KR20200140619A - 차량용 열전 발전장치 - Google Patents

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김병욱
이후담
곽진우
최광민
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Abstract

본 발명은 차량용 열전 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 운전 모드에 따라 배기열의 열교환 방식을 변경하여 연비를 향상시킬 수 있는 차량용 열전 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 열전 발전장치는 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 열을 이용하는 열전 발전장치로서, 배기가스와 열교환되는 냉각수가 순환되는 열교환유닛과; 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전발전유닛과; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛을 통과하도록 유동시키는 제 1 유로와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열전발전유닛을 통과하도록 유동시키는 제 2 유로와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛 및 열전발전유닛을 통과하지 않고 바이패스 시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로를 개폐시키는 제 1 밸브와; 상기 제 2 유로와 제 3 유로를 선택적으로 개폐하는 제 2 밸브와; 상기 제 1 밸브와 제 2 밸브를 하나의 동력원으로 동작시키는 구동유닛을 포함한다.

Description

차량용 열전 발전장치{Thermoelectric generator for vehicle}
본 발명은 차량용 열전 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 운전 모드에 따라 배기열의 열교환 방식을 변경하여 연비를 향상시킬 수 있는 차량용 열전 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 배기열을 이용하는 기술로 배기열 회수장치와 열전 발전장치가 적용되고 있다.
배기열 회수장치(EHRS; Exhaust Heat Recovery System)는 배기가스와 냉각수의 열교환으로 배기열을 회수하여 겨울철 시동 초기 엔진 웜업 및 난방으로 활용함으로써 연비를 개선하는 장치이다.
배기열 회수장치의 경우, 겨울철 시동 초기에는 배기열을 이용하는 큰 효과가 있으나 그 외 조건에서는 배기가스가 그대로 바이패스되기 때문에 장치의 효용성이 떨어지는 문제점이 있었다.
열전 발전장치(TEG; Thermoelectric Generation)는, 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전소자를 이용하여 배기열을 고온부로 활용하고, 냉각수를 저온부로 활용함으로써 차량에 필요한 전기를 발생시켜 연비를 개선하는 장치이다.
열전 발전장치의 경우, 배기열 회수장치에 비하여 주행 중 활용 구간은 넓은 편이나, 고가인 열전소자의 사용에 의한 원가 상승에 비하여 발전량이 제한적이어서 장치의 효용성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 일반적인 차량에는 열전 발전장치와 배기열 회수장치가 순차적으로 배치되어 배기가스가 열전 발전장치를 통과한 다음 배기열 회수장치로 제공되기 때문에 냉각수를 웜업시키는 효과가 저하되는 단점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2018-0077459호 (2018.07.09)
본 발명은 배기열 회수장치와 열전 발전장치 각각의 작동 특성을 고려하여 차량의 운전 모드에 따라 배기열의 열교환 방식을 변경하여 연비를 향상시킬 수 있는 차량용 열전 발전장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 열전 발전장치는 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 열을 이용하는 열전 발전장치로서, 배기가스와 열교환되는 냉각수가 순환되는 열교환유닛과; 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전발전유닛과; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛을 통과하도록 유동시키는 제 1 유로와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열전발전유닛을 통과하도록 유동시키는 제 2 유로와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛 및 열전발전유닛을 통과하지 않고 바이패스 시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로를 개폐시키는 제 1 밸브와; 상기 제 2 유로와 제 3 유로를 선택적으로 개폐하는 제 2 밸브와; 상기 제 1 밸브와 제 2 밸브를 하나의 동력원으로 동작시키는 구동유닛을 포함한다.
상기 열전발전유닛은 상기 열교환유닛의 내부에 내장되고, 상기 열전발전유닛은 일측이 상기 제 2 유로에 접촉되고, 타측이 상기 열교환유닛의 내부에서 유동되는 냉각수에 노출되는 열전모듈을 포함한다.
상기 열교환유닛 및 열전발전유닛을 내장하는 케이스를 더 포함하고, 상기 케이스는, 상기 제 1 유로 및 제 2 유로가 형성되면서 상기 열교환유닛 및 열전발전유닛이 내장되는 제 1 영역과; 상기 제 3 유로가 형성되면서 상기 제 1 밸브와 제 2 밸브가 설치되는 제 2 영역으로 구획되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동유닛은, 모터의 작동에 의해 회전되는 작동축과; 상기 작동축과 연동하여 회전되도록 제 1 연동체가 구비되어 상기 제 1 연동체가 회전되면서 상기 제 1 밸브를 회동시켜 상기 제 1 유로를 개폐하는 제 1 가이드축과; 상기 작동축과 연동하여 회전되도록 제 2 연동체가 구비되어 상기 제 2 연도체가 회전되면서 상기 제 2 밸브를 회동시켜 상기 제 2 유로 및 제 3 유로를 선택적으로 개폐하는 제 2 가이드축과; 상기 작동축, 제 1 가이드축 및 제 2 가이드축이 내장되는 하우징을 포함한다.
상기 제 1 가이드축은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 작동축이 내장되고, 상기 제 1 연동체는 상기 제 1 가이드축의 단부에서 제 1 가이드축의 원주를 따라 회전되며, 상기 제 2 가이드축은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 제 1가이드축이 내장되고, 상기 제 2 연동체는 상기 제 2 가이드축의 단부에서 제 2 가이드축의 원주를 따라 회전되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동축, 제 1 가이드축 및 제 2 가이드축의 중심축선은 동일 직선상에 위치되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동유닛은, 상기 작동축과 제 1 연동체 사이에 설치되어 상기 제 1 연동체의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 1 탄성체와; 상기 제 2 연동체과 하우징 사이에 설치되어 상기 제 2 연동체의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 2 탄성체를 더 포함한다.
상기 작동축에는 상기 제 1 연동체에 접촉되어 상기 제 1 연동체를 연동하여 정회전시키는 제 1 걸림체와, 상기 제 2 연동체에 접촉되어 상기 제 2 연동체를 연동하여 정회전시키는 제 2 걸림체가 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 웜업 모드, 열전발전 모드 및 바이패스 모드로 구분하여 상기 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 웜업 모드시에, 모터를 정위치시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 오픈하는 지점에 위치시키고, 상기 제 2 밸브는 상기 제 3 유로를 폐쇄하면서 상기 제 2 유로를 오픈하는 지점에 위치시켜서 배기가스를 상기 제 1 유로와 제 2 유로로 유동시키며, 열전발전 모드시에, 모터를 소정 각도 정회전시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 폐쇄하는 지점으로 이동시키고, 상기 제 2 밸브는 상기 제 3 유로를 폐쇄하면서 상기 제 2 유로를 오픈하는 지점에서 머무르게 하여 배기가스를 상기 제 2 유로로만 유동시키며, 바이패스 모드시에, 모터를 소정 각도 더 정회전시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 폐쇄하는 지점에서 머무르게 하면서, 상기 제 2 밸브는 상기 제 2 유로를 폐쇄하면서 상기 제 3 유로를 오픈하는 지점으로 이동시켜 배기가스를 상기 제 3 유로로만 유동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 유로, 제 2 유로 및 제 3 유로는 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 운전 모드에 따라 배기열의 회수와 열전 발전을 선택적으로 적용할 수 있도록 배기열의 열교환 방식을 변경하여 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 열전 발전장치와 배기열 회수장치가 순차적으로 배치되어 배기가스가 열전 발전장치를 통과한 다음 배기열 회수장치로 제공되기 때문에 냉각수를 웜업시키는 효과가 저하되는 것에 대비하여 본 발명의 실시예에 따르면 열교환유닛을 통과하는 제 1 유로와 열전발전유닛을 통과하는 제 2 유로를 병렬로 배치하여 웜업 모드시에 배기가스를 제 1 유로로 직접 통과시킬 수 있어서 냉각수를 보다 빠르게 웜업시킬 수 있다. 그리고, 냉각수와 접촉되는 제 2 유로도 오픈할 수 있기 때문에 냉각수의 웜업시간을 더 단축시킬 수 있다.
그리고, 제 1 유로, 제 2 유로 및 제 3 유로를 선택적으로 개폐하여 웜업 모드, 열전발전 모드 및 바이패스 모드를 구현하는 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 작동을 하나의 모터로 제어할 수 있기 때문에 장치의 제조 원가를 저감시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 측면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동유닛의 구성을 보여주는 측면도이며,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치의 작동상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 보여주는 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동유닛의 구성을 보여주는 측면도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치는 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 열을 이용하는 열전 발전장치로서, 배기가스의 열을 냉각수로 회수하는 방식과 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식을 통합적으로 운용할 수 있는 열교환 구조를 갖는다.
예를 들어 본 발명에 따른 차량용 열전 발전장치는 배기가스와 열교환되는 냉각수가 순환되는 열교환유닛(10)과; 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전발전유닛(20)과; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛(10)을 통과하도록 유동시키는 제 1 유로(31)와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열전발전유닛(20)을 통과하도록 유동시키는 제 2 유로(32)와; 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛(10) 및 열전발전유닛(20)을 통과하지 않고 바이패스 시키는 제 3 유로(33)와; 상기 제 1 유로(31)를 개폐시키는 제 1 밸브(101)와; 상기 제 2 유로(32)와 제 3 유로(33)를 선택적으로 개폐하는 제 2 밸브(102)와; 상기 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)를 하나의 동력원으로 동작시키는 구동유닛(100)을 포함한다.
열교환유닛(10)은 배기가스의 열을 냉각수로 회수하는 수단으로서, 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 유동되는 제 1 유로(31)의 주변으로 냉각수가 접촉하면서 유동될 수 있도록 구비된다. 예를 들어 열교환유닛(10)은 제 1 유로(31)가 통과되는 함체의 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 열교환유닛(10)은 함체의 형태로 구현되는 것에 한정되지 않고, 제 1 유로(31)의 주변으로 냉각수가 유동되어 배기가스와 냉각수 사이에 열교환이 이루어질 수 있는 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있을 것이다. 예를 들어 열교환유닛(10)은 제 1 유로(31)를 감싸는 워터자켓 형태로도 구현될 수 있을 것이다.
열전발전유닛(20)은 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 수단으로서, 상기 열교환유닛(10)의 내부에 내장되도록 구비된다. 그래서 열교환유닛(10)의 내부에서 유동되는 냉각수가 열전발전유닛(20)과도 접촉되어 열교환될 수 있다.
열전발전유닛(20)은 일측이 상기 제 2 유로(32)에 접촉되고, 타측이 상기 열교환유닛(10)의 내부에서 유동되는 냉각수에 노출되는 열전모듈을 포함한다. 이때 열전모듈(21)은 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전소자를 다수개 배치하고 전기적으로 연결시켜서 구성된다. 그래서 본 실시예에서 열전모듈(21)은 열전소자의 고온부가 제 2 유로(32)에 접하도록 배치되고, 열전소자의 저온부가 냉각수에 노출되도록 배치된다.
한편, 열교환유닛(10) 및 열전발전유닛(20)은 내부에 수용공간이 형성되는 케이스(40)에 내장된다.
이때 케이스(40)는 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)가 배치되면서 열교환유닛(10) 및 열전발전유닛(20)이 내장되는 제 1 영역(40a)과; 제 3 유로(33)가 형성되면서 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)가 설치되는 제 2 영역(40b)으로 구획된다. 예를 들어 제 1 영역(40a)과 제 2 영역(40b)은 케이스(40)의 내부를 상하로 2분할하여 구획할 수 있다.
그리고, 제 1 영역(40a)은 다시 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)의 입구가 배치되는 제 1-1 영역(40c)과; 열교환유닛(10) 및 열전발전유닛(20)이 배치되는 제 1-2 영역(40d)과; 제 1 유로(31)의 출구가 배치되는 제 1-3 영역(40e)과; 제 2 유로(32)의 출구가 배치되는 제 1-4 영역(40f)으로 구분된다. 예를 들어 제 1-1 영역(40c), 제 1-2 영역(40d), 제 1-3 영역(40e) 및 제 1-4 영역(40f)은 제 1 영역(40a)을 배기가스의 유동방향을 기준으로 4분할하여 구획할 수 있다.
이때 제 1-1 영역(40c), 제 1-2 영역(40d), 제 1-3 영역(40e) 및 제 1-4 영역(40f)은 각각 별도의 공간으로 구분되어 형성되거나, 하나의 공간을 여러 공간으로 구획하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제 1-1 영역(40c) 및 제 1-2 영역(40d)은 별도의 공간으로 구분되어 형성하고, 제 1-3 영역(40e) 및 제 1-4 영역(40f)은 하나의 공간을 격벽을 사용하여 구획하여 형성하였다.
한편, 케이스(40)의 내부에서 제 1-1 영역(40c), 제 1-3 영역(40e) 및 제 1-4 영역(40f)은 각각 제 2 영역(40b)과 서로 연통되도록 형성된다. 그래서, 제 1-1 영역(40c)을 통하여 제 1 유로(31)와 제 2 유로(32)의 입구가 확보되고, 제 1-3 영역(40e)을 통하여 제 1 유로(31)의 출구가 확보되며, 제 1-4 영역(40f)을 통하여 제 2 유로(32)의 출구가 확보된다.
이때 제 1-1 영역(40c)과 제 2 영역(40b)은 그 계면의 모든 영역이 연통되도록 형성되어 배기가스의 유동이 원활하도록 한다. 그러나 제 1-3 영역(40e)과 제 2 영역(40b)의 계면 및 제 1-4 영역(40f)과 제 2 영역(40b)의 계면은 소정 영역에 관통 공간을 형성하여 상기 제 1 밸브(101) 및 제 2 밸브(102)에 의해 용이하게 개폐되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 제 1-3 영역(40e)과 제 2 영역(40b)의 계면에는 제 1 통공(42)을 형성하고, 제 1-4 영역(40f)과 제 2 영역(40b)의 계면에는 제 2 통공(43)을 형성한다. 이때 제 1 통공(42)과 제 2 통공(43)은 각각 대략 사각형의 단면을 갖는 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 제 1 유로(31), 제 2 유로(32) 및 제 3 유로(33)는 배기가스가 유동되는 공간을 형성하는 것으로서, 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)는 입구와 출구가 형성된 대략 단면이 직사각형인 파이프로 이루어진다. 그래서, 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)는 케이스(40)의 제 1 영역(40a)에 배치되되, 제 1 유로(31)는 열교환유닛(10)을 통과하도록 배치되고, 제 2 유로(32)는 열전발전유닛(20)을 통과하도록 배치된다. 그리고, 제 3 유로(33)는 케이스(40)의 제 2 영역(40b)을 그대로 적용한다. 이때 제 1 유로(31), 제 2 유로(32) 및 제 3 유로(33)는 서로 병렬로 연결된다.
또한, 케이스(40)의 제 2 영역(40b)에는 상기 제 1 통공(42)을 개폐하여 상기 제 1 유로(31)를 개폐시키는 제 1 밸브(101)가 구비되고, 상기 제 2 유로(32)와 제 3 유로(33)를 선택적으로 개폐하는 제 2 밸브(102)와; 상기 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)를 하나의 동력원으로 동작시키는 구동유닛(100)이 구비된다.
이때 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)는 구동유닛(100)의 동작에 의해 회동하여 각각 제 1 통공(42)과 제 2 통공(43)을 개폐한다. 이를 위하여 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)는 구동유닛(100)에 의해 회동되는 플레이트 형상으로 형성된다. 이때 제 2 밸브(102)는 제 3 유로(33)의 단면에 대응되는 형상으로 형성되어 제 2 밸브(102)로 제 3 유로(33)의 단면을 폐쇄하도록 한다. 그리고 제 1 밸브(101)에는 제 1 통공(42)에 대응되는 위치 및 형상으로 제 1 돌기(101a)가 형성되고, 제 2 밸브(102)에는 제 2 통공(43)에 대응되는 위치 및 형상으로 제 2 돌기(102a)가 형성되어 제 1 밸브(101) 및 제 2 밸브(102)의 회동에 의해 제 1 돌기(101a) 및 제 2 돌기(102a)가 각각 제 1 통공(42) 및 제 2 통공(43)을 개폐할 수 있도록 구비된다.
한편, 구동유닛(100)은 제 1 밸브(101)와 제 2 밸브(102)를 하나의 동력원으로 동작시키는 수단으로서, 모터(미도시)의 작동에 의해 회전되는 작동축(110)과; 상기 작동축(110)과 연동하여 회전되도록 제 1 연동체(122)가 구비되어 상기 제 1 연동체(122)가 회전되면서 상기 제 1 밸브(101)를 회동시켜 상기 제 1 유로(31)를 개폐하는 제 1 가이드축(120)과; 상기 작동축(110)과 연동하여 회전되도록 제 2 연동체(132)가 구비되어 상기 제 2 연동체(132)가 회전되면서 상기 제 2 밸브(102)를 회동시켜 상기 제 2 유로(32) 및 제 3 유로(33)를 선택적으로 개폐하는 제 2 가이드축(130)과; 상기 작동축(110), 제 1 가이드축(120) 및 제 2 가이드축(130)이 내장되는 하우징(140)을 포함한다.
이때 작동축(110), 제 1 가이드축(120) 및 제 2 가이드축(130)의 중심축선은 동일 직선상에 위치되는 것이 바람직하다.
그래서, 제 1 가이드축(120)은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 작동축(110)이 내장되고, 상기 제 2 가이드축(130)은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 제 1 가이드축(120)이 내장된다.
그리고, 제 1 연동체(122)는 제 1 가이드축(120)의 단부에서 제 1 가이드축(120)의 원주를 따라 회전되며, 제 2 연동체(132)는 제 2 가이드축(130)의 단부에서 제 2 가이드축(130)의 원주를 따라 회전된다. 이때 제 2 연동체(132)와 제 2 연동체(132)가 각각 제 1 가이드축(120)과 제 2 가이드축(130)에 연결되어 회전되는 구조는 다양하게 변경되어 구현될 수 있을 것이다. 본 실시예에서는 제 1 가이드축(120)의 단부에 제 1 연동체(122)가 그 원주를 따라 회전될 수 있는 레일 또는 홈과 같은 가이드 수단이 구비되고, 제 1 연동체(122)가 가이드 수단을 따라 회전되도록 한다. 마찬가지로 제 2 가이드축(130)의 단부에 제 2 연동체(132)가 그 원주를 따라 회전될 수 있는 레일 또는 홈과 같은 가이드 수단이 구비되고, 제 2 연동체(132)가 가이드 수단을 따라 회전되도록 한다.
한편, 작동축(110)에는 제 1 연동체(122)에 접촉되어 제 1 연동체(122)를 연동하여 정회전시키는 제 1 걸림체(111)와; 제 2 연동체(132)에 접촉되어 제 2 연동체(132)를 연동하여 정회전시키는 제 2 걸림체(112)가 부착된다. 그래서 작동축(110)의 구동에 의해 제 1 걸림체(111)와 제 2 걸림체(112)가 회전되면서 각각 제 1 연동체(122)와 제 2 연동체(132)를 연동하여 회전시킨다. 다만, 제 1 걸림체(111)와 제 2 걸림체(112) 및 제 1 연동체(122)와 제 2 연동체(132)는 소정 각도만큼 이격되어 배치되어 작동축(110)의 회전에 의해 제 1 걸림체(111)가 제 1 연동체(122)를 먼저 회전시킨 다음, 회전이 계속 진행되면서 순차적으로 제 2 걸림체(112)가 제 2 연동체(132)를 회전시키도록 배치된다.
그리고, 제 1 연동체(122)와 제 2 연동체(132)가 회전된 다음 원위치로 복귀하는 복원력을 제공하기 위하여, 구동유닛(100)은 작동축(110)과 제 1 연동체(122) 사이에 설치되어 제 1 연동체(122)의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 1 탄성체(121)와; 제 2 연동체(132)와 하우징(140) 사이에 설치되어 제 2 연동체(132)의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 2 탄성체(131)를 더 포함한다.
이때 제 1 탄성체(121)는 제 1 연동체(122)의 정회전에 의해 인장되면서 복원력을 제공하도록 설치되고, 제 2 탄성체(131)는 제 2 연동체(132)의 정회전에 의해 압축되면서 복원력을 제공하도록 설치된다. 이를 위하여 제 1 탄성체(121)와 제 2 탄성체(131)는 다양한 형태의 스프링 구조로 적용될 수 있다.
한편, 본 실시예는 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다. 그래서 제어부는 웜업 모드, 열전발전 모드 및 바이패스 모드로 구분하여 상기 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어한다.
예를 들어 웜업 모드시에는, 모터를 정위치시켜 제 1 밸브(101)는 제 1 유로(31)를 오픈하는 지점에 위치시키고, 제 2 밸브(102)는 제 3 유로(33)를 폐쇄하면서 제 2 유로(32)를 오픈하는 지점에 위치시켜서 배기가스를 상기 제 1 유로(31)와 제 2 유로(32)로 유동시킨다.
그리고, 열전발전 모드시에는, 모터를 소정 각도 정회전시켜 제 1 밸브(101)는 제 1 유로(31)를 폐쇄하는 지점으로 이동시키고, 제 2 밸브(102)는 제 3 유로(33)를 폐쇄하면서 제 2 유로(32)를 오픈하는 지점에서 머무르게 하여 배기가스를 제 2 유로(32)로만 유동시킨다.
또한, 바이패스 모드시에는, 모터를 소정 각도 더 정회전시켜 제 1 밸브(101)는 제 1 유로(31)를 폐쇄하는 지점에서 머무르게 하면서, 제 2 밸브(102)는 제 2 유로(32)를 폐쇄하면서 제 3 유로(33)를 오픈하는 지점으로 이동시켜 배기가스를 제 3 유로(33)로만 유동시킨다.
한편, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어부는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(미도시) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(미도시)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 차량용 열전 발전장치의 작동상태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치의 작동상태를 보여주는 도면이다. 특히 도 5는 웜업 모드시의 작동 상태를 보여주는 도면이고, 도 6은 열전발전 모드시의 작동 상태를 보여주는 도면이며, 도 7은 바이패스 모드시의 작동 상태를 보여주는 도면이다.
먼저, 차량의 운행 초기인 웜업 모드시에는 도 5에 도시된 바와 같이 모터가 작동되지 않은 상태(모터 회전각도: 0°)로서, 제 1 밸브(101) 및 제 2 밸브(102)가 원위치(밸브 회전각도: 0°)에 배치된 상태이다. 따라서 제 1 탄성체(121)와 제 2 탄성체(131)에도 인장력이나 압축력이 작용되지 않은 상태이다.
이때 제 1 밸브(101)는 제 1 유로(31)를 오픈하는 지점에 위치시키고, 제 2 밸브(102)는 제 2 유로(32)를 오픈하는 지점에 위치되고, 특히 제 2 밸브(102)는 제 3 유로(33)를 폐쇄하는 지점에 위치된다.
그래서, 배기가스는 제 1 유로(31)와 제 2 유로(32)와 유동되면서 냉각수를 웜업 시킨다. 이때 열전발전유닛(20)에서는 발전도 이루어진다.
다음으로, 차량의 운행이 어느 정도 진행되어 냉각수의 웜업이 필요없는 시점이되면 발전 모드로 전환된다. 그러면 도 6과 같이 모터가 소정 각도로 정회전(모터 회전각도: 50°)되고, 이에 따라 작동축(110)이 50°만큼 회전되면서 제 1 걸림체(111) 및 제 2 걸림체(112)를 50°만큼 회전시킨다. 그러면 제 1 걸림체(111)에 제 1 탄성체(121)를 매개로 연결된 제 1 연동체(122)가 50°만큼 회전된다. 그래서 제 1 연동체(122)가 회전되면서 제 1 밸브(101)가 회전됨에 따라 제 1 통공(42)을 막으면서 제 1 유로(31)가 폐쇄된다. 이때 제 1 탄성체(121)가 회전되어 이동되는 만큼 제 1 연동체(122)가 회전되어 이동되기 때문에 제 1 탄성체(121)에 인장력은 작용되지 않은 상태이다.
다만, 제 2 걸림체(112)는 50°만큼 회전되어 제 2 연동체(132)에 근접되는 위치까지만 이동된다. 그래서, 제 2 밸브(102), 제 2 연동체(132) 및 제 2 탄성체(131)는 웜업 모드의 상태가 그대로 유지된다.
그래서, 배기가스는 제 2 유로(32)로만 유동되면서 배기가스의 열 에너지를 대부분 열전발전유닛(20)에서 전기에너지로 변환된다.
다음으로, 차량의 운행 조건에 따라 배기가스를 바이패스 시키는 바이패스 모드로 전환되는 경우에는 도 7과 같이 모터가 소정 각도로 더 정회전(모터 회전각도: 100°)되고, 이에 따라 작동축(110)이 발전모드 대비 50°만큼 더 회전된다. 그래서 제 1 걸림체(111) 및 제 2 걸림체(112)를 50°만큼 더 회전시킨다. 그러면 제 1 걸림체(111)가 더 회전되면서 제 1 연동체(122)를 더 회전시켜야 하지만 제 1 연동체(122)에 연결된 제 1 밸브(101)가 이미 제 1 통공(42)을 막으면서 더 이상의 진행이 불가한 상태이기 때문에 제 1 탄성체(121)가 인장되면서 작동축(110)의 회전력을 흡수한다. 다만, 제 2 걸림체(112)는 제 2 연동체(132)에 접촉되면서 제 2 연동체(132)를 50°만큼 회전시킨다. 그래서 제 2 연동체(132)가 회전되면서 제 2 밸브(102)가 회전됨에 따라 제 2 통공(43)을 막으면서 제 3 유로(33)는 오픈되면서 제 2 유로(32)가 폐쇄된다. 이때 제 2 탄성체(131)는 제 2 연동체(132)가 회전되는 만큼 압축된다.
그래서, 배기가스는 제 3 유로(33)로만 유동되면서 열교환유닛(10)과 열전발전유닛(20)을 바이패스하여 통과한다.
한편, 차량의 운전이 정지되어 작동축(110)이 원위치로 복귀하면 제 1 탄성체(121)에 축적된 인장력 및 제 2 탄성체(131)에 축적된 압축력에 의해 제 1 연동체(122) 및 제 2 연동체(132)가 원위치로 복귀하면서 제 1 밸브(101) 및 제 2 밸브(102)는 웜업 모드 상태로 복귀된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 열교환유닛 20: 열전발전유닛
31: 제 1 유로 32: 제 2 유로
33: 제 3 유로 40: 케이스
41: 격벽 42: 제 1 통공
43: 제 2 통공 100: 구동유닛
110: 작동축 111: 제 1 걸림체
112: 제 2 걸림체 120: 제 1 가이드축
121: 제 1 탄성체 122: 제 1 연동체
130: 제 2 가이드축 131: 제 2 탄성체
132: 제 2 연동체 140: 하우징

Claims (11)

  1. 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 열을 이용하는 열전 발전장치로서,
    배기가스와 열교환되는 냉각수가 순환되는 열교환유닛과;
    배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전발전유닛과;
    엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛을 통과하도록 유동시키는 제 1 유로와;
    엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열전발전유닛을 통과하도록 유동시키는 제 2 유로와;
    엔진으로부터 배기되는 배기가스가 상기 열교환유닛 및 열전발전유닛을 통과하지 않고 바이패스 시키는 제 3 유로와;
    상기 제 1 유로를 개폐시키는 제 1 밸브와;
    상기 제 2 유로와 제 3 유로를 선택적으로 개폐하는 제 2 밸브와;
    상기 제 1 밸브와 제 2 밸브를 하나의 동력원으로 동작시키는 구동유닛을 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전발전유닛은 상기 열교환유닛의 내부에 내장되고,
    상기 열전발전유닛은 일측이 상기 제 2 유로에 접촉되고, 타측이 상기 열교환유닛의 내부에서 유동되는 냉각수에 노출되는 열전모듈을 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환유닛 및 열전발전유닛을 내장하는 케이스를 더 포함하고,
    상기 케이스는,
    상기 제 1 유로 및 제 2 유로가 형성되면서 상기 열교환유닛 및 열전발전유닛이 내장되는 제 1 영역과;
    상기 제 3 유로가 형성되면서 상기 제 1 밸브와 제 2 밸브가 설치되는 제 2 영역으로 구획되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    모터의 작동에 의해 회전되는 작동축과;
    상기 작동축과 연동하여 회전되도록 제 1 연동체가 구비되어 상기 제 1 연동체가 회전되면서 상기 제 1 밸브를 회동시켜 상기 제 1 유로를 개폐하는 제 1 가이드축과;
    상기 작동축과 연동하여 회전되도록 제 2 연동체가 구비되어 상기 제 2 연도체가 회전되면서 상기 제 2 밸브를 회동시켜 상기 제 2 유로 및 제 3 유로를 선택적으로 개폐하는 제 2 가이드축과;
    상기 작동축, 제 1 가이드축 및 제 2 가이드축이 내장되는 하우징을 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 가이드축은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 작동축이 내장되고, 상기 제 1 연동체는 상기 제 1 가이드축의 단부에서 제 1 가이드축의 원주를 따라 회전되며,
    상기 제 2 가이드축은 원통형으로 형성되어 내부에 상기 제 1가이드축이 내장되고, 상기 제 2 연동체는 상기 제 2 가이드축의 단부에서 제 2 가이드축의 원주를 따라 회전되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 작동축, 제 1 가이드축 및 제 2 가이드축의 중심축선은 동일 직선상에 위치되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    상기 작동축과 제 1 연동체 사이에 설치되어 상기 제 1 연동체의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 1 탄성체와;
    상기 제 2 연동체과 하우징 사이에 설치되어 상기 제 2 연동체의 정회전 및 역회전을 단속하는 제 2 탄성체를 더 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 작동축에는 상기 제 1 연동체에 접촉되어 상기 제 1 연동체를 연동하여 정회전시키는 제 1 걸림체와, 상기 제 2 연동체에 접촉되어 상기 제 2 연동체를 연동하여 정회전시키는 제 2 걸림체가 부착되는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 웜업 모드, 열전발전 모드 및 바이패스 모드로 구분하여 상기 모터의 회전 여부 및 회전 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    웜업 모드시에, 모터를 정위치시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 오픈하는 지점에 위치시키고, 상기 제 2 밸브는 상기 제 3 유로를 폐쇄하면서 상기 제 2 유로를 오픈하는 지점에 위치시켜서 배기가스를 상기 제 1 유로와 제 2 유로로 유동시키며,
    열전발전 모드시에, 모터를 소정 각도 정회전시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 폐쇄하는 지점으로 이동시키고, 상기 제 2 밸브는 상기 제 3 유로를 폐쇄하면서 상기 제 2 유로를 오픈하는 지점에서 머무르게 하여 배기가스를 상기 제 2 유로로만 유동시키며,
    바이패스 모드시에, 모터를 소정 각도 더 정회전시켜 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 유로를 폐쇄하는 지점에서 머무르게 하면서, 상기 제 2 밸브는 상기 제 2 유로를 폐쇄하면서 상기 제 3 유로를 오픈하는 지점으로 이동시켜 배기가스를 상기 제 3 유로로만 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 유로, 제 2 유로 및 제 3 유로는 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 열전 발전장치.
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