KR101337211B1 - Recovery heat generation apparatus using thermoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고온의 배기가스 등에 포함된 폐열이나 고온의 폐수 등으로부터 얻어지는 회수열을 이용하여 열전변환소자를 가열하여 전기를 생산하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 관한 것으로서, 특히 열전변환소자의 측면으로 방출되는 열이나 냉기를 차단하여 열전변환소자의 상하 양측에 걸리는 온도차를 크게 유지함으로써 발전 효율을 높일 수 있도록 한 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a recovery heat generation device using a thermoelectric conversion element that generates electricity by heating a thermoelectric conversion element using recovery heat obtained from waste heat contained in a high temperature exhaust gas or the like. The present invention relates to a recovery heat generating apparatus using a thermoelectric conversion element which can increase power generation efficiency by keeping a large temperature difference across both the upper and lower sides of the thermoelectric conversion element by blocking heat or cold air emitted to the side surface.
최근 인구 증가와 산업 발전으로 인해 에너지 부족과 환경 오염의 문제에 직면하고 있다. 이에 따라 많은 사람이 기존의 화석연료를 대체할 신규 에너지원을 찾기 위한 연구를 지속하고 있다. 이러한 연구결과 방사능 열이나 자동차의 폐열, 태양열 등의 복사열, 지열 체열 등의 열에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 열전효과(Thermoelectric Effects)를 이용한 전기소자(Electronic Device)인 열전소자(Thermoelectric Device)가 개발되었다.Recently, population growth and industrial development have faced problems of energy shortage and environmental pollution. As a result, many people are continuing to search for new energy sources to replace existing fossil fuels. As a result of this research, a thermoelectric device, an electronic device, is developed using thermoelectric effects that can convert thermal energy such as radiation heat, automobile waste heat, solar heat radiation, and geothermal heat to electrical energy. It became.
통상적으로 '열전 효과'란 제벡 효과(Seebeck)나 펠티에(Peltier) 효과 등 열의 흐름과 전류가 서로 영향을 미치는 물리 현상을 의미하며, 이러한 열전 효과는 다른 열전 성능(Thermoelectric Properties: 熱電性能)을 갖는 이종금속이나 이종 반도체를 접합한 회로에서 발생하고 있다.In general, the 'thermoelectric effect' refers to a physical phenomenon in which heat flow and current affect each other, such as a Seebeck effect or a Peltier effect, and these thermoelectric effects have different thermoelectric properties (熱電 性能). It occurs in a circuit in which dissimilar metals or dissimilar semiconductors are joined.
구체적으로 이러한 이종금속이나 이종 반도체의 접합부에 온도차가 있는 경우, 이들을 연결한 회로에서 전류가 발생하는 현상을 제벡 효과라 하고, 이종금속 회로나 이종 반도체를 접합한 회로에 직류전류를 인가하였을 때 접합부의 한쪽은 발열하고 다른 쪽은 흡열하는 현상을 펠티에 효과라 한다.Specifically, when there is a temperature difference between the junctions of dissimilar metals or dissimilar semiconductors, a phenomenon in which a current is generated in a circuit connecting them is called a Seebeck effect, and when a direct current is applied to a dissimilar metal circuit or a circuit in which dissimilar semiconductors are bonded, One side of the fever and the other endothermic phenomenon is called the Peltier effect.
펠티에 효과를 이용한 열전소자를 열전 냉각소자라 하는데, 열전 냉각소자는 컴퓨터의 CPU를 냉각시키거나 자동차의 시트 쿨러(Seat Cooler), 소형 냉/온장고 및 항온 장치분야에서 주로 사용되고 있으며, 김치냉장고와 같은 대형 가전에서도 사용되고 있다. 한편, 제벡 효과를 이용한 열전소자는 양단의 온도차에 의한 기전력을 이용하여 전기를 생산하는 것으로, 열전변환소자라고도 하며 주로 열전발전기(Thermoelectric Generator) 등에 사용되고 있다.Thermoelectric element using Peltier effect is called thermoelectric cooling element. Thermoelectric cooling element is mainly used in the cooling of computer CPU, seat cooler of automobile, small refrigerator / heater and constant temperature device. It is also used in large household appliances. On the other hand, the thermoelectric element using the Seebeck effect is to produce electricity by using the electromotive force due to the temperature difference between the two ends, also called a thermoelectric conversion element is mainly used in thermoelectric generators (Thermoelectric Generator).
이러한 열전발전기와 관련하여 항공우주기술 분야에서는 방사능열을 이용하여 전기를 생산하여 인공위성용 전원으로 사용하고 있고, 자동차 분야에서는 연료의 연소에 따라 발생한 에너지 중 손실되는 열을 이용하여 전기를 생산함으로써 연비의 향상을 꾀하고 있으며, 무선 센서 네트워크 분야에서는 열전형 적외선 센서 등 다양한 용도로 사용되고 있다. In relation to such thermoelectric generators, aerospace technology uses electricity to produce electricity using radioactive heat and uses it as satellite power.In the automotive field, fuel consumption is generated by using heat lost in energy generated by fuel combustion. In the field of wireless sensor networks, it is used for various purposes such as thermoelectric infrared sensors.
한편, 열전발전기는 효율이 10% 이하로 낮아서 다른 발전 방식에 비해 경제성이 현저히 저하되는 단점이 있으나, 기존 발전기보다 유리한 경우도 있다. 즉, 시스템의 유지관리 및 장기동작 수명이 요구되는 경우, 200W 이하로 규모가 작아 다른 발전기를 이용하는 것이 비경제적인 경우, 열에너지원의 가격이 낮고 기존 발전기에 적합하지 않은 경우 및 150도 이하의 온도를 이용하여 전기를 얻고자 하는 경우 등 특별한 조건이 있으면 기존 발전기보다 유리할 수 있다. 이에 따라 현재 개발된 대부분의 열전발전기는 우주나 해상 및 원격지의 전원공급용으로 사용되고 잇으며, 이는 유지관리 및 수명 면에서 유리하기 때문이다.On the other hand, the thermoelectric generator has a disadvantage that the economic efficiency is significantly lower than other power generation methods because the efficiency is less than 10%, there are also advantages than conventional generators. In other words, when the maintenance and long-term operation life of the system is required, if it is uneconomical to use another generator because the scale is less than 200W, when the price of the thermal energy source is low and it is not suitable for the existing generator, If there are special conditions, such as if you want to get electricity by using it may be advantageous than the existing generator. As a result, most of the thermoelectric generators currently developed are used for power supply in space, at sea and in remote areas, because they are advantageous in terms of maintenance and lifespan.
열전발전은 활용하지 않고 버리는 폐열 에너지를 이용할 수 있으므로, 폐열 에너지와 같은 회수열을 이용한 열전발전은 에너지 수입 의존도를 높이는데 효과가 있다. 우리나라의 경우 열전 발전을 통해 폐열을 회수하게 되면, 에너지 절약 규모가 산업 부문에서만 연간 500억원 이상으로 추산되고 있어 경제성은 충분하다.Since thermoelectric power generation can use waste heat energy that is discarded without using it, thermoelectric power generation using recovery heat such as waste heat energy is effective in increasing dependence on energy imports. In Korea, when the waste heat is recovered through thermoelectric power generation, energy saving is estimated at more than 50 billion won per year in the industrial sector alone, which is sufficient for economic efficiency.
상기한 열전발전에 있어서 큰 전력을 얻기 위해서는 열전소자의 양단 사이의 온도차가 커야 하고 열전소자의 제벡 상수값이 커야 한다. 열전소자의 제벡 상수값은 주로 소자의 구조 및 소자 재료의 구성 등에 의해 결정되며, 이러한 제벡 상수값을 높일 수 있는 방법에 대해서는 선행기술문헌들에 기재된 바와 같이 다양한 연구가 진행되고 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.In order to obtain a large power in the thermoelectric power generation, the temperature difference between both ends of the thermoelectric element should be large and the Seebeck constant value of the thermoelectric element should be large. The Seebeck constant value of the thermoelectric element is mainly determined by the structure of the device and the configuration of the device material. Since various studies have been conducted as described in the related arts on how to increase the Seebeck constant value, the description thereof will be given. Will be omitted.
또, 열전 소자의 양단의 온도차를 크게 하기 위해서는 고온부의 온도를 높이거나 저온부의 온도를 낮추어야 한다. 하지만, 이러한 방법은 고온부의 온도를 높이거나 저온부의 온도를 낮추기 위해 대부분 별도의 에너지를 추가로 투입해야 하므로, 회수열을 이용한 열전발전에는 적합하지 않다.In addition, in order to increase the temperature difference between both ends of the thermoelectric element, it is necessary to increase the temperature of the high temperature portion or lower the temperature of the low temperature portion. However, this method is not suitable for thermoelectric power generation using heat recovery because most of the additional energy must be added to increase the temperature of the hot part or lower the temperature of the hot part.
더욱이 기존의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에서는 열전변환소자의 상부와 하부에 각각 위치되는 가열부 및 냉각부로부터 열전변환소자로 전달되는 열기와 냉기가 외부로 누출됨으로써 열전변환소자의 양단 온도차를 감소시켜 발전 효율이 저하되는 요인이 되고 있다.Furthermore, in the conventional recovery thermoelectric generator using the thermoelectric conversion element, the temperature difference between both ends of the thermoelectric conversion element is caused by the leakage of heat and cold from the heating unit and the cooling unit located at the upper and lower portions of the thermoelectric conversion element to the thermoelectric conversion element to the outside. It is a factor that decreases the power generation efficiency.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전변환소자로부터 외부로 누출되는 열기 및 냉기를 차단함으로써 열전변환소자의 양단 온도차를 높게 유지하여 발전 효율이 향상되도록 한 열전변환소자를 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, by using a thermoelectric conversion device to improve the power generation efficiency by maintaining a high temperature difference across the thermoelectric conversion device by blocking the heat and cold air leaking from the thermoelectric conversion device to the outside The purpose is to provide a generator.
또, 본 발명은 외부의 다른 장치로부터 얻어지는 회수열이 열전변환소자의 고온부에 최대한 전달되도록 함과 아울러 냉수의 냉기가 열전변환소자의 저온부에 최대한 전달되도록 함으로써, 열전변환소자의 양단 온도차를 크게 유지할 수 있도록 한 열전변환소자를 이용한 발전장치를 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention is to ensure that the recovery heat obtained from the external device to the maximum to the high temperature portion of the thermoelectric conversion element and to ensure that the cold water of cold water is transmitted to the low temperature portion of the thermoelectric conversion element to maximize, thereby maintaining a large temperature difference between the two ends of the thermoelectric conversion element. It is an object of the present invention to provide a power generation apparatus using a thermoelectric conversion element.
또한, 본 발명은 외부의 다른 장치로부터 얻어지는 회수열의 유형에 따라 가열부재의 구조를 달리함으로써 범용성이 향상된 열전변환소자를 이용한 발전장치를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a power generation apparatus using a thermoelectric conversion element with improved versatility by varying the structure of the heating member according to the type of recovery heat obtained from other external devices.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상면과 저면의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 공지의 열전변환소자와; 전원선이 연결된 후면을 제외한 상기 열전변환소자의 3면에 각각 부착되어 열 또는 냉기가 외부로 방출되지 않도록 차단하는 냉열차단부재와; 상기 열전변환소자의 상면을 덮어주도록 설치되며 외부 장치로부터 배출된 회수열을 이용하여 상기 열전변환소자의 상면을 가열하는 가열부재와; 상기 열전변환소자 및 냉열차단부재의 저면에 접하도록 설치되어 상기 열전변환소자의 저면을 냉각시키는 냉각부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a known thermoelectric conversion element for producing electricity by using a temperature difference between the upper surface and the lower surface; A cold heat blocking member attached to three surfaces of the thermoelectric conversion element except for a rear surface to which a power line is connected to block heat or cold from being discharged to the outside; A heating member installed to cover the upper surface of the thermoelectric conversion element and heating the upper surface of the thermoelectric conversion element by using the recovered heat discharged from an external device; And a cooling member installed to be in contact with the bottom surfaces of the thermoelectric conversion element and the cold heat blocking member to cool the bottom surface of the thermoelectric conversion element.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 냉열차단부재는, 중량%로 산화마그네슘(MgO) 85~98%, 산화알루미늄(Al2O3) 0.5~12.0%, 이산화규소(SiO2) 0.2~1.5%과, 미량의 산화티타늄(TiO2)과 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하는 불가피한 불순물로 이루어진 세라믹 분말의 소결체로 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovered heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, the cold heat shield member is 85% to 98% magnesium oxide (MgO), 0.5 to 12.0% aluminum oxide (Al2O3), silicon dioxide (SiO2) ) 0.2-1.5% and a sintered body of a ceramic powder made of an inevitable impurity including a small amount of titanium oxide (TiO 2) and zirconium oxide (ZrO 2) and calcium oxide (CaO).
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 냉열차단부재 중 상기 열전변환소자의 전면에 부착된 제1냉열차단부재는 열전변환소자의 양쪽 측면에 부착되는 제2냉열차단부재의 하측까지 연장 형성된 것을 특징으로 한다. In addition, according to the recovered heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, the first cold heat blocking member attached to the front surface of the thermoelectric conversion element of the cold heat blocking member is attached to both sides of the thermoelectric conversion element, the second cold heat blocking It is characterized by extending to the lower side of the member.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 열전변환소자의 후면에 상기 전원선이 삽입되는 관통홀이 형성된 제3냉열차단부재가 더 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovered heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, a third cold heat blocking member having a through hole through which the power line is inserted is further provided on the rear surface of the thermoelectric conversion element.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 냉각부재의 폭은 상기 열전변환소자와 냉열차단부재의 조립체의 폭에 비해 1.2~1.5배이고, 상기 냉각부재의 길이 역시 상기 열전변환소자와 냉열차단부재의 조립체의 길이에 비해 1.2~1.5배인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, the width of the cooling member is 1.2 to 1.5 times the width of the assembly of the thermoelectric conversion element and the cold heat shield member, the length of the cooling member is also the thermoelectric It is characterized in that 1.2 to 1.5 times the length of the assembly of the conversion element and the cold heat shield member.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 냉각부재의 내부에 냉수유입구와 냉수배출구를 연결하는 유로가 형성되고, 적어도 상기 열전변환소자에 접하는 상면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부가 냉수의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 한다.Further, according to the recovered heat generation apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, a flow path for connecting the cold water inlet and the cold water discharge port is formed inside the cooling member, and at least on the inner side of the upper surface portion in contact with the thermoelectric conversion element is triangular shape It characterized in that the uneven portion is formed long along the flow direction of cold water.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 가열부재의 내부에 외부 장치로부터 배출된 고온의 온수가 유입구를 통해 배출구로 배출되도록 온수 유로가 형성되고, 적어도 상기 열전변환소자에 접하는 저면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부가 온수의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, a hot water passage is formed in the heating member so that the hot water discharged from the external device is discharged through the inlet to the outlet, at least the thermoelectric conversion element On the inner side of the bottom portion in contact with the triangular irregularities is characterized in that formed long along the flow direction of the hot water.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 온수 유로를 형성하기 위한 격벽의 양쪽 측면에 각각 삼각 형상의 요철부가 온수의 유동 방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, the triangular irregularities are formed on both sides of the partition wall for forming the hot water flow path, respectively long along the flow direction of the hot water.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 가열부재는 상기 열전변환소자의 상면에 접하도록 형성되어 휘발성 액체의 응축과정에서 발생하는 열로 상기 열전변환소자를 가열하는 응축부와 상기 냉각부재의 외측까지 연장 형성되며 외부 장치로부터 공급된 폐열에 의해 가열되어 내부의 휘발성 액체가 가열되도록 하는 증발부로 이루어지는 복수의 히트 파이프인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, the heating member is formed in contact with the upper surface of the thermoelectric conversion element condensation unit for heating the thermoelectric conversion element with heat generated in the condensation process of the volatile liquid And a plurality of heat pipes formed extending to the outside of the cooling member and being heated by waste heat supplied from an external device to heat the volatile liquid therein.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 히트 파이프는 적어도 상기 열전변환소자에 접하는 저면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부가 휘발성 액체의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovered heat generation device using the thermoelectric conversion element of the present invention, the heat pipe is characterized in that the at least the inner surface of the bottom portion in contact with the thermoelectric conversion element is formed in the triangular irregularities long along the flow direction of the volatile liquid. do.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 휘발성 액체는 알콜, 물, 수은 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion device of the present invention, the volatile liquid is characterized in that any one of alcohol, water, mercury.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 히트 파이프의 증발부는 외측으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다. In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, the evaporation portion of the heat pipe is characterized in that it is formed inclined outward.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 상기 가열부재의 상측에 상기 열전변환소자와 냉열차단부재의 조립체가 설치되고 그 상측에 상기 냉각부재가 더 설치되어, 상기 가열부재를 중심으로 상하 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the recovery heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, the assembly of the thermoelectric conversion element and the cold heat shielding member is installed on the upper side of the heating member and the cooling member is further installed on the heating member, the heating member It is characterized by having a vertical symmetrical structure around.
본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치는, 열전변환소자의 4면 중 전원선이 연결된 부분을 제외한 3면에 냉열차단부재가 설치되어 가열부재로부터 공급되는 열기와 냉각부재로부터 공급되는 냉기가 외부로 누출되지 않도록 차단하게 되므로, 열전변환소자의 상하 온도차가 크게 유지되어 발전 효율이 향상되는 효과가 있다. In the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, the cold heat blocking member is installed on three sides of the four sides of the thermoelectric conversion element except for the part to which the power line is connected, the cold air supplied from the heat and cooling member supplied from the heating member. Since it is blocked so as not to leak to the outside, the temperature difference of the thermoelectric element is maintained large, there is an effect that the power generation efficiency is improved.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 열전변환소자의 전원선이 인출되는 부분을 제외한 측면 전체를 냉열차단부재로 차단함에 따라 열기와 냉기의 누출로 인해 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the recovered heat generation device using the thermoelectric conversion element of the present invention, the power generation efficiency is reduced due to leakage of heat and cold air by blocking the entire side surface of the thermoelectric conversion element except for the part from which the power line is drawn out by the cold heat blocking member. There is an effect that can be prevented.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 가열부재가 온수 유로가 형성된 열교환기 구조로 이루어짐에 따라 온배수 형태의 회수열을 이용할 수 있고 가열부재 전체의 온도가 대체적으로 균일하게 유지됨과 아울러 열전변환소자에 접하는 온수 유로의 바닥면에 삼각 형상의 요철부가 형성됨에 따라 전열면적이 증가하여 열전변환소재로 공급되는 열기의 양이 증가하는 효과가 있다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, as the heating member is made of a heat exchanger structure formed with a hot water flow path, it is possible to use the recovery heat in the form of hot water drainage and the temperature of the entire heating member is substantially uniform. In addition, as the triangular irregularities are formed on the bottom surface of the hot water flow passage in contact with the thermoelectric conversion element, the heat transfer area is increased, thereby increasing the amount of heat supplied to the thermoelectric conversion material.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 냉각부재에 냉수 유로가 형성됨과 아울러 열전변환소자에 접하는 냉수 유로의 상면에 삼각 형상의 요철부가 형성됨에 따라 냉각부재 전체의 온도가 대체적으로 균일하게 유지됨과 아울러 전열면적의 증가로 열전변환소재로 공급되는 냉기의 양이 증가하는 효과가 있다.In addition, according to the recovery heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention, as the cold water flow path is formed on the cooling member and the triangular irregularities are formed on the upper surface of the cold water flow path in contact with the thermoelectric conversion element, the temperature of the entire cooling member is increased. It is generally maintained uniformly, and the amount of cold air supplied to the thermoelectric conversion material is increased by increasing the heat transfer area.
또, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 가열부재가 히트 파이프 구조로 이루어짐에 따라 고온의 연소 가스 형태로 공급되는 회수열을 이용할 수 있고 열전변환소자에 접하는 응축부의 바닥면에 바닥면에 삼각 형상의 요철부가 형성됨에 따라 전열면적이 증가하여 열전변환소재로 공급되는 열기의 양이 증가하는 효과가 있다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, as the heating member has a heat pipe structure, it is possible to use the recovery heat supplied in the form of a high temperature combustion gas, and the bottom surface of the condensation part in contact with the thermoelectric conversion element. As the triangular irregularities are formed on the bottom surface, the heat transfer area is increased, thereby increasing the amount of heat supplied to the thermoelectric conversion material.
또한, 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치에 따르면, 가열부재를 중심으로 하여 열전변환소자와 냉각부재가 서로 대칭으로 형성됨에 따라 동일한 회수열을 이용하여 2배수의 열전변환소자를 작동시킬 수 있어 전기 생산량이 증가하는 효과가 있다.In addition, according to the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention, since the thermoelectric conversion element and the cooling member are formed symmetrically with respect to the heating element, the thermoelectric conversion element is operated twice as many times using the same recovery heat. This can increase the amount of electricity produced.
도 1은 본 발명에 의한 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치의 조립 사시도.
도 3은 본 발명의 요부 구성인 가열부재의 일부 절개 사시도.
도 4는 본 발명의 요부 구성인 냉각부재의 일부 절개 사시도.
도 5는 본 발명의 요부 구성인 가열부재의 다른 실시예를 나타낸 일부 절개 사시도.
도 6은 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치의 변형예를 나타낸 참고도.1 is an exploded perspective view of a recovered heat generator using the thermoelectric conversion device according to the present invention.
Figure 2 is an assembled perspective view of the recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention.
3 is a partially cutaway perspective view of a heating member which is a main component of the present invention.
Figure 4 is a partially cutaway perspective view of the cooling member of the main component of the present invention.
Figure 5 is a partially cut perspective view showing another embodiment of a heating member which is a main component of the present invention.
6 is a reference diagram showing a modification of the recovered heat generating apparatus using the thermoelectric conversion element of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention will be described.
본 발명에 의한 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치는, 도 1 내지 5에 도시된 바와 같이, 상면과 저면의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 공지의 열전변환소자(50)와; 전원선(55)이 연결된 후면을 제외한 상기 열전변환소자(50)의 3면에 각각 부착되어 열 또는 냉기가 외부로 방출되지 않도록 차단하는 냉열차단부재(10)와; 상기 열전변환소자(50)의 상면을 덮어주도록 설치되며 외부 장치로부터 배출된 회수열을 이용하여 상기 열전변환소자의 상면을 가열하는 가열부재(20)와; 상기 열전변환소자(50) 및 냉열차단부재(10)의 저면에 접하도록 설치되어 상기 열전변환소자(50)의 저면을 냉각시키는 냉각부재(30);를 포함하여 이루어진다.Recovery heat generating apparatus using a thermoelectric conversion device according to the present invention, as shown in Figures 1 to 5, known
여기서, 상기 냉열차단부재(10)는, 중량%로 산화마그네슘(MgO) 85~98%, 산화알루미늄(Al2O3) 0.5~12.0%, 이산화규소(SiO2) 0.2~1.5%과, 미량의 산화티타늄(TiO2)과 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하는 불가피한 불순물로 이루어진 세라믹 분말의 소결체로 제작된다.Here, the cold
그리고, 상기 냉열차단부재(10) 중 상기 열전변환소자(50)의 전면에 부착된 제1냉열차단부재(11)는 열전변환소자(50)의 양쪽 측면에 부착되는 제2냉열차단부재(12)의 하측까지 연장 형성되는 것이 바람직하다. 또, 상기 열전변환소자(50)의 후면에 상기 전원선(55)이 삽입되는 관통홀(13')이 형성된 제3냉열차단부재(13)가 더 설치될 수도 있다.In addition, the first cold
상기 냉각부재(30)의 폭은 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체의 폭에 비해 1.2~1.5배이고, 상기 냉각부재(30)의 길이 역시 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체의 길이에 비해 1.2~1.5배인 것이 바람직하다. 이는 상기 열전변환소자(50)의 외면을 모두 차단하여 상기 열전변환소자(50)의 저면으로 공급되는 냉기 및 상면으로 공급되는 열기가 외부로 방출되는 것을 모두 차단함으로써, 상기 열전변환소자(50)의 상하 온도차를 크게 하여 발전용량을 증대시키기 위한 것이다.The width of the cooling
또, 상기 냉각부재(30)의 내부에 냉수유입구(31)와 냉수배출구(32)를 연결하는 유로가 형성되고, 적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 상면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부(33)가 냉수의 유동방향을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 냉수 유로를 형성하기 위한 격벽(34)의 양쪽 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(33)가 냉수의 유동 방향을 따라 길게 형성되는 것이 더 바람직하다.In addition, a flow path connecting the
이와 같이 상기 냉각부재(30)의 상면부 내측면 및 격벽(34)의 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(33)를 형성하는 이유는 냉수와 냉각부재(30) 사이의 열교환 면적을 증대시켜 냉각부재(30)의 온도를 더 낮게 하기 위한 것이다.As such, the reason for forming the triangular
한편, 상기 가열부재(20)는 외부의 다른 장치로부터 공급되는 회수열의 형식에 따라 다르게 구성할 수 있다. 즉, 회수열이 온수의 형태로 공급되는 경우에는 상기 가열부재(20)의 내부에 외부 장치로부터 배출된 고온의 온수가 유입구(21)를 통해 배출구(22)로 배출되도록 온수 유로를 형성하고, 적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 저면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부(23)가 온수의 유동방향을 따라 길게 형성되도록 한다. 이때, 상기 온수 유로를 형성하기 위한 격벽(24)의 양쪽 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(23)가 온수의 유동 방향을 따라 길게 형성된 되는 것이 더 바람직하다.On the other hand, the
이와 같이 상기 가열부재(20)의 저면부 내측면 및 격벽(24)의 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(23)를 형성하는 이유는 온수와 가열부재(20) 사이의 열교환 면적을 증대시켜 가열부재(20)의 온도를 더 높이기 위한 것으로, 상기 가열부재(20)에 의해 공급되는 열을 이용하여 상기 열전변환소자(50)의 상면 온도가 더욱 높아지게 하기 위한 것이다.The reason for forming the triangular
하지만, 외부의 다른 장치로부터 공급되는 회수열이 고온의 연소 가스 등과 같이 폐열의 형태로 공급되는 경우에는 도 5와 같이 히트 파이프 형식의 가열부재를 사용한다. 즉, 상기 가열부재(20)는 상기 열전변환소자(50)의 상면에 접하도록 형성되어 휘발성 액체의 응축과정에서 발생하는 열로 상기 열전변환소자(50)를 가열하는 응축부(26)와 상기 냉각부재(30)의 외측까지 연장 형성되며 외부 장치로부터 공급된 폐열에 의해 가열되어 내부의 휘발성 액체가 가열되도록 하는 증발부(27)로 구성된 복수의 히트 파이프(25)로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 휘발성 액체로는 공지의 히트 파이프에서 사용되고 있는 알콜, 물, 수은 등을 사용하며, 그 내부 구조 또한 공지의 히트 파이프와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. However, when the recovery heat supplied from another external device is supplied in the form of waste heat such as high-temperature combustion gas, a heat pipe type heating member is used as shown in FIG. 5. That is, the
다만, 상기 히트 파이프(25)는 적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 응축부(26)의 저부 내측면에 삼각 형상의 요철부(28)가 휘발성 액체의 유동방향을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 휘발성 액체와 응축부(26)의 저부 내측내측면 사이의 접촉면적을 증대시켜 응축부의 온도를 상승시키기 위한 것이다.However, the
또, 상기 히트 파이프(25)의 증발부(27)는 외측으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 히트 파이프(25)의 증발부(27)를 열전변환소자(50) 및 냉각부재(30)로부터 이격시켜 증발부(27)를 가열하는 연소가스 등의 폐열에 의한 영향을 최소화하기 위한 것이다.In addition, the
상기한 본 발명의 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치는 외부의 다른 장치로부터 공급되는 고온의 연소 가스나 온배수와 같은 회수열을 이용하여 전기를 생산하게 되며, 열전변환소자(50)의 측면에 설치된 냉열차단부재(10)를 이용하여 열전변환소자(50)로부터 열기와 냉기가 외부로 방출되는 것을 차단함으로써 열전변환소자(50)의 상면과 저면의 온도차가 크게 유지되도록 하여 발전 효율이 향상되도록 한다.The recovery heat generator using the thermoelectric conversion element of the present invention is to produce electricity by using the recovery heat, such as high temperature combustion gas or hot water supplied from other devices, the side of the
이상에서는 상기 가열부재(20)와 냉각부재(30) 사이에 하나의 열전변환소자(50)가 설치된 것에 대하여 설명하였으나, 상기 가열부재(20)와 냉각부재(30)의 크기를 고려하여 상기 냉열차단부재(10) 사이에 복수의 열전변환소자(50)를 설치하여 전기 생산량을 증가시킬 수 있다.In the above description, one
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 가열부재(20)의 상측에 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체가 설치되고, 그 상측에 상기 냉각부재(30)가 더 설치되도록 할 수도 있다. 즉, 상기 가열부재(20)를 중심으로 하여 상기 열전변환소자(50)와 냉각부재(30)를 상하 대칭으로 배치하는 것이다. 이 경우 전기를 생산하는 상기 열전변환소자(50)의 수가 2배로 증가하여 전기 생산량이 증가하게 된다.
In addition, as shown in FIG. 6, an assembly of the
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. Although described and illustrated with respect to some embodiments for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as described and described as described above, the technical idea described in the claims It will be understood by those skilled in the art that many changes and modifications can be made to the present invention without departing from its scope. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.
10...냉열차단부재
11...제1냉열차단부재
12...제2냉열차단부재
13...제3냉열차단부재
13'...관통공
20...가열부재
21...유입구
22...배출구
23...요철부
24...격벽
25...히트 파이프
26...응축부
27...증발부
28...요철부
30...냉각부재
31...냉수유입구
32...냉수배출구
33...요철부
34...격벽
50...열전변환소자
55...전원선10 ... cold heat shield
11.First cold heat blocking member
12.2nd cold heat blocking member
13 ... 3rd cold heat shield member
13 '... through-through
20.Heating member
21.Inlet
22.Outlet
23.Uneven portion
24.Bulk
25 ... heat pipe
26 ... condensation
27 ... Evaporator
28.Uneven portion
30.Cooling element
31.Cold water inlet
32.Cold water outlet
33.Uneven portion
34.Bulk
50 ... Thermoelectric element
55 ... power line
Claims (14)
전원선(55)이 연결된 후면을 제외한 상기 열전변환소자(50)의 3면에 각각 부착되어 열 또는 냉기가 외부로 방출되지 않도록 차단하는 냉열차단부재(10)와;
상기 열전변환소자(50)의 상면을 덮어주도록 설치되며 외부 장치로부터 배출된 회수열을 이용하여 상기 열전변환소자(50)의 상면을 가열하는 가열부재(20)와;
상기 열전변환소자(50) 및 냉열차단부재(10)의 저면에 접하도록 설치되어 상기 열전변환소자(50)의 저면을 냉각시키는 냉각부재(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.A known thermoelectric conversion element 50 for producing electricity by using a temperature difference between an upper surface and a lower surface;
A cold heat blocking member 10 attached to three surfaces of the thermoelectric conversion element 50 except for a rear surface to which a power line 55 is connected to block heat or cold from being discharged to the outside;
A heating member 20 installed to cover the upper surface of the thermoelectric conversion element 50 and heating the upper surface of the thermoelectric conversion element 50 by using recovered heat discharged from an external device;
And a cooling member 30 installed to be in contact with the bottom of the thermoelectric conversion element 50 and the cold heat shielding member 10 to cool the bottom of the thermoelectric conversion element 50. Recovery heat generator using.
상기 냉열차단부재(10) 중 상기 열전변환소자(50)의 전면에 부착된 제1냉열차단부재(11)는 열전변환소자(50)의 양쪽 측면에 부착되는 제2냉열차단부재(12)의 하측까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 1,
Among the cold heat blocking members 10, the first cold heat blocking member 11 attached to the front surface of the thermoelectric conversion element 50 may be formed on both sides of the thermoelectric conversion element 50. Recovery heat generating device using a thermoelectric element, characterized in that extending to the lower side.
상기 열전변환소자(50)의 후면에 상기 전원선(55)이 삽입되는 관통홀(13')이 형성된 제3냉열차단부재(13)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.3. The method of claim 2,
Recovery heat generation using a thermoelectric conversion element, characterized in that the third cold heat blocking member 13 is further formed on the rear surface of the thermoelectric conversion element 50 is formed with a through hole 13 ′ into which the power line 55 is inserted. Device.
상기 냉각부재(30)의 폭은 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체의 폭에 비해 1.2~1.5배이고,
상기 냉각부재(30)의 길이 역시 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체의 길이에 비해 1.2~1.5배인 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 1,
The width of the cooling member 30 is 1.2 to 1.5 times the width of the assembly of the thermoelectric conversion element 50 and the cold heat shielding member 10,
The length of the cooling member 30 is also a recovery heat generator using a thermoelectric conversion element, characterized in that 1.2 to 1.5 times the length of the assembly of the thermoelectric conversion element 50 and the cold heat shielding member (10).
상기 냉각부재(30)의 내부에 냉수유입구(31)와 냉수배출구(32)를 연결하는 냉수 유로가 형성되고,
적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 상면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부(33)가 냉수의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 1,
A cold water flow path is formed in the cooling member 30 to connect the cold water inlet 31 and the cold water outlet 32.
At least an inner surface of the upper surface portion in contact with the thermoelectric conversion element (50) is a triangular uneven portion 33, the recovery heat generator using a thermoelectric conversion element, characterized in that formed long along the flow direction of cold water.
상기 냉수 유로를 형성하기 위한 격벽(34)의 양쪽 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(33)가 냉수의 유동 방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 5,
Recovery heat generating apparatus using a thermoelectric conversion element, characterized in that the triangular uneven portion 33 is formed in both sides of the partition wall 34 for forming the cold water flow path in the long direction along the flow direction of the cold water.
상기 가열부재(20)의 내부에 외부 장치로부터 배출된 고온의 온수가 유입구(21)를 통해 배출구(22)로 배출되도록 온수 유로가 형성되고,
적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 저면부의 내측면에는 삼각 형상의 요철부(23)가 온수의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 1,
A hot water flow path is formed in the heating member 20 so that the hot water discharged from the external device is discharged to the outlet 22 through the inlet 21.
Recovery heat generator using a thermoelectric conversion element, characterized in that the at least the inner surface of the bottom portion in contact with the thermoelectric conversion element (50) is formed in the triangular concave-convex portion (23) along the flow direction of the hot water.
상기 온수 유로를 형성하기 위한 격벽(24)의 양쪽 측면에 각각 삼각 형상의 요철부(23)가 온수의 유동 방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 7, wherein
Recovery heat generating apparatus using a thermoelectric conversion element, characterized in that the triangular irregularities (23) are formed long along the flow direction of the hot water respectively on both sides of the partition wall 24 for forming the hot water flow path.
상기 가열부재(20)는 내부에 휘발성 액체가 주입된 복수의 히트 파이프(25)로 이루어지고,
상기 히트 파이프(25)는 상기 열전변환소자(50)의 상면에 접하도록 형성되어 휘발성 액체의 응축과정에서 발생하는 열로 상기 열전변환소자(50)를 가열하는 응축부(26)와, 상기 냉각부재(30)의 외측까지 연장 형성되며 외부 장치로부터 공급된 폐열에 의해 가열되어 내부의 휘발성 액체가 가열되도록 하는 증발부(27)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 1,
The heating member 20 is composed of a plurality of heat pipes 25 in which volatile liquid is injected therein,
The heat pipe 25 is formed to be in contact with the upper surface of the thermoelectric conversion element 50, the condensation unit 26 for heating the thermoelectric conversion element 50 by the heat generated during the condensation process of the volatile liquid, and the cooling member A heat recovery apparatus using a thermoelectric conversion element, characterized in that it is formed extending to the outside of the evaporation unit 27 is heated by the waste heat supplied from the external device to heat the volatile liquid therein.
상기 히트 파이프(25)는 적어도 상기 열전변환소자(50)에 접하는 응축부의 저부 내측면에 삼각 형상의 요철부(28)가 휘발성 액체의 유동방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.10. The method of claim 9,
The heat pipe 25 has a triangular uneven portion 28 formed on the inner surface of the bottom portion of the condensation portion in contact with the thermoelectric conversion element 50 along the flow direction of the volatile liquid. Recovery heat generator.
상기 휘발성 액체는 알콜, 물, 수은 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.10. The method of claim 9,
The volatile liquid is a recovery heat generator using a thermoelectric element, characterized in that any one of alcohol, water, mercury.
상기 히트 파이프(25)의 증발부(27)는 외측으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.The method of claim 10,
Recovery heat generation apparatus using a thermoelectric conversion element, characterized in that the evaporator (27) of the heat pipe (25) is inclined outward.
상기 냉열차단부재(10)는, 중량%로 산화마그네슘(MgO) 85~98%, 산화알루미늄(Al2O3) 0.5~12.0%, 이산화규소(SiO2) 0.2~1.5%과, 미량의 산화티타늄(TiO2)과 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하는 불가피한 불순물로 이루어진 세라믹 분말의 소결체로 제작되는 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.13. The method according to any one of claims 1 to 12,
The cold heat shield member 10 is 85% to 98% of magnesium oxide (MgO), 0.5 to 12.0% of aluminum oxide (Al2O3), 0.2 to 1.5% of silicon dioxide (SiO2), and a small amount of titanium oxide (TiO2). A recovery heat generator using a thermoelectric conversion element, characterized in that it is made of a sintered body of ceramic powder composed of inevitable impurities including zirconium oxide (ZrO 2) and calcium oxide (CaO).
상기 가열부재(20)의 상측에 상기 열전변환소자(50)와 냉열차단부재(10)의 조립체가 설치되고 그 상측에 상기 냉각부재(30)가 더 설치되어,
상기 가열부재(20)를 중심으로 상하 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열전변환소자를 이용한 회수열 발전장치.13. The method according to any one of claims 1 to 12,
An assembly of the thermoelectric conversion element 50 and the cold heat shielding member 10 is installed above the heating member 20, and the cooling member 30 is further installed thereon.
Recovery heat generator using a thermoelectric conversion element characterized in that it has a vertically symmetrical structure around the heating member (20).
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2013
- 2013-06-24 KR KR1020130072270A patent/KR101337211B1/en not_active IP Right Cessation
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| A302 | Request for accelerated examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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