WO2012108555A1 - 발전기 - Google Patents

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Abstract

발전기가 개시된다. 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자, 고온부와 열적으로 결합되어 있으며 고온부에 열을 전달하는 발열원, 작동유체가 주입되며 저온부와 열적으로 결합되어 저온부의 열을 방출하는 진동세관형 히트파이프를 포함하는 발전기는, 방열성능이 뛰어난 진동세관형 히트파이프를 이용하여 발전에 필요한 온도차를 유지함으로써 열전소자를 이용한 발전의 효율을 높일 수 있다.

Description

발전기
본 발명은 발전기에 관한 것으로, 보다 상세히 열전소자를 이용하여 전력을 발생시키는 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관과 같은 열동력 장치는 필요한 동력과 더불어 고온의 배출물질을 발생시킨다. 고온의 배출물질은 높은 에너지를 가지고 있으므로, 이를 잘 활용하면 배출물질로부터도 에너지를 얻어서 장치의 효율을 높일 수 있다.
이에 따라, 고온의 배출물질에서 전기를 얻는 발전기에 대한 연구도 활발하게 이루어져서, 열전소자를 이용한 발전기가 개발되었다.
그러나, 종래의 열전소자형 발전기는 주로 방열핀 형태의 냉각장치를 이용하므로, 열전소자의 온도차를 형성하기 위해서 무겁고 큰 냉각장치가 필요하여 용도에 제한이 있었다. 특히, 차량의 배기가스를 이용하여 발전을 하고자 할 경우에, 종래의 열전소자형 발전기는 차량에 장착하기에는 크고 무거워서 실용화하는데 문제가 있다.
또한, 종래의 열전소자형 발전기에서 사용하는 방열핀 형태의 냉각장치는, 냉각능력에도 한계가 있어서 발전에 필요한 온도차를 유지하지 못하여 발전효율이 낮은 문제가 있다.
본 발명은 가볍고 콤팩트하여 장착에 제한이 적은 발전기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 높은 발전효율이 일정하게 유지되는 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자, 상기 고온부와 열적으로 결합되어 있으며, 상기 고온부에 열을 전달하는 발열원, 작동유체가 주입되며 상기 저온부와 열적으로 결합되어 상기 저온부의 열을 방출하는 진동세관형 히트파이프를 포함하는 발전기가 제공된다.
상기 발열원은 고온의 유체가 이송되는 유체도관을 포함하고, 상기 열전소자의 고온부는 상기 유체도관에 결합될 수 있다.
상기 열전소자는 상기 유체도관의 길이방향을 따라 배치될 수 있다.
상기 진동세관형 히트파이프는, 상기 열전소자의 저온부와 열적으로 결합된 적어도 하나의 히트파이프 루프를 포함할 수 있다.
상기 히트파이프 루프는, 상기 유체도관을 둘러싸는 나선형 구조일 수 있다.
상기 유체도관에는 복수 개의 열전소자가 배치되어 있으며, 상기 히트파이프 루프는 상기 복수 개의 열전소자와 열적으로 결합될 수 있다.
일면이 상기 열전소자의 저온부에 결합되어 있으며, 타면이 상기 히트파이프 루프와 결합된 방열플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 유체도관의 내벽에 결합되어 있으며, 상기 유체도관의 길이방향으로 배치된 전열부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전열부재는, 히트파이프를 포함할 수 있다.
상기 유체도관을 커버하는 단열커버를 더 포함할 수 있다.
상기 유체도관은 엔진 배기가스의 배출경로 상에 설치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기에서 진동세관형 히트파이프를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 정면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 발열원 12: 유체경로
20: 열전소자 22: 고온부
24: 저온부 30: 진동세관형 히트파이프
40: 방열플레이트 50: 전열부재
60: 단열커버
이하에서 본 발명의 제1실시예에 따른 방열장치를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기는, 발열원(10), 열전소자(20) 및 진동세관형 히트파이프(30)를 포함한다.
발열원(10)은 후술하는 열전소자(20)가 발전을 하는데 필요한 열에너지를 공급하는 부분으로, 열전소자(20)의 고온부와 열적으로 결합되어 고온부에 열을 전달한다. 특히, 본 실시예의 발전기는 고온의 유체에서 열에너지를 전달 받아서 발전하므로, 고온의 유체로부터 열에너지를 전달하는 유체도관이 열에너지를 공급하는 발열원(10)이 될 수 있다. 이를 위해, 유체도관에는 고온의 유체가 통과하는 유체경로(12)가 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이송되는 고온의 유체로부터 유체도관이 더욱 많은 열에너지를 흡수하도록, 유체도관의 내벽에는 전열부재(50)가 결합될 수 있다. 그리고, 전열부재(50)는 유체의 이송경로를 따라 유체도관의 길이방향으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 유체도관에서는 전체적으로 고른 열에너지 흡수가 이루어지며, 유체도관의 각 부분이 균일한 온도분포를 가진다.
특히, 본 실시예에서는 전열부재(50)로 열전달 성능이 뛰어난 히트파이프, 바람직하게는 진동세관형의 히트파이프를 사용하여, 유체도관의 열에너지 흡수능력을 극대화하였다.
또한, 유체도관의 열에너지가 외부로 그대로 발산되는 것을 방지하기 위하여, 단열재질로 이루어지며 유체도관을 커버하는 단열커버(60)가 유체도관에 설치될 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 단열커버(60)는 후술하는 열전소자(20) 사이에 노출된 유체도관을 커버하여, 열전소자(20)의 고온부(22)외의 다른 부분으로 열에너지가 빠져나가는 것을 방지한다.
열전소자(20)는 발열원(10)에서 공급된 열에너지를 이용하여 발전하는 부분으로, 고온부(22)와 저온부(24)의 온도차를 이용하여 기전력을 발생시킨다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 발전기에 사용되는 열전소자(20)는 제베크효과(Seebeck effect)를 이용하여 기전력을 발생시킨다. 제베크효과는 두 종류의 금속을 고리 모양으로 연결하고, 한쪽 접점을 고온, 다른 쪽을 저온으로 했을 때 그 회로에 전류가 생기는 현상이다.
본 실시예의 열전소자(20)는 고온부(22)와 저온부(24) 온도차를 형성하기 위하여, 고온부(22)는 발열원(10)과 열적으로 결합되며 저온부(24)는 후술하는 진동세관형 히트파이프(30)와 열적으로 결합된다.
구체적으로, 열전소자(20)의 일면에 형성된 고온부(22)는 유체도관에 직접 결합되고, 열전소자(20)의 타면에 형성된 저온부(24)는 후술하는 진동세관형 히트파이프(30)와 결합된 방열플레이트(40)에 결합될 수 있다. 방열플레이트(40)에 대한 구체적 설명은 후술한다. 그러나, 고온부(22) 및 저온부(24)의 열적결합이 본 실시예에 한정되지는 않으며, 고온부(22) 및 저온부(24)에 열전달이 가능한 다양한 형태로 실시될 수 있다.
또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 발전기는 전극(26)이 직렬로 연결된 복수의 열전소자(20)를 구비하여 높은 기전력을 얻을 수 있다.
진동세관형 히트파이프(30)는 열전소자(20)의 고온부(22)와 저온부(24) 사이에 온도차가 형성되도록, 열전소자(20)의 저온부(24)와 열적으로 결합되어 저온부(24)의 열을 방출하는 부분이다.
진동세관형 히트파이프(30)는 전달된 열을 넓은 표면적을 통해 발산하여 높은 방열효율을 가진다. 따라서, 진동세관형 히트파이프(30)는 열전소자(20)의 저온부(24)에 전달된 열이 적체되지 않도록 신속하게 방열할 수 있다. 이에 따라, 열전소자(20)의 저온부(24)는 고온부(22)에 대하여 발전에 필요한 온도차를 유지할 수 있다.
또한, 진동세관형 히트파이프(30)는 종래의 방열핀형 방열기구에 비해 매우 가벼우므로, 발전기의 무게를 현저히 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기에서 진동세관형 히트파이프(30)를 나타낸 사시도이다.
본 실시예의 진동세관형 히트파이프(30)에는 작동유체(30a)가 주입되어 유체동압을 이용한 열전달을 수행한다. 이를 위해, 도 2에 나타난 바와 같이, 진동세관형 히트파이프(30)는 방열 대상물 즉, 열전소자(20)의 저온부(24)에 인접하게 배치되어 열을 흡수하는 흡열부(32)와 흡열부(32)에서 흡수된 열을 방출하도록 열전소자(20)에 이격되어 배치된 방열부(34)를 포함한다.
그리고, 도 3에 나타난 바와 같이, 진동세관형 히트파이프(30)는 세관 내부에 작동유체(30a)와 기포(30b)가 소정 비율로 주입된 후 세관 내부가 외부로부터 밀폐되는 구조를 가진다. 이에 따라, 진동세관형 히트파이프(30)는 기포(30b) 및 작동유체(30a)의 부피팽창 및 응축에 의하여 열을 잠열 형태로 대량으로 수송하는 열전달 사이클을 가진다.
열전달 메카니즘을 살펴보면, 흡열부(32)에서는 흡수된 열량만큼 핵비등(Nucleate Boiling)이 일어나면서 흡열부(32)에 위치된 기포(30b)들이 부피 팽창을 하게 된다. 이때 세관은 일정한 내부 체적을 유지하므로, 흡열부(32)에 위치된 기포(30b)들이 부피 팽창을 한 만큼 방열부(34)에 위치된 기포(30b)들은 수축하게 된다. 따라서 세관 내의 압력 평형상태가 붕괴되면서, 진동세관형 히트파이프(30)는 작동유체(30a) 및 기포(30b)의 진동을 포함한 유동을 수반하게 되고, 이에 따라 기포(30b)의 체적 변화에 의한 온도의 승강에 의하여 잠열 수송을 함으로써 방열 기능을 수행한다.
여기서, 진동세관형 히트파이프(30)는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진 세관을 포함할 수 있다. 이에 따라, 열을 빠른 속도로 전도 받음과 아울러 그 내부에 주입된 기포(30b)의 체적변화를 빠르게 유발할 수 있다.
여기서, 본 실시예의 진동세관형 히트파이프(30) 중 적어도 하나는, 일부가 열전소자(20)의 저온부(24)와 열적으로 결합되는 히트파이프 루프의 형태로 형성될 수 있다.
특히, 히트파이프 루프는, 유체도관을 둘러싸는 나선형 구조로 형성될 수 있다. 세관이 조밀한 간격으로 감겨진 나선형 구조는, 작은 공간에서도 긴 세관이 효율적으로 배치될 수 있게 한다. 이에 따라, 나선형 히트파이프 루프는 방열부(34)가 넓은 표면적을 가지게 하면서도 진동세관형 히트파이프(30)를 콤팩트화 시킬 수 있다.
여기서, 히트파이프 루프의 연통구조는 개루프(open loop)와 폐루프(close loop) 모두 가능하다. 또한, 히트파이프 루프가 복수일 때, 히트파이프 루프의 전부 또는 일부는 이웃하는 히트파이프 루프와 연통될 수 있다. 이에 따라, 복수의 히트파이프 루프는 설계상 필요에 따라 전체적으로 개루프 또는 폐루프 형상을 가질 수도 있다.
또한, 본 실시예의 히트파이프 루프에는 복수 개의 열전소자(20)가 열적으로 결합될 수 있다. 구체적으로, 도 1에 나타난 바와 같이, 일렬로 배치된 복수 개의 열전소자(20)가 유체도관의 양면에 각각 배치되어 있고, 유체도관을 둘러싸는 나선형의 히트파이프 루프는 복수 개의 열전소자(20)와 결합되어 있다. 이에 따라, 복수의 열전소자(20)의 방열을 수행하는데 최소한의 히트파이프 루프만을 이용하게 되므로, 발전기의 구성이 간단해지고 히트파이프에 작동유체(30a) 주입과정이 용이해질 수 있다.
그러나, 복수 개의 열전소자(20)의 배치가 본 실시예에 한정되지는 않으며, 복수 개의 열전소자(20)는 나선형의 히트파이프 루프와 결합될 수 있도록 유체도관에 다양하게 배치될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 열전소자(20)와 히트파이프 루프의 열적결합을 용이하게 하기 위하여, 일면이 열전소자(20)의 저온부(24)에 결합되어 있으며, 타면이 히트파이프 루프와 결합된 방열플레이트(40)가 추가로 포함될 수 있다. 방열플레이트(40)의 타면에는 히트파이프 루프가 삽입되는 장착홈(42)이 형성되어 있어서, 히트파이프 루프가 안정적으로 결합된다. 여기서, 방열플레이트(40)는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기는 방열성능이 뛰어난 진동세관형 히트파이프(30)를 이용하여 발전에 필요한 온도차를 유지함으로써, 열전소자(20)를 이용한 발전의 효율을 높일 수 있다.
또한, 가볍고 부피가 작은 진동세관형 히트파이프(30)를 이용하여 발전기를 경량화 및 콤팩트화함으로써, 발전기를 다양한 곳에 장착할 수 있다. 이에 따라, 이동하는 장치 즉, 차량 등에서 장착이 가능해진다. 구체적으로, 본 실시예의 발전기에서 유체도관은 엔진 배기가스의 배출경로 상에 설치되어, 발전기는 고온의 배기가스로부터 차량에 필요한 전기를 발생시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
본 발명의 발전기는 방열성능이 뛰어난 진동세관형 히트파이프를 이용하여 발전에 필요한 온도차를 유지함으로써, 열전소자를 이용한 발전의 효율을 높일 수 있다.
또한, 가볍고 부피가 작은 진동세관형 히트파이프를 이용하여 발전기를 경량화 및 콤팩트화함으로써, 발전기를 다양한 곳에 장착할 수 있다.

Claims (11)

  1. 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자;
    상기 고온부와 열적으로 결합되어 있으며, 상기 고온부에 열을 전달하는 발열원; 및
    작동유체가 주입되며, 상기 저온부와 열적으로 결합되어 상기 저온부의 열을 방출하는 진동세관형 히트파이프를 포함하는 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열원은, 고온의 유체가 이송되는 유체도관을 포함하고,
    상기 열전소자의 고온부는 상기 유체도관에 결합된 것을 특징으로 하는 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 유체도관의 길이방향을 따라 배치된 것을 특징으로 하는 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동세관형 히트파이프는,
    상기 열전소자의 저온부와 열적으로 결합된 적어도 하나의 히트파이프 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히트파이프 루프는, 상기 유체도관을 둘러싸는 나선형 구조인 것을 특징으로 하는 발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유체도관에는 복수 개의 열전소자가 배치되어 있으며,
    상기 히트파이프 루프는 상기 복수 개의 열전소자와 열적으로 결합된 것을 특징으로 하는 발전기.
  7. 제4항에 있어서,
    일면이 상기 열전소자의 저온부에 결합되어 있으며, 타면이 상기 히트파이프 루프와 결합된 방열플레이트를 더 포함하는 발전기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유체도관의 내벽에 결합되어 있으며, 상기 유체도관의 길이방향으로 배치된 전열부재를 더 포함하는 발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전열부재는, 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 유체도관을 커버하는 단열커버를 더 포함하는 발전기.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체도관은 엔진 배기가스의 배출경로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 발전기.
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