KR20100120339A - 배기열 회수 열전발전 장치 - Google Patents

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KR20100120339A KR1020090039106A KR20090039106A KR20100120339A KR 20100120339 A KR20100120339 A KR 20100120339A KR 1020090039106 A KR1020090039106 A KR 1020090039106A KR 20090039106 A KR20090039106 A KR 20090039106A KR 20100120339 A KR20100120339 A KR 20100120339A
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Abstract

본 발명은 차량의 배기가스와 냉각수의 온도차를 이용하여 열전발전 모듈을 통해 전기를 발생시키는 장치에서 배기열교환기의 구성을 이원화하여 열전달 효율이 높은 열전발전 장치를 구성하는 것이다.
보다 구체적으로는 배기가스 라인 상에 구비되고, 내부에 폭 방향으로 일정 간격을 두고 배열되어 배기가스를 유통시키는 열전달 핀블록을 형성하며, 상면 및 하면에 열전 모듈이 구비되는 배기열교환기; 및 열교환을 통해 발생하는 폐열을 방출하기 위한 라디에이터 및 냉각수의 순환을 위한 워터펌프를 포함하는 냉각수 라인 상에 구비되고, 상기 열전 모듈 층의 바깥쪽 양 측에 각각 밀착 고정되어 형성되며, 내부에 냉각수가 유통되도록 유입구, 배출구, 냉각수 유로가 형성되는 냉각 수단; 으로 이루어지는 단위 열교환기를 적어도 하나 이상 구비하되, 상기 배기열교환기는 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 전단 배기열교환기와 상기 전단 배기열교환기를 통과한 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 후단 배기열교환기가 밀착되어 체결되는 것을 특징으로 한다.
열전소자, 열전모듈, 열교환기, 배기열 회수, 열전 발전

Description

배기열 회수 열전발전 장치{Thermoelectric Generation System for Withdrawing Heat of Exhaust Gas}
본 발명은 차량의 배기가스와 냉각수의 온도차를 이용하여 열전발전 모듈을 통해 전기를 발생시키는 장치에서 배기열교환기의 구성을 이원화하여 열전달 효율이 높은 열전발전 장치를 구성하는 것이다.
도 1 은 종래의 배기열 발전장치의 전체 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2 는 종래의 다른 형태의 배기열 발전장치에서 배기가스 흐름에 수직방향으로 장치가 구성됨을 나타내는 단면도이다.
도 1 을 참조하면 종래의 배기열 발전장치(10)는 배기 도입관 상하 흐름의 발열 전 소자(52)의 온도차에 따른 발전 효율을 유지하기 위해 집열핀(50B) 구조가 복잡하던 문제를 개선하기 위해 기관의 배기를 도입하는 배기 도입관에서 길이 방향의 다른 부분으로부터 분기되는 복수의 배기 분기로와, 상기 배기 분기로의 내면으로부터 돌출되고 그 배기 분기로 내에서 상기 배기 분기로와 접촉하는 집열 핀(50B)과, 각각 상기 배기로의 벽에 접촉한 일 측을 고온부로 타 측을 저온부로 하고 그 고온부와 저온부의 온도차에 따라 기전력을 만들어 내는 발열전 소자(52)를 포함하여 형성된다. 즉, 배기관 내 촉매부와 발전 파이프를 구성하고 발전 파이프로부터 고온용 열교환로(44)를 형성하며 소자부의 한 면에 집열핀(50B)을 배기관 내에 설치하고 하류측은 배기온이 저하되는 것을 고려하여 핀의 면적을 증대하고 반대측 면은 냉각수가 흐르도록 구성된다.
도 2 를 참조하면 종래의 다른 형태의 배기열 발전장치(10')는 각각 고온측과 저온측의 온도차에 따라서 기전력을 만들어 내는 복수의 열발전 모듈(16')과 상기 복수의 열발전 모듈(16')의 고온측에 각각 접촉하는 고온측 열교환기(12')와 상기 고온측 열교환기(12')와의 사이에 열발전 모듈(16')을 끼우도록 상기 복수의 열발전 모듈(16')의 저온측에 접촉하는 저온측 열교환기(14')와 상기 복수의 열발전 모듈(16')을 상기 고온측 열교환기(12')와 저온측 열교환기(14')의 사이에 끼워 놓고 각각 유지하기 위한 하중을 부여하는 접시 스프링(45')과 상기 접시 스프링(45')에 의한 유지 하중을 상기 복수의 열발전 모듈(16')마다 독립적으로 조절 가능한 하중 조절 기구(50')을 구비한다. 즉, 열발전 모듈(16')과 접촉하는 고온측이 핀으로 구성되고 그 외곽으로 저온측 열교환기(14')가 형성되며 이들의 접촉률을 높이기 위해 탄성체인 접시 스프링(45')으로 구성되는 열전발전 시스템이다.
상술한 종래의 배기열 발전장치(10, 10')는 고온의 배기관내에 삽입되는 핀이 하나의 재질로 구성되어 하단부의 저온측 배기가스에서는 발전 효율이 감소되는 단점이 있다.
따라서, 종래의 발전장치는 발전 효율이 낮으므로 배기열을 이용한 열전발전의 효율을 높이기 위해서 배기관의 고온부와 저온부측에 핀이 별도로 구성되는 열전발전 시스템의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 열전발전 모듈에서 배기열교환기의 구성을 이원화하고 열전달 핀블록의 조밀도를 각각 달리하여 열전달 효율이 높은 열전발전 장치를 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기열 회수 열전발전 장치(1000)는 배기가스 라인(1100)상에 구비되고, 내부에 폭 방향으로 일정 간격을 두고 배열되어 배기가스를 유통시키는 열전달 핀블록(1311)을 형성하며, 상면 및 하면에 열전 모듈(1312)이 구비되는 배기열교환기(1310); 및 열교환을 통해 발생하는 폐열을 방출하기 위한 라디에이터(1210) 및 냉각수의 순환을 위한 워터펌프(1220)를 포함하는 냉각수 라인(1200)상에 구비되고, 상기 열전 모듈(1312) 층의 바깥쪽 양 측에 각각 밀착 고정되어 형성되며, 내부에 냉각수가 유통되도록 유입구(1331), 배출구(1333), 냉각수 유로(1332)가 형성되는 냉각 수단(1330); 으로 이루어지는 단위 열교환기(1300)를 적어도 하나 이상 구비하되, 상기 배기열교환기(1310)는 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 전단 배기열교환기(1310a)와 상기 전단 배기열교환기(1310a)를 통과한 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 후단 배기열교환기(1310b)가 밀착되어 체결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 후단 배기열교환기(1310b)에 형성되는 열전달 핀블 록(1311)은 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 형성되는 열전달 핀블록(1311)보다 조밀하게 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 전단 배기열교환기(1310a)는 상기 후단 배기열교환기(1310b)에 비해 내열성을 갖는 재질로, 상기 후단 배기열교환기(1310b)는 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 비해 높은 열전도성을 갖는 소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 단위 열교환기(1300)는 배기가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 상기 유입구(1331), 배출구(1333) 및 냉각수 유로(1332)가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 적어도 두 개 이상의 상기 냉각 수단(1330)에 있어서, 상기 냉각수단(1330)들 중 적어도 하나의 상기 냉각 수단(1330)의 상기 유입구(1331)와, 이를 제외한 나머지 냉각 수단(1330)들 중 적어도 하나의 냉각 수단(1330)의 상기 배출구(1333)가 서로 연결되어 하나의 냉각수 유로(1332)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열전발전 장치는 고온부 전단에서 후단으로 배기가스가 통과하며 이동하면서 배기가스의 온도 하강에 의한 열전발전 효율 감소를 최소화하여 후단에서도 상대적으로 높은 효율을 갖도록 열전발전이 가능하다.
한편, 전단 배기열교환기와 후단 열교환기의 소재를 달리하여 전체적인 열전 발전 시스템의 무게를 줄일 수 있어 차량 연비의 감소를 최소화 할 수 있고 소재에 따른 제작 비용도 절감되는 장점이 있다.
또한, 열전달 핀블록의 조밀도를 달리하여 배기가스의 온도와 밀도차이에 따른 배기가스의 토출 압력을 최소화하여 차량 연비 향상에 기여하는 장점도 있다.
열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. 특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로도 프레온식 컴프레서나 흡열식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전 모듈(Thermoelectric Module)이라 한다. 펠티에 효과란 서로 다른 두 개의 전기적 양도체에 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일 측은 가열되고 타 측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 3a 는 본 발명에 의한 배기열 회수 열전발전 장치의 전체 시스템을 나타 내는 블록 구성도를, 도 3b 는 본 발명에 의한 배기열 회수 열전발전 장치가 자동차에 장착된 형태의 개요도를, 도 4 는 본 발명에 의한 열전 모듈의 배열 구조를, 도 5 는 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 전단 배기열교환기와 후단 배기열교환기의 결합 단계를 나타낸 사시도를, 도 6 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 배기열교환기에 열전 모듈이 장착되는 단계를 나타낸 사시도를, 도 7 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 냉각 수단의 냉각수 유동 형태의 일실시예를 나타내는 사시도를, 도 8 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 배기열교환기의 상면 및 하면에 냉각 수단이 결합된 상태를 나타낸 사시도를, 도 9 는 본 발명에 의한 체결용 브라켓으로 결합하여 완성된 단위 열교환기를 나타내는 사시도를, 도 10a 는 본 발명에 의한 단위 열교환기를 복수개로 구성하여 결합한 실시예의 분해 사시도를, 도 10b 는 본 발명에 의한 단위 열교환기가 복수개로 구성되어 열전발전 모듈을 이루는 상태의 사시도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b 를 참조하면 본 발명에 의한 배기열 회수 열전발전 장치(1000)의 전체 시스템은 크게 배기가스 라인(1100)과 냉각수 라인(1200)으로 구분되며 각각 열전발전 모듈(1700)을 순환한다. 상기 배기가스 라인(1100)에는 촉매 변환 장치(1110), 머플러(1120)를 포함하며 바이패스 밸브(1130)를 선택적으로 구비할 수 있다. 상기 냉각수 라인(1200)에는 라디에이터(1210), 워터펌프(1220)를 포함한다. 상기 배기가스 라인(1100)에 구비되는 상기 촉매 변환 장치(1110)는 자동차 엔진에서 연소된 배기가스를 촉매 변환을 거쳐 정화하여 상기 열전발전 모듈(1700)로 유입시킨다. 상기 머플러(1120)는 고온의 배기가스를 이용하여 열전발 전을 거친 뒤 저온 상태의 배기가스를 대기로 방출하는 장치이다. 상기 바이패스 밸브(1130)는 자동차의 배기가스가 이상 고온 상태일 때 상기 열전발전 모듈(1700)의 손상을 가져올 수 있으므로 이를 방지하기 위해 배기가스가 이상 고온일 때 배기가스의 유동 경로를 변환시켜 상기 열전발전 모듈(1700)을 거치지 않고 직접 상기 머플러(1120)를 통해 대기로 방출시키는 장치이다. 상기 냉각수 라인(1200)에 구비되는 상기 라디에이터(1210)는 열전발전 모듈(1700)을 통과하며 열교환을 통해 온도가 상승된 냉각수의 폐열을 방출시키는 장치이다. 따라서, 상기 라디에이터(1210)는 상기 열전발전 모듈(1700)에 구비되는 냉각 수단(1330)을 통과한 냉각수가 유입될 수 있는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 워터펌프(1220)는 상기 냉각수 라인(1200)을 통해 냉각수가 순환되도록 해주는 펌핑 장치이다. 도 3b 를 통해 상기 배기열 회수 열전발전 장치(1000)가 자동차에 장착되는 일실시예를 확인할 수 있다.
열전 발전 모듈은 양단의 온도차가 클수록, 제베크(Seebeck) 계수가 클수록, 전기 저항이 작을수록 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 열전 발전 모듈 양단간의 온도차를 크게 하기 위해서는 모듈을 통해 흐르는 열량이 커야하므로 높은 발전 효율을 위해서는 열전 발전 모듈을 통해 최대한 많은 열량이 흐르도록 해야 한다. 이를 위해 고온측에 열전달 해주는 열교환기 부분과 저온측에 열전달 해주는 열교환기 부분의 열전달 효율이 높도록 설계하는 것이 필요하다. 또한, 모듈 시스템의 열 전도도가 낮을수록 동일한 열량에서 더 큰 온도 차이를 얻을 수 있으므로 전기 저항이 작을수록 열손실이 줄어들어 높은 발전 효율을 얻을 수 있다.
도 4 는 본 발명에 의한 열전 모듈(1312)의 배열을 측면에서 도시한 것이다. 도 4 에 도시된 본 발명에 의한 열전 모듈(1312)의 배열은 다수 개의 P형 반도체 및 N형 반도체가 평면상에 교대로 배열되어 있으며, 상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 상하에 각각 도체의 판상으로 된 극판(도면번호 미부여)이 구비된다. 상기 극판(도면번호 미부여)은 상기 P형 반도체 및 N형 반도체를 상하에서 서로 엇갈리게 짝짓도록 배치된다. 상기 도 4 는 측면에서 도시한 단면도이기 때문에 상기 극판(도면번호 미부여)이 모두 절단 및 분리되어 있는 것처럼 도시되었으나, 상기 극판(도면번호 미부여)은 각각 1개의 판상으로 각 부분들이 모두 연결되어 형성될 수도 있으며, 일부가 연결되어 형성될 수도 있고, 모두 분리되어 형성될 수도 있는 등 설계에 따라 어떻게 형성되어도 무방하다.
상기 극판(도면번호 미부여)의 외측에는 절연판(도면번호 미부여)이 구비되며, 그 외측에는 도체판(도면번호 미부여)이 구비된다. 상기 절연판(도면번호 미부여)은, 상기 반도체들과 밀착되어 있는 상기 극판(도면번호 미부여)과 상기 열전 모듈(1312)의 최외측에 구비되는 절연판(도면번호 미부여) 사이에 전기가 통하지 않도록 차단해 주는 역할을 한다. 상기 극판(도면번호 미부여)과 상기 절연판(도면번호 미부여)은 도 4 에 도시된 바와 같이 하나의 판재를 벤딩하여 복층을 형성하도록 함으로써 일체형으로 결합되도록 하여도 무방하고, 또는 상기 극판(도면번호 미부여)과 상기 절연판(도면번호 미부여)을 도선으로 연결하도록 하여도 무방하다.
도 4 에는 상기 극판(도면번호 미부여) 및 반도체들을 통해 전류가 흐르는 한 예를 도시하고 있다. 상측에 연결된 극판(도면번호 미부여)에 양극을, 하측에 연결된 극판(도면번호 미부여)에 음극을 걸어 주면, 도 4 에 도시된 바와 같이 전류가 흐르게 된다. 상술한 바와 같이 상측에 연결된 극판(도면번호 미부여)에 양극, 하측에 연결된 극판(도면번호 미부여)에 음극이 걸리도록 전원을 인가하여 주면, 상측에서 흡열 현상이, 하측에서 발열 현상이 일어나게 된다.
도 10a 및 도 10b 를 참조하면 상기 열전발전 모듈(1700)은 단위 열교환기(1300), 덕트 브라켓(1400), 입구 덕트부(1500), 출구 덕트부(1600)를 포함할 수 있다. 상기 단위 열교환기(1300)에 대해서는 후술하기로 한다. 자동차의 배기가스는 상기 입구 덕트부(1500)를 통해 유입되어 하나 또는 복수개의 단위 열교환기(1300)를 통해 열교환한 뒤 상기 출구 덕트부(1600)를 통해 배출되어 상기 머플러(1120)로 이동하게 된다. 상기 입구 덕트부(1500)와 단위 열교환기(1300)의 사이, 상기 출구 덕트부(1600)와 단위 열교환기(1300)의 사이에는 각각 상기 덕트 브라켓(1400)이 장착되며 이는 배기가스가 새어나가지 않도록 하기 위함이다. 따라서, 상기 덕트 브라켓(1400)은 고온에 견딜 수 있는 내열성 있는 재질로 형성하는 것이 바람직하고 상기 덕트 브라켓(1400)의 양단은 볼트 결합, 용접 등의 체결방법을 이용하여 결합할 수 있다.
도 5 내지 도 9 를 참조하면 상기 단위 열교환기(1300)는 배기열교환기(1310), 냉각 수단(1330), 체결용 브라켓(1340)을 포함할 수 있다. 상기 배기열교환기(1310)는 전단 배기열교환기(1310a), 후단 배기열교환기(1310b), 열전달 핀블록(1311), 열전 모듈(1312), 가스켓(1313)을 구비할 수 있다. 상기 냉각 수단(1330)은 내부에 유입구(1331), 냉각수 유로(1332), 배출구(1333)를 형성할 수 있다. 이하 각각 살펴보기로 한다.
도 5 및 도 6 을 참조하면 상기 전단 배기열교환기(1310a)는 고온의 배기가스가 유입되는 부위이므로 후단 배기열교환기(1310b)에 비해 내열성이 요구되고 열전달률이 높아야하므로 스테인리스 스틸이나 주철 등의 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 마찬가지로 상기 후단 배기열교환기(1310b)는 상대적으로 저온의 배기가스가 유입되는 부위이므로 전단 배기열교환기(1310a)에 비해 내열성을 적게 고려하고 높은 열전도성을 갖는 소재를 사용할 수 있다. 따라서, 알루미늄이나 구리 등의 가벼우면서도 열전달 효율이 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전단 배기열교환기(1310a)와 후단 배기열교환기(1310b)는 배기가스가 유입되는 측이 전단 배기열교환기(1310a)가 형성되도록 배열하며 양 자 사이에는 가스켓(1313)이 구비될 수 있다. 상기 가스켓(1313)은 고온에 견딜 수 있는 내열성 있는 재질로 형성하는 것이 바람직하며 상기 가스켓(1313)의 양단은 볼트 결합, 용접 등의 체결방법을 이용하여 결합할 수 있음은 상술한 상기 덕트 브라켓(1400)과 같다.
도 5 를 참조하면 상기 열전달 핀블록(1311)은 열전달 효율을 높이기 위해 상기 배기열교환기(1310)의 내부에 폭 방향으로 일정 간격을 두고 배열되어 형성될 수 있다. 다만, 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 유입되는 배기가스는 상대적으로 매우 고온이고 밀도가 낮아 압력 부하가 커질 수 있어 자동차 연비 감소를 유발할 수 있다. 따라서, 상기 후단 배기열교환기(1310b)에 형성되는 열전달 핀블록(1311)은 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 형성되는 열전달 핀블록(1311)보다 조밀하게 구성하면 상기 전단 배기열교환기(1310a)에서 배기가스가 상대적으로 원활하게 유 동되고 이에 따라 압력 부하를 최소화하고 연비 감소를 방지할 수 있다.
도 6 을 참조하면 상기 열전 모듈(1312)은 상기 배기열교환기(1310)의 상면 및 하면에 구비될 수 있으며 각각의 열전 모듈(1312)에 대해서는 상술한 바와 같다. 상기 열전 모듈(1312)에서 P형 반도체와 N형 반도체의 성분을 구성할 때 고온에서 효율이 높은 성분으로 구성하는 경우를 고온용 열전 모듈(1312a), 저온에서 효율이 높은 성분으로 구성하는 경우를 저온용 열전 모듈(1312b)이라 할 수 있다. 이 때, 상기 전단 배기열교환기(1310a)의 상면 및 하면에는 고온용 열전 모듈(1312a)이 구비되고, 상기 후단 배기열교환기(1310b)의 상면 및 하면에는 저온용 열전 모듈(1312b)이 구비되는 것이 열전발전의 효율 면에서 바람직하다.
도 7 및 도 8 을 참조하면 상기 냉각 수단(1330)은 내부에 냉각수가 유통하는 냉각수 유로(1332)가 형성되어 있고, 상기 열전 모듈(1312)층의 바깥쪽 양 측에 각각 밀착 고정되어 형성될 수 있다. 상기 냉각수 유로(1332)는 상기 냉각 수단(1330)의 길이 방향과 나란한 방향으로 연장되는데, 상기 냉각 수단(1330) 일 측의 동일면에 냉각수가 유입되는 유입구(1331)와 냉각수가 배출되는 배출구(1333)를 갖도록 W자, U자 등의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 냉각 수단(1330)의 유입구(1331)로 유입된 저온의 냉각수는 냉각수 유로(1332)를 통과하면서 상기 열전달 핀블록(1311)을 통과하는 고온의 배기가스로부터 열을 빼앗아 가열되어 고온이 되어 배출구(1333)를 통해 배출된다. 물론 같은 원리로 상기 열전달 핀블록(1311)으로 유입된 고온의 배기가스는 상기 냉각 수단(1330)을 유통하는 냉각수로 열을 빼앗겨 저온이 되어 배출된다. 이 때, 열전 모듈(1312)은 상기 냉각 수 단(1330)을 통해 유통하는 냉각수와 상기 열전달 핀블록(1311)을 통해 유통하는 배기가스 사이에서 열교환 효율을 높일 수 있도록 상기 냉각 수단(1330)과 열전달 핀블록(1311)이 구비되는 상기 배기열교환기(1310) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 열교환기로 유입된 저온의 냉각수는 열전소자 고온측의 열을 빼앗아 더욱 고온이 되어 배출되고, 열교환기로 유입된 고온의 배기가스는 열전소자의 저온측으로 열을 전달하여 더욱 저온이 되어 배출된다. 상기 냉각 수단(1330)은 유입 배기가스의 하류 측에 냉각수가 유입되는 상기 유입구(1331)가 배치되도록 하여 배기가스의 유동 방향에 대해 냉각수의 유동 방향이 대향류가 되게 형성되도록 하여 성능이 향상되도록 하는 것이 바람직하다. 도 7 과 같이 공기가 고온인 측과 냉각수가 고온인 측, 또한 공기가 저온인 측과 냉각수가 저온인 측이 대체로 같은 방향에 있는데, 이와 같이 고온의 공기-고온의 냉각수 / 저온의 공기-저온의 냉각수가 대체로 같은 위치에 있도록 하여 냉각수의 유동 방향과 공기의 유동 방향이 대향류를 이루도록 할 수 있다. 서로 다른 위치에 형성되는 상기 냉각 수단(1330)의 상기 유입구(1331)와 배출구(1333)는 서로 연결되어 하나의 상기 냉각수 유로(1332)를 형성할 수 있다. 즉, 적어도 두 개 이상의 상기 냉각 수단(1330)에서, 상기 냉각 수단(1330)들 중 적어도 하나의 상기 냉각수단(1330)의 상기 유입구(1331)와, 이를 제외한 나머지 냉각 수단(1330)들 중 적어도 하나의 냉각 수단(1330)의 상기 배출구(1333)가 서로 연결될 수 있고 이에 따라 하나의 냉각수 유로(1332)를 형성할 수 있다. 도 8 에서는 각각의 상기 냉각 수단(1330)별로 상기 냉각수 유로(1332)가 형성되었으나 상기 배기열교환기(1310)의 상면 전후단 및 하면 전후단에 형성되는 상 기 냉각 수단(1330)들에 구비된 상기 유입구(1331)와 배출구(1333) 중 일부 또는 전부가 상호 연결되어 하나의 냉각수 유로(1332)를 형성할 수 있다. 상기 냉각수 유로(1332)가 하나로 형성되는 경우 상기 냉각수 라인(1200)에서의 냉각수 순환이 원활해져 상기 배기열 회수 열전발전 장치(1000)의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 냉각 수단(1330)은 알루미늄 등과같이 가볍고 열전달 효율이 높은 재질을 사용하며 그 내부는 방열용 블록으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 9 를 참조하면 상기 체결용 브라켓(1340)은 상기 배기열교환기(1310), 열전 모듈(1312), 냉각 수단(1330)을 체결하기 위해 형성될 수 있다. 상기 체결용 브라켓(1340)은 힌지부를 두고 볼팅 또는 클램핑 등의 체결 구조로 결합될 수 있으며 상기 열전 모듈(1312) 전체에 압력을 균등하게 가할 수 있도록 탄성력을 갖는 형상 및 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 체결용 브라켓(1340)으로 상기 배기열교환기(1310), 열전 모듈(1312), 냉각 수단(1330)을 체결한 것이 상기 단위 열교환기(1300)가 된다.
본 발명의 상기한 실시예에 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.
도 1 은 종래의 배기열 발전장치의 전체 구성을 나타낸 단면도.
도 2 는 종래의 다른 형태의 배기열 발전장치에서 배기가스 흐름에 수직방향으로 장치가 구성됨을 나타내는 단면도.
도 3a 는 본 발명에 의한 배기열 회수 열전발전 장치의 전체 시스템을 나타내는 블록 구성도.
도 3b 는 본 발명에 의한 배기열 회수 열전발전 장치가 자동차에 장착된 형태의 개요도.
도 4 는 본 발명에 의한 열전 모듈의 배열 구조.
도 5 는 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 전단 배기열교환기와 후단 배기열교환기의 결합 단계를 나타낸 사시도.
도 6 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 배기열교환기에 열전 모듈이 장착되는 단계를 나타낸 사시도.
도 7 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 냉각 수단의 냉각수 유동 형태의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 8 은 본 발명에 의한 단위 열교환기 구성 중 배기열교환기의 상면 및 하면에 냉각 수단이 결합된 상태를 나타낸 사시도.
도 9 는 본 발명에 의한 체결용 브라켓으로 결합하여 완성된 단위 열교환기를 나타내는 사시도.
도 10a 는 본 발명에 의한 단위 열교환기를 복수개로 구성하여 결합한 실시 예의 분해 사시도.
도 10b 는 본 발명에 의한 단위 열교환기가 복수개로 구성되어 열전발전 모듈을 이루는 상태의 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 배기열 발전장치 38 : 고온 가스 도입 파이프
44 : 고온용 열교환로 50A : 소자 접촉판
50B : 집열핀 52 : 발열 전 소자
10' : 배기열 발전장치 12' : 고온측 열교환기
14' : 저온측 열교환기 16' : 열발전 모듈
45' : 접시 스프링 50' : 하중 조절 기구
1000 : 배기열 회수 열전발전 장치
1100 : 배기가스 라인 1110 : 촉매 변환 장치
1120 : 머플러 1130 : 바이패스 밸브
1200 : 냉각수 라인
1210 : 라디에이터 1220 : 워터펌프
1300 : 단위 열교환기
1310 : 배기열교환기 1310a : 전단 배기열교환기
1310b : 후단 배기열교환기 1311 : 열전달 핀블록
1312 : 열전 모듈 1312a : 고온용 열전 모듈
1312b : 저온용 열전 모듈 1313 : 가스켓
1330 : 냉각 수단 1331 : 유입구
1332 : 냉각수 유로 1333 : 배출구
1340 : 체결용 브라켓
1400 : 덕트 브라켓 1500 : 입구 덕트부
1600 : 출구 덕트부 1700 : 열전발전 모듈

Claims (5)

  1. 배기가스 라인(1100)상에 구비되고, 내부에 폭 방향으로 일정 간격을 두고 배열되어 배기가스를 유통시키는 열전달 핀블록(1311)을 형성하며, 상면 및 하면에 열전 모듈(1312)이 구비되는 배기열교환기(1310); 및
    열교환을 통해 발생하는 폐열을 방출하기 위한 라디에이터(1210) 및 냉각수의 순환을 위한 워터펌프(1220)를 포함하는 냉각수 라인(1200)상에 구비되고, 상기 열전 모듈(1312) 층의 바깥쪽 양 측에 각각 밀착 고정되어 형성되며, 내부에 냉각수가 유통되도록 유입구(1331), 배출구(1333), 냉각수 유로(1332)가 형성되는 냉각 수단(1330);
    으로 이루어지는 단위 열교환기(1300)를 적어도 하나 이상 구비하되,
    상기 배기열교환기(1310)는 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 전단 배기열교환기(1310a)와 상기 전단 배기열교환기(1310a)를 통과한 배기가스가 유입되는 측에 형성되는 후단 배기열교환기(1310b)가 밀착되어 체결되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 열전발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 후단 배기열교환기(1310b)에 형성되는 열전달 핀블록(1311)은 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 형성되는 열전달 핀블록(1311)보다 조밀하게 구성되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 열전발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전단 배기열교환기(1310a)는 상기 후단 배기열교환기(1310b)에 비해 내열성을 갖는 재질로, 상기 후단 배기열교환기(1310b)는 상기 전단 배기열교환기(1310a)에 비해 높은 열전도성을 갖는 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 열전발전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 열교환기(1300)는 배기가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 대향류를 이루도록 상기 유입구(1331), 배출구(1333) 및 냉각수 유로(1332)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 열전발전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 두 개 이상의 상기 냉각 수단(1330)에 있어서, 상기 냉각 수단(1330)들 중 적어도 하나의 상기 냉각 수단(1330)의 상기 유입구(1331)와, 이를 제외한 나머지 냉각 수단(1330)들 중 적어도 하나의 냉각수단(1330)의 상기 배출구(1333) 가 서로 연결되어 하나의 냉각수 유로(1332)를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 열전발전 장치.
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