KR100199325B1 - 엔진 구동 열 펌프 장치 - Google Patents

Abstract

배기 가스에 포함되는 수증기가 동결하지 않도록 한다.

냉각 유체와 외기와의 열교환을 행하는 방열기(3)와, 냉각 유체와 엔진(2)으로부터 나오는 배기 가스사이의 열교환을 행하든 배기 가스 열교환기(4)와, 냉매 회로에 설치한 압축기(1)를 구동하는 엔진(2)을 직렬로 접속하고 냉각 유체를 환류시키는 냉각 회로를 구성한다. 방열기(3)의 입구측과 출구측에 접속되고 냉각 유체를 우회시키는 바이패스관(8)과, 냉각수의 온도에 따라서 상기 바이패스관(8)으로 흐르는 냉각 유체량을 조정하는 바이패스량 조정 수단(V2)을 설치한다. 바이패스량 조정 수단(V2)은 냉각 유체의 온도가 낮을 수록 바이패스관(8)으로 흐르는 상기 냉각 유체량을 증가시킨다. 온도 저하하지 않은 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 환류하도록 했다.

Description

엔진 구동 열 펌프 장치

본 발명은 냉매를 압축하는 압축기가 가스 엔진에 의해 구동되는 엔진 구동 열 펌프 장치에 관한 것이며, 특히 엔진을 냉각하는 냉각 회로에 배기 가스 열교환기를 갖춘 엔진 구동 열 펌프 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 기술로서는, 예를 들면 제4도에 도시한 바와 같이 엔진 구동 열 펌프 장치의 냉각 회로가 주지되어 있다. 제4도에 있어서, 1은 도시하지 않은 열 펌프 냉매 회로에 설치된 냉매를 압축하는 압축기, 2는 가스 등을 연료로 하고 압축기(1)를 구동하는 엔진, 3은 열 펌프 냉매 회로의 도시하지 않은 실외 열교환기와 병설되어, 냉각수(냉각 유체)와 외기 사이의 열교환을 행하는 방열기, B는 엔진(2)을 구동했을 때에 나오는 배기 가스와 냉각수 사이의 열교환을 행하는 배기 가스 열교환기(4)이다. 이들 엔진(2), 방열기(3), 배기 가스 열교환기(4)는 냉각수관(5)에 의해 직렬 폐회로로 배관 접속되어 있다.

배기 가스 열교환기(4) 입구측에는, 펌프(P1)가 접속되어 있다. 엔진(2) 출구측과 입구측에는 펌프(P2)를 갖춘 바이패스관(7)이 접속되어 있다. 이들 펌프(P1 및P2)에 의해 냉각 회로 내를 냉각수가 환류한다.

엔진(2)과 방열기(3) 사이의 냉각수관(5a)에는, 3구의 온도 자동 절환 밸브인 서모 밸브(V1)(예를 들면 왁스 밸브)가 설치되어, 이 서모 밸브(V1)의 잔여 접속구는, 배기 가스 열교환기(4)와 엔진(2) 사이의 냉각수관(56)에 바이패스관(6)에 의해 접속된다.

또한, 서모 밸브(V1)는, 엔진(2)으로부터 유입하는 냉각수의 온도가 소정 온도, 예를 들면 60℃ 이하시에는, 엔진(2)→방열기(3)의 유로가 완전 폐쇄하고, 바이패스관(6)→방열기(3)의 유로가 완전 개방한다. 엔진(2)측으로부터 유입하는 냉각수의 온도가 60℃ 보다 높은 소정 온도, 예를 들면 70℃ 이상일 때에는, 엔진(2)→방열기(3)의 유로가 완전 개방하고, 바이패스관(6)→방열기(3)의 유로가 완전 폐쇄한다. 엔진(2)측으로부터 유입하는 냉각수의 온도가 60∼70℃ 사이일 때에는, 온도가 높아질 수록 엔진(2)→방열기(3)의 유로가 비례적으로 개방되고, 바이패스관(6)→방열기(3)의 유로가 비례적으로 폐쇄된다.

따라서, 상기 구성의 엔진 구동 열 펌프 장치에 있어서의 엔진(2)은, 이 엔진(2)을 냉각하여 유출한 냉각수의 온도가 낮을 때에는, 방열기(3)에서 외기로 방열하는 일없이 그대로 바이패스관(7)을 통해서 환류하는 냉각수에 의해 냉각되고, 온도가 높을 때에는 방열기(3)에서 방열한 냉각수에 의해 효과적으로 냉각된다.

한편, 배기관(2A)을 거쳐서 배기되는 600℃나 되는 엔진(2)의 배기 가스는 방열기(3)에서 외기로 항상 방열한 냉각수에 의해 배기 가스 열교환기에 있어서 효과적으로 냉각된다.

그러나, 상기 종래의 엔진 구동 열 펌프 장치에 있어서는, 외기의 온도가 크게 저하하고, 배기 가스 열교환기를 통하는 냉각수가 엔진 내부를 통과하지 않고 방열기로 방열하여 배기 가스 열교환기로 환류하면, 배기 가스의 온도가 너무 내려가고, 배기관의 취출부에서 배기 가스에 포함되는 수증기가 동결한다는 문제가 있으며, 한냉지에 있어서, 이와 같은 문제를 일으키지 않도록 할 필요가 있었다.

제1도는 제1실시 형태를 도시한 설명도.

제2도는 제2실시 형태를 도시한 설명도.

제3도는 제3실시 형태를 도시한 설명도.

제4도는 종래기술을 도시한 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기 2 : 엔진

3 : 방열기 4 : 배기 가스 열교환기

5,5a,5b,5c,5d : 냉각수관 6,7,8 : 바이패스관

11 : 열 펌프 냉매 회로 V1 : 서모 밸브

V2 : 서모 밸브

상기 문제에 비추어서 본 발명은, 냉각 유체와 외기와의 열교환을 행하는 방열기와, 냉각 유체와 엔진으로부터 나오는 배기 가스와의 열교환을 행하는 배기 가스 열교환기와, 냉매 회로에 설치한 압축기를 구동하는 엔진을 직렬로 접속하고, 냉각 유체를 환류시키는 냉각 회로를 갖춘 엔진 구동 열 펌프 장치에 있아서, 방열기입구측과 출구측에 접속되고 냉각 유체를 우회시키는 바이패스관과, 냉각수의 온도에 따라서 상기 바이패스관으로 흐르는 냉각 유체량을 조정하는 바이패스량 조정수단을 설치한 것을 특징으로 한다.

상기 바이패스량 조정 수단은, 냉각 유체의 온도가 낮을수록 바이패스관으로 흐르는 상기 냉각 유체량을 증가시킨다.

또, 상기 바이패스량 조정 수단은, 냉각 유체의 온도가 제1온도 이하일 때는 바이패스관으로 냉각수를 전량 흘리고, 제1온도보다 높은 제2온도 이하일 때는 방열기로 냉각수를 전량 흘리고, 제1온도와 상기 제2온도 사이일 때는 방열기 및 바이패스관으로 냉각수를 흐르도록 조정한다.

상기 바이패스량 조정 수단으로서는, 냉각 유체의 온도에 따라서 개도가 변화하는 온도 자동 절환 밸브가 적용될 수 있다.

이하, 제1도 내지 제3도를 기초로 하여, 본 발명의 엔진 구동 열 펌프 장치의 실시 형태를 설명한다. 또, 이들 도면에 있어서, 제4도에서 설명한 부분과 같은 기능을 가진 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.

제1 실시 형태를 제1도를 기초로 하여 설명한다. 이 제1도에 도시한 엔진 구동 열 펌프 장치의 냉각 회로에 있어서는, 방열기(3) 입구측의 냉각수관(5a)에 또 하나의 3구의 온도 자동 절환 밸브인 서모 밸브(V2)(예를 들면 왁스 밸브)를 설치하고, 이 서모 밸브(V2)의 잔여 접속구를 방열기(3) 출구측의 냉각수관(5b)에 바이패스관(8)을 거쳐서 접속하고 있다.

이 서모 밸브(V2)는, 서모 밸브(V1)측으로부터 유입하는 냉각수의 온도가 소정 온도, 예를 들면 60℃ 이하일 때는 전량을 바이패스관(8)측으로 흘리고, 예를 들면 70℃ 이상일 때에는, 전량을 방열기(3)측으로 홀리고, 60∼70℃ 사이일 때에는, 온도가 높을수록 방열기(3)를 흐르는 양이 비례적으로 증가하고, 방열기(3)를 흐르는 양이 비례적으로 감소하도록 기능한다.

또, 냉각수관(5a)의 엔진(2)에서 서모 밸브(V2)에 이르는 사이에는, 엔진(2)내부를 통해서 온도 상승한 냉각수가 대류에 의해 서모 밸브(V1,V2) 방향으로 유동하기 쉽도록, 상승 경사로 배관하는 것이 바람직하다. 냉각수관(5a)을 수평으로 배관할 때에는(상승 경사로 배관할 경우도 물론), 열이 전달되기 쉽도록 냉각수관(5a)과 바이패스관(7)의 분기점과 서모 밸브(V1,V2)는 접근하여 설치하는 것이 바람직하다.

상기 구성의 엔진 구동 열 펌프 장치에 있어서는, 서모 밸브(V2)를 통과하는 냉각수의 온도가 높을 때에는, 냉각수는 방열기(3)로 흘러서 방열하고 온도가 저하한 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입하고, 온도가 낮을 때에는 방열기(3)를 우회하고, 온도 저하하지 않은 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입하므로, 배기관(2A)을 거쳐서 배기되고 있는 엔진(2)의 배기 가스가 배기 가스 열교환기(4)에 있어서 지나치게 냉각되는 일이 없다 이 때문에, 한냉지 등에 있어서도 배기 가스 내에 포함되어 있는 수증기가 배기관(2A) 출구부에서 동결하는 일이 없다.

게다가, 엔진(2)을 냉각한 냉각수의 온도가 낮을 때에도, 펌프(P1)에 의해 순환하는 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)를 순환하여 계속 냉각하고 있으므로, 600℃나 되는 배기 가스가 유입하여 고온이 되는 배기 가스 입구측에서 냉각수가 비등한다는 결점도 없다.

제2의 실시 형태를 제2도를 기초로 하여 설명한다. 이 제2도에 도시한 엔진 구동 열 펌프 장치의 냉각 회로는, 펌프(P1), 배기 가스 열교환기(4), 엔진(2), 서모 밸브(V2) 방열기(3)를 직렬로 접속하여 구성하고, 방열기(3)의 출구와 서모 밸브(V2)를 바이패스관(8)으로 접속하고 있다.

이와 같이 구성한 냉각 회로에 있어서도, 서모 밸브(V2)를 통과하는 냉각수의 온도가 높을 때에는, 냉각수는 방열기(3)를 흘러서 방열하고 온도가 저하한 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입하고, 온도가 낮을 때에는 방열기(3)를 우회하여 바이패스관(8)을 흐르고, 온도 저하하지 않는 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입한다. 따라서, 배기관(2A)을 거쳐서 배기되고 있는 엔진(2)의 배기 가스가 배기가스 열교환기(4)에 있어서 지나치게 냉각되는 일이 없다.

이 때문에, 한냉지에 있어서도 배기 가스 내에 포함되어 있는 수증기가 배기관(2A) 출구부에서 동결하는 일이 없으며, 펌프(P1)에 의해 순환하는 냉각수가 배기가스 열교환기(4)를 순환하여 계속 냉각하고 있으므로, 고온이 되는 배기 가스 입구측에서 냉각수가 비등한다는 결점도 없다.

제3의 실시 형태를 제3도를 기초로 하여 설명한다. 이 냉각 회로는, 제2도에 도시한 제2의 실시 형태의 냉각 회로에 냉각수와 냉매사이의 열교환을 행하는 냉매열교환기(9)를 갖춘 대냉매용 열교환관(10)과 전동 3방 절환 밸브(V3)를 설치하여 구성되어 있다. 전동 3방 절환 밸브(V3)의 절환에 의해 냉각수를 방열기(3)로 흘려서 방열한 냉각수를 냉매 열교환기(9)로 흘리거나, 냉매 열교환기(9)를 우회하여 배기 가스 열교환기(4)로 직접 유입하도록 구성하고 있다.

냉매 열교환기(9)는, 예를 들면 냉매가 내측을 흐르고, 냉각수가 외측을 흐르는 2중관으로 구성되어 있다. 냉매 열교환기(9)의 냉매 통로는 압축기(1)로 환류하는 냉매가 통과하도록 열 펌프 냉매 회로(11)에 접속된다. 또, 12는 압축기(1)의 흡입측에 접속된 축압기, 13은 4방 절환 밸브이다. 4방 절환 밸브(13)는 도시 생략하고 있지만, 압축기(1)의 토출측이 접속되고, 실외 열교환기와 실내 열교환기가 직렬로 접속되고, 열 펌프 냉매 회로(11)를 구성한다.

14는 제어기이며, 외기 온도를 검출하는 온도 센서(S1)와 도시하지 않은 실내 열교환기의 온도를 검출하는 온도 센서(S2)와 압축기(1)가 흡입하는 냉매 압력을 검출하는 압력 센서(S3)의 검출 신호를 기초로 하여, 전동 3방 절환 밸브(V3)의 절환 제어를 행한다.

제어기(14)는, 냉/난방 어느 운전을 행할 경우에도, 운전 개시시는 방열기(3)로부터 유출한 냉각수의 전량이 대냉매용 열교환관(10)을 우회하여 배기 가스 열교환기(4)로 유입하도록 전동 3방 절환 밸브(V3)를 절환한다.

또, 제어기(14)는 난방 운전시에 있어서는, 온도 센서(S1)가 검출하는 외기온도가 소정 온도, 예를 들면 2℃ 이하로 저하하면, 방열기(3)로부터 유출한 냉각수를 전부 대냉매용 열교환관(10)으로 흘려서 냉매 열교환기를 통과하도록 전동 3방 절환 밸브(V3)를 절환한다. 전동 3방 절환 밸브(V3)를 이와 같이 절환한 후는, 압력 센서(53)가 검출하는 압력이 소정 압력, 예를 들면 250kPa 이상으로 상승했을 때에, 방열기(3)로부터 유출한 냉각수가 전부 냉매 열교환기(9)를 우회하여 배기 가스 열교환기(4)로 직접 유입하도록 전동 3방 절환 밸브(V3)를 절환한다.

또, 제어기(14)는, 냉방 운전시에 있어서는, 온도 센서(52)가 검출하는 도시하지 않은 실내 열교환기의 온도가 소정 온도, 예를 들면 2℃ 이하로 저하하면, 방열기(3)로부터 유출한 냉각수를 전부 대냉매용 열교환관(10)으로 흘러서 냉매 열교환기(9)를 통과하도록 전동 3방 절환 밸브(V3)를 절환한다. 전동 3방 절환 밸브(V3)를 이와 같이 절환한 후는, 실내 열교환기의 온도가 상기 소정 온도 보다 높은 소정온도, 예를 들면 3℃ 이상으로 상승했을 때에 방열기(3)로부터 유출한 냉각수가 전부 냉매 열교환기(9)를 우회하여 배기 가스 열교환기(4)로 직접 유입하도록 전동 3방 절환 밸브(V3)를 절환한다.

상기 구성의 엔진 구동 열 펌프 장치에 있어서도, 서모 밸브(V2)를 통과하는 냉각수의 온도가 높을 때에는, 방열기(3)에서 방열하여 온도가 저하한 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입하고, 온도가 낮을 때에는 방열기(3)를 우회하고, 온도저하하지 않는 냉각수가 배기 가스 열교환기(4)로 유입하므로, 배기관(2A)을 거쳐서 배기되고 있는 엔진(2)의 배기 가스가 배기 가스 열교환기(4)에 있어서 지나치게 냉각되는 일이 없다.

이 때문에, 한냉지에 있어서도 배기 가스 내에 포함되어 있는 수증기가 배기관(2A)의 출구부에서 동결하는 일이 없으며, 펌프(P1)에 의해 순환하는 냉각수가 배니 가스 열교환기(4)를 순환하여 계속 냉각하고 있으므로, 고온이 되는 배기 가스의 입구측에서 냉각수가 비등한다는 결점도 없다.

또, 제어기(14)에 의해 상기와 같이 작동하는 전동 3방 절환 밸브(V3)를 설치하고 있으므로, 냉각수를 냉매 열교환기(9)로 보내어 냉매와 열교환을 시키고, 저압측 냉매의 압력을 상승시키는 일이 가능하며, 온도가 현저하게 저하했을 때의 난방능력을 향상시킬 수 있다. 또, 온도가 상당히 낮을 때에 행하는 냉방 운전시(OA기기를 장비한 실내 등에서는 필요한 일이 많다)에는, 실내 열교환기의 동결을 막을 수 있으므로, 운전 가능한 하한 외기 온도를 저하시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 엔진 구동 열 펌프 장치에 따르면, 냉각수의 온도가 높을 때에는 방열기에서 방열하여 온도 저하한 냉각수를 배기 가스 열교환기로 유입시키고, 온도가 낮을 때에는 방열기를 우회하고, 온도 저하하지 않은 냉각수를 배기 가스 열교환기로 유입시키므로, 배기관을 거쳐서 배기되고 있는 엔진의 배기 가스가 배기 가스 열교환기에 있어서 지나치게 냉각되는 일이 없다.

이 때문에, 한냉지에 있어서도 배기 가스 내에 포함되어 있는 수증기가 출구부에서 동결하는 일이 없으며, 냉각수가 배기 가스 열교환기를 순환하여 계속 냉각하고 있으므로, 고온이 되는 배기 가스의 입구측에서 냉각수가 비등한다는 결점도 없다.

Claims (4)

1. 냉각 유체와 외기 사이의 열교환을 행하는 방열기와, 상기 냉각 유체와 엔진으로부터 나오는 배기 가스와 열교환을 행하는 배기 가스 열교환기와, 냉매 회로에 설치한 압축기를 구동하는 엔진을 직렬로 접속하고, 상기 냉각 유체를 순환시키는 냉각 회로를 갖춘 엔진 구동 열 펌프 장치에 있어서, 상기 방열기의 입구측과 출구측에 접속되고, 상기 냉각 유체를 우회시키는 바이패스관과, 상기 냉각수의 온도에 따라서 상기 바이패스관으로 흐르는 냉각 유체량을 조정하는 바이패스량 조정 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 엔진 구동 열 펌프 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 바이패스량 조정 수단은, 상기 냉각 유체의 온도가 낮을 수록 상기 바이패스관으로 흐르는 상기 냉각 유체의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 열 펌프 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 바이패스량 조정 수단은, 상기 냉각 유체의 온도가 제1온도 이하일 때는 상기 바이패스관으로 상기 냉각수를 전량 흘리고, 상기 제1온도보다 높은 제2온도 이상일 때에는 상기 방열기로 상기 냉각수를 전량 흘리고, 상기 제1온도와 상기 제2온도 사이일 때에는, 상기 방열기 및 상기 바이패스관으로 상기 냉각수를 흐르도록 조정하는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 열 펌프 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 바이패스량 조정 수단이 상기 냉각 유체의 온도에 따라서 온도가 변화하는 온도 자동 절환 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 구동 열 펌프 장치.

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