KR101689379B1 - 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈 및 시스템 - Google Patents

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김태영
아세파 네가시 아스말라쉬
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Abstract

본 발명은 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 및 시스템(2000)에 관한 것으로, 상세하게는 배기열회수장치 및 열전소자가 통합된 하나의 장치에 배기열회수를 위한 냉각수모듈 및 열전발전을 위해 열전소자가 포함된 냉각수모듈이 분리되어 구비됨으로써 열교환 및 열전발전이 효율적으로 이루어지는 효과가 있는 것을 특징으로 하는 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 및 시스템(2000)에 관한 것이다.

Description

열전발전 및 배기열회수 통합 모듈 및 시스템{Thermoelectric generator integrated exhaust heat recovery module and system}
본 발명은 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기열회수장치 및 열전소자가 통합된 하나의 장치에 배기열회수를 위한 냉각수모듈 및 열전발전을 위해 열전소자가 포함된 냉각수모듈이 분리되어 구비됨으로써 열교환 및 열전발전이 효율적으로 이루어지는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 주행 상태에 따라 초기 시동시 엔진 웜업(warm up) 및 난방 단계가 이루어지고, 차량의 주행시 열전발전 단계가 이루어지며, 차량이 경사진 곳을 올라가거나 과부하 주행시 바이패스 단계가 이루어진다.
차량의 초기 시동시 배기열 회수장치를 이용하여 냉각수를 가열함으로써 엔진의 예열시간(웜업 시간)을 단축하여 차량의 연비향상 및 배기가스 저감의 효과를 얻을 수 있으며 엔진 내부 및 변속기 내부의 마찰을 저감시켜주고 겨울철 빠른 실내 난방의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 차량의 주행시 차량의 배기열은 열전발전장치의 열전소자를 거치며 전기를 발생시킨다. 여기서 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 배기열 활용 시스템에 설치되는 열전발전기에 사용된다.
나아가, 차량이 경사진 곳을 올라가거나 차량의 과속에 따른 과부하 주행시 차량의 배기열은 바이패스 통로를 통해 차량의 외부로 빠르게 배출되고 상기 배기열 회수장치나 열전발전장치는 작동하지 않게 된다.
그러나 종래 차량의 배기열 활용 시스템은 차량의 각 상태별로 배기열 회수장치 또는 열전발전장치의 미작동 구간이 존재하여 시스템 전체의 활용도가 떨어지는 문제점이 있다.
즉, 배기열 회수장치는 차량의 초기 시동시에만 작동되고, 열전발전장치는 배기가스 온도가 어느 정도 상승된 이후 차량의 주행시에만 작동되며, 차량의 과부하 주행시에는 배기열 회수장치와 열전발전장치가 모두 미작동하게 된다.
그 일예로서, 도 1에 도시된 일본공개실용신안 제1993-056514호("배기열회수 장치")에서와 같이 엔진(1)의 배기관(2)에 변경밸브(v1, v2)가 구비되며 변경밸브(v1, v2) 상측에 연결된 바이패스로(4) 상에 열교환기(3)가 구비되는 구성의 배기열 회수장치이다.
이와 같은 선행문헌은 배기가스의 흐름 방향이 절곡되어 열교환기로 유입되는 구성이므로, 밸브가 개방시에는 열교환기로 배기가스의 양이 온전히 통과되기 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 배기열회수장치는 엔진을 웜-업(warm-up)시키는 역할만 함에 따라 활용성이 떨어지는 문제점이 있다.
일본공개실용신안 제1993-056514호(공개일자 1993.07.27)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배기열회수장치 및 열전소자가 통합된 하나의 장치에 배기열회수를 위한 냉각수모듈 및 열전발전을 위해 열전소자가 포함된 냉각수모듈이 분리되어 구비됨으로써 열교환 및 열전발전이 효율적으로 이루어지는 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈은 배기관 사이에 배기가스의 흐름 방향으로 연결되어 구비되되, 배기가스가 유통되는 핀블록모듈; 상기 핀블록모듈 상면에 구비된 제 1 냉각수모듈; 상기 제 1 냉각수모듈과 수평하게 이웃하여 배치된 제 2 냉각수모듈; 및 상기 제 1 냉각수모듈 및 제 2 냉각수모듈이 분리되도록 격벽으로된 단열부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈은 상기 제 2 냉각수모듈의 하부에 구비된 단일 또는 다수 개의열전소자; 및 상기 열전소자의 측면 및 하면에 구비된 전열부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 냉각수모듈은 엔진냉각수라인과 연결되며, 상기 제 2 냉각수모듈은 라디에이터(radiator)냉각수라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템은 상기 배기관; 및 엔진냉각수라인;이 구비된 엔진부; 상기 엔진부와 이격되며 상기 배기관 상에 구비되되, 배기가스의 흐름 방향에 따라 배치되며 냉각수라인;이 구비된 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈; 및 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈과 이격되며 엔진냉각수라인과 연결된 라디에이터부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수라인은 제 1 냉각수모듈과 연결된 제 1 냉각수라인; 및 상기 제 1 냉각수라인과 이격되며 제 2 냉각수모듈과 연결된 제 2 냉각수라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진냉각수라인은 상기 엔진부로부터 상기 제 1 냉각수모듈 방향으로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 1 밸브;가 구비된 제 1 엔진냉각수라인; 상기 제 1 냉각수라인 및 제 2 냉각수라인이 통합되어 상기 엔진부로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 2 밸브;가 구비된 제 2 엔진냉각수라인;및 상기 엔진부로부터 상기 라디에이터로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 3 밸브;가 구비된 제 3 엔진냉각수라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 밸브는 서모스탯(thermo stat)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템은 초기시동(cold-start)시 상기 엔진부가 웜업(warm-up)이 될때까지 상기 제 1 엔진냉각수라인으로부터 유입된 냉각수를 상기 제 2 엔진냉각수라인으로 순환시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진부가 웜업이 완료되면 상기 제 1 밸브는 차단되며 상기 라디에이터부 및 상기 제 2 냉각수모듈의 냉각수가 순환되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템은 초기시동(cold-start)시 상기 엔진부의 냉각수가 상기 제 1 냉각수모듈 및 제 2 냉각수모듈로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템은 상기 엔진부가 웜업(warm-up)된 후에 상기 제 1 냉각수모듈 내의 가열된 냉각수를 열원으로 활용하여 상기 제 2 냉각수모듈 하부에 구비된 열전소자;에 에너지를 공급해주는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈 및 시스템은 배기열회수장치 및 열전소자가 통합된 하나의 장치에 배기열회수를 위한 냉각수모듈 및 열전발전을 위해 열전소자가 포함된 냉각수모듈이 분리되어 구비됨으로써 열교환 및 열전발전이 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈은 배기열이 통과되는 핀블록모듈 상부에 냉각수모듈을 배치시키되, 냉각수모듈을 단열부재에 의해 수평방향으로 제 1 냉각수모듈 및 제 2 냉각수모듈로 분리시키며 배기가스 흐름 방향에 따라 후단에 배치된 제 2 냉각수모듈 하면에 열전소자가 부착됨으로써, 처음 시동시(cold-start) 엔진의 냉각수온을 빠르게 높임에 따라 엔진의 웜업(warm-up) 시간을 단축시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈은 처음 시동시(cold-start) 엔진의 냉각수온을 빠르게 높임에 따라 하이브리드 차량일 경우에 엔진 온/오프(on/off) 제어를 조기에 작동시킴으로써 연비을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈은 엔진이 웜업 된 후에 제 1 냉각수모듈의 고온의 냉각수를 활용하여 배기열의 온도가 유지됨에 따라 열전소자의 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 발명의 일 실시예에 따른 배기열회수 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 결합된 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 결합된 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈의 다른 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈의 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈의 우측 단면도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템 구성도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템 구성도.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 및 이를 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스(1100) 결합된 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 결합된 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈의 다른 예시도이다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)의 우측 단면도이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 배기관(10) 사이에 배기가스의 흐름 방향(a)으로 연결되어 구비되되, 배기가스가 유통되는 핀블록모듈(100); 상기 핀블록모듈(100) 상면에 구비된 제 1 냉각수모듈(200); 상기 제 1 냉각수모듈(200)과 수평하게 이웃하여 배치된 제 2 냉각수모듈(300); 및 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)이 분리되도록 단열부재로 된 격벽(20);을 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 상기 제 2 냉각수모듈(300)의 하부에 구비된 단일 또는 다수 개의 열전소자(400); 및 상기 열전소자(400)의 측면 및 하면에 구비된 전열부재(30);를 더 포함하는 구성일 수 있다.
여기서, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 차량 등의 엔진 및 라디에이터가 구비된 구동수단에는 다양하게 적용되어 실시될 수 있다.
상기 핀블록모듈(100)은 배기가스가 유통되는 배기관(10) 사이에 연결된 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 케이스(1100) 내부에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 케이스(1100)는 기존의 열교환기 형태로 적용됨에 따라 상세설명은 생략될 수 있으며, 일단 및 타단에 유입구(1110) 및 배출구(1120)가 구비되어 상기 배기관(10)과 연결될 수 있다. 또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 케이스(1100) 내부는 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)이 일체 결합되어 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 단위모듈로서 하부방향으로 다수 개가 적층되어 구성될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 내부는 배기가스의 흐름이 (a)방향으로 흐르는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 결합된 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈의 다른 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 하나의 모듈로서 상기 배기관(10)과 연결될 수 있는 구조로 구성될 시, 상기 핀블록모듈(100)이 전후로 돌출되어 상기 배기관(10)과 연결될 수 있다.
도 4 및 5를 참조하면, 상기 핀블록모듈(100)은 배기가스가 유통되고, 배기열이 전달되도록 배기가스의 흐름방향(a)에 따라 통공이 형성된 열전달부재일 수 있다.
이 때, 상기 핀블록모듈(100)은 배기가스의 흐름방향이 시작되는 일단부의 두께보다 상기 열전소자(400)의 하부의 두께가 얇을 수 있다.
또한, 상기 핀블록모듈(100)의 하면은 일정하게 편평할 수 있다.
상기 제 1 냉각수모듈(200)은 상기 핀블록모듈(100) 상면에 밀착 고정되어 결합될 수 있다.
상기 제 1 냉각수모듈(200)은 냉각수가 유통하는 냉각수라인이 구비된 구성일 수 있다.
상기 제 2 냉각수모듈(300)은 상기 제 1 냉각수모듈(200)과 이웃하며 배치되고, 상기 핀블록모듈(100) 상면과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제 2 냉각수모듈(300)은 냉각수가 유통하는 냉각수라인이 구비된 구성일 수 있다.
상기 격벽(20)은 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300) 사이에 열이 전달되지 못하게 하는 수단으로서, 열을 차단시키는 부재는 다양하게 실시될 수 있다.
이 때, 상기 격벽(20)은 상기 배기가스의 흐름방향(a)과 수직으로 배치되며 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300) 사이에 밀착되어 고정될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 냉각수모듈(200)은 고온의 냉각수가 형성되도록하며, 상기 제 2 냉각수모듈(300)은 저온의 냉각수가 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 열전소자(400)는 상기 제 2 냉각수모듈(300) 하면 및 상기 핀블록모듈(100) 상면에 밀착되어 고정될 수 있다.
여기서, 상기 열전소자(400)(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로도 프레온식 컴프레서나 흡열식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전 모듈(Thermoelectric Module)이라 한다. 펠티에 효과란 서로 다른 두 개의 전기적 양도체에 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일측은 가열되고 타측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 열전소자(400)는 하단부가 배기열로 인해 가열되고 상단부가 냉각되는 구성일 수 있으며, 온도 차에 의해 발생되는 기전력을 이용하여 발전에 활용될 수 있다. 또한, 상기 열전소자(400)는 온도 차가 클수록 발전량이 커지므로 상기 제 1 냉각수모듈(200)에 의해 배기열이 유지됨으로써 성능을 높이는 효과가 있다.
또한, 종래 엔진의 동력으로 팬 또는 펌프 등을 작동시키던 것을 상기 열전소자(400)에서 발생되는 전기 에너지를 사용하여 작동시킬 수 있다.
또한, 상기 열전소자(400)에 의한 전기에너지는 하이브리드 자동차의 배터리 충전에도 활용될 수 있다.
상기 전열부재(30)는 상기 열전소자(400)의 효율성을 높이고자 상기 핀블록모듈(100)의 열을 상기 열전소자(400)의 하단부에 전달되도록 상기 열전소자(400)의 하면에 밀착 고정되어 구비될 수 있다.
이 때, 상기 전열부재(30)는 증기챔버(vapor chamber) 또는 히트파이프(heat pipe) 등의 열전달을 위해 사용되는 부재로서 다양하게 실시될 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각수모듈(200)은 엔진냉각수라인과 연결되며, 상기 제 2 냉각수모듈(300)은 라디에이터(radiator)냉각수라인과 연결되는 구성일 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각수모듈(200)은 엔진냉각수라인과 연결되며, 상기 제 2 냉각수모듈(300)은 라디에이터(radiator)냉각수라인과 연결되는 구성일 수 있다.
상기 엔진냉각수라인은 상기 엔진을 웜업시키기 위해 상기 제 1 냉각수모듈(200)과 연결되어 초기 시동시 냉각수의 온도를 높이는 것에 집중하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 라디에이터냉각수라인(50)은 상기 제 2 냉각수모듈(300)과 연결되어 냉각에 집중함으로써 상기 열전소자(400)의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 상기 핀블록모듈(100) 및 상기 핀블록모듈(100) 상부에 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)이 상기 격벽(20)에 의해 분리되어 결합되며, 상기 제 2 냉각수모듈(300) 하부에 상기 열전소자(400)가 단일 또는 다수 개 밀착 고정된 구성일 수 있다.
또한, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 하측 방향으로 다수 개 연결되어 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000) 구성도이며, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000) 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은 상기 배기관(10); 및 엔진냉각수라인;이 구비된 엔진부(500); 상기 엔진부(500)와 이격되며 상기 배기관(10) 상에 구비되되, 배기가스의 흐름 방향(a)에 따라 배치되며 냉각수라인;이 구비된 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000); 및 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)과 이격되며 상기 엔진냉각수라인과 연결된 라디에이터부(600);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)의 상기 냉각수라인은 제 1 냉각수모듈(200)과 연결된 제 1 냉각수라인(60,61); 및 상기 제 1 냉각수라인(60,61)과 이격되며 제 2 냉각수모듈(300)과 연결된 제 2 냉각수라인(60,62);을 포함하는 구성일 수 있다.
상기 엔진냉각수라인은 상기 엔진부(500)로부터 상기 제 1 냉각수모듈(200) 방향으로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 1 밸브(1a);가 구비된 제 1 엔진냉각수라인(1,40); 상기 제 1 냉각수라인(60,61) 및 제 2 냉각수라인(60,62)이 통합되어 상기 엔진부(500)로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 2 밸브(2a);가 구비된 제 2 엔진냉각수라인(2,40); 및 상기 엔진부(500)로부터 상기 라디에이터로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 3 밸브(3a);가 구비된 제 3 엔진냉각수라인(3,40);을 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 상기 제 2 밸브(2a)는 내부에 서모스탯(thermo stat)이 구비될 수 있다.
상기 제 1 밸브(1a), 제 2 밸브(2a) 및 제 3 밸브(3a)는 버터플라이밸브로 구성될 수 있으며, 전기적인 제어 수단으로 개폐될 수 있다.
상기 서모스탯은 상기 엔진부(500)가 웜업이 되었는지 여부를 파악하는 수단으로 사용될 수 있다.
상기 서모스탯은 상기 제 2 밸브(2a) 내에 일체 결합될 수 있다.
상기 엔진부(500)의 냉각수온은 80~90도 정도로 유지해야 엔진의 연소 효율 및 배기 특성 등에서 유리함에 따라 상기 서모스탯이 적정온도를 위해 알림역할을 할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 바이패스부(700)는 배기관(10) 하부에 배치되며 배기가스가 유입되는 입구에는 바이패스부 밸브(710)가 구비됨으로써 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 방향으로 배기가스의 유입이 용이하도록 개폐될 수 있다.
상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은 초기시동(cold-start)시 상기 엔진부(500)가 웜업(warm-up)이 될 때까지 상기 제 1 엔진냉각수라인(1,40)부터 유입된 냉각수를 상기 제 2 엔진냉각수라인(2,40)로 순환시키는 구성일 수 있다.
이 때, 초기시동(cold-start)시 상기 엔진부(500)의 냉각수가 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)로 유입되는 구성일 수 있다.
초기시동시에는 상기 엔진부(500)의 냉각수가 저온상태이므로 상기 냉각수를 적정온도로 올리는 웜업(warm-up)이 필요하다.
이 때, 상기 제 1 엔진냉각수라인(1,40)의 냉각수는 개방된 제 1 밸브(1a)를 지나 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)로 유입될 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300) 내의 냉각수는 하부에 밀착된 상기 핀블록모듈(100) 및 열전소자(400) 즉, 배기열에 의해 데워진 상기 핀블록모듈(100) 및 열전소자(400) 상부를 지나면서 데워질 수 있다.
또한, 데워진 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300) 내의 냉각수는 제 2 밸브(2a)로 향하며 상기 제 2 엔진냉각수라인(2,40)을 통해 상기 엔진부(500)로 유입될 수 있다.
이 때, 상기 엔진부(500)의 냉각수는 상기 서모스탯을 통해 적정온도로 웜업된 것이 확인될 때 까지 상기 과정을 반복하며 순환될 수 있다.
또한, 상기 엔진부(500)가 웜업이 완료되면 상기 제 1 밸브(1a)는 차단되며 상기 라디에이터부(600) 및 상기 제 2 냉각수모듈(300)의 냉각수가 순환되는 구성일 수 있다.
상기 라디에이터는 상기 제 2 냉각수모듈(300)로부터 저온의 냉각수가 유입됨으로써 저온 상태가 유지될 수 있다.
또한, 상기 엔진부(500)가 웜업(warm-up)된 후에 상기 제 1 냉각수모듈(200) 내의 가열된 냉각수를 열원으로 활용하여 상기 제 2 냉각수모듈(300) 하부에 구비된 열전소자(400);에 에너지를 공급해주는 구성일 수 있다.
예를 들어, 차량이 내리막 길에서 연료차단(fuel cut)이 되거나, 공회전(idle)시에 배기가스의 온도가 낮을 수 있다.
여기서, 연료차단(fuel cut)이란, 운전자가 가속페달을 밟게 되면 엔진에 연료가 분사되어 폭발압력에 의하여 가속이 가능한데 내리막 주행 시에는 엔진은 동력을 발생할 필요가 없다. 이는, 구동 바퀴인 뒷바퀴가 거꾸로 엔진을 회전 시키기 때문이다. 즉, 주행 중 감속하기 위하여 엑셀레이터 페달에 발을 떼거나 긴 내리막길을 내려가기 위하여 엔진 브레이크를 사용할 시 엔진은 차량이 주행하는 힘에 의하여 회전하기 때문에 연료가 필요하지 않으며, 이 때 컴퓨터는 연료 공급을 차단하는 것을 말한다.
이 때, 상기 제 1 냉각수모듈(200)의 냉각수는 상기 엔진부(500)를 웜업시킨 후에 상기 엔진부(500)로 유입되지 않으며, 가열된 냉각수는 상기 핀블록모듈(100)의 배기가스를 데우는데 활용될 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각수모듈(200)의 냉각수는 상기 핀블록모듈(100)의 배기가스 온도를 높임에 따라 상기 전열부재(30)를 통해 상기 열전소자(400) 하면에 지속적으로 고온 상태를 유지하게 함으로써 상기 열전소자(400)의 발전에 기여할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은 상기 엔진부(500)에서 유출되는 냉각수가 제 4 밸브(4a)에 의해 통과되어 제 4 엔진냉각수라인(4,40)을 지나가며, 바로 상기 제 2 냉각수모듈(300)로 유입되거나, 제 5 밸브(5a)를 통해 제 5 엔진냉각수라인(5,40)을 지나 상기 제 1 냉각수모듈(200)로의 입출이 제어될 수 있다.
또한, 상기 라디에이터에서 유출된 냉각수는 제 2 라디에이터냉각수라인(50a) 및 상기 제 4 밸브(4a)를 지나 상기 제 2 냉각수모듈(300)을 통과하여 제 6 밸브(7a)를 통해 제 6 엔진냉각수라인(6,40)을 지나 다시 상기 라디에이터로 유입되는 구성일 수 있다.
또한, 상기 제 4 밸브(4a)는 상기 서모스탯이 구비된 밸브일 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은 상기 엔진부(500)가 웜업이 되기까지 상기 제 5 밸브(5a)가 개방됨으로써 상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)로부터 제 3 내지 5 냉각수라인을 지나 상기 엔진부(500)로 냉각수가 순환되며, 상기 엔진부(500)가 웜업이 되면 상기 제 5 밸브(5a)는 폐쇄됨으로써 상기 제 2 냉각수모듈(300)로부터 상기 제 4 및 5 냉각수라인 및 제 7 엔진냉각수라인을 지나 상기 라디에이터로 냉각수가 순환될 수 있다.
다시 한 번 말하자면, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000) 및 이를 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은 배기열회수장치 및 열전소자(400)가 통합된 하나의 장치에 배기열회수를 위한 냉각수모듈 및 열전소자(400)를 포함하는 열전발전을 위한 냉각수모듈이 분리됨으로써 열교환 및 열전발전이 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 배기열이 통과되는 핀블록모듈(100) 상부에 냉각수모듈을 배치시키되, 냉각수모듈을 격벽(20)에 의해 수평방향으로 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)로 분리시키며 배기가스 흐름 방향(a)에 따라 후단에 배치된 제 2 냉각수모듈(300) 하면에 열전소자(400)가 부착됨으로써, 처음 시동시(cold-start) 엔진의 냉각수온을 빠르게 높임에 따라 엔진의 웜업(warm-up) 시간을 단축시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 처음 시동시(cold-start) 엔진의 냉각수온을 빠르게 높임에 따라 하이브리드 차량일 경우에 엔진 온/오프(on/off) 제어를 조기에 작동시킴으로써 연비을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 배기열회수 통합 모듈(1000)은 엔진이 웜업 된 후에 제 1 냉각수모듈(200)의 고온의 냉각수를 활용하여 배기열의 온도가 유지됨에 따라 열전소자(400)의 성능을 향상시키는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1100 : 케이스 1110 : 유입구
1120 : 배출구 10 : 배기관
(a) : 배기가스의 흐름 방향 100 : 핀블록모듈
200 :제 1 냉각수모듈 300 :제 2 냉각수모듈
20 : 격벽
1000 : 배기열회수장치 및 열전소자 통합모듈
400 : 열전소자 30 : 전열부재
40 : 엔진냉각수라인 50 : 제 1 라디에이터냉각수라인
2000 : 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템
500 : 엔진부 60 : 냉각수라인
600 : 라디에이터부 700 : 바이패스부
710 : 바이패스부 밸브 61 : 제 1 냉각수라인
62 : 제 2 냉각수라인 1(a) : 제 1 밸브
1 : 제 1 엔진냉각수라인 2(a) : 제 2 밸브
2 : 제 2 엔진냉각수라인 3(a) : 제 3 밸브
3 : 제 3 엔진냉각수라인 4 : 제 4 엔진냉각수라인
4(a) : 제 4 밸브 5 : 제 5 엔진냉각수라인
5(a) : 제 5 밸브 6(a) : 제 6 밸브
6 : 제 6 엔진냉각수라인 50(a) : 제 2 라디에이터냉각수라인
63 : 제 3 냉각수라인 64 : 제 4 냉각수라인
65 : 제 5 냉각수라인

Claims (10)

  1. 배기관(10) 사이에 배기가스의 흐름 방향(a)으로 연결되어 구비되되, 배기가스가 유통되는 핀블록모듈(100);
    상기 핀블록모듈(100) 상면에 구비된 제 1 냉각수모듈(200);
    상기 제 1 냉각수모듈(200)과 수평하게 이웃하여 배치된 제 2 냉각수모듈(300);
    상기 제 1 냉각수모듈(200) 및 제 2 냉각수모듈(300)이 분리되도록 단열부재로 된 격벽(20);
    상기 제 2 냉각수모듈(300)의 하부에 구비된 단일 또는 다수 개의열전소자(400); 및
    상기 열전소자(400)의 측면 및 하면에 구비된 전열부재(30);를 포함하되,
    상기 제 1 냉각수모듈(200)은
    엔진냉각수라인과 연결되며, 상기 제 2 냉각수모듈(300)은 라디에이터(radiator)냉각수라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000).
  2. 삭제
  3. 제 1항에 의한 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)으로서,
    상기 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은
    상기 배기관(10); 및 엔진냉각수라인;이 구비된 엔진부(500);
    상기 엔진부(500)와 이격되며 상기 배기관(10) 상에 구비되되, 배기가스의 흐름 방향(a)에 따라 배치되며 냉각수라인;이 구비된 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000); 및
    상기 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)과 이격되며 엔진냉각수라인과 연결된 라디에이터부(600);를 포함하되,
    상기 냉각수라인은
    제 1 냉각수모듈(200)과 연결된 제 1 냉각수라인(60,61); 및
    상기 제 1 냉각수라인(60,61)과 이격되며 제 2 냉각수모듈(300)과 연결된 제 2 냉각수라인(60,62);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000).
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서, 상기 엔진냉각수라인은
    상기 엔진부(500)로부터 상기 제 1 냉각수모듈(200) 방향으로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 1 밸브(1a);가 구비된 제 1 엔진냉각수라인(1,40);
    상기 제 1 냉각수라인(60,61) 및 제 2 냉각수라인(60,62)이 통합되어 상기 엔진부(500)로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 2 밸브(2a);가 구비된 제 2 엔진냉각수라인(2,40);및
    상기 엔진부(500)로부터 상기 라디에이터로 유체의 흐름이 개폐제어되는 제 3 밸브(3a);가 구비된 제 3 엔진냉각수라인(3,40);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000).
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 2 밸브(2a)는
    서모스탯(thermo stat)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열전발전 및 배기열회수 통합 모듈(1000)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000).
  7. 제 5항에 있어서, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은
    초기시동(cold-start)시 상기 엔진부(500)가 웜업(warm-up)이 될때까지 상기 제 1 엔진냉각수라인(1,40)부터 유입된 냉각수를 상기 제 2 엔진냉각수라인(2,40)로 순환시키는 것을 특징으로 하는열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000).
  8. 제 5항에 있어서, 상기 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000)은
    상기 엔진부(500)가 웜업이 완료되면 상기 제 1 밸브(1a)는 차단되며 상기 라디에이터부(600) 및 상기 제 2 냉각수모듈(300)의 냉각수가 순환되는 것을 특징으로 하는 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템(2000).
  9. 삭제
  10. 삭제
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