[논문]자동차 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템의 성능에 관한 연구

이대웅

doi:10.6110/kjacr.2014.26.7.329

자동차 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템의 성능에 관한 연구
An Experimental Study on Thermoelectric Generator Performance for Waste Coolant Recovery Systems in Vehicles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.7, 2014년, pp.329 - 334

이대웅 (한라비스테온공조 연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study indicated the possibility of energy regeneration from waste coolant heat, by using thermoelectric generation integrated with heat pipe. The internal combustion engine rejects more than 60% wasteful energy to the atmosphere by heat. The thermoelectric generator has recently been studied, to convert the energy from engine waste heat into electricity. For coolant waste heat recovery, a thermoelectric generator was investigated, to find out the possibility of vehicular application. Performance characteristics were conducted with various test conditions of coolant temperature, coolant mass flow rate, air temperature, and air velocity, with the thermoelectric generator installed either horizontally or vertically. Experimental results show that the electric power and conversion efficiency increases according to the temperature difference between the hot and cold side of the thermoelectric generator, and the coolant flow rate of the hot side heat exchanger. Performance improvement can be expected by optimizing the heat pipe design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁹⁾은 진동형 히트파이프의 형태에 따라 배기 폐열의 회수 성능에 대하여 연구를 진행하였고, Lee et al.⁽¹⁰⁾은 전자기기의 냉각을 위하여 소형 진동형 히트 파이프를 이용하여 열전특성과 성능을 고찰하여 냉각 장치로써의 적용가능성을 살펴보았다.
(5)은 차량에서 엔진 냉각수 폐열로 버려지는 에너지 회수에 대하여 연구하였다. 열전발전장치의 고온부(hot plate)와 저온부(cold plate)에 각각 0℃와 70℃의 냉각수가 흐르게 하고 각 연결부는 히트파이프로 연결하여 입력전압과 저온부의 온도를 변화하면서 해석을 하였다.
본 연구에서는 차량의 라디에이터에서 냉각수 폐열로 버려지는 열에너지를 회수하기 위하여 열전발전 모듈에 히트파이프를 적용하여 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템을 제작하였다. 제작된 열전발전 시스템은 냉각수 온도와 유량, 히트파이프에 설치된 냉각핀으로 불어오는 공기온도와 속도를 변경하면서, 성능에 미치는 영향을 살펴보았고, 적용 타당성에 대하여 검토하였다.
차량에서 냉각수로 버려지는 폐열을 회수하기 위하여 히트파이프를 이용한 열전발전 시스템을 제작하여 성능에 영향을 미치는 인자들을 살펴보았다. 열전달 향상을 위하여 사용한 히트파이프는 충분한 열량을 제거하기 위해서는 용량과 수량 등에 대하여 향후 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템 설계 시 재검토가 필요할 것이다.
차량에서 라디에이터에서 버려지는 냉각수 폐열을 회수하는 열전발전 시스템에 대하여 연구를 하였다. 고온부는 차량 엔진의 뜨거운 물이 통과하고, 저온부는 히트파이프에 핀을 부착하여 공랭식으로 제작하여 냉각수온과 유량, 공기측의 온도와 풍속을 변경하면서 열전발전 시스템의 발전량과 효율을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

(6)은 열전발전 시스템에서 저온부의 열원을 외부로 이동하여 냉각하기 위한 기술의 하나로 루프형 열사이폰을 적용한 열교환 냉각장치를 적용하여 가능성을 평가하였다.
(7)은 열전발전 시스템에서 자동차에서 나오는 배기열을 효율적으로 회수하기 위하여 열전달 효과가 큰 히트파이프를 전열면적의 극대화를 위한 열전달 수단으로 설치하고, 열전발전 모델에 대하여 성능을 모사하였고 시스템 해석을 수행하였다.
차량에서 라디에이터에서 버려지는 냉각수 폐열을 회수하는 열전발전 시스템에 대하여 연구를 하였다. 고온부는 차량 엔진의 뜨거운 물이 통과하고, 저온부는 히트파이프에 핀을 부착하여 공랭식으로 제작하여 냉각수온과 유량, 공기측의 온도와 풍속을 변경하면서 열전발전 시스템의 발전량과 효율을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
3에 나타나 있다. 고온측 열교환기는 구리블록을 가공하여 냉각수가 유로 내를 U-flow로 흐를 수 있도록 구성하였으며, 저온측 열교환기는 가운데 히트파이를 두고 4 mm의 구리블록을 2개 접합하여 제작하였다. 히트파이프는 총 20개가 적용되었으며, 열전달 면적을 증대하기 위하여 알루미늄 재질의 열교환 핀이 80개 설치되었다.
고온측으로 공급되는 냉각수의 온도측정을 위하여 열전발전 시스템의 입구와 출구에서 T형 열전대를 사용하여 온도를 측정하였으며, 저온측은 공급되는 공기의 입구와 출구에서의 온도를 측정하였다. 또한 열전 모듈의 고온측과 저온측의 온도측정은 구리블록에 열전대를 심어서 직접 온도를 측정하였다.
고온측으로 공급되는 냉각수의 온도측정을 위하여 열전발전 시스템의 입구와 출구에서 T형 열전대를 사용하여 온도를 측정하였으며, 저온측은 공급되는 공기의 입구와 출구에서의 온도를 측정하였다. 또한 열전 모듈의 고온측과 저온측의 온도측정은 구리블록에 열전대를 심어서 직접 온도를 측정하였다. 냉각수의 유량과 공기의 풍속은 열량계 장비에서 측정된다.
먼저 한국세라믹기술연구원에서 보유하고 있는 단위 열전모듈 실험 장치로 모듈양단의 온도 차이에 따른 기전력을 실험하였고, 다음으로 제작된 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템으로, 인가 전류별 발전 성능에 대하여 리그시험을 진행하였다. 마지막으로 열전발전 시스템을 열량계에 장착하여 각종 환경조건을 변경하면서 성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다.
실험은 크게 다음과 같이 진행되었다. 먼저 한국세라믹기술연구원에서 보유하고 있는 단위 열전모듈 실험 장치로 모듈양단의 온도 차이에 따른 기전력을 실험하였고, 다음으로 제작된 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템으로, 인가 전류별 발전 성능에 대하여 리그시험을 진행하였다. 마지막으로 열전발전 시스템을 열량계에 장착하여 각종 환경조건을 변경하면서 성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다.
전류가 증가하면 열전 발전 모듈의 흡열량과 발전량이 변하게 된다. 실험은 공기온도는 상온이고, 풍속은 2.5 m/s, 냉각수 유량은 10ℓ/min에서 열전발전 모듈에 인가되는 전압을 조절 하면서 발전량을 측정하였다. 전류가 증가함에 따라 전압은 점차로 감소하고 있으며, 발전량은 점차 증가하다가, 최고점을 보인 후 다시 감소하는 경향을 보인다.
Table 1은 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템의 성능 실험을 위한 조건을 보여주고 있다. 실험은 냉각수의 온도와 유량, 공기온도와 속도를 변경하면서 발전성능을 실험하였다. 전압의 측정오차는 최대 ±0.
각 열전모듈은 5개씩 직렬로 연결하고, 다시 8개로 병렬 연결하였다. 열전모듈과 열교환기 사이에는 써멀컴파운드를 이용하여 조립하였으며, 전체 열교환기의 조립에는 볼트를 이용하여 각 구리 블록을 고정하였다.
⁽⁵⁾은 차량에서 엔진 냉각수 폐열로 버려지는 에너지 회수에 대하여 연구하였다. 열전발전장치의 고온부(hot plate)와 저온부(cold plate)에 각각 0℃와 70℃의 냉각수가 흐르게 하고 각 연결부는 히트파이프로 연결하여 입력전압과 저온부의 온도를 변화하면서 해석을 하였다. 입력전압이 높을수록 온도차가 커져 더 높은 기전력을 얻을 수가 있음을 알았고, 열전소자의 재질을 세라믹과 텔루르에 대하여 연구를 진행하였다.
열전발전장치의 고온부(hot plate)와 저온부(cold plate)에 각각 0℃와 70℃의 냉각수가 흐르게 하고 각 연결부는 히트파이프로 연결하여 입력전압과 저온부의 온도를 변화하면서 해석을 하였다. 입력전압이 높을수록 온도차가 커져 더 높은 기전력을 얻을 수가 있음을 알았고, 열전소자의 재질을 세라믹과 텔루르에 대하여 연구를 진행하였다.
4는 한국세라믹기술연구원에서 실험한 열전소자 단위 모듈의 성능실험 결과이다. 저온측과 고온측의 온도를 변경하면서 기전되는 전압과 전류를 측정하였다. 저온부의 온도차에 따른 성능의 영향은 거의 없고, 고온부와 저온부의 온도차가 커짐에 따라 발전량은 거의 선형적으로 급격히 증가하고 있다.
본 연구에서는 차량의 라디에이터에서 냉각수 폐열로 버려지는 열에너지를 회수하기 위하여 열전발전 모듈에 히트파이프를 적용하여 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템을 제작하였다. 제작된 열전발전 시스템은 냉각수 온도와 유량, 히트파이프에 설치된 냉각핀으로 불어오는 공기온도와 속도를 변경하면서, 성능에 미치는 영향을 살펴보았고, 적용 타당성에 대하여 검토하였다.

대상 데이터

히트파이프는 총 20개가 적용되었으며, 열전달 면적을 증대하기 위하여 알루미늄 재질의 열교환 핀이 80개 설치되었다. 열전소자는 크리스탈사 (Crystal Co.) 제품으로 BiTe소재의 열전소자 40개를 사용하였다. 각 열전모듈은 5개씩 직렬로 연결하고, 다시 8개로 병렬 연결하였다.
고온측 열교환기는 구리블록을 가공하여 냉각수가 유로 내를 U-flow로 흐를 수 있도록 구성하였으며, 저온측 열교환기는 가운데 히트파이를 두고 4 mm의 구리블록을 2개 접합하여 제작하였다. 히트파이프는 총 20개가 적용되었으며, 열전달 면적을 증대하기 위하여 알루미늄 재질의 열교환 핀이 80개 설치되었다. 열전소자는 크리스탈사 (Crystal Co.

이론/모형

실험측정 결과에 대한 불확설성 해석은 Klines and McClintock⁽¹¹⁾이 제안한 방법을 사용하였다. 전력량의 측정오차는 4.

성능/효과

(1) 열전발전 시스템 단품성능 시험에서 전류가 증가할수록 전압은 감소하였으며, 발전량은 점차로 증가하다가 최고점 이후 다시 감소하였다.
(2) 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템에서 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 모듈 양단의 온도차로 온도차가 클수록 발전성능과 변환효율은 높게 나타났다.
(3) 냉각수 유량이 증가할수록 발전성능과 변환효율도 높아졌으며, 이는 열전발전 시스템에 전달되는 고온 열량이 발전 성능에 영향을 크게 미치는 것을 알 수 있었다. 하지만 10ℓ/min 이상에서는 유량을 증가하여도 성능변화는 크지 않았다.
(4) 공기온도는 높아질수록 열전발전 시스템의 발전 성능은 약간씩 감소하는 경향을 보였으며, 풍속의 변화에 따른 발전성능의 차이는 큰 영향이 없었다.
⁽⁸⁾은 연료전지자동차에서 극한 운전 상황에서 연료전지 스택의 효율적인 냉각을 위하여 열전소자와 히트파이프가 결합된 냉각모듈에 대하여 연구를 하였다. 실험은 외기온도와 냉각 풍량을 변경하면서 실험하였고, 냉각 풍량이 감소할수록, 냉각온도가 상승 할수록 열전소자의 방열온도는 상승하였고, 냉각 풍량 이 1 m³ /min일 때 최대의 방열량을 가지며 이후에는 냉각 풍량을 증가하여도 방열량의 변화는 없고 오히려 소비동력만 증가하는 것을 알았다.
저온부의 온도차에 따른 성능의 영향은 거의 없고, 고온부와 저온부의 온도차가 커짐에 따라 발전량은 거의 선형적으로 급격히 증가하고 있다. 열전모듈 제조사에 서 제공하는 열전모듈의 발전성능은 고온부와 저온부 의 온도차가 60℃에서 1.3 W이나, 히트싱크의 열저항 및 써멀컴파운드 등 여러 가지 저항 때문에 약 0.9 W 정도로 나타났다.

후속연구

차량에서 냉각수로 버려지는 폐열을 회수하기 위하여 히트파이프를 이용한 열전발전 시스템을 제작하여 성능에 영향을 미치는 인자들을 살펴보았다. 열전달 향상을 위하여 사용한 히트파이프는 충분한 열량을 제거하기 위해서는 용량과 수량 등에 대하여 향후 냉각수 폐열회수 열전발전 시스템 설계 시 재검토가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열에너지 형태로 버려지는 에너지는 무엇이 있는가?	자동차의 투입에너지 60% 이상이 열에너지 형태로 버려지고 있기 때문에 버려지는 폐열을 회수하여 자동차의 구동력으로 활용할 수 있는 방법을 찾는 것은 매우 중요하다. 폐열은 배기가스가 40%, 그리고 엔진을 냉각하기 위한 라디에이터에서 30%의 열에너지가 고온의 형태로 대기에 버려진다. 따라서 자동차에서 이러한 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지 또는 기계 에너지로 재생하여 연비를 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 열전소자를 이용하여 고온의 배기가스로부터 직접 열을 회수하기 위한 연구들이 진행되었다.
	자동차의 투입에너지중 버려지는 에너지는 어떠한가?	자동차의 투입에너지 60% 이상이 열에너지 형태로 버려지고 있기 때문에 버려지는 폐열을 회수하여 자동차의 구동력으로 활용할 수 있는 방법을 찾는 것은 매우 중요하다. 폐열은 배기가스가 40%, 그리고 엔진을 냉각하기 위한 라디에이터에서 30%의 열에너지가 고온의 형태로 대기에 버려진다.
	에너지 회수의 관점에서 중요한 것은 무엇인가?	에너지 회수의 관점에서 보면 고온의 배기가스로부터 에너지를 회수하는 것이 중요하지만 냉각 라디에이터에서 냉각수로 버려지는 폐열도 상당한 양이므로 일부 회수가 가능할 것이다.(4)

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상세보기
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Lee, E. J., Jang, D. S., Kim, Y. C., and Ahn, W. K., 2013, Performance characteristics of a micro pulsation heat pipe for electric device cooling, Proceedings of the SAREK 2013 Winter Annual Conference, Vol. 2013, No. 11, pp. 69-72.
Klines, S. J. and McClintock, F. A., 1953, Describing uncertainties in single-sample experiments, Mechanical Engineering, Vol. 75, pp. 3-8.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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