KR102098362B1

KR102098362B1 - 열전 발전 장치

Info

Publication number: KR102098362B1
Application number: KR1020187012178A
Authority: KR
Inventors: 노리아키 유카와; 히사시 가노우; 도시오 미츠야스; 유타카 미야모토; 신지 나카무라; 고지 이이지마; 미노루 마츠시타; 마사무네 야나기하라; 가즈오 마츠다; 다다시 마츠모토; 도시히데 히라이; 사토시 다나카
Original assignee: 파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 히사카 세이사쿠쇼; 치요다가코겐세츠가부시키가이샤
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2020-04-07
Also published as: US20180287036A1; JPWO2017056514A1; CN108140712A; EP3358634A4; KR20180063207A; CN108140712B; WO2017056514A1; JP6646859B2; EP3358634A1; PH12018500705A1

Abstract

[과제] 열전 발전 장치에 있어서, 플레이트를 열전 모듈에 대응한 형상으로 함과 아울러 플레이트의 강성을 증가시킨다. [해결수단] 열전 발전 장치(1)는, 적어도 하나의 열전 소자(15A, 15B)를 포함한 열전 모듈(5)과, 열전 모듈을 사이에 두는 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)를 포함하는 유닛(7)이 복수 적층되고, 제1 플레이트의 열전 소자 측과 상반되는 쪽의 면(2A)과, 제2 플레이트의 열전 모듈 측과 상반되는 쪽의 면(3B) 사이에는, 제1 플레이트 및 제2 플레이트에 맞닿음과 아울러 제1 플레이트 및 제2 플레이트와 함께 유로(51, 52)를 형성하는 스페이서(32)가 설치되며, 유로는 유닛의 적층 방향에 있어서 복수 형성되고, 유닛의 적층 방향에 있어서 고온 유체 및 저온 유체가 교대로 공급된다.

Description

열전 발전 장치

본 발명은, 공급되는 고온 유체 및 저온 유체의 온도차를 이용하여 열전 소자에 의해 발전하는 열전 발전 장치 및 열전 발전 방법에 관한 것이다.

제벡 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자를 이용하여 발전 시스템을 구성한 것이 있다(예를 들어, 특허문헌 1). 특허문헌 1에서는, 열전도성을 갖는 한 쌍의 플레이트에 의해 열전 소자를 끼워넣어 플레이트 형상 열발전 유닛을 형성하고, 플레이트 형상 열발전 유닛을 복수 적층하여, 인접하는 플레이트 형상 열발전 유닛의 사이에 고온 유체가 흐르는 고온 유체 통로 및 저온 유체가 흐르는 저온 유체 통로를 형성하고 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2009-81970호 공보

복수의 열전 소자로 이루어지는 열전 모듈을 사이에 두는 플레이트는, 열전 모듈과의 열교환을 촉진하기 위해 열전 모듈과의 접촉 면적이 큰 것이 바람직하다. 그 때문에, 통상 평판 형상으로 형성되는 열전 모듈에 대응하여 플레이트는 평면 형상인 것이 바람직하다. 그러나, 플레이트를 평면 형상으로 하면 플레이트의 강성이 저하되기 때문에, 고온 유체 및 저온 유체의 압력에 의해 플레이트가 변형되고, 열전 모듈에 압력이 가해져 열전 모듈이 파손된다는 문제가 있다. 또한, 플레이트의 표면이 평면 형상이면, 고온 유체 및 저온 유체의 난류가 촉진되지 않고 플레이트의 표면에 고온 유체 및 저온 유체가 균일하게 공급되지 않게 됨과 아울러, 고온 유체 및 저온 유체와 플레이트 사이의 열교환 효율이 저하된다는 문제가 있다.

본 발명은 이상의 배경을 감안하여, 열전 발전 장치에 있어서 플레이트를 열전 모듈에 대응한 형상으로 함과 아울러 플레이트의 강성을 증가시키는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 관한 열전 발전 장치(1)는, 적어도 하나의 열전 소자(15A, 15B)를 포함한 열전 모듈(5)과, 상기 열전 모듈을 사이에 두는 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)를 포함하는 유닛(7)이 복수 적층되고, 상기 제1 플레이트의 상기 열전 소자 측과 상반되는 쪽의 면(2A)과, 상기 제2 플레이트의 상기 열전 모듈 측과 상반되는 쪽의 면(3B) 사이에는, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트에 맞닿음과 아울러 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트와 함께 유로(51, 52)를 형성하는 스페이서(32)가 설치되며, 상기 유로는 상기 유닛의 적층 방향에 있어서 복수 형성되고, 상기 유닛의 적층 방향에 있어서 고온 유체 및 저온 유체가 교대로 공급되는 것을 특징으로 한다.

이 태양에 의하면, 제1 및 제2 플레이트는, 제1 및 제2 플레이트 사이에 배치된 스페이서에 의해 지지되기 때문에, 강성이 증가하고 변형이 발생하기 어려워진다. 또한, 스페이서에 의해 제1 및 제2 플레이트의 강성이 증가하기 때문에, 제1 및 제2 플레이트의 박육화(薄肉化)나 평면화가 가능해지고, 고온 유체 및 저온 유체와 열전 모듈의 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기의 태양에 있어서, 상기 스페이서는, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 한쪽에 결합되어 있으면 좋다.

이 태양에 의하면, 스페이서가 결합된 플레이트는 강성이 한층 더 향상된다.

상기의 태양에 있어서, 상기 스페이서는, 복수의 요철(33A, 33B)을 형성하도록 절곡된 금속판(33)이면 좋다.

이 태양에 의하면, 스페이서를 간소한 구성으로 형성할 수 있다.

상기의 태양에 있어서, 상기 열전 모듈은, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 한쪽에 접착되고, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 다른 쪽에 접촉하고 있으면 좋다.

이 태양에 의하면, 열전 발전 장치의 유지보수시 등에, 제1 플레이트 및 제2 플레이트 중 다른 쪽과 열전 모듈을 용이하게 분해할 수 있어 열전 모듈의 파손이 방지된다.

상기의 태양에 있어서, 상기 열전 모듈은, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 한쪽에 접착되고, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 다른 쪽에 붙여진 금속막(25)에 접촉하고 있으면 좋다.

이 태양에 의하면, 금속막이 변형됨으로써, 금속막과 열전 모듈의 밀착성이 향상되고 플레이트와 열전 모듈의 열교환 효율이 향상된다.

상기의 태양에 있어서, 상기 금속막은, 열전도성 그리스(21)에 의해 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 다른 쪽에 붙여져 있으면 좋다.

이 태양에 의하면, 열전도성 그리스에 의해 금속막과 열전 모듈의 밀착성이 한층 더 향상된다. 또한, 금속막과 플레이트의 밀착성이 향상된다.

상기의 태양에 있어서, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 상기 열전 모듈과 대향하는 부분(2G, 3G)은 평면으로 형성되어 있으면 좋다.

이 태양에 의하면, 제1 및 제2 플레이트와 평판 형상의 열전 모듈 간의 접촉 면적을 증가시켜 제1 및 제2 플레이트와 열전 모듈의 열교환을 촉진할 수 있다. 이에 의해, 열전 모듈의 양단부에 발생하는 온도차가 증가하고 열전 모듈의 발전 효율이 향상된다.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 상기의 열전 발전 장치를 이용한 열전 발전 방법으로서, 상기 스페이서에 의해 형성된 복수의 유로에, 상대적으로 고온의 유체인 고온 유체 및 상대적으로 저온의 유체인 저온 유체를 상기 유닛의 적층 방향에 있어서 교대로 공급하는 것을 특징으로 한다.

이 태양에 의하면, 고효율의 열전 발전이 실현된다.

이상의 태양에 의하면, 열전 발전 장치에 있어서 플레이트를 열전 모듈에 대응한 형상으로 함과 아울러 플레이트의 강성을 증가시킬 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 열전 발전 장치의 분해 사시도
도 2는 열전 발전 장치의 하나의 유닛을 제1 플레이트 측에서 본 분해 사시도
도 3은 열전 발전 장치의 하나의 유닛을 제2 플레이트 측에서 본 분해 사시도
도 4는 열전 모듈의 단면도
도 5는 제1 플레이트의 제1면을 확대하여 나타내는 사시도
도 6은 열전 발전 장치의 단면도

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 열전 발전 장치의 실시형태에 대해 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열전 발전 장치(1)는 복수매의 플레이트(2, 3)와, 소정의 플레이트(2, 3) 사이에 개재되는 열전 모듈(5)을 가진다. 복수매의 플레이트(2, 3) 및 열전 모듈(5)은, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)와, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)의 사이에 개재되는 열전 모듈(5)에 의해 반복의 최소 단위가 되는 유닛(7)을 구성하고 있다.

하나의 유닛(7)을 구성하는 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)는, 각각 금속판으로 형성되고 서로 동일한 대략 직사각형의 외형을 가진다. 본 실시형태에서는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)는 상하로 긴 대략 직사각형으로 형성되어 있다. 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)는, 주면(主面)이 전후를 향하도록 배치되고 전면(2A, 3A) 및 후면(2B, 3B)을 가진다. 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)는, 제1 플레이트(2)의 후면(2B)이 제2 플레이트(3)의 전면(3A)과 대향하도록 전후 방향으로 서로 적층되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)는, 대략 직사각형의 외형의 4개의 모서리부에 두께 방향으로 관통하는 제1 구멍(2C, 3C), 제2 구멍(2D, 3D), 제3 구멍(2E, 3E) 및 제4 구멍(2F, 3F)을 가진다. 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 제1 구멍(2C, 3C)은 서로 대향하고, 마찬가지로 제2 구멍(2D, 3D), 제3 구멍(2E, 3E) 및 제4 구멍(2F, 3F)도 서로 대향한다. 전방을 향한 상태를 기준으로 하여 각 플레이트(2, 3)에 있어서, 제1 구멍(2C, 3C)은 우측 위 모서리부, 제2 구멍(2D, 3D)은 좌측 위 모서리부, 제3 구멍(2E, 3E)은 좌측 아래 모서리부, 제4 구멍(2F, 3F)은 우측 아래 모서리부에 형성되어 있다. 각 구멍은, 예를 들어 원형으로 형성되어 있으면 좋다.

제1 플레이트(2)의 중앙부(2G)의 후면(2B) 및 제2 플레이트(3)의 중앙부(3G)의 전면(3A)은, 평활한 평면으로 형성되어 있다. 상세하게는, 중앙부(2G, 3G)는 각 플레이트(2, 3)의 상하 방향에 있어서의 중앙부(2G, 3G)로서, 각 플레이트(2, 3)의 좌우의 가장자리부(2K, 3K)를 제외한 부분을 말한다. 각 플레이트(2, 3)의 제1 구멍(2C, 3C) 및 제2 구멍(2D, 3D)의 주위를 포함한 상단부(2H, 3H)와, 제3 구멍(2E, 3E) 및 제4 구멍(2F, 3F)의 주위를 포함한 하단부(2J, 3J)와, 중앙부(2G, 3G)의 좌우 양측을 상하로 연장하는 좌우의 가장자리부(2K, 3K)는, 엠보싱 가공이 이루어지고, 표면 및 이면은 복수의 비드(11)(요철)가 형성되어 있다. 이 비드(11)는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)의 굽힘 강성을 높이는 효과를 나타낸다. 또한, 후술하지만, 제1 플레이트(2)의 표면 및 제2 플레이트(3)의 이면을 따라 흐르는 유체의 박리 및 진동을 야기하여 혼란을 촉진하는 효과를 나타낸다.

제2 플레이트(3)의 표면의 중앙부(3G)에는, 복수의 열전 모듈(5)이 배치되어 있다. 열전 모듈(5)은, 복수의 열전 소자(15A, 15B)를 평면 형상으로 배치한 것으로, 한쪽 면과 다른 쪽 면의 사이에 온도차가 발생함으로써 전력을 발생하는 것이다. 열전 모듈(5)은, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 2장의 플레이트(13A, 13B)와, 2장의 플레이트(13A, 13B)의 사이에 배치된 복수의 열전 소자(15A, 15B)를 가진다. 열전 소자(15A, 15B)는, 제벡 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로서, 복수의 p형 반도체(15A)와 복수의 n형 반도체(15B)를 포함한다. 복수의 열전 소자(15A, 15B)는, 2장의 플레이트(13A, 13B)의 사이에서 각 플레이트(13A, 13B)를 따르도록 평면 형상으로 배치된다. 열전 소자(15A)의 한쪽 플레이트(13A) 측에 배치되는 단부는, 인접하는 열전 소자(15B)의 한쪽 플레이트(13A) 측에 배치되는 단부와 전극(16)에 의해 접속되고, 열전 소자(15A)의 다른 쪽 플레이트(13B) 측에 배치되는 단부는, 다른 인접하는 열전 소자(15B)의 다른 쪽 플레이트(13B) 측에 배치되는 단부와 전극(16)에 의해 접속되어 있다. 열전 소자(15A, 15B) 및 전극(16)과 각 플레이트(13A, 13B)의 사이에는 절연재(17)가 개재되어 있다. 이에 의해, 복수의 열전 소자(15A, 15B)는 일련의 전기 회로를 형성한다. 각 열전 소자(15A, 15B)의 접속 방법은 직렬이나 병렬 등 임의로 선택할 수 있다. 본 실시형태에서는, 하나의 열전 모듈(5)에 포함되는 복수의 열전 소자(15A, 15B)는 서로 직렬이 되도록 접속되고, 전기 회로의 양단을 형성하는 전극(16)에는 리드선(18)이 접속되어 있다(도 6 참조).

열전 모듈(5)을 구성하는 2장의 플레이트(13A, 13B)의 가장자리부는, 리드선(18)을 인출하는 부분을 제외하고 서로 결합되어 있다. 열전 모듈(5)은, 각 플레이트(13A, 13B)가 주면을 이루는 편평한 직육면체, 즉 평판 형상으로 형성된다. 열전 모듈(5)은, 주면이 전후를 향하도록 제2 플레이트(3)의 전면(3A) 측에 배치된다. 열전 모듈(5)의 전후의 주면은 평활한 평면으로 형성되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제2 플레이트(3)의 전면(3A)의 중앙부(3G)와 열전 모듈(5)의 사이에는 심 플레이트(20)가 개재되어 있다. 심 플레이트(20)는, 열전 모듈(5)의 플레이트(13A)의 전면이 제1 플레이트(2)의 후면(2B) 또는 후면(2B)에 결합된 부재에 맞닿음 가능하도록, 제1 플레이트(2)의 후면(2B) 및 제2 플레이트(3)의 전면(3A)의 거리에 따라 두께가 조정되어 있다. 심 플레이트(20)는, 구리나 알루미늄 등의 열전도율이 높은 금속판으로 형성되고, 전면 및 후면이 평활한 평면으로 형성되어 있다. 심 플레이트(20)와 제2 플레이트(3)의 전면(3A)의 중앙부(3G) 사이, 심 플레이트(20)와 열전 모듈(5)의 후면 사이에는, 열전도성 그리스(21)가 개재되어 있다. 열전도성 그리스(21)는, 실리콘 그리스 등에 구리나 알루미늄, 산화 마그네슘 등의 열전도율이 높은 금속이나 금속 산화물의 입자를 분산시킨 공지의 열전도성 그리스이어도 된다. 열전도성 그리스(21)는, 제2 플레이트(3)의 전면(3A)의 중앙부(3G)와 심 플레이트(20)의 간극, 심 플레이트(20)와 열전 모듈(5)의 간극을 메우고, 제2 플레이트(3)와 열전 모듈(5)의 열전도성을 향상시킨다.

열전도성 그리스(21)의 점성에 의해, 제2 플레이트(3)의 전면(3A)의 중앙부(3G)에 대해 심 플레이트(20)가 보유지지되고, 심 플레이트(20)의 전면에 복수의 열전 모듈(5)이 보유지지되어 있다. 복수의 열전 모듈(5)의 리드선(18)은 직렬이나 병렬 등 임의로 접속되어 있다.

도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(2)의 후면(2B)의 중앙부(2G)에는, 열전도성 그리스(21)에 의해 금속막(25)이 보유지지되어 있다. 금속막(25)은, 구리나 알루미늄 등으로 형성되어 있다. 금속막(25)은, 복수의 열전 모듈(5)의 전면(2A, 3A) 각각에 대응하도록 복수매로 분할되어 있어도 되고, 복수의 열전 모듈(5)의 각 전면(플레이트(13A)) 모두에 대응하도록 1장으로 형성되어 있어도 된다. 금속막(25)은, 각 열전 모듈(5)의 전면의 전체 영역과 맞닿음 가능한 크기로 형성되고, 열전도성 그리스(21)와 열전 모듈(5)의 접촉을 저지하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(2)의 후면(2B)과 제2 플레이트(3)의 전면(3A) 사이에는 제1 가스켓(30)이 개재된다. 제1 가스켓(30)은, 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 중앙부(2G, 3G)를 둘러싸는 테두리부와, 제1 구멍(2C, 3C)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제2 구멍(2D, 3D)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제4 구멍(2F, 3F)의 주위를 둘러싸는 테두리부를 가진다. 제1 플레이트(2)의 후면(2B) 및 제2 플레이트(3)의 전면(3A)은, 제1 가스켓(30)과 맞닿는 부분이 평면 형상으로 형성되어 있다. 중앙부(2G, 3G)를 둘러싸는 테두리부에 있어서, 다른 테두리부와 일부를 공유하지 않는 부분, 즉 외부와 구획되는 부분에는, 열전 모듈(5)로부터 연장되는 리드선(18)을 인출하기 위한 인출부가 형성되어 있다. 인출부는, 예를 들어 제1 가스켓(30)의 두께를 얇게 함으로써 형성되어 있다.

제1 가스켓(30)을 개재하여 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)가 서로 조립된 조립 상태에서는, 제1 플레이트(2)의 후면(2B)과 제2 플레이트(3)의 전면(3A)간의 공간은, 중앙부(2G, 3G)를 포함한 공간과, 제1 구멍(2C, 3C)을 포함한 공간과, 제2 구멍(2D, 3D)을 포함한 공간과, 제3 구멍(2E, 3E)을 포함한 공간과, 제4 구멍(2F, 3F)을 포함한 공간으로 구획되어 밀봉된다. 또, 다른 실시형태에서는, 중앙부(2G, 3G)를 포함한 공간은 외부에 대해 개방되어 있어도 된다. 조립 상태에서는, 각 열전 모듈(5)의 전면이 제1 플레이트(2)의 후면(2B)에 설치된 금속막(25)에 면 접촉하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(2)의 전면(2A)의 중앙부(2G)에는 스페이서(32)가 설치되어 있다. 스페이서(32)는, 복수의 유닛(7)이 전후로 적층되었을 때에, 제1 플레이트(2)의 전면(2A)의 중앙부(2G) 및 제2 플레이트(3)의 후면(3B)의 중앙부(3G)에 복수 개소에서 맞닿고, 제1 플레이트(2)의 전면(2A) 및 제2 플레이트(3)의 후면(3B) 사이의 거리를 유지함과 아울러, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)의 중앙부(2G, 3G)를 지지하여 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)의 중앙부(2G, 3G)에 강성을 부여한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서는, 스페이서(32)는 오목부(33A) 및 볼록부(33B)를 가지도록 굴곡 성형된 복수의 띠형상의 금속판(33)을 가진다. 금속판(33)은, 좌우로 연장되어, 전방으로 돌출되는 볼록부(33B) 및 후방으로 움푹 패인 오목부(33A)가 좌우 방향으로 등간격이고 교대로 배치되어 있다. 각 금속판(33)은, 상하에서 서로 인접하는 것이, 상하로 간격을 두도록 배치되어 있다. 또한, 상하에서 인접하는 각 금속판(33)은, 하나의 볼록부(33B)의 좌우 폭의 절반만큼 서로 좌우로 오프셋하여 배치되어 있다. 이에 의해, 볼록부(33B) 및 오목부(33A)에 의해 형성되는 각 통로(공간)가 상하 방향에 있어서 정합(整合)되지 않게 되어(좌우로 어긋나서), 각 통로를 흐르는 유체의 난류화가 한층 더 촉진된다. 다른 실시형태에서는, 상하에서 인접하는 각 금속판(33)은 하나의 볼록부(33B)의 좌우 폭만큼 서로 좌우로 오프셋하여 배치되어 있어도 된다. 각 금속판(33)은, 오목부(33A)의 바닥부를 구성하는 부분이 제1 플레이트(2)의 전면(2A)에 면 접촉하고, 제1 플레이트(2)의 전면(2A)에 용접되어 있다. 각 금속판(33)의 각 볼록부(33B)의 선단면은, 제1 플레이트(2)의 전면(2A)과 평행한 하나의 가상면 상에 배치되어 있다. 이에 의해, 각 유닛(7)이 전후로 적층되었을 때에 각 볼록부(33B)의 선단면은 제2 플레이트(3)의 후면(2B, 3B)의 중앙부(2G, 3G)에 면 접촉할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제2 플레이트(3)의 후면(3B)과 제1 플레이트(2)의 전면(2A)의 사이에는 제2 가스켓(35) 또는 제3 가스켓(36)이 개재된다. 제2 가스켓(35)은, 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 중앙부(2G, 3G), 제1 구멍(2C, 3C)의 주위 및 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 일체로 둘러싸는 테두리부와, 제2 구멍(2D, 3D)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제4 구멍(2F, 3F)의 주위를 둘러싸는 테두리부를 가진다. 제3 가스켓(36)은, 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 중앙부(2G, 3G), 제4 구멍(2F, 3F)의 주위 및 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 일체로 둘러싸는 테두리부와, 제1 구멍(2C, 3C)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 둘러싸는 테두리부를 가진다. 복수의 유닛(7)이 적층된 상태로, 전후에 복수 형성되는 제2 플레이트(3)의 후면(3B)과 제1 플레이트(2)의 전면(2A)의 사이에는 제2 가스켓(35) 및 제3 가스켓(36)이 교대로 배치된다. 즉, 제1 플레이트(2), 제1 가스켓(30), 제2 플레이트(3), 제2 가스켓(35), 제1 플레이트(2), 제1 가스켓(30), 제2 플레이트(3), 제3 가스켓(36)이 반복하게 배치된다.

제2 가스켓(35)을 개재하여 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)가 서로 조립된 조립 상태에서는, 제2 플레이트(3)의 후면(3B)과 제1 플레이트(2)의 전면(2A)간의 공간은, 중앙부(2G, 3G), 제1 구멍(2C, 3C) 및 제3 구멍(2E, 3E)을 포함한 공간과, 제2 구멍(2D, 3D)을 포함한 공간과, 제4 구멍(2F, 3F)을 포함한 공간으로 구획되어 각각이 밀봉된다. 또한, 제3 가스켓(36)을 개재하여 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)가 서로 조립된 조립 상태에서는, 제2 플레이트(3)의 후면(3B)과 제1 플레이트(2)의 전면(2A)간의 공간은, 중앙부(2G, 3G), 제2 구멍(2D, 3D) 및 제4 구멍(2F, 3F)을 포함한 공간과, 제1 구멍(2C, 3C)을 포함한 공간과, 제3 구멍(2E, 3E)을 포함한 공간으로 구획되어 각각이 밀봉된다. 각각의 조립 상태에서는, 스페이서(32)의 볼록부(33B)의 선단면이 제2 플레이트(3)의 후면(3B)의 중앙부(2G, 3G)에 면 접촉하고 있다.

전후로 적층된 복수의 유닛(7)의 앞쪽에는 전단 플레이트(41)가 배치되고, 뒤쪽에는 후단 플레이트(42)가 배치되어 있다. 전단 플레이트(41)는, 제1 플레이트(2)와 마찬가지의 구성을 가진다. 구체적으로는, 전단 플레이트(41)는 제1~제4 구멍(2C~2F)에 대응하는 제1~제4 구멍(41C~41F)을 가지며, 전면에 스페이서(32)를 가진다. 후단 플레이트(42)는, 제1~제4 구멍(2C~2F)을 가지지 않는 점을 제외하고, 제1 플레이트(2)와 마찬가지의 구성을 가지며, 전면에 스페이서(32)를 포함한다. 전단 플레이트(41)의 앞쪽에는 전방 아우터 플레이트(44)가 배치되고, 후단 플레이트(42)의 뒤쪽에는 후방 아우터 플레이트(45)가 배치되어 있다.

전방 아우터 플레이트(44)는, 전단 플레이트(41)의 제1 구멍(41C)과 대향하는 부분에 고온 유체 입구 구멍(44C), 제2 구멍(41D)과 대향하는 부분에 저온 유체 출구 구멍(44D), 제3 구멍(41E)과 대향하는 부분에 고온 유체 출구 구멍(44E), 제4 구멍(41F)과 대향하는 부분에 저온 유체 입구 구멍(44F)을 가진다. 고온 유체 입구 구멍(44C), 저온 유체 출구 구멍(44D), 고온 유체 출구 구멍(44E) 및 저온 유체 입구 구멍(44F)은 전방 아우터 플레이트(44)를 두께 방향으로 관통한다. 고온 유체 입구 구멍(44C)은 고온 유체원에 접속되고, 고온 유체 출구 구멍(44E)은 고온 유체 배출부에 접속되며, 저온 유체 입구 구멍(44F)은 저온 유체원에 접속되고, 저온 유체 출구 구멍(44D)은 저온 유체 배출부에 접속된다.

전방 아우터 플레이트(44)의 후면과 전단 플레이트(41)의 전면의 사이에는 제1 가스켓(30)이 개재되어 있다. 전단 플레이트(41)의 후면과 가장 앞쪽에 배치된 유닛(7)의 제1 플레이트(2)의 전면(2A) 사이에는 제2 가스켓(35)이 개재되어 있다. 가장 뒤쪽에 배치된 유닛(7)의 제2 플레이트(3)의 후면(3B)과 후단 플레이트(42)의 전면 사이에는 제3 가스켓(36)이 개재되어 있다.

전방 아우터 플레이트(44)와 후방 아우터 플레이트(45)는 전후로 연장되는 복수의 타이 로드(도시생략)에 의해 결합되고, 전단 플레이트(41), 복수매의 유닛(7), 후단 플레이트(42) 및 각 가스켓(30, 35, 36)은 전방 아우터 플레이트(44) 및 후방 아우터 플레이트(45)에 의해 전후 방향으로부터 협지(挾持; 끼움지지)되어 있다.

전방 아우터 플레이트(44)의 후면, 제1 가스켓(30) 및 전단 플레이트(41)의 전면은, 고온 유체 입구 구멍(44C)과 제1 구멍(41C)을 접속하는 통로, 저온 유체 출구 구멍(44D)과 제2 구멍(41D)을 접속하는 통로, 고온 유체 출구 구멍(44E)과 제3 구멍(41E)을 접속하는 통로, 저온 유체 입구 구멍(44F)과 제4 구멍(41F)을 접속하는 통로를 형성한다.

제1 플레이트(2)의 후면(2B), 제1 가스켓(30) 및 제2 플레이트(3)의 전면(3A)은, 각 플레이트(2, 3)의 각 제1 구멍(2C, 3C)을 접속하는 통로, 각 제2 구멍(2D, 3D)을 접속하는 통로, 각 제3 구멍(2E, 3E)을 접속하는 통로, 각 제4 구멍(2F, 3F)을 접속하는 통로를 형성함과 아울러, 열전 모듈(5)이 배치된 중앙부(2G, 3G)를 각 통로로부터 격리한다.

제2 플레이트(3)의 후면(3B)(또는 전단 플레이트(41)의 후면), 제2 가스켓(35) 및 제1 플레이트(2)의 전면(3A)은, 각 플레이트(2, 3(41))의 각 제1 구멍(2C, 3C(41C)), 중앙부(2G, 3G) 및 각 제3 구멍(2E, 3E(41E))을 서로 접속하는 고온 유체 통로(51)를 형성한다. 고온 유체 통로(51)는, 제1 구멍(2C, 3C(41C))으로부터 제3 구멍(2E, 3E(41E))으로 향하여 중앙부(2G, 3G)를 상방으로부터 하방으로 대각선 형상으로 경사져 흐르는 유로이다(도 1 및 도 6 중 흰 화살표 참조). 고온 유체 통로(51)는, 중앙부(2G, 3G)에서 상단부(2H, 3H) 및 하단부(2J, 3J)보다 좌우 폭이 크게 형성되어 있다.

제2 플레이트(3)의 후면(3B), 제3 가스켓(36) 및 제1 플레이트(2)의 전면(3A)(또는 후단 플레이트(42)의 전면)은, 각 플레이트(2, 3(42))의 각 제2 구멍(2D, 3D(42D)), 중앙부(2G, 3G) 및 각 제4 구멍(2F, 3F(42F))을 서로 접속하는 저온 유체 통로(52)를 형성한다. 저온 유체 통로(52)는, 제4 구멍(2F, 3F(42F))으로부터 제2 구멍(2D, 3D(42D))으로 향하여 중앙부(2G, 3G)를 하방으로부터 상방으로 대각선 형상으로 경사져 흐르는 유로이다(도 1 및 도 6 중 검은 화살표 참조). 저온 유체 통로(52)는, 중앙부(2G, 3G)에서 상단부(2H, 3H) 및 하단부(2J, 3J)보다 좌우 폭이 크게 형성되어 있다.

이상의 구성에 의해, 고온 유체 입구 구멍(44C)에 공급되는 고온 유체는, 각 제1 구멍(2C, 3C, 41C), 각 고온 유체 통로(51), 각 제3 구멍(2E, 3E, 41E)을 차례대로 통과하여 고온 유체 출구 구멍(44E)으로부터 배출된다. 한편, 저온 유체 입구 구멍(44F)에 공급되는 저온 유체는, 각 제4 구멍(41F, 2F, 3F), 각 저온 유체 통로(52), 각 제2 구멍(3D, 2D, 41D)을 차례대로 통과하여 저온 유체 출구 구멍(44D)으로부터 배출된다. 이에 의해, 열전 모듈(5)을 사이에 두는 한 쌍의 플레이트(2, 3)의 전면(2A) 및 후면(3B)에는 고온 유체 및 저온 유체가 대향류가 되어 흐르고, 열전 모듈(5)의 전면 및 후면에 온도차가 발생한다.

이상과 같이 구성한 실시형태의 열전 발전 장치(1)는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)의 열전 모듈(5)과 대향한 중앙부(2G, 3G)가 평활한 평면으로 형성되기 때문에, 금속막(25)을 개재한 제1 플레이트(2)와 열전 모듈(5)의 접촉 면적 및 심 플레이트(20)를 개재한 제2 플레이트(3)와 열전 모듈(5)의 접촉 면적을 증가시켜 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)와 열전 모듈(5)의 열교환을 촉진할 수 있다. 이에 의해, 열전 모듈(5)의 전면 및 후면에 발생하는 온도차가 증가하여 열전 모듈(5)의 발전 효율이 향상된다. 제1 및 제2 플레이트(3, 4)는 제1 및 제2 플레이트(3, 4) 사이에 배치된 스페이서에 의해 지지되기 때문에, 강성이 증가하여 변형이 발생하기 어려워진다. 또한, 스페이서에 의해 제1 및 제2 플레이트의 강성이 증가하기 때문에, 제1 및 제2 플레이트의 박육화가 가능해지고, 고온 유체 및 저온 유체와 열전 모듈의 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

스페이서(32)는 제1 플레이트(2)에 결합되어 있기 때문에, 제1 플레이트(2)의 강성이 한층 더 향상된다. 또한, 스페이서(32)가 제1 플레이트(2)에 결합되어 있기 때문에, 열전 발전 장치(1)의 조립이 용이해진다.

스페이서(32)는, 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52) 안을 횡단하여 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52)를 단속적으로 복수의 통로로 구획하기 때문에, 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52) 안을 흐르는 고온 유체 및 저온 유체의 난류화를 촉진할 수 있다. 이에 의해, 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52) 안을 흐르는 고온 유체 및 저온 유체의 균일화가 촉진된다. 또한, 고온 유체 및 저온 유체는, 스페이서(32)에 의해 제1 플레이트(2)의 전면(2A) 및 제2 플레이트(3)의 후면(3B)으로부터의 박리가 촉진되어 난류화가 촉진된다. 이들에 의해, 고온 유체 및 저온 유체와 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 열교환이 촉진된다.

만약 열전 모듈(5)의 양면을 열전도성 그리스(21) 등의 점착제에 의해 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)에 밀착시킨 경우, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)를 열 때에 점착제에 의해 부하가 가해져 열전 모듈(5)이 파손될 우려가 있다. 본 실시형태에서는, 열전 모듈(5)의 후면만을 열전도성 그리스(21)에 의해 제2 플레이트(3)에 설치된 심 플레이트(20)에 밀착시키고, 열전 모듈(5)의 전면을 제1 플레이트(2)의 후면(2B)에 설치된 금속막(25)에 접촉시켰기 때문에, 유지보수시 등에 제1 플레이트(2)의 후면(2B) 및 제2 플레이트(3)의 전면(3A)을 열 때에 열전 모듈(5)에 부하가 가해지지 않아 파손이 방지된다.

금속막(25)은, 열전도성 그리스(21)에 의해 제1 플레이트(2)의 후면(2B)에 붙여져 있다. 그 때문에, 금속막(25)은 열전도성 그리스(21)와 함께 변형되어 열전 모듈(5)의 전면을 추종할 수 있어 열전 모듈(5)과의 밀착성이 향상된다.

이상으로 구체적 실시형태의 설명을 끝내지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고 폭넓게 변형 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는 스페이서(32)가 제1 플레이트(2)의 전면(2A)에 결합된 예를 나타내었지만, 스페이서(32)는 제1 플레이트(2)의 전면(2A) 대신에 제2 플레이트(2)의 후면(3B)에 결합되어도 된다. 또한, 스페이서(32)는 제1 플레이트(2)의 전면(2A)과 제2 플레이트(2)의 후면(3B) 모두에 결합되어도 된다. 또한, 제1 플레이트(2)의 전면(2A)에 제1 스페이서(32)를 결합함과 아울러 제2 플레이트(2)의 후면(3B)에 제2 스페이서(32)를 결합하고, 제1 스페이서(32) 및 제2 스페이서(32)가 서로 맞닿도록 해도 된다. 또한, 스페이서(32)는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3) 어느 것에도 결합하지 않고, 제1 플레이트(2)의 전면(2A) 및 제2 플레이트(3)의 후면(3B) 사이에 협지되어 있어도 된다.

또한, 본 실시형태에서는 스페이서(32)를 서로 독립된 복수의 금속판(33)으로 형성하였지만, 금속판(33)은 상하로 연장되는 연결 부재 등에 의해 서로 연결되어 있어도 된다. 또한, 엠보싱 가공 등에 의해 요철이 형성된 1장의 판을 제1 플레이트(2)에 결합해도 된다.

다른 실시형태에서는, 스페이서(32)는 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3) 어느 것에도 용접 또는 접착되지 않고, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)에 협지되어도 된다. 스페이서(32)는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3) 사이의 공간을, 서로 연속된 복수의 통로(공간)로 구획한다. 스페이서(32)는, 하나의 부재로 형성되어도 되고 복수의 부재로 형성되어도 된다. 스페이서(32)를 구성하는 각 부재는 예를 들어 판형 부재이며, 엠보싱 가공 등에 의해 형성된 요철이나 관통공을 복수 가지면 좋다. 스페이서(32)는, 예를 들어 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)에 형성된 돌기에 걸어멈춤됨으로써, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)에 대한 위치 결정이 이루어지면 좋다. 또한, 스페이서(32)는, 제1 플레이트(2) 또는 제2 플레이트(3)의 제1 구멍(2C, 3C), 제2 구멍(2D, 3D), 제3 구멍(2E, 3E) 및 제4 구멍(2F, 3F) 중 어느 하나의 가장자리부에 걸어멈춤되는 걸어멈춤부를 가지며, 걸어멈춤부가 제1~제4 구멍(2C~2F, 3C~3F) 중 어느 하나에 걸어멈춤됨으로써, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3)에 대해 위치 결정이 이루어져도 된다.

또한, 스페이서(32)는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3) 사이에 개재되는 제2 가스켓(35) 또는 제3 가스켓(36)에 일체로 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 스페이서(32)는 가스켓(35, 36)과 같은 재료로 형성되어도 되고, 가스켓(35, 36)과 다른 재료로 형성되어 결합되어 있어도 된다.

심 플레이트(20)는, 열전 모듈(5)의 두께, 및 제1 플레이트(2)의 후면(2B) 및 제2 플레이트의 전면(3A) 사이의 거리에 따라 생략해도 된다. 이 경우에는, 열전도성 그리스(21)에 의해 열전 모듈(5)의 후면을 제2 플레이트(2)의 전면(3A)에 보유지지시키면 좋다.

상기의 실시형태에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 리드선(18)에 의해 복수의 열전 모듈(5)을 접속하였지만, 회로가 형성된 프린트 기판 상에 복수의 열전 모듈(5)을 배치하고, 상기 회로를 개재하여 열전 모듈(5)을 접속해도 된다. 프린트 기판은, 열전도성 그리스(21)에 의해 심 플레이트(20) 또는 제2 플레이트(3)에 직접 보유지지되면 좋다. 프린트 기판은, 두께가 얇은 플렉서블 프린트 기판인 것이 바람직하다.

상기의 실시형태에서는, 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52)의 흐름 방향이 상하에 대해 경사지도록 하였지만, 다른 실시형태에서는 고온 유체 통로(51) 및 저온 유체 통로(52)의 흐름 방향이 상하와 평행이어도 된다. 이 경우, 고온 유체 입구 구멍(44C)을 전방 아우터 플레이트(44)의 좌측 위 모서리부에 배치하여 제2 구멍(2D, 3D)에 접속하고, 고온 유체 출구 구멍(44E)을 전방 아우터 플레이트(44)의 좌측 아래 모서리부에 배치하여 제3 구멍(2E, 3E)에 접속하며, 저온 유체 입구 구멍(44F)을 전방 아우터 플레이트(44)의 우측 아래 모서리부에 배치하여 제4 구멍(2F, 3F)에 접속하고, 저온 유체 출구 구멍(44D)을 전방 아우터 플레이트(44)의 우측 위 모서리부에 배치하여 제1 구멍(2C, 3C)에 접속한다. 또한, 제2 가스켓(35)이, 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 중앙부(2G, 3G), 제1 구멍(2C, 3C)의 주위 및 제4 구멍(2F, 3F)의 주위를 일체로 둘러싸는 테두리부와, 제2 구멍(2D, 3D)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 둘러싸는 테두리부를 가진다. 제3 가스켓(36)이, 제1 및 제2 플레이트(2, 3)의 중앙부(2G, 3G), 제2 구멍(2D, 3D)의 주위 및 제3 구멍(2E, 3E)의 주위를 일체로 둘러싸는 테두리부와, 제1 구멍(2C, 3C)의 주위를 둘러싸는 테두리부와, 제4 구멍(2F, 3F)의 주위를 둘러싸는 테두리부를 가진다.

도 4에 나타낸 열전 모듈(5)의 구성은 일례이며, 다른 공지의 다양한 구성을 적용할 수 있다.

상기의 실시형태에서는, 제1 플레이트(2) 및 제2 플레이트(3) 등을 대략 직사각형의 외형으로 형성하였지만, 형상은 임의로 선택할 수 있고, 예를 들어 원형 등의 외형으로 형성해도 된다.

1 열전 발전 장치
2 제1 플레이트
2A 전면
2B 후면
2G 중앙부
3 제2 플레이트
3A 전면
3B 후면
3G 중앙부
3H 상단부
3J 하단부
5 열전 모듈
7 유닛
11 비드
15A, 15B 열전 소자
20 심 플레이트
21 열전도성 그리스
25 금속막
30 제1 가스켓
32 스페이서
33 금속판
33A 오목부
33B 볼록부
35 제2 가스켓
36 제3 가스켓
51 고온 유체 통로
52 저온 유체 통로

Claims

적어도 하나의 열전 소자를 포함한 열전 모듈과, 상기 열전 모듈을 사이에 두는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하는 유닛이 복수 적층되고,
상기 열전 모듈은, 제3 플레이트 및 제4 플레이트와, 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트의 사이에 배치된 복수의 열전 소자와, 상기 열전 소자를 서로 접속하는 복수의 전극과, 상기 열전 소자와 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트와의 사이, 및 상기 전극과 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트와의 사이에 개재된 절연재를 가지며,
상기 제1 플레이트의 상기 열전 소자 측과 상반되는 쪽의 면과, 상기 제2 플레이트의 상기 열전 모듈 측과 상반되는 쪽의 면 사이에는, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트에 맞닿음과 아울러, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트와 함께 유로를 형성하는 스페이서가 설치되며,
상기 유로는, 상기 유닛의 적층 방향에 있어서 복수 형성되고, 상기 유닛의 적층 방향에 있어서 고온 유체 및 저온 유체가 교대로 공급되며,
상기 열전 모듈은, 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트 중 한쪽에 있어서 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 한쪽에 접착되며, 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트 중 다른 쪽에 있어서 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 다른 쪽에 열전도성 그리스에 의해 붙여진 금속막에 접촉하고,
상기 금속막은, 상기 열전도성 그리스와 함께 변형됨으로써 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트 중 다른 쪽을 추종함과 아울러, 상기 열전도성 그리스와 상기 제3 플레이트 및 상기 제4 플레이트 중 다른 쪽과의 접촉을 저지하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스페이서는, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트에 의해 협지되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 스페이서는, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 한쪽에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 스페이서는, 복수의 요철을 형성하도록 절곡된 금속판인 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 상기 열전 모듈과 대향하는 부분은 평면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 스페이서는, 복수의 요철을 형성하도록 절곡된 금속판인 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 상기 열전 모듈과 대향하는 부분은 평면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
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