KR101435669B1 - 열전발전 열교환기 및 열전발전 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전발전 모듈 및 이를 이용한 열전발전 열교환기에 관한다. 더욱 상세하게는 열전발전 모듈(10), 튜브(20), 열교환핀(30), 유입 헤더탱크(40) 및 배출 헤더탱크(50)를 포함하는 열전발전 열교환기에 있어서, 상기 열전발전 모듈(10)은 고온면과 저온면의 온도차에 의하여 열전발전을 수행하는 적어도 하나 이상의 열전소자(100) 및 상기 열교환핀의 높이(H)보다 작은 높이(h)를 갖는 모듈용 냉각핀(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)에 관한다. 특히,열전소자의 고온면은 압축공기 또는 고온의 냉각수를 이용하고, 저온면은 차량의 주행풍에 의해 냉각시킴으로써 효율적인 열전발전이 수행되도록 함을 특징으로 한다
나아가, 열전소자(100), 모듈용 냉각핀(120) 및 열전도성이 우수한 커버시트(140)를 포함하는 열전발전 모듈(10)을 제공하여 조립작업성과 열전발전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 열전소자(100), 모듈용 냉각핀(120) 및 열전도성이 우수한 커버시트(140)를 포함하는 열전발전 모듈(10)을 제공하여 조립작업성과 열전발전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 열전발전 열교환기 및 열전발전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 쿨링모듈을 구성하는 기존의 인터쿨러, 라디에이터 등의 튜브 사이에 열전발전 모듈을 추가적으로 구비하여 차량에 필요한 전기를 발전하도록 하는 열전발전 열교환기에 관한다. 아울러, 열전소자, 모듈용 냉각핀 및 커버시트를 포함하는 열전발전 모듈을 제공함으로써 조립장착성 또는 열전도성을 향상시키는 기술에 관한다.
제베크 효과(Seebeck Effect)는 두 금속 또는 반도체 사이에 온도차를 발생시키게 되면, 그 두 금속 또는 반도체를 연결하는 폐회로에 전류가 흐르게 되는 열전현상의 하나로서, 1821년 독일의 T.J. 제베크가 구리와 비스무트를 사용하여 발견한 것이다.
특히, 상기 제베크 효과를 이용하는 반도체로서 열전소자(TED : Thermo Electric Device)가 있는데, 이 열전소자의 양측면에 온도차를 가해주면 기전력이 발생한다. 이러한 열전발전은 에너지 생성효율이 열원부와 냉각부의 온도차에 비례하므로, 양단의 온도차가 크지 않은 경우에는 에너지 생성효율이 높지 않으며, 온도차가 큰 조건을 형성하는데 별도의 에너지가 소요될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 차량에 있어서, 고온의 배기가스와 저온의 냉각수 또는 냉매 사이에 제베크 효과를 이용하는 열전 소자를 배치함으로써 전력을 발생시키는 열전 발전 장치에 대한 기술들이 개시되어 왔다.(일본공개특허공보 제2006-83725호, 대한민국 공개특허공보 제2010-0120339호 참조)
그러나, 상기 배기열을 이용한 열전발전 기술들은 고온의 배기가스를 저온의 냉각수 등을 이용하여 온도차를 발생시키므로, 고온에 대한 내구성을 가지도록 열교환부 및 모듈부를 제작해야 하고, 부품수가 지나치게 많아 비용 상승의 요인이 된다.
또한, 고온부 집열핀을 사용할수록 엔진 배압이 커져 엔진출력 저하 또는 연비저하의 요인이 될 수 있는 문제점이 있다. 아울러 배기가스가 배기라인을 지나면서 온도가 차츰 저하되어 배기가스 후류쪽에 위치하는 발전모듈은 내구성 문제의 발생 우려는 적어지지만, 발전성능이 저하되는 구간이 존재하므로 열전발전 모듈간 발전량 편차가 발생하는 문제점이 있다.
본 출원인에 의한 대한민국 공개특허공보 제2011-0073101호에서는 콘덴서 또는 라디에이터와 독립적으로 조립되며, 한 쌍의 탱크부, 튜브, 튜브의 양측면에 구비되는 열전소자 어레이, 상기 열전소자 어레이의 바깥쪽 양측에 밀착 구비되는 방열핀블록 및 축전지를 포함하는 차량용 열전발전 장치를 개시하고 있다.
이는 기존의 배기열 발전장치의 문제점을 상당 부분 개선한 것이기는 하나, 열전소자 어레이를 튜브에 장착하는 공정이 용이하지 않고, 접촉력 및 열전달력이 떨어지며, 기존의 쿨링모듈과는 별도로 차량용 열전발전 장치를 구성해야 하므로, 부품수의 증가 및 비용 상승의 한계점이 있으며, 상당한 부피를 점유하는 문제점이 여전히 존재한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 한 것으로, (i)종래의 배기열 열전발전 방식의 문제점을 해결하여 엔진출력 감소, 연비저하 및 내구성 문제를 해결할 수 있고, (ii)기존의 인터쿨러 등의 쿨링모듈에 장착되는 간단한 구조로 부품수 및 조립 비용이 절약되며, (iii)열전발전 모듈의 고온면과 저온면의 온도차가 일정하게 유지됨으로써 열전발전 효율이 일정하게 유지될 수 있으며, (iv)열전발전 모듈의 조립 작업성 및 열전도성을 향상시킬 수 있는 열전발전 열교환기 및 열전발전 모듈을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
본 발명은 열유체의 유입구(460)가 형성된 유입 헤더탱크(40)와; 상기 유입 헤더탱크에 일단이 고정되어 상기 열유체가 흐르기 위한 복수 개의 튜브(20)와; 상기 튜브 사이에 개재되는 열교환핀(30)과; 상기 튜브의 타단을 고정하고 상기 열유체의 배출구(560)가 형성된 배출 헤더탱크(50); 및 상기 튜브 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 열전발전 모듈(10)을 포함하는 열교환기에 있어서, 상기 열전발전 모듈은 고온면과 저온면의 온도차에 의하여 열전발전을 수행하는 적어도 하나 이상의 열전소자(100) 및 상기 열교환핀의 높이(H)보다 작은 높이(h)를 갖는 모듈용 냉각핀(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)를 개시한다.
바람직하게는 상기 열전발전 모듈(10)은 상기 유입 헤더탱크(40)와 가까운 상기 열교환핀(30)의 소정 영역을 대체하여 배치되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기일 수 있다.
또한, 상기 열유체는 고온 압축공기이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)일 수 있다.
또는, 상기 열유체는 고온 냉각수이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)일 수 있다.
바람직하게는 상기 열전발전 모듈(10)의 일측 외면은 상기 튜브(20)와 결합하되, 상기 열전발전 모듈(10)의 타측 외면과 대향하는 다른 상기 튜브 사이에는 단열부재(160)가 개재되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열전발전 모듈(10)은 커버시트(140)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)일 수 있다. 바람직하게는 상기 커버시트(140)는 상기 모듈용 냉각핀(120) 및 상기 열전소자(100)를 수납하는 구조로 이루어진 제1커버시트(140a)인 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)일 수 있다.
또는 상기 커버시트(140)는 열전도성이 좋은 재료로 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b)을 포함하는 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 제2커버시트(140b)로 구비되되, 상기 저온부 플레이트, 배후 플레이트 및 고온부 플레이트 사이에 형성되는 안착부(146b)에는 상기 열전소자(100)가 삽입되고, 상기 저온부 플레이트에는 상기 모듈용 냉각핀(120)이 결합되며, 상기 고온부 플레이트에는 상기 튜브(20)가 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 고온부 플레이트(142b)의 말단에는 상기 열전소자(100)의 삽입후 이탈을 방지하기 위한 탄성 절곡부(148b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 할 수 있으며, 상기 탄성 절곡부(148b)는 삼각형 형상으로 절곡됨으로써 경사면(149b)를 형성하여 주행풍을 상기 모듈용 냉각핀(120)에 집중시키는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1)일 수 있다.
한편, 본 발명에서는 고온면(102)과 저온면(104)의 온도차에 의한 열전발전을 수행하는 적어도 하나 이상의 열전소자(100)를 포함하는 열전발전 모듈에 있어서, 상기 열전소자의 저온면 측에는 모듈용 냉각핀(120)이 구비되며, 상기 열전발전모듈은 열전도성이 우수한 재질의 커버시트(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈(10)을 개시한다.
바람직하게는 상기 커버시트(140)는 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b)을 포함하는 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 제2커버시트(140b)로 구비되되, 상기 저온부 플레이트, 배후 플레이트 및 고온부 플레이트 사이에 형성되는 안착부(146b)에는 상기 열전소자(100)가 삽입되고, 상기 저온부 플레이트에는 상기 모듈용 냉각핀(120)이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 고온부 플레이트(142b)의 말단에는 상기 열전소자(100)의 삽입후 이탈을 방지하기 위한 탄성 절곡부(148b)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
나아가 상기 탄성 절곡부(148b)는 삼각형 형상으로 절곡됨으로써 경사면(149b)를 형성하여 주행풍의 흐름을 상기 모듈용 냉각핀(120) 방향으로 집중시키는 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈(10)일 수 있다.
본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 따르면, (i)배기가스를 이용하는 기존 방식과는 달리, 쿨링모듈에 열전발전 모듈을 장착함으로써 배기열 회수 과정에서 야기되는 엔진출력 감소, 연비 저하 및 내구성 문제를 해결할 수 있므며, (ii)기존의 인터쿨러, 라디에이터 등의 쿨링모듈 단품과 일체화할 수 있는 간단한 구조로 부품수 및 조립 비용이 절약되고, (iii)열전발전 모듈의 고온면과 저온면의 온도차가 일정하게 유지됨으로써 열전발전 효율이 소정 수준으로 유지될 수 있다. 또한, (iv)커버시트가 구비된 열전발전 열교환기를 제공하여 조립 작업성 및 열전발전 효율을 향상시킬 수 있다. (v)특히, 인터쿨러에 적용되는 경우, 고온의 인터쿨러 압축공기와 차량의 주행풍 온도차를 이용하여 고효율의 차량용 열전발전 열교환기를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 인터쿨러에 열전발전 모듈이 추가된 본 발명에 따른 열전발전 열교환기의 정면도.
도 2는 상기 도 1의 열전발전 모듈에 커버시트가 추가되는 것을 나타내는 정면도.
도 3은 상기 도 2에서 사용된 열전발전 모듈의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 실시예를 나타내는 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 다른 실시예를 나타내는 정면도 및 측면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 또 다른 실시예를 나타내는 측면도.
도 8은 본 발명에 따른 열전발전 모듈에 사용되는 모듈용 냉각핀의 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈에 단열부재가 추가되는 것을 나타내는 정면도.
도 2는 상기 도 1의 열전발전 모듈에 커버시트가 추가되는 것을 나타내는 정면도.
도 3은 상기 도 2에서 사용된 열전발전 모듈의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 실시예를 나타내는 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 다른 실시예를 나타내는 정면도 및 측면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 또 다른 실시예를 나타내는 측면도.
도 8은 본 발명에 따른 열전발전 모듈에 사용되는 모듈용 냉각핀의 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈에 단열부재가 추가되는 것을 나타내는 정면도.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
열전소자는 내부에 N형 반도체 및 P형 반도체를 포함하여 복수개 배치되는 구성으로서, 고온면과 저온면의 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자이다. 상기 열전소자의 기본적인 원리는 종래기술에 기재되어 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
도 1은 열교환기 중 통상적인 인터쿨러에 열전발전 모듈을 장착한 본 발명에 따른 열전발전 열교환기의 정면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 열유체의 유입구(460)가 형성된 유입 헤더탱크(40); 상기 유입 헤더탱크에 일단이 고정되어 상기 열유체가 흐르기 위한 복수 개의 튜브(20); 상기 튜브 사이에 개재되는 열교환핀(30); 상기 튜브의 타단을 고정하고 상기 열유체의 배출구(560)가 형성된 배출 헤더탱크(50); 및 상기 튜브 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 열전발전 모듈(10)을 포함하는 열교환기에 있어서, 상기 열전발전 모듈(10)은 고온면과 저온면의 온도차에 의하여 열전발전을 수행하는 적어도 하나 이상의 열전소자(100) 및 모듈용 냉각핀(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전발전 열교환기는 상기 열전소자(100)의 고온면과 저온면의 온도차가 소정 수준으로 유지되는 인터쿨러나 라디에이터 등의 기존 열교환기에 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 열전발전 열교환기는 상기 열유체가 고온 압축공기이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러에 적용될 수 있다.
또는, 상기 열유체가 고온 냉각수이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 라디에이터에 적용될 수도 있다.
인터쿨러를 상기 열교환기로 적용할 경우를 설명하면 다음과 같다. 과급기 차량에서는 터빈에 의해 공기가 압축되는 과정에서 공기가 고온으로 상승하고 밀도가 낮아져 노킹이 발생하거나 충전 효율이 저하되기 때문에, 이를 보완하기 위하여 인터쿨러가 설치된다. 인터쿨러를 이용하면 고온 압축된 공기를 냉각하여 공기 밀도를 높일 수 있게 되어 엔진의 연소효율 및 연비를 향상시킬 수 있다. 이 때, 과급기에 의하여 압축된 공기는 대략 160~180℃ 정도의 매우 고온이며 높은 비열을 가지고 있다.
도 1을 참조하면 인터쿨러의 유입 헤더탱크(40)의 유입구(460)로 대략 160~180℃ 정도의 고온압축 공기가 유입되고, 헤더(440)의 개구부(미도시)에 삽입된 복수개의 튜브(20)로 고온 압축 공기가 배분된다. 그리고 튜브(20) 사이에는 열교환핀(30)이 구비되어 차량의 주행풍에 의해 튜브(20)를 관통하는 고온압축 공기를 냉각시킨다. 이후에는 배출 헤더탱크(50), 배출구(560)를 경유하여 빠져나가게 된다.
이 때 유입 헤더탱크(40)와 인접한 위치에 열전발전 모듈(10)을 구비하게 되면 과급기에 의한 고온압축 공기에 의해 열전소자 고온면(102)의 온도를 지속적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 저온면(104)은 차량의 주행풍에 의하여 지속적으로 저온 상태를 유지시킬 수 있게 되어 열전소자에 인가되는 고온면(102)과 저온면(104)의 온도차가 소정 수준으로 유지되어 열전발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
기존의 인터쿨러를 최대한 활용하는 방법으로서, 본 발명에서는 튜브(20) 사이에 개재된 열교환핀(30)이 차지하는 공간 중 일부를 열전발전 모듈(10)로 대체하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 열전소자(100)의 고온면(102)에 인접한 튜브 내의 열유체 온도가 가장 높게 유지되도록 하기 위하여, 열전발전 모듈(10)은 고온압축 공기의 상류쪽인 유입 헤더탱크(40)와 가까이 배치되는 것이 바람직하다.
도 1에서는 유입 헤더탱크(40)와 가까운 위치로 각 튜브 사이마다 하나씩의 열전발전 모듈을 종방향으로 일렬 배치하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 복수의 열전발전 모듈을 종방향 뿐만 아니라 횡방향으로도 배치할 수도 있다.
다만, 유입 헤더탱크(40) 측에서 배출 헤더탱크(50)로 갈수록 온도가 저하되기 때문에 열전발전 모듈의 발전 효율을 고려하여 배치와 개수를 결정할 수 있다. 상술한 열전발전 모듈(10)들은 충전배터리(미도시)에 연결되어 차량에 필요한 전기를 비축해 둘 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 열전발전 모듈(10)은 적어도 하나 이상의 열전소자(100) 및 모듈용 냉각핀(120)을 포함하여 이루어진다. 열전소자 하나가 발생시킬 수 있는 기전력은 제한적이므로, 이들을 직렬 및/또는 병렬로 다수개 연결하여 원하는 수준의 기전력을 생성할 수 있음은 물론이다.
기존의 열교환핀(30)의 소정 영역을 대체하여 열전발전 모듈(10)이 튜브(20) 사이에 개재되기 위해서는 열전발전 모듈(10)의 저온면 측에 사용되는 모듈용 냉각핀(120)의 높이(h)는 상기 열교환핀(30)의 높이(H)보다 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 모듈용 냉각핀(120)의 피치(p)는 열교환핀(30)의 피치(P)보다 작도록 하여 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 2는 상기 도 1의 열전발전 모듈에 커버시트를 추가하는 것을 나타내는 정면도이며, 도 3은 상기 도 2에서 사용된 열전발전 모듈의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 있어서, 열전발전 모듈의 조립 장착성 또는 열전발전 효율 향상을 위하여 커버시트(140)를 추가할 수 있다.
커버시트(140)를 이용하여 미리 열전발전 모듈(10)의 구성 요소인 열전소자(100), 모듈용 냉각핀(120) 및 커버시트(140)를 브레이징 용접을 할 경우, 조립이 용이해지고, 작업 시간이 단축된다.
또한, 커버시트의 재질을 열전도성이 우수한 알루미늄 등을 사용할 경우, 보다 열전발전 효율을 향상시킬 수 있다. 커버시트의 다양한 실시예에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 열전발전 모듈(10)에 사용되는 커버시트(140)는 열전소자(100)의 면에 열을 고르게 전달하기 위해 표면조도가 높은 상태로 면접촉할 수 있으며, 조립 장착성을 향상시킬 수 있는 다양한 구조일 수 있다.
도 2 내지 도 4(a)를 참조하여 제1커버시트(140a)를 설명하면 다음과 같다. 제1커버시트(140a)는 상기 모듈용 냉각핀(120) 및 상기 열전소자(100)를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
일례로, 제1커버시트(140a)는 베이스 플레이트(142a)의 양쪽이 절곡되어 측면(144a)을 형성하고, 다시 절곡되어 측면 단부(146a)를 형성하여 일체로 제작될 수 있다. 상기 제1커버시트(140a)는 열전도성이 우수한 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
도 4(a)를 참조하면, 제1커버시트(140a) 내에는 모듈용 냉각핀(120)과 열전소자(100)가 각각 브레이징 용접된 후, 제1커버시트(140a)의 측면단부(146a)가 튜브(20A)에 브레이징 용접된다. 이 때, 열전소자(100)의 고온면(102)과 튜브(20A) 사이에는 열전달 써멀 구리스, 열전달 시트, 솔더링 등을 이용하여 열전달을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
도 4(a)에서는 제1커버시트(140a)의 베이스 플레이트(142a)가 모듈용 냉각핀(120)의 상부에 위치하며, 베이스 플레이트(142a)가 인접한 튜브(20B)와 밀착된 형태로 도시되어 있으나, 모듈용 냉각핀(120)의 냉각효율을 고려하여 상기 베이스 플레이트(142a)를 인접한 튜브(20B)로부터 소정 거리 이격시키는 구성도 가능함은 물론이다.
한편, 도 4(b)를 참조하면, 다른 실시예로 제1커버시트(140'a)는 도 4(a)에 도시된 제1커버시트(140a)와는 달리, 상하 반전되어 제1커버시트(140'a)의 내측에 열전소자(100) 및 모듈용 냉각핀(120)을 수납하고 측면단부(146a)가 튜브(20B)에 브레이징 결합하는 형태도 가능하다.
또한, 도 4(c)를 참조하면, 또 다른 실시예로 제1커버시트(140''a)는 베이스 플레이트(142a)의 상면에 모듈용 냉각핀(120)을 브레이징 결합시키고, 내부에 열전소자(100)만을 내장시킨 상태로 측면단부(146a)가 튜브(20A)에 브레이징 결합되는 형태로 구성될 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 다른 실시예를 나타내는 정면도(도 5(a))와 측면도(도 5(b))이다. 도 5를 참조하면, 커버시트(140)는 열전도성이 좋은 재료로 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b)를 포함하는 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 제2커버시트(140b)로 구비될 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b) 사이에 형성되는 안착부(146b)에는 상기 열전소자(100)가 삽입되고, 상기 저온부 플레이트(141b) 외면에는 상기 모듈용 냉각핀(120)이 결합되며, 상기 고온부 플레이트(142b) 외면에는 튜브(20A)가 결합된다.
열전발전 모듈(10)이 삽입되는 튜브(20A, 20B)의 단면을 살펴보면, 열유체의 흐름을 원활하게 하고, 열전달을 효과적으로 하기 위해 복수개의 열유체 유로(220)을 튜브몸체(200) 내측에 형성시키는 것이 좋다.
제2커버시트(140b)에 모듈용 냉각핀(120)을 브레이징 결합한 후, 모듈용 냉각핀(120)이 결합된 제2커버시트(140b)를 튜브(20A, 20B)들 사이에 삽입시킨 다음, 고온부 플레이트(142b)와 맞닿은 튜브(20A) 사이를 브레이징 결합시킨다. 이 때, 열전달 효율을 향상시키기 위해 열전달 써멀 구리스, 솔더링 등을 이용할 수 있다.
제2커버시트(140b)를 이용할 경우, 모듈용 냉각핀(120)의 일면만 제2커버시트(140b)에 브레이징 결합시키면 될 뿐, 모듈용 냉각핀(120)의 타면은 튜브(20B)와 별도의 브레이징 결합 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다.
다만, 충격에 의한 내구성 저하를 방지하기 위해서는 모듈용 냉각핀(120)의 타면을 튜브(20A)와 브레이징 결합시키는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 열전발전 열교환기에 사용되는 열전발전 모듈의 또 다른 실시예를 나타내는 측면도이다. 여기에서 사용된 커버시트(140'b)는 제2커버시트(140b)에 더하여 탄성절곡부(148b)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
도 6을 참조하면, 상기 제2커버시트(140b)의 고온부 플레이트(142b)의 말단이 3차례 절곡된 탄성 절곡부(148b)를 나타내고 있다. 탄성 절곡부(148b)는 소정의 외력에 의해 탄력적으로 변형되었다가 원상태로 복귀할 수 있는 특성을 가진다.
도 6의 아래쪽에 있는 커버시트의 탄성절곡부(148b)는, 안착부 방향으로 열전소자(100)가 삽입되는 것을 나타내는 것으로서, 열전소자(100)의 단부가 탄성 절곡부(148b)를 소정 위치만큼 밀어내게 된다. 그리고 도 7을 참조하면, 열전소자(100)가 상기 안착부 내측으로 완전히 삽입되면 탄성 절곡부(148b)가 원래의 위치로 복원됨으로써 열전소자(100)가 밖으로 이탈되지 못하도록 고정하게 된다.
탄성 절곡부(148b)는 탄력적으로 변형되어 열전소자(100)를 삽입한 뒤에 다시 원상태로 복원됨으로써 열전소자(100)의 유동을 방지하는 구조라면 당업계의 일반적인 수준에서의 설계 변경이 가능함은 물론이다.
상기 커버시트(140'b)는 먼저 모듈용 냉각핀(120)을 저온부 플레이트(141b) 상에 브레이징 결합시키고, 이를 튜브(20A, 20B) 사이에 삽입하여 고온부 플레이트(142b)를 브레이징 결합시킨 다음, 안착부(146b)에 열전소자(100)를 슬라이딩 삽입시킴으로써 장착을 완성한다.
열전소자(100)을 커버시트(140)에 삽입하는 경우, 주행풍과 맞닿는 부위에는 습기가 발생될 수 있으므로 내습을 위해 실리콘으로 마감하는 것이 바람직하다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 열전발전 모듈의 탄성 절곡부(148b)를 이루고 있는 경사면(149b)에 의하여 주행풍이 모듈용 냉각핀에 집중적으로 유동되는 것을 나타내는 모식도이다. 도 7을 참조하면, 탄성 절곡부(148b)는 삼각형 형상으로 3차례 절곡되어 있고, 주행풍 방향에 대해 양쪽으로 경사면(149b)이 형성되어 있다.
주행풍이 불어올 경우, 경사면(149b)에 의하여 공기의 흐름이 모듈용 냉각핀(120) 쪽으로 집중됨으로써 냉각 효과를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 경사면(149b)을 타고 흐르는 공기는 유속이 증가하는 노즐 효과가 발생하므로 모듈용 냉각핀(120)을 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 열전발전 모듈에 사용되는 다양한 모듈용 냉각핀의 단면도이다. 도 8(a)를 참조하면, 모듈용 냉각핀(120)은 기저면 냉각 플레이트를 가지며 수직으로 다수의 냉각핀이 형성된 제1냉각핀(120a)일 수 있다. 또는 도 8(b)와 같이, 모듈용 냉각핀(120)은 접촉면적이 높은 형태의 사다리꼴 형상이 반복되는 형상의 제2냉각핀(120b)일 수 있다. 또는 도 8(c)와 같이, 모듈용 냉각핀(120)은 루버핀과 같은 제3냉각핀(120c) 등의 형태가 가능하다.
도 8에 도시된 모듈용 냉각핀은 냉각효율을 높이기 위한 일례일 뿐, 당업계의 일반적인 수준에서의 다양한 단면 형상을 가지는 냉각핀이 사용될 수 있음은 물론이다.
도 9는 본 발명에 따른 열전발전 모듈(10)에 단열부재(160)가 추가되는 것을 나타내는 정면도이다. 열전소자의 저온면(104) 측에 위치하는 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의한 저온 상태를 유지하여 주어야 열전발전 효율이 향상되는 것이므로, 모듈용 냉각핀(120)과 인접한 튜브(20) 사이는 소정 간격 이격을 시키거나, 혹은 이격된 공간 사이에 단열부재(160)를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.
단열부재(160)가 구비되는 경우 모듈용 냉각핀(120)과 근접해 있는 튜브(20B)로부터 발산되는 열이 직접적으로 전달되는 것을 최소화하여 열전소자(100)의 저온면(104)과 고온면(102)의 온도차를 일정 수준 이상으로 유지시킬 수 있기 때문이다.
도 9(a)를 참조하면, 제1커버시트(140a)의 상면과 튜브(20B) 사이에 단열부재(160)가 구비될 수 있다. 또한, 도 9(b)는 도 9(a)의 커버시트가 상하반전된 제1커버시트(140'a)로서, 이러한 경우에는 모듈용 냉각핀(120)과 튜브(20B) 사이에 단열부재(160)가 구비되는 것이 바람직하다. 한편, 도 9(c)는 제2커버시트(140b, 140'b)와 같은 경우에 단열부재(160)가 추가적으로 구비되는 것을 나타내는 그림이다.
한편, 상기 단열부재(160)를 추가하지 않더라도, 모듈용 냉각핀(120) 또는 모듈용 냉각핀(120)이 밀착해 있는 커버시트(140)의 일면이 직접적으로 튜브(20B)와 맞닿음으로써 냉각효과가 저하되는 것을 방지하기 위하여 소정 간격 이격시키는 것도 가능함은 물론이다.
본 발명에 따른 열전발전 열교환기는 (i)배기가스를 이용하는 기존 방식과는 달리, 쿨링모듈에 열전발전 모듈을 장착함으로써 배기열 회수 과정에서 야기되는 엔진출력 감소, 연비 저하 및 내구성 문제를 해결할 수 있므며, (ii)기존의 쿨링모듈 단품과 일체화 가능한 간단한 구조로 부품수 및 조립 비용이 절약되고, (v)특히, 인터쿨러에 적용되는 경우, 고온의 인터쿨러 압축공기와 차량의 주행풍 온도차를 이용하여 열전소자의 고온면과 저온면의 온도차를 소정 수준으로 유지할 수 있어 열전발전 효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 커버시트가 구비된 열전발전 모듈을 제공하여 조립 작업성 및 열전발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 열전발전 열교환기
10 : 열전발전 모듈
100: 열전소자
102 : 고온면 104 : 저온면
120 : 모듈용 냉각핀
120a : 제1냉각핀
120b : 제2냉각핀
120c : 제3냉각핀
122 : 핀높이(h) 124 : 핀사이 간격(p)
140 : 커버시트
140a, 140'a, 140''a : 제1커버시트
142a : 베이스 플레이트
144a : 측면
146a : 측면 단부
140b, 140'b : 제2커버시트,
141b : 저온부 플레이트
142b : 고온부 플레이트
144b : 배후 플레이트
146b : 안착부
148b : 탄성 절곡부 149b : 경사면
160 : 단열부재
180 : 충전부
20 : 튜브
30 : 열교환핀
322 : 핀높이(H) 324 : 핀사이 간격(P)
40 : 유입 헤더탱크
50 : 배출 헤더탱크
10 : 열전발전 모듈
100: 열전소자
102 : 고온면 104 : 저온면
120 : 모듈용 냉각핀
120a : 제1냉각핀
120b : 제2냉각핀
120c : 제3냉각핀
122 : 핀높이(h) 124 : 핀사이 간격(p)
140 : 커버시트
140a, 140'a, 140''a : 제1커버시트
142a : 베이스 플레이트
144a : 측면
146a : 측면 단부
140b, 140'b : 제2커버시트,
141b : 저온부 플레이트
142b : 고온부 플레이트
144b : 배후 플레이트
146b : 안착부
148b : 탄성 절곡부 149b : 경사면
160 : 단열부재
180 : 충전부
20 : 튜브
30 : 열교환핀
322 : 핀높이(H) 324 : 핀사이 간격(P)
40 : 유입 헤더탱크
50 : 배출 헤더탱크
Claims (14)
- 열유체의 유입구(460)가 형성된 유입 헤더탱크(40); 상기 유입 헤더탱크에 일단이 고정되어 상기 열유체가 흐르기 위한 복수 개의 튜브(20); 상기 튜브 사이에 개재되는 열교환핀(30); 상기 튜브의 타단을 고정하고 상기 열유체의 배출구(560)가 형성된 배출 헤더탱크(50); 및 상기 튜브 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 열전발전 모듈(10)을 포함하는 열교환기에 있어서,
상기 열전발전 모듈은,
고온면과 저온면의 온도차에 의하여 열전발전을 수행하며, 상기 열교환핀(30)에 대하여 주행풍과 직교하는 방향으로 나란히 배치되고, 상기 유입 헤더탱크(40)와 가까운 상기 열교환핀(30)의 소정 영역을 대체하여 배치되는 적어도 하나 이상의 열전소자(100);
상기 열교환핀의 높이(H)보다 작은 높이(h)를 갖는 모듈용 냉각핀(120); 및
상기 열전소자(100)를 수납하고, 상기 주행풍과 대향하는 방향으로 개구가 형성되어, 상기 주행풍에 의해 상기 모듈용 냉각핀(120)이 냉각되도록 하는 열전도성 커버시트(140);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 열유체는 고온 압축공기이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 제1항에 있어서,
상기 열유체는 고온 냉각수이고, 상기 모듈용 냉각핀(120)은 주행풍에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 제1항에 있어서,
상기 열전발전 모듈(10)의 일측 외면은 상기 튜브(20)와 결합하되,
상기 열전발전 모듈(10)의 타측 외면과 대향하는 다른 상기 튜브 사이에는 단열부재(160)가 개재되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 커버시트(140)는 상기 모듈용 냉각핀(120) 및 상기 열전소자(100)를 감싸는 구조로 이루어진 제1커버시트(140a)인 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 제1항에 있어서,
상기 커버시트(140)는 열전도성이 좋은 재료로 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b)를 포함하는 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 제2커버시트(140b)로 구비되되,
상기 저온부 플레이트, 배후 플레이트 및 고온부 플레이트 사이에 형성되는 안착부(146b)에는 상기 열전소자(100)가 삽입되고, 상기 저온부 플레이트 외면에는 상기 모듈용 냉각핀(120)이 결합되며, 상기 고온부 플레이트 외면에는 상기 튜브(20)가 결합되는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 제8항에 있어서,
상기 고온부 플레이트(142b)의 말단에는 상기 열전소자(100)의 삽입후 이탈을 방지하기 위한 탄성 절곡부(148b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 제9항에 있어서,
상기 탄성 절곡부(148b)는 삼각형 형상으로 절곡됨으로써 경사면(149b)를 형성하여 주행풍을 상기 모듈용 냉각핀(120)에 집중시키는 것을 특징으로 하는 열전발전 열교환기(1). - 고온면(102)과 저온면(104)의 온도차에 의한 열전발전을 수행하는 적어도 하나 이상의 열전소자(100)와, 상기 열전소자(100)를 수납하는 커버시트(140)와, 상기 열전소자의 저온면 측에 구비되는 모듈용 냉각핀(120)을 포함하는 열전발전 모듈에 있어서,
상기 커버시트(140)는 저온부 플레이트(141b), 배후 플레이트(144b) 및 고온부 플레이트(142b)를 포함하여 이루어져, 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 열전도성 제2커버시트(140b)를 포함하여 이루어지되,
상기 고온부 플레이트(142b)의 말단에는 탄성 절곡부(148b)가 구비되어,
상기 제2커버시트(140b)에 주행풍과 대향하는 방향으로 개구 형성되는 안착부(146b)로 상기 열전소자(100)가 탄력적으로 삽입 장착되고, 상기 저온부 플레이트 외면에는 상기 모듈용 냉각핀(120)이 결합되는 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈(10). - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 탄성 절곡부(148b)는 삼각형 형상으로 절곡됨으로써 경사면(149b)를 형성하여 주행풍의 흐름을 상기 모듈용 냉각핀(120) 방향으로 집중시키는 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈(10).
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| KR1020110140679A KR101435669B1 (ko) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | 열전발전 열교환기 및 열전발전 모듈 |
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