KR20140051416A

KR20140051416A - 열전 발전 장치

Info

Publication number: KR20140051416A
Application number: KR1020147006721A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 마키노; 히로마사 가이베; 히로쿠니 하치우마
Original assignee: 가부시키가이샤 케르쿠
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-30
Also published as: JP2013080883A; WO2013051691A1; KR101589987B1; CN103814451A; US20140216516A1; JP5794885B2

Abstract

열을 받는 수열판(受熱板)(10)과, 수열판(10)보다 저온으로 유지되는 냉각판(20)과, 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이에 개장(介裝)되는 열전(熱電) 모듈(30)을 구비한 열전 발전 장치에 있어서, 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이에는, 열전 모듈(30)의 외측을 둘러싸는 O링(17)이 설치되고, 수열판(10)과 냉각판(20)은, O링(17)의 외측의 위치에서 볼트(11)에 의해 서로 연결되고, 이들 볼트(11)에는, 수열판(10)과 냉각판(20)을 서로 접근하는 방향으로 부세(付勢)하는 탄성을 가진 부세 부재로서의 코일 스프링(15)이 설치되어 있다.

Description

열전 발전 장치{THERMOELECTRIC GENERATOR}

본 발명은, 열전(熱電) 발전 장치에 관한 것이며, 특히 복수의 열전 모듈을 수열판(受熱板)과 냉각판의 사이의 동일 면 내에 개장(介裝)시킨 열전 발전 장치에 관한 것이다.

종래, 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용한 열전 변환 회로를 2개의 금속제의 열변환판에 끼운 열전 발전 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이와 같은 열전 발전 장치에서는, 열전 변환 회로를 둘러싸도록 O링이 배치되어 있고, 이 O링에 의해 열교환판 사이의 기밀을 확보하여, 열전 변환 회로가 개장되어 있는 부분으로의 수분(습기)의 침수를 방지하고 있다.

그런데, 특허 문헌 1에 의하면, 열변환판끼리는, 이들의 외측 둘레 부분이나 중앙 부분의 복수 개소가 볼트에 의해 서로 가까워지는 방향으로 체결되고, 이 고정력에 의해 O링이 적절하게 눌러져서 찌부러져 열교환판에 밀착되고, 충분한 실링 성능을 얻을 수 있게 되어 있다.

일본 특허출원 공개번호 2002-147888호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 열전 발전 장치에서는, 고온 측의 열변환판에 열변형이 생긴 경우 등, 열교환판과 O링과의 밀착 형태를 확보하지 못하고, 열교환판 사이에 개장되는 열전 모듈의 실링 성능을 유지할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 열교환판의 변형을 흡수함으로써 O링과의 밀착을 양호하게 유지하고, 실링 성능을 향상시킬 수 있는 열전 발전 장치를 제공하는 것에 있다.

제1 발명에 따른 열전 발전 장치는, 수열하는 수열판과, 상기 수열판보다 저온으로 유지되는 냉각판과, 상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에 개장되는 열전 모듈을 구비하고, 상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 열전 모듈의 외측을 둘러싸는 제1 O링이 설치되고, 상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 제1 O링의 외측의 위치에서 제1 볼트에 의해 서로 연결되고, 상기 제1 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 부세(付勢)하는 탄성을 가진 제1 부세 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

제2 발명에 따른 열전 발전 장치에서는, 상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 제1 O링의 내측의 위치에서 제2 볼트에 의해 서로 연결되고, 상기 제2 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 부세하는 탄성을 가진 제2 부세 부재가 설치되고, 상기 제1 O링의 내측의 제2 부세 부재의 부세력은, 제1 부세 부재의 부세력보다 큰 것을 특징으로 한다.

제3 발명에 따른 열전 발전 장치에서는, 상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 제1 O링의 내측의 제2 볼트에 관삽(貫揷)된 제2 O링이 개장되어 있는 것을 특징으로 한다.

제4 발명에 따른 열전 발전 장치에서는, 상기 열전 모듈을 둘러싸는 상기 제1 O링, 및 상기 내측의 제2 볼트에 관삽된 제2 O링은, 불소계의 고무제인 것을 특징으로 한다.

제5 발명에 따른 열전 발전 장치에서는, 상기 수열판, 상기 냉각판, 및 복수의 상기 열전 모듈을 가진 열전 발전 유닛과, 상기 열전 발전 유닛을 덮는 금속제의 차폐 커버와, 상기 열전 발전 장치를 소정의 위치에 고정하는 고정 브래킷을 구비하고, 상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 열전 모듈을 둘러싸는 상기 제1 O링의 외측의 위치 및 내측의 위치에서 상기 제1 및 상기 제2 볼트에 의해 서로 연결되고, 이들 상기 제1 및 상기 제2 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 가압하는 상기 제1 및 상기 제2 부세 부재가 설치되고, 상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 부세 부재의 부세력은, 상기 제1 O링의 외측의 제1 부세 부재의 부세력보다 크고, 상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 제1 O링의 내측의 제2 볼트에 관삽된 제2 O링이 개장되고, 상기 제1 O링은 각각의 모서리부에 R 형상을 가지는 사각형이 되고, 상기 제1 O링의 외측의 위치에 있는 제1 볼트는, 상기 제1 O링의 모서리부에 대응하여 설치되고, 상기 제1 부세 부재 및 상기 제2 부세 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 한다.

제1 발명에 의하면, 수열판과 냉각판을 연결하는 제1 볼트에는, 서로를 접근하는 방향으로 가압하는 제1 부세 부재가 형성되어 있으므로, 수열판이 열에 의해 변형된 경우라도, 이 변형을 제1 부세 부재의 탄성 변형에 의해 흡수하면서, 수열판과 냉각판의 연결 상태를 양호하게 유지할 수 있으며, 따라서, 수열판 및 저온판과 제1 O링과의 밀착 형태를 확보할 수 있어 기밀 성능을 향상시킬 수 있다.

제2 발명에 의하면, 제1 O링의 내측에서도, 제2 부세 부재에 의해 수열판 및 냉각판이 가압되므로, 이들 사이에 개장되는 열전 모듈의 수냉판과의 밀착성을 양호하게 유지할 수 있고, 열전 모듈에 응력이 생기는 것을 억제하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

제3 발명에 의하면, 내측의 제2 볼트 주위도 제2 O링으로 봉지(封止)되므로, 이와 같은 제2 볼트가 삽통(揷通)되는 삽통공으로부터 수분이 침입한 경우라도, 수열판과 냉각판의 사이가 넓어질 우려가 없어, 기밀성을 보다 양호하게 할 수 있다.

제4 발명에 의하면, 제1, 제2 O링이 불소계의 고무제이므로, 양호한 내열성을 부여할 수 있고, 열원으로부터의 열을 받아 발전을 행하는 열전 발전 장치에 바람직하게 이용할 수 있다.

제5 발명에 의하면, 사각형으로 된 수열판 및 냉각판 사이를 네개의 모서리의 모서리부가 R 형상을 가지는 사각형의 O링으로 실링한 경우에 매우 적합하고, 특히 열변형이 생기기 쉬운 네개의 모서리 부분의 연결 상태나 기밀성을 확실하게 유지 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 장치를 열처리로의 버너 연소 부분에 적용한 예를 나타낸 모식 도면이다.
도 2는 열전 발전 장치를 일부 분해하여 나타내는 전체 사시도이다.
도 3은 열전 발전 장치의 열전 발전 유닛을 일부 단면시(斷面視)하여 나타내는 전체 사시도이다.
도 4는 열전 발전 유닛의 평면도이다.
도 5는 열전 발전 유닛의 측면도이다.
도 6은 도 4의 VI-VI 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 냉각판의 배면도이다.
도 8a는 열전 모듈의 지지 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8b는 열전 모듈의 주요부의 단면도이다.
도 9는 열전 발전 유닛의 터미널 블록 주위를 나타낸 단면도이다.
도 10은 터미널 블록 주위를 나타낸 분해 사시도이다.

이하에서, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 본 실시예에 따른 열전 발전 장치(1)를 열처리로(100)의 버너 연소 부분에 적용한 예를 나타낸 것이다. 열처리로(100)에서 사용된 가스를 배기할 때, 이 가스를 연료로 하여 가스 버너(3)에 의해 연소시키고, 연소 후의 배기가스를 배기 덕트(2)를 통해 배기하고 있다. 배기 덕트(2)의 아래쪽에는 연소용 가스 버너(3)가 설치되고, 가스 버너(3)의 화염이 닿는 위치에 열전 발전 장치(1)가 배치되어 있다. 가스 버너(3)로부터의 화염으로 쬐어짐으로써, 가스 연소 시의 열에너지를 열전 발전 장치(1)에 의해 전기로 변환하고 있다.

단, 본 발명의 열전 발전 장치는, 고온에 노출되는 개소에 설치되면 되며, 열처리로(100)에 적용되는 경우로 한정되지 않는다.

[열전 발전 장치의 전체 설명]

도 2는, 열전 발전 장치(1)를 나타낸 사시도이다. 열전 발전 장치(1)는, 열전 변환을 행하는 열전 발전 유닛(4)과, 이 열전 발전 유닛(4)을 덮는 차폐 커버(5)와, 열전 발전 유닛(4)을 배기 덕트(2)에 고정하기 위한 고정 브래킷(6)을 구비하고, 이 고정 브래킷(6)이 배기 덕트(2)에 고정된다.

[열전 발전 유닛에 대한 개략적인 설명]

열전 발전 유닛(4)은, 상세하게는 도 3 이후에 기초하여 후술하지만, 도면 중 아래쪽의 수열판(10)과, 위쪽의 냉각판(20)과, 이들 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이에 개장된 열전 모듈을 구비하고 있다. 수열판(10)의 하면이 가스 버너(3)의 화염에 의해 아래쪽으로부터 가열되는 한편, 냉각판(20)이 냉각수에 의해 냉각되어, 이들 사이에 개장된 발전 모듈에 의해 수열판(10)과 냉각판(20)과의 온도차에 의한 제벡 효과가 생겨, 발전한다.

[차폐 커버에 대한 상세한 설명]

차폐 커버(5)는, 아래쪽으로부터 돌아서 오는 가스 버너(3)의 화염으로부터 열전 발전 유닛(4)을 보호하기 위해 사용된다. 구체적으로, 차폐 커버(5)는, 평면에서 볼 때 직사각형 판형으로 된 수열판(10)의 장변 측의 측면에 볼트 고정되는 한 쌍의 장변측 하부 차폐판(7, 7)과, 이들 장변측 하부 차폐판(7, 7)의 상측 둘레에 볼트 고정되는 장변측 상부 차폐판(8, 8)과, 수열판(10)의 단변 측의 측면에 볼트 고정되는 한 쌍의 단변측 차폐판(9, 9)으로 구성되어 있다. 각 차폐판(7∼9)은, 예를 들면, 스테인레스제이다. 냉각판(20)의 외경 치수는 수열판(10)의 외경 치수보다 약간 작고, 차폐 커버(5)가 수열판(10)에 장착될 때, 차폐 커버(5)와 냉각판(20)의 사이에는 공간이 형성된다.

장변측 하부 차폐판(7)은, 대략 고정 브래킷(6)까지의 높이 치수를 가지고 있다. 즉, 열전 발전 유닛(4)의 장변측은, 고정 브래킷(6)의 높이 위치에서 상하로 2분할되는 차폐판(7, 8)에 의해 덮혀져 있다. 그러므로, 장변측 하부 차폐판(7)의 상부 측 및 장변측 상부 차폐판(8)의 하부 측에는, 고정 브래킷(6)에 대응한 위치에 슬릿(7A, 8A)이 형성되고, 열팽창이 생겨도 고정 브래킷(6)으로 간섭하지 않게 되어 있다. 또한, 한쪽 장변측 상부 차폐판(8)에는, 슬릿(8A, 8A) 사이에 개구부(8B)가 형성되어 있다. 개구부(8B)는, 열전 발전 유닛(4)으로부터의 전기 배선이나 냉각수용 호스를 통과시키기 위하여 설치된다.

각각의 차폐판(7∼9)은, 수직인 측면부(71, 81, 91)를 가지고 있고, 장변 측의 상하의 차폐판(7, 8)의 측면부(71, 81), 및 여기에 근접하는 단변측 차폐판(9)의 측면부(91)에서는, 수직인 끝둘레끼리 맞닿아서, 열전 발전 유닛(4)의 측방 전체 둘레가 덮힌다. 또한, 장변측 상부 차폐판(8) 및 단변측 차폐판(9)의 상부에는, 평면 방향으로 절곡된 사다리꼴 형상의 상면부(82) 및 삼각형상의 상면부(92)가 형성되고, 이들 상면부(82, 92)의 끝둘레끼리 맞닿아서, 열전 발전 유닛(4)의 위쪽 전체 영역이 덮힌다.

그리고, 각 차폐판(7∼9)에 있어서, 측면부(71, 81, 91)끼리, 상면부(82, 92)끼리는, 서로 접합되어 있지 않고, 각 차폐판(7∼9)에서 생기는 열신축량의 차이는, 각 끝주위의 경계 부분이 어긋나는 것에 의해 흡수된다. 따라서, 차폐 커버(5) 전체에서는, 열응력이 생기고 어렵고, 차폐판(7, 9)이 고정되는 열전 발전 유닛(4)의 특히 수열판(10)에 영향을 미칠 우려가 없다. 또한 반대로, 수열판(10)에 열신축이 생겨도, 이 열신축에 추종하여 각 차폐판(7∼9)의 경계 부분이 어긋나기 때문에, 역시 차폐 커버(5)에서의 응력이 생기기 어렵게 할 수 있어, 수열판(10)에 대한 가스 버너(3)로부터 발생하는 화염에 의한 영향을 억제한다.

[고정 브래킷에 대한 상세한 설명]

고정 브래킷(6)은, 단면 L자 형상의 금속형 강을 대략 우물 형상으로 접합한 지지 프레임(61)을 가지고 있다. 즉, 지지 프레임(61)은, 양단이 차폐 커버(5)로부터 돌출하는 한 쌍의 평행한 지지 프레임재(62)와, 차폐 커버(5) 내에 있어서, 지지 프레임재(62) 사이에 걸쳐서 가로지르는 한 쌍의 평행한 가설(架設) 프레임재(63)로 구성된다.

지지 프레임재(62)의 양단에는 볼트공(孔)(62A)이 형성되고, 이 볼트공(62A)에 삽통되는 볼트에 의해, 고정 브래킷(6)이 배기 덕트(2)에 고정된다.

가설 프레임재(63)의 하면에는, 길이 방향으로 간격을 두고 한 쌍의 금속제의 고정 블록(64)이 용착(溶着)되어 있다. 고정 블록(64)은, 냉각판(20)에 대하여 지지 프레임(61)을 소정의 높이 위치에 배치하기 위한 부재이며, 지지 프레임(61)으로서는, 가설 프레임재(63)를 고정 블록(64)마다 관통하는 볼트에 의해, 냉각판(20)의 상면에 고정되어 있다.

또한, 가설 프레임재(63) 사이에는, 금속제의 냉각수 블록(65)이 가설되어 있다. 냉각수 블록(65)에는, 냉각수를 외부로부터 공급하는 공급 호스 및 외부로 되돌리는 반환 호스가, 장변측 상부 차폐판(8)의 개구부(8B)를 통과하여 접속되고, 또한, 냉각판(20)에 설치된 유입구에 냉각수를 공급하는 공급 호스 및 배출구로부터 냉각수를 되돌리는 반환 호스가 접속된다. 즉, 온도 조정된 외부로부터의 냉각수는, 냉각수 블록(65)을 통하여 냉각판(20)의 냉각수 회로에 공급되고, 냉각수 회로를 흐른 후에, 냉각판(20)으로부터 냉각수 블록(65)을 통하여 외부로 되돌려진다.

[열전 발전 유닛에 대한 상세한 설명]

도 3은, 열전 발전 유닛(4)의 전체 사시도, 도 4는 그 평면도, 도 5는 그 측면도, 도 6은 도 4의 VI-VI 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 7은, 열전 발전 유닛(4)의 냉각판(20)의 배면도이다.

도 3 내지 도 5에 있어서, 열전 발전 유닛(4)은, 구리제이며 전체면에 흑색 무전해 니켈 도금에 의해 표면 처리된 직사각 판형의 수열판(10)과, 구리제이며 수열판(10)보다 외형 치수가 약간 작은 직사각 판형의 냉각판(20)과, 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이에 개장된 복수의 열전 모듈(30)을 구비하고 있다.

수열판(10) 및 냉각판(20)은, 4개의 모서리의 4개의 볼트(11)와, 장변 측에 평행하게 4열 및 단변 측에 평행하게 3열로 위치한 12개의 볼트(12)에 의해 서로 체결되어 있다. 따라서, 수열판(10)에는, 이들 볼트(11, 12)가 나사 삽입되는 볼트혈(穴)(13, 14)이 형성되고, 냉각판(20)에는 볼트(11, 12)가 삽통되는 삽통공(후술함)이 형성된다.

[코일 스프링의 기능]

볼트(11)에는 원판형의 와셔(11A)가 관삽되어 있고, 와셔(11A)와 냉각판(20)의 상면의 사이에는, 볼트(11)에 삽통된 상태에서 코일 스프링(15)(제1 부세 부재)이 개장되어 있다. 또한, 볼트(12)에는 와셔(12A)가 관삽되어 있고, 와셔(12A)와 냉각판(20)의 상면의 사이에는, 볼트(12)에 삽통된 상태에서 코일 스프링(16)(제2 부세 부재)이 개장되어 있다. 코일 스프링(16)의 선직경 및 외경은 각각 , 코일 스프링(15)보다 크고, 코일 스프링(16)의 스프링력은 코일 스프링(15)의 스프링력보다 크다. 이들 코일 스프링(15, 16)의 스프링력에 의하여, 수열판(10)과 냉각판(20)은 서로 가까워지는 방향으로 부세되고 있다.

여기서, 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이에는, 4개의 모서리의 모서리부에 R 형상을 가지는 4각형 모양의 O링(17)(제1 O링)이 수열판(10) 및 냉각판(20)의 주위둘레를 따라 개장되어 있다. O링(17)은, 열전 모듈(30)의 주위를 둘러싸고 있으며, 외부로부터의 수분(습기)의 침입을 방지하여, 열전 모듈(30)을 수분으로부터 보호하고 있다. 4개의 모서리의 볼트(11)는, O링(17)의 외측에 위치하여 코너 부분에 근접하고, 다른 12개의 볼트(12)는, O링(17)의 내측에 위치하고 있다.

볼트(12)가 O링(17)의 내측에 위치하여 냉각판(20)을 관통하고 있으므로, 도 6에도 나타낸 바와 같이, 이 관통 부분에 대응하여 작은 원형의 O링(18)(제2 O링)이 배치되어 있다. 모든 O링(18)은, O링(17)의 내측에 배치되고, 볼트(12)의 주위가 O링(18)으로 실링됨으로써, 관통 부분으로부터 침입하는 수분으로부터 열전 모듈(30)을 보호하고 있다. O링(17, 18)의 재질로서는, 내열성이 우수한 불소계의 고무가 채용되고 있다.

볼트(11)에 삽통된 코일 스프링(15)은, 열변형에 의해 이격하기 쉬운 수열판(10) 및 냉각판(20)의 4개의 모서리를 부세하고 있고, O링(17)의 코너 부분을 확실하게 가압하여, O링(17)과 수열판(10) 및 냉각판(20)과의 밀착 상태를 양호하게 유지시키고 있다. 이에 대하여 볼트(12)에 삽통된 코일 스프링(16)은, 수열판(10) 및 냉각판(20)을 부세함으로써, 열전 모듈(30)을 확실하게 협지하고, 또한 수열판(10) 및 냉각판(20)과 O링(17)의 직선 부분과의 밀착 상태, 및 O링(18)과의 밀착 상태를 유지하도록 기능한다. 또한, 이들 코일 스프링(15, 16)에 의해, 수열판(10)의 열에 의한 휨 등이 확실하게 억제되도록 되어 있다.

[냉각판의 구조]

도 3, 도 7에 나타낸 바와 같이, 냉각판(20)의 내부에는, 냉각수를 흐르게 하는 냉각수 회로(21)가 설치되어 있다. 상세한 도시는 생략하지만, 냉각판(20)은 2층 구조이며, 한쪽 층을 형성하는 판재에는, 일련의 홈이 장변에 대하여 대략 평행하게, 또한 단변 측의 변이 가장자리 근처에서 벤딩되어 사행(蛇行)하도록 형성되고, 이 홈을 다른 쪽의 층을 형성하는 판재로 덮음으로써, 양 판재의 사이, 즉 냉각판(20)의 내부에 냉각수 회로(21)가 설치된다. 양 판재는, 외주 부분에서 브레이징(brazing)되어 일체로 고착된다.

냉각판(20)의 상면에는, 냉각수 회로(21)의 일단에 대응한 위치에 유입구(22)가 세워져 설치되고, 타단에 대응한 위치에 배출구(23)(도 4, 도 5에 도시함)가 세워져 설치되어 있다. 유입구(22) 및 배출구(23)에는 각각, 냉각수 블록(65)으로부터의 도시하지 않은 공급 호스 및 되돌림(return) 호스가 접속된다.

냉각판(20)의 배면을 나타낸 도 7에 있어서, 냉각판(20)의 4개의 모서리에는, 전술한 볼트(11)가 삽통되는 삽통공(24)이 형성되고, 냉각판(20)의 내부 측의 12개소에는, 볼트(12)가 삽통되는 삽통공(25)이 형성되어 있다. 또한, 냉각판(20)의 배면에는, 4개의 모서리의 삽통공(24)의 내측에 근접시켜 위치결정핀(26)이 돌출되고, 장변 측의 변의 가장자리에는 4개의 위치결정핀(27)이, 단변 측의 변의 가장자리의 중앙 위치에는 위치결정핀(27)이 각각 돌출되어 있다. 이들 위치결정핀(26, 27)의 외측을 지나도록 O링(17)이 배치된다.

또한, 냉각판(20)의 배면 측에는, 열전 모듈(30)용의 다수의 위치결정핀(28)이 돌출되어 있다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 평면에서 볼 때 대략 정사각형으로 된 판형의 열전 모듈(30)은, 그 3변의 중앙 부분이 각각 위치결정핀(28)과 맞닿고, 위치 결정된다.

이상에서 설명한 위치결정핀(26∼28)이 냉각판(20) 측에 설치되는 이유는, 냉각판(20)이 열에 의한 신축이 거의 없고, O링(17, 18)이나 열전 모듈(30)의 위치 결정 상태를 양호하게 유지할 수 있기 때문이다.

또한, 냉각판(20)의 외주 단면에는, 도시하지 않은 밴드형의 금속판이 설치되고, 이 금속판에 의해 수열판(10)과 냉각판(20)의 사이의 간극을 덮어, O링(17)에 대한 열영향을 경감시키고 있다.

[열전 모듈]

도 8a 및 도 8b에 있어서, 열전 모듈(30)은, 복수의 열전 소자(301)를 각각 판형의 수열면부(302) 및 냉각면부(303)로 협지한 구조이다. 즉, 열전 모듈(30)에서는, 수열면부(302)의 내측면에 수열측 전극(302A)이 배치되고, 냉각면부(303)의 내측면에 냉각측 전극(303A)이 배치되어 있고, P형의 열전 소자(301A) 및 N형의 열전 소자(301B)의 수열면부(302) 측의 단면이 수열측 전극(302A)에 접속되고, P형의 열전 소자(301A) 및 N형의 열전 소자(301B)의 냉각면부(303) 측의 단면이 냉각측 전극(303A)에 접속되어 있다. P형의 열전 소자(301A)와 N형의 열전 소자(301B)가 교대로 수열측 전극(302A) 및 냉각측 전극(303A)을 통하여 전기적으로 직렬로 접속됨으로써, 열전 모듈(30)이 구성되어 있다.

이와 같은 열전 모듈(30)은, 수열판(10) 및 냉각판(20)의 장변에 대하여 평행하게 4열, 단변에 대하여 평행하게 4열의 합계 16장이 동일 평면 내에 배치되어 있다. 단변에 대하여 평행한 4개의 열전 모듈(30) 중, 인접하는 2개의 열전 모듈(30)끼리 근접 배치되어 있다(도 4도 참조할 것). 열전 모듈(30)이, 표면과 배면에 도포된 그리스(grease)를 통하여 수열판(10) 및 냉각판(20)과 접촉하고 있다. 수열판(10)이 고열이 될 때, 열전 모듈(30)의 수열측 전극(37A)이 열팽창한다. 수열측 전극(37A)과 냉각측 전극(38A)과의 온도차에 의해 열전 모듈(30)이 휘어지고 뒤틀려진다.

또한, 단변에 대하여 평행이며, 도 4의 좌측의 변의 가장자리를 따라 배치된 4개의 열전 모듈(30)(311, 312, 313, 314)을 대표하여 설명하면, 인접하는 한 쌍의 열전 모듈(311, 312 및 313, 314) 사이에서는, 한쪽 열전 모듈(311)(313)의 음극 접속 단자와, 다른 쪽 열전 모듈(312)(314)의 양극 접속 단자가 리드선(33)에서 도통되어 있다. 열전 모듈(312, 313) 사이에서도 동일하다. 양단의 열전 모듈(311, 314)에서는, 한쪽 열전 모듈(314)의 양극에 리드선(34)이 접속되고, 다른 쪽 열전 모듈(311)의 음극에 리드선(35)이 접속되어 있다. 즉, 열전 모듈(311∼314)은, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 단변에 대하여 평행하게 배치된 다른 4개의 열전 모듈(30)에서도 동일하다.

이 결과, 도 4에 나타내는 제1열 제4행째의 열전 모듈(314)에서는, 양극으로부터의 리드선(34)은, 냉각판(20)의 상면에 설치된 도면 중 좌측단의 제1 터미널 블록(36)에 접속되고, 제2열 제4행째의 열전 모듈(324)에서는, 리드선(34)이 제2 터미널 블록(37)에 접속되고, 제3열 제1행째의 열전 모듈(331)에서는, 리드선(34)이 제3 터미널 블록(38)에 접속되고, 제4열 제1행째의 열전 모듈(341)에서는, 리드선(34)이 우측단의 제4 터미널 블록(39)에 접속된다. 이에 대하여, 제1, 제2열 제1행째의 열전 모듈(311, 321), 및 제3, 제4열 제4행째의 열전 모듈(334, 344)의 음극으로부터의 각 리드선(35)은, 서로 도통되어 하나로 되고, 중앙의 제5 터미널 블록(41)에 접속된다.

[터미널 블록의 구조]

이하에는, 도 9, 도 10에 기초하여 제1∼제4 터미널 블록(36∼39, 41)에 대하여 설명한다. 도 9, 도 10에 있어서, 제1∼제5 터미널 블록(36∼39, 41)은, 제5 터미널 블록(41)을 중심으로 하여, 냉각판(20)의 장변에 대하여 평행한 중심축 선상에서 중앙에 집약되어 있고, 각각 스페이서(43), 터미널(44), 및 수지 커버(45)를 구비하고 있다.

냉각판(20)에는, 제1∼제5 터미널 블록(36∼39, 41)에 대응한 위치에 관통공(42)이 형성되고, 이 관통공(42)을 통해 열전 모듈(30)로부터의 리드선(34, 35)이 상면에 인출된다.

냉각판(20)의 상면에는, 관통공(42)을 둘러싸도록 불소 수지제로 원통형상의 스페이서(43)가 배치되어 있다. 스페이서(43)의 상부에는, 도전성을 가지는 스테인레스 등의 금속제로 원기둥형의 터미널(44)이 설치되어 있다. 스페이서(43) 및 터미널(44)은, 내열성을 가지는, 예를 들면, 폴리이미드 수지제의 수지 커버(45)로 덮혀져 있다.

그리고, 제1∼제5 터미널 블록(36∼39, 41)은, 냉각판(20)에 직접적으로 고정된 알루미늄 등의 금속 커버(46)로 덮혀져 있다. 수지 커버(45) 및 금속 커버(46)는 각각 통형이 되며, 외주의 일부에 상부로부터 절결된 절결 개구(45A, 46A)를 가지고 있다. 또한, 각 커버(45, 46)의 상부 측의 개구 부분은 원판형의 커버(47, 48)에 의해 막혀져 있다. 수지 커버(45)는, 3개의 볼트(49)에 의해 커버(47)를 모두 체결한 상태에서 냉각판(20)에 고정되고, 금속 커버(46)는, 2개의 볼트(51)에 의해 커버(48)를 모두 체결한 상태에서 냉각판(20)에 고정된다.

터미널(44)의 하면에는, 리드선(34, 35)의 선단의 단자(52)가 스크류(53)에 의해 고정되고, 터미널(44)의 상면에는, 외부로부터의 전력선(54)의 단자(55)가 스크류(56)에 의해 결선되어 있다. 전력선(54)은, 각 커버(45, 46)의 절결 개구(45A, 46A)를 통해 배선된다.

여기서, 냉각판(20)의 상면과 스페이서(43)의 하면의 사이에는 O링(57)이 개장되며, 스페이서(43)와 터미널(44)의 사이에는 O링(58)이 개장되며, 스페이서(43)와 수지 커버(45)의 사이에는 O링(59)이 개장되어 있다. 냉각판(20)과 각 커버(45, 46)의 사이로부터 침입하는 수분이나, 각 커버(45, 46)의 절결 개구(45A, 46A)로부터 침입하는 수분은, 이들 O링(57∼59)에 의해 봉지(封止)되어, 스페이서(43) 내에 위치하는 관통공(42)으로부터 열전 모듈(30) 측으로 수분이 침입하는 것을 막고 있다.

또한, 수지 커버(45)나 O링(57∼59)은, 금속 커버(46)에 의해 덮힘으로써, 외부로부터의 열영향, 특히 차폐 커버(5)로부터의 복사열의 영향을 받지 않게 된다. 이와 같이, O링(57∼59)의 변형 등을 방지함으로써, 기밀 성능를 양호하게 유지 가능한 효과가 있다.

또한, 금속 커버(46)가 냉각판(20)의 상면에 접촉함으로써 냉각되므로, 금속 커버(46) 자신이 복사열에 의해 과도하게 고온으로 될 우려가 없다. 또한, 이상에서 설명한 제1∼제5 터미널 블록(36∼39, 41)이 냉각판(20)의 중앙 부근의 중심축 선상에 집약되어 있음으로써, 차폐 커버(5)로부터의 거리가 여유있도록 하여 복사열의 영향을 적게 하고 있다.

그리고, 본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서의 변형, 개량 등은 본 발명에 포함되는 것이다.

예를 들면, 상기 실시예에서는, 열전 발전 장치(1)가 열처리로(100)에 적용되고 있었지만, 이것으로 한정되지 않고, 열원을 가지는 임의의 개소에 본 발명의 열전 발전 장치를 적용할 수도 있다.

상기 실시예에서는, 냉각판(20)에는 냉각수 회로(21)가 설치되고, 냉각수에 의해 적극적으로 냉각되고 있지만, 냉각판은 수열판에 대하여 저온으로 유지되면 되며, 냉각수 회로 등의 적극적인 냉각 수단이 없는 경우라도 본 발명에 포함된다.

상기 실시예에서는, 본 발명에 따른 가압 부재로서 코일 스프링을 사용하였지만, 임의의 엘라스토머재로 이루어지는 탄성체를 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 O링의 재질은 불소계로 한정되지 않으며, 예를 들면, 내열성이 많이 요구되지 않는 경우에는, 니트릴 고무나 부틸 고무 등의 일반적인 재질이라도 된다.

[산업상 이용가능성]

본 발명은, 열원으로부터의 열을 받아 발전을 행하는 열전 발전 장치에 관한 것으로서, 각종 공업용 설비나 엔진에 의해 구동되는 자동차, 건설 기계, 철도 차량 등에 이용할 수 있다.

1: 열전 발전 장치, 4: 열전 발전 유닛, 5: 차폐 커버, 6: 고정 브래킷, 10: 수열판, 11, 12: 볼트, 15, 16: 부세 부재인 코일 스프링, 17: 제1 O링, 18: 제2 O링, 20: 냉각판, 30: 열전 모듈

Claims

수열(受熱)하는 수열판;
상기 수열판보다 저온으로 유지되는 냉각판; 및
상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에 개장(介裝)되는 열전(熱電) 모듈
을 구비하고,
상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 열전 모듈의 외측을 둘러싸는 제1 O링이 설치되고,
상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 제1 O링의 외측의 위치에서 제1 볼트에 의해 서로 연결되고,
상기 제1 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 부세(付勢)하는 탄성을 가진 제1 부세 부재가 설치되어 있는, 열전 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 제1 O링의 내측의 위치에서 제2 볼트에 의해 서로 연결되고,
상기 제2 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 부세하는 탄성을 가진 제2 부세 부재가 설치되고,
상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 부세 부재의 부세력은, 상기 제1 부세 부재의 부세력보다 큰, 열전 발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 볼트에 관삽(貫揷)된 제2 O링이 개장되어 있는, 열전 발전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 모듈을 둘러싸는 상기 제1 O링, 및 상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 볼트에 관삽된 상기 제2 O링은, 불소계의 고무제인, 열전 발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 수열판, 상기 냉각판, 및 복수의 상기 열전 모듈을 가진 열전 발전 유닛;
상기 열전 발전 유닛을 덮는 금속제의 차폐 커버; 및
상기 열전 발전 장치를 소정의 위치에 고정하는 고정 브래킷
을 구비하고,
상기 수열판 및 상기 냉각판은, 상기 열전 모듈을 둘러싸는 상기 제1 O링의 외측의 위치 및 내측의 위치에서 상기 제1 볼트 및 상기 제2 볼트에 의해 서로 연결되고,
상기 제1 볼트 및 상기 제2 볼트에는, 상기 수열판 및 상기 냉각판을 서로 접근하는 방향으로 부세하는 상기 제1 부세 부재 및 상기 제2 부세 부재가 설치되고,
상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 부세 부재의 부세력은, 상기 제1 O링의 외측의 상기 제1 부세 부재의 부세력보다 크고,
상기 수열판과 상기 냉각판의 사이에는, 상기 제1 O링의 내측의 상기 제2 볼트에 관삽된 상기 제2 O링이 개장되고,
상기 제1 O링은 각각의 모서리부에 R 형상을 가지는 사각형이 되고,
상기 제1 O링의 외측의 위치에 있는 상기 제1 볼트는, 상기 제1 O링의 모서리부에 대응하여 설치되고,
상기 제1 부세 부재 및 상기 제2 부세 부재는 코일 스프링인, 열전 발전 장치.