KR20040068869A - 냉동 사이클 및 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동사이클 시스템 - Google Patents

냉동 사이클 및 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동사이클 시스템 Download PDF

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Abstract

냉동 사이클 및 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 압축기(10), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13) 및 증발기(14)를 포함한다. 증기-압축 냉동 사이클 시스템에서, 액체 펌프(32)는 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매를, 냉매를 가열하기 위한 가열기로 공급하기 위해 배치되고, 냉각 수단(136,39,15,38)은 액체 펌프로 흡입되어질 액체 냉매를 냉각하기 위해 제공되며, 가열기로부터 유출되는 냉매를 팽창시키기 위한 에너지 회수 유니트는 가열기로부터의 냉매에서 열 에너지를 회수하기 위해 배치된다. 랭킨 사이클은 에너지 회수 유니트가 열 에너지를 회수하도록 설정되고, 냉각 수단은 액체 펌프로 흡입될 액체 냉매를 냉각한다. 따라서, 액체 펌프의 펌프 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.

Description

냉동 사이클 및 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동 사이클 시스템{VAPOR-COMPRESSION REFRIGERANT CYCLE SYSTEM WITH REFRIGERATION CYCLE AND RANKINE CYCLE}
본 발명은 열 에너지 회수를 위한 랭킨 사이클 및 냉각 동작을 수행하기 위한 냉동 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 관한 것이다. 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 차량용 공조 장치(air conditioner)에 적합하게 이용된다.
종래 랭킨 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 있어서, 증기-압축 냉동 사이클의 압축기(compressor)는 열회수가 랭킨 사이클에 의해 수행되는 경우에 팽창 장치(expansion)로서 이용된다.
예컨대, 일본 특허 제3356449호 공보에 기재된 랭킹 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 있어서, 단일 열 교환기는 냉동 사이클의 시간에는 공기로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시키기 위한 증발기(evaporator)로서 기능하고, 랭킨 사이클 시간에는 고온의 열원을 이용함으로써 냉매를 가열하기 위한 가열기(heater)로서 기능한다. 열 교환기가 가열기 및 증발기 모두로서 이용되는 경우, 이들 두 가지 기능의 각각의 온도대(溫度帶, temperature zone)는 매우 상이하다. 따라서, 열 교환기가 증발기에 적합하도록 구성되면, 열 교환기가 열 교환기로서의 기능에 의한 외부 폐열(external waste heat)의 회수를 효과적으로 수행하는 것이 곤란하다.
일반적으로, 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 압축기는 외부로부터 기계적 에너지를 오퍼레이션 챔버에 부여함으로써, 가스 냉매 등의 가스를 오퍼레이션 챔버(operation chamber)로 흡입한 후, 배출될 가스를 압축하도록 오퍼레이션 챔버의 부피를 감소시킨다. 한편, 팽창 장치는 고압에서 가스를 오퍼레이션 쳄버로 유입하고, 가스의 압력의 작용으로 오퍼레이션 챔버를 팽창시켜, 기계적인 에너지를 획득한다. 따라서, 팽창 장치로서 스크롤식(scroll) 등의 회전식 압축기의 사용하기 위해서는, 냉매의 흐름을 역전시킬 필요가 있다.
일본 실용공개 63-92021호 공보에 기재된 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 있어서, 그러나, 압축기 장치를 에너지 회수를 수행하는 팽창 장치로서 기능하도록 동작시키는 경우는 물론, 압축기 장치를 냉동 능력을 발휘하는 압축기로서 기능하도록 동작시키는 경우에 있어서, 압축기 장치의 압축기부 내의 냉매의 흐름은 동일한 방향으로 있다. 이러한 이유로, 압축기로서 기능하도록 압축기 장치를 동작시키는 경우에 있어서의 압축기 장치의 압축기부 내의 냉매의 흐름은 팽창장치로서 기능하도록 압축기 장치를 동작시키는 경우에 있어서의 냉매의 흐름으로부터 역전되지 않는다.
게다가, 일본 특허 제2540738호 공보에 기재된 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 있어서, 에너지 회수가 수행될 때, 팽창 장치(압축기)의 냉매 출구(outlet)뿐만 아니라 냉매 입구(inlet)는, 증기-압축 냉매 사이클 시스템이 갖도록 동작되는 경우, 압축기(팽창 장치)의 냉매 출구뿐만 아니라 냉매 입구와 동일 측면에 설치된다. 따라서, 스크롤식 압축기를 이용하는 경우, 단일 압축기를 팽창 장치로서 기능하도록 효과적으로 동작시키는 것은 불가능하다. 따라서, 랭킨 사이클의 일반적인 동작 및 증기-압축 냉동 사이클의 일반적인 동작 중 하나는 실제 수행될 수 없다.
게다가, 일본 특허 제2540738호에 기재된 이러한 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 있어서, 증기 발생기(vapor generator)로 냉매를 보내기 위해서는 액체 펌프(liquid pump)가 필요하다. 그러나, 액체 펌프가 냉매를 흡입하는 경우, 액체 펌프의 흡입측에서의 압력은 감소되고, 흡입된 냉매는 부분적으로 비등하여 증발된다. 이러한 경우에 있어서, 액체 펌프의 펌프 효율은 감소되고, 진공 펌프에 캐비테이션(cavitation)이 쉽게 발생하게 된다.
전술한 문제점의 관점에서, 본 발명의 목적은 효과적으로 동작될 수 있는 랭킨 사이클 및 냉동 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 액체 펌프의 펌프 효율이 감소되는 것을 방지하는 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동 사이클 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에 의하면, 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 냉매의 흡입 및 압축하기 위한 압축기, 냉매의 냉각을 위해 압축기의 냉매 배출측에 제공되는 라디에이터, 라디에이터로부터의 냉매를 가스 냉매 및 액체 냉매로 분리하기 위한 기체-액체 분리기, 기체-액체 분리기로부터 유출되는 가스 냉매를 감압하기 위한 감압 장치, 감압 장치에서 감압된 후의 냉매를 증발시키기 위한 증발기, 냉매를 가열하기 위한 가열기, 기체-액체 분리기 내의액체 냉매를 가열기로 공급하기 위한 액체 펌프, 액체 펌프로 흡입되어질 액체 냉매를 냉각하기 위한 냉각 수단, 가열기로부터의 냉매 중 열 에너지를 회수하기 위해 가열기로부터 유출되는 냉매를 팽창시키는 에너지 회수 유니트, 및 증발기가 냉동 능력을 갖는 냉동 사이클과 에너지 회수 유니트가 열 에너지를 회수하는 랭킨 사이클 사이를 전환하기 위한 스위칭 수단을 포함한다. 증기-압축 냉동 사이클 시스템에서, 냉동 사이클이 설정되면, 냉매는 압축기, 라디에이터, 기체-액체 분리기, 감압 장치, 증발기, 및 압축기의 순으로 순환된다. 또한, 증기-압축 냉동 사이클 시스템에서 랭킨 사이클이 설정되면, 냉매는 기체-액체 분리기, 액체 펌프, 가열기, 에너지 회수 유니트, 라디에이터, 및 기체-액체 분리기의 순으로 순환되고, 냉각 수단은 랭킨 사이클에서 액체 펌프로 안내되어지는 액체 냉매를 냉각한다. 따라서, 액체 펌프로 흡입되어질 액체 냉매의 과냉각도가 효과적으로 감소될 수 있고, 이는 액체 펌프의 흡입된 액체 냉매가 증발(비등)되는 것을 방지한다. 따라서, 액체 펌프의 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.
바람직하게, 라디에이터는 냉매 회로를 통해 압축기의 냉매 배출측에 연결되고, 스위칭 수단은 랭킨 사이클에서 압축기의 냉매 배출측으로부터 라디에이터로 흐르는 냉매를 차단하기 위해 냉매 회로 내에 배치되는 스위칭 부재를 포함하고, 액체 펌프는 랭킨 사이클에서 스위칭 부재를 바이패스하면서 액체 냉매를 가열기로 공급하기 위해 제공된다. 따라서, 냉동 사이클 및 랭킨 사이클 모두 효과적으로 동작될 수 있다.
보다 바람직하게, 가열기는 랭킨 사이클에서 과열 증기 냉매를 생성하는 증기 생성기이고, 에너지 회수 유니트는 랭킨 사이클에서 가열기로부터의 과열 증기 냉매를 팽창시키는 팽창 장치를 포함하고, 라디에이터는 랭킨 사이클에서 에너지회수 유니트의 팽창 장치 내의 팽창된 냉매를 냉각 및 응축하기 위해 배치된다.
게다가, 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매가 액체 펌프로 안내되는 제1 냉매 경로, 및 감압 장치에서 감압된 냉매가 흘러 통과하는 제2 냉매 통로를 포함한다. 이 경우, 랭킨 사이클에서 액체 펌프가 동작되기 이전에, 스위칭 수단은 냉매가 압축기, 가열기, 라디에이터, 기체-액체 분리기, 감압 장치, 내부 열 교환기, 및 압축기의 순으로 순환되는 개시 모드로 설정되도록 동작된다. 따라서, 랭킨 사이클이 동작되면, 액체 펌프의 흡입측으로 공급되어질 액체 냉매의 과냉각도가 충분하게 냉각된다.
예컨대, 액체 펌프는 소정 시간 동안 개시 모드가 수행된 후에 랭킨 사이클에서 동작된다. 또한, 개시 모드는 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매의 양이 소정값 보다 크거나 같게 될 때 까지 수행되고, 액체 펌프는 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매의 양이 소정값으로 된 후에 랭킨 사이클에서 동작된다. 또한, 개시 모드는 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매의 과냉각도가 소정값 보다 크거나 같게 될 때 까지 수행되고, 액체 펌프는 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매의 과냉각도가 소정값으로 된 후에 랭킨 사이클에서 동작된다.
또한, 개시 모드에서, 감압 장치에서 감압된 냉매는 냉각 능력을 갖도록 기체-액체 분리기와 액체 펌프 사이의 제1 냉매 통로의 냉매 중의 열을 흡수함으로써 내부 열 교환기의 제2 냉매 통로에서 증발될 수 있다.
게다가, 증기-압축 냉동 사이클 시스템에서, 냉각 수단은 펠티에 효과를 이용하는 전자 냉동기일 수 있으며, 또는 외기(outside air)를 이용하여 기체-액체분리기로부터의 액체 냉매를 냉각하는 과냉각기일 수 있다.
보다 바람직하게, 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매를 액체 펌프의 흡입측으로 공급하기 위해 추가적인 펌프가 제공된다. 이 경우, 액체 펌프의 흡입측에서의 액체 냉매의 압력은 상승될 수 있고, 액체 냉매가 액체 펌프에서 비등되는 것을 더욱 방지할 수 있다. 추가적인 펌프는 기체-액체 분리기와 일체적으로 될 수 있다. 이 경우, 적어도 추가적인 펌프의 흡입측은 기체-액체 분리기의 액체 냉매에 배치된다. 또한, 액체 펌프 및 추가적인 펌프가 기체-액체 분리기와 일체적으로 될 수 있다.
증기-압축 냉동 사이클 시스템에서, 압축기 및 에너지 회수 유니트는 일체화될 수 있다. 또한, 에너지 회수 유니트는 냉매 흐름 방향으로 압축기와 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 가열기는 차량에 탑재된 엔진 등의 설비로부터 생성되는 폐열을 이용하여 냉매를 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 증기-압축 냉매 사이클 시스템은 냉매의 흡입 및 압축을 위한 압축기, 냉매를 냉각하기 위해 압축기의 냉매 배출측에 제공되는 라디에이터, 라이에이터로부터 유출되는 냉매를 감압하기 위한 감압 장치, 감압 장치에서 감압된 후의 냉매를 증발하기 위한 증발기, 압축기의 냉매 배출측으로부터 라이에이터로 흐르는 냉매를 차단하기 위해 라디에이터와 압축기의 냉매 배출측 사이의 냉매 회로에 배치되는 냉매 차단 유니트, 냉매를 가열하기 위한 가열기, 냉매 차단 유니트를 바이패스하면서 가열기로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급 수단, 및 가열기로부터의 냉매 중의 열 에너지를 회수하기 위해 가열기로부터 유출되는냉매를 팽창시키는 에너지 회수 유니트를 포함한다. 이 증기-압축 냉동 사이클 시스템에서, 증발기가 냉동 능력을 갖는 냉동 사이클이 설정되면, 냉매는 압축기, 라디에이터, 감압 장치, 증발기, 및 압축기의 순으로 순환된다. 한편, 에너지 회수 유니트가 열 에너지를 회수하는 랭킨 사이클이 설정되면, 냉매 차단 회로는 압축기의 냉매 배출측으로부터 라디에이터로 흐르는 냉매를 차단하고, 냉매는 가열기, 에너지 회수 유니트, 라디에이터, 및 가열기의 순으로 냉매 공급 수단에 의해 순환된다. 따라서, 랭킨 사이클이 정밀하게 동작될 수 있고, 냉동 사이클과 랭킨 사이클 사이의 스위칭 동작이 신속하게 수행될 수 있다.
이 경우에서도, 에너지 회수 유니트에 의해 회수된 에너지는 에너지 저장 수단에 의해 저장될 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 수단은 캐패시터를 포함한다. 게다가, 에너지 저장 수단은 에너지 회수 유니트에서 회수된 에너지를 기계적 에너지로서 저장할 수 있다. 또한, 에너지 회수 유니트는 회수된 에너지를 이용함으로써 전기 에너지를 생성한다.
또한, 압축기는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다. 또한, 압축기는 복수의 구동원 또는 전기 모터 이외의 구동원에 의해 구동되도록 배치될 수 있다.
게다가, 가열기는 가열 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 열과 같은 가열된 엔진에 의해 생성되는 폐열을 이용하거나, 또는 차량상에 탑재된 설비로부터 생성되는 폐열을 이용함으로써 냉매를 가열할 수 있다. 또한, 가열기는 복수의 열원의 사용에 의해 냉매를 가열할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 공조 동작 중의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 폐열 회수 동작 중의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 압축기로서 이용되는 경우의 팽창 및압축 장치의 개략도.
도7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 팽창 장치로서 이용되는 경우의 팽창 및 압축 장치의 개략도.
도8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도10은 본 발명의 제7 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도11은 본 발명의 제8 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도12는 본 발명의 제9 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도13은 본 발명의 제9 실시예에 따른, 공조 동작 중의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도14는 본 발명의 제9 실시예에 따른, 폐열 회수 동작의 개시 모드에서의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도15는 본 발명의 제9 실시예에 따른, 폐열 회수 동작의 정상 동작 모드(steady operation mode)에서의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도16은 본 발명의 제10 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의개략도.
도17은 본 발명의 제11 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도18은 본 발명의 제12 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도19는 본 발명의 제13 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도20은 본 발명의 제14 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도21은 본 발명의 제15 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
도22는 본 발명의 제16 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 압축기 11: 라디에이터
12: 기체-액체 분리기 13: 감압 장치
14: 증발기 30: 가열기
32: 액체 펌프 33: 열 회수 유니트
34a~34d, 31a, 14a: 스위칭 수단 100: 팽창 및 압축 장치
136, 39, 15, 38: 냉각 수단
(제1 실시예)
제1 실시예에서, 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 랭킨 사이클 및 냉동 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템이다. 또한, 본 발명의 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 차량에 일반적으로 이용된다. 도1은 본 실시예에 따른 랭킨 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 개략도이다.
본 실시예에 따른 랭킨 사이클을 갖는 증기-압축 냉동 사이클 시스템은, 주행을 위한 동력(motive power)을 생성하기 위한 열 에너지로서 이용되는, 엔진(20)에 의해 생성된 폐열로부터 에너지를 회수하고, 또한 공조의 목적으로 증기-압축 냉동 사이클로부터 유도되는 냉기(cold) 및 열기(heat)를 이용하도록 의도된다. 랭킨 사이클이 제공된 증기 압축 냉동 사이클 시스템을 이하에 설명한다.
압축기(10)는 전기 모터로부터 전달된 동력의 작용을 이용하여 냉매를 흡입 및 압축한다. 라디에이터(radiator)(11)는 압축기(10)의 배출측에 연결된 냉각기(cooler)이고, 방열하면서 냉매를 냉각한다. 팬(fan)(16)은 방열을 위해 라디에이터(11)에 바람을 보내고, 엔진실 내측의 라디에이터(11)를 따라 배치된다.
기체-액체 분리기(12)는 라디에이터(11)로부터 유출되는 냉매를 가스상 냉매와 액상 냉매로 분리하기 위한 수용기(receiver)이다. 감압 장치(13)는 기체-액체 분리기(13)에서 분리된 가스상 냉매를 감압하고 팽창시킨다. 본 실시예에서, 감압 장치(13)는 액상 냉매가 등엔트로피적(iso-entropically)으로 감압되면서, 압축기(10)에 의해 흡입된 냉매의 과열도(super-heating degree)가 소정값으로 설정되도록 쓰로틀 개구(throttle opening)를 제어할 수 있는 열식 팽창 밸브(thermal type expansion valve)이다.
증발기(14)는 감압 장치(13)에서 감압을 수행한 후 액상 냉매를 증발시키기 위한 흡열기(heat absorber)이므로, 흡열 효과가 얻어진다. 압축기(10), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14) 등은 저온측 상의 열을 고온측 상으로 전달하기 위한 증기-압축 냉동 사이클을 구성한다. 팬(17)은 외기(예컨대, 본 실시예에서의 객실의 외기) 또는 내기(inside air)(예컨대, 본 실시예에서의 객실의 내기)를 객실의 공조를 위해 증발기로 송풍하고, 공조 유니트의 내측에 배치된다.
가열기(30)는 압축기(10) 및 라디에이터(1)와 상호 접속하고 있는 냉매 회로에 제공되는 열 교환기이며, 냉매 회로로 흐르는 냉매와 엔진 냉각수 사이에서 열 교환을 수행하여 냉매를 가열한다. 3-웨이 밸브(three way valve)(21)는 엔진으로부터 유출되는 엔진 냉각수가 가열기(30)로 순환하는 경우와, 엔진(20)으로부터 유출되는 엔진 냉각수가 가열기(30)로 순환되지 않는 경우 사이를 전환할 수 있다.
제1 바이패스 회로(bypass circuit)(31)는 기체-액체 분리기(12)에서 분리된 액상 냉매를 라디에이터(11) 측상의 가열기(30)의 냉매 입구/출구측을 향해 안내한다. 제1 바이패스 회로(31)에는 액상 냉매를 순환시키기 위한 액체 펌프(32) 및 이 냉매가 가스상 분리기(12)로부터 가열기(30)로만 흐르도록 허용하는 체크 밸브(check valve)(31a)가 제공된다. 본 실시예에서, 액체 펌프(32), 제1 바이패스 회로(31), 체크 밸브(31a) 등은 냉매를 가열기(30)로 공급하기 위한 냉매 공급 수단을 구성한다. 또한, 본 실시예에서, 액체 펌프(32)는 예컨대 모터 구동 펌프이다.
압축기(10)와 평행하게 배열된 냉매 회로에는 가열기(30)로부터 유출되는 과열 증기 냉매(super-heated vapor refrigerant)를 팽창시키기 위한 에너지 회수 유니트(33)가 제공되어, 가열기(30)에 부여된 열 에너지를 회수한다. 또한, 본 실시예에서, 에너지 회수 유니트(33)는 팽창 장치(33a) 및 팽창 장치(33a)로부터 전달된 기계적 에너지에 의해 구동되는 발전기(33b)로 구성된다.
또한, 제2 바이패스 회로(34)는 팽창 장치(33a)의 냉매 출구측과 라디에이터(11)의 냉매 입구측을 연결하기 위한 냉매 경로이다. 제2 바이패스 회로(34)에는 냉매가 팽창 장치(33a)의 냉매 출구측으로부터 라디에이터(11)의 냉매 입구측으로만 흐르도록 해주는 체크 밸브(34d)가 제공된다.
또한, 체크 밸브(14a)는 냉매가 증발기(14)의 냉매 출구측으로부터 압축기(10)의 흡입측으로만 흐르도록 하기 위해 제공된다. 또한, 스위칭 밸브(34a ~ 34c)는 냉매 경로를 개폐하기 위한 전자기 밸브이다. 스위칭 밸브(34a~34c) 및 3-웨이 밸브 등은 전자 제어기(ECU)에 의해 제어된다. 스위칭 밸브(34c)는 후술하는 바와 같은 폐열 회수 동작시에 압축기(10)의 냉매 배출측으로부터 라디에이터(11)로 흐르는 냉매를 차단한다. 따라서, 스위칭 밸브(34c)는 본 발명에 따른 폐열 회수 동작에 서의 냉매 차단 수단에 대응한다.
게다가, 물 펌프(water pumper)(22)는 온수 회로(water circuit) 내의 엔진 냉각수를 순환시키는데 이용되고, 라디에이터(23)는 엔진 냉각수와 외기 사이에서의 열 교환을 통해 엔진 냉각수를 냉각시키기 위한 열 교환기이다. 바이패스 회로(24)는 엔진 냉각수가 라디에이터(23)를 우회하여 흐르는 우회로(detour circuit)이다. 서모스탯(thermostat)(25)은 바이패스 회로(24)로 유입되는 엔진 냉각수의 유속 및 라디에이터(23)로 유입되는 엔진 냉각수의 유속을 조절하기 위한 유속 조절 밸브(flow rate regulating valve)이다.
물 펌프(22)는 엔진(20)으로부터 전달된 동력에 의해 구동되는 기계적인 펌프이다. 그러나, 당연히, 전기 모터에 의해 동작되는 모터 구동식 펌프가 대신하여 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 동작 및 그 효과에 대해 이하에 설명한다.
1. 공조 동작(도2 참조)
이 공조 동작은 냉매가 라디에이터(11)에 의해 냉각되면서, 증발기(14)가 냉동 능력을 갖도록 동작되는 동작 모드이다. 본 실시예에서, 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 증기-압축 냉동 사이클을 이용하는, 즉 흡열을 이용하는 냉각 동작 및 제습 동작 동안에서만 동작된다. 그러나, 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 라디에이터(11)로부터 전달된 열기를 이용하는 가열 동작 동안에는 동작되지 않는다. 가열 동작시에서의 증기-압축 냉동사이클 시스템의 동작은 냉각 동작 및 제습 동작시의 동작과 동일하다.
보다 상세하게, 공조 동작에서, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34a,34c)가 개방되고, 스위칭 밸브(34b)가 폐쇄된 동안 동작한다. 동시에, 3-웨이 밸브(21)는 도2에 나타낸 바와 같이 동작되어, 엔진 냉각수는 가열기(30)를 바이패스하면서 순환된다.
결과적으로, 냉매는 압축기(10), 가열기(30), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14), 및 압축기(10)의 순으로 순환된다. 엔진 냉각수는 가열기(30)로 순환하지 않으므로, 냉매는 가열기(30)에서 가열되지 않아, 가열기(30)는 단지 냉매 경로로서 기능한다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후, 저압 냉매는 객실로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하여 증발되고, 증발기(14)에서 증발된 후 생성된 가스상 냉매는 압축기(10)에서 압축되어 고온으로 되고, 라디에이터에 의해 외기로 냉각되어 응축된다.
본 실시예에서, 냉매로서 프레온(HFC134a)이 이용된다. 그러나, 냉매는 HCF134a로 한정되지 않고, 고압축 상태에서 액화될 수 있는 어떤 냉매라도 사용될 수 있다. 즉, 주성분으로서, 예컨대 HCF134a, HCF152a, 부탄, 프로판, 및 암모니아로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 함유한 냉매가 이용될 수 있다.
2. 폐열 회수 동작(도3 참조)
이 폐열 회수 동작은 엔진(20)의 폐열이 공조 동작을 정지시킴으로써, 즉 압축기(10)를 정지시킴으로써 재사용 가능한 에너지로서 회수되는 동작 모드이다.
보다 상세하게, 스위칭 밸브(34a,34c)는 폐쇄 상태에서 설정되고, 액체 펌프(32)가 동작하며, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34b)가 개방된 상태에서 정지된다. 동시에, 3-웨이 밸브(21)는 도3에 나타낸 바와 같이 동작되어, 엔진(20)으로부터 유출되는 엔진 냉각수는 가열기(30)를 통해 순환된다.
결과적으로, 냉매는 기체-액체 분리기912), 제1 바이패스 회로(31), 가열기(30), 에너지 회수 유니트(33)(팽창 장치(33a)), 제2 바이패스 회로(34), 라디에이터(11), 및 기체-액체 분리기(12)의 순으로 순환된다.
따라서, 가열기(30)에서 가열된 과열 증기 냉매는 팽창 장치(33a)로 유입되고, 팽창 장치(33a)로 안내된 과열 증기 냉매는 팽창 장치(33a)에서 등엔트로피적인 팽창(iso-entropical expansion)을 수행하면서 그 엔탈피(enthalpy)를 감소한다. 팽창 장치(33a)는 엘탈피의 감소 부분에 대응하는 기계 에너지를 발전기(33b)에 제공하고, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 배터리 및 캐패시터 등의 전기 축전지에 저장된다.
게다가, 팽창 장치(33a)로부터 유출되는 냉매는 라디에이터(11)에서 냉각되고, 그에 따라 응축되어 기체-액체 분리기(12)에 저장된다. 기체-액체 분리기(12) 내측의 액상 냉매는 액체 펌프(32)에 의해 가열기(30)를 향해 송출된다. 이와 관련하여, 액체 펌프(32)는 가열기(30)에서 가열되어 생성된 과열 증기 냉매가 기체-액체 분리기(12)를 향해 역류하지 않는 압력에서 액상 냉매를 펌프하여 가열기(30)로 송출한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에서, 라디에이터(23)에 의해 열의 형태로 대기중으로 버려지는 열 에너지는 쉽게 재이용 가능한 전기력 등의 에너지로 변환되어, 차량의 연비를 향상시킬 수 있으며, 즉 엔진(20)의 특정 연료 소비를 저감할 수 있다.
게다가, 본 발명에 있어서, 전력 생성은 폐열을 이용하여 수행되기 때문에, 엔진(20)을 직접적으로 이용하여 교류기(alternator) 등의 발전기를 구동할 필요성이 감소된다. 따라서, 엔진(20)의 특정 연료 소비가 더욱 감소된다.
일반적으로, 증발기(14)는 공조를 위해 공기를 냉각하고, 가열기(30)는 고온 열원을 사용하여 냉매를 가열한다. 따라서, 증발기(14)와 가열기(30)의 각각의 기능은 상이하고, 각각이 사용하는 온도대 역시 매우 상이하다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 증발기(14)와 가열기(30)는 서로 독립적으로 설치되고, 이들 모두는 냉동 사이클 및 랭킨 사이클 사이의 변환이 수행 가능하면서, 각각의 용도에 맞는 사양으로 제조될 수 있다.
게다가, 본 실시예에서, 가열기(30)는 압축기(10)의 냉매 배출측과 팽창 장치(33a)의 냉매 입구측 사이의 연결점(joint point)(A)(도1 참조) 보다 라디에이터(11)에 근접하여 냉매 회로의 일부분에 설치된다. 그러나, 가열기(30)는 팽창 장치(33a)의 냉매 입구측과 연결점(A)을 연결하기 위해 냉매 회로 내에 설치될 수도 있다.
(제2 실시예)
본 발명의 제2 실시예를 도4를 참조하여 이하에 설명한다. 제2 실시예에서,도4에 나타낸 바와 같이, 기체-액체 분리기(12)에서 분리된 액상 냉매를 더 냉각하기 위한 과냉각기(super-cooler)(15)가 제공되어, 냉매의 과냉각 정도를 향상시킨다.
제2 실시예에서, 액체 냉매가 액체 펌프(32)로 공급되어 통과하는 제1 바이패스 회로(31)는 과냉각기(15)의 냉매 출구측으로 연결된다. 과냉각기(15)는 기체-액체 분리기(12)로부터의 액상 냉매를 더 냉각한다. 따라서, 액체 펌프(12)로 흡입되어지는 액상 냉매가 증발되는 것을 방지함에 따라, 액체 펌프(32)에 발생하는 캐비테이션으로 인한 손상을 방지하고, 결과적으로 펌프 효율의 악화를 방지한다. 제1 실시예의 경우와 같이, 기체-액체 분리기(12)측에서의 제1 바이패스 회로(31)는 기체-액체 분리기(12)의 액체 출구부에 연결될 수도 있다. 또한, 감압 장치(13)는 기체-액체 분리기(12)의 액체 출구부에 결합되는 동시에, 기체-액체 분리기(12)측에서의 제1 바이패스 회로(31)는 과열 냉각기(15)의 출구에 연결될 수 있다.
제2 실시예에서, 다른 부분은 전술한 제1 실시예의 부분과 동일하다.
(제3 실시예)
본 발명의 제3 실시예를 도5를 참조하여 이하에 설명한다. 도5에 나타낸 바와 같은 제3 실시예에서, 냉매 경로(refrigerant path)는 스위칭 밸브(34a~34c)를 대신하여 전환 밸브(changeover valve)를 사용하여 전환된다. 보다 상세하게, 전환 밸브(35)는 2개의 냉매 경로 중 하나를 개방하고, 다른 하나는 폐쇄한다.
또한, 도5는 본 실시예가 제1 실시예에 적용된 경우를 나타내지만, 본 실시예는 제2 실시예에도 적용될 수 있다. 제3 실시예에서, 다른 부분은 전술한 제1 또는 제2 실시예와 동일하다.
(제4 실시예)
본 발명의 제4 실시예를 도6 내지 도7b를 참조하여 이하에 설명한다. 제4 실시예에서, 도6에 나타낸 바와 같이, 팽창 및 압축 장치(100)가 압축기(10) 및 에너지 회수 유니트(33)를 대신하여 사용된다. 팽창 및 압축 장치(100)에서, 압축기(10)는 에너지 회수 유니트(33)(팽창 장치(33a))와 결합된다.
1. 공조 동작
공조 동작에 있어서, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 팽창 및 압축 장치(100)는 스위칭 밸브(34c)가 개방되어 있는 동안 동작된다. 동시에, 3-웨이 밸브(21)가 동작되어, 엔진 냉각수가 히터(30)를 바이패스하면서 순환된다.
본 실시예에서, 팽창 및 압축 장치(100)가 압축기로서 기능하도록 동작할 때, 발전기(33b)는 전기 모터로서 동작한다.
결과적으로, 냉매는 팽창 및 압축 장치(100), 가열기(30), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14), 팽창 및 압축 장치(100)의 순으로 순환한다. 엔진 냉각수는 가열기(30)로 순환되지 않기 때문에, 냉매는 가열기(30)에서 가열되지 않고, 따라서 가열기(30)는 단지 냉매 경로로서 기능한다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 실내(객실)내로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하여 증발되고, 증발 후 생성된 가스상 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)에서 압축되어 고온으로 도달함에 따라, 라디에이터(11)에 의해 실내 외기에 의해 냉각되어 응축된다.
2. 폐열 회수 동작
폐열 회수 동작이 설정되면, 스위칭 밸브(34c)는 폐쇄 상태로 설정되고, 액체 펌프(32)가 동작되고, 3-웨이 밸브(21)가 동작되어, 엔진(20)으로부터 유출되는 엔진 냉각수가 가열기(30)를 통해 순환된다.
결과적으로, 냉매는 기체-액체 분리기(12), 제1 바이패스 회로(31), 가열기(30), 팽창 및 압축 장치(100), 제2 바이패스 회로(34), 라디에이터(11), 및 기체-액체 분리기(12)의 순으로 순환된다.
따라서, 가열기(30)에서 가열된 과열 증기 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)로 유입되고, 팽창 및 압축 장치(100)로 안내된 과열 증기 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)에서 등엔트로피적인 팽창을 수행하면서 그 엔탈피가 감소된다. 팽창 및 압축 장치(100)는 엘탈피의 감소 부분에 대응하는 기계 에너지를 발전기(33b)에 제공하고, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 배터리 및 캐패시터 등의 전기 축전지에 저장된다.
또한, 도7a는 팽창 및 압축장치(100)가 압축기로서 동작하는 경우를 나타내고, 도7b는 팽창 및 압축 장치(100)가 팽창 장치로서 동작하는 경우를 나타낸다.본 실시예에서, 팽창 및 압축 장치(100)는 날개식 유체 기구(vane type fluid machine)로 구성된다.
또한, 팽창 및 압축 장치(100)가 압축기로서 동작할 때, 제어밸브(36)는 체크 밸브와 같은 배출 밸브(discharge valve)로서 기능한다. 한편, 팽창 및 압축 장치(100)가 팽창 장치로서 동작할 때, 제어 밸브(36)는 개방된 밸브로서 기능한다.
도6은 본 발명의 팽창 및 압축 장치(100)가 제1 실시예에 적용된 경우를 나타낸다. 그러나, 본 발명은 과냉각기(15)를 갖는 제2 실시예에 적용될 수도 있다.
(제5 실시예)
본 발명의 제5 실시예를 도8을 참조하여 이하에 설명한다. 제5 실시예에서, 도8에 나타낸 바와 같이, 팽창 및 압축 장치로서 혼합식(hybrid type)이 이용된다. 혼합식 팽창 및 압축 장치(100)에서, 엔진(20)이 동작 중에 있을 때, 냉매는 전기 모터, 즉 엔진(20) 이외의 구동원으로부터 유도되는 동력의 작용에 의해 흡입 및 압축된다. 한편, 엔진(20)이 동작중이지 않을 때, 냉매는 전기 모터로부터 유도되는 동력의 작용에 의해 흡입 및 압축된다.
본 실시예에서, 팽창 및 압축 장치(100)는 압축기로서 기능하도록 동작하고, 발전기(33b)는 전기 모터로서 동작된다.
도8은 본 발명의 제5 실시예가 제1 실시예에 적용된 경우를 나타낸다. 그러나 본 발명의 제5 실시예는 과냉각기(15)를 갖는 제2 실시예에 적용될 수 있다.
(제6 실시예)
본 발명의 제6 실시예를 도9를 참조하여 이하에 설명한다. 제6 실시예에서, 도9에 나타낸 바와 같이, 제2 기체-액체 분리기(37) 및 액체 펌프(32)는 제3 바이패스 회로(38) 내에 제공된다. 제2 기체-액체 분리기(37)는 폐열 회수 동작 중에 라디에이터(11)로부터 유출되는 냉매를 가스상 냉매와 액상 냉매로 분리한다. 제3 바이패스 회로(38)에 제공되는 액체 펌프(32)는 제2 기체-액체 분리기(37)의 출구로부터 유출되는 냉매를 스위칭 밸브(34c)를 바이패스하면서 가열기(30)로 안내한다. 게다가, 제2 바이패스 회로(34)는 기체-액체 분리기(12(이하, 제1기체-액체 분리기(12)로서 참조함)와 라디에이터(11) 사이의 위치에서 라디에이터(11)에 연결된다.
이어서, 공조 동작에 있어서, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 압축기(10)는, 스위칭 밸브(34a,34c)를 개방하고, 스위칭 밸브(34b)는 폐쇄하면서 동작된다. 동시에 3-웨이 밸브(21)가 동작되어, 엔진 냉각수는 가열기(30)를 바이패스하면서 순환된다.
결과적으로, 냉매는 압축기(10), 가열기(30), 라디에이터(11), 제1 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14), 및 압축기(10)의 순으로 순환된다. 엔진 냉각수는 가열기(30)로 순환되지 않기 때문에, 냉매는 가열기(30)에서 가열되지 않고, 따라서 가열기(30)는 단지 냉매 경로로서 기능한다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 실내(객실)로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하여 증발되고, 증발 후 생성된 가스상 냉매는 압축기(10)에서 압축되어 고온으로 도달함에 따라, 라디에이터(11)에 의해 실내의 외기에 의해 냉각되어 응축된다.
게다가, 폐열 회수 동작에 있어서, 스위칭 밸브(34a,34c)는 폐쇄 상태로 설정되고, 액체 펌프(32)가 동작되며, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34b)가 개방된 채로 정지된다. 게다가, 3-웨이 밸브(21)가 동작되어, 엔진(20)으로부터 유출되는 엔진 냉각수는 가열기(30)를 통해 순환된다.
결과적으로, 냉매는 제2 기체-액체 분리기(37), 제3 바이패스 회로(38), 가열기(30), 에너지 회수 유니트(33)(팽창 장치(33a)), 제2 바이패스 회로(34), 라디에이터(11), 및 제2 기체-액체 분리기(37)의 순으로 순환된다. 폐열 회수 동작 중에, 냉매는 공조 동작 중의 흐름과는 역 방향으로 라디에이터(11)로 흐른다.
따라서, 가열기(30)에서 가열된 과열 증기 냉매는 팽창 장치(33a)로 유입되고, 팽창 장치(33a)로 유입되어진 과열 증기 냉매는 팽창 장치(33a)에서 등엔트로피적인 팽창을 수행하면서 그 엔탈피를 감소한다. 팽창 장치(33a)는 엔탈피의 감소 부분에 대응하는 기계적 에너지를 발전기(33b)에 제공하기 때문에, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 배터리, 캐패시터 등의 전기 축전기에 저장된다.
본 실시예는 압축기(10) 및 열 회수 유니트(33)가 일체화되어 있는 팽창 및 압축 장치(100)의 사용을 통해 수행될 수 있다.
(제7 실시예)
본 발명의 제7 실시예를 도10을 참조하여 이하에 설명한다.
전술한 본 발명의 제1 내지 제6 실시예에서, 3-웨이 밸브(21)는 엔진(20)에서의 폐열을 회수한 엔진 냉각수가 가열기(30)로 공급되는 경우와 엔진 냉각수수가 가열기(30)로 공급되지 않는 경우 사이를 전환하도록 배치된다. 그러나, 제7 실시예에서, 도10에 나타낸 바와 같이, 3-웨이 밸브(21)를 이용하지 않고, 기체-액체 분리기(12)를 팽창 및 압축 장치(100)로 직접 연결하는 냉매 회로(31b)가 제공된다. 게다가, 액체 펌프(32) 및 가열기(30)는 냉매 회로(31b) 내에 배치된다.
따라서, 본 실시예에서, 엔진(20)의 동작 동안, 엔진 냉각수는 항상 가열기(30)로 순환된다. 이 경우, 액체 펌프(32)의 동작 여부에 의해 엔진 냉각수로부터의 폐열 회수의 여부가 제어된다. 팽창 및 압축 장치(100)는 팽창 장치로서 동작하고, 제어 밸브(36)는 개방된 밸브로서 기능한다.
제7 실시예에 따른 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 상세한 동작을 이하에 설명한다.
1. 공조 동작
공조 동작에 있어서, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 스위칭 밸브(34c)는 개방된다. 동시에, 팽창 및 압축 장치(100)는 발전기(33b)를 전기 모터로서 동작시킴으로써 동작된다.
결과적으로, 냉매는 팽창 및 압축 장치(100), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14), 및 팽창 및 압축 장치(100)의 순으로 순환된다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 실내로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하여 증발된다. 증발 후 생성된 가스상 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)에서 압축되어 고온으로 도달하고, 실외 공기에 의해 라디에이터(11)에서 냉각되어 응축된다.
2. 폐열 회수 동작
폐열 회수 동작 모드가 설정되면, 스위칭 밸브(34c)는 폐쇄 상태로 설정되고, 액체 펌프(32)가 동작된다.
결과적으로, 냉매는 기체-액체 분리기(12), 냉매 회로(31b), 가열기(30), 팽창 및 압축 장치(100), 제2 바이패스 회로(34), 라디에이터(11), 및 기체-액체 분리기(12)의 순으로 순환된다.
따라서, 가열기(30)에서 가열된 과열 증기 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)로 유입된다. 따라서, 팽창 및 압축 장치(100)로 안내된 과열 증기 냉매는 팽창 및 압축 장치(100)에서 등엔트로피적인 팽창을 수행하면서 그 엔탈피를 감소시킨다.
팽창 및 압축 장치(100)는 엔탈피의 감소된 부분에 대응하는 기계적 에너지를 발전기(33b)에 제공하기 때문에, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 배터리, 캐패시터 등의 전기 축전기에 저장된다.
전술한 바와 같이, 제7 실시예에서, 3-웨이 밸브(21)가 이용될 수 없기 때문에, 엔진 냉각수를 위한 회로는 단순해질 수 있고, 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 제조 비용이 절감될 수 있다.
도10은 본 실시예를 제4 실시예에 따른 증기-압축 냉동 사이클 시스템에 적용한 경우를 나타낸다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고, 제3, 제5, 및 제6 실시예 중 어느 하나의 실시예에 적용될 수 있다.
(제8 실시예)
본 발명의 제8 실시예를 도11을 참조하여 이하에 설명한다. 상술한 제1 내지 제7 실시예에서, 엔진 냉각수만이 냉매를 가열하기 위한 열원으로서 사용되었다. 그러나, 본 실시예에서, 냉매를 가열하기 위한 열원으로서, 엔진(20)으로부터의 배기 가스(exhaust gas)도 엔진 냉각수와의 조합으로 이용될 수 있다.
도11에 나타낸 바와 같은 제8 실시예에서, 기체-액체 분리기(12)를 팽창 및 압축 장치(100)로 직접적으로 연결하기 위한 냉매 회로(31b)는 배기관(26)의 외벽과 접촉하도록 엔진(20)의 배기관(26)을 지나간다. 따라서, 엔진 냉각수에 의해 가열된 냉매는 배기 가스의 열에 의해 더 가열된다. 배기관(26)은 본 발명의 제8 실시예에서 보조 가열기로서 이용된다.
따라서, 본 실시예에서, 냉매는 배기 가스의 열을 이용하여 더 가열될 수 있기 때문에, 폐열 회수량을 증가시킬 수 있고, 냉매의 온도도 상승시킬 수 있다. 따라서, 팽창 및 압축 장치(100)의 에너지 회수량 및 회수 효율이 향상된다.
(제9 실시예)
본 발명의 제9 실시예를 도12 내지 도15를 참조하여 이하에 설명한다. 제9실시예에서, 전술한 실시예와 동일한 부분은 동일한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
제1 바이패스 회로(31)는 기체-액체 분리기(12)에서 분리된 액상 냉매를 라디에이터(11)측상의 가열기(30)의 냉매 입구/출구를 향해 안내하는 냉매 경로이다. 제1 바이패스 회로(31)에는 액상 냉매를 순환시키기 위한 액체 펌프(32) 및 냉매를 기체-액체 분리기(12)로부터 가열기(30)로만 흐르게 하는 체크 밸브(31)가 제공된다. 액체 펌프(32)는 그 흡입측이 기체-액체 분리기(12)의 하방측(lower side)에 대응하도록 배치된다. 제9 실시예에서, 액체 펌프(32)는 모터 구동 펌프이다.
압축기(10)와 평행하게 배열된 냉매 회로에는 가열기(30)로 주어진 열 에너지를 기계적(회전) 에너지로서 회수하기 위해 가열기(30)로부터 유출된 과열 증기 냉매를 팽창시키기 위한 에너지 회수 유니트(33)가 제공된다.
또한, 제9 실시예에서, 에너지 회수 유니트(33)는, 전술한 제1 실시예와 유사하게, 팽창 장치(33a) 및 팽창 장치(33a)로부터 전달된 기계적 에너지에 의해 구동되는 발전기(33b)로 구성된다. 또한, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 예컨대 배터리(33c)에 저장된다.
또한, 제2 바이패스 회로(34)는 팽창 장치(33a)의 냉매 출구측과 라디에이터(11)의 냉매 입구측을 연결하기 위한 냉매 경로이다. 제2 바이패스 회로(34)에는 냉매를 팽창 장치(33a)의 냉매 출구측으로부터 라디에이터(11)의 냉매 입구측으로만 흐르게 해주는 체크 밸브(34d)가 제공된다.
게다가, 체크 밸브(14a)는 냉매를 증발기(14)의 냉매 출구측으로부터압축기(10)의 흡입측으로만 흐르게 하고, 스위칭 밸브(34a)는 냉매 경로를 개폐하기 위한 전자기 밸브이다.
또한, 라디에이터(11)의 냉매 출구측과 액체 펌프(32)의 흡입측을 연결하기 위한 냉매 회로가 제공된다. 이 냉매 회로에서, 액체 펌프(32)의 측상의 기체-액체 분리기(12)의 액상 냉매 출구 중 하나와 액체 펌프(32)의 흡입측 사이에는, 냉매 회로 내의 냉매와 감압 장치(13)에서 감압을 수행한 후의 저압 냉매 사이의 열 교환을 수행하기 위한 내부 열 교환기(136)가 제공된다. 즉, 내부 열 교환기(136)는 기체-액체 분리기(12)의 가스상 냉매 출구 및 액체 펌프(32)의 흡입측과 연통된 제1 냉매 통로, 및 감압 장치(13)로부터 저압 냉매가 흘러 통과하는 제2 냉매 통로를 갖는다. 내부 열 교환기(136)에서 가열된 저압 냉매는 증발기(14)의 냉매 출구측으로 복귀한다. 따라서, 기체-액체 분리기(12)의 액상 냉매 출구와 액체 펌프(32)의 흡입측 사이의 냉매 회로 내의 냉매는 냉각된다.
게다가, 3-웨이 밸브(37)는 감압 장치(13)로부터 유출된 저압 냉매가 증발기(14)로 순환되는 경우와, 감압 장치(13)로부터 유출된 저압 냉매가 내부 열 교환기(136)로 순환되는 경우 사이를 전환한다. 스위칭 밸브(34a~34c) 및 3-웨이 밸브(21,37) 등은 전자 제어기에 의해 제어된다.
그리고, 물 펌프(22)가 엔진 냉각수의 순환을 위해 이용되고, 라디에이터(23)는 엔진 냉각수와 외기 사이의 열 교환을 통해 엔진 냉각수를 냉각한다.
도12에서, 물 바이패스 회로(water bypass circuit) 및 물 바이패스 회로에제공된 유속 조절 밸브는 생략되었다. 엔진 냉각수는 라디에이터(23)를 바이패스하면서 물 파이패스 통로를 통해 흐르고, 유속 조절 밸브는 바이패스 회로를 통해 흐르는 엔진 냉각수의 유속과, 라디에이터를 통해 흐르는 엔진 냉각수의 유속을 조정한다.
물 펌프(22)는 엔진(20)으로부터의 동력에 의해 구동되는 기계 펌프이다. 그러나, 당연히 전기 모터에 의해 동작되는 모터 구동 펌프가 기계 펌프를 대신하여 이용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 랭킨 사이클 및 냉동 사이클을 갖는 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 동작을 설명한다.
1. 공조 동작(도13 참조)
이 공조 동작은 냉매가 라디에이터(11)에 의해 냉각되는 동시에 증발기(14)가 냉동 능력을 발휘하는 동작 모드이다.
본 실시예에서, 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 증기-압축 냉동 사이클로부터 전달되는 냉기를 이용하는 흡열 작용인 냉각 동작 및 제습 동작 동안에만 동작된다. 증기-압축 냉동 사이클 시스템은 라디에이터(11)로부터 전달된 열을 이용하는 가열 동작 동안에는 동작하지 않는다. 그러나, 가열 동작에서의 증기-압축 냉동 사이클 시스템의 동작은 각각의 냉동 동작 및 제습 동작시에서와 동일하다.
보다 상세하게, 공조 동작에서, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34a,34c)를 개방하고, 스위칭 밸브(34b)는 폐쇄하면서 동작된다. 동시에, 3-웨이 밸브(21)는 도13에 나타낸 바와 같이 동작되어, 냉각수가 가열기(30)를 바이패스하면서 순환되게 한다.
결과적으로, 냉매는 압축기(10), 가열기(30), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 증발기(14), 및 압축기(10)의 순으로 순환된다. 엔진 냉각수는 가열기(30)로 순환되지 않기 때문에, 냉매는 가열기(30)에서 가열되지 않고, 따라서 가열기(30)는 단지 냉매 경로로서 기능한다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 객실로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수함으로써 증발되고, 증발기(14)에서 증발된 후 생성된 가스상 냉매는 압축기(10)에서 압축되어 고온으로 도달함에 따라 라디에이터(11)에 의해 외기로 냉각되어 응축된다.
본 실시예에 있어서, 프레온(HFC134a)이 냉매로 이용될 수 있다. 그러나, 냉매는 냉동 사이클에서의 고온 상에서 액화될 수 있다면 HFC134a 만으로 한정되는 것은 아니다.
2. 폐열 회수 동작
폐열 회수 동작은 엔진(20)의 폐열이 공조 장치, 즉 압축기(10)의 동작을 정지시킴으로써 재이용 가능한 에너지로서 회수되는 동작 모드이다. 이 폐열 회수 동작은 에너지 회수를 수행하기 위한 정상 동작 모드(steady operation mode) 및 정상 동작 모드로 진입하기 전에 수행되는 개시 모드(start mode)를 포함한다.
개시 모드는 폐열 회수 시작 신호가 스위치 등에 의해 발행되는 시간으로부터 폐열 회수 동작을 시작하는 소정 시간 동안 수행된다. 이어서, 정상 동작 모드는 개시 모드가 수행된 후 소정 시간 동안 수행된다.
먼저, 폐열 회수 동작의 개시 모드를 도14를 참조하여 이하에 설명한다.
폐열 회수 동작 중의 개시 모드 동안에는, 액체 펌프(32)는 정지 상태로 설정되고, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34a,34c)를 개방하고, 스위칭 밸브(34b)를 폐쇄하면서 동작되고, 3-웨이 밸브(37)는 도14에 나타낸 바와 같이 스위치 된다. 이 경우, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 내부 열 교환기(136)를 통해 순환된다.
공조 동작과 유사하게, 엔진 냉각수는 폐열 회수 동작의 개시 모드에서 가열기(30)를 바이패스하도록 순환된다.
결과적으로, 폐열 회수 동작의 개시 모드에서, 냉매는 압축기(10), 가열기(30), 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12), 감압 장치(13), 내부 열 교환기(136), 및 압축기(10)의 순으로 순환된다. 엔진 냉각수는 가열기(30)로 순환되지 않기 때문에, 냉매는 가열기(30)에서 가열되지 않고, 따라서 가열기(30)는 단지 냉매 경로로서 기능한다.
따라서, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 기체-액체 분리기(12)의 가스상 냉매 출구와 액체 펌프(32)의 흡입측을 연결하는 냉매 회로 내의 냉매(이하 흡입 냉매로서 참조함)로부터 열을 흡수하여 증발된다. 즉, 감압 장치(13)에서 감압된 후의 저압 냉매는 내부 열 교환기(136)의 제1 냉매 통로 내의 냉매로부터 열을 흡수하여 증발된다. 따라서, 기체-액체 분리기(12)의 가스상 냉매 출구와액체 펌프(32)의 흡입측 사이의 냉매 회로 내의 냉매가 냉각된다. 한편, 내부 열 교환기(136)에서 증발된 후 생성된 가스상 냉매는 압축기(10)에서 압축되어 고온을 가지며, 실외 공기에 의해 라디에이터(11)에서 냉각되어 응축된다.
이어서, 폐열회수 동작의 정상 동작 모드를 도15를 참조하여 이하에 설명한다. 폐열 회수 동작의 정상 동작 모드에서, 스위칭 밸브(34a,34c)는 폐쇄 상태로 설정되고, 액체 펌프(32)가 동작되고, 압축기(10)는 스위칭 밸브(34b)를 개방하면서 정지된다. 동시에, 3-웨이 밸브(21)는 도15에 나타낸 바와 같이 동작되어, 엔진으로부터 유출된 엔진 냉각수가 가열기(30)를 통해 순환되도록 한다.
결과적으로, 냉매는 기체-액체 분리기, 제1 바이패스 회로(31), 가열기(30), 에너지 회수 유니트(33)(팽창 장치(33a)), 제2 바이패스 회로(34), 라디에이터(11), 및 기체-액체 분리기(12)의 순으로 순환된다.
따라서, 가열기(30)에서 가열된 과열 증기 냉매는 에너지 회수 유니트(33)의 팽창 장치(33a)로 유입되고, 팽창 장치(33a)로 안내되어진 과열 증기 냉매는 등엔트로피적인 팽창을 수행하면서 그 엔탈피를 감소시킨다. 팽창 장치(33a)는 엔탈피의 감소 부분에 대응하는 기계적 에너지를 발전기(33b)에 제공하기 때문에, 발전기(33b)에 의해 생성된 전력은 배터리(33c) 및 캐패시터 등의 전기 충전기에 저장된다.
게다가, 팽창 장치(33a)로부터 유출되는 냉매는 라디에이터(11)에서 냉각되고, 기체-액체 분리기(12)에 응축되어 저장된다. 기체-액체 분리기(12) 내측의 액상 냉매는 액체 펌프(32)에 의해 가열기(30)를 향해 송출된다.
일반적으로, 액체 펌프(32)는 가열기(30)에서 가열된 후 생성된 과열 증기 냉매가 기체-액체 분리기(12)를 향해 역류하는 것을 방지하도록 설정되는 압력에서 액상 냉매를 가열기(30)로 송출한다.
이어서, 본 실시예의 동작 효과를 이하에 설명한다.
본 실시예에서, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 랭킨 사이클이 정확하게 시작되기 이전에 냉동 사이클에 의해 냉각된다. 따라서, 액체 펌프(32)로 흡입되어질 냉매는 액상 냉매로 확실하게 전환될 수 있고, 동시에 액체 펌프(32)로 흡입되어질 액화 냉매의 과냉각도는 상승될 수 있다.
따라서, 흡입 냉매의 증발(비등)이 액체 펌프(32)의 흡입측상에서 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하면, 액체 펌프(32)의 펌프 효율의 악화가 방지될 수 있다. 따라서, 랭킨 사이클이 고효율로 동작될 수 있다.
게다가, 실제적으로 랭킨 사이클을 시작하기 전에 증기-압축 냉동사이클을 사용하여 흡입 냉매를 냉각함으로써, 냉매 회로 내에 산재된 냉매가 내부 열 교환기(136) 내에 수집되는 방식으로 응축을 수행한다. 따라서, 폐열 회수 동작에 이용되지 않은 냉매 회로 내에 냉매가 잔존하는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 이는 폐열 회수 동작에 효과적으로 이용되는 냉매 부피를 증가시켜, 증기-압축 냉매 사이클 시스템에 충전되어지는 냉매 부피가 필수적인 최소량으로 제어될 수 있다.
게다가, 액체 펌프(32)는 그 흡입측이 기체-액체 분리기(12)의 하부측에 대응하도록 배치되기 때문에, 냉매의 자체 중량으로 인한 압력이 액체 펌프(32)의 흡입측상에 작용한다. 이에 의하면, 흡입측 상의 냉매의 압력이 비등 압력 아래로 강하하거나, 또는 흡입 압력의 작용에 의해 낮아지는 것을 방지함에 따라, 액체 펌프(32)의 펌프 효율이 악화되는 것이 방지된다.
(제10 실시예)
본 발명의 제10 실시예를 도16을 참조하여 이하에 설명한다.
본 발명의 제10 실시예에서, 액체 펌프(32), 기체-액체 분리기(12), 및 내부 열 교환기(136)는 도16에 나타낸 바와 같이 서로 일체화된다. 또한, 제10 실시예에서, 액체 펌프(32) 및 기체-액체 분리기(12)는 내부 열 교환기(136) 근방에 배열된다. 따라서, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매가 내부 열 교환기(136)에서 자연적으로 냉각될 뿐만 아니라 액체 펌프(32) 및 기체-액체 분리기(12)도 폐열 회수 동작의 개시 모드에서 냉각될 수 있다.
결과적으로, 비교적 열 용량이 높은 액체 펌프(32) 및 기체-액체 분리기(12)를 효과적으로 냉각할 수 있다. 따라서, 액체 펌프(32)로 흡입되어질 흡입 냉매의 과냉각도는 효과적으로 상승될 수 있고, 액체 펌프(32)의 펌프 효율의 악화가 방지될 수 있으며, 따라서 랭킨 사이클을 고효율로 동작시킬 수 있다.
제10 실시예에서, 다른 부분들은 전술한 제9 실시예와 동일하다.
(제11 실시예)
본 발명의 제11 실시예를 도17을 참조하여 이하에 설명한다.
도17에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제11 실시예에는 외기를 이용하여기체-액체 분리기(12)로부터의 액상 냉매를 더 냉각하기 위한 과냉각기(38)가 제공된다. 과냉각기(38)는 기체-액체 분리기(12)와 내부 열 교환기(136) 사이에 배치된다.
게다가, 본 실시예에서, 라디에이터(11), 기체-액체 분리기(12) 및 과냉각기(38)는 납땜 등에 의해 서로 일체화된다.
결과적으로, 폐열 회수 동작의 정상 상태가 수행될 때, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매의 과냉각도가 상승될 수 있다. 따라서, 액체 펌프(32)의 펌프 효율의 악화가 안정적으로 방지되어, 랭킨 사이클을 고효율로 동작시킬 수 있다. 제11 실시예에서, 다른 부분들은 전술한 제9 실시예와 동일하다.
(제12 실시예)
본 발명의 제12 실시예를 도18을 참조하여 이하에 설명한다. 전술한 제9 내지 제11 실시예에서, 소정 시간 동안 폐열 회수 동작의 개시 모드를 수행한 후에, 폐열 회수 동작의 정상 동작 모드가 수행된다. 그러나, 도18에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서, 기체-액체 분리기(12)는 액상 냉매의 액면 위치(liquid surface position)를 검출하기 위한 액면 센서(liquid surface sensor)(12a)가 제공되고, 폐열 회수 동작의 개시 모드는 기체-액체 분리기(12) 내측의 액면 위치가 소정값 보다 높아질 때 까지 수행된다. 즉, 폐열 회수 동작의 개시 모드는 액체 펌프(32)로 흡입되어질 액상 냉매의 부피가 소정 부피 또는 그 이상으로 도달할 때 까지 수행된다.
결과적으로, 액체 펌프(32)로 흡입되어질 액상 냉매가 확실하게 확보될 수 있다. 동시에, 폐열 회수 동작의 개시 모드는 필요한 시간 이상으로 수행되지 않을 것이다. 따라서, 회수된 폐열량(waste heat quantity)은 효과적으로 향상될 수 있다.
도18에서, 본 발명의 제12 실시예는 제9 실시예에 따른 랭킨 사이클에 적용될 수 있다. 그러나, 제12 실시예의 기체-액체 분리기(12)의 액면 센서(12a)를 이용하는 개시 모드의 동작은 제9 실시예에 이용되는 것으로 한정되지 않고, 다른 실시예에 이용될 수 있다.
(제13 실시예)
본 발명의 제13 실시예를 도19를 참조하여 이하에 설명한다. 전술한 제9 내지 제12 실시예에서, 소정 시간동안 폐열 회수 동작의 개시 모드를 수행한 후에, 폐열 회수 동작의 정상 동작 모드가 수행된다. 그러나, 도19에 나타낸 바와 같이, 제13 실시예에서, 기체-액체 분리기(12)에는 액상 냉매의 온도를 검출하기 위한 제1 온도 센서(12b)가 제공된다. 또한, 온도 센서(12b,12c) 각각의 검출 온도 사이의 차이를 계산하기 위해, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매의 온도를 검출하기 위한 제2 온도 센서(12c)가 내부 열 교환기(136)의 냉매 출구측상에 제공된다. 따라서, 액체 펌프(32)로 흡입되어질 액상 냉매의 과냉각도가 결정될 수 있다. 본 실시예에서, 폐열 회수 동작의 개시 모드는 소정 과냉각도가 소정값을 초과할 때 까지 수행된다.
결과적으로, 액체 펌프(32)로 흡입되어질 액상 냉매가 확실하게 확보되고, 폐열 회수 동작의 개시 모드는 필요 이상의 시간 동안 수행되지 않는다. 따라서, 회수된 폐열량이 효과적으로 향상될 수 있다
도19에서, 본 발명의 제13 실시예는 제9 실시예에 따른 랭킨 사이클에 적용된다. 그러나, 제13 실시예의 센서(12b,12c)를 이용하는 개시 모드의 동작은 제9 실시예에 이용되는 것으로 한정되지 않고, 다른 실시예에 이용될 수 있다.
(제14 실시예)
본 발명의 제14 실시예를 도20을 참조하여 이하에 설명한다.
전술한 제13 실시예에서, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 증기-압축 냉동 사이클을 이용하여 냉각된다. 그러나, 제14 실시예에서, 도20에 나타낸 바와 같이, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 펠티에 효과(Peltier effect)를 갖는 전자 냉동기(electronic refrigerator)(39)에 의해 냉각된다.
결과적으로, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 증기-압축 냉동 사이클과 비교하여 크기가 작은 전자 냉동기(39)에 의해 냉각된다. 따라서, 차량 상의 랭킨 사이클의 탑재 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서, 폐열 회수 동작의 정상동작 모드 이전의 개시 모드 동안에, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 전자 냉동기(39)에 의해 전술한 제9 내지 제13 실시예와 동일하게 냉각된다. 그러나, 제14 실시예는 이에 한정되지 않고, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매는 정상 동작 모드에서도 냉각될 수 있다.
또한, 액체 펌프(32)의 흡입 냉매가 재개시 등의 시간에서 충분한 과냉각도를 갖는 경우, 동작을 중지한 직후, 전자 냉동기(39)는 개시 시간에서도 정지될 수 있다.
(제15 실시예)
본 발명의 제15 실시예를 도21을 참조하여 이하에 설명한다.
전술한 제9 내지 제14 실시예에서, 흡입 냉매의 비등은 액체 펌프(32)의 흡입 냉매를 냉각함으로써 방지된다. 그러나, 제15 실시예에서, 도21에 나타낸 바와 같이, 피드 펌프(feed pump)(32a)는 액체 펌프(32)의 흡입측 상에 배치된다. 이러한 배열에 의해, 액체 펌프(32)의 흡입측 상에서의 액체 펌프(32)의 압력이 비등 압력 또는 그 이하로 강하되는 것이 방지되고, 따라서 액체 펌프(32)의 펌프 효율의 악화를 방지한다.
게다가, 피드 펌프(32a)는 피드 펌프(32a)의 흡입 입구가 기체-액체 분리기(12) 내측의 액면 보다 높지 않게 위치되도록 기체-액체 분리기(12) 내에 하우징된다. 동시에, 액체 펌프(32) 및 피드 펌프(32a)는 액체 펌프(32)의 흡입측을 피드 펌프(32a)의 배출측에 직접 연결함으로써 서로 일체화된다.
게다가, 본 실시예에서, 액체 펌프(32) 및 피드 펌프(32a)는 동시에 개시(동작)되거나 정지된다. 그러나, 랭킨 사이클(폐열 회수 동작)의 개시 시간에, 액상 냉매가 피드 펌프(32a)의 흡입측상에 존재하지 않는 경우, 즉 기체-액체 분리기(12)의 내측에 존재하지 않는 경우, 증기-압축 냉동 사이클을 동작시킴으로써, 동작 모드는 개시 모드로 전환되어 기체-액체 분리기(12) 내에 액상 냉매를 저장한다. 소정 부피 보다 작은 액상 냉매가 기체-액체 분리기(12) 내에 저장되면, 증기-압축 냉동 사이클이 정지되고, 액체 펌프(32) 및 피드 펌프(32a)가 동작된다.
전술한 제15 실시예에서, 다른 부분은 전술한 제9 실시예와 동일하다.
(제16 실시예)
본 발명의 제16 실시예를 도22를 참조하여 이하에 설명한다.
전술한 제9 내지 제15 실시예에서, 하나의 라디에이터(11)가 증기-압축 냉동 사이클용 응축기 및 랭킨 사이클용 응축기로서 이용된다. 그러나, 제16 실시예에서, 도22에 나타낸 바와 같이, 증기-압축 냉동 사이클용 라디에이터(11a) 및 랭킨 사이클용 라디에이터(11b)가 독립적으로 제공되어, 증기-압축 냉동사이클이 랭킨 사이클과 독립적으로 동작될 수 있다.
결과적으로, 본 실시예에서, 증기-압축 냉동 사이클용 기체-액체 분리기(40) 및 랭킨 사이클용 기체-액체 분리기(41)가 제공되는 반면 팽창 장치(33a)는 동력을 간헐적으로 전달하기 위한 전자 클러치(10a) 등의 전력 전달 수단을 통해 압축기(10)에 링크된다.
증기-압축 냉동 사이클이 동작중인 동안 랭킨 사이클이 동작되는 경우, 폐열로부터 회수된 에너지는 전자 클러치(10a)를 맞물리게 하여 압축기(10)로 전달된다. 한편, 랭킨 사이클이 비 동작 중인 동안 증기-압축 냉동 사이클이 동작되는 경우, 압축기(10)는 엔진(20)에 의해 동작된다.
또한, 폐열로부터 회수된 에너지만을 이용하여 압축기(10)를 동작시키기 곤란한 경우, 압축기(10)는 팽창 장치(33a) 및 엔진(20) 모두를 이용하여 동작될 수 있다.
게다가, 본 실시예에서, 증기-압축 냉동 사이클용 라디에이터(11a)는 랭킨 사이클용 라디에이터(11b)와 독립적으로 동작될 수 있기 때문에, 증기-압축 냉동 사이클을 이용하여 액체 펌프(32)의 흡입 냉매를 냉각하는 개시 모드 중에, 고온의 엔진 냉각수(예컨대, 80~110℃)를 가열기(30)로 안내할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서, 가열기(30)는 고온의 엔진 냉각수(80~110℃)를 가열기(30)로 안내함으로써 과열 증기 냉매를 생성하는 증기 생성기로서 동작된다. 이 경우, 가열기(30) 내에 잔존하는 냉매는 기체-액체 분리기(41) 및 내부 열 교환기(136)를 향해 순환되어, 액상 냉매는 액체 펌프(32)의 흡입측상에 용이하게 저장될 수 있다.
또한, 개시 모드를 수행하는 시간은 제9, 제12 및 제13 실시예와 동일하다.
본 실시예에서, 엔진 냉각수의 사용에 의해 실내로 송풍되는 공기를 가열하기 위해, 공기 가열기(42)가 증발기(14)의 공조 케이스 하류에 열원으로서 배치된다. 또한, 가열기를 통과해 지나는 뜨거운 공기의 양과, 가열기(42)를 바이패스하는 차가운 공기의 양을 조절하여 실내로 송풍되는 공기의 온도를 제어하기 위해 공기 혼합 도어(43)가 배치된다. 또한, 도22에서, 공기 펌프(22a), 스위칭 밸브(22b) 및 밸브(21)는 엔진 냉각수를 계산하기 위해 온수 회로(water circuit)에 제공된다.
본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 그 도면을 참조해서 설명하였지만, 각종 변경 및 변형이 당업자에 의해 발생될 수 있다.
예컨대, 전술한 실시예에서, 에너지 회수 유니트(33)에 의해 회수되는 에너지는 전기 축전기에 저장되지만, 플라이휠(flywheel)의 운동 에너지 또는 스프링의 탄성 에너지 등의 기계적 에너지의 형태로 회수된 에너지가 저장될 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 실시예에서(각각 도1, 도4, 도5), 가열기(30)는 라디에이터(11)와 압축기(10) 사이에 일렬로 배치된다. 그러나, 냉매는 폐열 회수 동작(랭킨 사이클)시에만 가열기(30)에서 가열되기 때문에, 가열기(30)가 라디에이터(11)와 팽창 장치(33a) 사이에(예컨대, 도1 내의 점(A) 보다 팽창 장치(33a)에 근접한 냉매 회로내의 점) 일렬로 배치되더라도, 랭킨 사이클을 동작시킬 수 있다.
또한, 가열기(30) 내의 냉매를 가열하기 위한 열원으로서, 차량에 탑재된 각종 설비에 이해 생성되는 폐열, 예컨대 터빈의 흡입 열(intake heat), 변환기의 생성열, 및 보조 설비의 폐열이 이용될 수 있다. 그리고, 냉매는 단지 하나의 열원 또는 복수 열원의 조합을 이용하여 가열기(30)에서 가열될 수도 있다.
본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않고, 전술한 실시예 중 적어도 두개의 실시예가 결합되어 본 발명을 수행할 수도 있다.
이러한 변경 및 변형은 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 이해되어야 한다.
본 발명에 의하면, 효과적으로 동작될 수 있는 랭킨 사이클 및 냉동 사이클이 제공된 증기-압축 냉동 사이클 시스템을 제공할 수 있으며, 액체 펌프의 펌프 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (36)

  1. 냉매를 흡입 및 압축하기 위한 압축기(compressor);
    상기 냉매를 냉각하기 위해, 상기 압축기의 냉매 배출측에 제공되는 라디에이터;
    상기 라디에이터로부터의 냉매를 가스 냉매 및 액체 냉매로 분리하기 위한 기체-액체 분리기;
    상기 기체-액체 분리기로부터 유출되는 상기 액체 냉매를 감압하기 위한 감압 장치;
    상기 감압 장치에서 감압되어진 후의 상기 냉매를 증발시키기 위한 증발기;
    상기 냉매를 가열하기 위한 가열기;
    상기 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매를 상기 가열기로 공급하기 위한 액체 펌프;
    상기 액체 펌프로 흡입되어질 상기 액체 냉매를 냉각하기 위한 냉각 수단;
    상기 가열기로부터의 상기 냉매에서 열 에너지를 회수하기 위해 상기 가열기로부터 유출되는 상기 냉매를 팽창시키기 위한 에너지 회수 유니트;
    상기 증발기가 냉동 능력을 갖는 냉동 사이클과, 상기 에너지 회수 유니트가 상기 열 에너지를 회수하는 랭킨 사이클 사이를 스위치하기 위한 스위칭 수단
    을 포함하고,
    상기 냉동 사이클에서, 상기 냉매는 상기 압축기, 라디에이터, 기체-액체 분리기, 감압 장치, 증발기, 및 압축기의 순으로 순환되고,
    상기 랭킨 사이클에서, 상기 냉매는 상기 기체-액체 분리기, 액체 펌프, 가열기, 에너지 회수 유니트, 라디에이터, 및 기체-액체 분리기의 순으로 순환되며,
    상기 냉각 수단은 상기 랭킨 사이클에서 상기 액체 펌프로 유입되어지는 액체 냉매를 냉각하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라디에이터는 냉매 회로(refrigerant circuit)를 통해 상기 압축기의 냉매 배출측에 연결되고,
    상기 스위칭 수단은 상기 랭킨 사이클에서 상기 압축기의 상기 냉매 배출측으부터 상기 라디에이터로의 냉매 흐름을 차단하기 위해 상기 냉매 회로에 배치되는 스위칭 부재를 포함하고,
    상기 액체 펌프는 상기 랭킨 사이클에서 상기 스위칭 부재를 바이패스하면서 상기 가열기로 상기 액체 냉매를 공급하기 위해 제공되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열기는 상기 랭킨 사이클에서 과열 증기 냉매를 생성하는 증기 생성기이며,
    상기 에너지 회수 유니트는 상기 랭킨 사이클에서 상기 가열기로부터의 상기 과열 증기 냉매를 등엔트로피(iso-entropy)적으로 팽창시키는 팽창 장치이고,
    상기 라디에이터는 상기 랭킨 사이클에서 상기 에너지 회수 유니트의 상기 팽창 장치 내의 팽창된 냉매를 냉각 및 응축하기 위해 배치되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기체-액체 분리기 내의 상기 액체 냉매가 상기 액체 펌프로 유입되는 제1 냉매 통로 및 상기 감압 장치에서 압축된 냉매가 흘러 통과하는 제2 냉매 통로를 갖는 내부 열 교환기
    를 더 포함하고,
    상기 액체 펌프가 상기 랭킨 사이클에서 동작되기 이전에, 상기 스위칭 수단은 상기 냉매가 상기 압축기, 가열기, 라디에이터, 기체-액체 분리기, 감압 장치, 내부 열 교환기, 및 압축기의 순으로 순환되는 개시 모드로 설정되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액체 펌프는 상기 개시 모드가 소정 시간 동안 수행된 후에 상기 랭킨 사이클에서 동작되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 개시 모드는 상기 기체-액체 분리기 내의 상기 액체 냉매의 양이 소정값 보다 크거나 같게 될 때 까지 수행되고,
    상기 액체 펌프는 상기 액체 냉매의 양이 상기 소정값으로 된 후에 상기 랭킨 사이클에서 동작되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 개시 모드는 상기 기체-액체 분리기 내의 상기 액체 냉매의 과냉각도(super-cooling degree)가 소정값 보다 크거나 같게 될 때 까지 수행되고,
    상기 액체 펌프는 상기 기체-액체 분리기 내의 액체 냉매의 과냉각도가 소정값으로 된 후에 상기 랭킨 사이클에서 동작되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 개시 모드에서, 상기 감압 장치에서 압축된 냉매는, 냉각 능력(cooling capacity)을 갖도록, 상기 기체-액체 분리기와 상기 액체 펌프 사이의 상기 제1 냉매 통로의 냉매에서 열을 흡수하여, 상기 내부 열 교환기의 상기 제2 냉매 통로에서 증발되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 펠티에 효과(peltier effect)를 이용하는 전자 냉동기인
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 외기를 이용하여 상기 기체-액체 분리기로부터의 액체 냉매를 냉각하는 과냉각기(super-cooler)인
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체-액체 분리기 내의 상기 액체 냉매를 상기 액체 펌프의 흡입측으로 공급하기 위한 추가 펌프
    를 더 포함하는 증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 추가 펌프는 상기 추가 펌프의 적어도 흡입 포트가 상기 기체-액체 분리기 내의 상기 액체 냉매 내에 위치되는 방식으로 배치되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 액체 펌프 및 상기 추가 펌프는 상기 기체-액체 분리기와 일체로 되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기 및 상기 에너지 회수 유니트는 일체로 되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 유니트는 냉매 흐름 내에서 상기 압축기와 평행하게 배열되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 유니트에 의해 회수된 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 수단
    을 더 포함하는 증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열기는 차량에 탑재된 설비로부터 생성되는 폐열을 이용하여 상기 냉매를 가열하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  18. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 HFC134a, HFC152a, 부탄, 프로판, 및 암모니아로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 상기 냉매의 주성분으로서 함유하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  19. 냉매를 흡입 및 압축하기 위한 압축기;
    상기 냉매를 냉각하기 위해, 상기 압축기의 냉매 배출측에 제공되는 라디에이터 - 상기 라디에이터는 냉매 회로를 통해 상기 압축기의 냉매 배출측에 연결되어 있음 - ;
    상기 라디에이터로부터 유출되는 냉매를 감압하기 위한 감압 장치;
    상기 감압 장치에서 감압되어진 후의 상기 냉매를 증발시키기 위한 증발기;
    상기 압축기의 냉매 배출측으로부터 상기 라디에이터로의 냉매 흐름을 차단하기 위해 상기 냉매 회로에 배치되는 냉매 차단 유니트;
    상기 냉매를 가열하기 위한 가열기;
    상기 냉매 차단 유니트를 바이패스하면서 상기 가열기로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급 수단; 및
    상기 가열기로부터의 상기 냉매 중의 열 에너지를 회수하기 위해 상기 가열기로부터 유출되는 상기 냉매를 팽창시키기 위한 에너지 회수 유니트
    를 포함하고,
    상기 증발기가 냉동 능력을 갖는 냉동 사이클이 설정되면, 상기 냉매는 상기 압축기, 라디에이터, 감압 장치, 증발기, 및 압축기의 순으로 순환되고,
    상기 에너지 회수 유니트가 열 에너지를 회수하는 랭킨 사이클이 설정되면, 상기 냉매 차단 유니트는 상기 압축기의 상기 냉매 배출측으로부터 상기 라디에이터로의 냉매 흐름을 차단하고, 상기 냉매는 상기 냉매 공급 수단에 의해 상기 가열기, 에너지 회수 유니트, 라디에이터, 및 가열기의 순으로 순환되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 압축기 및 상기 에너지 회수 유니트는 압축기 장치(compressor device)를 형성하기 위해 일체화되며,
    상기 압축기 장치는 상기 가열기로부터 유출되는 냉매가 상기 압축기 장치로 흐를 때 상기 에너지 회수 유니트로서 기능하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 회수 유니트는 상기 압축기와 병렬로 연결되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 가열기는 상기 압축기와 상기 라디에이터를 연결하고 있고 상기 냉매 회로에 제공되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 라디에이터로부터 유출되는 상기 냉매를 가스 냉매 및 액체 냉매로 분리하기 위한 기체-액체 분리기를 더 포함하고,
    상기 랭킨 사이클에서, 상기 기체-액체 분리기에서 분리되는 상기 액체 냉매는 상기 냉매 공급 수단에 의해 상기 가열기로 공급되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 회수 유니트에 의해 회수되는 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 수단을 더 포함하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 에너지 저장 수단은 캐패시터를 포함하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 에너지 저장 수단은 상기 에너지 회수 유니트에서 회수되는 에너지를 기계적 에너지로서 저장하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 회수 유니트는 상기 회수된 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  28. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 전기 모터에 의해 구동되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  29. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 각종 구동원(driving source)에 의해 구동되도록 배치되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  30. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 구동 모터 이외의 구동원에 의해 구동되도록 배치되는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  31. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 열을 이용하여 상기 냉매를 가열하기 위해, 상기 가열기와는 별개로 제공되는 보조 가열기를 더 포함하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  32. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열기는 가열 엔진에 의해 생성되는 폐열을 이용하여 상기 냉매를 가열하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 가열기는 상기 가열 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 열을 이용하여 상기 냉매를 가열하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  34. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열기는 차량상에 탑재된 설비에 의해 생성되는 폐열을 이용하여 상기 냉매를 가열하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  35. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열기는 복수의 열원을 이용하여 상기 냉매를 가열하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
  36. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 HFC134a, HFC152a, 부탄, 프로판, 및 암모니아로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 냉매의 주성분으로서 포함하는
    증기-압축 냉동 사이클 시스템.
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