KR20160051510A - 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템용 작동 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 조정 구동부 및 폐쇄 소자를 구비하여 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템의 작동 소자에 관한 것이며, 상기 폐쇄 소자를 위한 조정 구동부가 전기 활성 폴리머로서 형성되고, 상기 전기 활성 폴리머가 기어(6)를 통해 기계식 폐쇄 소자(7)와 상호 작용을 하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 독립 특허 청구항의 전제부에 따른 특히 자동차 공기 조화 시스템을 위한 작동 소자에 관한 것이다.
전술된 유형의 작동 소자는 자동차 공기 조화 장치 내에서 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위해서 이용된다. 이 작동 소자는 특히 공기 흐름 또는 냉매 흐름을 위해서 사용된다. 이로써, 본 발명의 의미에 따른 작동 소자는 최대로 넓은 의미에서 유체 흐름의 제어 또는 조절을 위해 이용되는 자동차 공기 조화 시스템의 일 부품으로서 이해된다. 따라서, 작동 소자는 형상 및 명칭에 따라 작동 기어, 기어, 운동 역학 장치, 액추에이터, 액터 및 폐쇄 소자를 포함한다.
본 발명의 적용 분야는 기본적으로 다수의 사용 예와 관련이 있다. 특히 예를 들어 공기 조화 시스템의 공기 질량 흐름과 같은 유체 흐름이 조절 또는 제어되는 곳에서 본 발명은 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 자동차 공기 조화 시스템의 경우에 도어, 플랩 밸브, 막 또는 롤러와 같은 공지된 작동 소자는 공기 조화 시스템 내부 및 외부에서 공기 가이드를 조절하기 위하여 본 발명에 따른 작동 소자로 대체될 수 있다.
또한, 폐쇄 소자를 트리거링 하기 위한 액추에이터, 기어 또는 운동 역학 장치와 같은 종래의 작동 소자의 부분들도 새로운 형태의 플랩 밸브로 대체된다.
종래 기술에는, 전자 기계식 액추에이터 및 조정 모터 그리고 진공 다이어프램(vacuum diaphragm) 또는 브레이크 케이블(Bowden cable)을 구비하는 사출 성형되고 형태 안정적인 플라스틱 플랩 밸브 또는 플라스틱 도어가 자동차 공기 조화 시스템의 작동 소자로서 공지되어 있다.
종래 기술에서는 상황에 따라 액추에이터를 구비하는 다수의 플랩 밸브가 회전 디스크 운동 역학 장치, 운동 역학 장치 로드 등을 통해서 구동된다.
종래 기술에 따른 전자 기계식 액추에이터 및 조정 모터는 대부분 스테이터(stator)와 로터(rotor)의 조합으로 이루어진다. 로터는 구리 코일 내에서의 전기 흐름에 의해서 발생되는 전자기장으로 인해 움직인다. 자동 정지 토크 및 요구되는 힘 전달을 보증하기 위하여, 조정 모터에 상응하는 기어가 제공된다. 피드백을 구비하거나 피드백이 없는, 그리고 직접적으로 구동되거나 BUS-구동부를 통해서 구동되는 다양한 모터 실시 예들이 존재한다.
종래 자동차 공기 조화 시스템의 전자 기계식 작동 소자와 관련해서 확인될 수 있는 사실은, 플랩 밸브에서뿐만 아니라 전자 기계식 액추에이터에서의 상기 기술의 개발 및 추가의 중량 감소는 실현되기가 매우 어렵다는 것인데, 그 이유는 상기 부재들이 자체 중량 및 자체 용적과 관련해서 이미 높은 정도로 최적화되어 있기 때문이다.
한 가지 추가의 단점은, 에너지 저장 능력이 동일한 경우에 차량의 도달 거리를 증가시키기 위해서는 자동차 내에 있는 소자들의 전력 소비가 다름 아닌 전자 가동성과 관련하여 대폭 줄어야만 한다는 것이다.
자동차 공기 조화 시스템 내에 있는 작동 소자의 종래 전자 기계식 구동부의 한 가지 추가의 단점은, 이와 같은 구동부에서는 소음 발생률이 상대적으로 높다는 것이다.
또 다른 단점은, 지금까지의 전자 기계식 조정 모터가 항상 높은 구리 함량 그리고 영구 자석을 구비한다는 것이며, 이와 같은 상황은 원재료 가격의 상승과 함께 상기와 같은 기술에 부정적인 영향을 미친다.
또한, 현대의 차량에서는 설치 공간이 점점 더 제한됨으로써, 결과적으로 대부분 외부에 설치된 전자 기계식 액추에이터 및 운동 역학 장치를 절약하는 것이 바람직하다.
종래 시스템에서의 한 가지 추가의 단점은, 오픈-클로즈-사이클(open-close-cycle)의 상대적으로 느린 속도이다. 개별 플랩 밸브의 조정 속도와 관련된 요구 사항들은 종래 기술에 의해서는 거의 실현될 수 없다.
추가의 일 양상은, 비용이 동일한 상태에서 소자들의 출력 기간 및 관리 자유도를 요구된 바대로 증가시키는 것이며, 이와 같은 양상은 종래의 전자 기계식 구동부에 의해서는 구현되기가 어렵다.
또한, 종래 기술과 관련해서 중요하게 언급할 사실은, 직접 구동되는 플랩 밸브의 정확한 위치 설정은 단지 고도의 기술적인 복잡성을 갖는 액추에이터에서만 실현될 수 있다는 것이다. 다수의 플랩 밸브가 하나의 운동 역학 장치를 통해서 구동되면, 정확한 위치 결정은 단지 측정 기술적인 비용을 추가해서만 실현될 수 있다.
또한, 미국 공개 특허 출원서 US 5,250,167 A호에는 전기식으로 제어되는 폴리머 젤 액추에이터가 공지되어 있다. 이와 같은 액추에이터는 인공 근육으로서도 명명되고, 로봇을 제작할 때에 사용된다. 이 경우에는, 특정 경계 조건 하에서 인가되는 전압에 의해 젤의 운동이 발생될 수 있다는 상기 젤 시스템의 특성들이 이용된다.
미국 공개 특허 출원서 US 5,268,082 A호에는 또한 이온 교환막(ion exchange membrane) 및 한 쌍의 전극을 포함하는 액추에이터 소자가 공지되어 있다. 이와 같은 액추에이터 소자는 전압 인가시에 회전 운동 또는 선회 운동을 발생시킨다.
액추에이터 소자를 위한 사용 분야로서는, 활성 카세더(Catheder) 또는 이식된 마이크로 펌프 및 생체 내-이용을 위한 다른 의학 장치를 제어하기 위한 운동의 발생이 언급된다.
본 발명의 과제는, 전술된 전자 기계식 작동 소자의 단점들을 전반적으로 극복할 수 있는 자동차 공기 조화 시스템용의 새로운 유형의 작동 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 특허 청구항들의 대상들에 의해서 해결된다. 개선 예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
특히 상기 과제는 조정 구동부 및 폐쇄 소자를 구비하는, 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템의 작동 소자에 의해서 해결되며, 이 경우 폐쇄 소자를 위한 상기 조정 구동부는 기어를 통해 기계식 폐쇄 소자와 상호 작용을 하는 전기 활성 폴리머로서 형성되었다.
특히 바람직하게 상기 전기 활성 폴리머에 의해서는 직선 운동이 발생될 수 있으며, 이와 같은 직선 운동은 기어에 의해 기계식 폐쇄 소자를 위한 조정 동작으로서의 회전 운동으로 변환된다.
드러난 사실은, 특히 바람직하게 자동차 공기 조화 시스템 내에 있는 기계식 폐쇄 소자로서의 플랩 밸브와 전기 활성 폴리머 사이에 있는 크랭크 디스크가 기어로서 사용될 수 있다는 것이다.
본 발명의 대안적인 일 실시 예에서는, 전기 활성 폴리머에 의해 회전 운동이 발생될 수 있고, 이 회전 운동은 기계식 폐쇄 소자를 위한 조정 동작으로서의 직선 운동으로 변환된다.
본 발명의 과제는 또한 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템의 작동 부재에 의해서도 해결되며, 상기 작동 부재는 조정 구동부 및 폐쇄 소자가 하나의 컴포넌트로서 구현되었다는 것 그리고 상기 컴포넌트가 전기 활성 폴리머로서 형성되었다는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 개선 예에 따르면, 상기 컴포넌트는 회전 운동 및 휨 동작을 조정 동작으로서 실행하고 그에 상응하게 형성되었다.
바람직하게 전기 활성 폴리머로서는 EAP-액추에이터가 형성되었다.
또한, 상기 전기 활성 폴리머는 바람직하게 IPMC-액추에이터로서도 형성되었다.
특히 바람직한 것은, 전술된 유형의 작동 소자를 자동차 환기 설비 내에서의 공기 용적 흐름을 제어하기 위한 도어, 플랩 밸브, 막 또는 롤러로서 사용하는 것이다.
전술된 유형의 작동 소자의 한 가지 대안적인 사용은 바람직하게 자동차 냉매 순환계 내에서 밸브 또는 콕(cock)으로 사용하는 것이다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 활성 및 특히 전기 활성 폴리머는 예컨대 인가되는 전기 전압, 및 온도 또는 자기장 또는 기계적인 응력과 같은 외부 조건의 변경으로 인해 자동으로 자체 형태를 변경할 수 있다. 전기 활성 폴리머의 특성에 따라서, 상기 폴리머는 직선 운동 또는 회전 운동 혹은 휨 동작을 실행할 수 있다.
특히 바람직한 것은, IPMC로서도 명명되며 인가되는 전기 전압에 따라 지향성 회전 운동을 실행할 수 있는 이온 폴리머 금속 합성물의 사용이다. 전기 전압이 IPMC에 인가되면, IPMC 내부에서는 분자 이동이 이루어지며, 이와 같은 분자 이동은 질량 이동으로 인해 결과적으로 회전 운동 또는 휨 동작을 야기한다. 이와 같은 회전 운동 또는 휨 동작에 의해서는, 공기 조화 시스템 내에 있는 공기 채널의 개방 또는 폐쇄가 가능하거나 공기 흐름의 조절 또는 방향 전환이 가능하다. 폴리머는 공기 조화 시스템의 공기 분배 하우징 내에 직접 설치될 수 있고, 전기 제어 장치에 접속시키기 위한 플랩 밸브마다 단 하나의 전기 케이블만을 필요로 한다.
넓은 의미에서 전기 활성 폴리머의 바람직한 추가의 일 실시 예에서는, EAP(Electro Active Polymer)로 명명되는 전기 활성 폴리머가 직선 운동을 실행할 수 있다. 외부로부터 인가되는 전기 전압에 의해서는, 폴리머가 특정 방향으로 팽창한다. 운동의 방향 및 크기는 폴리머 구조물에 의해서 영향을 받을 수 있다. 이와 같은 직선 운동은 직접 시스템을 구동시키기 위해서 이용될 수 있거나, 운동 역학 장치에 의해서 회전 운동으로 변환된다.
EAP-액추에이터는 바람직하게 공기 조화 장치 내부에서 공기를 제어하기 위한 플랩 밸브의 일 축에 통합된다.
본 발명의 컨셉에 의해서 달성될 수 있는 장점은, 자동차 공기 조화 시스템을 위한 작동 소자의 전력 소비가 줄어들 수 있다는 것이다.
또한, 전기 활성 폴리머가 임의의 형태로 생산될 수 있음으로써, 공기 조화 설비의 완전한 공기 분배 하우징의 플랩 밸브 및 도어를 위한 기본적으로 새로운 디자인이 가능해진다는 것도 바람직한 것으로 간주될 수 있다.
한 가지 추가의 장점은, 예를 들어 외부에 설치된 전자 기계식 액추에이터 및 운동 역학 장치를 생략함으로써 설치 공간이 최적화된다는 것이다.
또한, 구리 및 영구 자석의 사용도 줄어들거나 피해지며, 이와 연관하여 원재료의 가격도 줄어들게 된다.
특히 자동차 공기 조화 장치 내에서 이동식으로 사용하기 위해 중량이 감소되었다는 것이 특별한 장점인데, 그 이유는 이로 인해 차량을 위한 에너지 소비가 줄어들기 때문이다.
추가의 바람직한 일 양상은, 공기 채널의 개방 또는 폐쇄시에 소음 레벨을 줄이는 것이다.
조절 기술적인 장점은, 본 발명에 따른 작동 소자에 의해서 공기 채널의 개방 및 폐쇄가 신속하게 이루어질 수 있는 것이다.
또한, 마모 현상도 현저하게 줄어들었고, 전기 활성 폴리머 및 이로 인해 구현되는 작동 소자의 관리 작업도 전혀 필요치 않다.
따라서, 본 발명에 따른 작동 소자의 적용 분야는 바람직하게 공기 조화 설비 내에서 플랩 밸브 또는 도어와 같은 작동 부재의 정확한 조정이 필요하고 냉매 순환계 내에서 밸브의 트리거링이 필요한 모든 사용 예이다.
본 발명의 추가의 세부 사항, 특징 및 장점은 관련 도면을 참조해서 이루어지는 실시 예들에 대한 이하의 설명으로부터 드러난다:
도 1a는 전기 활성 폴리머, IPMC의 기본 원리를 도시한 개략도이고,
도 1b 및 도 1c는 유체 흐름 내부에서 플랩 밸브로 작용을 하는 IPMC의 원리도이며,
도 2는 EAP-액추에이터의 기본 원리를 도시한 개략도이고,
도 3a 및 도 3b는 기어를 구비한 EAP-액추에이터를 도시한 개략도이며,
도 4a는 전압이 없는 상태에서 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이고,
도 4b는 전압 값이 양(+)인 경우에 자동차 공기 조화 설비 내에서 사용되는 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이며, 그리고
도 4c는 전압 값이 음(-)인 경우에 자동차 공기 조화 설비 내에서 사용되는 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이다.
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도 4a는 전압이 없는 상태에서 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이고,
도 4b는 전압 값이 양(+)인 경우에 자동차 공기 조화 설비 내에서 사용되는 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이며, 그리고
도 4c는 전압 값이 음(-)인 경우에 자동차 공기 조화 설비 내에서 사용되는 IPMC로서의 플랩 밸브를 도시한 개략도이다.
도 1a는 극성 용매와 혼합된 전기 활성 폴리머로 이루어진 IPMC-액추에이터(3)의 기본적인 원리를 보여준다. 전압이 없는 상태에서 상기 폴리머 및 용매는 2개의 전극(1) 사이에 동일하게 분포된 상태로 배치되어 있으며, 이 경우 전극(1)은 직선으로, 평평하게 그리고 평탄하게 정렬되어 있다. 이때 전기 전압이 인가되면, 하전 된 입자가 상응하게 분리되고, 이러한 분리 현상은 전극(1)의 팽창을 야기하며, 이와 같은 상황은 결국 휨 모멘트를 유도하고, IPMC-액추에이터(3)는 상응하는 운동을 실행하게 된다.
도 1b에는 공기 흐름(8)을 갖는 공기 채널(2) 내에서 사용되는 IPMC-액추에이터(3)가 개략적으로 도시되어 있으며, 이때 제어 부재에는 전압이 없고 기계식 플랩 밸브로서 작용을 하는 IPMC-액추에이터(3)는 폐쇄되었다.
도 1c에서는 공급 전압 회로(4)를 통해 전압이 인가되고, IPMC-액추에이터(3)는 휨 동작 또는 회전 운동에 의해서 개방되었다. 공기 흐름(8)은 공기 채널(2) 내에서 화살표 방향으로 흐를 수 있다.
도 2는 2개의 전극(1) 및 그 사이에 놓인 폴리머 층을 구비하는 전기 활성 폴리머 EAP-액추에이터(5)로서 구현된, 전기 활성 폴리머를 구비하는 추가의 작동 소자를 보여준다. 작용 원리에 따르면, 상부 전극(1)은 지시된 화살표에 따라 하부 전극에 대하여 평행하게 직선으로 이동한다.
도 3a 및 도 3b에는 크랭크 디스크 형태로 형성된 기어(6)를 통해 플랩 밸브(7)로서의 기계식 폐쇄 부재에 연결된 EAP-액추에이터(5)의 일 실시 예가 도시되어 있다. 기어(6)는 EAP-액추에이터(5)의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하며, 이와 같은 회전 운동에 의해서는 플랩 밸브(7)가 조정 동작을 실행한다.
도 4a에는 공기 채널(2) 내에 있는 IPMC-액추에이터(3)로서의 자동차 공기 조화 설비의 플랩 밸브가 도시되어 있다. 상기 IPMC-액추에이터(3)는 공급 전압 회로(4)에 연결되어 있지만, 본 도면에서 상기 회로에는 전압이 없다. 통풍 흐름(9) 및 신선 공기 흐름(10)은 함께 공기 흐름(8)을 형성한다.
도 4b에서는 공급 전압 회로(4)에 의해서 IPMC-액추에이터(3)에 전압이 공급되고, 상기 IPMC-액추에이터(3)가 자신의 지향성 휨 동작에 따라 통풍 흐름 경로를 폐쇄하며, 그 결과 단지 공기 흐름(8)으로서의 신선 공기(10)만 자동차 공기 조화 설비의 상기 혼합 점을 벗어나게 된다.
도 4c에서는 IPMC-액추에이터(3)가 공급 전압 회로(4)에 의해서 극성 반전이 되며, 그로 인해 이제는 신선 공기 흐름(10)이 IPMC에 의해 폐쇄되고, 공기 흐름(8)은 오로지 통풍 흐름(9)으로만 이루어지게 된다.
전압의 높이 및 공급 전압 회로(4)의 극성을 통해 플랩 밸브로서의 IPMC-액추에이터(3)의 다양한 조정이 구현될 수 있음으로써, 결과적으로 통풍 흐름(9) 및 신선 공기 흐름(10)의 임의의 혼합 상태가 작동 소자에 의해서 조절될 수 있다.
1: 전극
2: 공기 채널
3: IPMC-액추에이터 4: 공급 전압 회로
5: EAP-액추에이터 6: 기어
7: 플랩 밸브, 기계식 폐쇄 소자 8: 공기 흐름
9: 통풍 흐름 10: 신선 공기 흐름, 신선 공기
3: IPMC-액추에이터 4: 공급 전압 회로
5: EAP-액추에이터 6: 기어
7: 플랩 밸브, 기계식 폐쇄 소자 8: 공기 흐름
9: 통풍 흐름 10: 신선 공기 흐름, 신선 공기
Claims (10)
- 조정 구동부 및 폐쇄 소자를 구비하여 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템의 작동 소자에 있어서,
상기 폐쇄 소자를 위한 조정 구동부는 전기 활성 폴리머로서 형성되었고, 상기 전기 활성 폴리머는 기어(6)를 통해 기계식 폐쇄 소자(7)와 상호 작용을 하는 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항에 있어서,
전기 활성 폴리머에 의해서 직선 운동이 발생될 수 있으며, 상기 직선 운동은 기어(6)에 의해서 기계식 폐쇄 소자(7)를 위한 조정 동작으로서의 회전 운동으로 변환되는 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
기계식 폐쇄 소자로서의 플랩 밸브(7)와 전기 활성 폴리머 사이에 있는 크랭크 디스크가 기어(6)로서 배치된 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항에 있어서,
전기 활성 폴리머에 의해 회전 운동이 발생될 수 있으며, 상기 회전 운동은 기어에 의해서 기계식 폐쇄 소자를 위한 조정 동작으로서의 직선 운동으로 변환되는 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 유체의 관류를 차단 또는 조절하기 위한 자동차 공기 조화 시스템의 작동 소자에 있어서,
조정 구동부 및 폐쇄 소자가 하나의 컴포넌트로서 구현되었으며, 상기 컴포넌트는 전기 활성 폴리머로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 컴포넌트는 회전 운동 또는 휨 동작을 조정 동작으로서 구현할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 활성 폴리머가 EAP-액추에이터(5)로서 형성된 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 활성 폴리머가 IPMC-액추에이터(3)로서 형성된 것을 특징으로 하는, 작동 소자. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 작동 소자를 자동차 환기 설비 내에서 공기 용적 흐름을 제어하기 위한 도어, 플랩 밸브, 막 또는 롤러로서 사용하는, 작동 소자의 용도.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 작동 소자를 자동차 냉매 순환계 내에서 밸브 또는 콕으로 사용하는, 작동 소자의 용도.
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