KR102559956B1 - 폐열을 이용한 열전발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐열을 이용한 열전발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐열을 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 발생하는 한편, 폐열에 의해 가열되는 저,고온판 중 저온판에 대한 냉각을 통해 고온판과의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판 사이에 배치되는 열전소자에서의 전기에너지 발생 효율이 향상되도록 하기 위한 폐열을 이용한 열전발전장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 폐열을 이용한 열전발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐열을 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 발생하는 한편, 폐열에 의해 가열되는 저,고온판 중 저온판에 대한 냉각을 통해 고온판과의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판 사이에 배치되는 열전소자에서의 전기에너지 발생 효율이 향상되도록 하기 위한 폐열을 이용한 열전발전장치에 관한 것이다.
열전발전(Thermoelectric generator: TEG) 기술이란 열전소자 양단에 온도 차를 이용하여 기전력을 얻는 기술을 말한다.
즉, 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술로서, 고온 부분과 저온 부분 사이의 온도차에 의해 발생하는 열이 이동하려는 에너지를 전기에너지로 변환하는 개념이다.
기존 열전발전 기술은 우주선이나 극지의 전원공급 등 특수 목적용으로 주로 이용 하였지만 상용 열전셀의 단가가 낮아짐에 따라 점차 소형 냉장고, 자동차 시트 냉각 등의 민간용으로도 활용되고 있다.
이러한 열전발전은 날씨나 일조량에 영향을 받는 태양전지에 비해 안정적인 열원을 확보할 수만 있다면 24시간 안정적으로 발전이 가능하다.
특히 고체 전자회로를 이용하는 것이므로 작동부분이 없어 구조가 간단하고, 이용할 수 있는 열원이 다양해 지구온난화와 고유가에 대한 대응으로서 새로운 대체에너지 기술로 각광받고 있다.
근래 들어서는 산업시설에서 방출되는 열기, 자동차의 배기가스열, 태양열 등을 열전발전의 발전원으로 사용하고 있다.
그러나, 산업시설이나 특수시설이 아닌 곳에서도 열전발전을 위한 고온의 열이 발생함에도 불구하고 이를 제대로 이용하고 있지 못하고 있다.
특히, 건축물 등의 난방을 위해 사용되는 보일러 등에서 배출되는 연소가스에는 상당량의 열을 가지지만 이를 열전발전에 제대로 이용하고 있지 못하는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 폐열을 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 발생하는 한편, 폐열에 의해 가열되는 저,고온판 중 저온판에 대한 냉각을 통해 고온판과의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판 사이에 배치되는 열전소자에서의 전기에너지 발생 효율이 향상되도록 하기 위한 폐열을 이용한 열전발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하부에 외부로부터 폐열이 유입되는 유입구(111)가 형성되고 상부에 유입되는 폐열이 배출되는 배출구(112)가 형성되는 케이싱(110); 케이싱(110)의 내부에 배치되는 복수의 냉각플레이트(120); 냉각플레이트(120)의 전,후면에 접하는 저온판(131)과, 저온판(131)과 전후 대향되며 케이싱(110)을 통과하는 폐열에 의해 가열되는 고온판(132)과, 저,고온판(131,132) 사이에 배치되어 폐열이 고온판(132)으로부터 일면으로 전달되면서 저온판(131)에 접한 타면과의 온도차에 의해 전기에너지를 발생시키는 다수의 열전소자(133) 및 고온판(132)에 부착되며 상하 방향으로 연장 형성되는 다수의 유로공간(134a)이 일측으로부터 타측 방향으로 지그재그 형태로 형성되면서 폐열과의 열접촉면적 증가를 통한 고온판(132)으로의 열전달이 원활하게 이루어지도록 하는 열전달판(134)을 포함하는 열전모듈(130); 및 저온판(131)을 냉각하는 냉각장치(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전장치를 제공한다.
본 발명에 따른 케이싱(110)은 내측으로 냉각플레이트(120)가 전후 방향으로 일정 간격으로 배치되는 본케이스(113); 본케이스(113)로부터 상방향으로 연장 형성되며 상부에 배출구(112)가 형성되는 상부케이스(114); 및 본케이스(113)의 하부로부터 하방향으로 연장 형성되며 하부에 유입구가 형성되는 하부케이스(115)를 포함하며, 냉각플레이트(120)는 내부가 빈 직사각통 형태를 이루면서 내부에 병렬로 배치되는 복수의 흐름유도판(121)이 형성되고, 냉각장치(140)는 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 유입부(150); 각 냉각플레이트(120)를 통과한 작동유체가 모이는 포집부(160); 및 케이싱(110)의 우측에 배치되며 포집부(160)와 유입부(150)를 연결하면서 작동유체가 냉각되며 유입부(150)로 유입되도록 하는 열교환기(170)를 포함하고, 작동유체는 유입부(150)로부터 냉각플레이트(120)를 통과하면서 기화되며 기체 상태로 포집부(160)로 유입되는 한편, 포집부(160)로부터 열교환기(170)를 통과하면서 액화되며 액체 상태로 유입부(150)로 유입되는 순환을 통해 저온판(131)을 냉각하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유입부(150)는 열교환기(170)의 하부에 연결되면서 내부에 열교환기(170)를 통과한 작동유체가 수용되는 하부헤더(151); 하부헤더(151)와 하부연결관(152)에 의해 연결되면서 하부헤더(151)로부터 작동유체가 유입되는 하부통(152); 및 좌측이 각 냉각플레이트(120)의 우측 하부에 연결되고 우측이 본케이스(113)의 우측을 통과하여 하부통(152)과 연결되면서 하부통(152)으로부터 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 복수의 하부분기관(154)을 포함하고, 포집부(160)는 열교환기(170)의 상부에 연결되면서 내부에 수용되는 작동유체가 열교환기(170)로 진행되도록 하는 상부헤더(161); 상부연결관(162)에 의해 상부헤더(161)와 연결되며 냉각플레이트(120)를 통과하는 작동유체가 수용되는 상부통(163); 하부가 각 냉각플레이트(120)의 상부 좌측에 연결되고 상부가 상부통(163)에 연결되는 복수의 상부분기관(164)을 포함하며, 냉각장치(140)는 열교환기(170)에서 발생되는 열을 외부로 방열하는 방열부(180)를 더 포함하고, 방열부(180)는 내측으로 열교환기(170)가 수용되는 커버(181); 열교환기(170)의 하부에 위치되도록 후단부가 커버(181)의 전면 하부에 연통되도록 연결되고 전단부에 공기유입구(182a)가 형성되는 유입덕트(182); 좌측이 커버(181)와 연통되도록 연결되고 우측에 공기배기구(183a)가 형성되는 배기덕트(183); 및 커버(181)의 내부에 배치되면서 열교환기(170)에서 발생되는 열이 공기배기구(182a)를 통해 외부로 방열되도록 하는 방열팬(184)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유입부(150)는 작동유체를 보충하기 위한 작동유체 보충수단(155)을 더 포함하며, 작동유체 보충수단(155)은 작동유체가 저장되는 저장탱크(156); 일단부가 저장탱크(156)에 연결되고 타단부가 하부헤더(151) 또는 하부통(153)에 연결되며 개폐밸브(157a)가 구비되는 보충관(157); 보충관(157)에 연결되는 펌프(158); 및 냉각플레이트(120)의 수위를 감지하는 수위감지센서(159)를 포함하고, 수위감지센서(159)의 수위감지신호에 따라 펌프(158)의 구동 및 개폐밸브(157a)의 개폐를 제어하는 제어부(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 케이싱(110)의 내부온도가 낮아지는 것을 방지하는 보조가열부(190)를 더 포함하며, 보조가열부(190)는 하부케이스(115)로 수용되는 축열볼(191); 및 축열볼(191)을 지지하는 망체(192)를 포함하고, 축열볼(192)은 세라믹으로 이루어지며 하부케이스(115)로 유입되는 폐열에 의해 가열 및 축열되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 버려지는 폐열을 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 발생할 수 있는 효과가 있다.
또한, 폐열에 의해 가열되는 저,고온판 중 저온판에 대한 냉각을 통해 고온판과의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판 사이에 배치되는 열전소자에서의 전기에너지 발생 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치를 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 냉각플레이트로 냉각장치가 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에서 냉각플레이트로 다수의 열전모듈이 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 냉각플레이트를 나타낸 종단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 4에서 열전모듈을 나타낸 사시도 및 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 작동유체 보충수단을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
그리고
도 9는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 보조가열부가 구비된 상태를 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치를 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 냉각플레이트로 냉각장치가 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에서 냉각플레이트로 다수의 열전모듈이 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 냉각플레이트를 나타낸 종단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 4에서 열전모듈을 나타낸 사시도 및 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 작동유체 보충수단을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
그리고
도 9는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치에서 보조가열부가 구비된 상태를 나타낸 부분 단면도이다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 9를 참조하여 보면, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 외부로부터 폐열이 유입되는 유입구(111)와 유입되는 폐열이 배출되는 배출구(112)가 형성되는 케이싱(110), 케이싱(110)의 내부에 배치되는 복수의 냉각플레이트(120), 냉각플레이트(120)의 전,후면에 접하는 저온판(131)과, 저온판(131)과 전후 대향되며 케이싱(110)을 통과하는 폐열에 의해 가열되는 고온판(132)과, 저,고온판(131,132) 사이에 배치되어 고온판(132)으로부터 폐열이 일면으로 전달되면서 타면과의 온도차에 의해 전기에너지를 발생시키는 다수의 열전소자(133) 및 고온판(132)에 설치되며 다수의 유로(134a)가 형성되는 열전달판(134)을 포함하는 열전모듈(130), 저온판(131)을 냉각하는 냉각장치(140)를 포함한다.
케이싱(110)은 내측으로 냉각플레이트(120)가 전후 방향으로 일정 간격으로 배치되는 본케이스(113), 본케이스(113)로부터 상방향으로 연장 형성되며 상부에 배출구(112)가 형성되는 상부케이스(114) 및 본케이스(113)의 하부로부터 하방향으로 연장 형성되며 하부에 유입구가 형성되는 하부케이스(115)를 포함한다.
본케이스(113)는 상하 방향으로 연장 형성되며 상부가 개방되어 내측으로 다수의 냉각플레이트(120)가 수용된다.
하부케이스(115)는 상부가 본케이스(113)의 하부와 일체로 형성되며 하부에 형성되는 유입구(111)를 통해 외부로부터 폐열이 유입된다.
상부케이스(114)는 하부가 본케이스(113)의 상부와 일체로 형성되면서 유입구(111)를 통해 케이싱(110)의 내부로 유입되는 폐열이 외부로 배출되도록 한다.
하부케이스(115)는 하부로부터 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 형태를 이루고 상부케이스(114)는 하부로부터 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형태를 이루면서 폐열의 유입 및 배출이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
폐열은 건축물 등의 난방용 보일러 등에서 난방을 위한 연료 연소시에 배출되는 연소가스 등으로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 케이싱(110)은 연도의 양단부 사이에 연결되면서 연도를 통과하는 폐열이 통과되도록 할 수 있다. 여기서 연도는 보일러의 배관 등으로 이해될 수 있다.
폐열은 유입구(111)를 통과하여 본케이스(113)의 내부를 상하 방향으로 이동하면서 배출구(112)를 통해 외부로 배출된다.
폐열은 케이싱(110)의 내부를 통과하는 과정에서 본케이스(113)의 내부로 수용된 냉각플레이트(120)와 열전모듈(130)을 통과한다.
폐열은 본케이스(113)의 하부로부터 상부로 진행되면서 열전모듈(130)과의 열접촉이 원활하게 이루어질 수 있다.
냉각플레이트(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 전,후면을 가지며 상하 방향으로 연장 형성되면서 복수개가 본케이스(113)의 내부에 직렬로 일정 간격으로 이격 배치된다.
저,고온판(131,132)은 금속재질로 이루어지며 금속재질 중에서 열전도율이 우수한 구리나 알루미늄 등으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
열전모듈(130)은 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이 전후 대향되는 저,고온판(131,132) 사이로 열전소자(133)가 고정된 형태를 이룬다.
저,고온판(131,132)은 대향되는 타면이 열전소자(133)와 접하면서 열이 열전소자(133)의 양면으로 전달되도록 한다.
열전모듈(130)은 고온판(132)의 일면에 접하며 다수의 유로공간(134a)이 상하 방향으로 연장 형성되는 열전달판(134)을 더 포함할 수 있다.
열전달판(134)은 'ㄷ'자 형태를 이루는 유로공간(134a)이 일측으로부터 타측 방향으로 지그재그 형태를 이루면서 형성될 수 있다.
열전달판(134)은 유로공간(134a)이 형성되면서 폐열과의 접촉면적이 증가되며 빠르게 가열될 수 있다. 또한 열전달판(134)은 유로공간(134a)으로 폐열이 통과되는 과정에서 수용되면서 축열효과를 기대할 수 있다.
이에 따라 고온판(132)은 열전달판(134)으로부터 고온의 열이 전달되면서 빠르게 가열될 수 있는 것은 물론, 빠르게 고온 상태에 이를 수 있다.
열전소자(133)는 저,고온판(131,132) 사이에 다수개가 배치될 수 있다.
열전모듈(130)은 냉각플레이트(120)의 전,후면에 설치되되, 저온판(131)이 냉각플레이트(120)의 전,후면에 접하도록 설치된다.
열전모듈(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 다수개가 냉각플레이트(120)의 전,후면에 복수의 열(A)을 이루며 설치될 수 있다.
각 열(A)에는 복수의 열전모듈(130)이 상하 방향으로 등간격으로 설치될 수 있다.
이웃하는 두 열(A) 사이로는 공간이 형성되면서 폐열과의 접촉이 원활하게 이루어질 수 있다.
저,고온판(131,132)은 폐열에 의해 가열되는데, 저온판(131)은 냉각장치(140)에 의해 냉각되면서 고온판(132)보다 낮은 온도를 가질 수 있다.
이에 따라 저,고온판(131,132)의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판(131,132)의 사이에 배치되는 열전소자(133)에서의 전기에너지 발생이 가능한 것은 물론, 전기에너지 발생 효율의 향상을 기대할 수 있다.
열전소자는 양단에 일정 온도차를 형성시키면 제벡효과에 의해 기전력이 발생되면서 열전 발전을 하며 이와 같이 열전소자를 이용한 열전 발전은 이미 공지되어 사용되고 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
냉각플레이트(120)는 내부가 빈 직사각통 형태를 이룬다.
냉각장치(140)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 유입부(150), 각 냉각플레이트(120)를 통과한 작동유체가 포집되는 포집부(160) 및 포집부(160)와 유입부(150)를 연결하면서 작동유체가 냉각되며 유입부(150)로 유입되도록 하는 열교환기(170)를 포함한다.
열교환기(170)는 케이싱(110)의 외측에 위치되도록 본케이스(113)의 우측에 배치된다.
유입부(150)는 열교환기(170)의 하부에 연결되면서 내부에 열교환기(170)를 통과한 작동유체가 수용되는 하부헤더(151), 하부헤더(151)와 하부연결관(152)에 의해 연결되면서 하부헤더(151)로부터 작동유체가 유입되는 하부통(152), 좌측이 각 냉각플레이트(120)의 우측 하부에 연결되고 우측이 본케이스(113)의 우측을 통과하여 하부통(152)과 연결되면서 하부통(152)으로부터 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 복수의 하부분기관(154)을 포함한다.
하부헤더(151)는 전후 방향으로 연장 형성되면서 내측으로 빈공간이 형성되며 열교환기(170)의 하부와 연결된다.
하부통(152)은 전후 방향으로 연장 형성되면서 냉각플레이트(120)의 우측 하부에 이웃하도록 배치되며 하부연결관(152)에 의해 하부헤더(151)와 연결된다.
하부연결관(152)은 한 쌍으로 이루어질 수 있으며 좌측이 하부통(152)에 연통되도록 연결되고 상부가 하부헤더(151)와 연결된다.
하부분기관(154)은 좌측이 냉각플레이트(120)의 우측 하부에 연결되고 우측이 본케이스(113)의 우측을 통과하여 하부통(152)과 연결된다.
작동유체는 열교환기(170)를 통과하여 하부헤더(151)로 모여지면서 하부연결관(152)을 통해 하부통(153)으로 진행 및 각 하부분기관(154)을 통해 분기되면서 각 냉각플레이트(120)로 고르게 유입될 수 있다.
포집부(160)는 열교환기(170)의 상부에 연결되면서 내부에 수용되는 작동유체가 열교환기(170)로 진행되도록 하는 상부헤더(161), 상부연결관(162)에 의해 상부헤더(161)와 연결되며 냉각플레이트(120)를 통과하는 작동유체가 수용되는 상부통(163), 하부가 각 냉각플레이트(120)의 상부 좌측에 연결되고 상부가 상부통(163)에 연결되는 복수의 상부분기관(164)을 포함한다.
상부헤더(161)는 전후 방향으로 연장 형성되면서 내측으로 빈공간이 형성되며 열교환기(170)의 상부와 연결된다.
상부통(162)은 전후 방향으로 연장 형성되면서 냉각플레이트(120)의 상부 좌측에 이웃하도록 배치되며 상부연결관(162)에 의해 상부헤더(162)와 연결된다.
상부연결관(162)은 한 쌍으로 이루어질 수 있으며 좌측이 상부통(163)과 연결되고 우측이 본케이스(113)의 우측을 통과하여 상부헤더(116)와 연결된다.
상부분기관(164)은 하부가 냉각플레이트(120)의 상부 좌측에 연결되고 상부가 상부통(162)에 연결된다.
냉각플레이트(120)는 우측 하부에 하부분기관(154)이 연결되고 상부 좌측에 상부분기관(164)이 연결되면서 작동유체가 내부를 우측 하부로부터 좌측 상부로 흐르면서 통과되도록 한다.
냉각플레이트(120)는 도 5에 도시된 바와 같이 내부에 병렬로 배치되는 복수의 흐름유도판(121)이 형성될 수 있다.
흐름유도판(121)은 상,하부가 냉각플레이트(120)의 상,하부와 이격되는 것이 바람직하며 하부분기관(154)을 통해 냉각플레이트(120)의 내부로 유입되는 작동유체가 고르게 퍼지면서 흐를 수 있도록 하여 저온판(131)에 대한 고른 열접촉을 통해 냉각효과가 향상되도록 한다.
하부헤더(151)로 수용된 작동유체는 하부연결관(152)을 통해 하부통(153)으로 이동되는 한편, 하부통(153)에 연결된 복수의 하부분기관(154)을 통해 각 냉각플레이트(120)로 고르게 유입된다.
냉각플레이트(120)를 통과하는 작동유체는 상부분기관(164)을 통해 상부통(163)으로 모여지는 한편, 상부연결관(162)을 통해 상부헤더(161)로 유입된다.
열교환기(170)는 본케이스(113)의 우측에 배치되며, 상,하부헤더(161,151)는 열교환기(170)의 상,하부에서 열교환기(170)와 연결되면서 작동유체가 상부헤더(161)로부터 열교환기(170)를 통과하여 하부헤더(151)로 진행될 수 있도록 한다.
열교환기(170)는 상,하부헤더(161,151)와 연결되면서 상부헤더(161)로부터 하부헤더(151) 방향으로 진행되는 작동유체가 통과되며 냉각되도록 한다.
열교환기(170)를 통과하는 작동유체는 기체 상태로부터 액화되면서 액체 상태가 된다.
이와 같은 열교환기는 공지된 다양한 형태를 이룰 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
작동유체는 액체 상태로 냉각플레이트(120)를 통과하면서 저온판(131)을 냉각하는 한편, 냉각플레이트(120)를 통과하며 기화되면서 기체 상태로 상부헤더(161)로 유입된다.
작동유체는 하부헤더(151)로부터 냉각플레이트(120)를 통과하면서 저온판(131)의 열을 흡수하여 액체 상태에서 증기로 기화되며, 밀도차에 의해 하부헤더(151)로부터 상부헤더(161) 방향으로 진행될 수 있다. 여기서 밀도차에 의한 작동유체의 흐름에 의한 저온판(131)의 냉각 속도가 느린 경우, 별도의 펌프를 사용하여 작동유체의 흐름을 빠르게 함으로써 저온판(131)에 대한 냉각이 보다 빠르고 원활하게 이루어지도록 할 수도 있다. 펌프는 유,포집부(150,160) 중 적어도 어느 한 곳에 연결될 수 있음은 물론이다.
즉, 작동유체는 유입부(150)로부터 냉각플레이트(120)를 통과하면서 기화되며 기체 상태로 포집부(160)로 유입되는 한편, 포집부(160)로부터 열교환기(170)를 통과하면서 액화되며 액체 상태로 유입부(150)로 유입되는 순환을 통해 저온판(131)을 냉각한다.
상술한 바와 같이, 작동유체는 열교환에 따른 상변화를 통해 냉각플레이트(120), 상부헤더(161), 열교환기(170) 및 하부헤더(151)를 경유할 수 있다. 대안적으로, 작동유체의 유동 경로 상에 작동유체의 일 방향 유동을 유도하기 위한 유동펌프부(미도시 됨)가 설치될 수 있다.
냉각플레이트(120)는 내부에 다수의 방열핀이 형성될 수 있다.
포집부(160)에는 압력조절을 위한 압력조절수단(미도시)이 설치될 수 있다.
압력조절수단은 압력조절밸브나 압력조절센서 등을 포함할 수 있으며 포집부(160)의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
유입부(150)에는 작동유체의 흐름을 확인하기 위한 유속감지기(미도시) 등이 설치될 수 있다.
유입부(150)에는 도 8에 도시된 바와 같이 작동유체를 보충하기 위한 작동유체 보충수단(155)이 설치될 수 있다.
작동유체 보충수단(155)은 작동유체가 저장되는 저장탱크(156), 일단부가 저장탱크(156)에 연결되고 타단부가 하부헤더(151) 또는 하부통(153)에 연결되며 개폐밸브(157a)가 구비되는 보충관(157), 보충관(157)에 연결되는 펌프(158) 및 냉각플레이트(120)의 수위를 감지하는 수위감지센서(159)를 포함한다.
폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 수위감지센서(159)의 수위감지신호에 따라 펌프(158)의 구동 및 개폐밸브(157a)의 개폐를 제어하는 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
제어부(200)는 수위감지센서(159)의 감지신호에 따라 일정수위 이하인 경우, 개폐밸브(157a)가 개방되도록 하는 한편, 펌프(158)가 구동되도록 하여 저장탱크(156)에 저장된 작동유체가 하부헤더(151)나 하부통(153)을 냉각플레이트(120)로 유입될 수 있도록 한다.
제어부(200)는 수위감지센서(159)의 감지신호에 따라 일정수위 이상인 경우, 펌프(158)의 구동이 정지되도록 하는 한편, 개폐밸브(157a)가 닫히도록 한다.
냉각장치(140)는 작동유체가 유입부(150), 포집부(160) 및 열교환기(170)를 순환하는 과정에서 소실이 발생되는 경우, 작동유체 보충수단(155)에 의해 보충되면서 저온판(131)에 대한 냉각을 지속적으로 유지할 수 있다.
냉각장치(140)는 포집부(160)의 온도를 측정하는 제1온도선세(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제1온도감지센서는 상부통(163)에 설치되는 것이 바람직하다.
제어부(200)는 제1온도센서에서 감지되는 작동유체의 온도와 수위감지센서(159)에서 감지되는 수위 등을 바탕으로 냉각장치(140)의 냉각효율을 산출할 수 있다.
냉각장치(140)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 열교환기(170)에서 발생되는 열을 외부로 방열하는 방열부(180)를 더 포함한다.
방열부(180)는 내측으로 열교환기(170)가 수용되는 커버(181), 열교환기(170)의 하부에 위치되도록 후단부가 커버(181)의 전면 하부에 연통되도록 연결되고 전단부에 공기유입구(182a)가 형성되는 유입덕트(182), 좌측이 커버(181)와 연통되도록 연결되고 우측에 공기배기구(183a)가 형성되는 배기덕트(183) 및 커버(181)의 내부에 배치되면서 열교환기(170)에서 발생되는 열이 공기배기구(182a)를 통해 외부로 방열되도록 하는 방열팬(184)을 포함한다.
커버(181)는 내측으로 빈공간이 형성되면서 케이싱(110)의 우측으로 고정된다.
유입덕트(182)는 사각통 형태를 이루며 후단부가 커버(181)의 전면 하측에 연통되도록 고정된다.
배기덕트(183)는 사각통 형태를 이루며 열교환기(170)와 동일 수평선상에 위치되도록 커버(181)에 고정된다.
방열팬(183)은 공기배기구(182a)와 반대되도록 열교환기(170)의 일면에 배치되면서 구동에 따라 열교환기(170)에서 발생되는 열이 배기덕트(183)를 통해 외부로 원활하게 방열될 수 있도록 한다.
작동유체는 액체 상태에서 냉각플레이트(120)를 통과하면서 저온판(131)의 열을 흡수하여 증기 기화되는 한편, 열교환기(170)를 통과하면서 액체 상태로 다시 냉각플레이트(120)를 통과하며 이와 같은 순환을 반복하면서 저온판(131)의 열을 흡수하여 냉각되도록 한다.
폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 케이싱(110) 내부에 설치되는 제2온도센서(미도시) 및 덕트(182)의 내부에 설치되는 제3온도센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제2온도센서는 확장케이스(115)의 내부에 설치되는 것이 바람직하다. 제3온도센서는 커버(181)와 반대되도록 덕트(181)의 우측에 설치되는 것이 바람직하다.
제어부(200)는 제2온도센서에 의해 감지되는 폐열의 온도와 제3온도센서에 의해 감지되는 상온의 공기 온도에 따른 발전효율을 산출할 수 있다.
이로 인해 폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 저,고온판(131,132)의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판(131,132)의 사이에 배치되는 열전소자(133)에서의 전기에너지 발생이 가능한 것은 물론, 전기에너지 발생 효율의 향상을 기대할 수 있다.
폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이 케이싱(110)의 내부온도가 낮아지는 것을 방지하는 보조가열부(190)를 더 포함할 수 있다.
보조가열부(190)는 케이싱(110) 내부에 대한 고온 상태가 유지될 수 있도록 하여 고온판(132)에 대한 가열이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
보조가열부(190)는 하부케이스(115)로 수용되는 축열볼(191), 축열볼(191)을 지지하는 망체(192)를 포함한다.
본케이스(113)와 하부케이스(115) 사이에는 다수의 중공(118a)이 형성되는 지지판(118)이 설치될 수 있다.
지지판(118)은 본케이스(113)의 하부에 설치되면서 복수의 냉각플레이트(120)를 지지할 수 있다.
망체(192)는 하부케이스(115)의 내부 바닥에 설치되면서 축열볼(191)이 유입구(111)를 통해 외부로 이탈되지 않도록 한다.
축열볼(191)은 세라믹 등으로 이루어질 수 있으며 하부케이스(115)로 수용되면서 내부로 유입되는 폐열에 의해 가열되는 한편, 축열된다.
축열볼(191)은 일정 온도를 가지면서 본케이스(113)의 내부로 흐르는 폐열이 본케이스(113)로 유입되는 과정에서 온도가 낮아지는 것을 방지하는 한편, 고온판(132)으로의 열전달을 통해 고온 상태의 유지가 가능하도록 한다.
이로 인해 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치(100)는 폐열을 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 발생하는 한편, 폐열에 의해 가열되는 저,고온판(131,132) 중 저온판(131)에 대한 냉각을 통해 고온판(132)과의 온도차가 충분히 확보되면서 저,고온판(131,132) 사이에 배치되는 열전소자(133)에서의 전기에너지 발생 효율이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전장치를 실시하기 위한 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
110 : 케이싱 111 : 유입구
112 : 배출구 120 : 냉각플레이트
130 : 열전모듈 131 : 저온판
132 : 고온판 133 : 열전소자
140 : 냉각장치 150 : 유입부
151 : 하부헤더 152 : 하부연결관
153 : 하부통 154 : 하부분기관
160 : 포집부 161 : 상부헤더
162 : 상부연결관 163 : 상부통
164 : 상부분기관 170 : 열교환기
180 : 방열부 190 : 보조가열부
112 : 배출구 120 : 냉각플레이트
130 : 열전모듈 131 : 저온판
132 : 고온판 133 : 열전소자
140 : 냉각장치 150 : 유입부
151 : 하부헤더 152 : 하부연결관
153 : 하부통 154 : 하부분기관
160 : 포집부 161 : 상부헤더
162 : 상부연결관 163 : 상부통
164 : 상부분기관 170 : 열교환기
180 : 방열부 190 : 보조가열부
Claims (5)
- 하부에 외부로부터 폐열이 유입되는 유입구(111)가 형성되고 상부에 유입되는 폐열이 배출되는 배출구(112)가 형성되는 케이싱(110);
케이싱(110)의 내부에 배치되는 복수의 냉각플레이트(120);
냉각플레이트(120)의 전,후면에 접하는 저온판(131)과, 저온판(131)과 전후 대향되며 케이싱(110)을 통과하는 폐열에 의해 가열되는 고온판(132)과, 저,고온판(131,132) 사이에 배치되어 폐열이 고온판(132)으로부터 일면으로 전달되면서 저온판(131)에 접한 타면과의 온도차에 의해 전기에너지를 발생시키는 다수의 열전소자(133) 및 고온판(132)에 부착되며 상하 방향으로 연장 형성되는 다수의 유로공간(134a)이 일측으로부터 타측 방향으로 지그재그 형태로 형성되면서 폐열과의 열접촉면적 증가를 통한 고온판(132)으로의 열전달이 원활하게 이루어지도록 하는 열전달판(134)을 포함하는 열전모듈(130); 및
저온판(131)을 냉각하는 냉각장치(140)를 포함하고,
케이싱(110)은 내측으로 냉각플레이트(120)가 전후 방향으로 일정 간격으로 배치되는 본케이스(113); 본케이스(113)로부터 상방향으로 연장 형성되며 상부에 배출구(112)가 형성되는 상부케이스(114); 및 본케이스(113)의 하부로부터 하방향으로 연장 형성되며 하부에 유입구가 형성되는 하부케이스(115)를 포함하며,
냉각플레이트(120)는 내부가 빈 직사각통 형태를 이루면서 내부에 병렬로 배치되는 복수의 흐름유도판(121)이 형성되고,
냉각장치(140)는 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 유입부(150); 각 냉각플레이트(120)를 통과한 작동유체가 모이는 포집부(160); 및 케이싱(110)의 우측에 배치되며 포집부(160)와 유입부(150)를 연결하면서 작동유체가 냉각되며 유입부(150)로 유입되도록 하는 열교환기(170)를 포함하고,
작동유체는 유입부(150)로부터 냉각플레이트(120)를 통과하면서 기화되며 기체 상태로 포집부(160)로 유입되는 한편, 포집부(160)로부터 열교환기(170)를 통과하면서 액화되며 액체 상태로 유입부(150)로 유입되는 순환을 통해 저온판(131)을 냉각하고,
케이싱(110)의 내부온도가 낮아지는 것을 방지하는 보조가열부(190)를 더 포함하며,
보조가열부(190)는 하부케이스(115)로 수용되는 축열볼(191); 및 축열볼(191)을 지지하는 망체(192)를 포함하고,
축열볼(192)은 세라믹으로 이루어지며 하부케이스(115)로 유입되는 폐열에 의해 가열 및 축열되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
유입부(150)는 열교환기(170)의 하부에 연결되면서 내부에 열교환기(170)를 통과한 작동유체가 수용되는 하부헤더(151); 하부헤더(151)와 하부연결관(152)에 의해 연결되면서 하부헤더(151)로부터 작동유체가 유입되는 하부통(152); 및 좌측이 각 냉각플레이트(120)의 우측 하부에 연결되고 우측이 본케이스(113)의 우측을 통과하여 하부통(152)과 연결되면서 하부통(152)으로부터 작동유체가 각 냉각플레이트(120)로 유입되도록 하는 복수의 하부분기관(154)을 포함하고,
포집부(160)는 열교환기(170)의 상부에 연결되면서 내부에 수용되는 작동유체가 열교환기(170)로 진행되도록 하는 상부헤더(161); 상부연결관(162)에 의해 상부헤더(161)와 연결되며 냉각플레이트(120)를 통과하는 작동유체가 수용되는 상부통(163); 하부가 각 냉각플레이트(120)의 상부 좌측에 연결되고 상부가 상부통(163)에 연결되는 복수의 상부분기관(164)을 포함하며,
냉각장치(140)는 열교환기(170)에서 발생되는 열을 외부로 방열하는 방열부(180)를 더 포함하고,
방열부(180)는 내측으로 열교환기(170)가 수용되는 커버(181); 열교환기(170)의 하부에 위치되도록 후단부가 커버(181)의 전면 하부에 연통되도록 연결되고 전단부에 공기유입구(182a)가 형성되는 유입덕트(182); 좌측이 커버(181)와 연통되도록 연결되고 우측에 공기배기구(183a)가 형성되는 배기덕트(183); 및 커버(181)의 내부에 배치되면서 열교환기(170)에서 발생되는 열이 공기배기구(182a)를 통해 외부로 방열되도록 하는 방열팬(184)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전장치. - 제 3항에 있어서,
유입부(150)는 작동유체를 보충하기 위한 작동유체 보충수단(155)을 더 포함하며,
작동유체 보충수단(155)은 작동유체가 저장되는 저장탱크(156); 일단부가 저장탱크(156)에 연결되고 타단부가 하부헤더(151) 또는 하부통(153)에 연결되며 개폐밸브(157a)가 구비되는 보충관(157); 보충관(157)에 연결되는 펌프(158); 및 냉각플레이트(120)의 수위를 감지하는 수위감지센서(159)를 포함하고,
수위감지센서(159)의 수위감지신호에 따라 펌프(158)의 구동 및 개폐밸브(157a)의 개폐를 제어하는 제어부(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전장치. - 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2022
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