KR20100094221A - 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치 - Google Patents

엔진의 폐열을 이용한 열교환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치에 관한 것으로, 특히 본 발명에서는 냉난방 시스템이나 공기조화 시스템 등에서 사용하고 있는 냉매를 고온으로 형성시키기 위한 열원으로서 엔진의 복사열과 대류열이 이용될 수 있도록 새로운 타입으로 구성된 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치가 제공되며, 본 발명의 장치를 단독으로 사용하거나, 종래의 배기열 교환장치 등과 병행하여 사용하여 폐열의 이용 효율을 더 높일 수 있도록 한 것이다.
열교환, 폐열, 시스템, 복사열, 대류열, 엔진

Description

엔진의 폐열을 이용한 열교환장치{Heat Exchanger Using Engine Waste Heat}
본 발명은 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 엔진의 표면에서 발열되는 복사열과, 공기를 이용한 대류열이 냉난방 시스템이나 공기조화 시스템(이하 "시스템"으로 약칭함)에서 사용하고 있는 냉매를 고온으로 형성하기 위한 열원으로 사용될 수 있도록 새로운 타입이 제시되고, 그와 함께 열교환장치의 구성 간소화는 물론, 폐열의 이용 효율을 더 높일 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치는, 엔진의 구동에 의하여 배출되는 열중 배기가스를 냉각수 열을 열원으로 사용하고 있으며, 이러한 배기가스 및 냉각수 열은 냉난방 시스템이나 공기조화 시스템 등에서 사용되고 있는 냉매와 열교환되어져 냉매를 고온으로 형성하는데 이용되어 시스템의 효율을 높일 수 있도록 하고 있다.
상기 엔진에 공급된 연료는, 일부는 동력으로 전환되고 나머지는 배기열 손실, 냉각열 손실, 기계손실 등으로 버려지게 된다. 냉각열 손실은 냉각수, 엔진 주 위 공기 대류 및 엔진 본체의 복사열로 구성되며, 기존의 엔진 폐열 회수 장치에서는 이중 배기열과 냉각수에 의해 버려지는 열을 회수하도록 되어있다.
그런데, 위와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스를 열원으로 이용하기 위해서는 열교환 수단과 더불어 폐열회수 수단이 하나로 조합 구성된 열교환장치를 배기가스가 배출되는 배출라인 상에 설치하여야 하는데, 이러한 열교환 수단과 폐열회수 수단이 배출라인 상에 설치 및 고정될 때, 배출가스의 배출 흐름이 원활하게 이루어지도록 하면서 배기가스가 지닌 열과의 열교환이 수행될 수 있도록 하기 위하여 설치 구성이 복잡해지게 된다. 그와 함께 설치작업에도 많은 시간이 소요되고 있다.
또한, 위와 같이 배기가스를 이용한 열교환에서는, 배기가스의 빠른 배출 흐름과, 배출 이동시에 형성되는 심한 유동으로 인하여 열교환성이 좋지 않은 문제도 있어, 엔진의 폐열 이용한 새로운 타입의 열교환장치가 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 엔진 냉각에 의해 버려지는 열 중 대류 및 복사에 의해 버려지는 열을 회수하여 본 발명 단독 혹은 상기 종래의 장치에 추가하여 사용하여 열 효율을 높이는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 시스템의 냉매라인에 설치되는 제1열교환기와; 엔진에 근접하게 배치되는 제2열교환기와; 열전달물질이 제1 및 제2열교환기를 흐를 수 있도록 상기 제1 및 제2열교환기 간에 연결된 순환라인을 포함하는 상태로 구성되어 있어, 상기 엔진의 표면에서 발산하는 복사열 및 공기에 의해 전달되는 대류열이 냉매라인을 따라 흐르는 냉매로 전달될 수 있도록 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치가 제공된다.
또한 상기 엔진이 덕트부재의 일측 유입구 내에 배치되고, 덕트부재의 타측 출구는 제2열교환기를 향하도록 엔진과 제2열교환기사이에 덕트부재가 배치되는 상태로 설치되는 것이 바람직하다. 이와 더불어 상기 덕트부재와 엔진 사이에 복사판의 배치와, 제2열교환기의 전방에는 모터에 구비되는 회전팬이 배치되어 있게 되면, 엔진의 폐열 이용 효율을 더 높일 수 있다.
한편, 엔진과; 상기 엔진에 근접하는 상태로 배치되는 제2열교환기와; 시스템에서 증발기와 압축기를 연결하는 냉매라인에 설치되는 제1열교환기와; 상기 엔 진과 제1 및 제2열교환기를 열전달물질이 순환할 수 있도록 순환 연결되는 순환라인과; 상기 엔진이 덕트부재의 일측 유입구 내에 배치되고, 덕트부재의 타측 출구는 제2열교환기를 향하도록 엔진과 제2열교환기사이에 배치되는 상태로 설치되는 덕트부재;를 포함하여 구성되는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 엔진의 복사열과, 공기를 이용하여 전달되는 대류열이 열교환을 위한 열원으로 사용될 수 있도록 새로운 타입의 폐열 회수장치가 적용됨으로써, 전체적인 열교환장치의 구성을 간소화하면서도 폐열을 이용한 열교환 효율을 더 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
아래에서는, 본 발명에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.
[실시예 1]
실시예 1은 시스템(10)과 엔진(12) 사이에 엔진(12)의 폐열을 이용한 열교환장치가 설치되며, 엔진(12)의 복사열(A)과 함께 대류열(B)을 열원으로 사용하여 열교환이 이루어지도록 하는 구성을 가진다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보 여주는 도면이다.
제1실시예에서는, 냉난방 시스템이나 또는 공기조화 시스템 등을 구성하는 시스템(10)에 있어, 특히 증발기(14)와 압축기(16)를 연결하는 냉매라인(18)에 제1열교환기(20)가 설치된다. 그에 따라 상기 증발기(14)를 통과한 냉매는 제1열교환기(20)를 거쳐 압축기(16)로 들어가게 된다.
한편, 제2열교환기(22)는 엔진(12)에 근접하게 배치되며, 이러한 제2열교환기(22)와 상기 제1열교환기(20) 간에는 순환라인(24)에 수용된 열전달물질이 제1 및 제2열교환기(20, 22)를 흐를 수 있는 상태가 되도록 연결된다.
따라서 본 발명의 제 1실시예에서는, 엔진(12)의 구동시에 엔진 표면에서 발산하는 복사열(A)과, 엔진(12)의 주위에 존재하는 공기의 대류현상으로 전달되게 되는 대류열(B)이 제2열교환기(22)로 전달되게 된다. 이때 상기 제2열교환기(22)로 전달되는 복사열(A)과 대류열(B)이 제2열교환기(22)를 지나가는 순환라인(24)의 열전달물질과 열교환하게 되어, 열전달물질은 고온을 형성하게 된다.
위와 같이 열전달물질이 고온을 형성하게 되면, 열전달물질이 지닌 열은 제1열교환기(20)에서 제1열교환기(20)를 지나가는 냉매라인(18)의 냉매와 열교환되면서 열이 전달됨으로써, 결과적으로 엔진(12)의 폐열인 복사열(A)과 대류열(B)을 이용한 열전달기능이 수행된다.
그러나, 위와 같이 구성되는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치에서, 제2열교환기(22)와 순환라인(24)의 구성요소를 삭제하고, 엔진(12)을 제1열교환기(20)에 근접 배치시켜 복사열(A)과 대류열(B)이 제1열교환기(20)에 직접 전달되도록 하여 순환라인(24)으로 흐르는 냉매와의 직접 열교환이 이루어지도록 구성될 수도 있다.
[실시예 2]
앞서 설명한 실시예 1은 시스템(10)과 엔진(12) 사이에 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치가 설치된 것이며, 실시예 2는 복사열(A)과 대류열(B)이 제2열교환기(22)로 집중될 수 있도록 하는 구성을 가진다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
제2실시예에서는, 엔진(12)과 제2열교환기(22) 사이에 덕트부재(30)가 더 배치되는 상태로 설치된다. 이때 상기 덕트부재(30)의 일측 유입구(30a) 내에는 엔진(12)이 수용되는 상태로 배치되며, 덕트부재(30)의 타측 출구(30b)는 제2열교환기(22)를 향하도록 배치된다. 이러한 상기 덕트부재(30)는 복사열(A)과 대류열(B)이 주변으로 분산되거나 흩어지지 않도록 차단하고, 복사열(A)과 대류열(B)이 출구(30b)를 통해 제2열교환기(22)로 집중 이동할 수 있도록 가이드함으로써, 엔진의 폐열을 이용한 열교환 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 기능을 발휘한다.
한편, 상기 제2열교환기(22)의 후미에는 모터(34)에 구비하는 회전팬(32)이 더 배치되는데, 이러한 회전팬(32)이 모터(34)의 구동에 의해 회전을 하게 되면, 회전팬(32)의 흡입작용으로 인해 덕트부재(30) 내에 존재하는 고온의 공기가 제2열교환기(22)의 방향으로 강제 이동됨으로써, 고온을 형성하는 공기가 제2열교환기(22)로의 흐름이 원할하게 이루어지게 되어 대류열(B) 전달이 더욱 향상된다.
실시예의 2의 기타 구성은 앞서 설명한 실시예 1과 동일하므로, 동일한 부재 번호를 사용하고 기타설명은 생략한다.
[실시예 3]
앞서 설명한 실시예 2는 시스템(10)과 엔진(12) 사이에 설치되는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치에서 복사열(A)과 대류열(B)이 제2열교환기(20)로 집중 이동될 수 있도록 덕트부재(30)가 설치된 것이며, 실시예 3은 복사열(A)과 대류열(B)이 제2열교환기(20)로 집중 이동될 수 있도록 하면서도 복사판(40)을 통해 제2열교환기(22)로 전달되는 열의 온도를 더 상승시킬 수 있도록 하는 구성을 가진다.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
제3실시예에서는, 엔진(12)과 제2열교환기(22) 사이에 제2실시예와 같이 덕트부재(30)가 배치되는 상태로 설치되며, 그와 더불어 덕트부재(30)와 엔진(12) 사이에 복사열(A)을 흡수 발열할 수 있도록 복사판(40)이 더 배치된다.
이러한 상기 복사판(40)은, 덕트부재(30)와 연결되는 연결부재(42)에 의해 덕트부재(30)의 내측에 배치되는 상태로 고정되어 설치된다.
한편, 상기 제2열교환기(22)의 전방에는 제2실시예와 같이 회전팬(32)을 구비하는 모터(34)가 동일하게 배치되는데, 이러한 회전팬(32)이 모터(34)의 구동에 의해 회전을 하게 되면, 회전팬(32)의 흡입작용으로 인해 덕트부재(30) 내에 존재하는 고온의 공기가 제2열교환기(22)로 강제 이동됨으로써, 고온을 형성하는 공기가 제2열교환기(22)로의 흐름이 원할하게 이루어지게 되어 대류열(B) 전달이 더욱 향상된다.
따라서 제3실시예에서는 고온 형성하고 있는 공기가 제2열교환기(22)로 원활하게 이동되는 흐름이 형성되면서, 아울러 복사판(40)을 통해 덕트부재(30) 내의 온도가 더 상승되는 작용을 발휘하게 되어 엔진의 폐열을 사용한 열교환 성능을 높일 수 있게 된다.
실시예의 3의 기타 구성은 앞서 설명한 실시예 2와 동일하므로, 동일한 부재번호를 사용하고 기타설명은 생략한다.
[실시예 4]
앞서 설명한 실시예 1 ~ 실시예 3은 시스템(10)과 엔진(12) 사이에 설치된 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치에서 순환라인(24)이 제1 및 제2 열교환기(20, 22)를 순환하도록 연결되어 제2열교환기(22)에서 제1열교환기(20)로 열전달이 이루어지도록 한 것이며, 실시예 4는 열전달물질이 제1 및 제2 열교환기(20, 22)와 엔진(12)을 순환하도록 순환라인(50)이 순환 연결되는 구성을 가진다.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
제4실시예에서는, 열전달물질이 엔진(12)과 제1 및 제2열교환기(20, 22)를 순환할 수 있도록 순환라인(50)이 연결되며, 그와 더불어 제2실시예와 같이 덕트부재(30) 및 회전팬(32)이 동일한 상태로 배치된다.
따라서 본 발명의 제4실시예에서는, 엔진(12)의 내부 열에 의해 고온을 형성한 열전달물질이 엔진(12)으로부터 빠져나와 제1열교환기(20)를 통과하게 된다. 이 때 제1열교환기(20)를 지나가는 냉매라인(18)의 냉매와 열교환하게 되며, 그로 인해 냉매는 고온을 형성하게 되고, 열전달물질은 저온을 형성하게 된다.
또한 상기 제1열교환기(20)에서 열교환된 저온의 열교환물질이 엔진(12)으로 바로 회수될 경우, 과냉각으로 인하여 엔진(12) 손상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 제 1열교환기(20)에서 열교환된 열교환물질은 제2열교환기(22)를 거쳐 엔진(12)으로 회수되게 된다. 이와 같이 순환라인(50)을 따라 제2열교환기(22)로 열전달물질이 흐르는 동안 엔진(12)에 의한 복사열(A)과 대류열(B)에 의해 열전달물질이 예열되는 상태로 엔진(12)으로 회수됨으로써, 과냉각으로 인한 엔진(12) 손상을 방지할 수 있게 된다.
나아가, 상기 제4열교환기의 전방에도 제2실시예와 같이 회전팬(32)이 배치되어 있어, 덕트부재(30) 내에 존재하는 고온의 공기가 제2열교환기(22)로 강제 이동됨으로써, 고온을 형성하는 공기가 제2열교환기(22)로의 흐름이 원할하게 이루어지게 되어 대류열(B) 전달이 더욱 향상된다.
실시예의 4의 기타 구성은 앞서 설명한 실시예 2와동일하므로, 동일한 부재번호를 사용하고 기타설명은 생략한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 예를 들어 실시예 1 ~ 실시예 3에서 제1 및 제2열교환기를 순환하는 순환라인 대신에 히트파이프가 사용되어도 무방할다. 나아가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치를 보여주는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 시스템 12 : 엔진
14 : 증발기 16 : 압축기
18 : 냉매라인 20 : 제1열교환기
22 : 제2열교환기 24, 50 : 순환라인
30 : 덕트부재 30a : 유입구
30b : 출구 32 : 회전팬
34 : 모터 40 : 복사판
42 : 연결부재

Claims (5)

  1. 시스템(10)의 냉매라인(18)에 설치되는 제1열교환기(20)와;
    엔진(12)에 근접하게 배치되는 제2열교환기(22)와;
    열전달물질이 제1 및 제2열교환기(20, 22)를 흐를 수 있도록 상기 제1 및 제2열교환기(20, 22) 간에 연결된 순환라인(24)을 포함하는 상태로 구성되어 있어,
    상기 엔진(12)의 표면에서 발산하는 복사열(A) 및 공기에 의해 전달되는 대류열(B)이 냉매라인(18)을 따라 흐르는 냉매로 전달될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진(12)이 덕트부재(30)의 일측 유입구(30a) 내에 배치되고, 덕트부재(30)의 타측 출구(30b)는 제2열교환기(22)를 향하도록 엔진(12)과 제2열교환기 (22) 사이에 덕트부재(30)가 배치되는 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 덕트부재(30)와 엔진(12) 사이에 복사판(40)이 배치되며, 상기 복사 판(40)은 덕트부재(30)와 연결되는 연결부재(42)에 의해 지지 고정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제2열교환기(22)의 전방에는 모터(34)에 구비되는 회전팬(32)이 더 배치되어 있어, 상기 회전팬(32)의 흡입 회전에 의해 덕트부재(30) 내에 존재하는 공기가 제2열교환기(22)로 강제 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치.
  5. 엔진(12)과;
    상기 엔진(12)에 근접하는 상태로 배치되는 제2열교환기(20)와;
    시스템(10)의 냉매라인(18)에 설치되는 제1열교환기(20)와;
    상기 엔진(12)과 제1 및 제2열교환기(20, 22)를 열전달물질이 순환할 수 있도록 연결되는 순환라인(50)과;
    상기 엔진(12)이 덕트부재(30)의 일측 유입구(30a) 내에 배치되고, 덕트부재(30)의 타측 출구(30b)는 제2열교환기(22)를 향하도록 엔진(12)과 제2열교환기 (22) 사이에 배치되는 상태로 설치되는 덕트부재(30);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 폐열을 이용한 열교환장치.
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