KR100479907B1 - 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기를 열교환매체로 사용하여 환경 오염 문제를 해결함과 동시에 구조를 단순화하여 신뢰성이 있고 효율적인 냉난방 시스템, 특히 차량용 냉난방 시스템을 제공하기 위한 것으로, 회전력을 발생시키는 구동부와, 상기 구동부의 회전축과과 동축상으로 연결되어 상기 구동부의 구동력에 의해 구동하며, 외부로부터 유입된 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 열교환시키는 열교환기와, 상기 압축기와 동축상으로 연결된 것으로, 상기 열교환기에서 열교환된 공기를 팽창시켜 이 팽창된 공기를 실내로 토출시키는 팽창 터어빈을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템에 관한 것이다.

Description

냉난방 시스템{Cooling and heating system}

본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보 차저를 이용한 차량용 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 차량 내부의 냉난방을 위해 냉방장치인 에어컨과, 난방장치인 히터를 구비하고 있다. 이 때 에어컨은 냉매를 이용하는 냉동 사이클에 따르는 것으로 증발기와 응축기 및 압축기로 구성되어 있고, 상기 증발기와 응축기는 상호 분리된 유닛에 장착되어 분리된 상태로 차량의 지붕 등에 나열, 설치되어 있다. 이러한 구성의 에어컨은 응축기가 외부로 열을 방출하도록 하고, 압축기에 의해 압축된 냉매가 증발기로 유인된 공기의 열을 흡수하면서 증발작용을 하여 공기를 저온화시키고 이 저온화된 공기를 블로어를 이용하여 차량의 실내로 공급하도록 한다.

그런데, 이러한 종래의 냉방 시스템은 환경 오염 물질을 냉매로 사용하고 있기 때문에 최근의 강화된 환경 규제하에서는 사용이 제한되며, 대체 냉매의 개발 등 사용상의 문제점이 발생되고 있다. 또한 상술한 바와 같이 압축기, 응축기, 증발기 등의 구성으로 시스템이 복잡하며, 이로 인해 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

이렇게 냉매를 사용한 냉방 시스템 외에 터보식 냉방 시스템이 있다. 기존의 터보식 냉방 시스템은 터보 엔진이나, 보조 동력장치(Auxiliary Power Unit: APU)에서 발생되는 고압의 압축공기를 이용하는 것으로, 이 압축공기를 열교환기에 통과시켜 저온 고압의 공기로 만들고, 이 공기를 터어빈을 통과시키면서 팽창시켜 저온 저압의 공기로 만든 후, 이 저온 저압의 공기를 고온의 공기와 배합하여 실내에 공급하는 시스템이다.

그런데, 이러한 종래의 터보식 냉방 시스템은 엔진이나 보조 동력 장치에서 압축한 공기를 이용함으로써 전체 동력 시스템에서 유용하게 사용할 수 있는 에너지를 냉방 시스템에서 소모하는 방식이 된다. 따라서, 이는 전체 시스템의 효율을 저하시키게 되어, 군용이나 항공용 외에는 적용되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환 매체로서 천연공기를 사용함으로써 환경 오염 문제를 해결함과 동시에 구조를 단순화하여 신뢰성이 있고 효율적인 냉난방 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 냉난방 시스템에 있어서 부품의 수를 최소화하하고, 엔진에서 버려지는 배기가스를 이용함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있는 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구동 터어빈과 압축기 및 팽창용 터어빈을 동축상에서 구동시켜 효율을 증가시킬 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전력을 발생시키는 구동부와, 상기 구동부의 회전축과과 동축상으로 연결되어 상기 구동부의 구동력에 의해 구동하며, 외부로부터 유입된 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 열교환시키는 열교환기와, 상기 압축기와 동축상으로 연결된 것으로, 상기 열교환기에서 열교환된 공기를 팽창시켜 이 팽창된 공기를 실내로 토출시키는 팽창 터어빈을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 구동부는 고압의 가스에 의해 구동되는 구동 터어빈으로 할 수 있다.

이 때, 상기 구동 터어빈을 구동시키는 고압의 가스는 차량의 구동부로부터 외부로 토출되는 배기가스이거나, 차량의 터보 차저로부터 압축된 가스가 될 수 있고, 열교환기와 팽창 터어빈의 사이에 유량 조절 밸브를 설치해, 상기 팽창 터어빈으로 유입되는 공기의 양을 조절하도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 팽창 터어빈의 하류측에 혼합부를 더 설치해서, 이 혼합부에서 팽창 터어빈에 의해 팽창된 공기와 팽창 터어빈을 거치기 전의 공기가 혼합되여 차량의 실내로 토출되도록 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 시스템이 냉방 모드로 작동할 경우, 외부로부터 고온의 공기를 유입해 압축기로 압축하고, 압축된 고온 고압의 공기를 열교환기에서 냉각시키고, 다시 팽창 터어빈에서 팽창시켜 저온 저압의 공기를 차량의 실내로 토출시키도록 할 수 있다.

또한, 시스템이 난방 모드로 작동할 경우에는, 외부에서 저온의 공기를 유입해 압축기로 압축하고, 압축된 저온 고압의 공기를 열교환기에서 가열시키며, 이를 다시 팽창 터어빈에서 팽창시켜 고온 저압의 공기로 만들어 차량의 실내로 토출시키도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 냉난방 시스템의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 1에 나타낸 것은 그중 냉방 시스템을 나타낸 것이다.

그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템은 구동 터어빈(20), 압축기(30) 및 팽창 터어빈(50)이 동축상으로 연결되어 구동 터어빈(20)의 구동력이 구동축들(22a)(22b)에 의해 압축기(30) 및 팽창 터어빈(50)에 전달되어 구동된다. 이 때, 상기 구동 터어빈(20)은 차량의 엔진 등 구동부(10)에서 토출된 고압의 배기가스(11)에 의해 구동되므로, 차량의 전체 시스템의 구동 에너지에는 영향을 미치지 않게 된다.

압축기(30)는 외부로부터 고온 저압의 공기(①)를 유입받아 이를 압축하는 것으로, 내부에는 압축 임펠러가 구동 터어빈(20)과 구동축(22a)에 의해 연결되어 있다.

압축기(30)에 의해 압축된 고온 고압의 공기(②)는 열교환기(40)를 통해 외부로 열(q)을 제공하고 온도가 떨어지게 되고, 이는 다시 팽창 터어빈(50)에서 팽창되어 저온 저압의 공기(④)가 되어 차량의 실내로 토출된다.

이 때, 열교환기(40)와 팽창 터어빈(50)의 사이에는 유량 조절 밸브(70)가 개재되어 팽창 터어빈(50)으로 공급되는 공기의 양을 조절하여 팽창 터어빈(50)에서 실내로 토출되는 공기의 온도를 조절할 수 있으며, 또는 상기 유량 조절 밸브(70)로부터 저온 고압의 공기(③)를 팽창 터어빈(50)의 하류측에 위치한 혼합부(60)로 보내어 팽창 터어빈(50)으로부터 나온 저온 저압의 공기(④)와 혼합하여 필요한 온도로 조절시킬 수 있다.

이러한 냉방 시스템은 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 난방 시스템으로도 사용될 수 있는 데, 이 때에는 외부로부터 유입된 저온의 공기(①)를 차량의 필수구조인 라디에이터와 같은 열교환기(40')를 통과시켜 고온의 공기(③)로 만들고, 이를 팽창 터어빈(50)에 의해 팽창시켜 차량의 실내로 토출시킨다. 이 때에도 역시 유량 조절 밸브(70) 및 혼합부(60)를 두어 온도를 조절시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 차량용 냉난방 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1 내지 도 2b를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 작용을 설명한다.

냉난방 시스템이 냉방 모드로 작동할 때에는 외부의 공기는 고온인 상태가 된다. 곧, 도 2a 및 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 점 1인 상태의 공기가 압축기(30)로 유입되며, 이 공기는 압축되어 도 2a 및 도 2b의 점 2인 상태의 공기로 된다. 이 때, 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 공기는 좀 더 고온인 상태로 된다.

이 공기가 열교환기(40)를 통과하면서 외부로 열량을 빼앗겨 도 2a 및 도 2b의 점 3의 상태인 공기로 되어 저온 고압의 공기가 되며, 다시 팽창 터어빈(50)을 통과하면서 팽창되어 저온 저압의 공기인 점 4의 상태가 된다. 이 때, 도 2b에서 볼 수 있듯이, 점 4의 상태의 공기는 점 3인 상태의 공기보다 온도가 더 떨어지게 된다. 따라서, 이렇게 온도가 가장 낮은 점 4인 상태의 공기를 차량의 실내로 토출시켜 차량 냉방을 행하는 것이다. 또한, 도 1에서 볼 수 있듯이 차량 실내로 토출되는 공기의 온도는 유량 조절 밸브(70)를 통해 도 2a 및 도 2b의 점 3의 상태인 공기를 점 4인 상태의 공기와 혼합부(60)에서 혼합시킴으로써 얻어질 수 있다.

다음으로, 도 3 내지 도 4b를 참조로 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 난방 시스템의 작용을 설명한다.

곧, 차량 냉난방 시스템이 난방 모드로 작동할 경우에 외부로부터 유입되는 공기는 저온의 공기가 된다. 따라서, 도 4a 및 도 4b의 점 1인 상태의 공기가 압축기(30)로 유입되며, 압축기(30)에 의해 압축되어 온도가 약간 올라간 점 2인 상태의 공기가 된다.

이것이 열교환기(40')를 통과하면서 외부로부터 열량(q')을 공급받아 도 4a 및 도 4b의 점 3과 같은 상태의 공기가 되고, 팽창 터어빈(50)을 통과하면서 팽창해 점 4와 같은 상태의 공기로 된다. 이 점 4의 상태에서는 점 3보다 온도가 더 떨어지기 때문에 점 3인 상태의 공기를 유량 조절 밸브(70)에 의해 추출해 혼합부(60)에서 혼합시켜 온도를 조절하여 차량의 실내로 토출시킨다.

이상에서 설명한 바와 같은 차량용 냉난방 시스템은 상술한 바와 같이 엔진 등의 차량 구동부로부터 외부로 배기되는 배기 가스를 이용해 구동 터어빈을 구동시킬 수도 있으며, 터보 차저를 장착한 엔진의 경우 터보 차저를 이용하여 압축된 공기를 구동 터어빈을 구동시키는 데 사용할 수도 있다.

이상 설명한 것을 본 발명의 냉난방 시스템의 기술적 사상을 차량에 적용시킨 하나의 바람직한 실시예로서 설명한 것으로, 이러한 냉난방 시스템은 그 외에 냉난방 시스템을 필요로 하는 모든 분야에도 적용될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 차량용 냉난방 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 열교환 매체로서 천연 공기를 사용함으로써 환경오염을 방지할 수 있다.

둘째, 구동 터어빈, 압축기의 임펠러, 팽창 터어빈 등을 동축상에 구성함으로써 전체 부품의 수를 최소화하였고, 구조를 단순화하여 장비의 신뢰성을 향상시켰다.

셋째, 구동 터어빈의 구동원으로써 엔진 등 구동부에서 사용하고 버려지는 배기 가스를 이용할 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

넷째, 단순한 구조와 적은 부품으로 인해 대량 생산시 원가를 줄일 수 있어, 생산성이 향상된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 냉난방 시스템의 냉방모드를 나타내는 개략적인 구성도.

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 따른 차량용 냉난방 시스템의 냉방 모드 시의 P-V 곡선 및 T-S 곡선을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 냉난방 시스템의 난방모드를 나타내는 개략적인 구성도.

도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 따른 차량용 냉난방 시스템의 난방 모드 시의 P-V 곡선 및 T-S 곡선을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 차량 구동부 11: 배기 가스

20: 구동 터어빈 22a,22b: 구동축

30: 압축기 40: 열교환기

50: 팽창 터어빈 60: 혼합부

70: 유량 조절 밸브

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 회전력을 발생시키고, 고압의 가스에 의해 구동되는 구동 터어빈;

   상기 구동 터어빈의 회전축과 동축상으로 연결되어 상기 구동 터어빈의 구동력에 의해 구동하며, 외부로부터 유입된 공기를 압축하는 압축기;

   상기 압축기에 의해 압축된 공기를 열교환시키는 열교환기;

   상기 압축기와 동축상으로 연결된 것으로, 상기 열교환기에서 열교환된 공기를 팽창시켜 이 팽창된 공기를 실내로 토출시키는 팽창 터어빈; 및

   상기 열교환기와 팽창 터어빈의 사이에 설치되어 상기 팽창 터어빈으로 유입되는 공기의 양을 조절하는 유량 조절 밸브;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
6. 삭제
7. 차량의 구동부로부터 외부로 토출되는 배기가스에 의해 구동되는 구동 터어빈;

   상기 구동 터어빈과 동축상으로 연결되어 상기 구동 터어빈의 구동력에 의해 구동하며, 외부로부터 유입된 고온의 공기를 압축하는 압축기;

   상기 압축기에 의해 압축된 고온 고압의 공기를 냉각시키는 열교환기;

   상기 압축기와 동축상으로 연결된 것으로, 상기 열교환기에서 냉각된 공기를 팽창시켜 이 팽창된 저온 저압의 공기를 차량의 실내로 토출시키는 팽창 터어빈; 및

   상기 열교환기와 팽창 터어빈의 사이에 설치되어 상기 팽창 터어빈으로 유입되는 공기의 양을 조절하는 유량 조절 밸브;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
8. 차량의 구동부로부터 외부로 토출되는 배기가스에 의해 구동되는 구동 터어빈;

   상기 구동 터어빈과 동축상으로 연결되어 상기 구동 터어빈의 구동력에 의해 구동하며, 외부로부터 유입된 저온의 공기를 압축하는 압축기;

   상기 압축기에 의해 압축된 저온 고압의 공기를 가열시키는 열교환기;

   상기 압축기와 동축상으로 연결된 것으로, 상기 열교환기에서 가열된 공기를 팽창시켜 이 팽창된 고온 저압의 공기를 차량의 실내로 토출시키는 팽창 터어빈; 및

   상기 열교환기와 팽창 터어빈의 사이에 설치되어 상기 팽창 터어빈으로 유입되는 공기의 양을 조절하는 유량 조절 밸브;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 난방 시스템.
9. 제 5항, 제 7항, 및 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 팽창 터어빈의 하류측에 설치된 것으로, 상기 팽창 터어빈에 의해 팽창된 공기와 상기 팽창 터어빈을 거치기 전의 공기를 혼합하여 실내로 토출시키는 혼합부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.