KR102467520B1 - 열전 발전 장치 - Google Patents

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KR102467520B1
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thermoelectric element
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강현욱
강동희
김나경
정량준
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전남대학교산학협력단
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices

Abstract

열전 발전 장치는 고온부, 상기 고온부 상에 위치하는 열전 소자, 및 상기 열전 소자 상에 위치하며, 상기 고온부로부터 상기 열전 소자를 거쳐 전달된 열에 의해 수막(water film)이 증발되는 증발부를 포함한다.

Description

열전 발전 장치{THERMOELECTRIC GENERATOR}
본 기재는 열전 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열전 발전 장치는 제베크 효과(seebeck effect)를 이용한 열전 소자를 통해 발전하는 장치이다.
종래의 열전 발전 장치는 순차적으로 적층된 고온부, 열전 소자, 방열핀들을 포함하는 저온부를 포함한다.
종래의 방열핀들을 포함하는 저온부는 방열핀들로 열을 전도시키고 자연대류 또는 강제대류를 통해 저온부의 온도를 일정하게 유지시켰다.
그런데, 종래의 방열핀들을 포함하는 저온부는 방열핀들 특성상 복잡한 형상으로 제작하기 어려우며 알루미늄을 포함하여 제작 비용이 높은 동시에, 방열핀들이 일정한 높이와 피치(pitch)가 확보되어야 최적의 냉각 효율을 낼 수 있기 때문에 방열핀들이 차지하는 공간이 비효율적으로 증가한다.
일 실시예는, 저온부의 부피가 최소화되고 열전 소자의 발전 효율이 최대화되는 동시에 제조 비용이 절감된 열전 발전 장치를 제공하고자 한다.
일 측면은 고온부, 상기 고온부 상에 위치하는 열전 소자, 및 상기 열전 소자 상에 위치하며, 상기 고온부로부터 상기 열전 소자를 거쳐 전달된 열에 의해 수막(water film)이 증발되는 증발부를 포함하며, 상기 증발부는, 상기 수막이 바닥에 형성되며, 상기 열에 의해 상기 수막이 증발되는 증발 폰드, 및 상기 증발 폰드로 상기 수막을 형성하는 유체를 공급하며, 상기 수막을 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 설정된 높이 이하로 유지시키는 유체 공급부를 포함하는 열전 발전 장치를 제공한다.
상기 증발 폰드의 상측은 오픈(open)될 수 있다.
상기 유체 공급부는 베르누이 방정식을 이용하여 상기 수막을 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 설정된 높이 이하로 유지시킬 수 있다.
상기 유체 공급부는, 내부에 제1 높이를 가지는 상기 유체를 저장하며, 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 제2 높이를 가지고 이격된 밀폐 구조를 가지는 저장조, 및 상기 저장조로부터 상기 증발 폰드의 바닥으로 연장되며, 상기 유체가 배출되는 단부가 상기 증발 폰드의 바닥과 이웃하는 마이크로 튜브를 포함하며, 상기 마이크로 튜브는 상기 단부와 이격되어 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 상기 설정된 높이를 가지는 에어 홀(air hole)을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 튜브는, 상기 저장조와 연결된 줄기 튜브, 및 상기 줄기 튜브로부터 상기 증발 폰드의 테두리로 분기된 4개의 가지 튜브들을 더 포함하며, 상기 에어 홀은 상기 4개의 가지 튜브들 각각에 형성될 수 있다.
상기 수막의 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 상기 설정된 높이는 1mm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 저온부의 부피가 최소화되고 열전 소자의 발전 효율이 최대화되는 동시에 제조 비용이 절감된 열전 발전 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 증발부의 증발 폰드를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 증발부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제1 실험을 나타낸 도면들이다.
도 5는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제2 실험을 나타낸 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 열전 발전 장치를 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 열전 발전 장치는 고온부(100), 열전 소자(200), 저온부인 증발부(300)를 포함한다.
고온부(100)는 열전 소자(200)의 배면에 위치하며, 열전 소자(200)로 열을 가한다. 고온부(100)는 열전 소자(200)로 열을 가하는 공지된 다양한 형태를 가질 수 있다. 고온부(100)는 열전 소자(200)의 배면을 가열하는 가열부의 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 산업 현장에서 대기로 버려지는 폐열을 발생하는 형태를 가질 수 있다.
열전 소자(200)는 고온부(100) 상에 위치한다. 열전 소자(200)는 고온부(100)로부터 발생된 열을 흡수한 고온측인 배면과 증발부(300)와 접촉하는 저온측인 전면 사이의 온도차를 이용하여 전기를 생산한다. 열전 소자(200)는 도 1에 도시된 형태에 한정되지 않으며, 제베크 효과(seebeck effect)를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 공지된 다양한 형태의 열전 소자(thermoelectric element)를 포함한다.
증발부(300)는 열전 소자(200) 상에 위치하며, 열전 소자(200)의 저온측인 전면과 접촉하여 열전 소자(200)의 저온측을 냉각한다. 증발부(300)의 바닥(311)에는 설정된 높이 이하를 가지는 수막(water film)(WF)이 형성되어 있으며, 수막(WF)은 고온부(100)로부터 열전 소자(200)를 거쳐 전달된 열에 의해 증발된다. 수막(WF)이 증발부(300)에서 증발됨으로써, 수막(WF)의 증발 냉각 효과에 의해 열전 소자(200)의 저온측인 전면이 냉각된다. 증발부(300)의 바닥(311)에 형성된 수막(WF)은 고온부(100)로부터 열전 소자(200)를 거쳐 전달된 열에 의해 증발되더라도 증발부(300)의 바닥(311)으로부터 설정된 높이 이하로 유지된다. 여기서, 수막(WF)의 설정된 높이는 1mm일 수 있다. 수막(WF)의 높이가 1mm 초과일 경우, 고온부(100)로부터 열전 소자(200)를 거쳐 전달된 열에 의해 수막(WF)이 바로 증발되지 않고 소정의 시간이 지난 후 증발되어 증발부(300)에 의한 증발 냉각 효과가 저하될 수 있다.
증발부(300)는 수막(WF)이 바닥에 형성되는 증발 폰드(310) 및 증발 폰드(310)로 수막(WF)을 형성하는 유체(FU)를 공급하여 수막(WF)을 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 설정된 높이 이하로 유지시키는 유체 공급부(320)를 포함한다. 여기서, 유체(FU)는 물(water)일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 액체일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 증발부의 증발 폰드를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 증발부(300)의 증발 폰드(310)는 수막(WF)이 바닥(311)에 형성되며, 고온부(100)로부터 열전 소자(200)를 거쳐 전달된 열에 의해 수막(WF)이 증발된다. 증발 폰드(310)는 구리판(312), 절연탑(313), 고정판(314)을 포함한다. 구리판(312)은 증발 폰드(310)의 바닥(311)을 형성하며, 절연탑(313)은 증발 폰드(310)의 테두리를 형성하며, 고정판(314)은 구리판(312)과 절연탑(313) 사이의 결합 및 증발 폰드(310)와 열전 소자(200) 사이의 결합을 수행할 수 있다. 증발 폰드(310)는 사각 기둥 형태이나, 이에 한정되지 않고 증발 폰드(310)의 바닥(311)에 수막(WF)을 형성할 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있다.
증발 폰드(310)의 상측은 오픈(open)되어 있으며, 이로 인해 증발 폰드(310)의 바닥(311)에 형성된 수막(WF)이 용이하게 증발되어 증발부(300)에 의한 증발 냉각 효과가 향상된다.
도 3은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 증발부를 나타낸 사시도이다. 도 3의 (A)는 증발 폰드 및 유체 공급부를 나타낸 사시도이며, 도 3의 (B)는 증발 폰드의 일부 및 유체 공급부의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 3의 (A) 및 (B)를 참조하면, 증발부(300)의 유체 공급부(320)는 증발 폰드(310)로 수막(WF)을 형성하는 유체(FU)를 공급하며, 수막(WF)을 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 설정된 높이인 제3 높이(h3) 이하로 유지시킨다. 여기서, 제3 높이(h3)는 1mm일 수 있다.
유체 공급부(320)는 저장조(321) 및 마이크로 튜브(322)를 포함한다.
저장조(321)는 내부에 제1 높이(h1)를 가지는 유체(FU)를 저장한다. 저장조(321)는 증발 폰드(310)의 바닥으로부터 제2 높이(h2)를 가지고 이격된 밀폐 구조를 가진다. 저장조(321)에 저장된 유체(FU)는 마이크로 튜브(322)를 통해 보충될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
마이크로 튜브(322)는 저장조(321)로부터 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로 연장된다. 마이크로 튜브(322)는 유체(FU)가 배출되는 단부가 증발 폰드(310)의 바닥(311)과 이웃하여 소정 간격 이격되어 있다. 마이크로 튜브(322)의 단부를 통해 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로 유체(FU)가 배출되어 증발 폰드(310)의 바닥(311)에 수막(WF)이 형성된다.
마이크로 튜브(322)는 줄기 튜브(322a), 4개의 가지 튜브(322b)들, 에어 홀(air hole)(322c)을 포함한다.
줄기 튜브(322a)는 저장조(321)와 연결되어 저장조(321)와 가지 튜브(322b)들 사이를 연결한다.
가지 튜브(322b)들은 4개이며, 4개의 가지 튜브(322b)들은 줄기 튜브(322a)들로부터 증발 폰드(310)의 바닥(311)의 테두리로 분기되어 있다. 유체(FU)가 배출되는 가지 튜브(322b)들 각각의 단부와 이웃하여 에어 홀(322c)이 형성된다.
에어 홀(322c)은 4개의 가지 튜브(322b)들 각각에 형성되어 가지 튜브(322b)들의 단부와 이격되어 증발 폰드(310)의 바닥으로부터 설정된 높이인 제3 높이(h3)를 가진다.
유체 공급부(320)는 베르누이 방정식을 이용하여 수막(WF)을 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 설정된 높이인 제3 높이(h3) 이하로 유지시킨다.
일례로, 유체 공급부(320)는 아래의 수학식을 이용해 수막(WF)을 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 설정된 높이인 제3 높이(h3) 이하로 유지시킨다.
[수학식]
Figure 112021023179346-pat00001
수학식에서, P0는 밀폐 구조의 저장조(321)의 내부 압력이며, ρ는 유체(FU)의 밀도이며, g는 중력이며, h1은 저장조(321) 내부에 저장된 유체(FU)의 제1 높이이며, h2는 증발 폰드(310)의 바닥으로부터 이격된 저장조(321)의 제2 높이이며, Patm은 대기압이며, h3는 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 이격된 에어 홀(322c)의 설정된 높이인 제3 높이이다.
한편, 마이크로 튜브(322)는 1mm의 내경을 가질 수 있으며, 마이크로 튜브(322)의 단부는 증발 폰드(310)의 바닥(311)으로부터 0.1mm 이하의 높이로 이격될 수 있으며, 에어 홀(322c)은 마이크로 튜브(322)의 단부로부터 0.6mm 이격되어 0.3mm의 직경을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
증발 폰드(310)의 바닥(311)에 형성된 수막(WF)이 설정된 높이인 제3 높이(h3) 이하로 유지되도록 마이크로 튜브(322)의 가지 튜브(322b)들을 통해 유체(FU)가 증발 폰드(310)로 공급된다. 그리고, 증발 폰드(310)의 바닥에 형성된 수막(WF)이 열에 의해 증발되어 수막(WF)의 수위가 낮아지면 에어 홀(322c)이 공기와 접촉하여 압력 균형이 깨지게 되며, 저장조(321)에 저장된 유체(FU)가 증발 폰드(310)로 공급되어 수막(WF)의 수위가 높아지면 에어 홀(322c)이 수막(WF)에 덮여 압력 균형이 유지된다. 이로 인해, 증발 폰드(310)의 바닥(311)에 형성된 수막(WF)이 고온부(100)로부터 열전 소자(200)를 거쳐 전달된 열에 의해 증발되더라도 설정된 높이인 제3 높이(h3) 이하로 유지된다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 열전 발전 장치는, 저온부인 증발부(300)가 수막(WF)이 증발되는 증발 폰드(310) 및 수막(WF)을 설정된 높이로 유지시키는 유체 공급부(320)를 포함함으로써, 증발부(300)의 증발 냉각을 이용해 열전 소자(200)의 냉각을 수행하기 때문에, 방열핀 대비 부피가 최소화되고 열전 소자(200)의 발전 효율을 최대화하는 동시에 제조 비용이 절감된다.
즉, 저온부의 부피가 최소화되고 열전 소자의 발전 효율이 최대화되는 동시에 제조 비용이 절감된 열전 발전 장치가 제공된다.
이하, 도 4를 참조하여 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제1 실험을 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제1 실험을 나타낸 도면들이다. 도 4의 a는 대비예2를 나타낸 단면도이며, b는 대비예1, 대비예2, 실험예 각각의 열전 소자의 고온측 온도(Hot side temperature, TH)에 따른 저온측 온도(TC) 및 온도 차이(DT)를 나타낸 그래프이며, c는 대비예1, 대비예2, 실험예 각각의 열전 소자의 고온측 온도(Hot side temperature, TH)에 따른 개로 전압(open circuit voltage)을 나타낸 그래프이며, d는 대비예1, 대비예2, 실험예 각각의 열전 소자의 고온측 온도가 100℃일 때 전류(current)에 따른 출력 전력(output power)을 나타낸 그래프이다.
도 4의 a를 참조하면, 대비예1은 고온부 및 열전 소자를 포함하는 열전 발전 장치이며, 대비예2는 고온부, 열전 소자, 방열핀을 포함하는 열전 발전 장치이며, 실험예는 고온부, 열전 소자, 증발부를 포함하는 열전 발전 장치이다.
도 4의 b를 참조하면, 대비예1(TC, Cu) 및 대비예2(TC, Cu, Heat Sink) 대비 실험예(TC, Cu, Water)의 열전 소자의 고온측 온도(Hot side temperature, TH)에 따른 저온측 온도(TC)가 낮으며, 대비예1(DTC, Cu) 및 대비예2(DTC, Cu, Heat Sink) 대비 실험예(DTC, Cu, Water)의 열전 소자의 고온측 온도(Hot side temperature, TH)에 따른 온도 차이(DT)가 큰 것을 확인하였다.
도 4의 c를 참조하면, 대비예1(Uopen, Cu) 및 대비예2(Uopen, Cu, Heat Sink) 대비 실험예(Uopen, Cu, Water)의 열전 소자의 고온측 온도(Hot side temperature, TH)에 따른 개로 전압(open circuit voltage)이 큰 것을 확인하였다.
도 4의 d를 참조하면, 대비예1(PCu) 및 대비예2(PCu, Heat Sink) 대비 실험예(PCu, Water)의 열전 소자의 고온측 온도가 100℃일 때 전류(current)에 따른 출력 전력(output power)이 큰 것을 확인하였다.
즉, 복잡한 형상으로 제작하기 어려우며 알루미늄을 포함하여 제작 비용이 높은 동시에 일정한 높이와 피치(pitch)가 확보되어야 최적의 냉각 효율을 낼 수 있는 방열핀 대비 저온부의 부피가 최소화되고 열전 소자의 발전 효율이 최대화되는 동시에 제조 비용이 절감된 열전 발전 장치가 제공된다.
이하, 도 5를 참조하여 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제2 실험을 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 효과를 확인한 제2 실험을 나타낸 도면들이다. 도 5의 a는 고온부, 열전 소자, 증발부를 포함하는 실험예의 열전 소자의 고온측 온도(TH)가 100℃이고 주변 상대 습도(ambient relative humidity, RH)가 15%일 때, 증발부의 증발 폰드에 적층된 서로 다른 수막의 두께(twater)에 따라 전류(current)에 따른 출력 전압(output voltage)를 나타낸 그래프이며, 도 5의 b는 고온부, 열전 소자, 증발부를 포함하는 실험예의 열전 소자의 고온측 온도(TH)가 100℃이고 주변 상대 습도(ambient relative humidity, RH)가 15%일 때, 증발부의 증발 폰드에 적층된 서로 다른 수막의 두께(twater)에 따라 전류(current)에 따른 출력 전력(output power)를 나타낸 그래프이다.
도 5의 a 및 b를 참조하면, 고온부, 열전 소자, 증발부를 포함하는 실험예의 열전 소자의 고온측 온도(TH)가 100℃이고 주변 상대 습도(ambient relative humidity, RH)가 15%일때, 실험예의 증발부의 증발 폰드에 적층된 수막의 두께(twater)가 1mm인 경우 열전 소자의 고온측 온도와 저온측 온도 사이의 온도 차이(DT)는 20.87℃이고, 수막의 두께(twater)가 5mm인 경우 열전 소자의 고온측 온도와 저온측 온도 사이의 온도 차이(DT)는 19.22℃이고, 수막의 두께(twater)가 9mm인 경우 열전 소자의 고온측 온도와 저온측 온도 사이의 온도 차이(DT)는 19.09℃임을 확인하였다.
실험예의 증발부의 증발 폰드에 적층된 수막의 두께(twater)가 1mm인 경우 수막의 두께가 5mm 및 9mm 인 경우 대비 열전 소자의 고온측과 저온측 사이의 온도 차이(DT)가 더 크고 전류(current)에 따른 출력 전압(output voltage) 및 출력 전력(output power)이 더 큰 것을 확인하였다.
이와 같이, 증발부의 증발 폰드에 형성된 수막의 높이가 1mm 초과일 경우 수막의 높이가 1mm 이하인 경우 대비 증발부에 의한 증발 냉각 효과가 저하됨을 확인하였다.
즉, 수막의 높이가 1mm 이하로 유지됨으로써, 열전 소자의 발전 효율이 최대화되는 열전 발전 장치가 제공된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
고온부(100), 열전 소자(200), 증발부(300), 증발 폰드(310), 유체 공급부(320)

Claims (6)

  1. 고온부;
    상기 고온부 상에 위치하는 열전 소자; 및
    상기 열전 소자 상에 위치하며, 상기 고온부로부터 상기 열전 소자를 거쳐 전달된 열에 의해 수막(water film)이 증발되는 증발부
    를 포함하며,
    상기 증발부는,
    상기 수막이 바닥에 형성되며, 상기 열에 의해 상기 수막이 증발되는 증발 폰드; 및
    상기 증발 폰드로 상기 수막을 형성하는 유체를 공급하며, 상기 수막을 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 설정된 높이 이하로 유지시키는 유체 공급부
    를 포함하며,
    상기 유체 공급부는,
    내부에 제1 높이를 가지는 상기 유체를 저장하며, 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 제2 높이를 가지고 이격된 밀폐 구조를 가지는 저장조; 및
    상기 저장조로부터 상기 증발 폰드의 바닥으로 연장되며, 상기 유체가 배출되는 단부가 상기 증발 폰드의 바닥과 이웃하는 마이크로 튜브
    를 포함하며,
    상기 마이크로 튜브는 상기 단부와 이격되어 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 설정된 높이를 가지는 에어 홀(air hole)을 포함하는 열전 발전 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 증발 폰드의 상측은 오픈(open)된 열전 발전 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 유체 공급부는 베르누이 방정식을 이용하여 상기 수막을 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 상기 설정된 높이 이하로 유지시키는 열전 발전 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 마이크로 튜브는,
    상기 저장조와 연결된 줄기 튜브; 및
    상기 줄기 튜브로부터 상기 증발 폰드의 테두리로 분기된 4개의 가지 튜브들
    을 더 포함하며,
    상기 에어 홀은 상기 4개의 가지 튜브들 각각에 형성된 열전 발전 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 수막의 상기 증발 폰드의 바닥으로부터 상기 설정된 높이는 1mm인 열전 발전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010112688A (ja) * 2008-11-06 2010-05-20 Yoshihiro Furubayashi 熱電変換発電の冷却装置
JP2014095506A (ja) * 2012-11-09 2014-05-22 Nagoya Univ 気化冷却装置

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