KR101327732B1 - 차량용 열전 발전기 - Google Patents

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Abstract

열전현상을 이용하여 엔진의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 열전발전기가 개시된다. 차량용 열전발전기는, 내부로 고온의 배기가스가 통과하며 상기 배기가스와 열교환하여 가열되는 배기관, 그리고 상기 배기관의 외주면에 설치되며 내주면에 상기 배기관의 길이방향으로 형성되는 제1플랜지를 구비하는 환상의 제1열전달판을 구비하는 고온부; 상기 배기관 외측에 설치되며 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수관, 그리고 상기 냉각수과 내주면에 설치되며 외주면에 상기 냉각수관의 길이방향으로 연장되는 제2플랜지가 형성되는 환상의 제2열전달판을 구비하는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 환상으로 이루어지며, 일측은 제1열전달판과 접촉되고 타측은 상기 제2열전달판과 접촉되어 양측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 열전모듈;을 포함한다. 열전효율이 향상되며 작은 크기의 차량용 열전발전기를 실현할 수 있다.

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 배기사의 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 고온의 배기가스가 통과하며 상기 배기가스와 열교환하여 가열되는 배기관, 그리고 상기 배기관의 외주면에 설치되며 내주면에 상기 배기관의 길이방향으로 형성되는 제1플랜지를 구비하는 환상의 제1열전달판을 구비하는 고온부; 상기 배기관 외측에 설치되며 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수관, 그리고 상기 냉각수관 내주면에 설치되며 외주면에 상기 냉각수관의 길이방향으로 연장되는 제2플랜지가 형성되는 환상의 제2열전달판을 구비하는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 환상으로 이루어지며, 일측은 제1열전달판과 접촉되고 타측은 상기 제2열전달판과 접촉되어 양측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 열전모듈;을포함하는 차량용 열전발전기를 제공한다.
상기 고온부는, 상기 배기관 내에 설치되며 상기 배기가스가 바이패스되는 바이패스관; 상기 바이패스관 말단에 설치되어 상기 바이패스관을 개폐하는 바이패스 밸브; 상기 바이패스 밸브를 상기 바이패스관에 탄성적으로 지지하는 스프링; 그리고 상기 바이패스관과 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 배기가스의 열에너지를 상기 배기관으로 전달하는 열교환 메쉬;를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수관은 상기 배기관의 하류측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구; 상기 냉각수 유입관과 대각선 방향으로 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 출구; 그리고 상기 냉각수관 내부에 설치되어 각각 반대방향의 냉각수 통로를 형성하는 다수의 환상의 배플;을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 다수의 배플은 일측이 개방되고 상기 개방된 일측이 소정의 각도마다 배열될 수 있다.
본 발명의 차량용 열전발전기에 따르면, 열전도판의 구조가 단순화되어 열전발전기의 제조비용이 절감되고 생산성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 열전발전기의 크기가 축소되어 차량 패키징에 유리할 뿐 아니라 동일한 열전발전기의 길이에서 열전모듈의 면적이 증가되어 열전발전 효율이 향상되는 효과가 있다.
아울러, 열전발전기에서 생산된 전기를 차량의 소형전기장치에 활용하고 배터리 충전에 사용됨으로써 엔진의 부하를 저감하고 엔진의 연비를 개선하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 보여주는 종단면도이다.
도 3은 도 2의 'A' 부분의 확대단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전기의 제1열교환 핀, 열전모듈, 그리고 제2열교환 핀을 보여주는 분해사시도이다.
도 5는 도 2의 A-A 선에 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전기의 배플을 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 보여주는 종단면도이다. 도 3은 도 2의 'A' 부분의 확대단면도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전기의 제1열교환 핀, 열전모듈, 그리고 제2열교환 핀을 보여주는 분해사시도이다. 도 5는 도 2의 A-A 선에 따라 취한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전발전기의 배플을 보여주는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스와 열교환하여 가열되는 고온부(110), 엔진의 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉각수가 흐르며 상기 고온부(110) 외측에 설치되는 저온부(120), 그리고 상기 고온부(110)와 상기 저온부(120)에 개재되어 상기 고온부(110)와 상기 저온부(120) 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 열전모듈(130)을 포함한다.
상기 고온부(110)는 내부로 고온의 상기 배기가스가 통과하는 동안 가열되는 배기관(112), 상기 배기관 외주면에 설치되는 환상의 제1열전달판(119), 상기 제1열전달판(119)의 내주면에 상기 배기관(112)의 길이방향으로 연장되어 상기 열전모듈(130)과 접촉하고 지지하는 제1플랜지(117)를 포함한다.
상기 배기관(112)은 중공 원통형상을 가지며 내부를 흐르는 고온의 배기가스에 의해 가열된다. 이렇게 가열된 상기 배기관(112)은 그 외주면에 설치되는 상기 제1열전달판(119)을 가열하게 되고 상기 제1열전달판(119)에 의해 상기 열전모듈(130)의 일측면이 가열된다.
상기 배기관(112) 내부에는 상기 배기가스가 바이패스되는 바이패스관(114)이 설치된다. 상기 바이패스관(114)의 말단에는 엔진의 부하에 따라 상기 배기가스를 바이패스시키기 위해 상기 바이패스관(114) 말단을 개폐하는 바이패스 밸브(116)가 장착된다. 상기 바이패스 밸브(116)는 스프링(115)에 의해 상기 바이패스관(114)에 탄성적으로 지지된다.
상기 바이패스관(114)의 외주면과 상기 배기관(112)의 내주면 사이에는 열교환 메쉬(113)가 개재된다. 상기 열교환 메쉬(113)는 상기 고온의 배기가스와 열교환하여 상기 배기가스의 열에너지는 흡수하여 상기 배기관(112)으로 전달한다. 즉, 상기 열교환 메쉬(113)에 의해 상기 배기가스의 열에너지는 상기 배기관(112)으로 효율적으로 전달된다.
차량이 고속으로 운행할 때, 즉, 엔진의 부하가 증가되면 상기 배기관(112)이 과열될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 엔진의 고부하시 상기 바이패스 밸브(116)는 개방되어 상기 고온의 배기가스는 상기 바이패스관(114)을 통하여 대부분 배기되어 상기 바이패스관(114)과 상기 배기관(112) 사이를 흐르는 배기가스의 양이 조절된다.
상기 고온부(110)의 외측, 즉 상기 배기관(112)의 외측에는 상기 저온부(120)가 장착된다. 상기 저온부(120)는 중공 원통 형상을 가지며 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각수 유동경로가 형성되는 냉각수관(122)을 포함한다. 상기 냉각수관(122)은 일단 외측, 즉 상기 배기관(112)의 하류측에 형성되어 냉각수가 상기 냉각수 유동경로로 유입되는 냉각수 유입구(121)와 타단 타측, 즉 상기 배기관(112)의 상류측, 상기 냉각수관(112)의 중심선을 기준으로 상기 냉각수 유입구(121)와 대각선 방향으로 형성되는 냉각수 배출구(123)를 구비한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 냉각수는 상기 냉각수 유입구(121)를 통하여 상기 냉각수관(122) 내부로 유입되어 상기 냉각수 유동경로를 흐른 후 대각선 방향에 형성되는 상기 냉각수 배출구(123)를 통하여 엔진의 냉각시스템(도시하지 않음)으로 회수된다.
상기 저온부(120)는 상기 냉각수관(112)의 내주면에 설치되는 제2열전달판(129)을 포함한다. 상기 제2열전달판(129)은 외주면에 상기 냉각수관(122)의 길이방향으로 연장되는 제2플랜지(127)에 의해 상기 냉각수관(122)의 내주면과 접촉된다. 상기 제2열전달판(129)의 내측면에는 상기 열전모듈(130)이 부착된다.
상기 저온부(120)는 상기 냉각수관(122) 내부에 설치되어 상기 냉각수의 유동경로를 형성하는 다수의 배플(126)을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 배플(126)은 일측이 개방되는 링 형상을 가진다. 상기 다수의 배플(126)은 상기 개방된 일측이 서로 소정의 각도를 이루도록 설치된다. 즉, 상기 냉각수 배플(126)은 상기 개방된 부분이 이웃한 냉각수 배플(126)의 개방된 부분과 소정의 각도, 바람직하기로는 90도를 이루도록 설치된다.
이렇게 다수의 냉각수 배플(126)이 설치됨으로써 냉각수는 이웃한 배플(126)에 의해 형성되는 냉각수의 유동경로의 방향과 반대방향으로 흐르게 된다. 냉각수의 방향을 서로 반대방향으로 설정하는 이유는 저온부(120)의 온도를 일정하게 유지하기 위함이다.
상기 열전모듈(130)은 P-형 반도체와 N-형 반도체을 접합하여 이루어지며, 상기 고온부(110)의 상기 제1열전달판(119)과 상기 저온부(120)의 상기 제2열전달판(129) 사이에 개재된다. 상기 열전모듈(130)은 상기 제1플랜지(117)와 상기 제2플랜지(127) 사이에 개재되어 상기 제1열전달판(119)에 의해 일측면이 가열되고 상기 제2열전달판(129)에 의해 타측면이 냉각된다.
이렇게 됨으로써, 상기 열전모듈(130)의 양측면 사이에는 온도차가 발생되고 이 온도차에 의해 상기 열전모듈(130) 내부에서는 전기가 발생된다. 상기 발생된 전기를 상기 열전모듈(130)에 전기적으로 연결되는 차량의 배터리(도시하지 않음)를 충전한다.
위에서 설명한 제1열전달판(119), 열전모듈(130), 및 제2열전달판(129)은 하나의 열전발전 모듈을 형성하며 다수의 열전발전모듈이 상기 배기관(112)와 상기 냉각수관(122) 사이에 설치된다. 이때, 상기 다수의 열전모듈(130)은 전기적으로 상호 연결되어 보다 많은 양의 전기를 생산하게 된다.
위에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)의 작용을 설명한다.
엔진이 구동되면, 엔진에서 배기가스가 배출되어 상기 배기관(112)의 내부로 흐르고 이때 상기 바이패스 밸브(116)는 상기 바이패스관(114)을 폐쇄한다. 한편, 엔진의 냉각시스템(도시하지 않음)에 의해 순환되는 냉각수는 상기 냉각수 유입구(121)로 유입된다.
상기 배기가스는 상기 배기관(112)의 내부를 유동하면서 상기 배기관(112)과 열교환하여 상기 배기관(112)은 가열된다. 상기 배기관(112)의 외주면에 설치되는 상기 제1열전단판(119)은 상기 가열된 배기관(112)에 의해 가열되고 상기 가열된 제1열전달판(119)에 의해 상기 배기가스의 열에너지는 상기 열전모듈(130)의 일측면이 가열된다.
한편, 상기 냉각수 유입구(121)로 유입된 상기 냉각수는 상기 다수의 배플(126)에 의해 상기 냉각수관(122) 내부를 이웃한 배플(126)에 의해 형성된 냉각수 유동경로를 하나 걸러 하나씩 반대 방향으로 유동한다. 상기 유동하는 냉각수에 의해 상기 제2열전달판(129)이 냉각되고 상기 제2열전달판(129)과 접촉하는 상기 열전모듈(130)의 타측면은 냉각된다.
이와 같이 되어, 상기 열전모듈(130)의 양측면 사이에는 온도차가 발생된다. 상기 온도차에 의해 상기 다수의 열전모듈(130) 내부에서는 전기가 발생된다. 상기 다수의 열전모듈(130)에 의해 생산된 전기는 상기 다수의 열전모듈(130)에 전기적으로 연결되는 상기 배터리를 충전한다.
차량의 속도가 증가되면, 즉, 엔진의 부하가 증가되면, 상기 바이패스 밸브(116)가 상기 스프링(115)의 탄성력을 이기면서 상기 바이패스관(114)을 개방한다. 상기 바이패스관(114)이 개방됨으로써 상기 배기가스의 대부분은 상기 바이패스관(114)을 통하여 배기되고 나머지는 상기 바이패스관(114)과 상기 배기관(112) 사이를 유동한다. 상기 바이패스관(114)과 상기 배기관(112) 사이에 개재되는 상기 열교환 메쉬(113)는 상기 배기가스와 열교환하여 상기 배기관(112)을 가열하게 되고 이후의 작용은 상기 바이패스 밸브(116)가 폐쇄되는 경우와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이와 같이, 다수의 열전모듈을 사용할 수 있으므로 많은 양의 전기를 생산할 수 있고 이렇게 생산되는 전기를 이용하여 자동차의 배터리를 충전함으로써 자동차의 연비를 증가시키게 된다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기에 의하면, 배기가스와 열교환 메쉬와의 열교환하는 과정에서 배기가스의 소음이 경감되고 고온부와 열전모듈이 접촉하는 면적이 크고 다수의 열전모듈의 타측은 저온부에 의해 신속하게 냉각됨으로써 열전효율이 향상된다. 따라서, 종래에 비하여 작은 차량용 열전발전기가 실현될 수 있다.
100: 열전발전기 110: 고온부
112: 배기관 114: 바이패스관
116: 바이패스 밸브 115: 스프링
117: 제1플랜지 119: 제1열전달판
120: 저온부 121: 냉각수 유입구
123: 냉각수 배출구 122: 냉각수관
127: 제2플랜지 129: 제2열전달판
130: 열전모듈

Claims (3)

  1. 내부로 고온의 배기가스가 통과하며 상기 배기가스와 열교환하여 가열되는 배기관, 그리고 상기 배기관의 외주면에 설치되며 내주면에 상기 배기관의 길이방향으로 형성되는 제1플랜지를 구비하는 환상의 제1열전달판을 구비하는 고온부;
    중공 원통의 형상으로 형성되어 상기 배기관의 외측에 설치되며 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수관, 그리고 상기 냉각수관 내주면에 설치되며 외주면에 상기 냉각수관의 길이방향으로 연장되는 제2플랜지가 형성되는 환상의 제2열전달판을 구비하는 저온부; 그리고
    P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 환상으로 이루어지며, 일측은 제1열전달판과 접촉되고 타측은 상기 제2열전달판과 접촉되어 양측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 열전모듈; 을 포함하고,
    상기 제1열전달판, 열전모듈 및 제2열전달판은 하나의 열전발전모듈을 형성하며,
    상기 냉각수관은,
    상기 배기관의 하류측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구;
    상기 냉각수 유입관과 대각선 방향으로 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 출구; 그리고
    상기 냉각수관 내부에 설치되어 각각 반대방향의 냉각수 통로를 형성하며 일측이 개방되는 링 형상으로 이루어진 다수의 배플;을 더 포함하고,
    상기 다수의 배플은 일측이 개방되고 상기 개방된 일측이 소정의 각도마다 배열되어 상기 냉각수 유입구로 유입된 냉각수가 다수의 배플에 의해 형성된 냉각수 유동경로를 하나 걸러 하나씩 반대 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온부는,
    상기 배기관 내에 설치되며 상기 배기가스가 바이패스되는 바이패스관;
    상기 바이패스관 말단에 설치되어 상기 바이패스관을 개폐하는 바이패스 밸브;
    상기 바이패스 밸브를 상기 바이패스관에 탄성적으로 지지하는 스프링; 그리고
    상기 바이패스관과 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 배기가스의 열에너지를 상기 배기관으로 전달하는 열교환 메쉬;를 더 포함하는 차량용 열전발전기.
  3. 삭제
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