KR102050920B1 - Thermoelectric Generation device - Google Patents
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Abstract
폐가스를 이용하여 전력 생산이 가능한 열전발전장치가 제공된다. 열전발전장치는, 폐가스가 유동하는 폐가스관에 연결되며, 내부에 폐가스가 유동하는 공간이 형성된 하우징과, 하우징 내부에 폐가스의 유동방향과 나란한 방향으로 배열된 복수 개의 냉각판과, 고온부가 폐가스와 접하고 저온부가 냉각판에 접하여 폐가스와 냉각판 사이의 온도차로 전력을 생산하며, 고온부가 서로 마주보도록 배치되는 복수 개의 열전소자와, 서로 마주보는 열전소자의 고온부 사이를 연결하며 폐가스로부터 고온부로 열을 전달하는 복수 개의 열전달핀을 포함한다.Provided is a thermoelectric generator capable of generating power using waste gas. The thermoelectric generator is connected to a waste gas pipe through which waste gas flows, a housing having a space in which waste gas flows therein, a plurality of cooling plates arranged in a direction parallel to the flow direction of the waste gas inside the housing, and a high temperature portion of the waste gas. And the low temperature part contacts the cooling plate to produce electric power by the temperature difference between the waste gas and the cooling plate, and connects the plurality of thermoelectric elements arranged so that the high temperature parts face each other, and the high temperature parts of the thermoelectric elements facing each other, and heats heat from the waste gas to the high temperature part. It includes a plurality of heat transfer pins to deliver.
Description
본 발명은 열전발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 폐가스를 이용하여 전력 생산이 가능한 열전발전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric generator, and more particularly, to a thermoelectric generator capable of producing power using waste gas.
일반적으로, 폐가스의 열에너지는 회수되어 추진력으로 활용되거나, 또 다른 에너지원으로 재사용되어 에너지효율을 높인다. 예를 들면, 폐가스의 열에너지를 회수하여 보일러를 통해 열교환시켜 온수로 사용하거나, 폐가스의 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 등 다양한 방식으로 폐열을 활용할 수 있다.In general, the heat energy of the waste gas is recovered and utilized as a driving force or reused as another energy source to increase energy efficiency. For example, the waste heat may be utilized in various ways, such as recovering heat energy of the waste gas and exchanging it through a boiler to use hot water, or to generate electricity using the heat energy of the waste gas.
열전발전 장치는 폐가스의 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는데, 특히, 열전소자(thermoelement)의 제백(seebeck)효과를 이용하여 열에너지로부터 전기에너지를 생산할 수 있다. 즉, 고온의 열에너지를 보유한 폐가스를 열전소자의 고온부 측으로 전달시키고, 열전소자의 저온부 측을 인위적으로 냉각시킴으로써, 고온부와 저온부의 온도 차에 의해 전기에너지를 생산하는 것이다.The thermoelectric generator generates electricity by using thermal energy of waste gas, and in particular, may generate electrical energy from thermal energy by using a seebeck effect of a thermoelement. That is, the waste gas having high temperature thermal energy is transferred to the high temperature side of the thermoelectric element, and the low temperature side of the thermoelectric element is artificially cooled to produce electrical energy by the temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion.
그러나, 폐가스를 열전발전 장치에 이용하는 경우, 폐가스가 유동하는 통로 내부공간의 배압이 높은 문제가 있었다. 또한, 통로 내부공간에 배치되어 폐가스로부터 고온의 열원을 흡수하는 방열판의 열전달 효율이 떨어지는 문제도 있었다.However, when the waste gas is used in the thermoelectric generator, there is a problem that the back pressure of the space inside the passage through which the waste gas flows is high. In addition, there is a problem that the heat transfer efficiency of the heat sink is disposed in the interior space of the passage to absorb the high temperature heat source from the waste gas.
따라서, 열교환기로 인해 발생하는 배압을 조절하고, 열교환 효율을 증대시킬 수 있는 발전장치가 필요하게 되었다.Therefore, there is a need for a power generation apparatus capable of adjusting the back pressure generated by the heat exchanger and increasing the heat exchange efficiency.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 폐가스를 이용하여 전력 생산이 가능한 열전발전 장치를 제공하려는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve this problem, and to provide a thermoelectric power generation apparatus capable of producing power using waste gas.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problem of the present invention is not limited to the above-mentioned problems, another technical problem that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 기술적 과제에 의한 열전발전 장치는, 폐가스가 유동하는 폐가스관에 연결되며, 내부에 상기 폐가스가 유동하는 공간이 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부에 상기 폐가스의 유동방향과 나란한 방향으로 배열된 복수 개의 냉각판과, 고온부가 상기 폐가스와 접하고 저온부가 상기 냉각판에 접하여 상기 폐가스와 상기 냉각판 사이의 온도차로 전력을 생산하며, 상기 고온부가 서로 마주보도록 배치되는 복수 개의 열전소자와, 서로 마주보는 상기 열전소자의 상기 고온부 사이를 연결하며 상기 폐가스로부터 상기 고온부로 열을 전달하는 복수 개의 열전달핀을 포함한다.The thermoelectric generator according to the technical problem of the present invention is connected to a waste gas pipe through which waste gas flows, and a housing having a space in which the waste gas flows is formed, and arranged in a direction parallel to the flow direction of the waste gas inside the housing. A plurality of cooling plates and a plurality of thermoelectric elements in which a high temperature portion is in contact with the waste gas and a low temperature portion is in contact with the cooling plate to produce electric power at a temperature difference between the waste gas and the cooling plate, and the high temperature portions are disposed to face each other. The beam includes a plurality of heat transfer fins connected between the high temperature portions of the thermoelectric element and transferring heat from the waste gas to the high temperature portion.
상기 열전달핀은, 내부 또는 일면에 열전달유체가 봉입된 유로가 형성될 수 있다.The heat transfer fin may have a flow path in which a heat transfer fluid is sealed inside or on one surface thereof.
상기 열전달유체는 상기 유로 내부에서 포화상태를 유지할 수 있다.The heat transfer fluid may maintain a saturation state in the passage.
상기 유로는 상기 열전소자의 상기 고온부 사이를 왕복하는 서펜타인 구조로 형성될 수 있다.The flow path may be formed in a serpentine structure that reciprocates between the high temperature portions of the thermoelectric element.
상기 유로는 밀폐형 관형태로 형성되어 상기 열전달핀에 부착될 수 있다.The flow path may be formed in a closed tube shape and attached to the heat transfer fins.
상기 열전소자는, 내부 또는 일면에 열전달유체가 봉입된 유로가 형성될 수 있다.The thermoelectric element may have a flow path in which a heat transfer fluid is sealed inside or on one surface thereof.
상기 유로는 서로 밀착된 복수 개의 판으로 이루어진 상기 열전달핀에 음각으로 형성되어 밀봉될 수 있다.The flow path may be engraved and engraved in the heat transfer fin formed of a plurality of plates in close contact with each other.
상기 열전달핀은 상기 볼록부와 상기 오목부가 각각 마주하도록 복수 개가 이격 배치될 수 있다The heat transfer fins may be spaced apart from each other so that the convex portion and the concave portion face each other.
상기 열전달핀은 복수 개가 이격되어 상기 열전소자와 나란한 방향으로 배치되며, 상기 열전달핀은 상기 고온부 사이를 연결하는 복수 개의 연결부재에 각각 연결되어 상기 폐가스의 열을 상기 열전소자로 전달할 수 있다.The heat transfer fins may be spaced apart from each other and disposed in parallel to the thermoelectric elements, and the heat transfer fins may be connected to a plurality of connection members connecting the high temperature portions, respectively, to transfer heat of the waste gas to the thermoelectric elements.
본 발명에 의한 열전발전 장치는, 폐가스가 유동하는 통로 상에 배치하여 폐가스의 열을 이용하여 열교환 할 수 있으며, 이를 이용하여 발전장치로 사용할 수 있는 특징이 있다.The thermoelectric generator according to the present invention may be disposed on a passage through which waste gas flows to heat exchange using waste heat, and may be used as a power generator using the waste gas.
특히, 열전발전 장치는 고온의 폐기가스가 유동하는 공간에 다수 개의 열전달핀을 배치하여 내부공간을 줄여 열원의 배압을 줄일 수 있으며, 열전달핀에 열전달매체가 봉입된 유로가 형성되어 보다 열전달이 효율적으로 이루어져 발전효율을 증대시킬 수 있는 특징이 있다.In particular, the thermoelectric generator can reduce the internal space by placing a plurality of heat transfer fins in a space where high temperature waste gas flows, and reduce the back pressure of the heat source, and a heat transfer medium is formed in the heat transfer fins so that heat transfer is more efficient. It consists of features that can increase the power generation efficiency.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전발전 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1의 열전발전 장치의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 열전발전 장치를 A-A'선으로 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1의 열전달핀의 사시도이다.
도 5는 도 4의 열전달핀을 B-B'선으로 절단한 단면도이다.
도 6은 도 4의 열전달핀의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 4의 열전달핀의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 8은 도 3의 작동과정을 도시한 작동도이다.
도 9는 다른 형상의 유로를 가진 열전달핀의 작동과정을 도시한 작동도이다.
도 10은 도 1의 열전발전 장치의 제2 실시예의 사시도이다.
도 11은 도 10의 본 발명의 제2 실시예의 열전발전 장치를 A-A'선으로 절단한 단면도이다
도 12는 도 1의 열전발전 장치의 사용예를 도시한 도면이다.1 is a partial cutaway perspective view of a thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the thermoelectric generator of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the thermoelectric generator of FIG. 1.
4 is a perspective view of the heat transfer fin of FIG. 1.
5 is a cross-sectional view taken along the line B-B 'of the heat transfer fin of FIG.
6 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat transfer fin of FIG. 4.
7 is a perspective view illustrating another embodiment of the heat transfer fin of FIG. 4.
8 is an operation diagram showing the operation of FIG.
9 is an operation diagram showing the operation of the heat transfer fin having a flow path of another shape.
10 is a perspective view of a second embodiment of the thermoelectric generator of FIG. 1.
11 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the thermoelectric generator of the second exemplary embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating an example of use of the thermoelectric generator of FIG. 1.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the embodiments are provided to make the disclosure of the present invention complete and have ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the scope of the invention, and the invention is only defined by the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
본 명세서 상에서 '상부' 및 '하부'는 도 1에서와 같이, 폐가스가 하방에서 상방으로 유동하는 경우를 기준으로 표현한 것이며, 구체적으로, '하부'는 폐가스가 유입되는 측이나 이와 연결된 부분을 의미하고, '상부'는 폐가스가 배출되는 측이나 이와 연결된 부분을 의미한다. 다만, '상부'와 '하부'는 본 명세서 상에서 설명의 편의를 위한 것으로, '상부'와 '하부'로 지시한 부분이 서로 바뀔 수도 있다. 예를 들어, 폐가스의 유동 방향이 일 측에서 타 측으로 유동하는 경우에도, '하부'는 폐가스가 유입되는 측이나 이와 연결된 부분을 의미하고, '상부'는 폐가스가 배출되는 측이나 이와 연결된 부분을 의미할 수 있다.In the present specification, 'upper' and 'lower' are expressed on the basis of a case in which waste gas flows from below to upward, as shown in FIG. 1, and specifically, 'lower' means a side into which waste gas is introduced or a portion connected thereto. And, 'top' refers to the side or the portion connected to the waste gas is discharged. However, the 'upper' and 'lower' are provided for convenience of description in this specification, and the portions indicated as 'upper' and 'lower' may be interchanged. For example, even when the flow direction of the waste gas flows from one side to the other side, 'lower' means the side where the waste gas is introduced or connected thereto, and 'upper' means the side where the waste gas is discharged or connected thereto. Can mean.
이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 열전발전 장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the thermoelectric generator of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 12.
본 발명의 열전발전 장치(1)는, 폐가스가 유동하는 폐가스관(100)에 연결되어, 폐가스의 열을 이용하여 전력을 생산하는 장치이다. 열전발전 장치(1)는, 폐가스가 유동하는 공간에 배치된 다수 개의 열전달핀(40)을 이용하여 열전달 효율을 증대시킬 수 있다.The
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 열전발전 장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the thermoelectric generator will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전발전 장치의 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 열전발전 장치의 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 열전발전 장치를 A-A'선으로 절단한 단면도이고, 도 4는 도 1의 열전달핀의 사시도이고, 도 5는 도 4의 열전달핀을 B-B'선으로 절단한 단면도이다.1 is a partially cutaway perspective view of a thermoelectric generator according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the thermoelectric generator of FIG. 1, and FIG. 3 is a line A-A 'of the thermoelectric generator of FIG. 1. 4 is a cross-sectional view of the heat transfer fin of FIG. 1, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the heat transfer fin of FIG. 4 taken along line BB ′.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하면, 열전발전 장치(1)는, 폐가스가 유동하는 폐가스관(도 12의 100참조)에 연결되며, 내부에 폐가스가 유동하는 공간이 형성된 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내부에 폐가스의 유동방향과 나란한 방향으로 배열된 복수 개의 냉각판(20)과, 고온부가 폐가스와 접하고 저온부가 냉각판(20)에 접하여 폐가스와 냉각판(20) 사이의 온도차로 전력을 생산하며, 고온부가 서로 마주보도록 배치되는 복수 개의 열전소자(30)와, 서로 마주보는 열전소자(30)의 고온부 사이를 연결하며 폐가스로부터 고온부로 열을 전달하는 복수 개의 열전달핀(40)을 포함한다.First, referring to FIGS. 1 to 3, the
하우징(10)은 열전발전 장치(1)의 본체를 이루는 것으로, 내부에 폐가스가 지나가는 빈 공간이 형성될 수 있다. 하우징(10)은 상부와 하부가 개방되고 네 개의 측면을 이루는 사각 통 형태로 형성되고, 폐가스가 유동하는 폐가스관(도 12의 100참조)에 상부와 하부가 연통되도록 배치되어 내부 공간을 통해 폐가스가 유동할 수 있다. 이 때, 폐가스는 하우징(1)의 하부를 통해 유입되어 상부를 통해 배출될 수 있다. 하우징(10)의 내측면에는 열전달핀(40)과, 열전달판(42)과, 열전소자(30) 및 냉각판(20)이 배치되며, 하우징(10)의 내측면으로부터 중심부를 향하여 냉각판(20), 열전소자(30), 열전달판(42) 및 열전달핀(40)이 순차적으로 배치될 수 있다. 폐가스는 하우징(10)의 하부로 유입되어 내부 공간을 지나면서 열을 방출하며, 하우징(10) 내부에 배치된 열전달핀(40)은 폐가스로부터 열에너지를 흡수할 수 있다.The
열전달핀(40)은 폐가스로부터 열을 전달받아 후술할 열전달판(42)으로 전달하는 열전달소자로, 폐가스의 유동 통로인 하우징(10)의 내부 공간에 복수 개가 이격 배치된다. 본 명세서 상에서는 열전달핀(40)이 폐가스로부터 받은 열을 열전달판(42)으로 전달하는 구조를 예로 들어 설명하나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 열전달판(42)이 생략되어, 열전달핀(40)은 열전소자(30)의 고온부로 직접 열을 전달할 수도 있다. 열전달핀(40)은 하우징(10)의 내부 공간에 폐가스와 접하도록 복수 개가 평행하게 이격 배치되며, 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(10)의 하부 및 열전달판(42)과 수직하게 배치될 수 있다. 다시 말해, 열전달핀(40)은 열전달판(42)의 일면에 복수 개가 수직하게 배치될 수 있다.The
도 2 내지 도 5를 참조하여 열전달핀(40)에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면, 열전달핀(40)은 열전달 효율이 높은 재질로 이루어지며, 볼록부와 오목부가 연속적으로 이루어져 굴곡진 형태로 형성될 수 있다. 즉, 열전달핀(40)은 수평 방향의 절단면이 연속적인 파형을 이루는 물결 형상으로 형성되며, 볼록부와 오목부가 각각 마주하도록 하우징(10)의 내부에 복수 개가 이격 배치되어, 공간을 따라 유동하는 폐가스와의 접촉면적을 증대시킬 수 있다. 열전달핀(40)과 폐가스의 접촉면적이 증대됨으로써, 열전달 효율이 향상되며, 동시에,폐가스의 열에너지의 흡수량도 증가시킬 수 있다. 열전달핀(40)은 내부에 열전달유체(51)가 형성된 유로(50)를 포함하고 있어 열전달판(42)으로 전달하는 열전달 효율이 증대될 수 있다. 그러나, 열전달핀(40)이 볼록부와 오목부가 연속적으로 이루어져 굴곡진 판 형태로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 열전달핀(40)은 편평한 판 형태로 형성될 수도 있다.2 to 5, the
유로(50)는 열전달핀(40)의 내부 또는 일면에 형성되어 열을 효율적으로 전도하는 역할을 하며, 관로 형태로 형성되어 내부에 열전달유체(51)가 봉입될 수 있다. 유로(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 구불구불한 형상의 서펜타인 구조로 형성되어, 열전달핀(40)의 내부에 배치될 수 있다. 유로(50)는 필요에 따라, 열전달핀(40)과 일체로 형성될 수 있으며, 복수 개의 열전달핀(40)의 내부에 각각 다른 크기로 형성될 수 있다. 다시 말해, 유로(50)는 열전달유체(51)가 유동하는 내부 관로의 직경이나, 굴절 배치되는 부분의 배치 간격 등을 각각 다르게 형성하여, 유로(50) 중심과 열전달핀(40) 사이의 온도구배를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이와 같이 형성되는 유로(50)는 내부에 포화상태를 유지하는 열전달유체(51)가 봉입되어 열전달핀(40)의 내부에 밀폐 형성되며, 일종의 오실레이팅 히트파이프를 이룰 수 있다. 열전달유체(51)는 프레온·암모니아·물 등과 같은 열전달 효율이 높은 유체를 예로 들 수 있으며, 유로(50)에 봉입된 후 공기를 뺀 상태로 밀폐될 수 있다. 유로(50)는 열전달핀(40)의 내부에서 열전달핀(40)의 볼록부와 오목부를 따라 연속적으로 굴곡진 형태로 형성될 수 있다, 도 3에는 다수 개의 열전달핀(40) 중 일부에만 유로(50)가 형성된 것으로 도시하였으나, 이는 간략하게 도시한 것일 뿐, 모든 열전달핀(40)에는 각각 유로(50)가 형성될 수 있다. 열전달핀(40)은 복수 개가 서로 일정 간격을 두고 이격 배치되며, 도 1에 도시된 바와 같이 열전달핀(40)의 볼록부와 근접한 열전달핀(40)의 볼록부가 서로 마주하도록 나란하게 배치될 수 있다.The
열전달핀(40)은 단순 열전도율이 높은 구리 등의 재질로 이루어지지 않고, 내부에 열을 효율적으로 전도시킬 수 있으며 구리보다 열전도율이 높은 유로(50)를 형성하고 있어 폐가스의 열을 보다 효율적으로 전달할 수 있다. 열전달핀(40)은 내부에 열전달유체(51)를 수용하고 있는 유로(50)가 형성된 이후에, 유로(50)의 외측에 굳혀짐으로써, 내부에 유로(50)를 포함하도록 형성될 수 있다. 본 명세서 상에서의 열전달핀(40)은 열전달유체(51)가 봉입된 유로(50)가 내부에 형성되는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않고, 열전달핀(40)의 일면에 부착 형성되거나, 일면이 음각으로 형성된 한 쌍의 열전달핀(40)을 밀착시켜 유로(50)를 형성하는 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 구체적으로 후술하도록 한다.The
계속해서 열전달핀(40)은 하우징(10)의 내부에 배치되어 폐가스의 유동 시, 폐가스로부터 고온의 열을 흡수하여 양 측에 배치된 열전달판(42)으로 열을 전달한다.Subsequently, the
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 열전달판(42)은 열전달핀(40)으로부터 전달받은 열을 열전소자(30)의 고온부의 면에 효율적으로 전달하기 위한 열전달소자이다. 열전달판(42)은 열전도율이 높은 재질로 이루어지고, 열전소자(30)와 같이 평평한 직사각형의 판 형상으로 형성되어 열전소자(30)의 고온부와 접하도록 배치될 수 있다. 열전달판(42)은 열전달핀(40)과 열전소자(30) 사이에 배치되고 내부에 유로(43)를 형성하여 폐가스로부터 고온의 열을 효율적으로 전달할 수 있다. 열전달판(42)의 내부에 형성되는 유로(43)는 열전달핀(40)의 내부에 형성되는 유로(50)와 동일한 형태로 형성될 수 있다. 유로(43)는 열전달판(42)의 내부에 배치된다는 점만 제외하면 유로(50)와 동일한 형상 및 구조로 이루어질 수 있으며 동일한 효과를 나타낼 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Referring back to FIGS. 1 to 3, the
열전달판(42)은 열전소자(30)의 고온부와 접하도록 배치되고 내부에 유로(43)를 형성하고 있어, 열전달핀(40)으로부터 전달받은 열을 열전소자(30)의 일측면에 효율적으로 전달할 수 있다. 특히, 열전달판(42)과 유로(43)는 열전도율이 높은 재질로 이루어지며, 유로(43)는 일종의 오실레이팅 히트파이프로 이루어져 보다 높은 열전도효율을 나타낼 수 있는 장점이 있다. 열전달판(42)은 열전달핀(40)과 열전소자(30) 사이에 선택적으로 배치될 수 있으며 열전달핀(40)으로부터 고온의 열을 열전소자(30)의 고온부로 바로 전달할 수도 있다. 열전달핀(42)은 열전달핀(40)과 열전소자(30) 사이에 배치되어, 열전달핀(40)으로부터 고온의 열을 전달받는 열전소자(30) 고온부의 전체적인 면에 열을 효율적으로 전달하여 온도 구배를 줄일 수 있는 장점이 있다. 도 2에서 열전달판(42)은 열전달핀(40)과 열전소자(30) 사이에 배치되는 것을 예로 들어 설명하지만, 선택적으로 배치되거나 생략될 수도 있다.The
열전소자(30)는 양 측면의 고온부와 저온부의 온도차로 전력을 생산하는 반도체소자로, 열전달핀(40)과 접하는 열전달판(42)의 일 측단부와 대향되는 열전달판(42)의 타 측단부에 접하도록 배치된다. 열전소자(30)는 복수 개로 형성되어, 서로 이격 배치되는 복수 개의 열전달판(42)에 각각 접하도록 배치되며, 열전달판(42)로부터 고온의 열에너지를 전달받을 수 있다. 열전소자(30)는 일 측면이 열전달판(42)과 접하도록 배치되고 타 측면이 냉각판(20)과 접하도록 배치되어, 폐가스와 냉각판(20) 사이의 온도차로 전력을 생산할 수 있다. 다시 말해, 열전소자(30)는 고온부가 열전달판(42)에 접하도록 배치되고, 저온부가 냉각판(20)과 접하도록 배치되어, 고온부와 저온부의 온도차에 의해 전력을 생산할 수 있다. 특히, 열전소자(30)의 유로(43)가 열전달판(42)으로부터 전달받은 고온의 열을 효과적으로 분포시켜 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다.The
냉각판(20)은 열전소자(30)의 저온부를 냉각시키는 모듈로, 폐가스의 유동방향과 나란한 방향으로 복수 개가 배치될 수 있다. 각각의 냉각판(20)은 열전소자(30)의 타 측면인 저온부에 각각 접하도록 배치된다. 본 명세서 상에서 폐가스의 유동방향과 나란한 방향이라 함은, 폐가스가 유동하는 방향과 평행하게 연장되는 방향을 의미하며, 하우징의 측면과 평행하도록 배치되는 것을 의미할 수 있다. 냉각판(20)은 열전소자(30) 저온부의 온도를 낮출 수 있는 다양한 냉각모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각유로가 형성된 냉각판(20)으로 이루어질 수 있으며, 이외에도 냉각팬 등으로 이루어질 수 있다. 냉각판(20)이 열전소자(30)의 타 측면에 접하도록 배치되어 저온부를 형성함에 따라, 열전소자(30)는 고온부와 저온부의 온도 차로 전력을 생산할 수 있는 특징이 있다.The cooling
열전발전 장치(1)는 복수 개의 열전달핀(40)의 양끝단부에 각각, 열전소자(30)와 냉각판(20)이 배치되어 열전발전 모듈을 형성할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개의 열전발전 모듈이 나란하게 배치되어 열교환 효율을 증대시킬 수도 있다. 이와 같은 열전발전 모듈은 배치 구조나 수량에 한정되지 않고 폐가스가 유동하는 폐가스관(100) 상에 배치될 수 있다.In the
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 각각 다른 방식으로 형성된 유로를 포함하고 있는 열전달핀의 다른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, another embodiment of a heat transfer fin including a flow path formed in different ways will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7.
도 6은 도 4의 열전달핀의 다른 실시예를 도시한 단면도이고, 도 7은 도 4의 열전달핀의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이다.6 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat transfer fin of Figure 4, Figure 7 is a perspective view showing another embodiment of the heat transfer fin of FIG.
도 6 및 도 7은 도 1 내지 도 5의 열전달핀과 유로의 배치구조만 제외하면 이미 설명한 도 3의 열전달핀과 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소에 열전달핀의 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 6 and 7 are substantially the same as the heat transfer fin of FIG. 3 described above except for the arrangement of the heat transfer fin and the flow path of FIGS. 1 to 5. Therefore, the detailed description of the heat transfer fins to the components already described will be omitted.
먼저 도 6을 참조하면, 열전달핀(40)은 별도의 유로(50)를 형성하지 않고, 음각으로 형성된 만입부를 포함하고 있는 제1 열전달핀(40a)과 제2 열전달핀(40b)이 결합되어 유로(50)를 형성할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 열전달핀(40)은 일면에 음각으로 형성된 만입부를 포함하고 있는 제1 열전달핀(40a)과 제2 열전달핀(40b)을 포함할 수 있다. 만입부는 도 4에서의 유로(50)와 동일한 형상의 서펜타인 구조로 이루어질 수 있으며, 도 4의 유로(50)의 중심부를 기준으로 세로방향으로 절단한 두께만큼 음각으로 형성될 수 있다. 제1 열전달핀(40a)과 제2 열전달핀(40b)의 만입부는 서로 대칭을 이루고 있으며, 제1 열전달핀(40a)과 제2 열전달핀(40b)의 만입부가 서로 마주하도록 결합되어 유로(50)를 형성할 수 있다. 이 때, 유로(50)는 구불구불한 형상으로 형성되어 내부에 열전달유체(51)가 봉입되어 밀폐 형성되고, 열전달유체(51)는 유로(50)의 내부에서 포화상태를 유지할 수 있다. 이와 같이 형성된 열전달유체(51)는 고온의 폐가스에 의해 유로(50) 내부에서 지속적으로 유동하면서 고온의 열을 열전소자(30)로 전달할 수 있는 특징이 있다. 도 6에서의 열전달핀(40)은 별도의 유로를 제작하지 않고, 제1 열전달핀(40a)과 제2 열절단판(40b)을 결합하여 유로(50)를 형성함으로써 제작이 용이한 장점이 있다.First, referring to FIG. 6, the
계속해서 도 7을 참조하면, 열전달핀(40)과 유로(50)는 분리 형성된 후 부착되는 구조로 이루어진다. 유로(50)는 밀폐형 관 형태로 별도로 형성되어 열전달핀(40)의 일면에 부착될 수 있다. 유로(50)는 도 4에서와 같이, 서펜타인 구조로 이루어진 형상으로 형성될 수 있으며, 내부에 수용된 열전달유체(51)의 응축과 방열이 효율적으로 이루어질 수 있는 구조로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 유로(50)는 밀폐형 관이 구불구불한 형상으로 형성된 오실레이팅 히트파이프를 이룰 수 있다. 즉, 유로(50)는 내부에 연전달유체(51)가 수용된 별도의 밀폐된 관으로 이루어진다. 열전달핀(40)은 유로(50)가 부착되는 면에 유로(50)의 형상과 동일하게 음각으로 형성된 만입부(도시하지 않음)를 포함할 수 있으며, 별도로 형성된 밀폐형 관 형상의 유로(50)는 만입부에 부착될 수 있다. 이 때, 유로(50)는 만입부에 완전히 수용되게 부착되거나, 열전달핀(40)으로부터 일부가 돌출되게 부착될 수 있다. 그러나, 유로(50)가 열전달핀(40)의 만입부에 삽입되어 배치되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 열전달핀(40)에는 만입부가 형성되지 않아, 유로(50)가 열전달핀(40)의 일면에 완전히 돌출되게 부착될 수도 있다. 본 명세서 상에서의 유로(50)는 열전달핀(40)의 평평한 면에 직접 부착되지 않고, 열전달핀(40)의 일면이 음각으로 형성된 만입부에 부착되어 열전달핀(40)과 유로(50)는 더욱 일체화되어 안정적인 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 열전달핀(40)이 히트파이프와 같이 내부에 포화상태를 유지하는 열전달유체(51)를 수용하는 유로(50)가 결합되어 열전달 효율이 보다 증대될 수 있는 특징이 있다. 열전달유체(51)는 유로(50)의 내부에서 고온의 폐가스의 열에 의해 유로(50) 내부를 빠르게 순환하면서 고온의 열을 열전소자(30)로 효율적으로 전달할 수 있는 특징이 있다.Subsequently, referring to FIG. 7, the
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 열전발전 장치의 작동과정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, an operation process of the thermoelectric generator will be described in detail with reference to FIGS. 8 and 9.
도 8은 도 3의 작동과정을 도시한 작동도이고, 도 9는 다른 형상의 유로를 가진 열전달핀의 작동과정을 도시한 작동도이다.8 is an operation diagram showing the operation of Figure 3, Figure 9 is an operation diagram showing the operation of the heat transfer fin having a flow path of a different shape.
먼저, 도 8을 참조하면, 고온의 폐가스가 하우징(10)의 상부에서 하부로 유동할 때, 폐가스의 열에너지가 열전달핀(40)으로 전달된다. 이 때, 열전달핀(40)은 굴곡지게 형성되어 복수 개가 이격 배치되므로, 폐가스로부터 전달받는 열전달면적을 증대시킬 수 있다. 열전달핀(40)은 폐가스로부터 열을 전달받아, 양 측면에 배치된 열전소자(30)로 고온의 열을 전달할 수 있으며, 유로(50)에 밀폐 봉입된 열전달유체(51)로 인해 열전달 효율을 증대시킬 수 있다. 열전달핀(40)은 양 측에 배치된 열전달판(42)을 통해 고온의 열을 열전소자(30)로 전달할 수 있다. 또한, 열전달유체(51)는 유로(50)의 내부에 기체와 혼합되어 있으며, 폐가스가 유입되는 하부로부터 고온의 열을 전달받아 응축과 증발현상을 반복하면서 유로(50) 내부를 따라 순환하여 열전달핀(40) 내부로 열을 전달할 수 있다. 특히, 유로(50)는 한 쌍이 대칭을 이루도록 분리 형성되므로, 열전달유체(51)는 각각의 유로(50) 내부를 따라 빠르게 이동하면서 열전달핀(40)의 양측으로 열을 전달할 수 있는 특징이 있다. 즉, 유로(50)가 열전달핀(40) 내부에 대칭을 이루도록 분리 형성되어 열전달핀(40)의 양측으로 고온의 열을 빠르게 전달하여 열전달핀(40)의 온도구배를 줄일 수 있는 장점이 있다. 열전소자(30)는 일측면이 열전달핀(40)으로부터 고온의 열에너지 전달받아 고온부를 나타내고, 타측면이 냉각판(20)으로부터 냉각되어 저온부를 나타낸다. 열전소자(30)는 고온부와 저온부의 온도 차에 의해 전기를 생산할 수 있다. 본 발명의 열전발전 장치(1)는, 하우징(10) 내부에 다수 배치된 열전달핀(40)이 열전달 효율이 높은 유로(50)를 포함하고 있다. 따라서, 온도구배를 줄일 수 있는 장점이 있으며, 열전달핀(40)이 굴곡 형성되어 열전달면적이 증대될 뿐만 아니라, 열교환 효율이 향상되는 장점이 있다.First, referring to FIG. 8, when hot waste gas flows from the top to the bottom of the
도 9는 도 8과는 다른 형상의 유로(50)를 도시하고 있으며, 열전달유체(51)가 다른 형상의 유로(50)를 따라 이동하는 작동과정을 도시하고 있다. 도 9는 도 8과 다르게 형성되는 유로(50)를 따라 열전달유체(51)가 유동한다는 점만 다를 뿐, 이외에는 도 8과 동일하므로, 동일한 구성요소 작동과정의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.FIG. 9 illustrates a
도 9의 유로(50)는 도 8과는 다르게 수직하게 배치되어 연결되는 구조를 도시하고 있다. 이 때, 유로(50)는 도 8과는 다른 형상을 나타내고 있으며, 유로(50)의 밀도를 다르게 할 수 있으나, 내부에 열전달유체(51)가 밀폐 수용되어 응축과 증발현상을 반복적으로 나타내면서 유로(50) 내부를 따라 이동하는 원리는 동일하다. 즉, 유로(50)는 내부에 열전달유체(51)와 기체가 혼합되어 있으며, 하부가 폐가스에 의해 고온의 열을 전달받았을 경우, 응축과 증발현상이 반복적으로 이루어지면서 내부를 순환하여 열을 전달할 수 있다. 유로(50)는 내부의 열전달유체(51)가 고온의 열을 전달받아 내부를 순환하면서 고온의 열을 양측의 열전소자(30)의 고온부로 전달할 수 있으며, 열전소자(30)의 양단부의 온도 차에 의해 전기를 생산할 수 있다. 유로(50)는 열전달핀(40)의 온도구배를 줄일 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 열전달유체(51)의 밀도 또한 다르게 하여 열전달 효율을 다르게 할 수 있다.9 illustrates a structure in which the
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 도 1의 열전발전 장치의 다른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, another embodiment of the thermoelectric generator of FIG. 1 will be described in detail with reference to FIGS. 10 and 11.
도 10은 도 1의 열전발전 장치의 제2 실시예의 사시도이고, 도 11은 도 10의 본 발명의 제2 실시예의 열전발전 장치를 A-A'선으로 절단한 단면도이다FIG. 10 is a perspective view of a second embodiment of the thermoelectric generator of FIG. 1, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the thermoelectric generator of the second embodiment of the present invention of FIG. 10.
도 10 및 도 11의 제2 실시예에 의한 열전발전 장치는 연결부재를 포함하고, 도 1의 용융염 발전 장치의 열전달핀이 열전소자와 수직하게 배치되는 구조만 제외하면 이미 설명한 도 1의 열전달핀과 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 구체적인 설명은 생략하도록 한다.The thermoelectric generator according to the second embodiment of FIGS. 10 and 11 includes a connection member, except for a structure in which a heat transfer fin of the molten salt generator of FIG. 1 is disposed perpendicularly to the thermoelectric element. It is virtually identical to the pin. Therefore, the same reference numerals are assigned to the same components as those already described, and detailed description thereof will be omitted.
먼저, 도 10을 참조하면, 제2 실시예에 의한 열전발전 장치(1)는, 복수 개의 열전달핀(40)이 하우징(10)의 내부에 냉각판(20) 및 열전소자(30)와 평행하게 배치된다. 열전달핀(40)은 폐가스가 유동하는 하우징(10) 내부 공간에 복수 개가 이격되어 열전소자(30)와 나란한 방향으로 배치된다. 이 때, 복수 개의 열전달핀(40)은 연결부재(41)로 연결되며, 연결부재(41)에 의해 열전소자(30)의 고온부로 열을 전달할 수 있다.First, referring to FIG. 10, in the
좀 더 구체적으로 설명하면, 연결부재(41)는 복수 개의 열전달핀(40)을 관통하여 연결하는 부재로, 내부가 비어있는 파이프 형상으로 형성되어 양끝단부가 열전소자(30)의 고온부에 접하도록 연결된다. 한 쌍의 열전소자(30)는 고온부 사이에 열전달핀(40)이 배치되므로, 연결부재(41)는 열전달핀(40)을 관통하여 배치될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 연결부재(41)는 복수 개의 열전달핀(40)을 관통하여 연결하며, 이때, 열전달핀(40)의 유로(50)도 관통하여 연결하게 된다. 즉, 연결부재(41)는 열전달핀(40)의 내부 유로(50)와 연통되도록 연결 배치되어, 열전달유체(51)가 연결부재(41)의 내부를 유동할 수도 있는 구조로 형성된다. 연결부재(41)는 속이 비어 있는 형상으로 형성되고, 유로(50)를 관통하도록 복수 개의 열전달핀(40)을 연결하여, 각각의 유로(50)와 연결부재(41)의 내부를 서로 연통하여 연결할 수 있다. 이로 인해, 열전달유체(51)는 유로(50) 의 내부뿐만 아니라 연결부재(41)의 내부를 유동할 수 있다. 이와 같은 구조로 형성되는 연결부재(41)는 다수 개의 열전달핀(40)을 안정적으로 고정시킬 수 있으며, 열전도율이 높은 재질로 형성되어 열전달핀(40)이 흡수한 고온의 열을 연결부재(41)를 통해 열전소자(30)의 고온부로 전달할 수 있다. 특히, 연결부재(41)는 열전달핀(40)의 유로(50)와 연통되는 구조로 이루어져, 내부 빈 공간을 통해 열전달유체(51)가 유동함으로써, 열전달 효율이 증대되는 장점이 있다.이하, 도 12를 참조하여 도 1의 열전발전 장치의 일실시예의 사용예에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.In more detail, the connecting
도 12는 도 1의 열전발전 장치의 사용예를 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating an example of use of the thermoelectric generator of FIG. 1.
도 12를 참조하면, 본 발명의 열전발전 장치(1)는 폐가스가 유동하는 폐가스관(100)에 연결 배치된다. 도면에 도시된 바와 같이, 열전발전 장치(10)는 상부와 하부가 폐가스관(100)의 적어도 일부와 연통되도록 배치될 수 있다. 열전발전 장치(1)와 폐가스관(100)은 플랜지 등과 같은 연결부(101) 및 고정부(102)에 의해 연결될 수 있다. 이때, 연결부(101)는 열전도도가 낮은 재질로 형성되고 냉각판(20)과 접하도록 배치되어, 폐가스의 열이 냉각판(20)에 전달되는 현상을 방지할 수 있으며, 열전발전 장치(1)와 일체로 형성되거나 별도로 형성되어 결합될 수 있다. 또한, 열전발전 장치(1)는 폐가스가 유동하는 경로 상에 배치된 냉각판(20)의 상부와 하부에 열차단판(60)이 설치될 수 있다. 열차단판(60)은 열전도도가 낮은 재질로 형성되어 열이 전달되는 현상을 방지하는 것으로, 열전발전 장치(10)의 중심부에 설치된 냉각판(20)으로 폐가스의 열이 전달되어 냉각판(20)의 온도가 상승하는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 열차단판(60)은 열전소자(30)의 일측면의 온도를 저온부로 유지할 수 있다. 이와 같이 열전발전 장치(10)는 폐가스가 유동하는 폐가스관(100)과 연통되도록 연결 및 설치되고, 폐가스가 하부를 통해 유입되어 상부로 유동하면서 열에너지를 열전달핀(40)에 전달할 수 있다. 열전달핀(40)은 열전소자(30)의 고온부와 접하고, 냉각판(20)은 열전소자(30)의 저온부와 접하면서 전력을 생산할 수 있으며, 열전달핀(40)에 봉입된 유로(43)로 인해 열전달 효율이 향상될 수 있다.Referring to FIG. 12, the
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. I can understand. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
1: 열전발전 장치 10: 하우징
20: 냉각판 30: 열전소자
31: 내부관 40: 열전달핀
40a: 제1 열전달핀 40b: 제2 열전달핀
41: 연결부재 42: 열전달판
43, 50: 유로 51: 열전달유체
60: 열차단판 100: 폐가스관
101: 연결부 102: 고정부1: thermoelectric generator 10: housing
20: cooling plate 30: thermoelectric element
31: inner tube 40: heat transfer fin
40a: first
41: connecting member 42: heat transfer plate
43, 50: Euro 51: Heat transfer fluid
60: heat shield 100: waste gas pipe
101: connecting portion 102: fixed portion
Claims (9)
상기 하우징 내부에 상기 폐가스의 유동방향과 나란한 방향으로 배열된 복수 개의 냉각판;
고온부가 상기 폐가스와 접하고 저온부가 상기 냉각판에 접하여 상기 폐가스와 상기 냉각판 사이의 온도차로 전력을 생산하며, 상기 고온부가 서로 마주보도록 배치되는 복수 개의 열전소자;
서로 마주보는 상기 열전소자의 상기 고온부 사이를 연결하며 상기 폐가스로부터 상기 고온부로 열을 전달하는 복수 개의 열전달핀을 포함하며,
상기 열전달핀은, 내부 또는 일면에 열전달유체가 봉입된 유로가 형성되는 열전발전 장치.A housing connected to a waste gas pipe through which waste gas flows and having a space in which the waste gas flows;
A plurality of cooling plates arranged inside the housing in a direction parallel to a flow direction of the waste gas;
A plurality of thermoelectric elements in which a high temperature part is in contact with the waste gas and a low temperature part is in contact with the cooling plate to produce electric power at a temperature difference between the waste gas and the cooling plate, and the high temperature parts are disposed to face each other;
A plurality of heat transfer fins connected between the high temperature portions of the thermoelectric elements facing each other and transferring heat from the waste gas to the high temperature portions,
The heat transfer fins, the thermoelectric power generation device is formed a flow path in which a heat transfer fluid is sealed inside or on one surface.
상기 열전달핀은 상기 볼록부와 상기 오목부가 각각 마주하도록 복수 개가 이격 배치되는 열전발전 장치.The method of claim 1, wherein the heat transfer fin is formed in a curved shape in which convex portions and concave portions are continuously formed,
The thermoelectric power generation device is a plurality of heat transfer fins are arranged spaced apart so that the convex portion and the concave portion respectively.
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