KR20200015152A - 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템은 태양열에 의해 가열되는 집열부; 상기 집열부에서 제공된 열을 통해 전기를 생산하는 전력 발생부; 상기 전력 발생부에 연결되는 냉각부; 상기 전력 발생부에서 발생된 기전력을 토대로 충전 전압을 발생시켜 출력 및 저장하는 기능을 하는 충전부; 상기 집열부를 통한 전력 공급에 의해 일면에 발열면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 열전모듈; 및 상기 열전 모듈 상에 연결된 상태에서 상기 열전 모듈 내의 온도를 감지하여 공급되는 전기량을 조절하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 열전 모듈은, 상기 충전부에서 직접적으로 전기를 공급받는 펠티어 소자, 상기 펠티어 소자의 일측부 상에 인접한 상태의 히트 싱크, 상기 히트 싱크 상에 에어를 공급하는 에어팬, 및 상기 열전 모듈 내의 온도를 실시간으로 감지하는 온도감지센서를 포함한다.
본 발명은 태양열과 같은 자연력으로부터 집열된 열원을 전력 발생부에 공급하는 과정을 통해 전기를 생산하여 저장한 상태에서 상기의 저장된 전기를 다시 열전 모듈 상에서 펠티어 효과를 이용하여 냉방 또는 난방으로 이용 가능하게 하는 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템을 제공한다.

Description

열전 모듈을 이용한 열교환 시스템{Heat exchanging system using thermoelectric module}

본 발명은 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템에 관한 것으로, 태양열과 열전 모듈을 통해 저장된 전기를 다시 펠티어 효과를 이용하여 냉방 또는 난방으로 이용 가능하게 하는 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템에 관한 것이다.

현재 시중에 판매 중인 휴대용 냉난방기가 있지만, 별도의 전원 케이블이 필요하거나 배터리 충전식이어서 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 야외에서 사용 시에 배터리가 소진되는 경우엔 충전을 하지 못하는 경우가 발생하는바 결국엔 사용이 불가능하다는 단점이 있게 된다.

한편, 차량 내의 난방과 관련하여 종래의 전기 히터는 연료전지에 의해 발생된 전기를 충전하는 배터리의 전기를 이용하므로 주행에 필요한 전기 이외에 추가적인 전기 소모가 발생하게 되는 문제점이 발생한다.

상기의 문제점에 대한 해소차원에서, 열전소자를 이용한 전기 발전을 생각할 수 있는데, 열전소자는 전원의 공급시에 펠티어 효과에 따라 일측 기판에서 흡열하고 타측 기판에서 방열되는 한편, 열기를 일측 기판에 제공할 경우 양 기판 사이의 온도 차이에 의해 제벡 효과에 의해 기전력이 발생되어 전기를 발전할 수 있게 된다.

열전소자는 일반적으로 사각형 구조를 가질 수 있는데, 내부에는 복수 쌍의 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 직렬연결로 구성되며, 열전소자에 DC 전압을 인가하면 소자의 한쪽 면은 흡열이 발생하여 저온이 되고 반대쪽면은 발열이 발생하여 고온이 된다. 이와 같은 열전소자의 저온면과 고온면 각각에 열선 등 열전달 매개체를 구비하여 냉방 또는 난방용으로 사용된다.

상기에서처럼 열전소자는 소스의 열원으로 사용되지만, 소스 열원을 외부에 전달하는 열전달 매개체의 구성에 따라 냉방 또는 난방 효율은 전혀 다르게 구현되므로 열전달 효율을 높일 수 있는 방안이 요구된다.

열전소자를 이용하여 냉난방을 가능하게 하는 방안을 제시하는 종래의 문헌으로는 한국등록특허문헌 제10-1800374호 및 제10-1625664호를 참조할 수 있다.

(특허문헌 1) KR10-1800374 B

(특허문헌 2) KR10-1625664 B

본 발명은 태양열과 같은 자연력으로부터 집열된 열원을 전력 발생부에 공급하는 과정을 통해 전기를 생산하여 저장한 상태에서 상기의 저장된 전기를 다시 열전 모듈 상에서 펠티어 효과를 이용하여 냉방 또는 난방으로 이용 가능하게 하는 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템을 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템은, 태양열에 의해 가열되는 집열부; 상기 집열부에서 제공된 열을 통해 전기를 생산하는 전력 발생부; 상기 전력 발생부에 연결되는 냉각부; 상기 전력 발생부에서 발생된 기전력을 토대로 충전 전압을 발생시켜 출력 및 저장하는 기능을 하는 충전부; 상기 집열부를 통한 전력 공급에 의해 일면에 발열면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 열전모듈; 및 상기 열전 모듈 상에 연결된 상태에서 상기 열전 모듈 내의 온도를 감지하여 공급되는 전기량을 조절하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 열전 모듈은, 상기 충전부에서 직접적으로 전기를 공급받는 펠티어 소자, 상기 펠티어 소자의 일측부 상에 인접한 상태의 히트 싱크, 상기 히트 싱크 상에 에어를 공급하는 에어팬, 및 상기 열전 모듈 내의 온도를 실시간으로 감지하는 온도감지센서를 포함하고, 상기 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 높은 경우에는 상기 펠티어 소자의 일측면을 냉각시키는 방식으로 온도를 낮추게 하고, 상기 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 낮은 경우에는 상기 펠티어 소자의 일측면을 가열시키는 방식으로 온도를 높이게 한다.

상기 집열부는 집광용의 블록 렌즈로서 프레넬 렌즈를 채용한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템은 자연적인 열원 중의 하나인 태양열을 집열하는 프레넬 렌즈와 접목한 상태에서 집열된 열을 전력 발생부 상에 공급하여 전기를 생산하여 1차적으로 충전부에 저장한 이후에, 저장된 전기를 열전 모듈의 펠티어 소자로 공급하여 저온 또는 고온의 열을 발생하여 휴대용으로 냉난방을 가능하게 한다.

본 발명은 태양열을 이용한 친환경적인 에너지 순환 시스템으로서 공간과 전원 케이블의 제약 없이 자유롭게 냉방이 가능한 제품을 생산 가능하게 한다.

본 발명은 태양열의 집열 효과를 높여 열손실을 줄이고, 구동시 발생하는 발열면과 배터리의 발열을 난방으로 응용할 경우 냉난방이 가능한 휴대용 냉난방기의 제품화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템의 개념도, 및
도 2는 본 발명에 따른 열교환 시스템을 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따라 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템을 설명한다.

본 발명에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템은 태양열과 같은 외부 열원(1), 외부 열원(1)과 연결되는 집열부(10), 집열부(10)에서 제공된 열을 통해 전기를 생산하는 전력 발생부(20), 전력 발생부(20)에서 발생된 기전력을 토대로 충전 전압을 발생시켜 출력 및 저장하는 기능을 하는 충전부(30), 전력 발생부(20)에 과도한 열이 발생하는 것을 방지하는 냉각부(40), 냉각부(40) 상에 냉각수를 공급하는 물 저장부(42), 충전부(30)에서 전기를 공급받는 열전 모듈(100), 열전 모듈(100) 상에 연결된 상태에서 열전 모듈(100) 내의 온도를 감지하여 공급되는 전기량을 조절하는 컨트롤러(50)를 포함한다.

집열부(10)는 태양열에 의해 가열될 수 있으나, 반드시 태양열로 한정되어야 하는 것은 아니고, 지열, 온천수, 인공 광원 등과 같은 다양한 열원에 의해 집열부가 가열되는 형태로 구현될 수도 있다.

집열부(10)는 열전도도가 높은 금속이나, 세라믹 등과 같은 물질로 구성될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서는 집열부로 프레넬 렌즈를 채용하는 것이 바람직할 수 있다.

프레넬 렌즈는 렌즈의 두께를 줄이기 위해서 수개 또는 여러개의 동그라미띠 모양의 렌즈로 분할한 상태에서 렌즈의 두께를 크게하지 않고 구경이 큰 렌즈를 만들게 한다. 프레넬 렌즈는 등대의 빛을 평행 광선으로서 내보내기 위한 렌즈로서, 최근에는 1안 리플렉스 카메라의 파인더 부분이나 투영기의 피투영면에 집광 렌즈로서 사용되고 있다.

프레넬 렌즈는 집광용의 블록 렌즈로 많은 광속을 얻고자 하는 경우에 초점 거리가 짧아지므로 살이 두꺼워지는바 무거워지고 광의 흡수도 증가하므로 여러 개의 원환상의 띠로 나누어 중심 주변의 부분을 얇게 한 것으로서 결상용 렌즈로는 사용하지 않는다.

집열부(10)는 상술한 바와 같이 빛을 수렴하는 볼록렌즈로 구성되며, 집열부(10)의 하부 표면은 전력 발생부(20)의 표면에 히트 파이프(12)를 통해 접속된다. 히트 파이프(12)를 통해 고온의 열이 집열부(10)에서 전력 발생부(20)로 전달된다. 집열부(10)는 태양이 어느 위치에 있더라도 지속적으로 집열이 이루어질 수 있도록 다양한 위치 및 간격으로 복수 개 배치될 수 있다.

히트 파이프(12)는 감압 상태의 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체를 넣고 한쪽을 가열하면 액체가 증기로 되어 다른 쪽으로 흐르고, 그곳에서 방열하여 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아오는 작용의 반복으로 열을 가열부에서 방열부로 전달하는 원리를 응용한 열전도 원리를 사용한다.

전력 발생부(20)는 열을 전기로 변환시키는 소자로서 P-타입의 P형 반도체와 N-타입의 N형 반도체를 포함할 수 있다. 전력 발생부(20)는 태양열에 의해 데워진 집열부(10)와 냉각수인 물에 의해 냉각된 냉각부(20) 사이의 온도차로 인한 제백효과를 통해 전기에너지를 생성할 수 있다.

냉각부(40)는 냉각이 이루어지는 부분으로서 물과 같은 냉각수에 의해 냉각될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 하천수, 해수, 얼음, 눈 등과 같은 다양한 소스에 의해 냉각될 수도 있다. 한편, 하천수나 해수에 의해 냉각될 경우에 냉각부(40)는 지속적인 냉각이 가능하고 냉각시키기 위한 추가적인 에너지가 필요 없어 발전효율을 높일 수 있다.

충전부(30)는 전력 발생부(20)와 전기적으로 연결되며, 상기 전력 발생부(20)에서 발생된 기전력을 토대로 충전 전압을 발생시켜 내부에 배치된 배터리로 출력한다. 충전부(30)는 전력 발생부(20)의 열전소자가 발생시키는 기전력을 전기 에너지로 변환시키는 기능을 수행한다. 한편, 충전부는 전자 유도 방식을 포함한 무선 충전 방식을 통해 충전이 가능할 수 있는데, 패러데이의 전자 유도 법칙을 통해 자속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 발생하는 것을 이용하여 충전을 진행하는 것일 수 있다. 구체적으로는, 코일의 1차측에 교류 전압을 공급하면 자속이 발생하게 되고, 2차측에는 이 자속을 방해하는 유도 기전력이 발생하는바 상기 2차측에 발생하는 전력을 충전에 이용할 수 있다.

열전 모듈(100)은 충전부(30)에서 직접적으로 전기를 공급받는 펠티어 소자(110), 펠티어 소자(110)의 일측부 상에 인접한 상태의 히트 싱크(120), 히트 싱크(120) 상에 에어를 공급하는 에어팬(140), 및 열전 모듈(100) 내의 온도를 실시간으로 감지하는 온도감지센서(130)를 포함한다.

펠티어 소자(11)는 예를 들어 다각 형상의 플레이트 형태로 이루어지고 내부에는 복수 쌍의 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 직렬 연결로 구성되며 컨트롤러(40)의 제어로 전압을 인가하면 펠티어 효과에 따라 펠티어 소자(10)의 한쪽 면은 흡열이 발생하여 저온 상태로 온도변화가 생기고 다른 한쪽면은 발열이 발생하여 고온상태로 온도변화가 생긴다.

히트 싱크(120)는 펠티어 소자의 일측면에 밀착 연결된 상태에서 펠티어 소자로부터 열을 전도받아 고온 상태로 되거나 펠티어 소자의 일면으로 열을 전도하여 저온 상태로 된다. 히트 싱크의 바디부는 저온 상태와 고온 상태의 변화가 가능한 펠티어 소자의 일면에 밀착되어 펠티어 소자와 상호 열전도를 수행한다.

에어팬(140)은 히트 싱크(120)에 배치된 상태로 히트 싱크에 공기를 분사하여 히트 싱크의 온도 상태에 따라 외부로 온풍 또는 냉풍을 유도한다.

컨트롤러(50)는 펠티어 소자, 에어팬 및 온도감지센서에 전기적으로 연결된 상태에서 온도감지센서로부터 감지한 열전 모듈의 온도에 따라 펠티어 소자를 히팅시키거나 냉각시킨다.

본 발명은 열전 모듈에 공급된 전기를 이용하여 펠티어 소자의 전원공급을 제어함으로써 펠티어 소자의 일측면에 대한 온도를 선택한다. 예를 들어, 컨트롤러(50)는 온도감지센서의 감지결과에 따라 기설정된 온도를 기준으로 하여 펠티어 소자의 냉각 내지 가열을 제어한다.

펠티어 소자의 일측면에는 히트 싱크 및 에어팬이 연속적으로 결합된 상태를 갖는데, 상기 상태에서 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 높은 경우에는 펠티어 소자의 일측면을 냉각시키는 방식으로 온도를 낮추게 한다. 한편, 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 낮은 경우에는 펠티어 소자의 일측면을 가열시키는 방식으로 온도를 높이게 한다. 여기에서, 펠티어 소자의 일측면이 가열 또는 냉각되는 경우에 히트 싱크 및 에어팬을 통해서 펠티어 소자의 일측면에 형성된 열기 또는 냉기를 필요로 하는 지점에 공급할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 열전 모듈을 이용한 열교환 시스템은 자연적인 열원 중의 하나인 태양열을 집열하는 프레넬 렌즈와 접목한 상태에서 집열된 열을 열전 모듈 상에 공급하여 전기를 생산하여 1차적으로 전력 저장부에 저장한 이후에, 저장된 전기를 펠티어 소자로 공급하여 저온 또는 고온의 열을 발생하여 휴대용으로 냉난방을 가능하게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 집열부
20 : 전력 발생부
30 : 충전부
40 : 냉각부
50 : 컨트롤러
100 : 열전 모듈

Claims (2)

1. 태양열에 의해 가열되는 집열부;
   상기 집열부에서 제공된 열을 통해 전기를 생산하는 전력 발생부;
   상기 전력 발생부에 연결되는 냉각부;
   상기 전력 발생부에서 발생된 기전력을 토대로 충전 전압을 발생시켜 출력 및 저장하는 기능을 하는 충전부;
   상기 집열부를 통한 전력 공급에 의해 일면에 발열면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 열전모듈; 및
   상기 열전 모듈 상에 연결된 상태에서 상기 열전 모듈 내의 온도를 감지하여 공급되는 전기량을 조절하는 컨트롤러;를 포함하고,
   상기 열전 모듈은,
   상기 충전부에서 직접적으로 전기를 공급받는 펠티어 소자, 상기 펠티어 소자의 일측부 상에 인접한 상태의 히트 싱크, 상기 히트 싱크 상에 에어를 공급하는 에어팬, 및 상기 열전 모듈 내의 온도를 실시간으로 감지하는 온도감지센서를 포함하고,
   상기 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 높은 경우에는 상기 펠티어 소자의 일측면을 냉각시키는 방식으로 온도를 낮추게 하고, 상기 열전 모듈 내부의 온도가 기설정된 냉각 기준 온도보다 낮은 경우에는 상기 펠티어 소자의 일측면을 가열시키는 방식으로 온도를 높이게 하는,
   열전 모듈을 이용한 열교환 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 집열부는 집광용의 블록 렌즈로서 프레넬 렌즈를 채용하는,
   열전 모듈을 이용한 냉난방 시스템.

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