KR20140008047A - 자동차용 열전 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 열전발전장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자동차의 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되는 열전 발전장치는, 열전도성 재질을 가지며, 상기 배기관의 외주면을 둘러싸는 다각형 단면 형상의 열전달 유닛과; 상기 열전달 유닛의 외부 다각면들 각각에 일측면이 접촉하도록 각각 설치되는 복수의 열전소자들과; 상기 복수의 열전소자들 각각의 타측면과 접촉하도록 설치되는 복수의 히트파이프 모듈들을 구비한다. 본 발명에 따르면, 히트파이프를 사용하여 추가적인 구동동력이 없이 열전 발전이 가능하고, 배기폐열을 활용한 전력생산으로 차량 내 전력부하 저감 및 연비향상을 이룰 수 있으며, 이산화탄소 저감을 이룰 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 자동차용 열전 발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 별도의 구동동력이 필요하지 않으면서도, 사이즈나 중량이 커지지 않는 자동차용 열전발전장치에 관한 것이다.
자동차 산업은 종합적인 제조분야에서 고부가가치 창출산업으로, 철강, 전자, 기계, 화학 등 전방산업에 수요를 충족하는 분야이다. 최근에는 고유가 쇼크 및 친환경 규제와 맞물리면서 배출가스 규제를 만족할 수 있으면서도 효율이 높은 내연기관의 개발에 대한 요구가 대폭 증가하고 있다.
일반적으로, 자동차의 내연기관에 공급되는 총 에너지 중 고온의 배기가스를 통해 버려지는 에너지량은 전체의 30~40%에 달하고 있고, 실제 동력에 사용되는 량 역시 20~32%정도에 불과하다.
따라서 배기가스의 열을 이용하여 차량의 전기에너지를 생산하는 열전발전시스템이 개발되고 있다. 이는 물질에 가해지는 열차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생현상(Zeebeck effect) 또는 이 현상을 역으로 하여 외부에서 부하되는 전기에너지에 의해 발생하는 물질의 발열 또는 흡열(Peltier effec)를 총칭하는 열전변환기술을 이용하는 것이다.
자동차에 배기가스 열을 이용한 종래의 열전발전시스템은, 냉각부에 온도저감을 위해 수냉방식을 사용하고 있으며, 가열부는 배기관의 내부로 삽입된 구조를 가지고 있다. 이러한 종래의 열전 발전 시스템은 냉각수 순환을 위해 별도의 순환장치가 추가로 필요하므로 추가적인 에너지가 소요되고, 배기관의 내부에 가열부가 삽입되어야 하므로 배기관에 대한 설계가 추가로 필요하여 전체 사이즈 및 중량이 증가한다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 자동차용 열전 발전장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 추가적인 구동동력이 필요하지 않는 자동차용 열전 발전장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배기폐열을 활용한 전력생산으로 차량 내 전력부하 저감 및 연비향상을 이룰 수 있는 자동차용 열전 발전장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배기폐열을 회수하여 이산화탄소 저감을 이룰 수 있는 자동차용 열전 발전장치를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 자동차의 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되는 열전 발전장치는, 열전도성 재질을 가지며, 상기 배기관의 외주면을 둘러싸는 다각형 단면 형상의 열전달 유닛과; 상기 열전달 유닛의 외부 다각면들 각각에 일측면이 접촉하도록 각각 설치되는 복수의 열전소자들과; 상기 복수의 열전소자들 각각의 타측면과 접촉하도록 설치되는 복수의 히트파이프 모듈들을 구비한다.
상기 열전달 유닛은 상기 배기관이 삽입되기 위한 관통홀을 가지는 다각기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 히트파이프 모듈들 각각은, 복수의 방열핀들과, 일단부분은 상기 복수의 열전소자들 중 어느 하나와 접촉하고, 타단부분은 상기 복수의 방열핀들이 감싸는 구조의 히트파이프를 구비할 수 있다.
상기 히트파이프는 중심부가 구부러진'U' 자 형상의 원통관 또는 일부가 일정각도로 꺾인 꺾임구조의 원통관 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 히트파이프 모듈들 각각은, 복수의 방열핀들과, 일단부분은 사각관형상으로 상기 복수의 열전소자들 중 어느 하나와 면접촉하고, 타단부분은 원통관 구조로 상기 복수의 방열핀들에 의해 감싸지는 구조의 히트파이프를 구비할 수 있다.
상기 열전 발전장치는, 상기 복수의 열전소자들에서 생성된 전기에너지를 직류로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터에 의해 변환된 직류에너지를 저장하기 위한 충전지를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 히트파이프를 사용하여 추가적인 구동동력이 없이 열전 발전이 가능하고, 배기폐열을 활용한 전력생산으로 차량 내 전력부하 저감 및 연비향상을 이룰 수 있으며, 이산화탄소 저감을 이룰 수 있는 장점이 있다. 또한 히트파이프 및 방열핀들을 구성하여 발전효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열전발전장치의 사시도이고,
도 2는 도 1의 일부확대도이고,
도 3은 도 1의 개략적측면도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열전발전장치의 사시도이고,
도 5는 도 4의 개략적 측면도이다.
도 2는 도 1의 일부확대도이고,
도 3은 도 1의 개략적측면도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열전발전장치의 사시도이고,
도 5는 도 4의 개략적 측면도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자동차용 열전발전장치를 나타낸 도면들로, 도 1은 배기관(10)에 장착된 열전발전장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 'A' 부분의 일부확대도이고, 도 3은 측면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 자동차용 열전발전장치는 열전달 유닛(20), 복수의 열전소자들(30), 및 히트파이프 모듈들(40)을 구비한다.
상기 열전달 유닛(20)은 열전도성 재질로, 배기가스가 통과하는 배기관(10)의 외주면을 둘러싸는 다각형 단면을 가지는 다각기둥형상으로 구비된다. 예를 들어, 육각기둥 또는 팔각기둥 형상을 가질 수 있으며, 이외에 다른 형상을 가지는 것도 가능하다.
상기 열전달 유닛(20)은 내부 중심에 상기 배기관(10)이 삽입되기 위한 관통홀이 길이방향으로 형성되고, 상기 복수의 열전소자들(30)의 가열면이 용이하게 접촉되도록 하기 위해 외부에 복수의 다각면들을 가지게 된다. 즉 상기 열전달 유닛(20)의 외측면인 다각면들 각각에 상기 복수의 열전소자들(30)의 일측면(예를 들면, 가열면)이 접촉하도록 하여 상기 복수의 열전소자들(30)이 설치되게 된다. 이때 상기 열전달 유닛(20)의 하부면에는 안전을 위해 상기 열전소자(30)가 설치되지 않을 수 있다.
상기 열전달 유닛(20)은 열전도율이 높은 재질의 금속으로 형성될 수 있으며, 특허 구리나 알루미늄 계열 재질 또는 이들의 합금 재질을 가질 수 있다.
상기 복수의 열전소자들(30)은 물질에 가해지는 열차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생현상(Zeebeck effect) 또는 이 현상을 역으로 하여 외부에서 부하되는 전기에너지에 의해 발생하는 물질의 발열 또는 흡열(Peltier effec)를 총칭하는 열전변환기술을 이용한 소자로서, 일측면에는 가열면이 타측면에는 냉각면이 배치된다. 상기 복수의 열전소자들(30)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 통상의 기술자들에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 설명을 생략하기로 한다.
상기 복수의 열전소자들(30) 각각은 일측면인 가열면이 상기 열전달 유닛(20)의 다각면에 면접하도록 설치되고, 타측면인 냉각면은 상기 히트파이프 모듈(40)과 접촉하도록 설치된다.
상기 히트파이프 모듈(40)은 일단부분은 상기 복수의 열전소자들(30) 중 어느 하나의 타측면(냉각면)과 접촉하고, 타단부는 복수의 방열핀들(44)이 부착되는 원통관 구조의 히트파이프(42)와 상기 복수의 방열핀들(44)을 구비한다.
상기 히트파이프(42)는 진공의 관 내에 액체를 봉입한 것으로, 한쪽 끝부분이 가열되면, 액체가 증발하여 관의 중앙부를 지나 반대편 끝부분에서 응축되어 그것이 관 내면의 윅(wick)을 통하여 모세관력에 의하여 자동적으로 되돌아오는 구조를 가지는 것으로 열교환 성능이 우수한 것으로 알려져 있다.
상기 히트파이프(42)는 중심부가 구부러진'U' 자 형상의 원통관 형상을 가지거나, 일부가 일정각도로 꺾인 꺾임구조의 원통관 형상을 가질 수 있다.
상기 히트파이프(42)는 상기 열전소자(30)의 냉각면에 원통관구조로 별도의 결합판(46)을 이용하여 부착하는 것이 가능하다.
상기 히트파이트(42)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 열전소자(30)에 대하여 하나 또는 복수개의 히트파이프(42)가 접촉하도록 할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 열전발전장치는 상기 복수의 열전소자들에서 생성된 전기에너지를 직류로 변환하는 컨버터와 상기 컨버터에 의해 변환된 직류에너지를 저장하기 위한 충전지를 더 구비할 수 있다. 이외에 통상의 기술자들에게 열전발전장치에 필수적으로 요구되는 구성들이 포함될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 자동차용 열전발전장치를 나타낸 도면들로, 도 4는 배기관(10)에 장착된 열전발전장치의 사시도이고, 도 5는 개략적 측면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 자동차용 열전발전장치는 열전달 유닛(20), 복수의 열전소자들(30), 및 히트파이프 모듈들(40)을 구비한다.
상기 열전달 유닛(20) 및 상기 복수의 열전소자들(30)의 구성 및 그 구조는 도 1 내지 도 3을 통해 설명한 바와 같다.
상기 히트파이프 모듈(40a)은 일단부분은 상기 복수의 열전소자들(30) 중 어느 하나의 타측면(냉각면)과 접촉하고, 타단부는 복수의 방열핀들(44a)이 부착되는 히트파이프(42a)와 상기 복수의 방열핀들(44a)을 구비한다.
상기 히트파이프(42a)는 진공의 관 내에 액체를 봉입한 것으로, 한쪽 끝부분이 가열되면, 액체가 증발하여 관의 중앙부를 지나 반대편 끝부분에서 응축되어 그것이 관 내면의 윅(wick)을 통하여 모세관력에 의하여 자동적으로 되돌아오는 구조를 가지는 것으로 열교환 성능이 우수한 것으로 알려져 있다.
상기 히트파이프(42a)는 일단부분은 사각형의 관 형상을 가지며 단부가 상기 열전소자(30)의 냉각면과 면접촉하도록 구성되고, 타단부분은 원통관 구조로 상기 복수의 방열핀들(44a)에 감싸지는 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 히트파이프(42a)의 원통관형상을 가지는 부분은 배치의 효율성 및 방열의 효율성을 위해 꺾임구조를 가질 수 있다.
상기 히트파이프(42a)의 사각형의 관 형상을 가지는 부분의 사각형의 사이즈는 상기 열전소자(30)와의 면접촉 면적을 최대가 되도록 대응되는 사이즈를 가질 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 열전발전장치는 상기 복수의 열전소자들에서 생성된 전기에너지를 직류로 변환하는 컨버터와 상기 컨버터에 의해 변환된 직류에너지를 저장하기 위한 충전지를 더 구비할 수 있다. 이외에 통상의 기술자들에게 열전발전장치에 필수적으로 요구되는 구성들이 포함될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 히트파이프를 사용하여 추가적인 구동동력이 없이 열전 발전이 가능하고, 배기폐열을 활용한 전력생산으로 차량 내 전력부하 저감 및 연비향상을 이룰 수 있으며, 이산화탄소 저감을 이룰 수 있는 장점이 있다. 또한 히트파이프 및 방열핀들을 구성하여 발전효율을 높일 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
10 : 배기관 20 : 열전소자
30 : 열전달 유닛 40 : 히트파이프 모듈
30 : 열전달 유닛 40 : 히트파이프 모듈
Claims (6)
- 자동차의 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되는 열전 발전장치에 있어서:
열전도성 재질을 가지며, 상기 배기관의 외주면을 둘러싸는 다각형 단면 형상의 열전달 유닛과;
상기 열전달 유닛의 외부 다각면들 각각에 일측면이 접촉하도록 각각 설치되는 복수의 열전소자들과;
상기 복수의 열전소자들 각각의 타측면과 접촉하도록 설치되는 복수의 히트파이프 모듈들을 구비함을 특징으로 하는 열전 발전장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 열전달 유닛은 상기 배기관이 삽입되기 위한 관통홀을 가지는 다각기둥 형상을 가짐을 특징으로 하는 열전 발전장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 히트파이프 모듈들 각각은, 복수의 방열핀들과, 일단부분은 상기 복수의 열전소자들 중 어느 하나와 접촉하고, 타단부분은 상기 복수의 방열핀들이 감싸는 구조의 히트파이프를 구비함을 특징으로 하는 열전 발전장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 히트파이프는 중심부가 구부러진'U' 자 형상의 원통관 또는 일부가 일정각도로 꺾인 꺾임구조의 원통관 구조를 가짐을 특징으로 하는 열전 발전장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 히트파이프 모듈들 각각은, 복수의 방열핀들과, 일단부분은 사각관형상으로 상기 복수의 열전소자들 중 어느 하나와 면접촉하고, 타단부분은 원통관 구조로 상기 복수의 방열핀들에 의해 감싸지는 구조의 히트파이프를 구비함을 특징으로 하는 열전 발전장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 열전 발전장치는, 상기 복수의 열전소자들에서 생성된 전기에너지를 직류로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터에 의해 변환된 직류에너지를 저장하기 위한 충전지를 더 구비함을 특징으로 하는 열전 발전장치.
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