KR101285061B1 - 배기 가스 열로 전기 에너지를 만드는 장치 - Google Patents

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Abstract

내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 만드는 장치는, 배기 가스 입구 노즐(4)과 배기 가스 출구 노즐(5)과 상기 노즐(4, 5) 사이의 적어도 하나의 열교환 섹션(6)을 갖는 발전기(3)를 포함하고, 적어도 하나의 유동 변환기(7)와 유동 분배기(8)가 배기 가스 입구 노즐(4)과 열교환 섹션(6) 사이에 제공되고, 더욱이 열교환 섹션(6)은 배기 가스 입구 노즐(4)에 수직한 복수의 유동 경로(9)로 설계되고, 상기 경로는 복수의 열교환 조립체(10)에 할당될 수 있으며, 더욱이 적어도 열교환 조립체(10)의 섹션이 적어도 하나의 열전소자(11)와 하나의 냉각 장치(12)로 설계되고 적어도 하나의 열전소자(11)가 탈착가능하게 냉각 장치(12)와 연결된다.

Description

배기 가스 열로 전기 에너지를 만드는 장치{DEVICE FOR PRODUCING ELECTRICAL ENERGY FROM EXHAUST GAS HEAT}
본 발명은 발전기에 의해 내연기관의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기, 즉 소위 열전기 발전기에 관한 것이다.
자동차 엔진의 배기 가스는 열 에너지를 갖고 있으며, 이러한 열 에너지는 열전기 발전기에 의해 전기 에너지로 변환되어, 배터리나 수개의 여러 에너지 저장 장치를 충전하거나, 예를 들면, 필요한 에너지를 전기 사용자에게 직접적으로 이송시킬 수 있다. 따라서 자동차가 작동하는 동안에 보다 많은 에너지가 이용될 수 있다.
이러한 열전기 발전기는 복수의 열전기 변화기 소자를 일반적으로 포함한다. 열전기 재료는 열 에너지를 전기 에너지로 효과적으로 변환할 수 있는 타입(제베크 효과(Seebeck effect))이거나 전기 에너지를 열 에너지로 효과적으로 변환할 수 있는 타입(펠티에 효과(Peltier effect))이다. 상기 '제베크 효과'는, 열 에너지가 전기 에너지로 변환되고 열전기 에너지를 만드는데 사용되는 현상에 기초한다. '펠티에 효과'는 '제베크 효과'와 정반대 효과이고 열 흡수에 의해 달성되는 현상이며, 상이한 재료를 통과하는 현재의 유동에서 야기된다. 펠티에 효과는 예를 들면, 열전기 냉각 방법으로 이미 제시되었다.
이러한 열전기 변화기 소자는 바람직하게도 많은 열전소자를 포함하며, 이들 소자는 소위 '고온 측'과 소위 '저온 측' 사이에 위치된다. 열전소자는 예를 들면, ('고온 측' 및 '저온 측'과 각각 마주한) 그 상부 측 및 하부 측(14, 14)에서 전기 전도성 브리지와 교호로 접속되는 적어도 2개 반도체 블럭(p-타입과 n-타입)을 포함한다. 세라믹 플레이트나 코팅부 및/또는 이와 유사한 재료가 금속 브리지의 단열부로 사용되고 이에 따라 금속 브리지 사이에 바람직하게 배치된다. 온도 구배가 반도체 블럭의 양측에 제공된다면, 전압 전위가 형성된다. 이러한 경우에 있어서 열이 하나의 접촉점('고온 측')에서 흡수되고, 전자는 어느 한측으로부터 다음 블럭의 고-에너지 전도대로 통과한다. 다른 한측에서 전자가 에너지를 배출하여 저 에너지 레벨('저온 측')에서 상기 다른 한 측으로 복귀할 수 있다. 따라서, 현재의 유동이 주어진 대응하는 온도 구배를 발생시킬 수 있다.
자동차, 특히 승용차에 사용하기 위한 대응하는 열전기 발전기를 제공하려는 시도가 이미 있었다. 그러나 이는 일반적으로 제조비용이 매우 고가이고 비교적 효율이 낮다. 따라서 상기와 같은 시도는 아직 대량 생산에 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련된 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 특히 본 발명의 목적은 이용가능한 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있고 특히 이동가능한 내연기관의 배기 시스템에서 발생하는 가변 응력과 동일한 열전기 발전기를 특정하기 위한 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 장치에 의해 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 장치의 실시예는 종속 청구항에 특정되었다. 청구범위에 각각 기재된 특징은 임의의 기술적으로 적당한 방식으로 서로 연결되고 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 것이라는 것을 알 수 있다. 특히 도면과 관련된 기재는 본 발명을 설명하고 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위함이다.
내연기관의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한, 본 발명에 따른 장치는 적어도 하나의 열교환부와 함께 배기 가스 입구 연결부와 배기 가스 출구 연결부를 구비한 발전기를 포함하고, 상기 열교환부는 상기 입구 연결부와 상기 출구 연결부 사이에 배치되는 적어도 하나의 열교환 유닛을 포함하며, 상기 열교환 유닛은 적어도 하나의 열전소자와 냉각 장치로 설계되고, 적어도 하나의 열전소자는 냉각 장치와 고정되게(captively) 연결된다.
본 발명의 장치의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유동 전환부가 배기 가스 입구 연결부와 열교환부 사이에 제공된다.
본 발명의 장치의 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유동 분할부가 배기 가스 입구 연결부와 열교환부 사이에 제공된다.
본 발명의 장치의 다른 실시예에 따르면, 열교환부가 배기 가스 입구 연결부를 가로지르는 복수의 유동 경로로 설계되고, 상기 배기 가스 입구 연결부가 다수의 열교환 유닛에 할당되고, 적어도 수개의 열교환 유닛이 적어도 하나의 열전소자와 냉각 장치로 설계된다.
이러한 장치는 특히 소위 열전기 발전기이다. 배기 가스 입구 연결부와 배기 가스 출구 연결부는 특히 배기 시스템의 부품이나 배기 파이프의 부품으로 설계된다. 그러나, 다수의 배기 가스 입구 연결부 및/또는 다수의 배기 가스 출구 연결부도 제공될 수 있다. 열교환부는 발전기의 코어를 형성한다. 본 발명은 특히 발전기를 통과하는 일부의 배기 가스 유동 경로에 관한 것이며, 상기 유동 경로에서 배기 가스가 열 에너지를 열교환 유닛에 방출한다. 비록 오직 하나의 (연속한) 열교환부를 통해 배기 가스가 유동하는 실시예가 바람직하지만, 배기 가스가 다수의 이러한 열교환부를 통해, 발전기를 통과하는 경로 상에서, 유동할 수도 있다.
더욱이 배기 가스가 열교환부에 들어가기 전에, 특히 상기 배기 가스는 우회되고 분할된다. 이러한 구성은 예를 들면, 배기 가스가 메인 유동 방향으로 배기 라인과 배기 가스 입구 연결부 및/또는 배기 가스 출구 연결부를 통해 유동하지만, 상기 배기 가스가 열교환부를 통과하는데 배기 가스의 (완전한) 우회가 필요하다는 것을 의미한다. 메인 유동 방향을 횡단하거나 상기 유동 방향에 경사지는 우회가 발생하여, 전체 배기 가스 유동이 원주 방향으로 분배되는 것이 바람직하다. 이러한 처리에 있어서, 배기 가스의 부분 유동이 형성되며, 이 형성된 유동은 특히 유동의 반대 방향에서조차도 부분적으로 상이하게 뒤따르게 된다. 유동 경로, 특히 작은 채널로의 배기 가스 유동의 분할이 행해져, 열교환을 위한 최대 가능한 접촉 영역이 가능해진다. 유동 경로는 배기 가스용 직접 통로 및/또는 간접 통로를 형성하고, 예를 들면 열교환부에서의 배기 가스의 규칙적인 분할 및/또는 불규칙적인 분할 때문에, 일반적으로 이들 배기 가스의 부분 유동이 열교환부 내측에서 서로 (반복적으로) 재혼합될 수 있다. 이러한 유동 경로는 특히, 갭에 안내되는 웨브, 스터드 등으로 형성된다. 채널은 (예를 들면 연속의 채널 벽부에 의해) 서로 확실하게 분리되는 것이 바람직하다. 그러나, 유동 경로 및/또는 채널의 경우에 있어서, 유동 경로나 채널이 특정 실시예에서 연결 채널 및/또는 개구를 통해 서로 연통될 수도 있다. 유동 경로나 채널의 바람직한 개수는 20개 이상, 예를 들면 적어도 50개 또는 적어도 100개의 채널일 수 있다. 따라서, 채널은, 채널의 벽부에 의해 형성된 상당히 확대된 열교환 영역이 이용될 수 있도록, 배기 가스 입구 연결부의 단면 개구부에 비해 상당히 감소된 크기의 단면 개구부를 갖는다.
열전소자와 냉각 장치를 구비한 1개 또는 2개의 열교환 유닛이 유동 경로에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 채널이 열교환 유닛과 연속, 즉 열 전도가능하게 접촉되는 것이 바람직하다. 열전소자가 채널을 따라서 바람직하게 배치되는 경우에 있어서, 열교환부에서의 각각의 유동 경로의 길이부 내내 적어도 하나의 열전소자가 위치되는 것이 특히 바람직하다. 냉각 장치가 유동 경로에서 멀리 열전소자 면 상에 배치된다. 동시에 열전소자가 냉각 장치와 고정되게 연결된다. 이러한 구성은 특히, 열전소자가 점착성 재료 조인트(독일어로는 "stoffschlussige Verbindung")에 의해 냉각 장치에만 그리고 수개의 열교환 유닛에 연결된다는 것을 의미한다. 따라서 유동 경로와의 열 전도성 접촉은 특히 임의의 재료의 접착력 있는 연결부 없이도 단지 끊임없는 접촉을 통해 계속된다. 본 명세서에 있어서 '고정되게(captively)'라는 표현은, 냉각 장치가 작동 중일 때, (장치가 분해되지 않으면서) 상기 냉각 장치와 관련하여 열전소자의 상대 이동이 가능하지 않는다는 것을 특정, 즉 열전소자가 용접, 땜납, 접합, 고정, 나사결합이나 클램프결합 또는 냉각 장치와 열교환 유닛에 대해 여러 방식으로 단단하게 고정된다는 것을 특정하기 위한 것이다.
상기 장치의 바람직한 실시예에 따라, 배기 가스 입구 연결부와 배기 가스 출구 연결부가 서로 마주하여 배치되고 열교환 유닛이 반경방향으로(radially, 복사형으로) 배치된다. 따라서 배기 가스 입구 연결부와 배기 가스 출구 연결부는 예를 들면, 직선형, 관형 배기 라인에 통합될 수 있다. 열교환 유닛은 배기 라인 주위에서 수직하여 반경 방향으로 배치되어, 전기 에너지를 생산하는 배기 가스가 열교환부를 통과하는 메인 유동 방향의 방사상 외측으로 전환되고, 이후 다시 배기 가스 출구 연결부를 통해 메인 유동 방향으로 후퇴 유동하도록 단 한번 또는 반복적으로 전환되어야만 한다. 이는 특히 컴팩트한 구성을 가능하게 할 뿐만 아니라 우회에 의해 배기 가스의 난류 유동을 증가시켜, 특히 폐쇄 접촉이 계속되는 열교환부에 있어서 채널의 벽부 사이에서 달성되어, 열전소자로의 양호한 열 전달을 보장한다.
더욱이 열교환 유닛과 냉각 장치는 유리하게도 플레이트 부재로 형성되고, 이 플레이트 부재 상에 적어도 하나의 열전소자가 위치된다. 따라서, 쿨란트가 통과하는 냉각 채널은 예를 들면, 2개의 중첩된 플레이트 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 냉각 장치와 열교환 유닛은 비교적 안정적이고 강성이 있으므로, 특히 임의의 쿨란트의 누출이 방지된다. 그러나, 이러한 구성은 플레이트 부재가 또한 열전소자 부착 공간을 제공한다는 의미이고, 상기 열전소자는 냉각 장치로부터 멀리 플레이트 부재의 한 면상에 바람직하게 형성된다. 따라서, 열전소자가 플레이트 부재의 표면상에 배치되고, 예를 들면, 이 표면상에서 배기 가스 유동용 채널이 또한 배치된다. 플레이트 부재가 모듈로 제공될 수 있고 조립이 용이한 필요한 형태로 조립된다. 이는 상기 열전기 발전기가 비교적 저렴한 방식으로 제조된다는 것을 의미한다.
특히 이와 관련하여, 상기 플레이트 부재가 인접한 유동 경로를 향한 양면 상에 내부 냉각 장치와 열전소자로 설계되는 것이 유리하다. 내부 냉각 장치는 밀링이나 보오링 등으로 제조된 냉각 채널에 의해 형성될 수 있으며, (그러나, 바람직하지 않지만) 추가 재료가 채널의 필요한 부분에 통합될 수 있다. 그러나, 배기 가스로부터 만들어진 열 에너지가 열교환 유닛과 이에 따른 열전소자로 최적으로 열전달 되도록, 플레이트 부재 자체가 고 열 전도성 재료로 형성되는 것이 유리하다. 더욱이 이들 플레이트 부재는 열전소자로의 전기 인입선의 안정적이고 보호되는 배치 공간을 제공한다.
본 발명에 있어서 적어도 하나의 열전소자가 제공되고 보호층에 의해 커버되는 금속 포일을 구비한 플레이트 부재가 형성되도록 제시된다. 본 발명에서 금속 포일은 구조체를 구비하여, 적어도 2개의 금속 포일의 스택이 채널을 특히 쿨란트 용으로 상기 금속 포일 사이에 형성한다. 따라서, 플레이트 부재는 저 열당량을 갖고 매우 경량이다. 더욱이, 커버된 열전소자와 접촉하게 되는, 상부측에서 배기 가스를 특히 방지하는 보호층은 열전소자와 금속 포일 사이를 고정 연결(captive connection)되게 한다. 보호층은 코팅부 및/또는 별도의 구성요소(예를 들면, 또 다른 금속 포일과 같은 것)로 형성될 수 있다.
이러한 플레이트 부재의 스택에 의해 만들어진 채널과, 상기 채널을 통해 배기 가스 유동이 또한 구성된 금속 포일에 의해 만들어질 수 있다. 이러한 경우에 다수의 금속 포일의 하나가 다른 하나의 상부에 배치되어, 열전소자 부근에 배치되지 않게 채널이 또한 제공될 수 있다.
상기 장치의 다른 한 실시예에 따라, 열교환 유닛은 관형 부재로 형성된다. 관형 부재는 내측 유동을 이송하도록 설계된다. 관 내부는 특히 냉각 장치로 사용되고 상기 관을 통해 유동하는 액체나 가스의 냉각 매체를 구비한다. 관형 부재에 고정되게 연결된 적어도 하나의 열전소자는 상기 관형 부재의 관 벽부에 또는 상기 관 벽부에 대해 형성된다. 따라서, 관형 부재에 의해 형성된 열교환 유닛은 상기 관형 부재 내측 주위를 유동하는 냉각 매체와, 상기 관형 부재 외측 주위를 유동하는 배기 가스를 구비한다.
본 발명에서 관형 부재는 원형 단면이나 환형 단면을 갖는다. 복수의 관형 부재를 배치하여, 채널을 플레이트 부재에 대해 이미 기재한 열교환 유닛 사이에 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열교환 유닛의 상대 이동에 대한 보상기가 열교환부에 제공된다. 이러한 구성은 특히, 열교환부에 여러 수단이 제공되고, 이 수단은 필요한 곳에서 열교환부의 구성요소의 상대 이동(즉, 예를 들면, 열교환 유닛과 관련해 배기 가스를 특히 메인 유동 방향으로 이동시키는 채널의 (최소) 이동)을 가능하게 한다는 것을 의미한다. 이러한 구성이 모든 열교환 유닛에 적용될 필요는 없으며; 일반적으로 모든 열교환 유닛에 하나의 보상기가 충분할 수 있다. 이러한 보상기는 예를 들면, 탄성 변형가능하고, 예비-스트레스 가능한 시트 금속 부품에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 유동 경로를 (부분적으로) 형성하는 특히 주름잡힌 금속 포일과 같은 구성요소가 보상기로 사용된다. 예를 들면, (플레이트 부재에 평행하게 배치되고 배기 가스와 접촉하지 않는 예를 들면, (주름 잡힌) 금속 포일을 구비함으로서) 추가의 보상기가 열교환부의 단부면 상에 더욱 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발전기는 열교환부의 위쪽에 적어도 부분적으로 배치된 촉매부로 설계된다. 이 경우 열교환부로 전환되는 배기 가스가 먼저 상기 열교환부에 도달하기 전에 촉매부를 통해 유동한다면 특히 바람직하다. 대부분의 배기 가스가 촉매부와 열교환부를 통해 반대 방향으로 유동하는 것이 바람직하다. 촉매부에 있어서, 방사상의 허니콤 구조체가 제공되는 것이 바람직하고, 워시코트(washcoat)와 산화 촉매(바람직하게는 플래티늄)로 코팅된다. 배기 가스 성분의 촉매 변환의 결과로, 배기 가스에서의 열 에너지를 증가시키는 발열 반응이 촉매부에서 셋업된다. 이러한 현재 '예열된(Preheated)' 배기 가스가 보다 많은 양의 열전기 에너지를 생산하는데 사용된다. 촉매부는 필요하다면 다양한 코팅부 및/또는 촉매로 설계될 수 있다. 또한 특히 온도 증가를 조정하기 위하여, 배기 가스의 이송 및/또는 접촉 영역에 의한, 촉매부의 설계를 변경할 수 있다. 특히 배기 가스가 유동하는 발전기의 다른 영역의 채널과 벽부의 적어도 부분적인 영역, 특히 열교환부의 채널의 적어도 부분적인 영역이 또한 워시코트와 산화 촉매로 코팅될 수 있다. 열전소자와 직접 접촉하는 채널의 영역은, 열전소자로의 유동 경로의 열 전도성에 악영향을 미치기 때문에, 본 발명에서 이러한 코팅부로 바람직하게 제공되지 않게 된다.
또한 유동 전환부가 배기 가스 입구 연결부에 위치된 배플 구조체라면 유리하다. 이는 배기 가스 입구 연결부의 중앙에 위치된 배플 구조체라면 바람직하다. 배플 구조체는 예를 들면, 콘과 비슷할 수 있다. 고정식 혼합기 등이 또한 사용될 수 있다. 배기 가스 입구 연결부에서의 배플 구조체의 각도 및/또는 축방향 위치를 변경할 수 있으면 유리하다.
선택적인 및/또는 추가적인 자가-조정 배플 구조체가 또한 상이한 온도의 배기 가스 입구 연결부에서 상이한 위치나 상태를 취하는 구조체처럼 제공될 수 있다. 배기 가스가 적어도 부분적으로 주위에서 유동하도록 배치된 바이메탈은 특히 이러한 목적에 적합하다. 바이메탈(또한 자동 온도 조절 바이메탈)은 특히 상이한 재료의 2개 층으로 이루어진 금속 스트립이고, 이들 스트립은 점착성 재료 조인트 및/또는 고정식 맞물림(positive interlock)에 의해 함께 연결된다. 이들 스트립 특성은 온도 변화에 따라 형상이 변한다는 것이다. 이는 그 자체가 굽어질 수 있다는 것이며 사용된 금속의 상이한 열 팽창 계수에 의해 야기된다.
더욱이, 배기 가스가 적어도 부분적으로 유동하도록 배치된 이러한 바이메탈은 장치의 작동 및/또는 장치를 구성하는 구성요소를 제어하도록 사용될 수도 있다. 예를 들면, 바이메탈이 온도 센서로 사용되어, 배플 구조체가 예를 들면, 바이메탈의 변형 함수로 필요한 만큼 작동될 수 있다.
본 발명의 장치의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 조정가능한 유동 연결부가 배기 가스 입구 연결부로부터 배기 가스 출구 연결부에 제공되어, 배기 가스가 열교환부의 적어도 일부분을 지나서 유동할 수 있다. 배기 가스 입구 연결부로부터 배기 가스 출구 연결부까지의 직접적인 연결부인 이러한 조정가능한 유동 연결부, 소위 바이패스는 유동 단면이 동일하다면 가장 바람직하다. 이러한 유동 연결부에 의해 모든 배기 가스가 전체 열교환부를 바이패스 한다면 가장 바람직하다. 이러한 구성은 예를 들면, 배기 가스가 열교환부를 통해 나아가고 열전기 에너지를 특정 부하 사이클 및/또는 엔진의 작동 단계에서만 발생시키는 가능성을 크게 한다. 열 에너지가 아래쪽 배기 가스 처리 구성요소에 필요하다면, 예를 들면, 조정가능한 유동 연결부는 후에 필요한 열의 너무 이른 소산을 방지하는데 사용될 수 있다. '조정가능한(adjustable)'이라는 표현은 배기 가스에 의해 사용된 유동 연결부가 제어될 수 있을 정도라는 것을 의미하는 것이다. 대체로 공지된 배기 플랩, 밸브 등이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
적어도 하나의 조정가능한 유동 연결부가 유동 연결부의 입구 상에 위치한 스프링-하중식 및 피벗식 플랩인 것이 가장 바람직하다. 이는 특히 스프링이나 수개의 여러 기구가 플랩의 위치를 주기적으로 조정하도록 플랩이 배치되어, 유동 연결부가, 즉 배기 가스가 전혀 통과하지 못하거나 매우 조금 통과하는 경우에, 폐쇄된다는 것을 의미한다. 특히 소정의 상황에 있어서, 플랩이 조정 기구에 의해 작동가능하게 피벗되어, 배기 가스가 유동 연결부의 입구를 통해 유동하고 이에 따라 배기 가스 출구 연결부로 직접적으로 유동할 수 있다. 그러나, 배기 가스 배압의 함수로 피벗되는 방식으로 플랩이 스프링-하중식인 것이 또한 바람직하다. 이러한 구성은 즉, 특히 높은 배기 가스 유동율에서 플랩이 보다 넓게 자동으로 개방된다는 것을 의미한다. 이러한 구성은 예를 들면, 열전기 발전기의 과열 및/또는 이들 단계에서 필요한 엔진 출력에 대한 과도한 압력 손실을 피할 수 있다. 이러한 자동-조정 기구는 특히 간단하고 장치의 내구성 있는 작동을 보장한다.
더욱이, 보조 냉각장치는 또한 열교환부의 적어도 일부분에 제공될 수 있다. 이는 예를 들면, 제 2 냉각 회로가 요구에 따라 기동될 수 있다는 것을 의미한다. 보조 냉각장치는 가장 바람직하게도 리버싱 회로(reversing circuit)의 열전소자이고, 이들 열전소자는 펠티에 소자로 작동한다. 이는 초고온의 배기 가스가 열전기 발전기를 통해 유동함으로서, 상기 열전소자가 열교환부를 냉각시키거나 스스로 냉각될 수 있게 한다.
본 발명이 자동차, 특히 승용차에 사용되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명과 관련 기술분야가 첨부한 도면을 참조하여 기재되어 있다. 도면은 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명이 이들로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 장치의 다른 한 실시예를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 열교환 유닛을 도시한 도면이고,
도 4는 열교환부의 구성에 대한 금속 포일의 실시예를 도시한 도면이고,
도 5는 열교환 유닛에 대해 가능한 구성의 분해도이고,
도 6은 본 발명에 따른 장치를 자동차에 통합한 것을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 7은 열전소자를 구비한 냉각 장치의 상단부를 통하는 부분 섹션을 도시한, 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이며,
도 8은 관형 부재를 구비한 열교환 유닛의 실시예를 도시한 도면이다.
도 1은, 상기 도 1에 도시되지 않은 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한, 본 발명에 따른 장치(1)의 제 1 실시예를 도시한 도면이다. 도면의 아래쪽 영역에 있어서, 상기 장치(1)는 배기 가스 입구 연결부(4)를 형성하는 한 타입의 환형 채널을 포함한다. 화살표로 도시된 바와 같이, 모든 배기 가스는 대응하는 유동 방향(24)으로 발전기(3) 내로 유동한다. 배기 가스는 먼저 소위 허니콤으로 형성된 촉매부(17)와 부닥친다(예를 들면, 상기 촉매부에는 촉매 활성식 코팅부가 제공된다). 배기 가스가 이러한 촉매부(17)를 통과한 이후에, 배기 가스는 열교환부(6)에 들어가고, 이 열교환부에서 상기 배기 가스가 배기 가스 입구 연결부(4)에 제공된 복수의 배플 구조체 때문에 90°의 각도로 방사상 내측으로 유동한다. 이렇게 함으로서 배기 가스가 복수의 유동 경로(9)로 전환되어, 유동 분할부(8)가 원주방향 표면에서 달성된다. 배기 가스가 중앙에 배치된 출구 연결부(5)로 방사상 내측으로 유동하고, 이러한 경우에 상기 연결부는 어느 한 측에서만(즉, 상부에서) 개방된다. 따라서, 배기 가스는 개별 유동 경로(9)로부터 다시 나타나 중앙 축선(25)을 따라서 유동한다.
다수의 열교환 유닛(10)이 중앙 축선(25)과 배기 가스 출구 연결부(5) 주위로 반경 방향(26)으로 배치된다. 열교환 유닛(10)은 냉각 장치(12)를 중앙에서 둘러싸고, 상기 냉각 장치를 통해 바람직한 액상의 쿨란트가 유동하여, 어느 한쪽의 냉각 장치(12)와 다른 한쪽의 유동하는 배기 가스의 유동 경로(9) 사이의 온도차가 최대가 되게 한다. 각각의 열교환 유닛이 바람직하게도 쿨란트용의 별도의 입구(27)와 출구(28)를 포함하지만, 이러한 구성이 절대적으로 필수적인 것은 아니다. 열전소자(11)가 유동 경로(9)와 냉각 장치(12) 사이에 제공되고; 이러한 경우에 다수의 소자가 일렬로 배치되지만, 다시 말하지만 이러한 일렬의 구성이 필수적인 것은 아니다. 채널(9)을 통과하는 유동은 온도차를 발생시키고, 이러한 온도차는 열전기 에너지가 열전소자(11)에서 발생하게 하고, 상기 열전소자는 개략적으로 지시된 전류 경로(29)에 의해 저장 배터리(30)에 연결된다.
도 2는 본 발명에 따른 상기 장치(1)의 다소 상이한 실시예를 도시한 도면이다. 상기 도 2에서 유동 방향(24)은 상부로부터 하부로 실질적으로 유동하는 방향이다. 따라서, 모든 배기 가스는 먼저 배기 가스 입구 연결부(4)로 상부에서 발전기(3)로 유동한다. 방사상 외측으로 유동하도록 배기 가스 유동의 일부를 이미 유도하고 있는 원추형 배플 구조체는 입구에 가까운 배기 가스 입구 연결부(4)에서 발전기(3)로 중앙에 제공된다. 플랩(20)이 보다 아래쪽에 제공되고, 발전기(3)의 소정의 작동 상태 동안에 실질적으로 배기 가스 입구 연결부(4)를 폐쇄하여, (실제) 모든 배기 가스가 방사상 외측으로 분할된다. 이렇게 함으로서 배기 가스가 촉매부(17)에 들어가며, 이 촉매부는 예를 들면, 복수의 유동 경로(9)를 갖는 방사상의 허니콤 방식으로 설계된다. 코팅부가 적어도 수개의 채널에 제공되고, 상기 코팅부가 배기 가스의 발열 반응을 발생시켜서, 배기 가스가 촉매부(17)에 남아 있을 때, 보다 고 열 에너지를 갖는다. 도 2에 도시된 배기 가스는 환형 채널 아래로 더욱 유동하고, 이때 폐쇄부 때문에 채널(9)의 방사상 내측으로 다시 전환된다. 열 에너지의 대부분이 열교환 유닛(10)에 전달되는 것을 보장하기 위하여, 발전기(3)에 단열부(33)가 제공된다.
배기 가스 각각을 이송하는 채널(9)은 열교환부(6)의 영역에서의 양면에 위치한 열교환 유닛(10)을 구비한다. 이들 유닛은 냉각 장치(12)가 내측에 제공되고 열전소자가 유동 경로(9) 바로 근방에 위치되도록 일반적으로 구성된다. 열전소자(11)는 점착성 재료 조인트(독일어로는 "stoffschlussige Verbindung")에 의해 열교환 유닛(10)에 고정되게 연결되고 특히 단단하게 고정된다. 배기 가스가 이들 열교환 유닛(10)을 통해 유동한 이후에, 배기 가스는 배기 가스 출구 연결부(5)에 다시 나타나고 발전기(3) 외측(도 2에서 아래쪽)으로 유동한다.
도 2에 있어서, 별도의 보조 냉각장치(22)가 좌측 상부에 도시되었다. 이를 위하여, 배기 가스의 성분 및/또는 온도가 예를 들면 배기 가스 입구 연결부(4)에 배치된 센서(32)에 의해 측정되고, 제어 유닛(31)으로 이송된다. 예를 들면, 온도가 너무 높기 때문에, 발전기(3)가 더 이상 작동하지 않지 않고, 이에 따라 열전소자(11)가 손상될 위험이 있다는 것을 제어 유닛(31)이 검출한다면, 제어 유닛(31)은 또한 에너지가 저장 배터리(30)로부터 열전소자(11)로 이송될 수 있게 하여, 이들 열전소자는 펠티에 소자와 같은 방식으로 냉각되어 스스로를 보호한다. 이러한 보조 냉각장치(22)는 매우 빠르게 작동할 수 있다. 이를 위하여 다른 센서(32)가 필요하다면, 특히 열교환 유닛(10) 상에 제공될 수 있다.
플랩(20)과 관련하여 다른 특정 실시예가 기재되어 있다. 입구(21)에서 플랩(20)은 배기 가스 입구 연결부(4)와 이와 마주하여 배치된 배기 가스 출구 연결부(5) 사이의 유동 연결부(19)로 위치된다. 플랩(20)이 검은색 화살표로 지시된 바와 같이 피벗될 수 있다. 스프링 힘의 영향을 받으면서, 플랩(20)이 유동 방향(24)에 실질적으로 연직으로 향하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 배기 가스 유동이 특정 압력에 도달하면, 유동 연결부(19)가 (자동적으로) 피벗팅하는 플랩(20)에 의해 개방된다. 이 결과 열교환부(6)가 바이패스되고, 이에 따라 특히 과부하 세이프가드가 제공될 수 있다.
장치(1)의 간단한 구성에 더욱 기여하는 보다 상세한 사항이 오른쪽 하단에 도시되었다. 따라서, 예를 들면, 배기 가스 재순환 시스템의 냉각기(34)가 냉각 장치(12)를 제공하도록 사용될 수도 있다. 특히, 배기 시스템(39)의 배기 가스 재순환 라인(34)의 냉각기(도시 생략)와 열전기 발전기(3)를 포함한 결합 시스템이 따라서 본 발명에서 제시된다.
도 3에는 열교환 유닛(10)의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 열교환 유닛(10)은 양면에 배치된 유동 경로(9)와 인접하여 위치되고, 이 유동 경로를 통해 고온의 배기 가스가 유동한다. 다시 말하자면, 열교환 유닛(10)은 내부 냉각 장치(12)를 포함하고, 열전소자(11)는 냉각 장치(12)와 각각의 유동 경로(9) 사이에 제공된다. 그럼에도 불구하고 고 열 전도성을 갖는 코팅부(14)가 열전소자(11)와 냉각 장치(12)의 고정 연결용으로 본 발명에서 제공된다. 유동 경로(9)와 열전소자(11)의 길이(37)에 대한 배기 가스의 온도(36)를 도시한 다이어그램이 설명을 위해 도 3의 상부에 도시되었다. 열전소자(11) 맞은편 온도는 쿨란트 때문에 상당히 낮아진다. 이러한 구성은 소위 제베크 효과를 일으켜, 저장 배터리(30)로 이송된 전류가 열전소자(11)로부터의 중간 접점(tap)이 될 수 있다. 열전소자(11)를 커버하는 보호층(35)이, 특히 열전소자(11)(또는 반도체 소자)와 배기 가스가 직접적으로 접촉하지 않도록, 본 발명에 제공된다.
채널(9)을 형성하는 구성요소가 열교환 유닛(10)이나 냉각 장치(12)에 의해 상이한 열 팽창으로 작동한다면, 보상기(16)가 이를 보상하기 위해 제공될 수 있다. 특히, 이러한 구성은, 채널(9)이 변형되지 않게 및/또는 유동 경로(9)와 열전소자(11) 사이의 계속된 접촉이 상당히 손상되지 않게, 사용된다.
도 4에는 특히 배기 가스용 채널(9) 및/또는 냉각 장치(12)용 채널을 형성하도록 사용될 수 있는 금속 포일(15)이 도시되어 있다. 이러한 금속 포일(15)은 금속 포일의 원주 방향으로 서로 교호로 위치된 경사부와 오목부가 형성된 구조체(38)를 구비하여, 채널이 반경부(26)의 방향으로 뻗어있도록 형성된다. 채널이 나선형으로 뻗어있어, 경사부와 오목부가 서로 반경부(26)의 방향으로 교호로 발생한다. 복수의 이러한 금속 포일(15)이 채널(9)과 냉각 장치(12) 사이에서 어느 한 구성요소 위에 스택되어 형성될 수 있다.
도 5는 열교환 유닛(10)의 가능한 구성을 개략적으로 분해하여 도시한 도면이다. 도 5는 상기 도 5에서 가장 위쪽에 도시된 상부측(14)을 포함한다. 예를 들면, 열전소자(11)가 특히 채널(9)과 유사한 방향/위치로 방사상 배치될 수 있다. 동시에 열교환 유닛(10)은 중앙 플레이트 부재(13)를 포함하며, 냉각 장치(12)가 상기 플레이트 부재에 형성된다. 쿨란트가 플레이트 부재쪽으로 유동하고, 플레이트 부재(13) 주위에서 원주 방향으로 나아가 다시 유동한다. 그럼에도 불구하고 쿨란트의 유동 및/또는 유동 분할부의 여러 방향이 달성될 수 있다. 점선으로만 도시된 열전소자(11)가 아래쪽에 위치하고, 이 결과 상부 측과 대향된 하부 측(14) 상에 배치된다.
도 6에는 상기 장치(1)의 바람직한 목적이 개략적으로 도시되어 있다. 내연기관(2)을 구비한 자동차(23)가 도시되었다. 예를 들면 불꽃-점화 기관이나 디젤 기관처럼, 내연기관(2)에서 생성된 배기 가스는 배기 시스템(39)으로 유동한다. 이러한 경우에 있어서, 본 발명에 따른 장치(1)가 출구 측에서 내연기관(2)과 집적으로 연결되는 것이 유리하다. 배기 시스템(39)의 일부일 수가 있으나, 필요에 따라 배기 가스 재순환 시스템(41)의 일부일 수도 있으며, 특히 이러한 경우에 냉각기(34)로 만들어져 사용되는 것이 유리하다. 열전기 발전기(3)에 의한 처리 이후에, 배기 가스가 최종 처리로서 주변으로 이송되기 전에 배기 처리 유닛(40)으로 계속 이송될 것이다.
도 7은 열전소자를 구비한 냉각 장치의 상단부를 통하는 부분 섹션을 도시한, 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 단지 완비되도록, 병렬 및/또는 직렬 접속되는 다수의 열전소자(11)가 (일반적으로) 냉각 장치(12)에 제공된다는 것을 알 수 있다. 열전소자(11)는 냉각 장치(12)의 플레이트 부재(13)와 보호층(35) 사이에 기밀되게 배치되고 점착성 재료 조인트(독일어로는 "stoffschlussige Verbindung")에 의해 플레이트 부재(13)에 연결된다. 열전소자(11)는 상이한 반도체 블럭(p-타입 반도체 블럭(44)과 n-타입 반도체 블럭(43))의 다수의 쌍의 배치로 이루어지고, 이들 상부 측 및 하부 측(14, 14)은 금속의, 전기 전도성 브리지(45)에 교호로 연결된다. 브리지(45)가 세라믹 플레이트(42) 상에 장착되어, 브리지(45)를 통해 방향성 전류 유동이 보장된다. 고온의 배기 가스가 보호층(35)을 지나 유동한다면, 유동 면은 가열되고 반대쪽 면은 쿨란트에 의해 냉각된다. 열 에너지는 제베크 효과에 따라 전기 에너지로 효율적으로 변환될 수 있다.
도 8은 다수의 관형 부재(46)로 설계된 열교환 유닛의 다른 한 실시예를 상세하게 도시한 도면이다. 본 발명에서 다수의 열전소자(11)는 원주 방향으로 그리고 각각의 관형 부재(46)의 축선 방향으로 제공되고, 관 벽부(47) 상에 고정되게(captively) 배치된다. 열전소자(11)는 보호층(48)에 의해 외측에서 둘러싸이고, 특히 상기 보호층은 열전소자(11)와 배기 가스의 임의의 접촉을 방지하도록 사용된다. 이러한 구성, 전기 접속부, 유동 도관재료(ducting) 및 재료 등과 관련하여, 열교환 유닛의 다른 실시예와 관련하여 설명된 현상에 대한 기준이 만들어졌다.
1 장치 2 내연기관
3 발전기 4 배기 가스 입구 연결부
5 배기 가스 출구 연결부 6 열교환부
7 유동 전환부 8 유동 분할부
9 유동 경로 10 열교환 유닛
11 열전소자 12 냉각 장치
13 플레이트 부재 14 상부측, 하부측
15 금속 포일 16 보상기
17 촉매부 18 배플 구조체
19 유동 연결부 20 플랩
21 입구 22 보조 냉각장치
23 자동차 24 유동 방향
25 축선 26 반경부
27 입구 28 출구
29 전류 경로 30 저장 배터리
31 제어 유닛 32 센서
33 단열부 34 배기 가스 재순환 시스템용 냉각기
35 보호층 36 온도
37 길이 38 구조체
39 배기 시스템 40 배기 가스 처리 유닛
41 배기 가스 재순환 시스템 42 세라믹 플레이트
43 n-타입 반도체 블럭 44 p-타입 반도체 블럭
45 브리지 46 관형 부재
47 관 벽부 48 보호층

Claims (15)

  1. 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1)로서,
    하나 이상의 열교환부(6)와 함께 배기 가스 입구 연결부(4)와 배기 가스 출구 연결부(5)를 구비한 발전기(3)를 포함하고, 상기 열교환부는 상기 입구 연결부(4)와 상기 출구 연결부(5) 사이에 배치되고, 상기 열교환부(6)는 하나 이상의 열교환 유닛(10)을 포함하고, 상기 열교환 유닛은 하나 이상의 열전소자(11)와 냉각 장치(12)로 설계되며, 상기 하나 이상의 열전소자(11)는 상기 냉각 장치(12)와 고정되게 연결되고,
    상기 하나 이상의 열교환부(6)에는 상기 배기 가스 입구 연결부(4)를 가로지르는 복수의 유동 경로(9)가 제공되고, 상기 유동 경로는 다수의 상기 열교환 유닛(10)에 할당되고, 하나 이상의 상기 열교환 유닛(10)에는 하나 이상의 상기 열전소자(11)와 상기 냉각 장치(12)가 제공되며,
    상기 유동 경로(9) 및 상기 열전소자(11)는 복사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 유동 전환부(7) 및 하나 이상의 유동 분할부(8)가 상기 배기 가스 입구 연결부(4)와 상기 하나 이상의 열교환부(6) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 열교환부(6)에는 상기 배기 가스 입구 연결부(4)를 가로지르는 복수의 유동 경로(9)가 제공되고, 상기 유동 경로는 다수의 상기 열교환 유닛(10)에 할당되고, 하나 이상의 상기 열교환 유닛(10)은 하나 이상의 상기 열전소자(11)와 상기 냉각 장치(12)로 설계되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 가스 입구 연결부(4)와 상기 배기 가스 출구 연결부(5)는 서로 마주하여 배치되고 상기 열교환 유닛(10)은 상기 배기 가스 입구 연결부(4)와 상기 배기 가스 출구 연결부(5) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 유닛(10)과 상기 냉각 장치(12)는 관형 부재(46)로 형성되고, 이 관형 부재에 적어도 하나의 열전소자(11)가 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 플레이트 부재(13)에는 인접한 유동 경로(9)와 마주한 양 측(14)에서 내부 냉각 장치(12) 및 상기 열전소자(11)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 플레이트 부재(13)는 금속 포일(15)로 형성되고, 보호층(35)으로 커버되는 하나 이상의 열전소자(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 유닛(10)의 상대 이동용 보상기(16)가 상기 열교환부(6)에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기(3)는 촉매부(17)를 포함하고, 상기 촉매부는 적어도 부분적으로 상기 열교환부(6)의 위쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 전환부(7)는 상기 배기 가스 입구 연결부(4)에 위치된 배플 구조체(18)인 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  11. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 조정가능한 유동 연결부(19)는, 배기 가스가 상기 열교환부(6)의 적어도 일 부분을 지나 유동하도록, 상기 배기 가스 입구 연결부(4)로부터 상기 배기 가스 출구 연결부(5)까지 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하나 이상의 조정가능한 유동 연결부(19)는 상기 유동 연결부(19)의 입구(21) 상의 스프링-하중식 및 피벗식 플랩(20)인 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  13. 청구항 1에 있어서,
    보조 냉각장치(22)는 상기 열교환부(6)의 적어도 일부분에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 포함한 것을 특징으로 하는 자동차(23).
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 유닛(10)과 상기 냉각 장치(12)는 플레이트 부재(13)로 형성되고, 이 플레이트 부재에 적어도 하나의 열전소자(11)가 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관(2)의 배기 가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 장치(1).
KR1020107028227A 2008-05-16 2009-05-13 배기 가스 열로 전기 에너지를 만드는 장치 KR101285061B1 (ko)

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