KR20190090378A - 에너지 조절 시스템 및 에너지 조절 시스템을 이용하는 방법 - Google Patents

에너지 조절 시스템 및 에너지 조절 시스템을 이용하는 방법 Download PDF

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KR20190090378A
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네오그라프 솔루션즈, 엘엘씨
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Abstract

거주 공간 또는 차량 내부 공간을 위한 에너지 조절 시스템 및 열적으로 조절된 물품이 제공되며, 이는 열 소스 또는 저온 소스와 같은 열적 에너지 소스와 열적으로 연통하는 가요성 흑연 부재의 하나 이상의 시트와 같은 열 전도성 부재를 포함한다. 열 전도성 부재는 차량 또는 건물의 점유자에게 노출되도록 구성된 외부 표면을 갖는다. 제어기는 열 소스 또는 저온 소스에 공급되는 전력을 변화시킴으로써 점유자가 인지하는 온도를 조절하기 위해 열 소스 또는 저온 소스에 연결된 전원과 동작 가능하게 연통한다.

Description

에너지 조절 시스템 및 에너지 조절 시스템을 이용하는 방법
본 개시내용은 실내 공간의 에너지 조절 시스템, 및 보다 상세하게는 거주 공간 또는 차량 내부의 점유자가 인지하는 온도를 조절하는 데 사용하기 위한 에너지 조절 시스템을 위한 흑연의 사용에 관한 것이다. 에너지 조절 시스템은 열적 에너지 소스와 열적으로 연통하는 에너지 보존 부재를 갖는 물품을 포함하고, 에너지 소스는 열 소스 또는 저온 소스 중 어느 하나 또는 둘 모두로서 기능한다. 에너지 조절 시스템은 또한 센서 정보에 응답하여 그 동작을 제어하기 위해 열적 에너지 소스와 동작 가능하게 연통하는 제어기를 포함할 수 있다.
배터리 동력식 전기 차량은 전기 견인 모터에 대한 급전을 위해 그리고 차량 객실의 난방을 위해 동일한 배터리 시스템을 사용한다. 이는 차량의 운전 거리를 감소시킨다. 극도로 저온의 환경에서, 이로 인해 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)에서 보고한 바와 같이 배터리 동력식 전기 자동차의 경우 오십(50) 퍼센트의 거리 손실이 발생할 수 있다(http://www.anl.gov/energy-systems/group/downloadable~dynamnometer-database/electric-vehicles 참조).
본원에 개시된 일 실시예는 에너지 조절 시스템을 포함한다. 이 시스템은 선택적으로 인클로저 내부에 배치된 열적 에너지 소스를 포함한다. 시스템은 열적 에너지 소스와 열적으로 연통하는 에너지 보존 열 전도성 부재를 더 포함한다. 열 전달 요소는 부재와 열적으로 연통한다. 열 전달 요소는 인클로저 내부에 배치된다. 하나 이상의 온도 센서가 부재 또는 열 전달 요소 중 적어도 하나에 배치되고, 제어기는 열적 에너지 소스에 의한 열적 에너지의 발생을 제어하기 위해 온도 센서 및 타이어 에너지 소스와 동작식으로 연통한다. 앞서 설명한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 둘 모두는 본 개시내용의 실시예를 제공하고, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질 및 특성에 대한 이해의 개요 또는 골격을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본원에 설명된 에너지 관리 시스템 중 하나 이상을 포함하는 인클로저의 실시예의 개략도이다.
도 2는 본원에 설명된 시스템을 포함할 수 있는 인클로저의 제2 실시예의 대안적인 개략도이다.
도 3은 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 4는 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 5는 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 6은 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 7은 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 8는 본원에 개시된 에너지 관리 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 9는 예에서 사용된 시험 장비의 실시예이다.
도 10은 에너지 보존 열 전도성 부재를 포함하지 않은 베이스라인 제어 테스트 시스템에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
도 11은 본원에 설명된 예 A에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
도 12는 본원에 설명된 예 B에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
도 13은 본원에 설명된 예 C에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
도 14는 본원에 설명된 예 D에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
도 15는 본원에 설명된 예 D에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프이다.
이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 사람 또는 동물(도시되지 않음)에 의해 점유된 폐쇄 공간(4)에 대한 에너지 조절 시스템이 일반적으로 2로 도시되어 있고, 특정 예가 2a, 2b 및 2c로 아래에서 설명된다. 에너지 조절 시스템(2)은 열 전달 부재(10)(도 3 내지 도 7에 도시됨)의 외부 표면(12)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 시스템이라 지칭될 수도 있고, 표면은 공간(4)의 점유자에게 노출된다. 전체 시스템과 관련하여 "조절"과 "관리"는 상호 교환가능하게 사용될 수 있다. 본원에 설명된 예시적인 실시예에서, 동일한 구성요소는 동일한 참조 번호를 사용하여 참조된다.
하나 이상의 예에서, 시스템(2)은 외부 표면(12) 근방의 공간의 점유자가 인지하는 온도를 조절하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 건물, 집 또는 다른 유형의 영구 또는 임시 주택(5)의 거주 공간(4a)의 내부와 같은 인클로저 내에 있을 수 있다. 열 전달 부재(10)는 건축 자재일 수 있으며, 그 비제한적인 예로서는 비닐 시트, 바닥 타일, 세라믹 타일, 목재, 콘크리트, 벽판재, 벽지뿐만 아니라 이러한 건축 자재와 함께 사용되는 밑깔개 또는 이면재를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
하나 이상의 다른 예에서, 시스템(2)은 도 2에 도시된 바와 같이 차량 내부(4b)와 같은 폐쇄 공간의 점유자가 인지하는 온도를 조절하기 위한 차량(6)의 구성요소일 수 있다. 차량(6)은 사람, 동물 또는 과일, 채소, 유체, 고체 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 온도 민감 사물을 운송하는 데 적절한 임의의 종류의 차량일 수 있다. 차량 구성요소(2)의 비제한적인 예는 시트, 시트 커버, 바닥 매트, 카펫, 도어 패널, 핸드 레일, 내부 트림 피스, 대시보드 피스, 팔걸이, 머리받침, 조향 휠, 헤드 라이너 또는 다른 천장 구성요소, 바닥판 패널, 세미트레일러 침대차 벽, 매트리스, 차량의 화물 섹션의 하나 이상의 내부 표면 또는 다른 주변 표면을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
차량(6)의 비제한적인 예는 전기 차량("EV"), 연료 전지 전기 차량, 하이브리드 가스 및 전기 차량, 온도 조절된 수면 격실을 포함하는 화물 및 차량용 열적 에너지 시스템을 갖는 차량을 포함할 수 있다. 에너지 조절 시스템(2)은 또한 스페이스 히터, 산업용 히터, 가열식 가구 및/또는 가열식 의류에 사용될 수도 있다.
다른 예에서, 시스템(2)은 봉입되지 않으며, 점유자라 지칭되는 사람 및/또는 동물을 난방 또는 냉각하기 위해 이들에 노출되는 노출되는 표면을 갖는 열 전달 요소의 온도를 조절한다.
이제 도 3을 참조하면, 시스템(2)의 예가 일반적으로 2a로 도시되어 있다. 에너지 조절 시스템(2a)은 내부(4)를 향하도록 구성된 외부 표면(12)을 갖는 열 전달 요소(10)를 포함하며, 내부의 예는 건물(5)의 내부(4a)(건축 자재에 대해) 또는 차량(6)의 내부(4b)(차량 구성요소에 대해)를 포함한다. 표면(12)은 점유자가 시스템(2a)의 열적 조절 효과에 노출되도록 점유자와 열적으로 연통할 것이다. 요소(10)에 사용되는 재료의 다른 비제한적인 예는 건물 또는 차량에 사용하기 위한 천, 가죽, 플라스틱, 폴리머 및 카펫을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
시스템(2a)은 열 전달 요소(10)를 가열 또는 냉각시키기 위해 시스템에 에너지를 효과적으로 분산시키기 위한 에너지 보존 열 전도성 부재(14)를 포함한다. 부재(14)는 시스템(2)에서 열적 에너지 조절 요소로서 작용한다. 부재(14)는 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 하나 이상의 흑연 시트를 포함할 수 있다. 시스템(2a)의 예에 도시된 바와 같이, 부재(14)는 요소(10)에 인접하여, 표면(12) 반대쪽에 배치된다. 본원에 설명된 열적 조절 효과에 추가하여, 부재(14)는 종래의 건축 자재 또는 차량 구성요소와 비교하여 개선된 음향 감쇠를 제공할 수 있다.
하나 이상의 예에서, 부재(14)는 박리 흑연의 압축된 입자의 가요성 흑연 시트일 수 있다. 하나 이상의 다른 예에서, 부재(14)는 흑연화된 폴리머 시트로부터 형성된 합성 흑연일 수 있다. 합성 흑연 부재(14)는 흑연화된 폴리머(일명, 합성 흑연)의 가요성 흑연 시트일 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 가요성 흑연 시트(14)는 흑연화된 폴리머(일명, 합성 흑연) 및 박리(일명, 팽창) 흑연의 압축된 입자 둘 모두를 포함한다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 박리(일명, 팽창) 흑연의 압축된 입자의 시트 및 흑연화된 폴리머(일명, 합성 흑연)의 시트 둘 모두를 포함한다. 부재(14)를 가요성 흑연으로 구성하는 것은 에너지 소스와의 순응성, 그리고, 또한 에너지 소스와의 열적 연통시 에너지 소스와의 낮은 접촉 저항의 이점을 제공할 것이다. 본원에 사용될 때, 열이 한 물체에서 다른 물체로 전달될 수 있을 때 2개의 물체는 열적으로 연통한다. 일 예에서, 2개의 물체는 서로 이격되고, 이에 따라 열이 복사 및/또는 대류(주변 기류를 통해) 및/또는 전도를 통해 하나의 물체로부터 다른 물체로 전달된다. 다른 예에서, 2개의 물체는 서로 물리적으로 접촉하여 배치된다.
적어도 하나의 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 약 0.001㎜ 내지 약 1.0㎜의 범위의 두께를 갖는다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트는 약 0.025㎜ 내지 약 0.5㎜ 범위의 두께를 갖는다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트는 약 0.05㎜ 내지 약 0.250㎜ 범위의 두께를 갖는다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트는 약 0.05㎜ 내지 약 0.150㎜ 범위의 두께를 갖는다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트는 약 0.07㎜ 내지 약 0.125㎜ 범위의 두께를 갖는다.
특정 실시예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 실질적으로 수지를 함유하지 않으며, 여기서 수지를 함유하지 않는다는 것은 종래의 검출 한계 미만인 것으로 정의된다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트는 1 중량% 미만의 수지를 갖는다. 적어도 하나의 특정 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 수지 함침되지 않으며, 예를 들어 에폭시 함침되지 않는다.
일 예에서, 부재(14)는 적어도 약 140 W/m*K의 평면내 열전도율을 갖는다. 다른 예에서, 부재는 적어도 약 250 W/m*K의 평면내 열전도율을 갖는다. 다른 예에서, 부재는 적어도 약 400 W/m*K의 평면내 열전도율을 갖는다. 필요하다면, 부재의 평면내 열전도율에 대한 상한은 2000 W/mK까지를 포함할 수 있다.
가요성 흑연 시트(14)는 비교적 소량의 바인더를 가질 수 있거나 바인더를 갖지 않는다. 적어도 하나의 예에서, 가요성 흑연(14) 시트는 10 중량% 미만의 바인더를 가질 수 있다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 5 중량% 미만의 바인더를 가질 수 있다. 적어도 하나에서, 가요성 흑연 시트(14)는 실질적으로 바인더가 없고, 여기서, 바인더가 없다는 것은 종래의 검출 한계 미만인 것으로 정의된다.
가요성 흑연 시트(14)는 비교적 소량의 보강재를 가질 수 있거나, 보강재를 갖지 않는다.
보강재는 연속 흑연 매트릭스 내에 존재하는 연속 또는 불연속 고체상으로 정의된다. 보강재의 예는 탄소 섬유, 유리 섬유, 플라스틱 섬유 및 금속 섬유를 포함한다. 적어도 하나의 예에서, 가요성 흑연(14) 시트는 50 중량% 미만의 보강재를 가질 수 있다. 다른 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 5 중량% 미만의 보강재를 가질 수 있다. 적어도 하나의 특정 예에서, 가요성 흑연 시트(14)는 실질적으로 보강재가 없으며, 여기서 보강재가 없다는 것은 종래의 검출 한계 미만인 것으로 정의된다.
합성 흑연으로 형성된 부재(14)의 전구체는 폴리페닐렌옥사디아졸(POD), 폴리벤조티아졸(PBT), 폴리벤조비스티아졸(PBBT), 폴리벤조옥사졸(PBO), 폴리벤조비스옥사졸(PBBO), 폴리(피로멜리트이미드)(PI), 폴리(페닐렌이소프탈아미드)(PPA), 폴리(페닐렌벤조이미다졸)(PBI), 폴리(페닐렌벤조비스이미다졸)(PPBI), 폴리티아졸(PT) 및 폴리(파라-페닐렌비닐렌)(PPV)으로부터 선택된 폴리머 필름일 수 있다. 폴리페닐렌옥사디아졸은 폴리-페닐렌-1,3,4-옥사디아졸 및 이의 이성질체를 포함한다. 이들 폴리머는 적절한 방식으로 열처리될 때 양호한 품질의 흑연으로 전환될 수 있다. 출발 필름을 위한 폴리머는 POD, PBT, PBBT, FBO, PBBO, PI, PPA, PBI, PPBI, PT 및 PPV로부터 선택되는 것으로 설명되었지만, 열처리에 의해 양호한 품질의 흑연을 산출할 수 있는 다른 폴리머도 사용될 수 있다.
시스템(2a)은 제한적이지는 않지만 부재(14)와 열적으로 연통하여 배치된 열 소스(16)와 같은 열적 에너지 소스를 포함할 수 있다. 열 소스(16)는 저항 가열기를 포함할 수 있으며, 비제한적인 예는 열선(heated wire)이다. 일 예에서, 열 소스(16)는 부직포와 같은 직물(17)에 내장되며, 부직포의 비제한적인 예는 펠트이다. 부직포(17)는 절연 특성을 제공할 수 있다. 열 소스(16)는 또한 이용 가능한 폐열 에너지의 소스로부터 회수되어 부재(14)로 전달되는 폐열을 포함할 수 있다. 차량에서 사용 가능한 폐열 에너지의 소스에는 배터리, 축전기, 연료 전지, 전기 모터, 인버터 및 기타 전력 전자장치와 내연 기관을 포함한다. 열적 에너지 소스로부터 열 소스(16)로 열적 에너지를 전달하는 방법은 제한적이지는 않지만 고 열전도율 물질(예컨대, 알루미늄, 흑연 또는 구리)을 통한 전도 및 유체(예컨대, 공기, 냉매, 물 또는 냉각제)를 통한 자연 또는 강제 대류를 포함한다.
열 소스(16)는 선택적으로 유도에 의해 부재(14)를 무선으로 가열하는 것으로 대체되거나 보충될 수 있다. 이러한 무선 가열은 운전 과정으로부터 변형된 운동 에너지로부터 변환된 자기장에 의해 지원될 수 있다. 대안적으로, 다른 온보드 전력 소스를 사용하여, 예컨대, 배터리 또는 회생 제동 시스템으로부터 부재(14)에 인접하게 배치된 유도 코일을 통해 포인트 소스에서 자기장을 생성하도록 자기 유도장이 강요될 수 있다. 이러한 유도 가열 시나리오에서 흑연은 열을 발생시키기 위해 자기장과 유도 결합될 수 있는 능력과 함께 그 우수한 에너지 분산 능력을 활용하여 국소 결합 이벤트(localized coupling event)로부터 보다 균일하게 분포된 표면 전체에 걸쳐 열적 에너지를 효율적으로 전달하기 때문에 바람직한 재료이다.
열 소스(16)의 다른 예는 PTC 히터, 천연 가스 또는 기타 가연성 포인트 열 소스를 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
열 소스(16)는 건물에 사용되는 열 조절 물품에 특히 유용한 소스일 수 있다. 열 소스에는 가열 유체(예를 들어, 물, 물 및 글리콜 유체) 또는 폐열 장치가 포함될 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 시스템(2a)은 열 소스가 부재(14)와 절연체(18) 사이에 배치되도록 열 소스(16)에 인접하게 배치된 절연체(18)를 포함한다. 절연체(18)의 비제한적인 예는 유리 섬유, 폴리우레탄 및 코르크를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 비제한적인 예에서, 절연체(18)는 선택적 요소이다.
시스템(2a)은 건물(5) 또는 차량(6)의 일부로서 포함되는 베이스 층(20)의 표면(22)에 고정될 수 있다. 거주 공간(4)에 통합된 시스템(2)의 예에서, 베이스 층(20)은 건물(5)의 벽, 바닥, 천정 또는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 시스템(2)의 다른 예에서, 베이스 층(20)은 차량의 일부를 형성하는 금속 또는 다른 재료를 포함할 수 있다.
전원(24)은 열 소스를 가열하도록 전력을 제공하기 위해 열 소스(16)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 전원(24)은 저항 가열기(16)에 전력을 제공하는 배터리이다. 제어기(30)는 전원(24)에 동작 가능하게 연결되어 열 소스(16)로의 전력 공급을 제어하여 열적 조절을 제공한다. 제어기(30)는 하나 이상의 센서(40)로부터의 정보를 이용하여 전원(24)으로부터 열 소스(16)로의 전력의 인가를 제어할 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 표면에서 온도를 감지하는 데 사용될 수 있는, 온도 센서로도 지칭되는 열 센서(40)가 표면(12)에 배치되어 온도 정보를 임의의 적절한 방식으로 제어기(30)에 연통할 수 있다. 하나 이상의 다른 예에서, 센서(들)(40)는 공간(4) 또는 차량(6) 내의 임의의 위치에, 예컨대, 부재(14) 상에 위치될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 센서(40)는 부재(14) 또는 열 전달 요소(10) 중 어느 하나 주변에 있을 수 있다. 주변이라 함은 본원에서 센서가 특정 구성요소의 내부 또는 외부에 있을 수 있음을 나타내기 위해 사용된다. 하나 이상의 다른 예에서, 추가적인 센서(들)는 공간(4) 외부의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 이 외부 센서는 내부 쾌적함에 영향을 미칠 외부 환경의 변화를 예상하는 데 사용할 수 있다.
제어기(30)는 제어 루프 피드백 메커니즘을 사용하여 전력 인가를 제어함으로써 공간(4 또는 4') 내의 사람, 동물 또는 물체가 느끼는 온도를 조절하는 비례-적분-미분("PID") 제어기일 수 있다. 흑연 부재(14)를 PID 제어기(30)와 조합하여 사용하는 것은 온도 조절 시스템(2)의 열 민감도를 증가시킴으로써, 평균 목표 온도에 대한 보다 엄격한 제어, 목표 온도의 표준 편차 감소, 목표 온도 주변의 감소된 범위 등에 의해 입증된 바와 같이 감소된 변동으로 보다 안정한 온도를 전달하도록 제어기의 민감도 및 응답성을 개선시킨다. 이는 온도 목표를 초과하는 것을 피하는 효과를 가질 것이며, 이는 차례로 에너지 효율뿐만 아니라 열적 균일성을 모두 크게 증진시킬 것이다. 이제, 도 4를 참조하면, 시스템(2b)의 예는 표면(12) 반대쪽에서 요소(10)에 인접하게 배치된 열 소스(16)를 포함한다. 시스템(2b)은 또한 열 소스(16)에 인접하게 배치된, 전술한 바와 같이 선택적으로 흑연으로 형성되는 에너지 보존 열 전도성 부재(14) 및 부재(14)에 인접하게 배치된 (전술한 바와 같은) 임의의 절연체(18)를 포함한다. 절연체(18)는 앞서 설명한 베이스 층(20)에 인접하게 배치된다. 대안적으로, 절연체(18)가 사용되지 않으면, 부재는 베이스 층(20)에 인접하게 배치된다. 이제, 도 5를 참조하면, 열적 조절 시스템(2c)의 예는 표면(12) 반대쪽 측면 상에서 요소(10)에 인접하게 배치된 부재(14)를 포함한다. 또한, 시스템(2c)은 조절기(14)에 인접하여 배치된 열 소스(16) 및 열 소스가 제1 부재와 제2 부재 사이에 샌드위치되도록 열 소스(16)에 인접하게 배치된 제2 부재(14)를 포함한다. 선택적 절연체(18)(앞서 설명한 바와 같이)가 제2 부재(14)에 인접하여 배치된다. 절연체(18)는 또한 앞서 설명한 베이스 층(20)에 인접하여 배치된다. 대안적으로, 절연체가 사용되지 않으면, 제2 부재(14)는 베이스 층(20)에 인접하여 배치된다. 열적 조절 시스템(2c)의 하나 이상의 다른 예에서, 열 소스(16)는 열적 조절 시스템(2c)과 별개로, 분리되어 제공된다.
보다 얇고 보다 열 전도성인 재료는 일반적으로 열적 응답성의 관점에서 보다 큰 이점을 갖는 경향이 있어, 에너지 효율을 증진시키고 열적으로 제어되는 표면의 변동을 제한하는 것이 밝혀졌다.
본원에 설명된 바와 같이, 차량에서의 시스템(2)의 사용은 두 기능 모두를 증가시키고, 내장 배터리에서 에너지 소비를 줄임으로써 차량의 효율을 개선시킨다. 시스템(2)을 사용하여 차량의 점유자를 직접 가열함으로써 그 쾌적함이 개선되고, 이로써 객실 내의 쾌적함을 희생시키지 않고 궁극적으로 차량 거리를 증가시킨다.
본원에 포함된 실시예의 한 가지 이점은 점유자가 외부 표면(12)에 노출된 그의 신체 전체에 걸쳐 균일한 쾌적함을 경험할 수 있다는 것이다. 다른 이점은 차량(6)에 대한 개선된 효율을 포함할 수 있다. 조절기의 높은 열전도율로 인해 차량 시스템의 전기 효율이 개선될 수 있다. 다른 이점은 열적 조절 시스템(2)에 의해 제공되는 온도 조절의 열적 응답성의 개선이다. 또한, 가요성 흑연의 이방성 특성으로 인해, 흑연 부재(14)가 얇음으로 인해 다른 에너지 보존 열 전도성 부재 재료에 비해 중량 절감을 제공할 수 있다.
이제 도 6 내지 도 8을 참조하면, 이하에서 일반적으로 시스템(2)으로 지칭되는 열적 조절 시스템(2d, 2e 및 2f)의 다른 예 각각은 열 소스(16) 대신 또는 열 소스(16)와 함께 저온 소스(66)를 포함할 수 있다. 저온 소스(66)의 비제한적인 예는 냉각 유체(예를 들어, 물, 물 및 글리콜 유체), 냉매 유체, 펠티어 장치 또는 폐열 저온 소스를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 제어기(30)는 하나 이상의 온도 센서(40)를 사용하여 전원을 제어하여 저온 소스에 의해 제공되는 저온을 생성한다. 제어기(30)는 PID 제어기일 수 있다.
시스템(2)은 열적 조절 시스템의 에너지 효율을 증진시키기 위해 열 민감도 및 응답성을 개선시키도록 절연체(18)와 함께 사용되는 알루미늄, 구리 또는 다른 금속을 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 에너지 관리 시스템을 포함한다. 시스템은 열적 에너지 소스를 포함한다. 소스는 인클로저 내에 위치될 수 있다. 열적 에너지 소스는 가열, 냉각 또는 양자 모두를 공급할 수 있다. 시스템은 또한 열적 에너지 소스와 열적으로 연통하는 에너지 보존 열 전도성 부재를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 이 부재와 열적으로 연통하는 열 전달 요소를 포함할 수 있다. 열 전달 요소는 인클로저 내부에 배치될 수 있다. 온도 센서는 열 전달 요소 또는 부재 상에 배치될 수 있다. 시스템은 센서 및 에너지 소스와 연통하는 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는 에너지 소스로부터의 에너지의 인가를 제어할 수 있다.
부재(14)는 가요성 흑연의 시트를 포함할 수 있다. 적절한 유형의 가요성 흑연의 비제한적인 예는 박리(일명, 팽창) 흑연의 압축된 입자, 흑연화된 폴리머 및 이들의 조합의 시트 중 적어도 하나를 포함한다.
가요성 흑연의 또 다른 특정 예는 가요성 흑연의 두께에 가요성 흑연의 평면내 열전도율을 곱함으로써 결정되는 열상수가 0.25 W/K 이하인 가요성 흑연을 포함할 수 있다. 열상수의 다른 예는 0.20 W/K 이하, 0.10 W/K 이하, 0.05 W/K 이하, 0.04 W/K 이하, 0.02 W/K 이하 또는 0.015 W/K 이하를 포함한다.
시스템(2)은 에너지 소스와 열적으로 연통하는 제2 부재(14)를 포함할 수 있고, 여기서, 제2 부재는 에너지 소스 아래에 배치될 수 있고 상기 부재는 에너지 소스 위에 배치될 수 있다.
시스템(2)의 선택적인 구성요소는 에너지 소스, 상기 부재, 열 전달 요소 및 그 조합 중 적어도 하나와 열적으로 연통하는 절연 층을 포함할 수 있다.
다른 선택적인 구성요소는 에너지 소스와 연통하도록 배치된 전원을 포함한다. 전원의 비제한적인 적절한 예는 리튬-이온 배터리, 납산 배터리, 마그네슘 배터리 또는 연료 전지를 포함한다. 본 출원의 바람직한 배터리 크기는 차량에 전력을 공급할 수 있는 크기의 배터리이다.
열적 에너지 소스의 다른 비제한적인 예는 다음을 포함한다: 저항 가열 요소, 폐열 회수, 열적 에너지 전달 유체. 폐열 회수의 실시예는 리튬-이온 배터리 팩의 동작으로부터 생성된 열일 수 있다.
특정 실시예에서, 에너지 소스는 부재의 제1 표면의 표면적의 이십오 퍼센트(25%) 이하와 접촉한다. 또 다른 실시예에서, 부재의 제1 표면은 에너지 소스의 표면적보다 적어도 25% 더 넓은 표면적을 포함한다.
부재(14)는 또한 가요성 흑연 시트에 인접한 보강재를 포함할 수 있다. 보강재는 섬유 보강 폴리머, 합성 직물, 섬유 위브, 섬유 매트 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다. 나일론은 보강재의 특정 비제한적인 예이다. 또 다른 선택적인 요소는 물품이 보호 코팅을 포함할 수 있다는 것이다. 보호 코팅은 흑연 부재의 제1 표면 또는 제2 표면 중 하나와 정렬될 수 있다. 보호 코팅이 보강재와 동일한 시트의 표면과 정렬된 경우, 일 실시예에서, 보강재는 시트에 인접하고 보호 코팅은 보강재에 인접한다. 필요하다면, 보강재 및/또는 보호 코팅은 적어도 시트의 주 표면의 실질적 전부뿐만 아니라 시트의 하나 이상의 에지 표면을 덮을 수 있다. 보호 코팅의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드 또는 다른 적절한 플라스틱과 같은, 그러나, 이에 제한되지는 않는, 플라스틱을 포함한다. 보호 코팅은 흑연 시트를 다른 구성요소로부터 전기적으로 격리시키는 이점을 제공할 수 있다. 원한다면, 보호 코팅은 천공부만을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 보호 코팅(일명, 층)은 보강재에 반대쪽의 시트의 표면에 있을 수 있다. 예를 들어, 보강재가 시트의 제1 표면과 정렬되는 경우, 보호 코팅은 시트의 제2 표면과 정렬될 수 있다. 선택적으로, 보호 코팅은 제2 표면에 부착될 수 있다. 특정한 또 다른 실시예는 시트 반대쪽에서 보강재에 인접하게 위치된 제2 보호 코팅을 포함한다.
보호 코팅이 물품의 외부 표면 둘 모두에 있을 수 있는 방식과 유사하게, 마찬가지로 보강재 층이 흑연 시트의 양 측면에 있을 수 있다. 이 실시예에서, 보호 코팅은 흑연 표면 중 하나 또는 둘 모두에 위치할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 물품은 제2 흑연 시트를 포함할 수 있다. 제2 흑연 시트는 박리 흑연의 압축된 입자의 시트 또는 흑연화된 폴리머의 시트일 수 있다. 바람직하게는, 이 실시예에서 보강재는 제1 흑연 시트와 제2 흑연 시트 사이에 위치한다. 실시예는 또한 시트의 외부 표면, 제2 흑연 시트 또는 양자 모두에 보호 코팅을 포함할 수 있다.
본원에 설명된 하나 이상의 시스템(2)의 이점은 인클로저의 점유자의 쾌적함을 위해 열적 에너지를 제공하기 위해 전원의 사용량을 감소시키는 것과 같은 개선된 에너지 효율이다. 전원 사용량의 감소의 이점에 부가하여 또는 그 대신에, 하나 이상의 실시예에 대한 다른 이점은 시스템이 정상 상태 온도를 달성하는 시간의 감소를 포함할 수 있다. 추가적인 이점은 균일성을 포함할 수 있으며, 이는 환경을 균일한 온도로 변화시키기 위한 시간 및/또는 점유자가 연통하는 인클로저의 표면적에 걸친 인클로저의 점유자가 경험하는 온도의 균일성의 증가일 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 시스템에서 에너지 조절기를 포함하지 않는 시스템보다 적어도 이십오 퍼센트(25%) 더 빠른 속도로 원하는 온도를 달성하도록 사용될 수 있다. 또 다른 경우에, 원하는 온도를 얻기 위한 시간의 감소는 에너지 조절기가 없는 대조군보다 적어도 삼십오 퍼센트(35%) 더 빠를 수 있다. 추가적인 실시예에서, 원하는 온도를 달성하기 위한 응답 속도의 개선은 응답 시간의 약 오십 퍼센트(50%) 감소일 수 있다.
또한, 본원에 포함된 실시예는 설정 온도(일명, 희망 온도)에 더 빠르게 도달할 수 있을 뿐만 아니라 더 적은 에너지 소비로 이를 달성할 것이다. 예를 들어, 본원에 개시된 실시예는 이십 퍼센트(20%) 더 적은 에너지를 소비하면서 적어도 이십오 퍼센트(25%) 만큼의 설정 온도 달성시의 시간 감소를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 설정 온도에 도달하는 시간의 감소는 적어도 삼십오 퍼센트(35%)이고 소비된 에너지의 감소는 적어도 사십 퍼센트(40%)이다. 추가적인 실시예에서, 설정점 온도에 도달하는 시간의 감소는 적어도 사십오 퍼센트(45%)이고 소비된 에너지의 감소는 적어도 사십오 퍼센트(45%)이다.
본원에 개시된 실시예의 다른 이점은 원하는 설정 온도가 달성되고 나면, 설정 온도는 적은 에너지 소비로 주어진 시간 기간 동안 설정 온도로 유지될 수 있다는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 설정 온도가 달성되고 나면, 약 십 퍼센트 이상(10%), 바람직하게는 약 십오 퍼센트(15%) 이상의 에너지 소비 감소로 약 두(2) 시간의 기간 동안 유지될 수 있다.
인클로저의 비제한적인 대안 실시예는 승객실을 갖는 운송수단의 형태를 포함한다. 인클로저는 비정상(non-steady) 상태 환경에 배치될 수 있다. 비정상 상태 환경의 예는 외부 환경을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 본원에 설명된 에너지 조절 시스템 구성요소를 포함하지 않는 시스템보다 적어도 이십오 퍼센트(25%) 더 빠른 속도로 원하는 온도를 달성하도록 시스템에 사용될 수 있다. 또 다른 경우에, 원하는 온도를 얻기 위한 시간의 감소는 적어도 삼십오 퍼센트(35%) 더 빠를 수 있다. 추가적인 실시예에서, 원하는 온도를 얻기 위한 시간의 감소는 적어도 삼십오 퍼센트(50%) 더 빠를 수 있다.
본원에 개시된 실시예의 다른 이점은 원하는 설정 온도가 달성되고 나면, 설정 온도는 적은 에너지 소비로 주어진 시간 기간 동안 설정 온도로 유지될 수 있다는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 설정 온도가 달성되고 나면, 약 십 퍼센트 이상(10(+)%), 바람직하게는 약 십오(15%) 이상의 에너지 소비 감소로 약 두(2) 시간의 기간 동안 유지될 수 있다. 본원에 설명된 시스템(2)은 점유자 가열 시스템을 갖는 차량을 제조하는 방법 및 이어서 차량을 가열하는 또 다른 방법에서 사용될 수 있다. 차량 제조 방법의 일 실시예에서, 차량은 차량에 동력을 공급할 수 있는 크기의 리튬 이온 배터리와 같은 배터리를 갖는 전기 차량이다. 방법은 가열기와 열적으로 연통하여 본원에 설명된 바와 같은 부재를 배치하는 단계 및 상기 부재 및/또는 가열기를 본원에 설명된 바와 같은 열 전달 물질과 열적으로 연통하는 상태로 배치하는 단계를 포함한다. 가열 요소는 전원에 의해 급전되고, 전력의 인가는 본원에 설명된 바와 같이 제어기에 의해 제어될 수 있다. 본원에 개시된 시스템의 다양한 선택적인 구성요소가 또한 상기 방법에 적용될 수 있다.
예
본원에 개시된 본 발명은 이제 이하의 예에 관하여 더 설명될 것이다. 이러한 예는 단지 예시적인 목적을 위해 여기에 포함되며, 청구된 주제를 제한하기를 의도하는 것이 아니다.
도 9에는 본원에 설명된 예 중 적어도 일부를 테스트하기 위한 일반적으로 100으로 표시된 시험 장비가 예시되어 있다. 시험 장비(100)는 외부 캐비닛(105) 및 커버(106)를 포함한다. 캐비닛(105) 및 커버(106)는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 필요하다면, 캐비닛(105) 및 커버(106)는 외부 환경으로부터 시험 시편을 열적으로 격리시킬 수 있다. 시험 장비는 스탠드오프(104)를 포함할 수 있다. 도시된 것과 같은 스탠드오프는 절연재로 구성되지만 스탠드오프의 재료 선택은 제한적인 인자가 아니다.
또한, 시험 장비(100)는 저부(102)를 갖는 인클로저(101) 및 인클로저(101)에 맞는 덮개(103)를 포함한다. 인클로저는 캐비닛(105) 내부에 끼워지는 크기이다. 그러나, 인클로저(101) 및 덮개(103)의 구성 재료로서 알루미늄이 사용되었지만, 원하는 경우 다른 재료가 어느 하나 또는 양쪽 모두에 사용될 수 있다. 본원에 설명된 예시적인 시스템(2c)이 시험 장비(100) 내에 도시되어 있다. 시스템(2c)은 2개의 저부 절연 층(18)을 포함한다. 도시된 바와 같은 시스템(2c)은 본원에 설명된 바와 같이 2개의 부재(14)를 포함한다. 가열기(16)는 열선(108) 및 센서(110)를 포함한다. 열선(108)은 배터리(도시되지 않음)와 같은 전원에 의해 급전될 수 있다.
시험 장비는 열 전달 요소(10)로서의 고무 매트(일반적으로 차량 바닥 매트 라 칭함) 및 매트(10)의 상부 표면(12) 상에 배치된 온도 센서(110)를 포함한다. 센서(110)는 제어기(도시되지 않음)와 연통한다. 이 시스템은 인클로저 저부의 표면(22)의 상단에 배치되어 그와 접촉한다.
시험 예 A에서, 도 3에 도시된 바와 같은, 가열기(16)의 상단에 배치된 10㎛ 합성 부재(14) 및 가열기 아래에 배치된 폴리우레탄 발포 절연체(18)를 포함하는 시스템(2a)이 시험 장비(100)를 사용하여 시험되었다.
시스템(2a)에 의해 구체화된 예시적인 제품은 가열 바닥 매트일 수 있다. 이러한 매트 표면은 부재, 예를 들어, 합성 흑연 시트가 가열기 표면의 위에 배치된 상태로 저항 가열기 위에 놓여지고, 이 조립체의 잔여부는 자동차 객실 바닥에 놓여지고 적절한 단열 배리어로 격리된다. 이 예는 각 측면이 PET 필름(~0.05㎜)의 얇은 층으로 코팅된 두께 10㎛의 합성 흑연 필름 부재(14)의 사용을 포함한다. 이러한 코팅된 흑연 필름은 오하이오주 레이크우드 소재의 Advanced Energy Technologies LLC로부터 eGraf® SS1800-0.010(열상수 0.018 W/K)로 상업적으로 입수할 수 있다. 부재(14)는 4 Ω의 내부 저항을 갖는 Dorman 제품 번호 641-307에서 입수할 수 있는 것과 같은 시판 저항 가열 요소(16)의 위에 배치된다. 가열 요소(16)는 약 6㎜ 두께(비압축)의 취입(blown) 폴리우레탄 발포 층 같은 적절한 절연재(18)의 상단에 배치되며, 이 모두가 도시된 바와 같이 저온 표면(20) 상에 놓여진다. 시험 장비(100)의 저온 표면 온도는 0℃로 유지되었고, 열 전달 요소(10)로서 얇은 폴리우레탄 재료의 표면 온도(18℃)를 목표로 Extech 48VFL(관련된 특정 가열 시나리오에 대해 최적화되도록 독립적으로 조율됨)과 같은 PID 제어기에 의해 18℃까지 표면 온도가 능동적으로 제어되었다.
열 전도성 부재(14)를 포함하지 않는 제어에 대한 온도 대 시간 및 전력 대 시간의 그래프가 도 10에 도시된다. 도시된 바와 같이, 에너지/전력(200)은 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어되는 가열 요소(16)에 공급된다. 냉동기 온도는 202로 도시되어 있다. 인클로저(101)의 온도는 204로 도시되어 있다. 인클로저 내의 온도(204)에서 냉동기 온도(202)를 뺀 온도인 인클로저(101) 내의 공기 온도의 변화(A)가 206으로 도시된다. 절연 층(18)의 상단에서의 온도는 208로 도시되어 있다. 열 전달 부재(10)의 온도는 210으로 도시된다. 냉동기 온도(202)를 뺀 열 전달 부재의 온도(210)는 212로 도시된다.
예 A에 대한 온도 및 전력 대 시간의 그래프가 도 11에 도시되어 있으며, 도 10에 도시된 그래프와 유사한 항목은 유사한 참조 번호로 도시된다. 이 예에서, 0℃의 초기 상태에서 18℃의 목표 전달 요소 표면 온도까지의 가열 속도는 6.8 분에 달성되는 것으로 관찰되었으며, 이는 흑연 부재(14)를 사용하지 않는 이 예의 대조 형태보다 46.0% 더 빠른 것이다. 초기 상태에서 목표 표면 온도로 가열하는 이 과정에 의해 소비된 총 에너지는 부재(14)가 없는 대조군보다 소비된 총 에너지가 46.2% 적은 6.3 Wh인 것으로 관찰되었다. PID 제어기는 1.85 시간의 기간 동안 18℃에서 전달 요소의 온도를 유지하는 데 사용되었으며, 시험 장비에서는 0℃의 온도가 유지되었다. 해당 기간 동안 소비된 총 에너지는 60.97 W·hr이며 이는 해당 기간 동안 총 에너지 소비량이 대조군보다 15% 더 적은 것이다.
다른 시험 예 B에서, 가열기(16)의 상단에 직접 배치된 제1 10㎛ 합성 흑연 부재(14), 가열기 바로 아래에 배치된 제2 10㎛ 합성 흑연 부재(14) 및 제2 부재 아래(가열기(16) 반대쪽)에 배치된 폴리우레탄 발포 절연체(18)를 포함하는 도 5에 도시된 시스템(2c)을 시험 장비(100)을 사용하여 시험하였다.
본 실시예는 본원에 설명된 에너지 조절기로서 기능하는 합성 흑연 필름 부재(14)의 2개의 분리된 층을 사용한다. 부재(14)는 두께가 10㎛이고 얇은 PET 필름(~0.05㎜)이 각각의 측면에 코팅된다. 이러한 코팅된 부재(14)는 Advanced Energy Technologies LLC로부터 eGRAF® SS1800-0.010(열상수 0.018 W/K)로서 상업적으로 입수 가능하다. 이 예에서, 저항 가열 요소(16)는 내부 저항이 4 Ω인 Dorman-제품 번호 641-307로부터 상업적으로 입수할 수 있는 예 A와 동일하였다. 가열 요소(16)는 2개의 별개의 부재(14) 사이에 샌드위치된다. 약 6㎜ 두께의 취입 폴리우레탄 발포 층과 같은 적절한 절연재(18) 위에 위치된 캐비닛 구조(105)로부터 격리된 앞서 설명한 전부가 최종적으로 저온 표면(22) 상에 놓인다. 저온 표면(22) 온도는 0℃로 유지되었고, 열 전달 요소(10)로서 얇은 폴리우레탄 표면 재료의 표면 온도를 목표로, 관련된 특정 가열 시나리오에 대해 최적화되도록 독립적으로 조율된 Extech 48VFL과 같은 PID 제어기에 의해 18℃까지 표면 온도가 능동적으로 제어되었다.
온도 대 시간 및 전력 대 시간의 그래프가 도 12에 도시되고, 도 12에서, 도 10에 도시된 그래프와 유사한 항목은 유사한 참조 번호로 도시되어 있다. 0℃의 초기 상태에서 18℃의 목표 시트 표면 온도까지의 가열 속도는 흑연 필름을 사용하지 않는 이 시나리오의 대조 형태보다 54.0% 더 빠른 5.8 분에 달성되는 것으로 관찰되었다. 초기 열 상태에서 목표 표면 온도로 가열하는 이 과정에서 소비된 총 에너지는 상기 부재가 없는 대조군보다 총 에너지 소비가 49.6% 적은 5.9 W·h로 관찰되었다. 목표 온도는 PID 제어기에 의해 18℃에서 1.85 시간 동안 동적으로 유지되었고, 그 동안 일반적 환경으로서 0℃의 초기 상태 온도에 있는 시험 장비와 지속 접촉되었고, 해당 기간에 걸친 총 에너지 소비는 68.1 W·h였고, 이는 대조군보다 해당 기간 동안 소비된 총 에너지가 5.0% 더 적은 것이다.
다른 시험 예 C에서, 도 4에 도시된, 가열기(16)의 바로 아래에 배치된 10㎛ 합성 흑연 부재(14) 및 상기 부재 아래에(가열기(16) 반대쪽에) 배치된 폴리우레탄 발포 절연체(18)를 포함하는 시스템(2b)이 시험 장비(100)를 사용하여 시험되었다.
이 예에서는, 가열기(16)의 표면은 표면재를 형성하는 열 전달 요소(10)와 직접 접촉한다. 부재(14)는 두께 10㎛, 열전도율 1800 W/m·K(열상수 0.018 W/K)의 합성 흑연 필름으로 형성되고, 그 각 측면에는 PET 필름의 얇은 층(0.05㎜ 두께)이 추가로 코팅되었고, 이런 흑연 필름은 예 A 및 B에서 앞서 설명한 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다. 이 실시예에서, 부재(14)는 예 A 및 B에서 사용된 것과 동일한 가열기인 시판 저항 가열기(16)의 저부에 배치된다. 가열기(16) 및 부재(14)는 열 전달 요소(10) 아래에 위치되고, 열 전달 요소는 가열되고, 약 6㎜의 취입 폴리우레탄 발포 층(비압축)의 절연재(18)의 위에 위치시킴으로써 캐비닛 베이스로부터 격리된다. 그런 다음 전체 조립체가 저온 표면(20)에 위치된다. 시험 장비(100) 온도는 0℃로 능동적으로 제어되었고, 폴리우레탄 열 전달 요소 표면(12)의 전술한 표면 온도를 목표로 (관련된 특정 가열 예에 대해 최적화되도록 독립적으로 조율된) Extech 48VFL과 같은 PID 제어기에 의해 18℃까지 표면 온도가 독립적으로 제어되었다. 이 예에서, 0℃의 초기 상태로부터 18℃의 타겟 표면(12) 온도까지의 가열 속도는 상기 부재(14)가 없는 본 예의 대조 형태보다 26.2% 더 빠른 9.3 분을 달성한다는 것이 관찰되었다.
온도 및 전력 대 시간의 그래프가 도 13에 도시되고, 도 13에서, 도 10에 도시된 그래프와 유사한 항목은 유사한 참조 번호로 도시된다. 초기 온도 0℃에서 목표 표면 온도 18℃로 가열하는 이 과정에서 소비된 총 에너지는 동일한 조건에 대한 대조군에서보다 소비된 총 에너지가 20.5% 적은 9.28 W·h로 관찰되었다. 목표 온도는 PID 제어기에 의해 18℃에서 1.85 시간 동안 동적으로 유지되었고, 그 동안 0℃의 환경적 주변 온도와 지속 접촉되었으며, 해당 기간에 걸친 총 에너지 소비는 71.7 W·h였고, 이는 대조군에 비해 총 에너지에 유의미한 영향을 갖지 않는 것이다. 이 실시예에 설명된 바와 같이 흑연 부재(14)를 베이스에 위치시키면, 이 부재는 가열기가 설명된 바와 같이 가열 속도의 가속 및 (짧은 간격에 걸친) 소정 에너지 절약을 지원하는 것을 제공한다. 또한 이는 약간 더 높은 가열된 표면 온도 구배의 이점을 제공할 수 있다. 이는 표면(12)과 접촉하는 승객에게 보다 현저한 가열 품질을 지원하는 영향을 가질 수 있다.
다른 시험 예 D에서, 가열기(16)의 상단에 배치된 부재(14)로서 사용된 박리 흑연(CPEG)의 압축된 입자의 40㎛ 두께의 시트 및 가열기 아래에 배치된 폴리우레탄 발포 절연체(18)를 포함하는 도 3에 도시된 시스템(2a)이 시험 장비(100)를 사용하여 시험되었다.
이 시스템에 의해 구현된 예시적인 제품은 가열 바닥 매트 또는 가열 시트일 수 있다. 이러한 매트 표면은 천연 흑연 부재가 가열기 표면의 위에 배치된 상태로 저항 가열기 위에 놓여지고, 그후, 이 조립체는 자동차의 객실 바닥(20) 상에 놓이고 적절한 단열 장벽(18)으로 격리된다. 하나의 그러한 예는 각 측면 상에 PET 필름(~ 0.05㎜)의 얇은 층이 코팅된, 40㎛의 두께를 갖는 부재(14)로서 eGRAF® SS 400 CPEG 필름의 사용을 포함한다. 이러한 코팅된 흑연 필름은 Advanced Energy Technologies LLC의 SS400-0.040(열상수 0.016 W/K)으로 상업적으로 입수 가능하다. 흑연 필름(14)은 적절한 절연재(18) 위에 배치된 4 Ω의 내부 저항을 갖는 Dorman-제품 번호 641-307으로부터 입수 가능한 것 같은 시판 저항 가열기(16)의 위에 배치된다. 이 예에서, 절연체(18)는 약 6㎜ 두께의(비압축) 취입 폴리우레탄 발포 층이다. 이 조립체는 저온 표면(22) 상에 놓여 배치된다. 시험 장비(100) 내의 온도는 0℃로 유지되고 18℃의 열 전달 요소 표면(12)에 대한 목표 온도는 Extech 48VFL과 같은 PID 제어기(관련된 특정 가열 예에 대해 최적화되도록 독립적으로 조율됨)에 의해 능동적으로 제어되었다. 열 전달 요소(10)는 폴리우레탄 재료였다. 온도 및 전력 대 시간의 그래프가 도 14에 도시되어 있으며, 도 10에 도시된 그래프와 유사한 항목은 유사한 참조 번호로 도시된다. 이 예에서, 0℃의 초기 상태에서 18℃의 열 전달 요소의 목표 온도까지의 가열 속도는 6.6 분에 달성되는 것으로 관찰되었으며, 이는 흑연 부재(14)를 사용하지 않는 이 예의 대조 형태보다 47.6% 더 빠른 것이다. 이 예에서 초기 상태에서 목표 표면 온도로 가열하는 이 과정에서 소비된 총 에너지는 대조군보다 총 에너지 소비가 47.9% 적은 6.1 W·h로 관찰되었다. 목표 온도는 PID 제어기에 의해 18℃에서 1.85 시간 동안 동적으로 유지되었고, 그 동안 그 일반적 환경으로서 0℃의 초기 상태 온도와 지속 접촉되었고, 해당 기간에 걸친 총 에너지 소비는 61.9 W·h였고, 이는 대조군보다 해당 기간 동안 소비된 총 에너지가 13.6% 더 적은 것이다. 이 실시예는 매트 표면 온도의 급속한 가온 및 아래의 하위 저온 객실 구조로의 열 손실로부터 이를 격리시키는 가열 표면의 단열을 제공한다. 이러한 맥락에서 고 열전도율, 흑연 부재의 사용은 설명된 에너지 효율 개선을 통해 열 품질 개선을 지원한다.
다른 시험 예 E에서, 도 3에 도시된, 가열기(16)의 상단에 배치된 부재(14)로서 사용되는 125㎛ 두께의 알루미늄 시트 및 가열기 아래에 배치된 폴리우레탄 발포 절연체(18)를 포함하는 시스템(2a)이 시험 장비(100)를 사용하여 시험되었다.
이 시스템에 의해 구현된 예시적인 제품은 가열 바닥 매트 또는 가열 시트일 수 있다. 열 전달 요소(10)를 형성하는 이러한 매트 또는 시트는 가열기 표면의 위에 알루미늄 부재(14)가 배치되는 상태로 저항 가열기(16) 상에 놓여지고, 그후, 이 조립체가 자동차 객실 바닥(20) 상에 놓이고 적절한 단열 장벽(18)으로 격리된다. 하나의 그러한 예는 125㎛의 두께를 갖는 알루미늄 에너지 보존 열 전도성 부재(14)의 사용을 포함하며, 이 부재의 각 측면 상에는 PET 필름(~0.05㎜)의 얇은 층이 코팅된다. 이 예에서, 알루미늄 부재(14)는 약 6㎜ 두께(비압축)의 절연재(18)의 취입 폴리우레탄 발포 층의 위에 배치된, 4 Ω의 내부 저항을 갖는 전술한 시판 저항 가열기(16)의 위에 배치된다. 이 조립체는 저온 표면(20)에 놓여진다. 시험 장비의 온도는 0℃로 유지되고 열 전달 요소(12)의 표면 온도는 열 전달 요소(10)의 표면(12)의 표면 온도가 18℃가 되게 하는 것을 목표로 Extech 48VFL(관련된 특정 가열 시나리오에 대해 최적화되도록 독립적으로 조율됨)과 같은 PID 제어기에 의해 18℃로 능동적으로 조절된다.
온도 및 전력 대 시간의 그래프가 도 15에 도시되며, 도 15에서, 도 10에 도시된 그래프와 유사한 항목은 유사한 참조 번호로 도시된다. 이 예에서, 0℃의 초기 상태에서 18℃의 목표 시트 표면 온도까지의 가열 속도는 11.0 분에 달성되는 것으로 관찰되었으며, 이는 알루미늄 부재(14)를 사용하지 않는 이 예의 대조 형태보다 12.7% 더 빠른 것이다. 또한, 초기 상태에서 목표 표면 온도로 가열하는 이 과정에서 소비된 총 에너지는 대조군보다 총 에너지 소비가 12.8% 적은 10.2 W·hr로 관찰되었다. 목표 온도는 PID 제어기에 의해 18℃에서 1.85 시간 동안 동적으로 유지되었고, 그 동안 그 일반적 환경으로서 0℃의 초기 상태 온도와 지속 접촉되었고, 해당 기간에 걸친 총 에너지 소비는 70.7 W·h였고, 이는 대조군보다 해당 기간 동안 소비된 총 에너지가 1.4% 더 적은 것임을 추가로 유의하여야 한다. 이 실시예는 매트 또는 시트 표면 온도의 급속한 가온 및 아래의 하위 저온 객실 구조(20)로의 열 손실로부터 이를 격리시키는 가열 표면(12)의 단열을 제공한다. 이러한 맥락에서 고 열전도율, 알루미늄 부재(14)의 사용은 설명된 에너지 효율 개선으로 열 품질 개선을 지원한다. 경량 및 가열 속도가 주된 중점이 아닌 응용에 대해, 비교적 짧은 운전 범위를 지원할 때 에너지 효율 개선은 수용할만 하다.
예 A-E의 결과의 요약이 표 1에 제공되어 있다.
예 상단
확산기		 저부
확산기		 절연체 장비 온도
(℃)
 가열기
설정 온도
(℃)		 가열 시간
(분)		 %
가열
시간
감소		 가열 에너지
(Wh)		 %
가열
에너지 감소		 총 시간(h) 총 에너지
(Wh)		 %
총
에너지
감소
A SS1800- 0.010- P1GP1 없음 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 0 18 6.8 46.0% 6.3 46.2% 1.85 60.97 15.0%
B SS1800- 0.010- P1GP1 SS1800- 0.010-
P1GP1		 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 0 18 5.8 54.0% 5.9 49.6% 1.85 68.1 5.0%
C 없음 SS1800- 0.010- P1GP1 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 0 18 9.3 26.2% 8.91 20.5% 1.85 71.7 0.0%
D SS400-
0.040- P1GP1		 없음 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 0 18 6.6 47.6% 6.1 47.9% 1.85 61.9 13.6%
E Al-0.125-P1GP1 없음 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 0 18 10.9 12.7% 10.2 12.8% 1.85 70.7 1.4%
베이스라인 없음 없음 폴리우레탄
발포 6㎜
비압축		 18 12.6 11.6 1.85 71.7
본원에 설명된 다양한 실시예는 그 임의의 조합으로 실시될 수 있다. 이전 설명은 본 기술 분야의 숙련자가 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위한 것이다. 설명을 읽을 때 숙련된 작업자가 명백히 알 수 있는 가능한 모든 변형 및 수정을 상세히 설명하고자 하는 것은 아니다. 그러나, 이러한 모든 수정 및 변형은 다음의 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 청구범위는 문맥상 명시적으로 달리 나타나지 않는 한, 본 발명의 의도된 목적을 충족하는 효과가 있는 임의의 배열 또는 순서의 표시된 요소 및 단계를 포함하는 것을 의도한다.
본 출원에 언급된 모든 인용된 특허 및 공보는 그 전체가 참조로 통합된다.
이렇게 설명된 본 발명에서, 본 발명이 다양한 방식으로 변화될 수 있음을 명백히 알 수 있을 것이다. 앞의 명세서를 읽고 이해한 사람들은 수정 및 변경을 안출할 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부된 청구범위 또는 그 균등물의 범위 내에 있는 모든 그러한 수정 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 열적 에너지 소스로부터 에너지를 조절하기 위한 에너지 조절 시스템이며,
    상기 에너지 소스와 열적으로 연통하는 열 전도성 부재로서, 박리 흑연의 압축된 입자, 흑연화된 폴리머 및 이들의 조합의 시트의 적어도 하나를 포함하는 가요성 흑연의 시트를 포함하는, 열 전도성 부재;
    상기 열 전도성 부재와 열적으로 연통하는 열 전달 요소로서, 외부 표면을 갖는, 열 전달 요소;
    상기 열 전달 요소 및 상기 열 전도성 부재 중 적어도 하나에 근접하게 배치된 온도 센서; 및
    상기 온도 센서로부터의 신호에 응답하여 상기 열적 에너지 소스에 대한 전력의 인가를 제어하기 위해 상기 온도 센서 및 에너지 소스와 동작식으로 연통하는 제어기를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가요성 흑연은 0.25 W/K 이하의 열상수를 갖고, 상기 열상수는 상기 가요성 흑연의 두께에 상기 가요성 흑연의 평면내 열전도율을 곱함으로써 결정되는, 에너지 조절 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 소스, 상기 열 전도성 부재 및 상기 열 전달 요소 중 적어도 하나와 열적으로 연통하는 절연 층을 더 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 비례-적분-미분 제어기를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열적 에너지 소스에 급전하기 위해 상기 열적 에너지 소스와 동작식으로 연통하도록 배치된 전원을 더 포함하며, 상기 전원은 상기 열적 에너지 소스에 의해 제공된 상기 열적 에너지를 조절하기 위해 상기 제어기에 의해 제어되는, 에너지 조절 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전원은 리튬-이온 배터리, 납산 배터리, 마그네슘 배터리 또는 연료 전지 중 하나를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열적 에너지 소스는 저항 가열 요소, 폐열 회수 및 열적 에너지 전달 유체 중 하나를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 부재는 내부 표면을 더 포함하며, 상기 에너지 소스는 상기 내부 표면의 표면적의 25% 이하와 물리적으로 접촉하는, 에너지 조절 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 내부 표면은 상기 내부 표면과 물리적으로 접촉하는 상기 열적 에너지 소스의 표면적보다 적어도 25% 더 넓은 면적을 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 요소를 수용하는 승객실을 갖는 차량을 더 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열적 에너지 소스와 열적으로 연통하는 가요성 흑연의 시트를 포함하는 제2 열 전도성 부재를 더 포함하며, 상기 에너지 소스는 상기 열 전도성 부재와 상기 제2 열 전도성 부재 사이에 배치되는, 에너지 조절 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열 전도성 부재는 상기 에너지 소스 위에 배치되고, 상기 제2 열 전도성 부재는 상기 에너지 소스 아래에 배치되는, 에너지 조절 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 가요성 흑연의 시트는 0 중량% 내지 1 중량%의 수지를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 가요성 흑연의 시트는 0 중량% 내지 10 중량%의 바인더를 포함하는, 에너지 조절 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 열적 에너지 소스는 유도에 의해 무선으로 가열되는 열 소스인, 에너지 조절 시스템.
  16. 열적으로 조절된 물품이며,
    외부 표면을 갖는 열 전달 요소;
    상기 열 전달 요소와 열적으로 연통하는 열 전도성 부재로서, 박리 흑연의 압축된 입자, 흑연화된 폴리머 및 이들의 조합의 시트의 적어도 하나를 포함하는 가요성 흑연의 시트를 포함하는, 열 전도성 부재;
    상기 열 전도성 부재 및 상기 열 전달 요소 중 적어도 하나와 열적으로 연통하는 열적 에너지 소스; 및
    상기 열 전달 요소 및 에너지 보존 열 전도성 부재 중 하나의 주위에 배치된 온도 센서를 포함하는, 열적으로 조절된 물품.
  17. 제16항에 있어서, 에너지 소스, 열 전도성 부재 및 열 전달 요소 중 적어도 하나와 열적으로 연통하는 절연 층을 더 포함하는, 열적으로 조절된 물품.
  18. 제16항에 있어서, 상기 가요성 흑연은 0.25 W/K 이하의 열상수를 갖고, 상기 열상수는 상기 가요성 흑연의 두께에 상기 가요성 흑연의 평면내 열전도율을 곱함으로써 결정되는, 열적으로 조절된 물품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 열적으로 조절된 물품은 건축 자재를 포함하는, 열적으로 조절된 물품.
  20. 제18항에 있어서, 상기 열적으로 조절된 물품은 차량 구성요소를 포함하는, 열적으로 조절된 물품.
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