KR101791898B1 - 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도차에 따라 전기를 발생시키는 열전발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기열을 이용한 열전발전 시스템에 있어서, 열전소자의 냉각채널을 배기관 내부에 구비하여 냉각 구조를 간소화 하고, 배기가스의 유량 분배를 원활하게 하여 열전발전 효율을 향상시킨 열전발전 시스템에 관한 것이다.

Description

중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템{Thermoelectric generation system having inner cooling channel}
본 발명은 온도차에 따라 전기를 발생시키는 열전발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기열을 이용한 열전발전 시스템에 있어서, 열전소자의 냉각채널을 배기관 내부에 구비하여 냉각 구조를 간소화 하고, 배기가스의 유량 분배를 원활하게 하여 열전발전 효율을 향상시킨 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템에 관한 것이다.
열전소자를 사용하여 어떤 물질을 가열 또는 냉각시키거나, 열전소자의 양단에 존재하는 온도차를 이용하여 전기적 발전을 통해 전류를 생산해내는 것은, 새로운 청정에너지 개발에 있어 최근 각광을 받고 있다.
한편, 자동차의 내연기관에 공급되는 총 에너지 중 고온의 배기가스를 통해 버려지는 에너지양은 전체의 30~40%에 달하고 있고, 실제 동력에 사용되는 량 역시 20~32%정도에 불과하다. 따라서 배기가스의 열을 이용하여 차량의 전기에너지를 생산하는 열전발전시스템이 개발되고 있다. 이는 물질에 가해지는 열차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생현상(Zeebeck effect) 또는 이 현상을 역으로 하여 외부에서 부하되는 전기에너지에 의해 발생하는 물질의 발열 또는 흡열(Peltier effect)을 총칭하는 열전변환기술을 이용하는 것이다.
도 1에는 종래의 배기가스의 열을 이용한 열전발전장치의 개략 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전발전장치(10)는 열전소자(1)의 일면이 고온의 배기가스가 유동하는 배기관(2)의 외면에 부착된 형태를 이루며, 열전소자(1)의 타면은 냉각을 위한 방열핀(3)이 구비되거나 별도의 수냉식 냉각수단이 구비될 수 있다. 따라서 열전소자(1)의 일면은 배기가스에 의해 가열되고, 타면은 방열핀(3)을 통해 냉각되어 열전소자(1)의 일면과 타면의 온도차에 따라 발전하도록 구성된다.
상기와 같은 구성의 종래의 열전발전장치는 열전소자(1)가 배기관(2)에 부착되는 경우가 대부분인데, 배기관(2)의 두께가 두껍거나 열전소자(1)가 배기관(2)의 외면에 완벽하게 밀착되지 않을 경우 열손실이 발생하여 배기열이 열전소자(1)에 효율적으로 전달되지 못하는 문제가 발생한다. 또한, 방열핀(3)도 마찬가지로 열전소자(1)에 완벽하게 밀착되지 않을 경우 냉각 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.
또한 열전소자(1)가 배기관(2)의 외부에 둘레를 따라 다수 개 부착될 경우 이를 냉각시키기 위한 냉각수단의 크기가 커지고 장치가 복잡해지는 단점이 있다.
또한 배기관(2)을 다수개로 분리하여 각각의 분리된 배기관에 열전소자를 부착하는 경우에도 배기가스의 유량이 각각의 분리된 배기관에 균일하게 분배되지 않아 각각의 배기관에서의 발전효율이 제각각인 문제점이 발생한다.
한국공개특허 제2015-0000305호(2015.01.02. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배기관의 내부에 냉각채널을 구비한 후 냉각채널의 외면에 열전소자를 부착시킴으로써 냉각채널의 구성을 간소화한 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템을 제공함에 있다.
또한 배기관을 분할하지 않고 단일의 배기관으로 구성이 가능하여, 배기가스의 유량이 균일하기 때문에 연소 공정에 영향을 미치지 않고, 열전 발전 효율을 향상시킨 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템은, 내부에 배기가스가 유동하는 외관; 내부에 냉매가 유동하며, 외면 둘레를 따라 상기 배기가스가 유동하도록 상기 외관의 내부에 길이 방향을 따라 구비되는 냉각채널; 및 상기 냉각채널의 외면에 구비되는 복수 개의 열전소자; 를 포함한다.
이때, 상기 냉각채널은, 상기 외관의 중앙에 구비되며, 상류단은 단면적이 상류측으로 갈수록 좁게 형성되며, 하류단은 단면적이 하류측으로 갈수록 좁게 형성된다.
또한, 상기 열전발전 시스템은, 상기 열전소자의 외면을 감싸도록 구비되며, 둘레가 상기 냉각채널의 외면에 결합되는 소자덮개; 및 상기 냉각채널과 열전소자의 사이 및 상기 열전소자와 소자덮개 사이에 구비되는 써멀패드; 를 더 포함한다.
또한, 상기 소자덮개의 하면과, 상기 냉각채널의 외면 사이에는 기밀을 위한 가스켓이 구비되되, 상기 열전소자의 하면과 상기 냉각채널 사이에는 상기 써멀패드가 구비되도록 써멀패드 안착부가 중공 형성된다.
또한, 상기 소자덮개는, 외면에서 외측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀; 을 포함한다.
또한, 상기 외관은, 상류단에 연결된 상류 배기관으로부터 배기가스를 유입 받고, 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 상측으로 안내하는 상부외관; 및 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 하측으로 안내하는 하부외관; 을 포함하며, 상기 외관의 폭은 상기 상류 배기관의 폭보다 넓게 형성된다.
아울러, 상기 외관은, 상기 상부외관 및 하부외관을 유입되는 배기가스가 폭 방향으로 균일하게 배분되어 유동하도록 상기 상부외관 및 하부외관의 내면 중앙에 상기 배기가스의 유동을 안내하는 블록; 이 구비된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템은, 냉각 채널이 내부에 단일로 존재하기 때문에 냉각수의 분배가 필요하지 않아 구조가 간단해지고, 밸브 등의 추가 구성이 필요하지 않아 제조 단가가 낮아지는 장점이 있다.
또한, 냉각 채널의 덮개 일부를 두껍게 제작하여 볼트 체결이 가능하기 때문에 냉각 채널에 구비되는 열전소자나 냉각 채널이 고정되는 배기관과 실링이 가능할 정도로 견고한 체결이 가능하다.
아울러 냉각 채널의 형상 또는 유로 안내부재 등을 통해 배기관 내부를 유동하는 배기가스의 분기 및 균일한 유량으로의 배분이 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 열전발전 시스템 개략 단면도
도 2는 본 발명의 열전발전 시스템 사시도
도 3은 본 발명의 열전발전 시스템 길이 방향 단면도 (AA' 단면도)
도 4는 본 발명의 열전발전 시스템 폭 방향 단면도 (BB' 단면도)
도 5는 도 3의 부분 확대단면도
도 6은 본 발명의 덮개 평면도
도 7은 본 발명의 가스켓 평면도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템(200)의 사시도가 도시 있다. 도시된 바와 같이 열전발전 시스템(200)은 배기관 상에 구비되며, 더욱 상세하게는 상류 배기관(100)과 하류 배기관(300) 사이에 설치될 수 있다. 열전발전 시스템(200)의 직경은 상류 및 하류 배기관(100, 300)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 따라서 상류 배기관(100)에서 유입되는 배기가스의 열에너지를 적절히 분배하여 열전소자를 통해 발전한 후 하류 배기관(300)을 통해 열교환된 배기가스를 토출하게 된다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(200)의 길이 방향 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전발전 시스템(200)의 가장 큰 특징은 배기가스가 유동하는 외관(210)의 내부에 냉각채널(220)이 수용되고, 냉각채널(220)의 외부에 열전소자(250)를 부착하여 열전소자(250)의 외면이 배기가스와 열교환하여 열을 발생시키고, 내면이 냉각채널의 냉매와 열교환하여 냉각됨에 있다. 즉 열전발전 시스템(200)은 상류 배기관(100)으로부터 배기가스를 유입 받아 하류단으로 유동시키는 외관(210)과, 외관(210)의 내부에 수용되며 길이 방향을 따라 형성되는 냉각채널(220)을 포함한다. 냉각채널(220)은 외관(210)의 중심에 설치될 수 있다. 외관(210)의 상류단에는 상류 배기관(100)과의 체결을 위한 상류체결부(211)가 형성되고, 하류단에는 하류 배기관(300)과의 체결을 위한 하류체결부(212)가 형성된다. 상류체결부(211) 및 하류체결부(212)는 통상의 볼트 결합부로 이루어질 수 있다.
냉각채널(220)의 하류단에는 냉매유입구(222)가 형성되며, 상류단에는 냉매유출구(223)가 형성된다. 따라서 냉매유입구(222)를 통해 유입된 냉각수가 냉각채널(220)의 내부를 유동한 후 냉매유출구(223)를 통해 배출될 수 있다. 또한 냉각채널(220)의 상류단(221)은 상류측으로 갈수록 단면적이 줄어들도록 구성된다. 이는 냉각채널(220)의 상류단을 뾰족하게 구성하여 상류 배기관(100)으로부터 유입되는 배기가스와의 마찰을 최소화하였다. 또한, 냉각채널(220)의 하류단(225)은 하류측으로 갈수록 단면적이 줄어들도록 구성된다. 이는 냉각채널(220)의 하류단을 뾰족하게 구성하여 하류 배기관(300)으로 토출되는 배기가스의 와류 현상을 방지하여 배압 조절이 용이하도록 구성하였다.
이때 열전소자(250)는 냉각채널(220)의 외면에 복수 개가 이격 배치될 수 있다. 따라서 열전소자(250)는 외면에 맞닿는 배기가스와 내면에 맞닿는 냉매의 온도차를 통해 발전하도록 구성된다.
도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(200)의 폭 방향 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 외관(210)은 상부외관(210a)과 하부외관(210b)으로 구분된다. 냉각채널(220)은 외관(220)의 중심에 배치되며, 냉각채널(220)의 상측에 제1 배기공간(A1)이 형성되도록 냉각채널(220)의 상측에는 상부외관(210a)이 결합되고, 냉각채널(220)의 하측에 제2 배기공간(A2)이 형성되도록 냉각채널(220)의 하측에는 하부외관(210b)이 결합된다.
따라서 냉각채널(220)의 상면과 하면에 각각 열전소자(250)가 부착되며, 열전소자(250)의 기밀을 위해 소자덮개(260)가 열전소자(250)의 노출부를 감싸도록 냉각채널(220)에 결합될 수 있다.
또한 상류 배기관(100)으로부터 유입되는 배기가스가 제1 및 제2 배기공간(A1, A2)의 중앙으로만 유동하는 것을 방지하기 위해 상부외관(210a)과 하부외관(210b) 상에는 블록(270)이 구비된다. 블록(270)은 상부외관(210a)이 상측 내면 중앙과, 하부외관(210b)이 하측 내면 중앙에 설치되어 중앙으로 유동하는 배기가스와 마찰하도록 구성된다. 따라서 제1 및 제2 배기공간(A1, A2)의 전영역으로 배기가스가 고루 유동하도록 하는 역할을 수행한다.
이하 본 발명의 냉각채널(220)과 열전소자(250)의 결합부에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 5에는 본 발명의 일실시 에에 따른 열전발전 시스템(200)의 길이 방향 부분 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 냉각채널(220)의 상측 및 하측은 개방 형성될 수 있고(도면상에는 하측 냉각채널), 개방면은 냉각채널덮개(220a)를 통해 밀폐될 수 있다. 따라서 냉각채널덮개(220a)의 외면에 열전소자(250)가 부착된다. 이때 열전소자(250)의 상하면에는 써멀패드(251)를 부착하여 열전도율을 높일 수 있다. 최종적으로 열전소자(250)의 외측면에는 소자덮개(260)가 열전소자(250)의 노출면을 감싸도록 구성되며, 둘레가 냉각채널덮개(220a)에 나사 또는 볼트(220b) 결합될 수 있다. 이때 냉각채널덮개(220a)의 볼트 결합부 두께는 다른 영역의 두께보다 두껍게 구성하여 나사 또는 볼트 결합이 가능하도록 구성된다.
아울러 냉각채널덮개(220a)와 소자덮개(260) 사이에는 가스켓(252)을 구비하여 배기가스가 열전소자(250)로 유입되지 않도록 구성된다.
소자덮개(260)의 외면에는 외측으로 돌출 형성되는 흡열핀(265)이 복수 개 이격 배치되어 열교환 효율을 높이게 된다.
도 6에는 본 발명의 일실시 에에 따른 소자덮개(260)의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 소자덮개(260)에는 열전소자(250)가 안착되는 열전소자 안착부(261)가 행과 열을 이루어 이격 배치되며, 열전소자 안착부(261) 사이에는 전기 배선의 경유를 위한 배선홈(263)이 형성된다. 그 외의 영역에는 냉각채널덮개(220a)와의 볼트 결합을 위한 볼트홀(262)이 이격 형성될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일실시 에에 따른 가스켓(252)의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 가스켓(252)에는 써멀패드(251)가 안착되는 써멀패드 안착부(252a)가 행과 열을 이루어 이격 배치되며, 써멀패드 안착부(252a)는 열전소자(250)가 설치되는 대응부위에 형성될 수 있다. 그 외의 영역에는 볼트가 관통되는 볼트홀(252b)이 이격 형성될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 상류 배기관 300 : 하류 배기관
200 : 열전발전 시스템
210 : 외관
220 : 냉각채널 222 : 냉매유입구
223 : 냉매유출구
250 : 열전소자
260 : 소자덮개
270 : 블록

Claims (7)

  1. 내부에 배기가스가 유동하는 외관;
    내부에 냉매가 유동하며, 외면 둘레를 따라 상기 배기가스가 유동하도록 상기 외관의 내부에 길이 방향을 따라 구비되는 냉각채널; 및
    상기 냉각채널의 외면에 구비되는 복수 개의 열전소자; 를 포함하되,
    상기 냉각채널은, 측면이 외부에 노출되도록 상측에 제1 배기공간이 형성되며, 하측에 제2 배기공간이 형성되도록 상기 외관을 구획하고,
    상기 냉각채널의 측면에 냉매유입구(222) 및 냉매유출구(223)가 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각채널은,
    상기 외관의 중앙에 구비되며, 상류단은 단면적이 상류측으로 갈수록 좁게 형성되며, 하류단은 단면적이 하류측으로 갈수록 좁게 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전발전 시스템은,
    상기 열전소자의 외면을 감싸도록 구비되며, 둘레가 상기 냉각채널의 외면에 결합되는 소자덮개; 및
    상기 냉각채널과 열전소자의 사이 및 상기 열전소자와 소자덮개 사이에 구비되는 써멀패드;
    를 더 포함하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 소자덮개의 하면과, 상기 냉각채널의 외면 사이에는 기밀을 위한 가스켓이 구비되되, 상기 열전소자의 하면과 상기 냉각채널 사이에는 상기 써멀패드가 구비되도록 써멀패드 안착부가 중공 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 소자덮개는,
    외면에서 외측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀;
    을 포함하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 외관은,
    상류단에 연결된 상류 배기관으로부터 배기가스를 유입 받고,
    상기 배기가스를 상기 냉각채널의 상측으로 안내하는 상부외관; 및
    상기 배기가스를 상기 냉각채널의 하측으로 안내하는 하부외관; 을 포함하며,
    상기 외관의 폭은 상기 상류 배기관의 폭보다 넓게 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 외관은,
    상기 상부외관 및 하부외관을 유입되는 배기가스가 폭 방향으로 균일하게 배분되어 유동하도록 상기 상부외관 및 하부외관의 내면 중앙에 상기 배기가스의 유동을 안내하는 블록; 이 구비되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 시스템.
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