(57)【要約】【課題】加熱部及び冷却部からなる熱交換構造を改善して、発電効率を極大化することができる自動車用積層型熱電発電装置を提供する。【解決手段】排気ガス入口パイプと排気ガス出口パイプとの間に、第１熱電素子と第２熱電素子を内装した複数の単位体モジュールの集合体である熱電発電ユニットが取り付けられ、前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールの上部に冷却水入口が形成され、下部に冷却水入口側封鎖板が設けられ、前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールの下部に冷却水出口が形成され、上部に冷却水出口側封鎖板が設けられ、前記単位体モジュールの左右側に前記排気ガス入口パイプに流入された排気ガスが流動する１対の排気ガス流動路が形成され、前記単位体モジュールの上下側に前記冷却水入口に流入された冷却水が流動する１対の冷却水流動路が形成される、熱電発電装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車用熱電発電装置であって、
排気ガス入口パイプと排気ガス出口パイプとの間に取り付けられる複数の単位体モジュールを集合させた熱電発電ユニットを含み、
前記熱電発電ユニットは、
前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールに冷却水入口が形成され、前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールの下部に冷却水出口が形成され、且つ、
前記排気ガス入口パイプに流入された排気ガスと前記冷却水入口に流入された冷却水とが互いに直交する方向に流動してなる排気ガスと冷却水との熱交換に応じて電位差を発生させる第１熱電素子と第２熱電素子を内装する、ことを特徴とする自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項２】
前記単位体モジュールの左右側に、前記排気ガス入口パイプに流入された排気ガスが流動する１対の排気ガス流動路が形成され、
前記単位体モジュールの上下側に、前記冷却水入口に流入された冷却水が流動する１対の冷却水流動路が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項３】
前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールに冷却水入口側封鎖板が設けられ、
前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールに冷却水出口側封鎖板が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱電発電ユニットの前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールの一側に排気ガス出口が形成され、その他側にバルブが取り付けられ、
前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールの一側に排気ガス入口が形成され、その他側に排気ガス封鎖板が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項５】
前記単位体モジュールは、
第１板、第２板、第３板、および第４板が互いに順次結合されてなり、
前記第１板は、左右側に排気ガスが流動する１対の第１板排気ガス通孔が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第１板冷却水通孔が形成され、
前記第２板は、左右側に排気ガスが流動する１対の第２板排気ガス通孔が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第２板冷却水通孔が形成され、
前記第３板は、左右側に排気ガスが流動する１対の第３板排気ガス通孔が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第３板冷却水通孔が形成され、
前記第４板は、左右側に排気ガスが流動する１対の第４板排気ガス通孔が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第４板冷却水通孔が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項６】
前記第１熱電素子は前記第２板と第３板との間に付着され、
前記第２熱電素子は前記第４板の表面に付着されることを特徴とする、請求項５に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【請求項７】
前記単位体モジュールの第１板、第２板、第３板、および第４板は溶接方式によって付着されることを特徴とする、請求項５に記載の自動車用積層型熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置に関し、より詳しくは、排気ガス入口パイプと排気ガス出口パイプとの間に、第１熱電素子と第２熱電素子を内装した複数の単位体モジュールの集合体である熱電発電ユニットが取り付けられ、前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールの上部に冷却水入口が形成され、下部に冷却水入口側封鎖板が設けられ、前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールの下部に冷却水出口が形成され、上部に冷却水出口側封鎖板が設けられ、前記単位体モジュールの左右側に前記排気ガス入口パイプに流入された排気ガスが流動する１対の排気ガス流動路が形成され、前記単位体モジュールの上下側に前記冷却水入口に流入された冷却水が流動する１対の冷却水流動路が形成されることを特徴とする自動車用積層型熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、熱電発電装置（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、金属または半導体である加熱素子と冷却素子の両端に温度差を与える場合、加熱素子と冷却素子との間に発生する電位差を利用して電気エネルギーを得る装置であり、機械的な駆動部を設けることなく熱を電気に直接的に変換することができるという長所がある。
【０００３】
このような熱電発電装置は、産業用ボイラーの排気ガス設備、僻地用電源施設に応用されており、最近では、ゴミ焼却炉の廃熱利用システム、地熱発電、海洋温度差発電などにもその適用が検討されている。
【０００４】
一方、自動車において、電力を供給するために用いられる電力発生装置であるエンジン駆動交流発電機（別名、オルタネータ（ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）という）は、その効率が約３３％程度に過ぎないだけでなく、車両の所要電力が増加すると軸動力を増大させなければならないため、軸動力損失も増加し、高い燃料消耗およびそれによる公害排出物が増大するという短所がある。
【０００５】
前記オルタネータの駆動に消費されるエネルギーは車両の運転状態および電力使用状態に応じて変化するが、電力使用の少ない昼間の一般運転時にも総投入エネルギーの数パーセントを消費するため、エンジンの排気熱を回収発電させることができる熱電発電装置を提供すれば燃費の向上を期待することができる。
【０００６】
したがって、このように自動車に用いることができる熱電発電装置が従来の大韓民国特許公開第１０−２０１２−８８９６号および大韓民国特許公開第１０−２０１０−１１２０３９号に公知されている。
【０００７】
このような従来の自動車用熱電発電装置は、排気ガスと熱交換を行って熱電モジュールの高温端を加熱する加熱部、複数の熱電半導体からなる熱電モジュール、熱電モジュールの低温端を冷却する冷却部、および排気熱回収装置で構成され、エンジンの排気熱から得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。
【０００８】
図１は熱電発電装置に用いられる熱電モジュールの概念を示す模式図であり、Ｐ型およびＮ型導体または半導体を連結し、一側は高温、他側は低温の熱源に設定した時に発生する熱起電力によって電流を流れるようにした回路であり、このような熱電モジュールは１個当たり約２Ｗ〜４Ｗの出力を発生することができる。
【０００９】
しかし、このような熱電モジュールの発電量を増大させるためには、加熱部と冷却部の温度差を極大化しなければならないが、従来の自動車用熱電発電装置は、加熱部および冷却部の構造上の効率性が低いため、高温端と低温端の温度差が小さいという問題点に直面している現状である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記のような従来の諸問題点を解消するために導き出された本発明による自動車用積層型熱電発電装置は、加熱部および冷却部からなる熱交換構造を改善して、熱電発電装置の発電効率を極大化することができる熱電発電装置の構成を提供することに本発明の技術的な課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記のような技術的課題を達成するための本発明による自動車用積層型熱電発電装置の構成は、排気ガス入口パイプと排気ガス出口パイプとの間に、第１熱電素子と第２熱電素子を内装した複数の単位体モジュールの集合体である熱電発電ユニットが取り付けられ、前記排気ガス出口パイプ方向への最外側単位体モジュールの上部に冷却水入口が形成され、下部に冷却水入口側封鎖板が設けられ、前記排気ガス入口パイプ方向への最外側単位体モジュールの下部に冷却水出口が形成され、上部に冷却水出口側封鎖板が設けられ、前記単位体モジュールの左右側に前記排気ガス入口パイプに流入された排気ガスが流動する１対の排気ガス流動路が形成され、前記単位体モジュールの上下側に前記冷却水入口に流入された冷却水が流動する１対の冷却水流動路が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
前記のような構成を有した本発明による自動車用積層型熱電発電装置の効果は次の通りである。
【００１３】
第１に、本発明による熱電発電装置の熱電発電ユニットは、数十個の単位体モジュールが積層された構造をなすことにより、制限された空間で効率的に高温部と低温部の通路を構成し、熱電素子の適用面積を増大させて熱電発電量を向上できるという長所がある。
【００１４】
第２に、本発明による熱電発電装置の熱電発電ユニットは、単位体モジュールを基本単位としているため、熱電発電ユニットに用いられる単位体モジュールの数量を調節して、自動車のシャーシのレイアウトの制約事項やエンジンの出力量の変化に対して適宜に対応できるという効果がある。
【００１５】
第３に、本発明による熱電発電装置の熱電発電ユニットの単位体モジュールは、各単位体モジュールを別途の気密および連結部材を使うことなく溶接方式によって一体に組み立てる構造であるため、組み立てバラツキを減少させ、生産性を向上させるという効果がある。
【００１６】
第４に、本発明による熱電発電装置の熱電発電ユニットの単位体モジュールは、同一の形状と個数を有した部品が繰り返し組み立てられる構造であって、部品の供給体系が単純化し、メンテナンスが容易であるために大量生産に好適であり、さらには、熱電発電装置の構造上の強度が良好な効果を得ることができる非常に進歩した発明である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】熱電モジュールの概念を示す模式図である。
【図２】本発明による熱電発電装置の斜視図である。
【図３】本発明による熱電発電装置の排気ガス入口パイプおよび出口パイプが分離した状態の斜視図である。
【図４】本発明による熱電発電装置の単位体モジュールの斜視図である。
【図５】本発明による熱電発電装置の単位体モジュールの分解斜視図である。
【図６】本発明による熱電発電装置の一部切開斜視図である。
【図７】本発明による熱電発電装置の作動を示す一部切開部の拡大斜視図である。
【図８】本発明による熱電発電装置の作動を示す断面図である。
【図９】本発明による熱電発電装置の熱交換を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明による自動車用積層型熱電発電装置の構成を詳細に説明する。
但し、開示された図面は当業者に本発明の思想が充分に伝えられるようにするための例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下にて提示される図面に限定されず、他の態様で具体化されることもできる。
【００１９】
また、本発明の明細書に用いられる用語において、他の定義がなければ、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者が通常に理解している意味を有し、下記の説明および添付図面で本発明の要旨を不明瞭にする可能性のある公知機能および構成に関する詳細な説明は省略する。
【００２０】
図２は本発明による熱電発電装置の斜視図であり、図３は本発明による熱電発電装置の排気ガス入口パイプおよび出口パイプが分離した状態の斜視図である。
図２および図３を参照すれば、本発明による熱電発電装置１は、排気ガスが流入される排気ガス入口パイプ２と排気ガスが排出される排気ガス出口パイプ３との間に取り付けられた熱電発電ユニット１０を含む。
【００２１】
前記熱電発電ユニット１０の出口パイプ３方向への最外側単位体モジュール１００の上部に冷却水入口４が形成され、下部に冷却水入口側封鎖板６ａが設けられ、図７に示すように、入口パイプ２方向への最外側単位体モジュール１００の下部に冷却水出口５が形成され、上部に冷却水出口側封鎖板６ｂが設けられる。
【００２２】
また、前記熱電発電ユニット１０の出口パイプ３方向への最外側単位体モジュール１００の一側に排気ガス出口８が形成され、他側に前記排気ガス入口パイプ２に流入された排気ガスの排出を制御するバルブ２０が取り付けられる。
また、図７に示すように、入口パイプ２方向への最外側単位体モジュール１００の一側に排気ガス入口７が形成され、他側に排気ガス封鎖板９が設けられる。
【００２３】
このような本発明による熱電発電ユニット１０は、排気ガス入口パイプ２に流入された排気ガスが排気ガス出口パイプ３を通して外部に排出され、冷却水は冷却水入口４から冷却水出口５に向かって流動する過程を通じて、エンジンから発生した排気熱を有した排気ガスと冷たい冷却水との熱交換が行われる。
【００２４】
また、このような熱交換によって熱電発電ユニット１０に内装された金属または半導体からなる第１熱電素子１７０と第２熱電素子１７１の両端に温度差が与えられ、加熱した熱電素子と冷却した熱電素子との間に発生した電位差によって電気エネルギーが発生する。
【００２５】
本発明による熱電発電ユニット１０は、前記第１熱電素子１７０と第２熱電素子１７１を内装した複数の単位体モジュール１００の集合体であり、図４は前記単位体モジュール１００の構成を示す斜視図であり、図５は前記単位体モジュール１００の分解斜視図である。
【００２６】
図４および図５を参照すれば、前記単位体モジュール１００は、第１板１１０の正面に第２板１２０が付着され、第２板１２０の正面に第３板１３０が付着され、第３板１３０の正面に第４板１４０が付着され、第１板１１０、第２板１２０、第３板１３０、および第４板１４０が互いに順次結合してなる単位体モジュール１００である。
【００２７】
前記単位体モジュール１００は、左右側に排気ガスが流動する１対の排気ガス流動路１５０を形成し、上下側に冷却水が流動する１対の冷却水流動路１６０を形成する。
【００２８】
より詳細に説明すると、前記単位体モジュール１００の第１板１１０は、左右側に排気ガスが流動する１対の第１板排気ガス通孔１１１，１１２が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第１板冷却水通孔１１３，１１４が形成される。
【００２９】
また、前記単位体モジュール１００の第２板１２０は、左右側に排気ガスが流動する１対の第２板排気ガス通孔１２１，１２２が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第２板冷却水通孔１２３，１２４が形成される。
【００３０】
なお、前記単位体モジュール１００の第３板１３０は、左右側に排気ガスが流動する１対の第３板排気ガス通孔１３１，１３２が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第３板冷却水通孔１３３，１３４が形成される。
【００３１】
また、前記単位体モジュール１００の第４板１４０は、左右側に排気ガスが流動する１対の第４板排気ガス通孔１４１，１４２が形成され、上下側に冷却水が流動する１対の第４板冷却水通孔１４３，１４４が形成される。
【００３２】
前記第１板１１０と第２板１２０との付着は、好ましくは、別途の気密および連結部材を使うことなく、溶接方式によって付着させる。このような溶接方式による付着は、前記第２板１２０と第３板１３０との付着、および第３板１３０と第４板１４０との付着にも同様に行われることが好ましい。
【００３３】
また、前記第２板１２０と第３板１３０との間に金属または半導体からなる第１熱電素子１７０が付着される。
それと共に、前記第４板１４０の表面に金属または半導体からなる第２熱電素子１７１が付着されるが、前記第４板１４０の表面に付着された第２熱電素子１７１は、前記第４板１４０の正面に結合され、他の単位体モジュール１００の第１板１１０の背面と接触するようになる。
【００３４】
したがって、上記のように形成される本発明による単位体モジュール１００の第１板１１０、第２板１２０、第３板１３０、および第４板１４０が結合されると、これらの各々の排気ガス通孔１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２，１４１，１４２が互いに重畳して単位体モジュール１００の１対の排気ガス流動路１５０を形成し、これらの各々の冷却水通孔１１３，１１４，１２３，１２４，１３３，１３４，１４３，１４４が互いに重畳して単位体モジュール１００の１対の冷却水流動路１６０を形成するようになる。
【００３５】
上記のように構成される本発明による単位体モジュール１００は、図６の本発明による熱電発電装置の一部切開斜視図および図７の本発明による熱電発電装置の作動を示す一部切開部の拡大斜視図に示すように、排気ガス入口パイプ２から流入された排気ガスは、入口パイプ２方向への最外側単位体モジュール１００の一側排気ガス通孔は排気ガス封鎖板９によって閉鎖されているため、その他側の排気ガス入口７に流入され、各単位体モジュール１００の排気ガス流動路１５０を通して排気ガス出口パイプ３に向かって流動する。
【００３６】
それと共に、冷却水は、出口パイプ３方向への最外側単位体モジュール１００の下部に形成された冷却水通孔は冷却水入口側封鎖板６ａによって閉鎖されているため、その上部に形成された冷却水入口４に流入され、各単位体モジュール１００の冷却水流動路１６０を通して冷却水出口５に向かって流動する。この時、前記入口パイプ２方向の最外側単位体モジュール１００の上部に形成された冷却水通孔は冷却水出口側封鎖板６ｂによって閉鎖されているため、その下部に形成された冷却水出口５へのみ冷却水が排出されるようになる。
【００３７】
したがって、図８の単位体モジュール１００の断面図に示すように、冷却水入口４に流入された冷却水は単位体モジュール１００の冷却水流動路１６０を通して各単位体モジュール１００の第１板１１０と第２板１２０との間に流入され、排気ガス入口７に流入された排気ガスは単位体モジュール１００の第３板１３０と第４板１４０との間に流入されるため、前記冷却水流動路１６０を通して縦方向に流動する冷却水と、前記排気ガス入口７に流入されて横方向に流動し、排気熱を有した排気ガスとが、互いに直交して冷却水と排気ガスとの熱交換がより活発になり、このような排気ガスと冷却水との活発な熱交換によって、第２板１２０と第３板１３０との間に付着された第１熱電素子１７０の両端に温度差がより大きく与えられ、第４板１３０とまた他の単位体モジュール１００の第１板１１０’との間に付着された第２熱電素子１７１の両端に温度差がより大きく与えられることにより、加熱した熱電素子と冷却した熱電素子との間に電位差の発生が大きく形成され、電気エネルギーの生成がより効率的に行われるようになる。
【００３８】
一方、本発明による実施形態によれば、本発明による熱電発電ユニット１０の排気ガス出口パイプ３方向の最外側に位置した単位体モジュール１００の他側にバルブ２０が取り付けられる。
【００３９】
前記バルブ２０は、図９の上段（ａ）に示すように、バルブ２０が閉鎖される場合、排気ガス入口パイプ２に流入された排気ガスがバルブ２０によって排出されず、排気ガス出口８を通してのみ排出される過程で上述したような冷却水との熱交換を介した熱電発電が行われる。
【００４０】
一方、図９の下段（ｂ）に示すように、バルブ２０が開放される場合、排気ガス入口パイプ２に流入された排気ガスが開放された状態のバルブ２０を通過するようになり、それと共に排気ガス出口８を通しても排出されることにより、熱電発電ユニット１０の熱電発電が一部分制限されるバイパス（ｂｙｐａｓｓ）運転が行われ、このようなバイパス運転は、熱電発電を制限することによって高負荷走行に応じた熱電素子の過熱を防止するために実施される。
【符号の説明】
【００４１】
１  ・・・本発明による熱電発電装置
２  ・・・排気ガス入口パイプ
３  ・・・排気ガス出口パイプ
４  ・・・冷却水入口
５  ・・・冷却水出口
６ａ  ・・・冷却水入口側封鎖板
６ｂ  ・・・冷却水出口側封鎖板
７  ・・・排気ガス入口
８  ・・・排気ガス出口
９  ・・・排気ガス封鎖板
１０  ・・・熱電発電ユニット
２０  ・・・バルブ
１００  ・・・単位体モジュール
１１０  ・・・第１板
１１１、１１２  ・・・第１板排気ガス通孔
１１３、１１４  ・・・第１板冷却水通孔
１２０  ・・・第２板
１２１、１２２  ・・・第２板排気ガス通孔
１２３、１２４  ・・・第２板冷却水通孔
１３０  ・・・第３板
１３１、１３２  ・・・第３板排気ガス通孔
１３３、１３４  ・・・第３板冷却水通孔
１４０  ・・・第４板
１４１、１４２  ・・・第４板排気ガス通孔
１４３、１４４  ・・・第４板冷却水通孔
１５０  ・・・排気ガス流動路
１６０  ・・・冷却水流動路
１７０  ・・・第１熱電素子
１７１  ・・・第２熱電素子
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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