KR20200087530A - 열전에너지 하베스터 수명시험장치 - Google Patents

열전에너지 하베스터 수명시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 열전에너지 하베스터에 주기적으로 열을 가하여 수명을 테스트할 수 있는 열전에너지 하베스터 수명시험장치에 관한 것이다.
본 발명의 특징은, 열을 발생시키는 발열부재(100)와, 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 접촉되거나 이격되도록 열전에너지 하베스터(10)를 승강시키는 승강부재(200)와, 승강부재(200)에 열전에너지 하베스터(10)를 연결시키는 연결부재(300)와, 열전에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기에너지를 감지하는 전기감지부(400)와, 발열부재(100) 및 승강부재(200)를 컨트롤하면서 전기감지부(400)의 감지를 확인하여 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 컨트롤러(500)를 포함한다.

Description

열전에너지 하베스터 수명시험장치{life test apparatus for thermoelement electric energy harvester}
본 발명은 온도차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 열전에너지 하베스터에 주기적으로 열을 가하여 수명을 테스트할 수 있는 열전에너지 하베스터 수명시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 에너지 하베스팅(환경 발전)기술은 운동 에너지, 광에너지, 열에너지 등의 환경 에너지를 압전 소자나 태양전지, 열전소자, 전자 유도 등을 이용하여 전력으로 변환하는 것을 말한다. 이렇게 해서 얻은 전력은 축전되어 각종 전력 소비 장치의 전원으로서 이용된다.
열전에너지 하베스터는 열 차이에 의해 전기를 발생시키는 열전소자를 포함하고 있어서, 열전소자에 고온이 인가되면 전기에너지가 발생된다.
에너지 하베스팅에 사용되는 장치 중 열전소자는 양단의 온도차를 이용하여 전력을 생산할 수 있는데, 온도차가 크면 클수록 열전소자가 생산하는 전력은 더 많아지게 된다. 따라서, 종래에는 열전소자 양 단의 온도차를 크게 하는 것에만 관심을 가지고 이에 대하 연구가 이루어졌다. 이러한 흐름으로서, 한국 특허출원발명 제10-2010-0030434호의 경우 열전소자에 하우징을 형성하여, 외부로부터 이 하우징으로 입사된 열 또는 광 에너지를 이용하여 하우징 내부의 온도를 상승시켜 열전소자 양 단의 온도차를 크게 하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 열전소자의 성능을 확인할 수 없어서 사용 중에 수명이 다하여 고장이 발생되는 문제점이 있어왔다. 따라서, 열전에너지 하베스터의 수명을 테스트할 수 있는 테스트장치의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 온도차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 열전에너지 하베스터에 주기적으로 열을 가하여 수명을 테스트할 수 있는 열전에너지 하베스터 수명시험장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 열전에너지 하베스터 수명시험장치는, 열을 발생시키는 발열부재(100)와, 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 접촉되거나 이격되도록 열전에너지 하베스터(10)를 승강시키는 승강부재(200)와, 승강부재(200)에 열전에너지 하베스터(10)를 연결시키는 연결부재(300)와, 열전에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기에너지를 감지하는 전기감지부(400)와, 발열부재(100) 및 승강부재(200)를 컨트롤하면서 전기감지부(400)의 감지를 확인하여 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 컨트롤러(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 연결부재(300)는 열전에너지 하베스터(10)에 연결되는 연결판(310)과, 열전에너지 하베스터(10)를 연결판(310)에 분리가능하게 연결시키는 연결부(320)와, 승강부재(200)에 연결된 상태로 승강부재(200)의 작동에 의해 승강되는 승강판(330)과, 승강판(330)의 승강을 안내하도록 연결판(310)에서 상부로 돌출되는 복수의 안내관체(340)와, 안내관체(330)들에 끼워진 상태로 하단이 연결판(310)에 탄력 지지되는 복수의 탄성체(350)와, 승강판(330)에 관통되게 결합되면서 안내관체(330)가 관통된 상태로 탄성체(350)의 상단을 지지하는 탄성지지판(360)과, 탄성지지판(360)들을 관통한 안내관체(340)들에 양단이 접촉되면서 탄성지지판(360)들에 걸리는 걸림판(370)과, 걸림판(370)의 양단을 안내관체(340)들)에 체결시키는 체결부(380)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 열전에너지 하베스터(10)에는 관통홀이 형성되고, 연결판(310)에는 나사탭(311)이 형성되며, 연결부(320)는 하베스터 프레임(14)의 관통홀을 관통하여서 연결판(310)의 나사탭(311)에 결합되는 볼트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 안내관체(340)는 연결판(310)에서 사방으로 분산되어서 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 안내관체(340)는 상단에 나사홀(341)이 형성되고, 체결부(380)는 걸림판(370)의 양단을 관통하여서 안내관체(340)들의 나사홀(341)에 나사결합되는 볼트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 컨트롤러(500)는 발열부재(100)를 구동시키는 발열구동부(510)와, 발열부재(100)가 설정된 온도로 발열되도록 온도를 설정하는 온도설정부(520)와, 승강부재(200)를 구동시키는 승강구동부(530)와, 승강부재(200)가 설정된 횟수로 승강되도록 승강횟수를 설정하는 승강설정부(540)와, 승강부재(200)가 상승된 상태 및 하강된 상태가 설정된 시간동안 유지되도록 상승시간 및 하강시간을 설정하는 시간설정부(550)와, 전기감지부(400)의 감지를 확인하는 전기확인부(560)와, 전기확인부(530)의 확인여부에 따라 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 양부판단부(570)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 열전에너지 하베스터 수명시험장치는, 온도차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 열전에너지 하베스터에 주기적으로 열을 가하여 수명을 테스트할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전에너지 하베스터 수명시험장치를 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 요부를 보인 분해 사시도.
도 3(a)(b)(c)은 본 발명의 동작과정을 보인 도면.
도 4는 본 발명의 상승된 상태를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 하강된 상태를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 컨트롤러를 보인 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전에너지 하베스터 수명시험장치를 자세히 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열전에너지 하베스터 수명시험장치는, 발열부재(100)와, 승강부재(200)와, 연결부재(300)와, 전기감지부(400)와, 컨트롤러(500)를 포함한다.
먼저, 열전에너지 하베스터(10)는 열 차이에 의해 전기를 발생시키는 열전소자(11)와, 열전소자(11)에서 발전되는 전기를 외부로 전송하는 전원케이블(12)과, 열전소자(11)의 과열을 방열시키는 방열핀(13)과, 열전소자(11), 전원케이블(12), 방열핀(13)이 설치되면서 관통홀이 형성되는 하베스터 프레임(14)을 포함한다.
따라서, 열전소자(11)에 열이 전달되고 방열핀(13)에서 방열됨에 따라 온도차이가 발생된다. 여기서, 온도차이는 열전소자(11)에서 전기를 발생시키는 에너지가 된다. 하베스터 프레임(14)는 열전소자(11)에서 상부로 돌출되는 복수의 다리와 다리들의 상부에 연결되는 상판으로 이루어질 수 있다.
이러한, 열전에너지 하베스터(10)는 고온의 폐수가 관류되는 관에 부착되면 고온이 지속적으로 제공되므로 계속적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
발열부재(100)는 열을 발생시키는 것으로, 히트플레이트(110)과, 히트플레이트(110)에 열을 가하는 히터(120)와, 히트플레이트(110)이 지면에서 이격되도록 히트플레이트(110)에 구비되는 받침대(130)를 포함한다.
히트플레이트(110)은 열전도율이 높은 금속으로 제조되되, 내부에 공간이 형성된다.
히터(120)는 히트플레이트(110)의 내부공간에 수용되어 입력되는 전기에너지에 의해 열을 발생시키는 전기히터로 구성된다. 이때, 히터(120)는 섭씨65~90도의 온도로 발열되도록 설정될 수 있고, 최대 섭씨300도의 온도까지 발열되도록 설정될 수도 있다.
받침대(130)는 단열재로 구성되면서, 지면에 지지되는 지지판(131)과, 지지판(131)에서 돌출되어 히트플레이트(110)에 고정되는 지지다리(132)로 구성된다.
지지판(131)은 히트플레이트(110)보다 넓거나 동일한 넓이로 구성되어, 히트플레이트(110)에서 발생되는 열이 하부로 전달됨을 방지한다.
지지다리(132)는 복수로 구성되어 지지판(131)에 분산되게 형성되어, 히트플레이트(110)을 지지판(131)에서 이격시킨다.
따라서, 히터(120)에서 발열되는 열이 히트플레이트(110)에 전달되어서 히트플레이트(110)이 전체적으로 가열될 수 있다. 이때, 받침대(130)에 의해 히트플레이트(110)의 열이 지면으로 전달되어 손실됨이 방지될 수 있다.
승강부재(200)는 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 접촉되거나 이격되도록 열전에너지 하베스터(10)를 승강시키는 것으로, 기립되는 가이드레일(210)과, 열전에너지 하베스터(10)와 함께 가이드레일(210)을 따라 승강되는 가이드블록(220)과, 가이드블록(220)을 승강시키는 승강구동부(230)를 포함한다.
가이드레일(210)에는 길이방향을 따라 홈이 형성되고, 가이드블록(220)은 가이드레일(210)의 홈에 삽입된 상태로 이동되는 돌기가 형성된다. 따라서, 가이드블록(220)은 기립되는 가이드레일(210)에서 분리되지 않는 상태로 승강될 수 있다.
그리고, 가이드레일(210)에는 상부 및 하부에 가이드블록(220)을 센싱하는 센서가 설치될 수 있다. 이러한, 센서들의 센싱에 의해 가이드블록(220)의 승강높이가 설정될 수 있다.
승강구동부(230)는 가이드블록(220)을 승강시키기 위해 다양하게 구성될 수 있으나, 가이드블록(220)에 연결되는 실린더축을 신축시키는 실린더로 구성될 수도 있다.
연결부재(300)는 승강부재(200)에 열전에너지 하베스터(10)를 연결시키는 것으로, 열전에너지 하베스터(10)에 연결되는 연결판(310)과, 열전에너지 하베스터(10)를 연결판(310)에 분리가능하게 연결시키는 연결부(320)와, 승강부재(200)에 연결된 상태로 승강부재(200)의 작동에 의해 승강되는 승강판(330)과, 승강판(330)의 승강을 안내하도록 연결판(310)에서 상부로 돌출되는 복수의 안내관체(340)와, 안내관체(330)들에 끼워진 상태로 하단이 연결판(310)에 탄력 지지되는 복수의 탄성체(350)와, 승강판(330)에 관통되게 결합되면서 안내관체(330)가 관통된 상태로 탄성체(350)의 상단을 지지하는 탄성지지판(360)과, 탄성지지판(360)들을 관통한 안내관체(340)들에 양단이 접촉되면서 탄성지지판(360)들에 걸리는 걸림판(370)과, 걸림판(370)의 양단을 안내관체(340)들)에 체결시키는 체결부(380)를 포함한다.
연결판(310)에는 나사탭(311)이 형성되어, 열전에너지 하베스터(10)의 하베스터 프레임(14)에 형성된 관통홀에 연통된다.
연결부(320)는 하베스터 프레임(14)의 관통홀을 관통하여서 연결판(310)의 나사탭(311)에 결합되는 볼트로 구성된다.
승강판(330)은 승강부재(200)의 가이드블록(220)에 연결되므로 승강부재(200)의 가이드블록(220)과 함께 승강될 수 있다. 이때, 승강판(330)에 안내관체(340)가 관통되어 있으므로 승강판(330)이 안내관체(340)를 따라 승강될 수 있다.
안내관체(340)는 연결판(310)에 일체로 형성되거나, 하단의 외주면에 형성되는 수나사산과, 연결판(310)에 형성되는 암나사산에 의해 연결판(310)에 나사결합될 수 있다.
이러한, 안내관체(340)이 연결판(310)에서 사방으로 분산되어서 형성되므로 열전에너지 하베스터(10)가 전체적으로 고르게 가압될 수 있다. 즉, 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 전체적으로 고르게 접촉될 수 있다.
탄성체(350)는 압축스프링으로 구성되어 안내관체(340)가 관통되므로, 승강판(330) 및 연결판(310)에 탄력 지지된 상태에서 승강판(330)이 하강하면 연결판(310)을 탄력적으로 가압하게 된다.
탄성지지판(360)은 볼트에 의해 승강판(330)에 고정되면서, 하부에 탄성체(350)의 상부 외측을 가이드하는 가이드관체(361)를 포함한다. 이에 의해, 탄성체(350)가 가이드관체(361)에 의해 가이드되면서 압축되므로 탄성체(350)의 탄성력이 연결판(310)에 집중될 수 있다.
걸림판(370)은 체결부(380)에 의해 양단이 탄성지지판(360)들에 지지되므로 승강판(330)이 상승되는 경우, 걸림판(370)을 관통하면서 체결부(380)가 안내관체(330)에 체결되어 있으므로 열전에너지 하베스터(10)도 함께 상승된다.
체결부(380)는 안내관체(340)의 나사홀(341)에 나사결합되는 볼트로 구성된다.
따라서, 승강부재(200)가 승강판(330)을 상승시키면 연결판(310)에 연결된 열전에너지 하베스터(10)가 상승되어 발열부재(100)에서 이격된다. 그리고, 승강부재(200)가 승강판(330)을 하강시키면 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 접촉된다. 계속해서, 승강부재(200)가 고정판(310)을 계속적으로 하강시키면 탄성체(350)가 열전에너지 하베스터(10)를 탄력적으로 가압하므로, 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 밀착된다. 이때, 열전에너지 하베스터(10)가 탄성체(350)에 의해 가압되어 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 과도하게 밀착되지 않게 되므로 손상되지 않게 된다.
그리고, 연결부재(300)는 고정판(310)을 관통하는 상태에서 내부를 관통하는 체결볼트(330)의 헤드에 상단이 지지되고, 열전에너지 하베스터(10)에 하단이 지지되는 지지관체(340)를 포함한다.
체결볼트(330)가 지지관체(340)에 관통되는 상태로 열전에너지 하베스터(10)에 체결되면, 체결볼트(330)의 길이가 일정하게 유지되므로, 고정판(310)에 의해 가압되는 탄성체(340)들이 동일한 힘으로 열전에너지 하베스터(10)를 가압하게 된다. 이에 의해, 열전에너지 하베스터(10)들이 발열부재(100)에서 들뜨지 않으면서 전체적으로 고르게 밀착되게 된다.
전기감지부(400)는 열전에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기에너지를 감지하는 것으로, 전류나 전압을 감지하는 센서로 구성된다.
컨트롤러(500)는 발열부재(100) 및 승강부재(200)를 컨트롤하면서 전기감지부(400)의 감지를 확인하여 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 것으로, 발열부재(100)를 구동시키는 발열구동부(510)와, 발열부재(100)가 설정된 온도로 발열되도록 온도를 설정하는 온도설정부(520)와, 승강부재(200)를 구동시키는 승강구동부(530)와, 승강부재(200)가 설정된 횟수로 승강되도록 승강횟수를 설정하는 승강설정부(540)와, 승강부재(200)가 상승된 상태 및 하강된 상태가 설정된 시간동안 유지되도록 상승시간 및 하강시간을 설정하는 시간설정부(550)와, 전기감지부(400)의 감지를 확인하는 전기확인부(560)와, 전기확인부(530)의 확인여부에 따라 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 양부판단부(570)를 포함한다.
따라서, 발열구동부(510)에 의해 작동되는 발열부재(100)에서 설정된 온도로 발열되는 상태에서, 승강구동부(530)에 의해 작동되는 승강부재(200)가 설정된 횟수만큼 승강된다. 이때, 승강부재(200)가 설정된 상승시간동안 상승된 상태가 유지되므로 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에서 이격된 상태가 설정된 상승시간동안 유지되고, 승강부재(200)가 설정된 하강시간동안 하강된 상태가 유지되므로 열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에서 밀착된 상태가 설정된 상승시간동안 유지된다.
이와 같이, 열전에너지 하베스터(10)에 설정된 온도를 주기적으로 제공하는 상태에서, 전기확인부(530)에서 전기감지를 확인하면 부판단부(570)가 열전에너지 하베스터(10)가 양호한 것으로 판단한다.
그리고, 테스트가 완료되어 양품으로 판단된 열전에너지 하베스터(10)의 방열핀(13)에서 크랙이 발생됨을 육안으로 확인하여 양부를 한 번 더 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 온도차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 열전에너지 하베스터에 주기적으로 열을 가하여 수명을 테스트할 수 있으므로 열전에너지 하베스터 수명시험장치에 적용되어서 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의의 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 열전에너지 하베스터 11 : 열전소자
12 : 전원케이블 13 : 방열핀
14 : 하베스터 프레임 100 : 발열부재
110 : 히트플레이트 120 : 히터
130 : 받침대 131 : 지지판
132 : 지지다리 200 : 승강부재
210 : 가이드레일 220 : 가이드블록
230 : 승강구동부 300 : 연결부재
310 : 연결판 311 : 나사탭
320 : 연결부 330 : 승강판
340 : 안내관체 350 : 탄성체
360 : 탄성지지판 370 : 걸림판
380 : 체결부 400 : 전기감지부
500 : 컨트롤러 510 : 발열구동부
520 : 온도설정부 530 : 승강구동부
540 : 승강설정부 550 : 시간설정부
560 : 전기확인부 570 : 양부판단부

Claims (6)

  1. 열을 발생시키는 발열부재(100)와,
    열전에너지 하베스터(10)가 발열부재(100)에 접촉되거나 이격되도록 열전에너지 하베스터(10)를 승강시키는 승강부재(200)와,
    승강부재(200)에 열전에너지 하베스터(10)를 연결시키는 연결부재(300)와,
    열전에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기에너지를 감지하는 전기감지부(400)와,
    발열부재(100) 및 승강부재(200)를 컨트롤하면서 전기감지부(400)의 감지를 확인하여 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 컨트롤러(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 연결부재(300)는
    열전에너지 하베스터(10)에 연결되는 연결판(310)과,
    열전에너지 하베스터(10)를 연결판(310)에 분리가능하게 연결시키는 연결부(320)와,
    승강부재(200)에 연결된 상태로 승강부재(200)의 작동에 의해 승강되는 승강판(330)과,
    승강판(330)의 승강을 안내하도록 연결판(310)에서 상부로 돌출되는 복수의 안내관체(340)와,
    안내관체(330)들에 끼워진 상태로 하단이 연결판(310)에 탄력 지지되는 복수의 탄성체(350)와,
    승강판(330)에 관통되게 결합되면서 안내관체(330)가 관통된 상태로 탄성체(350)의 상단을 지지하는 탄성지지판(360)과,
    탄성지지판(360)들을 관통한 안내관체(340)들에 양단이 접촉되면서 탄성지지판(360)들에 걸리는 걸림판(370)과,
    걸림판(370)의 양단을 안내관체(340)들)에 체결시키는 체결부(380)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    열전에너지 하베스터(10)에는 관통홀이 형성되고,
    연결판(310)에는 나사탭(311)이 형성되며,
    연결부(320)는 하베스터 프레임(14)의 관통홀을 관통하여서 연결판(310)의 나사탭(311)에 결합되는 볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 안내관체(340)는 연결판(310)에서 사방으로 분산되어서 형성되는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    안내관체(340)는 상단에 나사홀(341)이 형성되고,
    체결부(380)는 걸림판(370)의 양단을 관통하여서 안내관체(340)들의 나사홀(341)에 나사결합되는 볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 컨트롤러(500)는
    발열부재(100)를 구동시키는 발열구동부(510)와,
    발열부재(100)가 설정된 온도로 발열되도록 온도를 설정하는 온도설정부(520)와,
    승강부재(200)를 구동시키는 승강구동부(530)와,
    승강부재(200)가 설정된 횟수로 승강되도록 승강횟수를 설정하는 승강설정부(540)와,
    승강부재(200)가 상승된 상태 및 하강된 상태가 설정된 시간동안 유지되도록 상승시간 및 하강시간을 설정하는 시간설정부(550)와,
    전기감지부(400)의 감지를 확인하는 전기확인부(560)와,
    전기확인부(530)의 확인여부에 따라 열전에너지 하베스터(10)의 양부를 판단하는 양부판단부(570)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전에너지 하베스터 수명시험장치.
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