KR100386472B1 - 자동차배열을 이용한 열전발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배열이용 열전발전장치에 관한 것으로, 그 목적은 차량의 배기구로 버려지고 있는 배열에너지를 가능한 많은 폐열을 회수하여 최대 효율을 얻기 위한 열전발전 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 구성은 제벡소자를 이용하여 자동차 배기가스와의 열교환을 수행하도록, 고온단 저온단으로 이루어진 열전발전모듈부, 흡열부 및 방열부 등으로 구성된 자동차용 열전발전장치에 있어서, 상,하 내부에 열전달 핀(3)을 형성하여 고온의 배기가스 열이 열원부 외부의 상,하에 설치한 열전모듈의 고온단(4)으로 전달되도록 한 자동차의 배기구(1)로부터 공급되는 배기가스가 통과하는 열원부(2)와, 상기 열원부의 외부 상하에 설치되어 접촉하는 고온단(4)과, 상기 고온단과 접촉하여 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자로 이루어진 열전모듈(9)과, 상기 열전모듈과 접촉하는 저온단(5)과, 상기 저온단과 접촉하여 열전모듈의 고온단(4)으로 전달된 열이 빠져나가도록 설치한 수냉식의 냉각부(6)가 적층되어 구성되고, 상기 열원부 및 열원부 외부의 상,하 양쪽에 위치한 열전모듈과 냉각부가 모두 일체형으로 된 것을 요지로 한다.

Description

자동차배열을 이용한 열전발전장치{Thermoelectric Generation System for Automobile Exhaust Heat Recovery}

본 발명은 자동차의 배기가스로 버려지는 고온의 배열에너지로부터 열전소자를 이용하여 직접 전기에너지의 형태로 변환 회수함으로써, 기존 차량의 전력발생장치인 교류발전기를 대체하거나, 차량 보기류 등의 에너지원으로 활용할 수 있는 자동차 배열이용 열전발전장치에 관한 것이다.

기존 차량에서 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력발생장치인 엔진구동 교류발전기(alternator)는 효율이 약 33% 정도에 불과할 뿐만 아니라, 차량의 소요 전력이 증가하면 축동력을 증대시켜야하기 때문에 축동력 손실도 증가되어 높은 연료 소모 및 이로 인한 공해배출물이 증대되는 단점이 있다.

자동차에서의 에너지흐름을 살펴보면, 가솔린이 가진 화학에너지는 엔진에서 연소하여 기계에너지로 변환되며, 이때의 열효율은 높아도 30%정도에 불과하다.

나머지 에너지는 열의 형태로 라디에이터, 엔진본체, 배기가스로부터, 각기 30%, 10%, 30%정도 외부로 방출된다.

이 엔진 폐열 중에서 열원의 온도가 높은 쪽이 에너지로서의 효용성이 높기 때문에, 자동차의 폐열 이용을 고려하는 경우에는 열원의 온도가 100℃정도에 불과한 엔진본체나 라디에이터 보다, 수백도의 높은 온도영역을 갖는 엔진의 배기열을검토하는 것이 가장 적합하다.

한편, 엔진에서 얻어진 총공급에너지 대비 30%정도의 기계에너지는, 기계마찰이나, 오일펌프·알터네이터 등 보기류의 구동에 소비되어, 실제로 주행에 사용되는 에너지는, 총 에너지량의 20%정도에 불과하다.

이때, 알터네이터의 구동에 소비되는 에너지는 차량의 운전상태 및 전력사용상태에 따라서 변화하나, 전력사용이 적은 주간의 일반 운전시에도 총 투입에너지의 수 퍼센트를 소비하므로, 열전변환에 의해 엔진의 배기열을 회수·발전하여 이를 대체하면, 이에 상당하는 연비향상을 기대할 수 있다.

열전변환은, 금속 또는 반도체인 제백소자 양단에 온도차를 주는 경우, 열원부와 냉각부 사이에 전위차가 발생한다는 제백(Seebeck) 효과를 이용한 것으로서, 이 시스템의 커다란 특징은, 기계적인 구동부 없이, 열을 직접 전기로 변환할 수 있다는 점이다.

이 원리는 열전대와 같이 아주 일반적인 것이나, 국내에서는 산업용 보일러 및 요로 등의 배기가스로부터 폐열을 이용하기 위한 열전발전 시스템이 개발되고 있으며, 자동차의 배열을 이용하기 위한 기술은 국내에는 전혀 출원된 바 없고, 선진외국에서도 비교적 최근에 연구개발을 추진 중에 있는 기술로서 트럭에 적용하기 위한 열전발전시스템이 개발되고 있으나 구조가 팔각형으로 복잡하고 제작비가 고가이어서 자동차에는 실용화되어 있지 않다.

자동차 이외의 분야에서는, 이미 오래 전부터 사용되어, 벽지용 전원시설,혹성탐사선(Voyager II) 등에 사용된 실적이 있고, 최근에는, 쓰레기 소각로 폐열이용시스템, 지열발전, 해양온도차발전 등에도 적용이 검토되고 있다.

자동차 배열이용 열전발전시스템은 다수의 열전모듈 부분, 열전발전시스템 부분 및 제어시스템 부분으로 나눌 수 있으며, 그 중에서 열전발전시스템 부분의 기술은 자동차 배기구로 버려지는 배열로부터 가능한 많은 폐열을 회수해내기 위한 중요한 기술이다.

상기 열전발전시스템 부분은, 배기가스와의 열교환을 수행하여 열전발전모듈의 고온단을 가열시키기 위한 흡열부, 다수의 제벡소자로 구성된 열전발전모듈부, 열전발전모듈의 저온단을 냉각시키기 위한 방열부 등으로 구성된다.

이 중에서 열전발전모듈의 고온단을 가열시키기 위한 배기구의 열교환부(흡열부)는, 변동이 큰 자동차 배열에너지의 절반이상을 아주 좁은 영역에서 높은 열전달율로 추출해 내야하며, 동시에 배압의 증가에 따른 엔진효율의 저하를 피할 수 있도록 설계해야 한다.

따라서, 스택내부의 유동을 최적화하고 열전달을 촉진하기 위한 열전달 핀의 설계 및 냉각부의 설계는 열전변환효율의 향상에 있어서 중요하다.

최근 선진외국에서 출원된 자동차 배열이용 열전발전시스템은 구조가 팔각형으로 복잡하고 제작비가 고가이고, 또한 열전소자의 열전달을 극대화하고자 열전소자 양면에 균일한 압축하중 및 열변형 방지를 위하여 사용되는 Belleville 스프링이 고가이고 설치가 까다롭다는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 제벡(Seebeck) 소자를 이용한 열전발전기술을 자동차에 적용하여 차량의 배기구로 버려지고 있는 배열에너지를 가능한 많은 폐열을 회수하여 최대 효율을 얻기 위한 간단한 구조의 열전발전장치를 설계하여 전기에너지의 형태로 직접 변환 회수하여, 기존 차량의 전력발생장치인 교류발전기를 대체시켜 교류발전기의 구동부하를 저감하거나, 차량 보기류 등의 에너지원으로 활용함으로써, 자동차의 연비개선, CO₂및 유해배출물을 저감시킬 수 있는 열전발전 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적은 자동차 배기가스가 통과하는 열전발전장치의 열원부를 구조가 간단하고 열전소자의 설치가 용이한 직사각형으로 설계하고, 열전소자를 상,하 양쪽에 일체형으로 설치가 가능하도록 하였으며, 얻고자하는 출력에 따라 직렬 혹은 병렬로 연결하여 출력의 증감이 가능하도록 하고, 스프링의 가격이 저렴하고 설치가 용이한 다수의 링 스프링을 사용함으로써, 제작비용이 절감되도록 한 구조를 제공함으로써 달성된다.

도 1은 자동차 배열이용 열전발전장치의 개략도이고,

도 2는 자동차 배열이용 열전발전장치의 병렬 연결도이며,

도 3은 자동차 배열이용 열전발전장치의 직렬 연결도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 배기구 (2) : 열원부

(3) : 열전달 핀 (4) : 고온단

(5) : 저온단 (6) : 냉각부

(7) : 링 스프링 (8) : 어텝터

(9) : 열전모듈 (10) : 중앙 막음판

(11): 냉각부 가림판

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 자동차 배열이용 열전발전장치의 개략도를 도시하고 있는데, 본 발명의 구성은 제벡소자를 이용하여 자동차 배기가스와의 열교환을 수행하도록, 고온단 저온단으로 이루어진 열전발전모듈부, 흡열부 및 방열부 등으로 구성된 자동차용 열전발전장치에 있어서,

상,하 내부에 열전달 핀(3)을 형성하여 고온의 배기가스 열이 열원부 외부의 상,하에 설치한 열전모듈의 고온단(4)으로 전달되도록 한 자동차의 배기구(1)로부터 공급되는 배기가스가 통과하는 열원부(2)와,

상기 열원부의 외부 상하에 설치되어 접촉하는 고온단(4)과,

상기 고온단과 접촉하여 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자로 이루어진 열전모듈(9)과,

상기 열전모듈과 접촉하는 저온단(5)과,상기 열전모듈 양면에 균일한 압축하중 및 열변형방지를 위해 설치된 다수의 링 스프링(7) 수단과,

상기 저온단과 접촉하여 열전모듈(9)의 고온단(4)으로 전달된 열이 빠져나가도록 설치한 수냉식의 냉각부(6)가 적층되어 구성되고,

상기 열원부 및 열원부 외부의 상,하 양쪽에 위치한 열전모듈과 냉각부가 모두 일체형으로 된다.

상기 냉각부(6)는 앞쪽에 설치된 열전모듈과 뒷쪽에 설치된 열전모듈의 냉각수 유입 온도를 동일하게 하기 위하여 냉각부 내부의 중앙 막음판(10)을 사용하여막았다.

또한 상기 냉각부는 냉각수의 유속을 증대시켜 냉각성능을 높이고자 냉각부 내부에 각각 2개의 가림판(11)을 설치하였다.

상기 열전모듈이 설치되는 열전발전장치 열원부 외부의 상,하 구조는 열전모듈의 설치가 용이하게 하기 위하여 열전모듈 설치면이 평면인 직사각형의 구조로 형성하였다.

본 발명의 열전발전장치는 자동차 머플러의 형상이 원통형이므로 열전발전장치를 설치하기 위하여 직사각형으로 변화되는 플랜지형의 머플러 어뎁터(8)를 설치하였다.

도 2는 자동차 배열이용 열전발전장치의 병렬 연결도이며, 도 3은 자동차 배열이용 열전발전장치의 병렬 연결도를 도시하고 있는데, 얻고자하는 출력의 증대에 따라 다수의 열전발전장치를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 출력의 증감이 가능하도록 하였고,

열전발전장치의 열전모듈 표면의 접촉성을 향상시키고 또 열팽창에 따른 변형을 방지하여 열전달을 극대화하고자 스프링의 가격이 저렴하고 설치가 용이한 다수의 링 스프링(7)을 설치하여 열전모듈 양면에 균일한 압축하중 및 열변형방지를 하도록 구성하였다.

상기와 같은 본 발명의 작용은 다음과 같다.

자동차의 배기구(1)로부터 공급되는 배기가스는 열원부(2) 상,하 내부에 열전달 핀(3)을 통하여 보다 많은 고온의 배기가스 열이 열원부 외부의 상,하에 설치한 열전모듈의 고온단(4)으로 전달된다.

이때 배기가스가 통과하는 열원부 내부의 통과 단면적을 설계할 때 작게 하면 배압의 증가에 의한 엔진효율이 저하되고 반대로 크면 열전모듈의 고온단으로 전달되는 열전달량이 감소하게되므로 배압이 적으면서 가능한 열전달이 잘 되도록 설계하였다.

고온단으로 전달된 열은 열전모듈을 지나 저온단을 거친 후 냉각부를 통해서 빠져나가는데 이때 고온단 및 저온단의 열차이에 의해 열전모듈에서 제벡효과에 의해 열-전기 직접 전환이 일어나사 전기를 생산하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 차량의 배기구로 버려지고 있는 배열에너지를 가능한많은 폐열을 회수하여 최대 효율을 얻기 위한 간단한 구조의 열전발전장치로서, 열에너지를 전기에너지의 형태로 직접 변환 회수하여, 기존 차량의 전력발생장치인 교류발전기를 대체시켜 교류발전기의 구동부하를 저감하거나, 차량 보기류 등의 에너지원으로 활용함으로써, 자동차의 연비개선, CO₂및 유해배출물을 저감시킬 수 있는 등의 장점이 있어서 산업상 이용가능성이 기대되는 발명이다.

Claims (7)

1. 제벡소자를 이용하여 자동차 배기가스와의 열교환을 수행하도록, 고온단 저온단으로 이루어진 열전발전모듈부, 흡열부 및 방열부 등으로 구성된 자동차용 열전발전장치에 있어서,

   상,하 내부에 열전달 핀(3)을 형성하여 고온의 배기가스 열이 열원부 외부의 상,하에 설치한 열전모듈(9)의 고온단(4)으로 전달되도록 한 자동차의 배기구(1)로부터 공급되는 배기가스가 통과하는 열원부(2)와,

   상기 열원부의 외부 상하에 설치되어 접촉하는 고온단(4)과,

   상기 고온단과 접촉하여 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자로 이루어진 열전모듈(9)과,

   상기 열전모듈과 접촉하는 저온단(5)과,

   상기 열전모듈 양면에 균일한 압축하중 및 열변형방지를 위해 설치된 다수의 링 스프링(7) 수단과,

   상기 저온단과 접촉하여 열전모듈의 고온단(4)으로 전달된 열이 빠져나가도록 설치한 수냉식의 냉각부(6)가 적층되어 구성되고,

   상기 열원부 및 열원부 외부의 상,하 양쪽에 위치한 열전모듈과 냉각부가 모두 일체형으로 된 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열전모듈(9)이 설치되는 열전발전장치 열원부(2) 외부의 상,하 구조는열전모듈의 설치가 용이하게 하기 위하여 열전모듈 설치면이 평면인 직사각형의 구조로 형성한 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열전발전장치는 얻고자하는 출력의 증대에 따라 다수의 열전발전장치를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 출력의 증감토록 한 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각부(6)는 앞쪽에 설치된 열전모듈과 뒷쪽에 설치된 열전모듈의 냉각수 유입 온도를 동일하게 하기 위하여 냉각부 내부의 중앙 막음판(10)을 사용하여 막은 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.
6. 제 1항 및 제 5항의 어느 한항에 있어서,

   또한 상기 냉각부(6)는 냉각수의 유속을 증대시켜 냉각성능을 높이고자 냉각부 내부에 각각 2개의 냉각부 가림판(12)을 설치한 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 열전발전장치는 자동차 머플러의 형상이 원통형이므로 열전발전장치를 설치하기 위하여 직사각형으로 변화되는 플랜지형의 머플러 어뎁터(8)를 설치한 것을 특징으로 하는 자동차배열을 이용한 열전발전장치.