KR20100132353A - 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템 - Google Patents

배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템 Download PDF

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Abstract

배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템이 제공된다. 개시된 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템은 열 유동부, 연료 유동부, 및 상기 열 유동부와 연료 유동부를 분리하는 격벽을 구비하며, 연료탱크로부터 액상의 연료를 공급받는 기화기와, 차량 엔진에 연결되며, 상기 엔진의 가동시에 발생하는 배기가스를 배출하는 배기관로 상에 배치되는 열교환기와, 상기 기화기와 상기 열교환기를 연결하도록 배치되어 상기 배기가스에 내재된 고온의 열원을 상기 기화기 내부를 통해 유동하는 상기 연료 측으로 제공하는 히트파이프와, 및 상기 열교환기 및 연료탱크에 전기적으로 연결되며, 상기 연료탱크로부터의 상기 연료의 공급정도에 따라서 상기 열교환기를 통해 유동하는 배기가스로부터의 열원 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
배기가스, 기화기, LPG, 열교환기, 관로, 엔진, 차량, 열원, 히트파이프, 연료탱크

Description

배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템{Heating Structure of Vehicle's Vaporator using Heat Source of Exgaust Gas}
본 발명은 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량 운행시 발생하는 배기가스 상에서의 고온의 열원을 LPG 차량의 기화기에 히트파이프를 이용하여 효율적으로 전달함에 의해서 냉각수 만에 의한 가열 시스템을 개선한 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차는 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시키면서 동력을 얻게 되는데, 종래에는 가솔린과 디젤을 주로 연료로 사용하였으나, 최근에는 그 가격이 저렴하고, 배기가스 중 일산화탄소의 함유량이 적은 등의 장점이 있는 LPG(Liquified Petroleum Gas) 연료를 사용하는 자동차가 증가되고 있는 추세에 있다. 상기 LPG는 원유를 정제하는 도중에 나오는 부산물의 하나로서 프로판과 부탄이 주성분이며, 이에 프로틸렌과 브틸렌등이 포함된 혼합물로서, 냉각이나 가압에 의해 쉽게 가압되고 가열이나 감압에 의해 쉽게 기화하며, 기체화된 것은 공기의 약 1.5∼2배에 이를 정도로 무거운 특성이 있다.
상기 LPG를 연료로 사용하는 시스템은 엔진에 연료를 공급하는 방식에 따라 크게 두가지로 분류할 수 있는데, 액체상태를 엔진에 직접 분사하는 방식과 중간에 LPG를 기화시켜 이를 엔진에 공급하는 방식이 있다.
LPG 연료를 엔진에 공급하기 전 기화를 하게 되는 경우에는 기화기(Vaporizer)로서 연료를 기화시키는 경로를 거치게 되는데, 이 때에 원활한 상변화를 위해 일정한 열원을 공급해야 한다. 상기의 열원은 일반적으로 가열된 엔진룸을 식히는 과정에서 온도가 상승하는 냉각수가 주로 사용된다. 즉, 종래의 기화기는 그 내부에 열교환기가 구비되고, 상기 열교환기를 통해 냉각수 및 LPG 연료가 각각 유입되어 열을 상호 교환하는 과정을 거치면서 상기의 냉각수 온도는 떨어지고, LPG의 온도는 상승하는 과정을 통하여 상변화함으로써 기화하게 된다.
한편, 상기 기존의 냉각수를 이용한 기화기 시스템을 보면 상기 기화기에 입수되는 냉각수의 유량만큼 히터로의 유량이 감소하게 되어 히터 성능의 저하가 우려될 수 있다. 따라서, 냉각수를 이용한 기화기에 대한 일방적인 열원의 제공을 탈피하여 효과적으로 열원을 제공할 수 있는 방안의 도출이 필요하다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 차량 운행시 엔진에서 배출되는 배기가스 상에서의 고온의 열원을 기화기에 히트파이프 시스템을 이용하여 전달함에 의해서 엔진에서 버려지는 폐열을 효과적으로 활용하는 동시에 안정적으로 열을 전달하는 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템은 열 유동부, 연료 유동부, 및 상기 열 유동부와 연료 유동부를 분리하는 격벽을 구비하며, 연료탱크로부터 액상의 연료를 공급받는 기화기와, 차량 엔진에 연결되며, 상기 엔진의 가동시에 발생하는 배기가스를 배출하는 배기관로 상에 배치되는 열교환기와, 상기 기화기와 상기 열교환기를 연결하도록 배치되어 상기 배기가스에 내재된 고온의 열원을 상기 기화기 내부를 통해 유동하는 상기 연료 측으로 제공하는 히트파이프와, 및 상기 열교환기 및 연료탱크에 전기적으로 연결되며, 상기 연료탱크로부터의 상기 연료의 공급정도에 따라서 상기 열교환기를 통해 유동하는 배기가스로부터의 열원 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 히팅 시스템은 상기 엔진의 열을 저하시키기 위하여 냉각수 를 순환하게 하는 냉각장치를 더 포함하고, 상기 엔진을 거친 가열된 냉각수를 토출하는 냉각수 배출관로와, 상기 냉각수 배출관로로부터 상기 가열된 냉각수를 상기 기화기로 공급하는 우회공급관로, 및 상기 냉각수 배출관로 상에 배치되어 상기 우회공급관로에의 상기 가열된 냉각수의 공급을 조절하는 방향전환밸브가 배치되고, 상기 제어부는 상기 방향전환밸브와 상기 열교환기를 제어함으로써 상기 엔진으로부터 토출되는 냉각수 또는 상기 배기가스로부터의 열원을 선택적으로 상기 기화기에 공급할 수 있게 한다.
한편, 상기 히트파이프는 상기 열교환기 측에 위치하는 흡열부와, 상기 기화기 측에 위치하는 방열부와, 상기 흡열부와 방열부를 연결하는 중공의 파이프, 및 상기 파이프를 둘러싸는 다공질 망으로 이루어지며, 상기 파이프를 통해 이동하면서 기화된 열매체는 상기 다공질 망을 통해 이동하면서 액화하는 구조로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 방열부가 상기 흡열부보다 상부에 배치되고, 상기 방열부의 응축열매체가 자중에 의해 상기 흡열부까지 이송됨으로써 상기 다공질 망은 제거될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템은 차량 엔진의 순환을 통해 온도가 상승한 냉각수의 열원을 히터와 열교환하는 과정을 통해서 히터 성능의 저하가 발생하지 않게 하는 효과가 있다. 엔진에 서 배출되는 고온의 배기가스의 열원을 히트파이프를 이용하여 간접적으로 기화기에 제공하도록 하는 과정을 통해서 고온고압의 배기가스의 누출시 발생할 수 있는 폭발 위험 등을 미연에 방지하고 폐열을 효율적으로 이용하는 효과가 있다.
본 발명은 히트파이프를 이용하는 과정을 통해서 별도의 전기 히터 등을 설치함으로써 발생하는 전력소모의 증가를 방지하고, 결과적으로 엔진의 연비를 증가시키게 한다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템을 보이는 개략도, 도 2는 본 발명에 적용되는 히트파이프에 대한 작동을 설명하기 위한 개념도, 및 도 3은 본 발명의 구성요소 간의 관련관계를 보이는 다이어그램이다.
먼저 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템(100)의 전체적인 구성에 대해 설명한다.
히팅 시스템(100)은 연료탱크(150)로부터 액상의 연료를 공급받는 기화기(140,vaporizer)와, 차량의 엔진(110)에 연결되어 상기 엔진(110)의 가동시에 발생하는 배기가스를 배출하는 배기관로(115) 상에 배치되는 열교환기(130), 및 기화기(140)와 열교환기(130)를 연결하도록 배치되는 히트파이프(160)를 구비한다.
기화기(140)는 열 유동부(141), 연료 유동부(142), 및 열 유동부(141)와 연료 유동부(142)를 분리하는 격벽(143)을 구비한다. 열 유동부(141)는 히트파이프(160)를 통해 열교환기(130)에 연결되고, 연료 유동부(142)는 연료공급관(152)을 통해 연료탱크(150)에 연결되어 직접적으로 액체연료의 공급을 받는다. 열교환 기(130)로부터 히트파이프(160)를 거쳐 고온의 열원을 공급받는 열 유동부(141)는 격벽(143)에 배치되어 있는 열전달핀(144)을 통해서 열을 연료 유동부(142) 측으로 보내는 구조를 이룬다. 상기 연료 유동부(142)에서는 공급된 액체 연료가 기화되어 기체 상태의 입자로 상변화하여 제1연료이송관(146)을 통하여 믹서(145)에 이송된다.
이하, 차량 내에서 연소 과정이 이루어지는 엔진(110)을 기준으로 주위 구성요소의 배치를 살핀다. 엔진(110)은 공기공급관(122)을 거쳐 공기공급장치(120)로부터 연소에 필요한 공기를 공급받는 동시에 제2연료이송관(147)을 거쳐 믹서(145)로부터 기화된 연료를 공급받는 구조를 이룬다. 한편, 엔진(110)에서 연소된 배기가스는 배기관로(115)를 거쳐 열교환기(130)에 연결되는 구조를 취한다. 상기 열교환기(130)에서 히트파이프(160)로의 열 유동을 거친 배기가스는 드레인관(132)을 통해 대기 중으로 배출되거나 매연저감을 위해 다시 엔진(110)으로 재투입되는 과정을 거칠 수 있다.
여기에서, 엔진(110)에는 연결구(111,112,114)가 배치되어 각각 공기공급관(122), 제2연료이송관(147), 및 배기관로(115)가 엔진(110)에 접속할 수 있는 구조를 만들게 한다.
이하, 엔진(110)과 기화기(140) 사이에 배치되는 냉각장치(170)에 대해 설명한다. 상기 냉각장치(170)는 부동액과 같은 냉각수를 엔진(110)에 순환시키는 과정을 통해서 엔진(110)의 과열을 방지한다. 즉, 냉각수 공급관로(171)을 통해 저온의 냉각수를 공급하고 냉각수 배출관로(172)를 통해 고온의 냉각수를 토출한다. 엔 진(110) 상에는 상기 냉각수 관로(171,172)와 연통하도록 기능하는 냉각구(116)가 별도로 구비될 수 있다.
냉각수 배출관로(172) 상에는 방향전환밸브(175)가 구비되고, 상기 방향전환밸브(175)에는 우회공급관로(173)가 연결되어 기화기(140)의 열 유동부(141)에 접속하도록 할 수 있다. 상기 우회공급관로(173)를 통해 기화기(140)를 순환하면서 온도가 저하된 냉각수는 우회배출관로(174)를 통해 방향전환밸브(175) 후단의 냉각수 배출관로(172) 상으로 합류되는 구조가 된다.
히트파이프(160)는 그 일측단이 열교환기(130)에 연결되고 그 타측단이 열 유동부(141)에 연결되는 구조를 취한다. 히트파이프(160)는 기화기(140)와 열교환기(130)를 연결하도록 배치되어 배기가스에 내재된 고온의 열원을 기화기(140) 내부를 통해 유동하는 연료 측으로 제공하게 된다. 도 2를 참조하면, 히트파이프(160)는 열교환기(130) 측에 위치하는 흡열부(161)와, 기화기(140) 측에 위치하는 방열부(165)와, 흡열부(161)와 방열부(165)를 연결하는 중공의 파이프(166), 및 파이프(166)를 둘러싸는 다공질 망(162)으로 이루어지며, 파이프(166)를 통해 이동하면서 기화된 열매체는 다공질 망(162)을 통해 이동하면서 액화하는 구조로 이루어진다.
히트파이프(160) 내에서의 열의 이동과정을 보면, 흡열부(161)를 통해서 열교환기(130)로부터 열이 흡수된 열매체는 기화되어 파이프(166)를 통해 방열부(165) 측으로 이동한다. 도면부호 163은 기화과정에서의 열매체의 이동방향을 보이고 있다. 기화기(140)에서 내포된 열을 발산한 열매체는 윅(wick) 형태로 이루어 진 다공질 망(162)을 따라 모세관 현상에 의하여 다시 흡열부(161)로 이동하는 과정를 반복하는 과정을 수행한다. 여기에서, 상기 방열부(165)가 흡열부(161)보다 상대적으로 상부에 배치되어진다면 방열부(165)의 응축열매체가 자중에 의해 흡열부(161)까지 이송될 수 있게 되어 다공질 망(162)은 제거될 수 있다.
도 3을 참조하면, 히팅 시스템(100)은 열교환기(130) 및 연료탱크(150)에 전기적으로 연결되며, 상기 연료탱크(150)로부터의 연료의 공급정도에 따라서 열교환기(130)를 통해 유동하는 배기가스로부터의 열원 공급량을 조절하는 제어부(180)를 구비한다. 상기 제어부(180)는 방향전환밸브(175)와 열교환기(130)를 제어함으로써 엔진(110)으로부터 토출되는 냉각수 또는 배기가스로부터의 열원을 선택적으로 기화기(140)에 공급할 수 있게 한다.
본 발명은 엔진(110)으로부터 발생하는 배기가스의 열원을 열교환기(130) 및 히트파이프(160)를 통해서 얻는 과정을 수행하는 중에 제어부(180)가 엔진(110)으로의 기화연료의 공급이 양호하지 않다고 판단하면, 방향전환밸브(175)를 조절하여 가열된 냉각수를 우회공급관로(173)를 통해 기화기(140)에 공급함으로써 액체연료가 적절히 기체 상태로 변환될 수 있게 하는 특성이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템을 보이는 개략도,
도 2는 본 발명에 적용되는 히트파이프에 대한 작동을 설명하기 위한 개념도, 및
도 3은 본 발명의 구성요소 간의 관련관계를 보이는 다이어그램이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 히팅 시스템 110 : 엔진
111,112,114 : 연결구 115 : 배기관로
116 : 냉각구 120 : 공기공급장치
122 : 공기공급관 130 : 열교환기
140 : 기화기 141 : 열 유동부
142 : 연료 유동부 143 : 격벽
144 : 열전달핀 145 : 믹서
146,147 : 연료이송관 150 : 연료탱크
160 : 히트파이프 161 : 흡열부
162 : 다공질 망 165 : 방열부
166 : 파이프 170 : 냉각장치
171 : 냉각수 공급관로 172 : 냉각수 배출관로
173 : 우회공급관로 174 : 우회배출관로
175 : 방향전환밸브 180 : 제어부

Claims (4)

  1. 열 유동부, 연료 유동부, 및 상기 열 유동부와 연료 유동부를 분리하는 격벽을 구비하며, 연료탱크로부터 액상의 연료를 공급받는 기화기;
    차량의 엔진에 연결되며, 상기 엔진의 가동시에 발생하는 배기가스를 배출하는 배기관로 상에 배치되는 열교환기;
    상기 기화기와 상기 열교환기를 연결하도록 배치되어 상기 배기가스에 내재된 고온의 열원을 상기 기화기 내부를 통해 유동하는 상기 연료 측으로 제공하는 히트파이프; 및
    상기 열교환기 및 연료탱크에 전기적으로 연결되며, 상기 연료탱크로부터의 상기 연료의 공급정도에 따라서 상기 열교환기를 통해 유동하는 배기가스로부터의 열원 공급량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진의 열을 저하시키기 위하여 냉각수를 순환하게 하는 냉각장치;를 더 포함하고,
    상기 엔진을 거친 가열된 냉각수를 토출하는 냉각수 배출관로와, 상기 냉각수 배출관로로부터 상기 가열된 냉각수를 상기 기화기로 공급하는 우회공급관로, 및 상기 냉각수 배출관로 상에 배치되어 상기 우회공급관로에의 상기 가열된 냉각수의 공급을 조절하는 방향전환밸브가 배치되고, 상기 제어부는 상기 방향전환밸브와 상기 열교환기를 제어함으로써 상기 엔진으로부터 토출되는 냉각수 또는 상기 배기가스로부터의 열원을 선택적으로 상기 기화기에 공급할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히트파이프는 상기 열교환기 측에 위치하는 흡열부와, 상기 기화기 측에 위치하는 방열부와, 상기 흡열부와 방열부를 연결하는 중공의 파이프, 및 상기 파이프를 둘러싸는 다공질 망으로 이루어지며, 상기 파이프를 통해 이동하면서 기화된 열매체는 상기 다공질 망을 통해 이동하면서 액화하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 방열부가 상기 흡열부보다 상부에 배치되고, 상기 방열부의 응축열매체가 자중에 의해 상기 흡열부까지 이송됨으로써 상기 다공질 망은 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스의 열원을 이용한 차량 기화기의 히팅 시스템.
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