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WO2017115966A1 - 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템, 및 그 작동 방법 - Google Patents

열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템, 및 그 작동 방법 Download PDF

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Publication number
WO2017115966A1
WO2017115966A1 PCT/KR2016/008344 KR2016008344W WO2017115966A1 WO 2017115966 A1 WO2017115966 A1 WO 2017115966A1 KR 2016008344 W KR2016008344 W KR 2016008344W WO 2017115966 A1 WO2017115966 A1 WO 2017115966A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
cooling water
thermoelectric generator
thermoelectric
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/008344
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김태영
조규백
이석환
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Original Assignee
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Machinery and Materials KIMM filed Critical Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Publication of WO2017115966A1 publication Critical patent/WO2017115966A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an integrated system of a heat exchanger and a thermoelectric generator, and a method of operating the same.
  • thermoelectric element as a waste heat source
  • a thermoelectric power generation system that is, a thermoelectric power generation system
  • a heat exchanger that recovers heat energy of exhaust gas from a vehicle and heats the cooling water rapidly to improve fuel efficiency and exhaust characteristics. Since the heat exchanger is limited to be used only when the vehicle is initially started or when the cooling water temperature is low, there have been studies to arrange the heat exchanger together with the thermoelectric generators or by connecting them with each other.
  • thermoelectric power generation system it is important to cool the thermoelectric element efficiently as the cooling water passes through the space. Especially, the performance of the thermoelectric power generation system is determined by the temperature difference between the high and low temperature portions of the thermoelectric element, but on the other hand, Therefore, the maximum temperature of the high temperature section is limited. In addition, lowering the temperature of the cooling water may affect the durability of the engine.
  • the heat energy of the exhaust gas must be designed to be efficiently transferred to the cooling water, and in some cases, the heat exchanger must be configured with a long flow path or a heat radiation fin to increase the heat exchange area.
  • the heat exchanger that was used only temporarily during the initial start-up integrated with the thermoelectric generator and the function to efficiently utilize the exhaust heat and the heat exchanger and thermoelectric generator can complement each other to maximize the performance of each device to provide an integrated system of heat exchangers and thermoelectric generators, and a method of operating the same.
  • thermoelectric generator Integrated system of a heat exchanger and a thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention, the discharge pipe flowing heat medium discharged from the heat source portion; A heat exchanger for heat-exchanging heat medium flowing from the discharge pipe with cooling water; First control means provided in the discharge pipe and controlling an amount of the heat medium flowing into the heat exchange apparatus from the discharge pipe according to the temperature of the heat medium; And a thermoelectric generator connected to the discharge pipe, wherein the heat medium exchanged through the heat exchanger is introduced into the thermoelectric generator.
  • the discharge pipe may include an inlet formed so that the heat medium flows into the heat exchange device, and an outlet formed to discharge the heat medium heat exchanged by the heat exchange device into the discharge pipe, and the first control means may be installed between the inlet port and the discharge port. have.
  • the discharge pipe may further include a second control means provided between the heat exchanger and the thermoelectric generator to control the amount of the heat medium flowing into the thermoelectric generator.
  • thermoelectric generator may produce electricity by using a temperature difference between the heat medium and the cooling water respectively connected to both sides of the thermoelectric element.
  • thermoelectric generator A first heat dissipation means cooling water line connecting the heat dissipation means and the thermoelectric generator so that the coolant is supplied from the heat dissipation means to the thermoelectric generator; And a first thermoelectric generator cooling water line connecting the thermoelectric generator and the heat exchanger such that the coolant passing through the thermoelectric generator is supplied to the heat exchanger.
  • thermoelectric generator cooling water line connecting the thermoelectric generator and the heat source unit such that the coolant passing through the thermoelectric generator is supplied to the heat source unit;
  • a first heat exchange cooling water line connecting the heat exchanger and the heat source unit such that the coolant passing through the heat exchanger is supplied to the heat source unit;
  • a heat source coolant line connecting the heat source unit and the heat radiating unit such that the coolant passing through the heat source unit is supplied to the heat radiating unit.
  • thermoelectric coolant line and the second thermoelectric coolant line are branched from a pipe connected to the thermoelectric generator, and adjust the amount of cooling water flowing to the first thermoelectric coolant line and the second thermoelectric coolant line. And third control means.
  • the heat exchanger is provided inside the coolant channel through which the coolant flows; And a front end and a rear end header respectively provided at the front end and the rear end, and the coolant is introduced or discharged and connected to the coolant channel.
  • the discharge pipe may be formed to penetrate the inside of the heat exchange device and the thermoelectric generator.
  • the front end header and the rear end header includes a partition wall formed radially therein with respect to the discharge pipe, wherein the partition wall is formed with at least one or more of the cooling water flowing between the front end header and the rear end header
  • the flow path can be changed.
  • thermoelectric generator includes the thermoelectric element having one surface attached to an outer circumferential surface of the discharge pipe; And a first thermoelectric coolant channel provided in contact with the other surface of the thermoelectric element.
  • the thermoelectric generator includes a high-temperature device and a low-temperature device having one surface attached to an outer circumferential surface of each of the two pipes, wherein the discharge pipe is branched into two pipes; And a second thermoelectric coolant channel and a third thermoelectric coolant channel contacting the other surfaces of the high temperature device and the low temperature device, respectively.
  • a heat exchanger for introducing heat medium discharged from a discharge pipe and exchanging heat with a cooling water, and using a temperature difference between the heat medium and the cooling water
  • a method of operating an integrated system comprising a thermoelectric generator having a thermoelectric device for producing a gas, the method comprising: introducing the cooling water into the thermoelectric generator; Introducing coolant passing through the thermoelectric generator into the heat exchanger; Introducing the heat medium into the heat exchanger to exchange heat with the cooling water; And introducing the heat medium exchanged from the heat exchanger into the thermoelectric generator, and controlling the amount of the heat medium flowing into the heat exchanger according to the temperature of the heat medium discharged from the discharge pipe.
  • the amount of cooling water flowing into the heat exchanger may be controlled according to the temperature of the cooling water passing through the thermoelectric generator.
  • a heat exchanger recovers thermal energy of an exhaust gas and adjusts a temperature of a heat medium and a coolant in addition to an exhaust heat recovery function of raising a temperature of a coolant.
  • thermoelectric generator and the heat exchanger may be integrated to maximize space performance while maximizing performance.
  • FIG. 1 is a block diagram of a system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 and 3 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the first embodiment.
  • FIG 4 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the first embodiment.
  • 5 and 6 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the second embodiment.
  • FIG 8 and 9 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the third embodiment.
  • FIG 10 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the third embodiment.
  • 11 and 12 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • thermoelectric generator 14 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator according to the first embodiment.
  • thermoelectric generator 15 is a sectional view in a front direction of the thermoelectric generator according to the first embodiment.
  • thermoelectric generator 16 is a sectional view of a thermoelectric generator according to a second embodiment.
  • 17 is a configuration diagram of a method for operating a system according to an embodiment of the present invention in a first mode.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of a method of operating a system according to an exemplary embodiment of the present invention in a second mode.
  • 19 is a block diagram of a system operating method according to an embodiment of the present invention in a third mode.
  • FIG. 20 is a configuration diagram of a system operating method according to another embodiment of the present invention in a third mode.
  • 21 is a configuration diagram of a system operating method according to another embodiment of the present invention in a third mode.
  • FIG. 22 is a configuration diagram of a system operating method according to an embodiment of the present invention in a fourth mode.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating a method for operating a system according to an embodiment of the present invention when controlling the coolant temperature.
  • thermoelectric generation possibility range is a diagram illustrating a method for operating a system according to an embodiment of the present invention in the case of extending the thermoelectric generation possibility range.
  • 25 is an exemplary diagram comparing the amount of power generated by the system according to an embodiment of the present invention with the prior art.
  • heat source 200 heat dissipation means
  • thermoelectric generator 300 heat exchanger 400: thermoelectric generator
  • first heat dissipation means cooling water line
  • 321a first inlet port 321b: first outlet port
  • 331a second inlet port 331b: second outlet port
  • 351a third inlet port 351b: third outlet port
  • 371a fourth inlet port 371b: fourth outlet port
  • thermoelectric power cooling water channel
  • FIG. 1 is a block diagram of a system according to an embodiment of the present invention.
  • an integrated system of a heat exchanger and a thermoelectric generator includes a discharge tube 10 through which a heat medium discharged from a heat source unit 100 passes, and heat dissipation means 200 spaced apart from the heat source unit 100. , Including a heat exchanger 300 and a thermoelectric generator 400, wherein the heat exchanger 300 and the thermoelectric generator 400 are connected to the discharge pipe 10, and the thermoelectric generator 400 is connected to the heat exchanger.
  • the apparatus 300 and the heat medium and the cooling water may be configured to flow together.
  • the discharge pipe 10 may be formed to penetrate the inside of the heat exchange device 300 and the thermoelectric generator 400.
  • the heat exchanger 300 and the thermoelectric generator 400 may be sequentially connected to each other based on the flow direction of the heat medium flowing through the discharge pipe (10).
  • the heat exchanger 300 may be coupled to an upstream side of the discharge pipe 10 through which the heat medium flows
  • the thermoelectric generator 400 may be coupled to a downstream side of the discharge pipe 10.
  • the arrangement of the heat exchanger 300 and the thermoelectric generator 400 is not limited to that shown in FIG. 1, and the heat exchanger 300 and the thermoelectric generator 400 may be connected to the discharge pipe 10 in parallel.
  • the heat medium passing through the heat exchange device 300 and the heat medium not passing through the heat exchange device 300 may be variously configured as long as the heat medium may flow into the thermoelectric generator 400.
  • upstream and downstream are defined based on the flow direction of the heat medium discharged through the discharge pipe (10).
  • the heat exchanger 300 is a device coupled to the discharge pipe 10 to increase the cooling water temperature of the heat source unit 100 in the vehicle at the initial start of the vehicle.
  • the generator 400 is a device for generating power by the Seebeck effect of the thermoelectric element 430 provided therein through exhaust heat (heat medium) and cooling water. Omit.
  • thermoelectric generator 400 may be described below for additional functions.
  • the exhaust pipe 10 may be an exhaust pipe through which the exhaust gas of the vehicle is applied, but is not limited thereto, and may be variously implemented as long as the pipe passes through the heat medium.
  • the heat medium may be an exhaust gas, and in the following description, the heat medium and the exhaust gas may be described as being commonly used.
  • Inside the discharge pipe 10 may be provided with a perforated plate, a porous material, etc. to increase the uniformity of the heat medium flow.
  • the heat source unit 100 may be variously applied as long as it is a means for discharging a heat medium such as an engine or an internal combustion engine.
  • the heat dissipation means 200 is configured to cool the cooling water and circulate the cooling water in the system, and may be variously applied as long as the heat dissipation means such as a radiator.
  • the discharge pipe 10 may be provided with first control means 310 for adjusting the amount of the heat medium flowing into the heat exchange device 300.
  • the discharge pipe 10 has a second control means 21 is located between the heat exchange device 300 and the thermoelectric generator 400 to bypass the thermal medium so that the thermal medium does not flow into the thermoelectric generator 400. It may be provided.
  • one side of the discharge pipe 10 may be formed by the second control means 21, the bypass pipe 20 is bypassed to the outside without the heat medium is introduced into the thermoelectric generator 400.
  • the first control means 310 and the second control means 21 may be constituted by a valve or the like, but is not limited thereto.
  • the first control means 310 and the second control means 21 may be variously implemented as long as the means can change the flow path of the heat medium according to opening and closing.
  • the first control means 310 may not only control whether the heat medium flows into the heat exchange apparatus 300 through opening and closing, but also by adjusting the opening amount of the first control means 310, Can adjust the inflow amount flowing into the heat exchange device (300).
  • the second control means 21 may control the flow direction of the heat medium so that the heat medium flows toward the bypass tube 20 or toward the thermoelectric generator 400 by selective opening and closing. have.
  • bypass pipe 20 may pass through the thermoelectric generator 400 to the outside.
  • the coolant cooled in the heat radiating means 200 is discharged to return to the heat radiating means 200 after circulating the system, for this purpose, a coolant line for circulating the coolant in the system It may include.
  • the heat dissipation means 200 may include a first heat dissipation means cooling water line 210 connecting the heat dissipation means 200 and the thermoelectric generator 400 so that the coolant is supplied from the heat dissipation means 200 to the thermoelectric generator 400.
  • the heat source unit 100 and the heat dissipating means 200 may include a heat source coolant line 110 and a second heat dissipation means coolant line 220 through which the coolant flows.
  • the heat source coolant line 100 may connect the heat source unit 100 and the heat radiating means 200 so that the coolant passing through the heat source part 100 may be supplied to the heat radiating means 200, and the second heat radiating means cooling water may be used.
  • the line 220 may connect the heat dissipation means 200 and the heat source part 100 so that the coolant is supplied from the heat dissipation means 200 to the heat source part 100.
  • thermoelectric generator cooling water line 420a connecting the thermoelectric generator 400 and the heat exchanger 300 so that the coolant passing through the thermoelectric generator 400 is supplied to the heat exchanger 300
  • thermoelectric generator A second thermoelectric generator cooling water line 420b may be connected to the thermoelectric generator 400 and the heat source unit 100 so that the coolant passing through the 400 is supplied to the heat source unit 100.
  • first heat exchange cooling water line 301 connecting the heat exchanger 300 and the heat source unit 100 and the heat exchanger 300 so that the coolant passing through the heat exchanger 300 is supplied to the heat source unit 100. It may include a second heat exchange cooling water line 302 connecting the heat exchange apparatus 300 and the heat radiating means 200 so that the cooling water passed through is supplied to the heat radiating means 200.
  • the first thermoelectric coolant line 420a and the second thermoelectric coolant line 420b may be branched from a pipe connected to the thermoelectric generator 400.
  • a third control means 410 may be provided in the pipe to selectively branch the cooling water via the thermoelectric generator 4000 in the direction of the heat exchanger 300 or the heat source unit 100.
  • the third control means 410 may be implemented as various means as long as the means for changing the flow path of the coolant according to the opening and closing of the valve or the like. In addition, by controlling the opening and closing amount of the third control means 410, it is also possible to adjust the amount of cooling water flowing from the thermoelectric generator 400 to the first thermoelectric generator cooling water line 420a and the second thermoelectric generator cooling water line 420b. .
  • the discharge pipe 10 includes an inlet 341 formed on an upstream side of the discharge pipe 10 based on the first control means 310, and a downstream side thereof.
  • An outlet 342 may be formed.
  • the first control means 310 is provided between the inlet 341 and the outlet 342.
  • the heat medium exchanges heat through the inlet 341.
  • the first control means 310 closes the discharge pipe 10 without being introduced into the device 300, and the first control means 310 closes the discharge pipe 10, the heat medium flows into the heat exchange device 300 through the inlet 341 to exchange heat. After the heat exchange with the cooling water in the apparatus 300 is discharged back to the discharge pipe 10 through the discharge port 342 and then flows along the discharge pipe (10).
  • the inlet 341 and the outlet 342 may be formed in a plurality.
  • the heat exchange apparatus 300 includes a coolant channel 320 provided therein and flowing coolant therethrough; And a front end header 321 and a rear end header 322 connected to the front and rear ends of the heat exchanger 300, respectively, connected to the first cooling water channel 320. At this time, the coolant may be introduced or discharged through at least one of the front end header 321 and the rear end header 322.
  • the heat exchange device 300 may be implemented in various ways according to the design of those skilled in the art to fit a given space, such as circular, oval, square, cross section.
  • first cooling water channel 320 may be provided with a plate, serrated and wavy fins to increase heat exchange performance.
  • the heat exchange device 300 may be configured such that the flow path between the first cooling water channel 320 and the heat medium differs from each other. That is, the heat passage passes through an independent channel and the cooling water in the other space. It may be possible to have a flowing structure or vice versa.
  • FIG 2 and 3 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the first embodiment.
  • the front end header 321 (hereinafter referred to as the first front end header) and the rear end header 322 (hereinafter referred to as the second front end header) may have a cylindrical shape, and each of the front end header 321 may be cylindrical. Can be formed into an open structure.
  • first front end header 321 and the second rear end header 322 may have a first discharge port 321b and a first inlet port 321a at one end thereof.
  • the position of the first discharge port 321b and the first inlet port 321a may be variously implemented, and the number may be formed in plural numbers.
  • first discharge port 321b may be connected to the first heat exchange coolant line 301 and the second heat exchange coolant line 302 to discharge the coolant
  • first inlet port 321a may be the first thermoelectric coolant. It may be connected to the line 420a to introduce the coolant
  • Cooling water may have a structure that is passed toward the first front end header 321.
  • FIG 4 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the first embodiment.
  • the coolant flowing through the first inlet port 321a is distributed on the front surface of the first rear end header 322 and is heat exchanger 300 toward the first front end header 321. It may be discharged through the first discharge port 321b through the inside of the.
  • the heat medium passes through the discharge pipe 10, the flow direction may pass from the first front end header 321 toward the first rear end header 322.
  • the coolant flow may be a general counter flow without return of the coolant.
  • the following includes a partition wall formed radially with respect to the tube inside the front end header and the rear end header, wherein the partition wall is formed at least one at a predetermined interval in the circumferential direction, the front end header and various embodiments in which the coolant flow path that distributes the rear end header may be changed.
  • 5 and 6 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the second embodiment.
  • the front end header and the rear end header have a second front end header 331 in which an inner space is divided into two by partition walls 3a and 3b formed perpendicular to the axial direction at a central portion thereof. ; And a second rear end header 332 having an open structure therein.
  • a second inlet port 331a may be formed at a lower side of the second front end header 331, and a second discharge port 331b may be formed at an upper side thereof.
  • the position of the second discharge port 331b and the second inlet port 331a may be variously implemented, and the number may be formed in plural numbers.
  • FIG. 7 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the second embodiment.
  • the coolant flowing into the second inflow port 331a passes through the second rear end header 332 at the lower portion of the second front end header 331 (see FIG. 5). After flowing to the upper portion of the second front end header 331 (see FIG. 5), the coolant may be discharged through the second discharge port 331b.
  • the heat medium passes through the discharge pipe 10, the flow direction may pass from the second front end header 331 toward the second rear end header 332.
  • the coolant flow according to the second embodiment may be returned to the coolant once in the heat exchange device 300 and more evenly distributed around the inner circumference of the heat exchange device 300.
  • the heat exchanger 300 can be efficiently exhibited in performance to recover the heat from the heat medium.
  • FIG 8 and 9 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the third embodiment.
  • the front end header and the rear end header are formed with partitions 4a and 4b at 7 o'clock and 5 o'clock, and a third front end header 351 having two internal spaces. ; And a third rear end header 352 having two partitions 5a and 5b formed at 5 o'clock and 12 o'clock and divided into two.
  • a third inflow port 351a may be formed at a lower side of the third front end header 351, and a third discharge port 351b may be formed at an upper side of the third rear end header 352.
  • the position of the third discharge port 351b and the third inlet port 351a may be variously performed, and the number may be formed in plural numbers.
  • FIG 10 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the third embodiment.
  • the coolant flowing into the third inflow port 351a is lower than the third rear end header 352 at the lower side of the third front end header 351 (see FIG. 8). 9 and flows from the upper portion (see FIG. 8) of the third front end header 351 to the upper portion (see FIG. 9) of the third rear end header 352, and then the third discharge. Cooling water may be discharged through the port 351b.
  • coolant flow according to the third embodiment may be returned twice in the heat exchanger 300, and more evenly distributed around the inner circumference of the heat exchanger 300.
  • the heat exchanger 300 can be efficiently exhibited in performance to recover the heat from the heat medium.
  • 11 and 12 are cross-sectional views of the header of the heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • the front end header and the rear end header are formed with partition walls 6a, 6b, and 6c at 6, 9, and 12 o'clock directions, and a fourth front end having three internal spaces.
  • a fourth inlet port 371a may be formed below the fourth front end header 371, and a fourth discharge port 371b may be formed above the fourth front end header 371.
  • the position of the fourth discharge port 371b and the fourth inlet port 371a may be implemented in various ways, and the number may be formed in plural numbers.
  • FIG. 13 is a view showing the flow of cooling water in the heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • the coolant flowing into the fourth inflow port 371a is lower than the fourth rear end header 372 at the lower end of the fourth front end header 371 (see FIG. 11). 12), and after passing through the right side (see FIG. 11) of the fourth front end header 371, and passing through the upper side (see FIG. 12) of the fourth rear end header 372,
  • the cooling water flowing into the upper portion of the front end header 372 may be discharged through the fourth discharge port 371b.
  • coolant flow according to the fourth embodiment may be returned three times in the heat exchanger 300 and more evenly distributed around the inside of the heat exchanger 300.
  • the heat exchanger 300 can be efficiently exhibited in performance to recover the heat from the heat medium.
  • front end header and the rear end header of the heat exchanger 300 constituting the present invention wherein the front end header and the rear end header are different in structure from the various embodiments described above. It may be added to a plurality of configurations and can be formed in various locations and a plurality of inlet and outlet ports.
  • the coolant passing through the heat exchanger 300 can be evenly distributed as the flow of the coolant is intentionally changed by separating the internal spaces of the front end header and the rear end header of the heat exchanger 300. You can do that.
  • thermoelectric generator 400 The following describes the detailed configuration of the thermoelectric generator 400, it will be described that can be variously implemented in the first embodiment and the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator according to the first embodiment
  • FIG. 15 is a cross-sectional view in the front direction of the thermoelectric generator according to the first embodiment.
  • thermoelectric generator 400 includes a thermoelectric element 430 having one surface attached to an outer circumferential surface of the discharge pipe 10; And a first thermoelectric coolant channel 440 provided to be in contact with the other surface of the thermoelectric element 430.
  • thermoelectric coolant channels 440 may be connected to each other or may be configured independently.
  • discharge pipe 10 is shown in an octagonal cross section, it may be variously implemented in a circular, polygonal or stacked form.
  • thermoelectric element 430 may be configured to be stacked together with the discharge pipe 10 when the discharge pipe 10 is a stacked type.
  • number and location of the thermoelectric elements 430 may be variously modified.
  • thermoelectric generator 400 may be provided with a heat insulating material (not shown) surrounding the discharge pipe 10 to protect the heat medium.
  • the heat insulator is applied to a portion that does not contact the thermoelectric element 430 on the outer circumferential surface of the discharge pipe 10, may be to reduce the loss of thermal energy.
  • both sides of the thermoelectric element 430 include a high temperature portion and a low temperature portion, a surface close to the heat medium is a high temperature portion, and a surface close to the cooling water is a low temperature portion.
  • the larger the difference in temperature on both sides at this time the larger the amount of power generation.
  • the thermoelectric element 430 may have a different temperature at which maximum performance can be achieved depending on the material, and thus, a temperature difference may also vary.
  • the high temperature limit temperature of the thermoelectric element 430 is affected by the temperature range (300 around the case of the Bi-Te material, the melting point of the solder and the limit temperature of the thermal interface material (TIM)) in which the performance of the device is reduced.
  • the maximum temperature of the high temperature part of the device has a limit
  • the temperature of the low temperature part of the device is determined by the coolant temperature when cooling by using the coolant and is about 80 to 90 or more in consideration of the durability of the heat source 100.
  • the amount of power generated by the thermoelectric element 430 is determined by the difference between the exhaust gas temperature and the coolant temperature, or by the difference between the maximum limit temperature and the coolant temperature of the thermoelectric element 430.
  • the following describes the temperature conditions of the cooling water and the heat medium for various applications of the integrated system of the present invention. To this end, the temperature conditions can be described by dividing into four modes.
  • the temperature condition of the cooling water and the heat medium is a first mode in which the temperature of the cooling water is lower than the target temperature of the cooling water, and the temperature of the heat medium is below the limit temperature of the thermoelectric element 430; A second mode in which the temperature of the cooling water is a cooling water target temperature and the temperature of the heat medium is less than or equal to the limit temperature of the thermoelectric element 430; A third mode in which the temperature of the cooling water is a cooling water target temperature and the temperature of the heat medium is higher than a limit temperature of the thermoelectric element 430; And a fourth mode in which the coolant is lower than the target temperature of the coolant and the temperature of the heat medium is higher than the limit temperature of the thermoelectric element 430.
  • the limit temperature of the thermoelectric element 430 may be different depending on the material of the thermoelectric element 430.
  • the 'cooling water target temperature' means a cooling water temperature in a range that will not decrease in terms of durability and performance of the heat source unit 100, and may include a predetermined range of temperature.
  • the 'limit temperature of the thermoelectric element 430' refers to a maximum temperature that can be efficiently generated in terms of performance and durability of the thermoelectric element 430.
  • the following describes a method of operation of the integrated system which changes the flow of the heat medium and the cooling water in accordance with the conditions of the first to fourth modes described above.
  • thermoelectric generator 400 In the integrated system operation method of the heat exchanger and the thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention, after the coolant is introduced into the thermoelectric generator 400, the cooling water passing through the thermoelectric generator 400 is the heat exchanger Flows into 300. In addition, after the heat medium discharged from the heat source unit 100 flows into the heat exchange device 300 to exchange heat with the cooling water, the heat medium heat exchanged from the heat exchange device 300 flows into the thermoelectric generator 400. Is done.
  • the amount of the heat medium flowing into the heat exchange device 300 may be controlled according to the temperature of the cooling water passing through the thermoelectric generator 400.
  • thermoelectric element by controlling the amount of the cooling water and the heat medium flowing into the heat exchange device 300, through the heat exchange device 300 to increase the temperature of the cooling water to the cooling water target temperature and lower the temperature of the heat medium below the limit temperature of the thermoelectric element Can be.
  • 17 is a configuration diagram of a method for operating a system according to an embodiment of the present invention in a first mode.
  • the cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; Introducing the cooling water in the thermoelectric generator (400) into the heat exchange apparatus (300) through the first thermoelectric generator cooling water line (420a); And introducing coolant in the heat exchanger 300 into the heat source unit 100 through the first heat exchange coolant line 301.
  • the first control means 310 blocks the flow of the heat medium through the discharge pipe 10 in the heat exchange device 300, so that the heat medium passes through the inlet 341.
  • 300 may be introduced into the inside and may be heat-exchanged with the cooling water via the heat exchanger 300, and then discharged through the outlet 342. (See the enlarged view shown in the lower portion of FIG. 17)
  • the heat medium and the cooling water pass through the heat exchange device 300, whereby the cooling water transferred from the thermoelectric generator 400 to the heat exchange device 300 may be heated to increase the temperature.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of a method of operating a system according to an exemplary embodiment of the present invention in a second mode.
  • cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; And introducing coolant in the thermoelectric generator 400 into the heat source part 100 through the second thermoelectric coolant line 420b.
  • the first control means 310 opens the flow of the heat medium through the discharge pipe 10 in the heat exchange device 300, so that the heat medium does not pass through the heat exchange device 300. It may flow into the thermoelectric generator 400.
  • thermoelectric power may be generated in the thermoelectric generator 400 without heat exchange in the heat exchanger 300.
  • the heat medium and the cooling water may selectively and bypass the heat exchange device 300 and the thermoelectric generator 400, or the temperature of the heat medium through the heat exchange device 300 may be adjusted. By lowering below the limit temperature of the thermoelectric power generation through the thermoelectric generator 400 can be made.
  • 19 is a block diagram of a system operating method according to an embodiment of the present invention in a third mode.
  • cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; Cooling water flows into the heat exchange apparatus 300 through the first thermoelectric power cooling water line 420a; And introducing coolant into the heat source part 100 through the first heat exchange coolant line 301.
  • the first control means 310 blocks the flow of the heat medium through the discharge pipe 10 in the heat exchange device 300, so that the heat medium flows through the inlet 341.
  • the heat exchanger may be introduced into the inside of the heat exchanger 300 to exchange heat with the cooling water through the inside of the heat exchanger 300, and then be discharged through the outlet 342.
  • the first embodiment of the third mode lowers the temperature of the heat medium below the limit temperature of the thermoelectric element 430 through the heat exchange device 300, and thermoelectric power generation is performed through the thermoelectric generator 400. Can be done.
  • the temperature of the heat medium may be lowered by adjusting the amount of cooling water flowing into the heat exchange device 300.
  • the first mode flows directly into the heat source unit 100. Can be.
  • FIG. 20 is a configuration diagram of a system operating method according to another embodiment of the present invention in a third mode.
  • cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; Cooling water flows into the heat exchange apparatus 300 through the first thermoelectric power cooling water line 420a; Introducing coolant into the heat dissipation means (200) through the second heat exchange coolant line (302); And introducing coolant into the heat source part 100 through the first heat radiating means cooling water line 220.
  • the first control means 310 blocks the flow of the heat medium through the discharge pipe 10 in the heat exchange device 300, so that the heat medium flows through the inlet 341. ) May be introduced into the inside and may be heat-exchanged with the cooling water via the heat exchanger 300, and then discharged through the outlet 342. (See an enlarged view shown in the lower part of FIG. 20)
  • the second embodiment of the third mode may lower the temperature of the heat medium by adjusting the amount of cooling water flowing into the heat exchange device 300.
  • the heat dissipation means 200 is once again. After lowering the temperature of the cooling water may be introduced into the heat source 100.
  • the second embodiment of the third mode lowers the temperature of the heat medium below the limit temperature of the thermoelectric element 430 through the heat exchange device 300, and the thermoelectric power generation is performed through the thermoelectric generator 400. It may be a mode made.
  • 21 is a configuration diagram of a system operating method according to another embodiment of the present invention in a third mode.
  • cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; And introducing coolant into the heat source part 100 through the second thermoelectric power cooling water line 420b.
  • the third embodiment of the third mode is a heat medium passing through the heat exchange device 300 when the temperature of the heat medium is a level of heat that cannot be adjusted to a temperature range suitable for thermoelectric generation in the heat exchange device 300.
  • the second control means 21 may be passed through the bypass tube 20 to prevent the heat medium from passing through the thermoelectric generator 400.
  • the heat medium when the temperature of the heat medium is a high temperature at a level that cannot be adjusted to a temperature range suitable for thermoelectric power generation, when the embodiment described below is applied, the heat medium may pass into the thermoelectric generator 400. have.
  • thermoelectric generator 16 is a cross-sectional view of a thermoelectric generator according to a second embodiment.
  • the thermoelectric generator 400 includes a high temperature device 450 and a low temperature device 460 each having one surface attached to an outer circumferential surface of each of the discharge pipes 10 separated by a bifurcation.
  • the second thermoelectric power cooling water channel 470 and the third thermoelectric power cooling water channel 480 may be provided to contact the other surfaces of the 450 and the low temperature device 460, respectively.
  • the high temperature device 450 and the low temperature device 460 may be a kind of thermoelectric element 430.
  • the high temperature device 450 may be a high efficiency device at a high temperature
  • the low temperature device 460 may be efficient at a low temperature. It can be a high device.
  • the low temperature device 460 is typically Bi-Te, it can be applied to the present invention.
  • the discharge pipe 10 may be provided with a fourth control means (10a) at a point separated by bifurcated.
  • the fourth control means 10a may be configured as a valve, and may be variously implemented as long as it is a means for controlling the flow of the heat medium in the direction of the high temperature device 450 or the low temperature device 460.
  • the above-described first control means 310, the second control means 21, the third control means 410 and the fourth control means (10a) may be applied to the valve which can be controlled the opening and closing amount, kind can be implemented in various ways.
  • the second embodiment of the thermoelectric generator 400 of the present invention is a system using a low-temperature thermoelectric generator on one side and a high-temperature thermoelectric generator on one side by branching the discharge pipe 10, the temperature conditions of the heat medium
  • the fourth control means (10a) it may be a structure for adjusting the amount of the heat medium is introduced.
  • the thermoelectric generator 400 has a low temperature element 460 in the range in which the heat medium temperature is low or the efficiency of the low temperature element 460 is high through the temperature control function of the heat sink through the heat exchanger 300.
  • Inflow to the high temperature device 450 may be introduced into the high temperature device 450 in a temperature range where the temperature is increased and the efficiency of the high temperature device 450 is relatively higher.
  • thermoelectric generator 400 in the third embodiment of the third mode, a high temperature heat medium passes through the discharge pipe 10 in the direction in which the high temperature device 450 is located to perform thermoelectric power generation. can do.
  • the heat exchanger 300 is bypassed, and the thermoelectric generator 400 is bypassed, or the high temperature device (eg, the fourth control means 10a) is bypassed.
  • the power generation may be performed in the direction 450).
  • FIG. 22 is a configuration diagram of a system operating method according to an embodiment of the present invention in a fourth mode.
  • cooling water of the heat radiating means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat radiating means cooling water line 210; Cooling water flows into the heat exchange apparatus 300 through the first thermoelectric power cooling water line 420a; And introducing coolant into the heat source unit 100 through the first heat exchange coolant line 301, and by controlling the amount of the coolant and the heat medium flowing into the heat exchanger 300, the temperature of the coolant. It is possible to increase the target temperature of the cooling water and lower the temperature of the heat medium below the limit temperature of the thermoelectric element 430.
  • the first control means 310 blocks the flow of the heat medium through the discharge pipe 10 in the heat exchange device 300, so that the heat medium passes through the inlet 341. After entering into the heat exchanger 300 and the heat exchange with the cooling water via the inside, it may be discharged through the outlet 342. (See the enlarged view shown in the lower portion of Figure 22)
  • thermoelectric power through the thermoelectric generator 400 Progress can also be made.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating a method for operating a system according to an embodiment of the present invention when controlling the coolant temperature.
  • the cooling water of the heat dissipation means 200 flows into the thermoelectric generator 400 through the first heat dissipation means cooling water line 210; Cooling water flows into the heat exchange apparatus 300 through the first thermoelectric power cooling water line 420a; Cooling water flows into the heat source unit 100 through the first heat exchange coolant line 301; Including the first heat exchange coolant line 301 is provided with a cooling means 51 on the line, The temperature of the cooling water may be adjusted to flow into the heat source part 100.
  • FIG. 23 illustrates the direction in which the coolant passes through the cooling means 51 toward the heat source part 100
  • the coolant is exchanged through the first thermoelectric power cooling water line 420a.
  • the cooling water is introduced into the heat dissipation means 200 through the second heat exchange cooling water line 302, the temperature is controlled, so that the heat source portion through the second heat dissipation means cooling water line 220. May also flow into (100).
  • the cooling means 51 may be provided with a heat exchanger on the first heat exchange cooling water line 301, a cooling water line having good heat transfer performance, or a means for installing heat dissipation fins inside or outside the line.
  • the cooling means 51 may be applied, and the heat radiating means 200 may also play a role.
  • the heat exchange apparatus 300 serves to maintain the temperature of the cooling water at the cooling water target temperature, and thermoelectric power generation may be performed in the thermoelectric generator 400.
  • thermoelectric generation possibility range is a diagram illustrating a method for operating a system according to an embodiment of the present invention in the case of extending the thermoelectric generation possibility range.
  • the cooling water of the heat dissipation means 200 passes through the first heat dissipation means cooling water line 210. Entering the power generator 400; Cooling water flows into the heat exchange apparatus 300 through the first thermoelectric power cooling water line 420a; Introducing coolant into the heat dissipation means (200) through the second heat exchange coolant line (302); And introducing coolant into the heat source unit 100 through the second heat dissipation means cooling water line 220, including adjusting the size and the fan operation amount of the heat dissipation means (200). It may be configured to intentionally lower the temperature of the cooling water toward 400).
  • thermoelectric generator 400 may have a temperature range in which thermoelectric power generation is possible.
  • the cooling water temperature is intentionally lowered, an additional amount of power generation may be obtained as the temperature difference between the heating medium and the cooling water temperature increases.
  • the coolant having a lower temperature is introduced into the heat source part 100, the durability of the heat source part 100 is affected, so that a part of the coolant is sent to the heat dissipation means 200 or the heat exchange device 300.
  • the amount of power generated can be increased without affecting the heat source part 100 by flowing into the heat source part 100.
  • losses such as increasing the size of the heat dissipation means 200 or increasing the operating RPM of the fan, etc. are generated. Can be.
  • 25 is an exemplary diagram comparing the amount of power generated by the system according to an embodiment of the present invention with the prior art.
  • the horizontal axis represents a temperature difference between the low temperature part and the high temperature part of the thermoelectric element
  • the vertical axis represents a thermoelectric power generation amount.
  • the heat exchanger 300 is called an exhaust heat recovery system (EHRS), but in the present invention, in order to emphasize additional functions in addition to the existing role of the exhaust heat recovery system, a thermal energy management system (TEMS) System).
  • EHRS exhaust heat recovery system
  • TMS thermal energy management system
  • thermoelectric power generation interruption portion of FIG. 25 may be referred to as a thermoelectric power cliff.
  • the thermoelectric power when the temperature of the exhaust gas (heat medium) becomes high, the thermoelectric power may be controlled by the heat exchange apparatus 300 to generate additional thermoelectric power. (Dotted line)
  • the system may be a net gain portion except for additional power generation and the use of the heat exchanger 300 or the use of fans or fans for additional cooling water cooling.
  • the heat medium directed to the thermoelectric generator 400 by the second control unit 21 is externally supplied.
  • the element protection may be performed by bypassing, or may be generated by using the high temperature device 450.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템은, 열원이 통과되는 관으로부터 열이 유통되며, 냉각수가 내부에 유통되는 열교환장치 및 열전발전장치;를 포함하되, 상기 열교환장치 및 열전발전장치는 상기 열원의 흐름 방향을 기준으로 순차적으로 서로 연결되고, 냉각수 및 열원의 온도 조건에 따라 상기 열교환장치에서 냉각수 및 열원의 온도가 조절되어, 상기 열전발전장치의 열전 발전이 가능한 온도 범위를 확장시킨다.

Description

열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템, 및 그 작동 방법
본 발명은 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템, 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
폐열원에 열전소자를 이용한 발전 시스템 즉, 열전발전 시스템에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 차량에서 배기가스의 열에너지를 회수하여 냉각수를 빠르게 데워서 연비 및 배기특성을 향상시키는 열교환장치가 각광받고 있다. 열교환장치는 차량의 초기시동시 또는 냉각수온이 낮을 때만 사용되는 한계가 있으므로, 열교환장치를 열전발전장치와 함께 배치하거나 서로 연결시켜 배치하고자 하는 연구가 있어왔다.
열전발전 시스템의 경우 냉각수가 해당 공간을 지나면서 열전소자를 효율적으로 냉각시키는 것이 중요하며, 특히 열전발전시스템의 성능은 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차로 결정되지만, 한편으로는 열전소자의 소재에 따라 고온부 최대 온도는 한계가 존재한다. 또한, 냉각수의 온도가 낮아지면 엔진의 내구성에 영향을 미칠 수가 있다.
열교환장치의 경우는 배기가스의 열에너지가 냉각수에 효율적으로 전달될 수 있도록 설계되어야 하므로, 경우에 따라서는 열교환 면적을 증가시킬 수 있도록 긴 유로나 방열핀 등으로 구성되어야 한다.
따라서, 두 가지 시스템의 특성을 고려한 통합 시스템이 요구된다.
본 발명의 일 측면은, 초기시동시에만 일시적으로 사용하던 열교환장치를 열전발전장치와 기능을 통합하여 배기열을 효율적으로 활용하며 열교환장치 및 열전발전장치가 상호 보완하여 각각 장치의 성능을 극대화 시킬 수 있는 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템, 및 그 작동 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템은, 열원부로부터 배출된 열매체가 흐르는 배출관; 상기 배출관으로부터 유입되는 열매체를 냉각수와 열교환하는 열교환장치; 상기 배출관에 구비되며, 상기 열매체의 온도에 따라 상기 배출관에서 상기 열교환장치로 유입되는 열매체의 양을 제어하는 제 1 제어 수단; 및 상기 배출관에 연결되는 열전발전장치;를 포함하며, 상기 열교환장치를 통해 열교환된 열매체가 상기 열전발전장치로 유입된다.
상기 배출관은 상기 열매체가 상기 열교환장치로 유입되도록 형성된 유입구 및 상기 열교환장치에 의해 열교환된 열매체가 상기 배출관으로 배출되도록 형성된 배출구를 포함하고, 상기 제 1 제어 수단은 상기 유입구와 배출구 사이에 설치될 수 있다.
상기 배출관에서 상기 열교환장치와 열전발전장치 사이에 구비되어 상기 상기 열전발전장치로 유입되는 열매체의 양을 제어하는 제 2 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수를 순환시키는 방열수단을 더 포함하고, 상기 열전발전장치는 열전 소자의 양 측에 각각 연결되는 상기 열매체와 상기 냉각수와의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
상기 냉각수가 상기 방열수단에서 상기 열전발전장치로 공급되도록 상기 방열수단과 상기 열전발전장치를 연결하는 제 1 방열수단냉각수라인; 및 상기 열전발전장치를 통과한 냉각수가 상기 열교환장치로 공급되도록 상기 열전발전장치와 상기 열교환장치를 연결하는 제 1 열전발전냉각수라인을 더 포함할 수 있다.
상기 열전발전장치를 통과한 냉각수가 상기 열원부로 공급되도록 상기 열전발전장치와 상기 열원부를 연결하는 제 2 열전발전냉각수라인; 상기 열교환장치를 통과한 냉각수가 상기 열원부로 공급되도록 상기 열교환장치와 상기 열원부를 연결하는 제 1 열교환냉각수라인; 및 상기 열원부를 통과한 냉각수가 상기 방열수단으로 공급되도록 상기 열원부와 상기 방열수단을 연결하는 열원부냉각수라인;을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수가 상기 방열수단에서 상기 열원부로 공급되도록 상기 방열수단과 상기 열원부를 연결하는 제 2 방열수단냉각수라인; 및 상기 열교환장치를 통과한 냉각수가 상기 방열수단으로 공급되도록 상기 열교환장치와 상기 방열수단을 연결하는 제 2 열교환냉각수라인;을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 열전발전냉각수라인 및 제 2 열전발전냉각수라인은 상기 열전발전장치에 연결된 배관에서 분기되어 형성되며, 상기 제 1 열전발전냉각수라인 및 제 2 열전발전냉각수라인으로 흐르는 냉각수의 양을 조절하는 제 3 제어 수단을 포함할 수 있다.
상기 열교환장치는 내부에 구비되어 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 채널; 및 전단 및 후단에 각각 구비되되, 상기 냉각수가 유입 또는 배출되고, 상기 냉각수채널과 연결된 전단부 헤더 및 후단부 헤더;를 포함할 수 있다.
상기 배출관은 상기 열교환장치 및 열전발전장치의 내부를 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는 상기 배출관을 기준으로 내부에 방사상으로 형성되는 격벽;을 포함하며, 상기 격벽은 적어도 하나 이상이 형성되어 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더의 사이를 유통하는 냉각수의 유로를 변경시킬 수 있다.
상기 열전발전장치는 상기 배출관의 외주면에 일면이 부착되는 상기 열전소자; 및 상기 열전소자의 타면에 맞닿아 구비된 제 1 열전발전냉각수채널을 포함할 수 있다.
상기 열전발전장치는 내부에서 상기 배출관이 두 개의 관으로 분기되고, 분기된 상기 두 개의 관의 각각 외주면에 일면이 부착된 고온소자 및 저온소자; 및 상기 고온소자 및 저온소자의 각각의 타면과 맞닿는 제 2 열전발전냉각수채널 및 제 3 열전발전냉각수채널을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템 작동 방법은, 배출관에서 배출되는 열매체를 유입하여 냉각수와 열교환하는 열교환장치, 및 상기 열매체와 상기 냉각수와의 온도차이를 이용하여 전기를 생산하는 열전소자가 구비된 열전발전장치를 포함하는 통합 시스템을 작동하는 방법으로서, 상기 냉각수를 상기 열전발전장치에 유입하는 단계; 상기 열전발전장치를 통과한 냉각수를 상기 열교환장치에 유입하는 단계; 상기 열매체를 상기 열교환장치에 유입하여 상기 냉각수와 열교환하는 단계; 및 상기 열교환장치에서 열교환된 열매체를 상기 열전발전장치로 유입하는 단계를 포함하며, 상기 배출관에서 배출되는 열매체의 온도에 따라 상기 열교환장치로 유입하는 열매체의 양을 제어한다.
이 때, 상기 열전발전장치를 통과한 냉각수의 온도에 따라 상기 열교환장치에 유입하는 냉각수의 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템 및 그 작동 방법은, 열교환장치로 배기가스의 열에너지를 회수하여 냉각수의 온도를 높이는 배기열회수 기능에 더하여 열매체 및 냉각수의 온도를 조절하여 열전발전장치의 작동 범위를 확장함으로써, 열전발전장치의 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 열전발전장치와열교환장치의 기능을 통합하여 각각의 성능을 극대화하면서 공간 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 제 1 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 제 2 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 7은 제 2 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 제 3 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 10은 제 3 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 제 4 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 13은 제 4 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 14는 제 1 실시예에 따른 열전발전장치의 단면도이다.
도 15는 제 1 실시예에 따른 열전발전장치의 정면 방향의 단면도이다.
도 16은 제 2 실시예에 따른 열전발전장치의 단면도이다.
도 17은 제 1 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 18은 제 2 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 19는 제 3 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 20은 제 3 모드시 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 21은 제 3 모드시 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 22는 제 4 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 23은 냉각수 온도 조절시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법 구성도이다.
도 24는 열전발전 가능 범위를 확장하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법 구성도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 통한 발전량을 종래와 비교한 예시도이다.
- 부호의 설명 -
10 : 배출관 20 : 바이패스관
10a : 제 4 제어 수단 21 : 제 2 제어 수단
100 : 열원부 200 : 방열수단
300 : 열교환장치 400 : 열전발전장치
310 : 제 1 제어 수단
420a : 제 1 열전발전냉각수라인
420b : 제 2 열전발전냉각수라인
410 : 제 3 제어 수단
110 : 열원부냉각수라인
210 : 제 1 방열수단냉각수라인
220 : 제 2 방열수단냉각수라인
301 : 제 1 열교환냉각수라인
302 : 제 2 열교환냉각수라인
51 : 쿨링수단
341 : 유입구 342 : 배출구
320 : 제 1 냉각수채널
333 : 제 2 냉각수채널
353 : 제 3 냉각수채널
373 : 제 4 냉각수채널
321 : 제 1 전단부 헤더 322 : 제 1 후단부 헤더
331 : 제 2 전단부 헤더 332 : 제 2 후단부 헤더
351 : 제 3 전단부 헤더 352 : 제 3 후단부 헤더
371 : 제 4 전단부 헤더 372 : 제 4 후단부 헤더
3a,3b,4a,4b,5a,5b,6a,6b,6c,7a,7b : 격벽
321a : 제 1 유입포트 321b : 제 1 토출포트
331a : 제 2 유입포트 331b : 제 2 토출포트
351a : 제 3 유입포트 351b : 제 3 토출포트
371a : 제 4 유입포트 371b : 제 4 토출포트
430 : 열전소자
440 : 제 1 열전발전 냉각수채널
450 : 고온소자 460 : 저온소자
470 : 제 2 열전발전 냉각수채널
480 : 제 3 열전발전 냉각수채널
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템은, 열원부(100)로부터 배출된 열매체가 통과되는 배출관(10), 상기 열원부(100)와 이격되어 배치되는 방열수단(200), 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)를 포함하되, 상기 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)는 상기 배출관(10)과 연결되며, 상기 열전발전장치(400)는 상기 열교환장치(300)와 열매체와 냉각수가 서로 유통되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배출관(10)은 상기 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)의 내부를 관통하도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)는 상기 배출관(10)을 흐르는 열매체의 흐름 방향을 기준으로 순차적으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 열매체가 흐르는 상기 배출관(10)의 상류 측에 열교환장치(300)가 결합되고, 상기 배출관(10)의 하류 측에 열전발전장치(400)가 결합될 수 있다. 그러나, 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)의 배치가 도 1에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 열교환장치(300)와 열전발전장치(400)가 병렬로 배출관(10)에 연결될 수도 있고, 열교환장치(300)를 통과한 열매체 및 열교환장치(300)를 통과하지 않은 열매체가 열전발전장치(400)로 유입될 수 있는 배치라면 다양하게 구성될 수 있다.
본 명세서에서, 상류 및 하류는 배출관(10)을 통해 배출되는 열매체의 흐름 방향을 기준으로 정의한다.
여기서, 본 발명이 차량에 적용된 경우를 예로 들면, 상기 열교환장치(300)는 차량의 초기 시동시 차량 내에 열원부(100)의 냉각수온을 높이기 위해 배출관(10)과 결합되는 장치이며, 상기 열전발전장치(400)는 배기열(열매체) 및 냉각수를 통해 내부에 구비된 열전소자(430)가 제벡효과(Seebeck effect)에 의해 발전을 하는 장치로서 종래 공지된 기술이므로 기존의 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)는 이하에서 추가적인 기능에 대한 설명이 기재될 수 있다.
여기서, 상기 배출관(10)은 차량의 배기가스가 배출되는 배기관이 적용될 수 있지만, 그에 한정되는 것은 아니며, 열매체가 통과되는 관이면 다양하게 실시될 수 있다.
또한, 열매체는 배기가스가 적용될 수 있으며, 이하의 설명에서 열매체와 배기가스는 통용되어 기재될 수 있다.
상기 배출관(10)의 내부에는 열매체 유동의 균일성을 높이기 위하여 타공판, 다공성 물질 등이 구비될 수 있다.
상기 열원부(100)는 엔진 또는 내연기관 등의 열매체를 배출하는 수단이면 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 방열수단(200)은 냉각수를 냉각시키고 냉각수를 시스템 내에 순환시키는 구성으로서, 라디에이터 등의 열 방출 수단이면 다양하게 적용될 수 있다.
상기 배출관(10)에는 상기 열교환장치(300)의 내부로 유입되는 열매체의 양을 조절하는 제 1 제어 수단(310)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 배출관(10)에는 상기 열교환장치(300)와 열전발전장치(400) 사이에 위치되어 열매체가 열전발전장치(400)로 유입되지 않도록 열매체를 바이패스 시키는 제 2 제어 수단(21)이 구비될 수 있다.
이 때, 상기 배출관(10)의 일측에는 상기 제 2 제어 수단(21)에 의해 열매체가 열전발전장치(400)로 유입되지 않고 외부로 바이패스 되는 바이패스관(20)이 형성될 수 있다.
상기 제 1 제어 수단(310) 및 제 2 제어 수단(21)은 밸브 등으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 개폐에 따라 열매체의 유로를 변경시킬 수 있는 수단이면 다양하게 실시될 수 있다.
또한, 상기 제 1 제어 수단(310)은 개폐를 통해, 열매체가 상기 열교환장치(300)로 유입되는지 여부를 제어할 수 있을 뿐 아니라, 제 1 제어 수단(310)의 개방량을 조절함으로써, 열매체가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 유입량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제 2 제어 수단(21)은 선택적인 개폐에 의해, 열매체가 바이패스관(20)을 향하는 방향 또는 상기 열전발전장치(400)를 향하는 방향으로 흐르도록 열매체의 유동 방향을 제어할 수 있다.
이 때, 상기 바이패스관(20)은 열전발전장치(400)를 지나쳐서 외부로 통할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은, 방열수단(200)에서 냉각된 냉각수가 배출되어 시스템을 순환한 후 다시 방열수단(200)으로 복귀하게 되는데, 이를 위해 시스템 내에 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 라인을 포함할 수 있다.
보다 상세히, 냉각수가 방열수단(200)에서 열전발전장치(400)로 공급되도록 방열수단(200)과 열전발전장치(400)를 연결하는 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열원부(100) 및 방열수단(200) 간의 냉각수가 유통되는 열원부냉각수라인(110)과 제 2 방열수단냉각수라인(220)을 포함할 수 있다. 여기서 열원부냉각수라인(100)은 열원부(100)를 통과한 냉각수가 방열수단(200)으로 공급될 수 있도록 열원부(100)와 방열수단(200)을 연결할 수 있고, 제 2 방열수단냉각수라인(220)은 냉각수가 방열수단(200)에서 열원부(100)로 공급되도록 방열수단(200)과 열원부(100)를 연결할 수 있다.
또한, 열전발전장치(400)를 통과한 냉각수가 열교환장치(300)로 공급되도록 열전발전장치(400)와 열교환장치(300)를 연결하는 제 1 열전발전냉각수라인(420a), 및 열전발전장치(400)를 통과한 냉각수가 열원부(100)로 공급되도록 열전발전장치(400)와 열원부(100)를 연결하는 제 2 열전발전냉각수라인(420b)을 포함할 수 있다.
또한, 열교환장치(300)를 통과한 냉각수가 열원부(100)로 공급되도록 열교환장치(300)와 열원부(100)를 연결하는 제 1 열교환냉각수라인(301), 및 열교환장치(300)를 통과한 냉각수가 방열수단(200)으로 공급되도록 열교환장치(300)와 방열수단(200)을 연결하는 제 2 열교환냉각수라인(302)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a) 및 제 2 열전발전냉각수라인(420b)은 열전발전장치(400)에 연결된 배관에서 분기되어 형성될 수 있다. 이 때, 배관 내에는 열전발전장치(4000)를 경유한 냉각수를 열교환장치(300) 또는 열원부(100) 방향으로, 선택적으로 분기시키는 제 3 제어 수단(410)이 구비될 수 있다.
상기 제 3 제어 수단(410)은 밸브 등으로 구성되며 개폐에 따라 냉각수의 유로를 변경시킬 수 있는 수단이면 다양하게 실시될 수 있다. 또한, 제 3 제어 수단(410)의 개폐량이 조절됨으로써, 열전발전장치(400)에서 제 1 열전발전냉각수라인(420a) 및 제 2 열전발전냉각수라인(420b)으로 흐르는 냉각수의 양을 조절할 수도 있다.
하기는 상기 열교환장치(300)의 세부 구성을 기술한다.
도 1의 하부에 도시된 확대도를 참조하면, 상기 배출관(10)에는 상기 제 1 제어 수단(310)을 기준으로 상기 배출관(10)의 상류측에 형성되는 유입구(341), 및 하류측에 형성되는 배출구(342)가 형성될 수 있다.
즉, 제 1 제어 수단(310)은 유입구(341)와 배출구(342)의 사이에 구비되는데, 제 1 제어 수단(310)이 배출관(10)을 개방하면, 열매체는 유입구(341)를 통해 열교환장치(300)로 유입되지 않고 배출관(10)을 따라 흐르게 되고, 제 1 제어 수단(310)이 배출관(10)을 폐쇄하면, 열매체는 유입구(341)를 통해 열교환장치(300)로 유입되어 열교환장치(300)에서 냉각수와 열교환한 후에 배출구(342)를 통해 배출관(10)으로 다시 배출된 후 배출관(10)을 따라 흐르게 된다.
뿐만 아니라, 제 1 제어 수단(310)의 개방량을 조절함으로써, 열매체가 유입구(341)를 통해 상기 열교환장치(300)로 유입되는 유입량을 조절할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 유입구(341)와 배출구(342)는 복수로 형성될 수 있다.
열교환장치(300)는, 내부에 구비되어 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(320); 및 상기 열교환장치(300)의 전단 및 후단에 각각 구비되되, 제 1 냉각수채널(320)과 연결된 전단부 헤더(321) 및 후단부 헤더(322);를 포함할 수 있다. 이 때, 전단부 헤더(321) 및 후단부 헤더(322) 중 적어도 하나를 통해 냉각수가 유입 또는 배출될 수 있다.
상기 열교환장치(300)는 단면이 원형은 물론, 타원형, 사각형 등 주어진 공간에 맞게 당업자의 설계에 따라 다양하게 실시될 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각수채널(320) 내부에는 열교환 성능을 높이기 위하여 판형, 톱니형(serrated) 및 물결형(wavy)의 핀 등이 구비될 수 있다.
또한, 상기 열교환장치(300)는 상기 제 1 냉각수채널(320)과 열매체의 유로가 역할을 달리하며 구성될 수 있으며, 즉, 열매체가 통과하는 영역을 독립된 채널로 구성하고 그 외 공간에 냉각수가 흐르는 구조로 구성되거나 그 반대의 경우도 가능할 수 있다.
이하 열교환장치(300)의 제 1 실시예 내지 제 4 실시예를 통해 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더의 다양한 변형례를 설명하며, 그에 따른 냉각수의 흐름을 기술한다.
도 2 및 도 3은 제 1 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 전단부 헤더(321, 이하 제 1 전단부 헤더) 및 후단부 헤더(322, 이하 제 2 전단부 헤더)는 원통형일 수 있으며, 각각 내부가 원주방향으로 전체가 개방된 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전단부 헤더(321) 및 제 2 후단부 헤더(322)는 단부 일측에 제 1 토출포트(321b) 및 제 1 유입포트(321a)가 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 토출포트(321b) 및 제 1 유입포트(321a)의 위치는 다양하게 실시 될 수 있으며, 개수 또한 다수 개로 형성될 수 있다.
또한, 제 1 토출 포트(321b)는 제 1 열교환냉각수라인(301) 및 제 2 열교환냉각수라인(302)과 연결되어 냉각수를 배출시킬 수 있고, 제 1 유입포트(321a)는 제 1 열전발전냉각수라인(420a)과 연결되어 냉각수를 유입시킬 수 있다
상기 제 1 전단부 헤더(321) 및 제 1 후단부 헤더(322)는 내부에 격벽이 없이 내부 공간 전체가 개방됨에 따라, 열교환장치(300)는 상기 제 1 후단부 헤더(322)로 유입된 냉각수가 상기 제 1 전단부 헤더(321)를 향하여 통과되는 구조일 수 있다.
이어서, 도 4는 제 1 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 유입포트(321a)를 통해 유입된 냉각수가 상기 제 1 후단부 헤더(322)의 전면에 분포되고 상기 제 1 전단부 헤더(321)를 향하여 열교환장치(300)의 내부를 통과하여 상기 제 1 토출포트(321b)를 통해 토출될 수 있다.
또한, 열매체는 상기 배출관(10) 내부를 지나며, 흐름 방향은 상기 제 1 전단부 헤더(321)에서 제 1 후단부 헤더(322) 방향으로 통과할 수 있다.
또한, 제 1 실시예에 따르면, 냉각수 흐름은 냉각수의 리턴(return)없이, 일반적인 카운터플로우(counter flow)일 수 있다.
또한, 이하는 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더의 내부에 상기 관을 기준으로 방사상으로 형성되는 격벽을 포함하며, 상기 격벽은 원주방향으로 소정간격을 두고 적어도 하나 이상이 형성됨으로써, 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더를 유통하는 냉각수 유로가 변경될 수 있는 다양한 실시예들을 기술한다.
도 5 및 도 6은 제 2 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는 내부의 중앙부에 축방향과 수직하게 형성된 격벽(3a, 3b)에 의해 내부 공간이 2분할된 제 2 전단부 헤더(331); 및 내부가 개방된 구조의 제 2 후단부 헤더(332);일 수 있다.
상기 제 2 전단부 헤더(331)의 하측은 제 2 유입포트(331a)가 형성되며, 상측은 제 2 토출포트(331b)가 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 2 토출포트(331b) 및 제 2 유입포트(331a)의 위치는 다양하게 실시 될 수 있으며, 개수 또한 다수 개로 형성될 수 있다.
도 7은 제 2 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 제 2 유입포트(331a)로 유입된 냉각수는 상기 제 2 전단부 헤더(331)의 하측부(도 5 참조)에서 상기 제 2 후단부 헤더(332)를 거쳐 다시 상기 제 2 전단부 헤더(331)의 상측부(도 5 참조)로 흐른 후, 상기 제 2 토출포트(331b)를 지나 냉각수가 토출될 수 있다.
또한, 열매체는 상기 배출관(10) 내부를 지나며, 흐름 방향은 상기 제 2 전단부 헤더(331)에서 제 2 후단부 헤더(332) 방향으로 통과할 수 있다.
또한, 제 2 실시예에 따른 냉각수 흐름은 상기 열교환장치(300) 내에서 냉각수가 한번 리턴(return)되며 상기 열교환장치(300)의 내부 둘레에 보다 고르게 분포될 수 있다.
이에 따라, 상기 열교환장치(300)는 열매체로부터 열을 회수하며 작동하기에 성능이 효율적으로 발휘될 수 있다.
도 8 및 도 9는 제 3 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는 내부에 7시와 5시 방향의 격벽(4a, 4b)이 형성되어 내부 공간이 2분할된 제 3 전단부 헤더(351); 및 5시와 12시 방향의 격벽(5a, 5b)이 형성되어 2분할된 제 3 후단부 헤더(352);일 수 있다.
상기 제 3 전단부 헤더(351)의 하측은 제 3 유입포트(351a)가 형성되며, 상기 제 3 후단부 헤더(352)의 상측은 제 3 토출포트(351b)가 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 3 토출포트(351b) 및 제 3 유입포트(351a)의 위치는 다양하게 실시 될 수 있으며, 개수 또한 다수 개로 형성될 수 있다.
도 10은 제 3 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 제 3 유입포트(351a)로 유입된 냉각수는 상기 제 3 전단부 헤더(351)의 하측부(도 8 참조)에서 상기 제 3 후단부 헤더(352)의 하측부(도 9 참조)를 거쳐 다시 상기 제 3 전단부 헤더(351)의 상측부(도 8 참조)에서 상기 제 3 후단부 헤더(352)의 상측부(도 9 참조)로 흐른 후, 상기 제 3 토출포트(351b)를 지나 냉각수가 토출될 수 있다.
또한, 제 3 실시예에 따른 냉각수 흐름은 상기 열교환장치(300) 내에서 냉각수가 두번 리턴(return)되며, 상기 열교환장치(300)의 내부 둘레에 보다 고르게 분포될 수 있다.
이에 따라, 상기 열교환장치(300)는 열매체로부터 열을 회수하며 작동하기에 성능이 효율적으로 발휘될 수 있다.
도 11 및 도 12는 제 4 실시예에 따른 열교환장치의 헤더의 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는 내부에 6시, 9시 및 12시 방향의 격벽(6a, 6b, 6c)이 형성되어 내부 공간이 3분할된 제 4 전단부 헤더(371); 및 내부에 3시와 9시 방향의 격벽(7a, 7b)이 형성되어 내부 공간이 2분할된 제 4 후단부 헤더(372);일 수 있다.
상기 제 4 전단부 헤더(371)의 하측에는 제 4 유입포트(371a)가 형성되며, 상측에는 제 4 토출포트(371b)가 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 4 토출포트(371b) 및 제 4 유입포트(371a)의 위치는 다양하게 실시 될 수 있으며, 개수 또한 다수 개로 형성될 수 있다.
도 13은 제 4 실시예에 따른 열교환장치에서의 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 제 4 유입포트(371a)로 유입된 냉각수는 상기 제 4 전단부 헤더(371)의 하측부(도 11 참조)에서 상기 제 4 후단부 헤더(372)의 하측부(도 12 참조)를 채운 후 다시 상기 제 4 전단부 헤더(371)의 우측부(도 11 참조)를 지나 상기 제 4 후단부 헤더(372)의 상측부(도 12 참조)를 거친 후, 상기 제 4 전단부 헤더(372)의 상측부(도 11 참조)로 흘러온 냉각수는 상기 제 4 토출포트(371b)를 지나 토출될 수 있다.
또한, 제 4 실시예에 따른 냉각수 흐름은 상기 열교환장치(300) 내에서 냉각수가 세번 리턴(return)되며 상기 열교환장치(300)의 내부 둘레에 보다 고르게 분포될 수 있다.
이에 따라, 상기 열교환장치(300)는 열매체로부터 열을 회수하며 작동하기에 성능이 효율적으로 발휘될 수 있다.
이상은, 본 발명을 구성하는 열교환장치(300)의 전단부 헤더 및 후단부 헤더의 예시적인 형태를 설명한 것으로, 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는 이상 설명한 다양한 실시예와는 다른 구조로 격벽이 다수 개 추가되어 다양하게 구성될 수 있으며, 유입포트 및 토출포트를 다양한 위치 및 다수 개로 형성시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 열교환장치(300)의 전단부 헤더와 후단부 헤더의 내부 공간을 분리시켜 냉각수의 흐름을 의도적으로 변경함에 따라 상기 열교환장치(300) 내를 통과하는 냉각수가 고르게 분포될 수 있도록 할 수 있다.
이하는 상기 열전발전장치(400)의 세부 구성을 기술하며, 제 1 실시예 및 제 2 실시예로 다양하게 실시될 수 있음을 설명한다.
도 14는 제 1 실시예에 따른 열전발전장치의 단면도이며, 도 15는 제 1 실시예에 따른 열전발전장치의 정면 방향의 단면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 열전발전장치(400)는 상기 배출관(10)의 외주면에 일면이 부착되는 열전소자(430); 및 상기 열전소자(430)의 타면으로 맞닿아 구비된 제 1 열전발전냉각수채널(440);을 포함할 수 있다.
또한, 도 15를 참조하면, 상기 제 1 열전발전냉각수채널(440)은 서로 연결되어 구성되거나, 독립적으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배출관(10)은 단면이 팔각형으로 도시되고 있지만, 원형, 다각형 또는 적층형으로 다양하게 실시될 수 있다.
이 때, 상기 열전소자(430)는 상기 배출관(10)이 적층형일 경우, 상기 배출관(10)과 함께 적층되어 구성될 수 있다. 또한, 상기 열전소자(430)는 개수 및 위치는 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.
한편, 상기 열전발전장치(400)는 열매체를 보호하기 위해, 상기 배출관(10)을 둘러싸는 단열재(미도시)가 구비될 수 있다. 단, 상기 단열재는 상기 배출관(10)의 외주면에서 상기 열전소자(430)와 닿지 않는 부분에 적용되며, 열 에너지의 손실을 줄이기 위함일 수 있다.
일반적으로, 상기 열전소자(430)는 양면이 고온부와 저온부로 구성되어, 열매체와 가까운 면이 고온부이고, 냉각수와 가까운 면이 저온부이다. 또한, 이 때의 양면 온도차가 클수록 발전량이 많아진다. 그러나, 열전소자(430)는 재료에 따라 각각의 성능을 최대로 발휘할 수 있는 온도가 다르며 그에 따른 온도차도 달라질 수 있다.
열전소자(430)의 고온부 한계 온도는 소자의 성능이 감소되는 온도 범위 (Bi-Te 재료의 경우 300 전후, Solder의 녹는점 및 경계 물질 (TIM; Thermal Interface Materials)의 한계 온도 등에 영향을 받는다. 결과적으로 소자의 고온부 최대 온도는 한계가 존재한다. 소자의 저온부 온도는 냉각수를 이용하여 냉각할 경우, 냉각수 온도에 의해 결정되며 열원부(100)의 내구성 등을 고려하여 약 80~90, 혹은 그보다 약간 낮은 수준으로 결정된다. 따라서 기존의 시스템은 열전소자(430)의 발전량이 배기가스 온도와 냉각수 온도의 차, 혹은 열전소자(430)의 최대 한계 온도와 냉각수 온도의 차로 정해진다.
이하는, 본 발명의 통합 시스템이 다양하게 적용되기 위한 냉각수 및 열매체의 온도 조건에 대해 기술한다. 이를 위해, 상기 온도 조건은 4가지 모드로 구분하여 설명할 수 있다.
상기 냉각수 및 열매체의 온도 조건은 냉각수의 온도가 냉각수목표온도보다 낮으며, 열매체의 온도가 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하인 제 1 모드; 냉각수의 온도가 냉각수목표온도 이며, 열매체의 온도가 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하인 제 2 모드; 냉각수의 온도가 냉각수목표온도 이며, 열매체의 온도가 상기 열전소자(430)의 한계온도 보다 높은 제 3 모드; 및 냉각수가 냉각수목표온도 보다 낮으며, 열매체의 온도가 상기 열전소자(430)의 한계온도 보다 높은 제 4 모드;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열전소자(430)의 한계온도는 상기 열전소자(430)의 재료에 따라 한계온도가 상이할 수 있다.
이 때, 상기 '냉각수목표온도'는 상기 열원부(100)의 내구 및 성능 측면에서 저하되지 않을 범위의 냉각수 온도를 의미하며, 소정 범위의 온도를 포함할 수 있다.
또한, 상기 '열전소자(430)의 한계온도'는 상기 열전소자(430)의 성능 및 내구 측면에서 효율적으로 발전할 수 있는 최대 온도를 의미한다.
이하는, 상기에서 기술된 제 1 모드 내지 제 4 모드의 조건에 따라 열매체와 냉각수의 흐름을 변경시키는 통합 시스템의 작동 방법에 대해 기술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템 작동 방법은, 냉각수를 상기 열전발전장치(400)에 유입한 후, 상기 열전발전장치(400)를 통과한 냉각수를 상기 열교환장치(300)에 유입한다. 또한, 열원부(100)에서 배출되는 열매체를 상기 열교환장치(300)에 유입하여 상기 냉각수와 열교환한 후, 상기 열교환장치(300)에서 열교환된 열매체를 상기 열전발전장치(400)로 유입하는 방식으로 이루어진다.
이 때, 배출관(10)에서 배출되는 열매체의 온도에 따라 상기 열교환장치(300)로 유입하는 열매체의 양을 제어할 수 있다. 또한, 상기 열전발전장치(400)를 통과한 냉각수의 온도에 따라 상기 열교환장치(300)에 유입하는 냉각수의 양을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 열교환장치(300)로 유입되는 냉각수 및 열매체의 양이 조절됨으로써, 상기 열교환장치(300)를 통해 냉각수의 온도를 냉각수목표온도 로 높이고 열매체의 온도를 상기 열전소자의 한계온도 이하로 낮출 수 있다.
도 17은 제 1 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 17을 참조하면, 상기 제 1 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수는 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 상기 열전발전장치(400) 내의 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 및 상기 제 1 열교환냉각수라인(301)을 통해 상기 열교환장치(300) 내의 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 모드시, 상기 제 1 제어 수단(310)이 열교환장치(300) 내부에서 배출관(10)을 통한 열매체의 흐름을 차단함으로써, 열매체가 상기 유입구(341)을 통해 상기 열교환장치(300) 내부로 유입되어 상기 열교환장치(300) 내부를 경유하여 냉각수와 열교환한 후, 상기 배출구(342)를 통해 배출될 수 있다.(도 17의 하부에 도시된 확대도 참조)
이에 따라, 상기 제 1 모드시, 열매체와 냉각수가 상기 열교환장치(300)를 경유함으로써, 상기 열전발전장치(400)에서 상기 열교환장치(300)로 전달된 냉각수가 가열되어 온도가 높아질 수 있다.
도 18은 제 2 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 18을 참조하면, 상기 제 2 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 및 상기 열전발전장치(400) 내의 냉각수가 상기 제 2 열전발전냉각수라인(420b)을 통해 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 모드시, 상기 제 1 제어 수단(310)이 열교환장치(300) 내부에서 배출관(10)을 통한 열매체의 흐름을 개방함으로써, 상기 열교환장치(300)로는 열매체가 경유하지 않고, 상기 열전발전장치(400)로 유입될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 모드시, 열매체 및 냉각수가 상기 열교환장치(300)에서 열교환하지 않고 상기 열전발전장치(400)에서 열전발전이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 제 3 모드시의 3가지 세분화된 실시예를 기술한다.
이 때, 상기 제 3 모드시, 선택적으로 열매체 및 냉각수가 상기 열교환장치(300) 및 열전발전장치(400)를 경유 및 바이패스하거나, 상기 열교환장치(300)를 통해 열매체의 온도를 상기 열전소자의 한계온도 이하로 낮추어서 상기 열전발전장치(400)를 통해 열전발전이 이루어질 수 있다.
도 19는 제 3 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 19를 참조하면, 상기 제 3 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 및 상기 제 1 열교환냉각수라인(301)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 모드시, 상기 제 1 제어 수단(310)이 열교환장치(300) 내부에서 배출관(10)을 통한 열매체의 흐름을 차단함으로써, 열매체가 유입구(341)을 통해 상기 열교환장치(300) 내부로 유입되어 상기 열교환장치(300) 내부를 경유하여 냉각수와 열교환한 후, 상기 배출구(342)를 통해 배출될 수 있다.(도 19의 하부에 도시된 확대도 참조)
이 때, 상기 제 3 모드의 제 1 실시예는 상기 열교환장치(300)를 통해 열매체의 온도를 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하로 낮추며, 상기 열전발전장치(400)를 통해 열전발전이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 3 모드의 제 1 실시예는 상기 열교환장치(300)로 유입되는 냉각수의 양을 조절하여 열매체의 온도를 낮출 수 있다.
또한, 상기 제 3 모드의 제 1 실시예는 상기 열교환장치(300)를 통과한 냉각수의 온도가 상기 열원부(100)의 성능이 저하되는 온도가 아닐 경우에는 상기 열원부(100)로 바로 유입될 수 있다.
도 20은 제 3 모드시 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 20을 참조하면, 상기 제 3 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 상기 제 2 열교환냉각수라인(302)을 통해 냉각수가 상기 방열수단(200)로 유입되는 단계; 및 상기 제 1 방열수단냉각수라인(220)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 모드시, 상기 제 1 제어 수단(310)이 열교환장치(300) 내부에서 배출관(10)을 통한 열매체의 흐름을 차단함으로써, 열매체가 유입구(341)을 통해 상기 열교환장치(300) 내부로 유입되어 상기 열교환장치(300) 내부를 경유하여 냉각수와 열교환한 후, 상기 배출구(342)를 통해 배출될 수 있다.(도 20의 하부에 도시된 확대도 참조)
이 때, 상기 제 3 모드의 제 2 실시예는 상기 열교환장치(300)로 유입되는 냉각수의 양을 조절하여 열매체의 온도를 낮출 수 있다.
또한, 상기 제 3 모드의 제 2 실시예는 상기 열교환장치(300)를 통과한 냉각수의 온도가 상기 열원부(100)의 성능을 저하시킬 만한 고온이면, 상기 방열수단(200)을 거쳐 한번 더 냉각수의 온도를 낮춘 후에 상기 열원부(100)로 유입되도록 할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 3 모드의 제 2 실시예는 상기 열교환장치(300)를 통해 열매체의 온도를 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하로 낮추며, 상기 열전발전장치(400)를 통해 열전발전이 이루어지는 모드일 수 있다.
도 21은 제 3 모드시 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 21을 참조하면, 상기 제 3 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 및 상기 제 2 열전발전냉각수라인(420b)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 3 모드의 제 3 실시예는 열매체의 온도가 상기 열교환장치(300)에서도 열전발전에 적합한 온도 범위로 맞추지 못할 수준의 열량일 경우, 상기 열교환장치(300)을 지나는 열매체를 상기 제 2 제어 수단(21)에 의해 바이패스관(20)으로 통과시켜서 열매체가 상기 열전발전장치(400)로 통과되지 못하도록 할 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열매체의 온도가 열전발전에 적합한 온도 범위로 맞추지 못할 수준의 고온일 때, 이하 설명하는 실시예를 적용하면 열전발전장치(400) 내로 열매체를 통과시킬 수 있다.
이를 설명하기 위한 도 16은 제 2 실시예에 따른 열전발전장치의 단면도이다.
도 16을 참조하면, 상기 열전발전장치(400)는 양갈래로 분리된 배출관(10)의 각각 외주면에 일면이 부착된 고온소자(450) 및 저온소자(460);를 포함하며, 상기 고온소자(450) 및 저온소자(460)의 타면은 각각 제 2 열전발전냉각수채널(470) 및 제 3 열전발전냉각수채널(480)이 맞닿아 구비될 수 있다.
상기 고온소자(450) 및 저온소자(460)는 열전소자(430)의 종류일 수 있으며, 상기 고온소자(450)는 고온에서 효율이 높은 소자이며, 상기 저온소자(460)는 저온에서 효율이 높은 소자일 수 있다.
예를 들어, 상기 저온소자(460)는 대표적으로 Bi-Te이 있으며, 본 발명에서도 적용될 수 있다.
상기 배출관(10)에는 양갈래로 분리되는 지점에 제 4 제어 수단(10a)이 구비될 수 있다.
상기 제 4 제어 수단(10a)은 밸브로 구성될 수 있으며, 상기 고온소자(450) 방향 또는 저온소자(460) 방향으로 열매체의 흐름을 조절할 수 있는 수단이면 다양하게 실시될 수 있다.
여기서, 전술한 제 1 제어 수단(310), 제 2 제어 수단(21), 제 3 제어 수단(410) 및 제 4 제어 수단(10a)은 개폐량이 조절될 수 있는 밸브가 적용될 수 있으며, 밸브의 종류는 다양하게 실시될 수 있다.
따라서, 본 발명의 열전발전장치(400)의 제 2 실시예는 상기 배출관(10)을 분기하여 한 쪽에는 저온용 열전발전소자, 한 쪽은 고온용 열전발전소자를 사용한 시스템으로, 열매체의 온도 조건에 따라 제 4 제어 수단(10a)을 이용하여 열매체가 유입되는 양을 조절하는 구조일 수 있다. 또한, 상기 열전발전장치(400)는 열매체 온도가 저온이거나 상기 열교환장치(300)를 통한 열채메의 온도 조절 기능을 통하여 저온소자(460)의 효율이 높게 나타나는 범위에서는 배기가스가 저온소자(460)로 유입되고, 고온소자(450)의 효율이 상대적으로 더 높아지는 온도범위에서는 배기가스를 고온소자(450) 측으로 유입시킬 수 있다.
또한, 상기 열전발전장치(400)의 제 2 실시예는 상기 제 3 모드의 제 3 실시예에서 고온의 열매체가 상기 고온소자(450)가 있는 방향의 배출관(10)으로 통과되어 열전발전을 수행할 수 있다.
따라서, 상기 제 3 모드의 제 3 실시예는 상기 열교환장치(300)는 바이패스되며, 상기 열전발전장치(400)는 바이패스 되거나, 상기 제 4 제어 수단(10a)을 이용하여 상기 고온소자(450) 방향으로 유도되어 발전이 수행될 수 있다.
도 22는 제 4 모드시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법의 구성도이다.
도 22를 참조하면, 상기 제 4 모드시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 및 상기 제 1 열교환냉각수라인(301)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함하되, 상기 열교환장치(300)로 유입되는 냉각수 및 열매체의 양이 조절됨으로써, 냉각수의 온도를 냉각수목표온도로 높이고 열매체의 온도를 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하로 낮출 수 있다.
또한, 상기 제 4 모드는 상기 제 1 제어 수단(310)이 열교환장치(300) 내부에서 배출관(10)을 통한 열매체의 흐름을 차단함으로써, 열매체가 유입구(341)을 통해 상기 열교환장치(300) 내부로 유입되어 상기 열교환장치(300) 내부를 경유하여 냉각수와 열교환한 후, 상기 배출구(342)를 통해 배출될 수 있다.(도 22의 하부에 도시된 확대도 참조)
이에 따라, 상기 제 4 모드시, 상기 열교환장치(300)를 통해 냉각수의 온도를 높이면서 열매체의 온도는 상기 열전소자(430)의 한계온도 이하로 낮추고, 상기 열전발전장치(400)를 통해 열전발전도 이루어질수 있다.
도 23은 냉각수 온도 조절시 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법 구성도이다.
도 23을 참조하면, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열교환냉각수라인(301)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함하되, 상기 제 1 열교환냉각수라인(301)은 라인 상에 쿨링수단(51)이 구비됨으로써, 냉각수의 온도가 조절되어 상기 열원부(100)로 유입될 수 있다.
또한, 도 23은 냉각수가 상기 쿨링수단(51)을 지나서 상기 열원부(100)로 향하는 방향으로 도시되었지만, 다른 실시예로는, 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계 다음에, 냉각수가 제 2 열교환냉각수라인(302)를 통해 상기 방열수단(200)으로 유입됨으로써 온도가 조절되어 제 2 방열수단냉각수라인(220)을 통해 상기 열원부(100)로 유입될 수도 있다.
상기 쿨링수단(51)은 상기 제 1 열교환냉각수라인(301) 상에 열교환기가 설치되거나, 열전달 성능이 좋은 냉각수 라인을 사용하거나, 라인 내부 또는 외부에 방열핀을 설치하는 수단이 적용될 수 있다.
이는, 상기 열원부(100)로 향하는 냉각수의 온도가 냉각수목표온도 보다 높은 경우에 상기 열원부(100)의 내구 및 성능을 저하시킬 수 있으므로, 냉각수의 온도를 냉각수목표온도 이하로 낮출 필요가 있는데, 이를 위해 상기 쿨링수단(51)이 적용될 수 있으며 상기 방열수단(200)도 그 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 상기 열교환장치(300)는 냉각수의 온도를 냉각수목표온도로 유지시키기 위한 역할을 하며, 상기 열전발전장치(400)에서는 열전발전이 수행될 수 있다.
도 24는 열전발전 가능 범위를 확장하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 작동 방법 구성도이다.
도 24를 참조하면, 냉각수의 온도를 조절하여 상기 열전발전장치(400)의 열전발전량을 증가시킬시, 상기 방열수단(200)의 냉각수가 상기 제 1 방열수단냉각수라인(210)을 통해 상기 열전발전장치(400)로 유입되는 단계; 상기 제 1 열전발전냉각수라인(420a)을 통해 냉각수가 상기 열교환장치(300)로 유입되는 단계; 상기 제 2 열교환냉각수라인(302)을 통해 상기 방열수단(200)으로 냉각수가 유입되는 단계; 및 상기 제 2 방열수단냉각수라인(220)을 통해 냉각수가 상기 열원부(100)로 유입되는 단계;를 포함하되, 상기 방열수단(200)의 크기 및 팬 작동량을 조절하여 상기 열전발전장치(400)로 향하는 냉각수의 온도를 의도적으로 낮추는 구성일 수 있다.
이에 따라, 상기 열전발전장치(400)는 열전 발전이 가능한 온도 범위가 확장될 수 있다.
여기서, 냉각수 온도를 의도적으로 낮추게 되면 열매체의 온도와 냉각수 온도차의 증가에 따라 추가적인 발전량을 얻을 수 있다. 이 때, 낮아진 온도의 냉각수를 상기 열원부(100)로 유입시킬 경우, 상기 열원부(100)의 내구성에 영향을 미치므로 냉각수의 일부를 상기 방열수단(200)로 보내거나 상기 열교환장치(300)로 유입시키는 방법으로 온도를 보상한 후, 상기 열원부(100)로 유입시킴으로써 상기 열원부(100)에 영향을 주지 않고 발전량을 증대시킬 수 있다. 냉각수의 온도를 낮추기 위해서는 상기 방열수단(200)의 크기를 증가시키거나 팬의 작동 RPM 등을 증가시켜야 하는 등의 손실이 발생하므로, 증가된 발전량에서 이러한 손실을 뺀 만큼이 실제의 발전량 이득이 될 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 통한 발전량을 종래와 비교한 예시도이다.
도 25를 참조하면, 가로축은 상기 열전소자의 저온부와 고온부의 온도차이며 세로축은 열전발전량이다. 일반적으로 열교환장치(300)는 배기열회수장치(EHRS, Exhaust Heat Recovery System)로 칭하지만, 본 발명에서는 배기열회수장치의 기존의 역할에 더하여 추가적인 기능을 강조하기 위해 열에너지관리시스템(TEMS, Thermal Energy Management System)으로 칭하였다. 일반적으로, 열전소자(430)의 양면에 열원으로 작동하는 열매체와 냉각수 간에 온도 차이가 있으면, 발전이 이루어지며 온도차가 커질수록 발전량이 증가한다. 기존의 시스템은 열전소자(430)의 내열 한계 온도나 발전 성능 저감 온도에 도달하면 (Bi-Te 소자의 경우 약 300 전후) 소자 보호를 위해 열매체를 바이패스(Bypass)시켜서 발전이 이루어지지 못하도록 하거나 고온용소자로 유입하여 발전이 이루어지도록 할 수 있다. 여기서, 도 25의 열전발전 중단 부분을 열전발전 절벽(TEG cliff)이라 칭할 수 있다. 반면, 본 발명의 시스템은 배기가스(열매체)의 온도가 높아지면 상기 열교환장치(300)에서 배기가스(열매체)의 온도를 제어하여 추가적인 열전발전을 일으킬 수 있다.(점선) 또한, 본 발명의 시스템은 추가 발전과 상기 열교환장치(300)를 사용하는데에 따른 펌프나 추가 냉각수 냉각을 위한 팬 사용 등을 제외한 영역(빗금)이 순수 이득 부분일 수 있다. 단, 배기가스의 열에너지가 상기 열교환장치(300)의 용량을 벗어난 영역에 들어설 경우 배기가스 온도 상승이 불가피하므로 상기 제 2 제어 수단(21)에 의해 상기 열전발전장치(400)로 향하는 열매체를 외부로 바이패스(Bypass)시켜서 소자 보호를 할 수 있거나, 또는, 상기 고온소자(450)를 사용하여 발전할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 열원부로부터 배출된 열매체가 흐르는 배출관;
    상기 배출관으로부터 유입되는 열매체를 냉각수와 열교환하는 열교환장치;
    상기 배출관에 구비되며, 상기 열매체의 온도에 따라 상기 배출관에서 상기 열교환장치로 유입되는 열매체의 양을 제어하는 제 1 제어 수단; 및
    상기 배출관에 연결되는 열전발전장치;
    를 포함하며,
    상기 열교환장치를 통해 열교환된 열매체가 상기 열전발전장치로 유입되는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출관은 상기 열매체가 상기 열교환장치로 유입되도록 형성된 유입구 및 상기 열교환장치에 의해 열교환된 열매체가 상기 배출관으로 배출되도록 형성된 배출구를 포함하고,
    상기 제 1 제어 수단은 상기 유입구와 배출구 사이에 설치되는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출관에서 상기 열교환장치와 열전발전장치 사이에 구비되어 상기 상기 열전발전장치로 유입되는 열매체의 양을 제어하는 제 2 제어 수단을 더 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각수를 순환시키는 방열수단을 더 포함하고,
    상기 열전발전장치는 열전 소자의 양 측에 각각 연결되는 상기 열매체와 상기 냉각수와의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각수가 상기 방열수단에서 상기 열전발전장치로 공급되도록 상기 방열수단과 상기 열전발전장치를 연결하는 제 1 방열수단냉각수라인; 및
    상기 열전발전장치를 통과한 냉각수가 상기 열교환장치로 공급되도록 상기 열전발전장치와 상기 열교환장치를 연결하는 제 1 열전발전냉각수라인을 더 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전발전장치를 통과한 냉각수가 상기 열원부로 공급되도록 상기 열전발전장치와 상기 열원부를 연결하는 제 2 열전발전냉각수라인;
    상기 열교환장치를 통과한 냉각수가 상기 열원부로 공급되도록 상기 열교환장치와 상기 열원부를 연결하는 제 1 열교환냉각수라인; 및
    상기 열원부를 통과한 냉각수가 상기 방열수단으로 공급되도록 상기 열원부와 상기 방열수단을 연결하는 열원부냉각수라인;을 더 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각수가 상기 방열수단에서 상기 열원부로 공급되도록 상기 방열수단과 상기 열원부를 연결하는 제 2 방열수단냉각수라인; 및
    상기 열교환장치를 통과한 냉각수가 상기 방열수단으로 공급되도록 상기 열교환장치와 상기 방열수단을 연결하는 제 2 열교환냉각수라인;을 더 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 열전발전냉각수라인 및 제 2 열전발전냉각수라인은 상기 열전발전장치에 연결된 배관에서 분기되어 형성되며,
    상기 제 1 열전발전냉각수라인 및 제 2 열전발전냉각수라인으로 흐르는 냉각수의 양을 조절하는 제 3 제어 수단을 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환장치는
    내부에 구비되어 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 채널; 및
    전단 및 후단에 각각 구비되되, 상기 냉각수가 유입 또는 배출되고, 상기 냉각수채널과 연결된 전단부 헤더 및 후단부 헤더;를 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배출관은 상기 열교환장치 및 열전발전장치의 내부를 관통하도록 형성되는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더는
    상기 배출관을 기준으로 내부에 방사상으로 형성되는 격벽;을 포함하며,
    상기 격벽은 적어도 하나 이상이 형성되어 상기 전단부 헤더 및 후단부 헤더의 사이를 유통하는 냉각수의 유로를 변경시키는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 열전발전장치는
    상기 배출관의 외주면에 일면이 부착되는 상기 열전소자; 및
    상기 열전소자의 타면에 맞닿아 구비된 제 1 열전발전냉각수채널을 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 열전발전장치는
    내부에서 상기 배출관이 두 개의 관으로 분기되고, 분기된 상기 두 개의 관의 각각 외주면에 일면이 부착된 고온소자 및 저온소자; 및
    상기 고온소자 및 저온소자의 각각의 타면과 맞닿는 제 2 열전발전냉각수채널 및 제 3 열전발전냉각수채널을 포함하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템.
  14. 배출관에서 배출되는 열매체를 유입하여 냉각수와 열교환하는 열교환장치, 및 상기 열매체와 상기 냉각수와의 온도차이를 이용하여 전기를 생산하는 열전소자가 구비된 열전발전장치를 포함하는 통합 시스템을 작동하는 방법으로서,
    상기 냉각수를 상기 열전발전장치에 유입하는 단계;
    상기 열전발전장치를 통과한 냉각수를 상기 열교환장치에 유입하는 단계;
    상기 열매체를 상기 열교환장치에 유입하여 상기 냉각수와 열교환하는 단계; 및
    상기 열교환장치에서 열교환된 열매체를 상기 열전발전장치로 유입하는 단계를 포함하며,
    상기 배출관에서 배출되는 열매체의 온도에 따라 상기 열교환장치로 유입하는 열매체의 양을 제어하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열전발전장치를 통과한 냉각수의 온도에 따라 상기 열교환장치에 유입하는 냉각수의 양을 제어하는,
    열교환장치 및 열전발전장치의 통합 시스템 작동 방법.
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