KR101817913B1 - 열전기적 발전기 유닛 - Google Patents

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포레시아 이미션스 콘트롤 테크놀로지스, 저머니 게엠베하
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Abstract

본 발명은 열전기적 발전기 유닛, 특히 내연 엔진의 배기 가스 파이프에 커플링되기 위한, 열전기적 발전기 유닛에 관한 것으로서, 내부에서 가스가 유동하고 그리고 적어도 하나의 편평한 부분을 포함하는 외측 주변부를 갖는 적어도 하나의 내측 튜브를 포함하는, 열전기적 발전기 유닛에 관한 것이다. 타원형의 외측 하우징은 내측 튜브를 원주 방향으로 완전히 둘러싼다. 복수의 열전기적 모듈이 내측 튜브의 적어도 하나의 편평한 부분에 배열된다. 적어도 하나의 냉각 요소가 제공되며, 냉각 요소는 열전기적 모듈이 배열되는 편평한 측부를 포함한다. 조립체 유닛이 내측 튜브, 열전기적 모듈 및 냉각 요소로 구성된다. 조립체 유닛은 탄성 보상 요소에 의해 둘러싸이며, 탄성 보상 요소는 외측 하우징의 내측 측부에 놓여지며 클램핑에 의해 외측 하우징 내에 보유된다.

Description

열전기적 발전기 유닛{THERMOELECTRIC GENERATOR UNIT}
본원 발명은, 특히 내연 엔진의 배기 가스 파이프에 커플링하기 위한, 열전기적 유닛에 관한 것이다.
예를 들어 모터 차량들의 배기 가스의 열로부터 에너지를 회수할 수 있는 가능성은, 높아지는 연료 가격들을 고려할 때, 점점 더 매력적이 되고 있다. 소위 열전기적 모듈들의 도움으로, 배기 가스의 열 에너지로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다. 이러한 모듈들에서, 소위 열 전기적 요소들은 Seebeck 효과에 따라서 온도 차이를 전기 전압으로 변환한다. 그러한 열 전기적 모듈들은 일반적으로 직렬로 연결된 열전기적 요소들로 이루어지고 그리고 편평하고, 얇고 그리고 캡슐화된 유닛들의 형태로 시장에 존재한다.
보다 많은 열전기적 모듈들이 배기 가스의 열과 직접적으로 접촉할수록 그리고 고온 측부로부터 저온 측부까지 열전기적 모듈들에 걸친 온도 차이가 클수록, 전기 에너지의 산출이 커진다. 따라서, 열전기적 발전기 유닛의 구성이 매우 중요하다.
본원 발명의 목적은 큰 전기 에너지 산출을 제공하고 그리고 콤팩트한 구성을 가지는 열전기적 발전기 유닛을 제공하는 것이다.
본원 발명에 따라서, 상기 목적을 위해서 열전기적 발전기 유닛은 내부에서 가스가 유동하는 적어도 하나의 내측 튜브를 포함하고, 상기 내측 튜브의 외측 주변부는 적어도 하나의 편평한 부분을 포함한다. 타원형의 외측 하우징은 원주 방향으로 상기 내측 튜브를 완전히 둘러싸고 그리고 복수의 열전기적 모듈들이 상기 내측 튜브의 편평한 부분들 상에 배열된다. 편평한 측부를 포함하는 적어도 하나의 냉각 요소가 제공되고, 열전기적 모듈들이 상기 냉각 요소의 편평한 측부 상에 배열된다. 내측 튜브, 열전기적 모듈들 및 냉각 요소로 구성된 조립체 유닛은 탄성 보상 요소(elastic compensation element)에 의해서 둘러싸이고, 상기 탄성 보상 요소는 외측 하우징의 내측 측부에 놓여지고(rest) 그리고 클램핑에 의해서 외측 하우징 내에서 유지된다. 타원형 외측 윤곽으로 인해서, 열전기적 발전기 유닛은 큰-면적의 고온 및 저온 표면들을 내부에 수용할 수 있는 가능성을, 열전기적 모듈들을 그 상부에 배열할 수 있는 가능성과 함께, 제공한다. 배기 가스 정화 유닛들의 제조로부터 공지된 랩핑(wrapping) 또는 수축(shrinking)과 같은 캐닝(canning) 기술들에 의해서, 2개의 절반 쉘(shell)의 조립에 의해서 또는 팩킹(packing)에 의해서, 외측 하우징 내에서 내측 튜브와 냉각 요소들을 신속하고 신뢰가능하게 조립할 수 있으며, 하우징 내에 설치된 요소들의 원주 방향 정렬이 그 타원형 단면 형상으로 인해서 단순화된다.
본원 발명의 견지에서 타원형은 원형이 아니라, 볼록한 외측 윤곽을 가지는 길고 둥근(elongated, round) 형상이고, 길이방향 측부들이 직선형 부분들을 구비할 수 있는 가능성을 또한 가진다.
본원 발명은 특히 1개 또는 2개의 대칭 축들을 가지는 타원들, 보다 특히 타원(oval)의 특별한 형태로서 타원체형(elliptic) 외측 하우징을 가지는 발전기 유닛들에 관한 것이다.
내측 튜브 및 냉각 요소들이 클램핑에 의해서만 외측 하우징에 체결되는 것이 바람직하다.
여기에서, 바람직하게, 냉각 요소의 외측 요소가, 제 1 부분에서, 외측 하우징의 곡률에 실질적으로 상응하도록 그리고 제 2 부분에서 실질적으로 편평하도록, 냉각 요소의 외측 주변부가 선택된다. 냉각 요소는 편편한 부분으로 열전기적 모듈에 놓여지는 한편, 곡선형 측부가 외측 하우징에 피팅된다(fit).
바람직하게, 냉각 요소들이 쌍들로 삽입되며, 하나의 냉각 요소가 내측 튜브의 각각의 측부 상에 제공된다.
냉각 요소를 위한 유입유동 및/또는 배출유동(inflow and/or outflow) 장치가 외측 하우징의 측방향 표면 상에 배열될 수 있으며, 그에 따라 냉각제가 외부로부터 외측 하우징으로 공급될 수 있다. 복수의 축방향으로 연속되는 냉각 요소들이 이용되는 경우에, 여기에서 그 냉각 요소들을 외측 하우징 내에서 서로에 대해서 연결할 수 있고 그리고 단지 하나의 전체적인 유입유동 및 배출유동 장치를 측방향 표면 상에 제공할 수 있을 것이다. 또한, 측방향 표면에서 자체적인 유입유동 또는 배출유동 장치를 가지는 냉각 요소들의 각각을 제공하고 그리고 이웃하는 냉각 요소들을 외부로부터 직렬로 연결하는 것이 유리할 수 있을 것이다.
과다하게 높은 온도들로 인한 임의 손상으로부터 열전기적 모듈들을 보호하기 위해서 그리고 최고-부하(full-load) 동작 중에 냉각 회로 내로의 과다하게 큰 열 입력을 피하기 위해서, 특정 배기 가스 온도를 초과할 때 고온 배기 가스가 우회될 수 있는 것이 유리하다. 이러한 상황은, 예를 들어, 내연 엔진의 최고-부하 동작에서 발생될 수 있을 것이다. 이러한 목적을 위해서, 본원 발명은, 적어도 하나의 가스-반송(carrying) 채널 및 우회 채널을 외측 하우징의 내부에 제공하였다. 밸브(이러한 용어가 플랩(flap)을 또한 포함하는 선택사항을 가진다)를 통해서, 고온 가스(일반적으로 내연 모터의 배기 가스)가 가스-반송 채널(들) 및/또는 우회 채널을 통해서 선택적으로 지향될 수 있다.
몇 개의 채널들이 적어도 2개의 내측 튜브들을 통해서 실현될 수 있을 것이고, 이들 중 적어도 하나가 가스-반송 채널을 형성하고 그리고 다른 것이 가스-반송 채널에 인접한 우회 채널을 형성한다. 고온 가스가 가스-반송 채널(들) 및 우회 채널을 통해서 선택적으로 지향될 수 있도록, 열전기적 발전기 유닛이 구성된다.
예를 들어, 적어도 2개의 가스-반송 채널들 및 상기 가스-반송 채널들 사이에 배열된 우회 채널을 형성하는 적어도 3개의 내측 튜브들이 제공될 수 있을 것이고, 고온 가스 특히, 내연 모터의 배기 가스가 가스-반송 외측 채널들 및/또는 우회 채널을 통해서 선택적으로 지향될 수 있도록, 열전기적 발전기 유닛이 구성된다.
이에 대한 대안으로서, 내측 튜브가 적어도 2개의 외측 채널들 및 그 외측 채널들 사이에 배열된 우회 채널로 분할될 수 있을 것이다.
열전기적 모듈들이 가스-반송 외측 채널들의 외측의 편평한 측부들 상에 배열되는 것이 바람직하다. 내측 튜브가 바람직하게 높은 열-전도성 금속으로 제조됨에 따라, 배기 가스가 (예를 들어, 내부의) 우회 채널을 통해서만 유동하는 경우에도 열 에너지는 열전기적 모듈들로 여전히 전달될 것이다.
예상되는 또는 현재 측정된 최대 배기 가스 온도에 따라서, 가스-반송 채널들을 완전히 폐쇄하기 위한 또는 그들을 개방 상태로 유지하고 그리고 추가적으로 가스-반송 채널들에 평행한 우회 채널을 단순히 활성화시키기 위한 규정(provision)이 만들어질 수 있을 것이다.
내측 튜브(들)가 직사각형 단면을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 방식에서, 타원형의 외측 하우징 내의 공간이 특히 잘(well) 이용될 수 있고, 그리고 내측 튜브는 열전기적 모듈들을 배열하기 위한 큰 편평한 표면들을 나타낸다.
일 실시예에서, 내측 튜브의 넓은 측부는 외측 하우징의 타원의 장축 즉, 단면과 관련하여 장축에 평행하게 배열된다. 외측 하우징의 단면이 최적으로 이용되도록, 여기에서 내측 튜브의 높이가 선택된다. 이러한 방식에서, 또한 복수의 내측 튜브들이 서로 평행하게 외측 하우징 내에 배열될 수 있다. 내측 튜브들이 가스-반송 채널들 또는 우회 채널들을 형성할 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 가스-반송 채널들을 형성하는 복수의 내측 튜브들이 제공되고, 그리고 내측 튜브들의 넓은 측부가 외측 하우징의 단면의 장축에 수직이 되도록 배열된다. 제 1 실시예와 대비하여, 내측 튜브들은 여기에서 90°만큼 회전된다. 여기에서 또한, 외측 하우징의 단면이 가장 최적의 가능한 방식으로 이용되도록, 개별적인 내측 튜브들의 폭 및 높이가 구성된다. 여기에서, 개별적인 내측 튜브들은 하우징 내부의 공간을 최적으로 이용할 수 있도록 상이한 치수들을 가진다.
바람직하게, 외측 하우징은 외측 하우징의 단축에서, 즉 타원 단면과 관련된 단축에서 서로 조우하고, 그리고 이런 구역에서 서로에 대해서 체결되는 2개의 쉘을 포함한다. 이러한 배열에서, 또한 가능할 수 있는, 쉘이 장축을 따라 서로 조우하는 것과 같이, 보다 큰 클램핑력이 내측 튜브들 및 열전기적 모듈상으로 가해진다. 압축 중에 편평한 쉘의 편향 및 반발-탄성(spring-back)은, 크게 원호형이 되는 쉘(heavily arched shells)에서 보다 더 크다.
외측 하우징을 만들기 위해서, 쉘들이 서로에 대해서 푸싱(push)될 수 있고, 즉 쉘들의 엣지들이 서로 중첩될 수 있다.
쉘들을 서로를 향해서 또는 서로의 내부로 푸싱하는 것은 특히 힘-제어되는 또는 거리-제어되는 방식으로 실시되고, 그에 따라 열전기적 모듈들에 대한 매우 정밀한 클램핑력 인가를 허용한다. 희망하는 위치에서, 쉘들이 용접, 납땜, 또는, 바람직하게 물질-대-물질 본딩에 의한 다른 적합한 체결 방법을 통해서 서로에 대해서 체결된다.
바람직하게, 내측 튜브들이 열전기적 요소들 및 냉각 요소들과 교번적으로 제공되며, 그에 따라 고온 배기 가스-반송 내측 튜브의 각각의 측부가 열전기적 모듈의 고온 측부와 접촉하고 그리고 그 저온 측부가 각각의 냉각 요소와 인접한다. 이러한 방식으로, 많은 수의 편평한 열전기적 모듈들이 외측 하우징 내에 수용될 수 있다.
내측 튜브들 중 하나를, 예를 들어 하우징의 중간에 배열된 내측 튜브를 우회 채널로서 구현할 수 있고; 열전기적 모듈들의 과열을 방지하기 위해서, 이러한 우회 채널은 바람직하게 인접하는 내측 튜브들에 대해서 양 측부들에서 단열된다. 제 1 실시예에 대해서 전술한 바와 같은 방식으로, 우회 채널의 활성화가 실시될 수 있을 것이다.
여기에서, 바람직하게, 열전기적 모듈들 상으로 가해지는 기계적 부하를 가능한 한 작게 유지하기 위해서, 열전기적 요소들의 면들이 탄성 보상 요소와 접촉하지 않도록 열전기적 요소들이 배열된다.
외측 하우징의 제조를 위해서, 임의의 적합한 캐닝 기술이 채용될 수 있으나; 대략적으로 타원의 단축 상의 꼭지점에서 서로 접하는 2개의 외측 하우징 쉘들로부터 외측 하우징을 형성하는 것이 특히 유리하다. 외측 하우징의 이러한 형상은 외측 하우징 내의 내측 튜브들, 열전기적 모듈들, 및 냉각 요소들에 대한 특히 큰 클램핑력들을 초래할 것이다.
외측 하우징은 바람직하게 원통형의 형상을 가진다.
내측 튜브들 중 어느 것도 배기 가스 청정 효과를 가지는 촉매 작용 또는 필터링 성분을 구비하지 않는 것이 바람직하다.
이하에서는, 2가지 실시예들을 기초로 그리고 첨부 도면들을 참조하여 본원 발명을 보다 구체적으로 설명할 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 발명의 열전기적 발전기 유닛을 개략적인 사시도 형태로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 열전기적 발전기 유닛을 통해서 개략적인 사시도 형태로 도시한 종단면도이다.
도 3은 도 1의 전체적인 열전기적 발전기 유닛을 통해서 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 4는, 외측 하우징의 일부를 제거한 상태로, 도 3의 열전기적 발전기 유닛의 단부 부분을 개략적인 사시도 형태로 도시한 단면도이다.
도 5는 제 1 변형의 제 2 실시예에 따른 본원 발명의 열전기적 발전기 유닛을 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 6은 추가적인 실시예에 따른 본원 발명의 열전기적 발전기 유닛의 개략적인 횡단면도이다.
도 7은 본원 발명의 열전기적 발전기 유닛의 외측 하우징의 개략적인 단면도이다.
도 1은 도 3에서 전체적으로 도시된 열전기적 발전기 유닛(10)의 일부를 도시한다.
타원형 단면의 외측 하우징(12), 여기에서 타원체의 외측 하우징이 내측 튜브(16), 반송 고온 배기 가스, 및 2개의 냉각 요소들(18) 사이에 배열된 몇 개의 편평한 열전기적 모듈들(14)을 수용한다. 내측 튜브(16), 열전기적 모듈들(14), 및 냉각 요소들(18)로 구성되는 조립체 유닛은 그 주변부에 걸쳐서 탄성 보상 요소(20)에 의해서 완전히 둘러싸이고, 상기 탄성 보상 요소는 여기에서 외측 하우징(12)의 내측 벽과 조립체 유닛 사이에 제공된 지지 매트(mat) 형태이다.
예를 들어, 촉매 변환기들 또는 검댕(soot) 입자 필터들과 같은 배기 가스 정화를 위한 유닛들의 소위 캐닝 방법들로부터 공지된 바와 같이, 조립체 유닛뿐만 아니라 탄성 보상 요소(20)가 단지 클램핑력에 의해서 외측 하우징(12) 내에서 유지된다.
이러한 실시예에서, 외측 하우징(12)은 타원의 장축(y)에 평행하게 형성된 몇 개의 보강 리브들(ribs)을 포함한다.
외측 하우징은 시트(sheet) 금속으로 제조되고, 즉 압출된 섹션으로서 형성되지 않는다.
내측 튜브(16)는 실질적으로 직사각형의 단면을 가지고 그리고, 길이방향 축에 수직인 단면에서 볼 때, 장축(도면에서 방향(y))에 대해서 평행하게 배열되고 그리고 이러한 방향으로 외측 하우징(12)을 실질적으로 충진하도록, 치수가 결정된다. 내측 튜브(16)의 좁은 측부들(22) 및 외측 하우징(12)의 내측 벽 사이에는 탄성 보상 요소(20)만이 제공된다. 좁은 측부들(22)이 약간 곡선화되도록 구성되고, 그에 따라 좁은 측부들(22)은 이런 구역 내에서 외측 하우징 벽의 곡률에 맞춰진다. 그러나, 내측 튜브(16)의 긴 측부들이 편평한 부분들(24)을 형성한다. 많은 수의 열전기적 모듈들(14)이 가능한 한 서로 근접하여 이러한 편평한 부분들(24) 상에 배열된다. 이러한 것이 또한 도 2에 도시되어 있다.
이러한 경우에, 열전기적 모듈들(14)이 내측 튜브(16)의 연속되는 측벽에 글루 접착되거나 프레스된다(glued or pressed). 그러나, 또한, 열전기적 모듈들(14)의 면에 의해서 커버되는 편평한 부분들(24) 내의 리세스들(recesses)을 제공할 수 있을 것이고(미도시), 그에 따라 그들의 고온 측부가 내측 튜브(16)를 통해서 유동하는 고온의 배기 가스와 직접적으로 접촉할 수 있을 것이다.
열전기적 모듈들(14)의 저온 측부 상에서, 중공형 본체로서 구현된 냉각 요소(18)는, 그 편평한 측부가 열전기적 모듈들(14) 상에 직접적으로 놓이도록, 배열된다.
이러한 예에서, 열 전도성 글루 접착제로 접착되는 것과 같은 글루 접착 또는 프레싱에 의해서 열적 커플링이 달성된다.
그러나, 열전기적 모듈들의 저온 측부가 냉각 요소(18)를 통해서 유동하는 냉각제와 직접적으로 접촉하도록, 열전기적 모듈들(14)에 의해서 커버되는, 편평한 측부 내에서 냉각 요소(18) 내에 리세스를 제공할 수도 있을 것이다(미도시).
2개의 냉각 요소들(18)의 각각은, 열전기적 모듈들(14)을 구비하는, 내측 튜브(16)의 전체 축방향 길이를 가로질러(방향 z) 연장한다. 하나의 축방향 단부에서, 냉각 요소(18)는 입구(26)를 포함하는 반면 다른 축방향 단부에서는 출구(26')를 구비한다. 냉각제는 입구(26)를 통해서 냉각 요소(18) 내로 유동하고 그리고 출구(26')를 통해서 밖으로 유동한다. 이러한 경우에, 출구(26')뿐만 아니라 입구가 냉각 요소(18)의 방사상 외측 측부 상에 배열되고, 그에 따라 그들이 외측 하우징(12)의 벽을 통해서 돌출한다. 냉각 요소(18)를 통한 균일한 유동을 위해서, 타원의 장축에 대해서, 즉 외측 하우징(12)의 방향(y)으로, 입구(26) 및 출구(26')가 오프셋되어 배열된다. 냉각 요소(18)의 입구(26) 및 출구(26')가 여기에서 구체적으로 도시되지 않은 외부 냉각 회로에 연결된다.
내측 튜브(16), 열전기적 모듈들(14), 및 냉각 요소들(18)로 구성된 조립체 유닛은 외측 하우징(12)의 횡단면을 완전히 충진한다(탄성 보상 요소(20)를 위한 것을 제외).
이러한 예에서, 삽입되고 벤딩된 시트 금속 구조물이 내측 튜브(16)를 총 3개의 채널들로 즉, 2개의 평행한 가스-반송 외측 채널들(28) 및 상기 2개의 가스-반송 외측 채널들(28) 사이에 배치된 하나의 우회 채널(30)로 분할한다.
도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 우회 채널(30)은 내측 튜브(16) 내에 삽입된 자체의 튜브에 의해서 형성된다.
가스-반송 외측 채널들(28)의 각각에서, 복수의 리브들(32)이 장축(y)에 수직으로 형성되고, 배기 가스의 유동을 감속시키고, 그리고 배기 가스로부터 열을 흡수하고 그 열을 내측 튜브(16)의 외측 벽으로 전달한다. 그러나, 우회 채널(30)은 어떠한 유동 장애물 수단도 가지지 않는다.
예를 들어, 공지된 플랩 밸브 형태의 폐쇄 메커니즘(미도시)이, 특정 배기 가스 온도를 초과할 때, 우회 채널(30)을 개방하고, 그에 따라 내측 튜브(16)를 통해서 유동하는 배기 가스의 대부분이 우회 채널(30)을 통해서 유동하게 되고 그에 따라 열전기적 모듈들(14)로부터 충분한 거리를 가지게 되며, 따라서 열전기적 모듈들(14)이 높은 온도에 의해서 손상되지 않는다. 만약 열전기적 모듈들(14)에 적합한 온도라면, 우회 채널(30)이 플랩에 의해서 폐쇄되고 그리고 전체 배기 가스가 2개의 가스-반송 외측 채널들(28)을 통해서 유동한다. 가스-반송 외측 채널들(28) 내의 가스-장애 리브들(32)로 인해서, 여기에서 자체적인 폐쇄 메커니즘을 제공할 필요가 없다. 우회 채널(30)이 개방될 때 배기 가스의 대부분이 우회 채널(30)을 통해서 유동하고 그리고 배기 가스의 적은 부분만이 가스-반송 외측 채널들(28)을 통해서 유동하여 열전기적 모듈들(14)에 대한 과다하게 높은 열적 부가가 발생되지 않도록, 우회 채널(30)의 유동 저항이 선택된다.
내측 튜브(16)의 그리고 가스-반송 외측 채널들(28)의 외측 벽이, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 노치들(notches)을 포함할 수 있을 것이고, 그러한 노치들은, 내측 튜브(16)의 벽을 따른 열 전달을 감소시키기 위해서, 좁은 측부들(22)에 대한 전이부에서 그리고 열전기적 모듈들(14) 사이에서 축방향(z)으로 제공된다.
여기에서, 외측 하우징(12)은 2개의 얇은-벽의 시트 금속 쉘(34, 36)로 구성되고, 이런 쉘들은 대략적으로 외측 하우징(12)의 장축(y)의 높이에서 서로에 대해서 연결된다. 외측 하우징(12) 내에 설치하기 위해서, 내측 튜브(16), 열전기적 모듈들(14), 및 냉각 요소들(18)로 이루어진 조립체 유닛이 탄성 보상 요소(20)에 의해서 랩핑되고 그리고 쉘(34, 36) 중 하나 내에 배치된다. 후속하여, 다른 쉘(34, 36)이 조립체 유닛 상으로 배치되고 그리고 형상-피팅(form-fitting) 방식으로 제 1 쉘(34, 36)에 연결되며, 그에 따라 조립체 유닛이 쉘들(34, 36) 사이에 클램핑된다.
이러한 배열에서, 쉘(34, 36)이, 큰 반경들로 인해서, 보다 현저한 곡률을 가지는 둘레 지역들에서 보다 중간 영역에서 보다 탄성적이고 탄력적이기 때문에, 하우징에 의해서 인가되는 주요 클램핑력은 열전기적 모듈들(14)에 대략적으로 평행하도록(방향(y)) 배향된다.
도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 쉘(34, 36)은 또한 외측 하우징(12)의 단축(x)의 높이에서 서로 접할 수 있고 그리고 그러한 지역에서 서로 연결될 수 있으며, 그에 따라 쉘(34, 36)이 서로 c-형상이 되고 현저한 곡율을 가진다.
이러한 경우에, 하우징에 의해서 인가되는 주요 클램핑력은, 하우징의 곡률로 인해서, 열전기적 모듈들(14)에 대략적으로(mainly) 수직이 되도록, 즉 방향(y)으로 배향된다.
그러나, 임의의 다른 공지된 캐닝 기술들이 또한 외측 하우징(12)의 제조를 위해서 이용될 수 있다.
전체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전기적 발전기 유닛(10)은 입구 단부(38) 및 출구 단부(40)를 가진다. 입구 및 출구 단부들(38, 40)에서, 외측 하우징(12)은, 열전기적 발전기 유닛(10)이 내부에 설치되는(구체적으로 도시하지 않음) 배기 가스 파이프의 직경에 맞춰진, 원형 단면으로 테이퍼링된다. 도 4는 입구 단부(38)(또는 출구 단부(40))의 내부를 도시한 도면이다. 전체 배기 가스 유동이 내측 튜브(16) 내로 지향되도록 안내 표면(42)이 외측 하우징(12) 내에 배열된다. 이는, 안내 표면(42)이 축방향 및 원주 방향을 따라서 내측 튜브(16) 내에서 종료되는 이유가 된다. 이는 입구 및 출구 단부들(38, 40)의 영역 내에서만 제공된다. 이는, 전체 배기 가스가, 단지 2개의 가스-반송 외측 채널들(28)을 통해서 또는 우회 채널(30)을 통해서, 내측 튜브(16)를 통해 유동하도록 보장하기 위한 것이다.
도 5는 열전기적 발전기 유닛(100)의 제 2 실시예를 도시한다.
이러한 경우에, 독립적인 가스-반송 채널들을 형성하는 복수의 내측 튜브들(16)이 제공되고, 그들 사이에서 입구 지역(미도시)으로 유동하는 고온 배기 가스가 분배된다. 냉각 유체의 내부 유동을 반송하는 냉각 요소들(18)이 각각의 경우에 내측 튜브들(16) 사이에 배열된다. 내측 튜브들(16) 및 냉각 요소들(18)의 편평한 부분들의 크기에 따라서, 하나 이상의 열전기적 모듈들(14)이 내측 튜브들(16)과 이웃하는 냉각 요소(18) 사이에 제공된다(도 5 및 6의 모든 열전기적 모듈들(14)이 참조 번호들을 가지는 것은 아니다).
방금 전에 설명한 실시예와 대조적으로, 내측 튜브들(16), 상기 내측 튜브들(16)에 평행하게 배열된 열전기적 모듈들(14), 및 냉각 요소들(18)이 장축(y)에 대해서 수직으로 즉, 방향(y)에 대해서 수직으로 배열된다.
여기에서 또한, 내측 튜브들(16), 열전기적 모듈들(14), 및 냉각 요소들(18)로 구성되는 조립체 유닛은 지지 매트 형태의 탄성 보상 요소(20)에 의해서 둘러싸이고 그리고 2개의 쉘(34, 36)로 제조된 타원형의 금속 외측 하우징(12) 내에 수용된다. 여기에서, 쉘(34, 36)이 외측 하우징(12)의 단축(x)에서 서로 조우하도록 그리고 이런 구역에서 서로 체결되도록, 쉘(34, 36)이 구성된다. 이는 클램핑 효과를 증대시키고 그리고 조립을 단순화시킨다.
예를 들어, 쉘(34, 36)이 장축을 따라서 y 방향으로 짧은 거리 만큼 서로 푸싱될 수 있도록, 쉘(34, 36)이 구성된다. 이는 도 7에 도시되어 있다. 서로의 상단부 상에 편평하게 놓이는 2개의 쉘(34, 36)의 중첩 부분들이 물질-대-물질 본드 형태의 땜납 또는 용접에 의해서 서로 연결된다. 이는 내측 튜브들(16) 및 열전기적 모듈들(14) 상으로 매우 정밀한 클램핑력이 가해질 수 있게 한다.
또한, 쉘(34, 36)을 서로에 대해서 푸싱하는 프로세스는 남은 실시예들에 대해서도 적용되고, 특히 클램핑력 또는 이동된 푸싱 거리가 검출되는 힘-제어되는 또는 거리-제어되는 방식으로 실시된다.
방향(y)으로 가장 먼 외측에 위치하는 냉각 요소들(18)의 외측 측부가 둥글게 처리되고 그리고 외측 하우징(12)의 곡률에 맞춰진다.
도 6은 방금 설명한 열전기적 발전기 유닛(100)의 변형예(100)를 도시한다. 이러한 경우에, 외측 하우징의 중간에 배열된 내측 튜브들(16)은, 방금 설명한 변형예의 내측 튜브들(16) 중 가장 큰 내측 튜브 보다 더 큰 단면을 가지는 우회 채널(130)로서 형성된다. 또한, 우회 채널(130)은, 2개의 이웃하는 내측 튜브들(16)과 대면하는 측부에서, 여기에서 다시 지지 매트가 되는 보상 요소(120)로 단열된다. 남은 내측 튜브들(16) 및 우회 채널(130) 사이의 고온 배기 가스의 분배는 가스-반송 외측 채널들(28) 및 우회 채널(130)에 대한 제 1 실시예에서 설명한 방식으로 실시된다. 여기에서 제시된 배열에서, 가장 외측의 채널 요소들의 각각은 냉각 요소(18)가 아니고 내측 튜브(16)이다. 이러한 경우에, 가장 외측의 내측 튜브들(16)은 외측 하우징(12)의 형상에 맞추기 위한 곡선형의 벽을 구비한다.
당연하게, 보다 큰 또는 보다 적은 수의 내측 튜브들(16) 및 냉각 요소들(18)이 외측 하우징(12) 내에 제공될 수 있을 것이다. 따라서, 방향(y)으로 가장 멀리 외측에 위치하는 요소가 냉각 요소(18) 또는 내측 튜브(16)가 될 수 있을 것이다.
도시하지 않은 실시예에서, 우회 채널(130)을 형성하는 내측 튜브(16)가 단면 상에서 외측 하우징(12)의 곡선형의 짧은 측부들 중 하나 상에 배열된다. 그에 따라, 우회 채널(130)은 요소들 중 가장 외측의 요소를 나타내고, 그러한 가장 외측의 요소를 통해서 배기 가스 또는 냉각 유체가 유동하고 그리고 하우징 벽에 직접적으로 인접하며, 하우징 벽으로부터 단지 탄성 보상 요소(20)를 통해서만 이격된다.
이러한 예들에서, 우회 채널(130)이 개별적인 내측 튜브들(16)의 각각 보다 큰 단면을 가지도록 구현되고, 그에 따라 우회 채널(130)이 또한 활성화되었을 때, 배기 가스의 대부분 또는 전체가 우회 채널(130)을 통해서 실질적으로 유동할 수 있을 것이다.
10: 발전기 유닛 12: 외측 하우징
14: 열전기적 모듈 16: 내측 튜브
18: 냉각 요소 22: 좁은 측부들
24: 편평한 부분 26: 출구
26: 입구 28: 가스-반송 외측 채널들
30: 우회 채널 32: 리브들
34: 쉘 36: 쉘
38: 입구 단부 40 출구 단부
42: 안내 표면 100: 발전기 유닛
100: 발전기 유닛 120 보상 요소
130: 우회 채널

Claims (11)

  1. 열전기적 발전기 유닛에 있어서,
    내부에서 가스가 유동하고, 적어도 하나의 편평한 부분을 포함하는 외측 주변부를 갖는, 적어도 하나의 내측 튜브와,
    상기 적어도 하나의 내측 튜브를 원주 방향으로 완전히 둘러싸는 타원형의 외측 하우징과,
    상기 적어도 하나의 내측 튜브의 적어도 하나의 편평한 부분에 배열되는 복수의 열전기적 모듈과,
    열전기적 모듈이 배열된 편평한 측부를 포함하는 적어도 하나의 냉각 요소와,
    상기 적어도 하나의 내측 튜브, 복수의 열전기적 모듈 및 적어도 하나의 냉각 요소로 구성되는 조립체 유닛으로서, 상기 조립체 유닛은 탄성 보상 요소에 의해 둘러싸이며, 상기 탄성 보상 요소는 외측 하우징의 내측면에 안착하며 클램핑에 의해 외측 하우징 내에 보유되는, 조립체 유닛을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 내측 튜브는 복수의 내측 튜브를 포함하며, 상기 복수의 내측 튜브는 열전기적 모듈 및 냉각 요소와 교번식으로 배열되고,
    상기 외측 하우징은, 외측 하우징의 단축 상에서 서로 조우하며 상기 단축 상에서 서로에 대해 체결되는, 2개의 하우징 쉘을 포함하는, 열전기적 발전기 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉각 요소의 외측 주변부의 제 1 부분이 외측 하우징의 곡률에 상응하며, 적어도 하나의 냉각 요소의 외측 주변부의 제 2 부분은 편평한, 열전기적 발전기 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉각 요소를 위한 입구와 출구 중 적어도 하나는 외측 하우징의 측방향 표면에 배열되는, 열전기적 발전기 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 가스-반송 외측 채널 및 우회 채널이 외측 하우징의 내부에 제공되며, 고온 가스가 적어도 하나의 가스-반송 외측 채널과 우회 채널 중 적어도 하나를 통해 선택적으로 지향될 수 있는, 열전기적 발전기 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내측 튜브는, 적어도 2개의 가스-반송 외측 채널 및 가스-반송 외측 채널들 사이에 배열된 우회 채널을 형성하는, 적어도 3개의 내측 튜브를 포함하며,
    고온 가스가 적어도 2개의 가스-반송 외측 채널과 우회 채널 중 적어도 하나를 통해 선택적으로 지향될 수 있는, 열전기적 발전기 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내측 튜브는, 적어도 2개의 가스-반송 외측 채널 및 가스-반송 외측 채널들 사이에 배열된 우회 채널을 갖도록, 분할되며,
    고온 가스가 적어도 2개의 가스-반송 외측 채널과 우회 채널 중 적어도 하나를 통해 선택적으로 지향될 수 있는, 열전기적 발전기 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내측 튜브는 직사각형인 단면을 갖는, 열전기적 발전기 유닛.
  8. 제5항에 있어서, 상기 타원형의 외측 하우징의 단면의 장축에 대해 수직하도록 배열된, 넓은 측부를 각각 갖는 복수의 평행한 내측 튜브를 더 포함하는, 열전기적 발전기 유닛.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하우징 쉘은 서로에 대해 푸싱되는, 열전기적 발전기 유닛.
  10. 제1항에 있어서, 우회 채널이 외측 하우징의 중간부에 배열되어 인접하는 내측 튜브들에 대해 양 측부에서 단열되는, 열전기적 발전기 유닛.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열전기적 모듈은, 열전기적 모듈의 단부 면이 탄성 보상 요소와 접촉되지 않도록 배열되는, 열전기적 발전기 유닛.
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