KR101401065B1 - 차량용 열전 발전기 - Google Patents

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Abstract

열전현상을 이용하여 엔진의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 열전발전기가 개시된다. 차량용 열전발전기는, 내부에 엔진에서 배출되는 배기가스가 흐르는 배기관이 설치되며 차량의 소음기 내부의 상기 배기관의 외주면에 장착되어 상기 배기가스와 열교환하는 고온부; 상기 배기관의 외주면에 장착되며, 상기 고온부 내부에 위치되고, 그 내부에 상기 냉각수가 흐르는 저온부;그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며 상기 고온부와 상기 저온부 사이 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측이 상기 저온부에 의해 냉각되어 일측과 타측의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 생산하는 열전모듈을 포함한다. 열전효율이 향상되며 작은 크기의 차량용 열전발전기를 실현할 수 있다.

Description

차량용 열전 발전기{Thermoelectric generator of vehicle}
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 열전모듈(20)을 포함한다.
상기 배기열 회수장치(40) 내부에는 고온의 배기가스가 흐르면서 열에너지가 상기 열전모듈(20)로 전달된다. 상기 냉각장치(30) 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 파이프(32)가 형성되어 상기 배기열 회수장치(40)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 내측과 상기 냉각장치(30)와 접촉되는 상기 열전모듈(20)의 외측 사이의 온도차이를 증가시킨다. 이와 같이 상기 열전모듈(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 열전모듈에 효율적으로 전달되어야 한다. 그러나 상기한 종래의 차량용 열전발전기에서는, 배기가스의 열에너지가 고온부로 충분히 전달되지 않아 배기가스의 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 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로, 작고 열전발전 효율이 향상되는 차량용 열전발전기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 내부에 엔진에서 배출되는 배기가스가 흐르는 배기관이 설치되며 차량의 소음기 내부의 상기 배기관의 외주면에 장착되어 상기 배기가스와 열교환하는 고온부; 상기 배기관의 외주면에 장착되며, 상기 고온부 내부에 위치되고, 그 내부에 상기 냉각수가 흐르는 저온부;그리고 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며 상기 고온부와 상기 저온부 사이 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측이 상기 저온부에 의해 냉각되어 일측과 타측의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 생산하는 열전모듈을 포함하는, 차량용 열전발전기를 제공한다.
상기 고온부는, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제1장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되며 상기 소음기의 내주면과 동일한 외주면을 가지는 제1열교환판, 그리고 중심에 상기 배기관이 관통하는 제2장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되며 상기 제1열교환판과 결합되는 제2열교환판을 포함하고, 상기 제1열교환판과 상기 제2열교환판은 상기 배기가스에 의해 가열되어 상기 열전모듈의 일측을 가열할 수 있다.
상기 저온부는, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제3장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면과 상기 고온부 내부에 장착되며, 일측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 타측에 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구를 구비할 수 있다.
상기 열전모듈은, 상기 배기관의 외주면 상에서 상기 고온부의 내측면과 상기 저온부와 접촉하며, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제4장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측면이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측면이 상기 저온부 사이에 의해 냉각되어, 상기 일측면과 타측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 제1열전소자; 그리고 상기 배기관의 외주면 상에서 상기 고온부의 내측면과 상기 저온부와 접촉하며, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제5장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측면이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측면이 상기 저온부 사이에 의해 냉각되어, 상기 일측면과 타측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 제2열전소자;를 포함할 수 있다. 상기 제1열전소자와 상기 제2열전소자 사이에 상기 저온부가 개재될 수 있다.
또한, 상기 소음기의 내주면과 동일한 외주면을 가지도록 결합되는 상기 제1열교환판 및 제2열교환판은 상기 소음기의 내부에 위치하는 배플로 이루어져, 상기 소음기 내부의 소음을 저감시키는 동시에 상기 열전모듈의 일측을 가열하여 전기를 발생시키도록 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 차량용 열전발전기에 따르면, 전기를 생산하는 열전모듈이 고온의 배기가스와 직접적으로 접촉함으로써 열전도율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 차량용 열전발전기는 차량의 소음기 내부에 설치됨으로써 배기가스의 소음을 감소시킴과 동시에 배기가스의 열에너지를 흡수하는 일거양득의 효과가 있다.
또한, 배플의 단면적이 넓기 때문에 배기가스와 냉각수와의 접촉면적이 증가하여 열전모듈의 열전효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 차량용 열전발전기는 그 크기가 작아 패키징에 유리하며 그 구조가 단순하여 제품의 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 차량용 열전발전기는 열전도율이 높기 때문에 사용되는 열전모듈의 수가 적어 제작비용이 절감되고 전체 중량도 감소되는 이점이 있다.
도 1은 종래의 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 소음기에 장착되는 차량용 열전발전기를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기의 차량의 소음기에 장착된 상태를 보여주는 부분사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 보여주는 분해사시도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 소음기에 장착되는 차량용 열전발전기(100)를 보여주는 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)가 차량의 소음기에 장착된 상태를 보여주는 부분사시도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)를 보여주는 분해사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는 차량의 소음기(60) 내부를 관통하는 배기관(62)에 설치되는 고온부(110), 상기 고온부(110) 내측에 설치되며 내부로 냉각수가 흐르는 저온부(130), 그리고 상기 고온부(110)와 상기 저온부(130) 사이에 개재되어 전기를 발생시키는 열전모듈(120)을 포함한다.
상기 고온부(110)는 상기 배기관(62)의 외주면에 설치되는 제1열교환판(112)과 상기 제1열교환판(112)와 소정의 간격으로 상기 배기관(62)의 외주면에 설치되는 제2열교환판(114)을 포함한다.
상기 제1열교환판(112)의 중심에는 제1장착공(113)이 형성되고 상기 제2열교환판(114)의 중심에는 제2장착공(115)가 형성되어 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)는 소정의 간격을 두고 상기 배기관(62)의 외주면에 장착되며, 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)는 상기 소음기(60)의 내주면과 동일한 외주면을 가진다.
상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)은 상기 소음기(60)의 내부를 흐르는 고온의 배기가스에 의해 가열된다. 상기 가열된 제1 및 제2열교환판(112, 114)에 의해 상기 열전모듈(120)의 외측면이 가열되어 상기 배기가스의 열에너지가 상기 열전모듈(120)로 전달된다.
상기 저온부(130)는 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114) 사이에 개재되며 외주면 일측에 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(131)가 형성되고 상기 외주면 타측에는 상기 냉각수가 상기 저온부(130)에서 배출되는 냉각수 배출구(132)가 형성된다. 상기 저온부(130)는 상기 제1 및 제2장착공(113, 115)과 동일한 크기의 제3장착공이 중심에 형성된다. 상기 저온부(130)는 상기 고온부(110)의 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)와 마찬가지로, 상기 소음기(60)의 내주면과 동일한 외주면을 가진다.
엔진의 냉각 시스템을 순환하는 상기 냉각수는 상기 냉각수 유입구(131)를 통하여 상기 저온부(130) 내부로 유입되고 상기 냉각수 배출구(132)를 통하여 상기 저온부(130)에서 배출되는 동안 상기 열전모듈(120)를 냉각시킨다. 이와 같이, 냉각수가 상기 저온부(130) 내부를 흐르면서 상기 열전모듈(120)을 냉각시킴으로써 상기 열전모듈(120)의 내외측면에서 온도차가 발생된다.
한편, 상기 열전모듈(120)은 상기 고온부(110)와 상기 저온부(130) 사이에 개재된다. 상기 열전모듈(120)은 외측면이 상기 고온부(110)의 상기 제1열교환판(112)의 내측면과 접촉하는 제1열전소자(122)와 외측면이 상기 고온부(110)의 상기 제2열교환판(114)의 내측면과 접촉하는 제2열전소자(124)를 포함한다. 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)은 P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작된다. 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)은, 상기 제1 및 제2열교환판과 상기 저온부(130)와 같이, 상기 소음기(60)의 내주면과 동일한 외주면을 가진다. 상기 제1 및 제2열전소자의 중심에는 상기 제1, 제2, 제3장착공(113, 115, 133)과 동일한 크기의 제4 및 제5장착공(123, 125)이 형성되어 상기 배기관(62)의 외주면에 장착된다.
상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)은, 효율적인 열전도를 위하여, 용접 또는 전도성 테이프에 의해 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)과 상기 저온부(130)에 부착된다. 이와 같이 설치됨으로써, 상기 제1열전소자(122)의 외측면과 상기 제2열전소자(124)의 외측면은 고온의 상기 제1열교환판(112)의 내표면과 상기 제2열교환판(124)의 내표면에 의해 가열된다. 한편, 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)의 내표면들은 상기 저온부(130)에 의해 냉각된다. 이렇게 됨으로써, 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)의 내표면과 외표면들 사이에는 온도차가 발생되고 이 온도차에 의해 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124) 내부에서는 열전현상에 의해 전기가 발생된다. 상기 열전소자들(122, 124)은 서로 전기적으로 연결되며 차량의 배터리(도시하지 않음)에 전기적으로 연결됨으로써 상기 배터리를 충전한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기(100)는 상기 소음기(60) 내부에 모듈의 형태로 다수 장착될 수 있다. 이와 같이 다수개의 차량용 열전발전기(100)가 소음기(60) 내부에 장착되면, 보다 많은 양의 전기를 생산할 수 있어 엔진의 연비를 증가시키고 소음을 감소시키는 효과를 발휘한다.
위에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기의 작용을 설명한다.
엔진이 구동되면, 엔진에서 배기가스가 배출되어 상기 배기관(62)를 통하여 상기 소음기(60) 내부로 유입되고, 이와 동시에 엔진과 상기 저온부(130)의 냉각수 유입구(131)를 통하여 냉각수가 상기 저온부(130) 내부로 유입된다.
상기 소음기(60) 내부로 유입되는 상기 고온의 배기가스는 상기 고온부(110)의 상기 제1 및 제2열교환판(112, 114)을 가열하고 상기 가열된 제1 및 제2열교환판(112, 114)에 의해 상기 열전모듈(120)의 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)의 외측면이 가열된다.
한편, 상기 저온부(130) 내부로 유입되는 상기 냉각수는 상기 저온부(130)의 외측면과 접촉하는 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)의 내측면을 냉각시킨다.따라서, 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124)의 내외측면 사이에는 온도차가 발생된다. 상기 온도차에 의해 상기 제1 및 제2열전소자들(122, 124) 내부에서는 전기가 발생된다. 이렇게 생산되는 전기를 전기적으로 연결되는 차량의 배터리를 충전시킨다.
상기 소음기(60) 내부에서 상기 고온부(110)를 가열하면서 소음기 감소되는 상기 배기가스는 상기 배기관(62)을 통하여 소음기(60) 외부로 배출되고, 상기 저온부(130) 내부를 흐르면서 상기 열전모듈(120)을 냉각시킨 상기 냉각수는 상기 저온부(1300에 형성되는 상기 냉각수 배출구(132)를 통하여 상기 저온부(130) 외부로 배출되어 상기 냉각 시스템으로 되돌아간다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 소음기의 내주면과 동일한 외주면을 가지도록 결합되는 상기 제1열교환판 및 제2열교환판을 상기 소음기의 내부에 위치하는 배플로 이루어지도록 할 수 있는데, 이에 따라 상기 배플의 작용으로 인하여 상기 소음기 내부의 소음을 저감시킬 수 있으며, 특히 필요에 따라 배플로 이루어지는 상기 제1열교환판 및 제2열교환판의 크기 및 위치 등을 적절히 변경하여 발생되는 소음을 효과적으로 감쇄시킬 수 있다.
또한, 이와 같이 소음기 내부에서 배플의 작용으로 소음을 저감시키는 동시에, 상기 제1열교환판 및 제2열교환판이 각각 상기 열전모듈의 양측면과 맞닿아 고온부의 역할을 하며 상기 열전모듈을 가열할 수 있으므로, 냉각수가 흐르는 저온부와 함께 열전발전을 통하여 전기를 발생시킬 수 있으므로, 소음 저감의 효과와 동시에 열전발전을 할 수 있는 2가지 효과를 동시에 달성할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열전발전기는 차량의 소음기에 장착됨으로써, 설치공간이 축소되며 배기가스의 열에너지의 손실을 방지하면서 배기가스의 열에너지를 흡수하므로 효율이 향상된다.
또한, 부품수가 적어 제작비용이 감소되며 구조가 간단하여 생산성이 향상되며, 엔진의 연비가 향상되는 특징이 있다.
100: 열전발전기 110: 고온부
112: 제1열교환판 114: 제2열교환판
120: 열전모듈 122: 제1열전소자
124: 제2열전소자 130: 저온부
131: 냉각수 유입구 132: 냉각수 배출구

Claims (5)

  1. 내부에 엔진에서 배출되는 배기가스가 흐르는 배기관이 설치되며 차량의 소음기 내부의 상기 배기관의 외주면에 장착되어 상기 배기가스와 열교환하는 고온부;
    상기 배기관의 외주면에 장착되며, 상기 고온부 내부에 위치되고, 그 내부에 냉각수가 흐르는 저온부; 및
    P-형 반도체와 N-형 반도체를 접합하여 제작되며 상기 고온부와 상기 저온부 사이 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측이 상기 저온부에 의해 냉각되어 일측과 타측의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 생산하는 열전모듈; 을 포함하되,
    상기 고온부는, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제1장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되며 상기 소음기의 내주면과 동일한 외주면을 가지는 제1열교환판, 그리고 중심에 상기 배기관이 관통하는 제2장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되며 상기 제1열교환판과 결합되는 제2열교환판을 포함하고, 상기 제1열교환판과 상기 제2열교환판은 상기 배기가스에 의해 가열되어 상기 열전모듈의 일측을 가열하는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온부는, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제3장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면과 상기 고온부 내부에 장착되며, 일측에 형성되어 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 타측에 형성되어 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구를 구비하는 상기 차량용 열전발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 배기관의 외주면 상에서 상기 고온부의 내측면과 상기 저온부와 접촉하며, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제4장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측면이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측면이 상기 저온부 사이에 의해 냉각되어, 상기 일측면과 타측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 제1열전소자; 그리고
    상기 배기관의 외주면 상에서 상기 고온부의 내측면과 상기 저온부와 접촉하며, 중심에 상기 배기관이 관통하는 제5장착공이 형성되어 상기 배기관의 외주면에 장착되어 일측면이 상기 고온부에 의해 가열되고 타측면이 상기 저온부 사이에 의해 냉각되어, 상기 일측면과 타측면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시키는 제2열전소자;를 포함하고,
    상기 제1열전소자와 상기 제2열전소자 사이에 상기 저온부가 개재되는 차량용 열전발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소음기의 내주면과 동일한 외주면을 가지도록 결합되는 상기 제1열교환판 및 제2열교환판은 상기 소음기의 내부에 위치하는 배플로 이루어져, 상기 소음기 내부의 소음을 저감시키는 동시에 상기 열전모듈의 일측을 가열하여 전기를 발생시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 열전발전기.
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