KR102045397B1 - 폐열을 이용한 자가발전 led 조명장치 - Google Patents

폐열을 이용한 자가발전 led 조명장치 Download PDF

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Abstract

열전소자의 발전 효과를 이용하여 폐열로부터 효과적으로 전력을 생산하여 조명을 밝힐 수 있도록, 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전소자, 상기 열전소자 일면에 설치되어 열원으로부터 전달되는 열을 열전소자에 전달하는 열전달판, 상기 열전소자의 타면에 설치되어 열전소자를 방열시키는 방열부, 상기 열전달판을 열원에 탈부착시키기 위한 탈착부, 상기 열전소자에 전기적으로 연결되어 열전소자에서 생산된 잉여 전기에너지를 저장하는 축전지, 상기 열전소자에서 생산되는 전력을 최적화하여 축전지에 안정적으로 충전시키는 회로 모듈, 상기 회로모듈에 전기적으로 연결되어 축전지로부터 전력을 공급받아 빛을 조사하는 적어도 하나 이상의 LED가 구비된 조명부를 포함하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공한다.

Description

폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치{LED LIGHTING APPARATUS OF SELF GENERATING BY USING WASTE ENERGY}
본 개시내용은 폐열을 이용하여 자체적으로 전기에너지를 생산하여 빛을 발생하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 들어 산업의 발달로 에너지의 사용이 급증하고 있는 반면, 화석원료는 점차적으로 고갈되고 있어 대체 에너지의 개발과 더불어 폐 에너지의 유효 이용 등 향 후 에너지원 고갈에 대한 적극적인 대안이 요구되고 있다.
예를 들어, 발전소나 제철소 등의 산업체는 열원을 이용하여 최종 제품을 생산한다. 이때, 대부분의 산업용 설비는 가열, 가압, 또는 연소를 수행하는 공정에서 배기가스 등을 발생시키며 이러한 배기가스 등에 폐열이 함유된 상태로 외부로 배출시킨다. 따라서 최근의 산업용 플랜트 설비에는 이런 폐열을 일부라도 회수하기 위해서 폐열 회수 장치들을 구비하여, 폐열 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산 사용한다.
종래의 폐열 회수 발전장치는 고온의 배기가스 또는 냉각수를 보일러에서 열교환시킴으로써, 이로 인해 고온 고열의 증기를 발생시킨다. 그리고, 이러한 폐열 회수 발전장치는 고온 고열의 증기로 터빈을 회전시킴으로써, 터빈의 회전력으로 전기 에너지를 발생시킨다. 그러나, 이러한 폐열 회수 발전장치는 배기가스 또는 냉각수에 함유된 폐열 에너지 중에서 극히 일부만이 전기 에너지로 회수되어 발전효율이 떨어지고 설비가 커지는 문제가 있다.
이에, 발전소 등에서 버려지는 고열의 폐 에너지를 이용하여 전력을 생산하고 이를 조명 등에 이용할 수 있는 보다 간단한 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 과제는 열전소자의 발전 효과를 이용하여 폐열로부터 효과적으로 전력을 생산하여 조명을 밝힐 수 있도록 된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 과제는 내구성을 높일 수 있도록 된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 과제는 온도를 균일하게 전달하여 발전효율을 높일 수 있 있도록 된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 과제는 내부 회로 구성을 손쉽게 전환할 수 있도록 된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 과제는 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 구현예의 조명장치는, 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전소자, 상기 열전소자 일면에 설치되어 열원으로부터 전달되는 열을 열전소자에 전달하는 열전달판, 상기 열전소자의 타면에 설치되어 열전소자를 방열시키는 방열부, 상기 열전달판을 열원에 탈부착시키기 위한 탈착부, 상기 열전소자에 전기적으로 연결되어 열전소자에서 생산된 잉여 전기에너지를 저장하는 축전지, 상기 열전소자에서 생산되는 전력을 최적화하여 축전지에 안정적으로 충전시키는 회로 모듈, 상기 회로모듈에 전기적으로 연결되어 축전지로부터 전력을 공급받아 빛을 조사하는 적어도 하나 이상의 LED가 구비된 조명부를 포함할 수 있다.
상기 열전소자는 중심부에 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 열전소자는 내부의 반도체를 덮으며 양면을 이루는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고, 상기 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 실링부재보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부를 형성하고, 상기 연장부에는 기판 내부의 반도체와 전기적으로 연결되는 보조단자가 설치되며, 상기 보조단자에 전류를 인가하기 위한 전선이 접속될 수 있다.
상기 방열부와 상기 열전달판은 열전소자를 사이에 두고 볼트를 매개로 고정되고, 상기 볼트는 방열부에 형성된 체결홀에 끼워지고 상기 열전소자에 형성된 관통홀을 관통하여 열전달판에 형성된 암나사홈에 나사 결합되며, 상기 체결홀에는 볼트에 끼워져 볼트머리와 체결홀 사이에서 탄성력을 가해 열전소자에 밀착력을 가하는 탄성스프링이 더 설치될 수 있다.
상기 탈착부는 상기 열전달판에 설치되는 적어도 하나 이상의 자석을 포함할 수 있다.
상기 방열부는 열전소자에 접하고 외측으로 방열핀이 형성된 방열판과, 상기 방열판 외측에 배치되어 외기를 방열판으로 순환시키기 위한 방열팬을 포함할 수 있다.
상기 열전달판 또는 상기 방열판 내부에 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 히트파이프를 더 포함할 수 있다.
상기 회로모듈은 발전 전력 최적화를 위한 저항을 설정하는 저항PCB회로, 전압을 충전가능 전압으로 높이거나 낮추는 변압회로를 포함할 수 있다.
상기 변압회로는 열전소자로부터 생성된 발전 전력의 전압을 높이기 위한 스텝업(step up)회로, 및 열전소자로부터 생성된 발전 전력의 전압을 낮추기 위한 스텝다운(step down)회로를 포함할 수 있다.
상기 회로모듈은 열전소자와 결합되는 단자부를 더 포함하고, 상기 단자부는 열전소자의 전선에 설치된 소켓이 연결되는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는 열전소자 간 직렬연결을 위한 직렬커넥터 및 열전소자간 병렬연결을 위한 병렬커넥터를 구비하여, 열전소자의 소켓 연결에 따라 복수의 열전소자를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 의하면, 어느 장소이건 폐열이 발생되는 곳에 간단히 부착하여 전력을 생산할 수 있게 된다.
폐열의 변동에 따라 전력 생산을 위한 최적 조건으로 저항을 설정하고, 충전 전압을 안정화시킴으로서, 전력 생산 효율을 극대화할 수 있게 된다.
열전소자의 내구성을 높여, 중심부를 관통하는 홀을 형성함으로써, 한정된 공간 내에 보다 많은 열전소자를 배치하여 출력을 증대할 수 있게 된다.
출력을 일정하게 유지할 수 있고, 내부 회로 구성을 손쉽게 전환하여 필요한 조건에 따라 다양하게 활용할 수 있게 된다.
열전소자의 열팽창에 관계없이 열전달이 균일하게 이루어져 발전 효율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치의 열전소자 연결 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치의 열전소자를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치의 열전소자 배치 구조를 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며, 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 실시예에 따른 조명장치의 구성을 개략적으로 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 구현예의 조명장치(100)는, 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전소자(10), 열전소자(10) 일면에 설치되어 열원으로부터 전달되는 열을 열전소자(10)에 전달하는 열전달판(20), 열전소자(10)의 타면에 설치되어 열전소자(10)를 방열시키는 방열부(30), 열전달판(20)을 열원에 탈부착시키기 위한 탈착부, 열전소자(10)에 전기적으로 연결되어 열전소자(10)에서 생산된 잉여 전기에너지를 저장하는 축전지(58), 열전소자(10)에서 생산되는 전력을 최적화하여 축전지(58)에 안정적으로 충전시키는 회로모듈(50), 회로모듈(50)에 전기적으로 연결되어 축전지(58)로부터 전력을 공급받아 빛을 조사하는 적어도 하나 이상의 LED(72)가 구비된 조명부(70)를 포함할 수 있다.
이에 본 장치는 열전소자(10)의 제백(seeback)효과를 이용하여 전력을 생산하게 된다. 열전소자(10)는 발열면과 냉각면의 온도차를 이용하여 열기전력을 발생시킴으로써, 열에너지를 전기에너지로 전환하게 된다. 제백 효과란 온도차에 의한 전압, 즉 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르는 현상으로서 열전 발전의 원리이다. 열전소자(10)에서 생산된 전력을 이용하여 조명부의 LED를 밝힐 수 있게 된다.
열전소자(10)는 복수개가 간격을 두고 평면상으로 배치되어 열전달판(20)에 접하여 설치된다. 그리고, 열전달판(20)에 접하는 열전소자(10)의 반대쪽 면에는 방열부(30)가 접하여 설치된다. 이에, 열전소자(10)는 열전달판(20)으로부터 열을 전달받고 방열부(30)를 통해 냉각되는 양면의 온도차를 통해 전력을 생산하게 된다. 여기서 열원은 소각로 등의 폐열을 발생하는 열발생원으로, 본 장치가 설치되는 설비에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
열전달판(20)은 소정 두께를 갖는 평면의 판구조물로 이루어지며, 열원에 설치되어 열에너지를 열전소자(10)에 전달한다. 열전달판(20)은 열전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
탈착부는 열원에 발전장치를 착탈가능하게 부착시키기 위한 것으로, 본 실시예에서는 자력을 이용하여 배기관 등 열원이 지나는 곳에 열전달판(20)을 용이하게 탈부착하는 구조일 수 있다. 이를 위해 탈착부는 열전달판(20)에 설치되는 적어도 하나 이상의 자석(22)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자석(22)은 복수개가 열전달판(20)에 간격을 두고 배열 설치된다. 자석(22)은 열전달판(20)에 볼트 등을 매개로 고정될 수 있다. 본 장치를 사용한 후에는 열원에서 열전달판(20)을 당겨주는 것으로 자석(22)이 부착된 열전달판(20)을 간단하게 분리시킬 수 있다. 이와 같이, 열전달판(20)에 자석(22)이 설치되어 있어서 소각로 외부 철피와 같이 자성체를 이루는 열원 어디에도 간단히 설치 및 분리가 가능하게 된다.
방열부(30)는 열전소자(10)에 접하고 외측으로 방열핀(32)이 형성된 회로모듈(50)과, 회로모듈(50) 외측에 배치되어 외기를 방열판으로 순환시키기 위한 방열팬(36)을 포함할 수 있다. 방열팬(36)은 열전소자(10)에서 생산되는 전기에너지를 이용하여 구동되는 구조일 수 있다. 방열팬(36)의 위쪽이나 측면으로는 외기가 원활하게 유통되도록 순환통로를 형성할 수 있다.
방열부(30)는 외형을 이루는 하우징(38) 내에 설치될 수 있다. 그리고 하우징(38)에서 열전소자(10)를 사이에 두고 열전달판(20)이 하우징(38)으로부터 이격되어 설치된다. 이에, 열전달판(20)으로 전달된 열원의 고열이 직접적으로 하우징(38)에 전달되지 않아, 하우징(38)이 열원의 고열에 의해 가열되지 않는다. 따라서, 방열부(30)의 효율을 높이며, 사용자가 하우징(38)을 용이하게 잡거나 사용할 수 있게 된다.
하우징(38)은 사각형태로 이루어지나, 특별히 그 형태에 있어서 한정되지 않는다. 하우징(38)의 전면 내측에 방열부(30)가 배치되며, 하우징(38) 전면과 측면 일측에는 외기와 방열부(30)와의 열교환을 위해 외기를 하우징(38) 내외로 순환시키기 위한 방열구가 형성된다.
하우징(38)에 축전지(58)와 회로모듈(50)이 배치되며 하우징(38) 외측으로 LED(72)를 포함하는 조명부(70)가 설치될 수 있다.
조명부(70)는 복수개의 LED(발광다이오드)(72)를 포함한다. LED(72)는 합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시키는 발광칩이 리드프레임에 실장되어 투명 몰드로 패키징된 소자이다. LED(72)는 복수개가 하나로 패키징되어, 하우징(38) 외측에 설치된다.
축전지(58)는 열전소자(10)로부터 생산되어 회로모듈(50)을 통해 일정 출력으로 나오는 전압을 충전하기 위한 것으로, 충전 및 방전이 가능한 2차 전지일 수 있다. 예를 들어, 축전지(58)는 열에 강하고 폭발성이 낮은 리튬 풀리머 전지일 수 있다. 축전지(58)는 회로모듈(50)과 연결되며, 회로모듈(50)에 연결된 LED(72)로 전기에너지를 인가할 수 있다. 축전지(58)는 LED를 켜고 남은 전력을 저장하여 외부로 인가할 수 있다.
본 실시예에서, 열전달판(20) 또는 방열판(34)은 내부에 적어도 하나 이상의 히트파이프(40,42)가 간격을 두고 삽입 설치될 수 있다.
열전달판(20)이나 방열판(34) 내부로 삽입 설치되는 히트파이프(40,42)는 길게 연장된 관 구조물이다. 히트파이프는 밀폐 용기 내부에 작동유체가 연속적으로 기액간의 상변화 과정을 통하여 열을 전달하는 구조이다. 이에 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 매우 큰 열 전달능력을 발휘할 수 있게 된다.
이와 같이, 열전달판(20)은 내부에 설치된 히트파이프(40)에 의해 열원으로부터 전달된 열을 열전달판(20) 전체에 보다 신속하고 고르게 분산하여 전달할 수 있게 된다.
따라서, 열전달판(20)에 접하여 설치되는 복수개의 열전소자(10) 전체에 열원의 열이 고르게 가해져 각 열전소자(10)에 균일한 열이 가해질 수 있게 된다.
방열판(34) 역시 내부에 설치된 히트파이프(42)에 의해 열전소자(10)로부터 전달된 열을 방열판(34) 전면 구석구석에 걸쳐 보다 신속하고 고르게 분산시킬 수 있게 된다. 따라서 방열판(34)에 접하여 설치되는 복수개의 열전소자(10) 전체의 열이 방열판(34)을 통해 고르게 방열되어 온도 균일도 및 냉각 성능을 개선하여 발전 효율을 높일 수 있게 된다.
본 실시예의 히트파이프(40,42)는 내부에 구리 분말을 도포하여 고온 융착시킨 구조일 수 있다. 이에, 히트파이프(40,42)는 내부 단면적을 종래와 비교하여 상대적으로 넓힐 수 있어 열전도 속도를 보다 높일 수 있게 된다.
이와 같이, 개선된 구조의 히트파이프(40,42)가 열전달판(20) 또는 방열판(34) 내부에 설치됨으로써, 열원의 열을 열전소자(10)에 균일하게 전달할 수 있고, 온도 균일도를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 열전달판(20)의 온도가 균일하게 유지됨으로써, 복수의 열전소자(10) 각각의 발전량에 따른 상호 전기적 충격을 줄이고 내구성을 증가시킬 수 있게 된다.
방열부(30)와 열전달판(20)은 열전소자(10)를 사이에 두고 양 측에 배치되어 긴밀하게 결합된다.
본 실시예에서, 방열부(30)와 열전달판(20) 및 열전소자(10)는 볼트(44)를 매개로 가압 고정되는 구조일 수 있다. 방열부(30)의 방열판(34)에는 볼트(44)가 삽입되는 체결홀(47)이 형성되고, 열전달판(20)에는 체결홀(47)에 대응되는 위치에 볼트(44)가 체결되는 암나사홈(48)이 형성된다. 그리고 열전소자(10)에는 역시 체결홀(47)과 대응되는 위치에 볼트(44)가 관통되는 관통홀(18)이 형성된다.
이에, 상기 볼트(44)는 방열부(30)에 형성된 체결홀(47)에 끼워지고 상기 열전소자(10)에 형성된 관통홀(18)을 관통하여 열전달판(20)에 형성된 암나사홈(48)에 나사 결합된다. 따라서 볼트(44)를 조여 줌에 따라 열전소자(10)는 방열판(34)과 열전달판(20) 가압 밀착되어 고정된다.
본 실시예의 열전소자(10)는 중앙부에 형성된 관통홀(18)을 통해 볼트(44)가 장착됨으로써, 종래와 달리 동일한 면적에 대해 열전소자(10)의 설치 개수를 늘릴 수 있게 된다. 이러한 열전소자(10)의 구체적인 구조와 그에 따른 작용에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
또한, 본 실시예에서 체결홀(47)에는 볼트(44)에 끼워져 볼트머리(45)와 체결홀(47) 사이에서 탄성력을 가해 열전소자(10)에 밀착력을 가하는 탄성스프링(46)이 더 설치될 수 있다.
탄성스프링(46)은 볼트머리(45)와 체결홀(47)의 바닥면 사이에 탄력적으로 설치되어, 방열판(34)에 압력을 가하게 된다. 방열판(34)은 탄성스프링(46)의 탄성변형량 만큼 상하 유동이 가능하다. 이에, 열전소자(10)의 변형에 따라 방열판(34)이 유동되면서 방열판(34)과 열전달판(20)을 지속적으로 열전소자(10)에 밀착시킬 수 있게 된다.
열원의 고열이 가해지는 경우 열전소자(10)는 열팽창되면서 변형될 수 있다. 열전소자(10)의 열팽창에 따라 방열판(34)과 열전달판(20)에 압력이 가해지게 된다. 이에. 탄성스프링(46)이 눌려지면서 방열판(34)이 밀려나게 된다. 방열판(34)은 탄성스프링(46)의 탄성력을 받고 있어, 밀려난 상태에서 지속적으로 열전소자(10)에 압력을 가하며 밀착 상태를 유지한다. 이에, 고열에 따른 열전소자(10) 변형 시에도 열전소자(10)와의 열전달이 효과적으로 이루어질 수 있게 된다. 따라서, 300℃ 이상의 온도차에 대해서는 안정적인 전력공급을 통해 LED(72)를 조명할 수 있게 된다.
회로모듈(50)은 열전소자(10)에 가해지는 열량의 변동에 따라 발전 전력을 최적화하기 위한 저항PCB회로(52), 열전소자(10)로부터 축전지(58)로 인가되는 전압을 제어하는 변압회로를 포함할 수 있다.
발전전력을 최적화한다는 것은 저항값의 제어를 통해 발전 전력 생산을 극대화하여 최대치의 전력을 생산하는 것을 의미한다. 즉, 전력을 생산함에 있어서 저항이 너무 높은 경우 발전 생산량이 떨어지고 저항이 너무 낮으면 전자전달이 잘 이루어지지 않아 전력 생산 효율이 떨어지게 된다.
저항PCB회로(52)는 열전소자(10)와의 폐회로(close Circuit) 구성을 위해 구비되는 저항을 열전소자(10)의 최적 발전 조건으로 가변시켜 발전 전력을 최적화한다. 즉, 저항PCB회로(52)는 센서를 통해 열량 변동을 확인하여 최대 전력 생산이 가능하도록 하는 저항값을 찾을 수 있는 로직회로를 구비하여, 열량 변동 조건에 맞춰 최대 전력 생산을 위한 저항값을 자동 연산하게 된다. 따라서, 조건에 따라 항상 최대의 전력을 생산할 수 있게 된다.
변압회로는 열전소자(10)로부터 생성된 발전 전력의 전압을 높이기 위한 스텝업(step up)회로(54)와, 열전소자(10)로부터 생성된 발전 전력의 전압을 낮추기 위한 스텝다운(step down)회로(56)를 포함한다.
스텝업회로(54)는 열전소자(10)의 발전 전력이 축전지(58)의 충전 가능 전압보다 낮을 경우 이를 충전 가능한 전압으로 높여 축전지(58)에 인가한다. 스텝다운회로(56)는 열전소자(10)로부터 생성된 발전 전력이 축전지(58)의 충전 가능 전압보다 높은 경우 이를 충전 가능한 전압으로 낮춰 축전지(58)에 인가한다.
이에, 열전소자(10)로부터 발전되어 축전지(58)로 인가되는 전압이 낮거나 높은 경우 스텝업회로(54)와 스텝다운회로(56)를 통해 전압이 제어되어 충전가능한 전압으로 조절된다. 따라서, 어느 경우에도 열전소자(10)의 발전 전력을 축전지(58)에 효율적으로 충전할 수 있게 된다.
본 장치은 열원에 설치되어 열전도가 이루어지는 과정에서 미세한 전압이 나오거나, 최대의 온도차가 발생하였을 경우 30볼트(volt)까지도 발전이 가능하다. 이에, 상기와 같이 회로모듈(50)을 통해 자동으로 승강압이 이루어져 3.5볼트 내지 30볼트의 발전량에 변화에 대해 DC 12볼트 또는 24볼트의 전압을 안정적으로 출력할 수 있다. 이에, 발전량에 관계없이 LED(72)를 안정적으로 켤 수 있게 된다.
본 실시예에 회로모듈(50)은 열전소자(10)와 결합되는 단자부(60)를 더 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 단자부(60)는 열전소자(10)의 전선에 설치된 소켓(66)이 착탈가능하게 결합되는 커넥터를 포함한다. 커넥터는 복수의 열전소자(10)를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결할 수 있도록 되어 있다. 이를 위해, 커넥터는 열전소자(10) 간 직렬연결을 위한 직렬커넥터(62) 및 열전소자(10)간 병렬연결을 위한 병렬커넥터(64)를 포함한다. 이에, 열전소자(10)의 소켓(66) 연결에 따라 복수의 열전소자(10)를 보다 간단하게 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 복수의 열전소자(10)를 직렬로 연결하고자 하는 경우에는 각 열전소자(10)의 소켓(66)을 직렬커넥터(62)에 연결한다. 직렬커넥터(62)들은 서로 직렬로 연결되어 있어서, 각 열전소자(10)의 소켓(66)을 직렬커넥터(62)에 꽂아 주는 것으로 간단하게 열전소자(10)들을 직렬로 연결할 수 있다. 또한, 도 2의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 복수의 열전소자(10)를 병렬로 연결하고자 하는 경우에는 각 열전소자(10)의 소켓(66)을 병렬커넥터(64)에 연결한다. 두 개의 병렬커넥터(64)는 서로 병렬로 배치되어 있어, 병렬커넥터(64) 각각에 열전소자(10)의 소켓(66)을 꽂아주는 것으로 복수의 열전소자(10)들을 병렬로 연결할 수 있다.
종래의 경우, 내부 열전소자의 직렬 또는 병렬 연결이 정해져 있어 일정 출력만 발생할 수 있었다. 그러나, 본 실시예의 경우 도 2에서와 같이 간단하게 소켓(66)을 직렬커넥터(62) 또는 병렬커넥터(64)에 꽂아 연결 상태를 변경함으로써, 시스템 작동 중에도 간단히 열전소자(10)의 출력 전압, 전류를 변경할 수 있게 된다.
도 3은 본 실시예에 따른 열전소자를 나타내고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 열전소자(10)는 내부에 복수의 반도체가 구비되며, 내부의 반도체를 덮으며 양면을 이루는 기판(11,12), 상기 기판(11,12) 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재(13)를 포함할 수 있다. 일측 기판(11,12)은 열전달판(20)에 접하며, 반대쪽 기판(11,12)은 방열부(30)와 접한다. 두 개의 기판(11,12)은 그 사이에 배치되는 반도체를 외부로부터 보호하며 외부로 열을 전달하는 열전달체로서 작용하게 된다. 예를 들어, 기판(11,12)은 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
열전소자(10)의 둘레를 따라 두 개의 기판(11,12) 사이에 상기 실링부재(13)가 설치된다. 실링부재(13)는 반도체의 열팽창 계수와 대응되는 열팽창 계수를 갖는 경화성 에폭시 수지로 이루어질 수 있다. 실링부재(13)가 R Butyl 고무 계열의 실리콘 재질로 이루어지는 경우, 시간이 지남에 따라 실리콘 도포 부분의 미세 틈새(micro porosity) 발생으로 수분이 내부로 침투하고, 접착력 저하로 열전소자(10)의 내구성이 떨어지게 된다. 본 실시예의 경우, 열전소자(10) 가동시 열팽창 계수를 감안하여 실링부재(13)가 경화성 에폭시 수지로 이루어짐에 따라, 실링부재(13)가 반도체 열팽창 또는 열수축시 같은 비율로 팽창 수축되어 열전소자(10) 실링 상태를 계속 유지할 수 있게 된다. 이에, 외부 수분이 열전소자(10) 내부로 침투하는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다. 따라서, 열전소자(10)의 내부 반도체 및 금속성분의 부식을 방지하고 수분에 의한 합선 발생을 방지할 수 있게 된다. 또한, 열전소자(10) 가동시 금속의 팽창과 실링부재(13)의 열팽창 계수가 상이한 경우 외부 습기와 공기가 유입됨과 더불어 실링부재(13) 설치 부분에서의 강도가 약해져 조립시 열전소자(10) 모서리 부분이 깨지게 된다. 본 실시예의 실링부재(13)는 반도체의 열팽창계수와 같은 열팽창계수를 갖는 경화성 에폭시 수지로 이루어짐에 따라 반도체 열팽창 또는 열수축시 같은 비율로 팽창 수축되어 계속 열전소자(10) 모서리 부분을 부착 지지하는 상태를 유지하게 된다. 이에, 실링부재(13)가 설치되는 부분인 열전소자(10) 모서리 부분의 강성을 높여 열전소자(10) 조립시 기판(11,12)의 모서리 파손을 최소화할 수 있게 된다.
본 실시예의 열전소자(10)는 두 개의 기판(11,12) 중 적어도 일측 기판(11,12)이 실링부재(13)보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부(14)를 형성한 구조일 수 있다. 연장부(14)에는 기판(11,12)의 내부 반도체와 연결되는 단자(15)가 설치되며, 단자(15)에 전류를 인가하기 위한 전선(16)이 접속되는 구조일 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 도 2에서 아래쪽 기판(11,12)을 하부기판(11,12)이라 하고, 위쪽 기판(11,12)을 상부기판(11)이라 한다.
상기 연장부(14)는 하부기판(12) 상에 일체로 형성될 수 있다. 이에, 실링부재(13) 외측면을 기준으로 하부기판(12)에 형성된 연장부(14)가 실링부재(13) 밖에 위치하여 외부에 노출된 상태를 이룬다.
연장부(14)에는 내부 반도체와 전기적으로 연결되는 단자(15)가 설치된다. 따라서, 열전소자(10)는 실링부재(13) 외측에 위치한 단자(15)에 전선(16)을 연결하는 것으로 반도체에 전기적으로 연결할 수 있게 된다. 본 실시예에서 단자(15)는 연장부(14)의 모서리를 따라 굽어져 연장된 구조일 수 있다. 단자(15)는 상기한 구조 외에 직선 형태나 굽어진 형태 등 다양한 형태를 이룰 수 있다. 이와 같이, 하부기판(12)에 연장부(14)를 형성하고, 연장부(14) 상에서 단자(15)를 매개로 전선(16)이 연결되도록 함으로써, 고열에 의해 전선(16)이 떨어져 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다. 즉, 열전소자(10)의 실링부재(13) 외측에 위치한 연장부(14)와 연장부(14)에 형성된 단자(15)를 통해 열이 방열됨으로써, 단자(15)에 연결된 전선(16)이 고열에 의해 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.
즉, 본 실시예의 열전소자(10)는 종래 실링부재(13)로 둘러쌓인 열전소자(10) 내부에 위치한 전선(16)의 연결부를 열전소자(10) 외측에 위치시킴으로써, 고열에 의한 영향을 최소화할 수 있게 된다. 더욱이 상기 연장부(14)와 단자(15)는 열전소자(10) 외측에서 방열플레이트로서 작용하여, 열전소자(10)의 고열을 방열시키게 된다. 여기서, 단자(15)는 연장부(14)와의 접촉면적을 크게 할 수 있도록 충분히 넓은 크기로 형성될 수 있다. 이에, 단자(15)로 인가된 고열이 연장부(14)를 통해 방열되어 보다 신속하게 냉각될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예는 기판(11,12)의 연장부(14)를 통해 방열 효과를 높임으로써 기계적 강도를 높인 고효율의 열전소자(10)를 구현할 수 있게 된다.
알려진 바와 같이, 열전소자(10)는 전자부품 중에서 전류가 굉장히 높으며, 이는 동일 저항을 가지고 있는 다른 부품에 비해 발열이 높다는 것을 의미한다. 대면적의 열전소자(10)의 경우 최대 55ㅧ55mm 정도의 크기를 갖고 있고, 전기적 발열의 한계성으로 인해 통상 크기와는 무관하게 100와트 급으로 사용되고 있다. 100와트 급 이상의 출력을 구현하고자 하는 경우에는, 예를 들어 열전소자(10)의 특성을 12V 10A 보다는 24V 5A로 조절하여 가급적 전압을 높이고 전류를 낮추게 된다.
열전소자(10)의 면적을 최소화하면서 출력을 극대화하기 위해서는, 예를 들어 40ㅧ40mm에 24V 10A 이상의 전류를 인가하여야 하나, 이 경우 열전소자(10) 면적 한계성과 높은 전류에 따른 발열로 전선(16), 열전소자(10)와 세라믹 혹은 열전소자(10)와 내부 완충재인 글루(glue)의 용접시 사용된 용해납이 녹아 버리게 된다.
따라서, 언급한 바와 같이 본 실시예의 열전소자(10)는 기판의 연장부(14)를 통해 방열 효과를 높임으로써 보다 작은 면적의 고출력의 열전소자(10)를 구현할 수 있게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전소자(10)는 중심부에 관통홀(18)이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 열전소자(10)는 기판(11,12)에 열전소자(10)를 관통하는 관통홀(18)이 형성된 구조일 수 있다. 관통홀(18)은 열전소자(10)의 중앙부에 형성될 수 있다. 관통홀(18)은 예를 들어, 방열판(34)과 열전소자(10) 및 열전달판(20)을 고정하는 볼트(44)가 통과할 수 있는 정도의 크기로 형성될 수 있다. 관통홀(18)이 형성된 위치에서 기판(11,12)과 기판(11,12) 사이에는 실링부재(13)가 설치되어 열전소자(10) 내부를 밀페할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 경우 열전소자(10)에 관통홀(18)을 형성하여 방열판(34)과 열전소자(10) 및 열전달판(20)을 조립함으로써, 전체적인 크기를 보다 소형화시킬 수 있고, 동일한 면적하에서 보다 많은 열전소자(10)를 배치할 수 있게 된다.
도 4는 본 실시예에 따른 열전소자(10) 배치 구조를 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4에서 비교에는 종래기술에 따른 열전소자(10)의 배치 구조를 나타내고 있고, 실시예는 본 실시예와 같이 중앙에 관통홀(18)이 형성된 열전소자(10)의 배치 구조를 나타내고 있다. 비교예와 실시예 모두 열전소자(10)의 크기는 동일하며, 열전소자(10)가 놓여지는 면 역시 면적은 동일하다.
종래의 경우 열전소자(10) 위치에서는 체결이 이루어질 수 없으므로, 열전소자(10)를 벗어난 위치에서 방열판(34)과 열전달판(20) 사이를 체결하게 된다. 이에, 비교예는 체결을 위한 볼트(44)가 지나가도록 열전소자(10)의 열전소자(10) 사이가 이격된다.
실시예의 경우, 열전소자(10) 중앙에 볼트(44)가 지나가는 관통홀(18)이 형성됨으로써, 볼트(44)가 바로 열전소자(10)를 관통하여 체결될 수 있다. 이에, 열전소자(10) 사이 간격을 벌려 별도의 볼트 체결홀을 형성할 필요가 없다. 따라서, 실시예의 경우 열전소자(10)를 보다 촘촘하게 배치하여 동일한 면적에 보다 많은 개수의 열전소자(10)를 배치할 수 있게 된다.
도 4에서 확인할 수 있듯이 비교예는 8개의 열전소자(10)가 배치될 수 있는 데 반해, 실시예는 10개의 열전소자(10)가 배치될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 경우 열전소자(10)에 관통홀(18)을 형성함으로써, 동일한 면적에 보다 많은 개수의 열전소자(10)를 배치할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 열전소자(10)의 설치 개수를 증대함으로써, 장치의 출력을 높일 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 열전소자 11,12 : 기판
13 : 실링부재 14 : 연장부
15 : 단자 16 : 전선
20 : 열전달판 22 : 자석
30 : 방열부 32 : 방열핀
34 : 방열판 36 : 방열팬
38 : 하우징 40,42 : 히트파이프
44 : 볼트 45 : 볼트머리
46 : 탄성스프링 47 : 체결홀
48 : 암나사홈 50 : 회로모듈
52 ; 저항PCB회로 54 : 스텝업회로
56 : 스텝다운회로 60 : 단자부
62 : 직렬커넥터 64 : 병렬커넥터
66 : 소켓 70 : 조명부
72 : LED

Claims (9)

  1. 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전소자, 상기 열전소자 일면에 설치되어 열원으로부터 전달되는 열을 열전소자에 전달하는 열전달판, 상기 열전소자의 타면에 설치되어 열전소자를 방열시키는 방열부, 상기 열전달판을 열원에 탈부착시키기 위한 탈착부, 상기 열전소자에 전기적으로 연결되어 열전소자에서 생산된 잉여 전기에너지를 저장하는 축전지, 상기 열전소자에서 생산되는 전력을 축전지에 안정적으로 충전시키는 회로 모듈, 및 상기 회로모듈에 전기적으로 연결되어 축전지로부터 전력을 공급받아 빛을 조사하는 적어도 하나 이상의 LED가 구비된 조명부를 포함하고,
    상기 방열부와 상기 열전달판은 열전소자를 사이에 두고 볼트를 매개로 고정되고, 상기 볼트는 방열부에 형성된 체결홀에 끼워지고 상기 열전소자에 형성된 관통홀을 관통하여 열전달판에 형성된 암나사홈에 나사 결합되며, 상기 체결홀에는 볼트에 끼워져 볼트머리와 체결홀 사이에서 탄성력을 가해 열전소자에 밀착력을 가하는 탄성스프링이 더 설치된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자는 중심부에 관통홀이 형성된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전소자는 내부의 반도체를 덮으며 양면을 이루는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고,
    상기 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 실링부재보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부를 형성하고, 상기 연장부에는 기판 내부의 반도체와 전기적으로 연결되는 보조단자가 설치되며, 상기 보조단자에 전류를 인가하기 위한 전선이 접속된 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열부는 열전소자에 접하고 외측으로 방열핀이 형성된 방열판, 및 상기 방열판 외측에 배치되어 외기를 방열판으로 순환시키기 위한 방열팬을 포함하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전달판 또는 상기 방열판 내부에 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 히트파이프를 더 포함하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 히트파이프는 내부에 구리 분말을 도포하여 고온 융착시킨 구조의 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로모듈은 발전 전력 생산을 위한 저항을 설정하는 저항PCB회로, 전압을 충전가능 전압으로 높이거나 낮추는 변압회로를 포함하고,
    상기 변압회로는 열전소자로부터 생성된 발전 전력의 전압을 높이기 위한 스텝업(step up)회로, 및 열전소자로부터 생성된 발전 전력의 전압을 낮추기 위한 스텝다운(step down)회로를 포함하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회로모듈은 열전소자와 결합되는 단자부를 더 포함하고,
    상기 단자부는 열전소자의 전선에 설치된 소켓이 연결되는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는 열전소자 간 직렬연결을 위한 직렬커넥터 및 열전소자간 병렬연결을 위한 병렬커넥터를 구비하여, 열전소자의 소켓 연결에 따라 복수의 열전소자를 직렬 또는 병렬로 전환하는 폐열을 이용한 자가발전 LED 조명장치.
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