KR20190097380A - 열전 발전 모듈 - Google Patents

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권길식
이효동
김창환
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주식회사 경원이앤씨
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Abstract

본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 내부에 고온의 유체가 유동되는 적어도 하나의 고온관, 상기 고온관의 상부면에 배치되는 제1축열판, 상기 고온관의 하부면에 배치되는 제2축열판, 상기 제1축열판의 상부면에 배치되는 제1냉각판, 상기 제2축열판의 하부면에 배치되는 제2냉각판, 상기 제1축열판과 제1냉각판 사이에 개재되는 제1열전소자, 상기 제2축열판과 제2냉각판 사이에 개재되는 제2열전소자를 포함하되, 상기 제1냉각판과 제2냉각판의 내부에는 각각 냉각수가 유동되는 적어도 하나의 냉각수 채널이 형성되고, 상기 냉각수 채널에는 냉각수 채널 내부에서 상기 냉각판과 열전소자가 접하는 면 방향으로 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동안내 장치가 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

열전 발전 모듈{Thermoelectric Generation Module}
본 발명은 열전소자를 이용한 열전 발전 모듈에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 고온측 열교환기와 열전소자 사이에 히트싱크 기능을 수행하는 축열판을 배치함으로써 상기 고온측 열교환기의 온도 변화에 따른 열전소자의 손상이나 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 방지하고, 저온측 열교환기 내부의 냉각수 채널에 냉각수 유동안내 장치를 설치하여 냉각수 채널 내부에서 냉각수가 중력이 작용하는 방향으로 치우쳐서 유동되는 현상을 최소화함으로써 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 더욱 방지할 수 있는 열전 발전 모듈에 관한 것이다.
근래 전세계적으로 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 지구 온난화 문제와 화석연료의 고갈 문제를 해결하기 위하여 화석연료의 대체에너지로서 태양광, 풍력, 지열 등을 이용하는 신재생 에너지 자원의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 이러한 신재생 에너지의 경우 아직까지는 기술진보의 한계와 낮은 경제성으로 인하여 제한적인 사용에 그치고 있는 실정이기 때문에, 최근에는 기존 에너지원을 사용한 후에 버려지는 폐열이나 운동량 등의 폐에너지를 회수하여 재사용하는 에너지 하베스팅 기술에 관심이 집중되고 있다.
이와 같은 에너지 하베스팅 기술 중 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 기술인 열전 발전(thermoelectric generation) 기술은 폐열이 발생되는 자동차, 우주, 항공, 반도체, 바이오, 철강 등 산업 전반에 광범위하게 적용될 수 있는 장점으로 인하여 현재 가장 활발하게 연구가 진행되고 있다.
상기 열전 발전 기술은 열전소자 양측의 온도차에 의해 기전력이 발생되는 Seebeck 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로서, 열전소자의 일측면에는 폐열을 공급하고 타측면은 냉각수와 열교환시킴으로써 열전소자의 양측면에 온도차가 발생되도록 하는 것이 일반적인데, 이러한 열전 발전 기술을 적용한 열전 발전 모듈의 구체적인 구성은 하기 [문헌 1] 내지 [문헌 2] 등에 상세히 개시되어 있다.
그러나, 하기 [문헌 1] 등에 따른 열전 발전 모듈의 경우 고온측 열교환기(또는 배관)에 열전소자가 직접 접촉되도록 구성되기 때문에 고온측의 온도변화에 따라 열전소자의 예기치 못한 손상이 발생되거나 열전 발전 모듈의 전체적인 발전량이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 하기 [문헌 1] 등에 따른 열전 발전 모듈의 경우 저온측 열교환기 내부에 설치된 냉각수 유동 채널에서 냉각수가 중력이 작용하는 방향으로 치우쳐서 유동하는 특성을 나타내기 때문에 열전 발전 모듈의 설치 위치나 방향에 따라 저온측 열교환기의 일부 영역에서는 냉각수에 의한 열전소자의 저온측 냉각이 제대로 이루어지기 않음으로써 열전 발전 모듈의 전체적인 발전량이 저하되는 문제점이 있었다.
[문헌 1] 한국공개특허 제2017-0063817호(2017. 6. 8. 공개)
[문헌 2] 한국등록특허 제1449285호(2014. 10. 13. 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고온측 열교환기와 열전소자 사이에 히트싱크 기능을 수행하는 축열판을 배치함으로써 상기 고온측 열교환기의 온도 변화에 따른 열전소자의 손상이나 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 방지할 수 있는 열전 발전 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저온측 열교환기 내부에 형성된 냉각수 채널 내부에서 냉각수가 중력이 작용하는 방향으로 치우쳐서 유동되는 현상을 최소화함으로써 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 더욱 방지할 수 있는 열전 발전 모듈을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 내부에 고온의 유체가 유동되는 적어도 하나의 고온관, 상기 고온관의 상부면에 배치되는 제1축열판, 상기 고온관의 하부면에 배치되는 제2축열판, 상기 제1축열판의 상부면에 배치되는 제1냉각판, 상기 제2축열판의 하부면에 배치되는 제2냉각판, 상기 제1축열판과 제1냉각판 사이에 개재되는 제1열전소자, 및 상기 제2축열판과 제2냉각판 사이에 개재되는 제2열전소자를 포함하되, 상기 제1냉각판과 제2냉각판의 내부에는 각각 냉각수가 유동되는 적어도 하나의 냉각수 채널이 형성되고, 상기 냉각수 채널에는 냉각수 채널 내부에서 상기 냉각판과 열전소자가 접하는 면 방향으로 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동안내 장치가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 적어도 일부에 삽입된 나선형 유동 가이드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 적어도 일부에 삽입된 금속 또는 합성수지 재질의 다공체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 출구측에 설치되어 냉각수의 배출을 미리 정해진 방식에 따라 단속 제어하는 단속밸브인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고온관은 길이가 긴 채널 형상이고, 상기 제1축열판은 각각의 하부면이 상기 고온관의 상부면에 접하도록 고온관의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개 배치되고, 상기 제2축열판은 각각의 상부면이 상기 고온관의 하부면에 접하도록 고온관의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개 배치되되, 상기 제1열전소자는 상하부면이 상기 제1축열판 각각의 상부면과 제1냉각판의 하부면에 접하도록 복수 개가 개재되고, 상기 제2열전소자는 상하부면이 상기 제2축열판 각각의 하부면과 제2냉각판의 상부면에 접하도록 복수 개가 개재되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고온관은 복수 개가 고온관의 폭 방향으로 서로 이격되어 배치되되, 상기 복수 개의 제1축열판과 복수 개의 제1열전소자는 상기 고온관의 상부면에 매트릭스 형태로 배치되고, 상기 복수 개의 제2축열판과 복수 개의 제2열전소자는 상기 고온관의 하부면에 매트릭스 형태로 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 내부에 고온의 유체가 유동되는 고온관의 상부면과 하부면에 각각 히트싱크(또는 열적 버퍼) 기능을 수행하는 제1,2축열판을 배치함으로써 상기 고온 유체의 온도가 순간적으로 변화되는 경우에도 상기 고온관의 열이 축열판을 통해 열전소자의 고온측에 안정적으로 전달되도록 구성되기 때문에 상기 고온관 내부를 유동하는 유체의 온도 변화에 의하여 열전소자가 손상되거나 열전 발전 모듈의 발전량이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 상기 열전소자의 저온측을 냉각하는 냉각판 내부에 형성된 냉각수 채널에 냉각수 유동안내 장치를 설치하여 상기 냉각수 채널의 내부에서 냉각수가 상기 냉각판과 열전소자가 접하는 면 방향으로 유동될 수 있도록 함으로써 상기 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 더욱 방지할 수 있는 장점이 있다.
도1과 도2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈의 전체 구성을 설명하기 위한 분해 사시도과 결합 사시도,
도3은 도2에 도시한 A-A부에 대한 단면도,
도4는 도3에 도시한 B-B부에 대한 단면도,
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈의 냉각수 채널에 설치되는 냉각수 유동안내 장치를 설명하기 위한 도면,
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈에 대한 열전소자의 전기적 연결을 설명하기 위한 도면, 및
도7은 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 냉각수 채널에 설치되는 냉각수 유동안내 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
도1과 도2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈의 전체 구성을 설명하기 위한 분해 사시도과 결합 사시도이고, 도3과 도4는 각각 도2에 도시한 A-A부와 도3에 도시한 B-B부에 대한 단면도이다.
또한, 도5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈의 냉각수 채널에 설치되는 냉각수 유동안내 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 발전 모듈에 대한 열전소자의 전기적 연결을 설명하기 위한 도면이며, 도7은 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 냉각수 채널에 설치되는 냉각수 유동안내 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 열전 발전 모듈(1)은 고온관(10), 상기 고온관(10)의 상부면에 배치되는 제1축열판(20), 상기 고온관(10)의 하부면에 배치되는 제2축열판(30), 상기 제1축열판(20)의 상부면에 배치되는 제1냉각판(40), 상기 제2축열판(30)의 하부면에 배치되는 제2냉각판(50), 상기 제1축열판(20)과 제1냉각판(40) 사이에 개재되는 제1열전소자(60), 및 상기 제2축열판(30)과 제2냉각판(50) 사이에 개재되는 제2열전소자(70)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 고온관(10)은 내부에 고온의 유체가 유동되는 길이가 긴 채널 형상으로 구성되는데, 본 실시예의 경우 후술하는 바와 같이 제1,2축열판(20,30)과의 접촉이 용이하게 이루어질 수 있도록 일예로서 단면이 직사각형 형태인 사각 채널 형상으로 구성하였다.
또한, 상기 고온관(10)의 내부를 유동하는 고온의 유체는 제철소, 소각로, 자동차 배기구 등에서 배출되는 고온의 배가스일 수 있으며, 본 발명에 따른 열전 발전 모듈(1)은 상기 배가스의 폐열을 이용하여 전기를 발생시키는 장치로 적용될 수 있다.
따라서, 상기 고온관(10)은 고온 유체와의 열전달을 위하여 열전도성이 우수한 금속 재질로 구성되는 것이 바람직하되, 외면은 열손실을 최소화하기 위하여 후술하는 바와 같이 축열판(20,30)과 열교환하는 면(즉, 축열판과 접촉하는 면)을 제외하고는 단열처리되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 고온관(10)의 내부에는 고온 유체와의 열전달이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있도록 핀(fin)이 설치될 수도 있는데, 상기 핀의 형상, 배치, 및 배치 간격 등은 필요에 따라 여러 가지 다양한 방식으로 선택될 수 있다.
또한, 상기 고온관(10)은 하나 또는 복수 개로 이루어질 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 동일한 형상의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 5개가 고온관(10a)의 폭 방향으로 평행하게 서로 이격되어 배치되도록 구성하였다.
이때, 상기 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 상호간의 이격 거리는 후술하는 바와 같이 고온관(10)의 상하부에 각각 매트릭스 형태로 배치되는 제1,2열전소자(60,70)의 열적 안정성을 고려하여 결정되는 것이 바람직하며, 상기 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e)은 입구측과 출구측에 각각 결합되는 패널 형상의 제1지지판(11)과 제2지지판(12), 및 이들을 결합하는 지지판 체결수단(13)에 의하여 하나의 고온측 열교환기 모듈을 구성할 수 있다.
또한, 상기 제1축열판(20)은 상기 고온관(10)의 상부면에 직접 접촉하도록 배치되어 고온관(10)의 내부를 유동하는 유체의 열에너지를 후술하는 제1열전소자(60)의 고온측에 전달하게 된다.
상기 제1축열판(20)은 일예로서 열전도성이 우수하고 비열이 큰 금속 재질로 구성되거나 열전도성이 우수한 금속 재질의 하우징 내부에 상변화물질(PCM)이 수용되도록 구성될 수 있는데, 상기와 같은 구성에 의하여 상기 제1축열판(20)은 고온관(10)의 외면을 통해 전달되는 열에너지를 내부에 축열하는 히트싱크(heat sink)로서의 기능을 수행하게 된다.
일반적으로 열전소자는 다수의 P와 N형 반도체를 전기적으로 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결시킨 구조로 구성되는데, 이러한 열전소자의 출력 전력(P)은 아래의 [수식 1]에 의하여 산출될 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
이때, 상기 α와 ρ는 각각 열전소자를 구성하는 반도체인 펠렛(pellet)의 제벡 계수와 전기적 저항력, l과 A c 는 각각 펠렛의 길이와 단면적, T h 와 T c 는 각각 열전소자의 고온부 및 저온부 온도, m은 펠렛의 내부 저항과 외부 저항의 비를 나타낸다.
따라서, 상기 [수식 1]에서 알 수 있는 바와 같이 단일 열전소자의 출력 전력은 고온 열원과 저온 열원에 각각 직접 접촉하고 있는 열전소자의 고온부와 저온부의 양단 온도차의 제곱에 비례함을 알 수 있다.
이와 같이 구성되는 단일 열전소자에서 발생되는 전기는 발전량이 작기 때문에 일반적인 열전 발전 모듈의 경우 고온의 배가스가 유동되는 방향을 따라 상술한 바와 같은 단일의 열전소자 복수 개를 배치하고 이들을 서로 전기적으로 연결하여 사용하게 된다.
이 경우, 상기 고온의 배가스는 유동 방향을 따라 온도가 변화되기 때문에 상기 각각의 단일 열전 소자는 배치되는 위치에 따라 열전소자의 고온측과 저온측의 온도차이가 서로 달라지게 되어 각 열전소자의 발전량이 차이가 나게 되는데, 이를 무시하고 복수의 열전소자를 모두 직렬로 연결하는 경우에는 직렬연결의 특성상 전압은 높아지나 전류는 최소 발전이 이루어지는 열전소자의 전류값에 고정되기 때문에 전체적인 발전량이 저하되는 문제점이 발생된다.
반면에, 상기 복수의 단일 열전소자들을 모두 병렬로 연결하는 경우에는 전압은 동일하나 출력이 높은 열전소자가 낮은 열전소자의 전원 기능을 수행하게 됨으로써 순환전류의 발생으로 인하여 전체적인 발전량의 저하가 발생된다.
이러한 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 방지하기 위하여, 일반적인 열전 발전 모듈에서는 발전량이 최대가 될 수 있도록 열전소자 각각의 온도차에 따라 복수의 열전소자를 서로 직병렬로 연결하여 사용하게 되는데, 이러한 열전소자의 전기적 연결방식은 고온 열원과 저온 열원의 온도(또는 온도차), 각 열원의 위치에 따른 온도 변화와 각 열전소자의 배치 위치 등을 고려하여 결정하게 된다.
따라서, 실제 배가스의 배출 도중(즉, 발전 도중)에 고온 열원 또는 저온 열원의 온도 조건이 열전소자의 전기적 연결방식을 결정하는 열전 발전 모듈의 설계시와 달라질 경우에는 해당 열전 발전 모듈의 발전량이 크게 저하되는 문제점이 발생된다.
또한, 종래 기술에 따른 열전 발전 모듈의 경우 대부분 열전소자의 고온측이 고온 열원에 직접 접촉되도록 구성되는데, 이 경우 고온 열원의 온도가 순간적으로 크게 상승하는 경우에는 고온 열원과 직접 접촉하고 있는 열전소자가 열충격에 의해 손상되는 문제점이 발생될 수도 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 상기 제1축열판(20)을 사용하게 되는데, 상술한 바와 같이 상기 제1축열판(20)은 내부에 고온관(10)에서 전달되는 열에너지를 축열하는 히트싱크(또는 열적 버퍼)로서 기능하기 때문에 상대적으로 온도 제어가 곤란한 고온 열원의 온도가 수시로 및/또는 순간적으로 변화되는 경우에도 이를 열적으로 완충시켜 고온 열원의 열을 열전소자의 고온측에 안정적으로 전달함으로써 앞서 설명한 바와 같은 고온 열원의 온도 변화에 따른 열전 발전 모듈의 전체적인 발전량 저하 및/또는 열충격에 의한 열전소자의 손상을 방지할 수 있게 된다.
본 실시예의 경우 상기 제1축열판(20)은 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 각각에 대하여 하부면이 고온관(10)의 상부면에 접하도록 고온관(10)의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개가 배치되도록 구성되기 때문에 상기 제1축열판(20)은 후술하는 제1열전소자(60)와 함께 상기 고온관(10)의 상부면에 매트릭스 형태로 배치된다.
이때, 상기 복수의 제1축열판(20)은 제1연결플레이트(21)에 의하여 하부면이 서로 연결되어 하나의 모듈을 형성하게 되는데, 본 실시예에서는 일예로서 각 고온관(10)의 상부면에 배치된 제1축열판(20)은 고온관(10)의 길이 방향을 따라 직렬로 연결되고 이와 같이 직렬 연결된 제1축열판(20)들은 이웃하는 다른 고온관(10)의 상부면에 배치된 제1축열판(20)들과 병렬로 연결되도록 구성하였다.
또한, 상기 제2축열판(30)은 상기 고온관(10)의 하부면에 직접 접촉하도록 배치되어 고온관(10)의 내부를 유동하는 유체의 열에너지를 후술하는 제2열전소자(70)의 고온측에 전달하게 된다.
상기 제2축열판(30)의 구성은 앞서 설명한 제1축열판(20)과 동일하고, 다만 각각의 상부면이 고온관(10)의 하부면에 접하도록 구성되는 점과 제2연결플레이트(31)에 의하여 상부면이 서로 연결되도록 구성된 점에 있어서 차이가 있기 때문에 이하에서는 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제1냉각판(40)은 제1축열판(20)의 상부(또는 상부면)에 배치되어 후술하는 제1열전소자(60)의 저온측을 냉각시킴으로써 상기 제1열전소자(60)의 고온측과 저온측 사이에 온도차를 발생시켜 발전이 이루어지도록 한다.
이를 위하여, 상기 제1냉각판(40)은 본 실시예의 경우 후술하는 바와 같이 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e)의 상부면에 매트릭스 형태로 배치되는 제1열전소자(60)의 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 상부면)에 하부면이 접촉할 수 있도록 사각 패널 형상으로 구성된다.
또한, 상기 제1냉각판(40)의 내부에는 냉각수가 유동되는 적어도 하나의 냉각수 채널(42,43)이 형성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 냉각수 채널(42,43)이 제1냉각판(40)의 테두리부에 형성된 제1냉각수 채널(42)과 제1냉각판(40)의 중앙부에 형성된 제2냉각수 채널(43)로 이루어지는 것으로 구성하였다.
이때, 상기 제1냉각판(40)의 내부에 형성되는 냉각수 채널(42,43)의 갯수, 형상, 직경 등은 열전 발전 모듈(1)의 발전 용량, 크기, 설치 환경, 운전 조건 등을 고려하여 본 실시예와 다르게 구성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 구성되는 상기 제1냉각판(40)은 제1,2냉각수 채널(42,43)의 입구측에 냉각수 공급관(44)이 각각 연결되고, 제1,2냉각수 채널(42,43)의 출구측에 냉각수 배출관(45)이 각각 연결됨으로써 냉각수가 냉각수 채널(42,43)을 통해 유동하게 되는데, 상기 냉각수의 유동은 미도시된 냉각수 펌프에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각수는 물이나 기타 냉매로 작용할 수 있는 유체가 될 수 있으며, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 '냉각수'라 함은 제1냉각판(40)을 냉각시키는 기능을 수행하는 범위내에서는 액상뿐만 아니라 기상의 냉각유체를 모두 포함하는 개념이다.
또한, 상기 제1,2냉각수 채널(42,43)을 통해 유동되는 냉각수의 냉열은 제1냉각판(40)을 통해 후술하는 제1열전소자(60)의 저온측에 전달되는데, 이를 위하여 상기 제1냉각판(40)은 열전도성이 우수한 금속 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 냉각 효율의 저하(즉, 냉열 손실)를 방지하기 위하여 상기 제1열전소자(60)와 접촉되지 않는 다른 외면은 단열 처리되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 제2냉각판(50)은 제2축열판(30)의 하부(또는 하부면)에 배치되어 후술하는 제2열전소자(70)의 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 하부면)을 냉각시킴으로써 상기 제2열전소자(70)의 고온측과 저온측 사이에 온도차를 발생시켜 발전이 이루어지도록 한다.
이 경우, 상기 제2냉각판(50)의 구체적인 구성은 앞서 설명한 제1냉각판(40)과 동일하기 때문에 이하에서는 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제1열전소자(60)는 제1축열판(20)과 제1냉각판(40) 사이에 개재되는데, 구체적으로는 고온측(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 하부면)이 상기 제1축열판(20)의 상부면에 접촉하고 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 상부면)이 상기 제1냉각판(40)의 하부면에 접촉하도록 구성된다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 제1열전소자(60)는 각각 제1축열판(20)의 상부면에 배치되도록 구성되기 때문에 앞서 설명한 제1축열판(20)과 마찬가지로 고온관(10)의 상부면(정확히는 제1축열판의 상부면)에 복수 개가 매트릭스 형태로 배치된다.
또한, 매트릭스 형태로 배치된 복수의 상기 제1열전소자(60)는 앞서 설명한 바와 같이 열전 발전 모듈(1)의 발전량 저하를 방지하기 위하여 전기적으로 서로 직병렬로 연결되는데, 본 실시예의 경우 상기 복수의 제1열전소자(60)들은 제1배선모듈(61)에 의하여 서로 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이때, 상기 제1배선모듈(61)은 각 열전소자를 전기적으로 연결하는 기능을 수행하는 범위내에서는 여러 가지 다른 방식으로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 일예로서 상기 제1배선모듈(61)을 통상의 PCB로 구성하였다.
본 실시예에서는 상기 제1열전소자(60)들의 구체적인 전기적 연결 방식을 도6에 도시하였는데, 먼저 고온관(10)의 길이 방향을 따라 배치된 제1열전소자(60)들 중 고온측과 저온측의 온도차(즉, 열전소자의 출력 또는 발전량)가 유사한 열전소자끼리 구분하여 그룹핑(본 실시예의 경우 I,Ⅱ,Ⅲ 그룹으로 구분)한 후 동일한 그룹에 속한 열전소자는 제1배선(61a)에 의해 서로 직렬로 연결되고 각 그룹은 제2배선(61b)에 의하여 축전지(미도시) 등에 연결되는 주배선인 제3배선(61c)에 서로 병렬로 연결되는 방식으로 구성하였다.
이때, 각 그룹은 앞서 설명한 바와 같이 순환전류에 의한 발전량 저하를 방지하기 위하여 서로 전압이 유사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2열전소자(70)는 제2축열판(30)과 제2냉각판(50) 사이에 개재되는데, 구체적으로는 고온측(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 상부면)이 상기 제2축열판(30)의 하부면에 접촉하고 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 하부면)이 상기 제2냉각판(50)의 상부면에 접촉하도록 구성된다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 제2열전소자(70)는 각각 제2축열판(30)의 하부면에 배치되도록 구성되기 때문에 앞서 설명한 제2축열판(30)과 마찬가지로 고온관(10)의 하부면(정확히는 제2축열판의 하부면)에 복수 개가 매트릭스 형태로 배치된다.
또한, 매트릭스 형태로 배치된 복수의 상기 제2열전소자(70)는 앞서 설명한 바와 같이 열전 발전 모듈(1)의 발전량 저하를 방지하기 위하여 전기적으로 서로 직병렬로 연결되는데, 본 실시예의 경우 상기 복수의 제2열전소자(70)들은 제2배선모듈(71)에 의하여 서로 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이때, 상기 제2배선모듈(71)의 구성 및 제2열전소자(70)들의 전기적 연결방식은 앞서 설명한 제1열전소자(60)의 경우와 동일한 방식으로 이루어지기 때문에 이하에서는 이에 대한 중복된 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열전 전달 모듈(1)은 제1냉각판(40)과 제2냉각판(50)을 연결하는 제1,2결합수단(80a,80b)에 의하여 각각의 구성요소들이 서로 결합되어 하나의 열전 발전 모듈(1)을 형성하게 되는데, 상기 제1,2결합수단(80a,80b)은 볼트-너트와 같은 통상의 결합수단 및/또는 접착부재 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 제1,2결합수단(80a,80b)이 복수의 볼트-너트 쌍으로 이루어지는 것으로 구성하였는데, 이를 위하여 상기 제1냉각판(40)과 제2냉각판(50)에는 각각 복수의 제1결합공(41)과 제2결합공(51)이 형성된다.
이때, 상기 제1결합공(41)과 제2결합공(51)은 열전소자의 손상이나 고온관(10)의 열손실을 방지할 수 있도록 상기 고온관(10), 제1,2축열판(20,30), 제1,2열전소자(60,70)가 배치된 위치와 간섭이 발생되지 않도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 일반적인 배관 유동에 있어서 배관 내부에서 액상의 유체는 중력이 작용하는 방향으로 치우쳐서 유동을 하게 되는데, 이로 인하여 유량에 비해 배관의 직경이 클 경우에는 파형류(wavy flow), 성층류(strarified flow), 또는 슬러그류(slug flow) 형태의 기액 혼합유동의 형태를 나타내게 된다.
일반적인 열전 발전 모듈의 경우 발전량 대비 작동부하를 저감하기 위하여(즉, 발전 효율을 향상시키기 위하여) 냉각수의 유동저항을 저감시킬 것이 요구되는데, 이를 위하여 냉각수 유량에 비하여 냉각수 채널의 직경이 크게 설계될 경우 열전 발전 모듈의 설치 위치나 방향에 따라 상기 냉각수 채널의 일부 영역에서는 중력의 작용으로 인하여 상술한 바와 같은 기액 혼합유동이 발생된다.
본 실시예에 따른 열전 발전 모듈(1)의 경우 일예로서 도1 내지 도3에 도시한 형태로 설치될 경우 제1,2냉각판(40,50)의 경우 냉각수 채널 내부에서 냉각수가 중력이 작용하는 방향인 채널의 하부 방향으로 치우쳐서 유동을 하기 때문에 채널의 상부에는 냉각수가 직접적으로 유동하지 않게 되는 현상이 발생된다.
이 경우, 상기 제1냉각판(40)은 하부면이 제1열전소자(60)의 저온측(즉, 제1열전소자의 상부면)과 접하기 때문에 별 문제가 발생되지 않지만, 제2냉각판(50)은 냉각수가 직접적으로 유동되지 않는 상부면이 제2열전소자(70)의 저온측(즉, 제2열전소자의 하부면)과 접하기 때문에 제2열전소자(70)의 저온측 냉각이 제대로 이루어지기 않음으로써 고온측과의 온도차 감소로 인한 발전량 저하를 야기하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 방지하기 위하여 상기 제1,2냉각판(40,50)에 형성된 냉각수 채널에, 상기 냉각수 채널의 내부에서 냉각판(40,50)과 열전소자(60,70)가 접하는 면 방향으로 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동안내 장치를 설치한 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 본 실시예에서는 일예로서 제1냉각판(40)의 냉각수 채널(42,43)의 적어도 일부에 나선형 유동 가이드(90)가 삽입되도록 구성하였는데, 제2냉각판(40)의 경우에도 마찬가지로 상기 나선형 유동 가이드가 삽입된다.
상기와 같은 나선형 유동 가이드(90)에 의하여 제1,2냉각판(40,50)에 형성된 냉각수 채널의 내부를 유동하는 냉각수는 나선형으로 유동하면서 냉각수 채널의 내부 전체를 직접적으로 유동할 수 있게 되기 때문에, 본 발명에 따른 열전 발전 모듈(1)은 도1에 도시한 바와 같은 방향으로 설치하는 경우, 직각 방향으로 세워서 설치하는 경우, 또는 상하부를 뒤집어서 설치하는 경우 등 설치 위치나 방향에 관계없이 항상 제1,2열전소자(60,70)의 저온측을 안정적으로 냉각시킬 수 있게 됨으로써 앞서 설명한 원인에 의한 열전 발전 모듈(1)의 발전량 저하를 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 냉각수 유동안내 장치가 나선형 유동 가이드(90)인 경우를 일예로서 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로서 상기 냉각수 유동안내 장치는 냉각수 채널의 적어도 일부에 삽입되는 금속 또는 합성수지 재질의 다공체(일예로서, 메탈폼(metal foam))일 수 있다.
이 경우, 냉각수는 상기 다공체에 형성된 기공에 스며드는 형태로 유동되기 때문에 냉각수 채널의 내부 전체를 직접적으로 냉각하면서 유동할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 출구측에 설치되어 냉각수의 배출을 미리 정해진 방식에 따라 단속 제어하는 단속밸브로 구성될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에서는 도7에 도시한 바와 같이 제1냉각판(40)에 형성된 제1,2냉각수 채널(42,43)의 출구측에 연결된 냉각수 배출관(45)의 중도에 각각 제1단속밸브(91a)와 제2단속밸브(91b)를 설치하였다.
상기 제1,2단속밸브(91a,91b)는 메모리(미도시) 등에 미리 저장된 방식에 따라 주기적 또는 비주기적으로 냉각수의 배출을 단속하도록 작동하는데, 통상의 전자밸브 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
본 발명에서는 일예로서 상기 제1,2단속밸브(91a,91b)가 매우 짧은 시간 동안 순간적으로 냉각수의 배출을 차단하도록 작동될 수 있는데, 이 경우 냉각수가 냉각수 채널의 입구측 방향으로 역류되면서 냉각수 채널의 내부 중 앞서 설명한 바와 같은 이유에 의하여 냉각수가 직접 유동되지 않는 부분까지 유동될 수 있기 때문에 열전 발전 모듈(1)의 전체적인 발전량 저하를 방지할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 열전소자의 저온측을 냉각하는 냉각판의 내부에 형성된 냉각수 채널에 냉각수 유동안내 장치를 설치하여 상기 냉각수 채널의 내부에서 냉각수가 상기 냉각판과 열전소자가 접하는 면 방향으로 유동될 수 있도록 함으로써 상기 열전 발전 모듈의 발전량 저하를 더욱 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
10 : 고온관 20 : 제1축열판
30 : 제2축열판 40 : 제1냉각판
50 : 제2냉각판 60 : 제1열전소자
70 : 제2열전소자 90 : 나선형 유동 가이드
91a,91b : 제1,2단속밸브

Claims (6)

  1. 내부에 고온의 유체가 유동되는 적어도 하나의 고온관;
    상기 고온관의 상부면에 배치되는 제1축열판;
    상기 고온관의 하부면에 배치되는 제2축열판;
    상기 제1축열판의 상부면에 배치되는 제1냉각판;
    상기 제2축열판의 하부면에 배치되는 제2냉각판;
    상기 제1축열판과 제1냉각판 사이에 개재되는 제1열전소자; 및
    상기 제2축열판과 제2냉각판 사이에 개재되는 제2열전소자를 포함하되,
    상기 제1냉각판과 제2냉각판의 내부에는 각각 냉각수가 유동되는 적어도 하나의 냉각수 채널이 형성되고,
    상기 냉각수 채널에는 냉각수 채널 내부에서 상기 냉각판과 열전소자가 접하는 면 방향으로 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동안내 장치가 설치된 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 적어도 일부에 삽입된 나선형 유동 가이드인 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 적어도 일부에 삽입된 금속 또는 합성수지 재질의 다공체인 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 유동 안내장치는 냉각수 채널의 출구측에 설치되어 냉각수의 배출을 미리 정해진 방식에 따라 단속 제어하는 단속밸브인 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 고온관은 길이가 긴 채널 형상이고,
    상기 제1축열판은 각각의 하부면이 상기 고온관의 상부면에 접하도록 고온관의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개 배치되고, 상기 제2축열판은 각각의 상부면이 상기 고온관의 하부면에 접하도록 고온관의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개 배치되되,
    상기 제1열전소자는 상하부면이 상기 제1축열판 각각의 상부면과 제1냉각판의 하부면에 접하도록 복수 개가 개재되고, 상기 제2열전소자는 상하부면이 상기 제2축열판 각각의 하부면과 제2냉각판의 상부면에 접하도록 복수 개가 개재되는 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고온관은 복수 개가 고온관의 폭 방향으로 서로 이격되어 배치되되,
    상기 복수 개의 제1축열판과 복수 개의 제1열전소자는 상기 고온관의 상부면에 매트릭스 형태로 배치되고, 상기 복수 개의 제2축열판과 복수 개의 제2열전소자는 상기 고온관의 하부면에 매트릭스 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 열전 발전 모듈.
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