KR20220127046A - 차량용 열전 발전장치 - Google Patents

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KR20220127046A
KR20220127046A KR1020210031575A KR20210031575A KR20220127046A KR 20220127046 A KR20220127046 A KR 20220127046A KR 1020210031575 A KR1020210031575 A KR 1020210031575A KR 20210031575 A KR20210031575 A KR 20210031575A KR 20220127046 A KR20220127046 A KR 20220127046A
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thermoelectric material
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thermoelectric
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김병욱
이민재
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 차량용 열전 발전장치에 관한 것으로, 차량의 피발열체에 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련되며 단위 열전소재를 포함하는 열전소재유닛, 열전소재유닛과 피발열체의 사이에 마련되며 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축하는 열팽창부재, 및 피발열체에 대한 열전소재유닛의 이동을 탄성적으로 지지하는 탄성부재를 포함하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

차량용 열전 발전장치{THERMOELECTRIC GENERATOR FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 열전 발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 차량의 운전 조건에 따라 열전 발전장치로의 열 에너지 공급 여부를 조절할 수 있는 차량용 열전 발전장치에 관한 것이다.
최근에는 차량에서 발생되는 열 에너지(예를 들어, 배기가스의 배기열)을 이용하여 차량에 필요한 전기를 발생하는 열전 발전장치가 개발되고 있다.
열전 발전장치(TEG; Thermoelectric Generation)는, 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전소자를 이용하여 배기열을 고온부로 활용하고, 냉각수를 저온부로 활용함으로써 차량에 필요한 전기를 발생시키도록 구성된다.
한편, 열전 발전장치에 과도한 열 에너지가 공급되면 열전 발전장치에 손상이 발생할 수 있으므로, 열전 발전장치에 공급되는 열 에너지(예를 들어, 배기가스의 온도)가 기설정된 조건보다 높은 경우에는 열전 발전장치로의 열 에너지 공급을 중단할 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 열전 발전장치로의 열 에너지 공급을 중단하기 위하여, 열 에너지가 열전 발전장치를 거치지 않고 바이패스되도록 하기 위한 별도의 바이패스 유로 및 밸브를 마련해야 하므로, 구조가 복잡하고 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 열전 발전장치로의 열 에너지 공급을 선택적으로 조절할 수 있으면서 구조를 간소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 차량의 운전 조건에 따라 열전 발전장치로의 열 에너지 공급 여부를 조절할 수 있는 차량용 열전 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 열전 발전장치에 과도한 열 에너지가 공급되는 것을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 열전 발전장치의 손상을 최소화하고 수명을 연장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않고도, 운전 조건에 따라 열전 발전장치로의 열 에너지 공급 여부를 능동적으로 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치는, 차량의 피발열체에 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련되며 단위 열전소재를 포함하는 열전소재유닛, 열전소재유닛과 피발열체의 사이에 마련되며 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축하는 열팽창부재, 및 피발열체에 대한 열전소재유닛의 이동을 탄성적으로 지지하는 탄성부재를 포함한다.
이는, 구조를 간소화하고 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 열전 발전장치에 과도한 열 에너지가 공급되면 열전 발전장치에 손상이 발생할 수 있으므로, 열전 발전장치에 공급되는 열 에너지가 기설정된 조건보다 높은 경우에는 열전 발전장치로의 열 에너지 공급을 중단할 수 있어야 한다. 그러나, 기존에는 열전 발전장치로의 열 에너지 공급을 중단하기 위하여, 열 에너지가 열전 발전장치를 거치지 않고 바이패스되도록 하기 위한 별도의 바이패스 유로 및 밸브를 마련해야 하므로, 구조가 복잡하고 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축하는 열팽창부재를 매개로 열전소재유닛과 피발열체 간의 상호 열전달이 유지(접촉) 또는 차단(분리)되도록 하는 것에 의하여, 열전소재유닛에 과도한 열 에너지가 공급되는 것을 억제하고, 열전소재유닛의 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 피발열체의 열 에너지가 열전소재유닛을 거치지 않고 바이패스되도록 하기 위한 별도의 바이패스 유로 및 밸브를 마련하지 않고도, 열전소재유닛으로의 열 에너지 공급 여부를 선택적으로 조절할 수 있으므로, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
열전소재유닛은 열교환기로부터 발생되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 단위 열전소재를 포함하는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 단위 열전소재는 N형 열전소재와 P형 열전소재 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열팽창부재가 수축하면 열전소재유닛은 열교환기에 접촉할 수 있고, 열팽창부재가 팽창하면 열전소재유닛은 열교환기로부터 이격될 수 있다.
이와 같이, 열전소재유닛과 열교환기의 사이에 열팽창부재를 마련하고, 열팽창부재가 열전소재유닛과 열교환기의 사이에서 선택적으로 수축되거나 팽창되도록 하는 것에 의하여, 열팽창부재를 매개로 열전소재유닛을 열교환기에 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 것이 가능하다.
따라서, 열교환기의 열 에너지가 과도하게 높은 경우(예를 들어, 열전소재유닛의 손상이 발생하기 시작하는 한계 온도보다 높은 경우)에는, 열전소재유닛을 열교환기로부터 이격되게 배치할 수 있으므로, 열전소재유닛에 과도한 열 에너지가 전달(전도)되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치는, 피발열체의 둘레를 감싸도록 제공되는 하우징을 포함할 수 있고, 탄성부재는 하우징과 열전소재유닛의 사이에 탄성 변형 가능하게 개재될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성부재는, 열전소재유닛에 탄성적으로 접촉하는 접촉부, 접촉부의 일단에 마련되며 하우징에 고정되는 고정부, 및 접촉부의 다른 일단에 마련되며 하우징에 대해 이동 가능하게 배치되는 이동부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 접촉부, 고정부, 및 이동부는 금속부재를 연속적으로 절곡시켜 형성될 수 있다.
이와 같이, 탄성부재의 일단(고정부)은 하우징에 고정하고, 탄성부재의 다른 일단(이동부)은 자유단으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 열팽창부재의 팽창시, 열전소재유닛가 열교환기로부터 이격되는 방향(열전소재유닛이 탄성부재에 접근되는 방향)으로 이동하더라도, 탄성부재(예를 들어, 접촉부)에 의해 열전소재유닛에 가해지는(작용하는) 힘의 증가를 최소화할 수 있으므로, 열전소재유닛의 손상 및 변형을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치는, 열전소재유닛과 피발열체의 사이에 마련되는 열전도성부재를 포함하고, 열전소재유닛은 열전도성부재를 매개로 피발열체에 접촉된다.
이는, 열교환기의 열 에너지를 열전도성유닛에 전체적으로 고르게 전달하기 위함이다.
즉, 엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스는, 열교환기의 일단(예를 들어, 입구)으로 유입되어 열교환기의 내부를 통과한 후 열교환기의 타단(예를 들어, 출구)으로 배출되므로, 열교환기의 일단에 인접한 부위의 온도가 열교환기의 타단에 인접한 부위보다 상대적으로 높게 형성될 수 있다. 따라서, 열전도성유닛에는 열교환기의 열 에너지가 전체적으로 고르게 전달되기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 열전소재유닛과 열교환기의 사이에 마련되는 열전도성부재를 매개로 열전소재유닛이 열전도성부재에 접촉되도록 하는 것에 의하여, 열전도성유닛의 전체 영역 걸쳐 열교환기의 열 에너지를 고르게 전달하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 열교환기의 열 에너지가 열전도성유닛에 전체적으로 고르게 전달되도록 하는 것에 의하여, 열전도성유닛의 국부적인 과열을 억제할 수 있으므로, 안정성 및 신뢰성을 향상시키고, 열전도성유닛의 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치는, 열전소재유닛에 대해 열팽창부재를 구속하는 스토퍼를 포함할 수 있다.
스토퍼는 열전소재유닛에 대해 열팽창부재를 구속할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
바람직하게, 스토퍼는 열전소재유닛 및 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.
일 예로, 스토퍼는, 제1방향을 따라 배치되는 제1스토퍼돌기, 및 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 배치되며 제1스토퍼돌기에 연결되는 제2스토퍼돌기를 포함하고, 제1스토퍼돌기 및 제2스토퍼돌기는 상호 협조적으로 열팽창부재의 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 제공될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 서로 교차하는 제1방향 및 제2방향에 제1스토퍼돌기 및 제2스토퍼돌기를 마련하는 것에 의하여, 열전소재유닛에 대한 열팽창부재의 배치 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다른 일 예로, 스토퍼는, 열전소재유닛 및 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련되는 스토퍼홈을 포함하고, 열팽창부재는 스토퍼홈에 수용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 운전 조건에 따라 열전 발전장치로의 열 에너지 공급 여부를 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 열전 발전장치에 과도한 열 에너지가 공급되는 것을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 열전 발전장치의 손상을 최소화하고 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않고도, 운전 조건에 따라 열전 발전장치로의 열 에너지 공급 여부를 능동적으로 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치의 장착예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 피발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 열전소재유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 열팽창부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 탄성부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 스토퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치로서, 스토퍼의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치(100)는, 차량의 피발열체에 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련되며 단위 열전소재(220)를 포함하는 열전소재유닛(200), 열전소재유닛(200)과 피발열체의 사이에 마련되며 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축하는 열팽창부재(300), 및 피발열체에 대한 열전소재유닛(200)의 이동을 탄성적으로 지지하는 탄성부재(400)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치(100)는, 피발열체의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 차량의 다양한 피발열체(또는 피발열부)에 적용될 수 있으며, 차량용 열전 발전장치(100)가 적용되는 피발열체의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치(100)는, 차량의 엔진(20)으로부터 배출되는 고온의 배기가스에서 발생하는 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열전 발전장치(100)가, 엔진(20)으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 배기하는 배기관(30)에 연결되는 열교환기(40)로부터 열 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환하는 예를 들어 설명하기로 한다.
열교환기(40)는 배기관(30)을 통해 배기되는 배기가스와 상호 열교환 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 열교환기(40)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 도 2를 참조하면, 열교환기(40)는, 배기가스가 유동하는 경로를 정의하는 열교환기 하우징(42), 및 열교환기 하우징(42)의 내부에 마련되는 복수개의 핀(44)을 포함할 수 있다.
열전소재유닛(200)은 열교환기(40)(피발열체)에 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련되며, 열교환기(40)로부터 발생되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 단위 열전소재(220)를 포함한다.
이하에서는, 열교환기(40)의 상부 및 하부에 각각 열전소재유닛(200)이 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열교환기의 상부 및 하부 중 어느 하나에만 열전소재유닛을 마련하는 것도 가능하다.
단위 열전소재(220)는 열교환기(40)로부터 발생되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 단위 열전소재(220)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
단위 열전소재(220)는 열 에너지를 전기 에너지로 변환(또는 전기 에너지를 열 에너지로 변환)하는 소자로서, 펠티어소자, TEC(Thermoelectric Cooler) 등의 용어로도 불리고 있으며, 양쪽 끝단에 온도차를 주면 기전력이 생기는 효과(Seebeck effect)를 이용하여 전류를 생성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단위 열전소재(220)는 N형 열전소재(222)와 P형 열전소재(224) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이하에서는 단위 열전소재(220)가 N형 열전소재(222)와 P형 열전소재(224)를 모두 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는, 단위 열전소재(220)가 N형 열전소재(222)와 P형 열전소재(224) 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
일 예로, 도 4를 참조하면, 열전소재유닛(200)은, 제1기판(210), 제1기판(210)에 마련되는 N형 열전소재(222), N형 열전소재(222)와 이격되며 제1기판(210)에 마련되는 P형 열전소재(224), N형 열전소재(222)의 일단 및 P형 열전소재(224)의 일단에 각각 개별적으로 연결되는 제1전극(230), N형 열전소재(222)의 다른 일단과 P형 열전소재(224)의 다른 일단을 전기적으로 연결하는 제2전극(240), 및 제2전극(240)을 지지하는 제2기판(250)을 포함할 수 있다.
제1기판(210) 및 제2기판(250)은 열전소재유닛(200)의 형태를 유지하고, 외부 환경으로부터 단위 열전소재(220)를 보호하기 위해 마련될 수 있다.
제1기판(210) 및 제2기판(250)의 형태의 재질 및 구조는 요구되는 조건 및 사용 환경에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1기판(210) 및 제2기판(250)의 형태의 재질 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
N형 열전소재(222)와 P형 열전소재(224)는 직선 방향을 따라 이격되게 교호적으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 N형 열전소재와 P형 열전소재를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 배열하는 것이 가능하며, N형 열전소재와 P형 열전소재의 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제1전극(230)은 N형 열전소재(222)의 일단(예를 들어, 하단) 및 P형 열전소재(224)의 일단(예를 들어, 하단)에 각각 개별적으로 연결(전기적으로 접속)될 수 있다.
제1전극(230)은 N형 열전소재(222) 및 P형 열전소재(224)와 전기적으로 접속될 수 있는 통상의 금속 재질로 형성될 수 있으며, 제1전극(230)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1전극(230)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다.
제2전극(240)은 N형 열전소재(222)의 다른 일단(예를 들어, 상단)과 P형 열전소재(224)의 다른 일단(예를 들어, 상단)을 전기적으로 연결하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 제2전극(240)은 N형 열전소재(222)와 P형 열전소재(224)에 동시에 접속 가능한 구조로 형성되며, 제2전극(240)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제2전극(240)은 N형 열전소재(222) 및 P형 열전소재(224)를 전기적으로 연결할 수 있는 통상의 금속 재질로 형성될 수 있으며, 제2전극(240)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제2전극(240)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다.
참고로, 본 발명에서 열전소재유닛(200)이 차량의 열교환기(40)에 접근 및 이격되는 방향으로 이동한다 함은, 열전소재유닛(200)이 피발열체(예를 들어, 열교환기)에 접근되는 제1위치에서 피발열체로부터 이격되는 제2위치로 이동(예를 들어, 직선 이동)하는 것으로 정의될 수 있다.
일 예로, 도 3을 기준으로, 열전소재유닛(200)은 상하 방향을 따라 제1위치에서 제2위치로 직선 이동 가능하게 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열전소재유닛이 제1위치에서 제2위치로 곡선 이동하도록 구성하는 것도 가능하다.
도 3을 참조하면, 열전소재유닛(200)이 제1위치에 위치한 상태에서는 열전소재유닛(200)이 열교환기(40)에 접촉될 수 있으며, 열교환기(40)의 열 에너지가 열전소재유닛(200)으로 전달될 수 있다. 반면, 도 5를 참조하면, 열전소재유닛(200)이 제2위치에 위치한 상태에서는 열전소재유닛(200)이 열교환기(40)로부터 이격됨에 따라 열교환기(40)로부터 열전소재유닛(200)으로의 열 에너지 전달(전도)이 중단될 수 있다.
열팽창부재(300)는, 피발열체(열교환기)의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축 가능하게 열전소재유닛(200)과 피발열체의 사이에 마련된다.
열팽창부재(300)로서는 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축 가능한 다양한 소재로 형성될 수 있으며, 열팡창부재의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 열팽창부재(300)로서는 열교환기(40)의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축할 수 있는 알루미늄, 은, 구리, 금, SUS304, 니켈 등과 같은 통상의 금속 재질이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에폭시, 아크릴, 페놀 수지 등과 같은 비금속 재질로 열팽창부재(300)를 형성하는 것도 가능하다.
또한, 열팽창부재(300)의 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 열팽창부재(300)는 사각 단면을 갖는 기둥 형태로 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열팽창부재가 원형 단면 또는 여타 다른 단면 형태를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열팽창부재(300)가 수축하면 열전소재유닛(200)은 열교환기(40)에 접촉할 수 있고, 열팽창부재(300)가 팽창하면 열전소재유닛(200)은 열교환기(40)로부터 이격될 수 있다.
이와 같이, 열전소재유닛(200)과 열교환기(40)의 사이에 열팽창부재(300)를 마련하고, 열팽창부재(300)가 열전소재유닛(200)과 열교환기(40)의 사이에서 선택적으로 수축되거나 팽창되도록 하는 것에 의하여, 열팽창부재(300)를 매개로 열전소재유닛(200)을 열교환기(40)에 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 것이 가능하다.
따라서, 열교환기(40)의 열 에너지가 과도하게 높은 경우(예를 들어, 열전소재유닛의 손상이 발생하기 시작하는 한계 온도보다 높은 경우)에는, 열전소재유닛(200)을 열교환기(40)로부터 이격되게 배치할 수 있으므로, 열전소재유닛(200)에 과도한 열 에너지가 전달(전도)되는 것을 억제할 수 있다.
도 3 및 도 5 내지 도 7을 참조하면, 탄성부재(400)는 피발열체에 대한 열전소재유닛(200)의 이동(열교환기(40)에 접근 및 이격되는 방향으로의 이동)을 탄성적으로 지지하기 위해 마련된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치(100)는, 피발열체의 둘레를 감싸도록 제공되는 하우징(600)을 포함할 수 있고, 탄성부재(400)는 하우징(600)과 열전소재유닛(200)의 사이에 탄성 변형 가능하게 개재될 수 있다.
일 예로, 하우징(600)은 내부에 수용 공간을 갖는 사각 박스 형태로 형성될 수 있고, 하우징(600)의 상부(도 3 기준) 내면 및 하부 내면에는 각각 탄성부재(400)가 배치될 수 있다.
탄성부재(400)로서는 피발열체(예를 들어, 열교환기)에 대한 열전소재유닛(200)의 이동을 탄성적으로 지지 가능한 다양한 탄성부재(400)가 사용될 수 있으며, 탄성부재(400)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성부재(400)는, 열전소재유닛(200)에 탄성적으로 접촉하는 접촉부(410), 접촉부(410)의 일단에 마련되며 하우징(600)에 고정되는 고정부(420), 및 접촉부(410)의 다른 일단에 마련되며 하우징(600)에 대해 이동 가능하게 배치되는 이동부(430)를 포함할 수 있다.
이하에서는 복수개의 탄성부재(400)가 서로 이격되게 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 탄성부재(400)의 개수 및 배열 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
바람직하게, 접촉부(410), 고정부(420), 및 이동부(430)는 금속부재(예를 들어, 금속 스트랩)를 연속적으로 절곡시켜 형성될 수 있다.
접촉부(410)는 열전소재유닛(200)에 탄성적으로 접촉 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 접촉부(410)는 대략 원호 형태(예를 들어, "C"자 형태)를 이루도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 접촉부를 파형(waveform) 형태로 형성하거나 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
고정부(420)는 하우징(600)에 일체로 고정된다. 일 예로, 고정부(420)는 용접(WP)에 의해 하우징(600)에 일체로 고정될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 볼트와 같은 체결부재를 이용하여 고정부를 하우징에 고정하는 것도 가능하다.
이동부(430)는 고정부(420)에 접근 및 이격되는 방향(도 7을 기준으로 좌우 방향)을 따라 하우징(600)에 대해 이동 가능하게 배치된다. 여기서, 이동부(430)가 하우징(600)에 대해 이동 가능하게 배치된다 함은, 이동부(430)가 하우징(600)에 고정되지 않고, 하우징(600)에 대해 자유롭게 이동할 수 있는 자유단으로 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 탄성부재(400)의 일단(고정부)은 하우징(600)에 고정하고, 탄성부재(400)의 다른 일단(이동부)은 자유단으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 열팽창부재(300)의 팽창시, 열전소재유닛(200)이 열교환기(40)로부터 이격되는 방향(열전소재유닛(200)이 탄성부재(400)에 접근되는 방향)으로 이동하더라도, 탄성부재(400)(예를 들어, 접촉부)에 의해 열전소재유닛(200)에 가해지는(작용하는) 힘(P2)의 증가를 최소화할 수 있으므로, 열전소재유닛(200)의 손상 및 변형을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 탄성부재(400)는, 열팽창부재(300)의 수축시, 열전소재유닛(200)을 손상시키는 않는 정도의 힘(P1)으로 열전소재유닛(200)을 탄성적으로 지지하도록 마련된다.(도 6 참조)
그런데, 탄성부재(400)의 양단을 모두 하우징(600)에 고정하는 것도 가능하지만, 탄성부재(400)의 양단이 하우징(600)에 각각 고정된 상태에서 열팽창부재(300)가 팽창하면, 열전소재유닛(200)이 탄성부재(400)에 접근하는 방향으로 이동함에 따라 불가피하게 탄성부재(400)(예를 들어, 접촉부)에 의해 열전소재유닛(200)에 가해지는 힘(P2)이 증가(P2>P21)하고, 이로 인해 열전소재유닛(200)의 손상 및 변형이 발생할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 열팽창부재(300)의 팽창시, 열전소재유닛(200)이 탄성부재(400)에 접근하는 방향으로 이동함과 동시에 이동부(430)가 고정부(420)로부터 이격되는 방향으로 이동(도 7 참조)하도록 하는 것에 의하여, 탄성부재(400)가 열전소재유닛(200)을 가압하는 힘(P2)의 증가를 최소화할 수 있으므로, 열전소재유닛(200)의 손상 및 변형을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 열팽창부재(300)의 수축시 탄성부재(400)가 열전소재유닛(200)을 가압하는 힘(P1), 및 열팽창부재(300)의 팽창시 탄성부재(400)가 열전소재유닛(200)을 가압하는 힘(P2)은 서로 동일(P1=P2)하게 설정될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치(100)는, 열전소재유닛(200)과 피발열체(예를 들어, 열교환기)의 사이에 마련되는 열전도성부재(500)를 포함하고, 열전소재유닛(200)은 열전도성부재(500)를 매개로 피발열체에 접촉된다.
일 예로, 열전도성부재(500)는 열교환기(40)를 마주하는 열전도성유닛의 일면에 마련될 수 있다.
열전도성부재(500)는 열교환기(40)의 열 에너지를 열전도성유닛에 전체적으로 고르게 전달하기 위해 마련된다.
즉, 엔진(20)으로부터 배출된 고온의 배기가스는, 열교환기(40)의 일단(예를 들어, 입구)으로 유입되어 열교환기(40)의 내부를 통과한 후 열교환기(40)의 타단(예를 들어, 출구)으로 배출되므로, 열교환기(40)의 일단에 인접한 부위의 온도가 열교환기(40)의 타단에 인접한 부위보다 상대적으로 높게 형성될 수 있다. 따라서, 열전도성유닛에는 열교환기(40)의 열 에너지가 전체적으로 고르게 전달되기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 열전소재유닛(200)과 열교환기(40)의 사이에 마련되는 열전도성부재(500)를 매개로 열전소재유닛(200)이 열전도성부재(500)에 접촉되도록 하는 것에 의하여, 열전도성유닛의 전체 영역 걸쳐 열교환기(40)의 열 에너지를 고르게 전달하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 열교환기(40)의 열 에너지가 열전도성유닛에 전체적으로 고르게 전달되도록 하는 것에 의하여, 열전도성유닛의 국부적인 과열을 억제할 수 있으므로, 안정성 및 신뢰성을 향상시키고, 열전도성유닛의 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
열전달부재는 열교환기(40)의 열 에너지를 전체적으로 고르게 분산시킬 수 있는 다양한 재질 및 구조로 형성될 수 있으며, 열전달부재의 재질 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 열전달부재로서는 얇은 판 형태를 갖는 구리 플레이트가 사용될 수 있다.
도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 열전 발전장치(100)는, 열전소재유닛(200)에 대해 열팽창부재(300)를 구속하는 스토퍼(700)를 포함할 수 있다.
스토퍼(700)는 열전소재유닛(200)(또는 피발열체)에 대한 열팽창부재(300)의 배치 상태를 안정적으로 유지하고, 열팽창부재(300)의 이탈을 억제하기 위해 마련된다.
스토퍼(700)는 열전소재유닛(200)에 대해 열팽창부재(300)를 구속할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 스토퍼(700)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 스토퍼(700)는 열전소재유닛(200) 및 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열전소재유닛 및 피발열체가 아닌 여타 다른 부위(예를 들어, 하우징)에 스토퍼를 마련하는 것도 가능하다.
일 예로, 도 8 및 도 9를 참조하면, 스토퍼(700)는 열전소재유닛(200)을 마주하는 피발열체의 일면에 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스토퍼(700)는, 제1방향을 따라 배치되는 제1스토퍼돌기(710), 및 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 배치되며 제1스토퍼돌기(710)에 연결되는 제2스토퍼돌기(720)를 포함하고, 제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)는 상호 협조적으로 열팽창부재(300)의 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 제공될 수 있다.
제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)는 열전소재유닛(200)을 마주하는 피발열체의 일면에 돌출되게 마련될 수 있다.
예를 들어, 제1스토퍼돌기(710)는 수평 방향(도 9 기준)을 따라 배치될 수 있고, 제2스토퍼돌기(720)는 수직 방향(도 9 기준)으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1스토퍼돌기 및 제2스토퍼돌기를 수평 방향(또는 수직 방향)에 대해 경사지게 배치하는 것도 가능하다.
일 예로, 제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)는 상호 협조적 대략 'L'자 형태, 'T'자 형태, 'U'자 형태 중 적어도 어느 하나를 이루도록 마련될 수 있다.
다르게는 제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)가 상호 협조적으로 여타 다른 형태(예를 들어, 'C' 형태, 'S'자 형태)를 이루도록 형성하는 것도 가능하며, 제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)의 개수 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 서로 교차하는 제1방향 및 제2방향에 제1스토퍼돌기(710) 및 제2스토퍼돌기(720)를 마련하는 것에 의하여, 열전소재유닛(200)에 대한 열팽창부재(300)의 배치 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 스토퍼가 제1스토퍼돌기 및 제2스토퍼돌기 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 스토퍼(700)가 돌출된 돌기 형태를 갖는 스토퍼(700)돌기를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 스토퍼가 함몰된 홈 형태의 스토퍼홈을 포함하는 것도 가능하다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 스토퍼(700)는, 열전소재유닛(200) 및 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련되는 스토퍼홈(730)을 포함하고, 열팽창부재(300)는 스토퍼홈(730)에 수용될 수 있다.
일 예로, 도 10 및 도 11을 참조하면, 피발열체를 마주하는 열전소재유닛(200)의 일면에는 스토퍼홈(730)이 형성될 수 있고, 열팽창부재(300)는 스토퍼홈(730)에 수용될 수 있다.
예를 들어, 스토퍼홈(730)은 열팽창부재(300)에 대응하는 단면(예를 들어, 사각 단면) 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 스토퍼홈이 열팽창부재와 다른 단면 형태(예를 들어, 원형 단면)를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 열팽창부재(300)는 수축 상태에서 스토퍼홈(730)의 외부로 돌출되지 않고 스토퍼홈(730)의 내부에 완전히 수용 가능한 사이즈를 갖도록 마련될 수 있고, 열팽창부재(300)의 수축 상태에서는 열전소재유닛(200)이 피발열체에 접촉된 상태를 유지할 수 있다.(도 10 참조)
반면, 열팽창부재(300)가 팽창하면, 열팽창부재(300)는 스토퍼홈(730)의 외부로 돌출됨으로써 열전소재유닛(200)을 피발열체로부터 이격되게 이동시킬 수 있다.
참고로, 도 10에서는 열전소재유닛(200)이 피발열체에 직접 접촉되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열전소재유닛(200)이 열전도성부재(도 3의 500 참조)를 매개로 피발열체에 접촉되도록 구성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 12를 참조하면, 열전소재유닛(200)을 마주하는 피발열체(예를 들어, 열교환기)의 일면에 스토퍼홈(730')을 형성하고, 열팽창부재(300)를 스토퍼홈(730')에 수용하는 것도 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20 : 엔진
30 : 배기관
40 : 열교환기
42 : 열교환기 하우징
44 : 핀
100 : 차량용 열전 발전장치
200 : 열전소재유닛
210 : 제1기판
220 : 단위 열전소재
222 : N형 열전소재
224 : P형 열전소재
230 : 제1전극
240 : 제2전극
250 : 제2기판
300 : 열팽창부재
400 : 탄성부재
410 : 접촉부
420 : 고정부
430 : 이동부
500 : 열전도성부재
600 : 하우징
700 : 스토퍼
710 : 제1스토퍼돌기
720 : 제2스토퍼돌기
730,730' : 스토퍼홈

Claims (11)

  1. 차량의 피발열체에 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련되며, 단위 열전소재를 포함하는 열전소재유닛;
    상기 열전소재유닛과 상기 피발열체의 사이에 마련되며, 상기 피발열체의 온도에 대응하여 선택적으로 팽창 및 수축하는 열팽창부재; 및
    상기 피발열체에 대한 상기 열전소재유닛의 이동을 탄성적으로 지지하는 탄성부재;
    를 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열팽창부재가 수축하면, 상기 열전소재유닛은 상기 피발열체에 접촉하고,
    상기 열팽창부재가 팽창하면, 상기 열전소재유닛은 상기 피발열체로부터 이격되는 차량용 열전 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전소재유닛과 상기 피발열체의 사이에 마련되는 열전도성부재를 포함하고,
    상기 열전소재유닛은 상기 열전도성부재를 매개로 상기 피발열체에 접촉되는 차량용 열전 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피발열체의 둘레를 감싸도록 제공되는 하우징을 포함하고,
    상기 탄성부재는 상기 하우징과 상기 열전소재유닛의 사이에 개재되는 차량용 열전 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    상기 열전소재유닛에 탄성적으로 접촉하는 접촉부;
    상기 접촉부의 일단에 마련되며, 상기 하우징에 고정되는 고정부; 및
    상기 접촉부의 다른 일단에 마련되며, 상기 하우징에 대해 이동 가능하게 배치되는 이동부;
    를 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접촉부, 상기 고정부, 및 상기 이동부는 금속부재를 연속적으로 절곡시켜 형성되는 차량용 열전 발전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전소재유닛에 대해 상기 열팽창부재를 구속하는 스토퍼를 포함하는 차량용 열전 발전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 열전소재유닛 및 상기 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련되는 차량용 열전 발전장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스토퍼는,
    제1방향을 따라 배치되는 제1스토퍼돌기; 및
    상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 배치되며, 상기 제1스토퍼돌기에 연결되는 제2스토퍼돌기;를 포함하고,
    상기 제1스토퍼돌기 및 상기 제2스토퍼돌기는 상호 협조적으로 상기 열팽창부재의 둘레를 감싸도록 제공되는 차량용 열전 발전장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 스토퍼는, 상기 열전소재유닛 및 상기 피발열체 중 적어도 어느 하나에 마련되는 스토퍼홈을 포함하고,
    상기 열팽창부재는 상기 스토퍼홈에 수용되는 차량용 열전 발전장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단위 열전소재는,
    N형 열전소재와 P형 열전소재 중 적어도 어느 하나를 포함하는 차량용 열전 발전장치.
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