KR102184192B1 - Heat accumulator for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 축열기(10)에 관한 것으로서, 이 축열기(10)는 축열 매체로서 상변화 재료(5) 및 단열재를 포함하고, 이러한 단열재는 상기 축열 매체와 분리된 하나 이상의 상변화 재료층(2)을 갖는다.The present invention relates to a heat storage device 10 for an automobile, wherein the heat storage device 10 includes a phase change material 5 and a heat insulating material as a heat storage medium, and this heat insulation material is at least one phase change material separated from the heat storage medium It has a layer (2).
Description
본 발명은 자동차용 축열기(heat accumulator)에 관한 것이다.The present invention relates to a heat accumulator for an automobile.
내연 기관을 구비한 자동차들에서는, 엔진의 저온 시동(cold start) 시 엔진을 더욱 신속하게 가열하기 위해 축적된 열을 사용하고, 이로 인해 상기와 같은 작동 상태에서 연료 소비량을 줄이기 위해 축열기가 사용된다. 이 목적으로 배기가스로부터 회수한 열은 최대 16시간 동안 축열기에 저장되고, 정해진 시간에 엔진으로 방출된다. 이 경우에는 필연적으로, 위에서 언급한 시간 동안 적합한 단열재(insulation)에 의해 축적된 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지해야 하는 별도의 해결 과제가 주어진다. 또한, 상기와 같은 단열재 및 전체적으로는 축열기가 가능한 한 공간을 많이 차지하지 않는 방식으로 설계되어야 한다.In automobiles equipped with an internal combustion engine, the accumulated heat is used to heat the engine more quickly during a cold start of the engine, and thereby a regenerator is used to reduce the fuel consumption in the above operating conditions. . For this purpose, the heat recovered from the exhaust gas is stored in the regenerator for up to 16 hours and released to the engine at a specified time. In this case, inevitably, there is a separate challenge to prevent the heat accumulated by suitable insulation during the time mentioned above from escaping to the outside. In addition, the heat insulating material and the overall heat storage should be designed in a manner that does not take up as much space as possible.
선사용(pre-use) 대상들로는 에어로겔(aerogel)을 포함하는 단열재를 구비하는 축열기들이 공지되어 있다. 이러한 축열기들은 비교적 단순하게 설계되어 있고, 적은 비용으로 제조 가능하며, 더 나아가 높은 온도 저항을 갖는다. 그러나 단열 특성이 한정되어 있고 비교적 두께가 두꺼운 단열재를 초래한다. 이러한 단점은 소위 진공 패널(vacuum panel)들에 의해 감소되는데, 이때 상기 진공 패널들은 예를 들면, 에어로겔로 충전될 수 있고, 향상된 단열 효과를 제공하며, 그리고/또는 감소된 설치 공간이 필요하다. 그러나 온도 저항은 비교적 낮다. 상기와 같은 진공 패널은 예를 들면 US 6 863 949 A호에 기술되어 있다.As pre-use objects, heat accumulators having an insulating material including aerogel are known. These heat accumulators are designed to be relatively simple, can be manufactured at low cost, and further have high temperature resistance. However, the insulation properties are limited and results in a relatively thick insulation material. This disadvantage is reduced by so-called vacuum panels, in which the vacuum panels can be filled with, for example, airgel, provide an improved thermal insulation effect, and/or require a reduced installation space. However, the temperature resistance is relatively low. Such vacuum panels are described for example in US 6 863 949 A.
결국, 근본적으로 가장 우수한 단열 특성을 갖는, 2개의 하우징 셸(housing shell) 사이에 진공 단열재를 포함하는 솔루션들이 주어지지만, 이러한 솔루션들은 많은 비용을 들여서만 제조할 수 있을 뿐만 아니라 12 내지 16시간 동안 열을 축적하는 축열기에는 적합하지 않다.In the end, solutions are given that include vacuum insulation between two housing shells, which have essentially the best thermal insulation properties, but these solutions can not only be manufactured at high cost, but also take 12 to 16 hours. It is not suitable for heat accumulating heat.
이러한 점을 배경으로 본 발명의 과제는 개선된 축열기를 제공하는 것이다.Against this background, an object of the present invention is to provide an improved heat storage device.
상기 과제는 청구항 1의 대상에 의해서 해결된다.This problem is solved by the object of
따라서 자동차용 축열기는 한편으로는 축열 매체(heat storage medium)로서 상변화 재료(Phase Change Material, PCM) 및 하나 이상의 PCM 층을 갖는 단열재를 포함한다. 이로 인해 한편으로 시스템의 축열 용량이 전체적으로 증가된다. 따라서 추가적인, 외부 PCM 층은 단열재의 "열관성(thermal inertia)"을 향상시키고, 예를 들면 본 발명에 따른 해결책 없이 상기 단열재를 통해 주변으로 방출될 수 있는 열을 흡수한다. 이 경우 단열재의 두께에 걸쳐 온도 분포가 설정되는데, 이러한 온도 분포는 가장 내부 단열층에 걸쳐 약 140℃에서 80℃로의 온도 감소를 보인다. 상기 단열층 내에 포함된 PCM에 의해 온도는 실제로 일정하게 유지되며, 그 이유는 상기와 같은 PCM은 기본적으로 전달된 열을 축적하기 때문이다. 가장 외부에 있는 단열층 영역에서는 온도가 약 80℃에서 주위 온도 레벨로 떨어진다. 더 나아가 외측면 쪽으로의 온도 감소는 진공 단열 패널(vacuum insulation panel)에 의한 외부 단열을 구현하며, 그 결과 전체적으로 열 저항이 향상되고, 동시에 더 작은 설치 공간이 필요하다. 특히, 약 25㎜ 범위의 단열재의 전체 두께에서 축열 요건이 달성되고, 반면에 종래의 단열 시스템들에서는 약 80㎜의 두께가 필요한 것으로 예상되며, 그 결과 전면에서 단열재를 갖는 시스템의 전체 두께에 걸쳐서는 110 내지 120㎜가 절감될 수 있을 것이다.Thus, automotive heat accumulators, on the one hand, comprise a phase change material (PCM) as a heat storage medium and an insulating material having at least one PCM layer. This, on the one hand, increases the heat storage capacity of the system as a whole. Thus, an additional, outer PCM layer improves the "thermal inertia" of the insulation and absorbs heat that can be radiated to the surroundings through the insulation without, for example, a solution according to the invention. In this case, a temperature distribution is established over the thickness of the insulating material, and this temperature distribution shows a decrease in temperature from about 140°C to 80°C over the innermost insulating layer. The temperature is actually kept constant by the PCM contained in the heat insulating layer, because the PCM as described above basically accumulates the transferred heat. In the outermost area of the insulating layer, the temperature drops from about 80°C to the ambient temperature level. Furthermore, the decrease in temperature toward the outer surface realizes external insulation by a vacuum insulation panel, as a result of which overall thermal resistance is improved, and at the same time, a smaller installation space is required. In particular, it is expected that the heat storage requirement is achieved at the total thickness of the insulation in the range of about 25 mm, while in conventional insulation systems a thickness of about 80 mm is expected to be required, as a result over the entire thickness of the system with insulation in the front. 110 to 120 mm will be saved.
일반적으로 본 발명은 3개의 층을 갖는 단열재를 포함하는 축열기로 간주될 수 있으며, 이때 상기 층들은 필수적으로 PCM 층을 구비할 필요는 없다. 오히려 본 발명의 이러한 개념 범위 내에서는 전술한 그리고 하기에 설명되는 단열재 층들의 임의 조합이 가능하다.In general, the present invention can be regarded as a heat accumulator comprising a three-layered insulating material, wherein the layers need not necessarily have a PCM layer. Rather, any combination of the above-described and hereinafter described insulation layers is possible within this conceptual scope of the present invention.
바람직한 개선예들은 추가 항들에 기술되어 있다.Preferred refinements are described in further sections.
바람직하게 단열재는 특히, 내측면, 즉 PCM으로 열을 방출하기 위해 PCM 주위로 흐르는 냉각제를 위한 라인들 및/또는 PCM의 내측면에 하나 이상의 에어로겔 층(aerogel layer)을 갖는다. 에어로겔로 이루어진 상기와 같은 가장 내부 단열재에 의해서는 최대 140℃에 이를 수 있는 PCM의 온도가 약 80℃로 떨어지고, 그 결과 첫 번째 중요한 단계가 축열기의 외측면에서 우세한 주위 온도 레벨에 도달하였다. 에어로겔로 이루어진 내부 단열재와 관련하여, 이러한 단열재는, 내측면에서 우세한 온도를 견뎌 낼 수 있는 진공 패널이 선택되는 경우 이러한 진공 패널로 대체될 수 있다.Preferably the insulation has in particular one or more aerogel layers on the inner side, i.e. lines for coolant flowing around the PCM to dissipate heat to the PCM and/or on the inner side of the PCM. The temperature of the PCM, which can reach a maximum of 140° C., dropped to about 80° C. by the most internal insulation made of airgel, and as a result, the first critical step reached the predominant ambient temperature level on the outer surface of the regenerator. With regard to the internal insulation made of airgel, this insulation can be replaced by such a vacuum panel if a vacuum panel is selected that can withstand the prevailing temperatures on the inside.
본 발명에 따른 추가 PCM 층 외부에는, 바람직하게 하기에서 진공 패널로도 명명되는 진공 단열 패널 또는 진공 절연 패널이 존재하며, 이러한 패널은 최대 약 80℃의 온도를 견뎌 낼 수 있기 때문에(그러나 전술한, 본 발명에 따른 구성에 의해 상기 진공 패널의 내측면에서 이미 상기와 같은 온도 레벨에 도달함) 바람직한 방식으로 사용될 수 있다. 가장 외부 진공 패널은 바람직한 방식으로 그리고 적은 설치 공간 필요성과 함께 우수한 단열을 제공하는데, 그 결과 열이 위에서 언급한 시간 동안 축적될 수 있다. 진공 단열 패널은 기본적으로 진공화된 피복재 내에 흡장된 단열 재료이다.Outside the further PCM layer according to the invention, there is preferably a vacuum insulation panel or vacuum insulation panel, also hereinafter referred to as a vacuum panel, since such panels can withstand temperatures of up to about 80° C. , By the configuration according to the present invention, the above-described temperature level has already been reached on the inner side of the vacuum panel). The outermost vacuum panels provide good insulation in a desirable manner and with less installation space requirements, as a result of which heat can accumulate during the above-mentioned time. The vacuum insulation panel is basically a heat insulation material occluded in a vacuumized coating material.
바람직하게 상기 가장 외부 진공 패널은 충전되어 있는데, 특히 에어로겔로 충전되어 있다.Preferably, the outermost vacuum panel is filled, particularly with airgel.
앞서 설명한 특히 적은 설치 공간에 대한 필요성은 특히 바람직한 실시 형태들을 통해서 달성될 수 있으며, 이러한 실시 형태들에서는 가장 내부 에어로겔 층이 13 내지 17㎜, 바람직하게는 약 15㎜의 두께를 갖고, 그리고/또는 가장 외부 진공 패널은 약 4 내지 6㎜, 바람직하게는 약 5㎜의 두께를 가지며, 그리고 단열재의 전체 두께는 20 내지 30㎜, 바람직하게는 약 25㎜에 이른다.The need for particularly small installation space described above can be achieved through particularly preferred embodiments, in which the innermost airgel layer has a thickness of 13 to 17 mm, preferably about 15 mm, and/or The outermost vacuum panel has a thickness of about 4 to 6 mm, preferably about 5 mm, and the total thickness of the insulation material reaches 20 to 30 mm, preferably about 25 mm.
하기에서는 도면에 도시된 실시예가 이러한 도면을 참조해서 상세하게 설명된다.
도 1은 내연 기관의 열 관리 시스템 내 축열기의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 축열기의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 축열기의 단열재 두께에 따른 온도 변화를 도시한다.Hereinafter, embodiments shown in the drawings will be described in detail with reference to these drawings.
1 schematically shows the arrangement of a heat accumulator in a thermal management system of an internal combustion engine.
2 schematically shows a cross-sectional view of a heat accumulator according to the present invention.
Figure 3 shows a temperature change according to the thickness of the heat insulating material of the heat storage device according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 흐름 방향으로 내연 기관(14) 앞에는 컴프레서(compressor)(16)가 장치되어 있으며, 상기 내연 기관(14)에서 방출된 배기가스는 맨 먼저 배기가스 터빈(18)을 통과한 다음, 촉매 변환기(catalytic converter)(20)를 통과한다. 촉매 변환기(20)에서 배출될 수 있는 세라믹 입자가 재순환되는 배기가스와 함께 신선 공기측에 이르는 것을 방지하기 위하여, 흐름 방향으로 상기 촉매 변환기(20) 뒤에는 필터(22)가 장치되어 있으며, 이러한 필터는 전체 작동 상태에서 활성 상태이다.As shown in FIG. 1, a
상기 내연 기관(14)을 통해서는 한편으로는 오일 순환계(24)가 안내되고, 다른 한편으로는 냉각제 순환계(26)가 안내된다. 상기 오일 순환계(24)는 오일-냉각제 열교환기(28)를 통해 안내되어 있다. 한편, 상기 냉각제 순환계(26)는 밸브(26)를 구비하는데, 이러한 밸브는, 내연 기관(14)이 냉각되어야 하는 작동 상태에서 열을 방출하기 위해 라디에이터(28)를 통과하는 냉각제 흐름을 안내할 수 있다. 추가 밸브(30)에 의해서는 냉각제 흐름이 축열기(10)를 통과하거나 배기가스-냉각제 열교환기(32)를 통과할 수 있다.Through the
엔진 저온 상태에서 엔진의 가열은, 냉각제가 밸브(26)의 적합한 위치에 의해 라디에이터(28) 옆을 지나고, 그리고 밸브(30)의 적합한 위치에 의해 축열기(10)를 통과함으로써 지원되며, 이렇게 함으로써 엔진이 신속하게 가열될 수 있다.The heating of the engine in the engine low temperature condition is supported by the coolant passing next to the
제1 단계에서 밸브(30)는 냉각제가, 전형적으로는 이러한 시점에 이미 축열된 열을 방출한 상태에 이르는 축열기(10)를 더 이상 통과하지 않도록 전환된다. 한편, 냉각제는 열교환기(32)를 통해 안내되며, 이렇게 함으로써 상기 열교환기에서 배기가스로부터 열이 흡수될 수 있다. 추가로 열교환기(28)를 통해 안내된 오일이 열을 흡수한다. 이 경우 밸브(34)의 상응하는 위치는, 전체 배기가스 열이 냉각제의 가열뿐만 아니라 오일 가열에도 이용될 수 있도록 한다.In the first step, the
엔진이 충분히 가열되면, 오일의 냉각이 필요한데, 이는 오일에서 취한 열을 이제 축열기(10)로 방출하는 열교환기(28)에서 이루어진다. 냉각제의 열은 상응하는 밸브(26)의 상응하는 위치에 의해 라디에이터(28)를 통해서 방출될 수 있다. 보충적으로 앞서 설명한 배기가스 열 관리 모듈은 도면 부호 36으로 표기된다.When the engine is sufficiently heated, cooling of the oil is required, which takes place in the
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 축열기(10)는 내부에, 냉각제가 그 주위로 흐르는 축열 매체로서 PCM(5)을 포함하고, 이때 상기 냉각제는 유입구(6)를 통해 이와 관련하여 제공된 라인들 내부로 이르고, 상기 PCM(5)으로 열이 방출된 후 배출구(7)를 통해 상기 라인들을 벗어난다. 상기 라인들 및/또는 PCM을 에워싸는 용기(vessel)(4) 외부에서 내부 단열층(1)에는 에어로겔이 제공되어 있고, 상기 내부 단열층 외부에는 본 발명에 따른 PCM 층(2)이 제공되어 있다. 외측면은 진공 단열 패널(3)에 의해 형성된다.As can be seen from Figure 2, the
다른 말로 표현하면, 에어로겔 층(1)은 상기 용기(4), 및/또는 상기 라인들, 및/또는 상기 PCM(5)과 접촉한다. 에어로겔 층(1)과 PCM 층(2) 사이에는 경계를 정하기 위한 얇은 재료 층이 제공될 수 있으며, 그리고 외측면 방향으로 상기 PCM 층(2)은 진공 단열 패널(3), 특히 이러한 진공 단열 패널의 내측 피복재와 접촉한다.In other words, the
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 축열기에서는 단열재의 온도에 따라 온도 변화가 주어지며, 이 경우 가장 내부 단열층(1)에 걸쳐서 온도는 약 140°에서 약 80°로 떨어진다. 상기 단열층은 예를 들면 약 1.5㎝의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면 0.5㎝의 두께를 가질 수 있는 단열층 내에 포함된 PCM(2)에 걸쳐서는 실제로 온도가 일정하게 유지되는데, 그 이유는 상기 PCM은 기본적으로 전달된 열을 저장하기 때문이다. 가장 외부 단열층(3) 영역에서는 온도가 약 80°에서 주위 온도 수준으로 떨어진다.As shown in FIG. 3, in the heat accumulator according to the present invention, a temperature change is given according to the temperature of the heat insulating material, and in this case, the temperature drops from about 140° to about 80° over the inner
Claims (7)
상기 상변화 재료층(2)이 상기 상변화 재료(5)와는 별도로 상기 냉각제 라인의 열을 축열함으로써, 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하면서 축열 용량이 증가되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 축열기(heat accumulator)(10).A phase change material (PCM) 5 as a heat storage medium, a coolant line flowing around the phase change material 5, and an insulating material surrounding the coolant line, the The insulating material has at least one phase change material layer 2 separated from the phase change material 5,
The phase change material layer (2) is characterized in that the heat storage capacity is increased while preventing the heat from escaping to the outside by accumulating heat of the coolant line separately from the phase change material (5). (heat accumulator)(10).
7. The automobile heat accumulator according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat insulating material has a total thickness of 20 to 30 mm.
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