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KR20160056703A - 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 - Google Patents

유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 Download PDF

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KR20160056703A
KR20160056703A KR1020140157356A KR20140157356A KR20160056703A KR 20160056703 A KR20160056703 A KR 20160056703A KR 1020140157356 A KR1020140157356 A KR 1020140157356A KR 20140157356 A KR20140157356 A KR 20140157356A KR 20160056703 A KR20160056703 A KR 20160056703A
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신정식
안용남
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진에 관한 것으로, 엔진에서 배출되는 배기가스와 작동유체간 열교환을 하는 증발기(200)와, 상기 증발기(200)를 통해 열교환된 상기 작동유체의 열에너지를 축동력으로 전환하는 스크롤 팽창기(310)와, 상기 스크롤 팽창기(310)에 의해 축동력을 발생하는 발전기(370)와, 상기 스크롤 팽창기(310)를 거친 상기 작동유체를 냉각하는 응축기(400)와, 상기 응축기(400)를 거친 작동유체가 충진되는 저장기(350)와, 상기 저장기(350)에 저장된 상기 작동유체를 상기 증발기(200)로 투입시키는 순환펌프(500)를 포함하며, 상기 스크롤 팽창기(310), 발전기(370), 저장기(350)는 일체로 형성된 발전기-팽창기 모듈(300)인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진은 별도로 구비되었던 응축 탱크를 삭제하고 팽창기와 발전기, 저장기를 하나의 모듈로 구현함으로써 시스템 구성이 간단해지는 효과가 있다.
또한, 저장기가 자전방지기구 및 베어링부에 일체로 형성됨으로써 유욕 윤활(oil bath lubrication)이 가능해져 윤활 성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진{Engine applied Organic Rankine Cycle}
본 발명은 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템 구성이 간단하고 효과적인 윤활 성능을 발휘할 수 있는 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진에 관한 것이다.
열역학 유기랭킨사이클을 바탕으로 한 열-에너지 전환장치는 수백 와트(W) 내지 수십 메가와트(MW)의 전력을 생산하기 위하여 특히 열이 다양한 공급원, 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 태양열 집열장치 및 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 원격지에서의 열 회수 및 발전에 있어 유용하다.
약 350℃ 정도의 고온에서 유지가능한 유기매체가 수증기보다 유익하며, 증기의 사용이 터빈 블레이드의 부식을 일으킬 수도 있는 증기의 팽창으로 인해 터빈 외부에 액적을 형성시킴으로써 제한될 수도 있는 낮은 응축 온도 및 높은 터빈 팽창률에서도 발전 사이클에서 성공적으로 이용될 수 있다.
이러한 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위(60~200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
한편, 자동차는 동력을 발생하기 위한 엔진이 필수적으로 구비되어 연료를 연소시킴으로서 발생되는 동력을 이용해 도로 위를 주행하게 된다. 자동차는 엔진의 과열 및 폭발을 방지하기 위해 엔진에 냉각수를 순환시키며, 승객의 편의를 위해 에어컨과 히터가 구비되는데, 이와 같은 차량 구동을 위한 각종 장치들의 작동을 위해서는 많은 에너지를 필요로 한다. 자동차의 주행 및 각종 장치의 구동을 위한 에너지는 엔진에서 발생되는 동력에 전적으로 의존하고 있어, 자동차의 주행중에 에어컨 등의 부가 장치를 작동시키는 경우 연료소모가 많아지고 이는 자동차의 연비 저하의 원인이 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국특허공개 2013-0073096호에 개시된 바와 같이, ORC 시스템을 이용해 동력원을 공급하는 발전 시스템을 활용하고 있다.
그러나 이러한 종래의 ORC 시스템을 이용한 차량의 발전 시스템은 시스템 구성이 복잡한 단점이 있다. 또한, 배압실로 유입되는 오일이 혼합된 냉매의 양이 감소하면 자전방지기구 및 베어링의 윤활에 악영향을 끼치고, 오일이 혼합된 냉매의 양이 증가하면 스크롤 중앙부로 유입되는 냉매의 양이 감소해 적절한 양의 냉매를 공급하도록 제어하기 어려운 문제가 있다. 스크롤 중앙부로 유입되는 냉매의 양이 감소한다는 것은 팽창 과정을 통해 회수되는 에너지의 감소를 의미하므로 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다.
한국특허공개 2013-0073096호(공개일: 2013. 07. 03)
본 발명의 목적은 시스템 구성이 간단하고 효과적인 윤활 성능을 발휘할 수 있는 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 차량용 엔진의 스크롤 팽창기는, 엔진에서 배출되는 배기가스와 작동유체간 열교환을 하는 증발기(200)와, 스크롤 팽창기(310)와, 상기 스크롤 팽창기(310)에 의해 축동력을 발생하는 발전기(370)와, 상기 스크롤 팽창기(310)를 거친 상기 작동유체를 냉각하는 응축기(400)와, 상기 작동유체를 상기 증발기(200)로 투입시키는 순환펌프(500)를 구비한 차량용 엔진의 스크롤 팽창기(310)에 있어서, 상기 스크롤 팽창기(310)는 상기 증발기(200)를 통해 열교환된 상기 작동유체의 열에너지를 축동력으로 전환하며, 상기 응축기(400)를 거친 작동유체가 충진되는 저장기(350)와, 상기 스크롤 팽창기(310) 및 발전기(370)는 일체로 형성된 발전기-팽창기 모듈(300)인 것을 특징으로 한다.
상기 발전기-팽창기 모듈(300)은, 크랭크 샤프트(330)의 일단에 상기 스크롤 팽창기(310)가 결합되고, 상기 크랭크 샤프트(330)의 타단에 상기 발전기(370)가 결합되며, 상기 스크롤 팽창기(310)와 발전기(370)의 사이에 저장기(350)가 구비될 수 있다.
상기 스크롤 팽창기(310)는 상기 증발기(200)를 거친 상기 작동유체가 유입되는 유입구(311)와, 상기 작동유체가 팽창된 후 배출되는 토출구(313)와, 상기 작동유체의 팽창을 위한 고정스크롤(315)과, 상기 고정스크롤(315)에 회전 가능하게 결합되어 회전하는 선회스크롤(317)을 포함할 수 있다.
상기 선회스크롤(317)의 단부에는 상기 작동유체가 팽창되기 전 배출되는 것을 방지하는 스크롤 팁실(319)이 결합되는 것이 특징이다.
상기 스크롤 팽창기(310)에서 팽창된 상기 작동유체는 상기 증발기(200)의 전단에 구비된 재생기로 전달되는 것이 특징이다.
상기 저장기(350)는 내부 저장 공간을 형성해 상기 응축기(400)를 거친 상기 작동유체가 저장되며, 상기 내부 저장 공간에 상기 선회스크롤(317)의 자전을 방지하는 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)를 포함할 수 있다.
상기 저장기(350)는 상기 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)를 유욕 윤활(oil bath lubrication)시키는 것이 바람직하다.
상기 저장기(350)는 상기 응축기(400)를 거친 상기 작동유체가 유입되는 유입부(352)와, 상기 작동유체가 상기 순환펌프로 배출되는 토출부(354)를 포함할 수 있다.
상기 발전기(370)는 상기 크랭크 샤프트(330)의 타단에 결합되어 회전하는 로터(372)와, 상기 로터(372)를 수용하는 스테이터(374)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진은 별도로 구비되었던 응축 탱크를 삭제하고 팽창기와 발전기, 저장기를 하나의 모듈로 구현함으로써 시스템 구성이 간단해지는 효과가 있다.
또한, 저장기가 자전방지기구 및 베어링부에 일체로 형성됨으로써 유욕 윤활(oil bath lubrication)이 가능해져 윤활 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 시스템을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 엔진 시스템에 따른 발전기-팽창기 모듈을 도시한 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 엔진 시스템에 따른 발전기-팽창기 모듈을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진 시스템(10)은 가솔린 또는 디젤 방식 등과 같은 자동차의 엔진에서 발생되는 배기가스, 엔진냉각수, 에어컨냉매 등의 열원과의 열교환을 통해 유기 랭킨 사이클(ORC, Organic Rankine cycle)에 열을 전달한다. 그 후 유기 랭킨 사이클에 설치된 스크롤 팽창기(310)를 통해 작동유체(여기서 작동유체는 오일과 냉매가 혼합된 혼합물을 의미함)의 열에너지를 축동력으로 전환하여 발전하는 시스템이다.
자동차 엔진에 탑재된 에어컨용 압축기는 구동벨트 및 풀리를 통해 엔진의 구동력을 전달받아 에어컨 냉매를 순환시킨다. 발생된 열은 응축기(400)에서 방열되며, 냉매는 팽창밸브에서 팽창시킨 후 증발기(200)에서 공기와 열 교환하여 차량 내부를 냉방한다. 또한, 엔진 본체에 부착된 펌프에 의해 엔진 냉각수를 순환시켜 자동차의 히터코어에서 공기와 열교환하며, 뜨거워진 공기는 차량 내부를 난방하는데 사용된다. 난방을 구동하지 않는 경우에 엔진 냉각수는 라디에이터를 통과하면서 방열된 후 엔진(100)을 냉각시키는데 사용한다.
이때, 엔진에서 연료가 연소하면서 발생하는 배기가스는 300℃ 이상이고, 에어컨 시스템에서 압축기를 통해 고온 압축된 냉매는 150℃ 이상이며, 엔진의 엔진냉각수는 80℃ 이상이다.
스크롤 팽창기(310)는 자동차의 열원에 직접 노출되는 환경에 설치하지 않고, 1차 에너지원인 자동차의 열원과의 열교환을 통해 작동유체를 순환시키는 사이클에 설치하여 작동시키는 것이 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성 확보에 유리하다.
자동차의 열원을 이용한 발전 시스템은 자동차의 엔진에서 연료가 연소하는 과정에서 발생하는 배기 가스를 배기구로 배출할 때 작동유체와 열교환을 수행하는 재생기(100) 및 증발기(200)와, 증발기(200)를 통해 열교환된 작동유체의 열에너지를 발전기(370)의 축동력으로 전환하는 스크롤 팽창기(310)와, 스크롤 팽창기(310)를 거친 작동유체를 냉각하는 응축기(400)와, 응축기(400)를 거친 냉각상태의 작동유체가 충진되는 응축탱크(후술할 저장기)와, 응축탱크의 작동유체를 증발기(200)로 강제 투입하는 순환펌프(500)로 구성된다.
통상 팽창기 종류에는 크게 터보형(터빈)과 용적형으로 구분되며, 터보형 팽창기는 주로 대용량에 적합하다. 용적형 팽창기로는 왕복동식, 로터리식, 스크롤식 등이 있으며, 용량 1 ~ 5kW 범위에서는 스크롤식 팽창기가 단연 높은 성능을 나타낸다. 따라서 본 발명에서는 작동유체로 축동력을 발생하는데 성능 효율이 높은 스크롤 팽창기(310)를 사용하되, 일반적인 유기 랭킨 사이클을 적용한 엔진 시스템과는 달리 팽창기(310)와 발전기(370) 및 기존의 응축 탱크에 해당하는 저장기(350)가 일체화되어 하나의 모듈로 구성된 발전기-팽창기 모듈(300)을 사용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기-팽창기 모듈(300)은 기존의 스크롤 팽창기에 해당하는 스크롤 팽창기(310)와, 기존의 응축 탱크에 해당하는 저장기(350)와, 기존의 발전기와 동일한 역할을 하는 발전기(370)로 구성된다.
스크롤 팽창기(310)는 유입구(311) 및 토출구(313), 고정스크롤(315) 및 선회스크롤(317)로 구성되어 하우징 내부에 수용된다. 고정스크롤(315) 및 선회스크롤(317)의 중앙에는 크랭크 샤프트(330)의 일단이 결합된다.
증발기(200)를 통과한 작동유체는 스크롤 팽창기(310)의 고정스크롤(315) 중앙에 형성된 유입구(311)로 유입된다. 작동유체가 팽창함에 따라 팽창하는 작동유체는 선회스크롤(317)을 공전 선회시키며 점점 스크롤 팽창기(310)의 외주 쪽으로 이동하며, 외주의 일측이 열리며 토출구(313)로 배출된다. 토출구(313)로 배출된 작동유체는 재생기(100)로 이송된다. 이 과정에 유발된 선회스크롤(317)의 선회운동이 크랭크 샤프트(330)로 전달되어 축동력이 발생하게 된다. 기존과 달리 증발기(200)로부터 유입되는 작동유체는 모두 스크롤 팽창기(310)에서 팽창과정을 거친 후 배출된다. 고정스크롤(315)과 선회스크롤(317)간 내부 리크(leak)는 스크롤 팁실(319)에 의해 방지되며, 스크롤 팁실(319)은 선회스크롤(317)의 단부에 설치되어 작동유체가 팽창과정을 거치지 않고 배출되는 것을 방지한다.
저장기(350)는 스크롤 팽창기(310)와 발전기(370)의 사이에 구비되며, 스크롤 팽창기(310)의 하우징이 연장되어 저장기(350)의 내부 저장 공간을 형성한다. 내부 저장 공간의 중앙으로 크랭크 샤프트(330)가 관통되어 발전기(370)로 연결된다. 저장기(350)의 외주 일측에는 응축기(400)로부터 작동 유체가 유입되는 유입부(352)가 형성되고, 타측에는 순환펌프(500)로 작동유체를 배출하는 토출부(354)가 형성된다. 저장기(350)는 기존에 스크롤 압축기 내부에 존재하던 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358, 서로 이격 설치된 한 쌍의 베어링으로 구성됨)가 위치한 부분을 확장시키고, 확장된 내부 저장 공간이 작동유체를 일시 저장하는 역할을 하게 한다. 이로써 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)의 윤활이 안정적으로 유지되는 효과가 있다.
저장기(350)가 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)가 구비된 내부 저장 공간에 구비됨으로써 자전방지기구(356)와 베어링부(358)는 작동유체에 잠기는 형태가 되는데, 이를 유욕 윤활(oil bath lubrication)이라고 한다. 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)에 윤활이 원활하게 이루어지지 못하면 선회스크롤(317)이 선회하면서 자전이 일어나게 되므로 작동유체의 팽창이 원활하게 이루어지지 못하며, 선회스크롤(317)의 자전으로 인한 소음 및 진동이 커질 수 있어 원활한 윤활이 필수적이다. 본 발명에서는 저장기(350)가 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)를 유욕 윤활시키므로 이들의 윤활이 원활하게 이루어진다(한 쌍의 베어링 모두에 윤활 효과가 있으며, 특히 한 쌍의 베어링 중 좌측의 베어링의 윤활 효과를 크게 향상시킬 수 있다).
발전기(370)는 스크롤 팽창기(310)의 반대쪽 크랭크 샤프트(330)의 단부에 결합되며, 스테이터(374)와, 크랭크 샤프트(330)에 결합되어 회전하는 로터(372)로 구성된다. 로터(372)는 영구자석으로, 스테이터(374)의 내측에 삽입되어 크랭크 샤프트(330)에 의해 회전한다. 로터(372)에 의해 유도된 전류가 스테이터(374)로 전달되고, 레귤레이터에서 정류되어 자동차의 전장품을 구동하는 동력원으로 사용된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 사이클이 적용된 엔진은 별도로 구비되었던 응축 탱크를 삭제하고 팽창기와 발전기, 저장기를 하나의 모듈로 구현함으로써 시스템 구성이 간단해지는 효과가 있다.
또한, 저장기가 자전방지기구 및 베어링부에 일체로 형성됨으로써 유욕 윤활(oil bath lubrication)이 가능해져 윤활 성능이 향상되는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
10: 엔진 시스템 100: 재생기
200: 증발기 300: 발전기-팽창기 모듈
310: 스크롤 팽창기 315: 고정스크롤
317: 선회스크롤 319: 스크롤 팁실
330: 크랭크 샤프트 350: 저장기
370: 발전기 372: 로터
374: 스테이터 400: 응축기
500: 순환펌프

Claims (9)

  1. 엔진에서 배출되는 배기가스와 작동유체간 열교환을 하는 증발기(200)와, 스크롤 팽창기(310)와, 상기 스크롤 팽창기(310)에 의해 축동력을 발생하는 발전기(370)와, 상기 스크롤 팽창기(310)를 거친 상기 작동유체를 냉각하는 응축기(400)와, 상기 작동유체를 상기 증발기(200)로 투입시키는 순환펌프(500)를 구비한 차량용 엔진의 스크롤 팽창기(310)에 있어서,
    상기 스크롤 팽창기(310)는 상기 증발기(200)를 통해 열교환된 상기 작동유체의 열에너지를 축동력으로 전환하며, 상기 응축기(400)를 거친 작동유체가 충진되는 저장기(350)와, 상기 스크롤 팽창기(310) 및 발전기(370)는 일체로 형성된 발전기-팽창기 모듈(300)인 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전기-팽창기 모듈(300)은, 크랭크 샤프트(330)의 일단에 상기 스크롤 팽창기(310)가 결합되고, 상기 크랭크 샤프트(330)의 타단에 상기 발전기(370)가 결합되며, 상기 스크롤 팽창기(310)와 발전기(370)의 사이에 저장기(350)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스크롤 팽창기(310)는 상기 증발기(200)를 거친 상기 작동유체가 유입되는 유입구(311)와, 상기 작동유체가 팽창된 후 배출되는 토출구(313)와, 상기 작동유체의 팽창을 위한 고정스크롤(315)과, 상기 고정스크롤(315)에 회전 가능하게 결합되어 회전하는 선회스크롤(317)을 포함하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선회스크롤(317)의 단부에는 상기 작동유체가 팽창되기 전 배출되는 것을 방지하는 스크롤 팁실(319)이 결합되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스크롤 팽창기(310)에서 팽창된 상기 작동유체는 상기 증발기(200)의 전단에 구비된 재생기로 전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 저장기(350)는 내부 저장 공간을 형성해 상기 응축기(400)를 거친 상기 작동유체가 저장되며, 상기 내부 저장 공간에 상기 선회스크롤(317)의 자전을 방지하는 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저장기(350)는 상기 자전방지핀(356a) 및 자전방지홈(356b)와 베어링부(358)를 유욕 윤활(oil bath lubrication)시키는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 저장기(350)는 상기 응축기(400)를 거친 상기 작동유체가 유입되는 유입부(352)와, 상기 작동유체가 상기 순환펌프로 배출되는 토출부(354)를 포함하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 발전기(370)는 상기 크랭크 샤프트(330)의 타단에 결합되어 회전하는 로터(372)와, 상기 로터(372)를 수용하는 스테이터(374)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 스크롤 팽창기.
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