KR20200126292A

KR20200126292A - 열전발전용 가스열교환기

Info

Publication number: KR20200126292A
Application number: KR1020190050101A
Authority: KR
Inventors: 박수동; 류병기; 정재환
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2020-11-06
Also published as: KR102394001B1

Abstract

본 발명은 열전발전용 가스열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스열교환기의 고온순환체와 접하는 열전소자에 열이 균일하게 분산되도록 열교환기 내부에 고온순환유도벽을 형성하여 열전발전 효율을 향상시키는 열전발전용 가스열교환기에 관한 것이다.

Description

열전발전용 가스열교환기{Gas heat exchanger for thermoelectric power generation}

열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 특히, 제베크 효과는 서로 다른 두 금속선 양쪽 끝을 접합하여 폐회로를 구성하고 한 접점에 열을 가하게 되면 두 접점에 온도차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상이다.

제베크 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전소자는 가스열교환기를 이용하여 열전발전 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 가스열교환기의 고온순환체와 저온순환체 사이에 열전소자를 배치하며, 고온순환체의 열이 열전소자의 고온부로 전달되도록 하여 전력을 얻을 수 있게 된다.

대한민국등록특허공보 제10-1717930호 "열전소자를 이용한 열교환기"가 게시되어 있다. 여기서 하기 특허문헌은 냉각수와 질소가스를 이용하여 냉방성능을 향상시키는 것으로, 열전소자에 열을 전달하는 방열튜브가 열을 충분히 전달할 수 있는 구조로 형성되어 있지 않아 열이 균일하게 전달되지 못하는 문제점이 발생하였다.

또한, 하기 특허문헌은 열교환기와 열전소자의 결합구조가 복잡하며, 전력량에 따라 장치의 크기가 커져 별도의 설치공간의 확보가 요구되었다.

대한민국등록특허공보 제10-17017930호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스열교환기의 고온순환체 내부에 고온순환유도벽을 형성하여 열이 오랫동안 머무를 수 있도록 하며, 가스열교환기의 고온순환체와 접하는 열전소자에 열이 균일하게 분산되도록 하는데 목적이 있다.

또한, 고온순환유도벽에 복수의 슬릿을 형성하여, 고온가스가 슬릿을 통해 다방향으로 분산될 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 고온순환체의 배출구 측에 보조유도벽을 형성하여 고온가스의 배출경로를 확장시켜 열전소자로 열전달을 향상시키는데 목적이 있다.

또한, 고온순환체 내부에 열확장유도핀을 장착하여 내부간격이 유지되게 하고, 고온가스와 접촉면적을 확장시켜 고온가스의 분산을 균일하게 유도하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수의 열전소자가 수직평면상에 전기적으로 연결되어 배치되는 단위발전체; 상기 단위발전체의 후면에 배치되며, 상기 단위발전체의 후면으로 저온을 전달하는 저온순환체; 상기 단위발전체의 전면에 배치되며, 고온가스가 상부 일측의 유입구에서 유입되어 상부 타측의 배출구로 배출되고, 고온가스의 유동방향에 따라 상기 단위발전체의 전면으로 고온을 전달하는 고온순환체; 상기 고온순환체의 내부에 배치되며, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성되어 고온가스의 순환을 유도하는 고온순환유도벽;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저온순환체의 내부에 배치되며, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성되어 저온유체의 순환을 유도하는 저온순환유도벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저온순환유도벽은, 중앙에 수직되게 세워지고, 상기 저온순환체의 상부공간이 분리되며 하부공간이 연통되도록 배치되고, 저온유체가 벽을 따라 하방향으로 이동되어 순환되게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고온순환유도벽은, 스파이럴 형상의 이중벽이 형성되고, 상기 고온순환체의 유입구에서 하부 중앙으로 배치되며, 고온가스가 이중벽 사이를 따라 하부 중앙으로 이동되어 순환되게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고온순환유도벽은, 설정간격으로 복수의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 고온가스의 분산을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고온순환체의 내부 중앙에서 상기 배출구측으로 하향 기울어지게 배치되어, 고온가스의 배출 경로를 확장시키는 보조유도벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 핀 형상으로 형성되며, 상기 고온순환체의 설정지점에 복수 개가 수직 배치되어 상기 고온순환체의 내부공간 간격이 유지되게 하고, 고온가스와 접촉면적을 확장시켜 고온가스의 분산을 균일하게 유도하는 열확장유도핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기는 고온순환체 내부에 스파이럴 형상의 고온순환유도벽을 형성하여 열이 오랫동안 머물러 열전소자에 열전달이 향상되는 효과가 있다.

또한, 고온순환유도벽에 형성된 복수의 슬릿을 통해 고온가스가 다방향으로 분산되면서 고온순환체와 접하는 열전소자의 열이 균일하게 분산되도록 하여 열전발전의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 고온순환체의 배출구 측에 보조유도벽을 형성하여 고온가스의 배출경로를 확장시켜 열전달을 향상시키는데 목적이 있다.

또한, 고온순환체 내부에 열확장유도핀을 장착하여 내부공간의 간격이 유지되게 하고, 고온가스와 접촉면적을 확장시켜 고온가스의 분산을 균일하게 유도하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전용 가스열교환기의 단위발전체에 대한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전용 가스열교환기의 저온순환체에 대한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전용 가스열교환기의 고온순환체에 대한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기의 고온순환체에 대한 일실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기의 고온순환체에 대한 다른 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 열전발전용 가스열교환기의 고온순환체에 대한 또 다른 실시예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.

도 1 내지 8를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전발전용 가스열교환기는 단위발전체(100), 저온순환체(200), 저온순환유도벽(300), 고온순환체(400), 고온순환유도벽(500), 보조유도벽(600), 열확장유도핀(700)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

단위발전체(100)는 복수의 열전소자(10)가 직렬로 연결된 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 요구되는 전력량에 따라 수직평면상에 2열로 복수 개의 열전소자(10)가 직렬 연결되어 하나의 단위발전체(100)로 이루어질 수 있다. 이러한 단위발전체(100)는 전력 효율을 향상시키기 위하여 전력 열전소자(10)를 직렬연결시 고온부에 열이 균일하게 전달될 수 있도록 요구된다.

이때, 단위발전체(100)를 이루는 열전소자(10)는 N형 열전반도체(N), P형 열전반도체(P), 열전기판(11)으로 이루어진다. 열전기판(11)은 고온부와 저온부에 대응되도록 배치된다. 그리고 복수의 N형 열전반도체(N)와 P형 열전반도체(P)가 열전기판(11) 사이에 교번되게 배치된다. 여기서 N형 열전반도체(N)와 P형 열전반도체(P)는 열전기판(11) 내측면에 양단을 연결하는 금속판이 형성되어 전기적으로 연결된다. 특히, 열전소자(10) 내 전류가 일방향으로 연결되어 흐를 수 있도록 N형 열전반도체(N)와 P형 열전반도체(P)가 금속판에 의해 순차적으로 연결되는 구조로 이루어진다.

이러한 단위발전체(100)는 저온순환체(200)와 고온순환체(400) 사이에 삽입되어 압착되는 구조로, 단위발전체(100)의 양면이 저온순환체(200)와 고온순환체(400)에 각각 밀착되어 저온순환체(200)와 고온순환체(400)의 온도가 단위발전체(100)에 전달된다. 여기서 전달받은 고온과 저온에 의해 단위발전체(100)의 양면에 온도 차이가 발생하게 되며, 기전력이 발생하여 전류가 흐를 수 있게 된다.

저온순환체(200)는 단위발전체(100)의 후면에 배치되어 단위발전체(100)의 저온부로 저온유체(A)의 온도를 전달하기 위한 것으로, 내부에 저온유체(A)가 순환되는 구조를 갖는다. 이러한 저온순환체(200)는 내부가 비어있는 박스의 형상으로 형성되어, 내부에 저온유체(A)가 유동할 수 있게 된다. 또한, 저온순환체(200)의 상부 타측에 유입구(201)와 상부 일측에 배출구(202)가 형성되어, 저온유체(A)의 유량과 온도 및 압력에 의해 저온유체(A)가 유입구(201)에서 배출구(202)로 이동하게 된다.

특히, 저온유체(A)의 유속이 빠른 경우에는 저온유체(A)가 단위발전체(100)의 내부를 순환하지 않고, 유입구(201)에서 배출구(202)방향으로 바로 배출되어 단위발전체(100)에 저온이 전달되지 않게 된다. 이러한 저온순환체(200)의 내부에서 저온유체(A)가 순환될 수 있도록 저온순환유도벽(300)이 갖추어진다.

저온순환유도벽(300)은 저온순환체(200)의 내부에 배치되어 저온유체(A)의 이동을 유도하는 것으로, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성된다. 이러한 저온순환유도벽(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 저온순환체(200)의 중앙에 수직되게 세워지고, 저온순환체(200)의 상부공간이 분리되게 하며, 하부공간이 연통되도록 배치된다. 이와 같은 저온순환유도벽(300)의 배치구조에 의해 저온유체(A)가 유입구(201)를 통해 상부 타측에서 유입되어 하방향으로 이동하고, 다시 상부 일측으로 이동하여 배출구(202)를 통해 배출된다.

고온순환체(400)는 단위발전체(100)의 전면에 배치되어 단위발전체(100)의 고온부로 고온가스(B)의 온도를 전달하기 위한 것으로, 내부에 고온가스(B)가 순환되는 구조를 갖는다. 이러한 고온순환체(400)는 내부가 비어있는 박스의 형상으로 형성되어, 상부 일측에 유입구(401)와 상부 타측에 배출구(402)가 갖추어질 수 있다.

특히, 고온순환체(400)의 내부를 유동하는 고온가스(B)는 저온순환체(200) 내부를 유동하는 저온유체(A)와 위치별 온도차가 일정하도록 저온유체(A)의 이동방향과 반대로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 고온순환체(400)와 단위발전체(100)가 맞닿는 전체면으로 고온가스(B)의 온도가 균일하게 분산될 수 있도록 고온가스(B)가 고온순환체(400)의 내부를 순환하면서 오랫동안 머무를 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.

고온순환유도벽(500)은 고온순환체(400)의 내부에 배치되어 고온가스(B)의 이동을 유도하는 것으로, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성된다. 이러한 고온순환유도벽(500)은 도 5에 도시된 바와 같이 스파이럴 형상의 이중벽이 형성되고, 고온순환체(400)의 유입구(401)에서 하부 중앙으로 배치된다. 이때, 고온가스(B)는 이중벽 사이를 따라 유입구(401)에서 하부 중앙으로 이동되면서 회전하여 유동하게 된다. 이러한 고온순환유도벽(500)은 스파이럴 형상 구조에 의해 고온가스(B)의 유동경로가 확장되어 오랫동안 고온순환체(400)의 내부에 머무를 수 있게 되며, 단위발전체(100)측으로 열전달을 향상시킬 수 있게 된다.

도 6을 참고하면, 고온순환유도벽(500)은 설정간격으로 관통된 복수의 슬릿(501)이 형성될 수 있다. 이러한 고온순환유도벽(500)의 슬릿(501)을 통해 고온가스(B)의 분산을 유도할 수 있게 된다. 이에 따라 고온가스(B)가 유동하지 않는 영역으로 고온가스(B)가 분산되어 균질성을 유지하도록 고온순환유도벽(500)의 해당 위치에 슬릿(501)을 형성하는 것이 바람직하다.

도 7을 참고하면, 보조유도벽(600)은 고온순환체(400)의 내부 중앙에서 고온순환체(400)의 배출구(402) 측으로 하향 기울어지게 배치되어, 고온가스(B)의 배출 경로를 확장시킨다. 이러한 보조유도벽(600)은 고온가스(B)가 고온순환유도벽(500)의 스파이럴 형상을 따라 순환한 후 배출구(402) 측으로 이동할 때 바로 배출되지 않고, 고온순환체(400)의 배출구(402) 측에 좀더 오래 머무를 수 있도록 유도한다.

특히, 보조유도벽(600)은 고온순환체(400)의 배출구(402) 측과 대응되는 위치인 저온순환체(200)의 유입구(201) 측과의 온도 차이와, 고온순환체(400)의 유입구(401) 측과 대응되는 위치인 저온순환체(200)의 배출구(202) 측과의 온도 차이가 균일하도록 배출 이동경로를 유도하여 열전발전의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 8을 참고하면, 열확장유도핀(700)은 핀 형상으로 형성되며, 고온순환체(400)의 내부에 복수 개가 수직 배치되어, 고온가스(B)와 접촉면적을 확장시켜 고온가스(B)의 분산을 유도하여 열을 균일하게 한다. 이때, 열확장유도핀(700)은 금속으로 이루어질 수 있으며, 고온가스(B)의 열이 열확장유도핀(700)에 전달되어 온도가 유지될 수 있도록 한다.

열확장유도핀(700)은 고온순환유도벽(500)의 스파이럴 형상 구조에서 열이 균일하지 못한 영역에 보완하기 위해 설치될 수 있으며, 단위발전체(100)의 활용면적에 따라 열확장유도핀(700)의 갯수를 조절하여 선택적으로 장착할 수 있다.

이러한 열확장유도핀(700)은 보조유도벽(600)을 대체하여 배출구(402) 측으로 복수 개가 배치될 수 있으며, 고온가스(B) 배출시 접촉면적을 확장시킬 수 있다. 또한, 고온순환체(400)의 하부 양측에 열확장유도핀(700)을 배치하여, 고온가스(B)가 고온순환체(400)의 내부 가장자리까지 순환될 수 있도록 유도할 수 있다.

한편, 열확장유도핀(700)은 고온순환체(400)와 저온순환체(200)의 전체면에 균일하게 배치될 수 있으며, 고온순환체(400)와 저온순환체(200)의 내부간격이 유지되게 한다. 그리고 열전발전용 가스열교환기를 제작시 저온순환체(200)와 고온순환체(400) 사이에 단위발전체(100)를 삽입하여 압착하는 과정에서 압착강도를 견딜 수 있도록 하여, 고온순환체(400)의 구조적 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 기본적인 기술적 사상은 가스열교환기의 고온순환체와 접하는 열전소자에 열이 균일하게 분산되도록 열교환기 내부에 고온순환유도벽을 형성하여 열전발전 효율을 향상시키는 열전발전용 가스열교환기를 제공하는 것임을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 기본적인 기술적 사상 범주내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가능함은 물론이며, 따라서 본 발명의 범주는 다양한 변형 예들을 포함하도록 작성된 특허청구범위 내에서 해석되어야 할 것이다.

A : 저온유체
B : 고온가스
N : N형 열전반도체
P : P형 열전반도체
10 : 열전소자
11 : 열전기판
100 : 단위발전체
200 : 저온순환체
201 : 유입구
202 : 배출구
300 : 저온순환유도벽
400 : 고온순환체
401 : 유입구
402 : 배출구
500 : 고온순환유도벽
501 : 슬릿
600 : 보조유도벽
700 : 열확장유도핀

Claims

복수의 열전소자가 수직평면상에 전기적으로 연결되어 배치되는 단위발전체;
상기 단위발전체의 후면에 배치되며, 상기 단위발전체의 후면으로 저온을 전달하는 저온순환체;
상기 단위발전체의 전면에 배치되며, 고온가스가 상부 일측의 유입구에서 유입되어 상부 타측의 배출구로 배출되고, 고온가스의 유동방향에 따라 상기 단위발전체의 전면으로 고온을 전달하는 고온순환체;
상기 고온순환체의 내부에 배치되며, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성되어 고온가스의 순환을 유도하는 고온순환유도벽;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제1항에 있어서,
상기 저온순환체의 내부에 배치되며, 상부공간을 분리하도록 벽이 형성되어 저온유체의 순환을 유도하는 저온순환유도벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제2항에 있어서,
상기 저온순환유도벽은,
중앙에 수직되게 세워지고, 상기 저온순환체의 상부공간이 분리되며 하부공간이 연통되도록 배치되고, 저온유체가 벽을 따라 하방향으로 이동되어 순환되게 하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제1항에 있어서,
상기 고온순환유도벽은,
스파이럴 형상의 이중벽이 형성되고, 상기 고온순환체의 유입구에서 하부 중앙으로 배치되며, 고온가스가 이중벽 사이를 따라 하부 중앙으로 이동되어 순환되게 하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제4항에 있어서,
상기 고온순환유도벽은,
설정간격으로 복수의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 고온가스의 분산을 유도하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제4항에 있어서,
상기 고온순환체의 내부 중앙에서 상기 고온순환체의 배출구측으로 하향 기울어지게 배치되어, 고온가스의 배출 경로를 확장시키는 보조유도벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.
제4항에 있어서,
핀 형상으로 형성되며, 상기 고온순환체의 설정지점에 복수 개가 수직 배치되어 상기 고온순환체의 내부공간 간격이 유지되게 하고, 고온가스와 접촉면적을 확장시켜 고온가스의 분산을 균일하게 유도하는 열확장유도핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전용 가스열교환기.