KR20200037632A - 열전모듈, 열전모듈용 프레임, 및 열전모듈을 포함하는 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열전모듈은, 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 열원과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 복수의 고온측 단부들과 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임과, 열전소재 배치부들 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들과, 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들 중에, 각각의 열전소재 배치부들에 배열된 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 제1 전극들과 제2 전극들을 포함한다.

Description

열전모듈, 열전모듈용 프레임, 및 열전모듈을 포함하는 차량{THERMOELECTRIC MODULE, FRAME FOR THERMOELECTRIC MODULE, AND VEHICLE INCLUDING THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전모듈, 열전모듈용 프레임, 및 열전모듈을 포함하는 차량에 관한 것으로서, 보다 자세히는 고온측과 저온측으로 교대로 굽어지는 형상의 열전모듈용 프레임, 프레임을 포함하는 열전모듈, 및 열전모듈을 포함하는 차량에 관한 것이다.
열전모듈은 그 양면의 온도 차를 이용하여 기전력을 발생하는 제베크효과(seebeck effect)를 이용한 열전발전시스템에 이용되고 있다.
이러한 열전모듈에 의한 열전발전 시에는 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 크게 유지함에 따라 열전발전의 출력량을 증가시킬 수 있다. 이때, 열원으로부터 열전모듈로 전달되는 열전달율이 그 발전의 출력량에 큰 영향을 미친다.
열전모듈을 이용해 열전발전을 이용하는 분야는 대표적으로 차량의 배기계의 폐열을 이용하는 것을 예로 들 수 있다.
일반적인 열전모듈은 판형의 기판 상에 복수의 열전소재들이 배열되어 마련되며, 열원으로부터 열에너지를 공급받는 고온부가 소정 면적을 가지는 면으로 마련된다. 차량의 배기계에 열전모듈을 설치하는 경우, 열전모듈의 고온부가 접촉될 수 있는 소정 면적의 평면을 가지는 부품에 열전모듈을 설치해야 하므로 열전모듈의 설치 상에 제약이 따르게 된다. 또는, 배기관과 같이 굴곡진 면에 열전모듈을 설치하는 경우에는 열원으로부터 열전모듈로 열에너지가 효과적으로 전달되지 못하고 손실되는 양이 많게 되는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 다각형 또는 원형의 파이프 열원을 이용하여 효과적으로 열전발전이 가능한 구조를 가지는 열전모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 외부 충격에 대해 강인한 구조의 열전모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은, 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 열원과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임과; 상기 열전소재 배치부들 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들과; 상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들 중에, 각각의 상기 열전소재 배치부들에 배열된 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 제1 전극들과 제2 전극들을 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈용 프레임은, 상하로 소정의 두께를 가지는 판형이고, 상측과 하측으로 교대로 굽어질 수 있도록, 상하 방향에 수직한 제1 방향으로 각각 연장되는 복수의 가이드홈들이 상기 상하 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되되 상측면과 하측면에 한 쌍씩 교대로 형성된다.
상기 복수의 가이드홈들은, 상측면에 형성되는 제1 가이드홈 쌍들과, 하측면에 형성되는 제2 가이드홈 쌍들을 포함한다.
열전모듈에 설치된 상태에서, 열원과 접하게 되는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하게 되는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하고 열전소재들이 배치되게 되는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하기 위해, 각각의 상기 제1 가이드홈 쌍들은 제1 거리만큼 서로 이격되고, 각각의 상기 제2 가이드홈 쌍들은 제2 거리만큼 서로 이격되고, 각각의 상기 제1 가이드홈 쌍들과 상기 제2 가이드홈 쌍들은 제3 거리만큼 서로 이격되게 마련된다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 차량은, 고온의 유체가 유동하는 배기관과, 상기 배기관에 설치되어 상기 배기관을 통해 유동하는 유체의 열을 이용해 발전하는 열전모듈을 포함한다.
상기 열전모듈은, 상기 배기관이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 상기 배기관과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임과, 상기 열전소재 배치부들 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들과, 상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들 중에, 각각의 상기 열전소재 배치부들에 배열된 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 제1 전극들과 제2 전극들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져 고온측 단부들과, 저온측 단부들과, 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임을 포함함으로써, 열전모듈이 다양한 형상의 열원에 적용되어 열원으로부터 열에너지를 효율적으로 공급받을 수 있는 효과가 있다.
둘째, 프레임이 굽어져서 굽어져 고온측 단부들과, 저온측 단부들과, 열전소재 배치부들을 마련함으로써, 열전모듈에 외부 충격이 가해질 경우 일체로 형성되는 프레임에 의해 충격이 분산될 수 있어, 열전모듈이 구조적으로 안정되게 구성되는 효과가 있다.
셋째, 본 발명에 따른 열전모듈은 설치 환경에 따른 제약을 적게 받으므로, 열전모듈의 크기를 키우기가 용이하고, 따라서 열원에 따라 적용 면적을 최적화 시켜 열전 발전량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명에 따른 열전모듈은 종래에 비해 간단하게 구성될 수 있어, 무게와 부피가 감소되는 효과가 있다.
다섯째, 열전모듈의 저온측을 공기에 의해 냉각시키도록 마련하는 경우, 열전모듈의 구동을 위한 별도의 전원 공급이 필요하지 않으므로, 전력 소모 없이 열전모듈을 구동시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 프레임이 펼쳐진 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 A부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 A부분에 클램핑 부재가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 완충 부재가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 열전모듈은 프레임(110)과, 복수의 열전소재(120)들과, 복수의 전극(130)들을 포함한다.
일반적인 열전모듈은 판형의 기판 상에 복수의 열전소재들이 배열되어 마련되며, 열원으로부터 열에너지를 공급받는 고온부가 소정 면적을 가지는 면으로 마련된다. 차량의 배기계에 열전모듈을 설치하는 경우, 열전모듈의 고온부가 접촉될 수 있는 소정 면적의 평면을 가지는 부품에 열전모듈을 설치해야 하므로 열전모듈의 설치 상에 제약이 따르게 된다. 또는, 배기관과 같이 굴곡진 면에 열전모듈을 설치하는 경우에는 열원으로부터 열전모듈로 열에너지가 효과적으로 전달되지 못하고 손실되는 양이 많게 되는 문제점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 열전모듈은 다양한 형상의 열원에 적용 가능한 열전모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 열전모듈은, 다양한 형상의 열원과 접촉 가능한 접촉부를 마련하기 위해, 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 열원과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임을 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 열전모듈의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
이하에서는 본 실시예에 따른 열전모듈(10)이 차량의 배기관(3)에 설치되는 경우를 예로써 설명하기로 한다. 차량의 배기관(3)은 단면이 원형으로 마련될 수 있고, 열전모듈(10)은 배기관(3)의 외주면의 적어도 일부를 감싸며 설치될 수 있다.
그러나, 본 발명의 열전모듈(10)이 적용 가능한 열원은 이에 한정되지 아니하고, 차량의 배기관 이외에 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 열전모듈(10)은 단면이 다각형인 파이프의 외측면의 적어도 일부를 감싸도록 설치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 열원은 파이프 형상의 배기관(3)의 내부에 유통되는 고온의 배기 가스일 수 있다. 배기 가스는 배기관(3)을 통해 차량의 외부로 배출되며, 가지고 있는 열에너지를 배기관(3)으로 전달할 수 있다.
프레임(110)은 고온측 단부(111)들과, 저온측 단부(112)들과, 각각의 고온측 단부(111)들 및 저온측 단부(112)들을 서로 연결하는 열전소재 배치부(113)들을 마련할 수 있다.
프레임(110)은 상하로 소정의 두께를 가지는 판형으로 형성될 수 있다.
프레임(110)은 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 열원과 접하는 복수의 고온측 단부(111)들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부(112)들과, 각각의 복수의 고온측 단부(111)들과 복수의 저온측 단부(112)들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부(113)들을 마련할 수 있다.
프레임(110)은 배기관(3)을 향하는 면인 내측면과, 냉각 수단을 향하는 면인 외측면을 포함할 수 있다. 즉, 프레임(110)이 평평하게 펴진 상태에서, 일측면이 내측면, 내측면의 반대측 면이 외측면일 수 있다.
복수의 고온측 단부(111)들은, 배기관(3)과 접하게 되는 고온측 접촉면을 마련하며, 열원의 원주 방향으로 배열될 수 있다.
복수의 저온측 단부(112)들은, 냉각 수단과 접하게 되는 저온측 접촉면을 마련하며, 원주 방향으로 배열될 수 있다. 냉각 수단은 냉각 부재(140)일 수 있다.
냉각 수단은 복수의 저온측 단부들과 열교환이 가능하게 배치되고, 외기에 의해 냉각되는 공냉식 냉각 부재(140)일 수 있다.
공냉식 냉각 부재(140)는 배기관(3)을 향하고, 복수의 저온측 단부(112)들과 접촉되는 내측단을 마련할 수 있다. 공냉식 냉각 부재(140)는 내측단의 반대쪽에 외기에 의해 냉각되는 외측단을 마련할 수 있다.
일 실시예에서, 공냉식 냉각 부재(140)는 복수의 냉각핀을 포함하는 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 공냉식 냉각 부재(140)는 프레임(110)과 접하게 되는 내측 및 내측의 반대편인 타측으로 교대로 굴곡진 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들면, 도 1과 같이, 공냉식 냉각 부재(140)는 내측 및 외측으로 교대로 굽어져, 복수의 저온측 단부(112)들과 접촉되는 내촉단들과, 외기와 접촉되며 냉각되는 외측단들을 마련할 수 있다.
공냉식 냉각 부재(140)는 프레임(110)의 외측에서 프레임(110)을 원주 방향으로 감싸며 설치될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에서 냉각 수단은 복수의 저온측 단부(112)들과 열교환이 가능하게 배치되고, 내부에 냉각수가 유통되게 마련되는 수냉식 냉각 부재일 수 있다. 이 경우, 수냉식 냉각 부재로 유입되는 냉각수가 순환되는 냉각수 순환유로가 마련될 수 있다. 예를 들면, 냉각 수단은 내부에 냉각수가 유통되게 마련되는 냉각재킷일 수 있다.
도시되지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에서 열전모듈은 저온측 단부가 외기에 의해 냉각되도록 마련될 수 있고, 이 경우 냉각 수단은 외기 또는 외기가 연통되게 마련되는 부재일 수 있다.
복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 열전소재 배치부(113)들 상에 배열될 수 있다. 원주 방향(도 1 참조)에 수직한 방향으로서 배기관(3)이 연장되는 방향을 길이 방향이라고 할 때, 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 각각의 열전소재 배치부(113)들 상에 길이 방향으로 교대로 배열될 수 있다.
복수의 열전소재 배치부(113)들은 열원을 향하는 면인 내측면(1131)과, 냉각 부재(140)를 향하는 면인 외측면(1132)을 마련할 수 있다.
복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 복수의 열전소재 배치부(113)들의 외측면(1132) 상에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 프레임(110)의 외측면 상에 배열될 수 있다.
도 2는 도 1의 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
프레임(110)은 열원으로부터 열전소재(120)로 열전달이 효과적으로 이루어지도록 마련되되, 전기적으로 절연 저항이 높은 재질로 마련되는 것이 열전모듈(10)의 성능 향상을 위해서 바람직하다.
예를 들면, 프레임(110)은 폴리이미드(polyimide) 등과 같은 내열성 고분자 소재로 구성될 수 있다.
복수의 저온측 단부(112)들 중에 어느 하나의 저온측 단부(112) 및 그와 연결되는 두 개의 열전소재 배치부(113)들이, 저온측 단부(112)를 윗면으로 하고 그와 연결괴는 두 개의 열전소재 배치부(113)들을 양측면으로 하는 사다리꼴을 이루도록, 각각의 저온측 단부(112)들 및 저온측 단부(112)들과 연결되는 열전소재 배치부(113)들 사이의 각도가 90도보다 크게 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 프레임(110)은 저온측 단부(112)와 열전소재 배치부(113) 사이의 각도가 90도 보다 큰 θ1이 되도록, 배기관(3)에 설치될 수 있다. 또한, 고온측 단부(111)와 열전소재 배치부(113) 사이의 각도가 90도 보다 큰 θ2이 되도록, 배기관(3)에 설치될 수 있다.
즉, 저온측 단부(112), 그와 연결되는 두 개의 열전소재 배치부(113)들, 및 배기관(3)은 전체적으로 보아 저온측 단부(112)를 윗면으로 하고 배기관(3)의 외주면의 일부를 아래면으로 하고, 두 개의 열전소재 배치부(113)들을 양 측면으로 하는 사다리 꼴을 형성할 수 있다.
달리 설명하면, 프레임(110)은 배기관(3)에 설치되어 기어의 치형과 같은 형상을 마련할 수 있다.
일 실시예에서, 프레임(110)은 배기관(3)을 원주 방향으로 360도 감싸며 설치될 수 있고, 이 경우 배기관(3)과 프레임(110)은 전체적으로 보아 단면이 기어 모양으로 마련될 수 있다.
이와 같이 마련되는 프레임(110)은 배기관(3)이 진동하는 경우에 열전모듈(10)에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있어, 열전모듈(10)의 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.
각각의 복수의 저온측 단부(112)들 및 그와 연결되는 열전소재 배치부(113)들은 배기관(3)과 함께 완충 공간들을 마련할 수 있다. 즉, 완충 공간은 저온측 단부(112) 및 그와 연결되는 두 개의 열전소재 배치부(113)들, 그리고 배기관(3)의 외주면의 일부에 의해 둘러싸인 공간일 수 있다. 도 2를 참조하면, 완충 공간은 전체적으로 사다리꼴 형상의 단면을 가질 수 있다.
도 3은 도 1의 프레임이 펼쳐진 상태를 나타낸 도면이다. 도 3은 프레임(110)이 펼쳐진 상태에서 상측면을 바라본 도면이다.
도 3을 참조하면, 프레임(110)은 길이 방향 및 폭 방향으로 연장되는 사각형의 판형으로 마련될 수 있다.
프레임(110)은 프레임(110)이 굽어지는 위치를 안내하기 위해, 복수의 고온측 단부(111)들과 복수의 열전소재 배치부(113)들 사이의 연결부 및 복수의 저온측 단부(112)들과 복수의 열전소재 배치부(113)들 사이의 연결부에 가이드홈(114)들이 형성될 수 있다.
가이드홈(114)들은 프레임(110) 상에 프레임(110)이 굽어지는 쪽에 형성될 수 있다.
프레임(110)은 프레임(110)이 상측과 하측으로 교대로 굽어질 수 있도록, 프레임(110)의 길이 방향으로 각각 연장되되 프레임(110)의 폭 방향으로 서로 나란하게 배열되는 복수의 가이드홈(114)들을 포함할 수 있다. 복수의 가이드홈(114)들은 프레임(110)의 상측면과 하측면에 한 쌍씩 교대로 형성될 수 있다.
복수의 가이드홈(114)들은 상측면에 형성되는 외측 가이드홈(1141) 쌍들과, 하측면에 형성되는 내측 가이드홈(1142) 쌍 들을 포함할 수 있다.
고온측 단부(111)들을 마련하기 위해, 각각의 외측 가이드홈(1141) 쌍들은 제1 거리(도 3의 D1)만큼 서로 이격되게 마련될 수 있다.
저온측 단부(112)들을 마련하기 위해, 각각의 내측 가이드홈(1142) 쌍들은 제2 거리(도 3의 D2)만큼 서로 이격되게 마련될 수 있다.
열전소재 배치부(113)들을 마련하기 위해, 각각의 외측 가이드홈(1141) 쌍들과 내측 가이드홈(1142) 쌍들은 제3 거리(도 3의 D3)만큼 서로 이격되게 마련될 수 있다.
프레임(110)은 굽어진 상태에서 형상이 유지가 되는 성질을 가지도록 마련될 수 있다.
이와 같이 형성되는 프레임(110)은 가이드홈(114)들에 의해 프레임(110)이 굽어지는 방향이 안내될 수 있을 뿐만 아니라, 굽어지는 위치도 안내될 수 있다. 이를 통해, 프레임(110)의 설치 시 소정의 힘을 프레임(110)에 가하는 것으로 프레임(110)이 일측 및 타측으로 교대로 굽어질 수 있어, 배기관(3)에 프레임(110)을 설치하기가 용이한 장점이 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 열전소재 배치부(113)들 상에 프레임(110)의 길이 방향으로 교대로 배열될 수 있다.
열전모듈(10)은 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들 중에, 각각의 열전소재 배치부(113)들에 배열된 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 고온측 전극(131)들과 저온측 전극(132)들을 포함할 수 있다.
복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 고온측 전극(131)들과 저온측 전극(132)들에 의해 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
복수의 n형 열전소재(121)들은 고온측 단부(111)와 인접하는 일단부와, 저온측 단부(112)와 인접하는 타단부를 포함할 수 있다.
복수의 p형 열전소재(122)들은 고온측 단부(111)와 인접하는 일단부와, 저온측 단부(112)와 인접하는 타단부를 포함할 수 있다.
각각의 고온측 전극(131)들은 서로 인접하는 n형 열전소재(121)와 p형 열전소재(122)를 서로 연결할 수 있다. 각각의 고온측 전극(131)들은 고온측 단부(111)와 인접하는 n형 열전소재(121)의 일단부와 고온측 단부(111)와 인접하는 p형 열전소재(122)의 일단부를 서로 연결할 수 있다. 즉, 각각의 고온측 전극(131)들은 인접하는 n형 열전소재(121)와 p형 열전소재(122)를 고온측에서 연결할 수 있다.
각각의 저온측 전극(132)들은 서로 인접하는 n형 열전소재(121)와 p형 열전소재(122)를 서로 연결할 수 있다. 각각의 저온측 전극(132)들은 저온측 단부(112)와 인접하는 n형 열전소재(121)의 타단부와 저온측 단부(112)와 인접하는 p형 열전소재(122)의 타단부를 서로 연결할 수 있다. 각각의 저온측 전극(132)들은 고온측 전극(131)에 의해 연결되지 않은, 서로 인접하는 n형 열전소재(121)와 p형 열전소재(122)를 저온측에서 연결할 수 있다.
이와 같이 마련되는 전극(130)들에 의해, 각각의 열전소재 배치부(113) 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재(121)들과 p형 열전소재(122)들이 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 각각의 열전소재 배치부(113)들 상에 배열된 복수의 열전소재(120)들 중에 프레임(110)의 길이 방향의 양 끝단에 위치한 열전소재(120)는 전원 공급대상의 (+)극 및 (-)극에 연결될 수 있다. 여기서, 전원 공급대상은 열전모듈로부터 전원을 공급받는 차량의 전장 부품, 또는 열전모듈에서 생성되는 전력을 저장하는 에너지 저장장치일 수 있다.
예를 들면, 열전소재 배치부(113)들 중 어느 하나의 열전소재 배치부(113) 상에 배열된 복수의 열전소재(120)들 중에, 프레임(110)의 길이 방향을 기준으로 일측단에 위치한 열전소재(120)는 (+)극에 연결되고, 타측단에 위치한 열전소재(120)는 (-)극에 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나 다른 실시예에서, 각각의 열전소재 배치부(113)들 상에 배열된 복수의 열전소재(120)들은 프레임(110)의 길이 방향 말단에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전극(130)은 서로 인접한 열전소재 배치부(113)들 상에 배열된 복수의 열전소재(120)들을 전기적으로 연결하기 위한 연결 전극을 더 포함하고, 상기 연결 전극에 의해 프레임(110) 상에 배열되는 전부 또는 일부의 복수의 열전소재 배치부(113)들이 서로 전기적으로 직렬 연결되도록 마련될 수 있다. 이 경우, 예를 들면 복수의 열전소재(120)들 중에서 프레임(110)의 길이 방향 일단 및 폭 방향 일단에 위치한 열전소재(120)가 전원 공급대상의 (+)극에 연결되고, 복수의 열전소재(120)들 중에서 길이 방향 타단 및 폭 방향 타단에 위치한 열전소재(120)가 전원 공급대상의 (-)극에 연결될 수 있다.
도 4는 도 3의 A부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 열전소재 배치부(113)들 상에 전극(130)들이 인쇄될 수 있다. 열전소재 배치부(113)들 상에 열전소재(120)들이 배치된 상태에서 열전소재(120)들을 전기적으로 직렬 연결 시키기 위한 고온측 전극(131)들 및 저온측 전극(132)들이 열전소재 배치부(113)들 상에 구비될 수 있다.
각각의 복수의 n형 열전소재(121)들의 양단에는 금속 재질의 코팅층인 금속 코팅부(1211)가 마련될 수 있다. 각각의 복수의 p형 열전소재(122)들에는 양단에 금속 재질의 코팅층인 금속 코팅부(1221)가 마련될 수 있다.
각각의 복수의 n형 열전소재(121)들 및 p형 열전소재(122)들은 금속 코팅부(1211, 1221)들이 고온측 전극(131)과 저온측 전극(132)에 접촉되도록, 열전소재 배치부(113) 상에 전극(130)들에 대응되는 위치에 설치될 수 있다.
이와 같이, 프레임(110) 상에 미리 전극(130)이 인쇄된 상태에서 열전소재(120)들이 설치되게 구성됨으로써, 열전모듈(10)의 제작이 간편하고 효율적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 열전소재(120)들의 양단에는 금속 코팅부(1211, 1221)들이 마련됨으로써, 열전소재(120)들과 전극(130)들 사이의 전기적 연결이 향상되는 장점도 있다.
도 5는 도 3의 A부분에 클램핑 부재가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
일 실시예에서, 열전모듈(10)은 열전소재(120)들을 프레임(110) 상에 견고하게 고정시키기 위한 클램핑 부재(150)들을 더 포함할 수 있다.
각각의 클램핑 부재(150)들은 서로 인접하는 n형 열전소재(121) 및 p형 열전소재(122)의 일단부들을 에워싸며 열전소재 배치부(113)에 연결될 수 있다.
이와 같이 마련되는 클램핑 부재(150)들에 의해 열전소재(120)들과 전극(130)들의 전기적 연결이 보다 안정적으로 구성될 수 있고, 열전소재(120)들과 열전소재 배치부(113)들 사이의 결합력이 향상될 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 완충 부재가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
일 실시예에서, 열전모듈(10)은 완충 부재(160)를 더 포함할 수 있다.
완충 부재(160)는 복수의 저온측 단부(112)들, 복수의 열전소재 배치부(113)들, 및 배기관(3)에 의해 정의되는 완충 공간에 배치되어, 배기관(3)과 프레임(110) 사이의 진동을 저감시킬 수 있다.
예를 들면, 차량의 구동 중에 배기관(3)은 엔진 등의 영향으로 인해 진동될 수 있다. 이에, 완충 부재(160)는 배기관(3)의 진동이 프레임(110)을 통해 열전소재(120) 등으로 전달되는 것을 저감하여, 열전모듈(10)의 구성 중의 일부가 변형되거나 구성들이 서로 분리되어 열전모듈(10)의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
완충 부재(160)는 열전모듈(10)과 배기관(3)의 결합력을 향상시킬 수 있다. 완충 부재(160)는 프레임(110)과 접착되는 동시에 배기관(3)의 외주면에도 접착되어, 열전모듈(10)과 배기관(3)의 접착면적을 넓힐 수 있다.
완충 부재(160)는 완충 공간의 형상에 대응되는 형상으로 마련되어, 완충 효과 및 결합력 향상의 효과를 더욱 높일 수 있다.
배기관(3)의 열이 열전소재(120)들로 효과적으로 전달되도록 하기 위해, 완충 부재(160)는 열저항이 높은 성질을 갖도록 마련되는 것이 바람직 하다. 이는, 열원으로부터 완충 부재(160)로의 열전달을 최소화하여, 열원이 열이 열전소재(120)로 전달되도록 하기 위함이다.
예를 들면, 완충 부재(160)는 스티로폼 등과 같은 다공성 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 열전모듈(10)은 다양한 형상의 파이프 열원에 적용 가능하고, 그러한 파이프 열원으로부터 제공받는 열에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 구조를 가지는 장점이 있다.
또한, 차량의 배기관에 열전모듈이 설치되는 경우와 같이, 열전모듈이 진동 등의 외부 충격에 노출되더라도, 외부 충격에 강인한 구조로 마련됨으로써 열전모듈의 손상이 방지될 수 있고 열전모듈의 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 프레임이 접힌 부분들의 각도가 90도 보다 크게 마련되어, 프레임에 가해지는 충격이 분산될 수 있고, 완충 부재에 의해서도 프레임 및 열전소재에 가해지는 외부 충격이 완화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전모듈용 프레임은 본 발명에 다른 열전모듈을 제작하기에 적합하도록 가이딩홈들이 형성되어, 프레임이 접어지는 방향 및 접어지는 위치가 안내되도록 마련됨으로써, 열전모듈의 설치 및 제작이 간편한 장점도 있다.
이상에서 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 실시가 가능하다.
3 : 배기관
10 : 열전모듈
110 : 프레임
111 : 고온측 단부
112 : 저온측 단부
113 : 열전소재 배치부
1131 : 내측면
1132 : 외측면
114 : 가이드홈
1141 : 외측 가이드홈
1142 : 내측 가이드홈
120 : 열전소재
121 : n형 열전소재
122 : p형 열전소재
1211, 1221 : 금속 코팅부
130 : 전극
131 : 고온측 전극
132 : 저온측 전극
140 : 냉각 부재
150 : 클램핑 부재
160 : 완충 부재

Claims (16)

  1. 열원이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 열원과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임;
    상기 열전소재 배치부들 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들; 및
    상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들 중에, 각각의 상기 열전소재 배치부들에 배열된 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 제1 전극들과 제2 전극들을 포함하는, 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 고온측 단부들은, 파이프 형상의 열원과 접하게 되는 고온측 접촉면을 마련하며, 열원의 원주 방향으로 배열되고,
    상기 복수의 저온측 단부들은, 냉각 수단과 접하게 되는 저온측 접촉면을 마련하며, 상기 원주 방향으로 배열되는, 열전모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 프레임은,
    상기 프레임이 굽어지는 위치를 안내하기 위해, 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 열전소재 배치부들 사이의 연결부 및 상기 복수의 저온측 단부들과 상기 복수의 열전소재 배치부들 사이의 연결부에 가이드홈들이 형성되는, 열전모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가이드홈들은, 상기 프레임 상에 상기 프레임이 굽어지는 쪽에 형성되는, 열전모듈.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 원주 방향에 수직한 방향으로서 파이프 형상의 열원이 연장되는 방향을 길이 방향이라고 할 때,
    각각의 상기 열전소재 배치부들 상에, 상기 길이 방향으로 상기 복수의 n형 열전소재 및 p형 열전소재들이 교대로 배열되는, 열전모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전소재 배치부들 상에 상기 제1 전극들과 상기 제2 전극들이 인쇄되는, 열전모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    각각의 상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들은,
    양단에 금속 재질로 코팅된 코팅부들이 마련되어, 상기 코팅부들이 상기 제1 전극들과 상기 제2 전극들에 접촉되도록 상기 열전소재 배치부들 상에 배열되는, 열전모듈.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 저온측 단부들 중에 어느 하나의 저온측 단부 및 그와 연결되는 두 개의 열전소재 배치부들이, 저온측 단부를 윗면으로 하고 그와 연결되는 두 개의 열전소재 배치부들을 양측면으로하는 사다리꼴을 이루도록, 각각의 저온측 단부들 및 저온측 단부들과 연결되는 열전소재 배치부들 사이의 각도가 90도보다 크게 마련되는, 열전모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    각각의 상기 복수의 열전소재 배치부들의, 열원을 향하는 내측면과 냉각 수단을 향하는 외측면 중에, 상기 외측면 상에 상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들이 배열되는, 열전모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 저온측 단부들, 상기 복수의 열전소재 배치부들, 및 열원에 의해 정의되는 완충 공간에 구비되는 완충 부재를 더 포함하는, 열전모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임은, 내열성 고분자 소재로 이루어지는, 열전모듈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 수단은,
    상기 복수의 저온측 단부들과 열교환이 가능하게 배치되고, 외기에 의해 냉각되는 공냉식 냉각 부재인, 열전모듈.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 수단은,
    상기 복수의 저온측 단부들과 열교환이 가능하게 배치되고, 내부에 냉각수가 유통되게 마련되는 수냉식 냉각 부재인, 열전모듈.
  14. 청구항 1에 있어서,
    파이프 형상의 열원을 기준으로, 상기 프레임이 열원의 외측에서 열원을 원주 방향으로 감싸고,
    상기 냉각 수단은,
    상기 프레임의 외측에서 상기 프레임을 상기 원주 방향으로 감싸도록 마련되는 냉각 부재인, 열전모듈.
  15. 상하로 소정의 두께를 가지는 판형이고,
    상측과 하측으로 교대로 굽어질 수 있도록, 상하 방향에 수직한 제1 방향으로 각각 연장되는 복수의 가이드홈들이 상기 상하 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 나란하게 배열되되 상측면과 하측면에 한 쌍씩 교대로 형성되고,
    상기 복수의 가이드홈들은, 상측면에 형성되는 제1 가이드홈 쌍들과, 하측면에 형성되는 제2 가이드홈 쌍들을 포함하고,
    열전모듈에 설치된 상태에서, 열원과 접하게 되는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하게 되는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하고 열전소재들이 배치되게 되는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하기 위해,
    각각의 상기 제1 가이드홈 쌍들은 제1 거리만큼 서로 이격되고, 각각의 상기 제2 가이드홈 쌍들은 제2 거리만큼 서로 이격되고, 각각의 상기 제1 가이드홈 쌍들과 상기 제2 가이드홈 쌍들은 제3 거리만큼 서로 이격되게 마련되는, 열전모듈용 프레임.
  16. 고온의 유체가 유동하는 배기관과, 상기 배기관에 설치되어 상기 배기관을 통해 유동하는 유체의 열을 이용해 발전하는 열전모듈을 포함하는 차량에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 배기관이 위치하는 고온측과 냉각 수단이 위치하는 저온측으로 교대로 굽어져, 상기 배기관과 접하는 복수의 고온측 단부들과, 냉각 수단과 접하는 복수의 저온측 단부들과, 각각의 상기 복수의 고온측 단부들과 상기 복수의 저온측 단부들을 서로 연결하는 복수의 열전소재 배치부들을 마련하는 프레임과,
    상기 열전소재 배치부들 상에 배열되는 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들과,
    상기 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들 중에, 각각의 상기 열전소재 배치부들에 배열된 복수의 n형 열전소재들 및 p형 열전소재들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 마련되는 복수의 제1 전극들과 제2 전극들을 포함하는, 차량.
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