KR101806676B1 - 열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스로부터 직접적으로 열을 전달받을 수 있는 구조를 구현함으로써 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드에 관한 것이다.
본 발명에 의한 열전발전시스템은 차량의 배기계부품의 일측에 설치된 베이스기판; 및 상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 열전모듈;을 포함하고, 상기 배기계부품의 일측에는 상기 배기계부품의 내부공간과 소통하는 개구(opening)가 형성되며, 상기 베이스기판은 상기 배기계부품의 개구를 밀봉하도록 설치되고, 상기 베이스기판은 열전도성을 가진 재질로 이루어지며, 상기 베이스기판의 표면에는 절연층이 형성될 수 있다.

Description

열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드{THERMOELECTRIC GENERATING SYSTEM AND VEHICLE EXHAUST MANIFOLD HAVING THE SAME}
본 발명은 열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스로부터 직접적으로 열을 전달받을 수 있는 구조를 구현함으로써 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 열전발전시스템은 열전모듈(thermoelectric module)에 의해 발전하도록 구성되며, 열전모듈은 그 양면의 온도차이에 의해 열기전력을 발생하는 제베크(seeback)효과를 이용하여 발전할 수 있다.
한편, 열전발전시스템을 차량 내에 적용하고자 할 경우, 열전모듈의 온도차이를 충분히 확보하기 위하여 열전모듈의 일면을 차량의 배기파이프 또는 배기매니폴드 등과 같은 배기계부품에 장착하고, 열전모듈의 타면에 냉각시스템을 장착할 수 있다.
이에 따라 , 열전모듈의 일면은 배기가스의 높은 열에 의해 고온부를 형성할 수 있고, 열전모듈의 타면은 냉각시스템의 냉각수에 의해 저온부를 형성할 수 있으며, 이러한 열전모듈의 고온부 및 저온부의 온도차이에 의해 발전할 수 있다.
하지만, 종래의 배기파이프 또는 배기매니폴드 등과 같은 배기계부품의 비평탄면 또는 열전모듈의 형상적 한계 등으로 인해 열전모듈과 배기계부품의 표면 사이의 접촉면적을 충분히 확보할 수 없고, 이로 인해 배기가스의 열이 열전모듈의 일면으로 전달되는 도중에 열손실이 심하게 발생하는 단점이 있었다.
이러한 열손실에 의해 열전모듈의 고온부 및 저온부 사이의 온도차이를 충분히 확보하지 못함에 따라 열전모듈의 발전효율이 낮아지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 하여 연구개발된 것으로, 배기가스의 열이 열전발전시스템 측으로 전달될 때 열전달 저항요소를 최소화함으로써 열전모듈의 고온부 및 저온부 사이의 온도차이를 대폭 증가시킬 수 있고, 이를 통해 그 발전효율을 향상시킬 수 있는 열전발전시스템 및 이를 포함하는 차량용 배기매니폴드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 열전발전시스템으로,
차량의 배기계부품의 일측에 설치된 베이스기판; 및
상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 열전모듈;을 포함하고,
상기 배기계부품의 일측에는 상기 배기계부품의 내부공간과 소통하는 개구(opening)가 형성되며,
상기 베이스기판은 상기 배기계부품의 개구를 밀봉하도록 설치되고,
상기 베이스기판은 열전도성을 가진 재질로 이루어지며, 상기 베이스기판의 표면에는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈은,
상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 하부 전극;
상기 하부 전극의 상부에 이격되게 배치된 하나 이상의 상부 전극;
상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되고, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 접속된 적어도 한 쌍의 열전소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스기판은 그 저면에 형성된 복수의 열전달핀을 가지고, 상기 복수의 열전달핀은 상기 배기계부품의 개구에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 개구의 가장자리에는 상기 차량용 배기계부품의 바디 벽(body wall)의 두께 보다 큰 두께를 가진 후벽부(thick-wall portion)가 형성되며, 상기 열전달핀의 두께는 상기 후벽부의 두께 보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈은 상기 상부 전극의 상면에 배치된 하나 이상의 상부 기판을 더 포함하고, 상기 상부 기판에는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스기판은 하나 이상의 관통부를 가지고, 상기 하부 전극은 상기 관통부를 밀봉하도록 설치되며, 상기 하부 전극의 저면에는 복수의 열전달핀이 형성되며, 상기 복수의 열전달핀이 상기 베이스기판의 관통부를 관통하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈을 상기 베이스기판 측으로 가압하는 가압부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가압부재를 가압하는 가압플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈의 주위에 채워지는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 차량용 배기매니폴드로서,
적어도 일부의 상면에 형성된 평탄면을 가지고, 상기 평탄면의 일측에 개구(opening)가 형성된 매니폴드 바디(manifold body); 및
상기 매니폴드 바디의 평탄면에 설치된 열전발전시스템;을 포함하고,
상기 열전발전시스템은 상기 매니폴드 바디의 개구를 밀봉하도록 설치된 베이스기판 및 상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 열전모듈을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스기판은 열전도성을 가진 재질로 이루어지며, 상기 베이스기판의 표면에는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈은,
상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 하부 전극;
상기 하부 전극의 상부에 이격되게 배치된 하나 이상의 상부 전극;
상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되고, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 접속된 적어도 한 쌍의 열전소자;를 포함할 수 있다.
상기 베이스기판은 그 저면에 형성된 복수의 열전달핀을 가지고, 상기 복수의 열전달핀은 상기 매니폴드 바디의 개구에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 개구의 가장자리에는 상기 매니폴드 바디의 바디 벽(body wall)의 두께 보다 큰 두께를 가진 후벽부(thick-wall portion)가 형성되며, 상기 열전달핀의 두께는 상기 후벽부의 두께 보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전모듈은 상기 상부 전극의 상면에 배치된 하나 이상의 상부 기판을 더 포함하고, 상기 상부 기판에는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스기판은 하나 이상의 관통부를 가지고, 상기 하부 전극은 상기 관통부를 밀봉하도록 설치되며, 상기 하부 전극의 저면에는 복수의 열전달핀이 형성되며, 상기 복수의 열전달핀이 상기 베이스기판의 관통부를 관통하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 배기매니폴드, 배기파이프 등과 같은 배기계부품에 장착되는 열전발전시스템 측으로 배기가스의 열을 직접적으로 전달함으로써 열전발전시스템의 고온부 및 저온부 사이의 온도차이를 대폭 증가시킬 수 있고, 이를 통해 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배기 매니폴드 및 이에 연결된 촉매컨버터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배기 매니폴드를 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 화살표 A방향에서 바라본 평면도이다.
도 4는 도 3의 매니폴드 바디의 평탄면에 개구가 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 B-B선을 따라 도시한 단면도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전시스템이 매니폴드 바디의 개구 측에 설치된 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전시스템의 하부 전극과 베이스기판의 결합구조를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 베이스기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 8은 도 6의 상부 기판을 저부에서 바라본 저면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전시스템의 하부 전극이 베이스기판에 용접 등을 통해 결합된 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전시스템의 하부 전극이 베이스기판에 체결구를 통해 결합된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 차량용 배기 매니폴드는 매니폴드 바디(10)를 포함할 수 있다.
매니폴드 바디(10)의 일측에는 복수의 인렛부(11, inlet portions)가 외측으로 연장되고(outwardly extending), 복수의 인렛부(11)는 엔진 측에 결합됨으로써 엔진에서 생성된 배기가스가 복수의 인렛부(11)를 통해 매니폴드 바디(10) 내로 유입될 수 있다.
복수의 인렛부(11)에는 인렛 플랜지(16)가 결합될 수 있고, 인렛 플랜지(16)는 복수의 인렛부(11)와 소통하는 복수의 개구를 가질 수 있다.
매니폴드 바디(10)의 타측에는 아웃렛부(12, outlet portion)가 형성되고, 아웃렛부(12)는 촉매컨버터(15) 또는 배기파이프 등이 연결될 수 있다.
매니폴드 바디(10)의 내부에는 복수의 인렛부(11)를 통해 유입된 배기가스가 모이는 내부 공간이 형성될 수 있다.
매니폴드 바디(10)는 적어도 일면에 형성된 평탄면(13)을 가질 수 있고, 도 1 내지 도 3에는 평탄면(13)이 매니폴드 바디(10)의 상면에 형성됨이 예시되어 있다.
매니폴드 바디(10)의 적어도 일면에 평탄면(13)이 형성됨에 따라 매니폴드 바디(10)의 부피는 각 인렛부(11)의 부피 보다 크게 형성될 수 있고, 이에 매니폴드 바디(10)의 단면적이 인렛부들의 단면적 보다 크게 형성됨에 따라 배압이 감소되어 배기가스의 유동성이 대폭 향상될 수 있다.
또한, 평탄면(13)은 도 2에 도시된 바와 같이, 수평면에서 일정각도(a)로 경사지게 배치됨으로써 배기가스의 흐름을 보다 원활하게 구현할 수 있다.
그리고, 매니폴드 바디(10)의 평탄면(13)에는 복수의 스터드(14)가 상향으로 돌출되게 마련될 수 있다. 스터드(14)는 용접 등을 통해 매니폴드 바디(10)의 평탄면(13)에 고정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 매니폴드 바디(10)의 평탄면(13)에는 매니폴드 바디(10)의 내부 공간과 소통하는 개구(18, opening)가 형성될 수 있으며, 이러한 평탄면(13)에 열전발전시스템을 매우 견고하고 안정적으로 설치할 수 있고, 또한 열전발전시스템의 고온부를 개구(18) 측에 설치함으로써 배기가스의 열이 열전발전시스템 측으로 직접적으로 전달될 수 있으며, 이에 열전발전시스템의 고온부 및 저온부 사이의 온도차이를 대폭 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전발전시스템은, 베이스기판(25) 및 베이스기판(25)의 상면에 설치되는 하나 이상의 열전모듈(20)을 포함할 수 있다.
베이스기판(25)은 구리, 스테인레스 등과 같은 열전도성을 가진 재질로 이루어질 수 있고, 베이스기판(25)의 표면에는 절연층(26)이 형성될 수 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 베이스기판(25)은 배기매니폴드의 매니폴드 바디(10)의 평탄면(13)에 설치될 수 있고, 이에 베이스기판(25)의 저면은 평탄면(13)의 개구(18)와 직접적으로 면한 상태가 될 수 있다. 이렇게 베이스기판(25)이 개구(18)와 직접적으로 면한 상태이므로 매니폴드 바디(10)의 내부공간을 통과하는 배기가스의 열이 베이스기판(25) 측으로 직접적으로 전달될 수 있고, 이를 통해 배기가스의 열이 열전발전시스템으로 전달될 때 초래되는 열손실이 최소화될 수 있으므로 열전발전시스템의 고온부 및 저온부 사이의 온도차를 증가시켜 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전발전시스템은 도 1 내지 도 4의 평탄면(13)을 가진 배기매니폴드 뿐만 아니라 배기파이프 등과 배기가스가 통과하는 다양한 종류의 배기계부품에 설치될 수도 있다. 요컨대, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전발전시스템은 적어도 일면에 평탄면을 가진 배기매니폴드, 배기파이프 등과 같이 배기가스가 통과하는 다양한 종류의 배기계부품에 설치될 수도 있다.
베이스기판(25)은 개구(18)의 가장자리를 포함하여 덮을 수 있는 사이즈를 구성되고, 이에 베이스기판(25)의 저면 가장자리는 개구(18)의 가장자리에 용접 등을 통해 밀봉적으로 설치될 수 있다. 이에 개구(18)를 통해 배기가스가 외부로 누설됨을 확실하게 방지할 수 있다.
그리고, 베이스기판(25)의 저면에는 복수의 열전달핀(27)이 마련되고, 복수의 열전달핀(27)은 개구(18) 내에 배치됨으로써 복수의 열전달핀(27)을 통해 배기가스의 열이 베이스기판(25) 측으로 직접적으로 전달될 뿐만 아니라 열전달핀(27)들에 의해 열전달율을 대폭 높일 수도 있다.
한편, 개구(18)의 가장자리에는 매니폴드 바디(10)의 바디 벽(body wall)의 두께(t1) 보다 두꺼운 후벽부(19, thick-wall portion)가 형성될 수 있다.
열전달핀(27)의 두께(t3)는 후벽부(19)의 두께(t2) 보다 얇게 형성될 수 있고, 이를 통해 열전달핀(27)의 하단(27a)이 매니폴드 바디(10)의 천정면(10a)으로부터 일정간격(s)으로 이격될 수 있으며, 이에 열전달핀(27)은 매니폴드 바디(10)의 내부 공간에 인입되지 않을 수 있으므로 열전달핀(27)이 배기가스의 배압에 영향을 미치지 않을 수 있다.
또한, 각 열전달핀(27)은 배기가스의 흐름방향과 평행하게 연장될 수 있고, 이를 통해 배기가스의 배압 영향을 최소화할 수 있다.
열전모듈(20)은 베이스기판(25)의 상면에 설치되는 하나 이상의 하부 전극(23)과, 하부 전극(23)의 상부에 이격되게 배치되는 하나 이상의 상부 전극(24)과, 하부 전극(23) 및 상부 전극(24) 사이에 개재되는 적어도 한 쌍의 열전소자(21, 22)를 포함할 수 있다.
하부 전극(23)은 베이스기판(25)의 상면에 설치되고, 특히 베이스기판(25)의 절연층(26) 위에 접착제 등을 통해 고정될 수 있다.
상부 전극(24)은 하부 전극(23)의 맞은편 즉, 상부에 이격되게 배치될 수 있고, 특히 상부 전극(24)과 하부 전극(23)은 지그재그 구조로 배열될 수 있다.
한 쌍의 열전소자(21, 22)는 P형 반도체소자 및 N형 반도체소자 등과 같이 서로 반대극성으로 이루어질 수 있다.
또한, 상부 전극(24)의 상면에는 상부기판(29)이 설치될 수 있고, 상부기판(29)의 상면에는 냉각매체가 통과하는 냉각통로를 가진 냉각자켓(30)이 설치될 수도 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 복수의 열전모듈(20)이 설치되어 각 열전모듈(20)에 대응하여 복수의 냉각자켓(30)이 설치되는 경우, 복수의 냉각자켓(30)들 사이에는 연결체(32)가 설치되고, 연결체(32)는 인접한 냉각자켓(30)들 사이로 냉각매체의 흐름을 연결하는 연결통로를 가질 수 있다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전발전시스템은 배기가스의 열을 직접적으로 전달받는 베이스기판(25)이 고온부로 구성될 수 있고, 냉각자켓(30)으로부터 냉기를 전달받는 상부기판(29)은 저온부로 구성될 수 있으며, 이러한 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 열전모듈(20)을 베이스기판(25) 측으로 가압하는 가압부재(41)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가압부재(41)는 냉각자켓(30)의 상부에 설치된 가압매트로 구성될 수 있다. 가압매트는 소정의 압축율을 가지도록 세라믹섬유와 층상 실리케이트 소재가 복합된 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 가압매트(31)의 압축율에 따라 그 면압이 조절되어 열전모듈(20)에 대한 적절한 가압성능이 확보될 수 있다.
이러한 가압부재(41)에 의해 열전모듈(20) 및 냉각자켓(30)을 매니폴드 바디(10) 또는 배기파이프 등과 같은 배기계부품 측에 보다 견고하게 설치할 수 있고, 이를 통해 진동 등으로부터 열전모듈(20)이 손상됨을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 가압부재(41)에 의해 열전모듈(20)이 매니폴드 바디(10) 또는 배기파이프 등과 같은 배기계부품의 평탄면(13)에 밀착됨으로써 냉각자켓(30) 및 열전모듈(20)의 견고한 장착성을 유지할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 가압부재(41)는 완충성 및 가압성을 겸비한 메탈 메쉬(metal mesh)로 이루어질 수 있고, 이러한 메탈 메쉬는 상술한 가압매트와 유사하게 소정의 압축율을 가질 수 있고, 이러한 메탈 메쉬의 압축율에 따라 그 면압이 조절되어 열전모듈(20)에 대한 적절한 가압성능이 확보될 수 있다.
그리고, 메탈 메쉬는 완충성을 구비함에 따라 열전모듈(20)의 열팽창에 대한 적절한 완충기능을 수행할 수 있고, 이를 통해 열전모듈(20)의 손상을 더욱 효과적으로 방지할 수도 있다.
또한, 매니폴드 바디(10) 또는 배기파이프 등과 같은 배기계부품의 상부에는 히트 프로텍트 커버(50, heat protect cover)가 스터드(14)를 통해 설치될 수 있다. 이러한 히트 프로텍트 커버(50)는 열전발전시스템의 상부 및 측면을 덮도록 구성될 수 있다.
히트 프로텍트 커버(50)는 너트 등과 같은 체결구(14a)가 스터드(14)의 상단에 체결됨에 따라 매니폴드 바디(10) 또는 배기파이프 등과 같은 배기계부품의 상부를 커버하도록 설치될 수 있다. 이와 같이 히트 프로텍트 커버(50)가 매니폴드 바디(10) 또는 배기파이프 등과 같은 배기계부품의 상부를 커버함에 따라 배기가스의 열이 외부로 소실됨을 방지할 뿐만 아니라 열전모듈(20) 등을 외부의 물리적 영향으로부터 안정적으로 보호할 수 있다.
가압부재(41)의 상부에는 가압부재(41)를 가압하는 가압플레이트(42)가 설치될 수 있고, 가압플레이트(42)는 보조 스터드(46)를 통해 설치될 수 있다.
가압플레이트(42)가 보조 스터드(46)의 상단에 안착된 이후에 보조 스터드(46)의 상단 나사부에 너트 등과 같은 체결구(46a)가 체결됨에 따라 가압플레이트(42)는 가압부재(41)의 상면에 설치될 수 있다.
그리고, 열전모듈(20)의 주위에 글래스 울(glass wool) 등과 같은 단열재(45)가 밀집되게 채워질 수 있고, 이에 열전모듈(20)의 각종 부품들의 외부 이탈을 방지할 뿐만 아니라 외부로의 열손실을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이를 통해 열전모듈(20)의 저온부 및 고온부 사이의 온도차이를 충분히 확보할 수 있다.
또한, 단열재(45)는 열전모듈(20)의 주위 뿐만 아니라 히트 프로텍트 커버(50) 내에서 열전모듈(20), 냉각자켓(30), 가압매트(41), 가압플레이트(42) 등을 포위하도록 충전될 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전시스템을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전시스템은, 하부 전극(23)의 저면에 복수의 열전달핀(23a)이 형성되고, 하부 전극(23)의 열전달핀(23a)이 베이스기판(25)을 관통하여 설치됨으로써 하부 전극(23)이 배기가스의 열을 직접적으로 전달받도록 구성됨으로써 배기가스의 열전달율을 더욱 높일 수 있다.
베이스기판(25)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 관통부(25a)를 가지고, 각 관통부(25a)에는 하부 전극(23)의 열전달핀(23a)들이 관통하도록 설치되며, 하부 전극(23)은 관통부(25a)를 밀봉하도록 설치될 수 있다.
하부 전극(23)의 상면에는 각 열전소자(21, 22)의 하단이 끼워지는 복수의 홈부(23b)가 마련될 수 있다. 이에 열전소자(21, 22)의 조립성 내지 장착성이 향상될 수 있다.
한편, 하부 전극(23)의 가장자리는 도 9에 예시된 바와 같이, 베이스기판(25)의 관통부(25a) 가장자리에 블레이징, 솔더링, 용접(25b) 등을 통해 결합될 수 있다.
이와 달리, 하부 전극(23)의 가장자리는 도 10에 예시된 바와 같이, 베이스기판(25)의 관통부(25a) 가장자리에 볼트, 리벳 등과 같은 체결구(25c) 등을 통해 결합될 수도 있다.
그리고, 상부기판(29)의 저면에는 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 상부 전극(24)이 부착되어 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 매니폴드 바디 11: 인렛부
12: 아웃렛부 13: 평탄면
14: 스터드 15: 촉매컨버터
16: 인렛 플랜지 18: 개구
19: 후벽부 20: 열전모듈
21, 22: 열전소자 23: 하부 전극
24: 상부 전극 25: 베이스기판
27, 23a: 열전달핀

Claims (16)

  1. 차량의 배기계부품의 일측에 설치된 베이스기판; 및
    상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 열전모듈;을 포함하고,
    상기 배기계부품의 일측에는 상기 배기계부품의 내부공간과 소통하는 개구(opening)가 형성되며,
    상기 베이스기판은 상기 배기계부품의 개구를 밀봉하도록 설치되고,
    상기 베이스기판은 열전도성을 가진 재질로 이루어지며, 상기 베이스기판의 표면에는 절연층이 형성되며,
    상기 베이스기판의 저면에는 복수의 열전달핀이 마련되고, 상기 복수의 열전달핀은 상기 배기계부품의 개구 내에 위치하며,
    상기 개구의 가장자리에는 상기 배기계부품의 바디 벽(body wall)의 두께 보다 큰 두께를 가진 후벽부(thick-wall portion)가 형성되며, 상기 열전달핀의 두께는 상기 후벽부의 두께 보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 이격되게 배치된 하나 이상의 상부 전극; 및
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되고, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 접속된 적어도 한 쌍의 열전소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.

  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전모듈은 상기 상부 전극의 상면에 배치된 하나 이상의 상부 기판을 더 포함하고, 상기 상부 기판에는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 베이스기판은 하나 이상의 관통부를 가지고, 상기 하부 전극은 상기 관통부를 밀봉하도록 설치되며, 상기 복수의 열전달핀은 상기 하부 전극의 저면에 형성되고, 상기 복수의 열전달핀이 상기 베이스기판의 관통부를 관통하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전모듈을 상기 베이스기판 측으로 가압하는 가압부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가압부재를 가압하는 가압플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전모듈의 주위에 채워지는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템.
  10. 적어도 일부의 상면에 형성된 평탄면을 가지고, 상기 평탄면의 일측에 개구(opening)가 형성된 매니폴드 바디(manifold body); 및
    상기 매니폴드 바디의 평탄면에 설치된 열전발전시스템;을 포함하고,
    상기 열전발전시스템은 상기 매니폴드 바디의 개구를 밀봉하도록 설치된 베이스기판 및 상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 열전모듈을 가지며,
    상기 베이스기판의 저면에는 복수의 열전달핀이 마련되고, 상기 복수의 열전달핀은 상기 매니폴드 바디의 개구에 배치되며,
    상기 개구의 가장자리에는 상기 매니폴드 바디의 바디 벽(body wall)의 두께 보다 큰 두께를 가진 후벽부(thick-wall portion)가 형성되며, 상기 열전달핀의 두께는 상기 후벽부의 두께 보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 베이스기판은 열전도성을 가진 재질로 이루어지며, 상기 베이스기판의 표면에는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 베이스기판의 상면에 설치된 하나 이상의 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 이격되게 배치된 하나 이상의 상부 전극;
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되고, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 접속된 적어도 한 쌍의 열전소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 열전모듈은 상기 상부 전극의 상면에 배치된 하나 이상의 상부 기판을 더 포함하고, 상기 상부 기판에는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 베이스기판은 하나 이상의 관통부를 가지고, 상기 하부 전극은 상기 관통부를 밀봉하도록 설치되며, 상기 복수의 열전달핀은 상기 하부 전극의 저면에 형성되고, 상기 복수의 열전달핀이 상기 베이스기판의 관통부를 관통하는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.

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JP2016233497A JP6879722B2 (ja) 2016-03-29 2016-11-30 熱電発電システム及びこれを含む車両用排気マニホールド

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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180248098A1 (en) * 2017-02-28 2018-08-30 Analog Devices, Inc. Integrated device package with thermoelectric generator device
NO20170547A1 (en) * 2017-04-03 2018-05-22 Tegma As A device for generating electric power for installation to an exhaust conduit
CN107816378B (zh) * 2017-12-07 2023-06-30 中国地质大学（武汉） 一种石墨烯型发动机尾气净化与双发电一体化装置
KR102383438B1 (ko) * 2018-06-26 2022-04-07 현대자동차주식회사 열전 변환 모듈 및 그를 포함하는 차량
CN113756924B (zh) * 2021-09-15 2024-01-12 南昌同岩新材科技有限公司 一种基于玄武岩纤维的汽车排气歧管一体化隔热装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006125321A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Hino Motors Ltd 排熱回収装置
JP2007165560A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Mazda Motor Corp 排熱発電装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2004001865A1 (ja) * 2002-06-19 2005-10-27 株式会社東芝 熱電素子とそれを用いた電子部品モジュールおよび携帯用電子機器
WO2004059138A1 (en) 2002-12-26 2004-07-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust heat power generation apparatus
JP4244833B2 (ja) 2004-03-18 2009-03-25 トヨタ自動車株式会社 排熱回収装置
KR100926851B1 (ko) 2004-12-20 2009-11-13 가부시끼가이샤 도시바 열전 변환 모듈과 그것을 이용한 열 교환기 및 열전 발전장치
JP2006211780A (ja) * 2005-01-26 2006-08-10 Toyota Motor Corp 熱電発電装置
ITPD20050156A1 (it) * 2005-05-27 2006-11-28 Ritmo Spa Estrusore per la saldatura di componenti realizzati in materia plastica
ATE486376T1 (de) * 2006-09-12 2010-11-15 Fiat Ricerche Generator von elektrischer energie basiert auf den thermoelektrischen effekt
JP2010118475A (ja) 2008-11-12 2010-05-27 Mitsumi Electric Co Ltd 熱電変換モジュール及び熱電変換装置
DE102010015321A1 (de) 2010-04-17 2011-10-20 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Wärmeübertrager und Herstellungsverfahren
DE102010022968A1 (de) * 2010-06-08 2011-12-08 A. Raymond Et Cie S.C.S. Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von elektrischer Energie
DE102011013622A1 (de) 2011-03-11 2012-09-13 Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh Thermoelektrische Generatoreinheit
JP5751261B2 (ja) 2013-01-17 2015-07-22 ヤマハ株式会社 熱電発電ユニット
JP6096562B2 (ja) * 2013-03-29 2017-03-15 ヤンマー株式会社 熱電発電装置及びこれを備えた船舶
US20140305481A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 Delphi Technologies, Inc. Thermoelectric generator to engine exhaust manifold assembly
EP2818657A1 (en) 2013-06-24 2014-12-31 Delphi Technologies, Inc. Thermoelectric generator to engine exhaust manifold assembly

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006125321A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Hino Motors Ltd 排熱回収装置
JP2007165560A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Mazda Motor Corp 排熱発電装置

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