KR20160069883A - 열전 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 열전 발전장치는 가열소자와 상기 가열소자와 이격된 냉각소자를 포함하여 열에너지를 전기적 에너지로 변화하는 열전모듈 및 상기 가열소자와 냉각소자를 전기적으로 연결하는 진동 압착 모듈을 포함하고, 상기 진동 압착 모듈은 외력에 의해 가압되어 그 전기 전도율이 변화되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 열전 발전장치에 관한 것이다.
통상적인 차량용 엔진은 내연기관(internal combustion engine)으로서, 실린더 내에서 연소된 배기가스의 배출을 위한 배기 시스템을 갖추고 있다.
실린더의 배기가스가 실린더 헤드를 통해 배출되도록, 실린더 헤드 내에는 배기 포트가 형성되어 있다. 배기 포트로부터 배출되는 배기가스는 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 통해 촉매 컨버터(catalytic converter)에 공급된다.
배기 매니폴드는 엔진과는 별도의 부품으로 제작되어 실린더 헤드에 볼트 등으로 결합된다.
일반적으로, 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스는 그 이용가치가 없는 불필요한 열, 즉 폐열로 간주되어 대기로 버려지고 있다.
그러나 엔진의 배기열은 전체 연료 소비량의 약 30%를 차지하는 막대한 양으로서, 그 이용가치가 점점 높아지고 있다.
일반적인 가솔린이나 디젤 엔진의 열 정산에 의하면, 엔진 내부에 공급되는 연료는 엔진의 정상적인 출력 소비에 약 30%, 냉각 손실이 30%, 배기 손실이 약 30% 및 기타 보조기기의 구동에 약 10% 정도의 열량을 각각 소비하는 것으로 알려져 있다.
이러한 열량 중 배기가스에 포함된 약 30%의 열은 직접 대기중에 배출되어 버려지게 되므로, 그만큼의 열손실을 초래하여 에너지의 효율적인 운용 측면에서 커다란 문제점이 있었다.
그리하여 근래에는 차량의 배기가스를 이용하여 차량에 전기를 공급하는 열전 발전 장치와, 배기가스의 열을 회수하여 차량 내부를 난방하는 배기열 회수 장치 등이 널리 사용되고 있다.
열전모듈에 있어서 출력은 소재 양 단의 온도차로 인한 전하의 농도 구배에 의해 형성되는 전압과 전하의 흐름에 의한 전류의 곱으로 형성된다.
열전모듈의 출력을 높게 유지하기 위해서는 소재의 열전도도가 낮아서 양단이 열평형에 이르지 못하도록 해야 한다.
한편, 소재의 전기전도도가 높아서 전하의 흐름이 원활해야만 높은 출력을 기대할 수 있다. 그러나 일반적으로 높은 전기전도도를 가지는 물질은, 높은 열전도도를 동반하므로, 열전 성능을 증가시키기 어렵다
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발전효율이 향상되고, 제작이 용이한 열전 발전장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 열전 발전장치는 가열소자와 상기 가열소자와 이격된 냉각소자를 포함하여 열에너지를 전기적 에너지로 변화하는 열전모듈 및 상기 가열소자와 냉각소자를 전기적으로 연결하는 진동 압착 모듈을 포함하고, 상기 진동 압착 모듈은 외력에 의해 가압되어 그 전기 전도율이 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 동력유닛에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 실시예는 진동 압착 모듈은 냉각소자와 열전소자의 열평형을 지연시키고, 주기적으로 냉가소자와 열전소자 사이에 전기전도도를 높임으로써, 높은 성능을 구현할 수 있다.
둘째, 실시예는 진동 및 충격이 발생되는 자동차에 설치되어서 진동 또는 충격 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전장치를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전장치의 작동모습을 도시한 설명도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도,
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 발전장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전장치의 작동모습을 도시한 설명도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도,
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 발전장치를 도시한 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 실시예를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 열전 발전장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전장치를 도시한 개념도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전장치의 작동모습을 도시한 설명도이다.
실시예의 열전 발전장치(100)는 열원에서 열을 전달 받아 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
예를 들면, 고온 열원은 내연기관에서 배출되는 배기가스를 포함한다.
실시예의 열전 발전장치(100)는 가열소자(111)와 가열소자(111)와 이격된 냉각소자(112)를 포함하여 열에너지를 전기적 에너지로 변화하는 열전모듈(111)(112) 및 가열소자(111)와 냉각소자(112)를 전기적으로 연결하는 진동 압착 모듈(120)을 포함한다.
열전모듈(111)(112)은 고온 열원 및 저온 열원과 접촉되어 열 에너지를 전기적 에너지로 변환한다.
열전모듈(111)(112)에 있어서 출력은 소재 양 단의 온도차로 인한 전하의 농도 구배에 의해 형성되는 전압과 전하의 흐름에 의한 전류의 곱으로 형성된다.
열전모듈(111)(112)의 출력을 높게 유지하기 위해서는 소재의 열전도도가 낮아서 양단이 열평형에 이르지 못하도록 해야 한다.
한편, 소재의 전기전도도가 높아서 전하의 흐름이 원활해야만 높은 출력을 기대할 수 있다. 그러나 일반적으로 높은 전기전도도를 가지는 물질은, 높은 열전도도를 동반하므로, 열전 성능을 증가시키기 어렵다
이러한 문제점을 해결하기 위해, 실시예의 열전모듈(111)(112)은 가열소자(111)와 냉각소자(112)가 서로 이격되게 배치한다.
여기서, 열전모듈(111)(112)의 가열소자(111)는 고온 열원과 열적으로 연결되게 접촉되고, 냉각소자(112)는 저온 열원과 열적으로 연결되게 접촉된다. 또한, 고온 열원과 저온 열원의 온도차는 50℃ 이상인 것이 바람직하다.
구체적으로, 가열소자(111)와 냉각소자(112)는 축전기와 전기적으로 연결된다.
진동 압착 모듈(120)은 가열소자(111)와 냉각소자(112)를 전기적으로 연결한다.
진동 압착 모듈(120)은 외력에 의해 가압되어 그 전기 전도율이 변화된다. 또한, 진동 압착 모듈(120)의 열전도성은 열전모듈(111)(112) 보다 낮고, 전기 전도성은 우수한 재질로 형성된다.
구체적으로, 진동 압착 모듈(120)의 일단에는 가열소자(111)가 전기적으로 연결되고, 타단에는 냉각소자(112)가 전기적으로 연결된다. 즉, 진동 압착 모듈(120)의 길이 방향(도 1에서 좌우방향) 양단에는 가열소자(111)와 냉각소자(112)가 연결된다.
또한, 진동 압착 모듈(120)은 진동체 또는 가압체에 의해 진동 또는 가압되는 공간을 형성한다.
진동 압착 모듈(120)은 외력에 의해 가압되어 그 전기 전도율이 변화된다. 구체적으로, 진동 압착 모듈(120)은 외력에 의해 외력에 의해 그 두께(도 1이 상하방향)가 줄어들어 전기 전도율이 증가되고, 외력이 해소되면 다시 탄성 복원되어 초기 상태의 전기 전도율을 유지하게 된다.
따라서, 진동 압착 모듈(120)은 열전도도가 낮아서 가열소자(111)와 냉각소자(112) 사이에 열전도율은 낮추고, 외력에 의해 순간적으로 내부의 전기전도물질 간의 간격을 좁혀 컨택을 높이고, 실질적인 전기전도도를 향상되게 된다.
따라서, 진동 압착 모듈(120)은 냉각소자(112)와 열전소자의 열평형을 지연시키고, 주기적으로 냉각소자(112)와 열전소자 사이에 전기전도도를 높임으로써, 높은 성능을 구현할 수 있다.
이러한 효과를 구현하기 위한, 진동 압착 모듈(120)의 구조는 다음과 같다.
예를 들면, 진동 압착 모듈(120)은 진동 압착 모듈(120)은 열전모듈(111)(112)의 열전도성보다 낮은 열전도성을 가지는 필름 형상이다. 그리고, 이러한 필름은 탄성변형된다.
다른 예를 들면, 진동 압착 모듈(120)은 성긴 그물구조를 갖는 탄소나노튜브 또는 그라핀을 포함한다. 성긴 그물구조는 외력에 의해 압착되면, 그물구조 사이에 컨택이 증가되어서 전기전도성이 증대된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈(120A)는 열전모듈(111)(112)의 열전도성 보다 낮은 열전도성을 가지고 고분자 매트릭스구조를 가지는 커버(121)와, 커버(121) 내부에 위치되는 전도성 재질의 필러(122)를 포함한다.
구체적으로, 커버(121)는 적어도 필러(122)의 상단과 하단을 감싸게 배치된다.
커버(121)는 열전모듈(111)(112)의 열전도성 보다 낮은 열전도성을 가지도록 고분자 매트릭스구조를 가진다. 물론, 커버(121)는 가열소자(111) 및 냉각소자(112)와 열적 및 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 커버(121)는 PEDOT, PE, PANI, PMMA, PDMA, Ppy, PDMS 및 폴리 사이오펜의 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
필러(122)는 커버(121)의 내부에 위치되고 전도성 재질이다.
예를 들면, 필러(122)는 탄소계 나노튜브, 탄소계 나노로드, 탄소계 파이버, 그라핀계 나노물질, Bi계 나노 물질, Te계 나노 물질, Se계 나노 물질, Pb계 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
그리고, 필러(122)의 양단은 커버(121)의 양단에서 돌출될 수 있다. 필러(122)의 양단은 가열소자(111) 및 냉각소자(112)와 연결된다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 압착모듈의 단면도이다.
실시예의 진동 압착 모듈(120)은 복수 개의 진동 압착 모듈(120)이 적층되는 구조를 가진다. 인접하는 진동 압착 모듈(120)들 사이에는 절연층(125)이 위치되어서 전기적으로 절연된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 발전장치(100)를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 다른 실시예에 따른 열전 발전장치(100)는 도 1의 실시예와 비교하면, 가열소자(111)와 냉각소자(112)의 위치에 차이점이 존재한다.
가열소자(111)는 진동 압착 모듈(120)의 일단의 하면에 결합되고, 냉각소자(112)는 진동 압착 모듈(120)의 타단의 상면에 결합된다.
물론, 도면에는 도시하지 않았지만, 가열소자(111)는 진동 압착 모듈(120)의 일단의 상면에 결합되고, 냉각소자(112)는 진동 압착 모듈(120)의 타단의 하면에 결합될 수 있다. 또는, 가열소자(111)는 진동 압착 모듈(120)의 일단의 하면에 결합되고, 냉각소자(112)는 진동 압착 모듈(120)의 타단의 하면에 결합될 수도 있다. 또는, 가열소자(111)는 진동 압착 모듈(120)의 일단의 상면에 결합되고, 냉각소자(112)는 진동 압착 모듈(120)의 타단의 상면에 결합될 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
Claims (9)
- 가열소자와 상기 가열소자와 이격된 냉각소자를 포함하여 열에너지를 전기적 에너지로 변화하는 열전모듈; 및
상기 가열소자와 냉각소자를 전기적으로 연결하는 진동 압착 모듈을 포함하고,
상기 진동 압착 모듈은 외력에 의해 가압되어 그 전기 전도율이 변화되는 것을 특징으로 하는 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가열소자에는 고온 열원이 접촉되고, 상기 냉각소자에는 저온 열원이 접촉되는 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 진동 압착 모듈은,
외력에 의해 그 두께가 줄어들어 전기 전도율이 증가되는 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 진동 압착 모듈은 상기 열전모듈의 열전도성보다 낮은 열전도성을 가지는 필름 형상인 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 진동 압착 모듈은 성긴 그물구조를 갖는 탄소나노튜브 또는 그라핀을 포함하는 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 진동 압착 모듈은,
상기 열전모듈의 열전도성 보다 낮은 열전도성을 가지고 고분자 매트릭스구조를 가지는 커버와,
상기 커버 내부에 위치되는 전도성 재질의 필러를 포함하고,
상기 가열소자와 냉각소자는 상기 필러의 양단에 연결되는 열전 발전장치.
- 제6항에 있어서,
상기 커버는,
PEDOT, PE, PANI, PMMA, PDMA, Ppy, PDMS 및 폴리 사이오펜의 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함하는 열전 발전장치.
- 제6항에 있어서,
상기 필러는,
탄소계 나노튜브, 탄소계 나노로드, 탄소계 파이버, 그라핀계 나노물질, Bi계 나노 물질, Te계 나노 물질, Se계 나노 물질, Pb계 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열전 발전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 진동 압착 모듈은 복수 개가 적층되고, 인접하는 진동 압착 모듈의 사이는 절연되는 열전 발전장치.
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-
2014
- 2014-12-09 KR KR1020140176054A patent/KR101673711B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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