KR101405224B1 - 유체가열장치 및 이를 이용한 차량의 연료 시스템 - Google Patents

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박창준
김명환
김창한
김순근
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현대자동차 주식회사
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

유체가열장치 및 이를 이용한 차량의 연료 시스템이 개시된다. 유체가 유입되는 유체 유입구와, 상기 유체가 토출되는 유체 토출구 및, 상기 유체 유입구 및 유체 토출구와 연통하는 내부 공간을 가진 케이스, 상기 내부 공간에 상하로 이격되게 배치되고, 외부 전원을 공급하는 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판 및 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판 사이에서 상기 외부 전원을 공급받을 수 있도록 개재되고, 하나 이상의 유체 유동홀이 형성되도록 서로 이격되게 배치된 하나 이상의 PTC소자를 포함하여 차량의 연료의 연소성 및 냉시동성이 향상된다.

Description

유체가열장치 및 이를 이용한 차량의 연료 시스템{Fluid heating device and fuel system for vehicle using the same}
본 발명은 PTC 소자를 이용한 유체가열장치 및 이를 이용한 차량의 연료 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유체가열장치는 유동하는 유체를 적절한 열원을 통해 가열하는 장치로서 다양한 분야에서 사용되고 있다.
차량에서는 상기 유체가열장치가 연료 히터로서 사용되고 있는 바, 상기 연료 히터는 연료가 내연기관에 공급되기 이전에 미리 적절한 온도로 가열하여 연료의 연소성이나 엔진의 냉시동성 등을 향상시키는 역할을 한다.
차량에서는 상기 연료 히터가 예를 들면 디젤 연료를 예열하기 위해 연료공급라인에 설치되고 있다.
한편 바이오에탄올(E100)을 연료로 사용하는 플렉스 차량(Flex Fuel vehicle)의 경우는 엔진의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 연료 히터 대신에 가솔린 연료를 시동용 연료로 함께 사용하고 있다.
즉 바이오에탄올의 발화점 온도가 12 로서 높기 때문에 외기온이 15 이하에서는 시동성에 문제가 있으므로, 엔진의 시동시에 스로틀바디의 후단에 가솔린 연료를 분사하는 방식으로 냉시동성을 개선하고 있다.
그런데 상기와 같이 가솔린 연료를 냉시동성 개선을 위해 보조 연료로 사용하고 있는 종래의 플렉스 차량은 가솔린 연료를 저장하기 위한 보조 연료탱크와, 연료 캡 및 연료 펌프 등을 포함하는 보조연료장치를 구비해야 하므로, 차량의 중량, 원가, 조립 생산성 및 충돌 대응 성능 등의 측면에서 불리하다.
본 발명의 실시 예는 유체를 빠른 시간에 효과적으로 가열할 수 있고, 차량의 연료 시스템에 적용하여 엔진의 냉시동성을 향상시킬 수 있으며, 소형 및 경량화로 차량의 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있는 유체가열장치 및 이를 이용한 차량의 연료 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치는, 유체가 유입되는 유체 유입구와, 상기 유체가 토출되는 유체 토출구 및, 상기 유체 유입구 및 유체 토출구와 연통하는 내부 공간을 가진 케이스, 상기 내부 공간에 상하로 이격되게 배치되고, 외부 전원을 공급하는 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판 및 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판 사이에서 상기 외부 전원을 공급받을 수 있도록 개재되고, 하나 이상의 유체 유동홀이 형성되도록 서로 이격되게 배치된 하나 이상의 PTC소자를 포함할 수 있다.
상기 케이스는 상기 유체 유입구와 유체 토출구 및 상기 내부 공간을 포함하는 상부 케이스 및 상기 상부 케이스를 밀봉하도록 상기 상부 케이스와 결합되는 하부 케이스를 포함할 수 있다.
상기 상부 케이스는 상기 내부 공간을 구비한 케이스 바디를 포함하고, 상기 케이스 바디의 한쪽에 상기 유체 유입구가 상기 내부 공간과 연통하도록 일체로 돌출해서 형성되며, 상기 유체 유입구와 대향하는 케이스 바디의 다른쪽에는 상기 유체 토출구가 일체로 돌출해서 형성되며, 상기 케이스 바디에는 상기 유체 유입구와 유체 토출구에 대해 직각 방향으로 상기 외부 전원을 연결할 수 있는 커넥터가 일체로 돌출해서 형성될 수 있다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판은 직사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 전원 공급 겸용 하부 방열판은 상기 외부 전원을 연결할 수 있는 단자를 각각 포함할 수 있다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 전원 공급 겸용 하부 방열판을 끼워서 지지하는 지지브래킷을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 바디의 상기 내부 공간의 바닥면과 상부면에는 각각 파여진 형태의 제1조립홈과 제2조립홈이 형성되고, 상기 지지브래킷이 상기 제1조립홈과 제2조립홈에 끼워져 결합될 수 있다.
상기 하나 이상의 PTC소자는 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되고, 폭 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격될 수 있다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 상기 케이스 사이의 상부 공간 및, 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판과 상기 케이스 사이의 하부 공간에 각각 방열핀이 추가로 설치될 수 있다.
상기 방열핀은 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판의 폭 방향을 따라 요철 형상으로 형성될 수 있다.
상기 상부 공간 및 상기 하부 공간에서 상기 방열핀을 제외한 나머지 부위에 하나 이상의 유체 유동홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 차량의 연료 시스템은, 소정 용량의 연료를 담을 수 있는 연료 탱크, 상기 연료 탱크로부터 연료가 엔진으로 공급되도록 상기 연료 탱크와 엔진을 연결하는 연료공급라인 및 상기 연료공급라인에 설치된 유체가열장치를 포함할 수 있다.
상기 연료는 디젤 연료 혹은 바이오에탄올일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치 및 차량의 연료 시스템에 의하면, 상부 방열판과 하부 방열판 사이에 개재된 PTC소자들 사이에 형성되는 유체 유동홀을 통해 유동하는 유체가 상기 PTC소자로부터 직접 열을 전달받아 빠르게 가열될 수 있다.
그리고 상기 상부 방열판과 케이스 사이에 개재된 방열핀 사이의 유체 유동홀과, 상기 하부 방열판과 케이스 사이에 개재된 방열핀 사이의 유체 유동홀을 통해 유체가 유동되면서 PTC소자로부터 발생된 열이 상기 방열판들과 방열핀에 의해 효과적으로 가열될 수 있다.
바이오에탄올을 연료로 사용하는 플렉스 차량의 연료 시스템에 적용할 경우에 연료가 엔진에 유입되기 이전에 적절히 예열되어 엔진으로 유입됨으로써 플렉스 차량의 냉시동성이 향상된다.
구조가 간단하여 소형 및 경량화로 제작할 수 있으므로, 차량의 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있고, 조립 생산성도 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치의 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유체가열장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 유체가열장치를 구비한 차량의 연료 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치(FHD)는 상부 케이스(10)와, 전원 공급 겸용 방열판(20), 하나 이상의 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자(30) 및 하부 케이스(40)를 포함한다.
상기 상부 케이스(10)는 대체로 소정 크기의 내부 공간(12a)을 구비한 케이스 바디(12)를 포함한다.
상기 내부 공간(12a)은 외부와 연통된 개구부를 포함한다.
상기 케이스 바디(12)의 한쪽에는 유체가 상기 내부 공간(12a)으로 유입될 수 있도록 유체 유입구(14)가 연통되게 일체로 돌출해서 형성된다.
상기 유체 유입구(14)와 대향하는 케이스 바디(12)의 다른쪽에는 상기 내부 공간(12a)에 유입된 유체가 상부 케이스(10)의 외부로 유출될 수 있도록 하는 유체 토출구(16)가 상기 내부 공간(12a)과 연통되게 일체로 돌출해서 형성된다.
또한 상기 케이스 바디(12)에는 상기 유체 유입구(14)와 유체 토출구(16)에 대해 직각 방향으로 커넥터(18)가 일체로 돌출해서 형성된다.
상기 커넥터(18)는 상기 PTC소자(30)에 외부 전원을 공급하기 위한 파워 커넥터 역할을 한다.
상기 전원 공급 겸용 방열판(20)은 상기 케이스 바디(12)의 내부 공간(12a)에 삽입되어 장착된다.
상기 전원 공급 겸용 방열판(20)은 대체로 직사각 플레이트 형상을 한 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)을 포함한다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)에는 각각 외부에서 상기 커넥터(18)를 통해 파워 커넥터를 연결할 수 있는 도시되지 않은 단자가 고정되게 부착될 수 있다.
상기 케이스 바디(12)의 내부 공간(12a)의 바닥면과 상부면에는 파여진 형태의 제1조립홈(12b)과 제2조립홈(12c)이 서로 대향하도록 파여진 형태로 각각 형성된다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24) 사이에 상기 하나 이상의 PTC소자(30)가 삽입되어 개재된 상태를 지지하기 위해 지지브래킷(50)이 구비된다.
상기 지지브래킷(50)은 대체로 ㄷ자 형성을 하고서 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)의 상면에 일단이 부착되고, 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)에 지지브래킷(50)의 타단이 부착된다.
상기 지지브래킷(50)은 의 일단과 타단은 각각 상기 제1조립홈(12b)과 제2조립홈(12c)에 끼워지는 형태로 결합되어, 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)에 지지브래킷(50) 및 이들 사이에 개재된 하나 이상의 PTC소자(30)를 상기 상부 케이스(10)에 내부에서 지지하게 된다.
상기 PTC소자(30)는 외부에서 전원을 인가하면 일정한 온도를 유지하는 PTC 서미스터를 이용한 공지의 전기발열체 소자이다.
상기 PTC소자(30)는 대체로 직사각 플레이트 형상을 하고서 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24) 사이에 개재되어 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)으로부터 외부 전원을 공급받을 수 있도록 설치된다.
상기 PTC소자(30)는 본 발명의 실시 예에서 4개로 분할되어 형성되고, 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24) 사이에서 한쪽 가장자리로부터 다른쪽 가장자리까지 폭방향을 따라 소정 간격을 두고 배치된다.
상기 각 PTC소자(30)는 상기 방열판의 길이와 대체로 동일한 길이를 갖는다.
상기 PTC소자(30) 사이에는 유체가 유동할 수 있는 유체 유동홀(32)이 하나 이상으로 형성된다.
또한 상기 PTC소자(30) 중에 내측에 위치한 PTC소자와 상기 내부 공간의 측면 사이 및 외측에 위치한 PTC소자와 상기 하부 케이스 사이에도 유체 유동홀(32)이 각각 형성된다.
상기 하부 케이스(40)는 상기 상부 케이스(10)의 케이스 바디(12)에 형성된 내부 공간(12a)의 개구부를 통해 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24) 및 PTC소자(30)가 내부 공간(12a)에 삽입되어 조립된 다음에 상기 내부 공간(12a)의 개구부를 막아서 밀봉시키도록 상기 상부 케이스(12)의 케이스 바디(12a)에 결합된다.
본 발명의 실시 예에 의하면 4개의 PTC(30)소자 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24) 사이에 개재되어, 5개의 유체 유동홀이 형성되지만, 이에 한정되지 않고 PTC소자(30)의 개수에 따라 최소한 2개 이상으로 형성될 수 있다.
상기 유체 유입구(14)를 통해 상기 케이스 바디(12)의 내부 공간(12a)으로 유입된 유체는 상기 각 유체 유동홀(32)을 따라 이동한 다음에 상기 유체 유출구(16)를 통해 케이스의 외부로 토출된다.
상기와 같은 유체의 유동 과정에 상기 커넥터(18)를 통해 외부 전원이 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)을 통해 상기 PTC소자(30)에 인가되면, PTC소자(30)는 일정한 온도까지 상승하면서 발열하게 된다.
상기 PTC소자(30)에서 발생된 열은 상기 PTC소자(30)들에 의해 형성된 유체 유동홀(32)을 따라 유동하는 유체를 직접 가열하여 빠른 시간에 효과적으로 유체를 승온시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시 예를 도시한 도 3을 참조하면, 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 상부 케이스(10)의 상부 사이의 상부 공간 및, 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)과 상기 상부 케이스(10)의 하부 사이의 하부 공간에 각각 방열핀(60)이 추가로 설치되고, 나머지 구성은 상기 실시 예와 동일하다.
상기 방열핀(60)은 상기 방열판(22, 24)의 폭과 동일한 폭을 가지도록 형성된다.
상기 방열핀(60)은 높이 방향으로 요철 형상으로 형성된다.
상기 상부 공간 및 하부 공간에서 상기 방열핀(60)이 차지하는 부위를 제외한 나머지 부위는 유체가 유동할 수 있는 하나 이상의 유체 유동홀(34)을 형성하게 된다.
상기 PTC소자(30)에 의해 발생된 열은 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)으로 열전달되어, 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)은 가열된다.
상기 전원 공급 겸용 상부 방열판(22)과 전원 공급 겸용 하부 방열판(24)에 가열된 열은 다시 상기 방열핀(60)으로 열전달되어, 상기 방열핀(60)사이에 형성된 유체 유동홀(34)을 통해 유동하는 유체가 효과적으로 가열된다.
이 실시 예는 상기 실시 예보다 유체 유동홀의 개수를 많이 형성할 수 있어서, 보다 많은 양의 유체를 빠른 시간에 효과적으로 가열할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치(FHD)가 차량의 연료 시스템에 적용되어 있다.
차량의 연료 시스템은 소정 용량의 연료를 담을 수 있는 연료 탱크(100)와, 이 연료 탱크(100)로부터 연료를 공급받아 엔진(110)의 연소실이나 혹은 상기 연소실과 연결된 흡기 매니폴드(120)에 분사하는 인젝터(130)를 포함할 수 있다.
상기 연료 탱크(100)와 상기 인젝터(130) 사이의 연료공급라인(FL)에 본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치(FHD)가 설치되어, 연료가 상기 유체가열장치(FHD)의 유체 유입구에 유입된 다음에 유체가열장치(FHD)를 통과하면서 적절히 예열 혹은 가열된 이후에 엔진에 공급되므로, 엔진의 냉시동성 및 연료의 연소성을 향상시키게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치(FHD)는 상기 연료공급라인과 다른 적절한 부위, 예를 들면 상기 연료 탱크나 혹은 연료 필터 등에 설치될 수 있다.
상기 연료는 디젤 연료 혹은 바이오에탄올(E100)일 수 있고, 상기 차량은 디젤 연료를 사용하는 디젤 차량 혹은 상기 바이오에탄올을 연료로 사용하는 플렉스 차량일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체가열장치는 상기 차량 이외에 연료가 연소되기 이전에 사전 예열이 필요한 다른 차량에도 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 상부 케이스 12: 케이스 바디
14: 유체 유입구 16: 유체 토출구
18: 커넥터 20: 전원 공급 겸용 방열판
30: PTC소자 40: 하부 케이스
50: 지지브래킷 60: 방열핀
FHD: 유체가열장치

Claims (13)

  1. 유체가 유입되는 유체 유입구와, 상기 유체가 토출되는 유체 토출구 및, 상기 유체 유입구 및 유체 토출구와 연통하는 내부 공간을 가진 케이스;
    상기 내부 공간에 상하로 이격되게 배치되고, 외부 전원을 공급하는 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판;
    상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판 사이에서 상기 외부 전원을 공급받을 수 있도록 개재되고, 하나 이상의 유체 유동홀이 형성되도록 서로 이격되게 배치된 하나 이상의 PTC소자; 및
    상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 전원 공급 겸용 하부 방열판을 끼워서 지지하는 지지브래킷;
    을 포함하는 유체가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는
    상기 유체 유입구와 유체 토출구 및 상기 내부 공간을 포함하는 상부 케이스; 및
    상기 상부 케이스를 밀봉하도록 상기 상부 케이스와 결합되는 하부 케이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 케이스는 상기 내부 공간을 구비한 케이스 바디를 포함하고;
    상기 케이스 바디의 한쪽에 상기 유체 유입구가 상기 내부 공간과 연통하도록 일체로 돌출해서 형성되며;
    상기 유체 유입구와 대향하는 케이스 바디의 다른쪽에는 상기 유체 토출구가 일체로 돌출해서 형성되며;
    상기 케이스 바디에는 상기 유체 유입구와 유체 토출구에 대해 직각 방향으로 상기 외부 전원을 연결할 수 있는 커넥터가 일체로 돌출해서 형성된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판은 직사각 플레이트 형상으로 형성된 특징으로 하는 유체가열장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 전원 공급 겸용 하부 방열판은 상기 외부 전원을 연결할 수 있는 단자를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 케이스 바디의 상기 내부 공간의 바닥면과 상부면에는 각각 파여진 형태의 제1조립홈과 제2조립홈이 형성되고;
    상기 지지브래킷이 상기 제1조립홈과 제2조립홈에 끼워져 결합된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PTC소자는 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 전원 공급 겸용 하부 방열판의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되고, 폭 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급 겸용 상부 방열판과 상기 케이스 사이의 상부 공간 및, 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판과 상기 케이스 사이의 하부 공간에 각각 방열핀이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열핀은 상기 전원 공급 겸용 상부 방열판 및 상기 전원 공급 겸용 하부 방열판의 폭 방향을 따라 요철 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 상부 공간 및 상기 하부 공간에서 상기 방열핀을 제외한 나머지 부위에 하나 이상의 유체 유동홀이 형성된 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
  12. 소정 용량의 연료를 담을 수 있는 연료 탱크;
    상기 연료 탱크로부터 연료가 엔진으로 공급되도록 상기 연료 탱크와 엔진을 연결하는 연료공급라인; 및
    상기 연료공급라인에 설치된 제1항 내지 제 5항 및 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 유체가열장치;
    를 포함하는 차량의 연료 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료는 디젤 연료 혹은 바이오에탄올인 것을 특징으로 하는 차량의 연료 시스템.
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