KR20150106328A

KR20150106328A - 구배 열 교환기를 사용한 열전 동력 생성 시스템

Info

Publication number: KR20150106328A
Application number: KR1020147036968A
Authority: KR
Inventors: 얀리앙 장; 제임스 크리스토퍼 캐일러; 마이클 코즐로스키; 베드 포델
Original assignee: 지엠제트 에너지 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2015-09-21
Also published as: WO2014004268A1; TW201409920A; EP2865025A1; JP2015526895A; CN104412402A; US20130340801A1

Abstract

동력 생성 시스템은 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에서 열 교환기의 길이를 따라 연장하는 도관 및 도관 내에 제공된 복수의 열 전도성 휜(fin)을 포함하는 열 교환기로서, 휜의 팩킹 분율은 입구에 인접한 제1 팩킹 분율로부터 출구에 인접한 제2 팩킹 분율까지 증가하는, 열 교환기와, 열 교환기의 길이를 따라 위치된 복수의 열전 동력 생성기를 포함하는 동력 생성 시스템이며, 각 열전 전력 생성기는 고온 측부, 저온 측부 및 그 사이에서 연장하는 열전 요소를 포함하고, 열전 동력 생성기의 고온 측부는 각 고온 측부의 온도가 열 교환기의 길이를 따라 실질적으로 동일하도록 복수의 휜과 열적으로 접촉한다.

Description

구배 열 교환기를 사용한 열전 동력 생성 시스템 {THERMOELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM USING GRADIENT HEAT EXCHANGER}

관련 출원

본 출원은 2012는 6월 25일자로 출원된 미국 가출원 제61/664,012호 및 2013년 2월 19일자로 출원된 미국 가출원 제61/766,300호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 가출원의 전문은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

태양열 열전 변환기 같은 열전 변환기가 본 기술 분야에 공지되어 있다. 이들 변환기는 지백(Seebeck) 효과에 의거하여 온도 편차를 전기로 변환한다. 열전 변환기의 일부는 고온 가스 스트림 같은 열원에 의해 직접적 또는 간접적으로 가열되어 필요한 온도 편차를 생성할 수 있다. 에너지 변환의 효율은 열전 변환기를 가로지른 온도 편차에 의존한다. 온도 편차가 클수록 변환 효율이 더 커진다.

실시예는 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에서 열 교환기의 길이를 따라 연장하는 도관과 도관 내에 제공된 복수의 열 전도성 휜(fin)들을 포함하는 열 교환기로서, 휜의 팩킹 분율은 입구에 인접한 제1 팩킹 분율로부터 출구에 인접한 제2 팩킹 분율로 증가하는, 열 교환기와, 열 교환기의 길이를 따라 위치된 복수의 열전 동력 생성기를 포함하는 동력 생성 시스템을 포함하고, 각 열전 동력 생성기는 고온 측부, 저온 측부 및 그 사이에서 연장하는 열전 요소를 포함하고, 열전 동력 생성기의 고온 측부는 각 고온 측부의 온도가 열 교환기의 길이를 따라 실질적으로 동일하도록 복수의 휜과 열적으로 접촉한다.

다양한 실시예에서, 고온 측부의 온도는 열 교환기의 입구와 출구 부분 사이에서 서로의 대략 12℃ 이내 (예를 들어, 서로의 0 내지 12℃ 사이) 같이 서로의 대략 20℃ 이하 이내일 수 있다.

다른 실시예는 열 에너지의 소스를 사용하여 유체를 가열하는 단계와, 유체 유동과 열적으로 접촉하는 복수의 열 전도성 휜들을 포함하는 열 교환기를 통해 가열된 유체를 유동시키는 단계로서, 휜의 팩킹 분율은 열 교환기를 통한 주 유체 유동 방향으로 증가하는, 가열된 유체를 유동시키는 단계와, 열 교환기의 길이를 따라 위치된 복수의 열전 동력 생성기를 사용하여 전기 동력을 생성하는 단계를 포함하는 동력 생성 방법을 포함하며, 각 열전 동력 생성기는 고온 측부, 저온 측부 및 그 사이에서 연장하는 열전 요소를 포함하고, 열전 동력 생성기의 고온 측부는 각 고온 측부의 온도가 열 교환기의 길이를 따라 실질적으로 동일하도록 복수의 휜들과 열적으로 접촉한다.

다른 실시예는 전기적으로 상호연결된 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부로서, 각 다리부는 모듈의 제1 측부와 제2 측부 사이에서 연장하는 다리부와, 모듈의 제1 측부 상에서 열전 재료 다리부 위에 위치되고 외부 열원으로부터 열전 재료 다리부로 열 에너지를 전도하도록 구성되는 커버와, 모듈 커버의 외부 표면에 직접적으로 부착된 복수의 열 전도성 휜들을 포함하는 열전 모듈을 포함한다.

다른 실시예는 고온 측부와 저온 측부를 갖는 복수의 열전 재료 다리부를 포함하는 열전 모듈을 사용하여 전기 에너지를 생성하는 방법을 포함하고, 이 방법은 다리부의 고온 측부와 저온 측부 사이에 온도 편차를 제공하도록 다리부의 고온 측부 위에 위치된 모듈 커버의 외부 표면에 직접적으로 부착된 복수의 열 전도성 휜들을 통해 열전 재료 다리부 각각의 고온 측부로 열원으로부터 열을 전도하는 단계와, 온도 편차를 사용하여 복수의 열전 재료 다리부로부터 전기를 생성하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 예시적 실시예를 예시하며, 상술한 개괄적 설명 및 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 복수의 열전 동력 생성기(TEG)와 유동 스트림에 걸쳐 복수의 열전 생성기(TEG)의 제1 측부에서 대체로 균일한 온도를 유지하기 위한 구배 열 교환기를 갖는 동력 생성 시스템의 개략 단면 사시도이다.
도 1b는 배기 유동의 방향을 따라 TEG 모듈(T_TEG _-H)의 고온 측부 및 배기 가스(T_배기)의 온도를 도시하는 플롯이다.
도 2는 유체 유동의 방향을 따라 증가하는 휜 팩킹 분율을 예시하는 도 1a의 구배 열 교환기의 단면 사시도이다.
도 3은 도 1a의 동력 생성 시스템의 단면 사시도이다.
도 4는 플레이트 휜 팩킹 분율이 유체 유동 방향을 따라 증가하는 구배 열 교환기의 단면 사시도이다.
도 5는 모듈 케이싱에 직접적으로 부착되는 열 교환 휜을 갖는 열전 생성기 모듈의 사시도이다.

다양한 실시예가 첨부 도면을 참조로 상세히 설명된다. 가능하다면 도면 전반에 걸쳐 동일 또는 유사 부분을 지시하기 위해 동일 참조 번호를 사용할 것이다. 특정 예 및 구현예에 대한 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이나 청구범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.

열 에너지로부터 전기를 생성하기 위한 다수의 방법이 존재한다. 다양한 실시예는 열전 변환 요소를 포함할 수 있다. 열전 변환은 지벡 효과에 기의거하여 온도 편차를 전기로 변환한다. 열전 변환기는 더 큰 온도 편차 하에서 더욱 효율적으로 동작한다.

열전 동력 생성(TEG) 시스템은 열원으로부터의 열을 사용하여 하나 이상의 열전 변환 요소를 가로질러 온도 편차를 제공하고, 그에 의해, 전기를 생성한다. 열원은 예로서 자동차 배기가스, 산업 폐열, 고온 연소 생성물(예를 들어, 보일러 불꽃), 등 같은 고온 유체 유동 스트림일 수 있다. 열 교환기는 유동 스트림으로부터 열전 변환 요소의 제1 측부(즉, "고온" 측부)로 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다.

TEG 시스템을 위한 열 교환기 설계의 과제는 유체 유동의 온도가 열 교환기 내의 유체 유동 방향을 따라 강하되는 경향이 있다는 것이다. 이는 도 1b에 예시되어 있으며, 이 도면은 입구 온도(T_hi)로부터 출구 온도(T_lo)까지 감소하는 고온 배기 유동의 온도를 예시한다. 이 온도 강하는 동력 생성 시스템의 TEG 모듈을 따른 불균일 동작 상태 및 감소된 성능을 유발할 수 있다.

다양한 실시예는 복수의 열전 동력 생성기(TEG)와 유동 스트림에 걸친 복수의 열전 생성기(TEG)의 제1 측부에서 대체로 균일한 온도를 유지하기 위한 구배 열 교환기를 갖는 동력 생성 시스템을 포함한다. 다양한 실시예에서, TEG 기반 폐열 회수 시스템 같은 TEG 시스템의 비용 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 본 시스템은 상술한 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다.

도 1a는 고온 유체 유동(예를 들어, 배기 가스 유동)으로부터 TEG 모듈의 제1 측부(예를 들어, TEG 모듈의 "고온" 측부)로 열 에너지를 전달하기 위한 구배 열 교환기(104)와 복수의 TEG 모듈(102)을 갖는 동력 생성 시스템(100)의 개략 단면 사시도이다. 열 교환기(104)는 금속 같은 열 전도성 재료로 이루어진 관형 요소(예를 들어, 핀 휜)일 수 있는 복수의 휜(106)을 포함할 수 있다. 휜(106)은 고온 유체로부터의 열이 휜(106)으로 전달되도록 고온 유체의 유동 스트림 내에 위치될 수 있다. 휜(106)은 유체 유동의 방향에 대체로 수직으로 배향될 수 있다. 휜(106)은 한 쌍의 플레이트(108, 110) 사이에서 연장할 수 있으며, 이는 유체가 그를 통해 유동하는 도관(112)을 형성할 수 있다. 플레이트(108, 110)는 금속 같은 열 전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 휜과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(108, 110)는 제거될 수 있고, 휜(106)은 TEG 모듈(102) 사이에서 직접적으로 연장할 수 있으며, 이는 유체가 그를 통해 유동하는 도관을 형성할 수 있다.

TEG 모듈(102)은 각각 제1(고온) 측부, 제2(저온) 측부 및 그 사이에 배치된 복수의 열전 재료 요소(예를 들어, 다리부)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈(102)은 p-형 열전 재료 다리부(105A)와 n-형 열전 재료 다리부(105B)의 복수의 쌍을 각각 포함할 수 있다. 다리부(105A, 105B) 쌍 각각은 예를 들어, pn 접합부 또는 p-금속-n 접합부 같은 접합부를 형성하도록 제1(예를 들어, 고온) 단부에서 열적 및 전기적으로 결합될 수 있다. 접합부는 금속 같은 전기 전도성 재료로 이루어진 헤더(107)일 수 있다. 전기 커넥터(109)(예를 들어, 금속 커넥터)는 열전 재료 다리부(105A, 105B)의 제2(예를 들어, 저온) 단부에 연결될 수 있으며, 각각의 n-형 및 p-형 다리부 쌍에 대해, 하나의 다리부(105A)(예를 들어, p-형 다리부)가 제1 커넥터(109)와 접촉하고 다른 다리부(105B)(예를 들어, n-형 다리부)가 제2 커넥터(109)에 접촉하도록 헤더 커넥터(107)로부터 측방향으로 오프셋될 수 있다. 모듈(102)은 원하는 회로 구성으로 배열된(예를 들어, 직렬, 병령 또는 직렬/병렬 조합 구성으로) 복수의 이런 다리부 쌍을 포함할 수 있다. 전기 리드는 모듈(들)(102)로부터 전기 에너지를 추출하기 위해 사용될 수 있다.

TEG 모듈(102)의 제1 또는 "고온" 측부는 열 교환기(104)의 휜(106)과 열적으로 직접 또는 간접 접촉할 수 있다. TEG 모듈(102)의 제2 또는 "저온" 측부는 휜(106)으로부터 실질적으로 절연될 수 있고, 예로서, 주변 공기 또는 냉각 유체 유동과 직접 또는 간접적으로 열적으로 접촉될 수 있다. 실시예에서, 냉각 유체(예를 들어, 물 같은 액체)는 열 교환기(104)의 도관(112)을 통한 고온 유체의 유동에 대한 상반 유동, 동시 유동 및/또는 교차 유동 구성으로 TEG 모듈(102)(예를 들어, 하나 이상의 별개의 도관 또는 파이프 내의)의 저온 측부에 인접하게 유동하고 그와 직접 또는 간접적으로 열적으로 접촉할 수 있다. 본 방법에서, 열전 변환기의 일 단부는 상승된 온도로 유지된다. 변환기의 대향 단부가 저온에 노출된 상태에서, 열전 변환기는 전기 에너지를 생성한다.

다양한 실시예에서, 열전 재료 다리부(105A, 105B)는 다양한 벌크 재료 및/또는 나노구조로부터 형성될 수 있다. 열전 재료는 하프-호이슬러(half-Heusler), Bi₂Te₃, Bi₂Te₃ _- _xSe_x ₍n-형)/Bi_xSe₂ _- _xTe₃(p-형), SiGe(예를 들어, Si₈₀Ge₂₀), PbTe, 스쿠테루드(skutterudite), Zn₃Sb₄, AgPb_mSbTe₂ _+m, Bi₂Te₃/Sb₂Te₃　양자 도트 초격자(QDSL), PbTe/PbSeTe QDSL, PbAgTe 및 그 조합 중 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 재료는 소형 나노입자 또는 벌크 매트릭스 재료 내에 매설된 나노입자를 포함할 수 있다. 예로서, 예시적 재료에 대한 설명에 대하여 모든 목적을 위해 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 2007년 3월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/949,353호 참조.

양호한 실시예에서, 열전 요소는 하프-호이슬러 재료를 포함한다. 적절한 하프-호이슬러 재료 및 하프-호이슬러 열전 요소를 제조하는 방법은 2011년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/330,216호 및 2012년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/719,96호에 설명되어 있으며, 이들 양 출원의 전체 내용은 모든 목적을 위해 참조로 본 명세서에 통합되어 있다. 열전 재료의 유익한 특징은 열전 재료의 입자 크기가 감소함에 따라 증가된다는 것이 발견되었다. 열전 재료를 제조하는 방법의 일 예에서, 나노미터 스케일(1 미크론 미만) 입자를 갖는 열전 재료가 생성되며, 즉, 입자의 95%, 예를 들어, 100%가 1 미크론 미만의 입자 크기를 갖는다. 바람직하게, 나노미터 스케일 평균 입자 크기는 10-300 nm의 범위이다. 이 방법은 임의의 열전 재료를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 나노미터 규모 입자를 갖는 하프-호이슬러 재료를 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은 p-형 및 n-형 하프-호이슬러 재료 양자 모두를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 하프-호이슬러 재료는 n-형이며, 조성식 Hf₁ _-δ-x- _yZr_xTi_yNiSn₁ _+?- _zSb_z를 가지며, 여기서, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤z≤1.0이고, -0.1≤δ≤0.1이며(미소하게 비화학양론적인 재료를 허용하도록), 예를 들어, δ=0일 때(즉, 화학양론적 재료에 대해) Hf₁ _-x-yZr_xTi_yNiSn_1-zSb_z이고, 여기서, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤z≤1.0이다. 다른 예에서, 하프-호이슬러는 p-형 재료이고, 조성식 Hf₁ _-δ-x- _yZr_xTi_yCoSb₁ _+δ- _zSn_z를 가지고, 여기서, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤z≤1.0이고, -0.1≤δ≤0.1이며(미소하게 비화학양론적인 재료를 허용하도록), 예를 들어, δ=0일 때(즉, 화학양론적 재료에 대해) Hf_1-x-yZr_xTi_yCoSb_1-z Sn_z이고, 여기서, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤z≤1.0이다.

휜(106)은 도 1a에 도시된 바와 같은 대체로 원형 단면을 가질 수 있지만, 다른 단면(예를 들어, 다각형, 삼각형, 타원형, 불규칙 형상 등)이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 휜(106)은 ~ 1 mm의 직경을 가지며, 약 5 mm의 길이일 수 있다. 유체 유동의 방향으로 열 교환기(104)의 길이는 일 실시예에서 약 200 mm일 수 있다. 또한, 휜(106)은 후술된 바와 같이 플레이트형 휜일 수 있다.

일 실시예의 휜 형 열 교환기는 복수의 플레이트 휜, 핀 휜 또는 양자 모두를 포함할 수 있다. 휜의 팩킹 분율은 TEG 모듈(102)의 고온 측부에 실질적으로 균일한 온도를 제공하도록 도관(112)에 인접한 제1 팩킹 분율로부터 도관(112)의 출구에 인접한 더 높은 밀도의 제2 팩킹 분율까지 변할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 휜(106)의 밀도는 고온 유체 유동의 방향으로 증가할 수 있다. 고온 유체 유동의 방향을 따른 휜(106)의 간격은 제1 휜 간격(A)으로부터 제2 휜 간격(B)으로, 그리고, 제3 휜 간격(C) 등으로 증가할 수 있으며, 여기서, A>B>C...>x이다.

도 2는 선 A-A' 에따라 도 1a의 구배 열 교환기(104)를 예시한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 휜(106)(본 실시예에서 핀-형 휜)의 간격은 유체 유동에 횡단하는 방향 및 유체 유동의 방향 양자 모두를 따라 변할 수 있다. 일반적으로, 휜 팩킹 분율(즉, 휜 밀도)은 열 교환기의 유체 입구에 인접한 휜 팩킹 분율로부터 열 교환기의 유체 출구에 인접한 제2 팩킹 분율로 변할 수 있다. 팩킹 분율은 열 교환기가 점진적으로 증가하는 휜 팩킹 분율의 네 개의 섹션(202, 204, 206, 208)을 포함하는, 도 2에 도시된 것 같이 계단식 함수로 증가할 수 있다. 일부 실시예에서, 휜 팩킹 분율은 전체에 걸쳐 또는 열 교환기의 길이의 일부에 걸쳐 연속적으로 등급화될 수 있다.

팩킹 분율 또는 휜의 밀도는 TEG 모듈(102)의 "고온" 측부에서 실질적으로 균일하게 유지되도록 최적화될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "실질적으로 균일한 온도"는 고온 측부의 온도가 서로의 약 10℃ 이내(예를 들어, 서로의 0-10℃ 사이) 같이 서로의 약 20℃ 이내일 수 있다. 실시예에서, TEG 모듈(102)의 고온 측부를 가로지른 온도 강하는 열 교환기의 입구에 가장 근접한 모듈의 고온 측부의 온도의 25% 미만(예를 들어, 1-25%, 예를 들어, 3-20%)일 수 있다. 실시예에서, 온도 강하는 열 교환기에 가장 근접한 모듈의 고온 측부의 온도의 10% 미만(예를 들어, 5% 미만, 예를 들어, 3-5%)일 수 있다.

종래의(즉, 균일한 휜 밀도의) 열 교환기를 갖는 TEG 시스템과 구배 열 교환기 사이의 비교 컴퓨터 시뮬레이션이 이하의 표 1에 제공되어 있다.

	TEG-입구(℃)	TEG-출구(℃)	△T(℃)	열 유동(W)	압력 강하(Pa)
균일 휜	406	282	124	1226	302.2
구배 휜	342	330	12	1160	300

본 예에서, 구배 휜 열 교환기는 입구와 출구 사이의 TEG 시스템 온도 강하를 124℃로부터 12℃로(예를 들어, 20℃ 이하 온도 강하) 감소시키지만, 유사한 열 전달 성능 및 압력 강하를 유지한다. 온도 균일성은 시스템 비용의 현저한 감소와 TEG 시스템 성능의 잠재적 이득을 제공한다.

도 4는 복수의 플레이트 휜(401)을 갖는 구배 휜 열 교환기(400)의 일 실시예를 예시한다. 본 실시예에서, 플레이트 휜(401)의 휜 팩킹 분율(즉, 휜 밀도)(예를 들어, 플레이트 휜(401)의 크기 및/또는 플레이트 휜들(401) 사이의 간격)은 도 1a 및 도 2에 도시된 바와 같이 유체 유동의 방향을 따라(화살표(403)으로 표시됨) 및/또는 도 4에 도시된 바와 같이 유체 유동에 횡단하는 방향을 따라 변할 수 있다. 도 4의 실시예에서, 열 교환기(400)의 유체 입구에 인접한 플레이트 휜(401A)의 제1 그룹은 유체 유동에 실질적으로 수직인 방향으로 플레이트 휜(401A) 사이에 제1 간격을 가지며, 유체 유동(403)의 방향을 따라 제1 그룹의 하류에 위치된 플레이트 휜(401B)은 유체 유동에 실질적으로 수직인 방향으로 플레이트 휜(401B) 사이에 제2 간격을 갖는다. 제2 그룹의 플레이트 휜(401B)은 유체 유동에 실질적으로 수직인 방향으로 더욱 근접하게 이격배치된다(즉, 더 높은 팩킹 분율을 갖는다). 변하는 간격을 갖는 플레이트 휜의 추가적 그룹이 휜(401A)의 상류 및/또는 휜(401B)의 하류에 제공될 수 있다. 따라서, 휜(401B)이 유체 입구로부터 더 먼 열에서 서로 이격되는 것 보다 유체 입구에 더 근접한 열의 휜(401A)은 서로 더 멀리 이격 배치된다. 달리 말하면, 입구로부터 출구로의 방향에(즉, 유체 유동 방향에) 실질적으로 수직인 방향으로 휜(401A)의 팩킹 분율은 제1 위치에서, 제1 위치보다 입구로부터 더 먼 제2 위치에서의 휜(401B)의 팩킹 분율보다 더 낮다.

각 휜 그룹은 휜과 유체 유동 사이의 접촉을 촉진하도록 도 4에 도시된 바와 같이 유체 유동에 실질적으로 평행한 방향으로 인접한 그룹(들)의 핀에 대해 오프셋배치될 수 있다. 대안적으로, 휜은 인접한 그룹(들)의 휜들과 정렬될 수 있다. 각 휜 그룹을 위한 팩킹 분율은 열 교환기의 길이의 전체 또는 일부에 걸쳐 연속적 또는 단계식 형태로 증가할 수 있다. 열 교환기(400)는 하나 이상의 열전 생성기(TEG) 모듈이 장착될 수 있는 장착 표면(405)을 포함할 수 있다. 표면(405)은 휜(401A, 401B)과 열적으로 접촉한다. 휜(401, 401B)은 TEG 요소의 "고온" 측부에 걸쳐 실질적으로 균일한 온도를 제공하도록 장착 표면(405)을 가로질러 실질적으로 균일한 온도를 제공하도록 구성될 수 있다.

도 5는 모듈 커버(501)에 직접적으로 결합되는 열 교환기(503)를 갖는 열전 생성기 모듈(500)의 추가 실시예를 예시한다. 모듈(500)은 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 변환의 전기적으로 상호연결된 패키지(예를 들어, p-형 및 n-형 열전 다리부의 쌍)를 포함할 수 있다. 커버(501)(또는 케이싱)는 모듈(500)의 고온 측부에 걸쳐 위치되어 외부 열원으로부터 각 열전 다리부의 고온 측부로 열 에너지를 전도하는 열 전도성 재료로 이루어질 수 있다. 실시예에서, 커버(501)는 전기 전도성 재료(예를 들어, 금속 또는 금속 합금)로 이루어질 수 있다. 커버(501)가 전기 전도성일 때, 세라믹 재료 같은 전기 절연 열 전도성 재료로 형성된 전기 절연체(미도시)는 열전 변환기의 인접한 고온 단부와 커버(501) 사이에 제공될 수 있다. 예로서, 세라믹 코팅은 커버(501)의 내부 표면의 전체 또는 일부 위에 및/또는 도 3에 도시된 금속 헤더(107)의 외부 표면 위에 제공될 수 있다.

열 교환기(503)는 모듈 커버(501)에 직접적으로 부착되는 복수의 휜(505)을 포함한다. 본 실시예의 열 교환기 휜(505)은 플레이트형 휜을 포함하지만, 핀형 휜 및 플레이트와 핀형 휜의 조합도 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예의 플레이트 휜(505)은 균등 이격 배치되고 대체로 유체 유동의 방향에 평행하게 배향되지만, 다른 구성이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예로서, 휜 팩킹 분율이 유체 유동의 방향을 따라 및/또는 상술한 바와 같이 유체 유동에 횡단하는 방향으로 변하는 구배 휜 열 교환기가 사용될 수 있다.

휜(505)은 금속 또는 금속 합금 같은 열 전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 이들이 부착되는 커버(501)의 부분과 동일하거나 다른 재료로 이루어질 수 있다. 휜(505)은 커버(501)에 열적으로 정합될 수 있다(예를 들어, 커버 재료의 0-1%를 포함하는 0-5% 같은 약 10% 이내의 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 재료로 이루어질 수 있다). 실시예에서, 모듈 커버(501)에 대한 휜(505)의 직접적 부착은 열전 생성기 모듈(500)과 열 교환기 사이의 열 계면 문제를 제거할 수 있으며, 모듈(500)의 성능을 현저히 개선시킬 수 있다. 휜(505)은 브레이징, 납땜, 용접, 고상 확산, 고온 접착제의 사용 및/또는 기계적 체결구를 통한 것 같은 임의의 적절한 기술을 사용하여 커버(501)에 부착될 수 있다.

실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이 모듈 커버(501)에 직접적으로 부착되는 열 교환기(503)를 갖는 복수의 모듈(500)이 유체 유동의 경로를 따라(예를 들어, 도 1a 및 도 3에 도시된 것 같이 도관의 내부를 따라) 배치될 수 있으며, 각각의 모듈(500) 각각의 휜(505)의 휜 팩킹 분율(즉, 휜 밀도)(예를 들어, 휜(505)의 크기 및/또는 휜(505)의 간격)은 유체 유동에 횡단하는 방향 및/또는 유체 유동의 방향을 따라 변할 수 있다. 따라서, 각 모듈(500)의 고온 측부에서 비교적 균일한 온도가 얻어질 수 있다.

개시된 양태의 상술한 설명은 본 기술 분야의 임의의 숙련자가 본 발명을 구성 또는 사용할 수 있게 하기 위해 제공되어 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 이들 양태에 대한 다양한 변형을 쉽게 명백히 알 수 있을 것이며, 본 명세서에 규정된 일반적 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다른 양태에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 양태에 한정되는 것을 의도하지 않으며, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징에 부합되는 가장 넓은 범주에 준한다.

Claims

동력 생성 시스템에 있어서,
열 교환기로서, 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에서 열 교환기의 길이를 따라 연장하는 도관과, 도관 내에 제공되는 복수의 열 전도성 휜들을 포함하고, 상기 휜들의 팩킹 분율은 상기 입구에 인접한 제1 팩킹 분율로부터 상기 출구에 인접한 제2 팩킹 분율로 증가하는, 열 교환기와,
상기 열 교환기의 길이를 따라 위치된 복수의 열전 동력 생성기들로서, 각 열전 동력 생성기들은 고온 측부, 저온 측부 및 그 사이에서 연장하는 열전 요소를 포함하고, 상기 열전 동력 생성기들의 상기 고온 측부들은 각 고온 측부의 온도가 상기 열 교환기의 상기 길이를 따라 실질적으로 동일하도록 상기 복수의 휜들과 열적으로 접촉하는, 복수의 열전 동력 생성기들을 포함하는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 고온 측부들의 상기 온도들은 각각 서로의 약 20℃ 이하 이내인, 동력 생성 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 고온 측부들의 상기 온도들은 각각 서로의 약 10℃ 이하 이내인, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 입구와 상기 출구 사이에서 상기 열 교환기의 길이에 걸쳐 단계식으로 증가하는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 입구와 상기 출구 사이에서 상기 열 교환기의 길이의 일부 또는 전부에 걸쳐 연속적으로 등급화되는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 휜들 사이의 간격 및 상기 휜들의 크기 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 증가되는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 휜들은 핀 휜들을 포함하는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 휜들은 플레이트 휜들을 포함하는, 동력 생성시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 열전 동력 생성기들은 적어도 하나의 열전 동력 생성기 모듈을 포함하고, 상기 열전 동력 생성기 모듈은 전기적으로 상호연결된 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부들을 포함하고, 상기 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부들은 상기 모듈의 고온 측부와 저온 측부 사이에서 연장하며, 복수의 열 전도성 휜들이 상기 모듈의 보호 커버의 표면에 결합되는, 동력 생성 시스템.
제 9 항에 있어서, 입구로부터 출구로의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 제1 위치에서 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 제1 위치보다 상기 입구로부터 더 먼 제2 위치에서의 상기 휜들의 상기 팩킹 분율보다 더 낮은, 동력 생성 시스템.
제 9 항에 있어서, 각 모듈의 상기 보호 커버의 표면에 결합된 열 전도성 휜들을 갖는 복수의 모듈들을 더 포함하고, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 열 교환기의 적어도 하나의 치수를 따라 인접한 모듈들 사이에서 증가하는, 동력 생성 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 고온 측부들의 온도 강하는 상기 입구에 인접한 상기 고온 측부의 상기 온도의 1-25%인, 동력 생성 시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 고온 측부들의 상기 온도 강하는 상기 입구에 인접한 상기 고온 측부의 상기 온도의 3-20%인, 동력 생성 시스템.
동력을 생성하는 방법에 있어서,
열 에너지의 소스를 사용하여 유체를 가열하는 단계와,
상기 유체 유동과 열적으로 접촉하는 복수의 열 전도성 휜들을 포함하는 열 교환기를 통해 가열된 유체를 유동시키는 단계로서, 상기 휜들의 팩킹 분율은 상기 열 교환기를 통한 유체 유동의 주 방향으로 증가하는, 가열된 유체를 유동시키는 단계와,
상기 열 교환기의 길이를 따라 위치된 복수의 열전 동력 생성기들을 사용하여 전기 동력을 생성하는 단계를 포함하고,
각 열전 동력 생성기는 고온 측부, 저온 측부 및 그 사이에서 연장하는 열전 요소를 포함하고, 상기 열전 동력 생성기들의 상기 고온 측부들은 각 고온 측부의 상기 온도가 상기 열 교환기의 길이를 따라 실질적으로 같도록 상기 복수의 휜들과 열적으로 접촉하는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 열전 동력 생성기들의 상기 고온 측부들의 상기 온도들은 각각 서로의 약 20℃ 이하 이내인, 동력 생성 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 열전 생성기들의 상기 고온 측부들의 상기 온도들은 각각 서로의 약 10℃ 이하 이내인, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 열 교환기 내의 주 유체 유동 방향으로 계단식으로 증가하는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 열 교환기의 주 유체 유동 방향으로 연속적으로 등급화되는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 휜들 사이의 간격 및 상기 휜들의 크기 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 증가되는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 휜들은 핀 휜들을 포함하는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 휜들은 플레이트 휜들을 포함하는, 동력 생성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 복수의 열전 동력 생성기들은 적어도 하나의 열전 동력 생성기 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 열전 동력 생성기 모듈은 전기적으로 상호연결된 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부들을 포함하고, 상기 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부들 각각은 모듈의 고온 측부와 저온 측부 사이에서 연장하며, 복수의 열 전도성 휜들은 상기 모듈의 보호 커버의 표면에 결합되는, 동력 생성 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 유체 유동의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 제1 위치에서 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 제1 위치보다 상기 유체 유동의 입구로부터 더 먼 제2 위치에서의 상기 휜들의 상기 팩킹 분율보다 더 낮은, 동력 생성 방법.
제 22 항에 있어서, 각 모듈의 상기 보호 커버의 표면에 결합된 열 전도성 휜들을 갖는 복수의 모듈들을 더 포함하고, 상기 휜들의 상기 팩킹 분율은 상기 열 교환기의 적어도 하나의 치수를 따라 인접한 모듈들 사이에서 증가하는, 동력 생성 방법.
열전 모듈에 있어서,
전기적으로 상호연결된 복수의 p-형 및 n-형 열전 재료 다리부들로서, 각각 모듈의 제1 측부와 제2 측부 사이에서 연장하는, 다리부들과,
상기 모듈의 제1 측부 상에서 상기 열전 재료 다리부들 위에 위치되고, 외부 열원으로부터 상기 열전 재료 다리부들로 열 에너지를 전도하도록 구성되는 커버와,
상기 모듈 커버의 외부 표면에 직접적으로 부착된 복수의 열 전도성 휜들을 포함하는, 열전 모듈.
제 25 항에 있어서, 상기 휜들은 플레이트 휜들을 포함하는, 열전 모듈.
제 26 항에 있어서, 상기 휜들 및 적어도 상기 모듈 커버의 상기 외부 표면은 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 열전 모듈.
제 27 항에 있어서, 상기 휜들은 브레이징, 용접, 납땜 및 고상 확산 중 적어도 하나를 통해 상기 모듈 커버의 상기 외부 표면에 부착되는, 열전 모듈.
고온 측부와 저온 측부를 갖는 복수의 열전 재료 다리부들을 포함하는 열전 모듈을 사용하여 전기 에너지를 생성하는 방법에 있어서,
상기 다리부들의 상기 고온 측부와 상기 저온 측부 사이에 온도 편차를 제공하도록 상기 다리부의 상기 고온 측부들 위에 위치된 모듈 덮개의 외부 표면에 직접적으로 부착된 복수의 열 전도성 휜들을 통해 상기 열전 재료 다리부들 각각의 상기 고온 측부로 열원으로부터 열을 전도하는 단계와,
상기 온도 편차를 사용하여 상기 복수의 열전 재료 다리부들로부터 전기를 생성하는 단계를 포함하는, 전기 에너지 생성 방법.