KR101836729B1 - 윤활유 재생장치 및 윤활유 재생방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체와 윤활유가 유분리기에 의해 분리하고, 분리된 윤활유에 작동유체의 일부가 섞여 윤활유탱크로 유입됨에 따라 윤활유탱크의 작동유체를 분리하여 유분리기로 회수하는 윤활유 재생장치로서, 윤활유를 저장하는 윤활유탱크; 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체에서 윤활유를 분리하는 유분리기; 상기 유분리기와 상기 윤활유탱크 사이에 연결되는 윤활유 회수도관; 상기 윤활유탱크와 상기 유분리기 사이에 연결된 작동유체 회수도관; 및 상기 윤활유탱크 내에 설치되어 액상의 작동유체를 기화시키는 기화유닛;을 포함할 수 있다.

Description

윤활유 재생장치 및 윤활유 재생방법{LUBRICATING OIL REGENRATION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 윤활유 재생장치 및 윤활유 재생방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 윤활유와 작동유체를 효과적으로 분리함으로써 윤활유의 윤활성능 및 작동유체의 열교환성능을 향상시킬 수 있는 윤활유 재생장치 및 윤활유 재생방법에 관한 것이다.
내연기관은 차량, 선박, 소형 발전기 등에서 널리 사용되며, 내연기관의 효율을 높이고자 하는 시도는 끊임없이 있어 왔다. 내연기관에서는 많은 열량이 폐열로 배출되는 것이 일반적이며, 이러한 폐열을 에너지로 회수하여 내연기관 전체의 효율을 증가시키는 폐열회수시스템이 개발된 바 있다.
이러한 폐열회수시스템은 엔진에서 배출되는 폐열을 에너지로 회수한 후에, 그 회수 에너지를 전기에너지 또는 기계에너지로 변환하여 차량의 엔진 또는 기타 보기류(accessory) 등에 활용하도록 구성된다.
이러한 폐열회수시스템에는 랭킨사이클(Rankine cycle)이 구비되어 엔진의 폐열을 매우 효과적으로 회수하도록 구성된다. 랭킨사이클은 작동매체가 순환하는 순환경로를 포함하고, 랭킨사이클의 순환경로에는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동매체를 가열 및 증발시키는 보일러(증발기)와, 보일러로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기(expander)와, 팽창기에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기와, 순환경로 상에서 작동매체를 순환시키는 펌프를 가진다.
팽창기는 폐열회수시스템 전체의 성능 및 내구성 측면에서 가장 중요한 부품으로, 이러한 팽창기는 시스템 내에서 가장 고온, 고압의 작동매체와 직접적으로 노출되고, 지속적으로 회전하기 때문에 파손의 위험성이 가장 높을 수 있다.
한편, 현재 개발 중인 폐열회수용 팽창기는 터빈방식의 팽창기를 기본으로 하고 있다. 10만 rpm 이상의 고속으로 회전하는 터빈 내 베어링 등의 회전부 마모 및 파손을 방지하기 위해 폐열회수시스템이 작동하는 동안 팽창기 및 팽창기에 연결된 감속기 등의 회전부에 윤활유가 필수적으로 공급될 필요가 있다.
그러나, 터빈 방식의 특성상 윤활유의 일부가 작동유체와 섞여 폐열회수시스템의 작동유체도관 내로 유입되는 문제가 발생한다. 이렇게 윤활유가 작동유체와 섞인 상태로 순환하면 윤활유가 열교환기의 내부에 유막을 생성하고, 이로 인해 열전달 효율이 감소될 뿐만 아니라 윤활유의 부족에 따른 팽창기의 내구성이 저하될 수 있다.
이에 따라, 팽창기의 하류 측에 유분리기를 설치하고, 유분리기에 의해 작동유체에 섞여있는 윤활유를 분리하며, 분리된 윤활유를 윤활유탱크로 회수하는 구조가 개발 중에 있다.
하지만, 유분리기를 통해 윤활유탱크로 회수되는 윤활유에는 작동유체가 혼합되어 있을 수 있으며, 이로 인해 윤활유탱크에 작동유체가 유입될 가능성이 있다. 이와 같이 윤활유탱크로 유입된 작동유체를 분리하지 않으면, 윤활성능이 저하될 수 있을 뿐만 아니라 윤활유탱크의 저장용량을 초과하여 윤활유탱크가 넘칠 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 윤활유와 작동유체를 효과적으로 분리함으로써 윤활유의 윤활성능 및 작동유체의 열교환성능을 향상시킬 수 있는 윤활유 재생장치 및 윤활유 재생방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체와 윤활유가 유분리기에 의해 분리하고, 분리된 윤활유에 작동유체의 일부가 섞여 윤활유탱크로 유입됨에 따라 윤활유탱크의 작동유체를 분리하여 유분리기로 회수하는 윤활유 재생장치로서,
윤활유를 저장하는 윤활유탱크;
폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체에서 윤활유를 분리하는 유분리기;
상기 유분리기와 상기 윤활유탱크 사이에 연결되는 윤활유 회수도관;
상기 윤활유탱크와 상기 유분리기 사이에 연결된 작동유체 회수도관; 및
상기 윤활유탱크 내에 설치되어 액상의 작동유체를 기화시키는 기화유닛;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체와 윤활유가 유분리기에 의해 분리하고, 분리된 윤활유에 작동유체의 일부가 섞여 윤활유탱크로 유입됨에 따라 윤활유탱크의 작동유체를 분리하여 유분리기로 회수하는 윤활유 재생방법으로,
유분리기의 내부압력에 맞춰 작동유체의 포화증기온도를 연산하고,
작동유체의 포화증기온도에 맞춰 기화유닛의 가열 타켓온도를 설정하며,
가열 타켓온도가 윤활유의 기화온도 미만이면 윤활유탱크의 내부온도를 측정하고,
윤활유탱크의 내부온도가 가열 타켓온도 미만이면 기화유닛을 작동시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 유분리기에 의해 분리된 윤활유가 윤활유탱크 내로 회수된 이후에, 윤활유에 섞여있는 작동유체를 기화시켜 윤활유탱크로부터 작동유체를 분리한 후에 유분리기 측으로 다시 회수하며, 이에 유분리기로 회수되는 작동유체에서 윤활유를 재차 분리하도록 함으로써 윤활유탱크 내에서 작동유체의 분리를 효과적으로 수행하여 윤활유의 윤활성능을 향상시킬 수 있고, 또한 윤활유탱크에서 분리된 작동유체를 유분리기로 회수하여 작동유체에서 윤활유를 재차 분리함으로써 작동유체의 열교환성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생장치가 폐열회수시스템에 적용된 상태를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2에 따른 윤활유 재생장치의 변형실시예를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 윤활유 재생장치의 유분리기 및 윤활유 탱크 사이의 연결구조를 도시한 사시도이다.
도 6은 폐열회수시스템의 정지 시에 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 폐열회수시스템의 작동 시에 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생방법을 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 1은 일반적인 폐열회수시스템의 일 예를 예시한 도면이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 폐열회수시스템은 작동매체가 순환하는 작동유체도관(15)을 포함하고, 작동유체도관(15)에는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동매체를 가열 및 증발시키는 보일러(10)와, 보일러(10)로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기(20, expander)와, 팽창기(20)에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기(30)와, 작동유체를 작동유체도관(15)에서 순환시키는 순환펌프(40)를 포함할 수 있다.
그리고, 응축기(30)와 순환펌프(40) 사이에는 응축기(30)로부터 액상의 작동매체를 저장하는 리저버탱크(미도시)가 설치될 수 있고, 응축기(30)로부터 공급받은 액상의 작동매체를 리저버탱크(미도시)가 저장한 상태를 유지할 수 있으므로 작동매체의 순환을 보다 원활하게 할 수 있다.
보일러(10)는 배기파이프의 일측에 설치되어 배기가스와 작동매체를 열교환하도록 구성될 수 있고, 보일러(10)와 팽창기(20) 사이에는 EGR가스에 의해 작동매체를 가열하는 슈퍼히터(미도시)가 설치될 수도 있다.
한편, 팽창기(20)로부터 배출되는 작동유체는 윤활유가 섞여있는 상태이고, 이렇게 윤활유가 혼합된 작동유체는 유분리기(52)로 유입될 수 있다. 유분리기(52)는 작동체에서 윤활유를 분리하고, 이렇게 분리된 윤활유는 윤활유탱크(51)로 회수될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생장치(50)는 윤활유탱크(51)로 회수되는 윤활유에 섞여있는 일부의 작동유체를 분리하여 유분리기(52) 측으로 회수하고, 이에 유분리기(52)는 회수되는 작동유체에서 윤활유를 재차 분리함으로써 작동유체 및 윤활유의 분리효율이 향상될 수 있으며, 이를 통해 작동유체의 열교환성능 및 윤활유의 윤활성능을 각각 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생장치(50)는 윤활유탱크(51)와, 팽창기(20)의 하류 측에 배치된 유분리기(52)와, 유분리기(51)와 윤활유탱크(52) 사이에 연결된 윤활유 회수도관(53)과, 윤활유탱크(51)와 유분리기(52) 사이에 연결된 작동유체 회수도관(55)을 포함할 수 있다.
윤활유탱크(51)는 그 내부에 일정량의 윤활유를 저장하도록 구성될 수 있다. 윤활유탱크(51)에는 윤활유 공급도관(51a)과 윤활유 수거도관(51b, lubricating oil collect conduit)이 연결되고, 윤활유 공급도관(51a)에는 윤활유 공급펌프(51c)이 설치될 수 있다. 윤활유 공급펌프(51c)에 의해 윤활유 공급도관(51a)을 통해 윤활유탱크(51)로부터 팽창기(20) 측으로 윤활유가 공급될 수 있고, 팽창기(20) 및 팽창기(20)에 연결된 감속기(25)의 회전부(베어링 등) 등으로 공급된 윤활유는 윤활유 수거도관(51b)을 통해 팽창기(20)로부터 윤활유탱크(51)로 윤활유가 수거될 수 있다.
유분리기(52)는 팽창기(20)의 하류 특히, 팽창기(20)와 응축기(30) 사이의 작동유체도관(15) 상에 설치될 수 있다.
유분리기(52)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 원통부(61) 및 하부 원통부(62)를 가질 수 있다.
상부 원통부(61)는 하부 원통부(62) 보다 큰 체적을 가질 수 있고, 상부 원통부(61)의 내부에는 환형의 필터(63)가 설치될 수 있다. 상부 원통부(61)의 저면에는 하부 원통부(62)와 소통하는 소통공(64)이 형성될 수 있다. 상부 원통부(61)의 일측에는 작동유체가 배출되는 출구가 형성될 수 있고, 상부 원통부(61)의 출구에는 아웃렛 파이프(65)가 접속될 수 있다. 아웃렛 파이프(65)는 작동유체도관(15)에 밀봉적으로 결합되는 플랜지(65a)를 가질 수 있다.
하부 원통부(62)는 상부 원통부(62)의 하부에 설치될 수 있고, 하부 원통부(62)의 일측에는 작동유체와 윤활유가 혼합된 유체가 유입되는 입구가 형성될 수 있고, 이러한 입구에는 인렛 파이프(66)가 접속될 수 있다. 인렛 파이프(66)는 작동유체도관(15)에 밀봉적으로 결합되는 플랜지(66a)를 가질 수 있다.
이러한 유분리기(52)의 구성에 따르면, 하부 원통부(62)의 인렛 파이프(66)를 통해 하부 원통부(62) 내로 윤활유가 혼합된 작동유체가 유입되어 하부 원통부(62)의 내벽면과 충돌함에 따라 작동유체에서 윤활유가 1차로 분리될 수 있고, 작동유체가 상부 원통부(61)의 필터(63)를 통과하면서 윤활유가 2차로 분리될 수 있다.
윤활유 회수도관(53)의 입구단은 유분리기(51)의 하부 원통부(62)의 저면에 접속될 수 있고, 윤활유 회수도관(53)의 출구단은 윤활유탱크(52)의 일측에 접속될 수 있다.
윤활유 회수도관(53)의 도중에는 개폐밸브가 설치될 수 있다. 예컨대, 개폐밸브는 폐열회수시스템의 압력 특히, 유분리기(52) 측의 압력이 윤활유탱크(51)의 압력 보다 클 경우에 개방되는 플로팅밸브(floating valve)로 구성될 수 있다.
유분리기(52)에서 분리된 윤활유는 중력에 의해 소통공(64)을 통해 하부 원통부(62)로 이동하고, 하부 원통부(62)로 이동한 액상의 윤활유는 윤활유 회수도관(53)을 거쳐 플로팅밸브(54)에 포집될 수 있다. 폐열회수시스템의 압력 특히, 유분리기(52) 측의 압력이 윤활유탱크(51)의 압력 보다 커질 경우에는 플로팅밸브(54)가 개방되며, 이에 작동유체에서 분리된 액상의 윤활유가 윤활유탱크(51) 내로 회수될 수 있다.
한편, 액상의 윤활유와 함께 기상의 작동유체가 윤활유 회수도관(53)을 통해 윤활유탱크(51) 내로 유입될 수 있다. 또한, 유분리기(52)의 내부 평균온도가 포화증기온도 이상일 경우에는 유분리기(52)의 내면에서 국부적인 열손실로 인해 액화된 작동유체가 윤활유 회수도관(53)을 통해 윤활유탱크(51) 내로 유입될 수 있ㄷ다. 이에, 도 2에 도시된 바와 같이, 윤활유탱크(51)의 내부에는 윤활유층(a), 액상의 작동유체층(b), 기상의 작동유체층(c)이 하부에서 상부로 순차적으로 형성될 수 있고, 이러한 경향은 폐열회수시스템의 정지 시에 발생할 가능성이 높다.
이와 같이, 액상 또는 기상의 작동유체가 윤활유와 함께 윤활유탱크(51) 내로 유입될 경우, 윤활유와 함께 작동유체가 팽창기(20) 및 감속기(25) 등으로 공급될 경우 윤활성능이 저하될 수 있고, 또한 작동유체로 인해 윤활유탱크(51)는 저장능력이 초과되어 넘칠 수도 있다.
이에 본 발명의 실시예는 작동유체 회수도관(55)을 윤활유탱크(51)와 유분리기(52) 사이에 연결하도록 구성될 수 있다. 이러한 작동유체 회수도관(55)을 통해 윤활유탱크(51) 내의 작동유체가 유분리기(52) 측으로 회수될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 작동유체 회수도관(55)의 입구단은 윤활유탱크(51)의 상부에 접속되고, 작동유체 회수도관(55)의 출구단은 유분리기(52)의 상류 측에 접속될 수 있다. 이에 작동유체는 윤활유탱크(51)로부터 유분리기(52) 측으로 더욱 원활하게 회수될 수 있다.
윤활유탱크(51) 내에는 액상의 작동유체를 기화시키는 기화유닛(58, 59)이 설치될 수 있다.
기화유닛(58, 59)은 작동유체의 기화온도에 맞춰 윤활유탱크(51)의 내부온도를 가열하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기화유닛(58, 59)의 가열온도는 윤활유의 기화온도 보다 낮으며, 작동유체의 기화온도에 대응하도록 설정될 수 있다. 이는 작동유체의 기화온도가 윤활유의 기화온도 보다 상대적으로 낮게 설정되어 있기 때문이다. 예컨대, 작동유체의 기화온도가 대략 90~100℃인 경우에 윤활유의 기화온도는 대략 140℃ 정도일 수 있으므로, 기화유닛(58, 59)은 작동유체의 기화온도에 맞춰 윤활유탱크(51)의 내부온도를 대략 90~100℃로 가열하면, 윤활유는 기화되지 않을 수 있다. 이러한 기화유닛(58, 59)의 가열온도 설정을 통해 윤활유는 기화되지 않으면서 액상의 작동유체만을 원활하게 기화할 수 있다.
일 예에 따르면, 기화유닛은 도 2에 예시된 바와 같이, 전원이 인가됨에 따라 발열하는 가열코일 등과 같은 전열식 가열기(58)로 구성될 수도 있다.
다른 예에 따르면, 기화유닛은 도 3에 예시된 바와 같이, 엔진을 냉각시킨 이후에 승온된 엔진 냉각수가 통과하는 냉각수 라인(59)으로 구성될 수도 있고, 이러한 냉각수 라인(59)은 윤활유탱크(51)를 관통하는 구조로 이루어질 수도 있다. 냉각수 라인(59)의 입구 및 출구에는 바이패스라인(59a)이 연결될 수 있고, 냉각수 라인(59)의 입구 측에 밸브(59b)가 설치될 수 있다. 예컨대, 엔진을 냉각시킨 이후에 승온된 엔진 냉각수는 대략 90℃의 온도를 가질 수 있고, 작동유체의 기화온도가 90℃이하인 경우에는 대략 90℃의 엔진 냉각수를 이용하여 작동유체를 기화시킬 수 있다.
작동유체 회수도관(55)의 도중에는 원웨이밸브(56, oneway valve)가 설치될 수 있고, 원웨이밸브(56)는 작동유체가 윤활유탱크(51)에서 유분리기(52)로 이동하도록 허용하고, 유분리기(52)에서 윤활유탱크(51)로 역류함을 차단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원웨이밸브(56)는 윤활유탱크(51)의 내부압력이 유분리기(52)의 내부압력 보다 높을 경우에 개방되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 기화유닛(58, 59)에 의해 가열되지 않을 경우에는 윤활유탱크(51)의 내부압력이 대략 1~3bar이고, 유분리기(52)의 내부압력이 대략 2~5bar 이상이므로 원웨이밸브(56)가 폐쇄된다. 그리고, 기화유닛(58, 59)에 의해 윤활유탱크(51) 내의 작동유체가 지속적으로 기화되면 윤활유탱크(51)의 내부압력이 유분리기(52)의 내부압력 보다 커짐으로써 원웨이밸브(56)가 개방될 수 있고, 이에 따라 윤활유탱크(51)에서 기화된 작동유체가 작동유체 회수도관(55)을 통해 유분리기(52)로 회수될 수 있다.
또한, 플로팅밸브(54)가 개방될 경우에도, 일시적으로 윤활유탱크(51)의 내부압력이 유분리기(52)의 내부압력 보다 커짐에 따라 원웨이밸브(56)가 개방될 수 있고, 이에 작동유체가 유분리기(52)로 회수될 수 있다.
한편, 유분리기(52)에는 유분리기(52)의 내부압력(P1)을 측정하는 제1압력센서(71)와, 유분리기(52)의 내부온도(T1)를 측정하는 제1온도센서(72)가 설치될 수 있다.
또한, 윤활유탱크(51)에는 윤활유탱크(51)의 내부압력(P2)을 측정하는 제2압력센서(73)와, 윤활유탱크(51) 내부온도(T2)를 측정하는 제2온도센서(74)가 설치될 수 있다.
그리고, 제1압력센서(71), 제1온도센서(72), 제2압력센서(73), 제2온도센서(74), 기화유닛(58, 59) 등은 차량의 ECU 등과 같은 제어부(미도시)에 접속될 수 있고, 제어부(미도시)에 의해 제1압력센서(71), 제1온도센서(72), 제2압력센서(73), 제2온도센서(74), 기화유닛(58, 59) 등의 작동이 제어되어 윤활유 재생제어를 수행할 수 있다.
도 6은 폐열회수시스템의 정지 시에 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생방법을 도시한 순서도이다.
폐열회수시스템이 정지하면(S1), 제1압력센서(71)에 의해 유분리기(52)의 내부압력(P1)을 측정한다(S2).
그런 다음에, 유분리기(52)의 내부압력(P1)을 랭킨사이클의 PV선도 등에 대입하여 작동유체의 포화증기온도(Ts)를 연산한다(S3).
그리고, 작동유체의 포화증기온도에 맞춰 기화유닛(58, 59)의 가열 타겟온도(Th)를 설정한다(S4). 실시예에 따르면, 가열 타겟온도(Th)은 작동유체의 포화증기온도에 대해 일정한 여유분(t)을 가산하여 설정할 수 있다(Th = Ts + t).
그리고, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 미만인지를 판단한다(S5). 이는, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL)를 초과할 경우에 윤활유가 기화될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
S5단계에서, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 이상이면 S2단계로 리턴하여 가열 타켓온도(Th)를 재설정(보정)하고, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 미만이면 서브로직(S10)을 진행한다.
서브로직(S10)은 윤활유탱크(51)의 내부온도 변화에 따라 기화유닛(58, 59)을 작동 내지 정지시켜 윤활유탱크(51)의 온도를 제어함(S11, S12, S13, S14, S15)과 더불어, 일정 시간간격에 따라 윤활유탱크(51)의 내부압력 변화를 모니터링하여 제어로직의 종료를 결정하거나 가열 타켓온도를 재설정(보정)할 수 있다(S16, S17, S18).
서브로직(S10)에서 윤활유탱크(51)의 온도를 제어하는 로직을 살펴보면, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)를 제2온도센서(74)에 의해 측정하고(S11), 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 낮은지를 판단한다(S12).
S12단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 낮으면 기화유닛(58, 59)를 작동시킨다(S13). 여기서, 기화유닛이 도 2의 전열식 가열기(58)인 경우에는 전열식 가열기(58)에 전원을 인가함으로써 기화유닛을 작동시킬 수 있다. 또한, 기화유닛이 도 3의 냉각수라인(59)인 경우에는 밸브(59b)를 개방하여 냉각수라인(59)으로 승온된 엔진 냉각수가 통과하게 함으로써 기화유닛을 작동시킬 수 있다.
S12단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 높으면 S11단계로 리턴한다.
그 이후에, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 상승하였지를 판단한다(S14). 실시예에 따르면, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승하였는지(T2 > Th + H)를 판단한다(S14). 예컨대, 상승치(H)는 대략 10℃일 수 있고, 이에 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 10℃ 이상으로 상승하였는지를 판단한다.
S14단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 상승한 것으로 판단되면, 특히 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승한 것으로 판단되면 기화유닛(58, 59)을 정지시킨다(S15). 여기서, 기화유닛이 도 2의 전열식 가열기(58)인 경우에는 전열식 가열기(58)에 전원을 인가하지 않음으로써 기화유닛을 정지시킬 수 있다. 또한, 기화유닛이 도 3의 냉각수라인(59)인 경우에는 밸브(59b)를 폐쇄하여 냉각수라인(59)으로 승온된 엔진 냉각수가 바이패스라인(59a)을 통과하게 함으로써 기화유닛을 정지시킬 수 있다.
S14단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승하지 않은 것으로 판단되면 S13단계로 리턴한다.
서브로직(S10)에서 윤활유탱크(51)의 압력 차이를 모니터링하여 제어로직의 종료를 결정하거나 가열 타겟온도를 재설정(보정)하는 로직을 살펴보면, 기준시간이 경과(S16)된 이후에 윤활유탱크(51)의 압력변화값 즉, 윤활유탱크(51)의 최대압력(P2max)과 최소압력(P2min) 차이가 압력설정값(Ps) 보다 낮은지((P2max - P2min < Ps)를 판단한다(S17).
S17단계에서 윤활유탱크(51)의 최대압력(P2max)과 최소압력(P2min) 차이가 압력설정값(Ps) 보다 높은 것으로 판단되면 윤활유의 재생로직을 종료한다(S18). 여기서, 압력설정값(Ps)은 S4단계에서 설정된 기화유닛(58, 59)의 가열 타겟온도(Th)에 의해 윤활유탱크(51) 내의 액상 작동유체가 원활하게 기화되는지의 여부를 판단하기 위한 임계치이다. 이에, 윤활유탱크(51)의 압력변화값을 압력설정값과 비교함으로써 액상 작동유체의 기화여부를 정확하게 판단할 수 있다. 예컨대, 압력설정값(Ps)은 대략 5bar일 수 있다.
S17단계에서 윤활유탱크(51)의 최대압력(P2max)과 최소압력(P2min) 차이가 압력설정값(Ps) 보다 낮은 것으로 판단되면 S4단계에서 설정된 기화유닛(58, 59)의 가열 타겟온도(Th)에 의해 윤활유탱크(51) 내의 액상 작동유체가 원활하게 기화되지 못한 것으로 인식될 수 있고, 이에 S2단계로 리턴하여 가열 타겟온도(Th)를 재설정(보정)할 수 있다.
도 7은 폐열회수시스템의 작동 시에 본 발명의 실시예에 따른 윤활유 재생방법을 도시한 순서도이다.
폐열회수시스템이 작동하면(S21), 제1압력센서(71)에 의해 유분리기(52)의 내부압력(P1)을 측정한다(S22).
그런 다음에, 유분리기(52)의 내부압력(P1)을 랭킨사이클의 PV선도 등에 대입하여 작동유체의 포화증기온도(Ts)를 연산한다(S23).
그리고, 작동유체의 포화증기온도에 맞춰 기화유닛(58, 59)의 가열 타겟온도(Th)를 설정한다(S24). 실시예에 따르면, 가열 타겟온도(Th)은 작동유체의 포화증기온도에 대해 일정한 여유분(t)을 가산하여 설정할 수 있다(Th = Ts + t).
그리고, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 미만인지를 판단한다(S25). 이는, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL)를 초과할 경우에 윤활유가 기화될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
S25단계에서, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 이상이면 S2단계로 리턴하고, 가열 타겟온도(Th)가 윤활유의 기화온도(TL) 미만이면 서브로직(S30)을 진행한다.
서브로직(S30)은 윤활유탱크(51)의 내부온도 변화에 따라 기화유닛(58, 59)을 작동 내지 정지시켜 윤활유탱크(51)의 온도를 제어함(S31, S32, S33, S34, S35)과 더불어, 일정 기준시간의 간격에 따라 가열 타켓온도를 재설정할 수 있다(S36).
서브로직(S30)에서 윤활유탱크(51)의 온도를 제어하는 로직을 살펴보면, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)를 온도센서에 의해 측정하고(S31), 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 낮은지를 판단한다(S32).
S32단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 낮으면 기화유닛(58, 59)를 작동시킨다(S33). 여기서, 기화유닛이 도 2의 전열식 가열기(58)인 경우에는 전열식 가열기(58)에 전원을 인가함으로써 기화유닛을 작동시킬 수 있다. 또한, 기화유닛이 도 3의 냉각수라인(59)인 경우에는 밸브(59b)를 개방하여 냉각수라인(59)으로 승온된 엔진 냉각수가 통과하게 함으로써 기화유닛을 작동시킬 수 있다.
S32단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 높으면 S31단계로 리턴한다.
그 이후에, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 상승하였지를 판단한다(S34). 실시예에 따르면, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승하였는지(T2 > Th + H)를 판단한다(S14). 예컨대, 상승치(H)는 대략 10℃일 수 있고, 이에 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 10℃ 이상으로 상승하였는지를 판단한다.
S34단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승한 것으로 판단되면 기화유닛(58, 59)을 정지시킨다(S35). 여기서, 기화유닛이 도 2의 전열식 가열기(58)인 경우에는 전열식 가열기(58)에 전원을 인가하지 않음으로써 기화유닛을 정지시킬 수 있다. 또한, 기화유닛이 도 3의 냉각수라인(59)인 경우에는 밸브(59b)를 폐쇄하여 바이패스라인(59a)으로 승온된 엔진 냉각수가 통과하게 함으로써 기화유닛을 정지시킬 수 있다.
S34단계에서, 윤활유탱크(51)의 내부온도(T2)가 가열 타켓온도(Th) 보다 설정된 상승치(H) 만큼 상승하지 않은 것으로 판단되면 S33단계로 리턴한다.
서브로직(S30)에서 기준시간이 경과(S36)된 후에 S22단계로 리턴하여 가열 타켓온도(Th)를 재설정(보정)한다. 이와 같이 폐열회수시스템의 작동 시에 기준시간이 경과하면 윤활유탱크(51)의 내부압력 변화를 고려하지 않고 바로 S22단계로 리턴하는 이유는, 폐열회수시스템의 작동 중에는 윤활유탱크(51)로 유입되는 윤활유의 온도가 높아 액상의 작동유체가 원활하게 기화될 수 있고, 이에 윤활유탱크(51)의 내부압력 변화를 판단할 필요가 없기 때문이다.
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.
50: 윤활유 재생장치
51: 윤활유탱크
52: 유분리기
53: 윤활유 회수도관
54: 플로팅밸브
55: 작동유체 회수도관
56: 원웨이밸브

Claims (12)

  1. 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체와 윤활유가 유분리기에 의해 분리하고, 분리된 윤활유에 작동유체의 일부가 섞여 윤활유탱크로 유입됨에 따라 윤활유탱크의 작동유체를 분리하여 유분리기로 회수하는 윤활유 재생장치로서,
    윤활유를 저장하는 윤활유탱크;
    폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체에서 윤활유를 분리하는 유분리기;
    상기 유분리기와 상기 윤활유탱크 사이에 연결되는 윤활유 회수도관;
    상기 윤활유탱크의 내부에 설치되고, 액상의 작동유체를 기화시키는 기화유닛; 및
    상기 윤활유탱크와 상기 유분리기 사이에 연결되고, 상기 윤활유탱크 내에서 상기 기화유닛에 의해 기화된 작동유체를 상기 유분리기 측으로 회수하도록 구성된 작동유체 회수도관;을 포함하는 윤활유 재생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화유닛의 가열온도는 작동유체의 기화온도에 대응하고, 윤활유의 기화온도 보다 낮게 설정되는 윤활유 재생장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동유체 회수도관의 도중에는 원웨이밸브(oneway valve)가 설치되고, 상기 원웨이밸브는 작동유체가 윤활유탱크에서 유분리기로 이동함을 허용하는 윤활유 재생장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 윤활유 회수도관에는 개폐밸브가 설치되는 윤활유 재생장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 개폐밸브는 유분리기 측의 압력이 윤활유탱크의 압력 보다 클 경우에 개방되는 플로팅밸브(floating valve)인 윤활유 재생장치.
  6. 폐열회수시스템의 팽창기에서 배출되는 작동유체와 윤활유가 유분리기에 의해 분리하고, 분리된 윤활유에 작동유체의 일부가 섞여 윤활유탱크로 유입됨에 따라 윤활유탱크의 작동유체를 분리하여 유분리기로 회수하는 윤활유 재생방법으로,
    유분리기의 내부압력에 맞춰 작동유체의 포화증기온도를 연산하고,
    작동유체의 포화증기온도에 맞춰 기화유닛의 가열 타켓온도를 설정하며,
    가열 타켓온도가 윤활유의 기화온도 미만이면 윤활유탱크의 내부온도를 측정하고,
    윤활유탱크의 내부온도가 가열 타켓온도 미만이면 기화유닛을 작동시키는 윤활유 재생방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    윤활유탱크의 내부온도가 가열 타켓온도 이상이면 기화유닛을 정지시키는 윤활유 재생방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    윤활유탱크의 내부온도가 가열 타켓온도 보다 설정된 상승치 만큼 상승하면 기화유닛을 작동시키는 윤활유 재생방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    폐열회수시스템이 정지된 상태에서, 일정한 기준시간의 간격에 따라 윤활유탱크의 내부압력 변화를 모니터링하여 제어로직의 종료를 결정하거나 가열 타켓온도를 재설정하는 윤활유 재생방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    기준시간이 경과한 후에 윤활유탱크의 내부압력 변화값이 설정값 보다 크면 윤활유의 재생을 종료하는 윤활유 재생방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    기준시간이 경과한 후에 윤활유탱크의 내부압력 변화값이 설정값 보다 낮으면 가열 타겟온도를 재설정하는 윤활유 재생방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    폐열회수시스템이 작동하는 상태에서, 기준시간이 경과된 후에 가열 타겟온도를 재설정하는 윤활유 재생방법.
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