KR101129197B1 - 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차에서 배기가스로 버려지는 열을 전기에너지로 회수하는 효율을 극대화할 수 있도록 한 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명은, 배기가스가 통과하는 배기관(50)의 열을 회수하여 열전소자(2)를 통해 발전을 하도록 구성하는 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 배기관(50)의 내부에서 배기가스의 열을 흡열하도록 흡열부(5)가 형성됨과 아울러 열전모듈(3)을 이루는 열전소자(2)의 고온부에서 방열하도록 방열부(6)가 형성된 히트파이프(1)를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명은 열전모듈을 배기관의 외부에 설치하면서도 히트파이프를 통해 열전소자에 효율적으로 배기가스의 열을 전달함으로써, 열전모듈의 수명을 증대시키고 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.

Description

자동차의 배열회수용 열전발전 시스템{Generating system by heat transmission for withdrawing exhaust heat of automobile}

본 발명은 자동차에서 배기가스로 버려지는 열을 전기에너지로 회수하는 효율을 극대화할 수 있도록 한 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 내연기관에 공급되는 총 에너지 중 고온의 배기가스를 통해 버려지는 에너지량은 전체의 30~40%에 달하고 있고, 실제 동력에 사용되는 량 역시 20~32%정도에 불과하다. 즉 자동차에서 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력발생장치인 알터네이터는 그 효율이 약33% 정도에 불과할 뿐만 아니라 차량의 소요전력이 증가하면 축동력을 증대시켜야 하기 때문에 축동력 손실도 증가되어 높은 연료소모 및 이로 인한 공해배출물이 증대된다.

그래서, 배기가스의 열을 이용하여 차량의 전기에너지를 생산하는 열전발전시스템이 개발되었는 바, 이는 물질에 가해지는 열차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생현상(seebeck effect) 또는 이 현상을 역으로 하여 외부에서 부하되는 전기에너지에 의해 발생하는 물질의 발열 또는 흡열(Peltier effec)를 총칭하는 열전변화기술을 이용하는 것으로, 이러한 현상을 이용하여 산업 배기 폐열과, 자연열, 체열 등과 같은 다양한 열원을 이용한 발전(전력생산)이 가능하므로, 실제로 p형 또는 n형 열전반도체가 접촉되어 전극화된 소정의 열전쌍으로 이루어진 "열전변환모듈"로 구현되는 열전변환모듈이 열전변환을 위한 최소단위의 시스템으로서 이용되고 있다.

자동차의 배열을 이용한 열전발전 시스템은 다수의 열전모듈부분, 열전발전 시스템 부분 및 제어 시스템 부분으로 나눌 수 있으며, 그중에서 열전발전 시스템부분의 기술은 자동차 배기구로 버려지는 배열로부터 가능한 많은 폐열을 회수해 내기 위한 중요한 기술이다.

상기 열전발전 시스템은 배기가스와의 열교환을 수행하여 열전발전모듈의 고온단을 가열하는 흡열부, 다수의 열전반도체로 구성된 열전발전모듈, 열전발전모듈의 저온단을 냉각하는 방열부등으로 구성된다.

즉, 열전발전 시스템의 일예는 도 3에 도시된 바와 같이 배기관(50)으로부터 분기되어 설치되는 배기가스 분기관(51)과, 상기 배기가스 분기관(51)의 외주연을 둘러 감싸도록 열매체 가열부가 형성되는 열매체 관로(52)와, 상기 열매체 관로(52)와 공기 흡입관로(53)에 설치되고 다수의 열전소자가 패키징화된 열전모듈(54)과, 상기 열전모듈(54)에서 발생된 전기 에너지를 저장하기 위한 축전지(55)와, 상기 축전지(55)와 상기 열전모듈(54) 사이의 전기적인 회로를 개폐하는 차단 스위치(56)로 구성된다.

여기서, 상기 열전소자는 효율이 매우 낮기 때문에 다수의 열전소자가 패키징된 열전모듈(54)을 사용하게 되는 바, 상기 패키징된 열전모듈(54)을 분기관(51)의 외주에 밀착시켜 설치하게 된다.

물론, 상기 열전모듈(54)을 배기관내부에 삽입하게 되면 열전 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 상기한 바와 같이 다수의 열전소자가 패키징된 열전모듈을 배기구내에 삽입하게 되면 열전모듈에 과도한 열응력이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 즉 승용차의 경우, 엔진의 출력이 매우 다양하게 변화되기 때문에 배기가스의 온도 및 유량 역시 끊임없이 변화하게 되므로, 열전시스템이 통째로 배기라인안에 들어갈 경우, 열전모듈 전체에 반복적인 열응력 피로하중이 쌓이게 되어 수명이 단축되는 문제점이 있다.

또한, 이러한 열응력을 피하기 위해 열전시스템을 배기라인에서 분리하여 배기라인 외부에 열전모듈을 설치하게 되면 시스템의 효율이 나빠지며, 넓은 열전달 면적이 필요한 열전달모듈에 비해 배기가스라인의 열전달 면적이 상대적으로 좁아지는 난관에 봉착하게 된다.

또한 일반적인 열전소자 패키지 설계는 배기가스의 열이 열전소자를 통과하지 않고 직접 냉각수로 흘러가는 열누수(thermal leakage) 현상이 발생되나, 이 현상을 막지 못하여 열의 전달효율이 극히 낮아지고 이로 인해 발전 효율이 극히 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배기구 내부에 열전모듈을 설치하지 않고도 열전모듈에 전달되는 열효율을 향상시킴으로써, 열전모듈의 열응력에 따른 문제를 해소함과 아울러 열전효율을 극대화시킬 수 있는 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 배기가스가 통과하는 배기관의 열을 회수하여 열전소자를 통해 발전을 하도록 구성하는 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 배기관의 내부에서 배기가스의 열을 흡열하도록 흡열부가 형성됨과 아울러 열전모듈을 이루는 열전소자의 고온부에서 방열하도록 방열부가 형성되는 히트파이프를 포함한다.

여기서, 상기 히트파이프의 흡열부는 배기관내의 하단에 비교적 큰 면적으로 형성되고, 열전소자의 각각으로 분기되는 방열부의 부분은 배기관의 내부에서 상기 흡열부와 전체적으로 접촉되도록 구성되거나, 배기관의 상단에 비교적 작은 면적으로 형성되고, 상기 열전소자의 각각으로 분기되는 상기 방열부의 부분은 상기 배기관의 외부에서 흡열부와 접촉하도록 구성된다.

이상과 같이 본 발명은 열전모듈을 배기관의 외부에 설치하면서도 히트파이프를 통해 열전소자에 효율적으로 배기가스의 열을 전달함으로써, 열전모듈의 수명을 증대시키고 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템의 주요부를 도시한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도이고,
도 3은 일반적인 자동차의 배열 회수용 열전발전 시스템을 도시한 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템의 주요부를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에서 히트파이프의 다른 예를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템은 배기가스가 유입되는 분기관 또는 배기관(50)의 내부에 일단이 설치되어 배기가스의 열이 전달되도록 구성되어 있는 히트파이프(1)와, 상기 히트파이프(1)의 타단에 연결됨과 아울러 배기가스의 열이 히트파이프(1)를 통해 고온부로 전달되도록 설치된 다수의 열전소자(2)로 이루어진 열전모듈(3)과, 상기 열전모듈(3)의 저온부에 연결 설치되어 있는 냉각수관(4)으로 이루어져 있다.

여기서, 상기 히트파이프(1)는 일반적인 구성으로서, 초열전도체특성을 갖는 열전도매체를 이용하는 장치로서, 구리등과 같은 열전도 재질에 비해 매우 높은 열전도 효율을 갖고 있다.

물론, 상기 히트파이프(1)는 열을 열전소자(2) 각각에 효과적으로 전달할 수 있는 구성으로 형성되어 있는 바, 예를 들면 배기관(50)의 내부에는 하나의 흡열부(5)가 형성되고, 타단에는 열전소자(2) 각각에 열을 전달하도록 방열부(6)가 형성되도록 구성하게 된다.

상기 바와 같이 히트파이프(1)를 형성할 때 열전소자(2) 각각으로 열이 전달되도록 방열부(6)를 형성하게 되면, 열이 직접 냉각수관(4)으로 빠져나가는 현상(Thermal Leakage)을 방지하여 발전 효율을 보다 높일 수 있게 된다.

또한, 상기 다수의 열전소자(2)가 설치된 열전모듈(3)을 배기관(50)의 외부에 설치함과 아울러 열전달 효율이 구리등과 같은 재질보다 매우 높은 히트파이프(1)를 사용하여 배기관(50)의 열을 전달하게 되면, 열전모듈(3)에서의 발전 효율을 극대화시킬 수 있게 되는 것이다.

물론, 상기 히트파이프(1)의 설치는 배기관(50)을 통과하는 배기가스에 최소한의 저항을 유발하여 차량의 배기효율에 미치는 영향을 최소화하게 된다.

상기 바와 같은 본 발명의 작용 효과를 설명하면 차량이 시동을 걸게 되면 엔진이 작동함과 아울러 고온의 배기가스가 배기장치를 통해 배출되는 바, 상기 배출 시 배기가스가 배기관(50)을 통해 외부로 배출된다.

이때, 상기 배기관(50)을 통해 외부로 배출되는 배기가스는 매우 높은 온도를 갖고 있는 바, 상기 배기가스의 온도는 배기관(50)의 내부에 일부가 위치되어 있는 히트파이프(1)의 흡열부(5)에 전달된다.

히트파이프(1)에 전달된 열은 히트파이프(1) 내부의 작동유체에 의해 반대쪽의 열전모듈(3)에 전달되는 바, 상기 히트파이프(1)에서 열이 전달될 때 구리등과 같은 열전달매체에 비해 매우 효율적으로 열이 전달된다.

특히, 배기관(50) 내부에 설치된 히트파이프(1)의 흡열부(5)를 통해 배기가스의 열이 흡수되고, 흡수된 열이 다시 방열부(6)를 통해 각각의 열전소자(2)로 전달되기 때문에 열의 전달 효율이 극대화될 수 있게 되는 것이다. 이때 흡열부(5)는 배기관(50)내의 하단에 비교적 큰 면적으로 형성되고, 열전소자(2)의 각각으로 분기되는 방열부(6)의 부분은 배기관(50)의 내부에서 흡열부(5)와 전체적으로 접촉되도록 구성되어 있다.

상기 열전소자(2)의 고온부에 열이 전달되면 열전소자(2)에서 발전이 이루어지게 되는 바, 상기 고온부에 전달되는 열전달 효율이 높기 때문에 열전소자(2)에서의 발전 효율도 대폭 향상될 수 있는 것이다.

물론, 열전모듈(3)이 배기관(50)의 외부에 설치되어 있기 때문에 반복적인 피로하중에 의해 수명이 단축되지도 않게 된다.

다른 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 배기관(50)의 내부에는 저항을 최소화하도록 비교적 작은 흡열부(5)가 배기관(50)의 상단에 형성되어 있고, 여기에서 열전소자(2)의 각각으로 분기되는 방열부(5)의 부분은 배기관(50)의 외부에서 흡열부(5)와 접촉하도록 구성되는 바, 이러한 실시예의 히트파이프(1)의 구성은 각각의 열전소자(2)에 효과적으로 열을 전달할 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 흐름에 최소한의 영향만을 주도록 구성된 것이다.

이와 같이 본 발명은 구리보다 수백배 높은 초열전도체 특성을 가지는 열전도 매체로서의 히트 파이프를 이용함으로서, 작동유체가 증발하여 가열부의 열을 응축부로 이동하여 방출한 후, 응축되어 증발부로 순환하면서 열을 지속적으로 수송하게 되며, 특히 작동유체의 증발과정에서 잠열이 크고, 증기의 유동저항이 작음으로 인해 대량의 열이 적은 온도차에도 불구하고 가열부에서 응축부로 이동됨에 따라, 열전시스템의 고온부로 이동시켜서, 넓은 표면적이 필요한 열전모듈과 좁은 배기라인사이에 발생하는 열전달 문제를 해결하는 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.

1 : 히트파이프 2 : 열전소자
3 : 열전모듈 4 : 냉각수관
5 : 흡열부 6 : 방열부
50 : 배기관

Claims (3)

1. 배기가스가 통과하는 배기관의 열을 회수하여 열전소자를 통해 발전을 하도록 구성하는 자동차의 배열회수용 열전발전 시스템에 있어서,
   상기 배기관의 내부에서 배기가스의 열을 흡열하도록 상기 배기관내에 흡열부가 형성되고, 열전모듈을 이루는 열전소자의 고온부에서 방열하도록 방열부가 형성되는 히트파이프를 포함하되,
   상기 히트파이프의 흡열부는 상기 배기관의 상단에 비교적 작은 면적으로 형성되고, 상기 열전소자의 각각으로 분기되는 상기 방열부의 부분은 상기 배기관의 외부에서 흡열부와 접촉하도록 구성되는
   자동차의 배열회수용 열전발전 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 히트파이프의 흡열부는 상기 배기관내의 하단에 비교적 큰 면적으로 형성되고, 상기 열전소자의 각각으로 분기되는 상기 방열부의 부분은 상기 배기관의 내부에서 상기 흡열부와 전체적으로 접촉되도록 구성되는
   자동차의 배열회수용 열전발전 시스템.
   
3. 삭제

Images