WO2019112288A1 - 열변환장치 - Google Patents

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WO2019112288A1
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이언학
강종현
전성재
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엘지이노텍 주식회사
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic components, and communication components.
  • a thermoelectric element can be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like.
  • thermoelectric performance of thermoelectric elements there is a growing demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements disposed on the first surface and the second surface respectively, a radiator plate disposed on the thermoelectric element, and a heat sink disposed on the radiator plate
  • the thermoelectric element includes a plurality of first electrodes, a plurality of second electrodes, and a plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs disposed between the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes .
  • the gas guide member 1400 may be formed as a unit of a pair of thermoelectric modules 1200 and 1300 or may be formed as a unit of a plurality of pairs of thermoelectric modules 1200 and 1300 continuously disposed on a single duct 1100 As shown in FIG.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 냉각용 유체가 통과하는 덕트, 상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제 1 열전모듈, 상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제 2 열전모듈 및 상기 덕트의 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에 배치된 제 3 표면 상에서 상기 제 3 표면과 이격되어 배치된 기체 가이드 부재를 포함하고, 상기 기체 가이드 부재는 상기 제 1 열전모듈과 접촉하는 일단, 상기 제 2 열전모듈과 접촉하는 타단 및 상기 일단 및 타단을 연결하는 연장부를 포함하고 상기 기체 가이드 부재는 상기 일단과 상기 타단 사이의 중심으로 갈수록 상기 제3 표면과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다.

Description

열변환장치
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.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 냉각용 유체가 통과하는 덕트, 상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제 1 열전모듈, 상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제 2 열전모듈 및 상기 덕트의 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에 배치된 제 3 표면 상에서 상기 제 3 표면과 이격되어 배치된 기체 가이드 부재를 포함하고, 상기 기체 가이드 부재는 상기 제 1 열전모듈과 접촉하는 일단, 상기 제 2 열전모듈과 접촉하는 타단 및 상기 일단 및 타단을 연결하는 연장부를 포함하고 상기 기체 가이드 부재는 상기 일단과 상기 타단 사이의 중심으로 갈수록 상기 제3 표면과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 열전모듈 및 상기 제 2 열전모듈은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 배치된 열전소자, 상기 열전소자에 배치된 방열기판, 그리고 상기 방열기판에 배치된 히트싱크를 포함하며, 상기 열전소자는 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 사이에 배치되는 복수의 P형 열전레그 및 복수의 N형 열전레그를 포함할 수 있다.
상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 각각과 상기 열전소자 사이에는 알루미늄 기판이 더 포함되며, 상기 알루미늄 기판은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착될 수 있다.
상기 기체 가이드 부재의 일단은 상기 적어도 하나의 제1 열전모듈의 히트싱크에 연결되고, 상기 기체 가이드 부재의 타단은 상기 적어도 하나의 제2 열전모듈의 히트싱크에 연결되며, 상기 연장부의 중심부는 소정의 각도를 가지며, 상기 중심부의 각도는 상기 일단과 상기 연장부의 사이 각보다 작을 수 있다.
상기 기체 가이드 부재와 상기 제3 표면 사이에는 공기층이 형성될 수 있다.
상기 기체 가이드 부재와 상기 제3 표면 사이에는 단열 부재가 배치될 수 있다.
상기 복수의 제1 열전모듈 및 상기 복수의 제2 열전모듈은 스크류를 이용하여 상기 덕트와 체결될 수 있다.
상기 덕트의 내벽에는 방열핀이 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용되는 부품 수 및 차지하는 부피를 줄여 조립이 간단하면서도 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자로의 열전달 효율이 개선된 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 열전모듈의 개수 및 덕트의 개수를 조절하여 발전 용량을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1의 X-X' 방향으로 자른 단면도이다.
도 4는 도 3의 단위 모듈의 분해도이다.
도 5는 열전모듈이 덕트에 체결되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
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 8은 본 발명의 다른 실시예에 포함되는 기체 가이드 부재의 사시도 및 단면도이다.
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 일부 확대도이고, 도 3은 도 1의 X-X' 방향으로 자른 단면도이고, 도 4는 도 3의 단위 모듈의 분해도이다. 도 5는 열전모듈이 덕트에 체결되는 구조를 설명하기 위한 도면이고, 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 1 내지 4를 참조하면, 열변환장치(1000)는 복수의 덕트(1100), 복수의 제1 열전모듈(1200), 복수의 제2 열전모듈(1300) 및 복수의 기체 가이드 부재(1400)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(1000)는, 덕트(1100)를 통해 흐르는 냉각용 유체 및 복수의 덕트(1100) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차, 즉 복수의 제1 열전모듈(1200)과 복수의 제2 열전모듈(1300)의 흡열면 및 발열면 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
복수의 덕트(1100)는 냉각용 유체가 통과하며, 소정 간격으로 이격되도록 배치된다. 예를 들어, 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 바람직하게는 40℃ 미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 복수의 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 덕트(1100)는 제1 면(1110), 제1 면(1110)에 대향하며 제1면(1110)과 평행하게 배치된 제2면(1120), 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에 배치된 제3면(1130) 및 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에서 제3면(1130)에 대향하도록 배치된 제4면(1140)을 포함하며, 제1면(1110), 제2면(1120), 제3면(1130) 및 제4면(1140)에 의하여 이루어진 덕트 내부로 냉각용 유체가 통과한다. 냉각용 유체는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다. 냉각용 유체의 유입 및 배출을 용이하게 하고, 복수의 덕트(1100)를 지지하기 위하여, 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구 측 및 냉각용 유체 배출구 측에는 각각 유입구 지지부재(1500) 및 배출구 지지부재(1600)가 더 배치될 수 있다. 유입구 지지부재(1500) 및 배출구 지지부재(1600)는 각각 복수의 개구부가 형성된 플레이트 형상이며, 유입구 지지부재(1500)에 형성된 복수의 개구부(1510)는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구와 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성되며, 배출구 지지부재(1600)에 형성된 복수의 개구부(미도시)는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 배출구의 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성될 수 있다.
각 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀(1150)이 배치될 수 있다. 방열핀(1150)의 형상, 개수, 각 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각용 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀(1150)이 각 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 각 덕트(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
그리고, 각 덕트(1100)의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수도 있다. 각 덕트(1100)의 내부가 복수의 영역으로 구획될 경우, 냉각용 유체의 유량이 각 덕트(1100)의 내부를 가득채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각용 유체가 각 덕트(1100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 각 덕트(1100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
한편, 복수의 제1 열전모듈(1200)은 각 덕트(1100)의 제1 면(1110)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제1 표면(1112)에 배치되고, 복수의 제2 열전모듈(1300)은 각 덕트(1100)의 제2 면(1120)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제2 표면(1122)에서 복수의 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치된다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수 있다.
각 덕트(1100)마다 복수의 쌍의 열전모듈, 즉 복수의 단위 열전모듈이 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 덕트(1100)마다 m쌍의 열전모듈이 배치되며, 열변환장치(1000)가 n개의 덕트(1100)를 포함하는 경우, 열변환장치(1000)는 m*n쌍의 열전모듈, 즉 2*m*n개의 열전모듈을 포함할 수 있다. 이때, 요구되는 발전량에 따라 단위 열전모듈의 개수 및 덕트의 개수를 조절할 수 있다.
이때, 각 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제1 열전모듈(1200)의 적어도 일부는 버스 바(1800)를 이용하여 전기적으로 서로 연결되고, 각 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제2 열전모듈(1300)의 적어도 일부는 다른 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 버스 바(1800)는, 예를 들어 고온의 기체가 복수의 덕트(1100) 간의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 배출구, 즉 각 덕트(1100)의 제4면(1140) 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다.
도 5를 참조하면, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 스크류(S)를 이용하여 덕트(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 표면에 안정적으로 결합할 수 있다.
다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122) 각각에 배치된 열전소자(1210, 1310), 열전소자(1210, 1310)에 배치된 방열기판(1220, 1320) 및 방열기판(1220, 1320)에 배치된 히트싱크(1230, 1330)를 포함한다. 이와 같이, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면에 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 배치되고, 다른 면에 방열기판(1220, 1320) 및 히트싱크(1230, 1330)가 배치되며, 방열기판(1220, 1320) 및 히트싱크(1230, 1330)를 통하여 고온의 기체가 통과하면, 열전소자(1210, 1310)의 흡열면과 방열면 간 온도 차를 크게 할 수 있으며, 이에 따라 열전변환 효율을 높일 수 있다.
이때, 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122)과 열전소자(1210, 1310) 사이에는 알루미늄 기판(1240, 1340)이 더 배치되며, 알루미늄 기판(1240, 1340)은 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122) 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM, 1250, 1350)에 의하여 접착될 수 있다. 알루미늄 기판(1240, 1340)은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판(1240, 1340)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM, 1250, 1350)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판(1240, 1340)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다.
이때, 열전소자(1210, 1310)의 구조는 도 6 내지 7에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다. 도 6 내지 7을 참조하면, 열전 소자(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.
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.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 흡열면으로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 방열면으로 작용할 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 PCTKR2018015241-appb-M000001
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 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, 144), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146), 그리고 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)을 포함한다.
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, 148) 및 제2 금속층(138, 148)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, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)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, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)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, 146) 및 제2 접합층(136, 146) 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, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 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) 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.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 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 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
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.
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.
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.
또는, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 생략될 수도 있다.
다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 기체 가이드 부재(1400)는 덕트(1100)마다 하나씩 또는 덕트(1100)마다 복수 개씩 배치될 수 있으며, 고온의 기체가 유입되는 방향에 배치될 수 있다. 예를 들어, 덕트(1100)의 제3 면(1130)이 고온의 기체가 유입되는 방향을 향하고, 제4 면(1140)이 고온의 기체가 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 방향을 향하도록 배치되는 경우, 기체 가이드 부재(1400)는 덕트(1100)의 제3 면(1130) 측에 배치될 수 있다.
이때, 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간에 유입되는 기체의 온도는 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간으로부터 배출되는 기체의 온도보다 높다. 예를 들어, 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간에 유입되는 기체는 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생하는 폐열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간으로 유입되는 기체의 온도는 100℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상, 더욱 바람직하게는 220℃ 내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간의 폭은 수mm 내지 수십 mm일 수 있으며, 열전환장치의 크기, 유입되는 기체의 온도, 기체의 유입 속도, 요구되는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
기체 가이드 부재(1400)는 일단(1410)이 제1 열전모듈(1200)과 연결되고, 덕트(1100)의 제3 면(1130)에 포함되며 덕트 외부로 향하는 제3 표면(1132) 상에서 제3 표면(1132)과 이격되도록 연장되며, 타단(1420)이 제2 열전모듈(1300)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 고온의 기체, 예를 들어 폐열이 기체 가이드 부재(1400)를 통하여 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간을 통과할 수 있다.
이때, 기체 가이드 부재(1400)는 한 쌍의 열전모듈(1200, 1300) 단위로 형성될 수도 있고, 하나의 덕트(1100) 상에 연속하여 배치된 복수의 쌍의 열전모듈(1200, 1300) 단위로 형성될 수도 있다.
기체 가이드 부재(1400)의 일단(1410)과 타단(1420) 사이의 연장면(1430)은 일단(1410)과 타단(1420) 사이의 중심으로 갈수록 제3 표면(1130)과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 기체 가이드 부재(1400)의 연장면(1430)은 우산 형상 또는 지붕 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 고온의 기체가 복수의 덕트(1100) 사이에 이격된 공간을 통과할 수 있도록 가이드될 수 있다.
또한, 기체 가이드 부재(1400)의 연장면(1430)은 우산 형상 또는 지붕 형상을 가질 경우, 기체 가이드 부재(1400)와 제1 열전모듈(1200)의 측면, 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 측면 사이에는 공기층이 형성되어, 단열 성능을 높일 수 있다.
여기서, 기체 가이드 부재(1400)의 일단(1410)은 제1 열전모듈(1200)의 히트싱크(1230)에 연결되고, 타단(1420)은 제2 열전모듈(1300)의 히트싱크(1330)에 연결되며, 실링될 수 있다. 이에 따라, 복수의 덕트(1100) 사이를 통과하는 고온의 기체가 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)의 방열 기판(1220, 1320) 및 히트싱크(1230, 1330)만을 통과할 뿐, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 열전소자(1210, 1220)에 직접 닿는 문제를 방지할 수 있고, 기체 가이드 부재(1400)와 제1 열전모듈(1200)의 측면, 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 측면 사이가 단열될 수 있으므로, 열전 변환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
제1 열전모듈(1200), 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 실링 및 단열 효과를 더욱 높이기 위하여, 복수의 제1 열전모듈(1200)의 측면, 복수의 제2 열전모듈(1300)의 측면, 그리고 복수의 제1 열전모듈(1200)의 측면 및 복수의 제2 열전모듈(1300)의 측면 사이에 배치되는 각 덕트(1100)의 표면은 실링제(1700)에 의하여 일체로 실링될 수도 있다.
제1 열전모듈(1200), 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 실링 및 단열 효과를 더욱 높이기 위하여, 기체 가이드 부재(1400)와 제1 열전모듈(1200)의 측면, 제3 표면(1130) 및 제2 열전모듈(1300)의 측면 사이에는 단열 부재가 배치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 포함되는 기체 가이드 부재의 사시도 및 단면도이다.
도 8을 참조하면, 기체 가이드 부재(1400)의 일단(1410)과 연장부(1430) 사이 및 기체 가이드 부재(1400)의 타단(1420)과 연장부(1430) 사이에는 보조 가이드부(1440)이 더 배치되며, 보조 가이드부(1440)가 연장부(1430)와 접하는 영역에서는 홀(H)이 더 형성될 수 있다. 이때, 보조 가이드부(1440)는 연장부(1430)와 대칭인 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 고온의 기체는 연장부(1430)를 따라 이동하며, 홀(H)을 통하여 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간으로 효율적으로 유도될 수 있다.
또한, 기체 가이드 부재(1400)의 연장부(1430)의 표면에는 홈(1450)이 더 형성될 수 있다. 이에 따라, 고온의 기체는 연장부(1430)의 표면에 형성된 홈(1450)을 따라 이동하며, 홀(H)을 통하여 복수의 덕트(1100) 사이의 이격된 공간으로 효율적으로 유도될 수 있다.
또한, 도 8의 (c)와 같이 보조 가이드부(1440)은 기체 가이드 부재(1400)의 일단(1410) 또는 타단(1420)과 평행하게 연장될 수도 있다. 보조 가이드부(1440)가 연장될 경우 고온의 기체가 열전 모듈에 효율적으로 유도될 수 있다.
또한, 도시되지 않았지만 상기 일단(1410)과 상기 연장부(1430)의 사이각과 상기 타단(1420)과 상기 연장부(1430)의 사이각은 같을 수 있으며, 각각의 사이각은 90°보다 크고 180°보다 작을 수 있으며, 바람직하게는 110°보다 크고 160°보다 작을 수 있다. 사이각이 90°보다 작거나 180°보다 크면 폐열의 흐름을 방해하여 열전 변환효율이 낮아질 수 있다.
또한, 도시되지 않았지만 기체 가이드 부재(1400)의 연장부(1430)의 중심부는 소정의 각도를 가질 수 있으며, 상기 일단(1410)과 상기 연장부(1430)의 사이각보다 작을 수 있다. 이와 마찬가지로 상기 타단(1420)과 상기 연장부(1430)의 사이각보다도 작을 수 있다. 상기 연장부(1430)의 중심부의 소정의 각도는 110°보다 크고 160°보다 작을 수 있으며, 바람직하게는 120°보다 크고 150°보다 작을 수 있다. 상기 연장부(1430)의 중심부의 소정의 각도가 11°보다 작거나 160°보다 크면 폐열의 흐름을 방해하여 열전 변환효율이 낮아질 수 있다.
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 (8)

  1. 냉각용 유체가 통과하는 덕트;
    상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제 1 열전모듈;
    상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제 2 열전모듈; 및
    상기 덕트의 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에 배치된 제 3 표면 상에서 상기 제 3 표면과 이격되어 배치된 기체 가이드 부재;를 포함하고,
    상기 기체 가이드 부재는
    상기 제 1 열전모듈과 접촉하는 일단;
    상기 제 2 열전모듈과 접촉하는 타단; 및
    상기 일단 및 타단을 연결하는 연장부;를 포함하고
    상기 기체 가이드 부재는 상기 일단과 상기 타단 사이의 중심으로 갈수록 상기 제3 표면과의 거리가 멀어지는 형상을 가지는 열변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 열전모듈 및 상기 제 2 열전모듈은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 배치된 열전소자, 상기 열전소자에 배치된 방열기판, 그리고 상기 방열기판에 배치된 히트싱크를 포함하며,
    상기 열전소자는 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 사이에 배치되는 복수의 P형 열전레그 및 복수의 N형 열전레그를 포함하는 열변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 각각과 상기 열전소자 사이에는 알루미늄 기판이 더 포함되며, 상기 알루미늄 기판은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되는 열변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기체 가이드 부재의 일단은 상기 적어도 하나의 제1 열전모듈의 히트싱크에 연결되고, 상기 기체 가이드 부재의 타단은 상기 적어도 하나의 제2 열전모듈의 히트싱크에 연결되며,
    상기 연장부의 중심부는 소정의 각도를 가지며,
    상기 중심부의 각도는 상기 일단과 상기 연장부의 사이 각보다 작은 열변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기체 가이드 부재와 상기 제3 표면 사이에는 공기층이 형성되는 열변환장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기체 가이드 부재와 상기 제3 표면 사이에는 단열 부재가 배치되는 열변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 열전모듈 및 상기 복수의 제2 열전모듈은 스크류를 이용하여 상기 덕트와 체결되는 열변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 덕트의 내벽에는 방열핀이 배치되는 열변환장치.
PCT/KR2018/015241 2017-12-04 2018-12-04 열변환장치 WO2019112288A1 (ko)

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