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KR101782075B1 - 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치 및 방법 - Google Patents

열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치 및 방법 Download PDF

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KR101782075B1
KR101782075B1 KR1020137017102A KR20137017102A KR101782075B1 KR 101782075 B1 KR101782075 B1 KR 101782075B1 KR 1020137017102 A KR1020137017102 A KR 1020137017102A KR 20137017102 A KR20137017102 A KR 20137017102A KR 101782075 B1 KR101782075 B1 KR 101782075B1
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line
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evaporator
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올라 홀
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 라인 회로(3), 냉매를 상기 라인 회로(3) 내에서 순환시키는 순환 수단(3), 냉매가 열원(7)에 의해 증발되도록 의도된 증발기(6), 상기 증발된 냉매에 의해 구동되도록 구성된 터빈(9), 냉매가 응축되도록 상기 냉매를 냉각시키는 응축기, 및 라인 회로(3)에서 순환되지 않는 냉매를 저장하기 위한 축적 탱크(14)를 포함한다. 상기 장치는 터빈이 일반적인 작동 조건에서 실질적으로 최적의 효과를 달성하는 냉매를 라인 회로(3)에 충전하는 정도를 예측하고, 상기 라인 회로(3)와 축적 탱크(14) 사이에서 냉매의 유동을 상기 라인 회로(3)에 상기 예측된 냉매의 충전이 달성되는 방식으로 제어하도록 구성된 제어 수단을 포함한다.

Description

열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치 및 방법{ARRANGEMENT AND METHOD FOR CONVERTING THERMAL ENERGY TO MECHANICAL ENERGY}
본 발명은 특허청구범위 청구항 제1항 및 제11항의 전제부에 따른 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량의 연소 기관에서 연료가 연소될 때, 화학 에너지를 기계 에너지로 변환하여 차량을 추진한다. 그런데, 화학 에너지의 대부분이 다양한 방법으로 주위에 방출되는 열에너지로 변환된다. 이것의 한 예는 주위로 방출되는 배기가스 내의 열에너지이다. 다른 예는 다양한 종류의 냉각 장치에서 능동적으로 냉각되는 차량 내에서 다양한 종류의 열매체(warm media)에 존재하는 열에너지이다. 이러한 열매체의 예는 차량의 엔진과 기타 가능한 구성요소를 냉각시키는 냉각 시스템 내의 냉각수이다. 열 냉각수는 일반적으로 차량의 전방부에서 주위의 공기에 의해 라디에이터에 의해 냉각된다. 많은 연소 기관들이 이들에게 공급되는 압축공기를 수반하여 과충전 된다. 충전 공기는 기관에 안내되기 전에 적어도 하나의 충전 공기 쿨러에서 냉각된다. 질소 산화물의 방출을 감소시키기 위해서 배기가스의 일부가 재순환될 수 있다. 재순환 하는 배기가스가 충전 공기와 혼합되고 기관 등의 안으로 안내되기 전에 적어도 하나의 EGR 쿨러에서 냉각된다.
미국 특허출원공개공보 제2003/0145583호에는 차량에 소위 WHR(폐열 회수; waste heat recovery) 시스템의 예가 언급되어 있다. WHR 시스템은 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 데 사용된다. WHR 시스템은 라인 회로에 물을 순환시키는 펌프를 구비한 회로를 포함한다. 상기 라인 회로는 기관의 배기가스로부터의 열에 의해 물이 증발되는 증발기와, 증기에 구동되는 터빈을 포함한다. 상기 터빈을 통과하며 증기가 팽창될 때, 증기의 열에너지의 일부가 기계 에너지로 변환된다. 특히 톱니바퀴식 기어를 포함하는 동력 전달 시스템이 터빈의 운동을 기관의 출력축 및/또는 전기 에너지 발전기로 전달시킨다.
본 발명의 목적은 효과적인 방식으로 열에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있는 장치를 제안하는 데 있다.
이 목적은 특허청구범위 청구항 제1항의 특징하는 부분에 나타낸 특징에 의해 특징으로 하는 도입부에서 언급된 종류의 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 장치는 종래의 WHR 시스템의 기본 구성요소를 포함한다. WHR 시스템의 효율은 라인 회로가 냉매로 채워진 정도에 따라 달라진다. WHR 시스템에 상기 냉매의 최적의 충전은 일반적으로 최대 부하가 걸리는 작동 상태에 대해 필요한 크기로 맞춰진다. 이는 WHR 시스템이 최대 부하가 걸리지 않는 다른 작동 상태에서는 저효율이 된다. 본 발명은 터빈이 일반적인 가동 조건에서 실질적으로 최적 작동이 달성되는 냉매를 갖는 라인 회로의 충전의 정도를 예측하고, 다음에 필요에 따라 상기 조건을 예측된 값으로 조정한다. 이는 상기 라인 회로에 의해 실질적으로 터빈을 최적으로 가동하고 실질적인 기계 에너지를 최적으로 생산하게 되는 충전의 정도를 항상 가진다는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 제어 시스템은 냉매가 실질적으로 보조 냉각을 하지 않는 증발기 안으로 안내되는 냉매를 구비한 라인 회로의 충전의 정도를 예측하도록 구성되어 있다. 이러한 경우일 때, 증발의 프로세스가 시작되기 전에 초기에 상기 냉매를 증발 온도까지 가열함으로써 어떠한 열에너지도 사용할 필요가 없다. 따라서, 열원으로부터의 모든 열에너지는 상기 냉매를 증발시키기 위해 사용될 수 있고 냉매가 터빈으로 안내되기 전에 어떠한 필요한 보조 가열을 하는데 사용된다. 따라서, 상기 증발된 냉매에 의해 상기 터빈이 모든 작동 상태에서 실질적으로 최적으로 가동되고 기계 에너지의 실질적인 최적 생산이 달성될 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 순환 수단은 라인 회로(3)의 응축기와 증발기 사이에 위치된 펌프이다.
소망하는 방식으로 기능하는 펌프에 대해서, 펌프로 안내되는 냉매의 전체가 액체 형태로 되어야 한다. 이를 보장하기 위해서, 응축기를 떠난 상기 냉매가 특정한 보조 냉각을 가지는 것이 적합하다. 그러나, 이 보조 냉각은 가능한 한 적어야 하며 1도 내지 3도 정도일 수 있다. 이러한 경우일 때, 증발기에 안내되는 냉매는 가능한 가장 적은 보조 냉각을 가질 수 있다. 이 크기의 보조 냉각에 의해 여분의 효율에만 영향을 미치고 실질적으로 터빈이 최적으로 가동하게 된다. 본 발명의 장치는 펌프와 증발기 사이의 라인 회로에 냉매가 증발기 안으로 안내되기 전에 가열되도록 의도된 열교환기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 냉매는 열교환기 내에서 응축기 내의 어떠한 보조 냉각에 대해서 보상하는 가열을 거치게 된다. 다음에, 상기 냉매는 어떠한 보조 냉각 없이 증발기 안으로 안내될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제어 수단은 매개 변수를 모니터하는 적어도 하나의 센서로부터 정보를 받도록 구성된 제어 유닛으로, 제어 유닛은 매개 변수에 기초하여 냉매로 충전된 정도를 예측하고, 이때 실질적으로 최적의 효과를 달성한다. 상기 제어 유닛은 이 목적을 위한 적합한 소프트웨어를 구비한 컴퓨터 유닛일 수 있다. 상기 센서는 라인 회로 내의 응축기와 증발기 사이의 위치에서의 냉매의 온도 및/또는 압력을 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 상기 냉매의 온도와 압력을 알고 있게 됨으로써, 예를 들면, 몰리에르 선도(Mollier diagram)에 의해 보조 냉각의 양을 결정할 수 있다. 대안적으로, 상기 제어 유닛은 매개 변수를 검출하는 센서로부터 정보를 받을 수 있고, 이 매개 변수에 의거하여 증발기 및/또는 응축기의 현재 부하를 예측할 수 있다. 이 경우에, 상기 제어 유닛은 상기 증발기 및/또는 응축기가 서로 다른 부하일 때 적합하게 냉매로 충전되는 정도에 관해 기억된 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제어 수단은 라인 시스템과 축적 탱크 사이에서 연장되는 적어도 하나의 라인과, 상기 라인 회로를 냉매로 충전하는 정도를 조정할 필요가 있을 때 라인 회로와 축적 탱크 사이에서 냉매를 안내하도록 구성된 유동 수단을 포함할 수 있다. 이러한 라인에 의해 라인 회로를 냉매로 충전하는 정도가 서로 다른 작동 상태에서 용이하고 효과적으로 조정될 수 있다. 상기 라인은 냉매가 축적 탱크 내와 압력이 다른 위치에서 라인 회로에 연될 수 있고, 상기 유동 수단은 상기 라인에 폐쇄 상태 및 적어도 하나의 개방 상태에 놓일 수 있는 밸브를 포함한다. 상기 라인은 냉매가 상기 축적 탱크 내에서보다 낮은 압력에 있는 위치에서 라인 회로에 연결되어 있는 경우, 이에 의해 밸브가 개방될 때 라인 회로 내의 냉매가 다시 충전된다. 상기 라인은 냉매가 축적 탱크 내에서 보다 높은 압력인 위치에서 라인 회로에 연결되어 있는 경우, 이에 의해 상기 밸브가 개방되었을 때 라인 회로로부터 냉매를 드레인 하게 된다. 대안적으로, 상기 유동 수단은 상기 라인 회로와 축적 탱크 사이에 라인 내에 위치된 펌프를 포함한다. 유리하게는, 상기 펌프는 냉매를 라인 회로에 공급하고, 냉매를 라인 회로부터 드레인 하는 양쪽 모두를 동일한 라인을 사용할 수 있도록 가역적일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열원은 연소 기관에 의해 동력이 공급되는 차량의 열매체(warm media)이다. 차량에는 상기 본 발명의 장치를 위한 열원으로서 역할을 할 수 있는 다수의 매체가 있다. 기관의 배기가스가 이러한 열원이다. 기타 열원에는 차량의 냉각 시스템에서 순환되는 냉각수가 포함된다. 또한 가능한 열원에는 충전 공기와 기관에 안내되는 재순환되는 배기가스가 있다. 이들 매체는 상기 기관의 상이한 작동 상태에서 유동과 온도가 변화된다. 위에서 정의된 본 발명의 장치는 상기 매체의 유동과 온도가 변화하는 때에도 터빈이 실질적으로 최적으로 가동되는 것이 달성될 수 있다.
도입부에 언급된 본 발명의 목적은 또한 특허청구범위 제11항에 따른 방법에 의해 달성된다. 상기 방법은 터빈에 의해 실질적으로 최적 효과가 달성되는 냉매가 충전되는 정도를 예측하는 단계와, 라인 회로와 축적 탱크 사이의 냉매의 유동이 상기 예측된 냉매로 충전되는 정도가 라인 시스템에서 달성되도록 제어하는 단계를 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 일예를들어 설명한다.
도 1은 열에너지를 기계 에너지로 변환시키는 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 장치를 작동하는 방법을 설명하는 흐름도이다
도 3은 열에너지를 기계 에너지로 변환시키는 대안적인 실시예에 따른 장치를 도시한 도면이다.
도 1에는 종래의 WHR(폐열 회수; waste heat recovery) 시스템에 사용된 다수의 구성 요소를 포함한 장치를 도시되어 있다. WHR 시스템은 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 다양한 환경에서 사용된다. 이 경우에, 상기 장치는 개략적으로 도시된 차량(1)의 연소 기관(2)으로부터 방출된 배기가스의 열에너지로부터 기계 에너지를 추출하는 데 사용된다. 상기 장치는 순환하는 냉매를 구비한 라인 회로(3)를 포함한다. 상기 냉매는 펌프(4)에 의해 라인 회로(3)에서 가압될 때 액체 형태로 된다. 펌프(4)는 소위 레큐퍼레이터(recuperator)라고 부르는 열교환기(5)로 냉매를 안내한다. 상기 냉매는 상기 열교환기(5)로부터 증발기(6)까지 안내된다. 상기 냉매는 상기 기관(2)의 배기 라인(7)을 통해 안내된 배기가스에 의해 증발기(6)에서 가열된다. 배기 라인(7) 내의 배기가스의 온도와 유동이 상기 기관(2)의 부하에 의해 변화된다. 상기 기관(2)이 디젤 기관이면, 상기 배기가스는 600 ℃ 내지 700 ℃ 까지의 온도가 될 수 있다.
상기 냉매는 상기 배기가스에 의해 증발되도록 증발기(6)에서 열을 받게 된다. 그 결과물인 가스 냉매가 증발기(6)로부터 보조 히터(8)까지 안내된다. 필요시, 상기 냉매가 터빈(9)에 도달했을 때 냉매 전체가 가스 형태로 되는 것을 보장하기 위해 여기서 상기 냉매가 보조 히터(8)에서 추가 가열을 거친다. 다음에, 상기 냉매는 터빈을 통해서 팽창된다. 여기서 상기 냉매의 열 에너지의 일부가 기계 에너지로 변환된다. 이 경우에 상기 터빈(9)은 발전기(10)를 구동시킨다. 이와 같이, 추출된 기계 에너지는 에너지 저장고(11)에 저장되는 전기 에너지로 변환된다. 상기 저장된 전기 에너지는 유리하게는 차량(1)의 추력용으로 사용되거나 또는 차량(1)의 구성 요소를 작동하기 위해 사용된다. 대안적으로, 터빈(9)은 차량의 동력 전달 장치에 연결 가능한 플라이휠 또는 유사한 기계 에너지 저장 유닛에 연결된다. 차량의 동력 전달 장치에 플라이휠이 연결될 때, 상기 차량에는 여분의 추진력의 동력이 제공된다.
상기 냉매가 터빈(9)에서 팽창될 때, 상기 냉매는 저압 및 저온이 된다. 다음에, 경미한 냉각을 거치는 상기 열교환기(5)를 통해 가스 냉매가 안내된다. 그 이후에, 상기 가스 냉매는 자신이 응축되는 온도까지 냉각되는 응축기(12)로 안내된다. 설명된 실시예에서, 가스 냉매는 주위의 온도에서 공기에 의해 상기 응축기(12)에서 냉각된다. 공기 팬(13)은 주위 공기를 빨아들이고, 공기는 응축기(12)를 통과한다. 따라서, 가스 냉매는 응축기(12)에서 액체로 변화된다. 차가운 냉각수 이용할 수 있는 경우, 상기 가스 냉매는 대안적으로 상기 응축기(12) 내에서 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 액체 냉매는 상기 응축기(12)로부터 펌프까지 빨아들여진다. 열교환기(5)에 도달한 액체 냉매는 상기 응축기(12)의 상류 위치에서 열교환기(5)를 통해서 안내된 가스 냉매보다 낮은 온도가 된다. 따라서, 액체 냉매는 증발기(6)에 도달하기 전에 열교환기(5) 내에서 경미하게 가열된다. 순환하는 냉매는 터빈(9)에서 압력 강하가 된다. 펌프(4)가 상기 냉매에 대해 상당하는 압력을 상승시켜 준다. 따라서, 상기 냉매는 상기 라인 회로(3)에서 냉매 순환의 의도된 방향에 대해서 터빈(9)에서 펌프(4)까지 연장되는 라인 회로(3)의 부분에서 보다 펌프(4)에서 터빈(9)까지 연장되는 라인 회로(3)의 부분에서 압력이 더 높아진다. 상기 터빈(9)이 배기 라인(7)의 배기가스로부터의 열에너지를 이용하여 기계 에너지로 변환시킬 수 있다. 이 경우에 기계 에너지는 발전기에서 전기 에너지로 변환된다. 상기 기계 에너지 또는 전기 에너지는 차량(1)을 추진시키는데 유리하게 이용된다. 따라서, 차량은 어떠한 추가 연료의 공급 없이 더 많은 용량을 획득할 수 있다.
본 발명의 장치는 또한 라인 회로(3)에서 사용되지 않는 냉매를 저장하기 위해 축적 탱크(14)를 포함한다. 상기 축적 탱크(14)는 상기 축적 탱크(14) 내에 액체 상태와 가스 상태의 냉매가 적합한 양이 있게 하는 온도와 압력으로 상기 냉매를 저장하도록 구성된다. 상기 장치는 밸브(16)를 갖는 제1 라인(15)을 포함한다. 상기 제1 라인(15)은 축적 탱크(14)의 상부 부분으로부터 상기 냉매가 축적 탱크(14)의 압력 보다 더 낮은 압력인 라인 회로(3)의 영역까지 연장된다. 상기 밸브(16)가 개방될 때, 가스 냉매는, 상기 제1 라인(15)을 경유하여 축적 탱크(14)로부터 라인 회로(3)까지 안내된다. 상기 장치는 밸브(18)를 갖는 제2 라인(17)을 포함한다. 상기 제2 라인(17)은 축적 탱크(14)의 하부 부분으로부터 상기 냉매가 축적 탱크(14)에서 보다 더 높은 압력인 라인 회로(3)의 영역까지 연장된다. 상기 밸브(18)가 개방될 때, 액체 냉매는, 터빈(9)을 경유하여 라인 회로(3)로부터 축적 탱크(14)까지 안내된다. 온도 센서(19)와 압력 센서(20)는 응축기(12)의 하류이며 펌프(4)의 상류인 위치의 라인 회로(3)에 위치된다. 제어 유닛(21)은 작동 중에 온도 센서(19)와 압력 센서(20)로부터 정보를 받도록 구성된다. 제어 유닛(21)은 라인 회로(3)의 냉매를 충전하는 정도를 조정하기 위해 상기 밸브(16, 18)들 중의 하나를 개방하도록 구성된다.
기관(2)의 부하가 변화될 때, 상기 배기 라인(7) 내의 배기가스의 유동과 온도가 변화된다. 상기 기관(2)에 중부하(重負荷)가 있는 작동 상태에 의해 배기 라인(7)을 통해 고온에서 배기가스의 유동이 커지게 된다. 이러한 작동 상태에서 상기 터빈(9)에 의해 비교적 대량의 열에너지를 상기 배기가스로부터 회수할 수 있다. 기관에 경부하가 걸리면 배기 라인(7)을 통하여 저온에서 배기가스의 유동이 현저하게 적어진다. 이러한 작동 상태에서 상기 터빈(9)에 의해 현저히 적은 양의 열에너지를 상기 배기가스로부터 회수할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 모든 작동 상태에서의 상기 배기가스로부터 가능한 한 많은 열에너지를 회수하는 것이 바람직하다. 열에너지의 최적의 회수는 증발기(6) 내로 안내된 액체 냉매가 보조 냉각이 없을 때, 달성된다. 이러한 경우일 때, 상기 배기가스로부터의 열에너지는 증발 온도까지 증발기(6) 내의 냉매를 가열하는 데 실질적으로 사용될 필요가 없어서, 배기가스로부터의 열에너지 전체를 실질적으로 증발기(6) 내의 냉매를 증발시키는 데 사용할 수 있다. 이 경우에, 열에너지의 최적의 양이 터빈(9) 내에서 기계 에너지로 변환될 수 있다.
도 2는 도 1의 장치의 작동 중 방법을 설명하는 흐름도이다. 상기 방법은 단계 22에서 시작된다. 작동 중에, 제어 유닛(21)은 냉매의 온도(t)와 압력(p)에 관한 온도 센서(19)와 압력 센서(20)로부터 정보를 단계 23에서 받는다. 온도 센서(19)와 압력 센서(20)는 상기 라인 회로(3) 내의 냉매의 유동 방향에 대해서 상기 응축기(12)의 하류이며 펌프(4)의 상류인 위치에 위치된다. 이 정보에 의거하여, 상기 제어 유닛은, 예를 들면, 특정한 냉매에 대한 몰리에르 선도에 의해 응축기(12) 내의 보조 냉각(Δt)을 예측할 수 있다. 액체 형태의 냉매가 펌프(4)에 도달하지 않는 것을 보장하기 위해, 어느 정도의 보조 냉각의 기준 값(Δref)이 수용된다. 상기 응축기(12)의 보조 냉각의 기준 값(Δref)은 유리하게는 상기 냉매가 열교환기(5)에서 거치는 온도 상승에 상당한다. 이에 의해 보조 냉각 없이 액체 냉매가 증발기(6) 안으로 안내된다. 상기 제어 유닛(21)은 단계 25에서 각각의 냉매의 보조 냉각(Δt)이 기준 값(Δref)에 상당하는지의 여부를 비교한다. 만일 이러한 경우라면, 제어 유닛(21)에 의해 라인 회로(3)의 냉매의 양이 정확하다는 것을 알게 될 것이다. 다음에, 상기 방법은 단계 22에서 다시 시작된다.
만일 상기 제어 유닛(21)에 의해 보조 냉각(Δt)이 기준 값(Δref)과 동일하지 않으면, 상기 방법은, 상기 제어 유닛(21)에 의해 상기 보조 냉각(Δt)이 상기 기준 값(Δref)에 비해 너무 적거나 또는 너무 큰지의 여부를 결정하는 단계 26으로 이동한다. 응축기(12) 내의 냉매의 보조 냉각(Δt)이 너무 큰 경우, 상기 제어 유닛(21)에 의해 제1 라인(15)의 밸브(16)를 단계 27에서 개방한다. 따라서, 상기 제1 라인(15)은 축적 탱크(14)에서 보다 낮은 압력인 라인 회로(3)의 부분에 연결된다. 그러므로, 가스 냉매는 상기 밸브(16)가 개방될 때 라인 회로(3) 안으로 빨려 들어간다. 상기 제어 유닛(21)에 의해 또한 현재의 보조 냉각(Δt)과 기준 값(Δref) 사이의 차이를 예측하기 위해 어느 만큼의 냉매가 추가되어야 하는지를 단계 27에서 예측할 수 있다. 상기 제어 유닛(21)에 의해 상기 예측된 냉매의 양이 추가될 수 있도록 당분간 제1 라인(15)을 개방한 채로 유지하게 할 수 있다. 다음에, 상기 방법은 다시 단계 22에서 시작된다. 상기 냉매의 양이 라인 회로(3) 내에서 증가될 때, 그 중 더 많은 것이 응축기(12)에 축적되고 상기 응축기(12)를 떠난 냉매의 보조 냉각이 감소된다.
응축기(12) 내에서 냉매의 상기 보조 냉각(Δt)이 너무 적으면, 제어 유닛(21)에 의해 단계 28에서 제2 라인(17)의 밸브(18)를 개방한다. 이와 같이, 제2 라인(17)은 축적 탱크(14)에서 보다 높은 압력인 라인 회로(3)의 부분에 연결된다. 따라서, 액체 냉매는 상기 밸브(18)가 개방되었을 때 라인 회로(3)로부터 축적 탱크(14) 안으로 밀려들어 간다. 제어 유닛(21)에 의해 또한 각각의 보조 냉각(Δt)과 기준 값(Δref) 사이의 차이를 없애기 위해 얼마만큼의 냉매가 라인 회로(3)로부터 안내되어야 할 필요가 있는지를 단계 28에서 예측할 수 있다. 상기 제어 유닛(21)은 상기 예측된 냉매의 양이 라인 회로(3)로부터 안내되도록 당분간 밸브(18)의 개방을 유지할 수 있다. 다음에, 상기 방법은 다시 단계 22에서 시작된다. 상기 라인 회로(3)에서 상기 냉매의 양이 감소될 때, 냉매가 응축기(12) 내에 더 적게 축적되고 응축기(12)를 떠난 냉매의 보조 냉각이 증가된다. 다음에 상기 방법은 다시 단계 22에서 시작된다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 이 경우에, 축적 탱크(14)는 라인(29)에 의해 라인 회로(3)에 연결된다. 가역 펌프(30)는 상기 라인(29)에 제공된다. 여기서 제어 유닛(21)에 의해 라인 회로(3)의 냉매의 충전 정도가 증가 및 감소 양쪽 모두 될 수 있도록 펌프(30)를 제어한다. 이 경우에 상기 제어 유닛(21)은 열교환기(5)의 하류이며 증발기(6)의 상류인 위치에 라인 회로(3) 내에 위치된 온도 센서(19)와 압력 센서(20)로부터 정보를 받는다. 다음에, 상기 제어 유닛(21)에 의해 상기 증발기(6)로 안내된 액체 냉매가 보조 냉각이 있는지 또는 없는지의 여부를 바로 결정할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조한 실시예에 결코 제한되지 않으며 특허청구범위의 범위 내에서 자유로이 변경 가능하다. 설명된 실시예에서, 배기가스의 열은 냉매를 증발시키고 터빈을 구동시키는 열원으로서 이용된다. 그럼에도 불구하고, 증발기(6) 내에서 냉매를 증발시키는 어떠한 바람직한 열원을 이용하는 것이 가능하고, 특히 변화하는 열 동력과 냉각의 필요성을 가진 열원을 이용하는 것이 가능하다. 이러한 열원은 차량의 냉각 시스템의 냉각제, 과급된 연소 기관에 안내된 충전 공기 및 재순환하는 가스일 수 있다.

Claims (11)

  1. 라인 회로(3), 냉매를 상기 라인 회로(3) 내에서 순환시키는 순환 수단(4), 상기 냉매가 열원(7)에 의해 증발되도록 의도된 증발기(6), 상기 증발된 냉매에 의해 구동되도록 구성된 터빈(9), 냉매가 응축되도록 상기 냉매를 냉각시키는 응축기(12), 및 라인 회로(3) 내에서 순환되지 않는 냉매를 저장하는 축적 탱크(14)를 포함하고, 일반적인 작동 조건에서 터빈이 실질적으로 최적의 효과를 달성하는 냉매를 라인 회로(3)에 충전하는 정도를 예측하고, 상기 예측된 냉매의 충전 정도가 상기 라인 회로(3) 내에서 달성되는 방식으로 상기 라인 회로(3)와 상기 축적 탱크(14) 사이에 냉매의 유동을 제어하도록 구성된 제어 수단을 포함하고,
    상기 제어 수단이 상기 라인 시스템(3)과 상기 축적 탱크(14) 사이에서 연장되는 라인(15)과, 상기 라인 회로(3)의 냉매의 충전 정도가 증가되어야 할 필요가 있을 때에 상기 축적 탱크(14)로부터 상기 라인 회로(3)까지 냉매를 안내하도록 구성된 유동 수단(16)과, 상기 라인 시스템(3)과 상기 축적 탱크(14) 사이에서 연장되는 라인(17)과, 상기 라인 회로(3)의 냉매의 충전 정도가 감소되어야 할 필요가 있을 때에 상기 라인 회로(3)로부터 상기 축적 탱크(14)까지 냉매를 안내하도록 구성된 유동 수단(18)을 포함하는, 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치에 있어서,
    상기 라인(15)을 경유하여 상기 축적 탱크(14)로부터 상기 라인 회로(3)까지 상기 냉매를 안내하는 상기 유동 수단(16)은 축적 탱크(14)로부터 상기 냉매가 가스 상태인 라인 회로(3)의 영역까지 가스 냉매를 안내하도록 구성되고,
    상기 라인(17)을 경유하여 상기 라인 회로(3)로부터 상기 축적 탱크(14)까지 액체 상태인 냉매를 안내하는 상기 유동 수단(18)은 상기 냉매가 액체 상태인 라인 회로(3)의 영역으로부터 상기 축적 탱크(14)까지 액체 냉매를 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은 증발기(6) 안으로 안내되는 냉매가 실질적으로 보조 냉각이 없는 냉매의 충전 정도를 예측하도록 구성된 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 순환 수단은 라인 회로(3) 내의 응축기(12)와 증발기(6) 사이에 위치된 펌프인 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    라인 회로(3) 내의 펌프(4)와 증발기(6) 사이에, 냉매가 상기 증발기(6) 안으로 안내되기 전에 가열되도록 의도된 열교환기(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은 매개 변수를 검출하는 적어도 하나의 센서(19, 20)로부터 정보를 받도록 구성된 제어 유닛(21)을 포함하고, 터빈(9)이 실질적으로 최적의 효과를 달성하는 냉매의 충전 정도를 제어 유닛(21)이 상기 매개 변수에 의거하여 예측하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서는 라인 회로(3) 내의 응축기(12)와 증발기(6) 사이의 위치에서 냉매의 온도 또는 압력을 모니터 하도록 구성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 축적 탱크(14)의 압력과 다른 압력인 위치에서 상기 라인 회로(3)에 연결되고, 상기 유동 수단은 폐쇄 위치와 적어도 하나의 개방 위치에 놓일 수 있는 밸브(16, 18)를 라인(15, 17)에 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유동 수단은 라인 회로(3)와 축적 탱크(14) 사이의 라인(29)에 위치된 펌프(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 연소 기관(2)에 의해 동력을 공급받은 차량의 온난 매체의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치.
  10. 라인 회로(3) 내에서 냉매를 순환시키기 위한 펌프(4), 냉매가 열원(7)과 접촉하여 증발되도록 의도된 증발기(6), 상기 증발된 냉매에 의해 구동되도록 구성된 터빈(9), 상기 냉매가 응축되도록 상기 냉매를 냉각시키는 응축기, 및 라인 회로(3)에서 순환되지 않는 냉매를 저장하기 위한 축적 탱크(14)를 포함하고,
    터빈이 일반적인 작동 조건에서 실질적으로 최적의 효과를 달성하는 냉매를 라인 회로(3)에 충전하는 정도를 예측하는 단계, 및
    상기 라인 회로(3)의 냉매의 충전 정도가 증가되어야 할 필요가 있을 때에 상기 축적 탱크(14)로부터 상기 라인 회로(3)까지 냉매를 안내하고 상기 라인 회로(3)의 냉매의 충전 정도가 감소되어야 할 필요가 있을 때에 상기 라인 회로(3)로부터 상기 축적 탱크(14)까지 냉매를 안내함으로써,
    상기 라인 회로(3)와 축적 탱크(14) 사이에서 냉매의 유동을 상기 라인 회로(3)에 상기 예측된 냉매의 충전이 달성되는 방식으로 제어하는 단계를 포함하는, 라인 회로(3)에 의해 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법에 있어서,
    라인 회로(3)와 축적 탱크(14) 사이에서 연장되는 라인(15)을 경유하여 축적 탱크(14)로부터 냉매가 가스 상태인 라인 회로(3)의 영역까지 가스 냉매를 안내하거나 또는 라인 회로(3)와 축적 탱크(14) 사이에서 연장되는 라인(17)을 경유하여 냉매가 액체 상태인 라인(3)의 영역으로부터 축적 탱크(14)까지 액체 냉매를 안내하는 단계를 특징으로 하는 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법.
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