KR101694979B1 - 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자를 이용한 폐열 회수형 열전발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 중온용 열전발전소자와 상온용 열전발전소자가 복층으로 설치됨에 따라 폐열배출부에서 배출되는 1차 폐열을 중온용 열전발전소자에서 1차 발전하고 중온용 열전발전소자에서 배출되는 2차 폐열을 상온용 열전발전소자에서 2차 발전함으로써 열전발전효율을 더욱 높일 수 있는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 설치되는 열전발전장치에 있어서, 복수 개로 분할 구성되어 상호 결합을 통해 내면이 상기 폐열배출부의 외면에 밀착되게 설치되고 외면에 복수 개의 평면이 구비되는 제1플레이트; 상기 제1플레이트의 평면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 제1온도영역에서 발전하는 제1열전발전소자; 상기 제1플레이트의 평면에 각각 상기 제1열전발전소자의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제1냉각핀이 형성되는 제2플레이트; 상기 제2플레이트의 외면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 상기 제1온도영역보다 상대적으로 낮은 제2온도영역에서 발전하는 제2열전발전소자; 상기 제2플레이트의 외면에 각각 상기 제2열전발전소자의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제2냉각핀이 형성되는 제3플레이트; 상기 제3플레이트에 설치되어 상기 제2열전발전소자의 타면을 냉각시키는 제1냉각파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치를 기술적 요지로 한다.

Description

복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치{Thermoelectric generation apparatus with multi stage for waste heat}

본 발명은 열전소자를 이용한 폐열 회수형 열전발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 중온용 열전발전소자와 상온용 열전발전소자가 복층으로 설치됨에 따라 폐열배출부에서 배출되는 1차 폐열을 중온용 열전발전소자에서 1차 발전하고 중온용 열전발전소자에서 배출되는 2차 폐열을 상온용 열전발전소자에서 2차 발전함으로써 열전발전효율을 더욱 높일 수 있는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 열전발전장치는 열전소자(thermoelement)의 제베크효과를 이용하여 열에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 주로 자동차의 배기관, 보일러의 튜브, 전기로의 배관 등과 같이 폐열이 외부로 배출되는 폐열배출부의 외측에 설치된다.

이러한 종래의 열전발전장치는 폐열배출부를 따라 둘러 설치되는 열전달부재, 상기 열전달부재의 외면에 고온부 측이 접촉되게 설치되는 열전발전소자, 및 상기 열전발전소자의 저온부 측에 설치되는 냉각수단을 포함하여 구성된다.

즉, 폐열배출부에서 배출되는 폐열에 의해 열전발전소자의 고온부 측이 가열되고 외부의 냉각수단에 의해 열전발전소자의 저온부 측이 냉각됨으로써 열전발전소자의 고온부 측과 저온부 측 간의 온도 차에 의해 발전하게 된다.

그러나 종래의 열전발전장치는 폐열배출부의 외측에 복수 개의 열전발전소자가 단층으로만 설치됨에 따라 폐열배출부에서 배출되는 폐열의 일부만을 이용하여 발전함으로써 열전발전효율이 떨어지는 문제점이 있다.

즉, 열전발전소자의 경우 특정 온도 영역 대에서 발생하는 고온부 측과 저온부 측 간의 온도 차이에 의해 발전함에 따라 상기 특정 온도 영역 대보다 높은 온도를 가지는 폐열과, 상기 특정 온도 영역 대보다 낮은 온도를 가지는 폐열을 이용하지 못하므로 발전량을 높이는데 한계가 있다.

국내 공개특허공보 제10-2012-0036113호, 2012.04.17.자 공개. 국내 등록특허공보 제10-1327735호, 2013.11.05.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1361044호, 2014.02.04.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 폐열배출부에서 배출되는 폐열 중에서 종래의 열전발전장치에서 사용되지 않고 버려지는 폐열을 최소화하여 열전발전함으로써 발전량을 증대시켜 열전발전효율을 높이는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는, 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 설치되는 열전발전장치에 있어서, 복수 개로 분할 구성되어 상호 결합을 통해 내면이 상기 폐열배출부의 외면에 밀착되게 설치되고 외면에 복수 개의 평면이 구비되는 제1플레이트; 상기 제1플레이트의 평면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 제1온도영역에서 발전하는 제1열전발전소자; 상기 제1플레이트의 평면에 각각 상기 제1열전발전소자의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제1냉각핀이 형성되는 제2플레이트; 상기 제2플레이트의 외면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 상기 제1온도영역보다 상대적으로 낮은 제2온도영역에서 발전하는 제2열전발전소자; 상기 제2플레이트의 외면에 각각 상기 제2열전발전소자의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제2냉각핀이 형성되는 제3플레이트; 상기 제3플레이트에 설치되어 상기 제2열전발전소자의 타면을 냉각시키는 제1냉각파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 열전발전소자가 중온용 열전발전소자와 상온용 열전발전소자가 차례대로 적층된 형태로 구성됨에 따라 폐열배출부에서 배출되는 폐열을 최대한 많이 이용하여 열전발전에 사용함으로써 발전효율을 향상시켜 발전량을 크게 늘릴 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 일측면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 일측면도.

본 발명에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는, 자동차의 배기관이나 보일러의 튜브나 전기로의 배관 등과 같이 폐열이 외부로 배출되는 폐열배출부의 외측에 설치되어 폐열에 의한 열전발전소자의 고온부 측과 저온부 측에 발생하는 온도 차이에 의해 발전하는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는, 열전발전소자에서 사용되지 않는 외부로 배출되는 폐열을 최소화하여 열전발전효율을 향상시킨 것이 큰 특징이다.

이러한 특징은, 폐열배출부의 외측에 제1플레이트가 설치되고 상기 제2플레이트의 외측에 제1온도영역에서 열전발전하는 제1열전발전소자가 설치되며 상기 제1열전발전소자의 외측에 제2플레이트가 설치되고 상기 제2플레이트의 외측에 제1온도영역보다 상대적으로 낮은 제2온도영역에서 열전발전하는 제2열전발전소자가 설치되며 상기 제2열전발전소자의 외측에 제3플레이트가 설치되는 구조에 의해 달성된다.

즉, 열전발전소자를 제1온도영역에서 열전발전하는 제1열전발전소자와 제2온도영역에서 열전발전하는 제2열전발전소자로 구성하여 폐열배출부에서 배출되는 상대적으로 온도가 높은 폐열을 이용하여 1차 발전하고 제1열전발전소자에서 배출되는 상대적으로 온도가 낮은 폐열을 이용하여 2차 발전하는 구조에 의한 것이다.

따라서 열전발전 온도영역이 다른 두 개의 열전발전소자를 통해 폐열배출부에서 배출되는 폐열을 최대한 많이 이용하여 열전발전함에 따라 발전효율을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 일측면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치의 일측면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는, 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(100), 제1열전발전소자(200), 제2플레이트(300), 제2열전발전소자(500), 제3플레이트(600), 및 제1냉각파이프(800)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 제1플레이트(100)는 폐열배출부의 외측에 설치되어 폐열배출부에서 배출되는 폐열을 흡수하여 후술할 상기 제1열전발전소자(200)의 일면(고온부 측)으로 전달하는 구성이다.

이를 위해 제1플레이트(100)는 내면이 폐열배출부의 외면에 밀착 설치되도록 복수 개로 분할 형성된 상태에서 상호 간의 결합을 통하여 폐열배출부의 외면과 대응되는 형상을 이루면서 외면에는 적어도 하나 이상의 평면이 구비되도록 구성된다.

즉, 도 1과 같이 폐열배출부가 원통관 형태인 경우에는 상호 결합에 따라 내면이 원형 형태로 이루어지고 외면에 복수 개의 평면이 구비되도록 구성되고, 도 3과 같이 폐열배출부가 사각관 형태인 경우에는 상호 결합에 따라 내면이 사각형 형태로 이루어지며 외면에 복수 개의 평면이 구비되도록 구성된다.

단, 제1플레이트(100)는 기존에 사용되고 있는 폐열배출부를 절단 등의 작업 없이 바로 적용 가능하도록 상호 결합된 상태에서 체결볼트(미도시)에 의해 체결 고정되어 폐열배출부의 외측에 견고하게 설치된다.

한편, 제1플레이트(100)는 폐열배출부의 폐열이 제1열전발전소자(200)의 일면에 효율적으로 전달될 수 있도록 열전도도가 우수한 알루미늄 재질 등으로 구성된다.

다음으로, 상기 제1열전발전소자(200)는 복수 개로 이루어져 제1플레이트(100)의 외면에 구비된 평면에 각각 설치되어 제1플레이트(100)와 접촉되는 일면(고온부 측)과 타면(저온부 측) 간의 온도 차이에 따라 전기에너지를 발생시키는 구성이다.

이를 위해 제1열전발전소자(200)는 상기 후술할 제2열전발전소자(500)에 비하여 동작온도가 상대적으로 높은 제1온도영역에서 열전발전하도록 구성된다. 이는 폐열배출부에서 배출되는 상대적으로 온도가 높은 1차 폐열을 이용하여 열전발전 효율을 높이기 위한 것이다.

즉, 제1열전발전소자(200)를 상대적으로 높은 200~500℃의 제1온도영역에서 전기에너지를 발생시키는 중온용 열전발전소자로 구성하여 폐열배출부에서 1차적으로 배출되는 상대적으로 고온인 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키게 된다.

이때 열전발전소자는 고온부 측으로 전달되는 온도가 높을수록 그리고 고온부 측과 저온부 측 간의 온도 차이가 크면 클수록 발전효율이 높으므로 상대적으로 고온의 폐열을 이용하는 중온용 열전발전소자로 구성함으로써 발전효율을 높일 수 있다.

다음으로, 상기 제2플레이트(300)는 제1열전발전소자(200)를 사이에 두고 제1플레이트(100)의 평면에 각각 제1열전발전소자(200)의 타면과 밀착되게 설치되어 제1열전발전소자(200)의 타면을 냉각시키면서 제1열전발전소자(200)의 타면에 잔존하는 2차 폐열을 흡수하여 후술할 상기 제2열전발전소자(500)의 일면으로 전달하는 구성이다.

이를 위해 제2플레이트(300)는 제1플레이트(100)의 평면과 대응되는 내면을 가지도록 구성된다. 그리고 제2플레이트(300)는 상기 2차 폐열을 효율적으로 흡수하여 제2열전발전소자(500)의 일면으로 전달하거나 외부로 방출할 수 있도록 열전도도가 우수한 알루미늄 재질 등으로 구성된다.

또한, 제2플레이트(300)의 외면에는 제1냉각핀(400)이 더 구비된다. 상기 제1냉각핀(400)은 제2플레이트(300)의 외면에 일정간격으로 형성되어 공기와의 접촉면적을 확대시켜 제1열전발전소자(200)의 타면을 더욱 효과적으로 냉각시키게 된다.

다음으로, 상기 제2열전발전소자(500)는 복수 개로 이루어져 제2플레이트(300)의 외면에 각각 설치되어 제2플레이트(300)와 접촉되는 일면(고온부 측)과 타면(저온부 측) 간의 온도 차이에 따라 전기에너지를 발생시키는 구성이다.

이때 제2열전발전소자(500)는 상기 제1열전발전소자(200)에 비하여 동작온도가 상대적으로 낮은 제2온도영역에서 열전발전하도록 구성된다. 이는 제2플레이트(300)를 통해 제1열전발전소자(200)의 타면으로부터 전달되는 상대적으로 온도가 낮은 2차 폐열을 이용하여 열전발전하게 된다.

즉, 제2열전발전소자(500)를 상온~200℃의 제2온도영역에서 전기에너지를 발생시키는 상온용 열전발전소자로 구성하여 제1열전발전소자(200)의 타면에서 2차적으로 배출되는 상대적으로 저온인 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키게 된다.

이에 따라 제1열전발전소자(200)의 타면에 잔존하는 제2온도영역의 폐열까지도 낭비하지 않고 전달받아 열전발전에 이용함에 따라 발전효율이 향상되어 발전량을 증대시키게 된다.

다음으로, 상기 제3플레이트(600)는 제2열전발전소자(500)를 사이에 두고 제2플레이트(300)의 외면에 각각 제2열전발전소자(500)의 타면과 밀착되게 설치되어 제2열전발전소자(500)의 타면을 냉각시키는 구성이다.

이를 위해 제3플레이트(600)는 제2플레이트(300)의 외면과 대응되는 내면을 가지도록 구성된다. 그리고 제3플레이트(600)는 제2열전발전소자(500)를 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 열전도도가 우수한 알루미늄 재질 등으로 구성된다.

또한, 제3플레이트(600)의 외면에는 제2냉각핀(700)이 더 구비된다. 상기 제2냉각핀(700)은 제3플레이트(600)의 외면에 일정간격으로 형성되어 공기와의 접촉면적을 확대시켜 제2열전발전소자(500)의 타면을 효과적으로 냉각시키게 된다.

마지막으로, 상기 제1냉각파이프(800)는 제3플레이트(600)에 길이방향으로 관통 설치되어 제3플레이트(600)의 냉각기능을 높여 제2열전발전소자(500)의 타면을 더욱 효과적으로 냉각시키는 구성이다.

이를 위해 제1냉각파이프(800)는 제3플레이트(600)에 길이방향으로 관통 형성된 제1파이프삽입홀(810)의 내측에 삽입 설치된 상태에서 제1파이프삽입홀(810)을 따라 지그재그 형태를 이루도록 연결어 그 일단과 타단을 통해 외부의 냉각유체가 내부로 순환 공급된다.

즉, 외부에서 냉각된 냉각유체가 제1냉각파이프(800)의 일단을 통해 내부로 유입된 후 내부를 따라 유동하면서 제3플레이트(600)를 냉각시킨 다음 타단을 통해 외부로 배출되는 과정을 반복하게 된다.

한편, 제2플레이트(300)에도 상기 제3플레이트(600)와 같이 제1열전발전소자(200)의 타면을 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 상기 제1냉각파이프(800)와 대응되는 제2냉각파이프(미도시)가 더 설치될 수 있다.

이를 위해 상기 제2냉각파이프도 제2플레이트(300)에 길이방향으로 관통 형성된 제2파이프삽입홀(미도시)의 내측에 삽입 설치된 상태에서 지그재그 형태를 이루도록 연결되어 그 일단과 타단을 통해 외부의 냉각유체가 내부로 순환 공급되면서 제2플레이트(300)를 냉각하게 된다.

여기서 본 발명에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는 도시하지 않았지만 폐열배출부의 길이에 따라 복수 개로 구성하여 폐열배출부의 외측에 다단 형태로 연결 설치되는 것도 가능하다.

즉, 폐열배출부의 길이에 대응되도록 복수 개의 열전발전장치를 폐열배출부의 길이방향을 따라 다단으로 연결 배치하여 구성할 수 있다. 이에 따라 폐열배출부에서 배출되는 폐열을 낭비하지 않고 열전발전에 이용함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치는 중온용 열전발전소자와 상온용 열전발전소자를 통해 동시에 열전발전함에 따라 폐열배출부에서 배출되는 폐열을 최대한 많이 이용할 수 있으므로 발전효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 제1플레이트
200: 제1열전발전소자
300: 제2플레이트
400: 제1냉각핀
500: 제2열전발전소자
600: 제3플레이트
700: 제2냉각핀
800: 제1냉각파이프
810: 제1파이프삽입홀

Claims (7)

1. 폐열이 배출되는 폐열배출부의 외측에 설치되는 열전발전장치에 있어서,
   복수 개로 분할 구성되어 상호 결합된 상태에서 체결볼트에 의해 체결 고정되면서 내면이 상기 폐열배출부의 외면에 밀착되게 고정 설치되고 외면에 복수 개의 평면이 구비되는 제1플레이트(100);
   상기 제1플레이트(100)의 평면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 제1온도영역에서 발전하는 제1열전발전소자(200);
   상기 제1플레이트(100)의 평면에 각각 상기 제1열전발전소자(200)의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제1냉각핀(400)이 형성되는 제2플레이트(300);
   상기 제2플레이트(300)의 외면에 각각 일면이 밀착되게 설치되어 상기 제1온도영역보다 상대적으로 낮은 제2온도영역에서 발전하는 제2열전발전소자(500);
   상기 제2플레이트(300)의 외면에 각각 상기 제2열전발전소자(500)의 타면과 밀착되게 설치되고 외면에 제2냉각핀(700)이 형성되는 제3플레이트(600);
   상기 제3플레이트(600)에 설치되어 상기 제2열전발전소자(500)의 타면을 냉각시키는 제1냉각파이프(800);를 포함하여 구성되며,
   상기 폐열배출부에서 배출되는 상대적으로 온도가 높은 폐열을 상기 제1열전발전소자(200)를 통해 1차 발전하고 상기 제1열전발전소자(200)에서 배출되는 상대적으로 온도가 낮은 폐열을 상기 제2열전발전소자(500)를 통해 2차 발전하도록 상기 제1열전발전소자(200)는 200~500℃ 영역에서 전기에너지를 발생시키는 중온용 열전발전소자로 구성되며 상기 제2열전발전소자(500)는 상온~200℃ 영역에서 전기에너지를 발생시키는 상온용 열전발전소자로 구성되고,
   상기 제1냉각파이프(800)는 상기 제3플레이트(600)에 길이방향으로 관통 형성된 제1파이프삽입홀(810)의 내측에 삽입된 상태에서 지그재그 형태를 이루도록 연속적으로 연결되어 일단과 타단을 통해 내부로 순환 공급되는 냉각유체에 의해 상기 제2열전발전소자(500)의 타면을 냉각시키며,
   상기 열전발전장치는 상기 폐열배출부의 길이에 대응되도록 복수 개로 구성되어 상기 폐열배출부의 외측에 다단 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1플레이트(100)와 상기 제2플레이트(300) 및 상기 제3플레이트(600)는,
   알루미늄 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2플레이트(300)에 설치되어 상기 제1열전발전소자(200)의 타면을 냉각시키는 제2냉각파이프(미도시);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2냉각파이프는,
   상기 제2플레이트(300)에 길이방향으로 관통 형성된 제2파이프삽입홀(미도시)의 내측에 삽입된 상태에서 지그재그 형태를 이루도록 연속적으로 연결되어 일단과 타단을 통해 내부로 순환 공급되는 냉각유체에 의해 상기 제1열전발전소자(200)의 타면을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치.
7. 삭제

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