KR101724847B1 - 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에서 발생하는 고온의 폐열을 활용하여 전기에너지를 생성할 수 있는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈에 관한 것이다.
이에 본 발명에서는, 열전도성을 갖는 시트 타입의 그라파이트층; 상기 그라파이트층의 일면에 서로 일정 간격을 두고 접합되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제1열전달체; 상기 제1열전달체 사이마다 일정 간격을 두고 배치되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제2열전달체; 하기 제2펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 P형 열전 소재의 제1펠렛; 상기 제1펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 N형 열전 소재의 제2펠렛;으로 구성되는 열전소자를 포함하며, 상기 제1펠렛과 제2펠렛 중 적어도 하나는 이웃한 열전달체의 경사면부와 사잇각을 갖는 형태로 일측 모서리부만 선접촉 형태로 접합되어서 상기 그라파이트층을 구부릴 때 이웃한 열전달체의 경사면부와 면접촉 형태로 접촉하게 된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈을 제공한다.

Description

엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈 {Thermoelectric Generation Device for vehicle}
본 발명은 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에서 발생하는 고온의 폐열을 활용하여 전기에너지를 생성할 수 있는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 열전발전 기술은 차량의 고온 열원부(배기계, 엔진부 등)에 냉각시스템과 함께 장착한 열전소자를 이용하여 전기에너지를 발생시켜서 연비를 향상하는 기술로, 상기 열전소자는 온도구배에 의해 전자가 이동되는 특성을 가진다.
통상적으로 열전 변환 성능은 적용하는 열전 소재의 고유 ZT값(열전물질의 열전특성을 나타내는 성능지수)에 의해 좌우되며, 열전 소재의 고온부와 저온부 간에 온도차에 비례하여 출력이 결정되기 때문에 적용부위의 열원 특성 파악을 통한 열전 소재, 소자의 설계 및 시스템 구성이 중요하다.
현재 개발되고 있는 대부분의 차량용 열전발전 시스템은 고온의 배기가스가 통과하는 배기파이프에 적용되고 있으나, 원하는 만큼 높은 출력을 내지 못하고 있다.
현재 배기파이프에 적용할 것을 고려하여 개발되고 있는 열전소자 및 시스템의 경우, 소자 내부 혹은 모듈이나 시스템으로 구성될 때 생기는 계면과의 접합 공정 중에 발생하는 각종 열전달 저항 인자로 인해 배기가스의 열이 소자 내부로 효과적으로 전달되지 못하고 외부로의 열손실(heat loss)이 발생하여 효율이 낮아지게 된다.
알려진 바와 같이, 열전소자의 경우 고온부와 저온부 간에 온도차가 크게 발생할수록 출력이 증가하게 되며, 이를 위한 냉각시스템의 열교환 효율이 전체 열전시스템의 성능을 좌우하게 된다.
기존 배기파이프에 적용되는 열전시스템의 경우, 저온부의 냉각효율을 높이기 위해 별도의 수냉식 냉각시스템을 장착하게 되는데, 상기 수냉식 냉각시스템의 경우 냉각수, 열교환기, 모터, 유로채널 등을 포함하여 구성됨에 의해 시스템 무게와 부피를 크게 증가시킨다.
또한 차량용 배기시스템의 경우 통상 엔진과 상대적으로 근접한 앞 구간과 이보다 멀리 떨어진 뒷 구간 간에 열량 차이가 발생하므로, 상기 뒷 구간에 배치되는 배기파이프에 적용되는 열전시스템의 경우 전체 시스템의 효율이 저하된다.
한편, 차량용 엔진의 경우 항상 500℃ 이상(디젤의 경우 600℃, 가솔린의 경우 800℃ 이상)의 고온이 유지되며, 엔진냉각수를 이용할 경우 별도의 냉각시스템이 필요하지 않아, 엔진에 적용되는 열전시스템의 경우 기존 배기파이프에 적용되는 열전시스템 대비 컴팩트하고 가벼우며 높은 출력성능을 가지도록 구성 가능하다.
열전소자를 엔진에 적용하기 위해서는, 엔진 후방에 배치되는 배기계의 촉매 활성화 온도에 영향을 미치지 않아야 하고, 엔진의 복잡한 형상에 부착 가능해야 하며, 또한 부착면적을 최대한 넓게 형성하여 엔진에 부착 가능한 열전소자의 개수를 증가시켜 출력을 높일 수 있어야 한다.
종래의 열전소자는 한 쌍의 절연 기판(substrate)에 소정 패턴으로 전도판(metal interconnects)이 부착되고 P형 열전 소재로 이루어진 제1펠렛과 N형 열전 소재로 이루어진 제2펠렛이 한 쌍으로 상기 전도판에 접합된 구조로 구성되는데, 펠렛을 전도판에 접합하거나 전도판을 기판(substrate)에 접합하기 위한 솔더링(soldering) 소재의 내열성 때문에, 고온에서 높은 ZT값을 가지는 열전 소재가 있더라도 고온에 적용가능한 열전소자를 개발하는 데에는 한계가 있다.
또한 상기 기판은 열을 효과적으로 전달하면서 전기적으로 절연이 되어야 하기 때문에 세라믹 소재가 많이 사용되고 있는데, 세라믹 소재의 특성상 진동 및 열충격 등에 대한 내구성이 매우 취약한 단점이 있다.
한국등록특허 10-1062129 (2011년08월29일) 한국등록특허 10-1079325 (2011년10월27일)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진에서 발생하는 고온의 폐열을 활용하여 전기에너지를 생성할 수 있고 이를 통해 연비 향상을 도모할 수 있는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 열전도성을 갖는 시트 타입의 그라파이트층; 상기 그라파이트층의 일면에 서로 일정 간격을 두고 접합되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제1열전달체; 상기 제1열전달체 사이마다 일정 간격을 두고 배치되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제2열전달체; 하기 제2펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 P형 열전 소재의 제1펠렛; 상기 제1펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 N형 열전 소재의 제2펠렛;으로 구성되는 열전소자를 포함하며, 상기 제1펠렛과 제2펠렛 중 적어도 하나는 이웃한 열전달체의 경사면부와 사잇각을 갖는 형태로 일측 모서리부만 선접촉 형태로 접합되어서 상기 그라파이트층을 구부릴 때 이웃한 열전달체의 경사면부와 면접촉 형태로 접촉하게 된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1열전달체와 제2열전달체는 사다리꼴 모양의 단면을 가지고 형성되고, 상기 제1펠렛과 제2펠렛은 평행사변형 모양의 단면을 가지고 형성되어서, 서로 이웃한 열전달체와 펠렛의 경사면부 중 적어도 하나의 경사면부의 기울기를 변경 조절하여 이웃한 열전달체와 펠렛 간에 사잇각 조절이 가능하다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 열전소자는 열전달 효율을 증대하기 위하여, 히트파이프의 일단부에 둘러싼 형태로 부착된다.
상기 열전발전 모듈은, 상기 열전소자와 히트파이프로 구성된 열전 카트리지들을 수납한 하우징이 형성되고, 상기 하우징은 열전 카트리지의 길이방향을 따라 상단측의 응축부와 하단측의 증발부로 기밀하게 구분되어, 상기 증발부에는 히트파이프의 일단부를 둘러싼 열전소자 측으로 배기가스를 유동시키기 위해 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기가스 유입구와 배기가스 배출구가 형성되고, 상기 응축부에는 히트파이프의 타단부 측으로 엔진냉각수를 유동시키기 위해 엔진냉각수의 유입 및 배출을 위한 냉각수 유입구와 냉각수 배출구가 형성된다.
그리고, 상기 히트파이프는 진공상태의 파이프부 내에 작동유체를 봉입한 막대 타입으로, 상기 파이프부의 소재는 스테인리스 금속(SUS, Steel Use Stainless)을 사용하고, 상기 작동유체(working fluid)는 머큐리(Mercury), 소듐(Sodium), 리튬(Lithium), 실버(Silver) 중에서 선택된 어느 하나의 소재 또는 선택된 둘 이상을 혼합한 복합재를 사용한다.
본 발명에 따른 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈은, 열전소자를 구성함에 있어 기판을 삭제한 구조로 구성함에 의해 기판상에 접합을 위한 별도의 접합(솔더링) 소재나 공정을 이용하지 않고, 펠렛 및 열전달체의 형상을 이용하여 솔리드 간 접촉(SOLID TO SOLID CONTACT) 형태로 구성하게 됨으로써, 종래 기판에 사용되는 솔더링 소재의 내열특성으로 인해 적용이 불가능하였던 엔진 폐열과 같은 고온 영역에서의 열전발전이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 모듈을 나타낸 도면
도 2는 도 1의 A-A에서 본 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 히트파이프에 부착하기 전 펼쳐진 형태를 나타낸 도면
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 수백 도에 달하는 고온의 엔진 폐열을 활용한 열전 변환을 위하여, 기판을 생략한 구조로서 계면 접합을 위한 솔더링 소재를 삭제하여 솔더링 소재의 내열온도로 인한 한계를 극복하고 엔진 폐열과 같은 고온영역에서의 열전발전이 가능하도록 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 모듈은 복수 개의 열전 카트리지(100)를 모듈화한 열전 카트리지 유닛으로서 구성되며, 상기 각 열전 카트리지(100)는 막대(rod) 형상의 히트파이프(110)와 이 히트파이프(110)의 하단부에 부착되는 열전소자(120)로 구성된다.
도 2 및 도 3을 보면, 상기 열전소자(120)는 열전도성을 갖는 그라파이트층(122)과, 그라파이트층(122) 상에 부착되는 복수 개의 제1열전달체(124)와 제2열전달체(126), 상기 제1열전달체(124)와 제2열전달체(126) 사이에 배치되는 복수 개의 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)을 포함한다.
그라파이트층(122)은 그라파이트(graphite) 소재의 배리어(barrier) 특성을 이용하여 열전소자(120)의 고온 산화를 방지하는 동시에 열원(배기가스)의 열을 효과적으로 전달하는 것으로, 플렉시블하게 휘어질 수 있는 시트 타입으로 형성된다.
제1열전달체(124)는 열원의 열을 전달하기 위한 열전도성과 전기전도를 위한 전기전도성을 갖는 것으로, 평행사변형 모양의 단면을 가지는 육면체로 형성되어 일정 기울기의 경사를 가지는 경사면부에 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)이 이웃하게 되고, 서로 평행하게 마주하는 상하면 중 상대적으로 넓은 일면이 그라파이트층(122)의 일면에 부착된다.
이때 제1열전달체(124)는 그라파이트층(122) 상에 서로 일정 간격을 두고 소정 패턴으로 적층 배열된다.
제2열전달체(126) 역시 열원의 열을 전달하기 위한 열전도성과 전기전도를 위한 전기전도성을 갖는 것으로, 제1열전달체(124) 사이마다 서로 일정 간격을 두고 배치되며, 평행사변형 모양의 단면을 가지는 육면체로 형성되어 일정 기울기의 경사를 가지는 경사면부에 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)이 이웃하게 되고, 서로 평행하게 마주하는 상하면 중 상대적으로 좁은 일면이 그라파이트층(122)의 일면과 일정 간격을 두고 마주하게 된다.
상기 제2열전달체(126)의 서로 평행하게 마주하는 상하면 중 상대적으로 넓은 타면은, 열전소자(120)로 히트파이프(110)의 일단부를 둘러쌀 때 히트파이프(110)의 표면에 접촉하게 된다.
그리고, 제1펠렛(128)은 P형 열전 소재로 이루어진 것으로, 제1열전달체(124)와 제2열전달체(126) 사이에 삽입된 형태로 이웃하여 접합되며, 이때 이웃한 제2열전달체(또는 제1열전달체)의 경사면부에는 면접촉 형태로 부착되고, 이웃한 제1열전달체(124, 또는 제2열전달체)의 경사면부에는 일측 모서리부만 선접촉 형태로 부착된다.
제2펠렛(130)은 N형 열전 소재로 이루어진 것으로, 역시 제1열전달체(124)와 제2열전달체(126) 사이에 삽입된 형태로 이웃하여 접합되고, 이때 이웃한 제2열전달체(126, 또는 제1열전달체)의 경사면부에는 면접촉 형태로 부착되고, 이웃한 제1열전달체(124, 또는 제2열전달체)의 경사면부에는 일측 모서리부만 선접촉 형태로 부착된다.
즉, 제2열전달체(126, 혹은 제1열전달체)의 양측 경사면부에는 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)이 각각 면접촉 형태로 부착되고, 제1열전달체(124, 혹은 제2열전달체)의 양측 경사면부에는 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)의 일측 모서리부만 선접촉 형태로 각각 부착된다.
상기 제1열전달체(124)의 양측 경사면부에 제1펠렛(128) 및 제2펠렛(130)이 각각 선접촉 형태로 부착됨에 의해 그 사이에 사잇각(α)이 형성되고(도 3 참조), 이에 그라파이트층(122)을 플렉시블하게 구부려 히트파이프(110)를 감쌀 때 제1열전달체(124)의 양측 경사면부에 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)이 면접촉 형태로 접촉하게 된다.
따라서, 상기 사잇각(α)을 변경 조절함에 의해 열전소자(120)의 표면 곡률(curvature)을 조정할 수 있다.
상기 제1열전달체(124)와 제2열전달체(126)는 사다리꼴 모양의 단면을 가지고, 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)은 평행사변형 모양의 단면을 가지므로, 서로 이웃한 열전달체와 펠렛의 경사면부 중 적어도 하나의 경사면부의 기울기를 변경 조절하여서 열전달체와 펠렛 간에 사잇각(α) 조절이 가능하다.
그리고, 상기 제1펠렛(128)과 제2펠렛(130)은 제1 및 제2열전달체(124,126) 사이에 교번하여 배치되며, 열전달체를 사이에 두고 접합된 형태로 한 쌍을 이룬 PN 접합 쌍들이 직렬로 연결되고, 이때 열전달체는 기존 열전달을 위한 기판과 전기전도를 위한 전도체의 역할을 동시에 하므로, 온도 구배에 의해 전자가 이동됨에 의해 전기를 생성하게 된다.
이렇게 구성되는 열전소자(120)는 열전달 및 열교환 효율을 증대하기 위하여, 히트파이프(110)의 일단부에 둘러싼 형태로 부착된다.
상기 히트파이프(110)는 진공상태의 파이프부(컨테이너) 내에 적량(適量)의 작동유체를 봉입한 막대(rod) 타입의 열교환체로서, 엔진 폐열과 같은 고온에서 사용하기 위하여, 상기 파이프부의 소재는 스테인리스 금속(SUS, Steel Use Stainless)을 사용하고, 상기 파이프부 내부의 작동유체(working fluid)는 머큐리(Mercury), 소듐(Sodium), 리튬(Lithium), 실버(Silver) 중에서 적용하고자 하는 온도 범위에 따라 선택된 어느 하나의 소재 또는 선택된 둘 이상을 혼합한 복합재를 사용한다.
알려진 바와 같이, 히트파이프는 한 끝에서 가열하면 내부의 작동유체가 온도 변화에 의해 진공상태의 파이프부 중앙부를 지나 다른 끝으로 이동하여 응축되어서 자동으로 복귀하게 되며, 이러한 작동유체의 유동에 의해 열교환이 이루어지게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 열전 카트리지(100)는 히트파이프(110)와 이 히트파이프(110)의 하단부에 부착된 열전소자(120)로 형성되며, 복수 개의 열전 카트리지(100)를 모듈화하여 열전발전 모듈이 구성된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 열전발전 모듈은 복수 개의 열전 카트리지(110)를 하우징(140) 내에 수납한 형태로 구성되며, 상기 하우징(140)은 열전 카트리지(100)의 길이방향을 따라 상단측의 응축부(142)와 하단측의 증발부(146)로 기밀하게 구분되어 증발부(146)에는 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 통과할 수 있게 공급되고 응축부(142)에는 엔진냉각수가 흐를 수 있게 공급된다.
이를 위하여, 상기 증발부(146)에는 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기가스 유입구(143)와 배기가스 배출구(144)가 형성되고, 응축부(142)에는 엔진냉각수의 유입 및 배출을 위한 냉각수 유입구(147)와 냉각수 배출구(148)가 형성된다.
상기 증발부(146)로 유입된 배기가스는 히트파이프(110)의 일단부를 둘러싼 열전소자(120)의 외측을 지나면서 열전소자(120) 측으로 열기를 전달하고, 응축부(142)로 유입된 엔진냉각수는 히트파이프(110)의 타단부(열전소자가 둘러싸지 않은 부분) 측으로 흐르면서 히트파이프(110)의 열전도도를 높이게 된다.
이에 의해 열전소자(120)는 배기가스의 열기를 전달받는 외측(그라파이트층 및 제1열전달체)과 히트파이프(110)의 열기를 전달받는 내측(제2열전달체) 간에 온도차를 크게 유지하게 되어 높은 출력을 내게 된다.
즉, 상기 그라파이트층(122) 및 제1열전달체(124)를 통해 열원(배기가스)으로부터의 열이 제1펠렛(128) 및 제2펠렛(130)에 전달되고, 제2열전달체(126)를 통해 히트파이프(110)로부터의 열이 제1펠렛(128) 및 제2펠렛(130)에 전달되어, 열전소자(120)의 외측과 내측 간에 온도차를 크게 유지하게 된다.
그리고, 상기 하우징(140)의 하측에는 열전소자(120)에서 생성된 전기를 출력하기 위한 전극부(150)가 구성된다.
상기 전극부(150)는 열전소자(120)에서 생성된 전기가 흐를 수 있게 전기적으로 열전소자(120)와 연결되며, 도면으로 나타내지는 않았으나, 열전소자(120)에서 출력되는 전기를 내보내기 위한 전극단자와 DC-DC 컨버터 등을 구비하여 열전발전에 의해 열전소자에서 출력되는 전기를 차량 전장부하에 사용할 수 있도록 변환하는 장치로서 구성된다.
이와 같이 본 발명에서는 열전소자(120)를 구성함에 있어 기판을 삭제한 구조로 구성함에 의해 기판상에 접합을 위한 별도의 접합(솔더링) 소재나 공정을 이용하지 않고, 펠렛(128,130) 및 열전달체(124,126)의 형상을 이용하여 솔리드 간 접촉(SOLID TO SOLID CONTACT) 형태로 구성하게 됨으로써, 종래 기판에 사용되는 솔더링 소재의 내열특성으로 인해 적용이 불가능하였던 엔진 폐열과 같은 고온 영역에서의 열전발전이 가능하다.
또한 열전발전의 경우 통상 열전소자의 기판(substrate)과 같은 계면이 생기게 되면 열손실(thermal loss)이 발생하여 열전달 효율이 저감되는데, 본 발명에서는 기판을 삭제한 구조로서 열전소자(120)가 열전달체(126)를 통해 바로 열교환체인 히트파이프(110)에 부착되고 배기가스가 바로 열전달체(124)를 통해 펠렛(128,130)으로 전달되므로 열전달 효율이 크게 증대된다.
또한, 상기의 열전소자(120)는 디젤 엔진 촉매부의 전단에 장착되는 경우 상시 고온의 열원공급이 가능한 점에서 기존 대비 고출력이 가능하다.
한편, 상기 열전소자(120)를 변형하여 열전달체(124,126)와 펠렛(128,130) 간에 사잇각(α)을 삭제하고 평판 타입의 열전소자를 구성하는 경우, 평판형의 히트파이프의 표면에 열전소자를 솔더링 혹은 브레이징 공정을 통해 접합하여 열전 카트리지를 구성함에 의해 엔진부 이외에 차량의 저온 영역에서의 열전발전이 가능하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 열전 카트리지 110 : 히트파이프
120 : 열전소자 122 : 그라파이트층
124 : 제1열전달체 126 : 제2열전달체
128 : 제1펠렛 130 : 제2펠렛
140 : 하우징 142 : 응축부
143 : 배기가스 유입구 144 : 배기가스 배출구
146 : 증발부 147 : 냉각수 유입구
148 : 냉각수 배출구 150 : 전극부

Claims (5)

  1. 열전도성을 갖는 시트 타입의 그라파이트층;
    상기 그라파이트층의 일면에 서로 일정 간격을 두고 접합되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제1열전달체;
    상기 제1열전달체 사이마다 일정 간격을 두고 배치되며, 열전도성 및 전기전도성을 갖는 복수 개의 제2열전달체;
    하기 제2펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 P형 열전 소재의 제1펠렛;
    상기 제1펠렛과 교번하여 상기 제1열전달체와 제2열전달체 사이에 이웃하여 접합되는 N형 열전 소재의 제2펠렛;
    으로 구성되는 열전소자를 포함하며, 상기 제1펠렛과 제2펠렛 중 적어도 하나는 이웃한 열전달체의 경사면부와 사잇각을 갖는 형태로 일측 모서리부만 선접촉 형태로 접합되어서 상기 그라파이트층을 구부릴 때 이웃한 열전달체의 경사면부와 면접촉 형태로 접촉하게 된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열전달체와 제2열전달체는 사다리꼴 모양의 단면을 가지고 형성되고, 상기 제1펠렛과 제2펠렛은 평행사변형 모양의 단면을 가지고 형성되어서, 서로 이웃한 열전달체와 펠렛의 경사면부 중 적어도 하나의 경사면부의 기울기를 변경 조절하여 이웃한 열전달체와 펠렛 간에 사잇각 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소자는 열전달 효율을 증대하기 위하여, 히트파이프의 일단부에 둘러싼 형태로 부착된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전소자와 히트파이프로 구성된 열전 카트리지들을 수납한 하우징이 형성되고, 상기 하우징은 열전 카트리지의 길이방향을 따라 상단측의 응축부와 하단측의 증발부로 기밀하게 구분되어, 상기 증발부에는 히트파이프의 일단부를 둘러싼 열전소자 측으로 배기가스를 유동시키기 위해 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기가스 유입구와 배기가스 배출구가 형성되고, 상기 응축부에는 히트파이프의 타단부 측으로 엔진냉각수를 유동시키기 위해 엔진냉각수의 유입 및 배출을 위한 냉각수 유입구와 냉각수 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 히트파이프는 진공상태의 파이프부 내에 작동유체를 봉입한 막대 타입으로, 상기 파이프부의 소재는 스테인리스 금속(SUS, Steel Use Stainless)을 사용하고, 상기 작동유체(working fluid)는 머큐리(Mercury), 소듐(Sodium), 리튬(Lithium), 실버(Silver) 중에서 선택된 어느 하나의 소재 또는 선택된 둘 이상을 혼합한 복합재를 사용하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용가능한 열전발전 모듈.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102485351B1 (ko) * 2018-07-31 2023-01-05 현대자동차주식회사 열전 변환 모듈 및 열전 변환 모듈 시스템
DE102018130761A1 (de) * 2018-12-04 2020-06-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung und Fahrzeug

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009278830A (ja) 2008-05-16 2009-11-26 Toyota Motor Corp 熱電発電装置
JP2009545164A (ja) 2006-07-28 2009-12-17 ビーエスエスティー エルエルシー セグメント型熱電素子を使用する熱電発電システム

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITMI20022548A1 (it) * 2002-12-02 2004-06-03 Peltech Srl Modulo termoelettrico integrato
JP2009141079A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 Jr Higashi Nippon Consultants Kk 熱電素子モジュール
US8889453B2 (en) 2009-02-05 2014-11-18 Lg Chem, Ltd. Thermoelectric element module and manufacturing method
KR101079325B1 (ko) 2009-04-28 2011-11-04 갑을오토텍(주) 금속박판을 사용하는 열전소자
JP5908975B2 (ja) 2011-06-06 2016-04-26 ジェンサーム インコーポレイテッドＧｅｎｔｈｅｒｍ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ カートリッジベース熱電システム
JP5831019B2 (ja) * 2011-08-01 2015-12-09 富士通株式会社 熱電変換モジュール
KR101349013B1 (ko) * 2012-04-23 2014-01-10 현대자동차주식회사 형상기억소재를 이용한 전자전기 부품의 하우징

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009545164A (ja) 2006-07-28 2009-12-17 ビーエスエスティー エルエルシー セグメント型熱電素子を使用する熱電発電システム
JP2009278830A (ja) 2008-05-16 2009-11-26 Toyota Motor Corp 熱電発電装置

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