KR100367298B1 - 열전 발전 모듈의 수명 시험 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전 발전 시 열전 발전용 소자의 양단간 온도차로 인해 발생되는 열팽창 특성 및 열응력과 사용되는 유체 등을 고려하여 열전 발전용 소자의 수명을 시험할 수 있도록 하는 열전발전용 모듈의 수명 시험 장치에 관한 것으로서, 냉매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환 하는 제 1 튜브(31); 상기 제 1 튜브(31)에 대응 설치되어 그 제 1 튜브(31)의 사이에 열전발전 모듈(20)을 수납할 수 있는 수납 공간을 형성하고서, 냉매 및/또는 온매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환하는 제 1 튜브(32); 일정 온도 이하의 냉매를 상기 제 1 튜브(31) 및/또는 상기 제 2 튜브(32) 내로 공급하는 냉매 공급장치(33); 일정 온도 이상의 온매를 상기 제 2 튜브(32) 내로 공급하는 온매 공급장치(34); 상기 제 2 튜브(32) 내로 공급되는 상기 냉매와 온매의 공급 경로를 개폐하는 개폐장치(37); 및 상기 개폐장치(37)의 개폐동작을 제어하는 제어장치(40)를 포함하여 구성되어, 상호 대응하는 양단간의 온도차가 열전발전기의 실제 열전발전 시의 온도차와 같은 특성을 지닌 시험형태를 구현하여 간편하게 시험할 수 있도록 함으로써, 열전발전용으로 제작된 열전모듈의 수명을 정확하게 시험 평가할 수 있다.
Description
본 발명은 열전 발전 모듈의 수명 시험 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 발전 시 열전 발전용 소자의 양단간 온도차로 인해 발생되는 열팽창 특성 및 열응력과 사용되는 유체 등을 고려하여 열전 발전용 소자의 수명을 시험할 수 있도록 하는 열전발전용 모듈의 수명 시험 장치에 관한 것이다.
열전(熱電)(thermoelectric)이란 열전 발전용 소재의 양단 간의 온도차에 의해서 기전력을 얻을 수 있는 기술로서, 20세기를 접어들면서 획기적인 발전을 거듭하고 있는 기술이다. 특히 열전냉각 분야에서는 많은 연구가 계속되고 있는 실정이지만 열전발전과 관련된 기술은 아직 시작단계이다. 양단 간의 온도차에 의해서 발생되는 기전력을 얻을 수 있는 열전발전 기술은 우주선이나 극지의 전원공급용으로 일찍부터 이용하고 있었지만 낮은 변환효율과 고가의 가격으로 인해서 최근에 들어서 점차 민간용으로 이용되고 있는 실정이다.
도 1은 일반적인 열전냉각 모듈의 모식적 도면(a)과 그 모듈의 각 부분의 온도 분포도(b)를 나타낸 것으로서, 열전냉각 모듈(도 1의 a)의 각 부분의 온도 분포도(도 1의 b)를 보면, 냉각 대상체(Object to be cold)(11)의 외면과 이에 대응하는 히트 싱크(Heat sink)(12)의 외면 간의 온도차를 △Ts1이라 하고, 상기 냉각 대상체(11)의 내면과 이에 대응하는 상기 히트 싱크(12)의 내면 간의 온도차를 △Tm1이라 하며, 상기 냉각 대상체(11)의 내면상에 구비된 열전소자(13)의 내면과 이에 대응하여 상기 히트 싱크(12)의 내면상에 구비된 n/p형 반도체로서의 열전소자(14)의 내면 간의 온도차를 △Te1이라 할 때, 이들 온도차 크기의 상관 관계가 △Ts1 < △Tm1 < △Te1 임을 알 수 있다.
도 2는 일반적인 열전발전 모듈의 모식적 도면(a)과 그 모듈의 각 부분의 온도 분포도(b)를 나타낸 것으로서, 열전냉각 모듈(도 2의 a)의 각 부분의 온도 분포도(도 2의 b)를 보면, 냉각체(cold side)(21)의 외면과 이에 대응하는 가온체(hot side)(22)의 외면 간의 온도차를 △Ts2라 하고, 상기 냉각체(21)의 내면과 이에 대응하는 상기 가온체(22)의 내면 간의 온도차를 △Tm2라 하며, 상기 냉각체(21)의 내면상에 구비된 열전소자(23)의 내면과 이에 대응하여 상기 가온체(22)의 내면상에 구비된 n/p형 반도체로서의 열전소자(24)의 내면 간의 온도차를 △Te2라 할 때, 이들 온도차 크기의 상관 관계가 △Ts2 < △Tm2 < △Te2 임을 알 수 있다.
도 1과 도 2를 비교하여 보면, 도 1의 열전냉각 모듈에서는 상호 대응하는 상기 열전 냉각용 소재(13,14) 간의 온도차(△Te1)가 가장 크며 실제로 열이 전달되는 부분(11,12) 간의 온도차(△Ts1)가 가장 작은 반면, 이와 반대로 도 2의 열전발전 모듈에서는 상호 대응하는 상기 열전 냉각용 소재(23,24) 간의 온도차(△Te2)가 가장 작으며 실제로 열이 전달되는 부분(21,22) 간의 온도차(△Ts2)가 가장 큰 특성을 가지고 있다.
그러나, 상기와 같은 열전냉각 및 열전발전 모듈에 대한 수명 시험 시, 상술된 바와 같이 각 모듈의 온도 특성이 다름에도 불구하고, 현재까지 사용하고 있는시험 방법은 양자(열전냉각 모듈과 열전발전 모듈) 모두 열전냉각에서 사용하는 시험 방법을 적용하고 있는 실정이며, 이와 같은 종래의 열전 모듈 시험 장치도 정확히 열전모듈의 수명을 평가하는 규정으로 된 것은 아니다.
즉, 열전냉각 모듈은 열전냉각시 양단간의 온도차가 외부로 전해지기 위해서 열전재료의 양단간에 가장 큰 온도차를 보이고 있고 외부의 지지물 및 방열판(Heat sink) 쪽으로 갈수록 온도차는 작아지는 형태를 가지고 있으므로, 열전냉각 모듈의 수명평가 장치는 이러한 원리를 기본으로 설계되어 사용되고 있는 실정이다. 이와 같이 열전냉각 모듈의 특성에 근거하여 설계된 종래의 열전 모듈 시험 장치는 열전발전과는 달리 도 1 또는 도 2의 열전 소재(13 또는 14)에 직접 전원을 연결하고 발열 또는 열전냉각으로 온도를 조절하는 방식을 택하고 있기 때문에, 도 2와 같은 열전발전 모듈의 시험장치로는 적합치 않으며, 이로 인해 현재까지는 열전발전 모듈의 수명을 정확하게 평가하지 못하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 상기 열전냉각용 모듈의 시험과 달리 열전발전용으로 제작된 열전모듈의 수명을 정확하게 평가할 수 있도록 된 열전발전 모듈의 수명 시험 장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1의 (a)는 일반적인 열전냉각 모듈의 모식적 도면이고, (b)는 그 모듈의 각 부분의 온도 분포의 상관관계를 나타낸 것이고,
도 2의 (a)는 일반적인 열전발전 모듈의 모식적 도면이고, (b)는 그 모듈의 각 부분의 온도 분포의 상관관계를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 모듈의 수명 시험 장치이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 열전발전 모듈 31,32 : 튜브
33 : 냉매 공급장치 34 : 온매 공급장치
35,35a,35b,35c : 냉/온매 공급 파이프 36 : 냉/온매 배출 파이프
37,37a,37b : 솔레노이드 밸브 41 : 타이머
42a,42b : 온도센서 43 : 구동제어부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전발전 모듈의 수명 시험 장치는, 열전발전용 소재가 상호 대응하도록 구비되어 양단간의 온도차에 의해 기전력을 얻는 열전발전 모듈에 있어서, 냉매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환 하는 저온도 열교환 수단; 상기 저온도 열교환 수단에 대응 설치되어 그 저온도 열교환 수단과의 사이에 상기 열전발전 모듈을 수납할 수 있는 수납 공간을 형성하고서, 냉매 및/또는 온매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환하는 가변온도 열교환 수단; 일정 온도 이하의 냉매를 상기 저온도 열교환 수단 및/또는 상기 가변온도 열교환 수단 내로 공급하는 냉매 공급수단; 일정 온도 이상의 온매를 상기 가변온도 열교환 수단 내로 공급하는 온매 공급수단; 상기 가변온도 열교환 수단 내로 공급되는 상기 냉매와 온매의 공급 경로를 개폐하는 개폐수단; 및 상기 개폐수단을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 열전발전 모듈의 양단에 대응 구비된 열전발전 소재간의 온도차가 외부 양단의 온도차에 비해서 작게되도록 하여 시험할 수 있는 장치로서, 이러한 온도차에 의해서 열전모듈의 수명에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 열전발전기에 사용되는 열전모듈의 열응력으로 인한 파손과정을 평가할 수 있다. 즉, 본 발명은 상호 대응하는 양단간의 온도차가 열전발전기의 실제 열전발전 시의 온도차와 같은 특성을 지닌 시험형태를 구현하여 간편하게 시험할 수 있도록 함으로써, 열전발전용으로 제작된 열전모듈의 수명을 정확하게 시험 평가할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전발전 모듈의 수명 시험 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 모듈의 수명 시험 장치의 구성도로서, 냉수(冷水) 또는 냉유(冷油)와 같은 냉매(冷媒)의 순환 통로가 되어 외부와 열교환 하는 저온도 열교환 수단으로서의 제 1 튜브(TUBE)(31); 상기 제 1 튜브(31)에 대응되도록 설치되어 그 제 1 튜브(31)와의 사이에 열전발전 모듈(20)을 수납할 수 있는 수납 공간을 형성하고서, 냉수(冷水) 또는 냉유(冷油)와 같은 냉매(冷媒) 및 온수(溫水) 또는 고온유(高溫油)와 같은 온매(溫媒)의 순환 통로가 되어 외부와 열교환하는 가변온도 열교환 수단으로서의 제 2 튜브(32); 일정 온도 이하의 상기 냉매를 상기 제 1 튜브(31) 및 상기 제 2 튜브(32) 내로 공급하는 냉매 공급장치(33); 일정 온도 이상의 상기 온매를 상기 제 2 튜브(32) 내로 공급하는 온매 공급장치(34); 상기 냉매 공급장치(33)의 냉매 공급 출구와 상기 온매 공급장치(34)의 온매 공급 출구를 연통하는 제 1 파이프(PIPE)(35a)와, 상기 제 1 파이프(35a)의 소정부위와 상기 제 1 튜브(31)의 입구를 상호 연통하는 제 2 파이프(35b)와, 그리고 상기 제 1 파이프(35a)의 다른 소정부위와 상기 제 2 튜브(32)의 입구를 상호 연통하는 제 3 파이프(35c)로 구성된 냉/온매 공급파이프(35); 상기 제 1 튜브(31) 및 상기 제 2 튜브(32)의 출구와 연결된 냉/온매 배출파이프(36); 상기 냉매공급장치(33)로부터 제공되어 상기 제 2 튜브(32)내로 공급되는 냉매의 흐름 경로를 개폐(開閉)하도록 상기 제 1 파이프(35a)에 설치된 제 1 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)(37a)와, 상기 온매공급장치(34)로부터 제공되어 상기 제 2 튜브(32)내로 공급되는 온매의 흐름 경로를 개폐(開閉)하도록 상기 제 1 파이프(35a)에 설치된 제 2 솔레노이드 밸브(37b)로 구성된 개폐장치(37); 및 시간을 제공하는 타이머(41)와, 상기 공급되는 냉매와 온매의 온도를 감지하는 온도센서(42a,42b)와, 그리고 상기 타이머(41)에 의해 제공되는 시간 데이터 및 상기 온도센서(42a,42b)에 의해 감지된 온도 데이터에 의거하여 상기 제 1 솔리노이드밸브(37a) 및 상기 제 2 솔레노이드밸브(37b)의 개폐동작을 제어하는 구동제어부(43)를 구비하는 제어장치(40)로 구성되어 있다.
또한, 상기 제 1 튜브(31) 및 상기 제 2 튜브(32)의 재질은 상기 열전발전 모듈(20)의 외부 재질과 동일 재질로 구성하되, 통상 상기 열전발전 모듈(20)의 외부 재질은 알루미늄으로 되어 있으므로, 상기 제 1 튜브(31) 및 상기 제 2 튜브(32)의 재질을 알루미늄 재질의 튜브로 구성함이 바람직하다.
이어, 도 3과 같이 구성된 본 발명의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 제 1 튜브(31)와 상기 제 2 튜브(32) 사이에 형성된 수납공간내에 상기 열전발전 모듈(20)을 그것의 상면과 하면이 각각 상기 제 1 및 제 2 튜브(31,32)에 접하도록 수납한 다음, 상기 구동제어부(43)의 제어를 통해 상기 제 1 솔레노이드밸브(37a)는 닫혀있도록 하고 상기 제 2 솔레노이드밸브(37b)는 열려있도록 하면, 상기 냉매 공급장치(33)를 통해 제공되는 일정온도 이하의 냉매가 상기 제 1 튜브(31)에 공급됨과 아울러 상기 온매 공급장치(34)를 통해 제공되는 일정온도 이상의 온매가 상기 제 2 튜브(32)에 공급된다. 이에 따라 상기 제 1 및 제 2 튜브(31,32)와 상기 열전발전모듈(20) 상호 간에 열교환을 함으로써, 상기 제 1튜브(31)로부터 상기 열전발전 모듈(20)의 상면으로 냉매의 저온이 전달됨과 아울러 상기 제 2 튜브(32)로부터 상기 열전발전 모듈(20)의 하면으로 온매의 고온이 전달되어, 상기 열전발전 모듈(20)의 실제 열전발전 시의 온도분포를 만들어 준다.
이때, 보다 정확하게 실제 열전발전 시의 온도분포를 구현하여 열전발전 모듈의 수명을 시험하기 위해, 상기 구동제어부(43)는 상기 온도센서(42a,42b)로부터 상기 공급되는 냉매와 온매의 온도데이터를 제공받고, 상기 타이머(41)로부터 시간데이터를 제공받은 다음, 설정된 시간 및 온도 데이터와 상호 비교하고, 그 비교결과에 의거하여 상기 제 1 솔레노이드밸브(37a)와 상기 제 2 솔레노이드밸브(37b)의 개폐를 제어함으로써. 상기 제 2 튜브(32)내로 냉매와 온매를 각각 독립적으로 제공하거나 혼합 제공하도록 하며, 이에 따라 상기 제 2 튜브(32)내로 투입되는 열교환 매체의 온도를 가변 제공할 수 있다.
또한, 상기 설정된 시간 및 온도 데이터는 프로그램에 의해 기 설정할 수 도 있고 데이터 입력장치(미도시)를 두어 사용자에 의해 외부로부터 설정할 수 있도록 할 수 있으며, 더 나아가 상기 냉매공급장치(33) 및 상기 온매공급장치(34)의 각 매체 온도를 제어할 수 있도록 하여 더욱 정밀한 온도 환경을 조성하도록 한다.
상술된 바와 같이 구성되어 동작되는 본 발명은, 열전냉각에서 얻어질 수 있는 온도특성과 달리 열전발전에서 분포되는 온도의 특성을 고려하여 시험할 수 있는 장치로서, 양단 간의 온도차가 100℃이하의 열원을 대상으로 사용할 때 필요한 열전소자의 열피로 특성을 측정할 수 있는 장비로 사용함이 가장 바람직하다.
또한, 본 발명은 기존에 열전냉각용으로 사용되고 있는 냉각소자의 수명을평가하는 장비와는 근본적으로 다른 온도분포를 얻을 수 있으며, 열전 발전 시 외부의 온도차가 가장 크며 열전발전용 재료의 양단 간에서 얻어지는 온도차가 가장 작은 온도특성을 얻을 수 있다. 특히, 양단 간의 온도차로 인해서 발생되는 열팽창 특성 즉, 실제 열전발전 시 발생되는 열응력을 고려하여 그 열전발전모듈의 외부의 열전달 재료와 동일한 재료로 열교환 부분인 상기 제 1 및 제 2 파이프(31,32)를 구성하고, 열전발전 시 사용되는 유체를 흘려서 열전소자에 실제특성과 동일한 조건에서 시험할 수 있다.
본 발명은 바람직하게 상기 냉매와 온매를 온수와 냉수를 이용하는 시스템으로 제조하여, 양단 간의 온도차가 100℃이하의 조건에서 시험할 수 있는 장치로 매우 적합하며, 외부의 열팽창으로 인해 열전모듈에 전해지는 열응력 특성을 정확히 측정할 수 있는 장치이지만, 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 상기 온매와 냉매를 온수와 냉수 대신 이와 유사한 액체 또는 기체로 대체 이용하여 시험에 유용하게 사용할 수 있음은 물론이다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 열전발전 모듈의 수명 시험 장치는,
열전발전기의 가동과 중지로 인해서 발생되는 열팽창은 열전발전 소자에 전단력으로 작용하게 되는 특성을 가지고 있는 데, 이러한 특성을 정확하게 시험할 수 있고 그 수명을 빠르게 평가할 수 있으며, 또한 소정시간 동안 다양한 열사이클을 줄 수 있는 형태로 설정할 수 있어 빠르고 정확하게 열전소자의 수명을 평가할 수 있는 특성을 가지게 된다.
Claims (6)
- 열전발전용 소재가 상호 대응하도록 구비되어 대응하는 양단간의 온도차에 의해 기전력을 얻는 열전발전 모듈에 있어서,냉매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환 하는 제 1 튜브;상기 제 1 튜브에 대응 설치되어 그 제 1 튜브와의 사이에 상기 열전발전 모듈을 수납할 수 있는 수납 공간을 형성하고서, 냉매 및 온매의 순환 통로가 되어 외부와 열교환하는 제 2 튜브;일정 온도 이하의 냉매를 상기 제 1 튜브 및 상기 제 2 튜브 내로 공급하는 냉매 공급수단;일정 온도 이상의 온매를 상기 제 2 튜브 내로 공급하는 온매 공급수단;상기 제 2 튜브 내로 공급되는 상기 냉매와 온매의 공급 경로를 개폐하는 개폐수단; 및상기 개폐수단의 경로 개폐를 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어수단은 시간을 제공하는 타이머와, 상기 공급되는 냉매와 온매의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 제공되는 시간 데이터와 온도 데이터를 설정된데이터와 비교하고 그 비교 결과에 의거하여 상기 개폐수단을 개폐구동하는 구동제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 개폐수단은 상기 냉매의 공급 경로를 개폐하는 제 1 솔레노이드 밸브와, 상기 온매의 공급 경로를 개폐하는 제 2 솔레노이드 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉매는 냉수 또는 냉유이고 상기 온매는 온수 또는 고온유인 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 튜브 및 상기 제 2 튜브는 상기 열전발전 모듈의 외부 재질과 동일 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈의 수명 시험 장치.
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