KR101801247B1 - 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템 - Google Patents

중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기열을 이용한 열전발전 시스템 및 배기열을 이용하여 냉각수를 가열하는 배기열회수 통합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각채널을 배기관 내부에 구비하여 냉각 구조를 간소화 하고, 냉각채널의 일정 구간에서는 열전발전을 수행하고, 냉각채널의 다른 구간에서는 냉각수를 가열하도록 하되, 배기열을 선택적으로 열전발전 또는 냉각수 가열을 위해 공급하도록 한 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템에 관한 것이다.

Description

중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템{Thermoelectric generation and Exhaust heat recovery integrated system having inner cooling channel}
본 발명은 배기열을 이용한 열전발전 시스템 및 배기열을 이용하여 냉각수를 가열하는 배기열회수 통합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각채널을 배기관 내부에 구비하여 냉각 구조를 간소화 하고, 냉각채널의 일정 구간에서는 열전발전을 수행하고, 냉각채널의 다른 구간에서는 냉각수를 가열하도록 하되, 배기열을 선택적으로 열전발전 또는 냉각수 가열을 위해 공급하도록 한 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 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 부착시킨 열전발전시스템과, 냉각채널의 외면에 흡열핀을 구비한 배기열회수시스템을 통합하여 냉각채널의 구성을 간소화한 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템을 제공함에 있다.
또한 배기가스 유동공간을 열전발전을 위한 공간과, 냉각수 가열을 위한 공간으로 구분하고, 각 공간에 선택적으로 배기가스를 공급하기 위한 밸브를 구비하여 엔진의 상태에 따라서 열전발전과 냉각수 가열을 선택적으로 구현한 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템은, 내부에 배기가스가 유동하는 상부케이스 및 하부케이스; 내부에 냉매가 유동하며, 외면 둘레를 따라 상기 배기가스가 유동하도록 상기 상부케이스와 하부케이스 사이에 상기 배기가스가 유동하는 방향을 따라 구비되는 냉각채널; 및 상기 냉각채널의 외면에 구비되는 복수 개의 열전소자; 를 포함하되, 상기 냉각채널은, 내부를 유동하는 냉각수의 가열을 위한 가열공간과, 상기 열전소자를 냉각시키기 위한 열전발전공간으로 구획된다.
이때, 상기 냉각채널은, 길이방향을 따라 상측에 형성된 제1 채널; 및 상기 제1 채널과 구획되며, 길이방향을 따라 하측에 형성된 제2 채널; 을 포함하며, 상기 제1 채널의 상측에는 상방으로 연장 형성된 흡열핀이 구비되고, 상기 제2 채널의 하측에는 열전소자가 구비된다.
또한, 상기 냉각채널은, 상류단의 단면적이 상류측으로 갈수록 좁게 형성되며, 하류단의 단면적이 하류측으로 갈수록 좁게 형성된다.
또한, 상기 상부케이스는, 상기 냉각채널의 상측에 형성되어 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 상측으로 안내하며, 상기 냉각채널의 하측에 형성되어 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 하측으로 안내하고, 상기 상부케이스 및 상기 하부케이스의 폭은 상기 상부케이스 및 상기 하부케이스의 상류측에 연결된 배기관의 폭보다 넓게 형성된다.
또한, 상기 통합 시스템은, 상기 상부케이스로 공급되는 배기가스의 제어를 위한 제1 밸브; 및 상기 하부케이스로 공급되는 배기가스의 제어를 위한 제2 밸브; 를 포함한다.
또한, 상기 통합 시스템은, 상기 제1 및 제2 밸브의 개방 및 밀폐를 제어하는 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 엔진의 초기 시동 시 제1 밸브를 개방하며, 냉각수가 일정 온도에 도달할 경우 제1 밸브를 밀폐한다.
또한, 상기 통합 시스템은, 상기 제1 밸브가 밀폐될 경우, 상기 제1 채널의 냉각수 공급을 중단한다.
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 통합 시스템은, 상기 상부케이스 및 하부케이스로 유입되는 배기가스가 폭 방향으로 균일하게 배분되어 유동하도록 상기 상부케이스 및 하부케이스의 내면 중앙에 상기 배기가스의 유동을 안내하는 상부 블록; 및 하부 블록이 구비된다.
아울러, 상기 통합 시스템은, 상기 제1 채널의 상측을 밀폐하는 상판; 상기 상판의 하측 외면에서 하방으로 연장 형성된 제1 냉매 안내핀; 상기 제2 채널의 하측을 밀폐하는 하판; 및 상기 하판의 상측 외면에서 상방으로 연장 형성된 제2 냉매 안내핀; 을 포함한다.
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.
또한, 냉각채널을 열전발전을 위한 영역과 냉각수 가열을 위한 영역으로 구분하여 배기열 역시 열전발전을 위한 영역과 냉각수 가열을 위한 영역에 선택적으로 공급하도록 구성하여 엔진의 초기 냉간 운전 시 냉각수의 정상온도 도달을 유도하고, 냉각수가 정상온도에 도달할 경우 열전발전에 배기열이 집중되도록 구현하여 배기열을 이용한 발전 효율 및 회수 효율을 최대화 시킨 장점이 있다.
도 1은 종래의 열전발전 시스템 개략 단면도
도 2는 본 발명의 열전발전 시스템 사시도
도 3은 본 발명의 열전발전 시스템 분해사시도
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 및 배기열회수 통합 시스템(200)의 사시도가 도시 있다. 도시된 바와 같이 통합 시스템(200)은 배기관(100, 300) 상에 구비되며, 더욱 상세하게는 상류측 배기관(100)과 하류측 배기관(300) 사이에 배기의 흐름 방향을 따라 설치될 수 있다. 통합 시스템(200)의 직경은 배기관(100, 300)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 따라서 상류측 배기관(100)에서 유입되는 배기가스의 열에너지를 적절히 분배받아 열전소자를 통해 발전한 후 하류측 배기관(300)을 통해 열교환된 배기가스를 토출하게 된다.
또한 상기 배기가스의 열에너지를 적절이 분배받아 냉각수를 가열시킨 후 하류측 배기관(300)을 통해 열교환된 배기가스를 토출하게 된다.
통합 시스템(200)은 스테인리스 스틸, 알루미늄 등 다양한 종류의 재료로 구성될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 통합 시스템(200)의 분해사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 통합 시스템(200)의 길이 방향 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 통합 시스템(200)은 상류측 배기관(100)에서 통합 시스템(200)으로 배기가스를 유입시키는 유입관(211)과, 통합 시스템(200)에서 하류측 배기관(300)으로 배기가스를 유출시키는 유출관(212)을 포함한다. 또한, 유입관(211)과 유출관(212) 사이에 위치하며, 내부에 배기가스가 유동하는 상부케이스(210a) 및 하부케이스(210b)를 포함한다. 또한, 상부케이스(210a)와 하부케이스(210b) 사이에는 냉각채널(230)이 구비된다. 냉각채널(230)은 중심을 기준으로 상측에 냉각수 가열공간(P1, 도 5 참조)이 형성된 제1 채널(230a)과, 하측에 열전발전공간(P2, 도 5 참조)이 형성된 제2 채널(230b)로 구분될 수 있다. 또한 제1 채널(230a)의 상측을 밀폐하여 상부케이스(210a)와 제1 채널(230a)을 구획하는 상판(240)과, 제2 채널(230b)의 하측을 밀폐하여 하부케이스(210b)와 제2 채널(230b)을 구획하는 하판(270)을 포함한다. 하판(270)의 하측 외면에는 열전소자(250)가 부착되며, 열전소자(250)의 외측에는 열전소자(250)가 수용되는 소자덮개(260)가 구비된다. 또한, 소자덮개(260)와 하판(270) 사이에는 실링을 위한 가스켓(252)이 구비된다.
상술한 바와 같이 구성된 통합 시스템(200)의 가장 큰 특징은 배기가스가 유동하는 상부케이스(210a)와 하부케이스(210b) 사이에 냉각채널(230)이 구비되고, 냉각채널(230)의 일정영역의 외부에 열전소자(250)를 부착하여 열전소자(250)의 외면이 배기가스와 열교환하여 열을 발생시키고, 내면이 냉각채널(230)의 내부를 유동하는 냉매와 열교환하여 냉각됨에 있다. 또한, 제1 채널(230a)의 상측을 밀폐하는 상판(240)에 흡열핀(241, 도 5 참조)을 구비하여 흡열핀(241)을 이용해 제1 채널(230a)의 내부를 유동하는 냉각수를 가열시킴에 그 목적이 있다.
냉각채널(230)은 중심을 기준으로 상측에 냉각수 가열공간(P1)이 형성된 제1 채널(230a)과, 하측에 열전발전공간(P2)이 형성된 제2 채널(230b)로 구분될 수 있다. 제1 채널(230a)의 하류단에는 제1 냉매유입구(H1)가 형성되며, 상류단에는 제1 냉매유출구(H2)가 형성된다. 따라서 제1 냉매유입구(H1)를 통해 유입된 냉각수가 제1 채널(230a)의 내부를 유동한 후 제1 냉매유출구(H2)를 통해 배출될 수 있다. 또한, 제2 채널(230b)의 하류단에는 제2 냉매유입구(H3)가 형성되며, 상류단에는 제2 냉매유출구(H4)가 형성된다. 따라서 제2 냉매유입구(H3)를 통해 유입된 냉각수가 제2 채널(230b)의 내부를 유동한 후 제2 냉매유출구(H4)를 통해 배출될 수 있다. 제1 및 제2 냉매유입구(H1, H3)로 공급되는 냉각수는 서로 동일한 공급부를 통해 공급받을 수도 있고, 각각 독립된 공급부를 통해 공급받을 수도 있다. 제1 채널(230a)을 유동하는 냉각수는 배기가스를 통해 가열되며(배기열 회수), 제2 채널(230b)을 유동하는 냉각수는 열전소자부(250)의 열전소자를 냉각시키기 위해 구성된다.
이때 제1 채널(230a)과 제2 채널(230b)은 일부가 서로 연통될 수 있다. 즉 제2 냉매유출구(H4)로 유출된 냉각수가 제1 냉매유입구(H1)로 유입되도록 구성할 수 있다. 이는, 초기 시동 시 차가운 냉각수가 제2 채널(230b)로 유입되어 열전소자(250)를 냉각(열에너지 흡수)하고 제2 채널(230b)을 빠져나온 데워진 냉각수가 제1 채널(230a)로 유입되어 배기열을 회수하여 나오는 구조를 통해 열효율을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 열전발전을 수행하면서 전체 공간에서 배기열을 회수할 수 있으므로 배기열회수 효율이 더욱 증가할 수 있다.
통합 시스템(200)은 스테인리스 스틸, 알루미늄 등 다양한 종류의 재료로 구성될 수 있으며, 제2 채널(230b)을 유동하는 냉각수는 물 뿐만 아니라 물보다 끓는 점이 낮은 FC 계열 (FC-77, FC-72) 등이 적용될 수 있다.
또한 냉각채널(230)의 상류단은 상류측으로 갈수록 단면적이 줄어들도록 제1 배기가스 안내부(221)가 구성된다. 제1 배기가스 안내부(221)는 상류측으로 갈수록 뾰족하게 구성하여 상류 배기관(100)으로부터 유입되는 배기가스와의 마찰을 최소화하였다. 또한, 냉각채널(230)의 하류단은 하류측으로 갈수록 단면적이 줄어들도록 제2 배기가스 안내부(222)가 구성된다. 제2 배기가스 안내부(221)는 하류측으로 갈수록 뾰족하게 구성하여 하류 배기관(300)으로 토출되는 배기가스의 와류 현상을 방지하여 배압 조절이 용이하도록 구성하였다.
이때 상판(240)은 제1 채널(230a)의 상측을 밀폐하는 흡열판(243)과, 흡열판(243)의 상측 외면에 핀의 형태로 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀(241)을 포함한다. 흡열핀(241)은 배기가스의 유동 방향을 따라 형성되며, 배기가스의 유동 방향에 직교하는 방향을 따라 이격 배치된다. 추가적으로 상판(240)은 흡열판(243)의 하측 외면에 핀의 형태로 복수 개가 이격 배치되는 제1 냉매 안내핀(242)을 더 포함한다. 제1 냉매 안내핀(242)은 배기가스의 유동 방향에 직교하는 방향을 따라 형성되며, 배기가스의 유동 방향을 따라 이격 배치된다. 제1 냉매 안내핀(242)은 제1 채널(230a)의 내부를 유동하는 냉매를 와류화 하여 제1 채널(230a)의 내부 전영역의 냉매로 인한 온도차를 최소화하도록 구성된다.
열전소자(250)는 제2 채널(230b)의 하측을 밀폐하는 하판(270)의 하측 외면에 복수 개가 이격 배치될 수 있다. 따라서 제1 채널(230a) 내부를 유동하는 냉각수는 상판(240)을 통해 배기열을 효율적으로 회수하여 가열되며, 열전소자(250)는 외면에 맞닿는 배기가스와 내면에 맞닿는 냉매의 온도차를 통해 발전하도록 구성된다. 하판(270)은 제2 채널(230b)의 하측을 밀폐하는 하부플레이트(272)와, 하부플레이트(272)의 상측 외면에 핀의 형태로 복수 개가 이격 배치되는 제2 냉매 안내핀(271)을 더 포함한다. 제2 냉매 안내핀(271)은 배기가스의 유동 방향에 직교하는 방향을 따라 형성되며, 배기가스의 유동 방향을 따라 이격 배치된다. 제2 냉매 안내핀(271)은 제2 채널(230b)의 내부를 유동하는 냉매를 와류화 하여 제2 채널(230b)의 내부 전영역의 냉매로 인한 온도차를 최소화하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 통합 시스템(200)은 냉각채널(230)의 상류단에 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)가 구비될 수 있다. 제1 밸브(V1)는 개폐에 따라 제1 채널(230a)과 열교환을 위한 배기가스의 유동을 제어하도록 구성되며, 제2 밸브(V2)는 개폐에 따라 제2 채널(230b)과 열교환을 위한 배기가스의 유동을 제어하도록 구성된다. 즉 제1 밸브(V1)는 제1 배기공간(A1, 도 5 참조)으로 공급되는 배기가스를 차단 또는 공급시키도록 구성되며, 제2 밸브(V2)는 제2 배기공간(A2, 도 5 참조)으로 공급되는 배기가스를 차단 또는 공급시키도록 구성된다. 제1 밸브와 제2 밸브의 밀폐 및 개방 시점은 후술하기로 한다.
도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전 시스템(200)의 폭 방향 단면도가 도시되어 있다. 냉각채널(230a, 230b)은 상부케이스(210a)와 하부케이스(210b) 사이에 배치되며, 제1 채널(230a)의 상측에 제1 배기공간(A1)이 형성되도록 제1 채널(230a)의 상측에 상부케이스(210a)가 결합되고, 제2 채널(230b)의 하측에 제2 배기공간(A2)이 형성되도록 제2 채널(230b)의 하측에 하부케이스(210b)가 결합된다. 냉각채널(230a, 230b)은 제1 채널(230a)의 내부에 형성된 가열공간(P1)과 제2 채널(230b)의 내부에 형성된 열전발전공간(P2)으로 구분됨에 따라 가열공간(P1)은 제1 배기공간(A1)에 인접 배치되고, 열전발전공간(P2)은 제2 배기공간(A2)에 인접 배치된다.
따라서 제1 채널(230a)의 상측은 상판(240)을 통해 밀폐되고, 제2 채널(230b)의 하측은 하판(270)을 통해 밀폐되며, 하판(270)의 하면에는 열전소자(250)가 결합된다. 열전소자(250)는 기밀을 위해 소자덮개(260)가 열전소자(250)의 노출부를 감싸도록 하판(270)에 결합될 수 있다.
또한 상류 배기관(100)으로부터 유입되는 배기가스가 제1 및 제2 배기공간(A1, A2)의 중앙으로만 유동하는 것을 방지하기 위해 상부케이스(210a) 상에는 상부블록(280)이 구비되고, 하부케이스(210b) 상에는 하부블록(290)이 구비된다. 상부블록(280)은 상부케이스(210a)의 상측 내면 중앙에 설치되고, 하부블록(290)은 하부케이스(210b)의 하측 내면 중앙에 설치되어 중앙으로 유동하는 배기가스와 마찰하도록 구성된다. 따라서 상부블록(280) 및 하부블복(290)은 제1 및 제2 배기공간(A1, A2)의 전영역으로 배기가스가 고루 유동하도록 하는 역할을 수행한다.
이하 본 발명의 제1 채널(230a)과 상판(240)의 결합구성 및 제2 채널(230b)과 열전소자(250), 소자덮개(260) 및 하판(270)의 결합구성에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6에는 본 발명의 일실시 에에 따른 통합 시스템(200)의 길이 방향 부분 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 제1 채널(230a)의 상측은 개방 형성될 수 있고, 개방면은 상부플레이트(243)를 통해 밀폐될 수 있다. 상부플레이트(243)의 상측에는 상방으로 연장 형성된 복수 개의 흡열핀(241)이 이격 배치될 수 있다. 따라서 제1 배기공간(A1)을 유동하는 배기가스의 배기열을 보다 효율적으로 흡수하여 가열공간(P1)을 유동하는 냉각수를 가열시키게 된다. 또한, 상부플레이트(243)의 하측에는 하방으로 연장 형성된 복수 개의 제1 냉매 안내핀(242)이 이격 배치될 수 있다. 제1 냉매 안내핀(242)은 제1 채널(230a)의 내부를 유동하는 냉매를 와류화 하여 제1 채널(230a)의 내부 전영역의 냉매로 인한 온도차를 최소화하도록 구성된다.
도 7에는 본 발명의 일실시 에에 따른 통합 시스템(200)의 길이 방향 부분 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 제2 채널(230b)의 하측은 개방 형성될 수 있고, 개방면은 하부플레이트(272)를 통해 밀폐될 수 있다. 따라서 하부플레이트(272)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 하부플레이트(272)에 나사 또는 볼트(260a) 결합될 수 있다. 이때 하부플레이트(272)의 볼트 결합부(272a) 두께는 다른 영역의 두께보다 두껍게 구성하여 나사 또는 볼트 결합이 가능하도록 구성된다. 또한, 하부플레이트(272)의 상측에는 상방으로 연장 형성된 복수 개의 제2 냉매 안내핀(271)이 이격 배치될 수 있다. 제2 냉매 안내핀(271)은 제2 채널(230b)의 내부를 유동하는 냉매를 와류화 하여 제2 채널(230b)의 내부 전영역의 냉매로 인한 온도차를 최소화하도록 구성된다.
아울러 하부플레이트(272)와 소자덮개(260) 사이에는 가스켓(252)을 구비하여 배기가스가 열전소자(250)로 유입되지 않도록 구성된다.
소자덮개(260)의 외면에는 외측으로 돌출 형성되는 흡열핀(261)이 복수 개 이격 배치되어 열교환 효율을 높이게 된다.
도 8에는 본 발명의 일실시 에에 따른 소자덮개(260)의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 소자덮개(260)에는 열전소자(T)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 하부플레이트(272)와의 볼트 결합을 위한 볼트홀(262)이 이격 형성될 수 있다.
도 9에는 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.
이하, 본 발명의 통합 시스템(200)을 이용한 열전발전 및 배기열회수 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)의 제어를 위한 제어부를 포함한다.
제어부는 엔진의 초기 시동(냉간 시동) 시 제1 밸브(V1)를 개방하여 제1 배기공간(A1)으로 배기가스가 유동하도록 구성된다. 따라서 엔진의 초기 시동 시에도 배기열을 통해 냉각수를 가열시켜 냉각수가 신속하게 정상온도에 도달하도록 돕는다. 이때 제2 밸브(V2)는 개방될 수도 있고, 밀폐 될 수도 있다.
엔진이 충분히 가열되어 냉각수가 정상온도에 도달한 경우 제1 밸브(V1)를 밀폐하여 제1 배기공간(A1)으로 배기가스의 공급을 중단한다. 또한 제2 밸브(V2)를 개방하여 배기가스가 제2 배기공간(A2)으로 전부 공급되도록 한다. 따라서 열전발전 효율이 증대될 수 있다. 이때 제1 채널(230a)로 공급되는 냉각수도 중단함으로써 냉각수의 냉각 성능을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 제1 채널(230a)을 유동하는 냉각수는 엔진에만 연결하며, 제2 채널(230b)을 유동하는 냉각수는 엔진 및 라디에이터에 연결하여 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
아울러 제1 채널(230a)로 유동되는 냉각수는 냉각수온 유지를 위해 주기적으로 공급과 차단을 반복할 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 : 상류측 배기관
200 : 열전발전 시스템
210a : 상부케이스 210b : 하부케이스
211 : 유입관 212 : 유출관
221 : 제1 배기가스 안내부 222 : 제2 배기가스 안내부
230 : 냉각채널 230a : 제1 채널
230b : 제2 채널
H1, H3 : 제1 및 제2 냉매유입구 H2, H4 : 제1 및 제2 냉매유출구
240 : 상판 241 : 흡열핀
242 : 제1 냉매 안내핀 243 : 상부플레이트
250 : 열전소자 251 : 써멀패드
252 : 가스켓
260 : 소자덮개 261 : 흡열핀
270 : 하판 271 : 제2 냉매 안내핀
272 : 하부플레이트
300 : 하류측 배기관

Claims (12)

  1. 내부에 배기가스가 유동하는 상부케이스 및 하부케이스;
    내부에 냉매가 유동하며, 외면 둘레를 따라 상기 배기가스가 유동하도록 상기 상부케이스와 하부케이스 사이에 상기 배기가스가 유동하는 방향을 따라 구비되는 냉각채널; 및
    상기 냉각채널의 외면에 구비되는 복수 개의 열전소자; 를 포함하되,
    상기 냉각채널은,
    내부를 유동하는 냉각수의 가열을 위한 가열공간과, 상기 열전소자를 냉각시키기 위한 열전발전공간으로 구획되되,
    상기 냉각채널은,
    길이방향을 따라 상측에 형성된 제1 채널; 및
    상기 제1 채널과 구획되며, 길이방향을 따라 하측에 형성된 제2 채널; 을 포함하며,
    상기 제1 채널의 상측에는 상방으로 연장 형성된 흡열핀이 구비되고, 상기 제2 채널의 하측에는 열전소자가 구비되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각채널은,
    상류단의 단면적이 상류측으로 갈수록 좁게 형성되며, 하류단의 단면적이 하류측으로 갈수록 좁게 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  4. 내부에 배기가스가 유동하는 상부케이스 및 하부케이스;
    내부에 냉매가 유동하며, 외면 둘레를 따라 상기 배기가스가 유동하도록 상기 상부케이스와 하부케이스 사이에 상기 배기가스가 유동하는 방향을 따라 구비되는 냉각채널; 및
    상기 냉각채널의 외면에 구비되는 복수 개의 열전소자; 를 포함하되,
    상기 냉각채널은,
    내부를 유동하는 냉각수의 가열을 위한 가열공간과, 상기 열전소자를 냉각시키기 위한 열전발전공간으로 구획되되,
    상기 상부케이스는, 상기 냉각채널의 상측에 형성되어 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 상측으로 안내하며,
    상기 하부케이스는, 상기 냉각채널의 하측에 형성되어 상기 배기가스를 상기 냉각채널의 하측으로 안내하고,
    상기 상부케이스 및 상기 하부케이스의 폭은 상기 상부케이스 및 상기 하부케이스의 상류측에 연결된 배기관의 폭보다 넓게 형성되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 통합 시스템은,
    상기 상부케이스로 공급되는 배기가스의 제어를 위한 제1 밸브; 및
    상기 하부케이스로 공급되는 배기가스의 제어를 위한 제2 밸브;
    를 포함하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 통합 시스템은,
    상기 제1 및 제2 밸브의 개방 및 밀폐를 제어하는 제어부; 를 포함하며,
    상기 제어부는,
    엔진의 초기 시동 시 제1 밸브를 개방하며, 냉각수가 일정 온도에 도달할 경우 제1 밸브를 밀폐하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 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 및 배기열회수 통합 시스템.
  9. 제 8항에 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 및 배기열회수 통합 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 소자덮개는,
    외면에서 외측으로 연장 형성되며, 복수 개가 이격 배치되는 흡열핀;
    을 포함하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 통합 시스템은,
    상기 상부케이스 및 하부케이스로 유입되는 배기가스가 폭 방향으로 균일하게 배분되어 유동하도록
    상기 상부케이스 및 하부케이스의 내면 중앙에 상기 배기가스의 유동을 안내하는 상부 블록; 및 하부 블록이 구비되는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 시스템은,
    상기 제1 채널의 상측을 밀폐하는 상판;
    상기 상판의 하측 외면에서 하방으로 연장 형성된 제1 냉매 안내핀;
    상기 제2 채널의 하측을 밀폐하는 하판; 및
    상기 하판의 상측 외면에서 상방으로 연장 형성된 제2 냉매 안내핀;
    을 포함하는, 중앙 냉각채널 형 열전발전 및 배기열회수 통합 시스템.
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