[논문]열발전소자의 자동차 엔진 냉각시스템 적용 연구

박명환; 허태영; 양영준

doi:10.5855/energy.2016.25.4.133

열발전소자의 자동차 엔진 냉각시스템 적용 연구
Study on Application of Cooling System of Automotive Engine for Thermoelectric Generator 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.25 no.4, 2016년, pp.133 - 140

박명환 (경남과학기술대학교 자동차공학과) , 허태영 (경남과학기술대학교 자동차공학과 대학원) , 양영준 (경남과학기술대학교 자동차공학과)

초록
AI-Helper

제벡 및 펠티에 효과를 이용하는 열발전소자 또는 열전소자는 많은 산업 분야에서 활용되어지고 있다. 특히 군사용으로서 북극 및 남극에서 활동하는 잠수함에서부터 실생활에서 우리가 늘 접하는 냉온수기에 이르기까지 온도차를 이용하여 전력을 생산하거나 또는 전력을 투입하여 온도차를 발생시키는 장치의 효용성은 충분히 입증되었다고 할 수 있다. 자동차 분야에서 제벡효과를 이용한 열발전소자의 활용은 주로 고온의 배기가스를 이용하는데 집중되어 왔다. 본 연구에서는 자동차 내 엔진을 냉각 시킨 후 배출되는 고온의 냉각수를 활용하여 보조전력을 생산할 수 있는 가능성을 조사하였다. 그 결과 전력보조장치의 형태에 따라 전력생산량이 다르며 본 실험에서는 최대 약 1.5 V를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermoelectric generator, which is known as using Seebeck effect, have been widely applied in many industrial parts, for instance, from submarine to equipments capable of producing hot or cooling water. Its usefulness was verified in terms of producing electric power using temperature difference and vice versa. Application on thermoelectric generator has been mainly forced on exhaust gas of automotive engine so far. In this study, the possibility was investigated whether electric power could be produced by using cooling water in automotive engine. As the result, it showed that electric power had differences depending on shapes of power auxiliary apparatus and, in this experiment, maximum of electric power was 1.5 voltage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 실험에서는 자동차 엔진을 냉각시킨 후 배출되는 고온의 냉각수를 활용하여 보조전력을 생산할 수 있는지 그 가능성을 조사하고자 하였다. 전력보조장치로서 세 종류의 알루미늄 바디가 사용되어지며 바디의 형태에 따른 차이를 알아보고자 한다.
본 연구에서는 수온조절기(Thermostat)에서 나온 85∼95℃의 고온수를 이용하기 위하여 라디에이터 입구에 전력보조장치의 부착을 고려하였다.
본 연구에서는 열발전소자를 설치한 간단한 장치(본 연구에서는 이를 “전력보조장치”라 칭함)를 이용하여 엔진에서 배출되는 고온의 냉각수를 활용하는 방법을 찾고자 하였다.
본 실험에서는 자동차 엔진을 냉각시킨 후 배출되는 고온의 냉각수를 활용하여 보조전력을 생산할 수 있는지 그 가능성을 조사하고자 하였다. 전력보조장치로서 세 종류의 알루미늄 바디가 사용되어지며 바디의 형태에 따른 차이를 알아보고자 한다.
본 연구에서는 열발전소자를 설치한 간단한 장치(본 연구에서는 이를 “전력보조장치”라 칭함)를 이용하여 엔진에서 배출되는 고온의 냉각수를 활용하는 방법을 찾고자 하였다. 즉 엔진을 냉각시킨 후 배출되는 고온의 냉각수를 이용한 보조전력의 생산 가능성과 또한 전력보조장치의 최적 형태에 대해 조사하였다.
지점 1 및 3의 경우 각각 밑면 및 상면으로부터 5mm 떨어진 곳으로 한 이유는 알루미늄 바디에 열전대 소선의 부착의 편의성 때문이다. 형태 A2, B2 및 C2의 경우는 A1, B1, C1의 경우와 모두 동일하며 단지 상면의 온도만을 측정하고자 하였다. 그 이유는 열발전소자가 알루미늄 바디의 상면에 부착되기 때문에 위치에 따른 상면에서의 미세한 온도차이를 파악하고자 하였기 때문이다.

가설 설정

(1) 전력보조장치 바디의 라운딩에 따라 바디의 온도가 일부 다르다. 본 실험에서는 외측으로부터 라운딩의 경우가 가장 높은 온도를 나타내었다.

제안 방법

열발전소자를 자동차 엔진 냉각 후 배출되는 고온의 냉각수에 적용하여 보조전력의 생산 가능성을 조사하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
열원을 전달받게 될 바디의 아래 부분의 면적(30×60mm) 및 모든 치수를 세 형태 모두 동일하게 하고 라운딩 되는 반경만을 변화시켰다.
여기서 열발전소자가 전력보조장치의 상면에 위치하게 되기 때문에 가장 관심이 가는 부분은 4지점의 온도이다. 이것을 더 자세히 조사하기 위하여 상면에 대한 온도를 측정하였다. 지점 1 및 3은 각 끝단으로 부터 5mm 떨어진 위치이며 2는 중앙지점이다.
5 라운딩이 되어 있는 경우의 온도 분포를 나타내었다. 이때 바디의 각 위치와 핫플레이트의 표면 온도도 동시 측정하였다. 5분 경과 후, 핫플레이트는 300℃ (이하 온도의 소수점 제외)까지 거의 선형 비례적으로 증가한다.

대상 데이터

3에 나타내었다. 바디(Body)는 저가이며 열전도가 뛰어난 알루미늄(Aluminum 2024) 재질을 사용하였으며 그림 하부의 원형 통로에 고온수가 통과하며, 상부에 열발전소자(PTC product, TEGI-0755)가 위치한다. 즉 열발전소자는 고온부로서 자동차 엔진의 고온의 냉각수와 저온부로서 상온과의 온도차(△T)에 의해 기전력을 일으켜 전기를 생산하게 되는 원리이다.

성능/효과

(4) 본 실험에서 Type-A의 경우가 최대 약 1.5 V를 나타내었다. 열전도성이 양호한 컴파운드를 적용하 면 발생 전압은 더 증가할 수 있다.
13에 나타내었다. 그 결과를 관측하면 Type-A, B, C 순으로 높은 전압이 발생되는 것을 알 수 있다. 온도 측정 결과와 비교하면, 높은 온도일수록 높은 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
(1) 전력보조장치 바디의 라운딩에 따라 바디의 온도가 일부 다르다. 본 실험에서는 외측으로부터 라운딩의 경우가 가장 높은 온도를 나타내었다.
본 실험은 실제 자동차 엔진에 전력보조장치를 직접 장착하여 작동시키는 것이 가장 바람직하다. 그러나 여기서는 동일한 실험조건을 지속적으로 유지할 수 있고, 미세한 온도차를 감지할 수 있으며 또한 알루미늄 바디의 세 형태 비교라는 연구 목적을 간단하고 편리하게 달성하기 위해 고온부의 열원으로서 핫플레이트(Hot plate)를 사용하였으며 이를 Fig.
자동차 엔진 냉각 장치에서의 고온수를 이용하여 전력보조장치를 제작함에 있어 시각적인 디자인뿐만 아니라 원가절감을 위한 재료비도 고려하여야 한다. 여기서 본 실험에서는 온도분포 만에 의한 결과에 따르면 Type-A1의 경우가 가장 높은 온도를 가지기 때문에 외측으로부터 라운딩을 주어야 하는 것이 효과가 크다는 것을 확인하였다. 그러나 외측으로부터 어느 정도의 라운딩을 주어야 가장 효과가 있는지에 대해서는 알 수 없다.
그 결과를 관측하면 Type-A, B, C 순으로 높은 전압이 발생되는 것을 알 수 있다. 온도 측정 결과와 비교하면, 높은 온도일수록 높은 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다. Fig.

후속연구

(2) 외측으로부터 라운딩을 적용할 경우, 어느 정도 라운딩을 주어야 하는지 효율 및 원가 절감을 고려 한 최적 라운딩에 대한 추후 연구가 필요하다.
(3) 온도분포 곡선과 전압분포 곡선이 거의 동일한 것으로부터 전압 생산의 결과 예측에 온도만 의 측정 결과가 활용되어질 수 있다.
바디의 각 위치별 온도변화를 비교하고자 하므로 여기서는 접촉저항의 의미가 없다. 그러나 실제 사용시에는 열발전소자가 부착되는 전력보조장치 바디의 상면과 열발전소자의 밑면(즉 열발전소자의 고온부) 사이에 발생하는 접촉저항은 매우 큰 의미를 가지며 접촉저항을 줄이기 위한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 위치에 따른 전력보조장치 바디의 온도는 1→3→4→2 순으로 온도가 높다.
본 실험에서는 바디의 상면과 열발전소자 사이의 접촉저항을 줄이기 위해 어떠한 물질도 사용하지 않았다. 따라서 열전도성이 양호한 적절한 물질(컴파운드)를 사용한다면 발생 전압량은 더 증가할 것으로 판단된다. 자동차 내 전력보조장치는 자동차 구동 중에 자동차 배터리 충전이나 차량 내 LED 조명 등과 같은 전기 부품에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 외측으로부터 어느 정도의 라운딩을 주어야 가장 효과가 있는지에 대해서는 알 수 없다. 따라서 효율 개선과 함께 원가절감 측면을 고려하여 최적의 라운딩에 대한 연구도 흥미가 있는 부분으로 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 열전도성이 양호한 적절한 물질(컴파운드)를 사용한다면 발생 전압량은 더 증가할 것으로 판단된다. 자동차 내 전력보조장치는 자동차 구동 중에 자동차 배터리 충전이나 차량 내 LED 조명 등과 같은 전기 부품에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

In, B. D. and Lee, K. H., 2013, Study of Thermoelectric Generator with Various Thermal Conditions for Exhaust Gas from Internal Combustion Engine using Numerical Analysis, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 3, pp. 243-248

원문보기 상세보기
Kim, D. Y., Seo, S. Y. and Choi, B. C., 2013, Thermoelectric Generators-Based 30W Battery Charger for Automobiles, CICS'13, pp. 147-148
Choi, H. S., Kim, Y. S., Jeon, C. H. and Yun, S. K., 2004, Hot and Cool Temperature Control of the Car-Seat Utilizing the Thermoelectric Device, Trans. of the KSME B, Vol. 28, No. 5, pp. 518-525

원문보기 상세보기
Nam, S. Y., Kang, D. K., Han, H. S. and Lee, K. H, 2012, Thermoelectric Defogging System for Automobile Headlights, KSME Spring Conference, pp. 96-97
Yoon, T. B. Kim, N. J., Lee, J. Y. and Kim, C. B., 2000, Development of a Waterless Container Utilizing Thermoelectric Modules for Live Fish Transportation, SAREK, Vol. 12, No. 5, pp. 519-524
Chun, T. K. and Yang, Y. J., 2014, Study on Power Device Using Solar Collector, New & Renewable Energy, Vol. 10, No. 4, pp. 22-28
Wang, H., Kim, H. J. and Yang, Y. J., 2015, Performance Evaluation on Power Conversion Device using Thermoelectric Generator, J. Korean Soc. Mech. Technol., Vol. 17, No. 5, pp. 901-908

상세보기
Shin, J. C., 2011, Analysis of Cooldown Capability for the HWR Shutdown Cooling System, Journal of Energy Engineering, Vol. 20, No. 4, pp. 259-266

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증