(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-01
(45)【発行日】2023-12-11
(54)【発明の名称】熱変換装置
(51)【国際特許分類】
H10N 10/13 20230101AFI20231204BHJP
H10N 10/852 20230101ALI20231204BHJP
H10N 10/817 20230101ALI20231204BHJP
H02N 3/00 20060101ALI20231204BHJP
【ＦＩ】
H10N10/13
H10N10/852
H10N10/817
H02N3/00 A
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2021500218
(86)(22)【出願日】2019-07-04
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-11-04
(86)【国際出願番号】 KR2019008239
(87)【国際公開番号】W WO2020013526
(87)【国際公開日】2020-01-16
【審査請求日】2022-06-15
(31)【優先権主張番号】10-2018-0079401
(32)【優先日】2018-07-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(31)【優先権主張番号】10-2018-0081162
(32)【優先日】2018-07-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】517099982
【氏名又は名称】エルジー イノテック カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100114188
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100119253
【弁理士】
【氏名又は名称】金山 賢教
(74)【代理人】
【識別番号】100129713
【弁理士】
【氏名又は名称】重森 一輝
(74)【代理人】
【識別番号】100137213
【弁理士】
【氏名又は名称】安藤 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100143823
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 英彦
(74)【代理人】
【識別番号】100183519
【弁理士】
【氏名又は名称】櫻田 芳恵
(74)【代理人】
【識別番号】100196483
【弁理士】
【氏名又は名称】川嵜 洋祐
(74)【代理人】
【識別番号】100203035
【弁理士】
【氏名又は名称】五味渕 琢也
(74)【代理人】
【識別番号】100160749
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 陽一
(74)【代理人】
【識別番号】100160255
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 祐輔
(74)【代理人】
【識別番号】100202267
【弁理士】
【氏名又は名称】森山 正浩
(74)【代理人】
【識別番号】100182132
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 隆
(74)【代理人】
【識別番号】100146318
【弁理士】
【氏名又は名称】岩瀬 吉和
(72)【発明者】
【氏名】イ，ウンハク
(72)【発明者】
【氏名】カン，ジョンヒョン
【審査官】脇水 佳弘
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１３５６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－１５９９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国登録特許第１０－１４３５６６７（ＫＲ，Ｂ１）
【文献】実開昭５２－１１７８８４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開昭６２－００２３８８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００７－１５７９０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００１８８２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－０１９３５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１６９０９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０９３５６０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ １０／１３
Ｈ１０Ｎ １０／８５２
Ｈ１０Ｎ １０／８１７
Ｈ０２Ｎ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ複数個配列される複数の単位モジュール、前記複数の単位モジュールを支持し、前記第１方向に沿って形成された第１冷却水流入管および第１冷却水排出管を含むフレーム、
前記第１冷却水流入管と連結され、前記複数の単位モジュールの一側で前記第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水流入管、そして
前記第１冷却水排出管と連結され、前記複数の単位モジュールの他側で前記第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水排出管を含み、
各単位モジュールは冷却水通過チャンバー、
前記冷却水通過チャンバーの第１面に配置された第１熱電モジュール、そして
前記冷却水通過チャンバーの第２面に配置された第２熱電モジュールを含み、
前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第３面には冷却水流入口が形成され、前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第４面には冷却水排出口が形成され、
前記冷却水流入口は前記第２冷却水流入管と連結され、前記冷却水排出口は前記第２冷却水排出管と連結され、
一対の第２冷却水流入管および第２冷却水排出管は前記第２方向に沿って配列された複数の単位モジュールと連結され、
前記フレームは前記第２方向に沿って配列された複数の単位モジュールの間に配置された支持壁をさらに含む、熱変換装置。
【請求項2】
前記第１方向に沿って配列された複数の単位モジュールは所定の間隔で互いに離隔した、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項3】
前記所定の間隔で互いに離隔した空間の間を気体が通過し、前記気体の温度は前記冷却水通過チャンバーの冷却水の温度より高い、請求項２に記載の熱変換装置。
【請求項4】
前記気体は前記第２冷却水排出管から前記第２冷却水流入管に向かう方向に通過し、前記冷却水通過チャンバー内で冷却水は前記第２冷却水流入管から前記第２冷却水排出管に向かう方向に流れる、請求項３に記載の熱変換装置。
【請求項5】
前記第１冷却水流入管の断面積は前記第２冷却水流入管の断面積より大きく、前記第１冷却水排出管の断面積は前記第２冷却水排出管の断面積より大きい、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項6】
前記支持壁の両端にはそれぞれ第１溝および第２溝が形成され、前記第１溝には前記第２冷却水流入管が固定され、
前記第２溝には前記第２冷却水排出管が固定される、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項7】
前記第１冷却水流入管に流入した冷却水は前記第２冷却水流入管を経て前記冷却水通過チャンバーを通過した後、前記第２冷却水排出管を経て前記第１冷却水排出管に排出される、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項8】
前記第１冷却水流入管の流入口から遠くなるほど前記第１冷却水流入管の断面積は小さくなる、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項9】
前記第１熱電モジュール及び前記第２熱電モジュールの各々は、複数の熱電素子を含み、前記複数の熱電素子は、電気的に互いに接続されている、
請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項10】
前記単位モジュールの各々は、更に、前記複数の熱電素子の間に配置された断熱層を含む、請求項９に記載の熱変換装置。
【請求項11】
前記第１冷却水排出管は、前記第１冷却水流入管上に配置される、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項12】
前記第１方向に沿って前記第１冷却水流入管に流入した冷却水は、前記複数の第２冷却水流入管に分散して流入し、前記複数の第２冷却水排出管から排出された前記冷却水は、前記第１冷却水排出管によって集められ、前記第１方向に沿って外部に排出される、請求項５に記載の熱変換装置。
【請求項13】
更に、前記複数の第２冷却水排出管上に配置された固定部材を含み、前記固定部材、前記複数の第２冷却水排出管、及び支持壁が、締結部材によって組み立てられる、
請求項６に記載の熱変換装置。
【請求項14】
前記複数の熱電素子は、バスバーによって互いに電気的に接続される、請求項９に記載の熱変換装置。
【請求項15】
前記断熱層は、前記冷却水通過チャンバーの外部の表面のうち前記複数の熱電素子が配置される領域を除いて、前記冷却水通過チャンバーの外部の表面の少なくとも一部を囲むように配置される、請求項１０に記載の熱変換装置。
【請求項16】
前記単位モジュールの各々は、更に、前記断熱層上に配置されるシールド層を含む、請求項１０に記載の熱変換装置。
【請求項17】
前記第１冷却水流入管には前記複数の第２冷却水流入管の個数だけのホールが形成され、前記第２冷却水流入管の各々は、各ホールの位置に応じて配置される、請求項１２に記載の熱変換装置。
【請求項18】
一対の前記第２冷却水流入管及び前記第２冷却水排出管は、前記単位モジュールの各々に配置される、請求項１に記載の熱変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は熱変換装置に関し、より詳細には暑い気体からの熱を利用して発電させる熱変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
熱電現象は材料内部の電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と正孔（ｈｏｌｅ）の移動によって発生する現象であって、熱と電気の間の直接的なエネルギーの変換を意味する。
【0003】
熱電素子は熱電現象を利用する素子の総称であって、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を金属電極の間に接合させてＰＮ接合対を形成する構造を有する。
【0004】
熱電素子は電気抵抗の温度変化を利用する素子、温度差によって起電力が発生する現象であるゼーベック効果を利用する素子、電流による吸熱または発熱が発生する現象であるペルティエ効果を利用する素子などに区分され得る。
【0005】
熱電素子は家電製品、電子部品、通信用部品などに多様に適用されている。例えば、熱電素子は冷却用装置、温熱用装置、発電用装置などに適用され得る。これに伴い、熱電素子の熱電性能に対する要求はますます高まっている。
【0006】
最近、自動車、船舶などのエンジンから発生した廃熱および熱電素子を利用して電気を発生させようとするニーズがある。この時、発電性能を高めるための構造が要求される。
【0007】
このように廃熱を利用する発電用装置の場合、組立性の改善および一部のモジュールの取り換え可能性が要求され、冷却水の重さによって冷却水が通過する領域を支持する構造も要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明が達成しようとする技術的課題は、廃熱を利用して発電する熱変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一実施例に係る熱変換装置は、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ複数個配列される複数の単位モジュール、前記複数の単位モジュールを支持し、前記第１方向に沿って形成された第１冷却水流入管および第１冷却水排出管を含むフレーム、前記第１冷却水流入管と連結され、前記複数の単位モジュールの一側で前記第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水流入管、そして前記第１冷却水排出管と連結され、前記複数の単位モジュールの他側で前記第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水排出管を含み、各単位モジュールは冷却水通過チャンバー、前記冷却水通過チャンバーの第１面に配置された第１熱電モジュール、そして前記冷却水通過チャンバーの第２面に配置された第２熱電モジュールを含み、前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第３面には冷却水流入口が形成され、前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第４面には冷却水排出口が形成され、前記冷却水流入口は前記第２冷却水流入管と連結され、前記冷却水排出口は前記第２冷却水排出管と連結される。
【0010】
前記第１方向に沿って配列された複数の単位モジュールは所定の間隔で互いに離隔し得る。
【0011】
前記所定の間隔で互いに離隔した空間の間を気体が通過し、前記気体の温度は前記冷却水通過チャンバーの冷却水の温度より高くてもよい。
【0012】
前記気体は前記第２冷却水排出管から前記第２冷却水流入管に向かう方向に通過し、前記冷却水通過チャンバー内で冷却水は前記第２冷却水流入管から前記第２冷却水排出管に向かう方向に流れることができる。
【0013】
前記第１冷却水流入管の断面積は前記第２冷却水流入管の断面積より大きく、前記第１冷却水排出管の断面積は前記第２冷却水排出管の断面積より大きくてもよい。
【0014】
一対の第２冷却水流入管および第２冷却水排出管は前記第２方向に沿って配列された複数の単位モジュールと連結され得る。
【0015】
前記フレームは、前記第２方向に沿って配列された複数の単位モジュールの間に配置された支持壁をさらに含むことができる。
【0016】
前記支持壁の両端にはそれぞれ第１溝および第２溝が形成され、前記第１溝には前記第２冷却水流入管が固定され、前記第２溝には前記第２冷却水排出管が固定され得る。
【0017】
前記第１冷却水流入管に流入した冷却水は前記第２冷却水流入管を経て前記冷却水通過チャンバーを通過した後、前記第２冷却水排出管を経て前記第１冷却水排出管に排出され得る。
【0018】
前記複数の単位モジュールは第１単位モジュールおよび前記第１方向に沿って前記第１単位モジュールと隣接するように配列された第２単位モジュールを含み、前記第１単位モジュールの第１熱電モジュールは前記第１面に配置された第１熱電素子および第１ヒートシンクを含み、前記第２単位モジュールの第２熱電モジュールは前記第２面に配置された第２熱電素子および前記第２熱電素子に配置された第２ヒートシンクを含み、前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは所定の間隔を有して互いに対向するように配置され得る。
【0019】
前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールそれぞれは複数の第１熱電素子および複数の第２熱電素子を含み、前記第１単位モジュールおよび前記第２単位モジュールそれぞれは前記複数の第１熱電素子の間に配置された第１断熱層および前記複数の第２熱電素子の間に配置された第２断熱層をさらに含むことができる。
【0020】
前記第１冷却水流入管の流入口から遠くなるほど前記第１冷却水流入管の断面積は小さくなり得る。
【0021】
本発明の他の実施例に係る熱変換装置は、第１単位モジュールグループおよび第２単位モジュールグループを含む複数の単位モジュールグループ、そして前記複数の単位モジュールグループを支持するフレームを含み、前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループそれぞれは第１方向に沿って所定の間隔で離隔して配置された複数の単位モジュールを含み、前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループは前記第１方向と交差する第２方向に沿って配置され、各単位モジュールは冷却水通過チャンバー、前記冷却水通過チャンバーの第１面に配置された第１熱電モジュール、前記冷却水通過チャンバーの第２面に配置された第２熱電モジュール、前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第３面側に配置される第１支持フレーム、そして前記冷却水通過チャンバーの前記第１面と前記第２面の間の第４面側に配置される第２支持フレームを含み、各冷却水通過チャンバーの前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面の間の第５面には冷却水流入口が形成され、前記第１面、前記第２面、前記第３面および前記第４面の間の第６面には冷却水排出口が形成される。
【0022】
前記フレームは前記第１単位モジュールグループおよび前記第２単位モジュールグループの間に配置された支持壁を含み、前記支持壁には前記冷却水流入口の位置および前記冷却水排出口の位置に対応するようにホールが形成され、前記第１単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つの冷却水排出口は前記ホールを通じて前記第２単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つの冷却水流入口に連結され得る。
【0023】
前記冷却水流入口には第１フィッティング部材が連結され、前記冷却水排出口には第２フィッティング部材が連結され、前記ホールには前記第１単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つの冷却水排出口に連結された第２フィッティング部材および前記第２単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つの冷却水流入口に連結された第１フィッティング部材が差し込まれ得る。
【0024】
前記第１フィッティング部材の外周面、前記第２フィッティング部材の外周面および前記ホールの内周面は共にシーリングされ得る。
【0025】
前記冷却水通過チャンバーの前記第５面および前記第６面それぞれには複数の冷却水流入口および複数の冷却水排出口が形成され、前記支持壁には前記複数の冷却水流入口の位置および前記複数の冷却水排出口の位置に対応するように複数のホールが形成され得る。
【0026】
前記所定の間隔で離隔した空間の間を気体が通過し、前記気体の温度は前記冷却水通過チャンバーの冷却水の温度より高くてもよい。
【0027】
前記気体は前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に沿って流れ、前記冷却水通過チャンバーの内部には前記冷却水流入口から前記冷却水排出口まで連結される冷却水通過管が形成され、冷却水は前記冷却水通過管を通じて前記第２方向に沿って流れることができる。
【0028】
前記第１支持フレームおよび前記第２支持フレームのうち少なくとも一つはＨの形状であり得る。
【0029】
前記第１単位モジュールグループは第１単位モジュールおよび前記第１方向に沿って前記第１単位モジュールと隣接するように配列された第２単位モジュールを含み、前記第１単位モジュールの第１熱電モジュールは前記第１面に配置された第１熱電素子および第１ヒートシンクを含み、前記第２単位モジュールの第２熱電モジュールは前記第２面に配置された第２熱電素子および前記第２熱電素子に配置された第２ヒートシンクを含み、前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは所定の間隔を有して互いに対向するように配置され得る。
【発明の効果】
【0030】
本発明の実施例によると、組立が簡単でありながらも発電性能が優秀な熱変換装置を得ることができる。また、本発明の実施例によると、単位モジュールの個数を調節して発電容量を調節することができ、一部の単位モジュールの取り換えおよび修理が容易である。また、本発明の実施例によると、単位モジュールが安定的に支持されるため振動が発生する環境でも簡単に変形されず、信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の一実施例に係る熱変換装置の斜視図である。
【0032】
【図2】本発明の一実施例に係る熱変換装置の部分拡大図である。
【0033】
【0034】
【図4】本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる単位モジュールの斜視図である。
【0035】
【0036】
【図6】本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の断面図である。
【0037】
【図7】本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の斜視図である。
【0038】
【図8-9】本発明の一実施例に係る熱変換装置の組立過程を説明するための図面である。
【0039】
【図10-11】本発明の一実施例に係る熱変換装置内で高温の気体および冷却水が流れる方向を説明するための図面である。
【0040】
【図12】本発明の他の実施例に係る熱変換装置の上面図である。
【0041】
【0042】
【図14】本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置の斜視図である。
【0043】
【図15】本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置の斜視図である。
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【発明を実施するための形態】
【0048】
本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
【0049】
第２、第１等のように序数を含む用語は多様な構成要素の説明に使われ得るが、前記構成要素は前記用語によって限定されはしない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく第２構成要素は第１構成要素と命名され得、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名され得る。および／またはという用語は複数の関連した記載された項目の組み合わせまたは複数の関連した記載された項目のうちいずれかの項目を含む。
【0050】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されていたりまたは接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいと理解されるべきである。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されるべきである。
【0051】
本出願で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものと理解されるべきである。
【0052】
異なって定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使われるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有している。一般的に使われる辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。
【0053】
以下、添付された図面を参照して実施例を詳細に説明するものの、図面符号にかかわらず同一または対応する構成要素は同じ参照番号を付与し、これに対する重複する説明は省略することにする。
【0054】
図１は本発明の一実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図２は本発明の一実施例に係る熱変換装置の部分拡大図であり、図３は図２の第１方向に沿って切断した断面図であり、図４は本発明の一実施例に係る熱変換装置に含まれる単位モジュールの斜視図であり、図５は図４の単位モジュールの分解図である。図６は本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の断面図であり、図７は本発明の一実施例に係る熱電モジュールに含まれる熱電素子の斜視図である。図８および図９は本発明の一実施例に係る熱変換装置の組立過程を説明するための図面であり、図１０および図１１は本発明の一実施例に係る熱変換装置内で高温の気体および冷却水が流れる方向を説明するための図面である。
【0055】
【0056】
ここで、複数の単位モジュール１０００は第１方向および第２方向にそれぞれ複数個配列され得、第２方向は第１方向と交差する方向、例えば第１方向と直角をなす方向であり得る。本明細書で、第１方向に配列された複数の単位モジュール１０００は一つの単位モジュールグループをなすものと説明され得、これに伴い、複数の単位モジュールグループは第２方向に沿って配列され得る。ここで、一つの単位モジュールグループ内に含まれる複数の単位モジュール１０００は所定の間隔で互いに離隔して配置され得る。
【0057】
フレーム２０００は複数の単位モジュール１０００の外郭を囲むように配置される枠または縁であり得る。この時、フレーム２０００には複数の単位モジュール１０００の内部で冷却水を注入するための冷却水流入管および複数の単位モジュール１０００の内部を通過した冷却水を排出するための冷却水排出管が形成され得る。このために、フレーム２０００は第１方向に沿って形成された第１冷却水流入管２１００および第１冷却水排出管２２００を含むことができる。第１冷却水流入管２１００および第１冷却水排出管２２００は複数の単位モジュール１０００のうち両端に配置された単位モジュールグループの側面で第１方向に沿って形成され得る。このために、フレーム２０００をなす縁の中で、複数の単位モジュール１０００のうち両端に配置された単位モジュールグループの側面に配置される縁に第１冷却水流入管２１００および第１冷却水排出管２２００が形成され得る。この時、第１冷却水流入管２１００は縁の下部に形成され、第１冷却水排出管２２００は縁の上部に形成され得る。これによると、複数の単位モジュール１０００を通過しながら加熱した冷却水が対流現象を利用して外部に排出されることが容易となり得る。
【0058】
本発明の一実施例に係る熱変換装置１０はフレーム２０００の第１冷却水流入管２１００と連結され、複数の単位モジュール１０００の一側で第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水流入管３０００およびフレーム２０００の第１冷却水排出管２２００と連結され、複数の単位モジュール１０００の他側で第２方向に沿って配置された複数の第２冷却水排出管４０００をさらに含むことができる。ここで、複数の単位モジュール１０００の一側は第１方向および第２方向にそれぞれ交差する第３方向で複数の単位モジュール１０００の下部を意味し、複数の単位モジュール１０００の他側は第３方向で複数の単位モジュール１０００の上部を意味し得る。
【0059】
一方、各単位モジュール１０００は冷却水通過チャンバー１１００、冷却水通過チャンバー１１００の一面１１０１に配置された第１熱電モジュール１２００および冷却水通過チャンバー１１００の他面１１０２に配置された第２熱電モジュール１３００を含む。ここで、冷却水通過チャンバー１１００の一面１１０１および他面１１０２は第１方向に沿って所定の間隔で互いに離隔するように配置された両面であり得、本明細書で冷却水通過チャンバー１１００の一面１１０１および他面１１０２は冷却水通過チャンバー１１００の第１面および第２面と混用され得る。第１熱電モジュール１２００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー１１００の第１面１１０１の外部の表面に配置され、第１熱電モジュール１２００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位モジュール１０００の第２熱電モジュール１３００に向かうように配置され得る。これと同様に、第２熱電モジュール１３００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー１１００の第２面１１０２の外部の表面に配置され、第２熱電モジュール１３００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位熱電モジュール１０００の第１熱電モジュール１２００に向かうように配置され得る。
【0060】
本発明の実施例に係る熱変換装置１０は、冷却水通過チャンバー１１００を通じて流れる冷却水および複数の単位モジュール１０００間の離隔した空間を通過する高温の気体間の温度差、すなわち第１熱電モジュール１２００の吸熱部と発熱部間の温度差および第２熱電モジュール１３００の吸熱部と放熱部間の温度差を利用して電力を生産することができる。ここで、冷却水は水であり得るが、これに制限されるものではなく、冷却性能を有する多様な種類の流体であり得る。冷却水通過チャンバー１１００に流入する冷却水の温度は１００℃未満、好ましくは５０℃未満、さらに好ましくは４０℃未満であり得るが、これに制限されるものではない。冷却水通過チャンバー１１００を通過した後に排出される冷却水の温度は冷却水通過チャンバー１１００に流入する冷却水の温度より高くてもよい。複数の単位モジュール１０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は冷却水の温度より高くてもよい。例えば、複数の単位モジュール１０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は１００℃以上、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上であり得るが、これに制限されるものではない。この時、複数の単位モジュール１０００間の離隔した空間の幅は数ｍｍ～数十ｍｍであり得、熱変換装置の大きさ、流入する気体の温度、気体の流入速度、要求される発電量などにより変わり得る。
【0061】
特に、図４～図５を参照すると、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００はそれぞれ複数個の熱電素子１００を含むことができる。要求される発電量に応じて各熱電モジュールに含まれる熱電素子の個数を調節することができる。
【0062】
各熱電モジュールに含まれる複数個の熱電素子１００は電気的に連結され得、複数個の熱電素子１００の少なくとも一部はバスバー（図示されず）を利用して電気的に連結され得る。バスバーは、例えば高温の気体が複数の単位モジュール１０００間の離隔した空間を通過した後に排出される排出口側に配置され得、外部端子と連結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００のためのＰＣＢが熱変換装置の内部に配置されずとも第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００に電源が供給され得、これに伴い、熱変換装置の設計および組立が容易である。各単位モジュール１０００は複数の熱電素子１００の間に配置される断熱層１４００およびシールド層１５００をさらに含むことができる。断熱層１４００は冷却水通過チャンバー１１００の外部の表面のうち熱電素子１００が配置される領域を除いて冷却水通過チャンバー１１００の外部の表面の少なくとも一部を囲むように配置され得る。特に、冷却水通過チャンバー１１００の外部の表面のうち複数の熱電素子１００が配置される第１面１１０１および第２面１１０２で熱電素子１００の間に断熱層１４００が配置される場合、断熱層１４００によって熱電素子１００の低温部側と高温部側間の断熱が維持され得るため、発電効率を高めることができる。
【0063】
そして、シールド層１５００は断熱層１４００上に配置され、断熱層１４００および複数の熱電素子１００を保護することができる。このために、シールド層１５００はステンレス素材を含むことができる。
【0064】
シールド層１５００と冷却水通過チャンバー１１００はスクリューによって締結され得る。これに伴い、シールド層１５００は単位モジュール１０００に安定的に結合することができ、第１熱電モジュール１２００または第２熱電モジュール１３００と断熱層１４００も共に固定され得る。
【0065】
この時、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００それぞれは、冷却水通過チャンバー１１００の第１面１１０１および第２面１１０２にサーマルパッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｄ）を利用して接着されてもよい。サーマルパッドは熱伝達が容易であるため、冷却水通過チャンバー１１００と熱電モジュール間の熱伝達を妨害しないことができる。そして、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００それぞれは熱電素子１００の高温部側に配置されたヒートシンク２００および熱電素子１００の低温部側に配置された金属プレート３００、例えばアルミニウムプレートをさらに含むことができる。この時、ヒートシンク２００は隣接する他の単位モジュール１０００に向かって配置される。第１熱電モジュール１２００に含まれるヒートシンク２００は隣接する他の単位モジュール１０００の第２熱電モジュール１３００に向かって配置され、第２熱電モジュール１３００に含まれるヒートシンク２００は隣接するさらに他の単位モジュール１０００の第１熱電モジュール１２００に向かって配置され得る。この時、隣接する互いに異なる単位モジュール１０００のヒートシンク２００は所定の間隔で離隔し得る。これに伴い、複数の単位モジュール１０００の間を通過する空気の温度がヒートシンク２００を通じて熱電素子１００の高温部側に効率的に伝達され得る。一方、金属プレート３００、例えばアルミニウムプレートは熱伝達効率が高いため、冷却水通過チャンバー１１００を通過する冷却水の温度が金属プレート３００を通じて熱電素子１００の低温部側に効率的に伝達され得る。
【0066】
図６～図７を参照すると、各熱電素子１００は第１基板１１０、第１基板１１０上に配置された複数の第１電極１２０、複数の第１電極１２０上に配置された複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０上に配置された複数の第２電極１５０、そして複数の第２電極１５０上に配置された第２基板１６０を含む。
【0067】
この時、第１電極１２０は第１基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の下部の底面間に配置され、第２電極１５０は第２基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の上部の底面間に配置され得る。これに伴い、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０は第１電極１２０および第２電極１５０によって電気的に連結され得る。第１電極１２０と第２電極１５０の間に配置され、電気的に連結される一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は単位セルを形成することができる。
【0068】
ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｉ）を主原料として含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグであり得る。Ｐ型熱電レッグ１３０は全体重量１００ｗｔ％に対してアンチモン（Ｓｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系主原料物質９９～９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１～１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ－Ｓｅ－Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１～１ｗｔ％でさらに含むことができる。Ｎ型熱電レッグ１４０は全体重量１００ｗｔ％に対してセレニウム（Ｓｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系主原料物質９９～９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１～１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ－Ｓｂ－Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１～１ｗｔ％でさらに含むことができる。
【0069】
Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はバルク型または積層型で形成され得る。一般的にバルク型Ｐ型熱電レッグ１３０またはバルク型Ｎ型熱電レッグ１４０は、熱電素材を熱処理してインゴット（ｉｎｇｏｔ）を製造し、インゴットを粉砕し篩分けして熱電レッグ用粉末を獲得した後、これを焼結し、焼結体をカッティングする過程を通じて得ることができる。積層型Ｐ型熱電レッグ１３０または積層型Ｎ型熱電レッグ１４０は、シート状の基材上に熱電素材を含むペーストを塗布して単位部材を形成した後、単位部材を積層しカッティングする過程を通じて得ることができる。
【0070】
この時、一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は同一形状および体積を有したり、互いに異なる形状および体積を有してもよい。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の電気伝導特性が異なるため、Ｎ型熱電レッグ１４０の高さまたは断面積をＰ型熱電レッグ１３０の高さまたは断面積と異ならせて形成してもよい。
【0071】
本発明の一実施例に係る熱電素子の性能はゼーベック指数で示すことができる。ゼーベック指数（ＺＴ）は数学式１のように示すことができる。
【0072】
【数1】
【0073】
ここで、αはゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］であり、σは電気伝導度［Ｓ／ｍ］であり、α２σはパワー因子（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ、［Ｗ／ｍＫ２］）である。そして、Ｔは温度、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃｐ・ρで示すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ２／Ｓ］であり、ｃｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは密度［ｇ／ｃｍ３］である。
【0074】
熱電素子のゼーベック指数を得るために、ｚメーターを利用してＺ値（Ｖ／Ｋ）を測定し、測定したＺ値を利用してゼーベック指数（ＺＴ）を計算することができる。
【0075】
本発明の他の実施例によると、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は図６（ｂ）で図示する構造を有してもよい。図６（ｂ）を参照すると、熱電レッグ１３０、１４０は熱電素材層１３２、１４２、熱電素材層１３２、１４２の一面上に積層される第１メッキ層１３４－１、１４４－１、熱電素材層１３２、１４２の一面と対向して配置される他面に積層される第２メッキ層１３４－２、１４４－２、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間にそれぞれ配置あれる第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２、そして第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２上にそれぞれ積層される第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２を含む。
【0076】
この時、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１は互いに直接接触し、熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２は互いに直接接触することができる。そして、第１接合層１３６－１、１４６－１と第１メッキ層１３４－１、１４４－１は互いに直接接触し、第２接合層１３６－２、１４６－２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２は互いに直接接触することができる。そして、第１メッキ層１３４－１、１４４－１と第１金属層１３８－１、１４８－１は互いに直接接触し、第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２金属層１３８－２、１４８－２は互いに直接接触することができる。
【0077】
ここで、熱電素材層１３２、１４２は半導体材料であるビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を含むことができる。熱電素材層１３２、１４２は図６（ａ）で説明したＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と同一素材または形状を有することができる。
【0078】
そして、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２は銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金から選択され得、０．１～０．５ｍｍ、好ましくは０．２～０．３ｍｍの厚さを有することができる。第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２の熱膨張係数は熱電素材層１３２、１４２の熱膨張係数と同様であるか、より大きいため、焼結時に第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２と熱電素材層１３２、１４２間の境界面で圧縮応力が加えられ、亀裂または剥離を防止することができる。また、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２と電極１２０、１５０間の結合力が高いため、熱電レッグ１３０、１４０は電極１２０、１５０と安定的に結合することができる。
【0079】
次に、第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２はそれぞれＮｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｓｂ、ＣｒおよびＭｏのうち少なくとも一つを含むことができ、１～２０μｍ、好ましくは１～１０μｍの厚さを有することができる。第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２は熱電素材層１３２、１４２内の半導体材料であるＢｉまたはＴｅと第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２間の反応を防ぐため、熱電素子の性能の低下を防止できるだけでなく、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２の酸化を防止することができる。
【0080】
この時、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間には、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２が配置され得る。この時、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２はＴｅを含むことができる。例えば、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２はＮｉ－Ｔｅ、Ｓｎ－Ｔｅ、Ｔｉ－Ｔｅ、Ｆｅ－Ｔｅ、Ｓｂ－Ｔｅ、Ｃｒ－ＴｅおよびＭｏ－Ｔｅのうち少なくとも一つを含むことができる。本発明の実施例によると、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２それぞれの厚さは０．５～１００μｍ、好ましくは１～５０μｍであり得る。本発明の実施例によると、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間にＴｅを含む第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２をあらかじめ配置して、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅが第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２に拡散することを防止することができる。これに伴い、Ｂｉリッチ領域の発生を防止することができる。
【0081】
これによると、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面までのＴｅ含有量はＢｉ含有量より高く、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含有量はＢｉ含有量より高い。熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面までのＴｅ含有量または熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含有量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含有量対比０．８～１倍であり得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内のＴｅ含有量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含有量対比０．８倍～１倍であり得る。ここで、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内でもＴｅ含有量は一定に維持され得、例えば熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内でＴｅ重量比の変化率は０．９～１であり得る。
【0082】
また、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含有量は、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅの含有量と同じであるか類似し得る。例えば、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含有量は熱電素材層１３２、１４２内のＴｅの含有量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含有量は重量比であり得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅの含有量が５０ｗｔ％で含まれる場合、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含有量は４０～５０ｗｔ％、好ましくは４２．５～５０ｗｔ％、さらに好ましくは４５～５０ｗｔ％、さらに好ましくは４７．５～５０ｗｔ％であり得る。また、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含有量はＮｉ対比大きくてもよい。第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内でＴｅの含有量は一定に分布する反面、Ｎｉ含有量は第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内で熱電素材層１３２、１４２方向に隣接するほど減少し得る。
【0083】
そして、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含有量は、一定に分布され得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ重量比の変化率は０．８～１であり得る。ここで、Ｔｅ重量比の変化率が１に近いほど熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含有量が一定に分布することを意味し得る。
【0084】
そして、第１接合層１３６－１、１４６－１内第１メッキ層１３４－１、１４４－１と接する面、すなわち第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２接合層１３６－２、１４６－２内第２メッキ層１３４－２、１４４－２と接する面、すなわち第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面でのＴｅの含有量は、熱電素材層１３２、１４２内第１接合層１３６－１、１４６－１と接する面、すなわち熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２内第２接合層１３６－２、１４６－２と接する面、すなわち熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面でのＴｅの含有量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含有量は重量比であり得る。
【0085】
そして、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含有量は、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＴｅ含有量と同一または類似に示されることが分かる。すなわち、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＴｅ含有量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含有量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含有量は重量比であり得る。ここで、熱電素材層１３２、１４２の中心部は熱電素材層１３２、１４２の中心を含む周辺領域を意味し得る。そして、境界面は境界面そのものを意味するか、または境界面と境界面から所定距離内に隣接する境界面周辺領域を含むものを意味し得る。
【0086】
そして、第１メッキ層１３６－１、１４６－１または第２メッキ層１３４－２、１４４－２内のＴｅの含有量は、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅの含有量および第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含有量より低く示され得る。
【0087】
また、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＢｉ含有量は、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＢｉ含有量と同一または類似に示されることが分かる。これに伴い、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面に至るまでＴｅの含有量がＢｉの含有量より高く示されるため、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面周辺または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面周辺でＢｉ含有量がＴｅ含有量を逆転する区間が存在しない。例えば、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＢｉ含有量は熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＢｉ含有量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含有量は重量比であり得る。
【0088】
一方、第１基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される第１電極１２０、そして第２基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される第２電極１５０は銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）およびニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一つを含み、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの厚さを有することができる。第１電極１２０または第２電極１５０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、電極として機能が落ちて電気伝導性能が低くなり得、０．３ｍｍを超過する場合、抵抗の増加によって前渡効率が低くなり得る。
【0089】
そして、相互に対向する第１基板１１０と第２基板１６０は絶縁基板または金属基板であり得る。絶縁基板はアルミナ基板または高分子樹脂基板であり得る。高分子樹脂基板はポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような高透過性プラスチックなどの多様な絶縁性樹脂材を含むことができる。
【0090】
または高分子樹脂基板はエポキシ樹脂と無機充填材を含む樹脂組成物からなる熱伝導基板でもよい。熱伝導基板の厚さは０．０１～０．６５ｍｍ、好ましくは０．０１～０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．０１～０．５５ｍｍであり得、熱伝導度は１０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以上であり得る。
【0091】
このために、エポキシ樹脂はエポキシ化合物および硬化剤を含むことができる。この時、エポキシ化合物１０体積比に対して硬化剤１～１０体積比で含まれ得る。ここで、エポキシ化合物は結晶性エポキシ化合物、非結晶性エポキシ化合物およびシリコンエポキシ化合物のうち少なくとも一つを含むことができる。結晶性エポキシ化合物はメソゲン（ｍｅｓｏｇｅｎ）構造を含むことができる。メソゲン（ｍｅｓｏｇｅｎ）は液晶（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）の基本単位であり、剛性（ｒｉｇｉｄ）構造を含む。そして、非結晶性エポキシ化合物は分子のうちエポキシ基を２個以上有する通常の非結晶性エポキシ化合物であり得、例えばビスフェノールＡまたはビスフェノールＦから誘導されるグリシジルエーテル化物であり得る。ここで、硬化剤はアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、ポリメルカプタン系硬化剤、ポリアミノアミド系硬化剤、イソシアネート系硬化剤およびブロックイソシアネート系硬化剤のうち少なくとも一つを含むことができ、２種以上の硬化剤を混合して使ってもよい。
【0092】
無機充填材は酸化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化アルミニウムのうち少なくとも一つを含むことができる。この時、窒化ホウ素は複数の板状の窒化ホウ素が固まった窒化ホウ素凝集体を含んでもよい。ここで、窒化ホウ素凝集体の表面は下記の単位体１を有する高分子でコーティングされたり、窒化ホウ素凝集体内の空隙の少なくとも一部は下記の単位体１を有する高分子によって充填され得る。
【0093】
単位体１は次の通りである。
【0094】
［単位体１］
【0095】
【0096】
ここで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうち一つはＨであり、残りはＣ１～Ｃ３アルキル、Ｃ２～Ｃ３アルケンおよびＣ２～Ｃ３アルキンで構成されたグループから選択され、Ｒ５は線形、分枝状または環状の炭素数１～１２である２価の有機リンカーであり得る。
【0097】
一実施例で、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうちＨを除いた残りのうち一つはＣ２～Ｃ３アルケンから選択され、残りのうち他の一つおよびさらに他の一つはＣ１～Ｃ３アルキルから選択され得る。例えば、本発明の実施例に係る高分子は下記の単位体２を含むことができる。
【0098】
［単位体２］
【0099】
【0100】
または前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうちＨを除いた残りはＣ１～Ｃ３アルキル、Ｃ２～Ｃ３アルケンおよびＣ２～Ｃ３アルキンで構成されたグループから互いに異なるように選択されてもよい。
【0101】
このように、単位体１または単位体２による高分子が板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体上にコーティングされ、窒化ホウ素凝集体内の空隙の少なくとも一部を充填すると、窒化ホウ素凝集体内の空気層が最小化されて窒化ホウ素凝集体の熱伝導性能を高めることができ、板状の窒化ホウ素間の結合力を高めて窒化ホウ素凝集体の破損を防止することができる。そして、板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体上にコーディング層を形成すると作用基の形成が容易となり、窒化ホウ素凝集体のコーディング層上に作用基が形成されると、樹脂との親和度が高くなり得る。
【0102】
第１基板１１０と第２基板１６０が高分子樹脂基板である場合、金属基板に比べて薄い厚さ、高い放熱性能および絶縁性能を有することができる。また、ヒートシンク２００または金属プレート３００上に塗布された半硬化状態の高分子樹脂層上に電極を配置した後、熱圧着する場合、別途の接着層が不要となり得る。
【0103】
この時、第１基板１１０と第２基板１６０の大きさは異なって形成されてもよい。例えば、第１基板１１０と第２基板１６０のうち一つの体積、厚さまたは面積は他の一つの体積、厚さまたは面積より大きく形成され得る。これに伴い、熱電素子の吸熱性能または放熱性能を高めることができる。
【0104】
また、第１基板１１０と第２基板１６０のうち少なくとも一つの表面には放熱パターン、例えば凹凸パターンが形成されてもよい。これに伴い、熱電素子の放熱性能を高めることができる。凹凸パターンがＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と接触する面に形成される場合、熱電レッグと基板間の接合特性も向上し得る。
【0105】
一方、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は円筒状、多角柱状、楕円柱状などを有することができる。
【0106】
本発明の一実施例によると、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は電極と接合する部分の幅が広く形成されてもよい。
【0107】
再び図１～図３を参照すると、本発明の実施例によると、第２冷却水流入管３０００および第２冷却水排出管４０００は第１方向に沿って配列された単位モジュール１０００別に配置され得る。すなわち、第２冷却水流入管３０００および第２冷却水排出管４０００それぞれの個数は第１方向に沿って配列された単位モジュール１０００の個数と同じであるか、第１方向に沿って配列された単位モジュール１０００の個数の倍数であり得る。
【0108】
図３で図示された通り、同じ単位モジュール側に配置された第２冷却水流入管および第２冷却水排出管、例えば第１単位モジュール１０００－１側に配置された第２冷却水流入管３０００－１および第２冷却水排出管４０００－１を一対の第２冷却水流入管および第２冷却水排出管と指称することができる。
【0109】
第１方向に沿って第１冷却水流入管２１００に流入した冷却水は、複数の第２冷却水流入管３０００に分散して流入し得る。そして、複数の第２冷却水排出管４０００から排出された冷却水は第１冷却水排出管２２００に集められた後、第１方向に沿って外部に排出され得る。これに伴い、第１冷却水流入管２１００の断面積は第２冷却水流入管３０００の断面積より大きく、第１冷却水排出管２２００の断面積は第２冷却水排出管４０００の断面積より大きくてもよい。
【0110】
一方、第２方向に沿って各第２冷却水流入管３０００を通じて流入した冷却水は、第３方向に沿って各単位モジュール１０００の冷却水通過チャンバー１１００を通過した後、第２方向に沿って各第２冷却水排出管４０００を通じて排出され得る。このために、各冷却水通過チャンバー１１００には少なくとも一つの冷却水流入口１１１０および少なくとも一つの冷却水排出口１１２０が形成され得る。冷却水通過チャンバー１１００の冷却水流入口１１１０は冷却水通過チャンバー１１００の第１面１１０１および第２面１１０２の間の一面である第３面１１０３に形成され、冷却水通過チャンバー１１００の冷却水排出口１１２０は冷却水通過チャンバー１１００の第１面１１０１および第２面１１０２の間の他面である第４面１１０４に形成され得る。ここで、第３面１１０３は第３方向から下を向く方向に配置された面であり、第４面１１０４は第３方向から上を向く方向に配置された面であり得る。すなわち、第３面１１０３は第２冷却水流入管３０００と近く配置される面であり、第４面１１０４は第２冷却水排出管４０００と近く配置される面であり得る。
【0111】
そして、冷却水通過チャンバー１１００の冷却水流入口１１１０は第２冷却水流入管３０００と連結され、冷却水通過チャンバー１１００の冷却水排出口（図示されず）は第２冷却水排出管４０００と連結され得る。このために、第２冷却水流入管３０００には少なくとも一つの冷却水排出口３１００が形成され、第２冷却水排出管４０００には少なくとも一つの冷却水流入口（図示されず）が形成され得、第２冷却水流入管３０００の冷却水排出口３１００は冷却水通過チャンバー１１００の冷却水流入口１１１０と連結され、第２冷却水排出管４０００の冷却水流入口は冷却水通過チャンバー１１００の冷却水排出口と連結され得る。この時、冷却水排出口と冷却水流入口は互いに対応する位置に形成され得、冷却水排出口と冷却水流入口のうち少なくとも一つは突出部を含むことができる。これによって、互いに嵌合するか、フィッティング部材によってフィッティングされ得、追加的に冷却水排出口と冷却水流入口が連結される領域はシーリング部材によってシーリングされ得る。
【0112】
図１～図３と図８～図９を共に参照すると、フレーム２０００の下端に複数の第２冷却水流入管３０００を配置した後、複数の第２冷却水流入管３０００上に複数の単位モジュール１０００を配置し、複数の単位モジュール１０００上でフレーム２０００の上端に複数の第２冷却水排出管４０００を配置する。
【0113】
フレーム２０００の第１冷却水流入管２１００から複数の第２冷却水流入管３０００に冷却水が分散して流入できるように、フレーム２０００の下端に形成された第１冷却水流入管２１００には複数の第２冷却水流入管３０００の個数だけのホール２１１０が形成され得、各第２冷却水流入管３０００は各ホール２１１０の位置に合うように配置され得る。これと同様に、複数の第２冷却水排出管４０００からフレーム２０００の第１冷却水排出管２２００に冷却水が集められて排出され得るように、フレーム２０００の上端に形成された第１冷却水排出管２２００には複数の第２冷却水排出管４０００の個数だけのホール２２１０が形成され得、各第２冷却水排出管４０００は各ホール２２１０の位置に合うように配置され得る。
【0114】
一方、一対の第２冷却水流入管３０００および第２冷却水排出管４０００は第２方向に沿って配列された複数の単位モジュール１０００と連結され得る。例えば、第２冷却水流入管３０００－１は第１単位モジュール１０００－１および第１単位モジュール１０００－１と第２方向に沿って隣接して配置される他の単位モジュール１０００－１１と連結され得、これと同様に第２冷却水排出管４０００－１は第１単位モジュール１０００－１および第１単位モジュール１０００－１と第２方向に沿って隣接して配置される他の単位モジュール１０００－１１と連結され得る。このために、フレーム２０００は第２方向に沿って配列された複数の単位モジュール１０００の間に配置された支持壁２３００をさらに含むことができる。すなわち、支持壁２３００は第１方向に沿って配列された複数の単位モジュール１０００を含む一つの単位モジュールグループおよびこれと第２方向に沿って隣接するように配列された他の単位モジュールグループの間に配置され得る。この時、支持壁２３００には第２冷却水流入管３０００が配置される第１溝２３１０および第２冷却水排出管４０００が配置される第２溝２３２０が形成され得る。一つの支持壁２３００に形成された第１溝２３１０および第２溝２３２０それぞれの個数は第２冷却水流入管３０００および第２冷却水排出管４０００それぞれの個数、すなわち一つの単位モジュールグループ内に配列された単位モジュール１０００の個数と同じでもよい。
【0115】
第１溝２３１０および第２溝２３２０それぞれには第２冷却水流入管３０００および第２冷却水排出管４０００それぞれが固定され得る。このために、複数の第２冷却水排出管４０００上には固定部材５０００が組み立てられ得、固定部材５０００、複数の第２冷却水排出管４０００および支持壁２３００はスクリューによって締結され得る。図示されてはいないが、複数の第２冷却水流入管３０００側にも同じ構造の固定部材が組み立てられ得る。
【0116】
このような組立方法によると、望む発電量に応じて組み立てられる単位モジュールの個数を調節することが容易である。また、単位モジュールのうち一部が破損したり、故障が発生した場合、熱変換装置を分解し、単位モジュールを取り換えた後、再組み立てする過程が容易である。また、単位モジュール自体がスクリューによってフレームに固定される必要がないため、組立が容易である。また、単位モジュールの下に配置される第２冷却水流入管は冷却水流入の機能だけでなく単位モジュールを支持する機能も遂行できるため、熱変形装置は剛性を有するようになり、振動または衝撃時の変形が防止され得る。
【0117】
図１～図３、図８～図９および図１０～図１１を参照すると、冷却水は第１方向に沿って第１冷却水流入管２１００を通じて流入し、複数の第２冷却水流入管３０００に分散され得る。そして、冷却水は第２方向に沿って第２冷却水流入管３０００を通じて流れ、冷却水通過チャンバー１１００内に流入することができる。冷却水通過チャンバー１１００内に流入した冷却水は第３方向に沿って冷却水通過チャンバー１１００の上端に向かって流れ、第２冷却水排出管４０００に排出され得る。そして、第２冷却水排出管４０００の冷却水は第２方向に沿って第１冷却水排出管２２００に向かって流れ、第１冷却水排出管２２００で集められた冷却水は外部に排出され得る。
【0118】
この時、高温の気体は冷却水通過チャンバー１１００の上端から下端に向かうように流れる。本発明の実施例の通り、単位モジュール１０００の上端に第２冷却水排出管４０００が配置される場合、高温の気体の高い温度によって熱電素子の性能が低下する問題を防止することができる。また、冷却水が冷却水通過チャンバー１１００の下端から上端に向かうように流れるため、冷却水が冷却水通過チャンバー１１００の下から満たされ、高温の気体が流れる方向と冷却水が流れる方向が互いに反対になるため、単位モジュール全体に対して均一な熱交換温度を提供することができる。
【0119】
図１２は本発明の他の実施例に係る熱変換装置の上面図であり、図１３は図１２の熱変換装置の斜視図である。ここで、フレーム２０００内に単位モジュールが一部だけ満たされているものとして図示されているが、これに制限されず、フレーム２０００内の全部または一部に単位モジュールが満たされ得る。図１～図１１と同じ内容は重複した説明を省略する。
【0120】
図１２～図１３を参照すると、フレーム２０００の第１冷却水流入管２１００および第１冷却水排出管２２００の断面積は第１冷却水流入管２１００の流入口から遠くなるほど小さくなり得る。これによると、第１冷却水流入管２１００の流入口から遠い距離に配置された第２冷却水流入管４０００にも高い油圧が加えられ得るため、複数の第２冷却水流入管４０００に均一に冷却水が流入することができる。
【0121】
図１４は、本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置の斜視図である。ここで、フレーム２０００内に単位モジュールが一部だけ満たされているものとして図示されているが、これに制限されず、フレーム２０００内の全部または一部に単位モジュールが満たされ得る。図１～図１１と同じ内容は重複した説明を省略する。
【0122】
図１４を参照すると、フレーム２０００の第１冷却水流入管２１００の流入口は第１冷却水流入管２１００の側面に形成されてもよい。これに伴い、第１冷却水流入管２１００の流入口に流入する冷却水も第２方向に沿って流入することができるため、複数の第２冷却水流入管４０００に均一に冷却水が流入することができる。
【0123】
本発明のさらに他の実施例によると、各冷却水通過チャンバー１１００の内壁には放熱フィンが配置されてもよい。放熱フィンの形状、個数、各冷却水通過チャンバー１１００の内壁を占める面積などは、冷却水の温度、廃熱の温度、要求される発電容量などにより多様に変更され得る。放熱フィンが各冷却水通過チャンバー１１００の内壁を占める面積は、例えば各冷却水通過チャンバー１１００の断面積の１～４０％であり得る。これによると、冷却水の流動を妨害することなく、高い熱電変換効率を得ることが可能である。
【0124】
そして、各冷却水通過チャンバー１１００の内部は複数の領域に区画されてもよい。各冷却水通過チャンバー１１００の内部が複数の領域に区画される場合、冷却水の流量が各冷却水通過チャンバー１１００の内部を一杯にするほど充分でなくても、冷却水が各冷却水通過チャンバー１１００内に均一に分散され得るため、各冷却水通過チャンバー１１００の全面に対して均一な熱電変換効率を得ることが可能である。
【0125】
図１５は本発明のさらに他の実施例に係る熱変換装置の斜視図であり、図１６は図１５の実施例に係る熱変換装置の部分拡大図であり、図１７は図１５の実施例に係る熱変換装置に含まれる単位モジュールの斜視図であり、図１８は図１７の単位モジュールの分解図であり、図１９は図１５の実施例に係る熱変換装置の断面図である。
【0126】
図１５～図１９を参照すると、熱変換装置２０は複数の単位モジュールグループおよび複数の単位モジュールグループを支持するフレーム７０００を含む。ここで、各単位モジュールグループは複数の単位モジュール６０００を含む。
【0127】
ここで、複数の単位モジュール６０００は第１方向および第２方向にそれぞれ複数個配列され得、第２方向は第１方向と交差する方向、例えば第１方向と直角をなす方向であり得る。本明細書で、第１方向に配列された複数の単位モジュール６０００は一つの単位モジュールグループをなすものと説明され得、これに伴い、複数の単位モジュールグループは第２方向に沿って配列され得る。ここで、一つの単位モジュールグループ内に含まれる複数の単位モジュール６０００は所定の間隔で互いに離隔して配置され得る。本明細書で、説明の便宜のために、熱変換装置２０は第２方向に沿って配置された５個の単位モジュールグループ、すなわち第１単位モジュールグループ６０００－Ａ、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂ、第３単位モジュールグループ６０００－Ｃ、第４単位モジュールグループ６０００－Ｄおよび第５単位モジュールグループ６０００－Ｅを含むものを例にして説明するが、これに制限されるものではない。
【0128】
フレーム７０００は複数の単位モジュール６０００の外郭を囲むように配置される枠または縁であり得る。この時、フレーム７０００には複数の単位モジュール６０００内部で冷却水を注入するための冷却水流入管（図示されず）および複数の単位モジュール６０００の内部を通過した冷却水を排出するための冷却水排出管（図示されず）が形成され得る。冷却水流入管および冷却水排出管のうち一つは、複数の単位モジュールグループのうち一端に配置された単位モジュールグループ、例えば第１単位モジュールグループ６０００－Ａの側面に配置された縁に形成され、他の一つは複数の単位モジュールグループのうち他端に配置された単位モジュールグループ、例えば第５単位モジュールグループ６０００－Ｅの側面に配置された縁に形成され得る。
【0129】
特に、図１７～図１８を参照すると、各単位モジュール６０００は冷却水通過チャンバー６１００、冷却水通過チャンバー６１００の一面６１０１に配置された第１熱電モジュール６２００および冷却水通過チャンバー６１００の他面６１０２に配置された第２熱電モジュール６３００を含む。ここで、冷却水通過チャンバー６１００の一面６１０１および他面６１０２は第１方向に沿って所定の間隔で互いに離隔するように配置された両面であり得、本明細書で冷却水通過チャンバー６１００の一面６１０１および他面６１０２は冷却水通過チャンバー６１００の第１面および第２面と混用され得る。
【0130】
第１熱電モジュール６２００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー６１００の第１面６１０１の外部の表面に配置され、第１熱電モジュール６２００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位モジュール６０００の第２熱電モジュール６３００に向かうように配置され得る。これと同様に、第２熱電モジュール６３００の低温部、すなわち放熱部は冷却水通過チャンバー６１００の第２面６１０２の外部の表面に配置され、第２熱電モジュール６３００の高温部、すなわち吸熱部は隣接する他の単位熱電モジュール６０００の第１熱電モジュール６２００に向かうように配置され得る。
【0131】
本発明の実施例に係る熱変換装置２０は、冷却水通過チャンバー６１００を通じて流れる冷却水および複数の単位モジュール６０００間の離隔した空間を通過する高温の気体間の温度差、すなわち第１熱電モジュール６２００の吸熱部と発熱部間の温度差および第２熱電モジュール６３００の吸熱部と放熱部間の温度差を利用して電力を生産することができる。ここで、冷却水は水であり得るが、これに制限されるものではなく、冷却性能を有する多様な種類の流体であり得る。冷却水通過チャンバー６１００に流入する冷却水の温度は１００℃未満、好ましくは５０℃未満、さらに好ましくは４０℃未満であり得るが、これに制限されるものではない。冷却水通過チャンバー６１００を通過した後に排出される冷却水の温度は冷却水通過チャンバー６１００に流入する冷却水の温度より高くてもよい。複数の単位モジュール６０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は冷却水の温度より高くてもよい。例えば、複数の単位モジュール６０００間の離隔した空間を通過する高温の気体の温度は１００℃以上、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上であり得るが、これに制限されるものではない。この時、複数の単位モジュール６０００間の離隔した空間の幅は数ｍｍ～数十ｍｍであり得、熱変換装置の大きさ、流入する気体の温度、気体の流入速度、要求される発電量などにより変わり得る。
【0132】
第１熱電モジュール６２００および第２熱電モジュール６３００はそれぞれ複数個の熱電素子１００を含むことができる。要求される発電量に応じて各熱電モジュールに含まれる熱電素子の個数を調節することができる。
【0133】
各熱電モジュールに含まれる複数個の熱電素子１００は電気的に連結され得、複数個の熱電素子１００の少なくとも一部はバスバー（図示されず）を利用して電気的に連結され得る。バスバーは、例えば高温の気体が複数の単位モジュール６０００間の離隔した空間を通過した後に排出される排出口側に配置され得、外部端子と連結され得る。これに伴い、第１熱電モジュール６２００および第２熱電モジュール６３００のためのＰＣＢが熱変換装置の内部に配置されずとも第１熱電モジュール６２００および第２熱電モジュール６３００に電源が供給され得、これに伴い、熱変換装置の設計および組立が容易である。各単位モジュール６０００は複数の熱電素子１００の間に配置される断熱層６４００およびシールド層６５００をさらに含むことができる。断熱層６４００は冷却水通過チャンバー６１００の外部の表面のうち熱電素子１００が配置される領域を除いて冷却水通過チャンバー６１００の外部の表面の少なくとも一部を囲むように配置され得る。特に、冷却水通過チャンバー６１００の外部の表面のうち複数の熱電素子１００が配置される第１面６１０１および第２面６１０２で熱電素子１００の間に断熱層６４００が配置される場合、断熱層６４００によって熱電素子１００の低温部側と高温部側間の断熱が維持され得るため、発電効率を高めることができる。
【0134】
そして、シールド層６５００は断熱層６４００上に配置され、断熱層６４００および複数の熱電素子１００を保護することができる。このために、シールド層６５００はステンレス素材を含むことができる。
【0135】
シールド層６５００と冷却水通過チャンバー６１００はスクリューによって締結され得る。これに伴い、シールド層６５００は単位モジュール６０００に安定的に結合することができ、第１熱電モジュール６２００または第２熱電モジュール６３００と断熱層６４００も共に固定され得る。
【0136】
この時、第１熱電モジュール６２００および第２熱電モジュール６３００それぞれは、冷却水通過チャンバー６１００の第１面６１０１および第２面６１０２にサーマルパッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｄ、６６００）を利用して接着されてもよい。サーマルパッド６６００は熱伝達が容易であるため、冷却水通過チャンバー６１００と熱電モジュール間の熱伝達を妨害しないことができる。そして、第１熱電モジュール６２００および第２熱電モジュール６３００それぞれは熱電素子１００の高温部側に配置されたヒートシンク２００および熱電素子１００の低温部側に配置された金属プレート３００、例えばアルミニウムプレートをさらに含むことができる。この時、ヒートシンク２００は隣接する他の単位モジュールに向かって配置される。第１熱電モジュール６２００に含まれるヒートシンク２００は隣接する他の単位モジュール（６０００－１、図１６参照）の第２熱電モジュール６３００に向かって配置され、第２熱電モジュール６３００に含まれるヒートシンク２００は隣接するさらに他の単位モジュール（６０００－２、図１６参照）の第１熱電モジュール６２００に向かって配置され得る。この時、隣接する互いに異なる単位モジュール６０００のヒートシンク２００は所定の間隔で離隔し得る。これに伴い、複数の単位モジュール６０００の間を通過する空気の温度がヒートシンク２００を通じて熱電素子１００の高温部側に効率的に伝達され得る。一方、金属プレート３００、例えばアルミニウムプレートは熱伝達効率が高いため、冷却水通過チャンバー６１００を通過する冷却水の温度が金属プレート３００を通じて熱電素子１００の低温部側に効率的に伝達され得る。図示された通り、一つの金属プレート３００には複数個の熱電素子１００が配置されてもよいが、これに制限されるものではなく、一つの金属プレート３００には一つの熱電素子１００が配置されてもよい。熱電素子１００に対する具体的な内容は前述した図６～図７と同じであるため、重複する説明を省略する。
【0137】
本発明の実施例によると、各単位モジュール６０００は冷却水通過チャンバー６１００の第１面６１０１と第２面６１０２の間の第３面６１０３側に配置される第１支持フレーム６７００および冷却水通過チャンバー６１００の第１面６１０１と第２面６１０２の間の第４面６１０４側に配置される第２支持フレーム６８００をさらに含んでもよい。ここで、第３面６１０３は第３方向から下を向く面であり得、第４面６１０４は第３面６１０３と向かい合う面であって、第３方向から上を向く面であり得る。第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００のうち少なくとも一つの形状はＨの形状、例えばＨビームであり得る。熱変換装置２０内に含まれた第１支持フレーム６７００と第２支持フレーム６８００それぞれの個数は熱変換装置２０内に含まれた単位モジュール６０００の全体の個数と同じでもよい。図１７～図１８で図示された通り、同じ単位モジュール側に配置された第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００を一対の支持フレームと指称してもよい。第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００がそれぞれ冷却水通過チャンバー６１００の第３面６１０３側および第４面６１０４側に配置されると、単位モジュールの剛性を維持することができ、振動時に曲がったり変形する問題を防止することができる。
【0138】
このために、フレーム７０００は第１単位モジュールグループ６０００－Ａおよび第２単位モジュールグループ６０００－Ｂの間に配置された支持壁７３００をさらに含むことができ、第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれは支持壁７３００と締結され得る。この時、支持壁７３００はフレーム７０００の枠または縁と締結されたり、一体に成形され得る。
【0139】
さらに具体的に説明すると、第１単位モジュールグループ６０００－Ａおよび第２単位モジュールグループ６０００－Ｂの間には支持壁７３００が配置され、第１単位モジュールグループ６０００－Ａの各単位モジュール６０００に配置された第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれは、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂが配置された方向に向かって支持壁７３００の下部および上部に延び、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂの各単位モジュール６０００に配置された第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれは、第１単位モジュールグループ６０００－Ａが配置された方向に向かって支持壁７３００の下部および上部に延長され得る。この時、第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれの延長の長さは、支持壁７３００の厚さの半分を超過できない。そして、第１支持フレーム６７００と支持壁７３００の下部および第２支持フレーム６８００と支持壁７３００の上部はそれぞれスクリューによって締結され得る。これによると、単位モジュール自体がスクリューによってフレームに直接固定される必要がないため、組立が容易である。また、要求される発電量に応じて単位モジュールの個数を調節することが容易である。
【0140】
ここで、一対の支持フレームが一つの単一モジュールを支持するものとして図示されているが、これに制限されるものではない。第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれは、一つの単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つおよびこれと隣接する他の単位モジュールグループに含まれた複数の単位モジュールのうち一つを同時に支持するように第２方向に沿って延びてもよい。これによると、熱変換装置２０内に含まれた第１支持フレーム６７００と第２支持フレーム６８００それぞれの個数は第１単位モジュールグループ６０００－Ａ内に含まれた単位モジュール６０００の個数と同じであるか、第１単位モジュールグループ６０００－Ａ内に含まれた単位モジュール６０００の個数の倍数でもよい。
【0141】
このために、支持壁７３００の下端には第１支持フレーム６７００が配置される複数の溝が形成され、支持壁７３００の上端には第２支持フレーム６８００が配置される複数の溝が形成され得、第１支持フレーム６７００および第２支持フレーム６８００それぞれはスクリューなどの固定部材によって支持壁７３００と締結され得る。一つの支持壁７３００の下端および上端に形成された各溝の個数は一つの単位モジュールグループ内に配列された単位モジュール６０００の個数と同じでもよい。
【0142】
本発明の実施例によると、冷却水通過チャンバー６１００の一側面には冷却水流入口が形成され、他側面には冷却水排出口が形成される。
【0143】
すなわち、冷却水通過チャンバー６１００の第１面６１０１、第２面６１０２、第３面６１０３および第４面６１０４の間の両面のうち一つである第５面６１０５には冷却水流入口６１１０が形成され、第１面６１０１、第２面６１０２、第３面６１０３および第４面６１０４の間の両面のうち他の一つである第６面６１０６には、冷却水排出口６１２０が形成され得る。図１５で第１単位モジュールグループ６０００－Ａ、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂ、第３単位モジュールグループ６０００－Ｃ、第４単位モジュールグループ６０００－Ｄおよび第５単位モジュールグループ６０００－Ｅが第２方向に沿って順次配列され、冷却水が第１単位モジュールグループ６０００－Ａから第５単位モジュールグループ６０００－Ｅに向かう方向に流れる場合、第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の一側面、すなわち外側の側面である第５面６１０５に冷却水流入口６１１０が形成され、第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の他側面、すなわち第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに向かうように配置された側面である第６面６１０６に冷却水排出口６１２０が形成され得る。これと同様に、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の一側面、すなわち第１単位モジュールグループ６０００－Ａに向かうように配置された側面である第５面６１０５に冷却水流入口６１１０が形成され、第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の他側面、すなわち第３単位モジュールグループ６０００－Ｃに向かうように配置された側面である第６面６１０６に冷却水排出口６１２０が形成され得る。
【0144】
この時、冷却水が第１単位モジュールグループ６０００－Ａから第５単位モジュールグループ６０００－Ｅに向かう方向に流れるために、両単位モジュールグループの間に配置された支持壁７３００には冷却水流入口６１１０および冷却水排出口６１２０の位置に対応するようにホール７３１０が形成され得る。例えば、ホール７３１０は第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水排出口６１２０の位置および第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水流入口６１１０の位置に同時に対応するように形成され得る。これに伴い、第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水排出口６１２０は、ホール７３１０を通じて第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水流入口６１１０に連結され得、第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００から第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に冷却水が流れることができる。このような構造は第２単位モジュールグループ６０００－Ｂ、第３単位モジュールグループ６０００－Ｃ、第４単位モジュールグループ６０００－Ｄおよび第５単位モジュールグループ６０００－Ｅにも同一に適用され得る。
【0145】
本発明の実施例によると、図１９に図示された通り、各冷却水流入口６１１０には第１フィッティング部材６１１２が連結され、各冷却水排出口６１２０には第２フィッティング部材６１２２が連結され得る。この時、第１フィッティング部材６１１２および第２フィッティング部材６１２２それぞれは冷却水流入口６１１０および冷却水排出口６１２０に嵌合され、冷却水が通過できるように中空の管の形状を有し得る。そして、一つのホール７３１０には第１フィッティング部材６１１２および第２フィッティング部材６１２２が同時に差し込まれ得る。例えば、第１単位モジュールグループ６０００－Ａおよび第２単位モジュールグループ６０００－Ｂの間に配置された支持壁７３００に形成された複数のホール７３１０のうち一つには、第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水排出口６１２０に連結された第２フィッティング部材６１２２および第２単位モジュールグループ６０００－Ｂに含まれた各単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００に形成された冷却水流入口６１１０に連結された第１フィッティング部材６１１２が共に差し込まれ得る。この時、第２フィッティング部材６１２２と第１フィッティング部材６１１２の間で冷却水が流出する問題を防止するために、第１フィッティング部材６１１２の外周面、第２フィッティング部材６１２２の外周面およびホール７３１０の内周面は共にシーリングされ得る。
【0146】
本発明の実施例によると、各冷却水通過チャンバー６１００の第５面６１０５および第６面６１０６それぞれには複数の冷却水流入口６１１０および複数の冷却水排出口６１２０が形成され、支持壁７３００には複数の冷却水流入口６１１０の位置および複数の冷却水排出口６１２０の位置に対応するように複数のホール７３１０が形成され得る。
【0147】
この時、冷却水の円滑な流れのために、冷却水通過チャンバー６１００の内部には複数の冷却水通過管６１３０が形成され得る。冷却水通過管６１３０は冷却水通過チャンバー６１００の内部で冷却水流入口６１１０から冷却水排出口６１２０まで連結され、冷却水は冷却水通過管６１３０を通じて第２方向に沿って流れることができる。これによると、冷却水の流量が各冷却水通過チャンバー６１００の内部を一杯にするほど充分でなくても冷却水が各冷却水通過チャンバー６１００内に均一に分散され得るため、各冷却水通過チャンバー６１００の全面に対して均一な熱電変換効率を得ることが可能である。
【0148】
このように、冷却水は第１単位グループモジュール６０００－Ａに流入した後、第２方向に沿って第２単位グループモジュール６０００－Ｂ、第３単位グループモジュール６０００－Ｃおよび第４単位グループモジュール６０００－Ｄを経て第５単位グループモジュール６０００－Ｅに排出され得る。
【0149】
そして、高温の気体は冷却水通過チャンバー６１００の上端から下端に向かうように流れる。本発明の実施例の通り、単位モジュール６０００の上端に第２支持フレーム６８００が配置される場合、高温の気体の高い温度によって熱電素子の性能が低下する問題を防止することができる。
【0150】
図示されてはいないが、本発明の実施例によると、第１単位モジュールグループ６０００－Ａの一側面、例えば第５面が向かうフレーム７０００の枠または縁には冷却水流入管が形成され、第５単位モジュールグループ６０００－Ｅの他側面、例えば第６面が向かうフレーム７０００の枠または縁には冷却水排出管が形成され得る。冷却水流入管に流入した冷却水は第１単位モジュールグループ６０００－Ａに含まれた複数の単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の冷却水流入口６１１０に分散して流入することができる。そして、第５単位モジュールグループ６０００－Ｅに含まれた複数の単位モジュール６０００の各冷却水通過チャンバー６１００の冷却水排出口６１２０から排出された冷却水は冷却水排出管で集められた外部に排出され得る。
【0151】
本発明のさらに他の実施例によると、各冷却水通過チャンバー６１００の内壁または冷却水通過管６１３０の内壁には放熱フィンが配置されてもよい。放熱フィンの形状、個数、各冷却水通過チャンバー６１００の内壁を占める面積などは、冷却水の温度、廃熱の温度、要求される発電容量などにより多様に変更され得る。放熱フィンが各冷却水通過チャンバー６１００の内壁を占める面積は、例えば各冷却水通過チャンバー６１００の断面積の１～４０％であり得る。これによると、冷却水の流動を妨害することなく、高い熱電変換効率を得ることが可能である。
【0152】
前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることが理解できるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】