KR101755808B1 - 폐열회수시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 운전조건, 외부 요인 등에 따라 폐열 회수의 열원인 보일러(배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러)을 적절히 가변하여 사용함으로써 폐열 회수효율을 대폭 향상시킬 수 있는 폐열회수시스템에 관한 것이다.
본 발명은 작동유체가 순환하는 순환경로 상에 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치된 랭킨사이클을 가진 폐열회수시스템으로, 상기 팽창기와 순환펌프 사이에서 연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 복수의 보일러; 및 상기 복수의 보일러의 상류 및 하류에 설치되어 상기 2 이상의 보일러들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브;를 포함한다.

Description

폐열회수시스템{WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM}
본 발명은 폐열회수시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 운전조건, 외부 요인 등에 따라 폐열 회수의 열원인 보일러(배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러)을 적절히 가변하여 사용함으로써 폐열 회수효율을 대폭 향상시킬 수 있는 폐열회수시스템에 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 보일러(증발기)와, 보일러부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 순환경로 상에서 작동유체를 순환시키는 펌프를 가진다.
보일러는 엔진의 폐열 회수를 열원으로서, 보일러에는 배기가스를 이용한 배기가스 보일러와, EGR가스를 이용한 EGR가스 보일러 등이 있다.
여기서, EGR가스는 열유량이 적은 반면에 온도가 높으며(대략 300~400℃), 배기가스는 온도는 상대적으로 낮은(대략 200~300℃) 반면에 열유량이 높다. 그 외에 CAC(Charge Air Cooler) 또는 엔진 냉각수 등은 열유량은 높지만 온도가 너무 낮아(100℃ 이하) 열원으로는 적합하지 않다.
종래의 폐열회수시스템은 열원의 배치구조에 따라 1) 배기가스 보일러만을 열원으로 이용하는 구조, 2) EGR가스 보일러만을 열원으로 이용하는 구조, 3) 배기가스 보일러와 EGR가스 보일러를 직렬로 연결하여 열원으로 이용하는 구조(직렬 연결구조), 4) 배기가스 보일러와 EGR가스 보일러를 병렬로 연결하여 열원으로 이용하는 구조(병렬 연결구조) 등으로 구분된다.
이중에서 배기가스 보일러와 EGR가스 보일러가 병렬로 연결된 구조에서는 폐열회수 효율이 평균적으로 높은 편이지만, 이는 EGR율에 따라 그 결과가 달라질 수 있으므로 일반화시키에는 무리가 있다.
특히, 엔진 RPM, 부하조건, 후처리기법(SCR, DPF 등) 등에 따라 폐열회수효율의 편차가 심해질 수 있다. 예컨대, 고부하영역의 출력을 고려하여 고부하영역의 EGR율을 낮게 튜닝한 엔진은 병렬 연결구조(배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러가 병렬로 연결된 구조) 보다는 직렬 연결구조(작동유체가 EGR가스 보일러를 통과한 후에 배기가스 보일러를 통과하도록 직렬로 연결된 구조)에서 폐열회수효율이 더 높게 나타날 수도 있다.
이와 같이, 종래의 폐열회수시스템은 열원인 보일러의 배치구조가 고정된 구조로 이루어짐에 따라 운전조건, 기타 외부요인 등에 따라 열원을 능동적으로 가변할 수 없으므로 폐열회수효율을 효과적으로 향상시킬 수 없는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 운전 조건, 외부요인 등에 따라 폐열회수시스템의 열원인 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러 중에서 적어도 어느 하나의 보일러를 가변하여 운전함으로써 폐열회수시스템의 열원을 능동적으로 가변하여 사용할 수 있고, 이를 통해 폐열회수효율을 대폭 향상시킬 수 있는 폐열회수시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 작동유체가 순환하는 순환경로 상에 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치된 랭킨사이클을 가진 폐열회수시스템으로,
상기 팽창기와 순환펌프 사이에서 연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 복수의 보일러; 및
상기 복수의 보일러의 상류 및 하류에 설치되어 상기 복수의 보일러들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브;를 포함한다.
상기 복수의 보일러는,
제1연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 제1보일러; 및
제2연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 제2보일러;를 포함하고,
상기 제1 및 제2 연결배관은 상기 랭킨사이클의 순환경로에 대해 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1연결배관은 상기 제1보일러의 입구측에 접속되는 제1유입배관과 상기 제1보일러의 출구측에 접속되는 제1유출배관을 가지고,
상기 제2연결배관은 상기 제2보일러의 입구측에 접속되는 제2유입배관과 상기 제2보일러의 출구측에 접속되는 제2유출배관을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1보일러와 제2보일러는 직접연결관(direct connection pipe)을 통해 서로 간에 직접적으로 소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 직접연결관에는 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1방향제어밸브는 상기 순환펌프에 대해 연결되는 입구포트와, 상기 제1유입배관에 접속되는 제1출구포트와, 상기 제2유입배관에 접속되는 제2출구포트를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1방향제어밸브는 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 차단하는 제2포지션과, 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 차단하는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1방향제어밸브는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity)가 형성된 밸브 하우징(valve housing)과, 상기 밸브 캐비티에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool)을 포함하고,
상기 입구포트, 제1 및 제2 출구포트는 상기 밸브 캐비티와 소통하며, 상기 입구포트는 제1 및 제2 출구포트와 마주보는 위치에 형성되고, 상기 밸브 스풀은 제1 및 제2 출구포트를 선택적으로 개폐하는 랜드(land)를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 하우징은 상기 밸브 스풀의 랜드 이동을 규제하는 한 쌍의 스토퍼를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 스토퍼는 상기 제1 및 제2 출구포트들 사이에서 이격되게 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 스풀의 랜드 외주면에는 실링부재가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 하우징의 일측에 상기 입구포트가 형성되며, 상기 밸브 하우징의 타측에 상기 제1 및 제2 출구포트가 형성되고, 상기 입구포트는 상기 제1 및 제2 출구포트의 대향되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2방향제어밸브는 상기 팽창기에 대해 연결되는 출구포트와, 상기 제1유출배관에 접속되는 제1입구포트와, 상기 제2유출배관에 접속되는 제2입구포트를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2방향제어밸브는 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 차단하는 제2포지션과, 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 차단하는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2방향제어밸브는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity)가 형성된 밸브 하우징(valve housing)과, 상기 밸브 캐비티에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool)을 포함하고,
상기 출구포트, 제1 및 제2 입구포트는 상기 밸브 캐비티와 소통하며, 상기 출구포트는 제1 및 제2 입구포트와 마주보는 위치에 형성되고, 상기 밸브 스풀은 제1 및 제2 입구포트를 선택적으로 개폐하는 랜드(land)를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 하우징은 상기 밸브 스풀의 랜드 이동을 규제하는 한 쌍의 스토퍼를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 스토퍼는 상기 제1 및 제2 입구포트들 사이에서 이격되게 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 스풀의 랜드 외주면에는 실링부재가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 하우징의 일측에 상기 출구포트가 형성되며, 상기 밸브 하우징의 타측에 상기 제1 및 제2 입구포트가 형성되고, 상기 출구포트는 상기 제1 및 제2 입구포트의 대향되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 작동유체가 순환하는 순환경로 상에 복수의 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치되고, 상기 복수의 보일러는 상기 순환경로에 대해 직렬 및 병렬로 연결된 랭킨사이클을 가진 폐열회수시스템으로,
상기 복수의 보일러의 상류 및 하류에 설치되어 상기 복수의 보일러들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브; 및
차량의 정보 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하여 상기 제1 및 제2 방향제어밸브를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부에는 차량의 정보를 취득하는 제1정보취득부 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 제2정보취득부가 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부에는 상기 제1정보취득부에 의해 취득된 차량의 정보를 이용하여 상기 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어조건을 데이터화한 제어맵이 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 랭킨사이클과, 상기 랭킨사이클의 순환경로에 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 보일러와, 복수의 보일러에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브를 가진 폐열회수시스템의 운전방법으로,
차량의 정보 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 정보 취득단계; 및
상기 취득된 정보를 근거로 복수의 보일러가 가변운전 조건에 해당하는 것으로 판단되면 상기 제1 및 제2 방향제어밸브를 제어하는 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어단계;를 포함한다.
상기 정보 취득단계는,
차량의 정보를 취득하는 차량의 정보 취득단계;
상기 취득된 차량의 정보를 이용하여 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어맵을 산출하는 제어맵 산출단계; 및
상기 제어맵 산출단계 이후에 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 폐열회수시스템의 정보 취득단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어단계이후에, 제어시간이 설정시간을 경과하면 그 제어동작을 종료하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 운전 조건, 외부요인 등에 따라 폐열회수시스템의 열원인 배기가스 보일러 및 EGR가스 보일러 중에서 적어도 어느 하나의 보일러에 작동유체를 통과시켜 열교환함으로써 폐열회수시스템의 열원을 능동적으로 가변할 수 있고, 이를 통해 폐열회수효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 도면으로, 작동유체가 제1 및 제2 보일러에 병렬로 통과하는 병렬운전 모드를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 도면으로, 작동유체가 제1보일러를 통과한 후에 제2보일러를 직렬로 통과하는 제1직렬운전 모드를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 도면으로, 작동유체가 제2보일러를 통과한 후에 제1보일러를 직렬로 통과하는 제2직렬운전 모드를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 도면으로, 작동유체가 제1보일러만을 단독으로 통과하는 제1단독운전 모드를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 도면으로, 작동유체가 제2보일러만을 단독으로 통과하는 제2단독운전 모드를 도시한다.
도 6은 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 제1방향제어밸브에 대한 일 실시형태를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 제2방향제어밸브에 대한 일 실시형태를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 제어부, 제1 및 제2 정보취득부, 제어맵의 연결관계를 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 운전방법을 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 5를 참조하면, 본 발명에 의한 폐열회수시스템은 랭킨사이클(100)을 포함한다.
랭킨사이클(100)은 작동유체가 순환하는 순환경로(105)와, 순환경로(1010 상에 설치된 복수의 보일러(110, 120; 증발기), 팽창기(130, expander), 응축기(140), 저장탱크(150), 펌프(160)를 가진다.
복수의 보일러(110, 120)는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동유체를 가열 및 증발시킴으로써 기화된 작동유체를 생성하도록 구성된다.
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.
저장탱크(150)는 응축기(140)에 의해 응축된 액상의 작동유체를 일시 저장하거나 폐열회수시스템의 작동정지(차량의 정지)에 따른 작동유체의 수거 시에 작동유체를 저장하도록 구성될 수 있다.
순환펌프(160)는 작동유체를 응축기(130)에서 보일러(110, 120)로 공급하도록 구성된다.
한편, 랭킨사이클(100)의 순환경로(105) 상에서 응축기(140), 저장탱크(150), 순환펌프(160) 등이 상하방향으로 순차적으로 적층됨이 바람직하다. 즉, 저장탱크(150)는 응축기(140) 보다 하측에 위치하고, 순환펌프(160)는 저장탱크(150) 보다 하측에 위치할 수 있다. 이를 통해, 응축기(140)에서 저장탱크(150)로 작동유체가 중력에 의해 원활하게 이송될 수 있으므로 작동유체의 순환효율이 향상될 수 있다.
또한, 응축기(140)와 저장탱크(150) 사이에는 역류방지밸브(180)가 설치되고, 역류방지밸브(180)는 작동유체가 저장탱크(150)로부터 응축기(140)로 역류함을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 보일러(110, 120)는 순환경로(105)에 대해 제1연결배관(111, 112) 및 제2연결배관(121, 122)를 통해 연결된 제1보일러(110) 및 제2보일러(120)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1보일러(110)는 엔진의 배기파이프에 배치되어 배기가스와 작동유체를 열교환시키는 배기가스 보일러로 구성되고, 제2보일러(120)는 엔진의 EGR경로 상에 마련되어 EGR가스와 작동유체를 열교환시키는 EGR가스 보일러로 구성될 수 있다.
한편, 제1보일러(110)가 배기가스 보일러이고, 제2보일러(120)가 EGR가스 보일러인 경우에는 제1보일러(110)는 제2보일러(120) 보다 하측에 위치함이 바람직하다.
제1보일러(110)는 제1연결배관(111, 112)을 통해 랭킨사이클(100)의 순환경로(105)에 연결되고, 제2보일러(120)는 제2연결배관(121, 122)을 통해 랭킨사이클(100)의 순환경로(105)에 연결된다.
제1연결배관(111, 112)은 제1보일러(110)의 입구(110a)에 접속되는 제1유입배관(111)과, 제1보일러(110)의 출구(110b)에 접속되는 제1유출배관(112)을 가진다.
제2연결배관(121, 122)은 제2보일러(120)의 입구(120a)에 접속되는 제2유입배관(121)과, 제2보일러(120)의 출구(120b)에 접속되는 제2유출배관(122)을 가진다.
한편, 제1연결배관(111, 112)과 제2연결배관(121, 122)은 랭킨사이클(100)의 순환경로(105)에 대해 병렬로 연결되고, 이에 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 팽창기(130)와 순환펌프(160) 사이에서 병렬로 연결된다. 즉, 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 제1연결배관(111, 112)과 제2연결배관(121, 122)을 통해 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 직접연결관(170, direct connection pipe)을 통해 서로 간에 직접적으로 소통가능하게 연결된다. 즉, 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 직접연결관(170)을 통해 순환경로(105)에 대해 직렬연결될 수 있다.
직접연결관(170)의 일단이 제1보일러(110)의 소통구(110c)에 접속되고, 직접연결관(170)의 타단은 제2보일러(120)의 소통구(120c)에 접속된다. 이러한 직접연결관(170)을 통해 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 서로 간에 직접적으로 소통가능해진다. 그리고, 직접연결관(170)에는 그 유로를 차단 내지 개방하는 온/오프(on/off) 타입의 개폐밸브(175)가 설치될 수 있고, 이러한 개폐밸브(175)의 온/오프작동에 의해 제1보일러(110)와 제2보일러(120)는 서로에 대해 직접적인 소통 내지 차단이 이루어질 수 있다.
복수의 보일러(110, 120)의 상류에는 제1방향제어밸브(10)가 설치되고, 복수의 보일러(110, 120)의 하류에는 제2방향제어밸브(20)가 설치된다.
제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)는 보일러(110, 120)들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하도록 구성된다.
제1방향제어밸브(10)는 순환펌프(160) 측에 접속되는 입구포트(15)와, 제1유입배관(111)에 접속되는 제1출구포트(16)와, 제2유입배관(121)에 접속되는 제2출구포트(17)를 가진다.
그리고, 제1방향제어밸브(10)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 입구포트(15)를 제1출구포트(16) 및 제2출구포트(17)와 동시에 소통시키는 제1포지션(11), 입구포트(15)와 제1출구포트(16)를 소통시키는 제2포지션(12), 입구포트(15)와 제2출구포트(17)를 소통시키는 제3포지션(13)을 가진다.
제1방향제어밸브(10)가 제1포지션(11)으로 전환되면, 도 1과 같이 입구포트(15), 제1출구포트(16), 제2출구포트(17)가 모두 개방되고, 이에 입구포트(15)가 제1출구포트(16) 및 제2출구포트(17)와 동시에 소통하도록 그 내부유로가 형성된다.
제1방향제어밸브(10)가 제2포지션(12)으로 전환되면, 도 2 및 도 4와 같이 입구포트(15) 및 제1출구포트(16)가 개방됨과 더불어 제2출구포트(17)는 폐쇄되고, 이에 입구포트(15)가 제1출구포트(16)와 소통함과 더불어 입구포트(15)는 제2출구포트(17)에 대해 차단되도록 그 내부유로가 형성된다.
제1방향제어밸브(10)가 제3포지션(13)으로 전환되면, 도 3 및 도 5와 같이 입구포트(15) 및 제2출구포트(17)가 개방됨과 더불어 제1출구포트(16)는 폐쇄되고, 이에 입구포트(15)가 제2출구포트(17)와 소통함과 더불어 입구포트(15)는 제1출구토프(16)에 대해 차단되도록 그 내부유로가 형성된다.
이러한 제1방향제어밸브(10)의 구체적인 실시형태가 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 제1방향제어밸브(10)는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity, 18b)가 형성된 밸브 하우징(valve housing, 18a)과, 밸브 캐비티(18b)에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool, 19)과, 밸브 스풀(19)를 구동시키는 엑츄에이터(14)를 포함한다.
밸브 하우징(18a)에는 입구포트(15), 제1출구포트(16), 제2출구포트(17)가 형성되어 있고, 입구포트(15), 제1출구포트(16), 제2출구포트(17)는 밸브 캐비티(18b)와 소통하도록 형성된다.
특히, 입구포트(15)는 제1 및 제2 출구포트(16, 17)와 대향되는 위치에 형성되고, 제1출구포트(16)와 제2출구포트(17)는 밸브 하우징(18a)의 동일한 면에 형성되며, 제1출구포트(16)와 제2출구포트(17)는 일정간격으로 이격되게 배치된다.
밸브 스풀(19)은 제1 및 제2 출구포트(16, 17)를 선택적으로 개폐하는 랜드(land, 19a)를 가지고, 랜드(19a)는 밸브 스풀(19)의 일측 외주면에서 반경방향으로 확장된 구조로 이루어진다.
엑츄에이터(14)는 밸브 스풀(19)을 밸브 캐비티(18b)에서 직선방향으로 이동시키기 위한 구성으로, 솔레노이드 및 스프링이 조합된 구조 또는 구동모터 및 전동기구가 조합된 구조 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 밸브 하우징(18a)의 내부에는 밸브 스풀(19)의 이동을 규제하기 위한 한 쌍의 스토퍼(18c, 18d)가 형성된다. 특히, 제1스토퍼(18c)는 제1출구포트(16)에 인접하고, 제2스토퍼(18d)는 제2출구포트(17)에 인접하게 형성됨으로써 제1스토퍼(18c)와 제2스토퍼(18d)는 제1출구포트(16)와 제2출구포트(17)의 이격간격에 대응하게 이격된다. 이에 밸브 스풀(19)의 이동 시에 랜드(19a)가 제1 및 제2 스토퍼(18c, 18d)에 걸려짐에 따라 밸브 스풀(19)의 랜드(19a)는 한 쌍의 스토퍼(18c, 18d) 사이의 거리에 대응하여 그 이동범위가 규제될 수 있다.
이와 같이 밸브 스풀(19)의 랜드(19a)가 제1 및 제2 스토퍼(18c, 18d)에 의해 그 이동범위가 규제됨과 더불어 랜드(19a)의 폭이 입구포트(15)의 직경 보다 작게 형성됨으로써 입구포트(15)는 밸브 스풀(19)의 포지션 전환(poisition shift)에 상관없이 항상 개방되도록 구성된다.
또한, 밸브 스풀(19)의 랜드(19a) 외주면에는 실링부재(19b)가 원주방향을 따라 연장되게 마련되고, 이에 따라 밸브 스풀(19)에 의한 제1출구포트(16) 및 제2출구포트(17)의 선택적인 폐쇄시에 그 밀폐성이 충분히 확보될 수 있다.
밸브 스풀(19)의 이동에 따른 제1방향제어밸브(10)의 포지션 전환을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6에서 밸브 스풀(19)이 입구포트(15)의 중앙부에 위치하면(화살표 11 참조), 입구포트(15)는 제1 및 제2 출구포트(16, 17) 모두와 소통함으로써 제1방향제어밸브(10)는 도 1의 제1포지션(11)으로 전환된다.
도 6에서 밸브 스풀(19)이 제2출구포트(17)에 인접하게 위치하면(도 6의 화살표 12 참조), 입구포트(15)는 제1출구포트(16)와 소통하고, 제2출구포트(17)는 차단됨으로써 제1방향제어밸브(10)는 도 2 및 도 4의 제2포지션(12)으로 전환된다.
도 6에서 밸브 스풀(19)이 제1출구포트(16)에 인접하게 위치하면(도 6의 화살표 13 참조), 입구포트(15)는 제2출구포트(17)와 소통하고, 제1출구포트(16)는 차단됨으로써 제1방향제어밸브(10)가 도 3 및 도 5의 제3포지션(13)으로 전환된다.
제2방향제어밸브(20)는 팽창기(130) 측에 접속되는 출구포트(25)와, 제1유출배관(112)에 접속되는 제1입구포트(26)와, 제2유출배관(122)에 접속되는 제2입구포트(27)를 가진다.
그리고, 제2방향제어밸브(20)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 출구포트(25)를 제1입구포트(26) 및 제2입구포트(27)와 동시에 소통시키는 제1포지션(21), 출구포트(25)와 제1입구포트(26)를 소통시키는 제2포지션(22), 출구포트(25)와 제2입구포트(27)를 소통시키는 제3포지션(23)을 가진다.
제2방향제어밸브(20)가 제1포지션(21)으로 전환되면, 도 1과 같이 출구포트(25), 제1입구포트(26), 제2입구포트(27)가 모두 개방되고, 이에 출구포트(25)가 제1입구포트(26) 및 제2입구포트(27)와 동시에 소통하도록 그 내부유로가 형성된다.
제2방향제어밸브(20)가 제2포지션(22)으로 전환되면, 도 2 및 도 5와 같이 출구포트(25) 및 제2입구포트(27)가 개방됨과 더불어 제1입구포트(26)는 폐쇄되고, 이에 출구포트(25)가 제2입구포트(27)와 소통함과 더불어 출구포트(25)는 제1입구포트(26)에 대해 차단되도록 그 내부유로가 형성된다.
제2방향제어밸브(20)가 제3포지션(23)으로 전환되면, 도 3 및 도 4와 같이 출구포트(25) 및 제1입구포트(26)가 개방됨과 더불어 제2입구포트(27)는 폐쇄되고, 이에 출구포트(25)가 제1입구포트(26)와 소통함과 더불어 출구포트(25)는 제2입구포트(27)에 대해 차단되도록 그 내부유로가 형성된다.
이러한 제2방향제어밸브(20)의 구체적인 실시형태가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 제2방향제어밸브(20)는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity, 28b)가 형성된 밸브 하우징(valve housing, 28a)과, 밸브 캐비티(28b)에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool, 29)과, 밸브 스풀(29)를 구동시키는 엑츄에이터(24)를 포함한다.
밸브 하우징(28a)에는 출구포트(25), 제1입구포트(26), 제2입구포트(27)가 형성되어 있고, 출구포트(25), 제1입구포트(26), 제2입구포트(27)는 밸브 캐비티(28b)와 소통하도록 형성된다.
특히, 출구포트(25)는 제1 및 제2 입구포트(26, 27)와 마주보는 위치에 형성되고, 제2입구포트(26)와 제2입구포트(27)는 밸브 하우징(28a)에서 동일한 위치에서 형성되며, 제1입구포트(26)와 제2입구포트(27)는 일정간격으로 이격되게 배치된다.
밸브 스풀(29)은 제1 및 제2 입구포트(26, 27)를 선택적으로 개폐하는 랜드(land, 29a)를 가지고, 랜드(29a)는 밸브 스풀(29)의 일측 외주면에서 반경방향으로 확장된 구조로 이루어진다.
엑츄에이터(24)는 밸브 스풀(29)을 밸브 캐비티(28b)에서 직선방향으로 이동시키기 위한 구성으로, 솔레노이드 및 스프링이 조합된 구조 또는 구동모터 및 전동기구가 조합된 구조 등으로 이루어질 수 있다.
밸브 하우징(28a)의 내부에는 밸브 스풀(29)의 이동을 규제하기 위한 한 쌍의 스토퍼(28c, 28d)가 형성된다. 특히, 제1스토퍼(28c)는 제1입구포트(26)에 인접하고, 제2스토퍼(28d)는 제2입구포트(27)에 인접하게 형성됨으로써 제1스토퍼(28c)와 제2스토퍼(28d)는 제1입구포트(26)와 제2입구포트(27)의 이격간격에 대응하게 이격된다. 이에 밸브 스풀(29)의 이동 시에 랜드(29a)가 제1 및 제2 스토퍼(28c, 28d)에 걸려짐에 따라 그 이동이 규제될 수 있다.
이와 같이, 밸브 스풀(29)의 랜드(29a)가 제1 및 제2 스토퍼(28c, 28d)에 의해 그 이동범위가 규제됨과 더불어 랜드(29a)의 폭이 출구포트(25)의 직경 보다 작게 형성됨으로써 출구포트(25)는 밸브 스풀(29)의 포지션 전환(poisition shift)에 상관없이 항상 개방되도록 구성된다.
또한, 밸브 스풀(29)의 랜드(29a) 외주면에는 실링부재(29b)가 원주방향을 따라 연장되게 마련되고, 이에 따라 밸브 스풀(29)가 제1입구포트(26) 및 제2입구포트(27) 중에서 어느 하나를 선택적으로 폐쇄할 때 그 밀폐성을 충분히 확보할 수 있다.
이러한 밸브 스풀(29)의 이동 및 그에 따른 포지션의 전환을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7에서 밸브 스풀(29)이 출구포트(25)의 중앙부에 위치하면(화살표 21 참조), 출구포트(25)가 제1 및 제2 입구포트(26, 27) 모두와 소통함으로써 제1방향제어밸브(10)는 도 1의 제1포지션(11)으로 전환된다.
그리고, 도 7에서 밸브 스풀(29)이 제1입구포트(26)에 인접하게 위치하면(도 7의 화살표 22 참조), 출구포트(25)가 제2입구포트(27)와 소통하고, 제1입구포트(26)에 대해서는 차단됨으로써 제2방향제어밸브(20)는 도 2 및 도 5의 제2포지션(22)으로 전환된다.
또한, 도 7에서 밸브 스풀(29)이 제2입구포트(27)에 인접하게 위치하면(도 7의 화살표 23 참조), 출구포트(25)는 제1입구포트(26)와 소통하고, 제2입구포트(27)에 대해 차단됨으로써 제2방향제어밸브(20)는 도 3 및 도 4의 제3포지션(23)으로 전환된다.
그리고, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20), 개폐밸브(175)의 작동을 제어하는 제어부(50)를 포함하고, 제어부(50)에는 차량의 정보를 취득하는 제1정보취득부(51) 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 제2정보취득부(52)를 가진다.
제1정보취득부(51)는 차량의 ECU(미도시)에 접속되고, 이를 통해 제1정보취득부(51)는 차량의 ECU(미도시)로부터 엔진의 RPM, 엔진의 부하, EGR율, 배기가스의 열용량, EGR가스의 열용량 등과 같은 다양한 차량의 정보를 취득하도록 구성된다.
이러한 제1정보취득부(51)에는 제어맵(53)에 접속되고, 제어맵(53)은 제1정보취득부(51)에서 취득한 차량의 정보를 이용하여 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)의 제어조건 등을 산출(데이터화)한 것이다.
제2정보취득부(52)는 폐열회수시스템의 보일러(110, 120), 팽창기(130) 등에 설치된 각종 센서(미도시)에 접속되고, 이를 통해 제2정보취득부(52)는 각 보일러(110, 120)의 입출구 온도 내지 압력, 팽창기(130)의 RPM 등과 같은 폐열회수시스템의 정보를 취득하도록 구성된다.
제어부(50)는 제2정보취득부(52)로부터 취득한 폐열회수시스템의 정보에 따라 제어맵(53)을 이용하여 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)를 제어할 수 있다.
이하에서는 제1보일러(110)가 배기가스 보일러이고, 제2보일러(120)는 EGR가스 보일러임을 전제로 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 보일러에 대한 가변 운전과정을 상세하게 설명한다.
<병렬운전 모드>
EGR가스의 온도와 배기가스의 온도가 유사한 상태에서 차량이 정속으로 장시간 운행되어 폐열회수시스템이 정상상태로 유지되면, 도 1과 같이 제1보일러(110)와 제2보일러(120)에 대해 작동유체를 병렬로 통과시킴으로써 폐열회수율을 높일 수 있다.
도 1을 참조하여 병렬운전 모드를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1방향제어밸브(10)가 제1포지션(11)으로 전환하고, 제2방향제어밸브(20)가 제1포지션(21)으로 전환작동함에 따라 작동유체는 제1유입배관(111) 및 제2유입배관(121)을 통해 제1보일러(110) 및 제2보일러(120) 측으로 이송되어 제1보일러(110) 및 제2보일러(120)에서 각각 열교환된 이후에, 제1유출배관(112) 및 제2유출배관(122)을 거쳐 팽창기(130)로 이송된다.
여기서, 제1방향제어밸브(10)의 밸브 스풀(19)을 선형제어하여 랜드(19a)의 위치를 미세하게 조절함(도 6 참조)으로써 제1보일러(110)와 제2보일러(120)로 공급되는 작동유체의 유량을 적절히 제어할 수 있다. 그리고, 직접연결관(170)을 통해 제1보일러(110)와 제2보일러(120) 사이에서 작동유체가 이동할 수도 있다.
<제1직렬운전 모드>
저부하, 저RPM의 운행조건에서는 EGR율이 높아 EGR가스의 온도가 높고, 배기가스의 온도는 상대적으로 낮다.
위와 같이, EGR가스의 온도가 배기가스의 온도 보다 높은 조건에서는 도 2와 같이 작동유체를 배기가스 보일러인 제1보일러(110)를 통과시킨 후에 EGR가스 보일러인 제2보일러(120) 측으로 통과시킴으로써 폐열회수율을 높일 수 있다. 요컨대, EGR가스의 온도가 배기가스의 온도 보다 높은 조건에서는 작동유체를 1차적으로 배기가스와 열교환시킨 후에 2차적으로 EGR가스와 열교환시킴으로써 그 열교환효율을 높여 폐열회수율을 높일 수 있다.
도 2를 참조하여 제1직렬운전 모드를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1방향제어밸브(10)가 제2포지션(12)으로 전환하고, 제2방향제어밸브(20)가 제2포지션(22)으로 전환작동함에 따라 작동유체는 제1유입배관(111)을 거쳐 제1보일러(110)로 유입되어 제1보일러(110)에서 1차적으로 배기가스와 열교환하고, 그 이후에 작동유체는 직접연결관(170)을 거쳐 제2보일러(120)로 유입되어 제2보일러(120)에서 2차적으로 EGR가스와 열교환한 뒤에, 제2유출배관(122)을 거쳐 팽창기(130)로 이송된다.
이때, 제1유출배관(112) 및 제2유입배관(121)은 그 유로가 폐쇄된다(도 2의 점선 참조).
<제2직렬운전 모드>
고부하/고RPM의 운행조건에서는 EGR율이 낮게 설정된 엔진 또는 선택적 환원촉매장치(SCR: Selectively Catalyst Reduction)가 장착된 엔진은 고부하/고RPM의 운행상태에서 EGR가스의 온도가 상대적으로 낮고, 배기가스의 온도는 상대적으로 높다.
위와 같이, 배기가스의 온도가 EGR가스의 온도 보다 높은 조건에서는 도 3과 같이 작동유체를 EGR가스 보일러인 제2보일러(120)를 통과시킨 후에 배기가스 보일러인 제1보일러(110) 순으로 통과시킴으로써 폐열회수율을 높일 수 있다. 요컨대, 배기가스의 온도가 EGR가스의 온도 보다 높은 조건에서는 작동유체를 1차적으로 EGR가스와 열교환시킨 후에 2차적으로 배기가스와 열교환시킴으로써 그 열교환효율을 높여 폐열회수율을 높일 수 있다.
도 3을 참조하여 제2직렬운전 모드를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1방향제어밸브(10)가 제3포지션(13)으로 전환하고, 제2방향제어밸브(20)가 제3포지션(23)으로 전환작동함에 따라 작동유체는 제2유입배관(121)을 거쳐 제2보일러(120)로 유입되어 제2보일러(120)에서 1차적으로 EGR가스와 열교환하고, 그 이후에 작동유체는 직접연결관(170)을 거쳐 제1보일러(110)로 유입되어 제1보일러(110)에서 2차적으로 배기가스와 열교환한 뒤에, 제1유출배관(112)을 거쳐 팽창기(130)로 이송된다.
이때, 제1유입배관(111) 및 제2유출배관(122)은 그 유로가 폐쇄된다(도 3의 점선 참조).
<제1단독 모드>
EGR율이 0인 경우 또는 DPF 재생조건 등과 같이 EGR가스와의 열교환으로부터 회수되는 열이 미미한 경우에는 EGR가스 보일러인 제2보일러(120)를 차단하고, 배기가스 보일러인 제1보일러(110)에만 작동유체를 통과시키는 열손실 측면에서 유리하다. 이는, 작동유체가 제2보일러(120)를 통과할 때 회수되는 열은 미미한 반면에 작동유체가 제2보일러(120), 제2유입배관(121)과 제2유출배관(122)을 통과할 때 발생하는 열손실이 더 크게 발생하기 때문이다.
이에 따라, EGR율이 매우 낮은 조건에서는 작동유체를 배기가스 보일러인 제1보일러(110)에만 단독으로 통과시킴으로써 폐열회수효율을 일정하게 유지할 수 있다.
도 4를 참조하여 제1단독 모드를 구체적으로 설명하면, 제1방향제어밸브(10)가 제2포지션(12)으로 전환하고, 제2방향제어밸브(20)가 제3포지션(23)으로 전환작동함에 따라 작동유체는 제1유입배관(111)을 거쳐 제1보일러(110)로 유입되어 제1보일러(110)에서 배기가스와 열교환한 뒤에, 제1유출배관(112)을 거쳐 팽창기(130)로 이송된다.
이때, 제2유입배관(121), 제2유출배관(122), 직접연결관(170)은 그 유로가 폐쇄된다(도 4의 점선 참조).
<제2단독 모드>
엔진의 초기 시동조건 등과 같이 배기계를 구성하는 머플러, 배기파이프 등의 온도가 낮은 조건에서는 배기가스와의 열교환으로부터 회수되는 작동유체의 열이 미미하므로, 배기가스 보일러인 제1보일러(110)를 차단하고, EGR가스 보일러인 제2보일러(120)에만 작동유체를 통과시키는 것이 열손실 측면에서 유리하다. 이는, 작동유체가 제1보일러(110)를 통과할 때 회수되는 열은 미미한 반면에 작동유체가 제1보일러(110), 제1유입배관(111)과 제1유출배관(112)을 통과할 때 발생하는 열손실이 더 크게 발생하기 때문이다.
이에 따라, 배기계의 온도가 매우 낮은 조건에서는 작동유체를 EGR가스 보일러인 제2보일러(120)에만 단독으로 통과시킴으로써 폐열회수효율을 일정하게 유지할 수 있다.
도 5를 참조하여 제2단독 모드를 구체적으로 설명하면, 제1방향제어밸브(10)가 제3포지션(13)으로 전환하고, 제2방향제어밸브(20)가 제2포지션(22)으로 전환작동함에 따라 작동유체는 제2유입배관(121)을 거쳐 제2보일러(120)로 유입되어 제2보일러(110)에서 EGR가스와 열교환한 뒤에, 제2유출배관(122)을 거쳐 팽창기(130)로 이송된다.
이때, 제1유입배관(111), 제1유출배관(112), 직접연결관(170)은 그 유로가 폐쇄된다(도 5의 점선 참조).
도 9는 본 발명에 의한 폐열회수시스템의 운전방법을 도시한 순서도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 차량의 ECU(미도시)로부터 차량의 정보(엔진의 RPM 및 부하(LOAD), EGR율, 배기가스의 열용량 및 EGR가스의 열용량 등)를 제1정보취득부(51)를 통해 취득하고(S1), 제1정보취득부(51)에서 취득된 차량의 정보를 근거로 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)의 개별적인 제어조건 등을 데이터화한 제어맵(53)을 산출한다(S2).
그 이후에 제2정보취득부(52)를 통해 제1 및 제2 보일러(110, 120)의 각 입출구 온도/압력, 팽창기의 RPM 등과 같은 폐열회수시스템의 정보를 취득한다(S3).
이와 같이 취득된 차량의 정보 및 폐열회수시스템의 정보를 근거로 복수의 보일러(110, 120)에 대한 가변운전 조건에 해당하는 지를 판단하고(S4), 복수의 보일러(110, 120)에 대한 가변운전 조건에 해당하는 것으로 판단되면 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)를 개별적으로 제어(S5)함으로써 상술한 병렬운전 모드(도 1참조), 제1직렬운전 모드(도 2 참조), 제2직렬운전 모드(도 3 참조), 제1단독운전 모드(도 4 참조), 제2단독운전 모드(도 5 참조) 중에서 어느 하나의 모드로 폐열회수시스템의 운전이 진행된다.
그 이후에, 제1 및 제2 방향제어밸브(10, 20)에 대한 제어시간이 설정시간을 경과하면 해당하는 제어동작을 종료한다(S6).
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: 제1방향제어밸브 20: 제2방향제어밸브
100: 랭킨사이클 105: 순환경로
110: 제1보일러 120: 제2보일러
130: 팽창기 140: 응축기
150: 저장탱크 160: 순환펌프

Claims (23)

  1. 작동유체가 순환하는 순환경로 상에 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치된 랭킨사이클을 가진 폐열회수시스템으로,
    상기 팽창기와 순환펌프 사이에서 연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 복수의 보일러; 및
    상기 복수의 보일러의 상류 및 하류에 설치되어 상기 복수의 보일러들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브;를 포함하고,
    상기 복수의 보일러는,
    제1연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 제1보일러; 및
    제2연결배관을 통해 상기 랭킨사이클의 순환경로에 연결된 제2보일러;를 가지며,
    상기 제1 및 제2 연결배관은 상기 랭킨사이클의 순환경로에 대해 병렬로 연결되며,
    상기 제1보일러와 제2보일러는 직접연결관(direct connection pipe)을 통해 서로 간에 직접적으로 소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1연결배관은 상기 제1보일러의 입구측에 접속되는 제1유입배관과 상기 제1보일러의 출구측에 접속되는 제1유출배관을 가지고,
    상기 제2연결배관은 상기 제2보일러의 입구측에 접속되는 제2유입배관과 상기 제2보일러의 출구측에 접속되는 제2유출배관을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 직접연결관에는 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1방향제어밸브는 상기 순환펌프에 대해 연결되는 입구포트와, 상기 제1유입배관에 접속되는 제1출구포트와, 상기 제2유입배관에 접속되는 제2출구포트를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1방향제어밸브는 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 차단하는 제2포지션과, 상기 입구포트와 상기 제2출구포트를 소통시킴과 더불어 상기 입구포트와 상기 제1출구포트를 차단하는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1방향제어밸브는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity)가 형성된 밸브 하우징(valve housing)과, 상기 밸브 캐비티에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool)을 포함하고,
    상기 입구포트, 제1 및 제2 출구포트는 상기 밸브 캐비티와 소통하며, 상기 입구포트는 제1 및 제2 출구포트에 대향되는 위치에 형성되고, 상기 밸브 스풀은 제1 및 제2 출구포트를 선택적으로 개폐하는 랜드(land)를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 밸브 하우징은 상기 밸브 스풀의 랜드 이동을 규제하는 한 쌍의 스토퍼를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 스토퍼는 상기 제1 및 제2 출구포트들 사이에서 이격되게 마련되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 밸브 스풀의 랜드 외주면에는 실링부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 밸브 하우징의 일측에 상기 입구포트가 형성되며, 상기 밸브 하우징의 타측에 상기 제1 및 제2 출구포트가 형성되고, 상기 입구포트는 상기 제1 및 제2 출구포트의 대향되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2방향제어밸브는 상기 팽창기에 대해 연결되는 출구포트와, 상기 제1유출배관에 접속되는 제1입구포트와, 상기 제2유출배관에 접속되는 제2입구포트를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2방향제어밸브는 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 소통시키는 제1포지션과, 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 차단하는 제2포지션과, 상기 출구포트와 상기 제2입구포트를 소통시킴과 더불어 상기 출구포트와 상기 제1입구포트를 차단하는 제3포지션을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2방향제어밸브는 내부에 밸브 캐비티(valve cavity)가 형성된 밸브 하우징(valve housing)과, 상기 밸브 캐비티에서 이동가능하게 설치된 밸브 스풀(valve spool)을 포함하고,
    상기 출구포트, 제1 및 제2 입구포트는 상기 밸브 캐비티와 소통하며, 상기 출구포트는 제1 및 제2 입구포트에 대향되는 위치에 형성되고, 상기 밸브 스풀은 제1 및 제2 입구포트를 선택적으로 개폐하는 랜드(land)를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 밸브 하우징은 상기 밸브 스풀의 랜드 이동을 규제하는 한 쌍의 스토퍼를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 스토퍼는 상기 제1 및 제2 입구포트들 사이에서 이격되게 마련되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 밸브 스풀의 랜드 외주면에는 실링부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 밸브 하우징의 일측에 상기 출구포트가 형성되며, 상기 밸브 하우징의 타측에 상기 제1 및 제2 입구포트가 형성되고, 상기 출구포트는 상기 제1 및 제2 입구포트의 대향되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  18. 작동유체가 순환하는 순환경로 상에 복수의 보일러, 팽창기, 응축기, 순환펌프가 설치되고, 상기 복수의 보일러는 상기 순환경로에 대해 직렬 및 병렬로 연결된 랭킨사이클을 가진 폐열회수시스템으로,
    상기 복수의 보일러의 상류 및 하류에 설치되어 상기 복수의 보일러들에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브; 및
    차량의 정보 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하여 상기 제1 및 제2 방향제어밸브를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부에는 차량의 정보를 취득하는 제1정보취득부 및 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 제2정보취득부가 접속되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  19. 삭제
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 제1정보취득부에 의해 취득된 차량의 정보를 이용하여 상기 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어조건을 데이터화한 제어맵이 접속되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
  21. 랭킨사이클와, 상기 랭킨사이클의 순환경로에 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 보일러와, 복수의 보일러에 대한 작동유체의 흐름방향을 전환하는 제1 및 제2 방향제어밸브를 가진 폐열회수시스템의 운전방법으로,
    제1정보취득부에 의해 차량의 정보를 취득하고, 제2정보취득부에 의해 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 정보 취득단계;
    상기 취득된 정보를 근거로 복수의 보일러가 가변운전 조건에 해당하는 것으로 판단되면 상기 제1 및 제2 방향제어밸브를 개별적으로 제어하는 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 운전방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 정보 취득단계는,
    차량의 정보를 취득하는 차량의 정보 취득단계;
    상기 취득된 차량의 정보를 이용하여 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어맵을 산출하는 제어맵 산출단계; 및
    상기 제어맵 산출단계 이후에 폐열회수시스템의 정보를 취득하는 폐열회수시스템의 정보 취득단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 운전방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향제어밸브의 제어단계이후에, 제어시간이 설정시간을 경과하면 그 제어동작을 종료하는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 운전방법.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101684148B1 (ko) * 2015-07-13 2016-12-07 현대자동차주식회사 랭킨사이클 폐열회수시스템의 작동유체 수거장치
DE102016222927A1 (de) * 2016-11-21 2018-05-24 Mahle International Gmbh Wärmerückgewinnungseinrichtung
DE102017211450A1 (de) 2017-07-05 2019-01-10 Robert Bosch Gmbh Leistungsoptimierer für Abwärmerückgewinnungssystem
CN107893710A (zh) * 2017-12-28 2018-04-10 朱珍珍 内燃机高效节能余热利用技术
DE102018202919A1 (de) 2018-02-27 2019-11-14 Robert Bosch Gmbh Regelkreis für Abwärmerückgewinnungssysteme
CN110467203B (zh) * 2019-09-12 2023-03-14 内蒙古星汉新材料有限公司 一种对制备氟化钾产生的热量进行二次利用的系统
EP4127420A4 (en) * 2020-03-23 2024-01-24 Cummins, Inc. MULTI CORE HEAT RECOVERY CHARGE COOLER
US11719133B1 (en) * 2022-08-01 2023-08-08 Solutiatech Llc Accumulating and storing energy in separated mixed refrigerants for conversion to electrical or mechanical power

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110308253A1 (en) * 2010-06-21 2011-12-22 Paccar Inc Dual cycle rankine waste heat recovery cycle
JP5618009B2 (ja) * 2011-08-31 2014-11-05 株式会社豊田自動織機 廃熱利用装置
JP6080285B1 (ja) * 2016-09-29 2017-02-15 株式会社メンテック 汚染防止剤組成物及び汚染防止方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5618009B2 (ko) 1973-10-12 1981-04-25
JPH0680285B2 (ja) 1985-03-20 1994-10-12 三菱重工業株式会社 蒸気タ−ビン制御装置
JP3475378B2 (ja) * 1995-09-22 2003-12-08 廣瀬バルブ工業株式会社 分集流弁
KR100541823B1 (ko) 2003-06-26 2006-01-11 주식회사 경동보일러 보일러용 3방향 유로전환밸브
EP2320058B1 (en) * 2008-08-26 2015-11-25 Sanden Corporation Waste heat utilization device for internal combustion engine
JP2012007500A (ja) * 2010-06-23 2012-01-12 Hino Motors Ltd 内燃機関の排気熱回収装置
CN103109046B (zh) 2010-07-14 2015-08-19 马克卡车公司 具有局部回收的废热回收系统
DE102010033124A1 (de) * 2010-08-03 2012-02-09 Daimler Ag Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
JP5481737B2 (ja) * 2010-09-30 2014-04-23 サンデン株式会社 内燃機関の廃熱利用装置
DE112011104516B4 (de) 2010-12-23 2017-01-19 Cummins Intellectual Property, Inc. System und Verfahren zur Regulierung einer EGR-Kühlung unter Verwendung eines Rankine-Kreisprozesses
US9021808B2 (en) 2011-01-10 2015-05-05 Cummins Intellectual Property, Inc. Rankine cycle waste heat recovery system
JP2013076397A (ja) 2011-09-15 2013-04-25 Toyota Industries Corp 廃熱利用装置
JP2013181394A (ja) 2012-02-29 2013-09-12 Daimler Ag エンジンの廃熱回収装置
US9695777B2 (en) 2012-12-19 2017-07-04 Mack Trucks, Inc. Series parallel waste heat recovery system
WO2015008107A1 (en) * 2013-07-15 2015-01-22 Renault Trucks Internal combustion engine arrangement comprising a waste heat recovery system and process for controlling said system
KR20150099299A (ko) 2014-02-21 2015-08-31 주식회사 넥스다임 애플리케이션 개발 환경 제공 방법
JP6315814B2 (ja) * 2014-09-17 2018-04-25 株式会社神戸製鋼所 エネルギー回収装置及び圧縮装置並びにエネルギー回収方法
US20160252310A1 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 Tenneco Automotive Operating Company Inc. Waste Heat Recovery System

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110308253A1 (en) * 2010-06-21 2011-12-22 Paccar Inc Dual cycle rankine waste heat recovery cycle
JP5618009B2 (ja) * 2011-08-31 2014-11-05 株式会社豊田自動織機 廃熱利用装置
JP6080285B1 (ja) * 2016-09-29 2017-02-15 株式会社メンテック 汚染防止剤組成物及び汚染防止方法

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Publication number Publication date
KR20170008054A (ko) 2017-01-23
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