KR100384584B1 - 자동차의 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 난방장치 및 제어방법에 관한 것으로 온수식 난방장치에서 냉각수 온도 의존 특성을 탈피하기 위한 것이며, 냉각수 온도가 적정온도 이하인 조건에서 급속 난방을 가능하게 하여 차 실내 온도를 조기에 올려주기 위한 것이다.

본 발명의 장치는, 기관(1)을 거쳐 나오는 냉각수를 히터유닛(2)으로 유입 시키는 호스라인상에서 냉각수를 가열 시켜 히터유닛으로 유입되는 냉각수의 1차 유입 온도를 상승 시키는 히팅라인(15)과, 히터유닛에 직접 열을 전달하여 온도를 재상승 시키는 면상발열체(16)와, 면상발열체에 밧데리 전원을 인가하고 전원을 AC전원으로 변환하는 교직류변환기(17)와, 히팅라인과 면상발열체로 흐르는 전원을 차실 온도조건과 기관의 구동 조건에 따라 제어하는 제어부(19)로 이루어지며, 그 제어방법은, 냉각수 온도를 검출하고 히팅라인을 가동 시켜 히터유닛으로 흐르는 냉각수를 열교환 시키는 단계와, 냉각수를 히터유닛을 통해 면상발열체를 발열 시키는 단계로 이루어지는 초기 난방운전 과정과, 차실 온도가 임의의 온도 또는 냉각수 온도가 의도하는 온도에 이르렀을 때 전원을 차단하는 과정과, 냉각수 수온에 의존하여 차실난방을 정상 운전모드로 전환하는 과정으로 이루어진다. 이에 따라 냉각성능 저하없이 차실 난방을 조기에 쾌적 온도로 안전하게 올릴 수 있다.

Description

자동차의 난방장치{A heating device of car}

본 발명은 자동차의 난방장치에 관한 것으로 더 상세하게는 온수식 난방장치에서 냉각수 온도 의존 특성을 탈피하기 위한 것이며, 냉각수 온도가 적정온도 이하인 조건에서 급속 난방을 가능하게 하여 차 실내 온도를 냉각성능 저하 없이 조기에 올려주기 위한 것이다.

일반적으로 자동차에 사용되는 난방장치는 차실내의 공기를 따뜻하게 하거나 앞면의 유리가 습기로 인해 흐려지는 것을 방지하는 디프로스터(Defroster)도 겸하게 되어 있으며, 그 종류는 기관에서 발생하는 열을 이용하는 것과, 기관 이외의 열원을 사용하는 것이 있으며, 열원에 따라 온수식, 연소식 및 기타 방식으로 나누는데, 보통 승용차나 트럭용으로는 기관의 냉각수를 열원으로 쓰게되는 온수식이 많이 적용되고 있다. 또 공기의 흡입 방법에 따라 내기순환식과 외기순환식 및 내외기 겸용식이 있다.

온수식 히터는 가장 많이 쓰이는 형식이며, 기관(1)의 냉각수 히터유닛(2)의 라이에이터(5)로 보내, 여기서 공기를 데운 다음 이 더운 공기를 송풍기를 통해 차실과 디프로스터로 불어낸다. 온수식 난방장치 구조는 도 1과 같이 히터유닛(2), 송풍기(3), 호스라인(4), 공기통로 및 각종 밸브들과 스위치등으로 구성되어 있으며, 이는 도 2와 같이 기관(1)의 냉각수 온도를 기관의 구동 조건을 이상적으로 만들어 주기 위한 바이패스라인(6) 회로와 연결시켜 일정한 온수의 흐름 형태를 유지 한다.

히터유닛(2)은 도 3과 같이 기관(1)의 물 재킷(7)으로부터 수량조절밸브(8)등을 거쳐 들어온 냉각수(온수)가 히터유닛(2) 속의 가는 파이프(9)들을 통과하게끔 만들어져 있고, 각 파이프(9)들의 사이에는 방열핀을 부착하여 방열효과를 높이도록 설계되어 있으며, 여기에 붙는 송풍기(10)는 장시간의 고속회전을 위해 특수한 무급유 베어링을 사용한 직류 직권식 전동기가 사용되며, 전동기 축에는 히터유닛(2)의 열을 강제로 방출시켜 목적지로 보내는 팬(11)이 부착되어 있으며, 이러한 송풍기의 종류로는 히터유닛과 별도로 있는 분리식과 일체로 되어 있는 일체식이 있다.

호스라인(4)에는 물의 양을 조절하거나 흐름을 정지 시키기 위한 수량조절밸브(8)가 있고, 덕트는 외부공기도입용, 디프로스터용, 치실공기흡입 및 배출용으로 구분되며 이들을 통과하는 공기량을 조정하거나 변환하는 공기제어밸브가 설치되어 있다.

온수식 난방장치는 냉각수 수온과 밀접한 관계를 가진다. 따라서 냉각수 온도가 저온 상태에서는 정상적인 난방이 되지 않는다. 이는 기관의 적정 구동 온도인 80℃ 안팎에 이를 때까지 특별한 경우를 제외하고 지속된다.

즉, 도 4와 같이 기관(1)의 과냉을 막고 정상적인 구동 조건을 조기에 만들어 주기 위하여 냉각수는 기관의 초기 구동으로부터 80℃안팎에 이를 때까지 수온조절기(13)를 통해 냉각수가 라이에이터(5)로 가지 않도록 바이패스라인(6)을 따라 바이패스 시키고, 기관(1)의 열을 받아 냉각수 온도가 대략 80℃에 이르면 수온조절기(13)가 열려 냉각수가 라디에이터(5) 및 물 펌프(14)를 순환하도록 하여 기관(1)의 냉각을 시작한다.

따라서 기관(1)의 초기 점화로부터 냉각수가 바이패스 되는 시기까지는 정상적인 난방이 이루어지지 않게 된다. 즉, 난방운전 모드를 선택하여도 히터유닛(2)에 고온의 냉각수가 공급되지 않고, 기관(1)이 적정 구동온도에 도달하여 수온조절기(13)가 열려 냉각수 순환이 정상적으로 이루어질 때 난방이 시작되며, 이러한 과정을 거쳐 냉각수의 순환이 히터유닛(2)에 미치더라도 정상난방 시점 까지는 상당한 시간을 필요로 하는데, 대략 성능에 따라 난방에 걸리는 시간은 저온에서 대략 10~20분 정도로서, 한랭 지역에서 차실내 공기를 쾌적한 상태로 만드는데 까지는 지나치게 많은 시간이 걸린다.

한랭지역에서 쾌적한 차실 온도 유지에 필요한 난방운전은 대략 3단계로 진행되며 성능에 따라 차이는 있지만 임의의 시간으로 나타낼 수 있다.

1단계는 냉각수 바이패스 종료 시점부터 냉각수가 히터유닛(2)으로 공급되는 난방 대기시간이고, 2단계는 난방운전을 시작하여 원하는 차실 온도 근처까지 온도를 올리는데 필요한 시간 이며, 3단계는 차실 온도를 설정 온도 또는 그 이상의 온도로도 전환이 가능한 정상운전 상태로 나눌 수 있으며, 한랭지역에서 차실의 쾌적온도는 위 3단계 진행에 소요되는 시간을 합한 시간이다.

1단계 또는 2단계 난방에 소요되는 시간을 줄이기 위한 다양한 방법들이 알려져 있다. 예를들면 기관 및 배기계통의 열원을 이용하거나 별도의 보조 히팅장치등을 사용하는 방법들이 있는데, 보조 히팅장치를 사용하는 경우, 직 간접적인 열손실이 많고 구조도 복잡하여 실제로 조기 난방에 기여하기 어려웠으며, 기관이나 머플러와 같은 열원을 이용하는 경우는, 기관의 정상적인 구동까지 걸리는 시간이 필요하기 때문에 초기 난방 시간을 줄이기 위한 구조로는 부적합한 문제점이 있었다.

또한 보조 히팅장치 적용에 따른 냉각성능 저하 가능성이 커서 적용이 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 냉각수 온도 의존형 온수식 난방장치에서 나타나는 초기 난방 대기 시간과 그 다음으로 진행되는 난방 시간을 간단화된 장치를 통해 단축시켜 차실 온도를 냉각성능 저하없이 조기에 쾌적 온도로 올릴 수 있도록 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,라디에이터와 기관을 흐르는 냉각수를 히터유닛으로 유입시키는 호스라인과, 상기 호스라인을 통해 유입된 냉각수를 방열시키는 히터유닛과, 상기 히터유닛에서 방열된 열을 송풍기에 의해 덕트로 방출시켜 차실내 온도를 높이는 차 실내 난방장치에 있어서,

상기 기관을 거쳐서 나오는 냉각수를 히터유닛으로 유입시키는 호스라인상에 소정의 길이를 가지고 설치되어 호스라인을 따라 유동하는 냉각수를 직접 가열시켜 히터유닛으로 유입되는 냉각수의 1차 유입온도를 상승시키는 코일형 히팅라인을 설치한 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 자동차 난방장치와 그의 냉각수 유동 흐름 개략도

도 2는 도 1의 냉각수 흐름도

도 3은 일반적인 히터유닛의 구성 단면도

도 4는 수온조절기에 의한 냉각수 제어의 일반적인 흐름도를 나타낸 것으로 (a)는 수온조절기가 닫힌 때, (b)는 수온조절기가 열린 때

도 5는 본 발명에 따른 자동차 난방장치의 구성도

도 6은 본 발명에 따른 히팅라인의 구성도

도 7은 본 발명에 따른 면상발열체의 구성도

도 8은 본 발명에 따른 난방장치의 제어 흐름도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:기관 2:히터유닛(heater unit)

4:호스라인 5:라디에이터

6:바이패스라인 7:물재킷

8:수량조절밸브 9:파이프

13:수온조절기 14:물펌프

15:히팅라인 16:면상발열체

17:교직류변환기 18:밧데리

19:제어부 20:축류팬

21:ECU(eletronic control unit)

이렇게 기관 구동 초기 단계에서 히터유닛으로 흐르는 냉각수가 히팅라인을 경유 하도록 하고 히터유닛의 주변에는 히터코어를 배치하면 실제 냉각수 온도에 영향을 덜 받으면서 조기에 차실 온도를 쾌적 온도로 올릴 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 5와 같이 라디에이터(5)와 기관(1)을 흐르는 냉각수를 히터유닛(2)으로 유입 시키는 호스라인(4) 및 호스라인(4)을 통해 유입된 냉각수를 방열 시키는 히터유닛(2) 그리고 히터유닛(2)에서 방열된 열을 송풍기(3)에 의해 덕트로 방출 시켜 차실내 온도를 높히는 난방장치에서 호스라인(4)의 일부를 히팅라인(15)으로 변경하고 히터유닛(2)에 별도의 면상발열체(16)를 설치하여 이루어진다. 본 발명의 주요 부분은, 기관(1)을 거쳐서 나오는 냉각수를 히터유닛(2)으로 유입 시키는 호스라인(4)상에서 임의의 길이로 설치되어 냉각수를 가열 시켜 히터유닛(2)으로 유입되는 냉각수의 1차 유입 온도를 상승 시키는 코일형 히팅라인(15)과, 히터유닛(2)의 주변부에서 히터유닛(2)에 직접 열을 전달하여 히터유닛(2)의 온도를 재상승 시키는 면상발열체(16)와, 면상발열체(16)에 밧데리(18) 전원을 인가하고 이 인가되는 전원을 AC전원으로 변환하는 교직류변환기(17)와, 히팅라인(15)과 면상발열체(16)로 흐르는 전원을 차실 온도조건과 기관의 구동 조건에 따라 제어하는 제어부(19)로 이루어진다.

또한 면상발열체(16)의 주변에는 면상발열체(16)에서 나오는 열을 히터유닛(2)에 가속시켜 보내주기 위해 별도의 축류팬(20)을 둘 수 있다.

이렇게 히터유닛으로 들어가는 냉각수 유입라인과 히터유닛에 열원을 집중시키고 이들을 난방모드 전환에 따라 제어하도록 함으로서 초기 난방 모드에서 정상난방 모드로 전환될 때까지 걸리는 시간이 단축 시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 난방장치의 구성도로서, 기관(1)과 히터유닛(2)을 연결하는 호스라인(4)의 일부를 히팅라인(15)으로 변경하고, 히터유닛(2)의 주변부에는 별도의 면상발열체(16)를 설치하여 고온의 공기를 히터유닛(2)에 보내도록 되어 있다. 이러한 히팅라인(15) 및 면상발열체(16)는 초기 난방 운전모드에서 정상 난방운전까지 도달될 때까지 걸리는 시간을 단축 시키도록 작용하는데, 기관 구동에 따른 냉각수 이동과 난방 운전 모드 선택에 의해 나타나는 상호 작용을 살펴보면 다음과 같다.

기관(1)이 구동되면 먼저 수온조절기(13)에 의해 냉각수는 바이패스 회로와 기관(1)내 물 재킷(7)을 순환하여 기관의 정상 온도 도달 시간을 단축 시키게 된다. 온수식 난방장치는 기관(1)의 물 재킷(7)을 경유하면서 열교환된 고온의 온수에서 나오는 열을 히터유닛(2)의 방열핀을 통해 열교환시키면서 이 열을 덕트를 통해 차실로 공급하는 방식이다. 따라서 냉각수는 차실 난방을 위한 유일한 열원이다. 그러나 초기 냉각수 온도는 한랭지역에서 상당히 낮은 상태이고 또 기관의 정상 구동에 도달되는 시간까지는 히터유닛(2)에 냉각수를 보내지 못하기 때문에 이 시간 동안은 실질적인 난방은 이루어지지 못한다.

또한 기관의 온도가 어느정도 까지 도달되어 수온조절기(8)가 열려 호스라인(4)을 따라 히터유닛(2)에 냉각수가 유입된다 하더라도 히터유닛(2)의 온도를 짧은 시간에 충분히 올려 주지는 못하는데, 여기서 다시 히터유닛(2)의 방열을 위한 방열 시간이 소요된다.

본 발명은 먼저 수온조절기(8)가 열려 냉각수가 바이패스라인(6)을 경유하지 않고 직접 호스라인(4)을 따라 히터유닛(2)으로 유동을 시작 할 때 이를 검출하여 히팅라인(15)이 먼저 발열하여 냉각수의 온도를 상승 시키는데, 히팅라인(15)의 길이와 경유하는 단면적 증가에 의해 냉각수의 더 많은 온도 상승을 꾀할 수 있는 여지가 충분하다. 예를들면 도 6과 같이 스프링 코일형으로 히팅라인(15)을 제작하면 냉각수의 충분한 온도 상승을 얻을 수 있으며, 열전도도가 높은 알루미늄 합금 재료를 사용하면 제작이나 장착이 용이하다.

히팅라인(15)을 경유하여 온도가 상승된 채로 히터유닛(2)에 들어가는 냉각수는 다시 히터유닛(2)의 주변부에서 발열되는 면상발열체(16)에 의해 온도가 더 상승되어 순간적으로 냉강수 온도는 난방에 충분한 열량을 갖게 된다. 여기서 히터유닛(2)에 집중적으로 다량의 열을 보내기 위해 면상발열체(16)의 주변에 축류팬(20)을 설치하여 면상발열체(16)에서 나오는 열을 히터유닛(2)에 집중적으로 보내게 되며, 히터유닛(2)은 이러한 냉각수의 직접 온도 상승과 간접 흡열을 통해 난방에 충분한 고온의 공기를 차실로 보내고 히터유닛(2)을 통과한 냉각수는 다시 라디에이터(5)로 들어가 온도가 내려가고 기관(1)을 냉각 시킨 뒤 위와 같은 작용을 설정 시간 동안 반복적으로 수행한다. 여기서 면상발열체(16)는 도 7과 같이 코일이 내장된 사각형상의 형태또는 다각형, 원형 또는 타원형 등 다양한 형상으로 제작 가능하며 가능한 외기 도입용 축류팬(20)을 구비할 때에는 이를 고려하여 면적이나 형상 그리고 위치 등을 결정하여 히터유닛(2)의 주변부에 장착 되는데, 고열을 낼 수 있는 텅스텐 재료를 사용하여 제작하는 것이 적당하다.

한편 기관(1)의 정상 구동과 정상 난방 운전에 도달하면 이를 제어부(19)에서 검출하여 히팅라인(15)과 면상발열체(16)로 보내는 전원을 끊고 이 때에는 냉각수에 의존하여 통상의 난방운전 모드로 진행 시킨다.

면상발열체(16)로 전원을 보내기 위해서 밧데리 전원을 쓰는데, 밧데리 전원은 직류(DC)전원이어서 이를 교직류변환기(17)를 통해 상대적으로 발열에 유리한 교류(AC)전원으로 변환 시킨 뒤 면상발열체(16)를 발열 시키는 것이 보다 유리하다.

도 8은 본 발명에 의한 난방장치의 제어 흐름을 나타낸 것으로, 기관(1) 구동에 따른 초기 난방운전 모드에서 발열되는 부분 즉 히팅라인(15)이나 면상발열체(16)의 발열 상태는 ECU(21)-제어부(19) 등을 통해 온도나 운전모드 등의 검출을 통해 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 냉각수의 온도 과상승에 의한 기관의 과열 가능성은 낮다.

제어방법은, 기관(1) 구동에 적절한 냉각수 온도를 검출하고, 이 검출된 데이터에 의해 호스라인(4)에 설치된 히팅라인(15)을 가동 시켜 호스라인(4)을 따라 히터유닛(2)으로 흐르는 냉각수를 열교환 시키는 단계와, 이 단계를 거쳐 1차로 열교환된 냉각수를 히터유닛(2)을 통해 다시 열교환 시키기 위해 히터유닛(2) 주변에위치하는 면상발열체(16)를 발열 시키는 단계로 초기 난방운전 과정을 거치도록 하며, 초기 난방운전 과정으로 소정의 시간동안 난방을 지속하여 차실 온도가 임의의 온도 또는 냉각수 온도가 의도하는 온도에 이르렀을 때 히팅라인(15)과 면상발열체(16)로 통전되는 전원을 차단하는 과정으로 진행 한 뒤, 다시 기관(1) 운전에 따른 냉각수 수온에 의존하여 차실 난방을 보통의 정상 운전모드로 전환하는 과정으로 진행 시키는 것이다. 이 방법을 통하면 난방을 위해 초기 난방 단계에서 제공되는 열원에 의한 냉각수의 과열에 의한 기관 과열을 막을 수 있다.

구체화된 예는 도 8과 같다. 먼저 기관이 점화되어 구동 하면(S1), 냉각계통을 유동하는 냉각수는 기관의 물재킷과 바이패스라인을 따라 순환된다(S2). 이때 난방모드를 선택하면(S3), 제어부(19)나 ECU(21)를 통해 냉각수 온도가 기관 정상 구동에 충분한지를 점검한다(S4), 그 결과 냉각수 온도가 낮으면 냉각수를 바이패스 시키고, 적정 온도이면 히팅라인(15)을 가동 시켜(S5), 냉각수의 히팅라인 통과(S6) 과정을 수행 시키면, 히팅라인에서 방열된 만큼 냉각수 온도가 상승되는 결과를 얻는다(S7). 연속적으로 냉각수는 히터유닛(2)으로 유입되는 과정을 거치며(S8), 이 과정이 진행되는 동안 면상발열체(16)도 발열된다(S9). 이로인해 히터유닛과 그 주변온도가 상승되고(S10), 지속적으로 차실 또는 냉각수 온도가 정상 난방운전에 가까운 온도에 도달했는가를 검출해낸다(S11). 절대값 근처가 아니면 면상발열체(16)에 대한 전원공급을 계속하며 충분하면 면상발열체를 포함해서 히팅라인에 제공되는 모든 전원을 끊어줌으로서(S12), 보통의 난방장치와 같은 난방 운전모드로 전환 시킨다(S13).

따라서 냉각계통에 무리를 주거나 냉각수 과열에 의한 기관 과열 가능성은 제어 에러에 의하지 않는한 나타나지 않으며, 이는 보조 히팅장치를 갖는 기존의 난방장치들에 비해 그 안정성이 크다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 온수식 난방장치에서 비교적 간단화된 장치를 통해 냉각수 온도 의존 특성을 탈피하여 차실 난방을 조기에 정상 난방 운전으로 전환 시킬 수 있는 효과가 있으며, 온수식 난방장치의 냉각수 유동흐름을 변경 시키지 않으면서도 냉각계통을 제어할 수 있으므로 냉각성능 저하없이 쉽게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 라디에이터와 기관을 흐르는 냉각수를 히터유닛으로 유입시키는 호스라인과, 상기 호스라인을 통해 유입된 냉각수를 방열시키는 히터유닛과, 상기 히터유닛에서 방열된 열을 송풍기에 의해 덕트로 방출시켜 차실내 온도를 높이는 차 실내 난방장치에 있어서,

   상기 기관을 거쳐서 나오는 냉각수를 히터유닛으로 유입시키는 호스라인상에 호스라인을 따라 유동하는 냉각수를 직접 가열시켜 히터유닛으로 유입되는 냉각수의 1차 유입온도를 상승시키는 코일형 히팅라인을 소정의 길이로 호스라인을 따라 설치한 것을 특징으로 하는 자동차의 난방장치.
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