KR20160081538A - 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 폐열 회수 성능을 극대화하기 위해 적정 온도기능을 유지할 수 있도록 하기 위해 열원부 외측에 열전소자와 축열소자를 구비하여 온도차에 의해 전력을 발생할 수 있도록 하는 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 폐열 회수 성능을 극대화하기 위해 적정 온도기능을 유지할 수 있도록 하기 위해 열원부 외부에 열전소자와 축열소자를 구비하여 온도차에 의해 전력을 발생할 수 있도록 하는 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
폐열 회수 기술은 운동에너지에 의해 발생하는 사용 불가능한 열에너지를 압전 소자나 태양전지, 열전소자, 전자 유도 등을 이용하여 전력으로 변환하는 것을 말한다. 이렇게 해서 얻은 전력은 축전되어 무선 커뮤니케이션 인터페이스를 탑재한 센서나 감시장치, 제어장치의 전원으로서 이용되거나 나아가서는 EV 나 FCEV의 모터 구동의 전원으로 이용이 가능하다.
특히, 자동차 폐열발전 분야의 기술에서 현재 새로운 분야로서 일어나고 있는 것은 자동차의 배기부에서 발생하는 열원과 외부 대기의 온도차이를 이용하여 에너지 변환 효율을 큰 폭으로 높인 폐열발전 시스템이 최근에 등장하고 있다.
민생기기의 분야에서는 열에너지나 운동 에너지를 이용한 의료용 어플리케이션의 개발, 태양전지를 탑재한 Bluetooth 단말기, 태양전지를 전력원으로 하는 휴대 전화기용 충전기 등에 관한 연구가 현재 다양하게 이루어지고 있다.
자동차 배기용 폐열발전 모듈은 예를 들면, BMW 5시리즈나 Ford 등에 적합하게 개발되어 테스트 되어오고 있으나, 열전 발전 모듈에 국한되어 개발되고 있으며, 축열부/배기부의 조합으로 이루어진 폐열 회수 시스템은 어디에도 찾아볼 수 없다.
열전소자만을 이용한 폐열발전 모듈의 경우, 차량 운행시 발생하는 열원과 냉각수/대기의 온도차를 이용하여 열에너지로부터 전기에너지의 에너지 변환을 가능하게 하나, 사용자의 성향에 따라 변환되는 에너지 효율이 다르다는 점, 차량 운전이 종료된 후에는 전기에너지의 에너지 변환이 불가능하다는 점에 대한 단점을 보이고 있다.
종래 자동차 배열을 이용하는 열전 발전장치로서는 한국특허공개 제2002-37964호에서 차량의 배기구로 버려지고 있는 배열에너지를 가능한 많은 폐열을 회수하기 위한 장치로서 제벡소자를 이용하여 자동차 배기가스와의 열교환을 수행하도록, 고온단 저온단으로 이루어진 열전발전모듈부, 흡열부 및 방열부 등으로 구성된 자동차용 열전발전장치에 있어서, 상,하 내부에 열전달 핀을 형성하여 고온의 배기가스 열이 열원부 외부의 상,하에 설치한 열전모듈의 고온단으로 전달되도록 한 자동차의 배기구로부터 공급되는 배기가스가 통과하는 열원부와, 상기 열원부의 외부 상하에 설치되어 접촉하는 고온단과, 상기 고온단과 접촉하여 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자로 이루어진 열전모듈과, 상기 열전모듈과 접촉하는 저온단과, 상기 저온단과 접촉하여 열전모듈의 고온단으로 전달된 열이 빠져나가도록 설치한 수냉식의 냉각부가 적층되어 구성되고, 상기 열원부 및 열원부 외부의 상,하 양쪽에 위치한 열전모듈과 냉각부가 모두 일체형으로 된 장치를 제안하고 있다. 그러나 이러한 열전 발전장치는 열 전달 핀을 이용하여 열전달이 이루어지도록 하여 폐열 회수가 매우 제한적이므로 효율적이지 못하다.
또한, 한국실용신안등록 제20-212789호에서는 자동차 엔진 오일, 블럭, 배기 머풀러의 폐열을 이용하여 머플러에 알루미늄 열흡수판을 장착하고 열전 발전기(Thermocouples Generator)를 부착하는 것으로, 전력을 얻어 수소가스의 발생장치 사각형 전해조 외부면에 알루미늄 열흡수판을 장착하고 열전발전기를 부착하여 전력을 발생시켜 수소가스를 연료로 사용할 수 있는 조합 구성 병행시스템으로 수소가스를 자체에서 생산하고, 소비되는 폐열을 이용 순환과정이 반복되어 전력을 발생시키는 장치에 관하여 제안하고 있다. 그러나 이러한 장치는 열전 시스템이 차량 정지시에 대한 효율적인 제어가 없고 수소가스 발생에 역점을 두고 있는 것으로서 장치 구성도 복잡하여 역시 실용화가 어렵다.
또한, 한국특허공개 제2014-8047호에서는 자동차의 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되는 열전 발전장치로서, 열전도성 재질을 가지며 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 구비한 장치가 제안되어 있다. 그러나 이러한 장치는 복수의 열전달소자 구성이나 히트파이프 모듈을 구성하는 복수의 방열핀 구성 등에 매우 복잡하여 비경제적이므로 효율성이 매우 낮다.
그 외에도 한국특허공개 제2006-128789호에서는 자동차의 배기 매니폴더에서 발생되는 고온의 배기열을 단열박스처리 후 단열 박스 안에서 열교환 배관을 설치하여 배출되는 고온을 회수하여 증기로 변환 시킨 다음 이를 고온 고압의 수증기 혹은 기타의 증기는 소형 증기터빈에서 열에너지를 발전에너지로 환원 후 냉각기에서 냉각 후 워터펌프로 재압송 되어 배기 매니폴드의 에너지를 흡수하는 순환 시스템을 제안하고 있다. 그러나 이 기술은 배관설치, 소형 증기터빈의 구비 등 새로운 설비가 복잡하여 현실성이 매우 적고 효율성도 기대하기 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하고 특히 자동차의 모든 열원부에 간편한 구조로 장착될 수 있는 구조로서 열원과 외부의 온도차를 오랫동안 크고 일정하게 유지시키고, 차량 운전이 종료된 이후의 환경에서도 일정 시간동안 열원과 외부의 온도차이를 일정하게 유지시켜 궁극적으로 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 에너지 변환을 위한 폐열 회수 시스템을 제공하는 데에 있다.
따라서 본 발명의 목적은 자동차의 열원 외부에 간편하게 설치할 수 있으며 에너지 변환효율도 매우 높은 차량 폐열 회수 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 열원부에 부착 설치되는 열원 하우징과, 상기 열원 하우징에 접촉 또는 열팽창에 의해 접촉 될 수 있는 간극을 갖도록 비접촉 상태로 설치된 축열소자를 포함하는 제1 모듈과, 상기 축열소자를 포함하는 제1 모듈과 연접되어 있고 열전소자를 포함하는 제2 모듈, 그리고 상기 제2모듈의 외부에 장착되며 냉각이 가능한 제3모듈을 포함하는 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템은 열전소자의 온도차를 오랜 시간동안 일정하게 유지함으로써 에너지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 축열소자를 이용한 차량 폐열 회수 시스템은 차량용 부품에 적용이 가능하지만, 사용자의 의도에 따라 열원이 발생하는 모든 부품으로 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 차량 폐열 회수 시스템에 대한 하나의 구현예로서, 열원에 의해 열원하우징이 팽창되기 전의 단면 구조도이다.
도 2는 도 1에 따른 차량 폐열 회수 시스템에서 열원에 의해 열이 발생되어 열원하우징이 팽창된 상태의 단면 구조도이다.
도 2는 도 1에 따른 차량 폐열 회수 시스템에서 열원에 의해 열이 발생되어 열원하우징이 팽창된 상태의 단면 구조도이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 열원부 외부에 열원하우징과, 축열소자를 포함하는 제1 모듈과, 열전소자를 포함하는 제2 모듈, 그리고 냉각이 가능한 제 3모듈을 포함하는 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 차량 폐열 회수 시스템에 대한 하나의 구현예로서, 열원에 의해 열원하우징(20)이 팽창되기 전의 단면 구조도로서 본 발명에 따른 폐열 회수 시스템은 열원부(10)의 외부에 설치된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 열원부(10)는 차량 내에서 열이 발생하는 모든 부분이 적용 가능하며, 예컨개 차량의 배기 매니폴드, 엔진룸(EGR), 머플러 등이 열원부가 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열원부(10)의 외부에 설치되는 열원하우징(20)은 열원에 부착되어 있는 상태에서 열원의 온도가 상승하면 열원부(10)로부터 열을 직접 받아 팽창하고 열이 식은 이후에는 다시 수축되는 재질로 이루어진다.
이러한 열원하우징(20)은 열팽창계수가 큰 재료를 사용하는 것이 바람직한 바, 바람직하게는 열전도도가 10~1000W/mK이고, 열팽창 계수가 10~100×10-6/K인 것이 바람직하다. 예를 들어 이러한 열원하우징(20)은 구리, 납, 마그네슘, 알루미늄 중에서 선택된 금속판 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 이러한 열원하우징(20)의 두께는 0.5~1mm 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 이러한 열원하우징(20)은 예컨대 열원부(10)의 외부에서 레이져 웰딩 등을 이용하여 접합시키는 방법으로 열원부(10)에 부착 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 열원하우징(20)의 외부에는 제1 모듈(30)이 설치되어 있되 상기 열원하우징(20)에 접촉 또는 열팽창에 의해 접촉될 수 있는 간극(25)을 갖도록 비접촉 상태로 설치된 축열소자(31)를 포함하는 제1 모듈(30)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 열원하우징(20)은 열원부(10)에서 실질적으로 부착되어 있으며, 열원부(10)에서 온도가 상승하면 열원하우징(20)이 팽창하여 제1 모듈(30)에 접촉하여 열전달이 이루어질 수 있도록 설치된다. 이렇게 열원하우징(20)과 제1 모듈(30)이 접촉된 형태는 도 2에 도시한 바와 같다.
그러므로 열원부(20)가 차량의 엔진 작동 정지 등으로 인해 열원부(10)의 온도가 하강하게 되면 열원하우징(20)은 다시 수축하게 되고, 이때는 열원하우징(20)은 제1 모듈(30)과 간극(20)이 다시 발생하면서 제1 모듈(30)와 열의 차단이 이루어지기 때문에 열원부(10)에서의 낮은 온도가 제1 모듈(30)로 전달되지 않게 된다. 그러므로 축열소자(31)에 축적된 열에너지가 열원하우징(20)으로 전달되지 않도록 차단되는 것이다. 이러한 차단 상태는 도1의 경우와 같다. 이때 열원하우징(20)과 제1 모듈(30) 사이의 간극(25)은 열원하우징(20) 또는 제1 모듈(30)의 외부에 돌기부를 최소한으로 형성하는 방법으로 형성되게 할 수 있다. 또한 만일 열원하우징(20)과 제1 모듈(30) 사이의 간극(25)이 없이 접촉 상태로 제1 모듈(30)이 설치되는 경우에는 열원부(10)에서 온도가 하강하더라도 열원하우징(20)과 제1 모듈(30) 사이에서 열의 차단에 의한 효과는 기대할 수 없으나, 본 발명의 목적 달성은 가능하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 제1 모듈(30)은 축열소재를 포함하는 축열소자(31)를 포함하고 있어서 열원부(10)의 열이 열원하우징(20)을 통해 제1 모듈(30)로 전달된 이후 축열소자(31)에 저장되는 구조를 가진다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 제1 모듈(30)은 축열소자(31)의 하우징 역할을 하는 것으로서 고 열전도도를 가지는 금속소재가 사용될 수 있는데, 바람직하게는 15-22W/mK 인 금속소재를 사용하는 것이 바람직하고, 예컨대 SUS, Iron, Steel(carbon), 알루미늄 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 또한, 이러한 제1 모듈에 함유된 축열소재(31)로서는 열용량이 50-1000 J/mol K 인 소재가 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 축열소재(31)로서는 예컨대 NaCl 등과 같은 금속 염계, Parrafin 등과 같은 상 전이 물질(PCM) 등이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면 상기와 같은 제1 모듈(30) 외부에는 이와 연접되어 있는 제2 모듈(40)이 설치되어 있다. 이러한 제2모듈(40)은 열전소자(41)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 제2 모듈(40)은 열전소자(41)의 하우징 역할을 하는 것으로서 PP, PA 폼 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 제2모듈(40)의 열전소자(41)는 플렉서블한 소재가 적용될 수 있으며, 축열소자(31)와 열전소자(41)의 열저항을 최소화하기 위해서 레이저 웰딩이나 방열 그리스 등을 적층하여 구성할 수 있다.
또한 본 발명은 제2 모듈(40)의 열전소자(41) 외부에는 제3 모듈(50)을 포함한다. 이러한 제3 모듈은 냉각이 가능하도록 설계되어 있으며, 이러한 냉각 가능한 수단으로서는 수냉 및 직접 공냉의 방식이 적용될 수 있다. 이러한 제3 모듈(50)은 열전도도가 10W/mK 이상인 금속 혹은 고분자 복합재료의 소재로 구성되는 것이에너지 변환 및 저장 효율 면에서 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 모듈(30)은 1~100mm의 두께, 상기 축열소자(31)는 50~100mm의 두께 상기 제2 모듈(40)은 1~100mm의 두께, 상기 열전소자(41)는 50~100mm의 두께, 상기 제3 모듈(50)은 1~100mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 상기 제1 모듈(30)의 축열소자(31)과 제2 모듈(40) 사이에는 핫정션(hot junction)이고, 제2 모듈(40)의 열전소자(41)과 제3 모듈(50) 사이는 콜드정션(cold junction)이다.
본 발명에 따라면, 이러한 폐열 회수 시스템은 사용 온도차에 따라 벌크모듈을 사용할 수 있고, 또한 유연기판 형태로도 제작이 가능하다.
그러므로 열 이동 및 에너지 변환의 방법으로 축열과 열전 공정이 진행되면서, 열전소자 및 축열소재를 통해 폐열이 저장되고 열전소자 안팎의 온도차이를 통하여 발전이 이루어질 수 있는 것이다.
따라서 본 발명에 따르면 열을 이용한 발전을 위해 열 발전기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 폐열 회수 시스템은 그 구조가 간단하고 효율적이어서 매우 경제적으로 차량의 폐열 회수에 적용할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 실시예로서 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
승용차 배기 매니폴드에 폐열 회수 시스템을 장착하되, 열전도도가 401W/mK, 열팽창 계수가 51×10-6/K인 구리 금속판을 레이져 웰딩을 이용하여 접합하였다.
축열모듈과 구리 금속판 사이의 간격은 열원의 온도가 200℃ 이상일 것으로 상정하여 축열소자와 구리 금속판의 접합이 이루어지도록 사이의 간극을 1mm로 하여 축열소자 함유 제1 모듈을 설치하였다.
축열모듈인 제1 모듈은 열전도도가 10W/mK인 SUS 소재를 이용하였고, 내부의 축열소자 재질은 열용량이 900 J/mol K인 PCM 소재를 이용하였다.
축열모듈의 열원이 닿는 반대편은 플렉서블 열전소재로 방열 그리스(점도 10~100 Pa.sec)를 스크린 프린팅 방법으로 적층하고, 그 외부는 감싸도록 하여 제3모듈을 설치하여 열전소자에 의해 냉각이 가능하게 하여 폐열 회수 시스템을 설치하였다.
비교예
기존의 축열소자가 존재하지 않는 강제 냉각 방식으로 동일 조건에서 폐열 회수가 가능하도록 폐열 회수 시스템으로 적용하였다.
실험예
상기 실시예와 같이 설치된 시스템에 대해 차량 운전을 1시간 진행 다음 폐열 회수 정도를 측정하기 위해 열-전기 변환 효율 측정 방법으로 페열 회수를 진행하였다. 또한 비교예에 대해서는 동일 부위에서 폐열 회수를 실시하였다.
그 결과 폐열 회수 상태는 다음 표 1과 같다.
이러한 폐열 회수 정도는 기존의 다른 어떤 시스템보다 적어도 6.4% 이상의 회수율 증진 효과를 보였다.
| 출력 (W) | 폐열회수 증진률 (%) | |
| 비교예-강제냉각(축열소재 없음) | 67.26 | |
| 실시예-축열소재(파라핀) 존재 | 71.83 | 6.36 |
본 발명에 따른 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템은 자동차의 열원으로부터 페열을 회수함에 있어서 에너지의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 시스템으로 적용할 수 있다
또한, 본 발명에 따른 열전소자 및 축열소자를 이용한 차량 폐열 회수 시스템은 차량용 부품에 적용이 가능하지만, 사용자의 의도에 따라 열원이 발생하는 모든 부품으로 적용이 가능하다.
10 - 열원부
20 - 열원하우징
25 - 간극
30 - 제1 모듈
31- 축열소자
40 - 제2 모듈
41 - 열전소자
50 - 제3 모듈
20 - 열원하우징
25 - 간극
30 - 제1 모듈
31- 축열소자
40 - 제2 모듈
41 - 열전소자
50 - 제3 모듈
Claims (9)
- 열원부에 부착 설치되는 열원 하우징과, 상기 열원 하우징에 접촉 또는 열팽창에 의해 접촉 될 수 있는 간극을 갖도록 비접촉 상태로 설치된 축열소자를 포함하는 제1 모듈과, 상기 축열소자를 포함하는 제1 모듈과 연접되어 있고 열전소자를 포함하는 제2 모듈, 그리고 상기 제2모듈의 외부에 장착되며 냉각이 가능한 제3모듈을 포함하는 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 열원부는 차량의 배기 매니폴드, EGR, 머플러 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 열원하우징은 열원에 부착되어 있는 상태에서 열원의 온도가 상승하면 열원부로부터 열을 직접 받아 팽창하고 열이 식은 이후에는 다시 수축되는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 열원하우징은 열전도도가 10~1000W/mK이고, 열팽창 계수가 10-100X10-6/K인 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 열원하우징은 구리, 납, 마그네슘, 알루미늄 중에서 선택된 금속판 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 열원하우징은 두께가 0.5~1mm 인 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 제1 모듈은 축열소자의 하우징 역할을 하는 것으로서 15-22W/mK 인 금속소재 인 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 제1 모듈에 함유된 축열소자는 열용량이 50-1000 J/mol K 인 소재 인 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 제2모듈의 열전소자는 레이저 웰딩이나 방열 그리스를 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량 폐열 회수 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020140195490A KR101646422B1 (ko) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 열전소자 및 축열소자를 구비한 차량 폐열 회수 시스템 |
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| KR20160081538A true KR20160081538A (ko) | 2016-07-08 |
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| KR (1) | KR101646422B1 (ko) |
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|---|---|---|---|---|
| CN113952908A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-01-21 | 浙江高晟光热发电技术研究院有限公司 | 一种光催化制氢装置及制氢系统 |
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- 2014-12-31 KR KR1020140195490A patent/KR101646422B1/ko active IP Right Grant
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| CN113952908B (zh) * | 2021-10-08 | 2023-12-05 | 浙江高晟光热发电技术研究院有限公司 | 一种光催化制氢装置及制氢系统 |
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