KR101316526B1 - 열전발전장치의 냉각시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

열전발전장치의 냉각시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 엔진에 적용된 열전발전자차량의 저온부를 냉각하기 위한 열전발전장치의 냉각시스템에 관한 것으로, 상기 발명은 열전발전장치; 상기 열전발전장치의 저온부를 통해 냉각수를 순환하기 위한 순환로; 상기 순환로를 따라 상기 저온부를 통과한 냉각수의 열을 발산하기 위한 저온라디에이터; 상기 순환로를 통해 상기 냉각수가 상기 저온부 및 상기 저온라디에이터를 순환하도록 외부의 제어에 의해 구동되는 전동식펌프; 및 상기 순환로의 냉각수온을 모니터링하고, 이 모니터링된 냉각수온의 정보를 이용하여 상기 저온부의 온도가 사전에 정해진 목표온도를 유지하도록 상기 전동식펌프를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은 열전발전장치의 저온부의 온도를 효과적으로 관리함으로써 발전효율을 높일 수 있다.

Description

열전발전장치의 냉각시스템 및 이의 제어방법{Cooling system of thermoelectric generator for vehicle, and control method thereof}
본 발명은 열전발전장치의 냉각시스템에 관한 것으로, 차량의 엔진 배기열을 이용한 열전발전장치의 저온부를 냉각하기 위한 열전발전장치의 냉각시스템에 관한 것이다.
고유가 시대에 맞춰 자동차 메이커들은 내연기관 효율 개선에 노력하고 있다. 그 중 배기가스의 열에너지를 활용하는 열전발전장치는 고온부와 저온부의 온도차이에 의해 전기가 발생하는 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 장치이다.
열전발전장치는 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 회수하는데, 고온부는 배기가스 열이 지나가는 통로에 배치되고, 저온부는 차량에 구축된 냉각시스템에 의해 냉각된다. 따라서 온도의 조절이 어려운 고온부에 비해 저온부의 온도를 효과적으로 관리함으로써 열전발전장치의 발전효율을 높일 수 있다.
그러나, 종래 열전발전장치의 저온부를 냉각하기 위한 방법은 대부분 차량의 엔진 등에 구현된 냉각시스템을 그대로 이용하는 수준에 그치고 있고, 저온부에 대한 적극적인 온도관리를 통해 열전발전장치의 발전효율을 높이는 기술은 부족한 실정이다.
KR 10-2011-0077486A, 2011. 07. 07, 도면 1
본 발명의 목적은 차량의 엔진 배기열을 이용한 열전발전장치의 저온부의 온도를 효과적으로 관리함으로써 발전효율을 높일 수 있는 열전발전장치의 냉각시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량의 엔지 배기열을 이용한 열전발전장치의 저온부의 온도를 관리하는 열전발전장치의 냉각시스템에 관한 것으로, 본 열전발전장치의 냉각시스템은 차량의 엔진 배기열을 이용하여 전력을 발생하는 열전발전장치; 상기 열전발전장치의 저온부를 통해 냉각수를 순환하기 위한 순환로; 상기 순환로를 따라 상기 저온부를 통과한 냉각수의 열을 발산하기 위한 저온라디에이터; 상기 순환로를 통해 상기 냉각수가 상기 저온부 및 상기 저온라디에이터를 순환하도록 외부의 제어에 의해 구동되는 전동식펌프; 및 상기 순환로의 냉각수온을 모니터링하고, 이 모니터링된 냉각수온의 정보를 이용하여 상기 저온부의 온도가 사전에 정해진 목표온도를 유지하도록 상기 전동식펌프를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 열전발전장치의 냉각시스템은 상기 제어기의 제어에 의해, 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추도록 구동되는 저온라디에이터용 냉각팬을 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 냉각수온의 정보를 통해 냉각수의 추가적인 냉각이 필요하다고 판단한 경우 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추기 위해 상기 저온라디에이터용 냉각팬이 구동되도록 제어한다.
상기 저온라디에이터용 냉각팬을 별도로 포함하지 않는 경우로서, 상기 저온라디에이터는, 엔진라디에이터용 냉각팬으로부터 송풍된 바람이 도달되도록 엔진라디에이터에 인접하여 배치되고, 상기 제어기는, 상기 냉각수온의 정보를 통해 냉각수의 추가적인 냉각이 필요하다고 판단한 경우 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추기 위해 상기 엔진라디에이터용 냉각팬이 구동되도록 제어할 수 있다.
상기 제어기에서, 상기 냉각수의 추가적 냉각이 필요한 경우는, 상기 냉각수온의 정보가 사전에 설정된 위험온도보다 큰 경우에 해당된다.
상기 제어기에서, 상기 냉각팬을 제어하기 위한 제어신호는 외부로부터 입력된 차속과 상기 냉각수온의 정보에 의해 결정될 수 있고, 상기 전동식펌프를 제어하기 위한 제어신호는 상기 냉각수온의 정보에 의해 결정될 수 있다.
상기 제어기의 제어기능은 차량의 엔진제어유닛(Engine Control Unit)에서 수행될 수 있다. 또한 상기 제어기의 제어신호는 규약으로 정해진 통신신호 또는 전압신호로 마련될 수 있다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량의 엔진 배기열을 이용한 열전발전장치의 저온부를 통해 냉각수를 순환하기 위한 순환로와, 상기 순환로를 통해 상기 냉각수가 순환되도록 구동되는 전동식펌프와, 상기 순환로에 설치된 저온라디에이터를 구비한 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법에 관한 것으로, 본 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법은, 상기 순환로의 냉각수온을 모니터링하는 단계; 및 상기 모니터링된 냉각수온이 사전에 정해진 위험온도 보다 큰 경우 상기 냉각수가 순환되도록 상기 전동식펌프를 구동하고, 상기 전동식펌프를 구동함과 동시에 상기 순환로를 통과하는 냉각수의 열을 발산하기 위해 상기 저온라디에이터에 설치된 저온라디에이터용 냉각팬을 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 모니터링된 냉각수온이 사전에 정해진 위험온도 이하이고 사전에 정해진 목표온도 보다 큰 경우 상기 냉각수가 순환되도록 상기 전동식펌프를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전동식펌프를 구동하기 위한 제어신호는 상기 모니터링된 냉각수온의 정보에 의해 산출되고, 상기 저온라디에이터용 냉각팬을 구동하기 위한 제어신호는 상기 모니터링된 냉각수온과 외부로부터 입력된 차속에 의해 산출될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열전발전장치의 냉각시스템은 열전발전장치의 저온부를 통과하도록 별도로 구축된 순환로에 의해 저온부의 냉각을 효과적으로 수행함으로써 종래에 비해 발전효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전발전장치의 냉각시스템은 모니터링된 냉각수온을 이용하여 순환로를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하여 열전발전장치의 저온부의 온도를 목표온도보다 낮게 관리함으로써 발전효율을 일정 수준으로 유지할 수 있다
또한, 본 발명에 따른 열전발전장치의 냉각시스템은 냉각수온이 시스템 자체의 안정성을 손상시킬 정도인 위험온도에 도달한 경우 전동식펌프의 구동에 추가하여 저온라디에이터용 냉각팬의 구동을 수행함으로써 더욱 신속하게 냉각수의 온도를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 변형된 형태를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 제어절차도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템 및 이의 제어방법에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 블록도이다.
본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 엔진과 엔진의 냉각시스템에 부가 배치되어 독립적으로 운용되며, 열전발전장치(10), 순환로(20), 저온라디에이터(30), 저온라디에이터용 냉각팬(50), 전동식펌프(40) 및 제어기(60)로 이루어질 수 있다.
열전발전장치(10)는 차량의 엔진 배기열을 이용하여 전력을 발생하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이 고온부가 엔진의 배기가스가 통과하는 배기부에 연결되고, 저온부가 냉각수가 순환하는 순환로(20)에 연결된다. 이와 같이 열전발전장치(10)는 배기가스에 의해 가열된 고온부와 냉각수에 의해 냉각된 저온부의 온도차에 대응하는 전력을 발생한다.
순환로(20)는 열전발전장치(10)의 저온부 및 저온라디에이터(30)를 통해 냉각수를 순환하기 위한 통로로서, 도 1에 도시된 바와 같이 엔진의 냉각시스템과는 별개로 구축되며, 순환로(20)에는 냉각수의 순환을 위한 전동식펌프(40)가 설치된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)은 열전발전장치(10)의 저온부를 통과하도록 별도로 구축된 순환로(20)에 의해 저온부의 냉각을 효과적으로 수행함으로써 종래에 비해 발전효율을 높일 수 있다.
저온라디에이터(30)는 순환로(20)를 따라 열전발전장치(10)의 저온부를 통과한 냉각수의 열을 발산한다. 본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)는 냉각수의 열에 대한 추가적 냉각을 위해 저온라디에이터(30)에 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 구비할 수 있다.
저온라디에이터용 냉각팬(50)은 제어기(60)에 의해 제어되며, 냉각수에 대한 추가적인 냉각이 필요한 경우 구동된다. 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 구동 정도는 제어기(60)로부터 전송된 제어신호에 대응하여 정해진다.
전동식펌프(40)는 순환로(20)를 통해 냉각수가 열전발전장치(10)의 저온부 및 저온라디에이터(30)를 순환하도록 구동된다. 전동식펌프(40)의 구동 정도는 제어기(60)로부터 전송된 제어신호에 의하여 정해진다.
제어기(60)는 순환로(20)를 통과하는 냉각수온을 모니터링하고, 이 모니터링된 냉각수온의 정보를 이용하여 열전발전장치(10)의 저온부의 온도가 사전에 정해진 목표온도를 유지하도록 전동식펌프(40)을 제어한다.
전동식펌프(40)를 제어하기 위한 제어신호는 모니터링된 냉각수온의 정보에 의해 정해지며, 정해진 제어신호에 의해 전동식펌프(40)의 구동 정도가 결정된다. 여기서, 제어신호는 냉각수온의 온도값의 상승정도에 비례하여 순환로(20)를 통과하는 냉각수의 유량이 증가되도록 정해진다.
이와 같이, 제어기(60)는 모니터링된 냉각수온을 이용하여 순환로(20)를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하여 열전발전장치(10)의 저온부의 온도를 목표온도보다 낮게 관리함으로써 발전효율을 일정 수준으로 유지할 수 있다.
또한, 제어기(60)는 모니터링된 냉각수온의 정보를 통해 냉각수의 추가적인 냉각이 필요하다고 판단한 경우 위의 전동식펌프(40)의 구동과 동시에 저온라디에이터용 냉각팬(50)이 구동되도록 제어신호를 생성하여 전송한다.
여기서, 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 제어하기 위한 제어신호는 외부로부터 입력된 차속과 냉각수온의 정보에 의해 결정될 수 있다. 즉, 이 제어신호는 냉각팬의 구동을 위한 전압신호로서 차속과 냉각수온의 정보에 대응하여 변동되는 전압량을 의미한다.
예를 들면, 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 제어하기 위한 제어신호는 차속과 냉각수온의 증가정도에 비례하여 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 구동속도가 증가하는 방향으로 생성된다.
또한 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 구동량은 적용되는 차량의 사양 및 환경에 따라 달라져야 하기 때문에, 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 제어신호는 사전에 차속과 냉각수온에 대응하여 제어량이 결정된 룩업 테이블에 의하여 생성될 수 있다.
또한 전동식펌프(40) 및 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 제어하기 위해 전송되는 제어신호는 규약으로 정해진 통신신호 또는 전압신호로 마련될 수 있다. 예를 들면 통신신호는 CAN(Controller Area Network) 또는 LIN(Local Interconnect Network)으로 마련될 수 있다.
제어기(60)는 냉각수의 추가적 냉각이 필요한지 여부를 모니터링된 냉각수온의 정보가 사전에 설정된 위험온도보다 큰지 여부에 의해 결정한다. 즉, 제어기(60)는 냉각수온의 정보가 위험온도보다 크다고 판단한 경우, 전동식펌프(40)와 저온라디에이터용 냉각팬(50)이 동시에 구동되도록 제어한다.
즉, 제어기(60)는 냉각수온이 시스템 자체의 안정성을 손상시킬 정도인 위험온도에 도달한 경우 전동식펌프(40)의 구동에 추가하여 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 구동을 수행함으로써 더욱 신속하게 냉각수의 온도를 낮출 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)은 열전발전장치(10)의 저온부의 온도를 최적 관리함으로써 발전효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(1)은 종래 열전발전장치의 냉각시스템와 같은 엔진 냉각시스템의 냉각수를 이용할 경우보다 저온부의 온도를 대략 50℃ 이상 낮출 수 있다. 이 경우 열전발전량은 150W 이상 증대될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(100)에 대하여 설명한다. 전술한 실시예와 달리, 본 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(100)은 냉각수의 열에 대한 추가적인 냉각을 위해 도 1의 저온라디에이터용 냉각팬(50)과 같은 구성을 별도로 구비하지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 엔진라디에이터용 냉각팬(150)으로부터 송풍된 바람을 이용한다. 이 경우 저온라디에이터(130)는 엔진라디에이터용 냉각팬(150)이 장착된 엔진라디에이터에 인접하게 배치되어야 한다.
제어기(160)는 모니터링된 냉각수온의 정보를 통해 순환로(120)를 통과하는 냉각수온이 위험온도에 도달한 것으로 판단한 경우, 전동식펌프(140)의 구동에 추가하여 엔진라디에이터용 냉각팬(150)이 구동되도록 제어신호를 생성하여 전송한다. 이에 의해 제어기(160)는 위험온도에 도달한 냉각수온을 신속하게 낮출 수 있다.
여기서 엔진라디에이터용 냉각팬(150)을 제어하기 위한 제어신호는 차속과 냉각수온의 증가정도에 비례하여 엔진라디에이터용 냉각팬(150)의 구동속도가 증가하는 방향으로 생성된다.
또한 엔진라디에이터용 냉각팬(150)의 구동량은 적용되는 차량의 사양 및 환경에 따라 달라져야 하기 때문에, 엔진라디에이터용 냉각팬(150)의 제어신호는 사전에 차속과 냉각수온에 대응하여 제어량 결정된 룩업 테이블에 의하여 생성될 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 동작을 설명한다. 여기서는 제어기(60)의 동작을 중심으로 설명한다. 도 2의 변형된 실시형태에 따른 열전발전장치의 냉각시스템(100)의 동작도 유사하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(160)는 순환로(20)를 통과하는 냉각수온을 모니터링하고, 모니터링된 냉각수온이 사전에 정해진 위험온도인 설정치1 보다 큰지 판단한다(S210).
S210단계의 판단결과, 냉각수온이 위험온도인 설정치1 보다 큰 경우, 제어기(60)는 냉각수가 순환되도록 전동식펌프(40)를 구동함과 동시에 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 구동한다(S215).
여기서 전동식펌프(40)를 제어하기 위한 제어신호는 모니터링된 냉각수온의 정보에 의해 산출되어 전동식펌프(40)로 전송되고, 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 제어하기 위한 제어신호는 외부로부터 입력된 차속과 모니터링된 냉각수온에 의해 산출되어 저온라디에이터용 냉각팬(50)으로 전송된다.
다음, 엔진이 종료된 경우(S218) 제어기(60)는 본 제어절차를 종료하고, 반면 엔진이 종료되지 않은 경우(S218) 제어기(60)는 S210단계로 돌아가 본 제어절차를 계속 수행한다.
한편, S210단계의 판단결과, 냉각수온이 위험온도인 설정치1 이하이고 목표온도인 설정치2 보다 큰 경우(S220), 제어기(60)는 냉각수가 순환되도록 전동식펌프(40)를 구동한다(S225). 이 경우 제어기(60)는 저온라디에이터용 냉각팬(50)을 구동을 비활성화한다.
반면, 제어기(60)는 냉각수온이 목표온도인 설정치2 이하인 경우(S220), 전동식펌프(40) 및 저온라디에이터용 냉각팬(50)의 작동을 비활성화 하여, 전력 소모를 줄일 수 있다.
이러한 제어기(60)의 동작은 차량의 엔진제어유닛(Engine Control Unit)에서 수행될 수 있다.
도 3에서는 본 실시예의 변형형태인 엔진라디에이터용 냉각팬(150)과 관련된 동작에 대해서는 언급하지 않았지만, 냉각수온이 위험온도보다 높을 때 냉각수의 긴급 냉각을 수행한다는 점에서 유사한 동작을 수행한다.
1, 100: 열전발전장치의 냉각시스템
10, 110: 열전발전장치
20, 120: 순환로
30, 130: 저온라디에이터
40, 140: 전동식펌프
50: 저온라디에이터용 냉각팬
150: 엔진라디에이터용 냉각팬
60, 160: 제어기(ECU)

Claims (12)

  1. 엔진, 엔진라디에이터, 엔진라디에이터용 냉각팬 , 엔진 배기열 및 상기 엔진라디에이터에 의해 냉각수가 순환하는 제 1 순환로를 갖는 차량에 설치된 열전발전장치의 냉각시스템에 있어서,
    고온부가 상기 엔진 배기열과 연결되는 열전발전장치;
    상기 열전발전장치의 저온부와 연결되어 냉각수를 순환하고 상기 제 1 순환로와 별도로 설치되는 제 2 순환로;
    상기 제 2 순환로를 따라 상기 저온부를 통과한 냉각수의 열을 발산하고 상기 엔진라디에이터와 별도로 설치되는 저온라디에이터;
    상기 제 2 순환로를 통해 상기 냉각수가 상기 저온부 및 상기 저온라디에이터를 순환하도록 외부의 제어에 의해 구동되는 전동식펌프; 및
    상기 제 2 순환로의 냉각수온을 모니터링하고, 이 모니터링된 냉각수온의 정보를 이용하여 상기 저온부의 온도가 사전에 정해진 목표온도를 유지하도록 상기 전동식펌프를 제어하는 제어기;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기의 제어에 의해, 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추도록 구동되는 저온라디에이터용 냉각팬을 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 냉각수온의 정보를 통해 냉각수의 추가적인 냉각이 필요하다고 판단한 경우 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추기 위해 상기 저온라디에이터용 냉각팬이 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저온라디에이터는, 엔진라디에이터용 냉각팬으로부터 송풍된 바람이 도달되도록 엔진라디에이터에 인접하여 배치되고,
    상기 제어기는, 상기 냉각수온의 정보를 통해 냉각수의 추가적인 냉각이 필요하다고 판단한 경우 상기 냉각수의 온도를 추가적으로 낮추기 위해 상기 엔진라디에이터용 냉각팬이 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어기에서, 상기 냉각수의 추가적 냉각이 필요한 경우는, 상기 냉각수온의 정보가 사전에 설정된 위험온도보다 큰 경우인 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어기에서, 상기 냉각팬을 제어하기 위한 제어신호는 외부로부터 입력된 차속과 상기 냉각수온의 정보에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기에서, 상기 전동식펌프를 제어하기 위한 제어신호는 상기 냉각수온의 정보에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기의 제어기능은 차량의 엔진제어유닛(Engine Control Unit)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기의 제어신호는 규약으로 정해진 통신신호 또는 전압신호인 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템.
  9. 제 1 항에 따른 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 제 2 순환로의 냉각수온을 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링된 냉각수온이 사전에 정해진 위험온도 보다 큰 경우 상기 냉각수가 순환되도록 상기 전동식펌프를 구동하고, 상기 전동식펌프를 구동함과 동시에 상기 제 2 순환로를 통과하는 냉각수의 열을 발산하기 위해 상기 저온라디에이터에 설치된 저온라디에이터용 냉각팬을 구동하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링된 냉각수온이 사전에 정해진 위험온도 이하이고 사전에 정해진 목표온도 보다 큰 경우 상기 냉각수가 순환되도록 상기 전동식펌프를 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전동식펌프를 구동하기 위한 제어신호는 상기 모니터링된 냉각수온의 정보에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 저온라디에이터용 냉각팬을 구동하기 위한 제어신호는 상기 모니터링된 냉각수온과 외부로부터 입력된 차속에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 열전발전장치의 냉각시스템의 제어방법.
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