KR101309419B1

KR101309419B1 - 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101309419B1
Application number: KR1020100109878A
Authority: KR
Inventors: 김기문; 이정근
Original assignee: 충북보건과학대학교 산학협력단; 주식회사 이에스티
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2013-09-23
Also published as: KR20120048305A

Abstract

본 발명은 냉동탑차의 적재고 내부의 온도를 일정한 범위 내로 유지시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템은 차량의 엔진과 외부 전원으로 이루어진 전원공급장치와 축냉 겸용 증발기를 포함함으로써, 엔진 구동식 냉각 시스템과 축냉식 냉각 시스템을 일체화하였다. 따라서 본 발명에 의하면 적재고의 잦은 개폐나 차량 엔진 정지시에도 축냉판의 냉기로 저온을 유지할 수 있으며, 축냉판에 저장된 냉기를 소진한 후에도 전원공급장치로 전원을 공급함으로써 냉각 시스템을 구동시킬 수 있다. 그러므로 냉동탑차의 적재고 내부의 온도를 저온으로 일정하게 유지하여 운송 화물의 부패를 방지하고 신선도를 유지할 수 있다. 또한 응축기 및 팽창기 등 부품의 공용화 최적 설계를 통하여 원가를 절감할 수 있으며, 하나의 사이클로 순환됨으로써 그에 따른 제어가 용이하고, 에너지 활용의 효율성을 높여 유류비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템{HYBRID COOLING SYSTEM FOR REFRIGERATOR VEHICLES}

본 발명은 냉동탑차의 적재고 내부의 온도를 일정한 범위 내로 유지시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.

냉동탑차는 냉각 시스템을 이용하여 적재고의 내부를 냉각시킴으로써, 적재된 화물의 부패를 방지하여 신선도를 유지시킬 수 있도록 하는 일종의 특수차량이다.

이러한 냉동탑차의 냉각 시스템은 크게 엔진 구동식 냉각 시스템과 축냉식 냉각시스템으로 나눌 수 있다.

엔진 구동식 냉각 시스템은 다음과 같이 이루어진다.

냉동탑차의 발전기가 엔진의 회전력을 전기에너지로 변환하여 그 전기에너지를 공급받은 압축기가 냉매를 고온고압으로 압축시켜 응축기로 공급하면, 응축기가 압축된 냉매를 냉각 및 액화시킨다. 액화된 냉매는 팽창기를 통과하면서 기화에 용이한 저압으로 유지된다. 저압으로 유지된 냉매는 증발기로 공급되어 증발기에 의해 증발하면서 주변의 열을 흡수함으로써 냉기를 발생시키는 열교환이 이루어진다.

이러한 엔진 구동식 냉각 시스템은 다시 메인타입과 서버타입으로 나눌 수 있다.

메인타입은 다음과 같이 작동한다. 연료를 공급받은 엔진이 발전기와 벨트로 연결되어 있고, 발전기는 엔진의 회전력에 의한 기계에너지를 전기에너지로 변환하고 이를 전기배선을 이용하여 냉각 시스템으로 공급하여 냉각 시스템의 압축기, 응축기 및 증발기를 구동시킨다.

그런데 통상적으로 발전기는 회전자의 회전속도가 증가할수록 출력전압도 함께 높아지므로, 위와 같은 메인타입의 엔진 구동식 냉각 시스템을 사용하는 냉동탑차는 엔진의 운전상태(엔진의 RPM 변화)에 따라 발전기에서 출력전압이 불규칙하여 압축기가 불안정하게 작동하고, 엔진의 정지시에는 발전기도 함께 정지하므로 냉각 시스템의 동작도 불가능하게 된다. 따라서 저온을 유지할 수 없어, 화물의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

그리고 서버타입은 적재고의 정면 상측 및 그 이면에 해당하는 적재고의 내측면에 연통되어 설치된다. 즉, 적재고의 정면 상측에 외부전원 공급장치, 발전기, 압축기, 응축기가 설치되고, 적재고의 정면 상측 이면에 증발기가 설치된다. 따라서 차량의 엔진과는 별개로 외부전원 공급장치가 작동하여, 외부전원 공급장치의 구동으로 발전기가 전기에너지를 발생시키고, 이 전기에너지를 이용하여 압축기, 응축기 및 증발기가 구동되는 특성이 있다.

이러한 서버타입은 차량의 엔진이 정지할 때에도 외부전원 공급장치를 이용하여 냉각 시스템을 구동시킬 수 있다는 장점이 있지만, 별도의 외부전원 공급장치를 구비하여야 하므로 냉각 시스템의 구축비용이 증가한다는 단점이 있다.

한편 축냉식 냉각 시스템은 적재고의 온도 유지를 위해 적절한 잠열재(PCM;Phase Change Material)를 축냉판 또는 특정형태의 용기에 봉입한 축냉 시스템을 장착하여, 야간전기로 냉기를 축적하고 주간에는 별도의 전력원이 없이 저온으로 적재고 내부 온도를 유지시키는 방식이다.

축냉식 냉각 시스템은 연료를 소모하지 않고 엔진 구동식 냉각 시스템과 비교하여 냉매를 사용하지 않으므로 환경 친화적이며, 운행 소음이 없고, 고장 발생 확률이 낮다는 장점이 있다. 그러나 축냉판의 축냉 시간이 길고 축냉판에 저장된 냉기를 모두 소비하면 냉각 기능을 상실한다는 점과 엔진 구동식 냉각 시스템에 비해 축냉판 자체 무게에 의한 하중부담이 크다는 문제점이 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 엔진 구동식 냉각 시스템의 단점을 보완하기 위해 대한민국 등록특허 10-0629106에서는 냉동 차량에 온도 센서를 부착하여 운전자의 부재시에도 냉동고 내의 온도에 따라 차량의 엔진 시동 및 냉동기의 동작을 자동으로 제어할 수 있는 냉각 시스템을 제시하였다. 그러나 상기 등록특허는 엔진이 공회전함으로써 연료 소비를 증가시키며, 배기가스 배출로 인한 환경오염을 야기한다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉동탑차의 엔진 정지시에도 적재고의 온도를 저온으로 유지할 수 있으면서도 축냉판의 축냉 시간을 감소시킬 수 있는 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템은 차량의 엔진 및 외부 전원으로 이루어지는 전원공급장치; 상기 전원공급장치로부터 구동력을 얻어, 흡입한 냉매를 고온고압의 냉매로 만드는 압축기; 상기 압축기에서 배출된 고온고압 냉매를 전달받아 저온고압의 냉매로 만드는 응축기; 상기 저온고압의 냉매를 압력 변화에 의해 저온저압의 냉매로 변화시키는 팽창기; 상기 저온저압의 냉매를 증발시켜 주위의 열을 흡수함으로써 적재고 내부의 온도를 저하시키며, 냉기를 저장하여 저장한 냉기를 발산하는 축냉 겸용 증발기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 압축기는 차량의 엔진으로 구동되는 엔진 구동 압축기; 외부 전원으로 구동되는 전기 구동 압축기; 를 포함하며, 주간 또는 차량 주행 시에는 상기 엔진 구동 압축기가 작동하여 냉각 시스템을 구동시키며, 야간 또는 주차 시에는 상기 전기구동 압축기가 작동하여 상기 축냉 겸용 증발기에 냉기를 저장하는 것을 특징으로 한다.

그리고 적재고 내부의 온도를 감지하는 온도 감지기; 상기 전원공급장치를 제어하는 제어부; 를 더 포함하고, 상기 온도감지기가 상기 냉동탑차의 적재고 내부의 온도가 설정 온도 이상인 것을 감지하면, 상기 제어부는 상기 전원공급장치를 작동시켜 적재고 내부를 설정 온도로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 엔진 구동식 냉각 시스템과 축냉식 냉각 시스템을 일체화함으로써, 적재고의 잦은 개폐나 엔진 정지시에도 축냉판의 냉기로 저온을 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 축냉판에 저장된 냉기를 소진한 후에도 전원공급장치로 전원을 공급함으로써 냉각 시스템을 구동시킬 수 있으며 동시에 축냉판에 냉기를 저장할 수 있는 효과가 있다.

따라서 언제 어디서나 냉동탑차의 적재고 내부의 온도를 일정하게 유지하여 운송 화물의 신선도를 보장할 수 있으며, 응축기 및 팽창기 등 부품의 공용화 최적 설계를 통하여 원가를 절감할 수 있다.

그리고 본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템이 한 사이클로 순환됨으로써 그에 따른 제어가 용이하며, 에너지 활용의 효율성을 높여 유류비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 냉동 차량용 냉각 시스템의 구성도이다.
도2는 본 발명에 따른 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템의 구성도이다.
도3은 본 발명에 따른 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템을 적용한 냉동탑차의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

도2는 본 발명에 따른 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)의 구성도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)은 전원공급장치(110), 압축기(120), 응축기(130), 수액기(140), 팽창기, 축냉 겸용 증발기(160), 제상장치(170), 액 분리기(180), 제어부(200)로 이루어진다.

본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)의 냉각 사이클은 압축기(120)→응축기(130)→수액기(140)→팽창기→축냉 겸용 증발기(160)→액 분리기(180)→압축기(120)의 순서로 하나의 순환구조를 이룬다. 따라서 두 개의 사이클을 이루는 것에 비해 시스템의 제어가 간단하며, 신뢰성이 향상된다.

전원공급장치(110)는 차량의 엔진(111) 및 외부의 전원(112)으로 구성된다. 종래의 냉각 시스템의 경우 엔진의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 구동력을 얻는다. 따라서 엔진의 운전상태에 따라 냉각 시스템도 불안정하게 동작하여 적재고의 온도를 유지할 수 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 외부의 전원(112)을 추가로 구비함으로써 차량의 엔진(111)이 정지된 상태에서도 냉각 시스템을 구동시킬 수 있다. 이러한 외부의 전원(112)은 적재고 하부에 전기 구동 압축기(122)와 인접하여 설치되는 것이 바람직하다.

압축기(120)는 저온저압의 기체 냉매를 흡입, 압축하여 압력을 상승시켜 분자 간의 거리를 가깝게 하고 온도를 상승시켜, 응축기(130)에서 쉽게 액화할 수 있도록 한다. 즉 저열원(축냉 겸용 증발기(160))에서 냉매가 증발하면서 얻은 열을 고열원(응축기(130))로 보내는 역할을 한다. 이러한 압축기(120)의 작용에 의하여 냉매는 증발과 응축과정을 반복하면서 냉각 시스템 내를 순환하며, 열을 저온에서부터 고온으로 운반하게 된다. 이때 압축기(120)의 일량은 압축기(120) 입구와 출구의 엔탈비 변화와 같다. 압축기(120)는 전원공급장치(110)와 인접하여 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 압축기(120)는 엔진 구동 압축기(121)와 전기 구동 압축기(122)로 나뉘어진다. 엔진 구동 압축기(121)는 주간 또는 주행시에 차량의 엔진(111)으로부터 구동력을 얻어 냉각시스템을 순환시키고, 전기 구동 압축기(122)는 야간 또는 주차시에 외부 전원(112)으로부터 구동력을 얻어 축냉 겸용 증발기(160)의 축냉판(161)에 냉기를 축적한다.

응축기(130)는 압축기(120)에서 배출된 고온고압 기체 냉매의 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축, 액화시킨다. 즉, 응축기(130)에서 응축되는 기체 냉매는 냉각수나 공기를 통하여 주위에 응축 잠열을 빼앗기게 된다. 이때 응축되는 기체 냉매가 냉각수나 증기를 통하여 주위에 빼앗기는 열량은 응축기(130) 입구 기체 냉매의 엔탈피와 응축기(130) 출구 액체 냉매의 엔탈피 차이와 같다. 또한 이 열량은 냉매가 축냉 겸용 증발기(160)에서 저온의 물체나 공간으로부터 흡수한 열량과 저압의 냉매증기가 압축기(120)에서 받은 압축일량을 합한 값이다. 응축열량은 증발온도와 응축온도에 따라 다르며, 증발 온도가 같아도 응축온도가 높으면, 압축일량은 증가하므로 응축열량도 증가한다. 또한 응축온도가 같아도 증발온도가 낮게 되면 압축기(120)로 흡입되는 기체 냉매의 비체적이 증가하게 되어 압축일량이 증가하므로 응축열량도 증가한다.

수액기(140)는 응축기(130)에서 액화한 액체 냉매를 팽창기에 보내기 전에 일시 저장하는 용기로서 원통형의 고압 용기로 형성된다. 냉각 시스템을 수리하거나 장기간 정지시키는 경우에 장치 내의 냉매를 회수하는 역할도 한다.

팽창기는 수액기(140)에서 나온 액체 냉매를 교축(Throttling)하여 저온저압으로 만든 후 축냉 겸용 증발기(160)로 전달한다. 여기서, 교축은 유체가 노즐이나 오리피스와 같이 유로가 좁은 곳을 통과하게 되면, 외부와 열량이나 일의 교환이 없이도 압력이 감소하는 현상을 말한다. 교축 과정에서 액체 냉매의 일부가 증발하여 습·증기 상태로 되며, 증발에 따른 잠열의 소요로 습·증기의 온도는 그만큼 낮아진다. 이론적으로 팽창 과정은 단열 과정이므로 엔탈피의 변화는 없다. 본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)의 팽창기는 팽창밸브(150)로 이루어지며, 소형 냉동기에서는 팽창밸브(150) 대신 모세관을 주로 사용한다. 팽창밸브(150)에는 온도식, 압력자동식, 플로트식, 모세관식 등이 있다.

팽창밸브(150)에서 냉매의 공급이 부족하면 목적하는 증발온도를 유지하지 못하고 압축기(120)가 과열 운전되며, 냉매의 공급이 지나치게 많으면 액체 냉매가 축냉 겸용 증발기(160)를 넘쳐나와 압축기(120)에 액체 냉매가 흡입되어 압축기(120)에서 습압축이 되어 안정된 운전이 곤란하다. 따라서 팽창밸브(150)는 항상 축냉 겸용 증발기(160)가 최대의 효과를 발휘할 수 있도록 조절되어야 한다.

축냉 겸용 증발기(160)는 팽창기에서 온도와 압력이 떨어진 저온저압의 액체 냉매가 증발잠열을 흡수하여 냉각 작용을 하며, 축냉판(161)을 이용하여 냉기를 저장한다. 축냉 겸용 증발기(160)에서의 증발 과정은 등압 과정이며 엔탈피의 차가 증발열량이 된다. 따라서 축냉 겸용 증발기(160)는 열전달계수가 좋고, 압축기(120)에 열이 흡입되지 않는 구조로 제작되어야 한다.

본 발명의 축냉 겸용 증발기(160)는 주간 또는 주행 시에는 엔진 구동식 냉각시스템의 증발기로 작동하고, 야간 또는 주차 시에는 축냉식 냉각 시스템의 축냉판으로 작용할 수 있다. 따라서 본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)은 엔진 구동식 냉각 시스템과 축냉식 냉각 시스템의 장점을 모두 가지면서도, 종래의 부품을 최대한으로 활용할 수 있음으로써 냉각 시스템 구축 비용을 줄이는 효과가 있다.

축냉 겸용 증발기(160)의 축냉판(161)에는 잠열재(상변화물질, PCM; Phase Change Material)가 사용된다. 잠열재는 잠열의 큰 열 흡수·방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지시키는 물질이다. 잠열재는 건물 또는 특수 용도의 공간의 냉·난방 분야, 에너지 이용 효율 극대화 분야, 첨단 산업 분야, 식품 산업 분야(냉동·냉장 유통) 등에서 주로 사용된다. 특히 냉동·냉장을 위한 잠열재의 적정 상변화 온도는 [표1]에서 참조되는 바와 같이, 축열시스템의 방법에 따라 사용 온도(적재고 내부 온도)보다 5 ~ 10℃ 정도 낮게 선정되어야 한다.

유통 물품의 품목별 적용 기준

온도＼물품	아이스크림	냉동식품	생선 어패류	야채류	과실류	육류	유제품	제과류
고내온도(℃)	-25 ~ -20	-18 ~ -10	0 ~ +3	0 ~ +15	+1 ~ +16	+2 ~ +7	+2 ~ +10	+3 ~ +22
잠열재 상변화온도(℃)	-32 ~ -25	-25 ~ -15	-5 ~ 0	-5 ~ +10	-5 ~ +10	-3 ~ 0	-3 ~ 0	-3 ~ +15

제상장치(170)는 축냉 겸용 증발기(160)에 결로 현상에 의한 성에가 발생하는 것을 방지한다. 성에가 발생하면 열 통과율이 저하되어 냉동 능력 또한 저하되기 때문이다. 제상장치(170)는 타이머에 의해 설정된 시간이 되면 작동한다. 먼저 전원을 차단하여 압축기(120)의 동작을 정지시킨다. 그 다음 제상 장치(170)에 전원을 공급하여 제상 운전이 시작되며 설정 시간이 경과하면 제상장치(170)가 정지하고, 전원공급장치(110)에 의해 압축기(120)가 가동된다.

액 분리기(180)는 축냉 겸용 증발기(160)와 압축기(120) 사이의 흡입 배관에 설치하여 흡입 가스 중의 액체 냉매를 분리시켜, 압축기(120)로의 리퀴드 백(liquid back)을 방지함으로써 압축기(120)를 보호한다. 부가적으로 축냉 겸용 증발기(160) 내의 액이 교란되는 것을 방지하는 역할도 한다.

온도 감지기(190)는 적재고 내부의 온도를 감지한다. 온도 감지기(190)는 적재고 내부의 온도가 설정 온도 이상·이하인지 감지하는 것뿐만 아니라 적재고 내에서 온도 평형이 이루어지지 않는 것 또한 감지할 수 있어야 하므로 축냉 겸용 증발기(160) 측 상하 및 적재고 뒤쪽의 상하에도 설치하는 것이 바람직하다.

제어부(200)는 온도 감지기(190)로부터 감지된 적재고 내부의 온도가 설정 온도 이상이 되면, 전원공급장치(110)를 작동시켜 냉각 시스템이 시작되도록 제어한다. 또한 적재고가 과냉각되면, 전원공급장치(110)에 냉각 시스템 정지 명령을 내려 가동을 중지시킨다.

본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)은 단거리 운송, 시내 저속 주행, 휴식을 위한 정차 등 통상의 경우에는 축냉 겸용 증발기(160)의 축냉판(161)에 축적된 냉기를 사용하고, 장거리 운송이나 혹서기에는 차량의 엔진(111)으로부터 전력을 얻어 엔진 구동 냉각 시스템에서 추가적인 냉기를 얻음으로써 설정 온도를 유지할 수 있다. 이때 저온 유지에 필요한 냉기를 제외한 잉여 냉기는 다시 축냉 겸용 증발기(160)의 축냉판(161)에 저장하여 재활용할 수 있도록 한다.

이상의 본 발명의 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템(100)에 의해 운전자가 유류비를 절감하기 위해 엔진 구동식 냉각 시스템을 정상적으로 가동하지 않거나, 냉각 시스템이 혹서기에 제대로 성능을 발휘하지 못할 때에도 저온을 유지할 수 있다. 또한 축냉식 냉각 시스템에서 축냉을 위한 긴 시간(약 10시간 이상) 동안 차량을 운전할 수 없어 이용 효율이 떨어지는 단점을 보완할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구 범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

100 : 냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템
110 : 전원공급장치
111 : 차량 엔진 112 : 외부 전원
120 : 압축기
121 : 엔진구동 압축기 122 : 전기구동 압축기
130 : 응축기 140 : 수액기
150 : 팽창밸브
160 : 축냉 겸용 증발기
161 : 축냉판
170 : 제상장치 180 : 액 분리기
190 : 온도 감지기 200 : 제어부

Claims

차량의 엔진 및 외부 전원으로 이루어지는 전원공급장치;
상기 전원공급장치로부터 구동력을 얻어, 흡입한 냉매를 고온고압의 냉매로 만드는 압축기;
상기 압축기에서 배출된 고온고압 냉매를 전달받아 저온고압의 냉매로 만드는 응축기;
상기 저온고압의 냉매를 압력 변화에 의해 저온저압의 냉매로 변화시키는 팽창기;
상기 저온저압의 냉매를 증발시켜 주위의 열을 흡수함으로써 적재고 내부의 온도를 저하시키며, 냉기를 저장하여 저장한 냉기를 발산하는 축냉 겸용 증발기;
상기 압축기와 축냉 겸용 증발기 사이에 설치되어 흡입 가스 중의 액체 냉매를 분리시켜 압축기로의 리퀴드 백(liquid back)을 방지하는 액 분리기; 및
상기 축냉 겸용 증발기에 결로 현상에 의한 성에가 발생하는 것을 방지하는 제상장치;를 포함하되,
상기 축냉 겸용 증발기는,
주간 또는 상기 차량의 주행 시에는 엔진 구동식 냉각시스템의 증발기로 작동하고, 야간 또는 상기 차량의 주차 시에는 축냉식 냉각 시스템의 축냉판으로 작용하는 것을 특징으로 하는
냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축기는
차량의 엔진으로 구동되는 엔진 구동 압축기;
외부 전원으로 구동되는 전기 구동 압축기; 를 포함하며,
주간 또는 차량 주행 시에는 상기 엔진 구동 압축기가 작동하여 냉각 시스템을 구동시키며, 야간 또는 주차 시에는 상기 전기구동 압축기가 작동하여 상기 축냉 겸용 증발기에 냉기를 저장하는 것을 특징으로 하는
냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
적재고 내부의 온도를 감지하는 온도 감지기;
상기 전원공급장치를 제어하는 제어부; 를 더 포함하고,
상기 온도감지기가 상기 냉동탑차의 적재고 내부의 온도가 설정 온도 이상인 것을 감지하면,
상기 제어부는 상기 전원공급장치를 작동시켜 적재고 내부를 설정 온도로 유지하는 것을 특징으로 하는
냉동탑차용 하이브리드 냉각 시스템.