KR20160062655A - 클램프가 장착된 열전기 발전기 - Google Patents

클램프가 장착된 열전기 발전기 Download PDF

Info

Publication number
KR20160062655A
KR20160062655A KR1020150030007A KR20150030007A KR20160062655A KR 20160062655 A KR20160062655 A KR 20160062655A KR 1020150030007 A KR1020150030007 A KR 1020150030007A KR 20150030007 A KR20150030007 A KR 20150030007A KR 20160062655 A KR20160062655 A KR 20160062655A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
teg
layer
exhaust pipe
clamp
heat
Prior art date
Application number
KR1020150030007A
Other languages
English (en)
Inventor
수이 랑
뉴먼 폴
엔지니어 나얀
Original Assignee
현대 아메리카 테크니컬 센타, 아이엔씨
기아자동차주식회사
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대 아메리카 테크니컬 센타, 아이엔씨, 기아자동차주식회사, 현대자동차주식회사 filed Critical 현대 아메리카 테크니컬 센타, 아이엔씨
Publication of KR20160062655A publication Critical patent/KR20160062655A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20409—Outer radiating structures on heat dissipating housings, e.g. fins integrated with the housing
    • H05K7/20418—Outer radiating structures on heat dissipating housings, e.g. fins integrated with the housing the radiating structures being additional and fastened onto the housing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)

Abstract

하나의 실시예에서, 원통 형상의 구멍을 정의하는 클램프를 포함하는 시스템이 개시된다. 하나 이상의 열전기 발전기(thermoelectric generator; TEG) 층이 상기 클램프에 결합되어 상기 클램프로부터 열을 공급 받는다. 상기 TEG 층은 열전기 나노구조를 사용하여 형성된다. 하나 이상의 히트 싱크가 또한 하나 이상의 TEG 층에 결합되어 TEG 층에 냉각을 제공한다.

Description

클램프가 장착된 열전기 발전기{CLAMP MOUNTED THERMOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 열전기 발전기(thermoelectric generator; TEG)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 배기 장치에 부착하기 위한 클램프가 장착된 TEG에 관한 것이다.
열전기 발전기(Thermoelectric Generator; TEG)는 열을 전기 동력으로 변환할 수 있는 장치이다. TEG는 무수히 많은 응용 분야의 작동 효율을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 응용 분야 중 하나는 자동차이며, TEG는 차량의 폐열로부터 사용 가능한 에너지를 회수하기 위하여 사용될 수 있다. 더 구체적으로, TEG는 내연 기관(Internal Combustion Engine; IC)의 폐열, 예를 들어 배기열을 전기로 변환할 수 있다. 예를 들어, 차량의 배기 시스템 내의 촉매 컨버터는 배기 가스에 존재하는 열 에너지에 의하여 차량의 사용 중에 매우 뜨거워질 것이다. 이러한 전기는 예를 들어, 배터리의 전하 및 전기 부품 등 차량 내의 다른 부품들에서 활용될 수 있는데, 이것은 전체 연비를 증가시키고 차량 배출량을 향상시키게 된다.
그런데, 현재의 차량 TEG는 상기 장치의 유용성을 방해하는 단점들에 의하여 시달리고 있다. 예를 들어, 현재 차량의 TEG는 통상적으로 조립이 복잡하고 제거하기가 어렵다. 결과적으로, TEG를 장착하기 위해 엔진의 설계 변경이 필요하고, TEG의 수리 및/또는 교체는 비싸고 시간이 많이 든다. 게다가, 이러한 설계 변경은 구식 차량에 TEG를 새로 장착하는 것을 어렵게 만든다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 효율적이지만 크기 및 무게가 작고 용이하게 제거될 수 있으며 복잡성이 줄어든 구조를 가진 TEG를 제공하는 것이다.
본 발명은 하나 이상의 TEG를 엔진 배기 장치에 부착하기 위한 시스템과 방법을 제공한다. 특히, 하나 이상의 TEG를 기존의 엔진 배기 장치에 부착할 수 있는 모듈로 된 클램프가 장착된 TEG가 개시된다.
하나의 실시예에서, 원통 형상의 구멍을 정의하는 클램프를 포함하는 시스템이 개시된다. 하나 이상의 TEG 층은 상기 클램프에 결합되며 상기 클램프로부터 열을 공급 받는다. 상기 TEG 층은 열전기 나노구조를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 TEG 층에 냉각을 제공하는 하나 이상의 히트 싱크가 또한 하나 이상의 TEG 층에 결합한다.
하나의 양상에서, 상기 시스템은 클램프와 상기 하나 이상의 히트 싱크 사이에 위치한 하나 이상의 열 절연 층을 포함한다. 다른 양상에서, 하나 이상의 히트 싱크는 냉각 핀일 수 있으며 알루미늄을 사용하여 제작될 수 있다. 다른 양상에서, 상기 클램프는 초승달 모양의 상부와 초승달 모양의 하부를 포함하며, 상기 클램프의 상부와 하부는 서로 반대방향에 있는 힌지에 의하여 결합된다. 다른 양상에서, 상기 시스템은 상기 클램프의 구멍 내에 위치한 엔진의 배기 파이프를 또한 포함한다. 몇몇 양상에서, 상기 하나 이상의 TEG 층에서 공급 받은 열은 배기 파이프 내의 가열된 배기 가스에 의하여 공급된다. 다른 양상에서, 상기 시스템은 서로 전기적으로 연결된 다수의 TEG 클램프들을 또한 포함하며, 각각의 TEG 클램프는 클램프와, 하나 이상의 TEG 층과, 하나 이상의 히트 싱크를 포함한다. 상기 TEG 클램프는 엔진의 배기 파이프에 결합될 수 있고, 하나의 양상에서 촉매 컨버터와 머플러 사이의 배기 파이프에 결합될 수 있다.
다른 실시에에서, 하나 이상의 TEG 층이 엔진의 배기 파이프에 결합되는 방법이 개시된다. 상기 TEG 층은 열전기 나노구조를 사용하여 형성될 수 있다. 열이 상기 하나 이상의 TEG 층에 전달되고, 냉각 또한 상기 하나 이상의 TEG 층에 전달된다. 전기는 전달된 열을 전기 에너지로 전환하는 것에 의하여 하나 이상의 TEG 층에서 생성된다.
하나의 양상에서, 특정 TEG 층의 서로 마주하는 면은 열적으로 절연될 수 있다. 다른 양상에서, 상기 하나 이상의 TEG 층에 냉각을 제공하기 위하여 냉각 핀이 사용될 수 있다. 몇몇 양상에서, 상기 하나 이상의 TEG 층은 촉매 컨버터와 머플러 사이의 위치에서 배기 파이프에 결합될 수 있다. 하나의 양상에서, 서로 다른 클램프를 사용하여 배기 파이프에 결합된 TEG 층들은 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 양상에서, 상기 열은 특정 TEG 층의 제1면에 전달될 수 있고, 상기 제1면은 냉각이 제공되는 특정 TEG 층의 제2면에 마주한다. 다른 양상에서, 하나 이상의 TEG 층은 실리콘 기반 나노구조를 이용하여 제조될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 장치가 개시된다. 상기 장치는 배기 파이프로부터의 열을 전기 에너지로 전환하는 수단을 포함한다. 상기 장치는 상기 열 전환 장치를 배기 파이프에 결합하기 위한 수단을 또한 포함한다.
하나의 양상에서, 상기 장치는 상기 열 전환 수단을 냉각하기 위한 수단을 또한 포함한다. 다른 양상에서, 상기 열 전환 수단을 배기 파이프로부터 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
유리하게도, 여기에서 기재된 기술은 엔진으로부터 배기 가스의 열이 전기 에너지로 전환될 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
앞에서 언급한 본 발명의 특징들 및 다른 특징들은 예시의 목적으로만 아래에서 주어져 있으며 이에 따라 본 발명을 한정하지 않는 첨부된 도면들에 도시된 몇몇 실시예들을 참조하여 자세히 설명된다.
도 1은 열전기 발전기(thermoelectric generator; TEG)가 부착된 차량용 배기 시스템의 예를 도시하였다.
도 2는 배기 파이프를 위한 TEG 시스템의 예를 도시하였다.
도 3은 도 2의 TEG 시스템의 예시적인 분해도이다.
도 4는 TEG에 의한 전기 동력 생성을 예시적으로 도시한 그래프이다.
앞에서 참조한 도면들은 축적이 정확하지 않으며 본 발명의 기본적인 원리들을 나타내는 다양한 특징들을 다소 간략화한 표현으로 나타내고 있음을 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 특정 치수, 방향성, 위치, 그리고 형상을 포함하는 본 발명의 특정한 특징들은 특별히 의도된 응용 분야 및 사용 환경에 의하여 부분적으로 결정될 수 있다.
도면에서, 도면 번호는 전체 도면에 걸쳐 본 발명의 동일하거나 동등한 부분을 언급한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 당업자가 용이하게 구현할 수 있도록 기재된다.
본 명세서에서 사용된 "차량", "차", "차량의", "자동차" 또는 다른 유사한 용어들은 스포츠 실용차(sports utility vehicles; SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용차를 포함하는 승용차, 다양한 종류의 보트나 선박을 포함하는 배, 항공기 및 이와 유사한 것을 포함하는 자동차를 포함하며, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그 인 하이브리드 전기 차량, 수소연료 차량 및 다른 대체 연료(예를 들어, 석유 외의 자원으로부터 얻어지는 연료) 차량을 포함한다. 여기에서 언급된 바와 같이, 하이브리드 차량은, 예를 들어 가솔린과 전기에 의하여 구동되는 차량과 같이 두 개 이상의 동력원을 가진 차량이다.
추가적으로, 몇몇 방법들은 적어도 하나의 제어기에 의하여 실행될 수 있다. 제어기라는 용어는 메모리와, 알고리즘 구조로 해석되는 하나 이상의 단계들을 실행하도록 된 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 언급한다. 상기 메모리는 알고리즘 단계들을 저장하도록 되어 있고, 프로세서는 아래에서 기재하는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위하여 상기 알고리즘 단계들을 특별히 실행하도록 되어 있다.
더 나아가, 본 발명의 제어 로직은 프로세서, 제어기 또는 이와 유사한 것에 의하여 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 컴퓨터가 읽을 수 있는 수단 상의 일시적이지 않고 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체로 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 수단의 예들은, 이에 한정되지는 않지만, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래쉬 드라이브, 스마트 카드 및 광학 데이터 저장 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 재생 매체는 네트웍으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 예를 들어 텔레매틱스 서버나 CAN(Controller Area Network)에 의하여 분산 방식으로 저장되고 실행될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 특정 실시예들만을 기재하기 위한 것으로 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수 형태들은, 맥락에서 명백히 이와 다르게 지칭하고 있지 않는 한, 복수 형태들을 함께 포함한다. "포함하다" 및/또는 "포함하는" 등과 같은 용어는 본 명세서에서 사용되었을 때 기재된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 부품들이 존재하는 것을 나타내며, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 요소들, 부품들 및/또는 그들의 그룹들이 존재하는 것 또는 추가되는 것을 배제하기 위한 것이 아님을 이해하여야 할 것이다. 본 명세서에서 사용된 "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 리스트에 언급된 항목들 중 어느 하나 및 모든 조합을 포함한다.
본 발명은 엔진의 배기 파이프에 결합될 수 있는 모듈로 된 열전기 발전기(TEG) 시스템을 제공한다. 파이프 내의 배기 가스로부터의 열은 하나 이상의 TEG 요소들로 전달되고 전기 동력으로 전환된다.
도 1을 참고하면, 다양한 실시예에 따른 차량용 배기 시스템의 예가 도시되어 있다. 배기 시스템(100)은 연소 후에 결합된 엔진으로부터 배기 가스를 제거하기 위하여 동작한다. 도시된 바와 같이, 예를 들어 배기 시스템(100)은 엔진에 결합되고 엔진의 연소실로부터 나가도록 엔진 내에서 배기 가스를 위한 경로를 제공하는 배기 매니폴드(102)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배기 시스템(100)은 또한 전방 배기 파이프(104)를 통하여 배기 매니폴드(102)에 결합된 촉매 컨버터(106)를 포함한다. 일반적으로, 촉매 컨버터(106)는 배기 시스템(100)이 배기 가스를 대기 중으로 배출하기 전에 배기 가스로부터 오염물질을 제거하도록 작동한다. 예를 들어, 촉매 컨버터(106)는 배기 가스 내에 존재하는 일산화탄소(CO) 또는 미연소 탄화수소를 화학적으로 반응시켜 이산화탄소(CO2) 및/또는 물(H2O)을 생성한다.
배기 시스템(100)은 엔진 및 배기 시스템(100)에 의하여 발생된 노이즈를 저감하도록 동작하는 소음기(112)를 또한 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 소음기(112)는 후방 파이프(110), 레조네이터(resonator)(108) 및/또는 상기 촉매 컨버터(106)를 레조네이터(108)에 연결하는 중앙 파이프를 통하여 촉매 컨버터(106)에 결합될 수 있다. 배기 시스템(100)은 배기 시스템의 단지 하나의 예이며, 다른 배기 시스템은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다른 형태(예를 들어, 재배치, 제거 또는 부품의 추가 등을 통하여)를 활용할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
다양한 실시예들에 따르면, 열전기 발전기(TEG) 시스템(114)은 배기 시스템(100)의 배기 파이프(예를 들어, 후방 파이프(110), 레조네이터(108)와 촉매 컨버터(106) 사이에 위치한 중앙 파이프 등)에 결합될 수 있다. 일반적으로, TEG 시스템(114)은 배기 가스에 존재하는 열을 전기 에너지로 전환함으로써 작동한다. 몇몇 경우에, 엔진에 의하여 생성된 연소 에너지의 40%까지 엔진의 배기 가스 내에서 열로서 손실될 수 있다. TEG 시스템(114)은 배기 가스 내의 상기 열을 전기 에너지로 전환함으로써 이 에너지 중 일부를 다시 되찾기 위해 활용될 수 있다. 예를 들어, TEG 시스템(106)은 차량의 배터리에 전기적으로 연결되어 회복된 에너지가 필요할 때까지 저장될 수 있도록 한다. 몇몇 경우에, 차량의 알터네이터는 회복된 전기 에너지의 결과로 다운사이즈(downsize) 될 수 있다. 도시된 바와 같이, TEG 시스템(114)의 모듈화 된 특성은 적절한 개수의 TEG 시스템(114)이 배기 파이프에 결합될 수 있도록 한다. 몇몇 경우에, TEG 시스템(114) 각각은 개별적으로 저장 시스템(예를 들어, 차량의 배터리)에 연결된다. 다른 경우에, TEG 시스템(114)은 서로 전기적으로 연결된다.
주로 차량 배기 시스템에 대한 TEG 시스템(114)이 여기에서는 도시되어 있으나, 상기 TEG 시스템(114)은 다른 형태의 비차량 배기 시스템에 사용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 2를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 예시적인 TEG 시스템(114)이 도시되어 있다. 다양한 실시예에서, TEG 시스템(114)은 배기 파이프에 결합시키기 위한 클램프를 포함한다. 하나의 실시예에서, TEG 시스템(114)은 초승달 모양의 상부(116)와 초승달 모양의 하부(118)를 포함하며, 결합되었을 때 거의 원통 형상의 구멍(121)을 정의한다. 상기 구멍(121)의 직경은 장착될 배기 파이프에 따라 크기가 정해진다. 도 2에 도시된 클램프 메커니즘은 두 개의 부분(116, 118)을 포함하고 있으나, 다른 실시예에서는 다른 개수의 부분들이 사용될 수도 있다.
부분들(116, 118)에 의하여 형성된 클램프로부터 반경 외측으로 연장된 것은 상기 클램프에 결합하는 다수의 TEG 하우징(122)이다. 어떠한 개수의 TEG 하우징(122) 및 해당하는 TEG들이 TEG 시스템(114) 내에 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들어 상부와 하부(116, 118) 각각에는 세 개의 TEG 하우징(122)이 결합될 수 있다. 예를 들어, 상부와 하부(116, 118)에 의하여 형성된 클램프의 외측은 대체로 육각형 형상을 이루며, 상기 TEG 하우징(122)들은 육각형의 각 변에 결합되어 있다. 다른 실시예에서, 상부와 하부(116, 118)는 n개의 변을 가진 다각형(예를 들어, 사각형, 오각형 등)을 형성할 수 있으며, 해당하는 개수의 TEG 하우징(122)이 각 변에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 상부와 하부(116, 118)는 원통형의 외면을 형성할 수 있으며, 하나 이상의 TEG 하우징(122)(예를 들어, TEG 하우징(122) 각각은 곡률진 저면을 가질 수 있다.)이 상기 클램프에 결합될 수 있다.
몇몇 실시예에서, TEG 시스템(100)은 또한 TEG 하우징(122)에 결합되어 그 안에 수용된 TEG들에 냉각을 제공하는 하나 이상의 히트 싱크(120)를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 히트 싱크(120)는 알루미늄과 같은 열 전도 물질을 사용하여 제작될 수 있다. 도시된 바와 같이, 히트 싱크(120)는 그 표면적을 증가시키기 위하여 다수의 핀 구조를 포함할 수 있으며, 그것에 의하여 TEG 하우징(122)에 공급되는 냉각의 양을 증가시키게 된다. 다양한 실시예에서, TEG 하우징(122)은 상기 히트 싱크(120)를 가열된 배기 파이프로부터 열적으로 절연하기 위하여 열 절연 물질(예를 들어 세라믹, 폴리머 등)을 이용하여 제작될 수 있다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 TEG 시스템(114)의 예시적인 분해도를 보여 주고 있다. 앞에서 기재한 바와 같이, TEG 시스템(114)은 서로 부착되고 배기 파이프의 주위에 물려지는 상부와 하부(116, 118)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 부분들(116, 118)은 그것들의 서로 마주하는 단에 형성된 구멍에 끼워지는 패스너(124a, 124b)에 의하여 결합된다. 도시된 바와 같이, 예를 들어, 패스너(124a)는 힌지를 형성하는 상기 부분들(116, 118)의 마주하는 단에 있는 구멍에 삽입될 수 있다. 상기 부분들(116, 118)의 반대 편에서는 패스너(124a)가 삽입되는 힌지에 거의 수직으로 연장된 부분들(116, 118) 상에 위치한 구멍에 패스너(124b)가 삽입될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 도시된 결합 수단은 예시적인 것일 뿐, 다른 실시예에서는 상부와 하부(116, 118)가 용접, 배기 파이프에 수직으로 연장된 패스너 등과 같은 다른 수단을 사용하여 결합될 수 있다. 결합되었을 때, 상부와 하부(116, 118)는 TEG 시스템(114)의 움직임을 방지하기 위하여 배기 파이프에 압축력을 제공한다.
TEG 하우징(122) 내에는 열을 전기 에너지로 전환하는 TEG 층(128)이 위치한다. 각 TEG 층(128)은 실리콘 기반 나노구조 또는, 예를 들어, 비스무트(bismuth), 납, 마그네슘, 셀렌(selenium), 텔루르(tellurium), 게르마늄, 안티몬(antimony), 니크롬(nichrome), 및 이와 유사한 것과 같은 다른 적절한 물질들로 제작될 수 있다. 실리콘 기반 나노구조는 매우 효율적으로 TEG에 사용될 수 있는 물질로 TEG 층(128)의 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 하나의 TEG 페어는 하나의 n형 나노구조(예를 들어, 전자가 많은 물질)와 하나의 p형 나노구조(예를 들어, 정공이 많은 물질)로 구성되거나, 하나의 n형 나노구조 또는 하나의 p형 나노구조로 구성될 수 있다. TEG 층(128)에 사용하기에 적절한 나노구조 및 나노상(nanophase)의 물질은, 이에 한정되지는 않지만, 나노기공 물질, 나노와이어, 그리고 벌크 물질 내의 나노 크기의 석출물과 박막 구조를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 구조 및/또는 상의 하나 이상의 치수는 전자 또는 정공의 평균 자유 경로보다 크다. 다른 실시예에서, 상기 구조 및/또는 상의 하나 이상의 치수는 물질의 음파 파장보다는 작다.
TEG 층(128)을 가로질러 온도 차이를 발생시키고 배기 가스로부터 열을 소모시키기 위하여, 히트 싱크(120)는 TEG 층(128)에 결합되고 배기 파이프로부터 멀어지도록 경방향으로 연장된다. 작동 중에, 배기 파이프를 지나가는 배기 가스로부터의 열은 상부 및 하부(116, 118)를 통하여 특정 TEG 층(128)의 일측으로 전달된다. 반대 측에서, 결합된 히트 싱크(120)가 TEG 층(128)으로부터 열을 소모시키고, 이에 의하여 상기 층 내에 온도 차이를 발생시킨다. 이러한 온도 차이는 TEG 층(128) 내에 전류를 생성하고, 생성된 전기 에너지는 차량에 의하여 나중에 사용하기 위하여 저장 장치(예를 들어, 배터리, 슈퍼 커패시터 등)로 보내진다. 다른 실시예에서, 다른 냉각 메커니즘이 히트 싱크(120)에 추가적으로 또는 히트 싱크(120) 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, TEG 층(128)은 ㄷ다른 실시예에서 워터 쟈켓에 결합되어 수냉될 수 있다.
주목할 점은, 여기에서는 TEG 시스템(114)의 다양한 구성요소들에 대하여 "층"이라는 용어를 사용하였으나, 이 용어는 시스템(114) 내에서 상기 구성요소들의 물리적 위치를 기재하기 위한 의도이지 그것들의 실제 구조를 기재하기 위함은 아니다. 예를 들어, 인식하는 바와 같이, TEG 층(128)은 층을 이루거나 한 쌍의 반대쪽으로 배치된 물질과 같이 층을 이루지 않는 적절한 개수의 TEG 배열을 포함할 수 있다. 달리 말하면, "층"이라는 용어는 물질의 특정한 형식 또는 형태를 한정 짓기 위한 의도가 아니다.
몇몇 실시예에서, TEG 하우징(122)은 상부와 하부(116, 118)에 의하여 형성된 클램프로부터 히트 싱크(120)를 열적으로 절연할 수 있다. 예를 들어, TEG 하우징(122)은 낮은 열 전도도를 가진 물질(예를 들어, 폴리머, 세라믹 등)을 사용하여 제작될 수 있으며, 그것에 의하여 TEG 층(128)의 서로 반대 측들 사이의 온도 차이를 더욱 크게 만든다.
하나의 실시예에서, 히트 싱크(120), TEG 하우징(122), 그리고 TEG 층(128)은 상부와 하부(116, 118)에 패스너(126)를 사용하여 결합될 수 있다. 패스너(126)는, 예를 들어 히트 싱크(120)를 통하여 상기 부분들(116, 118)에 삽입될 수 있으며, 그것에 의하여 히트 싱크(120), TEG 층(128) 및 TEG 하우징(122)을 포개어 결합시킨다. 다른 실시예에서, 다른 고정 메커니즘이 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 TEG에 의한 전기 동력 생성량의 예시적인 그래프(400)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 한 쌍의 TEG 요소에 의하여 생성된 전기 동력의 양은 온도 차이(402)와 시간(404)의 함수로 그려져 있다.
도시 운전 주기에 기초하여, 배기 가스의 온도 범위는 일반적으로 350~450℃이다. 배기 파이프 주위의 공기흐름으로부터 발생되는 온도는 또한 차량의 속도와 외기 온도에 따라 25~45℃로 보여진다. 따라서, 여기에서 기재한 내용에 따른 TEG 시스템은 약 400℃의 온도 차이를 생성할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 그래프(400)로부터 400℃의 온도 차이는 한 쌍의 TEG 요소에서 대략 1와트(W)의 동력을 생성할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 온도는 단지 예시적인 것이며 차량 자체의 형상(예를 들어, 냉각을 위해 이용 가능한 공기흐름의 양은 차량의 형상에 의존할 수 있다.), 차량 배기 시스템의 형상, 및/또는 배기 시스템 내에서 TEG 시스템의 상대 위치(예를 들어, 온도는 배기 시스템의 상류가 하류보다 더 크다.)에 따라 바뀔 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 내연 기관으로부터 에너지 손실의 40%까지는 배기 가스 내의 열에 기인한다. 최대 마력에서 작동하며 75kW의 동력을 생성하는 일반적인 100마력 엔진에서, 이 동력 중 30kW까지는 가열된 배기 가스를 통하여 손실된다. 여기에서 기재된 TEG 모듈은 4~10% 사이의 에너지 회복을 제공할 수 있는데, 이것은 여기에서 기재된 시스템을 사용하여 1.2kW와 3kW 사이의 동력이 잠재적으로 전기 에너지로 다시 되찾을 수 있는 것을 의미한다.
유리하게도, 여기에서 기재된 기술은 차량에 사용되는 것과 같은 엔진의 배기 파이프에 부착될 수 있는 모듈 형식의 TEG 시스템을 제공하기 위한 것이다. 디자인의 모듈적인 성질로 인하여 다양한 개수의 TEG 시스템이 배기 파이프에 결합도리 수 있으며, 그것에 의하여 하류의 폐열이 전기 에너지로 다시 되찾아질 수 있다. 여기에서 제공된 디자인은 또한 TEG 시스템이 상당한 변경 없이 존재하는 배기 시스템에 부착될 수 있도록 한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (20)

  1. 원통 형상의 구멍을 정의하는 클램프;
    열전기 나노구조를 포함하고, 상기 클램프에 결합되며, 상기 클램프로부터 열을 공급받는 하나 이상의 열전기 발전기(thermoelectric generator; TEG) 층; 그리고
    상기 하나 이상의 TEG 층에 결합되고 냉각을 상기 TEG 층에 제공하는 하나 이상의 히트 싱크(heat sink);
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 히트 싱크는 냉각 핀을 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 핀은 알루미늄을 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클램프와 상기 하나 이상의 히트 싱크 사이에 위치한 하나 이상의 열 절연 층을 더 포함하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 클램프는
    초승달 모양의 상부; 그리고
    초승달 모양의 하부;
    를 포함하며,
    상기 클램프의 상부와 하부는 서로 반대방향에 있는 힌지에 의하여 결합되는 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 클램프의 구멍 내에 위치하는 엔진의 배기 파이프를 더 포함하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 TEG 층에서 공급 받는 열은 배기 파이프 내의 가열된 배기 가스가 제공하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    각각이 클램프, 하나 이상의 TEG 층, 그리고 하나 이상의 히트 싱크를 포함하는 전기적으로 서로 연결된 복수개의 TEG 클램프들을 더 포함하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 TEG 클램프들은 엔진의 배기 파이프에 결합되는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 TEG 클램프들은 촉매 컨버터와 머플러(muffler) 사이의 배기 파이프에 결합되는 시스템.
  11. 열전기 나노구조를 포함하는 하나 이상의 TEG 층을 엔진의 배기 파이프에 결합하는 단계;
    상기 하나 이상의 TEG 층에 열을 전달하는 단계;
    상기 하나 이상의 TEG 층에 냉각을 제공하는 단계; 그리고
    상기 전달된 열을 전기 에너지로 전환함으로써 하나 이상의 TEG 층에 의하여 전기를 생성하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    열 절연 물질을 포함하는 하우징을 통하여 특정 TEG 층의 서로 마주하는 면을 열적으로 절연하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    하나 이상의 TEG 층에 냉각을 제공하기 위하여 냉각 핀을 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    촉매 컨버터와 머플러 사이의 위치에서 하나 이상의 TEG 층을 배기 파이프에 결합하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    배기 파이프에 결합된 TEG 층들을 다른 클램프들을 이용하여 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 열을 특정 TEG 층의 제1면에 전달하는 단계를 더 포함하고,
    상기 특정 TEG 층의 제1면은 냉각이 제공되는 특정 TEG 층의 제2면을 마주하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 TEG 층은 실리콘 기반 나노구조를 포함하는 방법.
  18. 배기 파이프로부터의 열을 전기 에너지로 전환하는 수단; 그리고
    상기 열 전환 수단을 상기 배기 파이프에 결합하는 수단;
    을 포함하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열 전환 수단을 냉각하는 수단을 더 포함하는 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 열 전환 수단을 배기 파이프로부터 제거하는 수단을 더 포함하는 장치.
KR1020150030007A 2014-11-25 2015-03-03 클램프가 장착된 열전기 발전기 KR20160062655A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/553,130 2014-11-25
US14/553,130 US20160146083A1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Clamp mounted thermoelectric generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160062655A true KR20160062655A (ko) 2016-06-02

Family

ID=55914299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150030007A KR20160062655A (ko) 2014-11-25 2015-03-03 클램프가 장착된 열전기 발전기

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160146083A1 (ko)
KR (1) KR20160062655A (ko)
CN (1) CN105626213A (ko)
DE (1) DE102014225567A1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI527959B (zh) * 2014-08-20 2016-04-01 財團法人工業技術研究院 廢熱交換結構
KR20160063000A (ko) * 2014-11-26 2016-06-03 현대자동차주식회사 열전 발전장치
US20160108790A1 (en) * 2015-12-29 2016-04-21 Caterpillar Inc. Waste heat recovery system of engine
GB2572753A (en) * 2018-04-04 2019-10-16 Rolls Royce Plc A fuel system for an internal combustion engine, an internal combustion engine and a method of operating a fuel system for an internal combustion engine
JP6953365B2 (ja) * 2018-06-07 2021-10-27 横河電機株式会社 温度差発電装置及び測定システム
JP7144832B2 (ja) * 2018-07-11 2022-09-30 株式会社Ｅサーモジェンテック 熱電発電システム及びその製造方法
DE102019201034B4 (de) 2019-01-28 2023-10-12 Ford Global Technologies, Llc Abgassystem für einen Verbrennungsmotor mit SCR-Kühlung sowie Kraftfahrzeug
CN110454260A (zh) * 2019-07-19 2019-11-15 中国矿业大学 一种储能型混合动力汽车能量回收及降噪装置
WO2022133488A1 (en) * 2020-12-17 2022-06-23 Npower Llc Exhaust system heat sink for increasing efficiency of internal combustion engines

Also Published As

Publication number Publication date
US20160146083A1 (en) 2016-05-26
CN105626213A (zh) 2016-06-01
DE102014225567A1 (de) 2016-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160062655A (ko) 클램프가 장착된 열전기 발전기
KR20160065720A (ko) 촉매 컨버터용 열전기 발전기 슬리브
Shen et al. Automotive exhaust thermoelectric generators: Current status, challenges and future prospects
Orr et al. An exhaust heat recovery system utilising thermoelectric generators and heat pipes
Stobart et al. The potential for thermo-electric devices in passenger vehicle applications
Orr et al. Prospects of waste heat recovery and power generation using thermoelectric generators
Baatar et al. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles
Yang et al. Optimization of thermoelectric generator (TEG) integrated with three-way catalytic converter (TWC) for harvesting engine’s exhaust waste heat
US20100186422A1 (en) Efficient and light weight thermoelectric waste heat recovery system
Arsie et al. Modeling analysis of waste heat recovery via thermo-electric generator and electric turbo-compound for CO2 reduction in automotive SI engines
JP5737151B2 (ja) 熱電発電装置
US9574517B2 (en) Thermoelectric generator insert for engine waste heat recovery
Nag et al. Exhaust heat recovery using thermoelectric generators: a review
Sivaprahasam et al. Automotive waste heat recovery by thermoelectric generator technology
JP2016023625A (ja) 熱電発電装置
Raut et al. Experimental investigation and comparative analysis of selected thermoelectric generators operating with automotive waste heat recovery module
US20140182648A1 (en) Accumulated type thermoelectric generator for vehicle
JP6018787B2 (ja) 車用熱電発電機
Imran et al. A heat recovery method of internal combustion engine using a thermoelectric generator
Khripach et al. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects
Prakash et al. Using stirling engine to increase the efficiency of an IC engine
Shishov Selection of the design of a hot heat exchanger of an automotive thermoelectric generator for an urban driving cycle
Li et al. Thermoelectric power generation for heat recovery in automotive industries
Park et al. A thermoelectric generation waste heat recovery system using engine coolant for light-duty ICE vehicles
Fu et al. Review of waste energy resource in vehicle engine exhaust

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application