KR102562012B1 - 열변환장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 배열되는 복수 개의 단위 모듈; 상기 복수 개의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임; 상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며 상기 복수 개의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 유입관; 및 상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수 개의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 배출관;을 포함하고, 각 단위 모듈은, 냉각수 통과 챔버; 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치되는 제1 열전모듈; 및 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치되는 제2 열전모듈;을 포함하며, 상기 냉각수 통과 챔버는, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되는 제3 면; 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되고 상기 제3 면에서 제3 방향으로 배치되는 제4 면; 상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 유입구가 배치되는 제5 면; 및 상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 배출구가 배치되는 제6 면;을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은 복수 개의 그룹 열전소자를 포함하고, 각 그룹 열전소자는 상기 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 복수 개의 열전소자를 포함하고, 상기 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나의 그룹 열전소자에서 복수 개의 열전소자는 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 교차하는 방향인 열변환장치를 개시한다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}
실시 예는 열변환장치에 관한 것으로, 더욱 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.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 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.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 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.
이와 같이 폐열을 이용하는 발전용 장치의 경우, 조립성 개선 및 일부 모듈의 교체 가능성이 요구되며, 냉각수의 무게로 인하여 냉각수가 통과하는 영역을 지지하는 구조도 요구되고 있다.
실시 예는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공한다.
또한, 온도 차에 따라 열전 레그의 전기적 연결을 변경하는 열변환장치를 제공한다.
또한, 온도 구배가 개선된 열변환장치를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
실시예에 따른 열변환장치는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 배열되는 복수 개의 단위 모듈; 상기 복수 개의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임; 상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며 상기 복수 개의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 유입관; 및 상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수 개의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 배출관;을 포함하고, 각 단위 모듈은, 냉각수 통과 챔버; 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치되는 제1 열전모듈; 및 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치되는 제2 열전모듈;을 포함하며, 상기 냉각수 통과 챔버는, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되는 제3 면; 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되고 상기 제3 면에서 제3 방향으로 배치되는 제4 면; 상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 유입구가 배치되는 제5 면; 및 상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 배출구가 배치되는 제6 면;을 포함하고, 상기 제1 열전모듈은 복수 개의 그룹 열전소자를 포함하고, 각 그룹 열전소자는 상기 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 복수 개의 열전소자를 포함하고, 상기 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나의 그룹 열전소자에서 복수 개의 열전소자는 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 교차하는 방향이다.
상기 복수 개의 그룹 열전소자는,
제1 그룹 열전소자; 및 상기 제1 그룹 열전소자와 이격되어 배치되는 제2 그룹 열전소자를 포함하고, 상기 제1 그룹 열전소자의 상기 제4 면으로부터 상기 제3 방향으로 최소 이격 거리는 상기 제2 그룹 열전소자의 상기 제4 면으로부터 상기 제3 방향으로 최소 이격 거리보다 클 수 있다.
각 열전소자는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그; 상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 상기 복수 개의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판; 상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그를 직렬 연결하고 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극; 및 상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그를 직렬 연결하고 제2 기판 상에 배치되는 제2 전극;을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 복수 개의 그룹 서브 전극을 포함하고, 각 그룹 서브 전극은 상기 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 복수 개의 서브 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 그룹 서브 전극 중 적어도 하나의 그룹 서브 전극에서 복수 개의 서브 전극은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나의 그룹 열전소자에서 복수 개의 열전소자는 직렬 연결되고, 상기 복수 개의 그룹 서브 전극 중 적어도 하나의 그룹 서브 전극에서 복수 개의 서브 전극은 직렬 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 그룹 서브 전극은,
제1-1 전극; 및 이격 배치된 제1-2 전극;을 포함하고, 상기 제1-1 전극의 최소 이격 거리는 상기 제1-2 전극의 최소 이격 거리보다 클 수 있다.
상기 복수 개의 그룹 열전소자는,
각 그룹 열전소자 내에서 최대 온도차가 인접한 그룹 열전소자 간의 최소 온도차보다 크며, 상기 최대 온도차는 상기 각 그룹 열전소자 내에서 발열부와 흡열부의 최고 온도차와 최저 온도차 간의 차이이고, 상기 최소 온도차는 상기 인접한 그룹 열전소자 사이에서 발열부와 흡열부의 온도차의 최소 편차일 수 있다.
상기 프레임은 상기 제1 단위 모듈 그룹 및 상기 제2 단위 모듈 그룹 사이에 배치된 지지벽을 포함하고, 상기 지지벽에는 상기 냉각수 유입구의 위치 및 상기 냉각수 배출구의 위치에 대응하도록 홀이 형성되며, 상기 제1 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 배출구는 상기 홀을 통하여 상기 제2 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 유입구에 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 단위 모듈 그룹은,
상기 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 제1 단위 모듈 그룹 및 제2 단위 모듈 그룹을 포함하고, 상기 소정 간격으로 기체가 통과하며 상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
상기 기체의 비열은 상기 냉각수의 비열보다 클 수 있다.
상기 기체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 흐르고,
상기 냉각수 통과 챔버의 내부에는 상기 냉각수 유입구로부터 상기 냉각수 배출구까지 연결되는 냉각수 통과 관이 형성되며, 냉각수는 상기 냉각수 통과 관을 통하여 상기 제2 방향을 따라 흐를 수 있다.
실시 예에 따르면, 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 구현할 수 있다.
또한, 온도 차에 따라 열전 레그의 전기적 연결을 변경하는 온도 구배가 개선된 열변환장치를 제작할 수 있다.
또한, 온도 구배가 개선된 열변환장치를 제작할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이고,
도 4는 도 3의 단위 모듈의 분해도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이고,
도 13은 도 10의 변형예이고,
도 14와 도 15는 일 실시예에 따른제 제1 열전모듈의 효과를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직일 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 일 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이고, 도 4는 도 3의 단위 모듈의 분해도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 열변환장치(10)는 복수 개의 단위 모듈 그룹 및 복수 개의 단위 모듈 그룹을 지지하는 프레임(2000)을 포함한다. 여기서, 각 단위 모듈 그룹은 복수 개의 단위 모듈(1000)을 포함한다.
여기서, 복수 개의 단위 모듈(1000)은 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 복수 개 배열될 수 있으며, 제2 방향은 제1 방향과 교차하는 방향, 예를 들어 제1 방향과 직각을 이루는 방향일 수 있다. 본 명세서에서, 제1 방향으로 배열된 복수 개의 단위 모듈(1000)은 하나의 단위 모듈 그룹을 이루는 것으로 설명될 수 있으며, 이에 따라, 복수 개의 단위 모듈 그룹은 제2 방향을 따라 배열될 수 있다. 여기서, 하나의 단위 모듈 그룹 내에 포함되는 복수 개의 단위 모듈(1000)은 소정 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 설명의 편의를 위하여, 열변환장치(10)는 제2 방향을 따라 배치된 5개의 단위 모듈 그룹, 즉 제1 단위 모듈 그룹(1000-A), 제2 단위 모듈 그룹(1000-B), 제3 단위 모듈 그룹(1000-C), 제4 단위 모듈 그룹(1000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)을 포함하는 것을 예로 들어 설명하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
프레임(2000)은 복수 개의 단위 모듈(1000)의 외곽을 둘러싸도록 배치되는 틀 또는 테두리일 수 있다. 이때, 프레임(2000)에는 복수 개의 단위 모듈(1000) 내부로 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 유입관(미도시) 및 복수 개의 단위 모듈(1000)의 내부를 통과한 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출관(미도시)이 형성될 수 있다. 냉각수 유입관 및 냉각수 배출관 중 하나는 복수 개의 단위 모듈 그룹 중 한 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹, 예를 들어 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)의 측면에 배치된 테두리에 형성되고, 다른 하나는 복수 개의 단위 모듈 그룹 중 다른 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹, 예를 들어 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)의 측면에 배치된 테두리에 형성될 수 있다.
특히, 도 3 내지 4를 참조하면, 각 단위 모듈(1000)은 냉각수 통과 챔버(1100), 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101)에 배치된 제1 열전모듈(1200) 및 냉각수 통과 챔버(1100)의 다른 면(1102)에 배치된 제2 열전모듈(1300)을 포함한다. 여기서, 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101) 및 다른 면(1102)은 제1 방향을 따라 소정 간격으로 서로 이격되도록 배치된 양면일 수 있으며, 본 명세서에서 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101) 및 다른 면(1102)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면 및 제2 면과 혼용될 수 있다.
제1 열전모듈(1200)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101)의 외부 표면에 배치되고, 제1 열전모듈(1200)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)의 제2 열전모듈(1300)을 향하도록 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 열전모듈(1300)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제2 면(1102)의 외부 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)의 제1 열전모듈(1200)을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(10)는, 냉각수 통과 챔버(1100)를 통해 흐르는 냉각수 및 복수 개의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차, 즉 제1 열전모듈(1200)의 흡열부와 발열부 간의 온도 차 및 제2 열전모듈(1300)의 흡열부와 방열부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 여기서, 냉각수는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능을 가지는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100)로 유입되는 냉각수의 온도는 100℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 바람직하게는 40℃ 미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각수의 온도는 냉각수 통과 챔버(1100)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 복수 개의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 100℃ 이상, 바람직하게는 150℃ 이상, 더욱 바람직하게는 200℃ 이상일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수 개의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간의 폭은 수mm 내지 수십 mm일 수 있으며, 열변환장치의 크기, 유입되는 기체의 온도, 기체의 유입 속도, 요구되는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 각각 복수 개의 열전소자(100)를 포함할 수 있다. 요구되는 발전량에 따라 각 열전모듈에 포함되는 열전소자의 개수를 조절할 수 있다.
그리고 각 열전모듈에 포함되는 복수 개의 열전소자(100)는 전기적으로 연결될 수 있으며, 복수 개의 열전소자(100)의 적어도 일부는 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다. 버스 바는, 예를 들어 고온의 기체가 복수 개의 단위 모듈(1000) 간의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 배출구 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다.
그리고 각 열전모듈은 제3 면(1103) 또는 제4 면(1104)으로부터 제3 방향으로 이격된 거리에 따라 복수 개의 그룹 열전소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 열전모듈(1200)은 제4 면(1104)으로부터 제3 방향으로 이격된 최소 거리(이하 최소 이격 거리)가 동일한 복수 개의 그룹 열전소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 그룹 열전소자는 제1 그룹 열전소자(HA1) 내지 제4 그룹 열전소자(HA4)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 그룹 열전소자(HA1)는 제1 열전모듈(1200)의 그룹 열전소자 중 제4 면(1104)에 가장 인접하게 배치되고, 제4 그룹 열전소자(HA4)는 제1 열전모듈(1200)의 그 열전소자 중 제3 면(1103)에 가장 인접하게 배치될 수 있다. 그리고 이하 이를 기준으로 설명한다.
그리고 각 단위 모듈(1000)은 복수 개의 열전소자(100) 사이에 배치되는 단열층(1400) 및 실드층(1500)을 더 포함할 수 있다. 단열층(1400)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면 중 열전소자(100)가 배치되는 영역을 제외하고 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 특히, 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면 중 복수 개의 열전소자(100)가 배치되는 제1 면(1101) 및 제2 면(1102)에서 열전소자(100) 사이에 단열층(1400)이 배치되는 경우, 단열층(1400)으로 인하여 열전소자(100)의 저온부 측과 고온부 측 간 단열이 유지될 수 있으므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
그리고, 실드층(1500)은 단열층(1400) 상에 배치되며, 단열층(1400) 및 복수 개의 열전소자(100)를 보호할 수 있다. 이를 위하여, 실드층(1500)은 스테인리스 소재를 포함할 수 있다.
실드층(1500)과 냉각수 통과 챔버(1100)는 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 이에 따라, 실드층(1500)은 단위 모듈(1000)에 안정적으로 결합할 수 있으며, 제1 열전모듈(1200) 또는 제2 열전모듈(1300)과 단열층(1400)도 함께 고정될 수 있다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102)에 써멀패드(thermal pad, 1600)를 이용하여 접착될 수도 있다. 써멀패드(1600)는 열전달이 용이하므로, 냉각수 통과 챔버(1100)와 열전모듈 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 그리고, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 열전소자(100)의 고온부 측에 배치된 히트싱크(200) 및 열전소자(100)의 저온부 측에 배치된 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이때, 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈을 향하여 배치된다. 제1 열전모듈(1200)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈(1000-1, 도 2 참조)의 제2 열전모듈(1300)을 향하여 배치되며, 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 또 다른 단위 모듈(1000-2, 도 2 참조)의 제1 열전모듈(1200)을 향하여 배치될 수 있다. 이때, 인접하는 서로 다른 단위 모듈(1000)들의 히트싱크(200)들은 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 단위 모듈(1000) 사이를 통과하는 공기의 온도가 히트싱크(200)를 통하여 열전소자(100)의 고온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 한편, 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트는 열전달 효율이 높으므로, 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과하는 냉각수의 온도가 금속 플레이트(300)를 통하여 열전소자(100)의 저온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 도시된 바와 같이, 하나의 금속 플레이트(300)에는 복수 개의 열전소자(100)가 배치될 수도 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 하나의 금속 플레이트(300)에는 하나의 열전소자(100)가 배치될 수도 있다.
도 6 내지 7을 참조하면, 각 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 복수 개의 제1 전극(120), 복수 개의 제1 전극(120) 상에 배치된 복수 개의 P형 열전 레그(130) 및 복수 개의 N형 열전 레그(140), 복수 개의 P형 열전 레그(130) 및 복수 개의 N형 열전 레그(140) 상에 배치된 복수 개의 제2 전극(150), 그리고 복수 개의 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, 복수 개의 P형 열전 레그(130) 및 복수 개의 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 일 실시예에 따른 열전소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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.
열전소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 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(134-1, 144-1), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2), 그리고 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)을 포함한다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1)은 서로 직접 접촉하고, 열전 소재층(132. 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 접합층(136-1, 146-1)과 제1 도금층(134-1, 144-1)은 서로 직접 접촉하고, 제2 접합층(136-2, 146-2)과 제2 도금층(134-2, 144-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 도금층(134-1, 144-1)과 제1 금속층(138-1, 148-1)은 서로 직접 접촉하고, 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 금속층(138-2, 148-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다.
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(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)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(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)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(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2) 간의 반응을 막으므로, 열전소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136-1, 146)-1 및 제2 접합층(136-2, 146-2)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(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
이에 따르면, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높고, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높다. 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면까지의 Te 함량 또는 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량 대비 0.8 내지 1배일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량 대비 0.8배 내지 1배일 수 있다. 여기서, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내에서도 Te 함량은 일정하게 유지될 수 있으며, 예를 들어 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내에서 Te 중량비의 변화율은 0.9 내지 1일 수 있다.
또한, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량이 50wt%로 포함되는 경우, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 40 내지 50wt%, 바람직하게는 42.5 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 45 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 47.5 내지 50wt%일 수 있다. 또한, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 Ni대비 클 수 있다. 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내에서 Te의 함량은 일정하게 분포하는 반면, Ni 함량은 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내에서 열전 소재층(132, 142) 방향에 인접할수록 감소할 수 있다.
그리고, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량은 일정하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 중량비의 변화율은 0.8 내지 1일 수 있다. 여기서, Te 중량비의 변화율이 1에 가까울수록 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량이 일정하게 분포하는 것을 의미할 수 있다.
그리고, 제1 접합층(136-1, 146-1) 내 제1 도금층(134-1, 144-1)과 접하는 면, 즉 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 제2 도금층(134-2, 144-2)과 접하는 면, 즉 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 제1 접합층(136-1, 146-1)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142) 내 제2 접합층(136-2, 146-2)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에서의 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
그리고, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Te 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 즉, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다. 여기서, 열전 소재층(132, 142)의 중심부는 열전 소재층(132, 142)의 중심을 포함하는 주변 영역을 의미할 수 있다. 그리고, 경계면은 경계면 자체를 의미하거나, 또는 경계면과 경계면으로부터 소정 거리 내에 인접하는 경계면 주변 영역을 포함하는 것을 의미할 수 있다.
그리고, 제1 도금층(136-1, 146-1) 또는 제2 도금층(134-2, 144-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량 및 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량보다 낮게 나타날 수 있다.
또한, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Bi 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Bi 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 이에 따라, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에 이르기까지 Te의 함량이 Bi의 함량보다 높게 나타나므로, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 주변 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면 주변에서 Bi함량이 Te 함량을 역전하는 구간이 존재하지 않는다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Bi 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Bi 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 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 복수 개의 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]
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.
일 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]
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(200) 또는 금속 플레이트(300) 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, 열전소자의 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, 열전소자의 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 일 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
다시 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 각 단위 모듈(1000)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101)과 제2 면(1102) 사이의 제3 면(1103) 측에 배치되는 제1 지지프레임(1700) 및 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101)과 제2 면(1102) 사이의 제4 면(1104) 측에 배치되는 제2 지지프레임(1800)을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 제3 면(1103)은 제3 방향에서 아래를 향하는 면일 수 있고, 제4 면(1104)은 제3 면(1103)과 마주보는 면으로, 제3 방향에서 위를 향하는 면일 수 있다.
제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 중 적어도 하나의 형상은 H형상, 예를 들어 H빔일 수 있다. 열변환장치(10) 내에 포함된 제1 지지프레임(1700)과 제2 지지프레임(1800) 각각의 개수는 열변환장치(10) 내에 포함된 단위 모듈(1000)의 전체 개수와 동일할 수 있다. 도 3 내지 4에서 도시된 바와 같이, 동일한 단위 모듈 측에 배치된 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800)을 한 쌍의 지지프레임이라 지칭할 수도 있다. 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800)이 각각 냉각수 통과 챔버(1100)의 제3 면(1103) 측 및 제4 면(1104) 측에 배치되면, 단위 모듈의 강성을 유지할 수 있으며, 진동 시 휘어지거나 변형되는 문제를 방지할 수 있다.
이를 위하여, 프레임(2000)은 제1 단위 모듈 그룹(1000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(1000-B) 사이에 배치된 지지벽(2300)을 더 포함할 수 있고, 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각은 지지벽(2300)과 체결될 수 있다. 이때, 지지벽(2300)은 프레임(2000)의 틀 또는 테두리와 체결되거나, 일체로 성형될 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(1000-B) 사이에는 지지벽(2300)이 배치되고, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)의 각 단위 모듈(1000)에 배치된 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각은 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)이 배치된 방향을 향하여 지지벽(2300) 하부 및 상부에서 연장되며, 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)의 각 단위 모듈(1000)에 배치된 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각은 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)이 배치된 방향을 향하여 지지벽(2300) 하부 및 상부에서 연장될 수 있다. 이때, 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각의 연장 길이는 지지벽(2300)의 두께의 절반을 초과할 수 없다. 그리고, 제1 지지프레임(1700)과 지지벽(2300)의 하부 및 제2 지지프레임(1800)과 지지벽(2300)의 상부는 각각 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 이에 따르면, 단위 모듈 자체가 스크류에 의하여 프레임에 직접 고정될 필요가 없으므로, 조립이 용이하다. 또한, 요구되는 발전량에 따라 단위 모듈의 개수를 조절하기 용이하다.
여기서, 한 쌍의 지지프레임이 하나의 단일 모듈을 지지하는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각은 하나의 단위 모듈 그룹에 포함된 복수 개의 단위 모듈 중 하나 및 이와 인접하는 다른 단위 모듈 그룹에 포함된 복수 개의 단위 모듈 중 하나를 동시에 지지하도록 제2 방향을 따라 연장될 수도 있다. 이에 따르면, 열변환장치(10) 내에 포함된 제1 지지프레임(1700)과 제2 지지프레임(1800) 각각의 개수는 제1 단위 모듈 그룹(1000-A) 내에 포함된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일하거나, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A) 내에 포함된 단위 모듈(1000)의 개수의 배수일 수도 있다.
이를 위하여, 지지벽(2300)의 하단에는 제1 지지프레임(1700)이 배치되는 복수 개의 홈이 형성되고, 지지벽(2300)의 상단에는 제2 지지프레임(1800)이 배치되는 복수 개의 홈이 형성될 수 있으며, 제1 지지프레임(1700) 및 제2 지지프레임(1800) 각각은 스크류 등의 고정부재에 의하여 지지벽(2300)과 체결될 수 있다. 하나의 지지벽(2300)의 하단 및 상단에 형성된 각 홈의 개수는 하나의 단위 모듈 그룹 내에 배열된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 측면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 다른 측면에는 냉각수 배출구가 형성된다.
즉, 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101), 제2 면(1102), 제3 면(1103) 및 제4 면(1104) 사이의 양 면 중 하나인 제5 면(1105)에는 냉각수 유입구(1110)가 형성되고, 제1 면(1101), 제2 면(1102), 제3 면(1103) 및 제4 면(1104) 사이의 양 면 중 다른 하나인 제6 면(1106)에는 냉각수 배출구(1120)가 형성될 수 있다. 도 1에서 제1 단위 모듈 그룹(1000-A), 제2 단위 모듈 그룹(1000-B), 제3 단위 모듈 그룹(1000-C), 제4 단위 모듈 그룹(1000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)이 제2 방향을 따라 순차적으로 배열되고, 냉각수가 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)으로부터 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)을 향하는 방향으로 흐르는 경우, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 측면, 즉 바깥쪽 측면인 제5 면(1105)에 냉각수 유입구(1110)가 형성되고, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)이 다른 측면, 즉 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)을 향하도록 배치된 측면인 제6 면(1106)에 냉각수 배출구(1120)가 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 측면, 즉 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)을 향하도록 배치된 측면인 제5 면(1105)에 냉각수 유입구(1110)가 형성되고, 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 다른 측면, 즉 제3 단위 모듈 그룹(1000-C)을 향하도록 배치된 측면인 제6 면(1106)에 냉각수 배출구(1120)가 형성될 수 있다.
이때, 냉각수가 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)으로부터 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)을 향하는 방향으로 흐르기 위하여, 양 단위 모듈 그룹 사이에 배치된 지지벽(2300)에는 냉각수 유입구(1110) 및 냉각수 배출구(1120)의 위치에 대응하도록 홀(2310)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(2310)은 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 배출구(1120)의 위치 및 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 유입구(1110)의 위치에 동시에 대응하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 배출구(1120)는 홀(2310)을 통하여 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 유입구(1110)에 연결될 수 있으며, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)로부터 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)로 냉각수가 흘러갈 수 있다. 이와 같은 구조는 제2 단위 모듈 그룹(1000-B), 제3 단위 모듈 그룹(1000-C), 제4 단위 모듈 그룹(1000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 냉각수 유입구(1110)에는 제1 피팅부재(1112)가 연결되고, 각 냉각수 배출구(1120)에는 제2 피팅부재(1122)가 연결될 수 있다. 이때, 제1 피팅부재(1112) 및 제2 피팅부재(1122) 각각은 냉각수 유입구(1110) 및 냉각수 배출구(1120)에 끼워 맞춰지며, 냉각수가 통과할 수 있도록 중공의 관 형상을 가질 수 있다. 그리고, 하나의 홀(2310)에는 제1 피팅부재(1112) 및 제2 피팅부재(1122)가 동시에 끼워질 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(1000-B) 사이에 배치된 지지벽(2300)에 형성된 복수 개의 홀(2310) 중 하나에는 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 배출구(1120)에 연결된 제2 피팅부재(1122) 및 제2 단위 모듈 그룹(1000-B)에 포함된 각 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)에 형성된 냉각수 유입구(1110)에 연결된 제1 피팅부재(1112)가 함께 끼워질 수 있다. 이때, 제2 피팅부재(1122)와 제1 피팅부재(1112) 사이에서 냉각수가 유출되는 문제를 방지하기 위하여, 제1 피팅부재(1112)의 외주면, 제2 피팅부재(1122)의 외주면 및 홀(2310)의 내주면은 함께 실링될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 제5 면(1105) 및 제6 면(1106) 각각에는 복수 개의 냉각수 유입구(1110) 및 복수 개의 냉각수 배출구(1120)가 형성되며, 지지벽(2300)에는 복수 개의 냉각수 유입구(1110)의 위치 및 복수 개의 냉각수 배출구(1120)의 위치에 대응하도록 복수 개의 홀(2310)이 형성될 수 있다.
이때, 냉각수의 원활한 흐름을 위하여, 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부에는 복수 개의 냉각수 통과 관(1130)이 형성될 수 있다. 냉각수 통과 관(1130)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부에서 냉각수 유입구(1110)로부터 냉각수 배출구(1120)까지 연결되며, 냉각수는 냉각수 통과 관(1130)을 통하여 제2 방향을 따라 흐를 수 있다. 이에 따르면, 냉각수의 유량이 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부를 가득채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각수가 각 냉각수 통과 챔버(1100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
이와 같이, 냉각수는 제1 단위 그룹 모듈(1000-A)로 유입된 후, 제2 방향을 따라 제2 단위 그룹 모듈(1000-B), 제3 단위 그룹 모듈(1000-C) 및 제4 단위 그룹 모듈(1000-D)을 거쳐 제5 단위 그룹 모듈(1000-E)로 배출될 수 있다.
그리고, 고온의 기체는 냉각수 통과 챔버(1100)의 상단으로부터 하단을 향하도록 흐른다. 예컨대, 고온의 기체는 제4 면(1104) 에서 제3 면(1103)을 향해 흐를 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예와 같이 단위 모듈(1000)의 상단에 제2 지지프레임(180)이 배치될 경우, 고온의 기체의 높은 온도로 인하여 열전소자의 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 도시되지 않았으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)의 한 측면, 예를 들어 제5 면(1105) 향한 프레임(2000)의 틀 또는 테두리에는 냉각수 유입관이 형성되고, 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)의 다른 측면, 예를 들면 제6 면(1106)이 향한 프레임(2000)의 틀 또는 테두리에는 냉각수 배출관이 형성될 수 있다. 냉각수 유입관으로 유입된 냉각수는 제1 단위 모듈 그룹(1000-A)에 포함된 복수 개의 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)로 분산되어 유입될 수 있다. 그리고, 제5 단위 모듈 그룹(1000-E)에 포함된 복수 개의 단위 모듈(1000)의 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구(1120)로부터 배출된 냉각수는 냉각수 배출관에서 모아진 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽 또는 냉각수 통과 관(1130)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각수의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각수의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다. 또한, 냉각수는 제2 방향으로 이동하고, 기체는 제3 방향으로 이동하므로 냉각수와 기체는 서로 교차하는 방향으로 이동할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이 단위모듈(1000)에서 냉각수는 제5 면(1105) 상에 배치된 냉각수 유입구(1110)로 유입될 수 있다. 그리고 냉각수는 내부의 냉각수 통과챔버을 통해 제2 방향으로 이동하여 냉각수 배출구(1120)로 배출될 수 있다. 이와 달리, 고온의 기체는 제3 방향으로 흐를 수 있다. 예컨대, 고온의 기체는 제4 면(1104)에서 제3 면(1103)을 향해 흐를 수 있다. 그리고 복수 개의 그룹 열전소자는 제3 방향으로 순차적으로 배치되므로, 고온의 기체는 제3 방향으로 배열된 복수 개의 그룹 열전소자와 열교환이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 그룹 열전소자와는 고온의 기체와 열교환으로 제3 면(1103)에 인접할수록 또는 제4 면(1104)으로부터 멀어질수록 온도가 높을 수 있다. 즉, 고온의 기체가 열전모듈을 통과하면서 열교환에 의해 온도가 감소할 수 있다.
예컨대, 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 제3 방향으로 나란히 배열될 수 있다. 이에 따라, 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 각각 제4 면(1104)로부터 이격된 최소 거리가 점차 커질 수 있다. 예컨대, 제4 면(1104)으로부터 제1 그룹 열전소자(HA1) 사이의 최소 이격 거리(d1), 제4 면(1104)으로부터 제2 그룹 열전소자(HA2) 사이의 최소 이격 거리(d2), 제4 면(1104)으로부터 제3 그룹 열전소자(HA3) 사이의 최소 이격 거리(d3) 및 제4 면(1104)으로부터 제4 그룹 열전소자(HA4) 사이의 최소 이격 거리(d4)는 점차 커질 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 열교환에 의하여 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4) 순으로 통과하는 고온의 기체는 점차 온도가 감소할 수 있다.
즉, 제1-1a 열전소자(100-1a)는 제2 그룹 열전소자(HA2)의 제2-1a 열전소자(100-2a), 제3 그룹 열전소자(HA3)의 제3-1a 열전소자(100-3a) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)의 제4-1a 열전소자(100-4a)은 제3 방향으로 나란히 배치될 수 있으며, 제1-1a 열전소자(100-1a), 제2-1a 열전소자(100-2a), 제3-1a 열전소자(100-3a) 및 제4-1a 열전소자(100-4a)은 순서대로 상대적으로 낮은 온도의 기체와 접하여 열교환이 일어날 수 있다.
마찬가지로 냉각수는 냉각수 유입구(1110)을 통해 이동하면서 제2 방향으로 배열된 복수 개의 제1 열전소자와 복수 개의 제2 열전소자와 열교환이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 냉각수 통과 챔버를 통과한 후 배출되는 냉각수의 온도는 냉각수 통과 챔버(1100)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
구체적으로, 제1 그룹 열전소자(HA1)는 제2 방향으로 배열된 복수 개의 제1 열전소자(100-1)로 제1-1a 열전소자(100-1a), 제1-1b 열전소자(100-1b), 제1-1c 열전소자(100-1c), 제1-1d 열전소자(100-1d), 제1-1e 열전소자(100-1e), 제1-1f 열전소자(100-1f), 제1-1g 열전소자(100-1g), 제1-1h 열전소자(100-1h)를 포함할 수 있다. 그리고 제1-1a 열전소자(100-1a)와 냉각수 통과 챔버가 접하는 영역(예컨대, 제1 방향으로 중첩되는 영역)에서의 냉각수의 온도는 제1-1h 열전소자(100-1h)와 냉각수 통과 챔버가 접하는 영역에서의 냉각수의 온도보다 작을 수 있다.
다만, 기체는 냉각수보다 동일 부피 대비 열교환되는 열량이 클 수 있다. 이는 기체(예컨대, 공기)의 비열이 액체(예컨대, 물)의 비열보다 크기 때문에 일어날 수 있다.
또한, 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4) 순으로 접하는 기체의 온도가 감소하고 감소하는 온도의 변화율이 냉각수의 온도 변화율보다 크기 때문에, 제1 열전모듈(1200)의 흡열부와 발열부 간의 온도 차는 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4) 순으로 감소할 수 있다. 이로써, 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4) 순으로 각 열전소자가 발생하는 전력도 감소할 수 있다. 다만, 실시예에 따른 열변환장치는 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4) 순으로 흡열부와 발열부 간의 온도 차가 커지더라도 전력량의 효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이에 대해서는 이하 도 10 내지 도 13에서 자세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 도 5에서 설명한 바와 같이 냉각수는 냉각수 통과 챔버를 통해 제2 방향으로 이동할 수 있으며, 냉각수 통과 챔버(1100)는 제1 열전모듈(1200)의 열전소자(100) 및 제2 열전모듈(1300)의 열전소자(100)와 각각 제1 면(1101)과 제2 면(1102)에서 접할 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 열전모듈(1200)의 열전소자(100)의 방열부(냉각)는 제1 면(1101)과 접하고, 제2 열전모듈(1300)의 열전소자(100)의 방열부(냉각)는 제2 면(1102)에 접하 수 있다. 그리고 제1 열전모듈(1200)의 열전소자(100)의 흡열부는 히트싱크(200)와 접하며 기체와 열교환이 일어날 수 있다. 마찬가지로 제2 열전모듈(1300)의 열전소자(100)의 흡열부는 히트싱크(200)와 접하며 기체와 열교환이 일어날 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)내의 제1 열전소자(100)를 기준으로 설명한다. 다만, 이하 설명하는 구조는 제2 열전모듈(1300)뿐만 아니라 다른 단위 모듈(1000)의 각 열전모듈에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 열전모듈(1200)은 상술한 바와 같이 제3 방향으로 나란히 배열된 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)를 포함할 수 있고, 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 순서대로 흡열부의 온도가 기체의 열교환으로 감소하여 발열부와 흡열부의 온도차가 증가할 수 있다.
이에, 일 실시예에 따른 열변환장치에서 최소 이격 거리가 동일한 그룹 열전소자(HA1 내지 HA4) 내의 열전소자는 전기적으로 연결될 수 있으며, 특히 인접한 열전소자 간에 직렬 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 그룹 열전소자(HA1)는 도 8에서 설명한 바와 같이 제2 방향으로 배열된 복수 개의 제1 열전소자(100-1)로 제1-1a 열전소자(100-1a), 제1-1b 열전소자(100-1b), 제1-1c 열전소자(100-1c), 제1-1d 열전소자(100-1d), 제1-1e 열전소자(100-1e), 제1-1f 열전소자(100-1f), 제1-1g 열전소자(100-1g), 제1-1h 열전소자(100-1h)를 포함할 수 있다.
그리고 제1-1a 열전소자(100-1a), 제1-1b 열전소자(100-1b), 제1-1c 열전소자(100-1c), 제1-1d 열전소자(100-1d), 제1-1e 열전소자(100-1e), 제1-1f 열전소자(100-1f), 제1-1g 열전소자(100-1g) 및 제1-1h 열전소자(100-1h)는 전기적으로 연결되며, 인접한 열전소자와 직렬 연결될 수 있다. 이에 따라, 그룹 열전소자 내의 각 열전소자는 발열부와 흡열부 간의 온도 차가 유사한 값을 가질 수 있다. 예컨대, 온도차가 소정의 오차 범위 내로 이루어질 수 있다. 이와 달리, 전기적으로 연결된 열전소자 간의 온도차가 큰 경우에 발전된 최적의 전력에 대응한 전류가 상이하므로, 발전 성능이 감소하는 문제가 존재할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 열변환장치는 온도 차가 유사한 열전소자가 전기적으로 서로 연결되어 발전 출력을 동일하게 유지하므로 전력 효율을 개선할 수 있다. 뿐만 아니라, 열전소자의 단선 등의 불량이 발생하더라도 전력 검출을 통해 용이하게 열전소자의 불량을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2 그룹 열전소자(HA2)는 제2 방향으로 배열된 복수 개의 열전소자를 포함하며, 배열된 복수 개의 열전소자는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 인접한 열전소자 간에 직렬연결이 이루어질 수 있다.
마찬가지로 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 각각 제2 방향으로 배열된 복수 개의 열전소자를 포함하며, 배열된 복수 개의 열전소자는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 인접한 열전소자 간에 직렬연결이 이루어질 수 있다.
또한, 열변환장치에서 제1 그룹 열전소자(HA1), 제2 그룹 열전소자(HA2), 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 각 그룹 열전소자 내에서 최대 온도차가 인접한 그룹 열전소자 간의 최소 온도차보다 클 수 있다. 여기서, 최대 온도차는 각 그룹 열전소자 내에서 발열부와 흡열부의 최고 온도차와 최저 온도차 간의 차이를 의미한다. 그리고 최소 온도차는 인접한 서로 다른 그룹 열전소자 사이에서 발열부와 흡열부의 온도차의 최소 편차를 의미한다. 예를 들어, 최대 온도차는 제1 그룹 열전소자(HA1)에서 제1-1a 열전소자(100-1a)의 발열부와 흡열부의 온도차(최고 온도차)와 제1-8 열전소자(100-1h)의 발열부와 흡열부의 온도차(최저 온도차) 간의 온도차를 의미한다. 그리고 최소 온도차는 제1 그룹 열전소자(HA1)와 제2 그룹 열전소자(HA2)에서 제1-8 열전소자(100-1h)의 발열부와 흡열부의 온도차 및 제2-1 열전소자(100-2a)의 발열부와 흡열부의 온도차 사이의 온도 편차를 의미한다.
이에 따라, 실시예에 따른 열변환장치는 동일한 그룹 열전소자 내의 열전소자는 직렬 연결됨으로써 열변환장치의 발전 성능을 개선할 수 있다.
또한, 열전소자 내의 각 열전 레그 및 전극 간의 전기적 연결은 다양하게 방향으로 이루어질 수 있으며, 제1 전극을 기준으로 설명할 때 복수 개의 제1 전극은 제3-2 방향, 제3-1 방향 및 제2 방향으로 다양하게 연결될 수 있다. 이하에서도 제1 전극을 기준으로 열전소자 내의 전기적 연결을 설명한다. 여기서, 제3-1 방향은 제3 면에서 제4 면을 향한 방향이고, 제3-2 방향은 제4 면에서 제3 면을 향한 방향이며 기체가 흐르는 이동 방향과 동일할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 동일한 그룹 열전소자 내의 복수 개의 열전소자 각각은 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 열전 레그 또는 전극 간에 전기적으로 연결될 수 있으며, 특히 인접한 열전 레그 또는 전극은 서로 직렬 연결될 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이 이하에서 제1 전극을 기준으로 설명(제1 전극 상에 P형 레그 및 N형 열전 레그가 모두 배치되므로)하며 열전 레그에도 이하 설명하는 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로, 제1 그룹 열전소자(HA1)에서 제1-1a 열전소자(100-1a)와 제1-1b 열전소자(100-1b)를 기준으로 설명한다. 먼저, 제1-1a 열전소자(100-1a)는 복수 개의 열전 레그 및 전극을 포함할 수 있다. 특히, 제1-1a 열전소자(100-1a)는 제3-2 방향으로 순차적으로 배열된 제1-1 전극(110-1), 제1-2 전극(110-2), 제1-3 전극(110-3) 및 제1-4 전극(110-4)를 포함할 수 있다. 제1-1 전극(110-1), 제1-2 전극(110-2), 제1-3 전극(110-3) 및 제1-4 전극(110-4)은 순서대로 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 증가할 수 있다. 또한, 제1-1b 열전소자(100-1b)는 제3-2 방향으로 순차적으로 배열된 제1-5 전극(110-5), 제1-6 전극(110-6), 제1-7 전극(110-7) 및 제1-8 전극(110-8)을 포함할 수 있다. 제1-5 전극(110-5), 제1-6 전극(110-6), 제1-7 전극(110-7) 및 제1-8 전극(110-8)은 순서대로 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 증가할 수 있다. 즉, 복수 개의 열전소자 내에서도 각 열전 레그 또는 전극의 위치가 제3 방향을 축으로 상이하거나 동일할 수 있다.
다른 실시예에 따른 열변환장치는 복수 개의 열전소자 내에서 각 열전 레그 또는 전극이 제4 면으로부터 최소 이격 거리가 동일한 열전 레그 또는 전극 간에 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
먼저, 제1-1a 열전소자(100-1a)에서 제1-1 전극(110-1)은 제2 방향으로 나열된 복수 개의 제1 서브 전극(110-1a 내지 110-1c)을 포함할 수 있다. 또한, 제1-1 전극(110-1)은 '제1 그룹 서브 전극'으로 지칭하고, 복수 개의 열전소자는 '복수 개의 그룹 서브 전극'을 포함한다 지칭할 수 있으나, 제1-1 전극을 기준으로 이하 설명한다. 예를 들어, 제1-1 전극(110-1)은 제1-1 서브 전극(110-1a), 제1-2 서브 전극(110-1b), 제1-3 서브 전극(110-1c)을 포함할 수 있다. 그리고 제1-1 서브 전극(110-1a), 제1-2 서브 전극(110-1b), 제1-3 서브 전극(110-1c)은 제2 방향으로 나란히 배치되고, 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 동일할 수 있다. 즉, 제1-1 서브 전극(110-1a), 제1-2 서브 전극(110-1b), 제1-3 서브 전극(110-1c)은 열교환하는 기체의 온도가 거의 유사할 수 있다. 이에 따라, 제1-1 서브 전극(110-1a), 제1-2 서브 전극(110-1b), 제1-3 서브 전극(110-1c)은 전기적으로 직렬 연결되어 열변환장치의 발전 성능이 향상될 수 있다.
제1-2 전극(110-2), 제1-3 전극(110-3) 및 제1-4 전극(110-4)은 제1-1 전극(110-1)과 마찬가지로 복수 개의 서브 전극을 포함할 수 있으며, 제1-2 전극(110-2), 제1-3 전극(110-3) 및 제1-4 전극(110-4) 각각에서 복수 개의 서브 전극은 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 동일하여, 열교환하는 기체의 온도가 유사할 수 있다.
마찬가지로 제1-1b 열전소자(100-1b)에서 제1-5 전극(110-5)은 제2 방향으로 나열된 복수 개의 서브 전극을 포함할 수 있으며, 복수 개의 서브 전극은 제5 서브 전극(110-5a 내지 110-5c)일 수 있다.
또한, 제1-5 전극(110-5)은 제5-1 서브 전극(110-5a), 제5-2 서브 전극(110-5b), 제5-3 서브 전극(110-5c)을 포함할 수 있다. 그리고 제5-1 서브 전극(110-5a), 제5-2 서브 전극(110-5b), 제5-3 서브 전극(110-5c)은 제2 방향으로 나란히 배치되고, 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 동일할 수 있다. 즉, 제5-1 서브 전극(110-5a), 제5-2 서브 전극(110-5b), 제5-3 서브 전극(110-5c)은 열교환하는 기체의 온도가 거의 유사할 수 있다. 이에 따라, 제5-1 서브 전극(110-5a), 제5-2 서브 전극(110-5b), 제5-3 서브 전극(110-5c)은 전기적으로 직렬 연결되어 열변환장치의 발전 성능이 향상될 수 있다.
또한, 제1-5 전극(110-5)은 인접한 열전소자인 제1-1a 열전소자(100-1a)의 제1-1 전극(110-1)과 제2 방향으로 나란히 배치되고 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1-5 전극(110-5)에서 제5-1 서브 전극(110-5a)는 제1-3 서브 전극(110-1c)와 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 그리고 제1-5 전극(110-5)은 제1-1 전극(110-1)과 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 이격 최소 거리가 동일하며 열교환하는 기체의 온도가 거의 유사할 수 있다. 이에 따라, 열변환장치의 발전 성능은 더욱 향상될 수 있다.
마찬가지로, 제1-6 전극(110-5)은 제1-2 전극(110-2)과 전기적으로 연결되고, 제1-7 전극(110-7)은 제3 전극(110-3)과 전기적으로 연결되고, 제1-8 전극(110-8)은 제1-4 전극(110-4)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 다른 실시예에 따른 열변환장치는 각 그룹 열전소자 에서 열전소자 내의 복수 개의 전극 간의 연결이 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한지 여부에 따라 이루어질 수 있다. 이로서, 열변환장치의 열변환 효율은 더욱 개선될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 제1 열전모듈과 제1 열전소자를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 동일한 그룹 열전소자 내의 복수 개의 열전소자 중 적어도 하나는 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 열전 레그 또는 전극 간에 전기적으로 연결될 수 있다. 특히, 인접한 열전 레그 또는 전극은 서로 직렬 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 그룹 열전소자(HA1)에서 제1-1a 열전소자(100-1a)와 제1-1b 열전소자(100-1b)를 기준으로 설명한다. 먼저, 제1-1a 열전소자(100-1a)는 복수 개의 열전 레그 및 전극(다만 전술한 바와 같이 제1 전극을 기준으로 설명한다)을 포함할 수 있다. 특히, 제1-1a 열전소자(100-1a)는 제3-2 방향으로 순차적으로 배열된 제1-1 전극, 제1-2 전극, 제1-3 전극 및 제1-4 전극을 포함할 수 있다. 상술한 설명은 도 11에서 설명한 내용과 동일하며, 제1-1b 열전소자(100-1b)의 제1-5 내지 제1-8 전극에 대한 설명도 도 11에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
이에, 제1-1 전극, 제1-2 전극, 제1-3 전극 및 제1-4 전극은 순서대로 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 증가할 수 있다. 또한, 제1-1b 열전소자(100-1b)는 제3-2 방향으로 순차적으로 배열된 제1-5 전극, 제1-6 전극, 제1-7 전극 및 제1-8 전극을 포함할 수 있다. 그리고 제1-5 전극, 제1-6 전극, 제1-7 전극 및 제1-8 전극은 순서대로 제4 면으로부터 제3-2 방향으로 최소 이격 거리가 증가할 수 있다. 이와 같이, 복수 개의 열전소자 내에서도 각 열전 레그 또는 전극의 위치가 제3 방향을 축으로 상이하거나 동일할 수 있다.
다만, 또 다른 실시예에 따른 열변환장치에서 제1-1 전극은 제1-1 서브 전극(110-1a) 내지 제1-4 서브 전극(110-1d)을 포함할 수 있다. 도 11과 달리 도 다른 실시예에 따른 열변환장치는 제1-4 서브 전극(110-1d)을 더 포함하지만 이러한 서브 전극의 개수는 열전소자의 크기 등에 의해 변형될 수 있다.
그리고 제1-2 전극은 제2-1 서브 전극(110-2a) 내지 제2-4 서브 전극(110-2d)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1-1 전극과 제1-2 전극은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1-1 서브 전극(110-1a)은 제2-1 서브 전극(110-2a)과 직렬 연결되고, 제2-1 서브 전극(110-2a)은 제2-2 서브 전극(110-2b)와 직렬 연결될 수 있다. 그리고 순차로 제2-2 서브 전극(110-2b)은 제1-2 서브 전극(110-1b)과, 제1-2 서브 전극(110-1b)은 제1-3 서브 전극(110-1c)과, 제1-3 서브 전극(110-1c)은 제2-3 서브 전극(110-2c)과, 제2-3 서브 전극(110-2c)은 제1-4 서브 전극(110-1d)과 직렬 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제1-5 전극은 제5-1 서브 전극(110-5a) 내지 제5-4 서브 전극(110-5d)을 포함하고, 제1-6 전극은 제6-1 서브 전극(110-6a) 내지 제6-4 서브 전극(110-6d)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1-5 전극과 제1-6 전극은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제5-1 서브 전극(110-5a)은 제6-1 서브 전극(110-6a)과 직렬 연결되고, 제6-1 서브 전극(110-6a)은 제6-2 서브 전극(110-6b)과 직렬 연결될 수 있다. 그리고 순차로 제6-2 서브 전극(110-6b)은 제5-2 서브 전극(110-5b)과, 제5-2 서브 전극(110-5b)은 제5-3 서브 전극(110-5c)과, 제5-3 서브 전극(110-5c)은 제6-3 서브 전극(110-6c)과, 제6-3 서브 전극(110-6c)은 제5-4 서브 전극(110-5d)과 직렬 연결될 수 있다.
다만, 제1-3 전극은 제1-7 전극과 직렬 연결되고, 제1-4 전극은 제1-8 전극과 직렬 연결될 수 있다. 복수 개의 서브 전극도 도 12에서 설명한 바와 같이 동일하게 적용될 수 있다. 그리고 이러한 구성에 의하여 열변환장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 서브 전극 간의 연결관계를 조절하여 원하는 발전 성능에 용이하게 맞출 수 있다.
도 13은 도 10의 변형예이다.
도 13을 참조하면, 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나는 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 그룹 열전소자와 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 그룹 열전소자(HA1)는 제2 방향으로 나란히 배치된 복수 개의 열전소자를 포함하고, 제2 방향으로 복수 개의 열전소자가 서로 직렬 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 그룹 열전소자(HA2)는 제2 방향으로 나란히 배치된 복수 개의 열전소자를 포함하고, 제2 방향으로 복수 개의 열전소자가 서로 직렬 연결될 수 있다.
이와 달리, 제3 그룹 열전소자(HA3) 및 제4 그룹 열전소자(HA4)는 각각 복수 개의 열전소자를 포함하며, 제3-2 방향 또는 제3-1 방향을 향해 전기적으로 연결된 복수 개의 열전소자를 포함할 수 있다.
도 14와 도 15는 일 실시예에 따른제 제1 열전모듈의 효과를 설명하는 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 동일한 열전소자 3개(이하, 제1 열전소자(TE1), 제2 열전소자(TE2), 제3 열전소자(TE3))에 대해 각각 흡열부와 발열부 간의 온도차를 달리한 경우, 각각의 전류 별 발전 전력(도 15) 및 제1 내지 제3 열전소자(TE1 내지 TE3)이 직렬 연결된 경우의 각각의 전류 별 발전 전력(도 14)을 도시한다.
여기서, 열전소자는 발열부와 흡열부의 온도차가 100℃인 경우 내부 저항은 1.73Ω이고, 온도차가 150℃인 경우 내부 저항은 1.94Ω이고, 온도차가 200℃인 경우 내부 저항은 2.11Ω이다.
먼저, 도 15를 참조하면, 제1 열전소자(TE1)는 발열부와 흡열부의 온도차가 100℃인 경우로 약 1.4 [A]인제1 전류(CA1)에서 최대 발전된 전력(약 3.43 [W])을 제공할 수 있다. 그리고 제2 열전소자(TE2)는 발열부와 흡열부의 온도차가 150℃인 경우로 약 1.8 [A]인 제2 전류(CA2)에서 최대 발전된 전력(약 6.79 [W])을 제공할 수 있다. 그리고 제3 열전소자(TE2)는 발열부와 흡열부의 온도차가 200℃인 경우로 약 2.2 [A]인 제3 전류(CA3)에서 최대 발전된 전력(약 10.26 [W])을 제공할 수 있다. 그리고 제1 열전소자(TE1) 내지 제3 열전소자(TE3)가 각각 복수 개로 직렬 연결된 경우에는 개수에 비례하여 전력량이 증가할 수 있다.
이와 달리, 도 14를 참조하면, 제1 열전소자(TE1), 제2 열전소자(TE2) 및 제3 열전소자(TE3)가 직렬로 연결된 경우에 발열부와 흡열부의 온도차는 평균 150℃(즉, (100℃+150℃+200℃)/3)이나 제2 전류(CA)와 유사한 약 1.72 [A]에서 최대 발전된 전력(18.22 [W])을 제공할 수 있다. 즉, 이는 3개의 제2 열전소자(TE2)가 직렬연결된 경우의 최대 발전된 전력(약 20.4[W])보다 작을 수 있다. 뿐만 아니라, 상술한 값은 제1 열전소자(TE1) 내지 제3 열전소자(TE3)의 각 최대 발전된 전력의 합(20.48[W], 3.43+6.79+10.26)보다 작을 수 있다.
즉, 온도차가 큰 열전소자 간의 직렬연결은 최대 발전된 전력이 감소함을 알 수 있다. 이에 따라, 상술한 여러 실시예에 따른 열전변환 장치는 온도차가 비슷한 열전소자 또는 열전 레그(전극) 간에 직렬연결을 이룸으로써 발전 성능을 개선할 수 있다.

Claims (11)

  1. 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 배열되는 복수 개의 단위 모듈;
    상기 복수 개의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임;
    상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며 상기 복수 개의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 유입관; 및
    상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수 개의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치되는 복수 개의 제2 냉각수 배출관;을 포함하고,
    각 단위 모듈은,
    냉각수 통과 챔버;
    상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치되는 제1 열전모듈; 및
    상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치되는 제2 열전모듈;을 포함하며,
    상기 냉각수 통과 챔버는,
    상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되는 제3 면;
    상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치되고 상기 제3 면에서 제3 방향으로 배치되는 제4 면;
    상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 유입구가 배치되는 제5 면; 및
    상기 제3 면과 상기 제4 면 사이에 배치되고 냉각수 배출구가 배치되는 제6 면;을 포함하고,
    상기 제1 열전모듈은 복수 개의 그룹 열전소자를 포함하고,
    각 그룹 열전소자는 상기 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 복수 개의 열전소자를 포함하고,
    상기 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나의 그룹 열전소자에서 복수 개의 열전소자는 서로 전기적으로 연결되고,
    상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 교차하는 방향이고,
    상기 복수 개의 그룹 열전소자는,
    각 그룹 열전소자 내에서 최대 온도차가 인접한 그룹 열전소자 간의 최소 온도차보다 크며,
    상기 최대 온도차는 상기 각 그룹 열전소자 내에서 발열부와 흡열부의 최고 온도차와 최저 온도차 간의 차이이고,
    상기 최소 온도차는 상기 인접한 그룹 열전소자 사이에서 발열부와 흡열부의 온도차의 최소 편차인 열변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 그룹 열전소자는,
    제1 그룹 열전소자; 및
    상기 제1 그룹 열전소자와 이격되어 배치되는 제2 그룹 열전소자를 포함하고,
    상기 제1 그룹 열전소자의 상기 제4 면으로부터 상기 제3 방향으로 최소 이격 거리는 상기 제2 그룹 열전소자의 상기 제4 면으로부터 상기 제3 방향으로 최소 이격 거리보다 큰 열변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    각 열전소자는,
    제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그;
    상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 상기 복수 개의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판;
    상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그를 직렬 연결하고 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 복수 개의 P형 열전 레그 및 복수 개의 N형 열전 레그를 직렬 연결하고 제2 기판 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하는 열변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극은 복수 개의 그룹 서브 전극을 포함하고,
    각 그룹 서브 전극은 상기 제4 면으로부터 제3 방향으로 최소 이격 거리가 동일한 복수 개의 서브 전극을 포함하고,
    상기 복수 개의 그룹 서브 전극 중 적어도 하나의 그룹 서브 전극에서 복수 개의 서브 전극은 서로 전기적으로 연결되는 열변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 그룹 열전소자 중 적어도 하나의 그룹 열전소자에서 복수 개의 열전소자는 직렬 연결되고,
    상기 복수 개의 그룹 서브 전극 중 적어도 하나의 그룹 서브 전극에서 복수 개의 서브 전극은 직렬 연결되는 열변환장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 그룹 서브 전극은,
    제1-1 전극; 및 이격 배치된 제1-2 전극;을 포함하고,
    상기 제1-1 전극의 최소 이격 거리는 상기 제1-2 전극의 최소 이격 거리보다 큰 열변환장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 모듈 그룹은,
    상기 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 제1 단위 모듈 그룹 및 제2 단위 모듈 그룹을 포함하고,
    상기 프레임은 상기 제1 단위 모듈 그룹 및 상기 제2 단위 모듈 그룹 사이에 배치된 지지벽을 포함하고,
    상기 지지벽에는 상기 냉각수 유입구의 위치 및 상기 냉각수 배출구의 위치에 대응하도록 홀이 형성되며,
    상기 제1 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 배출구는 상기 홀을 통하여 상기 제2 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 유입구에 연결되는 열변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 모듈 그룹은,
    상기 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 제1 단위 모듈 그룹 및 제2 단위 모듈 그룹을 포함하고,
    상기 소정 간격으로 기체가 통과하며
    상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높은 열변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기체의 비열은 상기 냉각수의 비열보다 큰 열변환장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 흐르고,
    상기 냉각수 통과 챔버의 내부에는 상기 냉각수 유입구로부터 상기 냉각수 배출구까지 연결되는 냉각수 통과 관이 형성되며, 냉각수는 상기 냉각수 통과 관을 통하여 상기 제2 방향을 따라 흐르는 열변환장치.
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