KR20100050449A - 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 수냉식 엔진 냉각시스템에 있어서 물의 현열을 이용하여 엔진을 냉각시키던 방식을 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 등의 냉매 기화열인 잠열을 이용하는 방법을 도입하여 엔진을 냉각시키는 냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템의 일종으로 그 냉각성능을 강화시킨 것이다.
기존의 엔진의 냉각시스템은 공랭식, 수냉식이 있으나 엔진의 속도가 빨라지면서 엔진의 열이 많이 나서 공랭식은 거의 사용되지 않고 수냉식 냉각시스템이 주류를 이루고 있으나 수냉각 냉각시스템의 경우 지속적으로 물을 순환시켜주어야 하는 부담이 있고 물을 순환시켜주는 물펌프는 작동에 있어서 에너지를 사용하며 회전기기의 특성상 고장을 유발시킬 확률이 높다.
본 발명자는 출원번호 10-2010-0030643[냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템]을 통하여 엔진에서 제거시키고자 하는 폐열과 중력을 이용하는 자연순환방식을 제시한 바 있다. 엔진의 열에 의해 기화할 수 있는 냉매가 채워진 엔진냉매재킷(10)에서 냉매가 기화하면서 엔진으로부터 엔진냉매재킷(10)에 제공된 열을 제거시킨다. 본 발명에서는 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등 엔진의 규모가 큰 엔진의 냉각성능을 강화시키기 위하여 냉각시스템 구성요소를 추가하였다. 엔진의 규모가 커짐에 따라 엔진냉매재킷(10)에 다수의 기체인출관(22)을 설치하여 기체의 흐름을 원활하게 하였으며, 액체냉매가 빠르게 순환될 수 있도록 냉매공급펌프(31)를 추가하였으며, 응축기(11)의 성능을 보강하기 위하여 응축기(11)로서 열교환기형응축기(41)를 사용하도록 하였다. 따라서 냉각성능을 대폭 증대시켜 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등에 사용되는 엔진의 가동이 원활하도록 하여 엔진 운전 신뢰도를 대폭 증대시켰다.

Description

냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템{The cooling system for engine of vehicle strengthened cooling capacity}
엔진 냉각분야
기존의 엔진의 냉각시스템은 공랭식, 수냉식이 있으나 엔진의 속도가 빨라지면서 엔진의 열이 많이 나서 공랭식은 거의 사용되지 않고 수냉식 냉각시스템이 주류를 이루고 있다. 그러나 수냉각 냉각시스템의 경우 지속적으로 물을 순환시켜주어야 하는 부담이 있고 물을 순환시켜주는 물펌프는 작동에 있어서 에너지를 사용하며 회전기기의 특성상 고장을 유발시킬 확률이 높다. 본 발명자는 출원번호 10-2010-0030643[냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템]을 통하여 냉매 기화열로 엔진을 냉각시키는 발명을 제시한 바 있다. 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등에는 대규모 엔진이 설치되므로 이들을 원활히 냉각시키기 위해서는 냉각성능이 강화될 필요가 있다.
본 발명에서는 앞서 발명된 냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템에 냉각성능을 강하시키는 방법을 강구한다. 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등의 대형 엔진의 냉각에 적합하도록 기화한 기체냉매의 량이 많음을 감안하여 이들의 흐름을 원활히 하도록 하고, 엔진냉매재킷에 액체냉매의 공급이 원활히 되도록 하며 냉매공급펌프의 적용을 고려하며 약한 냉각성능이 필요한 경우와 강한 냉각성능이 필요한 경우 모두에 적합한 냉매 공급방법을 고려하며, 응축기를 다양한 냉열원으로 냉각시킬 수 있도록 열교환기형응축기의 적용을 구체화시킨다.
기존의 엔진워터재킷과 유사하게 엔진과 한 몸체를 이루는 엔진냉매재킷 내부에 엔진의 열에 의해 끓을 수 있는 냉매를 채워서 냉매의 기화열을 이용하여 엔진을 냉각시킴. 엔진냉매재킷 상부에 응축기를 설치하고 엔진냉매재킷과 응축기는 폐순환회로를 구성시켜 냉매가 자연순환하면서 엔진의 폐열을 응축기에서 버리도록 함.
엔진에는 이제까지 수냉각방식의 냉각시스템을 적용하여 왔다. 그러나 수냉각 방식은 물을 지속적으로 순환시켜야 하므로 물펌프가 반드시 필요하며 물펌프는 고장의 확률이 높으며 동력을 사용하여 활용에 비효율적인 측면이 있다. 본 발명에서는 엔진에서 제거시켜야 할 폐열에 의해 엔진냉매재킷(10) 내부에 채워진 냉매가 기화되면서 기화열로 엔진냉매재킷(10)을 냉각시키면서 자연순환하는 냉각방식을 택하도록 하였다. 특히 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등은 엔진의 규모가 커서 냉각성능을 강화시킬 필요가 있어서 큰 규모의 엔진에서 발생하는 많은 기체냉매가 원활히 흐르도록 엔진냉매재킷(10)에 다수의 기체인출관(22)을 설치하였으며 응축기(11)의 역할을 강화시키기 위하여 응축기(11)로서 열교환기형응축기(41)를 사용하도록 하였으며 액체배관(13)에 냉매공급펌프(31)를 설치하여 냉각성능을 획기적으로 증대시켰다.
도 1은 기존의 냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템 설명도이다.
도 2는 본 발명의 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템 설명도이다.
도 3은 냉매공급펌프가 추가된 사례 설명도이다.
도 4는 열교환기형응축기가 설치된 사례 설명도이다.
도 5는 라디에이터가 추가된 사례 설명도이다.
도 6은 터빈/터빈실이 추가된 사례 설명도이다.
도 7은 냉매공급펌프에 바이패스회로가 설치된 사례 설명도이다.
도 8은 구성요소를 종합한 사례 설명도이다.
도 1은 기존의 냉매 기화열을 이용한 엔진 냉각시스템 설명도이다. 엔진냉매재킷(10) 내부에 수용한 냉매(미도시)가 엔진으로부터 받은 열에 의해 기화를 하면서 엔진을 냉각시키고 기화된 냉매는 기체배관(12)을 통하여 응축기(11)에 유입되어 열을 버리고 액체로 상태변화를 한다. 액체냉매는 중력에 의해 액체배관(13)을 통하여 다시 엔진냉매재킷(10)에 유입됨으로써 냉각의 한 주기를 마친다.
도 2는 본 발명의 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템 설명도이다. 대형 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 등의 경우에는 엔진의 규모가 크므로 냉각성능을 강화시킬 필요가 있다. 기존의 엔진워터재킷과 같은 방법으로 엔진과 한 몸체를 이루며 엔진의 열을 흡수하기 위한 냉매가 순환되는 냉매 통로를 가지는 엔진냉매재킷(10)이 설치된다. 엔진냉매재킷(10) 상부에는 기체냉매를 집결시키는 기체헤더(21)가 설치된다. 엔진냉매재킷(10)에서 발생한 기체냉매를 인출시키기 위하여 엔진냉매재킷(10) 상부 일측과 기체헤더(21)를 관통하도록 연결하는 다수의 기체인출관(22)이 설치된다. 기체헤더(21) 상부에 냉매 순환통로를 가지는 응축기(11)를 설치한다. 기체헤더(21) 상부 인출배관과 응축기(11) 상부 인출배관을 기체배관(12)으로 상호 관통되도록 연결하고 엔진냉매재킷(10) 하부 인출배관과 응축기(11) 하부 인출배관을 액체배관(13)으로 상호 관통되도록 연결한다. 기체배관(12) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 밸브가 달린 기체유출구(15)를 설치하며 액체배관(13) 상부 관로 일측에 액체냉매를 주입하기 위하여 밸브가 달린 액체유입구(16)를 설치하고 액체배관(13) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 밸브가 달린 액체유출구(14)를 설치한다. 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(12) 관로상에 냉각조절밸브(17)를 설치한다. 그리고 엔진냉매재킷(10), 기체인출관(22), 기체헤더(21), 기체배관(12), 응축기(11), 액체배관(13) 다시 엔진냉매재킷(10)으로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(11)를 제외한 공간에 엔진냉매재킷(10)이 엔진으로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)를 채우고 냉매를 가열하여 기체유출구(15)를 통하여 공기를 배출시킴으로써 응축기(11)는 진공이 되도록 한다. 액체유입구(16)는 필요에 따라 설치하지 않고 냉매를 기체유출구(15)를 통하여 주입시킬 수도 있다. 기체유출구(15) 또는 액체유입구(16)에 설치되는 밸브는 냉각시스템 배관 내부 압력이 일정한 압력 이상일 경우 압력을 저감시키는 구조로 설치된다. 냉매는 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나를 사용된다. 본 발명의 엔진냉매재킷(10)이 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 중의 하나의 엔진냉매재킷(10)인 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 작동원리는 다음과 같다. 엔진이 가동하여 엔진냉매재킷(10)에 폐열을 제공하면 엔진냉매재킷(10) 내부에 채워진 냉매는 가열된다. 냉매가 끓는점에 도달하면 냉매는 기화하면서 엔진냉매재킷(10)으로부터 기화열을 흡수하므로 엔진을 냉각시키게 된다. 엔진냉매재킷(10) 내부에서 기화된 기체냉매는 기체인출관(22)을 통하여 기체헤더(21)에 모이게 되고 모인 기체냉매는 기체배관(12)을 통하여 응축기(11)에 유입되어 열을 버리고 액화되고 액체로 변한 냉매는 중력에 의해 액체배관(13)을 통해 다시 엔진냉매재킷(10) 하부로 유입되면서 냉각의 한 주기를 마친다. 설명한 바와 같이 엔진의 폐열과 중력에 의하여 냉매의 순환이 이루어지므로 자연순환방식이며 냉매의 기화열을 이용하므로 기존의 물펌프가 필요 없어서 물펌프로 인한 고장 요인을 걱정할 필요가 없고 냉각성능도 매우 우수하다. 냉매의 순환속도가 엔진의 열의 과다에 의해 결정되므로 매우 효율적인 냉각시스템이다.
도 3은 냉매공급펌프가 추가된 사례 설명도이다. 도3은 도2에서 액체배관(13) 관로상에 냉매공급펌프(31)를 설치하는 것이 특징이다. 도7에서 도시한 바와 같이 냉매공급펌프(31)와 병렬로 냉매공급펌프(31) 전후를 연결하는 체크밸브(72)가 설치된 바이패스회로(71)를 추가하여 냉각을 약하게 할 경우 바이패스회로(71)로 액체냉매가 자연순환하게 하고 냉각을 강화시킬 필요가 있을 경우 냉매공급펌프(31)가 작동하여 액체냉매의 흐름을 빠르게 할 수 있다.
도 4는 열교환기형응축기가 설치된 사례 설명도이다. 응축기(11)로서 상호 열교환하도록 형성된 별도의 1차냉각공간과 2차냉각공간을 갖추고 있는 열교환기형응축기(41)를 설치하는데 열교환기형응축기(41) 1차냉각공간 상부 인출배관은 기체배관(12)과 연결되고 하부 인출배관은 액체배관(13)과 연결되며 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간과 별도로 설치되는 냉열원(42)은 상부측은 상부배관(43)과 하부측은 하부배관(44)과 관통하도록 연결되며 냉열원(42)에서 만들어진 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간으로 순환할 수 있도록 폐회로를 형성하도록 한다. 냉열원(42)과 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간을 연결하는 폐회로는 냉동회로, 냉수회로, 냉기회로 중 하나로 한다. 작동원리는 다음과 같다. 엔진냉매재킷(10)에서 기화한 냉매(미도시)가 열교환기형응축기(41) 1차냉각공간에 유입되고 냉열원(42)에서 냉각된 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간에 유입되면 열교환기형응축기(41) 1차냉각공간의 기화한 냉매를 냉각시켜 응축시킴으로써 진공상태를 유지하여 엔진냉매재킷(10)에서 계속 냉매가 기화하도록 하여 이 기화열로 엔진을 냉각시키도록 한다. 냉열원(42)의 온도를 낮추면 강력하게 냉각을 시킬 수 있다.
도 5는 도 5는 라디에이터가 추가된 사례 설명도이다. 도5는 도2에서 액체배관(13) 관로상에 라디에이터(51)를 설치한 것이 다르다. 라디에이터(51)에는 액체상태의 냉매가 흐르므로 액체상태 냉매의 현열을 다시 한 번 냉각을 시켜줌으로써 냉각성능을 더욱더 높일 수 있다. 라디에이터(51)에는 냉각팬(미도시)을 추가할 수도 있다.
도 6은 터빈/터빈실이 추가된 사례 설명도이다. 도6은 도2에서 기체배관(12) 관로상의 냉각조절밸브(17)와 응축기(11) 사이에 터빈/터빈실(61)을 추가로 설치하는 것이 다르다. 기체배관(12)을 통과하는 기체냉매의 엔진 폐열에 의한 운동에너지를 이용하여 터빈/터빈실(61)의 터빈을 돌려 물리적 에너지 또는 터빈축에 연결된 발전기(미도시)를 통하여 전기적 에너지를 회생시킬 수 있다.
도 7은 냉매공급펌프에 바이패스회로가 설치된 사례 설명도이다. 냉매공급펌프(31)와 병렬로 냉매공급펌프(31) 전후를 연결하는 체크밸브(72)가 설치된 바이패스회로(71)를 추가하여 바이패스회로 또는 냉매공급펌프(31)로 액체냉매가 엔진냉매재킷(10)에 원활히 공급될 수 있도록 하였다. 작동원리는 도3에서 설명한 바와 같다.
도 8은 구성요소를 종합한 사례 설명도이다. 도2 내지 도7에서 제시된 냉각장치 구성요소를 모두 설치하여 종합 냉각시스템을 구성할 수 있다.
10 : 엔진냉매재킷 11 : 응축기
12 : 기체배관 13 : 액체배관
14 : 액체유출구 15 : 기체유출구
16 : 액체유입구 17 : 냉각조절밸브
21 : 기체헤더 22 : 기체인출관
31 : 냉매공급펌프 41 : 열교환기형응축기
42 : 냉열원 43 : 상부배관
44 : 하부배관 51 : 라디에이터
61 : 터빈/터빈실 71 : 바이패스회로
72 : 체크밸브

Claims (6)

  1. 기존의 엔진워터재킷과 같은 방법으로 엔진과 한 몸체를 이루며 엔진의 열을 흡수하기 위한 냉매가 순환되는 냉매 통로를 가지는 엔진냉매재킷(10)과; 엔진냉매재킷(10) 상부에 설치되는 기체냉매를 집결시키는 기체헤더(21)와; 엔진냉매재킷(10)에서 발생한 기체냉매를 인출시키기 위하여 엔진냉매재킷(10) 상부 일측과 기체헤더(21)를 관통하도록 연결하는 다수의 기체인출관(22)과; 기체헤더(21) 상부에 설치되는 냉매 순환통로를 가지는 응축기(11)와; 기체헤더(21) 상부 인출배관과 응축기(11) 상부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 기체배관(12)과; 엔진냉매재킷(10) 하부 인출배관과 응축기(11) 하부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 액체배관(13)과; 기체배관(12) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 설치되는 밸브가 달린 기체유출구(15)와; 액체배관(13) 상부 관로 일측에 액체냉매를 주입하기 위하여 설치되는 밸브가 달린 액체유입구(16)와; 액체배관(13) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 설치되는 밸브가 달린 액체유출구(14)와; 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(12) 관로상에 설치되는 냉각조절밸브(17)와; 엔진냉매재킷(10), 기체인출관(22), 기체헤더(21), 기체배관(12), 응축기(11), 액체배관(13) 다시 엔진냉매재킷(10)으로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(11)를 제외한 공간에 엔진냉매재킷(10)이 엔진으로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서, 엔진냉매재킷(10)이 발전기, 선박, 화물차, 버스, 압축기 중의 하나의 엔진냉매재킷(10)인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
  3. 제1항에 있어서, 액체배관(13) 관로상에 냉매공급펌프(31)를 설치하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
  4. 제3항에 있어서, 냉매공급펌프(31)와 병렬로 냉매공급펌프(31) 전후를 연결하는 체크밸브(72)가 설치된 바이패스회로(71)를 추가하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
  5. 제1항에 있어서, 응축기(11)로서 상호 열교환하도록 형성된 별도의 1차냉각공간과 2차냉각공간을 갖추고 있는 열교환기형응축기(41)를 설치하는데 열교환기형응축기(41) 1차냉각공간 상부 인출배관은 기체배관(12)과 연결되고 하부 인출배관은 액체배관(13)과 연결되며, 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간과 별도로 설치되는 냉열원(42)은 상부측은 상부배관(43)과 하부측은 하부배관(44)과 관통하도록 연결되며 냉열원(42)에서 만들어진 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간으로 순환할 수 있도록 폐회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
  6. 제5항에 있어서, 냉열원(42)과 열교환기형응축기(41)의 2차냉각공간을 연결하는 폐회로는 냉동회로, 냉수회로, 냉기회로 중 하나인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 강화된 엔진 냉각시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104747264A (zh) * 2015-03-19 2015-07-01 王晓栋 一种直冷开放式内燃机散热方法及装置

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CN104747264A (zh) * 2015-03-19 2015-07-01 王晓栋 一种直冷开放式内燃机散热方法及装置

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