KR101993721B1 - 가스 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매배관을 포함하는 공기조화 모듈, 및 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진모듈을 포함하고, 상기 엔진모듈은, 상기 공기와 연료를 혼합하여 배출하는 믹서와, 상기 믹서에서 배출된 혼합기를 공급받아 압축시킨 후, 배출하는 과급수단과, 상기 과급수단에서 압축된 혼합기를 공급받아, 열교환 방식으로 냉각시켜, 그 밀도를 향상시킨 후, 배출하는 인터쿨러와, 상기 인터쿨러에서 배출된 혼합기를 공급받아 그 양을 조절한 후, 상기 엔진으로 공급하는 조절수단, 및 상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 생성하는 냉각수 펌프와, 상기 냉각수 펌프에 연결되며, 냉각수의 유동을 상기 엔진 및 상기 과급수단으로 가이드하는 냉각수 배관을 포함하는 냉각 모듈을 포함한다.

Description

가스 히트펌프 시스템 {A gas heat-pump system}

본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트펌프 시스템은 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있는 냉동 사이클이 구비되는 시스템으로서, 온수 공급장치 또는 냉난방 장치와 연동될 수 있다. 즉, 냉동 사이클의 냉매와 소정의 축열 매체가 열교환 하여 얻어진 열원을 이용하여 온수를 생산하거나, 냉난방을 위한 공기 조화를 수행할 수 있다.

상기 냉동 사이클에는, 냉매의 압축을 위한 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압하는 팽창장치 및 상기 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함된다.

상기 히트펌프 시스템에는, 가스 히트펌프 시스템이 포함된다. 가정용이 아닌, 산업용이나 큰 빌딩의 공기조화를 위하여 대용량의 압축기가 요구된다. 즉, 많은 양의 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하기 위한 압축기를 구동하기 위하여 전기 모터가 아닌 가스 엔진을 이용하는 시스템으로서 가스 히트펌프 시스템이 사용될 수 있다.

상기 가스 히트펌프 시스템에는, 연료와 공기의 혼합물(이하, 혼합기)을 이용하여 동력을 발생시키는 엔진이 포함된다. 일례로, 엔진에는, 상기 혼합기가 공급되는 실린더와, 상기 실린더 내에서 운동 가능하게 제공되는 피스톤이 포함될 수 있다.

상기 가스 히트펌프 시스템에는, 상기 엔진에 혼합기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 공급장치 및 공기와 연료를 혼합하기 위한 믹서(mixer)가 포함된다.

상기 공기 공급장치에는, 공기를 정화하기 위한 공기 여과기가 포함될 수 있다. 그리고, 상기 연료 공급장치에는 일정한 압력의 연료를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor)가 포함된다.

상기 제로 가버너는 연료의 입구압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계)없이, 출구압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다. 일례로, 상기 제로 가버너에는, 연료의 압력을 감압하는 노즐부와, 상기 노즐부에서 감압된 압력이 작용하는 다이아프램(diaphragm) 및 상기 다이아프램의 작동에 의하여 개폐되는 밸브장치가 포함될 수 있다.

상기 공기 여과기를 통과한 공기와, 상기 제로 가버너에서 토출된 연료는 상기 믹서에서 혼합되어(혼합기), 상기 엔진에 공급될 수 있다.

그리고, 상기 엔진에 공급된 혼합기가 연소되면, 상기 엔진으로부터 배기가스가 토출될 수 있다. 상기 가스 히트펌프 시스템에는, 상기 배기가스에서 발생되는 소음을 저감하기 위한 머플러(muffler)가 더 포함된다.

종래의 가스 히트펌프 시스템에 관한 선행문헌은 아래와 같다.

1. 등록번호 (등록일자) : 10-1341533 (2013년 12월 9일)

2. 발명의 명칭 : 가스히트펌프 시스템 및 이의 제어방법

상기와 같은 종래 가스히트펌프는 주택용 LNG나 LPG 등을 열원으로 하는 가스 엔진을 이용하여, 압축기 냉매를 순환시켜, 여름철에는 냉방모드로 작동하고, 겨울철에는 난방모드로 작동한다.

하지만, 자연흡기 방식으로 가스엔진에 공기를 공급하고, 주택용 LNG나 LPG를 연료로 공급할 경우, 낮은 공급압력(1~2.5 kPa)으로 인해 가스엔진의 출력이 감소하게 되는 문제가 있다.

또한, 여름철의 경우 가스히트펌프 시스템은 실내의 온도를 낮추기 위해 냉방모드로 작동하게 되는데, 실외의 기온이 고온인 경우, 높은 기온으로 인해 가스엔진으로 고온의 공기가 공급된다.

이에 따라, 가스엔진으로 저밀도의 공기가 공급되어 가스엔진의 출력이 감소하게 된다. 그 결과, 가스엔진의 출력이 높은 냉방부하를 따라갈 수 없어, 냉방 불량의 원인이 될 수 있다.

또한, 이를 해결하기 위해, 자동차의 엔진과 같이, 공기를 과급기로 가압한 후, 공기량에 따라 연료량을 조절하면서 공급하면, 가스 연료의 배관 내 공급압력(약 2.5kPa)이 과급압력(약 30kPa)보다 낮아 연료 공급이 어려워지는 문제도 있다.

한편, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 엔진으로 공급하기 위해서, 믹서, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들을 추가적으로 구비할 때, 엔진과 별도로 분리된 구조물에 각 부품들을 고정시키면, 엔진의 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드까지 배관이 연결되어야 함에 따라 배관의 전체 길이가 길어지는 문제가 있었다.

또한, 배관의 길이가 길어져 구조가 복잡해지는 것은 물론, 각각의 부품을 고정하기 위한 체결부재가 별도로 구비됨에 따라 그 구조가 더욱 복잡해지고, 각 부품들이 차지하는 면적이 커지면서 시스템 전체의 부피 및 무게가 증가되는 문제도 있었다.

또한, 믹서, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들이 엔진과 별도의 구조물에 고정되면, 엔진 가동 시, 엔진과 각 부품들이 동일한 방향으로 진동하지 않고, 상대적으로 반대방향으로 진동하게 되어, 엔진의 진동에 의해 연결 배관 및 배관의 연결부위가 파손되는 등의 문제가 있었다.

또한, 연료와 공기가 혼합되 혼합기의 유동 길이가 길어질 경우, 폭발의 위험이 커지는 문제도 있었다.

또한, 터보차저로 구비된 경우, 신뢰성 확보를 위해 냉각수가 충분히 순환되어 터보차저에서 발생하는 열을 배출할 필요가 있다.

상세히, 터보차저의 온도가 지나치게 과열되어 일정 수준 이상 상승하게 되면 터보차저의 부품은 열변형 및 그로 인한 피로 파괴 등의 이유로 손상된다.

이는 과급수단 및 시스템 전체의 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 냉각수가 충분히 순환되어 터보차저에서 발생하는 열을 배출할 필요가 있다. 일반적으로, 터보차저의 경우, 임펠러에서 혼합 기체를 압축함으로써 열이 발생하고, 터빈으로 높은 온도의 배기가스 주입되어 전체적으로 온도가 높아진 상태이다.

하지만, 상기와 같은 터보차저의 냉각을 위해 순환 펌프를 포함한 별도의 냉각수 라인을 추가로 신설하면, 시스템 전체의 부피 및 중량이 커지는 것은 물론, 제조원가가 상승하는 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 엔진으로 공급되는 혼합기를 과급하여, 엔진의 성능이 향상될 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 엔진의 크기를 키우지 않고, 엔진의 최대 출력을 향상시킬 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 인터쿨러를 장착하여 엔진으로 공급되는 혼합기의 온도를 낮추고, 밀도를 키워 엔진의 체적 효율을 향상시킬 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 터보차저를 기준으로 주변에 배치된 배기가스 열교환기 및 배기 매니폴드 등의 냉각을 위해 이미 설치된 냉각수 배관의 일부를 분기하여, 터보차저를 냉각시킬 수 있어, 터보차저의 냉각수 유로 길이를 최단거리로 형성할 수 있고, 제품의, 컴팩트화가 가능한 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 터보차저의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향이 기존 시스템상에서 배기가스 및 엔진의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향과 동일하여, 별도의 순환 펌프 추가 없이 터보차저 냉각 유로의 구성이 가능하며, 이에 따라 터보차저의 냉각을 위한 냉각부의 구조를 단순화할 수 있고, 제조원가를 절약할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들을 엔진과 분리된 별도의 구조물이 아닌 엔진 자체에 고정하여, 각 부품들을 고정하기 위한 구조물을 생략할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 각각의 부품들이 엔진에 고정됨에 따라 조절수단과 흡기 매니폴드, 과급수단과 배기 매니폴드, 인터쿨러와 과급수단 및 조절수단의 간격이 줄어들어 전체 배관의 길이를 줄일 수 있고, 배관이 차지하는 면적을 줄일 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들이 엔진에 고정됨에 따라 엔진 구동 시, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들과 엔진이 서로 반대 방향으로 움직이는 상대운동 현상을 방지할 수 있어, 배관 및 연결부위에 가해지는 진동을 줄일 수 있으며, 배관 및 각종 연결부 등이 진동에 의해 헐거워지거나 파손되는 등의 현상을 방지할 수 있어 내구성을 높이고 안전사고를 예방할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 과급수단을 배기 매니폴드에 직접 연결시켜, 터빈에서 배기가스의 에너지를 최대치로 회수할 수 있고, 조절수단을 흡기 매니폴드에 직접 연결시켜, 보다 정밀한 혼합기의 공급량 조절이 이루어질 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 공기 여과기와 믹서를 연결하는 배관을 직선으로 형성하여, 공기의 흡입 저항을 최소화하는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 엔진에 사용되는 오일의 일부가 과급기의 회전축을 경유하도록 오일공급라인을 신설하여, 별도의 오일공급장치 없이 과급기로의 급유가 진행될 수 있고, 과급기를 통과하는 오일이 엔진용 오일쿨러를 경유할 수 있어, 결과적으로 과급기에 공급되는 오일의 온도상승이 방지되어, 오일 탄화 및 과급기의 손상을 방지할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 혼합기의 유입을 막은 상태에서 엔진 정지시까지 엔진을 구동하여, 잔류 혼합기를 연소하거나, 외부 배출시켜 포름산 발생을 억제 시킴으로써, 부품의 부식 및 폭발 등의 안전사고를 예방할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템은 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매배관을 포함하는 공기조화 모듈, 및 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진모듈을 포함하고, 상기 엔진모듈은, 상기 공기와 연료를 혼합하여 배출하는 믹서와, 상기 믹서에서 배출된 혼합기를 공급받아 압축시킨 후, 배출하는 과급수단과, 상기 과급수단에서 압축된 혼합기를 공급받아, 열교환 방식으로 냉각시켜, 그 밀도를 향상시킨 후, 배출하는 인터쿨러와, 상기 인터쿨러에서 배출된 혼합기를 공급받아 그 양을 조절한 후, 상기 엔진으로 공급하는 조절수단, 및 상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 생성하는 냉각수 펌프와, 상기 냉각수 펌프에 연결되며, 냉각수의 유동을 상기 엔진 및 상기 과급수단으로 가이드하는 냉각수 배관을 포함하는 냉각 모듈을 포함한다.

또한, 상기 과급수단은, 상기 엔진의 배기가스에 의해 구동하는 터보차저로 구비된다.

또한, 상기 엔진모듈은, 상기 과급수단을 통과한 배기가스와 상기 냉각수 펌프에서 공급된 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기를 더 포함한다.

또한, 상기 배기가스 열교환기는 상기 엔진에 직접 고정된다.

또한, 상기 배기가스 열교환기는, 상기 냉각수 펌프에서 공급된 냉각수가 유입되는 냉각수 유입관과, 냉각수와 배기가스의 열교환이 진행되는 열교환실과, 배기가스와 열교환이 완료된 냉각수가 토출되는 냉각수 토출관을 포함한다.

또한, 상기 냉각수 배관은, 상기 냉각수 펌프와 배기가스 열교환기의 냉각수 유입관을 연결하는 제1메인배관과, 상기 배기가스 열교환기의 냉각수 토출관과 상기 엔진의 배기 매니폴드를 연결하는 제2메인배관을 포함한다.

또한, 상기 냉각수 토출관에는 상기 과급수단 측으로 냉각수를 공급하는 분기홀이 형성된다.

또한, 상기 냉각수 배관은, 상기 분기홀과 상기 과급수단을 연결하는 제1분기배관과, 상기 과급수단과 상기 엔진의 배기 매니폴드를 연결하는 제2분기배관을 더 포함한다.

또한, 상기 과급수단의 배기가스 토출구와, 상기 배기가스 열교환기의 배기가스 유입구는 직접 연결된다.

또한, 상기 과급수단의 배기가스 토출구와, 상기 배기가스 열교환기의 배기가스 유입구는 둘레를 따라 외측으로 돌출된 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지를 접촉시킨 상태에서, 상기 플랜지를 체결하여 연결된다.

또한, 상기 믹서, 과급수단, 배기가스 열교환기는, 상기 엔진의 제1면에 형성된 배기 매니폴드에 인접해서 형성되고, 상기 조절수단은, 상기 제1면의 맞은편인 엔진의 제2면에 형성된 흡기 매니폴드에 인접해서 형성되며, 상기 인터쿨러는, 상기 제1면 및 제2면과 교차되는 방향의 제3면에 고정된다.

또한, 상기 냉각수 배관은, 상기 엔진의 배기 매니폴드를 경유한 냉각수를 방열기로 가이드하는 제3메인배관을 포함한다.

또한, 상기 엔진모듈은, 외기를 정화시키는 공기 여과기를 더 포함하고, 상기 공기 여과기와 상기 믹서를 연결하는 공기배관은 적어도 일부가 직선으로 형성된다.

또한, 상기 공기 여과기와 상기 믹서는 서로 동일한 높이에 고정된다.

본 발명에 따르면, 가스엔진에 공급되는 연료와 공기의 혼합기를 과급수단을 이용해서 자연흡기 대비 높은 압력으로 엔진에 공급하여 체적효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 엔진 및 전체 시스템의 소형화가 가능한 이점도 있다.

또한, 소형 가스엔진으로 대용량 가스엔진 히트펌프 시스템의 구현이 가능한 이점도 있다.

또한, 주택용 가스 연료를 사용하는 가스엔진 히트펌프(GHP)에서 엔진 출력 향상을 키울 수 있는 이점도 있다.

또한, 엔진으로 공급되는 혼합기의 온도를 낮추고, 밀도를 키워 엔진의 체적 효율을 향상시킬 수 있는 이점도 있다.

또한, 터보차저를 기준으로 주변에 배치된 배기가스 열교환기 및 배기 매니폴드 등의 냉각을 위해 이미 설치된 냉각수 배관의 일부를 분기하여, 터보차저를 냉각시킬 수 있어, 터보차저의 냉각수 유로 길이를 최단거리로 형성할 수 있고, 제품의, 컴팩트화가 가능한 이점이 있다.

또한, 터보차저의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향이 기존 시스템상에서 배기가스 및 엔진의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향과 동일하여, 별도의 순환 펌프 추가 없이 터보차저 냉각 유로의 구성이 가능하며, 이에 따라 터보차저의 냉각을 위한 냉각부의 구조를 단순화할 수 있고, 제조원가를 절약할 수 있는 이점도 있다.

또한, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들을 엔진과 분리된 별도의 구조물이 아닌 엔진 자체에 고정하여, 각 부품들을 고정하기 위한 구조물을 생략할 수 있는 이점도 있다.

또한, 각각의 부품들이 엔진에 고정됨에 따라 조절수단과 흡기 매니폴드, 과급수단과 배기 매니폴드, 인터쿨러와 과급수단 및 조절수단의 간격이 줄어들어 전체 배관의 길이를 줄일 수 있고, 배관이 차지하는 면적을 줄일 수 있는 이점도 있다.

또한, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들이 엔진에 고정됨에 따라 엔진 구동 시, 과급수단, 인터쿨러, 조절수단 등의 부품들과 엔진이 서로 반대 방향으로 움직이는 상대운동 현상을 방지할 수 있어, 배관 및 연결부위에 가해지는 진동을 줄일 수 있으며, 배관 및 각종 연결부 등이 진동에 의해 헐거워지거나 파손되는 등의 현상을 방지할 수 있어 내구성을 높이고 안전사고를 예방할 수 있는 이점도 있다.

또한, 과급수단을 배기 매니폴드에 직접 연결시켜, 터빈에서 배기가스의 에너지를 최대치로 회수할 수 있고, 조절수단을 흡기 매니폴드에 직접 연결시켜, 보다 정밀한 혼합기의 공급량 조절이 이루어질 수 있는 이점도 있다.

또한, 공기 여과기와 믹서를 연결하는 배관을 직선으로 형성하여, 공기의 흡입 저항을 최소화할 수 있는 이점도 있다.

또한, 엔진에 사용되는 오일의 일부가 과급기의 회전축을 경유하도록 오일공급라인을 신설하여, 별도의 오일공급장치 없이 과급기로의 급유가 진행될 수 있고, 과급기를 통과하는 오일이 엔진용 오일쿨러를 경유할 수 있어, 결과적으로 과급기에 공급되는 오일의 온도상승이 방지되어, 오일 탄화 및 과급기의 손상을 방지할 수 있는 이점도 있다.

또한, 혼합기의 유입을 막은 상태에서 엔진 정지시까지 엔진을 구동하여, 잔류 혼합기를 연소하거나, 외부 배출시켜 포름산 발생을 억제시킴으로서, 부품의 부식 및 폭발 등의 안전사고를 예방할 수 있는 이점도 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이다.
도 2는 상기 가스 히트펌프 시스템의 난방운전시, 냉매, 냉각수 및 혼합 연료의 유동을 보여주는 사이클 도면이다.
도 3은 상기 가스 히트펌프 시스템의 냉방운전시, 냉매, 냉각수 및 혼합 연료의 유동을 보여주는 사이클 도면이다.
도 4는 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈의 일 예를 보여주는 시스템도이다.
도 5는 도 4의 엔진모듈에 냉각 모듈이 적용된 상태를 보인 시스템도이다.
도 6은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈을 배기 매니폴드 방향에서 바라본 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 엔진모듈에서 냉각수의 흐름을 표시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈을 흡기 매니폴드 방향에서 바라본 사시도이다.
도 9는 도 6의 일부 영역을 확대하여 보인 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일부 구성요소인 배기가스 열교환기의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈의 분해 사시도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 공기조화 시스템으로서 냉매 사이클을 구성하는 다수의 부품이 포함된다. 상세히, 상기 냉매 사이클에는, 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 상기 압축기(110)에서 압축된 냉매 중 오일을 분리하기 위한 오일분리기(115) 및 상기 오일분리기(115)를 거친 냉매의 방향을 전환하여 주는 사방변(117)이 포함된다.

상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140)가 더 포함된다. 상기 실외 열교환기(120)는 실외측에 배치되는 실외기의 내부에 배치되고, 상기 실내 열교환기(140)는 실내측에 배치되는 실내기의 내부에 배치될 수 있다. 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기(140)로 유동한다.

한편, 도 1에 도시된 시스템의 구성들은 실내 열교환기(140) 및 실내 팽창장치(145)를 제외하고 실외측, 즉 실외기의 내부에 배치될 수 있다.

상세히, 상기 시스템(10)이 냉방운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실외 열교환기(120)를 거쳐 상기 실내 열교환기(140) 측으로 유동한다. 반면에, 상기 시스템(10)이 난방운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실내 열교환기(140)를 거쳐 상기 실외 열교환기(120) 측으로 유동한다.

상기 시스템(10)에는, 상기 압축기(110), 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140)등을 연결하여 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매배관(170, 실선유로)이 더 포함된다.

상기 시스템(10)의 구성에 대하여, 냉방운전 모드를 기준으로 설명한다.

상기 실외 열교환기(120)로 유동한 냉매는 외기와 열교환 하여 응축될 수 있다. 상기 실외 열교환기(120)의 일측에는 외기를 불어주는 실외 팬(122)이 포함된다.

상기 실외 열교환기(120)의 출구측에는, 냉매를 감압하기 위한 메인 팽창장치(125)가 제공된다. 일례로, 상기 메인 팽창장치(125)에는, 전자 팽창밸브(Electronic expansion valve, EEV)가 포함된다. 냉방운전시, 상기 메인 팽창장치(125)는 풀 오픈(full open) 되어 냉매의 감압작용을 수행하지 않는다.

상기 메인 팽창장치(125)의 출구측에는, 냉매를 추가 냉각하기 위한 과냉각 열교환기(130)가 제공된다. 그리고, 상기 과냉각 열교환기(130)에는, 과냉각 유로(132)가 연결된다. 상기 과냉각 유로(132)는 상기 냉매 배관(170)으로부터 분지되어 상기 과냉각 열교환기(130)에 연결된다.

그리고, 상기 과냉각 유로(132)에는, 과냉각 팽창장치(135)가 설치된다. 상기 과냉각 유로(132)를 유동하는 냉매는 상기 과냉각 팽창장치(135)를 통과하면서 감압될 수 있다.

상기 과냉각 열교환기(130)에서는, 상기 냉매 배관(170)의 냉매와 상기 과냉각 유로(132)의 냉매간에 열교환이 이루어질 수 있다. 열교환 과정에서, 상기 냉매 배관(170)의 냉매는 과냉되며, 상기 과냉각 유로(132)의 냉매는 흡열한다.

상기 과냉각 유로(132)는 기액분리기(160)에 연결된다. 상기 과냉각 열교환기(130)에서 열교환 된 과냉각 유로(132)의 냉매는 상기 기액분리기(160)로 유입될 수 있다.

상기 과냉각 열교환기(130)를 통과한 냉매 배관(170)의 냉매는 실내기 측으로 유동하며, 실내 팽창장치(145)에서 감압된 후 상기 실내 열교환기(140)에서 증발된다. 상기 실내 팽창장치(145)는 실내기의 내부에 설치되며, 전자 팽창밸브(EEV)로 구성될 수 있다.

상기 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 상기 사방변(117)을 경유하여, 보조 열교환기(150)로 유동한다. 상기 보조 열교환기(150)는 증발된 저압의 냉매와 고온의 냉각수간에 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기로서, 일례로 판형 열교환기가 포함될 수 있다.

상기 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 상기 보조 열교환기(150)를 통과하면서 흡열될 수 있으므로, 증발 효율이 개선될 수 있다. 또, 상기 보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액분리기(160)로 유입될 수도 있다.

상기 보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 상기 기액분리기(160)에서 기액 분리되며, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.

또한, 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 상기 사방변(117)을 경유한 후, 곧 바로 기액분리기(160)로 유입될 수도 있으며, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.

한편, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 엔진(200)의 냉각을 위한 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(305) 및 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관(360, 점선유로)이 더 포함된다. 상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수의 유동력을 발생시키는 냉각수 펌프(300)와, 냉각수의 유동방향을 전환하여 주는 복수의 유동 전환부(310,320) 및 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(330, radiator)가 설치될 수 있다.

상기 복수의 유동 전환부(310,320)에는, 제 1 유동전환부(310) 및 제 2 유동전환부(320)가 포함된다. 일례로, 상기 제 1 유동전환부(310) 및 제 2 유동전환부(320)에는, 삼방 밸브(3way valve)가 포함될 수 있다.

상기 방열기(330)는 상기 실외 열교환기(120)의 일측에 설치될 수 있으며, 상기 방열기(330)의 냉각수는 상기 실외 팬(122)의 구동에 의하여 외기와 열교환 되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다.

상기 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 탱크(305)에 저장된 냉각수는 후술할 엔진(200) 및 배기가스 열교환기(240)를 통과하며, 상기 제 1 유동전환부(310) 및 제 2 유동전환부(320)를 거쳐 상기 방열기(330) 또는 상기 보조 열교환기(150)로 선택적으로 유동될 수 있다.

상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 압축기(110)의 구동을 위한 동력을 발생시키는 엔진(200) 및 상기 엔진(200)의 입구측에 배치되어 혼합 연료를 공급하는 믹서(220)가 포함된다.

그리고, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 믹서(220)에 정화된 공기를 공급하는 공기 여과기(210) 및 소정 압력 이하의 연료(fuel)를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor,230)가 포함된다. 상기 제로 가버너는 연료의 입구압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계없이, 출구압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다.

상기 공기 여과기(210)를 통과한 공기와, 상기 제로 가버너(230)에서 토출된 연료는 상기 믹서(220)에서 혼합되어 혼합기를 구성한다. 그리고, 상기 혼합기는 상기 엔진(200)에 공급될 수 있다.

또한, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 엔진(200)의 출구측에 제공되며 혼합기가 연소된 후 발생되는 배기가스가 유입되는 배기가스 열교환기(240) 및 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구측에 제공되어 배기가스의 소음을 저감하기 위한 머플러(muffler,250)가 더 포함된다. 상기 배기가스 열교환기(240)에서는, 냉각수와 배기가스 간에 열교환이 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 엔진(200)의 일측에는, 상기 엔진(200)에 오일을 공급하기 위한 오일 탱크(205)가 제공될 수 있다.

한편, 상기와 같이 가스 히트펌프 시스템(10)에 적용되는 엔진(200)은 가정용 LNG나 LPG 등을 연료로 사용한다.

하지만, 자연흡기 방식으로 엔진(200)에 공기를 공급하면서, 주택용 LNG나 LPG를 연료로 공급할 경우, 낮은 공급압력(1~2.5 kPa)으로 인해 엔진(200)의 출력이 감소하게 되는 문제가 있다.

또한, 여름철의 경우 가스 히트펌프 시스템(10)은 실내의 온도를 낮추기 위해 냉방모드로 작동하게 되는데, 실외의 기온이 고온인 경우, 높은 기온으로 인해 엔진(200)으로 고온의 공기가 공급된다.

이에 따라, 엔진(200)으로 저밀도의 공기가 공급되어 엔진(200)의 출력이 감소하게 된다. 그 결과, 엔진(200)의 출력이 높은 냉방부하를 따라갈 수 없어, 냉방 불량의 원인이 될 수 있다.

또한, 이를 해결하기 위해, 자동차의 엔진과 같이, 공기를 과급기로 가압한 후, 공기량에 따라 연료량을 조절하면서 공급하면, 가스 연료의 배관 내 공급압력(약 2.5kPa)이 과급압력(약 30kPa)보다 낮아 연료 공급이 어려워지는 문제도 있다.

본 발명의 경우, 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 믹서(220)와 엔진(200) 사이에 과급수단(400) 및 조절수단(600)을 구비한다.

상세히, 과급수단(400)은 상기 믹서(220)에서 공기와 연료가 혼합된 후, 배출된 혼합기를 압축시켜 상기 엔진(200) 측으로 배출한다. 이때, 상기 과급수단(400)은 믹서(220)에서 공기와 연료를 대기압 이상으로 압축시킬 수 있다.

일 예로, 상기 과급수단(400)은, 상기 엔진(200)의 배기가스에 의해 구동하는 터보차저로 구비된다.

다른 예로, 상기 과급수단(400)은, 상기 엔진(200)의 동력 또는 전동기(electric motor)에 의해 구동하는 슈퍼차저로 구비될 수 있다.

또한, 상기 조절수단(600)은 상기 과급수단(400)과 상기 엔진(200) 사이에 배치되어, 상기 엔진(200)으로 공급되는 압축된 혼합기의 양을 조절한다.

일 예로, 상기 조절수단(600)은 ETC(electronic throttle control)방식이 적용된 밸브로 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료와 공기가 믹서(220)에서 혼합되고, 과급수단(400)에서 고압으로 가압된 후, 엔진(200)으로 공급될 수 있다. 또한, 조절수단(600)을 통해 엔진(200)으로 공급되는 고압의 혼합기(공기+연료)의 양이 정밀하게 제어될 수도 있다.

따라서, 엔진(200)의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 엔진(200)의 크기를 키우지 않고도, 엔진(200)의 최대 출력량을 키울 수 있다. 즉, 소형 엔진으로 대형 엔진의 출력을 구현할 수 있다.

한편, 상기와 같이 혼합기가 과급수단(400)을 통과하면, 혼합기의 압력 및 온도가 상승한다. 이 경우, 엔진(200)으로 흡입되는 혼합기의 밀도가 감소하게 되고, 엔진의 체적 효율이 낮아질 수 밖에 없다.

본 발명의 경우, 이를 해결하기 위해, 상기 과급수단(400)과 상기 조절수단(600) 사이에, 상기 과급수단(400)에서 토출된 고온고압의 혼합기를 냉각시켜, 부피는 줄이고, 밀도를 향상시킨 뒤, 배출하는 인터쿨러(500)를 구비한다.

일 예로, 상기 인터쿨러(500)는 외부 공기 또는 냉각수와 혼합기를 열교환시킬 수 있다.

이에 따르면, 엔진(200)으로 공급되는 혼합기의 온도를 낮추고, 밀도를 키워 엔진(200)의 체적 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기와 같이 믹서(220)와 엔진(200) 사이에 과급수단(400) 및 인터쿨러(500) 등이 구비되면, 혼합기가 체류하는 유로의 길이가 길어질 수밖에 없다. 이때, 공기 내 수분이 많을 경우 혼합기와 물이 반응하여 포름산을 발생시켜 배관을 파손 시킬 수 있으며, 이로 인해 폭발 등의 위험이 있다.

본 발명의 경우, 이를 방지를 위해 관리자로부터 '운전정지명령'이 입력되면, 조절수단(600)을 닫은 상태(closed)에서 엔진(200) 정지시까지 엔진(200)을 구동하여, 혼합기를 연소하거나, 외부 배출시켜 포름산 발생을 억제시킬 수 있으며, 배관 파손 및 폭발 등의 위험을 예방할 수 있다.

또한, 인터쿨러(500)는 내식성 재질(일예로,STS316)로 제작될 수 있다.

한편, 상기 냉각수 배관(360)에는, 상기 냉각수 탱크(305)로부터 상기 엔진(200)을 향하여 연장되는 제 1 배관(361)이 포함된다. 상세히, 상기 제 1 배관(361)은 상기 냉각수 탱크(305)로부터 상기 배기가스 열교환기(240)로 연장되는 제 1 배관부 및 상기 배기가스 열교환기(240)로부터 상기 엔진(200)으로 연장되는 제 2 배관부가 포함된다. 따라서, 상기 냉각수 탱크(305)로부터 공급되는 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240)를 거치면서 배기가스와 열교환 되고, 상기 엔진(200)에 유입되어 상기 엔진(200)의 폐열을 회수한다. 그리고, 상기 제 1 배관(361)에는, 냉각수의 유동을 생성하는 상기 냉각수 펌프(300)가 설치될 수 있다.

상기 냉각수 배관(360)에는, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로 가이드 하는 제 2 배관(362)이 더 포함된다.

또한, 상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 제 2 유동전환부(320)로 가이드 하는 제 3 배관(363)이 더 포함된다.

또한, 상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 보조 열교환기(150)로 가이드 하는 제 4 배관(364)이 더 포함된다.

상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 방열기(150)로 가이드 하는 제 5 배관(365)이 더 포함된다.

상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 제 1 배관(361)으로 가이드 하는 제 6 배관(366)이 더 포함된다.

일례로, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수의 온도가 설정온도 미만으로 형성될 때, 상기 냉각수를 상기 보조 열교환기(150) 또는 방열기(330)로 유동시켜 열교환 시킬 효과가 미미해지므로 상기 제 1 유동전환부(310)로 유입된 냉각수를 상기 제 6 배관(366)을 통하여 상기 제 1 배관(361)으로 바이패스 시킬 수 있다. 상기 제 6 배관(366)을 "바이패스 배관"이라 이름할 수 있다.

상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 엔진(200)의 출구측에 설치되어 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도센서(290)가 더 포함될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)의 운전모드에 따른 냉매, 냉각수 및 혼합 연료의 작용에 대하여 설명한다.

도 2는 상기 가스 히트펌프 시스템의 난방운전시, 냉매, 냉각수 및 혼합 연료의 유동을 보여주는 사이클 도면이다.

먼저, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 난방운전을 수행하는 경우, 냉매는 상기 압축기(110), 오일 분리기(115), 사방변(117), 실내 열교환기(140) 및 과냉각 열교환기(130)를 거치고, 메인 팽창장치(125)에서 감압되어 실외 열교환기(120)에서 열교환 된 후, 상기 사방변(117)으로 다시 유입된다. 여기서, 상기 실내 열교환기(140)는 "응축기", 상기 실외 열교환기(120)는 "증발기"로서 기능할 수 있다.

상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 보조 열교환기(150)로 유입되어, 상기 제 4 배관(364)을 유동하는 냉각수와 열교환 될 수 있다. 상기 보조 열교환기(150)로 유입되는 냉매는 증발 냉매로서 저온 저압을 형성하며, 상기 보조 열교환기(150)로 공급되는 냉각수는 상기 엔진(200)의 열에 의하여 고온을 형성한다. 따라서, 상기 보조 열교환기(150)의 냉매는 상기 냉각수로부터 흡열하여 증발 성능이 개선될 수 있다.

상기 보조 열교환기(150)에서 열교환 된 냉매는 상기 기액 분리기(160)로 유입되어 상분리된 후, 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다. 냉매는 상기한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.

한편, 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수는 상기 제 1 배관(361)을 따라 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어, 배기가스와 열교환 된다. 그리고, 상기 배기가스 열교환기(240)에서 토출된 냉각수는 상기 엔진(200)으로 유입되어 엔진(200)을 냉각시키고, 상기 제 2 배관(362)을 경유하여 상기 제 1 유동전환부(310)로 유입된다.

상기 제 1 유동전환부(310)의 제어에 의하여, 상기 제 1 유동전환부(310)를 거친 냉각수는 상기 제 3 배관(363)을 따라 상기 제 2 유동전환부(320)를 향한다. 그리고, 상기 제 2 유동전환부(320)를 거친 냉각수는 상기 제 4 배관(364)을 경유하여 상기 보조 열교환기(150)로 유입되어, 냉매와 열교환될 수 있다. 그리고, 상기 보조 열교환기(150)를 거친 냉각수는 상기 냉각수 펌프(300)로 유입된다. 냉각수는 이러한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.

한편, 난방운전시 냉각수는 상기 방열기(330)로의 유동이 제한될 수 있다. 일반적으로, 난방운전은 외기의 온도가 낮을 때 수행되므로, 냉각수가 상기 방열기(330)에서 냉각되지 않더라도 냉각수 배관(360)을 유동하는 과정에서 냉각될 가능성이 높게 된다. 따라서, 난방운전시 냉각수는 상기 방열기(330)를 통과하지 않도록, 상기 제 1,2 유동전환부(310,320)가 제어될 수 있다.

다만, 상기 보조 열교환기(150)에서의 열교환이 필요로 하지 않을 때에는, 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 제 5 배관(365)을 경유하여 상기 방열기(330)로 유입될 수도 있다.

상기 엔진(200)의 구동에 대하여 설명한다.

상기 공기 여과기(210)에서 필터링 된 공기와, 상기 제로 가버너(230)를 통하여 압력 조절된 연료는 상기 믹서(220)에서 혼합된다. 상기 믹서(220)에서 혼합된 혼합기는 과급수단(400)에서 가압되고, 가압된 혼합기는 인터쿨러(500)에서 냉각되어 밀도가 향상된다. 인터쿨러(500)를 통과한 혼합기는 조절수단(600)을 통해 그 양이 조절되고, 상기 엔진(200)으로 공급되어 상기 엔진(200)을 운전시킨다. 그리고, 상기 엔진(200)에서 배출된 배기가스는 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어 냉각수와 열교환 되며, 상기 머플러(250)를 거쳐 외부로 배출된다.

도 3은 상기 가스 히트펌프 시스템의 냉방운전시, 냉매, 냉각수 및 혼합 연료의 유동을 보여주는 사이클 도면이다.

한편, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 냉방운전을 수행하는 경우, 냉매는 상기 압축기(110), 오일 분리기(115), 사방변(117), 실외 열교환기(120) 및 과냉각 열교환기(130)를 거치고, 실내 팽창장치(145)에서 감압되어 실내 열교환기(140)에서 열교환 되며 상기 사방변(117)으로 다시 유입된다. 여기서, 상기 실외 열교환기(120)는 "응축기", 상기 실내 열교환기(120)는 "증발기"로서 기능할 수 있다.

상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 보조 열교환기(150)로 유입되어, 상기 냉각수 배관(360)을 유동하는 냉각수와 열교환 될 수 있다. 그리고, 상기 보조 열교환기(150)에서 열교환 된 냉매는 상기 기액 분리기(160)로 유입되어 상분리된 후, 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다. 냉매는 상기한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.

한편, 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어, 배기가스와 열교환 된다. 그리고, 상기 배기가스 열교환기(240)에서 토출된 냉각수는 상기 엔진(200)으로 유입되어 엔진(200)을 냉각시키고, 상기 제 1 유동전환부(310)로 유입된다. 상기 제 1 유동전환부(310)로 유입될 때까지의 냉각수 유동은 난방 운전시의 냉각수 유동과 동일하다.

상기 제 1 유동전환부(310)를 거친 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)로 유입되며, 상기 제 2 유동전환부(320)의 제어에 의하여 상기 방열기(330)로 유동하여 외기와 열교환 될 수 있다. 그리고, 상기 방열기(330)에서 냉각된 냉각수는 상기 냉각수 펌프(300)로 유입된다. 냉각수는 이러한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.

한편, 냉방운전시 냉각수는 상기 보조 열교환기(150)로의 유동이 제한될 수 있다. 일반적으로, 냉방운전은 외기의 온도가 높을 때 수행되므로, 증발성능 확보를 위한 증발 냉매의 흡열이 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 냉방운전시 냉각수는 상기 보조 열교환기(150)를 통과하지 않도록, 상기 제 1,2 유동전환부(310,320)가 제어될 수 있다.

다만, 상기 보조 열교환기(150)에서의 열교환이 필요로 하는 경우, 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)를 경유하여 상기 보조 열교환기(150)로 유입될 수도 있다.

상기 엔진(200)의 구동과 관련하여서는, 난방운전시의 작용과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

도 4는 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈의 일 예를 보여주는 시스템도이다.

도 4를 참조하면, 과급수단(400)은 터보차저(turbo charger)로 구비될 수 있다.

'터보차저'는 엔진(200)에서 배출된 배기가스를 이용해서, 터빈(411)을 회전시키고, 그 회전력에 의해 유입된 기체를 가압(압축)시켜 배출한다.

따라서, 과급수단(400)이 터보차저로 구비된 경우, 터보차저는 터빈(411) 측이 배기배관(191)을 통해서 엔진(200)의 배기 매니폴드와 연결되어, 회전하게 되고, 믹서에서 혼합된 혼합기가 유입되면, 가압(압축)한 후, 인터쿨러(500) 측으로 배출한다.

또한, 상기 터보차저의 회전축은 윤활 등의 목적을 위해, 엔진(200) 측에서 오일을 공급받을 수도 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 엔진모듈은, 상기 엔진(200)의 외측에 구비되고, 오일을 저장하는 오일탱크(205)와, 상기 오일탱크(205)의 오일을 상기 엔진(200)의 내측으로 공급하는 오일공급관(206)과, 상기 엔진(200) 내부의 오일팬(미도시)에 수집된 오일을 상기 오일탱크(205)로 송출하는 동력을 제공하는 오일펌프(207) 및, 상기 오일펌프(207)와 연결되고, 상기 오일펌프(207)로 송출되는 오일 중 적어도 일부를 상기 과급수단(400)으로 공급하는 오일공급관(미도시)을 더 포함할 수 있다.

즉, 엔진(200) 가동 시, 오일펌프에 의해 순환하는 오일 중 일부를 과급수단(400)으로 추가 유로를 구성한다.

상기와 같이 과급수단(400)으로 공급된 오일은 과급수단(400)의 회전축(터빈과 컴프레서를 연결하는 동력전달 축)을 경유한 후, 엔진(200) 외부의 오일탱크로 회수될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 과급수단(400)으로 오일이 유입되는 지점과, 과급수단(400)에서 오일이 배출되는 지점에 각각 온도센서를 부착할 수 있다.

또한, 온도센서를 통해서, 오일의 온도변화를 감지한 후, 과도한 오일온도 상승시, 오일쿨러(미도시)를 활용하여 과급수단(400)에 사용되는 오일을 냉각시킨다. 따라서, 고온의 오일에 의한 과급수단(400)의 파손을 방지할 수 있고, 오일 탄화를 방지할 수 있다.

한편, 상기와 같이 과급수단(400)이 터보차저인 경우, 터보차저의 방열이 필요하다. 일 예로, 상기 터보차저는 냉각수와 열교환하면서, 방열이 이루어질 수 있다.

상기와 같은 터보차저의 방열을 위해, 상기 냉각수배관(360)은 제1냉각수배관(360a) 및 제2냉각수배관(360b)를 포함할 수 있다.

상세히, 제1냉각수배관(360a)은 상기 배기가스 열교환기(240)와 엔진(200) 사이에 배치되며, 배기가스 열교환기(240)를 경유한 냉각수를 엔진(200) 측으로 안내한다.

다른 예로, 상기 제1냉각수배관(360a)은 배기가스 열교환기(240)를 통과하기 이전의 냉각수배관까지도 포함할 수 있다. 즉, 제1냉각수배관(360a)은 냉각수펌프(300)와 엔진(200) 사이의 냉각수배관을 의미할 수도 있다.

제2냉각수배관(360b)은 제1냉각수배관(360a)을 유동하는 적어도 일부의 냉각수가 상기 과급수단(400)과 열교환하도록 상기 제1냉각수 배관(360a)에서 분지된다. 상기 제2냉각수배관(360a)으로 유입된 냉각수는 상기 과급수단(400)을 경유한 후, 엔진(200)으로 유동한다.

이때, 상기 제2냉각수배관(360b)은, 상기 과급수단(400) 이전에 상기 제1냉각수배관(360a)에서 분지되고, 상기 과급수단(400)을 경유한 뒤, 상기 제1냉각수배관(360a)과 합류되어 엔진(200)으로 공급될 수도 있다.

한편, 상기 과급수단(400)은 슈퍼차저(supercharger)로 구비될 수 있다.

슈퍼차저는, 엔진(200)의 동력 또는 전동기(electric motor)에 의해 회전력이 생성되며, 유입된 기체를 가압(압축)시켜 배출한다. 따라서, 과급수단(400)이 슈퍼차저로 구비된 경우, 슈퍼차저는 믹서에서 혼합된 혼합기를 엔진(200)의 동력 또는 전동기(electric motor)의 회전력을 이용해서 가압(과급)한 후, 인터쿨러(500) 측으로 배출할 수 있다.

일반적으로, 슈퍼차저는 저회전 영역에서 안정적으로 작동하고, 고회전 영역에서 출력의 손실이 발생하는 경향이 있다. 따라서, 엔진의 운전 조건 및 요구 출력 조건 등에 따라서, 과급수단(400)으로 슈퍼차저 또는 터보차저를 선택해서 사용할 수 있다.

한편, 상기와 같이 과급수단(400)이 슈퍼차저인 경우, 터보차저와 같이 방열문제가 두드러지지 않기 때문에, 과급수단(400)의 냉각을 위한 냉각수배관을 추가로 설치하지 않아도 무방하다. 따라서, 유로의 구조가 간편해지고, 공간활용도가 향상되며, 소형화가 가능한 이점이 있다.

이하, 본 발명의 메인 구성요소인 '엔진모듈'의 구조에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 5는 도 4의 엔진모듈에 냉각 모듈이 적용된 상태를 보인 시스템도이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈을 배기 매니폴드 방향에서 바라본 사시도이다. 그리고, 도 7은 도 6에 도시된 엔진모듈에서 냉각수의 흐름을 표시한 도면이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈을 흡기 매니폴드 방향에서 바라본 사시도이다.

참고로, 이하의 설명에서, 과급수단(400)이 '터보차저'로 구비된 경우를 일 예로 설명하지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 과급수단(400)은 공지의 다양한 방식으로 적용될 수 있음을 밝혀두는 바이다.

상기 터보차저(400)는, 배기가스를 공급받아 내측에 마련된 터빈(411)을 회전시키는 터빈실(410)과, 상기 터빈(411)과 함께 회전하면서, 상기 믹서(220)에서 공급된 혼합기를 압축시키는 압축실(420) 및 상기 터빈실(410)의 회전력을 압축실(420)로 전달하는 회전축(430)을 포함한다. 또한, 상기 압축실(420)에는 상기 회전축(430)과 연결되어 회전하면서, 압축실(420) 내부로 유입된 혼합기를 압축하는 임펠러(421)가 구비될 수 있다.

상기 배기 매니폴드(270)에서 토출된 배기가스는 곧 바로 터빈실(410)로 유입되어, 터빈(411)을 회전시키고, 그 회전력은 회전축(430)을 통해서, 압축실(420)로 전달된다. 그리고, 믹서(220)에서 공급된 혼합기는 압축실(420) 내부를 경유하면서, 회전축(430)과 연결되어 회전하는 임펠러(421)에 의해 압축된 후, 압축실(420) 외부로 토출된다. 이러한 과정에 의해, 혼합기의 압축이 진행될 수 있다.

한편, 상기 터빈실(410)은, 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)에서 배출된 배기가스가 유입되는유입구와, 터빈(411)을 회전시키고 난 후, 배기가스가 배출되는 배출구를 포함할 수 있다.

이때, 상기 터빈실(410)의 유입구는, 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)에 형성된 배기가스 토출구(271, 도 11참조)와 직접 연결될 수 있다. 상기와 같이 터빈실(410)의 유입구와 배기가스 토출구(271)가 직접 연결될 경우, 그들 사이를 연결하기 위한 배관이 생략될 수 있어, 구조적으로 간단해질 수 있으며, 배기가스의 유동경로가 짧아질 수 있다. 따라서, 터빈실(410)에서 배기가스의 동력이 최대한으로 회수될 수 있다.

한편, 상기 압축실(420)은, 상기 믹서(220)에서 배출된 혼합기가 유입되는 제2유입구(422, 도 11참조)와, 압축된 혼합기가 배출되는 제2배출구(423, 도 11참조)를 포함한다. 상기 제2유입구(422)와 제2배출구(423)는 상기 압축실(420) 내부의 공간과 연통하는 상태이다. 이에 따르면, 상기 믹서(220)에서 혼합된 혼합기는 제2유입구(422)를 통해서, 압축실(420) 내부로 유입되고, 회전하는 임펠러(421)에 의해 압축된다. 이후, 압축 혼합기는 제2배출구(423)를 통해서, 압축실(420) 외부로 토출된다.

상기와 같이 압축실(420) 외부로 토출된 압축 혼합기는 밀도 향상을 위해 인터쿨러(500)로 유동한다.

일 예로, 상기 인터쿨러(500)는, 외부에서 공급된 냉각수와 상기 압축된 혼합기의 열교환이 진행되는 공간을 제공하고, 양측이 개방된 몸체부(510, 도 11참조)와, 상기 몸체부(510)의 개방된 일측에 형성되고, 상기 과급수단(400)의 출구측과 연결되는 유입구(521, 도 11참조)가 형성된 유입부(520)와, 상기 몸체부(510)의 타측에 형성되고, 상기 조절수단(600)의 입구측과 연결되는 토출구(531, 도 11참조)가 형성된 토출부(530)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 인터쿨러(500)는, 상기 과급수단(400) 및 조절수단(600)보다 상부에 배치될 수 있으며, 인터쿨러(500)의 유입구(521)와, 상기 과급수단(400)의 배출구(423)는 인터쿨러(500) 측에서 과급수단(400) 측으로 하향 경사지게 형성되며, 'U'자 또는 'J'자로 절곡된 제1연결관(810)을 통해서 연결될 수도 있다.

또한, 상기 인터쿨러(500)의 토출구(531)는 상기 조절수단(600)의 유입구(610, 도 11참조)와 직접 연결되거나, 인터쿨러(500) 측에서 조절수단(600) 측으로 하향 경사지게 형성되고, 'ㄱ'자 형으로 절곡된 제2연결관(820)을 통해 연결될 수 있다.

한편, 상기 믹서(220)는 상기 인터쿨러(500)에 고정될 수 있다.

이를 위해, 상기 인터쿨러(500)의 유입부(520)에는 상기 믹서(220)가 체결되는 믹서 체결부(560)가 형성될 수 있다.

상기 믹서 체결부(560)는 믹서(220)를 통과한 혼합기가 유입된 후, 상기 과급수단(400) 측으로 토출되게 중공의 형상을 구비한다.

따라서, 상기 믹서(220)에서 토출된 혼합기는 믹서 체결부(560)의 중공(561)을 통과한 뒤, 'ㄷ'자 형태로 절곡된 형상의 제3배관(도 11의 '830')을 통해 과급수단(400)으로 유입될 수 있다.

또한, 상기 엔진모듈은, 외기를 정화시키는 공기 여과기(210)를 더 포함하고, 상기 공기 여과기(210)와 상기 믹서(220)를 연결하는 공기배관(215)은 적어도 일부가 직선으로 형성될 수 있다.

상기와 같이 공기배관(215)이 직선으로 형성되면, 공기의 유동성이 개선될 수 있다. 즉, 직선구간에서, 공기의 흐름이 원활하게 이루어져, 믹서(220)로의 공기 공급이 용이하게 진행될 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 공기배관(215)는 그 일부가 곡선으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 공기 여과기(210)와 상기 믹서(220)는 서로 동일한 높이에 고정될 수 있다.

상기와 같이 공기 여과기(210)와 상기 믹서(220)가 동일한 높이게 고정될 경우, 공기의 흐름이 보다 더 원활하게 이루어져, 믹서(220)로의 공기 공급이 보다 더 용이하게 진행될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 공기 여과기(210)와 상기 믹서(220)를 연결하는 공기배관(215)을 수평하면서도 직선으로 형성하여, 믹서(220)의 공기 흡입저항을 최소화할 수 있다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 엔진모듈은 냉각 모듈을 구비한다.

일 예로, 냉각모듈은, 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(305)와, 냉각수의 유동을 생성하는 냉각수 펌프(300), 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수를 엔진(200) 및 과급수단(400) 측으로 공급하는 복수의 배관(360)들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 엔진모듈은, 상기 과급수단(400)을 통과한 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기(240)를 더 포함한다.

한편, 전술한 바와 같이, 과급수단(400)이 터보차저로 구비된 경우, 신뢰성 확보를 위해 냉각수가 충분히 순환되어 터보차저에서 발생하는 열을 배출할 필요가 있다.

만약, 터보차저의 온도가 지나치게 과열되어 일정 수준 이상 상승하게 되면 터보차저의 부품은 열변형 및 그로 인한 피로 파괴 등의 이유로 손상된다.

이는 과급수단 및 시스템 전체의 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 냉각수가 충분히 순환되어 터보차저에서 발생하는 열을 배출할 필요가 있다. 일반적으로, 터보차저의 경우, 임펠러에서 혼합 기체를 압축함으로써 열이 발생하고, 터빈으로 높은 온도의 배기가스 주입되어 전체적으로 온도가 높아진 상태이다.

하지만, 상기와 같은 터보차저의 냉각을 위해 순환 펌프를 포함한 별도의 냉각수 라인을 추가로 신설하면, 시스템 전체의 부피 및 중량이 커지는 것은 물론, 제조원가가 상승하는 문제가 발생한다.

한편, 엔진모듈의 경우, 엔진(200)에서 발생하는 열을 배출하기 위한 냉각수 유로가 존재한 상태이다.

따라서, 본 발명의 경우, 엔진(200)으로 공급되는 냉각수 일부를 분기시키고, 이를 터보차저에 주입하는, 간단한 방식으로 터보차저의 냉각을 진행한다.

가스엔진 히트펌프 내 냉각수 흐름 방향은 냉각수 펌프를 기준으로 배기가스 열교환기 및 배기 매니폴드 순으로 흐르게 되고 이후, 엔진 내부로 유입된다. 또한, 본 발명에 따른 가스엔진 히트펌프에 적용되는 터보차저는 배기 매니폴드에 직접 부착되는 형태이고, 바로 이어서 배기가스 열교환기가 고정되는 구조로 되어 있다.

따라서, 터보차저용 냉각수 유로 구성함에 있어서, 배기가스 열교환기에서 사용되는 냉각수 일부를 추출하여 이를 터보차저에 주입하고, 터보차저를 통과한 냉각수를 배기 매니폴드의 냉각수 유로 측으로 합류시키는 방식으로 터보차저의 냉각을 진행한다.

이를 위해, 상기 냉각수 배관(360)은, 엔진(200)의 배기 매니폴드(270) 측으로 냉각수를 공급하는 메인배관(367a, 367b)과, 과급수단(400) 측으로 냉각수를 공급하는 분기배관(368a,368b)를 포함할 수 있다.

상기 배기가스 열교환기(240)는 상기 냉각수 펌프(300)에서 공급된 냉각수가 유입되는 냉각수 유입관(243)과, 상기 냉각수 유입관(243)으로 유입된 냉각수와 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입된 배기가스의 열교환이 진행되는 열교환실(244), 및 배기가스와 열교환이 완료된 냉각수가 토출되는 냉각수 토출관(245)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 냉각수의 유동방향과 배기가스의 유동방향을 반대방향으로 형성될 수 있다.

상세히, 도 6을 기준으로, 배기가스는 좌측에서 우측으로 유동하고, 냉각수는 우측에서 좌측으로 유동하도록 배관에 연결될 수 있다.

상기와 같이 냉각수와 배기가스가 교차되는 방향으로 유동할 경우, 배기가스와 냉각수가 교차되면서, 보다 빠르고, 균일하게 열교환이 진행될 수 있다.

또한, 상기 배기가스 열교환기(240)는 상기 엔진(200)에 직접 고정될 수 있다. 상세히, 상기 배기가스 열교환기(240)는 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)에 직접 고정될 수 있다. 이때, 상기 배기가스 열교환기(240)를 배기 매니폴드(270)에 고정하기 위한 클램프 등의 고정수단이 별도로 구비될 수 있다.

이에 따르면, 상기 배기 매니폴드(270)에서 토출된 배기가스는, 먼저 과급수단(400)의 터빈실(410)을 통과하면서, 터빈을 회전시키고, 터빈실(410)을 빠져 나온 배기가스는 배기가스 열교환기(240)를 통과하면서, 냉각수와 열교환이 진행될 수 있다.

배기가스 열교환기(240)를 통과한 배기가스는 방열을 통해 온도가 낮아진 상태이며, 머플러를 통과해 대기로 방출된다. 한편, 배기가스 열교환기(240)를 경유한 냉각수는 흡열을 통해 온도가 향상된 상태이며, 배기 매니폴드(270) 및 방열기(330)를 거쳐 냉각수 탱크(305)로 회수된다.

이때도 마찬가지로, 배기가스 열교환기(240)와 과급수단(400)의 터빈실(410)은 별도의 배관 없이 직접 연결될 수 있다. 즉, 터빈실(410)의 제1배출구(미도시)와, 배기가스 열교환기(240)의 배기가스 유입구(241, 도 11참조)는 직접 연결될 수 있다.

일 예로, 상기 터빈실(410)의 제1배출구(미도시)와 배기가스 열교환기(240)의 배기가스 유입구(241)는 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지(242,413, 도 9참조)를 형성하고, 상기 플랜지(242,413)를 면접촉시킨 상태에서, 볼트 등의 체결수단을 통해 체결하여, 상호 연결될 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여, 냉각수의 흐름을 상세히 설명한다.

먼저, 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 냉각수 탱크에 저장된 냉각수는 배기가스 열교환기(240)로 공급되고, 배기가스 열교환기(240)를 통과하면서 배기가스와 1차 열교환이 진행된다. 이후, 배기가스 열교환기(240)를 빠져나온 냉각수는 배기 매니폴드(270)를 통과하면서, 2차 열교환이 진행된다. 상기와 같이 냉각수가 유동하면서, 배기 매니폴드(270) 및 배기가스 열교환기(240)의 배기가스 온도는 낮아질 수 있다. 한편, 배기 매니폴드(270)를 통과하면서 가열된 냉각수는 방열기를 통과하면서, 온도가 낮아진 후, 다시 냉각수 탱크로 회수될 수 있다.

또한, 상기 배기가스 열교환기(240)를 통과한 냉각수 중 일부는 분기되어, 과급수단(400)을 경유하면서, 과급수단(400)을 냉각시킬 수도 있으며, 과급수단(400)을 경유한 냉각수 역시 방열기를 통과하면서, 온도가 낮아진 후, 다시 냉각수 탱크로 회수될 수 있다.

상기 방열기는 상기 실외 열교환기의 일측에 설치될 수 있으며, 상기 방열기의 냉각수는 실외 팬의 구동에 의하여 외기와 열교환되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다.

다시, 도 5를 참조하면, 상기 냉각수 배관(360)은, 상기 냉각수 펌프(300)와 배기가스 열교환기(240)의 냉각수 유입관(243)을 연결하는 제1메인배관(367a)과, 상기 배기가스 열교환기(240)의 냉각수 토출관(245)과 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)를 연결하는 제2메인배관(367b)을 포함할 수 있다.

참고로, 상기 제1메인배관(367a) 및 제2메인배관(367b)은 전술한 제1냉각수배관(360a, 도 4 참조)과 동일한 개념으로 이해될 수 있다.

이에 따르면, 냉각수 펌프(300) 구동 시, 제1메인배관(367a)을 통해 냉각수가 유동하고, 제1메인배관(367a)과 연결된 냉각수 유입관(243)을 통해 냉각수는 배기가스 열교환기(240)로 유입된다. 이후, 냉각수는 열교환실(244)을 통과하면서 배기가스와 열교환이 진행되고, 냉각수 토출관(245)을 통해서 배기가스 열교환기(240) 외부로 빠져 나오게 된다. 그리고, 냉각수는 냉각수 토출관(245)과 연결된 제2메인배관(367b)을 통해 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)로 유동하여, 배기 매니폴드(270) 및 엔진(200)과 열교환이 진행된 후, 방열기 측으로 유동한다.

도 9는 도 6의 일부 영역을 확대하여 보인 사시도이다. 그리고 도 10은 본 발명의 일부 구성요소인 배기가스 열교환기의 사시도이다.

한편, 상기 배기가스 열교환기(240)를 유동하기 전, 냉각수의 일부는 분기되어 과급수단(400)으로 공급될 수 있다. 이때, 냉각수 유입관(243)에는 상기 과급수단(400) 측으로 냉각수를 공급하도록 냉각수가 분기되는 분기홀이 형성될 수 있다.

다른 예로, 배기가스 열교환기(240)를 유동하고 난 후, 냉각수의 일부는 분기되어 과급수단(400)으로 공급될 수 있다. 이를 위해, 상기 배기가스 열교환기(240)의 냉각수 토출관(245)에는 상기 과급수단(400) 측으로 냉각수를 공급하는 분기홀(246)이 형성될 수 있다.

따라서, 배기가스 열교환기(240)에서 토출되는 냉각수 중 일부는 과급수단(400)으로 공급되고, 나머지 전체는 배기 매니폴드(270)로 공급될 수 있다.

또한, 상기 냉각수 배관(360)은, 상기 분기홀(246)과 상기 과급수단(400)을 연결하는 제1분기배관(368a)과, 상기 과급수단(400)과 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)를 연결하는 제2분기배관(368b)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1분기배관(368a) 및 제2분기배관(368b)은 전술한 제2냉각수배관(360b, 도 4 참조)과 동일한 개념으로 이해될 수 있다.

이때, 터보차저가 동작한 직후부터 지속적으로 냉각이 이루어져야 하므로 제1분기배관(368a) 또는 분기홀(246)에 냉각수의 유동을 단속하기 위한 별도의 밸브는 설치할 필요가 없으나, 경우에 따라서는 터보차저 측으로의 냉각수의 유동을 단속하는 별도의 밸브가 설치될 수도 있다.

이에 따르면, 냉각수 펌프(300) 구동 시, 제1메인배관(367a)을 통해 냉각수가 유동하고, 제1메인배관(367a)과 연결된 냉각수 유입관(243)을 통해 냉각수는 배기가스 열교환기(240)로 유입된다. 이후, 냉각수는 열교환실(244)을 통과하면서 배기가스와 열교환이 진행되고, 냉각수 토출관(245)을 통해서 배기가스 열교환기(240) 외부로 빠져 나오게 된다.

이때, 냉각수 중 일부는 분기홀(246)을 통해 분기된 후, 분기홀(246)과 연결된 제1분기배관(368a)을 통해서 과급수단(400)의 냉각수 유입포트(440)로 유입된다.

그리고, 과급수단(400)으로 공급된 냉각수는 과급수단(400)의 터빈실(410) 등을 경유하면서, 열교환이 진행되고, 냉각수 토출포트(450)를 통해 과급수단(400)을 빠져나가고, 냉각수 토출포트(450)와 연결된 제2분기배관(368b)을 통해 배기 매니폴드(270)로 유동하게 된다.

이러한 과정에 의해 과급수단(400)의 냉각이 진행될 수 있다.

한편, 분기홀(246)이 아닌, 냉각수 토출관(245)과 연결된 제2메인배관(367b)으로 토출된 냉각수는, 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)로 유동하여, 배기 매니폴드(270) 및 엔진(200)과 열교환이 진행된 후, 방열기 측으로 유동한다.

이때, 상기 과급수단(400)을 경유한 후, 배기 매니폴드(270)로 토출된 냉각수 역시, 배기 매니폴드(270) 및 엔진(200)과 열교환이 진행된 후, 방열기 측으로 유동할 수 있다.

상세히, 상기 냉각수 배관(360)은, 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)를 경유한 냉각수를 방열기(330)로 가이드하는 제3메인배관(369)을 포함할 수 있다.

이에 따르면, 과급수단(400)을 경유한 후, 배기 매니폴드(270)로 공급된 냉각수는, 과급수단(400)을우회하는 제2 메인배관(367b)을 통해 배기 매니폴드(270)로 공급된 냉각수와 배기 매니폴드(270)에서 합류한 뒤, 배기 매니폴드(270)를 경유하고, 제3메인배관(369)을 따라 방열기(330)로 유동할 수 있다.

이때, 상기 제3메인배관(369)은, 전술한 엔진(200)과 방열기(330)를 연결하는 배관들(362,363,365, 도 1 참조)과 동일한 개념으로 이해될 수 있다.

다시 도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 중 적어도 하나 이상은 상기 엔진(200)에 직접적으로 고정될 수 있다.

일반적으로, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 엔진으로 공급하기 위해 구비되는 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들이, 엔진(200)과 별도로 분리된 구조물에 고정되고, 이 경우, 엔진(200)의 흡기 매니폴드(260)와 배기 매니폴드(270)까지 배관이 연결되어야 함에 따라 배관의 전체 길이가 길어지는 문제가 발생한다.

또한, 배관의 길이가 길어져 구조가 복잡해지는 것은 물론, 각각의 부품을 고정하기 위한 체결부재가 별도로 구비됨에 따라 그 구조가 더욱 복잡해지고, 각 부품들이 차지하는 면적이 커지면서 시스템 전체의 부피 및 무게가 증가되는 문제도 발생한다.

또, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들이 엔진(200)과 별도의 구조물에 고정되면, 엔진(200) 가동 시, 엔진(200)과 각 부품들이 동일한 방향으로 진동하지 않고, 상대적으로 반대방향으로 진동하게 되어, 엔진(200)의 진동에 의해 연결 배관 및 배관의 연결부위가 파손되는 등의 문제가 발생하기도 한다.

또한, 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 유동 길이가 길어질 경우, 폭발의 위험이 커지는 문제도 있었다.

본 발명의 경우, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500)의 부품들 중 적어도 어느 하나를 엔진(200)에 직접 고정시킨다.

이때, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 중 선택된 일부만 엔진(200)에 직접 고정될 수 있고, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 모두 엔진(200)에 고정될 수도 있다.

상기와 같이, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500)가 엔진(200)에 고정되면, 다음과 같은 이점이 있다.

먼저, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들을 고정하기 위한 구조물을 생략할 수 있어, 구조적으로 간편해지는 이점이 있다. 또한 고정부품이 줄어들어 원가를 낮출 수 있는 이점도 있다.

또한, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들이 엔진(200)에 고정됨에 따라 조절수단(600)과 흡기 매니폴드(260), 과급수단(400)과 배기 매니폴드(270), 인터쿨러(500)와 과급수단(400) 및 조절수단(600)의 간격이 줄어들어 전체 배관 및 유로의 길이를 줄일 수 있고, 배관이 차지하는 면적을 줄일 수 있는 이점도 있다.

또한, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들이 엔진(200)에 고정됨에 따라 엔진(200) 구동 시, 믹서(220), 과급수단(400), 조절수단(600), 인터쿨러(500) 등의 부품들과 엔진(200)이 동일한 방향으로 진동하게 되어, 배관 및 연결부위에 가해지는 진동을 줄일 수 있으며, 배관 및 각종 연결부 등이 진동에 의해 헐거워지거나 파손되는 등의 현상을 방지할 수 있어 내구성을 높이고 안전사고를 예방할 수 있는 이점도 있다.

도 11은 본 발명의 일부 구성요소인 엔진모듈의 분해 사시도이다.

도 11을 참조하면, 상기 과급수단(400)은, 상기 엔진(200)의 제1면(도 11의 우측)에 형성된 배기 매니폴드(270)에 인접해서 형성되고, 상기 조절수단(600)은, 상기 제1면의 맞은편인 엔진(200)의 제2면(도 11의 좌측)에 형성된 흡기 매니폴드(260)에 인접해서 형성되며, 상기 인터쿨러(500)는, 상기 제1면 및 제2면과 교차되는 방향의 제3면(도 11을 기준으로 전면)에 고정된다.

이에 따라, 배기 매니폴드(270)에서 동력을 제공받는 과급수단(400)은 배기 매니폴드(270)와 인접해서 배치될 수 있어, 배기 매니폴드(270)와 과급수단(400) 사이에 구비되는 배기가스 공급 유로의 길이를 최소화할 수 있고, 과급수단(400) 은 배기가스의 동력을 최대한으로 활용할 수 있다.

또한, 흡기 매니폴드(260)에 혼합기를 조절하여 공급하는 조절수단(600) 역시 흡기 매니폴드(260)에 인접해서 배치될 수 있다. 따라서, 흡기 매니폴드(260)로 공급되는 혼합기의 양을 보다 정밀하게 조절할 수 있다.

또한, 양측이 각각 배기 매니폴드(270) 측에 고정된 과급수단(400)과, 흡기 매니폴드(260) 측에 고정된 조절수단(600) 사이에 고정되는 인터쿨러(500)가 배기 매니폴드(270)와 흡기 매니폴드(260) 사이에 고정될 수 있어, 인터쿨러(500)와 과급수단(400) 사이의 거리 및 인터쿨러(500)와 조절수단(600) 사이 거리를 최소한으로 유지할 수 있다. 따라서, 혼합기가 유동하는 유로의 길이가 최소한으로 줄어들 수 있다.

참고로, 엔진(200) 윗면(도 11의 상부)을 통해서는, 엔진오일, 점화플러그, 밸브 간극 등의 정비가 필요하므로, 엔진(200) 윗면(도 11의 상부)에는 인터쿨러(500) 등의 부품을 설치하지 않는다.

이하, 도 11을 참조하여, 엔진모듈의 전반적인 동작에 대해 설명한다.

먼저, 공기 여과기(210)를 통과하면서 정화된 공기 및 제로 가버너(zero governor)를 통과한 연료(LNG)는 믹서(220)에서 혼합된다.

믹서(220)에서 혼합된 혼합기(공기와 LNG)는 믹서(220)에서 토출된 후, 믹서(220)가 고정된 인터쿨러(500)의 믹서체결부(560)를 통과하고, 절곡된 형상의 제3배관(830)을 거쳐 과급수단(400)으로 유입된다.

이때, 과급수단(400)은 엔진(200)의 배기 매니폴드(270)에 결합된 상태이고, 과급수단(400)은은 엔진(200)의 배기가스로부터 동력을 제공받아 회전하며, 그 회전력에 의해 과급수단(400)으로 유입된 혼합기는 고온 고압으로 압축된다.

이후, 과급수단(400)에서 압축된 혼합기는 배출관(401) 및 절곡된 형상의 제1연결관(810)을 통해서, 인터쿨러(500)측으로 유동한다.

상세히, 배출관(401)과 연결된 제1연결관(810), 및 제1연결관(810)과 연결된 유입관(521)을 통해서, 압축된 혼합기가 유입되고, 유입부(520)를 거쳐 몸체부(510)로 유입된 혼합기는 몸체부(510)를 경유하는 냉각수와 열교환하면서, 냉각되면서 그 밀도가 향상된다.

이후, 밀도가 높아진 혼합기는 토출부(530) 및 토출관(531)을 통해서, 인터쿨러(500) 밖으로 배출되고, 토출관(531)과 연결된 제2연결관(820)을 통해, 조절수단(600)으로 유입된다.

조절수단(600)에서는 인터쿨러(500)에서 유입된 혼합기의 양을 조절하여, 엔진(200) 배출하고, 엔진(200)의 흡기 매니폴드(260)를 통해서, 조절된 양의 혼합기가 유입된다.

상기와 같이 흡기 매니폴드(260)를 거쳐 엔진(200) 내부로 혼합기가 유입되면, 엔진(200) 내부에서는 연소가 진행되고, 압축기의 구동을 위한 동력이 생성된다.

한편, 연소과정에서 발생한 배기가스는 배기 매니폴드(270)를 통해서, 엔진(200)의 외부로 배출된다.

상기 배기 매니폴트(270)에는 과급수단(400)이 연결되고, 배기 매니폴드(270)에서 토출된 배기가스는 과급수단(400)으로 공급되며, 과급수단(400)의 터빈을 회전시킨다. 이에 따라 과급수단(400)은 믹서(220) 측에서 유입된 혼합기를 압축시킬 수 있다.

한편, 과급수단(400)을 통과한 배기가스는 배기가스 열교환기(240)를 통과하면서, 냉각수 펌프(300)에서 제공된 냉각수와 열교환이 진행된다. 상기와 같이 열교환이 진행된 배기가스는 배기가스 열교환기(240)의 출구측에 제공되어 배기가스의 소음을 저감하기 위한 머플러(muffler,250)를 통과한 뒤, 외부로 배출된다.

한편, 냉각수 펌프(300)에서 송출된 후, 배기가스 열교환기(240)에서 열교환이 진행된 냉각수는 별도의 배관을 통해서, 배기 매니폴드(270)로 공급되고, 배기 매니폴드(270)를 통과한 냉각수는 엔진(200)의 외부로 빠져나온 후, 방열기를 거쳐 냉각수 펌프(300)와 연결된 냉각수 탱크로 회수된다.

또한, 냉각수 펌프(300)에서 송출된 후, 배기가스 열교환기(240)에서 열교환이 진행된 냉각수 중 일부는, 배기 매니폴드(270)로 유동하기 전, 별도의 연결관을 통해서 분지되어 과급수단(400)으로 공급될 수 있으며, 과급수단(400)을 경유하면서, 열교환이 이루어진 냉각수는 배기 매니폴드(270) 및 방열기를 경유한 뒤, 냉각수 펌프(300)와 연결된 냉각수 탱크로 회수될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 터보차저를 기준으로 주변에 배치된 배기가스 열교환기 및 배기 매니폴드 등의 냉각을 위해 이미 설치된 냉각수 배관의 일부를 분기하여, 터보차저를 냉각시켜, 터보차저의 냉각수 유로 길이를 최단거리로 형성하여, 컴팩트화가 가능한 이점이 있다.

또한, 터보차저의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향이 기존 시스템상에서 배기가스 및 엔진의 냉각을 위한 냉각수의 유동 방향과 동일하여, 별도의 순환 펌프 추가 없이 터보차저 냉각 유로의 구성이 가능하며, 이에 따라 터보차저의 냉각을 위한 냉각부의 구조를 단순화할 수 있고, 그에 따라서 제조원가를 절약할 수 있는 이점도 있다.

10 : 가스 히트펌프 시스템 110 : 압축기
120 : 실외 열교환기 140 : 실내 열교환기
150 : 보조 열교환기 200 : 엔진
240 : 배기가스 열교환기 260 : 흡기 매니폴드
300 : 냉각수펌프 400 : 과급수단
500 : 인터쿨러 600 : 조절수단

Claims (15)

1. 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매배관을 포함하는 공기조화 모듈; 및
   연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진모듈을 포함하고,
   상기 엔진모듈은,
   상기 공기와 연료를 혼합하여 배출하는 믹서;
   상기 믹서에서 배출된 혼합기를 공급받아 압축시킨 후, 배출하는 과급수단;
   상기 과급수단에서 압축된 혼합기를 공급받아, 열교환 방식으로 냉각시켜, 그 밀도를 향상시킨 후, 배출하는 인터쿨러;
   상기 인터쿨러에서 배출된 혼합기를 공급받아 그 양을 조절한 후, 상기 엔진으로 공급하는 조절수단;
   상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 생성하는 냉각수 펌프와, 상기 냉각수 펌프에 연결되며, 냉각수의 유동을 상기 엔진 및 상기 과급수단으로 가이드하는 냉각수 배관을 포함하는 냉각 모듈; 및
   상기 과급수단을 통과한 배기가스와 상기 냉각수 펌프에서 공급된 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기를 포함하고,
   상기 냉각수는 배기가스 열교환기를 통과한 뒤, 상기 엔진의 배기매니폴드로 유동하되,
   상기 배기가스 열교환기를 통과한 냉각수의 일부는 분지되어, 상기 과급수단을 경유하면서 열교환이 진행된 후, 상기 엔진의 배기매니폴드로 유동하는 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 과급수단은, 상기 엔진의 배기가스에 의해 구동하는 터보차저로 구비된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 배기가스 열교환기는 상기 엔진에 직접 고정된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 배기가스 열교환기는,
   상기 냉각수 펌프에서 공급된 냉각수가 유입되는 냉각수 유입관;
   냉각수와 배기가스의 열교환이 진행되는 열교환실;
   배기가스와 열교환이 완료된 냉각수가 토출되는 냉각수 토출관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 냉각수 배관은,
   상기 냉각수 펌프와 배기가스 열교환기의 냉각수 유입관을 연결하는 제1메인배관;
   상기 배기가스 열교환기의 냉각수 토출관과 상기 엔진의 배기 매니폴드를 연결하는 제2메인배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 냉각수 토출관에는 상기 과급수단 측으로 냉각수를 공급하는 분기홀이 형성된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 냉각수 배관은,
   상기 분기홀과 상기 과급수단을 연결하는 제1분기배관;
   상기 과급수단과 상기 엔진의 배기 매니폴드를 연결하는 제2분기배관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 과급수단의 배기가스 토출구와, 상기 배기가스 열교환기의 배기가스 유입구는 직접 연결된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 과급수단의 배기가스 토출구와, 상기 배기가스 열교환기의 배기가스 유입구는 둘레를 따라 외측으로 돌출된 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지를 접촉시킨 상태에서, 상기 플랜지를 체결하여 연결된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 믹서, 과급수단, 배기가스 열교환기는, 상기 엔진의 제1면에 형성된 배기 매니폴드에 인접해서 형성되고,
    상기 조절수단은, 상기 제1면의 맞은편인 엔진의 제2면에 형성된 흡기 매니폴드에 인접해서 형성되며,
    상기 인터쿨러는, 상기 제1면 및 제2면과 교차되는 방향의 제3면에 고정된 것을 특징으로 가스 히트펌프 시스템.
    
12. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각수 배관은,
    상기 엔진의 배기 매니폴드를 경유한 냉각수를 방열기로 가이드하는 제3메인배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진모듈은, 외기를 정화시키는 공기 여과기를 더 포함하고,
    상기 공기 여과기와 상기 믹서를 연결하는 공기배관은 적어도 일부가 직선으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 공기 여과기와 상기 믹서는 서로 동일한 높이에 고정된 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.
    
15. 제 1항에 있어서,
    상기 연료는 가정용 LNG 또는 LPG인 것을 특징으로 하는 가스 히트펌프 시스템.

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