KR20240047537A - 열전발전 열교환장치 - Google Patents

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KR20240047537A
KR20240047537A KR1020220126706A KR20220126706A KR20240047537A KR 20240047537 A KR20240047537 A KR 20240047537A KR 1020220126706 A KR1020220126706 A KR 1020220126706A KR 20220126706 A KR20220126706 A KR 20220126706A KR 20240047537 A KR20240047537 A KR 20240047537A
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김재관
곽기곤
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

열전달 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 열전발전 열교환장치가 제공된다.
이 열전발전 열교환장치가 열매질이 이동되는 챔버 내에 설치되고 냉각수가 이동되는 냉각 유로를 제공하는 본체와, 본체의 외부를 덮는 방열유닛과, 본체와 방열유닛 사이에 설치되고 열매질과 냉각수 간의 온도차이를 이용하여 발전하는 열전소자를 포함하고, 방열유닛은 열전소자를 감싸는 방열 플레이트부와, 방열 플레이트부의 외면에 돌출 형성되는 방열 돌출부를 포함할 수 있다.

Description

열전발전 열교환장치{HEAT EXCHANGE APPARATUS FOR THERMOELECTRIC POWER GENERATION}
본 발명은 열전발전 열교환장치에 관한 것이다.
최근 유가 상승 및 환경 규제 강화로 인해 친환경 선박 개발의 필요성이 부각되고 있다.
그에 따라 선박에서 엔진의 성능을 향상시키고 기존에 버려지던 폐열을 회수하는 시스템을 구성하여 선박의 연비를 향상시키는 연구가 수행되고 있으며, 강화되는 환경 규제를 만족하기 위해 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 촉매에 대한 연구가 진행되고 있다.
한편, 선박 내 에너지 효율을 증가시키기 위하여 엔진의 폐열로부터 열전발전기반의 전력생산에 관한 연구가 다각적으로 이루어지고 있다. 폐열을 회수하는 방법으로는 열역학 사이클을 이용하는 방식이 적용될 수 있다. 그러나 열역학 사이클을 이용한 폐열회수 방법을 이용하면 에너지 회수율은 높은 반면 시스템이 복잡하고 선박에 적용하기가 어려울 수 있다.
이에 폐열의 효율을 높이기 위해서는 단위 부피당 열교환 표면적을 극대화시키는 열 교환 기술이 요구되고 있다.
특허문헌: 공개특허 10-2015-0029964
본 발명의 실시 예들은 열전달 면적을 증가시킬 수 있고 경계층의 외부 유동과 내부 유동을 잘 섞이게 하여 열전달 효율을 증가시킬 수 있는 열전발전 열교환장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열매질이 이동되는 챔버 내에 설치되고, 냉각수가 이동되는 냉각 유로를 제공하는 본체; 상기 본체의 외부를 덮는 방열유닛; 및 상기 본체와 상기 방열유닛 사이에 설치되고, 상기 열매질과 상기 냉각수 간의 온도차이를 이용하여 발전하는 열전소자; 복수 개의 상기 열전소자가 상기 본체의 열교환부의 길이방향으로 따라 이격 배치될 때, 상기 복수 개의 열전소자 사이에 배치되는 단열재를 포함하고, 상기 방열유닛은 열 전달이 상기 본체의 외부에서 전체적으로 이루어지도록 상기 열전소자와 상기 단열재의 외면을 연속적으로 감싸는 방열 플레이트부; 및 상기 방열 플레이트부의 외면에 돌출 형성되는 방열 돌출부를 포함하는 열전발전 열교환장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 본체는 상기 냉각수의 공급이 이루어지는 냉각수 공급부; 상기 냉각수의 배출이 이루어지는 냉각수 배출부; 및 상기 냉각수 공급부와 상기 냉각수 배출부 사이를 연결하는 적어도 하나 이상으로 제공되고, 외면에 상기 열전소자가 접촉 배치되는 열교환부를 포함하는 열전발전 열교환장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 방열 돌출부는 상기 방열 플레이트부의 외면에서 수직되는 방향으로 돌출되거나, 상기 방열 플레이트부의 외면에서 굴곡지게 형성되는 열전발전 열교환장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단열재의 내면은 상기 방열유닛과 접촉되게 배치되고, 상기 단열재의 외면은 상기 열교환부에 접촉되게 배치되는 열전발전 열교환장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 열전소자가 배치되는 방열구조와, 열전소자 사이에 배치되는 단열재의 단열주고의 외피를 기존의 방열핀 구조물과 기계적으로 연결하여 방열면적을 효과적으로 증가시킬 수 있다는 이점이 있다
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 열전발전 열교환장치의 외면을 방열유닛이 전체적으로 커버함으로써, 높은 열전달률을 구현할 수 있다는 이점이 있다
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 열전발전 열교환장치의 표면이 요철형상 또는 볼텍스 제너레이터(vortex generator) 형상으로 형성됨으로써, 열전달 면적 증가와 함께, 경계층 외부 유동과 내부 유동을 잘 섞이게 하여 열전달 효율을 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 열교환장치가 엔진의 배관에 설치된 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 열교환장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 "A-A'"선부를 절개하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 "B-B'"선부를 절개하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 "C"부를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 6은 도 4의 "D-D'"부에서 바라본 정면도이다.
도 7은 본 발명의 변형에 따라, 도 4의 "D-D'"부에서 바라본 정면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 변형에 따라, 도 4의 "D-D'"부에서 바라본 정면도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 열교환장치의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 열교환장치(10)는, 열매질이 유동되는 챔버 내에 설치되어, 열매질과의 열교환을 통해 발전할 수 있다. 일 예로, 열전발전 열교환장치(10)는 선박의 엔진(20)에 연결된 배기관(21)에 설치될 수 있고, 배기관(21)을 유동하는 배기가스를 열매질로 사용할 수 있다. 배기관(21)은 엔진(20)과 에스시알(30: SCR) 사이를 연결할 수 있다.
본 실시예에서, 열전발전 열교환장치는 선박의 배기관(21) 내 챔버에 설치되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 열매질과의 열교환을 통해 발전할 수 있는 다양한 설비 및 장소에 설치될 수 있음은 물론이다.
이러한 열전발전 열교환장치(10)는 본체(100), 방열유닛(200), 열전소자(300) 및 단열재(400)를 포함할 수 있다. 본체(100)는 열전발전 열교환장치(10)의 전체적인 외관을 제공할 수 있다. 본체(100)는 열매질이 이동되는 챔버 내에 설치될 수 있다. 예를 들어, 본체(100)는 선박의 엔진(20)에 연결된 배기관(21)의 챔버 내에 설치될 수 있다. 배기관(21)의 챔버는 엔진(20)의 배기가스가 유동되는 경로를 제공하므로, 챔버에는 배기가스의 유동 흐름이 형성될 수 있다.
본체(100)는 냉각수 공급부(110), 냉각수 배출부(120), 열교환부(130) 및 지지 프레임부(140)를 포함할 수 있다. 냉각수 공급부(110)는 본체(100)의 내부로 냉각수를 공급받을 수 있다. 냉각수 공급부(110)에는 냉각수가 유입되는 적어도 하나 이상의 유입구가 형성될 수 있다. 냉각수 공급부(110)는 유입구를 통해 외부의 냉각수 공급장치로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
냉각수 공급부(110)는 열교환부(130)와 연결되는 공급 연결홀(111)을 제공할 수 있다. 공급 연결홀(111)은 냉각수 공급부(110)의 길이방향으로 이격 형성되는 복수 개일 수 있다. 냉각수 공급부(110)는 유입구를 통해 공급받은 냉각수를 공급 연결홀(111)로 안내할 수 있다.
냉각수 배출부(120)는 열교환부(130)로부터 공급받은 냉각수를 본체(100)의 외부로 배출할 수 있다. 냉각수 배출부(120)에는 냉각수가 배출되는 적어도 하나 이상의 토출구가 형성될 수 있다. 냉각수 배출부(120)는 토출구를 통해 냉각수를 본체(100)의 외부로 배출할 수 있다.
냉각수 배출부(120)는 열교환부(130)와 연결되는 배출 연결홀(121)을 제공할 수 있다. 배출 연결홀(121)은 냉각수 공급부(110)의 길이방향으로 이격 형성되는 복수 개일 수 있다. 냉각수 공급부(110)는 열교환부(130)를 통해 공급받은 냉각수를 배출 연결홀(121)로 안내할 수 있다.
열교환부(130)는 냉각수 공급부(110)와 냉각수 배출부(120) 사이를 연결하는 적어도 하나 이상으로 제공될 수 있다. 일 예로, 열교환부(130)는 냉각수 공급부(110)와 냉각수 배출부(120) 사이를 열과 행을 이루는 복수 개로 제공될 수 있다.
열교환부(130)는 냉각 유로(W1)를 제공하는 파이프 형상으로 제공될 수 있다. 열교환부(130)는 공급 연결홀(111)을 통해 냉각수 공급부(110)로부터 공급받은 냉각수를 공급받을 수 있고, 공급받은 냉각수가 냉각수 배출부(120)로 배출되도록 배출 연결홀(121)로 안내할 수 있다.
열교환부(130)의 외면에는 복수 개의 열전소자(300)와, 복수 개의 열전소자(300) 사이를 단열시키는 단열재(400)가 접촉되어 배치될 수 있다. 열교환부(130)의 내부에는 냉각수의 열전달을 위한 복수 개의 열교환핀(131)이 제공될 수 있다. 복수 개의 열교환핀(131)은 열교환부(130)의 내경면에서 돌출되는 핀 형상일 수 있다. 복수 개의 열교환핀(131)은 열교환부(130)의 냉각 유로(W1)를 따라 이격 배치될 수 있다.
지지 프레임부(140)는 냉각수 공급부(110), 냉각수 배출부(120) 및 열교환부(130)를 지지하기 위한 지지 프레임일 수 있다. 지지 프레임부(140)는 열교환부(130)를 사이에 두고 서로 마주보는 한 쌍으로 제공될 수 있다. 지지 프레임부(140)는 냉각수 공급부(110) 및 냉각수 배출부(120)의 양 단부를 서로 연결함으로써, 열교환부(130)를 안정적으로 지지할 수 있다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 방열유닛(200)은 열매질(일 예로, 배기가스)과 냉각수와의 열교환을 위해, 본체(100)의 외부를 전체적으로 감싸는 방열 구조일 수 있다. 방열유닛(200)은 방열 플레이트부(210) 및 방열 돌출부(220)를 포함할 수 있다. 방열 플레이트부(210)는 내면이 열전소자(300)의 외면에 접촉되도록 열전소자(300)를 감싸는 구조일 수 있다. 방열 플레이트부(210)의 표면에는 복수 개의 방열 돌출부(220)가 형성될 수 있다.
방열 플레이트부(210)의 표면에는 방열 돌출부(220) 이외에도, 요철형상 또는 볼텍스 제너레이터(vortex generator) 형상의 돌출 구조가 형성될 수 있다.
예컨대, 도 6 내지 7을 참조하면, 방열 플레이트부(210)의 표면에는 방열 플레이트부(210)의 외면에서 돌출되는 돌출부(230)가 형성될 수 있다. 또한, 8을 참조하면, 방열 플레이트부(210)의 표면에는 굴곡지거나 요철형상 또는 볼텍스 제너레이터(vortex generator) 형상의 볼텍스 돌출부(240)가 형성될 수 있다.
요철형상의 돌출 구조는 볼텍스 제너레이터 형상의 돌출 구조보다 방열 플레이트부(210) 표면의 파울링(Fouling)이 더 적게 될 수 있고, 볼텍스 제너레이터 형상의 돌출 구조는 요철형상의 돌출 구조보다 볼텍스 제너레이터(vortex generator) 효과가 더 좋을 수 있다.
방열 돌출부(220)는 방열 플레이트부(210)의 외면에 돌출 형성될 수 있다. 방열 돌출부(220)는 방열 플레이트부(210)의 외면에서 수직되는 방향으로 돌출될 수 있다. 본 실시예에서, 방열 돌출부(220)는 방열 플레이트부(210)의 외면에서 수직되는 방향으로 돌출되지만, 이외에도, 방열 돌출부(220)는 열전도율을 증가시킬 수 있다는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 방열 돌출부(220)는 방열 플레이트부(210)의 외면에서 굴곡지게 형성될 수 있다.
열전소자(300)는 본체(100)와 방열유닛(200) 사이에 설치될 수 있다. 열전소자(300: thermoelectric element)는 제베크 효과(Seebeck effect)에 의해 발전할 수 있는 소자로 이해될 수 있다.
열전소자(300)는 열매질과 냉각수 간의 온도차이를 이용하여 발전할 수 있다. 예컨대, 열전소자(300)는 방열유닛(200)에서 전달되는 열 에너지와, 본체(100)에 의해 이동되는 냉각수 간에 온도차이를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 열전소자(300)에서 생산되는 전기 에너지는, 선박의 전력망에 연결되어 선박에 필요한 전원으로 사용될 수 있다.
단열재(400)는 복수 개의 열전소자(300) 사이에 배치될 수 있다. 일 예로, 복수 개의 열전소자(300)가 본체(100)의 열교환부(130)의 길이방향으로 따라 이격 배치될 때, 단열재(400)는 복수 개의 열전소자(300) 사이에 배치될 수 있다. 단열재(400)의 양 단부는 서로 다른 열전소자(300)와 접촉되게 배치될 수 있다. 단열재(400)의 내면은 방열유닛(200)과 접촉되게 배치될 수 있고, 단열재(400)의 외면은 열교환부(130)에 접촉되게 배치될 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 열전발전 열교환장치의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 열전발전 열교환장치(10)는 열매질이 유동되는 챔버 내에 설치될 수 있다. 일 예로, 열전발전 열교환장치(10)는 엔진(20)과 에스시알(30) 사이를 연결하는 배기관(21)에 설치될 수 있다.
열전발전 열교환장치(10)가 배기관(21)에 설치되면, 엔진(20)에서 발생된 배기가스가 배기관(21)을 통해 이동될 때, 열전발전 열교환장치(10)는 배기가스의 폐열을 이용하여 열전발전을 구현할 수 있다.
예컨대, 배기가스가 배기관(21)을 따라 열전발전 열교환장치(10)의 주위 공간을 통과할 때, 배기가스의 열에너지는 열전발전 열교환장치(10)의 방열유닛(200)을 통해 열전소자(300)에 전달될 수 있다. 열전발전 열교환장치(10)의 외면을 방열유닛(200)을 통해 전체적으로 커버되므로, 열전발전 열교환장치(10)에서는 배기가스의 높은 열전달률을 구현할 수 있다.
그리고 열전발전 열교환장치(10)의 본체(100)에는 냉각수가 이동될 수 있는데, 열전소자(300)는 배기가스의 열에너지와 냉각수 간의 온도차이를 전기에너지를 생산할 수 있다. 열전소자(300)에서 생산된 전기 에너지는, 선박의 전력망에 연결되어 선박에 필요한 전원으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 외면을 방열유닛이 전체적으로 커버함으로써, 높은 열전달률을 구현할 수 있고, 표면이 요철형상 또는 볼텍스 제너레이터 형상으로 형성되므로, 열전달 면적 증가와 함께, 경계층 외부 유동과 내부 유동을 잘 섞이게 하여 열전달 효율을 증가시킬 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10 :열전발전 열교환장치 20: 엔진
21 :배기관 30:에스시알
100 :본체 110 :냉각수 공급부
120 :냉각수 배출부 130 :열교환부
140 :지지 프레임부 200 :방열유닛
210 :방열 플레이트부 220 :방열 돌출부
300 :열전소자 400 :단열재

Claims (4)

  1. 열매질이 이동되는 챔버 내에 설치되고, 냉각수가 이동되는 냉각 유로를 제공하는 본체;
    상기 본체의 외부를 덮는 방열유닛;
    상기 본체와 상기 방열유닛 사이에 설치되고, 상기 열매질과 상기 냉각수 간의 온도차이를 이용하여 발전하는 열전소자; 및
    복수 개의 상기 열전소자가 상기 본체의 열교환부의 길이방향으로 따라 이격 배치될 때, 상기 복수 개의 열전소자 사이에 배치되는 단열재를 포함하고,
    상기 방열유닛은
    열 전달이 상기 본체의 외부에서 전체적으로 이루어지도록 상기 열전소자와 상기 단열재의 외면을 연속적으로 감싸는 방열 플레이트부; 및
    상기 방열 플레이트부의 외면에 돌출 형성되는 방열 돌출부를 포함하는, 열전발전 열교환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는
    상기 냉각수의 공급이 이루어지는 냉각수 공급부;
    상기 냉각수의 배출이 이루어지는 냉각수 배출부; 및
    상기 냉각수 공급부와 상기 냉각수 배출부 사이를 연결하는 적어도 하나 이상으로 제공되고, 외면에 상기 열전소자가 접촉 배치되는 열교환부를 포함하는, 열전발전 열교환장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 돌출부는
    상기 방열 플레이트부의 외면에서 수직되는 방향으로 돌출되거나, 상기 방열 플레이트부의 외면에서 굴곡지게 형성되는, 열전발전 열교환장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 단열재의 외면은 상기 방열유닛과 접촉되게 배치되고, 상기 단열재의 내면은 상기 열교환부에 접촉되게 배치되는, 열전발전 열교환장치.
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