KR100986657B1 - 열전 냉각 발전 장치 - Google Patents

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김시호
박순서
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 열전 모듈(Thermoelectric module)의 제벡(Seebeck) 효과를 이용한 열전 소자와 히트 파이프를 이용하여 자동차 엔진에서 가열된 냉각수로부터 열전 발전 및 효율적인 냉각수 냉각을 하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 자동차 엔진에서 가열된 냉각수로부터 발생하는 고온의 폐열을 이용하여 전기를 발생시키기 위해 제벡(Seeback) 효과를 이용한 열전 소자를 이용하고, 열전 소자의 발전 효율과 냉각수의 냉각 효율을 높이기 위해 열전 소자의 고온부에서 저온부측으로 전달된 열을 효과적으로 냉각시키는 구조로 히트 파이프를 열전소자의 저온부측에 접목시켰다.
상기 히트 파이프는 일반적인 열전도체보다 그 열전도성이 우수하다는 장점을 가지고 있다.
이와 같이, 본 발명은 차량의 엔진에서 가열된 냉각수의 폐열을 이용하여 종래 라디에이터 없이도 냉각수의 냉각이 가능하며 발전 또한 가능한 냉각 발전 장치를 제공한다.
냉각수, 폐열, 히트 파이프, 열전 모듈, 열전 소자, 발전 장치

Description

열전 냉각 발전 장치{An apparatus for thermoelectric generator and cooling}

본 발명은 열전 냉각 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 엔진에서 가열된 냉각수로부터 열전 발전 및 효율적인 냉각수 냉각을 하기 위한 열전 발전 장치에 관한 것이다.

기존의 자동차 엔진에 냉각수관으로 연결된 라디에이터는 엔진에서 가열된 냉각수를 냉각하여 엔진 등 주변 구성들을 적정 온도로 유지 시키는 열 교환기로써 엔진의 가동에 의해 발생하는 열을 효과적으로 빼내 주어 엔진의 성능 및 수명을 유지 시켜주는 역할을 한다.

도1은 기존의 자동차의 엔진에 냉각수관으로 연결된 라디에이터 장치의 구조를 보여주는 것으로, 엔진에서 가열된 고온의 냉각수를 라디에이터에서 순환시켜 냉각한 후에 이를 다시 엔진으로 공급하는 구조이다.

이와 같은 종래의 자동차 라디에이터는 단순히 냉각수를 냉각시켜 주기 위한 기능만을 가지고 있으며, 에너지 관점에서는 자동차 전체 에너지 손실의 30%가 발생되는 비효율적인 구조로 되어 있다.

또한, 최근에 에너지 효율을 높이기 위해 자동차로부터 나오는 고온의 폐열(배기 폐열)을 이용하여 열전 발전시키는 열전 소자로부터 재생산되는 에너지를 자동차의 새로운 동력원으로 이용하려는 노력이 HEV시장에서 연구 중이다.

열전 소자는 소자의 양쪽에 온도차이가 발생하면 온도가 높은 곳에서 낮은 쪽으로 전자가 이동하여 만들어지는 기전력을 이용한 물질로써 열전 소자에 자동차로부터 나오는 고온의 배기 폐열을 인가하여 전기 에너지를 얻는다.

도 2와 도 3은 종래 배기 폐열을 이용한 열전 발전 장치의 구조를 나타낸 것이다.

도 2는 GM(General Motors Corporation)의 방식으로서, 자동차 배기구의 모양을 변경하여 많은 양의 열전 소자를 직접 배기구의 외벽에 붙이는 방법이다.

도 3은 BMW(Bayerische Motoren Werke AG)의 방식으로서, 배기구의 열을 이용하여 일차적으로 오일을 가열한 후, 다면체에 넣어 순환 시키고, 아래에 열전 소자를 붙여 층으로 쌓는 방식이다.

이와 같은, 종래의 자동차에 적용된 열전 발전 방식은 배기 가스의 배기 열을 이용한 방식으로써 열전 소자의 저온부를 냉각 해주기 위해 냉각수를 순환하여 냉각하는 방식은 냉각 순환을 위한 터빈의 에너지 소모가 발생하고 자동차의 중량도 필연적으로 증가되는 문제점 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존에 자동차의 배기 폐열을 이용함으로써 전력을 생산했던 방식과는 별개로, 자동차의 엔진에서 발생하는 고온의 냉각수의 폐열을 이용하여 라디에이터 없이도 냉각수의 냉각이 가능함과 동시에 발전이 가능한 열전 냉각 발전 장치를 제공하는 것으로, 특히 열전 소자의 고온부에서 저온부로 전달된 열을 효과적으로 냉각시켜서 열전 소자의 발전 효율과 냉각수의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 열전 냉각 발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 열전 냉각 발전 장치의 일 예는, 발전과 동시에 냉각수를 냉각시키는 열전 냉각 발전 장치에 있어서, 자동차 엔진을 냉각시키는 냉각수가 순환되는 냉각수관과; 상기 냉각수관 관로상에 설치된 발열블록과; 상기 발열블록과 면 접촉되고, 상기 냉각수로부터 나오는 열을 고온부의 열원으로 하여 전기를 발생시키는 제벡(Seeback) 효과를 이용한 열전소자와; 입열부가 상기 열전 소자 저온부측에 위치하고 발열부가 방열판에 연결되어 상기 열전소자의 저온부의 열을 상기 방열판으로 전달하는 히트 파이프와; 상기 열전 소자와 면 접촉되고, 상기 히트 파이프의 입열부가 다수개 매립된 흡열블럭;을 포함하고, 상기 발열블럭과 열전소자는 서로 매칭되어 가로 및 세로로 다수개 배치하여 상기 흡열블럭 상하에 대칭되게 설치하고, 상기 히프 파이프는 발열부의 위치가 입열부의 위치보다 높게 설치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 냉각수관은 엔진에서 가열된 고온의 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구와 열이 방출된 저온의 냉각수가 상기 엔진측으로 유입되는 냉각수 유입구와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 발열블록은 냉각수가 순환될 수 있도록 내부가 빈 중공(中空)의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열전소자는 열을 전달받는 고온부와 상기 고온부의 열을 방출하는 저온부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열전소자의 고온부는 냉각수관이 연결된 발열블록과 접촉되고, 저온부는 히트 파이프가 매립된 흡열블록과 접촉되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열전소자의 고온부에서 저온부로 자동차 엔진에서 발생하는 고온의 냉각수가 이동되면서 열전 발전을 하고, 상기 열전소자의 저온부로 이동된 열은 히트 파이프의 입열부에서 단열부가 결합된 상하로 적층된 다수의 방열판에서 열을 방출함과 동시에 열을 빼앗아 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 냉각수관은 상기 발열블록과 서로 연통된 격자 형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 발명에서 제공하는 열전 냉각 발전 장치의 다른 실시예는, 발전과 동시에 냉각수를 냉각시키는 열전 냉각 발전 장치에 있어서, 자동차 엔진을 냉각시키는 냉각수가 순환되는 냉각수관(10)과; 상기 냉각수관(10)의 관로상에 설치된 발열블록(14)과, 상기 발열블록(14)과 면 접촉되어 상기 냉각수로부터 나오는 열을 고온부(11a)의 열원으로 하여 전기를 발생시키는 제벡(Seeback) 효과를 이용한 열전 소자(11)와, 내부에 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 매립되어 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)와 면 접촉되어 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)를 냉각시키는 흡열블록(15)과, 상기 흡열블록(15)에 연결된 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결되어 상기 열전소자 저온부(11a)의 열을 방출하는 방열판(13)이 순서대로 적층된 하나의 세트를 구성하는 열전 냉각 발전 유니트(16);를 포함하고, 상기 열전 냉각 발전 유니트를 다수 구성하여 오와 열을 맞춘 상태로 나란하게 설치된 것을 특징으로 한다.

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본 발명에서 제공하는 열전 냉각 발전 장치는 다음과 같은 장점이 있다.

종래의 라디에이터의 경우 차량의 엔진에서 발생되는 고온의 냉각수를 단순히 냉각하는 기능만을 하였지만, 본 발명은 이러한 냉각수를 냉각함과 동시에 발전 까지 가능한 복합적인 효과를 갖게 되는 이점이 있다.

특히, 냉각수의 열을 방열판으로 전달하기 위한 열전도체로 히트 파이프를 적용함으로써 냉각수의 열이 히트 파이프를 통해 방열판으로 원활하게 전달되어 종래 라디에이터를 사용하였을 때 보다 냉각 효율이 현저히 향상된 이점이 있다.

또한, 이러한 히트 파이프를 열전 소자의 저온부측에 설치함으로써 열전소자의 저온부로부터 많은 양의 열을 회수함으로서 열전소자의 고온부와 저온부의 온도 차이가 크게 발생하여 발전 효율 역시 향상되는 이점이 있다.

또한, 에너지의 효율 측면에서 자동차 전체 에너지 손실의 30%에 해당하는 냉각수의 폐열의 일부를 전기에너지로 전환시킬 수 있어, 이를 최근 개발되고 있는 하이브리드 자동차 또는 순수 전기 자동차의 새로운 동력원으로 활용함으로써 친환경적인 자동차를 구현할 수 있는 이점이 있다.

그리고 본 발명에서 제시하는 여러 형태의 실시예로 자동차 구조에 맞게 다양한 열전 냉각 발전 장치의 구조를 적용할 수 있다.

본 발명에서는 엔진에서 발생하는 냉각수를 라디에이터 없이 열전 소자 및 히트 파이프를 이용한 냉각수의 냉각 및 발전(發電)할 수 있는 방법을 여러 가지 실시예로 제시한다.

열전 소자는 열에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 소자로써 열전 소자를 사용할 경우 라디에이터를 이용한 냉각 방식보다 냉각 효율을 높일 수 있고, 버려지는 자동차 전체 에너지 30%에 해당하는 냉각수의 폐열의 일부에 대한 발전이 가능 하다.

이와 같은 열전 소자는 소자의 양쪽에 온도차이가 발생하면 온도가 높은 곳에서 낮은 쪽으로 전자가 이동하여 만들어지는 기전력을 이용한 소자로서, 본 발명에서는 온도 차이가 발생하는 열전 소자의 양쪽 면 중 고온의 열원으로부터 열을 받아 온도가 높은 면을 열전 소자의 고온부로 정의를 하고, 이 고온부에서 전달된 열을 저온의 열원으로 방출하여 온도가 낮은 면을 열전 소자의 저온부로 정의를 하기로 한다.

이때, 열전 소자의 발전 효율을 높이기 위해 열전소자의 고온부와 저온부의 온도 차를 크게 하기 위한 방법적인 측면에서의 연구는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 보다 많은 양의 열을 효과적으로 열전 소자의 고온부에 전달하는 것이고, 둘째는 열전 소자의 고온부에서 저온부로 이동된 열을 효과적으로 냉각하는 방법이다. 즉 열전 소자 저온부는 고온부에서 전달되는 열을 효과적으로 냉각시켜주어야 한다.

여기서, 엔진으로부터 배출되는 냉각수에서 방출되는 고온의 열원의 온도를 크게 하는 것은 한계가 있으므로, 본 발명에서는 상기 두 번째 방법으로 열전 소자의 저온부로 전달된 열을 효과적으로 빼내어 열전 소자의 저온부의 온도를 낮추기 위한 방법으로 열을 효과적으로 전달하는 장점을 가지고 있는 히트 파이프를 열전 소자의 저온부에 접목시킨 것이다.

이와 같이, 히트 파이프를 열전 소자의 저온부에 접목시키게 되면 열전 소자의 저온부에서 방출되는 열로 인해 히트 파이프의 입열부가 가열되고, 계속해서 히 트 파이프 내부의 작동액이 이 열을 흡수해 증기가 되며, 이 증기의 흐름은 히트 파이프의 단열부를 지나서 히트 파이프의 발열부로 빠르게 이동하게 된다.

상기 발열부로 이동한 증기는 밖으로 열을 방열판으로 방출함과 동시에 열을 빼앗기게 되어 다시 원래의 작동액으로 응축된다.

이렇게 응축된 작동액은 모세관현상에 의한 모관력 또는 중력에 의해 입열부로 이동하게 되며, 다시 이 사이클을 진행하게 된다.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 및 결합 사시도이다.

도 4 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열전 냉각 발전 장치는 자동차 엔진으로부터 배출되는 냉각수가 순환되는 냉각수관(10)과, 이 냉각수관(10)을 순환하는 냉각수로부터 방출되는 열을 그 고온부(11a)의 열원으로 하여 열전 발전을 하는 열전 소자(11)와, 이 열전 소자(11)의 저온부(11b)의 열을 냉각시키기 위한 히트 파이프(12)와, 이 히트 파이프(12)의 발열부(12c)에서 방출되는 고온의 열을 대기로 방출하는 방열판(13)으로 이루어지는 구성이다.

냉각수관(10)은 엔진(20)으로부터 배출되는 고온의 냉각수가 순환되어 열전 소자(11)의 고온부(11a)로 열을 전달하고, 열교환에 의해 냉각된 냉각수를 다시 엔진(20)으로 공급하는 역할을 한다.

이를 위해, 냉각수관(10)은 일측이 엔진(20)에서 가열된 고온의 냉각수가 배출되는 엔진(20)의 냉각수 배출구(20a)와 연결되고, 타측이 냉각수관(10)을 순환하면서 외부와의 열전달을 통해 열이 방출된 저온의 냉각수가 엔진측으로 유입되는 엔진의 냉각수 유입구(20b)와 연결되는 관으로, 냉각수 순환이 가능하도록 동일 평면상에 서로 연통된 격자 형상 또는 지그 재그로 굴곡진 형상으로 소정 면적을 차지하는 구조이다.

또한, 냉각수관(10)의 관로상에는 열전 소자(11)의 고온부(11a)와의 전열 면적을 증가시키기 위한 직육면체 형상의 다수의 발열 블록(14)이 서로 인접하게 오와 열을 맞추어 나란하게 설치된다.

그리고 발열 블록(14)은 열전 소자(11)의 고온부(11a)로 보다 많은 열을 전달하기 위해 열전도성이 높은 재질로 이루어지고, 그 내부에 냉각수가 순환될 수 있도록 내부가 빈 중공(中空)의 구조를 갖는다.

본 발명에서 사용되는 열전 소자(11)는 얇은 판 형상으로 일면에 고온의 열원으로부터 열을 전달받는 고온부(11a)와 이 고온부(11a)의 반대 면에 저온의 열원으로 열을 방출하는 저온부(11b)가 형성되어, 이 양단에서의 온도차에 의해 고온부(11a)에서 저온부(11b)로 열 이동시에 n형 발전소자와 p형 발전소자에서 각각 전자와 홀(hole)이 고온부(11a)에서 저온부(11b)로 이동하므로써 발전이 가능한 소자로, 앞서 서술한 바와 같이 양단의 온도차가 클수록 발전 효율이 높아진다.

본 발명에서는 이 열전 소자 고온부(11a)의 열원으로 엔진으로부터 배출되는 고온의 냉각수를 이용하는 것을 특징으로 하는 것으로, 이를 위해 열전 소자(11)는 열전 소자(11)의 고온부(11a)를 형성하는 면이 냉각수관(10)의 외면에 접촉되게 설치된다.

이때, 보다 많은 발전을 위해 다수의 열전 소자(11)를 설치하되, 각 열전 소 자(11)가 냉각수로부터 보다 효과적인 열을 전달받기 위해 냉각수관(10)의 관로상에 설치된 다수의 발열 블록(14)과 1:1 매칭된 상태에서 서로 면 접촉되게 동일 평면에 설치된다.

이와 같이, 다수의 열전 소자(11)는 고온의 냉각수가 순환되는 발열 블록(14)과 면 접촉된 상태에서, 각 열전 소자(11)의 고온부(11a)에서 냉각수의 폐열을 전달받아 이 열을 저온부(11b)로 전달하면서 개별적으로 발전을 하게 된다.

여기서, 본 발명은 열전 소자(11)의 저온부(11b)의 온도를 낮추어 고온부(11a)와의 온도차를 크게 하여 발전 효율을 높이기 위해 열전 소자(11)의 저온부(11b)의 열을 효과적으로 제거하기 위한 히트 파이프(12)가 구비된다.

이러한 히트 파이프는, 도6에 도시된 바와 같이, 열전 소자(11)의 저온부(11b)의 열로 인해 가열되는 입열부(12a)와, 외부로 열을 방출하는 방열판(13)으로 열을 전달하는 발열부(12c) 및 입열부(12a)와 발열부(12c) 사이의 구간을 구성하는 단열부(12b)로 이루어진다.

히트 파이프(12)를 이용한 열전달 과정을 통한 열전 발전과 냉각수의 냉각 과정을 좀 더 상세히 살펴보면, 자동차 엔진 가동시에 엔진으로부터 발생하는 고온의 냉각수에서 전달되는 열이 열전 소자(11)의 고온부(11a)에서 저온부(11b)로 이동되면서 열전 발전을 함과 동시에, 열전 소자(11)의 저온부911b)로 이동된 열은 히트 파이프 입열부(12a)에 있는 작동액이 열을 흡수해 증기가 되고, 이 증기의 흐름은 히트 파이프 단열부(12b)를 지나서 히트 파이프 발열부(12c)로 이동하게 된다. 히트 파이프(12)의 발열부(12b)로 이동한 증기는 방열판(13)으로 열을 방출함 과 동시에 열을 빼앗기게 되어 다시 원래의 작동액으로 응축된 후, 이 응축된 작동액은 중력 및 모관력에 의해 입열부(12a)로 다시 이동하게 된다. 입열부(12a)로 다시 이동된 응축된 작동액은 상술한 사이클 과정을 반복적으로 이루면서 열전 소자(11)의 저온부(11b)의 열을 방열판(13)으로 전달하게 된다.

본 발명의 제1실시예에서는 다수의 열전 소자(11)가 동일 평면상에 가로 및 세로로 다수 배치되어 있는 구조여서, 이 다수의 열전 소자(11)의 저온부(11b)로부터 열을 효과적으로 제거하기 위해서는 다수의 히트 파이프(12)가 필요하다.

이때, 열전 소자(11)와의 전열 면적을 증가시키기 위해서 다수의 히트 파이프 입열부(12a)는 상기 다수의 열전 소자(11)가 배치된 면적과 동일한 면적을 갖는 직육면체 형상의 흡열 블록(15)에 매립되게 설치된다.

이를 위해, 흡열 블록(15)은 속이 꽉 찬 중실(中實)의 구조로 그 내부에 각 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 관통하는 구멍(15a)이 좌우 일렬로 나란하게 다수 형성된다.

그리고 이 흡열 블록(15)은 열전 소자 저온부(11b)의 열을 히트 파이프 입열부(12a)로 신속하게 전달할 수 있도록 열전도성이 높은 금속재질로 이루어진다.

또한, 상기 흡열 블록(15)은 다수의 열전 소자(11)의 저온부(11b)와 일체로 면 접촉되게 설치되어 각 열전 소자(11)의 저온부(11b)를 빠르게 냉각시킬 수 있게 된다.

그리고, 상기 히트 파이프(12)의 발열부(12c)는 상하로 적층된 다수의 방열판(13)을 관통되게 설치된다.

한편, 입열부(12a)가 흡열 블록(15)에 연결되고 발열부(12c)가 방열판(13)에 연결된 히트 파이프(12)는 발열부(12c)의 응축액이 입열부(12a)로 중력에 의해 보다 잘 귀환할 수 있도록 설치된다.

이를 위하여, 히트 파이프(12)는 단열부(12b)를 중심으로 입열부(12a)와 발열부(12c)가 이루는 각도가 대략 90°가 되도록 굽어진 “L"자 형상으로 이루어지고, 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결되는 방열판(13)의 최하단의 위치를 입열부(12a)가 연결된 흡열 블록(15)의 위치보다 최소한 같거나 높게 배치함으로써 히트 파이프 발열부(12c)의 위치가 입열부(12a)의 위치보다 높게 설치되게 된다.

한편, 본 발명은 열전 냉각 발전 장치의 설치 공간을 줄이면서 보다 많은 양의 냉각수를 냉각시킴으로써 발전 효율을 높이기 위해, 한 쌍을 이루는 냉각수관(10)과 열전 소자(11)를 상기 히트 파이프(12)를 중심으로 상하 서로 대칭되게 설치된다.

다시 말해, 히트 파이프 입열부(12a)가 매립된 흡열 블록(15)의 상부에 냉각수관(10)과 열전 소자(11)가 배치되고, 이와 별도로 상기 흡열 블록(15)의 하부에도 열전 소자(11)와 냉각수관(10)이 배치되어, 전체적으로 냉각수관(10, 또는 발열 블록(14))-열전 소자(11)-흡열 블록(15)-열전 소자(11)-냉각수관(10, 또는 발열 블록(14)) 순서로 적층되게 설치된다.

이와 같이, 본 발명의 제1실시예의 열전 냉각 발전 장치는 자동차 내부에 설치된 엔진(20)에 근접된 위치에 냉각수 라인에 의해 연결된 한 쌍의 냉각수관(10)이 사이에 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 매립된 흡열 블록(15)을 중심으로 그 양면에 열전 소자(11)가 적층된 구조로, 이 적층된 구성물들의 측면에는 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결된 방열판(13)이 흡열 블록(15)보다 높게 설치되는 구조로, 각 구성들간의 효율적인 열전달을 위해 냉각수관(10, 또는 발명 블록(15)), 열전소자(11) 및 히트 파이프의 입열부(12a 또는 흡열 블록(14))은 각각 서로 외면이 접촉된 상태로 적층 설치한다.

이와 같이, 엔진에서 발생하는 고온의 냉각수가 순환하는 냉각수관(10)의 표면에 열전 소자(11)를 배치함으로써 종래 자동차 전체 에너지 손실의 30%를 차지하는 냉각수의 폐열의 일부를 발전에 활용할 수 있고, 열전 소자의 저온부(11b)에 히트 파이프(12)를 배치함으로써 종래 단순히 외부 공기와 열교환을 통한 라디에이터에 비하여 보다 많은 열을 제거할 수 있어 냉각수의 냉각 효율이 증가될 수 있는 것이다.

도5에서 볼 수 있듯이 히트 파이프(12)는 흡열 블록(15)을 관통해 흡열 블록(15)의 내부에 입열부(12a)가 매립되며, 이 입열부(12a)의 크기는 그 길이에 제한을 두지 않고 변할 수 있다.

상기 입별부(12a)의 열을 발열부로 전달하는 단열부(12b)의 길이는 본 발명의 다른 실시예에서도 마찬가지로 그 길이에 제한을 두기 않으며 열전 소자(11)나 방열판(13)의 위치에 따라 그 모양이나 길이가 변할 수 있다.

발열부(12c)는 열을 방열판(13)으로 전달하는 부분으로 방열판(13)의 크기에 따라 그 크기와 모양의 변경이 가능하다. 방열판(13)으로 열을 원활하게 전달해 주기 위해 발열부(12c)의 길이를 늘이거나 줄일 수도 있다.

본 발명에 적용되는 모든 실시예 중 히트 파이프의 수는 적용될 열전 소자의 개수 및 방열판의 크기에 따라 변경이 가능하다.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 및 결합 사시도이다.

본 발명의 제2실시예는 제1실시예와는 달리 열전 냉각 발전 장치의 설치 면적을 줄이기 위해 방열판(13)을 냉각수관(10), 열전 소자(11), 히트 파이프(12)의 설치 공간에 함께 설치한 것이다.

즉, 제1실시예에서는 격자형으로 구성된 냉각수관(10)의 관로상에 다수의 발열 블록(14)을 설치하는 구성이었으나, 도 7 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 제2실시예에서는 냉각수관(10)을 발열 블록(14)에 매립 설치하고, 이 발열 블록(14) 하부에 적층되는 열전 소자(11)와 히트 파이프(12)를 방열판(13)의 직하부에 설치함으로서 열전 냉각 발전 장치의 설치 공간을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이를 위해, 냉각수관(10)은 일단이 엔진(20)에서 가열된 고온의 냉각수가 배출되는 엔진(20)의 냉각수 배출구(20a)와 연결되고, 타단이 외부와의 열전달을 통해 열이 방출된 저온의 냉각수가 엔진(20)측으로 유입되는 엔진의 냉각수 유입구(20b)와 연결되는 하나의 관으로 이루어진다.

이러한 냉각수관(10)은 직육면체 형상의 장방형의 발열 블록(14)에 매립되게 설치된다.

이때, 발열 블록(14)은 속이 꽉찬 중실(中實)의 구조로 열전도성이 높은 금속 재질로 이루어지며, 냉각수관(10)이 관통하여 매립될 수 있게 그 내부에 구멍이 형성되어 있다.

열전 소자(11)는 상기 발열 블록(14)과 동일한 면적으로 갖는 판 형상으로, 열전 소자(11)의 고온부(11a)가 발열 블록(14)의 하면에 접촉되게 설치된다.

또한, 열전 소자(11)의 저온부(11b)에는 히트 파이프(12)가 매립된 흡열 블록(15)이 설치되는데, 이 흡열 블록(15)은 제1실시예에서 설명된 흡열 블록과 그 구조 및 작용은 동일하나, 그 면적에 있어서 상기 발열 블록(14)과 동일한 면적을 갖는 점에서만 다르다.

이와 같이, 동일한 면적을 갖는 발열 블록(14), 열전 소자(11) 및 흡열 블록(15)은 각 순서대로 서로 면 접촉된 상태에서 상하 적층되게 설치되고, 이 적층체가 방열판(13)의 직하부에 설치됨으로써 제1실시예에서 같이 측면에 설치되는 구조보다 설치 면적을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이와 관련하여, 열전 냉각 발전 장치의 설치 면적을 더 효율적으로 줄이기 위해, 방열판(13)을 상하 적층된 다수의 판에서 그 하부에 적층된 몇 개의 판의 크기를 대략 1/2로 줄여서 하부를 단차지도록 구성하고, 발열 블록(14), 열전 소자(11) 및 흡열 블록(15) 면적 역시 방열판(13)의 크기의 대략 1/2의 크기로 설계하여, 방열판(13)의 단차진 하부에 설치하는 것이 바람직하다.

이때, 히트 파이프(12)는 입열부(12a)가 흡열 블록(15)에 매립되고 발열부(12c)가 방열판(13)을 관통하게 설치되는데, 방열판(13)이 흡열 블록(15)보다 상부에 설치되어 있어 히트 파이프(12)의 발열부(12c)의 위치가 입열부(12a)의 위치보다 높게 설치되므로 발열부(12c)의 응축액이 입열부(12a)로 중력에 의해 보다 잘 귀환할 수 있게 된다.

한편, 제1실시예와 마찬가지로 발열 블록(14)과 열전 소자(11)는 한 쌍을 이루어 흡열 블록(15)을 중심으로 상하 서로 대칭되게 설치되어, 흡열 블록(15)을 중심으로 양 방향에서 발전과 냉각수 냉각이 각각 이루어져 적은 공간에서 보다 많은 발전관 냉각수의 냉각이 이루어질 수 있다.

도9 내지 도10은 본 발명의 제3실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 사시도 및 결합사시도이다.

본 발명의 제3실시예는 상기 제2실시예의 변형예로, 히트 파이프는 굽어진 것이 아닌 직선형의 히프 파이프를 사용한 것이다.

상기 직선형의 히프 파이프(12) 설치 구조 역시 히트 파이프(12)의 발열부(12c)의 응축액이 입열부(12a)로 중력에 의해 보다 잘 귀환할 수 있게 히트 파이프(12)의 발열부(12c)의 위치가 입열부(12a)의 위치보다 높게 설치되는 구조로, 즉 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 연결된 흡열 블록(15)이 발열부(12c)가 연결되는 방열판(13)의 직하부에 설치되며, 히트 파이프(12)는 방열판(13)과 흡열 블록(15)을 상하 방향으로 관통되게 연결된다.

또한, 발열 블록(14), 열전 소자(11), 흡열 블록(15)은 제2실시예와 같이 상하 적층되는 구조가 아니라 좌우 방향으로 적층되는 구조이다.

보다 상세하게, 가운데에 냉각수가 순환하는 냉각수관(10)이 매립된 발열 블록(14)을 중심으로 좌우 양 측에 열전 소자(11)가 각각 설치되고, 가장 바깥층인 최외곽층에는 히프 파이프(12)의 입열부(12a)가 매립된 흡열 블록(15)이 각각 설치되는 구조로, 흡열 블록(15, 히트 파이프(12))-열전 소자(11)-발열 블록(14, 냉각관(10))-열전 소자(11)- 흡열 블록(15, 히트 파이프(12))의 순서로 적층된 구조물이 방열판(13)의 직하부에 설치되는 구조이다.

도 11 내지 도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 및 결합 사시도이다.

본 발명의 제4실시예는 발전 효율 및 냉각수 냉각 효율을 배가시키기 위해 달리 제1실시예와는 달리 복수 개의 열전 소자(11)를 하나의 방열판(13)으로 방열하는 것이 아니라 단수 개의 열전 소자(11) 각각을 방열하기 위한 장치를 나타낸 것이다.

즉, 발열 블록(14), 열전 소자(11), 흡열 블록(15) 및 방열판(13)이 한 세트로 구성되는 다수의 열전 냉각 발전 유니트가 각각 서로 오와 열을 맞춘 상태로 동일 평면상에 나란하게 설치되어 개별적으로 발전 및 냉각수의 냉각이 이루어져 발전 효율 및 냉각 효율을 증가시킬 수 있게 되는 것이다.

보다 상세하게, 냉각수관(10)의 관로상에 설치된 발열 블록(14)과, 이 발열 블록(14)과 면 접촉되어 상기 냉각수로부터 나오는 열을 고온부(11a)의 열원으로 하여 발전을 하는 열전 소자(11)와, 내부에 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 매립되어 상기 열전 소자(11)의 저온부(11b)와 면 접촉되는 흡열 블록(15)과 상기 흡열 블록(15)에 연결된 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결되어 상기 열전 소자 저온부(11a)의 열을 방출하는 방열판(13)이 순서대로 적층된 하나의 세트를 구성하는 열전 냉각 발전 유니트(16)가 다수 개 구성되어, 동일 평면상에 가로 및 세로로 서 로 이웃하게 일렬로 배치된다.

이와 같이, 다수의 열전 냉각 발전 유니트(16)가 개별적으로 배치됨으로서 각 열전 냉각 발전 유니트(16)는 개별적으로 열전 발전을 함과 동시에 냉각수를 냉각이 이루어진다.

이때, 다수의 냉각 발전 유니트(16)는 서로 횡방향(좌우 방향)으로 배치되며, 방열판(13), 발열 블록(14), 열전 소자(11) 및 흡열 블록(15)이 각 순서대로 상하 적층되어, 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결된 방열판(13)의 위치가 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 연결된 흡열 블록(14)의 위치 보다 높게 설치됨으로써 발열부(12c)의 응축액이 입열부(12a)로 중력에 의해 보다 잘 귀환할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

예를 들어, 본 발명의 각 실시예에서는 라디에이터 없이 종래에 라디에이터로 냉각수를 공급하는 냉각수관에 열전 소자를 적용하여, 냉각수관을 흐르는 냉각수로부터 열을 받는 구조로 설명을 하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 종래의 라디에이터의 방열 부분에 열전 소자와 히트 파이프를 설치하여 열전 발전 및 냉각수를 냉각할 수 있는 구성도 포함됨은 물론이다.

다시 말해, 본 발명은 자동차의 엔진 냉각수로부터 발생되는 열을 열전 소자의 고온 열원으로 이용함과 동시에, 열전 소자의 저온 열원으로 히트 파이프를 이용한 모든 기술 사상은 본 발명에 포함될 것이다.

또한, 히프 파이프의 형상은 흡열 블록, 열전 소자, 발열 블록의 배치 관계에 따라 직선형 또는 굽은형 등 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있는 것으로, 히트 파이프의 발열부의 위치가 히프 파이프의 입열부의 위치보다 높게 설치될 수 있다면 반드시 그 형상에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래 자동차 라디에이터 장치의 구조를 나타내는 개략도

도 2는 배기구 외벽에 열전 소자를 배치한 종래 열전 발전 장치의 구조를 나타내는 개략도(GM 방식)

도 3은 촉매제를 이용해 열전 소자를 가열한 종래 열전 발전 장치의 구조를 나타내는 개략도(BMW 방식)

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 사시도

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 결합 사시도

도 6은 본 발명의 각 실시예에 적용도는 히트 파이프의 구조를 나타내는 단면도

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 사시도

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 결합 사시도

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 사시도

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 결합 사시도

도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 분해 사시도

도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 열전 냉각 발전 장치를 나타내는 결합 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 냉각수관 11 : 열전 소자

12 : 히트 파이프 13 : 방열판

14 : 발열 블록 15 : 흡열 블록

16 : 열전 냉각 유니트 20 : 엔진

Claims (15)

  1. 발전과 동시에 냉각수를 냉각시키는 열전 냉각 발전 장치에 있어서,
    자동차 엔진(20)을 냉각시키는 냉각수가 순환되는 냉각수관(10)과;
    상기 냉각수관(10) 관로상에 설치된 발열블록(14)과;
    상기 발열블록(14)과 면 접촉되고, 상기 냉각수로부터 나오는 열을 고온부(11a)의 열원으로 하여 전기를 발생시키는 제벡(Seeback) 효과를 이용한 열전소자(11)와;
    입열부(12a)가 상기 열전소자(11) 저온부(11b)측에 위치하고 발열부(12c)가 방열판(13)에 연결되어 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)의 열을 상기 방열판(13)으로 전달하는 히트 파이프(12)와;
    상기 열전소자(11)와 면 접촉되고, 상기 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 다수개 매립된 흡열블럭(14);을 포함하고,
    상기 발열블럭(14)과 열전소자(11)는 서로 매칭되어 가로 및 세로로 다수개 배치하여 상기 흡열블럭(14) 상하에 대칭되게 설치하고, 상기 히프 파이프(12)는 발열부(12c)의 위치가 입열부(12a)의 위치보다 높게 설치하는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수관(10)은 엔진(20)에서 가열된 고온의 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(20a)와 열이 방출된 저온의 냉각수가 상기 엔진(20)측으로 유입되는 냉각수 유입구(20b)와 연결되는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발열블록(14)은 냉각수가 순환될 수 있도록 내부가 빈 중공(中空)의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자(11)는 열을 전달받는 고온부(11a)와 상기 고온부(11a)의 열을 방출하는 저온부(11b)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전소자(11)의 고온부(11a)는 냉각수관(10)이 연결된 발열블록(14)과 접촉되고, 저온부(11b)는 히트 파이프(12)가 매립된 흡열블록(14)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자(11)의 고온부(11a)에서 저온부(11b)로 자동차 엔진에서 발생하는 고온의 냉각수가 이동되면서 열전 발전을 하고, 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)로 이동된 열은 히트 파이프(12)의 입열부(12a)에서 단열부(12b)가 결합된 상하로 적층된 다수의 방열판(13)에서 열을 방출함과 동시에 열을 빼앗아 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수관(10)은 상기 발열블록(14)과 서로 연통된 격자 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
  8. 발전과 동시에 냉각수를 냉각시키는 열전 냉각 발전 장치에 있어서,
    자동차 엔진을 냉각시키는 냉각수가 순환되는 냉각수관(10)과;
    상기 냉각수관(10)의 관로상에 설치된 발열블록(14)과, 상기 발열블록(14)과 면 접촉되어 상기 냉각수로부터 나오는 열을 고온부(11a)의 열원으로 하여 전기를 발생시키는 제벡(Seeback) 효과를 이용한 열전 소자(11)와, 내부에 히트 파이프(12)의 입열부(12a)가 매립되어 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)와 면 접촉되어 상기 열전소자(11)의 저온부(11b)를 냉각시키는 흡열블록(15)과, 상기 흡열블록(15)에 연결된 히트 파이프(12)의 발열부(12c)가 연결되어 상기 열전소자(11) 저온부(11a)의 열을 방출하는 방열판(13)이 순서대로 적층된 하나의 세트를 구성하는 열전 냉각 발전 유니트(16);를 포함하고,
    상기 열전 냉각 발전 유니트(16)를 다수 구성하여 오와 열을 맞춘 상태로 나란하게 설치된 것을 특징으로 하는 열전 냉각 발전 장치.
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