KR100842207B1 - 차량용 난방 시스템 - Google Patents

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KR100842207B1
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Abstract

본 발명에 따른 차량용 난방시스템은, 차량용 엔진을 거친 냉각수를 유입하여 냉각수와 외기 사이에 열교환시켜 외기를 가열시키는 히터 코어와 히터 코어에 인접하게 설치되며 수소와 상호 반응하는 수소저장합금이 장입된 수소반응 유닛을 구비하는 열교환기와; 열교환기의 수소반응 유닛으로 수소를 공급하기 위하여 수소가 저장된 수소저장용기와, 수소저장합금이 수소와 반응할 수 있도록 수소반응 유닛 내의 압력을 조절하기 위한 적어도 하나의 압력조절수단, 및 수소반응 유닛으로 유입되는 수소의 압력을 높이기 위한 압축기를 구비하여 외기를 급속하게 가열시켜 난방시키는 급속 난방수단; 및 급속 난방수단을 제어하기 위한 제어기;를 구비한다.

Description

차량용 난방 시스템{Heating system for vehicle}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 난방시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 급속난방수단을 개략적으로 도시한 사시도.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
110..히터 코어 120..급속 난방수단
121..수소반응 유닛 122..수소저장합금
123..수소반응 튜브 131..헤더
132..헤더탱크 140..수소저장용기
150..압축기 160..압력조절수단
161..단속밸브 162..솔레노이드 밸브
170..제어기 171..압력센서
172..온도센서 180..블로어
본 발명은 차량용 난방시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소저장합금 의 특성을 이용하여 급속난방을 행할 수 있는 차량용 난방시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 수소저장합금은 수소를 흡장하는 경우에 발열반응을 일으키고, 수소를 탈장하는 경우에는 흡열반응을 일으키는 특성이 있는 Mg 나 Zr 등을 주요원소로 하여 제조된 금속간 화합물을 지칭하는 것으로서, 수소저장합금과 수소가 반응하는 화학식은 다음과 같다.
Figure 112001024756043-pat00001
여기서, M은 수소저장합금, H는 수소, Q는 반응열을 나타낸다.
상기 수학식 1로부터 수소저장합금은 온도를 낮추거나 압력을 높이게 되면, 정반응이 우세하게 되어 수소를 흡장하게 되고, 그와 동시에 열을 발생시키며, 반대로 온도를 높이거나 압력을 낮추어 주게되면, 역반응이 우세하게 되어 수소를 탈장하여 열을 흡수하는 성질이 있다.
최근에는 이러한 수소저장합금의 특성을 열펌프나 수소저장기구 등에 응용하기 위한 연구가 활발하게 진행되어 오고 있다.
특히, 차량 엔진의 배기가스에서 얻어지는 폐열을 이용하여 수소저장합금의 평형압력을 조절함으로써, 냉방 및 난방효과를 얻는 차량용 공조시스템이 연구되고 있으나, 상기 시스템은 너무 복잡하고 커져서 단가상승의 요인이 되는 등 큰 실익은 없는 편이다. 따라서, 폐열을 이용하는 대신 압축기를 이용하여, 수소의 흡입 및 탈장이 이루어지게 함으로써, 이때 발생되는 열의 출입으로부터 냉방 및 난방을 수행하려는 노력이 진행중이다.
그러나, 상기와 같이 수소저장합금은 수소가 흡입 및 탈장을 무수히 반복하게 되면, 수소저장합금의 퇴화를 유발하게 되므로, 가역적으로 반응할 수 있는 수소의 양이 감소하게 되어 성능의 감소 원인이 된다. 따라서, 장시간 사용에 대한 신뢰성이 떨어지므로 수소저장합금을 이용하여 공조시스템을 설계하기에는 어려움이 많다.
한편, 종래의 차량용 공조시스템에 있어서, 엔진냉각용 냉각수를 사용하여 난방을 하게 되는데, 엔진이 적당한 온도까지 올라가기 전까지는 난방 효과를 얻을 수 없다. 즉, 급속난방이 불가능하므로 탑승자의 급속난방에 대한 요구사항을 충족시키지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엔진냉각용 냉각수를 이용하는 히터 코어와 대향되게 수소저장합금과 수소가 반응하는 수소반응 유닛을 배치하여 상기 히터 코어가 정상적으로 작동하기까지 수소반응 유닛에 의하여 급속난방을 수행할 수 있는 차량용 난방시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 난방시스템은, 차량용 엔진을 거친 냉각수를 유입하여 상기 냉각수와 외기 사이에 열교환시켜 외기를 가열시키는 히터 코어와 상기 히터 코어에 인접하게 설치되며 수소와 상호 반응하는 수소저장합금이 장입된 수소반응 유닛을 구비하는 열교환기와; 상기 열교환기의 수소반응 유닛으로 수소를 공급하기 위하여 수소가 저장된 수소저장용기와, 상기 수소 저장합금이 수소와 반응할 수 있도록 수소반응 유닛 내의 압력을 조절하기 위한 적어도 하나의 압력조절수단, 및 상기 수소반응 유닛으로 유입되는 수소의 압력을 높이기 위한 압축기를 구비하여 외기를 급속하게 가열시켜 난방시키는 급속 난방수단; 및 상기 급속 난방수단을 제어하기 위한 제어기;를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는, 그 내부에 냉각수가 유동되어 외기와 열교환될 수 있도록 유로가 형성되어 있는 냉각수 튜브들과; 상기 냉각수 튜브들과 대향되게 배치되고 그 내부에 수소저장합금이 분말상태로 장입되어 있는 수소반응 튜브들과; 상기 냉각수 튜브들 및 수소반응 튜브들의 단부를 관통삽입시켜 이들을 고정시키는 헤더와; 상기 헤더의 상부에 설치되어, 냉각수 튜브의 상방에 냉각수 공간을 형성하고, 수소반응 튜브의 상방에는 수소 공간을 형성하는 헤더탱크; 및 상기 냉각수 튜브들 사이 및 수소반응 튜브들 사이와, 이들 사이에 설치되어 열교환을 촉진시키는 전열성의 방열휜;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 난방시스템에 대한 개략적인 구성을 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 있어서, 급속 난방수단을 위한 히터 코어 및 수소반응 유닛을 일체로 형성한 열교환기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 차량용 난방시스템(100)은, 냉각수를 이용한 히터 코어(110)와, 수소저장합금을 이용한 급속 난방수단(120)으로 구성된다.
상기 히터 코어(110)는, 차량의 엔진(10)을 냉각시키고 나온 냉각수를 유입하여 상기 냉각수와 외기 사이에 열교환을 행하여 외기를 가열하여 난방을 수행하며, 상기 급속 난방수단(120)은 수소저장합금과 수소를 결합시켜 결합시 발생되는 열을 이용하여 외기를 가열함으로써, 급속한 난방을 수행한다.
상기 급속 난방수단(120)은, 수소저장합금(122)이 장입되어 수소와 상호 반응을 하는 수소반응 유닛(121)과, 상기 수소반응 유닛(121)으로 수소를 공급하기 위하여 수소가 저장된 수소저장용기(140)와, 상기 수소반응 유닛(121)으로 유입되는 수소의 압력을 높이기 위한 압축기(150), 및 상기 수소반응 유닛(121)내의 압력을 조절하기 위한 적어도 하나의 압력조절수단(160)을 포함하여 구성된다. 그리고, 이들은 연결관(11)으로 연결되어 폐회로를 형성하게 된다.
상기 수소반응 유닛(121) 및 히터 코어(110)는 난방을 위한 열교환기로서 도면에는 일체로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 별개로 제조되어 나란하게 배치될 수도 있다.
일체로 형성된 열교환기는, 냉각수가 유입되어 순환되는 적층된 다수개의 냉각수 튜브(111)들과, 수소저장합금(122)이 각각 장입된 다수개의 수소반응 튜브(123)들이 상호 대향되게 배치되어 있다. 즉, 제1열은 냉각수 튜브(111)들로, 제2열은 수소반응 튜브(123)들로 이루어져 있다.
상기 냉각수 튜브(111)는 그 내부에 냉각수가 유동되어 외기와 열교환될 수 있도록 유로가 형성되어 있으며, 상기 수소반응 튜브(123) 내에는 수소저장합금(122)이 분말상태로 장입되어 있다.
상기 냉각수 튜브(111)들 및 수소반응 튜브(123)들의 양단부는 상하로 소정간격으로 이격된 판상의 헤더(131)들에 각각 관통 삽입되어 고정된다. 그리고, 상기 헤더(112)들에는 각각 헤더탱크(132)가 결합되어 상하측에 탱크부를 이루게 된다.
상기 헤더탱크(132)는 냉각수 튜브(111)들과 수소반응 튜브(123)들 사이에 이들이 각각 배열된 방향으로 이분할되어 상기 헤더(131)와 결합됨으로써, 냉각수 공간과 수소 공간으로 양분하게 된다. 상기 헤더탱크(132)는 별개로 두 개로 형성되어 상기 헤더(131)와 결합됨으로써, 상기 냉각수 공간과 수소 공간을 형성할 수도 있다.
그리고, 상측 헤더탱크(132)의 일측에는 냉각수가 공급되는 냉각수 공급관(112)과, 상기 냉각수 튜브(111)들 내를 통과한 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출관(113)이 설치되며, 타측에는 수소가 공급되는 수소 공급관(124)과, 상기 수소가 배출되는 수소 배출관(125)이 설치된다.
상기 냉각수 공급관(112)과 냉각수 배출관(113) 사이, 및 수소 공급관(124)과 수소 배출관(125) 사이의 탱크부 내에는 각각 적어도 하나의 배플(135)이 설치될 수 있다.
따라서, 상기 냉각수 공급관(112)을 통하여 냉각수가 상측 탱크부로 공급된 후, 배플(135)을 경계로 좌측에 위치된 냉각수 튜브(111)들로 각각 배분되어 이들의 내부공간을 통과하게 된다. 상기 냉각수 튜브(111)들을 거친 냉각수는 하측 탱크부로 유입된다. 그 다음 하측 탱크부에 유입된 냉각수는 우측에 위치된 냉각수 튜브(111)들을 거쳐 상측 탱크부로 리턴된 후, 냉각수 배출관(113)을 통하여 배출된다. 또한, 수소도 냉각수의 순환과정과 동일한 과정을 거치게 된다. 상기 냉각수 및 수소의 순환과정은 도면에 도시된 것에 한정되지 않고, 배플의 개수 및 위치에 따라 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
상기 냉각수 튜브(111)들 사이와, 수소반응 튜브(123)들 사이, 및 상기 냉각수 튜브(111)들과 수소반응 튜브(123)들 사이에는 전열성의 방열휜(133)이 설치되어 열교환을 촉진시킬 수 있다. 게다가, 상기 냉각수 튜브(111)들 및 수소반응 튜브(123)들의 최외각 양측에는 서포트 부재(134)가 각각 설치되어 탱크부를 지지할 수 있다.
한편, 수소가 유입되는 수소반응 유닛(121) 측에는 압축기(150)가 설치되어 수소저장용기(140)로부터 수소를 공급받아서 소정 압력값으로 상승시켜 수소반응 유닛(121)측으로 공급하게 된다. 또한, 상기 수소저장용기(140)의 수소 유출측과 압축기(150) 사이와, 수소저장용기(140)의 수소 유입측과 수소반응 유닛(121) 사이에는 압력조절 수단(160)이 설치된다.
상기 압력조절 수단(160)은 수소저장합금(122)이 수소와 반응할 수 있도록 수소반응 유닛(121) 내의 압력을 조절하는 것으로서, 밸브인 것이 바람직하다. 밸브로는 수소저장용기(140)의 수소 유출측과 압축기(150) 사이에는 수소의 흐름을 단순히 개폐하기 위한 단속밸브(161)가 사용될 수 있으며, 수소저장용기(140)의 수소 유입측과 수소반응 유닛(121) 사이에는 유량을 조절할 수 있는 솔레노이드 밸브(162)가 사용되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 수소저장용기(140)의 유출측과 압축기(150) 사이에 설치되는 단속밸브(161)는 수소저장용기(140)로부터 압축기(150)로 수소를 공급 또는 차단시키게 된다. 그리고, 수소저장용기(140)의 수소 유입측과 수소반응 유닛(121) 사이에 설치되는 솔레노이드 밸브(162)는 개구를 조절하여 수소반응 유닛(121)내의 압력을 조절하게 된다.
상기 급속난방수단(120)은 제어기(170)에 의하여 제어되는데, 상기 제어기(170)는 압력센서(171)로부터 감지된 압축기(150)를 거친 수소의 압력값을 입력으로 하여 상기 솔레노이드 밸브(162)를 전기적으로 제어한다. 또한, 상기 제어기(170)는 온도센서(172)로부터 히터 코어(110)에서의 냉각수의 온도값을 감지함으로써, 감지한 온도값을 입력으로 하여 압축기(150)의 구동여부를 제어하게 된다. 상기 히터 코어(110) 및 수소반응 유닛(121)의 일측에는 블로어(180)가 설치될 수 있으며, 상기 블로어(180)는 외기를 히터 코어(110) 및 수소반응 유닛(121) 측으로 불어넣게 된다.
상기의 구성을 가진 차량용 난방시스템(100)은 다음과 같이 작동된다.
차량의 탑승자가 급속난방이 필요한 경우, 압축기(150)를 구동시키게 된다. 이때 단속밸브(161)도 열리므로 수소가 압축기(150)측으로 안내되고, 안내된 수소는 압축기(150)의 구동으로 압축이 이루어져 압력이 상승된 상태로 수소저장합금(122)이 장입되어 있는 수소반응 유닛(121)으로 공급된다. 상기와 같이 공급된 고압의 수소는 수소저장합금(122)에 흡장되면서, 격렬한 발열반응을 일으킨다. 이때의 반응시간은 수십 초에서 수 분으로, 블로어(180)를 통하여 공급된 외기를 충분히 가열할 수 있어, 가열된 외기를 차량 실내로 공급하여 급속난방을 행하게 된다. 그리고, 제어기(170)는 수소반응 유닛(121)내에서 계속해서 수소저장합금(122)과 수소가 반응할 수 있도록 소정 압력으로 유지될 수 있도록, 압축기(150)의 출구측의 압력센서(171)로부터 감지된 압력값을 피더백(feedback) 받아 솔레노이드 밸브(162)의 개도를 조정하게 된다.
한편, 압축기(150)를 구동시킬 때, 히터 코어(110)를 작동시키게 되는데, 상기 압축기(150)를 구동시킨 후 수 분이 지나서, 차량 실내를 난방할 수 있는 충분한 온도를 온도센서(172)로 감지하여 약 80∼100℃가 되게 되면, 제어기(170)에 의하여 압축기(150)의 구동이 멈추게 된다. 이때, 단속밸브(161)와 솔레노이드 밸브(162)도 닫혀지게 된다.
그 다음부터는 히터 코어(110)에 의하여 냉각수를 이용하여 차량 실내의 난방을 수행하게 된다. 그리고, 닫혀진 솔레노이드 밸브(162)는 제어기(170)에 의하여 개도를 아주 조금씩 열어 수소반응 유닛(121)의 압력을 낮추게 된다. 즉, 솔레노이드 밸브(162)가 갑작스럽게 개방되면 압력이 급강하하게 되고, 수소저장합금(122)으로부터 수소가 급작스럽게 탈장하면서 흡열반응을 일으키게 되므로 이를 방지하기 위해 솔레노이드 밸브(162)의 개방을 느리게 진행시키게 된다. 상기와 같이 수소반응 유닛(121)으로부터 유출된 수소는 솔레노이드 밸브(162)를 거쳐 수소저장용기(140)로 복귀하게 된다. 또한, 상기 수소반응 유닛(121)은 히터 코어(110)의 일측에 위치되어 히터 코어(110)로부터 잔류 열을 공급받으므로, 상기 수소반응 유닛(121)내에 잔류한 수소 온도가 수소저장용기(140)내의 수소 온도보다 높다. 즉, 상기 수소반응 유닛(121)내의 수소 압력이 수소저장용기(140)내의 수소 압력보다 높으므로, 압력차이에 의하여 수소반응 유닛(121)으로부터 수소저장용기(140)로 잔류 수소가 계속하여 복귀하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 난방시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 수소저장합금의 종류에 따라 차이는 있지만, 예를 들어 Zr의 수소저장합금을 이용하면 약 3분 이내로 급속 난방이 가능하다.
둘째, 계속적인 흡장과 탈장이 반복됨으로써, 수소저장합금의 성능을 감소시키는 퇴화현상이 발생되는 단점을 개선하여, 차량의 운전시마다 한 번의 흡장 및 탈장이 진행되므로 장기사용에 대한 신뢰성을 얻을 수 있다.
셋째, 필요시에만 압축기 또는 히터를 수분 동안 구동시키므로 종래의 난방시스템에 비하여 에너지 소비율이 크지 않으며, 수소의 사용량이 크게 요구되지 않으므로, 수소저장용기가 기존의 수소가스 운송을 위한 저장용기와 같은 고압용이 아니어도 무방하다.
게다가, 본 발명에 따른 차량용 난방시스템은 차량뿐만 아니라, 급속 난방 또는 급탕이 요구되는 다른 시스템에서도 적용가능하며, 전기 동력을 사용할 수 있어, 청정한 환경이 요구되는 시스템에도 적용이 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다 양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 차량용 엔진을 거친 냉각수를 유입하여 상기 냉각수와 외기 사이에 열교환시켜 외기를 가열시키는 히터 코어와 상기 히터 코어에 인접하게 설치되며 수소와 상호 반응하는 수소저장합금이 장입된 수소반응 유닛을 구비하는 열교환기와;
    상기 열교환기의 수소반응 유닛으로 수소를 공급하기 위하여 수소가 저장된 수소저장용기와, 상기 수소저장합금이 수소와 반응할 수 있도록 수소반응 유닛 내의 압력을 조절하기 위한 하나 이상의 압력조절수단, 및 상기 수소반응 유닛으로 유입되는 수소의 압력을 높이기 위한 압축기를 구비하여 외기를 급속하게 가열시켜 난방시키는 급속 난방수단; 및
    상기 급속 난방수단을 제어하기 위한 제어기;를 구비하며,
    상기 열교환기의 히터 코어 및 수소반응 유닛은 일체로 형성되며,
    상기 열교환기는, 그 내부에 냉각수가 유동되어 외기와 열교환될 수 있도록 유로가 형성되어 있는 냉각수 튜브들과;
    상기 냉각수 튜브들과 대향되게 배치되고 그 내부에 수소저장합금이 분말상태로 장입되어 있는 수소반응 튜브들과;
    상기 냉각수 튜브들 및 수소반응 튜브들의 양단부를 각각 관통삽입시켜 이들을 고정시키는 헤더들과;
    상기 각 헤더와 결합되어, 일측에는 냉각수 공간을 형성하고, 타측에는 수소 공간을 형성하는 헤더탱크들; 및
    상기 냉각수 튜브들 사이 및 수소반응 튜브들 사이와, 이들 사이에 설치되어 열교환을 촉진시키는 전열성의 방열휜;을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 차량용 난방시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압력조절수단은, 상기 압축기의 출구측의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 압력센서로부터 검출된 압력값을 피더백 받은 제어기에 의하여 수소의 흐름을 조절하는 솔레노이드 밸브를 구비함으로써, 상기 수소반응 유닛 내의 압력이 소정값으로 유지될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 난방시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 히터 코어의 출구측에는 냉각수의 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 구비하여, 상기 제어기에 의하여 상기 온도센서의 검출된 온도값으로부터 상기 압축기의 구동여부가 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 난방시스템.
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KR0129101B1 (ko) * 1995-12-26 1998-04-08 박상록 차량용 공기조화기의 제어장치 및 그 방법
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