KR101327730B1 - 차량용 열전 발전기 - Google Patents

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Abstract

열전현상을 이용하여 엔진의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 열전발전기가 개시된다. 차량용 열전발전기는, 내부로 엔진의 배기가스가 통과하는 중공 원통형 배기관과 상기 배기관의 내부에 설치되며 상기 배기관을 관통하여 돌출되는 다수의 돌출부를 가지며 상기 배기가스와 접촉하여 가열되는 열전달 유닛를 구비하는 고온부; 상기 다수의 돌출부에 장착되며 내부로 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며, 상기 열전달 유닛의 상기 다수의 돌출부에 장착되어 내측면이 상기 다수의 돌출부에 의해 가열되고 외측면은 상기 저온부와 접촉하여 냉각됨으로써 상기 내측면과 외측면의 온도차에 의한 열전현상에 의해 전기를 발생시키는 다수의 열전모듈;을 포함하는 차량용 열전발전기. 차량용 소음기와 실질적으로 일체로 제작됨으로 그 구조가 단순해지고 따라서, 생산성이 향상되고 제작비용이 절감된다.

Description

차량용 열전 발전기{Thermoelectric generator of vehicle}
본 발명은 열전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 배기가스의 열기를 이용하여 발전하는 차량용 열전 발전기에 관한 것이다.
열전소자는, 소자 양단의 온도차를 전기로 변환함으로써 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 소자에 전기를 흐르게 함으로써 소자 양단에 온도차를 일으켜 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열전현상을 이용하는 소자를 말한다. 이러한 열전소자는 소규모 냉각장치, 소규모 가열장치, 또는 소규모 발전장치에 이용된다.
열전소자가 소규모 발전장치에 이용되는 것을 열전발전장치 또는 열전발전기라고 부른다. 이러한 열전발전기는 주로 무전통신기의 전원공급장치, 우주선의 전력공급장치, 핵잠수함의 동력공급장치, 그리고 차량의 배기시스템에 설치되는 열전발전기에 사용된다.
도 1은 차량의 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도시한 바와 같이, 차량의 배기시스템에 설치되는 열전발전기(10)는 고온의 배기가스가 지나가는 6각형의 배기열 회수장치(40), 상기 배기열 회수장치(40) 외측에 설치되며 내부로 냉각수가 지나가는 상기 냉각장치(30), 그리고 상기 배기열 회수장치(40)의 외측과 상기 냉각장치(30) 내측에 접촉하여 양단의 온도차이에 의해 전기를 발생시키는 상기 다수의 열전모듈(20)을 포함한다.
상기 배기열 회수장치(40) 내부에는 고온의 배기가스가 흐르면서 열에너지가 상기 열전모듈(20)로 전달된다. 상기 냉각장치(30) 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 파이프(32)가 형성되어 상기 배기열 회수장치(40)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 내측과 상기 냉각장치(30)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 외측 사이의 온도차이를 증가시킨다. 이와 같이 상기 열전모듈(20)의 내측과 외측의 온도차이를 크게 함으로써 자동차의 배기시스템에 설치되는 열전발전기의 효율을 증가시키게 된다.
열전발전기에서 많은 전기를 생산하기 위해서는, 즉 열전발전 효율을 높이기 위해서는 배기가스의 열에너지가 상기 열전모듈에 효율적으로 전달되어야 한다. 그러나 상기한 종래의 차량용 열전발전기에서는, 배기가스의 열에너지가 고온부로 충분히 전달되지 않아 배기가스의 열에너지 회수 능력이 떨어지고 따라서 열전발전기의 열전효율이 저하되는 문제를 안고 있다.
또한, 종래의 차량용 열전발전기는 냉각장치(30)가 많은 면적을 차지함에도 열교환 면적이 작아 열전달율이 낮아 크기에 비하여 열전발전효율이 낮은 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로, 작고 열전발전 효율이 향상되는 차량용 열전발전기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부로 엔진의 배기가스가 통과하는 중공 원통형 배기관과 상기 배기관의 내부에 설치되며 상기 배기관을 관통하여 돌출되는 다수의 돌출부를 가지며 상기 배기가스와 접촉하여 가열되는 열전달 유닛를 구비하는 고온부; 상기 다수의 돌출부에 장착되며 내부로 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며, 상기 열전달 유닛의 상기 다수의 돌출부에 장착되어 내측면이 상기 다수의 돌출부에 의해 가열되고 외측면은 상기 저온부와 접촉하여 냉각됨으로써 상기 내측면과 외측면의 온도차에 의한 열전현상에 의해 전기를 발생시키는 다수의 열전모듈;을 포함하는 차량용 열전발전기를 제공한다.
상기 고온부는, 상기 배기관의 길이 방향으로 원주방향을 따라 소정의 각도로 형성되는 다수의 슬릿; 그리고 상기 배기관의 내부에 장착되며 상기 다수의 슬릿을 통하여 상기 배기관의 외측으로 돌출되는 상기 다수의 돌출부를 가지며 상기 배기가스에 의해 가열되는 상기 열전달 유닛을 포함할 수 있다.
상기 소정의 각도는 90도이며 상기 열전달 유닛을 '+'자의 단면을 가지며 상기 배기관의 내부 공간을 4분할할 수 있다. 상기 소정의 각도 및 상기 열전달 유닛의 단면 형상은 설계자의 의도에 따라 적절히 변경될 수 있다.
상기 다수의 열전모듈은 상기 다수의 돌출부의 형상에 대응하는 내측면을 가지며 상기 다수의 돌출부에 용접 또는 전도성 테이프에 의해 부착되어 상기 다수의 돌출부에 의해 가열될 수 있다.
상기 저온부는 상기 다수의 열전모듈의 외측면에 대응하는 내측면을 가지며 상기 다수의 열전모듈의 외즉면에 용접 또는 열전도성 테이프에 의해 부착되며 일측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구, 타측에 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구, 그리고 상기 저온부 내부에 형성되어 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구를 연결하는 냉각수 통로를 구비하며, 상기 다수의 열전모듈의 외측면들을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 차량용 열전발전기에 따르면, 고온부가 소음기의 내부 공간을 4분할하며 고온의 배기가스와 직접 접촉함으로써 배기가스의 열전모듈로의 열에너지 전달효율이 향상되고 고온부에 의해 발생되는 소음기 내부의 배기가스의 유동저항은 종래에 비하여 상당히 작다.
또한, 고온부는 차량의 소음기 또는 배기관에 설치될 수 있으므로 본 발명의 열전발전기는 그 적용범위가 넓다. 본 발명의 열전발전기는 배기관 또는 소음기 내부에 장착될 수 있으므로 그 크기가 작아 패키징에 유리하다.
열전모듈은 고온부 및 저온부와 각각 3면에서 접촉함으로써 적은 부품으로도 넓은 접촉면적을 보장하므로 열전발전 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 차량용 열전발전기는 차량용 소음기와 실질적으로 일체로 제작됨으로 그 구조가 단순해지고 따라서, 생산성이 향상되고 제작비용이 절감된다.
도 1은 종래의 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 소음기에 장착되는 차량용 열전발전기를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 차량용 열전발전기의 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 A-A' 선에 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 4의 B 부분의 확대단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 소음기에 장착되는 차량용 열전발전기(100)를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2의 차량용 열전발전기(100)의 분해사시도이다. 도 4는 도 2의 A-A' 선에 따라 취한 단면도이다. 도 5는 도 4의 B 부분의 확대단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는 내부로 엔진의 배기가스가 통과하면서 상기 배기가스에 의해 가열되는 고온부(110), 상기 고온부(110)의 외측에 설치되는 다수의 열전모듈(130), 그리고 상기 다수의 열전모듈(130)의 외측면에 장착되어 상기 다수의 열전모듈(130)을 냉각시키는 저온부(120)를 포함한다.
상기 고온부(110)는 차량의 배기관(112) 또는 소음기(이하, 배기관으로 칭한다)에 장착된다. 상기 배기관(112)은 90도 마다 길이방향으로 형성되는 다수의 슬릿(113)를 가지는 중공 원통형상을 가진다. 상기 배기관(112)의 내부에는 상기 배기관(112)의 내부 공간을 4분할하는 '+'자의 단면형상을 가지는 열전달 유닛(114)이 설치된다. 상기 열전달 유닛(114)은 상기 배기가스와 직접적으로 접촉되어 가열된다. 상기 열전달 유닛(114)의 4개의 돌출부(116)는 상기 다수의 슬릿(113)을 통하여 상기 배기관(112)의 외측으로 돌출된다. 상기 슬릿(113)은 설계자의 의도에 따라 그 개수, 즉 형성되는 각도가 변경될 수 있으며 본 실시예에서는 4개가 형성, 즉 90도 마다 형성된다.
상기 열전달 유닛(114)의 상기 각각의 돌출부(116)에는 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되는 다수의 열전모듈(130)이 장착된다. 상기 다수의 열전모듈(130)은, 상기 배기가스의 열에너지가 충분히 전달될 수 있도록, 상기 돌출부(116) 각각에 용접 또는 전도성 테이프 등에 의해 부착된다. 상기 다수의 열전모듈(130)의 각각은 상기 돌출된 돌출부(116)의 외표면을 덮도록 형성된다. 즉 'ㄷ'자의 단면을 가지며 상기 돌출된 돌출부(116)의 형상에 대응하는 내측면을 가지며, 차량의 배터리(도시하지 않음)에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 구비한다. 상기 다수의 열전모듈(130)은 상기 고온부(110)와 접촉되는 내면과 상기 저온부(120)와 접촉되는 외표면의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시킨다.
상기 각 열전모듈(130)의 외측면에는 상기 저온부(120)가 용접되거나 열전도성 테이프에 의해 부착된다. 상기 저온부(120)는 상기 각각의 열전모듈(130)의 외측면과 대응하는 형상을 가지는 내측면을 가지며, 일측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(121)와 타측에 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(122)를 가지며, 그 내부에 상기 냉각수가 상기 냉각수 유입구(121)로부터 상기 냉각수 배출구(121)로 흐르는 냉각수 통로(도시하지 않음)가 형성된다. 본 실시예에서, 상기 냉각수는 상기 배기관(112)의 출구측에 형성되는 상기 냉각수 유입구(121)를 통하여 상기 저온부(120) 내부로 유입되어 상기 냉각수 통로를 경유하여, 상기 배기관(112)의 상류측에 형성되는 상기 냉각수 배출구(122)를 통하여 배출된다. 즉, 상기 냉각수는 상기 배기가스와 반대방향으로 흐른다.
상기 냉각수가 상기 저온부(120) 내부를 흐르면서 상기 저온부(120)의 내측면에 접촉하는 상기 다수의 열전모듈(130)의 외측면을 냉각한다. 이렇게 함으로써 상기 다수의 열전모듈(130)은 내측면과 외측면 사이에서 온도차가 발생한다. 상기 온도차에 의해 상기 다수의 열전모듈(130)에는 전기가 발생되고, 상기 발생된 전기는 상기 단자를 통하여 차량의 배터리를 충전하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)의 작용을 설명한다.
엔진이 구동되면, 엔진에서 배기가스가 배출되어 상기 배기관(112)의 내부로 흐르고 이와 동시에 엔진과 상기 저온부(120) 내부로 냉각수가 흐른다.
상기 배기관(112)의 내부를 유동하는 상기 고온의 배기가스는 상기 열전달 유닛(114)과 열교환하게 된다. 상기 열교환에 의해 상기 배기가스의 열에너지는 상기 열전달 유닛(114)으로 전달된다.
상기 열전달 유닛(114)으로 전달된 상기 배기가스의 열에너지는 상기 열전달 유닛(114)의 각 돌출부(116)를 통하여 상기 각 돌출부(116)에 장착되는 상기 다수의 열전모듈(130)으로 전달되어 상기 다수의 열전모듈(130)을 가열하게 된다. 즉, 상기 다수의 열전모듈(130) 내측면은 상기 가열된 열전달 유닛(114)의 각각의 돌출부(116)에 의해 가열된다.
한편, 상기 다수의 열전모듈(130)의 외측면에 장착되는 상기 다수의 저온부(120)에는 냉각수가 흐른다. 상기 냉각수는 상기 각각의 저온부(120)의 일측에 형성되는 상기 냉각수 유입구(121)를 통하여 상기 냉각수 통로로 유입되어 흐르고 타측에 형성되는 상기 냉각수 배출구(122)를 통하여 외부로 배출된다. 이러한 과정에서 상기 저온부(120)는 상기 다수의 열전모듈(130)의 외측면들을 냉각시키게 된다. 따라서, 상기 다수의 열전모듈(130)의 내측면과 외측면에는 온도차가 발생된다. 상기 온도차에 의해 서로 다른 반도체로 이루어진 상기 다수의 열전모듈(130) 내부에서는 열전현상이 일어나 전기가 발생된다. 이렇게 발생된 전기는 상기 다수의 열전모듈의 각각 한 쌍의 단자를 통하여 전기적으로 연결되는 차량의 배터리를 충전한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 차량의 열전발전기(100)는 엔진에서 배기되는 배기가스의 열에너지는 다수의 열전모듈(120)의 내외측면의 온도차이에 의해 발생되는 열전현상을 이용하여 전기를 발생하고 이렇게 발생된 전기로 차량의 배터리를 충전한다. 이렇게 함으로서, 차량의 엔진의 부하를 경감시키고, 연비를 향상시킨다.
또한, 상기 열전달 유닛(114)은 상기 배기관(112) 또는 소음기 내부에 상기 배기가스의 유동을 방해하지 않도록 설치됨으로써 배기가스의 유동저항을 줄일 수 있으며, 차량의 엔진 소음도 경감할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는 배기관이나 소음기 내부에 설치됨으로써, 부피가 적고 사용되는 부품의 수가 적기 때문에 생산성이 향상된다.
100: 열전발전기 110: 고온부
112: 배기관 113: 슬릿
114: 열전달 유닛 120: 저온부
121: 냉각수 유입구 122: 냉각수 배출구
130: 열전모듈

Claims (5)

  1. 내부로 엔진의 배기가스가 통과하는 중공 원통형 배기관과 상기 배기관의 내부에 설치되며 상기 배기관을 관통하여 돌출되는 다수의 돌출부를 가지며 상기 배기가스와 접촉하여 가열되는 열전달 유닛를 구비하는 고온부;
    상기 다수의 돌출부에 장착되며 내부로 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고
    P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며, 상기 열전달 유닛의 상기 다수의 돌출부에 장착되어 내측면이 상기 다수의 돌출부에 의해 가열되고 외측면은 상기 저온부와 접촉하여 냉각됨으로써 상기 내측면과 외측면의 온도차에 의한 열전현상에 의해 전기를 발생시키는 다수의 열전모듈;을 포함하며,
    상기 고온부는,
    상기 배기관의 길이 방향으로 원주방향을 따라 소정의 각도로 형성되는 다수의 슬릿; 그리고
    상기 배기관의 내부에 장착되며 상기 다수의 슬릿을 통하여 상기 배기관의 외측으로 돌출되는 상기 다수의 돌출부를 가지며 상기 배기가스에 의해 가열되는 상기 열전달 유닛을 포함하는 차량용 열전발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 각도는 90도이며 상기 열전달 유닛은 '+'자의 단면을 가지며 상기 배기관의 내부 공간을 4분할하는 차량용 열전발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 열전모듈은 상기 다수의 돌출부의 형상에 대응하는 내측면을 가지며 상기 다수의 돌출부에 용접 또는 전도성 테이프에 의해 부착되어 상기 다수의 돌출부에 의해 가열되는 차량용 열전발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온부는 상기 다수의 열전모듈의 외측면에 대응하는 내측면을 가지며 상기 다수의 열전모듈의 외즉면에 용접 또는 열전도성 테이프에 의해 부착되며 일측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구, 타측에 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구, 그리고 상기 저온부 내부에 형성되어 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구를 연결하는 냉각수 통로를 구비하며, 상기 다수의 열전모듈의 외측면들을 냉각시키는 차량용 열전발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006138296A (ja) * 2004-11-15 2006-06-01 Toyota Motor Corp 排熱回収装置

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