KR101684148B1 - 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치 - Google Patents

랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동 종류 및/또는 문제현상 발생 시에 랭킨사이클 폐열회수시스템 내의 작동유체를 저장탱크로 수거하여 누설 내지 동결 등을 미연에 방지할 수 있는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에 관한 것이다.
본 발명은 작동유체가 순환하는 순환경로와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 상기 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 상기 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 순환경로 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프를 가진 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치로서, 상기 응축기와 상기 순환펌프 사이에 설치되어 작동유체를 저장하는 저장탱크; 상기 순환펌프 및 상기 보일러 사이에 설치되어 작동유체의 흐름방향을 전환하고, 상기 저장탱크로 작동유체의 흐름을 허용하는 하나 이상의 수거포트를 가진 방향제어밸브; 및 상기 방향제어밸브의 수거포트로부터 상기 저장탱크를 향해 연결된 하나 이상의 수거라인;을 포함한다.

Description

랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치{WORKING FLUID COLLECTING APPARATUS FOR RANKINE CYCLE WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM}
본 발명은 랭킨사이클을 이용하여 내연기관의 폐열을 에너지로 회수하는 랭킨사이클 폐열회수시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동 종류 및/또는 문제현상 발생 시에 랭킨사이클 폐열회수시스템 내의 작동유체를 저장탱크로 수거하여 누설 내지 동결 등을 미연에 방지할 수 있는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에 관한 것이다.
엔진은 차량, 선박, 소형 발전기 등에서 널리 사용되며, 엔진의 효율을 높이고자 하는 시도는 끊임없이 있어 왔다. 엔진에서는 많은 열량이 폐열로 배출되는 것이 일반적이며, 이러한 폐열을 에너지로 회수하여 엔진의 전체 효율을 증가시키는 폐열회수시스템이 개발된 바 있다.
이러한 폐열회수시스템은 엔진의 폐열을 에너지를 회수한 후에, 그 회수된 에너지를 전기에너지 또는 기계에너지로 변환하여 차량의 엔진 또는 기타 전기액세서리(electrical accessory) 등에 활용하도록 구성된다.
이러한 폐열회수시스템의 대표적인 구현기술에는 랭킨사이클(Rankine cycle)을 이용하여 엔진의 폐열을 에너지로 회수하는 랭킨사이클 폐열회수시스템이 있다.랭킨사이클은 작동유체가 순환하는 순환경로를 포함하고, 랭킨사이클의 순환경로에는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 순환경로 상에서 작동유체를 순환시키는 펌프를 가진다.
한편, 랭킨사이클의 작동유체로는 물, 에탄올, 냉매 등이 이용되고 있으며, 이러한 작동유체가 누설될 경우 다양한 위험이 노출될 수 있었고, 또한 순환경로 또는 주요부품 내에 작동유체가 잔류할 경우 동결 등으로 인해 주요부품의 파손이 일어날 수 있는 문제점이 있었다.
예컨대, 물은 0℃이하에서 얼면서 부피가 팽창하므로 열교환기 등과 같은 주요 부품에서 동결될 경우에는 주요 부품의 파손으로 이어질 수 있으며, 에탄올은 누설 시에 화재 발생의 위험성이 높다. 냉매는 누설 시에 독성 및 높은 GWP(Global Warming Potential) 등으로 인해 각종 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 랭킨사이클의 작동유체가 누설됨을 방지할 뿐만 아니라 그 누설여부를 효과적으로 모니터링할 수 있고, 또한 작동유체의 잔류로 인한 동결 등을 효과적으로 방지할 수 있는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치는,
랭킨사이클 내에서 순환하는 작동유체를 저장하는 저장탱크; 및
작동유체를 상기 저장탱크로 수거하는 수거수단;을 포함한다.
상기 수거수단은,
상기 랭킨사이클 내에서 작동유체의 흐름방향을 제어하는 방향제어밸브; 및
상기 방향제어밸브의 제어에 의해 작동유체를 저장탱크 내로 가이드하는 수거라인;을 포함한다.
상기 방향제어밸브는 작동유체를 상기 저장탱크로 흐르도록 허용하는 하나 이상의 수거포트를 포함하고,
상기 수거라인은 상기 방향제어밸브의 수거포트로부터 상기 저장탱크로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 방향제어밸브는 제1수거포트 및 제2수거포트를 포함하고,
상기 수거라인은 상기 제1수거포트에 연결된 제1수거라인 및 상기 제2수거포트에 연결된 제2수거라인을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1수거포트 및 상기 제2수거포트가 순차적으로 개방됨으로써 상기 제1수거라인과 제2수거라인을 통해 작동유체가 단계적으로 저장탱크 내에 수거되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 작동유체가 순환하는 순환경로와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 상기 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 상기 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 순환경로 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프를 가진 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치로서,
상기 응축기와 상기 순환펌프 사이에 설치되어 작동유체를 저장하는 저장탱크;
상기 순환펌프 및 상기 보일러 사이에 설치되어 작동유체의 흐름방향을 전환하고, 상기 저장탱크로 작동유체의 흐름을 허용하는 하나 이상의 수거포트를 가진 방향제어밸브; 및
상기 방향제어밸브의 수거포트로부터 상기 저장탱크를 향해 연결된 하나 이상의 수거라인;을 포함한다.
상기 방향제어밸브는 상기 저장탱크에 접속된 입구포트와, 상기 보일러에 접속되는 출구포트와, 상기 보일러로부터 상기 저장탱크를 향해 작동유체가 흐르도록 개폐되는 제1수거포트 및 제2수거포트를 포함한다.
상기 수거라인은 상기 제1수거포트에서 상기 저장탱크를 향해 연결되는 제1수거라인과, 상기 제2수거포트에서 상기 저장탱크를 향해 연결되는 제2수거라인을 포함한다.
상기 제2수거라인에는 작동유체를 강제적으로 이송시키는 수거펌프가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1수거라인과 제2수거라인은 상기 순환경로 상에서 상기 저장탱크의 상류 일측지점과 합류하도록 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 팽창기와 응축기 사이에는 상기 제1수거라인과 제2수거라인이 합류되는 합류점이 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 팽창기와 응축기 사이에는 상기 응축기로부터 상기 팽창기로 작동유체가 역류하는 것을 방지하는 역류방지밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 방향제어밸브는 상기 입구포트와 상기 출구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 출구포트와 상기 제1수거포트를 소통시키는 제2포지션과, 상기 출구포트와 상기 제2수거포트를 소통시키는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 저장탱크는 상기 응축기 보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 방향제어밸브 및 수거펌프는 상기 저장탱크 보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 보일러는 엔진의 배기파이프에 마련된 배기가스 보일러 및 엔진의 EGR경로에 마련된 EGR가스 보일러를 포함한다.
상기 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러는 상기 순환경로에 대해 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러는 상기 순환경로에 대해 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 방향제어밸브의 하류 측에는 작동유체의 흐름방향을 상기 배기가스 보일러 및 상기 EGR가스 보일러 중에서 적어도 하나의 보일러로 향하게 하도록 그 유로를 전환하는 유로전환밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치된 순환경로를 통해 순환하는 작동유체를 저장하는 저장탱크와, 상기 팽창기와 순환펌프 사이에 설치되어 작동유체의 수거방향 흐름을 전환하는 방향제어밸브와, 상기 방향제어밸브로부터 상기 저장탱크로 작동유체의 이송을 가이드하는 수거라인을 가진 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 이용한 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법으로,
상기 보일러의 압력에 의해 작동유체를 상기 저장탱크로 수거하는 1차 수거단계; 및
상기 보일러의 압력이 설정된 수준까지 감압된 이후에 강제적인 펌핑작용에 의해 작동유체를 저장탱크로 수거하는 2차 수거단계;를 포함한다.
상기 방향제어밸브는 상기 저장탱크에 접속된 입구포트와, 상기 보일러에 접속되는 출구포트와, 상기 보일러로부터 상기 저장탱크를 향해 작동유체가 흐르도록 개폐되는 제1수거포트 및 제2수거포트를 가지고,
상기 수거라인은 상기 제1수거포트에 연결된 제1수거라인 및, 상기 제2수거포트에 연결된 제2수거라인을 가지며,
상기 1차 수거단계는, 상기 방향제어밸브의 출구포트와 상기 제1수거포트를 소통시킴으로써 작동유체를 제1수거라인을 거쳐 상기 저장탱크로 수거하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2수거라인에는 수거 펌프가 설치되고,
상기 2차 수거단계는 상기 1차 수거단계가 진행된 이후에 상기 보일러의 압력이 상기 수거펌프의 허용 압력 이하로 감압되면, 상기 방향제어밸브의 출구포트와 상기 제2수거포트를 소통시킴으로써 작동유체를 상기 제2수거라인을 통해 상기 저장탱크로 수거하는 것을 특징으로 한다.
상기 1차 수거단계 이전에 문제상황의 발생 또는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동 정지를 감지하는 단계를 더 포함한다.
상기 2차 수거단계 이후에 상기 저장탱크 내의 수위변화가 설정값 이하이면 상기 방향제어밸브의 입구포트와 출구포트를 소통시키도록 전환하는 것을 특징으로 한다.
상기 2차 수거단계 이후에 상기 저장탱크 내의 수위변화가 설정값 이상이면 작동유체의 누설을 경고하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 비상상황 발생시 또는 폐열회수시스템의 작동 정지 이후에 랭킨사이클 내에서 순환하는 작동유체를 저장탱크로 수거함으로써 랭킨사이클의 작동유체가 누설됨을 방지할 뿐만 아니라 그 누설여부를 효과적으로 모니터링할 수 있고, 또한 작동유체의 잔류로 인한 동결 등을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 도시한 도면으로, 정상적인 폐열회수작동 시의 작동유체 흐름을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에서 1차 수거작동 시에 작동유체의 수거흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에서 2차 수거작동 시에 작동유체의 수거흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 도시한 도면으로, 정상적인 폐열회수작동 시의 작동유체 흐름을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에서 1차 수거작동 시에 작동유체의 수거흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치에서 2차 수거작동 시에 작동유체의 수거흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 랭킨사이클 폐열회수시스템은 엔진에서 배출되는 폐열을 에너지로 회수하는 랭킨사이클(100)을 포함한다.
랭킨사이클(100)은 작동유체가 순환되는 순환경로(105)를 포함하고, 순환경로(105)에는 보일러(110, 120; 증발기), 팽창기(130, expander), 응축기(140), 저장탱크(150), 펌프(160)가 설치된다.
하나 이상의 보일러(110, 120)는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동유체를 가열 및 증발시킴으로써 기화된 작동유체를 생성하도록 구성된다. 예컨대, 보일러(110, 120)는 엔진의 배기파이프의 하류 측에 마련된 배기가스 보일러(110)와, 엔진의 EGR경로 상에 마련된 EGR가스 보일러(120) 등으로 이루어질 수도 있다.
팽창기(130)는 보일러(110, 120)로부터 공급받은 작동유체를 팽창시킴으로써 회수동력을 생성하도록 구성된다.
응축기(140)는 팽창기(130)에서 배출된 작동유체를 응축시켜 액상의 작동유체를 생성하도록 구성된다.
순환펌프(160)는 작동유체를 응축기(130)에서 보일러(110)로 공급하도록 구성된다.
본 발명에 의한 작동유체 수거장치는 응축기(140)와 순환펌프(160) 사이에 설치된 저장탱크(150)와, 작동유체의 흐름방향을 제어하는 방향제어밸브(10)와, 방향제어밸브(10)의 제어에 의해 작동유체를 저장탱크(150)로 가이드하는 수거라인(21, 22)을 포함한다.
저장탱크(150)는 순환경로(105)의 도중에 설치되고, 특히 저장탱크(150)는 응축기(140)의 하류 측에 설치됨이 바람직하다. 이에, 작동유체는 응축기(140)에 의해 저장에 적합한 온도로 냉각된 이후에 저장탱크(150)에 저장될 수 있으므로, 그 저장이 매우 용이할 뿐만 아니라 고열로 인한 저장탱크(150)의 파손 등이 방지될 수 있다.
그리고, 순환펌프(160)가 저장탱크(150)의 하류 측에 설치됨으로써 저장탱크(150)는 응축기(140)와 순환펌프(160) 사이에 설치되어 작동유체의 일시적 저장 내지 작동유체의 순환을 원활하게 할 수 있다.
방향제어밸브(10)는 입구포트(15)와, 출구포트(16)와, 하나 이상의 수거포트(17, 18)를 포함한다.
입구포트(15)는 순환펌프(160)의 토출구 측에 접속되어 순환펌프(160)에 의해 토출되는 작동유체를 직접적으로 공급받도록 구성될 수 있다. 이에, 입구포트(15)에는 저장탱크(150) 및 순환펌프(160)를 거쳐 이송되는 작동유체가 유입될 수 있다.
출구포트(16)는 보일러(110, 120) 측에 접속되어 보일러(110, 120)를 향해 작동유체를 배출하도록 구성된다.
수거포트(17, 18)는 저장탱크(150) 측에 접속되어 작동유체를 저장탱크(150)를 향해 배출하도록 구성된다.
방향제어밸브(10)는 그 내부에 스풀 등과 같은 밸브부재(미도시)와, 상술한 포트(15, 16, 17, 18)와 소통하는 유로(미도시)와, 밸브부재(미도시)를 구동시키는 엑츄에이터(미도시)를 가진다. 이에, 밸브부재의 구동에 의해 입구포트(15), 출구포트(16), 수거포트(17, 18)를 선택적으로 개폐함과 더불어 유로를 가변하도록 구성된다.
한편, 도 1 내지 도 3에서는 방향제어밸브(10)가 제1포지션(11), 제2포지션(12), 제3포지션(13)을 가진 3포지션 밸브(three position vavle)로 구성됨이 예시되어 있다.
특히, 방향제어밸브(10)는 입구포트(15)와 출구포트(16)를 소통시키는 제1포지션(11, 도 1 참조)과, 출구포트(16)와 제1수거포트(17)를 소통시키는 제2포지션(12, 도 2 참조)과, 출구포트(16)와 제2수거포트(18)를 소통시키는 제3포지션(13, 도 3 참조)을 가진다.
방향제어밸브(10)의 제1포지션(11)에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 수거포트(17, 18)는 폐쇄됨과 더불어 입구포트(15) 및 출구포트(16)가 개방되면, 입구포트(15)와 출구포트(16)가 서로 소통하도록 그 내부유로가 형성된다.
방향제어밸브(10)의 제2포지션(12)에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 입구포트(15) 및 제2수거포트(18)가 폐쇄됨과 더불어 출구포트(16)와 제1수거포트(17)가 개방되면, 출구포트(16)와 제1수거포트(17)가 서로 소통하도록 그 내부유로가 형성된다.
방향제어밸브(10)의 제3포지션(13)에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 입구포트(15) 및 제1수거포트(17)가 폐쇄됨과 더불어 출구포트(16)와 제2수거포트(18)가 개방되면, 출구포트(16)와 제2수거포트(18)가 서로 소통하도록 그 내부유로가 형성된다.
수거라인(21, 22)은 순환경로(105) 내에서 잔류하는 작동유체 및 보일러(110, 120) 내의 작동유체를 저장탱크(150)로 가이드하도록 구성된다.
특히, 수거라인(21, 22)은 방향제어밸브(10)의 제1수거포트(17)에 접속된 제1수거라인(21)과, 방향제어밸브(10)의 제2수거포트(18)에 접속된 제2수거라인(22)을 포함한다.
제1수거라인(21)의 일단은 방향제어밸브(10)의 제1수거포트(17)에 접속되고, 제1수거라인(21)의 타단은 순환경로(105) 상에서 저장탱크(150)의 상류 일측지점에 접속된다.
제2수거라인(22)의 일단은 방향제어밸브(10)의 제2수거포트(18)에 접속되고, 제2수거라인(22)의 타단은 순환경로(105) 상에서 저장탱크(150)의 상류 일측지점에 접속된다. 그리고, 제2수거라인(22)에는 작동유체를 합류점(25)을 향해 강제적인 펌핑작용에 의해 이송시키도록 구성된 수거펌프(23)가 설치될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 예시된 바와 같이, 제1수거라인(21)의 타단과 제2수거라인(22)의 타단은 응축기(140)의 상류 일측지점에 마련된 합류점(25)에서 합류되도록 구성된다.
특히, 합류점(25)은 팽창기(130)와 응축기(140) 사이에 위치하고, 이에 제1 및 제2 수거라인(21, 22)에 의해 이송되는 작동유체는 응축기(140)를 거쳐 저장탱크(150)로 수거될 수 있다. 이에 의해, 폐열회수시스템의 작동이 정지된 상태에서 순환경로(105) 내에 잔류하는 작동유체를 수거하거나 문제상황 발생 시에 보일러(110, 120)로부터 작동유체를 수거하는 경우에, 작동유체가 응축기(140)에 의해 저장에 적합한 온도로 냉각된 이후에 저장탱크(150)에 저장될 수 있으므로, 그 저장이 매우 용이할 뿐만 아니라 작동유체의 고열로 인한 저장탱크(150)의 파손 등이 방지될 수 있다.
그리고, 응축기(140)와 저장탱크(150) 사이에는 역류방지밸브(180)가 설치되고, 역류방지밸브(180)는 작동유체가 저장탱크(150)로부터 응축기(140)로 역류함을 방지하도록 구성된다.
한편, 작동유체의 회수를 용이하게 할 수 있도록 응축기(140), 저장탱크(150), 수거 펌프(23) 및 방향제어밸브(10) 등이 상하방향으로 순차적으로 적층됨이 바람직하다. 특히, 저장탱크(150)는 응축기(140) 보다 하측에 위치하고, 수거 펌프(23) 및 방향제어밸브(10)는 저장탱크(150) 보다 하측에 위치할 수 있다. 이를 통해, 응축기(140)에서 저장탱크(150)로 작동유체가 중력에 의해 원활하게 이송될 수 있으므로 그 회수효율이 향상될 수 있다.
또한, 팽창기(130)와 응축기(140) 사이에는 수거되는 작동유체가 응축기(140)로부터 팽창기(130)로 역류하는 것을 방지하는 역류방지밸브(170)가 설치될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 역류방지밸브(170)는 체크밸브로 구성될 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 역류방지밸브(170)는 단순한 유로의 차단 및 개방이 가능한 온/오프 밸브(on/off valve)로 구성될 수도 있다. 이와 같이 역류방지밸브(170)를 온/오프 밸브로 구성하는 이유는 역류방지밸브(170)가 체크밸브로 구성될 경우, 유동저항이 크게 발생할 수도 있기 때문이다.
그외에, 방향제어밸브(10), 수거펌프(23)의 작동을 제어하는 제어부(40)가 마련되고, 제어부(40)는 차량의 ECU, 보일러(110, 120)의 센서, 팽창기(130)의 센서, 작동유체의 누설을 감지하는 누설감지센서, 작동유체의 수거신호를 발생하는 수거스위치 등에 접속될 수 있다. 이에, 제어부(40)는 차량의 각종정보, 작동유체의 누설정보(누기센서 등을 통해 검출됨), 보일러(110, 120)의 압력정보, 팽창기(130)의 RPM 정보, 작동유체의 수거신호 등을 입력받으며, 이렇게 입력받은 정보를 토대로 방향제어밸븜(10) 및 수거펌프(23)의 작동을 제어한다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 의한 작동유체 수거장치는 방향제어밸브(10)의 제어를 통해 제1수거포트(17) 및 제2수거포트(18)가 순차적으로 개방될 수 있고, 이를 통해 제1수거라인(21)과 제2수거라인(22)을 통해 작동유체가 2단계에 걸쳐 단계적으로 저장탱크 내에 수거될 수 있다. 이는 보일러(110, 120) 내의 초기 압력이 수거 펌프(23)가 견딜 수 있는 허용압력을 초과하는 고압상태이므로 보일러(110, 120)로부터 고압상태의 작동유체를 수거 펌프(23)에 의해 바로 수거할 경우, 수거 펌프(23)가 고압상태의 작동유체로 인해 쉽게 파손될 수 있기 때문이다.
이에 따라, 본 발명은 보일러(110, 120)의 초기 고압에 의해 작동유체를 제1수거포트(17) 및 제1수거라인(21)을 통해 수거하는 1차 수거작동을 실행하고, 이러한 1차 수거작동 이후에 보일러(110, 120) 내의 압력이 수거 펌프(23)의 허용압력 이하로 감압되면 작동유체를 제2수거포트(18) 및 제2수거라인(22)을 통해 강제적으로 수거하는 2차 수거작동을 실행한다.
이러한 2단계의 수거과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1과 같이 랭킨사이클 폐열회수시스템이 정상적으로 작동하는 경우에는 방향제어밸브(10)를 제1포지션(11)으로 전환하고, 이에 제1 및 제2 수거포트(17, 18)는 폐쇄됨과 더불어 입구포트(15) 및 출구포트(16)가 개방됨으로써 입구포트(15)와 출구포트(16)가 서로 소통한다. 이에 작동유체는 랭킨사이클(100)의 순환경로(105) 상에서, 순환펌프(160)에 의해 보일러(110, 120), 팽창기(130), 응축기(140), 저장탱크(150) 등을 순차적으로 거쳐 순환함에 따라 정상적인 폐열회수작동을 실행한다.
그리고, 문제상황 발생 또는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동 정지 이후에 순환경로(105) 내에 잔류하는 작동유체 또는 보일러(110, 120) 내에 잔류하는 작동유체 등을 저장탱크(150)로 수거하고자 하면, 도 2와 같이 방향제어밸브(10)를 제2포지션(12)으로 전환하고, 이에 입구포트(15) 및 제2수거포트(18)가 폐쇄됨과 더불어 출구포트(16)와 제1수거포트(17)가 개방됨으로써 출구포트(16)와 제1수거포트(17)가 서로 소통한다. 이런 상태에서 보일러(110, 120) 내의 고압에 의해 보일러(110, 120) 또는 순환경로(105) 상에 잔류한 작동유체는 제1수거포트(17) 및 제1수거라인(21)을 거쳐 응축기(140) 측으로 이송되고, 그런 다음 작동유체는 중력에 의해 응축기(140)에서 저장탱크(150)로 수거된다.(1차 수거작동)
그 이후에, 보일러(110, 120) 내의 압력이 수거 펌프(23)의 허용압력 이하로 감압될 경우, 도 3과 같이 방향제어밸브(10)를 제3포지션(13)으로 전환하고, 이에 입구포트(15) 및 제1수거포트(17)가 폐쇄됨과 더불어 출구포트(16)와 제2수거포트(18)가 개방됨으로써 출구포트(16)와 제2수거포트(18)가 서로 소통한다. 이런 상태에서 보일러(110, 120) 또는 순환경로(105) 상에 잔류한 작동유체는 수거 펌프(23)의 강제적인 펌핑작용에 의해 제2수거포트(18) 및 제2수거라인(22)을 거쳐 응축기(140) 측으로 이송되고, 그런 다음 작동유체는 중력에 의해 응축기(140)에서 저장탱크(150)로 수거된다.(2차 수거작동)
한편, 도 1 내지 도 3의 실시예는 배기가스 보일러(110)와 EGR가스 보일러(120)가 팽창기(130)와 순환펌프(16) 사이에서 순환경로(105)에 대해 직렬배관(105a)을 매개로 직렬로 연결됨을 예시하고 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6의 실시예는, 배기가스 보일러(110) 및 EGR가스 보일러(120)가 팽창기(130)와 순환펌프(160) 사이에서 순환경로(105)에 대해 병렬배관(105b, 105c)을 통해 병렬로 연결됨이 예시되어 있다.
그리고, 방향제어밸브(10)의 하류 측에는 유로전환밸브(30)가 설치되고, 이러한 유로전환밸브(30)는 작동유체의 흐름방향을 배기가스 보일러(110) 및 EGR가스 보일러(120) 중에서 적어도 하나의 보일러로 향하게 하도록 그 유로를 전환하도록 구성된다.
제어부(40)는 방향제어밸브(10), 수거 펌프(23), 유로전환밸브(30)에 접속되어 방향제어밸브(10), 수거 펌프(23), 유로전환밸브(30)의 작동을 제어할 수 있다.
그외 나머지 구성 및 작동은 선행하는 실시예와 동일 내지 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 7은 상술한 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 이용하여 작동유체를 저장탱크로 수거하는 작동유체의 수거방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 문제상황의 발생 또는 폐열회수시스템의 작동 정지 등을 검출한다(S1). 문제상황의 발생은 누설감지센서에 의해 작동유체의 누설이 감지되는 경우, 탑승자가 작동유체의 누설 등을 감지하여 수거 스위치를 켜는 경우, 그외에 에어백의 센서 등을 통해 외부 충격이 심하게 감지되는 경우 등이 있을 수 있다.
이렇게 문제상황이 발생하거나 폐열회수시스템의 작동이 정지되면 1차 수거를 진행하다(S2).
이러한 1차 수건단계(S2)에서는 앞서 언급 한 바와 같이 방향제어밸브(10)를 제2포지션(12)으로 전환하고, 이에 방향제어밸브(10)의 출구포트(16)와 제1수거포트(17)가 소통함에 따라 보일러(110, 120)의 압력(고압)에 의해 작동유체가 제1수거라인(21)을 통해 저장탱크(150)에 수거되다.
1차 수거단계가 진행된 이후에, 보일러(110, 120)의 압력이 수거 펌프(23)의 허용압력 이하로 감압되는지의 여부를 판단하고(S3), 보일러(110, 120)의 압력이 수거 펌프(23)의 허용압력 이하로 감압되면 2차 수거를 진행한다(S4).
이러한 2차 수거단계(S4)에서는 앞서 언급한 바와 같이 방향제어밸브(10)를 제3포지션(13)으로 전환하고, 이에 방향제어밸브(10)의 출구포트(16)와 제2수거포트(18)가 소통됨에 따라 수거 펌프(23)의 강제적인 펌핑작용에 의해 작동유체가 제2수거라인(22)을 통해 저장탱크(150)에 수거된다.
이러한 2차 수거단계(S4) 이후에 저장탱크(150) 내의 수위변화가 작동유체의 누설여부를 판단하는 설정값 이하이면 방향제어밸브(10)를 제1포지션(11)으로 전환하고, 이에 제1 및 제2 수거포트(17, 18)는 폐쇄됨과 더불어 입구포트(15) 및 출구포트(16)가 개방됨으로써 입구포트(15)와 출구포트(16)를 서로 소통시킨다. 이에 작동유체는 랭킨사이클(100)의 순환경로(105) 상에서, 순환펌프(160)에 의해 보일러(110, 120), 팽창기(130), 응축기(140), 저장탱크(150) 등을 순차적으로 거쳐 순환함에 따라 정상적인 폐열회수작동을 실행한다(S6).
그리고, 2차 수거단계 이후에 저장탱크(150) 내의 수위변화가 작동유체의 누설여부를 판단하는 설정값 이상이면 작동유체가 누설됨을 시각적 또는 청각적 수단 등을 통해 경고한다(S7).
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 방향제어밸브 21: 제1수거라인
22: 제2수거라인 23: 수거 펌프
100: 랭킨사이클 110, 120: 보일러
130: 팽창기 140: 응축기
150: 저장탱크 160: 순환펌프
170, 180: 역류방지밸브

Claims (25)

  1. 랭킨사이클 내에서 순환하는 작동유체를 저장하는 저장탱크; 및
    작동유체를 상기 저장탱크로 수거하는 수거수단;을 포함하고,
    상기 수거수단은, 상기 랭킨사이클 내에서 작동유체의 흐름방향을 제어하는 방향제어밸브와, 상기 방향제어밸브의 제어에 의해 작동유체를 저장탱크 내로 가이드하는 수거라인을 가지며,
    상기 방향제어밸브는 작동유체를 상기 저장탱크로 흐르도록 허용하는 제1수거포트 및 제2수거포트를 가지고,
    상기 수거라인은 상기 제1수거포트에 연결된 제1수거라인 및 상기 제2수거포트에 연결된 제2수거라인을 가지는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1수거포트 및 상기 제2수거포트가 순차적으로 개방됨으로써 상기 제1수거라인과 제2수거라인을 통해 작동유체가 단계적으로 저장탱크 내에 수거되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  6. 작동유체가 순환하는 순환경로와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 상기 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 상기 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 순환경로 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프를 가진 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치로서,
    상기 응축기와 상기 순환펌프 사이에 설치되어 작동유체를 저장하는 저장탱크;
    상기 순환펌프 및 상기 보일러 사이에 설치되어 작동유체의 흐름방향을 전환하고, 상기 저장탱크로 작동유체의 흐름을 허용하는 하나 이상의 수거포트를 가진 방향제어밸브; 및
    상기 방향제어밸브의 수거포트로부터 상기 저장탱크를 향해 연결된 하나 이상의 수거라인;을 포함하고,
    상기 방향제어밸브는 상기 저장탱크에 접속된 입구포트와, 상기 보일러에 접속되는 출구포트와, 상기 보일러로부터 상기 저장탱크를 향해 작동유체가 흐르도록 개폐되는 제1수거포트 및 제2수거포트를 포함하며,
    상기 수거라인은 상기 제1수거포트에서 상기 저장탱크를 향해 연결되는 제1수거라인과, 상기 제2수거포트에서 상기 저장탱크를 향해 연결되는 제2수거라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2수거라인에는 작동유체를 강제적으로 이송시키는 수거펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1수거라인과 제2수거라인은 상기 순환경로 상에서 상기 저장탱크의 상류 일측지점과 합류하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 팽창기와 응축기 사이에는 상기 제1수거라인과 제2수거라인이 합류되는 합류점이 위치하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 팽창기와 응축기 사이에는 상기 응축기로부터 상기 팽창기로 작동유체가 역류하는 것을 방지하는 역류방지밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 방향제어밸브는 상기 입구포트와 상기 출구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 출구포트와 상기 제1수거포트를 소통시키는 제2포지션과, 상기 출구포트와 상기 제2수거포트를 소통시키는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  14. 청구항 6에 있어서,
    상기 저장탱크는 상기 응축기 보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 방향제어밸브 및 상기 수거펌프는 상기 저장탱크 보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  16. 청구항 6에 있어서,
    상기 보일러는 엔진의 배기파이프에 마련된 배기가스 보일러 및 엔진의 EGR경로에 마련된 EGR가스 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러는 상기 순환경로에 대해 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러는 상기 순환경로에 대해 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 방향제어밸브의 하류 측에는 작동유체의 흐름방향을 상기 배기가스 보일러 및 상기 EGR가스 보일러 중에서 적어도 하나의 보일러로 향하게 하도록 그 유로를 전환하는 유로전환밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치.
  20. 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치된 순환경로를 통해 순환하는 작동유체를 저장하는 저장탱크와, 상기 팽창기와 순환펌프 사이에 설치되어 작동유체의 수거방향 흐름을 전환하는 방향제어밸브와, 상기 방향제어밸브로부터 상기 저장탱크로 작동유체의 이송을 가이드하는 수거라인을 가진 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치를 이용한 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법으로,
    상기 보일러의 압력에 의해 작동유체를 상기 저장탱크로 수거하는 1차 수거단계; 및
    상기 보일러의 압력이 설정된 수준까지 감압된 이후에 강제적인 펌핑작용에 의해 작동유체를 저장탱크로 수거하는 2차 수거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 방향제어밸브는 상기 저장탱크에 접속된 입구포트와, 상기 보일러에 접속되는 출구포트와, 상기 보일러로부터 상기 저장탱크를 향해 작동유체가 흐르도록 개폐되는 제1수거포트 및 제2수거포트를 가지고,
    상기 수거라인은 상기 제1수거포트에 연결된 제1수거라인 및, 상기 제2수거포트에 연결된 제2수거라인을 가지며,
    상기 1차 수거단계는, 상기 방향제어밸브의 출구포트와 상기 제1수거포트를 소통시킴으로써 작동유체를 제1수거라인을 거쳐 상기 저장탱크로 수거하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 제2수거라인에는 수거 펌프가 설치되고,
    상기 2차 수거단계는 상기 1차 수거단계가 진행된 이후에 상기 보일러의 압력이 상기 수거펌프의 허용 압력 이하로 감압되면, 상기 방향제어밸브의 출구포트와 상기 제2수거포트를 소통시킴으로써 작동유체를 상기 제2수거라인을 통해 상기 저장탱크로 수거하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 1차 수거단계 이전에 문제상황의 발생 또는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동 정지를 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 2차 수거단계 이후에 상기 저장탱크 내의 수위변화가 설정값 이하이면 상기 방향제어밸브의 입구포트와 출구포트를 소통시키는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
  25. 청구항 20에 있어서,
    상기 2차 수거단계 이후에 상기 저장탱크 내의 수위변화가 설정값 이상이면 작동유체의 누설을 경고하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거방법.
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