KR20180043036A - 차량용 열전발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 차량용 열전발전기는 차량용 열전발전기는 직육면체의 열전배기관; 열전배기관의 4개면에 부착되는 열전소자; 열전배기관의 재질은 알루미늄, 구리, SUS 중 어느 한 개인 형상변경용 블록에 의해 배기열이 열전소자로 전달되며, 열전배기관의 중심축을 따라 가변밸브에 의해 개폐되는 바이패스파이프가 형성되고, 배기가스 온도센서로부터 가변밸브를 조절함으로서 열전소자로 전달되는 배기열을 제어하며, 열전소자 위에는 냉각채널이 각각 형성되어 있고, 냉각채널은 2개의 냉각채널을 1개의 유로로 연통되도록 냉각유로가 형성된다.
Description
본 발명은 열전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 배기가스의 열기를 이용하여 발전하는 차량용 열전 발전기에 관한 것이다.
열전소자는, 소자 양단의 온도차를 전기로 변환함으로써 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 소자에 전기를 흐르게 함으로써 소자 양단에 온도차를 일으켜 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열전현상을 이용하는 소자를 말한다. 이러한 열전소자는 소규모 냉각장치, 소규모 가열장치, 또는 소규모 발전장치에 이용된다.
열전소자가 소규모 발전장치에 이용되는 것을 열전발전장치 또는 열전발전기라고 부른다. 이러한 열전발전기는 주로 무전통신기의 전원공급장치, 우주선의 전력공급장치, 핵잠수함의 동력공급장치, 그리고 차량의 배기시스템에 설치되는 열전발전기에 사용된다.
도 1은 차량의 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도시한 바와 같이, 차량의 배기시스템에 설치되는 열전발전기(10)는 고온의 배기가스가 지나가는 6각형의 배기열 회수장치(40), 상기 배기열 회수장치(40) 외측에 설치되며 내부로 냉각수가 지나가는 상기 냉각장치(30), 그리고 상기 배기열 회수장치(40)의 외측과 상기 냉각장치(30) 내측에 접촉하여 양단의 온도차이에 의해 전기를 발생시키는 상기 다수의 열전소자(20)을 포함한다.
상기 배기열 회수장치(40) 내부에는 고온의 배기가스가 흐르면서 열에너지가 상기 열전소자(20)로 전달된다. 상기 냉각장치(30) 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 파이프(32)가 형성되어 상기 배기열 회수장치(40)와 접촉되는 상기 열전소자(20)의 내측과 상기 냉각장치(30)와 접촉되는 상기 열전소자(20)의 외측 사이의 온도차이를 증가시킨다. 이와 같이 상기 열전소자(20)의 내측과 외측의 온도차이를 크게 함으로써 자동차의 배기시스템에 설치되는 열전발전기의 효율을 증가시키게 된다.
열전발전기에서 많은 전기를 생산하기 위해서는, 즉 열전발전 효율을 높이기 위해서는 배기가스의 열에너지가 상기 열전소자에 효율적으로 전달되어야 한다. 그러나 상기한 종래의 차량용 열전발전기에서는, 배기가스의 열에너지가 고온부로 충분히 전달되지 않아 배기의 열에너지 회수 능력이 떨어지고 따라서 열전발전기의 열전효율이 저하되는 문제를 안고 있다.
또한, 종래의 차량용 열전발전기는 냉각장치(30)가 많은 면적을 차지함에도 열교환 면적이 작아 열전달율이 낮아 크기에 비하여 열전발전효율이 낮은 문제가 있으며, 배기시스템 고유의 형상을 다각형으로 변형해야하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로, 배기관 고유의 형상인 단면이 원형을 유지하면서도 열전발전 효율이 향상되는 차량용 열전발전기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 차량용 열전발전기는 직육면체의 열전배기관; 열전배기관의 4개면에 부착되는 열전소자; 열전배기관의 재질은 알루미늄, 구리, SUS 중 어느 한 개인 형상변경용 블록에 의해 배기열이 열전소자로 전달되며, 열전배기관의 중심축을 따라 가변밸브에 의해 개폐되는 바이패스파이프가 형성되고, 배기가스 온도센서로부터 가변밸브를 조절함으로서 열전소자로 전달되는 배기열을 제어하며, 열전소자 위에는 냉각채널이 각각 형성되어 있고, 냉각채널은 2개의 냉각채널을 1개의 유로로 연통되도록 냉각유로가 형성된다.
본 발명의 차량용 열전발전기에 따르면, 배기관과 열전소자와 접촉하는 면적이 평면이 되도록 직육면체의 열전배기관을 형성한다.
또한, 엔진 회전속도가 고속으로 과열이 되면 열전소자로의 열전달 없이 바이패스 파이프를 통과하므로, 급작스러운 열전소자에서의 열부하를 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 2은 본 발명의 열전발전기의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 열전발전기에서 냉각채널을 따라 형성된 냉각수 이송라인을 포함한 전체형상이다.
도 4는 본 발명의 가변밸브에 의한 배기열 전달을 제어하는 개념도이다.
도 2은 본 발명의 열전발전기의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 열전발전기에서 냉각채널을 따라 형성된 냉각수 이송라인을 포함한 전체형상이다.
도 4는 본 발명의 가변밸브에 의한 배기열 전달을 제어하는 개념도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 상세히 설명한다.
도 2은 직육면체배기관을 사방으로 둘러싼 4면에 열전소자(50)가 안착된 형상을 나타낸다. 직육면체배기관의 4면에 열전소자(50)가 부착되고, 열전소자(50)의 외측으로 평판형의 히트파이프(80)가 위치한다. 히트파이프(80)는 냉각채널(90)에 의해 열전소자(50)를 냉각하면서 열교환을 통해 전기를 생성한다.
한편, 직육면체배기관의 내부에는 바이패스파이프(70)가 형성되어 엔진회전수에 따른 배기량 변화에 대해 대응할 수 있다. 바이패스파이프(70)의 종단면에는 배기가스의 온도에 따라 가변밸브가 개폐된다.
도 3은 냉각채널(90)과 냉각채널(90)을 연결하는 냉각수 이송라인의 형상을 나타낸다. 어떤 냉각채널(90)과 인접한 냉각채널(90)은 서로 90도를 이루는데, 각각의 냉각채널(90)마다 온도의 편차가 있다. 그 이유는 배기관을 흐르는 배기가스가 상하좌우 대칭이 아니기 때문이다. 따라서, 각각의 냉각채널(90)마다 서로 다른 온도를 균일하도록 하기위해 냉각채널(90)을 서로 연통시키는 냉각유로(100)를 형성한다.
도 3은 이러한 냉각유로(100)가 서로 인접한 냉각채널(90)까지 연통되도록 2개의 냉각채널(90)을 1개의 냉각유로(100)로 연통하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해서는 냉각채널(90) 상에서 일정거리를 냉각유로(100)가 연장되어 형성된 뒤, 인접 냉각채널(90)로 약 45도 각도로 굽어지면서 냉각채널(90)을 감싸고, 다시 배기가스 방향으로 냉각유로(100)를 직선으로 퍼지게된다.
위에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기의 작용을 설명한다.
엔진이 구동되면, 배기가스의 열에너지가 직육면체 배기관을 통해 열전소자(50)로 전달된다. 상기 엔진의 온도가 높을 때, 즉, 엔진의 회전속도가 고속일 때, 가변밸브를 열어 바이패스파이프(70)를 개방하게 된다. 이때, 배기가스는 바이패스파이프를 직접 통과한다. 즉, 엔진 회전속도가 고속으로 과열이 되면 열전소자(50)로의 열전달 없이 바이패스파이프(70)를 통과하므로, 급작스러운 열전소자(50)에서의 열부하를 감소시킬 수 있다.
도 2의 바이패스파이프(70)의 주변에는 원통배기관과 연결이 되도록 직육면체의 열전배기관에 플랜지가 형성되어 있고, 원통배기관을 통과한 배기가스는 직육면체 열전배기관에서는 도 4에서 보듯이 직육면체의 열전배기관, 즉 사각덕트로 급격히 퍼지게 되며, 열전소자로의 열전달이 활발해진다.
즉, 배기가스는 차량의 운전 조건에 따라 상온~800℃, 0~300kg/hr로 온도와 유량이 변화하고, 온도센서는 바이패스파이프(70) 가변밸브의 제어 인자로 고온가스의 온도를 측정하여 열전소자 (목표온도 + 200)℃의 온도를 유지한다. 열전소자(50)의 사양에 따라 적용 가능한 최대 온도(사양에 따라 약 250℃ 또는 400℃) 도달 시, 바이패스파이프(70) 뒤의 가변밸브(120)를 열어 단면이 사각인 직육면체 파이프 쪽으로 가는 고온 가스의 양을 줄이며, 열전소자(50)의 과열 및 파손을 방지할 수 있다. 또한, 온도센서(110)로부터 가변밸브(120)를 선택적으로 제어할 수도 있다.
Claims (4)
- 차량용 열전발전기에 있어서,
직육면체의 열전배기관;
상기 열전배기관의 4개면에 부착되는 열전소자;
상기 열전배기관의 재질은 알루미늄, 구리, SUS 중 어느 한 개인 형상변경용 블록에 의해 배기열이 상기 열전소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전기. - 제1항에 있어서,
상기 열전배기관의 중심축을 따라 가변밸브에 의해 개폐되는 바이패스파이프가 형성된 것을 특징으로 하는 열전발전기. - 제2항에 있어서,
배기가스 온도센서로부터 상기 가변밸브를 조절함으로서 상기 열전소자로 전달되는 배기열을 제어하는 것을 특징으로 하는 열전발전기. - 제3항에 있어서,
상기 열전소자 위에는 냉각채널이 각각 형성되어 있고, 상기 냉각채널은 2개의 냉각채널을 1개의 유로로 연통되도록 냉각유로가 형성된 것을 특징으로 하는 열전발전기.
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KR1020160135824A KR20180043036A (ko) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | 차량용 열전발전기 |
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KR1020160135824A KR20180043036A (ko) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | 차량용 열전발전기 |
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KR (1) | KR20180043036A (ko) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111416550A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-07-14 | 东北大学 | 一种三层骨架热电发电装置 |
KR20210054218A (ko) * | 2019-11-05 | 2021-05-13 | 한국전기연구원 | 산업폐열을 재활용하는 다층 열전발전기 |
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2016
- 2016-10-19 KR KR1020160135824A patent/KR20180043036A/ko not_active Application Discontinuation
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