KR102263860B1 - 폐열을 이용한 열전발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전모듈이 외부와 단절된 상태에서 열전모듈의 저온부가 공기와의 직접적인 접촉 없이 방열부재에 의해 간접적으로 냉각됨에 따라 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 발생하면서 열전발전 성능이 향상되는 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 폐열이 내부를 따라 통과하는 열교환관; 상기 열교환관의 외면에 설치되는 복수 개의 열전달부재; 상기 열전달부재의 외면에 각각 고온부가 접촉되게 설치되어 상기 폐열이 상기 고온부로 전달되는 열전모듈; 상기 열전모듈의 저온부에 각각 설치되어 공기와의 접촉을 통해 상기 열전모듈의 저온부를 냉각시키는 방열부재; 및 상기 열교환관과는 소정거리를 두고 상기 방열부재를 따라 환설되어 상기 방열부재의 사이사이에 각각 공기가 내부에 채워지고 상기 열전모듈을 외부와 격리하는 단절공간을 형성시켜 상기 열전모듈이 외부의 공기와의 직접적인 접촉을 막아 상기 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 확보되게 하는 단절관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

폐열을 이용한 열전발전 장치{Thermoelectric generator using waste heat}

본 발명은 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전모듈이 외부와 단절된 상태에서 열전모듈의 저온부가 공기와의 직접적인 접촉 없이 방열부재에 의해 간접적으로 냉각됨에 따라 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 발생하면서 열전발전 성능이 향상되는 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열전발전 장치는 열전모듈의 제베크 효과를 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

이러한 열전발전 장치는 열전모듈의 고온부로는 폐열이 전달되고 열전모듈의 저온부에는 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 확보되도록 공랭식으로 냉각시키는 방열체가 구비된다.

즉, 열전발전 장치는 열전모듈의 고온부로 전달되는 폐열의 열기에 의해 열전모듈의 고온부와 저온부 간에 온도차가 생기면서 전기에너지를 발생하게 되는 것이다.

그러나 종래의 열전발전 장치는 열전모듈의 고온부와 저온부인 내면과 외면을 제외한 측면이 외부에 그대로 노출됨에 따라 열전모듈의 저온부가 냉각될 때 방열체에 접촉되는 공기에 의해 간접적으로 냉각됨과 동시에 열전모듈의 측면과 접촉되는 공기에 의해 직접적으로 냉각된다.

따라서 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 완만하게 나타나면서 열전발전 성능이 떨어져 전기에너지의 발생량이 기대에 미치지 못하는 문제점이 있다.

국내 특허등록공보 제10-1361044호, 2014.02.04.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 열전모듈이 외부의 공기와 직접적으로 접촉되지 않도록 외부와 단절시켜 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 충분히 확보하여 열전발전 성능을 향상시킬 수 있는 폐열을 이용한 열전발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 폐열이 내부를 따라 통과하는 열교환관; 상기 열교환관의 외면에 설치되는 복수 개의 열전달부재; 상기 열전달부재의 외면에 각각 고온부가 접촉되게 설치되어 상기 폐열이 상기 고온부로 전달되는 열전모듈; 상기 열전모듈의 저온부에 각각 설치되어 공기와의 접촉을 통해 상기 열전모듈의 저온부를 냉각시키는 방열부재; 및 상기 열교환관과는 소정거리를 두고 상기 방열부재를 따라 환설되어 상기 방열부재의 사이사이에 각각 공기가 내부에 채워지고 상기 열전모듈을 외부와 격리하는 단절공간을 형성시켜 상기 열전모듈이 외부의 공기와의 직접적인 접촉을 막아 상기 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 확보되게 하는 단절관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 단절관은 상기 방열부재의 높이에 따라 상기 단절공간이 복층으로 형성되도록 복수 개가 상기 방열부재를 따라 일정간격으로 두고 다단 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 단절관의 외면에는 공기와의 접촉면적이 증대되도록 방열핀이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 열전달부재는 내면이 상기 폐열과 직접 접촉되도록 상기 열교환관에 관통되게 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 열전달부재의 내면은 상기 폐열과의 접촉면적이 증대되도록 다면 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 열전모듈이 외부에 노출되지 않게 외부와 단절되고 내부에 공기가 채워지는 단절공간의 내부에 위치하도록 구성됨에 따라 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차를 위해 열전모듈의 저온부가 냉각될 때 공기와 접촉되는 방열부재에 의해 간접적으로 냉각됨에 따라 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 발생하게 됨으로써 열전발전 성능이 향상되면서 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 측면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치에서 단절관이 다단으로 구성된 형태를 도시한 측면도.

본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 자동차의 배기관, 보일러의 튜브, 전기로의 배관, 소각로, 원자로 등과 같이 폐열이 배출되는 곳에 설치되어 열전모듈의 제배크 효과를 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차를 급격하게 발생하도록 하여 열전발전 성능을 향상시킨 것이 특징이다.

이러한 특징은 열전모듈이 외부의 공기와 직접적으로 접촉되지 않도록 외부와 단절시킨 구조에 의해 달성된다.

즉, 열교환관과, 열교환관의 외측에 설치되는 복수 개의 열전달부재와, 열전달부재의 외면에 각각 설치되는 열전모듈과, 열전모듈의 외면에 각각 설치되는 방열부재와, 방열부재를 따라 열교환관과 소정거리를 두고 환설되어 열전모듈을 외부와 단절시키는 단절공간을 형성시키는 단절관을 포함하는 구조에 의한 것이다.

따라서 열전모듈의 내면인 고온부는 열교환관과 열전달부재에 의해 폐열이 전달되면서 온도가 상승하게 되고 열전모듈의 외면인 저온부는 방열부재에 의해 외부의 공기와 간접적으로 접촉되면서 온도가 하강하게 되어 열전발전이 이루어지게 된다.

이때 열전모듈은 단절관에 의해 외부와 단절됨에 따라 외부의 공기와 직접적으로 접촉되지 않게 됨으로써 열전모듈의 저온부가 냉각될 때 방열부재와 접촉되는 공기에 의해 간접적으로 냉각됨으로써 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 나타나면서 열전발전 성능이 크게 향상되게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치(100)는, 도 1 및 2와 같이 열교환관(110)과 열전달부재(120)과 열전모듈(130)과 방열부재(140) 및 단절관(150)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 상기 열교환관(110)은 내부를 따라 통과하는 폐열을 열전달부재(120)로 전달하는 구성이다.

이를 위해 열교환관(110)은 길이방향을 따라 폐열이 통과하는 통로가 형성된 형태로 구성될 수 있다. 그리고 열교환관(110)은 도 1과 같이 원통관 형태로 구성되거나 도시하지 않았지만 각관 형태로 구성될 수 있다.

이때 열교환관(110)은 폐열이 전도방식을 통해 열전달부재(120)에 효과적으로 전달될 수 있도록 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등과 같이 열전도도가 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 열전달부재(120)는 열교환관(110)으로부터 전달받은 폐열을 열전모듈(130)의 내면으로 전달하는 구성이다.

이를 위해 열전달부재(120)는 도 1과 같이 열교환관(110)의 외측에 복수 개가 전후좌우 일정간격으로 설치되는 형태로 구성될 수 있다.

한편, 열전달부재(120)는 도 2와 같이 내면이 폐열과 직접 접촉될 수 있도록 열교환관(110)에 관통되게 설치될 수도 있다. 이때는 열전달부재(120)의 내면이 폐열과의 접촉면적이 증대되도록 도 1과 같이 다이아몬드 형상과 같이 복수 개의 평면을 가지는 다면 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

이때 열전달부재(120)는 폐열이 전도방식을 통해 열전모듈(130)의 고온부에 효과적으로 전달될 수 있도록 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등과 같이 열전도도가 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 열전모듈(130)은 열전달부재(120)에 의해 전달되는 폐열에 의해 고온부와 저온부 간의 온도차가 발생하면서 전기에너지를 발생시키는 구성이다.

이를 위해 열전모듈(130)은 도 2와 같이 열전달부재(120)의 외면에 각각 설치되는 형태로 구성될 수 있다. 단, 열전모듈(130)의 고온부가 설치위치상 내면이 되도록 열전달부재(120)의 외면에 밀착되게 설치되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 방열부재(140)는 열전모듈(130)의 저온부를 공기와의 접촉을 통한 공랭식으로 냉각시키는 구성이다.

이를 위해 방열부재(140)는 도 2와 같이 설치위치상 외면이 되는 열전모듈(130)의 저온부에 각각 밀착되게 설치되는 형태로 구성될 수 있다.

이때 방열부재(140)는 폐열이 전도방식을 통해 열전모듈(130)에 효과적으로 전달될 수 있도록 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등과 같이 열전도도가 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 단절관(150)은 열전모듈(130)의 저온부가 냉각될 때 공기와 직접적으로 접촉되지 않고 방열부재(140)에 의해 간접적으로 냉각되도록 하는 구성이다.

즉, 단절관(150)은 열전모듈(130)을 외부와 단절시켜 열전모듈(130)이 공기와 직접적으로 접촉되는 것을 막아 열전모듈(130)의 고온부와 저온부가 각각 열전달부재(120)와 방열부재(140)에 의해 가열되고 냉각될 때 발생하는 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 나타나도록 하는 것이다.

이를 위해 단절관(150)은 도 2와 같이 열전모듈(130)의 사이사이에 각각 공기가 채워지면서 열전모듈(130)을 외부와 단절시키는 단절공간(151)이 형성되도록 열교환관(110)과는 소정거리를 두고 방열부재(140)를 따라 환설되는 형태로 구성될 수 있다.

이때 단절관(150)은 방열부재(140)의 외면이 외부로 노출되어 공기와 직접 접촉될 수 있도록 도 2와 같이 방열부재(140)가 관통되는 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 단절관(150)은 단절공간(151)이 일정한 높이로 형성될 수 있도록 열교환관(110)과 대응되는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 단절관(150)은 방열부재(140)의 높이에 따라 단절공간(151)이 복층으로 형성될 수 있도록 도 3과 같이 방열부재(140)를 따라 적어도 두 개 이상이 내외측으로 일정간격을 두고 다단 형태로 설치되는 형태도 가능하다.

여기서 단절관(150)은 방열부재(140)에 밀착된 상태로 설치되고 외부에 노출된 상태이므로 방열부재(140)와 함께 열전모듈(130)의 저온부를 냉각시키는 방열수단으로도 작용한다.

이러한 단절관(150)의 방열수단으로서의 기능을 높이기 위하여 공기와의 접촉면적이 증대될 수 있도록 단절관(150)의 외면에는 도 3과 같이 방열핀(160)이 더 설치될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 열전모듈이 공기와 직접 접촉되지 않도록 외부와 단절시켜 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 급격하게 발생하도록 함으로써 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 열전발전 장치
110: 열교환관
120: 열전달부재
130: 열전모듈
140: 방열부재
150: 단절관
151: 단절공간
160: 방열핀

Claims (5)

1. 폐열이 내부를 따라 통과하는 열교환관;
   상기 열교환관의 외면에 설치되는 복수 개의 열전달부재;
   상기 열전달부재의 외면에 각각 고온부가 접촉되게 설치되어 상기 폐열이 상기 고온부로 전달되는 열전모듈;
   상기 열전모듈의 저온부에 각각 설치되어 공기와의 접촉을 통해 상기 열전모듈의 저온부를 냉각시키는 방열부재; 및
   상기 열교환관과는 소정거리를 두고 상기 방열부재를 따라 환설되어 상기 방열부재의 사이사이에 각각 공기가 내부에 채워지고 상기 열전모듈을 외부와 격리하는 단절공간을 형성시켜 상기 열전모듈이 외부의 공기와의 직접적인 접촉을 막아 상기 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 확보되게 하는 단절관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단절관은
   상기 방열부재의 높이에 따라 상기 단절공간이 복층으로 형성되도록 복수 개가 상기 방열부재를 따라 일정간격으로 두고 다단 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단절관의 외면에는
   공기와의 접촉면적이 증대되도록 방열핀이 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전달부재는
   내면이 상기 폐열과 직접 접촉되도록 상기 열교환관에 관통되게 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 열전달부재의 내면은
   상기 폐열과의 접촉면적이 증대되도록 다면 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.

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