KR20150029955A - 화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템 - Google Patents

화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 배기가스 및 냉각수를 선택적으로 가열할 수 있어 촉매장치의 유해 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 난방 성능을 높여 탑승객의 온도 쾌적성을 향상할 수 있는 효과가 있는 화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템에 관한 것이다.

Description

화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템{Heat exchanger and heating system thereof}
본 발명은 화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 배기가스 및 냉각수를 선택적으로 가열할 수 있어 촉매장치의 유해 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 난방 성능을 높여 탑승객의 온도 쾌적성을 향상할 수 있는 효과가 있는 화학축열식 열교환기, 및 이를 포함하는 가열 시스템에 관한 것이다.
탄화수소를 연료로 구동하는 차량을 포함하는 내연기관에서는 연소과정에서 유해 미립자(매연)가 생성되고, 이에 따른 환경오염이 더욱 증가되는 추세에 있다.
특히, 디젤자동차는 종래의 가솔린자동차에 비하여 연비를 줄일 수 있으면서도 출력이 우수하여 대형차량에 많이 이용되고 있으며 점차 소형차량에도 적용되고 있는 실정이다. 그러나 상기 디젤엔진은 엔진 내부에 연료를 분사하고 압축착화방식으로 연소하는 4-행정기관으로, 상기 연료의 자기 착화 과정에서 연료와 공기의 불균일화로 인해 불완전연소가 일어남에 따라 유해 미립자(매연)가 발생된다. 이 때, 상기 유해 미립자는 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM, Particulate Matter), 및 수트(Soot, 재) 등을 포함하는 물질이다.
이에 따라, 여러 나라들은 매연의 배출을 규제하고 있으며 이를 만족하기 위해 배기관에 삽입되어 매연을 저감시키는 배기가스 정화장치가 개시된 바 있다.
상기 배기가스 정화장치는 크게 매연을 촉매필터에 의해 포집하고 일정 온도 이상이 되면 포집된 매연을 촉매에 의해 산화시키는 자연 재생 방식과, 외부 열원을 이용하여 매연 온도를 강제적으로 높이는 강제 재생 방식으로 구분될 수 있다.
먼저, 상기 자연 재생 방식의 매연 저감장치는 교통체증이 심한 구간과 같이 저속운행구간이 많은 경우에는 매연의 온도가 낮아져 촉매에 의해 자연 재생이 어려운 문제점이 있다.
특히, 청소차 또는 교통 체증이 심한 도심의 저속 버스와 같이 잦은 공회전(Idle) 상태를 유지하는 차량에는 적용되기 어려우며, 연료로서 저유황 디젤(LSD, Low Sulfur Diesel) 또는 고유황 디젤(HSD, High Sulfur Diesel)을 사용하는 경우에는 인체에 매우 유해한 황화물(Sulfate)이 생성되어 초저유황 디젤(ULSD, Ultra Low Sulfur Diesel)만 사용해야하는 한계가 있다.
또한, 상기 촉매가 제 기능을 하지 못하게 되면 배기배압의 증가로 인해 출력이 저하되며 연료의 소비량이 증가되고, 이와 같은 현상이 지속되는 경우에는 상기 필터가 파손될 뿐만 아니라 엔진까지 손상되게 된다.
두 번째로, 강제 재생 방식의 매연 저감장치는 상기 촉매필터에 의한 자연 재생방식에 재생에 필요한 온도를 제공하는 가열수단이 구비된 형태이다.
전기히터가 이용된 예로 우리나라 특허공개공보 2004-68792호에 디젤엔진 매연 저감장치가 개시된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.
상기 도 1에 도시한 디젤엔진 매연 저감장치는 매연을 저감하기 위해 촉매를 활용하여 매연을 재생하는 디젤엔진 매연 저감장치에 있어서, 열용량을 공간적으로 차등하게 분배할 수 있는 전기히터(4)가 저온영역에서 촉매의 활성화 또는 질소산화물(NO, NO2)의 전환효율 증대를 위해 촉매장치(8)와 적어도 하나 이상이 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 도 1에 도시한 디젤엔진 매연 저감장치는 전기히터가 구비되어 촉매의 반응을 활성화시키도록 하여 자연 재생이 원활히 일어나도록 하는 장점이 있으나, 배기가스를 승온시키기 위해서는 상당히 큰 용량의 배터리가 필요하게 되어 현실적으로 적용이 어렵고 별도의 장치가 구비되어야 하므로 대형화되고 복잡하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 강제 재생 방식의 다른 예로서, 플라즈마를 이용한 플라즈마 반응기를 이용한 형태가 제안된 바 있으나, 상기 플라즈마 반응기의 가격이 높아 전체 생산비용을 증가시키는 요인이 되며, 내부 구성이 복잡하고, 유지 및 관리가 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 강제 재생 방식의 다른 예로서, 디젤 연료를 원료로 하여 화염을 발생하는 버너는 연료의 완전 연소를 통해 배기가스 저감효율을 높일 수 있는 방법이나, 차량의 주행 중에 직접적인 화염을 이용하게 되어 인화성 물질이 주변에 위치되는 경우에 폭발 등의 위험이 있으며, 운행 패턴에 따라 배기 유량 및 온도가 복잡하게 변화되어 균일하고 안정적인 화염을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 차량 엔진룸 내부에 구비되는 가열수단 중, 실내 난방을 담당하는 가열수단은 엔진의 온도를 낮추기 위한 열교환매체가 히터코어를 순환하면서 외부 공기를 가열하여 자동차 실내를 난방하도록 되어 있다.
그러나 엔진 중에서 디젤엔진은 열교환율이 높아 자동차의 초기 시동 시, 엔진을 냉각하는 열교환매체가 가열되기 까지 가솔린엔진에 비하여 오래 소요된다.
따라서 겨울철에 디젤엔진이 구비된 차량은 초기 시동 후에 열교환매체의 가열이 늦어지게 되어 초기 실내 난방 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 냉각수를 가열하는 가열수단을 이용하거나, 실내로 공급되는 공기를 직접 가열하는 형태가 제안된 바 있다.
그 중 실내로 공급되는 공기를 피티씨(PTC, Positive Temperature Coefficient) 히터를 이용하여 직접 가열하는 차량용 공조 장치가 일본공개특허 2009-255739호에 제안된 바 있다.
가열이 필요한 부품에 각각의 가열수단을 구비하는 것은 개별적인 에너지원이 필요하여 에너지 효율을 저감시키고, 소형화를 방지하며, 구성품의 개수를 늘려 생산비를 증가시키는 문제점이 된다.
특허 1) 대한민국 특허공개공보 2004-68792호(발명의 명칭 : 디젤엔진 매연 저감장치) 특허 2) 일본공개특허 2009-255739호(발명의 명칭 : 차량용 공조 장치)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매장치로 유입되는 배기가스의 온도를 적절히 가열할 수 있어 유해 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 빠르게 실내를 난방할 수 있어 탑승객의 난방쾌적성을 향상할 수 있는 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 반응물A 및 반응물B의 반응이 이루어지는 제2공간의 내측에 배기가스가 유동되는 제1공간이 형성되고, 제2공간의 외측에 냉각수가 유동되는 제3공간이 형성됨으로써, 반응열에 의해 배기가스 및 냉각수를 효과적으로 가열할 수 있는 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 배기가스 또는 냉각수의 가열이 필요한 경우, 간단한 밸브 조작에 의해 배기가스 및 냉각수의 공급이 가능하고, 반응물A의 공급 및 회수가 가능하며, 이에 따라, 반응물A의 과다 사용을 방지하고, 저장부 내부에 가열부가 구비되어 외부 온도가 저하되는 환경에서도 반응물A가 얼지 않으며, 반응물A의 공급을 원활히 할 수 있는 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 목적은 저장부의 외주면에 핀이 형성되고, 팬이 더 구비됨으로써 반응물A의 온도를 효과적으로 낮추어 반응물A의 회수가 용이한 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 관 형태로, 내부에 배기가스가 유동되는 제1공간(141)이 형성되는 제1관(110); 상기 제1관(110)을 감싸는 관 형태로, 상기 제1관(110)과의 사이에 상기 반응물A와 발열반응하는 반응물B가 내장되는 제2공간(142)이 형성되는 제2관(120); 상기 제2관(120)을 감싸는 관 형태로 상기 제2관(120)과의 사이에 냉각수가 유동되는 제3관(130); 상기 제1공간(141)과 연통되어 배기가스가 유입되는 배기가스 입구부(111), 및 배기가스가 배출되는 배기가스 출구부(112); 상기 제2공간(142)과 연통되어 반응물A가 유입되는 반응물A 입구부(121), 및 반응물A가 배출되는 반응물A 출구부(122); 상기 제3공간(143)과 연통되어 냉각수가 유입되는 냉각수 입구부(131) 및 냉각수가 배출되는 냉각수 출구부(132)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 화학축열식 열교환기(100)는 상기 제1관(110)의 외주면에 외주를 따라 일정거리 이격되어 외측방향으로 돌출되는 복수개의 돌출부(123)가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 상술한 바와 같은 특징을 가지는 화학축열식 열교환기(100); 배기가스 유동방향으로 배기관(200) 내부의 촉매장치(210) 전측에서, 상기 배기관(200)과 상기 배기가스 입구부(111), 상기 배기관(200)과 상기 배기가스 출구부(112)를 각각 연결하는 한 쌍의 연결관(220); 상기 화학축열식 열교환기(100)로 바이패스되는 배기가스 양을 조절하는 조절도어(230); 반응물A가 저장되는 저장부(300); 상기 저장부(300)와 반응물A 입구부(121)를 연결하는 반응물A 공급라인(330); 상기 반응물A 공급라인(330) 상에 구비되는 제1밸브(331); 상기 저장부(300)와 반응물A 출구부(122)를 연결하는 반응물A 회수라인(340); 상기 반응물A 회수라인(340) 상에 구비되는 제2밸브(341); 히터코어(400)로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인(410)과 상기 냉각수 입구부(131)를 연결하는 제1바이패스라인(431); 상기 냉각수 공급라인(410) 상에 구비되어 상기 제1바이패스라인(431)으로 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 조절밸브(440); 냉각수 유동방향으로 상기 냉각수 조절밸브(440) 후측의 상기 냉각수 공급라인(410)과 상기 냉각수 출구부(132)를 연결하는 제2바이패스라인(432); 냉각수의 온도 및 배기가스의 온도에 따라 배기가스, 반응물A, 및 냉각수의 흐름을 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 가열 시스템(1000)은 상기 저장부(300) 내부에 상기 제어부에 의해 작동이 제어되며, 상기 반응물A를 가열하는 가열부(310)가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 저장부(300)는 외주면에 외측으로 돌출되는 핀(320)이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 가열 시스템(1000)은 상기 저장부(300) 측으로 공기를 송풍하는 팬(350)이 더 구비되거나, 상기 저장부(300)가 주행풍이 이동되는 차량 전방에 위치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템은 촉매장치로 유입되는 배기가스의 온도를 적절히 가열할 수 있어 유해 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 빠르게 실내를 난방할 수 있어 탑승객의 난방쾌적성을 향상할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템은 반응물A 및 반응물B의 반응이 이루어지는 제2공간의 내측에 배기가스가 유동되는 제1공간이 형성되고, 제2공간의 외측에 냉각수가 유동되는 제3공간이 형성됨으로써, 반응열에 의해 배기가스 및 냉각수를 효과적으로 가열할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템은 배기가스 또는 냉각수의 가열이 필요한 경우, 간단한 밸브 조작에 의해 배기가스 및 냉각수의 공급이 가능하고, 반응물A의 공급 및 회수가 가능하며, 이에 따라, 반응물A의 과다 사용을 방지하고, 저장부 내부에 가열부가 구비되어 외부 온도가 저하되는 환경에서도 반응물A가 얼지 않으며, 반응물A의 공급을 원활히 할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 화학축열식 열교환기 및 이를 포함하는 가열 시스템은 저장부의 외주면에 핀이 형성되고, 팬이 더 구비됨으로써 반응물A의 온도를 효과적으로 낮추어 반응물A의 회수가 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 매연 저감장치를 나타낸 도면.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 화학축열식 열교환기를 나타낸 사시도, AA' 방향 단면도, 및 BB' 방향 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 화학축열식 열교환기의 또 다른 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 가열 시스템을 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 가열 시스템의 저장부를 나타낸 사시도 및 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 가열 시스템의 저장부를 나타낸 다른 도면.
도 10은 본 발명에 따른 가열 시스템의 배기가스 흐름을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 가열 시스템의 반응물A 흐름을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 가열 시스템의 냉각수 흐름을 나타낸 도면.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 화학축열식 열교환기(100) 및 이를 포함하는 가열 시스템(1000)을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 화학축열식 열교환기(100)를 나타낸 사시도, AA' 방향 단면도, 및 BB' 방향 단면도이다.
본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 제1관(110), 제2관(120), 제3관(130), 배기가스 입구부(111), 배기가스 출구부(112), 반응물A 입구부(121), 반응물A 출구부(122), 냉각수 입구부(131), 및 냉각수 출구부(132)를 포함하여 형성된다.
상기 제1관(110)은 길이방향으로 긴 관 형태로, 내부에 배기가스가 유동되는 제1공간(141)이 형성된다.
상기 제1관(110)은 배기가스가 유입되는 배기가스 입구부(111) 및 배기가스가 배출되는 배기가스 출구부(112)가 형성된다.
도 2 및 도 3에서, 상기 배기가스 입구부(111)가 상기 제1관(110)의 일측(도면 좌측)의 개구된 부분이며, 상기 배기가스 출구부(112)가 상기 제1관(110)의 타측(도면 우측)의 개구된 부분으로 표시하였다.
본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 상기 배기가스 입구부(111) 및 배기가스 출구부(112)의 형태가 이에 한정되지 않으며, 상기 배기가스 입구부(111) 및 배기가스 출구부(112)의 직경이 상기 제1관(110)의 일측 및 타측 직경에 비해 작으며, 외측으로 돌출되는 형태일 수도 있다.
이 때, 배기가스는 상기 배기가스 입구부(111)를 통해 상기 제1관(110) 내부의 제1공간(141)을 통과한 후, 상기 배기가스 출구부(112)를 통해 배출된다.
상기 제2관(120)은 길이방향으로 긴 관 형태이되, 상기 제1관(110)보다 큰 내경을 가지고, 상기 제1관(110)을 감싸도록 형성되며, 상기 제1관(110)과의 사이에 상기 반응물A와 발열반응하는 반응물B가 내장되는 제2공간(142)이 형성된다.
이 때, 상기 제2공간(142)은 상기 반응물A가 유입되는 반응물A 입구부(121), 및 반응물A가 배출되는 반응물A 출구부(122)와 연통된다.
도 2 및 도 3에서, 상기 반응물A 입구부(121) 및 상기 반응물A 출구부(122)가 상기 제2관(120)의 일측(도면에서 좌측)에 외측방향으로 돌출형성되는 예를 도시하였다.
본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 도면에 도시한 형태 외에도, 상기 제2공간(142)과 연통되어 반응물A가 이동될 수 있는 형태라면 더욱 다양하게 실시가능하다.
상기 화학축열식 열교환기(100)는 반응물A와 반응하여 발열하는 알칼리토 물질인 반응물B가 상기 제2공간(142)인 상기 제1관(110)과 제2관(120) 사이에 내장되는데 상기 반응물B는 바인더(binder) 물질과 함께 혼합되어 몸체 내부에 코팅되거나, 고형 형태로 상기 몸체 내부의 반응공간에 채워질 수 있다.
일 예로서, 상기 반응물A는 물(H2O)이고, 상기 반응물B는 CaO일 수 있으며, 이 때의 반응을 아래 화학식에 표시하였다.
[화학식]
CaO + H2O → Ca(OH)2 + 65.2(kJ/mole)
상기 제3관(130)은 길이방향으로 긴 관 형태이되, 상기 제2관(120)보다 큰 내경을 가지고, 상기 제2관(120)을 감싸도록 형성되며, 상기 제2관(120)과의 사이에 상기 냉각수가 유동되는 제3공간(143)이 형성된다.
이 때, 상기 제3공간(143)은 냉각수가 유입되는 냉각수 입구부(131) 및 냉각수가 배출되는 냉각수 출구부(132)와 연통된다.
도 2 및 도 3에서 상기 냉각수 입구부(131) 및 냉각수 출구부(132)가 상기 제3관(130)의 외주면에 길이방향으로 일정거리 이격되게 형성되는 예를 나타내었다.
상기 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제1관(110), 제2관(120), 및 제3관(130)은 순차적으로 내경이 증가되는 크기로서, 3중관 구조를 가지며, 상기 제1관(110) 내부(제1공간(141))에 배기가스가 유동되고, 상기 제1관(110)과 제2관(120) 사이(제2공간(142))에 반응물B가 내장되고 반응물A가 이동되며, 상기 제2관(120)과 제3관(130) 사이(제3공간(143))에 냉각수가 유동된다.
즉, 본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 중앙 공간인 제2공간(142)에 발열이 가능하도록 하고, 그 내부 제1공간(141)에 배기가스가, 그 외부 제3공간(143)에 냉각수가 유동되도록 함으로써 배기가스와 냉각수를 선택적으로 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 상기 배기가스와 냉각수를 동시에 가열할 수 있어 효과적인 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 화학축열식 열교환기(100)의 또 다른 단면도로, 본 발명의 화학축열식 열교환기(100)는 상기 제1관(110)의 외주면에 외주를 따라 일정거리 이격되어 외측방향으로 돌출되는 복수개의 돌출부(123)가 더 형성될 수 있다.
상기 돌출부(123)는 상기 제1관(110)으로부터 연장되어 제2공간(142)과의 접촉 면적을 넓혀 배기가스의 가열 효율을 높일 수 있다.
이 때, 상기 돌출부(123)는 단순히 상기 제1관(110) 외측으로 돌출되는 판형태일 수도 있고, 상기 돌출부(123)가 형성된 공간을 따라 상기 배기가스가 유동되어 제1공간(141)이 확장되도록 하는 형태일 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 가열 시스템(1000)을 나타낸 도면으로, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 상술한 바와 같은 특징을 가지는 화학축열식 열교환기(100), 연결관(220), 조절도어(230), 저장부(300), 반응물A 공급라인(330), 제1밸브(331), 반응물A 회수라인(340), 제2밸브(341), 제1바이패스라인(431), 냉각수 조절밸브(440), 제2바이패스라인(432), 및 제어부를 포함한다.
상기 연결관(220)은 배기가스가 배출되는 배기관(200)과 상기 배기가스 입구부(111)를 연결하고, 상기 배기관(200)과 배기가스 출구부(112)를 연결하는 구성으로서, 한 쌍이 구비된다.
이 때, 상기 한 쌍의 연결관(220)은 배기가스 유동방향으로 배기관(200) 내부의 촉매장치(210) 전측에 형성된다.
한 쌍의 연결관(220) 중 하나는 상기 배기가스 입구부(111)와 연결되어 배기관(200)을 통과하는 배기가스의 일부 또는 전량을 상기 화학축열식 열교환기(100)의 제1공간(141)으로 공급하고, 상기 한 쌍의 연결관(220) 중 나머지 하나는 상기 제1공간(141)을 통과하면서 승온된 배기가스를 다시 상기 배기관(200)으로 이송한다.
상기 연결관(220)은 배기관(200)의 내경과 상기 제1관(110)의 내경을 고려하여 상기 배기관(200)으로부터 상기 배기가스 입구부(111) 측으로 갈수록 내경이 좁아지는 형태일 수 있으며, 동일한 내경을 갖는 형태일 수도 있다.
상기 조절도어(230)는 상기 배기가스 입구부(111)와 연결되는 연결관(220)에 인접하게 구비되어 상기 화학축열식 열교환기(100) 측으로 바이패스(공급)되는 배기가스의 양을 조절한다.
도 6에서, 상기 조절도어(230)는 상기 배기관(200)의 상기 연결관(220)에 인접하게 형성되고, 회전에 의해 상기 배기관(200)과 연결되는 연결관(220)의 일측 단부를 개폐가능하게 형성되는 예를 나타내었다.
상기 조절도어(230)는 상기 제어부에 의해 배기가스의 온도가 높아져야할 필요가 있다고 판단되는 경우 개방되어 연결관(220)을 따라 상기 화학축열식 열교환기(100)의 제1공간(141)으로 배기가스를 공급한다.
상기 저장부(300)는 상기 반응물B와 반응하여 발열하는 반응물A가 저장되는 구성이다.
상기 저장부(300)는 반응물A 공급라인(330) 및 반응물A 회수라인(340)을 통해 화학축열식 열교환기(100)의 제2공간(142)과 연결된다.
더욱 상세하게, 상기 반응물A 공급라인(330)은 상기 저장부(300)와 반응물A 입구부(121)를 연결하고, 상기 반응물A 회수라인(340)은 상기 저장부(300)와 반응물A 출구부(122)를 연결한다.
상기 반응물A 공급라인(330)은 상기 저장부(300) 내부의 반응물A가 상기 반응공간으로 공급되는 부분이며, 상기 반응물A 회수라인(340)은 상기 반응공간의 반응물A가 상기 저장부(300)로 회수되는 부분이다.
상기 반응물A 공급라인(330)은 개폐에 따라 반응물A의 공급유무를 결정하는 제1밸브(331)가 구비되며, 상기 반응물A 회수라인(340)은 개폐에 따라 반응물B의 회수유무를 결정하는 제2밸브(341)가 구비된다.
이 때, 상기 저장부(300)는 내부에 가열부(310)가 구비되어 필요에 따라 반응물A를 가열할 수 있다.
상기 가열부(310)는 상기 저장부(300) 외부로부터 전원이 공급되어 발열하는 다양한 수단이 이용될 수 있으며, 액상 및 기상이 혼합되어 있는 반응물A에 발열부분이 삽입되므로 실링을 유지할 수 있도록 상기 저장부(300)에 고정된다.
상기 가열부(310)의 일 예로서, 피티씨(Positive Temperature Coefficient, PTC) 발열소자를 이용한 피티씨 가열수단이나, 글로 플러그(Glow plug)를 들 수 있다.
본 발명의 가열 시스템(1000)은 상기 저장부(300) 내부에 가열부(310)가 구비됨으로써 외부 온도에 따라 상기 저장부(300) 내부의 반응물A가 얼어 이동이 불가능하고, 이에 따라 배기가스를 가열하지 못하게 되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1밸브(331)는 제어부에 의해 개폐가 조절될 수 있는 형태일 수도 있고, 상기 가열부(310)의 가동에 의해 상기 저장부(300) 내부의 압력변화에 의해 개방되는 형태일 수 있다.
상기 가열부(310)가 가동되면 상기 반응물A는 기화되며, 저장부(300) 내부의 압력도 높아지므로, 상기 제1밸브(331)가 평상시 상태(가열부(310) 작동되지 않는 상태)에서는 폐쇄되고, 상기 가열부(310)가 작동된 상태에서 개방되는 형태의 역지밸브일 수 있다.
다시 말해, 역지밸브 형태의 제1밸브(331)는 제어부에 의해 직접 제어되는 것이 아니라, 저장부(300)에서 상기 제2공간(142) 측으로만 개방되어 가열부(310)의 작동에 따른 저장부(300) 내부의 압력 변화에 의해 기화된 반응물A가 이송되도록 하고, 그 반대방향으로의 흐름(반응공간으로부터 저장부(300)로의 흐름)은 방지한다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 가열 시스템(1000)의 저장부(300)를 나타낸 사시도 및 단면도로, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 상기 화학축열식 열교환기(100)의 재생 시, 반응물A가 응축되어 액화된 상태에서 상기 저장부(300)에 저장될 수 있도록 상기 몸체 외주면에 외측으로 돌출되는 핀(320)이 더 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 상기 저장부(300) 측으로 공기를 송풍하는 팬(350)이 더 구비될 수 있다.(도 9 참조) 상기 팬(350)은 상기 몸체 측으로 공기를 송풍하여 저장부(300)를 빠르게 냉각할 수 있다.
또 다른 형태로서, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 차량용으로서, 상기 저장부(300)가 주행풍이 이동되는 차량 전방에 위치될 있다.
상기 제1바이패스라인(431)은 히터코어(400)로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인(410)과 상기 냉각수 입구부(131)를 연결한다.
상기 히터코어(400)는 실내 난방을 위하여 고온의 냉각수가 유동되는 열교환기로서, 고온의 냉각수와 공기가 열교환된다. 이 때, 상기 히터코어(400)는 냉각수 공급라인(410)을 통해 냉각수가 유입되어 유동된 후, 냉각수 배출라인(420)을 통해 배출된다.
상기 냉각수 조절밸브(440)는 상기 냉각수 공급라인(410) 상에 구비되어 상기 제1바이패스라인(431)으로 공급되는 냉각수의 양을 조절한다.
상기 제2바이패스 라인은 냉각수 유동방향으로 상기 냉각수 조절밸브(440) 후측의 상기 냉각수 공급라인(410)과 냉각수 출구부(132)를 연결하는 구성으로서, 상기 제3공간(143)을 유동하면서 가열된 냉각수가 다시 상기 제2바이패스 라인 및 냉각수 공급라인(410)을 거쳐 상기 히터코어(400)로 공급된다.
상기 냉각수 조절밸브(440)는 초기 시동 시와 같이 난방 열원이 부족한 상황일 경우, 상기 제1바이패스 라인 측으로의 흐름을 개방하여 상기 반응물A 및 반응물B의 반응열에 의해 상기 냉각수가 가열되도록 한다.
상기 제어부(미도시)는 냉각수의 온도 및 배기가스의 온도에 따라 배기가스, 반응물A, 및 냉각수의 흐름을 제어하는 수단으로서, 상기 조절도어(230)를 조절하여 배기가스의 흐름을 조절하고(도 10 참조), 상기 가열부(310)(및 제1밸브(331))와 제2밸브(341)를 조절하여 반응물A의 흐름을 조절한다.(도 11 참조)
이 때, 도 11은 본 발명에 따른 가열 시스템(1000)의 반응물A 흐름을 나타낸 도면으로서, 반응물A의 공급 흐름을 실선 화살표로, 반응물B의 회수 흐름을 점선 화살표로 도시하였다.
더욱 상세하게, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 가열 모드 시, 상기 가열부(310)가 작동되고, 상기 제1밸브(331)는 개방되며, 상기 제2밸브(341)는 폐쇄된다.
즉, 상기 가열부(310)에 의해 가열되어 기화된 반응물A는 반응물A 공급라인(330)을 따라 상기 제2공간(142) 내부로 공급되며, 제2공간(142) 내부의 반응물B와 만나 화학작용하며, 이 때 발생하는 고온의 반응열이 배기가스 및 냉각수 중 하나 또는 모두를 가열한다.
또한, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 가열대상물(배기가스 및 냉각수 중 하나 또는 모두)의 온도가 충분히 가열되었다고 판단되면 재생 모드가 수행된다. 상기 재생 모드 시, 상기 가열부(310)는 작동되지 않고, 상기 제1밸브(331)는 폐쇄되며, 상기 제2밸브(341)는 개방된다. (팬(350)이 더 구비된 형태라면, 상기 제어부는 상기 팬(350)이 상기 저장부(300) 측으로 공기를 송풍하도록 제어한다.)
이에 따라, 상기 화학축열식 열교환기(100)의 제2공간(142)의 반응물A는 상기 반응물A 회수라인(340)을 따라 상기 저장부(300)로 회수되며, 상기 저장부(300)의 핀(320) 및 외부 공기가 열교환됨에 따라 저장부(300)가 냉각되어 응축된 상태로서, 상기 저장부(300)에 저장된다.
즉, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 가열 모드 시, 반응물A 및 반응물B가 반응하여 발열됨에 따라 가열대상물(배기가스 및 냉각수 중 하나 또는 모두)을 가열하고, 재생 모드 시, 흡열 반응에 의해 반응물A와 반응물B가 분리되어 상기 반응물A가 상기 저장부(300)로 회수된다.
도 12는 본 발명에 따른 가열 시스템(1000)의 냉각수 흐름을 나타낸 도면으로서, 상기 냉각수는 상기 냉각수 조절밸브(440)가 상기 제1바이패스라인(431) 측을 개방한다.
이에 따라, 상기 히터코어(400)로 유입되기 이전의 냉각수 일부 또는 전량은 상기 제1바이패스라인(431), 냉각수 입구부(131)를 따라 상기 제3공간(143)으로 유입되며, 상기 반응물A 및 반응물B의 반응열에 의해 가열된 후, 냉각수 출구부(132) 및 제2바이패스라인(432)을 통해 히터코어(400)로 공급되며, 상기 히터코어(400)를 순환한 냉각수는 냉각수 배출라인(420)을 통해 배출된다.
도 12에서, 상기 냉각수 공급라인(410)으로 공급된 냉각수 전량이 상기 제1바이패스라인(431)으로 공급되는 흐름을 점선 화살표로 나타내었다.
이에 따라, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 초기 시동 시와 같이, 냉각수의 온도가 낮아 난방이 어려울 경우, 냉각수를 적절하게 가열하여 탑승객의 온도 쾌적성을 보다 향상할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 가열 시스템(1000)은 배기가스 또는 냉각수의 가열이 필요한 경우, 도 11에 점선 화살표로 도시한 바와 같이, 반응물A를 공급하고, 가열이 필요한 대상을 공급한다.
이에 따라, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 반응물A의 온도를 가열하거나 냉각할 수 있어 빠르게 반응물A를 공급하거나 회수할 수 있으며, 발열 반응에 과다하게 사용되는 반응물A 양을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 가열 시스템(1000)은 효과적으로 배기가스를 가열하여 촉매장치(210)의 유해 배기가스 저감 효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 화학축열식 열교환기
110 : 제1관
111 : 배기가스 입구부 112 : 배기가스 출구부
120 : 제2관
121 : 반응물A 입구부 122 : 반응물A 출구부
123 : 돌출부
130 : 제3관
131 : 냉각수 입구부 132 : 냉각수 출구부
141 : 제1공간 142 : 제2공간
143 : 제3공간
200 : 배기관
210 : 촉매장치
220 : 연결관
230 : 조절도어
300 : 저장부
310 : 가열부 320 : 핀
330 : 반응물A 공급라인 331 : 제1밸브
340 : 반응물A 회수라인 341 : 제2밸브
350 : 팬
400 : 히터코어
410 : 냉각수 공급라인
420 : 냉각수 배출라인
431 : 제1바이패스라인
432 : 제2바이패스라인
440 : 냉각수 조절밸브
1000 : 가열 시스템

Claims (7)

  1. 관 형태로, 내부에 배기가스가 유동되는 제1공간(141)이 형성되는 제1관(110);
    상기 제1관(110)을 감싸는 관 형태로, 상기 제1관(110)과의 사이에 상기 반응물A와 발열반응하는 반응물B가 내장되는 제2공간(142)이 형성되는 제2관(120);
    상기 제2관(120)을 감싸는 관 형태로 상기 제2관(120)과의 사이에 냉각수가 유동되는 제3관(130);
    상기 제1공간(141)과 연통되어 배기가스가 유입되는 배기가스 입구부(111), 및 배기가스가 배출되는 배기가스 출구부(112);
    상기 제2공간(142)과 연통되어 반응물A가 유입되는 반응물A 입구부(121), 및 반응물A가 배출되는 반응물A 출구부(122);
    상기 제3공간(143)과 연통되어 냉각수가 유입되는 냉각수 입구부(131) 및 냉각수가 배출되는 냉각수 출구부(132)를 포함하는 화학축열식 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학축열식 열교환기(100)는
    상기 제1관(110)의 외주면에 외주를 따라 일정거리 이격되어 외측방향으로 돌출되는 복수개의 돌출부(123)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 화학축열식 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 의한 화학축열식 열교환기(100);
    배기가스 유동방향으로 배기관(200) 내부의 촉매장치(210) 전측에서, 상기 배기관(200)과 상기 배기가스 입구부(111), 상기 배기관(200)과 상기 배기가스 출구부(112)를 각각 연결하는 한 쌍의 연결관(220);
    상기 화학축열식 열교환기(100)로 바이패스되는 배기가스 양을 조절하는 조절도어(230);
    반응물A가 저장되는 저장부(300);
    상기 저장부(300)와 반응물A 입구부(121)를 연결하는 반응물A 공급라인(330);
    상기 반응물A 공급라인(330) 상에 구비되는 제1밸브(331);
    상기 저장부(300)와 반응물A 출구부(122)를 연결하는 반응물A 회수라인(340);
    상기 반응물A 회수라인(340) 상에 구비되는 제2밸브(341);
    히터코어(400)로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인(410)과 상기 냉각수 입구부(131)를 연결하는 제1바이패스라인(431);
    상기 냉각수 공급라인(410) 상에 구비되어 상기 제1바이패스라인(431)으로 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 조절밸브(440);
    냉각수 유동방향으로 상기 냉각수 조절밸브(440) 후측의 상기 냉각수 공급라인(410)과 상기 냉각수 출구부(132)를 연결하는 제2바이패스라인(432);
    냉각수의 온도 및 배기가스의 온도에 따라 배기가스, 반응물A, 및 냉각수의 흐름을 제어하는 제어부; 를 포함하는 가열 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열 시스템(1000)은
    상기 저장부(300) 내부에 상기 제어부에 의해 작동이 제어되며, 상기 반응물A를 가열하는 가열부(310)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저장부(300)는 외주면에 외측으로 돌출되는 핀(320)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가열 시스템(1000)은 상기 저장부(300) 측으로 공기를 송풍하는 팬(350)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가열 시스템(1000)은
    상기 저장부(300)가 주행풍이 이동되는 차량 전방에 위치되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
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