KR20150113295A - 열전 발전기 - Google Patents

Abstract

열전 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 열전 발전기는 가해지는 열에 의해 온도 상승이 가능한 가열부, 일면이 가열부에 접합되어 일면과 타면의 온도차에 의해 기전력이 발생 가능한 열전모듈 및 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 열전모듈의 타면과 열전달 가능하게 결합되는 흡열부와 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 진동세관형의 히트파이프루프를 포함한다.

Description

열전 발전기{THERMOELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 열전 발전기에 관한 것이다.

열전모듈은 펠티어(Peltier) 효과와 제벡(seebeck) 효과를 이용한 것으로, 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환시스템으로, 극전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환할 수 있으며, 또한 제벡효과에 의해 모듈 양단간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 장치이다.

이와 같은 열전모듈은 냉각용과 발전용이 있으며, 빠르고 우수한 냉각효과 또는 발전효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 부피가 매우 작기 때문에 차세대 냉각 및 발전소자로 각광받고 있으며, 특히 냉각용 전자소자와 같이 시스템의 안정성을 요하나 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 요하는 경우, 온도의 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되어지고 있고, 발전용은 배폐열을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는데 사용되어지고 있다.

이러한, 열전모듈을 이용하는 열전발전장치에 있어서, 차량, 보일러, 굴뚝 등의 배기가스 폐열을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 기술들이 제안되고 있으나, 열전 모듈의 고온측의 표면 온도를 일정하게 유지하는 것이 어렵다는 문제가 있으며, 양면간의 온도차를 크게 하는데 한계가 있어 열전 발전의 효율이 떨어진다는 문제가 있다.

한국공개특허 제10-2013-0130173호 (2013.12.02. 공개)

본 발명의 실시예는 열전모듈 양면의 온도차를 크게 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 열전 발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 가해지는 열에 의해 온도 상승이 가능한 가열부, 일면이 가열부에 접합되어 일면과 타면의 온도차에 의해 기전력이 발생 가능한 열전모듈 및 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 열전모듈의 타면과 열전달 가능하게 결합되는 흡열부와 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 진동세관형의 히트파이프루프를 포함하는 열전 발전기가 제공된다.

여기서, 가열부는 내부에 물을 수용하여 물에 저장되는 열을 열전모듈로 전달하도록 열전모듈의 일면에 결합되는 가열탱크를 포함할 수 있다.

히트파이프루프는 나선형 구조로 형성되어 있으며 방사상의 방열부가 형성되도록 환형으로 배치되고, 가열탱크는 중앙부에 홀이 형성된 튜브 구조로 이루어지며, 가열부는 홀로부터 히트파이프루프의 중심 영역으로 관통되게 설치되는 연통을 더 포함할 수 있다.

가열탱크 및 연통의 외주면에 단열재가 형성될 수 있다.

그리고, 가열부는 가열탱크 내부의 압력을 조절 가능하도록 가열탱크에 설치되는 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열전모듈의 일면이 가열부에 의해 가열 가능하고, 열전모듈의 타면이 히트파이프루프에 의해 효과적으로 방열 가능하므로, 열전모듈 양면의 온도차를 크게 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 단면도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 열전 발전기의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기를 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 가열부(100), 열전모듈(200) 및 히트파이프루프(300)를 포함한다.

가열부(100)는 가해지는 열에 의해 온도 상승이 가능한 부분으로, 후술할 열전모듈(200)의 일면에 접합되어 열전모듈(200) 일면의 온도를 높일 수 있다.

이 경우, 가열부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 열원(10)에 의해 가열부(100) 자체가 가열되는 방식으로 열을 공급받을 수도 있고, 별도로 마련된 열 공급 장치 등과 일정 거리 이격된 상태로 배관 등을 통해 열을 공급받을 수도 있는 등 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

열전모듈(200)은 일면이 가열부(100)에 접합되어 일면과 타면의 온도차에 의해 기전력이 발생 가능한 부분으로, 제벡(seebeck) 효과에 의해 양면간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다.

이 경우, 제벡 효과란 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 2점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하는 현상으로서, 상술한 열전모듈(200)은 이와 같은 제벡 효과를 이용하기 위해 2종의 금속 또는 반도체와 회로 소자 및 전선 등을 포함하여 구성될 수 있다.

일반적으로, 열전모듈(200)을 사용하여 전기에너지를 얻는 경우, 열전모듈(200) 양면간의 온도차가 클수록 열전 발전의 효율이 향상될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 열전모듈(200)의 타면에 히트파이프루프(300)를 설치하여 열전모듈(200) 양면간의 온도차를 크게 할 수 있다.

구체적으로, 히트파이프루프(300)는 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 열전모듈(200)의 타면과 열전달 가능하게 결합되는 흡열부와 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 진동세관형의 부분으로, 열전모듈(200) 타면의 열을 방열할 수 있다.

이 경우, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프루프(300) 중 열전모듈(200)의 타면과 결합되는 부분은 열전모듈(200)의 타면으로부터 열을 전달받는 흡열부일 수 있다. 그리고, 열전모듈(200)의 타면으로부터 이격된 히트파이프루프(300)의 외측부분은 주요한 방열부가 될 수 있다.

특히, 본 실시예의 히트파이프루프(300)는 유체동압(FLUID DYNAMIC PRESSURE)을 이용한 진동세관형의 히트파이프로 이루어짐으로써 대량의 열을 빠르게 발산할 수 있다. 또한, 세관형 구조의 히트파이프는 경량이므로, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)를 구성할 때 구조적으로도 안정적일 수 있다.

진동세관형 히트파이프는 세관 내부에 작동유체와 기포가 소정 비율로 주입된 후 세관 내부가 외부로부터 밀폐되는 구조를 가진다. 이에 따라, 진동세관형 히트파이프는 기포 및 작동유체의 부피팽창 및 응축에 의하여 열을 잠열 형태로 대량으로 수송하는 열전달 사이클을 가진다.

열전달 메카니즘을 살펴보면, 열을 흡수한 흡열부에서는 흡수된 열량만큼 핵비등(Nucleate Boiling)이 일어나면서 흡열부에 위치된 기포들이 부피 팽창을 하게 된다. 이때 세관은 일정한 내부 체적을 유지하므로, 흡열부에 위치된 기포들이 부피 팽창을 한 만큼 열을 발산하는 방열부에 위치된 기포들은 수축하게 된다.

따라서 세관 내의 압력 평형상태가 붕괴되면서, 세관 내에서 작동유체 및 기포의 진동을 포함한 유동이 수반되고, 이에 따라 기포의 체적 변화에 의한 온도의 승강에 의하여 잠열 수송이 이루어짐으로써 방열이 수행된다.

여기서, 진동세관형 히트파이프는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진 세관을 포함할 수 있다. 이에 따라, 열을 빠른 속도로 전도 받음과 아울러 그 내부에 주입된 기포의 체적변화를 빠르게 유발할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 열전모듈(200)의 일면이 가열부(100)에 의해 가열 가능하고, 열전모듈(200)의 타면이 히트파이프루프(300)에 의해 효과적으로 방열 가능하므로, 열전모듈(200) 양면의 온도차를 크게 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상대적으로 간단한 구조로 이루어진 열전 발전기(1000)를 통해 전기에너지를 얻을 수 있으므로, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)을 휴대하여 야외 등에서 보다 용이하게 전기에너지를 사용할 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 3에서는 열전모듈(200)이 가열판(113) 및 방열판(301) 사이에 개재되고 이를 볼트(303)로 체결한 구조를 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 가열판(113) 및 방열판(301) 중 적어도 하나가 생략되어 열전모듈(200)에 가열부(100) 및 히트파이프루프(300)가 직접 결합되는 등 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)에서, 가열부(100)는 내부에 물을 수용하여 물에 저장되는 열을 열전모듈(200)로 전달하도록 열전모듈(200)의 일면에 결합되는 가열탱크(110)를 포함할 수 있다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 물이 수용된 가열탱크(110)를 가열하는 방법으로 열전모듈(200) 일면의 온도를 높일 수 있다.

상술한 바와 같이, 열전모듈(200)은 2종의 금속 또는 반도체를 납땜 등의 방법으로 접합하여 형성하는 것이 일반적이므로, 가열부(100)에서 지나치게 높은 열이 열전모듈(200)로 전달된다면 열전모듈(200)의 접합 부위가 녹는 등 손상의 우려가 있다.

따라서, 물이 수용된 가열탱크(110)를 가열하여 물에 저장된 열을 열전모듈(200)로 전달한다면, 물의 특성 상 일정 온도 이상으로 가열되지 않는다는 점에서 안정적으로 열전모듈(200) 일면의 온도를 높일 수 있다.

또한, 물의 특성 상 상대적으로 비열이 높다는 점에서, 온도가 급격하게 변화하지 않으므로, 물에 저장되는 열을 보다 장시간 일정하게 열전모듈(200) 일면으로 전달할 수 있다.

본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)에서, 히트파이프루프(300)는 나선형 구조로 형성되어 있으며 방사상의 방열부가 형성되도록 환형으로 배치되고, 가열탱크(110)는 중앙부에 홀(111)이 형성된 튜브 구조로 이루어지며, 가열부(100)는 홀(111)로부터 히트파이프루프(300)의 중심 영역으로 관통되게 설치되는 연통(120)을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프루프(300)는 단위루프가 연속적으로 연결되어 이루어진 것으로서, 나선형 구조로 형성될 수 있다. 이와 같이, 세관이 조밀한 간격으로 감겨진 나선형 구조는, 한정된 공간에서 긴 세관이 효율적으로 배치될 수 있게 한다.

더불어, 본 실시예의 히트파이프루프(300)는 나선형의 구조의 히트파이프루프(300)의 양단이 서로 마주하도록 환형의 형태로 배치될 수 있다. 이에 따라, 히트파이프루프(300)는 중심 영역이 비워진 방사상의 형태로 형성되어, 설치 방향에 상관없이 높은 통기성을 가질 수 있으므로, 설치 방향에 상관없이 뛰어난 방열성능을 유지할 수 있다.

이 경우, 히트파이프루프(300)의 구조는 개루프(open loop)와 폐루프(close loop) 모두 가능할 수 있다. 또한, 히트파이프루프(300)가 복수일 때, 히트파이프루프(300)의 전부 또는 일부는 이웃하는 히트파이프루프(300)와 연통될 수 있다. 이에 따라, 복수의 히트파이프루프(300)는 설계상 필요에 따라 전체적으로 개루프 또는 폐루프 형상을 가질 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 단위루프가 연속적으로 연결된 나선형 구조의 히트파이프루프(300)를 제시하였으나 이에 한정되지는 않으며, 히트파이프루프(300)의 형태는 개별적으로 형성된 단위루프가 차례로 배열된 형태 등 다양한 루프 형상을 포함할 수 있다.

한편, 열원(10) 등에 의해 가열부(100)의 온도가 상승할 때, 열은 열원모듈(200)의 일면으로만 전달되고 타면으로는 최대한 전달되지 않도록 할 필요가 있다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙부에 홀(111)이 형성된 튜브 구조의 가열탱크(110)의 중앙부를 열원(10)이 가열하고, 이를 통해 가열탱크(110) 내부의 물 온도를 높이되, 열원(10)에서 직접적으로 공급되는 열은 홀(111)로부터 히트파이프루프(300)의 중심 영역으로 관통되게 설치된 연통(120)을 통해 빠져나가도록 구성될 수 있다.

이로 인해, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 열원(10)의 열이 열원모듈(200)의 타면으로 전달되는 것을 최소화하여, 열전 발전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

여기서, 가열탱크(110) 및 연통(120)의 외주면에는 단열재(130)가 형성될 수 있다.

구체적으로, 가열탱크(110)의 외주면에 형성된 단열재(130)는 열원(10)으로부터 가열탱크(110)로 가해지는 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하여 열원모듈(200) 일면의 가열 효율을 높일 수 있다.

그리고, 연통(120)의 외주면에 형성된 단열재(130)는 연통(120)을 통과하는 열이 열원모듈(200)의 타면으로 전달되는 것을 차단하여 열원모듈(200) 타면의 방열 효율을 높일 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 가열탱크(110) 및 연통(120)의 외주면에 단열재(130)가 형성되어, 열원모듈(200) 양면의 온도차를 극대화할 수 있으므로, 열전 발전 효율을 극대화할 수 있다.

본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)에서, 가열부(100)는 가열탱크(110) 내부의 압력을 조절 가능하도록 가열탱크(110)에 설치되는 압력조절밸브(140)를 더 포함할 수 있다.

부피(V)가 일정한 경우, 온도(T)는 압력(P)에 비례하므로, 가열탱크(110) 내부의 압력을 조절함으로써, 열원(10)에서 가해지는 열량을 변화시키지 않더라도 용이하게 물의 온도를 변화시킬 수 있다.

예를 들어, 보다 높은 발전량이 필요하나 열원(10)에서 가해지는 열량을 증가시키는 것이 곤란한 경우, 압력조절밸브(140)를 통해 가열탱크(110) 내부의 압력을 조절한다면, 가열탱크(110)에 수용된 물의 온도를 높일 수 있으므로, 원하는 발전량을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 열전 발전기(1000)는 가열부(100)가 압력조절밸브(140)를 더 포함하여, 필요에 따라 용이하게 열전 발전량을 조절할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10: 열원
20: 전기장치
100: 가열부
110: 가열탱크
111: 홀
113: 가열판
120: 연통
130: 단열재
140: 압력조절밸브
200: 열전모듈
300: 히트파이프루프
301: 방열판
303: 볼트
1000: 열전 발전기

Claims (5)

1. 가해지는 열에 의해 온도 상승이 가능한 가열부;
   일면이 상기 가열부에 접합되어 일면과 타면의 온도차에 의해 기전력이 발생 가능한 열전모듈; 및
   세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 상기 열전모듈의 타면과 열전달 가능하게 결합되는 흡열부와 상기 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 진동세관형의 히트파이프루프;
   를 포함하는 열전 발전기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가열부는
   내부에 물을 수용하여 상기 물에 저장되는 열을 상기 열전모듈로 전달하도록 상기 열전모듈의 일면에 결합되는 가열탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 히트파이프루프는 나선형 구조로 형성되어 있으며 방사상의 방열부가 형성되도록 환형으로 배치되고,
   상기 가열탱크는 중앙부에 홀이 형성된 튜브 구조로 이루어지며,
   상기 가열부는
   상기 홀로부터 상기 히트파이프루프의 중심 영역으로 관통되게 설치되는 연통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 가열탱크 및 상기 연통의 외주면에 단열재가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
   
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열부는
   상기 가열탱크 내부의 압력을 조절 가능하도록 상기 가열탱크에 설치되는 압력조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
   

Images