KR20120024157A - 차량용 열전발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 배기가스에 포함된 열을 회수하여 발전하는 차량용 열전 발전장치에 관한 것으로, 대각선 방향으로 입,출구(11, 12)가 형성되며 배기가스가 통과하도록 그 내부에 중공부(13)가 형성된 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 내에 대각선으로 설치되는 베이스 튜브(20)와; 상기 베이스 튜브(20)의 상하면에 각각 설치되며 다수의 핀이 형성된 흡열핀부(30A, 30B)와; 상기 케이싱(10)의 외부면에 흡열판(41)이 접촉되도록 설치되는 다수의 발전모듈(40)과; 상기 발전모듈(40)의 방열판(42)과 접촉되도록 설치되는 히트싱크(50)로 구성된 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 배기열을 효과적으로 회수함으로써 발전 효율이 향상되고, 배기가스의 압력손실을 최소화할 수 있으며, 또한 케이싱 내부에서의 배기가스의 흐름을 균일하게 분포시킴으로써 발전모듈의 사용 수명을 연장할 수 있다.

Description

차량용 열전발전장치{THERMOELECTRIC ELEMENT MODULE FOR VEHICLES}

본 발명은 차량용 열전발전장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 차량의 배기가스에 포함된 열을 회수하여 이 배기열에 의해 발전을 이루는 열전발전장치에 있어서 배기열의 회수 효율을 향상시키는 동시에 발전모듈에서 균일하게 발전할 수 있도록 하는 유로가 개선된 차량용 열전발전장치에 관한 것이다.

근래에는 차량의 배기구를 통해 배출되는 배기가스에 포함된 열을 회수하여 전기를 발생시키고, 이렇게 발생된 전기를 차량 내에서 다시 사용할 수 있도록 함으로써 차량의 에너지 이용을 더욱 효과적으로 하는 배기열을 이용한 발전장치들이 개발되고 있다.

이와 같은 목적의 종래기술로는 일본 공개특허공보 제1992-40863호(열전발전장치)가 알려져 있다.

상기 문헌에 개시된 열전발전장치는 도 1에 도시된 바와 같이 그 내부에 코러게이트 형상의 탄성부재가 내장되며 양쪽 끝단에 각각 유입구와 유출구가 구비된 사각 형상의 흡열구조체(200)와, 상기 흡열구조체(200)의 상하부에 각각 위치되며 상하면에 각각 고온 열원으로부터 열을 흡수하는 흡열단면과 저온 열원에 열을 방출하는 방열판(300)과 접촉하는 방열단면을 가지며 그 사이에는 다수의 P-N 열전소자가 배열된 열전 발전모듈(100)로 구성되는데, 이때 흡열구조체(200)의 상하면에는 열전 발전모듈(100)의 흡열단면이 접촉되는 구조이다.

이러한 구조의 열전발전장치의 흡열구조체(200)의 내부에는 그 길이 방향을 따라 일정 간격으로 다수의 코러게이트 형상의 탄성부재가 설치되어 있어 차량으로부터 배출되는 고온의 배기가스가 흡열구조체(200)의 길이 방향을 따라 흐르면서 가로로 설치된 코러게이트 형상의 탄성부재를 거치면서 열교환되고, 이에 의해 흡열구조체(200)의 상하면에 각각 접촉되어 설치된 열전 발전모듈(100)의 흡열단면이 가열되어 열전 발전모듈(100)의 흡열단면과 방열단면 사이에 온도차가 생기게 됨으로써 전기가 발생된다.

그러나 상기와 같은 구조의 열전 발전장치는 흡열구조체(200)의 길이방향을 따라 설치된 코러게이트 형상의 탄성부재를 차례로 거치면서 열교환되기 때문에 흡열구조체(200) 내부의 상류측에서의 배기가스 온도와 하류측에서의 배기가스 온도가 상당히 다르게 되고, 이에 따라 흡열구조체(200)의 상류측과 접촉하는 발전모듈(100)의 발전성능과 하류측과 접촉하는 발전모듈(100)의 발전성능은 다를 수밖에 없다. 즉 흡열구조체(200)의 상류측과 접촉하는 발전모듈(100)에 비해 하류측과 접촉하는 발전모듈(100)의 열교환 효율이 현저하게 낮게 되고 이로 인해 전체적으로 발전효율이 저하된다는 문제점이 있다.

이에 더하여 상류측에 접촉 설치된 발전모듈은 계속적으로 고온의 배기가스와 접촉되기 때문에 하류측과 접촉되는 발전모듈에 비해 상대적으로 수명이 짧다는 문제가 있으며, 또한 배기가스가 흡열구조체(200)의 하우징 내에 설치된 다수의 코러게이트형 탄성부재를 차례로 거치면서 흐르도록 유로가 형성되어 있기 때문에 배기가스의 압력저하도 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 배기열을 이용한 열전 발전장치가 가지는 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로, 본 발명은 차량용 열전발전장치에 있어서 고온부와 접촉되는 발전모듈의 온도가 균일하게 유지되도록 함으로써 발전 성능을 향상시키는 것과 동시에 발전모듈의 사용 수명을 연장할 수 있도록 하는 차량용 열전발전장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 차량용 열전 발전장치를 대각선 방향으로 입,출구가 형성되며 배기가스가 통과하도록 그 내부에 중공부가 형성된 케이싱과; 상기 케이스 내에 대각선으로 설치되는 베이스 튜브와; 상기 베이스 튜브의 상하면에 각각 설치되며 다수의 핀이 형성된 흡열핀부와; 상기 케이싱의 외부면에 흡열판이 접촉되도록 설치되는 다수의 발전모듈과; 상기 발전모듈의 방열판과 접촉되도록 설치되는 히트싱크로 구성하는 것에 의해 달성된다.

본 발명의 사용으로 열전 발전장치의 케이싱 내부를 통과하는 배기가스가 비교적 짧은 길이의 흡열핀부와 접촉되면서 열교환이 이루어지기 되기 때문에 배기가스의 압력손실을 줄일 수 있으며, 또한 흡열핀부가 케이싱 내부에 밀집되어 배열되기 때문에 열교환 면적이 커져 결과적으로 발전효율이 향상된다.

또한 본 발명은 배기가스가 균일하게 분포되면서 흐르도록 구성되어 있어 발전효율이 향상됨과 동시에 발전모듈의 사용 수명이 연장된다.

또한 본 발명은 발전모듈의 방열부 측에 그 내부에 냉각수가 흐르는 히트싱크가 구비되어 있어 발전모듈의 양단에서의 온도차가 커져 발전효율이 높아진다.

도 1은 종래의 열전발전장치의 예를 보인 분리된 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 열전발전장치의 예를 보인 사시도,
도 3은 도 2의 분리된 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 케이스의 분리된 사시도,
조 5(a, b)는 본 발명에 따른 흡열판의 예를 보인 부분확대도,
도 6(a)은 종래의 열전발전장치의 배기가스 흐름예를 보인 단면도,
도 6(b)은 본 발명에 따른 차량용 열전발전장치의 배기가스 흐름예를 보인 단면도,
도 7(a, b)은 종래 및 본 발명의 열전발전장치에 있어서의 입,출구측의 온도차를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 열전모듈의 예를 보인 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 차량의 배기구에 설치되어 배기가스에 포함된 열을 열교환에 의해 취득하여 이 취득된 열을 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 그 내부에 중공부(13)가 형성된 케이싱(10)과; 상기 케이스(10) 내에 설치되는 베이스 튜브(20)와; 상기 베이스 튜브(20)의 상하면에 설치되는 흡열핀부(30A, 30B)와; 상기 케이싱(10)의 외부면에 설치되는 다수의 발전모듈(40)과; 상기 발전모듈(40)과 접촉 설치되는 히트싱크(50)가 포함되는 구성이다.

케이싱(10)은 차량으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 통로를 형성하는 구성으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 직사각형상의 함체 형상을 가지며, 그 내부에는 중공부(13)가 형성된다. 그리고 이 중공부(13)의 양단에는 서로 연통되는 입,출구(11, 12)가 각각 구비되며 이 입,출구(11, 12)에 배기가스 유입 파이프와 유출 파이프가 각각 연결된다.

이때 입,출구(11, 12)는 서로 대각선상에 위치되도록 형성되는데, 이에 의해 케이싱(10) 내부로 유입된 배기가스가 케이싱 내부를 직선상으로 곧바로 통과하여 배출되는 것이 아니라 상기와 같이 형성된 입,출구(11, 12)와 후술하는 흡열핀부(30A, 30B)에 의해 "ㄹ"자 모양으로 흐르도록 함으로써 직선상의 유로를 갖는 것에 비해 열교환 효율이 향상되도록 하는 동시에 배기가스의 압력손실을 줄인다. 이에 대해서는 후술한다.

그리고 상기 케이싱(10) 내부의 중공부(13)에는 사각 튜브 형상의 베이스 튜브(20)가 설치되며, 이 베이스 튜브(20)의 상하부에는 후술하는 흡열핀부(30A, 30B)가 각각 설치된다.

베이스 튜브(20)가 케이싱(10) 내부의 중공부(13)에 설치될 때에는 도 3에 도시된 바와 같이 입,출구(11, 12)가 이루는 대각선 방향과 교차하는 대각선 방향으로 설치되며 이에 의해 입구(11)와 가까운 부분에는 넓은 공간이 형성되고 입구(11)에서 멀수록 좁은 공간이 형성된다.

상기와 같이 케이싱(10) 내부의 중공부(13)에 직사각 형상의 베이스 튜브(20)를 대각선 방향으로 설치하는 경우 베이스 튜브(20)와 케이싱(10)의 측벽 사이에 틈이 생길 수 있으므로 베이스 튜브(20)를 평행사변형상을 가지도록 형성하여 베이스 튜브(20)를 평행사변형으로 제작하여 케이싱(10)의 측벽과의 사이에 틈이 형성되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

베이스 튜브(20)의 상하부에는 흡열핀부(30A, 30B)이 각각 설치되며, 이들 흡열판(30A, 30B)을 통해 케이스(10) 내부를 통과하여 흐르는 배기가스에 포함된 배기열이 회수되어 후술하는 발전모듈(40)에 전달된다.

흡열핀부(30A, 30B)은 도 3 내지 도 5(a, b)에 각각 도시된 바와 같이 다수 개의 수직 핀이 일정 간격으로 이격 형성된 구조로서 이 수직으로 형성된 핀 사이로 배기가스가 통과되면서 배기가스와 핀 사이에 열전달이 이루어지고, 이 전달된 열이 흡열핀부(30A, 30B)과 접촉된 케이싱(10)의 상하면에 각각 전달된다.

이때 흡열핀부(30A, 30B)은 베이스 튜브(20)와 케이싱(10)의 내부면에 각각 브레이징에 의해 일체로 용접 고정되며, 이에 의해 배기가스로부터 흡열핀부(30A, 30B)에 전달된 열이 케이싱(10)에 그대로 전달되어 열전달 효율이 향상된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 케이싱(10)의 대각선 방향으로 입,출구(11, 12)가 형성되고, 이 케이싱(10) 내부의 중공부(13)에는 베이스 튜브(20)가 케이싱(10)의 이와 반대되는 대각선 방향으로 설치되어 있으며, 이 베이스 튜브(20)의 상하부에 흡열핀부(30A, 30B)이 부착된 구조로서 이러한 구성에 의해 배기가스의 케이싱(10) 내부에서의 유로가 결정되며, 이에 따라 본 발명은 차량으로부터 배출되는 배기가스가 입구(11)를 통해 케이스(10) 내부로 유입된 다음, 베이스 튜브(20)의 상하부에 흡열핀부(30A, 30B)을 통과하여 흐른 후 출구(12)로 배출되며, 이러한 이유로 본 발명은 종래의 열전 발전장치에 비해 비교적 짧은 길이의 열전달 유로를 가지면서도 효과적인 열전달이 이루어지는 것이다.

이를 더욱 상세히 설명하면 종래의 열전 발전장치에서는 도 6(a)에 도시된 바와 같이 배기가스가 흡열구조체(200)의 하우징 내에 설치된 다수의 코러게이트형 탄성부재를 순서대로 거치면서 열교환되므로 입구측에서의 배기가스 온도와 출구측에서의 배기가스의 온도가 다르기 때문에 그 위치별로 발전모듈(40)의 발전성능이 달라 결과적으로 발전효율이 저하되는 동시에 배기가스의 압력손실이 큰 반면, 본 발명은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 배기가스가 비교적 짧은 길이로 이루어지며 케이싱(10)의 내부에 상하로 밀집되어 배열된 다수의 수직 흡열핀부(30A, 30B)을 따라 고르게 분배되어 흐르면서 열교환되기 때문에 열교환 면적이 넓어지면서 온도분포가 균일하게 되어 결과적으로 발전성능이 향상되며, 또한 배기가스의 압력손실도 최소화된다.

이에 더하여 본 발명은 베이스 튜브(20)와 그 상하부의 흡열판(30A, 30B)이 대각선 방향으로 설치된 입,출구(11, 12)와 반대 방향의 대각선 방향으로 설치되어 있으며, 이러한 구조로 인해 배기가스의 유로는 입,출구(11, 12)에서 가까울수록 넓은 반면 입,출구(11, 12)에서 멀수록 좁아지는 형상을 가지게 된다.

본 발명은 케이싱(10) 내부에서의 유로가 상기한 바와 같이 형성되기 때문에 도 7(a)의 그래프로부터 확인할 수 있는 바와 같이 종래에는 입,출구(11, 12) 부분에서의 배기가스의 온도가 균일하지 못하여 발전효율이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명은 도 7(b)에서 알 수 있는 바와 같이 배기가스의 온도가 케이싱(10) 내부 전체에 걸쳐 균일하게 분포되기 때문에 결과적으로 발전모듈(40)의 발전성능이 향상되어 발전효율이 증대되며 또한 발전모듈(40) 전체에 걸쳐 균일한 온도의 열이 전달되므로 고온의 열에 의해 발전모듈(40)이 손상되는 문제도 해소되어 발전모듈(40)의 수명이 연장된다.

이때 흡열핀부(30A, 30B)의 핀의 형성방향을 배기가스가 유입되는 방향과 직각이 되도록 형성하여 배기가스의 흐름이 "ㄹ"자 형상이 되도록 하여 배기가스가 균일하게 분배되도록 하거나, 또는 도 5(b)에서와 같이 핀에 의한 배기가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 핀의 형성방향을 입,출구(11, 12)를 향하도록 일정 각도(A) 경사지게 형성할 수도 있다.

상기와 같은 구조의 케이싱(10)의 상하부에는 각각 도 2에 도시된 바와 같이 발전모듈(40)이 위치되는데, 이 발전모듈(40)은 도 8에 도시된 바와 같이 다수의 P-N형 반도체로 이루어진 열전소자가 하나의 모듈로 구성된 것으로 그 상하면에는 각각 흡열판(41)과 방열판(42)이 부착되어 있어 이들 사이에 형성되는 온도차에 의해 전기가 생성되며 이러한 발전모듈(40)의 구조는 일반적으로 널리 알려져 있으므로 이에 대한 더욱 상세한 설명은 생략한다.

상기한 바와 같이 발전모듈(40)은 그 상하면에 각각 부착된 흡열판(41)과 방열판(42)의 온도차이가 클수록 발전효율이 향상되며, 이에 따라 본 발명에서는 발전모듈(40)의 방열판(42)에 히트싱크(50, Heat Sink)를 부착 설치하여 이 히트싱크(50)에 의해 방열판(42)의 온도가 저하되도록 하여 발전효율을 향상시킨다.

그리고 발전효율을 더욱 향상시키기 위해 히트싱크(50)의 내부에 그 내부를 따라 냉각수가 흐르는 냉각튜브(도시하지 않음)를 설치하는 것이 바람직한데, 이때 히트싱크(50)의 내부에 설치되는 냉각튜브는 사(蛇)행상의 유로를 가지는 것이 더욱 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 차량의 배기가스에 포함된 열을 효과적으로 회수하면서도 배기가스의 압력손실을 최소화할 수 있고, 또한 케이싱(10) 내부에서의 배기가스의 흐름을 균일하게 분포시켜 온도분포를 균일하게 함으로써 발전효율을 향상시킴과 동시에 발전모듈(40)의 사용 수명을 연장할 수 있다.

10: 케이싱 11: 입구
12: 출구 20: 베이스 튜브
30A, 30B: 흡열핀부 40: 발전모듈
41: 흡열판 42: 방열판
50: 히트싱크

Claims (5)

1. 차량의 배기가스에 포함된 열을 회수하여 전기를 생산하는 차량용 열전 발전장치에 있어서,
   대각선 방향으로 입,출구(11, 12)가 형성되며 배기가스가 통과하도록 그 내부에 중공부(13)가 형성된 케이싱(10)과;
   상기 케이싱(10) 내에 대각선으로 설치되는 베이스 튜브(20)와;
   상기 베이스 튜브(20)의 상하면에 각각 설치되며 다수의 핀이 형성된 흡열핀부(30A, 30B)와;
   상기 케이싱(10)의 외부면에 흡열판(41)이 접촉되도록 설치되는 다수의 발전모듈(40)과;
   상기 발전모듈(40)의 방열판(42)과 접촉되도록 설치되는 히트싱크(50)로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 베이스 튜브(20)는 대각선으로 설치되어 케이싱(10) 내부에서의 유로가 입,출구(11, 12)에서 가까울수록 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 베이스 튜브(20)는 평행사변형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 히티싱크(50)의 내부에는 그 내부를 따라 냉각수가 흐르는 냉각튜브가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 흡열핀부(30A, 30B)의 핀은 배기가스가 유입되는 방향과 수직이 되도록 형성되거나 또는 일정 각도(A)로 기울여지도록 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.

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