KR20120110657A

KR20120110657A - 열전 변환 장치

Info

Publication number: KR20120110657A
Application number: KR1020110028663A
Authority: KR
Inventors: 조재현
Original assignee: 조재현
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-10
Also published as: KR101217161B1

Abstract

발열체로부터 발생되는 열을 전기 에너지로 변환하는 배기용 후드 열전 변환 장치가 개시된다. 본 발명은 발열체로부터 발생하는 열기가 유입되는 배기용 후드 및 상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 열기의 열을 전기 에너지로 변환하는 열전 유닛 및 상기 열전 유닛에 의해 변환되는 상기 전기 에너지를 저장하는 축전 유닛을 포함한다.

Description

열전 변환 장치{THERMOELECTRIC CONVERSION DEVICE}

본 발명은 열전 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열체에서 방출되는 열을 전기 에너지로 변환하는 열전 변환 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 환경문제와 자원의 고갈로 인하여 회생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 일반적으로 에너지를 사용하면서 발생되는 열은 대기 중에서 손실되어 폐기되기 때문에 지구온난화와 같은 환경문제를 발생시키는 문제점이 있다.

따라서, 제 1차 에너지를 사용하면서 발생되는 열로 제 2차 에너지를 생산하는 회생에너지기술이 각광받고 있으나 대부분의 열은 대기 중에서 손실되어 폐기되기 때문에 회수에 어려운 문제점이 있다.

일반적으로 가정 또는 식당의 주방은 조리용 가열 장치의 사용으로 인하여 폐기되는 열이 많은 공간이다. 열은 주방의 전체 온도를 상승시켜 주방 환경을 쾌적하게 유지시키지 못하고 주방을 사용하는 사용자에게도 불쾌감을 준다.

따라서, 일반적인 주방은 조리용 가열 장치에서 음식물을 가열하면서 발생되는 가스 및 음식물의 냄새, 열이 대기로 배출되도록 조리용 가열 장치의 상부에 배기용 후드가 설치된다.

이와 같이, 배기용 후드는 주방에서 폐기되는 폐열을 용이하게 회수할 수 있어 제 1차 에너지를 사용하면서 발생되는 열을 제 2차 에너지로 변환하는 회생에너지기술에 사용되기 적합하다.

본 발명의 목적은 대기로 방출되는 열을 전기 에너지로 변환시키는 열전 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 열전 변환 장치는 발열체로부터 발생하는 열기가 유입되는 배기용 후드 및 상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 열기의 열을 전기 에너지로 변환하는 열전 유닛 및 상기 열전 유닛에 의해 변환되는 상기 전기 에너지를 저장하는 축전유닛을 포함한다.

상기 발열체는 조리용 가열 장치일 수 있고, 상기 배기용 후드는 상기 조리용 가열 장치의 상부에 위치할 수 있다.

상기 열전 유닛은 상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 발열체로부터 발생하는 상기 열을 상기 전기 에너지로 변환하는 열전 소재로 구비될 수 있다.

상기 열전 소재는 인듐셀레나이드로 구비될 수 있다.

상기 열전 소재는 Bi-Te-a계 물질 또는 Pb-Te-a계 물질 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 PN 접합 반도체로 구비될 수 있다.

상기 열전 소재는 알칼리 금속 열전기 변환기로 구비될 수 있다.

상기 열전 유닛은 상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 발열체로부터 발생되는 상기 열로 인하여 내부에 위치하는 유체가 순환하는 유로 및 상기 유로의 내부에 구비되어, 회전하는 터빈부 및 상기 터빈부와 축으로 연결되어, 상기 터빈부로부터 동력을 얻어 상기 전기 에너지를 생산하는 발전 유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 유로는 상기 발열체로부터 발생되는 상기 열로 상기 유체가 가열되는 가열유로 및 상기 가열유로에 연결되어, 상기 가열되는 유체가 상승하는 상승유로 및 상기 유체가 순환되도록 상기 가열유로와 상기 상승유로를 연결하는 연결유로를 더 포함할 수 있다.

상기 열전 변환 장치는 상기 가열유로, 상기 상승유로, 상기 연결유로 중 선택되는 어느 하나의 유로내부에 위치하여, 상기 유로내부에서 순환하는 상기 유체가 역류되지 않고 일방향으로 순환되도록 하는 역류 방지부를 더 포함할 수 있다. 상기 터빈부는 상기 가열유로, 상기 상승유로, 상기 연결유로 중 선택되는 어느 하나의 유로내부에 위치할 수 있다.

본 발명에 따른 열전 변환 장치는 발열체에서 발생되는 열을 이용하여 주변의 전기장치에 전력을 공급할 수 있어 에너지의 효율성을 높이는 효과가 있다.

또한, 열전 변환 장치는 대기로 배출되어 폐기되는 열을 전기 에너지로 변환하여 사용이 가능하므로 지구온난화와 같은 환경문제를 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 열전 변환 장치를 나타낸 전체 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전 변환 장치를 나타낸 평면 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 측면 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 정면 단면도이다.

이하, 본 실시예에 따른 열전 변환 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 열전 변환 장치를 나타낸 전체 사시도이고 도 2는 본 실시예에 따른 열전 변환 장치를 나타낸 평면 단면도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 배기용 후드(100)는 조리용 가열 장치(10)의 상부에 구비되어, 조리용 가열 장치(10)로부터 발생되는 가스 및 음식물의 냄새를 흡입하여 대기로 배출하는 장치이다. 따라서, 배기용 후드(100)는 조리용 가열 장치(10)로부터 발생하는 열을 용이하게 회수할 수 있어 회생에너지기술에 사용되기 적합하다.

열전 변환 장치는 배기용 후드(100)의 표면 또는 이면에 구비되어, 열전 유닛(200), 케이블(510), 축전 유닛(500)을 포함한다.

열전 유닛(200)은 배기용 후드(100)의 표면 또는 이면에 구비되거나, 후술하는 지지수단(210)에 의해 배기용 후드(100)의 흡입부 또는 조리용 가열 장치(10)와 배기용 후드(100)의 이격된 사이에 구비될 수 있다. 또한, 열전 유닛(200)의 형태는 보드형태로 구비되거나, 조리용 가열 장치(10)로부터 발생하는 가스 및 증기가 열전 유닛(200)에 의해 방해를 받지 않고 외부로 원활히 배출되도록 그물형태로 구비될 수 있으나, 열전 유닛(200)의 형태를 한정하지는 않는다.

열전 유닛(200)은 열에너지를 전기 에너지로 변환시키는 인듐셀레나이드(Indium selenide: In4Se3-x)를 포함한 열전 소재를 사용할 수 있다. 인듐셀레나이드는 열을 전기로 변화시키는 열기전력이 크고 열전도도는 낮아 열전 성능이 우수하여 열전 유닛(200)으로 사용되기 적합하다.

또한, 열전 유닛(200)은 인듐셀레나이드에 비해 열전성능은 떨어지지만 통상적으로 제벡(SeeBeck)효과를 이용하는 PN 접합 반도체로 구비되는 열전소재를 사용할 수 있다. 이러한, PN 접합 반도체는 비스무스-텔루륨(Bismuth-Tellurium : Bi-Te-a)계열의 소재 또는 납-텔루륨(Lead-Tellurium : Pb-Te-a)계열의 소재를 사용할 수 있다.

또한, 열전 유닛(200)은 열에너지를 직접적으로 전기 에너지로 변환시키는 알칼리 금속 열전기 변환기(Alkali Metal Thermal to electric Converter: AMTEC)로 구비될 수 있다. 알칼리 금속 열전기 변환기는 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나 고체 전해질의 양단에 온도차를 주어 셀 내부에 충전된 액체의 증기압차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새로 나트륨(Na)이온의 이동이 일어나게 된다. 전해질을 통과한 나트륨 이온은 응축과정에서 전극표면에서 중성화되어 전기를 발생시킨다. 이때 출력형태는 저전압, 대전류가 발생하게 되는데 이들을 모을 경우 대용량의 발전이 가능하다.

이와 같이, 알칼리 금속 열전기 변환기는 알카리 금속인 나트륨 증기가 열원에 의해 고압 영역에서 증기 상태로 변하여 나트륨은 베타 알루미나 고체 전해질(Beta Alumina Solid Electrolyte: BASE)을 통과하고 자유 전자들은 양극으로부터 전기 부하를 통과하여 음극으로 돌아와서 저압 영역의 베타 알루미나 고체 전해질의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 전기를 발생시키는 원리이다.

지지수단(210)은 열전 유닛(200)이 배기용 후드(100)에 지지되도록 하며, 열전 유닛(200)과 동일하게 열전소재를 사용할 수 있으나, 지지수단(210)의 재질을 한정하지는 않는다.

또한, 지지수단(210)은 열전 유닛(210)이 배기용 후드(100)의 표면 또는 이면에 체결될 수 있도록 나사형태로 구비될 수 있고, 열전 유닛(210)이 배기용 후드(100)의 흡입부 또는 조리용 가열 장치(10)와 배기용 후드(100)가 이격되는 사이에 설치되도록 브릿지형태로 구비될 수 있다.

또한, 지지수단(210)은 조리용 가열장치(10)로부터 배기용 후드(100)를 통해 대기로 배출되는 가스 및 증기가 지지수단(210)에 의해 방해를 받지 않도록 그물형태를 포함한 다양한 형태로 구비될 수 있다.

본 실시예에서는 열전 유닛(200)이 나사형태 또는 브릿지형태의 지지수단(210)에 의해 지지되는 예를 설명하였으나, 열전 유닛(200)은 용접 또는 다른 체결 수단에 의해 배기용 후드(100)에 부착될 수 있다.

케이블(510)은 배기용 후드(100)에 지지되어 있는 열전 유닛(200)과 축전 유닛(500)에 연결되어, 열전 유닛(200)이 변환하는 전기 에너지를 축전 유닛(500)으로 이동시킨다.

축전 유닛(500)은 열전 유닛(200)이 변환하는 전기 에너지를 케이블(510)을 통해 저장한다. 이로 인해, 축전 유닛(500)은 축전 유닛(500)에 저장되는 전기 에너지를 다른 전기장치의 전력으로 공급할 수 있다. 이러한, 축전 유닛(500)은 과충전, 과방전, 과전류로 인한 효율저하를 방지하기 위하여 보호회로(Protection Circuit Module: PCM)를 구비하고 있는 축전지를 사용할 수 있다.

또한, 축전 유닛(500)은 배기용 후드(100)의 내부에 구비될 수 있으나, 축전 유닛(500)의 주변에서 발생되는 열로 인한 축전효율의 저하를 방지하기 위하여 배기용 후드(100)의 외부에 구비될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 열전 변환 장치의 작동에 대해 첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

사용자는 음식물을 가열하기 위하여 조리용 가열 장치(10)를 점화한다. 이때, 조리용 가열 장치(10)에서는 음식물을 가열하며 열과 가스 및 증기가 발생된다. 배기용 후드(100)는 조리용 가열장치(10)로부터 발생되는 열과 가스 및 증기를 흡입하여 대기로 배출한다.

이때, 가스 및 증기는 그물형태로 구비될 수 있는 열전 유닛(200)으로 인해 열전 유닛(200)의 방해를 받지 않고 원활히 대기로 배출된다. 또한, 열은 열전 유닛(200)으로 전도되어 전기 에너지로 변환된다.

변환되는 전기 에너지는 열전 유닛(200)과 축전 유닛(500)을 연결하고 있는 케이블(510)에 의해 열전 유닛(200)으로부터 축전 유닛(500)으로 이동되어 축전 유닛(500)에 저장된다.

따라서, 축전 유닛(500)에 저장되는 전기 에너지는 사용자에 의해 전력을 필요로 하는 전기장치에 사용될 수 있다.

이와 같이, 열전 변환 장치는 대기로 배출되어 폐기되는 열을 전기 에너지로 변환할 수 있어, 기존에 비해 에너지 효율을 높일 수 있으며 대기로 배출되는 열로 인하여 발생하는 지구 온난화와 같은 환경문제를 줄일 수 있다.

이하, 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 사시도이고, 도 4는 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 측면 단면도이다. 또한, 도 5는 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 열전 유닛을 나타낸 정면 단면도이다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 열전 유닛(200)은 유로(300), 터빈부(351), 발전 수단(352)을 포함할 수 있다.

유로(300)는 배기용 후드(100)의 표면 또는 이면에 구비될 수 있으며, 내부에 유체가 순환하도록 공간이 형성된 파이프형태로 구비될 수 있다.

유로(300)의 내부에 구비되는 유체는 끊는 점이 낮은 유체로 구비된다. 따라서, 조리용 가열 장치(도 1참조, 10)로부터 발생되어 배기용 후드(100)로 이동하는 열로 인하여 유로(300)의 내부에 구비되는 유체는 가열된다. 가열되는 유체는 자연 순환 방식과 같이 유로(300)의 내부를 따라 상승하게 된다. 이는 가열되는 유체는 밀도가 증가하여 가열되지 못한 유체보다 상승하려는 성질을 가지고 있기 때문이다. 상승되는 유체는 유로(300)의 내부를 따라 터빈부(351)를 지나 하강하게 되어 유로(300)의 내부에서 순환하게 된다. 또한, 유로(300)는 역류 방지부(310)를 포함할 수 있다.

역류 방지부(310)는 유로(300)의 내부에 구비되는 유체가 유로(300)의 내부에서 일방향으로 순환되도록 유로(300)의 내부에 구비된다. 역류 방지부(310)는 체크 밸브 및 역류를 방지하기 위한 다른 기타수단을 사용할 수 있다.

터빈부(351)는 유로(300)의 내부에 구비되며 유로(300)의 외부에 구비되는 발전 수단(352)과 축으로 연결된다. 또한, 터빈부(351)는 적어도 하나 이상의 날개를 포함하여 유체가 유로(300)의 내부에서 일방향으로 순환하는 힘으로 인하여 회전한다. 따라서, 터빈부(351)는 축으로 연결되어 있는 발전 수단(352)으로 동력을 전달한다.

발전 수단(352)은 유로(300)의 외부에 구비되어, 터빈부(351)와 축으로 연결된다. 또한, 발전 수단(352)는 터빈부(351)로부터 전달되는 동력으로 전기 에너지를 생산한다. 이러한, 발전 수단(352)은 제너레이터를 포함한 소형발전기를 사용할 수 있다.

이하, 다른 실시예에 따른 열전 변환 장치의 작동에 대해 첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

사용자는 음식물을 가열하기 위하여 조리용 가열 장치(도 1참조, 10)를 점화한다. 이때, 조리용 가열장치(도 1참조, 10)에서는 음식물을 가열하며 열과 가스 및 증기가 발생된다. 배기용 후드(100)는 조리용 가열 장치(도 1참조, 10)로부터 발생되는 열과 가스 및 증기를 흡입하여 대기로 배출한다.

이때, 배기용 후드(100)로 이동하는 가스 및 증기는 배기용 후드(100)의 흡입부를 통하여 원활히 대기로 배출된다. 또한, 열은 배기용 후드(100)의 표면 또는 이면에 구비되는 유로(300)로 전도된다.

전도되는 열로 인하여 유로(300)의 내부에 구비되는 유체는 가열되고 유로(300)의 내부를 따라 상승하여 유로(300)의 내부에서 순환한다. 유로 (300)의 내부에서 순환하는 유체는 역류 방지수단(310)에 의해 역류되지 않고 유로(300)의 내부에서 일방향으로 순환된다. 이때, 순환하는 유체로 인하여 유로(300)의 내부에 구비되는 터빈부(351)는 회전하게 된다.

터빈부(351)가 회전됨에 따라 축으로 연결되어 있는 발전 수단(352)은 터빈부(351)로부터 축을 통하여 동력을 전달받아 전기 에너지를 생산한다. 이러한, 전기 에너지는 발전 수단(352)과 축전 유닛(500)을 연결하고 있는 케이블(510)에 의해 발전 수단(352)으로부터 축전 유닛(500)으로 이동되어 축전 유닛(500)에 저장된다.

따라서, 축전 유닛(500)에 저장되는 전기 에너지는 사용자에 의해 전력을 필요로 하는 장치에 사용될 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다.

따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10 : 조리용 가열장치
100 : 배기용 후드
200 : 열전 유닛
300 : 유로
500 : 축전 유닛
510 : 케이블

Claims

발열체로부터 발생하는 열기가 유입되는 배기용 후드;
상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 열기의 열을 전기 에너지로 변환하는 열전 유닛;상기 열전 유닛에 의해 변환되는 상기 전기 에너지를 저장하는 축전유닛;을 포함하는 열전 변환 장치.
제 1항에 있어서, 상기 발열체는,
조리용 가열 장치일 수 있고, 상기 배기용 후드는 상기 조리용 가열 장치의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 장치.
제 1항에 있어서, 상기 열전 유닛은,
상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 발열체로부터 발생하는 상기 열을 상기 전기 에너지로 변환하는 열전 소재로 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 장치.
제 3항에 있어서, 상기 열전 소재는,
인듐셀레나이드로 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 장치.
제 3항에 있어서, 상기 열전 소재는,
Bi-Te-a계 물질 또는 Pb-Te-a계 물질 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 PN 접합 반도체로 구비되는 것을 특징으로 열전 변환 장치.
제 3항에 있어서, 상기 열전 소재는,
알칼리 금속 열전기 변환기로 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 장치.
제 1항에 있어서, 상기 열전 유닛은,
상기 배기용 후드에 구비되어, 상기 발열체로부터 발생되는 상기 열로 인하여 내부에 위치하는 유체가 순환하는 유로;
상기 유로의 내부에 구비되어, 회전하는 터빈부;
상기 터빈부와 축으로 연결되어, 상기 터빈부로부터 동력을 얻어 상기 전기 에너지를 생산하는 발전 유닛;을 포함하는 열전 변환 장치.
제 7항에 있어서, 상기 유로는,
상기 발열체로부터 발생되는 상기 열로 상기 유체가 가열되는 가열유로;
상기 가열유로에 연결되어, 상기 가열되는 유체가 상승하는 상승유로;
상기 유체가 순환되도록 상기 가열유로와 상기 상승유로를 연결하는 연결유로;를 포함하는 열전 변환 장치.
제 8항에 있어서,
상기 가열유로, 상기 상승유로, 상기 연결유로 중 선택되는 어느 하나의 유로내부에 위치하여, 상기 유로내부에서 순환하는 상기 유체가 역류되지 않고 일방향으로 순환되도록 하는 역류 방지부;를 포함하는 열전 변환 장치.
제 8항에 있어서, 상기 터빈부는,
상기 가열유로, 상기 상승유로, 상기 연결유로 중 선택되는 어느 하나의 유로내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 장치.