KR20180128726A - 열전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동적 냉각 또는 가열이 가능한 열전 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 열전 모듈은, n형 열전 재료를 포함하는 다수의 n형 레그와 p형 열전 재료를 포함하는 다수의 p형 레그를 구비하고, 상기 n형 레그와 상기 p형 레그는 수평 방향으로 서로 이격되게 배치된 열전 레그; 판상의 금속 재질로 구성되며, 일단이 상기 n형 레그의 상단 또는 하단에 접합되고, 타단이 상기 p형 레그의 상단 또는 하단에 접합된 다수의 전극; 및 상기 다수의 전극 중 적어도 둘 이상의 전극의 상면 또는 하면에 부착되며, 내부에 유체가 흐를 수 있도록 유로가 형성된 순환 기판을 포함한다.

Description

열전 모듈{Thermoelectric module}
본 발명은 열전 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 능동적 냉각 또는 가열이 가능한 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속 가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
도 1은, 종래 기술에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래 열전 모듈은, p형 레그와 n형 레그로 구성된 열전 레그(10), p형 레그와 n형 레그 사이를 연결하는 전극(20), 및 판상으로 구성되며 상부와 하부에 배치되어 전극과 같은 내부의 구성요소를 외부와 전기적으로 차단시키는 기판(30)을 구비할 수 있다.
그리고, 열전 모듈은, 이러한 기판(30)의 외부에 열원(도면에서 'Hot'으로 표시) 혹은 냉원(도면에서 'Cold'로 표시)이 배치될 수 있으며, 이러한 열원 혹은 냉원에 의해 형성된 상부와 하부의 온도차를 통해 전기를 생성할 수 있다.
하지만, 종래 열전 모듈의 경우, 기판(30)의 열계면 저항으로 인해 열 손실이 발생하는 문제가 있다. 예를 들어, 열전 모듈의 기판(30)에는 냉원이나 열원이 부착될 수 있는데, 이 경우, 기판(30)과 냉원 또는 열원 사이의 계면에 열저항이 존재할 수 있으며, 이로 인해, 열전 모듈에서 열적 손실이 발생할 수밖에 없다.
물론, 열전 모듈에서 기판(30)을 제거하여 열손실을 감소시키는 방안도 고려될 수 있으나, 이 경우, 열전 모듈의 기계적 내구성이 저하되어 장기간 사용이 어렵다는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기판과 열원 혹은 냉원 사이의 열계면 저항으로 인한 열적 손실을 제거하거나 감소시킬 수 있는 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 모듈은, n형 열전 재료를 포함하는 다수의 n형 레그와 p형 열전 재료를 포함하는 다수의 p형 레그를 구비하고, 상기 n형 레그와 상기 p형 레그는 수평 방향으로 서로 이격되게 배치된 열전 레그; 판상의 금속 재질로 구성되며, 일단이 상기 n형 레그의 상단 또는 하단에 접합되고, 타단이 상기 p형 레그의 상단 또는 하단에 접합된 다수의 전극; 및 상기 다수의 전극 중 적어도 둘 이상의 전극의 상면 또는 하면에 부착되며, 내부에 유체가 흐를 수 있도록 유로가 형성된 순환 기판을 포함한다.
여기서, 상기 순환 기판은, 상기 유로로 유체를 유입시키는 유입구 및 상기 유로로부터 유체를 유출시키는 유출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 순환 기판은, 적어도 일부분이 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 순환 기판은, 상기 열전 레그의 상부에 위치하는 제1 기판 및 상기 열전 레그의 하부에 위치하는 제2 기판을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판의 유로와 상기 제2 기판의 유로로, 온도가 서로 다른 유체가 공급될 수 있다.
또한, 상기 열전 레그는, 상하 방향으로 둘 이상 적층되고, 상기 순환 기판은, 상하 방향으로 적층된 열전 레그 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 순환 기판은, 3개 이상의 면을 구비하는 다면체 형태로 구성되고, 상기 열전 레그는, 다수의 단위 그룹으로 구분되어, 서로 다른 그룹의 열전 레그가 상기 순환 기판의 서로 다른 면에 위치할 수 있다.
또한, 상기 순환 기판은, 2개의 기판이 상호 접합된 형태로 형성되고, 상호 접합된 2개의 기판 사이에 상기 유로가 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 상호 접합된 2개의 기판은, 서로 다른 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전극과 상기 순환 기판 사이에는, 열전달물질이 개재될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판과 열원 또는 냉원 사이의 열적 손실이 감소되어 열전 변환 성능이 향상된 열전 모듈이 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열전 모듈이 적용된 열전 발전 장치의 경우, 온도차에 따른 발전 효율이 증대될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열원 또는 냉원에 대하여 기판의 외측 표면에서 열계면 저항이 형성되지 않으므로, 열손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 열전 모듈의 기계적 내구성을 보존하면서도, 기판의 모양을 다양하게 변화시킬 수 있어, 다양한 형태와 집적도를 갖는 열전 모듈이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 별도의 열원이나 냉원이 존재하지 않는 곳에도, 가열된 유체 또는 냉각된 유체를 능동적으로 공급함으로써, 열전 발전을 수행할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래 기술에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 기판의 구성을 상부에서 바라본 상단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 기판의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이다.
도 9는, 도 8의 순환 기판에 대한 분리 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 기판의 유로 구성을 상면에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환 기판의 유로 구성을 상면에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 레그(100), 전극(200) 및 순환 기판(300)을 포함할 수 있다. 다만, 도 2에서는, 설명의 편의를 위해, 순환 기판(300)의 일부 구성이 절취된 형태로 도시되어 있다.
상기 열전 레그(100)는, 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 열전 레그(100)의 재료로 이용될 수 있다.
이러한 열전 레그(100)는, n형 레그(101)와 p형 레그(102)를 구비할 수 있다. 상기 n형 레그는 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키고, 상기 p형 레그는 홀이 이동하여 열에너지를 이동시킬 수 있다.
여기서, n형 레그는 n형 열전 재료를 포함하는 형태로 구성되고, p형 레그는 p형 열전 재료를 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, n형 레그(101)는, 상기와 같은 열전 재료에 n형 도펀트를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, p형 레그(102)는, 상기와 같은 열전 재료에 p형 도펀트를 사용하여 구성될 수 있다.
예를 들어, CoSb3를 기본 구성으로 하는 스쿠테루다이트계 열전 재료에 대하여, n형 도펀트로는 Ni, Pd, Pt, Te, Se 등이 사용될 수 있다. 또한, p형 도펀트로는 Fe, Mn, Cr, Sn 등이 사용될 수 있다. 여기서, n형 도펀트는 CoSb3의 Sb 자리에 치환되어 과잉 전자를 만들고, p형 도펀트는 CoSb3의 Sb 자리에 치환되어 홀을 만들 수 있다.
본 발명에 따른 열전 레그(100)는, p형 레그(102)와 n형 레그(101) 한 쌍이 기본 단위가 될 수 있다.
상기 열전 레그(100)는, 열전 재료가 벌크 형태로 소결된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 레그(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 막대 형태, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 열전 레그(100)의 특정 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 p형 레그 및 상기 n형 레그는, 각 원료의 혼합 단계, 열처리를 통한 합성 단계 및 소결 단계를 거치는 방식으로 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 레그(100)의 특정 제조 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 열전 모듈에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 열전 레그(100), 즉 다수의 p형 레그(102) 및 다수의 n형 레그(101)가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 p형 레그(102)와 다수의 n형 레그(101)는, 서로 다른 종류의 열전 소자가 교호적으로 배치되어 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 특히, 이러한 p형 레그와 n형 레그는, 하나의 평면(도면의 x-y 평면) 상에서 수평 방향으로 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다.
그리고, 이러한 p형 레그(102) 및 n형 레그(101)는, 전극(200)을 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 각 열전 레그(100)의 상단 및 하단에는 전극(200)이 접합되며, 대부분의 열전 레그(100)는, 인접하는 다른 종류의 열전 레그(100)와 전극(200)을 통해 상단 및 하단이 서로 연결될 수 있다.
상기 전극(200)은, 전기 전도성 재질, 특히 금속 재질로 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 전극(200)은, Cu, Al, Ni, Au, Ti 등 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전극(200)은 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은, 구리판 형태로 구성될 수 있다.
상기 전극(200)은, p형 레그(102)와 n형 레그(101) 사이에 구비되어, 이들 사이를 상호 연결할 수 있다. 즉, 상기 전극(200)은, 일단이 n형 레그(101)의 상단 또는 하단에 접합 연결되고, 타단이 p형 레그(102)의 상단 또는 하단에 접합 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은, 일단이 n형 레그의 상단에 접합 연결되고, 타단이 p형 레그의 상단에 접합 연결될 수 있다. 또한, 상기 전극(200)은, 일단이 n형 레그의 하단에 접합 연결되고, 타단이 p형 레그의 하단에 접합 연결될 수 있다. 즉, 상기 전극(200)은 양단에 열전 레그(100)가 접합될 수 있다. 이처럼, 전극(200)의 양단에는 열전 레그(100)가 접합될 수 있기 때문에, 상기 전극(200)은, 양단에 열전 레그(100)가 용이하게 접합될 수 있도록, 일방향이 상대적으로 긴 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 전극(200)은 다수 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그(100)에 대하여, 상단과 하단에 각각 서로 다른 전극(200)이 접합될 수 있다. 더욱이, 열전 모듈에는 다수의 열전 레그(100)가 포함될 수 있으며, 이 경우, 각 열전 레그(100)의 상단과 하단에는 각각 전극(200)이 구비될 수 있다. 그러므로, 하나의 열전 모듈에는, 많은 수의 전극(200)이 포함될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 열전 모듈에는 전극 어레이가 포함되어 있다고 할 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 열전 레그 및/또는 전극이 채용될 수 있다.
상기 순환 기판(300)은, 다수의 전극(200) 중 적어도 둘 이상의 전극(200)의 상면 또는 하면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 상기 순환 기판(300)은, 열전 레그(100)의 상부에 접합된 모든 전극(200)의 상면에 부착될 수 있다. 또한, 상기 순환 기판(300)은, 열전 레그(100)의 하부에 접합된 모든 전극(200)의 하면에 부착될 수 있다.
특히, 상기 순환 기판(300)은, 내부에 빈 공간으로 형성된 유로(P)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 유로(P)로 인해, 상기 순환 기판(300)은 내부에 유체가 흐르도록 할 수 있다. 여기서, 유체란, 공기와 같은 기체나 물과 같은 액체를 포함할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 기판(300)의 구성을 상부에서 바라본 상단면도이다.
도 3을 참조하면, 순환 기판(300)에는, 내부 공간을 전체적으로 통과하는 유로(P)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 순환 기판(300)의 좌측에서 우측까지, 그리고 순환 기판(300)의 전단부에서 후단부까지 유로(P)가 형성될 수 있다. 그리고, 유체는, 이러한 유로(P)의 형성 형태 및 방향을 따라 순환 기판(300)의 내부 공간을 흐를 수 있다. 즉, 도 3에서 화살표로 표시된 바와 같이, 유체는, 순환 기판(300)의 유로(P)를 따라, 순환 기판(300)의 좌측에서 우측까지, 그리고 순환 기판(300)의 전단에서 후단까지 흐를 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 좌우 방향은 도면의 x축 방향, 전후 방향은 도면의 y축 방향, 상하 방향은 도면의 z축 방향을 기준으로 한다. 예를 들어, 도 2에서 개구부(O1, O2)가 형성된 방향을 열전 모듈의 전단부라 하고, 그와 반대되는 부분을 열전 모듈의 후단부라 한다. 또한, 이러한 열전 모듈의 전단부를 바라볼 때를 기준으로, 좌측에 위치하는 부분을 열전 모듈의 좌측부, 우측에 위치하는 부분을 열전 모듈의 우측부라 한다.
한편, 상기 순환 기판(300)의 유로(P)로 흐르는 유체는, 냉매 또는 열매일 수 있다.
예를 들어, 상기 순환 기판(300)의 유로(P)로, 냉각수나 냉풍과 같은 차가운 유체가 열을 끌어가는 매체, 즉 냉매로서 흐를 수 있다. 이때, 냉매의 온도는 다양하게 설정될 수 있다. 이를테면, 냉매는 상온보다 낮은 온도, 예를 들어, 5℃ 내지 15℃의 온도를 가질 수 있다. 냉매는, 순환 기판(300)의 유로(P)를 따라 흐르면서, 순환 기판(300)으로부터 열을 흡수할 수 있다.
또한, 상기 순환 기판(300)의 유로(P)로, 온수나 열풍과 같은 뜨거운 유체가 열을 공급하는 매체, 즉 열매로서 흐를 수 있다. 그리고, 이때, 열매의 온도 역시 다양하게 설정될 수 있다. 이를테면, 열매는 상온보다 높은 온도, 예를 들어, 50℃ 내지 60℃의 온도를 가질 수 있다. 열매는, 순환 기판(300)의 유로(P)를 따라 흐르면서, 순환 기판(300)으로 열을 공급할 수 있다.
이처럼, 순환 기판(300)의 유로(P)로 유체, 즉 냉매(냉각용 유체) 또는 열매(가열용 유체)가 공급되는 경우, 순환 기판(300)은 온도가 낮아지거나 높아질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 상부에 위치한 순환 기판(300)으로 열매가 공급되는 경우, 열매는 상부 기판을 가열시켜, 상부 기판의 온도가 하부 기판의 온도보다 높아질 수 있다. 또는, 도 2에서 하부에 위치한 순환 기판(300)으로 냉매가 공급되는 경우, 냉매는 하부 기판을 냉각시켜, 하부 기판의 온도가 상부 기판의 온도보다 낮아질 수 있다. 따라서, 이와 같은 경우, 상부 기판과 하부 기판 사이에는 온도차가 형성되고, 이러한 온도차로 인해 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치한 열전 레그(100)로부터 전력이 생성되어, 열전 레그(100) 및 전극(200)을 경유하는 전류가 흐를 수 있다.
본원발명의 이러한 구성에 의하면, 기전력을 발생시키는 근원이 되는 열원 또는 냉원이, 기판의 외부가 아닌 기판의 내부에 존재할 수 있다. 따라서, 본원발명의 이러한 측면에 따른 열전 모듈의 경우, 기판의 외면, 즉 기판과 열원 또는 기판과 냉원 사이의 계면에서 열저항이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 본원발명의 이러한 측면에 의하면, 기판과 열원 또는 냉원 사이에서 열손실이 발생하는 것을 제거 또는 감소시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의하면, 기판의 내부 유로(P)를 따라 흐르는 유체로부터 열 또는 냉기가 대부분 기판으로 전달될 수 있다. 따라서, 냉매나 열매에 의한 온도차에 의해 열전 변환 시, 변환 효율이 높게 형성될 수 있다.
본원발명에 따른 열전 모듈은, 순환 기판(300)의 유로(P)로 열매 또는 냉매를 공급하기 위한 열매 공급부 또는 냉매 공급부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열매 공급부는, 온수 등을 순환 기판(300)의 유로(P)로 공급할 수 있다. 또한, 상기 냉매 공급부는, 냉각수 등을 순환 기판(300)의 유로(P)로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 순환 기판(300)은, 유입구 및 유출구가 형성될 수 있다. 여기서, 유입구는, 순환 기판(300)의 외부에서 순환 기판(300)의 유로(P)로 유체를 유입시키는 개구부라 할 수 있다. 그리고, 유출구는, 순환 기판(300)의 유로(P)로부터 순환 기판(300)의 외부로 유체를 유출시키는 개구부라 할 수 있다.
예를 들어, 도 2 및 도 3에서 O1으로 도시된 바와 같이, 각 순환 기판(300)의 전단부 좌측에는, 유로(P)의 일단을 개방시키는 개구부가 형성될 수 있다. 그리고, 도 2 및 도 3에서 O2로 표시된 바와 같이, 각 순환 기판(300)의 전단부 우측에는, 유로(P)의 타단을 개방시키는 개구부가 형성될 수 있다.
한편, 유입구(O1)와 유출구(O2)는, 도면에 도시된 바와 같이, 순환 기판(300)에서 동일한 측면(방향)에 위치할 수 있다. 즉, 유입구(O1)와 유출구(O2)는, 열전 모듈의 전단 측에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 유입구(O1)와 유출구(O2)는 서로 다른 방향에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 유입구(O1)는, 순환 기판(300)의 전단부에 위치하고, 유출구(O2)는 순환 기판(300)의 후단부에 위치할 수 있다.
열전 모듈에 열매 공급부나 냉매 공급부가 포함된 경우, 열매 공급부 또는 냉매 공급부는, 이러한 순환 기판(300)의 유입구(O1)로 열매 또는 냉매를 공급할 수 있다. 또한, 열매 공급부 또는 냉매 공급부는, 순환 기판(300)의 유출구(O2)로부터 열매 또는 냉매를 회수하고, 이러한 열매 또는 냉매를 다시 가열 또는 냉각시킬 수 있다.
상기 순환 기판(300)은 내부의 유로(P)를 통해 흐르는 유체에 의해 가열 또는 냉각됨으로써 열전 레그(100)의 상단과 하단 사이의 온도차를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 순환 기판(300)은, 유체와 열전 레그(100) 사이의 열을 잘 전달하는 재질을 포함하는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 순환 기판(300)은, 적어도 일부분이 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 순환 기판(300)은, 구리나 알루미늄, 철과 같은 재질로 구성될 수 있다. 이러한 금속의 경우, 열전도도가 높아 내부의 유체로부터 열을 잘 흡수하거나 내부의 유체로 열을 잘 전달할 수 있다. 또한, 이러한 금속의 경우, 강성이 우수하므로, 열전 모듈의 기계적 안정성 확보에 용이하고, 특히 열전 모듈의 외측에 구비되는 경우, 외부의 충격과 같은 물리적 요인이나 물과 같은 화학적 요인으로부터 내부 구성요소를 안전하게 보호할 수 있다.
이처럼, 순환 기판(300)의 적어도 일부분이 금속 재질로 구성된 실시예의 경우, 순환 기판(300)과 전극(200) 사이에는, 전기적 절연층이 개재될 수 있다. 예를 들어, 열전 레그(100)의 상단에 상부 전극(200)이 접합되고, 이러한 상부 전극(200)의 상부에 순환 기판(300)이 배치되는 경우, 순환 기판(300)의 하면과 상부 전극(200)의 상면 사이에는, 전기 절연 물질로 구성된 전기적 절연층이 개재될 수 있다. 여기서, 전기적 절연층에 이용되는 전기 절연 물질에는, 본원 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 절연 물질이 채용될 수 있다.
본원발명의 이러한 구성에 의하면, 전극(200)과 순환 기판(300) 사이가 전기적으로 도통되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 전기적 절연층은, 순환 기판(300)의 상면 또는 하면 전체에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(200)의 상부에 순환 기판(300)이 배치되는 경우, 순환 기판(300)의 하부 표면 전체가 전기 절연 물질으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 순환 기판(300)에 대한 전기적 절연층의 코팅이 보다 용이하게 이루어질 수 있고, 전극(200)과 순환 기판(300) 사이의 전기적 절연성을 보다 확실하게 담보할 수 있다. 더욱이, 순환 기판(300)은, 전체적으로, 이를테면 상부 표면과 하부 표면 모두 전기적 절연층을 갖도록 코팅될 수 있다.
상기 순환 기판(300)은, 금속 재질 이외에 다른 다양한 재질로 구성될 수도 있다.
특히, 상기 순환 기판(300)은, 열전도성이 높은 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 순환 기판(300)은, 20℃에서 열전도도가 10 W/mK 이상인 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 세라믹 재질은, 전기적 절연성을 가질 수 있다. 따라서, 이 경우, 순환 기판(300)의 표면, 특히 순환 기판(300)과 전극(200) 사이에는 전기적 절연층이 코팅되지 않고, 순환 기판(300)과 전극(200)은 직접 접촉될 수 있다. 그러므로, 본원발명의 이러한 실시예에 의하면, 순환 기판(300)의 제조가 보다 용이하고 간단하게 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 순환 기판(300)은, 단위 기판으로서 제1 기판 및 제2 기판을 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바를 참조하면, 전극(200)으로 상단 및 하단이 서로 연결된 다수의 열전 레그(100)가 상하 방향으로 중앙 부분에 배치되고, 이러한 열전 레그(100)의 상부에 제1 기판이 위치하고, 이러한 열전 레그(100)의 하부에 제2 기판이 위치할 수 있다. 이 경우, 순환 기판(300)은 열전 모듈의 상하 방향 외측, 즉 상부 측과 하부 측에 각각 위치한다고 할 수 있다.
여기서, 상기 제1 기판의 유로(P)와 상기 제2 기판의 유로(P)로, 온도가 서로 다른 유체가 각각 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판의 유로(P)에는 70℃ 이상의 온도를 갖는 온수가 공급되고, 상기 제2 기판의 유로(P)에는 20℃ 이하의 온도를 갖는 냉수가 공급될 수 있다.
본원발명의 이러한 구성에 의하면, 제1 기판과 제2 기판 사이에서 온도차가 보다 확실하게 발생함으로써, 열전 모듈의 열전 변환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 서로 다른 기판으로 공급되는 유체는, 상황에 따라 서로 동일한 상태를 가질 수도 있고, 서로 다른 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상부에 위치하는 제1 기판에는 기체 상태의 유체가 공급되고, 하부에 위치하는 제2 기판에는 액체 상태의 유체가 공급될 수 있다. 또는, 제1 기판과 제2 기판 모두 기체 상태의 유체가 공급될 수 있다.
한편, 상기 도 2의 실시예에서는, 순환 기판(300)이 열전 모듈의 상부와 하부 측에 배치되는 형태로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 순환 기판(300)은 다양한 형태로 배치될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 이하에서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하도록 하고, 앞선 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이러한 설명 방식은, 이하의 다른 여러 실시예의 경우에도 유사하게 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 내부에 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)은, 열전 모듈의 일측에만 배치될 수 있다. 즉, 내부 공간으로 유체가 흐를 수 있도록 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)은, 전극(200)을 통해 상호 연결된 다수의 열전 레그(100)의 상부 및 하부 중 어느 하나에만 배치될 수 있다.
그리고, 열전 모듈에서, 순환 기판(300)이 배치되지 않은 측, 즉 순환 기판(300)이 배치된 측면의 반대되는 측면(상부 또는 하부)에는, 유로(P)가 형성되지 않은 기판(30)이 형성될 수 있다. 이때, 유로(P)가 형성되지 않은 기판에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 열전 모듈의 기판이 채용될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 열전 레그(100)를 중심으로, 하부에는 순환 기판(300)이 배치되고, 상부에는 통상의 일반 기판(30), 이를테면 알루미나와 같은 세라믹 재질로 구성된 기판이 배치될 수 있다.
이 경우, 순환 기판(300)의 유로(P)로 냉매 또는 열매를 공급함으로써, 순환 기판(300)과 일반 기판(30) 사이에 온도차를 형성할 수 있다. 본원발명의 이러한 구성에 의하면, 순환 기판(300)을 열전 레그(100)의 상부나 하부 중 어느 일측에만 구비함으로써, 열전 모듈의 부피를 줄일 수 있다.
특히, 열전 모듈이 사용되는 주변 환경의 온도가 통상의 상온과 어느 정도 차이를 보이는 경우, 열전 모듈의 어느 일측에만 순환 기판(300)을 배치하더라도, 열전 레그(100)의 상부와 하부 사이에 충분한 온도차를 형성할 수 있다. 예를 들어, 0℃에 가까운 추운 환경에서 열전 모듈이 사용되는 경우, 유로(P)가 형성되지 않은 일반 기판(30)을 외부로 위치시켜 일반 기판 측에 낮은 온도가 형성되도록 할 수 있고, 순환 기판(300)으로는 70℃ 이상의 온도를 갖는 유체를 공급함으로써, 열전 레그(100)의 양단에 높은 온도차가 형성되도록 할 수 있다.
한편, 상기 도 2 및 도 4의 실시예에서는, 열전 모듈의 상부나 하부 중 적어도 일측에 순환 기판(300)이 형성된 형태가 도시되어 있으나, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수도 있다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 다만, 도 5에서는, 도시의 편의를 위해, 열전 레그(100)와 기판 사이의 전극(200)은 도시되지 않도록 한다. 아울러, 본 실시예에서도, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 5를 참조하면, 열전 레그(100)는 상하 방향으로 둘 이상 적층될 수 있다. 즉, 열전 레그(100)는, 다수의 그룹, 다시 말해 L1으로 표시된 바와 같이 상대적으로 하부층에 위치한 제1층 그룹과 L2로 표시된 바와 같이 상대적으로 상부층에 위치한 제2층 그룹으로 구분될 수 있다.
그리고, 제2층 그룹(L2)과 제1층 그룹(L1)은 각각, 수평 방향, 이를테면 좌우 방향 및/또는 전후 방향으로 소정 거리 이격되게 배치된 다수의 열전 레그(100)를 구비할 수 있다. 이때, 제2층 그룹(L2)과 제1층 그룹(L1) 각각에 구비된 다수의 열전 레그(100)는, 상단과 하단이 전극(200)을 통해 다른 열전 레그(100)와 연결될 수 있다. 즉, 각 그룹에 속한 열전 레그(100)는, 전극(200)을 통해 서로 연결될 수 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 상기 순환 기판(300)은, 상하 방향으로 적층된 열전 레그(100) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 도 5의 실시예에서, 열전 레그(100)에는 제2층 그룹(L2)의 열전 레그(100)와 제1층 그룹(L1)의 열전 레그(100)가 포함될 수 있는데, 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)은 이러한 제2층 그룹(L2)의 열전 레그(100)와 제1층 그룹(L1)의 열전 레그(100) 사이에 개재될 수 있다.
이때, 상기 순환 기판(300)의 유로(P)에는 냉매 또는 열매가 흐를 수 있다. 예를 들어, 상기 순환 기판(300)의 유로(P)에 냉매가 흐르는 경우, 제2층 그룹(L2)에 속하는 열전 레그(100)의 하부 및 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100)의 상부의 온도가 낮아질 수 있다. 그리고, 이로 인해, 제2층 그룹(L2)에 속하는 열전 레그(100)와 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100) 모두 상단과 하단 사이 온도차가 발생할 수 있다. 그러므로, 제2층 그룹(L2)에 속하는 열전 레그(100)와 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100) 모두 온도차에 의한 기전력이 형성될 수 있다.
이와 같은 구성에서, 제2층 그룹(L2)에 속하는 열전 레그(100)의 상부 및 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100)의 하부에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유로(P)가 형성되지 않은 통상의 일반 기판(30)이 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하나의 순환 기판(300)에 많은 수의 열전 레그(100)가 장착되도록 할 수 있다. 즉, 하나의 순환 기판(300)으로, 많은 수의 열전 레그(100)에 대한 상단과 하단 사이 온도차를 발생시킬 수 있다. 그러므로, 이 경우, 열전 모듈의 부피를 크게 하지 않으면서도 많은 전력을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 순환 기판(300)이 열전 모듈의 외부 측에 위치하지 않고, 내부 측에 배치될 수 있다. 따라서 열전 모듈을 전체적으로 동일 내지 유사한 온도 환경에 놓이도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 도 5의 열전 모듈을 전체적으로 높은 온도 환경에 놓이도록 하고, 내부의 순환 기판(300)에는 낮은 온도의 냉매가 순환되도록 함으로써, 제2층 그룹(L2)과 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100) 모두에서 온도차로 인한 기전력이 생성되도록 할 수 있다.
한편, 상기 도 5의 실시예에서는, 열전 모듈의 상부와 하부에, 유로(P)가 형성되지 않은 통상의 일반 기판(30)이 장착된 것으로 도시되어 있으나, 열전 모듈의 상부 및/또는 하부에는, 내부에 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)이 장착될 수도 있다.
예를 들어, 제2층 그룹(L2)에 속하는 열전 레그(100)의 상부, 그리고 제1층 그룹(L1)에 속하는 열전 레그(100)의 하부에는, 상술한 순환 기판(300)이 배치될 수 있다. 이 경우, 제2층 그룹(L2)의 상부에 배치된 순환 기판(300)(상부 기판) 및 제1층 그룹(L1)의 하부에 배치된 순환 기판(300)(하부 기판)에는, 서로 동일 또는 유사한 온도를 갖는 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 그리고, 제2층 그룹(L2)과 제1층 그룹(L1) 사이에 배치된 순환 기판(300)(중앙 기판)에는, 상부 기판 및 하부 기판에 흐르는 유체와 온도차를 갖는 유체가 흐를 수 있다. 이를테면, 상부 기판에는 냉각수가 흐르고, 중앙 기판에는 온수가 흐르도록 열전 모듈이 구성될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 도 6에서도 설명의 편의를 위해 전극(200)은 도시되어 있지 않으며, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 6을 참조하면, 상기 순환 기판(300)은, 열전 모듈의 중앙부에 다수 적층될 수 있다. 즉, 열전 레그(100)는 단위 그룹이 3개 이상의 층으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6의 실시예에서는, 다수의 열전 레그(100)가 4개의 층으로 적층되며, 각 층의 그룹에 속한 열전 레그(100) 사이에 순환 기판(300)이 개재될 수 있다.
즉, 본 실시예에 포함된 열전 레그(100)는, 하부에서 상부 방향으로 순차적으로 적층된 제1층 그룹(L1), 제2층 그룹(L2), 제3층 그룹(L3) 및 제4층 그룹(L4)으로 구분될 수 있다. 그리고, 각 그룹 사이에는 순환 기판(300)이 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1층 그룹(L1)과 제2층 그룹(L2) 사이에는 제1 내부 기판(301)이 개재되고, 제2층 그룹(L2)과 제3층 그룹(L3) 사이에는 제2 내부 기판(302)이 개재되며, 제3층 그룹(L3)과 제4층 그룹(L4) 사이에는 제3 내부 기판(303)이 개재될 수 있다.
이러한 구성의 경우, 순환 기판(300)이, 열전 모듈의 내부에서, 상하 방향으로 소정 거리 이격된 형태로, 다수 적층되어 있다고 할 수 있다.
이처럼, 열전 모듈의 내부에서, 다수의 순환 기판(300)이 적층된 경우, 인접하여 적층된 순환 기판(300) 사이에는 서로 온도차가 있는 유체가 각각 공급될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 열전 모듈의 경우, 인접하여 적층된 제1 내부 기판(301)과 제2 내부 기판(302)에는, 온도가 서로 다른 유체가 각각 공급되도록 구성될 수 있다. 또한, 인접하여 적층된 제2 내부 기판(302)과 제3 내부 기판(303)에는, 온도가 서로 다른 유체가 각각 공급되도록 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 도 6의 구성에서, 제1 내부 기판(301)과 제3 내부 기판(303)에는 냉매로서 냉각수가 공급되고, 제2 내부 기판(302)에는 열매로서 온수가 공급될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 좁은 공간에 많은 열전 레그(100)가 구비되도록 하고, 열전 레그(100)의 상단과 하단 사이에 온도차를 보다 확실하게 형성함으로써, 열전 모듈의 열전 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 구성에서, 열전 모듈의 외부, 즉 상부와 하부에는, 도면에 도시된 바와 같이, 유로가 형성되지 않은 일반 기판(30)이 구비될 수 있으나, 이러한 일반 기판(30) 대신에 순환 기판(300)이 구비될 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 순환 기판(300)은, 반드시 판상으로 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 도 7에서도 설명의 편의를 위해 전극(200)은 도시되어 있지 않다. 또한, 본 실시예에서도 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 상기 순환 기판(300)은 3개 이상의 면을 구비하는 다면체 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 순환 기판(300)은, 6개의 면을 갖는 육면체, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다.
이러한 구성에서, 상기 열전 레그(100)는, 다수의 단위 그룹으로 구분되며, 서로 다른 그룹의 열전 레그(100)가 순환 기판(300)의 서로 다른 면에 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 순환 기판(300)의 좌측면에는, 다수의 열전 레그(100)가 하나의 그룹(제1면 그룹, F1)을 형성하여, 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 순환 기판(300)의 하부면에는, 다수의 열전 레그(100)가 다른 하나의 그룹(제2면 그룹, F2)을 형성하여, 좌우 방향(도면의 X축 방향)으로 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 순환 기판(300)의 우측면에는, 다수의 열전 레그(100)가 또 다른 하나의 그룹(제3면 그룹, F3)을 형성하면서, 상하 방향으로 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 순환 기판(300)의 상부면에는, 다수의 열전 레그(100)가 또 다른 하나의 그룹(제4면 그룹, F4)을 형성하면서, 좌우 방향으로 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다.
이와 같은 구성의 경우, 열전 모듈의 중앙에 순환 기판(300)이 배치되며, 이러한 순환 기판(300)의 상부, 하부, 좌측부 및 우측부에 열전 레그(100)가 배치된다고 할 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하나의 순환 기판(300)으로 다수의 그룹에 속한 열전 레그(100)의 양단에 온도차를 형성할 수 있다. 그러므로, 하나의 순환 기판(300)에 대한 유체 흐름으로써, 많은 수의 열전 레그(100)에 대한 기전력 생성이 가능하다.
한편, 각 그룹의 열전 레그(100)는, 순환 기판(300)에 접하지 않은 단부 측에, 일반 기판(30), 즉 유로(P)가 형성되지 않은 기판이 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1면 그룹(F1)의 좌측부, 제2면 그룹(F2)의 하부, 제3면 그룹(F3)의 우측부 및 제4면 그룹(F4)의 상부에는 일반 기판(30)이 배치될 수 있다. 물론, 열전 발전 성능의 향상을 위해, 제1면 그룹(F1)의 좌측부, 제2면 그룹(F2)의 하부, 제3면 그룹(F3)의 우측부 및 제4면 그룹(F4)의 상부에 각각 위치한 기판 중 적어도 하나의 기판은, 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)으로 구성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 기판(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 9는 도 8의 순환 기판(300)에 대한 분리 사시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 순환 기판(300)은 2개의 기판이 상호 접합된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 순환 기판(300)은 상부에 위치하는 상측 기판(301)과 하부에 위치한 하측 기판(302)이 서로 접합되어, 하나의 순환 기판(300)을 구성할 수 있다.
이때, 상측 기판(301) 및 하측 기판(302) 중 적어도 하나에는, 접합면에 내측 방향으로 오목하게 형성된 홈(G)이 구비될 수 있다. 예를 들어, 상측 기판(301)의 하부면에는 상부 방향으로 오목하게 형성된 홈(G)이 구비될 수 있다. 또한, 하측 기판(302)의 상부면에는 하부 방향으로 오목하게 형성된 홈(G)이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 홈은, 상측 기판(301)과 하측 기판(302)이 상호 접합되어 하나의 순환 기판(300)을 구성할 때, 유체가 흐르는 유로(P)로서 기능할 수 있다. 그리고, 상측 기판(301) 및/또는 하측 기판(302)의 홈(G)은, 적어도 일측 단부가 상측 기판(301) 및/또는 하측 기판(302)의 테두리, 즉 외주부에 위치하여, 유로(P)의 유입구(O1) 및/또는 유출구(O2)를 형성할 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 내부에 유로(P)가 형성된 순환 기판(300)의 제조가 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 하나의 순환 기판(300)을 구성하기 위해 상호 접합된 2개의 단위 기판은, 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상호 접합된 2개의 기판, 이를테면 도 8에서 상측 기판(301)과 하측 기판(302)은 열전도도가 다른 재질로 구성될 수 있다.
여기서, 상호 접합된 2개의 단위 기판 중, 상대적으로 열전 레그(100)에 가깝게 위치하는 단위 기판은, 상대적으로 열전 레그(100)에서 멀리 위치하는 단위 기판에 비해 열전도도가 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8 및 도 9에 도시된 순환 기판(300)이, 열전 레그(100)의 상부에 위치하는 경우, 하측 기판(302)이 상측 기판(301)보다 열전 레그(100)에 가깝게 위치하므로, 하측 기판(302)이 상측 기판(301)에 비해 열전도도가 높은 재질로 구성될 수 있다.
이러한 구성의 순환 기판(300)에서는, 유체의 열기 또는 냉기를 열전 레그(100) 측으로 전달하는 부분은 하측 기판(302)이므로, 하측 기판(302)은 열전도도 측면에서 우수한 특성을 보이는 재질로 구성되는 것이 좋다. 반면, 상측 기판(301)은 열전 모듈의 외측에 위치할 수 있으므로, 열전도도보다는 강도가 우수한 재질 또는 전기 전도도가 낮은 재질로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하나의 순환 기판(300)으로서, 열전도도 향상을 통한 열전 변환 성능 향상과 기계적 강도 확보 등 여러 효과를 함께 달성할 수 있다.
또한, 상호 접합된 2개의 단위 기판은 전기 전도도가 다른 재질로 구성할 수도 있다. 예를 들어, 상대적으로 열전 레그(100)에서 멀리 위치하는 단위 기판, 이를테면 열전 모듈의 외측에 위치하는 단위 기판은, 상대적으로 열전 레그(100)에 가깝게 위치하는 단위 기판, 이를테면 열전 모듈의 내측에 위치하는 단위 기판에 비해 전기 전도율이 낮은 재질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 8 및 도 9에 도시된 순환 기판(300)이 열전 레그(100)의 상부에 위치하는 경우, 하측 기판(302)은 열전도도 및 전기전도도가 높은 금속 재질로 구성되고, 상측 기판(301)은 열전도도 및 전기전도도가 낮은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 순환 기판(300)에 의해 온도차를 형성하면서, 그와 함께 열전 모듈의 외측에서 전기 절연성 확보가 보다 용이해질 수 있다.
상기 순환 기판(300)은, 3개 이상의 단위 기판이 접합된 형태로 형성될 수도 있다. 이때, 하나의 순환 기판(300)에는, 유로(P)가 복수의 층을 이루는 형태로 구성될 수 있다.
한편, 2개 이상의 단위 기판이 접합되어 하나의 순환 기판(300)을 구성하는 실시예에 있어서, 단위 기판의 접합은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 단위 기판은, 용접을 통해 서로 접합되거나, 볼트 등의 체결 부재를 통해 상호 접합되어 하나의 순환 기판(300)을 구성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열전 모듈에서, 순환 기판(300)의 유로(P)는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 순환 기판(300)의 유로(P)는, 유입구(O1)에서 유출구(O2)에 이르기까지 전반적으로 균일한 크기 및/또는 밀집도를 갖도록 구성될 수 있다. 하지만, 이외에도, 유로(P)는 순환 기판(300) 내에서 다른 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 기판(300)의 유로(P) 구성을 상면에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 순환 기판(300)의 좌측에 유입구(O1)가 배치되고, 순환 기판(300)의 우측에 유출구(O2)가 형성된다. 그리고, 유입구(O1)에서 유출구(O2)에 이르기까지, 하나의 유로(P)가 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 유입구(O1) 측과 유출구(O2) 측의 유로(P) 밀집도는 서로 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 순환 기판(300)의 좌우 방향 중심선(A-A'선)을 기준으로, 유입구(O1) 측인 좌측 부분에서 유로(P)가 차지하는 면적과, 유출구(O2) 측인 우측 부분에서 유로(P)가 차지하는 면적은 서로 다르게 구성될 수 있다.
특히, 상기와 같은 실시 구성에 있어서, 유입구(O1) 측에 위치하는 유로(P)의 밀집도는 유출구(O2) 측에 위치하는 유로(P)의 밀집도보다 낮게 구성될 수 있다. 다시 말해, 유체가 유출되는 부분은, 유체가 유입되는 부분보다 동일한 공간을 기준으로 유로(P)가 보다 많이 또는 보다 넓게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 유입구(O1) 측과 유출구(O2) 측의 온도를 균일하게 하는데 보다 유리할 수 있다. 예를 들어, 유로(P)로 냉각수가 유입되는 경우, 유출구(O2) 측의 냉각수는, 순환 기판(300) 내부의 유로(P)를 경유하면서 냉기를 열전 레그(100) 측으로 전달한 이후이기 때문에, 유입구(O1) 측의 냉각수보다 온도가 높을 수 있다. 따라서, 유출구(O2) 측에서 상대적으로 냉각수가 많이 흐르도록 함으로써, 냉각수의 온도가 높더라도 유입구(O1) 측과 유사한 수준의 냉각 성능을 보이도록 할 수 있다. 다른 예로, 유로(P)로 온수가 유입되는 경우, 유출구(O2) 측에서는, 유로(P)를 경유하면서 열전 레그(100) 측으로 열을 전달한 이후이므로, 유입구(O1) 측보다 온수의 온도가 낮을 수 있다. 따라서, 유입구(O1) 측보다 유출구(O2) 측에서 상대적으로 온수가 많이 흐르도록 함으로써, 유입구(O1) 측과 유출구(O2) 측의 열전달 성능을 유사하게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈에서, 순환 기판(300)의 유로(P)는, 열전 모듈의 크기나 형태 등에 따라 다양한 유속을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 순환 기판(300)의 유로(P)는, 유입구(O1)에서 유출구(O2)에 이르기까지 전체적으로 동일한 유속을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 순환 기판(300)의 유로(P)는, 분당 50mL 이상의 유속을 갖도록 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환 기판(300)의 유로(P) 구성을 상면에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 순환 기판(300)은, 부분적으로 유속이 다르도록 유로(P)가 형성될 수 있다. 즉, 순환 기판(300)의 좌측과 우측에 각각 유입구(O1)와 유출구(O2)가 배치될 때, 순환 기판(300)의 좌우 방향 중심선(A-A'선)을 기준으로, 유입구(O1) 측(중심선 기준 좌측 부분)과 유출구(O2) 측(중심선 기준 우측 부분)의 유로(P)의 크기는 서로 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 유입구(O1)와 유출구(O2)의 면적 자체가 다르게 형성될 수 있다.
특히, 상기 구성에서, 순환 기판(300)은, 유입구(O1) 측의 유로(P) 크기가 유출구(O2) 측의 유로(P) 크기보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 구성에서, 유입구(O1) 측의 유로(P) 크기를 W1이라 하고, 유출구(O2) 측의 유로(P) 크기를 W2라 할 때, W2>W1의 관계가 되도록 유로(P)가 형성될 수 있다.
이 경우, 유입구(O1) 측의 유속이 유출구(O2) 측의 유속보다 빠를 수 있다. 반대로 말하면, 유입구(O1) 측보다 유출구(O2) 측에서 유체가 보다 천천히 흐를 수 있다. 따라서, 이 경우, 유체에 의한 열기 혹은 냉기 전달이 유출구(O2) 측에서 보다 천천히 이루어지도록 할 수 있다. 그러므로, 유로(P)를 거치면서 냉기 혹은 열기를 이미 전달하여 유입구(O1) 측에서보다 냉기나 열기가 약한 유체라 하더라도, 유출구(O2) 측에서 보다 천천히 흐름으로써 유입구(O1) 측과 유사한 냉각 혹은 가열 성능을 보이도록 할 수 있다. 즉, 이와 같은 구성에 의하면, 유입구(O1) 측과 유출구(O2) 측에서 유체에 의한 냉기 또는 열기 전달이 전반적으로 균일하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 전극(200)과 순환 기판(300) 사이에 열전달물질이 개재되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 열전 레그(100)의 상부에 위치한 전극(200)의 상면과 열전 모듈의 상부에 위치한 순환 기판(300)의 하면 사이에 열전달물질로 구성된 열전달물질 층(400)이 존재할 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 열전 레그(100)의 하부에 위치한 전극(200)의 하면과 열전 모듈의 하부에 위치한 순환 기판(300)의 상면 사이에 열전달물질로 구성된 열전달물질 층(400)이 존재할 수 있다.
상기 열전달물질은, 순환 기판(300)과 전극(200)의 접촉 계면에서 열저항을 감소시켜, 순환 기판(300)과 전극(200) 사이의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 열전달물질은, 순환 기판(300)이나 전극(200)의 표면이 평평하지 않은 경우에도, 이들 사이의 빈 공간을 채움으로써 순환 기판(300)과 전극(200) 사이에 공기 등이 존재하지 않도록 하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 열전달물질은, 20℃의 온도에서 2W/mK 이상의 열전도도를 가질 수 있다.
이러한 열전달물질은, 겔(gel), 그리스(grease), 페이스트(paste), 접착성 패드 등과 같은 다양한 상태 또는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 열전달물질은, 전기 절연성 물질일 수 있다. 이 경우, 전극(200)과 순환 기판(300) 사이에 전기 절연층이 구비되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 장치에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 열전 레그
101: n형 레그, 102: p형 레그
200: 전극
300: 순환 기판
301: 제1 내부 기판
302: 제2 내부 기판
303: 제3 내부 기판
P: 유로
O1: 유입구, O2: 유출구
400: 열전달물질 층

Claims (11)

  1. n형 열전 재료를 포함하는 다수의 n형 레그와 p형 열전 재료를 포함하는 다수의 p형 레그를 구비하고, 상기 n형 레그와 상기 p형 레그는 수평 방향으로 서로 이격되게 배치된 열전 레그;
    판상의 금속 재질로 구성되며, 일단이 상기 n형 레그의 상단 또는 하단에 접합되고, 타단이 상기 p형 레그의 상단 또는 하단에 접합된 다수의 전극; 및
    상기 다수의 전극 중 적어도 둘 이상의 전극의 상면 또는 하면에 부착되며, 내부에 유체가 흐를 수 있도록 유로가 형성된 순환 기판
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순환 기판은, 상기 유로로 유체를 유입시키는 유입구 및 상기 유로로부터 유체를 유출시키는 유출구가 형성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 순환 기판은, 적어도 일부분이 금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 순환 기판은, 상기 열전 레그의 상부에 위치하는 제1 기판 및 상기 열전 레그의 하부에 위치하는 제2 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기판의 유로와 상기 제2 기판의 유로로, 온도가 서로 다른 유체가 공급되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전 레그는, 상하 방향으로 둘 이상 적층되고,
    상기 순환 기판은, 상하 방향으로 적층된 열전 레그 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 순환 기판은, 3개 이상의 면을 구비하는 다면체 형태로 구성되고,
    상기 열전 레그는, 다수의 단위 그룹으로 구분되어, 서로 다른 그룹의 열전 레그가 상기 순환 기판의 서로 다른 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 순환 기판은, 2개의 기판이 상호 접합된 형태로 형성되고, 상호 접합된 2개의 기판 사이에 상기 유로가 형성되도록 구성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상호 접합된 2개의 기판은, 서로 다른 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극과 상기 순환 기판 사이에는, 열전달물질이 개재된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 발전 장치.
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