KR20190090929A - 열전 발전 모듈 - Google Patents

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Abstract

실시예는 고온의 가스가 유입되어 배기 되는 가스 유로; 상기 가스 유로 상부에 배치된 열전 소자; 를 포함하고, 상기 가스 유로는 유입 구간, 분기 구간 및 배기 구간을 포함하고, 상기 열전 소자는 상기 가스 유로 상에 배치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 을 포함하고, 상기 분기 구간에서 분기된 가스는 상기 열전 소자의 전단부 및 양측면부에서 동시에 열 교환하는 열전 발전 모듈을 개시한다.

Description

열전 발전 모듈 {THERMOELECTRIC POWER GENERATION MODULE}
본 발명은 열전 발전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자에 균일한 온도의 열이 공급되어 발전성능이 향상된 열전 발전 모듈에 관한 것이다.
열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 써미스터(thermistor), 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다.
제베크 효과(Seebeck Effect)는 두 금속 또는 반도체 사이에 온도차를 발생시키게 되면, 그 두 금속 또는 반도체를 연결하는 폐회로에 전류가 흐르게 되는 열전현상의 하나로서, 1821년 독일의 T.J. 제베크가 구리와 비스무트를 사용하여 발견한 것이다.
구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 하나의 금속봉 양끝 A, B에 온도차를 주면, A, B 사이에는 열류에 따른 기전력이 나타난다. 이 기전력은 금속의 종류에 따라 다르기 때문에, 2종류의 금속 양끝 A, B를 접합했을 때 각 금속에 나타나는 A, B 사이의 기전력에 차가 생겨 회로에 전류가 흐른다. 한쪽 금속의 중간을 절단하면, 절단된 양끝에 2종류 금속의 기전력의 차가 나타난다. 이것을 열기전력이라고 한다. 온도 측정에 사용되는 열전기쌍은 이 열기전력을 이용한 것이다.
상기 열기전력을 이용한 열전 발전은 금속 또는 반도체인 제백 소자 양단에 온도차를 주는 경우, 열원부와 냉각부 사이에 전위차가 발생한다는 제백(Seebeck) 효과를 이용한 것으로서, 기계적인 구동부 없이, 열을 직접 전기로 변환할 수 있다는 특징이 있다.
이러한 열전발전은 에너지 생성효율이 열원부와 냉각부의 온도차에 비례하므로, 양단의 온도차가 크지 않은 경우에는 에너지 생성효율이 높지 않으며, 온도차가 큰 조건을 형성하는데 별도의 에너지가 소요될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 일반적으로 차량의 에너지 흐름을 살펴보면, 가솔린이 가진 화학에너지는 엔진에서 연소하여 기계에너지로 변환되며, 이때의 열효율은 최대 30% 정도에 불과하다. 나머지 에너지는 열의 형태로 방출되는데, 특히, 엔진으로부터 발생하는 열은 냉각수에 의해 전달되어 라디에이터를 통해 방출되며, 열을 가진 배기가스의 형태로 배출된다.
그 중 배기가스는 가장 높은 열원을 갖는 부분으로서, 일반적인 경우에는 배기관을 통해 외부로 배출된다.
이러한, 열원을 갖는 가스는 열전 소자에 공급되어 전기를 발생한다.
도 1은 일반적인 열전 발전 모듈의 열전 소자에서 가스 유로의 전단부와 후단부의 온도 차를 나타내는 그래프이다.
하지만, 이러한 열전 발전 시스템은 도 1과 같이 가스 유로의 전단부에서 후단부로 갈수록 배기가스의 온도가 점차 감소되어 전단부 측에 위치된 열전 소자의 온도가 후단부 측에 위치된 열전 소자의 온도보다 상대적으로 높으며, 상대적인 열 편차가 크면 열전 소자의 발전 성능이 저하되며, 이로 인해 내구성 감소를 야기하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 소자에 균일한 온도의 열이 공급되어 발전성능을 향상시키는 것이다.
한편, 실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 열전 모듈은 고온의 가스가 유입되어 배기 되는 가스 유로; 상기 가스 유로 상부에 배치된 열전 소자; 를 포함하고, 상기 가스 유로는 유입 구간, 분기 구간 및 배기 구간을 포함하고, 상기 열전 소자는 상기 가스 유로 상에 배치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 을 포함하고, 상기 분기 구간에서 분기된 가스는 상기 열전 소자의 전단부 및 양측면부에서 동시에 열 교환한다.
상기 가스 유로의 상기 분기 구간은 가스의 이송 경로에서 전방에 배치된 분기 영역; 및 상기 분기 영역에서 후방으로 연장되는 열 교환 영역; 을 포함할 수 있다.
상기 열 교환 영역 상에 상기 열전 소자가 배치될 수 있다.
상기 가스 유로의 상기 분기 구간은 상기 유입 구간에서 유입되는 가스의 수용 공간을 확장하며 서로 대향하는 제 1 측벽 및 제 2 측벽을 포함하고, 상기 분기 영역은 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 1 측벽 사이에 배치된 제 1 분기부 및 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 2 측벽 사이에 배치된 제 2 분기부를 포함하고, 상기 열 교환 영역은 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 1 측벽 사이에 배치된 제 1 열교환부 및 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 2 측벽 사이에 배치된 제 2 열교환부를 포함하고, 상기 제 1 분기부와 상기 제 2 분기부 사이에 제 1 분기 영역이 형성되고, 상기 제 1 분기부와 상기 제 1 측벽 사이에 제 2 분기 영역이 형성되고, 상기 제 2 분기부와 상기 제 2 측벽 사이에 제 3 분기 영역이 형성될 수 있다.
상기 제 1 열교환부 및 상기 제 2 열교환부 사이의 이격 거리는 일측에서 타측으로 갈수록 작아질 수 있다.
상기 제 1 열교환부와 상기 제 2 열교환부 사이에 제 1 열 교환 영역이 형성되고, 상기 제 1 열교환부와 상기 제 1 측벽 사이에 제 2 열 교환 영역이 형성되고, 상기 제 2 열교환부와 상기 제 2 측벽 사이에 제 3 열 교환 영역이 형성되고, 상기 제 1 열 교환 영역은 상기 열전 소자의 전단부에 대응되며, 상기 제 2 열 교환 영역 및 상기 제 3 열 교환 영역은 상기 열전 소자의 양 측면부에 대응될 수 있다.
상기 제 1 열 교환 영역, 상기 제 2 열 교환 영역 및 상기 제 3 열 교환 영역을 각각 통과한 가스는 상기 배기 구간에서 혼합되어 배기될 수 있다.
상기 분기 구간의 제 1 측벽 및 제 2 측벽은 만곡 된 형태를 가질 수 있다.
상기 열전 소자의 제 2 기판 상에 배치된 냉각수 순환부가 배치될 수 있다.
상기 냉각수 순환부는 냉각수 유입부 및 냉각수 배기부를 포함하고,
상기 냉각수 유입부에 배치된 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제 1 분기 영역, 상기 제 2 분기 영역 및 상기 제 3 분기 영역으로 분기되는 가스의 비율은 1:1:1일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소자에 균일한 온도의 열이 공급되어 발전성능이 향상된 열전 발전 모듈을 얻을 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 일반적인 열전 발전 모듈의 열전 소자에서 가스 유로의 전단부와 후단부의 온도 차를 나타내는 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타내는 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타내는 분해 사시도이고,
도 4는 도 2의 A-A선 단면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 열전 소자를 나타내는 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈에서 가스 유로를 나타내는 내부 사시도이고,
도 7은 도 6의 상면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 열전 소자에서 가스 유로의 전단부와 후단부의 온도 차를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 2, 제 1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성요소도 제 2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계 없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타내는 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 A-A선 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 열전 소자를 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈에서 가스 유로를 나타내는 내부 사시도이고, 도 7은 도 6의 상면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 열전 소자에서 가스 유로의 전단부와 후단부의 온도 차를 나타내는 그래프이다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈은 가스 유로(100), 열전 소자(200) 및 냉각수 순환부(300)를 포함한다.
가스 유로(100)는 고온의 가스가 유입되어 배기 되도록 길이 방향으로 길이를 갖는 관(pipe) 형상을 갖는다.
가스 유로(100)는 유입 구간(110), 분기 구간(120) 및 배기 구간(130)을 포함한다.
유입 구간(110)은 가스 유로(100)의 일측에 배치되며, 고온의 가스가 유입되는 구간이다.
분기 구간(120)은 유입 구간(110)과 배기 구간(130) 사이에 배치되며, 유입 구간(110)에서 유입된 가스가 분기하며, 분기된 가스가 열전 소자(200)와 접촉하여 열 교환을 통한 발전이 수행되는 구간이다.
배기 구간(130)은 가스 유로(100)의 타측에 배치되며, 분기 영역(120)에서 분기된 가스가 혼합되어 배기되어 외부로 배기되는 영역이다.
열전 소자(200)는 분기 구간(120)에서 실질적으로 열 교환되는 영역(121) 상에 배치된다.
열전 소자(200)는 P형 열전 레그(220), N형 열전 레그(230), 하부 기판(240), 상부 기판(250), 하부 전극(261), 상부 전극(262) 및 솔더층(미도시)을 포함한다.
하부 전극(261)은 하부 기판(240)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(262)은 상부 기판(250)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(220) 및 복수의 N형 열전 레그(230)는 하부 전극(261) 및 상부 전극(262)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(261)과 상부 전극(262) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 하부 전극(261) 및 상부 전극(262) 양단에 온도차를 가하면, 제백(Seebeck) 효과로 인하여 열원부와 냉각부 사이에 전위차가 발생하여, 기계적인 구동부 없이, 열을 직접 전기로 변환할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(220)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(230)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(220) 및 N형 열전 레그(230)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(220) 또는 벌크형 N형 열전 레그(230)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(220) 또는 적층형 N형 열전 레그(230)는 시트 형상의 기재상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(220)와 N형 열전 레그(230)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(230)의 단면적을 P형 열전 레그(220)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
한편, P형 열전 레그(220)와 N형 열전 레그(230)의 측면에는 높이 방향(Z축 방향)으로 절연체(미도시)가 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 제벡 계수[V/K]이고,
Figure pat00003
는 전기 전도도[S/m]이며,
Figure pat00004
는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고 T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는
Figure pat00005
로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며,
Figure pat00006
는 밀도[g/cm3]이다.
열전 발전 모듈의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(240)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 사이에 배치되는 하부 전극(220), 그리고 상부 기판(250)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 사이에 배치되는 상부 전극(262)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상호 대향하는 하부 기판(240)과 상부 기판(250)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(240)과 상부 기판(250)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(240)과 하부 전극(261) 사이 및 상부 기판(250)과 상부 전극(262) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(240)과 상부 기판(250)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(240)과 상부 기판(250) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 발전 모듈의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 기판(240)은 제 1 방향으로 제 1 길이(D1)를 갖도록 형성되며, 상부 기판(250)은 제 1 방향으로 제 2 길이(D2)를 갖도록 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 길이(D1)는 제 2 길이(D2)보다 크게 형성되어, 하부 기판(240) 상에서 제 1 방향의 끝단에 형성된 하부 전극(261)에 리드선(281, 282)을 연결하는 것이 용이하다.
여기서, 하부 전극(261)과 리드선(281, 282)이 전기적으로 연결되는 것은 용접 방식 또는 기구적 체결 방식 등 다양한 방식 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
복수의 하부 전극(261) 및 복수의 상부 전극(262)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)를 전기적으로 연결한다. 하부 전극(261) 및 상부 전극(262)의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 10㎛~20㎛의 범위로 구현할 수 있다.
또한, 복수의 하부 전극(261) 및 복수의 상부 전극(262)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 하부 전극(261)과 상부 전극(262)은 이웃하는 다른 하부 전극(261)과 상부 전극(262)들과 이격 되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(261)과 상부 전극(262)은 이웃하는 다른 전극(261, 262)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격 되어 배치될 수 있다.
그리고 각 하부 전극(261) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 배치되며, 각 상부 전극(262) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 배치될 수 있다.
즉, P형 열전 레그(220)의 하면은 하부 전극(261)에 배치되고, 상면은 상부 전극(262)에 배치되며, N형 열전 레그(230)의 하면은 하부 전극(261)에 배치되고, 상면은 상부 전극(262)에 배치될 수 있다. 하부 전극(261)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 중 P형 열전 레그(220)가 복수의 하부 전극(262) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(230)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(262)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(220) 및 복수의 N형 열전 레그(230)는 복수의 하부 전극(261) 및 복수의 하부 전극(262)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
이때, 하부 전극(261) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 각각 배치될 수 있다.
또한, 상부 전극(262) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)를 접합하기 위한 한 쌍의 상부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 상부 솔더층(272) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 각각 배치될 수 있다.
냉각수 순환부(300)는 열전 소자(200) 상에 배치되며, 제 2 기판(250) 측에 냉각수를 순환 시켜, 제 2 기판(250) 냉각부로 구현할 수 있다.
냉각수 순환부(300)는 내부로 냉각수가 유입되는 냉각수 유입부(310)와 열 교환을 거친 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부(320)를 포함할 수 있다.
한편, 냉각수 유입부(310)에는 냉각수 유입량을 제어하기 위한 밸브(미도시)가 배치될 수 있다.
냉각수 순환부(300) 내부의 냉각수 순환 유로는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하지 않는다.
한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 가스 유로(100)의 분기 구간(120)은 가스의 열이 전달되도록 상부에 열전 소자(200)가 배치되는 영역(121)을 포함한다.
분기 구간(120)은 유입 구간(110)에서 유입되는 가스의 분기 효율을 향상시키기 위해 가스의 수용 공간을 확장시키기 위한 측벽(122)을 포함한다.
측벽(122)은 서로 대향하며 각각 만곡 된 형상을 갖는 제 1 측벽(122a) 및 제 2 측벽(122b)을 포함한다.
또한, 분기 구간(120)은 유입되는 가스의 분기하는 분기 영역(120a, 120b, 120c) 및 분기된 가스가 열전 소자(200)의 전단부와 양측면부에 접촉하여 열 교환이 행해지는 열 교환 영역(121a, 121b, 121c)을 포함한다.
분기 영역(120a, 120b, 120c)에는 유입되는 가스를 분기하기 위한, 2개의 분기부(123)가 배치된다.
여기서, 분기부(123)는 분기 구간(120)의 중심과 제 1 측벽(122a) 사이에 배치된 제 1 분기부(123a)와 분기 구간(120)의 중심과 제 2 측벽(122b) 사이에 배치된 제 2 분기부(123b)를 포함한다.
제 1 분기부(123a)와 제 2 분기부(123b) 각각은 유입 구간(110)과 분기 구간(120)의 연결 구간에서 일측 단부가 뾰족한 형상을 가질 수 있다.
또한, 제 1 분기부(123a)는 제 1 측벽(122a)에 대향하는 변이 제 1 측벽(122a)의 형상을 따라 만곡 된 형상을 가질 수 있으며, 제 2 분기부(123b)는 제 2 측벽(122b)에 대향하는 변이 제 2 측벽(122b)의 형상을 따라 만곡 된 형상을 가질 수 있어, 분기된 가스의 유동에 따른 저항을 최소화할 수 있다.
다만, 상술한 제 1 분기부(123a)와 제 2 분기부(123b)의 형상은 바람직한 실시예에 따라 설계 가능한 것이며, 설치 환경에 따라 다각형 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
제 1 분기부(123a)와 제 2 분기부(123b) 사이에는 제 1 분기 영역(120a)이 형성되고, 제 1 분기부(123a)와 제 1 측벽(122a) 사이에는 제 2 분기 영역(120b)이 형성되고, 제 2 분기부(123b)와 제 2 측벽(122b) 사이에는 제 3 분기 영역(120c)이 형성될 수 있다.
즉, 유입 구간(110)으로 유입된 가스는 제 1 분기 영역(120a)으로 분기되는 제 1 가스(G1), 제 2 분기 영역(120b)으로 분기되는 제 2 가스(G2) 및 제 3 분기 영역(120c)으로 분기되는 제 3 가스(G3)로 분기되어 3 방향으로 이동될 수 있다.
여기서, 제 1 분기 영역(120a), 제 2 분기 영역(120b) 및 제 3 분기 영역(120c)으로 분기되는 가스(G1, G2, G3)의 양은 1:1:1인 것이 열 편차 방지 및 열 교환 측면에서 바람직하다.
열 교환 영역(121a, 121b, 121c)에는 분기되어 유입되는 가스(G1, G2, G3)와 열전 소자(100)의 전단부, 양측면부에서 열 교환하기 위한, 2개의 열교환부(124)가 배치된다.
열 교환 영역(121a, 121b, 121c) 상에는 열전 소자(200)가 배치되는 영역(121)이 위치한다.
2개의 열교환부(124)는 실질적으로 열전 소자(200)의 제 1 기판(240)에 열을 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 열교환부(124)는 분기 구간(120)의 중심과 제 1 측벽(122a) 사이에 배치된 제 1 열교환부(124a)와 분기 구간(120)의 중심과 제 2 측벽(122b) 사이에 배치된 제 2 열교환부(124b)를 포함한다.
제 1 열교환부(124a)는 제 1 분기부(123a)에서 타측으로 연장되며, 제 2 열교환부(124b)는 제 2 분기부(123b)에서 타측으로 연장된다.
제 1 열교환부(124a)와 제 2 열교환부(124b)는 열전도성이 우수한 금속 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 구리 및 스테인리스 강, 또는 황동 등의 사용될 수 있다.
제 1 열교환부(124a)와 제 2 열교환부(124b) 사이에는 제 1 열 교환 영역(121a)이 형성되고, 제 1 열교환부(124a)와 제 1 측벽(122a) 사이에는 제 2 열 교환 영역(121b)이 형성되고, 제 2 열교환부(124b)와 제 2 측벽(122b) 사이에는 제 3 열 교환 영역(121c)이 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 열 교환 영역(121a)은 열전 소자(200)의 전단부에 대응되고, 제 2 열 교환 영역(121b)은 열전 소자(200)의 제 1 측면부에 대응되고, 제 3 열 교환 영역(121c)은 열전 소자(200)에서 제 1 측면부의 반대 측인 제 2 측면부에 대응될 수 있다.
즉, 제 1 분기 영역(120a), 제 2 분기 영역(120b) 및 제 3 분기 영역(120c)에서 각각 분기된 고온의 가스가 제 1 열교환 영역(120a), 제 2 열 교환 영역(120b) 및 제 3 열 교환 영역(120c)으로 이동되면서, 열전 소자(200)의 전단부 및 양측면부와 동시에 열 교환 될 수 있다.
한편, 길이 방향에서 일측에서 타측으로 갈수록 제 1 열교환부(124a)와 제 2 열교환부(124b)의 이격 거리(D)는 점차 감소하여, 제 1 열 교환 영역(120a), 제 2 열 교환 영역(120b) 및 제 3 열 교환 영역(120c)의 비율을 조절할 수 있다.
즉, 제 1 열교환부(124a)와 제 2 열교환부(124b)의 이격 거리(D)는 점차 감소하여, 열전 소자(200)와 열 교환되는 각 영역의 비율을 조절할 수 있어 열 편차에 따른 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
배기 구간(130)은 제 1 분기 영역(120a)과 제 1 열 교환 영역(120a)을 통한 제 1 가스(G1), 제 2 분기 영역(120b)과 제 2 열 교환 영역(120b)을 통한 제 2 가스(G2) 및 제 3 분기 영역(120c)과 제 3 열 교환 영역(120c)을 통한 제 3 가스(G3)가 혼합되어 배기될 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈은 도 8에 도시된 바와 같이, 열전 소자의 전단부 및 양측면부에서 깊이 방향에 따라 동일한 온도 분포를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈은 도 1에 나타난 일반적인 열전 발전 모듈에 비해 열전 소자의 전체 면적에서 열 편차를 감소할 수 있어, 이에 따라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 고온의 가스가 유입되어 배기 되는 가스 유로;
    상기 가스 유로 상부에 배치된 열전 소자; 를 포함하고,
    상기 가스 유로는 유입 구간, 분기 구간 및 배기 구간을 포함하고,
    상기 열전 소자는
    상기 가스 유로 상에 배치된 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그;
    상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판; 및
    상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 을 포함하고,
    상기 분기 구간에서 분기된 가스는 상기 열전 소자의 전단부 및 양측면부에서 동시에 열 교환하는 열전 발전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유로의 상기 분기 구간은
    가스의 이송 경로에서 전방에 배치된 분기 영역; 및
    상기 분기 영역에서 후방으로 연장되는 열 교환 영역; 을 포함하는 열전 발전 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환 영역 상에 상기 열전 소자가 배치된 열전 발전 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 유로의 상기 분기 구간은 상기 유입 구간에서 유입되는 가스의 수용 공간을 확장하며 서로 대향하는 제 1 측벽 및 제 2 측벽을 포함하고,
    상기 분기 영역은 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 1 측벽 사이에 배치된 제 1 분기부 및 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 2 측벽 사이에 배치된 제 2 분기부를 포함하고,
    상기 열 교환 영역은 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 1 측벽 사이에 배치된 제 1 열교환부 및 상기 분기 구간의 중심과 상기 제 2 측벽 사이에 배치된 제 2 열교환부를 포함하고,
    상기 제 1 분기부와 상기 제 2 분기부 사이에 제 1 분기 영역이 형성되고,
    상기 제 1 분기부와 상기 제 1 측벽 사이에 제 2 분기 영역이 형성되고,
    상기 제 2 분기부와 상기 제 2 측벽 사이에 제 3 분기 영역이 형성되는 열전 발전 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환부 및 상기 제 2 열교환부 사이의 이격 거리는 일측에서 타측으로 갈수록 작아지는 열전 발전 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환부와 상기 제 2 열교환부 사이에 제 1 열 교환 영역이 형성되고,
    상기 제 1 열교환부와 상기 제 1 측벽 사이에 제 2 열 교환 영역이 형성되고,
    상기 제 2 열교환부와 상기 제 2 측벽 사이에 제 3 열 교환 영역이 형성되고,
    상기 제 1 열 교환 영역은 상기 열전 소자의 전단부에 대응되며,
    상기 제 2 열 교환 영역 및 상기 제 3 열 교환 영역은 상기 열전 소자의 양 측면부에 대응되는 열전 발전 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환 영역, 상기 제 2 열 교환 영역 및 상기 제 3 열 교환 영역을 각각 통과한 가스는 상기 배기 구간에서 혼합되어 배기되는 열전 발전 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분기 구간의 제 1 측벽 및 제 2 측벽은 만곡 된 형태를 갖는 열전 발전 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 소자의 제 2 기판 상에 배치된 냉각수 순환부가 배치된 열전 발전 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각수 순환부는 냉각수 유입부 및 냉각수 배기부를 포함하고,
    상기 냉각수 유입부에 배치된 밸브를 포함하는 열전 발전 모듈.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 분기 영역, 상기 제 2 분기 영역 및 상기 제 3 분기 영역으로 분기되는 가스의 비율은 1:1:1인 열전 발전 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003111459A (ja) * 2001-09-27 2003-04-11 Yaskawa Electric Corp 熱電変換装置

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