KR20150013326A - 열전기 모듈 및 상기 열전기 모듈의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전기 모듈(1) 및 상기 열전기 모듈의 작동 방법에 관한 것이다. 열전기 모듈(1)에는 적어도 하나의 제 1 벽부(2) 및 상기 제 1 벽부 반대쪽에 배치된 제 2 벽부(3)와, 상기 벽부 사이에 배치된 열전기 물질(5)로 만들어진 부재(4)가 제공된다. 더욱이, 모든 부재(4)가 서로 이격되게 하는 필러 물질(6)과, 제 1 벽부(2)로부터 제 2 벽부(3)까지 나아가는 주된 열 유동 방향(8)이 제공된다.

Description

열전기 모듈 및 상기 열전기 모듈의 작동 방법{THERMOELECTRIC MODULE AND METHOD FOR OPERATING SAME}
본 발명은 열전기 모듈 및 상기 열전기 모듈의 작동 방법에 관한 것이다.
열전기 모듈은 온도 포텐셜로부터 그리고 최종 열 유동으로부터 전기 에너지를 생성하는 열전기 발전기처럼 개별적으로 또는 다수로 사용될 수 있다. 전기 에너지는 소위 제베크 효과(Seebeck effect)에 기초하여 발생된다. 열전기 모듈은 전기적으로 상호접속된 p-도프된 그리고 n-도프된 열전기 물질로부터 구성된다. 열전기 물질은 소위 고온 측 및 반대쪽에 배치된 저온 측을 구비하고 상기 고온 측과 저온 측은, 각각의 경우에 전기 전도성 방식으로, 교호의 방식으로 인접하여 배치된 다른 열전기 물질과 연결된다. 이 경우, 고온 측은 열 전도성 방식으로 열전기 모듈의 벽부와 연결되고, 상기 벽부는 고온의 매체에 의해 영향을 받게 된다(impinge). 이에 따라, 열전기 물질의 저온 측은 열 전도성 방식으로 열전기 모듈의 다른 한 벽부와 연결되고, 상기 벽부는 저온의 매체에 의해 영향을 받게 된다.
이러한 열전기 발전기는 특히 자동차에 사용되지만, 그러나 또한 전기 에너지의 발생을 위해, 열전기 발전기의 기기(arrangement)를 통해 온도 포텐셜이 사용될 수 있는 여러 기술 분야에 사용된다.
열전기 발전기의 사용에 있어서, 전기 에너지로의 열 에너지의 변환과 관련된 효율 저하가 열전기 발전기의 사용 수명 내내 통상적으로 관찰된다. 작동 동안에 발생하는 이러한 마모 현상은 열전기 모듈의 제 1 벽부 및/또는 제 2 벽부에 대한 열전기 물질과 다른 연결 층 사이의 연결부가 점진적으로 퇴화한다는 사실에 특히 기여할 수 있다. 열 전도성 및/또는 전기 전도성 연결부의 이러한 퇴화는 특히 열전기 모듈이 주기적으로 변동하는 또는 변하는 온도 및 온도 포텐셜을 겪게 된다는 사실에 의해 야기된다. 열전기 모듈은 이에 따라 변하는 열 팽창 및 최종 열적 스트레스에 의해 부하가 가해진다(load). 더욱이, 상기 가해진 부하는 개별 연결 층에서 상이한 열 팽창 계수로써 증대된다(intensify).
이에 따라 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 강조된 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 특히, 오랜 사용 수명 내내 열 에너지가 전기 에너지로의 고 효율적으로 일정하게 변환되게 하는 열전기 모듈을 특징하는 것이다. 더욱이, 효율이 점진적으로 감소되지 않으면서 열전기 모듈의 사용 수명을 연장할 수 있게 하는 열전기 모듈의 작동 방법을 특정하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 청구항 1 또는 청구항 2의 특징부에 따른 열전기 모듈에 의해 달성되고, 그리고 청구항 7에 따른 열전기 모듈의 작동 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예가 종속 청구항에 특정되어 있다. 청구범위에서 개별적으로 특정된 특징부가 임의의 요구되는 과학기술적으로 적당한 방식으로 서로 합쳐질 수 있고 그리고 본 발명의 다른 실시예를 형성함을 알 수 있을 것이다. 특히 도면과 관련된 상세한 설명은 본 발명의 이해를 더욱 돕기 위한 설명이고 그리고 본 발명의 보충적인 예시적인 실시예를 특정한다. 또한 열전기 모듈과 관련하여 기술된 실시예가 이처럼 기술적으로 적당한 방식으로 열전기 모듈의 작동 방법에 적용될 수 있고, 이와 반대의 경우도 또한 가능하다.
본 발명에 따른 열전기 모듈은 적어도 제 1 벽부와 반대쪽에 배치된 제 2 벽부 그리고 열전기 물질로 이루어지고 전기 전도성 방식으로 서로 연결된 개재된 부재를 구비한다. 더욱이, 필러 물질이 제공되고 상기 필러 물질에 의해 모든 부재가 서로 이격된다. 여기서, 주된 열 유동 방향은 제 1 벽부에 의해 형성된 고온 측로부터 제 2 벽부까지 뻗어있다. 열전기 모듈의 작동 동안에, 고온 측에서 적어도 50℃ 와 600℃[섭씨 온도] 사이의 온도 범위에서, 주된 열 유동 방향에서 부재에 작용하는 제 2 압축 스트레스가 적어도 제 1 임계값 스트레스를 초과하지 않거나 적어도 제 2 임계값 스트레스를 초과하지 않도록 제공된다. 제 1 임계값 스트레스가 열전기 물질로 이루어진 부재의 (온도에 따라 결정되는) 특성이며, 상기 임계값 스트레스 초과시 사용된 상기 열전기 물질의 횡방향 수축이 개시된다. 제 2 임계값 스트레스가 열전기 물질로 이루어진 부재의 (온도에 따라 결정되는) 특성이며, 상기 임계값 스트레스 초과시 사용된 열전기 물질의 플라스틱 변형이 개시된다.
특히, 제 2 임계값 스트레스가 도달될 때, 열전기 물질의 횡방향 수축이 사전에 개시된다.
본 발명에 따른 다른 열전기 모듈은 적어도 제 1 벽부와 반대쪽에 배치된 제 2 벽부 그리고 열전기 물질로 이루어진 개재된 부재를 구비하며, 이 경우 상기 열전기 물질은 전기 전도성 방식으로 서로 연결된다. 더욱이, 필러 물질이 제공되고 상기 필러 물질에 의해 모든 부재가 서로 이격된다. 주된 열 유동 방향은 제 1 벽부로부터 제 2 벽부까지 향한다. 열전기 모듈은 적어도 하나의 압축력에 의해 받쳐져(brace), 적어도 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이의 온도 포텐셜이 적어도 50 kelvin이고, 특히 적어도 200 kelvin인 범위에서, 주된 열 유동 방향에 수직한 제 1 압축 스트레스가 상기 주된 열 유동 방향에서 제 2 압축 스트레스의 적어도 50%이고, 특히 적어도 75%이며, 바람직하게는 (100%보다 큰) 제 2 압축 스트레스와 적어도 동일하다. 특히, 제 1 압축 스트레스 (그리고 바람직하게는 또한 제 2 압축 스트레스)는 이러한 경우에 열전기 모듈 내의 다수의 부재, 바람직하게는 모든 부재에 작용한다.
본 발명에 따른 상기 언급된 특징은 또한 서로 조합하여 제공될 수 있다.
본 발명은 열전기 모듈의 상이한 실시예에 적용가능하다. 이들은 플레이트-타입 구성의 열전기 모듈이나 또는 관형 구성의 열전기 모듈을 특히 포함하며, 예를 들면, 관형 열전기 모듈의 경우에, 환형 열전기 물질이 사용될 수 있다.
특히, 제 1 벽부가 이에 따라 고온의 매체(예를 들면 배기 가스)에 의해 영향을 받게 되는, 열전기 모듈의 고온 측으로 할당된다. 이에 따라, 열전기 모듈의 제 2 벽부는 저온의 매체(예를 들면, 냉각수)에 의해 영향을 받게 되는 저온 측으로 할당된다. 특히, 50 K [kelvin] 내지 600 K의 범위에서, 온도 포텐셜은 일반적으로 작동 동안에 고온의 매체와 저온의 매체 사이에 나타난다. 열전기 물질로 이루어진 부재가 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에 배치되며, 여기서 상기 열전기 물질은 이에 따라 고온 측 또는 저온 측을 향해 마주한 두 개의 반대 쪽을 구비하여, 온도 포텐셜이 상기 열전기 물질을 가로질러 형성되고, 이에 따라, 주된 열 유동 방향이 고온 측으로부터 저온 측까지 만들어진다. 제베크 효과 때문에, 전류가 n-도프된 열전기 물질 및 p-도프된 열전기 물질의 교호의 전기 전도성 연결부 때문에 그리고 상기 온도 포텐셜으로부터 열전기 모듈 내에서 발생된다. 열전기 물질로 이루어진 이러한 부재의 전기 상호연결의 기본적인 구조가 당업자에게 알려져 있으며; 필요하다면, 이와 관련하여 또 다른 정보가 본 출원인의 이전 공보로부터 얻어질 수 있다.
열전기 부재 사이의 필러 물질은 첫째로 특히 상호 인접하여 배치된 열전기 물질의 전기 절연을 위해 및/또는 둘째로 고온 측과 저온 측 사이의 열 단열을 위해 사용되어, 열 유동의 주요 부분이 열전기 부재를 통해 안내된다. 이용가능한 온도 포텐셜으로부터의 열 에너지로부터 전기 에너지로의 효율적인 변환이 이에 따라 가능하다.
둘째로, 필러 물질은 특히 상호 인접하여 배치된 열전기 물질을 서로 이격시키기 위하여, 또는 즉 모든 작동 조건 하에서 (사전결정된) 거리로 상기 열전기 물질을 또한 유지하기 위하여, 제공된다. 특히, 필러 물질은 이에 따라 공기나 진공에 의해 형성되지 않지만, 그러나 서로에 대한 열전기 물질의 위치를 영구적으로 고정시키는 적어도 하나의 고체 몸체에 의해 형성된다. 다른 구성요소 또는 연결 층이 열전기 물질과 제 1 벽부 및/또는 제 2 벽부 사이에 배치될 수 있고 및/또는 상기 열전기 물질과 필러 물질 사이에 또한 배치될 수 있으며, 다른 구성요소 또는 연결 층이 예를 들면, 부식 방지, 고정된 (예를 들면, 점착성(cohesive)) 연결부의 생성, 전기 전도층의 제공, 열 전도층의 제공, 전기 절연 및/또는 열 단열과 같은 특정 작용을 실행한다.
필러 물질으로서, 특히 내압력성 세라믹이나 마이카(mica)로 만들어져 사용될 수 있다. 사용된 세라믹은 바람직하게는 세라믹 중공의 몸체의 형태를 취한다. 더욱이, 사용된 필러 물질은 이중-T-형태의 프로파일의 형상을 가질 수 있다. 사용된 필러 물질은 바람직하게는 치수적으로 강성의 구조체의 형태, 특히 뼈대와 같은(framework-like) 구성의 형태를 취한다. 여기에 제공된 공동은 특히 공기, 가스 또는 진공으로 채워진다.
나타난 온도 포텐셜에 의해 야기된 열적 부하 때문에 그리고 특히 관련된 열 스트레스 때문에, 열전기 물질은, 특히 제 1 벽부에 대한 그리고 제 2 벽부에 대한, 열전기 물질과 다른 연결 층 사이의 연결부의 퇴화를 야기하는 횡방향 수축의 증가된 경향 및/또는 크리프 경향 또는 플라스틱 변형 경향을 각각의 경우에 나타낸다는 것이 현재 관찰되고 있다. 상기 열적 스트레스는, 열전기 물질이 스트레스 하에서만 팽창할 수 있도록, 실질적으로 치수적으로 안정적인 열전기 모듈에서 열전기 물질의 기기에 의해 야기된다.
상기 크리프 경향/플라스틱 변형이 현재 특히 구성된 열전기 모듈에 의하여 감소되거나 제거될 수 있어, 고온 측에서 적어도 50℃ 내지 600℃ [섭씨 온도]의 온도 범위에서, 주된 열 유동 방향에서 부재에 작용하는 제 2 압축 스트레스는 제 2 임계값 스트레스를 초과하지 않는다. 제 2 임계값 스트레스는 열전기 물질에 작용하는 스트레스이며, 사용된 상기 열전기 물질의 플라스틱 변형이 개시된다.
열전기 물질의 횡방향 수축은 현재, 고온 측에서 적어도 50℃ 내지 600℃[섭씨 온도]의 온도 범위에서, 주된 열 유동 방향에서 부재 상에 작용하는 제 2 압축 스트레스가 제 1 임계값 스트레스를 초과하지 않도록, 구성된 특히 열전기 모듈에 의해 감소되거나 제거될 수 있다. 제 1 임계값 스트레스는 열전기 물질에 작용하는 스트레스이며, 사용된 상기 열전기 물질의 탄성 변형이 사전에 개시된다.
횡방향 수축은 대략적으로 변하지 않는 볼륨을 갖는 고체 몸체의 변형 현상이다. 인장력의 또는 압축력의 영향 하에서 (제 2 압축 스트레스의 경우에) 고체 몸체의 작용이 기술된다. 몸체는 힘(본 경우에서는 제 2 압축 스트레스)의 방향에서 길이 변화(본 경우에서는 주된 열 유동 방향에서 짧아짐)과, (이러한 경우에서, 달리 말하자면 열전기 물질의 두께의 증가) 상기 방향에 수직하여 (주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로) 직경의 또는 두께의 증가나 감소로 반응한다. 단축선방향 장력(uniaxial tension) 하에서의 길이 변화가 선형 탄성 범위에서, 간략해진 후크의 법칙으로 정의될 수 있다. 그러나 간략해진 형태로 후크의 법칙은 두께 변화와 관련된 어떠한 정보도 제공하지 않는다.
특히, 제 1 임계값 스트레스는 제 2 임계값 스트레스보다 (상당하게) 더 작다.
이러한 구성을 위하여, 특히 제 1 벽부용 및/또는 제 2 벽부용 물질이 열 팽창, 열 전도 및 강도와 관련하여 필러 물질 및/또는 열전기 물질과 조화하여 기능(coordinate)될 필요가 있다. 특히, 열전기 모듈의 구성의 구조적 설계를 채택할 필요가 부가적으로 있을 수 있다. 예를 들면, 팽창 부재는, 상기 부재 상에 작용하는 (제 2) 압축 스트레스가 최소화되도록, 제 1 벽부의 및/또는 제 2 벽부의 탄성 변형을 가능하게 하도록 제공될 수 있다.
제 1 임계값 스트레스 및 제 2 임계값 스트레스는 각각의 경우에 특히 사용된 열전기 물질에 특정되고, 그리고 특히 적어도 열전기 물질의 온도에 따라 좌우된다. 더욱이, 제 1 및 제 2 임계값 스트레스는 (제 2 임계값 스트레스의 경우에) 열전기 물질의 크리프 경향의 방향으로 또는 (제 1/제 2 임계값 스트레스의 경우에) 팽창 방향에 반대로 열전기 물질에 작용하는 스트레스에 따라 좌우된다. 이는 특히 상기 열전기 물질 상에 작용하는 제 1 압축 스트레스가 증가된다면, 열전기 물질의 제 1 및 제 2 임계값 스트레스가 영향을 받을 수 있다(증가될 수 있다)는 것을 의미한다. 이는 예를 들면, 열전기 물질 사이의 필러 물질이 가열될 때, 전체적으로 열전기 모듈보다 더 집중적으로 주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로 팽창한다는 사실에 의하여, 특히 자동-조정 방식으로 발생한다.
아래 언급된 열전기 물질은, 언급된 온도에서 그리고 다른 압축 부하(예를 들면, 부가적으로 제 1 압축 스트레스의 결과로서)없이, 플라스틱 변형 초과가 예측될 때, 다음 제 2 임계값 스트레스를 나타낸다:
(n-도프된) Pb2Te3 : 실온에서 100 N/㎟
300℃에서 40 N/㎟
(p-도프된) Pb2Te3 : 300℃에 이르기까지 플라스틱 변형이 없음
(n-도프되거나 p-도프된) BiTe : 실온에서 110 N/㎟
250℃에서 30 N/㎟
(n-도프되거나 p-도프된) CoSb4 : 300℃에 이르기까지 플라스틱 변형이 없음
500℃에서 300 N/㎟
열전기 모듈의 다른 실시예에 있어서, 횡방향 수축 및/또는 크리프 경향/플라스틱 변형은, 제 1 압축 스트레스가 주된 열 유동 방향에 수직하여 부재에 작용하도록 적어도 압축력으로써 작용되는 열전기 모듈에 의해 제거되거나 감소될 수 있으며, 이 경우 가능한 많은 수의 부재가 또는 모든 부재가 상기 압축력으로 작용되는 것이 바람직하다. 이는, 상기 제 1 압축 스트레스가 이후 주된 열 유동 방향에서 제 2 압축 스트레스의 적어도 50%에 상당하도록, 언급된 온도 포텐셜이 나타나는 범위에서 적어도 발생한다.
제 2 압축 스트레스는 제 1 벽부로부터 제 2 벽부까지의 방향으로, 달리 말하자면 주된 열 유동 방향으로 열전기 물질의 갭 없는 기기 때문에 특히 영향을 받는다. 주된 열 유동 방향에서의 제 2 압축 스트레스가 발생되거나 증가되도록, 온도 포텐셜이 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에 배치된 열전기 모듈의 구성요소의 열 팽창을 초래한다. 상기 제 2 압축 스트레스는 주된 열 유동 방향에서 개별 구성요소의 열 팽창에 보상되고(counteract), 그리고 특히 열전기 물질의 경우에, (횡방향 수축의 결과로서) 팽창을 유도하고 및/또는 상기 주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로 크리프 경향을 야기한다. 횡방향 수축 및/또는 크리프 경향은 주된 열 유동 방향에 수직한 적어도 제 1 압축 스트레스의 적용에 의해 놀라울 정도로 전적으로 감소되거나 제거될 수 있다. 특히, 상기 횡방향 수축 및/또는 상기 크리프 경향이 주된 열 유동 방향에 수직한 모든 방향으로 완전하게 제거되거나 감소되도록, 다른 제 1 압축 스트레스가 이에 따라 제공될 수 있다. 따라서 또한 주행 보상 수단으로써 열 팽창을 가능하게 하는 종래의 개념과 달리, 열전기 모듈의 경우에, 부재에 대한 한 타입의 압축 프레임은 사용 수명 내내 향상된 효율을 야기한다는 것이 처음에 확인되었다.
열전기 모듈의 유리한 일 실시예에 있어서, 적어도 50℃ 내지 600℃의 온도 범위에서, 필러 물질이 열전기 물질보다 더 큰 열 팽창 계수를 갖도록 제공된다. 필러 물질이 적어도 주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로 열전기 물질 사이에 배치되도록, 열전기 물질이 필러 물질을 통해(그리고 필요하다면 다른 구성요소나 또는 연결 층을 통해) 서로 상에 지지되는데, 이를 달리 말하자면 특히 상기 방향에서 서로에 대해 갭 없이 배치된다는 것이다. 따라서, 필러 물질은 서로에 대한 개별 위치에 열전기 물질을 고정시킨다. 열전기 물질보다 더 큰 열 팽창 계수를 갖도록 구성된 필러 물질 때문에, 열전기 모듈에서의 다른 구성요소와 필러 물질이 가열되는 경우에, 주된 열 유동 방향에 수직한 방향에서의 압축 스트레스나 또는 압축력이 (처음에 작동 동안에) 발생되거나 또는 (상당하게) 증가될 수 있다. 특히, 이러한 목적은 주된 열 유동 방향에 수직한 이러한 방향으로 열전기 모듈의 실질적으로 치수적으로 안정적인 설계를 보장할 필요가 있다. 이후 대부분의(또는 모든) 부재가 적당한 압축 스트레스로 작용되도록 압축 스트레스가 열전기 모듈 내에서 이에 따라 만들어지게 압축력이 상기 열전기 모듈에 외측으로 가해질 필요가 없다. 대신에, 상기 압축 스트레스는 열전기 물질과의 상호작용으로 필러 물질에 의해 대부분의(또는 모든) 부재 사이에서 발생된다.
열전기 모듈의 또 다른 유리한 실시예에 있어서, 적어도 50℃ 내지 600℃의 온도 범위에서, 필러 물질이 열전기 물질보다 더 낮은 열 전도도[watt/(meter * kelvin)]를 나타내도록 제안된다. 특히, 필러 물질의 열 전도도의 값은 열전기 물질의 값이 많아야 10%, 바람직하게는 많아야 1%에 상당한다.
열전기 모듈의 또 다른 유리한 실시예는, 적어도 주된 열 유동 방향에 평행한 방향에서 보았을 경우, 필러 물질은 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이의 중간 공간을 완전하게 채우지 않는다는 것을 제안한다. 필러 물질이 서로에 대해 열전기 물질의 위치를 고정시키지만, 그러나 동시에 인접하여 배치된 열전기 물질 쪽으로 마주한 열전기 물질의 전체 측 표면을 커버하지 않는다면 특히 유리하다. 특히, 상기 측 표면의 많아야 80%, 바람직하게는 많아야 50% 및 특히 바람직하게는 많아야 20%가 필러 물질에 의해 압축 스트레스의 영향을 받으며, 이 경우 단 하나의 모듈의 열전기 모듈이나 또는 모든 부재에 동일하게 적용될 필요가 없다. 압축력 또는 압축 스트레스가 필러 물질을 통해 열전기 물질로 전달된다. 특히, 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이의 열 단열은 필러 물질의 대응하는 기기를 통해 특히 유리한 방식으로 실행될 수 있고, 그리고 상기 필러 물질은 이러한 열 단열 특성을 필수적으로 부여할 필요가 없다. 예를 들면, 공기, 진공 또는 여러 다른 열 단열 물질이 필러 물질에 더하여 사용될 수 있다.
열전기 모듈의 하나의 유리한 실시예에 있어서, 주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로 열전기 모듈 상에 압축력을 발생시키는 브레이싱(bracing) 장치가 저온 측에 배치되도록 제공된다. 특히, 상기 기기는 예를 들면 제 2 벽부와 연결된 브레이싱 장치를 포함한다. 상기 브레이싱 장치는 특히 제 1 벽부와 관련하여 열적으로 단열되도록 설계된다. 이와 같이, 나타난 온도 포텐셜에도 불구하고, 브레이싱 장치는 적은 열 팽창을 나타내고 그리고 문제의 온도 범위 내내 주된 열 유동 방향에 수직한 방향에서의 열전기 모듈의 치수 안정성을 보장할 수 있다. 브레이싱 장치는 특히 기계적 장치나 또는 유압 장치일 수 있다. 특히, 상기 브레이싱 장치는, 문제의 온도 범위에서, 열전기 물질 및 필러 물질과 관련하여 (실질적으로 일정하거나 적용된) 압축력이 상기 브레이싱 장치에 의해 생성될 수 있도록, 제 2 벽부의 또는 저온 측의 특히 치수적으로 강성의 설계품에 의해 형성된다.
특히, 브레이싱 장치가 제 1 벽부 (고온 측) 상에 (부가적으로) 제공된다.
브레이싱 장치는 특히 이에 따라 보다 큰 압축 스트레스를 열전기 모듈로 안내할 수 있는 점진적인 변형을 갖는 탄성적으로 변형가능한 부재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축 스프링이 제공되어, 주된 열 유동 방향에 수직한 방향에서의 열전기 모듈의 점진적인 팽창에 의해, 또는 부재의 팽창에 의해, 이에 따라 증가하는 압축 스트레스를 생성할 수 있다. 상기 증가하는 압축 스트레스의 결과로서, 주된 열 유동 방향에 수직한 방향으로 열전기 물질의 플라스틱 변형 및/또는 탄성 팽창이 감소되거나 방지된다.
본 발명은 또한 열전기 모듈의 작동을 위한 방법에 관한 것이며, 여기서 상기 열전기 모듈은 제 1 벽부 및 제 2 벽부를 구비하고 그리고 전기 전도성 방식으로 서로 연결되고 열전기 물질로 이루어진 개재된 부재를 구비한다. 열전기 모듈의 작동 동안에, 온도 포텐셜은 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에서 나타나고, 이에 따라, 주된 열 유동 방향은 제 1 벽부로부터 제 2 벽부까지 나아간다. 작동 방법은:
a) 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에 온도 포텐셜을 발생시키는 단계;
b) 주된 열 유동 방향에 수직하여 제 1 압축 스트레스의 발생을 위해 적어도 하나의 압축력을 가하는 단계;
c) 적어도 작동 범위에서 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이의 온도 포텐셜이 적어도 50 kelvin이고, 제 1 압축 스트레스가 상기 주된 열 유동 방향에서 제 2 압축 스트레스의 적어도 50%이며, 특히 상기 주된 열 유동 방향에서 제 2 압축 스트레스의 적어도 75%이고 바람직하게는 적어도 동일한 것을 적어도 보장하는 단계;를 적어도 포함하고,
상기 압축 스트레스가 적어도 다수의 상기 부재 상에 작용한다.
개별 열전기 모듈과 관련하여 기재된 사항이 이에 따라 열전기 모듈 작동 방법에 적용되며, 이 반대도 가능하다. 특히, 본 발명에 따라 본 명세서에 기재된 방법이 각각의 경우에 본 발명에 따른 열전기 모듈의 작동에 적당하다.
단계 a)에 따른 온도 포텐셜의 발생은 제 1 벽부에서의 고온의 매체의 영향 및 제 2 벽부에서의 저온의 매체의 영향을 포함한다. 특히, 배기 가스 또는 액체 매체가 고온의 매체로서 제공될 수 있고, 그리고 예를 들면, 물이나 이와 유사한 액체, 또는 그 밖의 가스상의 매체가 저온의 매체로서 제공될 수 있다.
단계 b)는 적어도 압축력의 적용을 완수하고, 상기 압축력은 특히 브레이싱 장치에 의해 열전기 모듈에 외측에서 가해질 수 있고 및/또는 예를 들면 상기 열전기 물질의 그리고 필러 물질의 대응하는 팽창 계수만큼, 상기 열전기 모듈 내에서 또한 생성될 수 있다.
단계 c)에 따라 압축 스트레스의 비를 보장하는 것은 특히 작동의 개시 이전에서도 열전기 모듈의 대응하는 구조적 설계를 완수한다. 특히, 이러한 보장하는 단계는, 제 1 및/또는 제 2 압축 스트레스가 여러 다른 방식으로 계산되거나, 측정되거나 결정되고 그리고 대응하는 제 1 압축 스트레스가 발생되도록, 모니터링과 이에 대응하는 작동을 완수한다. 특히, "보장한다"라는 표현은 또한 (필요하다면 또한 작동 동안에) 압축력의 모니터링, 세팅 및/또는 적용을 의미한다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 방법의 유리한 일 실시예에 있어서, 주된 열 유동 방향에 수직한 제 1 압축 스트레스가 적어도 하나의 압축력의 외부 조정에 의해 영향을 받는다. 상기 외부 조정은 예를 들면, 브레이싱 장치를 통해 실현될 수 있으며, 상기 브레이싱 장치에 의해 조정가능한 기계적 힘 및/또는 유압 압축력이 발생될 수 있다.
일 유리한 실시예에 있어서, 제 1 압축 스트레스가 자동-조정 방식으로 변한다. 이는 특히 열전기 물질 및 필러 물질의 물질 특성의 대응하는 구성을 통해 보장될 수 있다. 본 명세서에서, "자가-조정(self-regulating)"이라는 표현은 특히 압축 스트레스의 능동형 외부 조정이 행해지지 않는 대신에, 특히, 사전결정된 압축 스트레스 비가 상이한 온도 범위에서 열전기 모듈의 작동 동안에 자동적으로 또는 수동적으로 채택되도록, 설계가 구성된다는 것을 의미한다. 외부 조정 및 자가-조정 측정이 특히 서로 유리하게 조합된다.
더욱이, 열전기 발전기가 본 발명에 따른 적어도 두 개의 열전기 모듈을 구비하여 제공되며, 여기서 열전기 모듈이, 열전기 발전기의 (특히 단 하나의) 구성요소에 의하여, 제 1 압축 스트레스의 발생을 위한 적어도 하나의 압축력과 함께, 작동된다. 따라서 열전기 발전기의 모든 개별 열전기 모듈이 각각 개별적으로 발생된 압축력으로써 작동되지 않는 대신에, 예를 들면, 통상의 브레이싱 장치는 다수의 열전기 모듈이 이에 따라 동시에 작동될 수 있도록 구조적으로 설계되는 경우가 특히 유리하다. 특히, 다수의 열전기 모듈은 또한 이에 따라, 압축력이 또한 열전기 모듈 사이에 전달되도록, 하나가 다른 하나 뒤에 배치된다.
더욱이, 자동차가 본 발명에 따른 열전기 발전기 또는 본 발명에 따른 열전기 모듈을 적어도 구비하여 제공된다. 이 경우, 상기 모듈 및/또는 상기 발전기는 또한 본 발명에 따라 기재된 방법으로 작동하도록 설계될 수 있다.
본 발명 및 기술 분야가 도면을 기초로 아래에서 더욱 상세하게 설명되어 있다. 도면은 특히 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예를 나타내고 있지만, 그러나 본 발명이 도시된 사항만으로 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
도 1은 열전기 모듈의 측면도이고,
도 2는 도 1의 열전기 모듈의 상세한 도면이고,
도 3은 관형 열전기 모듈의 도면이고,
도 4는 압축 스트레스의 프로파일의 도면이고,
도 5는 열전기 발전기의 도면이며, 그리고
도 6은 자동차의 도면이다.
도 1은 열전기 모듈(1)의 측면도이며, 상기 열전기 모듈의 외측은 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)에 의해 형성된다. 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)는 중간 공간(12)을 둘러싸고, 상기 중간 공간에 열전기 물질(5)로 이루어진 부재(4)와, 열전기 모듈(1)의 다른 구성요소(19)(절연체(23), 연결부(24), 연결 층(31), 부재(4) 등)가 배치된다. 제 1 벽부(2)는 고온 측(17)에 할당되고, 그리고 반대쪽에 배치된 제 2 벽부(3)는 이에 따라 저온 측(13)에 할당된다. 제 1 벽부(2)와 열전기 물질(5) 사이의 연결 층(31)으로서의 절연체(23)가 각각의 경우에 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3) 상에 배치된다. 열전기 물질(5)로 이루어진 상호 인접하여 배치된 부재(4)가 연결부(24)(전도체 트랙(track), 케이블, 등)에 의하여, 각각의 경우에 교호로 전기 전도성 방식으로 서로 연결된다.
열전기 물질(5)은 필러 물질(6)에 의해 서로 이격된다. 여기에, 필러 물질(6)의 상이한 예시적인 실시예가 나타나 있다. 여기서, 필러 물질(6)은 열전기 물질(5)의 전체 측 표면(32) 상에서 뻗어있지 않지만, 대신에 측 표면(32)의 서브-구역에서만 작용한다. 필요하다면, 다수의 필러 물질(6)이 또한 상호 인접하여 배치된 부재(4) 사이에 제공된다. 더욱이, 도시된 필러 물질(6)은 열전기 물질(5)의 전체 측 표면(32) 상에서 그리고 더욱이 연결부(24)를 넘어 제 1 벽부(2) 또는 제 2 벽부(3) 상의 절연체(23)까지 뻗어있다.
온도 포텐셜은 고온 측(17)과 저온 측(13) 사이에 형성되어, 열 유동이 고온 측(17)으로부터 저온 측(13)까지의 주된 열 유동 방향(8)으로, 바람직하게는 열전기 물질(5)을 통해 발생된다. 상기 열 유동의 결과로서, 열전기 물질(5)은 제베크 효과 때문에, 전류를 발생시키고, 상기 전류는 연결부(24)를 통해 열전기 모듈(1) 외측의 대응하는 전기 소비재(electricity consumer)(배터리, 전기 소비기(electricity consumer) 등)에서 소모된다(pick off). 부재(4)는 열전기 모듈(1) 외측으로부터의 압축력(15)에 의하여, 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로 작동된다.
도 2는 도 1의 상세한 도면으로서, 상기 도 2에서, 열전기 물질(5)로 이루어진 부재(4)가 확대되어 도시되어 있다. 고온 측(17)과 저온 측(13) 사이에, 온도 포텐셜(10)이 발생되고, 이 결과 열전기 물질(5)을 통해 고온 측(17)과 저온 측(13) 사이의 열 유동이 발생한다. 열전기 물질(5)은 연결부(24)에 의해 교호로 전기 전도성 방식으로 서로 연결되고 그리고 절연체(23)에 의해 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)로부터 분리된다.
도 1에 도시된 압축력(15)은, 열전기 물질(5) 사이에 배치된 필러 물질(6)에 의해, 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로 상기 열전기 물질(5) 상에 작용하는 제 1 압축 스트레스(7)를 생성한다. 열 부하 때문에, 열전기 물질(5)은, 주된 열 유동 방향(8)에 평행한 방향으로, 제 2 압축 스트레스(11)에 의해, 작용되며, 상기 제 2 압축 스트레스는 상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로 상기 열전기 물질(5)의 크리프 및/또는 횡방향 수축에 의해 팽창을 야기시킨다. 필러 물질(6)이 열전기 물질(5)의 측 표면(32) 상에 배치된다. 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로의 팽창이, 열전기 물질(5)의 크리프 및/또는 횡방향 수축 때문에, 제 1 압축 스트레스(7)로 인해 방지된다.
제 2 압축 스트레스(11)가 제 1 벽부(2)에서 및/또는 제 2 벽부(3)에서 및/또는 제 1 및 제 2 벽부(2, 3) 사이에서 팽창 부재(33)에 의해 감소될 수 있다는 것이 또한 도 2에 도시되어 있다.
열전기 물질(5)의 측 표면(32)은 다른 연결 층(31), 본 경우에, 예를 들면, 전기 절연기를 구비할 수 있도록 또한 도시되어 있다. 또한, 열전기 물질(5)이 두 개의 양 측(30)을 가지며, 한 측에서 연결부(24) 및 절연체(23)에 의하여 열 전도성 방식으로 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)와 연결되는 것으로 본 명세서에 나타나 있다.
도 3은 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)를 갖는 관형 열전기 모듈(1)을 나타내고 있다. 여기서, 제 2 벽부(3)는 관형 열전기 모듈(1)의 내측 덕트를 형성하고, 상기 내측 덕트는 이러한 경우에 저온 측(13)으로서 설계되고, 그리고 예를 들면, 상기 내측 덕트를 통해 냉각수가, 이에 따라 유동할 수 있다. 제 1 벽부(2)에 의해 형성된, 열전기 모듈(1)의 외측 원주방향 표면이 고온 측(17)으로 설계되고, 그리고 예를 들면, 고온의 배기 가스의 유동에 의해 영향을 받을 수 있다. 열 유동은 주된 열 유동 방향(8)의 방향으로 고온 측(17)으로부터 저온 측(13)까지 생성된다. 이는 주된 열 유동 방향(8)에 평행한 방향으로, 그리고 이에 따라 제 2 압축 스트레스(11)로 열전기 물질(5)의 팽창을 초래한다. 상기 제 2 압축 스트레스(11)는 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)의 그리고 열전기 물질(5)과 같은, 열전기 모듈(1)의 개별 구성요소(19)의 상이한 팽창에 의해 야기된다. 지금, 열전기 물질(5) 사이에서 제 1 압축 스트레스(7)를 발생시키는 압축력(15)의 사용을 통하여, 상기 제 2 압축 스트레스(11)는 횡방향 수축의 결과로서 팽창이 있는 한 보상되고 및/또는 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)에서의 열전기 물질(5)의 플라스틱 변형 및/또는 크리프가 발생하지 않는다.
또한 열전기 물질(5) 사이의 중간 공간(12)이 도시되어 있고, 상기 중간 공간에 필러 물질(6)이 배치되고 그리고 상기 중간 공간에 의하여 상호 인접하여 배치된 열전기 부재(4)가 서로 이격된다. 더욱이, 절연체(23) 및 연결부(24)가 각각의 경우에 제 1 벽부(2) 상에 그리고 제 2 벽부(3) 상에 제공된다.
도 4는 도시를 통해 열전기 모듈(1)의 작동 범위에서의 압축 스트레스의 프로파일을 나타내고 있다. 온도(25)가 좌측 수직 축선에 대해 플롯되어 있고, 그리고 압축 스트레스(27)의 크기가 우측 수직 축선에 대해 플롯되어 있다. 수평방향 축선은 작동 시간(26)을 나타낸다. 점진적인 작동 시간(26)으로써, 고온 측(17)에서의 온도(25)가 상승하고 및/또는 특정 프로파일을 가정한다고 여겨질 수 있다. 이에 따라, 주된 열 유동의 결과로서, 열전기 모듈(1)의 저온 측(13)에서의 온도(25)가 또한 상승한다. 수평방향 축선 상에 도시된 작동 범위(9)에서, 온도 포텐셜(10)이 발생된다. 상기 작동 범위(9)에서, 주된 열 유동 방향(8)에 평행한 방향으로 열전기 물질(5) 상에 작용하는 제 2 압축 스트레스(11)가 상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로 열전기 물질(5) 상에 작용하는 제 1 압축 스트레스(7)보다 더 작다. 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향에서 (제 2 임계값 스트레스(35)를 넘는 경우에) 플라스틱 변형의 결과로서 또는 (제 1 임계값 스트레스(34)를 넘는 경우에) 횡방향 수축의 결과로서 팽창하는 부재(4)의 경향이 제 2 압축 스트레스(11)에 의해 작용되는 부재(4)의 결과로서 감소되거나 또는 제거된다. 열전기 부재(4)의 상기 "받쳐짐(bracing)"은 특히 열전기 물질의 제 1 임계값 스트레스(34) 및/또는 제 2 임계값 스트레스(35)가 초과되는 것을 방지하도록 사용된다.
도 5는 두 개의 열전기 모듈(1)을 구비한 열전기 발전기(18)를 나타낸 도면이다. 상기 열전기 모듈 각각은 고온 측(17) 및 저온 측(13)을 갖고, 상기 고온 측과 저온 측 사이에서 열 유동이 주된 열 유동 방향(8)으로 생성된다. 열전기 모듈(1)은, 상기 열전기 모듈의 개별 저온 측(13) 상에 또는 저온 측(13)을 형성하는 상기 열전기 모듈의 제 2 벽부(3) 상에, 브레이싱 장치(14)를 구비한다. 상기 브레이싱 장치(14)는 열전기 발전기(18) 상에 또는 상기 열전기 발전기의 하우징 상에 지지되고, 그리고 두 개의 열전기 모듈(1)의 개별 저온 측(13) 상에 이와 같이 작용한다.
도 6은 내연 기관(29), 냉각 기구(28) 및 배기 시스템(22)을 구비한 자동차(20)를 나타낸 도면이다. 냉각 기구(28)로부터의 저온의 매체(21)가 열전기 발전기(18) 내에 배치된 열전기 모듈(1)을 통해 유동한다. 더욱이, 내연 기관으로부터의, 또는 배기 시스템(22)으로부터의 고온의 매체(21)가 열전기 모듈(1)을 통해 유동한다. 열전기 모듈(1)에서의 고온의 매체(21)와 같은 배기 가스의 영향(impingement) 및 저온의 매체(21)와 같은 냉각 액체의 영향 때문에, 온도 포텐셜은, 전류가 열전기 발전기(18)에서 발생될 수 있도록, 상기 열전기 모듈을 가로질러 생성된다.
1 열전기 모듈 2 제 1 벽부
3 제 2 벽부 4 부재
5 열전기 물질 6 필러 물질
7 제 1 압축 스트레스 8 주된 열 유동 방향
9 작동 범위 10 온도 포텐셜
11 제 2 압축 스트레스 12 중간 공간
13 저온 측 14 브레이싱 장치
15 압축력 16 방향
17 고온 측 18 열전기 발전기
19 구성요소 20 자동차
21 매체 22 배기 시스템
23 절연체 24 연결부
25 온도 26 작동 시간
27 압축 스트레스 28 냉각 기구
29 내연 기관 30 측
31 연결 층 32 측 표면
33 팽창 부재 34 제 1 임계값 스트레스
35 제 2 임계값 스트레스

Claims (11)

  1. 제 1 벽부(2) 및 반대쪽에 배치된 제 2 벽부(3) 그리고 열전기 물질(5)로 이루어지고 전기 전도성 방식으로 서로 연결된 개재된 부재(4)와, 모든 부재(4)가 서로 이격되게 하는 필러 물질(6)과, 상기 제 1 벽부(2)에 의해 형성된 고온 측(17)으로부터 상기 제 2 벽부(3)까지 나아가는 주된 열 유동 방향(8)을 적어도 갖는 열전기 모듈(1)으로서,
    상기 열전기 모듈(1)의 작동 동안에, 고온 측에서 적어도 50℃ 와 600℃ 사이의 온도 범위에서, 상기 주된 열 유동 방향(8)에서 상기 부재(4)에 작용하는 제 2 압축 스트레스(11)는,
    (i) 적어도 제 1 임계값 스트레스(34)를 초과하지 않고, 이 경우 사용된 상기 열전기 물질(5)의 횡방향 수축이 상기 제 1 임계값 스트레스(34)를 초과하는 경우에 개시되거나, 또는
    (ii) 적어도 제 2 임계값 스트레스(35)를 초과하지 않고, 이 경우 사용된 상기 열전기 물질(5)의 플라스틱 변형이 상기 제 2 임계값 스트레스(35)를 초과하는 경우에 개시되는 열전기 모듈(1).
  2. 제 1 벽부(2) 및 반대쪽에 배치된 제 2 벽부(3) 그리고 열전기 물질(5)로 이루어지고 전기 전도성 방식으로 서로 연결된 개재된 부재(4)와, 모든 부재(4)가 서로 이격되게 하는 필러 물질(6)과, 상기 제 1 벽부(2)로부터 상기 제 2 벽부(3)까지 나아가는 주된 열 유동 방향(8)을 적어도 갖는 열전기 모듈(1)으로서,
    상기 열전기 모듈(1)은, 적어도 상기 제 1 벽부(2)와 상기 제 2 벽부(3) 사이의 온도 포텐셜(10)이 적어도 50 kelvin인 범위(9)에서, 상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 제 1 압축 스트레스(7)가 상기 주된 열 유동 방향(8)에서 제 2 압축 스트레스(11)의 적어도 50%이도록, 적어도 하나의 압축력(15)에 의해 받쳐지는(brace) 열전기 모듈(1).
  3. 청구항 1에 있어서,
    적어도 50℃ 내지 600℃의 온도 범위에서, 상기 필러 물질(6)은 상기 열전기 물질(5)보다 더 큰 열 팽창 계수를 갖는 열전기 모듈(1).
  4. 청구항 1에 있어서,
    적어도 50℃ 내지 600℃의 온도 범위에서, 상기 필러 물질(6)은 상기 열전기 물질(5)보다 더 낮은 열 전도성[watt/(meter * kelvin)]을 나타내는 열전기 모듈(1).
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 한에 있어서,
    적어도 상기 주된 열 유동 방향(8)에 평행한 방향으로 보았을 경우, 상기 필러 물질(5)은 상기 제 1 벽부(2)와 상기 제 2 벽부(3) 사이의 중간 공간(12)을 완전하게 채우지 않는 열전기 모듈(1).
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 방향(16)으로 상기 열전기 모듈(1) 상에 압축력(15)을 발생시키는 브레이싱 장치(14)가 저온 측(13) 상에 배치되는 열전기 모듈(1).
  7. 열전기 모듈(1)의 작동 방법으로서,
    상기 열전기 모듈(1)은 제 1 벽부(2) 및 제 2 벽부(3)와 열전기 물질(5)로 이루어진 개재된 부재(4)를 구비하고, 상기 부재는 전기 전도성 방식으로 서로 연결되고, 그리고 작동 동안에, 온도 포텐셜(10)이 상기 제 1 벽부(2)와 상기 제 2 벽부(3) 사이에 나타나고 그리고 주된 열 유동 방향(8)이 상기 제 1 벽부(2)로부터 상기 제 2 벽부(3)까지 나아가며;
    a) 상기 제 1 벽부(2)와 상기 제 2 벽부(3) 사이에 온도 포텐셜을 발생시키는 단계;
    b) 상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직하여 제 1 압축 스트레스(7)의 발생을 위하여 적어도 하나의 압축력(15)을 가하는 단계;
    c) 상기 제 1 벽부(2)와 상기 제 2 벽부(3) 사이의 온도 포텐셜(10)이 적어도 50 kelvin인 적어도 범위(9)에서, 상기 제 1 압축 스트레스(7)가 상기 주된 열 유동 방향(8)에서 제 2 압축 스트레스(11)의 적어도 50%인 것을 보장하는 단계;를 적어도 포함하고,
    상기 압축 스트레스는 다수의 상기 부재(4)에 적어도 작용하는 열전기 모듈(1)의 작동 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 주된 열 유동 방향(8)에 수직한 상기 제 1 압축 스트레스(7)가 적어도 하나의 압축력(15)의 외부 조정에 의해 영향을 받게 되는 열전기 모듈(1)의 작동 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 압축 스트레스(7)가 자동-조정 방식으로 변경되는 열전기 모듈(1)의 작동 방법.
  10. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 두 개의 열전기 모듈(1)을 적어도 구비한 열전기 발전기(18)로서,
    상기 열전기 모듈(1)은 제 1 압축 스트레스(7)의 발생을 위해 적어도 하나의 압축력(15)과 함께, 상기 열전기 발전기(18)의 구성요소(19)에 의해 작용되는 열전기 발전기(18).
  11. 자동차(20)로서, 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 열전기 모듈(1)을 적어도 구비하거나 청구항 10에 따른 열전기 발전기(18)를 적어도 구비하는 자동차(20).
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