KR20120085776A - 공조 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 차륜을 모터 구동시키는 이차 전지나 연료 전지를 탑재한 자동차에 있어서, 차실 내공기를 조화하는 공조 시스템으로서, 공조 시스템은, 촉매 히터, 공조용 덕트, 공조용 팬으로 구성되고, 촉매 히터는 촉매에 산화성 가스와 연료를 공급하여 열을 발생시키는 것이고, 공조용 덕트는 흡기구와 송풍구와 연결되어, 공조용 덕트 내에 공조용 팬이 배치되어 차실 내의 공기가 순환 가능해지고, 촉매 히터에서 발생하는 열을 이용하여, 공조용 덕트 내의 공기를 조화하여 차실 내의 공기를 조화하는 공조 시스템을 제공한다. 이에 따라, 전기 자동차나 하이브리드 차, 연료 전지 자동차 등과 같이, 이차 전지나 연료 전지를 탑재하여, 상기 이차 전지 등에 의해 차륜을 모터 구동시키는 자동차에 있어서, 이차 전지 등의 전력을 난방 등의 공조의 히터로 인해 소비되는 것을 억제하여 항속 거리나 수명의 감소를 방지함과 동시에, 효율 좋게 공기를 조화시킬 수 있는 공조 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은, 예를 들면 전기 자동차나 하이브리드(가솔린 엔진+전기) 차, 연료 전지 자동차와 같이, 이차 전지나 연료 전지를 이용하여 차륜을 모터로 구동시키는 자동차의 공조 시스템에 관한 것이다.
종래, 전기 자동차나 하이브리드 차, 연료 전지 자동차 등에서는, 난방용으로서, PTC 히터로 순환하고 있는 물을 따뜻하게 데우는 방식이나, PTC 히터로 공기를 직접 따뜻하게 하는 방식과 같이 전기를 사용한 히터를 사용하고 있었다(특허문헌 1 참조).
그러나, 이들 자동차는, 가솔린차에 비해 엔진의 폐열이 적으므로, 예를 들어, 전기 자동차인 경우에는, 공조(空調)시에, 이차 전지에 충전한 전력을 히터에서 소비하게 된다. 게다가, PTC 히터 등의 전열식 히터는 전력소비가 크다.
이와 같이 히터에 이차 전지 등의 전력이 보내지기 때문에, 그만큼, 이들 전기 자동차 등의 항속 거리가 떨어지는 문제가 있었다. 이 때문에, 이차 전지의 경우에는 충전 빈도도 높아지고, 전지 자체의 수명도 짧아진다. 연료 전지의 경우에도 연료의 소비가 빨라진다.
또한, 히트펌프 방식을 사용한 난방 시스템도 고려되고 있지만, 외기온이 낮으면 효율이 현저하게 떨어진다. 또한 외기로부터 열을 빼내어 난방하므로, 외기온이 너무 낮으면 열교환기가 동결되는 문제가 있다. 특히, 히터가 필요한 한랭지에서 히트펌프 방식의 히터는 효율이 현저하게 저하된다.
본 발명은, 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 전기 자동차나 하이브리드 차, 연료 전지 자동차 등과 같이, 이차 전지나 연료 전지를 탑재하여, 상기 이차 전지 등에 의해 차륜을 모터 구동시키는 자동차에 있어서, 이차 전지 등의 전력을 난방 등의 공조의 히터로 인해 소비되는 것을 억제하여 항속 거리나 수명의 감소를 방지함과 동시에, 효율 좋게 공기를 조화시킬 수 있는 공조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 적어도, 차륜을 모터로 구동시키기 위한 이차 전지 또는 연료 전지를 탑재한 모터실과, 사람이 타기 위한 차실(車室)을 구비한 자동차에 있어서, 상기 자동차에 장착되어, 상기 차실 내의 공기를 조화하기 위한 공조 시스템으로서, 상기 공조 시스템은, 적어도, 촉매와 이 촉매에 연료를 공급하기 위한 연료 탱크를 구비한 1개 이상의 촉매 히터와, 공조용 덕트와, 공조용 팬으로 구성되어 있으며, 상기 촉매 히터는, 상기 촉매에 산화성 가스와 상기 연료 탱크로부터의 연료를 공급함으로써 열을 발생시키는 것이고, 상기 공조용 덕트는, 차실에 형성된, 차실 내의 공기를 흡기하기 위한 흡기구와 차실 내에 공기를 송풍하기 위한 송풍구에 연결되어 있으며, 상기 공조용 덕트 내에 상기 공조용 팬이 배치되어 있고, 차실 내의 공기가 공조용 팬에 의해 상기 흡기구로부터 흡기되어, 공조용 덕트를 통과하여 상기 송풍구로부터 송풍되어 순환 가능하게 되고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열을 이용하여, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기를 조화하여 차실 내로 송풍함으로써 상기 차실 내의 공기를 조화하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템을 제공한다.
이와 같이, 본 발명의 공조 시스템은, 우선, 1개 이상의 촉매 히터와, 공조용 덕트와, 공조용 팬으로 구성되어 있다. 또한, 차실 내에 형성된 흡기구나 송풍구와 연결된 그 공조용 덕트나, 공조용 팬에 의해, 차실 내의 공기가 공조용 덕트를 통과하여 순환 가능하도록 되어 있다. 그리고, 촉매 히터에 의해 발생하는 열을 이용하여, 공조용 덕트 내에 흡기된 공기를 조화하여 차실 내로 송풍함으로써, 차실 내의 공기가 조화되는 것이다.
종래의 전기 자동차 등에서의 PTC 히터를 이용한 공조 시스템과는 달리, 본 발명에서는 촉매 히터를 이용한 공조 시스템으로서, 종래와 같이 PTC 히터에 이차 전지 등의 전력을 소비할 필요 없이, 차실 내의 공기를 조화시킬 수 있다. 공조의 히터로 인해 이차 전지 등의 전력을 소비할 필요를 없앨 수 있으므로, 그만큼, 종래보다 차륜의 구동에 전력을 보낼 수 있어, 항속 거리를 증대시킬 수 있다.
또한, 차륜의 구동에 전력을 더 많이 보낼 수 있으므로, 이차 전지의 충전 빈도를 종래에 비해 줄일 수 있어, 전지 자체의 수명을 연장시킬 수 있고, 연료 전지의 경우에도, 차륜 구동 이외에 드는 연료의 소비를 억제할 수 있다.
나아가, 종래와 같은 히트펌프 방식의 히터와 달리, 한랭지 등에서도 외기온에 좌우되지 않고 효율 좋게 공조를 행할 수 있다.
이때, 상기 공조용 덕트 내에, 상기 촉매 히터의 촉매가 삽입되어 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 난방되도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 촉매 히터로부터 발생된 열을 효율 좋게 공조용 덕트 내에 흡기된 공기로 전달할 수 있으므로, 효과적으로 차실 내를 난방할 수 있다.
또는, 상기 촉매 히터는, 상기 촉매에 접속된 열전도체를 더 가지며, 상기 공조용 덕트 내에, 상기 촉매 히터의 열전도체가 삽입되어 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 열전도체를 통해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 난방되도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 차실 내가 난방됨에 따라, 촉매 히터로부터 배출되는 것(예를 들면, 물)이, 직접, 공조용 덕트를 통과하여 차실 내로 보내지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 공조용 덕트는, 사람이 앉는 좌석 내에 통과되고 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해짐으로써, 추가로 상기 좌석이 개별적으로 따뜻해지도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 따뜻해진 공조용 덕트 내의 공기로, 추가로 좌석을 개별적으로 따뜻하게 할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 상기 촉매 히터는, 상기 좌석 내에 소형화되어 배치되어 있고, 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 추가로 상기 좌석이 따뜻해지도록 할 수 있다.
이와 같이, 촉매 히터에 의해 발생하는 열 자체로 좌석을 따뜻하게 할 수 있는 것이라면, 더욱 효율 좋게 따뜻하게 할 수 있다.
또한, 상기 촉매 히터는, 상기 촉매를 담지하는 세라믹 또는 스테인리스제 담체(carrier)를 추가로 가지며, 상기 송풍구를 통과하여, 상기 담체로부터 원적외선이 복사됨으로써 사람이 따뜻해지도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 담체로부터 복사되는 원적외선에 의해 사람을 더욱 따뜻하게 할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 상기 공조 시스템은, 냉매를 수용하는 냉매실을 추가로 가지고 상기 차실 내를 냉방하는 기능을 구비하고 있고, 상기 공조용 덕트는 상기 냉매실 내를 통과하고 있으며, 냉매실 내의 냉매가 상기 촉매 히터에 의해 가열되고, 히트펌프 방식에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 차가워져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 냉방되도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 촉매 히터에 의해 가열되어 기화된 냉매가, 차가워져 일단 응결되고, 그 후, 히트펌프 방식으로, 그 응결된 냉매가 공조용 덕트 내의 공기로부터 열을 빼앗아 다시 기화됨으로써, 공조용 덕트 내의 공기를 차게 할 수 있다. 그리고, 그 결과, 차실 내를 냉방하는 것이 가능하다.
이때, 상기 냉매는 HFO-1234yf, HFO-1234zf, 및 이들의 이성체, 이산화탄소 중 하나인 것이 바람직하다.
냉매가 이러한 것이라면, 지구온난화 계수가 낮아 친환경적이다.
또한, 상기 연료는 메탄올로 할 수 있다.
촉매 히터의 연료로서 메탄올은 자주 이용되고 있으며, 예를 들면, 종래의 촉매 히터를 이용할 수 있다.
이때, 상기 공조 시스템은, 다이렉트 메탄올형 연료 전지를 추가로 구비하고 있고, 상기 공조용 팬은, 상기 다이렉트 메탄올형 연료 전지로 구동할 수 있는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 다이렉트 메탄올형 연료 전지는, 메탄올의 공급원으로서, 상기 촉매 히터의 상기 연료 탱크를 공용하도록 할 수 있다.
공조용 팬이 다이렉트 메탄올형 연료 전지로 구동 가능한 것이라면, 공조용 팬을 구동시키는데 이차 전지 등의 전력을 소비할 필요성을 없앨 수 있으므로, 전지의 충전 빈도, 나아가 전지의 수명, 항속 거리의 개선을 한층 더 도모할 수 있다.
또한, 메탄올의 공급원으로서, 촉매 히터의 연료 탱크를 공용하는 것이라면, 효율 좋게 공조 시스템을 작동시킬 수 있고, 다이렉트 메탄올형 연료 전지를 위한 새로운 연료 탱크도 마련할 필요가 없으므로, 중량이나 공간 면에서 더욱 우수한 것이 된다.
또한, 상기 차실의 지붕에는, 태양 전지를 추가로 구비하고 있고, 상기 공조용 팬은, 상기 태양 전지로 구동 가능해지도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 공조용 팬을 구동시키기 위한 이차 전지 등의 전력을 필요로 하지 않고, 태양 전지에 의해 공조용 팬을 구동시킬 수 있으므로, 이차 전지의 충전 빈도?수명, 항속 거리를 개선할 수 있다.
또한, 상기 공조 시스템은, 상기 공조용 팬에 회전을 전달하는 기구를 가지는 외기용 팬과, 외기가 통과할 수 있는 외기용 덕트를 추가로 구비하고 있고, 상기 외기용 덕트 내에 상기 외기용 팬이 배치되어 있고, 상기 외기용 덕트를 주행시에 통과하는 외기에 의해 상기 외기용 팬이 회전되어, 상기 외기용 팬의 회전이 전달됨으로써 상기 공조용 팬이 회전 가능해지도록 할 수 있다.
이러한 것이라면, 공조용 팬을 구동시키기 위한 이차 전지 등의 전력을 필요로 하지 않고, 주행시의 램압(ram pressure)에 의해 공조용 팬을 구동시킬 수 있으므로, 이차 전지의 충전 빈도?수명, 항속 거리를 개선할 수 있다.
본 발명의 공조 시스템에서는, 이차 전지나 연료 전지를 탑재한 자동차에 있어서, 촉매 히터에 의해 발생된 열을 이용하여, 효율 좋게 차실 내의 공기를 조화할 수 있고, 그 결과, 이차 전지나 연료 전지에 의한 전력을, 히터에 소비하는 것을 없애, 공조에 필요한 소비량을 극히 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 차의 항속 거리를 증대시키거나, 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 공조 시스템의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3은 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 4는 촉매 히터를 이용한 냉방 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 5는 램압을 이용한 공조용 팬의 회전 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 6은 촉매 히터를 이용한 좌석을 따뜻하게 하는 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 2는 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3은 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 4는 촉매 히터를 이용한 냉방 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 5는 램압을 이용한 공조용 팬의 회전 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 6은 촉매 히터를 이용한 좌석을 따뜻하게 하는 구조의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 설명하는데, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
종래의 전기 자동차나 연료 전지 자동차 등에서 사용되고 있는 공조 시스템에서는, 이차 전지나 연료 전지로부터의 전력을 PTC 히터에서 소비하기 때문에, 그만큼, 차륜의 구동에 들어가는 양이 줄어들어, 항속 거리, 충전 빈도에 악영향을 미치고 있었다.
이에, 본 발명자들은, 이차 전지 등으로부터의 전력을 PTC 히터를 위해 사용하여 차실 내의 공조를 행하는 것이 아니라, 촉매 히터를 이용하여 차실 내의 공조를 행하는 시스템을 고안해 냈다. 이러한 것이라면, 충분히 효율 좋게 공조를 행할 수 있는 동시에, 전지로부터의 전력을 공조의 히터에 할애할 필요성을 없앨 수 있어, 차륜의 구동을 위해 더 많은 전력을 소비할 수 있게 된다. 따라서, 항속 거리를 증대시킬 수 있다. 또한 그 결과, 전지의 수명도 연장시킬 수 있다. 본 발명자들은, 이러한 점을 발견하여 본 발명을 완성시켰다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명하는데, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에 본 발명의 공조 시스템(1)의 일례의 개략을 나타낸다. 한편, 도 1에서는, 본 발명의 공조 시스템(1)이 장착된 자동차(2)를 함께 도시하고 있다.
또한, 여기서, 자동차(2)는 이차 전지를 탑재한 전기 자동차를 예로 들어 설명하는데, 기타 하이브리드 차(특히, 전기로 구동시키는 비율이 높은 것), 이차 전지 대신 연료 전지를 탑재한 연료 전지 자동차로 할 수도 있다.
자동차(2)는 사람이 타기 위한 차실(3) 이외에, 모터실(4), 차륜(5)을 구비하고 있고, 모터실(4) 내에는 이차 전지(6) 및 모터(7)가 탑재되어 있다. 차륜(5)은, 이차 전지(6)에 의해 모터(7)를 회전시킴으로써 구동시킬 수 있다.
한편, 도 1에서는, 모터실(4)은 자동차(2)의 하부에 마련되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 조건에 따라 적절한 위치에 마련할 수 있다.
그리고, 이와 같은 자동차(2)에 장착된 본 발명의 공조 시스템(1)의 주요 구성으로는, 공조용 덕트(8), 공조용 팬(9), 촉매 히터(10)를 들 수 있다.
그리고, 차실(3)에는, 차실(3) 내의 공기를 흡기하기 위한 흡기구(11)나, 차실(3) 내로 공기를 송풍하기 위한 송풍구(12)가 형성되어 있고, 이들 흡기구(11)나 송풍구(12)는 공조용 덕트(8)와 연결되어 있다.
또한, 공조용 팬(9)은 공조용 덕트(8) 내에 배치되어 있으며, 이 공조용 팬(9)을 회전시킴으로써, 흡기구(11)로부터 차실(3) 내의 공기를 흡기하고, 공조용 덕트(8)를 통과하여 송풍구(12)로부터 차실(3) 내로 공기를 송풍할 수 있도록 되어 있다.
이러한 구조를 통해, 차실(3) 내의 공기를 순환할 수 있다.
또한, 촉매 히터(10)가 배치되어 있으며, 상기 촉매 히터(10)에 의해 발생하는 열을 이용하여, 공조용 덕트(8) 내의 공기가 조화되도록 구성되어 있다. 그리고, 이처럼 순환 가능하게 공조용 덕트(8) 내를 흐르는 공기가 조화됨으로써, 차실(3) 내의 공기를 조화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 공조 시스템(1)의 각 부에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
우선, 촉매 히터(10)에 대하여 추가 설명한다.
도 2는, 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 일례를 나타내는 것으로서, 촉매 히터의 일례가 도시되어 있다.
촉매 히터(10)는, 촉매(13)가 담지된 담체(촉매체(14))와 연료 탱크(15)를 가지고 있다. 촉매체(14)와 연료 탱크(15) 사이에는, 연료 공급관(16)과, 연료 이외에 산화성 가스(예를 들면, 공기)가 투과할 수 있는 연료 투과막(17)이 배치되어 있으며, 이것들을 통과하여 연료 탱크(15) 내의 연료를 촉매(13)를 가지는 촉매체(14)로 공급할 수 있도록 되어 있다.
촉매(13)로는, 예를 들면, 플라티나, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 니켈, 철, 루테늄, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 니오브계 혹은 티탄계 산화물에 탄소 및 질소를 배합한 것, 및 이들 조합으로 이루어진 것을 들 수 있는데, 특별히 이것들로 한정되는 것은 아니다. 그 밖에, 일반적으로 촉매 히터에서 이용되는 촉매를 사용할 수 있다.
또한, 형상도 특별히 한정되지 않지만, 표면적을 넓히고, 반응효율을 높이기 위하여, 예를 들면, 1~100nm의 미립자인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
담체로는, 예를 들면, 알루미나, 실리카, 제올라이트 등의 세라믹계, 알루미늄, 스테인리스 등의 금속계, 또는, 유리섬유, 폴리이미드, PTFE 등의 것을 들 수 있는데, 특별히 이것들로 한정되는 것은 아니다. 그 밖에, 일반적으로 촉매 히터에서 이용되는 담체를 사용할 수 있다.
그리고, 특히, 예를 들어, 알루미나계나 지르코니아계의 파인세라믹, 스테인리스, 탄화규소, 카본 등을 담체로 함으로써, 후술하는 바와 같은 원적외선을 복사하는 것으로 할 수 있다.
또한, 형상도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 효율을 고려하여 벌집(honeycomb) 형상인 것을 이용할 수 있다.
이들 촉매(13), 담체는, 사용하는 연료 등에 따라 적당히 결정할 수 있다. 조건에 따라, 촉매(13), 담체를 선택하는데, 예를 들면, 촉매(13)를 담체에 균일하게 코팅함으로써, 적절한 촉매체(14)를 준비할 수 있다.
또한, 연료 탱크(15)는 사용하는 연료를 적절히 저장할 수 있는 것이면 된다. 크기나 형상 등은, 자동차(2)의 내부 공간에 따라 적당히 결정할 수 있다.
그리고, 연료는, 예를 들면, 수소나 메탄올, 에탄올 등의 알코올류, 프로판, 부탄 등의 탄화수소류 등을 들 수 있지만, 이것들로 한정되지 않으며, 그때마다, 적절한 것을 준비할 수 있다. 특히, 메탄올은, 촉매 히터의 연료로서 자주 사용되고 있으므로 바람직하다.
또한, 연료 공급관(16)의 형상, 개수 등은 특별히 한정되지 않는다. 적절히 연료를 촉매체(14)에 공급할 수 있으면 된다.
연료 투과막(17)으로는, 촉매 히터(10)의 온도가 고온이 되므로, 예를 들면, 내열온도가 높은 세라믹 필터나 글라스 울(glass wool), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리벤조이미다졸(PBI), 실리콘 고무, 고무 등을 들 수 있다. 그 밖에, 그때마다 적절한 것을 준비할 수 있다. 이와 같은 연료 투과막(17)을 배치한다면, 연료는 연료 투과막(17)을 침투하여 확산되므로, 촉매체(14)에 균일하게 연료를 공급할 수 있다.
여기서, 촉매 히터(10)를 이용한 난방 구조에 대하여 예를 들어 설명한다. 물론, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 촉매 히터(10)를 이용한 다른 난방 구조로 할 수 있다.
도 1, 2에 나타내는 바와 같이, 이 예에서는, 촉매 히터(10)의 촉매(13)를 가지는 촉매체(14)는 공조용 덕트(8) 내에 배치되어 있다. 이 경우, 산화성 가스는 공조용 덕트(8) 내를 흐르는 차실(3) 내로부터의 공기이다.
차실(3) 내를 난방하는 경우, 공조용 팬(9)에 의해 흡기구(11)로부터 흡기되고, 공조용 덕트(8) 내를 통과하는 공기가, 촉매체(14) 중의 촉매(13) 위로 공급되어, 연료 탱크(15)로부터 공급된 연료와 반응한다. 이에 따라 열이 발생한다. 그리고, 발생된 열에 의해, 공조용 덕트(8) 내의 공기가 따뜻해져, 송풍구(12)로부터 송풍되어 차실(3) 내가 난방된다.
도 3에, 촉매 히터를 이용한 난방 구조의 다른 일례를 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 예에서는, 촉매 히터(10)는 추가로 열전도체(18)를 가지고 있다. 상기 열전도체(18)는 촉매(13)를 가지는 촉매체(14)에 접속되어 있고, 공조용 덕트(8) 내에 삽입되어 있다. 이 열전도체(18)는 재질이나 형상 등, 특별히 한정되지 않으며, 촉매(13) 상에서 발생한 열을 효율 좋게 공조용 덕트(8) 내의 공기로 전달할 수 있는 것이라면 사용 가능하다.
한편, 촉매체(14)는 공조용 덕트(8) 이외에 배치되어 있으며, 촉매체(14)에 공기 등의 산화성 가스를 공급하기 위한 산화성 가스공급관(19)이 개별적으로 마련되어 있다. 또한, 산화성 가스공급관(19)은 촉매체(14)의 상류 및 하류에서, 예를 들어 차외로 통하고 있으며, 촉매체(14)에 공급하는 공기 등의 산화성 가스는, 개별적으로 재치한 팬 등을 이용하여 차외로부터 흡수할 수 있다. 또한, 촉매(13) 상에서의 반응에 사용되지 않은 산화성 가스나, 반응으로 생성된 물(발생한 열에 의해 수증기가 되어 있음)은 차외로 배출된다.
난방시에는, 연료 탱크(15)로부터 연료를, 산화성 가스공급관(19)으로부터 공기 등을 촉매체(14)에 공급하여 반응시켜, 열을 발생시킨다. 이 발생된 열이 열전도체(18)에 전열되고, 이 열전도체(18)를 통해 공조용 덕트(8) 내의 공기가 따뜻해짐에 따라, 차실(3) 내를 난방할 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 2에 나타내는 바와 같은 경우에 담체를 세라믹 또는 스테인리스제 등의 것으로 하고, 촉매 히터(10)를 송풍구(12) 근방에 배치함으로써, 난방시에, 촉매 히터(10)에 의해 발생한 열로 공조용 덕트(8) 내의 공기를 따뜻하게 함과 동시에, 상기 담체로부터 송풍구(12)를 통하여 복사되는 원적외선에 의해, 차실(3) 내의 사람을 더욱 따뜻하게 할 수 있다.
다음에, 촉매 히터(10)를 이용한 냉방 구조에 대하여 일례를 들어 설명한다.
본 발명의 공조 시스템(1)은, 추가로 차실(3) 내를 냉방하는 기능을 구비할 수 있다. 이 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이, 냉매(20)를 수용하는 냉매실(21)이 추가로 배치되어 있고, 이 냉매실(21) 내를 공조용 덕트(8)가 삽통하고 있다. 또한, 촉매 히터(10)(특히, 촉매체(14))가, 냉매실(21) 근방에 배치되어 있다.
냉매(20)로는, 지구온난화 계수가 낮은 불소계 냉매 HFO-1234yf나 HFO-1234zf, 및 이들의 이성체, R-134a 등의 불소계 냉매, 이산화탄소, 암모니아, 탄화수소계 등을 들 수 있다. 그 밖에, 일반적으로 사용되는 냉매를 사용할 수 있다.
또한, 냉매실(21)의 크기나 형상, 냉매실(21)을 삽통하는 공조용 덕트(8)의 배치 등은 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 바와 같이, 히트펌프 방식을 통해 공조용 덕트(8) 내의 공기가 차가워지도록 적당히 결정할 수 있다.
나아가, 촉매 히터(10)의 배치도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 냉매(20)가 고여 있는 냉매실(21)의 바닥 부근에 배치할 수 있다. 이 같은 위치라면, 촉매 히터(10)에 의해 효율 좋게 냉매(20)를 가열하여, 기화시킬 수 있다.
냉방시에는, 촉매 히터(10)의 촉매체(14)에 연료 및 산화성 가스가 공급되고, 반응에 의해 열이 발생한다. 이 열에 의해 냉매실(21) 내의 냉매(20)가 기화된다. 기화된 냉매(20)는, 그 후에 식어, 예를 들면 냉매실(21) 내 상측에 배치된 공조용 덕트(8) 부근에서 응결되지만, 공조용 덕트(8) 내의 공기로부터 열을 빼앗아, 다시 기화된다. 이와 같은 히트펌프 방식에 의해, 공조용 덕트(8) 내의 공기를 차갑게 하여 차실(3) 내를 냉방할 수 있다.
물론, 이 예로 한정되지 않고, 촉매 히터(10)를 이용한 다른 냉방 구조로 할 수 있다.
한편, 난방 및 냉방의 공조에 사용하는 촉매 히터(10)는, 전체적으로 복수의 촉매 히터(10)를, 난방용 혹은 냉방용으로서, 각각 개별 독립적으로 배치할 수 있다.
또한, 반대로, 1개(혹은 복수)의 촉매 히터(10)를 준비하여, 난방용 및 냉방용으로 겸용하여 배치하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 3, 4에 나타내는 예를 조합하여, 1개의 촉매 히터(10)를, 열전도체(18)를 통해 공조용 덕트(8) 내의 공기를 따뜻하게 하는데 사용할 수 있는 한편, 냉매(20)를 가열하여, 히트펌프 방식을 통해 공조용 덕트(8) 내의 공기를 차갑게 하는데 사용할 수도 있다. 이 경우, 난방으로 할지 냉방으로 할지는, 공조용 덕트(8)를 분기해 두어, 어떠한 덕트를 유통할지를 전환하도록 하면 된다.
다음에, 공조용 덕트(8)에 대하여 추가 설명한다.
공조용 덕트(8)는, 흡기구(11)와 송풍구(12)에 연결되어, 차실(3) 내의 공기가 순환 가능하도록 되어 있으며, 촉매 히터(10)에 의해, 내부의 공기가 조화되도록 배치되어 있으면 된다.
흡기구(11)나 송풍구(12)의 수나 배치는 특별히 한정되지 않는다. 공조용 덕트(8)의 형상이나 개수 등도 특별히 한정되지 않으며, 차실(3) 내 공기의 순환?조화가 효율 좋게 이루어지도록, 조건에 따라 적당히 결정할 수 있다.
예를 들면, 난방을 위한 공조용 덕트와 냉방을 위한 공조용 덕트를 개별적으로 준비하고, 흡기구(11)나 송풍구(12) 부근에서 이들이 합류하도록 배치할 수 있다. 밸브 등을 이용하여, 난방시 혹은 냉방시에 적절한 방향으로 공기가 흐르도록 할 수 있다.
또는, 난방용과 냉방용으로 1개의 공조용 덕트를 공유할 수도 있다. 이 경우, 공간 절약이 가능해진다.
또한, 추가로 차외에 연결하여, 외기와 차실(3) 내에서 공기를 주고받을 수도 있다.
나아가, 공조용 덕트(8)를 좌석 내로 통과시킬 수 있다. 도 6에, 촉매 히터를 이용한 좌석을 따뜻하게 하는 구조의 일례를 나타낸다.
좌석 각각의 좌석(26) 내에 공조용 덕트(8)가 통과되고 있으므로, 예를 들어, 난방시에, 촉매 히터(10)에 의해 따뜻해진 공기가 좌석 내의 공조용 덕트(8)를 통과함에 따라, 좌석(26)을 따뜻하게 할 수 있다. 밸브 등을 적절히 마련함으로써, 각각의 좌석(26)을 개별적으로 따뜻하게 할 수 있다.
또한, 촉매 히터(10)를 상기 좌석(26) 내에 배치함으로써, 그 촉매 히터(10)에 의해 발생한 열 자체로 인해 좌석을 따뜻하게 할 수도 있다. 예를 들면, 소형화한 촉매 히터(10)를 좌석(26) 내에 복수개 배치함으로써, 좌석(26)의 각 위치를 보다 효율적으로 따뜻하게 할 수 있다. 좌석(26) 내에 배치하는 촉매 히터(10)의 개수, 크기 등은 특별히 한정되지 않는다.
다음에, 공조용 팬에 대하여 추가 설명한다.
차실(3) 내의 공기가, 흡기구(11)로부터 흡기되고, 공조용 덕트(8)를 통과하여 송풍구(12)로부터 송풍되도록, 다른 각 부의 조건에 따라, 적절한 형상, 개수의 공조용 팬(9)을 공조용 덕트(8) 내의 적절한 위치에 배치할 수 있다. 예를 들면, 종래와 동일한 형상의 것을 사용할 수 있다.
이 공조용 팬(9)을 회전 구동시키는 수단은 특별히 한정되지 않고, 이차 전지(6)를 사용할 수도 있지만, 바람직하게는, 예를 들면 이하에 나타내는 예와 같은 개별 수단을 구비함으로써, 이차 전지(6)의 전력을 공조를 위해 소비시키는 것을 방지할 수 있다. 즉, 이차 전지(6)의 전력을, 차륜(5)의 구동을 위해 더 많이 소비할 수 있으므로, 주행 거리를 더욱 증대시킬 수 있게 된다.
우선, 도 1에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 자동차(2)의 차실(3) 지붕에 태양 전지(22)를 배치하여, 이 태양 전지(22)로부터 공조용 팬(9)에 전력을 공급할 수 있다. 이 태양 전지(22)의 크기, 배치 등은 필요한 전력에 따라 적당히 결정할 수 있다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 다이렉트 메탄올형 연료 전지(23)를 추가로 배치하고, 이를 이용하여 공조용 팬(9)을 회전 구동시킬 수 있다. 이 경우, 촉매 히터(10)의 연료로서 메탄올을 사용하는 것이라면, 다이렉트 메탄올형 연료 전지(23)의 메탄올의 공급원으로서, 촉매 히터(10)의 연료 탱크(15)를 공용시킬 수도 있다. 다이렉트 메탄올형 연료 전지(23)와 촉매 히터(10)에서 연료 탱크(15)를 공용함으로써, 새로운 연료 탱크를 준비할 필요가 없어지고, 그만큼, 중량을 경감시킬 수 있으므로, 공간 절약이 가능해진다.
나아가, 주행시(특히, 고속주행시)에는 외기의 램압을 이용하여 공조용 팬(9)을 회전 구동시키는 방법을 들 수 있다. 도 5에, 램압을 이용한 공조용 팬의 회전 구조의 일례를 나타낸다.
도 5에 나타내는 회전 구조는, 공조용 팬(9) 이외에, 외기용 팬(24)과, 상기 외기용 팬(24)이 내부에 배치된 외기용 덕트(25)를 가지고 있다. 외기용 덕트(25)는 차외에 연결되어 있어, 외기가 내부를 통과할 수 있도록 되어 있다. 또한, 외기용 팬(24)은, 베벨기어 등을 이용하여 자신의 회전을 공조용 팬(8)에 전달하는 기구를 가지고 있다.
즉, 주행시에는 외기가 외기용 덕트(25) 내에 들어와, 외기용 덕트 내를 통과하고, 내부의 외기용 팬(24)이 램압에 의해 회전하고, 이 외기용 팬(24)의 회전이 전달기구로 전달됨으로써, 공조용 팬(8)이 회전하는 구조로 되어 있다.
외기용 팬(24)의, 공조용 팬(8)에 회전을 전달하는 기구는 특별히 한정되지 않는데, 공조용 팬(8)에 회전을 전달할 수 있는 것이면 된다.
예를 들면, 도 5에서는 단순히 베벨기어를 이용하여 외기용 팬(24)의 회전을 공조용 팬(9)에 전달하고 있다. 또한, 공조용 팬(8) 및 외기용 팬(24)은 모두 물레방아 형상의 팬으로서, 서로 축심을 공유한 동축으로 할 수도 있다. 즉, 외기용 팬(24)이 램압으로 회전함으로써, 동축의 공조용 팬(9)이 회전 가능한 기구이다.
혹은, 개별적으로 축전지가 배치되고, 이 축전지에 외기용 팬(24)이 접속되어 있으며, 외기용 팬(24)이 램압으로 회전함으로써 축전지에 축전되고, 이를 이용하여 공조용 팬(8)을 회전시키는 기구로 할 수도 있다.
물론, 이것으로 한정되지 않고, 그때마다, 적절한 회전기구를 준비할 수 있다.
본 발명에서는, 정차시나 저속주행시에는, 태양 전지(22)나 다이렉트 메탄올형 연료 전지(23)를 이용하여 공조용 팬(8)을 회전 구동시키고, 고속주행시에는 외기용 팬(24) 등으로 이루어진 상기 구조를 이용하여 공조용 팬(8)을 회전 구동시킬 수 있다. 또한, 이들을 적당히 조합하여 동시에 사용함으로써, 보다 안정적으로 공조용 팬(8)을 회전 구동시킬 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명의 공조 시스템(1)인 경우, 촉매 히터(10)에 의해 발생하는 열을 이용함으로써, 차실(3) 내의 공기를 조화(난방 및 냉방)하는 것이 가능하다.
촉매 히터(10)를 사용하기 때문에, 종래의 전기 자동차 등의 PTC 히터와 같이 이차 전지(6)의 전력을 공조에 소비시키는 것을 방지하여, 항속 거리를 종래에 비해 월등히 증대시킬 수 있다. 따라서, 이차 전지의 충전 빈도를 저감시킬 수 있고, 전지 자체의 수명도 연장시킬 수 있다.
연료 전지 자동차의 경우, 공조에 소비하는 전력을 없앨 수 있으므로, 차륜 구동 이외에 드는 연료 전지의 연료가 감소되는 것을 방지하여, 항속 거리를 증대시킬 수 있다.
또한, 외기로부터 열을 빼내는 히트펌프 방식의 공조 시스템의 경우에는, 예를 들어 한랭지에서의 난방은 효율이 현저히 낮다. 그러나, 촉매 히터(10)를 사용한 본 발명의 공조 시스템(1)의 경우에는, 외기온에 좌우되지 않고, 효율 좋게, 안정적으로 난방 등의 공조를 행할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들로 한정되지 않는다.
(실시예)
도 1에 나타내는 촉매 히터(10)를 가지는 본 발명의 공조 시스템(1)을 준비하여, 외기 5℃의 환경 하에서, 본 발명의 공조 시스템(1)을 이용하여 차실과 동일한 정도의 공간을 소정 시간 난방하여 일정 온도(23℃)로 유지하는 실험을 수행하였다. 또한, 본 발명의 공조 시스템(1)과는 별개로 이차 전지(6)도 준비하였다.
한편, 촉매 히터(10)의 연료로는 메탄올을 이용하였다. 또한, 공조용 팬의 회전 구동에는, 이차 전지(6)를 이용하였다.
그 결과, 개별적으로 준비한 이차 전지(6)의 전력을 소량 사용하는 것만으로도, 본 발명의 공조 시스템(1)에서 23℃의 일정 온도로 30시간 유지할 수 있었다.
(비교예)
실시예와 동일한 이차 전지(6)를 준비하여, 본 발명의 공조 시스템(1)을 사용하지 않고, 종래법과 같이 이차 전지(6)를 이용한 PTC 히터를 사용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 난방을 행하였다.
그 결과, 23℃ 일정하게 5시간 유지할 수 있었지만, 난방하는데 있어서 PTC 히터에 이차 전지(6)의 전력이 3할 정도 사용되었다.
이와 같이, 실시예와 같이 본 발명의 공조 시스템(1)을 사용하여 공조를 행한다면, 종래법에 의한 비교예와는 달리, 이차 전지(6)의 전력을 사용한다고 해도 소량이면 되므로, 장시간에 걸쳐 공조를 행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 공조 시스템(1)에 의해, 이차 전지(6)의 전력을, 종래보다 더 많이(상기 실시예 및 비교예의 경우에는 3할 이상의 전력) 자동차의 주행에 소비할 수 있어, 보다 긴 항속 거리를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는 예시일 뿐으로, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
Claims (13)
- 적어도, 차륜을 모터로 구동시키기 위한 이차 전지 또는 연료 전지를 탑재한 모터실과, 사람이 타기 위한 차실을 구비한 자동차에서, 상기 자동차에 장착되어, 상기 차실 내의 공기를 조화하기 위한 공조 시스템으로서,
상기 공조 시스템은, 적어도, 촉매와 이 촉매에 연료를 공급하기 위한 연료 탱크를 구비한 1개 이상의 촉매 히터와, 공조용 덕트와, 공조용 팬으로 구성되어 있으며,
상기 촉매 히터는, 상기 촉매에 산화성 가스와 상기 연료 탱크로부터의 연료를 공급함으로써 열을 발생시키는 것이고,
상기 공조용 덕트는, 차실에 형성된, 차실 내의 공기를 흡기하기 위한 흡기구와 차실 내에 공기를 송풍하기 위한 송풍구에 연결되어 있으며, 상기 공조용 덕트 내에 상기 공조용 팬이 배치되어 있고, 차실 내의 공기가 공조용 팬에 의해 상기 흡기구로부터 흡기되어, 공조용 덕트를 통과하여 상기 송풍구로부터 송풍되어 순환 가능해지고,
상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열을 이용하여, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기를 조화하여 차실 내로 송풍함으로써 상기 차실 내의 공기를 조화하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 공조용 덕트 내에, 상기 촉매 히터의 촉매가 삽입되어 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 난방되는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 촉매 히터는, 상기 촉매에 접속된 열전도체를 추가로 가지며, 상기 공조용 덕트 내에, 상기 촉매 히터의 열전도체가 삽입되어 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 열전도체를 통해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 난방되는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공조용 덕트는, 사람이 앉는 좌석 내에 통과되고 있고, 상기 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 따뜻해짐으로써, 추가로 상기 좌석이 개별적으로 따뜻해지는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 촉매 히터는, 상기 좌석 내에 소형화되어 배치되어 있고, 촉매 히터에 의해 발생하는 열에 의해, 추가로 상기 좌석이 따뜻해지는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 히터는, 상기 촉매를 담지하는 세라믹 또는 스테인리스제 담체를 추가로 가지며, 상기 송풍구를 통과하여, 상기 담체로부터 원적외선이 복사됨으로써 사람이 따뜻해지는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공조 시스템은, 냉매를 수용하는 냉매실을 추가로 가지고 상기 차실 내를 냉방하는 기능을 구비하고 있으며, 상기 공조용 덕트는 상기 냉매실 내를 통과하고 있으며, 냉매실 내의 냉매가 상기 촉매 히터에 의해 가열되고, 히트펌프 방식에 의해, 상기 공조용 덕트 내에 흡기된 공기가 차가워져 차실 내로 송풍되어, 차실 내가 냉방되는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 냉매는 HFO-1234yf, HFO-1234zf, 및 이들의 이성체, 이산화탄소 중 하나인 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 메탄올인 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공조 시스템은, 다이렉트 메탄올형 연료 전지를 추가로 구비하고 있고, 상기 공조용 팬은, 상기 다이렉트 메탄올형 연료 전지로 구동 가능한 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 다이렉트 메탄올형 연료 전지는, 메탄올의 공급원으로서, 상기 촉매 히터의 상기 연료 탱크를 공용하는 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차실의 지붕에는, 태양 전지를 추가로 구비하고 있고, 상기 공조용 팬은, 상기 태양 전지로 구동 가능한 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공조 시스템은, 상기 공조용 팬에 회전을 전달하는 기구를 가지는 외기용 팬과, 외기가 통과할 수 있는 외기용 덕트를 추가로 구비하고 있고, 상기 외기용 덕트 내에 상기 외기용 팬이 배치되어 있고,
상기 외기용 덕트를 주행시에 통과하는 외기에 의해 상기 외기용 팬이 회전되어, 상기 외기용 팬의 회전이 전달됨으로써 상기 공조용 팬이 회전 가능한 것을 특징으로 하는, 공조 시스템.
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