WO2021256802A1 - 발전장치 - Google Patents

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WO2021256802A1
WO2021256802A1 PCT/KR2021/007394 KR2021007394W WO2021256802A1 WO 2021256802 A1 WO2021256802 A1 WO 2021256802A1 KR 2021007394 W KR2021007394 W KR 2021007394W WO 2021256802 A1 WO2021256802 A1 WO 2021256802A1
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fluid
flow
zone
flow path
disposed
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PCT/KR2021/007394
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English (en)
French (fr)
Inventor
전지환
김정호
안상훈
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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 fluid passes through a flow pipe formed therein, and a first surface, a second surface opposite to the first surface, and a second surface between the first surface and the second surface three surfaces, a fourth surface opposite the third surface, the first surface, the second surface, a fifth surface between the third surface and the fourth surface, and a sixth surface opposite the fifth surface
  • a fluid flow unit including It is formed to be connected to the fluid outlet
  • the flow pipe includes a plurality of first flow passages disposed along a first direction, a plurality of second flow passages disposed along a second direction perpendicular to the first direction, and and a plurality of bending parts connecting between the plurality of first flow path parts and the plurality of second flow path parts, wherein the fluid flow part sequentially includes a first zone, a second zone and A third zone is arbitrarily set, and the plurality of first flow passages are arranged such that the fluid sequentially passes through the first zone, the third zone, the second zone, the first zone
  • the first thermoelectric module includes a first thermoelectric element disposed on the first surface and a first heat sink disposed on the first thermoelectric element, wherein the fluid passing through the fluid flow unit is a first fluid, and A second fluid having a temperature different from that of the first fluid in a direction from the fifth surface to the sixth surface may pass through the first heat sink.
  • the first direction may be parallel to a direction through which the second fluid passes.
  • the fluid flow part is arbitrarily set to a fourth zone and a fifth zone sequentially from the fifth surface to the sixth surface, and the plurality of second flow passages allow the fluid to pass through the fourth zone and the fifth zone alternately. can be arranged to do so.
  • the flow path pipe is connected to the fluid inlet and includes a first flow path part passing through the first zone, a second flow path part passing through the fifth zone, a first flow path part passing through the third zone, and the fourth zone A second flow passage passing through, a plurality of first flow passages passing through the second zone, a second flow passage passing through the fifth zone, a first flow passage passing through the first zone, and the fourth zone A second flow path part passing through, a first flow path part passing through the third zone, and a second flow path part passing through the fifth zone and connected to the fluid outlet may be sequentially connected.
  • the directions in which the first fluid passes in the two first flow passages passing through the first zone are opposite to each other, and the directions in which the first fluid passes in the two first flow passages passing through the third zone are can be opposite to each other.
  • a direction in which the first fluid flows in the first flow path part may be the same as a direction in which the second fluid flows.
  • the plurality of first flow passages passing through the second region are three first flow passages, and the first fluid in the three first flow passages passes in the same direction as that in which the second fluid flows, and the second After passing in a direction opposite to the direction in which the fluid flows, it may flow again in the same direction as the direction in which the second fluid flows.
  • a plurality of through-holes penetrating the first surface may be formed in the fluid flow part, and the fluid flow part and the first thermoelectric module may be coupled through a plurality of coupling members disposed in the plurality of through holes.
  • the plurality of first flow passages passing through the second region may be disposed in an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through holes.
  • the plurality of second flow passages may be disposed outside an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through holes.
  • Some of the plurality of bending portions connect one of the plurality of first flow passages and one of the plurality of second flow passages, and another portion of the plurality of bending portions includes two of the plurality of first flow passages. can be connected
  • Another part of the plurality of bending parts may be disposed in an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through holes.
  • a diameter of at least one of the plurality of bending parts may be greater than a diameter of at least one of the plurality of first flow passages and at least one of the plurality of second flow passages, respectively.
  • a distance between the fluid inlet and the fluid outlet is a distance between a second flow path part closest to the fifth surface among the plurality of second flow path parts and a second flow path part closest to the sixth surface among the plurality of second flow path parts may be more than
  • thermoelectric module including a second thermoelectric element disposed on the second surface and a second heat sink disposed on the second thermoelectric element, in a direction from the fifth surface to the sixth surface
  • the second fluid may pass through the second heat sink.
  • 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.
  • 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 module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a fluid flow unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a fluid flow unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a fluid flow part according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 shows a fluid movement path of the fluid flow unit of FIG. 13 .
  • FIG. 15(a) is a simulation result of heat distribution in the flow path shape of FIG. 11, FIG. 15(b) shows the flow path shape of FIG. 12, and FIG. 15(c) shows the flow path shape of FIG.
  • FIG. 16 shows a power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 shows a 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 more than one) of A and (and) B, C", it is combined as 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.
  • top (above) or under (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.
  • upper (upper) or lower (lower) a meaning of not only an upper direction but also a lower 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 higher, preferably 200°C or higher, 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 fluids 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 portion 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 passage unit 2200, the power generation device 1000 is accommodated in the fluid passage unit 2200, and the open one side 2210 of the fluid passage unit 2200 is covered ( 2220) can be covered. In this case, the cover 2220 may be fastened to the one open surface 2210 of the fluid passing 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 fluid flow unit 1100 , a first thermoelectric module 1200 , a second thermoelectric module 1300 , and a branch unit 1400 . , a spacer 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 .
  • the member 1700 may be assembled into one module.
  • the power generation device 1000 includes a first fluid flowing through the inside of the fluid flow unit 1100 and a first thermoelectric module 1200 and a second thermoelectric module disposed outside the fluid flow unit 1100 . Power may be generated using the temperature difference between the second fluids passing through the heat sinks 1220 and 1320 of the module 1300 .
  • the temperature of the first fluid flowing through the inside of the fluid flow unit 1100 passes through the heat sinks 1220 and 1320 of the thermoelectric modules 1200 and 1300 disposed outside the fluid flow unit 1100. It may be lower than the temperature of the second fluid.
  • the first fluid may be for cooling.
  • the first thermoelectric module 1200 may be disposed on one surface of the fluid flow part 1100
  • the second thermoelectric module 1300 may be disposed on the other surface of the fluid flow part 1100 .
  • the fluid flow unit 1100 may be referred to as a cooling unit or a duct.
  • the first fluid flowing into the fluid flow unit 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 fluid flow unit 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 fluid flow unit 1100 may be higher than the temperature of the first fluid introduced into the fluid flow unit 1100 .
  • Each fluid flow unit 1100 has a first surface 1110, a second surface 1120 opposite to the first surface 1110, and a second surface 1120, a first surface 1110 and a second surface arranged parallel to the first surface 1110.
  • the third surface 1130 is the The first surface may be a surface disposed in a direction in which the fluid is introduced and discharged, and the fifth surface 1150 may be a surface disposed in a direction in which the second fluid is introduced.
  • a first fluid inlet 1132 and a first fluid outlet 1134 may be formed on the third surface 1130 of the fluid flow unit 1100 .
  • the first fluid inlet 1132 and the first fluid outlet 1134 may be connected to a flow pipe in the fluid flow unit 1100 . Accordingly, the first fluid introduced from the first fluid inlet 1132 may be discharged from the first fluid outlet 1134 after passing through the flow path.
  • heat dissipation fins may be disposed on the inner wall of the fluid flow unit 1100 .
  • the shape, number, and area occupied by the inner wall of the fluid flow unit 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 where the heat dissipation fin occupies the inner wall of the fluid flow unit 1100 may be, for example, 1 to 40% of the cross-sectional area of the fluid flow unit 1100 . Accordingly, it is possible to obtain high thermoelectric conversion efficiency without disturbing the flow of the first fluid.
  • the heat dissipation fins 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 by a predetermined interval.
  • the heat dissipation fin may be integrally formed with the inner wall of the fluid flow unit 1100 .
  • the direction of the second fluid flowing through the fluid passing unit 2200 and the inlet/discharging direction of the first fluid flowing through the fluid flow unit 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 fluid flow unit 1100
  • second thermoelectric module 1300 is disposed on the second surface 1120 of the fluid flow unit 1100
  • the first thermoelectric module 1200 may be symmetrically disposed.
  • the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 may be coupled to the fluid flow unit 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 fluid flow unit 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 fluid flow unit 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 fluid flow unit 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 sink 1220,
  • the temperature difference between the heat absorbing and heat dissipating surfaces of the thermoelectric elements 1210 and 1310 can be increased, thereby increasing the thermoelectric conversion efficiency.
  • the first direction length 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 to each other 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 insulating insertion members 1240 and 1340 may be further disposed between the through hole S and the fastening members 1230 and 1330 .
  • the separate insulating inserting members 1240 and 1340 may be an insulating inserting member surrounding the outer circumferential surface of the fastening members 1230 and 1330 or an insulating inserting member surrounding the wall surface of the through hole S.
  • the insulating insertion members 1240 and 1340 may have a ring shape.
  • the inner peripheral surfaces of the insulating inserting members 1240 and 1340 having a ring shape are disposed on the outer peripheral surfaces of the fastening members 1230 and 1330, and the outer peripheral surfaces of the insulating inserting members 1240 and 1340 may be disposed on the inner peripheral surface of the through hole (S). have. 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 shapes of the insulating inserting members 1240 and 1340 may be as illustrated in FIG. 7(b) .
  • the insulating inserting members 1240 and 1340 form a step in the through-hole S region formed in the substrate of the thermoelectric element 1210 and 1310 to form the through-hole S ) may be arranged to surround a portion of the wall surface.
  • the insulating inserting members 1240 and 1340 form a step in the region of the through hole S formed in the substrate of the thermoelectric element 1210 and 1310 to form a step along the wall surface of the through hole S of the thermoelectric elements 1210 and 1310.
  • the electrode (not shown) may be disposed to extend to a surface on which the electrode (not shown) is disposed.
  • 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 and acts 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, electric 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, 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 laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by coating a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking the unit member and cutting the unit through the process. 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) can 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 conductivity 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 respectively between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 . ) 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 silicone 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 it 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 to be described later is 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 .
  • the effect on the improvement of heat transfer efficiency is not high. 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 fluid flow unit 1100 may be an aluminum substrate, and the aluminum substrate is a thermal interface material (TIM) with each of the first surface 1110 and the second surface 1120 . ) can be attached. Since the aluminum substrate has excellent heat transfer performance, heat transfer between one of both surfaces of the thermoelectric elements 1210 and 1310 and the fluid flow unit 1100 through which the first fluid flows is easy. In addition, when the aluminum substrate and the fluid flow part 1100 through which the first fluid flows are adhered by a thermal interface material (TIM), heat transfer between the aluminum substrate and the fluid flow part 1100 through which the first fluid flows is not disturbed.
  • TIM thermal interface material
  • 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.
  • thermoelectric module 1200 in order to increase the sealing and heat insulation effect between the first thermoelectric module 1200 , the fluid flow unit 1100 and the second thermoelectric module 1300 , a power generation module according to an embodiment of the present invention
  • the silver shield member 1600 and the heat insulating member 1700 may be further included.
  • the heat insulating member 1700 may be disposed, for example, on a surface of the fluid flow unit 1100 excluding an 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 fluid flow unit 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 passage 2200 , and the second fluid introduced into the fluid passage 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 1820-1 and 1820 - 2 are fluid It may refer to a plate extending toward the outlet of the passage 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.
  • 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 first fluid diffusion plate 1820-1 extending from the first guide plate 1800-1 and the second fluid diffusion plate 1820-2 extending from the second guide plate 1800-2 The distance may also be symmetrically disposed so that the closer to the outlet of the fluid passing part 2200 is, the more distant it is.
  • 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 . According to this, since the pressure difference between the second fluid before and after the second fluid passes between the thermoelectric modules 1200 and 1300 and the guide plate 1800 can be minimized, 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 first to second guide plates 1800-1 and 1800-2, first to second fluid collection plates 1810-1 and 1810-2, and 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 branching part 1400 may be disposed between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the fluid flow part 1100 .
  • the branching part 1400 is the fifth surface 1150 of the fluid flow part 1100 .
  • the branching part 1400 may be disposed on the side of the sixth surface 1160 opposite to the fifth surface 1150 of the fluid flow part 1100 according to the aerodynamic principle.
  • the branching part 1400 is on the fifth surface 1150 of the fluid flow part 1100 from both ends of the fifth surface 1150 toward the center between both ends of the fifth surface 1150 and the fifth surface 1150. It may have a shape in which the distance increases. That is, the fifth surface 1150 on which the branching part 1400 is disposed is substantially perpendicular to the first surface 1110 and the second surface 1120 , and the branching part 1400 is the first of the fluid flow part 1100 . It may be disposed to be inclined with respect to the surface 1110 and the second surface 1120 .
  • 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 unit 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) may be greater.
  • each of the outside of the first heat sink 1220 and the outside of the second heat sink 1320 may mean opposite sides of the side facing the fluid flow unit 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 based on the fluid flow part 1100. It may mean the distance from the furthest point of the first heat sink 1220 to the furthest point of the second heat sink 1320 , and the maximum width W2 of the branching part 1400 is the fluid flow part 1100 .
  • 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 a power generation device in which a thermoelectric module is disposed on the surface of a fluid flow unit, using the temperature difference between the first fluid passing through the inside of the fluid flow unit and the second fluid passing through the heat sink of the thermoelectric module I want to generate electricity.
  • the flow path of the first fluid passing through the inside of the fluid flow unit needs to be formed in a region where the thermoelectric legs of the thermoelectric module are disposed. Accordingly, it is necessary to design a flow path to obtain a high cooling efficiency relative to the area.
  • FIG. 10 is a top view of a power generation module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a fluid flow part according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a fluid flow part according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a fluid flow part according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 14 shows a fluid movement path of the fluid flow part of FIG. 13 .
  • the power generation module includes a fluid flow unit 1100 and a first thermoelectric module 1200 disposed on the first surface 1110 of the fluid flow unit 1100 .
  • a second thermoelectric module 1300 may be further disposed on the second surface 1120 opposite to the first surface 1110 of the fluid flow unit 1100 .
  • the fluid flow part 1100 On the other surface perpendicular to the first surface 1110 of the fluid flow part 1100, that is, the third surface 1130, the fluid inlet 1132 and the fluid outlet 1134 are spaced apart and disposed, the fluid flow part 1100
  • the fluid receiving part 300 is disposed in one area A1 of 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 fluid flow unit 1100 , the fluid flow unit 1100 .
  • the first surface 1110 and the second surface 1120 of the may be referred to as one surface and the other surface of the fluid flow unit 1100 .
  • the third to sixth surfaces 1130 to 1160 between the first surface 1110 and the second surface 1120 of the fluid flow unit 1100 may be referred to as side surfaces or outer surfaces of the fluid flow unit 1100 .
  • the first fluid introduced into the fluid inlet 1132 may be discharged through the fluid outlet 1134 after passing through the fluid accommodating part 300 .
  • the arrangement order of the fluid inlet 1132 and the fluid outlet 1134 is not limited as shown, and the positions of the fluid inlet 1132 and the fluid outlet 1134 may be reversed.
  • the first thermoelectric module 1200 is disposed on the surface of one area A1 of the fluid flow unit 1100 .
  • the effective area of the first thermoelectric module 1200 may be disposed in the area where the fluid receiving part 300 is disposed.
  • the second fluid having a higher temperature than the first fluid passing through the fluid flow unit 1100 is the thermoelectric module in a direction from the fifth surface 1150 of the fluid flow unit 1100 to the sixth surface 1160 opposite to it. It can pass through the heatsink of 1200.
  • the coupling member 400 may be used for coupling between the fluid flow unit 1100 and the first thermoelectric module 1200 .
  • the coupling member 400 includes the first thermoelectric module 1200, the fluid flow unit ( 1100) and the second thermoelectric module 1300 may be disposed to pass, and for this purpose, a plurality of through holes S1 to S4 for the coupling member 400 to pass through may be formed in the fluid flow unit 1100. have.
  • the plurality of through holes S1 to S4 may be disposed to penetrate both surfaces of the fluid flow 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 one area A1 of the fluid flow part 1100 which is an area where the fluid accommodating part 300 is disposed. . 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 shield member 1600 covering the part (not shown) and the wiring part may be further disposed.
  • a coupling member 500 may be used for coupling between the fluid flow unit 1100 and the shield member 1600, and in another area A2 of the fluid flow unit 1100, the fluid flow unit 1100 and the shield member ( 1600), a plurality of through-holes S5 to S6 through which the coupling member 500 for coupling passes may be formed.
  • the plurality of through-holes S5 to S6 may be formed so as not to overlap the fluid accommodating part 300 outside one area A1 of the fluid flow part 1100 which is an area where the fluid accommodating part 300 is disposed. .
  • the plurality of through-holes S5 to S6 may be disposed in consideration of the position of the wiring part. That is, the wiring unit connected to the thermoelectric module may include a connection electrode (not shown) connected to the thermoelectric element of the thermoelectric module, a connector 600 disposed on the connection electrode, and a wire (not shown) connected to the connector 600 . can In this case, the plurality of through-holes S5 to S6 may be disposed avoiding the position of the connector 600 .
  • the through-hole S5 may be disposed closer to the third surface 1130 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 fourth surface 1140 .
  • the positions and number of the plurality of through-holes S1 to S6 are exemplary, and the embodiment of the present invention is not limited thereto.
  • the through-holes S5 to S of the region A2 are omitted in FIGS. 11 to 14 , but the present invention is not limited thereto.
  • the fluid receiving part may form a flow path from the fluid inlet 1132 to the fluid outlet 1134 , and thus may be referred to as a flow path or a flow path pipe.
  • the fluid receiving unit 300 in the fluid flow unit 1100 is disposed in area A1 of the fluid flow unit 1100 which is an area corresponding to the area in which the thermoelectric modules 1200 and 1300 are disposed, and the fluid
  • the first fluid introduced into the inlet 1132 may be discharged from the fluid outlet 1134 after passing through the fluid accommodating part 300 .
  • the fluid accommodating part 300 does not form a separate flow pipe, and a plurality of through-holes S1 to S4 may be disposed to be spaced apart from the fluid accommodating part 300 . Accordingly, according to this, since the region where the fluid accommodating part 300 is disposed and the region where the thermoelectric modules 1200 and 1300 are disposed correspond to each other, the low-temperature part of the thermoelectric module can obtain cooling performance. In addition, since the through holes S1 to S4 are formed in the first area A1 of the fluid flow unit 1100 , the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are connected to each other through the coupling member 400 .
  • the through-holes S1 to S4 are spaced apart from the fluid receiving unit 300 and formed independently, so the fluid receiving unit 300 through the through holes (S1 to S4). ) in the first fluid can be prevented from leaking to the outside.
  • the fluid accommodating part 300 may have the form of a flow pipe connected from the fluid inlet 1132 to the fluid outlet 1134 , and the first fluid introduced into the fluid inlet 1132 . 1 The fluid may be discharged through the fluid outlet 1134 after flowing along the flow path.
  • the first thermoelectric module 1200 and the second thermoelectric module 1300 are disposed in the first fluid at a minimum flow rate according to the arrangement structure of the flow pipe. It can pass through the A1 area as a whole.
  • the flow pipe may be disposed to be spaced apart from the plurality of through holes S1 to S4. Accordingly, it is possible to prevent the problem that the first fluid in the fluid accommodating part 300 is leaked to the outside through the through holes ( S1 to S4 ).
  • the fluid accommodating part 300 may include a plurality of first flow path parts 310 disposed along the first direction X and a second direction Y perpendicular to the first direction X. It may include a plurality of second flow passages 320 and a plurality of bending portions 330 connecting the plurality of first flow passages 310 and the plurality of second flow passages 320 .
  • the first direction (X) may be a direction parallel to a direction in which the second fluid passes
  • the second direction (Y) may be a direction parallel to a direction in which the first fluid is introduced and discharged. That is, the first direction (X) may be a direction from the fifth surface 1150 to the sixth surface 1160 of the fluid flow part 1100 or the opposite direction
  • the second direction (Y) is the fluid flow part 1100 .
  • the direction from the third surface 1130 to the fourth surface 1140 of the eastern part 1100 may be in a direction or vice versa.
  • the Y1 area, the Y2 area, and the Y3 area may be arbitrarily set in sequence.
  • the plurality of first flow passages 310 may be arranged such that the first fluid sequentially passes through the Y1 region, the Y3 region, the Y2 region, the Y1 region, and the Y3 region. That is, the plurality of flow passages 310 are connected to the fluid inlet 1132 , and the first flow passage 310 - 1 through which the first fluid passes through the Y1 area and the first passage 310 - through the Y3 area.
  • first flow path parts 310-3, 310-4, 310-5 passing through the Y2 area
  • first flow path part 310-6 passing through the Y1 area again and passing through the Y3 area again It may be arranged to sequentially pass through the first flow path portion 310 - 7 .
  • the plurality of first flow passages 310 may be arranged such that the first fluid alternately passes through the Y1 region, which is a region relatively close to the fluid inlet 1132, and the Y3 region, which is a region that is relatively far from the fluid inlet 1132.
  • the fluid flow unit 1100 since the fluid flow unit 1100 has an even temperature distribution as a whole, it is possible to obtain an even thermoelectric performance in the entire area of the thermoelectric module.
  • the directions in which the first fluids in the two first flow passages 310-1 and 310-6 passing through the Y1 area pass are opposite to each other, and the two first flow passages 310-2 passing through the Y3 area , 310-7) in which the direction in which the first fluid passes is opposite to each other, and is disposed closer to the third surface 1130 of the two first flow passages 310-1 and 310-6 passing through the Y1 region.
  • the first flow path part 310-7 disposed closer to the fourth surface 1140 of the two first flow path parts 310-2 and 310-7 passing through the first flow path part 310-1 and the Y3 area. ), the direction in which the first fluid flows may be the same as the direction in which the second fluid flows.
  • the direction in which the first fluid passes in the first flow passages 310-1 and 310-7 disposed closest to each of the third surface 1130 and the fourth surface 1140 among the plurality of first flow passages. may be the same as the direction from the fluid inlet 1132 to the fluid outlet 1134, so that an even temperature distribution can be obtained regardless of the position in the fluid receiving part, and even thermoelectric performance can be obtained in the entire area of the thermoelectric module.
  • the plurality of first flow passages 310 - 3 , 310 - 4 and 310 - 5 passing through the Y2 area may be a total of three first flow passages.
  • the first fluid that sequentially passes through the plurality of first flow passages 310-3, 310-4, 310-5 passes in the same direction as the second fluid flows and is opposite to the second fluid flow direction. After passing in the direction, the second fluid may flow again in the same direction as the flow direction.
  • the plurality of first flow passages 310-3, 310-4, and 310-5 passing through the Y2 region may be disposed in an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through-holes S1 to S4. have.
  • the first fluid can flow evenly even in the middle region of the fluid accommodating part 300, and accordingly, the temperature distribution in the fluid accommodating part 300 can be maintained uniformly, and the occurrence of a dead zone can be prevented. Therefore, even thermoelectric performance can be obtained in the entire area of the thermoelectric module.
  • the fifth surface 1150 to the sixth surface 1160 may be arbitrarily set as the X1 area and the X2 area sequentially.
  • the X1 region may be a region including the fluid inlet 1132
  • the X2 region may be a region including the fluid outlet 1134 .
  • the plurality of second flow passages 320 may be arranged such that the first fluid alternately passes through the X1 region and the X2 region. That is, in the plurality of second flow path parts 320, the first fluid is disposed between the first flow path part 310-1 of the Y1 area and the first flow path part 310-2 of the Y3 area and passes through the X2 area.
  • a plurality of second flow passages 320 are disposed so that the first fluid alternately passes through a region X1 that is a region relatively close to the fluid inlet 1132 and a region X2 that is a region relatively close to the fluid outlet 1134.
  • the plurality of second flow passages 320 may be disposed outside an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through holes S1 to S4 . Accordingly, the first fluid can flow evenly even in the edge region of the fluid accommodating part 300 , thereby preventing the occurrence of a dead zone and obtaining uniform thermoelectric performance in the entire area of the thermoelectric module.
  • the distance D1 between the fluid inlet 1132 and the fluid outlet 1134 is the second flow path part closest to the fifth surface 1150 among the plurality of second flow path parts 320 .
  • the distance D2 between the second flow path part 320 - 4 and the second flow path part 320 - 5 closest to the sixth surface 1160 among the plurality of second flow path parts 320 may be greater than or equal to D2. According to this configuration, the stagnation of the first fluid can be minimized by minimizing the curved area on the path of the fluid pipe, and the path of the fluid pipe can be implemented with the shortest distance.
  • the fluid pipe includes a plurality of bending parts 330 .
  • Some of the plurality of bending parts 330 (330-1, 330-2, 330-3, 330-4, 330-7, 330-8, 330-9, 330-10, 330-11) have One of the first flow passages 310 and one of the plurality of second flow passages 320 are connected, and other portions 330 - 5 and 330 - 6 of the plurality of bending portions 330 are formed of the plurality of first flow passages. Two of 310 can be connected.
  • the other portions 330 - 5 and 330 - 6 of the plurality of bending portions 330 may be disposed in an area formed by an imaginary line connecting the plurality of through holes S1 to S4 .
  • the flow of the first fluid along the wall surface of the bending portion 330 is reduced. Therefore, the flow stagnation section can be minimized.
  • the diameter d2 of at least one of the flow passages 320 may be larger than each of the diameters d2 .
  • the diameters d1, d2, and d3 of each of the first flow path part 310, the second flow path part 320, and the bending part 330 may mean a distance between inner wall surfaces on a path through which the first fluid flows. . Accordingly, the flow resistance of the first fluid in the bending part 330 may be minimized, and accordingly, the fluid accommodating part 300 may have an even flow velocity as a whole.
  • the diameters d1 and d2 of each of the first flow path part 310 and the second flow path part 320 may be 5 mm or more, preferably 7 mm or more, and more preferably 9 mm or more.
  • the diameter d3 may be 1.1 times or more, preferably 1.2 times or more, and more preferably 1.3 times or more of the diameters d1 and d2 of each of the first and second flow passages 310 and 320 . Accordingly, it is possible to obtain a high cooling efficiency compared to the area and flow rate occupied by the fluid accommodating part 300 .
  • Table 1 shows the simulation results of the temperature difference of the thermoelectric module in the case of having the flow path shape according to FIGS. 11 to 13 .
  • FIG. 15 (a) is the flow path shape of FIG. 11, and
  • FIG. and FIG. 15( c ) is a simulation result of heat distribution in the flow path shape of FIG. 13 .
  • thermoelectric module is greatly improved in the flow path shapes shown in FIGS. 12 and 12 compared to the flow path shape shown in FIG.
  • the heat exchange area may be increased despite the same length as the flow path length of FIG. 12 , so it can be seen that the temperature difference of the thermoelectric module is further improved. have.
  • FIGS. 15A to 15C it can be seen that the flow path shape according to FIGS. 12 and 13 has a more even temperature distribution than the flow path shape according to FIG. 11 , and thus high cooling performance This can be expected.
  • the heat exchange area is increased by increasing the flow path width while reducing the heat loss of the fluid by minimizing the flow path length, it can be seen that the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part can be improved.
  • one power generation device is mainly described for convenience of explanation, but the present invention is not limited thereto.
  • a plurality of power generation devices may be disposed within one fluid passage unit 2200 .
  • FIG. 16 shows a power generation system according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 17 shows a 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 14 .
  • the plurality of power generation devices 1000 - 1 and 1000 - 2 may be disposed along a direction in which the second fluid flows in the fluid passing unit 2200 .
  • the plurality of power generation devices 1000 - 1 , 1000 - 2 , and 1000 - 3 may be spaced apart from each other in the fluid passage unit 2200 and arranged in parallel.
  • the arrangement structure and the number of the plurality of power generation devices may vary depending on the amount of power generation and the like.
  • the power generation system may generate power through a heat source generated from a ship, automobile, power plant, geothermal heat, etc., and may arrange a plurality of power generation devices to efficiently converge the heat source.
  • each power generation device can improve the flow path in the cooling unit to improve the cooling performance of the low temperature part of the thermoelectric element, thereby improving the efficiency and reliability of the power generation device, so that the fuel efficiency of transportation devices such as ships or vehicles can be improved Therefore, it is possible to reduce transportation costs and create an eco-friendly industrial environment in the shipping and transportation industries, and material costs can be reduced when applied to manufacturing industries such as steel mills.

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 내부에 형성된 유로관을 통하여 유체가 통과하며, 제1면, 상기 제1면에 대향하는 제2면, 상기 제1면과 상기 제2면 사이의 제3면, 상기 제3면에 대향하는 제4면, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면 사이의 제5면, 그리고 상기 제5면에 대향하는 제6면을 포함하는 유체유동부, 그리고 상기 제1면에 배치된 제1 열전 모듈을 포함하고, 상기 제3면에는 서로 이격되도록 배치된 유체 유입구 및 유체 배출구가 형성되며, 상기 유로관은 상기 유체 유입구로부터 상기 유체 배출구까지 연결되도록 형성되며, 상기 유로관은 제1 방향을 따라 배치되는 복수의 제1 유로부, 상기 제1 방향에 대하여 수직한 제2 방향을 따라 배치되는 복수의 제2 유로부, 및 상기 복수의 제1 유로부 및 상기 복수의 제2 유로부 사이를 연결하는 복수의 벤딩부를 포함하고, 상기 유체유동부는 상기 제3면으로부터 상기 제4면까지 순차적으로 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역으로 임의로 설정되며, 상기 복수의 제1 유로부는 상기 유체가 상기 제1 구역, 상기 제3 구역, 상기 제2 구역, 상기 제1 구역 및 상기 제3 구역을 순차적으로 통과하도록 배치된다.

Description

발전장치
본 발명은 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 저온부와 고온부 간 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 고온부 간 온도 차를 이용하여 전기를 발생시키는 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 내부에 형성된 유로관을 통하여 유체가 통과하며, 제1면, 상기 제1면에 대향하는 제2면, 상기 제1면과 상기 제2면 사이의 제3면, 상기 제3면에 대향하는 제4면, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면 사이의 제5면, 그리고 상기 제5면에 대향하는 제6면을 포함하는 유체유동부, 그리고 상기 제1면에 배치된 제1 열전 모듈을 포함하고, 상기 제3면에는 서로 이격되도록 배치된 유체 유입구 및 유체 배출구가 형성되며, 상기 유로관은 상기 유체 유입구로부터 상기 유체 배출구까지 연결되도록 형성되며, 상기 유로관은 제1 방향을 따라 배치되는 복수의 제1 유로부, 상기 제1 방향에 대하여 수직한 제2 방향을 따라 배치되는 복수의 제2 유로부, 및 상기 복수의 제1 유로부 및 상기 복수의 제2 유로부 사이를 연결하는 복수의 벤딩부를 포함하고, 상기 유체유동부는 상기 제3면으로부터 상기 제4면까지 순차적으로 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역으로 임의로 설정되며, 상기 복수의 제1 유로부는 상기 유체가 상기 제1 구역, 상기 제3 구역, 상기 제2 구역, 상기 제1 구역 및 상기 제3 구역을 순차적으로 통과하도록 배치된다.
상기 제1 열전모듈은 상기 제1면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자 상에 배치된 제1 히트싱크를 포함하고, 상기 유체유동부를 통과하는 유체는 제1 유체이며, 상기 제5면으로부터 상기 제6면을 향하는 방향으로 상기 제1 유체와 온도가 상이한 제2 유체가 상기 제1 히트싱크를 통과할 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 제2 유체가 통과하는 방향과 평행할 수 있다.
상기 유체유동부는 상기 제5면으로부터 상기 제6면까지 순차적으로 제4 구역 및 제5 구역으로 임의로 설정되며, 상기 복수의 제2 유로부는 상기 유체가 상기 제4 구역 및 상기 제5 구역을 번갈아 통과하도록 배치될 수 있다.
상기 유로관은 상기 유체 유입구에 연결되며 상기 제1 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제5구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제3 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제4 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부, 상기 제5 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제1 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제4 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제3 구역을 통과하는 제1 유로부 및 상기 제5 구역을 통과하며 상기 유체 배출구에 연결되는 제2 유로부가 순차적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대이고, 상기 제3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대일 수 있다.
상기 제1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 중 상기 제3면에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부와 상기 제3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 중 상기 제4 면에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일할 수 있다.
상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부는 3개의 제1 유로부이며, 상기 3개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체는 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하고 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로 통과한 후 다시 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하도록 흐를 수 있다.
상기 유체유동부에는 상기 제1면을 관통하는 복수의 관통홀이 형성되며, 상기 유체유동부와 상기 제1 열전모듈은 상기 복수의 관통홀에 배치된 복수의 결합부재를 통하여 결합될 수 있다.
상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 내에 배치될 수 있다.
상기 복수의 제2 유로부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 밖에 배치될 수 있다.
상기 복수의 벤딩부 중 일부는 상기 복수의 제1 유로부 중 하나와 상기 복수의 제2 유로부 중 하나를 연결하고, 상기 복수의 벤딩부 중 다른 일부는 상기 복수의 제1 유로부 중 2개를 연결할 수 있다.
상기 복수의 벤딩부 중 다른 일부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 내에 배치될 수 있다.
상기 복수의 벤딩부 중 적어도 하나의 직경은 상기 복수의 제1 유로부 중 적어도 하나의 직경 및 상기 복수의 제2 유로부 중 적어도 하나의 직경 각각보다 클 수 있다.
상기 유체 유입구 및 상기 유체 배출구 간 거리는 상기 복수의 제2 유로부 중 상기 제5면에 가장 가까운 제2 유로부 및 상기 복수의 제2 유로부 중 상기 제6면에 가장 가까운 제2 유로부 간 거리 이상일 수 있다.
상기 제2면에 배치된 제2 열전소자 및 상기 제2 열전소자 상에 배치된 제2 히트싱크를 포함하는 제2 열전모듈을 더 포함하고, 상기 제5면으로부터 상기 제6면을 향하는 방향으로 상기 제2 유체가 상기 제2 히트싱크를 통과할 수 있다.
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 냉각부를 통과하는 유로를 개선하여 면적 대비 높은 냉각 효율을 얻을 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 발전모듈의 상면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이다.
도 13 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이다.
도 14는 도 13의 유체유동부의 유체 이동 경로를 나타낸다.
도 15(a)는 도 11의 유로 형상, 도 15(b)는 도 12의 유로 형상 및 도 15(c)는 도 13의 유로 형상에서 열분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전시스템을 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 유체유동부(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, 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체 및 유체유동부(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, 유체유동부(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체의 온도는 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 유체유동부(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)과 제2 열전모듈(1300) 각각의 양면 중 유체유동부(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서, 유체유동부(1100)는 냉각부 또는 덕트라 지칭될 수 있다.
유체유동부(1100)로 유입되는 제1 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 유체유동부(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유체유동부(1100)를 통과한 후 배출되는 제1 유체의 온도는 유체유동부(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 유체유동부(1100)는 제1면(1110), 제1면(1110)에 대향하며 제1면(1110)과 평행하게 배치된 제2면(1120), 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이에 배치된 제3면(1130) 및 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이에서 제3면(1130)에 대향하도록 배치된 제4면(1140), 제1면(1110), 제2면(1120), 제3면(1130) 및 제3면(1140) 사이에 배치된 제5면(1150) 및 제5면(1150)에 대향하도록 배치된 제6면(1160)을 포함하며, 유체유동부(1100) 내부로 제1 유체가 통과한다. 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120) 각각에 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치된 경우, 제3면(1130)은 제1 유체가 유입 및 배출되는 방향에 배치된 면이고, 제5면(1150)은 제2 유체가 유입되는 방향에 배치된 면일 수 있다. 이를 위하여, 유체유동부(1100)의 제3면(1130)에는 제1 유체 유입구(1132) 및 제1 유체 배출구(1134)가 형성될 수 있다. 제1 유체 유입구(1132) 및 제1 유체 배출구(1134)는 유체유동부(1100) 내 유로관과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 유입구(1132)로부터 유입된 제1 유체는 유로관을 통과한 후 제1 유체 배출구(1134)로부터 배출될 수 있다.
도시되지 않았으나, 유체유동부(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 유체유동부(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 제1 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 유체유동부(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 내벽과 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 통과부(2200)를 통해 흐르는 제2 유체의 방향과 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 상에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 유체유동부(1100)의 제2면(1120) 상에서 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치될 수 있다.
제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 스크류 또는 코일 스프링을 이용하여 유체유동부(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 유체유동부(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 유체유동부(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 제1면(1110) 및 제2면(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 유체유동부(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, 제1면(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 절연삽입부재(1240, 1340)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연삽입부재(1240, 1340)는 체결부재(1230, 1330)의 외주면을 둘러싸는 절연삽입부재 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연삽입부재일 수 있다. 예를 들어, 절연삽입부재(1240, 1340)는 링 형상일 수 있다. 링 형상을 가지는 절연삽입부재(1240, 1340)의 내주면은 체결부재(1230, 1330)의 외주면에 배치되고, 절연삽입부재(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.
한편, 절연삽입부재(1240, 1340)의 형상은 도 7(b)에 예시된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 도 7(b)에 예시된 바와 같이, 절연삽입부재(1240, 1340)는 열전소자(1210, 1310)의 기판에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또는, 절연삽입부재(1240, 1340)는 열전소자(1210, 1310)의 기판에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면을 따라 열전소자(1210, 1310)의 전극(미도시)이 배치되는 면까지 연장되도록 배치될 수도 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, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 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, 유체유동부(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 유체유동부(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 유체유동부(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 유체유동부(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), 유체유동부(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 유체유동부(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 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 제1면(1110)과 제2면(1120) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유체유동부(1100)의 제5면(1150)이 제2 유체가 유입되는 방향을 향하도록 배치되는 경우, 분기부(1400)는 유체유동부(1100)의 제5면(1150) 측에 배치될 수 있다. 또는, 분기부(1400)는 공기 역학적 원리에 의하여 유체유동부(1100)의 제5면(1150)에 대향하는 제6면(1160) 측에도 배치될 수 있다.
분기부(1400)는 유체유동부(1100)의 제5면(1150) 상에서 제5면(1150)의 양단으로부터 제5면(1150)의 양단 사이의 중심으로 갈수록 제5면(1150)과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 분기부(1400)가 배치되는 제5면(1150)은 제1면(1110) 및 제2면(1120)과 거의 수직하며, 분기부(1400)는 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(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 유체유동부(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 유체유동부(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 유체유동부(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, 유체유동부의 표면에 열전모듈이 배치되는 발전장치에서, 유체유동부의 내부를 통과하는 제1 유체와 열전모듈의 히트싱크를 통과하는 제2 유체 간 온도 차를 이용하여 전기를 발생시키고자 한다. 이때, 유체유동부의 내부를 통과하는 제1 유체의 유로는 열전모듈의 열전레그가 배치된 영역에 형성될 필요가 있다. 이에 따라, 면적 대비 높은 냉각 효율을 얻기 위한 유로의 설계가 필요하다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈의 상면도이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이며, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이고, 도 13 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체유동부의 단면도이며, 도 14는 도 13의 유체유동부의 유체 이동 경로를 나타낸다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈은 유체유동부(1100) 및 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 배치된 제1 열전모듈(1200)을 포함한다. 유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 대향하는 제2면(1120)에는 제2 열전모듈(1300)이 더 배치될 수 있다.
유체유동부(1100)의 제1면(1110)에 수직하는 다른 면, 즉 제3면(1130)에는 유체 유입구(1132) 및 유체 배출구(1134)가 이격되어 배치되며, 유체유동부(1100)의 한 영역(A1)에는 유체 수용부(300)가 배치된다. 본 명세서에서, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)에는 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치되므로, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120)은 유체유동부(1100)의 일면 및 타면이라 지칭될 수 있다. 또한, 유체유동부(1100)의 제1면(1110) 및 제2면(1120) 사이의 제3 내지 제6면(1130 내지 1160)은 유체유동부(1100)의 측면 또는 외측면이라 지칭될 수 있다. 유체 유입구(1132)로 유입된 제1 유체는 유체 수용부(300)를 통과한 후 유체 배출구(1134)를 통하여 배출될 수 있다. 여기서, 유체 유입구(1132) 및 유체 배출구(1134)의 배치 순서가 도시된 바와 같이 제한되는 것은 아니며, 유체 유입구(1132) 및 유체 배출구(1134)의 위치가 반대일 수도 있다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 유체유동부(1100)의 한 영역(A1)의 표면에는 제1 열전모듈(1200)이 배치된다. 이에 따라, 유체 수용부(300)가 배치된 영역에 제1 열전모듈(1200)의 유효 영역, 즉 열전 레그가 배치될 수 있다. 유체유동부(1100)를 통과하는 제1 유체보다 높은 온도를 가지는 제2 유체는 유체유동부(1100)의 제5면(1150)으로부터 이에 대향하는 제6면(1160)을 향하는 방향으로 열전모듈(1200)의 히트싱크를 통과할 수 있다.
한편, 유체유동부(1100)와 제1 열전모듈(1200) 간 결합을 위하여 결합부재(400)가 이용될 수 있다. 유체유동부(1100)의 양 표면에 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)을 대칭으로 배치하기 위하여, 결합부재(400)는 제1 열전모듈(1200), 유체유동부(1100) 및 제2 열전모듈(1300)을 통과하도록 배치될 수 있으며, 이를 위하여, 유체유동부(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 유체유동부(1100)의 양면을 관통하도록 배치될 수 있다.
이때, 복수의 관통홀(S1~S4)은 유체 수용부(300)가 배치되는 영역인 유체유동부(1100)의 한 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.
한편, 유체유동부(1100)의 한 영역(A1)의 측면에 배치된 유체유동부(1100)의 다른 영역(A2)의 제1면(1110)에는 제1 열전모듈(1200)에 연결되는 배선부(미도시) 및 배선부를 커버하는 쉴드 부재(1600)가 더 배치될 수 있다. 유체유동부(1100)와 쉴드 부재(1600) 간 결합을 위하여 결합부재(500)가 이용될 수 있으며, 유체유동부(1100)의 다른 영역(A2)에는 유체유동부(1100)와 쉴드 부재(1600) 간 결합을 위한 결합부재(500)가 통과하기 위한 복수의 관통홀(S5~S6)이 형성될 수 있다. 즉, 복수의 관통홀(S5~S6)은 유체 수용부(300)가 배치되는 영역인 유체유동부(1100)의 한 영역(A1) 밖에 유체 수용부(300)와 중첩되지 않도록 형성될 수 있다. 이때, 복수의 관통홀(S5~S6)은 배선부의 위치를 고려하여 배치될 수 있다. 즉, 열전모듈에 연결되는 배선부는 열전모듈의 열전소자에 연결되는 연결전극(미도시), 연결전극 상에 배치되는 커넥터(600) 및 커넥터(600)에 연결되는 전선(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 관통홀(S5~S6)은 커넥터(600)의 위치를 피하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 관통홀(S5)은 복수의 관통홀(S1, S2)보다 제3면(1130)에 더 인접하게 배치될 수 있고, 관통홀(S6)은 복수의 관통홀(S3, S4)보다 제4면(1140)에 더 인접하게 배치될 수 있다.
여기서, 복수의 관통홀(S1~S6)의 위치 및 개수는 예시적인 것으로, 본 발명의 실시예가 이로 제한되는 것은 아니다. 설명의 편의를 위하여 도 11 내지 도 14에서 A2 영역의 관통홀 S5~S을 생략하였으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
이하, 도 11 내지 도 14를 이용하여 유체유동부(1100)의 유체 수용부(300)의 형상 및 관통홀의 배치 관계에 관한 다양한 실시예를 설명하고자 한다. 이하, 유체 수용부는 유체 유입구(1132)로부터 유체 배출부(1134)까지의 유로를 형성할 수 있으므로, 유로라고 지칭될 수도 있고, 유로관이라고 지칭될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 유체유동부(1100) 내의 유체 수용부(300)는 열전모듈(1200, 1300)이 배치되는 영역에 대응하는 영역인 유체유동부(1100)의 A1 영역에 배치되며, 유체 유입구(1132)로 유입된 제1 유체는 유체 수용부(300)를 통과한 후 유체 배출구(1134)로부터 배출될 수 있다.
여기서, 유체 수용부(300)는 별도의 유로관을 형성하지 않고 있으며, 유체 수용부(300)와 이격되도록 복수의 관통홀(S1~S4)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 이에 따르면, 유체 수용부(300)가 배치된 영역과 열전모듈(1200, 1300)이 배치된 영역이 대응하므로, 열전모듈의 저온부는 냉각 성능을 얻을 수 있다. 또한, 유체유동부(1100)의 제1 영역(A1) 내에 관통홀(S1~S4)이 형성되므로, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 결합부재(400)를 통하여 유체유동부(1100)에 직접 결합될 수 있으면서도, 관통홀(S1~S4)이 유체 수용부(300)와 이격되어 독립적으로 형성되므로, 관통홀((S1~S4)을 통하여 유체 수용부(300) 내 제1 유체가 외부로 유출되는 문제를 방지할 수 있다.
또는, 도 12 내지 도 14를 참조하면, 유체 수용부(300)는 유체 유입구(1132)로부터 유체 배출구(1134)까지 연결되는 유로관의 형태를 가질 수 있으며, 유체 유입구(1132)로 유입된 제1 유체는 유로관을 따라 흐른 후 유체 배출구(1134)를 통하여 배출될 수 있다. 이와 같이, 유체 수용부(300)가 유로관의 형태를 가질 경우, 유로관의 배치 구조에 따라 최소한의 유량으로 제1 유체가 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)이 배치된 A1 영역을 전체적으로 통과할 수 있다.
이때, 유로관은 복수의 관통홀(S1~S4)과 이격되도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 관통홀((S1~S4)을 통하여 유체 수용부(300) 내 제1 유체가 외부로 유출되는 문제를 방지할 수 있다.
예를 들어, 유체 수용부(300)는 제1 방향(X)을 따라 배치되는 복수의 제1 유로부(310), 제1 방향(X)에 수직한 제2 방향(Y)을 따라 배치되는 복수의 제2 유로부(320) 및 복수의 제1 유로부(310)와 복수의 제2 유로부(320) 사이를 연결하는 복수의 벤딩부(330)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 방향(X)은 제2 유체가 통과하는 방향과 평행한 방향일 수 있고, 제2 방향(Y)은 제1 유체가 유입 및 배출되는 방향과 평행한 방향일 수 있다. 즉, 제1 방향(X)은 유체유동부(1100)의 제5면(1150)으로부터 제6면(1160)을 향하는 방향 또는 그 반대의 방향일 수 있고, 제2 방향(Y)은 유체유동부(1100)의 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)을 향하는 방향 또는 그 반대의 방향일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제3면(1130)으로부터 제4면(1140)까지 순차적으로 Y1 구역, Y2 구역 및 Y3 구역으로 임의로 설정될 수 있다. 그리고, 복수의 제1 유로부(310)는 제1 유체가 Y1 구역, Y3 구역, Y2 구역, Y1 구역 및 Y3 구역을 순차적으로 통과하도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 유로부(310)는 유체 유입구(1132)에 연결되며, 제1 유체가 Y1 구역을 통과하는 제1 유로부(310-1), Y3 구역을 통과하는 제1 유로부(310-2), Y2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부(310-3, 310-4, 310-5), 다시 Y1 구역을 통과하는 제1 유로부(310-6) 및 다시 Y3 구역을 통과하는 제1 유로부(310-7)를 순차적으로 통과하도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 유체가 상대적으로 유체 유입구(1132)와 가까운 구역인 Y1 구역과 상대적으로 유체 유입구(1132)와 먼 구역인 Y3 구역을 번갈아 통과하도록 복수의 제1 유로부(310)가 배치될 경우, 유체유동부(1100) 전체적으로 고른 온도 분포를 가지게 되므로, 열전모듈의 전체 영역에서 고른 열전 성능을 얻을 수 있다.
이때, Y1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부(310-1, 310-6) 내 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대이고, Y3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부(310-2, 310-7) 내 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대이며, Y1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부(310-1, 310-6) 중 제3 면(1130)에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부(310-1)와 Y3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부(310-2, 310-7) 중 제4면(1140)에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부(310-7) 내 제1 유체가 통과하는 방향은 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향일 수 있다. 이에 따르면, 복수의 제1 유로부 중 제3면(1130) 및 제4면(1140) 각각에 가장 가깝게 배치되는 제1 유로부(310-1, 310-7) 내 제1 유체가 통과하는 방향은 유체 유입구(1132)로부터 유체 배출구(1134)를 향하는 방향과 동일할 수 있으며, 이에 따르면 유체 수용부 내 위치에 관계 없이 고른 온도분포를 가질 수 있으며, 열전모듈의 전체 영역에서 고른 열전 성능을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, Y2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부(310-3, 310-4, 310-5)는 총 3개의 제1 유로부일 수 있다. 이때, 복수의 제1 유로부(310-3, 310-4, 310-5)를 순차적으로 통과하는 제1 유체는 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하고 제2 유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로 통과한 후 다시 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하도록 흐를 수 있다. 여기서, Y2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부(310-3, 310-4, 310-5)는 복수의 관통홀(S1~S4)을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 내에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 유체 수용부(300)의 가운데 영역에서도 제1 유체가 고르게 흐르도록 할 수 있으며, 이에 따라 유체 수용부(300) 내 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있고, 데드존의 발생을 방지할 수 있으므로, 열전모듈의 전체 영역에서 고른 열전 성능을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제5면(1150)으로부터 제6면(1160)까지 순차적으로 X1 구역 및 X2 구역으로 임의로 설정될 수 있다. 여기서, X1 구역은 유체 유입구(1132)를 포함하는 구역이고, X2 구역은 유체 배출구(1134)를 포함하는 구역일 수 있다. 그리고, 복수의 제2 유로부(320)는 제1 유체가 X1 구역 및 X2 구역을 번갈아 통과하도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 유로부(320)는 제1 유체가 Y1 구역의 제1 유로부(310-1)와 Y3 구역의 제1 유로부(310-2) 사이에 배치되며 X2 구역을 통과하는 제2 유로부(320-1), Y3 구역의 제1 유로부(310-2)와 Y2 구역의 제1 유로부(310-3) 사이에 배치되며 X1 구역을 통과하는 제2 유로부(320-2), Y2 구역의 제1 유로부(310-5)와 Y1 구역의 제1 유로부(310-6) 사이에 배치되며 X2 구역을 통과하는 제2 유로부(320-3), Y1 구역의 제1 유로부(310-6)와 Y3 구역의 제1 유로부(310-7) 사이에 배치되며 X1 구역을 통과하는 제2 유로부(320-4) 및 Y3 구역의 제1 유로부(310-7)와 유체 배출구(1134) 사이에 배치되며 X2 구역을 통과하는 제2 유로부(320-5)를 순차적으로 통과하도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 유체가 상대적으로 유체 유입구(1132)와 가까운 구역인 X1 구역과 상대적으로 유체 배출구(1134)와 가까운 구역인 X2 구역을 번갈아 통과하도록 복수의 제2 유로부(320)가 배치될 경우, 유체 수용부(300) 내 전체적으로 균일한 온도 분포를 가질 수 있으며, 이에 따라 열전모듈의 전체 영역에서 고른 열전 성능을 얻을 수 있다.
이때, 복수의 제2 유로부(320)는 복수의 관통홀(S1~S4)을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 밖에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 유체 수용부(300)의 가장자리 영역에서도 제1 유체가 고르게 흐르도록 할 수 있으며, 이에 따라 데드존의 발생을 방지할 수 있고, 열전모듈의 전체 영역에서 고른 열전 성능을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체 유입구(1132) 및 유체 배출구(1134) 간 거리(D1)는 복수의 제2 유로부(320) 중 제5면(1150)에 가장 가까운 제2 유로부(320-4) 및 복수의 제2 유로부(320) 중 제6면(1160)에 가장 가까운 제2 유로부(320-5) 간 거리(D2) 이상일 수 있다. 이에 따르면, 유체관의 경로 상 굴곡진 영역을 최소화하여 제1 유체의 정체를 최소화할 수 있으며, 유체관의 경로를 최단 거리로 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체관은 복수의 벤딩부(330)를 포함한다. 복수의 벤딩부(330) 중 일부(330-1, 330-2, 330-3, 330-4, 330-7, 330-8, 330-9, 330-10, 330-11)는 복수의 제1 유로부(310) 중 하나와 복수의 제2 유로부(320) 중 하나를 연결하고, 복수의 벤딩부(330) 중 다른 일부(330-5, 330-6)는 복수의 제1 유로부(310) 중 2개를 연결할 수 있다. 여기서, 복수의 벤딩부(330) 중 다른 일부(330-5, 330-6)은 복수의 관통홀(S1~S4)을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 내에 배치될 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 유로부(310) 및 복수의 제2 유로부(320)가 복수의 벤딩부(330)를 통하여 연결될 경우, 벤딩부(330)의 벽면을 따른 제1 유체의 흐름을 유도하므로, 유동 정체 구간을 최소화할 수 있다.
이때, 도 13 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 복수의 벤딩부(330) 중 적어도 하나의 직경(d3)은 복수의 제1 유로부(310) 중 적어도 하나의 직경(d1) 복수의 제2 유로부(320) 중 적어도 하나의 직경(d2) 각각보다 클 수 있다. 여기서, 제1 유로부(310), 제2 유로부(320) 및 벤딩부(330) 각각의 직경(d1, d2, d3)는 제1 유체가 흐르는 경로 상 내벽면 간 거리를 의미할 수 있다. 이에 따르면, 벤딩부(330)에서 제1 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 유체 수용부(300) 전체적으로 고른 유속을 가질 수 있다.
여기서, 제1 유로부(310) 및 제2 유로부(320) 각각의 직경(d1, d2)는 5mm 이상, 바람직하게는 7mm 이상, 더욱 바람직하게는 9mm 이상일 수 있으며, 벤딩부(330)의 직경(d3)은 제1 유로부(310) 및 제2 유로부(320) 각각의 직경(d1, d2)의 1.1배 이상, 바람직하게는 1.2배 이상, 더욱 바람직하게는 1.3배 이상일 수 있다. 이에 따르면, 유체 수용부(300)가 차지하는 면적 및 유량 대비 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다.
표 1은 도 11 내지 도 13에 따른 유로 형상을 가지는 경우, 열전모듈의 온도 차를 시뮬레이션한 결과이고, 도 15(a)는 도 11의 유로 형상, 도 15(b)는 도 12의 유로 형상 및 도 15(c)는 도 13의 유로 형상에서 열분포를 시뮬레이션한 결과이다.
유로 형상 유로 면적(mm2) 유로 길이(mm) 유로 폭(mm) 고온부 온도(K) 저온부 온도(K) 온도 차(K) 개선율(%)
도 11 9279 - - 400 318.3 81.7 0
도 12 3054 763.5 5 397.1 312.1 85.1 3.9
도 13 6864.3 763.5 9 396.9 309.8 87.1 6.2
표 1을 참조하면, 도 11에 도시된 유로 형상에 비하여, 도 12 및 도 12에 도시된 유로 형상에서, 유로의 면적이 감소하였음에도 불구하고, 열전모듈의 온도 차가 크게 개선되었음을 알 수 있다. 특히, 도 13에 도시된 바와 같이, 도 12의 유로 형상에 비하여 유로 폭을 할 경우, 도 12의 유로 길이와 동일함에도 불구하고 열교환 면적이 커질 수 있으므로, 열전모듈의 온도 차가 더욱 개선되었음을 알 수 있다.
또한, 도 15(a) 내지 도 15(c)를 참조하면, 도 12 및 도 13에 따른 유로 형상은 도 11에 따른 유로 형상에 비하여 고른 온도 분포를 가짐을 알 수 있으며, 이에 따라 높은 냉각 성능이 기대될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 유로 길이를 최소화하여 유체의 열손실을 줄이면서도 유로 폭을 크게 하여 열교환 면적을 증가시키므로, 고온부와 저온부 간 온도차를 개선할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 이상에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 발전장치를 중심으로 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 하나의 유체 통과부(2200) 내에는 복수의 발전장치가 배치될 수도 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타내고, 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타낸다.
도 16 내지 도 17을 참조하면, 발전시스템은 복수의 발전장치를 포함할 수 있고, 각 발전장치는 도 1 내지 도 14를 이용하여 설명한 발전장치와 동일할 수 있다.
도 16을 참조하면, 복수의 발전장치(1000-1, 1000-2)는 유체 통과부(2200) 내에서 제2 유체가 흘러가는 방향을 따라 배치될 수 있다.
또는, 도 17을 참조하면, 복수의 발전장치(1000-1, 1000-2, 1000-3)는 유체 통과부(2200) 내에서 서로 이격되어 병렬적으로 배치될 수도 있다.
복수의 발전장치의 배치 구조 및 개수는 발전량 등에 따라 달라질 수 있다.
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 발전 장치는 냉각부 내 유로를 개선하여 열전소자의 저온부의 냉각 성능을 개선할 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. 내부에 형성된 유로관을 통하여 유체가 통과하며, 제1면, 상기 제1면에 대향하는 제2면, 상기 제1면과 상기 제2면 사이의 제3면, 상기 제3면에 대향하는 제4면, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면 사이의 제5면, 그리고 상기 제5면에 대향하는 제6면을 포함하는 유체유동부, 그리고
    상기 제1면에 배치된 제1 열전 모듈을 포함하고,
    상기 제3면에는 서로 이격되도록 배치된 유체 유입구 및 유체 배출구가 형성되며, 상기 유로관은 상기 유체 유입구로부터 상기 유체 배출구까지 연결되도록 형성되며,
    상기 유로관은 제1 방향을 따라 배치되는 복수의 제1 유로부, 상기 제1 방향에 대하여 수직한 제2 방향을 따라 배치되는 복수의 제2 유로부, 및 상기 복수의 제1 유로부 및 상기 복수의 제2 유로부 사이를 연결하는 복수의 벤딩부를 포함하고,
    상기 유체유동부는 상기 제3면으로부터 상기 제4면까지 순차적으로 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역으로 임의로 설정되며,
    상기 복수의 제1 유로부는 상기 유체가 상기 제1 구역, 상기 제3 구역, 상기 제2 구역, 상기 제1 구역 및 상기 제3 구역을 순차적으로 통과하도록 배치되는 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈은 상기 제1면에 배치된 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자 상에 배치된 제1 히트싱크를 포함하고,
    상기 유체유동부를 통과하는 유체는 제1 유체이며,
    상기 제5면으로부터 상기 제6면을 향하는 방향으로 상기 제1 유체와 온도가 상이한 제2 유체가 상기 제1 히트싱크를 통과하고,
    상기 제1 방향은 상기 제2 유체가 통과하는 방향과 평행하는 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유체유동부는 상기 제5면으로부터 상기 제6면까지 순차적으로 제4 구역 및 제5 구역으로 임의로 설정되며,
    상기 복수의 제2 유로부는 상기 유체가 상기 제4 구역 및 상기 제5 구역을 번갈아 통과하도록 배치되는 발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유로관은 상기 유체 유입구에 연결되며 상기 제1 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제5구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제3 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제4 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부, 상기 제5 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제1 구역을 통과하는 제1 유로부, 상기 제4 구역을 통과하는 제2 유로부, 상기 제3 구역을 통과하는 제1 유로부 및 상기 제5 구역을 통과하며 상기 유체 배출구에 연결되는 제2 유로부가 순차적으로 연결되는 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대이고, 상기 제3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 서로 반대인 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 중 상기 제3면에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부와 상기 제3 구역을 통과하는 두 개의 제1 유로부 중 상기 제4 면에 더 가깝게 배치되는 제1 유로부 내 상기 제1 유체가 통과하는 방향은 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 발전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부는 3개의 제1 유로부이며,
    상기 3개의 제1 유로부 내 상기 제1 유체는 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하고 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로 통과한 후 다시 상기 제2 유체가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 통과하도록 흐르는 발전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체유동부에는 상기 제1면을 관통하는 복수의 관통홀이 형성되며,
    상기 유체유동부와 상기 제1 열전모듈은 상기 복수의 관통홀에 배치된 복수의 결합부재를 통하여 결합되고,
    상기 제2 구역을 통과하는 복수의 제1 유로부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 내에 배치되는 발전장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제2 유로부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 이루어진 영역 밖에 배치되고,
    상기 복수의 벤딩부 중 일부는 상기 복수의 제1 유로부 중 하나와 상기 복수의 제2 유로부 중 하나를 연결하고, 상기 복수의 벤딩부 중 다른 일부는 상기 복수의 관통홀을 연결하는 가상의 선에 의하여 연결된 영역 내에서 상기 복수의 제1 유로부 중 2개를 연결하는 발전장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 벤딩부 중 적어도 하나의 직경은 상기 복수의 제1 유로부 중 적어도 하나의 직경 및 상기 복수의 제2 유로부 중 적어도 하나의 직경 각각보다 큰 발전장치.
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