KR102492207B1 - 열변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 단위 모듈, 상기 제1 단위 모듈의 측면에 배치되는 제2 단위 모듈, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈과 소정 간격으로 이격되도록 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈을 일체로 둘러싸는 공기 통과 배관, 상기 제1 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 유입관, 그리고 상기 제2 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 배출관을 포함하며, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은, 제1면, 상기 제1 면에 대향하여 배치된 제2 면, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치된 제3 면, 및 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되며 상기 제3 면과 대향하여 배치된 제4면을 포함하는 냉각수 통과 배관, 상기 제1 면에 배치된 제1 열전 모듈, 그리고 상기 제2 면에 배치된 제2 열전 모듈을 포함한다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}
본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더운 공기로부터의 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 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 발전성능을 높이기 위한 구조가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 단위 모듈, 상기 제1 단위 모듈의 측면에 배치되는 제2 단위 모듈, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈과 소정 간격으로 이격되도록 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈을 일체로 둘러싸는 공기 통과 배관, 상기 제1 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 유입관, 그리고 상기 제2 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 배출관을 포함하며, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은, 제1면, 상기 제1 면에 대향하여 배치된 제2 면, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치된 제3 면, 및 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되며 상기 제3 면과 대향하여 배치된 제4면을 포함하는 냉각수 통과 배관, 상기 제1 면에 배치된 제1 열전 모듈, 그리고 상기 제2 면에 배치된 제2 열전 모듈을 포함한다.
각 냉각수 통과 배관의 상기 제3 면에 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 배치될 수 있다.
공기는 상기 공기 유입관으로 유입되어 상기 공기 통과 배관을 통과한 후 상기 공기 배출관으로부터 배출되는 방향으로 이동하고, 냉각수는 상기 제2 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구로 유입되어 상기 제1 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 배출구로부터 배출되는 방향으로 이동할 수 있다.
상기 제1 열전 모듈 및 상기 제2 열전 모듈 각각은, 상기 제1 면 또는 상기 제2 면에 배치된 열전소자, 그리고 상기 열전소자 상에서 상기 공기 통과 배관의 내부 표면을 향하도록 배치된 히트싱크를 포함하며, 상기 히트싱크는 상기 공기 통과 배관의 내부 표면과 소정 간격으로 이격될 수 있다.
상기 제2 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 배출구로부터 배출된 냉각수는 상기 제1 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구로 유입될 수 있다.
각 냉각수 통과 배관의 내부에는 상기 제3 면의 내부 표면으로부터 상기 제4 면의 내부 표면으로 향하는 방향을 가지는 복수의 핀이 배치되며, 상기 복수의 핀 중 일부는 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치되고, 상기 복수의 핀 중 나머지 일부는 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치되며, 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀은 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀 사이에 배치될 수 있다.
상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀은 상기 제4 면의 내부 표면에는 접촉하지 않도록 배치되고, 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀의 적어도 일부는 상기 제4 면의 내부 표면에도 접촉하지 않도록 배치될 수 있다.
상기 제3 면의 내부 표면 및 상기 제4 면의 내부 표면에 모두 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀 사이에 상기 제4 면의 내부 표면에 접촉하며 상기 제4 면의 내부 표면으로부터 상기 제3 면의 내부 표면을 향하는 방향으로 배치된 내벽을 더 포함할 수 있다.
상기 공기 통과 배관은 상기 공기 유입관과 접합하는 제1 플랜지부, 상기 공기 배출관과 접합하는 제2 플랜지부, 그리고 상기 제1 플랜지부와 상기 제2 플랜지부 사이를 연결하는 배관부를 포함하고, 상기 배관부는 상기 제1 면, 상기 제2 면, 상기 제3 면 및 상기 제4 면에 각각 대응하는 제5 면, 제6 면, 제7 면 및 제8 면을 포함하고, 상기 제1 플랜지부로부터 상기 제7면까지 이어지거나, 상기 제2 플랜지부로부터 상기 제7면까지 이어지는 홈이 형성되며, 상기 제1 플랜지부 또는 상기 제2 플랜지부에 형성된 홈의 높이는 상기 각 냉각수 통과 배관의 상기 제3 면에 형성된 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구의 높이보다 높을 수 있다.
상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 사이에 적어도 하나의 단위 모듈이 더 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 조립이 용이하고, 구조가 간단한 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 설치되는 공간 및 요구되는 발전량에 따라 크기를 조절하는 것이 용이한 열변환장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 분해사시도이다.
도 4(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 한 예이고, 도 4(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 다른 예이다.
도 5(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈의 단면도이고, 도 5(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈의 분해단면도이며, 도 5(c)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈이 배치되는 냉각수 통과 배관의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 열전모듈에 포함된 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 열전모듈에 포함된 열전소자의 사시도이다.
도 8(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 복수의 단위 모듈의 한 예이고, 도 8(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 복수의 단위 모듈의 다른 예이다.
도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 배관의 내부 구조 및 냉각수 이동 경로를 나타내며, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구의 한 예이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 공기 통과 배관의 사시도이다.
도 11(a)는 도 10의 공기 통과 배관이 결합된 본체부의 사시도이며, 도 11(b)는 공기 통과 배관이 결합된 본체부를 공기 유입구 측에서 본 평면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 분해사시도이다. 도 4(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 한 예이고, 도 4(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 본체부의 다른 예이다. 도 5(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈의 단면도이고, 도 5(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈의 분해단면도이며, 도 5(c)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 본체부에 포함된 열전모듈이 배치되는 냉각수 통과 배관의 상면도이다. 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 열전모듈에 포함된 열전소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 열전모듈에 포함된 열전소자의 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(10)는 본체부(1000), 공기 유입관(2000) 및 공기 배출관(3000)을 포함한다.
공기 배출관(3000)으로부터 배출되는 공기의 온도는 공기 유입관(2000)으로 유입되는 공기의 온도보다 낮다. 예를 들어, 공기 유입관(2000)으로 유입되는 공기는 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생하는 폐열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 공기 유입관(2000)으로 유입되는 공기의 온도는 100℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상, 더욱 바람직하게는 220℃ 내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
공기는 공기 유입관(2000)으로 유입되어 본체부(1000)를 통과한 후, 공기 배출관(3000)으로부터 배출되는 방향으로 이동한다. 공기 유입관(2000) 및 공기 배출관(3000)의 단면 형상과 본체부(1000)의 단면 형상이 상이할 경우, 열변환장치(10)는 공기 유입관(2000)과 본체부(1000)를 연결하는 제1 연결관(2100) 및 본체부(1000)와 공기 배출관(3000)을 연결하는 제2 연결관(3100)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일반적인 공기 유입관(2000) 및 공기 배출관(3000)은 원통 형상일 수 있다. 이에 반해, 열전성능을 높이기 위하여, 본체부(1000)에 포함되는 열전모듈(100)은 평면 상에 배치되어야 할 수 있다. 이에 따라, 한 말단은 원통 형상이고, 다른 말단은 사각통 형상인 제1 연결관(2100)과 제2 연결관(3100)을 매개로 공기 유입관(2000) 및 본체부(1000)의 한 말단이 연결되고, 공기 배출관(3000) 및 본체부(1000)의 다른 말단이 연결될 수 있다.
이때, 공기 유입관(2000)과 제1 연결관(2100), 제1 연결관(2100)과 본체부(1000), 본체부(1000)와 제2 연결관(3100), 제2 연결관(3100)과 공기 배출관(3000) 등은 체결 부재에 의하여 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(10)는, 본체부(1000)를 통해 열전모듈(100)을 사이에 두고 흐르는 공기 및 냉각수 간의 온도 차, 즉 열전모듈(100)의 흡열면 및 발열면 간의 온도차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
이를 위하여, 본체부(1000)는 복수의 단위 모듈(1100, 1200, 1400) 및 공기 통과 배관(1300)을 포함한다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 도 4(a)와 같이 복수의 단위 모듈은 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200)인 실시예를 중심으로 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 복수의 단위 모듈은 2 이상의 단위 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4(b)와 같이 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200) 사이에는 추가의 단위 모듈, 예를 들어 제3 단위 모듈(1400)이 더 배치될 수도 있다. 추가의 단위 모듈의 개수는 설치되는 공간 및 요구되는 발전량에 따라 달라질 수 있다.
제2 단위 모듈(1200)은 제1 단위 모듈(1100)의 측면에 배치되며, 공기 통과 배관(1300)은 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200)과 소정 간격으로 이격되도록 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200)을 일체로 둘러쌀 수 있다.
공기 유입관(2000)은 직접 또는 제1 연결관(2100)을 통하여 제1 단위 모듈(1100) 측에서 공기 통과 배관(1300)의 한 플랜지(1302)와 연결될 수 있으며, 공기 배출관(3000)은 직접 또는 제2 연결관(3100)을 통하여 제2 단위 모듈(1200) 측에서 공기 통과 배관(1300)의 다른 플랜지(1304)와 연결될 수 있다.
여기서, 제1 단위 모듈(1100)과 제2 단위 모듈(1200) 각각은 제1 열전 모듈(100), 제2 열전 모듈(200) 및 냉각수 통과 배관(300)을 포함한다.
이때, 냉각수 통과 배관(300)은 제1 면(302), 제1 면(302)에 대향하여 배치된 제2 면(304), 제1 면(302)과 제2 면(304) 사이에 배치된 제3 면(306), 및 제1 면(302)과 제2 면(304) 사이에 배치되며 제3 면(306)과 대향하여 배치된 제4 면(308)을 포함할 수 있고, 제1 면(302), 제2 면(304), 제3 면(306) 및 제4 면(308)에 의하여 이루어진 내부 공간을 통하여 냉각수가 통과할 수 있다. 예를 들어, 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각수 통과 배관(300)으로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 바람직하게는 40℃ 미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 냉각수 통과 배관(300)을 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 냉각수 통과 배관(300)으로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다.
그리고, 제1 열전 모듈(100)은 냉각수 통과 배관(300)의 한 외부 표면, 예를 들어 제1 면(302)의 외부 표면에 배치되고, 제2 열전 모듈(200)은 냉각수 통과 배관(300)의 다른 외부 표면, 예를 들어 제2 면(304)의 외부 표면에 배치될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 본체부(1000)의 중심에 배치된 냉각수 통과 배관(300)을 통하여 냉각수가 흐르고, 냉각수 통과 배관(300)의 외부 표면에 열전 모듈(100, 200)이 배치되며, 열전 모듈(100, 200)과 소정 간격으로 이격되어 열전 모듈(100, 200)을 둘러싸도록 공기 배관 덕트(1300)가 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(10)는, 냉각수 통과 배관(300)을 통해 흐르는 냉각용 유체 및 공기 통과 배관(1300)을 통과하는 고온의 기체 간 온도 차, 즉 열전 모듈(100, 200)의 저온부 및 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 특히, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전 모듈(100, 200), 예를 들어 열전 모듈(100, 200)의 히트싱크는 공기 배관 덕트(1300)를 흐르는 고온의 기체에 직접 노출될 수 있으므로, 열전 모듈(100, 200)의 저온부 및 고온부 간의 온도 차가 커지므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
이때, 공기 배관 덕트(1300)의 내부 표면에는 단열층이 더 배치될 수 있다. 이에 따라, 공기 배관 덕트(1300)를 통과하는 공기의 온도가 외부로 유실되지 않을 수 있으며, 열전 모듈(100, 200)의 저온부 및 고온부 간 온도 차를 최대화할 수 있다.
이때, 냉각수 유입구(310) 및 냉각수 배출구(320)는 각 냉각수 통과 배관(300)의 제3 면(306)에 배치될 수 있다. 공기가 공기 유입관(2000)으로 유입되어 공기 통과 배관(1300)을 통과한 후 공기 배출관(3000)으로부터 배출되는 방향으로 이동할 때, 냉각수는 제2 단위 모듈(1200)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)의 냉각수 유입구(310)로 유입되어 제1 단위 모듈(1100)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)의 냉각수 배출구(320)로 배출되는 방향으로 이동할 수 있다. 공기의 온도는 공기 유입관(2000)에 가까울수록 높고 공기 배출구(3000)에 가까울수록 낮으며, 냉각수의 온도는 제2 단위 모듈(1200)에 가까울수록 낮고, 제1 단위 모듈(1100)에 가까울수록 높으므로, 열전 모듈(100, 200)의 고온부 측과 저온부 측 간 온도 차, 즉 ΔT를 고르게 유지할 수 있으며, 이에 따라 본체부(1000)의 전 영역에서 고른 발전 성능을 얻을 수 있다.
한편, 본체부(1000)는 단열층(1400) 및 실드층(1500)을 더 포함할 수 있다.
단열층(1400)은 냉각수 통과 배관(300)의 외부 표면 중 열전 모듈(100, 200)이 배치되는 영역을 제외하고 냉각수 통과 배관(300)의 외부 표면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 특히, 냉각수 통과 배관(300)의 외부 표면 중 열전 모듈(100, 200)이 배치되는 제1 면(302) 및 제2 면(304)에 배치되는 단열층(1402, 1404)으로 인하여 열전 모듈(100, 200)의 저온부 측과 고온부 측 간 단열이 유지될 수 있으므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
그리고, 실드층(1500)은 제1 단위 모듈(1100)에 포함되는 냉각수 통과 배관(300)의 제3 면(306) 및 제2 단위 모듈(1200)에 포함되는 냉각수 통과 배관(300)의 제3 면(306)을 일체로 커버하는 제1 실드층(1502)과 제1 단위 모듈(1100)에 포함되는 냉각수 통과 배관(300)의 제4 면(308) 및 제2 단위 모듈(1200)에 포함되는 냉각수 통과 배관(300)의 제4 면(308)을 일체로 커버하는 제2 실드층(1504)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 단위 모듈(1100, 1200)을 병렬로 연결하는 것이 가능하다.
실드층(1500)은 제1 단위 부재(1100) 중 공기 유입관(2000)을 향하는 측면에 배치된 제3 실드층(1506)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 제3 실드층(1506)은 공기 통과 배관(1300)의 내부 표면에 스크류를 통하여 체결되되, 히트싱크(190)가 배치되는 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 공기 유입관(2000)으로 유입된 공기는 제1 열전 모듈(100) 측 및 제2 열전모듈(200) 측으로 고르게 분산되어 공기 통과 배관(1300)을 통과할 수 있다.
도 5 내지 7을 참조하면, 제1 열전모듈(100) 및 제2 열전모듈(200)은 스크류(S)를 이용하여 냉각수 통과 배관(300)과 체결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(100) 및 제2 열전모듈(200)은 냉각수 통과 배관(300)의 표면에 안정적으로 결합할 수 있다. 또는, 냉각수 통과 배관(300)은 써멀패드(thermal pad)를 통하여 냉각수 통과 배관(300)의 표면에 각각 접착될 수도 있다.
설명의 편의를 위하여, 제1 열전모듈(100)을 예로 들어 설명하나, 동일한 내용은 제2 열전모듈(200)에도 적용될 수 있다.
제1 열전모듈(100)은 냉각수 통과 배관(300)의 제1 면(302)의 외부 표면에 배치된 열전소자 및 열전소자 상에 배치된 히트싱크(190)를 포함한다. 이때, 히트싱크(190)는 공기 통과 배관(1300)의 내부 표면을 향하여 배치되며, 공기 통과 배관(1300)의 내부 표면과 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이에 따라, 공기 통과 배관(1300)을 통과하는 공기의 온도가 히트싱크(190)를 통하여 열전소자의 고온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 그리고, 냉각수 통과 배관(300)의 제1 면(302)의 외부 표면과 열전소자 사이에는 알루미늄 플레이트(192)가 더 배치될 수도 있다. 알루미늄 플레이트(192)는 열전달 효율이 높으므로, 냉각수 통과 배관(300)을 통과하는 냉각수의 온도가 알루미늄 플레이트(192)를 통하여 열전소자의 저온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다.
각 열전소자는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 복수의 제1 전극(120), 복수의 제1 전극(120) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 상에 배치된 복수의 제2 전극(150), 그리고 복수의 제2 전극(150) 상에 배치된 제2 기판(160)을 포함한다.
이때, 제1 전극(120)은 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 제2 전극(150)은 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 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 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018034433101-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 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 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, 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제1 전극(120), 그리고 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 전극(120) 또는 제2 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 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 고분자 수지 기판일 수 있다. 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다.
또는, 고분자 수지 기판은 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도 기판일 수도 있다. 열전도 기판의 두께는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 수 있다.
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 질화붕소는 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 여기서, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure 112018034433101-pat00002
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure 112018034433101-pat00003
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.
제1 기판(110)과 제2 기판(160)이 고분자 수지 기판인 경우, 금속 기판에 비하여 얇은 두께, 높은 방열 성능 및 절연 성능을 가질 수 있다. 또한, 히트싱크(190) 또는 알루미늄 플레이트(192) 상에 도포된 반경화 상태의 고분자 수지층 상에 전극을 배치한 후 열압착할 경우, 별도의 접착층이 요구되지 않을 수 있다.
이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)과 제2 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, 제1 기판(110)과 제2 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.
이하, 도면을 참조하며 냉각수의 이동을 더욱 구체적으로 설명하고자 한다.
도 8(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 복수의 단위 모듈의 한 예이고, 도 8(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함된 복수의 단위 모듈의 다른 예이다. 도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 배관의 내부 구조 및 냉각수 이동 경로를 나타내며, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구의 한 예이다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, 각 단위 모듈(1100, 1200)에 포함되는 각 냉각수 통과 배관(300)은 냉각수 유입구(310)와 냉각수 배출구(320)를 모두 포함할 수 있다. 이때, 제2 단위 모듈(1200)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)의 냉각수 배출구(320)로부터 배출된 냉각수는 제1 단위 모듈(1100)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)의 냉각수 유입구(310)로 유입될 수 있다. 또는, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 모듈(1200)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)이 냉각수 유입구(310)를 포함하면, 다른 단위 모듈(1100)에 포함된 냉각수 통과 배관(300)이 냉각수 배출구(320)를 포함할 수 있다.
도 9(a)를 참조하면, 각 냉각수 통과 배관(300)의 내부에는 제3 면(306)의 내부 표면으로부터 제4 면(308)의 내부 표면을 향하는 방향을 가지는 복수의 핀(330)이 배치될 수 있다. 이와 같이, 냉각수 통과 배관(300) 내부에 핀(330)이 형성되면, 냉각수와 냉각수 통과 배관(300) 간의 열 교환이 효율적으로 일어날 수 있다. 예를 들어, 냉각수 통과 배관(300) 내부에 핀(330)이 형성된 경우의 냉각수 통과 배관(300)의 표면 온도는 냉각수 통과 배관(300) 내부에 핀(330)이 형성되지 않은 경우의 냉각수 통과 배관(300)의 표면 온도에 비하여 약 2℃ 이상 낮을 수 있다.
이때, 복수의 핀(330) 중 일부(332)는 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하고, 복수의 핀(330) 중 나머지 일부(334)는 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치되며, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀(334)은 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀(332) 사이에 배치될 수 있다.
이때, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀(332)은 제4 면(308)의 내부 표면에는 접촉하지 않도록 배치될 수 있고, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀(334) 중 적어도 일부는 제4 면(308)의 내부 표면에도 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 또는, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀(332)은 제4 면(308)의 내부 표면에는 접촉하지 않도록 배치될 수 있고, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀(334) 중 적어도 일부는 제4 면(308)의 내부 표면에 접촉하도록 배치될 수도 있다.
그리고, 상기 제3 면(306)의 내부 표면 및 제4 면(308)의 내부 표면에 모두 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀(334) 사이에 제4 면(308)의 내부 표면에 접촉하며 제4 면(308)의 내부 표면으로부터 제3 면(306)의 내부 표면을 향하는 방향으로 배치된 내벽(340)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 제3 면(306)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀(334) 중 일부는 내벽(340)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 즉, 내벽(340)은 제4 면(308)의 내부 표면이 될 수 있으며, 이에 따라, 제3 면(306)의 내부 표면 및 제4 면(308)의 내부 표면 모두에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀들 사이에 제3 면(306)의 내부 표면에는 접촉하지 않으며 제4 면(308)의 내부 표면에는 접촉하도록 배치된 복수의 핀이 배치될 수 있다. 이에 따르면, 냉각수 통과 배관(300) 내부에서 냉각수가 W형상으로 흐르게 되어 냉각수 유로가 길어질 수 있고, 냉각수와 냉각수 통과 배관(300) 간의 열교환 시간이 늘어날 수 있다.
한편, 도 9(b)를 참조하면, 냉각수 유입구(310) 및 냉각수 배출구(320) 중 적어도 하나에는 탭(tap) 형상이 가공될 수도 있다. 이에 따라, 유속이 낮은 경우 유속을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도면을 참조하여 단위 모듈과 공기 통과 배관의 결합 구조를 설명한다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 공기 통과 배관의 사시도이고, 도 11(a)는 도 10의 공기 통과 배관이 결합된 본체부의 사시도이며, 도 11(b)는 공기 통과 배관이 결합된 본체부를 공기 유입구 측에서 본 평면도이다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 공기 통과 배관(1300)은 공기 유입관(2000)과 접합하는 제1 플랜지부(1302), 공기 배출관(3000)과 접합하는 제2 플랜지부(1304), 그리고 제1 플랜지부(1302)와 제2 플랜지부(1304) 사이를 연결하는 배관부(1306)를 포함하고, 배관부(1306)는 제1 면(302), 제2 면(304), 제3 면(306) 및 제4 면(308)에 각각 대응하는 제5 면(1312), 제6 면(1314), 제7 면(1316) 및 제8 면(1318)을 포함하고, 제1 플랜지부(1302)로부터 제7면(1316)까지 이어지거나, 제2 플랜지부(1304)로부터 제7면(1316)까지 이어지는 홈(1320)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 플랜지부(1302) 또는 제2 플랜지부(1304)에 형성된 홈(1320)의 높이는 각 냉각수 통과 배관(300)의 제3 면(306)에 형성된 냉각수 유입구(310) 및 냉각수 배출구(320)의 높이보다 높을 수 있다. 이에 따라, 홈(1320)을 통하여 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200)을 밀어넣는 방법으로 제1 단위 모듈(1100) 및 제2 단위 모듈(1200)과 공기 통과 배관(1300)을 조립할 수 있다. 홈(1320)이 제2 플랜지부(1304)에 형성되는 경우, 제2 플랜지부(1304)는 제1 플랜지부(1302)보다 크게 형성될 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 (10)

  1. 제1 단위 모듈,
    상기 제1 단위 모듈의 측면에 배치되는 제2 단위 모듈,
    상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈과 소정 간격으로 이격되도록 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈을 일체로 둘러싸는 공기 통과 배관,
    상기 제1 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 유입관, 그리고
    상기 제2 단위 모듈 측에서 상기 공기 통과 배관과 연결되는 공기 배출관을 포함하며,
    상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은,
    제1면, 상기 제1 면에 대향하여 배치된 제2 면, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치된 제3 면, 및 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되며 상기 제3 면과 대향하여 배치된 제4면을 포함하는 냉각수 통과 배관,
    상기 제1 면에 배치된 제1 열전 모듈, 그리고
    상기 제2 면에 배치된 제2 열전 모듈을 포함하고,
    공기는 상기 공기 유입관으로 유입되어 상기 공기 통과 배관을 통과한 후 상기 공기 배출관으로부터 배출되는 방향으로 이동하고,
    냉각수는 상기 제2 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관으로 유입된 후 상기 제1 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관으로부터 배출되는 열변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각 냉각수 통과 배관의 상기 제3 면에 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 배치되는 열변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 제2 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구로 유입되어 상기 제1 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 배출구로부터 배출되는 방향으로 이동하는 열변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 열전 모듈 및 상기 제2 열전 모듈 각각은,
    상기 제1 면 또는 상기 제2 면에 배치된 열전소자, 그리고 상기 열전소자 상에서 상기 공기 통과 배관의 내부 표면을 향하도록 배치된 히트싱크를 포함하며,
    상기 히트싱크는 상기 공기 통과 배관의 내부 표면과 소정 간격으로 이격된 열변환장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 배출구로부터 배출된 냉각수는 상기 제1 단위 모듈에 포함된 냉각수 통과 배관의 냉각수 유입구로 유입되는 열변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    각 냉각수 통과 배관의 내부에는 상기 제3 면의 내부 표면으로부터 상기 제4 면의 내부 표면으로 향하는 방향을 가지는 복수의 핀이 배치되며,
    상기 복수의 핀 중 일부는 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치되고,
    상기 복수의 핀 중 나머지 일부는 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치되며,
    상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀은 상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀 사이에 배치된 열변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하도록 배치된 복수의 핀은 상기 제4 면의 내부 표면에는 접촉하지 않도록 배치되고,
    상기 제3 면의 내부 표면에 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀의 적어도 일부는 상기 제4 면의 내부 표면에도 접촉하지 않도록 배치된 열변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 면의 내부 표면 및 상기 제4 면의 내부 표면에 모두 접촉하지 않도록 배치된 복수의 핀 사이에 상기 제4 면의 내부 표면에 접촉하며 상기 제4 면의 내부 표면으로부터 상기 제3 면의 내부 표면을 향하는 방향으로 배치된 내벽을 더 포함하는 열변환장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 공기 통과 배관은 상기 공기 유입관과 접합하는 제1 플랜지부, 상기 공기 배출관과 접합하는 제2 플랜지부, 그리고 상기 제1 플랜지부와 상기 제2 플랜지부 사이를 연결하는 배관부를 포함하고,
    상기 배관부는 상기 제1 면, 상기 제2 면, 상기 제3 면 및 상기 제4 면에 각각 대응하는 제5 면, 제6 면, 제7 면 및 제8 면을 포함하고,
    상기 제1 플랜지부로부터 상기 제7면까지 이어지거나, 상기 제2 플랜지부로부터 상기 제7면까지 이어지는 홈이 형성되며,
    상기 제1 플랜지부 또는 상기 제2 플랜지부에 형성된 홈의 높이는 상기 각 냉각수 통과 배관의 상기 제3 면에 형성된 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구의 높이보다 높은 열변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 사이에 적어도 하나의 단위 모듈이 더 배치되는 열변환장치.
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