KR101371970B1 - 열 교환기 장치 - Google Patents

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베바스토 에스이
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Abstract

가열 대상인 차량의 영역을 가열하기 위해 이용 가능한 열 교환기 장치는, 냉각 대상인 차량의 적어도 하나의 전기적 구성요소로부터 공기로 폐열을 전달하기 위한 제1 열 교환기 요소(5) 및 적어도 하나의 차량 가열 장치(22)로부터 공기로 열을 전달하기 위한 제2 열 교환기 요소(23)를 구비한다. 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는, 가열 대상 공기(L)가 연속적으로 이들 열 교환기 요소에 가해지도록 하는 방식으로 배치된다.

Description

열 교환기 장치{HEAT EXCHANGER ARRANGEMENT}
본 발명은 가열 대상인 차량의 영역을 가열하기 위한 열 교환기 장치에 관한 것이다.
차량의 영역, 예컨대 가열 대상인 자동차의 내측 공간이, 가열될 공기가 가해지는 열 교환기 장치에 의해 가열되는 것(즉, 가열될 공기는 상기 열 교환기 장치 주위로 또는 이 열 교환기 장치를 통해 유동하게 됨)이 공지되어 있으며, 상기 공기는 가열 대상 영역에 공급된다. 내연 기관을 갖춘 통상적인 도로 차량에 있어서, 가열될 공기에 열을 전달하는 열 교환 장치를 통해, 가온된 엔진 냉각액이 안내된다는 사실 덕분에, 내연 기관의 폐열은 일반적으로 가열을 위해 사용된다. 최신의 효율적인 내연 기관에 있어서, 방출되는 열은 종종 차 내부(passenger compartment)를 충분히 가열하기에는 더 이상 충분하지 않으며, 그 결과로서, 어느 정도로 보조적인 차량 가열 장치가 사용된다. 보조적인 차량 가열 장치는 이때, 이들 차량 가열 장치가 엔진 냉각액 회로에 통합되고 엔진 냉각액을 가열하도록 하는 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 보조적인 차량 가열 장치는, 단지 구동 엔진이 운전 중일 때에만 가열 목적을 위해 이용 가능한 열을 발생시키는 백업 히터로서, 또는 구동 엔진이 운전 중일 때와 상기 구동 엔진이 정지 상태일 때 양자 모두에서 가열의 목적을 위해 이용 가능한 열을 발생시키는 정지 상태 히터로서 실시될 수 있다.
전기 구동 모터 및 내연 기관 구동 엔진을 갖춘 하이브리드 차량이라 불리는 차량에 있어서, 그리고 단지 하나의 전기 구동 모터만을 갖춘 전기 차량에 있어서, 가열 대상 영역을 가열하기 위한 충분한 폐열을 모든 작동 상태에서 차량 구동부로부터 이용할 수 없다는 문제는 더 많이 발생한다.
DE 199 54 327 A1은, 자동차에서 발생하는 열 에너지를 전달하기 위한 장치 및 방법을 개시하는데, 이 방법에서 전기적 구성요소의 폐열은 예컨대 내연 기관 또는 차 내부와 같은 다른 차량 부분을 가열하기 위해 사용된다. 열의 흐름을 제어하기 위해 2개의 냉각 회로가 서로에 대해 커플링 및 디커플링되는 것이 설명되어 있다.
본 발명의 목적은, 가열 대상인 차량의 영역에 대한 가열을 개선해 줄 수 있는 차량 가열 회로 및 열 교환기 장치를 이용 가능하게 하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에서 청구되는 바와 같은 열 교환기 장치에 의해 달성된다. 유리한 개선은 종속 청구항에서 제시된다.
가열 대상인 차량의 영역을 가열하기 위한 열 교환기 장치는, 냉각 대상인 차량의 적어도 하나의 전기적 구성요소로부터 공기로 폐열을 전달하기 위한 제1 열 교환기 요소, 및 적어도 하나의 차량 가열 장치로부터 공기로 열을 전달하기 위한 제2 열 교환기 요소를 구비한다. 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는, 가열 대상 공기가 연속적으로 이들 열 교환기 요소에 가해지도록 하는 방식으로 배치된다.
차량은 도로 차량, 선박 또는 항공기가 될 수 있는 것으로 이해된다. 이들은 특히 구동 모터를 구비하는 자동차일 수 있다. 구동 모터는 이때, 예컨대 내연 기관에 의해, 전기 모터에 의해, 또는 하이브리드 구동부로서 불리는 것에 의해 형성될 수 있다. 본 발명은, 특히 전기 모터 및 하이브리드 구동부가 사용될 때 유리한데, 여기서 축전지, 전기 모터 및 관련 동력 전자장치(power electronics)는, 발산되어야만 하는 열을 방출한다. 가열 대상인 차량의 영역은 둘러싸인 공간에 의해, 예컨대 도로 차량의 내측 공간과 같은 공간에 의해, 또는 개방되거나 부분적으로 개방된 공간에 의해, 예컨대 주로 요트에서 보게 되는 공간에 의해 형성될 수 있다. "냉각 대상인 전기적 구성요소"라는 용어는 여기서, 전기적 구성요소가 과열되지 않도록 하기 위해 전기적 구성요소로부터 열이 발산되어야만 하는 것인 전기적 구성요소인 것으로 이해된다. 구체적으로, 냉각 대상인 전기적 구성요소는, 예컨대 저항 히터, 예를 들어 PTC 요소의 경우에서와 같이, 열을 이용 가능하게 하려는 목적으로 전력이 공급되는 전기적 구성요소로 이해되어서는 안 된다. "차량 가열 장치"라는 용어는 본 내용상에서 가열 파워를 이용 가능하게 하려는 목적으로 차량에 마련되는 장치, 예컨대 연료 작동식 차량 가열 유닛 또는 예컨대 PTC 요소에 의해 형성될 수 있는 전기 저항 히터와 같은 장치로 이해된다.
제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는, 가열 대상 공기가 이들 열 교환기 요소에 연속적으로 가해지도록 하는 방식으로 배치되기 때문에, 가열 대상 공기는 냉각 대상인 전기적 구성요소의 폐열 및 차량 가열 장치의 폐열 양자에 의해 효율적으로 가열될 수 있다. 전기적 구성요소의 폐열 및 차량 가열 장치의 폐열에 대해 2개의 상이한 열 교환기 요소가 이용 가능하기 때문에, 고온 회로 및 저온 회로가 실시될 수 있으며, 이때 저온 회로는 가열 대상 영역을 가열하기 위해 제1 열 교환기 요소를 통해 전기적 구성요소, 예컨대 축전지, 전기 모터 및 관련 동력 전자장치와 같은 구성요소로부터 발산되는 열을 효율적으로 이용 가능하게 할 수 있다. 가열 대상 영역에 대해 다량의 열이 필요한 경우, 전기적 구성요소의 폐열을 이용하는 것 이외에도, 비교적 높은 온도 레벨에서 차량 가열 장치의 동시 작동에 의해, 제2 열 교환기 요소를 통해 추가적으로 열을 이용 가능하도록 행해지는 것이 가능하다. 가열 공기가 이미 전기적 구성요소의 폐열로 예열될 수 있기 때문에, 차량 가열 장치는 가열 대상 영역에 대해 충분한 열 용량을 이용 가능하게 하기 위해 단지 비교적 소량의 열을 이용 가능하게 해야만 한다. 결과적으로, 차량 가열 장치는 비교적 낮은 파워 레벨에서 작동될 수 있으며, 그 결과로서 차량 가열 장치의 에너지 요구량은 감소된다. 연료 작동식 차량 가열 장치의 경우에 있어서, 이는 연료 소모를 감소시키며, 전기 가열 요소의 경우에 있어서, 이는 전력 소모를 감소시킨다. 가열 대상 영역에 대해 단지 작은 열 용량 요구만이 존재하는 경우라면, 가열은 오로지 전기적 구성요소의 폐열로만 행해질 수 있다. 차량 가열 장치는 이에 따라, 오직 큰 가열 파워 요구가 필요한 경우에만 작동될 필요가 있다. 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는, 차량 제작자를 통해 제공되는 하나의 가열, 통기 및 공기조화 시스템(HVAC 모듈)에 매우 용이하게 통합될 수 있다. 제2 열 교환기 요소가 제공됨으로 인해, 가열 대상 영역의 충분한 가열을 초래하기 위해 가열 대상 공기의 공기 스트림에 임의의 고전압 PTC 백업 히터를 제공할 필요가 없으며, 그 결과로서 차량의 내측 공간에 임의의 고전압 구성요소를 제공할 필요가 없다. 이는 안정성을 현저하게 개선시킨다.
차량 가열 장치, 특히 연료 작동식 가열 장치가 전기 차량 또는 하이브리드 차량의 냉각액 회로에 통합되는 경우와 비교하면, 이용 가능하게 되는 열이 단지 일반적인 냉각액 회로에 배치되는 열 교환기를 통해서만 가열 대상 공기에 전달되도록 하는 방식으로 이용 가능한 열 교환기 장치는 상당한 장점을 갖는다. 냉각 대상인 전기적 구성요소의 허용 가능한 온도 레벨이 비교적 낮기 때문에, 차량 가열 장치가, 또한 전기적 구성요소를 구비하는 차량의 일반적인 냉각액 회로에 연결될 때, 다량의 열 용량이 가열 대상 영역에 입력되도록 되어 있는 가열 모드에 있어서, 전기적 구성요소는 공기를 가열하기 위한 열 교환기가 배치되는 냉각액 회로의 부분으로부터 연결 해제되어야만 한다. 냉각 대상인 전기적 구성요소의 폐열은 이제 라디에이터를 통해 주위로 발산되어야만 하고, 가열 대상 영역을 가열하기 위해 더 이상 이용 가능하지 않게 된다. 동시에 전기적 구성요소의 폐열을 이용하지 않고, 단지 전기 저항 히터를 이용함으로써 보조적인 가열이 행해지는 경우와 비교하면, 제안된 실시는 전기 차량 구동부를 이용할 때 범위 축소를 초래하는 것을 방지하는데, 상기 축소는 전기 가열 단독의 경우에 있어서 최대 50 %일 수 있다. 이에 따라 이용 가능하게 되는 열 교환기 장치는 범위 확대를 허용한다. 추가적으로, 주행(travel) 중 작동의 경우에는, 단지 비교적 소량의 배터리 방전이 발생하며, 이는 차량 배터리의 재충전 시간의 단축을 초래하고, 배터리의 로딩을 현저히 저하시키는 결과를 초래한다. 이는 또한 배터리 수명이 더 길어지는 결과를 초래한다.
한 가지 개선에 따르면, 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는, 가열 대상 공기가 우선 제1 열 교환기 요소에 가해진 다음 제2 열 교환기 요소에 가해지도록 하는 방식으로 배치된다. 이러한 경우에 있어서, 일반적으로 더 낮은 온도 레벨의 제1 열 교환기 요소는 가열 대상 공기를 예열하기 위해 사용되며, 비교적 높은 온도 레벨의 제2 열 교환기 요소는 추가적인 가열을 위해 사용된다. 그 결과로서, 상이한 온도 레벨이 효율적으로 이용된다.
제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소가 각각 액체-공기 열 교환기로서 형성되면, 열은 각각 냉각액 회로를 통해 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소에 공급될 수 있다. 특히, 차량 가열 장치가 전기 저항 히터를 구비하면, 이러한 방식으로, 차량의 내부 공간과 직접 접촉하는 고전압 구성요소를 제공하는 것을 피할 수 있다. 각각의 냉각액 회로는 또한 유리하게는 차량 가열 장치에 의해 마찬가지로 필요에 따라 전기적 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 액체-공기 열 교환기는 이러한 맥락상에서 액체(열 전달 매체로서의 액체)로부터 공기로 열이 전달되는 열 교환기인 것으로 이해된다. 액체는 여기서 예컨대 통상의 냉각액, 예를 들어 물/글리콜 혼합물 등과 같은 냉각액에 의해 형성될 수 있다.
일 개선에 따르면, 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는 서로로부터 열적으로 디커플링된다. 열적으로 디커플링된다는 용어는 여기서, 제1 열 교환기 요소의 온도 레벨이 제2 열 교환기 요소의 온도 레벨에 의해 직접적으로 영향을 받지 않으며 그 역도 성립하도록 하는 방식으로 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소가 형성된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 경우에 있어서, 제1 열 교환기 요소는 전기적 구성요소로부터 열을 발산하기 위해 적절한 비교적 낮은 온도 레벨에서 신뢰성 있게 작동될 수 있으며, 제2 열 교환기 요소는 가열 대상 영역 내로 충분한 가열 용량을 입력하기 위해 비교적 높은 온도 레벨에서 작동될 수 있다.
일 개선에 따르면, 제1 열 교환기 요소 및 제2 열 교환기 요소는 공통의 하우징 내에 배치된다. 이러한 경우에 있어서, 열 교환기 장치는 특히 컴팩트한 형태로 이용 가능하며, 높은 수준의 비용 없이 차량의 가열, 통기 및 공기조화 모듈(HVAC 모듈)에 통합될 수 있다.
일 개선에 따르면, 냉각 대상인 적어도 하나의 전기적 구성요소는, 차량 배터리 및/또는 전기 차량 구동 모터 및/또는 차량의 구동 트레인의 적어도 하나의 전자식 구성요소를 포함한다. 이러한 경우에 있어서, 열 교환기 장치가 이용 가능한데, 특히 전기 차량 또는 하이브리드 차량의 경우에 있어서 이러한 열 교환기 장치를 이용하면 전기적 구성요소로부터의 폐열이 예컨대 차 내부와 같은 가열 대상 영역을 가열하기 위해 효율적으로 사용될 수 있다. 구동 트레인의 전자식 구성요소는, 특히 전기 구동을 필요로 하는 동력 전자장치에 의해 형성될 수 있다.
일 개선에 따르면, 적어도 하나의 차량 가열 장치는 연료 작동식 차량 가열 장치를 구비한다. 이러한 경우에 있어서, 가열 대상 영역에 대한 열은 차량, 특히 축전지의 파워 공급을 로딩하지 않고 연료 및 연소 공기의 변환에 의해 효율적으로 이용 가능하게 될 수 있다. 특히, 전기 차량 또는 하이브리드 차량의 경우에 있어서, 예컨대 축전지 또는 전기 모터에 대해 열을 이용 가능하게 하기 위해 필요하다면 연료 작동식 차량 가열 장치가 추가적으로 또한 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 예컨대 구동을 위해 필요한 축전지 또는 스타터 배터리를 로딩하지 않는 정지 상태 가열 모드를 실시하는 것이 가능하다.
일 개선에 따르면, 적어도 하나의 차량 가열 장치는 전기 저항 히터를 구비한다. 전기 저항 히터는 또한 여기에서, 특히, 연료 작동식 가열 장치에 추가하여 마련될 수 있다. 전기 저항 히터는, 특히 공지된 PTC 가열 요소에 의해 실시될 수 있다. 예컨대 완충된 축전지의 경우에 있어서 예를 들어 충분한 전력이 이용 가능할 때 또는 축전지가 정지 충전 스테이션(예컨대 전기 자동차의 경우)에서 충전될 때, 전기 저항 히터를 이용하여 효과적으로 가열을 행할 수 있다. 추가적으로, 연료 작동식 가열 장치가 작동될 때에 이루어지는 바와 같이 배기 가스가 방출되지 않도록 하면서 가열 대상 영역에 대한 가열 파워를 이용 가능하게 하기 위해 전기 저항 히터가 이용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 연료 작동식 가열 장치의 작동이 허용되지 않는 영역에서, 예를 들어 다층 자동차 주차장 또는 배기 제로 영역(zero emission zones)에서, 예컨대 효율적인 가열이 달성될 수 있다. 연료 작동식 가열 장치 및 전기 저항 히터 양자가 조합되면, 2가지 유형의 가열의 각각의 장점이 구현된다. 추가적으로, 예컨대 연료 작동식 가열 장치 및 전기 저항 히터를 동시에 작동함으로써 필요할 때 가열 대상 영역에 대해 특히 큰 가열 용량을 이용 가능하게 하는 것이 또한 가능하다.
일 개선에 따르면, 차량 가열 장치는, 전기 공급 전압이 이용 가능할 때 단지 전기 저항 히터만이 이용 가능한 열을 발생시키도록 하는 방식으로 구성된다. 이러한 경우에 있어서, 전기 공급 전압이 이용 가능할 때(예컨대 차량 배터리가 충전중일 때), 연료 작동식 가열 장치가 작동되지 않기 때문에 연료 작동식 가열 장치를 위해 연료가 전혀 소모되지 않는다. 전기 저항 히터에 의해 이용 가능하게 되는 열은 차량 내측 공간을 가열하기 위해 및/또는 전기적 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 목적은 청구항 10에 따른 차량 가열 회로에 의해 또한 달성될 수 있다. 유리한 개선은 종속 청구항에서 제시된다.
차량 가열 회로는 앞서 설명된 열 교환기 장치를 구비한다. 차량 가열 회로를 이용하면, 앞서 설명된 각각의 장점이 달성된다.
일 개선에 따르면, 제1 열 교환기 요소는, 냉각 대상인 적어도 하나의 전기적 구성요소가 배치되는 제1 액체 회로에 연결된다. 이러한 경우에 있어서, 냉각 대상인 전기적 구성요소로부터 제1 열 교환기 요소로의 열 전달은 액체 회로에서 순환하는 액체를 통해 이루어질 수 있다. 특히, 제1 열 교환기 요소는 여기서, 고도의 가변성이 제공되도록 하기 위해 냉각 대상인 구성요소로부터 공간적으로 원거리에 배치될 수 있다. 특히, 냉각 대상인 복수 개의 전기적 구성요소, 예컨대 축전지, 전기 모터 및 관련 동력 전자장치가 제1 액체 회로에 용이하게 연결되도록 하는 것이 가능하다. 이러한 맥락에서, 제1 액체 회로의 액체는 바람직하게는 제1 열 교환기 주위로 및/또는 제1 열 교환기를 통해 유동한다.
일 개선에 따르면, 제2 열 교환기 요소는, 차량 가열 장치가 배치되는 제2 액체 회로에 연결된다. 이러한 경우에 있어서, 차량 가열 장치로부터 제2 열 교환기 요소로의 열 전달은 제2 액체 회로에서 순환하는 액체에 의해 이루어질 수 있다. 이는 차량 가열 장치로부터 공간적으로 떨어진 제2 열교환기 요소의 배치를 허용한다. 추가적으로, 이러한 경우에 있어서, 차량 가열 장치는 또한, 필요하다면(예컨대 외부 온도가 낮을 때) 전기적 구성요소의 능동 가열이 또한 가능해지도록 하는 방식으로 용이하게 연결될 수 있다. 차량 가열 장치가 전기 저항 히터라면, 이러한 실시는 또한, 고전압 구성요소(전기 저항 히터)가 차량 내측 공간에 또는 차량 내측 공간에 직접 접촉하여 배치될 필요가 없다는 장점을 가지며, 이는 안정성 측면에서 상당한 장점을 제공한다. 제2 액체 회로의 액체는 여기서 바람직하게는 제2 열 교환기 주위로 및/또는 제2 열 교환기를 통해 유동한다.
일 개선에 따르면, 제1 액체 회로 및 제2 액체 회로는, 전기적 구성요소가 차량 가열 장치로 가열될 수 있도록 하는 방식으로 서로에 대해 연결될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 차량 가열 장치는 2가지 기능, 구체적으로는, 한편으로 가열 대상 영역의 가열, 및 다른 한편으로 필요하다면 전기적 구성요소의 가열을 수행할 수 있다. 이러한 구성은, 제1 액체 회로 및 제2 액체 회로가 서로에 대해 연결 가능하고 제어기에 의해 다시 서로로부터 연결 해제되는 것이 바람직하며, 그 결과로서 다양한 작동 상태들 사이의 용이한 전환이 가능해진다.
추가적인 장점 및 개선은 첨부 도면을 참고로 한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 드러난다.
본 발명에 따르면, 가열 대상인 차량의 영역에 대한 가열을 개선해 줄 수 있는 차량 가열 회로 및 열 교환기 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 열 교환기 장치를 갖춘 차량 가열 회로를 도시한 것이다.
도 1을 참고하여 이하에서 일 실시예가 설명된다. 도 1은 일 실시예에 따른 차량 가열 회로(1)를 도시한 것이다. 제시된 실시예에 있어서, 차량 가열 회로(1)는 전기 모터(2)에 의해 구동되는 전기 차량에서 실시된다. 구동 트레인의 전자식 구성요소를 형성하는 동력 전자장치(3)가 마련된다. 추가적으로 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)에 전기 에너지를 공급하기 위한 축전지(4)가 마련된다. 축전지(4), 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)는 냉각 대상인 차량의 전기적 구성요소를 형성한다. 작동이 유지되는 것 및/또는 구성요소에 대한 손상이 방지되는 것을 보장하기 위해 (적어도 차량의 일부 작동 상태에서) 작동 중에 냉각 대상인 이들 구성요소로부터 열이 발산되어야만 한다.
냉각 대상인 구성요소, 다시 말하면 도 1에 제시된 경우에 있어서 축전지(4), 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)는 제1 액체 회로(10)에 연결되는데, 이 제1 액체 회로에서 액체가 순환하고, 발산되어야 하는 열은 액체를 이용하여 냉각 대상인 구성요소로부터 발산된다. 제1 액체 회로(10)는 또한 제1 열 교환기 요소(5), 제1 액체 회로에서 액체를 순환시키기 위한 펌프(6) 및 공기 냉각기(7)를 구비한다. 공기 냉각기(7)의 영역에서, 제1 액체 회로(10)에는 바이패스 라인(11)이 마련되며, 이 바이패스 라인(11)을 이용하여 액체는 공기 냉각기(7)를 바이패스하면서 선택적으로 순환될 수 있다. 제1 액체 회로(10)에 있어서, 밸브(9)가 배치되며, 이 밸브를 이용하면 공기 냉각기(7)를 통해 안내되는 순환 액체의 비율 및 바이패스 라인(11)을 통해 순환되는 비율을 조정하는 것이 가능하다. 밸브(9)는 개략적으로 도시된 제어기(100)에 연결되며 이에 따라 작동될 수 있다. 밸브(9)는 예컨대 솔레노이드 밸브로서 구체화될 수 있다. 공기 냉각기(7)는, 화살표(P)로 개략적으로 도시된 바와 같이 차량의 주위에 대해 외측으로 열이 발산될 수 있도록 하는 공기 스트림을 거치도록 하는 방식으로 구체화된다.
제1 열 교환기 요소(5)는 화살표(L)로 개략적으로 도시된 바와 같이 가열 대상 공기의 공기 흐름을 거치도록 구성되는 열 교환기 장치(30)의 일부를 형성한다. 가열 대상 공기는 차량에서, 예컨대 차량의 차 내부에 의해 형성될 수 있는 가열 대상 영역에 공급된다. 열 교환기 장치(30)는, 예컨대 차량의 가열, 통기 및 공기조화 시스템(HVAC 모듈)의 유동 경로에 배치될 수 있는데, 차량에서 공기 스트림은 송풍기에 의해 이용 가능하다. 열 교환기 장치(30)는 여기서 공기 스트림이 열 교환기 장치 주위로 또는 열 교환기 장치를 통해 유동하도록 하는 방식으로 배치된다. 제1 열 교환기 요소(5)는 액체-공기 열 교환기로서 구체화되는데, 이때 열은 제1 액체 회로(10)에서 순환되는 액체로부터 가열 대상 공기로 전달된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 또한 액체가 순환될 수 있는 제2 액체 회로(20)가 마련된다. 펌프(21), 차량 가열 장치(22) 및 제2 열 교환기 요소(23)가 제2 액체 회로(20)에 배치된다. 펌프(21)는 제2 액체 회로(20)에서 액체를 순환시키도록 구성된다. 제시된 실시예에 있어서, 차량 가열 장치(22)는 연료 작동식 차량 가열 장치(22a)를 구비하는데, 이 연료 작동식 가열 장치는 연소 공기를 이용하여 연료를 변환함으로써 열을 이용 가능하게 한다. 연료 작동식 차량 가열 장치(22a)는 액체 가열 장치로서 구체화되는데, 이때 이용 가능한 열은 제2 액체 회로(20)에서 순환되는 액체로 전달된다. 도 1에 파선으로 도시된 바와 같이, 차량 가열 장치(22)는 또한 전기 저항 히터(22b)를 구비할 수 있는데, 이 전기 저항 가열 요소는 제2 액체 회로(20)에서 순환되는 액체로 방출되는 열을 전달하도록 구성된다.
제2 열 교환기 요소(23)는 또한 열 교환기 장치(30)의 일부를 형성한다. 제2 열 교환기 요소(23)는 액체-기체 열 교환기로서 구체화되며, 제2 액체 회로(20)에서 순환되는 액체로부터 가열 대상 공기로 열을 전달하도록 하는 방식으로 배치된다.
제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)는 연결 라인(12 및 13)을 통해 서로에 대해 연결된다. 밸브(14 및 15)가 마련되며, 이 밸브를 이용하여 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)는, 이하에서 또한 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 서로에 대해 연결될 수 있고 서로로부터 연결 해제될 수 있다. 밸브(14 및 15)는 제어기(100)에 연결되며 제어기에 의해 작동될 수 있다. 밸브(14 및 15)는, 예컨대 솔레노이드 밸브에 의해 형성될 수 있다.
제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 제시된 실시예에서 파선 박스로 도 1에서 개략적으로 표시되어 있는 바와 같은 공통 하우징(24)에 배치된다. 공통 하우징(24)은 차량의 가열, 통기 및 공기조화 시스템(HVAC 모듈)의 공기 유동 경로에 배치되도록 구성된다. 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 이때 서로로부터 열적으로 디커플링되어 배치되는데, 그 결과로서 이들 요소의 온도는 서로에 대해 현저하게 영향을 주지 않는다. 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는, 가열 대상 공기가 우선 제1 열 교환기 요소(5)에 가해진 다음 제2 열 교환기 요소(23)에 가해지도록 하는 방식으로 배치된다.
이하의 명세서에서, 차량 가열 회로(1)의 작동이 설명된다. 개별적인 구성요소의 작동은, 각각의 경우에 제어기(100)에 의해 행해지며, 이는 개별적인 경우와 관련하여 이하에서 언급되지 않는다. 차량 가열 회로(1)는 이하의 설명으로부터 명확한 바와 같이 다양한 상태에서 작동될 수 있다.
제1 작동 상태에서는, 가열 대상 영역에 열이 전혀 공급되지 않으며 열은 냉각 대상인 전기적 구성요소로부터 발산되어야만 한다. 이러한 경우에 있어서, 밸브(9, 14 및 15)는, 액체가 냉각 대상인 전기적 구성요소[축전지(4), 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)]를 통과하여 펌프(21)를 통해[즉, 도 1에서의 차량 가열 회로(1)의 상측 지류를 통해] , 즉 공기 냉각기(7) 및 펌프(6)를 통과하여 순환되도록 하는 방식으로, 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)가 서로에 대해 연결되도록 하는 방식으로 작동된다. 이러한 연결을 이용하여, 열은 공기 냉각기(7)에서 순환되는 액체로부터 발산된다.
제2 작동 상태에서는, 열이 가열 대상 영역에 공급되도록 되어 있고 냉각 대상인 전기적 구성요소의 폐열은 이러한 목적과 관련하여 충분하다. 이러한 경우에 있어서, 밸브(9, 14 및 15)는, 제1 액체 회로(10)가 제2 액체 회로(20)로부터 연결 해제되도록 하는 방식으로 작동된다. 제1 액체 회로(10)에 있어서, 액체는 제1 열 교환기 요소(5) 및 냉각 대상인 전기적 구성요소[축전지(4), 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)]를 통해 펌프(6)에 의해 순환된다. 제1 열 교환기 요소(5)에 있어서, 가열 대상 공기는 전기적 구성요소로부터의 폐열에 의해 가열된다. 전기적 구성요소를 냉각하기 위해 제1 열 교환기 요소(5)에서 발산되는 열이 충분한지 또는 그렇지 않은지에 따라, 밸브(9)는 공기 냉각기(7) 또는 바이패스 라인(11)을 통해 액체가 유동하도록 하는 방식으로 작동된다. 이러한 경우에 있어서, 전기적 구성요소의 폐열은 이에 따라 가열 대상 영역을 가열하기 위해 효율적으로 사용된다.
제3 작동 상태에서는, 열이 가열 대상 영역에 공급되도록 되어 있고 전기적 구성요소의 폐열은 이와 관련하여 충분하지 않다. 이러한 경우에 있어서, 밸브(9, 14 및 15)는 제2 작동 상태에서와 같이 작동된다. 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)는 이에 따라 서로로부터 연결 해제된다. 제1 액체 회로(10)에 있어서, 액체는 제2 작동 상태에서와 같이 순환된다. 제2 액체 회로(20)에 있어서, 액체는 펌프(21)에 의해 차량 가열 장치(22) 및 제2 열 교환기 요소(23)를 통해 순환된다. 이때 차량 가열 장치(22)는 추가적인 열을 이용 가능하게 하기 위해 활성화된다. 가열 요구에 따라 그리고 가능하다면 추가적인 주위 조건에 따라, 연료 작동식 차량 가열 장치(22a) 또는 전기 저항 히터(22b) 중 어느 하나 또는 양자 모두가 활성화될 수 있다. 이러한 제3 작동 상태에서는, 이에 따라 냉각 대상인 전기적 구성요소의 폐열에 의해 우선 제1 열 교환기 요소(5)에서 가열 대상 공기가 예열된다. 가열 대상 공기는 후속하여 차량 가열 장치(22)에 의해 이용 가능한 열에 의해 제2 열 교환기 요소(23)에서 필요한 온도로 추가적으로 가열된다. 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)의 디커플링으로 인해, 뿐만 아니라 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)의 열적 디커플링으로 인해, 제2 액체 회로(20)는 이때 제1 액체 회로(10)보다 현저하게 높은 온도 레벨에 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 가열 대상 영역에 대해 충분한 열이 이용 가능하게 될 수 있는 것, 냉각 대상인 전기적 구성요소가 차량 가열 장치(22)에 의한 열의 추가적인 입력의 결과로서 바람직하지 않게 과열되지 않는 것과, 그럼에도 불구하고 전기적 구성요소의 폐열은 가열 대상 영역을 가열하는 데 사용되는 것이 보장된다. 결과적으로, 전기적 구성요소의 폐열은 최적의 방식으로 사용될 수 있고, 차량 가열 장치(22)는 단지 항상 가열 대상 영역에 대해 요구되는 열과 전기적 구성요소의 폐열 사이의 차이를 보상하는 가열 용량으로 작동되어야만 한다.
제4 작동 상태에서는, 열이 가열 대상 영역에 공급되도록 되어 있으며, 또한 전기적 구성요소[축전지(4), 동력 전자장치(3) 및 전기 모터(2)]가 가열되도록 되어 있다. 이러한 작동 상태는, 예컨대 외부 온도가 저온일 때의 전기 차량 또는 하이브리드 차량에서 나타날 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 밸브(9, 14 및 15)는, 액체가 차량 가열 장치(22), 제2 열 교환기 요소(23) 및 전기적 구성요소[전기 모터(2), 동력 전자장치(3) 및 축전지(4)]를 통과하여 펌프(6)에 의해 순환되도록 하는 방식으로, 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)가 서로에 대해 연결되도록 하는 방식으로 작동된다. 이때 열을 이용 가능하게 하기 위해 차량 가열 장치(22)가 다시 작동된다. 한편으로[제2 열 교환기 요소(23)에 의함] 가열 대상 공기 및 다른 한편으로 전기적 구성요소는 차량 가열 장치(22)에 의해 가열되는 순환 액체로 인해 가열된다.
추가적인 작동 상태에서는, 외부 공급 전압이 이용 가능할 수 있다면, 열은 오로지 전기 저항 히터(22b)의 작동을 이용하여 차량 가열 장치(22)에 의해 이용 가능하게 된다. 이러한 상황은, 특히 축전지(4)가 메인 전류에 의해 충전될 때 나타난다. 이러한 경우에 있어서, 연료 작동식 차량 가열 장치(22a)는 연료를 절약하기 위해 활성화되지 않는다. 단지 차량 내측 공간을 가열하기 위해 또는 그렇지 않으면 전기적 구성요소를 가열하기 위해, 밸브(9, 14 및 15)의 대응하는 작동에 의해, 전기 저항 히터(22b)로부터의 열은 이때 다시 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 오로지 차량 내측 공간 및/또는 전기적 구성요소의 전기적인 정지 상태 컨디셔닝을 이용 가능하게 된다.
열 교환기 장치(30) 및 차량 가열 회로(1)는 이에 따라 이용 가능하게 되는데, 이를 이용하여 냉각 대상인 전기적 구성요소의 폐열은 가열 대상 영역을 가열하기 위해 효율적으로 사용될 수 있으며, 차량 가열 장치(22)는 단지 필요할 때 추가적으로 필요한 열을 이용 가능하도록 하면 된다. 이러한 방식으로, 차량 가열 장치(22)에서의 에너지 절감이 달성된다. 추가적으로, 열 교환기 장치는 약간의 적합화를 통해 차량의 기존 가열, 통기 및 공기조화 모듈에 통합될 수 있다. 더욱이, 전기적 구성요소의 가열은 또한 필요할 때 간단하고 컴팩트한 방식으로 가능하게 된다. 차량 가열 장치(22)는 이때 가열 대상 영역을 가열하기 위해 그리고 전기적 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
2, 3, 4 : 전기적 구성요소
5 : 제1 열 교환기 요소
10 : 제1 액체 회로
20 : 제2 액체 회로
22 : 차량 가열 장치
22a : 연료 작동식 차량 가열 장치
22b : 전기 저항 히터
23 : 제2 열 교환기 요소
24 : 공통 하우징

Claims (13)

  1. 가열 대상인 차량의 영역을 가열하기 위한 열 교환기 장치를 가진 차량 가열 회로(1)로서,
    냉각 대상인 차량의 하나 이상의 전기적 구성요소(2, 3, 4)로부터 공기로 폐열을 전달하기 위한 제1 열 교환기 요소(5) 및 하나 이상의 차량 가열 장치(22)로부터 공기로 열을 전달하기 위한 제2 열 교환기 요소(23)를 포함하고,
    제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 가열 대상 공기(L)가 연속적으로 이들 열 교환기 요소에 가해지도록 하는 방식으로 배치되며,
    제1 열 교환기 요소(5)는, 냉각 대상인 하나 이상의 전기적 구성요소(2, 3, 4)가 배치되는 제1 액체 회로(10)에 연결되고,
    제2 열 교환기 요소(23)는, 하나 이상의 차량 가열 장치(22)가 배치되는 제2 액체 회로(20)에 연결되며,
    제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)는 연결 라인(12, 13)을 통해 서로 연결되고, 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)가 서로에 대해 연결될 수 있고 서로로부터 연결 해제될 수 있도록 밸브(14, 15)가 마련되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  2. 제1항에 있어서, 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는, 가열 대상 공기(L)가 우선 제1 열 교환기 요소(5)에 가해진 다음 제2 열 교환기 요소(23)에 가해지도록 하는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  3. 제1항에 있어서, 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 각각 액체-공기 열 교환기로서 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  4. 제1항에 있어서, 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 서로로부터 열적으로 디커플링되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  5. 제1항에 있어서, 제1 열 교환기 요소(5) 및 제2 열 교환기 요소(23)는 공통 하우징(24)에 배치되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  6. 제1항에 있어서, 냉각 대상인 하나 이상의 전기적 구성요소(2, 3, 4)는 차량의 구동 트레인의 하나 이상의 전자식 구성요소, 전기 차량 구동 모터, 및 차량 배터리 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 차량 가열 장치(22)는 연료 작동식 차량 가열 장치(22a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  8. 제1항에 있어서, 하나 이상의 차량 가열 장치(22)는 전기 저항 히터(22b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  9. 제8항에 있어서, 차량 가열 장치는, 전기 공급 전압이 이용 가능할 때 단지 전기 저항 히터(22b)만이 열을 제공하도록 하는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  10. 제1항에 있어서, 제1 액체 회로(10) 및 제2 액체 회로(20)는, 전기적 구성요소(2, 3, 4)가 차량 가열 장치(22)로 가열될 수 있도록 하는 방식으로 서로에 대해 연결 가능한 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  11. 제1항에 있어서, 제어기가 마련되어 밸브(14, 15)에 연결되고, 밸브(14, 15)는 제어기에 의해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량 가열 회로.
  12. 삭제
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