KR102017715B1

KR102017715B1 - 휴대용 열발전 장치

Info

Publication number: KR102017715B1
Application number: KR1020170172191A
Authority: KR
Inventors: 전상락; 최재한
Original assignee: 전상락; 최재한
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-09-03
Also published as: KR20190071284A

Abstract

본 발명은 야외에서 간편하게 휴대하면서 전력공급이 필요할 경우 고온의 열원에 직접 접촉시켜 일정시간 유지하는 간단한 작업만으로 전자기기의 구동에 필요한 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 휴대용 열발전 장치를 제공한다. 이를 위한 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 휴대용 열전발전 장치는, 고온의 열원과 직접 접촉되며, 양단에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열발전부와; 열발전부에서 발생된 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후 충전하고, 충전된 전압이 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 출력되도록 제어하는 충전 및 출력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대용 열발전 장치{Portable heat power generating apparatus}

본 발명은 열전모듈의 양단 온도차를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 열발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 야외에서 간편하게 휴대하면서 전력 공급이 필요할 경우 고온의 열원에 직접 접촉시켜 전자기기의 구동에 필요한 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 휴대용 열발전 장치에 관한 것이다.

최근 들어 여가 시간이 점차 늘게 되면서 야외에서 여가를 즐기는 레저 인구가 급격하게 증가하고 있는 추세이다.

그런데, 레저 활동이 이루어지는 야외는 상용전력이 공급되지 않는 곳이 대부분을 차지하고 있기 때문에, 야외에서 휴대폰, 조명기기 등과 같은 전기기기를 원활히 사용하기 위해서는 예비적으로 사용할 수 있는 휴대용 발전기나 1차 전지 또는 2차 전지를 구비하여야 한다.

그러나, 종래의 휴대용 발전기의 경우에는 통상 오일 원료를 연소시켜 발전기를 구동하는 복잡한 장치구성을 가지기 때문에 부피가 크고 무거워서 휴대하면서 사용하기가 매우 곤란하고, 작동과정에서 소음과 진동이 많이 발생하게 되는 문제가 있다. 그리고, 1차 전지나 2차 전지의 경우에는 셀의 용량이 작아 전기기기의 원활한 구동을 위해서는 다수 개의 셀을 구비하여야 하기 때문에 전지의 부피가 커지고 무거워서 휴대하기가 곤란해지고, 이러한 1차 전지나 2차 전지 또한 방전되거나 사용이 완료되면 더 이상의 전력공급이 불가하기 때문에 결국 전기기기 사용을 포기하는 경우가 많다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 하나의 예로서, 실용등록 제20-0341161호에서는 태양열전지의 집진판을 통해 태양열을 수집하고, 수집된 태양열을 전기로 변환시켜 충전부에 충전하는 동시에, 충전부에 충전된 전기를 전원공급선을 통해 휴대폰 등의 전자기기에 연결하여 전원을 공급할 수 있는 "태양열을 이용한 휴대폰 충전장치" 구조가 개시된 바 있다.

그러나, 이와 같은 휴대폰 충전장치 또한 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 방식으로 구성되어 있기 때문에 야외의 날씨에 따라 전력 생산이 불가하다는 단점이 있다. 즉, 날씨가 흐리거나 우천 시, 야간에는 태양열을 모을 수 없을 때에는 전력생산 자체가 불가하기 때문에 전력이 필요할 때 즉각적으로 전력공급이 이루어지지 못하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 야외는 물론 전력이 필요한 곳에 간편하게 휴대할 수 있으면서 전자기기의 원활한 구동에 필요한 충분한 전력을 생산 및 충전할 수 있는 휴대용 발전장치의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

실용등록 제20-0341161호(2004.01.29)

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 양단에 형성되는 온도차에 의해 열기전력을 발생시키는 열전모듈과, 열전모듈의 저온부 측 히트싱크에 방열핀의 냉각을 위해 설치되는 쿨링펌프를 구비하여, 열전모듈의 고온부 측을 고온의 열원과 직접 접촉시켜 초기 발생되는 저전력으로 쿨링펌프를 구동하여 열전모듈 양단 간의 온도차를 극대화시킬 수 있도록 함으로써 히트싱크를 소형화하여 열발전 장치의 무게 및 부피를 최소화시킬 수 있고, 열발전 효율을 크게 증대시킬 수 있는 휴대용 열발전 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 조리기구와, 조리기구의 바닥부에 열기전력을 발생시키는 열전모듈을 구비하여, 상기 조리기구의 바닥부에 설치된 열전모듈의 고온부 측을 고온의 열원과 직접 접촉시켜 음식의 조리를 위해 사용되는 고온의 열원으로 전기기기의 구동에 필요한 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 휴대용 열발전 장치를 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 휴대용 열전발전 장치는, 고온의 열원과 직접 접촉되며, 양단에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열발전부와; 열발전부에서 발생된 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후 충전하고, 충전된 전압이 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 출력되도록 제어하는 충전 및 출력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열발전부는 조리용기와; 조리용기의 바닥부에 일체로 설치되며 고온의 열원과 직접 접촉하여 열원과 조리용기 사이에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열전모듈;을 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 열전모듈은 복수 개가 내열전선을 통해 상호 연결된 형태로 설치되고, 상기 열전모듈이 설치되지 않은 상기 조리용기의 바닥부 부분은 열절연 소재로 구성될 수 있다.

또한, 상기 열전모듈이 설치되지 않은 조리용기의 바닥부 부분에는 다수의 열절연성 홀이 추가적으로 형성될 수 있다.

한편, 상기 열발전부는, 일측이 상기 고온의 열원과 직접 접촉되고 타측에는 다수의 방열핀을 가지는 히트싱크가 형성되어 열원과 히트싱크 사이에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열전모듈과; 상기 히트싱크 부분에 설치되며 열전모듈로부터 초기 발생되는 전압을 제공받아 내부에 구비된 진동판의 진동운동을 통해 와류를 발생시켜 히트싱크로 공급하여 냉각시키는 쿨링펌프;을 포함하여 구성될 수도 있다.

그리고, 상기 충전 및 출력 제어부는, 열전모듈로부터 발생되는 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후, 축전지에 급속 충전되도록 제어하는 제어회로와; 축전지로부터 출력되는 전압을 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 변환하여 출력하는 출력회로;를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 제어회로는, 열전모듈로부터 발생되는 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압 형태로 보정해주는 전압보정회로와; 전압보정회로를 통해 정전압 형태로 보정된 전압이 충전되는 축전지와; 축전지에 보정된 전압을 급속 충전하는 한편 축전지에 전압이 과충전, 과방전되지 않도록 제어하는 급속충전 및 보호회로;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 출력회로는 축전지로부터 출력되는 전압을 가변저항을 통해1.5V ~ 35V 사이 범위의 출력전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터를 포함하여 구성될 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 휴대용 열발전 장치에 따르면, 야외는 물론 전력이 필요한 장소에 간편하게 휴대하고 다니면서 전력공급이 필요할 경우 열발전부를 고온의 열원에 직접 접촉시켜 일정시간 유지하는 간단한 작업만으로 전자기기의 구동에 필요한 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 특히, 열발전부의 일측을 가스버너의 볼꽃과 같은 고온의 열원과 직접 접촉시켜 열전모듈의 양단 온도차를 극대화시킴으로써 많은 양의 전력을 보다 효과적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 조리용기의 바닥부 부분에 열기전력을 발생시키는 열전모듈을 일체로 설치함으로써 조리용기를 가스버너에 올려놓고 물 또는 국물을 끓이거나 음식을 조리하는 과정에서 가스버너에서 나오는 고온의 불꽃이 조리용기의 바닥부에 위치한 열전모듈 부분으로 직접 가해져 열전모듈의 양단 온도차를 300℃ 이상의 큰 온도차로 형성할 수 있기 때문에 보다 많은 양의 전력생산이 가능해지고, 음식의 조리과정에서 소실되는 폐열을 활용하여 많은 양의 전력을 생산할 수 있고, 음식의 조리작업과 발전작업이 동시에 이루어지게 되어 보다 효율적인 전력생산이 가능해지는 장점이 있다.

또한, 열기전력을 발생시키는 복수 개의 열전모듈을 조리용기의 바닥부에 내열전선을 통해 상호 연결되도록 설치하고, 열전모듈이 설치되지 않은 바닥부 부분은 열절연성 소재로 구성되도록 함으로써, 조리용기의 바닥부에 가해지는 고온의 열원이 열전모듈 측으로만 집중적으로 가해져 열전모듈의 양단 온도차를 극대화시킬 수 있기 때문에 생산되는 전력량을 크게 증대시킬 수 있고, 외부로 소실되는 열을 최소화하여 열발전 효율을 크게 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

아울러, 열전모듈이 설치되지 않은 조리용기의 바닥부 공간에 열절연성이 높은 다수의 열절연성 홀(정공)을 균일하게 형성함으로써, 하부의 고온의 열원으로부터 전도되는 열의 80% 이상이 상기 열전모듈 측으로 가해질 수 있기 때문에, 열전모듈 양단의 온도차를 한층 극대화하여 생산 전력량을 크게 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 고온의 열원과 접촉되는 열전모듈의 고온부 측을 열전도도가 높은 동판(황동) 재질로 구성하고 그 반대편의 저온부 측을 열발산율이 높은 알루미늄 재질로 이루어진 히트싱크로 구성하되, 상기 히트싱크 부분에 방열핀의 냉각을 위한 쿨링펌프를 설치하여, 열전모듈로부터 초기 발생되는 저전력으로 쿨링펌프를 구동시켜 열전모듈 양단 간의 온도차를 극대화시킬 수 있도록 구성함으로써 많은 양의 전력생산이 가능해지고, 쿨링펌프의 냉각작용에 따른 히트싱크의 소형화 구현이 가능하여 전체 열발전 장치의 무게 및 부피를 최소화시킬 수 있기 때문에 휴대성을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

아울러, 열전모듈로부터 초기 발생하는 2W 정도의 저전력만으로 쿨링펌프가 충분히 구동될 수 있도록 구성되어 있기 때문에, 쿨림펌프의 구동에 따른 전력소모를 최소화할 수 있고, 쿨링펌프 내에 구비된 얇은 진동판이 전자기 공칭주파수의 영향으로 상하로 진동운동하여 난류를 발생시켜 히트싱크의 방열핀으로부터 발산되는 열을 짧은 시간 내에 효과적으로 냉각시켜 줄 수 있기 때문에, 열발전 효율을 극대화시켜 전력생산량을 크게 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치의 구성 및 사용 예를 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 휴대용 열발전 장치의 구체적인 구성을 보여주는 구성도.
도 3은 도 1에 도시된 휴대용 열발전 장치의 조리용기 및 바닥부의 내부구조를 상세하게 도시한 상세도.
도 4는 열전모듈이 설치된 조리용기 바닥부의 평면 모습을 도시한 평면도.
도 5는 조리용기의 바닥에 설치되는 열전모듈의 구체적인 구성을 도시한 상세도.
도 6은 열전모듈의 양단 온도차에 따른 전력생산 과정을 보여주는 개념도.
도 7은 휴대용 열발전 장치의 충전 및 출력 제어부를 구체적으로 도시한 사시도.
도 8은 충전 및 출력 제어부의 내부 구성을 보여주는 상세도.
도 9는 충전 및 출력 제어부 내의 제어회로 구성을 구체적으로 보여주는 구성도.
도 10은 출력회로 내 컨버터 회로의 회로구성을 보여주는 회로도.
도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치의 구성 및 사용 예를 보여주는 사시도.
도 12는 도 11에 도시된 휴대용 열발전 장치의 구체적인 구성을 보여주는 구성도.
도 13은 쿨링펌프 내의 다이어프램의 상하진동을 통해 와류를 발생시켜 히트싱크의 냉각작용이 이루어지는 과정을 보여주는 개념도.

이하, 본 발명에 따른 휴대용 열발전 장치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려질 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치와 이의 사용 예를 보여주는 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 휴대용 열발전 장치의 구체적인 구성을 보여주는 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치는 야외에서 캠핑을 즐기는 경우 조리용기(110)에 물이나 국물을 담아 끓이거나 음식을 조리하는 과정에서 가스버너(300)에서 나오는 고온의 연소열을 이용하여 전력생산이 가능하도록 구성한 것이다.

즉, 바닥부(117)에 열기전력을 발생시킬 수 있는 열전모듈(140)이 일체로 설치되어 있는 조리용기(110)를 가스버너(300) 위에 올려놓고 물이나 국물을 담고 끓이거나 음식 등을 조리하는 과정에서 가스버너(300)로부터 발생하는 고온의 가스 연소열을 열전모듈(140)에 직접 접촉시켜 전달하고, 이를 통해 열전모듈(140) 양단(상단 및 하단)에 형성되는 온도차에 의해 열기전력을 발생시켜 전기기기 구동에 필요한 보조 전력을 생산할 수 있도록 구성되어 있다.

구체적으로, 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치는, 가스버너(300)의 연료가스의 연소작용을 통해 발생되는 고온의 연소열과 직접 접촉되어 전압을 발생시키는 열발전부(100)와, 열발전부(100)로부터 발생되는 전압을 내부에 구비된 축전지(216)에 급속충전하는 한편 휴대폰, 조명기기 등과 같은 전기기기에 공급가능한 일정한 전압 형태로 출력하도록 제어하는 충전 및 출력 제어부(200)를 포함하여 구성된다.

열발전부(100)는 물이나 국물, 또는 조리용 음식물이 담기는 조리용기(110)와, 조리용기(110)의 바닥부(117)에 설치되어 가스버너(300)로부터 나오는 고온의 연소열과 직접 접촉되는 고온부와 그 반대편의 저온부 사이에 형성되는 온도차를 통해 전압을 발생시키는 열전모듈(140)을 포함하여 구성된다.

조리용기(110)는 알루미늄 또는 스테인리스 재질로 구성되며, 열전모듈(140)이 설치되는 조리용기(110)의 바닥부(117) 밑면은 열전도가 높은 동판(황동) 재질로 구성되어 가스버너(300)의 연소열이 열전모듈(140) 측으로 효과적으로 전달될 수 있게 구성된다.

이때, 열전모듈(140)은 복수 개가 도 3 및 도 4에 도시된 형태와 같이 조리용기(110)의 바닥부(117) 부분에 수평방향으로 균일한 형태로 배치되어 고내열성 전선(114)을 통해 상호 연결되도록 설치될 수 있다.

즉, 상기 복수 개의 열전모듈(140)을 테프론(Teflon) 등의 고내열성 전선(114)을 통해 조리용기(110)의 바닥부(117) 부분에 서로 직,병렬 방식으로 연결되도록 상호 연결 설치할 수 있다. 그리고, 상기 열전모듈(140)이 설치된 조리용기(110)의 바닥부(117) 상부 면(117a)과 하부 면(117b)은 특수용접을 통해 상호 고정될 수 있다.

그리고 고내열성 전선(114)의 끝단은 조리용기(110)의 바닥부(117) 일측 측면에 마련된 커넥터(115) 부분에 연결되도록 구성되며, 상기 커넥터(115) 부분에는 충전 및 출력 제어부(200)와 연결된 USB 커넥터 등(142)의 단자가 암수 구조를 이루며 자유롭게 접속 또는 분리될 수 있도록 구성된다. 이 경우 상기 커넥터(115)는 내열성이 우수하고 진동 및 충격에 효과적으로 견딜 수 있는 내구성이 강한 실리콘 계열의 소재로 구성될 수 있으며 방수 기능을 갖는다.

또한 조리용기(110)의 바닥부(117)에 있어서 열전모듈(140)이 설치되지 않은 부분(116)은 열절연성 재질로 구성함으로써, 가스버너(300)의 연소열이 열전모듈(140) 쪽으로만 집중적으로 가해지도록 하여 열손실을 최소화할 수 있고, 이로 인해 열전모듈(140)의 양단 간 온도차를 300℃ 이상의 큰 온도차로 유지시키는 것이 가능하게 되어 발전 효율을 높일 수 있다.

이와 함께, 열전모듈(140)이 설치되지 않은 조리용기(110)의 바닥부(117) 부분(116)에는 다수의 열절연성 홀(111)을 균일하게 형성할 수 있다. 일반적으로 공기는 열전도율이 낮은 특성이 있기 때문에, 상기와 같이 열전모듈(140)의 주변부 공기로 채워져 있는 다수의 열절연성 홀(111)을 형성하게 되면 열전모듈(140)이 설치되지 않은 부분(116)에 대한 열절연 성능을 크게 증대시킬 수 있으며, 가스버너(300)로부터 나오는 고온의 연소열이 조리용기(110) 측으로 전달되지 않고 열전모듈(140) 측으로 집중적으로 전달되기 때문에 열전모듈(140)의 양단 간 온도차를 약 300℃ 이상의 큰 온도차로 유지시켜 열기전력을 크게 증가시키는 것이 가능해진다.

상기와 같이 구성하게 되면 열전모듈(140)을 기준으로 하부 측은 가스버너(300)의 연소열이 직접 전달되는 고온부로 유지되고 조리용기(110)가 배치된 상부 측은 저온부로 유지되기 때문에, 조리용기(110)를 가스버너(300) 위에 올려놓고 조리하는 과정에서 가스버너(300)의 연소열에 의해 열전모듈(140)의 고온부는 약 700℃ 이상의 고온으로 유지되고 물, 국물 또는 음식물이 담겨 있는 조리용기(110)가 배치된 열전모듈(140)의 저온부는 약 400℃ 이하의 온도로 유지될 수 있다. 이렇게 되면, 열전모듈(140)의 고온부와 저온부 사이는 약 300 ℃ 이상의 큰 온도편차로 유지되어 열전모듈(140)의 저온부 측에 별도의 히트싱크(Heat Sink)를 설치하지 않고서도 큰 열기전력을 발생시킬 수 있다.

아울러, 열전모듈(140)이 설치되지 않은 조리용기(110)의 바닥부(117) 부분이 열절연성 재질로 구성되면서 다수의 열절연성 홀(111)을 통해 열절연이 이루어지기 때문에, 가스버너(300)로부터 나오는 고온의 연소열이 80% 이상의 열전도율로 열전모듈(140) 측으로 집중적으로 전달되어 전력생산량을 크게 증대시킬 수 있고, 이로 인해 효율적인 발전이 가능해질 수 있다.

여기서, 도면의 미설명 부호 113 및 116은 각각 손잡이 및 뚜껑을 말한다.

한편, 도 5 및 도 6은 조리용기(110)의 바닥부(117)에 설치된 열전모듈(140)의 구체적인 구성과 열전모듈(140)의 양단에 형성된 온도차에 의해 전압이 발생되는 과정을 설명하는 개념적이다.

도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 열전모듈(140)은 2개의 세라믹판(Al2O3) 안쪽에 각각 전기전도판이 부착되고, 상기 전기전도판 사이에 복수 P형 반도체와 N형 반도체가 번갈아 배치된 상태에서 서로 연결되어 각각 개별적인 전극을 형성하고, 각 전극으로부터 출력선이 인출된 구조를 갖는다.

이러한 구성으로 갖는 열전모듈(140)은, 도 6과 같이 P형 반도체와 N형 반도체로 이루어진 전극 양단에 온도차(ΔT = T1 - T2)가 발생하면, N형 반도체의 경우 고온부(T1)에 있는 전자(e)들이 저온부에 있는 전자들보다 더 높은 에너지를 가지게 되어 고온부의 전자들이 평균적으로 페르미 준위(Fermi level) 보다 더 높은 에너지 상태가 되고, 고온부에 있는 전자들은 에너지 준위를 낮추기 위해 저온부로 확산하게 된다.

이와 같이 전자들이 고온부에서 저온부로 이동함에 따라, 저온부는 "-"로 대전되고 고온부는 "+"로 대전되어 전극 양단에는 일정한 전위차가 발생하게 되는데 이를 제벡(Seebeck) 전압이라고 한다. 이러한 제벡 전압은 전자들을 전극의 고온부로 되돌려 보내려는 방향으로 작용하게 되며 제벡 전압이 저온부로 전자의 이동을 일으키는 열적구동력과 정확히 균형을 이룰 때에 평형상태가 된다.

이처럼 전극 양단 간의 온도차에 의해 발생하는 제백 전압을 열기전력(thermoelectromotive force) 이라 말하며, 전극 양단 간의 온도차가 매우 적은 범위에서 제백 전압은 전극 양단 간의 온도차(ΔT)에 비례하게 된다.

한편, 도 7 및 도 8은 상기와 같은 원리에 따라 열전모듈(140)로부터 발생된 전압을 급속충전하는 한편 휴대폰, 조명기기 등과 같은 전자기기에 직접 연결시켜 사용할 수 있도록 하는 충전 및 출력 제어부(200)의 구체적인 구성을 보여주고 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 충전 및 출력 제어부(200)는 열전모듈(140)로부터 발생된 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후 축전지(216)에 충전하고, 축전지(216)로부터 출력되는 전압이 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 출력되도록 제어하게 된다.

상기 충전 및 출력 제어부(200)는 외관을 형성하는 케이스(201)와, 케이스(201) 내부에 리튬폴리머 축전지(216)를 비롯한 회로기판(240)이 실장된 형태로 구성된다.

이때, 케이스(201)의 일측으로는 열전모듈(140)에서 발생되는 전압이 입력될 수 있도록 케이블(142)이 케이스(201)를 관통하여 회로기판(240)에 연결되고, 타측으로는 휴대폰, 조명기구 등의 전기기기와 연결된 USB 커넥터 등의 단자를 접속하여 전원을 공급할 수 있도록 출력 커넥터(202)가 구비되어 있다.

이 경우 케이스(201)는 방수가 가능하고 변형 및 내구성이 우수한 PC(Polycarbonate) 계열 소재로 구성되고, 케이스(201)의 외면에는 내부의 축전지(216)에 충전되는 충전량 및 방전량을 시각적으로 표시해주는 LED가 구비되어 있다.

또한, 케이스(201)의 일측에는 케이스(201) 내부의 회로구동시 발생하는 열을 외부로 신속하게 방출시킬 수 있도록 위하여 특수 내,외장 히트싱크(heat sink)가 설치된 구조로 이루어진다.

한편, 전술된 도 2에 도시하고 있는 바와 같이 충전 및 출력 제어부(200)는 열발전부(100)에서 발생된 전압을 일정한 정전압 형태로 보정 후 축전지(216)에 충전시키도록 제어하는 제어회로(210)와, 상기 축전지(216)에 충전된 전압을 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 출력시키도록 변환하는 출력회로(230)를 포함하여 구성된다.

여기서 제어회로(210)는 도 9에 도시된 바와 같이, 전압측정회로(211)와, 전압비교회로(212)와, 전압보정회로(213)와, 급속충전회로(214)와, 과충전?과방전 보호회로(215)와, 축전지(216)를 포함하여 구성된다.

전압측정회로(211)는 열전모듈(140)로부터 발생된 전압이 충전 및 출력 제어부(200)로 입력되면 그 전압의 크기를 측정한다.

그리고, 전압보정회로(213)는 열전모듈(140)로부터 발생되는 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압(약 12V) 형태로 보정해주는 기능을 한다.

급속충전회로(214)는 급속충전이 가능한 회로로 구성되는데, 이러한 급속충전회로(214)는 전압보정회로(213)를 통해 보정된 전압을 축전지(216)에 급속충전 되도록 제어하는 기능을 한다.

또한, 과충전?과방전 보호회로(215)는 축전지(216)로 전압이 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어하는 기능을 하게 되며, 축전지(216)가 과충전에 의해 폭발되는 것을 미연에 방지하도록 한다. 이러한 과충전?과방전 보호회로(215)는 축전지(216)의 안정성을 확보해주는 동시에 축전지(216)의 수명이 줄어들지 않도록 보호하게 된다.

한편, 출력회로(230)는 축전지(216)로부터 출력되는 전압을 가변저항을 통해 1.5V ~ 35V 사이 범위 내의 출력전압 형태로 변환시켜 줄 수 있는 DC-DC 컨버터(232)를 포함하고 있다.

기존의 통상적인 DC-DC 컨버터 구조의 경우에는 회로구성이 복잡하고 다수의 출력전압 형태로 사용 가능하도록 다채널로 구성할 경우 각 채널마다 적합한 회로구성이 필요하여 부피가 커지는 단점이 있고, 이로 인해 간편하게 휴대하며 사용할 수 없는 문제가 있었다. 아울러, 불규칙한 발진으로 인해 출력전압이 흔들리게 되고 컨버터 자체의 소모전력이 약 5W 정도로 과도하기 때문에 전력손실을 유발시키는 등의 단점이 있었다.

그러나, 본 발명에 따른 휴대용 열발전 장치의 출력회로(230)에 사용되는 DC-DC 컨버터(232)는 도 10에 도시되어 있는 회로도 구성과 같이 회로 구조가 매우 간단하고, 전압의 입력범위가 4.5V ~ 40V 범위로 매우 크기 때문에 상기 입력범위 내의 어떠한 전압이라도 사용 가능한 장점이 있다.

또한, 가변저항을 통해 1.5V ~ 35V 범위 내에서 출력전압을 간편하게 조절하는 것이 가능하고, 발진이 안정되어 항상 일정한 정전류, 정전압 형태의 출력전압을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 제어회로(210)와 출력회로(230)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 회로기판(240) 상에 회로구성되어 케이스(201) 내에 장착된다.

즉, 회로기판(240) 상에 전압측정회로(211), 전압비교회로(212), 전압보정회로(213), 급속충전회로(214), 과충전?과방전 보호회로(215) 및 DC-DC 컨버터(232)가 회로구성되어 연결되고, 회로기판(240)의 하부에는 축전지(216)가 연결 설치된다. 이때, 회로기판(240)과 축전지(216) 사이는 테프론 소재로 이루어진 절연판(250)을 통해 전기적 절연이 이루어지도록 한다.

이 경우 축전지(216)는 얇고 가벼우며 폭발 위험이 상대적으로 적은 충전지로 알려진 리튬 폴리머(Li-Polymer) 축전지를 사용하게 됨으로써 충전 및 출력 제어부(200)의 무게 및 부피가 최소화될 수 있도록 구성할 수 있고, 회로구동에 있어서는 구동과 제작이 간편한 OP Amp IC를 적용하여 안정된 회로구동이 가능하도록 구성할 수 있다.

아울러, 상기와 같은 형태로 충전 및 출력 제어부(200)의 회로구성을 하게 되면 충전 및 출력 제어부(200)의 부피 및 무게를 작고 가볍게 제작할 수 있기 때문에 휴대하기 간편한 제품 형태로 제작이 가능하다.

이 경우 DC-DC 컨버터(232)에 있어서 메인 IC로 가장 안정적으로 동작하는 OP Amp의 일종인 LM2596-ADJ를 사용함으로써, 구동에 따른 자체소모전력을 약 0.5W 정도로 낮게 유지할 수 있어 기존 대비 전력손실을 10% 이내로 줄이는 것이 가능하다.

또한, 상기와 같은 제어회로(210) 및 출력회로(230)가 회로구성된 회로기판(240)과 리튬 폴리머 축전지(216)가 실장되는 케이스(201)를 방수 기능이 있는 작고 가벼운 PC(Polycarbonate) 계열 소재로 구성하는 한편, 전기기기와 연결된 USB 케이블이 접속되는 케이스(201)의 출력 커넥터(202) 부분에 별도의 커버(미도시)를 장착하여 방수가 가능하게 구성할 수 있다.

예를 들어, 출력 커넥터(202)가 위치한 케이스(201) 외면에 상기 출력 커넥터(202)를 완전히 덮어 밀폐시킬 수 있도록 밀폐용 가스켓이 부착된 커버를 회동 개폐 가능하게 힌지 결합하고 상기 커버가 닫힌 상태에서 밀폐용 가스켓을 통해 케이스(201) 외면과 견고한 밀폐력을 유지할 수 있도록 고정시켜 주는 고정수단을 설치함으로써, 상기 출력 커넥터(202) 부분에 USB 케이블이 연결되지 않을 경우 상기 출력 커넥터(202) 부분을 커버로 덮어 완전한 방수가 이루어지도록 하여 조리용기(110)의 세척시 상기 출력 커넥터(202) 부분으로 물기가 유입되어 열전모듈(140)을 손상시키는 것을 방지할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치의 작동관계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 야외에서 취사를 위해 조리용기(110)에 물이나 국물 등을 담고 끓이거나 음식물을 조리할 경우 열전모듈(140)이 설치된 본 발명의 조리용기(110)를 가스버너(300) 위에 올려놓은 후 가열하게 된다.

그러면, 가스버너(300)의 연소열에 의해 음식 등이 조리되는 과정에서 조리용기(110)의 바닥부(117)에 설치된 열전모듈(140)에 고온의 연소열이 전달되어 열전모듈(140)의 하단은 약 700℃ 이상의 고온상태로 유지되는 한편 음식이 담겨 있는 조리용기(110), 즉, 열전모듈(140)의 상단은 약 400℃ 이하의 온도로 유지됨으로써 열전모듈(140)의 양단에는 약 300℃ 이상의 큰 온도차가 발생하게 되고, 이로 인해 열전모듈(140)로부터 열기전력에 따른 전압이 발생되어 충전 및 출력 제어부(200)로 입력된다.

이 경우 열전모듈(140) 양단의 온도차에 따라 발생된 전압은 불규칙한 형태로 발생하게 되는데, 이렇게 발생된 불규칙한 전압이 충전 및 출력 제어부(200)로 입력된 경우 전압측정회로(211) 및 전압비교회로(212)가 이를 비교 및 측정하게 되고, 전압보정회로(213)가 입력된 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압(약 12V) 형태로 보정한 후 급속급속충전회로(214)를 통해 리튬폴리머 축전지(216)에 충전하게 된다.

그리고, 이와 같이 보정된 전압이 축전지(216)에 충전되는 과정에서 과충전?과방전 보호회로(215)는 상기 축전지(216)에 전압이 과충전 또는 과방전되지 않도록 제어함으로써, 축전지(216)가 과충전에 의해 폭발되는 것을 방지하여 축전지(216)의 안전성을 확보하고 수명이 저하되지 않도록 보호하게 된다.

이와 같이 야외에서 조리용기(110)를 가스버너(300) 위에 올려놓고 물, 국물 등을 끓이거나 음식을 조리하는 과정에서 조리용기(110)의 바닥에 구비된 열전모듈(140)의 양단 온도차(약 300℃ 이상)로 인해 발생하는 열기전력을 이용하여 전기기기의 구동에 필요한 충분한 전력을 효과적으로 생산할 수 있기 때문에 열전모듈(140)의 저온부 측에 별도의 히트싱크를 설치하지 않고서도 큰 전력을 생산할 수 있고 차후 전기기기의 구동에 필요한 충분한 보조 전력을 확보할 수 있다.

그리고, 야외에서 전기공급이 원활하지 않은 상황에서 휴대폰의 배터리가 소모되었을 경우나 조명기구 등의 구동에 필요한 전력이 필요할 경우 충전 및 출력 제어부(200)에 구비된 출력 커넥터(202)에 USB 케이블을 연결하여 축전지(216)에 충전된 전원을 휴대폰, 조명기구 등의 전기기기에 공급하여 원활히 사용 가능하도록 할 수 있다.

한편, 도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치의 구성과 이의 사용 예를 보여주는 것이고, 도 12는 도 11에 도시된 휴대용 열발전 장치의 세부 구성을 보여주는 것이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치는, 가스버너(300)의 고온의 연소열과 직접 접촉하여 양단 간의 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열발전부(100)와, 열발전부(100)에서 발생된 전압을 축전지(216)에 급속충전하는 한편 전기기기의 원활한 구동에 필요한 일정한 전압 형태로 출력하도록 제어하는 충전 및 출력 제어부(200)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 제2실시 예에 따른 휴대용 열발전 장치는 전술된 제1실시 예의 열발전부(100) 형태에서 열전모듈(140)의 저온부에 위치된 조리용기(110) 대신 다수의 방열핀을 갖는 히트싱크(120) 및 상기 히트싱크(120)를 냉각시키는 쿨링펌프(Cooling Pump)가 설치된 형태이다.

즉, 열발전부(100)는 가스버너(300)의 연소열이 직접 전달되는 고온부와 히트싱크(120)가 설치된 저온부 사이에 형성된 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열전모듈(140)과, 히트싱크(120) 부분에 설치되어 열전모듈(140)로부터 발생된 초기 전압을 제공받아 내부에 구비된 진동판(132)의 상하 진동운동을 통해 와류를 발생시켜 히트싱크(120)의 방열핀 사이로 공급하여 냉각시키는 쿨링펌프(130)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 열전모듈(140)의 저온부에 위치한 히트싱크(120) 부분에 설치된 쿨링펌프(130)는 팬(fan)을 구동하여 바람을 일으켜 히트싱크를 냉각하는 통상의 쿨링 팬(Cooling Fan)과 달리 내부에 구비된 얇은 진동판(132)을 상하로 진동시켜 발생하는 난류로 히트싱크(120)의 냉각작용을 수행하게 된다.

즉, 통상의 쿨링 팬은 외부로부터 인가된 전원으로 모터를 구동하여 팬(Fan)을 회전시키고, 이때 발생하는 바람으로 냉각을 하는 방식으로서, 모터를 구동시켜 팬을 회전시키는 데에 필요한 전력이 많이 들기 때문에 열전모듈(140)로부터 생산된 전력 중 많은 양이 상기 모터로 공급됨으로써 열발전 효율이 저하될 수밖에 없다. 아울러, 장시간 사용시 모터의 기능이 저하되거나 소손에 의해 고장이 발생할 우려가 있으며 팬 등의 외부 장치가 쉽게 파손될 가능성이 높고, 무게 및 부피가 상대적으로 크고 수명이 짧다는 여러 단점을 갖는다.

이에 반해, 본 발명에 따른 쿨링펌프(130)는 도 13에 도시된 동작원리와 같이 쿨링펌프(130)에 전원이 인가될 경우 쿨링펌프(130) 내에 구비된 얇은 진동판(132), 즉, 다이어프램(Diaphragm)이 전자기 공칭주파수의 진동에 의해 상하로 진동운동을하여 공기의 흡입과 배출로 와류를 일으켜서 히트싱크(120)에 대한 냉각작용을 훨씬 신속하고 효과적으로 수행하게 됨으로써 열전모듈(140) 양단 간에 형성되는 온도차를 극대화하여 열기전력 발생을 크게 증대시킬 수 있고 열발전 효율을 크게 높일 수 있다.

이 경우 쿨링펌프(130)에는 열전모듈(140)로부터 전압이 발생하는 초기 약 2W 정도의 저전력이 쿨링펌프(130) 내부의 구동회로로 제공되어 다이어프램을 상하로 진동시키게 되며, 이 다이어프램의 진동운동에 따라 생성되는 에어 플로우(air flow)를 펄스방식으로 생성하게 됨으로써 난류(turbulent flow)를 형성하게 되고, 이렇게 형성되는 난류를 히트싱크(120)의 방열핀 사이로 불어 넣게 됨으로써 냉각효율을 보다 극대화시킬 수 있다. 이로 인해 열전모듈(140)의 양단 간의 온도차가 한층 극대화되어 결과적으로 열발전 효율이 크게 증대될 수 있다.

이때, 상기 히트싱크(120)에 설치되는 쿨링펌프(130)는 예컨대, 미국 뉴벤틱스(Nuventix) 사에서 개발된 "SynJet" 쿨러 형태가 적용될 수 있다. 이와 같이 열전모듈(140)의 저온부에 위치한 히트싱크(120) 부분에 저소모전력으로 우수한 냉각성능을 발휘할 수 있는 쿨링펌프(130)를 설치함에 따라, 히트싱크(120)의 방열성능을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 히트싱크(120)가 단독으로 설치되었을 경우와 비교하여 약 60% 정도 더 작은 방열핀 구조로 히트싱크(120)를 구현하는 것이 가능해지고, 이로 인해 열발전 장치의 전체 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있기 때문에 휴대성을 크게 향상시킬 수 있고, 열전모듈(140)로부터 초기 발생되는 2W 정도의 적은 저전력을 제공받아 구동되어 난류에 의해 히트싱크(120)를 신속하고 빠르게 냉각시킬 수 있기 때문에 열전모듈(140) 양단 간의 온도차를 극대화시켜 열발전 효율을 크게 증대시킬 수 있다.

여기서, 본 발명의 제2실시 예에 따른 충전 및 출력 제어부(200)의 구성은 전술된 제1실시 예와 동일한 구성을 가지기 때문에 이와 관련해서는 별도로 중복 설명하지 않는다.

이와 같이 구성되는 휴대용 열발전 장치의 작동관계를 설명하면 다음과 같아.

먼저, 열전모듈(140)의 저온부 측에 히트싱크(120) 및 쿨링펌프(130)가 구비된 열발전부(100)를 가스버너(300) 위에 올려놓은 후 가스버너(300)를 작동시켜 열전모듈(140)의 고온부 측에 열을 가하게 되면, 가스버너(300)에서 발생되는 고온의 연소열이 열전모듈(140)로 전달되기 시작하여 열전모듈(140)의 양단 온도차가 약 80℃ 정도에 이르르면 열전모듈(140)로부터 열기전력에 의해 전압이 발생하기 시작한다. 이때, 열전모듈(140)로부터 초기 발생되는 전압은 약 2W 정도의 저전압이지만, 이러한 저전압은 쿨링펌프(130)가 원활히 작동될 수 있는 충분한 크기의 전압이다.

이렇게 열전모듈(140)의 작동 초기에 발생되는 저전압은 쿨링펌프(130) 내의 구동회로(150)로 공급되어 쿨링펌프(130) 내부의 진동판(132)을 상하로 진동시키고, 상기 진동판(132)의 상하 진동운동으로 인해 발생되는 와류를 통해 열전모듈(140)의 저온부 측 히트싱크(120) 영역을 냉각시킨다. 이렇게 되면 열전모듈(140)의 양단 간 온도차는 약 300 ℃ 이상으로 급격하게 벌어지게 됨으로써 열전모듈(140)로부터 열기전력에 의해 높은 전압이 발생된다.

이 경우, 열전모듈(140)로부터 발생되는 전압은 열전모듈(140)의 양단 온도차가 일정치 않아 전압 크기 또한 불규칙한 형태로 발생되는데, 이 발생된 전압이 충전 및 출력 제어부(200)로 입력되면 전압측정회로(211) 및 전압비교회로(212)가 구동되어 입력된 전압의 크기를 측정 및 비교한 후 전압보정회로(213)를 통해 약 12V의 일정한 정전압 형태로 보정하고, 상기 보정된 전압은 급속급속충전회로(214)를 통해 리튬 폴리머 축전지(216)에 충전된다.

이때, 전압이 축전지(216)에 충전되는 과정 중에는 과충전, 과방전 보호회로(215)가 작동되어 축전지(216)에 전압이 과충전, 과방전되지 않도록 제어함으로써 축전지(216)에 전압의 과충전에 의한 폭발 등의 안전사고를 방지할 수 있고, 축전지(216)의 수명이 줄어드는 것을 억제하여 내구성 향상을 도모할 수 있다.

이와 같은 과정을 통해 충전 및 출력 제어부(200) 내의 축전지(216)에 충전된 전압은 차후에 전기기기 구동에 필요한 충분한 보조 전력으로 확보될 수 있다. 따라서, 전기공급이 원활하지 못한 야외에서 휴대폰 배터리가 소모되거나 조명기구 점등에 필요한 전력이 필요할 경우 충전 및 출력 제어부(200) 일측에 구비된 출력 커넥터(202)에 USB 케이블을 연결하여 축전지(216)에 충전된 전압을 휴대폰, 조명기구 등의 전기기기에 원활히 공급하여 보조 전원으로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 휴대용 열발전 장치는 가스버너(300)의 연소열을 이용하여 효율적으로 전력생산을 할 수 있고, 생산된 전력을 축전지(216)에 충전한 후 전력공급이 필요한 상황에서 USB 케이블을 연결하여 축전지(216)에 충전된 전압을 전기기기에 안정적으로 공급할 수 있기 때문에 야외는 물론 전력이 필요한 장소에 간편하게 휴대하고 다니면서 비상전력을 효과적으로 생산할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

100 : 열발전부 110 : 조리용기
111 : 열절연성 홀 117 : 바닥부
114 : 고내열성 전선 115 : 커넥터
120 : 히트싱크 130 : 쿨링펌프
140 : 열전모듈 200 : 충전 및 출력 제어부
201 : 케이스 202 : 출력 커넥터
211 : 전압측정회로 212 : 전압비교회로
213 : 전압보정회로 214 : 급속충전회로
215 : 과충전·과방전 보호회로
216 : 축전지 300 : 가스버너
210 : 제어회로 230 : 출력회로
232 : DC-DC 컨버터

Claims

고온의 열원과 직접 접촉되며, 양단에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열발전부와;
상기 열발전부에서 발생된 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후 충전하고, 충전된 전압이 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 출력되도록 제어하는 충전 및 출력 제어부;
를 포함하되,
상기 열발전부는,
조리용기와;
상기 조리용기의 바닥부에 일체로 설치되며, 상기 고온의 열원과 직접 접촉하여 상기 열원과 상기 조리용기 사이에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열전모듈;
을 포함하며,
상기 열전모듈은 복수 개가 내열전선을 통해 상호 연결된 형태로 설치되고, 상기 열전모듈이 설치되지 않은 상기 조리용기의 바닥부 부분에는 다수의 열절연성 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 열전발전 장치.
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제1항에 있어서, 상기 열발전부는,
일측이 상기 고온의 열원과 직접 접촉되고 타측에는 다수의 방열핀을 가지는 히트싱크가 형성되어, 상기 열원과 상기 히트싱크 사이에 형성되는 온도차에 의해 전압을 발생시키는 열전모듈과;
상기 히트싱크 부분에 설치되며, 상기 열전모듈로부터 초기 발생되는 전압을 제공받아 내부에 구비된 진동판의 진동운동을 통해 와류를 발생시켜 상기 히트싱크로 공급하여 냉각시키는 쿨링펌프;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 충전 및 출력 제어부는,
상기 열전모듈로부터 발생되는 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압 형태로 보정한 후, 축전지에 급속 충전되도록 제어하는 제어회로와;
상기 축전지로부터 출력되는 전압을 항상 일정한 정전류, 정전압 형태로 변환하여 출력하는 출력회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 열전발전 장치.
제6항에 있어서, 상기 제어회로는,
상기 열전모듈로부터 발생되는 불규칙한 상태의 전압을 일정한 정전압 형태로 보정해주는 전압보정회로와;
상기 전압보정회로를 통해 정전압 형태로 보정된 전압이 충전되는 축전지와;
상기 축전지에 보정된 전압을 급속 충전하는 한편 상기 축전지에 전압이 과충전, 과방전되지 않도록 제어하는 급속충전 및 보호회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 열전발전 장치.
제6항에 있어서, 상기 출력회로는 상기 축전지로부터 출력되는 전압을 가변저항을 통해 1.5V ~ 35V 사이 범위의 출력전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 열전발전 장치.