KR20160077619A - 폐열을 이용한 열전발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전모듈을 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 열전발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전모듈의 저온부를 효과적으로 냉각시켜 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차를 충분히 확보함으로써 발전량을 증대시킬 수 있는 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 환설되는 내부플레이트; 상기 내부플레이트의 외면에 일정간격으로 설치되는 복수 개의 열전모듈; 상기 열전모듈의 외면에 각각 설치되는 외부플레이트; 및 상기 외부플레이트에 각각 설치되어 내부로 공급되는 냉각수를 상기 외부플레이트를 따라 상향류 방식으로 유동시켜 상기 외부플레이트를 냉각시키는 냉각라인;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

폐열을 이용한 열전발전 장치{Thermoelectric generator using waste heat}

본 발명은 열전모듈을 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 열전발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전모듈의 저온부를 효과적으로 냉각시켜 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차를 충분히 확보함으로써 발전량을 증대시킬 수 있는 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열전발전 장치는 열전모듈의 제베크 효과를 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

이러한 열전발전 장치는 폐열이 배출되는 폐열배출부를 따라 복수 개의 열전모듈이 밀착되게 둥글게 배치되고 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차 확보를 위해 열전모듈의 저온부를 냉각수를 통해 수냉식으로 냉각시키는 냉각라인이 열전모듈의 저온부 외측에 설치된다.

따라서 열전발전 장치는 폐열배출부와 접촉하는 열전모듈의 고온부로 전달되는 폐열에 의해 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차에 의해 전기에너지를 발생시킨다.

그러나 종래의 열전발전 장치는 냉각수관이 수평방향으로 설치됨에 따라 냉각수가 냉각수관의 내부를 유동할 때 냉각수관의 내주면 전체와 접촉되지 않은 상태로 유동함으로써 냉각성능이 떨어지는 문제점이 있다.

즉, 냉각수가 냉각수관을 따라 유동할 때 냉각수관의 내주면 상측과는 접촉되지 않고 그 하측과만 접촉된 상태로 유동함에 따라 열전모듈의 저온부를 제대로 냉각시킬 수 없다.

따라서 열전모듈의 고온부와 저온부 간의 온도차가 제대로 확보되지 않아 열전발전 성능이 떨어지면서 전기에너지 발생량이 기대에 미치지 못하는 한계가 있다.

국내 등록특허공보 제10-1327735호, 2013.11.11.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 열전모듈의 저온부를 원활하게 냉각시킬 수 있도록 냉각수의 통과 흐름을 개선하여 열전모듈의 저온부와 고온부 간 온도차에 비례하는 열전발전 효율을 향상시킬 수 있는 폐열을 이용한 열전발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 환설되는 내부플레이트; 상기 내부플레이트의 외면에 일정간격으로 설치되는 복수 개의 열전모듈; 상기 열전모듈의 외면에 각각 설치되는 외부플레이트; 및 상기 외부플레이트에 각각 설치되어 내부로 공급되는 냉각수를 상기 외부플레이트를 따라 상향류 방식으로 유동시켜 상기 외부플레이트를 냉각시키는 냉각라인;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각라인은 상기 외부플레이트 중에서 가장 낮은 위치에 있는 최하측 외부플레이트의 일단에 설치되어 상기 냉각수가 유입되는 유입관; 상기 외부플레이트 중에서 가장 높은 위치에 있는 최상측 외부플레이트의 타단에 설치되어 상기 냉각수가 유출되는 유출관; 및 상기 폐열배출부를 기준으로 일측과 타측에 각각 복수 개씩 배치되고 상기 외부플레이트를 차례대로 관통하면서 상기 유입관과 상기 유출관이 연결되도록 설치되어 상기 냉각수를 상방으로 유동시키는 냉각수관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 최하측 외부플레이트의 내부에는 상기 유입관과 상기 냉각수관을 연결하는 유입챔버가 형성되되, 상기 유입챔버는 상기 최하측 외부플레이트의 일단에서 타단으로 갈수록 체적이 증가하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 최상측 외부플레이트의 내부에는 상기 유출관과 상기 냉각수관을 연결하는 유출챔버가 형성되되, 상기 유출챔버는 상기 최상측 외부플레이트의 타단에서 일단으로 갈수록 체적이 증가하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 외부플레이트의 외면에는 방열핀이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 냉각라인의 개선된 구조에 의해 냉각수가 하부에서 상부로 유동하는 상향류 방식으로 공급됨에 따라 열전모듈의 저온부에 밀착된 외부플레이트가 균일하게 냉각됨으로써 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차가 충분히 확보되면서 열전발전 성능이 더욱 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 측면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치의 단면도.

본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 자동차의 배기관, 보일러의 튜브, 전기로의 배관, 소각로, 원자로 등과 같이 폐열이 배출되는 폐열배출부에 설치되어 열전모듈을 통하여 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차를 충분히 확보하기 위해 공급되는 냉각수가 원활하게 냉각성능을 발휘할 수 있도록 한 것이 특징이다.

이러한 특징은 열전모듈의 저온부를 수랭식으로 냉각하는 냉각라인이 외부에서 유입되는 냉각수를 상향류 방식으로 유동시키면서 열전모듈의 저온부를 냉각한 후 외부로 유출되도록 한 구조에 의해 달성된다.

즉, 냉각라인은 하부에 위치하여 냉각수가 유입되는 유입관, 상부에 위치하여 냉각수가 유출되는 유출관, 유입관과 유출관을 연결하여 내부를 따라 냉각수가 상방으로 유동하는 냉각수관을 포함한 구조에 의한 것이다.

따라서 유입관을 통해 유입되는 냉각수는 냉각수관의 내부를 따라 상방으로 유동하는 과정에서 냉각수관의 내면 전체와 접촉하면서 열전모듈의 저온부와의 열교환이 이루어짐으로써 냉각성능을 제대로 발휘하게 된다.

이에 따라 열전모듈의 저온부를 효과적으로 냉각시킴으로써 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차가 보장됨에 따라 발전효율이 향상되어 전기에너지 발생량이 증대하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 폐열로부터 전기에너지를 발생시킬 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 폐열배출부(E)의 외측에 설치되는 것으로 내부플레이트(100)와 열전모듈(200)과 외부플레이트(300) 및 냉각라인(400)을 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치를 도시한 일측면도이다.

먼저, 상기 내부플레이트(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 폐열배출부(E)의 외면을 따라 둘러 설치되어 폐열배출부(E)를 통과하는 폐열을 폐열배출부(E)로부터 전달받는 구성이다.

이때 내부플레이트(100)는 도 2의 측면도를 기준으로 하여 다각형 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 열전모듈(200)의 일면과 타면이 평면이므로 열전모듈()의 일면인 고온부가 내부플레이트()의 외면에 완전히 밀착될 수 있도록 복수 개의 평면을 제공하기 위한 것이다.

한편, 내부플레이트(100)는 폐열배출부(E)를 통해 폐열을 물리적인 접촉을 통해 효율적으로 전달받을 수 있도록 열전도도가 높은 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 열전도도가 높은 알루미늄 또는 구리로 구성되거나 알루미늄 또는 구리가 포함된 합금으로 구성될 수 있다.

다음으로, 상기 열전모듈(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 내부플레이트(100)의 외면에 복수 개가 일정간격으로 설치되어 내부플레이트(100)로부터 폐열이 일면으로 전달되면서 타면과의 온도차에 의해 전기에너지를 발생시키는 구성이다.

즉, 열전모듈(200)은 일면인 고온부가 내부플레이트(100)의 평면에 각각 밀착되고 타면인 저온부가 외측으로 노출되게 설치되어 폐열에 의해 고온부의 온도가 상승하면서 발생하는 저온부와의 온도차를 통해 전기에너지를 발생시키는 것이다.

단, 열전모듈(200)은 내부플레이트(100)의 외면에 설치될 때 상호 간의 간섭이 발생하지 않고 폐열이 효과적으로 전달되도록 내부플레이트(100)의 평면보다는 작은 크기로 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 외부플레이트(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 열전모듈(200)의 타면에 각각 설치되어 열전모듈(200)의 타면인 저온부를 냉각시키는 구성이다.

즉, 외부플레이트(300)는 열전모듈(200)의 고온부와 저온부 간에 온도차가 발생하도록 공기와의 접촉을 통해 열전모듈(200)의 저온부를 냉각시키는 것이다.

이때 외부플레이트(300)는 공기와의 접촉을 통해 열전모듈의 저온부를 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 열전도도가 높은 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 열전도도가 높은 알루미늄 또는 구리로 구성되거나 알루미늄 또는 구리가 포함된 합금으로 구성될 수 있다.

한편, 외부플레이트(300)의 외면에는 공기와의 접촉을 통한 냉각이 원활하게 이루어질 수 있도록 공기가 접촉되는 면적을 증대시키는 방열핀(500)이 더 설치될 수 있다.

마지막으로, 상기 냉각라인(400)은 외부플레이트(300)에 설치되어 외부에서 공급되는 냉각수를 외부플레이트(300)를 따라 상향류 방식으로 유동시켜 외부플레이트(300)를 냉각시키는 구성이다.

이를 위해 냉각라인(400)은 외부로부터 냉각수가 유입되는 유입관(410)과, 유입관(410)을 통해 유입된 냉각수가 외부플레이트(300)를 따라 유동하는 냉각수관(430)과, 냉각수관(430)을 따라 유동하는 냉각수가 외부로 유출되는 유출관(420)으로 구성될 수 있다.

단, 냉각수관(430)을 따라 유동하는 냉각수를 상향류 방식으로 유동시키기 위해 유입관(410)은 설치상태를 기준으로 하여 외부플레이트(300) 중에서 가장 낮은 위치에 위치하는 외부플레이트(300)의 일단에 설치되고 유출관(420)은 설치상태를 기준으로 하여 외부플레이트(300) 중에서 가장 높은 위치에 위치하는 외부플레이트(300)의 타단에 설치되는 것이 바람직하다.

그리고 냉각수관(430)은 폐열배출부(E)를 기준으로 일측과 타측에 각각 복수 개씩으로 구성되어 각각의 일단이 유입관(410)과 연결되고 각각의 타단이 유출관(420)과 연결된 상태에서 일정간격을 두고 외부플레이트(300)의 내부를 관통하도록 설치되는 것이 바람직하다.

즉, 유입관(410)을 통해 외부에서 유입되는 냉각수는 폐열배출부(E)의 일측과 타측으로 나뉘면서 폐열배출부(E)의 일측과 타측에 각각 설치되는 각각의 냉각수관(430)으로 분기되어 외부플레이트(300)의 내부를 따라 유동하면서 외부플레이트(300)를 냉각시킨 후 유출관(420)을 통해 외부로 유출된다.

이때 냉각수관(430)을 통해 외부플레이트(300)의 내부를 따라 유동하는 냉각수는 유입관(410)과 유출관(420)의 설치위치에 의해 냉각수관(430)을 따라 상향류 방식으로 유동하면서 냉각수관(430)의 내면 전체와 접촉하여 외부플레이트(300)를 냉각시킨다.

즉, 냉각수가 상향류 방식으로 유동하기 위해서는 냉각수관(430) 내부의 어느 한 지점을 기준으로 냉각수가 냉각수관(430)의 내부에 가득 찬 상태로 상방으로 밀려 올라가야 한다. 이에 따라 냉각수가 냉각수관(430)의 내면 전체가 접촉되면서 외부플레이트(300)를 균일하게 냉각시킴으로써 냉각라인(400)의 냉각성능이 크게 향상된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 유입관(410)과 냉각수관(430)의 사이에는 유입챔버(440)가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유입챔버(440)는 유입관(410)을 통해 유입되는 냉각수를 각각의 냉각수관(430)으로 분기하기 위하여 유입관(410)이 설치된 외부플레이트(300)의 일단 내부에서 타단 내부에 이르도록 형성된 것이다.

단, 유입챔버(440)는 유입관(410)이 설치된 외부플레이트(300)의 일단에서 타단으로 갈수록 체적이 점진적으로 증가하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 유입관(410)을 통해 유입된 냉각수는 유입관(410)의 위치와 외부플레이트(300)와의 열교환에 의해 외부플레이트(300)의 일단에서 타단으로 갈수록 온도가 서서히 올라가므로 원활한 냉각을 위해 냉각수의 온도가 낮은 것을 냉각수의 양으로 극복하기 위함이다.

그리고 냉각수관(430)과 유출관(420)의 사이에는 유출챔버(450)가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유출챔버(450)는 냉각수관(430)을 따라 유동한 냉각수를 각각의 유출관(420)으로 유출시키기 위하여 유출관(420)이 설치된 외부플레이트(300)의 타단 내부에서 일단 내부에 이르도록 형성된 것이다.

단, 유출챔버(450)는 유출관(420)이 설치된 외부플레이트(300)의 타단에서 일단으로 갈수록 체적이 점진적으로 증가하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 냉각수는 유출관(420)의 위치와 외부플레이트(300)와의 열교환에 의해 외부플레이트(300)의 타단에서 일단으로 갈수록 온도가 서서히 올라가므로 원활한 냉각을 위해 냉각수의 온도가 낮은 것을 냉각수의 양으로 극복하기 위함이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 폐열을 이용한 열전발전 장치는 냉각라인의 구조를 개선하여 냉각성능을 향상시킴으로써 열전모듈의 저온부와 고온부 간의 온도차에 따른 열전발전 효율을 향상시킴으로써 더욱 많은 전기에너지를 발생시킬 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 내부플레이트
200: 열전모듈
300: 외부플레이트
400: 냉각라인
410: 유입관
420: 유출관
430: 냉각수관
440: 유입챔버
450: 유출챔버
500: 방열핀
E: 폐열배출부

Claims (5)

1. 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 환설되는 내부플레이트;
   상기 내부플레이트의 외면에 일정간격으로 설치되는 복수 개의 열전모듈;
   상기 열전모듈의 외면에 각각 설치되는 외부플레이트; 및
   상기 외부플레이트에 각각 설치되어 내부로 공급되는 냉각수를 상기 외부플레이트를 따라 상향류 방식으로 유동시켜 상기 외부플레이트를 냉각시키는 냉각라인;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각라인은
   상기 외부플레이트 중에서 가장 낮은 위치에 있는 최하측 외부플레이트의 일단에 설치되어 상기 냉각수가 유입되는 유입관;
   상기 외부플레이트 중에서 가장 높은 위치에 있는 최상측 외부플레이트의 타단에 설치되어 상기 냉각수가 유출되는 유출관; 및
   상기 폐열배출부를 기준으로 일측과 타측에 각각 복수 개씩 배치되고 상기 외부플레이트를 차례대로 관통하면서 상기 유입관과 상기 유출관이 연결되도록 설치되어 상기 냉각수를 상방으로 유동시키는 냉각수관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 최하측 외부플레이트의 내부에는
   상기 유입관과 상기 냉각수관을 연결하는 유입챔버가 형성되되,
   상기 유입챔버는
   상기 최하측 외부플레이트의 일단에서 타단으로 갈수록 체적이 증가하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 최상측 외부플레이트의 내부에는
   상기 유출관과 상기 냉각수관을 연결하는 유출챔버가 형성되되,
   상기 유출챔버는
   상기 최상측 외부플레이트의 타단에서 일단으로 갈수록 체적이 증가하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 외부플레이트의 외면에는
   방열핀이 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 열전발전 장치.

Images