KR20190140975A - 발열 장치 및 그 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전력을 절약하고 또한 저비용으로 효율적으로 장시간의 발열을 유지할 수 있는 발열 장치 및 그 용도를 제공한다. 발열 장치는, 내부가 전기적으로 절연된 중공체 용기와, 상기 용기 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 한 쌍의 대향 전극과, 상기 용기 내의 대향 전극간에 수납되고, 규소 분체 및 탄소 분체를 포함하는 혼합 상태의 발열체를 포함하고, 상기 발열체의 밀도가 0.85g/㎤∼1.30g/㎤로 구성된다.

Description

발열 장치 및 그 용도
본 발명은, 전압을 인가(印加)함으로써 발열하는 발열 장치에 관한 것이며, 특히, 전력을 절약하고, 또한 저비용으로 효율적으로 장시간의 발열을 지속할 수 있는 발열 장치 및 그 용도에 관한 것이다.
발열 장치는, 전기 포트로부터, 오일 히터나 세라믹 히터 등의 각종 히터까지, 폭넓게 이용되고 있고, 현대의 생활에는 없어서는 안 될 중요한 것으로 되고 있다.
한편, 발열 장치는, 예를 들면, 전기 포트와 같이, 온수를 비등시키기 위해서는 열원이 수백와트에서 1킬로와트의 전력이 필요하며, 보온 상태를 더 유지하기 위해서도, 계속적인 전력이 필요하게 된다. 또한, 예를 들면, 오일 히터와 같이, 하우징이 커서 사용 편리성이 용이하지 않고, 소비 전력도 높은 것도 있어, 빈번하게는 사용하기 어렵다는 결점도 있다.
이와 같은 점에서, 전력을 절약하고 단시간에 온도를 상승시킬 수 있는 발열 장치가 요망되고 있다.
예를 들면, 종래의 발열 장치로서는, 복수의 유리관과, 해당 유리관의 주위에 설치된 저항체와, 해당 저항체에 전기를 흐르게 함으로써 해당 저항체가 발열하고, 해당 유리관 내에 도입하기 위하여, 해당 저항체의 열을 이용하여 물을 가열하고 수증기를 생성하는 수증기 생성부를 포함하는 가열 장치가 있다(특허문헌 1 참조). 또한, 예를 들면, 종래의 발열 장치로서는, 어디까지나 유체(流體)의 온도를 상승시킬 목적의 필터이지만, 실리콘 및 탄화규소를 함유하고 있어, 마이크로파에 의해 가열되어 사용되는 유체 승온용 필터가 있다(특허문헌 2 참조).
한편, 발열 관련 분야에서는, 최근, 열원으로부터의 열을 이용하여 발전을 행한다는 발전 장치가 제안되고 있다. 이와 같은 열원으로서는, 배기가스로부터의 배열(排熱)을 유효 이용하는 것 등, 다양한 것이 고려되고 있고, 에너지의 유효 활용이라는 관점에서도, 주목받는 기술로 되고 있다.
마찬가지로 에너지의 유효 활용이라는 관점에서는, 최근, 환경 문제에 높은 관심이 쏠리고 있으며, 특히, 수력, 풍력 및 태양광 등의 자연 에너지로의 관심이 높아지고 있다. 현 상태에서는, 이들 자연 에너지를 이용한 발전에서는, 발전량이 낮고 불안정한 것이기는 하지만, 그 유효 이용이 기대되고 있다.
이와 같은 점에서, 전술한 발전 장치의 열원으로서, 자연 에너지를 이용한 열원을 이용할 수 있으면, 자연 에너지의 유효 이용이라는 관점에서도, 이용 가치가 높은 우수한 발전 장치가 얻어진다고 생각된다.
예를 들면, 종래의 발전 장치로서는, 자동차의 엔진이나 공장의 화로 등으로부터 배출되는 배열을 이용하는 것을 상정(想定)한 것이기는 있지만, 상기 배열 등의 높은 온도와 낮은 온도의 온도차를 이용하여, 열전 변환 모듈을 사용하여 발전을 행하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
일본공개특허 제2015-222648호 공보 일본공개특허 제2011-236070호 공보 일본공개특허 제2009-194299호 공보
그러나, 종래의 발열 장치는, 상기 특허문헌 1과 같이, 전기를 흐르게 함으로써 발열한 저항체의 열을 이용하여, 물을 가열하고 수증기를 생성하는 것도 있지만, 저항체의 열이 수증기로 일단 변환되므로, 해당 변환에 수반하여 열 에너지의 손실이 생기고 있고, 발생한 에너지 전체에 대하여, 실제로 이용 가능한 열 에너지의 양은 낮은 것으로 되어, 효율성이 낮은 것에 머무르고 있다.
또한, 종래의 발열 장치는, 상기 특허문헌 2와 같이, 마이크로파 등으로 가열하여 사용되는 필터도 있지만, 전제로서의 가열을 행하기 위하여, 고에너지가 요구되는 것이며, 그 때문에 에너지의 효율성은 낮은 것에 머무는 것이다. 또한, 유체를 온도 상승시키는 용도에 한정된 필터이기 때문에, 각종 용도로 이용할 수 있다는 점에서는 범용성이 부족한 것으로 되고 있다.
이와 같이, 종래의 발열 장치에서는, 얻어진 열 에너지의 일부를 다른 상태 변화에 이용하는 것이나, 열 에너지를 발생시키기 위해 고에너지를 가하는 것에 머물고 있고, 에너지 효율이 낮은 것에 머물고 있어, 충분히 전력 절약화된 것에는 이르지 못한다.
또한, 종래의 발전 장치에 있어서는, 예를 들면, 상기 특허문헌 3과 같이, 열전 변환 모듈을 사용하고, 배열을 이용하여, 전력을 취출하는 것이 있지만, 불안정한 배열을 이용하는 것을 전제로 하고 있는 바와 같이, 열원의 공급이 불안정한 것이고, 열량 자체의 제어는 설비의 성질상 곤란하며, 일시적으로 열량을 저장(버퍼링)하는 등의 제어가 필요하게 되고, 그 기능 자체가 대단히 번잡한 것으로 되고, 또한 열원으로부터 열전 변환 모듈의 내구성을 넘는 과잉한 열이 공급된 경우에는, 열전 변환 모듈의 리미터가 작동하고, 발전을 정지해버리므로, 현실 문제로서 배열을 사용하는 데에는, 신중하게 행하는 것이 중요하며, 온도차 발전이 보급되지 않는 요인이기도 하다.
이와 같이, 종래의 발전 장치에서는, 열전 변환 모듈을 사용하여, 열원으로부터의 열에 의해 안정적으로 발전시키기 위해서는, 열원으로부터 상당히 안정적으로 온도가 제어된 열량이 공급되는 것이 필요로 되고 있다. 이러한 점으로부터도, 만일 열원으로서, 자연 에너지 유래의 전력을 이용하여 발열시킨 경우라도, 마찬가지로, 신중한 배열 제어가 필요하며, 안정적인 가동은 곤란하다는 과제가 있다.
또한, 예를 들면, 자연 에너지 유래의 불안정하고 약한 전력을 사용하여 발열시킬 수 있고, 또한 열전 변환 모듈이 구비하고 있는 흡열 특성까지, 충분히 허용할 수 있는 우수한 열원이 있으면 이상적이지만, 그와 같은 우수한 발열 특성을 가지는 열원도 지금까지는 알려져 있지 않다.
이와 같이, 수력, 풍력 및 태양광 등의 자연 에너지 유래의 전력을 안정적으로 활용할 수 있는 열원이 있으면, 자연 에너지의 유효 이용이라는 관점에서도, 이용 가치가 높은 우수한 발전 장치를 실현할 수 있다고 생각되지만, 그와 같은 것은 아직 알려져 있지 않다. 즉, 자연 에너지와 같이 발전량이 낮고 불안정한 에너지원을 이용해도, 저비용으로 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 발전 장치는 아직 알려져 있지 않다.
또한, 전력을 절약하고 높은 발열 효과를 가지는 열원이 있으면, 그와 같은 열원을 이용함으로써, 현재보다 전력을 절약하고 높은 발열 효율의 우수한 난방 장치나 가온 장치도 실현할 수 있다고 생각되지만, 그와 같은 것도 아직 알려져 있지 않다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 전력을 절약하고 또한 저비용으로 효율적으로 장시간의 발열을 유지할 수 있는 발열 장치 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 예의 연구의 결과, 어떤 종류의 분체를 혼합한 상태에서 전압을 인가한 바, 단시간에 온도 상승이 발생하고, 또한 일정 시간 후에는 온도가 일정하게 유지된다는 지금까지 없는 발열 특성이 얻어지는 새로운 타입의 우수한 발열 장치를 찾아냈다. 또한, 상기 발열 장치를 발열시킴으로써, 열전소자와 조합시켜, 안정 가동할 수 있는 발전 장치를 도출하였다.
이와 같이 하여, 본원에 개시하는 발열 장치는, 내부가 전기적으로 절연된 중공체(中空體) 용기와, 상기 용기 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 한 쌍의 대향 전극과, 상기 용기 내의 대향 전극간에 수납되고, 규소 분체 및 탄소 분체를 포함하는 혼합 상태의 발열체를 포함하는 것이다.
이와 같이, 내부가 전기적으로 절연된 중공체 용기와, 상기 용기 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 한 쌍의 대향 전극과, 상기 용기 내의 대향 전극간에 수납되고, 혼합 상태의 규소 분체 및 탄소 분체로 이루어지는 발열체를 포함하므로, 대향 전극에 전압이 인가되는 것에 의해, 도전성(導電性)을 가지는 탄소 분체에 전류가 전파되고, 해당 전류의 전파에 의해, 혼합 상태에서 공존하고 있는 규소 분체가 열을 갖게 되어 발열체가 발열하게 되고, 간소한 구성에 의해 전력을 절약하여 발열을 행할 수 있고, 또한 보온 상태의 유지에도 최적인 열원으로서 이용할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발열 장치는, 필요에 따라, 상기 발열체의 밀도가, 0.85g/㎤∼1.30g/㎤인 것이다. 이와 같이, 상기 발열체의 밀도가, 0.85g/㎤∼1.30g/㎤이므로, 보다 낮은 저항값에서 안정적으로 발열할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발열 장치는, 필요에 따라, 상기 발열체의 밀도가, 상기 발열체에 포함되는 상기 탄소 분체의 평균 입경 및/또는 총중량이 커짐에 따라, 작아지는 것이다. 이와 같이, 상기 발열체의 밀도가, 상기 발열체에 포함되는 상기 탄소 분체의 평균 입경 및/또는 총중량이 커짐에 따라, 작아지는 것으로부터, 공극율(空隙率)이 높은 (저밀도) 상황 하에서는 상기 탄소 분체의 도전성이 작용하여 전류가 흐르기 쉬워지고, 또한 공극율이 낮은 (고밀도) 상황 하에서는 상기 규소 분체의 절연성이 작용한다는, 이들 2종류의 분체가 상보적으로 작용함으로써, 보다 안정적으로 높은 발열량을 유지할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발열 장치는, 필요에 따라, 상기 발열체가 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄을 포함하는 것이다. 예를 들면, Fe2O3, Al2O3 등이다. 이와 같이, 상기 발열체가, 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄을 포함하므로, 이들 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄에 의해 발열한 열량이 상기 발열체 내에서 확실하게 유지되고, 또한, 상기 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄이 발열에서의 저항(특히 초기 저항)에 영향을 주게 되고, 상기 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄의 배합에 의해, 원하는 저항값을 자유자재로 설정하는 것이 가능해진다.
또한, 본원에 개시하는 발열 장치는, 필요에 따라, 상기 발열체가, 분체상의 소각회(燒却灰) 및/또는 광물을 포함하는 것이다. 이와 같이, 상기 발열체가, 분체상의 소각회 및/또는 광물을 포함하므로, 이들 소각회 및/또는 광물이 의해 발열한 열량이 상기 발열체 내에서 확실하게 유지되게 되고, 보다 안정적으로 높은 발열량을 유지할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 상기 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 해당 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단과, 상기 발열 수단에 근접하여 설치되고, 상기 발열 수단에 대향하는 대향면 측이 가열되고, 또한 배면 측이 냉각되어, 해당 대향면 측과 해당 배면 측의 온도차를 전력량으로 변환하는 열전 수단을 포함하는 것이다.
이와 같이, 규소 분체 및 탄소 분체를 포함하는 혼합 상태의 발열체로 구성되어, 상기 외부 전력에 의해 발열하는 발열 수단과, 해당 발열 수단에 해당 대향면을 근접하여 설치하여, 해당 대향면과 배면의 온도차를 전력량으로 변환하는 열전 수단을 포함하므로, 대향 전극에 전압이 인가되는 것에 의해, 도전성을 가지는 탄소 분체에 전류가 전파되고, 해당 전류의 전파에 의해, 혼합 상태의 분체가 열을 가지게 되어 발열체가 지극히 효율적으로 발열하게 되고, 해당 발열에 의해, 상기 열전 수단에서 큰 온도차가 생기고, 상기 온도차에 의해, 안정적으로 큰 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 열전 수단이, 제벡(Seebeck) 소자 또는 톰슨 소자로 구성되는 것이다. 이와 같이, 상기 열전 수단이, 제벡 소자 또는 톰슨 소자로 구성되므로, 보다 간소한 구성으로, 상기 발열 수단이, 보다 전력을 절약하여 발열을 행할 수 있고, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 발열체가, 분체상의 소각회 및/또는 광물을 포함하는 것이다. 이와 같이, 상기 발열체가, 분체상의 소각회 및/또는 광물을 포함하므로, 혼합 상태로 포함되는 탄소 분체가, 발열 시간의 경과에 따라 통전(通電)에 의해 팽창했을 때, 해당 분체상의 소각회 및/또는 광물이 포함되는 것에 의해, 발열한 열량이 상기 발열체 내에서 확실하게 유지되고, 또한, 탄소 분체간에 형성되는 접촉면의 증대가 억제되고, 해당 발열체 중에서의 도전성이 억제되고, 또한 저항 성분의 저하가 억제되게 되어, 경시적으로도 높은 발열성을 유지할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 발열 수단이 원통체로서 형성되고, 상기 열전 수단이 상기 발열 수단을 주회(周回)하는 것이다. 이와 같이, 상기 발열 수단이 원통체로서 형성되고, 상기 열전 수단이 상기 발열 수단을 주회하므로, 상기 발열 수단으로부터 전방위를 향하여 발생하는 열량을 남기는 일 없이, 상기 열전 수단의 대향면으로 전파할 수 있게 되고, 상기 열전 수단이, 상기 열전 수단으로부터의 열량을 효율적으로 전력으로 변환할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 발열 수단과, 상기 열전 수단 사이에 끼어 구성되고, 상기 발열 수단의 발열에 의해 생긴 열을 축열(蓄熱)하는 축열 수단을 포함하는 것이다. 이와 같이, 상기 축열 수단이, 상기 발열 수단의 발열에 의해 생긴 열을 일단 유지하므로, 상기 발열 수단의 발열에 의해 생긴 열량이 과잉으로 된 경우라도, 그 열량을 배출하여 폐기하지 않고, 상기 축열 수단에 의해 유지되게 되고, 보다 높은 에너지 효율로, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다. 또한, 상기 발열 수단의 발열이 급격한 변화나 정지한 경우에도, 상기 축열 수단에 의해 유지된 열량에 의해, 상기 열전 수단의 가동을 계속할 수 있고, 가동 안정성도 높일 수 있다. 또한, 상기 축열 수단은, 상기 발열 수단의 발열에 의해 생긴 열을 균일화하여 유지하므로, 상기 열전 수단의 전력 변환 효율을 최적화(최대한화)시키는 온도(최적 온도)를 유지하여 안정적으로 공급할 수 있게 되고, 상기 열전 수단에 의한 발열의 능력이 최적화된 조건으로 전력을 발생시킬 수 있고, 보다 높은 에너지 효율로, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 전력을 계속적으로 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 열전 수단의 배면에 근접하여 설치되고, 상기 열전 수단의 배면을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하는 것이다. 이와 같이, 상기 열전 수단의 배면을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하므로, 상기 열전 수단에 의해 보다 큰 온도차가 생기게 되고, 상기 열전 수단에 의해 보다 큰 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 외부 전력이, 자연 에너지 유래의 전력으로 공급되고, 또한 상기 냉각 수단이 구성되는 것이다. 이와 같이, 외부 전력이 자연 에너지 유래의 전력, 예를 들면, 태양광 에너지 등으로 공급되고, 또한 상기 냉각 수단이 설치되는(예를 들면, 태양광 에너지 패널의 음지 등도 가능) 것에 의해, 더욱 효율적으로, 자연 에너지의 유효 이용을 행할 수 있는 동시에, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 계속해서 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 냉각 수단이 냉각성 유체로 구성되는 것이다. 이와 같이, 상기 냉각 수단이 유체(기체라도 되고 액체라도 됨)로 구성되므로, 상기 냉각 수단이, 유체의 확산성에 의해, 더욱 효율적인 냉각이 실현되고, 상기 열전 수단에 있어서 더욱 큰 온도차를 발생시키게 되고, 더욱 효율적으로 자연 에너지의 유효 이용을 행할 수 있는 동시에, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 계속해서 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발전 장치는, 필요에 따라, 상기 외부 전력이, 유체의 동적 에너지에 기초하는 자연 에너지 유래의 전력으로 공급되고, 상기 냉각 수단이, 해당 유체의 정적 에너지에 의해 상기 열전 수단의 배면을 냉각시키는 것이다. 이와 같이, 상기 냉각 수단을 구성하는 유체가, 상기 자연 에너지를 발생시키는 유체(기체기체라도 되고 액체라도 됨)로 겸용되므로, 자연 에너지에 의한 발전에 이용된 유체를 다른 에너지 관점에서 다시 활용함으로써, 상기 열전 수단에 있어서 더욱 큰 온도차를 효율적으로 발생시키게 되고, 자연 에너지가 새로운 유효 이용을 행할 수 있는 동시에, 상기 열전 수단에 의해 안정적으로 계속해서 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 발열 장치를 포함하는 난방 장치는, 상기 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단과, 직사각형 형상의 히트 파이프와, 금속 잉곳으로 이루어지고, 발열 수단 중 적어도 길이 방향 표면에 밀접하는 관통공으로 이루어지는 수납부가 상기 금속 잉곳으로 형성되고, 또한 상기 수납부의 설치 위치를 중심으로 하는 대칭 위치에서, 상기 히트 파이프의 길이 방향 표면에 밀접 상태로 유지하는 관통공으로 이루어지는 유지부가 상기 금속 잉곳으로 형성되는 축열부와, 상기 축열부에 축열된 열 에너지가, 상기 히트 파이프에 의해 방열되는 에너지보다 밑돌지 않도록 발열 수단의 발열 개시 및 발열 정지를 제어하는 제어 수단을 포함하는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 발열 장치를 포함하는 난방 장치는, 상기 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단과, 직사각형 형상의 히트 파이프와, 금속 잉곳으로 이루어지고, 발열 수단 중 적어도 길이 방향 표면에 밀접하는 관통공으로 이루어지는 수납부가 상기 금속 잉곳으로 형성되고, 또한 상기 수납부의 설치 위치를 중심으로 하는 대칭 위치에서, 상기 히트 파이프의 길이 방향 표면에 밀접 상태로 유지하는 관통공으로 이루어지는 유지부가 상기 금속 잉곳으로 형성되는 축열부와, 상기 축열부에 축열된 열 에너지가, 상기 히트 파이프에 의해 방열되는 에너지보다 밑돌지 않도록 발열 수단의 발열 개시 및 발열 정지를 제어하는 제어 수단을 포함하므로, 발열 수단에 의한 우수한 발열 효율에 의해, 일단 발열 수단이 온도 상승하는 것만으로, 제어 수단의 제어에 의해 축열부가 장시간 온도를 유지할 수 있으므로, 히트 파이프에 의해 열전도되어 방열된 방열 에너지가 일정화하게 되고, 장기간에 걸쳐 안정적으로 난방을 행할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 난방 장치는, 필요에 따라, 상기 금속 잉곳이 알루미늄 합금으로 구성되는 것이다. 이와 같이, 상기 금속 잉곳이 알루미늄 합금으로 구성되므로, 알루미늄 합금이 구비하는 높은 잠열 특성에 의해, 높은 보온 효과를 얻을 수 있게 되고, 보다 전력을 절약하며 우수한 난방 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 난방 장치는, 필요에 따라, 상기 발열 수단이, 상기 수납부 및 상기 유지부를 각각 균등하게 2분할하여 형성되는 것이다. 이와 같이, 상기 발열 수단이, 상기 수납부 및 상기 유지부를 각각 균등하게 2분할하여 형성되므로, 상기 발열 수단이, 히트 파이프에 대하여 균일하게 안정되어 열원을 공급할 수 있게 되고, 히트 파이프에 의해 열전도되어 방열된 방열 에너지가 일정화하게이 되고, 더욱 장기간에 걸쳐 안정적으로 난방을 행할 수 있다.
또한, 본원에 개시하는 가온 장치는, 상기 난방 장치와, 상기 난방 장치의 히트 파이프를 저장하는 히트 파이프 저장부가 설치되고, 액체 또는 기체로 구성되는 매체를, 밀폐 또는 비(非)밀폐로 수용하는 수용 용기를 포함하고, 상기 수용 용기 내의 매체를 가온 또는 기화시키는 것이다. 이와 같이, 상기 난방 장치와, 상기 난방 장치의 히트 파이프를 저장하는 히트 파이프 저장부가 설치되고, 액체 또는 기체로 구성되는 매체를, 밀폐 또는 비밀폐로 수용하는 수용 용기를 포함하므로, 상기 히트 파이프로부터 안정적으로 방열된 열을 이용하여, 상기 수용 용기 내의 매체를 가온 또는 기화시키게 되고, 매체가 액체인 경우에는 수용 용기 내의 액체를 보다 높은 보온성으로 보온할 수 있고, 매체가 기체인 경우에는, 이 수용 용기에 외부로부터 액체가 받아들여졌을 때, 상기 액체를 신속히 기화시키는 것이 가능해지고, 가습기나 증기 발생기로서의 용도도 가능해진다.
또한, 본원에 개시하는 가온 장치는, 필요에 따라, 단열재로 피복되는 것이다. 이와 같이, 단열재로 피복되므로, 상기 수용 용기 내의 보온성을 더욱 높이게 되어, 보다 보온성이 높은 가온 장치가 실현된다.
[도 1] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 단면도에 의한 구성도를 나타낸다.
[도 2] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 사시도에 의한 설명도를 나타낸다.
[도 3] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 4] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 5] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 6] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발열 장치의 온도 상승에 수반하는 저항값 변화의 특성을 실측에 기초하여 설명하는 설명도를 나타낸다.
[도 7] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 발전 장치의 구성을 나타내는 설명도(a), 및 열전 수단의 구성예(b)를 나타낸다.
[도 8] 본 발명의 제2 실시형태에 관한 발전 장치의 사시도에 의한 구성도를 나타낸다.
[도 9] 본 발명의 제3 실시형태에 관한 발전 장치의 사시도에 의한 구성도를 나타낸다.
[도 10] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 11] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 히트 싱크를 이용한 구성도를 나타낸다.
[도 12] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 히트 싱크를 이용한 구성도를 나타낸다.
[도 13] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 경시적인 전력량의 변화를 설명하는 설명도이다.
[도 14] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 히트 싱크를 이용한 구성도를 나타낸다.
[도 15] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 히트 싱크를 이용한 구성도를 나타낸다.
[도 16] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 발전 장치의 히트 싱크를 이용한 구성도(a) 및 써모센서 스위치와 온도 변화의 추이를 설명하는 설명도(b)를 나타낸다.
[도 17] 본 발명의 제5 실시형태에 관한 발전 장치의 구성을 표현하는 사시도(a), 단면도(b) 및 사시도(c)를 나타낸다.
[도 18] 본 발명의 제6 실시형태에 관한 난방 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 19] 본 발명의 제6 실시형태에 관한 난방 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 20] 본 발명의 제6 실시형태에 관한 난방 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 21] 본 발명의 제6 실시형태에 관한 난방 장치의 구성도를 나타낸다.
[도 22] 본 발명의 제6 실시형태에 관한 난방 장치의 제어 수단의 제어 동작을 설명하는 설명도를 나타낸다.
[도 23] 본 발명의 제7 실시형태에 관한 난방 장치를 설명하는 설명도를 나타낸다.
[도 24] 본 발명의 제7 실시형태에 관한 난방 장치를 설명하는 설명도를 나타낸다.
[도 25] 본 발명의 실시예 1에 관한 발전 장치를 구성하는 발열체를 20분간 전압 인가한 경우의 경시적인 온도 변화의 측정 결과를 나타낸다.
[도 26] 본 발명의 실시예 2에 관한 난방 장치의 경시적인 온도 변화의 측정 결과를 나타낸다.
(제1 실시형태)
본원의 제1 실시형태에 관한 발전 장치 및 그 용도를, 도 1∼도 7에 따라서 설명한다.
제1 실시형태에 관한 발열 장치(발열 수단(10))는, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 내부가 전기적으로 절연된 중공체 용기(1)와, 이 용기(1) 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 제1 전극(2a) 및 제2 전극(2b)으로 이루어지는 한 쌍의 대향 전극(2)과, 이 용기(1) 내의 대향 전극(2) 사이에 수납되고, 혼합 상태의 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)로 이루어지는 발열체(3)를 포함하는 구성이다.
이 용기(1)의 재질은 내부가 전기적으로 절연된 것이면, 금속이어도 되고, 비금속이어도 되며, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 적어도 용기(1)의 내부(내측면)가 전기적으로 절연 처리된 내측 절연부(1a)에 의해 표면이 피복된 열전도재(1b)로 형성되는 것이다.
열전도재(1b)로서는 금속이어도 되고, 비금속이어도 되며, 열전도성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않고, 바람직하게는, 알루미늄이나 구리, 세라믹스다.
내측 절연부(1a)는 절연성을 가지고 있으면 특별히 한정되지 않고, 일례로서는, 알루마이트 처리에 의한 코팅을 이용할 수 있지만, 이 외에도, 세라믹스 코팅을 이용하는 것도 가능하다. 열전도재(1b)로서는, 알루미늄이나 구리 등의 열전도성을 가지는 금속을 사용할 수 있지만, 이 외에도, 세라믹스를 사용하는 것도 가능하다.
예를 들면, 열전도재(1b)로 알루미늄을 사용하는 경우에는, 내측 절연부(1a)로서 알루미늄과 친화성이 높은 알루마이트 처리에 의한 코팅을 이용하는 것이 바람직하고, 이 경우에는, 알루미늄에 의해 경량화가 실현되고, 또한 알루미늄의 표면에 대하여 알루마이트 처리를 실시하는 것만으로 형성되게 되고, 제조나 취급이 용이하게 된다. 또한, 예를 들면, 열전도재(1b)로서 세라믹스를 사용한 경우에는, 내측 절연부(1a)로서도 세라믹스를 그대로 사용할 수 있고, 간소한 구성에 의해 제조나 취급이 용이하게 된다.
또한, 용기(1)의 재질은 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이 용기(1)의 외면(외측면)에 있어서도 전기적으로 절연 처리된 외측 절연부(1c)에 의해 표면이 피복된 열전도재(1b)로 형성되는 것이 바람직하다. 외측 절연부(1c)에 대해서도, 내측 절연부(1a)와 마찬가지로, 예를 들면 열전도재(1b)로 알루미늄을 사용하는 경우에는, 알루마이트 처리에 의한 코팅을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들면, 열전도재(1b)로서 세라믹스를 사용한 경우에는, 외측 절연부(1c)에 대해서도, 세라믹스를 그대로 사용할 수 있고, 제조나 취급이 용이하게 된다.
이와 같이, 상기 용기(1)의 외면에 있어서도 전기적으로 절연 처리된 외측 절연부(1c)에 의해, 이 용기(1)의 외부에 대하여, 절연성 및 내열성이 동시에 높아지게 되고, 발열체로부터의 발열에 대해서도 튼튼하고, 강도의 면에 관해서도, 보다 안정적으로 발열 수단(10)이 구성되게 되고, 보다 안정적으로 열전 수단(20)으로 전력을 생성할 수 있다. 상기 용기(1)의 외면에서의 절연성에 의해, 예를 들면, 물 등의 액체를 직접 가열하는 것도 용이하게 가능해지고, 이 응용으로서, 작동액과의 접촉에 의해 발생하는 열의 이동을 이용한 히트 파이프로서의 이용도 가능해진다.
그리고, 용기(1)의 재질은, 상기의 내측 절연부(1a) 및 외측 절연부(1c)로 피복된 열전도재(1b)에 한정되지 않고, 예를 들면 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 내부에만 전기적으로 절연 처리된 내측 절연부(1a)로 표면이 피복된 열전도재(1b)로 형성되는 것도, 높은 절연성 및 내열성을 나타낸다는 점에서 충분히 바람직한 태양(態樣)으로 된다.
또한, 예를 들면, 상기 열전도재(1b)로서 알루미늄을 사용하고, 상기 내측 절연부(1a)로서 알루마이트 처리로 의한 코팅을 이용한 경우에는, 상기 용기(1)가, 적어도 내부가 알루마이트 처리된 알루미늄으로 형성되므로, 알루마이트 처리된 알루미늄에 의해, 경량의 금속인 알루미늄으로 용기(1)가 형성되고, 또한 이 용기(1)의 내부가 전기적으로 절연되고, 이 용기(1)의 내부 내열성도 동시에 높아지게 되어, 내부의 발열체로부터의 발열에 의한 온도 상승 대해서도, 튼튼하고 운반도 용이한 것으로 된다. 이 외에도, 예를 들면, 열전도재(1b)로서 세라믹스를 사용한 경우에는, 내측 절연부(1a)로서도 세라믹스를 그대로 사용할 수 있고, 간소한 구성에 의해 제조나 취급이 용이해진다.
그리고, 용기(1)의 재질은 상기에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 플라스틱이나 유리 등의 수지 재료를 사용하는 것도 가능하다.
대향 전극(2)을 구성하는 제1 전극(2a) 및 제2 전극(2b)의 형상에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 선형이라도 가능하고, 평면형이라도 가능하지만, 평면형으로 하는 것이 보다 바람직하다. 평면형으로 함으로써, 각종 용도에 따라서 그 면적을 변경함으로써, 원하는 온도 상승 스피드가 얻어지도록 자유자재로 제어할 수 있다.
또한, 인가 전압은 교류라도 직류라도 이용하는 것이 가능하다. 그러므로, 소형의 건전지로부터의 전원 공급이나, AC 전원 콘센트로부터의 대용량의 전원 공급 등, 전원 설계가 자유자재로 행할 수 있게 되고, 설치 장소나 요구에 따라서, 공간 절약화시키는 것이나 대규모화시킬 수 있고, 유연하게 설계하는 것이 가능해진다.
발열체(3)는 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 서로 혼합된 혼합 상태로서 형성된다. 이 혼합 상태에 대해서는, 분체의 혼합 정도는 특별히 한정되지 않지만, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가, 치우침 없이 분산화되어 있으면 되고, 균일하게 분체가 혼합된 상태인 것이 보다 바람직하다. 이 혼합 상태를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 상기 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)를 교반시키는 것이나 진동시킴으로써 형성할 수 있다.
원료가 되는 규소 분체(3a)에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 반도체 제조 시에 부차적으로 대량으로 배출되어 폐기되어 있는 재생 실리콘을 원료로 하는 것이 가능하며, 자원을 유효하게 재이용할 수 있다. 그와 같은 점에서, 규소 분체(3a)에는, 기타의 성분으로서 탄화규소의 분체가 포함되어 있어도 된다.
또한, 탄소 분체(3b)에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 이차전지 등의 전지 제조 시에 부차적으로 대량으로 배출되어 폐기되고 있는 탄소(예를 들면, 카본블랙 등)를 원료로 하는 것이 바람직하고, 자원의 재이용에 의한 유효 활용에 의해, 제조 비용이 억제되는 것뿐만 아니라, 환경 부하도 억제할 수 있다는 우수한 이점이 있다.
이들 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 입경에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 각각 5∼300㎛의 입경을 가지는 것이 바람직하다. 이것은, 300㎛의 알맹이를 혼합시킨 경우에는 발열체(3)에서의 저항값의 조정도 가능하며 발열도 충분했지만, 300㎛ 이상의 입도로 되면, 저항값이 불안정해지고, 용기 내에서 온도 불균일이 발생하고, 실용적이지 않았던 것이 확인되었기 때문이다. 이와 같이, 상기 발열 수단(10)은, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 각각, 5∼300㎛의 입경을 가지는 것에 의해, 대향 전극(2) 사이에, 보다 전류가 도통(導通)하기 쉬운 분체의 혼합 상태가 형성되기 쉬워지게 되고, 보다 안정적으로 열변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 전력을 절약하여 발열을 행할 수 있고, 또한 보온 상태의 유지에도 최적인 열원으로서, 이 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
또한, 이들 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 입경에 대해서는, 보다 바람직하게는, 발열체(3) 전체로서 발열을 일으키는 데에 적당한 저항값이 얻어지기 쉽다는 점에서, 5∼300의 입경이며, 더욱 바람직하게는 30∼180㎛의 입경이다. 이 적당한 저항값으로서는 5∼20Ω가 바람직하고, 보다 바람직하게는 8Ω이다. 이 저항값은 전원 장치 측으로부터 측정된 경우의 부하 저항값인 것으로부터, 전원 설계가 용이한 것으로 된다. 또한, 전원의 제어는 CC: 전류 제어가 아니고 CV: 전압 제어로 가능하기 때문에 전용 전원이 아니라 일반적인 저가의 전원 장치로 구동할 수 있다. 시판되고 있는 충전지나 건전지를 전원으로 이용한 경우라도, 안정된 발열을 행할 수 있다.
또한, 상기 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 입경 제어에 의해, 발열량의 제어가 가능해진다. 예를 들면, 상기 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)를 입경을 작은 것을 사용함으로써, 저항값이 저감되고, 발열량을 올릴 수 있고, 또한, 이들 입경을 큰 것을 사용함으로써, 저항값이 증대하고, 발열량을 억제한다는 제어가 가능해진다.
또한, 이들 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 배합비를 조정함으로써, 발열 특성(예를 들면, 저항값)을 제어하는 것도 가능하다. 예를 들면, 규소 분체(3a)의 비율을 높였을 경우에는, 발열되기 쉬운 성분이며 절연성 성분의 비율이 높아지기 쉽다는 점에서, 발열량을 높일 수 있고, 탄소 분체(3b)의 비율을 높였을 경우에는, 도전 성분의 비율이 높아지기 쉽다는 점에서, 보다 발열량을 억제한다는 간편한 제어도 가능해진다.
또한, 발열체(3)의 발열 온도가 약 800℃를 초과한 경우에는, 반도체 특성을 가지는 규소 분체(3a)는 도체 상태로 천이하여, 저항값이 상하 변동하지 않고 계속해서 저하되게 되고, 안정적인 저항 제어를 실현할 수 있다. 이 점에 있어서, 종래의 발열체에서는, 규소를 사용하여 발열시키는 것(예를 들면, SiC 히터 등)이 지금까지 알려져 있지만, 발열에 따라 저항값도 상하 변동을 수반하여 상승하는 특성을 가지는 것이며, 최적인 발열 제어(저항값 제어)를 간편하게 행하는 것은 어렵다. 이에 대하여, 본 실시형태에 관한 발열체(3)에서는, 발열에 따라 약 800℃를 초과하는 고온 영역으로 되어도, 저항값이 상하 이동하지 않고 계속해서 저하되므로, 종래보다도, 각별히 우수한 최적인 발열 제어(저항값 제어)를 행할 수 있고, 또한 이와 같은 고온 영역으로 됨에 따라서 필요한 전력량이 적어도 된다는 에너지 절약의 관점에서도, 종래에는 얻을 수 없는 우수한 것이다. 본 실시형태에 관한 발열체(3)에서의 전원 설계로서는, 예를 들면, 상온 온도에서는 8Ω 정도로 발열체(3)를 설계하고, 고온 영역에서 사용하는 경우도 상온 시의 약 1/2(약 4Ω)을 하한으로 하여, 단순한 전원 설계를 행할 수 있다.
본 실시형태에 관한 발열체에 대하여, 직경 10φ이고 전장 100㎜인 세라믹제의 파이프(용기 1)에, 발열체(3)를 구성하는 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)를 용적비 1:1로 충전하고, 이들 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 총중량을 변화시켜, 상기 발열체(3)의 밀도(분체 총중량(g)/용기(1)의 부피(㎤))를 변화시킨 경우의 발열체(3)의 저항값을 측정하였다. 얻어진 결과를 이하에 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001
얻어진 결과로부터, 보다 낮은 저항값으로 발열할 수 있다는 점에서, 발열체(3)의 밀도가 0.85g/㎤∼1.30g/㎤인 것이 바람직하고, 보다 전력을 절약하고 안정적으로 발열할 수 있는 점에서, 보다 바람직하게는, 0.90g/㎤∼1.10g/㎤인 것이 바람직하고, 예를 들면 1.00g/㎤로 할 수 있고, 이 경우의 저항값은 4Ω를 나타내므로, 사용하기 편리한 특성이 얻어지는 것이 확인되었다.
또한, 상기의 결과로부터, 예를 들면, 용적비로 규소 분체(3a):탄소 분체(3b)가 1:1인 경우에는, 예를 들면, 전술한 바와 같이 기본 저항값 4Ω로 설정할 수 있다. 또한, 규소 분체(3a)의 비율을 증가시키면 고온 영역에서의 발열체(3)의 저항값이 저하되므로, 예를 들면, 규소 분체(3a)의 비율을 증가시켜, 동일 용적비를 1.1:0.9로 한 경우에는, 기본 저항값 3.5Ω로 설정할 수 있다. 이와 같이, 발열체(3)의 밀도를 제어하는 것으로만, 원하는 발열 특성(저항값)이 얻어지게 되고, 용이하게 설계를 행할 수 있고, 또한 원하는 발열 특성을 간이하게 얻을 수 있다.
또한, 이들 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 pH값에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 중성 영역 근방인 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 산성 영역에서도 알카리성 영역에서도 가능하다.
상기 발열 수단(10)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 평판형인 것이 바람직하다. 이 외에도, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 통형체(筒形體)로 할 수도 있고, 이 외에도, 중공체라면 특별히 한정되지 않는다.
이와 같은 구성에 의해, 상기 발열 수단(10)은, 전력이 절약되어도 열원의 입상(立上) 스피드가 빠르고, 원하는 온도 설정도 용이하게 된다. 또한, 예를 들면, 심야 전력 등의 잉여 전력을 활용하여, 장시간의 보온에 이용하는 것도 가능해진다. 또한, 상기 발열 수단(10)은, 3∼10와트 정도의 작은 전력으로도 충분히 발열하고, 또한 1000℃까지 온도 상승할 수 있다는 매우 우수한 발열 성능을 발휘하는 것이 확인되고 있다(후술하는 실시예 참조).
상기 발열 수단(10)이 우수한 효과를 이루는 상세한 메커니즘은 상세하게는 해명되고 있지 않지만, 발열체(3)를 구성하는 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 혼합 상태로서 형성되는 것에 의해, 대향 전극(2)에 전압이 인가되었을 때, 도전성을 가지는 탄소 분체(3b)에 전류가 전파되고, 이 전류의 전파에 의해, 혼합 상태로 공존하고 있는 규소 분체(3a)가 열을 발하도록 작용하게 되고, 또한, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)와의 분체 사이가 높은 집적도로 좁은 영역에서 서로 누르는 것도 더불어, 원자 레벨로 발열체가 발열하고 있다고 추측된다. 또한, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 서로 접촉하는 혼합 상태이므로, 각 분체에 전압이 인가되는 것에 의해, 각 분체의 전기적인 배향 상태가 전기가 흐르기 쉬워지는 상태로 정렬되어, 전류의 도통에 의해, 주로 절연성을 가지는 규소 분체(3a)로부터 열이 발생하기 쉬운 상황이 형성되어 있는 것도 추측된다.
이와 같이, 제1 실시형태에 관한 발전 장치(발열 수단(10))는, 내부가 전기적으로 절연된 중공체 용기(1)와, 이 용기(1) 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 제1 전극(2a) 및 제2 전극(2b)으로 이루어지는 한 쌍의 대향 전극(2)과, 이 용기(1) 내의 대향 전극(2) 사이에 수납되고, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)를 혼합 상태로 포함하는 발열체(3)를 포함하는 구성에 의해, 대향 전극(2)에 전압이 인가되는 것에 의해, 도전성을 가지는 탄소 분체(3b)에 전류가 전파되고, 이 전류의 전파에 의해, 혼합 상태로 공존하고 있는 규소 분체(3a)가 열을 가지게 되어 발열체(3)가 발열하게 되고, 간소한 구성에 의해 전력을 절약하여 발열할 수 있는 것에 의해, 보온 상태의 유지에도 최적인 열원으로서, 각종 용도로 이용할 수 있다.
상기 발열 수단(10)에 의해, 약 50W의 외부 전력으로 약 300℃까지 상승하는 것이나, 약 200W의 외부 전력으로 약 800℃까지 상승하는 것이 가능해지고, 매우 저전력으로 높은 열량을 얻을 수 있다.
또한, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 각 대향 전극(제1 전극(2a) 및 제2 전극(2b))의 비대향면 측의 근방에, 각각 탄성체(4)(제1 탄성체(4a) 및 제2 탄성체(4b))를 구비하는 구성으로 할 수도 있다. 예를 들면, 이 탄성체(4)는, 발열체(3)와 상기 대향 전극(2)(제1 전극(2a) 및/또는 제2 전극(2b)) 사이에 넣는 것이나, 용기(1)(예를 들면, 세라믹 용기)와 발열체(3) 사이에 넣을 수 있다.
상기 탄성체(4)는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 내열성의 고무나 테프론(등록상표)이나 세라믹 등을 사용할 수 있다.
상기 탄성체(4)는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 용기(1) 내부의 발열체(3)가 발열하여 열팽창했을 때, 완충재로서, 그 형상이 변화되어 발열체(3)의 팽창을 흡수하므로, 발열체(3)의 팽창에 의한 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 혼합 상태(예를 들면, 이들 분체의 이산 상태나 충전율 등)의 변동이 억제되게 되고, 발열 상태의 열화가 억제되고, 그에 의해, 발열체(3)의 발열 상태가 유지되어, 계속적인 발열을 안정적으로 실현할 수 있다. 또한, 발열체(3)의 발열에 의한 용기(1)의 손상도 억제할 수 있다. 즉, 각 대향 전극(2)의 비대향면 측의 근방에 탄성체(4)를 구비하므로, 상기 발열체(3)에 의한 발열에 의해 용기(1)의 내부 부피가 팽창한 경우에도, 탄성체가 그 팽창을 흡수하는 흡수체로서 작용하고, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 혼합 상태(예를 들면, 이들 분체의 이산 상태나 충전율 등)가 균질화되게 되고, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 팽창에 수반하는 발열체(3)의 발열 상태의 열화가 억제되고, 이 발열체(3)에 있어서 일정한 도전성으로 발열량(줄 열(Joule heat))을 확정할 수 있고, 계속적인 발열을 안정적으로 실현할 수 있다. 또한, 상기 용기(1) 내부의 내구성도 높일 수 있게 되고, 발열체(3)로부터의 발열에 대해서도 더욱 튼튼하고, 높은 강도를 가지는 발열 수단(10)이 형성되게 되고, 이 발열 수단(10)에 의해 안정적으로 열량이 공급되어, 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
또한, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 용기(1)가 탄성체로 구성되는 것으로 할 수도 있다. 이 용기(1)를 구성하는 탄성체는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 상기 고무나 테프론(등록상표)이나 세라믹 등을 사용할 수 있다.
상기 탄성체로 구성되는 용기(1)는 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 용기(1) 내부의 발열체(3)가 발열하여 열팽창했을 때, 완충재로서도 기능하고, 열팽창을 받아 형상이 변화되고, 발열체(3)의 팽창을 흡수하므로, 발열체(3)의 팽창에 의한 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)의 혼합 상태(예를 들면, 이들 분체의 이산 상태나 충전율 등)의 변동이 억제되게 되고, 발열 상태의 열화가 억제되고, 그에 의해, 발열체(3)의 발열 상태가 유지되어, 계속적인 발열을 안정적으로 실현할 수 있다. 또한, 발열체(3)의 발열에 의한 열팽창으로부터 용기(1)의 손상을 억제할 수 있다. 즉, 상기 용기(1)가 탄성체로 구성되므로, 상기 발열체(3)에 의한 발열에 의해 상기 용기(1) 내부의 발열체(3)가 팽창한 경우에도, 탄성체의 작용으로 용기(1)가 그 팽창을 흡수하는 흡수체로서도 기능하게 되고, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 혼합 상태(예를 들면 이들 분체의 이산 상태나 충전율 등)가 균질화되게 되어, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 팽창에 수반하는 발열체(3)의 발열 상태의 열화가 억제되고, 상기 발열체(3)에 있어서 일정한 도전성으로 발열량(줄 열)을 확정할 수 있고, 계속적인 발열을 안정적으로 실현할 수 있다. 또한, 상기 용기(1)의 내구성을 높일 수 있게 되고, 발열체(3)로부터의 발열에 대해서도 더욱 튼튼하고 운반도 용이한 발전 장치가 실현된다.
이와 같이, 상기 용기(1)가 탄성체로 구성되므로, 상기 발열체에 의한 발열에 의해 상기 용기 내부의 발열체(3)가 팽창한 경우에도, 상기 용기 자체가 그 팽창을 흡수하는 흡수체로서 작용하게 되고, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 혼합 상태(예를 들면, 이들 분체의 이산 상태나 충전율 등)가 균질화되게 되어, 규소 분체(3a) 및 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 팽창에 수반하는 발열체(3)의 발열 상태의 열화가 억제되고, 상기 발열체(3)에 있어서 일정한 도전성으로 발열량(줄 열)을 확정할 수 있고, 계속적인 발열을 안정적으로 실현할 수 있다. 또한, 상기 용기(1)의 내부 내열성을 높일 수 있게 되고, 발열체(3)로부터의 발열에 대해서도 튼튼하고, 높은 강도를 가지는 발열 수단(10)이 형성되게 되고, 이 발열 수단(10)에 의해 안정적으로 열량이 공급되어, 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
또한, 상기 발열 수단(10)은 도 4의 (a)에서 나타낸 바와 같이, 평판형의 형상으로 할 수 있다. 이 경우에는, 본 실시형태에 관한 발전 장치는, 박판(薄板)형의 구성으로 할 수 있고, 높이 방향의 공간을 억제한 공간 절약의 형상에 의해, 안정된 열량을 생성하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 발열 수단(10)은 도 4의 (b)에서 나타낸 바와 같이, 원기둥형의 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 스틱형의 발열 장치로서 구성할 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태에 관한 발열 장치는, 구조가 단순한 데에다, 필요로 하는 부품수도 적게 구성되므로, 장치적으로도 동작이 안정화되게 되고, 저비용이면서 또한 운반도 자유자재인 발열 장치가 얻어진다. 이 형상에 의해, 예를 들면, 소형의 버튼형 전지를 전원으로서 이용함으로써 컴팩트한 구성이 실현되고, 이 컴팩트한 구성에 의해, 예를 들면, 로봇의 손바닥 부위의 내부에 탑재함으로써, 로봇의 손바닥의 외부 표면을 사람의 피부 정도의 알맞은 온도(예를 들면, 40℃∼50℃ 정도)로 가온할 수 있고, 악수했을 때 마치 사람의 피부와 같은 따뜻한 감각이 얻어지는 사람 피부 로봇의 실현도 가능해진다.
탄성체로 구성되는 것으로부터, 상기 발열체에 의한 발열에 의해 상기 용기의 내부 체적이 팽창한 경우에도, 상기 용기 자체가 그 팽창을 흡수하는 흡수체로서 작용하게 되고, 상기 용기의 내부의 내열성을 높일 수 있게 되고, 발열체로부터의 발열에 대해서도 튼튼하고, 높은 강도를 가지는 발열 수단(10)이 형성되게 되고, 이 발열 수단(10)에 의해 안정적으로 열량이 공급되어, 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 관한 발열체에 있어서는, 상기 발열체(3)는, 구성 물질로서 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)를 포함한 것이며, 바람직하게는, 상기 발열체(3)의 밀도가, 상기 발열체(3)에 포함되는 상기 탄소 분체(3b)의 평균 입경 및/또는 총중량이 커짐에 따라, 작아지는 것이다. 이와 같이, 상기 발열체(3)의 밀도가, 상기 발열체(3)에 포함되는 상기 탄소 분체(3b)의 평균 입경 및/또는 총중량이 커짐에 따라, 작아지므로, 공극율이 높은(저밀도) 상황 하에서는 상기 탄소 분체(3b)의 도전성이 작용하여 전류가 흐르기 쉬워지고, 또한 공극율이 낮은(고밀도) 상황 하에서는 상기 규소 분체(3a)의 절연성이 작용한다는, 이들 2종류의 분체가 상보적으로 작용함으로써, 보다 안정적으로 높은 발열량을 유지할 수 있다.
예를 들면, 상기 발열체(3) 중의 탄소 분체(3b)의 체적 비율이 40∼60 체적%이고, 규소 분체(3a)의 체적 비율이 40∼60 체적%이도록 할 수 있다. 이와 같이, 상기 발열체(3) 중의 상기 탄소 분체(3b)의 체적 비율이 40∼60 체적%이고, 상기 규소 분체(3a)의 체적 비율이 40∼60 체적%인 것으로부터, 상기 발열 수단(10)이, 보다 최적으로 발열을 행할 수 있다. 그리고, 그 외의 구성 물질에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 목적이나 용도에 따라서 각종 물질을 혼합시킬 수 있다.
특히, 본 실시형태에 관한 발열체에서는, 상기 발열체(3)는, 구성 물질인 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)는, 원료가 분체인 것뿐만 아니라, 가열 상태일 때에도, 분체 상태를 유지하고, 또한 가열 상태가 종료했을 때에도 분체 상태가 유지된다. 이와 같이, 분체를 사용하므로 제조가 행하기 쉽고(본질적으로는 섞는 것만으로 제조 가능해짐), 또한, 사용 후에도 분체 상태인 채로 취출할 수 있으므로 재이용도 행하기 쉽다는 우수한 이점을 겸비하고 있다. 이 점에 있어서, 종래의 발열체에서는 본질적으로는 고체 상태로 가열되므로, 제조 비용 및 재이용 비용, 나아가 취급이 용이한 점에서, 본 실시형태에 관한 발열체는, 종래에는 없는 각별히 우수한 것으로 되고 있다.
상기 발열체(3)에 포함되는 그 외의 구성 물질로서는, 입경 등 특별히 한정되지 않지만 분체상인 것이 바람직하고, 저항값을 자유자재로 설정할 수 있다는 점에서, 바람직하게는, 상기 발열체가 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄을 갖는 것이다. 이와 같이, 상기 발열체가, 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄을 포함하므로, 해당 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄이 발열에서의 저항(특히 초기 저항)을 주게 되고, 상기 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄의 배합에 의해, 원하는 저항값을 자유자재로 설정하는 것이 가능해진다. 이 외에도, 동일한 이유에서, 산화규소를 더하는 것도 바람직하고, 원하는 저항값을 자유자재로 설정하는 것이 가능해진다.
이 외에도, 상기 발열체(3)에 포함되는 기타의 구성 물질로서는, 분체상의 소각회 및/또는 광물을 포함하는 것이 바람직하다. 소각회로서는, 제철소나 화력 발전소에서 부차적으로 대량으로 배출되는 소각회를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 플라이 애시((fly ash)를 사용하는 것이며, 이 외에도, 고로(高爐) 슬래그 분말, 실리카흄 등을 사용할 수도 있다. 또한, 분체상의 광물로서는, 천연 유래의 무기물이라면 특별히 한정되지 않고, 고온 상태에서 분체 상체를 유지하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 전기석(토르말린)이나 갈철광(리모나이트)을 사용할 수 있다. 특히, 전기석(토르말린)이나 갈철광(리모나이트)을 사용하는 경우에는, 그 복사열 특성에 의해, 발생한 열량을 장시간 유지하는 것이 가능해진다. 이와 같은 분체상의 소각회 및/또는 광물의 입경에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 30∼180㎛ 정도의 입경이 바람직하고, 30∼70㎛ 정도의 입경이 보다 바람직하다.
도 5는, 상기 발열체(3) 중의 상태를 설명하는 설명도이고, 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)의 입경에 대하여, 간결하게 상태를 설명할 목적으로, 상기 규소 분체(3a)의 입경 쪽이 큰 경우를 예시하고 있지만, 실제로는 이 도면에 나타내어진 입경의 대소 관계에 한정되는 것은 아니다.
상기 발열체(3) 중에서는, 혼합 상태로 포함되는 탄소 분체(3b)가 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 발열 시간의 경과에 수반하여 통전에 의해 팽창하고, 탄소 분체(3b)간의 접촉면(a)이 증대하지만, 탄소 분체(3b)가 도전성을 가지므로, 이 접촉면(a)의 증대에 의해, 상기 발열체(3) 중에서의 도전성이 높아지고, 또한 저항 성분이 저하되게 되고, 경시적으로는 발열성이 완만하긴 하지만 다소 저하되는 경향으로 된다.
이에 대하여, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열체(3) 중에 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)이 포함되는 경우에는, 혼합 상태로 포함되는 탄소 분체(3b)가, 발열 시간의 경과에 수반하여 통전에 의해 팽창했을 때, 이 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)이 포함되는 것에 의해, 탄소 분체(3b)간에 형성되는 접촉면(a)의 증대가 억제되고, 상기 발열체(3) 중에서의 도전성이 억제되고, 또한 저항 성분의 저하가 억제되게 되어, 경시적으로도 높은 발열성을 유지할 수 있다.
즉, 상기 발열체(3) 중에 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)이 포함되지 않는 경우에는, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 이 발열체(3) 중에는, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)가 혼합된 상태에서, 통전(도전)에 의해 탄소 분체(3b)가 팽창하고, 각 탄소 분체(3b)간의 접촉면(a)이 각각 증대하여, 경시적으로는 발열성이 완만하긴 하지만 다소 저하되는 경향으로 된다. 이에 대하여, 상기 발열체(3) 중에 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)이 포함되는 경우에는, 도 5의 (d)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열체(3)에서는, 통전(도전)에 의해 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 각 탄소 분체(3b)간의 각 접촉면(a)의 증대가 억제되어, 경시적으로 높은 발열성을 유지할 수 있다.
이와 같이, 도 5의 (e)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열체(3) 중에 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)이 포함되는 것에 의해, 통전(도전)에 의해 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 접속 관계가 균일화되게 되고, 상기 발열체(3) 전체에서의 도전율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 상기 분체상의 소각회 및/또는 광물(5)에 의하여, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 이산 상태가 균질화되는 것으로도 되고, 통전(도전)에 의해 탄소 분체(3b)가 팽창했다고 해도, 상기 발열체(3)에 있어서 일정한 도전성으로 발열량(줄 열)을 확정할 수 있다.
또한, 본 발명자가 확인한 바에 따르면, 본 실시형태에 관한 발열 장치의 온도 상승에 수반하는 저항값 변화에 대하여 실측에 기초하여 얻어진 특성을 도 6의 설명도에 나타낸다. 본 실시형태에 관한 발열 장치는 도 6에 나타낸 바와 같이, 온도 상승과 함께, 초기 저항으로부터 저항값이 저하되는 특성을 가지고 있다. 이러한 점으로부터, 전력 제어는, 전류에 의한 컨트롤(CC)을 필요로 하지 않고, 전압에 의한 컨트롤(CV)에 의해 행할 수 있게 되어, 보다 간이한 제어가 실현된다. 도 6의 그래프에 나타내어진 선분의 경사(온도 상승에 대한 저항값의 변화량)는, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 비율을 이용하여 제어할 수 있다. 또한, 특히 700∼800℃ 근방에서 발생하는 변곡점에 대해서는, 규소 분체(3a)와 탄소 분체(3b)의 입도(특히 규소 분체(3a)의 입도)를 조정함으로써 제어할 수 있다. 즉, 상기 변곡점은 입도가 작을수록 700℃에 따른 것으로 할 수 있고, 입도가 클수록 800℃에 따른 것으로 할 수 있고, 저항 특성을 용이하게 설계 가능하다. 또한, 1000℃에서의 저항값은, 보다 바람직하게는 7∼8Ω 정도이고, 이 저항값 제어에 대해서는, 전술한 바와 같은 분체상의 산화철이나, 산화알루미늄이나, 플라이 애시 등의 분체상의 소각회나, 광물을 첨가함으로써, 저항값(특히 초기 저항)을 올릴 수 있고, 이 점에 있어서도 저항 특성을 용이하게 설계 가능하다.
본 실시형태에 관한 발열 장치(발열 수단(10))는, 전술한 우수한 특성을 발휘하므로, 각종 열원으로서 이용 가능하고, 그 적용 범위는 광범위에 달한다. 그 일례로서, 상기 발열 장치를 사용한 발전 장치로서 이용하는 것으로 가능하다.
제1 실시형태에 관한 발전 장치는 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 외부로부터 외부 전력(100)이 공급되어 발전하는 발전 장치로서, 전술한 발열 장치로 구성되며, 이 외부 전력(100)이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단(10)과, 대향면(21)과 배면(22)을 가지고, 이 대향면(21)이 상기 발열 수단(10)에 근접하여 설치되고, 이 대향면(21)과 배면(22)의 온도차를 전력량으로 변환하는 열전 수단(20)을 포함하는 구성이다.
이 구성에 의해, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)이 발열함으로써 열량(H)이 주위에 발생되고, 이 열량(H)을 열전 수단(20)의 대향면(21)이 수취한다. 한편, 상기 열전 수단(20)의 이면에 있는 배면(22)에서는, 외기에 의해 냉각(C)되는 것에 의해, 대향면(21)과 배면(22) 사이에, 큰 온도차가 생기게 된다.
또한, 상기 발열 수단(10)은, 전원 전류의 지향성을 불문하고 발열한다는 특징이 있으므로, 교류 및 직류 중 어느 쪽의 전원에 대해서도, 회로 구성을 변경하지 않고 동일하게 발열할 수 있다. 이 우수한 성질에 의해, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 외부 전력(100)이 교류인 AC계 전력(100a)이라도, 외부 전력(100)이 직류인 DC계 전력(100b)이라도, 회로 구성을 변경하지 않고, 동일하게 발열하므로, 외부 전력(100)에 대해서는, AC계 전력(100a)만으로 할 수도 있고, DC계 전력(100b)만으로 할 수도 있고, 또한, AC계 전력(100a) 및 DC계 전력(100b)을 복합 전력화시킨 하이브리드(AC/DC 하이브리드)로서 구성하는 것도 가능해진다.
이와 같이, 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 외부 전력(100)으로부터 공급되는 전류 I1이 직류 또는 교류 중 어느 것인지를 불문하고 발열 수단(10)에 통전되는 것에 의해 발열이 발생하고, 상기 열전 수단(20)의 대향면(21)과 배면(22) 사이에 큰 온도차가 생기는 것에 의해, 이 열전 수단(20)에 전류 I2를 흐르게 하는 전력이 얻어지게 된다. 즉, 저전력의 외부 전력(100)이라도 발열 수단(10)에 의해 매우 효율적으로 얻어지는 열량(H)과, 외기로부터의 냉각(C)이 조합됨으로써, 상기 열전 수단(20)에 의해 큰 전력을 안정적으로 취출할 수 있다.
상기 열전 수단(20)으로서는, 온도차를 전력량으로 변환하는 특성(열전 특성)을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 단부(端部)(23a) 및 다른 쪽 단부(23b)를 포함하는 금속(23)의 복수 개로 구성되고, 복수의 한쪽의 단부(23a)로부터 상기 대향면(21)이 구성되며, 복수의 다른 쪽 단부(23b)로부터 상기 배면(22)이 구성된다. 이와 같은 열전 수단(20)으로서는, 제벡 소자 또는 톰슨 소자로 구성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 제벡 소자를 이용하는 것이다.
제벡 소자는, 물체의 양 단부에 생긴 온도차가 전력량으로 직접 변환된다는 물리 현상(제벡 효과)를 이용한 것이며, 전술한 금속(23) 중 발열 수단(10)에 의해 고온 측으로 되는 한쪽의 단부(23a)와, 이 한쪽의 단부(23a)에 비하여 저온 측으로 되는 다른 쪽 단부(23b)의 온도차에 의해, 간이하게 전력을 발생시키는 것이 가능해진다.
금속(23)의 종류는, 금속이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 구리나 알루미늄을 사용할 수 있다. 이와 같이, 열전 수단(20)이 제벡 소자 또는 톰슨 소자로 구성되는 경우에는, 보다 간소한 구성으로 할 수 있고, 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
(제2 실시형태)
본원의 제2 실시형태에 관한 발전 장치를, 도 8의 구성도에 따라서 설명한다.
제2 실시형태에 관한 발전 장치는, 전술한 제1 실시형태에 관한 발전 장치와 마찬가지로, 상기 용기(1)와, 상기 제1 전극(2a) 및 상기 제2 전극(2b)으로 이루어지는 한 쌍의 상기 대향 전극(2)과, 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)로 이루어지는 상기 발열체(3)를 구비하는 상기 발열 수단(10)과, 상기 열전 수단(20)을 포함하고, 또한, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)과, 상기 열전 수단(20)에 협지되어 구성되며, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열을 축열하는 축열 수단(30)을 포함하는 것이다.
또한, 상기 발열 수단(10)의 형상에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 평판형으로 할 수도 있고, 또한, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 원통형으로 할 수도 있다.
상기 축열 수단(30)은, 상기 발열 수단(10)과, 상기 열전 수단(20) 사이에 개재하여 열량의 수수(授受)를 행하는 열전도층(중간층)으로서 기능한다. 이 축열 수단(30)을 구성하는 재질은 특별히 한정되지 않지만, 평판형의 금속을 사용하는 것이 바람직하고, 취급의 용이함으로부터, 동판을 사용할 수 있다. 이 외에도, 예를 들면 히트 파이프, 세라믹 콘크리트, 미네랄 펌프, 실리콘 그리스 등을 사용하는 것도 가능하다. 이 외에도 세라믹 타일 등의 도자기류나 축열 벽돌이나 내화 벽돌 등의 축열성이 높은 벽돌을 사용하는 것도 가능하며, 이들 벽돌이 상용되고 있는 한랭지에서의 원활한 이용이 가능해진다.
이 구성에 의해, 상기 축열 수단(30)이, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 발생한 열을 일단 유지하므로, 열량 변동을 허용(버퍼링)할 수 있고, 발열 수단(10)의 발열에 의해 과잉으로 열량이 발생한 경우라도, 그 열량을 불필요한 것으로서 배출할 필요는 없고, 상기 축열 수단(30)에 의해 일시적으로 유지되어 이용할 수 있게 되어, 보다 높은 에너지 효율로, 상기 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다. 또한, 외부 전력(100)으로부터의 전력이 차단된 경우라도, 상기 축열 수단(30)에 의해 열량이 일정 시간 유지되므로, 백업용 열원으로서도 활용할 수 있게 되고, 전원 차단 시에 있어서도 전력을 계속해서 발생시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 발열 수단(10)의 발열이 급격한 변화나 정지한 경우에도, 상기 축열 수단(30)에 의해 유지된 열량에 의해, 상기 열전 수단(20)의 가동을 계속할 수 있고, 가동 안정성도 높일 수 있다. 또한, 상기 축열 수단(30)은, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열을 균일화하여 유지하므로, 상기 열전 수단(20)의 전력 변환 효율을 최적화(최대한화)시키는 온도(최적 온도)를 유지하여 안정적으로 공급할 수 있게 되고, 상기 열전 수단(20)에 의한 발열의 능력이 최적화된 조건으로 전력을 발생시킬 수 있어, 보다 높은 에너지 효율로, 상기 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 계속적으로 생성할 수 있다.
또한, 상기 축열 수단(30)이, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열을, 상기 열전 수단(20)에 대하여 분산하여 공급하는 것으로도 된다. 예를 들면, 제벡 소자 또는 톰슨 소자로 구성되는 열전 수단(20)에 대해서는, 상기 발열 수단(10)으로부터 공급된 열량을, 제벡 소자 또는 톰슨 소자의 흡열 상한 온도보다 작아지도록, 이 열전 수단(20)을 구성하는 제벡 소자 또는 톰슨 소자의 각각에 대하여 분산하여 공급할 수 있고, 제벡 소자 또는 톰슨 소자의 허용 범위 내에서 그 흡열 능력을 충분히 대응할 수 있도록 열량의 수수가 효율적으로 행해지게 되고, 제벡 소자 또는 톰슨 소자의 능력을 안정적이면서 또한 충분히 발휘시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 축열 수단(30)이, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열을, 상기 열전 수단(20)에 대하여 분산화하여 공급하므로, 이 열전 수단(20)이, 항상 동작 가능한 범위 내에서 균일한 열량을 대향면(21)에서 수취함으로써, 보다 안정된 전력을 계속적으로 발생시킬 수 있다.
(제3 실시형태)
본원의 제3 실시형태에 관한 발전 장치를, 도 9의 구성도를 따라서 설명한다.
제3 실시형태에 관한 발전 장치는, 전술한 제1 실시형태에 관한 발전 장치와 마찬가지로, 상기 용기(1)와, 상기 제1 전극(2a) 및 상기 제2 전극(2b)으로 이루어지는 한 쌍의 상기 대향 전극(2)과, 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)로 이루어지는 상기 발열체(3)를 구비하는 상기 발열 수단(10)과, 상기 열전 수단(20)을 포함하고, 또한, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 냉각성 유체로 구성되며, 상기 열전 수단(20)의 배면(22)에 근접하여 설치되고, 이 열전 수단(20)의 배면(22)을 냉각시키는 냉각 수단(40)을 포함하는 구성이다.
상기 냉각 수단(40)으로서는, 물, 외기 등 자연 발생적인 것으로부터, 냉각기나 히트 파이프 등의 냉각 기능을 가지는 장치까지 폭넓게 이용할 수 있다. 예를 들면, 항상 눈이나 얼음이 존재하는 한랭지 등에서는, 본 실시형태에 관한 발전 장치를 눈이나 얼음 중에 매설하는 것이나 탑재하는 것만으로, 우수한 냉각 수단(40)으로서 작용시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 열전 수단(20)의 배면(22)을 냉각시키는 냉각 수단(40)을 포함하므로, 이 열전 수단(20)에서는, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열량을 대향면(21)에서 수취하고, 또한 냉각 수단(40)이 이 열전 수단(20)의 배면(22)을 냉각시키게 되고, 이 열전 수단(20)에 있어서, 보다 큰 온도차를 발생시키게 되고, 이 열전 수단(20)에 의해 보다 큰 전력을 생성할 수 있다.
그리고, 본 실시형태에 관한 발전 장치에 있어서도, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제2 실시형태에 관한 발전 장치로 나타낸 상기 축열 수단(30)을 포함하는 구성으로 하는 것도 물론 가능하다.
(제4 실시형태)
본원의 제4 실시형태에 관한 발전 장치를, 도 10∼도 16의 구성도에 따라서 설명한다.
제4 실시형태에 관한 발전 장치는, 전술한 제4 실시형태에 관한 발전 장치와 마찬가지로, 상기 용기(1)와, 상기 제1 전극(2a) 및 상기 제2 전극(2b)으로 이루어지는 한 쌍의 상기 대향 전극(2)과, 상기 규소 분체(3a) 및 상기 탄소 분체(3b)로 이루어지는 상기 발열체(3)를 구비하는 상기 발열 수단(10)과, 상기 열전 수단(20)과, 상기 냉각 수단(40)을 포함하고, 또한, 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 외부 전력(100)이 자연 에너지(200) 유래의 전력인 구성이다.
자연 에너지(200)로서는 특별히 한정되지 않지만, 수력 에너지, 풍력 에너지, 태양광 에너지를 적용하는 것이 가능하다. 이 각각으로부터 외부 전력(100)을 발생시키는 발전 방법으로서는, 소(小)수력 발전, 풍력 발전 및 태양광 발전을 들 수 있다. 수력 에너지 및 풍력 에너지에 대해서는, 예를 들면 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 자연 에너지(200)로 의해 터빈(101)을 돌려서 생성한 에너지를 발전기(102)로 발전하여 외부 전력(100)을 얻을 수 있다. 이와 같이 자연 에너지(200)로부터 교류 전원이 생성되어, 그대로 외부 전력(100)으로서 이용할 수 있다. 그 외의 자연 에너지(200)로서, 태양광 에너지에 대해서는 직류 전원을 생성하므로, 일단 교류 전원으로 AC 변환하고 나서, 상기와 동일하게 외부 전력(100)으로서 이용할 수 있다.
자연 에너지(200) 유래의 외부 전력(100)을 이용할 때는, 외부 전력(100)과 상기 발열 수단(10) 사이에 서모스탯으로서의 스위칭 기구(機構)를 구비하여 둘 수도 있다. 이 스위칭 기구에 의해, 전원 공급량이 불안정한 자연 에너지(200)에 대하여, 과잉으로 전원 공급이 발생되었을 때나 상기 발열 수단(10)의 발열량이 과대로 되었을 때는, 상기 스위칭 기구가 오프로 설정되도록(절단되도록) 제어되고, 외부 전력(100)으로부터의 전원 공급량이 제어되게 되어, 안정적이면서 또한 계속적으로 상기 발열 수단(10)이 발열을 행하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 상기 외부 전력(100)이 자연 에너지(200) 유래의 전력이므로, 상기 발열 수단의 발열 효율이 매우 높은 것에 의해, 발전량이 낮고 불안정한 자연 에너지(200)를 전력원으로서 이용한 경우라도, 상기 발열 수단(10)이 안정적으로 발열할 수 있고, 즉 자연 에너지에 의해 상기 열전 수단(20)으로 안정적으로 계속해서 전력을 생성할 수 있으므로, 자연 에너지(200)를 이용하여 얻어진 상기 외부 전력(100)으로부터 안정적으로 전력을 취출하게 되어, 자연 에너지(200)의 유효 이용을 도모하는 것이 가능해진다.
더욱 바람직하게는, 상기 외부 전력(100)이, 유체에 기초하는 자연 에너지(200) 유래의 전력으로 공급되고, 이 유체에 의해, 상기 냉각 수단(40)이 구성되는 구성이다. 보다 바람직하게는, 상기 냉각 수단(40)은 냉각성 유체로 구성되는 것이다.
상기 냉각 수단(40)을 구성하는 유체로서는 특별히 한정되지 않고, 기체, 액체 중 어느 것이어도 되고, 즉 기류라도 되고 수류라도 된다. 예를 들면, 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 자연 에너지(200)로서 수력 에너지를 이용하는 경우에는, 터빈(101)으로 수력을 일으키는 위해 사용된 액체인 물을 사용할 수 있고, 또한, 자연 에너지(200)로서, 풍력 에너지를 이용하는 경우에는, 터빈(101)으로 풍력을 일으키는 위해 사용된 기체인 바람(기류)을 이용할 수 있다.
즉, 상기 외부 전력(100)이, 유체의 동적 에너지에 기초하는 자연 에너지(200) 유래의 전력으로 공급되고, 상기 냉각 수단(40)이, 해당 유체의 정적 에너지에 의해 상기 열전 수단의 배면을 냉각한다. 예를 들면, 자연 에너지(200)로서 풍력 에너지를 이용하는 경우에는, 상기 유체는 기류(바람)이고, 이 유체의 동적 에너지는 유체가 흐르는 힘(즉 풍력)이며, 이 유체의 정적 에너지는 기류(바람)의 온도이다. 또한, 예를 들면, 자연 에너지(200)로서 수력 에너지를 이용하는 경우에는, 상기 유체는 수류(물)이고, 이 유체의 동적 에너지는 수류가 흐르는 힘(즉 수력)이며, 이 유체의 정적 에너지는 수류(물)의 온도이다. 어느 쪽의 경우라도, 해당 유체의 정적 에너지는, 냉각성이 높으므로(주위 온도보다 저온임), 상기 냉각 수단(40)으로서 기능하고, 상기 열전 수단(20)의 상기 배면(22)을 적극적으로 냉각시키게 되어, 상기 열전 수단(20)으로 큰 온도차를 발생시키고, 상기 온도차에 의해, 안정적으로 큰 전력을 생성할 수 있다.
이와 같이, 상기 냉각 수단(40)을 구성하는 냉각성 유체가, 상기 자연 에너지(200)를 발생시키는 유체이므로, 자연 에너지(200)에 의한 발전에 사용되는 유체도, 본 실시형태에 관한 발전 장치에 환류되어 다시 이용되고, 상기 열전 수단(20)에 있어서 더욱 큰 온도차를 발생시키게 되고, 더욱 효율적으로, 자연 에너지의 유효 이용을 행할 수 있는 동시에, 상기 열전 수단(20)으로 안정적으로 계속해서 전력을 생성할 수 있다.
또한, 자연 에너지(200)에 의한 발전에 사용되는 유체도 효율적으로 활용할 수 있으므로, 본 실시형태에 관한 발전 장치는, 미리 발전 설비의 일부로서, 일체적으로 내장된 형태로(빌트 인 방식으로) 이용하는 것도 가능하다.
그리고, 본 실시형태에 관한 발전 장치에 있어서도, 도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제2 실시형태에 관한 발전 장치에서 나타낸 상기 축열 수단(30)을 포함하는 구성으로 하는 것도 물론 가능하다.
예를 들면, 상기 축열 수단(30)을 포함하는 구성으로서, 냉각 수단(40)으로서 방열기(예를 들면, 히트 싱크)를 내장하여, 상기 열전 수단(20)을 냉각시키는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 축열 수단(30)의 상면에, 상기 열전 수단(20)과 함께 히트 싱크(41)를 탑재하는 구성으로 할 수 있다. 상기 축열 수단(30)의 상면으로부터 본 경우에는, 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이 축열 수단(30)의 상면을 복수의 열전 수단(20)과 히트 싱크(41)가 탑재된다.
이 구성에 의해, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열량 h1이, 상기 축열 수단(30) 중에서 확산하면서 축열 수단(30)의 전체로 퍼져 가고, 상면에 설치된 각각의 열전 수단(20)에 대하여 빈틈없이 열량 h1이 전달되고, 또한 이 열전 수단(20)이 히트 싱크(41)로부터 냉각되게 되어, 이 열전 수단(20)에서의 온도차에 의해, 보다 효율적으로 대용량의 전력을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 히트 싱크(41)로부터는 열량 h2가 외기에 방산되게 되고, 이 열량 h2를 각종 열원으로서 이용하는 것도 가능해진다.
또한, 이 구성에 의해, 상기 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열량 h1이, 상기 축열 수단(30) 중에서 확산하면서 축열 수단(30)의 전체로 퍼져 가고, 상면에 설치된 각각의 열전 수단(20)에 대하여 빈틈없이 열량 h1이 전달되고, 또한 이 열전 수단(20)이 히트 싱크(41)로부터 냉각되게 되어, 이 열전 수단(20)에서의 온도차에 의해, 보다 효율적으로 대용량의 전력을 발생시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(41)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 복수의 핀(판), 침봉(pinholder)형, 또는 벨로즈형으로 형성된다. 상기 히트 싱크(41)의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 금속제로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 알루미늄, 철, 또는 구리를 사용할 수 있다. 또한 도자기나 벽돌 등의 비금속도 사용할 수 있다.
또한, 도 11의 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 열전 수단(20)에 의해 발생한 전력의 일부(전류 I2)를, 상기 발열 수단(10)의 전원으로서 환류시키는 것도 가능하다. 그 경우에는, 외부 전력(100)은, 상기 발열 수단(10)에 공급하는 전력을 스위칭에 의해, 온오프(on/off) 가능한 구성이나 전류 및 전압 제어에 의해 컨트롤할 수 있다. 예를 들면, 도 11의 (c)에 나타낸 바와 같이, 백업용 전원으로서 이용되는 상용전력(300)에 접속되고, 상기 발열 수단(10)에 공급하는 전력을 제어하는 전력 제어(100c)를 구비하는 것에 의해, 외부 전력(100)으로부터의 전력(전류 I1)가 클 때는, 이 전력 제어(100c)에 의해, 상기 열전 수단(20)에 의해 발생한 전력의 일부(전류 I2)로서 보다 적은 전력을 상기 발열 수단(10)의 전원으로서 환류시키도록 제어되고, 또한, 외부 전력(100)으로부터의 전력(전류 I1)이 작을 때는, 이 전력 제어(100c)에 의해, 상기 열전 수단(20)에 의해 발생한 전력의 일부(전류 I2)로서 보다 적은 전력을 상기 발열 수단(10)의 전원으로서 환류시키도록 제어된다는 최적 제어가 실현 가능해진다.
이와 같은 구성으로부터, 상기 발열 수단(10)에서의 높은 발열 효율에 의해, 외부 전력(100)으로부터의 전력을, 발열 수단(10)의 초기 가열 후는, 외부 전력(100)으로부터 공급되는 전력을 스위칭에 의해 오프로 설정함으로써, 나중에는 축열 수단(30)에 열량이 축열되는 것에 의해, 상기 열전 수단(20)에 의해 발생한 전력의 일부를, 상기 발열 수단(10)의 전력으로서 이용할 수 있게 되고, 외부 전력(100)으로부터의 전력을 상시 사용하지 않고, 에너지를 절약하여 효율적인 전력 생성을 실현할 수 있다.
자연 에너지(200)로서, 예를 들면 풍력 또는 수력을 이용하는 경우에는, 예를 들면, 도 12의 (a)에 나타낸 바와 같이, 이 자연 에너지(200)에 의한 발전에 사용되는 유체인 풍력 또는 수력을 이용하여 냉각 수단(40)이 구성되고, 효율적인 냉각이 실현된다. 또한, 자연 에너지(200)로서, 예를 들면 태양광을 이용하는 경우에는, 예를 들면 도 12의 (b)에 나타낸 바와 같이, 공기를 이용하여 냉각 수단(40)이 구성되고, 효율적인 냉각이 실현된다.
또한, 본 실시형태에 관한 발전 장치에서는, 하나의 자연 에너지(200) 유래의 외부 전력(100)만을 대상으로 하여 사용하는 것도 가능하지만, 또한, 복수의 자연 에너지(200)를 동시에 이용하여, 각종 자연 에너지(200)로부터 발생하는 외부 전력(100)(교류 전원인지 직류 전원 인지를 불문함)을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.
예를 들면, 복수의 자연 에너지(200)가, 모두 교류 전원을 발생시키는 구성이라면, 전체로서 하나의 교류 전원으로서 이용할 수 있고, 또한, 모두 직류 전원을 발생시키는 구성이라면, 전체로서 하나의 직류 전원으로서 이용할 수 있다. 또한, 복수의 자연 에너지(200) 중, 교류 전원 및 직류 전원을 발생시키는 것을 모두 포함하는 경우에는, 교류 전원 및 직류 전원의 하이브리드(AC/DC 하이브리드)로서 구성할 수 있다.
예를 들면, 교류 전원을 생성하는 수력 에너지와, 직류 전원을 생성하는 태양광 에너지를 자연 에너지(200)로서 동시에 사용한 경우에는, 도 13에서 나타낸 바와 같이, 심야 시간대(예를 들면, 0시∼5시)에서는, 태양광이 없는 시간대이므로, 태양광 에너지 유래의 직류 전력은 생성되지 않지만, 수력 에너지 유래의 교류 전력은 수력에 의해 생성되므로, 총전력량은 시간의 경과와 함께 서서히 증대한다.
다음에, 낮 시간대(예를 들면, 5시∼20시)에서는, 태양광 에너지 유래의 직류 전력은, 태양광에 의해 생성되고, 또한 수력 에너지 유래의 교류 전력도 수력에 의해 생성되므로, 총전력량은 이 직류 전력과 교류 전력이 중첩적으로 가중되어 증대한다.
야간 시간대(예를 들면, 20시∼24시)에서는, 태양광 에너지 유래의 직류 전력은, 태양광이 없는 시간대이므로 생성되지 않지만, 발열 수단(10)에 있어서 낮 시간대에 축적된 열량이 남아 있으므로, 총전력량은 급락하지 않고, 수력 에너지 유래의 교류 전력과 합쳐져, 시간의 경과와 함께 안정적으로 추이된다.
그 후도 마찬가지로, 상기 발열 수단(10)에 있어서 버퍼링된 축열량이 기여함으로써, 총전력량은 시간의 경과와 함께 안정적으로 추이된다. 또한 전술한 축열 수단(30)을 추가하여 구성되는 경우에는, 상기 낮 시간대에서의 축열 효율을 보다 높일 수 있게 되어, 총전력량은 한층 더, 시간의 경과와 함께 안정적으로 추이되는 것이 가능해진다.
이와 같이, 상기 발열 수단(10)에 의해 발휘되는 고효율의 발열량 및 축열량에 의해, 복수의 자연 에너지(200)로부터 교류 전원 및 직류 전원의 하이브리드(AC/DC 하이브리드)로서 인버터없이 구성할 수 있다는 종래에 없는 간소한 구성으로 안정적인 발전을 실현할 수 있다. 이 직류 전력을 일으키는 자연 에너지(200)로서는, 상기 외에도, 조력(潮力)을 이용할 수도 있고, 교류 전원 및 직류 전원의 하이브리드에 의해, 조수의 간만에 의하지 않고, 안정적인 발전을 실현할 수 있다.
또한, 도 14에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 관한 발전 장치를, 히트 싱크(41)를 대향 배치시키고, 냉각 팬(103)을 사용하여, 대향하는 히트 싱크(41) 사이를 냉각시키는 것도 가능하다. 도 14의 (a)에서는, 풍력 발전 또는 태양광 발전의 경우의 공랭에 의한 냉각 수단(40)을 나타내고, 도 14의 (b)에서는, 수력 발전의 경우의 수랭에 의한 냉각 수단(40)을 나타내고 있다.
또한, 도 15의 (a)에 나타낸 바와 같이, 풍력 발전의 경우에는, 상기의 공랭을 발전기(102)에 구비된 터빈(101)으로 실시할 수 있다. 이 발전기(102)로부터 상기 발열 수단(10)에 전력을 공급할 때의 써모센서 스위치(104)를 구비함으로써, 일정한 온도 제어가 가능해진다. 또한, 도 15의 (b)에 나타낸 바와 같이, 태양광 발전의 경우에는, 상기의 공랭을, 태양광 패널(104)에 구비된 인버터(105)로 실시할 수 있다. 또한, 도 16의 (a)에 나타낸 바와 같이, 수력 발전의 경우에는, 상기의 공랭을 발전기(102)에 구비된 터빈(101)으로 실시할 수 있다. 상기의 써모센서 스위치(104)에 의해, 도 16의 (b)에 나타낸 바와 같이, 온도가 일정하게 되도록 고정밀도로 제어하는 것이 가능해진다.
(제5 실시형태)
그리고, 상기의 각 실시형태에서는, 상기 발열 수단(10)에 대하여, 평판형의 상기 열전 수단(20)이 근접하는 배치로 하였으나, 이 형태에 한정되지 않는다. 제5 실시형태로서는, 도 17의 (a)에 나타낸 바와 같이, 원통형의 상기 발열 수단(10)에 대하여, 상기 열전 수단(20)이 통형체로 하여, 상기 발열 수단(10)을 주회하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
이 구성에 의해, 도 17의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)으로부터 주위에 발생되는 열량(H)이, 남아있지 않고 상기 열전 수단(20)에 수취되게 되고, 이 열전 수단(20)의 대향면(21)과 배면(22) 사이의 온도차가 보다 확대되어, 더욱 효율적으로 상기 열전 수단(20)에 의해 전력을 생성할 수 있다.
또한, 도 17의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제2 실시형태에서 나타낸 축열 수단(30)을, 상기 발열 수단(10)과 상기 열전 수단(20) 사이에 개재시키는 것도 가능하다. 이 구성에 의해, 상기 축열 수단(30)이, 상기 발열 수단(10)의 주위를 감싸는 것에 의해, 이 발열 수단(10)의 발열에 의해 생긴 열량(H)을 남기지 않고 유지할 수 있고, 발열 수단(10)에 의해 발열한 모든 열량(H)이 손실없이 축열 수단(30)에 의해 일시적으로 유지되어 이용할 수 있게 되어, 보다 높은 에너지 효율로, 상기 열전 수단(20)에 의해 안정적으로 전력을 생성할 수 있다.
이와 같이, 내부에 발열 수단(10)에 의해 발열시키고, 또한 그 외부를 유체로 냉각시키는 발전 장치의 일례로서는, 원통이나 직육면체의 하우징 내부에 칸막이를 설치하여, 해당 칸막이의 내부에 발열 수단(10)을 저장하고, 또한 상기 칸막이의 외부에 냉각용 유체를 흐르게 하는 구성으로 하는 것이 가능하다.
(제6 실시형태)
전술한 제1 실시형태∼제3 실시형태에 관한 발열 장치를 사용하여 난방 장치를 구성할 수 있다. 본원의 제6 실시형태에 관한 난방 장치를, 도 18의 구성도에 따라 설명한다.
제6 실시형태에 관한 난방 장치는 도 18에 나타낸 바와 같이, 전술한 제1 실시형태에 관한 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단(10)과, 직사각형 형상의 히트 파이프(50)와, 금속 잉곳으로 이루어지고, 발열 수단(10) 중 적어도 길이 방향 표면에 밀접하는 관통공(61b)(그 구멍이 개방된 단부를 개구부(61a)로 함)으로 이루어지는 수납부(61)가 상기 금속 잉곳으로 형성되고, 또한 상기 수납부(61)의 설치 위치를 중심으로 하는 대칭 위치에서, 상기 히트 파이프(50)의 길이 방향 표면에 밀접 상태로 유지되는 관통공(62b)(그 구멍이 개방된 단부를 개구부(62a)로 함)으로 이루어지는 유지부(62)가 상기 금속 잉곳으로 형성되는 축열부(60)와, 상기 축열부(60)에 축열된 열 에너지가, 상기 히트 파이프(50)에 의해 방열되는 에너지보다 밑돌지 않도록 발열 수단(10)의 발열 개시 및 발열 정지를 제어하는 제어 수단을 포함하는 구성이다.
상기 발열 수단(10)은 그 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 원통체로 할 수 있다. 이 외에도 직육면체 형상으로 할 수도 있다.
상기 히트 파이프(50)는 직사각형 형상이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 원통체로 할 수 있다. 이 외에도 직육면체 형상으로 할 수도 있다.
상기 축열부(60)는 도 18의 (a)에 나타낸 바와 같이, 금속 잉곳으로 형성되고, 관통공(61b)과 개구부(61a)로 이루어지는 수납부(61)를 중앙에 구비하고, 그 주위에, 수납부(61)의 설치 위치를 중심으로 하는 대칭 위치에, 관통공(62b)과 개구부(62b)로 이루어지는 유지부(62)를 구비하는 구성이다.
금속 잉곳은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 철, 구리, 알루미늄 합금, 스테인레스를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 알루미늄 합금으로 형성되는 것 (이른바 알루미늄 블록)이며, 알루미늄 합금이 가지는 높은 잠열 특성(700℃에서의 응고 잠열이 394J/g)으로부터, 발열 수단(10)에 의한 발열과, 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에 의한 축열과, 히트 파이프(50)에 의한 방열이라는 간소한 구성에 의해, 해당 구성된 발열 수단(10)과, 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)와, 히트 파이프(50)라는 각 부재의 이점이 중첩적으로 기능하여, 본 난방 장치는 매우 우수한 온도 유지성을 발휘할 수 있다. 또한, 금속 잉곳을 단열재(예를 들면, 코르크재) 등으로 보온할 수도 있고, 이 경우에는, 더욱 높은 보온 효과를 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 히트 파이프(50)는 도 18의 (b) 및 도 18의 (c)에 나타낸 바와 같이, 하나의 유지부(62)당 1개가 고정되어 유지된다. 히트 파이프(50)는, 내부는 공동(空洞)이고, 내부에 작동 기체를 끊임없이 유동시킴으로써 전열을 행한다. 또한, 보다 높은 방열성을 얻기 위하여, 히트 파이프(50)의 주위에 알루미늄 핀 등의 핀을 사용하여 방열을 행하는 것이 보다 바람직하다.
예를 들면, 개략적인 구성도로서, 도 19의 (a)에 나타내는 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에 고정된 발열 수단(10)을, 도 19의 (b)에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프(50)에 접속하고, 또한 이 히트 파이프(50)의 주위에 핀(70)을 설치할 수 있다.
물론, 도 20의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)이, 상기 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)의 내부에 수용된 경우도 마찬가지로, 도 20의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)과 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)를 히트 파이프(50)에 접속하고, 또한 이 히트 파이프(50)의 주위에 핀(70)을 설치할 수 있다.
핀(70)의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 철, 구리, 알루미늄 합금, 스테인레스를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 알루미늄 합금으로 형성되는 것(이른바 알루미늄 핀)이다.
또한, 상기 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에서의 구성 금속(예를 들면, 알루미늄 합금)의 중량을 증대시킴으로써, 이 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에서의 잠열량이 증가하므로, 방열 시간을 연장시키는 것도 가능해진다. 또한, 히트 파이프(50)와 핀(70)의 전장의 치수에 의해, 열방출량을 제어할 수 있으므로, 공간의 용적에 의해, 자유롭게 열방출량을 제어할 수 있고, 난방 장치로서 용이한 설계가 가능해진다.
발열 수단(10)과 히트 파이프(50)의 개수는, 공간의 용적 등을 고려하여, 자유자재로 설계할 수 있고, 예를 들면, 도 21의 (a)에 나타낸 바와 같이, 1개의 발열 수단(10)과, 그 주위를 둘러싸는 4개의 히트 파이프(50)와, 핀(70)으로 구성할 수 있고, 또한, 도 21의 (b)에 나타낸 바와 같이, 2개의 발열 수단(10)과, 그 각각의 주위를 둘러싸는 8개의 히트 파이프(50)와, 핀(70)으로 구성할 수도 있다. 또한, 핀(70)로서 도 21의 (c)에 나타낸 바와 같이, 평판형의 에어 핀(70a)을 사용하는 것도 가능하다.
상기의 구성에 의해, 외부로부터 상기 발열 수단(10)으로의 전력 인가를 개시하고, 이 발열 수단(10)이 발열한 경우에는, 이 발열 수단(10)에 의해 생성된 열량이, 적극적으로 상기 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에서 축열되어, 히트 파이프(50)에 천천히 열량이 전달되고, 안정적으로 열량이 공급된 히트 파이프(50)에서 안정적인 방열이 행해지고, 또한 핀(70)에 의해, 외부로의 열 방열이 촉진되므로, 외부에 효율적으로 열량을 분산시키게 되어, 보다 한층 효율적인 난방 효율을 발휘할 수 있다.
계속해서, 외부로부터 상기 발열 수단(10)으로의 전력 인가를 정지하여, 이 발열 수단(10)의 발열을 정지한 경우에도, 지금까지 발열 수단(10)으로부터의 열량을 축열해 온 축열부(60)(예를 들면, 알루미늄 블록)에 의해, 계속적으로 히트 파이프(50)에 천천히 열량이 전달되고, 열량이 안정적으로 공급된 히트 파이프(50)에서 계속적으로 방열이 행해지고, 또한 핀(70)에 의해, 열방열이 촉진되고, 외부에 효율적으로 열량을 분산시키게 되어, 보다 전력을 절약하여 효율적인 난방 효율을 발휘할 수 있다.
이와 같이, 외부로부터 상기 발열 수단(10)으로의 전력 인가를 개시 및 정지하는 것을 반복함으로써, 전력을 절약하여 효율적인 난방 장치가 실현된다.
즉, 상기 제어 수단이, 이와 같은 발열 수단(10)의 발열 개시 및 발열 정지를 최적으로 제어함으로써, 보다 한층 전력을 절약하여 효율적인 난방 장치가 실현된다.
상기 제어 수단은, 상기 축열부(60)에 축열된 열 에너지가, 상기 히트 파이프(50)에 의해 방열되는 에너지보다 밑돌지 않도록 발열 수단(10)의 발열 개시 및 발열 정지를 제어한다. 실측값에 기초하는 제어 수단의 제어 결과를 설명한 설명 도면을 도 22에 나타낸다. 제어 수단은, 예를 들면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 곡선 A로 나타내어진 바와 같이, 발열 수단(10)의 발열에 의해, 발열 온도가 경시적으로 상승하고, 상한의 임계값의 온도(예를 들면, 약 70℃)까지 도달하면, 발열 수단(10)의 발열 정지(OFF 동작)를 행하고, 다음에, 하한의 임계값의 온도(예를 들면, 약 50℃)까지 도달하면, 발열 수단(10)의 발열 개시(ON 동작)를 행하고, 이 ON 동작과 OFF 동작을 반복하는 제어를 행한다. 예를 들면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 이 ON 동작과 OFF 동작의 시간 간격을 4∼5분으로 할 수 있다. 이 결과, 곡선 B로 나타내어진 바와 같이, 상기 히트 파이프(50)에 의해 방열되는 에너지가 일정화되고, 방열 온도가 일정화(예를 들면, 55℃ 정도)된다. 상기 제1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 약 50W의 외부 전력으로 약 300℃까지 상승하는 것이 가능하다는 지극히 저전력으로 높은 열량이 얻어지는 발열 수단(10)에 의해, 필요한 외부 전력으로서는, 실질적으로는 초동의 승온 시에만(예를 들면, 80W/h) 높고, 그 이후는, 상기의 ON 동작과 OFF 동작의 반복 제어에 의해, 약전력(예를 들면, 25W/h)으로 충분하다는 지극히 우수한 전력 절약성의 난방 장치가 형성된다.
또한, 발열 수단(10)의 전원(외부로부터의 외부 전력)으로서, 제4 실시형태에서 설명한 자연 에너지(200)를 이용함으로써, 상용 전원으로부터 독립적으로 전력을 절약하여 저환경 부하가 높은 난방 성능을 발휘하는 난방 시스템이 형성된다. 이 난방 시스템의 용도로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 사우나, 비닐하우스, 빌딩 건물, 주택, 로그하우스의 내부, 금형 등, 각종 난방이 필요로 되는 장치나 기구 등 광범에 미치는 것으로 된다.
이상과 같이, 제6 실시형태에서는, 발열 수단(10)에 의한 우수한 발열 효율에 의해, 일단 발열 수단(10)이 온도 상승하는 것만으로, 그 이후는, 제어 수단의 제어에 의해 축열부(60)가 장시간 온도를 유지할 수 있으므로, 히트 파이프(50)에 의해 열전도되어 방열된 방열 에너지가 일정화되게 되고, 적은 전력으로 장시간에 걸쳐 안정적으로 난방을 행할 수 있다.
그리고, 상기의 발열 수단(10)에 있어서, 상기 발열 수단(10)이, 상기 수납부(61) 및 상기 유지부(62)를 각각 균등하게 2분할하여 형성되는 구성도 가능하다. 이와 같은 구성으로부터, 상기 발열 수단(10)이, 히트 파이프(50)에 대하여 균일하게 안정적으로 열원을 공급할 수 있게 되고, 히트 파이프(50)에 의해 열전도되어 방열된 방열 에너지가 일정화되게 되고, 더욱 장기간에 걸쳐 안정적으로 난방을 행할 수 있다.
(제7 실시형태)
전술한 제1 실시형태∼제3 실시형태에 관한 발열 장치를 사용하여 가온 장치를 구성할 수 있다. 본원의 제7 실시형태에 관한 가온 장치를, 도 23 및 도 24의 구성도를 따라서 설명한다.
제7 실시형태에 관한 가온 장치는 도 23의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 발열 수단(10)과, 상기 축열부(60)로 구성되는 상기 난방 장치와, 상기 히트 파이프(50)를 저장하는 히트 파이프 저장부(81)가 설치되고, 액체 또는 기체로 구성되는 매체(M)를, 비(非)밀폐로 수용하는 수용 용기(80)를 포함하고, 이 수용 용기(80) 내의 매체(M)를 가온 또는 기화시키는 것이다.
상기 수용 용기(80) 내의 히트 파이프 저장부(81)의 외측면에는, 그대로의 상태라도 바람직하지만, 열확산의 촉진의 면에서, 핀(82)을 설치해 두는 것이 호적하다.
또한, 상기 수용 용기(80)는, 밀폐 상태로 매체(M)를 수용하는 것도 가능하다.
이와 같은 구성으로부터, 상기 히트 파이프(50)로부터 안정적으로 방열된 열을 이용하여, 상기 수용 용기 내의 매체를 가온 또는 기화시키게 되고, 매체(M)가 액체인 경우에는 보다 높은 보온성으로 액체를 보온할 수 있고, 매체(M)가 기체인 경우에는, 상기 수용 용기(80)에 액체가 받아들여지면, 이 액체를 신속하게 기화시키는 것이 가능해진다.
예를 들면, 매체(M)가 액체(예를 들면, 물)인 경우에는, 높은 보온성에 의해, 예를 들면 소규모인 것이면, 편의점이나 음식점 등의 점포에 항상 설치된 오뎅국 등의 국물 음식의 보온에 사용하는 것도 가능하며, 예를 들면, 보다 대규모인 것에서는, 온수 풀이나 고급(super) 목욕탕 등, 수온을 유지하는 용도에 널리 적용할 수 있다. 또한, 예를 들면, 매체(M)가 기체인 경우에는, 액체를 상기 히트 파이프(50)에 접촉했을 때는, 그 신속한 기화 성능에 의해, 즉석에서 증기가 발생하게 되어 증기 발생기나 가습기로서 이용하는 것도 가능하다.
또한, 제7 실시형태에 관한 가온 장치는 도 23의 (b)에 나타낸 바와 같이, 단열재(90)로 피복할 수도 있다. 단열재(90)로서는, 코르크재를 사용할 수 있다. 이와 같이, 단열재(90)로 피복되므로, 상기 수용 용기(80) 내의 보온성을 더욱 높이게 되고, 보다 보온성이 높은 가온 장치가 실현된다.
그리고, 제7 실시형태에 관한 가온 장치는, 상기한 바와 같이 상기 히트 파이프(50)를 기둥형으로 세운 수직 형상으로 해도 되지만, 이것에 한정되지 않고, 상기 히트 파이프(50)를 가로로 배열한 수평 형상으로 할 수도 있다. 본 가온 장치는, 예를 들면 도 24에 나타낸 바와 같이, 수평 형상으로 함으로써, 예를 들면 매체(M)가 물인 경우에는, 수조로서 구성할 수 있고, 우수한 보온 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 용도에 따라서, 본 가온 장치는, 그 측면에 배수 구멍(83)을 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 수용 용기(80) 내의 히트 파이프 저장부(81)의 외측면에는, 그대로의 상태라도 바람직하지만, 열확산의 촉진의 면에서, 전술한 바와 같이 핀(82)을 설치해 두는 것도 가능하다. 상기 수용 용기 내의 보온성을 더욱 높이게 되고, 보다 보온성이 높은 가온 장치가 실현된다.
본 발명의 특징을 보다 명백하게 하기 위하여, 이하에 실시예를 제시하지만, 본 발명은 이 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
(실시예 1)
상기의 제1 실시형태에 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 직육면체형의 형상으로 높이 12㎜, 종횡 전장이 각각 170㎜인 평판형의 발열체를 준비하고, 상기 발열체를 동일 사이즈의 제벡 소자에 탑재하여 구성된 발전 장치의 샘플을 제작하였다. 발열체의 용기는 세라믹스로 하우징을 구성하고, 하우징 내의 대향 전극은 구리를 사용하고, 하우징 내에, 재생 실리콘을 이용한 30∼60㎛의 규소 분체와, 이차전지 등의 전지 제조에 폐기된 30∼60㎛의 탄소 분체를 수납하고, 하우징은 플라스틱제의 캡으로 조이고, 캡의 외부를 너트로 고정하였다. 상기 샘플에, 일정한 전력을 30분간 가하였다.
상기의 발전 장치의 샘플에 대하여, 30분간 전압을 인가한 결과에 대하여, 경시적인 온도 상승의 결과를, 전력량(W)마다 도 25에 나타낸다. 얻어진 결과로부터, 도 25로부터는, 1, 2분에서 급준한 온도 상승이 확인되고, 또한 30분 경과해도, 상승한 온도가 저하되지 않고 일정 온도가 유지되는 것이 확인되었다. 또한, 그 상승 온도는 1000℃까지 달한 것이 확인되었다. 또한, 얻어진 결과로부터, 도면 중의 경과 시간이 8∼12분 전후에 있어서, 온도 변화에 미소한 요동이 확인되고 있으므로, 이 시간대에서, 규소 분체와 탄소 분체의 혼합 상태에 변화가 생기고 있는 것이 추측되고, 그 분체의 혼합 상태의 변화에 의해, 전기 전도성 및 열전도성에 변화가 생김으로써, 온도 상승의 국면으로부터, 일정 온도를 유지하는 국면으로 천이하고 있는 것이 확인되었다. 그리고, 이 지극히 고온 상태가 얻어진 발열체로부터의 열량을 제벡 소자가 수취함으로써, 장시간에 걸쳐 안정적으로 전력을 생성할 수 있는 것이 확인되었다.
(실시예 2)
상기의 제6 실시형태에 따라서, 상기의 도 21의 (a)에 나타낸 바와 같이, 직육면체형의 형상으로 높이 12㎜, 종횡 전장이 각각 170㎜인 평판형의 발열체를 준비하고, 상기 발열체를, 폭 100㎜×높이 60㎜×깊이 110㎜의 중량 2kg의 알루미늄 블록(알루미늄 합금) 내에, 4개의 히트 파이프와 함께 수납하여 구성된 난방 장치의 샘플을 제작하였다. 4개의 히트 파이프에는 각각 에어 핀을 장착하였다. 발열체의 용기는 세라믹스로 하우징을 구성하고, 하우징 내의 대향 전극은 구리를 사용하고, 하우징 내에, 30∼150㎛의 규소 분체와, 30∼150㎛의 탄소 분체를 수납하고, 하우징은 플라스틱제의 캡으로 조이고, 캡의 외부를 너트로 고정하였다.
샘플로서는, 발열체만으로 구성된 샘플과, 발열체와 알루미늄 블록으로 구성된 샘플과, 발열체와 알루미늄 블록과 히트 파이프와 에어 핀으로 구성된 샘플의 3종류의 샘플을 제작하였다. 이들 샘플에, 200W의 전력을 가하고, 온도가 200℃에 달한 시점에서, 전원 공급을 정지하고, 375분간 측정하였다.
얻어진 경시적인 온도 변화의 결과를, 각 샘플마다 도 26의 (a)에 나타낸다. 얻어진 결과로부터, 발열체만으로 구성된 샘플에서는, 급준한 온도 상승이 확인되고, 또한 전원 공급의 정지 시라도 급준한 온도 하강이 확인되었다. 이에 대하여, 발열체와 알루미늄 블록으로 구성된 샘플에서는, 완만한 온도 상승이 확인되고, 또한 전원 공급의 정지 시라도 완만한 온도 하강이 확인되었다. 이러한 점에서, 알루미늄 블록의 잠열 특성에 따른 보온 효과가 확인되었다. 또한, 발열체와 알루미늄 블록과 히트 파이프와 에어 핀으로 구성된 샘플에서는, 완만한 온도 상승이 확인되고, 또한, 전원 공급의 정지 시라도 다소 완만한 온도 하강이 확인되었다. 이러한 점으로부터, 히트 파이프와 에어 핀의 방열 효과에 의해, 보다 장시간에 걸치는 완만한 온도 상승이 확인되고, 전력을 절약하고 고성능인 난방 성능이 확인되었다.
1 : 용기
1a : 내측 절연부
1b : 열전도재
1c : 외측 절연부
2 : 대향 전극
2a : 제1 전극
2b : 제2 전극
3 : 발열체
3a : 규소 분체
3b : 탄소 분체
4 : 탄성체
5 : 분체상의 소각회 및/또는 광물
4a : 제1 탄성체
4b : 제2 탄성체
10 : 발열 수단
20 : 열전 수단
21 : 대향면
22 : 배면
23 : 금속
23a : 한 쪽 단부
23b : 다른 쪽 단부
30 : 축열 수단
40 : 냉각 수단
41 : 히트 싱크
50 : 히트 파이프
60 : 축열부
61 : 수납부
61a : 개구부
6lb : 관통공
62 : 유지부
62a : 개구부
62b : 관통공
70 : 핀
70a : 에어 핀
80 : 수용 용기
81 : 히트 파이프 저장부
82 : 핀
83 : 배수 구멍
100 : 외부 전력
100a : AC계 전력
100b : DC계 전력
100c : 전력 제어
101 : 터빈
102 : 발전기
103 : 냉각 팬
104 : 써모센서 스위치
200 : 자연 에너지
300 : 상용 전력

Claims (17)

  1. 내부가 전기적으로 절연된 중공체(中空體)의 용기;
    상기 용기 내에 수납되고, 격리되어 대향하는 한 쌍의 대향 전극; 및
    상기 용기 내의 대향 전극간에 수납되고, 규소 분체 및 탄소 분체를 포함하는 혼합 상태의 발열체;
    를 포함하고,
    상기 발열체의 밀도가 0.85g/㎤∼1.30g/㎤인,
    발열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체의 밀도가, 상기 발열체에 포함되는 상기 탄소 분체의 평균 입경 및/또는 총중량이 커짐에 따라, 작아지게 되는, 발열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발열체가, 분체상의 산화철 및/또는 산화알루미늄을 포함하는, 발열 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체가, 분체상의 소각회(燒却灰) 및/또는 광물을 포함하는, 발열 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단; 및
    상기 발열 수단에 근접하여 설치되고, 상기 발열 수단에 대향하는 대향면 측이 가열되고, 또한 배면 측이 냉각되어, 상기 대향면 측과 상기 배면 측의 온도차를 전력량으로 변환하는 열전 수단;
    을 포함하는, 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전 수단이, 제벡(Seebeck) 소자 또는 톰슨(Thomson) 소자로 구성되는, 발전 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 발열 수단이 원통체로서 형성되고, 상기 열전 수단이 상기 발열 수단을 주회(周回)하는, 발전 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열 수단과, 상기 열전 수단 사이에 끼어 구성되고, 상기 발열 수단에 의한 발열에 의해 생긴 열을 축열(蓄熱)하는 축열 수단을 포함하는, 발전 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전 수단의 배면 측에 근접하여 설치되고, 상기 열전 수단의 배면을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하는, 발전 장치.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 전력이, 자연 에너지 유래의 전력으로 공급되는, 발전 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 냉각 수단이 냉각성 유체로 구성되는, 발전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 외부 전력이, 유체의 동적 에너지에 기초하는 자연 에너지 유래의 전력에서 공급되고,
    상기 냉각 수단이, 상기 유체의 정적 에너지에 의해 상기 열전 수단의 배면을 냉각시키는, 발전 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발열 장치로 구성되고, 외부로부터의 외부 전력이 상기 대향 전극에 공급되는 것에 의해 발열하는 발열 수단;
    직사각형 형상의 히트 파이프;
    금속 잉곳으로 이루어지고, 발열 수단 중 적어도 길이 방향 표면에 밀접하는 관통공으로 이루어지는 수납부가 상기 금속 잉곳으로 형성되고, 또한 상기 수납부의 설치 위치를 중심으로 하는 대칭 위치에서, 상기 히트 파이프의 길이 방향 표면에 밀접 상태로 유지하는 관통공으로 이루어지는 유지부가 상기 금속 잉곳으로 형성되는 축열부; 및
    상기 축열부에 축열된 열 에너지가, 상기 히트 파이프에 의해 방열되는 에너지보다 밑돌지 않도록 발열 수단의 발열 개시 및 발열 정지를 제어하는 제어 수단;
    을 포함하는, 난방 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 잉곳이 알루미늄 합금으로 구성되는, 난방 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 발열 수단이, 상기 수납부 및 상기 유지부를 각각 균등하게 2분할하여 형성되는, 난방 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 난방 장치; 및
    상기 난방 장치의 히트 파이프를 저장하는 히트 파이프 저장부가 설치되고, 액체 또는 기체로 구성되는 매체를, 밀폐 또는 비(非)밀폐로 수용하는 수용 용기;
    를 포함하고,
    상기 수용 용기 내의 매체를 가온 또는 기화시키는,
    가온 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    단열재로 피복되는, 가온 장치.
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