WO2020013526A1 - 열변환장치 - Google Patents

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WO2020013526A1
WO2020013526A1 PCT/KR2019/008239 KR2019008239W WO2020013526A1 WO 2020013526 A1 WO2020013526 A1 WO 2020013526A1 KR 2019008239 W KR2019008239 W KR 2019008239W WO 2020013526 A1 WO2020013526 A1 WO 2020013526A1
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WO
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cooling water
coolant
thermoelectric
passage chamber
disposed
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PCT/KR2019/008239
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English (en)
French (fr)
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이언학
강종현
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엘지이노텍 주식회사
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Priority to EP19833888.1A priority patent/EP3823052A4/en
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

Definitions

  • the present invention relates to a heat conversion device, and more particularly, to a heat conversion device for generating power using heat from a hot gas.
  • Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes in a material, and means a direct energy conversion between heat and electricity.
  • 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.
  • Thermoelectric elements may be classified into a device using a temperature change of the electrical resistance, a device using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated by the temperature difference, a device using a Peltier effect, a phenomenon in which endothermic or heat generation by current occurs. .
  • thermoelectric devices have been applied to a variety of home appliances, electronic components, communication components and the like.
  • the thermoelectric element may be applied to a cooling device, a heating device, a power generating device, or the like. Accordingly, the demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements is increasing.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a heat conversion apparatus for generating power using waste heat.
  • the thermal conversion apparatus supports a plurality of unit modules and a plurality of unit modules, each of which is arranged in a first direction and a second direction crossing the first direction, respectively, and the first direction.
  • a frame including a first coolant inlet pipe and a first coolant outlet pipe formed along the first frame, the first coolant inlet pipe is connected to the first coolant inlet pipe, and a plurality of second coolant inlets disposed along the second direction on one side of the plurality of unit modules.
  • a plurality of second coolant discharge pipes connected to the first coolant discharge pipe and disposed along the second direction on the other side of the plurality of unit modules, wherein each unit module includes a coolant passage chamber and the coolant passage chamber.
  • thermoelectric module disposed on a first surface of the second thermoelectric module, and a second thermoelectric module disposed on a second surface of the cooling water passage chamber, wherein the first surface and the first surface of the cooling water passage chamber are formed.
  • a coolant inlet is formed on a third surface between the second surfaces, and a coolant outlet is formed on a fourth surface between the first and second surfaces of the coolant passage chamber, and the coolant inlet is the second coolant inlet. It is connected to the pipe, the cooling water outlet is connected to the second cooling water discharge pipe.
  • the plurality of unit modules arranged along the first direction may be spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • Gas passes between spaces spaced apart from each other at the predetermined intervals, and the temperature of the gas may be higher than the temperature of the cooling water of the cooling water passage chamber.
  • the gas may pass from the second cooling water discharge pipe toward the second cooling water inlet pipe, and the cooling water may flow from the second cooling water inlet pipe toward the second cooling water discharge pipe in the cooling water passage chamber.
  • the cross-sectional area of the first coolant inlet pipe may be greater than the cross-sectional area of the second coolant inlet pipe, and the cross-sectional area of the first coolant discharge pipe may be larger than the cross-sectional area of the second coolant discharge pipe.
  • the pair of second coolant inlet pipes and the second coolant discharge pipes may be connected to a plurality of unit modules arranged along the second direction.
  • the frame may further include a support wall disposed between the plurality of unit modules arranged along the second direction.
  • First and second grooves may be formed at both ends of the support wall, respectively, and the second cooling water inlet pipe may be fixed to the first groove, and the second cooling water discharge pipe may be fixed to the second groove.
  • the coolant introduced into the first coolant inlet pipe may pass through the coolant passage chamber through the second coolant inlet pipe and then be discharged to the first coolant discharge pipe through the second coolant discharge pipe.
  • the plurality of unit modules include a first unit module and a second unit module arranged to be adjacent to the first unit module along the first direction, wherein the first thermoelectric module of the first unit module includes the first surface. And a first thermoelectric element and a first heat sink disposed in the second thermoelectric module, wherein the second thermoelectric module of the second unit module includes a second thermoelectric element disposed on the second surface and a second heat element disposed on the second thermoelectric element. And a sink, wherein the first heat sink and the second heat sink may be disposed to face each other at a predetermined interval.
  • thermoelectric module and the second thermoelectric module includes a plurality of first thermoelectric elements and a plurality of second thermoelectric elements
  • each of the first unit module and the second unit module includes the plurality of first thermoelectric elements.
  • a second heat insulating layer disposed between the first heat insulating layer and the plurality of second thermoelectric elements may be further included.
  • a thermal conversion apparatus includes a plurality of unit module groups including a first unit module group and a second unit module group, and a frame supporting the plurality of unit module groups, wherein the first unit module group includes: Each of the unit module group and the second unit module group includes a plurality of unit modules spaced apart at predetermined intervals along a first direction, wherein the first unit module group and the second unit module group are in the first direction. Disposed in a second direction intersecting with each other, each unit module includes a cooling water passage chamber, a first thermoelectric module disposed on a first surface of the cooling water passage chamber, and a second thermoelectric module disposed on a second surface of the cooling water passage chamber.
  • a first support frame disposed on the third surface side between the first surface and the second surface of the coolant passage chamber, and between the first and second surfaces of the coolant passage chamber.
  • a second support frame disposed on a fourth surface side, and a cooling water inlet is formed on the first surface, the second surface, the third surface, and the fourth surface of each cooling water passage chamber;
  • the cooling water outlet is formed on the sixth surface between the first surface, the second surface, the third surface and the fourth surface.
  • the frame includes a support wall disposed between the first unit module group and the second unit module group, and the support wall has a hole formed to correspond to the position of the coolant inlet and the position of the coolant outlet.
  • the cooling water outlet of one of the plurality of unit modules included in the first unit module group may be connected to the cooling water inlet of one of the plurality of unit modules included in the second unit module group through the hole.
  • the first fitting member is connected to the cooling water inlet
  • the second fitting member is connected to the cooling water outlet
  • the second fitting is connected to the cooling water outlet of one of a plurality of unit modules included in the first unit module group.
  • the first fitting member connected to the cooling water inlet of the member and the plurality of unit modules included in the second unit module group may be fitted.
  • An outer circumferential surface of the first fitting member, an outer circumferential surface of the second fitting member, and an inner circumferential surface of the hole may be sealed together.
  • a plurality of coolant inlets and a plurality of coolant outlets are formed on each of the fifth and sixth surfaces of the coolant passage chamber, and the support wall corresponds to positions of the plurality of coolant inlets and positions of the plurality of coolant outlets.
  • a plurality of holes can be formed to make.
  • Gas passes between spaces spaced at the predetermined interval, and the temperature of the gas may be higher than the temperature of the cooling water of the cooling water passage chamber.
  • the gas flows along a third direction intersecting the first direction and the second direction, and a coolant passage tube connected to the coolant outlet from the coolant inlet to the coolant outlet is formed inside the coolant passage chamber, and the coolant is the coolant. It may flow along the second direction through the passage pipe.
  • At least one of the first support frame and the second support frame may be H-shaped.
  • the first unit module group includes a first unit module and a second unit module arranged to be adjacent to the first unit module along the first direction, wherein the first thermoelectric module of the first unit module includes the first unit module.
  • the heat sink may include a heat sink, and the first heat sink and the second heat sink may be disposed to face each other at a predetermined interval.
  • the power generation capacity may be adjusted by adjusting the number of unit modules, and it is easy to replace and repair some unit modules.
  • the unit module since the unit module is stably supported, it is not easily deformed even in an environment where vibration is generated, thereby maintaining reliability.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the first direction of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a perspective view of a unit module included in a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded view of the unit module of FIG. 4.
  • thermoelectric element 6 is a cross-sectional view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 7 is a perspective view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are views for explaining the assembly process of the heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 10 and 11 are views for explaining a direction in which hot gas and cooling water flow in a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a top view of a heat conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view of the heat conversion device of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a partially enlarged view of the heat conversion device according to the embodiment of FIG. 15.
  • FIG. 17 is a perspective view of a unit module included in the thermal converter according to the embodiment of FIG. 15.
  • FIG. 18 is an exploded view of the unit module of FIG. 17.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the heat conversion device according to the embodiment of FIG. 15.
  • ordinal numbers such as second and first
  • first and second components may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the first direction of FIG. 2.
  • 4 is a perspective view of a unit module included in a heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an exploded view of the unit module of FIG. 4.
  • 6 is a cross-sectional view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view of a thermoelectric element included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • 8 and 9 are views for explaining the assembly process of the heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figures 10 and 11 is a hot gas and coolant in the heat conversion apparatus according to an embodiment of the present invention It is a figure for demonstrating the direction which flows.
  • the thermal conversion apparatus 10 includes a plurality of unit modules 1000 and a frame 2000 supporting the plurality of unit modules 1000.
  • the plurality of unit modules 1000 may be arranged in plural in the first direction and the second direction, respectively, and the second direction may be a direction crossing the first direction, for example, a direction perpendicular to the first direction. Can be.
  • the plurality of unit modules 1000 arranged in the first direction may be described as forming one unit module group. Accordingly, the plurality of unit module groups may be arranged along the second direction.
  • the plurality of unit modules 1000 included in one unit module group may be spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • the frame 2000 may be a frame or an edge that is arranged to surround the outside of the plurality of unit modules 1000.
  • the frame 2000 may include a coolant inlet pipe for injecting coolant into the plurality of unit modules 1000 and a coolant discharge pipe for discharging the coolant passing through the inside of the plurality of unit modules 1000.
  • the frame 2000 may include a first coolant inlet 2100 and a first coolant outlet 2200 formed along the first direction.
  • the first cooling water inlet pipe 2100 and the first cooling water discharge pipe 2200 may be formed along a first direction in terms of a unit module group disposed at both edges of the plurality of unit modules 1000.
  • the first cooling water inlet pipe 2100 and the first cooling water discharge pipe 2200 on the edges arranged on the side of the unit module group disposed on both edges of the plurality of unit modules 1000 of the frame forming the frame (2000) This can be formed.
  • the first cooling water inlet tube 2100 may be formed at the lower portion of the rim
  • the first cooling water discharge tube 2200 may be formed at the upper portion of the rim. According to this, the cooling water heated through the plurality of unit modules 1000 may be easily discharged to the outside by using a convection phenomenon.
  • the heat conversion apparatus 10 is connected to the first cooling water inlet pipe 2100 of the frame 2000 and is arranged in a second direction on one side of the plurality of unit modules 1000.
  • a plurality of second coolant discharge pipes connected to the second coolant inlet pipe 3000 and the first coolant discharge pipe 2200 of the frame 2000 and disposed in a second direction on the other side of the plurality of unit modules 1000 ( 4000) may be further included.
  • one side of the plurality of unit modules 1000 means a lower portion of the plurality of unit modules 1000 in a third direction crossing each of the first direction and the second direction
  • the other side of the plurality of unit modules 1000 is It may mean an upper portion of the plurality of unit modules 1000 in the third direction.
  • each unit module 1000 includes a coolant passage chamber 1100, a first thermoelectric module 1200 disposed on one surface 1101 of the coolant passage chamber 1100, and the other surface 1102 of the coolant passage chamber 1100.
  • the second thermoelectric module 1300 is disposed in the).
  • one side 1101 and the other side 1102 of the coolant passage chamber 1100 may be both sides disposed to be spaced apart from each other at a predetermined interval along the first direction, in this specification one of the coolant passage chamber 1100
  • the side 1101 and the other side 1102 may be mixed with the first side and the second side of the coolant passage chamber 1100.
  • the low temperature part of the first thermoelectric module 1200 is disposed on the outer surface of the first surface 1101 of the cooling water passage chamber 1100, and the high temperature part of the first thermoelectric module 1200, that is, the heat absorbing part, is adjacent to another unit. It may be disposed to face the second thermoelectric module 1300 of the module 1000. Similarly, the low temperature portion of the second thermoelectric module 1300, that is, the heat dissipation portion, is disposed on the outer surface of the second surface 1102 of the cooling water passage chamber 1100, and the high temperature portion of the second thermoelectric module 1300, that is, the heat absorbing portion, is adjacent thereto.
  • the unit thermoelectric module 1000 may be disposed to face the first thermoelectric module 1200.
  • a temperature difference between a coolant flowing through a coolant passage chamber 1100 and a high temperature gas passing through a space spaced between the plurality of unit modules 1000, that is, the first Power may be produced using a temperature difference between the heat absorbing part and the heat generating part of the thermoelectric module 1200 and a temperature difference between the heat absorbing part and the heat radiating part of the second thermoelectric module 1300.
  • the cooling water may be water, but is not limited thereto, and may be various kinds of fluids having cooling performance.
  • the temperature of the cooling water flowing into the cooling water passage chamber 1100 may be less than 100 ° C, preferably less than 50 ° C, more preferably less than 40 ° C, but is not limited thereto.
  • the temperature of the cooling water discharged after passing through the cooling water passage chamber 1100 may be higher than the temperature of the cooling water flowing into the cooling water passage chamber 1100.
  • the temperature of the hot gas passing through the spaced space between the plurality of unit modules 1000 may be higher than the temperature of the cooling water.
  • the temperature of the high temperature gas passing through the spaced space between the plurality of unit modules 1000 may be 100 ° C or higher, preferably 150 ° C or higher, more preferably 200 ° C or higher, but is not limited thereto. .
  • the width of the spaced space between the plurality of unit modules 1000 may be a few mm to several tens of mm, and may vary depending on the size of the heat conversion device, the temperature of the incoming gas, the inflow rate of the gas, the amount of power required, and the like. .
  • each of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may include a plurality of thermoelectric elements 100.
  • the number of thermoelectric elements included in each thermoelectric module may be adjusted according to the amount of power required.
  • the plurality of thermoelectric elements 100 included in each thermoelectric module may be electrically connected, and at least some of the plurality of thermoelectric elements 100 may be electrically connected using a bus bar (not shown).
  • the bus bar may be disposed at an outlet side through which hot gas passes through spaced spaces between the plurality of unit modules 1000, and may be connected to an external terminal. Accordingly, power is supplied to the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 without the PCBs for the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 being disposed inside the thermoelectric device. Therefore, it is easy to design and assemble the heat conversion device.
  • Each unit module 1000 may further include a heat insulation layer 1400 and a shield layer 1500 disposed between the plurality of thermoelectric elements 100.
  • the heat insulation layer 1400 may be disposed to surround at least a portion of the outer surface of the coolant passage chamber 1100 except for a region where the thermoelectric element 100 is disposed among the outer surfaces of the coolant passage chamber 1100.
  • the heat insulation layer 1400 is disposed between the thermoelectric elements 100 on the first and second surfaces 1101 and 212 of the outer surfaces of the cooling water passage chamber 1100. In this case, since the heat insulation between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric element 100 may be maintained due to the heat insulation layer 1400, power generation efficiency may be improved.
  • the shield layer 1500 may be disposed on the heat insulation layer 1400, and may protect the heat insulation layer 1400 and the plurality of thermoelectric elements 100.
  • the shield layer 1500 may include a stainless material.
  • the shield layer 1500 and the coolant passage chamber 1100 may be fastened by a screw. Accordingly, the shield layer 1500 may be stably coupled to the unit module 1000, and the first thermoelectric module 1200 or the second thermoelectric module 1300 and the heat insulating layer 1400 may also be fixed together.
  • each of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 is bonded to the first surface 1101 and the second surface 1102 of the cooling water passage chamber 1100 by using a thermal pad. May be Since the thermal pad is easy to heat transfer, the heat transfer between the cooling water passage chamber 1100 and the thermoelectric module may not be disturbed.
  • Each of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may include a heat sink 200 disposed on the high temperature side of the thermoelectric element 100 and a metal plate disposed on the low temperature side of the thermoelectric element 100. 300), for example, may further comprise an aluminum plate. In this case, the heat sink 200 is disposed toward another adjacent unit module 1000.
  • the heat sink 200 included in the first thermoelectric module 1200 is disposed toward the second thermoelectric module 1300 of another unit module 1000 adjacent thereto, and the heat sink 200 included in the second thermoelectric module 1300 ( 200 may be disposed toward the first thermoelectric module 1200 of another adjacent unit module 1000.
  • the heat sinks 200 of adjacent unit modules 1000 may be spaced at predetermined intervals. Accordingly, the temperature of the air passing between the plurality of unit modules 1000 can be efficiently transmitted to the high temperature side of the thermoelectric element 100 through the heat sink 200.
  • the metal plate 300 for example, the aluminum plate has high heat transfer efficiency, the temperature of the coolant passing through the coolant passage chamber 1100 is effective on the low temperature side of the thermoelectric element 100 through the metal plate 300. Can be delivered.
  • each thermoelectric element 100 is disposed on a first substrate 110, a plurality of first electrodes 120 and a plurality of first electrodes 120 disposed on the first substrate 110.
  • a plurality of P-type thermoelectric legs 130 and a plurality of N-type thermoelectric legs 140, a plurality of P-type thermoelectric legs 130 and a plurality of N-type thermoelectric legs 140 disposed on An electrode 150 and a second substrate 160 disposed on the plurality of second electrodes 150 are included.
  • the first electrode 120 is disposed between the first substrate 110, the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140, and the second electrode 150 is the second substrate. And an upper bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 may be electrically connected by the first electrode 120 and the second electrode 150. A pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 disposed between the first electrode 120 and the second electrode 150 and electrically connected to each other may form a unit cell.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including bismuth (Bi) and tellurium (Ti) as a main raw material.
  • Bi-Te bismuth fluoride
  • Ti tellurium
  • P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium relative to the total weight 100wt%
  • a mixture comprising 99 to 99.999 wt% of bismustelulide (Bi-Te) -based main raw material including at least one of (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and Bi or Te 0.001 It may be a thermoelectric leg including to 1wt%.
  • the main raw material is Bi-Se-Te, and may further include Bi or Te as 0.001 to 1wt% of the total weight.
  • N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium relative to the total weight 100wt%
  • a mixture comprising 99 to 99.999 wt% of bismustelulide (Bi-Te) -based main raw material including at least one of (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and Bi or Te 0.001 It may be a thermoelectric leg including to 1wt%.
  • the main raw material is Bi-Sb-Te, and may further include Bi or Te as 0.001 to 1wt% of the total weight.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stacked type.
  • the bulk P-type thermoelectric leg 130 or the bulk N-type thermoelectric leg 140 is heat-treated thermoelectric material to produce an ingot (ingot), crushed and ingot to obtain a powder for thermoelectric leg, then Sintering, and can be obtained through the process of cutting the sintered body.
  • the stacked P-type thermoelectric leg 130 or the stacked N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste including a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking and cutting the unit members. Can be obtained.
  • the pair of P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes.
  • the height or the cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 is the height or the cross-sectional area of the P-type thermoelectric leg 130. It can also be formed differently.
  • thermoelectric device The performance of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention may be represented by Seebeck index.
  • the Seebeck index ZT may be expressed as in Equation 1.
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V / K]
  • sigma is the electrical conductivity [S / m]
  • ⁇ 2 sigma is the Power Factor [W / mK 2 ].
  • T is the temperature and k is the thermal conductivity [W / mK].
  • k can be represented by a ⁇ c p ⁇ ⁇ , a is thermal diffusivity [cm 2 / S], c p is specific heat [J / gK], and ⁇ is density [g / cm 3 ].
  • the Z value (V / K) may be measured using a Z meter, and the Seebeck index (ZT) may be calculated using the measured Z value.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may have a structure shown in FIG. 6 (b).
  • the thermoelectric legs 130 and 140 may be stacked on one surface of the thermoelectric material layers 132 and 142 and the thermoelectric material layers 132 and 142. -1), second plating layers 134-2 and 144-2 stacked on one surface of the thermoelectric material layers 132 and 142 opposite to the other surface, and thermoelectric material layers 132 and 142 and the first plating layer.
  • First bonding layers 136-1 and 146-1 disposed between 134-1 and 144-1 and between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second plating layers 134-2 and 144-2, respectively.
  • thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 directly contact each other, and the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layers 136-2 and 146- 2) can be in direct contact with each other.
  • the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the first plating layers 134-1 and 144-1 are in direct contact with each other, and the second bonding layers 136-2 and 146-2 and the second are in direct contact with each other.
  • the plating layers 134-2 and 144-2 may directly contact each other.
  • first plating layers 134-1 and 144-1 and the first metal layers 138-1 and 148-1 directly contact each other, and the second plating layers 134-2 and 144-2 and the second metal layer ( 138-2 and 148-2 may be in direct contact with each other.
  • thermoelectric material layers 132 and 142 may include bismuth (Bi) and tellurium (Te), which are semiconductor materials.
  • the thermoelectric material layers 132 and 142 may have the same material or shape as the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 described with reference to FIG. 6A.
  • the first metal layers 138-1 and 148-1 and the second metal layers 138-2 and 148-2 may be selected from copper (Cu), a copper alloy, aluminum (Al), and an aluminum alloy, and 0.1 To 0.5 mm, preferably 0.2 to 0.3 mm.
  • the thermal expansion coefficients of the first metal layers 138-1 and 148-1 and the second metal layers 138-2 and 148-2 are similar to or larger than those of the thermoelectric material layers 132 and 142. Since compressive stress is applied at the interface between the first metal layers 138-1 and 148-1 and the second metal layers 138-2 and 148-2 and the thermoelectric material layers 132 and 142, cracking or peeling can be prevented. Can be.
  • thermoelectric legs 130 and 140 are formed of an electrode ( 120, 150) can be stably combined.
  • the first plating layers 134-1 and 144-1 and the second plating layers 134-2 and 144-2 may each include at least one of Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr, and Mo. It may have a thickness of 1 to 20 ⁇ m, preferably 1 to 10 ⁇ m.
  • the first plating layers 134-1 and 144-1 and the second plating layers 134-2 and 144-2 are Bi or Te, which are semiconductor materials in the thermoelectric material layers 132 and 142, and the first metal layer 138-1, Since the reaction between the 148-1) and the second metal layers 138-2 and 148-2 is prevented, not only the performance degradation of the thermoelectric element can be prevented, but also the first metal layers 138-1 and 148-1 and the first metal layers 138-1 and 148-2 are prevented. Oxidation of the two metal layers 138-2 and 148-2 can be prevented.
  • a first is formed between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first plating layers 134-1 and 144-1, and between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second plating layers 134-2 and 144-2.
  • the bonding layers 136-1 and 146-1 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 may be disposed.
  • the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 may include Te.
  • the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 are formed of Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, and Sb-. It may include at least one of Te, Cr-Te and Mo-Te.
  • the thicknesses of each of the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 are 0.5 to 100 mu m, preferably 1 to 50 mu m. May be ⁇ m.
  • a first material including Te is provided between the thermoelectric material layers 132 and 142, the first plating layers 134-1 and 144-1, and the second plating layers 134-2 and 144-2.
  • the bonding layers 136-1 and 146-1 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 are disposed in advance, so that the Te in the thermoelectric material layers 132 and 142 is the first plating layer 134-1 and 144. -1) and diffusion into the second plating layers 134-2 and 144-2 can be prevented. As a result, it is possible to prevent the occurrence of the Bi rich region.
  • the Te content is higher than the Bi content from the center of the thermoelectric material layers 132 and 142 to the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1, and the thermoelectric material layer
  • the Te content is higher than the Bi content from the center of the 132 and 142 to the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layers 136-2 and 146-2.
  • the amount of Te from the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layers 136-2 and 146-2 may be 0.8 to 1 times that of the Te content at the center of the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • the Te content in the thickness of 100 ⁇ m in the direction of the center of the thermoelectric material layers 132 and 142 from the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 is thermoelectric. It may be 0.8 to 1 times the Te content of the center of the material layer (132, 142).
  • the Te content is kept constant within a thickness of 100 ⁇ m in the direction of the center of the thermoelectric material layers 132 and 142 from the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1.
  • the thickness of the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 in the direction of the center of the thermoelectric material layers 132 and 142 may be within a thickness of 100 ⁇ m.
  • the rate of change of the Te weight ratio may be 0.9 to 1.
  • the content of Te in the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2 is the same as or similar to the content of Te in the thermoelectric material layers 132 and 142. can do.
  • the content of Te in the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2 is 0.8 of the content of Te in the thermoelectric material layers 132 and 142. To 1 times, preferably 0.85 to 1 times, more preferably 0.9 to 1 times, and more preferably 0.95 to 1 times.
  • the content may be a weight ratio.
  • the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2 when the content of Te in the thermoelectric material layers 132 and 142 is 50 wt%, the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2.
  • the content of Te in the) may be 40 to 50wt%, preferably 42.5 to 50wt%, more preferably 45 to 50wt%, more preferably 47.5 to 50wt%.
  • the content of Te in the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2 may be greater than that of Ni.
  • the content of Te is uniformly distributed in the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2, while the Ni content is the first bonding layer 136-1. , 146-1) or in the second bonding layers 136-2 and 146-2, the closer to the thermoelectric material layers 132 and 142, the smaller the thickness.
  • the rate of change of the Te weight ratio to the interface between 136-2 and 146-2 may be 0.8 to 1.
  • the rate of change of the Te weight ratio is closer to 1, the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layer ( The interface between the first plating layers 136-1 and 146-1 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second plating layers 134-2 and 144- from the interface between the 136-2 and 146-2. It may mean that the Te content up to the interface between 2) and the second bonding layers 136-2 and 146-2 is uniformly distributed.
  • the surfaces of the first bonding layers 136-1 and 146-1 that contact the first plating layers 134-1 and 144-1 that is, the first plating layers 136-1 and 146-1 and the first bonding layer. Interface between (136-1, 146-1) or the surface which contacts the 2nd plating layer 134-2, 144-2 in 2nd bonding layer 136-2, 146-2, ie, 2nd plating layer 134-2 , 144-2 and the content of Te at the interface between the second bonding layers 136-2 and 146-2 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 in the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • the contact surface that is, the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the second bonding layers 136-2 and 146-2 in the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • the content may be a weight ratio.
  • the Te content in the center portion of the thermoelectric material layers 132 and 142 may correspond to an interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the thermoelectric material layers 132 and 142. It can be seen that the same or similar to the Te content of the interface between the second bonding layer (136-2, 146-2). That is, the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layers 136-2 and 146-2.
  • the Te content at the interface may be 0.8 to 1 times, preferably 0.85 to 1 times, more preferably 0.9 to 1 times, more preferably 0.95 to 1 times the Te content of the center portion of the thermoelectric material layers 132 and 142. have.
  • the content may be a weight ratio.
  • the center of the thermoelectric material layers 132 and 142 may refer to a peripheral area including the center of the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • the boundary surface may mean the boundary surface itself, or may include a boundary region adjacent to the boundary surface within a predetermined distance from the boundary surface.
  • the content of Te in the first plating layers 136-1 and 146-1 or the second plating layers 134-2 and 144-2 is the content of Te in the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layer ( 136-1, 146-1) or lower content of Te in the second bonding layer 136-2, 146-2.
  • the Bi content in the center portion of the thermoelectric material layers 132 and 142 may correspond to the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 and the thermoelectric material layers 132 and 142. It can be seen that the same or similar to the Bi content of the interface between the second bonding layer (136-2, 146-2). Accordingly, the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second from the center of the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • thermoelectric material layers 132 and 142 Since the content of Te is higher than the content of Bi up to the interface between the bonding layers 136-2 and 146-2, the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1. There is no section in which the Bi content reverses the Te content around the interface between the interface or the interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the second bonding layers 136-2 and 146-2.
  • the Bi content of the center portion of the thermoelectric material layers 132 and 142 may be an interface between the thermoelectric material layers 132 and 142 and the first bonding layers 136-1 and 146-1 or the thermoelectric material layers 132 and 142.
  • the Bi content of the interface between the second bonding layer (136-2, 146-2) It may be a boat.
  • the content may be a weight ratio.
  • the second electrode 150 disposed between the N-type thermoelectric legs 140 may include at least one of copper (Cu), silver (Ag), and nickel (Ni), and may have a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm. have.
  • the thickness of the first electrode 120 or the second electrode 150 is less than 0.01mm, the function of the electrode is reduced, the electrical conduction performance may be lowered, and when the thickness exceeds 0.3mm, the conduction efficiency may be lowered due to the increase in resistance. Can be.
  • first substrate 110 and the second substrate 160 that face each other may be an insulating substrate or a metal substrate.
  • the insulating substrate may be an alumina substrate or a polymer resin substrate.
  • the polymer resin substrate is made of various insulating resin materials such as polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), and high permeability plastic such as polyethylene terephthalate (PET). It may include.
  • the polymer resin substrate may be a heat conductive substrate made of a resin composition containing an epoxy resin and an inorganic filler.
  • the thickness of the thermally conductive substrate may be 0.01 to 0.65 mm, preferably 0.01 to 0.6 mm, more preferably 0.01 to 0.55 mm, and the thermal conductivity is 10 W / mK or more, preferably 20 W / mK or more, more preferably. 30W / mK or more.
  • the epoxy resin may comprise an epoxy compound and a curing agent. At this time, it may be included in 1 to 10 volume ratio of the curing agent with respect to 10 volume ratio of the epoxy compound.
  • the epoxy compound may include at least one of a crystalline epoxy compound, an amorphous epoxy compound and a silicon epoxy compound.
  • the crystalline epoxy compound may comprise a mesogen structure. Mesogen is a basic unit of liquid crystal and includes a rigid structure.
  • the amorphous epoxy compound may be a conventional amorphous epoxy compound having two or more epoxy groups in a molecule, and may be, for example, glycidyl etherate derived from bisphenol A or bisphenol F.
  • the curing agent may include at least one of an amine curing agent, a phenol curing agent, an acid anhydride curing agent, a polycapcaptan curing agent, a polyaminoamide curing agent, an isocyanate curing agent, and a block isocyanate curing agent, and two or more kinds of curing agents. It can also be mixed and used.
  • the inorganic filler may include at least one of aluminum oxide, boron nitride, and aluminum nitride.
  • the boron nitride may include a boron nitride aggregate in which a plurality of plate-like boron nitride is aggregated.
  • the surface of the boron nitride agglomerate may be coated with a polymer having the following unit 1, or at least a portion of the pores in the boron nitride agglomerate may be filled by the polymer having the unit 1 below.
  • Unit 1 is as follows.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is H, the other is selected from the group consisting of C 1 -C 3 alkyl, C 2 -C 3 alkenes and C 2 -C 3 alkyne, R 5 May be a linear, branched or cyclic divalent organic linker having 1 to 12 carbon atoms.
  • one of R 1 , R 2 , R 3, and R 4 except H is selected from C 2 to C 3 alkenes, and the other of the other and another is selected from C 1 to C 3 alkyl.
  • the polymer according to the embodiment of the present invention may include the following unit 2.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 except H may be selected to be different from each other in a group consisting of C 1 -C 3 alkyl, C 2 -C 3 alkenes, and C 2 -C 3 alkyne. have.
  • the air layer in the boron nitride agglomerates is minimized to obtain the boron nitride agglomerates.
  • the heat conduction performance can be improved, and the bonding force between the plate-like boron nitride can be increased to prevent the breakage of the boron nitride agglomerates.
  • the functional groups are easily formed, and when the functional groups are formed on the coating layer of the boron nitride agglomerates, the affinity with the resin may be increased.
  • the first substrate 110 and the second substrate 160 are polymer resin substrates
  • the first substrate 110 and the second substrate 160 may have a thinner thickness, higher heat dissipation performance, and insulation performance than the metal substrate.
  • the electrode is placed on the semi-cured polymer resin layer coated on the heat sink 200 or the metal plate 300 and then thermally compressed, a separate adhesive layer may not be required.
  • the size of the first substrate 110 and the second substrate 160 may be formed differently.
  • the volume, thickness, or area of one of the first substrate 110 and the second substrate 160 may be greater than the volume, thickness, or area of the other.
  • a heat radiation pattern for example, an uneven pattern may be formed on at least one surface of the first substrate 110 and the second substrate 160.
  • the heat dissipation performance of a thermoelectric element can be improved.
  • the uneven pattern is formed on the surface in contact with the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140, the bonding characteristics between the thermoelectric leg and the substrate can also be improved.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal pillar shape, an elliptical pillar shape, or the like.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may be formed to have a wide width of the portion to be bonded to the electrode.
  • the second cooling water inflow pipe 3000 and the second cooling water discharge pipe 4000 may be arranged for each unit module 1000 arranged along the first direction.
  • the second coolant inlet pipe and the second coolant inlet pipe disposed on the same unit module side for example, the second coolant inlet pipe 3000-disposed on the side of the first unit module 1000-1.
  • the second cooling water discharge pipe 4000-1 may be referred to as a pair of second cooling water inlet pipe and second cooling water discharge pipe.
  • Cooling water introduced into the first cooling water inflow pipe 2100 along the first direction may be dispersed and introduced into the plurality of second cooling water inflow pipes 3000.
  • the coolant discharged from the plurality of second coolant discharge tubes 4000 may be collected into the first coolant discharge tube 2200 and then discharged to the outside along the first direction.
  • the cross-sectional area of the first coolant inlet pipe 2100 may be larger than that of the second coolant inlet pipe 3000
  • the cross-sectional area of the first coolant discharge pipe 2200 may be larger than the cross-sectional area of the second coolant discharge pipe 4000.
  • each of the second coolant inlet pipes 3000 in the second direction passes through the coolant passage chamber 1100 of each unit module 1000 in the third direction, and then along the second direction.
  • Each of the second cooling water discharge pipes 4000 may be discharged.
  • at least one coolant inlet 1110 and at least one coolant outlet 1120 may be formed in each coolant passage chamber 1100.
  • the coolant inlet 1110 of the coolant passage chamber 1100 is formed on a third surface 1103, which is one side between the first surface 1101 and the second surface 1102 of the coolant passage chamber 1100, and the coolant passage chamber 1100.
  • the coolant outlet 1120 of the 1100 may be formed on the fourth surface 1104, which is another surface between the first surface 1101 and the second surface 1102 of the coolant passage chamber 1100.
  • the third surface 1103 may be a surface disposed in the downward direction in the third direction
  • the fourth surface 1104 may be a surface disposed in the upward direction in the third direction. That is, the third surface 1103 may be a surface disposed close to the second cooling water inflow pipe 3000, and the fourth surface 1104 may be a surface disposed close to the second coolant discharge pipe 4000.
  • the coolant inlet 1110 of the coolant passage chamber 1100 may be connected to the second coolant inlet tube 3000, and the coolant outlet (not shown) of the coolant passage chamber 1100 may be connected to the second coolant outlet tube 4000.
  • at least one coolant outlet 3100 may be formed in the second coolant inlet tube 3000, and at least one coolant inlet (not shown) may be formed in the second coolant outlet tube 4000.
  • the coolant outlet 3100 of the inlet pipe 3000 is connected to the coolant inlet 1110 of the coolant passage chamber 1100, and the coolant inlet of the second coolant outlet tube 4000 is connected to the coolant outlet of the coolant passage chamber 1100. Can be.
  • the coolant outlet and the coolant inlet may be formed at positions corresponding to each other, and at least one of the coolant outlet and the coolant inlet may include a protrusion. Because of this, it may be fitted to each other, or may be fitted by the fitting member, and additionally the area where the cooling water outlet and the cooling water inlet are connected may be sealed by the sealing member.
  • the plurality of second cooling water inflow pipes 3000 may be disposed on the plurality of second cooling water inflow pipes 3000.
  • a plurality of unit modules 1000 are disposed, and a plurality of second cooling water discharge pipes 4000 are disposed on an upper end of the frame 2000 on the plurality of unit modules 1000.
  • As many holes 2210 as the number of the plurality of second coolant discharge pipes 4000 may be formed, and each of the second coolant discharge pipes 4000 may be disposed to correspond to the position of each hole 2210.
  • the pair of second coolant inlet pipes 3000 and the second coolant discharge pipes 4000 may be connected to the plurality of unit modules 1000 arranged along the second direction.
  • the second coolant inflow pipe 3000-1 may be disposed adjacent to the first unit module 1000-1 and the first unit module 1000-1 along the second direction.
  • the second cooling water discharge pipe 4000-1 may be disposed adjacent to the first unit module 1000-1 and the first unit module 1000-1 along the second direction. It may be connected to the module 1000-11.
  • the frame 2000 may further include a support wall 2300 disposed between the plurality of unit modules 1000 arranged along the second direction.
  • the support wall 2300 may be disposed between one unit module group including a plurality of unit modules 1000 arranged along the first direction and another unit module group arranged adjacent to each other along the second direction. have.
  • a first groove 2310 in which the second coolant inlet pipe 3000 is disposed and a second groove 2320 in which the second coolant discharge pipe 4000 are disposed may be formed in the support wall 2300.
  • the number of each of the first groove 2310 and the second groove 2320 formed in one support wall 2300 is the number of each of the second coolant inflow pipe 3000 and the second coolant discharge pipe 4000, that is, one unit. It may be equal to the number of unit modules 1000 arranged in the module group.
  • Each of the second cooling water inflow pipe 3000 and the second cooling water discharge pipe 4000 may be fixed to each of the first groove 2310 and the second groove 2320.
  • the fixing member 5000 may be assembled on the plurality of second cooling water discharge pipes 4000, and the fixing member 5000, the plurality of second cooling water discharge pipes 4000, and the support wall 2300 may be fastened by screws. Can be.
  • a fixing member having the same structure may be assembled on the plurality of second cooling water inflow pipes 3000.
  • the coolant flows through the first coolant inlet pipe 2100 along the first direction, and the plurality of second coolant inlet pipes 3000. ) Can be dispersed.
  • the coolant flows through the second coolant inflow pipe 3000 along the second direction and may be introduced into the coolant passage chamber 1100.
  • the coolant introduced into the coolant passage chamber 1100 flows toward the upper end of the coolant passage chamber 1100 along the third direction and may be discharged to the second coolant discharge pipe 4000.
  • the coolant of the second coolant discharge tube 4000 may flow toward the first coolant discharge tube 2200 along the second direction, and the coolant collected in the first coolant discharge tube 2200 may be discharged to the outside.
  • the hot gas flows from the top of the cooling water passage chamber 1100 toward the bottom.
  • the second cooling water discharge pipe 4000 is disposed on the upper end of the unit module 1000 as in the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the problem that the performance of the thermoelectric element is degraded due to the high temperature of the hot gas.
  • the coolant flows from the lower end of the coolant passage chamber 1100 toward the top, the coolant is filled from below the coolant passage chamber 1100, and the direction in which the hot gas flows and the direction in which the coolant flows is opposite to each other.
  • FIG. 12 is a top view of a heat conversion apparatus according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a perspective view of the heat conversion apparatus of FIG. 12.
  • the unit module may be filled in all or part of the frame 2000. 1 to 11 and the same content will be omitted.
  • the cross-sectional areas of the first cooling water inlet pipe 2100 and the first cooling water discharge pipe 2200 of the frame 2000 may be smaller as the distance from the inlet of the first cooling water inlet pipe 2100.
  • high hydraulic pressure may be applied to the second cooling water inlet tube 4000 disposed at a long distance from the inlet of the first cooling water inlet tube 2100, so that the coolant is evenly introduced into the plurality of second cooling water inlet tubes 4000. Can be.
  • FIG. 14 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • the unit module may be filled in all or part of the frame 2000. 1 to 11 and the same content will be omitted.
  • an inlet of the first cooling water inlet pipe 2100 of the frame 2000 may be formed at a side surface of the first cooling water inlet pipe 2100. Accordingly, since the coolant flowing into the inlet of the first coolant inlet pipe 2100 may also flow along the second direction, the coolant may be evenly introduced into the plurality of second coolant inlet pipes 4000.
  • heat dissipation fins may be disposed on the inner wall of each cooling water passage chamber 1100.
  • the shape, number, and area occupying the inner wall of each cooling water passage chamber 1100 may be variously changed according to the temperature of the cooling water, the temperature of the waste heat, the required power generation capacity, and the like.
  • the area where the heat dissipation fins occupy the inner wall of each cooling water passage chamber 1100 may be, for example, 1 to 40% of the cross-sectional area of each cooling water passage chamber 1100. According to this, it is possible to obtain high thermoelectric conversion efficiency without disturbing the flow of cooling water.
  • each cooling water passage chamber 1100 may be partitioned into a plurality of regions.
  • the coolant is evenly distributed in each coolant passage chamber 1100 even if the flow rate of the coolant is not sufficient to fill the inside of each coolant passage chamber 1100. As such, it is possible to obtain even thermoelectric conversion efficiency with respect to the front surface of each cooling water passage chamber 1100.
  • FIG. 15 is a perspective view of a heat conversion apparatus according to still another embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a partially enlarged view of the heat conversion apparatus according to the embodiment of FIG. 15
  • FIG. 17 is a heat conversion according to the embodiment of FIG. 15.
  • 18 is a perspective view of a unit module included in the apparatus
  • FIG. 18 is an exploded view of the unit module of FIG. 17,
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the heat conversion apparatus according to the embodiment of FIG. 15.
  • the thermal conversion apparatus 20 includes a plurality of unit module groups and a frame 7000 supporting the plurality of unit module groups.
  • each unit module group includes a plurality of unit modules 6000.
  • the plurality of unit modules 6000 may be arranged in plural in the first direction and the second direction, respectively, and the second direction may be a direction crossing the first direction, for example, a direction perpendicular to the first direction. Can be.
  • the plurality of unit modules 6000 arranged in the first direction may be described as forming one unit module group.
  • the plurality of unit module groups may be arranged along the second direction.
  • the plurality of unit modules 6000 included in one unit module group may be spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • the thermal conversion apparatus 20 includes five unit module groups arranged along the second direction, that is, the first unit module group 6000 -A and the second unit module group 6000-. B), the third unit module group 6000-C, the fourth unit module group 6000-D, and the fifth unit module group 6000-E will be described as an example, but are not limited thereto.
  • the frame 7000 may be a frame or an edge that is arranged to surround the outside of the plurality of unit modules 6000.
  • the frame 7000 includes a coolant inlet pipe (not shown) for injecting coolant into the plurality of unit modules 6000 and a coolant discharge pipe for discharging the coolant passing through the inside of the plurality of unit modules 6000 (not shown). C) can be formed.
  • One of the coolant inlet pipe and the coolant discharge pipe is formed at an edge disposed at the side of the unit module group, for example, the first unit module group 6000-A, disposed at one edge of the plurality of unit module groups, and the other
  • the unit module group disposed on the other edge of the plurality of unit module groups may be formed on the edge disposed on the side of the fifth unit module group 6000-E.
  • each unit module 6000 may include a coolant passage chamber 6100, a first thermoelectric module 6200 and a coolant passage chamber disposed on one surface 6101 of the coolant passage chamber 6100. And a second thermoelectric module 6300 disposed on the other side 6102 of the 6100.
  • one side 6101 and the other side 6102 of the coolant passage chamber 6100 may be double-sided disposed to be spaced apart from each other at a predetermined interval along the first direction, in this specification one of the coolant passage chamber 6100 The side 6101 and the other side 6102 may be mixed with the first side and the second side of the coolant passage chamber 6100.
  • the low temperature part of the first thermoelectric module 6200 is disposed on the outer surface of the first surface 6101 of the cooling water passage chamber 6100, and the high temperature part of the first thermoelectric module 6200, that is, the heat absorbing part, is adjacent to another unit.
  • the second thermoelectric module 6300 of the module 6000 may be disposed to face the second thermoelectric module 6300.
  • the low temperature portion of the second thermoelectric module 6300 that is, the heat dissipation portion, is disposed on the outer surface of the second surface 6102 of the cooling water passage chamber 6100, and the high temperature portion, that is, the heat absorbing portion, of the second thermoelectric module 6300 is adjacent.
  • the unit thermoelectric module 6000 may be disposed to face the first thermoelectric module 6200.
  • a temperature difference between a coolant flowing through the coolant passage chamber 6100 and a high temperature gas passing through a space spaced between the plurality of unit modules 6000, that is, the first Electric power may be generated using a temperature difference between the heat absorbing part and the heat generating part of the thermoelectric module 6200 and a temperature difference between the heat absorbing part and the heat radiating part of the second thermoelectric module 6300.
  • the cooling water may be water, but is not limited thereto, and may be various kinds of fluids having cooling performance.
  • the temperature of the coolant flowing into the coolant passage chamber 6100 may be less than 100 ° C, preferably less than 50 ° C, more preferably less than 40 ° C, but is not limited thereto.
  • the temperature of the cooling water discharged after passing through the cooling water passage chamber 6100 may be higher than the temperature of the cooling water flowing into the cooling water passage chamber 6100.
  • the temperature of the hot gas passing through the spaced space between the plurality of unit modules 6000 may be higher than the temperature of the cooling water.
  • the temperature of the high temperature gas passing through the spaced space between the plurality of unit modules 6000 may be 100 ° C or higher, preferably 150 ° C or higher, more preferably 200 ° C or higher, but is not limited thereto. .
  • the width of the spaced space between the plurality of unit modules 6000 may be a few mm to several tens of mm, and may vary depending on the size of the heat conversion device, the temperature of the incoming gas, the inflow rate of the gas, the required power generation amount, and the like. .
  • the first thermoelectric module 6200 and the second thermoelectric module 6300 may each include a plurality of thermoelectric elements 100.
  • the number of thermoelectric elements included in each thermoelectric module may be adjusted according to the amount of power required.
  • the plurality of thermoelectric elements 100 included in each thermoelectric module may be electrically connected, and at least some of the plurality of thermoelectric elements 100 may be electrically connected using a bus bar (not shown).
  • the bus bar may be disposed on a side of a discharge outlet through which hot gas passes through spaced spaces between the plurality of unit modules 6000 and may be connected to an external terminal. Accordingly, power is supplied to the first thermoelectric module 6200 and the second thermoelectric module 6300 without the PCB for the first thermoelectric module 6200 and the second thermoelectric module 6300 being disposed inside the thermoelectric device. Therefore, it is easy to design and assemble the heat conversion device.
  • Each unit module 6000 may further include a heat insulation layer 6400 and a shield layer 6500 disposed between the plurality of thermoelectric elements 100.
  • the heat insulation layer 6400 may be disposed to surround at least a portion of the outer surface of the coolant passage chamber 6100 except for the region where the thermoelectric element 100 is disposed among the outer surfaces of the coolant passage chamber 6100.
  • a heat insulation layer 6400 is disposed between the thermoelectric elements 100 on the first and second surfaces 6101 and 2102 of the outer surfaces of the cooling water passage chamber 6100. In this case, heat insulation between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric element 100 may be maintained due to the heat insulation layer 6400, thereby increasing power generation efficiency.
  • the shield layer 6500 may be disposed on the heat insulation layer 6400, and may protect the heat insulation layer 6400 and the plurality of thermoelectric elements 100. To this end, the shield layer 6500 may include a stainless material.
  • the shield layer 6500 and the coolant passage chamber 6100 may be fastened by a screw. Accordingly, the shield layer 6500 may be stably coupled to the unit module 6000, and the first thermoelectric module 6200 or the second thermoelectric module 6300 and the thermal insulation layer 6400 may also be fixed together.
  • each of the first thermoelectric module 6200 and the second thermoelectric module 6300 uses a thermal pad 6600 on the first surface 6101 and the second surface 6102 of the cooling water passage chamber 6100. May be adhered to. Since the thermal pad 6600 is easy to heat transfer, heat transfer between the cooling water passage chamber 6100 and the thermoelectric module may not be disturbed.
  • Each of the first thermoelectric module 6200 and the second thermoelectric module 6300 may include a heat sink 200 disposed on the high temperature side of the thermoelectric element 100 and a metal plate disposed on the low temperature side of the thermoelectric element 100. 300), for example, may further comprise an aluminum plate. In this case, the heat sink 200 is disposed toward another adjacent unit module.
  • the heat sink 200 included in the first thermoelectric module 6200 is disposed toward the second thermoelectric module 6300 of another adjacent unit module 6000-1 (see FIG. 16), and the second thermoelectric module 6300.
  • the heat sink 200 included in may be disposed toward the first thermoelectric module 6200 of another adjacent unit module 6000-2 (see FIG. 16).
  • the heat sinks 200 of adjacent unit modules 6000 may be spaced at predetermined intervals. Accordingly, the temperature of the air passing between the plurality of unit modules 6000 may be efficiently transmitted to the high temperature side of the thermoelectric element 100 through the heat sink 200.
  • thermoelectric element 100 the temperature of the coolant passing through the coolant passage chamber 6100 is more efficient on the low temperature side of the thermoelectric element 100 through the metal plate 300.
  • a plurality of thermoelectric elements 100 may be disposed on one metal plate 300, but is not limited thereto.
  • One thermoelectric element 100 may be disposed on one metal plate 300. It may be. Since the details of the thermoelectric element 100 are the same as those of FIGS. 6 to 7 described above, redundant description thereof will be omitted.
  • each unit module 6000 may include a first support disposed on the third surface 6103 side between the first surface 6101 and the second surface 6102 of the coolant passage chamber 6100. It may further include a second support frame 6800 disposed on the side of the fourth surface 6104 between the first surface 6101 and the second surface 6102 of the frame 6700 and the coolant passage chamber 6100.
  • the third surface 6103 may be a surface facing downward in the third direction
  • the fourth surface 6104 may be a surface facing the third surface 6103 and may face upward in the third direction.
  • the shape of at least one of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 may be an H shape, for example, an H beam.
  • the number of each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 included in the heat conversion apparatus 20 may be equal to the total number of unit modules 6000 included in the heat conversion apparatus 20. .
  • the first support frame 6700 and the second support frame 6800 disposed on the same unit module side may be referred to as a pair of support frames.
  • the rigidity of the unit module can be maintained. And, it can prevent the problem of bending or deformation during vibration.
  • the frame 7000 may further include a support wall 7300 disposed between the first unit module group 6000 -A and the second unit module group 6000 -B, and the first support frame ( 6700 and the second support frame 6800 may be coupled to the support wall 7300.
  • the support wall 7300 may be fastened to the frame or the edge of the frame 7000 or integrally molded.
  • the support wall 7300 is disposed between the first unit module group 6000 -A and the second unit module group 6000 -B, and each of the first unit module groups 6000 -A is disposed.
  • Each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 disposed in the unit module 6000 may be disposed under and above the support wall 7300 toward the direction in which the second unit module group 6000 -B is disposed.
  • Each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 disposed in each unit module 6000 of the second unit module group 6000 -B may be the first unit module group 6000 -A. It may extend from the bottom and the top of the support wall 7300 toward the disposed direction.
  • each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 may not exceed half of the thickness of the support wall 7300.
  • a lower portion of the first support frame 6700 and the support wall 7300 and an upper portion of the second support frame 6800 and the support wall 7300 may be fastened by screws, respectively. According to this, since the unit module itself does not need to be directly fixed to the frame by screws, assembly is easy. In addition, it is easy to adjust the number of unit modules according to the amount of power required.
  • each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 simultaneously includes one of a plurality of unit modules included in one unit module group and one of a plurality of unit modules included in another adjacent unit module group. It may extend along the second direction to support it. Accordingly, the number of each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 included in the thermal conversion apparatus 20 is greater than that of the unit module 6000 included in the first unit module group 6000 -A. It may be equal to the number or a multiple of the number of the unit modules 6000 included in the first unit module group 6000 -A.
  • a plurality of grooves in which the first support frame 6700 is disposed are formed at the lower end of the support wall 7300, and a plurality of grooves in which the second support frame 6800 is disposed at the upper end of the support wall 7300.
  • Each of the first support frame 6700 and the second support frame 6800 may be fastened to the support wall 7300 by a fixing member such as a screw.
  • the number of grooves formed at the bottom and the top of one support wall 7300 may be equal to the number of unit modules 6000 arranged in one unit module group.
  • a coolant inlet is formed at one side of the coolant passage chamber 6100 and a coolant outlet is formed at the other side.
  • the fifth surface 6105 which is one of both surfaces between the first surface 6101, the second surface 6102, the third surface 6103, and the fourth surface 6104 of the cooling water passage chamber 6100, may be disposed on the fifth surface 6105.
  • a coolant inlet 6110 is formed, and the sixth side 6106, which is the other of the two sides between the first side 6101, the second side 6102, the third side 6103, and the fourth side 6104.
  • Cooling water outlet 6120 may be formed.
  • the first A coolant inlet 6110 is formed on one side of each coolant passage chamber 6100 of the unit module 6000 included in the unit module group 6000 -A, that is, the fifth side 6105, which is an outer side.
  • Cooling water outlet 6120 may be formed on the six surface (6106).
  • each cooling water passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the second unit module group 6000 -B is disposed to face the first unit module group 6000 -A.
  • a coolant inlet 6110 is formed at the fifth surface 6105, which is a side surface, and the other side of each coolant passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the second unit module group 6000 -B, namely, Cooling water outlet 6120 may be formed on the sixth surface 6106, which is a side surface disposed to face the third unit module group 6000 -C.
  • a cooling water inlet 6110 is provided in the support wall 7300 disposed between the unit module groups.
  • a hole 7310 may be formed to correspond to the position of the coolant outlet 6120.
  • the hole 7310 may be located at a location of the coolant outlet 6120 and the second unit module formed in each coolant passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the first unit module group 6000 -A. It may be formed to correspond to the position of the coolant inlet 6110 formed in each coolant passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the group (6000-B).
  • each unit module included in the first unit module group 6000 -A is connected to the second unit module group through the hole 7310.
  • Each unit module included in the first unit module group 6000 -A may be connected to a cooling water inlet 6110 formed in each cooling water passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the 6000 -B. Cooling water may flow from each cooling water passage chamber 6100 of 6000 to each cooling water passage chamber 6100 of each unit module 6000 included in the second unit module group 6000 -B.
  • the same structure is also applied to the second unit module group 6000 -B, the third unit module group 6000 -C, the fourth unit module group 6000 -D, and the fifth unit module group 6000 -E. Can be applied.
  • a first fitting member 6112 is connected to each cooling water inlet 6110, and a second fitting member 6222 is connected to each cooling water outlet 6120.
  • each of the first fitting member 6112 and the second fitting member 6222 may be fitted to the cooling water inlet 6110 and the cooling water discharge port 6120, and may have a hollow tubular shape to allow the cooling water to pass therethrough.
  • the first fitting member 6112 and the second fitting member 6122 may be simultaneously fitted into one hole 7310.
  • one of the plurality of holes 7310 formed in the support wall 7300 disposed between the first unit module group 6000 -A and the second unit module group 6000 -B may include a first unit module group.
  • the first fitting member 6112 connected to the coolant inlet 6110 formed in each coolant passage chamber 6100 of each included unit module 6000 may be fitted together.
  • the outer circumferential surface of the first fitting member 6112, the outer circumferential surface and hole of the second fitting member 6222 may be sealed together.
  • a plurality of coolant inlets 6110 and a plurality of coolant outlets 6120 are formed on each of the fifth and sixth surfaces 6105 and 6106 of each coolant passage chamber 6100.
  • a plurality of holes 7310 may be formed in the support wall 7300 to correspond to positions of the plurality of coolant inlets 6110 and positions of the plurality of coolant outlets 6120.
  • a plurality of coolant passage tubes 6130 may be formed in the coolant passage chamber 6100.
  • the coolant passage tube 6130 is connected from the coolant inlet 6110 to the coolant outlet 6120 in the coolant passage chamber 6100, and the coolant may flow along the second direction through the coolant passage tube 6130. According to this, even if the flow rate of the coolant is not enough to fill the inside of each coolant passage chamber 6100, since the coolant can be evenly distributed in each coolant passage chamber 6100, the front surface of each coolant passage chamber 6100. It is possible to obtain even thermoelectric conversion efficiency.
  • the coolant flows into the first unit group module 6000 -A, the second unit group module 6000 -B, the third unit group module 6000 -C, and the fourth unit along the second direction. It may be discharged to the fifth unit group module 6000-E via the group module 6000-D.
  • the hot gas flows from the top to the bottom of the cooling water passage chamber 6100.
  • the second support frame 6800 is disposed on the upper end of the unit module 6000 as in the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the problem that the performance of the thermoelectric element is degraded due to the high temperature of the hot gas.
  • a coolant inlet pipe is formed in a frame or an edge of a frame 7000 facing one side of the first unit module group 6000 -A, for example, the fifth surface.
  • Cooling water discharge pipes may be formed on the frame or the rim of the other side of the fifth unit module group 6000 -E, for example, the frame 7000 facing the sixth surface.
  • the coolant introduced into the coolant inlet pipe may be dispersed and introduced into the coolant inlet 6110 of each coolant passage chamber 6100 of the plurality of unit modules 6000 included in the first unit module group 6000 -A.
  • the coolant discharged from the coolant outlet 6120 of each coolant passage chamber 6100 of the plurality of unit modules 6000 included in the fifth unit module group 6000 -E may be discharged to the outside collected in the coolant discharge tube.
  • a heat radiation fin may be disposed on an inner wall of each coolant passage chamber 6100 or an inner wall of the coolant passage tube 6130.
  • the shape, number, and area occupying the inner wall of each coolant passage chamber 6100 may be variously changed according to the temperature of the coolant, the temperature of the waste heat, the required power generation capacity, and the like.
  • the area where the heat dissipation fins occupy the inner wall of each cooling water passage chamber 6100 may be, for example, 1 to 40% of the cross-sectional area of each cooling water passage chamber 6100. According to this, it is possible to obtain high thermoelectric conversion efficiency without disturbing the flow of cooling water.

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Abstract

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

Description

열변환장치
본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더운 기체로부터의 열을 이용하여 발전시키는 열변환장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
최근, 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생한 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 발전성능을 높이기 위한 구조가 요구된다.
이와 같이 폐열을 이용하는 발전용 장치의 경우, 조립성 개선 및 일부 모듈의 교체 가능성이 요구되며, 냉각수의 무게로 인하여 냉각수가 통과하는 영역을 지지하는 구조도 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각 복수 개 배열되는 복수의 단위 모듈, 상기 복수의 단위 모듈을 지지하며, 상기 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관 및 제1 냉각수 배출관을 포함하는 프레임, 상기 제1 냉각수 유입관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 일측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관, 그리고 상기 제1 냉각수 배출관과 연결되며, 상기 복수의 단위 모듈의 타측에서 상기 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관을 포함하고, 각 단위 모듈은 냉각수 통과 챔버, 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하며, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제4 면에는 냉각수 배출구가 형성되며, 상기 냉각수 유입구는 상기 제2 냉각수 유입관과 연결되고, 상기 냉각수 배출구는 상기 제2 냉각수 배출관과 연결된다.
상기 제1 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈은 소정 간격으로 서로 이격될 수 있다.
상기 소정 간격으로 서로 이격된 공간 사이를 기체가 통과하며, 상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
상기 기체는 상기 제2 냉각수 배출관으로부터 상기 제2 냉각수 유입관을 향하는 방향으로 통과하고, 상기 냉각수 통과 챔버 내에서 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관으로부터 상기 제2 냉각수 배출관을 향하는 방향으로 흐를 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 상기 제2 냉각수 유입관의 단면적보다 크고, 상기 제1 냉각수 배출관의 단면적은 상기 제2 냉각수 배출관의 단면적보다 클 수 있다.
한 쌍의 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈과 연결될 수 있다.
상기 프레임은 상기 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈 사이에 배치된 지지벽을 더 포함할 수 있다.
상기 지지벽의 양단에는 각각 제1 홈 및 제2 홈이 형성되고, 상기 제1 홈에는 상기 제2 냉각수 유입관이 고정되며, 상기 제2 홈에는 상기 제2 냉각수 배출관이 고정될 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관으로 유입된 냉각수는 상기 제2 냉각수 유입관을 거쳐 상기 냉각수 통과 챔버를 통과한 후 상기 제2 냉각수 배출관을 거쳐 상기 제1 냉각수 배출관으로 배출될 수 있다.
상기 복수의 단위 모듈은 제1 단위 모듈 및 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 단위 모듈과 인접하도록 배열된 제2 단위 모듈을 포함하고, 상기 제1 단위 모듈의 제1 열전모듈은 상기 제1 면에 배치된 제1 열전소자 및 제1 히트싱크를 포함하며, 상기 제2 단위 모듈의 제2 열전모듈은 상기 제2 면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 히트싱크를 포함하고, 상기 제1 히트싱크 및 상기 제2 히트싱크는 소정 간격을 이루며 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은 복수의 제1 열전소자 및 복수의 제2 열전소자를 포함하며, 상기 제1 단위 모듈 및 상기 제2 단위 모듈 각각은 상기 복수의 제1 열전소자 사이에 배치된 제1 단열층 및 상기 복수의 제2 열전소자 사이에 배치된 제2 단열층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각수 유입관의 유입구로부터 멀어질수록 상기 제1 냉각수 유입관의 단면적은 작아질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치는 제1 단위 모듈 그룹 및 제2 단위 모듈 그룹을 포함하는 복수의 단위 모듈 그룹, 그리고 상기 복수의 단위 모듈 그룹을 지지하는 프레임을 포함하고, 상기 제1 단위 모듈 그룹 및 상기 제2 단위 모듈 그룹 각각은 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치된 복수의 단위 모듈을 포함하며, 상기 제1 단위 모듈 그룹 및 상기 제2 단위 모듈 그룹은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배치되고, 각 단위 모듈은 냉각수 통과 챔버, 상기 냉각수 통과 챔버의 제1 면에 배치된 제1 열전모듈, 상기 냉각수 통과 챔버의 제2 면에 배치된 제2 열전모듈, 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면 측에 배치되는 제1 지지프레임, 그리고 상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제4 면 측에 배치되는 제2 지지프레임을 포함하고, 각 냉각수 통과 챔버의 상기 제1 면, 상기 제2 면, 상기 제3 면 및 상기 제4 면 사이의 제5 면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 상기 제1 면, 상기 제2 면, 상기 제3 면 및 상기 제4 면 사이의 제6 면에는 냉각수 배출구가 형성된다.
상기 프레임은 상기 제1 단위 모듈 그룹 및 상기 제2 단위 모듈 그룹 사이에 배치된 지지벽을 포함하고, 상기 지지벽에는 상기 냉각수 유입구의 위치 및 상기 냉각수 배출구의 위치에 대응하도록 홀이 형성되며, 상기 제1 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 배출구는 상기 홀을 통하여 상기 제2 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 유입구에 연결될 수 있다.
상기 냉각수 유입구에는 제1 피팅부재가 연결되고, 상기 냉각수 배출구에는 제2 피팅부재가 연결되며, 상기 홀에는 상기 제1 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 배출구에 연결된 제2 피팅부재 및 상기 제2 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나의 냉각수 유입구에 연결된 제1 피팅부재가 끼워질 수 있다.
상기 제1 피팅부재의 외주면, 상기 제2 피팅부재의 외주면 및 상기 홀의 내주면은 함께 실링될 수 있다.
상기 냉각수 통과 챔버의 상기 제5 면 및 상기 제6 면 각각에는 복수의 냉각수 유입구 및 복수의 냉각수 배출구가 형성되며, 상기 지지벽에는 상기 복수의 냉각수 유입구의 위치 및 상기 복수의 냉각수 배출구의 위치에 대응하도록 복수의 홀이 형성될 수 있다.
상기 소정 간격으로 이격된 공간 사이를 기체가 통과하며, 상기 기체의 온도는 상기 냉각수 통과 챔버의 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
상기 기체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 흐르고, 상기 냉각수 통과 챔버의 내부에는 상기 냉각수 유입구로부터 상기 냉각수 배출구까지 연결되는 냉각수 통과 관이 형성되며, 냉각수는 상기 냉각수 통과 관을 통하여 상기 제2 방향을 따라 흐를 수 있다.
상기 제1 지지프레임 및 상기 제2 지지프레임 중 적어도 하나는 H형상일 수 있다.
상기 제1 단위 모듈 그룹은 제1 단위 모듈 및 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 단위 모듈과 인접하도록 배열된 제2 단위 모듈을 포함하고, 상기 제1 단위 모듈의 제1 열전모듈은 상기 제1 면에 배치된 제1 열전소자 및 제1 히트싱크를 포함하며, 상기 제2 단위 모듈의 제2 열전모듈은 상기 제2 면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자에 배치된 제2 히트싱크를 포함하고, 상기 제1 히트싱크 및 상기 제2 히트싱크는 소정 간격을 이루며 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 조립이 간단하면서도 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 모듈의 개수를 조절하여 발전 용량을 조절할 수 있으며, 일부 단위 모듈의 교체 및 수리가 용이하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 모듈이 안정적으로 지지되므로, 진동이 발생하는 환경에서도 쉽게 변형되지 않아 신뢰성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 제1 방향을 따라 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4의 단위 모듈의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 조립 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 상면도이다.
도 13은 도 12의 열변환장치의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 16은 도 15의 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이다.
도 17은 도 15의 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이다.
도 18은 도 17의 단위 모듈의 분해도이다.
도 19는 도 15의 실시예에 따른 열변환장치의 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 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 제1 방향을 따라 단면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이며, 도 5는 도 4의 단위 모듈의 분해도이다. 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전 소자의 사시도이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 조립 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치 내에서 고온 기체 및 냉각수가 흐르는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 열변환장치(10)는 복수의 단위 모듈(1000) 및 복수의 단위 모듈(1000)을 지지하는 프레임(2000)을 포함한다.
여기서, 복수의 단위 모듈(1000)은 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 복수 개 배열될 수 있으며, 제2 방향은 제1 방향과 교차하는 방향, 예를 들어 제1 방향과 직각을 이루는 방향일 수 있다. 본 명세서에서, 제1 방향으로 배열된 복수의 단위 모듈(1000)은 하나의 단위 모듈 그룹을 이루는 것으로 설명될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 단위 모듈 그룹은 제2 방향을 따라 배열될 수 있다. 여기서, 하나의 단위 모듈 그룹 내에 포함되는 복수의 단위 모듈(1000)은 소정 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
프레임(2000)은 복수의 단위 모듈(1000)의 외곽을 둘러싸도록 배치되는 틀 또는 테두리일 수 있다. 이때, 프레임(2000)에는 복수의 단위 모듈(1000) 내부로 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 유입관 및 복수의 단위 모듈(1000)의 내부를 통과한 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출관이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)은 제1 방향을 따라 형성된 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)은 복수의 단위 모듈(1000) 중 양 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹의 측면에서 제1 방향을 따라 형성될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)을 이루는 테두리 중에서 복수의 단위 모듈(1000) 중 양 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹의 측면에 배치되는 테두리에 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 냉각수 유입관(2100)은 테두리의 하부에 형성되고, 제1 냉각수 배출관(2200)은 테두리의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따르면, 복수의 단위 모듈(1000)을 통과하며 가열된 냉각수가 대류 현상을 이용하여 외부로 배출되기 용이해질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치(10)는 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)과 연결되며, 복수의 단위 모듈(1000)의 일측에서 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 및 프레임(2000)의 제1 냉각수 배출관(2200)과 연결되며, 복수의 단위 모듈(1000)의 타측에서 제2 방향을 따라 배치된 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 단위 모듈(1000)의 일측은 제1 방향 및 제2 방향에 각각 교차하는 제3 방향에서 복수의 단위 모듈(1000)의 하부를 의미하고, 복수의 단위 모듈(1000)의 타측은 제3 방향에서 복수의 단위 모듈(1000)의 상부를 의미할 수 있다.
한편, 각 단위 모듈(1000)은 냉각수 통과 챔버(1100), 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101)에 배치된 제1 열전모듈(1200) 및 냉각수 통과 챔버(1100)의 다른 면(1102)에 배치된 제2 열전모듈(1300)을 포함한다. 여기서, 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101) 및 다른 면(1102)은 제1 방향을 따라 소정 간격으로 서로 이격되도록 배치된 양면일 수 있으며, 본 명세서에서 냉각수 통과 챔버(1100)의 한 면(1101) 및 다른 면(1102)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면 및 제2 면과 혼용될 수 있다. 제1 열전모듈(1200)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101)의 외부 표면에 배치되고, 제1 열전모듈(1200)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)의 제2 열전모듈(1300)을 향하도록 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 열전모듈(1300)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제2 면(1102)의 외부 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 열전모듈(1000)의 제1 열전모듈(1200)을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(10)는, 냉각수 통과 챔버(1100)를 통해 흐르는 냉각수 및 복수의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차, 즉 제1 열전모듈(1200)의 흡열부와 발열부 간의 온도 차 및 제2 열전모듈(1300)의 흡열부와 방열부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 여기서, 냉각수는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능을 가지는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100)로 유입되는 냉각수의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각수의 온도는 냉각수 통과 챔버(1100)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 복수의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 150℃이상, 더욱 바람직하게는 200℃이상일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 단위 모듈(1000) 간 이격된 공간의 폭은 수mm 내지 수십 mm일 수 있으며, 열변환장치의 크기, 유입되는 기체의 온도, 기체의 유입 속도, 요구되는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
특히, 도 4 내지 5를 참조하면, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 각각 복수 개의 열전소자(100)를 포함할 수 있다. 요구되는 발전량에 따라 각 열전모듈에 포함되는 열전소자의 개수를 조절할 수 있다.
각 열전모듈에 포함되는 복수 개의 열전소자(100)는 전기적으로 연결될 수 있으며, 복수 개의 열전소자(100)의 적어도 일부는 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다. 버스 바는, 예를 들어 고온의 기체가 복수의 단위 모듈(1000) 간의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 배출구 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다. 각 단위 모듈(1000)은 복수의 열전소자(100) 사이에 배치되는 단열층(1400) 및 실드층(1500)을 더 포함할 수 있다. 단열층(1400)은 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면 중 열전소자(100)가 배치되는 영역을 제외하고 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 특히, 냉각수 통과 챔버(1100)의 외부 표면 중 복수의 열전소자(100)가 배치되는 제1 면(1101) 및 제2 면(1102)에서 열전소자(100) 사이에 단열층(1400)이 배치되는 경우, 단열층(1400)으로 인하여 열전소자(100)의 저온부 측과 고온부 측 간 단열이 유지될 수 있으므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
그리고, 실드층(1500)은 단열층(1400) 상에 배치되며, 단열층(1400) 및 복수의 열전소자(100)를 보호할 수 있다. 이를 위하여, 실드층(1500)은 스테인리스 소재를 포함할 수 있다.
실드층(1500)과 냉각수 통과 챔버(1100)는 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 이에 따라, 실드층(1500)은 단위 모듈(1000)에 안정적으로 결합할 수 있으며, 제1 열전모듈(1200) 또는 제2 열전모듈(1300)과 단열층(1400)도 함께 고정될 수 있다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102)에 써멀패드(thermal pad)를 이용하여 접착될 수도 있다. 써멀패드는 열전달이 용이하므로, 냉각수 통과 챔버(1100)와 열전모듈 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 그리고, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 열전소자(100)의 고온부 측에 배치된 히트싱크(200) 및 열전소자(100)의 저온부 측에 배치된 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이때, 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)을 향하여 배치된다. 제1 열전모듈(1200)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈(1000)의 제2 열전모듈(1300)을 향하여 배치되며, 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 또 다른 단위 모듈(1000)의 제1 열전모듈(1200)을 향하여 배치될 수 있다. 이때, 인접하는 서로 다른 단위 모듈(1000)들의 히트싱크(200)들은 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이에 따라, 복수의 단위 모듈(1000) 사이를 통과하는 공기의 온도가 히트싱크(200)를 통하여 열전소자(100)의 고온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 한편, 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트는 열전달 효율이 높으므로, 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과하는 냉각수의 온도가 금속 플레이트(300)를 통하여 열전소자(100)의 저온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다.
도 6 내지 7을 참조하면, 각 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 복수의 제1 전극(120), 복수의 제1 전극(120) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 상에 배치된 복수의 제2 전극(150), 그리고 복수의 제2 전극(150) 상에 배치된 제2 기판(160)을 포함한다.
이때, 제1 전극(120)은 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 제2 전극(150)은 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019008239-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 다른 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 6(b)에서 도시하는 구조를 가질 수도 있다. 도 6(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2), 그리고 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)을 포함한다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1)은 서로 직접 접촉하고, 열전 소재층(132. 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 접합층(136-1, 146-1)과 제1 도금층(134-1, 144-1)은 서로 직접 접촉하고, 제2 접합층(136-2, 146-2)과 제2 도금층(134-2, 144-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 도금층(134-1, 144-1)과 제1 금속층(138-1, 148-1)은 서로 직접 접촉하고, 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 금속층(138-2, 148-2)은 서로 직접 접촉할 수 있다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 도 6(a)에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138-1, 148-1) 및 제2 금속층(138-2, 148-2)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136-1, 146)-1 및 제2 접합층(136-2, 146-2)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136-1, 146-1) 및 제2 접합층(136-2, 146-2)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
이에 따르면, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높고, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높다. 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면까지의 Te 함량 또는 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량 대비 0.8 내지 1배일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량 대비 0.8배 내지 1배일 수 있다. 여기서, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내에서도 Te 함량은 일정하게 유지될 수 있으며, 예를 들어 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 방향으로 100㎛ 두께 내에서 Te 중량비의 변화율은 0.9 내지 1일 수 있다.
또한, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량이 50wt%로 포함되는 경우, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 40 내지 50wt%, 바람직하게는 42.5 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 45 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 47.5 내지 50wt%일 수 있다. 또한, 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량은 Ni대비 클 수 있다. 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내에서 Te의 함량은 일정하게 분포하는 반면, Ni 함량은 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내에서 열전 소재층(132, 142) 방향에 인접할수록 감소할 수 있다.
그리고, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량은 일정하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 중량비의 변화율은 0.8 내지 1일 수 있다. 여기서, Te 중량비의 변화율이 1에 가까울수록 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면으로부터 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면까지의 Te 함량이 일정하게 분포하는 것을 의미할 수 있다.
그리고, 제1 접합층(136-1, 146-1) 내 제1 도금층(134-1, 144-1)과 접하는 면, 즉 제1 도금층(136-1, 146-1)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 제2 도금층(134-2, 144-2)과 접하는 면, 즉 제2 도금층(134-2, 144-2)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 제1 접합층(136-1, 146-1)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142) 내 제2 접합층(136-2, 146-2)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에서의 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
그리고, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Te 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 즉, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Te 함량은 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Te 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다. 여기서, 열전 소재층(132, 142)의 중심부는 열전 소재층(132, 142)의 중심을 포함하는 주변 영역을 의미할 수 있다. 그리고, 경계면은 경계면 자체를 의미하거나, 또는 경계면과 경계면으로부터 소정 거리 내에 인접하는 경계면 주변 영역을 포함하는 것을 의미할 수 있다.
그리고, 제1 도금층(136-1, 146-1) 또는 제2 도금층(134-2, 144-2) 내 Te의 함량은 열전 소재층(132, 142) 내 Te의 함량 및 제1 접합층(136-1, 146-1) 또는 제2 접합층(136-2, 146-2) 내 Te의 함량보다 낮게 나타날 수 있다.
또한, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Bi 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Bi 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 이에 따라, 열전 소재층(132, 142)의 중심부로부터 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면에 이르기까지 Te의 함량이 Bi의 함량보다 높게 나타나므로, 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 주변 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면 주변에서 Bi함량이 Te 함량을 역전하는 구간이 존재하지 않는다. 예를 들어, 열전 소재층(132, 142)의 중심부의 Bi 함량은 열전 소재층(132, 142)과 제1 접합층(136-1, 146-1) 간의 경계면 또는 열전 소재층(132, 142)과 제2 접합층(136-2, 146-2) 간의 경계면의 Bi 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
한편, 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제1 전극(120), 그리고 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 전극(120) 또는 제2 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 고분자 수지 기판일 수 있다. 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다.
또는, 고분자 수지 기판은 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도 기판일 수도 있다. 열전도 기판의 두께는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 수 있다.
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 질화붕소는 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 여기서, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure PCTKR2019008239-appb-I000001
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure PCTKR2019008239-appb-I000002
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.
제1 기판(110)과 제2 기판(160)이 고분자 수지 기판인 경우, 금속 기판에 비하여 얇은 두께, 높은 방열 성능 및 절연 성능을 가질 수 있다. 또한, 히트싱크(200) 또는 금속 플레이트(300) 상에 도포된 반경화 상태의 고분자 수지층 상에 전극을 배치한 후 열압착할 경우, 별도의 접착층이 요구되지 않을 수 있다.
이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000)은 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000) 별로 배치될 수 있다. 즉, 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각의 개수는 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일하거나, 제1 방향을 따라 배열된 단위 모듈(1000)의 개수의 배수일 수 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 동일한 단위 모듈 측에 배치된 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관, 예를 들어 제1 단위 모듈(1000-1) 측에 배치된 제2 냉각수 유입관(3000-1) 및 제2 냉각수 배출관(4000-1)을 한 쌍의 제2 냉각수 유입관 및 제2 냉각수 배출관이라 지칭할 수 있다.
제1 방향을 따라 제1 냉각수 유입관(2100)으로 유입된 냉각수는 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 분산되어 유입될 수 있다. 그리고, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)으로부터 배출된 냉각수는 제1 냉각수 배출관(2200)으로 모아진 후 제1 방향을 따라 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 제1 냉각수 유입관(2100)의 단면적은 제2 냉각수 유입관(3000)의 단면적보다 크고, 제1 냉각수 배출관(2200)의 단면적은 제2 냉각수 배출관(4000)의 단면적보다 클 수 있다.
한편, 제2 방향을 따라 각 제2 냉각수 유입관(3000)을 통하여 유입된 냉각수는 제3 방향을 따라 각 단위 모듈(1000)의 냉각수 통과 챔버(1100)를 통과한 후, 제2 방향을 따라 각 제2 냉각수 배출관(4000)을 통하여 배출될 수 있다. 이를 위하여, 각 냉각수 통과 챔버(1100)에는 적어도 하나의 냉각수 유입구(1110) 및 적어도 하나의 냉각수 배출구(1120)가 형성될 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102) 사이의 한 면인 제3 면(1103)에 형성되고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구(1120)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 제1 면(1101) 및 제2 면(1102) 사이의 다른 면인 제4 면(1104)에 형성될 수 있다. 여기서, 제3 면(1103)은 제3 방향에서 아래를 향하는 방향에 배치된 면이고, 제4 면(1104)는 제3 방향에서 위를 향하는 방향에 배치된 면일 수 있일 수 있다. 즉, 제3 면(1103)은 제2 냉각수 유입관(3000)과 가깝게 배치되는 면이고, 제4 면(1104)은 제2 냉각수 배출관(4000)과 가깝게 배치되는 면일 수 있다.
그리고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)는 제2 냉각수 유입관(3000)과 연결되고, 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구(미도시)는 제2 냉각수 배출관(4000)과 연결될 수 있다. 이를 위하여, 제2 냉각수 유입관(3000)에는 적어도 하나의 냉각수 배출구(3100)가 형성되고, 제2 냉각수 배출관(4000)에는 적어도 하나의 냉각수 유입구(미도시)가 형성될 수 있으며, 제2 냉각수 유입관(3000)의 냉각수 배출구(3100)는 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 유입구(1110)와 연결되고, 제2 냉각수 배출관(4000)의 냉각수 유입구는 냉각수 통과 챔버(1100)의 냉각수 배출구와 연결될 수 있다. 이때, 냉각수 배출구와 냉각수 유입구는 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 냉각수 배출구와 냉각수 유입구 중 적어도 하나는 돌출부를 포함할 수 있다. 이로 인하여, 서로 끼워맞춰지거나, 피팅부재에 의하여 피팅될 수 있으며, 추가적으로 냉각수 배출구와 냉각수 유입구가 연결되는 영역은 실링부재에 의하여 실링될 수 있다.
도 1 내지 도 3과 도 8 내지 도 9를 함께 참조하면, 프레임(2000)의 하단에 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)을 배치한 후, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 상에 복수의 단위 모듈(1000)을 배치하고, 복수의 단위 모듈(1000) 상에서 프레임(2000)의 상단에 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)을 배치한다.
프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)으로부터 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 냉각수가 분산되어 유입될 수 있도록, 프레임(2000)의 하단에 형성된 제1 냉각수 유입관(2100)에는 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)의 개수만큼의 홀(2110)이 형성될 수 있으며, 각 제2 냉각수 유입관(3000)은 각 홀(2110)의 위치에 맞게 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)으로부터 프레임(2000)의 제1 냉각수 배출관(2200)으로 냉각수가 모아져서 배출될 수 있도록, 프레임(2000)의 상단에 형성된 제1 냉각수 배출관(2200)에는 복수의 제2 냉각수 배출관(4000)의 개수만큼의 홀(2210)이 형성될 수 있으며, 각 제2 냉각수 배출관(4000)은 각 홀(2210)의 위치에 맞게 배치될 수 있다.
한편, 한 쌍의 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000)은 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 냉각수 유입관(3000-1)은 제1 단위 모듈(1000-1) 및 제1 단위 모듈(1000-1)과 제2 방향을 따라 인접하여 배치되는 다른 단위 모듈(1000-11)과 연결될 수 있고, 이와 마찬가지로 제2 냉각수 배출관(4000-1)은 제1 단위 모듈(1000-1) 및 제1 단위 모듈(1000-1)과 제2 방향을 따라 인접하여 배치되는 다른 단위 모듈(1000-11)과 연결될 수 있다. 이를 위하여, 프레임(2000)은 제2 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000) 사이에 배치된 지지벽(2300)을 더 포함할 수 있다. 즉, 지지벽(2300)은 제1 방향을 따라 배열된 복수의 단위 모듈(1000)을 포함하는 하나의 단위 모듈 그룹 및 이와 제2 방향을 따라 인접하도록 배열된 다른 단위 모듈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 이때, 지지벽(2300)에는 제2 냉각수 유입관(3000)이 배치되는 제1 홈(2310) 및 제2 냉각수 배출관(4000)이 배치되는 제2 홈(2320)이 형성될 수 있다. 하나의 지지벽(2300)에 형성된 제1 홈(2310) 및 제2 홈(2320) 각각의 개수는 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각의 개수, 즉 하나의 단위 모듈 그룹 내에 배열된 단위 모듈(1000)의 개수와 동일할 수 있다.
제1 홈(2310) 및 제2 홈(2320) 각각에는 제2 냉각수 유입관(3000) 및 제2 냉각수 배출관(4000) 각각이 고정될 수 있다. 이를 위하여, 복수의 제2 냉각수 배출관(4000) 상에는 고정부재(5000)가 조립될 수 있으며, 고정부재(5000), 복수의 제2 냉각수 배출관(4000) 및 지지벽(2300)은 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000) 측에도 동일한 구조의 고정부재가 조립될 수 있다.
이와 같은 조립 방법에 따르면, 원하는 발전량에 따라 조립되는 단위 모듈의 개수를 조절하기 용이하다. 또한, 단위 모듈 중 일부가 파손되거나, 고장이 발생한 경우, 열변환장치를 분해하고, 단위 모듈을 교체한 후 재조립하는 과정이 용이하다. 또한, 단위 모듈 자체가 스크류에 의하여 프레임에 고정될 필요가 없으므로, 조립이 용이하다. 또한, 단위 모듈 아래에 배치되는 제2 냉각수 유입관은 냉각수 유입의 기능뿐만 아니라 단위 모듈을 지지하는 기능도 수행할 수 있으므로, 열변형장치는 강성을 가지게 되고, 진동 또는 충격 시 변형이 방지될 수 있다.
도 1 내지 도 3, 도 8 내지 도 9 및 도 10 내지 도 11을 참조하면, 냉각수는 제1 방향을 따라 제1 냉각수 유입관(2100)을 통하여 유입되며, 복수의 제2 냉각수 유입관(3000)으로 분산될 수 있다. 그리고, 냉각수는 제2 방향을 따라 제2 냉각수 유입관(3000)을 통하여 흐르며, 냉각수 통과 챔버(1100) 내로 유입될 수 있다. 냉각수 통과 챔버(1100) 내로 유입된 냉각수는 제3 방향을 따라 냉각수 통과 챔버(1100)의 상단을 향하여 흐르며, 제2 냉각수 배출관(4000)으로 배출될 수 있다. 그리고, 제2 냉각수 배출관(4000)의 냉각수는 제2 방향을 따라 제1 냉각수 배출관(2200)을 향하여 흐르고, 제1 냉각수 배출관(2200)에서 모아진 냉각수는 외부로 배출될 수 있다.
이때, 고온의 기체는 냉각수 통과 챔버(1100)의 상단으로부터 하단을 향하도록 흐른다. 본 발명의 실시예와 같이 단위 모듈(1000)의 상단에 제2 냉각수 배출관(4000)이 배치될 경우, 고온의 기체의 높은 온도로 인하여 열전소자의 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 냉각수가 냉각수 통과 챔버(1100)의 하단으로부터 상단을 향하도록 흐르므로, 냉각수가 냉각수 통과 챔버(1100)의 아래에서부터 채워지며, 고온의 기체가 흐르는 방향과 냉각수가 흐르는 방향이 서로 반대가 되므로, 단위 모듈 전체에 대하여 균일한 열교환 온도를 제공할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열변환장치의 상면도이고, 도 13은 도 12의 열변환장치의 사시도이다. 여기서, 프레임(2000) 내에 단위 모듈이 일부만 채워져 있는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되지 않으며, 프레임(2000) 내의 전부 또는 일부에 단위 모듈이 채워질 수 있다. 도 1 내지 11과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 12 내지 13을 참조하면, 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100) 및 제1 냉각수 배출관(2200)의 단면적은 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 이에 따르면, 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로부터 먼거리에 배치된 제2 냉각수 유입관(4000)으로도 높은 유압이 가해질 수 있으므로, 복수의 제2 냉각수 유입관(4000)으로 고르게 냉각수가 유입될 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다. 여기서, 프레임(2000) 내에 단위 모듈이 일부만 채워져 있는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되지 않으며, 프레임(2000) 내의 전부 또는 일부에 단위 모듈이 채워질 수 있다. 도 1 내지 11과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 14를 참조하면, 프레임(2000)의 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구는 제1 냉각수 유입관(2100)의 측면에 형성될 수도 있다. 이에 따라, 제1 냉각수 유입관(2100)의 유입구로 유입되는 냉각수도 제2 방향을 따라 유입될 수 있으므로, 복수의 제2 냉각수 유입관(4000)으로 고르게 냉각수가 유입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각수의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각수의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
그리고, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수도 있다. 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부가 복수의 영역으로 구획될 경우, 냉각수의 유량이 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 내부를 가득채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각수가 각 냉각수 통과 챔버(1100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 각 냉각수 통과 챔버(1100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 16은 도 15의 실시예에 따른 열변환장치의 부분 확대도이며, 도 17은 도 15의 실시예에 따른 열변환장치에 포함되는 단위 모듈의 사시도이고, 도 18은 도 17의 단위 모듈의 분해도이고, 도 19는 도 15의 실시예에 따른 열변환장치의 단면도이다.
도 15 내지 도 19를 참조하면, 열변환장치(20)는 복수의 단위 모듈 그룹 및 복수의 단위 모듈 그룹을 지지하는 프레임(7000)을 포함한다. 여기서, 각 단위 모듈 그룹은 복수의 단위 모듈(6000)을 포함한다.
여기서, 복수의 단위 모듈(6000)은 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 복수 개 배열될 수 있으며, 제2 방향은 제1 방향과 교차하는 방향, 예를 들어 제1 방향과 직각을 이루는 방향일 수 있다. 본 명세서에서, 제1 방향으로 배열된 복수의 단위 모듈(6000)은 하나의 단위 모듈 그룹을 이루는 것으로 설명될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 단위 모듈 그룹은 제2 방향을 따라 배열될 수 있다. 여기서, 하나의 단위 모듈 그룹 내에 포함되는 복수의 단위 모듈(6000)은 소정 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 설명의 편의를 위하여, 열변환장치(20)는 제2 방향을 따라 배치된 5개의 단위 모듈 그룹, 즉 제1 단위 모듈 그룹(6000-A), 제2 단위 모듈 그룹(6000-B), 제3 단위 모듈 그룹(6000-C), 제4 단위 모듈 그룹(6000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)을 포함하는 것을 예로 들어 설명하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
프레임(7000)은 복수의 단위 모듈(6000)의 외곽을 둘러싸도록 배치되는 틀 또는 테두리일 수 있다. 이때, 프레임(7000)에는 복수의 단위 모듈(6000) 내부로 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 유입관(미도시) 및 복수의 단위 모듈(6000)의 내부를 통과한 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출관(미도시)이 형성될 수 있다. 냉각수 유입관 및 냉각수 배출관 중 하나는 복수의 단위 모듈 그룹 중 한 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹, 예를 들어 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)의 측면에 배치된 테두리에 형성되고, 다른 하나는 복수의 단위 모듈 그룹 중 다른 가장자리에 배치된 단위 모듈 그룹, 예를 들어 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)의 측면에 배치된 테두리에 형성될 수 있다.
특히, 도 17 내지 18을 참조하면, 각 단위 모듈(6000)은 냉각수 통과 챔버(6100), 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 면(6101)에 배치된 제1 열전모듈(6200) 및 냉각수 통과 챔버(6100)의 다른 면(6102)에 배치된 제2 열전모듈(6300)을 포함한다. 여기서, 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 면(6101) 및 다른 면(6102)은 제1 방향을 따라 소정 간격으로 서로 이격되도록 배치된 양면일 수 있으며, 본 명세서에서 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 면(6101) 및 다른 면(6102)은 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면 및 제2 면과 혼용될 수 있다.
제1 열전모듈(6200)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면(6101)의 외부 표면에 배치되고, 제1 열전모듈(6200)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 모듈(6000)의 제2 열전모듈(6300)을 향하도록 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 열전모듈(6300)의 저온부, 즉 방열부는 냉각수 통과 챔버(6100)의 제2 면(6102)의 외부 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(6300)의 고온부, 즉 흡열부는 인접하는 다른 단위 열전모듈(6000)의 제1 열전모듈(6200)을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(20)는, 냉각수 통과 챔버(6100)를 통해 흐르는 냉각수 및 복수의 단위 모듈(6000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차, 즉 제1 열전모듈(6200)의 흡열부와 발열부 간의 온도 차 및 제2 열전모듈(6300)의 흡열부와 방열부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 여기서, 냉각수는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능을 가지는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 냉각수 통과 챔버(6100)로 유입되는 냉각수의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 냉각수 통과 챔버(6100)를 통과한 후 배출되는 냉각수의 온도는 냉각수 통과 챔버(6100)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 복수의 단위 모듈(6000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 모듈(6000) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 150℃이상, 더욱 바람직하게는 200℃이상일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 단위 모듈(6000) 간 이격된 공간의 폭은 수mm 내지 수십 mm일 수 있으며, 열변환장치의 크기, 유입되는 기체의 온도, 기체의 유입 속도, 요구되는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
제1 열전모듈(6200) 및 제2 열전모듈(6300)은 각각 복수 개의 열전소자(100)를 포함할 수 있다. 요구되는 발전량에 따라 각 열전모듈에 포함되는 열전소자의 개수를 조절할 수 있다.
각 열전모듈에 포함되는 복수 개의 열전소자(100)는 전기적으로 연결될 수 있으며, 복수 개의 열전소자(100)의 적어도 일부는 버스 바(미도시)를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다. 버스 바는, 예를 들어 고온의 기체가 복수의 단위 모듈(6000) 간의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 배출구 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(6200) 및 제2 열전모듈(6300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 제1 열전모듈(6200) 및 제2 열전모듈(6300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다. 각 단위 모듈(6000)은 복수의 열전소자(100) 사이에 배치되는 단열층(6400) 및 실드층(6500)을 더 포함할 수 있다. 단열층(6400)은 냉각수 통과 챔버(6100)의 외부 표면 중 열전소자(100)가 배치되는 영역을 제외하고 냉각수 통과 챔버(6100)의 외부 표면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 특히, 냉각수 통과 챔버(6100)의 외부 표면 중 복수의 열전소자(100)가 배치되는 제1 면(6101) 및 제2 면(6102)에서 열전소자(100) 사이에 단열층(6400)이 배치되는 경우, 단열층(6400)으로 인하여 열전소자(100)의 저온부 측과 고온부 측 간 단열이 유지될 수 있으므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
그리고, 실드층(6500)은 단열층(6400) 상에 배치되며, 단열층(6400) 및 복수의 열전소자(100)를 보호할 수 있다. 이를 위하여, 실드층(6500)은 스테인리스 소재를 포함할 수 있다.
실드층(6500)과 냉각수 통과 챔버(6100)는 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 이에 따라, 실드층(6500)은 단위 모듈(6000)에 안정적으로 결합할 수 있으며, 제1 열전모듈(6200) 또는 제2 열전모듈(6300)과 단열층(6400)도 함께 고정될 수 있다.
이때, 제1 열전모듈(6200) 및 제2 열전모듈(6300) 각각은 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면(6101) 및 제2 면(6102)에 써멀패드(thermal pad, 6600)를 이용하여 접착될 수도 있다. 써멀패드(6600)는 열전달이 용이하므로, 냉각수 통과 챔버(6100)와 열전모듈 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 그리고, 제1 열전모듈(6200) 및 제2 열전모듈(6300) 각각은 열전소자(100)의 고온부 측에 배치된 히트싱크(200) 및 열전소자(100)의 저온부 측에 배치된 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이때, 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈을 향하여 배치된다. 제1 열전모듈(6200)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 다른 단위 모듈(6000-1, 도 16 참조)의 제2 열전모듈(6300)을 향하여 배치되며, 제2 열전모듈(6300)에 포함되는 히트싱크(200)는 인접하는 또 다른 단위 모듈(6000-2, 도 16 참조)의 제1 열전모듈(6200)을 향하여 배치될 수 있다. 이때, 인접하는 서로 다른 단위 모듈(6000)들의 히트싱크(200)들은 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이에 따라, 복수의 단위 모듈(6000) 사이를 통과하는 공기의 온도가 히트싱크(200)를 통하여 열전소자(100)의 고온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 한편, 금속 플레이트(300), 예를 들어 알루미늄 플레이트는 열전달 효율이 높으므로, 냉각수 통과 챔버(6100)를 통과하는 냉각수의 온도가 금속 플레이트(300)를 통하여 열전소자(100)의 저온부 측에 효율적으로 전달될 수 있다. 도시된 바와 같이, 하나의 금속 플레이트(300)에는 복수 개의 열전소자(100)가 배치될 수도 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 하나의 금속 플레이트(300)에는 하나의 열전소자(100)가 배치될 수도 있다. 열전소자(100)에 대한 구체적인 내용은 전술한 도 6 내지 도 7과 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 단위 모듈(6000)은 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면(6101)과 제2 면(6102) 사이의 제3 면(6103) 측에 배치되는 제1 지지프레임(6700) 및 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면(6101)과 제2 면(6102) 사이의 제4 면(6104) 측에 배치되는 제2 지지프레임(6800)을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 제3 면(6103)은 제3 방향에서 아래를 향하는 면일 수 있고, 제4 면(6104)은 제3 면(6103)과 마주보는 면으로, 제3 방향에서 위를 향하는 면일 수 있다. 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 중 적어도 하나의 형상은 H형상, 예를 들어 H빔일 수 있다. 열변환장치(20) 내에 포함된 제1 지지프레임(6700)과 제2 지지프레임(6800) 각각의 개수는 열변환장치(20) 내에 포함된 단위 모듈(6000)의 전체 개수와 동일할 수 있다. 도 17 내지 18에서 도시된 바와 같이, 동일한 단위 모듈 측에 배치된 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800)을 한 쌍의 지지프레임이라 지칭할 수도 있다. 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800)이 각각 냉각수 통과 챔버(6100)의 제3 면(6103) 측 및 제4 면(6104) 측에 배치되면, 단위 모듈의 강성을 유지할 수 있으며, 진동 시 휘어지거나 변형되는 문제를 방지할 수 있다.
이를 위하여, 프레임(7000)은 제1 단위 모듈 그룹(6000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(6000-B) 사이에 배치된 지지벽(7300)을 더 포함할 수 있고, 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각은 지지벽(7300)과 체결될 수 있다. 이때, 지지벽(7300)은 프레임(7000)의 틀 또는 테두리와 체결되거나, 일체로 성형될 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(6000-B) 사이에는 지지벽(7300)이 배치되고, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)의 각 단위 모듈(6000)에 배치된 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각은 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)이 배치된 방향을 향하여 지지벽(7300) 하부 및 상부에서 연장되며, 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)의 각 단위 모듈(6000)에 배치된 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각은 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)이 배치된 방향을 향하여 지지벽(7300) 하부 및 상부에서 연장될 수 있다. 이때, 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각의 연장 길이는 지지벽(7300)의 두께의 절반을 초과할 수 없다. 그리고, 제1 지지프레임(6700)과 지지벽(7300)의 하부 및 제2 지지프레임(6800)과 지지벽(7300)의 상부는 각각 스크류에 의하여 체결될 수 있다. 이에 따르면, 단위 모듈 자체가 스크류에 의하여 프레임에 직접 고정될 필요가 없으므로, 조립이 용이하다. 또한, 요구되는 발전량에 따라 단위 모듈의 개수를 조절하기 용이하다.
여기서, 한 쌍의 지지프레임이 하나의 단일 모듈을 지지하는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각은 하나의 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나 및 이와 인접하는 다른 단위 모듈 그룹에 포함된 복수의 단위 모듈 중 하나를 동시에 지지하도록 제2 방향을 따라 연장될 수도 있다. 이에 따르면, 열변환장치(20) 내에 포함된 제1 지지프레임(6700)과 제2 지지프레임(6800) 각각의 개수는 제1 단위 모듈 그룹(6000-A) 내에 포함된 단위 모듈(6000)의 개수와 동일하거나, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A) 내에 포함된 단위 모듈(6000)의 개수의 배수일 수도 있다.
이를 위하여, 지지벽(7300)의 하단에는 제1 지지프레임(6700)이 배치되는 복수의 홈이 형성되고, 지지벽(7300)의 상단에는 제2 지지프레임(6800)이 배치되는 복수의 홈이 형성될 수 있으며, 제1 지지프레임(6700) 및 제2 지지프레임(6800) 각각은 스크류 등의 고정부재에 의하여 지지벽(7300)과 체결될 수 있다. 하나의 지지벽(7300)의 하단 및 상단에 형성된 각 홈의 개수는 하나의 단위 모듈 그룹 내에 배열된 단위 모듈(6000)의 개수와 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 측면에는 냉각수 유입구가 형성되고, 다른 측면에는 냉각수 배출구가 형성된다.
즉, 냉각수 통과 챔버(6100)의 제1 면(6101), 제2 면(6102), 제3 면(6103) 및 제4 면(6104) 사이의 양 면 중 하나인 제5 면(6105)에는 냉각수 유입구(6110)가 형성되고, 제1 면(6101), 제2 면(6102), 제3 면(6103) 및 제4 면(6104) 사이의 양 면 중 다른 하나인 제6 면(6106)에는 냉각수 배출구(6120)가 형성될 수 있다. 도 15에서 제1 단위 모듈 그룹(6000-A), 제2 단위 모듈 그룹(6000-B), 제3 단위 모듈 그룹(6000-C), 제4 단위 모듈 그룹(6000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)이 제2 방향을 따라 순차적으로 배열되고, 냉각수가 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)으로부터 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)을 향하는 방향으로 흐르는 경우, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 측면, 즉 바깥쪽 측면인 제5 면(6105)에 냉각수 유입구(6110)가 형성되고, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 다른 측면, 즉 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)을 향하도록 배치된 측면인 제6 면(6106)에 냉각수 배출구(6120)가 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 한 측면, 즉 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)을 향하도록 배치된 측면인 제5 면(6105)에 냉각수 유입구(6110)가 형성되고, 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 다른 측면, 즉 제3 단위 모듈 그룹(6000-C)을 향하도록 배치된 측면인 제6 면(6106)에 냉각수 배출구(6120)가 형성될 수 있다.
이때, 냉각수가 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)으로부터 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)을 향하는 방향으로 흐르기 위하여, 양 단위 모듈 그룹 사이에 배치된 지지벽(7300)에는 냉각수 유입구(6110) 및 냉각수 배출구(6120)의 위치에 대응하도록 홀(7310)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(7310)은 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 배출구(6120)의 위치 및 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 유입구(6110)의 위치에 동시에 대응하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 배출구(6120)는 홀(7310)을 통하여 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 유입구(6110)에 연결될 수 있으며, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)로부터 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)로 냉각수가 흘러갈 수 있다. 이와 같은 구조는 제2 단위 모듈 그룹(6000-B), 제3 단위 모듈 그룹(6000-C), 제4 단위 모듈 그룹(6000-D) 및 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 19에 도시된 바와 같이, 각 냉각수 유입구(6110)에는 제1 피팅부재(6112)가 연결되고, 각 냉각수 배출구(6120)에는 제2 피팅부재(6122)가 연결될 수 있다. 이때, 제1 피팅부재(6112) 및 제2 피팅부재(6122) 각각은 냉각수 유입구(6110) 및 냉각수 배출구(6120)에 끼워 맞춰지며, 냉각수가 통과할 수 있도록 중공의 관 형상을 가질 수 있다. 그리고, 하나의 홀(7310)에는 제1 피팅부재(6112) 및 제2 피팅부재(6122)가 동시에 끼워질 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A) 및 제2 단위 모듈 그룹(6000-B) 사이에 배치된 지지벽(7300)에 형성된 복수의 홀(7310) 중 하나에는 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 배출구(6120)에 연결된 제2 피팅부재(6122) 및 제2 단위 모듈 그룹(6000-B)에 포함된 각 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)에 형성된 냉각수 유입구(6110)에 연결된 제1 피팅부재(6112)가 함께 끼워질 수 있다. 이때, 제2 피팅부재(6122)와 제1 피팅부재(6112) 사이에서 냉각수가 유출되는 문제를 방지하기 위하여, 제1 피팅부재(6112)의 외주면, 제2 피팅부재(6122)의 외주면 및 홀(7310)의 내주면은 함께 실링될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 제5 면(6105) 및 제6 면(6106) 각각에는 복수의 냉각수 유입구(6110) 및 복수의 냉각수 배출구(6120)가 형성되며, 지지벽(7300)에는 복수의 냉각수 유입구(6110)의 위치 및 복수의 냉각수 배출구(6120)의 위치에 대응하도록 복수의 홀(7310)이 형성될 수 있다.
이때, 냉각수의 원활한 흐름을 위하여, 냉각수 통과 챔버(6100)의 내부에는 복수의 냉각수 통과 관(6130)이 형성될 수 있다. 냉각수 통과 관(6130)은 냉각수 통과 챔버(6100)의 내부에서 냉각수 유입구(6110)로부터 냉각수 배출구(6120)까지 연결되며, 냉각수는 냉각수 통과 관(6130)을 통하여 제2 방향을 따라 흐를 수 있다. 이에 따르면, 냉각수의 유량이 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 내부를 가득채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각수가 각 냉각수 통과 챔버(6100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
이와 같이, 냉각수는 제1 단위 그룹 모듈(6000-A)로 유입된 후, 제2 방향을 따라 제2 단위 그룹 모듈(6000-B), 제3 단위 그룹 모듈(6000-C) 및 제4 단위 그룹 모듈(6000-D)을 거쳐 제5 단위 그룹 모듈(6000-E)로 배출될 수 있다.
그리고, 고온의 기체는 냉각수 통과 챔버(6100)의 상단으로부터 하단을 향하도록 흐른다. 본 발명의 실시예와 같이 단위 모듈(6000)의 상단에 제2 지지프레임(6800)이 배치될 경우, 고온의 기체의 높은 온도로 인하여 열전소자의 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
도시되지 않았으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)의 한 측면, 예를 들어 제5면이 향하는 프레임(7000)의 틀 또는 테두리에는 냉각수 유입관이 형성되고, 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)의 다른 측면, 예를 들면 제6 면이 향하는 프레임(7000)의 틀 또는 테두리에는 냉각수 배출관이 형성될 수 있다. 냉각수 유입관으로 유입된 냉각수는 제1 단위 모듈 그룹(6000-A)에 포함된 복수의 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 냉각수 유입구(6110)로 분산되어 유입될 수 있다. 그리고, 제5 단위 모듈 그룹(6000-E)에 포함된 복수의 단위 모듈(6000)의 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 냉각수 배출구(6120)로부터 배출된 냉각수는 냉각수 배출관에서 모아진 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 내벽 또는 냉각수 통과 관(6130)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수, 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각수의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 각 냉각수 통과 챔버(6100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각수의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

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