KR102604958B1 - 차량 제동용 공기 압축기 - Google Patents

차량 제동용 공기 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기는, 흡입포트 및 토출포트가 마련되는 하우징; 상기 하우징 내부에 마련되고 공기 압축기를 구동하는 전기 모터; 상기 전기 모터에 전력을 제공하는 배터리; 및 상기 하우징에 설치되는 적어도 하나의 냉각 팬;을 포함하고, 상기 전기 모터에는 CTR 서미스터가 구비되어 있고, CTR 서미스터는 상기 냉각 팬에 연결된다.

Description

차량 제동용 공기 압축기{AIR COMPRESSOR FOR VEHICLE BRAKING}
본 발명은 압축 공기의 팽창력을 이용하여 제동하는 차량용 브레이크 장치의 공기 압축기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, CTR 소자를 적용하여 공기 압축기의 토출 온도를 제어할 수 있는 개선된 차량 제동용 공기 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 상용차에서는 고압의 압축공기를 제동력으로 이용하는 브레이크 시스템을 사용한다. 모터 구동식 공랭식 압축기(E-comp, Electric driven compressor)에서 만들어진 압축 공기는 에어 탱크에 저장되고, 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 밸브가 개방되어 에어탱크 내에 저장된 고압의 압축 공기가 브레이크 밸브를 통하여 에어마스터실린더로 유입되고, 에어마스터실린더는 유입된 공기의 압력에 의하여 에어탱크측과 연통된다. 이로 인해 에어탱크내의 고압공기가 에어마스터실린더로 직접 유입되어 에어마스터실린더에 유입되어 있는 오일 탱크내의 오일을 브레이크로 전달하여 제동력을 발생시킨다.
한편, 압축 공기가 에어 탱크에 저장되기 전에, 압축기에서 생성된 압축 공기는 압축기의 토출 포트를 통해 APU(Air Processing Unit)로 전달되어 APU가 압축 공기의 습기를 제거한다. 압축 공기를 에어 탱크에 저장하기 전에 APU에서 압축 공기의 습기를 효과적으로 제거하지 못하면 지속적으로 공급된 수분들이 파이프나 각각의 기계장치에 잔류하여 특히 동절기에는 결빙을 일으켜 파이프를 막거나 오작동을 일으킬 수 있다. 여기서, APU는 습기를 제거하는 데시칸트(desiccant)를 갖고 있지만 응축된 액체 상대의 물은 효과적으로 거르지 못한다. 또한, 데시칸트가 수분에 지속적으로 노출되면 파괴될 수도 있다. 그렇기 때문에 현재는 압축 공기가 압축열에 의해 자연스럽게 적당한 온도에 도달하기까지 압축기에 설치된 냉각 팬의 작동을 온/오프 제어한다. 이렇게 하여 압축 공기의 토출 온도를 조절하고 APU의 입구에서 그 온도가 대기온도보다 20℃~25℃ 이상 70℃ 이하로 유지되도록 한다.
한편, 차량에는 전자 제어 유닛(ECU; Electric Control Unit)이 구비되어 압축 공기를 통한 차량의 제동 제어를 수행하는데, 현재는 ECU가 압축기의 토출 온도에 따른 냉각 팬의 온오프 작동을 제어하고 있다.
그러나, ECU를 통한 냉각 팬 작동 제어는 시스템이 복잡해지는 문제가 있다. 구체적으로, 추가적인 프로그래밍이 수반되어야 하고, ECU의 리소스(예컨대 on/off를 해줄수 있는 전자스위치(digital output) 단자)가 더 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량 제동용으로 사용되는 모터 구동식 공랭식 압축기에 있어서 기존의 ECU를 통한 냉각 팬 제어 방식을 적용하지 않고, 대신에 압축기를 구동하는 전자 모터 내부에 반도체 소자, 즉 CTR 서미스터(CTR 소자)를 부착함으로써 냉각 팬의 작동을 자동으로 제어, 압축 공기의 토출 온도에 따라 냉각 팬을 즉각적으로 컨트롤 할 수 있는 공기 압축기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기는, 흡입포트 및 토출포트가 마련되는 하우징; 상기 하우징 내부에 마련되고 공기 압축기를 구동하는 전기 모터; 상기 전기 모터에 전력을 제공하는 배터리; 및 상기 하우징에 설치되어 상기 공기 압축기에 의해 생성되는 압축 공기의 온도를 조절하는 적어도 하나의 냉각 팬;을 포함하고, 상기 전기 모터에는 CTR 서미스터가 구비되어 있고, CTR 서미스터는 상기 냉각 팬에 연결된다.
또한, 상기 하우징의 토출포트에는 호스가 연결되며, 압축 공기가 상기 호스를 통해 APU 및 에어탱크로 전달될 수 있다.
또한, 상기 CTR 서미스터는 온도 임계값보다 같거나 낮은 온도에서 저항이 증가하고 상기 온도 임계값보다 높은 온도에서 저항이 감소할 수 있다.
또한, 상기 온도 임계값은 80℃일 수 있다.
또한, 상기 냉각 팬은 CTR 서미스터에 의하여, 모터의 온도가 상기 온도 임계값보다 높으면 켜지고 모터의 온도가 온도 임계값과 같거나 낮으면 꺼질 수 있다.
또한, 냉각 팬에 전력을 제공하는 냉각 팬 구동 전원이 마련되고, 냉각 팬 구동 전원과 냉각 팬은 CTR 서미스터 소자를 통해서 연결될 수 있다.
또한, 상기 CTR은 전기 모터의 권선에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기는 온도 변화에 민감한 CTR 서미스터가 공기 압축기 모터에 적용되어 있어, 기존의 ECU에서 냉각 팬을 제어하는 방식과 비교하여 보다 단순하고, 또한 압축 공기의 온도에 따라 즉각적이고 자동적으로 냉각 팬을 제어할 수 있는 이점이 있다.
특히, CTR 서미스터를 사용하여 냉각 팬의 온오프를 제어하여, 압축 공기의 온도가 80℃ 보다 높을 때에만 냉각되도록 하여, 압축 공기의 온도가 너무 많이 냉각되지 않도록 보장한다.
또한, 압축 공기의 온도 조절을 위해 별도의 온도제어기 추가 없이 반도체 소자 하나를 모터 내부에 추가하는 것만으로 온도 조절이라는 동일한 효과를 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 정면도 및 후면도이다.
도 4는 냉각 팬 구동 전원과 냉각 팬이 CTR 서미스터 소자를 통해서 연결되는 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 개념도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기의 정면도 및 후면도, 도 4는 냉각 팬 구동 전원과 냉각 팬(140)이 CTR 서미스터(150) 소자를 통해서 연결되는 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
이들 도면을 참조하여 본 발명의 차량 제동용 공기 압축기(100)의 작동을 개략적으로 설명하면 아래와 같다. 우선, 공기 압축기(100)에서 고온 고압의 압축 공기가 생성되면 알루미늄 재질의 열교환기(190)를 통과하면서 열교환이 이루어진다. 압축공기가 만들어지는 과정에서는 상당한 고열이 발생하며, 이를 냉각시켜야만 압축 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 공냉식 공기 압축기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 열교환기(190) 근방에 냉각 팬(140)을 배치하였으며 냉각 팬(140)을 구동하여 열교환으로 인해 뜨거워진 열교환기(190)를 냉각한다. 이후 압축 공기의 온도가 미리 결정된 범위 내로 조절되면, 온도 조절된 압축 공기가 토출포트(111)를 통해 공기 압축기(100) 밖으로 배출된다. 토출포트(111)에는 스틸 호스(160)가 연결되어 있으며, 스틸 호스(160)를 통해 압축 공기가 APU(170)로 전달된다. 압축된 공기 속에는 대기 중에 포함되어 있는 다량의 수분도 같이 압축되기 때문에, 이를 제거해주어야 하며 APU(170)는 습기를 제거하는 데시칸트를 가지고 있어 압축 공기의 습기를 제거한다. 참고로, 압축기(100)의 초기 가동시에는 응축된 물이 APU(170)(건조기)로 흘러 들어갈 수 있으나, 작동이 반복되면 압축열이 누적되고 또한 압축기(100)와 물리적으로 연결된 전기 모터(120)의 자체 온도가 상승함에 따라 공기가 더 많은 수분을 흡수하여 응축수가 아닌 습기의 형태로 APU(170)로 전달된다. 따라서, APU(170)에서 습기 제거력이 향상되어 겨울철에 브레이크 제동 라인에 결빙이나 오작동을 방지 할 수 있다. 이후 건조해진 압축 공기는 호스(160)를 통해 에어탱크(180)로 전달되어 저장됨으로써 제동장치의 에너지원으로 사용된다. 에어탱크(180)는 공기 압축기(100)에서 만들어진 압축 공기를 저장하는 곳으로서, APU(170)에서 건조된 압축 공기가 호스(160)를 통해 에어탱크(180)로 유입된다. 에어탱크(180)에는 안전 밸브가 설치되어 탱크 내의 압력이 규정 이상이 되면 안전밸브로 통하여 공기를 대기로 방출시키는 안전 역할을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 제동용 공기 압축기(100)는 모터 구동식 압축기(100)로서, 흡입포트 및 토출포트(111)가 마련되는 하우징(110), 하우징(110) 내부에 수용되고 냉매를 압축 및 방출하는 압축 유닛(미도시), 하우징(110) 내부에 마련되고 압축기(100)(압축 유닛)를 구동하는 전기 모터(120), 전기 모터(120)에 전력을 제공하는 배터리(130), 및 하우징(110)에 설치되어 공기 압축기에 의해 생성되는 압축 공기의 온도를 조절하는 적어도 하나의 냉각 팬(140)을 포함한다.
전기 모터(120)는 배터리(130)로부터 전력을 인가받아 압축 유닛을 구동하는데, 이러한 전기 모터(120)는 통상적으로 회전축과 일체로 회전되는 로터 및 모터 하우징(110) 내부 표면에 고정되는 스테이터를 포함한다. 여기서, 본 발명의 공기 압축기(100)는 전기 모터(120)의 스테이터에 감겨진 내부 권선에 CTR 서미스터(150)(CTR 소자)를 설치한 것을 특징으로 한다. CTR 서미스터(150)는 특정한 온도 영역에서 급격하게 저항값이 변화하는 소자로서, CTR 서미스터(150)는 특정한 온도 임계값(the temperature threshold)보다 같거나 낮은 온도에서 저항이 증가하고 온도 임계값보다 높은 온도에서 저항이 감소한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 온도 임계값은 80℃이며, 이에 따라, 본 발명의 CTR 서미스터(150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 80℃ 보다 같거나 낮은 온도에서 저항이 증가하고 80℃ 보다 높은 온도에서 저항이 감소하는 특성을 갖는다. 기본적으로 전기 모터(120)는 공기 압축기(100)에서 생성된 압축 공기의 토출 온도와 밀접한 관계가 있으므로, 전기 모터(120)의 권선에 CTR 서미스터(150)를 부착함으로써, 압축 공기의 온도 변화에 따라 CTR 서미스터(150)의 저항 값이 즉각적이고 직접적으로 가변할 수 있다. 그리고, CTR 서미스터(150)가 압축 공기의 온도 변화에 따라 자체 저항이 바뀌면서 냉각 팬(140)에 대한 전원의 공급을 단락할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 본 발명에서는 냉각 팬(140)에 전력을 제공하는 전원이 전기 모터(120) 배터리(130)와 별도로 마련될 수 있고, 냉각 팬 구동 전원과 냉각 팬(140)은 CTR 서미스터(150) 소자를 통해서 연결되어 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각 팬 구동 전원(24V 전원)과 냉각 팬(140)의 결전 사이에 CTR 서미스터(150) 소자를 연결하면, CTR 서미스터(150)의 저항값에 따라 냉각 팬(140)에 대한 냉각 팬 구동 전원의 전류 공급량이 달라져 냉각 팬 구동 전원이 냉각 팬(140)에 전원을 공급하기도 하고 전원공급이 차단되기도 한다. 즉, 냉각 팬은 CTR 서미스터에 의하여, 모터의 온도가 온도 임계값보다 높으면 켜지고 모터의 온도가 온도 임계값과 같거나 낮으면 꺼지도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 CTR 서미스터(150)는 온도 임계값인 80℃ 보다 같거나 낮은 온도에서 저항이 급격하게 증가하고 80℃ 보다 높은 온도에서 저항이 급격하게 감소하는 특성이 있는바, 공기를 압축하는 양이 적어서(듀티가 낮음) 모터에 전가된 온도가 80℃ 보다 같거나 낮은 경우에는 CTR 서미스터(150)의 저항이 증가하기 때문에 냉각 팬(140)에 대한 냉각 팬 구동 전원의 전류 공급이 감소하여 냉각 팬(140)이 작동하지 않는다. 반면에, 압축기가 많은 양의 공기를 압축하여(듀티가 높음) 모터에 전가된 온도가 80℃ 보다 높을 경우에는 CTR 서미스터(150)의 저항이 급격하게 감소하기 때문에 냉각 팬(140)에 대한 냉각 팬 구동 전원의 전류 공급이 증가하며 이에 따라 냉각 팬(140)이 작동하게 된다. 이에 따라 비록 전기 모터(120)와 냉각 팬(140)은 공기 압축기(100) 내에서도 물리적으로 떨어진 영역에 배치되어 있지만, CTR 서미스터(150)를 모터 권선부에 설치함과 동시에 CTR 서미스터(150) 소자를 매개로 냉각 팬 구동 전원과 냉각 팬(140)을 연결하도록 구성함으로써, 전기 모터(120)의 권선부에서 감지되는 온도 변화에 따라 냉각 팬(140)의 작동 상태를 즉각적으로 제어하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 차량 제동용 공기 압축기(100)를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 차량 제동용 공기 압축기 110: 하우징
111: 토출포트 120: 전기 모터
130: 배터리 140: 냉각 팬
150: CTR 서미스터 160: 호스
170: APU 180: 에어탱크
190: 열교환기

Claims (7)

  1. 차량 제동용 공기 압축기에 있어서,
    흡입포트 및 토출포트가 마련되는 하우징;
    상기 하우징 내부에 마련되고 공기 압축기를 구동하는 전기 모터;
    상기 전기 모터에 전력을 제공하는 배터리; 및
    상기 하우징에 설치되어 상기 공기 압축기에 의해 생성되는 압축 공기의 온도를 조절하는 적어도 하나의 냉각 팬;
    을 포함하고,
    CTR 서미스터가 상기 공기 압축기를 구동하는 전기 모터의 내부 권선에 설치되어 있어, CTR 서미스터의 저항값이 전기 모터 내부의 온도 변화에 따라 가변하도록 하고,
    상기 냉각 팬은 별도의 냉각팬 구동 전원에 의해 전력을 제공받아 구동되되, 상기 냉각 팬과 상기 냉각 팬 구동 전원은 상기 CTR 서미스터를 매개로 연결되어 있어 CTR 서미스터의 저항값 변화에 의해 상기 냉각 팬에 대한 냉각 팬 구동 전원의 전원 공급이 단락되도록 함으로써, 상기 냉각 팬이 상기 전기 모터의 내부 온도 변화에 따라 직접적으로 온오프 구동되는 것을 특징으로 하는,
    차량 제동용 공기 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 토출포트에는 호스가 연결되며, 압축 공기가 상기 호스를 통해 APU 및 에어탱크로 전달되는 것인,
    차량 제동용 공기 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CTR 서미스터는 온도 임계값보다 같거나 낮은 온도에서 저항이 증가하고 상기 온도 임계값보다 높은 온도에서 저항이 감소하는 것인,
    차량 제동용 공기 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도 임계값은 80℃인,
    차량 제동용 공기 압축기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각 팬은 CTR 서미스터에 의하여, 모터의 온도가 상기 온도 임계값보다 높으면 켜지고 모터의 온도가 온도 임계값과 같거나 낮으면 꺼지는,
    차량 제동용 공기 압축기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190045365A (ko) * 2016-09-21 2019-05-02 크노르-브렘제 시스테메 퓌어 누츠파조이게 게엠베하 상용차용 압축기 시스템
KR20210063923A (ko) * 2019-11-25 2021-06-02 주식회사 현대케피코 2중 안전회로를 포함하는 냉각장치

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