KR20080012279A - 자동차 히터 - Google Patents

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KR20080012279A
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elastomer
heater
heating
valve
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KR1020077025249A
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비타리 쉬미디트
미카엘 케플러
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베바스토 아게
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Abstract

본 발명은 액체 연료로 작동되도록 설계되고, 연료 펌프(16', 16)를 구비하며, 엘라스토머(36, 68)를 포함하여 연료 펌프(16', 16)에 의해 발생되는 맥동을 감소시키는 댐핑 부재(34, 66)를 구비하는 자동차 히터(10)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 엘라스토머(68)를 가열하는 수단들(58, 78a, 78b, 78c, 80, 82)이 제공된다. 특히, 자동차 히터는 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)를 구비하는 것이 바람직하며, 댐핑 부재(66)는 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)의 영역 내에 제공되며, 특히 그에 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
엘라스토머, 연료 밸브, 댐핑 부재, 전기 단말

Description

자동차 히터{AUTOMOTIVE HEATER}
본 발명은 액체 연료로 작동되도록 설계되고, 연료 펌프를 구비하며, 엘라스토머를 포함하여 연료 펌프에 의해 발생되는 맥동을 감소시키는 댐핑 부재를 구비하는 자동차 히터에 관한 것이다.
작동하는 동안 연료 시스템 내에 맥동을 발생시키는 왕복 피스톤 연료 펌프는 예컨대, 논문 Fahrzeung- und Verkehrstechnik, Technische Mitteilungen, vol. 97 (2004), No. 1, 9-11쪽에 공지되어 있으며, 도 1에 개략적인 단면도로 도시된다.
도 1에 도시된 왕복 피스톤 연료 펌프(16')는 액체 연료를 화살표로 표시된 방향으로, 즉 연료 인입구(18)에서 연료 배출구(20)로 운반하기 위해 제공된다. 전기 단말(42)에 적절한 전압이 인가되자마자, 와인딩(22)을 통해 전기가 흘러서 왕복 피스톤(24)의 이동을 전자기적으로 개시한다. 먼저, 펌프 챔버(30) 내 연료는 배출관의 유체 저항을 거슬러 비복귀 밸브(28)를 통해 배출된다. 그런 후, 와인딩(22)을 통해 흐르는 전류는 차단된다. 복원 스프링(26)은 왕복 피스톤(24)을 좌측으로 휴식 위치까지 압박한다. 액체 연료는 급유 흡기 밸브(32)를 통해 인입되어 펌프 챔버(30)를 채운다. 이러한 운반 원리로 저점성 연료도 부피 측정적으로 정밀하게 퍼올려질 수 있다. 운반량은 기동 전압 펄스(triggering voltage pulse)의 주파수를 통해 정확하게 조절될 수 있다.
그러나, 왕복 피스톤(24)의 전후 이동으로 인하여 연료 시스템에는 원하지 않는 맥동이 발생한다. 이러한 맥동을 적어도 부분적으로 억제하기 위하여, 송풍기 형상의 엘라스토머(36)를 포함하는 댐핑 부재(34)가 제공될 수 있음은 이미 알려져 있다. 액체 연료가 시추공(40)을 통과하여 엘라스토머(36)와 접촉할 때, 엘라스토머(36)는 성형된 플라스틱부(44)에 의해 형성된 댐퍼 하우징 내부에 제공되는 인접 챔버(38)로 연장한다. 이를 위한 필수 조건으로는, 엘라스토머(36)가 "안착"되도록 하는 연료 시스템 내의 특정 배압이 있다.
도 1에 도시된 왕복 피스톤 연료 펌프(16')의 문제점 중 하나는 댐핑 부재(34)가 외부의 혹한, 예컨대 -23℃ 이하의 온도에서 기능을 발휘하지 못한다는 점인데, 이는 엘라스토머(36)가 (엘라스토머(36)의 일반적인 엘라스토머점(유리전이점)은 예컨대 -23℃이다.) 경화되기 때문, 즉 유리전이를 겪기 때문이다. 또 다른 문제점은 디젤 버너용으로 -20℃ 이하의 온도에서 사용이 승인된 유일한 연료로서 소위 북극(Arctic) 디젤이 낮은 점성 때문에 상온에서의 겨울(winter) 디젤보다 -20℃ 이하의 온도에서 훨씬 더 낮은 배압을 발생한다는 점이다. 따라서, 엘라스토머(36)의 엘라스토머점에 이르기도 전에 댐핑 부재(34)의 기능성이 감소된다. "적 당히" 추운 온도, 예컨대 -20℃ 이상의 온도에서는, 때때로 연료 시스템 내의 맥동으로 인하여 자동차 히터에 의한 CO 배출이 증가하기도 한다. 극히 낮은 온도, 예컨대 -30℃ 이하의 온도에서는, 연료 시스템 내의 맥동에 의해 연료 작업의 안정화가 이루어지지 않는 문제가 발생하기도 한다. 그러한 경우에, 버너는 시동되기도 하지만, 예열 플러그가 꺼질 때, 즉 화염의 기부를 지지하는 에너지가 없을 때, 시간이 지날수록 불안정하게 되어 결국 소멸된다. 이러한 원하지 않는 소멸은, 예컨대 예열 플러그의 오프 후 0 내지 5분 내에 발생한다.
본 발명의 목적은 상기한 문제들을 방지하고, 예컨대 -20℃ 이하의 온도에서도 맥동없는 연료의 펌핑이 가능하도록 일반적인 자동차 히터를 향상시키는 것이다.
이러한 목적은 독립항의 특징을 통해 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예와 상세한 설명은 종속항으로부터 도출된다.
신규한 자동차 히터는 엘라스토머를 가열하기 위한 수단이 제공된다는 사실에 의하여 종래 기술의 일반적인 상태에 준하여 설계된다. 최고 하중점에 이를 때까지 △x℃로 엘라스토머를 가열하는 것은 댐핑 부재의 효과적인 작동 범위의 직접적인 확장/축소에 해당하고, 따라서 특히 자동차 히터의 버너의 특성 맵을 동일한 수치 △x℃로 부 온도 범위(negative temperature range)에 확장/축소하는 것에 해당한다. 예컨대, 본 발명의 접근을 통해, -30℃에서 북극 디젤로 자동차 히터의 작동이 가능하다. 가열되어 더 부드러워진 엘라스토머로 인하여, 연료 시스템 내의 맥동의 강도가 저하되어 자동차 히터의 버너가 예컨대, -20℃ 이상의 적당히 낮은 온도에서 작동될 수 있어서, 더욱 안정화되며 더욱 일정하고 잔잔한 연소 소음을 낸다 (맥동은 "시끄러운" 연소 소음을 발생시킨다). 예컨대, 자동차 히터에 있어서, 온도가 예컨대, -25℃의 소정의 제한 온도 이하로 떨어질 때, 더 낮은 맥동 때문에 화염 분출 경향은 더 낮은 온도를 향하여 이동한다. 예컨대, 0 내지 -20℃의 "더 높은" 온도에서, 더 낮은 맥동 때문에 북극 디젤과 겨울 디젤을 모두 사용하는 자동차 히터로 CO 배출의 감소가 이루어질 수 있다.
신규한 자동차 히터의 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 전자기적으로 구동되는 연료 밸브를 구비하며, 댐핑 부재는 전자기적으로 구동되는 연료 밸브의 영역 내에 위치한다. 이러한 전자기적으로 구동되는 연료 밸브는 종종 연료 펌프와 버너/열 교환 장치 사이에 제공되어, 특히 연료 공급을 막는다. 댐핑 부재는 주로 어느 한 위치에 배열될 수 있지만, 연료 밸브에 인가되는 전원 공급 전압이 엘라스토머를 가열하기 위해 병렬로 사용되므로 전자기적으로 구동되는 연료 밸브 근처에 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같은 상황에서, 댐핑 밸브는 전자기적으로 구동되는 연료 밸브에 일체로 형성되면 특히 유리할 것으로 생각된다. 댐핑 부재가 연료 밸브로 일체로 형성되면 필요한 부품 수를 감소시키므로 그에 따라 특히 비용이 저렴해진다.
신규한 자동차 히터의 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 엘라스토머를 가열하는 수단들이 전자기적으로 구동되는 연료 밸브에 일체로 형성된다. 이러한 경우, 엘라스토머를 가열하기 위한 전기 트리거(triggering)와 연료 밸브의 트리거가 매우 간단한 방식으로 결합될 수 있다.
신규한 자동차 히터의 실시예에 있어서, 엘라스토머를 가열하는 수단들은 전기 히터를 포함한다. 전기 히터는 직,간접적으로 제공될 수 있다. 예컨대, 스키 장비 및 다른 장비뿐만 아니라 자동차의 전면 유리를 가열하는 것으로 알려진 것과 같은 가열선이 엘라스토머 물질에 일체로 형성될 수 있다. 실제 연료 운반 개시 전에, 필요한 최소 탄성을 위한 제한 온도가 연료 운반 개시 때 초과되도록 가열선에 전원이 공급되는 것이 바람직하다. 그러나, 전기 히터는 또한 가열 요소, 예컨대, 액체 연료를 가열하기 위해 연료 밸브 내에 제공되는 PTC 가열 요소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 그러한 가열 요소는 예컨대, 전자석의 와인딩과 병렬로 연결될 수 있다. 물론, 개별 트리거(triggering) 또한 가능하다. 예컨대, PTC 가열 수단은 매우 높은 저항 온도 계수를 갖는다. 따라서, 추운 온도에서 시동시, 연료 밸브 내의 적은 양의 연료는 예컨대, 50℃의 최대 온도까지 급속히 가열된다. 이러한 온도 수준에서는 가열 도체의 저항이 매우 커서 언급할 만한 어떤 가열 전원도 더 이상 운반되지 않는다. 그리고, 가열된 연료는 엘라스토머를 가열시키며, 그에 따라 그 탄성을 증가시킨다. 부가적으로 또는 선택적으로, 엘라스토머를 가열시키기 위하여 해당 가열 요소는 엘라스토머에 근접하게 제공되는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따라, 엘라스토머를 가열하는 수단은 전자기적으로 구동되는 연료 밸브의 와인딩을 포함하는 것이 가능하다.
공지된 연료 밸브의 와인딩 및/또는 자석 코일에 의하여 소비된 전원은 대개 열로 변환되며, 대부분의 경우, 특히 낮은 온도에서 엘라스토머를 가열하기에 충분하다.
이와 같은 상황에서, 높은 열 전도성을 갖는 물질이 전자기적으로 구동되는 연료 밸브의 와인딩과 엘라스토머 사이의 영역 내에 제공되는 것이 바람직하다. 높은 열 전도성을 갖는 물질로 금속, 특히 예컨대 알루미늄이 사용될 수 있다. 여기서, 댐핑 부재와 접촉하는 금속 리브 또는 금속 하우징 요소는 하나 이상의 열교를 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 낮은 열 전도성을 갖는 물질이 엘라스토머와 외부 환경 사이의 영역 내에 제공된다. 주로, 당업자에게 잘 알려진 열 절연 물질로는 낮은 열 전도성을 가진 물질, 예컨대 발포 플라스틱 및/또는 팽창된 금속을 사용할 수 있다. 이러한 외부 환경에 대한 열 절연성으로 인하여, 연료 밸브로부터 배기열은 엘라스토머를 가열하도록 유리하게 활용될 수 있다.
신규한 자동차 히터의 실시예들 중 적어도 일부 실시예에서, 연료를 예열하도록 설계된 전자기적으로 구동되는 밸브를 제공하는 것이 가능하다. 연료의 가열로 결과적으로 연료의 엔탈피 증가와 점도의 감소가 이루어져 연소 작업에 긍정적인 효과를 끼친다. 덧붙여, 예열된 연료는 엘라스토머를 가열하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도면을 기본으로 하여 예시로 하기에 상세히 설명된다.
도 1은 서두에 이미 설명된, 공지된 왕복 피스톤 연료 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 2는 신규한 자동차 히터를 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 3은 도 2의 신규한 자동차 히터의 일부인 연료 밸브의 제1 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 2의 신규한 자동차 히터의 일부인 연료 밸브의 제2 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 2의 신규한 자동차 히터의 일부인 연료 밸브의 제3 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 신규한 자동차 히터의 일 실시예를 나타내는 개략적인 블록도이다. 본 도면에 도시된 자동차 히터는 예컨대, 추가 히터이거나 보조 히터일 수 있다. 본 도면에 도시된 자동차 히터(10)는 액체 연료가 연료 탱크(12)에서 버너/열 교환 장치(14)로 운반될 수 있도록 돕는 왕복 피스톤 연료 펌프(16)를 포함한다. 온풍 가열이나 수가열 중 어느 것이 사용되느냐에 따라, 버너/열 교환 장치(14)는 다른 공기 유로(air line) 및/또는 수관(water line)(미도시)과 연결되며, 이는 당업자에게 잘 알려진 사실이다. 버너/열 교환 장치(14)는 또한 연료 공급을 전체적으로 또는 부분적으로 막을 수 있는 연료 밸브(52)를 포함한다. 이러한 연료 밸브(52)는 반드시 버너/열 교환 장치(14)와 일체로 형성될 필요는 없으나, 대신 왕복 피스톤 연료 펌프(16)와 버너/열 교환 장치(14) 사이에 배치될 수도 있다.
댐핑 부재(66) 및 엘라스토머를 가열하기 위해 그에 할당된 수단은 바람직하게 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)에 일체로 형성된다. 그러나, 점선으로 표시된 바와 같이, 댐핑 부재(66) 및/또는 엘라스토머를 가열하기 위해 그에 할당된 수단은 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)로부터 별개로 형성되는 것도 가능하다. 댐핑 부재는 연료관의 어느 위치에 배치될 수 있으며 하기한 실시예와 같이 설계될 수 있다.
도 3은 도 2의 자동차 히터(10)의 일부인 연료 밸브(52)의 제1 실시예를 개 략적인 단면도로 보여준다. 연료 밸브(52)는 연료 인입구(54) 및 연료 배출구(56)를 구비하는, 전자기적으로 구동되는 동축 밸브이다. 전기 단말(74)에 적절한 전압이 인가되면, 와인딩(58)을 통해 전기가 흘러 밸브 피스톤(60)은 도 4의 도식을 기본으로 우측으로 이동됨으로써 연료 밸브(52)가 개방되고 연료는 연료 인입구(54)에서 연료 배출구(56)로 유동될 수 있다. 와인딩(58)의 무전류 상태에서, 복원 스프링(62)은 도 3의 도식을 기본으로 밸브 피스톤(60)을 좌측으로 억지로 밀어 밸브 피스톤(60)이 밸브 시트(64)와 함께 작동하여 연료 밸브(52)를 잠근다.
도 3의 도식에 따라, 연료 시스템 내의 맥동을 억제하기 위해 제공되는 댐핑 부재(66)는 연료 밸브(52)에 일체로 형성된다. 댐핑 부재(66)는 송풍기 형상의 엘라스토머(68)를 포함한다. 액체 연료가 시추공(72)을 통과하여 엘라스토머(68)와 접촉할 때, 엘라스토머(68)는 성형된 플락스틱부(76)에 의해 형성된 댐퍼 하우징 내에 제공되는 인접 챔버(70)로 연장한다. 이를 위한 필수 조건으로는, 엘라스토머(36)가 "안착"되도록 하는 연료 시스템 내의 특정 배압이 있다.
예컨대, -23℃ 미만의 매우 낮은 온도에서도 FKN 물질로 형성된 엘라스토머(68)에 유리전이가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 댐핑 부재(66)에 전기 히터(78)가 제공된다. 연료를 가열하기 위하여, 본 실시예에 설명된 예에서는, 전기 히터(78)는 엘라스토머(68) 근처에 배열된 복수의 PTC 가열 요소(78a)와 엘라스토 머(68)에 일체로 형성된 적어도 하나의 가열선(78b), 및 두 개의 PTC 가열 요소(78c)를 포함한다. 본 도면에 도시된 가열 요소들(78a, 78b 및 78c)이 모두 존재할 필요는 없지만, 대신 선택적으로 가열 요소들 중 어느 하나(78a, 78b 및 78c)만으로도 엘라스토머를 적절한 정도로 가열하기에 충분하다는 것은 자명하다. PTC 가열 요소(78a)의 효과를 최적화하기 위하여, 높은 열 전도성을 갖는 물질, 예컨대 금속이 가열될 영역, 즉 엘라스토머(36)와 각각의 PTC 가열 요소 사이에 제공된다면 유리하다. 엘라스토머(68)의 가장 직접적인 가열은 가열선(78b)에 의하여 이루어진다. PTC 가열 요소(78a)는 액체 연료와 접촉하는 물질뿐만 아니라 엘라스토머(36)와 접촉하는 물질도 가열한다. PTC 가열 요소(78a)는 주로 연료를 가열하는 역할을 한다. 연료의 예열은 엘라스토머(68)의 간접적인 가열을 제공하며 더 좋은 연소에 이르게 한다. 본 도면에 도시된 가열 요소들(78a 및 78b) 중 일부 또는 모두는 와인딩(58)과 병렬로 연결되거나 또는 따로 트리거될 수 있다. 개별 트리거는 더 복잡하지만 밸브 설정과 별개로 예열되게 한다.
도 4에 도시된 연료 밸브(52)는 가열 요소는 제공되지 않으나 대신 엘라스토머(68)가 연료 밸브(52)로부터 배기열에 의하여 가열된다는 점에서 도 3에 따른 실시예와 다르다. 이러한 가열을 가능하게 하거나 및/또는 최적화하기 위하여, 댐핑 부재(66)의 영역은 낮은 열 전도성을 갖는 물질(82), 즉 팽창된 금속 및/또는 발포 플라스틱과 같이 당업자에게 잘 알려진 열 절연물질에 의하여 둘러싸인다. 본 도면에 도시되지는 않았지만, 낮은 열 전도성을 갖는 물질(82)은 선택적으로 층 구조를 가질 수 있다. 연료 밸브(52)가 개방될 때, 와인딩(58)으로 흐르는 해당 전류 유동 으로 인하여 충분한 배기열이 발생되어 엘라스토머(68)를 가열하는 것은 자명하다. 그러나, 연료 밸브(52)는 와인딩(58)을 통과하는, 연료 밸브(52)를 개방할 수 없을 정도로 낮은 전류가 엘라스토머(68)를 가열하기에 충분하도록 설계될 수도 있다.
도 5에 도시된 연료 밸브(52)의 실시예는 가열 요소는 제공되지 않지만 대신 와인딩(58)에서 발생되고 적어도 하나의 열교에서 엘라스토머(68)로 옮겨진 열에 의하여 엘라스토머의 가열이 이루어진다는 점에서 도 3에 따른 실시예와 다르다. 이 때문에, 높은 열 전도성을 갖는 물질(80)이 와인딩(58)과 엘라스토머(68) 사이에 제공된다. 높은 열 전도성을 갖는 물질(80)은 특히 금속일 수 있으며, 이러한 경우 예컨대 리브의 형태로 형성되어 적절한 열교를 만들 수 있다. 본 도면에 도시되지 않았지만, 또한 연료를 가열하기 위하여 액체 연료와 접촉하는 영역으로도 열교를 연장하는 것이 유리할 수 있다. 본 실시예에 설명된 경우에, 높은 열 전도성을 갖는 물질(80)은 성형된 플라스틱부(76)에 금속 리브의 형태로 일체로 형성되지만, 적어도 주로 엘라스토머(68)만을 가열한다.
도 3 내지 5를 기본으로 설명된 연료 밸브(52)의 실시예들은 상호 결합될 수 있음은 당업자에게 자명하며, 이러한 가능한 모든 결합은 여기에 개시된다.
본 발명은 예컨대, -20℃ 이하의 매우 낮은 온도에서도 버너의 작동을 보장 할 수 있다. 필요하다면, 가열을 통해 엘라스토머의 유리전이가 신뢰성 있게 방지될 수 있기 때문에 바람직한 엘라스토머가 선택될 수 있다.
도면 및 청구항뿐만 아니라 전술한 설명에 개시된 본 발명의 특징들은 단독으로 또는 결합하여 본 발명의 완성에 매우 중요한 요소이다.

Claims (9)

  1. 액체 연료에 의하여 작동되도록 설계되고, 연료 펌프(16', 16)를 구비하며, 엘라스토머(36, 68)를 둘러싸서 상기 연료 펌프(16', 16)에 의해 발생되는 맥동을 감소시키는 댐핑 부재(34, 66)를 구비하는 자동차 히터(10)에 있어서, 상기 엘라스토머(68)를 가열하는 수단들(58, 78a, 78b, 78c, 80, 82)이 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동차 히터(10)는 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)를 구비하며, 상기 댐핑 부재(66)는 상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)의 영역 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  3. 제1 또는 제2항에 있어서,
    상기 댐핑 부재(66)는 상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  4. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘라스토머(68)를 가열하는 수단들(58, 78a, 78b, 78c, 80, 82)은 상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 차 히터.
  5. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘라스토머(68)를 가열하는 수단들(58, 78a, 78b, 78c, 80, 82)은 전기 히터(78a, 78b, 78c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  6. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘라스토머(68)를 가열하는 수단들(58, 78a, 78b, 78c, 80, 82)은 상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)의 와인딩(58)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  7. 제6항에 있어서,
    높은 열 전도성을 갖는 물질(80)이 상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)의 와인딩(58)과 상기 엘라스토머(68) 사이의 영역 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  8. 제6 또는 제7항에 있어서,
    낮은 열 전도성을 갖는 물질(82)이 상기 엘라스토머(68)와 외부 환경 사이의 영역 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
  9. 제2 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기적으로 구동되는 연료 밸브(52)는 연료를 예열하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차 히터.
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