KR20150028805A - 열 배터리 및 관련 가열 장치 - Google Patents

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KR20150028805A
KR20150028805A KR20157000398A KR20157000398A KR20150028805A KR 20150028805 A KR20150028805 A KR 20150028805A KR 20157000398 A KR20157000398 A KR 20157000398A KR 20157000398 A KR20157000398 A KR 20157000398A KR 20150028805 A KR20150028805 A KR 20150028805A
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fluid outlet
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KR20157000398A
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카멜 아조우즈
펠세마에커 조지 드
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발레오 시스템므 떼르미끄
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Abstract

본 발명은 유체 유입구(11)로부터 유체 유출구(12)로 열전달 유체가 통과하도록 구성된 유체밀봉 하우징(1)을 포함하는, 특히 자동차용 열 배터리에 관한 것이고, 상기 하우징(1)은 상-변화 물질의 캡슐(7)을 포함하는 내부 공간(5)을 규정하는 외부 케이싱(3)을 포함하고, 상기 하우징(1)은 발열 수단(9)을 추가로 포함한다.

Description

열 배터리 및 관련 가열 장치{THERMAL BATTERY AND ASSOCIATED HEATING DEVICE}
본 발명은 열 배터리 및 이러한 열 배터리를 사용하는 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 자동차 분야, 더욱 특별하게는, 전기 또는 하이브리드 자동차의 부문에 사용될 수 있다.
현재, 가솔린 또는 디젤 기관과 같은 열 기관을 구비하는 자동차에 대해서, 엔진을 통과하는 것에 의해 가열된 후에, 열전달 유체를 냉각하기 위한 냉각 라디에이터뿐만 아니라, 자동차 내부의 방향으로의 기류를 재가열하는데 사용되는 가열 라디에이터로 보낼 수 있는 열전달 유체를 사용하는 회로의 도움으로 상기 엔진을 냉각하는 것이 알려져 있다.
전기 또는 하이브리드 자동차에 있어서, 특히, 전기 모터 배터리, 및 시스템을 구동하기 위한 시스템 및 그들의 제어 장치는 열 기관에 의해 제공되는 바와 같이, 자동차 내부의 충분한 가열을 보장하기에 너무 적은 열을 방산한다.
따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위해, 자동차 내부의 가열을 보장하도록 자동차의 배터리에 의해 공급되는 저항기를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 해결책의 정확한 기능은 전지의 충전 상태에 따라 달라지고, 또한 자동차의 자율성에 영향을 미칠 수도 있다.
자동차 내부의 가열을 보장하기 위해 저항기의 사용의 영향을 감소시키기 위한 알려진 해결책은 잠열 배터리(latent heat battery), 다시 말해서, 저장이 가능하고, 상변화 물질(phase-change material)에 의해 열을 방출 가능하게 하는 열 배터리의 사용이다.
따라서, 미국 특허 문헌 제 US4911232 호에서와 같이 마이크로캡슐 내에, 또는 프랑스 특허 문헌 제 FR2965342 호에서와 같이 열교환 스택의 플레이트 사이에 상변화 물질을 제공하고, 가열 장치 내의 열 배터리를 통합시키는 것이 알려져 있다.
그러나, 감소되었다고 하더라도, 자동차 내부를 가열하고 열 배터리를 재충전하는데 필요한 전기 에너지의 양이 여전히 상당하고, 전지 및 그에 따라 자동차의 자율성을 유지하기 위해, 이러한 에너지의 소모를 감소시키는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적 중 하나는 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 극복하고, 에너지 소모가 개선된 열 배터리뿐만 아니라 효과적인 가열 장치를 제안하는 것이다.
따라서, 본 발명은 유체 유입구로부터 유체 유출구로 열전달 유체가 통과하도록 구성된 유체밀봉(fluidtight) 하우징을 포함하는, 특히 자동차용 열 배터리에 관한 것이고, 상기 하우징은 상변화 물질의 캡슐을 포함하는 내부 공간을 규정하는 외부 케이싱을 포함하고, 상기 하우징은 발열 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
하우징 내에의 발열 수단의 통합은 상기 발열 수단에 의해 발생된 열 에너지를 PCM의 캡슐뿐만 아니라 PCM의 캡슐 내에서 순환하는 열전달 유체에 직접 전달하는 것을 가능하게 한다. 발생된 열 에너지의 이러한 직접적인 전달 외에도, 열 배터리 내의 열 에너지의 저장은 향상되고, 전기 에너지 면에서 비용이 적게 든다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 발열 수단은 전류원과 연결하도록 설계된 가열 스크린-인쇄 플레이트이다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 상기 발열 수단은 외부 케이싱 내에 통합된다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 하우징은 내부 공간 내에서 내부 격실의 경계를 정하는 적어도 하나의 내부 벽을 포함한다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 발열 수단은 적어도 하나의 내부 벽에 고정된다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 상-변화 물질의 캡슐은 내부 공간 내에 한정된다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 열전달 유체는 상-변화 물질의 캡슐의 서스펜션(suspension)이다.
또한, 본 발명은 열전달 유체 유입구 및 열전달 유체 유출구를 포함하는 열교환기와, 열전달 유체 유입구 및 열전달 유체 유출구를 또한 포함하는 펌프를 포함하는, 특히 자동차용 가열 장치에 관한 것이고, 상기 가열 장치는 상술된 관점 중 어느 하나에 따른 열 배터리를 또한 포함한다.
본 발명에 따른 가열 장치의 일 관점에 따르면,
- 열 배터리의 열전달 유체 유출구는 열교환기의 열전달 유체 유입구에 연결되고,
- 열교환기의 열전달 유체 유출구는 펌프의 열전달 유체 유입구에 연결되고,
- 펌프의 열전달 유체 유출구는 열 배터리의 열전달 유체 유입구에 연결된다.
본 발명에 따른 가열 장치의 추가의 관점에 따르면, 열 배터리 및 펌프는 가열 모듈 내에서 그룹지어진다.
본 발명에 따른 가열 장치의 추가의 관점에 따르면, 상기 가열 장치는,
- 열에너지가 열 배터리에 축적되는 '저장' 상태에, 또는
- 열에너지가 열교환기에서 방출되는 '가열' 상태에, 또는
- 전체 운전정지의 상태에 있다.
본 발명에 따른 가열 장치의 추가의 관점에 따르면, 상기 가열 장치는 열 배터리의 열전달 유체 유출구와 열교환기의 열전달 유체 유입구 사이에 배치된 3-방향 밸브를 추가로 포함하고, 상기 3-방향 밸브는,
- 열 배터리의 열전달 유체 유출구에 연결된 열전달 유체 유입구,
- 열교환기의 열전달 유체 유입구에 연결된 제 1 열전달 유체 유출구, 및
- 펌프의 열전달 유체 유입구에 연결된 제 2 열전달 유체 유출구를 포함한다.
본 발명에 따른 가열 장치의 추가의 관점에 따르면, 3-방향 밸브는,
- 3-방향 밸브의 제 1 열전달 유체 유출구가 폐쇄되고, 3-방향 밸브의 제 2 열전달 유체 유출구가 개방되고, 따라서, 열전달 유체가, 열교환기를 통과하는 것을 회피하고, 열 배터리의 열전달 유체 유출구로부터 펌프의 열전달 유체 유입구로 직접 통과하는, 저장 순환이라고 불리는 열전달 유체의 순환, 및
- 3-방향 밸브의 제 1 열전달 유체 유출구가 개방되고, 3-방향 밸브의 제 2 열전달 유체 유출구가 폐쇄되고, 따라서, 열전달 유체가 열교환기를 통과하는, 가열 순환이라고 불리는 열전달 유체의 순환을 선택적으로 가능하게 한다.
본 발명의 추가의 특징 및 이점은 설명적이고 비한정 예시에 의해 주어진 이하의 설명, 및 첨부 도면을 읽을 때에 명백해질 것이다.
도 1은 열 배터리의 단면의 부분적인 개략 사시도,
도 2는 열 배터리의 케이싱의 단면의 부분적인 개략 사시도,
도 3은 특정 실시예에 따른 열 배터리의 케이싱의 단면의 부분적인 개략 사시도, 및
도 4 내지 도 6은 가열 장치의 개략 사시도.
상이한 도면 내의 동일한 요소는 동일한 도면 부호를 나타낸다.
도 1은 열 배터리의 단면의 부분적인 개략 사시도를 도시한다. 상기 배터리는 열전달 유체 유입구(11)로부터 열전달 유체 유출구(12)로 열전달 유체가 통과하도록 설계된 유체밀봉 하우징(1)을 포함한다(상기 유입구 및 상기 유출구는 도 1에 도시되지 않음).
하우징(1)은 상변화 물질(PCM)의 캡슐(7)이 배치되는 내부 공간(5)을 규정하는 외부 케이싱(3)을 포함한다. 외부 케이싱(3)은 기밀성, 단열성 및 또한 기계적 저항성이 높은 물질로 제조되고, 예를 들어, 상기 물질은 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 내열 플라스틱 물질로 제조될 수도 있다.
변형예에 따르면, 외부 케이싱(3)은 도 3에 도시된 바와 같이, 케이싱 및 중간 층의 연속물일 수도 있고, 예를 들면, 외부 케이싱은 단열 물질의 층을 커버하고, 상기 층은, PCM의 캡슐(7)이 배치되고, 열전달 유체가 순환하는 구속 몸체를 둘러싼다.
PCM의 캡슐(7)은 PCM(71), 예를 들어, 고분자 물질의 보호층(72)에 의해 커버된 55 내지 75℃, 특히 70℃의 상전이를 갖는 유기 PCM(71)을 포함한다. PCM의 캡슐(7)의 이러한 유형이 당업자에게 잘 알려져 있다. 사용된 PCM(71)은 특히, 고분자 물질의 보호층(72)에 의해 커버된 임의의 형상, 예를 들면, 구형상, 반구형상 또는 무정형상의 압출 또는 중합 PCM(71)일 수 있다. PCM의 캡슐(7)은 바람직하게 0.02㎜ 내지 5㎜의 직경을 갖는다.
제 1 실시예에 따르면, PCM의 캡슐(7)은 하우징(1)의 내부 공간(5) 내에 한정되고, 열전달 유체, 예를 들면 물/글리콜 혼합물은 하우징(1) 내에서 순환하여 상기 PCM의 캡슐(7)과 접촉한다. 이러한 실시예에 있어서, PCM의 캡슐(7)은 바람직하게 0.1㎜ 내지 5㎜의 직경을 갖는다.
제 2 실시예에 따르면, PCM의 캡슐(7)은, PCM의 캡슐(7)의 서스펜션인 열전달 유체의 구성 부분이다. 이러한 실시예에 있어서, 하우징(1)은 열 배터리의 역할을 하고, 또한 열전달 유체의 저장소의 역할을 한다.
하우징(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 발열 수단(9)을 추가로 포함한다. 이러한 발열 수단(9)은 바람직하게 외부 케이싱(3), 특히 내부 공간(5) 내에 통합되고, 예를 들면, 전류원과의 연결을 위해 설계된 가열 스크린-인쇄 플레이트일 수도 있다.
도 3에 의해 도시된 특정 실시예에 따르면, 하우징(1)은 내부 공간(5) 내에서 서로 연통하는 격실(52)의 경계를 정하는 적어도 하나의 내부 벽(32)을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 발열 수단은 상기 적어도 하나의 내부 벽(32) 내에 통합될 수 있다. 열 배터리(1)의 제조 동안에 추가의 편의를 위해, 상기 적어도 하나의 내부 벽(32)은 외부 케이싱(3)과 일체로 형성될 수 있다.
적어도 하나의 내부 벽(32)은 하우징(1) 내에서의 열전달 유체의 순환을 방해하고, PCM의 캡슐(7) 내에서의 열전달 유체의 균질의 순환을 허용하기 위해서, 상기 순환의 방향에 대해 바람직하게 횡방향으로 위치된다.
하우징(1) 내의, 특히 외부 케이싱(3), 및/또는 적어도 하나의 내부 벽(32) 내의 발열 수단(9)의 통합은, 상기 발열 수단에 의해 발생된 열 에너지를 PCM의 캡슐(7), 및 PCM의 캡슐(7)들 사이에서 순환하는 열전달 유체에 직접 전달하는 것을 가능하게 한다. 발생된 열 에너지의 이러한 직접 전달 외에도, 열 배터리 내의 열 에너지의 저장은 향상되고 전기 에너지 면에서 비용이 적게 든다.
또한, 본 발명은 도 4에 의해 도시된 바와 같이, 특히 자동차용, 보다 특별하게는 전기 또는 하이브리드 자동차용 가열 장치(100)에 관한 것이다.
가열 장치(100)는 상술한 바와 같이 열전달 유체 유입구(11) 및 열전달 유체 유출구(12)를 포함하는 열 배터리(1)와, 열전달 유체 유입구(121) 및 열전달 유체 유출구(122)를 포함하는 펌프(120)와, 열전달 유체 유입구(111) 및 열전달 유체 유출구(112)를 또한 자체적으로 포함하는 열교환기(110)를 포함한다.
이들 상이한 요소는 회로를 형성하고, 상기 요소 사이에서 열전달 유체의 순환을 허용하기 위해 파이프에 의해 서로 연결된다. 따라서, 도 4에 의해 도시된 바와 같이, 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)는 열교환기(110)의 열전달 유체 유입구(111)에 연결되고, 상기 열교환기의 열전달 유체 유출구(112)는 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)에 연결되며, 상기 펌프의 열전달 유체 유출구(122)는 열 배터리(1)의 열전달 유입구(11)에 연결된다.
열교환기(110)는 예를 들면, 내부에 도달한 기류를 재가열할 목적으로 자동차 내부에 배치된 라디에이터일 수도 있다. 펌프(120)는 가열 장치(100) 내에서 열전달 유체를 작동 가능하게 하고, 보호 케이스에 의해 둘러싸인 가열 모듈(150) 내의 열 배터리(1)와 그룹지어질 수 있다. 가열 모듈 내의 이러한 그룹은 자동차 내의 가열 장치(100)의 보다 용이한 설치 및 유지보수뿐만 아니라 이러한 요소의 향상된 보호를 허용한다.
통합된 발열 수단(9)을 포함하는 열 배터리(1)의 사용은 한정된 수의 요소를 가져서, 에너지 면에서, 또한 재정적으로 비용이 덜 들어가는 단순하고 부피가 덜 큰 가열 장치(100)를 생산하는 것을 가능하게 한다.
가열 장치(100)는, 열에너지가 열 배터리(1)에 축적되는 '저장' 상태, '가열' 상태, 다시 말해서, 열에너지가 자동차 내부를 가열하기 위해 열교환기(110)에서 방출되는 '가열' 상태, 및 마지막으로 전체 운전정지의 상태일 수도 있다.
저장 상태에서, 열 배터리(1) 및 특히, PCM의 캡슐(7) 내의 열에너지의 저장은 상기 가열 장치(100) 내에서 열전달 유체를 순환시킬 필요없이 실행될 수 있다. 따라서, 저장 상태에서, 발열 수단(9)만이 전기 공급되어, PCM의 캡슐(7)에 열에너지를 전달하여서, 전력의 감소된 소모를 가능하게 한다.
가열 상태에서, 펌프(120)는 가동중이고, 열전달 유체는 '가열' 순환에 따라 가열 장치(100) 내에서 순환하고, 열 배터리(1) 내에 저장된 열에너지는 필요한 경우에, 발열 수단(9)의 열에너지의 추가적인 기여와 함께 열교환기(110)에서 방출된다.
도 5 및 도 6에 의해 도시된 특정 실시예에 따르면, 가열 장치(100)는 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)에 연결된 열전달 유체 유입구(131), 열교환기(110)의 열전달 유체 유입구(111)에 연결된 제 1 열전달 유체 유출구(132a), 및 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)에 연결된 제 2 열전달 유체 유출구(132b)를 포함하는 3-방향 밸브(130)를 추가로 포함할 수도 있다.
이러한 실시예에 따르면, 저장 상태에서, 유체는 도 5에 도시된 바와 같이 열교환기(110)를 거쳐 통과하는 일 없이, 가열 장치(100) 내로 이동될 수 있다. 저장 순환으로 불리는 열전달 유체의 이러한 순환 동안에, 3-방향 밸브(130)의 제 1 열전달 유체 유출구(132a)는 폐쇄되고, 3-방향 밸브(130)의 제 2 열전달 유체 유출구(132b)는 개방된다. 따라서, 열전달 유체는 열교환기(110)를 통과하는 것을 회피하고, 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)로부터 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)로 직접 통과한다. 이러한 저장 순환 동안에, 발열 장치(9)는 열 배터리(1) 내에 있는 PCM의 캡슐(7) 뿐만 아니라, 상기 열전달 유체 자체에 열에너지를 공급하며, 이는 열전달 유체가 PCM의 캡슐(7)의 서스펜션인 경우에 특히 유리하다.
도 6은 상술된 실시예에 따라 '가열' 순환으로 불리는 열전달 유체의 순환을 갖는 가열 상태의 가열 장치(100)를 도시한다. 열전달 유체의 가열 순환 동안에, 3-방향 밸브(130)의 열전달 유체의 제 1 유출구(132a)는 개방되고, 3-방향 밸브(130)의 제 2 열전달 유체 유출구(132b)는 폐쇄되고, 따라서, 열전달 유체는 열교환기(110)를 통과할 수 있고, 예를 들면, 자동차 내부의 가열을 허용할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 열 배터리뿐만 아니라 이러한 열 배터리를 통합하는 가열 장치는, 상기 열 배터리 내에 바로 발열 수단을 직접 통합하므로, 특히 유리하며, 그에 따라 적합한 가열 효율성을 위한 전기 에너지의 감소된 소모를 가능하게 한다.

Claims (13)

  1. 열전달 유체 유입구(11)로부터 열전달 유체 유출구(12)로 열전달 유체가 통과하도록 구성된 유체밀봉 하우징(1)을 포함하고, 상기 하우징(1)은 상-변화 물질의 캡슐(7)을 포함하는 내부 공간(5)을 규정하는 외부 케이싱(3)을 포함하는, 특히 자동차용 열 배터리에 있어서,
    상기 하우징(1)은 발열 수단(9)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열 수단(9)은 전류원과 연결하도록 설계된 가열 스크린-인쇄 플레이트인 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발열 수단(9)은 상기 외부 케이싱(3) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(1)은 상기 내부 공간(5) 내에서 내부 격실(52)의 경계를 정하는 적어도 하나의 내부 벽(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발열 수단(9)은 상기 적어도 하나의 내부 벽(32)에 고정되는 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 상-변화 물질의 캡슐(7)은 상기 내부 공간(5) 내에 한정되는 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전달 유체는 상-변화 물질의 캡슐(7)의 서스펜션인 것을 특징으로 하는
    열 배터리.
  8. 열전달 유체 유입구(111) 및 열전달 유체 유출구(112)를 포함하는 열교환기(110)와, 열전달 유체 유입구(121) 및 열전달 유체 유출구(122)를 포함하는 펌프(120)를 포함하는, 특히 자동차용 가열 장치(100)에 있어서,
    상기 가열 장치는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 열 배터리를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)는 상기 열교환기(110)의 열전달 유체 유입구(111)에 연결되고,
    상기 열교환기(110)의 열전달 유체 유출구(112)는 상기 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)에 연결되고,
    상기 펌프(120)의 열전달 유체 유출구(122)는 상기 열 배터리(1)의 열전달 유체 유입구(11)에 연결되는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 열 배터리(1) 및 상기 펌프(120)는 가열 모듈(150) 내에서 그룹지어지는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 장치는,
    열에너지가 상기 열 배터리(1)에 축적되는 '저장' 상태에 있거나, 또는
    열에너지가 상기 열교환기(110)에서 방출되는 '가열' 상태에 있거나, 또는
    전체 운전정지의 상태에 있는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 장치는 상기 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)와 상기 열교환기(110)의 열전달 유체 유입구(111) 사이에 배치된 3-방향 밸브(130)를 추가로 포함하고, 상기 3-방향 밸브는,
    상기 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)에 연결된 열전달 유체 유입구(131),
    상기 열교환기(110)의 열전달 유체 유입구(111)에 연결된 제 1 열전달 유체 유출구(132a), 및
    상기 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)에 연결된 제 2 열전달 유체 유출구(132b)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 3-방향 밸브(130)는,
    상기 3-방향 밸브(130)의 제 1 열전달 유체 유출구(132a)가 폐쇄되고, 상기 3-방향 밸브(130)의 제 2 열전달 유체 유출구(132b)가 개방되고, 따라서, 상기 열전달 유체가, 상기 열교환기(110)를 통과하는 것을 회피하고, 상기 열 배터리(1)의 열전달 유체 유출구(12)로부터 상기 펌프(120)의 열전달 유체 유입구(121)로 직접 통과하는, 저장 순환이라고 불리는 열전달 유체의 순환, 및
    상기 3-방향 밸브(130)의 제 1 열전달 유체 유출구(132a)가 개방되고, 상기 3-방향 밸브(130)의 제 2 열전달 유체 유출구(132b)가 폐쇄되고, 따라서, 상기 열전달 유체가 상기 열교환기(110)를 통과하는, 가열 순환이라고 불리는 열전달 유체의 순환을 선택적으로 가능하게 하는 것을 특징으로 하는
    가열 장치.
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