KR102219350B1 - 열전발전기를 포함하는 연소장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료투입구 및 하나 이상의 공기 순환구가 형성된 연소 챔버; 상기 연소 챔버의 바깥 면에 위치하고, 상기 연소 챔버 내부로 확장되어 연소열을 집열하는 열전달부와 상기 연소 챔버 외부로 확장된 히트싱크 및 상기 열전달부와 히트싱크 사이에 연결된 열전발전기를 포함하여 구성되는 열전발전기 모듈을 포함하는 열전발전기 하우징 및 상기 열전발전기와 연결되어, 외부 공기를 상기 히트싱크를 거쳐 상기 연소 챔버 내부로 보내는 송풍기를 포함하여 구성되는 연소장치에 대한 것이다.

Description

열전발전기를 포함하는 연소장치{HERMOELECTRIC GENERATOR AND COMBUSTION APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 야외나 실내에서 취사 또는 난방용으로 사용할 수 있는 연소장치에 관한 것으로, 연료 연소시 발생하는 열을 이용하여 취사 또는 난방으로 활용하는 동시에, 발생하는 연소 열로 전기를 발생시켜, 송풍기를 동작시킴으로서 연소효율을 높이고, 남는 전기를 외부기기에 공급할 수 있는 열전발전기를 이용한 연소장치에 대한 것이다.
일반적으로, 실내 또는 야외 캠핑용으로 사용되는 연소장치는 전기를 이용하지 않고, 나무·석탄·석유·가스 등의 연료를 연소시켜 발생한 열을 이용하여 요리 또는 난방용 등으로 사용된다.
또한, 전기공급이 원활하게 이루어지지 않는 지역이 많은 곳에서는 주거지 내부 또는 외부에서 취사 및 난방용으로 연소장치를 많이 이용하고 있다.
최근, 열전발전기(Thermo Electronic Generator)가 적용된 연소장치는 연소장치에서 발생한 열을 전력으로 변환하여, 휴대 단말, 태블릿형 컴퓨터 등의 외부 전자기기를 충전하거나, 송풍기를 동작시키는 전원을 제공함으로써 편의성 및 효율성이 향상되었다.
한편, 열전발전기에 의한 전력 생산은 열전발전기의 가열면과 냉각면과의 온도차가 클수록 전력 생산 효율이 증가하기 때문에, 온도차를 크게 하는 것이 중요하다. 따라서 연소장치에서 발생되는 열이 열전발전기 가열면을 효율적으로 가열함과 동시에, 냉각면을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 구성이 필요하다. 또한, 연소장치에서 발생되는 열이 냉각면으로 전달되기 어렵게 하는 구성이 필요하다.
[특허문헌 001] JP5410567
본 발명은 연소장치의 챔버를 내부 공간에 냉각물질을 포함하는 이중벽 구조로 구성하여, 내구성과 안정성 및 열전발생기의 효율을 높일 수 있는 연소장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 열전발전기의 고온면에 접합되는 열전달부와 저온면에 접합되는 히트싱크의 구조를 개선하여 전력 생산 효율을 크게 증가시킨 열전발전기 모듈을 포함하는 연소장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 개방된 상부를 통해 나무, 석탄을 포함하는 화석연료가 투입되고, 내측 하부에는 화석연료의 안착 기능 및 화석연료 재를 배출하도록 탈착 가능한 재받이부(300)가 구비되며, 측면에는 내외부의 공기순환을 위한 공기 순환구(110)가 형성된 연소챔버(100)와;
상기 연소챔버(100)에 형성된 공기 순환구(110)의 상부측 및 연소챔버(100)의 외측에 구비되는 것으로, 상기 연소챔버(100) 내부로 확장되어 연소열을 집열하는 열전달부(261)와, 상기 연소챔버(100) 외부로 확장된 히트싱크(263) 및 상기 열전달부(261)와 히트싱크(263) 사이에 연결된 열전발전기(262)를 포함하여 구성되는 열전발전기 모듈(260)과, 상기 열전발전기 모듈(260)의 후방에 형성된 송풍구(220)와, 상기 열전발전기 모듈(260)의 상,하부에 형성된 송풍채널을 포함하는 열전발전기 하우징(200); 및
상기 열전발전기(262)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받고, 상기 송풍구(220) 측에 설치되어 외부 공기를 상기 히트싱크(263) 및 송풍채널을 거쳐 상기 연소챔버(100) 내부로 보내는 송풍기(250)를 포함하며,
상기 열전달부(261)는 상기 연소챔버(100) 내부로 확장된 두개 이상의 금속판으로 형성되고, 각각의 금속판은 횡방향으로 평평하되 연소열기로부터 가까운 금속판이 먼 금속판 보다 짧게 형성되며, 상기 두개 이상의 금속판은 연소열기 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 연소장치에 의해 달성된다.
여기서 상기 연소장치의 연소 챔버 외부는 내부에 냉각물질이 채워진 이중 벽 구조인 것일 수 있다. 또한, 상기 연소장치의 연소 챔버 외부는 에어로졸층이 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 연소장치는 열전발전기와 연결되는 탈착식 충전 배터리 및 전기장치 연결 포트를 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 연소장치는 연소챔버를 내부 공간에 냉각물질을 포함하는 이중벽 구조로 구성함으로써 내구성과 안정성 및 열전발생기의 효율이 증가하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 연소장치는 열전발전기의 고온면에 접합되는 열전달부와 저온면에 접합되는 히트싱크의 구조를 개선하여 전력 생산 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열보호부가 구비된 열전발전기를 포함하는 연소장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열보호부가 구비된 열전발전기를 포함하는 연소장치의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 열전기 모듈의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 벽 연소챔버 구조의 과열보호부가 구비된 열전발전기를 포함하는 연소장치의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 열팽창계수의 금속판을 포함하는 열전발전기 모듈 및 과열 반응을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이메탈 금속판을 포함하는 열전발전기 모듈 및 과열 반응을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이에 대해 상세하게 설명하고자 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열보호부가 구비된 열전발전기를 포함하는 연소장치(10)의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2는 상기 과열보호부가 구비된 열전발전기를 포함하는 연소장치의 단면도를 나타낸 도면이다.
상기 연소장치(10)는 크게 연료를 투입하여 연소시키는 공간인 연소챔버(100)와 송풍기(250)과 열전발전기 모듈(260)을 포함하는 열전발전기 하우징(200)으로 구성된다. 상기 연소챔버(100) 하단부는 탈착 가능한 재받이부(300)를 포함한다.
상기 열전발전기 모듈(260)은 열전달부(261)와 열전발전기(262), 히트싱크(263)로 구성되며, 상기 열전발전기(262)의 양쪽 면은 상기 열전달부(261) 및 상기 히트싱크(263)와 접촉하고 있다. 이하, 열전달부(261)와 접촉면을 고온면, 히트싱크(262)와 접촉면을 저온면으로 명칭하여 설명한다.
여기서 상기 열전달부(261)는 연소열을 집열하여 상기 열전발전기(262)의 고온면으로 전달하도록 상기 연소 챔버(100) 내부로 확장된 형태이며, 상기 히트싱크(263)는 냉기를 상기 열전발전기(262)의 저온면으로 전달하도록, 상기 송풍기(250) 쪽으로 확장된 형태이다. 상기 히트싱크(263)은 수냉식이나 공랭식으로 구성할 수 있다. 열전발전기(262)의 고온면과 저온면의 온도차가 클수록 전력생산 효율이 높아지므로 상기 열전달부(261)와 상기 히트싱크(263)는 열전달 효율이 높은 재질로 구성하는 것이 필요하다.
연소챔버(100)에서 연료가 연소하면, 연소열이 상기 열전달부(261)를 통해 상기 열전발전기(262)의 고온면으로 전달되면, 저온면과의 온도차에 의해 전력을 생산하게 된다. 생산된 전력은 열전발전기(262)와 연결된 송풍기(250)의 구동 전력으로 사용되며, 상기 송풍기(250)가 구동되면서, 외부의 공기가 상기 하우징(200)을 통해 상기 연소챔버(100) 내부로 들어가게 된다. 이 때 상기 송풍기(250)에 의한 외부공기는 상기 히트싱크(263)를 거치게 되므로, 히트싱크를 냉각시키는 효과를 줄 수 있다. 따라서, 상기 열전발전기(262)의 고온면의 온도가 올라가더라도 저온면의 냉각으로 전력 생산이 가능한 정도로 온도차가 유지될 수 있다. 도 2에서 설명을 위해 외부공기가 상기 열전발전기(262)의 양쪽 송풍 채널을 통해 내부로 들어가는 것으로 표시하였으나, 상황에 따라, 상기 열전발전기(262)의 양 사이드 송풍 채널, 또는 어느 한 쪽 사이드 송풍 채널을 통해 내부로 들어갈 수 있도록 구성하는 것도 가능하다. 이는 온도 상태에 따라 송풍기(250)의 송풍량을 제어하는 제어부(미도시)에 의해 구현될 수 있으며, 여기서 온도 상태는 하우징(200) 내부에 구비된 온도 센서로 감지할 수 있다. 예를 들어, 감지된 온도가 적정 온도 이상일 경우, 위쪽 송풍채널을 차단하고, 송풍량을 줄이거나 중지시키면 상기 연소챔버로 유입되는 공기의 양이 줄어들어 연소열이 감소하게 된다. 또한, 열전발전기(262)에 의한 전력 생산량이 줄어들면 상기 송풍채널 조절 및 송풍량 조절을 통해 상기 열전발전기(262)의 저온면과 고온면의 온도차를 크게 할 수 있다.
상기 연소장치(10)는 상기 열전발전기(262)와 연결되는 탈착식 충전 배터리와 전기장치 연결 포트를 포함한다. 탈착식 충전 배터리는 상기 열전발전기(262)에서 생산된 전력을 충전하거나 외부 전원에서 전력을 충전할 수 있다. 충전된 전력은 열전발전기(263)를 사용하지 않는 경우나 연소 초기에 송풍기의 구동전력으로 사용될 수 있으며, 외부 전자통신 기기에 전원을 공급하기 위해 사용할 수 있다. 또한 전기장치 연결 포트는 열전발전기(263)에서 생산된 전력을 연결된 전자통신 기기의 전원으로 공급할 수 있다.
상기 열전발전기 하우징(200)은 상기 찰탁식 충전 배터리의 충전상태를 표시하거나 온도 등을 표시하는 표시부(230)를 포함한다.
도 2와 도 3에는 열전발전기(262)의 고온면과 접촉하는 열전달부(261)에 대해 도시하였다. 도면에서 보는 것처럼 상기 열전달부(261)는 하단부의 금속판이 상단부의 금속판보다 짧게 구성되어 있다. 이는 상기 열전발전기(262)의 고온면에 열을 고르게 전달하기 위한 구조이며, 이러한 구조는 고온면의 중심부에서 바깥부까지 균일하게 온도를 전달할 수 있어 안정적인 전력 생산을 가능하게 한다.
도 4는 이중 벽 연소챔버 구조를 나타낸 단면도이다. 상기 이중 벽 내부 공간은 냉각물질이 채워져 있으며, 이는 내부 연소열이 연소챔버(100) 바깥쪽 벽에 직접 전달되는 것을 차단함으로써, 상기 연소챔버(100)와 열전발전기 하우징(200)의 내구성을 높임과 동시에 연소열의 온도가 상승함으로 인해 발생할 수 있는 연소장치 주변 위험을 낮출 수 있다. 상기 냉각물질은 물을 포함하여 열전도율이 낮은 액체나 불활성 기체를 포함한 열전도율이 낮은 기체일 수 있다.
또한, 연소챔버(100)의 외부는 에어로졸층이 형성될 수 있다. 상기 연소챔버의 외부가 에어로졸층으로 둘러싸이게 됨으로써 보온효과 상승으로, 난방효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 열팽창계수의 금속판을 포함하는 열전발전기 모듈(200) 및 과열 반응을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이메탈 금속판을 포함하는 열전발전기 모듈 및 과열 반응을 나타낸 도면이다.
열전달부(261)는 열전발전기(262)의 고온면에 열 전달 효율이 높은 물질을 이용하여 접합된다. 열전달부(261)는 연소열을 지속적으로 열전발전기(262)의 고온면에 전달하는데, 상기 열전달부(261)가 일정온도 이상 과열되면,열전소자의 열화현상이 발생할 수 있고, 접합물질의 변형이 발생하여, 접촉 저항이 증가할 수 있다. 여기서 일정온도는 열전발전기에서 허용하는 최대온도에 근접하는 온도이다. 과열이 지속되면 효율이 떨어지다가 급기야 소자가 파괴되어, 결과적으로 열전발전기(262)의 전력생산 효율 감소 및 수명 단축으로 이어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 상기 열전달부(261)와 열전발전기(262) 사이에 과열보호부(264, 265)를 구성하였다.
도면 5의 과열보호부(264)는 상기 열전달부(261)보다 큰 열팽창계수를 가지며, 일정온도에 도달하면, 팽창하기 시작하는 금속판과 상기 금속판 양 끝단을 고정하는 고정부로 구성된다. 상기 열전달부(261)가 일정온도 이상으로 과열되면서 상기 금속판이 팽창하게 되는데 이때 고정부에 의해 금속판이 휘어져 상기 열전달부(261)와 상기 열전발전기(262)를 분리시키게 된다. 상기 고정부는 상기 금속판 양 끝단에 구비되는 형태이거나, 상기 열전달부(261) 접촉면에 고정되는 형태일 수 있다. 상기 고정부가 양 끝단에 구비되는 형태는 상기 금속판이 팽창하면 안쪽으로 회전함으로써 상기 열전달부(261)와 상기 열전발전기(262)를 분리시킨다. 여기서 일정온도 이하로 내려가면 상기 금속판이 수축되어 다시 상기 열전달부(261)와 상기 열전발전기(262)가 접합상태로 돌아가 열전달이 계속된다.
도면 6의 과열보호부(265)는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 두 개의 금속이 접합된 바이메탈 구조로 구성된다. 상기 열전달부(261)가 열전발전기에 설정된 온도 이상으로 과열되면서, 열팽창계수 차이로 인하여 두 개의 금속이 서로 다른 길이로 팽창하기 때문에 한 쪽으로 구부러지면서 상기 열전달부(261)와 상기 열전발전기(262)를 분리시키게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 연소장치
100 : 연소챔버 105 : 손잡이
110 : 공기 순환구
200 : 열전발전기 하우징 210 : 케이스
220 : 송풍구 230 : 충전상태 표시부
240 : 전원포트 250 : 송풍기
260 : 열전발전기 모듈 261 : 열전달부
262 : 열전발전기 263 : 히트싱크
264 : 높은 열팽창계수를 갖는 금속판 구조 과열보호부
265 : 바이메탈 구조 과열보호부
300 : 재받이부 310 : 지지대

Claims (5)

  1. 개방된 상부를 통해 나무, 석탄을 포함하는 화석연료가 투입되고, 내측 하부에는 화석연료의 안착 기능 및 화석연료 재를 배출하도록 탈착 가능한 재받이부(300)가 구비되며, 측면에는 내외부의 공기순환을 위한 공기 순환구(110)가 형성된 연소챔버(100)와;
    상기 연소챔버(100)에 형성된 공기 순환구(110)의 상부측 및 연소챔버(100)의 외측에 구비되는 것으로, 상기 연소챔버(100) 내부로 확장되어 연소열을 집열하는 열전달부(261)와, 상기 연소챔버(100) 외부로 확장된 히트싱크(263) 및 상기 열전달부(261)와 히트싱크(263) 사이에 연결된 열전발전기(262)를 포함하여 구성되는 열전발전기 모듈(260)과, 상기 열전발전기 모듈(260)의 후방에 형성된 송풍구(220)와, 상기 열전발전기 모듈(260)의 상,하부에 형성된 송풍채널을 포함하는 열전발전기 하우징(200); 및
    상기 열전발전기(262)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받고, 상기 송풍구(220) 측에 설치되어 외부 공기를 상기 히트싱크(263) 및 송풍채널을 거쳐 상기 연소챔버(100) 내부로 보내는 송풍기(250)를 포함하며,
    상기 열전달부(261)는 상기 연소챔버(100) 내부로 확장된 두개 이상의 금속판으로 형성되고, 각각의 금속판은 횡방향으로 평평하되 연소열기로부터 가까운 금속판이 먼 금속판 보다 짧게 형성되며, 상기 두개 이상의 금속판은 연소열기 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 연소장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소장치의 연소챔버(100) 외부는 내부에 냉각물질이 채워진 이중 벽 구조인 것을 특징으로 하는 열전발전기를 포함하는 연소장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소장치의 연소챔버(100) 외부는 에어로졸 층이 형성된 것을 특징으로 하는 열전발전기를 포함하는 연소장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소장치는 열전발전기(262)와 연결되는 탈착식 충전 배터리 및 전기장치 연결 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전기를 포함하는 연소장치.
KR1020190151162A 2019-11-22 2019-11-22 열전발전기를 포함하는 연소장치 KR102219350B1 (ko)

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