KR101242612B1 - Thermoelectric Power Generation System - Google Patents

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KR101242612B1
KR101242612B1 KR1020100100045A KR20100100045A KR101242612B1 KR 101242612 B1 KR101242612 B1 KR 101242612B1 KR 1020100100045 A KR1020100100045 A KR 1020100100045A KR 20100100045 A KR20100100045 A KR 20100100045A KR 101242612 B1 KR101242612 B1 KR 101242612B1
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 차량에서 파이프를 통해 배출되는 배기가스 고온 열을 이용하는 열전 발전시스템에 관한 것으로, 상기 파이프의 끝단에 연결 형성하며, 배기가스의 열을 흡수하는 방출관과, 상기 방출관 외벽에 형성하는 열전소자와, 상기 열전소자 상/하 면에 형성하는 서멀패드(thermal pad)와, 상기 열전소자의 방출관과 맞닿는 부분 반대 측에 형성하는 냉각부로 구성하되, 상기 방출관은 내부의 고온 배기가스의 열을 흡수하여 방출관 외벽으로 전달하는 다수의 흡열핀을 포함하며, 상기 냉각부는 서멀패드와 맞닿아 열을 흡수하는 플레이트와, 상기 플레이트 내 열을 외부로 전달하는 루프형 열싸이폰과, 상기 열싸이폰을 통해 전달되는 열을 방열하는 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric power generation system using high-temperature heat of exhaust gas discharged through a pipe in a vehicle. The present invention is connected to an end of the pipe, and formed on an emission tube for absorbing heat of exhaust gas, A thermoelectric element, a thermal pad formed on the upper and lower surfaces of the thermoelectric element, and a cooling unit formed on a side opposite to a portion in contact with the discharge tube of the thermoelectric element, wherein the discharge tube is a hot exhaust gas therein. And a plurality of heat absorbing fins for absorbing heat to be transferred to the outer wall of the discharge tube, wherein the cooling unit contacts a thermal pad to absorb heat, a loop type thermal cyphon to transfer heat inside the plate to the outside; It relates to a thermoelectric power generation system comprising a heat dissipation fin for radiating heat transferred through the heat cyphon.

Description

열전 발전시스템{Thermoelectric Power Generation System}Thermoelectric Power Generation System

본 발명은 열전 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제백(seebeck) 효과를 이용하는 열전소자(thermoelectric device)를 사용하여 차량의 배기구로부터 열전발전을 하기 위한 열전 발전시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric power generation system, and more particularly, to a thermoelectric power generation system for performing thermoelectric power generation from an exhaust port of a vehicle using a thermoelectric device using a Seebeck effect.

차량의 폐 열을 동력원으로 활용하기 위해서는 충분한 양의 에너지를 얻는 노력이 필요하며 이에 대한 관점에서 열전소자의 효율을 높이기 위한 방법적인 측면에서의 연구는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 보다 많은 양의 열에너지를 효과적으로 열전소자의 고온부에 전달하는 것이고 둘째는 고온부에서 저온부로 이동된 열에너지를 효과적으로 냉각하는 방법이다.In order to utilize the waste heat of the vehicle as a power source, an effort to obtain a sufficient amount of energy is required. From this point of view, there are two researches on the method side to increase the efficiency of the thermoelectric element. The first is to transfer a larger amount of heat energy effectively to the high temperature part of the thermoelectric element, and the second is to effectively cool the heat energy transferred from the high temperature part to the low temperature part.

즉, 열전소자의 효율을 높이기 위해서는 많은 양의 열에너지를 열전소자의 고온부에 전달해 주어야 하며 저온부는 고온부에서 전달된 열에너지를 효과적으로 냉각을 시켜주어야 한다.That is, in order to increase the efficiency of the thermoelectric element, a large amount of thermal energy should be transferred to the high temperature portion of the thermoelectric element, and the low temperature portion should effectively cool the thermal energy transferred from the high temperature portion.

도 1 내지 도 3은 종래 열전 발전장치(100, 200, 300)의 구조를 나타낸 것이다. 도 1은 GM(General Motors Corporation)의 방식으로 자동차 배기관(110)의 모양을 변경하여 많은 양의 열전소자(120)를 직접 배기관(110)의 외벽에 붙이고, 열전소자(120)를 저온부 챔버(130)를 통해 쿨링하며, 저온부 챔버(130)는 쿨링을 위해 냉각수 및 워터 펌프를 사용한 배기가스 열전 발전장치(100)이다.1 to 3 show the structure of the conventional thermoelectric generators (100, 200, 300). FIG. 1 illustrates the change of the shape of the vehicle exhaust pipe 110 in the manner of General Motors Corporation (GM) to directly attach a large amount of thermoelectric elements 120 to the outer wall of the exhaust pipe 110, and the thermoelectric element 120 is attached to the low temperature chamber ( Cooling through the 130, the low temperature chamber 130 is an exhaust gas thermoelectric generator 100 using a cooling water and a water pump for cooling.

도 2는 BMW(Bayerische Motoren Werke AG)의 방식으로 배기구의 열을 이용하여 일차적으로 오일을 가열한 후 다면체에 넣어 순환 시키는 핫 매니폴드(hot manifold, 210) 아래에 열전소자(220)를 붙여 층으로 쌓는 방식으로 역시 쿨링을 위해 콜드 매니폴드(cold manifold, 230)가 별도의 구성된 열전 발전장치(200)이다.FIG. 2 is a layer of a thermoelectric element 220 attached to a bottom of a hot manifold 210 to circulate oil in a polyhedron after primarily heating the oil using heat of an exhaust port in the manner of Bayerische Motoren Werke AG (BMW). Cold manifold (230) is also configured separately for the thermoelectric power generation device 200 for cooling in a stacked manner.

도 3은 자동차 배기관(310) 중심부에 히트파이프(320)를 박아 열에너지를 히트파이프(320)를 통해 열전소자(330)에 전달하는 아이디어를 적용한 열전 발전장치(300)이다.3 is a thermoelectric generator 300 to which the idea of transferring heat energy to the thermoelectric element 330 through the heat pipe 320 by driving the heat pipe 320 in the center of the vehicle exhaust pipe 310 is applied.

이 도 1에 도시한 방식의 단점은 배기가스 배출 시 내부적인 구조 없이 그대로 방출하는 구조로 에너지가 외벽에 전달되지 않고 대부분 그대로 방출되어 배기가스의 고온의 에너지 활용 측면에서 그 효율성이 현저히 낮다. 또한 배기열은 배기관(110) 중심부의 온도가 가장 높으나 종래 방법에서는 중심부의 높은 온도를 이용하는 것이 아니라 배기관(110) 외벽의 열에너지를 단순히 얻는 구조로 배기관(110) 중심부의 상대적으로 높은 열에너지는 이용하지 못하고 배출되게 된다. 그 외에도 저온부 챔버(130)의 쿨링을 위해 워터(냉각수) 쿨링 방식을 채용하였는데 이는 필연적으로 추가적인 에너지 손실을 가져온다.The drawback of the method shown in Figure 1 is a structure that emits as it is without the internal structure when the exhaust gas is discharged as it is most of the energy is not transmitted to the outer wall as it is significantly low efficiency in terms of energy utilization of the high temperature of the exhaust gas. In addition, the exhaust heat has the highest temperature at the center of the exhaust pipe 110, but the conventional method does not use the high temperature of the center, but simply obtains the heat energy of the outer wall of the exhaust pipe 110. Therefore, the relatively high heat energy at the center of the exhaust pipe 110 cannot be used. Will be discharged. In addition, a water (cooling water) cooling method is employed for cooling the low temperature chamber 130, which inevitably results in additional energy loss.

도 2에 도시한 방식의 단점은 배기 가스열로 oil을 촉매 가열하여 순환 하는 방식으로 oil을 순환하기 위한 펌프와 냉각수를 순환하기 위한 펌프, 별도의 콜드 매니폴드(cold manifold, 230)의 구조를 필요로 한다. 이 방식 역시 펌프의 동작을 위하여 추가적인 에너지 손실이 발생한다. The disadvantage of the method shown in Figure 2 is the pump for circulating the oil and the pump for circulating the coolant in a manner to circulate the oil by catalytic heating the exhaust gas heat, the structure of a separate cold manifold (cold manifold, 230) in need. This approach also introduces additional energy losses for the pump's operation.

도 3에 도시한 방식의 단점은 배기관(310) 중심의 고온의 열을 히트파이프(320)를 통해 열전소자(330)에 전달하는 발전방식으로 다량의 열에너지가 히트파이프(320)를 통해 이동하려면 많은 수의 히트파이프가 필요하다. 기존의 이 세 종래 방식이 승용차에 적용될 경우 1kw 이상의 발전이 불가능한 구조로 1kw 이상의 회생 전력을 얻기 위해선 배기관 내외부적으로 최적화된 설계가 필요하다.Disadvantage of the method shown in Figure 3 is a power generation method for transferring the high temperature heat of the center of the exhaust pipe 310 to the thermoelectric element 330 through the heat pipe 320 to move a large amount of heat energy through the heat pipe 320 A large number of heat pipes are needed. When these three conventional methods are applied to a passenger car, a structure that cannot generate more than 1 kw is required, and an optimized design inside and outside the exhaust pipe is required to obtain regenerative power of 1 kw or more.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 배가기스 고온 열을 흡수하는 흡열핀을 이용함으로써 방출관 내부의 폐열을 효과적으로 외벽에 전달해 기존의 내부적인 구조 설계 없이 외벽만을 이용해 배기 열을 전달한 방식보다 상대적으로 많은 열에너지를 전달할 수 있는 열전 발전시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above-mentioned conventional problems is to transfer the waste heat inside the discharge tube to the outer wall effectively by using a heat absorbing fin that absorbs the heat of the douche gas to the outer wall to transfer the exhaust heat using only the outer wall without the existing internal structure design It is to provide a thermoelectric power generation system that can transfer more heat energy relatively.

본 발명의 또 다른 목적은 서멀패드를 이용하여 열전소자에 알맞은 온도를 제공하여 내구성 문제가 완화되고, 열전소자가 최대전력을 발전할 수 있는 △T의 온도를 유지 발전량의 변동폭을 줄임으로써 에너지를 활용하기가 용의한 열전 발전시스템을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a temperature suitable for the thermoelectric element by using a thermal pad to alleviate the durability problem, and maintain the temperature of ΔT at which the thermoelectric element can generate maximum power to reduce energy fluctuations To provide a thermoelectric power generation system that is easy to use.

본 발명의 또 다른 목적은 냉각부의 열전도체로 루프형 열싸이폰을 이용함으로써 추가적인 에너지의 소모를 낮추어 종래의 워터 펌프를 이용한 쿨링 방법보다 에너지적 측면에서 그 효율을 높일 수 있는 열전 발전시스템을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation system that can increase the efficiency in terms of energy than the conventional cooling method using a water pump by lowering the consumption of additional energy by using a loop-type heat cyphon as the heat conductor of the cooling unit. have.

상기한 종래 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 차량에서 파이프를 통해 배출되는 배기가스 고온 열을 이용하는 열전 발전시스템에 있어서, 상기 파이프의 끝단에 연결 형성하며, 배기가스의 열을 흡수하는 방출관과; 상기 방출관 외벽에 형성하는 열전소자와; 상기 열전소자 상/하 면에 형성하는 서멀패드(thermal pad)와; 상기 열전소자의 방출관과 맞닿는 부분 반대 측에 형성하는 냉각부;로 구성하되, 상기 방출관은 내부의 고온 배기가스의 열을 흡수하여 방출관 외벽으로 전달하는 다수의 흡열핀을 포함하며, 상기 냉각부는 서멀패드와 맞닿아 열을 흡수하는 플레이트와, 상기 플레이트 내 열을 외부로 전달하는 루프형 열싸이폰과, 상기 열싸이폰을 통해 전달되는 열을 방열하는 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention for solving the conventional problems and to achieve the above object, in the thermoelectric power generation system using high-temperature heat exhaust gas discharged through a pipe in a vehicle, it is connected to the end of the pipe A discharge tube for forming and absorbing heat of exhaust gas; A thermoelectric element formed on an outer wall of the discharge tube; A thermal pad formed on upper and lower surfaces of the thermoelectric element; The cooling unit is formed on the opposite side of the contact portion with the discharge tube of the thermoelectric element; wherein the discharge tube includes a plurality of heat absorbing fins to absorb the heat of the hot exhaust gas inside the transfer tube to the outer wall, The cooling unit includes a plate that contacts the thermal pad to absorb heat, a loop-type heat cyphon that transmits heat in the plate to the outside, and a heat dissipation fin that radiates heat transferred through the heat cyphon. .

본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템에 있어서, 상기 열싸이폰은 내부 진공상태에서 작동유체를 더 포함하며, 이 작동유체는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 나프탈렌, 유황 및 수은 중 어느 하나로 구현하는 것을 특징으로 한다.In the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention, the thermophone further includes a working fluid in an internal vacuum state, the working fluid includes water, a freon refrigerant, ammonia, acetone, methanol, ethanol, naphthalene, It is characterized in that it is implemented by any one of sulfur and mercury.

본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템에 있어서, 상기 열싸이폰은 일 측에 작동유체의 순환력을 위해 유동 면적비가 60~70% 범위 내로 축소된 오리피스(orifice)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention, the thermophone is further provided with an orifice in which the flow area ratio is reduced within the range of 60 to 70% for the circulation force of the working fluid on one side. It is done.

본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템에 있어서, 상기 열싸이폰은 루프 형상으로 플레이트의 열을 흡수하여 내부 작동유체가 기화되는 증발부와, 방열핀을 통해 냉각되어 기체상태의 작동유체가 액화되는 응축부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention, the thermo-siphon absorbs heat of the plate in a loop shape and vaporizes an internal working fluid to evaporate, and is cooled through a heat radiation fin to liquefy a working fluid in a gaseous state. Characterized in that consisting of the condensation unit.

본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템에 있어서, 상기 응축부는 증발부보다 10~40도의 각도 범위 내에서 상향 구성하는 것을 특징으로 한다.In the thermoelectric power system according to an embodiment of the present invention, the condensation unit is characterized in that the upward configuration within an angle range of 10 to 40 degrees than the evaporator.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 고온 열을 흡수하는 흡열핀을 이용함으로써 방출관 내부의 폐열을 효과적으로 외벽에 전달해 기존의 내부적인 구조 설계 없이 외벽만을 이용해 배기 열을 전달한 방식보다 상대적으로 많은 열에너지를 전달하는 효과가 있다.As described above, the thermoelectric power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention effectively transfers waste heat inside the discharge tube to the outer wall by using an endothermic fin that absorbs high temperature heat, thereby exhausting heat using only the outer wall without a conventional internal structure design. It has the effect of transferring more heat energy than the way it is delivered.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 서멀패드를 이용하여 열전소자에 알맞은 온도를 제공하여 내구성 문제가 완화되고, 열전소자가 최대전력을 발전할 수 있는 △T의 온도를 유지 발전량의 변동폭을 줄임으로써 에너지를 활용하기가 용의한 장점이 있다.In addition, the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention provides a temperature suitable for a thermoelectric element by using a thermal pad, thereby alleviating durability problems, and maintaining a temperature of ΔT at which the thermoelectric element can generate maximum power. There is an advantage in using energy by reducing the variation of

그리고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 냉각부의 열전도체로 루프형 열싸이폰을 이용함으로써 추가적인 에너지의 소모를 낮추어 종래의 워터 펌프를 이용한 쿨링 방법보다 에너지적 측면에서 그 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention can increase the efficiency in terms of energy compared to a cooling method using a conventional water pump by lowering the additional energy consumption by using a loop type heat cyphon as the heat conductor of the cooling unit. It has an effect.

도 1은 배기구 외벽에 열전소자를 배치한 종래 열전 발전장치의 구조-GM 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 촉매제를 이용한 열전소자를 가열한 종래 열전 발전장치의 구조-BMW 방식을 나타낸 도면이다.
도 3은 히트 파이프를 이용한 종래 열전 발전장치의 구성도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프형 열싸이폰을 이용한 냉각부의 전체적인 개념도와 응축부의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템의 열 흐름을 나타낸 도면이다.
1 is a view showing a structure-GM method of a conventional thermoelectric generator having a thermoelectric element disposed on an outer wall of an exhaust port.
2 is a view showing a structure-BMW method of a conventional thermoelectric power generation device heated a thermoelectric element using a catalyst.
3 is a configuration diagram of a conventional thermoelectric generator using a heat pipe.
4 is a view showing a thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a cooling unit and a condensation unit according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
6 is a view showing the heat flow of the thermoelectric power system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프형 열싸이폰을 이용한 냉각부의 전체적인 개념도와 응축부의 개념도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템의 열 흐름을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is an overall conceptual view and a condensation diagram of the cooling unit using a loop type thermophone according to an embodiment of the present invention, Figure 6 A diagram illustrating a heat flow of a thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 차량에서 파이프를 통해 배출되는 배기가스 고온 열을 이용하는 열전 발전시스템으로써, 그 구성은 상기 파이프의 끝단에 연결 형성하며 배기가스의 열을 흡수하는 방출관(9)과, 방출관(9) 외벽에 형성하는 열전소자(3)와, 열전소자(3) 상/하 면에 형성하는 서멀패드(thermal pad, 2)와, 열전소자(3)의 방출관(9)과 맞닿는 부분 반대 측에 형성하는 냉각부(10)로 구성한다.4 to 6, the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention is a thermoelectric power generation system using high-temperature exhaust gas exhausted through a pipe in a vehicle, the configuration is connected to the end of the pipe formed A discharge tube 9 absorbing heat of exhaust gas, a thermoelectric element 3 formed on the outer wall of the discharge tube 9, and a thermal pad formed on upper and lower surfaces of the thermoelectric element 3. ) And a cooling unit 10 formed on the side opposite to the part in contact with the discharge tube 9 of the thermoelectric element 3.

여기에서, 방출관(9)은 내부의 고온 배기가스의 열을 흡수하여 방출관(9) 외벽으로 전달하는 다수의 흡열핀(1)을 포함한다.Here, the discharge tube (9) includes a plurality of heat absorbing fins (1) for absorbing heat of the hot exhaust gas therein and transferring the heat to the outer wall of the discharge tube (9).

또한, 냉각부(10)는 서멀패드(2)와 맞닿아 열을 흡수하는 플레이트(4)와, 플레이트(4) 내 열을 외부로 전달하는 루프형 열싸이폰(5)과, 열싸이폰(5)을 통해 전달되는 열을 방열하는 방열핀(6)을 포함한다.In addition, the cooling unit 10 includes a plate 4 which contacts the thermal pad 2 and absorbs heat, a loop type thermophone 5 which transfers heat in the plate 4 to the outside, and a thermal cyphon. It includes a heat radiation fin (6) for radiating heat transferred through (5).

그리고, 열싸이폰(5)은 내부 진공상태에서 작동유체(14)를 더 포함하며, 이 작동유체(14)는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 나프탈렌, 유황 및 수은 중 어느 하나로 구현하는 것이 바람직하다.In addition, the heat cyphon 5 further includes a working fluid 14 in an internal vacuum state, the working fluid 14 includes water, a freon refrigerant, ammonia, acetone, methanol, ethanol, naphthalene, sulfur and mercury. It is preferable to implement with either.

이때, 열싸이폰(5)은 일 측에 작동유체의 순환력을 위해 유동 면적비가 60~70% 범위 내로 축소된 오리피스(orifice, 11)를 더 구비한다.At this time, the heat cyphon 5 is further provided with an orifice (orifice 11) in which the flow area ratio is reduced in the range of 60 to 70% for the circulation force of the working fluid on one side.

이러한, 상기 열싸이폰(5)은 루프 형상으로 플레이트(4)의 열을 흡수하여 내부 작동유체(14)가 기화되는 증발부(13)와, 방열핀(6)을 통해 냉각되어 기체상태의 작동유체(14)가 액화되는 응축부(12)로 이루어진다.The heat cyphon 5 absorbs the heat of the plate 4 in a loop shape and is cooled by the evaporator 13 and the heat dissipation fin 6 in which the internal working fluid 14 is vaporized. The fluid 14 consists of a condensation part 12 into which the liquid is liquefied.

이때, 응축부(12)는 증발부(13)보다 10~40도의 각도 범위 내에서 상향 구성한다.At this time, the condensation unit 12 is configured upward from the evaporator 13 within an angle range of 10 to 40 degrees.

상기의 구성을 통한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배기가스의 폐열 재활용이 가능한 냉각부(10)를 부착한 열전 발전시스템은 차량 배기가스 파이프의 후방에 방출관(9)을 흡열핀(1)이 달린 직사각형으로 개조하여 차량엔진 가동 시 배기열의 강제 대류 및 전도에 의해 흡열핀(1)에 의해 열을 흡수하여주거나 열을 제공 받을 수 있는 열전달 구조를 형상하되, 상기 방출관(9)의 상하 외부에 있는 서멀패드(2)로부터 흡열하여 방열 반응하는 접촉부위로서 열전소자(3)의 고온부(열전소자에서 방출관쪽의 서멀패드와 맞닿는 부분)에 흡열한 열을 방출하게 되는 역할을 해주며 다시금 열전소자(3)의 저온부(열전소자에서 플레이트쪽의 서멀패드와 맞닿는 부분)측의 열을 흡열한 서멀패드(2)를 상단에 부착된 루프형 열싸이폰(5)의 증발부(13)에 접촉하여 대상열이 응축부(12)로 순환하여 열싸이폰 응축부(12)에 부착된 방열핀(6)에 의한 공기 냉각(공냉)으로 대상열은 고온에서 저온으로 순환하게 되며 이로 인해 열전소자(3)는 항시 최대 전력생산에 필요한 저온부와 고온부의 온도차이를 유지시켜주어 발전을 할 수 있게 된다. The thermoelectric power generation system equipped with a cooling unit 10 capable of recycling waste heat of exhaust gas according to an embodiment of the present invention through the above configuration has a heat absorbing fin 1 at the rear of a vehicle exhaust gas pipe. And a heat transfer structure capable of absorbing heat or receiving heat by the heat absorbing fins 1 by forced convection and conduction of exhaust heat when the vehicle engine is operated when the vehicle engine is operated. It is a contact part that absorbs heat from the thermal pad 2 outside and heats up and reacts. The evaporation part 13 of the loop type thermophone 5 in which the thermal pad 2 absorbing heat on the low temperature part of the thermoelectric element 3 (the part of the thermoelectric element that is in contact with the thermal pad on the plate side) is attached to the upper end. In contact with the target column Air is cooled (air cooling) by the heat dissipation fins 6 attached to the heat cypress condensation unit 12 by circulating to the unit 12 so that the target heat is circulated from the high temperature to the low temperature so that the thermoelectric element 3 is always at maximum. It is possible to generate electricity by maintaining the temperature difference between the low temperature part and the high temperature part necessary for power generation.

이때, 흡열에 중요한 방출관측 흡열핀(1)과 저온부 냉각에 중요한 열싸이폰(5)의 채용을 통하여 열전소자(3)는 차량의 폐열을 통하여 항시 전력을 생산할 수 있는 폐열을 이용한 발전의 구현이 중요한 기술이다.At this time, the thermoelectric element 3 implements power generation using waste heat capable of producing electric power at all times through the waste heat of the vehicle through the adoption of the emission observation endothermic pin 1 and the thermosiphon 5, which are important for cooling the low temperature part. This is an important skill.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 루프형 열싸이폰을 부착한 열전소자의 폐열을 이용한 열전 발전시스템을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a thermoelectric power generation system using waste heat of a thermoelectric device having a loop type thermophone according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4 내지 도 6에 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 루프형 열싸이폰(5)을 부착 폐열을 활용한 열전 발전을 개념적으로 나타낸 것이다.The thermoelectric power generation system according to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 4 to 6 conceptually illustrates thermoelectric power generation using waste heat to which the loop type thermophone 5 is attached.

상기 열싸이폰(5)을 포함한 냉각부(10) 및 열전소자(3)는, 도 4b에 도시한 바와 같이, 열전도성이 좋은 방출관(9)내의 흡열핀(1)을 내부에 열표면적을 극대화 시키는 매체로서의 서멀패드(2)에서 흡수된 열을 다시 흡열하여 열전소자(3)으로 보내는 구조를 이룬다.As shown in FIG. 4B, the cooling unit 10 including the heat cyphon 5 and the thermoelectric element 3 have a heat surface area of the heat absorbing fin 1 in the discharge tube 9 having good thermal conductivity. The heat absorbed by the thermal pad 2 as a medium to maximize the heat absorb again to form a structure to send to the thermoelectric element (3).

이때, 흡열핀(1)은 최대한 많은 배기열을 흡열해야 하기 때문에 배기열의 방출을 방해하지 않는 조건 내에 가능한 최대한 많이 구성 또는 형성하는 것이 바람직하다.At this time, since the heat absorbing fin 1 must absorb as much exhaust heat as possible, it is preferable that the endothermic fin 1 be configured or formed as much as possible within a condition that does not prevent the emission of exhaust heat.

여기에서, 방출관(9)의 입구(7)의 형상은 원의 형상의 구조이며, 몸체는 좁아지는 세로형에 넓어지는 가로형으로 입구와 몸체의 모서리는 유선으로 되어 있다.Here, the shape of the inlet 7 of the discharge tube 9 is a circular structure, the body is a horizontal shape widening to the narrow vertical shape, the edge of the inlet and the body is a wire.

이때, 방출관(9) 즉 열전 발전을 하기 위한 발열부(20)는 열전달 반응의 과정에 따라 강제대류 또는 전도가 가능한 흡열핀(1)과, 열전소자(3)에 열전달이 가능한 서멀패드(2)와 이곳에 접촉 설치된 열전소자(3)로 구분된다.At this time, the discharge tube (9), that is, the heat generating portion (20) for thermoelectric power generation is a heat absorbing fin (1) capable of forced convection or conduction in accordance with the process of the heat transfer reaction, and a thermal pad capable of heat transfer to the thermoelectric element (3) 2) and thermoelectric elements (3) installed in contact therewith.

상기 냉각부(10)는 플레이트(4), 열싸이폰(5) 및 방열핀(6)이 열전소자(3) 외측 부분에 배치되어 있다. 서멀패드(2)까지 도달한 열을 냉각부(10)로 열을 전달 반응시키는 부위로서, 발열 면적을 넓히기 위해 장착한 방열핀(6)에 의한 공기냉각을 통해 전열 시켜주거나 흡열 후 방열시키는 역할을 한다. 이때, 열싸이폰(5)은 방열핀(6)이 있는 부위 측 응축부(12)가 30도 상향 되어 있다. 이는 열싸이폰(5)의 내부 작동유체(14)는 증발부(13)와 응축부(12) 사이의 내부 압력(p)에 의해 작동되는 특성과 내부 작동유체(14) 원활하게 순환하기 위하여 중력에 의한 귀환력을 부가해 주어야 하기 때문이다. 도 5에 도시된 오리피스(11)는 열싸이폰(5)의 액체 순환부의 단면적을 일부 축소시켜 내부 순환 압력(p)차를 만들어 주기 위함으로 내부의 작동유체(14) 순환을 위한 순환력을 최대한 공급하여 방열능력을 최대화 하기 위한 방법이다.In the cooling unit 10, a plate 4, a heat cyphon 5, and a heat dissipation fin 6 are disposed outside the thermoelectric element 3. It is a part that transmits heat to the cooling unit 10 and reacts the heat reached to the thermal pad 2, and heats it through air cooling by the heat dissipation fin 6 installed to widen the heat generating area, or dissipates heat after absorbing heat. do. At this time, the heat cyphon 5 has a heat dissipation fin (6) side side condensation part 12 is 30 degrees upward. This is because the internal working fluid 14 of the heat cyphon 5 is operated by the internal pressure p between the evaporator 13 and the condenser 12 and the internal working fluid 14 is smoothly circulated. This is because the force of gravity should be added. The orifice 11 shown in FIG. 5 reduces the cross-sectional area of the liquid circulation portion of the heat cyphon 5 to make a difference in the internal circulation pressure p so as to generate a circulation force for circulation of the working fluid 14 therein. It is a method to maximize heat dissipation ability by supplying as much as possible.

상기 냉각부(10)은 방출관(9)과 열전소자(3)를 통하여 전달되어온 열을 열싸이폰(5)를 통하여 외부로 방열시키는 최종 부위이며 열전소자(3)와 서멀패드(2)에 의해 꾸준히 흡열됨과 동시에 루프형 열싸이폰(5)을 통하여 꾸준히 방열함으로 인해 생기는 온도 차이를 이용하여 전력을 생산하는 상태를 유지하게 된다.The cooling unit 10 is a final portion for dissipating heat transferred through the discharge tube 9 and the thermoelectric element 3 to the outside through the heat cyphon 5 and the thermoelectric element 3 and the thermal pad 2. By being constantly endothermic by the heat at the same time to maintain the state of producing power by using the temperature difference caused by the steady heat dissipation through the loop-type heat cyphon (5).

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템에서 열전 발전 시 방출관(9)에서의 고온 배기가스 열 흡수 및 냉각부(10)에서의 열 냉각 흐름(열전달방향, 30)을 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a view illustrating a hot exhaust gas heat absorption in the discharge tube 9 and a heat cooling flow in the cooling unit 10 (heat transfer direction, 30) in the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention. to be.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 고온 열을 흡수하는 흡열핀(1)을 이용함으로써 방출관(9) 내부의 폐열을 효과적으로 외벽에 전달해 기존의 내부적인 구조 설계 없이 외벽만을 이용해 배기 열을 전달한 방식보다 상대적으로 많은 열에너지를 전달하는 효과가 있다.As described above, the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention effectively transfers the waste heat inside the discharge tube 9 to the outer wall by using a heat absorbing fin 1 that absorbs high temperature heat, without having to design an existing internal structure. Compared to the method of transferring exhaust heat using only the outer wall, there is an effect of transferring more heat energy.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 서멀패드(2)를 이용하여 열전소자(3)에 알맞은 온도를 제공하여 내구성 문제가 완화되고, 열전소자(3)가 최대전력을 발전할 수 있는 △T의 온도를 유지 발전량의 변동폭을 줄임으로써 에너지를 활용하기가 용의한 장점이 있다.In addition, the thermoelectric power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention provides a temperature suitable for the thermoelectric element 3 by using the thermal pad 2 to alleviate durability problems, and the thermoelectric element 3 may generate maximum power. There is an advantage that it is easy to utilize energy by reducing the fluctuation of the amount of power generated by maintaining the temperature of ΔT.

그리고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 발전시스템은 냉각부(10)의 열전도체로 루프형 열싸이폰(5)을 이용함으로써 추가적인 에너지의 소모를 낮추어 종래의 워터 펌프를 이용한 쿨링 방법보다 에너지적 측면에서 그 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the thermoelectric power generation system according to an embodiment of the present invention uses the loop-type heat cyphon 5 as the heat conductor of the cooling unit 10 to reduce additional energy consumption and is more energy-efficient than the conventional cooling method using a water pump. In terms of efficiency can increase the efficiency.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of course, this is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the equivalents as well as the claims that follow.

1 : 흡열핀 2 : 서멀패드
3 : 열전소자 4 : 플레이트
5 : 루프형 열싸이폰 6 : 방열핀
7 : 입구 8 : 출구
9 : 방출관 10 : 냉각부
11 : 오리피스 12 : 열싸이폰 응축부
13 : 열싸이폰 증발부 14 : 작동유체
20 : 발열부 30 : 열전달방향
P : 압력
1: endothermic fin 2: thermal pad
3: thermoelectric element 4: plate
5: Loop type thermophone 6: Heat radiation fin
7: entrance 8: exit
9: discharge tube 10: cooling part
11: orifice 12: heat cyphon condenser
13: heat cyphon evaporator 14: working fluid
20: heat generating portion 30: heat transfer direction
P: pressure

Claims (5)

차량에서 파이프를 통해 배출되는 배기가스 고온 열을 이용하는 열전 발전시스템에 있어서,
상기 파이프의 끝단에 연결 형성하며, 배기가스의 열을 흡수하는 방출관과;
상기 방출관 외벽에 형성하는 열전소자와;
상기 열전소자 상하면에 형성하는 서멀패드(thermal pad)와;
상기 서멀패드 상하면에 맞닿아 열을 흡수하는 플레이트와, 상기 플레이트 내 열을 외부로 전달하는 루프형 열싸이폰과, 상기 열싸이폰을 통해 전달되는 열을 방열하는 방열핀을 포함하는 냉각부;로 구성하되,
상기 방출관은 내부의 고온 배기가스의 열을 흡수하여 방출관 외벽으로 전달하는 다수의 흡열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전시스템.
In a thermoelectric power generation system using high temperature heat exhaust gas exhausted through a pipe from a vehicle,
A discharge pipe connected to an end of the pipe and absorbing heat of exhaust gas;
A thermoelectric element formed on an outer wall of the discharge tube;
A thermal pad formed on upper and lower surfaces of the thermoelectric element;
A cooling unit including a plate that contacts the upper and lower surfaces of the thermal pad, a heat absorbing plate, a loop type heat cyphon for transferring heat in the plate to the outside, and a heat dissipation fin for radiating heat transferred through the heat cyphon; Configure it,
The discharge tube includes a plurality of heat absorbing fins for absorbing the heat of the hot exhaust gas inside the transfer pipe to the outer wall of the discharge tube.
제 1항에 있어서,
상기 열싸이폰은 내부 진공상태에서 작동유체를 더 포함하며, 이 작동유체는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 나프탈렌, 유황 및 수은 중 어느 하나로 구현하는 것을 특징으로 하는 열전 발전시스템.
The method of claim 1,
The thermophone further includes a working fluid in an internal vacuum state, the working fluid is thermoelectric power generation, characterized in that any one of water, freon-based refrigerant, ammonia, acetone, methanol, ethanol, naphthalene, sulfur and mercury system.
제 2항에 있어서,
상기 열싸이폰은 일 측에 작동유체의 순환력을 위해 유동 면적비가 60~70% 범위 내로 축소된 오리피스(orifice)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 발전시스템.
The method of claim 2,
The thermophone is a thermoelectric power generation system characterized in that it further comprises an orifice (orifice) in one side of the flow area ratio is reduced in the range of 60 to 70% for the circulation force of the working fluid.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 열싸이폰은 루프 형상으로 플레이트의 열을 흡수하여 내부 작동유체가 기화되는 증발부와, 방열핀을 통해 냉각되어 기체상태의 작동유체가 액화되는 응축부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 발전시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
The thermo-phone is a thermoelectric power generation system comprising a condensation unit for absorbing the heat of the plate in a loop shape and the internal working fluid is evaporated, and the condensation unit is cooled by the heat radiation fin to liquefy the gas working fluid.
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