WO2021145621A1 - 발전장치 - Google Patents

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WO2021145621A1
WO2021145621A1 PCT/KR2021/000336 KR2021000336W WO2021145621A1 WO 2021145621 A1 WO2021145621 A1 WO 2021145621A1 KR 2021000336 W KR2021000336 W KR 2021000336W WO 2021145621 A1 WO2021145621 A1 WO 2021145621A1
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WO
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wiring
fluid
disposed
thermoelectric
thermoelectric module
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/000336
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English (en)
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Inventor
박정욱
안상훈
전지환
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
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Publication date
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Priority to US17/758,774 priority patent/US20230039582A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation device, and more particularly, to a power generation device for generating electric power using a temperature difference between a low temperature part and a high temperature part of a thermoelectric element.
  • thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.
  • 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 devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .
  • thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts.
  • the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric element is increasing.
  • thermoelectric elements Recently, there is a need to generate electricity by using high-temperature waste heat generated from engines such as automobiles and ships and thermoelectric elements.
  • the duct through which the first fluid passes is disposed on the low temperature side of the thermoelectric element
  • the heat dissipation fin is disposed on the high temperature side of the thermoelectric element
  • the second fluid having a higher temperature than the first fluid may pass through the heat dissipation fin. Accordingly, electricity may be generated by the temperature difference between the low temperature part and the high temperature part of the thermoelectric element, and the power generation performance may vary according to the structure of the power generation device.
  • An object of the present invention is to provide a power generation device for generating electricity by using a temperature difference between a low temperature part and a high temperature part of a thermoelectric element.
  • a power generation device includes a first thermoelectric module including a cooling unit, a first thermoelectric element disposed on a first surface of the cooling unit, and a first heat sink disposed on the first thermoelectric element, and a first wiring unit connected to the first thermoelectric element, a fluid receiving unit is formed in a first area of the cooling unit, a tunnel is formed in a second area of the cooling unit, and the first wiring unit passes through the tunnel.
  • the cooling unit may further include a wire lead-out part disposed on another surface perpendicular to the first surface of the cooling part, the tunnel being connected to the wire lead-out part, and the first wire part being led out through the wire lead-out part.
  • the first thermoelectric module may be disposed in the first area on the first surface, and the first wiring part may be disposed in the second area on the first surface, and may extend to the wire lead-out part through the tunnel.
  • the cooling unit further includes a fluid inlet and a fluid outlet disposed to be spaced apart from the wire outlet on the other surface of the cooling unit, wherein the fluid inlet and the fluid outlet are disposed in the first area, and the wire lead out is disposed in the first area. It can be arranged in two areas.
  • a distance between the fluid inlet and the fluid outlet may be the same as a distance between the fluid inlet or the fluid outlet and the wire outlet.
  • thermoelectric module including a second thermoelectric element disposed on a second surface opposite to the first surface of the cooling unit and a second heat sink disposed on the second thermoelectric element, and connected to the second thermoelectric element
  • a second wiring unit may be included, and the second wiring unit may be drawn out through the wiring lead-out unit.
  • the second thermoelectric module may be disposed in the first area on the second surface, and the second wiring part may be disposed in the second area on the second surface, and may extend to the wire lead-out part through the tunnel.
  • the first wiring unit includes a 1-1 wiring and a 1-2 wiring
  • the second wiring unit includes a 2-1 wiring and a 2-2 wiring
  • the 1-1 wiring and the second wiring unit A -1 wire may be drawn out to the wire lead-out part through the tunnel, and the 1-2 th wire and the 2-2 th wire may be connected to each other.
  • the first wiring unit includes a 1-1 wiring and a 1-2 wiring
  • the second wiring unit includes a 2-1 wiring and a 2-2 wiring
  • the 1-1 wiring and the 1 - 2 wirings have different polarities
  • the 2-1 wiring and the 2-2 wiring have different polarities
  • the 1-1 wiring, the 1-2 wiring, the 2-1 wiring and The 2-2 wiring may be drawn out to the wiring lead-out part through the tunnel.
  • the tunnel may include a first tunnel through which the 1-1 wiring and the 2-1 wiring pass and a second tunnel through which the 1-2 wiring and the 2-2 wiring pass.
  • a fluid passing through the cooling unit may be a first fluid, and a second fluid having a higher temperature than the first fluid may pass through the first heat sink.
  • the cooling portion is perpendicular to the first surface, the second surface, a third surface between the first surface and the second surface, the third surface, a fourth surface on which the wire lead is disposed, the third surface a fifth surface opposite to and a sixth surface opposite to the fourth surface, wherein the second fluid may pass in a direction from the third surface toward the fifth surface.
  • the tunnel may be formed in a direction from the fifth surface toward the fourth surface in the second region between the first surface and the second surface of the cooling unit.
  • a power generation system includes a first power generation device and a second power generation device disposed on a side surface of the first power generation device, wherein each of the first power generation device and the second power generation device is cooled part, a first thermoelectric module including a first thermoelectric element disposed on a first surface of the cooling unit and a first heat sink disposed on the first thermoelectric element, and a first wiring unit connected to the first thermoelectric element and a fluid accommodating part is formed in a first area of the cooling unit, a tunnel is formed in a second area of the cooling unit, and the first wiring unit passes through the tunnel.
  • the cooling unit may further include a wire lead-out part disposed on another surface perpendicular to the first surface of the cooling part, the tunnel being connected to the wire lead-out part, and the first wire part being led out through the wire lead-out part.
  • the first thermoelectric module may be disposed in the first area on the first surface, and the first wiring part may be disposed in the second area on the first surface, and may extend to the wire lead-out part through the tunnel.
  • the cooling unit further includes a fluid inlet and a fluid outlet disposed to be spaced apart from the wire outlet on the other surface of the cooling unit, wherein the fluid inlet and the fluid outlet are disposed in the first area, and the wire lead out is disposed in the first area.
  • the distance between the fluid inlet and the fluid outlet of the first power generation device is the same as the distance between the fluid inlet or the fluid outlet of the first power generation device and the wire outlet
  • the distance between the fluid inlet or the fluid outlet of the first power generation device and the wire outlet is the distance between the wire outlet of the first power generation device and the fluid inlet or the fluid outlet of the second power generation device and same.
  • thermoelectric element According to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain a power generation device having excellent power generation performance. In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to obtain a power generation device with improved heat transfer efficiency to the thermoelectric element.
  • the wiring of the power generation device can be efficiently connected, and the influence of the wiring on the flow of the fluid can be minimized.
  • FIG. 1 is a perspective view of a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a power generation device included in a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded view of a power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a perspective view of a power generation module included in a power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a power generation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of a power generation module according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 8 to 9 are cross-sectional and perspective views of a thermoelectric element included in a power generation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view of a power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 11 is a top view of a state in which the shield member is removed from the power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an example of a cross-sectional view of a cooling unit included in a power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 13 is another example of a cross-sectional view of a cooling unit included in the power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module 14 is a view for explaining wiring connections between a first thermoelectric module and a second thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view and a perspective view of a power generation device according to the embodiment of FIG. 14 .
  • thermoelectric module 16 is a view for explaining wiring connections between a first thermoelectric module and a second thermoelectric module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view and a perspective view of the power generation device according to the embodiment of FIG.
  • FIG. 18 is a perspective view illustrating a cross section of FIG. 10 .
  • FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining the cross-section of FIG. 10 .
  • FIG. 20 shows a power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • 21 shows two power generation devices included in the power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as "at least one (or one or more) of A and (and) B, C", it is combined with A, B, C It may include one or more of all possible combinations.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include a case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • the top (above) or bottom (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components.
  • the meaning of the lower direction as well as the upper direction based on one component may be included.
  • FIG. 1 is a perspective view of a power generation system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a power generation system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is included in the power generation system according to an embodiment of the present invention
  • It is a perspective view of the built-in generator.
  • 4 is an exploded view of a power generation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view of a power generation module included in the power generation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is an exploded perspective view of the power generation module.
  • 7 is a partially enlarged view of a power generation module according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 to 9 are cross-sectional and perspective views of a thermoelectric element included in the power generation module according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation system 10 includes a power generation device 1000 and a fluid pipe 2000 .
  • the fluid flowing into the fluid pipe 2000 may be an engine of an automobile or a ship, or a heat source generated in a power plant or a steel mill, but is not limited thereto.
  • the temperature of the fluid discharged from the fluid pipe 2000 is lower than the temperature of the fluid flowing into the fluid pipe 2000 .
  • the temperature of the fluid flowing into the fluid pipe 2000 may be 100° C. or more, preferably 200° C. or more, more preferably 220° C. to 250° C., but is not limited thereto, and the low-temperature part of the thermoelectric element And it can be variously applied according to the temperature difference between the high-temperature parts.
  • the fluid pipe 2000 includes a fluid inlet part 2100 , a fluid passing part 2200 , and a fluid outlet part 2300 .
  • the fluid introduced through the fluid inlet 2100 passes through the fluid pass 2200 and is discharged through the fluid outlet 2300 .
  • the power generating device 1000 according to the embodiment of the present invention is disposed in the fluid passing unit 2200 , and the power generating device 1000 includes the first fluid passing through the power generating device 1000 and the fluid passing unit 2200 .
  • the temperature difference between the passing second fluid is used to generate electricity.
  • the first fluid may be a cooling fluid
  • the second fluid may be a high temperature fluid having a higher temperature than that of the first fluid.
  • the power generation device 1000 may generate electricity by using a temperature difference between the first fluid flowing through one surface of the thermoelectric element and the second fluid flowing through the other surface of the thermoelectric element.
  • the fluid pipe 2000 is formed between the fluid inlet 2100 and the fluid passage 2200 . It may further include a first connection part 2400 for connecting the , and a second connection part 2500 for connecting the fluid passing part 2200 and the fluid discharge part 2300 .
  • the general fluid inlet 2100 and the fluid outlet 2300 may have a cylindrical shape.
  • the fluid passage part 2200 in which the power generation device 1000 is disposed may have a rectangular or polygonal shape.
  • the fluid inlet part 2100 and the first connection part 2400 , the first connection part 2400 and the fluid passage part 2200 , the fluid passage part 2200 and the second connection part 2500 , and the second connection part 2500 ) and the fluid discharge unit 2300 may be connected to each other by a fastening member.
  • the power generation device 1000 may be disposed in the fluid passage unit 2200 .
  • one surface of the fluid passage part 2200 may be designed to have an opening and closing structure. After opening one side 2210 of the fluid passing unit 2200, the power generation device 1000 is accommodated in the fluid passing unit 2200, and the open one side 2210 of the fluid passing unit 2200 is covered ( 2220) can be covered. In this case, the cover 2220 may be fastened to the open surface 2210 of the fluid passage part 2200 by a plurality of fastening members.
  • a cover A plurality of holes 2222 may be formed in 2220 .
  • the power generation device 1000 includes a duct 1100 , a first thermoelectric module 1200 , a second thermoelectric module 1300 , a branching part 1400 , and spaced apart. It includes a member 1500 , a shield member 1600 , and a heat insulating member 1700 .
  • the power generation device 1000 according to an embodiment of the present invention further includes a guide plate 1800 and a support frame 1900 .
  • a duct 1100, a first thermoelectric module 1200, a second thermoelectric module 1300, a branch 1400, a spacer 1500, a shield member 1600, and a heat insulating member ( 1700) may be assembled into one module.
  • the power generation device 1000 includes a first fluid flowing through the inside of the duct 1100 and a first thermoelectric module 1200 and a second thermoelectric module 1300 disposed outside the duct 1100. Power can be generated by using the temperature difference between the second fluid passing through the heat sinks 1220 and 1320 of the .
  • the temperature of the first fluid flowing through the inside of the duct 1100 is the temperature of the second fluid passing through the heat sinks 1220 and 1320 of the thermoelectric modules 1200 and 1300 disposed outside the duct 1100. may be lower than the temperature.
  • the first fluid may be for cooling.
  • the first thermoelectric module 1200 may be disposed on one surface of the duct 1100
  • the second thermoelectric module 1300 may be disposed on the other surface of the duct 1100 .
  • the side disposed to face the duct 1100 among both surfaces of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 becomes the low-temperature part, and power can be produced using the temperature difference between the low-temperature part and the high-temperature part.
  • the duct 1100 may be referred to as a cooling unit.
  • the first fluid flowing into the duct 1100 may be water, but is not limited thereto, and may be various types of fluids having cooling performance.
  • the temperature of the first fluid flowing into the duct 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 first fluid discharged after passing through the duct 1100 may be higher than the temperature of the first fluid flowing into the duct 1100 .
  • Each duct 1100 has a first surface 1110 , a second surface 1120 opposite the first surface 1110 and disposed parallel to the first surface 1110 , a first surface 1110 and a second surface a third surface 1130 disposed between 1120 and a fourth surface 1140 disposed between the first surface 1110 and the second surface 1120 perpendicular to the third surface 1130 , the third surface a fifth surface 1150 disposed opposite to 1130 and a sixth surface 1160 disposed opposite to a fourth surface 1140 through which the first fluid passes into the duct.
  • the third surface 1130 is a second fluid may be a surface disposed in an inflow direction
  • the fourth surface 1140 may be a surface disposed in a direction in which the first fluid flows in and out.
  • a first fluid inlet 1142 and a first fluid outlet 1144 may be formed on the fourth surface 1140 of the duct 1100 .
  • the first fluid inlet 1142 and the first fluid outlet 1144 may be connected to a fluid receiving part in the duct 1100 . Accordingly, the first fluid introduced from the first fluid inlet 1142 may be discharged from the first fluid outlet 1144 after passing through the fluid accommodating part.
  • heat dissipation fins may be disposed on the inner wall of the duct 1100 .
  • the shape, number, and area occupying the inner wall of the duct 1100 of the heat dissipation fins may be variously changed according to the temperature of the first fluid, the temperature of the waste heat, the required power generation capacity, and the like.
  • the area occupied by the heat dissipation fins on the inner wall of the duct 1100 may be, for example, 1 to 40% of the cross-sectional area of the duct 1100 . Accordingly, it is possible to obtain high thermoelectric conversion efficiency without disturbing the flow of the first fluid.
  • the heat dissipation fin may have a shape that does not interfere with the flow of the first fluid.
  • the heat dissipation fins may be formed along a direction in which the first fluid flows. That is, the heat dissipation fins may have a plate shape extending from the first fluid inlet toward the first fluid outlet, and the plurality of heat dissipation fins may be disposed to be spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • the heat dissipation fin may be integrally formed with the inner wall of the duct 1100 .
  • the direction of the second fluid flowing through the fluid passage unit 2200 and the inflow/discharge direction of the first fluid flowing through the duct 1100 may be different.
  • the inflow/outflow direction of the first fluid and the passage direction of the second fluid may be different from each other by about 90°. According to this, it is possible to obtain even heat conversion performance in the entire area.
  • thermoelectric module 1200 is disposed on the first surface 1110 of the duct 1100
  • second thermoelectric module 1300 is the first thermoelectric module on the second surface 1120 of the duct 1100 . It may be arranged to be symmetrical to 1200 .
  • the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be coupled to the duct 1100 using a screw or a coil spring. Accordingly, the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be stably coupled to the surface of the duct 1100 . Alternatively, at least one of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be adhered to the surface of the duct 1100 using a thermal interface material (TIM). By using a coil spring and/or a thermal interface material (TIM) and/or a screw, the uniformity of heat applied to the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 can be uniformly controlled even at a high temperature. .
  • a thermal interface material TIM
  • each of the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 is a thermoelectric element disposed on each of the first surface 1110 and the second surface 1120 ( It includes heat sinks 1220 and 1320 disposed on 1210 and 1310 and thermoelectric elements 1210 and 1310 .
  • the duct 1100 through which the first fluid flows is disposed on one side of both surfaces of the thermoelectric elements 1210 and 1310, and the heat sinks 1220 and 1320 are disposed on the other side, and the heat sinks 1220 and 1320 are disposed.
  • the temperature difference between the heat absorbing surface and the heat dissipating surface of the thermoelectric elements 1210 and 1310 can be increased, thereby increasing the thermoelectric conversion efficiency.
  • the length of the first direction of the heat sink 1220 is the second length of the thermoelectric element 1210 . It may be longer than the length in one direction. Accordingly, since the contact area between the second fluid and the heat sink 1220 is increased, the temperature of the heat absorbing surface of the thermoelectric element 1210 may be increased.
  • the heat sinks 1220 and 1320 and the thermoelectric elements 1210 and 1310 may be fastened by a plurality of fastening members 1230 and 1330 .
  • the fastening members 1230 and 1330 may be coil springs or screws.
  • at least a portion of the heat dissipation fins 1220 and 1320 and the thermoelectric elements 1210 and 1310 may have through-holes S through which the fastening members 1230 and 1330 pass.
  • separate insulators 1240 and 1340 may be further disposed between the through hole S and the fastening members 1230 and 1330 .
  • the separate insulators 1240 and 1340 may be an insulator surrounding the outer circumferential surface of the fastening members 1230 and 1330 or an insulator surrounding the wall surface of the through hole S.
  • the insulators 1240 and 1340 may have a ring shape.
  • the inner peripheral surfaces of the insulators 1240 and 1340 having a ring shape may be disposed on the outer peripheral surfaces of the fastening members 1230 and 1330 , and the outer peripheral surfaces of the insulators 1240 and 1340 may be disposed on the inner peripheral surface of the through hole S. Accordingly, the coupling members 1230 and 1330 and the heat sinks 1220 and 1320 and the thermoelectric elements 1210 and 1310 may be insulated.
  • the structure of the thermoelectric elements 1210 and 1310 may have the structure of the thermoelectric element 100 illustrated in FIGS. 8 to 9 .
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper portion. and a substrate 160 .
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surfaces of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is formed between the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 140 . It is disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140 . Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150 .
  • a pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and electrically connected may form a unit cell.
  • thermoelectric leg 130 when a voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182 , a current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect.
  • the substrate through which flows absorbs heat to act as a cooling unit, and the substrate through which current flows from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated and act as a heating unit.
  • a temperature difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 when a temperature difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is applied, the charges in the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 move due to the Seebeck effect, and electricity may be generated. .
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric legs including bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.
  • P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the P-type thermoelectric leg 130 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Sb-Te, which is a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the N-type thermoelectric leg 140 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Se-Te, which is a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stack type.
  • the bulk-type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk-type N-type thermoelectric leg 140 heat-treats a thermoelectric material to manufacture an ingot, grinds the ingot and sieves to obtain a powder for the thermoelectric leg, and then It can be obtained through the process of sintering and cutting the sintered body.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be polycrystalline thermoelectric legs.
  • the strength of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be increased.
  • the laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking and cutting the unit member. can be obtained
  • the pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes.
  • the height or cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 is calculated as the height or cross-sectional area of the P-type thermoelectric leg 130 . may be formed differently.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, or the like.
  • thermoelectric figure of merit ZT
  • Equation (1) The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a figure of merit (ZT).
  • ZT The thermoelectric figure of merit (ZT) may be expressed as in Equation (1).
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V/K]
  • ⁇ is the electrical conductivity [S/m]
  • ⁇ 2 ⁇ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]).
  • T is the temperature
  • k is the thermal conductivity [W/mK].
  • k can be expressed as a ⁇ cp ⁇ , a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is the specific heat [J/gK], ⁇ is the density [g/cm 3 ].
  • thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element In order to obtain the thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and a thermoelectric figure of merit (ZT) can be calculated using the measured Z value.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 130 .
  • the upper electrode 150 disposed between the thermoelectric legs 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and nickel (Ni), and has a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm. can When the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may deteriorate and the electrical conduction performance may be lowered, and if it exceeds 0.3 mm, the conduction efficiency may be lowered due to an increase in resistance. .
  • the lower substrate 110 and the upper substrate 160 facing each other may be a metal substrate, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 1.5 mm.
  • the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 1.5 mm, heat dissipation characteristics or thermal conductivity may be excessively high, and thus the reliability of the thermoelectric element may be deteriorated.
  • the insulating layer 170 is disposed between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 , respectively. ) may be further formed.
  • the insulating layer 170 may include a material having a thermal conductivity of 1 to 20 W/mK.
  • the insulating layer 170 may be a resin composition including at least one of an epoxy resin and a silicone resin and an inorganic material, a layer made of a silicon composite including silicon and an inorganic material, or an aluminum oxide layer.
  • the inorganic material may be at least one of oxides, nitrides, and carbides such as aluminum, boron, and silicon.
  • the sizes of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different. That is, the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be larger than the volume, thickness, or area of the other.
  • the thickness may be a thickness in a direction from the lower substrate 110 to the upper substrate 160
  • the area may be an area in a direction perpendicular to a direction from the substrate 110 to the upper substrate 160 .
  • heat absorbing performance or heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • the volume, thickness, or area of the lower substrate 110 may be larger than at least one of the volume, thickness, or area of the upper substrate 160 .
  • the lower substrate 110 when the lower substrate 110 is disposed in a high temperature region for the Seebeck effect, when it is applied as a heating region for the Peltier effect, or a sealing member for protection from the external environment of the thermoelectric element, which will be described later, is provided on the lower substrate 110 .
  • At least one of a volume, a thickness, or an area may be larger than that of the upper substrate 160 when it is disposed on the .
  • the area of the lower substrate 110 may be formed in a range of 1.2 to 5 times the area of the upper substrate 160 .
  • thermoelectric module It can be difficult to maintain the basic shape of
  • a heat dissipation pattern for example, a concave-convex pattern
  • a concave-convex pattern may be formed on the surface of at least one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 . Accordingly, the heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • the concave-convex pattern is formed on a surface in contact with the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 , bonding characteristics between the thermoelectric leg and the substrate may also be improved.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper substrate 160 .
  • a sealing member may be further disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 .
  • the sealing member may be disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 on the side surfaces of the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 .
  • the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 may be sealed from external moisture, heat, contamination, and the like.
  • the lower substrate 110 disposed on the duct 1100 may be an aluminum substrate, and the aluminum substrate is formed on the first surface 1110 and the second surface 1120, respectively, and a thermal interface material (TIM).
  • a thermal interface material TIM
  • the aluminum substrate has excellent heat transfer performance, heat transfer between one of both surfaces of the thermoelectric elements 1210 and 1310 and the duct 1100 through which the first fluid flows is easy.
  • a thermal interface material TIM
  • the heat transfer material is a material having heat transfer performance and adhesive performance, and may be, for example, a resin composition including at least one of an epoxy resin and a silicone resin and an inorganic material.
  • the inorganic material may be an oxide, carbide, or nitride such as aluminum, boron, or silicon.
  • the power generation module in order to increase the sealing and insulation effect between the first thermoelectric module 1200 , the duct 1100 and the second thermoelectric module 1300 , the power generation module according to the embodiment of the present invention is a shield. It may further include a member 1600 and a heat insulating member 1700 .
  • the heat insulating member 1700 may be disposed, for example, on a surface of the duct 1100 excluding the area where the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are disposed.
  • the shield member 1600 may be disposed on a surface of the duct 1100 excluding the area where the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are disposed. Wires and connectors connected to the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be protected from external moisture or contamination.
  • the guide plate 1800 is a plate for guiding the flow of the second fluid in the fluid passing part 2200 , and the second fluid introduced into the fluid passing part 2200 flows along the guide plate 1800 and then discharged.
  • the first guide plate 1800 - 1 may be disposed to face the first thermoelectric module 1200
  • the second guide plate 1800 - 2 may be disposed to face the second thermoelectric module 1300
  • the second The fluid may pass between the first thermoelectric module 1200 and the first guide plate 1800 - 1 and between the second thermoelectric module 1300 and the second guide plate 1800 - 2 .
  • both sides of the guide plates 1800 - 1 and 1800 - 2 may extend to the fluid collection plates 1810-1 and 1810 - 2 and the fluid diffusion plates 1820-1 and 1820 - 2 .
  • the fluid collection plates 1810 - 1 and 1810 - 2 are plates extending toward the inlet of the fluid passage part 2200 , that is, the first connection part 2400
  • the fluid diffusion plates 180-1 and 1820 - 2 are fluid It may refer to a plate extending toward the outlet of the passing part 2200 , that is, the second connection part 2500 .
  • the fluid collection plates 1810-1 and 1810-2, the guide plates 1800-1 and 1800-2, and the fluid diffusion plates 1820-1 and 1820-2 may be integrally connected plates.
  • the first guide plate 1800 - 1 facing the first thermoelectric module 1200 and the second guide plate 1800 - 2 facing the second thermoelectric module 1300 are symmetrical while maintaining a constant distance.
  • the distance between the first guide plate 1800-1 and the second guide plate 1800-2 may be a horizontal distance from the first guide plate 1800-1 to the second guide plate 1800-2.
  • the second fluid may pass between the first thermoelectric module 1200 and the first guide plate 1800-1 and between the second thermoelectric module 1300 and the second guide plate 1800-2 at a constant flow rate. Therefore, uniform thermoelectric performance can be obtained.
  • first fluid collection plate 1810-1 extending from the first guide plate 1800-1 and the second fluid collection plate 1810-2 extending from the second guide plate 1800-2 The distance may be symmetrically disposed so as to be farther away as it approaches the inlet of the fluid passing part 2200 .
  • the distance between the first fluid collection plate 1810-1 and the second fluid collection plate 1810-2 is horizontal from the first fluid collection plate 1810-1 toward the second fluid collection plate 1810-2. It can be the distance in the direction.
  • the distance may also be symmetrically disposed so that the closer it is to the outlet of the fluid passage part 2200 , the more distant it is. Accordingly, the second fluid introduced through the inlet of the fluid passage unit 2200 is collected in the fluid collection plates 1810-1 and 1810-2 and then passes between the thermoelectric modules 1200 and 1300 and the guide plate 1800. And, after being diffused in the fluid diffusion plates 1820 - 1 and 1820 - 2 , it may be discharged through the outlet of the fluid passing part 2200 .
  • the second fluid passes through the fluid passing part 2200. It is possible to prevent the problem of backflow in the direction of the inlet.
  • the support frame 1900 includes the first to second guide plates 1800-1 and 1800-2, the first to second fluid collection plates 1810-1 and 1810-2, and the first to second fluid diffusion.
  • the plates 1820-1 and 1820-2 are supported. That is, the support frame 1900 includes a first support frame 1900 - 1 and a second support frame 1900 - 2 , and the first support frame 1900 - 1 and the second support frame 1900 - 2 . Between the first and second guide plates 1800-1 and 1800-2, the first and second fluid collection plates 1810-1 and 1810-2 and the first and second fluid diffusion plates 1820-1, 1820-2) can be fixed.
  • the branching part 1400 may branch the second fluid flowing into the fluid passing part 2200 .
  • the second fluid branched by the branching part 1400 is between the first thermoelectric module 1200 and the first guide plate 1800-1 and between the second thermoelectric module 1300 and the second guide plate 1800-2. can pass through
  • the branch 1400 may be disposed between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the duct 1100 .
  • the branch 1400 is disposed on the third surface 1130 side of the duct 1100 .
  • the branching portion 1400 may be disposed on the side of the fifth surface 1150 opposite to the third surface 1130 of the duct 1100 by an aerodynamic principle.
  • the branch 1400 is on the third surface 1130 of the duct 1100 from both ends of the third surface 1130 toward the center between the both ends of the third surface 1130.
  • the distance from the third surface 1130 increases. It may have a distant shape. That is, the third surface 1130 on which the branch 1400 is disposed is substantially perpendicular to the first surface 1110 and the second surface 1120, and the branch 1400 is disposed on the first surface of the duct 1100 ( 1110 ) and the second surface 1120 may be disposed to be inclined.
  • the branch 1400 may have an umbrella shape or a roof shape.
  • the second fluid for example, waste heat
  • the branching part 1400 is branched through the branching part 1400 and may be guided to contact the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 disposed on both sides of the power generation device.
  • the second fluid is branched through the branching part 1400, between the first thermoelectric module 1200 and the first guide plate 1800-1, and between the second thermoelectric module 1300 and the second guide plate 1800- 2) can pass through.
  • the width W1 between the outside of the first heat sink 1220 of the first thermoelectric module 1200 and the outside of the second heat sink 1320 of the second thermoelectric module 1300 is the width of the branch 1400 ( W2) can be greater.
  • each of the outside of the first heat sink 1220 and the outside of the second heat sink 1320 may mean the opposite side of the side facing the duct 1100 .
  • each of the first heat sink 1220 and the second heat sink 1320 may include a plurality of heat dissipation fins, and the plurality of heat dissipation fins may be formed in a direction not to obstruct the flow of gas.
  • the plurality of heat dissipation fins may have a plate shape extending along the second direction in which the gas flows.
  • the plurality of heat dissipation fins may have a shape in which the flow path is formed along the second direction in which the gas flows.
  • the maximum width W1 between the first heat sink 1220 of the first thermoelectric module 1200 and the second heat sink 1320 of the second thermoelectric module 1300 is the first with respect to the duct 1100 . It may mean the distance from the furthest point of the heat sink 1220 to the furthest point of the second heat sink 1320 , and the maximum width W2 of the branch 1400 is the third surface of the duct 1100 .
  • the width of the branch 1400 in the region closest to 1130 may mean the width of the branch 1400 in the region closest to 1130 . Accordingly, the flow of the second fluid may be directly transferred to the first heat sink 1220 and the second heat sink 1320 without being interrupted by the branch unit 1400 . Accordingly, the contact area between the second fluid and the first heat sink 1220 and the second heat sink 1320 is increased, so that the first heat sink 1220 and the second heat sink 1320 are separated from the second fluid. The amount of heat received increases, and the power generation efficiency can be increased.
  • the first guide plate 1800 - 1 is symmetrically disposed to be spaced apart from the first heat sink 1220 of the first thermoelectric module 1200 by a predetermined distance
  • the second guide plate 1800 - 2 is the second thermoelectric module 1200
  • the second heat sink 1320 of the module 1300 may be symmetrically disposed to be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the distance between the guide plates 1800-1 and 1800-2 and the heat sink of each thermoelectric module may affect the flow rate of the second fluid in contact with the heat sink of each thermoelectric module and the differential pressure of the second fluid, Accordingly, the power generation performance may be affected.
  • thermoelectric module in which a thermoelectric module is disposed on the surface of a duct, electricity is generated using a temperature difference between a first fluid passing through the inside of the duct and a second fluid passing through the heat sink of the thermoelectric module. want to generate At this time, a wiring part is connected to the thermoelectric element of the thermoelectric module, and the wiring part needs to be drawn out to be connected to an external power source.
  • FIG. 10 is a top view of a power generation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a top view of a state in which the shield member is removed from the power generation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is an embodiment of the present invention It is an example of a cross-sectional view of a cooling unit included in a power generation device according to an embodiment
  • FIG. 13 is another example of a cross-sectional view of a cooling unit included in the power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation device includes a cooling unit 1100 and a first thermoelectric module 1200 disposed on the first surface 1110 of the cooling unit 1100 . do.
  • the cooling unit 1100 may be referred to as a duct 1100 herein.
  • a second thermoelectric module 1300 is further provided on the second surface 1120 opposite to the first surface 1110 of the cooling unit 1100 . can be placed.
  • the fluid inlet 1142 and the fluid discharge 1144 are spaced apart from each other, and the cooling unit 1100 .
  • a fluid receiving unit 300 connected to a fluid inlet 1142 and a fluid outlet 1144 is disposed inside the .
  • the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are disposed on the first surface 1110 and the second surface 1120 of the cooling unit 1100 , the first surface of the cooling unit 1100 is The first surface 1110 and the second surface 1120 may be referred to as one surface and the other surface of the cooling unit 1100 .
  • the third to sixth surfaces 1130 to 1160 between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the cooling unit 1100 may be referred to as a side surface or an outer surface of the cooling unit 1100 .
  • the first surface 1110 to the sixth surface 1160 of the cooling unit 1100 may be referred to as first surface 1110 to sixth surface 1160 , respectively.
  • the first to sixth surfaces are arbitrarily named for convenience of description, and are not limited thereto.
  • the first fluid introduced into the fluid inlet 1142 may be discharged through the fluid outlet 1144 after passing through the fluid accommodating part 300 .
  • the arrangement order of the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 is not limited as illustrated, and the positions of the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 may be reversed.
  • the fluid inlet 1142 , the fluid outlet 1144 , and the wire outlet 1146 are formed to protrude from the fourth surface 1140 of the cooling unit 1100 . Accordingly, in this specification, the fluid inlet 1142 , the fluid outlet 1144 , and the wire outlet 1146 may be referred to as protrusions.
  • the fluid accommodating part 300 is connected from the fluid inlet 1142 to the fluid outlet 1144 , and may have a flow path tube shape arranged to circulate the cooling part 1100 .
  • the fluid accommodating part 300 may be connected to the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 as shown in FIG. 13 , and may have a form of a water tank in which an inner region is filled with the first fluid.
  • the fluid accommodating part 300 may have various types of flow pipe shapes.
  • the area occupied by the fluid accommodating part 300 , the diameter of the flow pipe, the length of the flow pipe, the arrangement shape of the flow pipe, etc. may be variously changed according to the flow rate and flow rate of the first fluid flowing into the fluid receiving part 300 . there is.
  • the fluid receiving unit 300 may be disposed in the first area A1 of the cooling unit 1100, and the first surface of the first area A1 of the cooling unit 1100 (
  • the first thermoelectric module 1200 may be disposed on the 1110
  • the second thermoelectric module 1300 may be disposed on the second surface 1120 of the first area A1 of the cooling unit 1100 .
  • the region through which the first fluid passes in the cooling unit 1100 and the region where the thermoelectric legs of the first thermoelectric module 1200 are disposed may overlap.
  • the second fluid having a higher temperature than the first fluid passing through the inside of the cooling unit 1100 is directed from the third surface 1130 of the cooling unit 1100 to the fifth surface 1150 opposite thereto. It may pass through the first heat sink 1220 of the first thermoelectric module 1200 . Accordingly, electricity may be generated by the temperature difference between the low-temperature portion and the high-temperature portion of the first thermoelectric module 1200 .
  • the coupling member 400 may be used for coupling between the cooling unit 1100 and the first thermoelectric module 1200 .
  • the coupling member 400 includes the first It may be disposed to pass through the thermoelectric module 1200, the cooling unit 1100, and the second thermoelectric module 1300, and for this purpose, the cooling unit 1100 has a plurality of through-holes through which the coupling member 400 passes ( S1 to S4) may be formed.
  • the plurality of through holes S1 to S4 may be disposed to penetrate both surfaces of the cooling unit 1100 in which the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are disposed.
  • the plurality of through-holes S1 to S4 may be disposed to be spaced apart from the fluid accommodating part 300 in the first area A1 of the cooling part 1100 . That is, the plurality of through-holes S1 to S4 may be formed independently of the fluid accommodating part 300 , and accordingly, the first fluid passing through the fluid accommodating part 300 may pass through the plurality of through-holes S1 to S4 . This can prevent leakage to the outside.
  • a first wiring unit 1300 may be connected to the first thermoelectric element 1210 of the first thermoelectric module 1200 , and the first wiring unit 1300 may be drawn out and connected to an external power source.
  • the first thermoelectric module 1200 When the first thermoelectric module 1200 is disposed in the first area A1 on the first surface 1110 of the cooling unit 1100 , the first wiring unit 1300 is connected to the first surface (
  • the shield member 1600 may be disposed in the second area A2 on 1110 , and covers the first wiring unit 1300 in the second area A2 on the first surface 1110 of the cooling unit 1100 . may be further disposed.
  • the second area A2 may be an area disposed on a side surface of the first area A1 .
  • the coupling member 500 may be used for coupling between the cooling unit 1100 and the shield member 1600 , and in the second area A2 of the cooling unit 1100 , the cooling unit 1100 and the shield member ( 1600), a plurality of through-holes S5 to S8 through which the coupling member 500 for coupling passes may be formed.
  • the plurality of through-holes S5 to S6 may be disposed in consideration of the position of the wiring. That is, the wiring connected to the thermoelectric module may include a connection electrode connected to the thermoelectric element of the thermoelectric module, a connector disposed on the connection electrode, and a wire connected to the connector. In this case, the plurality of through-holes S5 to S6 may be disposed avoiding the position of the connector.
  • the through-hole S5 may be disposed closer to the fourth surface 1140 than the plurality of through-holes S1 and S2, and the through-hole S6 is larger than the plurality of through-holes S3 and S4. It may be disposed closer to the sixth surface 1160 .
  • the positions and number of the plurality of through-holes S1 to S8 are exemplary, and the embodiment of the present invention is not limited thereto.
  • the first wiring unit 1300 may be connected to the first thermoelectric element 1210 of the first thermoelectric module 1200, and the first wiring unit 1300 may be drawn out and connected to an external power source.
  • the first wiring unit 3000 may be connected to a connector (not shown) disposed on the connection electrode 600 connected to the first thermoelectric element 1210 .
  • a tunnel 4000 through which the first wiring unit 3000 passes is formed inside the cooling unit 1100 .
  • the tunnel 4000 may be formed in the second area A2 of the cooling unit 1100 .
  • a wiring lead 1146 is further disposed on the other surface perpendicular to the first surface 1110 of the cooling unit 1100 , that is, on the fourth surface 1140 , and the tunnel 4000 includes the wiring lead 1146 .
  • the first wiring unit 3000 connected to the first thermoelectric element 1220 is disposed on the second area A2 on the first surface 1110 of the cooling unit 1100 , and forms the tunnel 4000 . It may pass through and may be drawn out through the wire lead-out part 1146 .
  • the wire lead 1146 may be disposed to be spaced apart from each other on the same surface as the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 .
  • the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 are disposed in the first area A1 of the cooling unit 1100
  • the wire lead 1146 is disposed in the second area A2 of the cooling unit 1100 . can be placed.
  • the second fluid generated by the first wiring part 3000 . flow resistance can be minimized.
  • the area in which the first wiring part 3000 comes into contact with the second fluid can be minimized, it is possible to prevent damage to the first wiring part 3000 due to the high temperature of the second fluid.
  • the tunnel 4000 may be formed to penetrate the second area A2 between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the cooling unit 1100 .
  • the tunnel 4000 is in a direction from the fifth surface 1150 to the fourth surface 1140 in the second area A2 between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the cooling unit 1100 . It may be formed to extend to the wire lead-out part 1146 .
  • the tunnel 4000 is a first inlet 4010 through which one wire is introduced, and A second inlet 4020 through which another wire is introduced may be included.
  • the first inlet 4010 and the second inlet 4020 may be disposed to be spaced apart from each other, and the second area A2 is directed from the first inlet 4010 to the third surface 1130 of the cooling unit 1100 .
  • the third tunnel 4050 may extend in a direction toward the fourth surface 1140 to be connected to the wire lead-out part 1146 .
  • the first inlet 4010 and the second inlet 4020 are formed on the edge of the second area A2 of the cooling unit 1100 , that is, on the fifth surface 1150 side, the first groove G1 and the second It may be formed in the groove G2. Accordingly, it is possible to prevent the first wiring part 3000 from protruding on the fifth surface 1150 while flowing into the tunnel 4000 in the cooling part 1100 .
  • the first thermoelectric module 1200 is disposed on the first surface 1110 of the cooling unit 1100
  • the second thermoelectric module 1300 is disposed on the second surface 1120 of the cooling unit 1100 .
  • the first wiring unit 3000 connected to the first thermoelectric module 1200 and the second wiring unit 3100 connected to the second thermoelectric module 1300 are connected together through the tunnel 4000 and the wiring lead-out unit 1146 . can be withdrawn outside.
  • FIG. 14 is a view for explaining wiring connections of a first thermoelectric module and a second thermoelectric module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is a plan view and a perspective view of the power generation device according to the embodiment of FIG. 14 .
  • the first thermoelectric module 1200 is disposed on the first surface 1110 of the cooling unit 1100
  • the second thermoelectric module 1300 is the second surface of the cooling unit 1100
  • the first thermoelectric module 1200 is symmetrically disposed on the 1120 . That is, the second thermoelectric module 1300 is disposed on the first area A1 on the second surface 1120 , and the second wiring part 3100 is on the second area A2 of the second surface 1120 . can be placed.
  • thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be connected in series.
  • the first wiring unit 3000 includes the 1-1 wiring 3010 and the 1-2 wiring 3020
  • the second wiring unit 3100 includes the 2-1 wiring 3110 and the second wiring unit 3110 .
  • the 1-1 wiring 3010 and the 2-1 wiring 3110 have different polarities
  • the 1-2 wiring 3020 and the 2-2 wiring The polarities 3120 may be the same as each other, and may have the same polarity as the 1-1 wiring 3010 or the 2-1 wiring 3110 .
  • thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be connected in series.
  • FIG. 16 is a view for explaining wiring connections of a first thermoelectric module and a second thermoelectric module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a plan view and a perspective view of a power generation device according to the embodiment of FIG. 16 .
  • the first thermoelectric module 1200 is disposed on the first surface 1110 of the cooling unit 1100
  • the second thermoelectric module 1300 is the second surface of the cooling unit 1100
  • the first thermoelectric module 1200 is symmetrically disposed on the 1120 . That is, the second thermoelectric module 1300 is disposed on the first area A1 on the second surface 1120 , and the second wiring part 3100 is on the second area A2 of the second surface 1120 . can be placed.
  • thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be connected in parallel.
  • the first wiring unit 3000 includes the 1-1 wiring 3010 and the 1-2 wiring 3020
  • the second wiring unit 3100 includes the 2-1 wiring 3110 and the second wiring unit 3110 .
  • the 1-1 wiring 3010 and the 1-2 wiring 3020 have different polarities
  • the 2-1 wiring 3110 and the 2-2 wiring ( 3120) may have different polarities.
  • the 1-1 wiring 3010 and the 1-2 wiring 3020 are respectively led out to the wiring lead-out unit 1146 through the tunnel 4000, and the 2-1 wiring 3110 and the 2-2 wiring ( Each of the 3120 may be drawn out to the wire lead-out unit 1146 through the tunnel 4000 .
  • thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be connected in parallel.
  • the first wiring unit 3000 and the second wiring unit 3100 are drawn out through the tunnel 4000 inside the cooling unit 1100, the first wiring unit 3000 and the second wiring unit ( 3100), it is possible to minimize the problem that the flow resistance of the second fluid occurs, and the problem that the first wiring part 3000 and the second wiring part 3100 are disposed close to the high temperature second fluid and are damaged is prevented. can do.
  • FIG. 18 is a perspective view illustrating the cross section of FIG. 10
  • FIG. 19 is a cross-sectional view illustrating the cross section of FIG. 10 .
  • the first thermoelectric module and the second thermoelectric module will be described as being connected in parallel as in the embodiment of FIGS. 16 to 17 as an example, and a cross-section based on the fluid discharge part 1146 of FIG. 10 is illustrated.
  • the first wiring unit 3000 and the second wiring unit 3000 are formed on the first surface 1110 and the second surface 1120 of the cooling unit 1100 , respectively, on the shield member 1600 . ), and is drawn out to the wiring lead-out unit 1146 through the tunnel 4000 formed in the cooling unit 1100 .
  • a step may be formed in a region where the first wiring unit 3000 and the second wiring unit 3000 are disposed to cover the first wiring unit 3000 and the second wiring unit 3000 . there is. According to this, the first wiring part 3000 and the second wiring part 3000 do not interfere with the flow path of the second fluid, and the first wiring part 3000 and the second wiring part 3000 are connected to the high-temperature second fluid. It can be seen that it is not affected by
  • a plurality of power generation devices may be disposed within one fluid passage unit 2200 .
  • FIG. 20 shows a power generation system according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 21 shows two power generation devices included in the power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the power generation system may include a plurality of power generation devices, and each power generation device may be the same as the power generation device described with reference to FIGS. 1 to 19 .
  • the plurality of power generation devices 1000-11 and 1000-21 may be disposed along the direction in which the second fluid flows in the fluid passage part 2200 .
  • the plurality of power generation devices (1000-11, 1000-12, 1000-13) may be spaced apart from each other in the fluid passage unit 2200 and arranged in parallel.
  • the arrangement structure and number of the plurality of power generation devices may vary depending on the amount of power generation.
  • the distance D between the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 of each power generation device is the distance D between the fluid outlet 1144 and the wire outlet 1146 .
  • the distance D between the fluid inlet 1142 and the fluid outlet 1144 is the fluid inlet 1142 and the wiring. It may be the same as the distance D between the lead-out parts 1146 .
  • the distance D between the fluid discharge part 1144 and the wire lead-out part 1146 may be the same as the distance between the wire lead-out part 1146 and the fluid inlet part 1142 of the neighboring power generation device.
  • the distance D between the fluid inlet 1142 and the wire lead 1144 is the wire lead 1144 and the adjacent It may be the same as the distance (D) between the fluid discharge unit 1146 of the power generation device.
  • the power generation system may generate power through heat sources generated from ships, automobiles, power plants, geothermal heat, and the like, and a plurality of power generation devices may be arranged to efficiently converge the heat sources.
  • a plurality of power generation devices may be arranged to efficiently converge the heat sources.

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 냉각부, 상기 냉각부의 제1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자 상에 배치된 제1 히트싱크를 포함하는 제1 열전모듈, 그리고 상기 제1 열전소자에 연결된 제1 배선부를 포함하고, 상기 냉각부의 제1 영역에는 유체 수용부가 형성되고, 상기 냉각부의 제2 영역에는 터널이 형성되며, 상기 제1 배선부는 상기 터널을 통과한다.

Description

발전장치
본 발명은 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 저온부와 고온부의 온도 차를 이용하여 전력을 생산하는 발전장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
최근, 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생한 고온의 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이때, 열전소자의 저온부 측에 제1 유체가 통과하는 덕트가 배치되고, 열전소자의 고온부 측에 방열핀이 배치되며, 제1 유체보다 온도가 높은 제2 유체가 방열핀을 통과할 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 저온부와 고온부 간 온도 차에 의하여 전기가 생성될 수 있으며, 발전장치의 구조에 따라 발전 성능이 달라질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 저온부와 고온부의 온도 차를 이용하여 전기를 발생시키는 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 냉각부, 상기 냉각부의 제1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자 상에 배치된 제1 히트싱크를 포함하는 제1 열전모듈, 그리고 상기 제1 열전소자에 연결된 제1 배선부를 포함하고, 상기 냉각부의 제1 영역에는 유체 수용부가 형성되고, 상기 냉각부의 제2 영역에는 터널이 형성되며, 상기 제1 배선부는 상기 터널을 통과한다.
상기 냉각부의 제1 표면에 수직하는 다른 표면에 배치되는 배선 인출부를 더 포함하고, 상기 터널은 상기 배선 인출부와 연결되며, 상기 제1 배선부는 상기 배선 인출부를 통하여 외부로 인출될 수 있다.
상기 제1 열전모듈은 상기 제1 표면 상의 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 배선부는 상기 제1 표면 상의 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 터널을 통하여 상기 배선 인출부로 연장될 수 있다.
상기 냉각부의 상기 다른 표면에서 상기 배선 인출부와 이격되어 배치된 유체 유입부 및 유체 배출부를 더 포함하고, 상기 유체 유입부 및 상기 유체 배출부는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 배선 인출부는 상기 제2 영역에 배치될 수 있다.
상기 유체 유입부와 상기 유체 배출부 간의 거리는 상기 유체 유입부 또는 상기 유체 배출부와 상기 배선 인출부 간의 거리와 동일할 수 있다.
상기 냉각부의 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자 상에 배치된 제2 히트싱크를 포함하는 제2 열전모듈, 그리고 상기 제2 열전소자에 연결된 제2 배선부를 포함하고, 상기 제2 배선부는 상기 배선 인출부를 통하여 외부로 인출될 수 있다.
상기 제2 열전모듈은 상기 제2 표면 상의 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제2 배선부는 상기 제2 표면 상의 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 터널을 통하여 상기 배선 인출부로 연장될 수 있다.
상기 제1 배선부는 제1-1 배선 및 제1-2 배선을 포함하고, 상기 제2 배선부는 제2-1 배선 및 제2-2 배선을 포함하며, 상기 제1-1 배선 및 상기 제2-1 배선은 상기 터널을 통하여 상기 배선인출부로 인출되고, 상기 제1-2 배선 및 상기 제2-2 배선은 서로 연결될 수 있다.
상기 제1 배선부는 제1-1 배선 및 제1-2 배선을 포함하고, 상기 제2 배선부는 제2-1 배선 및 제2-2 배선을 포함하며, 상기 제1-1 배선 상기 제1-2 배선은 극성이 서로 상이하고, 상기 제2-1 배선 및 상기 제2-2 배선은 극성이 서로 상이하며, 상기 제1-1 배선, 상기 제1-2 배선, 상기 제2-1 배선 및 상기 제2-2 배선은 상기 터널을 통하여 상기 배선인출부로 인출될 수 있다.
상기 터널은 상기 제1-1배선 및 상기 제2-1배선이 통과하는 제1 터널 및 상기 제1-2 배선 및 상기 제2-2배선이 통과하는 제2 터널을 포함할 수 있다.
상기 냉각부를 통과하는 유체는 제1 유체이고, 상기 제1 유체보다 온도가 높은 제2 유체가 상기 제1 히트싱크를 통과할 수 있다.
상기 냉각부는 상기 제1 표면, 상기 제2 표면, 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 제3 표면, 상기 제3 표면에 수직하며, 상기 배선 인출부가 배치되는 제4 표면, 상기 제3 표면에 대향하는 제5 표면 및 상기 제4 표면에 대향하는 제6 표면을 포함하고, 상기 제2 유체는 상기 제3 표면으로부터 상기 제5 표면을 향하는 방향으로 통과할 수 있다.
상기 터널은 상기 냉각부의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 상기 제2 영역에서 상기 제5 표면으로부터 상기 제4 표면을 향하는 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템은 제1 발전장치, 그리고 상기 제1 발전장치의 측면에 배치된 제2 발전장치를 포함하고, 상기 제1 발전장치 및 상기 제2 발전장치 각각은, 냉각부, 상기 냉각부의 제1 표면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자 상에 배치된 제1 히트싱크를 포함하는 제1 열전모듈, 그리고 상기 제1 열전소자에 연결된 제1 배선부를 포함하고, 상기 냉각부의 제1 영역에는 유체 수용부가 형성되고, 상기 냉각부의 제2 영역에는 터널이 형성되며, 상기 제1 배선부는 상기 터널을 통과한다.
상기 냉각부의 제1 표면에 수직하는 다른 표면에 배치되는 배선 인출부를 더 포함하고, 상기 터널은 상기 배선 인출부와 연결되며, 상기 제1 배선부는 상기 배선 인출부를 통하여 외부로 인출될 수 있다.
상기 제1 열전모듈은 상기 제1 표면 상의 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 배선부는 상기 제1 표면 상의 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 터널을 통하여 상기 배선 인출부로 연장될 수 있다.
상기 냉각부의 상기 다른 표면에서 상기 배선 인출부와 이격되어 배치된 유체 유입부 및 유체 배출부를 더 포함하고, 상기 유체 유입부 및 상기 유체 배출부는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 배선 인출부는 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 제1 발전장치의 상기 유체 유입부와 상기 유체 배출부 간의 거리는 상기 제1 발전장치의 상기 유체 유입부 또는 상기 유체 배출부와 상기 배선인출부 간의 거리와 동일하고, 상기 제1 발전장치의 상기 유체 유입부 또는 상기 유체 배출부와 상기 배선인출부 간의 거리는 상기 제1 발전장치의 상기 배선인출부 및 상기 제2 발전장치의 상기 유체 유입부 또는 상기 유체 배출부 간의 거리와 동일하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 발전장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자로의 열전달 효율이 개선된 발전장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 발전장치의 배선을 효율적으로 연결할 수 있으며, 배선이 유체의 유동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템 내에 포함된 발전장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함된 발전모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈의 일부 확대도이다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도 및 사시도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치의 상면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에서 쉴드부재를 제거한 상태의 상면도이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함되는 냉각부의 단면도의 한 예이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함되는 냉각부의 단면도의 다른 예이다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 열전모듈 및 제2 열전모듈의 배선 연결을 설명하는 도면이다.
도 15는 도 14의 실시예에 따른 발전장치의 평면도 및 사시도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 열전모듈 및 제2 열전모듈의 배선 연결을 설명하는 도면이다.
도 17은 도 16의 실시예에 따른 발전장치의 평면도 및 사시도이다.
도 18은 도 10의 단면을 설명하기 위한 사시도이다.
도 19는 도 10의 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타낸다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템 내에 포함되는 두 개의 발전장치를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전시스템 내에 포함된 발전장치의 사시도이다. 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치의 분해도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함된 발전모듈의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈의 분해사시도이다. 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈의 일부 확대도이고, 도 8 내지 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도 및 사시도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 발전시스템(10)은 발전장치(1000) 및 유체관(2000)을 포함한다.
유체관(2000)으로 유입되는 유체는 자동차, 선박 등의 엔진이나 또는 발전소, 제철소 등에서 발생되는 열원일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유체관(2000)으로부터 배출되는 유체의 온도는 유체관(2000)으로 유입되는 유체의 온도보다 낮다. 예를 들어, 유체관(2000)으로 유입되는 유체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 열전소자의 저온부 및 고온부 간 온도 차에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
유체관(2000)은 유체 유입부(2100), 유체 통과부(2200) 및 유체 배출부(2300)를 포함한다. 유체 유입부(2100)를 통하여 유입된 유체는 유체 통과부(2200)를 통과하며 유체 배출부(2300)를 통해 배출된다. 이때, 유체 통과부(2200)에는 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)가 배치되며, 발전장치(1000)는 발전장치(1000)를 통과하는 제1 유체와 유체 통과부(2200)를 통과하는 제2 유체 간 온도 차이를 이용하여 전기를 생성한다. 여기서, 제1 유체는 냉각용 유체일 수 있고, 제2 유체는 제1 유체보다 온도가 높은 고온의 유체일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 열전소자의 한 면에 흐르는 제1 유체와 열전소자의 다른 면에 흐르는 제2 유체 간 온도 차를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.
유체 유입부(2100) 및 유체 배출부(2300)의 단면 형상이 유체 통과부(2200)의 단면 형상과 상이할 경우, 유체관(2000)은 유체 유입부(2100)와 유체 통과부(2200)를 연결하는 제1 연결부(2400) 및 유체 통과부(2200)와 유체 배출부(2300)를 연결하는 제2 연결부(2500)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일반적인 유체 유입부(2100) 및 유체 배출부(2300)는 원통 형상일 수 있다. 이에 반해, 발전장치(1000)가 배치되는 유체 통과부(2200)는 사각통 또는 다각통 형상일 수 있다. 이에 따라, 한 말단은 원통 형상이고, 다른 말단은 사각통 형상인 제1 연결부(2400)과 제2 연결부(2500)을 매개로 유체 유입부(2100) 및 유체 통과부(2200)의 한 말단이 연결되고, 유체 배출부(2300) 및 유체 통과부(2200)의 다른 말단이 연결될 수 있다.
이때, 유체 유입부(2100)와 제1 연결부(2400), 제1 연결부(2400)와 유체 통과부(2200), 유체 통과부(2200)와 제2 연결부(2500) 및 제2 연결부(2500)와 유체 배출부(2300) 등은 체결 부재에 의하여 서로 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치(1000)는 유체 통과부(2200) 내에 배치될 수 있다. 발전시스템(10)의 조립을 용이하게 하기 위하여, 유체 통과부(2200)의 한 면은 개폐가 가능한 구조로 설계될 수 있다. 유체 통과부(2200)의 한 면(2210)을 개방한 후, 발전장치(1000)를 유체 통과부(2200) 내에 수용하고, 유체 통과부(2200)의 오픈된 한 면(2210)을 커버(2220)로 덮을 수 있다. 이때, 커버(2220)는 유체 통과부(2200)의 오픈된 한 면(2210)과 복수의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다.
제1 유체가 외부로부터 발전장치(1000)로 공급된 후 다시 외부로 배출되며, 발전장치(1000)에 연결된 배선은 외부로 인출되는 경우, 제1 유체의 유입 및 배출과 배선 인출을 위하여, 커버(2220)에는 복수의 홀(2222)이 형성될 수도 있다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 덕트(1100), 제1 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1300), 분기부(1400), 이격부재(1500), 쉴드 부재(1600) 및 단열부재(1700)를 포함한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 가이드 플레이트(1800) 및 지지프레임(1900)을 더 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 덕트(1100), 제1 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1300), 분기부(1400), 이격부재(1500), 쉴드 부재(1600) 및 단열부재(1700)는 하나의 모듈로 조립될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체 및 덕트(1100)의 외부에 배치된 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)의 히트싱크(1220, 1320)를 통과하는 제2 유체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
본 명세서에서, 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체의 온도는 덕트(1100)의 외부에 배치된 열전모듈(1200, 1300)의 히트싱크(1220, 1320)를 통과하는 제2 유체의 온도보다 낮을 수 있다. 본 명세서에서, 제1 유체는 냉각용일 수 있다. 이를 위하여, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)과 제2 열전모듈(1300) 각각의 양면 중 덕트(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서, 덕트(1100)는 냉각부라 지칭될 수 있다.
덕트(1100)로 유입되는 제1 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 덕트(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 제1 유체의 온도는 덕트(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 덕트(1100)는 제1 표면(1110), 제1 표면(1110)에 대향하며 제1 표면(1110)과 평행하게 배치된 제2 표면(1120), 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에 배치된 제3 표면(1130) 및 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에서 제3 표면(1130)에 수직하도록 배치된 제4 표면(1140), 제3 표면(1130)에 대향하도록 배치된 제5 표면(1150) 및 제4 표면(1140)에 대향하도록 배치된 제6 표면(1160)을 포함하며, 덕트 내부로 제1 유체가 통과한다. 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각에 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치된 경우, 제3 표면(1130)은 제2 유체가 유입되는 방향에 배치된 표면이고, 제4 표면(1140)은 제1 유체가 유입 및 배출되는 방향에 배치된 표면일 수 있다. 이를 위하여, 덕트(1100)의 제4 표면(1140)에는 제1 유체 유입구(1142) 및 제1 유체 배출구(1144)가 형성될 수 있다. 제1 유체 유입구(1142) 및 제1 유체 배출구(1144)는 덕트(1100) 내 유체 수용부와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 유입구(1142)로부터 유입된 제1 유체는 유체 수용부를 통과한 후 제1 유체 배출구(1144)로부터 배출될 수 있다.
도시되지 않았으나, 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 제1 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 덕트(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 제1 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다. 이때, 방열핀은 제1 유체의 유동에 방해를 주지 않는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 방열핀은 제1 유체가 흐르는 방향을 따라 형성될 수 있다. 즉, 방열핀은 제1 유체 유입구로부터 제1 유체 배출구를 향하는 방향으로 연장된 플레이트 형상일 수 있으며, 복수의 방열핀은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 방열핀은 덕트(1100)의 내벽과 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 통과부(2200)를 통해 흐르는 제2 유체의 방향과 덕트(1100)를 통해 흐르는 제1 유체의 유입/배출 방향은 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 유체의 유입/배출 방향과 제2 유체의 통과 방향은 약 90°상이할 수 있다. 이에 따르면, 전 영역에서 고른 열변환 성능을 얻는 것이 가능하다.
한편, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 상에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 제2 표면(1120) 상에서 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치될 수 있다.
제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 스크류 또는 코일 스프링을 이용하여 덕트(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 표면에 안정적으로 결합할 수 있다. 또는, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 중 적어도 하나는 열전달물질(thermal interface material, TIM)을 이용하여 덕트(1100)의 표면에 접착될 수도 있다. 코일 스프링 및/또는 열전달물질(thermal interface material, TIM) 및/또는 스크류를 이용함으로써 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 인가되는 열의 균일도를 고온에서도 균일하게 제어할 수 있다.
한편, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각에 배치된 열전소자(1210, 1310) 및 열전소자(1210, 1310)에 배치된 히트싱크(1220, 1320)를 포함한다. 이와 같이, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면에 제1 유체가 흐르는 덕트(1100)가 배치되고, 다른 면에 히트싱크(1220, 1320)가 배치되며, 히트싱크(1220, 1320)를 통하여 제2 유체가 통과하면, 열전소자(1210, 1310)의 흡열면과 방열면 간 온도 차를 크게 할 수 있으며, 이에 따라 열전변환 효율을 높일 수 있다. 이때, 제1 표면(1110)으로부터 열전소자(1210) 및 히트싱크(1220)를 향하는 방향을 제1 방향으로 정의할 경우, 히트싱크(1220)의 제1 방향 길이는 열전소자(1210)의 제1 방향 길이보다 길 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체와 히트싱크(1220) 간 접촉 면적이 늘어나므로, 열전소자(1210)의 흡열면의 온도가 높아질 수 있다.
이때, 도 7(b)를 참조하면, 히트싱크(1220, 1320)와 열전소자(1210, 1310)는 복수의 체결부재(1230, 1330)에 의하여 체결될 수 있다. 여기서, 체결부재(1230, 1330)는 코일 스프링 또는 스크류 등일 수 있다. 이를 위하여, 방열핀(1220, 1320)과 열전소자(1210, 1310)의 적어도 일부에는 체결부재(1230, 1330)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)과 체결부재(1230, 1330) 사이에는 별도의 절연체(1240, 1340)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연체(1240, 1340)는 체결부재(1230, 1330)의 외주면을 둘러싸는 절연체 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연체일 수 있다. 예를 들어, 절연체(1240, 1340)는 링 형상일 수 있다. 링 형상을 가지는 절연체(1240, 1340)의 내주면은 체결부재(1230, 1330)의 외주면에 배치되고, 절연체(1240, 1340)의 외주면은 관통홀(S)의 내주면에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 체결부재(1230, 1330)와 히트싱크(1220, 1320) 및 열전소자(1210, 1310) 사이가 절연될 수 있다.
이때, 열전소자(1210, 1310)의 구조는 도 8 내지 9에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다. 도 8 내지 도 9를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 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.
이때, 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 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α 2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK 2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm 2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm 3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다. 이때, 절연층(170)은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기물을 포함하는 수지 조성물이거나, 실리콘과 무기물을 포함하는 실리콘 복합체로 이루어진 층이거나, 산화알루미늄층일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 질화물 및 탄화물 중 적어도 하나일 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 즉, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 두께는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 대한 두께일 수 있으며, 면적은 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 수직하는 방향에 대한 면적일 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전소자의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부기판(110)의 면적은 상부기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부기판(110)의 면적이 상부기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
도시되지 않았으나, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.
이때, 덕트(1100) 상에 배치되는 하부 기판(110)은 알루미늄 기판일 수 있으며, 알루미늄 기판은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착될 수 있다. 알루미늄 기판은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 여기서, 열전달물질(TIM)은 열전달 성능 및 접착 성능을 가지는 물질이며, 예를 들어 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나 및 무기물을 포함하는 수지 조성물일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 탄화물 또는 질화물일 수 있다.
다시 도 3 내지 도 7을 참조하면, 제1 열전모듈(1200), 덕트(1100) 및 제2 열전모듈(1300) 간의 실링 및 단열 효과를 높이기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈은 실드 부재(1600) 및 단열 부재(1700)를 더 포함할 수 있다. 단열부재(1700)는, 예를 들어 덕트(1100)의 표면 중 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치된 영역을 제외한 표면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 및 제2 유체의 열손실을 방지할 수 있으며, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300) 각각의 저온부 및 고온부 간 온도 차를 크게 하여 발전 성능을 높일 수 있다. 또한, 실드 부재(1600)는 덕트(1100)의 표면 중 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치된 영역을 제외한 표면에 배치될 수 있다. 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 연결된 배선 및 커넥터를 외부 습기 또는 오염으로부터 보호할 수 있다.
한편, 가이드 플레이트(1800)는 유체 통과부(2200) 내에서 제2 유체의 흐름을 가이드하는 플레이트이며, 유체 통과부(2200) 내로 유입된 제2 유체는 가이드 플레이트(1800)를 따라 흐른 후 배출될 수 있다.
제1 가이드 플레이트(1800-1)는 제1 열전모듈(1200)과 마주보도록 배치되고, 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 제2 열전모듈(1300)과 마주보도록 배치될 수 있고, 제2 유체는 제1 열전모듈(1200)과 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전모듈(1300)과 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.
이때, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)의 양측은 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)로 연장될 수 있다. 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2)는 유체 통과부(2200)의 입구, 즉 제1 연결부(2400)를 향하여 연장되는 플레이트이고, 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)는 유체 통과부(2200)의 출구, 즉 제2 연결부(2500)를 향하여 연장되는 플레이트를 의미할 수 있다. 이때, 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2), 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2) 및 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)는 일체로 연결된 플레이트일 수 있다. 제1 열전모듈(1200)에 마주보며 배치된 제1 가이드 플레이트(1800-1) 및 제2 열전모듈(1300)에 마주보며 배치된 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 일정한 거리를 유지하며 대칭하여 배치될 수 있다. 여기서, 제1 가이드 플레이트(1800-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2) 간의 거리는 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 제2 가이드 플레이트(1800-2)를 향하는 수평 방향의 거리일 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 제1 열전모듈(1200) 및 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전모듈(1300) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 일정한 유속으로 통과할 수 있으므로, 균일한 열전 성능을 얻을 수 있다. 이에 반해, 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 연장된 제1 유체 수집 플레이트(1810-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2)로부터 연장된 제2 유체 수집 플레이트(1810-2) 사이의 거리는 유체 통과부(2200)의 입구에 가까워질수록 멀어지도록 대칭하여 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유체 수집 플레이트(1810-1) 및 제2 유체 수집 플레이트(1810-2) 사이의 거리는 제1 유체 수집 플레이트(1810-1)로부터 제2 유체 수집 플레이트(1810-2)를 향하는 수평 방향의 거리일 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 연장된 제1 유체 확산 플레이트(1820-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2)로부터 연장된 제2 유체 확산 플레이트(1820-2) 사이의 거리도 유체 통과부(2200)의 출구에 가까워질수록 멀어지도록 대칭하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 유체 통과부(2200)의 입구를 통하여 유입된 제2 유체는 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2)에서 모아진 후 열전모듈(1200, 1300)과 가이드 플레이트(1800) 사이를 통과하고, 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)에서 확산된 후 유체 통과부(2200)의 출구를 통하여 배출될 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 열전모듈(1200, 1300)과 가이드 플레이트(1800) 사이를 통과하기 전과 통과한 후의 제2 유체의 압력 차를 최소화할 수 있으므로, 제2 유체가 유체 통과부(2200)의 입구 방향으로 역류하는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 지지 프레임(1900)은 제1 내지 제2 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2), 제1 내지 제2 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 제1 내지 제2 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)를 지지한다. 즉, 지지 프레임(1900)은 제1 지지프레임(1900-1) 및 제2 지지 프레임(1900-2)을 포함하고, 제1 지지프레임(1900-1) 및 제2 지지 프레임(1900-2) 사이에 제1 내지 제2 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2), 제1 내지 제2 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 제1 내지 제2 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)가 고정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 분기부(1400)는 유체 통과부(2200)로 유입되는 제2 유체를 분기할 수 있다. 분기부(1400)에 의하여 분기된 제2 유체는 제1 열전모듈(1200)과 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전모듈(1300)과 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.
분기부(1400)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 덕트(1100)의 제3 표면(1130)이 제2 유체가 유입되는 방향을 향하도록 배치되는 경우, 분기부(1400)는 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 측에 배치될 수 있다. 또는, 분기부(1400)는 공기 역학적 원리에 의하여 덕트(1100)의 제3 표면(1130)에 대향하는 제5 표면(1150) 측에도 배치될 수 있다.
분기부(1400)는 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 상에서 제3 표면(1130)의 양단으로부터 제3 표면(1130)의 양단 사이의 중심으로 갈수록 제3 표면(1130)과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 분기부(1400)가 배치되는 제3 표면(1130)은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)과 거의 수직하며, 분기부(1400)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)에 대하여 경사지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 분기부(1400)는 우산 형상 또는 지붕 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 유체, 예를 들어 폐열이 분기부(1400)를 통하여 분기되며 발전장치의 양면에 배치된 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)에 접촉하도록 가이드될 수 있다. 즉, 제2 유체는 분기부(1400)를 통하여 분기되어, 제1 열전모듈(1200)과 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전모듈(1300)과 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.
한편, 제1 열전모듈(1200)의 제1 히트싱크(1220) 외측과 제2 열전모듈(1300)의 제2 히트싱크(1320) 외측 사이의 폭(W1)은 분기부(1400)의 폭(W2)보다 클 수 있다. 여기서, 제1 히트싱크(1220) 외측과 제2 히트싱크(1320) 외측 각각은 덕트(1100)를 향하는 측의 반대 측을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320) 각각은 복수의 방열핀을 포함할 수 있고, 복수의 방열핀은 기체의 흐름을 방해하지 않는 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 방열핀은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 또는, 복수의 방열핀은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 유로가 형성되도록 폴딩되어 있는 형상을 가질 수도 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)의 제1 히트싱크(1220)와 제2 열전모듈(1300)의 제2 히트싱크(1320) 사이의 최대 폭(W1)은 덕트(1100)를 기준으로 제1 히트싱크(1220)의 가장 먼 지점으로부터 제2 히트싱크(1320)의 가장 먼 지점까지의 거리를 의미할 수 있으며, 분기부(1400)의 최대 폭(W2)은 덕트(1100)의 제3 표면(1130)과 가장 가까운 영역에서의 분기부(1400)의 폭을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체의 흐름이 분기부(1400)에 의하여 방해 받지 않고, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320)로 직접 전달될 수 있다. 이에 따라, 제2 유체와 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320) 간의 접촉 면적이 커지게 되어, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320)가 제2 유체로부터 받는 열량이 늘어나며, 발전 효율이 높아질 수 있다.
한편, 제1 가이드 플레이트(1800-1)는 제1 열전모듈(1200)의 제1 히트싱크(1220)와 소정 간격 이격되도록 대칭으로 배치되고, 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 제2 열전모듈(1300)의 제2 히트싱크(1320)와 소정 간격 이격되도록 대칭으로 배치될 수 있다. 여기서, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)와 각 열전모듈의 히트싱크 간 간격은 각 열전모듈의 히트싱크와 접촉하는 제2 유체의 유량 및 제2 유체의 차압에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 발전 성능에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 덕트의 표면에 열전모듈이 배치되는 발전장치에서, 덕트의 내부를 통과하는 제1 유체와 열전모듈의 히트싱크를 통과하는 제2 유체 간 온도 차를 이용하여 전기를 발생시키고자 한다. 이때, 열전모듈의 열전소자에는 배선부가 연결되며, 배선부는 외부로 인출되어 외부 전원과 연결될 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 유체의 유동 저항을 최소화하고, 고온의 제2 유체로 인한 배선부의 손상을 최소화하기 위한 배선부의 인출 구조를 제안하고자 한다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치의 상면도이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에서 쉴드부재를 제거한 상태의 상면도이며, 도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함되는 냉각부의 단면도의 한 예이고, 도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치에 포함되는 냉각부의 단면도의 다른 예이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 냉각부(1100) 및 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 배치된 제1 열전모듈(1200)을 포함한다. 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 냉각부(1100)는 본 명세서에서 덕트(1100)로 지칭될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서는 도시되지 않았으나, 도 1 내지 도 9를 참조하면, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 대향하는 제2 표면(1120)에는 제2 열전모듈(1300)이 더 배치될 수 있다.
냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 수직하는 다른 표면, 즉 제4 표면(1140)에는 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)가 이격되어 배치되며, 냉각부(1100)의 내부에는 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)에 연결된 유체 수용부(300)가 배치된다. 본 명세서에서, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)에는 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치되므로, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)은 냉각부(1100)의 일면 및 타면이라 지칭될 수 있다. 또한, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 사이의 제3 내지 제6 표면(1130 내지 1160)은 냉각부(1100)의 측면 또는 외측면이라 지칭될 수 있다. 또는, 본 명세서에서, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 내지 제6 표면(1160)은 각각 제1 면(1110) 내지 제6 면(1160)이라 지칭될 수도 있다. 본 명세서에서, 제1 내지 제6 표면은 설명의 편의를 위하여 임의로 명명한 것이며, 이로 한정되는 것은 아니다.
유체 유입부(1142)로 유입된 제1 유체는 유체 수용부(300)를 통과한 후 유체 배출부(1144)를 통하여 배출될 수 있다. 여기서, 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)의 배치 순서가 도시된 바와 같이 제한되는 것은 아니며, 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)의 위치가 반대일 수도 있다. 유체 유입부(1142), 유체 배출부(1144) 및 배선 인출부(1146)는 냉각부(1100)의 제4 표면(1140)에 돌출하여 형성된다. 이에 따라, 본 명세서에서, 유체 유입부(1142), 유체 배출부(1144) 및 배선 인출부(1146)는 돌출부라 지칭될 수 있다.
유체 수용부(300)는 도 12에 도시된 바와 같이 유체 유입부(1142)로부터 유체 배출부(1144)까지 연결되며, 냉각부(1100)를 순환하도록 배치된 유로관 형상일 수 있다. 또는, 유체 수용부(300)는 도 13에 도시된 바와 같이 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)에 연결되며, 내부 영역이 제1 유체로 채워지는 수조의 형태를 가질 수도 있다. 또는, 유체 수용부(300)는 다양한 형태의 유로관 형상을 가질 수도 있다.
유체 수용부(300)가 차지하는 면적, 유로관의 직경, 유로관의 길이, 유로관의 배치 형상 등은 유체 수용부(300)로 유입되는 제1 유체의 유속, 유량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 수용부(300)는 냉각부(1100)의 제1 영역(A1)에 배치될 수 있고, 냉각부(1100)의 제1 영역(A1)의 제1 표면(1110)에는 제1 열전모듈(1200)이 배치되며, 냉각부(1100)의 제1 영역(A1)의 제2 표면(1120)에는 제2 열전모듈(1300)이 배치될 수 있다. 이와 같이, 냉각부(1100) 내 제1 유체가 통과하는 영역과 제1 열전모듈(1200)의 열전레그가 배치된 영역이 중첩될 수 있다. 한편, 냉각부(1100)의 내부를 통과하는 제1 유체보다 높은 온도를 가지는 제2 유체는 냉각부(1100)의 제3 표면(1130)으로부터 이에 대향하는 제5 표면(1150)을 향하는 방향으로 제1 열전모듈(1200)의 제1 히트싱크(1220)를 통과할 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200)의 저온부 및 고온부 간 온도 차에 의하여 전기가 생성될 수 있다.
한편, 냉각부(1100)와 제1 열전모듈(1200) 간 결합을 위하여 결합부재(400)가 이용될 수 있다. 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)에 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)을 대칭으로 배치하기 위하여, 결합부재(400)는 제1 열전모듈(1200), 냉각부(1100) 및 제2 열전모듈(1300)을 통과하도록 배치될 수 있으며, 이를 위하여, 냉각부(1100)에는 결합부재(400)가 통과하기 위한 복수의 관통홀(S1~S4)이 형성될 수 있다. 복수의 관통홀(S1~S4)은 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치되는 냉각부(1100)의 양면을 관통하도록 배치될 수 있다.
이때, 복수의 관통홀(S1~S4)은 냉각부(1100)의 제1 영역(A1) 내에서 유체 수용부(300)와 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 복수의 관통홀(S1~S4)은 유체 수용부(300)와 독립하여 형성될 수 있으며, 이에 따라 유체 수용부(300)를 통과하는 제1 유체가 복수의 관통홀(S1~S4)을 통하여 외부로 유출되는 문제를 방지할 수 있다.
제1 열전모듈(1200)의 제1 열전소자(1210)에는 제1 배선부(1300)가 연결될 수 있으며, 제1 배선부(1300)는 외부로 인출되어 외부 전원에 연결될 수 있다.
제1 열전모듈(1200)이 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 상의 제1 영역(A1)에 배치되는 경우, 제1 배선부(1300)는 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 상의 제2 영역(A2)에 배치될 수 있으며, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 상의 제2 영역(A2)에는 제1 배선부(1300)를 커버하는 쉴드 부재(1600)가 더 배치될 수 있다. 이때, 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)의 측면에 배치된 영역일 수 있다.
이때, 냉각부(1100)와 쉴드 부재(1600) 간 결합을 위하여 결합부재(500)가 이용될 수 있으며, 냉각부(1100)의 제2 영역(A2)에는 냉각부(1100)와 쉴드 부재(1600) 간 결합을 위한 결합부재(500)가 통과하기 위한 복수의 관통홀(S5~S8)이 형성될 수 있다. 이때, 복수의 관통홀(S5~S6)은 배선의 위치를 고려하여 배치될 수 있다. 즉, 열전모듈에 연결되는 배선은 열전모듈의 열전소자에 연결되는 연결전극, 연결전극 상에 배치되는 커넥터 및 커넥터에 연결되는 전선을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 관통홀(S5~S6)은 커넥터의 위치를 피하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 관통홀(S5)은 복수의 관통홀(S1, S2)보다 제4 표면(1140)에 더 인접하게 배치될 수 있고, 관통홀(S6)은 복수의 관통홀(S3, S4)보다 제6 표면(1160)에 더 인접하게 배치될 수 있다.
여기서, 복수의 관통홀(S1~S8)의 위치 및 개수는 예시적인 것으로, 본 발명의 실시예가 이로 제한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 제1 열전모듈(1200)의 제1 열전소자(1210)에는 제1 배선부(1300)가 연결될 수 있으며, 제1 배선부(1300)는 외부로 인출되어 외부 전원에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 배선부(3000)는 제1 열전소자(1210)에 연결된 연결 전극(600) 상에 배치된 커넥터(미도시)에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각부(1100)의 내부에는 제1 배선부(3000)가 통과하기 위한 터널(4000)이 형성된다. 터널(4000)은 냉각부(1100)의 제2 영역(A2)에 형성될 수 있다. 그리고, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 수직하는 다른 표면, 즉 제4 표면(1140)에는 배선 인출부(1146)가 더 배치되며, 터널(4000)은 배선 인출부(1146)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전소자(1220)에 연결되는 제1 배선부(3000)는 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 상의 제2 영역(A2) 상에 배치되며, 터널(4000)을 통과하여 배선 인출부(1146)를 통하여 외부로 인출될 수 있다.
이때, 배선 인출부(1146)는 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)와 동일 표면 상에서 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 유체 유입부(1142) 및 유체 배출부(1144)는 냉각부(1100)의 제1 영역(A1)에 배치되고, 배선 인출부(1146)는 냉각부(1100)의 제2 영역(A2)에 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 열전모듈(1200)에 연결된 제1 배선부(3000)가 냉각부(1100) 내의 터널(4000)을 통하여 외부로 인출될 경우, 제1 배선부(3000)로 인한 제2 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있다. 또한, 제1 배선부(3000)가 제2 유체와 접촉하는 면적을 최소화할 수 있으므로, 고온의 제2 유체로 인한 제1 배선부(3000)의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터널(4000)은 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 사이의 제2 영역(A2)을 관통하도록 형성될 수 있다. 터널(4000)은 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 사이의 제2 영역(A2)에서 제5 표면(1150)으로부터 제4 표면(1140)을 향하는 방향으로 배선 인출부(1146)까지 연장되도록 형성될 수 있다.
제1 배선부(3000)가 제1 열전소자(1210)에 연결되고, 서로 이격되도록 배치된 두 개의 배선을 포함하는 경우, 터널(4000)은 하나의 배선이 유입되는 제1 유입구(4010) 및 다른 하나의 배선이 유입되는 제2 유입구(4020)를 포함할 수 있다. 제1 유입구(4010) 및 제2 유입구(4020)는 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 제1 유입구(4010)로부터 냉각부(1100)의 제3 표면(1130)을 향하는 방향으로 제2 영역(A2) 내에서 연장되는 제1 터널(4030) 및 제2 유입구(4020)로부터 냉각부(1100)의 제3 표면(1130)을 향하는 방향으로 제2 영역(A2) 내에서 연장되는 제2 터널(4040)은 제3 터널(4050)에서 합쳐질 수 있고, 제3 터널(4050)은 제4 표면(1140)을 향하는 방향으로 연장되어 배선 인출부(1146)까지 연결될 수 있다.
이때, 제1 유입구(4010) 및 제2 유입구(4020)는 냉각부(1100)의 제2 영역(A2)의 가장자리, 즉 제5 표면(1150) 측에 형성된 제1 홈(G1) 및 제2 홈(G2)에 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 배선부(3000)가 냉각부(1100) 내의 터널(4000)로 유입되는 과정에서 제5 표면(1150) 상에 돌출되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에는 제1 열전모듈(1200)이 배치되고, 냉각부(1100)의 제2 표면(1120)에는 제2 열전모듈(1300)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)에 연결된 제1 배선부(3000) 및 제2 열전모듈(1300)에 연결된 제2 배선부(3100)는 터널(4000) 및 배선 인출부(1146)를 통하여 함께 외부로 인출될 수 있다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 열전모듈 및 제2 열전모듈의 배선 연결을 설명하는 도면이고, 도 15는 도 14의 실시예에 따른 발전장치의 평면도 및 사시도이다.
도 14 내지 도 15를 참조하면, 제1 열전모듈(1200)은 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 냉각부(1100)의 제2 표면(1120)에 제1 열전모듈(1200)과 대칭하도록 배치된다. 즉, 제2 열전모듈(1300)은 제2 표면(1120) 상의 제1 영역(A1)에 배치되고, 제2 배선부(3100)는 제2 표면(1120)의 제2 영역(A2) 상에 배치될 수 있다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 직렬 연결될 수 있다.
즉, 제1 배선부(3000)는 제1-1 배선(3010) 및 제1-2 배선(3020)을 포함하고, 제2 배선부(3100)는 제2-1 배선(3110) 및 제2-2 배선(3120)을 포함하는 경우, 제1-1 배선(3010) 및 제2-1 배선(3110)은 극성이 서로 상이하고, 제1-2 배선(3020) 및 제2-2 배선(3120)은 극성이 서로 동일하며, 제1-1 배선(3010) 또는 제2-1 배선(3110)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
이때, 제1-1 배선(3010) 및 제2-1 배선(3110)은 터널(4000)을 통하여 배선 인출부(1146)로 인출되고, 제1-2 배선(3020) 및 제2-2 배선(3120)은 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 직렬 연결될 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 열전모듈 및 제2 열전모듈의 배선 연결을 설명하는 도면이고, 도 17은 도 16의 실시예에 따른 발전장치의 평면도 및 사시도이다.
도 16 내지 도 17을 참조하면, 제1 열전모듈(1200)은 냉각부(1100)의 제1 표면(1110)에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 냉각부(1100)의 제2 표면(1120)에 제1 열전모듈(1200)과 대칭하도록 배치된다. 즉, 제2 열전모듈(1300)은 제2 표면(1120) 상의 제1 영역(A1)에 배치되고, 제2 배선부(3100)는 제2 표면(1120)의 제2 영역(A2) 상에 배치될 수 있다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 병렬 연결될 수 있다.
즉, 제1 배선부(3000)는 제1-1 배선(3010) 및 제1-2 배선(3020)을 포함하고, 제2 배선부(3100)는 제2-1 배선(3110) 및 제2-2 배선(3120)을 포함하는 경우, 제1-1 배선(3010) 및 제1-2 배선(3020)은 서로 극성이 상이하고, 제2-1 배선(3110) 및 제2-2 배선(3120)는 서로 극성이 상이할 수 있다.
제1-1 배선(3010) 및 제1-2 배선(3020)는 각각 터널(4000)을 통하여 배선 인출부(1146)로 인출되고, 제2-1 배선(3110) 및 제2-2 배선(3120)은 각각 터널(4000)을 통하여 배선 인출부(1146)로 인출될 수 있다.
이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 병렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3100)가 냉각부(1100) 내부의 터널(4000)을 통하여 외부로 인출되면, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3100)로 인하여 제2 유체의 유로 저항이 발생하는 문제를 최소화할 수 있으며, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3100)이 고온의 제2 유체에 가깝게 배치되어 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
도 18은 도 10의 단면을 설명하기 위한 사시도이고, 도 19는 도 10의 단면을 설명하기 위한 단면도이다. 여기서, 제1 열전모듈 및 제2 열전모듈은 도 16 내지 도 17의 실시예와 같이 병렬 연결된 것을 예로 들어 설명하며, 도 10의 유체 배출부(1146)를 기준으로 한 단면을 예시한다.
도 18 내지 도 19를 참조하면, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3000)는 각각 냉각부(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 상에서 쉴드부재(1600)에 의하여 커버되며, 냉각부(1100) 내에 형성된 터널(4000)을 통하여 배선 인출부(1146)로 인출된다. 쉴드부재(1600)는 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3000)를 커버하기 위하여 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3000)가 배치되는 영역에서 단차가 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3000)가 제2 유체의 유로를 방해하지 않으며, 제1 배선부(3000) 및 제2 배선부(3000)가 고온의 제2 유체에 의하여 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
한편, 이상에서 하나의 발전장치를 중심으로 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 하나의 유체 통과부(2200) 내에는 복수의 발전장치가 배치될 수도 있다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타내고, 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템 내에 포함되는 두 개의 발전장치를 나타낸다.
도 20 내지 도 21을 참조하면, 발전시스템은 복수의 발전장치를 포함할 수 있고, 각 발전장치는 도 1 내지 도 19를 이용하여 설명한 발전장치와 동일할 수 있다.
도 20을 참조하면, 복수의 발전장치(1000-11, 1000-21)는 유체 통과부(2200) 내에서 제2 유체가 흘러가는 방향을 따라 배치될 수 있다.
그리고, 복수의 발전장치(1000-11, 1000-12, 1000-13)는 유체 통과부(2200) 내에서 서로 이격되어 병렬적으로 배치될 수도 있다.
복수의 발전장치의 배치 구조 및 개수는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 21을 참조하면, 각 발전장치의 유체 유입부(1142)와 유체 배출부 간(1144)의 거리(D)는 유체 배출부(1144)와 배선 인출부(1146) 간의 거리(D)와 동일할 수 있다. 유체 유입부(1142)와 유체 배출부(1144)의 위치가 도시된 바와 반대인 경우, 유체 유입부(1142)와 유체 배출부(1144) 간의 거리(D)는 유체 유입부(1142)와 배선 인출부(1146) 간의 거리(D)와 동일할 수 있다.
그리고, 유체 배출부(1144)와 배선 인출부(1146) 간의 거리(D)는 배선 인출부(1146)와 이웃하는 발전장치의 유체 유입부(1142) 간의 거리와 동일할 수 있다. 유체 유입부(1142)와 유체 배출부(1144)의 위치가 도시된 바와 반대인 경우, 유체 유입부(1142)와 배선 인출부(1144) 간의 거리(D)는 배선 인출부(1144)와 이웃하는 발전장치의 유체 배출부(1146) 간의 거리(D)와 동일할 수 있다.
이에 따르면, 도 20의 (a) 내지 (d)와 같이 발전시스템 내 복수의 발전장치의 개수 및 위치 등을 가변적으로 설계하는 것이 가능하다.
발전 시스템은 선박, 자동차, 발전소, 지열, 등에서 발생하는 열원을 통해 발전할 수 있고, 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 발전 장치를 배열할 수 있다. 이때, 각 열전소자에 연결되는 배선을 냉각부 내 터널을 통하여 외부로 인출하는 경우, 제2 유체의 유동 경로 상 돌출 영역을 최소화할 수 있으므로 제2 유체의 유동 저항을 낮출 수 있으며, 이에 따라 발전 장치의 효율 및 신뢰성을 개선할 수 있으므로, 선박이나 차량 등의 운송 장치의 연료 효율을 개선할 수 있다. 따라서 해운업, 운송업에서는 운송비 절감과 친환경 산업 환경을 조성할 수 있고, 제철소 등 제조업에 적용되는 경우 재료비 등을 절감할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 영역에 배치된 유체 수용부 및 제2 영역에 배치된 터널을 포함하는 냉각부,
    상기 냉각부의 제1 표면 상의 상기 제1 영역에 배치된 제1 열전모듈,
    상기 냉각부의 상기 제1 표면 상의 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 제1 열전모듈에 연결된 제1 배선부,
    상기 냉각부의 상기 제1 표면에 수직하는 다른 표면 상의 상기 제1 영역에 배치된 유체 유입부 및 유체 배출부, 그리고
    상기 냉각부의 상기 다른 표면 상의 상기 제2 영역에서 상기 유체 유입부 및 상기 유체 배출부와 이격되어 배치된 배선 인출부를 포함하고,
    상기 터널은 상기 배선 인출부와 연결되며, 상기 제1 배선부는 상기 터널 및 상기 배선 인출부를 통하여 외부로 인출되는 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 유입부와 상기 유체 배출부 간의 거리는 상기 유체 유입부 또는 상기 유체 배출부와 상기 배선 인출부 간의 거리와 동일한 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부의 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치된 제2 열전모듈, 그리고
    상기 제2 열전모듈에 연결된 제2 배선부를 포함하고,
    상기 제2 배선부는 상기 배선 인출부를 통하여 외부로 인출되는 발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 열전모듈은 상기 제2 표면 상의 상기 제1 영역에 배치되고,
    상기 제2 배선부는 상기 제2 표면 상의 상기 제2 영역에 배치되며, 상기 터널을 통하여 상기 배선 인출부로 연장되는 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 배선부는 제1-1 배선 및 제1-2 배선을 포함하고,
    상기 제2 배선부는 제2-1 배선 및 제2-2 배선을 포함하며,
    상기 제1-1 배선 및 상기 제2-1 배선은 상기 터널을 통하여 상기 배선인출부로 인출되고,
    상기 제1-2 배선 및 상기 제2-2 배선은 서로 연결되는 발전장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 배선부는 제1-1 배선 및 제1-2 배선을 포함하고,
    상기 제2 배선부는 제2-1 배선 및 제2-2 배선을 포함하며,
    상기 제1-1 배선 상기 제1-2 배선은 극성이 서로 상이하고, 상기 제2-1 배선 및 상기 제2-2 배선은 극성이 서로 상이하며,
    상기 제1-1 배선, 상기 제1-2 배선, 상기 제2-1 배선 및 상기 제2-2 배선은 상기 터널을 통하여 상기 배선인출부로 인출되는 발전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터널은 상기 제1-1배선 및 상기 제2-1배선이 통과하는 제1 터널 및 상기 제1-2 배선 및 상기 제2-2배선이 통과하는 제2 터널을 포함하는 발전장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈은 각각 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 각각 상에 배치된 열전소자 및 상기 열전소자 상에 배치된 히트싱크를 포함하고,
    상기 냉각부를 통과하는 유체는 제1 유체이고,
    상기 제1 유체보다 온도가 높은 제2 유체가 상기 히트싱크를 통과하는 발전장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 제1 표면, 상기 제2 표면, 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 제3 표면, 상기 제3 표면에 수직하며, 상기 배선 인출부가 배치되는 제4 표면, 상기 제3 표면에 대향하는 제5 표면 및 상기 제4 표면에 대향하는 제6 표면을 포함하고,
    상기 제2 유체는 상기 제3 표면으로부터 상기 제5 표면을 향하는 방향으로 통과하는 발전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 터널은 상기 냉각부의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 상기 제2 영역에서 상기 제5 표면으로부터 상기 제4 표면을 향하는 방향으로 형성되는 발전장치.
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