부(122)가 형성된다. 이때 제1 개방부(152)는 열전소자(110)의 타측을 통해 밀폐하도록 구성하고, 제2 개방부(122)는 열전소자(110)의 일측을 통해 밀폐하도록 구성된다.
즉 가열수단(150)의 내부공간(155)을 유동하는 배기가스가 열전소자(110)의 타측에 직접 맞닿아 열교환하도록 구성하고, 냉각수단(120)의 내부공간(125)을 유동하는 냉매가 열전소자(110)의 일측에 직접 맞닿아 열교환하도록 구성한다.
또한, 열전소자(110)는 열전소자(110)의 타측면에서 타측으로 연장 형성된 흡열핀(112) 및 열전소자(110)의 일측면에서 일측으로 연장 형성된 방열핀(111)을 포함한다. 위 방열핀(111)과 흡열핀(112)은 복수 개가 열전소자(110)의 면방향을 따라 이격 배치되어 열교환 면적이 확대됨에 따라 열교환 효율을 더욱 증대시키도록 구성될 수 있다. 방열핀(111)과 흡열핀(112)은 열전소자(110)에 브레이징 결합될 수 있다.
열전소자(110)의 일측 둘레면은 냉각수단(120)의 제2 개방부(122) 둘레를 따라 함몰 형성된 단턱(123)에 끼워져 본딩 결합될 수 있고, 열전소자(110)의 타측 둘레면은 실링을 위한 개스킷(140)과 결합되되, 개스킷(140)은 가열수단(150)의 제1 개방부(152)의 둘레면를 따라 함몰 형성된 단턱(153)에 끼움 결합될 수 있다. 본실시 예에서는, 열전소자(110)와 가열수단(150)의 실링을 위해 개스킷(140)이 적용되었으나, 개스킷(140)은 실리콘 테이프 등으로 대체될 수 있다.
또한, 열전소자(110)를 포함하는 냉각수단(120)은 가열수단(150)에 볼트 결합될 수 있다. 더욱 상세하게는 가열수단(150)의 일측에 나사탭(135)을 형성하고, 냉각수단(120)의 둘레부를 관통하는 볼트(130)의 하단부가 나사탭(135)에 나사 결합되어 열전소자(110)를 포함하는 냉각수단(120)이 가열수단(150)에 고정될 수 있다. 이때 볼트(130)와 나사탭(135)의 결합부로 배기가스가 수설될 가능성이 있으므로, 볼트(130)와 나사탭(135)의 결합부에는 록타이트(loctite)와 같은 실링재가 도포될 수 있다. 도면상에는 냉각수단(120)과 가열수단(150)이 볼트 또는 나사 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 냉각수단(120)은 가열수단(150)을 견고하게 고정시킬 수 있는 구성이면 어떠한 결합구조도 적용될 수 있음은 자명하다.
상기와 같이 열전소자(110)의 일측면(방열판) 및 타측면(흡열판)이 냉매와 배기가스에 직접 노출됨에 따라 방열 및 흡열 시 발생되는 열손실을 최소화하여 열전소자(110)의 온도차를 극대화하게 되고, 열전소자(110)의 발전 효율이 증가하게 된다.
도면상에는 열전소자(110)의 일측과 냉각수단(120)을 분리 형성하여 결합한 구성이 도시되어 있으나, 다른 실시 예로 열전소자(110)의 일측과 냉각수단(120)을 일체로 형성할 수도 있다. 즉 냉각수단(120)에 제2 개방부(122)를 형성하지 않고, 냉각수단(120)의 타측면을 열전소자와 동일한 재질로 구성한 후 냉각수단(120)의 타측면과 열전소자의 일측을 결합하여 냉각수단(120)의 타측면을 방열판으로 사용하도록 구성할 수도 있다.
도 7 및 도 8에는 본 발명의 일실시 예에 따른 가열수단(150)의 제품 사진이 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각수단(120)의 제품 사진이 도시되어 있다. 또한 도 10에는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각수단(120)에 부착된 열전소자(110)의 제품 사진이 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 가열수단(150, 도 6 참조)은 배기관일 수 있으며, 배기관은 단면이 사각형으로 이루어져 각 변마다 열전소자(110, 도 6 참조)가 부착되는 제1 개방부(152, 도 6 참조)가 형성될 수 있다. 제1 개방부(152)는 배기관의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 배치된다.
도 8에 도시된 바와 같이 제1 개방부(152)에는, 둘레를 따라 단턱(153, 도 6 참조)이 형성되고, 단턱(153)에 개스킷(140, 도 6 참조) 또는 실리콘 테이프가 부착될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 냉각수단(120, 도 2 참조)은 가열수단(150)의 길이 방향을 따라 단일로 형성될 수 있으며, 내부에 냉각유체가 유동하는 공간이 형성될 수 있다. 또한, 하측에 열전소자(110)가 부착되는 제2 개방부(122, 도 6 참조)가 형성될 수 있다. 제2 개방부(122)는 냉각수단(120)의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 배치된다. 제2 개방부(122)에 열전소자(110)가 부착되어 있다.
도 10에는 냉각수단(120)의 저면도가 도시되어 있고, 냉각수단(120)의 제2 개방부(122)에 열전소자(110)가 부착된 예가 도시되어 있다. 제2 개방부(122)의 하면에는 제2 개방부(122) 둘레를 따라 단턱(123, 도 6 참조)이 함몰 형성되고, 단척(123)에 열전소자(110)가 끼움 결합될 수 있다. 또한 열전소자(110)와 제2 개방부(122)의 결합부에는 실링을 위한 실링부재가 도포될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 열전발전 시스템
110 : 열전소자 111 : 방열핀
112 : 흡열핀
120 : 냉각수단 122 : 제2 개방부
130 : 체결수단
140 : 개스킷
150 : 가열수단 152 : 제1 개방부

Claims (7)

  1. 일측에 제1 개방부가 형성되며, 내부에 제1 유체가 유동하는 가열수단;
    상기 가열수단의 일측에 이격 배치되며, 타측에 제2 개방부가 형성되고, 내부에 상기 제1 유체보다 저온의 제2 유체가 유동하는 냉각수단;
    상기 가열수단과 상기 냉각수단 사이에 구비되되, 타측이 상기 제1 유체에 노출되도록 타측이 상기 제1 개방부를 밀폐하고, 일측이 상기 제2 유체에 노출되도록 일측이 상기 제2 개방부를 밀폐하는 열전소자; 를 포함하되
    상기 열전소자는, 상기 가열수단과 상기 냉각수단을 체결하는 체결수단을 통해 가압되어 상기 열전소자의 단면적보다 좁게 형성된 상기 제1 개방부 및 상기 열전소자의 단면적보다 좁게 형성된 상기 제2 개방부를 밀폐하는, 고효율 열전발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고효율 열전발전 시스템은,
    상기 열전소자의 타측면에서 타측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀; 및
    상기 열전소자의 일측면에서 일측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 방열핀;
    을 포함하는, 고효율 열전발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 개방부는, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되며,
    상기 냉각수단 및 열전소자는 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비되는, 고효율 열전발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 개방부는, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되며,
    상기 냉각수단은, 상기 가열수단의 길이 방향을 따라 단일로 형성되되, 상기 제2 개방부가 상기 제1 개방부에 대응되도록 상기 냉각수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되고,
    상기 열전소자는, 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비되는, 고효율 열전발전 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 가열수단은, 단면이 다각형으로 이루어지며, 상기 제1 개방부는, 상기 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고,
    상기 냉각수단 및 열전소자는 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비되는, 고효율 열전발전 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 가열수단은, 단면이 다각형으로 이루어지며, 상기 제1 개방부는, 상기 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고,
    상기 냉각수단은, 다각형 각각의 변에 대응되도록 복수 개가 형성되고, 상기 제2 개방부가 상기 제1 개방부에 대응되도록 상기 냉각수단의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격 형성되고,
    상기 열전소자는, 상기 제1 개방부에 대응되도록 복수 개가 구비되는, 고효율 열전발전 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 개방부의 둘레면과, 상기 열전소자의 타측 둘레면 사이에는 실링을 위한 개스킷이 구비되는, 고효율 열전발전 시스템.
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