KR20150000305A - 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것으로서, 배기가스가 배출되는 엔진의 배기관에 열전소자를 부착하여 발전하는 열전발전 장치에 있어서, 상기 배기관은 다수개의 분기배관으로 분기되고, 상기 각 분기배관의 입구에 개폐밸브가 설치되며, 상기 다수개의 각 분기배관의 바깥 둘레면에 열전발전기를 장착한 것이며, 엔진의 작동으로 배기관을 통해 배출되는 배기가스의 출력이 낮을 때에도 높은 효율의 열전발전을 달성할 수 있는 효과가 있다.

Description

엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치{Thermoelectric generator using of waste heat of exhaust gas of engine}

본 발명은 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 배기가스가 배출되는 엔진의 배기관 바깥 둘레면에 열전발전기를 장착하여 발전을 일으키도록 하되, 상기 배기관을 다수의 분기배관으로 분기하여 구성하고 다수의 각 분기배관에 개폐밸브를 설치하고 열전발전기를 장착한 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에서 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력발생장치인 엔진구동 교류발전기(alternator)는 그 효율이 약 33% 정도에 불과할 뿐만 아니라, 차량의 소요 전력이 증가하면 축동력을 증대시켜야 하기 때문에 축동력 손실도 증가되어 높은 연료 소모 및 이로 인한 공해배출물이 증대되는 단점이 있다.

자동차에서의 에너지 흐름을 살펴보면, 가솔린이 가진 화학에너지는 엔진에서 연소하여 기계에너지로 변환되며, 이때의 열효율은 높아도 30%정도에 불과하다.

나머지 에너지는 열의 형태로 라디에이터, 엔진 본체, 배기가스로부터 각기 30%, 10%, 30% 정도 외부로 방출된다.

이 엔진 폐열 중에서 열원의 온도가 높은 쪽이 에너지로서의 효용성이 높기 때문에, 자동차의 폐열 이용을 고려하는 경우에는 열원의 온도가 100℃정도에 불과한 엔진 본체나 라디에이터보다, 수백 도의 높은 온도영역을 갖는 엔진의 배기열을 검토하는 것이 가장 적합하다.

한편, 엔진에서 얻어진 총공급에너지 대비 30%정도의 기계에너지는, 기계마찰이나, 오일펌프·알터네이터 등 보기류의 구동에 소비되어, 실제로 주행에 사용되는 에너지는, 총 에너지량의 20% 정도에 불과하다. 이때, 알터네이터의 구동에 소비되는 에너지는 차량의 운전상태 및 전력사용상태에 따라서 변화하나, 전력사용이 적은 주간의 일반 운전시에도 총 투입에너지의 수 퍼센트를 소비하므로, 열전변환에 의해 엔진의 배기열을 회수·발전하여 이를 대체하면, 이에 상당하는 연비향상을 기대할 수 있다.

열전변환은, 금속 또는 반도체인 가열소자와 냉각소자 양단에 온도차를 주는 경우, 가열소자와 냉각소자 사이에 발생되는 전위차를 이용한 것으로서, 이 시스템의 커다란 특징은, 기계적인 구동부 없이, 열을 직접 전기로 변환할 수 있다는 점이다.

근래에는 상기와 같은 열전변환을 이용하여 자동차에 전기를 공급하고 있다.

이러한 열전변환을 이용하여 발전하는 종래의 차량용 열전발전 장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 엔진의 작동에 의해 발생하는 배기가스를 배출하는 하나의 배기관 바깥 둘레면에 열전소자로 된 열전발전기를 설치한 것으로 구성되어 있다.

그러나 상기한 종래 차량용 열전발전 장치는 배기가스가 통과하는 배기관이 하나로 되어 있고, 차량의 엔진부하가 100%일 때의 배기가스 유량을 고려하여 열전발전기를 설치한 것이기 때문에 운전조건에 따라 다양하게 변하는 배기가스 유량에 맞추어 최적의 발전을 하지 못하는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2012-0094200호

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제를 해결하기 위한 것으로, 배기가스를 배출하는 배기관을 다수의 분기배관으로 분기하여 다수의 각 분기배관마다 열전발전기를 장착하고 배기관 입구에 개폐밸브를 설치함으로써, 운전조건에 따라 달라지는 배기가스의 출력이 낮을 때에도 각 개폐밸브의 적절한 개폐에 따른 배기가스의 배출에 의해 높은 효율의 열전발전이 이루어지도록 한 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치는, 배기가스가 배출되는 엔진의 배기관에 열전소자를 부착하여 발전하는 열전발전 장치에 있어서, 상기 배기관은 다수개의 분기배관으로 분기되고, 상기 각 분기배관의 입구에 개폐밸브가 설치되며, 상기 다수개의 각 분기배관의 바깥 둘레면에 열전발전기를 장착한 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 각 분기배관 내부에 길게 설치되는 나선형상의 트위스트 테이프나 코일 스프링 또는 헬리컬 리브를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 열전발전기는, 상기 각 분기배관의 바깥 둘레면을 이등분하여 둘러싸면서 고정되는 다각의 금속 재킷; 상기 금속재킷의 다각면에 각각에 밀착되는 열전소자; 및 상기 열전대 위에 밀착되어 함께 금속재킷에 고정되는 쿨링팬으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치에 의하면, 엔진의 작동으로 배기관을 통해 배출되는 배기가스의 출력이 낮을 때에도 높은 효율의 열전발전을 달성할 수 있는 효과가 있다.

또 다수의 분기배관으로 인해 배기관의 직경이 작아짐에 따라 배기가스의 속도가 빨라져 각 분기배관 바깥의 온도가 높아지므로 높은 효율의 열전발전을 달성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 엔진 부하조건(50% 출력시)에 따른 개폐밸브의 개폐로 최대 열전달 효율이 달성되는 것으로 보여주는 본 발명의 열전발전 장치의 개략적인 구성도
도 2는 엔진 부하조건(100% 출력시)에 따른 개폐밸브의 개폐로 최대 열전달 효율이 달성되는 것으로 보여주는 본 발명의 열전발전 장치의 개략적인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 열전발전 장치가 장착되는 분기배관의 조립도와 평면도 및 정면도
도 4는 본 발명에 따른 열전발전 장치가 장착되고 내부에 트위스트 테이프 등이 설치된 분기배관의 내부도
도 5는 엔진 부하 100% 배기가스 유량을 고려하여 하나의 배기관에 열전발전기를 장착한 종래 열전발전 장치의 개략적인 구성도

이하, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 엔진 부하조건(50% 출력 시)에 따른 개폐밸브의 개폐로 최대 열전달 효율이 달성되는 것으로 보여주는 본 발명의 열전발전 장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치는 배기관(1)의 중간을 2개의 분기배관(1a)(1b)으로 분기하여 구성하여, 상기 각 분기배관(1a)(1b)의 입구에 각각 개폐밸브(2a)(2b)를 설치한 것이며, 상기 각 분기배관(1a)(1b)의 바깥 둘레면에 열전발전기(3a)(3b)를 각각 장착하고 있다.

이와 같이 배기관(1)을 복수의 분기배관(1a)(1b)으로 분기하면 배기가스가 지나가는 상기 분기배관(1a)(1b) 바깥의 온도가 높아져 열전발전기(3a)(3b)에 의한 발전량이 늘어나게 된다. 즉 배기관(1)인 분기배관(1a)(1b) 바깥의 온도는 배기가스의 속도가 빠를수록 높아지고, 배기가스의 속도는 상기 분기배관(1a)(1b)의 직경이 작을수록 빨라지므로, 배기관(1)을 직경이 작은 여러 개의 분기배관(1a)(1b)으로 분기하면 배기가스의 속도가 빨라져 상기 분기배관(1a)(1b) 바깥의 온도가 높아진다. 따라서 상기한 바와 같이 온도가 높아진 분기배관(1a)(1b)에 열전발전기(3a)(3b)를 장착하므로 열전발전량이 늘어나게 되는 것이다.

한편, 엔진의 배기가스 출력은 운전조건에 따라 20%~100% 사이에서 계속 바뀌게 되는데, 최대의 열전발전량을 달성하게 되는 열전발전기 성능을 얻기 위해서는 본 발명과 같이 다수의 분기배관(1a)(1b)과 개폐밸브(2a)(2b)로 구성하여, 운전조건에 따라 상기 개폐밸브(2a)(2b)를 열고 닫아 배기가스의 유량을 조절할 필요가 있다.

따라서 도 1에서는 엔진의 부하 조건이 50%의 출력일 때 한쪽의 개폐밸브(2a)만 개방함으로써 한쪽의 분기배관(1a)으로만 배기가스가 배출되어 열전발전기(3a)가 작동함으로써 최대의 열전발전량을 달성하게 된다.

도 2는 엔진 부하조건(100% 출력시)에 따른 개폐밸브의 개폐로 최대 열전달 효율이 달성되는 것으로 보여주는 본 발명의 열전발전 장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 엔진의 부하 조건이 100%의 출력일 때 양쪽의 개폐밸브(2a)(2b)를 모두 개방함으로써 양쪽의 분기배관(1a)(1b)으로 배기가스가 동시에 배출되어 열전발전기(3a)(3b)도 모두 작동함으로써 최대의 열전발전량을 달성하게 된다.

이와 같이 본 발명의 열전발전 장치에 의해서는 배기가스의 출력이 높거나 낮은 것에 상관 없이 운전조건에 따라 개폐밸브(2a)(2b)를 적절하게 개폐함으로써 최대의 열전발전량을 달성하게 된다.

상기 분기배관(1a)(1b)은 도면에 2개로 구성하였으나, 3개 이상의 여러 개로 구성할 수도 있으며, 하기의 표 1은 4개의 분기배관을 사용할 때 발전량을 예측한 것이다.

배기가스 배출량	발전량 (종래 열전발전 장치)	발전량 (본 발명의 열전발전 장치)
25%	47	54
50%	71	109
75%	88	163
100%	100	217

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 배기가스 배출량에 따라 종래 열전발전 장치에 비해 본 발명의 열전발전 장치의 열전발전량이 약 20%에서 100% 이상 증가한다.

도 3은 본 발명에 따른 열전발전 장치가 장착되는 분기배관의 조립도와 평면도 및 정면도를 도시한 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 열전발전 장치는 금속재킷(4)와 열전소자(5) 및 쿨링팬(6)으로 구성된다.

상기 금속재킷(4)은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 구성되어 분기배관(1a)(1b)의 바깥 둘레면에 둘러싸면서 이등분으로 분리되어 서로 결합되는 볼트(B)에 의해 상기 분기배관(1a)(1b)에 고정되며, 안쪽 면은 원형이지만 바깥 면은 육각으로 되어 있다.

상기 열전소자(5)는 금속재킷(4) 바깥의 다각 면에 각각 밀착되어 그 바깥쪽에 각각 밀착되는 상기 쿨링팬(6)과 함께 볼트(B)에 의해 금속재킷(4)에 고정된다. 상기 열전소자(5)는 제벡(Seebeck) 효과를 발휘하는 열전소자의 기능에 의해 배기가스의 열을 이용하여 열전발전을 하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 열전발전 장치가 장착되고 내부에 트위스트 테이프 등이 설치된 분기배관의 내부도를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 열전발전 장치가 장착된 각 분기배관(1a)(1b)의 내부에는 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 나선형상으로 길게 트위스트 테이프(7)가 설치되어 있어 배기가스의 온도를 높여주게 되므로 열전발전의 효율성을 더욱 높일 수 있게 된다. 이러한 트위스트 테이프(7)는 하나의 일례로써 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 상기 트위스트 테이프(7)와 유사한 역할을 하는 코일 스프링(8)이나, 도 4의 (d)에 도시한 바와 같이 헬리컬 리브(9), 또는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이 세로방향 리브(10)가 설치될 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 배기관 1a,1b : 분기배관
2a,2b : 개폐밸브 3a,3b : 열전발전기
4 : 금속재킷 5 : 열전소자
6 : 쿨링팬 7 : 트위스트 테이프
8 : 코일 스프링 9 : 헬리컬 리브
10 : 세로방향 핀 B : 볼트

Claims (3)

1. 배기가스가 배출되는 엔진의 배기관에 열전소자를 부착하여 발전하는 열전발전 장치에 있어서,
   상기 배기관은 다수개의 분기배관으로 분기되고, 상기 각 분기배관의 입구에 개폐밸브가 설치되며, 상기 다수개의 각 분기배관의 바깥 둘레면에 열전발전기를 장착한 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 각 분기배관 내부에 길게 설치되는 나선형상의 트위스트 테이프나 코일 스프링 또는 헬리컬 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 열전발전기는,
   상기 각 분기배관의 바깥 둘레면을 이등분하여 둘러싸면서 고정되는 다각의 금속 재킷;
   상기 금속재킷의 다각면에 각각에 밀착되는 열전소자; 및
   상기 열전대 위에 밀착되어 함께 금속재킷에 고정되는 쿨링팬;
   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 폐열을 이용한 열전발전 장치.

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