WO2021194049A1 - 열전발전장치 - Google Patents

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WO2021194049A1
WO2021194049A1 PCT/KR2020/018050 KR2020018050W WO2021194049A1 WO 2021194049 A1 WO2021194049 A1 WO 2021194049A1 KR 2020018050 W KR2020018050 W KR 2020018050W WO 2021194049 A1 WO2021194049 A1 WO 2021194049A1
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thermoelectric
support panel
temperature
thermoelectric element
thermoelectric generator
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PCT/KR2020/018050
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French (fr)
Inventor
권택율
권회준
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주식회사 리빙케어
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric generator, and more particularly, to a thermoelectric generator by arranging a support panel around a low temperature part of the thermoelectric generator to prevent mechanical stress, deformation, and damage of the thermoelectric generator due to a temperature change in the peripheral part. It relates to a thermoelectric generator capable of maintaining the performance and improving reliability.
  • the present invention is derived from research conducted as part of the energy technology development project of the Ministry of Trade, Industry and Energy and the Korea Energy Technology Evaluation Institute [Project management number: 20172010000760, Project name: 10kW class thermoelectric power generation using unused waste heat from the melting and casting process of non-ferrous industry system development].
  • Thermoelectric technology is an eco-friendly energy technology that can freely convert heat and electricity by utilizing the Seebeck effect that converts thermal energy into electrical energy and the Peltier effect that converts electrical energy into thermal energy.
  • thermoelectric element 1 is a schematic diagram showing the basic principle for cooling (Peltier effect) and power generation (Seebeck effect) by a thermoelectric element is disclosed. In both cases, the scope of application depends on whether electrons and holes move charge or heat.
  • Thermoelectric energy conversion is implemented in the form of a module composed of n-type and p-type semiconductor thermoelectric materials and electrodes connected in series.
  • thermoelectric generation is a phenomenon in which an electromotive force is generated by a temperature difference applied to both ends of a module, and thermoelectric cooling uses a phenomenon in which heat flows by an applied current.
  • thermoelectric generators have been variously applied to household appliances or devices such as gas burners, stoves, or heating elements.
  • Gas burners have recently been widely used for heating in apartments and homes, or for cooking indoors and outdoors.
  • heating and cooking methods using a gas burner are preferred in many places.
  • the waste heat remaining after heating the heat exchanger of the gas burner is discharged to the outside as it is and wasted.
  • the thermal energy of the wasted gas is converted into electricity by a thermoelectric generator for power generation and energy saving for people's daily lives, and can be usefully used as power consumption for electric fans, lights, TVs, chargers, and the like.
  • thermoelectric module (thermopile) including an array of Bi 2 Te 3 based semiconductor devices.
  • the configuration of this module provides a chemically stable environment for the thermoelectric material to ensure a long lifespan.
  • the gas burner is installed on one side of the thermopile, and the other side is kept cold with aluminum cooling fins or heat pipe parts.
  • the thermoelectric module operates as a thermoelectric generator by maintaining a temperature of about 540° C. on the high temperature side and about 140° C. on the low temperature side. The flow of heat through a thermopile can produce stable DC power without mechanical motion.
  • thermoelectric power generation device using the Seebeck effect of the thermoelectric element continues to increase in demand and necessity in line with recent environmental pollution and energy saving issues.
  • various exhaust gases and waste heat can be used as energy sources to increase energy efficiency or collect waste heat, such as automobile engines and exhaust systems, waste heat from waste incinerators, steel mills, and power sources for medical devices in the human body using human body heat. It can be applied to various fields of use.
  • thermoelectric generator module has a limited range of use because it is deformed depending on the external temperature or is placed in an unusable state. As a result, electric energy production through waste heat generated at industrial sites could not be smoothly performed. For example, at 150° C. or higher, deformation of the thermoelectric generator module may occur, and when it exceeds 200° C., the user may become impossible.
  • An object of the present invention is to prevent mechanical stress, deformation, and damage of the thermoelectric generator due to temperature change in the periphery by arranging a support panel around the low temperature part of the thermoelectric generator to maintain the performance of the thermoelectric generator and improve reliability.
  • thermoelectric element for generating an electromotive force using the temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion; and a support panel disposed around the low temperature portion of the thermoelectric element.
  • the support panel may be made of a metal material.
  • a water cooling jacket may be provided between the support panel and the low temperature part of the thermoelectric element.
  • An elastic member may be disposed between the support panel and the water cooling jacket.
  • the elastic member may be formed of a spring or a plate-shaped spring.
  • thermoelectric generator it is possible to maintain the performance of the thermoelectric generator and improve reliability by arranging the support panel around the low temperature part of the thermoelectric generator to prevent mechanical stress, deformation, and damage of the thermoelectric generator due to the temperature change of the peripheral part.
  • thermoelectric element 1 is a schematic diagram showing the basic principles of the Peltier effect and the Seebeck effect by a thermoelectric element.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an enlarged state of an overall state in which a spring is installed between a support panel and a water cooling jacket of a thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention and an enlarged state of a spring installation part.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an enlarged state of the overall state in which the plate spring is installed between the support panel and the water cooling jacket of the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention and the state in which the plate spring is installed.
  • thermoelectric generator 4 is a schematic diagram showing the overall appearance of the plate spring of the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the overall appearance of a spring installed between the support panel and the water cooling jacket of the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention and an enlarged state of the spring installation part
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the overall appearance of the plate-shaped spring installed between the support panel and the water cooling jacket of the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention and the enlarged state of the plate-shaped spring installation part
  • 4 is a schematic diagram showing the overall appearance of the plate spring of the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric generator 100 includes a thermoelectric element 110 for generating an electromotive force using a temperature difference between a high temperature part and a low temperature part; and a support panel 120 disposed around the low-temperature portion of the thermoelectric element 110 .
  • thermoelectric generator 100 in the thermoelectric generator 100 according to the present invention, the heat collecting plate 140 , the thermoelectric element 110 and the support panel 120 maintain a stable fastening state to maintain the power generation output characteristics, and the thermoelectric element 110 of the thermoelectric element 110 .
  • Thermoelectric generator 100 by preventing mechanical stress and deformation, shear force action, damage, etc. of the thermoelectric semiconductor inside the thermoelectric element 110 due to the temperature change in the periphery of the thermoelectric element 110 through the support panel 120 installed around the low temperature part ) can maintain the performance and improve reliability. In particular, it is possible to improve the reliability of the thermoelectric generator by improving problems such as mechanical stress, thermal deformation, and non-uniform pressure distribution that may be concentrated in the peripheral edge of the thermoelectric element 110 .
  • thermoelectric generator 100 when the configuration of the thermoelectric generator 100 is sequentially viewed from the bottom to the top, a heat source (not shown) is disposed at the bottom end first, and a heat collecting plate 140, a thermoelectric element ( 110) and the support panel 120 are disposed. Therefore, as the heat energy generated from the heat source moves upward, the temperature of the high-temperature substrate of the thermoelectric element 110 is increased, and the low-temperature substrate is cooled by external air, etc. to generate a significant temperature difference between the upper and lower portions of the thermoelectric element 110. Accordingly, the thermoelectric element 110 generates a current due to the Seebeck effect. The generated current is transmitted to the outside by an electrode connection line (not shown) connected to the thermoelectric element 110 .
  • thermoelectric generator 100 arranges the support panel 120 on the outside of the low-temperature substrate of the thermoelectric element 110 to provide a temperature between the heat generated from the heat source and the high-temperature substrate of the thermoelectric element 110 and the external cooling air. Since the thermoelectric element 110 can efficiently and stably generate electricity by minimizing the mechanical stress and deformation of the low-temperature part substrate that may occur due to the difference, the efficiency is high, and the reliability and stability are excellent.
  • thermoelectric semiconductors composed of p-type semiconductors and n-type semiconductors are disposed between these electrodes.
  • Current is generated in the process of transferring heat to the low-temperature substrate. That is, in the thermoelectric element 110, holes move from the high-temperature substrate to the low-temperature substrate in the p-type semiconductor due to the temperature difference between the high-temperature substrate and the low-temperature substrate in the thermoelectric element 110, and in the n-type semiconductor, electrons move from the high-temperature substrate to the low-temperature substrate in the n-type semiconductor. direction, and according to the movement of these holes and electrons, a current flows in a counterclockwise direction, and is transmitted to the outside by an electrode connection line (not shown).
  • an insulating resin layer having electrical insulation performance may be further formed between the high temperature portion substrate and the electrode and between the low temperature portion substrate and the electrode, respectively.
  • a heat-resistant resin having a glass transition temperature (Tg) of 250° C. or higher, preferably 250 to 300° C. is used so as to exhibit continuous thermoelectric performance in a high temperature region ( ⁇ 300° C.). desirable.
  • the insulating resin layer may include at least one of a thermosetting resin and a thermoplastic resin.
  • the thermosetting resin include an epoxy resin, a polyurethane resin, an alkyd resin, a phenol resin, a melamine resin, a silicone resin, a urea resin, a vegetable oil-modified phenol resin, a xylene resin, a guanamine resin, a diallyl phthalate resin, It may be at least one selected from the group consisting of a vinyl ester resin, an unsaturated polyester resin, a furan resin, a polyimide resin, a cyanate resin, a maleimide resin, and a benzocyclobutene resin.
  • the thermosetting resin may be at least one selected from the group consisting of an epoxy resin, a phenol resin, a melamine resin, a silicone resin, a urethane resin, and a urea resin.
  • thermoelectric element 110 , the heat collecting plate 140 , and the support panel 120 may be fixed to each other by, for example, a mechanical coupling structure or a clamping structure, and the thermoelectric element 110 is disposed therebetween.
  • the support panel 120 and the heat collecting plate 140 may be integrated with each other by a bolt fastening member 160 penetrating the edge portion.
  • thermoelectric generator 100 of the present invention the thermoelectric element 110 is disposed between the support panel 120 and the heat collecting plate 140 without directly connecting the thermoelectric element 110 and the heat collecting plate 140 through the fastening member 160 .
  • thermoelectric element 110 has the advantage of improving the performance of the thermoelectric generator 100 by minimizing the mechanical stress and thermal deformation.
  • the material of the support panel 120 is not particularly limited as long as it is a material capable of preventing thermal deformation of the low-temperature substrate, and for example, may be made of a metal material such as stainless steel or stainless alloy.
  • a water cooling jacket 130 may be provided between the support panel 120 and the low temperature portion of the thermoelectric element 110 .
  • the output of the thermoelectric generator 100 is maximized while minimizing the mechanical stress and thermal deformation of the low-temperature substrate of the thermoelectric element 110 , and at the same time maximizing the heat dissipation effect. properties can be further improved.
  • the thickness T1 of the support panel 120 and the thickness T2 of the water cooling jacket 130 are the same in a thickness range of about 10 to 20 mm.
  • the support panel 120 and the water cooling jacket 130 have the same planar size.
  • the horizontal axes W1 and W2 of the support panel 120 have a size of 130 to 150 mm. It can be, and the vertical axis (L1, L2) size on the plane may be formed of 120 to 140mm.
  • An elastic member 170 or 180 may be further disposed between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 , and the elastic member may be formed of, for example, a spring 170 or a plate-shaped spring 180 . have.
  • the elastic member made of the spring 170 or the plate spring 180 serves to maintain a constant pressure in response to thermal expansion or contraction of the low-temperature substrate of the thermoelectric element 110, the support panel 120, and water cooling.
  • the jacket 130 and the heat collecting plate 140 may be fixed between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 by the bolt fastening member 160 penetrating the rim portion as a whole.
  • the structure surrounding the bolt fastening member 160 may be installed to have a larger diameter than the bolt fastening member 160.
  • the diameter size of the spring 170 is yes
  • it may be formed from 8.0 mm to 9.0 mm.
  • the diameter size of the filament itself constituting the spring 170 may be, for example, 0.8 mm to 1.3 mm, and the length of the free-field state may be formed to be 18 mm to 23 mm.
  • the length D1 in the longitudinal direction may be, for example, 130 to 150 mm, and the length D2 in the width direction may be formed to be 20 to 35 mm.
  • the thickness of the plate spring 180 may be formed to a thickness of 5 to 7 mm.
  • thermoelectric generator 100 When the thermoelectric generator 100 according to the present invention is implemented as a relatively low-capacity power generation device using a small number of thermoelectric elements 110 , a spring 170 is provided between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 .
  • the thermoelectric element 110 By disposing the thermoelectric element 110 to maintain a constant pressure in response to thermal expansion or contraction of the low-temperature substrate, the weight increase of the thermoelectric generator 100 can be minimized and power generation performance can be improved, and a plurality of thermoelectric elements ( When implemented as a high-capacity power generation device using 110), the plate spring 180 is disposed between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 to more effectively prevent thermal expansion or contraction of the low-temperature substrate of the thermoelectric element 110. Correspondingly, it may be configured to keep the pressure constant.
  • thermoelectric power generation device is manufactured by arranging the spring 170 between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 to set a constant pressure in response to thermal expansion or contraction of the low-temperature substrate of the thermoelectric elements 110 .
  • 6 or more of the plate-shaped springs 180 are disposed between the support panel 120 and the water cooling jacket 130 to respond to thermal expansion or contraction of the low-temperature substrate of the thermoelectric elements 110 and pressure can be implemented to keep it constant.
  • thermoelectric element for generating an electromotive force using the temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion; and a support panel disposed around the low temperature portion of the thermoelectric element.
  • the support panel may be made of a metal material.
  • a water cooling jacket may be provided between the support panel and the low temperature part of the thermoelectric element.
  • An elastic member may be disposed between the support panel and the water cooling jacket.
  • the elastic member may be formed of a spring or a plate-shaped spring.
  • the present invention relates to a thermoelectric element generating an electromotive force by using a temperature difference between a high temperature part and a low temperature part; and a support panel disposed around a low temperature portion of the thermoelectric element.
  • thermoelectric generator it is possible to maintain the performance of the thermoelectric generator and improve the reliability by arranging the support panel around the low temperature part to prevent mechanical stress, deformation, and damage of the thermoelectric generator due to the temperature change of the peripheral part. .

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Abstract

본 발명은 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자; 및 상기 열전소자의 저온부 주변에 배치된 지지패널을 포함하는 열전발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 저온부 주변에 지지패널을 배치하여 주변부의 온도 변화로 인한 열전발전장치의 기계적 스트레스와 변형, 파손 등을 방지하여 열전발전장치의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

열전발전장치
본 발명은 열전발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열전발전장치의 저온부 주변에 지지패널을 배치하여 주변부의 온도 변화로 인한 열전발전장치의 기계적 스트레스와 변형, 파손 등을 방지하여 열전발전장치의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있는 열전발전장치에 관한 것이다.
본 발명은 산업통상자원부 및 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 20172010000760, 과제명: 비철산업 용해주조공정의 미활용 폐열을 이용한 10kW급 열전발전시스템 개발].
열전(Thermoelectric) 기술은 열에너지를 전기에너지로 변환하는 Seebeck 효과와 전기에너지를 열에너지로 변환 하는 Peltier 효과를 활용하여 열과 전기를 자유롭게 변환할 수 있는 친환경 에너지 기술이다.
도 1에는 열전소자에 의해 냉각(Peltier 효과)과 발전(Seebeck 효과)에 대한 기본원리를 나타낸 모식도가 개시되어 있다. 두 가지 모두 전자(electron)와 홀(hole)이 전하(charge)를 이동시키느냐 아니면 열(heat)을 이동시키느냐에 따라 그 응용범위가 결정된다.
물성치가 서로 다른 도체 또는 반도체 A와 B를 접합시키고 접합부에 일정한 온도를 유지시켰을 경우 두 물질 A와 B의 양단에 일정한 기전력이 발생하는데, 이를 Seebeck 효과라 한다. 또한, 서로 다른 두 물질의 접합부에 전류를 흘렸을 경우 접합부에서 열의 흡수 및 방출이 일어나게 되는 데 이러한 현상을 Peltier 효과라 한다. 열전에너지 변환은 직렬로 연결된 n형 및 p형의 반도체 열전소재와 전극으로 구성된 모듈의 형태로 구현되는 것이다.
열전발전(Thermolectric Generation)은 모듈의 양단에 인가된 온도 차이에 의해 기전력이 발생되는 현상이며, 열전냉각(Thermoelectric Cooling)은 인가된 전류에 의해 열의 흐름이 발생하는 현상을 이용하는 것이다.
최근 열전발전장치는 가스버너, 스토브, 또는 가열소자 등과 같은 생활용 기구나 장치에도 다양하게 적용되고 있다. 가스버너는 최근 아파트 및 가정에서 난방을 위해 사용되거나, 실내 외에서 요리를 하기 위해 널리 사용되고 있다. 특히 전력공급원이 제한되어 있는 경우 많은 장소에서 가스버너를 이용한 난방 및 조리방법이 선호된다. 이때 가스버너의 열교환기를 가열한 후 남은 폐열은 외부로 그대로 배출되어 낭비된다. 이와 같이 낭비되는 가스의 열에너지는 사람들의 일상생활을 위한 발전 및 에너지 절약을 위하여 열전발전장치에 의해 전기로 변환되어 전기 팬, 조명, TV, 충전기 등의 소비전력으로 유용하게 사용할 수 있다.
일반적인 열전발전장치의 핵심적인 구성은 Bi2Te3 계 반도체소자의 배열을 포함한 밀봉된 열전모듈(열전퇴, thermopile)이다. 이러한 모듈의 구성은 열전재료에 화학적으로 안정한 환경을 제공하여 긴 수명을 보장한다. 이러한 열전모듈을 가스버너에 적용할 경우, 가스버너는 열전퇴의 한 쪽에 설치하고, 반대쪽은 알루미늄 냉각핀 또는 히트파이프 부품으로 차갑게 유지한다. 이때 열전모듈은 열전발전기로서 작용하여 고온 측에 약 540℃, 저온 측에 약 140℃의 온도를 유지함으로써 작동하게 된다. 열전퇴를 통한 열의 흐름은 기계적인 운동 없이 안정적인 DC 전력을 만들어낼 수 있다.
이러한 열전소자의 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는 열전발전장치는 최근의 환경 오염 문제와 에너지 절약 이슈와 맞물려 그 수요와 필요성이 계속 증가하고 있다. 즉, 각종 배기가스와 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.
그러나, 이러한, 열전발전장치의 주요한 문제는 상대적으로 낮은 변환효율(일반적으로 약 5%)이다. 이러한 문제점은 열전발전장치가 특히 신뢰성이 중요한 고려사항이 되는 많은 분야에서 전력발전장치로 이용되는 것에 제약이 되고 있다. 또한, 종래 열전발전 소자 모듈은 외부 온도에 따라 변형이 발생되거나 또는 사용이 불가한 상태에 놓이기 때문에 그 사용범위가 제한적이었다. 이로 인해 산업현장에서 발생되는 폐열 등을 통한 전기에너지 생산이 원활하게 이루어질 수 없었다. 예를 들어 150℃이상에서는 열전발전 소자 모듈의 변형이 발생하게 되고, 200℃를 초과하게 되는 경우에는 사용자체가 불가능하게 될 수 있다.
본 발명의 목적은 열전발전장치의 저온부 주변에 지지패널을 배치하여 주변부의 온도 변화로 인한 열전발전장치의 기계적 스트레스와 변형, 파손 등을 방지하여 열전발전장치의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있는 열전발전장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자; 및 상기 열전소자의 저온부 주변에 배치된 지지패널을 포함하는 열전발전장치를 통해 달성된다.
상기 지지패널은 금속소재로 이루어질 수 있다.
상기 지지패널과 상기 열전소자의 저온부 사이에는 수냉 자켓이 구비될 수 있다.
상기 지지패널과 수냉 자켓 사이에는 탄성부재가 배치될 수 있다.
상기 탄성부재는 스프링 또는 판형 스프링으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 열전발전장치의 저온부 주변에 지지패널을 배치하여 주변부의 온도 변화로 인한 열전발전장치의 기계적 스트레스와 변형, 파손 등을 방지하여 열전발전장치의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 열전소자에 의한 Peltier 효과와 Seebeck 효과의 기본원리를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 지지패널과 수냉 자켓과 사이에 스프링이 설치된 상태의 전체적인 모습과 스프링 설치부분의 모습을 확대한 상태의 모습을 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 지지패널과 수냉 자켓과 사이에 판형 스프링이 설치된 상태의 전체적인 모습과 판형 스프링 설치부분의 모습을 확대한 상태의 모습을 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 판형 스프링의 전체적인 모습을 나타낸 모식도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 지지패널과 수냉 자켓과 사이에 스프링이 설치된 상태의 전체적인 모습과 스프링 설치부분의 모습을 확대한 상태의 모습을 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 지지패널과 수냉 자켓과 사이에 판형 스프링이 설치된 상태의 전체적인 모습과 판형 스프링 설치부분의 모습을 확대한 상태의 모습을 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전장치의 판형 스프링의 전체적인 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 열전발전장치(100)는 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자(110); 및 상기 열전소자(110)의 저온부 주변에 배치된 지지패널(120)을 포함하는 것으로 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 열전발전장치(100)는 집열판(140), 열전소자(110) 및 지지패널(120)이 안정적인 체결상태를 유지하여 발전출력 특성을 유지하도록 하면서, 열전소자(110)의 저온부 주변에 설치된 지지패널(120)을 통해 열전소자(110) 주변부의 온도 변화로 인한 열전소자(110) 내부의 열전반도체의 기계적 스트레스와 변형, 전단력 작용, 파손 등을 방지하여 열전발전장치(100)의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있다. 특히 열전소자(110)의 주변의 테두리부에 집중될 수 있는 기계적 스트레스, 열변형, 불균일한 압력분포 등의 문제를 개선하여 열전발전장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
참고로, 상기 열전발전장치(100)의 구성을 하부에서부터 상부로 올라가면서 순차적으로 살펴보면, 먼저 맨 하단부에는 발열원(도시하지 않음)이 배치되고, 이러한 발열원의 상부에 집열판(140), 열전소자(110) 및 지지 패널(120)이 배치된다. 따라서, 발열원에서 발생된 열에너지가 상부로 이동하면서 열전소자(110)의 고온부 기판의 온도는 높게 하고, 저온부 기판은 외부 공기 등에 의해 냉각되어 열전소자(110)의 상부와 하부에서 상당한 온도차가 발생하도록 함으로써, 열전소자(110)는 제벡 효과(Seebeck effect)에 의한 전류를 발생시키게 된다. 이와 같이 발생된 전류는 열전소자(110)에 연결된 전극 연결선(도시하지 않음)에 의해 외부로 전달된다.
본 발명에 따른 열전발전장치(100)는 열전소자(110)의 저온부 기판 외부에 지지패널(120)을 배치하여 발열원과 열전소자(110)의 고온부 기판으로부터 발생하는 열과 외부의 냉각공기 사이의 온도차이로 인해 발생할 수 있는 저온부 기판의 기계적 스트레스와 변형을 최소화하여 열전소자(110)가 효율적이고, 안정적으로 전기를 발생시킬 수 있도록 하므로, 효율이 높고, 신뢰성과 안정성이 우수한 장점이 있다.
상기 열전소자(110)의 고온부 기판과 저온부 기판 사이에는 각각 고온부 전극과 저온부 전극이 각각 배치되어 있으며 이러한 전극들 사이에 p형 반도체와 n형 반도체들로 이루어진 열전반도체들이 배치되어 고온부 기판에서 흡수한 열을 저온부 기판로 전달하는 과정에서 전류가 발생하게 된다. 즉, 열전소자(110)에서 고온부 기판과 저온부 기판의 온도차에 의해 p형 반도체에서는 정공(hole)이 고온부 기판로부터 저온부 기판 방향으로 움직이게 되고, n형 반도체에서는 전자(electron)가 고온부 기판으로부터 저온부 기판 방향으로 움직이게 되며, 이러한 정공과 전자의 움직임에 따라 반 시계방향으로 전류가 흐르게 되어, 전극 연결선(도시하지 않음)에 의해 외부로 전달된다.
여기서, 상기 고온부 기판과 전극 사이 및 상기 저온부 기판과 전극에는 각각 전기 절연 성능을 갖는 절연 수지층이 더 형성될 수 있다. 이러한 절연 수지층(111, 151)은 고온 영역(≥300℃)에서 지속적인 열전 성능을 발휘할 수 있도록 유리전이온도(Tg)가 250℃이상, 바람직하게는 250 내지 300℃인 내열성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 절연 수지층은 열경화성 수지(resin) 및 열가소성 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열경화성 수지의 비제한적인 예로는, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 알키드 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 요소 수지, 식물성유 변성 페놀수지, 크실렌 수지, 구아나민 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 푸란 수지, 폴리이미드 수지, 시아네이트 수지, 말레이미드 수지 및 벤조시클로부텐 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 열경화성 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 및 요소 수지로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 열전소자(110), 집열판(140) 및 지지패널(120)은 예를 들어 기계적 결합구조나 클램핑 구조에 의해 서로 결합되어 고정될 수 있으며, 상기 열전소자(110)가 사이에 배치된 상태에서 상기 지지패널(120)과 집열판(140)의 테두리부를 관통하는 볼트 체결부재(160)에 의해 서로 결합되어 일체화 될 수 있다.
이와 관련하여, 종래 열전발전장치의 경우, 집열판과 열전소자의 결합구조는 열전소자의 고온부 기판과 저온부 기판의 테두리부 및 집열판의 테두리부를 순차적으로 관통하는 체결부재에 의해 달성되었다. 따라서, 집열판과 밀착된 상태로 고정되어 있는 체결부재의 열에너지가 열전소자의 저온부까지 전달되어 저온부의 기계적 스트레스와 열변형 등을 유발하는 원인이 되었다. 반면 본원발명의 열전발전장치(100)는 열전소자(110)와 집열판(140)을 체결부재(160)를 통해 직접 연결하지 않고, 지지패널(120)과 집열판(140) 사이에 열전소자(110)를 배치하고, 상기 지지패널(120)과 집열판(140)의 테두리부를 관통하는 볼트 체결부재(160)를 통해 열전소자(110)와 집열판(140)의 결합상태를 구현함으로써, 열전소자(110)의 기계적 스트레스와 열변형을 최소화하여 열전발전장치(100)의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 지지패널(120)의 소재는 상기 저온부 기판의 열변형 등을 방지할 수 있는 소재이면 특별히 제한되지 않으며 예를 들어 스테인레스, 스테인레스 합금 등의 금속소재로 이루어질 수 있다.
상기 지지패널(120)과 상기 열전소자(110)의 저온부 사이에는 수냉 자켓(130)이 구비될 수 있다. 이와 같이 수냉 자켓(130)을 구비하는 지지패널(120)의 경우, 열전소자(110)의 저온부 기판의 기계적 스트레스와 열변형 등을 최소화하면서 동시에 방열효과를 극대화하여 열전발전장치(100)의 출력특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 지지패널(120)의 두께(T1) 수냉 자켓(130)의 두께(T2)는 대략 10 내지 20mm 사이의 두께범위에서 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130)의 두께 범위가 다르게 형성될 경우, 열전발전장치(100)의 제작이 번거로워지며, 구조적 안정성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.
여기서, 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130)은 평면상의 사이즈도 서로 동일한 것이 바람직하며 예를 들어, 상기 지지패널(120)의 평면상의 가로축(W1, W2) 사이즈는 130 내지 150mm로 형성될 수 있고, 평면상의 세로축(L1, L2) 사이즈는 120 내지 140mm로 형성될 수 있다.
상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에는 탄성부재(170, 180)가 더 배치될 수 있으며, 이러한 탄성부재는 예를 들어, 스프링(170) 또는 판형 스프링(180)으로 형성될 수 있다.
상기 스프링(170) 또는 판형 스프링(180)으로 이루어진 탄성부재는 상기 열전소자(110)의 저온부 기판의 열팽창이나 수축에 대응하여 압력을 일정하게 유지시켜주는 역할을 하며, 지지패널(120), 수냉 자켓(130) 및 집열판(140)의 테두리부를 전체적으로 관통하는 볼트 체결부재(160)에 의해 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에 고정될 수 있다.
상기 스프링(170)의 경우, 상기 볼트 체결부재(160)를 둘러싸는 구조로 볼트 체결부재(160)보다 큰 직경 사이즈를 갖도록 설치될 수 있으며, 이 때, 상기 스프링(170)의 직경 사이즈는 예를 들어, 8.0 mm 내지 9.0 mm로 형성될 수 있다. 또한, 상기 스프링(170)을 구성하는 필라멘트 자체의 직경 사이즈는 예를 들어, 0.8 mm 내지 1.3mm로 형성될 수 있고, 자유장 상태의 길이는 18 mm 내지 23mm로 형성될 수 있다.
또한, 판형 스프링(180)의 경우, 길이방향의 길이(D1)가 예를 들어, 130 내지 150mm 이고, 폭방향의 길이(D2)는 20 내지 35mm로 형성될 수 있다. 또한, 판형 스프링(180)의 두께는 5 내지 7mm 사이의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열전발전장치(100)는 소수의 열전소자(110)들을 이용하여 비교적 저용량의 발전장치로 구현될 경우에는 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에 스프링(170)을 배치하여 열전소자(110)의 저온부 기판의 열팽창이나 수축에 대응하여 압력을 일정하게 유지시켜 열전발전장치(100)의 무게 증가를 최소화 하면서도 발전성능 향상을 도모할 수 있으며, 다수의 열전소자들(110)을 사용하여 고용량 발전장치로 구현될 경우에는 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에 판형 스프링(180)을 배치하여 열전소자(110)의 저온부 기판의 열팽창이나 수축에 더 효과적으로 대응하여 압력을 일정하게 유지시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여, 예를 들어 8 내지 26W(더 구체적으로, 18W)의 발전용량을 갖는 열전소자(110)들을 사용하여 열전발전장치(100)를 구성할 경우, 1개 내지 6개의 열전소자(110)들을 일체화하여 제작되는 열전발전장치는 상기 스프링(170)을 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에 배치하여 열전소자(110)들의 저온부 기판의 열팽창이나 수축에 대응하여 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 구현할 수 있으며, 6 개 이상의 상기 판형 스프링(180)을 상기 지지패널(120)과 수냉 자켓(130) 사이에 배치하여 열전소자(110)들의 저온부 기판의 열팽창이나 수축에 대응하여 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 구현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자; 및 상기 열전소자의 저온부 주변에 배치된 지지패널을 포함하는 열전발전장치를 통해 달성된다.
상기 지지패널은 금속소재로 이루어질 수 있다.
상기 지지패널과 상기 열전소자의 저온부 사이에는 수냉 자켓이 구비될 수 있다.
상기 지지패널과 수냉 자켓 사이에는 탄성부재가 배치될 수 있다.
상기 탄성부재는 스프링 또는 판형 스프링으로 형성될 수 있다.
본 발명은 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자; 및 상기 열전소자의 저온부 주변에 배치된 지지패널을 포함하는 열전발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 저온부 주변에 지지패널을 배치하여 주변부의 온도 변화로 인한 열전발전장치의 기계적 스트레스와 변형, 파손 등을 방지하여 열전발전장치의 성능을 유지시키고 신뢰성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전소자; 및
    상기 열전소자의 저온부 주변에 배치된 지지패널;
    을 포함하는 열전발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지패널은 금속소재로 이루어지는 열전발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지패널과 상기 열전소자의 저온부 사이에는 수냉 자켓이 구비되는 열전발전장치
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지패널과 수냉 자켓 사이에는 탄성부재가 배치되는 열전발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성부재는 스프링 또는 판형 스프링으로 형성되는 열전발전장치.
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