KR101525439B1 - 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템에 관한 것으로서, 지상 또는 차량에 설치된 AC 냉동기로 냉각된 냉매의 냉각력을 차상 축냉조의 열교환기를 통하여 저온 잠열 PCM(phase-change material)에 전달하고, 상기 차상 축냉조의 냉기를 브라인을 통하여 적재함에 공급하는 냉동탑차에 설치되고, 차량에 설치된 하나의 차상 축냉조에서 이송하는 브라인 유량의 일부가 분배 공급되되 상기 차상 축냉조와 이송관으로 연결되어 브라인이 순환되는 실내 열교환기 및 상기 실내 열교환기로 브라인을 통하여 공급받은 냉기를 강제 대류를 이용하여 운전실로 공급하는 실내 팬과 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 엔진 배기다기관과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달하는 난방 축열조를 더 포함하고, 상기 실내 열교환기에 복수의 유로를 구비하여 냉방 및 난방용 브라인을 각각 순환시켜 하나의 열교환기 및 팬에 의하여 냉기 또는 온기를 운전실로 공급할 수 있다.

Description

상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템{Cooling and heating system for refrigeration top car using phase-change material}
본 발명은 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 전기 사용량이 적은 심야 시간대의 전기를 이용하여 차상 축냉조의 상변화 물질(phase-change material, 이하 'PCM'이라 함)에 축냉하고, 축냉된 냉기를 적재함과 운전실에 분배 공급하여 냉각시키며, 엔진 배기다기관과 열교환하는 난방 축열조를 더 포함하여 차량의 운전실을 난방하는 냉동탑차용 냉난방시스템에 관한 것이다.
엔진에 장착된 컴프레셔 작동에 의한 차량용 냉방시스템은 에어컨 가동 시에 엔진의 부하가 증가하여 일반적으로 연료 소비량이 20~30% 증가하고, 야간시간대 운전자의 숙면 등으로 운행이 정지된 상태에서 차량 실내를 냉방하는 경우, 엔진 시동 후 에어컨을 가동하여야 하므로 추가적인 연료 소비가 발생한다.
최근에는 엔진 오프 상태에서 배터리 전원으로 DC 전동 컴프레셔를 구동하여 냉동 싸이클을 운전하여 냉방하는 기술도 있으나, 전동 컴프레셔 작동을 위한 배터리 소비전력이 커 에어컨 가동 시간이 짧으며 전동 컴프레셔 시스템의 가격이 고가인 문제가 있다.
냉동탑차의 경우 지상에 설치된 축냉조의 냉기를 브라인을 통하여 차량에 설치된 축냉조에 공급하여 적재함을 냉각하는 기술 등이 제안되고 있다. 하지만 차량 운전석 실내의 냉난방의 경우, 냉난방시스템의 장착을 위한 추가적인 비용과 연료 소비가 발생하는 실정이다.
종래의 기술로서, 특허문헌 1은 완전동결형 냉축열식 에어컨디셔너에 관한 것으로서, 냉각기로 냉각력을 PCM에 전달하여 축냉하고 브라인을 순환하여 실내기 열교환기로 실내의 냉방을 수행하는 에어컨디셔너를 제안하고 있으나, 차량 실내의 냉방 또는 난방을 위한 기술을 제안하고 있지 않다.
1.한국 공개특허 제10-2011-0105474
본 발명은 상기의 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래의 차량용 냉난방시스템의 한계를 극복하고자 냉동탑차에 설치된 축냉조를 이용하여 가동시간이 길고 추가적인 연료소비가 발생하지 않는 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템을 제공하고자 한다.
상기 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템은, 지상 또는 차량에 설치된 AC 냉동기로 냉각된 냉매의 냉각력을 차상 축냉조의 열교환기를 통하여 저온 잠열 PCM(phase-change material)에 전달하고, 상기 차상 축냉조의 냉기를 브라인을 이용하여 이송관을 통하여 적재함에 공급하되, 상기 차상 축냉조에서 냉각된 브라인의 일부를 운전실로 이송관을 통하여 분배 공급하여 운전실내 열교환기와 실내 팬으로 강제 대류시켜 냉방 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 엔진 배기다기관과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달하는 난방 축열조를 더 포함하고, 상기 실내 열교환기에 복수의 유로를 구비하여 냉방 및 난방용 브라인을 각각 순환시켜 하나의 열교환기 및 팬에 의하여 냉기 또는 온기를 운전실로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 엔진 배기다기관과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달하는 난방 축열조, 상기 난방 축열조와 이송관으로 연결되어 브라인이 순환되는 난방 열교환기를 더 포함하여 냉방 및 난방용 브라인을 개별 열교환기에 순환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, PLC(programmable logic controller)를 포함하여 냉동탑차 냉난방시스템의 전원 상태 또는 사용 상태에 따라 최적의 온도를 유지하도록 전원의 연결, 팬의 풍량, 브라인 순환 유량 또는 외기 유입을 개별 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 PCM 축냉조를 이용하여 적재함을 냉각하는 냉동탑차에서 축냉조에서 이송하는 브라인 유량의 일부가 분배 공급되어 운전실을 냉방함으로써, 냉방시스템의 장착을 위한 비용 소모가 적고 추가적인 연료소비 없이 운전실을 냉방할 수 있다.
또한, 엔진 배기다기관에서 발생하는 열을 이용하여 추가적인 연료소비 없이 운전실을 난방할 수 있다.
또한, 엔진 작동 상태와 무관하게 냉난방할 수 있고, 엔진 부하를 저감하고 관련부품의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 엔진에 장착된 컴프레셔 작동에 의한 냉방시스템에 비하여 냉매 사용이 없어 친환경적이며 컴프레셔 등의 작동 소음 및 방열이 없이 쾌적환 실내 환경을 유지할 수 있다.
또한, 전원의 연결, 팬의 회전속도 또는 브라인의 순환유량을 PLC로 개별 제어하여 적정한 온도를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉방시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉방시스템의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 난방시스템의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템의 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템의 블록도.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니된다.
냉동탑차용 냉난방시스템은 적재함(10)에 설치되고 열교환기(110)로 저온 잠열 PCM에 냉기를 전달하는 차상 축냉조(100)를 포함한다. 차상 축냉조에 축냉된 냉기는 브라인을 이용하여 열교환을 통해 강제 대류로 적재함 내부 온도를 일정하게 유지하고, 냉기의 일부는 냉동탑차의 운전실(20)로 이송하여 열교환을 통해 운전실을 냉난방한다.
PCM을 이용한 냉동탑차는 축냉장치를 차량에 설치하고 심야에 축냉하는 시스템과 지상에 축냉장치를 설치하여 축냉한 냉기를 차량의 PCM 축냉조에 이송하여 냉각하는 2가지 시스템이 있으나, 차상 축냉조(100)를 포함하고 있으면 어떤 시스템이라도 적용이 가능하다. 지상에 AC 냉동기에 의해 열교환기로 냉매가 이송되어 PCM이 축냉되는 지상 축냉장치가 설치될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉방시스템의 개략도이고 도 2는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉방시스템의 계통도로서, 운전실의 냉방시스템은 실내 열교환기(220), 실내 팬(230)과 모터(240)를 포함한다.
냉동탑차용 운전실 냉방시스템은 냉동탑차에 설치되어 운전실(20)을 효율적으로 냉방할 수 있다. 냉동탑차는 지상 또는 차량에 설치된 AC 냉동기로 냉각된 냉매의 냉각력을 차상 축냉조(100)의 열교환기(110)를 통하여 저온 잠열 PCM에 전달한다. 상기 차상 축냉조(100)에 축냉된 냉기를 브라인을 통하여 적재함(10)의 냉각장치에 공급하고 강제 대류를 이용하여 적재함(10)의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 적재함(10)의 냉각장치에 공급하는 브라인 유량의 일부를 운전실(20)에 분배 공급하여 운전실(20)을 효율적으로 냉방할 수 있다.
운전실내 열교환기(220)는 운전실(20)의 상부에 설치되고, 차상 축냉조(100)에서 이송하는 브라인 유량의 일부가 분배 공급되되, 상기 차상 축냉조(100)와 이송관(250)으로 연결되어 브라인이 순환한다.
차상 축냉조(100)의 내부에 저장된 냉방 열교환기(210)가 차상 축냉조(100)에 축냉된 냉기를 브라인과 열교환하고 실내 열교환기(220)와 이송관(250)으로 연결되어 브라인이 순환될 수 있다. 브라인이 순환되어 차상 축냉조(100)에 축냉된 냉기가 실내 열교환기(220)로 이동하고 실내 팬(230)과 모터(240)는 브라인을 통하여 공급받은 냉기를 강제 대류를 이용하여 운전실(20)로 공급하여 운전실(20)을 냉방할 수 있다.
차상 축냉조(100)에 축냉된 냉기를 이용하여 운전실(20)을 냉방함으로써 주간 및 야간의 엔진 작동 상태와 무관하게 사용할 수 있고, 에어컨 작동에 따르는 추가적 연료소비 없이 운전실(20)을 냉방할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 난방 시스템의 개략도로이고, 도 4a는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템의 블록도로서, 냉동탑차용 냉난방시스템은 난방 축열조(330)를 더 포함하여 온기를 운전실(20)로 공급하여 난방할 수 있다. 난방 축열조(330)는 엔진 배기다기관(320)과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달한다. 상기 실내 열교환기(220)는 복수의 유로를 포함하여 냉방 및 난방용 브라인을 각각 순환시켜 하나의 열교환기(220) 및 팬(230)에 의하여 냉기 또는 온기를 운전실(20)에 공급할 수 있다. 설정 온도에 따라 찬 공기와 더운 공기를 혼합하여 운전석 실내에 내부 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
본 발명에서 사용하는 PCM은 물질이 상변화를 할 때 열을 흡수하거나 방출하는 특성을 이용하는 것으로서 단위 질량당 열량이 클수록 유리하다. PCM의 예로서 물(잠열:67~80kcal)이 대표적이며, 표 1의 유기물계, 표 2의 무기물계 또는 표 3의 공융염혼합물 등을 목적온도에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 즉, 지상 축냉조는 낮은 온도범위를 갖는 공융염혼합물을 사용하고, 차상 축냉조의 PCM과 PCM 팩은 온도 범위가 다른 유기물계나 무기물계 선택하여 사용할 수 있다.
냉동탑차의 차상 축냉조(100)의 PCM의 온도대는 영하 35도에서 0도까지 다양한 종류를 사용할 수 있고, 엔진 배기다기관(320)에 설치되는 난방 축열조(330)의 PCM의 온도대는 0도에서 수백도에 이르는 다양한 종류를 사용할 수 있다. 실내 운전자가 쾌적성을 느끼기 위하여 적정한 온도대의 PCM을 선정할 수 있다.
Figure 112013094792605-pat00001
Figure 112013094792605-pat00002
Figure 112013094792605-pat00003
브라인(brine)은 낮은 동결점을 갖는 냉각력 전달 부동액으로 염화칼슘계, 염수화물계 또는 염화나트륨계 등의 저온유체를 사용할 수 있으며, 에틸렌글리콜(E.G) 또는 프로필렌글리콜(P.G) 등의 동결방지제를 사용할 수 있다.
또 다른 실시예로서 도 4b와 같이, 더운 공기를 유입하여 찬공기와 혼합하여 운전석 실내에 내부 온도를 유지할 수 있도록 난방 축열조(330) 및 난방 열교환기를 더 포함할 수 있다. 난방 축열조(330)는 엔진 배기다기관(320)과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달하고, 난방 열교환기는 상기 난방 축열조(330)와 이송관(250)으로 연결되어 브라인이 순환되어 운전실(20) 내부의 공기와 열교환할 수 있다.
난방 열교환기를 더 포함하여, 상기 차상 축냉조(100)의 축냉된 냉기는 실내 열교환기(220)에 의해 운전실(20) 내부의 공기와 열교환하고, 상기 난방 축열조(330)에 축냉된 온기는 난방 열교환기에 의해 운전실(20) 내부의 공기와 열교환할 수 있다. 냉기와 온기를 열교환하기 위한 열교환기를 각각 구비함으로써 필요에 따라 선택하여 작동할 수 있는 장점이 있다.
또한, 브라인을 통하여 공급받은 온기를 강제 대류를 이용하여 운전실(20)로 공급하는 실내 팬과 모터를 더 포함할 수 있다. 난방 열교환기에만 적용 가능한 실내 팬과 모터를 따로 구비하여 실내 열교환기(220)와 개별 선택적으로 작동할 수 있다. 브라인을 통하여 이송된 온기를 실내에 장착된 팬(230)과 모터(240)를 이용하여 강제 송풍함으로써 운전실(20) 내부를 난방하여 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
냉동탑차용 냉난방시스템은 온도 센서(260), 에어 필터, 내외기 절환장치(270)를 더 포함한다. 온도 센서(260)는 운전실(20) 실내에 위치하여 실내 온도를 감지하고, 내외기 절환장치(270)는 설정 온도보다 운전실(20) 온도가 낮아지면 외부 공기가 유입되도록 자동으로 개폐할 수 있다. 냉방 또는 난방 시에 실내 공기의 순환으로 인하여 공기의 질이 저하되는 것을 막기 위하여 온도 센서(260)에 의하여 내외기 절환장치를 개폐하여 외기 유입을 통하여 실내 공기의 질 저하를 방지한다. 또한, 내외기 절환장치 입구에 에어필터를 장착하여 오염된 공기의 유입을 사전에 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 상변화 물질을 이용한 냉동탑차용 냉난방시스템의 내외기 절환장치의 블록도로서, 냉동탑차용 냉난방시스템은 컨트롤러(280), PWM 제어부(290), 메인 매터리(300), 보조 배터리(310) 및 순환펌프를 포함한다.
컨트롤러(280)는 냉동탑차 냉난방시스템의 전원 상태 또는 사용 상태에 따라 최적의 온도를 유지하도록 전원의 연결, 팬(230)의 풍량 또는 브라인 순환유량을 PLC(programmable logic controller)으로 개별 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(280)는 실내 온도 및 시간 설정을 할 수 있고, 타이머 기능을 추가하여 야간 냉난방시 예약 냉난방이나 가동중인 냉난방시스템을 중지할 수 있다.
PWM 제어부(290)는 설정 온도에 따라 상기 팬 모터(240)의 속도를 자동으로 제어하여 자동 또는 수동 조절할 수 있다. 운전실(20)의 온도가 설정한 온도보다 높아지면 팬 모터(240)를 가동시키거나 팬 모터(240)의 속도를 증가시키고 설정한 온도보다 낮아지면 팬 모터(240)를 정지시킬 수 있다. 또한, 센서의 온도 감지 없이 소비자 임의로 팬 모터(240)의 속도만을 조절하는 수동방식으로 제어할 수도 있다.
냉동탑차용 냉난방시스템은 차량 주행시에 작동 가능한 메인 배터리(300)와 엔진 오프 상태에 작동 가능한 보조 배터리(310)를 더 포함하여 팬 또는 순환펌프의 작동 시간을 늘리는 것이 가능하다. 상기 메인 배터리(300)로부터 입력 전압 상태가 낮아지면 보조 배터리(310)로 전환하여 작동하고, 차량 주행시 상기 보조 배터리(310)를 재충전할 수 있다. 야간에 보다 장시간 냉방이 가능하도록 차량 운행시에는 메인 배터리(300)의 전원을 사용한다. 엔진 오프 시에도 초기에는 메인 배터리(300)를 사용하고, 전압센서를 전기 회로 상에 추가하여 메인 배터리(300)가 일정 전압 이하 시에 보조 배터리(310) 전원에 의하여 운전실(20) 냉방이 가능토록 할 수 있다. 또한, 보조 배터리(310) 사용에 따라 방전이 되는 경우 재충전을 위하여 차량 주행중에는 얼터네이터와 전원을 연결시켜 보조 배터리(310) 재충전이 가능하다.
또한 컨트롤러(280)를 이용하여 전압센서를 통하여 메인 배터리(300)의 상태를 감지하여 보조 배터리(310)를 제어할 수 있다. 상기 메인 배터리(300)로부터 입력 전압 상태가 낮아지면 보조 배터리(310)로 작동하고, 차량 주행시 상기 보조 배터리(310)를 재충전할 수 있다.
이송관(250)은 브라인을 순환시키는 순환펌프를 포함하고, 차량의 수리를 위하여 호스류 재질로 구성되되 착탈식으로 구성된다. 이송관(250)은 순환펌프를 포함하여 순환 유량을 조절하여 차량 실내의 온도 제어할 수 있다. 차상 축냉조(100) 내부의 차상 열교환기(110)와 운전실(20)의 실내 열교환기(220)를 연결하는 이송관(250) 또는 순환펌프의 배관은 중간 부분을 차량 고장 시 수리를 위하여 차체를 들거나 하는 위치 변화에도 문제가 없도록 굴곡이 가능한 호스류 재질로 구성할 수 있다. 또한 착탈식으로 구성되어 교환 및 수리가 용이하다.
더불어, 컨트롤러(280)는 이송관(250)의 순환펌프를 제어하여 차량 실내의 최적의 온도를 유지하도록 브라인 순환 유량을 조절할 수 있고, 내외기 절환장치를 제어하여 외기 공기를 유입하여 실내 공기의 질 저하를 방지할 수 있다.
이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 적재함 20: 운전실
100: 차상 축냉조 110: 차상 열교환기
200: 냉난방시스템 210: 냉방 열교환기
220: 실내 열교환기 230: 팬
240: 모터 250: 이송관
260: 온도 센서 270: 내외기 절환장치
280: 컨트롤러 290: PWM 제어부
300: 메인 배터리 310: 보조 배터리
320: 엔진 배기다기관 330: 난방 축열조

Claims (9)

  1. 지상 또는 차상에 설치된 AC 냉동기로 냉각된 냉매의 냉각력을 직접 차상 축냉조의 열교환기를 통하여 저온 잠열 PCM(phase-change material)에 전달하고, 상기 차상 축냉조의 냉기를 브라인을 이용하여 이송관을 통하여 적재함에 공급하는 냉동탑차의 냉난방시스템에 있어서,
    상기 차상 축냉조에서 냉각된 브라인의 일부를 운전실로 이송관을 통하여 분배 공급하고,
    엔진 배기다기관과 밀착 설치되어 열교환을 통하여 온기를 고온 잠열 PCM에 전달하는 난방 축열조를 포함하여 축열된 온기를 브라인 순환을 통하여 운전실에 공급하되,
    복수의 유로를 구비하여 냉방 및 난방용 브라인을 각각 순환시키는 실내 열교환기와 실내 팬으로 강제 대류시켜 설정 온도에 따라 찬 공기와 더운 공기를 혼합하여 운전실을 냉난방하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이송관은 굴곡이 가능한 호스 재질로 구성되되 착탈식인 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이송관은 순환펌프를 포함하여 순환 유량을 조절하여 차량 실내의 온도 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    차량 주행시에 작동 가능한 메인 배터리와 엔진 오프 상태에 작동 가능한 보조 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    설정 온도보다 운전실 온도가 낮아지면 외부 공기가 유입되도록 개폐하는 내외기 절환장치 및 상기 내외기 절환장치 입구에 위치하고 오염된 공기를 차단하는 에어필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전원의 연결, 팬의 풍량, 브라인 순환유량 또는 외기 유입을 개별 제어하는 PLC를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    설정 온도에 따라 팬 모터의 속도를 자동으로 제어하는 PWM 제어부를 더 포함하여 자동 또는 수동제어하는 것을 특징으로 하는 냉동탑차용 냉난방시스템.
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