KR20200034001A - 배기 가스 발전 유닛 - Google Patents

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Abstract

엔진 유닛과 배기 유닛 사이에 설치되는 배기 가스 발전 유닛에 있어서, 상기 엔진 유닛과 상기 배기 유닛을 접속하며, 상기 엔진 유닛으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 형성하는 접속관과, 상기 접속관의 내측 표면이자, 상기 엔진 유닛의 근방 및 상기 배기 유닛의 근방에 설치되되, 열의 유로를 따라 나란히 설치된 복수의 열전 변환 모듈과, 상기 접속관의 상기 엔진 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속에 비해, 상기 접속관의 상기 배기 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단을 가지며, 상기 유속 증가 수단은, 상기 접속관의 중심선의 근방 영역으로부터 내측 표면을 향해 상기 배기 가스를 유도하는 적어도 하나의 도풍판이고, 상기 도풍판은, 상기 접속관의 중심선과 교차하는 영역에 개구를 구비하는 동시에, 상기 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈 각각을 향해 연재하는, 배기 가스 발전 유닛.

Description

배기 가스 발전 유닛{EXHAUST GAS POWER GENERATION UNIT}
본 발명은 제벡 효과(Seebeck effect)에 의한 열전 변환을 수행하는 열전 변환 소자를 구비하는 열전 변환 유닛 및 열전 변환 모듈, 및 이들을 배설한 배기 가스 발전 유닛에 관한 것이다.
열전 변환 모듈은 제벡 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이 가능한 열전 변환 소자로 구성되는 모듈이다. 이러한 에너지의 변환 성질을 이용함으로써, 산업·민생용 프로세스나 이동체에서 배출되는 배열(排熱)을 유효한 전력으로 변환할 수 있기 때문에, 환경 문제를 배려한 에너지 절약 기술로서 상기 열전 변환 모듈 및 이를 구성하는 열전 변환 소자가 주목받고 있다.
이러한 열전 변환 모듈은 일반적으로 복수개의 열전 변환 소자(p형 반도체 및 n형 반도체)를 전극으로 접합하여 구성된다. 이러한 열전 변환 모듈은 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있다. 또한, 이러한 열전 모듈은 자동차 및 그 외 엔진을 구비하는 산업 기기에서의 배기 가스의 폐열을 이용하여 발전하기 위해, 엔진 등의 고온 열원의 하류 측에 배치되게 된다. 이러한 열전 변환 모듈의 이용 및 상기 열전 변환 모듈을 이용한 열전 변환 장치는 예를 들어 특허문헌 2에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 특개2013-115359호 일본 공개특허공보 특개2007-221895호
그러나 엔진으로부터의 배기 가스는 하류(즉, 배기 측)로 진행됨에 따라 온도의 저하에 수반하여 열량이 부족하기 때문에, p형 반도체 및 n형 반도체를 전극으로 접합한 일반적인 구조만의 열전 변환 모듈에서는 충분한 발전을 수행할 수 없다는 문제가 발생하고 있었다. 또한, 복수의 열전 변환 모듈을 배기 가스의 유로를 따라 배설하면, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈은 상류 측에 위치하는 열전 변환 모듈의 존재로 인해, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈을 향한 배기 가스의 흐름이 차단되어, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서는 충분한 발전을 수행할 수 없는 경우가 있다. 또한, 하류 측에 배치된 열전 변환 모듈에서 충분한 발전을 수행하지 못하면, 열전 변환 장치 자체의 발전량의 향상을 도모할 수 없다는 문제도 발생하고 있었다.
본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 배기 가스의 흐름을 이용하면서 하류에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 전체적인 발전량을 향상할 수 있는 배기 가스 발전 유닛을 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배기 가스 발전 유닛은, 엔진 유닛과 배기 유닛 사이에 설치되는 배기 가스 발전 유닛에 있어서, 상기 엔진 유닛과 상기 배기 유닛을 접속하며, 상기 엔진 유닛으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 형성하는 접속관과, 상기 접속관의 내측 표면이자, 상기 엔진 유닛의 근방 및 상기 배기 유닛의 근방에 설치되되, 열의 유로를 따라 나란히 설치된 복수의 열전 변환 모듈과, 상기 접속관의 상기 엔진 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속에 비해, 상기 접속관의 상기 배기 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단을 가지며, 상기 유속 증가 수단은, 상기 접속관의 중심선의 근방 영역으로부터 내측 표면을 향해 상기 배기 가스를 유도하는 적어도 하나의 도풍판이고, 상기 도풍판은, 상기 접속관의 중심선과 교차하는 영역에 개구를 구비하는 동시에, 상기 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈 각각을 향해 연재한다.
본 발명에 따른 배기 가스 발전 유닛에 의하면, 배기 가스의 흐름을 이용하면서 하류에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 전체적인 발전량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈의 사시도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈의 측면도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 열전 변환 유닛의 구성을 나타낸 개략 상면도이다.
도 4는 변형예 1에 따른 열전 변환 모듈의 상면도이다.
도 5는 변형예 2에 따른 열전 변환 모듈의 측면도이다.
도 6은 변형예 3에 따른 열전 변환 모듈의 측면도이다.
도 7은 변형예 4에 따른 열전 변환 모듈의 정면도이다.
도 8은 변형예 5에 따른 열전 변환 유닛의 상면도이다.
도 9는 변형예 5에 따른 열전 변환 유닛의 정면도이다.
도 10은 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이다.
도 11은 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
도 12는 실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이다.
도 13은 실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
도 14는 실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이다.
도 15는 실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 열전 변환 유닛, 열전 변환 모듈 및 배기 가스 발전 유닛의 실시 형태에 대하여 각 실시예 및 각 변형예를 기초로 상세히 설명한다. 아울러, 본 발명이 이하에 설명하는 내용으로 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 임의로 변경 실시하는 것이 가능하다. 또한, 각 실시예 및 각 비교예의 설명에 이용하는 도면은 모두 본 발명에 따른 열전 변환 유닛, 열전 변환 모듈 및 배기 가스 발전 유닛 및 그 구성 부재를 모식적으로 나타내는 것으로, 이해를 돕기 위한 부분적인 강조, 확대, 축소, 또는 생략 등을 실시하고 있으며, 각 구성 부재의 축척이나 형상 등을 정확하게 나타내지 않는 경우가 있다. 또한, 각 실시예 및 각 변형예에서 이용하는 다양한 수치는 모두 일 예를 나타내는 것으로, 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
<실시예 1>
(열전 변환 모듈의 구조)
이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하면서, 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)의 구조에 대해 설명한다. 여기서, 도 1은 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)의 사시도이다. 또한, 도 2는 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)의 측면도이다. 여기서, 도 1에서의 일 방향을 X방향으로 정의하고, X방향과 직교하는 방향을 Y방향 및 Z방향으로 정의하는 동시에, 특히 열전 변환 모듈(1)의 높이 방향을 Z방향으로 정의한다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)은 레일형의 형상을 가지고 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)은 나란히 설치된 복수의 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b), 상기 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 단부에 설치된 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 가지고 있다. 또한, 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)은 제2 전극(3b)의 각각의 표면상에 일체적으로 설치된 복수의 흡열핀(4a~4d)(이하에서, 어느 하나의 흡열핀을 선택하지 않고 대표적으로 흡열핀을 설명하는 경우에는 단순히 흡열핀(4)이라고도 칭함)을 더 가지고 있다.
실시예 1에서, 제1 열전 변환 소자(2a)는 N형 반도체 재료로 구성되며, 제2 열전 변환 소자(2b)는 P형 반도체 재료로 구성되어 있다. 또한, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 X방향을 따라 교대로 4개(합계 8개)씩 배치되어 있다. 또한, 인접하는 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)는 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 그리고 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 형상은 원기둥 형상이며, 예를 들어 그 직경은 약 5mm이고, 높이(Z방향의 치수)는 약 10mm이다. 아울러, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)의 형상은 이러한 형상으로 한정되지 않고, 예를 들어 각기둥 형상일 수도 있다.
제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 동일한 형상(평판 형상)을 가지며, 예를 들어 구리판으로 형성되어 있다. 또한, 제1 전극(3a)은 X방향으로 5개 나란히 설치되고, 제2 전극(3b)은 X방향으로 4개 나란히 설치되어 있다. 그리고 도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 Z방향에서 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 사이에 두도록 배치되어 있다.
이러한 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 배치 관계에 의해, X방향으로 일직선상에 연재(延在)하는 열전 변환 모듈(1)의 레일 형상이 형성되게 된다. 또한, 이러한 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 배치 관계에 의해, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)가 전기적으로 직렬로 접속되게 된다. 바꿔 말하면, 실시예 1에서는, X방향으로 나란히 설치된 4개의 제1 열전 변환 소자(2a), 4개의 제2 열전 변환 소자(2b), 5개의 제1 전극(3a) 및 4개의 제2 전극(3b)으로, 하나의 직렬 회로가 형성되어 있다. 아울러, 열전 변환 모듈(1)의 양단에 위치하는 제1 전극(3a)이 외부 접속용 인출 전극으로서 기능하기 때문에, 열전 변환 모듈(1)에서 생긴 전력을 외부로 취출하는 것이 가능해진다.
여기서, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)은 구리판으로 한정되지 않고, 다른 도전성 재료(예를 들어, 알루미늄 등의 금속 재료)에 의해 형성될 수도 있다. 또한, 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)의 수량, 형상은 상술한 내용으로 한정되지 않고, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)(즉, 기전력의 크기)에 따라 적절히 변경할 수 있다. 나아가서는, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 병렬로 접속하도록 제1 전극(3a) 및 제2 전극(3b)을 배설할 수도 있다.
흡열핀(4)은 제2 전극(3b)의 열전 변환 소자와 접합한 표면과는 반대측의 표면상에 일체적으로 접합되어 있다. 실시예 1에서, 흡열핀(4)은 열전도율이 비교적 높은 SUS430을 재료로 하는 금속판이다. 열전 변환 모듈(1)이 배기 가스(열)의 유로상에 설치된 경우, 흡열핀(4)이 상기 배기 가스에 대해 직접적으로 접촉하게 되어, 제2 전극(3b)의 온도를 보다 상승시킬 수 있다. 이로써, 제1 전극(3a)과 제2 전극(3b)의 온도차를 더욱 발생시켜, 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여 열전 변환 모듈(1)의 발전량을 향상시킬 수 있다. 여기서, 열전 변환 모듈(1)에 설치된 4개의 흡열핀(4) 각각은, 접합한 제2 전극(3b)의 온도 상승에 기여하게 되는데, 열전 변환 모듈(1) 전체적으로는 4개의 흡열핀(4)으로 이루어지는 하나의 흡열부(5)에 의해 열전 변환 모듈(1)의 고온 측의 온도 상승이 일어나고 있다. 즉, 열전 변환 모듈(1)에서는, X방향으로 연재하는 하나의 흡열부(5)가 4개의 흡열핀(4)으로 구성되게 된다.
아울러, 흡열핀(4)의 폭(X방향), 두께(Y방향) 및 높이(Z방향)의 치수를 변경하여 흡열핀(4)의 표면적을 크게 할 수 있다면, 제2 전극(3b)의 온도를 보다 효율적으로 상승시킬 수 있지만, 흡열핀(4)의 치수는 열전 변환 모듈(1)에 요구되는 발전량에 따라 설정되게 된다.
(열전 변환 모듈의 제조 방법)
실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)의 제조 방법으로는, 제조 장치를 구성하는 통전 가압 부재로서 기능하는 2개의 펀치 사이에, 준비한 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b) 및 흡열핀(4)을 배치한다. 그 후, 2개의 펀치를 제1 열전 변환 소자(2a), 제2 열전 변환 소자(2b), 제1 전극(3a), 제2 전극(3b) 및 흡열핀(4)을 향해 가압하면서 전류를 공급한다. 이로써, 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)와, 제1 전극(3a), 제2 전극(3b) 및 흡열핀(4)이 확산 접합(플라즈마 접합)되어 복수의 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)가 직렬로 접속되어, 하나의 레일형 열전 변환 모듈(1)이 형성된다. 이러한 통전 가압은 진공, 질소 가스, 또는 불활성 가스 분위기의 챔버 내에서 수행된다.
(열전 변환 유닛의 구조)
그 다음, 도 3을 참조하면서 실시예 1에 따른 열전 변환 유닛(10)에 대해 설명한다. 여기서, 도 3은 실시예 1에 따른 열전 변환 유닛(10)의 구성을 나타낸 개략 상면도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 열전 변환 유닛(10)은 엔진 유닛(20)의 배기 방향의 하류에 설치되어 있다. 즉, 열전 변환 유닛(10)은 엔진 유닛(20)으로부터 배기되는 배기 가스의 열을 이용하여 발전을 수행하게 된다.
또한, 열전 변환 유닛(10)은 5개의 열전 변환 모듈(1)로 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 5개의 열전 변환 모듈(1)은 그 연재 방향이 상기 유로와 평행이 되도록, 배기 가스(열)의 유로(도 3에서 화살표로 나타냄)를 따라 나란히 설치되어 있다. 즉, 도 1, 도 2 및 도 3의 X방향, Y방향, Z방향은 공통되어 있다. 또한, 5개의 열전 변환 모듈(1)은 지그재그 형상으로 배설되어 있다. 그리고 열전 변환 유닛(10)에서는, 5개의 열전 변환 모듈(1)로부터 개별적으로 전력을 취출할 수 있는 배선을 수행할 수도 있고, 혹은 5개의 열전 변환 모듈(1)을 전기적으로 직렬로 접속하여, 하나의 큰 전력을 취출하도록 할 수도 있다. 여기서, 5개의 열전 변환 모듈(1)은 예를 들어 엔진 유닛(20)과 배기 가스를 외부로 배출하기 위한 배기 유닛(도시하지 않음) 사이에 설치된 접속관(도시하지 않음) 내에 설치되게 된다.
아울러, 열전 변환 유닛(10)을 구성하는 5개의 열전 변환 모듈(1) 중 어느 하나를 선택하여 설명하는 경우에는, 열전 변환 모듈(1a, 1b, 1c, 1d, 1e) 중 어느 하나로서 설명한다. 각 열전 변환 모듈에 설치된 흡열부(5)에 대해서도 마찬가지로, 어느 하나를 선택하여 설명하는 경우에는, 흡열부(5a, 5b, 5c, 5d, 5e) 중 어느 하나로서 설명한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 열전 변환 유닛(10)에서는, 열전 변환 모듈(1)이 배기 가스의 유로를 따라 지그재그 형상으로 설치되어 있기 때문에, 열전 변환 모듈(1)과 마찬가지로 X방향을 향해 나란히 설치되어 있는 흡열핀(4a~4d)으로 구성되는 흡열부(5)도 지그재그 형상으로 배설되게 된다. 이러한 지그재그 형상으로 흡열부(5)가 배설됨으로써, 흡열부(5) 각각은 엔진 유닛(20)으로부터 배출된 배기 가스에 대해 양호하게 접촉하는 것이 가능해진다. 즉, 흡열부(5) 각각은 다른 흡열부(5)의 존재로 인해 배기 가스와의 접촉이 저해되는 경우가 없어져, 충분한 흡열을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 화살표로 나타낸 배기 가스의 유로로부터 알 수 있는 바와 같이, 흡열부(5a, 5b, 5c)의 존재로 인해 흡열부(5a, 5b, 5c)의 하류 측에서의 배기 가스의 유량이 감소하게 되는데, 흡열부(5d, 5e)에 대해서는 흡열부(5a, 5b, 5c)의 간극을 경유하여 배기 가스가 도달하기 때문에, 하류 측에 위치하는 흡열부(5d, 5e)에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있다. 그리고 열전 변환 유닛(10)으로서는, 하류 측에서도 충분한 발전량을 얻을 수 있기 때문에 전체적으로 발전량이 향상된다.
아울러, 실시예 1에서는, 상류 측에 위치하는 열전 변환 모듈(1a~1c)의 흡열부(5a~5c)와, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈(1d~1e)의 흡열부(5d~5e)는 동일한 형상으로 동일한 표면적을 가지고 있었지만, 하류 측에서의 배기 가스의 온도 저하를 고려하여, 하류 측의 흡열부(5d~5e)의 표면적을 상류 측의 흡열부(5a~5c)의 표면적보다 크게 할 수도 있다. 즉, 상술한 접속관 내에서의 온도 분포에 따라, 열전 변환 모듈(1)별로 흡열부(5) 및 흡열핀(4)의 치수 및 표면적을 적절히 설정할 수 있다. 이로써, 배기 가스 경로의 하류 측에서도 충분한 발전을 실현할 수 있도록 열전 변환 유닛(10)의 발전량을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 변환 모듈(1)의 형상은 레일형으로 한정되지 않고, X-Y방향으로 넓어지는 등의 다른 형상일 수도 있다. 이러한 경우에도, 열전 변환 유닛(10)에서, 열전 변환 모듈(1)의 흡열부(5)가 다른 열전 변환 모듈(1)의 흡열부(5)의 흡열을 저해하지 않도록, 예를 들어 흡열부(5)를 지그재그 형상으로 배치하는 것이 중요하다.
<변형예>
(다른 열전 변환 모듈의 구조)
그 다음, 도 4 내지 도 7을 참조하면서, 열전 변환 모듈의 각 변형예에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 도 4는 변형예 1에 따른 열전 변환 모듈(101)의 상면도이고, 도 5는 변형예 2에 따른 열전 변환 모듈(201)의 측면도이고, 도 6은 변형예 3에 따른 열전 변환 모듈(301)의 측면도이고, 도 7은 변형예 4에 따른 열전 변환 모듈(401)의 정면도이다. 아울러, 각 변형예에서는, 상술한 실시예와 동일한 구조 및 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 변형예 1에 따른 열전 변환 모듈(101)은 열전 변환 모듈(1)과는 달리, 흡열핀(4a~4d)이 지그재그 형상으로 배설되어 있다. 즉, 열전 변환 모듈(101)에서는, 흡열핀(4)이 다른 흡열핀(4)의 흡열을 저해하지 않도록 배설되게 된다. 이러한 흡열핀(4)의 배설에 의해, 하류 측(＋X측)에 위치하는 흡열핀(4c, 4d)에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있으며, 하류 측에 위치하는 전극 간에서도 온도차를 보다 크게 할 수 있다. 이로써, 열전 변환 모듈(101) 자체의 발전량도 향상시킬 수 있다.
아울러, 하나의 열전 변환 모듈(101)에서 흡열핀(4)을 지그재그 형상으로 배설함으로써, 상술한 실시예와 같이 열전 변환 모듈(101)을 지그재그 형상으로 배설하지 않아도, 열전 변환 유닛(10)의 발전량의 향상을 충분히 도모할 수 있다. 이는, 열전 변환 유닛(10) 전체적으로 흡열핀(4)이 지그재그 형상으로 배설되게 되어, 상류 측(-X측)에 배설되는 열전 변환 모듈(101)이 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈(101)의 흡열을 저해할 우려가 저감되기 때문이다.
그 다음, 도 5에 나타낸 바와 같이, 변형예 2에 따른 열전 변환 모듈(201)은 열전 변환 모듈(1)과는 달리, 공통되는 1개의 흡열핀으로 흡열부(205)가 구성되어 있다. 상기 흡열핀의 형상은 X-Z 평면에서 사다리꼴로 되어 있으며, 하류 측(＋X측)에 위치하는 부분의 표면적이 상류 측(-X측)에 위치하는 부분의 표면적보다 크게 되어 있다. 바꿔 말하면, 열전 변환 모듈(201)에서, 흡열부(205)는 배기 가스의 유로의 하류 측을 향해 그 높이가 커진다. 이로써, 보다 하류 측에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있으며, 하류 측에 위치하는 전극 간에서도 온도차를 보다 크게 할 수 있다. 그리고 이러한 흡열부(205)의 구조에 의해, 열전 변환 모듈(201) 자체의 발전량이 향상된다.
여기서, 열전 변환 모듈(201)은 제1 열전 변환 소자(2a) 및 제2 열전 변환 소자(2b)를 직렬로 접속한 구조를 가지고 있기 때문에, 흡열부(205)는 전기 절연체로 구성될 필요가 있다. 예를 들어, 흡열부(205)에는 질화알루미늄 또는 산화알류미늄을 이용할 수 있다.
그 다음, 도 6에 나타낸 바와 같이, 변형예 3에 따른 열전 변환 모듈(301)은 열전 변환 모듈(1)과는 달리, 서로 표면적이 다른 4개의 흡열핀(304a, 304b, 304c, 304d)으로 하나의 흡열부(305)가 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 흡열핀(304) 각각은 제2 전극(3b)과 접합하는 단부와 반대 측의 단부가 경사져 있으며, 하류 측(＋X측)을 향해 감에 따라 그 높이(Z방향의 치수)가 서서히 커진다. 또한, 4개의 흡열핀(304)도 하류 측에 위치하는 것일수록 그 치수가 커지며, 표면적도 커진다. 즉, 열전 변환 모듈(301)에서는, 흡열부(305)는 배기 가스의 유로의 하류 측을 향해 그 높이가 커진다.
이러한 흡열부(305)의 구조에 의해, 보다 하류 측에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있으며, 하류 측에 위치하는 전극 간에서도 온도차를 보다 크게 할 수 있다. 그리고 이러한 흡열부(305)의 구조에 의해, 열전 변환 모듈(301) 자체에서도 발전량을 향상할 수 있다.
그 다음, 도 7에 나타낸 바와 같이, 변형예 4에 따른 열전 변환 모듈(401)은 열전 변환 모듈(1)과는 달리, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403)의 경사 각도가 서로 다르다. 보다 구체적으로는, 4개의 흡열핀(404a~404d)은 배기 가스의 유로를 따라 나란히 설치되어 있는데, 가장 상류 측(-X측)에 위치하는 흡열핀(403a)으로부터 가장 하류 측(＋X측)에 위치하는 흡열핀(403d)을 향해 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403)의 경사 각도가 커지도록, 흡열핀(403)의 기울기가 설정되어 있다. 예를 들어, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403a)의 경사 각도 θ1이 약 30°이고, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403b)의 경사 각도 θ2가 약 70°이고, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403c)의 경사 각도 θ3이 약 110°이며, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(403d)의 경사 각도 θ4가 약 150°일 수 있다.
이와 같이, 제2 전극(3b)에 대한 경사 각도가 서로 다른 흡열핀(404a~404d)으로 흡열부(405)가 구성됨으로써, 흡열핀의 지그재그 배치의 효과와 마찬가지로, 흡열핀(404)이 다른 흡열핀(404)의 흡열을 저해하지 않도록 배설되게 된다. 이러한 흡열핀(404)의 배설에 의해, 하류 측(＋X측)에 위치하는 흡열핀(404)에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있으며, 하류 측에 위치하는 전극 간에서도 온도차를 보다 크게 할 수 있다. 이로써, 열전 변환 모듈(401) 자체의 발전량도 향상할 수 있다.
아울러, 하나의 열전 변환 모듈(401)에서 흡열핀(404)의 경사 각도를 서로 다르게 함으로써, 상술한 실시예와 같이 열전 변환 모듈(401)을 지그재그 형상으로 배설하지 않아도, 열전 변환 유닛(10)의 발전량의 향상을 충분히 도모할 수 있다. 이는, 열전 변환 유닛(10) 전체적으로 상류 측(-X측)에 배설되는 열전 변환 모듈(401)의 흡열핀(404)이, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈(401)의 흡열핀(404)에 대한 배기 가스의 접촉(즉, 흡열핀(404)의 흡열)을 저해할 우려가 저감되기 때문이다.
(다른 열전 변환 유닛의 구조)
그 다음, 도 8 및 도 9를 참조하면서, 열전 변환 유닛의 변형예에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 도 8은 변형예 5에 따른 열전 변환 유닛(510)의 상면도이고, 도 9는 변형예 5에 따른 열전 변환 유닛(501)의 정면도이다. 아울러, 변형예 5에서는, 상술한 실시예와 동일한 구조 및 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 변형예 5에 따른 열전 변환 유닛(510)에서, 4개의 열전 변환 모듈(501a~501d)은 배기 가스의 유로를 따라 나란히 설치되어 있는 동시에, 매트릭스 형상으로 배설되어 있다. 한편, 도 8 및 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 상류 측(-X측)에 배설되는 열전 변환 모듈(501a, 501b)과, 하류 측(＋X측)에 배설되는 열전 변환 모듈(501c, 501d)은 각각이 구비하는 흡열핀의 제2 전극(3b)에 대한 경사 각도가 상이하다. 구체적으로, 열전 변환 모듈(501a)에서, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(504a1, 504b1, 504c1, 504d1)의 경사 각도 θ5는 약 45°이다. 마찬가지로, 열전 변환 모듈(501b)에서, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(504a2, 504b2, 504c2, 504d2)의 경사 각도 θ5도 약 45°이다. 한편, 열전 변환 모듈(501c)에서, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(504a3, 504b3, 504c3, 504d3)의 경사 각도 θ6은 약 135°이며, 열전 변환 모듈(501d)에서도, 제2 전극(3b)에 대한 흡열핀(504a4, 504b4, 504c4, 504d4)의 경사 각도 θ6은 약 135°이다. 이하에서, 각 흡열핀을 선택하여 설명하지 않는 경우에는, 단순히 흡열핀(504)이라고도 칭한다.
변형예 5에서는, 상류 측과 하류 측의 흡열핀(즉, 흡열부)의 경사 각도가 상이하기 때문에, 열전 변환 모듈(501a~501d)의 각각의 흡열핀(504)은 엔진 유닛(20)으로부터 배출된 배기 가스에 대해 양호하게 접촉하는 것이 가능해진다. 즉, 열전 변환 모듈(501a~501d)의 각각의 흡열부는 다른 열전 변환 모듈의 흡열부의 존재로 인해 배기 가스와의 접촉이 저해되는 경우가 없어져, 충분한 흡열을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 화살표로 나타낸 배기 가스의 유로로부터 알 수 있는 바와 같이, 열전 변환 모듈(501a)의 흡열핀(504a1~504d1)의 존재로 인해 열전 변환 모듈(501a)의 하류 측에서의 배기 가스의 유량이 감소하게 되는데, 열전 변환 모듈(501c)의 흡열핀(504a3~504d3)에 대해서는 열전 변환 모듈(501a)과 열전 변환 모듈(501b) 사이의 공간을 경유하여 배기 가스가 도달하기 때문에, 하류 측에 위치하는 흡열핀(504a3~504d3)에서도 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모할 수 있다. 그리고 열전 변환 유닛(510)으로서는, 하류 측에서도 충분한 발전량을 얻을 수 있기 때문에 전체적으로 발전량이 향상된다.
아울러, 변형예 5에서는, 열전 변환 모듈(501a~501d) 각각에 설치되어 있는 흡열핀(504)의 형상, 치수 및 표면적을 동일하게 하고 있으나, 변형예 3과 같이 하류를 향해 표면적이 커지도록 할 수도 있고, 혹은 변형예 2와 같이 1개의 흡열핀으로 할 수도 있다. 또한, 변형예 1의 지그재그 배치를 본 변형예 5에 조합하도록 하여 열전 변환 모듈(501a~501d)을 구성할 수도 있다. 당연히, 본 변형예 5에서의 열전 변환 모듈(501a~501d)의 배치를 상술한 실시예와 같이 지그재그 형상으로 배설할 수도 있다. 어느 경우든, 배기 가스의 배기 경로의 형상 및 온도 분포에 따라 각 구성을 적절히 변경 및 조합할 수 있다.
<실시예 2>
그 다음, 도 10 및 도 11을 참조하면서, 상술한 열전 변환 모듈(1)이 배설된 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛(40)의 구조에 대해 설명한다. 여기서, 도 10은 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛(40) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이며, 특히 배기 가스 발전 유닛(40)의 내부 구조를 가시화하여 나타내고 있다. 또한, 도 11은 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛(40) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
도 10 및 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛(40)은 승용 자동차 또는 그 외 엔진을 구비하는 산업 기기의 엔진 유닛(20)과 배기 유닛(30) 사이에 설치되어 있다. 또한, 배기 가스 발전 유닛(40)은 엔진 유닛(20)과 배기 유닛(30)을 접속하는 배관이며, 엔진 유닛(20)으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 구성하는 접속관(41)을 가지고 있다. 또한, 배기 가스 발전 유닛(40)은 상기 접속관(41)의 내측의 측면에 설치된 6개의 열전 변환 모듈(1)을 가지고 있다. 아울러, 열전 변환 모듈(1)의 수량은 6개로 한정되지 않고, 배기 가스 발전 유닛(40)의 치수, 요구되는 발전량 및 열전 변환 모듈(1)의 치수에 따라 적절히 변경할 수 있다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 접속관(41)에서는, 배기 가스의 유로의 폭이 엔진 유닛(20)과의 접속부부터 서서히 확대되고, 원하는 폭 치수까지 확대된 후 배기 유닛(30)의 접속부를 향해 서서히 그 폭이 좁아진다. 즉, 접속관(41)은 엔진 유닛(20)과의 접속부에서 그 폭이 한 번 확대되는데, 엔진 유닛(20) 측으로부터 배기 유닛(30) 측을 향해 서서히 배기 가스의 유로가 좁혀진다. 또한, 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 접속관(41)에서는, 배기 가스 유로의 높이가 엔진 유닛(20) 측으로부터 배기 유닛(30) 측을 향해 서서히 작아진다. 즉, 접속관(41)의 높이 방향에서도, 엔진 유닛(20) 측으로부터 배기 유닛(30) 측을 향해 서서히 배기 가스의 유로가 좁혀진다. 이상으로부터, 접속관(41)의 개구 치수는 엔진 유닛(20)의 근방에서 한 번 커지지만, 접속관(41)의 전체적인 구조로서는 엔진 유닛(20) 측으로부터 배기 유닛(30) 측을 향해 개구 치수가 작아지게 된다.
이러한 접속관(41)의 형상에 의해, 엔진 유닛(20)으로부터 배출되는 고온의 배기 가스는 접속관(41) 내에서 한 번 퍼지지만, 배기 유닛(30)을 향해 수렴되도록 흐르게 된다. 즉, 배기 가스의 유속은 배기 유닛(30)을 향해 감에 따라 상승하게 된다. 바꿔 말하면, 접속관(41)의 엔진 유닛(20) 근방에서의 배기 가스의 유속에 비해, 접속관(41)의 배기 유닛(30) 근방에서의 배기 가스의 유속이 증가하게 된다. 따라서, 이러한 접속관(41)의 형상은 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단으로서 기능하게 된다. 아울러, 상기 접속관(41)의 형상에 의해, 배기 가스의 유속 밀도도 배기 유닛(30) 측에서 증가하게 된다.
접속관(41)의 재료는 내열성을 갖는 동시에 열전도성이 비교적 낮은 것이 사용된다. 이로써, 배기 가스의 온도를 저하시키지 않게 되어, 열전 변환 모듈(1)에서의 발전을 효율적으로 수행할 수 있다.
실시예 2에 따른 배기 가스 발전 유닛(40)에서는 상술한 접속관(41)의 형상에 의해, 배기 가스의 유로의 하류 측의 유속이 상류 측과 비교하여 증가하게 된다. 바꿔 말하면, 배기 가스의 유로의 하류 측에서는, 접속관(41)의 형상이 단부를 향해 좁혀지지 않는 것과 비교하여 열 유속이 증가하게 된다. 때문에, 배기 가스의 온도가 하류 측에서 저하되는 경우에도, 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에 대해 열에너지를 집중할 수 있기 때문에 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에도 충분한 열량이 공급되게 되어, 흡열 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 실시예 2에서는, 접속관(41)의 개구 형상이 사다리꼴로 되어 있었지만, 접속관(41)의 개구 형상이 원형인 원통의 관을 사용할 수도 있다. 이 경우에도, 배기 유닛(30) 측에 위치하는 접속관의 단부를, 엔진 유닛(20) 측에 위치하는 타단보다 좁히도록 형성(즉, 개구 치수가 작아지도록)할 필요가 있다. 또한, 열전 변환 모듈(1)의 설치 부분은 접속관(41)의 내측의 측면으로 한정되지 않고, 예를 들어 접속관(41)의 내측의 상면 또는 저면일 수도 있으며, 접속관(41)의 내측 표면에서 적절히 선택할 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 접속관(41)의 내측의 측면에 상술한 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(1)이 배설되어 있지만, 상기 열전 변환 모듈(1) 대신, 상술한 변형예에 따른 열전 변환 모듈 중 어느 하나를 배설할 수도 있다. 나아가서는, 상기 열전 변환 모듈(1) 대신, 상술한 실시예 또는 변형예에 따른 열전 변환 유닛 중 어느 하나를 배설할 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 열전 변환 모듈 자체 또는 열전 변환 유닛 자체의 발전량을 향상시킬 수 있어, 배기 유닛(30)의 발전량의 향상을 한층 더 도모하는 것이 가능해진다.
<실시예 3>
실시예 2에서는, 접속관(41)의 형상을 유속 증가 수단으로서 기능시키고 있었지만, 배기 가스를 유도하는 도풍판(導風板)(도풍체, 풍도판이라고도 칭함)을 설치하여, 상기 풍도판을 유속 증가 수단으로서 기능시킬 수도 있다. 이하에서, 도 12 및 도 13을 참조하면서, 이러한 도풍판을 갖는 배기 가스 발전 유닛(140)을 실시예 3으로서 설명한다. 여기서, 도 12는 실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛(140) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이며, 특히 배기 가스 발전 유닛(140) 내부의 구조를 가시화하여 나타내고 있다. 또한, 도 13은 실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛(140) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
도 12 및 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛(140)도 승용 자동차 또는 그 외 엔진을 구비하는 산업 기기의 엔진 유닛(120)과 배기 유닛(130) 사이에 설치되어 있다. 또한, 배기 가스 발전 유닛(140)은 엔진 유닛(120)과 배기 유닛(130)을 접속하며, 엔진 유닛(120)으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 구성하는 접속관(141)을 가지고 있다. 또한, 배기 가스 발전 유닛(140)은 상기 접속관(141)의 내측의 측면에 설치된 6개의 열전 변환 모듈(1)을 가지고 있다.
도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 접속관(141)에서는, 배기 가스의 유로의 폭이 엔진 유닛(120)과의 접속부부터 서서히 확대되어, 원하는 폭 치수까지 확대되면 상기 치수가 유지되고, 배기 유닛(130)과의 접속부 근방으로부터 배기 유닛(130)을 향해 서서히 그 폭이 좁아진다. 즉, 접속관(141)은 엔진 유닛(120)과의 접속부에서 그 폭이 한 번 확대되는 동시에, 배기 유닛(130)과의 접속부에서 그 폭이 서서히 좁아지는데, 접속관(141)의 대부분에서 그 폭이 일정하게 유지된다. 또한, 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 접속관(141)에서는, 배기 가스 유로의 높이가 엔진 유닛(120) 측으로부터 배기 유닛(130) 측을 향해 서서히 작아진다. 즉, 접속관(141)의 높이 방향에서는, 엔진 유닛(120) 측으로부터 배기 유닛(130) 측을 향해 서서히 배기 가스의 유로가 좁혀진다. 또한, 접속관(141)의 재료는 실시예 2의 접속관(41)과 마찬가지로, 내열성을 갖는 동시에 열전도성이 비교적 낮은 것이 사용된다.
열전 변환 모듈(1)은 실시예 1의 열전 변환 모듈(1)과 동일하다. 또한, 실시예 2의 경우와 마찬가지로, 열전 변환 모듈(1) 대신 상술한 실시예 1 또는 변형예에 따른 열전 변환 모듈 또는 열전 변환 유닛을 배설할 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 열전 변환 모듈 자체 또는 열전 변환 유닛 자체의 발전량을 향상시킬 수 있어, 배기 유닛(130)의 발전량의 향상을 한층 더 도모하는 것이 가능해진다. 여기서, 열전 변환 모듈(1)은 접속관(141)의 내측의 측면에 나란히 설치되어 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 접속관(141)의 내부에는 3개의 도풍판(151, 152, 153)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 배기 가스의 유로(즉, 접속관(141))의 상류 측으로부터 각 열전 변환 모듈(1)을 향해 각 도풍판이 배설되어 있다.
도풍판(151)은 최상류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)보다 더욱 상류 측이며, 접속관(141)의 내측의 측면 근방에 배설되어 있다. 도풍판(151)은 접속관(141)의 내측의 측면 근방으로부터 최상류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)(도 12에서 좌측에 위치하고 있음)을 향해 직선 형상으로 연재하는 2개의 판 형상 부재(151a, 151b)로 구성되어 있다. 즉, 도풍판(151)은 판 형상 부재(151a, 151b)가 그 중심선(O)의 근방 및 그 주위에서 이격된 구조를 가지고 있다. 바꿔 말하면, 도풍판(151)은 접속관(141)과 교차하는 영역에 개구(151c)를 구비하게 된다.
또한, 도풍판(152)은 도풍판(151)보다 내측, 즉 그 일부가 도풍판(151)에 의해 둘러싸이도록 배설되어 있다. 도풍판(152)은 접속관(141)의 중심선(O)(도 3에서 파선으로 나타냄)의 근방으로부터 중류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)(도 13에서 중앙에 위치하고 있음)을 향해 직선 형상으로 연재하는 2개의 판 형상 부재(152a, 152b)로 구성되어 있다. 즉, 도풍판(152)은 판 형상 부재(152a, 152b)가 그 중심선(O)의 근방에서 이격된 구조를 가지고 있다. 바꿔 말하면, 도풍판(152)은 접속관(141)과 교차하는 영역에 개구(152c)를 구비하게 된다. 또한, 도풍판(152)의 길이는 도풍판(151)의 길이보다 크게 되어 있다.
또한, 도풍판(153)은 도풍판(151, 152)보다 내측, 즉 그 일부가 도풍판(151, 152)에 의해 둘러싸이도록 배설되어 있다. 도풍판(153)은 접속관(141)의 중심선(O)의 근방으로부터 최하류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)(도 12에서 우측에 위치하고 있음)을 향해 직선 형상으로 연재하는 2개의 판 형상 부재(153a, 153b)로 구성되어 있다. 즉, 도풍판(153)도 도풍판(152)과 마찬가지로, 판 형상 부재(153a, 153b)가 상기 중심선(O)의 근방에서 이격된 구조를 가지고 있다. 바꿔 말하면, 도풍판(153)은 접속관(141)과 교차하는 영역에 개구(153c)를 구비하게 된다. 또한, 도풍판(153)의 길이는 도풍판(151, 152)의 길이보다 크게 되어 있다.
즉, 도풍판(151, 152, 153) 각각은 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈(1) 각각을 향해 연재하고 있다. 이러한 도풍판(151, 152, 153)의 구조 및 배치로 인해, 상류 측으로부터 흐르는 배기 가스(도 12에서 가장 굵은 화살표로 나타냄)의 일부는 접속관(141)과 도풍판(151)에 의해 형성된 유로를 경유하여, 최상류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)을 향해 유도된다. 또한, 상류 측으로부터 흐르는 배기 가스의 일부는 도풍판(151)과 도풍판(152)에 의해 형성된 유로를 경유하여, 최상류에 위치하는 열전 변환 모듈(1) 및 중앙에 위치하는 열전 변환 모듈(1)을 향해 유도된다. 또한, 상류 측으로부터 흐르는 배기 가스의 일부는 도풍판(152)과 도풍판(153)에 의해 형성된 유로를 경유하여, 중앙에 위치하는 열전 변환 모듈(1) 및 최하류에 위치하는 열전 변환 모듈(1)을 향해 유도된다. 따라서, 엔진 유닛(120)으로부터 배출된 배기 가스는 도풍판(151, 152, 153)을 따라 접속관(141)의 양측부로 유도되고, 접속관(141)의 내측의 측면에 설치된 열전 변환 모듈(1)을 향해 진행되어, 상기 열전 변환 모듈(1)에서 우수한 열에너지 효율로 흡열되게 된다.
또한, 이러한 도풍판(151, 152, 153)에 의해, 엔진 유닛(120)으로부터 배출되는 고온의 배기 가스는 접속관(141) 내의 상류 측에서 한 번 퍼지는데, 도풍판(151, 152, 153)의 설치 부분 및 이보다 하류 측에서는 접속관(141)의 측부를 향해 수렴되도록 흐르게 된다. 즉, 배기 가스의 유속은 배기 유닛(130)을 향해 감에 따라 상승하게 된다. 바꿔 말하면, 접속관(141)의 엔진 유닛(120) 근방에서의 배기 가스의 유속에 비해, 접속관(141)의 배기 유닛(130) 근방에서의 배기 가스의 유속이 증가하게 된다. 따라서, 이러한 도풍판(151, 152, 153)은 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단으로서 기능하게 된다. 아울러, 상기 도풍판(151, 152, 153)에 의해, 배기 가스의 유속 밀도도 배기 유닛(130) 측에서 증가하게 된다.
실시예 3에 따른 배기 가스 발전 유닛(140)에서는, 상술한 도풍판(151, 152, 153)에 의해, 배기 가스의 유로의 하류 측의 유속이 상류 측과 비교하여 증가하게 된다. 바꿔 말하면, 배기 가스의 유로의 하류 측에서는, 도풍판(151, 152, 153)이 존재하지 않는 것과 비교하여 열 유속이 증가하게 된다. 때문에, 배기 가스의 온도가 하류 측에서 저하되는 경우에도, 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에 대해 열에너지를 집중할 수 있기 때문에, 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에도 충분한 열량이 공급되게 되어 흡열 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 실시예 3에서는, 도풍판(151, 152, 153) 각각이 2개의 판 형상 부재로 구성되어 있었지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 1개의 판 형상 부재를 만곡 및 굴곡시켜, 필요에 따라 개구를 형성한 것으로 구성될 수도 있으며, 2개 이상의 판 형상 부재로 구성될 수도 있다. 또한, 실시예 3에서, 도풍판(151, 152, 153)은 접속관(141)의 양측부로 배기 가스를 유도하고 있었지만, 열전 변환 모듈(1)이 접속관(141)의 상면 및 저면에도 설치되는 경우에는, 배기 가스를 접속관(141)의 상면 및 저면으로 유도하는 등의 구조를 구비할 수도 있다. 이러한 경우에는, 접속관(141)의 형상은 각통(角筒) 형상일 수도 있다. 또한, 접속관(141)의 외형은 실시예 2의 접속관(41)과 같이 일단(즉, 배기 가스의 유로의 하류 측)을 향해 좁혀질 수도 있다. 그리고 각 도풍판을 구성하는 각 판 형상 부재는 직선 형상이 아니라, 만곡된 형상을 가질 수도 있다. 또한, 도풍판(153)에 대해서는, 개구(153c)가 형성되어 있지 않을 수도 있다. 이로써, 엔진 유닛(120)으로부터 배출된 모든 배기 가스가 접속관(141)의 양측부로 유도되게 되어, 발전 효율의 향상을 한층 더 도모하는 것이 가능해진다.
<실시예 4>
실시예 3에서는, 3개의 도풍판(151, 152, 153)을 유속 증가 수단으로서 기능시키고 있었지만, 하나의 도풍판을 유속 증가 수단으로서 기능시킬 수도 있다. 이하에서, 도 14 및 도 15를 참조하면서, 이러한 도풍판을 갖는 배기 가스 발전 유닛(240)을 실시예 4로서 설명한다. 여기서, 도 14는 실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛(240) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 상면도이며, 특히 배기 가스 발전 유닛(240) 내부의 구조를 가시화하여 나타내고 있다. 또한, 도 15는 실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛(240) 및 그 외 유닛을 포함하는 개략 측면도이다.
도 14 및 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛(240)도 승용 자동차 또는 그 외 엔진을 구비하는 산업 기기의 엔진 유닛(220)과 배기 유닛(230) 사이에 설치되어 있다. 또한, 배기 가스 발전 유닛(240)은 실시예 3의 배기 가스 발전 유닛(140)과 마찬가지로, 접속관(241) 및 상기 접속관(241) 내측의 측면에 설치된 6개의 열전 변환 모듈(1)을 가지고 있다. 아울러, 접속관(241)의 형상 및 재료는 실시예 3의 접속관(141)과 동일하고, 열전 변환 모듈(1)도 실시예 3의 열전 변환 모듈(1)과 동일하기 때문에, 이들의 설명은 생략한다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 접속관(241)의 내부에는 도풍판(254)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 배기 가스의 유로(즉, 접속관(241))의 중앙으로부터 하류 측에서, 삼각 기둥 형상의 도풍판(254)이 배설되어 있다. 도풍판은 접속관(241)의 중심선(O)(도 5에서 파선으로 나타냄)으로부터 접속관(241)의 내측의 측면을 향해 연재하는 측면(254a, 254b)을 가지고 있다. 즉, 도풍판(254)은 접속관(241)의 엔진 유닛(220)측으로부터 배기 유닛(230) 측을 향해 배기 가스의 유로를 좁게 하는 구조체이다. 아울러, 도풍판(254)의 형상은 삼각 기둥 형상으로 한정되지 않고, 배기 가스의 유로를 하류를 향해 서서히 좁게 할 수 있다면 그 외 형상의 구조체일 수도 있으며, 또한, 접속관(241)의 개구 형상에 따라서도 적절히 변경할 수 있다.
이러한 도풍판(254)의 형상에 의해, 엔진 유닛(220)으로부터 배출되는 고온의 배기 가스는 접속관(241) 내에서 한 번 퍼지는데, 배기 유닛(230)을 향해 수렴되도록 흐르게 된다. 즉, 배기 가스의 유속은 배기 유닛(230)을 향해 감에 따라 상승하게 된다. 바꿔 말하면, 접속관(241)의 엔진 유닛(220) 근방에서의 배기 가스의 유속에 비해, 접속관(241)의 배기 유닛(230)의 근방에서의 배기 가스의 유속이 증가하게 된다. 따라서, 이러한 도풍판(254)의 형상은 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단으로서 기능하게 된다. 아울러, 상기 도풍판(254)의 형상에 의해, 배기 가스의 유속 밀도도 배기 유닛(230) 측에서 증가하게 된다.
실시예 4에 따른 배기 가스 발전 유닛(240)에서는, 상술한 도풍판(254)의 형상에 의해, 배기 가스의 유로의 하류 측의 유속이 상류 측과 비교하여 증가하게 된다. 바꿔 말하면, 배기 가스의 유로의 하류 측에서는, 도풍판(254)이 설치되지 않은 것과 비교하여 열 유속이 증가하게 된다. 때문에, 배기 가스의 온도가 하류 측에서 저하되는 경우에도, 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에 대해 열에너지를 집중할 수 있기 때문에, 하류 측에 배설된 열전 변환 모듈(1)에도 충분한 열량이 공급되게 되어, 흡열 효율을 향상시킬 수 있다.
<본 발명의 실시 형태>
본 발명의 제1 양태는, 나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자; 상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하는 제1 전극; 상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하는 제2 전극; 및 상기 제2 전극의 상기 열전 변환 소자와 접합한 표면과는 반대측의 표면상에 설치된 흡열부;를 구비하는 복수의 열전 변환 모듈을 가지며, 상기 복수의 열전 변환 모듈은 열의 유로를 따라 나란히 설치되되, 상기 흡열부는 지그재그 형상으로 배설되어 있는 열전 변환 유닛이다.
본 발명의 제2 양태는, 상기 제1 양태에 있어서, 상기 열의 유로의 하류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열부의 표면적은, 상기 열의 유로의 상류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열부의 표면적보다 큰 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 열전 변환 유닛 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제3 양태는, 상기 제1 또는 제2 양태에 있어서, 상기 열의 유로의 상류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열부와, 상기 열의 유로의 하류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열부는 상기 제2 전극에 대한 경사 각도가 상이한 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 흡열부에서의 흡열이 상류 측에 위치하는 흡열부에 의해 저해되는 경우가 없어져, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 열전 변환 유닛 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제4 양태는, 상기 제1 내지 제3 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡열부가 복수의 흡열핀으로 구성되어 있는 것이다. 이로써, 각 열전 변환 모듈에서 효율적으로 흡열을 도모할 수 있다.
본 발명의 제5 양태는, 상기 제4 양태에 있어서, 상기 열전 변환 모듈 각각에서 상기 복수의 흡열핀이 지그재그 형상으로 배설되어 있는 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 흡열핀에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 하나의 열전 변환 모듈로서의 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제6 양태는, 상기 제4 또는 제5 양태에 있어서, 상기 열전 변환 모듈 각각에서, 상기 열의 유로의 상류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열핀과, 상기 열의 유로의 하류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열핀은 상기 제2 전극에 대한 경사 각도가 상이한 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 흡열핀에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 하나의 열전 변환 모듈로서의 발전량을 보다 향상할 수 있다.
본 발명의 제7 양태는, 상기 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡열부가 상기 열의 유로의 상류 측으로부터 하류 측을 향해 그 높이가 커지는 것이다. 이로써, 흡열부의 하류 측에 위치하는 부분에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 하나의 열전 변환 모듈로서의 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제8 양태는, 나란히 설치된 복수의 열전 변환 소자; 상기 열전 변환 소자의 일단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 일단끼리를 전기적으로 접속하는 복수의 제1 전극; 상기 열전 변환 소자의 타단에 접합되어, 인접하는 상기 열전 변환 소자의 타단끼리를 전기적으로 접속하는 복수의 제2 전극; 및 상기 제2 전극의 상기 열전 변환 소자와 접합한 표면과는 반대측의 표면상에 설치된 복수의 흡열핀;을 가지며, 상기 흡열핀은 지그재그 형상으로 배설되어 있는 열전 변환 모듈이다.
본 발명의 제9 양태는, 상기 제8 양태에 있어서, 상기 열의 유로의 상류 측에 위치하는 상기 흡열핀과, 상기 열의 유로의 하류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열핀은 상기 제2 전극에 대한 경사 각도가 상이한 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 흡열핀에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 열전 변환 모듈 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제10 양태는, 상기 제8 또는 제9 양태에 있어서, 상기 열의 유로의 하류 측에 위치하는 상기 흡열핀의 표면적은, 상기 열의 유로의 상류 측에 위치하는 상기 열전 변환 모듈의 상기 흡열핀의 표면적보다 큰 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 흡열핀에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 열전 변환 모듈 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제11 양태는, 엔진 유닛과 배기 유닛 사이에 설치되는 배기 가스 발전 유닛에 있어서, 상기 엔진 유닛과 상기 배기 유닛을 접속하며, 상기 엔진 유닛으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 형성하는 접속관; 상기 접속관의 내측 표면이자, 상기 엔진 유닛의 근방 및 상기 배기 유닛의 근방에 설치되되, 열의 유로를 따라 나란히 설치된 복수의 열전 변환 모듈; 및 상기 접속관의 상기 엔진 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속에 비해, 상기 접속관의 상기 배기 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단;을 가지며, 상기 복수의 열전 변환 모듈 각각은 지그재그 형상으로 배설되어 있는 흡열부를 구비하는 배기 가스 발전 유닛이다.
본 발명의 제12 양태는, 상기 제11 양태에 있어서, 상기 유속 증가 수단이 엔진 유닛 측으로부터 배기 유닛 측을 향해 상기 접속관의 개구 치수를 작게 하는 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 배기 가스 발전 유닛 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제13 양태는, 상기 제11 양태에 있어서, 상기 유속 증가 수단이 상기 접속관의 중심선의 근방 영역으로부터 내측 표면을 향해 상기 배기 가스를 유도하는 적어도 하나의 도풍판인 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 배기 가스 발전 유닛 전체적인 발전량을 향상할 수 있다.
본 발명의 제14 양태는, 상기 제13 양태에 있어서, 상기 도풍판이 상기 접속관의 중심선과 교차하는 영역에 개구를 구비하는 동시에, 상기 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈 각각을 향해 연재하는 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 배기 가스 발전 유닛 전체적인 발전량을 보다 향상할 수 있다.
본 발명의 제15 양태는, 상기 제13 양태에 있어서, 상기 도풍판이 상기 접속관의 엔진 유닛 측으로부터 배기 유닛 측을 향해 상기 배기 가스의 유로를 좁게 하는 것이다. 이로써, 하류 측에 위치하는 열전 변환 모듈에서도 보다 우수한 열에너지 효율로 흡열을 도모하여, 배기 가스 발전 유닛 전체적인 발전량을 보다 향상할 수 있다.
1: 열전 변환 모듈
2a: 제1 열전 변환 소자
2b: 제2 열전 변환 소자
3a: 제1 전극
3b: 제2 전극
4: 흡열핀
5: 흡열부
10: 열전 변환 유닛
20: 엔진 유닛
30: 배기 유닛
40: 배기 가스 발전 유닛
41: 접속관
151, 152, 153: 도풍판

Claims (4)

  1. 엔진 유닛과 배기 유닛 사이에 설치되는 배기 가스 발전 유닛에 있어서,
    상기 엔진 유닛과 상기 배기 유닛을 접속하며, 상기 엔진 유닛으로부터 배출되는 배기 가스의 유로를 형성하는 접속관;
    상기 접속관의 내측 표면이자, 상기 엔진 유닛의 근방 및 상기 배기 유닛의 근방에 설치되되, 열의 유로를 따라 나란히 설치된 복수의 열전 변환 모듈; 및
    상기 접속관의 상기 엔진 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속에 비해, 상기 접속관의 상기 배기 유닛 근방에서의 상기 배기 가스의 유속을 높이는 유속 증가 수단;을 가지며,
    상기 유속 증가 수단은, 상기 접속관의 중심선의 근방 영역으로부터 내측 표면을 향해 상기 배기 가스를 유도하는 적어도 하나의 도풍판이고,
    상기 도풍판은, 상기 접속관의 중심선과 교차하는 영역에 개구를 구비하는 동시에, 상기 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈 각각을 향해 연재하는 배기 가스 발전 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도풍판은, 상기 배기 가스 유로의 상류 측으로부터 상기 열전 변환 모듈 각각을 향해 직선 형상으로 연재하는 배기 가스 발전 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접속관은, 상기 엔진 유닛 측으로부터 상기 배기 유닛 측을 향해, 개구 치수가 작아지는 배기 가스 발전 유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도풍판은, 상기 접속관의 상기 엔진 유닛 측으로부터 상기 배기 유닛 측을 향해, 상기 배기 가스의 유로를 좁게 하는 배기 가스 발전 유닛.
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