KR20200005869A - 열변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 복수 개 배열되는 복수의 단위 모듈, 상기 복수의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임, 상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관, 그리고 상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관을 포함하고, 각 단위 모듈은 냉각수 통과 챔버, 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하며, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제4 면에는 냉각수 배출구가 형성되며, 상기 냉각수 유입구는 상기 제2 냉각수 유입관과 연결되고, 상기 냉각수 배출구는 상기 제2 냉각수 배출관과 연결된다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}
본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 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.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 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.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 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.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 복수 개 배열되는 복수의 단위 모듈, 상기 복수의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임, 상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관, 그리고 상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관을 포함하고, 각 단위 모듈은 냉각수 통과 챔버, 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하며, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제4 면에는 냉각수 배출구가 형성되며, 상기 냉각수 유입구는 상기 제2 냉각수 유입관과 연결되고, 상기 냉각수 배출구는 상기 제2 냉각수 배출관과 연결된다.
상기 제1 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈은 소정 간격으로 서로 이격될 수 있다.
상기 소정 간격으로 서로 이격된 공간 사이를 기체가 통과하며, 상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
상기 기체는 상기 제2 냉각수 배출관으로부터 상기 제2 냉각수 유입관을 향하는 방향으로 통과하고, 상기 냉각수 통과 챔버 내에서 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관으로부터 상기 제2 냉각수 배출관을 향하는 방향으로 흐를 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 상기 제2 냉각수 유입관의 단면적보다 크고, 상기 제1 냉각수 배출관의 단면적은 상기 제2 냉각수 배출관의 단면적보다 클 수 있다.
한 쌍의 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈과 연결될 수 있다.
상기 프레임은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈 사이에 배치된 지지벽을 더 포함할 수 있다.
상기 지지벽의 양단에는 각각 제1 홈 및 제2 홈이 형성되고, 상기 제1 홈에는 상기 제2 냉각수 유입관이 고정되며, 상기 제2 홈에는 상기 제2 냉각수 배출관이 고정될 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관으로 유입된 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관을 거쳐 상기 냉각수 통과 챔버를 통과한 후 상기 제2 냉각수 배출관을 거쳐 상기 제1 냉각수 배출관으로 배출될 수 있다.
상기 복수의 단위 모듈은 제1 단위 모듈 및 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 단위 모듈과 인접하도록 배열된 제2 단위 모듈을 포함하고, 상기 제1 단위 모듈의 제1 열전모듈은 상기 제1 면에 배치된 제1 열전소자 및 제1 히트싱크를 포함하며, 상기 제2 단위 모듈의 제2 열전모듈은 상기 제2 면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 히트싱크를 포함하고, 상기 제1 히트싱크 및 상기 제2 히트싱크는 소정 간격을 이루며 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은 복수의 제1 열전소자 및 복수의 제2 열전소자를 포함하며, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은 상기 복수의 제1 열전소자 사이에 배치된 제1 단열층 및 상기 복수의 제2 열전소자 사이에 배치된 제2 단열층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관의 유입구로부터 멀어질수록 상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 작아질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 조립이 간단하면서도 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 모듈의 개수를 조절하여 발전 용량을 조절할 수 있으며, 일부 단위 모듈의 교체 및 수리가 용이하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 모듈이 안정적으로 지지되므로, 진동이 발생하는 환경에서도 쉽게 변형되지 않아 신뢰성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 제1 방향을 따라 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4의 단위 모듈의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 조립 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 상면도이다.
도 13은 도 12의 열변환장치의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 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 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 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 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 제1 방향을 따라 단면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이며, 도 5는 도 4의 단위 모듈의 분해도이다. 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 조립 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 열변환장치(10)는 복수의 단위 모듈(1000) 및 복수의 단위 모듈(1000)을 지지하는 프레임(2000)을 포함한다.
여기서, 복수의 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 복수의 단위 모듈(1000)은 하나의 단위 모듈 그룹을 이루는 것으로 설명될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 단위 모듈 그룹은 제2 방향을 따라 배열될 수 있다. 여기서, 하나의 단위 모듈 그룹 내에 포함되는 복수의 단위 모듈(1000)은 소정 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
프레임(2000)은 복수의 단위 모듈(1000)의 외곽을 둘러싸도록 배치되는 틀 또는 테두리일 수 있다. 이때, 프레임(2000)에는 복수의 단위 모듈(1000) 내부로 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 유입관 및 복수의 단위 모듈(1000)의 내부를 통과한 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출관이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)은 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)은 복수의 단위 모듈(1000) 중 양 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹의 측면에서 제1 방향을 따라 형성될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)을 이루는 테두리 중에서 복수의 단위 모듈(1000) 중 양 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹의 측면에 배치되는 테두리에 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 냉각수 유입관(2100)은 테두리의 하부에 형성되고, 제1 냉각수 배출관(2200)은 테두리의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따르면, 복수의 단위 모듈(1000)을 통과하며 가열된 냉각수가 대류 현상을 이용하여 외부로 배출되기 용이해질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치(10)는 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)과 연결되며, 복수의 단위 모듈(1000)의 일측에서 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 및 프레임(2000)의 제1 냉각수 배출관(2200)과 연결되며, 복수의 단위 모듈(1000)의 타측에서 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 단위 모듈(1000)의 일측은 제1 방향 및 제2 방향에 각각 교차하는 제3 방향에서 복수의 단위 모듈(1000)의 하부를 의미하고, 복수의 단위 모듈(1000)의 타측은 제3 방향에서 복수의 단위 모듈(1000)의 상부를 의미할 수 있다.
한편, 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 열전모듈(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 복수의 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. 복수의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 복수의 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, 복수의 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.
특히, 도 4 내지 5를 참조하면, 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.
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 복수의 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. 각 단위 모듈(1000)은 복수의 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 복수의 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 복수의 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)를 이용하여 접착될 수도 있다. 써멀패드는 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 모듈(1000)을 향하여 배치된다. 제1 열전모듈(1200)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)의 제2 열전모듈(1300)을 향하여 배치되며, 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 또 다른 단위 모듈(1000)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, 복수의 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.
도 6 내지 7을 참조하면, 각 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 복수의 제1 전극(120), 복수의 제1 전극(120) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 상에 배치된 복수의 제2 전극(150), 그리고 복수의 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, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 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 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
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.
열전 소자의 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, 열전 소자의 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 복수의 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]
Figure pat00002
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.
한 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]
Figure pat00003
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, 열전 소자의 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, 열전 소자의 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 한 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 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000)은 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000) 별로 배치될 수 있다. 즉, 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각의 개수는 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일하거나, 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000)의 개수의 배수일 수 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 동일한 단위 모듈 측에 배치된 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관, 예를 들어 제1 단위 모듈(1000-1) 측에 배치된 제2 냉각수 유입관(3000-1) 및 제2 냉각수 배출관(4000-1)을 한 쌍의 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관이라 지칭할 수 있다.
제1 방향을 따라 제1 냉각수 유입관(2100)으로 유입된 냉각수는 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 분산되어 유입될 수 있다. 그리고, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)으로부터 배출된 냉각수는 제1 냉각수 배출관(2200)으로 모아진 후 제1 방향을 따라 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 제1 냉각수 유입관(2100)의 단면적은 제2 냉각수 유입관(3000)의 단면적보다 크고, 제1 냉각수 배출관(2200)의 단면적은 제2 냉각수 배출관(4000)의 단면적보다 클 수 있다.
한편, 제2 방향을 따라 각 제2 냉각수 유입관(3000)을 통하여 유입된 냉각수는 제3 방향을 따라 각 단위 모듈(1000)의 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과한 후, 제2 방향을 따라 각 제2 냉각수 배출관(4000)을 통하여 배출될 수 있다. 이를 위하여, 각 냉각수 통과 챔버(1100)에는 적어도 하나의 냉각수 유입구(1110) 및 적어도 하나의 냉각수 배출구(1120)가 형성될 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102) 사이의 한 면인 제3 면(1103)에 형성되고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구(1120)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102) 사이의 다른 면인 제4 면(1104)에 형성될 수 있다. 여기서, 제3 면(1103)은 제3 방향에서 아래를 향하는 방향에 배치된 면이고, 제4 면(1104)는 제3 방향에서 위를 향하는 방향에 배치된 면일 수 있일 수 있다. 즉, 제3 면(1103)은 제2 냉각수 유입관(3000)과 가깝게 배치되는 면이고, 제4 면(1104)은 제2 냉각수 배출관(4000)과 가깝게 배치되는 면일 수 있다.
그리고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)는 제2 냉각수 유입관(3000)과 연결되고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구(미도시)는 제2 냉각수 배출관(4000)과 연결될 수 있다. 이를 위하여, 제2 냉각수 유입관(3000)에는 적어도 하나의 냉각수 배출구(3100)가 형성되고, 제2 냉각수 배출관(4000)에는 적어도 하나의 냉각수 유입구(미도시)가 형성될 수 있으며, 제2 냉각수 유입관(3000)의 냉각수 배출구(3100)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)와 연결되고, 제2 냉각수 배출관(4000)의 냉각수 유입구는 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구와 연결될 수 있다. 이때, 냉각수 배출구와 냉각수 유입구는 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 냉각수 배출구와 냉각수 유입구 중 적어도 하나는 돌출부를 포함할 수 있다. 이로 인하여, 서로 끼워맞춰지거나, 피팅부재에 의하여 피팅될 수 있으며, 추가적으로 냉각수 배출구와 냉각수 유입구가 연결되는 영역은 실링부재에 의하여 실링될 수 있다.
도 1 내지 도 3과 도 8 내지 도 9를 함께 참조하면, 프레임(2000)의 하단에 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)을 배치한 후, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 상에 복수의 단위 모듈(1000)을 배치하고, 복수의 단위 모듈(1000) 상에서 프레임(2000)의 상단에 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)을 배치한다.
프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)으로부터 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 냉각수가 분산되어 유입될 수 있도록, 프레임(2000)의 하단에 형성된 제1 냉각수 유입관(2100)에는 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)의 개수만큼의 홀(2110)이 형성될 수 있으며, 각 제2 냉각수 유입관(3000)은 각 홀(2110)의 위치에 맞게 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)으로부터 프레임(2000)의 제1 냉각수 배출관(2200)으로 냉각수가 모아져서 배출될 수 있도록, 프레임(2000)의 상단에 형성된 제1 냉각수 배출관(2200)에는 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)의 개수만큼의 홀(2210)이 형성될 수 있으며, 각 제2 냉각수 배출관(4000)은 각 홀(2210)의 위치에 맞게 배치될 수 있다.
한편, 한 쌍의 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000)은 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 냉각수 유입관(3000-1)은 제1 단위 모듈(1000-1) 및 제1 단위 모듈(1000-1)과 제2 방향을 따라 인접하여 배치되는 다른 단위 모듈(1000-11)과 연결될 수 있고, 이와 마찬가지로 제2 냉각수 배출관(4000-1)은 제1 단위 모듈(1000-1) 및 제1 단위 모듈(1000-1)과 제2 방향을 따라 인접하여 배치되는 다른 단위 모듈(1000-11)과 연결될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)은 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000) 사이에 배치된 지지벽(2300)을 더 포함할 수 있다. 즉, 지지벽(2300)은 제1 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000)을 포함하는 하나의 단위 모듈 그룹 및 이와 제2 방향을 따라 인접하도록 배열된 다른 단위 모듈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 이때, 지지벽(2300)에는 제2 냉각수 유입관(3000)이 배치되는 제1 홈(2310) 및 제2 냉각수 배출관(4000)이 배치되는 제2 홈(2320)이 형성될 수 있다. 하나의 지지벽(2300)에 형성된 제1 홈(2310) 및 제2 홈(2320) 각각의 개수는 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각의 개수, 즉 하나의 단위 모듈 그룹 내에 배열된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일할 수 있다.
제1 홈(2310) 및 제2 홈(2320) 각각에는 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각이 고정될 수 있다. 이를 위하여, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000) 상에는 고정부재(5000)가 조립될 수 있으며, 고정부재(5000), 복수의 제2 냉각수 배출관(4000) 및 지지벽(2300)은 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 측에도 동일한 구조의 고정부재가 조립될 수 있다.
이와 같은 조립 방법에 따르면, 원하는 발전량에 따라 조립되는 단위 모듈의 개수를 조절하기 용이하다. 또한, 단위 모듈 중 일부가 파손되거나, 고장이 발생한 경우, 열변환장치를 분해하고, 단위 모듈을 교체한 후 재조립하는 과정이 용이하다. 또한, 단위 모듈 자체가 스크류에 의하여 프레임에 고정될 필요가 없으므로, 조립이 용이하다. 또한, 단위 모듈 아래에 배치되는 제2 냉각수 유입관은 냉각수 유입의 기능뿐만 아니라 단위 모듈을 지지하는 기능도 수행할 수 있으므로, 열변형장치는 강성을 가지게 되고, 진동 또는 충격 시 변형이 방지될 수 있다.
도 1 내지 도 3, 도 8 내지 도 9 및 도 10 내지 도 11을 참조하면, 냉각수는 제1 방향을 따라 제1 냉각수 유입관(2100)을 통하여 유입되며, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 분산될 수 있다. 그리고, 냉각수는 제2 방향을 따라 제2 냉각수 유입관(3000)을 통하여 흐르며, 냉각수 통과 챔버(1100) 내로 유입될 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100) 내로 유입된 냉각수는 제3 방향을 따라 냉각수 통과 챔버(1100)의 상단을 향하여 흐르며, 제2 냉각수 배출관(4000)으로 배출될 수 있다. 그리고, 제2 냉각수 배출관(4000)의 냉각수는 제2 방향을 따라 제1 냉각수 배출관(2200)을 향하여 흐르고, 제1 냉각수 배출관(2200)에서 모아진 냉각수는 외부로 배출될 수 있다.
이때, 고온의 기체는 냉각수 통과 챔버(1100)의 상단으로부터 하단을 향하도록 흐른다. 본 발명의 실시예와 같이 단위 모듈(1000)의 상단에 제2 냉각수 배출관(4000)이 배치될 경우, 고온의 기체의 높은 온도로 인하여 열전소자의 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 냉각수가 냉각수 통과 챔버(1100)의 하단으로부터 상단을 향하도록 흐르므로, 냉각수가 냉각수 통과 챔버(1100)의 아래에서부터 채워지며, 고온의 기체가 흐르는 방향과 냉각수가 흐르는 방향이 서로 반대가 되므로, 단위 모듈 전체에 대하여 균일한 열교환 온도를 제공할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 상면도이고, 도 13은 도 12의 열변환장치의 사시도이다. 여기서, 프레임(2000) 내에 단위 모듈이 일부만 채워져 있는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되지 않으며, 프레임(2000) 내의 전부 또는 일부에 단위 모듈이 채워질 수 있다. 도 1 내지 11과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 12 내지 13을 참조하면, 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)의 단면적은 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 이에 따르면, 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로부터 먼거리에 배치된 제2 냉각수 유입관(4000)으로도 높은 유압이 가해질 수 있으므로, 복수의 제2 냉각수 유입관(4000)으로 고르게 냉각수가 유입될 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다. 여기서, 프레임(2000) 내에 단위 모듈이 일부만 채워져 있는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되지 않으며, 프레임(2000) 내의 전부 또는 일부에 단위 모듈이 채워질 수 있다. 도 1 내지 11과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 14를 참조하면, 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구는 제1 냉각수 유입관(2100)의 측면에 형성될 수도 있다. 이에 따라, 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로 유입되는 냉각수도 제2 방향을 따라 유입될 수 있으므로, 복수의 제2 냉각수 유입관(4000)으로 고르게 냉각수가 유입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(1100)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.
그리고, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수도 있다. 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부가 복수의 영역으로 구획될 경우, 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.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 복수 개 배열되는 복수의 단위 모듈,
    상기 복수의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임,
    상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관, 그리고
    상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관을 포함하고,
    각 단위 모듈은 냉각수 통과 챔버,
    상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고
    상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하며,
    상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제4 면에는 냉각수 배출구가 형성되며,
    상기 냉각수 유입구는 상기 제2 냉각수 유입관과 연결되고, 상기 냉각수 배출구는 상기 제2 냉각수 배출관과 연결되는 열변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈은 소정 간격으로 서로 이격된 열변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소정 간격으로 서로 이격된 공간 사이를 기체가 통과하며,
    상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높은 열변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기체는 상기 제2 냉각수 배출관으로부터 상기 제2 냉각수 유입관을 향하는 방향으로 통과하고,
    상기 냉각수 통과 챔버 내에서 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관으로부터 상기 제2 냉각수 배출관을 향하는 방향으로 흐르는 열변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 상기 제2 냉각수 유입관의 단면적보다 크고, 상기 제1 냉각수 배출관의 단면적은 상기 제2 냉각수 배출관의 단면적보다 큰 열변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈과 연결되는 열변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈 사이에 배치된 지지벽을 더 포함하는 열변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지벽의 양단에는 각각 제1 홈 및 제2 홈이 형성되고,
    상기 제1 홈에는 상기 제2 냉각수 유입관이 고정되며,
    상기 제2 홈에는 상기 제2 냉각수 배출관이 고정되는 열변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 유입관으로 유입된 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관을 거쳐 상기 냉각수 통과 챔버를 통과한 후 상기 제2 냉각수 배출관을 거쳐 상기 제1 냉각수 배출관으로 배출되는 열변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 모듈은 제1 단위 모듈 및 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 단위 모듈과 인접하도록 배열된 제2 단위 모듈을 포함하고,
    상기 제1 단위 모듈의 제1 열전모듈은 상기 제1 면에 배치된 제1 열전소자 및 제1 히트싱크를 포함하며, 상기 제2 단위 모듈의 제2 열전모듈은 상기 제2 면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 히트싱크를 포함하고,
    상기 제1 히트싱크 및 상기 제2 히트싱크는 소정 간격을 이루며 서로 대향하도록 배치된 열변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은 복수의 제1 열전소자 및 복수의 제2 열전소자를 포함하며,
    상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은 상기 복수의 제1 열전소자 사이에 배치된 제1 단열층 및 상기 복수의 제2 열전소자 사이에 배치된 제2 단열층을 더 포함하는 열변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 유입관의 유입구로부터 멀어질수록 상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 작아지는 열변환장치.
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