KR20110087757A - 열전 소자를 이용한 무전원 열감시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전 소자를 이용한 무전원 열감시 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전기 콘센트가 과열되는 경우면 이 열전 소자가 작동하여 열을 전기 에너지로 변환하여 이를 무선 신호로 송출하는 무전원 열감시 장치에 대한 것이다.
이 무전원 열감시 장치는, 전기 콘센트의 열 흡수 면적에 부착되어 상기 전기 콘센트의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자; 및 상기 열전 소자와 접촉하는 열 방출 면적이 일측에 형성되며 상기 열전 소자로부터 생성된 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 전기 콘센트의 과열을 이상 신호로 외부 수신 수단에 전송하는 무전원의 무선 송신부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전기 기기나, 콘센트 등의 일측에 설치되어 이 전기 기기나, 콘센트 등의 과열에 의해 일정 온도 이상이 될 경우 열에너지를 전기 에너지로 변환하여 동작하고 이를 신호로 송출하게 되므로 과열을 사전에 감시하는 것이 가능하다.

Description

열전 소자를 이용한 무전원 열감시 장치{Apparatus with no power for monitoring fire using a thermoelectric element}

본 발명은 열전 소자를 이용한 무전원 열감시 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전기 콘센트가 과열되는 경우면 이 열전 소자가 작동하여 열을 전기 에너지로 변환하여 이를 무선 신호로 송출하는 무전원 열감시 장치에 대한 것이다.

일반적으로, 화재 감지기는 고도의 신뢰성이 있어야 하고, 화재 및 다수의 상이한 형태의 자극을 식별할 능력을 갖추고 있어야 한다. 예컨대, 화재가 발생하지 않으면 화재 감지기 시스템은 진화물을 방출시키지 말아야 하며, 경보 벨을 울려서도 안 된다.

이를 위해 현재 이용되고 있는 화재 감지 방식으로서는 화재에 의하여 발생하는 열을 이용하여 열을 감지하는 열감지 방식과 화재 발생시 발생하는 연기를 이용하는 연기 감지 방식이 있다.

여기서, 화재 감지 방식으로는 바이메탈식 등이 있고, 연기 감지 방식에는 감광식과 산란광식 등의 광전식이 사용되고 있다.

이중 바이메탈식은 열에 의해 동작하는 것으로, 저 팽창 금속과 고 팽창 금속을 접합시켜 구성함으로써 온도에 비례하여 변환되는 변위를 이용하므로 제작이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

이외에도 화재의 초기 발견에 사용되고 있는 방법으로는 적외선 감지 방식이 있다.

그런데 이러한 종래 방식의 경우 일반적으로 건물 내부 등에 이용되는데, 보통은 천장에 설치된다. 따라서, 개별 전기 기기나, 콘센트에 과열이 발생하고 이 과열로 인해 연기나 불꽃이 발생하여야 감지되므로, 이때는 이미 화재 인식의 시기가 늦다.

부연하면, 개별 전기 기기나, 콘센트에 과열이 발생하는 초기 상태를 감지할 수 없으므로, 쉽게 진압할 수 있는 화재도 상당한 정도 진행되어야 인식된다는 점이다.

본 발명은 위에서 제기된 종래 문제점을 해소하기 위해, 전기 기기나, 콘센트 등의 과열을 사전에 감시하는 열감시 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 무전원 상태에 있다가 전기 기기나, 콘센트의 과열이 있는 경우에만 동력을 발생시켜 과열을 알리는 신호를 외부 수신기에 송출하는 열감시 장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제기된 목적을 달성하기 위해, 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치를 제공한다. 이 무전원 열감시 장치는, 전기 콘센트의 열 흡수 면적에 부착되어 상기 전기 콘센트의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자; 및 상기 열전 소자와 접촉하는 열 방출 면적이 일측에 형성되며 상기 열전 소자로부터 생성된 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 전기 콘센트의 과열을 이상 신호로 외부 수신 수단에 전송하는 무전원의 무선 송신부를 포함한다.

또한, 이 무전원 열감시 장치는, 상기 전기 콘센트의 과열 또는 상기 전기 콘센트의 외부에서 발생한 열기에 의해 상기 열전 소자로부터 상기 전기 에너지를 공급받아 경고음 신호를 송출하는 경고음 발생부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 무전원 열감시 장치는 전기 콘센트의 열 흡수 면적에 부착되어 상기 전기 콘센트의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자; 및 상기 전기 콘센트의 과열 또는 상기 전기 콘센트의 외부에서 발생한 열기에 의해 상기 열전 소자로부터 상기 전기 에너지를 공급받아 경고음 신호를 송출하는 경고음 발생부를 포함할 수 있다.

또한, 이 무전원 열감시 장치는, 상기 열전 소자와 접촉하는 열 방출 면적이 일측에 형성되며 상기 열전 소자로부터 생성된 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 전기 콘센트의 과열을 이상 신호로 외부 수신 수단에 전송하는 무전원의 무선 송신부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 열 흡수 면적과 상기 열 방출 면적은 열전도성 재질로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 열전 소자는 상기 전기 콘센트의 과열 온도가 소정의 설정 온도보다 높은 경우에만 동작할 수 있다.

여기서, 상기 열전 소자는 상기 전기 콘센트의 일측 면적과 상기 무선 송신부의 일측 면적에 대한 온도차이에 의해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전기 기기나, 콘센트 등의 일측에 설치되어 이 전기 기기나, 콘센트 등의 과열에 의해 일정 온도 이상이 될 경우 열에너지를 전기 에너지로 변환하여 동작하고 이를 신호로 송출하게 되므로 과열을 사전에 감시하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 열전소자를 이용함으로써 전기 기기나, 콘센트 등의 일측에 과열이 발생하면, 이 과열에 의해 열에너지가 전기 에너지로 변환되어 동력을 얻게 되므로, 평상시에는 무전원 상태에 있을 수 있어 절전하는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치를 이용하여 외부로 이상 신호를 송신하는 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치에 경고음 발생부가 더 추가된 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치의 적용예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용하여 열감시하는 과정을 보여주는 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자를 이용한 무전원 열감시 장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치의 구조를 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 무전원 열감시 장치(100)는 전기 콘센트(110)의 일측에 부착되어 이 전기 콘센트(110)의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자(104)와, 이 열전 소자(104)에 의해 발생한 전기 에너지를 동력원으로 사용하여 신호를 생성하는 무선 송신부(101)를 포함한다.

열전 소자(101)는 열전현상을 일으키는 열전소자(熱電素子, thermoelectric element)의 기본적인 작용을 기초로 하여 구성된다. 여기서, 열전소자란, 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용할 수 있는 소자의 총칭을 말한다.

이러한 열전소자들의 일 예로는 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크 효과를 이용하게 되는 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에소자 등이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 무전원 열감시 장치(100)에 사용되는 열전 소자(104)는 제벡(Seebeck) 효과를 이용한다. 이해를 위해 부연하면, 제벡 효과는 두 개의 서로 다른 금속 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 현상이다.

보통 열전소자로 가장 광범위하게 사용되는 물질은 Bi₂Te₃이다.

이러한 제벡 효과에 발생하는 전압을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 α는 제벡 계수(Seebeck coefficient)라 불리는 값으로 단위 온도차에서 유도되는 전압을 의미한다. 일반적으로 금속에서는 ~수 μV/K의 아주 작은 값을 가지며, 반도체에서는 ~수백 μV/K의 값을 가진다. 이 제벡 계수의 값이 클수록 당연히 열전효과에 의하여 발생하는 기전력이 커지므로 좋은 열전 소자가 된다.

한편, 열전소자의 분야에서는 각 물질의 열전소자의 특성을 가늠하는 지표(figure of merit)로 ZT 값을 사용한다. 온도차이가 있는 경우, 저온부의 온도가 T_L이고 고온부의 온도가 T_H이며, 열전효과를 위하여 사용되는 물질의 열전도도가 κ, 전기전도도가 σ라면, ZT는 다음식과 같이 표현된다.

여기서 T는 고온부와 저온부의 평균 온도, 즉 T= (T_H+T_L)/2 이다.

위 수학식 2에서 ZT는 Seebeck coefficient의 제곱에 비례하는 값이므로, 높은 열전효과를 위해서는 당연히 ZT의 값이 클수록 좋은 것임을 알 수 있다. 일반적으로 널리 사용되는 반도체 재료인 실리콘의 경우에는 전기적인 전도도가 150 W/cm²K에 달하며, 이로 인하여 상온에서의 ZT는 0.01에 불과하다.

따라서, n타입과 p타입의 반도체 재료를 사용하면, 양단에 온도 차이가 있을 때 이들 반도체 내부의 캐리어(Carrier)가 이동함으로 인해 기전력이 발생한다. 이 기전력을 이용하면, 간단하게 발전하는 것이 가능하게 된다.

열전 소자(104)에 대한 이해를 용이하게 하기 위해 설명하면, 제베크 효과에 따른 열전현상은 두 종류의 금속 또는 반도체를 고리 모양으로 연결하고, 한쪽 접점을 고온으로 그리고 다른 쪽 접점을 저온으로 했을 때, 연결된 금속 또는 반도체에 전류(열전류)가 발생하는 현상을 말한다.

이때, 발생하는 발생되는 기전력(열기전력)은 두 접점간의 온도차에 비례한다. 그리고, 열전류의 크기는 짝을 이룬 금속 또는 반도체의 종류 및 두 접점의 온도차에 따라 다르며, 이 외에도 금속선의 전기저항도 여기에 관여한다.

일반적으로 알려진 금속의 예를 들면 구리와 콘스탄탄(contantan)으로 이루어진 회로에서 두 접점의 온도차를 100℃로 하면, 4.24㎷의 기전력이 생기고, 전류는 고온부의 접점을 통하여 열전류가 높은 콘스탄탄에서 열전류가 낮은 구리 쪽으로 흐르게 된다.

위에 기술된 바를 바탕으로 도 1을 참조하면, 이러한 제벡 효과를 이용한 열전 소자(104)를 콘센트(110)의 표면상에 위치시키고, 이 열전 소자(104) 위에 무선 송신부(101)를 놓으면, 열전 소자(104)에서 발생한 열에너지가 전기에너지로 변환되어 무선 송신부(101)에 전원으로 입력되는 것이 가능하다.

물론, 이를 위해 열전 소자(104)의 위 아래쪽에는 각각 열 방출 면적(101a)과 열 흡수 면적(110a)이 형성된다. 이들 열 방출 면적(101a)과 열 흡수 면적(110a)은 열전도성이 우수한 재료가 사용될 수 있다. 이러한 열전도성이 우수한 재료로는 금속 물질, 열전도성 수지, 열전도성 패드, 열전도성 필름 등이 사용될 수 있다.

따라서, 일정 두께를 갖는 열 흡수 면적(110a)은 과열에 의해 콘센트(110)에 열이 발생하는 경우, 이러한 열을 급속히 흡수하여 열전 소자(104)에 전달한다. 물론, 열 방출 면적(101a)은 열을 급속하게 방출하게 되므로, 열 흡수 면적(110a)과 열 방출 면적(101a) 사이에 온도차가 발생한다.

이러한 온도차에 의해 열전 소자(104)의 캐리어가 이동하게 되므로, 기전력이 발생한다. 이 기전력이 일정 수준을 넘어서면, 무선 송신부(101)를 동작시키는 것이 가능하다.

무선 송신부(101)는 열전 소자(104)에서 발생한 전원을 입력받아 이를 동력으로 동작한다. 또한, 동작하면 미리 설계된 회로에 의해 이상 신호를 무선으로 외부에 전송한다. 즉, 콘센트(도 1의 110)가 소정 온도 이상으로 가열되어야만, 동작하고 평상시에는 무전원 상태에 있게 된다.

그러면, 도 1에 도시된 무전원 열감시 장치(100)를 이용하여 외부로 이상 신호를 송신하는 개념을 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치를 이용하여 외부로 이상 신호를 송신하는 구성 블럭도이다.

위에서 기술한 바와 같이 무선 송신부(101)는 콘센트(110)에 과열이 발생한 경우만 동작하며, 수신부(200)에 콘센트(110)의 과열 상태를 나타내는 이상 신호를 전송한다.

수신부(200)는 건물 내부에 있는 화재 경보 시스템이 될 수도 있고, 소방청이 운영하는 소방 방제 시스템이 될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치에 경고음 발생부가 더 추가된 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 콘센트(110)의 과열에 의해 열전 소자(104)가 전기 에너지를 생성한 경우, 이 전기 에너지에 의해 동작하며, 일정한 경고음을 내는 경고음 발생부(300)가 더 포함된다.

경고음 발생부(300)는 평상시에는 무전원으로 있다가, 열전 소자(104)에 의해 전원이 발생하면 이를 이용하여 소정의 소리를 낼 수 있다. 이러한 경고음 발생부(300)의 예로는 부저를 들 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 경고음 발생부(300)는 콘센트(110)의 과열뿐만 아니라 외부적인 화재에 의할 경우, 열기가 바닥을 타고 상승하게 되므로, 콘센트(110) 쪽에 열이 모이게 되는데, 이를 이용하는 것도 가능하다.

도 3에는 경고음 발생부(300)와 무선 송신부(101)가 모두 도시되어 있으나, 경고음 발생부(300)만이 구성될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치의 적용예를 보여준다. 부연하면, 도 4는 무전원 열감시 장치(100)를 전기 장판의 콘센트(110)에 적용한 예를 보여준다. 전기 장판의 경우 전기를 많이 쓰는 전기 용품으로 많은 경우 화재의 원인이 되고 있다.

이러한 전기 장판의 구조가 도 4에 도시되며, 도 4는 전기 장판의 콘센트(110) 상에 본 발명의 일실시예에 따른 무전원 열감시 장치(100)를 부착한 모습을 사시도로 도시한 것이다.

전기 장판은 보통 불연소재 직물(430)의 상부에 열선(440)이 배선되고, 이 열선은 콘센트(110)와 접속한다. 열선(440)의 상부에는 필요에 따라 절연층(410)이 적층되며, 최종적으로는 외피(420)가 덮여진다.

콘센트(110)는 코드(460)를 통하여 지중에 접지하며, 이 코드(460)는 전기선(461)과 연결되어 콘센트(110)에 전기를 공급한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용하여 열감시하는 과정을 보여주는 순서도이다. 위 도 1 내지 도 3에 기술된 내용을 바탕으로 본 발명의 명확한 이해를 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 콘센트(도 1의 110)에 누전이나 전기 용품의 이상으로 이상 전압이 발생하게 되면 과열일 발생한다(단계 S500). 물론, 외부적인 화재가 발생한 경우에도 과열이 발생한다.

이 과열이 소정 온도 이상도 되어야만 열전 소자(104)가 열에너지를 전기 에너지로 변환하게 된다(단계 S510, S520).

전기 에너지가 생성되면, 무선 송신부(101)가 이를 전원으로 사용하여 동작하고, 이를 이상 신호로 외부에 송출한다(단계 S530, S540).

물론, 본 발명의 다른 실시예로서는, 경고음 발생부(도 3의 300)만을 구성하거나, 무선 송신부(101)와 함께 구성하는 것도 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 수많은 변형예가 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 무전원 열감시 장치 101: 무선 송신부
101a: 열 방출 면적 104: 열전 소자
110: 콘센트 110a: 열 흡수 면적
200: 수신부 300: 경고음 발생부
410: 절연층 420: 외피
460: 코드 461: 전기선
430: 불연소재 직물 440: 열선

Claims (7)

1. 전기 콘센트의 열 흡수 면적에 부착되어 상기 전기 콘센트의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자; 및
   상기 열전 소자와 접촉하는 열 방출 면적이 일측에 형성되며 상기 열전 소자로부터 생성된 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 전기 콘센트의 과열을 이상 신호로 외부 수신 수단에 전송하는 무전원의 무선 송신부
   를 포함하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기 콘센트의 과열 또는 상기 전기 콘센트의 외부에서 발생한 열기에 의해 상기 열전 소자로부터 상기 전기 에너지를 공급받아 경고음 신호를 송출하는 경고음 발생부를 더 포함하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
3. 전기 콘센트의 열 흡수 면적에 부착되어 상기 전기 콘센트의 과열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 소자; 및
   상기 전기 콘센트의 과열 또는 상기 전기 콘센트의 외부에서 발생한 열기에 의해 상기 열전 소자로부터 상기 전기 에너지를 공급받아 경고음 신호를 송출하는 경고음 발생부
   를 포함하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 열전 소자와 접촉하는 열 방출 면적이 일측에 형성되며 상기 열전 소자로부터 생성된 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 전기 콘센트의 과열을 이상 신호로 외부 수신 수단에 전송하는 무전원의 무선 송신부
   를 더 포함하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 열 흡수 면적과 상기 열 방출 면적은 열전도성 재질로 구성되는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 열전 소자는 상기 전기 콘센트의 과열 온도가 소정의 설정 온도보다 높은 경우에만 동작하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 열전 소자는 상기 전기 콘센트의 일측 면적과 상기 무선 송신부의 일측 면적에 대한 온도차이에 의해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전소자를 이용한 무전원 열감시 장치.
   

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