KR101390688B1 - 차량용 열전발전 장치 - Google Patents

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안호찬
선종호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은, 배기가스가 유동하는 배기파이프에 장착되어 배기가스와 냉각수의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하는 차량용 열전발전 장치에 있어서, 파이프 형상으로서 배기파이프가 내부를 관통하도록 장착되는 하우징;과 상기 하우징 외주면에 장착되되 하우징의 길이방향을 따라 다수 개의 열들(columns)이 이뤄지도록 장착되고 온도차에 따라 전기를 생산하는 열전모듈;과 내부에 냉각수가 유동하며 상기 열전모듈을 하우징에 밀착시키도록 장착되되 상기 열전모듈의 각 열 마다 밀착되는 다수 개의 냉각수튜브;와 하우징의 종방향을 따라 일측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제1냉각수통; 및 하우징의 종방향을 따라 타측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제2냉각수통;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 냉각수튜브가 제1냉각수통 및 제2냉각수통에 모듈화된 형태로 조립됨으로서 조립성이 향상되며 고장시 부분적인 부품교체가 용이한 효과가 있다.
본 발명의 구조에서 냉각수튜브는 열전모듈과 접촉된 부위에서만 열교환이 집중될 수 있으므로 발전효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

Description

차량용 열전발전 장치{Thermoelectric generator for vehicle}
본 발명은 차량용 열전발전 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 열전모듈의 양측 온도차이를 극대화하여 발전효율성을 더욱 향상시키고 조립 및 부품의 교환이 더욱 용이하게 구성된 차량용 열전발전 장치에 관한 것이다.
열전발전은, 가열소자와 냉각소자 사이에 발생되는 전위차를 이용하여 전기를 얻는 구조로서 기계적인 작동없이도 열원에서 직접적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.
열전발전 방식은 자동차 이외의 분야에서는 이미 오래 전부터 사용되어, 벽지용 전원시설, 혹성탐사선(Voyager II) 등에 사용된 사례가 있고, 최근에는 쓰레기 소각로 폐열이용시스템, 지열발전, 해양온도차발전 등에도 적용이 검토되고 있다.
한편, 자동차에서의 에너지흐름을 살펴보면, 가솔린이 가진 화학에너지는 엔진에서 연소하여 기계에너지로 변환되나, 이때의 열효율은 30% 정도에 불과하며, 나머지 에너지는 열에너지, 진동에너지, 소리에너지 등으로 방출된다.
따라서, 연비향상을 위해서 방출되는 에너지의 재활용이 요구되었다. 그리고, 방출되는 열에너지 중에서도 열원의 온도가 높은 쪽이 에너지로서의 효용성이 높기 때문에 수백 도의 높은 온도영역을 갖는 엔진의 배기열을 고온 열원으로 이용하는 방법이 개발되고 있다.
한편, 차량에 전기를 공급하기 위해 사용되는 알터네이터(alternator)는 그 효율이 약 33% 정도에 불과할 뿐만 아니라, 차량의 소요 전력이 증가하면 축동력을 증대시켜야 하기 때문에 축동력 손실도 증가되어 높은 연료 소모 및 이로 인한 공해배출물이 증대되는 문제점이 있었다.
이때, 알터네이터의 구동에 소비되는 에너지는 차량의 운전상태 및 전력사용상태에 따라서 변화하나, 전력사용이 적은 주간의 일반 운전시에도 소비된다.
따라서, 열전발전 등을 통한 추가적인 발전은 알터네이터의 기능을 분담함으로서 연비향상 효과를 기대할 수 있다.
차량에 적용되는 열전발전은 배기가스의 배기열과 냉각수를 이용해 전기를 생산하는 구조로서 공개된 바 있다. 더 상세하게는, P형 및 N형 도체 또는 반도체로 구성된 열전모듈은 배기파이프에 장착되되 한 쪽은 배기가스와 접촉하고 다른 쪽은 냉각수와 접촉하도록 구성되는 형태로 이뤄진다.
이때, 상기 열전모듈의 발전효율을 높이기 위해선 열전모듈로 전달되는 열원(배기가스)와 냉각원(냉각수) 사이의 온도차가 커져야만 한다.
따라서, 본 발명은 열원과 냉각원의 온도차를 극대화함으로서 발전효율을 높이고, 조립이 용이하며 고장 발생 시 부품교체가 간단한 차량용 열전발전 장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기가스가 유동하는 배기파이프에 장착되어 배기가스와 냉각수의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하는 차량용 열전발전 장치에 있어서, 전방으로 배기가스가 유입되어 후방으로 배출되도록 파이프 형상으로서 배기파이프가 내부를 관통하도록 장착되는 하우징;과 상기 하우징 외주면에 장착되되 하우징의 길이방향을 따라 다수 개의 열들(columns)이 이뤄지도록 장착되고 온도차에 따라 전기를 생산하는 열전모듈;과 내부에 냉각수가 유동하며 상기 열전모듈을 하우징에 밀착시키도록 장착되되 상기 열전모듈의 각 열 마다 부착되는 다수 개의 냉각수튜브;와 하우징의 종방향을 따라 일측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제1냉각수통; 및 하우징의 종방향을 따라 타측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제2냉각수통;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배기파이프는 하우징과 배기파이프 사이로 배기가스가 유입되도록 장착되되, 상기 배기파이프는 길이방향을 따라 상대적으로 전방측에 위치하는 제1배기파이프와 상대적으로 후방측에 위치하는 제2배기파이프로 나눠지며, 상기 제1배기파이프의 후방 끝단에는 스프링에 연결되어 배기가스의 압력에 따라 제1배기파이프의 후방 끝단을 차폐하는 밸브플레이트가 장착되고, 상기 제1배기파이프의 후방 끝단이 차폐됐을 때 배기가스가 우회하는 타공홀이 제1배기파이프의 외주면에 형성된다.
그리고, 상기 배기파이프와 하우징 사이에는 열전도부재가 내장되되, 상기 열전도부재는 배기가스가 통과 가능하되 열을 흡수할 수 있는 다공성 메쉬구조로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 냉각수튜브의 양 끝단에는 탄성을 갖는 연결부재가 장착되고 상기 냉각수튜브는 연결부재를 통하여 제1냉각수통 또는 제2냉각수통과 연결된다.
아울러, 상기 냉각수튜브들이 열전모듈에 밀착되도록 하우징의 둘레를 따라 감기는 클램프를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 냉각수튜브는 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속재로 제조된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 냉각수튜브가 제1냉각수통 및 제2냉각수통에 모듈화된 형태로 조립됨으로서 조립성이 향상되며 고장시 부분적인 부품교체가 용이한 효과가 있다.
본 발명의 구조에서 냉각수튜브는 상기 냉각수튜브 전체의 열교환이 아니라 열전모듈과 접촉된 부위에서만 열교환이 집중될 수 있으므로 발전효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
본 발명에서는 적당량의 배기가스가 유동하면 발전이 이뤄지되, (스프링의 탄성력을 극복할 만큼의) 많은 양의 배기가스가 유동하면 신속히 배기가스를 배출하여 엔진의 출력저하를 방지하며 열전모듈의 과열을 방지할 수 있다.
상기 냉각수튜브는 탄성을 갖는 연결부재나 러버를 통하여 제1냉각수통 또는 제2냉각수통과 연결됨으로서 조립 공차 및 부품사이에 발생된 간극을 흡수할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 열전발전 장치의 사시도,
도 2a 는 도 1 에서 제1냉각수통 및 제2냉각수통 각각의 커버부를 제거한 모습을 도시한 사시도,
도 2b 는 도 1 에서 하우징 내부에 장착된 배기파이프의 모습이 나타나도록 투시하여 도시한 도면,
도 3 은 도 1 에 표기된 A-A 방향을 따라 절개된 모습을 도시한 단면도,
도 4 은 도 1 에 표기된 B-B 방향을 따라 절개된 모습을 도시한 단면도,
도 5 은 도 1 에 표기된 C-C 방향을 따라 절개된 모습을 도시한 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 열전발전 장치를 더욱 상세히 설명한다.
도 1 과 도 2a 및 2b 를 참조하면, 본 발명의 하우징(50)은 파이프 형상으로서 배기파이프(60: 60a, 60b)가 내부를 관통하도록 장착된다. 상기 배기파이프(60)는 전방측(도면에서 좌측)은 엔진과 연결되고 후방측(도면에서 우측)으로 배기가스가 배출되도록 구성된다. 상기 하우징(50) 내에서 배기가스가 유입 및 유출되도록 즉, 배기가스가 하우징(50)과 배기파이프(60) 사이로 유입되도록 상기 배기파이프(60)는, 길이방향을 따라 상대적으로 전방측에 위치하는 제1배기파이프(60a)와 상대적으로 후방측에 위치하는 제2배기파이프(60b)로 나눠져 구성된다.
그리고, 상기 제1배기파이프(60a)의 후방 끝단에는 스프링(62)에 연결되어 배기가스의 압력에 따라 제1배기파이프(60a)의 후방 끝단을 차폐하는 밸브플레이트(61)가 장착되고, 상기 제1배기파이프(60a)의 후방 끝단이 차폐됐을 때 배기가스가 우회하는 타공홀(63)이 제1배기파이프(60a)의 외주면에 형성된다.
한편, 상기 하우징(50)의 외주면에는 일측과 타측의 온도차이에 따라서 전기를 생산하는 다수 개의 열전모듈들(40)이 부착된다. 상기 열전모듈(40)은 평평한 두 개의 면들이 형성된 판 모양으로서 하우징(50)의 길이방향을 따라 다수 개의 열들(columns)을 이루도록 장착된다. 다수 개의 열전모듈(40)이 이루는 열들은 하우징(50)의 둘레를 따라 나란하게 배치된다.
상기 열전모듈(40)의 평평한 면 중 하는 하우징(50)의 외주면에 부착되되 다른 하나의 면은 냉각수튜브(70)에 의해 가압되도록 밀착된다. 상기 냉각수튜브(70)는 길이방향을 따라서 내부에 냉각수가 유동하며 상기 열전모듈(40)의 각 열마다 밀착되도록 다수 개로 구성된다.
본 발명에서는 냉각수튜브들(70)을 하우징(50)에 고정시키도록 제1냉각수통(10: 10a, 10b, 10c, 10d) 및 제2냉각수통(20: 20a, 20b, 20c, 20d)이 제공된다. 상기 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20) 각각은 배기파이프(60)가 통과하하되 하우징(50)의 전방측과 후방측에 장착될 수 있도록 서로 마주하는 괄호모양 즉, "(" 과 ")" 모양을 갖도록 구성된다.
상기 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)은 연결부재(30)가 끼워지는 커버부(10b, 10d, 20b, 20d) 및 상기 커버부에 결합되어 냉각수가 유동할 수 있는 공간을 제공하기 위한 벌크부(10a, 10c, 20a, 20c)로 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 제1냉각수통(10)은 하우징(50)의 종방향(길이방향)을 따라 일측에 위치하고 상기 제2냉각수통(20)은 하우징(50)의 종방향을 따라 제1냉각수통(10)과 마주하게되는 타측에 위치하되, 상기 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)은 냉각수튜브들(70)의 양측 끝단 각각에서 냉각수가 출입도록 냉각수유입관(80) 및 냉각수토출관(90)과 연결된다.
한편, 도 3 과 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수튜브(70)의 양 끝단에는 연결부재(30)가 장착되고 상기 냉각수튜브(70)는 연결부재(30)를 통하여 제1냉각수통(10) 또는 제2냉각수통(20)과 연결된다.
상기 연결부재(30)는 소정의 탄성을 갖는 합성고무재 또는 합성수지재로 제조되어 조립공차를 흡수할 수도 있으며, 냉각수튜브(70)와 일체로 성형될 수도 있다. 아울러, 상기 연결부재(30)가 냉각수튜브(70)와 일체로 성형될 경우, 전술한 바와 같이 조립공차를 흡수할 수 있도록 탄성을 갖는 러버(21)가 커버부(10b, 10d, 20b, 20d)와 연결부재(30) 사이에 끼워질 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 배기가스의 유동시 배기가스와의 접촉면적을 극대화하도록 배기파이프(60)와 하우징 사이에는 열전도부재(51)가 도 4 에 도시된 바와 같이 내장된다. 열전도부재(51)는 배기가스가 통과 가능하되 열을 흡수할 수 있는 다공성 구조를 갖는다. 가령, 열전도성이 좋은 금속재를 메쉬(mesh) 형태로 가공한 후 하우징(50) 내에 삽입가능하도록 성형됨으로서 하우징(50) 내에 삽입될 수 있다.
그리고, 상기 냉각수튜브들(70)은 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)에 의해서 하우징(50) 양끝단에 고정되나, 중간 위치(하우징의 가운데 위치) 정도에서 냉각수튜브(70)와 열전모듈(40) 사이가 떨어지거나 밀착력이 저하되는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 클램프(미도시) 추가적으로 제공될 수 있다. 즉, 상기 클램프는 냉각수튜브(70)가 열전모듈(40)에 밀착되도록 (냉각수튜브의 외측에서 하우징의 둘레를 따라) 감기도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 상기 냉각수튜브(70)는 금속재로도 제조가능하나, 불필요한 부분(열전모듈과 접촉하지 않는 부분)까지 열이 전도되는 것을 방지하기 위하여 상대적으로 열전도성이 낮은 합성수지재로 제조되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 차량용 열전발전 장치는 배기가스의 폐열과 냉각수의 온도차를 이용하여 발전을 하되, 바이패스(bypass) 구조를 가짐으로서 배기가스가 많이 배출되는 경우에는 열전모듈(40)의 과열을 방지하고 엔진의 출력저하를 방지하기 위하여 배기가스를 신속히 배출하고 적정량의 배기가스가 배출되는 경우에만 발전이 이뤄질 수 있다.
본 발명은 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)이 분리된 상태로 냉각수튜브들(70)이 분할되어 연결됨으로서, 조립이 용이하며 부품교환이 쉬운 장점이 있으며, (도 1 에 도시된 바와 같이) 냉각수 유입은 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)의 아랫쪽에서 이뤄지고 냉각수 유출은 제1냉각수통(10)과 제2냉각수통(20)의 윗쪽에서 이뤄지도록 구성될 수 있으므로 냉각수의 순환이 더 효율적으로 이뤄질 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 제1냉각수통
20 : 제2냉각수통
30 : 연결부재
40 : 열전모듈
50 : 하우징
51 : 열전도부재
60 : 배기파이프
70 : 냉각수튜브
80 : 냉각수유입관
90 : 냉각수토출관

Claims (6)

  1. 배기가스가 유동하는 배기파이프에 장착되어 배기가스와 냉각수의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하는 차량용 열전발전 장치에 있어서,
    파이프 형상으로서 배기파이프가 내부를 관통하도록 장착되는 하우징;과
    상기 하우징 외주면에 장착되되 하우징의 길이방향을 따라 다수 개의 열들(columns)이 이뤄지도록 장착되고 온도차에 따라 전기를 생산하는 열전모듈;과
    내부에 냉각수가 유동하며 상기 열전모듈을 하우징에 밀착시키도록 장착되되 상기 열전모듈의 각 열 마다 밀착되는 다수 개의 냉각수튜브;와
    하우징의 종방향을 따라 일측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제1냉각수통; 및
    하우징의 종방향을 따라 타측에 위치하는 냉각수튜브들이 개통되도록 상기 냉각수튜브들의 양측 끝단 각각에 장착되며 냉각수가 출입하는 제2냉각수통;을 포함하고,
    상기 배기파이프는 하우징과 배기파이프 사이로 배기가스가 유입되도록 장착되되, 상기 배기파이프는, 길이방향을 따라 상대적으로 전방측에 위치하는 제1배기파이프와 상대적으로 후방측에 위치하는 제2배기파이프로 나눠지며, 상기 제1배기파이프의 후방 끝단에는 스프링에 연결되어 배기가스의 압력에 따라 제1배기파이프의 후방 끝단을 차폐하는 밸브플레이트가 장착되고, 상기 제1배기파이프의 후방 끝단이 차폐됐을 때 배기가스가 우회하는 타공홀이 제1배기파이프의 외주면에 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배기파이프와 하우징 사이에는 열전도부재가 내장되되, 상기 열전도부재는 배기가스가 통과 가능하되 열을 흡수할 수 있는 다공성 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 냉각수튜브의 양 끝단에는 연결부재가 장착되고 상기 냉각수튜브는 연결부재를 통하여 제1냉각수통 또는 제2냉각수통과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 냉각수튜브들이 열전모듈에 밀착되도록 하우징의 둘레를 따라 감기는 클램프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 냉각수튜브는 금속재로 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전 장치.
KR1020120119122A 2012-10-25 2012-10-25 차량용 열전발전 장치 KR101390688B1 (ko)

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