일체형 히트파이프 구조를 통한 TEG 전력밀도 향상

히트파이프가 통합된 TEG 장치는 냉열원과 열전 모듈 간의 열 전달 성능을 향상시킵니다. 연구원들은 열 전달 방향을 변경하기 위해 히트 파이프의 높은 열전도율을 활용하고, 적층 방향이 열 흐름 방향과 일치하도록 만들어 제한된 공간에 더 많은 열전 모듈을 통합하는 데 도움이 되는 전통적인 적층형 설계에 히트 파이프 구조를 도입했습니다. 벤치 실험을 통해 650K 및 50ms-1의 열 흐름에서 TEG 장치는 848.37W의 출력 전력과 48.22WL-1의 초고시스템 수준 전력 밀도를 생성할 수 있습니다. 전력 밀도가 크게 향상되었습니다. 한편, 스택 구조를 변경하여 다양한 애플리케이션 시나리오로 확장할 수 있습니다.

TEG 구조는 전체적으로 육각형 구성을 나타내며, 그 사이에 Hot End Plate, Cold End Plate, 열전 모듈을 적층하여 조립됩니다. 각 핫 엔드 플레이트에는 12개의 핫 엔드 히트 파이프가 장착되어 있으며, 히트 파이프와 고온 배기 가스 사이의 열 전달 성능을 보장하기 위해 서로 다른 층 사이에 엇갈리게 배열되어 있습니다. 각 콜드 엔드 플레이트 내부에는 12개의 콜드 엔드 히트 파이프가 장착되어 있어 육각형 구성의 결함에 열을 전달하여 냉각하고 공간 활용도를 향상시킵니다.

TEG 엔지니어링 애플리케이션은 제한된 공간에서 충분한 출력 전력을 생성하고 과도한 배기 배압을 방지하는 두 가지 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다. 저자는 히트파이프와 통합된 TEG의 열역학 및 발전 성능에 대한 유한 요소 시뮬레이션을 수행하기 위해 CFD와 열전 결합 모델의 조합을 사용했습니다. 연구에 따르면 열전 발전기는 3.89W의 단일 모듈 출력 전력으로 작은 배기 배압을 보장하면서 열전 모듈의 양쪽 끝에서 충분히 높은 온도 차이를 생성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

연구원들은 먼저 히트 파이프를 핫/콜드 엔드 평판과 통합하여 핫/콜드 엔드 유닛을 형성했습니다. 그런 다음 배기 입구가 있는 핫 엔드 평판의 첫 번째 레이어부터 시작하여 레이어별로 조립이 수행되고 최종적으로 240개의 열전 모듈이 포함된 완전한 프로토타입이 생산됩니다. 다양한 부품을 조립하는 과정에서 틈을 없애기 위해 접촉 인터페이스에 열 그리스를 도포합니다. 이 방법으로 생산된 TEG 장치는 다양한 응용 시나리오에 따라 적층 레이어를 조정하여 충분한 출력 전력을 생성할 수 있으며 적용 범위가 넓습니다.

더 높은 성능의 열전 재료와 더 높은 작동 온도의 열전 모듈을 사용하면 TEG 장치는 더 큰 열 전달을 견딜 수 있어 더 높은 출력 전력과 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.