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KR20130131446A - 차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 시스템 - Google Patents

차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 시스템 Download PDF

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KR20130131446A
KR20130131446A KR1020137025187A KR20137025187A KR20130131446A KR 20130131446 A KR20130131446 A KR 20130131446A KR 1020137025187 A KR1020137025187 A KR 1020137025187A KR 20137025187 A KR20137025187 A KR 20137025187A KR 20130131446 A KR20130131446 A KR 20130131446A
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refrigerant
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졸탄 카르도스
디이터 얀스
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 시스템에 관한 것이다. 변환 시스템은 도관 회로(35), 상기 도관 회로의 매체를 재순환시키기 위한 펌프(36), 매체가 증발되도록 열원(4, 28)으로부터 열 에너지를 흡수하게 하는 하나 이상의 증발기(31, 32, 38), 기계 에너지를 발생시키기 위하여 증발된 매체에 의해 구동되는 터빈(39) 및 매체가 열 에너지를 방출하여 응축되도록 하는 콘덴서 장치(24, 42)를 포함한다. 콘덴서 장치는 매체가 냉각 회로 내에서 순환하는 냉매에 열 에너지를 방출하는 제1 콘덴서(24)와; 도관 회로(35) 내 매체 흐름 방향과 관련하여 제1 콘덴서(42)의 하류에 위치하고, 매체가 주변 온도의 공기로 열 에너지를 방출하게 되는 제2 콘덴서(42)를 포함한다.

Description

차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 시스템{SYSTEM FOR CONVERTING THERMAL ENERGY TO MECHANICAL ENERGY IN A VEHICLE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 시스템에 관한 것이다.
연소 엔진에서 연료가 연소되면 화학 에너지는 기계 에너지로 변환된다. 화학 에너지의 상당 부분은 기계 에너지로 변환되는 것이 아니라 다양한 방식으로 주변에 방출되는 열 에너지로 변환된다. 이에 대한 예시는, 주변 공기로 배출되는 배기가스 내 열 에너지이다. 또 다른 예시는, 차량 내 여러 종류의 고온 매체에서 냉각되는 열 에너지이다. 상기 고온 매체의 예시로서, 연소 엔진을 냉각하는 냉각 시스템의 냉매가 있다. 여기서 냉매는 대개 차량의 전방부에 위치한 라디에이터에서 냉각된다. 많은 연소 엔진은 과급된다. 과급 공기는 대개 상기 엔진에 유입되기 전에 하나 이상의 급기 냉각기(charge air cooler)에서 냉각된다. 질소산화물 배출량을 줄이는 알려진 방법은 배기가스의 일부를 재순환시키는 것이다. 재순환하는 배기 가스는 상기 엔진으로 재순환되기 전에 하나 이상의 EGR 냉각기에서 냉각된다.
WHR(폐열 회수) 시스템은 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 데 사용된다. WHR 시스템은 도관 회로 내에서의 매체를 순환시키는 펌프를 구비한 회로를 포함한다. 도관 회로는 열원의 열에 의해 매체가 증발되는 증발기와 증발된 매체에 의해 구동되는 터빈을 포함한다. 매체가 터빈을 통해 팽창하면 매체의 열 에너지 일부는 직접 가동에 활용되거나 전기 에너지로 전환될 수 있는 기계 에너지로 변환된다. 매체는 콘덴서 내에서 응축된다. 콘덴서 내에서 매체를 저온 냉각하는 것은 WHR 시스템의 효율성을 높이는 데 중요하다.
매체는 차량의 전방부에 위치한 공랭식 콘덴서에서 추가로 냉각될 수 있다. 이 위치에 있는 콘덴서를 통해 주변 온도에서 냉각 공기가 유동한다. 이에 따라, 순환 매체는 주변 온도에 근접한 온도로 냉각될 수 있다. 상기 콘덴서 내에서 순환 매체를 냉각하는 기능은 주변 온도와 밀접하게 관련될 뿐만 아니라 급기 냉각기를 통한 냉각 공기의 유속과 공기 습도 등의 그 밖의 파라미터와도 관계가 있다. 이러한 파라미터들 중 대부분은 주변 공기 상태에 따라 달라지므로 매체를 원하는 온도로 냉각시키기 위해 공랭식 콘덴서의 냉각을 조절하기는 쉽지 않다.
본 발명의 목적은 차량 내에서 비교적 작은 공간을 차지하면서도 콘덴서 조절이 가능하고 효율적으로 열 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있는 시스템을 제안하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 청구항 제1항의 특징부에 기재된 특징들을 특징으로 하는 도입부에 언급된 유형의 장치에 의해 달성된다. 공랭식 콘덴서는 주변 온도에 근접한 온도로 매체를 냉각시킬 수 있는 장점이 있다. 매체를 되도록 낮은 온도로 냉각시키는 것이 WHR 시스템의 효율성을 높이는 데 유리하다. 공랭식 콘덴서의 단점은 주변 공기의 온도와 습도가 변동될 수 있어 매체 냉각을 조절하기가 어렵다는 점이다. 공랭식 콘덴서의 또 다른 단점으로는 주변 공기를 통하여 매체를 필요한 수준으로 냉각시키기 위하여 공랭식 콘덴서가 차량 앞 부분에 상대적으로 큰 공간을 차지한다는 점이다. 냉매 냉각식 콘덴서에 의한 WHR 시스템의 매체 냉각은 공기 냉각식 콘덴서만큼 매체를 저온으로 냉각시킬 수 없다는 단점을 지닌다. 냉매 냉각식 콘덴서의 장점은 비교적 간단한 수단으로 냉매의 온도와 콘덴서로의 흐름을 조절할 수 있다는 것이다. 따라서, 매체 냉각의 조절이 가능하다. 냉매 냉각식 콘덴서의 또 다른 장점은 용량이 비슷한 공기 냉각식 콘덴서보다 훨씬 더 소형으로 제작할 수 있다는 점이다. 냉매 냉각식 콘덴서는 실질적으로 차량 내부 어디에나 위치할 수 있다.
본 발명은 냉매 냉각식 콘덴서 내에서 매체가 냉각된 후 공기 냉각식 콘덴서에서 냉각되는 콘덴서 장치를 이용한다. 냉매 냉각식 콘덴서와 공기 냉각식 콘덴서가 이 순서로 직렬로 위치함으로써 전술한 각 유형의 콘덴서 특징을 실질적으로 전부 갖출 수 있다. 냉매 냉각식 콘덴서 내에서 매체가 제1 냉각 단계로 처리될 경우, 공기 냉각식 콘덴서의 하류측을 유의적으로 소형화하여 제작할 수 있어 차량의 전방부에서 공간을 덜 차지할 수 있다. 이미 냉매 냉각식 콘덴서에서 저온으로 냉각된 매체는 공기 냉각식 콘덴서 하류측에서 주변 온도에 근접한 온도로 냉각될 수 있다. 냉매 온도와 냉매 냉각식 콘덴서를 흐르는 냉매 흐름 조절이 가능하다는 점은 콘덴서 장치를 조절할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 차량은 냉각 시스템 내에서 순환하는 냉매에 의해 냉각되는 연소 엔진에 의해 구동되고, 제1 콘덴서 내에서 매체를 냉각시키는 상기 냉각 회로의 냉매는 엔진의 냉각 시스템 내에서 순환하는 냉매보다 온도가 낮아진다. 매우 효과적이지 않더라도 엔진을 냉각하는 냉각 시스템 내 상대적으로 고온의 냉매를 사용하여 제1 증발기의 매체를 냉각할 수 있다. 따라서, 저온 상태에 있는 냉매를 사용하는 것이 적절하다. 제1 냉매 냉각식 콘덴서 내에서 저온으로 매체를 냉각하면 매우 높은 용량을 갖는 제2 공기 냉각식 콘덴서가 필요하지 않으므로 적은 공간을 차지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 냉각 회로는 엔진을 냉각하는 냉각 시스템으로부터 분리된 별도의 냉각 시스템을 구성한다. 별도의 냉각 시스템이란 그 냉매 및 구성요소가 연소 엔진의 냉각 시스템으로부터 분리된 상태를 의미한다. 이의 대안으로, 상기 냉각 회로는, 엔진을 냉각하는 냉각 시스템으로서, 냉매가 연소 엔진의 주요 부분보다 훨씬 더 낮은 온도 있는 냉각 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 상기 냉각 회로는 바람직하게 순환하는 냉매가 적어도 부분적으로 주변 온도의 공기에 의해 냉각되는 공기 냉각식 냉각기를 포함한다. 따라서, 냉각 회로 내 냉매는 제1 콘덴서 내에서 매체를 냉각하는 데 사용되기 전에 매우 낮은 온도 상태가 될 수 있다. 상기 냉각 회로는 제1 콘덴서와 추가로 매체를 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각기를 포함한다. 차량에서는 차량의 연소 시스템 내 냉매로 냉각하는 온도보다 더 낮은 온도로 복수의 구성요소를 냉각할 필요가 있다. AC 장치, 기어박스 오일, 전자 제어 유닛 내 냉매 등이 상기의 구성요소에 해당한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 시스템은 제1 콘덴서 내에서의 매체 냉각을 조절하기 위한 수단을 포함한다. 제1 콘덴서를 통해 냉매 흐름과 온도를 조절함으로써 콘덴서 장치의 냉각을 충분히 조절할 수 있다. 공기 냉각식 콘덴서 내 냉각은 대체로 콘덴서를 통한 주변 공기의 온도, 습도 및 유속에 달려 있다. 이 변수에 관한 정보를 근거로 공기 냉각식 콘덴서의 냉각을 추정할 수는 있지만 제어는 불가능하다. 냉매 냉각식 콘덴서 내 매체를 냉각하는 냉매의 흐름 및 온도는 모두 조절이 가능하다. 또한, 냉각 회로 내 냉매를 순환시키는 냉매 펌프를 제어하여 유동을 조절할 수 있다. 히팅 유닛 등을 활성화하여 냉각 회로에 열 에너지를 공급하면 냉매 온도를 높일 수 있고, 냉각 회로를 순환하는 냉매로 냉각되는 추가 구성요소를 하나 이상 분리하면 냉매 온도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 매체는 연소 엔진에서 배기 도관 내로 유출되는 배기 가스로부터 증발기 내 열 에너지를 흡수하도록 되어 있다. 연소 엔진으로부터 유출되는 배기 가스는 고온을 갖는 우수한 열원이다. 이 열 에너지는 일반적으로 주위 환경으로 손실된다. 매체는 다른 방법으로 또는 결합하여 복귀 도관(return line)에서 엔진으로 재순환되는 배기 가스로부터 증발기 내 열 에너지를 흡수하도록 되어 있다. 재순환하는 상기 배기 가스는 일반적으로 엔진으로 유입되기 전에 하나 이상의 EGR 냉각기 내에서 냉각된다. 이때, 재순환하는 상기 배기 가스는 그 열 에너지의 일부가 기계 에너지로 변환되는 동시에 효율적으로 냉각 작용을 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 차량은 배기 도관 내의 배기 가스로 구동하도록 형성된 터빈을 구비하며, 시스템은 터빈의 하류 위치에 있는 배기 도관 내 배기 가스로부터 열 에너지를 흡수하는 하나 이상의 증발기와, 터빈의 상류 위치에 있는 복귀 도관 내로 유입되는 재순환하는 배기 가스로부터 열 에너지를 흡수하는 하나 이상의 증발기를 포함한다. 이때, 매체는 저온 상태에 있는 터빈의 상류에 있는 배기 도관 내 배기 가스로 우선 가열된 후 고온 상태에 있는 복귀 도관 내에서 재순환하는 배기 가스로 가열된다. 이때, 매체를 고온으로 가열함으로써 터빈 내에서 기계 에너지를 효율적으로 생성하게 된다. 시스템은 복귀 도관에서 직렬로 배치된 2개의 증발기를 포함할 수 있다. 대부분의 경우, 복귀 도관 내의 배기 가스는 이러한 고온 상태에 있으므로, 재순환하는 배기 가스를 통하여 저온으로 냉각하는 동시에 배기 가스로부터 가능한 많은 열 에너지를 활용하기 위하여 배기 가스를 2 냉각 단계로 처리하는 것이 적절할 것이다. 배기 도관과 배기 가스 재순환을 위한 도관 둘 모두에 증발기를 포함시켜 엔진의 배기 가스의 열 에너지의 대부분을 터빈에서 기계 에너지를 생성하는 데 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예가 첨부된 도면을 참조하여 예시로서 아래에서 설명된다.
도 1은 차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 장치를 도시한 도이다.
도 1에는 과급 연소 엔진(2)에 의해 구동되는 차량(1)이 도시되어 있다. 차량(1)은 과급 디젤 엔진에 의해 구동되는 중형 차량일 수 있다. 엔진(2)의 실린더에서 유출되는 배기 가스는 배기 매니폴드(3)를 통해 배기 도관(4)으로 유입된다. 대기압을 상회하는 배기 도관(4) 내의 배기 가스는 터보 유닛의 터빈(5)으로 유입된다. 이에 따라, 상기 터빈(5)은 연결부를 통해 압축기(6)로 전달되는 구동력을 공급받는다. 그에 따라, 압축기(6)는 에어 필터(7)를 통해 인입 도관(inlet line)(8) 내로 유입되는 공기를 압축한다. 급기 냉각기(9)는 인입 도관(8)에서 구비된다. 급기 냉각기(9)는 차량(1)의 전방부 영역에 위치한다. 급기 냉각기(9)의 용도는 엔진(2)으로 유입되는 압축된 공기를 냉각하는 것이다. 압축된 공기는 급기 냉각기(9) 내에서 라디에이터 팬(10)에 의해 급기 냉각기를 통해 강제 관류되는 공기와 차량의 전진 이동으로 인해 발생하는 외풍에 의해 냉각된다. 라디에이터 팬(10)은 적절한 연결부를 통해 엔진(2)에 의해 구동된다.
엔진(2)은 냉각 시스템 내에서 순환하는 냉매에 의해 냉각된다. 냉매는 냉매 펌프(11)에 의해 냉각 시스템 내에서 순환된다. 냉각 시스템은 서모스탯(12)을 포함한다. 냉각 시스템 내 냉매는 라디에이터 팬(12) 가까이에 장착된 라디에이터(13) 내에서 냉각된다. 라디에이터(13)는 영역 내의 냉각 공기 흐름 방향과 관련하여 급기 냉각기(9)의 하류에 위치한다. 냉각 시스템은 냉매를 라디에이터(13)에서 엔진(2)으로 유도하는 도관(14)을 포함한다. 냉매 펌프(11)는 도관(15)에 위치한다. 냉각 시스템은 엔진(2)에서 냉매를 서모스탯(12)으로 유도하는 도관(16)과 냉매를 서모스탯(12)에서 냉매 냉각식 제1 콘덴서(13)로 유도하는 도관(17)을 포함한다. 냉매가 희망 작동 온도를 하회할 때 서모스탯(12)은 도관들(14, 15)을 통해 냉매를 도관(16)에서 엔진(2)으로 흐르게 한다. 냉매가 희망 작동 온도 이상이면 서모스탯(12)은 도관(17)을 통해 냉매를 도관(16)에서 라디에이터(13)로 흐르게 한다.
차량(1)은 엔진 내 냉각 시스템의 냉매보다 훨씬 더 낮은 온도를 지니는 순환 냉매를 포함하는 저온 냉각 회로를 갖추고 있다. 냉매는 저온 냉각 회로 내에서 냉매 펌프(18)에 의해 순환된다. 저온 냉각 회로 내 냉매는 차량의 전방부 영역에 장착된 라디에이터(19) 내에서 냉각된다. 라디에이터(19)는 영역 내에 냉각하는 공기 흐름 방향과 관련하여 급기 냉각기(9)의 상류에 위치한다. 저온 냉각 회로는 라디에이터(19)로부터 저온 냉매를 유도하는 도관(20)을 포함한다. 이 후, 도관(20)은 4개의 병렬 도관(parallel line)으로 나뉜다. 제1 병렬 도관은 차량의 AC 유닛 내 냉매를 냉각하는 콘덴서(21) 형태의 냉각기를 포함한다. 제2 병렬 도관은 차량의 기어박스 오일을 냉각하는 오일 냉각기(22)를 포함한다. 제3 병렬 도관은 하나 이상의 차량 전자 제어 유닛을 냉각하는 냉각기(23)를 포함한다. 제4 병렬 도관은 WHR 시스템 내 콘덴서(24)를 포함한다. 여기서, 저온 냉각 회로 내 냉매는 WHR 시스템 내에서 순환하는 매체를 냉각한다. 매체는 콘덴서(24) 내에서 응축되는 온도로 냉각된다. 4개의 병렬 도관은 냉매를 다시 라디에이터(19)로 유도하는 공동 도관(25)에서 서로 연결된다. 저온 냉각 회로는 냉매 펌프(18) 작동과 그에 따른 저온 냉각 회로를 통한 냉매의 흐름을 조절할 수 있는 제어 유닛(26)을 포함한다. 제어 유닛(26)은 필요한 경우, 냉매 온도가 매우 낮다면 냉매를 가열하기 위해 워밍 유닛(27)을 활성화시킨다. 워밍 유닛(27)은 전기 장치 또는 열 교환기로서, 워밍 유닛 안에서 엔진의 냉각 시스템으로부터 흘러온 온난한 냉매에 의해 저온 냉각 회로의 냉매가 가열된다. 저온 냉각 회로 내 냉매 온도가 감소되어야 한다면, 제어 유닛(26)은 각각의 병렬 도관들 내 미도시된 밸브들을 이용하여 하나 이상의 상호간 병렬 냉각기(21~24)를 관류하는 냉매 흐름을 차단할 수 있다. 그에 따라서, 제어 유닛(26)은 저온 냉각 회로에 내에서 순환하는 냉매의 온도 및 흐름을 제어할 수 있다. 제어 유닛(26)은 이를 위한 적합한 소프트웨어를 구비한 컴퓨터 유닛이다.
연소 엔진(2)은 EGR(배기 가스 재순환부)로 알려진 배기 가스의 재순환용 시스템을 구비한다. 상기 재순환에는 상기 엔진의 실린더 내로 유입되는 압축된 공기와 혼합되는 배기 가스가 포함된다. 그 결과, 연소 온도가 감소하고 배기 가스 내에 질소산화물(Nox)의 함량이 낮아진다. 배기 도관(4)에서 유출되는 배기 가스의 일부는 복귀 도관(28)을 통해 재순환된다. 복귀 도관(28)은 EGR 밸브(29)를 포함하는데, 이 EGR 밸브에 의해 복귀 도관(28) 내 배기 흐름이 재순환되는 배기 가스의 양을 제어하도록 조절된다. 제어 유닛(30)은 엔진의 현재 작동 상태에 관한 정보를 기반으로 EGR 밸브(29)를 제어하도록 형성된다. 제어 유닛(30)은 이를 위한 적합한 소프트웨어를 구비한 컴퓨터 유닛이다. 복귀 도관(28)은, 재순환하는 배기 가스가 제1 냉각 단계를 거치게 되는 제1 EGR 냉각기(31)와, 재순환하는 배기 가스가 제2 냉각 단계를 거치게 되는 제2 EGR 냉각기(32)를 포함한다. EGR 냉각기들(31, 32) 내에서 냉각된 후 재순환하는 배기 가스는 예컨대 혼합장치(33)에 의해 인입 도관(8) 내에서 압축된 공기와 혼합된다. 그 다음, 압축된 공기와 재순환하는 배기 가스의 혼합기는 매니폴드(34)를 통해 엔진의 각각의 실린더들로 유입된다.
차량(1)에 연소 엔진(2)에서 유출되는 배기 가스 내의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 WHR 시스템이 장착된다. 이 시스템은 도관 회로(35)에서 매체를 가압하고 순환시키는 펌프(36)가 구비된 도관 회로(35)를 포함한다. 매체는 초기에, 레큐퍼레이터(recuperator)일 수 있는 열 교환기(37)로 펌프(36)에 의해 유입되어 소정의 정도로 가열된다. 이때, 매체는 열 교환기(37)로부터, 매체가 재순환하는 배기가스에 의해 가열되는 제2 EGR 냉각기 형태의 증발기(32)로 유입된다. 매체 혼합기는, 매체가 터빈(5)의 하류 위치에 있는 배기 도관(4) 내의 배기 가스에 의해 가열되게 되는, 열 교환기 형태의 증발기(38)로 동시에 유입된다. 이 후, 도관 회로(35)는, 증발기(32, 38)에서 나온 매체가 추가 가열 단계를 거치도록 하는 제1 EGR 냉각기 형태의 추가 증발기(31)에 전부 유입될 수 있도록, 서로 연결된다. 증발기(31)에서 배출된 매체는 완전히 증발되고 추가로 가열된 상태에 이른다. 제1 EGR 냉각기(31)에서 유출되는 가스 매체는 터빈(39)으로 유입된다. 매체는 매체 혼합기의 열 에너지 일부를 기계 에너지로 변환하는 터빈(39)을 통해 팽창한다. 이때, 터빈(39)은 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(40)를 구동한다. 전기 에너지는 에너지 스토어(41)에 저장된다. 에너지 스토어(41)에 저장되는 전기 에너지는 차량을 추진하거나 그 구성요소를 작동하는 데 유효하게 사용될 수 있다. 또는, 터빈(39)은 차량의 파워 트레인에 연결 가능한 플라이휠 또는 유사한 기계 에너지 저장 유닛에 연결될 수 있다. 플라이 휠이 파워 트레인에 연결되면 차량은 추가로 추진력을 공급받는다.
가스 매체가 터빈(39)에서 팽창되면 저압 및 저온 상태가 된다. 가스 매체는 터빈(39)에서 열 교환기(37)로 유출되어 펌프(36)에서 배출되는 액상 매체에 의해 냉각된다. 이 후, 가스 매체는 제1 콘덴서(24)로 유입되어 저온 냉각 회로 내 냉매에 의해 냉각된다. 매체는 도관 회로(35) 내의 그 흐름 방향과 관련하여 제1 콘덴서(24)의 하류에 위치하는 제2 콘덴서(42)로 유입된다. 제2 콘덴서(42)는 차량(1)의 전방부에서 냉매 냉각식 제2 콘덴서(42) 전면의 부분적인 위치에 있다. 매체는 주변 온도의 공기에 의해 제2 콘덴서(42) 내에서 냉각된다. 주변 공기는 차량 전진 이동 시 발생하는 외풍과 에어 팬(10)에 의해 제2 콘덴서(42)를 관류한다. 가스 매체는 제1 콘덴서(24)와 제2 콘덴서(42)에서 냉각되면 액체로 변한다. 그에 따라, 매체가 제2 콘덴서(42)에서 배출되면 주변 온도에 근접한 온도로 냉각될 수 있다. 이때, 액상 매체는 제2 콘덴서(42)에서 펌프(36)로 유출된다.
이 경우, 냉매 냉각식 제1 콘덴서(24)와 공기 냉각식 제2 콘덴서(42)를 포함하는 콘덴서 장치가 사용된다. 추가로 가열된 가스 매체는 매체의 응축 온도로 냉매 냉각식 제1 콘덴서(24) 내에서 냉각된다. 그에 따라, 매체는 냉매 냉각식 제1 콘덴서(24) 내에서 응축되기 시작한 후, 가스 매체의 잔여 부분이 응축되는 공기 냉각식 제2 콘덴서(42)로 유입된다. 공기 냉각식 제2 콘덴서(42) 내 액상 매체는 주변 온도에 근접한 온도로 추가로 냉각된다. 매체는 이미 냉매 냉각식 제1 콘덴서(24) 내에서 충분히 제1 냉각 단계로 처리되었으므로 상대적으로 소형의 공기 냉각식 제2 콘덴서(42)에 의해 주변 온도에 근접한 온도로 제2 냉각 단계로 처리될 수 있으므로, 차량 전방부에서 비교적 적은 공간만을 차지할 수 있다.
그에 따라, 저온 냉각 회로 내 냉매의 흐름과 온도는 제어 유닛(26)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 제어 유닛(26)은 냉매 냉각식 제1 콘덴서(24) 내에서의 매체 냉각을 제어할 수 있다. 예를 들어, 공기 냉각식 콘덴서(42)를 통과하는 냉각 공기의 유속과 주변 공기의 온도 및 습도에 관한 정보를 근거로 제어 유닛(26)은 공기 냉각식 콘덴서(42)에서의 매체 냉각을 추정할 수 있다. 상기 정보를 통해 제어 유닛(26)은 예를 들어 매체가 제1 콘덴서(24)와 제2 콘덴서(42) 내에서 원하는 만큼 냉각 처리되도록 저온 냉각 회로 내 냉매 펌프(18)의 작동을 조절할 수 있다. 그에 따라서, 콘덴서 장치에서는 콘덴서 장치 내 매체 냉각을 조절할 수 있으며, 이는 공기 냉각식 콘덴서 내에서는 불가능하다.
공기 냉각식 콘덴서(42)가 차량 전방부에서 비교적 작은 공간을 차지하는 경우, 저온 냉각 회로 내 냉매는 주변 온도의 공기에 의해 부분적으로 냉각될 수 있다. 라디에이터(19)에서 배출되는 냉매를 냉각시킴으로써 저온 냉각 회로의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 제1 콘덴서(24)와 상호 병렬 냉각기들(21, 23) 내에서 매체 냉각이 효과적으로 이루어진다.
이때, 열 에너지는 상기 엔진의 배기 가스로부터 흡수된다. 연소 엔진으로부터 유출되는 배기 가스는 열 에너지를 회수할 수 있는 우수한 열원이다. 엔진(2)이 디젤 엔진인 경우, 배기 가스는 상기 엔진(2)이 중부하 상태일 때 터보 유닛의 터빈(5)의 상류에서 약 600~700℃ 온도에 이른다. 따라서, 복귀 도관(28) 내에서 재순환하는 배기 가스는 초기에 상기 온도가 될 수 있다. 터빈(5)의 하류에 위치한 배기 가스의 온도는 200~300℃ 정도에 이른다. 이때, 매체는 2개의 상호 병렬 증발기(32, 38) 내에서 초기 가열된다. 매체는 증발기(38) 내에서 터빈을 통해 팽창되었던 배기 가스에 의해 가열된다. 다른 증발기 내에서 매체는 제1 냉각 단계로 처리된 후 복귀 도관(28) 내 배기 가스에 의해 가열된다. 두 경우에서, 매체는 비슷한 온도 상태인 배기 가스에 의해 가열되므로 200~300℃의 온도에 이르게 된다. 모든 매체는 증발기(31)로 유입되고 복귀 도관(28)에서 배기 가스를 재순환시킴으로써 가열된다. 여기서, 재순환하는 배기 가스는 약 600~700℃ 온도에 이른다. 그러나, WHR 시스템에 사용되는 매체는 더 이상 초과하지 않아야 하는 높은 온도 상태에 있다. 적정 치수의 증발기들(31, 32, 38)을 통해 매체는 터빈(39)으로 유입되기 전에 특정 매체에 적합한 온도로 가열된다. 고온의 매체가 터빈으로 유입되면 대량의 기계 에너지를 생성할 수 있다.
본 발명은 도면과 관련된 구현예에 제한되지 않고 청구항 범위 내에서 다양하게 구현될 수 있다.

Claims (10)

  1. 냉매가 순환하는 냉각 회로를 구비한 차량에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 변환 시스템으로서, 도관 회로(35)와, 도관 회로에서 매체를 재순환시키기 위한 펌프(36)와, 매체가 열원(4, 28)으로부터 열 에너지를 흡수함으로써 증발되게 하는 하나 이상의 증발기(31, 32, 38)와, 기계 에너지를 생성하기 위해 증발된 매체에 의해 구동되도록 형성된 터빈(39)과, 매체가 열 에너지를 방출함으로써 응축되게 하는 콘덴서 장치(24, 42)를 포함하는, 상기 변환 시스템에 있어서,
    상기 콘덴서 장치는, 매체가 상기 냉각 회로에서 순환하는 냉매로 열 에너지를 방출하게 되는 제1 콘덴서(24)와;
    상기 도관 회로(35) 내에서 매체의 흐름 방향과 관련하여 상기 제1 콘덴서(24)의 하류에 위치하고, 매체가 주변 온도의 공기로 열 에너지를 방출하게 되는 제2 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량은 냉각 시스템에서 순환하는 냉매로 냉각되는 연소 엔진(2)에 의해 구동되고, 상기 제1 콘덴서(24) 내에서 매체를 냉각시키는 상기 냉각 회로 내의 냉매가 엔진의 냉각 시스템에서 순환하는 냉매보다 더 낮은 온도를 지니는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 회로가 상기 엔진(2)을 냉각하는 상기 냉각 시스템으로부터 분리된 냉각 시스템을 구성하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는, 순환 냉매가 주변 온도의 공기에 의해 적어도 부분적으로 냉각되게 하는 공랭식 냉각기(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 상기 제1 콘덴서(24)뿐만 아니라 추가 매체를 냉각하기 위한 하나 이상의 추가 냉각기(21~23)도 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 시스템은 상기 제1 콘덴서(24) 내에서 매체의 냉각을 조절하기 위한 수단들(18, 26, 27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    매체는 상기 엔진에서 배기 도관(4) 내로 유출되는 배기 가스로부터 증발기(38) 내에서 열 에너지를 흡수하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    매체는 복귀 도관(28) 내에서 재순환하는 배기 가스로부터 하나 이상의 증발기(31, 32) 내에서 열 에너지를 흡수하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 차량은 상기 배기 도관(4) 내 배기 가스에 의해 구동되도록 형성된 터빈(5)을 구비하고,
    당해 변환 시스템이, 상기 터빈(5)의 하류 위치에서 상기 배기 도관(4) 내의 배기 가스로부터 열 에너지를 흡수하는 하나 이상의 증발기(38)와, 상기 터빈(5)의 상류 위치에서 상기 복귀 도관(28) 내로 유입되는 재순환하는 배기 가스로부터 열 에너지를 흡수하는 하나 이상의 증발기(31, 32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복귀 도관(28) 내에 직렬로 배치된 2개 이상의 증발기(31, 32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 시스템.
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