KR101421953B1 - 자동차용 적층형 열전발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배기가스 입구파이프와 배기가스 출구파이프 사이에, 제 1 열전소자와 제 2 열전소자를 내장한 다수개의 단위체모듈의 집합체인 열전발전유닛이 장착되며, 상기 배기가스 출구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 상부에 냉각수 입구가 형성되되 하부에 냉각수입구측막음판이 설치되고, 상기 배기가스 입구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 하부에 냉각수 출구가 형성되되 상부에 냉각수출구측막음판이 설치되고, 상기 단위체모듈의 좌우측에 상기 배기가스입구파이프로 유입된 배기가스가 유동되는 한쌍의 배기가스유동로가 형성되고, 상기 단위체모듈의 상하측에 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 유동되는 한쌍의 냉각수유동로가 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치에 관한 것이다.

Description

자동차용 적층형 열전발전장치{Accumulated type thermoelectric generator for a vehicle}
본 발명은 열전발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배기가스 입구파이프와 배기가스 출구파이프 사이에, 제 1 열전소자와 제 2 열전소자를 내장한 다수개의 단위체모듈의 집합체인 열전발전유닛이 장착되며, 상기 배기가스 출구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 상부에 냉각수 입구가 형성되되 하부에 냉각수입구측막음판이 설치되고, 상기 배기가스 입구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 하부에 냉각수 출구가 형성되되 상부에 냉각수출구측막음판이 설치되고, 상기 단위체모듈의 좌우측에 상기 배기가스입구파이프로 유입된 배기가스가 유동되는 한쌍의 배기가스유동로가 형성되고, 상기 단위체모듈의 상하측에 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 유동되는 한쌍의 냉각수유동로가 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열전발전장치(Thermoelectric generator)는 금속 또는 반도체인 가열소자와 냉각소자 양단에 온도차를 주는 경우 가열소자와 냉각소자 사이에 발생되는 전위차를 이용하여 전기 에너지를 수득하는 장치이며, 기계적 구동부 없이 열을 전기로 직접적으로 변환할 수 있다는 점에 장점이 있다.
이러한 열전발전장치는 산업용 보일러의 배기가스 설비, 벽지용 전원시설에 응용되고 있으며, 최근에는 쓰레기 소각로 폐열이용시스템, 지열발전, 해양온도차발전 등에도 그 적용이 검토되고 있다.
한편, 자동차에서 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력발생장치인 엔진구동 교류발전기(일명, 얼터네이터(alternator)라함)는 그 효율이 약 33% 정도에 불과할 뿐만 아니라, 차량의 소요 전력이 증가하면 축동력을 증대시켜야 하기 때문에 축동력 손실도 증가되어 높은 연료 소모 및 이로 인한 공해배출물이 증대되는 단점이 있다.
상기 알터네이터의 구동에 소비되는 에너지는 차량의 운전상태 및 전력사용상태에 따라서 변화하나, 전력사용이 적은 주간의 일반 운전시에도 총 투입에너지의 수 퍼센트를 소비하므로 엔진의 배기열을 회수 발전시킬 수 있는 열전발전장치를 제공하면 연비향상을 기대할 수 있게 된다.
따라서, 이렇게 자동차에 이용될 수 있는 열전발전장치가 종래 대한민국특허공개 제 10-2012-8896 호 및 대한민국특허공개 제 10-2010-112039 호에 공지되어 있다.
이러한 종래의 자동차용 열전발전장치는 배기가스와 열교환을 수행하여 열전 모듈의 고온단을 가열하는 가열부, 다수의 열전 반도체로 구성된 열전 모듈, 열전 모듈의 저온단을 냉각하는 냉각부, 배기열 회수장치로 이루어져, 엔진의 배기열에서 얻어지는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
도 1 은 열전발전장치에 이용되는 열전 모듈의 개념을 나타내는 모식도, P 형 및 N 형 도체 또는 반도체를 연결하여 한쪽은 고온, 다른 쪽은 저온 열원으로 설정하였을 때 발생되는 열기전력에 의해서 전류를 흐르도록 만든 회로이며, 이러한 열전 모듈은 1개당 약 2W 내지 4W 의 출력을 발생할 수 있다.
그러나, 이러한 열전 모듈의 발전량 증대를 위해서는 가열부와 냉각부의 온도차를 극대화하여야 하나, 종래의 자동차용 열전발전장치는 가열부 및 냉각부의 구조상의 효율성이 낮기 때문에 고온단과 저온단의 온도차가 적은 문제점에 봉착하고 있는 실정이다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 본 발명의 자동차용 적층형 열전발전장치는 가열부 및 냉각부로 이루어진 열교환구조를 개선하여 열전발전장치의 발전효율을 극대화시킬 수 있는 열전발전장치의 구성을 제공하는데 본 발명의 기술적 과제가 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 자동차용 적층형 열전발전장치의 구성은, 배기가스 입구파이프와 배기가스 출구파이프 사이에, 제 1 열전소자와 제 2 열전소자를 내장한 다수개의 단위체모듈의 집합체인 열전발전유닛이 장착되며, 상기 배기가스 출구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 상부에 냉각수 입구가 형성되되 하부에 냉각수입구측막음판이 설치되고, 상기 배기가스 입구파이프 방향으로의 최외측 단위체모듈의 하부에 냉각수 출구가 형성되되 상부에 냉각수출구측막음판이 설치되고, 상기 단위체모듈의 좌우측에 상기 배기가스입구파이프로 유입된 배기가스가 유동되는 한쌍의 배기가스유동로가 형성되고, 상기 단위체모듈의 상하측에 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 유동되는 한쌍의 냉각수유동로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명 자동차용 적층형 열전발전장치의 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명 열전발전장치의 열전발전유닛은 수십개의 단위체 모듈이 적층된 구조를 이루고 있음으로써, 제한된 공간에서 효율적으로 고온부와 저온부의 통로를 구성하고 열전소자들의 적용 면적을 증대시켜 열전 발전량을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
둘째, 본 발명 열전발전장치의 열전발전유닛은 단위체 모듈을 기본단위로 이루어져 있으므로, 열전발전유닛에 사용되는 단위체 모듈의 수량을 조절하여 자동차 샤시의 레이아웃의 제약사항이나 엔진의 출력량의 변화에 대하여 적절하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명 열전발전장치의 열전발전유닛의 단위체 모듈은 각 단위체 모듈을 별도의 기밀 및 연결 부재없이 용접 방식을 통하여 일체로 조립되는 구조이므로 조립 산포를 감소시키고 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
넷째, 본 발명 열전발전장치의 열전발전유닛의 단위체 모듈은 동일한 형상과 갯수를 가진 부품들이 반복하여 조립되어지는 구조로서, 부품의 공급체계가 단순화되고 유지 관리가 용이하여 대량 생산에 적합하고, 나아가, 열전발전장치의 구조상의 강도가 양호한 효과를 수득할 수 있는 매우 진보한 발명인 것이다.
도 1 은 열전 모듈의 개념을 나타내는 모식도,
도 2 는 본 발명 열전발전장치의 사시도,
도 3 은 본 발명 열전발전장치의 배기가스 입구파이프 및 출구파이프가 분리된 상태의 사시도,
도 4 는 본 발명 열전발전장치의 단위체 모듈의 사시도,
도 5 는 본 발명 열전발전장치의 단위체 모듈의 분해사시도,
도 6 은 본 발명 열전발전장치의 일부절개사시도,
도 7 은 본 발명 열전발전장치의 작동을 나타내는 일부절개부 확대사시도,
도 8 은 본 발명 열전발전장치의 작동을 나타내는 단면도,
도 9 는 본 발명 열전발전장치의 열교환을 나타내는 단면모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 자동차용 적층형 열전발전장치의 구성을 상세하게 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2 는 본 발명 열전발전장치의 사시도, 도 3 은 본 발명 열전발전장치의 배기가스 입구파이프 및 출구파이프가 분리된 상태의 사시도이다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 본 발명 열전발전장치(1)는 배기가스가 유입되는 배기가스 입구파이프(2)와 배기가스가 배출되는 배기가스 출구파이프(3) 사이에 장착된 열전발전유닛(10)을 포함한다.
상기 열전발전유닛(10)의 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 상부에 냉각수 입구(4)가 형성되되 하부에 냉각수입구측막음판(6a)이 설치되고, 도 7 에 도시된 바와 같이 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 하부에 냉각수 출구(5)가 형성되되 상부에 냉각수출구측막음판(6b)이 설치된다.
그리고, 상기 열전발전유닛(10)의 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 일측에 배기가스 출구(8)가 형성되되 타측에는 상기 배기가스 입구파이프(2)로 유입된 배기가스의 배출을 제어하는 밸브(20)가 취부된다.
또한, 도 7 에 도시된 바와 같이 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 일측에 배기가스 입구(7)가 형성되고, 타측에는 배기가스막음판(9)이 설치된다.
이와 같은 본 발명 열전발전유닛(10)은 배기가스 입구파이프(2)로 유입된 배기가스가 배기가스 출구파이프(3)를 통하여 외부로 배출되고, 냉각수는 냉각수 입구(4)로부터 냉각수 출구(5)를 향해 유동하는 과정을 통하여, 엔진으로부터 발생된 배기열을 가진 배기가스와 차가운 냉각수와의 열교환이 수행된다.
그리고, 이러한 열교환에 의하여 열전발전유닛(10)에 내장된 금속 또는 반도체로 이루어진 제 1 열전소자(170)와 제 2 열전소자(171)의 양단에 온도차가 부여되어 가열된 열전소자와 냉각된 열전소자 사이에 발생된 전위차에 의하여 전기에너지가 발생된다.
본 발명의 열전발전유닛(10)은 상기 제 1 열전소자(170)와 제 2 열전소자(171)를 내장한 다수개의 단위체모듈(100)의 집합체로서, 도 4 는 상기 단위체모듈(100)의 구성을 나타낸 사시도, 도 5 는 상기 단위체모듈(100)의 분해사시도이다.
도 4 및 도 5 를 참조하면, 상기 단위체모듈(100)은 제 1 판(110)의 정면에제 2 판(120)이 부착되고, 제 2 판(120)의 정면에 제 3 판(130)이 부착되고, 제 3 판(130)의 정면에 제 4 판(140)이 부착되어, 제 1 판(110), 제 2 판(120), 제 3 판(130) 및 제 4 판(140)이 순차적으로 상호 결합되어 이루어진 단위체모듈(100)이다.
상기 단위체모듈(100)은 좌우측으로 배기가스가 유동되는 한쌍의 배기가스유동로(150)를 형성하고, 상하측으로 냉각수가 유동되는 한쌍의 냉각수유동로(160)를 형성한다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 단위체모듈(100)의 제 1 판(110)은 좌우측으로 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 1 판 배기가스통공(111,112)이 형성되고, 상하측으로 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 1 판 냉각수통공(113,114)이 형성된다.
또한, 상기 단위체모듈(100)의 제 2 판(120)은 좌우측으로 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 2 판 배기가스통공(121,122)이 형성되고, 상하측으로 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 2 판 냉각수통공(123,124)이 형성된다.
또한, 상기 단위체모듈(100)의 제 3 판(130)은 좌우측으로 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 3 판 배기가스통공(131,132)이 형성되고, 상하측으로 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 3 판 냉각수통공(133,134)이 형성된다.
또한, 상기 단위체모듈(100)의 제 4 판(140)은 좌우측으로 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 4 판 배기가스통공(141,142)이 형성되고, 상하측으로 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 4 판 냉각수통공(143,144)이 형성된다.
상기 제 1 판(110)과 제 2 판(120)과의 부착은 바람직하게는, 별도의 기밀 및 연결부재를 사용하지 아니하고, 용접 방식으로 통하여 부착시킨다. 이러한 용접 방식의 부착은 상기 제 2 판(120)과 제 3 판(130)과의 부착 및 제 3 판(130) 및 제 4 판(140)과의 부착에도 동일하게 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 2 판(120)과 제 3 판(130)과의 사이에 금속 또는 반도체로 이루어진 제 1 열전소자(170)가 부착된다.
아울러, 상기 제 4 판(140)의 표면에 금속 또는 반도체로 이루어진 제 2 열전소자(140)가 부착되는데, 상기 제 4 판(140)의 표면에 부착된 제 2 열전소자(140)는 상기 제 4 판(140)의 정면에 결합될 또 다른 단위체모듈(100)의 제 1 판(110)의 배면과 접촉하게 된다.
따라서, 상기와 같이 이루어지는 본 발명 단위체모듈(100)의 제 1 판(110), 제 2 판(120), 제 3 판(130) 및 제 4 판(140)이 결합되면 이들의 각각의 배기가스통공(111,112,121,122,131,132,141,142)들이 상호 중첩되면서 단위체모듈(100)의 한쌍의 배기가스유동로(150)를 형성하고, 이들의 각각의 냉각수통공(113,114,123,124,133,134,143,144)들이 상호 중첩되면서 단위체모듈(100)의 한쌍의 냉각수유동로(160)를 형성하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 단위체모듈(100)은 도 6 의 본 발명 열전발전장치의 일부절개사시도 및 도 7 의 본 발명 열전발전장치의 작동을 나타내는 일부절개부 확대사시도에 도시된 바와 같이, 배기가스입구파이프(2)로부터 유입된 배기가스는 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 일측 배기가스통공은 배기가스막음판(9)에 의하여 폐쇄되어 있기 때문에 그의 타측의 배기가스입구(7)로 유입되어 각 단위체모듈(100)의 배기가스유동로(150)를 통하여 배기가스출구파이프(3)를 향하여 유동된다.
아울러, 냉각수는 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 하부에 형성된 냉각수통공은 냉각수입구측막음판(6a)에 의하여 폐쇄되어 있기 때문에 그의 상부에 형성된 냉각수입구(4)로 유입되어 각 단위체모듈(100)의 냉각수유동로(160)를 통하여 냉각수출구(5)를 향하여 유동된다. 이때, 상기 입구파이프(2) 방향의 최외측 단위체모듈(100)의 상부에 형성된 냉각수통공은 냉각수출구측막음판(6b)에 의하여 폐쇄되어 있기 때문에 그의 하부에 형성된 냉각수출구(5)로만 냉각수가 배출되게 된다.
그러므로, 도 8 의 단위체모듈(100)의 단면도에 도시된 바와 같이, 냉각수입구(4)로 유입된 냉각수는 단위체모듈(100)의 냉각수유동로(160)를 통하여 각 단위체모듈(100)의 제 1 판(110)과 제 2 판(120) 사이로 유입되고, 배기가스입구(7)로 유입된 배기가스는 단위체모듈(100)의 제 3 판(130)과 제 4 판(140) 사이로 유입되므로, 상기 냉각수유동로(160)를 통하여 세로방향으로 유동되는 냉각수와 상기 배기가스입구(7)로 유입되어 가로방향으로 유동되되 배기열을 가진 배기가스가 상호 직교되면서 냉각수와 배기가스와의 열교환이 보다 활발하게 이루어지며, 이러한 배기가스와 냉각수와의 활발한 열교환에 의하여 제 2 판(120)과 제 3 판(130) 사이에 부착된 제 1 열전소자(170)의 양단에 온도차가 보다 크게 부여되고, 제 4 판(130)과 또 다른 단위체모듈(100)의 제 1 판(110') 사이에 부착된 제 2 열전소자(171)의 양단에 온도차가 보다 크게 부여됨으로써, 가열된 열전소자와 냉각된 열전소자 사이에 전위차의 발생이 크게 형성되어 전기에너지의 생성이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.
한편, 본 발명 실시예에 의하면, 본 발명 열전발전유닛(10)의 배기가스 출구파이프(3) 방향의 최외측에 위치한 단위체 모듈(100)의 타측에 밸브(20)가 취부된다.
상기 밸브(20)는 도 9 의 상단 (a)에 도시된 바와 같이, 밸브(20)가 폐쇄될 경우, 배기가스입구파이프(2)로 유입된 배기가스가 밸브(20)에 의하여 배출되지 못하고 배기가스출구(8)를 통해서만 배출되는 과정에서 상술한 바와 같은 냉각수와의열교환을 통한 열전발전이 수행된다.
반면, 도 9 의 하단 (b)에 도시된 바와 같이, 밸브(20)가 개방될 경우, 배기가스입구파이프(2)로 유입된 배기가스가 개방된 상태의 밸브(20)를 통과하게 되고, 동시에 배기가스출구(8)를 통해서도 배출됨으로써 열전발전유닛(10)의 열전발전이 일부분 제한되는 바이패스(bypass) 운전이 수행되며, 이러한 바이패스 운전은 열전발전을 제한함으로써 고부하 주행에 따른 열전소자의 과열을 방지하기 위하여 실시된다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1; 본 발명 열전발전장치
2; 배기가스 입구파이프
3; 배기가스 출구파이프
4; 냉각수 입구
5; 냉각수 출구
6a; 냉각수입구측 막음판
6b; 냉각수출구측 막음판
7; 배기가스 입구
8; 배기가스 출구
9; 배기가스 막음판
10; 열전발전유닛
20; 밸브
100; 단위체 모듈
110; 제 1 판
111,112; 제 1 판 배기가스 통공
113,114; 제 1 판 냉각수 통공
120; 제 2 판
121,122; 제 2 판 배기가스 통공
123,124; 제 2 판 냉각수 통공
130; 제 3 판
131,132; 제 3 판 배기가스 통공
133,134; 제 3 판 냉각수 통공
140; 제 4 판
141,142; 제 4 판 배기가스 통공
143,144; 제 4 판 냉각수 통공
150; 배기가스 유동로
160; 냉각수 유동로
170; 제 1 열전소자
171; 제 2 열전소자

Claims (7)

  1. 자동차용 열전발전장치에 있어서,
    배기가스 입구파이프(2)와 배기가스 출구파이프(3) 사이에 장착되는 다수개의 단위체모듈(100)을 집합시킨 열전발전유닛(10)을 포함하고,
    상기 열전발전유닛(10)은,
    상기 배기가스 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)에 냉각수 입구(4)가 형성되고, 상기 배기가스 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 하부에 냉각수 출구(5)가 형성되고,
    상기 배기가스 입구파이프(2)로 유입된 배기가스와 상기 냉각수 입구(4)로 유입된 냉각수가 상호 직교되는 방향으로 유동하면서 이루어지는 배기가스와 냉각수와의 열교환에 따라서 전위차를 발생시키는 제 1 열전소자(170)와 제 2 열전소자(171)를 내장하고,
    상기 단위체모듈(100)의 좌우측에 상기 배기가스입구파이프(2)로 유입된 배기가스가 유동되는 한쌍의 배기가스유동로(150)가 형성되고,
    상기 단위체모듈(100)의 상하측에 상기 냉각수 입구(4)로 유입된 냉각수가 유동되는 한쌍의 냉각수유동로(160)가 형성되는 구성을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)에 냉각수입구측막음판(6a)이 설치되고,
    상기 배기가스 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)에 냉각수출구측막음판(6b)이 설치되는 구성을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전발전유닛(10)의 출구파이프(3) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 일측에 배기가스 출구(8)가 형성되되 그 타측에 밸브(20)가 취부되고,
    상기 입구파이프(2) 방향으로의 최외측 단위체모듈(100)의 일측에 배기가스 입구(7)가 형성되고, 그 타측에 배기가스막음판(9)이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위체모듈(100)은,
    제 1 판(110), 제 2 판(120), 제 3 판(130) 및 제 4 판(140)이 순차적으로 상호 결합되어 이루어지고,
    상기 제 1 판(110)은 좌우측에 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 1 판 배기가스통공(111,112)이 형성되고, 상하측에 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 1 판 냉각수통공(113,114)이 형성되고,
    상기 제 2 판(120)은 좌우측에 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 2 판 배기가스통공(121,122)이 형성되고, 상하측에 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 2 판 냉각수통공(123,124)이 형성되고,
    상기 제 3 판(130)은 좌우측에 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 3 판 배기가스통공(131,132)이 형성되고, 상하측에 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 3 판 냉각수통공(133,134)이 형성되고,
    상기 제 4 판(140)은 좌우측에 배기가스가 유동되는 한쌍의 제 4 판 배기가스통공(141,142)이 형성되고, 상하측에 냉각수가 유동되는 한쌍의 제 4 판 냉각수통공(143,144)이 형성되는 구성을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 열전소자(170)는 상기 제 2 판(120)과 제 3 판(130)의 사이에 부착되고,
    상기 제 2 열전소자(171)는 상기 제 4 판(140)의 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 단위체모듈(100)의 제 1 판(110), 제 2 판(120), 제 3 판(130) 및 제 4 판(140)은 용접방식으로 부착되는 것을 특징으로 하는 자동차용 적층형 열전발전장치.
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