KR102199556B1

KR102199556B1 - 열전발전기

Info

Publication number: KR102199556B1
Application number: KR1020190042910A
Authority: KR
Inventors: 정원하; 조경훈; 장종철; 박상진; 장윤희
Original assignee: 장윤희
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2021-01-08
Also published as: KR20200120815A

Abstract

본 발명은 열전발전기에 관한 것으로서 특히 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 형성하여 충분한 전력을 생산할 수 있고 열원이 제거되더라도 장시간 동안 전력 제공이 가능하도록 열원으로부터 발생된 열을 흡수하여 방출하는 히트싱크; 및 상기 히트싱크로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생산하는 발전모듈;을 포함하며, 상기 발전모듈은 히트싱크와 일면이 맞닿도록 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면 측에 구비되고 내측에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함하되, 상기 워터블럭은 열전소자의 타면 측에 위치한 저면이 개방되어 열전소자의 타면이 냉각수에 의해 직접 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전기에 관한 것이다.

Description

열전발전기{thermoelectric generator}

본 발명은 열전발전기에 관한 것으로서 특히 장시간 동안 충분한 전력을 제공할 수 있는 열전발전기에 관한 것이다.

야외 등 전기가 들어오지 않는 지역에서 전기/전자제품을 사용하기 위해서는 1차전지 또는 2차 전지를 통해 전력을 공급하거나 별도의 휴대용 발전기를 통해 전력을 공급한다.

현재 주로 사용되는 휴대용 발전기는 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 것으로, 가솔린 디젤, 천연가스, 배터리 및 프로판과 같은 에너지원을 하나 이상 사용하여 발전한다. 이러한 휴대용 발전기는 역학적 에너지를 발생시킴에 있어 극심한 소음이 발생된다는 문제가 있으며, 역학적 에너지를 발생시키기 위한 여러 개의 부품이 복잡하게 연결되어 있어 고장이 빈번히 발생된다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 열전소자를 이용한 휴대용 발전기가 등장하고 있으며, 일 예가 대한민국 등록특허 제10-0991690호(이하, '인용발명'이라 함)에 게시되어 있다.

인용발명은 도 1에 도시된 바와 같이 제벡효과(Seebak effect)에 의해 전기를 발생시키는 발전소자(260)는 촉매히터 발열부(230)로부터 발생된 열을 흡수한 방열판(240)에 의해 열을 전달받아 고온부를 형성하고, 발전소자(260)의 열을 방출하여 발전소자(260)를 냉각시키는 냉각용 방열판(270)에 의해 저온부를 형성하도록 구성된다.

열전소자(Thermoelectric element)는 2종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도차를 주면 회로에 열기전력을 일으키는 제벡효과(Seebeck effect)를 통해 발전이 가능한 소자이며, 이러한 열전소자를 이용하여 발전을 하기 위해서는 내구성이 허용되는 범위 내에서 온도차를 가급적 크게 유지하는 것이 중요하다.

인용발명은 방열판(240)과 냉각용 방열판(270)에 의해 열전소자에 온도차를 발생시켜 저소음으로 전기에너지를 생산할 수 있기는 하나, 열전소자의 온도차가 크지 않아 충분한 전력을 얻기 어려우며, 열원인 연료의 연소가 계속적으로 이루어져야 하고 열원을 제거시 전력생산이 단시간 내에 중단된다.

1. 대한민국 등록특허 제10-0991690호 '발전소자를 이용한 휴대용 전력발생장치'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 형성하여 충분한 전력을 생산할 수 있고 열원이 제거되더라도 장시간 동안 전력 제공이 가능한 열전발전기를 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명인 열전발전기는 열원으로부터 발생된 열을 흡수하여 방출하는 히트싱크; 및 상기 히트싱크로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생산하는 발전모듈;을 포함하며, 상기 발전모듈은 히트싱크와 일면이 맞닿도록 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면 측에 구비되고 내측에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함하되, 상기 워터블럭은 열전소자의 타면 측에 위치한 저면이 개방되어 열전소자의 타면이 냉각수에 의해 직접 냉각되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 열전소자에서 저온부를 형성하는 타면이 냉각수와 직접 맞닿으며 냉각이 이루어지는바, 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 형성할 수 있어 충분한 전력을 생산할 수 있으며, 열전소자의 고온부를 형성하기 위한 열원을 제거하더라도 장시간 동안 전력 제공이 가능하다.

이러한 본 발명은 휴대하여 비상용 발전기로 사용될 수 있음은 물론, 기존 보일러에 사용되는 열교환기를 대체하여 전기와 난방수를 공급할 수 있다.

도 1은 종래 열전발전기의 구조를 보여주는 분해사시도,
도 2는 본 발명인 열전발전기의 구조를 보여주는 분해사시도,
도 3은 본 발명인 열전발전기의 각 구성 간 결합관계를 보여주는 정면도,
도 4는 본 발명인 열전발전기의 각 구성 간 결합관계를 보여주는 측면도,
도 5는 본 발명인 열전발전기의 외부 구조를 보여주는 저면사시도,
도 6은 본 발명인 열전발전기의 사용예를 보여주는 예시도,
도 7은 본 발명인 열전발전기의 각 구성을 보여주는 분해사시도,
도 8은 본 발명인 열전발전기에 적용되는 워터블럭의 구조를 보여주는 도면,
도 9는 본 발명인 열전발전기에 적용되는 워터블럭과 열전소자 간의 결합 구조를 보여주는 도면,
도 10은 본 발명인 열전발전기의 외부 구조를 보여주는 사시도.

본 발명에서는 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 형성하여 충분한 전력을 생산할 수 있고 열원이 제거되더라도 장시간 동안 전력 제공이 가능하도록 열원으로부터 발생된 열을 흡수하여 방출하는 히트싱크; 및 상기 히트싱크로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생산하는 발전모듈;을 포함하며, 상기 발전모듈은 히트싱크와 일면이 맞닿도록 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면 측에 구비되고 내측에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함하되, 상기 워터블럭은 열전소자의 타면 측에 위치한 저면이 개방되어 열전소자의 타면이 냉각수에 의해 직접 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전기를 제안한다.

본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.

이하, 본 발명인 열전발전기는 첨부된 도 2 내지 도 10을 참고로 상세하게 설명한다.

본 발명인 열전발전기는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 열원으로부터 발생된 열을 흡수하여 방출하는 히트싱크(100)와, 히트싱크(100)로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생산하는 발전모듈(200)을 포함한다. 여기서, 열원이란 열에너지를 발생하는 장치를 의미하며, 일 예로 도 6에 도시된 바와 같이 휴대가 가능한 가스버너 등이 열원으로 이용될 수 있다.

발전모듈(200)은 도 3, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이 열전소자(210)와 내측에 냉각수가 흐르는 워터블럭(220)을 포함한다. 열전소자(210)는 일면이 히트싱크(100)와 맞닿도록 구비되어 히트싱크(100)로부터 전달받은 열에 의해 고온부를 형성한다. 또한, 워터블럭(220)은 열전소자(210)의 타면 측에 구비되어 열전소자(210)의 타면을 냉각시킴으로써 열전소자(210)의 타면에 저온부를 형성한다.

이때, 워터블럭(220)은 도 8에 도시된 바와 같이 열전소자(210)의 타면 측에 위치한 저면이 개방되어, 내측의 냉각수가 열전소자(210)의 타면에 직접 맞닿게 되므로, 저온부를 형성하는 열전소자(210)의 타면의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다. 이에 따라, 열전소자(210)의 고온부와 저온부의 온도차가 크게 형성되어 충분한 전력을 생산할 수 있으며, 열전소자(210)의 고온부를 형성하기 위한 열원을 제거하더라도 장시간 동안 전력 제공이 가능하다.

워터블럭(220)은 냉각수가 유입되는 유입구(221)와 냉각수가 배출되는 배출구(222)가 형성되는데, 유입구(221)와 배출구(222)는 워터블럭(220)의 상면 일측편에 형성될 수 있다. 또한, 워터블럭(220)은 상면으로부터 저면을 향해 돌출된 격벽(223)에 의해 내측에 유로가 형성될 수 있다. 격벽(223)은 워터블럭(220)의 길이방향을 따라 일측부터 타측과 인접한 지점까지 형성되어 유로의 일단이 유입구(221)와 연통되고 유로의 타단이 배출구(222)와 연통될 수 있다.

따라서, 유입구(221)를 통해 워터블럭(220) 내로 유입된 냉각수는 유로를 따라 워터블럭(220)의 타측편을 지난 후 배출구(222)를 통해 배출된다. 워터블럭(220)은 하방에 위치한 열전소자(210)의 타면을 덮도록 구비되며, 워터블럭(220)에 형성된 유로로 인해 하나의 열전소자(210)를 냉각하는 시간을 늘릴 수 있으며 열전소자(210)의 전면적에 대한 충분한 냉각이 이루어질 수 있다.

또한, 워터블럭(220)은 하나의 열전소자(210)만을 덮도록 형성되어 하나의 열전소자(210)만을 냉각시킬 수도 있으나, 다수 개의 열전소자(210)를 덮도록 형성되어 하나의 워터블럭(220)이 다수 개의 열전소자(210)를 냉각시킬 수도 있다. 이때, 워터블럭(220)의 형태는 다수 개의 열전소자(210)가 배치된 형태에 따라 달라질 수 있다.

일 예로, 도 9에 도시된 바와 같이 3개의 열전소자(210)가 인접하게 일렬을 이루도록 구비되는 경우, 워터블럭(220)은 3개의 열전소자(210) 타면을 덮을 수 있도록 형성되어, 유입구(221)를 통해 유입된 냉각수는 유로를 따라 워터블럭(220)의 타측편으로 이동하면서 3개의 열전소자(210) 타면의 일부를 순차적으로 냉각시키고, 다시 워터블럭(220)의 일측편으로 이동하면서 3개의 열전소자(210) 타면의 나머지 일부를 순차적으로 냉각시킨 후 배출구(222)를 통해 배출된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 히트싱크(100)의 상면에는 다수 개의 열전소자(210)가 구비될 수 있으며, 다수 개의 워터블럭(220)이 구비될 수 있다. 다수 개의 워터블럭(220)은 상호 유입구(221) 및 배출구(222)가 연결되어 일 워터블럭(220)을 통과하며 배출구(222)를 통해 배출된 냉각수가 인접한 타 워터블럭(220)의 유입구(221)를 통해 유입되는 방식으로 다수 개의 열전소자(210)를 냉각시킬 수 있다.

그리고, 열전소자(210)의 타면 측에 워터블럭(220)이 구비됨에 있어, 워터블럭(220)이 열전소자(210)의 타면에 직접 맞닿도록 구비될 수도 있으나, 누수와 같은 문제가 발생될 수 있으므로, 도 9에 도시된 바와 같이 열전소자(210)와 워터블럭(220) 사이에 판 형태를 이루는 브라켓(230)이 더 구비될 수 있다. 브라켓(230)은 워터블럭(220)의 길이 및 너비보다 크게 형성된 판에 하방에 놓이는 열전소자(210)의 타면이 워터블럭(220)을 향해 노출되도록 관통공(231)이 형성된다. 관통공(231)은 열전소자(210)의 형태와 동일하도록 형성되면서 열전소자(210)보다 약간 작은 크기로 형성되고, 열전소자(210)의 가장자리가 관통공(231)을 둘러싸도록 브라켓(230)의 저면에 부착될 수 있다. 또한, 관통공(231)은 하나의 워터블럭(220)에 의해 냉각되는 열전소자(210)의 개수에 맞도록 브라켓(230)에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명인 열전발전기는 휴대하여 비상용 발전기로 사용될 수 있다. 이때, 열전소자(210)의 타면을 냉각하기 위해 사용되는 냉각수의 온도를 관리하여 지속적으로 열전소자(210)의 타면을 냉각하기에 적절한 온도를 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명인 열전발전기는 워터블럭(220)의 상방으로 라디에이터(300)와 펌프(400)를 더 포함할 수 있다.

라디에이터(300)는 워터블럭(220)과 직/간접적으로 연결되어 워터블럭(220)을 지나 가온된 냉각수의 온도를 하강시키고 다시 워터블럭(220)으로 냉각수를 재공급하는 역할을 하며, 펌프(400)는 워터블럭(220)과 라디에이터(300) 간에 냉각수를 이동시키는 역할을 한다. 이때, 라디에이터(300)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 워터블럭(220)으로 상측에 이격되도록 구비되어 열원으로부터의 발생된 열에 대한 영향을 최소화함과 동시에 라디에이터(300)로부터 발생된 열이 워터블럭(220)에 미치지 않도록 함이 바람직하다.

라디에이터(300)와 더불어, 라디에이터(300)와 인접한 하측에 냉각팬(500)이 구비될 수 있다. 냉각팬(500)은 워터블럭(220)을 향해 바람을 일으켜 열원으로부터 전달되어 히트싱크(100)를 통해 상방으로 올라오는 열을 외부로 내보내는 역할을 하여, 워터블럭(220)의 타면의 냉각효과를 극대화할 수 있다. 이에 따라, 냉각팬(500)은 라디에이터(300)와 마찬가지로 워터블럭(220)의 상측에 이격되도록 구비됨이 바람직하다.

본 발명은 도 5 및 도 10에 도시된 바와 같이 상술한 발전모듈(200), 라디에이터(300), 펌프(400)가 내측에 구비되는 케이스(600)를 더 포함할 수 있다. 이때, 케이스(600)의 하측에는 히트싱크(100)가 구비되어 히트싱크(100)가 열원으로부터 직접 열을 전달받을 수 있며, 케이스(600)는 상면에 공기흡입구(610)를 비롯하여 측벽에 공기배출구(620)가 다수 개 형성되어 케이스(600) 내부에서 발생된 열이 외부로 원활히 배출될 수 있다.

또한, 케이스(600)에는 열전소자(210)의 단자와 연결되어 외부기기로 전력을 공급할 수 있는 전원공급부(630)가 구비될 수 있다. 상기 전원공급부(630)는 USB 단자, 시거잭, 110V 또는 220V 전원단자 등 다양한 형태로 형성되어, 다양한 외부기기에 적절한 전력을 공급할 수 있도록 할 수 있다.

이처럼 열전소자(210)로부터 생산된 전기에너지는 외부기기로 공급될 수 있는데, 전원공급부(630)에 연결된 외부기기로 전원을 공급하기에 앞서, 구동에 전원을 필요로 하는 본 발명의 구성에 대하여 전원을 공급할 수 있다. 즉, 열전소자(210)로부터 초기에 생산된 전기에너지를 라디에이터(300), 펌프(400) 및 냉각팬(500) 중 적어도 하나에 대하여 공급되도록 하여 이를 초기 작동시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 가스, 등유 등을 에너지원으로 열교환을 통해 난방수를 공급하도록 기존 보일러에 사용되는 열교환기를 대체하여, 전기와 난방수를 공급할 수 있으며, 본 발명에서 워터블럭(220)을 지나며 가온된 냉각수가 난방수 역할을 할 수 있다.

100 : 히트싱크
200 : 발전모듈 210 : 열전소자
220 : 워터블럭 221 : 유입구
222 : 배출구 223 : 격벽
230 : 브라켓 231 : 관통공
300 : 라디에이터
400 : 펌프
500 : 냉각팬
600 : 케이스 610 : 공기흡입구
620 : 공기배출구 630 : 전원공급부

Claims

열원으로부터 발생된 열을 흡수하여 방출하는 히트싱크(100);
상기 히트싱크(100)와 일면이 맞닿도록 구비되는 열전소자(210)와, 상기 열전소자(210)의 타면 측에 구비되고 내측에 냉각수가 흐르며 열전소자(210)의 타면 측에 위치한 저면이 개방되어 열전소자(210)의 타면이 냉각수에 의해 직접 냉각되는 워터블럭(220)을 포함하여 히트싱크(100)로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생산하는 발전모듈(200);
상기 워터블럭(220)과 연결되어 워터블럭(220)을 지나 가온된 냉각수의 온도를 하강시키고 워터블럭(220)으로 냉각수를 재공급하는 라디에이터(300); 및
상기 워터블럭(220)과 라디에이터(300) 간에 냉각수를 이동시키는 펌프(400);
상기 워터블럭(220)을 향해 바람을 일으키는 냉각팬(500);
상기 발전모듈(200), 라디에이터(300), 펌프(400), 냉각팬(500)이 내측에 구비되는 케이스(600);를 포함하되,
상기 라디에이터(300)는 워터블럭(220)으로부터 상측에 이격되어 구비되고,
상기 냉각팬(500)은 워터블럭(220)으로부터 상측에 이격되면서 라디에이터(300)와 인접한 하측에 구비되는 한편,
상기 히트싱크(100)는 케이스(600)의 하측에 구비되어 열원으로부터 직접 열을 전달받으며,
상기 케이스(600)는 상면에 공기흡입구(610)가 형성되고 측벽에 공기배출구(620)가 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
제1항에 있어서,
상기 워터블럭(220)은 상면 일측편에 냉각수가 유입되는 유입구(221)와 냉각수가 배출되는 배출구(222)가 형성되고 상면으로부터 저면을 향해 돌출된 격벽(223)에 의해 내측에 유로가 형성되어,
상기 유입구(221)를 통해 유입된 냉각수가 유로를 따라 워터블럭(220)의 타측편을 지난 후 배출구(222)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
제1항에 있어서,
상기 라디에이터(300), 펌프(400) 및 냉각팬(500) 중 적어도 하나는 열전소자(210)로부터 초기에 생산된 전기에너지를 통해 작동을 시작하는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
삭제
삭제