KR102296066B1 - 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리 및 발전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 에너지 하베스팅용으로 적합한 소형 및 고효율 열전발전 어셈블리 및 발전모듈에 관한 것으로, 열전발전 어셈블리는 차량의 배기관에 연결되는 인입구와 배출구를 구비하는 고온부 몸체, 고온부 몸체에 결합하는 히트파이프, 고온부 몸체의 일부에서 히트파이프에 접하거나 인접하게 배치되는 열전발전 소자, 및 열전발전 소자를 게재하고 고온부 몸체와 마주하는 공냉식 및 수냉식 겸용 워터재킷을 포함하며, 여기서 고온부 몸체는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면과 후면에 인입구와 배출구를 각각 구비한 형태를 구비하고, 히트파이프는 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프를 고온부 몸체의 내부에 배치하고, 직선형 히트파이프들을 연결하는 유선형 히트파이프를 정면과 후면 상에 노출되도록 배치하고, 열전발전 소자는 고온부 몸체의 네 측면 중 제1 측면과 제1 측면에 마주하는 제2 측면에서 길이 방향으로 복수의 열전발전 소자 유닛이 각각 배치된다.

Description

에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리 및 발전모듈{THERMOELECTRIC GENERATION ASSEMBLY AND GENERATING MODULE FOR ENERGY HAVESTING}

본 발명은 열전발전(thermoelectric generation, TEG) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 에너지 하베스팅용으로 적합한 소형 및 고효율 열전발전 어셈블리 및 발전모듈에 관한 것이다.

최근 차량에 적용되는 고출력 전장부하의 증가로 인해 차량 내 효율적인 전기에너지 관리와 전원안정성 확보가 요구되고 있다. 전원안정성 확보 및 고출력 대응을 위한 듀얼 전원체계(dual power-net)는 기존 내연기관의 12V 전원체계(power-net) 또는 전기차(EV)를 포함한 친환경 자동차의 고전압 전원체계와, 기존 차량 전원체계에서 양방향 컨버터로 분리된 보조(auxiliary) 전원체계로 구성된다.

보조 전원체계는 순간 고출력 부하와 간헐적으로 동작하는 비(非) 상시 부하에 전원을 공급하며 양방향 컨버터를 통해 주 전원체계(main power-net)으로부터 전기에너지를 공급받아 운용되기 때문에, 종국적으로는 보조 전원체계 운용 에너지도 내연기관인 엔진이나 EV의 고전압 배터리로부터 공급받는 에너지 소비 전원체계에 속하게 된다.

이에 따라 엔진 또는 고전압 배터리로부터의 전기에너지 공급과는 별도로, 태양광, 폐열, 진동 등 차량에서 발전 가능한 여러 에너지원으로부터 효율적으로 전기에너지를 수집, 활용하는 에너지 하베스팅 기반 보조전원체계(APN, auxiliary power-net) 운용의 필요성이 대두되고 있다.

자동차 산업에서의 에너지 하베스팅 기술은 지금까지 다양한 연구들이 진행된 바 있으나, 현재는 압전발전 소자를 이용한 타이어 공기압 측정장치(tire pressure monitoring system, TPMS)의 전원공급이나 소용량 태양광 발전을 이용한 환기장치 등에 전원을 공급하는 수준이다.

이와 같이, 차량의 발전에너지 밀도를 향상시키고 차량 장착성 및 내구성이 용이하며, 차량 내 에너지의 효율적 사용과 사용자 편의성을 증대시킬 수 있는 적절한 보조전원체계를 위한 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 요구에 부응하기 위한 연구 결과로서, 본 발명의 목적은 차량의 에너지 하베스팅용으로 적합한 소형 및 고효율 열전발전 어셈블리 및 발전모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 TEG 소자 특성 분석 결과에 기반하고 대상 차량에 대한 장착 구조와 열 전달 구조를 고려한 소형 및 고효율의 TEG 어셈블리 및 발전모듈을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리는, 차량의 배기관에 연결되는 인입구와 배출구를 구비하는 고온부 몸체; 상기 고온부 몸체에 결합하는 히트파이프; 상기 고온부 몸체의 일부에서 상기 히트파이프에 접하거나 인접하게 배치되는 열전발전 소자; 및 상기 열전발전 소자를 게재하고 상기 고온부 몸체와 마주하는 공냉식 및 수냉식 겸용 워터재킷;을 포함한다. 여기서, 상기 고온부 몸체는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면과 후면에 상기 인입구와 상기 배출구를 각각 구비한 형태를 구비하고, 상기 히트파이프는 상기 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프를 상기 고온부 몸체의 내부에 배치하고, 상기 직선형 히트파이프들을 연결하는 유선형 히트파이프를 상기 정면과 상기 후면 상에 노출되도록 배치하고, 상기 열전발전 소자는 상기 고온부 몸체의 제1 측면과 상기 제1 측면에 마주하는 제2 측면에서 상기 길이 방향으로 복수의 열전발전 소자 유닛이 각각 배치된다.

일실시예에서, 상기 고온부 몸체는 상기 정면과 상기 후면에 각각 형성된 복수의 관통공을 구비하고, 상기 복수의 관통공에는 상기 히트파이프가 삽입된다.

일실시예에서, 상기 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리는, 상기 고온부 몸체의 내부에 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이를 연장하며 지지하는 제1 히트파이프와, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면에 각각 인접하고 서로 마주하는 제3 측면과 제4 측면 사이를 연장하며 지지하는 제2 히트파이프를 더 포함한다.

일실시예에서, 상기 워터재킷은 일면에 유입구와 타면에 유출구를 구비하는 육면체 형태의 중공형 몸체와, 상기 고온부 몸체와 마주하는 주면과 상기 주면의 양 측면에 각각 일체로 구비되는 방열판들을 구비한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈은, 전술한 실시예들 중 어느 하나의 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리; 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리의 워터재킷의 유입구에 연결되는 펌프; 및 상기 워터재킷의 유출구에 연결되는 열교환기를 포함한다.

일실시예에서, 상기 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈은, 상기 열교환기와 상기 펌프 사이에 배치되어 상기 워터재킷 내부의 유체 유동을 위한 순환유로를 형성하며 상기 차량에 탑재되는 냉각수 탱크를 더 포함한다.

일실시예에서, 상기 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈은, 상기 열전발전 소자에 연결되는 배선; 및 상기 배선에 연결되는 디씨/디씨(DC/DC; D/D) 컨버터를 더 포함한다.

전술한 에너지 하베스팅용 열전발전(thermoelectric generation, TEG) 어셈블리 및 발전모듈을 사용하는 경우에는, 대상 차량 장착 및 열 전달 구조를 고려한 소형 및 고효율의 TEG 어셈블리를 제공할 수 있다. 또한, TEG 소자 특성 분석 결과에 기반하여 TEG 어셈블리의 직병렬 구조를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 차량 적용성 및 간이 성능 평가를 위한 TEG 어셈블리를 제공할 수 있다. 차량의 에너지 하베스팅에서 열전발전을 위한 전력 레귤레이터 회로 설계 및 제작에 기여할 수 있고, 그에 의해 고효율 TEG 어셈블리 및 전력 레귤레이터를 적용한 차량 에너지 하베스팅용 TEG 발전모듈을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전(thermoelectric generation, TEG) 어셈블리에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 TEG 어셈블리를 다른 방향에서 본 사시도이다.
도 3은 도 1의 TEG 어셈블리의 고온부 몸체를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 어셈블리에 대한 사시도이다.
도 5는 도 4의 TEG 어셈블리에서 일측의 워터재킷을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 TEG 어셈블리에서 고온부 몸체의 일면에 배치된 판형 열전발전 유닛들을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 TEG 어셈블리에서 고온부 몸체를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 4의 TEG 어셈블리의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 4의 TEG 어셈블리를 차량에 직병렬 구조로 장착한 경우를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 TEG 어셈블리의 장착 구조의 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 어셈블리에 대한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 발전모듈을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전(thermoelectric generation, TEG) 어셈블리에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1의 TEG 어셈블리를 다른 방향에서 본 사시도이다. 도 3은 도 1의 TEG 어셈블리의 고온부 몸체를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리는, 고온부 몸체(10), 히트파이프(20, 21, 22), 열전발전 소자(31, 32), 및 워터재킷(40a, 40b)을 구비한다.

고온부 몸체(10)는 차량의 배기관에 결합하는 인입구(11a)와 배출구(12a)를 구비한다. 고온부 몸체(10)는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면(11)과 후면(12)에 인입구(11a)와 배출구(12a)를 각각 구비한 직육면체 형태를 구비한다. 고온부 몸체(10)는 정면과 후면에 각각 형성된 복수의 관통공(11b, 12b)을 구비한다. 복수의 관통공(11b, 12b)에는 히트파이프(20)가 삽입된다.

히트파이프는 고온부 몸체(10)에 결합하여 고온부 몸체(10)의 인입구(11a)로 유입되는 고온의 유체에 의해 가열되고 가열된 고온 에너지를 열전발전 소자(31, 32)의 일면에 전달한다. 히트파이프는 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프(20)와 함께 길이 방향과 수평 방향에서 직교하는 수평 히트파이프(21) 및 길이 방향과 수직 방향에서 직교하는 수직 히트파이프(22)를 구비할 수 있다.

전술한 히트파이프의 수평 및 수직 배치는 배기관의 주요 연장 방향을 기준으로 대략 수평 방향과 수직 방향일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 히트파이프의 배치는 제1 방향으로 연장하는 제1 히트파이프와, 제1 방향과 대략 직교하는 제2 방향으로 연장하는 제2 히트파이프를 구비할 수 있고, 또한, 제1 또는 제2 히트파이프만을 구비할 수도 있다. 아울러, 일방향으로 연장하는 히트파이프는 직선 형태, 적어도 1회 이상의 굴곡을 가진 형태, 지그재그 형태, U-자 모양 등 다양한 형태가 가능하다.

열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 네 측면 중 일부에서 히트파이프(20, 21, 22)에 접하거나 인접하게 배치된다. 열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 일면과 워터재킷(40a, 40b)의 일면 사이에 납작한 판(plate) 형태로 배치된다. 판형 열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 길이 방향으로 연장하는 네 측면들 중 제1 측면과 제1 측면에 마주하는 제2 측면에서 2개의 판형 열전발전 소자(unit)가 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.

워터재킷(40a, 40b)은 고온부 몸체(10)의 서로 마주하는 양측 외표면 상에서 판형 열전발전 소자(31, 32)를 게재하고 고온부 몸체(10) 상에 결합한다. 워터재킷(40a, 40b)은 공냉식 및 수냉식 겸용 구조를 구비할 수 있다. 워터재킷(40a, 40b)은 일면(41)에 유입구(41a)를 구비하고 타면(45)에 유출구(45a)를 구비한 육면체 형태의 중공형 몸체와, 고온부 몸체(10)의 일면과 마주하는 외측 주면에 일체로 구비되는 방열판(42)과 상기의 외측 주면 양측에 위치하는 두 측면들 각각에 일체로 구비되는 방열판들(43, 44)을 포함할 수 있다.

전술한 고온부 몸체(10), 히트파이프(20, 21, 22), 열전발전 소자(31, 32), 및 워터재킷(40a, 40b)는 체결홈 또는 체결공을 구비하고, 체결공에 나사 결합하는 볼트와 같은 체결수단에 의해 서로 체결될 수 있다. 너트 형태의 암나사산을 가지는 체결공과 볼트 사이에는 볼트의 풀림을 방지하기 위한 스프링과 와셔가 배치될 수 있다.

또한, 인입구(11a), 배출구(12a), 유입구(41a) 및 유출구(45a)에는 배기관, 배관 혹은 이와 유사한 다른 구성요소와의 체결을 위해 커플링 배관, 플랜지 커플링, 플렉시블 커플링 등이 추가로 결합될 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 열전발전 어셈블리는 인입구(11a)로 유입되고 배출구(12a)로 나가는 차량 배기가스의 폐열에 의한 고온 환경을 열전발전 소자(31, 32)의 일면에 공급하고, 유입구(41a)로 유입되고 유출구(45a)로 흐르는 배기가스 대비 상대적 저온 유체의 저온 환경을 열전발전 소자(31, 32)의 타면에 제공함으로써 열전발전 방식으로 에너지를 하베스팅하도록 동작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 어셈블리에 대한 사시도이다. 도 5는 도 4의 TEG 어셈블리에서 일측의 워터재킷을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 TEG 어셈블리에서 고온부 몸체의 일면에 배치된 판형 열전발전 유닛들을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 도 7은 도 6의 TEG 어셈블리에서 고온부 몸체를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리(100)는, 고온부 몸체(10), 히트파이프(20, 21, 22), 열전발전 소자(31, 32), 및 워터재킷(40a, 40b)을 구비한다.

고온부 몸체(10)는 차량의 배기관에 연결되어 배기가스의 유입을 허용하는 인입구(11a)와 배기가스를 배출하는 배출구를 구비한다. 고온부 몸체(10)는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면과 후면에 인입구(11a)와 배출구를 각각 구비한 직육면체 형태를 구비한다. 또한, 고온부 몸체(10)는 정면과 후면에 각각 형성된 복수의 관통공(도 2의 12b 참조)을 구비한다. 복수의 관통공에는 히트파이프(20)가 삽입된다.

히트파이프(20)는 고온부 몸체(10)에 결합한다. 히트파이프(20)는 고온부 몸체(10)의 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프를 고온부 몸체(10)의 내부에 배치하고, 2개의 직선형 히트파이프를 연결하는 유선형 히트파이프를 고온부 몸체(10)의 정면과 후면 상에 노출하도록 이루어진다.

또한, 히트파이프는 고온부 몸체(10) 내에서 제1 방향 혹은 수평 방향으로 연장하는 수평 히트파이프(21)와, 제1 방향과 직교하는 제2 방향 혹은 수직 방향으로 연장하는 수직 히트파이프(22)를 더 구비할 수 있다. 즉, 히트파이프는 고온부 몸체(10)의 내부에 고온부 몸체의 서로 마주하는 제1 측면과 제2 측면 사이를 연장하는 수평 히트파이프(21)와, 제1 측면과 제2 측면에 각각 인접하고 서로 마주하는 제3 측면과 제4 측면 사이를 연장하는 수직 히트파이프(22)를 더 포함할 수 있다.

열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 길이 방향으로 연장하는 동서남북의 네 측면 중 일부에서 히트파이프(20)에 접하거나 인접하게 배치된다. 열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)에 부착되는 일정 두께의 판(plate) 형태를 구비할 수 있다. 열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 네 측면 중 제1 측면 및 제1 측면과 마주하는 제2 측면에서 고온부 몸체(10)의 길이 방향으로 일렬로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 열전발전 소자는 고온부 몸체(10)의 길이 방향, 높이 방향, 경사 방향 또는 이들의 조합 방향으로 복수개 배치될 수 있다.

열전발전 소자(31, 32)의 상세 구성은 이미 잘 알려져 있으므로 그에 대한 상세 설명은 생략한다. 열전발전 소자(31, 32) 각각은 전압 및 전류 회로를 구성하기 위한 한 쌍의 포지티브 배선과 네거티브 배선을 구비한다.

두 개의 워터재킷(40a, 40b)은 판형 열전발전 소자(31, 32)를 각각 게재하고 고온부 몸체(10)의 양 측면에 서로 마주하도록 배치된다. 워터재킷(40a, 40b)은 공냉식 및 수냉식 겸용 구조를 구비할 수 있다. 각 워터재킷(40a; 40b)은 유입구(41a)와 유출구를 구비하고 판형 열전발전 소자(31, 32)의 일면에 접하는 직육면체 형태의 몸체와 이 몸체의 세 개의 면에 결합하는 방열판들을 구비할 수 있다. 직육면체 몸체는 중공형 몸체로서 그 일면에 유입구(41a)와 타면에 유출구를 구비하고, 소정의 체결수단에 의해 방열판들과 일체로 형성될 수 있다.

도 8은 도 4의 TEG 어셈블리의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 TEG 어셈블리(100)는 고온부 몸체(10)의 인입구(11a)에 연결된 배기관에서 고온의 배기가스를 받고, 워터재킷(40a, 40b)의 유입구(41a)를 통해 배기가스 대비 상대적으로 낮은 온도를 갖는 저온 유체나 냉각된 유체를 받고, 배기가스와 저온 유체에 의해 열전발전 소자의 양단에 미리 설정된 일정 온도 이상의 온도차를 형성하고, 그에 의해 열전발전을 수행한다.

저온 유체는 유입구(41a)에 연결된 펌프(110)의 압력에 의해 워터재킷(40a, 40b)으로 공급될 수 있고, 워터재킷(40a, 40b)에서 배출되는 유체는 열교환기(120)에서의 열교환을 통해 함유하고 있는 열을 대기 중으로 배출할 수 있다. 펌프(110)와 열교환기(120) 사이에는 냉각수 탱크(130)가 배치될 수 있다. 전술한 펌프(110), 열교환기(120) 및 냉각수 탱크(130)는 차량의 차체에 장착될 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 차량에 대하여 열전발전 방식으로 구동하는 새로운 구성의 에너지 하베스팅 구조(200)를 제공할 수 있다.

도 9는 도 4의 TEG 어셈블리를 차량에 직병렬 구조로 장착한 경우를 나타낸 도면이다. 도 10은 도 9의 TEG 어셈블리의 장착 구조의 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 TEG 어셈블리(100)는 차량의 차체(300) 하부에서 배기관에 직렬 연결되는 제1 TEG 어셈블리와, 배기가스의 흐름상 제1 TEG 어셈블리의 후단에서 분기되는 배기관에 각각 직렬 연결되는 두 개의 제2 TEG 어셈블리를 구비할 수 있다.

본 실시예에 따른 TEG 어셈블리(100)는 차량 장착 구조와 열 전달 구조는 특정한 것으로 전술한 이중 직렬 구조로 배치되는 경우에 그 효율이 가장 우수한 것으로 확인되었다.

도 10을 참조하면, 전술한 이중 직렬 구조로 설치한 3개의 TEG 어셈블리를 사용하여 열전발전을 수행한 결과(제1 실시예)는, 단일 TEG 어셈블리를 사용하여 열전발전을 수행하고 가장 좋은 결과값에 3배를 곱한 결과(제2 실시예)에 거의 근접하는 것으로 확인하였다.

본 실시예에 의하면, TEG 어셈블리는 차량 내에서 고온부와 저온부(25℃)와의 온도 차이(△T)로서 30℃에서 290℃까지를 TEG의 입력으로 하여 각 온도 차이에서 단위 시간(예컨대 1초)에 최대 약 39W의 전력을 생산하였다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 어셈블리에 대한 사시도이다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 TEG 어셈블리(100a)는, 고온부 몸체(10), 히트파이프(20, 21, 22), 열전발전 소자(31, 32), 및 워터재킷(40a, 40b, 40c, 40d)을 구비한다. 여기서, 열전발전 소자(31, 32)는 고온부 몸체(10)의 제1 측면과 제1 워터재킷(40a) 사이에, 고온부 몸체(10)의 제2 측면과 제2 워터재킷(40b) 사이에, 고온부 몸체(10)의 제3 측면과 제3 워터재킷(40c) 사이에, 그리고 고온부 몸체(10)의 제4 측면과 제4 워터재킷(40d) 사이에 각각 배치된다.

제1 내지 제4 워터재킷(40a 내지 40d) 각각은 유입구(41a)를 구비한 중공형 몸체와 중공형 몸체의 3면에 결합하는 방열판들을 구비한다. 각 유입구(41a)에는 차량에서 사용되는 냉각수가 동일한 펌프(도 8의 110 참조)에 의해 공급될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 동일한 부피 혹은 중량에서 전술한 실시예에 비해 상대적으로 높은 열전발전 용량을 가질 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 발전모듈을 설명하기 위한 블록도이다.

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 TEG 발전모듈은 전술한 실시예들 중 어느 하나의 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리(100) 및 DC/DC 컨버터(410)를 포함할 수 있다. DC/DC 컨버터(410)는 차량에 탑재된 양방향 컨버터(420), 보조배터리(430), 정션박스(junction box, 440) 및 통합제어기(450)에 연결될 수 있다.

DC/DC 컨버터(410)는 열전발전 어셈블리(100)의 열전발전 소자에서 생성되는 전기 에너지를 변환하여 양방향 컨버터(420), 보조배터리(430) 또는 정션박스(junction box, 440)에 공급할 수 있다.

통합제어기(450)는 DC/DC 컨버터(410), 양방향 컨버터(420), 보조배터리(430) 및 정션박스(junction box, 440)의 동작을 제어하여 DC/DC 컨버터(410)의 변환 전력이 차량시스템이나 차량 애플리케이션에 사용되거나 충전될 수 있도록 차량 내 전력 생산 및 소비를 관리할 수 있다.

차량시스템은 저전압 배터리 혹은 12V 차량배터리, 전장부품, 고전압 배터리 등을 포함하고, 차량 애플리케이션은 공조장치, 공조제어기, 차량 실내 청정화 장치, 사용자 부가장치 등을 포함하고, 차량 실내 청정화 장치는 에어컨 필터 살균 장치, 시트 및 스티어링 휠 살균 장치 등을 포함할 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 열전발전 어셈블리를 통해 차량의 이중 전원 체계를 확대하고, 고출력 신규 부하를 탑재한 차량의 전원 안정화에 기여할 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 기존 듀얼(dual) 전원체계의 고출력 부하 대응 기능 이외에, 에너지 하베스팅을 통해 발전, 저장된 에너지를 양방향 전력변환장치로 주 전원용 배터리를 충전하는 배터리 보충전 기능, 겨울철 저온 시 배터리 성능저하에 따른 시동 불량을 대응하는 저온시동 부스트(boost) 기능, 주 전원 문제발생시 비상 전원을 공급하는 전원 페일세이프(fail-safe) 모드 기능을 안정적으로 지원할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 에너지 하베스팅 기반 보조전원체계(APN, auxiliary power-net)용 양방향 컨버터를 활용하는 기술로, 이 컨버터를 이용하여 주행 중 발전제어 지원 및 장기 주차 시 암전류 대응 기능 등과 같이 차량의 운용효율 향상에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 차량 공기질 개선 장치에 필요할 전력을 보다 효과적으로 공급할 수 있다. 그리고, 강한 일사로 인해 차량 실내 온도가 상승되면 운전자 탑승 시 냉방부하량이 증가되고, 이는 에너지 소모를 증가시켜 연비에 악영향을 미치며 운전자 감성에 나쁜 영향을 주기 때문에 해외 선진 완성차업체에서는 자동환기장치로 차량 내 공기온도를 낮추는 기능을 구현하고 있는데, 그 경우 차량 실내 온도 상승은 냉방부하량 증가와 함께 전기차 등에 장착된 고전압 배터리의 환경 온도를 높이는 문제를 야기할 수 있으나, 본 발명에 의하면, 직병렬 구조의 열전발전 어셈블리를 사용하여 차량 자동 냉/난방 시스템이나 자동환기 시스템에 보다 효과적으로 전력을 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 에너지 하베스팅 기반 보조전원체계(APN, auxiliary power-net)에 저장된 전기에너지를 활용하여 주기적으로 실내 청정성 확보를 위한 살균 기능의 구현에도 기여할 수 있다. 이러한 작용효과에 의하면, 차량 내 미세먼지 저감하고, 외부로부터 유입되는 공기에 포함된 세균과 유해성분을 제거하고, 공기유입, 배출 경로의 세균 증식도 억제할 수 있도록 증발기를 충분히 건조시키기 위한 후(後)공조 기능과 함께 공조 연계 살균기능을 수행하는 장치에도 효과적으로 전력을 공급하는데 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 차량 실내 살균장치에 효과적으로 전력을 공급함으로써 시트와 스티어링 휠 등에 존재하는 세균을 살균함으로써 운전자가 건강 유해인자에 노출되지 않도록 하는데 기영할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 차량의 배기관에 연결되는 인입구와 배출구를 구비하는 고온부 몸체;
   상기 고온부 몸체에 결합하는 히트파이프;
   상기 고온부 몸체의 일부에서 상기 히트파이프에 접하거나 인접하게 배치되는 열전발전 소자; 및
   상기 열전발전 소자를 게재하고 상기 고온부 몸체와 마주하는 공냉식 및 수냉식 겸용 워터재킷;을 포함하며,
   상기 고온부 몸체는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면과 후면에 상기 인입구와 상기 배출구를 각각 구비한 형태를 가지고,
   상기 히트파이프는 상기 고온부 몸체의 내부에 배치되고 상기 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프와, 상기 고온부 몸체의 상기 정면과 상기 후면 상에 노출되도록 배치되고 상기 직선형 히트파이프를 연결하는 유선형 히트파이프를 구비하며,
   상기 열전발전 소자는 상기 고온부 몸체의 제1 측면과 상기 제1 측면에 마주하는 제2 측면에서 상기 길이 방향으로 복수의 열전발전 소자 유닛이 각각 배치되고,
   상기 고온부 몸체의 내부에 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이를 연장하며 지지하는 제1 히트파이프와, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면에 각각 인접하고 서로 마주하는 제3 측면과 제4 측면 사이를 연장하며 지지하는 제2 히트파이프를 더 포함하고,
   상기 직선형 히트파이프와, 상기 제1 히트파이프와, 상기 제2 히트파이프는 서로 직교하여 위치하는,
   에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고온부 몸체는 상기 정면과 상기 후면에 각각 형성된 복수의 관통공을 구비하고, 상기 복수의 관통공에는 상기 히트파이프가 삽입되는, 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 워터재킷은 일면에 유입구와 타면에 유출구를 구비하는 육면체 형태의 중공형 몸체와, 상기 고온부 몸체와 마주하는 주면과 상기 주면의 양 측면에 각각 일체로 구비되는 방열판들을 구비하는, 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리.
5. 청구항 4의 에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리;
   상기 유입구에 연결되는 펌프; 및
   상기 유출구에 연결되는 열교환기를 포함하는, 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 열교환기와 상기 펌프 사이에 배치되어 상기 워터재킷 내부의 유체 유동을 위한 순환유로를 형성하며 상기 차량에 탑재되는 냉각수 탱크를 더 포함하는, 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 열전발전 소자에 연결되는 배선; 및
   상기 배선에 연결되는 DC/DC 컨버터를 더 포함하는 에너지 하베스팅용 열전발전 발전모듈.
8. 차량의 배기관에 연결되는 인입구 및 배출구를 구비하는 고온부 몸체와;
   상기 고온부 몸체에 결합하는 히트파이프와;
   상기 고온부 몸체의 일부에서 상기 히트파이프에 접하거나 인접하게 배치되는 열전발전 소자와;
   상기 열전발전 소자를 게재하고 상기 고온부 몸체와 마주하는 공냉식 및 수냉식 겸용 워터재킷;을 각각 포함하는,
   제 1 내지 제 3 열전발전 어셈블리를 포함하고,
   상기 고온부 몸체는 길이 방향과 직교하고 서로 마주보는 정면과 후면에 상기 인입구와 상기 배출구를 각각 구비한 형태를 가지고,
   상기 히트파이프는 상기 고온부 몸체의 내부에 배치되고 상기 길이 방향으로 연장하는 직선형 히트파이프와, 상기 고온부 몸체의 상기 정면과 상기 후면 상에 노출되도록 배치되고 상기 직선형 히트파이프를 연결하는 유선형 히트파이프를 구비하며,
   상기 열전발전 소자는 상기 고온부 몸체의 제1 측면과 상기 제1 측면에 마주하는 제2 측면에서 상기 길이 방향으로 복수의 열전발전 소자 유닛이 각각 배치되고,
   상기 고온부 몸체의 내부에 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이를 연장하며 지지하는 제1 히트파이프와, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면에 각각 인접하고 서로 마주하는 제3 측면과 제4 측면 사이를 연장하며 지지하는 제2 히트파이프를 더 포함하며,
   상기 직선형 히트파이프와, 상기 제1 히트파이프와, 상기 제2 히트파이프는 서로 직교하여 위치하고,
   상기 제 1 열전발전 어셈블리의 고온부 몸체의 인입구는 차량의 배기관에 직렬 연결되며,
   상기 제 2 열전발전 어셈블리의 고온부 몸체의 인입구 및 상기 제 3 열전발전 어셈블리의 고온부 몸체의 인입구는 각각, 상기 제 1 열전발전 어셈블리의 고온부 몸체의 배출구에 직렬 연결되는,
   에너지 하베스팅용 열전발전 어셈블리.
   

Images