KR100310630B1 - 열교환기양단이결합된열전발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기 양단이 결합된 열전발전기에 관한 것으로서, 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기(10); 저온의 열이송체가 통과하는 저온 열교환기(11); 상기 열교환기(10,11)에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기 간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 다수개의 열전모듈(12); 및 상기 각 열교환기(10,11)의 양 끝단에 형성된 홈(도면 미도시)에 삽입되어 각 열교환기(10,11)를 상호 고정결합하는 교환기 결합구(13)를 포함하여 구성되어, 열전모듈 등의 요소들의 열화를 막아주어 장시간 반복 사용하더라도 성능이 떨어지지 않게 되는 것은 물론, 다수개를 동시에 설치할 경우 발전력도 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
Description
본 발명은 열전모듈과 열교환기를 이용한 열전발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전모듈의 양측에 구비된 고온 및 저온 열교환기의 양 끝단을 상호 고정결합시켜 온도변화에 의한 열팽창시 각 열교환기간의 상대적인 변위차를 제거함으로써, 열전모듈이 각 열교환기의 열팽창의 차이에 따른 변형응력을 받지 않도록 한 열교환기 양단이 결합된 열전발전기에 관한 것이다.
재질이 다른 두 금속선 양단을 상호 접속하고 양 접속점의 온도를 다른 값으로 유지하면 회로에 기전력이 발생하여 사용된 도체의 종류에 따라 일정 방향의 전류가 흐르게 되는데, 이 기전력을 열기전력(thermoelectromotive force)이라 하고, 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck effect)라 한다. 열전발전기(Thermoelectric Generator)란 제벡효과에 의한 열기전력을 전원으로 하여 에너지 공급에 이용하는 발전기를 말하며, 다시 말해 열전 모듈(module) 사이에 온도차가 존재할 경우 이 온도차에 의한 열류의 흐름을 열전모듈에 의해 전기적인 에너지로 바꿔주는 장치를 말하며, 열전냉각기(Thermoelectric refrigerator), 열전펌프(heat pump) 등에 이용가능한 열전기술의 영역에 속한 기술이다.
열전발전기의 개략적인 구조는 개념적으로 볼 때, 도 1에 도시된 바와 같이 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기(hot heat exchanger)(1); 저온의 열이송체가 통과하는 저온 열교환기(cold heat exchanger)(2); 및 상기 열교환기(1,2)에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기(1,2) 간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 열전모듈(3)을 포함하여 구성되어 있었으며, 상기 열전모듈(3)과 상기 열교환기(1,2)들은 보다 바람직한 열접촉을 유지할 수 있도록 외부 힘에 의해 상호 압착되는 상태로 있다.
상기와 같이 구성된 종래의 열전발전기를 최초 시동시키거나 작동을 중단할 경우, 열교환기의 온도분포가 변화하게 되는데 이때 상기 고온 열교환기(1)의 온도 변화가 상기 저온 열교환기(2)의 온도변화에 비해 크다.
예를 들어, 열이송체로서 고온 및 저온의 물을 이용하는 열전발전기에 있어서, 시동 과정에서 상기 고온 열교환기(1)의 온도는 주위 매질의 온도인 20℃에서 57℃로 변하는데 반하여, 상기 저온 열교환기(2)의 온도는 20℃에서 18℃로 변한다. 또한, 열이송체로서 유기물 연료를 이용하는 열전발전기에 있어서는, 상기 고온 열교환기(1)의 온도는 주위 매질의 온도인 20℃에서 550 ~ 600℃로 변하는데 반하여, 상기 저온 열교환기(2)의 온도는 20℃에서 150 ~ 180℃로 변한다.
이와 같은 온도변화로 인해 상기 열교환기(1,2)의 길이가 각각 증가 또는 감소하게 되는데, 이때 변화된 길이는 아래의 식으로부터 구할 수 있다.
ΔL = L × A × ΔT
(단, 여기서 L은 열교환기의 길이, A는 열교환기 재료의 열팽창계수이다.)
따라서, 상기 물을 열이송체로 이용할 경우에 있어서, 알루미늄 합금으로 제조된 상기 각 열교환기(1,2)의 최초 길이가 1500mm이고, 열팽창계수는 23×10-6일 경우, 상기 고온 열교환기(1)의 길이는 1.28mm (= 1500 × 23 × 10-6× 37)만큼 길어지고, 상기 저온 열교환기(2)의 길이는 0.07mm (= 1500 × 23 × 10-6× 2)만큼 짧아지므로, 발전기가 대칭적인 구조를 가질 때 상기 고온 열교환기(1)의 일측 끝단의 변위는 대응되는 상기 저온 열교환기(2)의 일측 끝단에 대해 1.28/2 - 0.07/2 = 0.67 mm 가 된다.
이와 같이 상기 열전모듈(3)의 양면에 위치한 상기 고온 및 저온 열교환기(1,2)간에 변위차가 발생하게 됨에 따라, 변위생성방향 즉 상기 열교환기(1,2)의 장축방향으로 상기 열전모듈(3)에 심각한 변형응력을 발생시키게 되므로, 열전발전기의 시동 및 가동중지 반복시 상기 열전모듈(3)이 쉽게 열화되어 발전기의 성능을 크게 떨어뜨리게 되는 것은 물론, 변형응력이 계속 축적될 경우 결국은 상기 열전모듈(3)이 파괴되어 급기야는 열전발전기의 작동이 중단되게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 한 열전발전기내의 열교환기 사이에 상기 열전모듈(3)을 동시에 많이 장착할 수도 없고, 대용량의 열전발전기를 제조하기도 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 서로 상이한 온도를 갖는 열교환기의 사이에 구비된 열전모듈에 작용하는 변형응력을 제거시킬 수 있는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.
도 1은 종래의 열전발전기의 구성도이고,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기의 구성도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,10,20,30: 고온 열교환기 2,11,21,31: 저온 열교환기
3,12,22,32: 열전모듈 20a,21a: 장폭부
13,23,33: 교환기 결합구
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기는, 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기; 저온의 열이송체가 통과하는 저온 열교환기; 및 상기 고온 및 저온 열교환기에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기 간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 열전모듈을 포함하여 구성된 열전발전기에 있어서, 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기의 양 끝단을 상호 고정결합하는 결합수단을 포함하여 구성된 것에 그 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기는, 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기; 상기 고온 열교환기의 양 측에 각각 구비되되, 저온의 열이송체가 통과하는 저온 열교환기; 상기 고온 및 저온 열교환기에 각각 접촉구비되어, 열교환기 간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 열전모듈; 및 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기의 양 끝단을 각각 상호 고정결합하는 결합수단을 포함하여 구성된 것에 그 특징이 있는 것이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기에서는, 열전발전기의 시동시 및 동작 중단시 온도차에 의한 각 열교환기의 팽창/수축작용에 따라 발생하는 변위차가 상기 결합수단에 의해 제거됨으로써, 실제 상기 열전모듈에 변형응력이 작용하지 않게 되어, 열전발전기를 장시간 반복 사용하더라도 열전모듈이 열화되지 않게 되는 것이다.
또한, 상기 고온 열교환기의 양측에 각각 상기 저온 열교환기를 구비할 경우에는, 고온 열교환기와 일측 저온 열교환기의 양단에서 발생하는 굽힘 모멘트가 타측 열교환기의 양단에서 발생하는 반대 방향의 굽힘 모멘트에 의해 서로 상쇄되어 전체적으로 볼 때 굽힘 모멘트가 전혀 발생하지 않게 되므로, 다수개의 열교환기를 중첩설치할 수 있게 되어 보다 큰 발전력을 지닌 열전발전기를 제조할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기를 도시한 것으로서, 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기(10); 저온의 열이송체가 통과하는 저온 열교환기(11); 상기 열교환기(10,11)에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기 간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 다수개의 열전모듈(12); 및 상기 각 열교환기(10,11)의 양 끝단에 형성된 홈(도면 미도시)에 삽입되어 각 열교환기(10,11)를 상호 고정결합하는 교환기 결합구(13)를 포함하여 구성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 도 1과 동일한 작용을 하는 고온 열교환기(20); 저온 열교환기(21); 열전모듈(22); 및 교환기결합구(23)를 포함하여 구성되되, 상기 각 열교환기(20,21)의 양 끝단에는, 내측의 폭에 비해 다소 넓혀진 장폭부(20a, 21a)가 형성되어 있다.
상기 각각의 실시예에 있어서, 상기 열전모듈(12,22,32)이 상기 열교환기(10,11,20,21,30,31)와 바람직한 열전 접촉을 이루도록 하기 위하여 상기 열교환기(10,11,20,21,30,31)들은 그 길이방향을 따라 균일하게 가해진 힘 F로 상기 열전모듈(12,22,32)에 압착되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
열전발전기를 시동시켜 상기 고온 열교환기(10,20)의 온도가 실온에서 작업온도로 상승하게 되면, 종래와 마찬가지로 열팽창으로 인해 상기 고온 열교환기(10,20)의 총 길이(주어진 온도에서 자유로운 끝을 가진 열교환기를 포함하는 길이)는 증가하려고 하고, 상기 저온 열교환기(11,21)의 총 길이는 감소하려고 한다.
상기 고온 열교환기(10,20)와 상기 저온 열교환기(11,21)간의 상대적 변위를 제거하는 상기 교환기 결합구(13, 23)로 인해, 상기 고온 열교환기(10,20)에는 길이팽창을 방해하려는 힘이 작용하고, 상기 저온 열교환기(11,21)에는 길이축소를 방해하려는 힘이 각각 작용한다.
이에 따라 상기 고온 열교환기(10,20)와 상기 저온 열교환기(11,21)가 동시에 동일한 거리만큼 변형되게 되므로 상호간에 상대적 변위차가 전혀 발생하지 않게 되어 상기 열전모듈(12,22)에 변형응력이 작용하지 않게 되는 것이다.
이때, 상기 교환기 결합구(13, 23)는 상기 고온 열교환기(10,20)와 상기 저온 열교환기(11,21)의 온도차에 의해 발생하는 열응력을 견딜 수 있는 강도를 지닌 열절연재료를 사용한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 장폭부(20a, 21a)가 형성된 경우에는 상대적인 변위차를 보다 줄일 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기의 또 다른 실시예로서 열교환기를 다수개 구비한 경우를 도시한 것으로서, 하나의 고온 열교환기(30)의 상하부 양측에 각각 저온 열교환기(31)를 구비하여 각각 교환기 결합구(33)로 양 끝단을 고정결합하고, 상기 고온 열교환기(30)와 상기 두 개의 저온 열교환기(31)와의 사이마다 각각 다수개의 열전모듈(32)을 구비한 것이다.
상기 도 2 및 도 3의 장치에서 상기 고온 열교환기(10,20)와 상기 저온 열교환기(11,21)에는 각각 서로 반대 방향으로 작용하는 응력이 작용하는 바, 이에 의해 양 단에서 열교환기의 굽힘을 초래할 수 있는 굽힘 모멘트(bending moment)가 발생할 수 있다.
도 4는 이를 위한 것으로서, 상기 고온 열교환기(30)의 상하측에 각각 상기 저온 열교환기(31)를 구비함으로써, 상기 고온 열교환기(30)와 상측 저온 열교환기(31)간에 발생하는 굽힘 모멘트와, 하측 저온 열교환기(31)간에 발생하는 굽힘 모멘트가 양 단에서 상호 반대 방향을 향하도록 발생하여 서로 상쇄되므로, 전체적으로 볼 때 굽힘 모멘트가 작용하지 않게 된다.
이에 따라, N 개의 고온 열교환기와 이보다 한 개 더 많은 N+1 개의 저온 열교환기의 동시 설치가 가능하게 되어 보다 큰 발전력을 지닌 열전발전기를 만들 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기 양단이 결합된 열전발전기는, 온도차를 가지는 부품들 사이에 위치하고 있는 요소에서 발생하는 열에너지의 흐름을 전기에너지로 변환시키는 것에 관련된 영역에서 사용되어, 온도차에 의한 상대적인 변위차로 인해 발생하는 변형응력으로 인한 열전모듈 등의 요소들의 열화를 막아주어 장시간 반복 사용하더라도 성능이 떨어지지 않게 되는 것은 물론, 다수개를 동시에 설치할 경우 발전력도 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
Claims (6)
- (정정) 고온의 열이송체가 통과하는 고온 열교환기; 저온의 열 이송체가 통과하는 저온 열교환기; 및 상기 고온 및 저온 열교환기에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기간의 온도차에 의한 열류의 흐름을 전기에너지로 전환하는 열전 모듈을 포함하여 구성된 열전발전기에 있어서, 열응력으로 인한 길이팽창이 발생하는 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기의 양 끝 측부의 표면에 각각 홈이 형성되고, 그 홈에 양 열교환기를 결합시키는 지지체가 삽입되며, 상기 양 열교환기의 양 끝단이 내측에 비해 폭이 더 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기.
- 제 1항에 있어서,상기 지지체는 양 열교환기의 양 끝단부에 연결결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기.
- 제 2항에 있어서,상기 결합수단은 상기 고온 열교환기와 상기 저온 열교환기에 각각 형성된 홈에 삽입결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기.
- 제 1항에 있어서, 상기 지지체는 열절연재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기.
- (삭제)
- (정정) 고온의 열이송체가 통과하는 복수의 고온 열교환기; 저온의 열이송체가 통과하는 복수의 저온 열교환기; 상기 복수의 고온 및 저온 열교환기 사이에서 양 열교환기에 각각 접촉구비되어, 양 열교환기간의 온도차에 의한 일측의 흐름을 전기에너지로 전환하는 복수의 열전모듈; 및 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기간에 설치되어, 양 열교환기의 열적변형차를 제거하는 복수의 지지체를 포함하여 구성되되, 상기 복수의 지지체는 열응력으로 인한 길이팽창이 발생하는 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기의 양 끝 측부의 표면에 각각 형성시킨 홈에 삽입되어 상기 고온 열교환기 및 저온 열교환기를 연결시키고, 상기 복수의 고온 열교환기 및 저온 열교환기는 상호 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환기 양단이 결합된 열전발전기.
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