T E L K O M N I K A ,   V o l . 9 ,   N o . 3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 1 ,   p p .   5 2 3 ~ 5 3 0   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0     5 2 3       R e c e i v e d   J u l y   7 th ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   J u l y   2 5 th ,   2 0 1 1 ;   A c c e p t e d   A u g u s t   6 t h ,   2 0 1 1   A   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   R e p l a c i n g   R a d i a t o r   f o r   I n t e r n a l   C o m b u s t i o n   E n g i n e   V e h i c l e s       N y a m b a y a r   B a a t a r 1 ,   S h i h o   K i m 2   1 D e p a r t m e n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   C h u n g b u k   N a t i o n a l   U n i v e r s i t y     2 Sc h o o l   o f   I n t e g r a t e d   T e c h n o l o g y   a n d   Y o n s e i   I n s t i t u t e   o f   C o n v e r g e n c e   T e c h n o l o g y     Y o n s e i   U n i v e r s i t y So n g d o ,   I n c h e o n   4 0 6 - 8 4 0 ,   Ko r e a   Ph . / F a x :   + 8 2 - 3 2 7 4 9 5 8 3 6   e - m a i l :   n y a m b a y a r @ c h u n g b u k . a c . k r 1 ,   s h i h o @ y o n s e i . a c . k r 2       A b s t r a k   Pa d a   m a k a l a h   i n i   d i u s u l k a n   d a n   d i k e m b a n g k a n   s e b u a h   g e n e r a t o r   t e r m o e l e k t r i k   ( T EG )   t e m p e r a t u r   r e n d a h   m e n g g u n a k a n   p e n d i n g i n   a i r   m e s i n   u n t u k   k e n d a r a a n   r i n g a n .   H a s i l   e k s p e r i m e n   d a r i   k e n d a r a a n   u j i ,   y a n g   m a n a   u k u r a n   m e s i n   a d a l a h   s e k i t a r   2 , 0   l i t e r ,   m e n u n j u k k a n   b a h w a   p u r w a r u p a   g e n e r a t o r   t e r m o e l e k t r i k   y a n g   d i b u a t   d a p a t   m e m b a n g k i t k a n   l e b i h   d a r i   7 5 W   u n t u k   k o n d i s i   p e n g e m u d i a n   8 0   k m / j a m ,   d a n   d a y a   o u t p u t   a d a l a h   s e k i t a r   2 8 W   s e l a m a   k o n d i s i   d i a m .   H a s i l   p e n e l i t i a n   m e n u n j u k k a n   b a h w a   T EG   y a n g   d i u s u l k a n   d a p a t   m e n g g a n t i k a n   r a d i a t o r   k o n v e n s i o n a l   t a n p a   p e n a m b a h a n   p o m p a   a i r   a t a u   p e r a n t i   m e k a n i s ,   k e c u a l i   u n t u k   k o m p o n e n   d a s a r   s i s t e m   p e n d i n g i n   a i r   r a d i a t o r .     K a t a   k u n c i :   g e n e r a t o r   t e r m o e l e k t r i k ,   k e n d a r a a n   r i n g a n ,   p e n d i n g i n   a i r   m e s i n ,   p i p a   p a n a s       A b s t r a c t     W e   h a v e   p r o p o s e d   a n d   d e v e l o p e d   a   l o w   t e m p e r a t u r e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   ( T EG )   u s i n g   e n g i n e   w a t e r   c o o l a n t   o f   l i g h t - d u t y   v e h i c l e s .   Ex p e r i m e n t a l   r e s u l t s   f r o m   t e s t   v e h i c l e ,   o f   w h i c h   e n g i n e   s i z e   i s   a b o u t   2 . 0   l i t e r s ,   s h o w   t h a t   f a b r i c a t e d   p r o t o t y p e   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   g e n e r a t e s   m o r e   t h a n   7 5 W   f o r   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   8 0   k m / h o u r ,   a n d   o u t p u t   p o w e r   i s   a b o u t   2 8 W   d u r i n g   i d l e   c o n d i t i o n .   T h e   p r o p o s e d   T EG   c a n   r e p l a c e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   w a t e r   p u m p s   o r   m e c h a n i c a l   d e v i c e s   e x c e p t   f o r   b a s i c   c o m p o n e n t s   o f   l e g a c y   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   o f   r a d i a t o r .       K e y w o r d s :   e n g i n e   w a t e r   c o o l a n t ,   h e a t   p i p e ,   l i g h t - d u t y   v e h i c l e s ,   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r         1 .     I n t r o d u c t i o n   C o n v e r s i o n   o f   w a s t e   h e a t   t o   e l e c t r i c i t y   u s i n g   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r s ( T E G )   i n   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   ( I C E )   p o w e r e d   v e h i c l e s   h a s   b e e n   f o c u s e d   a s   a   g r e e n   e n e r g y   t e c h n o l o g y   t o   i m p r o v e   f u e l   e c o n o m y   a n d   c o n s e q u e n t l y   t o   r e d u c e   e m i s s i o n   o f   t h e   g r e e n   h o u s e   g a s   o f   C O 2   [ 1 - 4 ] .         F i g u r e   1 .   T y p i c a l   e n e r g y   s p l i t   i n   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 2 3   -   5 3 0   5 2 4 O n l y   3 0 %   o f   t h e   f u e l   c o m b u s t i o n   e n e r g y   i s   c o n v e r t e d   t o   m e c h a n i c a l   e n e r g y ,   w h i l e   a b o u t   4 0 %   i s   w a s t e d   t h r o u g h   e x h a u s t   g a s ,   a n d   w a s t e   h e a t   o f   e n g i n e   c o o l a n t   c o n s t i t u t e s   u p   t o   3 0 %   o f   t h e   f u e l   c o n s u m p t i o n   e n e r g y   [ 1 - 2 ] .   O n l y   a b o u t   2 5 %   o f   t h e   f u e l   c o n s u m p t i o n   e n e r g y   i s   u s e d   f o r   v e h i c l e   o p e r a t i o n s   d u e   t o   f r i c t i o n a l   l o s s e s .   A   r e c e n t   s t u d y   r e v e a l e d   t h a t   t h e   f u e l   e c o n o m y   o f   I C E   v e h i c l e s   c a n   b e   i n c r e a s e d   b y   u p   t 0   2 0   p e r c e n t   s i m p l y   b y   c a p t u r i n g   t h e   w a s t e   h e a t   o f   g a s   a n d   c o n v e t i n g   a b o u t   1 0 %   o f   i t   t o   e l e c t r i c i t y [ 1 - 2 ] .   E v e r y   m a j o r   a u t o m o b i l e   m a n u f a c t u r e r   i s   w o r k i n g   w i t h   w a s t e   h e a t   r e c o v e r y   s y s t e m   f o r   i m p r o v i n g   t h e   f u e l   e c o n o m y   o f   I C E V ,   a n d   s o m e   o f   t h e m   a r e   t r y i n g   t o   d e v e l o p   T h e r m o e l e c t r i c   H y b r i d   E l e c t r i c   v e h i c l e s   [ 1 - 3 ] .   A   h y b r i d   v e h i c l e   u s i n g   R a n k i n e   c y c l e   c o - g e n e r a t i o n   s y s t e m   h a s   b e e n   d e v e l o p e d ,   i n c r e a s i n g   o v e r a l l   e n g i n e   e f f i c i e n c y   b y   3 . 8 %   i n   1 0 0 k m / h   c o n s t a n t   d r i v i n g   m o d e   [ 3 ] .   I n   o r d e r   t o   u t i l i z e   a d v a n t a g e s   a n d   b e n e f i t s   o f   a n   h i g h   t e m p e r a t u r e   o f   e x h a u s t   g a s   w h i c h   i s   m o r e   t h a n   5 0 0 ˚ C   n e a r   t h e   e n g i n e   m a n i f o l d ,   m o s t   o f   a u t o m o t i v e   m a n u f a c t u r i n g   c o m p a n i e s   a r e   w o r k i n g   f o r   d e v e l o p i n g   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   s y s t e m s   u s i n g   o n l y   e x h a u s t   g a s   [ 1 - 3 ] .   S i n c e   t h e   e n g i n e   c o o l a n t   i s   a n   i m p o r t a n t   s o u r c e   o f   w a s t e   e n e r g y ,   w e   n e e d   t o   d e v e l o p   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r s   u s i n g   e n g i n e   c o o l a n t   a s   w e l l   a s   e x h a u s t   g a s   t o   i m p r o v e   t h e   o v e r a l l   f u e l   e c o n o m y .   F i g u r e   2   s h o w s   a   c o n f i g u r a t i o n   o f   d u a l   g e n e r a t i o n   w a s t e   h e a t   r e c o v e r y   s y s t e m   f o r   p a s s e n g e r   v e h i c l e s   [ 5 - 6 ] .           F i g u r e   2 .   D u a l   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t i o n   w a s t e   h e a t   r e c o v e r y   s y s t e m   [ 5 - 6 ]       W e   h a v e   p r o p o s e d   a n d   d e v e l o p e d   a   l o w   t e m p e r a t u r e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   u s i n g   e n g i n e   w a t e r   c o o l a n t   o f   p a s s e n g e r   v e h i c l e s ,   o f   w h i c h   e n g i n e   s i z e   i s   a b o u t   2 . 0   l i t e r s .   W e   t r i e d   t o   s u b s t i t u t e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   f o r   p r o p o s e d   T E G   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   w a t e r   p u m p s   o r   m e c h a n i c a l   d e v i c e s   e x c e p t   f o r   b a s i c   c o m p o n e n t s   o f   l e g a c y   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   b a s e d   o n   r a d i a t o r .   W e   a l s o   p r o p o s e d   a   S P I C E   e q u i v a l e n t   e l e c t r i c a l   m o d e l   o f   t h e   e n g i n e   c o o l a n t   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .         2 .     P r o p o s e d   E n g i n e   C o o l a n t   T e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r     W e   h a v e   a i m e d   t o   s u b s t i t u t e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   f o r   p r o p o s e d   T E G   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   w a t e r   p u m p s   o r   m e c h a n i c a l   d e v i c e s   e x c e p t   f o r   b a s i c   c o m p o n e n t s   o f   l e g a c y   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   o f   r a d i a t o r .   S i n c e   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   s y s t e m   g e n e r a t e s   e l e c t r i c i t y   f r o m   w a s t e   h e a t   o f   c o o l a n t ,   i t   t a k e s   a   h e a t   o u t   o f   t h e   e n g i n e   c o o l a n t .     T h e   p r o p o s e d   e n g i n e   c o o l a n t   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   h a s   a i r - c o o l i n g   s t r u c t u r e   c o m p o s e d   o f   h e a t   p i p e s   a n d   h e a t   s i n k .   T h e   c o o l i n g   p e r f o r m a n c e   o f   p r o p o s e d   T E G   c o m p a r e d   w i t h   t h e   r a d i a t o r   c a n   b e   c o n s i d e r a b l e ,   d u e   t o   t h e   a i r - c o o l i n g   s t r u c t u r e   a n d   a d d i t i o n a l   c o o l i n g   e f f e c t s   b y   h e a t   c o n v e r s i o n   t o   e l e c t r i c i t y .   T h e   f r a m e w o r k   o f   p r o p o s e d   T E G   i s   c o m p o s e d   o f   h o t   s i d e   b l o c k   a n d   c o l d   s i d e   b l o c k   c o n s i s t i n g   o f   h e a t   p i p e s   a n d   h e a t   s i n k s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A       A   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   R e p l a c i n g   R a d i a t o r   f o r   I n t e r n a l   ( a )       F i g u r e   3 . P r e s p e c t i v e   i l l u s t r a t i o n   w i t h   d e t a i l e d t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   ( c )   T h e   i n n e r   s t r u c t u r e   o f   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e   a r r o w s   i n d i c a t e   d i r e c t i o n   o f   c o o l a n t   f l o w i n g   D i m e n s i o n   i s   i n   m m   s c a l e . T h e   h o t   s i d e   b l o c k   o f   T E G   h a s   i n l e t   a n d   o u t l e t   p o r t s   o f   e n g i n e   c o o l a n t   t o   l i n k   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   o f   a   v e h i c l e .   C o o l i n g   p l a t e s   a n d   h o t   s i d T h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   c a n   b e   a t t a c h e d   o n   b o t h   s i d e   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e r e   a r e   a   n u m b e r   o f   p a r t i t i o n s   t o   i n c r e a s e   e f f e c t i v e   s u r f a c e   a r e a   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k   a s   i l l u s t r a t e d   i n   I n t e r i o r   s t r u c t u r e   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k   w i t h   p a r t i t i o n h e a t   t o   t h e   h o t   s i d e   o f   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   a n d   u n i f o r m   d i s t r i b u t i o n   o f   t h e   h o t   s i d e   t e m p e r a t u r e   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   T h e   C o l d   s i d e   o f   p r o p o s e d   T E G   h a s   a n   a s y s t e m   c o m b i n e d   w i t h   h e a t   p i p e s   a n d   a   h e a t   s p r e a d e r .   T h e   d i m e n s i o n   o f   f a b r i c a t e d   T E G   i s   a b o u t   8 0 m m ( W )   ×   2 5 0 m m ( H )   o r i g i n a l   r a d i a t o r   o f   t h e   v e h i c l e .   7 2   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   a n d   1 2 8   h p r o t o t y p e   o f   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   W e   c a n   r e p l a c e   t h e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   b y   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   d e v i c e s   o r   r e d e s i g n   o f   e n g i n e   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m .     T h e   c o l d   s i d e   t h e   T E G   h a s   a n   e f f i c i e n t   h e a t   s p r e a d i n g   s t r u c t u r e   c o n s i s t i n g   o f   h e a t   p i p e s   a n d   h e a t   s i n k s .   A   h e a t   p i p e   i s   a   h e a t   t r a n s f e r   d e v i c e   t h a t   c o m b i n e s   t h e   p r i n c i p l e s   o f   b o t h   t h e r m a l   c o n d u c t i v i t y   a n d   p h a s e   t r a n s i t i o n   t o   e f f i c i e n t l y   m a n a g e   t h e   t r a n s f e r s o l i d   i n t e r f a c e s   [ 7 ] .     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   A   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   R e p l a c i n g   R a d i a t o r   f o r   I n t e r n a l   .   ( N y a m b a y a r       ( c )   P r e s p e c t i v e   i l l u s t r a t i o n   w i t h   d e t a i l e d   p a r t s   ( a )   a n d   s i d e   v i e w   ( b )   o f   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   ( c )   T h e   i n n e r   s t r u c t u r e   o f   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e   a r r o w s   i n d i c a t e   d i r e c t i o n   o f   c o o l a n t   f l o w i n g   D i m e n s i o n   i s   i n   m m   s c a l e .     T h e   h o t   s i d e   b l o c k   o f   T E G   h a s   i n l e t   a n d   o u t l e t   p o r t s   o f   e n g i n e   c o o l a n t   t o   l i n k   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   o f   a   v e h i c l e .   C o o l i n g   p l a t e s   a n d   h o t   s i d e   b l o c k   a r e   p l a c e d   l i k e   a   s a n d w i c h   s t r u c t u r e . T h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   c a n   b e   a t t a c h e d   o n   b o t h   s i d e   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e r e   a r e   a   n u m b e r   o f   p a r t i t i o n s   t o   i n c r e a s e   e f f e c t i v e   s u r f a c e   a r e a   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k   a s   i l l u s t r a t e d   i n   r e   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k   w i t h   p a r t i t i o n - w a l l s   e n a b l e s   p r o p e r   t r a n s f e r r i n g   o f   c o o l a n t   h e a t   t o   t h e   h o t   s i d e   o f   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   a n d   u n i f o r m   d i s t r i b u t i o n   o f   t h e   h o t   s i d e   t e m p e r a t u r e   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   T h e   C o l d   s i d e   o f   p r o p o s e d   T E G   h a s   a n   a s y s t e m   c o m b i n e d   w i t h   h e a t   p i p e s   a n d   a   h e a t   s p r e a d e r .   T h e   d i m e n s i o n   o f   f a b r i c a t e d   T E G   i s   2 5 0 m m ( H )   ×   7 4 0 m m ( L ) ,   w h i c h   i s   s a m e   l e n g t h   a n d   a l m o s t   h a l f   h e i g h t   o f   t h e   o r i g i n a l   r a d i a t o r   o f   t h e   v e h i c l e .   7 2   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   a n d   1 2 8   h e a t   p i p e s   a r e   u s e d   i n   t h e   p r o t o t y p e   o f   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   W e   c a n   r e p l a c e   t h e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   b y   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   d e v i c e s   o r   r e d e s i g n   o f   e n g i n e   w a t e r   T h e   c o l d   s i d e   t h e   T E G   h a s   a n   e f f i c i e n t   h e a t   s p r e a d i n g   s t r u c t u r e   c o n s i s t i n g   o f   h e a t   p i p e s   a n d   h e a t   s i n k s .   A   h e a t   p i p e   i s   a   h e a t   t r a n s f e r   d e v i c e   t h a t   c o m b i n e s   t h e   p r i n c i p l e s   o f   b o t h   t h e r m a l   c o n d u c t i v i t y   a n d   p h a s e   t r a n s i t i o n   t o   e f f i c i e n t l y   m a n a g e   t h e   t r a n s f e r   o f   h e a t   b e t w e e n   t w o     N y a m b a y a r   B a a t a r )   5 2 5       ( b )     ( a )   a n d   s i d e   v i e w   ( b )   o f   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   ( c )   T h e   i n n e r   s t r u c t u r e   o f   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e   a r r o w s   i n d i c a t e   d i r e c t i o n   o f   c o o l a n t   f l o w i n g   D i m e n s i o n   i s   i n   m m   s c a l e .   T h e   h o t   s i d e   b l o c k   o f   T E G   h a s   i n l e t   a n d   o u t l e t   p o r t s   o f   e n g i n e   c o o l a n t   t o   l i n k   w a t e r   c o o l i n g   e   b l o c k   a r e   p l a c e d   l i k e   a   s a n d w i c h   s t r u c t u r e .   T h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   c a n   b e   a t t a c h e d   o n   b o t h   s i d e   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k .   T h e r e   a r e   a   n u m b e r   o f   p a r t i t i o n s   t o   i n c r e a s e   e f f e c t i v e   s u r f a c e   a r e a   o f   t h e   h o t   s i d e   b l o c k   a s   i l l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   3 ( c ) .   w a l l s   e n a b l e s   p r o p e r   t r a n s f e r r i n g   o f   c o o l a n t   h e a t   t o   t h e   h o t   s i d e   o f   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   a n d   u n i f o r m   d i s t r i b u t i o n   o f   t h e   h o t   s i d e   t e m p e r a t u r e   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   T h e   C o l d   s i d e   o f   p r o p o s e d   T E G   h a s   a n   a i r - c o o l i n g   s y s t e m   c o m b i n e d   w i t h   h e a t   p i p e s   a n d   a   h e a t   s p r e a d e r .   T h e   d i m e n s i o n   o f   f a b r i c a t e d   T E G   i s   7 4 0 m m ( L ) ,   w h i c h   i s   s a m e   l e n g t h   a n d   a l m o s t   h a l f   h e i g h t   o f   t h e   e a t   p i p e s   a r e   u s e d   i n   t h e   p r o t o t y p e   o f   t h e   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   W e   c a n   r e p l a c e   t h e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   b y   p r o p o s e d   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   d e v i c e s   o r   r e d e s i g n   o f   e n g i n e   w a t e r   T h e   c o l d   s i d e   t h e   T E G   h a s   a n   e f f i c i e n t   h e a t   s p r e a d i n g   s t r u c t u r e   c o n s i s t i n g   o f   h e a t   p i p e s   a n d   h e a t   s i n k s .   A   h e a t   p i p e   i s   a   h e a t   t r a n s f e r   d e v i c e   t h a t   c o m b i n e s   t h e   p r i n c i p l e s   o f   b o t h   o f   h e a t   b e t w e e n   t w o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 2 3   -   5 3 0   5 2 6 T h e   h e a t   e n e r g y   i s   t r a n s f e r r e d   f r o m   c o l d   s i d e   b l o c k   t o   h e a t   s i n k   b y   t h e   i n t e r n a l   p r o c e s s e s   o f   h e a t   p i p e .   A t   t h e   h o t   i n t e r f a c e   w i t h i n   a   h e a t   p i p e ,   p r e s s u r i z e d   f l u i d   i n   c o n t a c t   w i t h   a   t h e r m a l l y   c o n d u c t i v e   s o l i d   s u r f a c e   t u r n s   i n t o   a   v a p o r   b y   a b s o r b i n g   t h e   l a t e n t   h e a t   o f   t h a t   s u r f a c e .   T h e   v a p o r   n a t u r a l l y   f l o w s   t h r o u g h   t h e   s y s t e m   a t   a t o m i c   s p e e d s ,   b e c a u s e   o f   t h e   l o w   p r e s s u r e ,   a n d   c o n d e n s e s   b a c k   i n t o   a   l i q u i d   a t   t h e   c o l d   i n t e r f a c e ,   r e l e a s i n g   t h i s   l a t e n t   h e a t .   T h e   l i q u i d   t h e n   r e t u r n s   t o   t h e   h o t   i n t e r f a c e   t h r o u g h   e i t h e r   c a p i l l a r y   a c t i o n   o r   g r a v i t y   a c t i o n   w h e r e   i t   e v a p o r a t e s   o n c e   m o r e   a n d   r e p e a t s   t h e   c y c l e .       3 .     E x p e r m e n t a l   R e s u l t s     T h e   p r o p o s e d   T E G   s y s t e m   w a s   f a b r i c a t e d   a n d   m o u n t e d   o n   a   t e s t   v e h i c l e   w i t h   e n g i n e   s i z e   o f   a b o u t   2 . 0   l i t e r s   a f t e r   r a d i a t o r   w a s   e l i m i n a t e d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 .   T h e   t e s t   v e h i c l e   i s   a   r e m o d e l e d   I C E   v e h i c l e   s i m u l a t o r   h a v i n g   e n g i n e ,   f r o n t   w h e e l   d r i v e - t r a i n   a n d   e l e c t r i c   p o w d e r   b r e a k   s y s t e m .   W e   c a n   s i m u l a t e   a c t u a l   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o n   t h e   r o a d   u s i n g   t h e   t e s t   v e h i c l e   i n   a n   i n d o o r   e x p e r i m e n t a l   l a b o r a t o r y .   D u r i n g   e x p e r i m e n t ,   w e   p l a c e d   7 2   B i s m u t h   t e l l u r i d e ( B i 2 T e 3 )   t h e r m o e l e c t r i c ( T E )   m o d u l e s   w i t h   a r e a   o f   4 . 0 m m   ×   4 . 0 m m   t o   t h e   T E G .   T h e   e x p e r i m e n t   w a s   p e r f o r m e d   u n d e r   b o t h   i d l e   a n d   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   v e h i c l e .         F i g u r e   4 .   F a b r i c a t e d   p r o t o t y p e   T E G   m o u n t e d   o n   t h e   I C E   v e h i c l e   w i t h   e n g i n e   s i z e   o f   a b o u t   2   l i t e r s .   F a b r i c a t e d   p r o t o t y p e   T E G   r e p l a c e s   r a d i a t o r   a s   a   c o o l i n g   d e v i c e .       F i g u r e   5   s h o w s   a   s t r u c t u r e   a n d   t h e r m a l   i m a g e r   f o r   m e a s u r i n g   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   o f   T E G   d u r i n g   o p e r a t i o n .   I n f r a   r e d   i m a g e s   w e r e   t a k e n   f r o m   t h e   b o t t o m   p a r t   o f   t h e   T E G .   F i g u r e   6   i s   a   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   a c r o s s   t h e   H o t   s i d e   b l o c k   a n d   C o l d   s i d e   b l o c k   a l o n g   w i t h   t h e   s t r a i t   l i n e   m a r k e d   i n   F i g u r e   5 ( b )   T h e   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   w a s   m e a s u r e d   a f t e r   t h e   t e s t   v e h i c l e   w a s   i n   s t e a d y   s t a t e . I n   i d l e   c o n d i t i o n   t h e   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   r e s u l t   o f   h o t   s i d e   b l o c k   w a s   r a n g e d   f r o m   9 0 ˚ C   t o   9 5 ˚ C ,   a n d   c o l d   s i d e   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   w a s   a b o u t   7 0 ˚ C .   I n   t h i s   c o n d i t i o n   t h e   t e m p e r a t u r e   d i f f e r e n c e   b e t w e e n   h o t   s i d e   a n d   c o l d   s i d e   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   i s   a b o u t   2 5 ˚ C .   I n   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   8 0 k m / h o u r ,   t h e   t e m p e r a t u r e   d i s t r i b u t i o n   o f     h o t   s i d e   b l o c k   w a s   f r o m   9 5 ˚ C   t o   1 0 0 ˚ C   ,   a n d   c o l d   s i d e   t e m p e r a t u r e   p r o f i l e   w a s   a b o u t   4 5 ˚ C .   I n   t h i s   c o n d i t i o n   t h e   t e m p e r a t u r e   d i f f e r e n c e   b e t w e e n   h o t   s i d e   a n d   c o l d   s i d e   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   i s   a b o u t   5 5 ˚ C .   T h e   c o l d   s i d e   t e m p e r a t u r e   i n   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   8 0 k m / h o u r   i s   l o w e r   t h a n   t h a t   o f   i d l e   c o n d i t i o n ,   t h a n k s   t o   a n   a s s i s t a n c e   o f   i n c o m i n g   c o o l i n g   a i r   f l o w   s i n c e   t h e   v e h i c l e   i s   r u n n i n g .   T h e   r a d i a t o r   a i r - c o o l i n g   f a n   o f   t h e   t e s t   v e h i c l e   w a s   o f f   d u r i n g   e x p e r i m e n t   i n   t h e   d r i v i n g   m o d e   t o   m a k e   a n   e q u i v a l e n t   c o n d i t i o n .   E x p e r i m e n t   r e s u l t s   i n   t h e   i d l e   c o n d i t i o n ,   t h e   m e a s u r e d   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e   ( O C V ) ,   s h o r t   c i r c u i t   v o l t a g e   ( I S C )   a n d   p o w e r   a t   t h e   m a x i m u m   p o i n t   w e r e   3 0 V ,   3 . 8 A ,   a n d   2 8 . 5   W a t t s ,   C o o l a n t     i n   C o o l a n t     o u t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   R e p l a c i n g   R a d i a t o r   f o r   I n t e r n a l   .   ( N y a m b a y a r   B a a t a r )   5 2 7   r e s p e c t i v e l y .   W e   u s e d   7 2   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s   ( T E M )   d u r i n g   e x p e r i m e n t s ,   s o   t h e   m a x i m u m   o u t p u t   p o w e r   i s   a b o u t   0 . 4   W   p e r   m o d u l e   a t   t h e   i d l e   c o n d i t i o n .           ( a )         ( b )     F i g u r e   5 .   ( a )   B o t t o m   s i d e   v i e w   o f   t h e   p r o p o s e d   T E G .   ( b )   I n f r a - r e d   i m a g e   w h e n   t h e   v e h i c l e   o f   w a s   o p e r a t i n g   i n   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   8 0   k m / h o u r .           F i g u r e   6   T e m p e r a t u r e   p r o f i l e   a c r o s s   t h e   H o t   s i d e   b l o c k   a n d   C o l d   s i d e   b l o c k   a l o n g   w i t h   s t r a i t   l i n e   m a r k e d   i n   F i g u r e   5 . ( b )                                                                 H o t   s i d e   b l o c k       C o o l a n t   i n   H e a t   p i p e   C o l d   s i d e   b l o c k               T E M   C o o l a n t   o u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 2 3   -   5 3 0   5 2 8     F i g u r e   7 .   S i m u l a t i o n   a n d   e x p e r i m e n t a l   r e s u l t   o f   V o l t a g e   v e r s u s   c u r r e n t   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   p r o p o s e d   T E G ,   w h e n   t h e   v e h i c l e   w a s   i n   i d l e   a n d   d r i v i n g   c o n d i t i o n s .       I n   d r i v i n g   m o d e ,   t h e   i n c r e m e n t   o f   h o t   s i d e   t e m p e r a t u r e   i s   a b o u t   5 ˚ C ,   o n   t h e   o t h e r   h a n d ,   r e d u c t i o n   o f   c o l d   s i d e   t e m p e r a t u r e   d u e   t o   i n c o m i n g   a i r - c o o l i n g   i s   a b o u t   2 5 ˚ C .   T h e   m e a s u r e d   O C V ,   I S C   a n d   m a x i m u m   p o w e r   p o i n t   w e r e   5 0 V ,   6 A ,   a n d   7 5 W a t t ,   r e s p e c t i v e l y .   T h e   m a x i m u m   o u t p u t   p o w e r   i s   a b o u t   1 . 0 4 W   p e r   m o d u l e   a t   t h e   d r i v i n g   c o n d i t i o n . T h e   e l e c t r o - t h e r m a l   b e h a v i o r   o f   a   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e   h a s   m o d e l e d   a s   a n   e q u i v a l e n t   e l e c t r i c   c i r c u i t   w i t h   m o d e l   p a r a m e t e r s   o f   t h e r m a l   r e s i s t a n c e ( Q m ) , S e e b a c k c o e f f i c i e n t ( a m ) , e l e c t r i c   r e s i s t a n c e ( R m ) ,   t h e r m a l   c a p a c i t a n c e   a n d   t h e r m a l   r e s i s t a n c e   o f   h e a t   s p r e a d e r ( R a i r ) [ 8 ] .   F i g u r e   8   s h o w s   a   p r o p o s e d   e l e c t r o - t h e r m a l   e q u i v a l e n t   e l e c t r i c   m o d e l   o f   a n   e n g i n e   c o o l a n t   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   V C L N T   i s   a   h e a t   s u p p l i e d   b y   e n g i n e   c o o l a n t ;   a n d a f I f   i s   a n   i n c o m i n g   c o o l i n g   a i r   f l o w   w h e n   a   v e h i c l e   i s   r u n n i n g .   D u r i n g   i d l e   m o d e   i n c o m i n g   a i r   f l o w   i s   z e r o   a n d   V C L N T   i s   3 6 8 V ,   w h i c h   i s   r e p r e s e n t a t i o n   o f   a b s o l u t e   t e m p e r a t u r e   o f   9 5 ˚ C .   M e a s u r e d   R m   i s   a b o u t   8 . 0   W ,   a n d a m   i s   1 . 3 6 V / ˚ C   a t   i d l e   c o n d i t i o n   a n d   0 . 9 5 V / ˚ C   a t   t h e   d r i v i n g   c o n d i t i o n .         F i g u r e   8 .   S P I C E   e q u i v a l e n t   e l e c t r i c a l   m o d e l   o f   t h e   e n g i n e   c o o l a n t   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r .   W h e r e V a i s   a ( T h - T C ) .       M a x i m u m   P o w e r   p o i n t   t r a c k i n g   s c h e m e   a n d   L e a d - a c i d   b a t t e r y   c h a r g i n g   s y s t e m   f o r   c o n v e n t i o n a l   I C E   v e h i c l e   w a s   r e p o r t e d   [ 9 ] .   T h e   S P I C E   e q u i v a l e n t   e l e c t r i c a l   m o d e l   o f   t h e   e n g i n e   a f I f R L O A D V C L N T I O U T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   R e p l a c i n g   R a d i a t o r   f o r   I n t e r n a l   .   ( N y a m b a y a r   B a a t a r )   5 2 9   c o o l a n t   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   w i l l   b e   h e l p f u l   t o   d e v e l o p   a   b a t t e r y   c h a r g e   s y s t e m   o f   b o t h   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   v e h i c l e s   a n d   H y b r i d   E l e c t r i c   v e h i c l e s .       4 .     D i s c u s s i o n s     T h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   T E G   i n   a u t o m o t i v e   a p p l i c a t i o n s   c a n   b e   e s t i m a t e d   b y   [ 1 ,   4 ] ,     ε =   ( 1 )     w h e r e   Z T   i s   a   f i g u r e   o f   m e r i t ,   a n d   T H   a n d   T C   a r e   t h e   h o t - s i d e   a n d   c o l d - s i d e   t e m p e r a t u r e s   o f   t h e   t h e r m o e l e c t r i c   m a t e r i a l s ,   r e s p e c t i v e l y .   W e   u s e d   B i 2 T e 3   T E   m o d u l e s   w i t h   Z T     0 . 7 .   C a l c u l a t e d   e f f i c i e n c y   o f   t h e   T E G   i s   3 . 2 %   a n d   1 0 . 0 % ,   i n   t h e   e x p e r i m e n t a l   c o n d i t i o n   o f   i d l e   a n d   d r i v i n g   m o d e ,   r e s p e c t i v e l y .   C o o l a n t   f l o w   s p e e d   f o r   t y p i c a l   I C E   v e h i c l e   i s   n e e d   t o   m e c h a n i c a l l y   d r i v e n   w a t e r   p u m p   v a r y   b e t w e e n   f r o m   1 . 0   t o   1 . 7   L / m i n / K W   [ 1 0 ] .   T h e   m a x i m u m   p o w e r   o f   t e s t   v e h i c l e   i s   a b o u t   1 0 0 k W .   T h e   f l o w   r a t e   o f   e n g i n e   c o o l a n t   i s   a b o u t   f r o m   1 0 0   t o   1 7 0   L / m i n .   S i n c e   a b o u t   3 0   p e r c e n t   o f   c o m b u s t i o n   e n e r g y   i s   w a s t e   t h r o u g h   e n g i n e   c o o l a n t ,   t h e   m a x i m u m   w a s t e   p o w e r   i s   a b o u t   3 0 K W ,   w h i c h   i s   h u g e   a m o u n t   o f   e n e r g y   l o s s .     T h e   o u t p u t   p o w e r   o f   t h e   f a b r i c a t e d   T E G   w a s   o n l y   7 5 W   a t   d r i v i n g   c o n d i t i o n   o f   8 0 K m / h o u r ,   t h e   o v e r a l l   e f f i c i e n c y   o f   e l e c t r i c   p o w e r   g e n e r a t i o n   f r o m   w a s t e   h e a t   o f   e n g i n e   c o o l a n t   i s   o n l y   a b o u t   0 . 4 % ,   w e   e s t i m a t e   t h a t   t h e   w a s t e   h e a t   t h r o u g h   e n g i n e   c o o l a n t   i s   a b o u t   1 8 k W   d u r i n g   t h e   d r i v i n g   c o n d i t i o n   w i t h   1 0 0   K W   e n g i n e .     T h e   o v e r a l l   e f f i c i e n c y   i s   o n l y   0 . 4 % ,   i t   m e a n s   t h a t   w e   s t i l l   h a v e   a     l o t   o f   r o o m   t o   r e g e n e r a t e   e l e c t r i c   e n e r g y   f r o m   t h e   w a s t e   h e a t   o f   e n g i n e   c o o l a n t .   I f   w e   i n c r e a s e   t h e   n u m b e r   o f   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e   a t t a c h e d   o n   t h e   T E G ,   t h e   o u t p u t   p o w e r   c a n   b e   i n c r e a s e d   s i g n i f i c a n t l y .   I m p r o v e m e n t   o f   f i g u r e   o f   m e r i t   o f   t h e r m o e l e c t r i c   d e v i c e   i s   h i g h l y   r e q u i r e d   f o r   t h e   a u t o m o t i v e   a p p l i c a t i o n s .       5 .     C o n c l u s i o n   W e   h a v e   p r o p o s e d   a n d   d e v e l o p e d   a   l o w   t e m p e r a t u r e   t h e r m o e l e c t r i c   g e n e r a t o r   u s i n g   e n g i n e   w a t e r   c o o l a n t   o f   p a s s e n g e r   v e h i c l e s ,   o f   w h i c h   e n g i n e   s i z e   i s   a b o u t   2 . 0   l i t e r s .   W e   a l s o   c a r r i e d   o u t   t h e   e x p e r i m e n t a l   a n d   c o m p u t a t i o n a l   m o d e l i n g   w o r k s   t o   d e m o n s t r a t e   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   T E G .   I n   t h e   e x p e r i m e n t a l   r e s u l t s ,   m a x i m u m   e s t i m a t e d   o u t p u t   p o w e r   f r o m   p r o p o s e d   T E G   i s   a b o u t   7 5 W   a n d   c a l c u l a t e d   e f f i c i e n c y   o f   t h e   T E G   i s   a b o u t   1 0 . 0 % ,   o v e r a l l   e f f i c i e n c y   o f   e l e c t r i c   p o w e r   g e n e r a t i o n   f r o m   w a s t e   h e a t   o f   e n g i n e   c o o l a n t   i s   a b o u t   0 . 4 %   i n   t h e   d r i v i n g   m o d e   o f   8 0 k m / h .   T h e   p r o p o s e d   T E G   c a n   r e p l a c e   c o n v e n t i o n a l   r a d i a t o r   w i t h o u t   a d d i t i o n a l   w a t e r   p u m p s   o r   m e c h a n i c a l   d e v i c e s   e x c e p t   f o r   b a s i c   c o m p o n e n t s   o f   l e g a c y   w a t e r   c o o l i n g   s y s t e m   o f   r a d i a t o r .       A c k n o w l e d g m e n t     T h i s   r e s e a r c h   w a s   s u p p o r t e d   i n   p a r t   b y   t h e   M KE,   Ko r e a ,   u n d e r   t h e   I T   C o n s i l i e n c e   C r e a t i v e   Pr o g r a m   s u p p o r t   p r o g r a m   s u p e r v i s e d   b y   t h e   N I PA   ( N I PA - 2 0 1 0 - C 1 5 1 5 - 1 0 0 1 - 0 0 0 1 )     R e f e r e n c e s   [ 1 ]     St a b l e r   F .   Au t o m o t i v e   Ap p l i c a t i o n s   o f   H i g h   Ef f i c i e n c y   T h e r m o e l e c t r i c s .   Pr o c e e d i n g s   o f   D AR PA  /   O N R   /   D O H i g h   Ef f i c i e n c y   T h e r m o e l e c t r i c   W o r k s h o p .   2 0 0 2 :   1 - 2 6 .   [ 2 ]     F a i r b a n k s   J .   D O E s   L a u n c h   o f   H i g h - Ef f i c i e n c y   T h e r m o e l e c t r i c s   Pr o j e c t s .   D EER   C o n f e r e n c e .   2 0 0 4 .   [ 3 ]     Ka d o t a   M ,   Y a m a m o t o   K.   Ad v a n c e d   T r a n s i e n t   Si m u l a t i o n   o n   H y b r i d   V e h i c l e   U s i n g   R a n k i n e   C y c l e   Sy s t e m .   SAE  i n t e r n a t i o n a l .   2 0 0 8 .   [ 4 ]     Be l l   L .   C o o l i n g ,   H e a t i n g ,   G e n e r a t i n g   Po w e r   a n d   R e c o v e r i n g   W a s t e   H e a t   w i t h   T h e r m o e l e c t r i c   Sy s t e m s .   2 0 0 8 ;   3 2 1 :   1 4 5 7 - 1 4 6 1 .   [ 5 ]     Pa r k   S ,   Y o o   J ,   Ki m   S.   L o w   a n d   h i g h   T e m p e r a t u r e   D u a l   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t i o n   W a s t e   H e a t   R e c o v e r y   S y s t e m   f o r   L i g h t - D u t y   Ve h i c l e s .   D EER   C o n f e r e n c e .   2 0 0 9 .   [ 6 ]     Pa r k   S,   Ki m   S.   D e v e l o p m e n t   o f   L o w   a n d   h i g h   T e m p e r a t u r e   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r s   f o r   Au t o m o t i v e   W a s t e   H e a t   R e c o v e r y   Sy s t e m .   D o T h e r m o e l e c t r i c   Ap p l i c a t i o n s   W o r k s h o p .   2 0 0 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 2 3   -   5 3 0   5 3 0 [ 7 ]     L i n e e y k i n   S ,   Be n - Y a a k o v   S.   M o d e l i n g   a n d   a n a l y s i s   o f   t h e r m o e l e c t r i c   m o d u l e s .   I EEE  T r a n s c .   O n   I n d u s t r i a l   El e c t r o n i c s .   2 0 0 7 ;   4 3 ( 2 ) :   5 0 5 - 5 1 2 .   [ 8 ]     Ki m   R ,   L a i   J ,   Y o r k   B,   K o r a n   A.   An a l y s i s   a n d   d e s i g n   o f   M a x i m u m   Po w e r   p o i n t   t r a c k i n g   s c h e m e   f o r   t h e r m o e l e c t r i c   b a t t e r y   e n e r g y   s t o r a g e   s y s t e m .   I EEE  T r a n s c .   O n   I n d u s t r i a l   El e c t r o n i c s .   2 0 0 9 ;   5 6 ( 9 ) :   3 7 0 9 - 3 7 1 6 .   [ 9 ]     Br a c e   C J ,   Bu r n h a m - S l i p p e r   H ,   W i j e t u n g e   R S,   Va u g h a n   N D ,   W r i g h t   K ,   Bl i g h t   D .   I n t e g r a t e d   C o o l i n g   Sy s t e m s   f o r   Pa s s e n g e r   Ve h i c l e s .   SAE  i n t e r n a t i o n a l .   2 0 0 1   [ 1 0 ]     Ki m   S,   Pa r k   S,   R h i   S.   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t o r   U s i n g   En g i n e   C o o l a n t   f o r   L i g h t - D u t y   I n t e r n a l   C o m b u s t i o n   En g i n e - P o w e r e d   Ve h i c l e s .   J o u r n a l   o f   El e c t r o n i c   M a t e r i a l s .   2 0 1 1 ;   4 0 ( 5 ) :   1 - 5 .   [ 1 1 ]     Pa r k   S,   Y o o   J ,   K i m   S.   T h e r m o e l e c t r i c   G e n e r a t i o n   W a s t e   H e a t   R e c o v e r y   Sy s t e m   u s i n g   En g i n e   C o o l a n t   f o r   L i g h t - D u t y   I C Ve h i c l e s .   I C EM I n t e r n a t i o n a l .   2 0 1 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.