KR101355350B1 - 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기 - Google Patents

자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진(1), 냉각수라인(2), 라디에이터(3)를 포함하여 이루어지는 냉각장치; 상기 엔진(1)과 라디에이터(3) 사이에 설치되는 열교환기(10); 냉매가 충전되고 상기 냉매가 상기 열교환기(10)에 의해 가열되는 순환배관(40); 상기 순환배관(40) 내에 설치되는 증기터빈(20); 상기 증기터빈(20)과 연결되는 발전기(30); 상기 발전기(30)에 의해 생산된 전기가 축전되는 축전지(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기에 관한 것이다.

Description

자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기 {Steam turbine generator using cooling water for automobiles}
본 발명은 자동차에 사용되는 발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 기존의 자동차 냉각시스템의 냉각수 라인에 열교환기를 장착하여 증기터빈을 돌리고 이에 발전기가 연결되어 전기를 생산하는 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관에서 엔진의 연소열은 모두 파워로 변환되지는 않는다. 엔진의 총 열효율이 100%일 때, 유효 피스톤일은 30%, 피스톤 마찰에 의한 손실 5%, 냉각을 통한 열 손실 30%이고, 배기가스를 통한 손실도 35%나 된다.
본 발명은 냉각을 통한 열손실 30%를 에너지로 재활용하는 기술로서, 자동차의 냉각수를 열교환기에 통과시켜 증기터빈을 돌리고 이에 발전기가 연결되어 전기를 생산하는 기술이다.
통상적으로 자동차의 축전지 충전은 감속시 브레이크를 활용하거나, 엔진 구동력을 이용하여 축전지를 충전한다.
본 발명과는 기술분야가 다르기는 하나 위와 같이 증기터빈과 발전기를 이용하여 전기를 생산하는 기술로서, 선행기술 공개실용 2010-3189(폐열을 이용한 발전시스템)가 개시되어 있다.
위 선행기술은, 폐기물을 소각하여 가열되는 폐열보일러, 상기 폐열보일러의 배관과 연결된 증기터빈, 상기 증기터빈과 결합된 발전기를 구비하여, 상기 발전기의 구동에 의해 전기를 생산하는 기술이다.
그러나 상기 선행기술은 증기터빈을 구동시키기 위해 별도로 폐기물을 소각하는 폐열보일러를 마련해야 하는 구성인 바, 이에는 본 발명과 같이 기존의 자동차 냉각시스템의 구성을 변경하지 않고도 자동차 엔진 구동시 발생하는 열을 에너지로 재사용하는 기술사상과는 거리가 멀다.
본 발명은 엔진 작동시 냉각에 사용되는 에너지를 열교환기를 통해 재사용할 수 있는 발전기를 제공함에 목적이 있다.
또한 엔진 작동시 냉각에 사용되는 폐열을 사용하여 증기터빈을 가동시키고 이에 연결된 발전기를 통하여 전기를 생산하고자 함에 목적이 있다.
또한 기존 자동차의 냉각시스템의 구성을 변경하지 않고 그대로 사용하면서 단순한 구조 부착만으로도 기존 자동차의 발전시스템을 보완할 수 있다.
본 발명은, 엔진(1), 냉각수라인(2), 라디에이터(3)를 포함하여 이루어지는 냉각장치; 상기 엔진(1)과 라디에이터(3) 사이에 설치되는 열교환기(10); 냉매가 충전되고 상기 냉매가 상기 열교환기(10)에 의해 가열되는 순환배관(40); 상기 순환배관(40) 내에 설치되는 증기터빈(20); 상기 증기터빈(20)과 연결되는 발전기(30); 상기 발전기(30)에 의해 생산된 전기가 축전되는 축전지(50);를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 증기터빈(20)의 냉매 유입구측에 노즐이 설치되며, 상기 증기터빈(20)의 냉매 유출구측에 제2 라디에이터(22)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 증기터빈(20)과 제2 라디에이터(22) 사이에는 서머스탯(21)이 설치되는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 증기터빈 발전기에 사용되는 냉매는 알코올 계열의 냉매인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 엔진 작동시 냉각에 사용되는 에너지를 열교환기를 통해 재사용하는 효과를 가진다.
또한 엔진 작동시 냉각에 사용되는 에너지를 사용하여 증기터빈을 가동시키고 이에 연결된 발전기를 통하여 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한 기존 자동차의 냉각시스템의 구성을 변경하지 않고 그대로 사용하면서 단순한 구조 부착만으로도 기존 자동차의 발전시스템을 보완할 수 있어 구조가 간단하며 경제적이다.
아울러 기존의 라디에이터 이외에 제2라디에이터를 구비함으로써 엔진과열의경우나 더운 여름날에 엔진 냉각효과를 배가할 수 있으며, 엔진 냉각수가 일정온도만 되면 언제라도 발전기가 가동될 수 있는 이점이 있다.
또한 자동차에 설치된 ECU 장치를 통해 순환배관(40) 내의 증기터빈(20)과 펌프(23)의 작동을 제어함으로써 자동차의 충전 상황에 맞도록 발전기 작동의 지속유무를 제어할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기 모식도
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1), 냉각수라인(2), 라디에이터(3)를 포함하여 이루어지는 통상의 자동차 냉각시스템에 적용되는 기술이다.
냉각수로서 물을 사용하는 냉각시스템은 겨울에는 영하로 내려가고 여름 엔진 과열상태에서는 100℃가 넘어간다. 냉각수에 부동액을 첨가한 경우에는 끊은 점이 280℃를 넘기도 한다.
본 발명은 위와 같은 냉각수의 열을 에너지로 재사용하는 기술로서, 위와 같은 기존의 냉각시스템의 구성 자체를 변경하지 않고 그에 간단한 구성을 추가 부착하여 냉각열을 재사용하고 발전을 할 수 있는 기술이다. 주지하다시피 자동차 생산을 위한 부품라인 및 제조공정상 기존의 자동차 냉각시스템을 변경하여야 하는 발전장치는 실제 자동차에 채택되기 어렵다.
구체적으로 위 냉각시스템의 구성에 아래와 같은 구성이 부착된다.
즉 상기 엔진(1)과 라디에이터(3) 사이에 열교환기(10)가 장착되는데, 상기 열교환기(10)는 엔진 작동에 의해 뜨거워진 냉각수의 열을 증기터빈 에너지로 전환하기 위해 엔진 냉각수라인측에 별도로 구성되고 그로부터 획득된 열에너지가 본 발명 순환배관 내의 냉매를 가열하도록 구비된 열교환 구성이다.
본 발명은 공지의 엔진 냉각시스템에 상기 열교환기(10)를 매개로 순환배관(40)이 마련되고, 상기 순환배관(40)에는 냉매가 충전되어 있다. 상기 냉매는 에탄올 또는 메탄올과 같은 알코올계 냉매로서 끓는 점이 냉각수의 온도보다 낮다.
따라서 상기 순환배관(40) 내의 냉매가 열교환기(10)에 의해 가열되면 기화되어 증기상태로 변하게 되는데, 이때 얻어진 증기가 순환배관(40) 내의 증기터빈(20)을 회전시키게 된다. 상기 증기터빈(20)의 회전력을 높이기 위해서는 증기터빈(20)의 냉매 유입구측에 노즐을 설치하여 유입속도를 높이는 것이 바람직하다.
상기 증기터빈(20)에는 발전기(30)가 축 연결되어 있다. 상기 발전기(30)는 공지의 구성으로서 상기 증기터빈(20)과 연결된 축을 통해 토크를 전달받아 전기를 생산하는 구성이다. 상기 발전기(30)에서 생산된 전기는 축전지(50)에 충전된다. 이로 인해 최근에 개발되고 있는 엔진과 모터가 장착된 하이브리드카에도 전기를 안정적으로 공급할 수 있게 된다.
한편 상기 순환배관(40)의 증기터빈(20) 냉매 유출구측에는 제2 라디에이터(22)가 설치되는데, 상기 제2 라디에이터(22)는 증기터빈(20)을 거쳐 나온 증기를 냉각하여 펌프(23)로 보내주기 위한 구성이다. 본 발명에는 공지의 냉각시스템에 사용되는 라디에이터(3) 이외에도 상기 제2 라디에이터(22)가 설치됨으로써 더운 여름날에 엔진 냉각효과를 배가할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 순환배관(40)을 거쳐 나온 냉매의 온도를 측정하기 위한 서머스탯(21)이 설치될 수 있는데, 이는 냉매의 온도가 낮아 액체 상태일 경우에는 냉매를 펌프(23)로 안내하고, 냉매 온도가 높아 아직 증기상태에 있을 경우에는 제2 라디에이터(22)로 안내하여 냉각 후 액체상태로 전환하여 펌프(23)로 보내기 위한 구성이다.
이어서 냉매는 상기 펌프(23)의 가동에 의해 다시 열교환기(10)로 보내져 하나의 루프를 형성하면서 계속하여 증기터빈(20)을 작동시키게 되고 발전기(30)에 의해 전기를 생산하여 축전지(50)에 저장한다.
본 발명은 냉각수라인에 열교환기(10)가 장착되어 있으므로 공회전시 또는 더운 여름날 시동이 꺼져 있는 경우에도 냉각수의 온도가 높아져 증기터빈(20)이 작동할 수 있는 여건이 조성되기만 하면 자동으로 발전을 수행할 수 있다.
즉 엔진 냉각수가 일정온도만 되면 언제라도 발전기가 가동될 수 있다.
또한 자동차에 설치된 ECU 장치를 통해 순환배관(40) 내의 증기터빈(20)과 펌프(23)의 작동을 제어함으로써 자동차의 충전 상황에 맞도록 발전기 작동의 지속유무를 제어할 수 있는 이점이 있다.
아래에서는 본 발명의 작동과정을 설명한다.
본 발명은 엔진(1) 작동시 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 냉각수라인(2)을 따라 라디에이터(3)로 이동하는데, 이때 상기 엔진(1)과 라디에이터(3) 사이에 열교환기(10)를 장착하면, 상기 열교환기(10)는 엔진 작동에 의해 뜨거워진 냉각수의 열을 획득하여 순환배관(40)의 냉매에 열을 전달하게 된다. 본 발명의 열교환기(10)는 기존의 냉각시스템 구조 자체를 변경하지 않고 냉각수라인에 장착하기만 하면 되는 구성이라서 그 설치구조가 간단하고 경제적이다.
상기 순환배관(40)에는 물보다 끊는 점이 낮은 알코올계 냉매가 충전되어 있으므로 상기 냉매가 냉각수라인의 뜨거워진 냉각수의 열을 획득하여 증기상태로 기화하여 증기터빈(20)을 구동시킬 수 있게 된다. 이때 상기 증기터빈(20)의 냉매 유입구측에 노즐을 구비하게 되면 유속이 빨라지면서 증기터빈(20)의 회전이 보다 가속된다.
본 발명의 발전기(30)는 상기 증기터빈(20)에 연결되어 그로부터 축을 통해 토크가 전달되어 발전을 하게 되고 생산된 전기는 축전지(50)에 저장되어 자동차의 전기공급을 안정적으로 뒷받침할 수 있으며 특히 최근의 하이브리드카의 전기 공급에 효과적이다.
본 발명의 제2 라디에이터(22)는 상기 순환배관(40)의 증기터빈(20) 냉매 유출구측에는 설치되어 상기 증기터빈(20)을 거쳐 나온 증기를 냉각하여 펌프(23)로 보내는데, 그 설치의 부가적인 효과로서 위 제2 라디에이터(22)는 자동차에 구비된 기존의 라디에이터와 함께 작동되어 더운 여름날에 엔진 냉각효과를 더욱 높이게 된다.
또한 본 발명의 상기 증기터빈(20)과 상기 제2 라디에이터(22) 사이에 설치되는 서머스탯(21)은 증기터빈(20)을 거쳐 나온 냉매의 온도를 측정하여 냉매의 온도가 낮아 액체 상태일 경우에는 곧바로 펌프(23)로 안내하고, 냉매 온도가 높아 아직 증기상태에 있을 경우에는 제2 라디에이터(22)로 안내하여 냉각하여 액체상태로 전환시킨 후 펌프(23)로 보내 순환배관(40) 내의 냉매 순환을 원활하게 한다.
이와 같이 냉매가 상기 펌프(23)의 가동에 의해 다시 열교환기(10)로 보내져 하나의 루프를 형성하면서 계속하여 증기터빈(20)을 작동시키게 되고 발전기(30)에 의해 전기를 생산하여 축전지(50)에 저장할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
1 엔진 2 냉각수라인 3 라디에이터
10 열교환기 20 증기터빈 21 서머스탯 22 제2라디에이터
23 펌프
30 발전기
40 순환배관 50 축전지

Claims (5)

  1. 엔진(1), 냉각수라인(2), 라디에이터(3)를 포함하여 이루어지는 냉각장치;
    상기 엔진(1)과 라디에이터(3) 사이에 설치되는 열교환기(10);
    냉매가 충전되고 상기 냉매가 상기 열교환기(10)에 의해 가열되는 순환배관(40);
    상기 순환배관(40) 내에 설치되되 냉매 유입구측에 노즐이 설치되고 냉매 유출구측에 제2 라디에이터(22)가 설치되는 증기터빈(20);
    상기 증기터빈(20)과 연결되는 발전기(30);
    상기 발전기(30)에 의해 생산된 전기가 축전되는 축전지(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 증기터빈(20)과 제2 라디에이터(22) 사이에는 서머스탯(21)이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차 냉각수를 이용한 증기터빈 발전기.





  5. 삭제
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