KR20220115273A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온부와 저온부 간 온도차를 이용하여 전기를 생성하는 열전모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric module, and more particularly, to a thermoelectric module that generates electricity by using a temperature difference between a high temperature part and a low temperature part.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.The thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. A thermoelectric element is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
열전소자는 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.Thermoelectric devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.Thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts. For example, the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric element is increasing.
열전소자가 발전용 장치에 적용될 경우, 열전소자의 고온부 측과 저온부 측 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.When the thermoelectric element is applied to a device for power generation, electricity may be generated by using a temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 고온부 측과 저온부 측 간 온도차를 이용하여 전기를 생성하는 열전모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric module that generates electricity by using a temperature difference between a high-temperature side and a low-temperature side of a thermoelectric element.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 유체가 유동하는 제1 관에 접촉하도록 배치된 제1 열전도부, 상기 제1 유체보다 온도가 높은 제2 유체가 유동하는 제2 관에 접촉하도록 배치된 제2 열전도부, 그리고 상기 제1 열전도부와 상기 제2 열전도부 사이에서 상기 제1 열전도부 및 상기 제2 열전도부와 접촉하도록 배치된 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 열전도부는 상기 제1 기판에 접촉하도록 배치되고, 상기 제2 열전도부는 상기 제2 기판에 접촉하도록 배치되며, 상기 제1 열전도부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제1 열교환부, 상기 제1 관과 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제1 열교환부의 일단이 연결된 제1 열전도 기판, 그리고 상기 제1 기판과 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제1 열교환부의 타단이 연결된 제2 열전도 기판을 포함하고, 상기 복수의 제1 열교환부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향에 대하여 소정 각도로 경사를 이루도록 배치된다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a first heat conduction unit disposed to contact a first pipe through which a first fluid flows, and a second pipe through which a second fluid having a higher temperature than the first fluid flows. a second heat-conducting part, and a thermoelectric element disposed between the first heat-conducting part and the second heat-conducting part so as to be in contact with the first heat-conducting part and the second heat-conducting part, wherein the thermoelectric element is a first substrate , a first electrode disposed on the first substrate, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, and a second substrate disposed on the second electrode, The first heat-conducting part is disposed to contact the first substrate, the second heat-conducting part is disposed to contact the second substrate, and the first heat-conducting part is a plurality of first heat exchange parts disposed to be spaced apart from each other, the first A first heat-conducting substrate disposed in contact with a tube and connected to one end of the plurality of first heat exchange units, and a second heat-conducting substrate disposed in contact with the first substrate and connected to the other ends of the plurality of first heat exchange units, wherein The plurality of first heat exchange units is disposed to be inclined at a predetermined angle with respect to a direction from the first substrate toward the second substrate.
상기 소정 각도는 1° 내지 30°일 수 있다.The predetermined angle may be 1° to 30°.
상기 복수의 제1 열교환부는 각각 상기 제1 관과 상기 열전소자의 제1 기판을 연결하는 금속 브릿지일 수 있다.Each of the plurality of first heat exchange units may be a metal bridge connecting the first tube and the first substrate of the thermoelectric element.
상기 복수의 제1 열교환부는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프일 수 있다.Each of the plurality of first heat exchange units may be a heat pipe through which a heat exchange medium circulates.
상기 히트파이프는 상기 제1 관에 배치된 제1 영역, 상기 제1 영역에 연결되며 상기 제1 기판까지 연장되는 제2 영역, 상기 제2 영역에 연결되며 상기 제1 기판에 배치되는 제3 영역 및 상기 제3 영역에 연결되며 상기 제1 영역까지 연장되는 제4 영역을 포함하고, 상기 열교환 매체는 상기 제1 영역, 상기 제2 영역, 상기 제3 영역 및 상기 제4 영역을 순차적으로 순환하며, 상기 제2 영역을 흐르는 열교환 매체는 액체 상태이고, 상기 제4 영역을 흐르는 열교환 매체는 기체 상태이며, 상기 제4 영역은 상기 제2 영역에 비하여 높게 배치될 수 있다. The heat pipe includes a first region disposed in the first tube, a second region connected to the first region and extending to the first substrate, and a third region connected to the second region and disposed on the first substrate and a fourth region connected to the third region and extending to the first region, wherein the heat exchange medium sequentially circulates through the first region, the second region, the third region, and the fourth region; , a heat exchange medium flowing through the second region may be in a liquid state, a heat exchange medium flowing through the fourth region may be in a gaseous state, and the fourth region may be disposed higher than the second region.
상기 열교환 매체는 물, 메탄올, 에탄올 및 암모니아 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The heat exchange medium may include at least one of water, methanol, ethanol, and ammonia.
상기 복수의 제1 열교환부의 일부는 상기 제1 기판에 매립될 수 있다. A portion of the plurality of first heat exchange units may be embedded in the first substrate.
상기 복수의 제1 열교환부의 일단은 상기 제1 열전도 기판의 면적의 30% 내지 50%를 차지하도록 상기 제1 열전도 기판에 접촉될 수 있다.One end of the plurality of first heat exchange units may be in contact with the first heat-conducting substrate to occupy 30% to 50% of an area of the first heat-conducting substrate.
상기 제2 열전도부는 상기 제2 관과 상기 제2 기판 사이에 배치된 전도체 블록을 포함할 수 있다.The second heat conduction unit may include a conductor block disposed between the second tube and the second substrate.
상기 전도체 블록은 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The conductor block may include at least one of copper (Cu) and aluminum (Al).
상기 제2 열전도부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 열교환부를 포함하고, 상기 복수의 제2 열교환부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향에 대하여 소정 각도로 경사를 이루도록 배치될 수 있다.The second heat conduction unit may include a plurality of second heat exchange units spaced apart from each other, and the plurality of second heat exchange units may be arranged to be inclined at a predetermined angle with respect to a direction from the first substrate toward the second substrate. .
상기 복수의 제2 열교환부는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프일 수 있다.Each of the plurality of second heat exchange units may be a heat pipe through which a heat exchange medium circulates.
상기 제1 관 및 상기 제2 관의 적어도 일부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 수평 방향으로 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.At least a portion of the first tube and the second tube may be arranged to overlap each other in a horizontal direction from the first substrate to the second substrate.
본 발명의 실시예에 따르면, 저온부와 고온부 간 온도차(ΔT)를 극대화하여 발전 효율을 높이며, 시공이 용이한 열전모듈을 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열을 공급하는 공급관 및 열을 공급한 후 환수되는 환수관 간의 온도차를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric module that is easy to construct and increase the power generation efficiency by maximizing the temperature difference (ΔT) between the low temperature part and the high temperature part. In particular, according to an embodiment of the present invention, electricity may be generated by using a temperature difference between a supply pipe for supplying heat and a return pipe for returning heat after supplying heat.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈을 포함하는 발전시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 발전시스템의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 발전시스템의 A-A'방향의 단면도이다.
도 4는 도 3의 B 영역을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자에 실링부재가 추가된 사시도이다.
도 8은 도 7의 열전소자의 분해사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전장치의 단면도이다.
도 10은 도 9의 일부의 확대도이다.1 is a perspective view of a power generation system including a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the power generation system of FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view taken in the direction A-A' of the power generation system of FIG.
FIG. 4 is an enlarged view of area B of FIG. 3 .
5 is a cross-sectional view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
7 is a perspective view in which a sealing member is added to a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
8 is an exploded perspective view of the thermoelectric element of FIG. 7 .
9 is a cross-sectional view of a power generation device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an enlarged view of a part of FIG. 9 .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.However, the technical spirit of the present invention is not limited to some embodiments described, but may be implemented in various different forms, and within the scope of the technical spirit of the present invention, one or more of the components may be selected between the embodiments. It can be combined and substituted for use.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention may be generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, unless specifically defined and described explicitly. It may be interpreted as a meaning, and generally used terms such as terms defined in advance may be interpreted in consideration of the contextual meaning of the related art.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, the terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In this specification, the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as "at least one (or one or more) of A and (and) B, C", it is combined with A, B, C It may include one or more of all possible combinations.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.In addition, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.These terms are only for distinguishing the component from other components, and are not limited to the essence, order, or order of the component by the term.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.And, when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include the case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when it is described as being formed or disposed on "above (above) or under (below)" of each component, the top (above) or bottom (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components. In addition, when expressed as "upper (upper) or lower (lower)", the meaning of not only an upper direction but also a lower direction based on one component may be included.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈을 포함하는 발전시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 발전시스템의 분해사시도이며, 도 3은 도 1의 발전시스템의 A-A'방향의 단면도이며, 도 4는 도 3의 B 영역을 확대한 도면이다. 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전소자에 실링부재가 추가된 사시도이고, 도 8은 도 7의 열전소자의 분해사시도이다.1 is a perspective view of a power generation system including a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the power generation system of FIG. 1, and FIG. 3 is a direction A-A' of the power generation system of FIG. It is a cross-sectional view, and FIG. 4 is an enlarged view of area B of FIG. 3 . 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a perspective view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, and FIG. A perspective view in which a sealing member is added to a thermoelectric element included in the thermoelectric module according to an embodiment, and FIG. 8 is an exploded perspective view of the thermoelectric element of FIG. 7 .
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템(10)은 제1 관(P1), 제2 관(P2) 및 제1 관(P1)과 제2 관(P2) 사이에 배치된 열전모듈(1000)을 포함한다. 제1 관(P1) 내에서 제1 유체가 유동하고, 제2 관(P2) 내에서 제2 유체가 유동한다. 이에 따라, 제1 관(P1) 및 제2 관(P2)은 각각 제1 유체관 및 제2 유체관과 혼용될 수 있다. 여기서, 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 이때, 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체의 온도와 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체의 온도는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체의 온도는 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체의 온도보다 낮을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈(1000)은 제1 관(P1)을 흐르는 제1 유체와 제2 관(P2)을 흐르는 제2 유체 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.1 to 4, the
예를 들어, 제2 관(P2)은 열을 공급하는 공급관이고, 제1 관(P1)은 열 공급 후 환수되는 환수관일 수 있다. 공급관은 열공급관, 열수관, 열수송관 등과 혼용될 수 있고, 환수관은 회수관 등과 혼용될 수 있다. 예를 들어, 공급관 및 환수관은 난방용일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 관(P1)과 제2 관(P2)이 동일한 공간 내에서 소정 간격으로 이격되어 배치되고, 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체와 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체 간 온도 차가 소정 수준 이상인 경우에는 모두 본 발명의 실시예에 따른 발전장치가 적용될 수 있다. 제2 관(P2)이 공급관이고, 제1 관(P1)이 환수관인 경우, 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체의 방향과 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체의 방향이 상이할 수 있다. 예를 들어, 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체의 방향과 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체의 방향이 평행이되, 반대일 수 있다. For example, the second pipe (P2) may be a supply pipe for supplying heat, and the first pipe (P1) may be a return pipe through which heat is supplied and then returned. The supply pipe may be mixed with a heat supply pipe, a hot water pipe, a heat transport pipe, and the like, and the return pipe may be mixed with a recovery pipe and the like. For example, the supply pipe and the return pipe may be for heating, but are not limited thereto. The first pipe (P1) and the second pipe (P2) are arranged spaced apart at a predetermined interval in the same space, and the temperature difference between the fluid flowing along the first pipe (P1) and the fluid flowing along the second pipe (P2) When the level is higher than a predetermined level, the power generation device according to an embodiment of the present invention may be applied to all. When the second pipe (P2) is a supply pipe and the first pipe (P1) is a return pipe, the direction of the fluid flowing along the second pipe (P2) and the direction of the fluid flowing along the first pipe (P1) may be different have. For example, the direction of the fluid flowing along the second pipe (P2) and the direction of the fluid flowing along the first pipe (P1) are parallel, but may be opposite.
이때, 제1 관(P1)의 표면을 둘러싸도록 제1 관(P1)의 표면에는 단열재(P1_I)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 관(P1)을 따라 흐르는 유체의 열이 외부로 빼앗기지 않고 목적지까지 도달할 수 있으며, 유체의 열로 인하여 제1 관(P1) 주변의 온도가 높아지는 문제를 방지할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 관(P2)의 표면을 둘러싸도록 제2 관(P2)의 표면에는 단열재(P2_I)가 배치될 수도 있다. 이에 따라, 제2 관(P2)을 따라 흐르는 유체의 열이 외부로 빼앗기지 않고 목적지까지 도달할 수 있으며, 유체의 열로 인하여 제2 관(P2) 주변의 온도가 높아지는 문제를 방지할 수 있다.In this case, the heat insulating material P1_I may be disposed on the surface of the first tube P1 to surround the surface of the first tube P1 . Accordingly, the heat of the fluid flowing along the first pipe (P1) can reach the destination without being taken away, and it is possible to prevent the problem that the temperature around the first pipe (P1) increases due to the heat of the fluid. Similarly, the heat insulating material P2_I may be disposed on the surface of the second tube P2 to surround the surface of the second tube P2 . Accordingly, the heat of the fluid flowing along the second pipe (P2) can reach the destination without being taken away, and it is possible to prevent the problem that the temperature around the second pipe (P2) increases due to the heat of the fluid.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈(1000)은 열전소자(100)를 포함하고, 열전소자(100)는 제1 관(P1)에 접촉하도록 배치된 제1 열전도부(200)와 제2 관(P2)에 접촉하도록 배치된 제2 열전도부(300) 사이에서 제1 열전도부(200) 및 제2 열전도부(300)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 관(P2)에서 흐르는 제2 유체의 열은 제2 열전도부(300)를 통하여 열전소자(100)의 고온부(hot side)에 전달되어 고온부의 온도를 높이고, 열전소자(100)의 저온부(cold side)의 열이 제1 열전도부(200)를 통하여 제1 관(P1)에서 흐르는 제1 유체로 전달되어 저온부가 냉각될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈(1000)은 열전소자(100)의 저온부와 고온부 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
도 5 내지 도 6을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.5 to 6 , the
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다. The
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다. 본 명세서에서 열전 레그는 반도체 구조물, 반도체 소자, 반도체 재료층, 반도체 물질층, 반도체 소재층, 도전성 반도체 구조물, 열전 구조물, 열전 재료층, 열전 물질층, 열전 소재층, 열전 반도체 구조물, 열전 반도체 소자, 열전 반도체 재료층, 열전 반도체 물질층, 열전 반도체 소재층 등으로 지칭될 수도 있다.For example, when a voltage is applied to the
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. In this case, the pair of P-type
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. In this case, the P-type
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a figure of merit (ZT). The thermoelectric figure of merit (ZT) can be expressed as in Equation (1).
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.Here, α is the Seebeck coefficient [V/K], σ is the electrical conductivity [S/m], and α 2 σ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]). And, T is the temperature, and k is the thermal conductivity [W/mK]. k can be expressed as a·cp·ρ, a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is the specific heat [J/gK], ρ is the density [g/cm 3 ].
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and a thermoelectric figure of merit (ZT) can be calculated using the measured Z value.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 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.Here, the
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다. 각 절연층(170)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 절연층(170)을 이루는 복수의 층은 조성, 탄성, 인장강도 중 적어도 하나가 상이할 수 있다. 각 절연층(170)을 이루는 복수의 층 중 적어도 하나에 전극(120, 150)의 측면의 일부가 매립될 수 있으며, 전극(120, 150)의 측면에는 각 절연층(170)의 상면이 기판(110, 160)을 향하여 오목한 영역이 배치될 수 있다. 각 절연층(170)을 이루는 복수의 층의 면적은 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 각 절연층(170)을 이루는 복수의 층 중 하나가 기판(110, 160)과 접촉하고, 다른 하나가 전극(120, 150)과 접촉하도록 배치되는 경우, 전극(120, 150)과 접촉하는 층의 면적은 기판(110, 160)과 접촉하는 층의 면적보다 작을 수 있다.In addition, the
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 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. 바람직하게는, 하부기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전소자의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부기판(110)의 면적은 상부기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부기판(110)의 면적이 상부기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다. In this case, the sizes of the
또한, 하부 기판(110)과 상부 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. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.In addition, a heat dissipation pattern, for example, a concave-convex pattern, may be formed on the surface of at least one of the
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재(190)가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재(190)는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재(194) 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스(192)가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재(194, 196)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재(194, 194)는 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이를 실링하는 실링재(194)는 하부 기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 실링하는 실링재(196)는 상부기판(160)의 측면에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적보다 클 수 있다. 한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 리드선(181, 182)를 인출하기 위한 가이드 홈(G)이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스(192)는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다. 다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.7 to 8 , a sealing
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다.In the above, the terms
본 발명의 실시예에서는, 열전소자의 저온부와 고온부 간 온도 차를 크게 하여 발전 성능을 높이고자 한다. In an embodiment of the present invention, it is intended to increase the power generation performance by increasing the temperature difference between the low temperature part and the high temperature part of the thermoelectric element.
이를 위하여, 다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기에서 제1 관(P1) 및 제2 관(P2)의 표면에 단열재(P1_I, P2_I)가 배치되는 것으로 설명하였으나, 단열재(P1_I, P2_I)는 제1 열전도부(200) 및 제2 열전도부(300)가 배치되는 영역을 제외하고 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 열전도부(200) 및 제2 열전도부(300)는 각각 제1 관(P1) 및 제2 관(P2)에 직접 접촉하며, 제1 관(P1) 및 제2 관(P2)과 효율적으로 열교환될 수 있다. To this end, referring again to FIGS. 1 to 4 , in the above description, the heat insulating materials P1_I and P2_I are disposed on the surfaces of the first pipe P1 and the second pipe P2, but the heat insulating materials P1_I and P2_I) may be disposed except for an area in which the first heat-conducting
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전도부(200)는 제1 관(P1)과 접촉하도록 배치된 제1 열전도 기판(210) 및 일단이 제1 열전도 기판(210)에 연결되고, 타단이 열전소자(100)의 제1 기판(110)에 배치된 복수의 제1 열교환부(220)를 포함할 수 있으며, 복수의 제1 열교환부(220)는 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 관(P1)과 제2 관(P2) 간의 거리에 관계없이 열전모듈(1000)을 경량으로 구현할 수 있으며, 제1 열전도부(200)의 재료비를 절감할 수 있고, 설치가 용이하다. According to an embodiment of the present invention, the first heat-conducting
이때, 복수의 제1 열교환부(220)는 서로 동일한 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 열전소자(100)의 제1 기판(110)의 전체 면적에 대하여 균일하게 열교환이 수행될 수 있다.In this case, the plurality of first
이때, 제1 열전도 기판(210)은 제1 관(P1)의 표면에 접촉하도록 제1 관(P1)의 표면 형상에 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 관(P1)의 표면이 곡면인 경우, 제1 열전도 기판(210)의 양면 중 제1 관(P1)과 접촉하는 면은 제1 관(P1)의 표면 형상에 대응하는 곡면일 수 있다. 이에 따라, 제1 관(P1)과 제1 열전도 기판(210) 간 접촉 면적이 증가하고, 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다. In this case, the first heat-conducting
이때, 제1 열전도 기판(210)의 양면 중 제1 관(P1)과 접촉하는 면의 반대 면에 복수의 제1 열교환부(220)의 일단이 배치되며, 복수의 제1 열교환부(220)의 일단은 제1 열전도 기판(210)의 면적의 30% 내지 50%를 차지하도록 접촉하여 배치될 수 있다. 제1 열전도 기판(210)에서 복수의 제1 열교환부(220)의 일단이 차지하는 면적이 상기 수치범위 이내인 경우, 복수의 제1 교환부(220)와 제1 열전도 기판(210) 간의 열교환이 효율적으로 이루어질 뿐만 아니라, 열전모듈(1000)의 조립이 용이하고, 경량으로 구현할 수 있다. At this time, one end of the plurality of first
한편, 도 3 및 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 제1 열전도부(200)는 복수의 제1 열교환부(220)의 타단이 연결된 제2 열전도 기판(230)을 더 포함하며, 제2 열전도 기판(230)은 열전소자(100)의 제1 기판(110)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 열전도부(200)의 제2 열전도 기판(230)과 열전소자(100)의 제1 기판(110) 간 열교환이 용이하게 일어날 수 있다. 이때, 복수의 제1 열교환부(220)의 타단은 제2 열전도 기판(230)에 매립될 수도 있다. 이에 따르면, 복수의 제1 열교환부(220)와 제2 열전도 기판(230) 간 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제2 열전도 기판(230)은 제1 기판(110)과 접착부재에 의하여 접착될 수 있다. 이때, 접착부재는 열전도 성능이 있는 접착부재일 수 있으며, 예를 들어 써멀패드 또는 써멀그리스일 수 있다. 또는, 제2 열전도 기판(230)은 제1 기판(110)과 체결부재(미도시)에 의하여 체결될 수도 있다. 이를 위하여, 제2 열전도 기판(230) 및 제1 기판(110)에는 체결부재(미도시)가 관통하기 위한 관통홀이 형성될 수 있으며, 체결부재(미도시)가 관통홀을 관통하며 제2 열전도 기판(230) 및 제1 기판(110)을 체결할 수 있다. 이때, 체결부재(미도시)와 관통홀의 벽면 사이에는 절연체가 배치될 수 있다. 이에 따라, 체결부재(미도시)로 인하여 열전소자(100)의 내전압 성능이 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4 (a), the first heat-conducting
본 실시예에서, 지면으로부터 제1 관(P1)의 높이는 제2 관(P2)의 높이보다 높은 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 지면으로부터 제2 관(P2)의 높이가 제1 관(P1)의 높이보다 높거나, 또는 동일할 수도 있다. 자세하게는 제1 관(P1) 및 제2 관(P2)은 지면으로부터 수평 방향 즉, 제1 기판(110)으로부터 상기 제2 기판(160)을 향하는 수평 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 본 경우에도 복수의 제1 열교환부(220)의 일단은 제1 열전도 기판(210)의 면적의 30% 내지 50%를 차지하도록 접촉하여 배치시킬 수 있으며, 이때, 각각의 제1 열교환부(220)는 열전소자(100)의 제1 기판(110)으로부터 제2 기판(160)을 향하는 제1 방향에 대하여 1° 내지 30°의 소정 각도(θ) 내에서 제1 열전도 기판(210)과 접촉하는 위치에 따라 선택적으로 배치될 수 있다.In this embodiment, the height of the first tube (P1) from the ground is shown as being higher than the height of the second tube (P2), but is not limited thereto, and the height of the second tube (P2) from the ground is the first tube (P1) ) may be higher than or equal to the height of the In detail, the first pipe (P1) and the second pipe (P2) may be arranged such that at least a portion overlaps each other in a horizontal direction from the ground, that is, in a horizontal direction from the
또는, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 열교환부(220)의 타단은 열전소자(100)의 제1 기판(110)에 직접 배치될 수도 있다. 복수의 제1 열교환부(220)의 타단과 열전소자(100)의 제1 기판(110) 간 효율적인 열교환을 위하여, 복수의 제1 열교환부(220)의 타단이 열전소자(100)의 제1 기판(110) 내에 매립될 수도 있다. Alternatively, as shown in FIG. 4B , the other ends of the plurality of first
한편, 제1 열전도부(200)는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제1 열교환부(220) 사이에 배치된 단열부재를 더 포함할 수도 있다. 또는, 각 제1 열교환부(220)의 표면에는 단열층이 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 각 제1 열교환부(220)의 열이 외부로 손실되는 문제를 방지할 수 있으며, 복수의 제1 열교환부(220)의 열교환 효율을 최대화할 수 있다. Meanwhile, the first
이때, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제1 열교환부(220)는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프일 수 있으며, 열교환 매체는 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상변화 물질은 물, 메탄올, 에탄올 및 암모니아 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 복수의 제1 열교환부(220)가 냉각되면 열교환 매체는 액체 상태로 흐르고, 복수의 제1 열교환부(220)가 가열되면 열교환 매체는 기체 상태로 흐를 수 있다. 도 4(a) 내지 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 열교환부(220)는 각각 제1 관(P1)에 배치된 제1 영역(221), 제1 영역(221)에 연결되며, 열전소자(100)의 제1 기판(110)까지 연장되는 제2 영역(222), 제2 영역(222)에 연결되며 열전소자(100)의 제1 기판(110)에 배치되는 제3 영역(223) 및 제3 영역(223)에 연결되며 제1 영역(221)까지 연장되는 제4 영역(224)을 포함하며, 열교환 매체는 제1 영역(221), 제2 영역(222), 제3 영역(223) 및 제4 영역(224)을 순차적으로 순환할 수 있다. In this case, according to an embodiment of the present invention, each of the plurality of first
이때, 열교환 매체는 열전소자(100)의 제1 기판(110)으로부터 열을 흡수하고, 제1 관(P1)으로 열을 방출하며, 결과적으로 제1 기판(110)은 냉각될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(100)의 제1 기판(110)으로부터 제1 관(P1)을 향하여 흐르는 열교환 매체의 온도는 제1 관(P1)으로부터 열전소자(100)의 제1 기판(110)을 향하여 흐르는 열교환 매체의 온도보다 높을 수 있다. 이에 따라, 열전소자(100)의 제1 기판(110)으로부터 제1 관(P1)을 향하여 흐르는 열교환 매체의 온도는 기체 상태이고, 제1 관(P1)으로부터 열전소자(100)의 제1 기판(110)을 향하여 흐르는 열교환 매체는 액체 상태일 수 있다. 즉, 제2 영역(222)을 흐르는 열교환 매체는 액체 상태이고, 제4 영역(224)을 흐르는 열교환 매체는 기체 상태일 수 있다. In this case, the heat exchange medium absorbs heat from the
그리고, 제4 영역(224)은 제2 영역(222)에 비하여 지면에 대하여 높게 배치될 수 있다. 이에 따르면, 기체 상태의 열교환 매체가 제4 영역(224)을 따라 이동하고, 액체 상태의 열교환 매체가 제2 영역(222)을 따라 이동하는 과정이 효율적으로 진행될 수 있다. In addition, the
이상에서, 복수의 제1 열교환부(220)가 히트파이프인 것을 예로 들어 설명하였으나, 복수의 제1 열교환부(220) 중 적어도 일부는 금속 브릿지일 수도 있다. 금속 브릿지는 열전도도가 높은 금속 물질, 예를 들어 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In the above, it has been described that the plurality of first
한편, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제2 열전도부(300)는 제2 관(P2)과 열전소자(100)의 제2 기판(160) 사이에 배치된 전도체 블록(320)을 포함할 수 있다. 전도체 블록(320)의 일단에는 제2 관(P2)을 감싸는 제1 고정부재(310)가 배치될 수 있고, 전도체 블록(320)의 타단에는 제2 고정부재(330)가 배치되어 열전소자(100)의 제2 기판(160)에 고정될 수 있다. 이때, 제1 고정부재(310) 및 제2 고정부재(330)는 각각 제2 관(P2) 및 열전소자(100)의 제2 기판(160) 각각과 접착부재에 의하여 접착되거나, 체결부재(미도시)에 의하여 체결될 수 있다. 이를 위하여, 제2 고정부재(330) 및 제2 기판(160)에는 체결부재(미도시)가 관통하기 위한 관통홀이 형성될 수 있으며, 체결부재(미도시)가 관통홀을 관통하며 제2 고정부재(330) 및 제2 기판(160)을 체결할 수 있다. 이때, 체결부재(미도시)와 관통홀의 벽면 사이에는 절연체가 배치될 수 있다. 이에 따라, 체결부재(미도시)로 인하여 열전소자(100)의 내전압 성능이 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 1 to 3 , the second
제1 고정부재(310) 및 제2 고정부재(330)는 각각 열전도 물질을 포함할 수 있으며, 제1 고정부재(310), 전도체 블록(320) 및 제2 고정부재(330)는 별도의 구성이거나, 일체의 구성일 수 있다.The
이때, 전도체 블록(320)은 열전도 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도체 블록(320)은 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 제2 관(P2)의 열은 열전소자(100)의 제2 기판(160)으로 전달될 수 있다. 도시되지 않았으나, 전도체 블록(320)의 표면에는 단열부재가 배치될 수 있으며, 이에 따라 제2 관(P2)과 열전소자(100)의 제2 기판(160) 간에 전달되는 열이 외부로 손실되는 것을 최소화할 수 있다.In this case, the
이와 같이, 제1 열전도부(200)가 복수의 제1 열교환부(220)를 포함하고, 제2 열전도부(300)가 전도체 블록(320)을 포함하는 경우, 제2 관(P2)으로부터 열전소자(100)까지의 거리를 제1 관(P1)으로부터 열전소자(100)까지의 거리보다 짧게 구현하기 용이하다. 제1 열전도부(200) 및 제2 열전도부(300) 각각에 단열부재를 배치하더라도, 제1 열전도부(200) 및 제2 열전도부(300) 각각을 통하여 외부로 일부의 열이 손실될 수 있다. 제1 기판(110)이 저온부이고, 제2 기판이 고온부인 경우, 제2 열전도부(300)를 통하여 제2 기판(160)에 전달되는 열이 손실되면, 저온부와 고온부 간 온도차가 줄어들게 된다. 이에 따라, 저온부와 고온부 간 온도차를 최대화하기 위하여, 제2 관(P2)으로부터 열전소자(100)까지의 거리를 제1 관(P1)으로부터 열전소자(100)까지의 거리보다 짧게 설정하여 제2 관(P2)과 열전소자(100) 간의 열손실을 최소화할 수 있다.As such, when the first
또는, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 열전도부(300)는 제1 열전도부(200)와 유사한 구조를 가질 수도 있다. Alternatively, according to another embodiment of the present invention, the second heat-conducting
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전장치의 단면도이며, 도 10은 도 9의 일부의 확대도이다. Figure 9 is a cross-sectional view of a power generation device according to another embodiment of the present invention, Figure 10 is an enlarged view of a part of Figure 9.
도 1 내지 도 8에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. Duplicate descriptions of the same contents as those described with reference to FIGS. 1 to 8 will be omitted.
도 9 내지 도 10을 참조하면, 제2 열전도부(300)는 제1 열전도부(200)와 유사한 구조를 가질 수도 있다. 즉, 제2 열전도부(300)는 제2 관(P2)과 접촉하도록 배치된 제3 열전도 기판(340) 및 일단이 제3 열전도 기판(340)에 연결되고, 타단이 열전소자(100)의 제2 기판(160)에 배치된 복수의 제2 열교환부(350)를 포함할 수 있으며, 복수의 제2 열교환부(350)는 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 관(P1)과 제2 관(P2) 간의 거리에 관계없이 열전모듈(1000)을 경량으로 구현할 수 있으며, 제2 열전도부(300)의 재료비를 절감할 수 있고, 설치가 용이하다. 9 to 10 , the second heat-conducting
이때, 제3 열전도 기판(340)은 제2 관(P2)의 표면에 접촉하도록 제2 관(P2)의 표면 형상에 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 관(P2)의 표면이 곡면인 경우, 제3 열전도 기판(340)의 양면 중 제2 관(P2)과 접촉하는 면은 제2 관(P2)의 표면 형상에 대응하는 곡면일 수 있다. 이에 따라, 제2 관(P2)과 제3 열전도 기판(340) 간 접촉 면적이 증가하고, 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다. In this case, the third heat-conducting
이때, 제3 열전도 기판(340)의 양면 중 제2 관(P2)과 접촉하는 면의 반대 면에 복수의 제2 열교환부(350)의 일단이 배치되며, 복수의 제2 열교환부(350)의 일단은 제3 열전도 기판(340)의 면적의 30% 내지 50%를 차지하도록 배치될 수 있다. 제3 열전도 기판(340)에서 복수의 제2 열교환부(350)의 일단이 차지하는 면적이 상기 수치범위 이내인 경우, 복수의 제2 열교환부(350)와 제3 열전도 기판(340) 간의 열교환이 효율적으로 이루어질 뿐만 아니라, 열전모듈(1000)의 조립이 용이하고, 경량으로 구현할 수 있다. At this time, one end of the plurality of second
한편, 도 9 및 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 제2 열전도부(300)는 복수의 제2 열교환부(350)의 타단이 연결된 제4 열전도 기판(360)을 더 포함하며, 제4 열전도 기판(360)은 열전소자(100)의 제2 기판(160)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 열전도부(300)의 제4 열전도 기판(360)과 열전소자(100)의 제2 기판(160) 간 열교환이 용이하게 일어날 수 있다. 이때, 복수의 제2 열교환부(350)의 타단은 제4 열전도 기판(360)에 매립될 수도 있다. 이에 따르면, 복수의 제2 열교환부(350)와 제4 열전도 기판(360) 간 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다. On the other hand, as shown in FIGS. 9 and 10 (a), the second heat-conducting
여기서, 제4 열전도 기판(360)은 제2 기판(160)과 접착부재에 의하여 접착될 수 있다. 이때, 접착부재는 열전도 성능이 있는 접착부재일 수 있으며, 예를 들어 써멀패드 또는 써멀그리스일 수 있다. 또는, 제4 열전도 기판(360)은 제2 기판(160)과 체결부재(미도시)에 의하여 체결될 수도 있다. 이를 위하여, 제4 열전도 기판(360) 및 제2 기판(160)에는 체결부재(미도시)가 관통하기 위한 관통홀이 형성될 수 있으며, 체결부재(미도시)가 관통홀을 관통하며 제4 열전도 기판(360) 및 제2 기판(160)을 체결할 수 있다. 이때, 체결부재(미도시)와 관통홀의 벽면 사이에는 절연체가 배치될 수 있다. 이에 따라, 체결부재(미도시)로 인하여 열전소자(100)의 내전압 성능이 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.Here, the fourth heat-conducting
또는, 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 열교환부(350)의 타단은 열전소자(100)의 제2 기판(160)에 직접 배치될 수도 있다. 복수의 제2 열교환부(350)의 타단과 열전소자(100)의 제2 기판(160) 간 효율적인 열교환을 위하여, 복수의 제2 열교환부(350)의 타단이 열전소자(100)의 제2 기판(160) 내에 매립될 수도 있다. Alternatively, as shown in FIG. 10B , the other end of the plurality of second
한편, 제2 열전도부(300)는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 열교환부(350) 사이에 배치된 단열부재를 더 포함하거나, 각 제2 열교환부(350)의 표면에는 단열층이 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 각 제2 열교환부(350)의 열이 외부로 손실되는 문제를 방지할 수 있으며, 복수의 제2 열교환부(350)의 열교환 효율을 최대화할 수 있다. Meanwhile, the second
이때, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제2 열교환부(350)는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프일 수 있으며, 열교환 매체는 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상변화 물질은 물, 메탄올, 에탄올 및 암모니아 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 복수의 제2 열교환부(350)가 냉각되면 열교환 매체는 액체 상태로 흐르고, 복수의 제2 열교환부(350)가 가열되면 열교환 매체는 기체 상태로 흐를 수 있다. 복수의 제2 열교환부(350)는 각각 제2 관(P2)에 배치된 제1 영역(351), 제1 영역(351)에 연결되며, 열전소자(100)의 제2 기판(160)까지 연장되는 제2 영역(352), 제2 영역(352)에 연결되며 열전소자(100)의 제2 기판(160)에 배치되는 제3 영역(353) 및 제3 영역(353)에 연결되며 제1 영역(351)까지 연장되는 제4 영역(354)을 포함하며, 열교환 매체는 제1 영역(351), 제2 영역(352), 제3 영역(353) 및 제4 영역(354)을 순차적으로 순환할 수 있다. In this case, according to an embodiment of the present invention, each of the plurality of second
이때, 제2 관(P2)으로부터 열전소자(100)의 제2 기판(160)으로 흐른 열은 제3 영역(353)을 통하여 제2 기판(160)에 공급될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(100)의 제2 기판(160)으로부터 제2 관(P2)을 향하여 흐르는 열교환 매체는 액체 상태이고, 제2 관(P2)으로부터 열전소자(100)의 제2 기판(160)을 향하여 흐르는 열교환 매체는 기체 상태일 수 있다. 즉, 제4 영역(354)을 흐르는 열교환 매체는 액체 상태이고, 제2 영역(352)을 흐르는 열교환 매체는 기체 상태일 수 있다. 이에 따라, 제2 관(P2)의 열은 열교환 매체를 통하여 제2 기판(160)으로 전달되며, 제2 기판(160)은 가열될 수 있다. In this case, heat flowing from the second tube P2 to the
이때, 복수의 제2 열교환부(350)는 열전소자(100)의 제1 기판(110)으로부터 제2 기판(160)을 향하는 제1 방향에 대하여 각각 소정 각도로 경사를 이루도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 소정 각도는 1° 내지 30°내에서 각각 선택적으로 배치될 수 있다. 그리고, 제2 영역(352)은 제4 영역(354)에 비하여 지면에 대하여 높게 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 열교환부(350)는 복수의 제1 열교환부(320)와 평행하게 배치될 수 있다. 이에 따르면, 기체 상태의 열교환 매체가 제2 영역(352)을 따라 이동하고, 액체 상태의 열교환 매체가 제4 영역(354)을 따라 이동하는 과정이 효율적으로 진행될 수 있다.In this case, the plurality of second
이상에서, 복수의 제2 열교환부(350)가 히트파이프인 것을 예로 들어 설명하였으나, 복수의 제2 열교환부(350) 중 적어도 일부는 금속 브릿지일 수도 있다. 금속 브릿지는 열전도도가 높은 금속 물질, 예를 들어 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In the above, it has been described that the plurality of second
한편, 복수의 제2 열교환부(350) 각각의 길이는 복수의 제1 열교환부(220) 각각의 길이보다 짧게 설정될 수 있다. 제1 기판(110)이 저온부이고, 제2 기판이 고온부인 경우, 제2 열전도부(300)를 통하여 제2 기판(160)에 전달되는 열이 손실되면, 저온부와 고온부 간 온도차가 줄어들게 된다. 이에 따라, 저온부와 고온부 간 온도차를 최대화하기 위하여, 제2 관(P2)으로부터 열전소자(100)까지의 거리를 제1 관(P1)으로부터 열전소자(100)까지의 거리보다 짧게 설정하는 것이 유리하다.Meanwhile, a length of each of the plurality of second
본 발명의 실시예에 따른 열전모듈로부터 얻어진 전기는 배터리부에 저장될 수 있으며, 배터리부에 저장된 전기는 열전모듈 주변의 센싱 장치 등 다양한 전자 장치에 공급될 수 있다. 예를 들어, 고온의 유체가 흐르는 관의 주변에는 유체의 유량, 온도, 누출 등을 감지하기 위한 센싱 장치가 배치될 수 있으며, 이러한 센싱 장치가 동작하기 위해서는 전기가 필요하다. 센싱 장치에 전기를 공급하기 위하여 별도의 전기 배선 작업이 필요하지만, 고온의 유체가 흐르는 관이 지하에 매립되는 등과 같이 사람의 접근이 용이하지 않은 곳에 배치되는 경우, 전기 배선 작업 및 유지 보수에 어려움을 겪을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈을 이용하여 자체적으로 전기를 생성한 후, 이를 주변의 센싱 장치에 이용할 수 있다.Electricity obtained from the thermoelectric module according to an embodiment of the present invention may be stored in the battery unit, and the electricity stored in the battery unit may be supplied to various electronic devices such as a sensing device around the thermoelectric module. For example, a sensing device for detecting a flow rate, temperature, leakage, etc. of the fluid may be disposed around a pipe through which a high-temperature fluid flows, and electricity is required for the sensing device to operate. Although separate electrical wiring work is required to supply electricity to the sensing device, when it is placed in a place where human access is not easy, such as a tube through which a high-temperature fluid flows is buried underground, electrical wiring work and maintenance are difficult can experience After generating electricity by itself using the thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, it can be used in a surrounding sensing device.
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.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it can be done.
Claims (13)
상기 제1 유체보다 온도가 높은 제2 유체가 유동하는 제2 관에 접촉하도록 배치된 제2 열전도부, 그리고
상기 제1 열전도부와 상기 제2 열전도부 사이에서 상기 제1 열전도부 및 상기 제2 열전도부와 접촉하도록 배치된 열전소자를 포함하고,
상기 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
상기 제1 열전도부는 상기 제1 기판에 접촉하도록 배치되고, 상기 제2 열전도부는 상기 제2 기판에 접촉하도록 배치되며,
상기 제1 열전도부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제1 열교환부, 상기 제1 관과 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제1 열교환부의 일단이 연결된 제1 열전도 기판, 그리고 상기 제1 기판과 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제1 열교환부의 타단이 연결된 제2 열전도 기판을 포함하고,
상기 복수의 제1 열교환부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향에 대하여 소정 각도로 경사를 이루도록 배치되는 열전모듈. a first heat conduction unit disposed to contact the first tube through which the first fluid flows;
A second heat conduction unit disposed to contact a second tube through which a second fluid having a temperature higher than that of the first fluid flows, and
a thermoelectric element disposed between the first heat-conducting part and the second heat-conducting part so as to be in contact with the first heat-conducting part and the second heat-conducting part;
The thermoelectric element includes a first substrate, a first electrode disposed on the first substrate, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, and a second electrode disposed on the second electrode a second substrate;
The first heat-conducting part is disposed to contact the first substrate, and the second heat-conducting part is disposed to contact the second substrate,
The first heat-conducting part is disposed to be in contact with a plurality of first heat-exchanging parts spaced apart from each other, a first heat-conducting substrate disposed to contact the first tube and to which one end of the plurality of first heat-exchange parts is connected, and the first substrate. and a second heat-conducting substrate to which the other ends of the plurality of first heat exchange units are connected,
The plurality of first heat exchange units is disposed to be inclined at a predetermined angle with respect to a direction from the first substrate toward the second substrate.
상기 소정 각도는 1° 내지 30°인 열전모듈.According to claim 1,
The predetermined angle is 1 ° to 30 ° thermoelectric module.
상기 복수의 제1 열교환부는 각각 상기 제1 관과 상기 열전소자의 제1 기판을 연결하는 금속 브릿지인 열전모듈. According to claim 1,
The plurality of first heat exchange units are metal bridges connecting the first tube and the first substrate of the thermoelectric element, respectively.
상기 복수의 제1 열교환부는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프인 열전모듈. According to claim 1,
The plurality of first heat exchange units are heat pipes through which a heat exchange medium circulates, respectively.
상기 히트파이프는 상기 제1 관에 배치된 제1 영역, 상기 제1 영역에 연결되며 상기 제1 기판까지 연장되는 제2 영역, 상기 제2 영역에 연결되며 상기 제1 기판에 배치되는 제3 영역 및 상기 제3 영역에 연결되며 상기 제1 영역까지 연장되는 제4 영역을 포함하고,
상기 열교환 매체는 상기 제1 영역, 상기 제2 영역, 상기 제3 영역 및 상기 제4 영역을 순차적으로 순환하며, 상기 제2 영역을 흐르는 열교환 매체는 액체 상태이고, 상기 제4 영역을 흐르는 열교환 매체는 기체 상태이며,
상기 제4 영역은 상기 제2 영역에 비하여 높게 배치된 열전모듈. 5. The method of claim 4,
The heat pipe includes a first region disposed in the first tube, a second region connected to the first region and extending to the first substrate, and a third region connected to the second region and disposed on the first substrate and a fourth region connected to the third region and extending to the first region,
The heat exchange medium sequentially circulates through the first region, the second region, the third region, and the fourth region, the heat exchange medium flowing through the second region is in a liquid state, and the heat exchange medium flowing through the fourth region is the gaseous state,
The fourth region is disposed higher than the second region.
상기 열교환 매체는 물, 메탄올, 에탄올 및 암모니아 중 적어도 하나를 포함하는 열전모듈.5. The method of claim 4,
The heat exchange medium includes at least one of water, methanol, ethanol, and ammonia.
상기 복수의 제1 열교환부의 일부는 상기 제1 기판에 매립된 열전모듈. According to claim 1,
A thermoelectric module in which a portion of the plurality of first heat exchange units is embedded in the first substrate.
상기 복수의 제1 열교환부의 일단은 상기 제1 열전도 기판의 면적의 30% 내지 50%를 차지하도록 상기 제1 열전도 기판에 접촉되는 열전모듈.According to claim 1,
One end of the plurality of first heat exchange units is in contact with the first heat-conducting substrate to occupy 30% to 50% of an area of the first heat-conducting substrate.
상기 제2 열전도부는 상기 제2 관과 상기 제2 기판 사이에 배치된 전도체 블록을 포함하는 열전모듈. According to claim 1,
and the second heat conduction unit includes a conductor block disposed between the second tube and the second substrate.
상기 전도체 블록은 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하는 열전모듈.10. The method of claim 9,
The conductor block includes at least one of copper (Cu) and aluminum (Al).
상기 제2 열전도부는 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 열교환부를 포함하고, 상기 복수의 제2 열교환부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향에 대하여 소정 각도로 경사를 이루도록 배치된 열전모듈. According to claim 1,
The second heat conduction unit includes a plurality of second heat exchange units spaced apart from each other, and the plurality of second heat exchange units are arranged to be inclined at a predetermined angle with respect to a direction from the first substrate toward the second substrate. .
상기 복수의 제2 열교환부는 각각 열교환 매체가 순환하는 히트파이프인 열전모듈.12. The method of claim 11,
The plurality of second heat exchange units are heat pipes through which a heat exchange medium circulates, respectively.
상기 제1 관 및 상기 제2 관의 적어도 일부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 수평 방향으로 서로 중첩되도록 배치되는 열전모듈.According to claim 1,
At least a portion of the first tube and the second tube is disposed to overlap each other in a horizontal direction from the first substrate to the second substrate.
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