KR102249020B1 - 열변환장치 - Google Patents

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KR102249020B1
KR102249020B1 KR1020200023123A KR20200023123A KR102249020B1 KR 102249020 B1 KR102249020 B1 KR 102249020B1 KR 1020200023123 A KR1020200023123 A KR 1020200023123A KR 20200023123 A KR20200023123 A KR 20200023123A KR 102249020 B1 KR102249020 B1 KR 102249020B1
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 방향으로 냉각용 유체가 통과하는 덕트; 상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자에 배치된 제1 방열핀을 포함하는 제 1 열전모듈; 상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 방열핀을 포함하는 제 2 열전모듈; 및 상기 덕트의 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에 배치된 제 3 표면 상에 배치된 기체 가이드 부재;를 포함하고, 상기 기체 가이드 부재는 상기 제3 표면의 양단으로부터 상기 제3 표면의 양단 사이의 중심으로 갈수록 상기 제3 표면과의 거리가 멀어지는 형상을 가지며, 상기 제1 방열핀과 상기 제2 방열핀 사이의 최대 폭은 상기 기체 가이드 부재의 최대 폭보다 크고, 기체는 상기 제1 방향과 수직하고, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면과 평행한 방향으로 상기 제1 방열핀과 상기 제2 방열핀을 통과한다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}
본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더운 기체로부터의 열을 이용하여 발전시키는 열변환장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
최근, 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생한 고온의 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 발전성능을 높이기 위한 구조가 요구된다.
한국공개특허공보 제10-2015-0132209호(2015.11.25) 한국공개특허공보 제10-2017-0063817호(2017.06.08) 한국공개특허공보 제10-2018-0134070호(2018.12.18)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 제1 방향을 따라 관통하며, 내측면을 형성하는 관통홀을 포함하는 케이스; 상기 케이스의 관통홀 내에 배치되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성된 덕트; 상기 덕트의 제1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자에 배치된 제1 핀을 포함하는 제1 열전모듈; 상기 덕트의 제1 표면과 대향하는 제2 표면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 핀을 포함하는 제2 열전모듈; 상기 케이스의 관통홀의 내측면에 결합되고, 상기 덕트 상에 서로 대향하여 배치된 복수의 제1 가이드부; 상기 덕트의 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 형성된 제3 표면 상에 배치되는 제2 가이드부를 포함하고, 상기 제2 가이드부는 상기 복수의 제1 가이드부 사이에서 상기 제2 방향을 따라 연장되고, 상기 복수의 제1 가이드부와 상기 제2 가이드부는 각각 경사면을 포함하고, 상기 제2 가이드부의 경사면은 상기 복수의 제1 가이드부의 경사면 각각과 서로 상이한 방향으로 경사를 이룬다.
상기 제2 가이드부의 경사면은 상기 제2 방향을 따라 배치될 수 있다.
상기 제1 가이드부의 경사면은 상기 제1 방향을 따라 제2 유체가 유동하도록 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향에 대하여 경사지고, 상기 제2 가이드부의 경사면은 상기 제2 유체가 상기 제1 방향을 따라 분기하여 유동하도록 상기 제1 방향에 대하여 경사질 수 있다.
상기 제2 유체의 온도는 상기 제1 유체의 온도보다 높을 수 있다.
상기 덕트는 상기 케이스의 관통홀의 내측면에 결합되고, 서로 대향하여 배치된 복수의 지지부, 및 상기 복수의 지지부 사이에 배치된 몸체부를 포함하고, 상기 복수의 제1 가이드부는 상기 덕트의 복수의 지지부 상에 각각 배치되고, 상기 제2 가이드부는 상기 덕트의 몸체부 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 가이드부와 상기 제2 가이드부는 상기 제1 방향으로 서로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 덕트의 복수의 지지부 각각의 제1 방향의 길이는 상기 덕트의 몸체부의 제1 방향의 길이보다 크고, 상기 덕트의 복수의 지지부 각각의 제2 방향의 길이는 상기 덕트의 몸체부의 제1 방향의 길이보다 작을 수 있다.
상기 복수의 제1 가이드부 각각은 상기 관통홀의 내측면에 결합된 결합부를 포함하고, 상기 제2 방향을 따라 상기 결합부에서 멀어질수록 상기 덕트에 인접할 수 있다.
상기 복수의 제1 가이드부의 경사면과 상기 제2 가이드부는 상기 제2 방향으로 서로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 복수의 제1 가이드부는 상기 덕트에 가장 인접한 제1 단부를 각각 포함하고, 상기 제2 가이드부는 상기 제2 방향의 단부를 포함할 수 있다.
상기 덕트의 지지부는 상기 제2 가이드부와 마주보는 측면을 포함하고, 상기 복수의 제1 가이드부의 복수의 제1 단부는 상기 덕트의 지지부 상에 배치되고, 상기 복수의 제1 단부는 상기 측면에 인접할 수 있다.
상기 제1 핀 및 상기 제2 핀은 각각 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
상기 제1 핀 및 상기 제2 핀 각각은 상기 제2 가이드부와 상기 제1 방향으로 소정거리 이격될 수 있다.
상기 덕트는 서로 이격된 복수의 덕트를 포함하고, 상기 복수의 덕트 각각은 서로 대향하는 제1 표면, 및 제2 표면을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은 상기 제1 표면 상에 배치되는 복수의 일측 열전모듈을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은 상기 제2 표면 상에 배치되는 복수의 타측 열전모듈을 포함할 수 있다.
상기 복수의 일측 열전모듈은 상기 관통홀의 내측면과 마주보는 복수의 제1 부, 및 상기 제2 열전모듈과 마주보는 복수의 제2 부를 포함하고, 상기 복수의 타측 열전모듈은 상기 관통홀의 내측면과 마주보는 복수의 제3 부, 및 상기 제1 열전모듈과 마주보는 복수의 제4 부를 포함할 수 있다.
상기 일측 열전모듈의 제2 부는 상기 타측 열전모듈의 제4 부와 소정거리 이격될 수 있다.
상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은 상기 덕트와 결합하는 복수의 제1 체결부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 체결부는 상기 제2 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 가이드부는 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈은 상기 제2 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 가이드부의 복수의 홈에 각각 배치된 복수의 제2 체결부를 포함하고, 상기 복수의 제1 체결부는 상기 덕트의 제1 표면 및 상기 제2 표면과 마주보고, 상기 복수의 제2 체결부는 상기 덕트의 제3 표면과 마주보고, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 상기 제3 표면과 수직일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용되는 부품 수 및 차지하는 부피를 줄여 조립이 간단하면서도 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자로의 열전달 효율이 개선된 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열변환장치의 개수를 조절하여 발전 용량을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고온의 기체와 열전모듈의 방열핀이 접촉하는 면적을 최대화시킬 수 있으며, 이에 따라 발전 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 일부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 일부 사시도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 가이드 부재의 높이 및 형상에 관한 다양한 변형 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 11은 도 10의 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 분해사시도이다. 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 일부 단면도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 일부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이다.
도 1 내지 5를 참조하면, 열변환장치(1000)는 덕트(1100), 제1 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1300) 및 기체 가이드 부재(1400)를 포함한다. 그리고, 열변환 시스템은 도 1 내지 3의 열변환장치(1000)를 복수 개 포함할 수 있다. 이때, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3)는 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(1000)는, 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 냉각용 유체 및 덕트(1100)의 외부를 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
이를 위하여, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)과 제2 열전모듈(1300) 각각의 양면 중 덕트(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 덕트(1100)는 제1 면(1110), 제1 면(1110)에 대향하며 제1면(1110)과 평행하게 배치된 제2면(1120), 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에 배치된 제3면(1130) 및 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에서 제3면(1130)에 대향하도록 배치된 제4면(1140)을 포함하며, 제1면(1110), 제2면(1120), 제3면(1130) 및 제4면(1140)에 의하여 이루어진 덕트 내부로 냉각용 유체가 통과한다. 냉각용 유체는 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다. 냉각용 유체의 유입 및 배출을 용이하게 하고, 덕트(1100)를 지지하기 위하여, 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구 측 및 냉각용 유체 배출구 측에는 각각 유입구 플랜지(310)) 및 배출구 플랜지(1600)가 더 배치될 수 있다. 유입구 플랜지(1500) 및 배출구 플랜지(1600)는 각각 냉각용 유체 유입구 및 냉각용 유체 배출구에 대응하도록 개구부가 형성된 플레이트 형상이며, 유입구 플랜지(1500)에 형성된 개구부는 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구와 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성되며, 배출구 플랜지(1600)에 형성된 개구부(미도시)는 덕트(1100)의 냉각용 유체 배출구의 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성될 수 있다.
도시되지 않았으나, 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각용 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 덕트(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다. 이때, 방열핀은 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 방열핀은 냉각용 유체가 흐르는 방향을 따라 형성될 수 있다. 즉, 방열핀은 냉각용 유체 유입구로부터 냉각용 유체 배출구를 향하는 방향으로 연장된 플레이트 형상일 수 있으며, 복수의 방열핀은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 방열핀은 덕트(1100)의 내벽과 일체로 형성될 수도 있다.
그리고, 덕트(1100)의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수도 있다. 덕트(1100)의 내부가 복수의 영역으로 구획될 경우, 냉각용 유체의 유량이 덕트(1100)의 내부를 가득 채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각용 유체가 덕트(1100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 덕트(1100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
한편, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 제1 면(1110)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제1 표면(1112)에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 제2 면(1120)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제2 표면(1122)에서 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치된다.
여기서, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수도 있다.
본 명세서에서, 덕트(1100)마다 한 쌍의 열전모듈이 배치된 것을 예로 들고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 덕트(1100)마다 복수의 쌍의 열전모듈, 즉 복수의 단위 열전모듈이 배치될 수도 있다. 이때, 요구되는 발전량에 따라 단위 열전모듈의 크기 및 개수를 조절할 수 있다.
이때, 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제1 열전모듈(1200)의 적어도 일부는 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 서로 연결되고, 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제2 열전모듈(1300)의 적어도 일부는 다른 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 버스 바는, 예를 들어 고온의 기체가 배출되는 배출구 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다.
제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 스크류를 이용하여 덕트(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 표면에 안정적으로 결합할 수 있다. 또는, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 중 적어도 하나는 열전달물질(thermal interface material, TIM)을 이용하여 덕트(1100)의 표면에 접착될 수도 있다.
한편, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122) 각각에 배치된 열전소자(1210, 1310) 및 열전소자(1210, 1310)에 배치된 방열핀(1220, 1320)을 포함한다. 이때, 제1 표면(1112)과 제1 방열핀(1220) 간의 거리는 제1 표면(1112)과 열전소자(1210) 간의 거리보다 크고, 제2 표면(1122)과 제2 방열핀(1320) 간의 거리는 제2 표면(1122)과 열전소자(1310) 간의 거리보다 클 수 있다. 이와 같이, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면에 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 배치되고, 다른 면에 방열핀(1220, 1320)이 배치되며, 방열핀(1220, 1320)을 통하여 고온의 기체가 통과하면, 열전소자(1210, 1310)의 흡열면과 방열면 간 온도 차를 크게 할 수 있으며, 이에 따라 열전변환 효율을 높일 수 있다.
이때, 열전소자(1210, 1310)의 구조는 도 6 내지 7에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다. 도 6 내지 7을 참조하면, 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 흡열면으로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 방열면으로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020019936879-pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 6(b)에서 도시하는 구조를 가질 수도 있다. 도 6(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146), 그리고 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)을 포함한다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 도 6(a)에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Al 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
이때, 덕트(1100) 상에 배치되는 하부 기판(110)은 알루미늄 기판(1212, 1312)일 수 있으며, 알루미늄 기판(1212, 1312)은 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122) 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착될 수 있다. 알루미늄 기판(1212, 1312)은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판(1212, 1312)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판(1212, 1312)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다.
다시 도 1 내지 도 5를 참조하면, 냉각용 유체는 제1 방향으로 덕트(1100)를 통과하며, 기체는 제1 방향과 수직하고, 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122)과 평행한 방향으로 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이를 통과할 수 있다. 이를 위하여, 기체 가이드 부재(1400)는 덕트(1100)마다 하나씩 또는 덕트(1100)마다 복수 개씩 배치될 수 있으며, 고온의 기체가 유입되는 방향에 배치될 수 있다. 예를 들어, 덕트(1100)의 제3 면(1130)이 고온의 기체가 유입되는 방향을 향하고, 제4 면(1140)이 고온의 기체가 배출되는 방향을 향하도록 배치되는 경우, 기체 가이드 부재(1400)는 덕트(1100)의 제3 면(1130) 측에 배치될 수 있다. 또는, 기체 가이드 부재(1400)는 공기 역학적 원리에 의하여 덕트(1100)의 제4면(1140) 측에도 배치될 수 있다.
이때, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간에 유입되는 기체의 온도는 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간으로부터 배출되는 기체의 온도보다 높다. 예를 들어, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간에 유입되는 기체는 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생하는 폐열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간으로 유입되는 기체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간의 폭은 수mm 내지 수십 mm일 수 있으며, 열전환장치의 크기, 유입되는 기체의 온도, 기체의 유입 속도, 요구되는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간은 하나의 열변환장치(1000)의 제2 열전모듈(1300)의 방열핀(1320)과 이웃하는 열변환장치(1000)의 제1 열전모듈(1200)의 방열핀(1220) 간의 거리를 의미할 수 있다.
기체 가이드 부재(1400)는 덕트(1100)의 제3 면(1130)에 포함되며 덕트 외부로 향하는 제3 표면(1132) 상에서 제3 표면(1132)의 양단으로부터 제3 표면(1132)의 양단 사이의 중심으로 갈수록 제3 표면(1132)과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 기체 가이드 부재(1400)는 우산 형상 또는 지붕 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 고온의 기체, 예를 들어 폐열이 기체 가이드 부재(1400)를 통하여 복수의 열변환장치(1000-1, 1000-2, 1000-3) 사이의 이격된 공간을 통과하도록 가이드될 수 있다.
이때, 기체 가이드 부재(1400)는 한 쌍의 열전모듈(1200, 1300) 단위로 형성될 수도 있고, 하나의 덕트(1100) 상에 연속하여 배치된 복수의 쌍의 열전모듈(1200, 1300) 단위로 형성될 수도 있다.
한편, 하나의 열변환장치(1000) 내에서 제1 열전모듈(1200)의 제1 방열핀(1220) 외측과 제2 열전모듈(1300)의 제2 방열핀(1320) 외측 사이의 폭(W1)은 기체 가이드 부재(1400)의 폭(W2)보다 클 수 있다. 그리고, 제1 열전소자(1210) 외측과 제2 열전소자(1310) 외측 사이의 폭(W3)은 기체 가이드 부재(1400)의 폭 이상일 수 있다. 여기서, 제1 방열핀(1220) 외측과 제2 방열핀(1320) 외측 각각은 덕트(1100)를 향하는 측의 반대 측을 의미할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1 열전소자(1210) 외측과 제2 열전소자(1310) 외측 각각도 덕트(1100)를 향하는 측의 반대 측을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320)은 기체의 흐름을 방해하지 않는 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320)은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 또는, 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320)은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 유로가 형성되도록 폴딩되어 있는 형상을 가질 수도 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)의 제1 방열핀(1220)과 제2 열전모듈(1300)의 제2 방열핀(1320) 사이의 최대 폭(W1)은 덕트(1100)를 기준으로 제1 방열핀(1220)의 가장 먼 지점으로부터 제2 방열핀(1320)의 가장 먼 지점까지의 거리를 의미할 수 있으며, 기체 가이드 부재(1400)의 최대 폭(W2)은 덕트(1100)의 제3 표면(1132)과 가장 가까운 영역에서의 기체 가이드 부재(1400)의 폭을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제2 방향으로 유입되는 기체의 흐름이 기체 가이드 부재(1400)에 의하여 방해 받지 않고, 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320)으로 직접 전달될 수 있다. 이에 따라, 기체와 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320) 간의 접촉 면적이 커지게 되어, 제1 방열핀(1220) 및 제2 방열핀(1320)이 기체로부터 받는 열량이 늘어나며, 발전 효율이 높아질 수 있다.
한편, 제1 열전모듈(1200), 덕트(1100) 및 제2 열전모듈(1300) 간의 실링 및 단열 효과를 높이기 위하여, 덕트(1100)의 제3 표면(1132)과 기체 가이드 부재(1400) 사이에는 단열 부재(1700) 및 실드 부재(1800)가 더 배치될 수 있다.
단열 부재(1700)는 제3 표면(1132)에 배치되는 제1 단열면(1710), 제1 단열면(1710)으로부터 제1 표면(1112)과 평행한 방향으로 연장되어 제1 표면(1112)의 일부 또는 제1 열전소자(1200)의 일부에 배치되는 제2 단열면(1720) 및 제1 단열면(1710)으로부터 제2 표면(1122)과 평행한 방향으로 연장되어 제2 표면(1122)의 일부 또는 제2 열전소자(1300)의 일부에 배치되는 제3 단열면(1730)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 열전소자(1200)의 일부 및 제2 열전소자(1300)의 일부는 각각 제1 열전소자(1200) 및 제2 열전소자(1300)의 하부 기판을 의미할 수 있으며, 하부 기판은 알루미늄 플레이트일 수 있다.
그리고, 실드 부재(1800)는 제1 단열면(1710)에 배치되는 제1 실드면(1810), 제1 실드면(1810)으로부터 제1 표면(1112)과 평행한 방향으로 연장되어 제2 단열면(1720)의 적어도 일부에 배치되는 제2 실드면(1820) 및 제1 실드면(1810)으로부터 제2 표면(1122)과 평행한 방향으로 연장되어 제3 단열면(1730)의 적어도 일부에 배치되는 제3 실드면(1830)을 포함할 수 있다.
특히, 제2 실드면(1820) 및 제3 실드면(1830) 각각은 제1 열전소자(1210)와 제1 방열핀(1220) 간의 경계 및 제2 열전소자(1310)와 제2 방열핀(1320) 간의 경계에 배치될 수 있다.
이에 따르면, 복수의 열변환장치(1000) 사이를 통과하는 고온의 기체가 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)의 방열핀(1220, 1320)만을 통과할 뿐, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 열전소자(1210, 1310)에 직접 닿는 문제를 방지할 수 있고, 기체 가이드 부재(1400)와 제1 열전모듈(1200)의 측면, 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 측면 사이가 단열될 수 있으므로, 열전 변환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 기체 가이드 부재(1400), 제1 실드면(1810), 제1 단열면(1710) 및 덕트(1100)의 제3 표면(1132)은 함께 체결될 수 있으며, 이에 따라, 기체 가이드 부재(1400) 및 제2 실드면(1810) 사이에는 공기층이 형성될 수 있다. 기체 가이드 부재(1400) 및 제2 실드면(1810) 사이에는 공기층으로 인하여, 단열 성능은 더욱 높아질 수 있다.
또는, 단열 성능을 더욱 높이기 위하여, 제1 단열면(1710)과 제1 실드면(1810) 사이에는 추가의 단열부재(1740)가 더 배치될 수도 있다.
또는, 도시되지 않았으나, 기체 가이드 부재(1400)의 한 면이 연장되어 중공의 삼각형 형상을 가지도록 형성될 수도 있으며, 이에 따라, 제1 실드면(1810)과 접합될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 기체 가이드 부재(1400)의 높이 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 일부 사시도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 가이드 부재의 높이 및 형상에 관한 다양한 변형 예를 나타낸다.
도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 기체 가이드 부재(1400)의 높이는 기체의 유속에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수의 열변환장치(1000) 사이를 통과하는 기체의 유속이 빠를수록 도 9(a)에 도시된 바와 같이 기체 가이드 부재(1400)의 높이가 높은 것이 유리하고, 유속이 느릴수록 도 9(b)에 도시된 바와 같이 기체 가이드 부재(1400)의 높이가 느린 것이 유리할 수 있다.
또는, 도 9(c) 및 도 9(d)와 같이, 기체 가이드 부재(1400)는 곡면을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 9(c)와 같이, 기체 가이드 부재(1400)의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 경사도가 높아지는 돔 형상을 가지거나, 도 9(d)와 같이, 기체 가이드 부재(1400)의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 경사도가 완만해지는 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 기체 가이드 부재(1400)의 높이 및 형상은 기체의 유량 및 유속에 따라 적절하게 변형될 수 있다. 전술한 바와 같이, 기체 가이드 부재(1400)가 기체 가이드 부재(1400)에 형성된 홀을 통하여 실드 부재(1800), 단열 부재(1700) 및 덕트(1100)와 스크류 등으로 체결될 경우, 기체의 유량 및 유속에 따라 적합한 기체 가이드 부재(1400)를 교체하는 것이 가능하다.
한편, 이상에서는 열변환장치(1000)의 덕트(1100)의 유체 유입구 및 유체 배출구 각각에 플랜지(1500, 1600)가 형성되는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 11은 도 10의 열변환장치를 포함하는 열변환 시스템의 사시도이다. 도 1 내지 9에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 10을 참조하면, 열변환장치(1000)는 덕트(1100)의 일단에 배치되어 냉각용 유체가 유입되는 유체 유입부(1900) 및 덕트(1100)의 타단에 배치되어 냉각용 유체가 배출되는 유체 배출부(1950)를 더 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 유체 유입부(1900)에는 적어도 하나의 유체 유입관(1902)이 연결되고, 유체 배출부(1950)에는 적어도 하나의 유체 배출관(1952)이 연결될 수 있다. .
한편, 도 11을 참조하면, 제1 열변환장치(1000-1) 및 제2 열변환장치(1000-2)는 프레임(3000)에 의하여 지지될 수 있다. 이때, 프레임(3000)은 기체가 통과하도록 제2 방향으로 양측에 개구(3100, 3102)가 형성되며, 냉각용 유체가 통과하도록 제1 방향으로 양측에 개구(3200, 3202)가 형성될 수 있다. 이때, 열변환장치(1000)의 유체 유입관(1902)은 개구(3200)를 관통하고, 유체 배출관(1952)은 개구(3202)를 관통할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열변환 시스템(10)은, 프레임(3000)의 한 벽면으로부터 제1 열변환장치(1000-1) 및 제2 열변환장치(1000-2)의 기체 가이드 부재들(1400)의 일측까지 경사지도록 배치된 제1 경사 부재(2000), 그리고 프레임(3000)의 다른 벽면으로부터 제1 열변환장치(1000-1) 및 제2 열변환장치(1000-2)의 기체 가이드 부재들(1400)의 타측까지 경사지도록 배치된 제2 경사부재(2000)를 더 포함할 수 있다.
이때, 프레임(3000)의 한 벽면은 개구(3200)가 형성된 벽면이고, 프레임(3000)의 다른 벽면은 개구(3202)가 형성된 벽면일 수 있으며, 프레임(3000)의 한 벽면, 제1 경사 부재(2000), 기체 가이드 부재들(1400), 제2 경사 부재(2100) 및 프레임(3000)의 다른 벽면은 제1 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
제1 경사 부재(2000) 및 제2 경사 부재(2100)로 인하여, 열변환 시스템(10) 내부로 유입되는 고온의 기체가 열전모듈(1200, 1300)이 배치된 영역을 향하도록 유도될 수 있으며, 이에 따라 발전 효율을 높일 수 있다.
특히, 열변환장치(1000)가 유체 유입부(1900) 및 유체 배출부(1950)를 포함하는 실시예에서, 제1 경사 부재(2000)가 프레임(3000)의 한 벽면으로부터 덕트(1100)와 유체 유입부(1900) 간의 경계를 향하여 연장되고, 제2 경사 부재(2100)가 프레임(3000)의 다른 벽면으로부터 덕트(1100)와 유체 배출구(1950) 간의 경계를 향하여 연장될 경우, 고온의 기체가 유체 유입부(1900) 및 유체 배출구(1950)로 흐르는 것을 차단할 수 있으므로, 발전 효율을 극대화할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 방향을 따라 관통하며, 내측면을 형성하는 관통홀을 포함하는 프레임;
    상기 프레임의 관통홀 내에 배치되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성된 덕트;
    상기 덕트의 제1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자에 배치된 제1 방열핀을 포함하는 제1 열전모듈;
    상기 덕트의 제1 표면과 대향하는 제2 표면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 방열핀을 포함하는 제2 열전모듈;
    상기 관통홀의 내측면에 배치되고, 상기 덕트 상에서 상기 제2 방향을 따라 서로 대향하여 배치된 복수의 경사부재;
    상기 덕트의 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 형성된 제3 표면 상에 배치되는 가이드부재를 포함하고,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직하는 제3 방향을 따라 서로 대향하고,
    제2 유체는 상기 제1 방향을 따라 상기 관통홀을 통과하며,
    상기 가이드부재는 상기 복수의 경사부재 사이에서 상기 제2 방향을 따라 연장되고,
    상기 복수의 경사부재와 상기 가이드부재는 각각 경사면을 포함하고,
    상기 가이드부재의 경사면의 경사방향은 상기 복수의 경사부재의 경사면 각각의 경사방향과 상이하고,
    상기 가이드부재의 경사면은 상기 제2 유체가 상기 제1 방향을 따라 분기하여 유동하도록 경사지고,
    상기 복수의 경사부재의 경사면 간 이격 거리는 상기 가이드부재의 상기 제2 방향에 따른 길이 이상인 발전장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가이드부재의 경사면은 상기 제2 방향을 따라 배치된 발전장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재의 경사면은 상기 제1 방향을 따라 제2 유체가 유동하도록 경사진 발전장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 유체의 온도는 상기 제1 유체의 온도보다 높은 발전장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 프레임의 관통홀의 내측면에 배치되고, 서로 대향하여 배치된 복수의 지지부, 및 상기 복수의 지지부 사이에 배치된 몸체부를 포함하고,
    상기 복수의 경사부재는 상기 덕트의 복수의 지지부 상에 각각 배치되고,
    상기 가이드부재는 상기 덕트의 몸체부 상에 배치된 발전장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재의 경사면과 상기 가이드부재는 상기 제1 방향으로 서로 중첩되지 않는 발전장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 덕트의 복수의 지지부 각각의 제2 방향의 길이는 상기 덕트의 몸체부의 제1 방향의 길이보다 작은 발전장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재 각각은 상기 관통홀의 내측면에 결합된 결합부를 포함하고, 상기 제2 방향을 따라 상기 결합부에서 멀어질수록 상기 덕트에 인접하는 발전장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재의 경사면과 상기 가이드부재는 상기 제2 방향으로 서로 중첩되지 않는 발전장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재는 상기 덕트 상에 배치되는 제1 단부를 각각 포함하고,
    상기 가이드부재는 상기 제2 방향을 따라 배치되는 제2 단부를 포함하는 발전장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 경사부재의 제1 단부 각각은 상기 덕트의 복수의 지지부 각각 상에 배치되는 발전장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방열핀 및 상기 제2 방열핀은 각각 상기 제1 방향으로 연장된 발전장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 방열핀 및 상기 제2 방열핀 각각은 상기 가이드부재와 상기 제1 방향으로 소정거리 이격된 발전장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 덕트는 서로 이격된 복수의 덕트를 포함하고,
    상기 복수의 덕트 각각은 서로 대향하는 제1 표면, 및 제2 표면을 포함하고,
    상기 제1 열전모듈은 상기 제1 표면 상에 배치되는 복수의 일측 열전모듈을 포함하고, 상기 제2 열전모듈은 상기 제2 표면 상에 배치되는 복수의 타측 열전모듈을 포함하는 발전장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 일측 열전모듈은 상기 관통홀의 내측면을 향하여 배치되는 복수의 제1 부, 및 상기 제1 표면에 배치되는 복수의 제2 부를 포함하고,
    상기 복수의 타측 열전모듈은 상기 관통홀의 내측면을 향하여 배치되는 복수의 제3 부, 및 상기 제2 표면에 배치되는 복수의 제4 부를 포함하는 발전장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 일측 열전모듈의 제2 부는 상기 타측 열전모듈의 제4 부와 소정거리 이격된 발전장치.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은 상기 덕트와 결합하는 복수의 제1 체결부를 포함하는 발전장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 체결부는 상기 제2 방향을 따라 서로 이격되어 배치된 발전장치.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 가이드부재는 복수의 홈을 포함하고,
    상기 복수의 홈은 상기 제2 방향을 따라 서로 이격되어 배치된 발전장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 가이드부재의 복수의 홈에 각각 배치된 복수의 제2 체결부를 포함하고,
    상기 복수의 제1 체결부는 상기 덕트의 제1 표면 및 상기 제2 표면과 마주보고,
    상기 복수의 제2 체결부는 상기 덕트의 제3 표면과 마주보고,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 상기 제3 표면과 수직인 발전장치.
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