KR20120058070A - 상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량의 엔진과 라디에이터 사이에 상변화물질을 포함한 축열조를 제공하여, 이에 열에너지를 저장한 후에, 차량의 시동이 정지된 상태에서는 축열조에 저장된 열에너지를 이용하여 히팅방열판 및 차량의자의 난방을 선택적으로 할 수 있는 상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템에 관한 것이다.

Description

상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템{HEATING SYSTEM FOR A VEHICLE USING PCM}
본 발명은 상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량의 엔진과 라디에이터 사이에 상변화물질을 포함한 축열조를 제공하여, 이에 열에너지를 저장한 후에, 차량의 시동이 정지된 상태에서는 축열조에 저장된 열에너지를 이용하여 히팅방열판 및 차량의자의 난방을 선택적으로 할 수 있는 상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 경우 하, 동절기의 실내의 냉난방을 위한 목적으로 설치되어 탑승자에게 쾌적한 실내 환경을 조성하는 냉난방 시스템이 마련된다.
특히 동절기에는 히터를 작동시켜 실내의 난방을 행하였는데, 이러한 종래의 난방시스템은 비주행시 히터를 사용할 때 주행 시와 동일하게 엔진을 구동하여 사용함으로써, 연료 소모 및 CO2를 발생시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 무시동 히터에 관한 발명이 관심을 받고 있는데, 특히 트럭, 캠핑카에서 사용자가 도중에 잠을 자고자 할 때 난방의 방법에 있어서, 연료를 소모하지 않고 저장된 온열을 이용하여 차내를 따뜻하게 함으로서 비용절감과 환경문제에도 대비할 수 있는 방법들이 연구되고 있다.
특히, 차량의 경우, 냉각수를 통하여 엔진의 온도를 식혀주는 기능을 하는 라디에이터가 존재하는데, 엔진의 온도를 식혀주는 동시에 이를 저장한 후, 차량의 시동이 꺼진 상태에서 저장된 열을 이용할 수 있다면 라디에이터의 효율을 높이면서, 무시동 히터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 자동차용 엔진에서 주로 사용되는 수냉식 냉각시스템에서 뜨거워진 엔진 냉각수를 식혀주는 기능을 하는 라디에이터 위치에 열을 저장하는 PCM(상변화물질)을 두고, 엔진에서 나오는 더워진 냉각수를 관을 통하여 PCM을 통과하게 하면서 열을 방출시키면서, PCM에 많은 열을 저장할 수 있는 시스템을 제공함에 있다.
즉, PCM을 통과한 물은 라디에이터로 다시 들어가서 충분히 냉각된 후 다시 엔진으로 들어가게 되어 라디에이터의 효율을 높이는 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 이러한 구조에 있어서 PCM의 저장 용기 반대 쪽에는 난방을 위한 물 배관이 설치되고, 이 배관은 평소에는 잠겨 있다가 차내를 난방하고자 할 때 개방시켜 차내에 있는 방열판까지 흐르게 하여, 차량의 시동이 꺼져 있는 상태에서도 실내의 난방을 가능하게 하는 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.
본 발명에 의한 차량의 엔진(10)과 라디에이터(20)의 사이에 제공되어, 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 냉각수를 이용하여 열에너지를 축적하는 상변화물질이 채워진 축열조(30)와, 상기 축열조(30)의 상기 상변화물질이 축적한 열에너지를 이용하여 히팅방열판(40) 또는 차량의자(50)를 난방시키는 차량용 난방 시스템은, 상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 엔진(10)으로부터 가열된 냉각수를 공급받아 상기 상변화물질에 열에너지를 축적하고, 타측단은 상기 라디에이터(20)로 열교환된 냉각수를 공급하는, 제1 열교환관(33)과, 상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 상변화물질로부터 열에너지를 전달받은 온수를 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)에 선택적으로 공급하고, 타측단은 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)로부터 상기 온수가 회수되는, 제2 열교환관(35)을 포함하고, 상기 차량의자(50)에는 상기 온수가 유동 가능한 제3 열교환관(55)이 매몰되어 제공되고, 상기 히팅방열판(40)에는 상기 온수가 유동 가능한 제4 열교환관(45)이 제공되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열교환관(35)의 일측단(36)에는 순환펌프(M1)가 제공되어, 상기 온수를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열교환관(35)의 일측단(36)은 상기 히팅방열판(40)으로 연결되는 연결관(41)과, 상기 차량의자(50)로 연결되는 연결관(51)으로 분기되고, 밸브(V2)(V3)에 의해 온수의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 자동차용 엔진에서 주로 사용되는 수냉식 냉각시스템에서 뜨거워진 엔진 냉각수를 식혀주는 기능을 하는 라디에이터 위치에 열을 저장하는 PCM(상변화물질)을 두고, 엔진에서 나오는 더워진 냉각수를 관을 통하여 PCM을 통과하게 하면서 열을 방출시키면서, PCM에 많은 열을 저장할 수 있는 시스템을 제공하는 효과가 있다.
즉, PCM을 통과한 물은 라디에이터로 다시 들어가서 충분히 냉각된 후 다시 엔진으로 들어가게 되어 라디에이터의 효율을 높일 수 있다.
또한, 이러한 구조에 있어서 PCM의 저장 용기 반대 쪽에는 난방을 위한 물 배관이 설치되고, 이 배관은 평소에는 잠겨 있다가 차내를 난방하고자 할 때 개방시켜 차내에 있는 방열판까지 흐르게 하여, 차량의 시동이 꺼져 있는 상태에서도 실내의 난방을 가능하게 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 의한 차량 난방 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 차량 난방 시스템의 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 차량용 난방 시스템의 구성도이다. 본 발명에 의한 차량용 난방 시스템은 차량의 엔진(10)과 라디에이터(20)의 사이에 제공되어, 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 냉각수를 이용하여 열에너지를 축적하는 상변화물질이 채워진 축열조(30)와, 상기 축열조(30)의 상기 상변화물질이 축적한 열에너지를 이용하여 히팅방열판(40) 또는 차량의자(50)를 난방시키는 차량용 난방 시스템이다.
상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 엔진(10)으로부터 가열된 냉각수를 공급받아 상기 상변화물질에 열에너지를 축적하고, 타측단은 상기 라디에이터(20)로 열교환된 냉각수를 공급하는, 제1 열교환관(33)과, 상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 상변화물질로부터 열에너지를 전달받은 온수를 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)에 선택적으로 공급하고, 타측단은 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)로부터 상기 온수가 회수되는, 제2 열교환관(35)을 포함한다.
상기 차량의자(50)에는 상기 온수가 유동 가능한 제3 열교환관(55)이 매몰되어 제공되고, 상기 히팅방열판(40)에는 상기 온수가 유동 가능한 제4 열교환관(45)이 제공되는 것이 바람직하다.
먼저, 축열조(30)에 열에너지를 저장하는 단계에 대해 설명하기로 한다.
엔진(10) 및 라디에이터(20)의 기능에 대해서는 일반적으로 알려진 사실이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
엔진(10) 내에서 가열된 냉각수는 라디에이터(20)를 통해 온도가 하강된 후, 다시 엔진(10)으로 유입되어 엔진(10) 내의 열을 흡수하는 과정을 반복한다. 본 발명에서의 핵심은 축열조(30)를 엔진(10)과 라디에이터(20)의 중간에 제공한다는 것이며, 엔진(10)으로부터 배출되는 가열된 냉각수를 이용하여 축열조(30)에 열에너지를 저장하는 것에 있다. 이런 구조를 이용하면, 라디에이터(20)의 효율도 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
축열조(30)는 난방에너지를 축적하기 위하여 그 내부에 상변화물질(phase change material)의 수용되는데, 여기에서 상변화물질은 물질의 상이 변화할 때 등온에서 흡수, 방출되는 잠열(latent heat)을 이용하기 위한 물질로서, 통상적으로 열용량과 잠열이 크고 화학적으로 안정하여 반복 사용이 가능하며 재현성이 좋은 것으로 구성된다.
상기한 상변화물질이 수용되는 축열조(30)는 액상의 축열물질이 수용되어 있다.
이때 난방에너지는 'U'형상으로 형성되어 일측단과 타측단이 연결관(31)(32)과 각각 연결되고, 나머지 부위는 축열물질에 걸쳐지도록 매몰된 제1 열교환관(33)을 통과하는 중 전도(conduction)에 의해 축열물질에 축적된다.
제1 열교환관(33)은 U형상이 반복적으로 제공되어 축열조(30) 내에서의 상변화물질과의 접촉면적을 증가시키는 것이 바람직하다. 제1 열교환관(33)은 엔진과 연결관(31)으로 연결되어 가열된 냉각수가 유입되고, 라디에이터(20)와 연결관(32)으로 연결되어 열교환이 끝난 냉각수가 라디에이터로 이동된다. 라디에이터(20)와 엔진(10)은 다시 연결관(11)으로 연결되어 냉각수가 순환되는 구조이다.
상기의 과정을 통해, 차량의 엔진이 동작하는 동안 축열조(30)에는 열에너지가 저장된다. 이하, 차량의 엔진이 정지하였을 때, 열에너지를 공급하는 과정에 대해 설명하기로 한다.
축열조(30)에는 'U'형상으로 형성되어 일측단과 타측단이 연결관(36)(37)과 각각 연결되고, 나머지 부위는 축열물질에 걸쳐지도록 매몰된 제2 열교환관(35)이 더 제공된다.
제2 열교환관(35)의 내부에는 액체(일반적으로는 물)가 유동하게 되는데, 액체는 축열조(30) 내부에 위치하는 제2 열교환관(33)을 통과하는 중 전도(conduction)에 의해 축열물질에 축적된 열에너지를 전달받게 된다.
제2 열교환관(35)의 구조는 제1 열교환관(33)과 유사하다. 제2 열교환관(35) 내부의 유체는 축열조(30)에 있는 동안, 축열조(30)로부터 열에너지를 공급받는다.
제2 열교환관(35)은 연결관(36)을 통해 히팅방열판(40) 및 차량의자(50)와 연결되어, 상기 유체를 공급한다. 특히, 본 발명에서 연결관(36)은 두 개의 연결관(41)(51)으로 분기되는데, 각각 히팅방열판(40)과 차량의자(50)에 연결된다. 그리고, 각각의 연결관(41, 51)에는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 밸브(V2) 및 제2 밸브(V3)가 제공되어, 흐르는 유량을 제어한다.
이를 통해, 축열조(30)에서 제공되는 열에너지를 히팅방열판(40) 또는 차량의자(50)에 대해 선택적으로 이송시켜, 난방 대상을 선택하여 그 효율을 높일 수 있게 한다.
연결관(36)에는 순환펌프(M1)이 제공되는 것이 바람직하다. 히팅방열판(40) 또는 차량의자(50)에 난방이 필요한 경우, 밸브를 개방하고 순환펌프(M1) 작동시켜 강제적으로 열에너지가 저장된 액체를 순환시키게 된다.
순환펌퍼(M1)의 하류에는 제1 밸브(V1)가 제공된다. 제1 밸브(V1)는 축열조(30) 내의 제2 열교환관(35)의 액체의 유량을 조절하는 마스터 밸브의 기능을 수행한다.
히팅방열판(40)은 차량에 설치되는 팬 코일 유니트(fan coil unit)로서, 히팅방열판(40)을 거치는 제4 열교환관(45)를 따라 흐르는 온수로부터 난방에너지를 온풍을 통해 실내로 배출한다.
차량의자(50)에는 연결관(51)에 연결되어 가열된 액체를 공급받아 차량의자에 공급하는 제3 열교환관(55)이 매몰되어 제공된다.
각각의 연결관(41)(51)을 통해 공급된 가열된 액체는 제3 열교환관(55) 및 제4 열교환관(45)을 통해 난방에너지를 공급한 후, 다시 연결관(52)(42)을 통해 서로 합류하게 된다. 이는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 연결관(37)으로 모여지고, 이는 축열조(30) 내의 제2 열교환관(35)과 연결되어 액체가 순환되게 된다.
제2 열교환관(35)으로 유입되는 단계에서 제5 밸브(V5)를 제공하여 유입되는 액체의 량을 조절할 수 있고, 제3 열교환관(55) 또는 제4 열교환관(45)의 하류에 각각의 제4 밸브(V4)를 제공하여 액체의 량을 제어할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 차량용 히팅 시스템의 작동 원리에 대해 설명하였다. 본 발명의 핵심은 축열관(30)의 위치를 엔진(10)과 라디에이터(20)의 사이에 제공하여, 축열 효율 및 라디에이터의 효율을 향상시키고, 특히 축열조(30)에서 나오는 온수를 히팅방열판(40)과 차량의자(50)에 선택적으로 공급하여 난방을 할 수 있다는 점에 있다.
특히, 차량의자(50)의 내부에 상기 온수가 유동하는 제3 열교환관(55)을 매립하여 차량의 시동이 꺼져있는 상태에서도 난방을 가능하게 하는 장점이 있다. 이는 현재 사용되는 전기를 이용하는 온열시트의 기능과 유사한 것처럼 보이지만, 8시간 동안 차량의 시동이 정지된 상태에서도 차량의자의 난방을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
현재의 전기에 의한 온열시트의 경우에는 배터리 방전의 문제로 인해 차량의 시동이 정지된 상태에서는 한시간도 채 작동을 시킬 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10 : 엔진, 20 : 라디에이터, 30 : 축열조, 40 : 히팅방열판, 50 : 차량의자

Claims (3)

  1. 차량의 엔진(10)과 라디에이터(20)의 사이에 제공되어, 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 냉각수를 이용하여 열에너지를 축적하는 상변화물질이 채워진 축열조(30)와, 상기 축열조(30)의 상기 상변화물질이 축적한 열에너지를 이용하여 히팅방열판(40) 또는 차량의자(50)를 난방시키는 차량용 난방 시스템에 있어서,
    상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 엔진(10)으로부터 가열된 냉각수를 공급받아 상기 상변화물질에 열에너지를 축적하고, 타측단은 상기 라디에이터(20)로 열교환된 냉각수를 공급하는, 제1 열교환관(33)과,
    상기 축열조(30)에 매몰되어 제공되고, 일측단은 상기 상변화물질로부터 열에너지를 전달받은 온수를 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)에 선택적으로 공급하고, 타측단은 상기 히팅방열판(40) 또는 상기 차량의자(50)로부터 상기 온수가 회수되는, 제2 열교환관(35)을 포함하고,
    상기 차량의자(50)에는 상기 온수가 유동 가능한 제3 열교환관(55)이 매몰되어 제공되고,
    상기 히팅방열판(40)에는 상기 온수가 유동 가능한 제4 열교환관(45)이 제공되는,
    상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환관(35)의 일측단(36)에는 순환펌프(M1)가 제공되어, 상기 온수를 순환시키는,
    상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환관(35)의 일측단(36)은 상기 히팅방열판(40)으로 연결되는 연결관(41)과, 상기 차량의자(50)로 연결되는 연결관(51)으로 분기되고,
    밸브(V2)(V3)에 의해 온수의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    상변화물질을 이용한 차량용 난방 시스템.

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