KR101746443B1 - 차량용 열전 발전기 - Google Patents

Abstract

열전현상을 이용하여 엔진의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 열전발전기가 개시된다. 차량용 열전발전기는, 차량의 배기관이 관통하는 소음기 내부에 상기 배기관을 사이에 두고 상기 배기관의 길이방향에 수직하게 배열되는 다수의 중공 사각형 고온부; 상기 다수의 중공 사각형 고온부의 내부를 엇갈리게 관통하며 그 내부에 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 공동 사각기둥 형태로 제작되며 외측면에서 상기 고온부와 접촉되고 내측면에서 상기 저온부와 접촉되도록 설치되어 상기 외측면과 상기 내측면의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 다수의 열전모듈을 포함한다. 열전효율이 향상되며 작은 크기의 차량용 열전발전기를 실현할 수 있다.

Description

차량용 열전 발전기{Thermoelectric generator of vehicle}

본 발명은 열전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 배기가스의 열기를 이용하여 발전하는 차량용 열전 발전기에 관한 것이다.

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 배기시스템에 설치되는 열전발전기에 사용된다.

도 1은 차량의 열전발전기를 보여주는 단면도이다.

도시한 바와 같이, 차량의 배기시스템에 설치되는 열전발전기(10)는 고온의 배기가스가 지나가는 6각형의 배기열 회수장치(40), 상기 배기열 회수장치(40) 외측에 설치되며 내부로 냉각수가 지나가는 상기 냉각장치(30), 그리고 상기 배기열 회수장치(40)의 외측과 상기 냉각장치(30) 내측에 접촉하여 양단의 온도차이에 의해 전기를 발생시키는 상기 다수의 열전모듈(20)을 포함한다.

상기 배기열 회수장치(40) 내부에는 고온의 배기가스가 흐르면서 열에너지가 상기 열전모듈(20)로 전달된다. 상기 냉각장치(30) 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 파이프(32)가 형성되어 상기 배기열 회수장치(40)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 내측과 상기 냉각장치(30)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 외측 사이의 온도차이를 증가시킨다. 이와 같이 상기 열전모듈(20)의 내측과 외측의 온도차이를 크게 함으로써 자동차의 배기시스템에 설치되는 열전발전기의 효율을 증가시키게 된다.

열전발전기에서 많은 전기를 생산하기 위해서는, 즉 열전발전 효율을 높이기 위해서는 배기가스의 열에너지가 상기 열전모듈에 효율적으로 전달되어야 한다. 그러나 상기한 종래의 차량용 열전발전기에서는, 배기가스의 열에너지가 고온부로 충분히 전달되지 않아 배기가스의 열에너지 회수 능력이 떨어지고 따라서 열전발전기의 열전효율이 저하되는 문제를 안고 있다.

또한, 종래의 차량용 열전발전기는 냉각장치(30)가 많은 면적을 차지함에도 열교환 면적이 작아 열전달율이 낮아 크기에 비하여 열전발전효율이 낮은 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로, 작고 열전발전 효율이 향상되는 차량용 열전발전기를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명, 차량의 배기관이 관통하는 소음기 내부에 상기 배기관을 사이에 두고 상기 배기관의 길이방향에 수직하게 배열되는 다수의 중공 사각형 고온부; 상기 다수의 중공 사각형 고온부의 내부를 엇갈리게 관통하며 그 내부에 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 공동 사각기둥 형태로 제작되며 외측면에서 상기 고온부와 접촉되고 내측면에서 상기 저온부와 접촉되도록 설치되어 상기 외측면과 상기 내측면의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 다수의 열전모듈을 포함하는, 차량용 열전발전기를 제공한다.

상기 저온부는 다수의 사행관이 교대로 연결되는 형태를 가질 수 있다.

상기 열전모듈의 외측면은 상기 고온부의 내부면에 밀착하도록 결합되고 상기 저온부의 외측면은 상기 열전모듈의 내부면에 밀착하도록 결합될 수 있다.

본 발명의 차량용 열전발전기에 따르면, 전기를 생산하는 열전모듈이 고온의 배기가스와 직접적으로 접촉함으로써 열전도율을 극대화할 수 있다.

본 발명의 차량용 열전발전기는 차량의 소음기 내부에 설치됨으로써 배기가스의 소음을 감소시킴과 동시에 배기가스의 열에너지를 흡수하는 일거양득의 효과가 있다.

또한, 냉각수가 열전모듈의 중심을 통과하므로 열전모듈의 상하좌우면이 열전발전에 활용되어 열전효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 차량용 열전발전기는 그 크기가 작아 패키징에 유리하며 그 구조가 단순하여 제품의 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명의 차량용 열전발전기는 열전도율이 높기 때문에 사용되는 열전모듈의 수가 적어 제작비용이 절감되고 전체 중량도 감소되는 이점이 있다.

도 1은 종래의 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 'B' 부분의 확대단면도이다.
도 4는 도 2의 A-A' 선에 따라 취한 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2의 'B' 부분의 확대단면도이다. 도 4는 도 2의 A-A' 선에 따라 취한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는, 차량의 엔진(도시하지 않음)에서 배기되는 고온의 배기가스가 흐르는 배기관(62)이 내부에 설치되는 소음기(60) 내부에 설치된다.

상기 차량용 열전발전기(100)는, 상기 소음기(60) 내부에서 상기 배기관(62)의 길이방향에 수직하게 평행하게 설치되는 고온부(110), 상기 고온부(110) 내부를 엇갈리게 관통하며 내부에 엔진의 냉각 시스템(도시하지 않음)에 의해 순환되는 냉각수가 흐르는 저온부(130), 그리고 상기 고온부(110)와 상기 저온부(130) 사이에 설치되어 상기 고온부(110)와 상기 저온부(130) 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 열전모듈(120)을 포함한다.

상기 고온부(110)는 중공 사각기둥 형상을 가지며 상기 소음기(60) 내부를 흐르는 상기 고온의 배기가스와 접촉한다. 상기 배기가스와 열교환하여 가열된다.가열된 고온부(110)는 상기 열전모듈(120)의 외측면을 가열하게 된다.

상기 저온부(130)는 상기 다수의 고온부(110) 내부를 엇갈리게 관통하도록 다수의 관이 교대로 연결되는 지그재그형 관의 형태를 가진다. 이웃하는 상기 저온부(130)가 연결되는 부위는 상기 소음기(60) 외측으로 돌출된다. 그러나, 설계자의 의도에 따라, 상기 연결부위는 상기 소음기(60) 내부에 위치할 수 있다.

상기 내부를 흐르는 상기 냉각수는 상기 배기가스의 유동방향과 반대방향으로 흐른다. 즉, 상기 소음기(60)의 하류측에서 상기 냉각수가 상기 저온부(130)로 유입되고 상기 소음기(60)의 상류측에서 상기 냉각수가 배출된다. 이렇게 함으로써, 상기 저온부(130)에 의해 냉각되는 상기 열전모듈(120)의 내측면 온도는 균일하게 유지된다.

상기 열전모듈(120)은 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 공동 사각기둥 형태로 제작된다. 상기 열전모듈(120)은 차량의 배터리(도시하지 않음)에 전기적으로 연결된다.

상기 열전모듈(120)은 상기 고온부(110)의 내측에 끼워맞춤되어 상기 열전모듈(120)의 외측면과 상기 고온부(110)의 내측면 사이의 접촉저항은 감소된다. 즉, 상기 고온부(110)의 내표면에서 상기 열전모듈(120)의 외표면으로의 열전도도가 향상된다.

상기 열전모듈(120)의 내부에는 상기 저온부(130)가 역시 끼워맞춤되어, 상기 고온부(110)와 상기 열전모듈(120)에서와 같이, 상기 저온부(130)의 외표면과 상기 열전모듈(120)의 내표면 사이의 접촉 저항이 감소된다. 즉, 상기 저온부(130)의 외표면에서 상기 열전모듈(120)의 내표면으로의 열전도도가 향상된다.

위에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기의 작용을 설명한다.

엔진이 구동되면, 엔진에서 고온의 배기가스가 배출되고 상기 배기가스는 상기 배기관(62)을 통하여 상기 소음기(60) 내부로 유입된다. 상기 소음기(60) 내부로 유입된 상기 고온의 배기가스는 상기 고온부(110)의 외표면과 열교환하여 상기 고온부(110)를 가열한다. 상기 가열된 고온부(110)는 그 내표면에서 접촉하는 상기 열전모듈(120)의 외표면을 가열하게 되어 상기 열전모듈(120)의 외표면의 온도는 상승한다.

한편, 상기 엔진의 냉각 시스템에 의해 순환되는 상기 냉각수는 상기 소음기(60)의 하류측에서 상기 저온부(130) 내부로 유입된다. 상기 냉각수는 상기 저온부(130)를 엇갈리게 흐르는 동안 그 외표면과 접촉하고 있는 상기 열전모듈(120)의 내표면을 냉각시킨다.

따라서, 상기 열전모듈(120)의 외표면과 내표면에는 온도차가 발생된다. 이러한 온도차에 의해 상기 열전모듈(120) 내부에서는 전기가 발생되고 상기 발생된 전기는 상기 열전모듈(120)과 전기적으로 연결되는 차량의 배터리를 충전한다. 상기 저온부(130)를 흐르면서 상기 열전모듈(120)을 냉각시킨 상기 냉각수는 상기 소음기(60)의 상류측으로 배출되어 상기 냉각 시스템으로 되돌아 간다.

설명한 바와 같이, 본 발명의 차량용 열전발전기는 차량의 소음기 내부에 설치됨으로써 그 설치공간이 적고 배기가스와 직접적으로 열교환함으로써 열전발전 효율이 향상되는 장점이 있다.

또한, 다수의 열전모듈을 소음기 내부를 관통하는 배기관을 사이에 두고 배열함으로써 많은 양의 전기를 생산할 수 있으며 생산된 전기를 이용하여 차량의 배터리를 충전하는 이점이 있다.

따라서, 본 발명의 차량용 열전발전기는 배터리를 충전시키기 위해 가해지는 엔진의 부하를 줄이고 연비를 향상시키는 효과가 있다.

60: 소음기 62: 배기관
100: 열전발전기 110: 고온부
120: 열전모듈 130: 저온부

Claims (3)

1. 차량의 배기관이 관통하는 소음기 내부에 상기 배기관을 사이에 두고 상기 배기관의 길이방향에 수직하게 배열되는 다수의 중공 사각형 고온부;
   다수의 지그재그형 관이 교대로 연결되는 형태를 가지고, 상기 다수의 중공 사각형 고온부의 내부를 엇갈리게 관통하며 그 내부에 냉각수가 흐르는 저온부; 그리고
   P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 공동 사각기둥 형태로 제작되며 외측면에서 상기 고온부와 접촉되고 내측면에서 상기 저온부와 접촉되도록 설치되어 상기 외측면과 상기 내측면의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 다수의 열전모듈을 포함하고,
   상기 냉각수는 상기 소음기의 하류측에서 상기 저온부 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전기.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전모듈의 외측면은 상기 고온부의 내부면에 밀착하도록 결합되고 상기 저온부의 외측면은 상기 열전모듈의 내부면에 밀착하도록 결합되는 차량용 열전발전기.

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