KR20150132209A - 열전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예컨대, 고온 열전 발생 및 유체 조정과 같은 광범위한 열전 응용분야에 유용할 수 있는 열전 장치에 관한 것이다. 열전 장치는, 하나 이상의 열 교환기(들)((예컨대, 냉각수 열 교환기(들)) 및 열 교환기(들)에 인접하여(예컨대, 대향측상에) 위치된 하나 이상의 열전 층들을 포함할 수 있다. 상기 열전 층(들) 열 교환기(들)은 외부 유체(예컨대, 고온의 유체 흐름)으로부터 배리어를 제공하는 인클로저에 의해 둘러싸일 수 있다. 인클로저는 외측 포위부와 열전 층(들) 사이에 열을 열적으로 전도할 수 있다. 어떤 경우, 열 교환기(들)은 (예컨대, 미끄럼가능한) 인클로저의 내벽으로부터 이격되고 그에 대해 이동할 수 있으며, 상기 인클로저는 열 교환기(들)과 인클로저 사이에서 일어나는 열 팽창 효과를 수용할 수 있다. 상기 인클로저는 예컨대, 진공의 인가에 따라, 실질적으로 열 교환기(들)의 형상에 맞추도록 구성되는 정합성 표면을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 전도성 부재들(예컨대, 열전도성 핀)이 접합가능한 인클로저로부터 연정될 수 있다.

Description

열전 장치{THERMOELECTRIC DEVICE}

본 발명의 관점은 일반적으로 열전 시스템과 관련하여 사용될 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

열전 발생기들은, "시벡(Seebeck) 효과"로 불리는 현상을 사용하여 온도차로부터 일어나는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.

콤팩트한 솔리드 스테이트 형태 내에 온도차로 인해 발생되는 열 에너지를 직접 전기로 변환하는 특성 때문에, 열전 장치들은 매우 많은 주목을 받고 있다. 예컨대, 열전 장치들은, 자동차의 연소 기관과 같은 에너지 집약적 플랫폼으로부터의 고온의 낭비되는 열을 효율적으로 회수하는 데 유용할 수 있다.

통상적인 TEG 시스템은 열 팽창 효과로 인해 특히 고온에서 문제가 있어, 신뢰성, 패키징(즉, 사이즈, 중량, 가변성) 및 성능 면에서 어려움을 야기한다. 또한, 이들 문제는 종종, 증대된 레벨의 복잡성을 요하는 시스템 디자인으로 이어지고, 이는 비용을 증대시킨다.

본 발명은 광범위한 응용에 대한 열전 장치 및 선택적 특징들, 특히 고온에서의 열전 발생에 관련된 것들의 신규한 설계에 관한 것으로, 기재된 실시예들에 대한 응용예들은 유체 공조(conditioning)도 수반할 수 있다. 기재된 독특한 설계는 시스템 성능, 이동성(사이즈, 중량, 신뢰도), 다목적성, 및 비용의 관점에서 시장의 접근을 제한하는 기존의 열전 시스템이 당면한 여러 문제들을 극복 또는 회피할 수 있다.

1 실시예에서, 열전 장치가 제공된다. 상기 장치는, 적어도 하나의 열 교환기; 상기 적어도 하나의 열 교환기와 열전달 상태로 있는 적어도 하나의 열전 층(thermoelectric layer); 및 상기 적어도 하나의 열전 층 및 적어도 하나의 열 교환기를 둘러싸는 인클로저를 포함하고, 상기 인클로저는, 이 인클로저의 외부에 위치된 유체로부터 상기 적어도 하나의 열전 층 및 적어도 하나의 열 교환기에 대한 배리어를 제공하고, 상기 인클로저의 일부는 열을 전도하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 열전 층과 열전달 상태에 있고, 적어도 하나의 열 교환기는, 이 적어도 하나의 열 교환기 및 인클로저의 열 팽창을 수용하도록 상기 인클로저의 내면으로부터 이격되어 있고 상기 내면에 대해 이동가능하다.

다른 실시예에서, 열전 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 유체의 흐름을 수용하는 유체 공간을 한정하고, 유체 공간 내로 유체의 유입을 수용하도록 배치된 입구와 상기 유체 공간으로부터의 유체의 유출을 수용하도록 배치되는 출구를 갖는 덕트; 및 유체 공간 내에 배치되는 열전 장치를 포함한다. 관련 실시예에서, 노이즈 감쇠 부재가, 예컨대, 덕트들의 유동 공간 내에, 열전 장치들의 실시예들에 대해 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 열전 구조물이 제공된다. 상기 구조물은, 입구, 출구, 및 상기 입구와 출구 사이의 유체 흐름을 통과시키도록 구성되는 채널을 갖는 열 교환기; 상기 열 교환기의 제1 측에 강고하게 부착된 제1 열전 층; 및 상기 열 교환기의 제2 측에 강고하게 부착되고 제1측에 대향하는 제2 열전 층을 포함한다.

다른 실시예에서, 열 교환기가 제공된다. 상기 열 교환기는, 실질적으로 표면에 인접하여 배치된 구조물의 형상에 일치하도록 구성되는 정합성 표면 (conformal surface); 상기 정합성 표면의 외측 영역으로부터 연장되고 그를 둘러싸고 그와 접하는 복수의 열 전도성 부재들을 포함하고, 상기 열 전도성 부재들은 상기 정합성 표면과 주위 환경 사이에서 열을 전달하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 열 스위치가 제공된다. 상기 열 스위치는, 제1 구조 부재와 제2 구조 부재를 분리하는 채널; 유체 조성물이 그의 비등 온도에서 액체와 증기 사이의 상을 변화시킬 때 제1 구조 부재와 제2 구조 부재 사이의 열 전도성이 변하도록 구성되는 채널 내에 둘러싸인 유체 조성물을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 열 계면 복합체가 제공된다. 상기 계면 복합체는, 실질적으로 표면에 인접하여 배치된 구조물의 형상에 일치하도록 구성되는 정합성 표면 시트; 조성물의 부재시보다, 정합성 표면 시트의 대향측상에 접하여 배치되는 두 개의 부재들 간에 형성되는 계면에 걸쳐 보다 높은 열 전도성을 제공하는 정합성 표면 시트의 적어도 하나의 측면에 배치되는 조성물을 포함한다.

본 발명의 이점들, 신규한 특징들, 및 목적들은 첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 이해될 것이며, 도면들은 개략적이고 정확한 스케일로 도시하지 않았다. 설명의 편의를 위해, 모든 도면에서 모든 구성 요소에 대해 부호를 부기하지 않았고, 또한 도시된 실시예들의 모든 구성 요소에 대해 본 발명의 관점을 당업자가 이해할 수 있도록 하지도 않았다.

첨부 도면들은 정확한 스케일로 도시하지 않았다. 도면에서, 각 도면에 도시된 각각의 동일하거나 유사한 부재들은 유사한 부호로 나타냈다. 이하에 본 발명의 각종 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도1은, 열전 모듈 장치의 상부 세라믹의 부분 절단 사시도이다.
도2는, 도1의 열전 장치의 단면도이다.
도3은, 어떤 실시예들에 따른 열전 장치의 사시도이다.
도4는, 도3의 열전 장치의 단면도이다.
도5는, 어떤 실시예에 따른 다른 열전 장치의 사시도이다.
도6은, 도5의 열전 장치를 통한 측방향 평면의 단면도이다.
도7 및 도8은, 임의의 실시예에 따른 또 다른 열전 장치의 사시도이다.
도9는, 어떤 실시예에 따른 스트립 핀 구성을 도시한다.
도10은, 동작시 열 변형(thermal deflection)을 개략적으로 도시한, 핀을 갖는 정합성 인클로저와 상호작용하는 열전 층 표면의 단면도로서, 상기 열 변형은 개념을 시각적으로 나타내기 위해 확대 도시했다.
도11은, 도5의 실시예의 길이방향 단면의 개념도로서 어떤 실시예에 따른 열 팽창 효과를 개략적으로 나타낸다.
도12는, 어떤 실시예에 따른 2단 고온 열전 모듈 장치의 단면도이다.
도13은, 어떤 실시예에 따른 다른 열전 장치의 측방향 단면도이다.
도14는, 어떤 실시예에 따른 열 교환기와 접하는 열전 모듈의 확대 사시도이다.
도15는, 어떤 실시예에 따른 다른 열전 장치의 측단면도이다.
도16은, 어떤 실시예에 따른, 압축성 인클로저 측벽을 갖는 열전 장치의 측단면도이다.
도17은, 내측 볼륨의 개념도로서, 화살표 및 실질적으로 직육면체 형상은 덕트 공간의 최외측 측면 치수의 일례를 나타낸다.
도18은, 열전 장치가 덕트 공간 내에 위치된, 어떤 실시예에 따른 열전 시스템의 사시도를 나타낸다.
도18은, 열전 장치가 덕트 공간 내에 위치된, 어떤 실시예에 따른 열전 시스템의 사시도를 나타낸다.
도19는, 어떤 실시예에 따른 직육면체형 인클로저의 도면을 도시하며, 측벽의 확대 단면도를 나타낸다.
도20은, 어떤 실시예에 따른 각종 직육면체형 인클로저의 확대 단면도를 도시한다.
도21은, 어떤 실시예에 따른 머플러 시스템에 대한 어떤 형태의 노이즈 감쇠 특징 및 어떤 특성의 테이블을 나타낸다.
도22는, 어떤 실시예에 따른 열전 머플러 시스템의 사시도를 도시한다.
도23a는, 어떤실시예에 따른 열전 머플러 시스템의 단면도를 도시한다.
도23b는, 어떤 실시예에 따른 상부 및 하부의 연장된 입구 반응 챔버를 갖는 열전 머플러 시스템의 종방향/축방향 단면도를 도시한다.
도23c는, 어떤 실시예에 따른 중간 길이 반응 챔버를 갖는 열전 머플러 시스템의 종방향/축방향 단면도를 도시한다.
도23d는, 어떤 실시예에 따른, 덕트 내에 복수의 장치들 및 출구 튜브를 둘러싸는 열전 머플러 시스템의 측단면도를 도시한다.
도23e는, 어떤 실시예에 따른, 유동 공간 내에 부재들을 둘러싸는 노이즈 감소 구성들을 갖는 복수의 범용 열전 장치들을 갖는 열전 머플러 시스템의 종방향/축방향 단면도를 도시한다.
도24는, 어떤 실시예에 따른 수직 적층 열전 시스템의 사시도를 도시한다.
도25는, 어떤 실시예에 따른 수평 적층 열전 시스템의 사시도를 도시한다.
도26은, 어떤 실시예에 따른 열전 장치의 단면도를 도시한다.
도27는, 어떤 실시예에 따른 열전 스위치의 확대 단면도로서 시트를 따른 채널 홈들을 도시한다.
도28a 및 도28b는, 어떤 실시예에 따른 열전 스위치의 밀봉된 유체 채널들의 확대 단면도를 도시한다.

본 발명은, 열전 발생(예컨대, 자동차를 포함하지만 이에 한정되지 않는 연소 기관으로부터의 배기 장치) 및 유체 공조(예컨대, 유체의 가열 및 냉각)를 포함하는, 다양한 응용분야에 유용할 수 있는 구조를 가질 수 있는 열전 장치들에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열전 장치들의 각종 실시예는 열과 전기 에너지 사이의 열전 변환을 행할 수 있다.

이하에 기재된 열전 장치 및 시스템의 임의의 실시예들은 예컨대, 장치의 "핫측(hot-side)"에 위치된 고온 유체(예컨대, 700℃ 이상)로부터, 적어도 부분적으로 제공되는 열 구배로부터 에너지를 인출하는, 예컨대 열전 발생기들(TEG들)로서 고신뢰도로 동작할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들은, 매우 큰 온도차가 TEG의 "핫측"과 "콜드측(cold-side)" 간에 존재하도록 할 수 있으며, 이는 일반적으로 전기 에너지의 안정적인 발생을 가능케 한다. 이와 같은 장치의 동작은, 전달되는 열의 일부를 직접 전기로 변환하도록 사용될 수 있는 열전 물질을 채용하는 구성요소들의 신규한 열 교환 시스템을 통해 뜨거운 유체로부터 비교적 차가운 유체로의 열 전달을 가능케 할 수 있다.

어떤 실시예에서, 열전 장치는 하나 이상의 열전 층들을 갖는 열 전달에 있어서의 하나 이상의 열 교환기들을 포함한다. 열 교환기(들)는 그를 통해 유체 흐름을 유도하도록 구성되는 입구, 출구 및 채널을 포함할 수 있다. 어떤 경우, 열전 층들이 열 교환기(들)에 단단히 부착되거나 부착되지 않을 수 있다.

인클로저는, 열전 층(들) 및 열 교환기(들)을 포함할 수 있고, 이 인클로저의 외측에 위치된 유체(예컨대, 뜨거운 유체 흐름)로부터의 배리어를 제공한다. 어떤 실시예에서, 인클로저는 열 교환기 자체로서 거동할 수 있고, 외측 포위부들과 열전 층(들) 간에 열적으로 전도할 수 있다. 어떤 실시예에서, 열 교환기(들)은, 인클로저의 내벽으로부터 이격되고 그에 대해 이동가능할 수 있으며, 이는 열 교환기(들)와 이 인클로저 사이에 일어나는 열팽창 효과들을 수용할 수 있다.

본원에 기재된 바와 같이, 열전 장치의 인클로저는 열 교환기로 작용할 수도 있다. 어떤 실시예에서, (예컨대, 열전 층들 또는 다른 열 교환기들과 같은 다른 구성요소들을 둘러싸는) 열 교환기는 인접 구조물(예컨대, 인접 배치된 열전 층)의 형태와 실질적으로 일치(정합)하도록 구성되는 정합성 표면을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 정합성 표면은, 이 정합성 표면의 열 전도성을 향상시키도록 작용하는 적절한 조성물을 포함할 수 있다. 열 교환기들은, 그로부터 연장하는 하나 이상의 구조 부재들(예컨대, 열전도성 핀)을 포함할 수 있으며, 이는 정합성 표면과 주위 환경 사이에 열을 전달하기 위해 적절할 수 있다.

중간 수준(low-to-moderate)의 온도 적용(통상적으로 핫측상에서, < 275℃)에 사용되는 통상적인 열전 모듈들은 도1에 나타낸 것과 유사한 비교적 얇은 평면 장치들이다. 도1에 나타낸 모듈은 일련의 열전쌍(커플)들로 이루어지며, 이들은 각각 금속 연결부(3)에 의해 전기적으로 연결되는 n형(1) 및 p형(2) 열전 재료를 포함한다. 복수의 이들 커플들은 함께 연결되어 전기 회로를 형성하고, 열이 그 커플들을 통해 흐를 때 전기를 발생한다. 열의 흐름(유동)은 상기 커플들(예컨대, 모듈)의 핫측과 콜드측 사이의 온도차에 의해 구동된다.

도1의 회로는, 금속 연결부들에 기계적으로 결합된 세라믹 기판(4)을 제공함으로써 종종 달성된다. 금속화로 불리는 금속 연결부들에 세라믹 기판(4)을 결합하는 기계적 결합의 공정은 회로의 핫측에 세라믹 기판을 강고히(단단히) 부착하고(이는 도1에 절단 상태로 나타나기 때문에 회로 배치를 알 수 있다) 다른 세라믹 기판을 회로의 콜드측에 부착하는 공정을 수반한다. 통상적인 열전 모듈의 단면도는 도2에 도시된다. 이와 같은 열전 모듈은 솔리드 스테이트이고 가동부들이 결여된다.

그러나, 이와 같은 적용의 높은 온도는, 성능, 이동성(즉, 컴팩트성, 경량, 신뢰성), 및 모듈, 장치 및 열전 모듈을 채용하는 시스템에 대한 요구를 만족시키기 위해 많은 문제들을 내포한다. 예컨대, 도3 및 4에 도시된 바와 같이, 종래의 고온 열전 모듈(핫측 온도에 대해, ＞300℃)은 종종 고온에서 행하기 위해 고성능의 열전 재료(6,7)를 필요로 한다. 열전 모듈 역시 종종, 핫측과 콜드측 사이에 생성되는 상당한 온도 구배로부터 야기되는 상당한 열 팽창 및 응력을 보상하기 위해 각 열전쌍(커플)에 대해 단일화된(singulated) 핫측 세라믹(5)을 요한다. 이 실시예에 대해, 도3에 도시된 바와 같이, 상측(5) 및 하측(4)은 각각 핫측 및 콜드측을 나타낸다. 또한, 고온에서와 같은 많은 열전 재료들은 종종 이들을 산화로부터 보호하기 위해 불활성 환경 내에서의 동작을 요하며, 전형적으로는 장치 또는 시스템 내의 밀봉 인클로저를 필요로 한다.

통상적인 열전 발생기(TEG) 시스템들은 종종, 뜨거운 가스 흐름을 방해하는 덕트의 외측에 배치되는 열전 재료 및 냉각수 열 교환기를 수반한다. 이들 TEG 시스템들은 또한 덕트내에 과도하게 통합되어 있으며, 이에 따라 시스템은 덕트에 단단히 부착된다. 덕트는 핀들이 부착되는 핫측 열교환 베이스 면으로서 사용된다. 열은 뜨거운 유체로부터 핀들 및 덕트를 통해 덕트의 외측에 위치된 열전 장치로 전달되며, 궁극적으로 냉각수 열 교환기를 통해 리젝트된다. 전형적으로, 이들 시스템은, 덕트 및 다른 부재들과 관련된 외측 셀을 포함하며, 캐비티 또는 인클로저를 형성하고 외부 환경으로부터 열전 장치 및 냉각수 열 교환기를 보호한다.

상기와 같이, 종래의 열전 시스템의 수행시 많은 문제들이 발생한다. 그러나, 본 발명에 따른 열전 장치 및 시스템은 전통적인 열전 시스템들과 관련된 많은 문제들을 극복한다.

비록 본원에 기재된 실시예들은 많은 경우에, 파워를 발생하는 개념으로 장치 및 구성요소들을 기술하였으나, 제시된 열전 장치들은, 유체의 공조 (conditioning) 및 어떤 경우에는, 유체의 화학 반응에 대한 경향 및/또는 전체 온도에 영향을 줄 수 있는 냉각 또는 가열을 위해 구성될 수 있다. 유체 공조 응용에 대해, 유체에 또는 유체로부터 에너지를 유도하도록 열전 재료들을 여기시키기 위해 전기가 사용될 수 있다. 이와 같은 적용은 본원의 기재에 따른 장치 구조를 포함하는 임의의 실시예를 채용할 수 있다.

열전 장치 및 구성 요소들의 각종 실시예는 예컨대, 직육면체, 정육면체, 원통형 또는 다른 형태 또는 이들의 조합과 같은 적절한 형상을 포함할 수 있다. 컴팩트하도록 하는 열전 장치의 일 실시예는 도시된 바와 같이 낮은 프로파일의 직사각형 직육면체 형상을 갖는 장치이다.

본원에 제공된 바와 같이, 직육면체의 엄격한 속성을 나타내기 위해 직사각형의 직육면체(rectangular cuboid)와 실질적으로 유사한 형상이 반드시 요구된 것이 아님을 이해할 수 있다. 예컨대, 직사각형의 직육면체의 각각의 에지 및 코너들은 점진적 천이(예컨대, 라운드 형태, 테이퍼 형태, 경사 형태, 등)를 보일 수도 있고, 직육면체의 엄격한 속성으로부터 벗어날 수도 있는, 요부, 트랜지션, 노치, 핀(fin), 인덴트(indent), 돌기 등과 같은 다른 형상들이 임의의 개소에 나타날 수 있다. 이와 같은 형상들은 임의의 적절한 치수를 가질 수 있으며, 이들 치수는 직육면체 내 또는 그를 따라 또는 그의 주변에서 특정된다.

상기와 같이, 각종 실시예에서, 열전 장치 구조는 인클로저를 포함하며, 인클로저의 일부는 장치를 둘러싸는 뜨거운 유체와 인클로저 내의 내부 구성 요소들 사이에 열을 전달한다. 그 자체로 하나 이상의 구성 요소들로 구성된 인클로저는, 인클로저 외측에 위치되고 그를 둘러싸는 유체로부터 둘러싸인 공간 내의 내부 구성 요소들에 대한 보호 장벽을 제공하는 둘러싸인 공간을 한정한다. 어떤 경우, 둘러싼 유체는 연소로서 유일한 열원이 아닐 수 있으며 장치에 조사하기 위해 다른 고온의 열원이 상당한 열적 방사를 발할 수도 있다.

어떤 실시예에서, 열전 장치는 기밀성(gastight) 인클로저를 포함하지만, 엄격한 기밀 인클로저는 인클로저의 모든 실시예에 반드시 필요하지는 않다. 인크롤저를 이루는 구성 요소들은 보호 장벽으로 기능할 수도 있고 또는 장치의 다른 목적(예컨대, 열전달, 내부 열전기를 갖는 열 계면, 구조 지지부, 등)을 위해 사용될 수도 있다. 또한, 인클로저는, 예컨대, 밀폐 열 교환기의 내측과 인클로저의 외측 사이에 걸친 온도 구배로부터 야기될 수 있는 조립체의 구성요소들 간의 열 팽창을 보상하거나 수용할 수 있다.

어떤 실시예에서, 인클로저는, 적어도 하나의 냉각수 열 교환기의 일부를 둘러싸는 열전 재료로 이루어지는 적어도 하나의 열전 층을 둘러싼다. 열전 층의 콜드측은 냉각수 열 교환기와 열전달 할 수 있는 반면 열전 층의 핫측은 인클로저의 일부와 열전달 할 수 있다. 열전 층과 열전도 및 열전달 표면을 포함하는 것에 다하여, 냉각수 열 교환기는 또한, 냉각수 열 교환부(들)의 안팎으로의 흐름을 처리하기 위한 입구 및 출구 헤더들, 및 인클로저 벽까지 그를 통한 냉각수 흐름을 유도하기 위한 헤더들(또는 배관들)로의 연장부들을 포함할 수 있다.

인클로저 내부의 구성 요소들이 그 안에 포함되지만, 어떤 실시예에서, 이들 부재들은 인클로저에 실질적으로 부착될 필요는 없다(후에 상세히 설명). 예컨대, 열 교환기는, 인클로저 및 열 교환기의 열 팽창을 수용하도록 인크롤저의 내면의 대부분으로부터 이격되고 그에 대해 움직일 수 있다. 또한, 인클로저의 외면은 선택적으로, 인클로저와 이 인클로저의 외측에 위치된 유체 사이의 열전달을 향상시킬 수 있는 구조적 구성 요소들/부재들(예컨대, 인클로저로부터 연장되는 복수의 핀들)을 포함할 수 있다.

어떤 실시예에서, 열전 장치 구조는, 실질적으로 낮은 프로파일의 평면 형태들(예컨대, 실질적으로 평탄하고 비교적 높이가 짧은)과 유사한 구성 요소들을 포함하며 도 5-8에 도시했다. 도5는 직육면체형 열전 장치(50) 상에 그를 둘러싸는 유체 흐름을 도시한다.

어떤 실시예에서, 열전 장치(50)는 열전 층들(63)이 배치되어 있는 내면을 갖는 인클로저(51)를 포함한다. 열전 층들은 대향측상에 나응ㄴ 프로파일의 냉각수 열 교환기(64)를 둘러쌀 수 있고 상기 열 교환기는 하나 이상의 실질적으로 평평한 열 교환부들을 포함한다. 열 교환부들의 형상은 낮은 프로파일의 직사각형 직육면체와 실질적으로 유사한 전체적인 인클로저 형상을 허용할 수 있다. 낮은 프로파일의 형상은, 동일할 수도 있고 다를 수도 있는 그의 폭과 길이가 그의 높이보다 실질적으로 큰 것으로서, 종종 2의 팩터보다 크고; 5 내지 20의 팩터들이 일반적이다.

냉각수 흐름은 입구(52)를 통해 인클로저에 유입하고 출구(53)를 통해 유출하며 내부 열교환 부재들((예컨대, 순환관, 헤더들, 열교환 부재(들))로 유도된다. 전기적 배선(예컨대, 열전 파워, 제어, 감지용)은 전기 배선 포트(54)에서 인클로저를 통해 열전 층들 및 인클로저 내의 다른 제어 및 감지 부재들로 유도될 수 있다.

핀(fin)(55)들은 열전 층을 둘러싸고 그 위로 흐르는 고온 유체로부터 열전달을 행상시키기 위해 인클로저의 대향측들 상에 포함될 수 있다. 핀들은, 소망의 적용에 대한 임의의 요구를 충족하는 형상 및 패턴으로 되도록 설계될 수 있다. 도면에 도시된 핀의 디자인은 포괄적이며 반드시 바람직한 실시예는 아니다. 예컨대, 자동차 배기 시스템에서, 핀의 밀도는 일반적으로 그다지 높지 않으며 이는 과도한 압력 강하가 야기되어 엔진 출구에서 배압이 증가하고, 궁극적으로 열전 장치의 출력 성능의 감소를 야기하도록 한다.

다수의 핀 패턴 옵션들은, 예컨대, 루버형, 스트립형, 랜스형, 옵셋형, 천공형 등으로 채용될 수 있다. 핀들은, 인클로저의 일부로부터 외측으로 연장하도록 구성될 수 있고, 선택적으로, 동일한 장치에 대한 인클로저를 따라 상이한 단면적, 패턴 기하학적 형상을 보일 수 있다. 핀들은 (예컨대, 핀들을 갖는 사출 인클로저와 같은) 인클로저의 일체부로서 형성되거나 또는 인클로저 표면의 일부에 대한 별도의 핀 부재로서 결합될 수 있다.

도6은, 열전 발생기의 일 실시예의 측면을 통한 단면도로서, 인클로저 내의 내부 구성 요소들 및 인클로저의 상부 및 하면으로부터 외측으로 연장되는 핀(55)들을 나타낸다. 도6은 점선으로 표시된 수평면에 관해 실질적으로 대칭 형상을 도시한다. (도6에서, 하부 핀들은 내부를 잘 보기 위해 도면에서는 대부분 보이지 않는다).

인클로저(51)는, 냉각수 열 교환부(64)의 두 대향측들상에 각각 배치된 2층의 열전장치(63)를 포함하는 전력 발생 부재를 내장한다. 냉각수 열 교환부(64)는 통로(65)(예컨대, 단면도의 평면에 수직이고 안팍으로 연장되는 채널들)를 통해 흐르는 냉각 유체에 의해 냉각되고 열전 층들(63)의 콜드측 부분을 냉각한다.

도면에서 명백한 바와 같이, 이 구조는 냉각수 열 교환기의 중심으로 통해 연장하는 수평면에 관해 실질적인 대칭으로 된다. 이 대칭은 비교적 단순하고 컴팩트한 구조를 제공하며 또한, 예컨대, 후술되는 바와 같이 이와 같은 컴팩트한 구조 내에 (뜨거운 인크로저로부터 차가운 열 교환기로) 조립체에 걸려 있는 큰 온도 구배로 인해 야기될 수 있는, 열팽창으로부터의 기계 응력으로 인해, 벗어난 평탄 효과(out-of-flatness effect)를 상당히 감소시킴으로써 장치의 계면 조립을 유지할 때 역활을 수행한다.

인클로저는 추가로, 어떤 실시예에서, 구성 요소들의 계면에 접촉 압력을 발생하도록, 함께 내부 구조의 대향측들 상에 내부 구성 요소들을 끼우고 압박할 수 있는 베이스 시트들(61)(또는 플레이트들)을 포함한다. 열전 층(63) 계면의 핫측 부분은 예컨대, 밀폐 베이스 시트(61)와 열적으로 결합될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 주변 공간(67)이 제공되고 그 위에 인클로저가 연장 또는 돌출하며, 이는 측벽(62)에 의해 막힌다. 어떤 실시예에서, 이 측벽(62)은 상부 및 하부 베이스 시트(61) 사이의 거리로 연장된다. 이 측벽은 인클로저(51)의 (예컨대, 사출, 압인, 인출된) 하나 이상의 시트들과 접하거나, 그에 부착(예컨대, 접착, 결합, 고정, 클램프, 용접, 납땜)되거나, 또는 그와 일체로 형성될 수 있다.

측벽의 각종 실시예는 (후술되는 바와 같이) 채용되는 형태의 인클로저에 따를 수 있다. 어던 실시예에서, 공간(67)은 주변장치(예컨대, 방사 배이어, 절연체, 등)로부터 내부기기들을 격리하는 부가적 구성 요소들 및/또는 (후술되는 바와 같이) 채용되는 형태의 인클로저를 보충재를 포함한다.

내부 구성 요소의 전체 레이아웃은 도 7 및 8에 도시되며 인클로저(51) 내에 놓인다(인클로저는 내부 구성 부재들이 보일 수 있도록 도면에 투명하게 도시했다). 냉각 유체가 입구(52)를 통해 유입하면, 냉각 유체는 냉각수 열 교환부(64) 내의 통로(65)로 입구 헤더(66)에 의해 유도된다. 냉각 유체는, 열 교환부(64)로부터 멀리 (예컨대, 대류에 의해) 열을 용이하게 전달하며, 상기 열 교환부는, 이 열 교환부(64)의 상하면을 둘러싸고 이들 간에 열전달을 행하는 열전 층(63)과 접한다. 냉각 유체는 출구 헤더(67)로 흘러, TEG를 통해 역류 열교환을 하도록 하며, 이때 인클로저 상의 고온 유체가 반대 방향으로 흐른다. 냉각 유체는, 필요한 경우, 역 방향으로 흐르도록 유도될 수도 있다. 다음, 냉각수는 외측 헤더(67)로부터 출구 튜브(68)로 유도되며 상기 튜브는 필연적으로 출구(34)에서 인클로저로부터 냉각 유체를 배출한다.

이 전체적 구조는 광범위한 흐름(유동) 조건(예컨대, 온도, 유체 형태, 유체의 유속)에 걸쳐 개선된 열전 성능을 가능케 하는 컴팩트한 구조를 제공하도록 구성되는 반면 비교적 간단하고, 실용적이고, 잠재적으로 여러 응용에 대해 가성비가 우수한다.

각종 실시예에서, 인클로저는 진공에 의해 밀봉되며, 그의 베이스 시트(61)는 열전 층(63)의 핫측 표면에 일치하고 그에 대해 압박된다. 인클로저의 베이스 시트(61)는, 이 인클로저 시트의 각각의 내면과 열적 계면(예컨대, 열전달)을 G여성하고 일반적으로 그를 따라 슬라이드할 수 있다. 일반적으로, 어떤 실시예에서, 열전 층들은 정합가능한(conformable) 인클로저로부터 미부착 상태로 될 수 있다.

열전 층(들)과 인클로저 시트(들)의 각각의 계면(들)을 따라 야기되는 압박 및 그로 인한 접촉 압력은, 상부 및 하부 시트 또는 인클로저의 일부에 제공되는 진공 인가의 상이한 압력으로부터 기인될 수 있다. 따라서, (예컨대, 대기압과 같은) 인클로저의 외부 압력은 (예컨대, 대기압 이하 압력, 진공과 같은) 인클로저 내부 압력보다 클 수 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 인클로저 시트들이 탄성적으로 휘어지고 어떤 경우에는 끊어짐 없이 신축될 정도로 얇기 때문에 열전 층의 표면이 완벽히 평탄하지 않더라도, 계면을 따른 비교적 일정하고 균일한 접촉 압력 분포들이 달성될 수 있다. 이와 같은 탄성은 시트들이 열전 층(들)의 핫측 표면에 일치하도록 한다. 어떤 실시예에서, 열전 층(들)의 콜드측 표면은 열 교환기에 기계적으로 결합되는 반면, 모든 실시예가 이와 같은 구성을 요하는 것은 아니다. 이 경우, 진공 인가상태의 압력 분포는, 다른 구성 요소의 열전달을 위해 적절한 열 계면 접촉 압력을 제공하도록 함께 열전 장치의 내부 구성 부재들을 압박하고 협지하도록 할 수 있다.

정합성(conformality)은 또한, 광범위한 장치 동작에 걸쳐, 인클로저가 장치의 열적 계면을 따라 잘 분포되는 압축 압력을 조정하고 계속 전달하도록 할 수 있다. 주위에 인클로저가 배치된 열전 층들에 대해 슬라이드 및/또는 물리적으로 일치하도록 하는 인클로저의 능력은, 700℃ 이상의 온도를 포함하는 극도로 높은 온도에서도, 열팽창 효과들의 동적 보상을 가능케 한다.

따라서, 예컨대 진공 상태의 정합성 인클로저는, 효율적인 열적 계면을 달성하기 위해 비교적 극심한 조건하의 요구사항들의 문제를 충족하도록 단순한 상태를 제공하면서, 통상적이고 부피가 큰 압축 또는 조임 메카니즘의 사용을 회피한다; 이와 같은 메카니즘은 비교적 두껍고 큰 구조를 필요로 하므로 그들의 조임 메카니즘들(예컨대, 볼트, 스프링, 등)은 비교적 균일한 상태로, 접촉 영역에 인터페이스하도록 압력을 분배하기 위해 (종종 과잉 상태이지만, 보통으로 제공되는) 힘을 적절히 전달할 수 있다. 그 결과, 이들 통상적인 해결 방법은 별로 컴팩트하지 않고 경량이 아닌 시스템을 야기한다.

인클로저는 임의의 적절한 재료를 포함하는 반면, 어떤 실시예에서, 인클로저는 끊어지지 않고 탄성적으로 휘어질 정도로 얇은 시트를 포함하고, 예컨대, 열전 층들의 표면에 시트들이 정합(일치)할 수 있도록 한다. 예컨대, 플라스틱부터 금속까지 다양한 인클로저 재료들이 채용될 수 있다. 많은 금속들이 한계(예컨대, 항복점)까지 탄성 특성을 갖기 때문에 얇은 시트는 하나 이상의 금속들을 포함할 수 있다.

상기와 같이, 탄성은 기계적 응력(예컨대, 벤딩, 스트레칭)을 받은 후 물질이 그의 원래 형상으로 되돌아가는 능력이다. 또한, 인크롤저 정합성을 달성하기 위한 시트의 두께는 인클로저를 통한 전체 전도 경로(예컨대, 열 저항)를 감소시킬 수 있다. 열이 인클로저를 통해 전도되는 이와 같은 증가된 능력은 소정 재료에 대한 인클로저의 열적 성능 개선 및/또는 비교적 낮은 열 전도성을 갖고, 적절한 응용(예컨대, 높은 항복 강도, 부식 저항 등)응 위한 적절한 특성을 가질 수 있는 다른 재료들의 사용을 가능케 한다. 인클로저 및/또는 핀들에 대한 내식성 재료들은 엔진 배기 흐름과 같은 유체의 부식 및 산화를 수반하는 고온 응용에 바람직할 수 있다. 재료 선택과 제조성 및 조립체에 대해서는 이후에 기술된다.

인클로저에 부착된 임의의 핀(fin)들은 인클로저 정합성을 너무 엄격히 하지 않도록 설계할 수 있다. 이와 같은 핀 배치의 하나를 도9에 도시했으며, 인클로저 베이스 시트(61)에 결합된 다수의 핀들을 수반한다. 각종 실시예에서, 핀 스트립은, (예컨대, 사각형 직사각형, 사인파형, 등 또는 이들의 조합과 같이) 공기 입구로부터 핀들로 보았을 때 파형 형태로 나타나는 형태로 형성되는 물질의 스트립을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성은, 핀 스트립으로 절단 또는 부가되는 루버(louver)들, 또는 다른 흐름 개선재를 가질 수 있다.

도9에 나타낸 구성은, 도시된 바와 같이 핀 스페이스(인치당 핀들)가 짧은 비교적 키가 큰 직사각형 형태이다. 이 핀 구성(배치)은 비교적 짧은 유동(흐름) 길이를 갖는 별도의 스트립 핀(55)의 반복되는 열을 포함하며, 적절한 양의 스페이스(공간)가 각 핀 스트립 열 사이에 존재하여(즉, 핀 간 스페이스) 개별 핀 스트립이 열 교환기(예컨대, 정합 인클로저)가 표면에 일치할 때 서로 간섭하지 않도록 한다.

어떤 실시예에서, 각 핀 스트립의 유동 길이는 너무 길지 않아야 하며, 그렇지 않으면 열 교환기(예컨대, 정합 인클로저)에 바람직한 것보다 강성을 가하여 그 영역에서 정합을 훼손한다. 많은 실시예에서, 경험상 0.51"의 최대 흐름 길이가 사용될 수 있다. 이와 같은 핀 배치는, 측방향, 종방향의 평면들 및 이들 방향 사이에 있는 것들을 포함하는, 베이스 시트가 임의의 방향으로 타당하게 휘어지거나 맞추어지도록 한다. 이 가요성은 핀 개선부를 갖는 인클로저 베이스가 외향 열전 층의 실질적으로 평평한 표면들에 불완전하게 정합되도록 한다.

정합가능한 열 교환기에 사용하기에 적합할 수 있는 핀 형태의 다른 실시예들은 핀 핀(pin fin)을 포함하고 개별 핀들을 베이스 시트(또는 베이스에 형성된 핀들)에 결합한다. 예컨대, 도10은, 열전쌍들이 열전쌍의 핫측(상부)로부터 콜드측(하부)로의 열 흐름에 의해 제공되는 열전쌍을 가로질러 큰 온도 구배로부터의 열 팽창으로 인해 상당히 훠어질 때 (두 개의 열전쌍들(단일화된 열전쌍들)를 도시함으로써 측 평면 내에 열전 층 표면에 정합하는 인클로저를 개념적으로 나타낸다. (도10의 휨은 설명의 편의를 위해 시각적으로 과장 및 확대되었다). 이와 같은 열팽은 어떤 경우에, 예컨대, 단락형 세라믹이, 예컨대 0.001" 정도로, 평탄하지 많게(out-of-flat) 휘어지도록 한다. 개념적으로 도시된 바와 같이, (핀 구성 55를 갖는) 정합가능한 베이스 시트(61)는, 단일화된 세라믹(5)의 비평면 굴곡부에 실질적으로 일치(정합)할 수 있다. 물론, 핀이 없는 베이스 시트는 핀이 있는 베이스 시트보다 적어도 또는 더욱 양호하게 정합할 수 있다; 그럼에도 불구하고, 핀들은 인클로저 정합성을 너무 엄격하게 하지 않도록 설계할 수 있다.

다른 핀 실시예는 복수의 금속 또는 세라믹 기판을 사용할 수 있으며, 각각의 핀은, 정합 인클로저에 부착되고 상기한 핀 어레이와 유사한 어레이로 배치되도록, 비교적 좁고 키가 클 수도 있다. 어떤 실시예에서, 세라믹 기판 어레이에 대해, 기판들은 금속 인클로저에 부착하기 위해 금속화될 수도 있다. 이와 같은 기판 어레이는 후처리 장치(즉, 촉매 컨버터, 디젤 미립자 필터들) 용으로 사용될 수 있다. 따라서, 이 실시예는 열전 파워를 발생하는 후처리 장치로서 사용될 수 있다.

열전 층과 인클로저의 베이스 시트 간의 열적 계면(thermal interface)의 유효성을 기술하기 위해, 열적 계면 물질(도시되지 않음)이 열전 층과 베이스 시트 사이에 삽입될 수 있다. 예컨대, 열적 계면 물질은, 다른 선택적 물질 중에서, 정합가능한 흑연 포일, 구리 포일, 카본 나노튜브 패드 및/또는 관련 물질, 그리스를 포함할 수 있고 단일화된 세라믹(5)과 인클로저 베이스 시트(61) 사이에 삽입될 수 있다.

도6에서 명백한 바와 같이, 장치의 구조는 냉각수 열 교환기의 중심으로 통해 연장되는 수평면에 대해 실질적으로 대칭으로 된다. 이 대칭은 단순하고 컴팩트한 구조를 제공함은 물론, 구성 요소들의 비평탄성의 효과를 감소시킨다. 비평탄 부재들은, 예컨대 뜨거운 인클로저로부터 차가운 인클로저로) 조립체에 걸친 상당한 온도 구배로부터 기인하는 열팽창 효과로 인한 기계적 응력으로부터 야기될 수 있도록 하나 이상의 부재들이 다른 부재들에 대해 돌출하거나 튀어나올 때, 또는 서로에 대해 평평 또는 평행하지 않거나 또는 더 이상 평행하지 않거나 서로 평행하지 않은 표면 부재들을 포함하는 왜곡 또는 굴절부를 포함할 수 있다. 따라서, 이와 같은 대칭은 부재들의 효율적인 계면 조립의 개선을 제공한다.

다양한 실시예에서, 열전 층(63)은 인클로저(51)에 대해 이동가능(예컨대, 미끄럼가능)이다. 어떤 실시예에서, 열 교환기(예컨대, 열 교환부 64, 입구/출구 헤더 66/67 및 튜브 루팅 68)는 인클로저(51)에 대해 가동적(예컨대, 미끄럼가능)이며, 도6의 단면도로 도시된 바와 같이, 열 교환기의 일부 역시 인클로저와 이격되어 있다. 그러나, 도7-8에 도시된 바와 같이, 열 교환기의 다른 부분들은 인클로저와 이격되어 있지 않다. 예컨대, 냉각수 입구(52) 및 출구(53)에 서 각각 인클로저 측벽(62)을 통해 입구(66) 및 출구(68)의 냉각 유체를 순환시키는 튜브는, 냉각수의 적절한 순환을 위해, 인클로저의 개구를 통과한다.

인클로저, 열전 층 및 열 교환기 간의 상대 이동성은, 열팽창 시 적절한 자유 각도를 허용하며, 구성 요소들 간의 기계적 응력을 회피 또는 감소시킨다. 예컨대, 뜨거운 인클로저(또는 뜨거운 열 교환기)는, 차가운 열 교환기 상에 놓여 있는 열전 층을 따라 자유롭게 팽창 또는 슬라이딩할 수 있다. 인클로저 측벽(62,63)의 각각의 영역에 부착되는 입구 배관(66) 및 출구 배관(68)은 근접 연결할 수 있으며, 이는 인클로저가 자유롭게 열적으로 이동 및 팽창할 수 있도록 한다. 또한, 이들 부착들은 (뜨거운 유체에 대해) 장치의 하류에 위치될 수 있고, 이때 인클로저 및 유체 온도가 냉각된다.

도11에 도시된 바와 같이, 인클로저 베이스 시트(61)의 큰 표면을 따라 실질적으로 연장하는 평면 방향(즉, 도1에 도시된 단면에 대해 수평)으로, 인클로저 베이스 시트(61)는, (점선 화살표로 표시한 바와 같이) 열 교환기 및 열전 층(63)에 대해 온도의 증가에 따라 열적으로 팽창하도록 구성되고, 실제로, 시트들(61)은, 이 인클로저 베이스 시트(61)와 열적 계면 접촉하고 있는 열전 층들(63) 상에 움직이고 미끄러질 수 있다. 베이스 시트(61)들이 열전 층(63)들을 따라 슬라이드할 때, 베이스 시트(61)들은 계속 정합하여 내부에 분포 열 접촉 압력을 인가하도록 한다. 도1에서, 선택적 핀들은 다른 특징들을 명확히 보기 위해 도시되지 않았다.

평면방향에 수직으로, (도11의 수직 방향을 따라 배향되도록 도시된 측벽의) 인클로저 팽창 거리는 그의 짧은 높이 때문에 매우 작으며, 평면 방향의 열팽창량에 비해 인클로저와 내부 부재들 간의 열 팽창 차이가 거의 없도록 한다. 많은 실시예에서, 측벽(62)은, 상부 및 하부 베이스시트(61)의 주변부를 지지하는 프레임을 제공하기 위해 베이스 시트보다 더 강성으로 될 수 있다. 이 구조에 따르면, 정합가능한 상부 및 하부 베이스 시트들(61)은, 계속 정합하여 내부에 분포 열 접촉 압력을 인가함으로써 (상부 및 하부 시트에 의해 한정되는 평면에 수직인 방향으로) 작은 열 팽창을 보상한다.

어떤 실시예에서, 소망의 정합도 및 열적 계면 접촉 압력을 달성하기 위해 높은 진공이 사용된다. 고 진공은 필연적으로 가스 매치의 부재(또는 비교적 적은 가스의 존재)를 야기하며, 인클로저와 냉각수 열 교환기 사이는 물론 열전 구조들 중 공간들 내의 대류 열 전달을 대부분 제거한다. 그렇지 않으면, 임의의 동작 조간 하에, 이와 같은 대류 열 전달은 상당한 열 누출을 야기할 수 있어 시스템 효율을 저하시키는 기생 손실에 기여한다. 또한, 내부 부재들(예컨대, 열전 재료들)이 주위 환경의 산화에 민감한 경우, 고 진공은 불활성 기체의 필요성을 제거할 수 있으나; 부분 진공이 필요한 경우, 예컨대 산화로부터 내부 부품들을 보호하기 위해 불활성 기체(예컨대, 질소, 아르곤)도 사용될 수 있을 것이다.

각종 실시예에서, 인클로저가 열전 층(63) 및 냉각수 열 교환기(84, 66, 67, 68)의 일부 너머로 연장 또는 돌출하는 경우, 인클로저 주변은 인클로저의 내측 볼륨 내에 부품들을 격리 및 보호하기 위한 공간을 제공한다.

어떤 경우에, 돌출 영역에 인클로저 시트를 지지하기 위해 브레이스와 같은 구조 보강부가 사용될 수 있으며, 브레이스의 부재시, 부서짐, 실패 또는 붕괴로 이어지기 쉽다. 다른 구조적 부재들은 인클로저의 내부 부품들을 위치시키기 위한 스탠드오프를 제공하고 인클로저에 대한 그들의 움직임을 제한하여, 장치에 대한 추가의 구조 지지부를 제공한다. 인클로저로부터 열 교환기 헤더와 같은 내부 부품으로의 열 방사 열 전달(기생 열 누출의 다른 형태)을 감소시키기 위해 굴절성 알루미늄 포일과 같은 부유 방사 배리어들도 사용될 수 있다. 필요한 경우, 다른 형태의 구조적 보강부들이 채용될 수 있으며, 이는 인클로저 제조 설계 및/또는 전체 진공이 채용되는지의 여부에 따를 수 있다.

열전 층들은 실질적으로 평탄한 세라믹 냉각수 열 교환부의 대향측들에 통합될 수 있다. 이 구성은 개념적으로 2단 열전 모듈과 유사하여, 그의 단면도가 도12에 도시된다. 이때, 이 실시예에서, 상부 세라믹이 핫측상에 있도록 도시되고 하부 세라믹이 콜드측상에 있도록 도시된다. 이와 같은 모듈에서, 두 개의 다른 열전 층(81,82)은 중간의 평평한 솔리드 세라믹(80)의 양측에 부착된다. 일 실시예에서, 세라막, 금속 또는 다른 물질로 구성될 수 있는 열 교환부(64)는 중간 솔리드 세라믹(80)을 대체한다.

본원에 기재된 열전 장치에 채용된 열전 층(63)은, 임의의 적절한 열전 층 또는 서브 층 구성을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 두 개의 유사한 고온 열전 층들(63)은 도13에 도시된 바와 같이 평평한 세라믹 냉각수 열 교환부(64)의 대향측들상에 기계적으로 결합(예컨대, 강고하게 부착)된다. 도시된 바와 같이, 열전 층들은 실질적으로 평평한 열 교환부와 통합된다. 따라서, 열전 층들(63)은, 하나 이상의 서브 층들을 포함하는 1단, 2단, 또는 임의의 다른 다단 모듈 구성으로 제공될 수 있고, 복수의 열전 층들(63) 중의 모든 층이 소정 장치에 대해 동일한 설계 또는 재료로 될 필요는 없다. 열전 층들(63)의 콜드측 내부배선은, 예컨대, 금속 배선부(3)에 대한 세라믹 열 교환부의 금속화에 의해, 임의의 동일한 방식으로 냉각수 열 교환부(64)에 부착될 수 있다.

어떤 실시예에서, 고온 열전 물질(또는 재료)(86,87)은 내부 배선들에 기계적으로 결합(예컨대, 단단히 접합) 되고 그 사이에 끼워지는 반면 단일화된 세라믹(5)은 핫측 배선부들에 기계적으로 결합(예컨대, 단단히 부착)된다. 끝으로, 열적 계면 물질(840((예컨대, 다른 것들 중에서도, 정합가능한 흑연 포일, 구리 포일, 그리스)이 단일화된 세라믹(5)의 외향 표면상에 놓이고 열전 층들과 인클로저 사이의 열적 계면을 증가시키도록 기능할 수도 있다.

통합된 열전장치가 형성되는 실시예는, 금속 냉각수 입구 및 출구를 세라믹 열 교환부의 대응하는 입구와 출구에 부착하는 것을 수반한다. 어떤 실시예에서, 이와 같은 부착은 금속화를 수반할 수 있다. 일 실시예는, 헤더 물질을 직접 사용하는 금속화를 포함할 수 있다. 다른 실시예는, 세라믹을 약하게 금속화한 후 예컨대 납땜 또는 다른 적절한 기술에 의해 금속화된 세라믹에 헤더 금속을 결합시키는 것을 수반한다. 다음, 금속 헤더는 냉각 유체를 수용 또는 취출하도록 금속 인클로저에 결합될 수 있다.

열 교환기의 다른 실시예에서, 냉각수 열 교환부 및 헤더들은 동일한 금속으로 만들어지며, 이는 납땜 또는 용접에 의한 이들 부품의 접합을 간단히 할 수 있다. 열전 장치는 금속 열 교환부내에 통합될 수 있으며, 이 금속 열 교환부는 열 교환기와 열전장치의 콜드측 금속 배선부들 간에 전기적 절연 코팅(세라믹 코팅은 필수적이 아님)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 어떤 실시예에서, 배선부 또는 시트 또는 이들 사이의 별도의 시트 상에 접합, 결합 또는 코팅되는 열전 층을 부착하기 위해, 열전장치의 핫측과 배선부들과 인클로저 시트 사이에 전기적 절연 코팅 또는 재료가 사용될 수 있다.

상기 실시예에 기재된 바와 같이 냉각수 열 교환기로 통합된 열전장치에 반하여, 다른 실시예는 선택적으로, 단일화된 핫측(90)을 갖는 고온 모듈을 도시한 도14 및 15에 도시된 바와 같이, 실질적으로 평평한 냉각수 열 교환기의 양측에 접하여 간단히 위치된 별도의 평면 열전 층 또는 모듈을 포함할 수 있다. 이 구성은 모듈의 측면들의 일측 또는 양측상에 열적 계면 물질(84)에 의해 이루어질 수 있다. 도15에 예시된 실시예에서, 별도의 열전 모듈들은 실질적으로 평평한 냉각수 열 교환부와 접한다.

세라믹 냉각수 열 교환부에 사용되는 다른 실시예는 콜드측 열 접촉 저항을 더욱 향상시키기 위해 세라믹 열 교환기에 대한 콜드측 세라믹의 금속 부착부(예컨대, 결합, 접합)를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예는 일측 또는 양측에 세라믹 없이 별도의 열전 층 또는 모듈을 채용할 수 있으며, 세라믹의 부재에 따라, 전기적으로 절연층(코팅 또는 별도의 시트)가 적용된다. 다른 실시예는 당업자에 의해 가변적으로 채용될 수 있다.

각종 실시예에 기술된 다른 형태의 인클로저는, 압축성(compressible) 또는 순응성(compliant) 인클로저 측벽으로, 일 실시예는 도16에 나타낸 형태를 갖는다. 선택적 핀들 및 고정 메카니즘은 설명의 편의를 위해 도시되지 않았다. 인클로저의 정합성이 내부 부품들과 베이스시트 간의 계면에서 야기되고 측벽에서 덜 야기되도록 정합가능한 진공 인클로저로부터 차이가 있다면, 압축성 인클로저의 정합성은 효율적으로 반전될 수 있다. 즉, 어떤 실시예에서, 베이스 시트(들)는 정합성의 경향이 덜한 반면, 측벽(들)은 비교적 높은 정합성 정도를 나타낼 수 있다. 도16에서, 실질적으로 반원형의 얇은 측벽(77)은 높이 방향(예컨대, 보다 강성인 베이스 있으며, 시트 76에 수직인)으로 열 팽창 차이에 대한 적응성 또는 가요성을 더 제공할 수 있는 반면, 비교적 얇은 벽에도 불구하고 높은 진공에 견딜수 있다.

또한, 상기 다른 실시예들과 유사하게, 압축성 인클로저는, 냉각수 열 교환기(및 관련 부품들)와 접촉하는 열전 층들을 포함하는 내부 부품들에 대한 절연 및 보호의 배리어를 제공하고 인클로저 주위 부근으로 내부 부품들을 돌출시켜, 가요성 측벽(77)에 의해 가로막히는 어떤 공간으로 된다. 또한, 상기와 같이, 인클로저는, (플레이트에 평행한 방향으로) 인클로저 및 플레이트의 열팽창 및 수축을 보상하기 위해 냉각수 열 교환기에 대해 움직일 수 있다.

다양한 실시예에서, 압축성 인클로저는, 불활성 기체의 존재 또는 부재시의 부분 진공, 고진공 또는 단순히 불활성 기체가 존재하는 실시예를 포함하여 기밀(air tight) 상태로 될 수 있다. 이 진공은 상기 실시예에 기술된 바와 유사한 목적으로 작용하며 또한 베이스 플레이트에 의해 전달되는 내부 부품 계면에 대한 압축력을 제공한다.

어떤 실시예에서, 진공에 의해 생성되는 것보다 큰 압축성 압력은, 무엇보다도, 스크류, 볼트, 갭에 걸친 텐션의 스프링을 포함하는 기계적 패스너의 부가로 달성될 수 있으며, 이들은 기밀성 인클로저의 외측에서 구현될 수 있고 인클로저 실링과 간섭하지 않는다. 이와 같은 패스너를 사용하는 다른 실시예에서, 핀들의 상부를 가로질러 측면으로 연장되는 보강 부재들은 베이스 플레이트 굴곡을 최소화하기 위해 핀 및 베이스 플레이트 구조에 걸친 구조적 보강을 제공하며, 실제로 플레이트에 의해 전달되는 적절히 분포된 압축성 계면 압력을 제공한다. 어떤 실시예에서, 이와 같은 보강 부재들은 임의의 적절한 기하학적 구조를 갖고 주기적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 보강 부재들은, 서로에 대해 비교적 넓고 좁게 될 수 있고, 교번적인 광-협(wide-narrow) 구성으로 배치될 수 있다.

다른 인클로저 실시예들은 기밀 압축성 인클로저를 포함하지 않을 수도 있으며, 이는 보다 단순한 측벽 구성을 가능케 한다. 그럼에도 불구하고, 이는, 열 팽창을 조정하기 위해 고온 동작을 수반하는 응용에 대한 슬라이딩 부품들 간에 효율적인 열적 계면을 유지하도록 기계적으로 적응 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 비기밀성 실시예에서, 이들 구조의 어떤 것은, 금속 측벽의 부착 또는 압축성 절연재(이는 압축성의 다른 부재로 될 수도 있다)로 인클로저를 간단히 충전하는 것, 또는 이들 해법의 조합으로 될 수 있다. 비압축성 또는 비순응성(비일치성) 인클로저(기밀 또는 비기밀성)에 있어서, 내부 부품들의 상대 적응은 정합성 또는 적응성 열 계면 패드와 같이 달성될 수 있으며, 이들은 다른 선택물 중에서도 어떤 탄성적 특성을 갖는다.

압축성 측벽 또는 비순응성 인클로저 해법의 인클로저는, 정합가능한 인클로저와 유사한 열전 특성을 갖는다. 예컨대, 열전 재료(물질)가, 열 교환기 또는 인클로저 베이스 시트(들)의 세라믹(들) 또는 금속 열 교환부(들)의 표면에 통합되거나 기계적으로 결합될 수 있다. 또는 다른 부재들로부터 전체적으로 분리된 평면 열전 모듈(들) 또는 층(들)이 채용될 수 있다.

또한, 각종 실시예에서, 압측성 인클로저 측벽 또는 비적응성(순응성) 인클로저 해법은 핫측 플레이트에 통합된 열전 재료를 가질 수 있어, 열전 층의 콜드측이 냉각수 열 교환부와 슬라이딩 열적 접촉을 이룰 수 있고, 이는 열적 계면 물질(예컨대, 열 그리스 또는 시트)을 선택적으로 채용할 수 있다. 이와 같은 통합은, 상기 세라믹과 금속 열 교환부들 모두에 열전 통합에 관련된 상기 방법과 유사하나, 이들 전자의 통합 대책이 핫측 금속의 베이스 또는 세라믹 열 교환기에 인가되는 것은 제외한다. 또한, 열전 층들의 콜드측이, 핫측 대신 분할된 세라믹들(5)을 포함하여 열 응력을 경감하도록 할 수 있다.

추가로 기술되는 바와 같이, 열전 장치는 후처리 목적을 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예로서, 핫측 금속 또는 세라믹 열 교환기들은, 고온 dvcp의 방출을 처리하기 위한 기판으로서 작용하고 후처리 장치로서도 작용하여, 촉매(예컨대, 촉매 컨버터) 또는 특정 필터로서의 목적을 위해 기능한다. 핀 배치 구성을 포함할 수 있는 인클로저는, 유체의 반응을 촉진하도록 구성되는 코팅을 포함할 수도 있다. 이들 기판은 많은 미니 채널 및 통로들을 포함할 수 있으며 이들은 촉매 표면애 더하여, 열교환 표면으로 작용할 수 있는 큰 표면적으로 된다. 따라서, 열전 장치는 두개의 목적: 전기 발생 및 방출 제어로서 작용한다.

본 발명에 따른 열전 시스템은 비대칭 실시예를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 실질적으로 직육면체형인 실시예는 장치의 일측을 향해 배치된 한 조의 핀들 및 하나의 열전 층만 가질 수 있으며, 대향측상에는, 핀들이 없고 인클로저와 내부 열 교환기 사dl에 열적 배리어를 제공하기 위해 열전 층 자리에 절연체를 갖는다. 다른 구성 역시 가능하다.

어떤 실시예에서, 열전 장치는, 이 열전 장치의 외측을 둘러싸고 그 너머로 흐르는 유체(예컨대, 뜨거운 유체 흐름)을 수용 또는 구속하기 위한 유동(흐름) 공간을 한정하는 덕트의 내측 볼륨 내에 실질적으로 위치된다. 상기 덕트는, 유동 공간 내로의 유체 유입을 수용하기 위한 입구 및 유동 공간으로부터의 유체 유출을 수용하기 위한 출구를 포함한다.

본원에 기술되고 도17에 도시된 바와 같이, 내측 볼륨 또는 다른 호칭으로서의 덕트의 유동 공간은, 유체가 덕트로부터 출구로 흐를 때 유체를 포함하는 볼륨의 최외측 측방향 치수이다. 열전 장치(50)는 내측 볼륨 또는 덕트(40)의 유동 공간 내에 위치될 수 있는 반면, 상기 장치는, 이 열전 장치와 덕트 부재들 사이에 열전달이 일어나도록 할 필요없이 덕트의 구성 요소들로부터 실질적으로 분리되며; 환언하면, 장치의 기능은 인클로저를 둘러싸는 유체를 방해하는 구조(예컨대, 덕트)와의 열 전달을 필요로 하지 않는다.

어떤 경우에, 장치는 선택적으로 구조로부터 이격되거나 또는 열적으로 분리될 수 있다. 그러나, 상기 장치는 구조로부터 이격/열적 분리될 필요는 없다. 본 발명의 개념에 있어서, 열적 분리는 포위 구조와의 결합 또는 기계적 부착을 배제하도록 요구되지 않는다. 차리리, 열적 분리는, 장치와 구조물 사이에 일어나는 임의의 열 전달이 장치의 열전 동작에 실질적으로 영향을 미치지 않도록 포위 구조물에 대해 장치가 위치되는 것을 의미하도록 이해된다.

이에 대해, 종래 열전 장치에 있어서, 열전 변환을 위해, 장치는, 온도 구배가 열전 장치에 제공될 수 있도록 유체 흐름을 구속하는 포위 구조물(예컨대, 덕트)과 (예컨대, 일체적으로 결합된) 열 전달부를 필요로 한다. 달리 말하면, (적절한 온도 구배를 제공하는) 이와 같은 열 전달부 없이는, 통상적인 열전 장치들은 반드시 그들이 의도하는 목적을 위해 기능하지는 않는다.

반대로, 본원에 기재된 열전 장치의 실시예들은, 유체의 흐름을 방해하는 포위 구조물로부터 별도로 독립적으로 형성될 수 있다. 따라서, 열전 장치는 덕트에 제거가능하게 부착될 수 있고, 어떤 경우에는, 고온의 유체가 흐르는 덕트의 내측 볼륨 또는 유동 공간 내에 열전 장치를 기계적으로 매달 수도 있다.

덕트(예컨대, 자동차 덕트, 배기관, 등) 내로 열전 장치를 삽입하는 것은 실질적으로, 본원에서, 열전 장치가 배기 덕트 내에 삽입되고 (탑승자 히팅 대신) 장치의 냉각을 위해 냉각 유체를 사용할 수 있는 것을 제외하고, 자동차용 히터 코어와 유사하다. 승용차에 대한 응용에서, 도18은 덕트와 최소의 접촉을 필요로 할 수 있는 덕트(40) 내측의 열전 장치(50)에 대한 일 실시예를 도시한다. 이 장치는 장치 인클로저의 측벽(62)의 각 측상에 위치된 기계적 커플링(도시되지 않음)을 사용하여 덕트 내에 현수될 수 있다.

본원에 기술된 바와 같이, 장치에 대한 입구 및 출구 흐름 영역이 아닌, 장치와 덕트 벽 간의 잔여 공간에는 (장치가 보이도록 하기 위해 도18에는 도시되지 않은) 장치를 바이패스하는 임의의 흐름을 제거하기 위해 필러 절연체로 충전될 수 있다. 어떤 실시예들은 독립형 열전 장치들이며, 덕트 입구 및 출구들은, 머플러 및/또는 후처리 장치들을 포함할 수 있는 엔진 배기 장치부터의 배관과 연결될 수 있다.

상기 장치는 독립적으로 되어 있고 유체 흐름을 방해하는 덕트와 강고하게 일체로 되도록 할 필요는 없기 때문에, 장치는 모듈형이 고려될 수 있다. 즉, 장치는 전체 시스템으로부터 용이하게 채용 또는 제거될 수 있다. 이 모듈성으로 인해, 하나의 덕트 또는 다수의 덕트들의 유동 공간 내에 병렬 및/또는 직렬로 복수의 열전 장치들을 간단히 배치함으로써 용량의 확장이 가능한 열전 시스템이 용이하게 달성될 수 있다.

본원에 기재된 열전 장치에 따르면, 각종 실시예들은 도24에 일 예가 도시된 바와 같이 덕트 내에 병렬 및 수직 적층된 10개의 장치들의 형태를 가질 수 있으며, 이때 각 장치가 500W를 발생한 경우 5kW의 출력을 발할 수 있다. 유사하게, 다른 실시예들은 도25에 일 예가 도시된 바와 같이 수직 적층된 8개의 장치들을 포함할 수 있으며, 이때 각 장치가 500W를 발생한 경우 4kW의 출력을 발할 수 있다. 이 시스템은 또한, 입구에서의 후처리 장치와 결합되며 이는 전체적으로 매우 컴팩트한 패키지를 제공하면서 덕트로의 유입류 천이를 용이하게 한다.

임의의 응용 및 실시예들은 장치의 일부를 바이패스하거나 또는 장치를 바이패스하는 유체의 적어도 일부를 수반할 수 있다. 예컨대, 어떤 경우에, 핫측 유체 동작 조건들이 있으며, 이들은 예컨대, 장치에 대한 허용가능한 온도 한계를 초과할 수 있어 과열 및 잠재적 고장을 야기한다. 따라서, 장치의 온도 감응 영역 상의 유체 흐름을 감소 또는 중지하는 유체 바이패스가 채용될 수 있다. 다른 경우에, 유체 흐름이 과도하여 지나치게 많은 배압을 생성할 수 있으며, 이는 유체의 경감을 필요로 할 수 있다. 어떤 경우에, 이 유체 바이패스는, 비록 이와 같은 바이패스 시스템이 다수의 다른 형태들로 구현되더라도, 주 덕트에서의 유체 흐름에 평행하게 연장되는 대안적인 다른 통로를 통한 유체 흐름의 일부 또는 모두를 순환시키도록 작용할 수 있다.

유체 바이패스 시스템의 어떤 실시예들은, 핀 폭이, 도17 및 18에 나타낸 바와 같이, 인클로저와 덕트 사이의, 장치의 어느 일측상의 측방향에서 끝나는 공간을 사용할 수 있다. 예컨대, 바이패스에 대한 별도의 흐름 통로를 한정하도록 핀 폭이 끝나는 곳에 부가적 구획 벽이 포함될 수 있다.

어떤 실시예에서, 장치보다 실질적으로 큰 유동 공간이 채용될 수 있고, 상기 장치는 덕트의 일측에 대해 실질적으로 이격되고, 유체 바이패스에 대한 별도의 유동 통로를 한정하기 위해 장치의 일측에 인접하여 구획 벽이 삽입될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 완전히 분리된 덕트가 함께 사용되어, 대안적 유체 흐름 통로로서 작용할 수 있다. 이때, 유체의 흐름은 댐퍼 또는 밸브를 사용하여 제어될수 있으며, 이들은 능동적으로(예컨대, 솔레노이드, 모터, 등) 또는 수동으로(예컨대, 바이메탈 스프링과 같이 열적으로 작동되는 물질, 형상기억 합금, 등) 동작된다.

상기 실시예들의 변형예는 복수의 장치들을 포함할 수 있으며, 바이패스부가 인접한 장치들 간에 제공될 수 있다.

어떤 실시예에서, 본 발명에 따른 열전 시스템은 노이즈 감쇠 부재들과 결합된 하나 이상의 열전 장치들을 포함할 수 있으며, 이들은, 머플러 및 열장 장치로 작용하고 본원에 열전 머플러로 기술된 덕트, 또는 덕트에 의해 한정되는 유동 공간 내에 설계되거나 제작될 수 있다. 이와 같은 결합은 상승 효과적이고 상대적으로 용이하게 달성된다.

각종 실시예에 따른 열전 구성을 포함할 수 있는 열전 장치는 노이즈를 감쇠하는 그 자체로서 특징들을 가질 수 있다. 열전 장치는 또한, 부가적인 노이즈 감쇠 특징 및 물질들을 용이하게 수용할 수 있다. 상기한 바와 같이 당업자는, 노이즈 감쇠 부재들이, 적어도 하나의 노이즈 감쇠 물질, 특징, 또는 복수의 통로들, 챔버들, 벽들, 천공된 벽들, 튜브들, 천공 튜브들, 또는 음향적으로 흡수성 물질을 포함하는, 유동 공간 내에 주행하는 음파의 파괴적인 간섭을 분산, 방해, 소멸, 또는 야기하도록 구성되는 구조물을 포함할 수 있고, 장치, 덕트, 또는 시스템의 다른 구성 요소의 일체 부분으로 될 수 있거나 또는 일체 부분으로 되지 않을 수도 있다.

통상적인 열전 시스템보다 임의의 장점들을 제공하는 장치의 특성은, 각종 실시예에서, 전체가 아닌 경우, 장치의 인클로저 및 그로부터 연장하는 임의의 ㅍ핀들의 상당한 부분이 외측으로 대면하고 포위 유체와 접하는 반면, 덕트에는 미부착 상태로 되어 있다. 이에 대해, 통상적인 열전 장치는 임의의 핀들이 덕트의 내면에 직접 부착되도록 요구된다.

본 발명에 따른 열전 시스템의 이 특성에서, 인클로저로부터 연장되는 핀들은 덕트의 내벽에 부착되지 않은 상태로 될 수 있어, (예컨대, 장치의 유동 길이를 따른 측면 주변 부근에 위치된) 노이즈 감쇠 부재들에 대해 이용되는, 비교적 큰 표면적 및 볼륨(예컨대, 특히 장치가 덕트로부터 이격된 경우)을 제공한다. 부가적인 표면적 및 볼륨(체적)의 가용성은 예컨대, 노이즈 감쇠 부재들의 설치를 수용함으로써 노이즈 감쇠에 유익할 수 있다. 이 구성은 노이즈 감쇠 부재들이 장치를 둘러싸는 유체로부터의 음파에 직접 노출되도록 하여 그의 향상된 감쇠를 제공할 수 있다. 각종 실시예들에 의하면, 노이즈 감쇠 부재들은 장치 및/또는 덕트와 기계적으로 접촉할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

이와 비슷하게, 유동 공간 내((예컨대, 덕트 내)의 다수의 열전 장치들의 배치 중에, 병렬 또는 직렬 배치에 있어서, 노이즈 감쇠 부재들은 둘 이상의 열전 장치들의 부분들 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 다중 열전 장치들의 구성은, 천공들, 액세스 튜브, 또는 개방 홀을 포함할 수 있으며 이들은 다른 챔버들 또는 다른 노이즈 감쇠 부재들에 대해 하나 이상의 통로를 제공한다. 이와 같은 구성은 또한, 직렬로 배치되는 열전 장치들(예컨대, 서로에 대해 상류 및 하류에 위치된 열전 장치들) 사이에 위치된 영역들에 대해 다른 음향의 노이즈를 감쇠하도록 구성될 수도 있다.

일반적으로, 핀 패턴의 기하학적 형상은 열 전달을 향상시키기 위해 (예컨대, 유체 경계 층들의 형성에 의해) 유체 흐름을 방해하도록 구성되며, 이에 따라 노이즈 감쇠의 역활을 수행한다. 소정의 핀 패턴에 대해, 핀 뱅크는 (예컨대, 루버, 옵셋, 천공, 물결 모양 등과 같이) 유체 흐름의 방향을 따라 핀 형상의 간헐적 또는 주기적인 변형을 가질 수 있으며, 이에 따라 작은 흐름 통로를 포함한다. 또한, 좁은 핀 세트들을 갖는 핀들의 기하학적 형상은 도9에 예시적으로 도시된 바와 같이, 흐름의 방향으로 단면적의 분명한 변화를 제공한다. 이들 특성은 예컨대, 음파들을 산란, 소멸, 및 방해 간섭함으로써 효율적으로 노이즈 감쇠를 행할 수 있다. 인클로저 표면은 또한, 예컨대 주위 핀 뱅크 내로 음파들을 반사시킴으로써 노이즈 감쇠에 기여할 수 있으며 이는 파동 에너지의 추가적 흡수를 야기한다. 어떤 실시예에서, 노이즈 감쇠 부재들은, 핀들 및 핀 세트들의 옆 및 핀들의 상부에, 핀 뱅크 내에 삽입될 수 있다.

예컨대, 엔진 배기 열을 에너지로 변환하는 개념에 있어서의 낮은 프로파일의 직사각형 또는 직육면체형 열전 장치들에 대해, 다음과 같이 적용할 수 있다. 유체 흐름은, 덕트내의 입구 및 출구 볼륨을 통한 직육면체형 열전 장치 그 자체와, 전형적인 배기 시스템으로 될 수 있는 (예컨대, 원형/원통형 튜브들과 같은) 임의의 단면을 갖는 튜브들 사이에서 천이하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 입구 및 출구 볼륨은 보다 큰 반응 효과들을 위해 챔버 내로 돌출/지나치게 연장되는 튜브들을 갖는 반응 챔버들로서 기능하도록 용이하게 구성될 수 있다. 열전 장치(예컨대, TEG)를 통해 측방향으로 평형 흐름을 달성하기 위해, 입구 및 출구 배관의 축들은 서로 편이(offset)되도록 배치될 수 있다. 이 특성은 반응성 감쇠에 바람직한데 그 이유는 이 구성이 입구 파이프로부터 출구 파이프로 직접 전달되도록 하는 사운드의 성능을 감소시켜, 파의 주행 거리를 크게 하고 파가 굴절 및 소멸되는 기회를 늘린다.

어떤 실시예에서, 본원에 기술된 노이즈 감쇠 기술은, 예컨대, 광범위한 자동차 엔진 속도로 인해, 매우 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐 노이즈 신호를 발생하는 자동차 배기장치용 열전 머플러 시스템에 적용할 수도 있다. 도22는 머플러에 의해 둘러싸인 공간 내에 위치된 열전 장치를 도시한 본 발명의 일 실시예이다. 따라서, 본원에 기재된 실시예들은 자동차 머플러로서 광대역 노이즈 감쇠를 달성하도록 하는 잠재력을 가지며 도1에 도시된 것들을 포함하는 반응성 및 흡수성 머플러에 발견되는 것들과 유사한 노이즈 감쇠 기술들 및 특징들을 채용한다.

동작에 있어서, 배기 가스 및 음파는 엔진에 연결된 배기 장치로부터 입구 관(100)으로 유입한다. 배기는, 단면적의 변화로부터, 음을 감쇠하도록 구성되는 팽창 챔버(101)로 즉시 유입한다; 입구 관으로부터 챔버로 유입하는 응축된 파는, 비교적 큰 볼륨을 갖고, 보다 큰 면적에 걸쳐 그의 에너지를 소멸시키는 팽창 챔버에서 팽창한다. 따라서, 이 커진 볼륨은 파의 전체 밀도를 감소시킨다.

음파들은 이들이 측벽에 도달할 때까지 팽창 챔버에서 팽창하며 배기음이 머플러의 측벽으로부터 사운드 펄스들의 반사에 의해, 또한 후속의 다가오는 파들과의 파괴적 간섭에 의해 추가로 감쇠된다. 파괴적 간섭은 음파가 동일 또는 변화하는 크기 및 위상의 다른 음파와 간섭할 때 야기되고 일련의 챔버들, 튜브들, 및 통로들을 통해 가스를 통과시킴으로써 전형적으로 낮은 주파수 범위(<500Hz)에서 달성되는 반응성 감쇠 방법이다. 입구 관 돌출부(100)는 또한, 어떤 파가 기체(가스) 흐름의 방향과 반대 방향으로 전파하고 챔버의 정면에 대해 반사 및 소멸하도록 하고, 또한 파괴적 간섭에 대한 다른 기회를 허용함으로써 함으로서 추가적 감쇠에 일조한다.

단면적의 축소는, 배기 가스가 장치를 통해 유입하고 핀 어레이(55)를 통해 흐를 때 야기된다. 도시된 핀 패턴은 포괄적(총칭적)인 것으로, 음의 산란, 소멸 및 파괴적 간섭을 얻도록, 음파가 열전 장치를 통해 전파할 때 (미니 및 마이크로 길이 스케일의) 작은 통로들 및 단면적의 빈번한 변화를 설계함으로써 높은 열 전달 및 노이즈 감쇠 특성을 얻도록 구성될 수 있다. 이와 같은 단면적의 변화는, 상기 도9에 제시된 것들은 물론, 무엇보다도, 천공 형태, 스태거 형태, 루버 형태, 및 물결 모양 핀들과 같은 임의의 적절한 핀 구성을 포함할 수 있다. 또한, 흐름 난류 및 경계층 파괴 역시 음파동 에너지를 소멸할 수 있다. 이 형태의 감쇠는 ㅌ트특히 저-중 주파수들의 감쇠에 적합할 수 있다.

배기 흐름이 핀 어레이를 통해 흐르는 동안, 음파들은 핀들에 의해 빈번히 산란되고 인클로저의 외면으로부터 반사되고, 장치 주변을 향해 또한 덕트 주위(104)(예컨대, 덕트 상부, 하부, 및 측벽들)를 향해 외측으로 음파들을 유도한다. 따라서, 도22 및 23a에 도시된 바와 같이, 배기음을 감쇠시키기 위해 덕트의 주위(104)는 노이즈 감쇠 부재들(102)를 덧댈 수 있다. 임의의 음 흡수 재료는, 모든 주파수, 특히 높은 주파수(>500Hz)에 대한 진동의 크기를 감소시키고 전형적으로 흡수성 소음기에 사용되는 흡수성 재료를 사용할 수 있다. 상기 음 흡수 재료는, 덕트의 벽들을 통해 열 손실을 감소시키고 열전 장치의 열적 성능을 더 증대시키는 적절한 열 절연체로서 작용할 수도 있다. (시각적으로 잘 보이도록 하기 위해), 덕트의 부분들은 측면들의 상부 및 일부에 대해 도면에 도시되지 않았으며, 어떤 사운드(음) 흡수 재료 역시 장치 위의 상부 및 좌측에 대해 도시되지 않았다. 또한, 덕트에 대한 냉각수 입구 및 출구는 도면의 단순화를 위해 도면에 명확히 도시되지 않는다.

배기 가스 흐름이 열전 장치의 핀 어레이를 나갈 때, 단면적의 팽창이 제2 반응 챔버(103)내에 일어난다. 배기 흐름은 출구 관으로 통해 유출하기 전에 제2 반응 챔버(103)로 흐르며, 상기 출구 관은 임의의 적절한 단면 형태(예컨대, 원형, 직시각형, 다각형 등)을 가질 수 있고, 유체는 단면적의 수축이 일어난다. 상기 반응 챔버(103)는 또한, 머플러의 후벽으로부터 사운드 펄스를 반사시킴으로써 저주파 사운드를 감쇠시킬 수 있다. 유출 튜브는 또한, 챔버(도시되지 않음)내로 돌출할 수 있고, 상기 챔버는 시스템을 나오는 음파의 배리어(barrier)를 제공할 수 있다.

도22 및 23a에 도시된 바와 같이, (예컨대, 장치의 유동 길이를 따른) 덕트의 내면과 열전 장치 사이에 위치되는 노이즈 감쇠 부재(102) 대신, 또는 그에 부가하여, 다른 노이즈 감쇠 부재들이 사용될 수 있으며, 예컨대, 하나 이상의 유체 통로, 챔버들, 벽들, 또는 천공된 벽들을 포함한다. 도23b는, 출구 챔버(103)를 향해 팽창 입구 챔버(101)로부터 연장되는, (덕트의 상부 및 하부 영역들인) 두 개의 연장된 반응 챔버들을 형성하는 덕트의 내측 공간 내의 챔버들을 도시한다.

이와 비슷하게, 다른 실시예에서, 팽창 출구 챔버(103)에 대한 연장된 반응 챔버는 출구 챔버(103)에 대해 연장된 챔버를 간단히 개방하고 입구 챔버(101)로의 개구를 차단(walling off)함으로써 형성될 수 있다. 변형예를 도23c에 도시했으며, 이는 장치의 ㅅ아부 및 하부ㅜ 영역에 두 개의 절연된 반응 챔버들(121)를 도시하고, 이들 챔버는 중간 길이로 핀들 중에 주행되는 음파와 음향적으로 상호작용하도록 구성된다.

도23d에 도시된 어떤 실시예에서, 시스템은 예컨대, 다수의 열전 장치들이 덕트(104) 내에 배치된 다른 특징들을 포함할 수 있다. 덕트(104) 내의 다수의 열전 장치들(반드시 직육면체는 아님), 또는 덕트 공간(104) 내에 삽입될 수 있는 다른 열전 장치들(128)은, 큰 하우징 챔버(125) 내에 배치될 수 있고, 상기 챔버는 열전 장치(50 또는 128)와 덕트(104)를 통해 하우징 입구로부터 하우징 챔버로 기체를 순환시킬 수 있다. 상기 하우징 챔버는, 선택적으로 천공된 가스 유출 관(125)를 제공할 수 있으며, 상기 관은 실질적으로 하우징 챔버내로 선택적으로 돌출할 수 있고 또한 실질적으로 덕트에 평행하게 배향되며, 챔버 거리의 상당 부분에 걸쳐 연장된다.

어떤 실시예에서, 장치를 포함하는 덕트에 의해 형성되는 열 전 장치와 배기 관 사이의 입구 및 출구 볼륨은 다양한 머플러 부재들을 포함하도록 연장될 수 있다. 머플러 구성 및 하우징은 종종 직육면체형이므로, 본원에 기술된 열전 머플러 시스템의 관점들은 그와 용이하게 호환가능하다. 유사한 대책이 후처리 장치(예컨대, 촉매 변환기, 디젤 입자 필터 등)을 위해 사용될 수 있다. 본원에 제공된 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템 및 방법 등은, 별도의 부재들에 의해 야기될 수 있는 장치 및 머플러(및/또는 후처리 장치)에 의해 한정되는 흐름 천이 압력 강하 및/또는 전체 볼륨을 감소시킬 수 있다. 일례로서, 도25는, 열전 머플러 시스템으로 작용하기 위한 특징 및 노이즈 감쇠 부재들을 채용할 수 있는 덕트 내에 4.5kW의 파워를 방출하기 위한 8개 장치들의 수평 적층을 도시한다. 후처리 장치(예컨대, 촉매)는, 전체적으로 매우 컴팩트한 패키지를 제공하면서 덕트로의 흐름 천이를 용이하게 하는 입구에 위치된다.

(선택적 후처리 입구 또는 출구를 갖는) 상기 열전 머플러 시스템은, 열전 장치 및 머플러가 분리되는 시스템에 비해, 열적 회복을 갖는 배기 장치의 전체 크기, 중량, 배압, 및 가격을 크게 줄이도록 하는 잠재성을 갖는다. 열전 장치와 머플러를 효율적으로 함께 결합함으로써, 이 해법은 별도의 머플러에 대한 필요성을 감소 및/또는 제거할 수 있다.

임의의 적절한 열전 장치(들)는 적절한, 선택적으로 밀페된 흐름 공간(예컨대, 배기관, 덕트, 머플러, 등) 내에 위치될 수 있고 본원에 기술된 특정한 열전 장치 실시예에 한정되지 않는다. 예컨대, 덕트 내에 각종 실시예들의 열전 장치를 채용하는 열전 머플러에 관한 상기 설명은 무엇보다도 임의의 적절한 열전 장치(예컨대, 실질적으로 원통형, 직육면체, 이들의 조합)에 대해 적용할 수 있으며 이에 따라, 전체적이 아닌 경우, 열전 장치의 상당한 부분 및 그로부터 연장되는 열전도성 부재(들)(예컨대, 핀들 또는 다른 형상부재들)가 (예컨대, 둘러싼 유체와 접하여) 흐름 공간 내에 배치되고, 반면에 선택적으로 덕트에는 미부착 상태로 된다. 예컨대, 복수의 열전 장치들(128)(예컨대, 원통형이 도시됨)이 도23e에 도시된 바와 같은 구성으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 노이즈 감쇠 부재들(102)이 (예컨대, 장치의 흐름 길이를 따라) 덕트의 내면과 열전 장치들 사이에 배치될 수 있다. 또는, 다른 형태의 열전 장치들이, 유체 흐름 공간 내에 적절하게 위치될 수 있다.

비슷하게, 본 발명의 열전 장치들의 실시예는 임의의 열전 시스템과 일체로 될 수 있고 또는 달리 그에 채용될 수도 있다. 상기와 같이, 열전 장치의 실시예들은 예컨대, 덕트 또는 후처리 장치 또는 머플러의 유동 공간 내에 위치될 수 있다. 본원에 기술된 열전 장치들은 다른 형태의 비교적 높은 온도 시스템에 채용될 수 있다.

본원에 제공된 열전 시스템/장치들 또는 열전 장치를 채용하지 않는 다른 응용과 관련하여, 열 교환기가 둘러싸거나 또는 달리 인접한 구조((예컨대, 열전 층(들), 내부 열 교환기(들))와 열적으로 연통하고 그를 따라 미끄러지도록 정합하는 정합성 열 교환기를 채용하는 것이 바람직할 수 있다. 각종 실시예에서, 이 정합성 열 교환기는 정합면, 시트, 또는 벽으로 간단히 이루어질 수 있으며, 그의 외면이 (인클로저로부터 연장하는 복수의 핀을 통해) 주위 환경들과의 열전달을 향상시키도록 구성된다. 핀 형태 및 디자인은 실질적으로 손쉬운 특정 응용이 요망될 때 순응하고 행하도록 열 교환기의 성능을 별로 제한하지 않도록 채용될 수 있다. (정합성 시트들 또는 인클로저에 대해서는 전술한 바 있다). 어떤 실시예에서, 상기 관점에 따르면, 정합성 열 교환기는 하나 이상의 열전 층들 및/또는 부가적 열 교환기들을 둘러싸는 정합성 인클로저이다.

이 정합성 열 교환기의 관점이 인클로저의 베이스 시트 또는, 열 교환기의 부근에 노이즈 감쇠 부재들을 포함하는 다른 특징부를 포함할 수 있는 반면, 어떤 요소들은 본 발명의 모든 실시예에 반드시 필요하지는 않다. 어떤 경우에, 정합성 열 교환기가 정합하는 형태를 갖는 구조는 열전 층으로 되지 않지만 그 자체의 모양을 변형한 것을 포함하는 임의의 적절한 구조를 포함할 수 있다.

더욱이, 구조물의 표면이 인클로저에 연결될 수 있는 반면, 이와 같은 연결은 각종 실시예에서 요구되지는 않는다. 또한, 정합면 또는 상기 면이 결합되는 임의의 부재들의 열팽창에 의해 야기되도록 하는 부재들 간의 슬라이딩에 대해 모든 실시예에서 요구되지는 않는다.

열 교환기가 인접 구조물과 정합 및 인터페이스하도록 하는 압축력은 하나 이상의 측면들상에 또는 다른 방법으로 진공(예컨대, 대기압으로부터 감압)에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 표면의 일부는 기계적으로 당겨질 수 있고, 또는 적절한 압력 차가 열 교환기에 걸쳐 발생될 수 있다. 압력차는 예컨대 진공을 통한 것 외의 다른 방법으로 달성될 수 있으며, 예컨대 주위 환경의 압력은 대기압 이상으로 증가될 수 있는데, 무엇보다도, 해양 밑 또는 압력화 부재 내, 콘테이너/베셀, 또는 기계인지에 무관하다.

정합성 열 교환기는, 압축 압력의 변화 또는 임의의 계면 물질의 변화로 인해 인접 구조물에 가변 열 효율을 갖거나 간헐적으로 열을 전달할 수 있으며, 상기 물질은, 열, 내마모성 또는 다른 것(흑연 패드, 유체 그리스, 오일, 등)를 들 수 있고, 상기 다른 것은 상기 양자 사이에 있을 수 있다.

본원에 기술된 열전 시스템/장치들과 관련하여, 또는 열전장치를 채용하지 않는 다른 응용들에 있어서. 솔리드 스테이트 열 스위치는, 그의 온도가 소정 ㄱ가값 이상으로 상승시, 열을 전도하기 위한 구조 부재들의 성능을 감소시킬 수 있다(예컨대, 구조 부재들의 효율적인 열전도도를 감소시킨다). 이 모듈화 열 전도도의 성능은, 예컨대 부품들을 과열로부타 보호하기 위해, 동작 제어를 갖는 응용을 제공할 수 있다. 열 스위치의 실시예들이 채용될 수 있는 하나의 응용은 열 교환기이며, 이 열 교환기의 유효 열 전도도는, 임의의 임계값 및 차단값 이상의 열 교환기의 온도 상승에 응답하여 감소될 수 있다.

열 스위치를 채용하는 이와 같은 열 교환기는, 열전 물질(들)이 실패 없이 임계치 이상 동작할 수 없는 비교적 높은 온도의 응응들에 있어서 열전 물질(들)을 보호하도록 사용될 수 있다. 이때, 비록 열 교환기는 열전 물질(들)과의 계면 부근에서 그의 유효 열 전도성을 감소시킬 수 있지만, 이 열 교환기는 열을 온도 감응 열전 물질들)에 전달한다. 따라서, 열전 물질(들)의 온도는 그의 보호를 위해 임계 온도 미만의 온도로 될 수 있다. 반면에, 어떤 경우에, 열 교환기의 유효 열 전도도는 감소되는 반면, 열전 장치들은 계속 그들의 기능을 행할 수 있는 데 그 이유는 열 교환기에 채용된 열 스위치가 임계 온도를 초과하여 열전장치들에 대해 열을 계속 전달하도록 구성될 수 있기 때문이다.

상기와 같이, 많은 열전 물질(들)은 지나치게 높은 온도(예컨대, 통상적으로 500~650℃ 사이 및 그 이상)에서는 적절한 방식으로 수행될 수 없으며, 예컨대 베이스에 임의의 적절한 열 교환기에 통합될 수 있는 본원에 기술된 매우 얇은 솔리드 스테이트 열 스위치 기술을 채용함으로써 보호될 수 있다.

본 발명에 따른 열 스위치들의 기본 기능은 유체가 상 변화되도록 함으로써 열 전도성을 감소시키는 것이다. 유체는, 소망 임계 온도에 대응하여 (비등 또는 기화 또는 증발 온도에서) 액체로부터 기체로 상 변화할 수 있다. 기체 상태에서, 대부분의 유체들은 액체 상태보다 매우 낮은 열 전도성을 나타낸다.

상기 시스템에서 구현시, 이 유체는 솔리드 부재 내의 통로들(예컨대, 다른 선택 중에서도, 채널, 미니 채널, 마이크로 채널, 홈, 갭들)에 적절히 내장될 수 있다. 통로의 구성 및 위치는 응용에 따르며, 임의의 특정한 구조적 구성 또는 응용에 한정되지 않는다.

각종 실시예에서, 열전 장치들에 대한 핫측 열 교환기들을 수반하는 응용에 대해, 도26에 나타낸 바와 같이, 핫측 열 교환기의 베이스 시트 또는 플레이트(61)내에 채용될 수 있다.

도27에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널들(112)과 같은 미소 통로가 베이스 시트 또는 플레이트(61)에 형성될 수 있고, 상기 플레이트에는 적절한 유체 또는 유체 조성물이 충전되고, 채널 표면 상에 얇은 커버 시트(110)를 부착함으로써 밀폐된다. 이때, 이 예시적 실시예에서, 마이크로 채널들은 베이스 시트(61)에서 에칭된다.

도28a 및 도28b는, 밀폐된 유체 채널의 부분 단면도를 도시한다. 이때, 이 예시적 실시예에서, 유체 조성물은 열 스위치의 마이크로 채널들 내에 밀폐되고 유체 조성물은 상태 및 전도성이 변하는 것으로 도시했다. 도28a 및 도28b는 또한, 상태 변화 전후의 열 스위치의 개념적 비교를 나타내며, 각각, 그의 액체상에 있어서의 높은 전도도와 그의 증기상에 있어서의 낮은 전도도에 대응한다.

각종 실시예에서, 베이스 시트에 채널들을 형성하는 것은 무엇보다도, 기계적 가공, 화학적 에칭, 또는 스탬핑을 통해 달성될 수 있다. 금속 열 교환기에 대해, 표면에 박막을 부착하는 것은 무엇보다도 납땜(soldering), 확산 본딩, 경납땜(brazing)을 포함하는 다양한 방법을 통해 달성될 수 있다. 열 스위치를 채용하는 반면, 복합 베이스 및 얇은 시트들이 구성될 수 있고 이때 전체 두께는 정합성 인클로저로서 기능할 정도로 얇다. 마이크로 채널들은 열 스위치를 채용함으로써 매우 얇고 컴팩트한 해법을 제공하며 매우 얕게 형성될 수 있어, 열을 전달하기 위한 열 전도의 통로 길이를 최소화 또는 감소시키며 이는 바람직한 것으로 될 수 있다.

마이크로 채널들을 형성하는 대신, 다양한 다른 실시예들이 채용될 수 있다. 예컨대, 열 스위치들은, 인클로저의 베이스 또는 커버 시트 내에 형성된 오목부를형성할 수 있으며 얇은 스크린 또는 비계가 그 사이에 위치되어 계면 압력(들)(및/또는 유체 통로 내의 부분 진공)에 견디면서 유체가 유체 볼륨에 걸쳐 이동 또는 위크(wick) 할 수 있도록 한다.

각종 실시예에서, 통로 내의 유체는 밀폐된 통로 볼륨에 내장될 수 있어, 통로 압력이 조정 또는 튜닝되어 유체의 비등 온도(즉, 스위치의 임계 또는 차단 온도)를 변화시키도록 한다.

어떤 경우에, 비록 유체가 열 교환기내에 모두 위치할 수 있지만, 다른 실시예에서, 튜브(예컨대, 모세관)가 통로에 부착되어 열 교환기 외측에 통로 및 유체를 연장하도록 할 수 있으며 이는 (예컨대, 보충 및 수리를 위한) 유체의 충전, 및 통로의 가압 또는 감압을 위한 접근을 용이하게 한다.

다른 실시예는 도26에 도시된 바와 같이 벌브(111)를 포함할 수 있고, 이는 유체 통로에 볼륨을 더욱 부가하며, 이 방법에 의해 디자인 가용성을 증대시킨다. 비록 도26은 인클로저 내측에 벌브를 도시했지만, 다른 실시예는 높거나, 낮거나 또는 진공 압력에 견디도록 비교적 강성으로 될 수 있다. 이 강성 벌브 내에, 다른 실시예들은 다른 유체가 충전된 압축성 다이아프램(또는 비슷하게 기능하는 부재들)을 포함할 수 있고, 이는 유체의 상변화에 따라 팽창 유체에 응답하여 그의 볼륨을 감소시킨다.

다른 실시예에서, 벌브는, 액체로부터 기체로의 천이시에 팽창 유체를 수용하기 위해 가요성으로 될 수 있다. 또한, 가요성 벌브는 외측 압력에 대해 그의 통로 압력을 같게 할 수 있다. 따라서, 열전 장치에 대한 진공 인클로저 내의 벌브에 대해, 인클로저 내의 진공 압력의 레벨은 열 스위치 통로 압력 및 스위치의 차단 온도를 조정하도록 적절히 튜닝될 수 있다.

어떤 실시예에서, 벌브들(또는 튜브 연장부들)을 갖거나 갖지 않는 복수의 분리 열 스위치들은 열 교환기 또는 시트 내에 배치될 수 있다. 각종 실시예에서, 하나의 스위치가 열 교환환기에 또는 그 부근에 위치될 수 있고 부가 스위치들이 열 교환기의 다른 영역을 따라 위치될 수 있다. 스위치(들)는 뜨거운 기체가, 열을 소실하고 온도를 감소시키는 일단(입구)으로부터 다른 부재(출구)로 장치 또는 열 교환기를 통해 흐를 때 적절히 응답할 수 있다. 이 경우, 열 스위치들은 하류에 위치된 스위치들 전에 활성화함으로써 입구를 닫도록 사용될 수 있다. 또한, 복수의 장치 내의 어떤 열 스위치들은, 상이한 열전 재료 및 그들의 상이힌 온도 감응성에 대응하여, 다른 것 들과 다른 임계 온도로 동작하도록 조정될 수 있다.

다양한 유체들은, 무엇보다도, 나트륨과 칼륨 및 NaK와 같은 그의 합금들을 포함하여 열 스위치 용으로 사용될 수 있다. 이들 물질은 실질적으로 높은 액체 열 전도성 및 진공 압력에 대해 500 - 650℃의 비등점 온도를 가지며, 이 온도 범위는 엔진 배기 분야에 대한 열전장치들을 보호하기에 적절한 범위이다. 다른 실시예에서, 하나의 형태의 유체 이상을 갖는 유체 혼합물이 열 스위치 성능을 조정하도록 사용될 수 있다. 유체들은 다른 유체 조성물 중에, 순수한, 2개 혼합물, 3개 혼합물로 될 수 있다.

어떤 엔진 배기 열전 장치에 대해, 상기 열 스위치들은 온/오프 댐퍼에 의해 작동되는 거대한 배기 가스 바이패스 통로를 불필요하게 하며, 이는 열전 재료들을 보호하기 위한 통상적인 열전 시스템들에 대한 산업상의 해법을 제안하고 있다. 열전 장치의 고유 컴팩트성, (별도의 바이패스를 제거한) 열 스위치, 및 (별도의 머플러를 제거할 수 있는) 머플러 감쇠 재료 통합부는 이 장치의 기술 및 자동차 분야에 매력적인 관련 시스템을 형성한다.

상기 열전 시스템/장치에 관련하여, 또는 열전 장치들을 채용하지 않는 다른 응용 분야에 대해, 열적 계면(interface) 조성물이 기술된다. 상기 열적 계면 조성물은, 단지 하나의 물질 또는 물질이 전혀 없는 것보다 두 슬라이딩 표면 간의 열적 계면 접촉(예컨대, 유효 열 전도성)을 행상시킬 수 있는 둘 이상의 물질을 포함한다. 이와 같은 슬라이딩 표면을 갖고, 열적 계면 조성물이 채용될 수 있는 하나의 응용은 열전 장치의 일 실시예 내에 있다.

부재들의 슬라이딩 표면들 간의 열 접촉 저항을 감소시키기 위한 통상적인 방법은, 무엇보다도, 정합 흑연 포일 또는 패드, 구리 포일, 다름 금속 포일들, 카본 나노 튜브 패드, 열 그리스와 같이 표면들 간에 열적 계면 물질(재료)(84)을 도입하는 것이다. 고형(solid) 열적 계면 물질은, 슬라이딩 표면들 간에 존재하는 브리지 갭들을 적어도 부분적으로 일치시켜 도움을 줄 수 있고 전형적으로 열 액체 또는 그리스보다 솔리드 내에 보다 나은 열 전도성을 가질 수 있으나, 고형 열 계면 물질은 계면 접촉의 두 개의 표면을 도입하며, 이는 본질적으로 보다 양호한 열 접촉 저항을 도입할 수 있고 열적 계면 포일의 이점을 상당히 줄일 수 있다. 비록 액체 또는 그리스 계면 물질은 전형적으로 표면에 대한 보다 우수한 접촉(예컨대, 낮은 열 접촉 저항)을 제공하며, 상당한 갭을 갖는 계면에만 인가된 경우, 액체 또는 그리스의 낮은 열 전도성은 솔리드 포일보다 우수한 열적 성능으로 되지 않을 수 있다.

열적 계면 조성물에 대한 본 발명에 따른 방법은, 두 개의 슬라이딩 표면들 간의 전체 열적 계면 저항을 감소시키기 위해 포일의 일면 또는 양면에 액체 또는 그리스를 갖는 정합성 고형 재료의 조합을 사용하며, 이는, 단 하나의 물질(예컨대, 포일 또는 그리스)보다 두 표면들의 계면에 걸친 보다 큰 유효 열 전도성을 제공한다. 이 특정 예에서, 정합성(comfortable)은, 접합성 시트를 끼우고, (재료의 어느 일측상에 위치된) 계면을 이루는 고형 부재들보다 큰 탄성 특성을 갖는 물질과 관련된다. 정합성 재료 또는 포일은, 미니 또는 마이크로 스케일의 단위로 될 수 있는 두 개의 슬라이딩 표면들 간에 큰 갭들을 연결하는 반면, 액체는 표면들에 접합되고 마이크로 또는 나노 스케일의 단위로 갭들을 연결할 수 있다. 그러나, 제2 구성 요소는 항시 액체로 남도록 되지 않는다. 장치가 소정 동작 조건에 도달하는 때에 고체로부터 액체로 상 변화하는 물질은, 땜납 또는 주석의 막과 같이 충분할 수도 있다.

이 열 계면 조성물 방법은 열 순환 동안 액체의 '펌프 아웃(pump out)' 가능성을 감소시키며, 이는 열 순환시 계면 표면의 주기적인 열 변형으로 인해, 에어 갭들을 남긴채 액체가 계면으로부터 이동하는 결과로 된다.

일 실시예는, 포일의 양측상에 얇은 층 또는 그리스를 갖는 정합성 흑연 포일을 포함할 수 있다. 실험들은 이 실시예를 단일 흑연 포일에 비교하였고, 결과는, 포일이 그리스(예컨대, 게면 조성물) 없이 사용되는 시스템에 비해, 전체 열 접촉 저항이 15 psi의 낮은 접촉 압력에서 40 ~ 50%까지 감소될 수 있음을 나타냈다. 높은 접촉 압력에 대해서는, 열 접촉 저항의 백분율 감소가 줄어든다.

비록 다양한 실시예의 재료, 구성 및 형성에 대한 참조는 상기와 같지만, 정합성 진공 인클로저 및 낮은 프로파일의 직사각형 직육면체 형상에 관한 잔여 열전 장치들을 갖는 그의 조립체의 제조 설명시 특별한 주의 및 상세내용이 본원에 제공된다. 이 방법에 대해, 제조 및 조립 공정을 위한 많은 설계가 적절히 채용될 수 있지만, 오직 다수의 대표 실시예만 본원에 제시했다.

넓고 다양한 인클로저 재료는 무엇보다도, (응용에 있어 뜨거운 유체 온도에 따라) 금속 및 임의의 플라스틱을 포함하여 채용될 수 있다. 그러나, 오랜 기간(예컨대, 여러 해) 동안 고온의 부식 및 산화하는 엔진 배기 흐름을 견디기 위해서는 내식성(corrosive-resiatant) 금속들이 바람직할 수 있다.

어떤 실시예에서, 인클로저 시트 및/또는 핀 재료는, 무엇보다도, 스테인리스 스틸, 니켈계 합금(예컨대, 인코넬), 몰리브데늄, 티타늄을 포함할 수 있다.

인클로저 시트 및 핀들은, 특히 베이스 시트에 유용할 수 있는 연소 배기 가스 및 강도에 대해 상당한 내식성을 제공하면서, 진공 하에 소망하는 정도의 탄성 정합성을 제공하기에 충분히 얇을 수 있다.

핀들과 인클로저 간의 결합 방법은 무엇보다도, 납땜, 용착(용접), 및 확산 본딩을 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 도10은 열전 층 표면애 대한 상기한 정합성의 개념적 실시예를 나타낸다. 또한, 실험들은, 도19의 형상과 유사한 프로토타입의 열전 장치를 포함하여, 반탄성 구조의 정합성을 입증하였다.

인클로저 형상을 형성하기 위해, 일 실시예는 함께 직육면체형 박스의 용착을 포함할 수 있으며, 상기 박스에 내측 부재들이 삽입된다. 일례에 있어서, 유사한 박스 디자인 인클로저의 설계는 도19에 도시된 바와 같이, 벽(62) 내측 또는 프레임에 용접되는 정합성 베이스 시트(61)를 포함하여, 프로토타입의 열전장치를 제조했다. 이 박스 다음에 인크로저가 제조되고, 내부 부재들(예컨대, 열 교환기, 열전 재료, 등)이 박스의 개방 단부에 삽입되며, 박스는 후에 유사한 방식으로 막히고 밀폐된다. 이 프로토타입 디자인 및 구성은 본원에 제공된 고진공으로 기밀적으로 도시했다. 또한, 이 프로토타입의 열전장치는 본원에 기술된 바와 같이 적절히 기능하는 정합성 인클로저를 포함하며, 이는 (테스트 스탠드를 한정한) 600℃ 까지 및 보다 높은 온도들의 기체 흐름 온도에 대한 것이다. 이 프로토타입은 승용차 및 비슷한 높이의 치수를 갖는 것보다 작은 점유공간을 갖는다.

그러나, 상기 실시예의 낮은 높이의 직육면체 형상은 대단히 용이한 다른 제조 방법들을 가능케 한다. 다양한 실시예는 두 개의 큰 시트 또는 절반부들을 포함할 수 있으며 이들은 두 개의 가능한 형성 옵션을 도시한 단면도로 도20에 도시한 바와 같이, 클램(clam)-셀(shell) 구성과 유사하게, (별도의 측벽 62 없이) 베이스 시트(61) 내에 비교적 얕은 높이/깊이를 형성하도록 인출 또는 스탬핑된다. 인클로저의 상부 및 하부 영역들에 대한 베이스 시트(61)는 두 개의 베이스 시트들 또는 절반부들 사이에 결합가능한 계면을 형성하기 위해 당접하도록 그들의 주위에서 함께 인출되며, 이는 인클로저의 별도의 측벽의 임의의 필요성을 제거할 수 있다.

예컨대, 냉각수 열 교환기(64), 열전 층들(63), 구조 지지부(69), 및 다른 부재들(도시되지 않음)과 같은 내부 구성 부재들은 두 개의 절반부들에 의해 둘러싸인 공간 내에 놓인다.

가능한 결합 방법들은 무엇보다도, 용접, 경납땜(brazing), 납땜(soldering)을 포함할 수 있다. 무엇보다도, 패스닝, 볼트체결, 클램핑, 캡핑과 같은 다른 방법들에 의한 기계적 결합은 가스켓 또는 다른 밀폐 방법과 함께 채용될 수도 있다.

클램-셀 방법은, 이 방법이 다른 구성들에 있어서의 많은 부품들을 수반하지 않는 장점이 있다(예컨대, 단지 상부 및 하부 절반부만 채용될 수 있다). 클램-셀 방법에 있어서, 접합된 부분들 간의 심(seam)은 길지 않기 때문에 접합 실패의 위험성이 감소된다. 또한, 인클로저 내의 진공은 인클로저의 밀폐 후 인출될 수 있다.

본 발명에 대해 상기와 같이 각종 실시예의 몇몇 관점을 기술하였으나, 각종 변경들, 변형들 및 개선이 당압자에 의해 용이하게 이루어질 것이다. 이와 같은 변경, 변형 및 개선은 본 발명의 일부이며, 본 발명의 정신 및 관점 내에 있는 것이다. 따라서, 상기 설명 및 도면은 단지 예시적인 것이다.

Claims (98)

1. 적어도 하나의 열 교환기;
   상기 적어도 하나의 열 교환기와 열전달 상태로 있는 적어도 하나의 열전 층(thermoelectric layer); 및
   상기 적어도 하나의 열전 층 및 적어도 하나의 열 교환기를 둘러싸는 인클로저를 포함하고,
   상기 인클로저는, 이 인클로저의 외측에 위치된 유체로부터 상기 적어도 하나의 열전 층 및 적어도 하나의 열 교환기에 대한 배리어를 제공하고, 상기 인클로저의 일부는 열을 전도하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 열전 층과 열전달 상태에 있고, 적어도 하나의 열 교환기는, 이 적어도 하나의 열 교환기 및 인클로저의 열 팽창을 수용하도록 상기 인클로저의 내면으로부터 이격되어 있고 상기 내면에 대해 이동가능한, 열전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 장치는, 유체 내에 위치되고 유체로 둘러싸일 때 열전 변환을 행하도록 구성되는, 열전 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 장치는, 인클로저의 외측에 위치된 유체를 한정하는 하우징으로부터 이격되거나 또는 열적으로 격리되는, 열전 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은 적어도 하나의 열 교환기의 표면에 배치되는, 열전 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은 인클로저의 내면의 일부에 배치되는, 열전 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층이 배치되는 적어도 하나의 열 교환기의 표면은 실질적으로 평평한, 열전 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은, 적어도 하나의 열 교환기의 제1측 상에 배치되는 제1 열전 층, 및 적어도 하나의 열 교환기의 제2측 상에 배치되는 제2 열전 층을 포함하는, 열전 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 층들은, 적어도 하나의 열 교환기 주변에 실질적으로 대칭 구성을 형성하는, 열전 장치.
9. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층이 배치되는 인클로저 및 적어도 하나의 열 교환기의 표면들은 실질적으로 평행한, 열전 장치.
10. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 장치는 실질적으로 직육면체 형상을 갖는, 열전 장치.
11. 제1항 또는 제10항에 있어서, 상기 인클로저는 실질적으로 적어도 하나의 열전 층의 표면과 정합(conformable) 할 수 있는, 열전 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 인클로저는 탄성 재료를 포함하는, 열전 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 인클로저는 밀봉되어 있는(hermetically sealed), 열전 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 인클로저 내의 체적은 불활성 기체로 충전되어 있는, 열전 장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 인클로저의 외부 압력은 인클로저의 내부 압력보다 큰, 열전 장치.
16. 제13항에 있어서, 상기 인클로저 내의 볼륨은 진공 상태인, 열전 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은, 열을 전도하도록 구성되는인클로저의 일부에 대해 이동가능하고 미끄럼가능하도록 구성 및 배치되는, 열전 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 인클로저와 적어도 하나의 열전 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 열 전달 물질(heat interface material)을 더 포함하는, 열전 장치.
19. 제1항에 있어서, 상기 인클로저는, 이 인클로저 내의 공간 위로 연장 또는 돌출되고 또한 적어도 하나의 열전 층 및 적어도 하나의 열 교환기의 주변 너머로 연장 또는 돌출되는, 열전 장치.
20. 제9항에 있어서, 상기 인클로저는, 서로 결합가능하고 대향 배치되고 실질적으로 서로 평행한 제1 절반부와 제2 절반부를 포함하는 클램-셸(clam-shell) 구성을 구비하는, 열전 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 절반부들의 결합에 따른 인클로저 주변의 제1 절반부와 제2 절반부 사이의 임의의 갭을 물리적으로 폐쇄하는 적어도 하나의 측벽을 포함하는, 열전 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 인클로저의 제1 절반부와 제2 절반부의 적어도 하나는 적어도 하나의 측벽을 포함하는, 열전 장치.
23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 제1 절반부와 제2 절반부는, 용접, 납땜, 패스닝 및 클램핑의 적어도 하나에 의해 함께 결합되는, 열전 장치.
24. 제21항에 있어서, 상기 인클로저의 적어도 하나의 측벽은, 제1 및 제2 절반부들 또는 플레이트들보다 탄성에 대해 보다 순응적(compliant)인 적어도 하나의 구조를 포함하는, 열전 장치.
25. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 교환기는, 적어도 하나의 열전 층에대해 움직이거나 미끄러지도록 구성 및 배치되는, 열전 장치.
26. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 교환기와 적어도 하나의 열전 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 열 전달 물질을 더 포함하는, 열전 장치.
27. 제21항에 있어서, 상기 인클로저에 압축 압력을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 패스너를 더 포함하는, 열전 장치.
28. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은, 상기 적어도 하나의 열 교환기 및 인클로저의 일부에 기계적으로 결합되는, 열전 장치.
29. 제1항에 있어서, 상기 인클로저는 실질적으로 원통, 직육면체, 또는 이들의 조합의 형상을 갖는, 열전 장치.
30. 제1항에 있어서, 열을 전도하도록 구성되는 상기 인클로저의 일부는, 인클로저의 외부에 위치된 유체와의 열전달을 향상시키도록 구성되는 특징부들을 갖는 인클로저의 외면을 포함하는, 열전 장치.
31. 제30항에 있어서, 인클로저의 외부에 위치된 유체와의 열전달을 향상시키도록 구성되는 특징부들은, 인클로저 주변의 유체 흐름을 수용하기 위해 인클로저를 둘러싸는 복수의 통로를 구비하는 복수의 핀(fin)들을 포함하는, 열전 장치.
32. 제31항에 있어서, 상기 복수의 핀들은 복수의 천공들을 포함하는, 열전 장치.
33. 제31항에 있어서, 상기 복수의 핀들은, 0.51 인치 미만의 흐름 길이를 갖는 핀 스트립들을 포함하는, 열전 장치.
34. 제31항에 있어서, 인클로저로부터 연장하는 복수의 핀들을 더 포함하고, 상기 핀들은 상이한 단면적 또는 패턴 또는 기하학적 형상을 갖는 통로들을 한정하는, 열전 장치.
35. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 층은 1단, 2단 또는 다단 열전기로 구성되는, 열전 장치.
36. 제1항에 있어서, 열전 장치는 열전 발생기 또는 유체 공조기(conditioner)로서 구성되는, 열전 장치.
37. 제1항에 있어서, 열전 장치는 적어도 하나의 열 교환기에 대한 유체 유입을 수용하도록 배치된 입구 및 적어도 하나의 열 교환기로부터의 유체 유출을 수용하도록 배치된 출구를 포함하는, 열전 장치.
38. 제37항에 있어서, 상기 입구 및 출구에 인클로저가 결합되는, 열전 장치.
39. 제1항에 있어서, 열전 장치를 둘러싸고 음 진동을 감쇠하도록 구성되는 하나 이상의 노이즈 감쇠 부재들을 더 포함하는, 열전 장치.
40. 제39항에 있어서, 상기 하나 이상의 노이즈 감쇠 부재들은 나란히 또는 적층 구성을 위치된 복수의 챔버들을 더 포함하는, 열전 장치.
41. 제1항에 있어서, 상기 열전 장치는, 적어도 4주의 기간 동안 적어도 300℃의 유체와 적어도 하나의 열 교환기 사이에 온도차가 형성되는 열전 변환을 행하도록 구성되는, 열전 장치.
42. 제1항에 있어서, 상기 열전 장치의 적어도 일부는 유체의 방출을 처리하고 촉매 및 특정 필터의 적어도 하나로서 기능하도록 구성되는, 열전 장치.
43. 제1항의 유체를 수용하는 유동 공간을 한정하고, 상기 유동 공간 내로 유체의 유입을 수용하도록 배치된 입구와 상기 유체 공간으로부터의 유체의 유출을 수용하도록 배치되는 출구를 갖는 덕트; 및
    제1항의 열전 장치를 포함하는, 열전 시스템.
44. 제43항에 있어서, 제1항의 열전 장치는, 덕트의 유동 공간 내에 적어도 부분적으로 놓이는, 열전 시스템.
45. 제43항에 있어서, 적층 구성으로 배치되는, 제1항의 복수의 열전 장치들을 더 포함하는, 열전 시스템.
46. 제45항에 있어서, 상기 복수의 적층된 열전 장치들은 직렬 또는 병렬 구성으로 배치되는, 열전 시스템.
47. 제43항에 있어서, 상기 덕트는 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재를 수용하는, 열전 시스템.
48. 제47항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재는, 열전 장치의 흐름 길이를 따른 유동 공간 내 및 열전 장치의 일부와 덕트의 벽의 내면 사이에 위치되는, 열전 시스템.
49. 제47항에 있어서, 직렬 또는 병렬 구성으로 배치되는 제1항의 복수의 열전 장치들을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재는, 직렬 배열로 제공되는 열전 장치들 사이의 유동 공간을 포함하는 복수의 열전 장치들 사이의 유동 공간 내에 위치되는, 열전 시스템.
50. 제43항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은 머플러 부재를 포함하는, 열전 시스템.
51. 제43항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은 후처리(after-treatment) 부재를 포함하는, 열전 시스템.
52. 제43항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은, 유체의 흐름으로부터 에너지를 소멸시키기 위해 구성 및 배치되고, 챔버의 단면적은 입구 또는 출구의 흐름 영역의 단면적보다 크고, 입구 또는 출구는 챔버 내로 돌출하는, 열전 시스템.
53. 제52항에 있어서, 입구의 벽 또는 출구의 벽은 챔버 내로 돌출하는, 열전 시스템.
54. 제43항에 있어서, 입구를 통한 유체 유입의 방향은 출구를 통한 유체 유출의 방향으로 부터 편이(offset)되는, 열전 시스템.
55. 유체의 흐름을 수용하는 유동 공간을 한정하고, 유동 공간 내로 유체의 유입을 수용하도록 배치된 입구와 상기 유동 공간으로부터의 유체 유출을 수용하도록 배치되는 출구를 갖는 덕트; 및
    유동 공간 내에 배치되는 열전 장치를 포함하는, 열전 시스템.
56. 제55항에 있어서, 상기 덕트는 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재를 수용하는, 열전 시스템.
57. 제55항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재는, 열전 장치의 흐름 길이를 따른 유동 공간 내 및 열전 장치의 일부와 덕트의 벽의 내면 사이에 배위되는, 열전 시스템.
58. 제55항에 있어서, 병렬 또는 직렬 구성으로 배치되는 복수의 열전 장치들을 더 포함하고, 적어도 하나의 노이즈 감쇠 부재는, 직렬 배열로 제공되는 열전 장치들 사이의 유동 공간을 포함하는 복수의 열전 장치들 사이의 유동 공간 내에 위치되는, 열전 시스템.
59. 제55항에 있어서, 열전 장치를 둘러싸고 음 진동을 감쇠하도록 구성되는 하나 이상의 노이즈 감쇠 부재들을 더 포함하는, 열전 시스템.
60. 제59항에 있어서, 상기 하나 이상의 노이즈 감쇠 부재들은 나란히 또는 적층 배열로 위치된 복수의 챔버들을 포함하는, 열전 시스템.
61. 제55항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은 머플러 부재를 포함하는, 열전 시스템.
62. 제55항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은 후처리 부재를 포함하는, 열전 시스템.
63. 제55항에 있어서, 유체가 유입하는 유동 공간의 입구 볼륨 또는 유체가 유출하는 유동 공간의 출구 볼륨은, 유체의 흐름으로부터 에너지를 소멸시키기 위해 구성 및 배치되고, 챔버의 단면적은 입구 또는 출구의 흐름 영역의 단면적보다 크고, 입구 또는 출구는 챔버 내로 돌출하는, 열전 시스템.
64. 제63항에 있어서, 입구의 벽 또는 출구의 벽은 챔버 내로 돌출하는, 열전 시스템.
65. 제55항에 있어서, 입구를 통한 유체 유입의 방향은 출구를 통한 유체 유출의 방향으로 부터 편이(offset)되는, 열전 시스템.
66. 입구, 출구, 및 상기 입구와 출구 사이의 유체 흐름을 통과시키도록 구성되는 채널을 갖는 열 교환기;
    상기 열 교환기의 제1 측에 강고하게 부착된 제1 열전 층; 및
    상기 열 교환기의 제2 측에 강고하게 부착되고 제1 측에 대향하는 제2 열전 층을 포함하는, 열전 구조물.
67. 제66항에 있어서, 상기 열 교환기는 실질적으로 평평하고, 상기 제1 및 제2 열전 층들은 열 교환기의 대향측들 상에 위치되는, 열전 구조물.
68. 제66항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 층들의 콜드측은, 전력 발생을 위해 상기 구조물을 사용하는 응용을 위해 열 교환기에 부착되는, 열전 구조물.
69. 제66항에 있어서, 세라믹 열 교환기를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열전 층들의 각각은 상기 세라믹 열 교환기에 부착되는, 열전 구조물.
70. 제66항에 있어서, 금속 열 교환기를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열전 층들의 각각은 전기적 절연 필름 또는 코팅을 통해 상기 금속 열 교환기에 부착되는, 열전 구조물.
71. 실질적으로 표면에 인접하여 배치된 구조물의 형상에 일치하도록 구성되는 정합성 표면(conformal surface);
    상기 정합성 표면의 외측 영역으로부터 연장되고 그를 둘러싸고 그와 접하는 복수의 열 전도성 부재들을 포함하고,
    상기 열 전도성 부재들은 상기 정합성 표면과 주위 환경 사이에서 열을 전달하도록 구성되는, 열 교환기.
72. 제71항에 있어서, 상기 정합성 표면은 얇은 시트 또는 포일을 포함하는, 열 교환기.
73. 제71항에 있어서, 상기 정합성 표면은 클램핑 없이 실질적으로 구조물의 형상과 일치하도록 구성되는, 열 교환기.
74. 제71항에 있어서, 상기 정합성 표면은 진공인가 압력에 의해 실질적으로 구조물의 형상과 일치하도록 구성되는, 열 교환기.
75. 제71항에 있어서, 상기 복수의 열 전도성 부재들은 복수의 핀(fin)들을 포함하는, 열 교환기.
76. 제75항에 있어서, 상기 복수의 핀들은 실질적으로 정합성 표면의 정합성을 훼손하지 않도록 구성되는, 열 교환기.
77. 제75항에 있어서, 상기 복수의 핀들은 복수의 천공들을 포함하는, 열 교환기.
78. 제75항에 있어서, 상기 복수의 핀들은, 0.51 인치 미만의 흐름 길이를 갖는 핀 스트립들을 포함하는, 열 교환기.
79. 제75항에 있어서, 음 진동을 감쇠하도록 구성되는 하나 이상의 물질 또는 구조들을 더 포함하는, 열 교환기.
80. 제79항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질 또는 구조들은 복수의 핀들에 인접하거나 그를 둘러싸도록 배치된 복수의 챔버들을 포함하는, 열 교환기.
81. 제80항에 있어서, 상기 복수의 챔버들은 나란한 배열 또는 적층 배열의 적어도 하나로 위치되는, 열 교환기.
82. 제1 구조 부재와 제2 구조 부재를 분리하는 채널;
    유체 조성물이 그의 비등 온도에서 액체와 증기 사이의 상을 변화시킬 때 제1 구조 부재와 제2 구조 부재 사이의 열 전도성이 변하도록 구성되는 채널 내에 둘러싸인 유체 조성물을 포함하는, 열 스위치.
83. 제82항에 있어서, 상기 제1 구조 부재와 제2 구조 부재의 적어도 하나는 열 교환기를 포함하는, 열 스위치.
84. 제82항에 있어서, 상기 유체 조성물의 비등 온도는 유체 조성물의 압력 변화에 따라 변경되는, 열 스위치.
85. 제82항에 있어서, 상기 제1 구조 부재와 제2 구조 부재의 적어도 하나는 얇은 시트를 포함하는, 열 스위치.
86. 제82항에 있어서, 상기 채널은 복수의 마이크로채널들을 포함하는, 열 스위치.
87. 제82항에 있어서, 상기 유체 조성물의 흐름을 수용하고 상기 구조 부재들에 대한 채널에 걸쳐 구조 지지부를 제공하도록 구성되는 비계(scaffolding)를 더 포함하는, 열 스위치.
88. 제82항에 있어서, 상기 제1 구조 부재와 제2 구조 부재 사이의 구조 지지부를 더 포함하는, 열 스위치.
89. 제82항에 있어서, 상기 유체 조성물을 둘러싸는 채널은, 유체 조성물의 팽창을 수용하도록 구성되는 벌브에 연결되는, 열 스위치.
90. 제89항에 있어서, 상기 벌브는, 액체로부터 가스로의 유체 조성물의 천이시 유체 조성물의 팽창에 응답하여 볼륨이 감소되도록 구성되는 압축성 다이아프램을 포함하는, 열 스위치.
91. 제90항에 있어서, 상기 벌브는 외부 환경의 압력과 평형을 이루도록 가요성을 갖는, 열 스위치.
92. 제82항에 있어서, 상기 유체 조성물의 비등 온도는 채널의 압력 변화에 기초하여 조정가능한, 열 스위치.
93. 제83항에 있어서, 온도 감응 부재를 보호하기 위해 열전 장치에 사용하도록 구성되는, 열 스위치.
94. 제82항에 있어서, 상기 유체 조성물은 적어도 하나의 나트륨과 칼륨 합금을 포함하는, 열 스위치.
95. 실질적으로 표면에 인접하여 배치된 구조물의 형상에 일치하도록 구성되는 정합성 표면 시트;
    조성물이 없을 때보다 정합성 표면 시트의 대향측상에 접하여 배치되는 두 개의 부재들 간에 형성되는 계면에 걸쳐 보다 높은 열 전도성을 제공하는 정합성 표면 시트의 적어도 일측에 배치되는 조성물을 포함하는, 열 계면 복합체(thermal interface composite).
96. 제95항에 있어서, 상기 정합성 표면 시트는 흑연 포일, 구리 포일 및 다른 금속 포일의 적어도 하나를 포함하는, 열 계면 복합체.
97. 제95항에 있어서, 상기 조성물은 액체 또는 그리스를 포함하는, 열 계면 복합체.
98. 제95항에 있어서, 상기 조성물은 정합성 표면의 대향측상들에 배치되는, 열 계면 복합체.

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