JP6553947B2 - エンジンの熱電発電システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの熱電発電システムに係り、より詳しくは、エンジンで発生する高温の廃熱を活用して電気エネルギーに変換することにより、内燃機関の燃費を向上させるエンジンの熱電発電システムに関する。

一般に、車両用熱電発電技術は、車両の高温熱源部、すなわち、排気系またはエンジン部などに冷却システムとともに装着し、温度勾配により電子が移動する熱電素子を用いて電気を発生させて燃費を向上させる技術である。
従来の車両用熱電発電システムは、排気管に熱電発電モジュールを装着させて熱電発電を可能にした。
一方、排気管の円形パイプに熱電発電モジュールを取り囲む形態に装着する技術が開発されているが、既存の円形パイプにモジュールを取り囲む形式に装着する場合、エンジン部で発生する最高温の廃熱を用いることに限界があり、また、従来は屈曲のある円形パイプと平面形態のモジュールとの間の装着が容易ではなく、排気管の温度領域が定められると、温度領域に適する熱電発電モジュールのみ使用可能であるため、出力向上に限界があった。

韓国登録特許第１０−１１３８５２６号公報 特開２００６−２２０００５号公報

本発明は、エンジンで発生する高温の廃熱を活用して電気エネルギーに変換することにより、内燃機関の燃費を向上させるエンジンの熱電発電システムの提供を目的とする。

本発明によるエンジンの熱電発電システムは、エンジンに装着される断熱用ヒートプロテクトカバーと、前記ヒートプロテクトカバーの上端に備えられて熱エネルギーを均一に配分する単位ユニットと、を含み、前記単位ユニットは、ホットヒートスプレッダ及びコールドヒートスプレッダからなるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの上部に備えられて熱電発電を可能にする熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの上部に備えられて冷却させる冷却ジャケットと、を含み、前記ヒートプロテクトカバーは、前記エンジンの排気マニホールドに挟まれるように形成され、前記ヒートプロテクトカバーの上端には前記単位ユニットが装着され、前記ヒートプロテクトカバーの熱エネルギーを前記単位ユニットに伝達するバイパス装置が設けられ、前記バイパス装置は、内部構造がヒートパイプからなり、移動可能に備えられる高熱伝導性ピラーと、前記ピラーの上部に備えられるクーリングウォーターと、高圧スチームを介して前記ピラーを上下方向に移動させるコンテナと、を含んで構成され、特定の温度以上では伝導により熱エネルギーを伝達し、それ以下の温度では輻射と対流によって熱エネルギーを伝達することを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の燃費を向上させ、特定の温度以上では伝導により熱を伝達し、それ以下の温度では輻射と対流により熱を伝達して、効率を向上させる効果がある。

本発明のエンジンの熱電発電システムを示す斜視図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのヒートプロテクトカバーを示す図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのバイパス装置のピラーを示す図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのヒートプロテクトカバーのバイパス装置を示す正面図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのヒートプロテクトカバーのバイパス装置を示す側面図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのヒートプロテクトカバーに適用される単位ユニットを示す図である。 本発明のエンジンの熱電発電システムのヒートプロテクトカバーに適用される単位ユニットを示す図である。

本発明について図面を参照して詳しく説明する。
本発明のエンジンの熱電発電システムは、図１から図７に示すように、エンジン１０に装着されるヒートプロテクトカバー１００と、ヒートプロテクトカバー１００に備えられる単位ユニット２００とを含む。
図１及び図２に示すように、ヒートプロテクトカバー１００は、エンジン１０の廃熱を活用した熱電変換モジュールをエンジン部に装着するため、排気マニホールドの高温からワイヤリングを保護するために装着される断熱用部材である。

図６に示すように、単位ユニット２００は、ヒートプロテクトカバー１００の上端に備えられて熱エネルギーを均一に配分する。
このとき、単位ユニット２００はヒートスプレッダ２１０と、熱電発電モジュール２２０と、冷却ジャケット２３０とからなり、ヒートプロテクトカバー１００に締結されて発電システムを稼動できるようにする。
ヒートスプレッダ２１０は下部に備えられ、ホットヒートスプレッダ２１１及びコールドヒートスプレッダ２１２からなり、熱電発電モジュール２２０はヒートスプレッダ２１０の上部に備えられて熱電発電を可能とし、冷却ジャケット２３０は熱電発電モジュール２２０の上部に備えられて冷却させることを可能にする。

一方、従来はアルミニウム二重層でエアをトラップして断熱性能を向上させるカバーを用いたが、本発明のヒートプロテクトカバー１００は平たいアルミニウムの表面にグラファイトシートを含んで熱伝導及び輻射熱の吸収を可能にすることを特徴とする。
このとき、単位ユニット２００は、ヒートプロテクトカバー１００の上部にホットヒートスプレッダ２１１と、グラファイトシートと、熱電発電モジュール２２０と、グラファイトシートと、コールドヒートスプレッダ２１２と、冷却ジャケット２３０とが順次積層されるようにするのが好ましい。
ここで、冷却ジャケット２３０は、Ｕタイプの水冷管が挿入されるようにする。

一方、グラファイトシートは、界面での熱伝達抵抗を最小化し、振動を吸収する用途として挿入され、ヒートスプレッダ２１０は熱電素子に熱が均一に伝達され得るように挿入される層である。
このとき、ヒートスプレッダ２１０と熱電発電モジュール２２０との締結は、熱伝達を最大化するため、最小２００ｐｓｉ以上に加圧して締結されなければならない。
また、本発明で熱電発電モジュール２２０の縁部付近での冷却による不均一温度分布の防止と、ヒートプロテクトカバー１００との締結部の確保とのため、下端のホットヒートスプレッダ２１１の大きさがコールドヒートスプレッダ２１２よりも大きく設計されるようにするのが好ましい。

このとき、排気マニホールドから出る輻射熱によるヒートプロテクトカバー１００の表面温度は運転条件によって異なるが、通常１５００〜４５００ｒｐｍ区間で１５０〜３５０Ｃ程度の範囲を有するようにする。
一方、本発明でヒートプロテクトカバー１００は、エンジン１０の排気マニホールドに挟まれるように形成され、ヒートプロテクトカバー１００の上端には温度によって熱エネルギーを対流／輻射または伝導に転換されるようにし、、ヒートプロテクトカバー１００の上端には単位ユニット２００が装着され、特定の温度以上では伝導により熱エネルギーが伝達され、それ以下の温度では輻射や対流によって熱エネルギーが伝達されることを特徴とする。

図１に示すように、ヒートプロテクトカバー１００と単位ユニット２００とからなる本願発明は、エンジン１０に装着されて排気マニホールドから輻射されて出る熱エネルギーを用いることができるようにする。
このとき、図２に示すように、伝導により熱エネルギーを伝達して熱電発電が可能なヒートプロテクトカバー１００は、上端部と下端集束部が分離されてクランピングされる構造で適用されるようにするのが好ましい。
一方、エンジン１０で発生する排気ガスの場合、触媒活性化温度に影響を大きく及ぼすため、始動後の初期放射が発生する１８７０秒（ＦＴＰモード基準、ｐｈａｓｅ Ｉ）の間熱電システムへの熱移動があってはならず、初期活性化以後は酸化による触媒自体の熱発生で、触媒段入口の排気ガスの温度は４５０度以上を維持しなければならない。

また、本発明でヒートプロテクトカバー１００は、初期始動時にヒートプロテクトカバー１００から放射される熱エネルギーを介して発電システムが駆動及び発電し、伝導を介して熱電出力を向上させるバイパス装置１１０を含むようにすることを特徴とする。
図３から図５に示すように、バイパス装置１１０は内部構造がヒートパイプ（Ｐ）からなり、移動可能に備えられる高熱伝導性ピラー１１１と、ピラー１１１の上部に備えられるクーリングウォーター１１２と、高圧スチームを介してピラー１１１を上下方向に移動させるコンテナ１１３とからなる。
このとき、コンテナ１１３は、コンデンスウォーター（ｗ）が収容された第１チャンバ１１４と、第１チャンバ１１４と連動されてピラー１１１が挿入された第２チャンバ１１５とからなる。

また、コンテナ１１３は、アルミニウムと銅のように高熱伝導性金属で形成され、上段部と下段部には熱接触面積を確保するために正方形でなるのが好ましい。
このとき、コンテナ１１３の上段部は、ピラー１１１の移動時に接触されるＴＥモジュールの面積よりも大きく維持してモジュールの全面積に均一な熱源が供給されるようにするのが好ましい。
一方、本発明の熱発電順序は、エンジン１０の排気マニホールドからヒートプロテクトカバー１００に伝導により熱エネルギーが移動し、低温の環境ではヒートパイプ（Ｐ）の上段部断面から放射される熱エネルギーにより熱電発電がなされ、高温の環境では下段部コンテナ１１３中の流体のＢ．Ｐ以上で高圧のスチームが形成され、これはピラー１１１に熱エネルギーを供給しながら圧力によって熱電発電モジュール２２０のホットサイドに接触されながら発電が行われるようになる。

また、ピラー１１１は、ヒートパイプ（Ｐ）が挿入されて高い熱伝導度（〜５０００Ｗ／ｍＫ）を有し、応答速度が速やかに熱エネルギーを移動させて、高温高圧のスチームは、図５に示すように、一定の高さまで上昇した後、ピラー１１１の下段部の壁面に形成された通路を介して断熱材の壁面が形成された第１チャンバ１１４に移動して凝縮され、凝縮された流体は、第１チャンバ１１４の下段に形成された流路を介して再び下段部コンテナ１１３に移動するようになる。

このとき、流体の流量は、低い温度でも高い圧力を維持できる程度に水位を合わせなければならず、ピラー１１１とモジュール（あるいはホットスプレッダ）との面着を高めるための別途のクランピングが備えられてもよい。
一方、ピラー１１１が接触されるホットヒートスプレッダ２１１とコールドヒートスプレッダ２１２との間に熱電発電モジュール２２０が挿入され、各界面にグラファイトシートを付着させて熱伝達界面抵抗を最小化させることができるようにする。

コールドヒートスプレッダ２１２に冷却ジャケット２３０が付着された単位ユニット２００は、図６及び図７に示すように、バイパス装置１１０と適正な隔離距離を維持して構成され、最終的にヒートプロテクトカバー１００に付着される。
ここで、コンテナ１１３の内部に用いられる流体は、水を用いることを基本として、伝導される熱量とモジュールの耐久性を考慮して他の流体が適用されてもよい。

このように、本発明は、エンジン１０に装着される断熱用ヒートプロテクトカバー１００と、ヒートプロテクトカバー１００の上端に備えられて熱エネルギーを均一に配分する単位ユニット２００とからなり、エンジン１０の排気マニホールドの上端に装着されて排気熱からワイヤリングを保護するために装着されるヒートプロテクトカバー１００を用いて、排気マニホールドから捨てられる熱エネルギーを吸収して発電させ、触媒に影響を与えることなく排気マニホールドから捨てられる廃熱を用いることにより内燃機関の燃費を向上させて、特定の温度以上では伝導により熱を伝達し、それ以下の温度では輻射と対流によって熱を伝達するようにして効率性を増大させ得るようにする。

以上のように、本発明は、好ましい実施例を図によって説明したが、本発明は前述した特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１０ エンジン
１００ ヒートプロテクトカバー
２００ 単位ユニット
２１０ ヒートスプレッダ
２２０ 熱電発電モジュール
２３０ 冷却ジャケット

Claims (6)

1. エンジンに装着される断熱用ヒートプロテクトカバーと、
   前記ヒートプロテクトカバーの上端に備えられて熱エネルギーを均一に配分する単位ユニットと、を含み、
   前記単位ユニットは、
   ホットヒートスプレッダ及びコールドヒートスプレッダからなるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの上部に備えられて熱電発電を可能にする熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの上部に備えられて冷却させる冷却ジャケットと、を含み、
   前記ヒートプロテクトカバーは、前記エンジンの排気マニホールドに挟まれるように形成され、前記ヒートプロテクトカバーの上端には前記単位ユニットが装着され、前記ヒートプロテクトカバーの熱エネルギーを前記単位ユニットに伝達するバイパス装置が設けられ、
   前記バイパス装置は、内部構造がヒートパイプからなり、移動可能に備えられる高熱伝導性ピラーと、前記ピラーの上部に備えられるクーリングウォーターと、高圧スチームを介して前記ピラーを上下方向に移動させるコンテナと、を含んで構成され、特定の温度以上では伝導により熱エネルギーを伝達し、それ以下の温度では輻射と対流によって熱エネルギーを伝達することを特徴とするエンジンの熱電発電システム。
2. 前記ヒートプロテクトカバーは、平たいアルミニウムの表面にグラファイトシートを含んで熱伝導及び輻射熱の吸収を可能にすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの熱電発電システム。
3. 前記単位ユニットは、前記ホットヒートスプレッダと、前記グラファイトシートと、前記熱電発電モジュールと、前記グラファイトシートと、前記コールドヒートスプレッダと、前記冷却ジャケットとの順に積層されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの熱電発電システム。
4. 前記冷却ジャケットは、Ｕタイプの水冷管が挿入されることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの熱電発電システム。
5. 前記コンテナは、
   コンデンスウォーターが収容された第１チャンバと、
   前記第１チャンバと連動されて前記ピラーが挿入された第２チャンバと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの熱電発電システム。
6. 前記ピラーが接触される前記ホットヒートスプレッダと前記コールドヒートスプレッダとの間に前記熱電発電モジュールが挿入され、各界面に前記グラファイトシートを付着させて熱伝達界面抵抗を最小化することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの熱電発電システム。
   

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