KR101637302B1 - 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 헤드 및 피스톤에 온도 조건에 따라 열전도 특성이 바뀌는 단열막을 코팅하여 단열에 의한 냉각 손실 축소 및 열전달 효율을 증가시킬 수 있도록 한 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 열전발전(Thermoelectric Generation, TEG) 장치는, 엔진의 피스톤의 상면과 실린더 헤드의 하면에 코팅된 단열막; 및 상기 코팅 단열막 상면에 장착되어 그 양단간의 온도차에 의해 전기를 발생하는 TEG 소자;를 포함할 수 있다.

Description

차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치 {THERMOELECTRIC GENERATION APPARATUS FOR RECOVERY WASTE HEAT FROM ENGINE OF VEHICLE}

본 발명은 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전(Thermoelectric Generation, TEG) 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 실린더 헤드 및 피스톤에 온도 조건에 따라 열전도 특성이 바뀌는 단열막을 코팅하여 단열에 의한 냉각 손실 축소 및 열전달 효율을 증가시킬 수 있도록 한 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열전발전(Thermoelectric Generation, TEG)은 반도체 변환소자의 양쪽에 온도차이가 있을 때 소자 내부의 캐리어(carrier)가 이동함으로 기전력이 발생하는 현상을 이용하여 전기를 얻는 것을 일컫는다.

열전발전 시스템은, 무공해로 에너지 재생이 가능하고 기존 발전기에서 필연적으로 발생하는 소음이 없으며, 기계적 접촉에 의한 부품마멸이 없어 시스템 수명이 길고 신뢰성이 높을 뿐 아니라, 각종 산업의 폐열과 태양열 등의 자연에너지를 이용하여 전기를 얻을 수 있기 때문에 유지비가 거의 들지 않고, 환경을 해치지 않으면서 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이러한 열전발전은 엔진 폐열을 회수하여 재생동력으로 활용하는 엔진 폐열 회수 시스템에도 적용되고 있고, 엔진 폐열 회수 시스템이 적용된 차량은 높은 연비 개선 효과를 얻고 있는 것으로 보고되고 있다. 상기 엔진 폐열 회수 시스템을 적용한 차량의 엔진은 통상적으로 단열 엔진으로 취급될 수 있다.

상기 엔진 폐열 회수 시스템은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 구조의 TEG 소자 및/또는 TEG 모듈 블록을 구비한 열전발전장치를 이용할 수 있다.

상기 TEG 소자를 포함하는 열전발전 장치는 일반적으로 엔진의 연소실 상부측에 적용되어 엔진의 동작에 따라 발생되는 열을 이용하여 발전을 하고, 발전된 전기는 차량의 전기계통에 사용됨으로써 연비를 개선하는데 일조를 한다.

그런데, 상기와 같은 TEG 소자가 엔진의 연소실 상면에 적용될 때, 팽창(폭발) 행정 시 상기 TEG 소자가 고온의 에너지를 열전달시킴에 따라 냉각 손실이 과도해질 수 있다. 그리고, 상기 TEG 소자가 단열 엔진에 적용되는 경우, 열전달이 불충분하여 발전 효율이 떨어질 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

공개특허공보 제10-2012-0046906호 (2012.05.11)

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 실린더 헤드 및/또는 피스톤에 온도 조건에 따라 열전도 특성이 바뀌는 단열막을 코팅하여 단열에 의한 냉각 손실 축소 및 열전달 효율을 증가시킬 수 있도록 한 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 폐열을 전기로 회수하기 위한 열전발전(Thermoelectric Generation, TEG) 장치는, 상기 엔진의 피스톤의 상면과 실린더 헤드의 하면에 코팅된 단열막; 및 상기 코팅 단열막 상면에 장착되어 그 양단간의 온도차에 의해 전기를 발생하는 TEG 소자;를 포함할 수 있다.

상기 코팅 단열막은 MgO 재료 및 접합제(binder)를 포함할 수 있다.

상기 코팅 단열막은 설정된 온도를 기준으로 상기 설정된 온도 이상에서는 저-열전도도 특성을 갖고, 상기 설정된 온도 미만에서는 고-열전도도 특성을 갖을 수 있다.

상기 설정된 온도는 약 500K 일 수 있다.

상기 TEG 소자의 기판은 HTCC(high temperature co-fired cermic; 고온 동시 소성 세라믹)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤에 온도 조건에 따라 열전도 특성이 바뀌는 MgO 재료를 포함한 단열막을 코팅하여 단열에 의한 냉각 손실을 축소할 수 있고 및 열전달 효율을 증가시킬 수 있고, 나아가 연비를 더욱 개선할 수 있다.

도 1은 일반적인 TEG 소자의 단면 구성도이다.
도 2는 일반적인 TEG 소자를 포함하는 열전발전 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치에 적용되는 TEG 소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 MgO 단열막 및 TEG 소자가 형성되는 피스톤의 예시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 열전발전 장치의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전(TEG) 장치를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는, 차량의 엔진의 폐열(예; 배기열)을 전기로 회수하는 장치이다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치(100)는, 엔진(10)의 피스톤(120)의 상면과 실린더 헤드(110)의 하면에 코팅된 단열막(122)(112); 및 상기 코팅 단열막(122)(112)의 각 상면에 장착되어 그 양단간의 온도차에 의해 전기를 발생하는 TEG 소자(124)(114);를 포함할 수 있다.

상기 엔진(10)은 단열 엔진일 수 있고; 또한 상기 코팅 단열막(122)(112)과 TEG 소자(124)(114)의 구성 이외에는 종래기술의 엔진과 동일한 구성을 가질 수 있다.

상기 TEG 소자(124)(114)를 구성하는 기판(ceramics)은 상시 열전도도가 높은 HTCC(high temperature co-fired cermic; 고온 동시 소성 세라믹) 재질일 수 있다. 상기 HTCC 기판은 도 1에 도시된 기판과 같은 형태로 구성될 수 있다.

상기 코팅 단열막(122)(112)은 설정된 온도(예; 약 500K)를 기준으로 상기 설정된 온도 이상에서는 저열전도도 특성을 갖고, 상기 설정된 온도 미만에서는 고열전도도 특성을 갖는 MgO 재료를 포함할 수 있다.

상기 코팅 단열막(122)(112)은 상기 MgO 재료를 접합시키기 위한 접합제(binder)를 포함할 수 있다.

상기 TEG 소자 및 MgO 코팅 단열막은, 설계적인 측면을 고려하여, 상기 실린더 헤드(110)와 피스톤(120)의 어느 한쪽에만 형성되거나, 양쪽 모두에 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치(100)는, 상기한 구성 요소들 이외에, 언급되지 않았지만 통상적인 열전발전 장치를 구성하는 요소들을 더 포함할 것이라는 것은 당업자에게 자명할 것이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치의 작용을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

먼저, 도 6를 참조하여 차량 엔진(10)의 연소압 프로파일의 일실시예를 살펴보면, 흡입/압축 행정 초기의 연소실 내부(130; 도 3)는 상대적으로 저온/저압의 상태이며, 압축 행정 말기부터 팽창/배기 행정까지의 연소실 내부(130)는 상대적 고온/고압 상태임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 피스톤(120) 및/또는 실린더 헤드(110)에 형성되는 MgO 단열막(122)(112)의 MgO 성분은: 저온(예; 약 500K 이하)에서 고-열전도도 특성을 갖고, 고온(예; 약 500K 이상)에서 저-열전도도 특성을 갖기 때문에, 도 6에 도시한 바와 같이 엔진(10)의 고온 조건에서는 단열 특성으로 냉각 손실을 최소화하고; 저온조건에서는 고-열전도도 특성으로 방열, 냉각을 촉진하는 역할을 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치(100)에 따르면, 도 7에 도시한 바와 같이, 연소 온도가 저온 시, 고-열전도도 특성인 MgO 코팅 단열막(112)(122)에 의해 TEG 소자(114)(124)의 고온-저온간 전극판의 온도차가 커져서 열전발전이 촉진되고 냉각 성능은 최대가 되고; 연소 온도가 고온 시, 저열전도도 특성인 MgO 코팅 단열막(112)(122)에 의한 단열로 TEG 소자(114)(124)는 발전을 멈춘다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치(100)는, 저온 시의 발전/냉각과, 고온 시의 단열로 이루어지는 사이클로 교류(AC) 발전을 수행하고; 발전된 AC 전력은 차량의 전기계통에 전달되어 이용될 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤에 온도 조건에 따라 열전도 특성이 바뀌는 MgO 재료를 포함한 단열막을 코팅하여 단열에 의한 냉각 손실을 축소할 수 있고 및 열전달 효율을 증가시킬 수 있고, 나아가 연비를 더욱 개선할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 엔진 100: 열전발전(TEG) 장치
110: 실린더 헤드 112, 122: MgO 코팅 단열막
114, 124: TEG 소자 130: 연소실 내부

Claims (5)

1. 엔진의 폐열을 전기로 회수하기 위한 열전발전(Thermoelectric Generation, TEG) 장치로서,
   상기 엔진의 피스톤의 상면과 실린더 헤드의 하면에 코팅된 단열막; 및
   상기 코팅 단열막 상면에 장착되어 그 양단간의 온도차에 의해 전기를 발생하는 TEG 소자;
   를 포함하는 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치.
   
2. 제1항에서,
   상기 코팅 단열막은 MgO 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치.
   
3. 제2항에서,
   상기 코팅 단열막은 설정된 온도를 기준으로 상기 설정된 온도 이상에서는 저열전도도 특성을 갖고, 상기 설정된 온도 미만에서는 고열전도도 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치.
   
4. 제3항에서,
   상기 설정된 온도는 500K 인 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치.
   
5. 제1항에서,
   상기 TEG 소자의 기판은 HTCC(high temperature co-fired cermic; 고온 동시 소성 세라믹)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 폐열 회수를 위한 열전발전 장치.

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