KR102435742B1 - 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열체의 일면에 배치되고 내부로 냉각수가 관통하는 냉각체, 상기 발열체와 상기 냉각체 사이에 배치되고, 상기 발열체와 상기 냉각체 간의 온도차에 대응하는 전류를 발생시키는 열전소자, 냉각수를 저장하는 워터탱크, 상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 워터탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각체에 공급되게 순환시키는 워터펌프, 상기 냉각체를 관통한 냉각수의 온도를 냉각시키는 방열라디에이터, 그리고 상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 방열라디에이터를 동작시키는 방열팬 모터를 포함하는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에 관한 것이다.

Description

열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템{energy harvesting cooling system using self-generated power of thermoelement}

본 발명은 열전 소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에 관한 것이다.

열전소자는 2가지 기능을 갖는다. 하나는, 직류전원을 통하게 하면 한 쪽 방향으로 열을 전달시켜 양쪽에 온도 차이를 발생시켜 한 쪽은 차갑게, 다른 한 쪽은 뜨겁게 하는 기능을 한다. 또 다른 하나는 양 쪽에 온도 차이를 나게 하면 자체에 전류가 발생, 발전 기능을 한다.

기존에는 열전소자에 전류를 흐르게 하여 발생하는 양면의 온도 차이를 이용한 냉각(쿨링)과 온열(워밍) 기능만을 활용하였다. 이러한 외부의 온도 차이를 이용한 발전은, 저전류 및 저전압으로 기능하는 LED등의 조명, 발전소 등에서 방류되는 뜨거운 냉각수를 이용한 보조 발전기 등에 사용되었다.

그러나 열전소자의 두 가지 기능, 즉 냉각기능과 발전기능을 사용하여 외부 에너지 공급 없이 냉각이 필요한 발열하는 물체(변압기나 전기 전자 제품 또는 부품)등을 쿨링할 수 있는 시스템이 필요하다.

본 발명은 발열체에 대한 쿨링시에 열전소자의 자가발전전력을 이용하여 자체 구동하는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 발열체의 과열에 의한 발생되는 문제를 방지할 수 있는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 제공하는 것이다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 일 실시 예에 따르면, 본 발명은 발열체의 일면에 배치되고 내부로 냉각수가 관통하는 냉각체; 상기 발열체와 상기 냉각체 사이에 배치되고, 상기 발열체와 상기 냉각체 간의 온도차에 대응하는 전류를 발생시키는 열전소자; 냉각수를 저장하는 워터탱크; 상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 워터탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각체에 공급되게 순환시키는 워터펌프; 상기 냉각체를 관통한 냉각수의 온도를 냉각시키는 방열라디에이터; 상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 방열라디에이터를 동작시키는 방열팬 모터; 비상전원을 제공하는 비상전원장치; 상기 열전소자에서 발생된 전류를 입력받아 상기 워터탱크와 상기 워터펌프에 선택적으로 제공하고, 상기 발열체의 온도가 설정된 운용온도 이상이면 상기 비상전원을 상기 열전소자에 제공하여 상기 열전소자를 냉각시키는 전원조절장치; 및 상기 냉각체에 상단에 가압하여 고정되어 상기 냉각체를 상기 열전소자와 체결시키기 위한 냉각체 고정판;을 포함하며, 상기 전원조절장치는, 발열체에 설치되거나 상기 발열체 부근에 설치되어 상기 발열체의 발열 온도를 센싱하고, 상기 센싱한 정보를 제어부에 제공하기 위한 온도센서; 상기 온도센서가 제공한 정보에 기초하여, 상기 발열체의 온도를 파악하고, 상기 파악된 발열체의 온도를 설정된 운용온도와 비교하여 상기 파악된 발열체의 온도의 이상 유무를 판단하는 제어부; 및 상기 열전소자, 냉각펌프, 방열팬 모터 및 비상전원장치와 연결되어 있고, 내부에 절환 스위치가 구비되어 입력되는 전원에 대한 출력 방향을 조절하는 절환부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 발열체의 온도가 상기 설정된 운용온도 이상이라고 판단하는 경우에는, 상기 비상전원장치를 작동시켜서, 상기 비상전원장치의 비상전원이 상기 절환부를 통해 상기 열전소자에 공급되게 하며, 상기 열전소자에서 공급되는 전원을 차단하고 상기 비상전원이 상기 열전소자에 공급되는 경우에는, 상기 절환부의 동작을 제어하여 상기 열전소자에서 상기 절환부를 통해 상기 냉각펌프 및 방열팬 모터로 공급되는 전원을 차단하며, 상기 비상전원장치의 비상전원만이 상기 절환부를 통해 상기 열전소자에 공급되게 하는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 제공한다.

삭제

본 발명의 실시 예에 따른 쿨링 시스템은 상기 발열체와 상기 열전소자 사이에 배치되어 상기 열전소자를 보호하면서 상기 발열체의 열을 고르게 전달하는 열전달판을 더 포함할 수 있다.

상기 열전소자는 복수개로 구성되고, 상기 냉각체는 상기 열전소자와 동일한 개수로 구성되며, 하나의 냉각체가 하나의 열전소자에 배치될 수 있다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 열전소자의 두 가지 기능, 즉 냉각기능과 발전기능을 사용하여 외부 에너지 공급 없이 냉각이 필요한 발열하는 물체 즉, 발열체를 쿨링할 수 있다. 또한, 추가적으로 비상전원을 구비함으로써 발열체의 비이상적인 발열 시 열전소자에 전원을 인가하여 쿨링 능력을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쿨링 시스템에서 전원조절장치의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 실제 구현한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에서 열전소자와 주변 구성을 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에서 열전소자와 주변 구성의 분해 사시도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 설명한다. 그리고 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 '쿨링 시스템'으로 약칭한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 화살표 a로 표기된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 발열체(10)의 표면에 접촉된 열전소자(20)와, 열전소자(20)의 표면에 접촉된 냉각체(30)를 포함한다. 상기에서 발열치(10)는 변압기나 전기 전자 제품 또는 부품 등 일 수 있다.

상기와 같이 발열체(10)와 열전소자(20) 및 냉각체(30)가 구성되면, 발열체(10)에서 열이 열전소자(20)를 통해 냉각체(30)에 전달되어 냉각되고, 열전소자(20)에서는 발전 원리에 따라 발열체(10)와 냉각체(30) 간의 온도 차이에 비례하는 DC 전류가 발생하게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 냉각체(30) 내부로 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(40)와 워터펌프(60)를 가지며, 냉각체(30)를 통과하여 온도가 상승된 냉각수를 식히기 위한 방열라디에이터(70)와 방열팬 모터(80)를 가진다.

워터탱크(40)는 냉각수를 저장하는 용기이고, 워터펌프(50)는 워터탱크에 저장된 냉각수를 압력에 의해 외부로 순환하게 하는 기계장치이다. 그리고, 방열라디에이터(70)는 유입되는 냉각수를 방열하여 냉각수의 온도를 낮추는 장치이고, 방열팬 모터(80)는 방열라디에이터(70)의 방열 동작하게 하는 모터이다.

워터펌프(60)와 방열팬 모터(80)는 동작을 위하여 전원을 필요로 하는데, 열전소자(20)에서 발생된 DC 전류를 전원으로 하여 동작한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 열전소자(20)에 의해 DC 전류가 생성되면, 워터펌프(60)와 방열팬 모터(80)가 동작하고, 그에 따라 워터탱크(50)에 보관중인 냉각수가 냉각체(30) 내부로 유입되어 냉각체(30)를 일정 온도로 유지시킨다.

그리고 냉각체(30) 내부를 순환하고 배출된 냉각수는 발열체(10)의 열에 의해 온도가 상승한 상태로 방열라디에이터(70)에 유입되고 방열라이에이터(70)의 방열 동작에 따라 온도가 상승된 냉각수가 정상 온도로 냉각되어 다시 워터탱크(50)에 유입된다.

이러한 냉각수의 순환에 따라서, 발열체(10)가 일정한 온도 범위를 가지는 경우에는 냉각체(30)와 발열체(10) 간의 온도 차이가 설정범위 온도를 유지하게 되어 열전소자(20)에서 발생되는 전류가 설정 범위 내로 안정적으로 공급된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 쿨링 시스템(100)은 도 1에서 b로 표기된 바와 같이, 발열체(10)의 표면에 접촉된 열전달판(40), 열전달판(40)의 표면에 접촉된 열전소자(20)와, 열전소자(20)의 표면에 접촉된 냉각체(30)로 구성될 수 있다.

여기서, 열전달판(40)은 열전소자(20)가 발열체(10)의 표면에 바로 접촉하여 부착하는 경우에 열전소자(20)가 쉽게 파손되거나 수명이 떨어질 수 있으므로, 이를 보호하면서 발열체(10)의 열이 고르게 확산 전달할 수 있게 한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템의 구성도이다.

도 2를 참고하면 본 발명의 제2 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 구성에 더하여 전원조절장치(100)와 비상전원장치(200)를 더 포함하여 구성된다.

전원조절장치(100)와 비상전원장치(200)는 발열체(10)의 온도가 고온 즉, 설정된 운용온도 이상으로 상승하는 경우를 대비하기 위한 것이다.

발열체(10)의 온도가 운용온도 이상으로 고온이 되면 주변 부품이나 전선 등을 파손시킬 우려가 발생하게 되고, 냉각체(30)와 발열체(30) 간의 차이 온도가 커져서 열전소자(20)에서 발생되는 DC 전류가 안정적이지 않게 된다.

이에 따라, 발열체(10)의 온도가 운용온도 이상으로 고온이 되면 전원조절장치(100)는 비상전원장치(200)의 전원을 열전소자(20)에 공급하여 열전소자(20)를 냉각시켜 열전소자(20)가 쿨링 기능을 수행하게 함으로써, 더 많은 발열체(10)의 열을 흡수 방출하게 한다.

전원조절장치(100)는 열전소자(20)에서 발생되는 전원을 워터펌프(60) 및 방열팬 모터(80)에 공급하는 상태에서 비상전원장치(200)의 비상전원을 열전소자(20)로 공급하도록 하거나, 열전소자(20)에서 발생되는 전원이 워터펌프(60) 및 방열팬 모터(80)에 공급되지 않게 차단한 상태에서 비상전원장치(200)의 비상전원을 열전소자(20)로 공급하도록 할 수 있다.

이러한 전원조절장치(100)의 동작을 위하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 열전소자(20)에서 발생되는 전원이 전원조절장치(10)에 제공되도록 하고, 전원조절장치(10)의 제어에 따라 열전소자(20)의 전원이 워터펌프(60)와 방열팬 모터(80)에 공급 또는 차단되도록 구성되어 진다.

그리고 전원조절장치(100)는 열전소자(20)에서 발생된 전류를 입력받아 워터탱크(60)와 워터펌프(80)에 선택적으로 제공하도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쿨링 시스템에서 전원조절장치의 블록 구성도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전원조절장치(100)는 온도센서(110), 제어부(120), 절환부(130)를 포함한다.

온도센서(110)는 발열체(110)에 설치되거나 발열체(10) 부근에 설치되어 발열체(10)의 발열 온도를 센싱하고, 센싱한 정보를 제어부(120)에 제공하며, 제어부(120)는 센싱한 온도 정보를 통해 발열체(10)의 온도를 파악한다. 한편 온도센서(110) 대신에 온도측정기를 사용할 수 있다. 이 경우에 온도측정기는 발열체(10)의 온도를 측정하여 제어부(120)에 알린다.

제어부(120)는 발열체(10)의 온도를 파악하면 설정된 운용온도와 비교하여 운용온도 이상인지를 판단하며, 발열체(10)의 온도가 운용온도 이상이라고 판단하면 비상전원장치(200)를 동작시켜 비상전원장치(200)의 비상전원이 절환부(130)를 통해 열전소자(20)에 공급되게 한다.

열전소자(20)에서 공급되는 전원을 차단하고 비상전원이 열전소자(20)에 공급되게 하는 경우에, 제어부(120)는 절환부(130)의 동작을 제어하여 열전소자(20)에서 절환부(130)를 통해 냉각펌프(60) 및 방열팬 모터(80)에 공급되는 전원을 차단하고, 비상전원장치(200)에서 절환부(130)를 통해 열전소자(20)로 공급되는 비상전원만 공급되게 한다.

절환부(130)는 열전소자(20), 냉각펌프(60), 방열팬 모터(80) 및 비상전원장치(200)와 전선으로 연결되어 있고, 내부에 절환 스위치가 구비되어 입력되는 전원에 대한 출력 방향을 조절할 수 있게 구성되어 있다. 절환부(130)의 절환 스위치에 대한 동작은 제어부(120)의 제어에 따라 이루어진다.

이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조로 하여 실제 구현된 쿨링 시스템(100)을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템을 실제 구현한 도면으로, 전원조절장치(100)와 비상전원장치(200) 및 열전달판(40)이 구비된 본 발명의 제2 실시 예에 대한 것이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에서 열전소자와 주변 구성을 보인 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템에서 열전소자와 주변 구성의 분해 사시도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 쿨링 시스템(100)은 발열체(10) 상에 설치되는 하나의 열전달판(40)을 구비하고, 열전달판(40) 상에 복수개가 설치된 열전소자(20)를 가진다. 물론 열전달판(40)은 열전소자(20)에 대응하여 복수개로 구성될 수 있다.

복수의 열전소자(20) 각각은 출력 및 입력 전선을 구비하고 입력 및 출력 전선은 전원조절장치(100)의 절환부(130)에 연결되고, 열전소자(20)의 출력 전선은 냉각펌프(60)와 방열팬 모터(80)의 전원부(미도시)에 연결된다. 그리고 열전소자의 입력 전선은 절환부(130)를 통해 비상전원장치(200)와 연결된다.

냉각체(30)는 설치된 열전소자(20)의 개수와 동일한 개수로 구성되고, 하나의 냉각체(30)는 하나의 열전소자(20) 상에 설치된다. 이때 냉각체(30)는 열전소자(20)와 볼트 체결이나 나사 체결 등으로 체결될 수 있으나, 볼트 또는 나사 체결시에 열전소자(20)가 파손될 수 있으므로 열전소자(20)를 감싸듯이 체결된다. 그리고 냉각체(30)가 열전소자(20)와 안정적으로 체결될 수 있도록 냉각체 고정판(31)이 냉각체(30) 상단에서 가압하여 고정된다. 냉각체(30)는 내부에 냉각수가 전체 면적에 고르게 순환할 수 있는 순환로(미도시)를 구비하고 있다.

워터탱크(50)의 냉각수는 냉각수 유통관을 통해 순환된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 발열체의 일면에 배치되고 내부로 냉각수가 관통하는 냉각체;
   상기 발열체와 상기 냉각체 사이에 배치되고, 상기 발열체와 상기 냉각체 간의 온도차에 대응하는 전류를 발생시키는 열전소자;
   냉각수를 저장하는 워터탱크;
   상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 워터탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각체에 공급되게 순환시키는 워터펌프;
   상기 냉각체를 관통한 냉각수의 온도를 냉각시키는 방열라디에이터;
   상기 열전소자로부터 제공되는 전류에 의해 동작하여 상기 방열라디에이터를 동작시키는 방열팬 모터;
   비상전원을 제공하는 비상전원장치;
   상기 열전소자에서 발생된 전류를 입력받아 상기 워터탱크와 상기 워터펌프에 선택적으로 제공하고, 상기 발열체의 온도가 설정된 운용온도 이상이면 상기 비상전원을 상기 열전소자에 제공하여 상기 열전소자를 냉각시키는 전원조절장치; 및
   상기 냉각체에 상단에 가압하여 고정되어 상기 냉각체를 상기 열전소자와 체결시키기 위한 냉각체 고정판;을 포함하며,
   상기 전원조절장치는,
   발열체에 설치되거나 상기 발열체 부근에 설치되어 상기 발열체의 발열 온도를 센싱하고, 상기 센싱한 정보를 제어부에 제공하기 위한 온도센서;
   상기 온도센서가 제공한 정보에 기초하여, 상기 발열체의 온도를 파악하고, 상기 파악된 발열체의 온도를 설정된 운용온도와 비교하여 상기 파악된 발열체의 온도의 이상 유무를 판단하는 제어부; 및
   상기 열전소자, 냉각펌프, 방열팬 모터 및 비상전원장치와 연결되어 있고, 내부에 절환 스위치가 구비되어 입력되는 전원에 대한 출력 방향을 조절하는 절환부를 포함하며,
   상기 제어부는,
   상기 발열체의 온도가 상기 설정된 운용온도 이상이라고 판단하는 경우에는, 상기 비상전원장치를 작동시켜서, 상기 비상전원장치의 비상전원이 상기 절환부를 통해 상기 열전소자에 공급되게 하며,
   상기 열전소자에서 공급되는 전원을 차단하고 상기 비상전원이 상기 열전소자에 공급되는 경우에는, 상기 절환부의 동작을 제어하여 상기 열전소자에서 상기 절환부를 통해 상기 냉각펌프 및 방열팬 모터로 공급되는 전원을 차단하며, 상기 비상전원장치의 비상전원만이 상기 절환부를 통해 상기 열전소자에 공급되게 하는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 발열체와 상기 열전소자 사이에 배치되어 상기 열전소자를 보호하면서 상기 발열체의 열을 고르게 전달하는 열전달판을 더 포함하는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 열전소자는 복수개로 구성되고, 상기 냉각체는 상기 열전소자와 동일한 개수로 구성되며, 하나의 냉각체가 하나의 열전소자에 배치되는 열전소자의 자가발전전력을 사용한 에너지하베스팅 쿨링 시스템.
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