(57)【要約】  本発明の一実施例に係る熱変換装置は、冷却用流体が通過するダクト、前記ダクトの第１表面に配置された第１熱電モジュール、前記ダクトの第１表面に平行するように配置された第２表面に配置された第２熱電モジュールおよび前記ダクトの第１表面と前記第２表面の間に配置された第３表面上で前記第３表面と離隔して配置された気体ガイド部材を含み、前記気体ガイド部材は前記第１熱電モジュールと接触する一端、前記第２熱電モジュールと接触する他端および前記一端および他端を連結する延長部を含み、前記気体ガイド部材は前記一端と前記他端間の中心に行くほど前記第３表面との距離が遠くなる形状を有することができる。  【選択図】図１
2021506209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用流体が通過するダクト；
前記ダクトの第１表面に配置された第１熱電モジュール；
前記ダクトの第１表面に平行するように配置された第２表面に配置された第２熱電モジュール；および
前記ダクトの第１表面と前記第２表面の間に配置された第３表面上で前記第３表面と離隔して配置された気体ガイド部材；を含み、
前記気体ガイド部材は
前記第１熱電モジュールと接触する一端；
前記第２熱電モジュールと接触する他端；および
前記一端および他端を連結する延長部；を含み、
前記気体ガイド部材は前記一端と前記他端間の中心に行くほど前記第３表面との距離が遠くなる形状を有する、熱変換装置。
【請求項２】
前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールは、前記第１表面および前記第２表面にそれぞれ配置された熱電素子、前記熱電素子に配置された放熱基板、そして前記放熱基板に配置されたヒートシンクを含み、
前記熱電素子は複数の第１電極、複数の第２電極、そして前記複数の第１電極と前記複数の第２電極間に配置される複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグを含む、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項３】
前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと前記熱電素子の間にはアルミニウム基板がさらに含まれ、前記アルミニウム基板は前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）によって接着される、請求項２に記載の熱変換装置。
【請求項４】
前記気体ガイド部材の一端は前記少なくとも一つの第１熱電モジュールのヒートシンクに連結され、前記気体ガイド部材の他端は前記少なくとも一つの第２熱電モジュールのヒートシンクに連結され、
前記延長部の中心部は所定の角度を有し、
前記中心部の角度は前記一端と前記延長部の夾角より小さい、請求項２に記載の熱変換装置。
【請求項５】
前記気体ガイド部材と前記第３表面の間には空気層が形成される、請求項４に記載の熱変換装置。
【請求項６】
前記気体ガイド部材と前記第３表面の間には断熱部材が配置される、請求項４に記載の熱変換装置。
【請求項７】
前記複数の第１熱電モジュールおよび前記複数の第２熱電モジュールはスクリューを利用して前記ダクトと締結される、請求項１に記載の熱変換装置。
【請求項８】
前記ダクトの内壁には放熱ピンが配置される、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、より詳細には熱い気体からの熱を利用して電気を発生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、熱と電気間の直接的なエネルギー変換を意味する。
【０００３】
熱電素子は熱電現象を利用する素子を総称し、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。これにより、熱電素子の熱電性能に対する要求はますます高くなっている。
【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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の一実施例に係る熱変換装置は、冷却用流体が通過するダクト、前記ダクトの第１表面に配置された第１熱電モジュール、前記ダクトの第１表面に平行するように配置された第２表面に配置された第２熱電モジュールおよび前記ダクトの第１表面と前記第２表面の間に配置された第３表面上で前記第３表面と離隔して配置された気体ガイド部材を含み、前記気体ガイド部材は前記第１熱電モジュールと接触する一端、前記第２熱電モジュールと接触する他端および前記一端および他端を連結する延長部を含み、前記気体ガイド部材は前記一端と前記他端間の中心に行くほど前記第３表面との距離が遠くなる形状を有することができる。
【０００９】
前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールは前記第１表面および前記第２表面にそれぞれ配置された熱電素子、前記熱電素子に配置された放熱基板、そして前記放熱基板に配置されたヒートシンクを含み、前記熱電素子は複数の第１電極、複数の第２電極、そして前記複数の第１電極と前記複数の第２電極間に配置される複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグを含むことができる。
【００１０】
前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと前記熱電素子の間にはアルミニウム基板がさらに含まれ、前記アルミニウム基板は前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）によって接着され得る。
【００１１】
前記気体ガイド部材の一端は前記少なくとも一つの第１熱電モジュールのヒートシンクに連結され、前記気体ガイド部材の他端は前記少なくとも一つの第２熱電モジュールのヒートシンクに連結され、前記延長部の中心部は所定の角度を有し、前記中心部の角度は前記一端と前記延長部の夾角より小さくてもよい。
【００１２】
前記気体ガイド部材と前記第３表面の間には空気層が形成され得る。
【００１３】
前記気体ガイド部材と前記第３表面の間には断熱部材が配置され得る。
【００１４】
前記複数の第１熱電モジュールおよび前記複数の第２熱電モジュールはスクリューを利用して前記ダクトと締結され得る。
【００１５】
前記ダクトの内壁には放熱ピンが配置され得る。
【００１６】
本発明の実施例によると、発電性能が優秀な熱変換装置を得ることができる。特に、本発明の実施例によると、使われる部品数および占める体積を低減させて、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、熱電素子への熱伝達効率が改善された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、単位熱電モジュールの個数およびダクトの個数を調節して発電容量を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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。
【図２】本発明の一実施例に係る熱変換装置の一部拡大図である。
【図３】図１のＸ−Ｘ’方向に切開した断面図である。
【図４】図３の単位モジュールの分解図である。
【図５】熱電モジュールがダクトに締結される構造を説明するための図面である。
【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。
【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。
【図８】本発明の他の実施例に含まれる気体ガイド部材の斜視図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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てもよく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。その反面、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。
【００２１】
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ることを意味しない限り、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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し、これに対する重複する説明は省略する。
【００２４】
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一部拡大図であり、図３は図１のＸ−Ｘ’方向に切開した断面図であり、図４は図３の単位モジュールの分解図である。図５は熱電モジュールがダクトに締結される構造を説明するための図面であり、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。
【００２５】
図１〜４を参照すると、熱変換装置１０００は複数のダクト１１００、複数の第１熱電モジュール１２００、複数の第２熱電モジュール１３００および複数の気体ガイド部材１４００を含む。本発明の実施例に係る熱変換装置１０００は、ダクト１１００を通じて流れる冷却用流体および複数のダクト１１００間の離隔した空間を通過する高温の気体間の温度差、すなわち複数の第１熱電モジュール１２００と複数の第２熱電モジュール１３００の吸熱面および発熱面間の温度差を利用して電力を生産することができる。
【００２６】
複数のダクト１１００は冷却用流体が通過し、所定間隔で離隔するように配置される。例えば、複数のダクト１１００に流入する冷却用流体は水であり得るが、これに制限されず、冷却性能のある多様な種類の流体であり得る。複数のダクト１１００に流入する冷却用流体の温度は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。複数のダクト１１００を通過した後に排出される冷却用流体の温度は、複数のダクト１１００に流入する冷却用流体の温度より高くてもよい。各ダクト１１００は第１面１１１０、第１面１１１０に対向して第１面１１１０と平行するように配置された第２面１１２０、第１面１１１０と第２面１１２０の間に配置された第３面１１３０および第１面１１１０と第２面１１２０の間で第３面１１３０に対向するように配置された第４面１１４０を含み、第１面１１１０、第２面１１２０、第３面１１３０および第４面１１４０によって形成されたダクトの内部に冷却用流体が通過する。冷却用流体は複数のダクト１１００の冷却用流体流入口から流入して冷却用流体排出口を通じて排出される。冷却用流体の流入および排出を容易にし、複数のダクト１１００を支持するために、複数のダクト１１００の冷却用流体流入口側および冷却用流体排出口側には、それぞれ流入口支持部材１５００および排出口支持部材１６００がさらに配置され得る。流入口支持部材１５００および排出口支持部材１６００はそれぞれ複数の開口部が形成されたプレート状であり、流入口支持部材１５００に形成された複数の開口部１５１０は複数のダクト１１００の冷却用流体流入口と大きさ、形状および位置が一致するように形成され、排出口支持部材１６００に形成された複数の開口部（図示されず）は複数のダクト１１００の冷却用流体排出口の大きさ、形状および位置が一致するように形成され得る。
【００２７】
各ダクト１１００の内壁には放熱ピン１１５０が配置され得る。放熱ピン１１５０の形状、個数、各ダクト１１００の内壁を占める面積などは、冷却用流体の温度、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。放熱ピン１１５０が各ダクト１１００の内壁を占める面積は、例えば各ダクト１１００の断面積の１〜４０％であり得る。これによると、冷却用流体の流動を妨げることなく高い熱電変換効率を得ることが可能である。
【００２８】
そして、各ダクト１１００の内部は複数の領域に区画されてもよい。各ダクト１１００の内部が複数の領域に区画される場合、冷却用流体の流量が各ダクト１１００の内部を一杯にする程度に充分でなくても冷却用流体が各ダクト１１００内に均一に分散され得るため、各ダクト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。
【００２９】
一方、複数の第１熱電モジュール１２００は各ダクト１１００の第１面１１１０に含まれ、ダクトの外部に向かって配置された第１表面１１１２に配置され、複数の第２熱電モジュール１３００は各ダクト１１００の第２面１１２０に含まれ、ダクトの外部に向かって配置された第２表面１１２２で複数の第１熱電モジュール１２００に対称となるように配置される。
【００３０】
この時、第１熱電モジュール１２００および第１熱電モジュール１２００に対称となるように配置される第２熱電モジュール１３００を、一対の熱電モジュールまたは単位熱電モジュールと称し得る。
【００３１】
各ダクト１１００ごとに複数対の熱電モジュール、すなわち複数の単位熱電モジュールが配置され得る。例えば、各ダクト１１００ごとにｍ対の熱電モジュールが配置され、熱変換装置１０００がｎ個のダクト１１００を含む場合、熱変換装置１０００はｍ＊ｎ対の熱電モジュール、すなわち２＊ｍ＊ｎ個の熱電モジュールを含むことができる。この時、要求される発電量により単位熱電モジュールの個数およびダクトの個数を調節することができる。
【００３２】
この時、各ダクト１１００に連結される複数の第１熱電モジュール１２００の少なくとも一部は、バスバー１８００を利用して電気的に互いに連結され、各ダクト１１００に連結される複数の第２熱電モジュール１３００の少なくとも一部は、他のバスバー（図示されず）を利用して電気的に互いに連結され得る。バスバー１８００は、例えば高温の気体が複数のダクト１１００間の離隔した空間を通過した後に排出される排出口、すなわち各ダクト１１００の第４面１１４０側に配置され得、外部端子と連結され得る。これにより、複数の第１熱電モジュール１２００および複数の第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、複数の第１熱電モジュール１２００および複数の第２熱電モジュール１３００に電源が供給され得、これにより、熱変換装置の設計および組立が容易である。
【００３３】
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はスクリューＳを利用してダクト１１００と締結され得る。これにより、複数の第１熱電モジュール１２００および複数の第２熱電モジュール１３００はダクト１１００の表面に安定して結合され得る。
【００３４】
再び図１〜図４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のそれぞれは第１表面１１１２および第２表面１１２２のそれぞれに配置された熱電素子１２１０、１３１０、熱電素子１２１０、１３１０に配置された放熱基板１２２０、１３２０および放熱基板１２２０、１３２０に配置されたヒートシンク１２３０、１３３０を含む。このように、熱電素子１２１０、１３１０の両面のうち一面に冷却用流体が流れるダクト１１００が配置され、他面に放熱基板１２２０、１３２０およびヒートシンク１２３０、１３３０が配置され、放熱基板１２２０、１３２０およびヒートシンク１２３０、１３３０を通じて高温の気体が通過すると、熱電素子１２１０、１３１０の吸熱面と放熱面間の温度差を大きくすることができ、これにより、熱電変換効率を上げることができる。
【００３５】
この時、第１表面１１１２および第２表面１１２２と熱電素子１２１０、１３１０の間にはアルミニウム基板１２４０、１３４０がさらに配置され、アルミニウム基板１２４０、１３４０は第１表面１１１２および第２表面１１２２のそれぞれと熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ、１２５０、１３５０）によって接着され得る。アルミニウム基板１２４０、１３４０は熱伝達性能が優秀であるので、熱電素子１２１０、１３１０の両面のうち一面と冷却用流体が流れるダクト１１００間の熱伝達が容易である。また、アルミニウム基板１２４０、１３４０と冷却用流体が流れるダクト１１００が熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ、１２５０、１３５０）によって接着されると、アルミニウム基板１２４０、１３４０と冷却用流体が流れるダクト１１００間の熱伝達が円滑になり得る。
【００３６】
この時、熱電素子１２１０、１３１０の構造は図６〜図７に例示された熱電素子１００の構造を有することができる。図６〜図７を参照すると、熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０を含む。
【００３７】
下部電極１２０は下部基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の下部底面間に配置され、上部電極１５０は上部基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の上部底面間に配置される。これにより、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は下部電極１２０および上部電極１５０によって電気的に連結される。下部電極１２０と上部電極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。
【００３８】
例えば、口出し線１８１、１８２を通じて下部電極１２０および上部電極１５０に電圧を印加すると、Ｐ型熱電レッグ１３０からＮ型熱電レッグ１４０に電流が流れる基板は吸熱面として作用し、Ｎ型熱電レッグ１４０からＰ型熱電レッグ１３０に電流が流れる基板は放熱面として作用することができる。
【００３９】
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）を主原料で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％に対してセレン（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。
【００４０】
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て篩い分けて熱電レッグ用粉末を取得した後、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。
【００４１】
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は同じ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ので、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るように形成してもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
【数１】
2021506209.tif 000003
【００４４】
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は温度であり、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃｐ・ρで表すことができ、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。
【００４５】
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。
【００４６】
本発明の実施例によると、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、１４４、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、１４４、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４、１４４の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４、１４４の間にそれぞれ配置される第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６、そして第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４上にそれぞれ積層される第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８を含む。
【００４７】
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と同じ素材または形状を有することができる。
【００４８】
そして、第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８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、１４８および第２金属層１３８、１４８の熱膨張係数は熱電素材層１３２、１４２の熱膨張係数と同じであるかそれより大きいので、焼結時に第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８と熱電素材層１３２、１４２間の境界面で圧縮応力が加えられるため、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、１４８および第２金属層１３８、１４８と電極１２０、１５０間の結合力が高いので、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。
【００４９】
次いで、第１メッキ層１３４、１４４および第２メッキ層１３４、１４４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、１４４および第２メッキ層１３４、１４４は熱電素材層１３２、１４２内半導体材料であるＢｉまたはＴｅと第１金属層１３８、１４８および第２金属層１３８、１４８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、１４８および第２金属層１３８、１４８の酸化を防止することができる。
【００５０】
この時、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４、１４４の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４、１４４の間には、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６が配置され得る。この時、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６はＴｅを含むことができる。例えば、第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６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、１４６および第２接合層１３６、１４６のそれぞれの厚さは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、１４４および第２メッキ層１３４、１４４の間にＴｅを含む第１接合層１３６、１４６および第２接合層１３６、１４６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、１４４および第２メッキ層１３４、１４４に拡散することを防止することができる。これにより、Ｂｉリッチ領域の発生を防止することができる。
【００５１】
一方、下部基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される下部電極１２０、そして上部基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される上部電極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。下部電極１２０または上部電極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下し得、０．３ｍｍを超過する場合、抵抗の増加によって伝導効率が低下し得る。
【００５２】
そして、相互に対向する下部基板１１０と上部基板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柔軟性を有する高分子樹脂基板であり得る。柔軟性を有す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（ＣＯＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、レジン（ｒｅｓｉｎ）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。金属基板はＣｕ、Ｃｕ合金またはＣｕ−Ａｌ合金を含むことができ、その厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであり得る。金属基板の厚さが０．１ｍｍ未満であるか、０．５ｍｍを超過する場合、放熱特性または熱伝導率が過度に高くなり得るため、熱電素子の信頼性が低下し得る。また、下部基板１１０と上部基板１６０が金属基板である場合、下部基板１１０と下部電極１２０の間および上部基板１６０と上部電極１５０の間にはそれぞれ誘電体層１７０がさらに形成され得る。誘電体層１７０は５〜１０Ｗ／Ｋの熱伝導度を有する素材を含み、０．０１ｍｍ〜０．１５ｍｍの厚さで形成され得る。誘電体層１７０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、絶縁効率または耐電圧特性が低下し得、０．１５ｍｍを超過する場合、熱電伝導度が低下して放熱効率が低下し得る。
【００５３】
この時、下部基板１１０と上部基板１６０の大きさは異なって形成されてもよい。例えば、下部基板１１０と上部基板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。これにより、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。
【００５４】
また、下部基板１１０と上部基板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。これにより、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
または本発明の他の実施例によると、下部基板１１０と上部基板１６０が省略されてもよい。
【００５８】
再び図１〜図４を参照すると、気体ガイド部材１４００は、ダクト１１００ごとに一つずつまたはダクト１１００ごとに複数個ずつ配置され得、高温の気体が流入する方向に配置され得る。例えば、ダクト１１００の第３面１１３０が高温の気体が流入する方向に向かい、第４面１１４０が高温の気体が複数のダクト１１００間の離隔した空間を通過した後に排出される方向に向かうように配置される場合、気体ガイド部材１４００はダクト１１００の第３面１１３０側に配置され得る。
【００５９】
この時、複数のダクト１１００間の離隔した空間に流入する気体の温度は、複数のダクト１１００間の離隔した空間から排出される気体の温度より高い。例えば、複数のダクト１１００間の離隔した空間に流入する気体は、自動車、船舶などのエンジンから発生する廃熱であり得るが、これに制限されるものではない。例えば、複数のダクト１１００間の離隔した空間に流入する気体の温度は１００℃以上、好ましくは２００℃以上、さらに好ましくは２２０℃〜２５０℃であり得るが、これに制限されるものではない。この時、複数のダクト１１００間の離隔した空間の幅は数ｍｍ〜数十ｍｍであり得、熱転換装置の大きさ、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。
【００６０】
気体ガイド部材１４００は一端１４１０が第１熱電モジュール１２００と連結され、ダクト１１００の第３面１１３０に含まれ、ダクトの外部へ向かう第３表面１１３２上で第３表面１１３２と離隔するように延長され、他端１４２０が第２熱電モジュール１３００と連結され得る。これにより、高温の気体、例えば廃熱が気体ガイド部材１４００を通じて複数のダクト１１００間の離隔した空間を通過することができる。
【００６１】
この時、気体ガイド部材１４００は一対の熱電モジュール１２００、１３００単位で形成されてもよく、一つのダクト１１００上に連続して配置された複数対の熱電モジュール１２００、１３００単位で形成されてもよい。
【００６２】
気体ガイド部材１４００の一端１４１０と他端１４２０の間の延長面１４３０は、一端１４１０と他端１４２０の間の中心に行くほど第３表面１１３０との距離が遠くなる形状を有することができる。すなわち、気体ガイド部材１４００の延長面１４３０は傘状または屋根状を有し得る。これにより、高温の気体が複数のダクト１１００間に離隔した空間を通過できるようにガイドされ得る。
【００６３】
また、気体ガイド部材１４００の延長面１４３０は傘状または屋根状を有する場合、気体ガイド部材１４００と第１熱電モジュール１２００の側面、第３表面１１３０および第２熱電モジュール１３００の側面の間には空気層が形成され、断熱性能を高めることができる。
【００６４】
ここで、気体ガイド部材１４００の一端１４１０は第１熱電モジュール１２００のヒートシンク１２３０に連結され、他端１４２０は第２熱電モジュール１３００のヒートシンク１３３０に連結され、シーリングされ得る。これにより、複数のダクト１１００の間を通過する高温の気体が、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００の放熱基板１２２０、１３２０およびヒートシンク１２３０、１３３０のみを通過するだけであり、第１熱電モジュール１２００および第２熱電モジュール１３００に含まれる熱電素子１２１０、１２２０に直接接する問題を防止することができ、気体ガイド部材１４００と第１熱電モジュール１２００の側面、第３表面１１３０および第２熱電モジュール１３００の側面の間が断熱され得るため、熱電変換性能が低下する問題を防止することができる。
【００６５】
第１熱電モジュール１２００、ダクト１１００の第３表面１１３０および第２熱電モジュール１３００のシーリングおよび断熱効果をさらに高めるために、複数の第１熱電モジュール１２００の側面、複数の第２熱電モジュール１３００の側面、そして複数の第１熱電モジュール１２００の側面および複数の第２熱電モジュール１３００の側面の間に配置される各ダクト１１００の表面は、シーリング剤１７００によって一体にシーリングされてもよい。
【００６６】
第１熱電モジュール１２００、ダクト１１００の第３表面１１３０および第２熱電モジュール１３００のシーリングおよび断熱効果をさらに高めるために、気体ガイド部材１４００と第１熱電モジュール１２００の側面、第３表面１１３０および第２熱電モジュール１３００の側面の間には断熱部材が配置されてもよい。
【００６７】
図８は、本発明の他の実施例に含まれる気体ガイド部材の斜視図および断面図である。
【００６８】
図８を参照すると、気体ガイド部材１４００の一端１４１０と延長部１４３０の間および気体ガイド部材１４００の他端１４２０と延長部１４３０の間には補助ガイド部１４４０がさらに配置され、補助ガイド部１４４０が延長部１４３０と接する領域ではホールＨがさらに形成され得る。この時、補助ガイド部１４４０は延長部１４３０と対称の形状で形成され得る。これにより、高温の気体は延長部１４３０に沿って移動し、ホールＨを通じて複数のダクト１１００間の離隔した空間に効率的に誘導され得る。
【００６９】
また、気体ガイド部材１４００の延長部１４３０の表面には溝１４５０がさらに形成され得る。これにより、高温の気体は延長部１４３０の表面に形成された溝１４５０に沿って移動し、ホールＨを通じて複数のダクト１１００間の離隔した空間に効率的に誘導され得る。
【００７０】
また、図８の（ｃ）のように、補助ガイド部１４４０は気体ガイド部材１４００の一端１４１０または他端１４２０と平行するように延長されてもよい。補助ガイド部１４４０が延長される場合、高温の気体が熱電モジュールに効率的に誘導され得る。
【００７１】
また、図示されてはいないが、前記一端１４１０と前記延長部１４３０の夾角と前記他端１４２０と前記延長部１４３０の夾角は同じでもよく、それぞれの夾角は９０°より大きく１８０°より小さくてもよく、好ましくは１１０°より大きく１６０°より小さくてもよい。夾角が９０°より小さいか１８０°より大きいと、廃熱の流れを妨げて熱電変換効率が低下し得る。
【００７２】
また、図示されてはいないが、気体ガイド部材１４００の延長部１４３０の中心部は所定の角度を有することができ、前記一端１４１０と前記延長部１４３０の夾角より小さくてもよい。同様に前記他端１４２０と前記延長部１４３０の夾角よりも小さくてもよい。前記延長部１４３０の中心部の所定の角度は１１０°より大きく１６０°より小さくてもよく、好ましくは１２０°より大きく１５０°より小さくてもよい。前記延長部１４３０の中心部の所定の角度が１１°より小さいか１６０°より大きいと、廃熱の流れを妨げて熱電変換効率が低下し得る。
【００７３】
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】
2021506209.tif 000004
【図２】
2021506209.tif 000005
【図３】
2021506209.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2021506209.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月5日(2020.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が通過するダクト；
前記ダクトの第１表面上に配置された第１熱電モジュール；
前記ダクトの第１表面と対向する第２表面上に配置された第２熱電モジュール；および
前記ダクトの第１表面と前記第２表面の間で第２流体の流入部を向くように配置された第３表面上で前記第３表面と離隔して配置されたガイド部材；を含み、
前記ガイド部材は
前記第１熱電モジュールを向くように配置される一端；および
前記第２熱電モジュールを向くように配置される他端を含み、
前記ガイド部材は前記一端と前記他端間の中心に行くほど前記第３表面との距離が遠くなる形状を有し、
前記ガイド部材の一端および前記ガイド部材の他端のうち少なくとも一つに補助ガイド部材が配置され、
前記ガイド部材の一端および前記ガイド部材の他端のうち少なくとも一つと前記補助ガイド部材間には少なくとも一つのホールが形成され、
前記第２流体のうち少なくとも一部は前記少なくとも一つのホールを通過する、発電装置。
【請求項２】
前記補助ガイド部材は前記ガイド部材の一端に配置される第１補助ガイド部材および前記ガイド部材の他端に配置される第２補助ガイド部材を含み、
前記第１補助ガイド部材と前記第２補助ガイド部材は前記ガイド部材に対して対称に形成される、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ガイド部材の中心の角度は鋭角である、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記ガイド部材は前記一端と前記他端を連結する延長部をさらに含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記延長部は前記一端から前記第２流体の流入方向と反対方向に延びた第１延長部、そして前記他端から前記第２流体の流入方向と反対方向に延びた第２延長部を含む、請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記補助ガイド部材は前記第１延長部および前記第２延長部のうち少なくとも一つと平行に延びる、請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールのそれぞれは、前記第１表面および前記第２表面にそれぞれ配置された熱電素子、前記熱電素子に配置された放熱基板、そして前記放熱基板に配置されたヒートシンクを含み、
前記熱電素子は第１電極、第２電極、そして前記第１電極と前記第２電極間に配置される半導体素子を含む、請求項４に記載の発電装置。
【請求項８】
前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと前記熱電素子の間にはアルミニウム基板がさらに含まれ、前記アルミニウム基板は前記第１表面および前記第２表面のそれぞれと熱伝達物質（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＴＩＭ）によって接着される、請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記一端は前記第１熱電モジュールのヒートシンクに配置され、前記他端は前記第２熱電モジュールのヒートシンクに配置された、請求項８に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記一端は前記第１熱電モジュールのヒートシンクに連結され、前記他端は前記第２熱電モジュールのヒートシンクに連結される、請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記ガイド部材の中心部の角度は前記一端と前記延長部の夾角より小さい、請求項４に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記ガイド部材と前記第３表面の間には空気層が形成される、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記ガイド部材と前記第３表面の間には断熱部材が配置される、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記第１熱電モジュールおよび前記第２熱電モジュールはスクリューを利用して前記ダクトと締結される、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記ダクトの内壁には放熱フィンが配置される、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記ガイド部材と前記第３表面の間に配置されたシーリング部材をさらに含む、請求項１に記載の発電装置。
【国際調査報告】
2021506209.tif 000012
2021506209.tif 000013
2021506209.tif 000014
2021506209.tif 000015