KR20190131307A - 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템은 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환되도록 작동유체를 순환시키는 폐열 회수 시스템; 상기 폐열 회수 시스템을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 상기 엔진의 일측에 구비되어 상기 냉각계통의 냉각수를 공급받아 상기 엔진을 냉각시키는 라디에이터; 상기 라디에이터의 일측에 구비되며 상기 터빈에서 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 라디에이터의 일측에 마련되어 상기 발전기에서 전기적 에너지를 공급받아 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시키는 냉각팬; 을 포함하며, 상기 냉각팬은 상기 엔진의 작동과 무관하게 독립적으로 작동하여 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시킬 수 있다.

Description

건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템{COOLING FAN DRIVING SYSTEM USING WASTE HEAT OF CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설기계의 작동유, 냉각수 또는 배기가스에서 버려지는 폐열로부터 에너지를 회수하여 건설기계의 전력 또는 동력으로 재활용하되, 건설기계의 엔진 또는 발열 부품을 냉각시키기 위한 냉각팬을 엔진과 독립적으로 구동시킬 수 있는 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템에 관한 것이다.

디젤 엔진을 사용하는 건설기계 등과 같은 차량의 경우 가동 중에 많은 열이 발생하고, 차량을 구동시키는 기계 에너지로 환원되는 열 에너지 외에도 많은 폐열이 발생된다. 이때, 기계 에너지로 환원되는 열 에너지를 제외하고 나머지의 폐열 에너지는 버려지는 것이 일반적이다.

이에 따라, 근래에는 건설기계의 엔진으로부터 발생되는 배기가스, 작동유, 냉각수 등에서 버려지는 폐열 에너지(waste heat energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재활용하는 기술에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

이러한 폐열 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 에너지가 여전히 많으며, 디젤 차량의 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다. 참고로, 유압시스템을 구비한 건설기계에서 작동유의 온도가 낮지만 많은 열을 포함하고 있음에도 불구하고 이를 제대로 활용하지 못하고 버리는 실정이다.

최근 건설기계의 디젤엔진의 배기가스로부터 배출되는 중 저온의 열 에너지를 회수하는 방법으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용한 발전 장치가 많이 시도되고 있다. 일반적인 랭킨 사이클은 증발기를 통과하면서 유체가 된 증기가 터빈을 회전시켜 발생되는 축동력을 전기 에너지로 변환시키는 것인데 반면, 유기 랭킨 사이클은 작동유체(Operating fluid)로 물(H₂O)을 사용하지 않고 물에 비해 낮은 온도를 가지는 암모니아(NH₃), 알코올(C₂H₅OH)과 같은 유기 혼합물을 사용한다.

상기와 같은 유기 랭킨 사이클을 이용하여 주요 선진국 및 제조사 들은 활발하게 기술개발을 진행하고 있으나, 엔진의 배기가스 또는 냉각수 등의 폐 에너지를 활용한 것은 열이 그리 높지 않으며, 회수되는 열량이 적어서 발전시킬 수 있는 전력이 크지 못하다는 문제점이 있다.

한편, 건설기계에는 엔진을 냉각시키기 위한 라디에이터 및 냉각팬이 구비된다. 여기서, 냉각팬은 건설기계의 엔진과 직결되어 있어서 건설기계의 작동에 따라 냉각팬이 작동되며, 엔진의 회전속도에 따라 냉각팬의 회전 속도가 결정된다.

그런데, 건설기계의 초기 시동 시에는 엔진의 온도가 높지 않기 때문에 냉각팬이 작동될 필요가 없으나, 냉각팬이 엔진과 직결되어 있어서 건설기계의 엔진이 구동되면 냉각팬도 작동될 수 밖에 없다.

또한, 건설기계의 엔진이 높은 회전속도로 회전할 경우, 냉각팬이 엔진의 냉각을 위해 필요한 회전속도보다 더 빠른 속도로 회전하기 때문에 냉각팬의 불필요한 회전을 위해서 에너지의 소모가 증가하는 문제점이 있다.

반면, 건설기계의 작동이 정지되어 엔진의 작동이 멈추게 되더라도 건설기계의 작동에 의해 발생한 열이 여전히 남아있기 때문에 엔진이 멈춘 후에도 얼마 동안은 엔진을 냉각할 필요가 있다. 이때, 건설기계의 작동이 정지되어 엔진의 회전속도가 느려지거나 정지될 경우에는 냉각팬도 엔진과 마찬가지로 회전속도가 느려지거나 정지되므로, 냉각팬이 엔진을 효과적으로 냉각시키는 것이 불가능하다. 다시 말해서, 건설기계의 엔진에 냉각팬이 직결되어 있기 때문에 냉각팬의 작동이 엔진의 작동에 의존할 수밖에 없어서 냉각팬의 작동 효율이 저하되고 이에 따라 건설기계의 엔진도 효과적으로 냉각할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명을 제안하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는, 일본 공개특허공보 2010-188949호(발명의 명칭: 폐열 회수 시스템 탑재 차량, 공개일: 2010. 09. 02.)가 있다.

본 발명의 목적은 건설기계의 유압계통, 냉각계통 및 엔진에서 버려지는 열에너지를 회수하여 기계적 에너지로 변환시키고, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 엔진의 냉각을 위한 냉각팬의 구동원으로 사용할 수 있는 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 건설기계의 엔진뿐만 아니라 건설기계의 작동유, 트랜스미션 오일 및 폐열 회수 시스템의 응축기 등을 냉각시키기 위한 냉각팬을 각각 구비하고, 각각 구비된 냉각팬을 건설기계의 유압계통, 냉각계통 및 엔진에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 변환된 전기적 에너지를 이용하여 독립적으로 구동시킬 수 있는 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적은, 본 발명에 따라, 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환되도록 작동유체를 순환시키는 폐열 회수 시스템; 상기 폐열 회수 시스템을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 상기 엔진의 일측에 구비되어 상기 냉각계통의 냉각수를 공급받아 상기 엔진을 냉각시키는 라디에이터; 상기 라디에이터의 일측에 구비되며 상기 터빈에서 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 라디에이터의 일측에 마련되어 상기 발전기에서 전기적 에너지를 공급받아 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시키는 냉각팬; 을 포함하며, 상기 냉각팬은 상기 엔진의 작동과 무관하게 독립적으로 작동하여 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시키는 냉각팬 구동시스템에 의해 달성될 수 있다.

상기 냉각팬에 구동력을 제공하는 팬모터; 및 상기 발전기에서 생산되는 전기적 에너지를 저장하여 상기 팬모터로 공급하는 배터리를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템은 건설기계의 유압계통, 냉각계통 및 엔진 등에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 전기적 에너지로 변환시킴으로써 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용함과 동시에 냉각팬을 엔진과 독립적으로 구동시킬 수 있어서 냉각팬의 작동 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템은 엔진뿐만 아니라 건설기계의 작동유, 트랜스미션 오일 및 폐열 회수용 응축기 각각에 개별적으로 냉각팬을 구비하고, 각각 구비된 냉각팬을 건설기계의 폐열 회수 시스템에서 재활용된 전기적 에너지를 활용하여 구동시킬 수 있기 때문에 건설기계의 엔진에 무리를 주지 않고 건설기계의 엔진, 작동유, 트랜스미션 오일 및 폐열 회수 시스템용 응축기를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템의 변형예를 나타낸 구성도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 건설기계의 페열을 이용한 냉각팬 구동시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 도 1에 도시한 건설기계의 폐열 회수 시스템을 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템(10, 이하 '냉각팬 구동시스템'이라 함)을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템의 구성도, 도 2는 도 1에 도시한 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템의 변형예를 나타낸 구성도, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 건설기계의 페열을 이용한 냉각팬 구동시스템을 간략하게 나타낸 도면 및 도 5 내지 도 8은 도 1에 도시한 건설기계의 폐열 회수 시스템을 나타낸 구성도이다.

이하에서 설명할 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동 시스템(10)은 건설기계에 탑재되는 시스템이다. 도면에는 도시하지 않았지만, 일반적으로 건설기계는 주행용 유압 모터에 의해 구동되는 주행장치를 구비하는 하부 주행체, 선회용 유압 모터에 의해 구동되는 선회 장치, 선회 장치를 통하여 하부 주행체 상에 배치되는 상부 선회체, 상부 선회체의 앞부분 중앙 위치에 장착되는 작업기, 상부 선회체의 앞부분 좌측 위치에 마련되는 운전실을 구비할 수 있다.

여기서, 건설기계의 상부 선회체의 앞부분 중앙 위치에 장착되는 작업기는 상부 선회체에 요동 가능하게 연결된 붐(boom), 붐에 요동 가능하게 연결된 암(arm) 및 암에 요동 가능하게 연결된 버킷(bucket)을 포함할 수 있다. 또한, 작업기는 붐, 암 및 버킷을 각각 작동시키는 붐 실린더, 암 실린더, 버킷 실린더를 구비할 수 있다.

또한, 건설기계는 주행용 유압 모터, 선회용 유압 모터 등 각각의 유압 모터를 구동시키는 엔진을 구비할 수 있다.

더욱이, 건설기계는 유압 실린더 및 유압 모터를 포함하는 유압 계통이 형성되는데, 유압계통은 작동유(operating fluid)의 유압에 의해서 작업기를 작동시킬 수 있다. 또한, 건설기계는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각시키는 냉각 계통을 구비하는데, 냉각계통은 엔진 또는 엔진 일측에 구비된 라디에이터(radiator)에 냉각수를 순환시킴으로써 엔진을 냉각시킬 수 있다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동시스템(10)은 건설기계의 유압계통의 작동유, 건설기계의 냉각계통의 냉각수 및 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열교환되도록 작동유체를 순환시키는 건설기계의 폐열 회수 시스템(100, 이하 '폐열 회수 시스템'이라 함), 폐열 회수 시스템(100)을 순환한 작동유체가 유입되어 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈(130), 엔진(110, 도 5 참조)의 일측에 구비되어 냉각계통의 냉각수를 공급받아 엔진(110)을 냉각시키는 라디에이터(210), 라디에이터(210)의 일측에 구비되며 터빈(130)에서 발생되는 기계적 에너지에서 변환된 전기적 에너지를 공급받는 냉각팬(211)을 포함하며, 냉각팬(211)은 엔진(110)의 작동이 중단되더라도 터빈(130)에 의해 계속적으로 작동할 수 있다. 즉, 냉각팬(211)은 엔진(110)의 구동 여부와 무관하게 독립적으로 작동할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동 시스템(10)은 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용하는 폐열 회수 시스템(100)에 의해 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 기계적 에너지로 변환하고, 터빈(130)에서 생성된 기계적 에너지는 발전기(240)에서 전기적 에너지로 변환되고, 발전기(240)에서 생성된 전기적 에너지를 이용하여 냉각팬(211)을 구동시킬 수 있다. 이와 같이 형성됨으로써, 냉각팬(211)은 엔진(110)의 구동여부와는 별개로 독립적으로 구동될 수 있다.

우선, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬(211)을 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 폐열 회수 시스템(100)을 설명한다. 도 5 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 폐열 회수 시스템(100)은 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124), 응축기(140), 저장 탱크(142), 펌프(144) 및 도면에 도시하지 않은 증발기(또는 보일러)를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 폐열 회수 시스템(100)은 유압(hydraulic pressure) 시스템으로 작업을 진행하는 모든 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시키기 위한 전력 또는 구동원으로 변환시킬 수 있다. 즉, 폐열 회수 시스템(100)은 건설기계의 유압계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수, 엔진의 배기가스 등과 열 교환할 수 있는 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클을 구비하여 건설기계에서 발생하는 폐열, 즉 버려지는 열 에너지를 회수하여 재활용 할 수 있다.

일반적으로, 건설기계의 작동유, 냉각수 등의 온도는 그리 높지 않지만 상대적으로 많은 열 에너지를 가진다. 이때, 폐열 회수 시스템(100)에서 열 교환에 사용되는 작동유체는 상대적으로 온도가 낮은 작동유, 냉각수와 열 교환을 하여야 하므로, 기화되는 온도 즉, 끓는점이 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 효과적으로 재활용할 수 있다.

참고로, 폐열 회수 시스템(100)에 사용되는 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 끊는 점이 물보다 낮은 유기체(Organic fluid) 즉, 유기 화합물을 작동유체로 가질 수 있다. 예컨대, 암모니아(NH₃), 알코올(C₂H₅OH), R124A, R245FA 또는 유기 냉매 등을 사용할 수 있다.

이러한 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 펌프(144)에서부터 송출되어 가장 먼저 유압계통의 작동유와 열 교환할 수 있다. 즉, 건설기계의 유압계통의 작동유가 폐열 회수 시스템(100)의 펌프(144)의 구동원으로 이용되는 것이다. 다시 말해서, 건설기계의 유압계통이 폐열 회수 시스템(100)의 펌프(144)와 연결되도록 구성하여 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 순환시키기 위해서 별도의 에너지를 생성할 필요가 없도록 할 수 있다. 참고로, 펌프(144)에 의해서 유압계통과 열 교환하도록 송출되는 작동유체는 저장 탱크(142)에 저장될 수 있다.

한편, 폐열 회수 시스템(100)의 증발기 또는 보일러는 열교환기로 마련될 수 있으며, 도 5 내지 도 8에 도시한 바와 같이 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124)를 포함할 수 있다.

펌프(144)에 의해서 저장 탱크(142)에서 유압계통으로 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)에 의해서 열 교환된다. 제1 열교환기(120)는 일측으로 유입된 유압계통의 작동유와 타측으로 유입된 작동유체 간의 열 교환을 위한 부분이다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 유압계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 유압계통의 작동유 유로 상에 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 제1 열교환기(120)로 유입되는 작동유의 온도보다 작동유체의 온도가 더 낮을 수 있다. 이렇게 되면, 제1 열교환기(120)에서 작동유체는 작동유로부터 열을 얻어서 온도가 높아지고, 작동유는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다.

제1 열교환기(120)에서 작동유로부터 열을 얻어서 온도가 높아진 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입될 수 있다. 즉, 제2 열교환기(122)는 제2 열교환기(122)의 일측으로 유입된 냉각계통의 냉각수와 제2 열교환기(122)의 타측으로 유입된 작동유체 간에 열 교환을 위한 부분이다. 이에 따라, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 냉각계통의 냉각수 유로 상에 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 제2 열교환기(122)로 유입되는 냉각수의 온도보다 작동유체의 온도가 더 낮을 수 있다. 이렇게 되면, 제2 열교환기(122)에서 작동유체는 냉각수로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고, 냉각수는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다. 참고로, 건설기계의 작동유의 온도보다 냉각수의 온도가 더 높고 더 많은 열 에너지를 가지고 있다고 볼 수 있다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)를 통과한 작동유체보다 제2 열교환기(122)를 통과한 작동유체의 온도가 더 높을 수 있다.

한편, 작동유체가 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거치면서 작동유 및 냉각수와 열 교환되었다고 하더라도 액체 상태의 작동유체가 완전히 기화되지 못하고 여전히 액체 상태에거나, 액체와 기체가 혼재된 상태일 수 있다.

이에 따라, 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입되어 한번 더 열교환을 거칠 수 있다.

제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체가 서로 열 교환한다. 이러한 제3 열교환기(124)는 엔진(110)의 배기가스가 배출되는 유로 상에 마련되는 것이 바람직하다. 이때, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스의 온도는 제3 열교환기(124)에서 유출된 작동유체의 온도보다 높기 때문에 제3 열교환기(124)에서는 작동유체가 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지로부터 열을 흡수할 수 있다.

상술한 바와 같이, 폐열 회수 시스템(100)의 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진(100)의 배기가스의 차례대로 열 교환됨으로써 온도가 높아질 수 있고, 그에 따라 작동유체는 완전히 기화하는데 보다 유리한 조건을 갖출 수 있다.

즉, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 작동유와 작동유체의 열 교환을 통해 작동유체의 온도를 높이고, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각수와 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와의 열 교환을 통해 작동유체의 온도를 더욱 높이고, 제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와의 열 교환을 통해 작동유체의 온도를 더욱 높일 수 있다.

이에 따라, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 유입되는 작동유체의 온도 T1, T2, T3 는 T1 < T2 < T3 순서를 가질 수 있다. 즉, 작동유체가 최초의 액체 상태에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 기체 상태로 상변화될 수 있다.

제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화된 작동유체는 터빈(130)으로 유입되어 터빈(130)의 회전축(미도시)과 연결된 블레이드(미도시)를 회전시킬 수 있다. 터빈(130)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 차례대로 거치면서 기화된 작동유체의 압력 에너지가 회전 에너지 즉, 기계적 에너지로 변환될 수 있다. 터빈(130)의 회전축에서 발생하는 기계적 에너지를 건설기계의 엔진(110)과 연결하여 건설기계의 동력원으로 이용함으로써 건설기계의 엔진(110)은 물론이고 건설기계의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 터빈(130)의 회전축에는 전기 에너지를 생산하는 발전기(240)가 연결될 수 있다. 또한, 발전기(240)의 일측에는 발전기(240)에서 생산된 전기를 저장하거나 생성하는 배터리(242)가 마련될 수도 있다. 배터리(242)에 저장된 전기 에너지는 건설기계를 구동시키는데 사용함으로써 건설기계의 연비를 향상시키는 효과가 있다. 참고로, 발전기(240) 및 배터리(242)는 엔진(110)의 냉각시키기 위한 냉각팬(211)을 구동하기 위한 구동력으로 사용할 수도 있다. 이러한 내용은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

또한, 터빈(130)으로 유입된 기체 상태의 작동유체는 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 회전시키기 때문에, 터빈(130)의 회전에 의해 기체 상태의 작동유체의 온도가 낮아질 수 있다.

터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체는 터빈(130)에서 나온 후에 저장 탱크(142)로 다시 유입될 수 있다. 이때, 터빈(130)에서 나온 작동유체는 완전한 액체 상태가 아니라 기체 상태 또는 액체 상태가 혼합된 상태 즉, 어느 정도의 열을 가지고 있는 상태일 수 있다. 이에 따라, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 저장 탱크(142)로 유입되기 전에 작동유체를 완전한 액체 상태로 상변화시키는 것이 필요하다. 이를 위해, 터빈(130)과 저장 탱크(142) 사이에 응축기(140,condensor)가 마련될 수 있다. 응축기(140)는 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 또는 응축하여 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 상 변화시킬 수 있다. 응축기(140)에 의해 냉각 및 응축되어 완전한 액체의 상태로 상변환된 작동유체는 저장 탱크(142)에 저장된다.

여기서, 저장 탱크(142)에 저장된 액체 상태의 작동유체는 펌프(144)에 의해 다시 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)로 송출되어 순환될 수 있다. 즉, 폐열 회수 시스템(100)의 작동유체는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124) 들과 계속적으로 열 교환된 후에 터빈(130)을 회전시켜 기계적 에너지를 발생시킴으로써 건설기계를 구동시키기 위한 전력 또는 구동원에 해당하는 에너지로 재활용할 수 있다.

한편, 폐열 회수 시스템(100)에서 도 5에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체는 응축기(140)로 바로 전달될 수도 있고, 도 6 내지 도 8에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체의 열 에너지를 회수하여 재활용할 수 있는 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 더 포함할 수 있다.

즉, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 완전히 액화되지 않고 어느 정도의 열을 가지고 있다면, 바로 응축기(140)로 유입되기에는 부적합 할 수 있다. 만약, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 어느 정도의 열을 가지고 있을 경우 응축기(140)를 이용하여 냉각시키거나 응축시키는 것이 필요하다. 이때, 작동유체가 완전히 액화되기 위해서는 응축기(140)의 용량이 커야 하는데, 건설기계의 엔진룸의 공간 제약상 용량이 큰 응축기(140)를 사용하지 못할 수 있기 때문이다.

구체적으로, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 제1 재생 열교환기(150)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(0에서 송출된 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 터빈(130)을 거친 작동유체 즉, 터빈(130)에 회전력을 발생시키고 난 후에 작동유체의 온도가 저장 탱크(142)에 저장된 작동유체의 온도보다 높을 경우, 제1 재생 열교환기(150)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(144)에서 송출된 작동유체가 서로 열교환하도록 할 수 있다. 이와 같이, 제1 재생 열교환기(150)를 거치면서 터빈(130)에서 나온 작동유체와 열 교환하여 온도가 높아진 펌프(144)에서 송출된 작동유체는 다시 제1 열교환기(120)로 전달되어 제1 열교환기(120)에서 작동유와 다시 열 교환할 수 있다.

또한, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 재생 열교환기(152)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체를 서로 열교환시킬 수 있다. 터빈(130)을 거친 작동유체 즉, 터빈(130)에 회전력을 발생시키고 난 후의 작동유체의 온도가 제2 열교환기(122)에서 열 교환된 작동유체의 온도보다 높을 경우, 제2 재생 열교환기(152)을 통해 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환할 수 있다. 이와 같이, 제2 재생 열교환기(152)에 의해 열 교환되어 온도가 높아진 작동유체는 다시 제3 열교환기(124)로 전달될 수 있다.

상술한 바와 같이, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)에 의해서 터빈(130)에서 나온 작동유체에 포함된 열 에너지를 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 응축기(140)에 유입되기 전에 작동유체의 온도를 낮출 수 있기 때문에 적은 용량의 응축기(140)를 사용하더라도 작동유체를 완전히 액화시켜 저장 탱크(142)에 저장할 수 있다.

참고로, 터빈(130)을 거친 작동유체를 재활용하기 위해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 구비하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 응축기(140)를 통해 완전히 액화될 정도로 낮다고 판단될 경우에는 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)를 모두 마련하지 않을 수도 있다.

더욱이, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도 T1'는 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도 T2' 보다 낮은 온도를 가질 수 있다. 또한, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120) 상의 작동유체의 온도보다 낮고, 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도는 제2 열교환기(122) 상의 작동유체의 온도보다 높을 수 있다.

여기서, 도 7을 참조하면, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지되면, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 작동유체를 우회시킬 수도 있다.

구체적으로, 터빈(130) 전단에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치고도 작동유체가 완전한 기체 상태로 상변환되지 않은 것으로 판단될 경우에는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 우회 유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 우회되도록 할 수 있다. 만약, 최초에 액체 상태이던 작동유체가 완전한 기체 상태로 변환되지 않은 채로 터빈(130)으로 들어가게 될 경우에는 터빈(130)을 회전시킬 수 없고, 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다.

따라서, 감지센서(170)를 이용하여 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 상태를 감지하고, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 판단될 경우에는 우회 밸브(180)를 통해 터빈(130) 쪽의 유로는 차단시키고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만을 개방시켜 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 작동유체가 유입되도록 할 수 있다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)는 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 온도, 압력 또는 부피 등을 감지하여 작동유체의 상태가 액체인지 또는 기체인지를 감지할 수 있다. 감지센서(170)에 의해 감지된 작동유체의 상태는 우회 밸브(180)의 개폐를 제어하는 제어부(미도시)로 전송될 수 있다. 참고로, 제어부는 우회 밸브(180)의 개폐를 조절하여 완전히 기화되지 않아서 액체 상태인 작동유체가 터빈(130)으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

상술한 바와 같이, 감지센서(170)는 작동유체의 상태를 감지할 수 있는 센서로 마련될 수 있다. 이때, 감지센서(170)는 작동유체의 온도를 감지하는 온도감지센서로 마련될 수도 있고, 작동유체의 상(phase) 변화, 즉 작동유체의 부피 또는 압력을 감지할 수 있는 압력감지센서로 마련될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 작동유체의 물성치에 따라 다양한 형태의 감지센서로 마련될 수 있다.

한편, 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 회수 시스템(100)은 제4 열교환기(126)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스와 제3 열교환기(124)에서 열 교환한 후에 제3 열교환기(124)로부터 나온 작동유체를 다시 열 교환시키기 위한 것이다. 다시 말해서, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR: Exhaust Gas Recirculation, 미도시)에서 배출된 가스와 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 즉, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 나온 가스와 제3 열교환기(126)에서 나온 작동유체를 열 교환시킴으로써, 작동유체를 슈퍼히팅(Superheating) 시킬 수 있다. 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 다시 열 교환된 작동유체는 완전히 기화되어 기체 상태로 상변환됨으로써 터빈(130)을 회전시킬 수 있다.

이때, 제4 열교환기(126) 상의 작동유체의 온도 T4는 제3 열교환기(124) 에서의 작동유체 온도 T3 보다 높을 수 있다. 이에 따라, 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 의해 완전히 기화되지 못하더라도 제4 열교환기(126)를 통해 완전히 기화될 수 있다.

참고로, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환되어 가열된 작동유체가 완전히 기화되더라도, 제3 열교환기(124)를 통과한 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거쳐 터빈(130)으로 유입되도록 할 수 있다.

다시 말해서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환된 것으로 판단되더라도 작동유체가 터빈(130)으로 바로 들어가도록 하는 것이 아니라, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 제4 열교환기(126)에 의해 슈퍼히팅(Super Heating) 시킨 후에 터빈(130)으로 들어가도록 구성할 수도 있다.

이는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 작동유체의 온도가 더욱 높아져 터빈(130)을 회전시키기 위한 에너지 값, 즉 압력 에너지 또는 기체 분자의 운동 에너지가 증가될 수도 있고, 결과적으로 터빈(130)에서 출력되는 기계적 에너지의 양을 증가시킬 수 있다. 다시 말해서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 에너지의 값보다 제3 열교환기(124)에서 나와 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 에너지의 값이 크므로, 터빈(130)을 더욱 빠르게 회전시킬 수 있다. 따라서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기체 상태로 변환된 것으로 판단되더라도 제4 열교환기(126)로 유입되도록 하여 작동유체의 에너지 값을 더욱 크게 하는 것이 바람직하다.

다만, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 통해 액체 상태인 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환되면 제4 열교환기(126)를 생략할 수도 있다. 다시 말해서, 작동유체가 제3 열교환기(124) 만 거쳐도 100% 기화된다고 판단될 경우에는 제4 열교환기(126) 없이 유기 랭킨 사이클(100)을 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 8을 참조하면, 제4 열교환기(126)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지될 경우에는 터빈(130)을 거치지 않고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 우회되도록 할 수 있다.

구체적으로, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 후에도 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환되지 않은 것으로 판단될 경우, 우회유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 유입되도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 액체 상태인 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거치고도 완전히 기화되지 않은 상태로 터빈(130)으로 유입되게 되면, 터빈(130)을 회전시키는 것이 어렵고 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 감지센서(170)에 의해 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않았다고 판단될 경우에는, 우회밸브(180)를 이용하여 터빈(130) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고, 제4 열교환기(126)에서 나온 작동유체가 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만을 개방되도록 할 수 있다.

참고로, 상술한 우회밸브(180)는 모두 작동유체의 유로를 변경하기 위한 것으로, 일반적인 방향전환 밸브의 형태로 마련될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 건설기계의 운전 초기 단계에서는 폐열 회수 시스템(100)의 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거치더라도 완전한 기체 상태로 상변환되지 않을 수 있다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 건설기계의 초기 시동 단계에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 재생 열교환기(150), 제2 재생 열교환기(152) 또는 응축기(140)로 보내는 대신에 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)를 이용하여 작동유체의 상태를 판단하여, 우회밸브(180)를 통해 터빈(130), 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고 웜업 유로(160)는 개방함으로써 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 열교환기(120)로 유입되도록 할 수 있다. 참고로, 도 8에는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 제1 열교환기(120)로만 유입되는 것으로 도시하였으나, 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 중 어느 한 쪽으로 작동 유체가 유입될 수도 있다.

한편, 상기와 같이 폐열 회수 시스템(100)을 이용하여 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스에서 버려지는 열 에너지를 작동유체와의 열 교환을 통해 건설기계를 구동시킬 수 있는 기계적 에너지로 재활용하기 위해서는 건설기계가 반드시 구동되어야 한다. 이때, 건설기계가 구동됨에 따라 건설기계의 엔진(110)에서는 많은 열이 발생하는데, 건설기계의 엔진(110)의 효율을 높이기 위해서는 주기적 또는 엔진(110)의 온도에 따라서 엔진(110)을 냉각하는 것이 필요하다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동시스템(10)에는 엔진(110)을 냉각시키기 위한 냉각팬(211)이 마련될 수 있다. 상술한 바와 같이, 냉각팬(211)은 폐열 회수 시스템(100)의 터빈(130)과 연결되어 터빈(130)에서 발생된 기계적 에너지에서 변환된 전기적 에너지에 의해 작동될 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 냉각팬(211)은 별도로 마련된 컨트롤러(220, controller)에 의해 작동 상태가 제어될 수 있다. 이때, 냉각팬(211)에는 냉각팬(211)에 구동력을 제공하는 팬모터(213)가 연결될 수 있다. 팬모터(213)의 구동력은 터빈(130)과 연결된 발전기(240, generator) 및 배터리(242, battery)로부터 공급받을 수 있다. 여기서, 발전기(240)는 터빈(130)과 연결되어 터빈(130)의 회전으로 변환된 기계적 에너지를 통해 전기를 발생시키고, 발전기(240)에 의해 발생된 전기는 배터리(242)에 저장될 수 있다.

배터리(242)는 충전과 방전이 가능한 2차 전지인 것이 바람직하지만, 1차 전지가 사용될 수도 있다.

이와 같이, 엔진(110)을 냉각하기 위한 냉각팬(211)의 구동력은 터빈(130)으로부터 발생되고, 냉각팬(211)의 구동은 컨트롤러(220)에 의해서 제어되기 때문에, 냉각팬(211)은 건설기계의 엔진(110)의 구동과는 무관하게 독립적으로 작동할 수 있다.

한편, 냉각팬(211)을 제어하는 컨트롤러(220)는 건설기계에 구비된 전자제어유닛(230, Electronic Control Unit; ECU)에 연결되어 건설기계의 작동 상태와 연동하여 냉각팬(211)의 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 전자제어유닛(230)은 건설기계의 엔진(110)의 회전속도, 출력토크 등 건설기계의 구동 상태의 전반을 제어할 수 있다. 다시 말해서, 종래의 건설기계의 냉각팬(211)은 엔진(110)의 출력축에 맞물려 있어서, 엔진(110)이 구동 중일 경우 엔진(110)의 냉각이 필요하지 않은 건설기계의 초기 시동 시에도 작동된다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동 시스템(10)의 경우는, 엔진을 냉각하기 위한 냉각팬(211)이 건설기계의 유압계통, 냉각계통 및 엔진(110)에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 재활용하는 폐열 회수 시스템(100)의 터빈(130) 및 건설기계의 전자제어유닛(230)과 연결되므로, 엔진(110)의 시동여부와는 관계없이 독립적으로 작동이 가능할 수 있다. 이에 따라, 건설기계가 작업을 완료하거나 주행 및 선회를 완료하였을 경우더라도 엔진(110)의 냉각이 필요할 경우에는 엔진(110)의 시동을 끈 상태에서 건설기계의 전자제어유닛(230)과 연결된 컨트롤러(220)를 이용하여 냉각팬(211)의 작동을 제어할 수 있다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 구동 시스템(10)은 복수개의 냉각팬(211)(121)(141)(191) 및 복수개의 냉각팬(211)(121)(141)(191)을 각각 구동시키는 팬모터(213)(123)(143)(193)를 포함할 수 있다.

유압 시스템을 기반으로 하는 건설기계의 경우, 건설기계의 작업, 주행 및 선회에 따라 엔진(110) 등의 온도가 상승될 수 밖에 없다. 다시 말해서, 건설기계의 유압계통(120-1), 건설기계의 트랜스미션(190, transmission), 그리고 폐열 회수 시스템(100)의 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)와 열 교환한 후에 터빈(130)을 통과한 작동유체를 냉각 또는 응축시키는 응축기(140)에서는 많은 열이 발생할 수 있다.

이때, 건설기계의 구동 효율을 향상시키기 위해서는 건설기계의 엔진(110), 유압계통(120-1), 트랜스 미션(190)의 미션 오일 및 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140)를 적절하게 냉각시켜야 한다. 참고로, 건설기계의 엔진(110), 유압계통(120-1)의 작동유, 트랜스미션(190)의 미션 오일, 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140)를 냉각시키지 않고 사용할 경우에는 엔진(110)의 효율이 나빠질 수 있고, 건설기계의 작업, 주행, 선회 성능이 저하되며, 폐열 회수 시스템(100)을 이용하여 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 효과적으로 재활용하는데 어려움이 발생될 수 있다.

이에 따라, 도 2에 도시한 바와 같이 복수개의 냉각팬(211)(121)(141)(191)을 이용하여 라디에이터(210), 유압계통(120-1)의 작동유, 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140) 및 트랜스미션(190)의 미션 오일을 냉각시킬 수도 있고, 도 3에 도시한 바와 같이, 하나의 냉각팬(211)을 이용하여, 라디에이터(210), 유압계통(120-1)의 작동유, 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140) 및 트랜스미션(190)의 미션 오일을 냉각시킬 수 있다.

도 3의 경우, 하나의 냉각팬(211)은 라디에이터(210), 유압계통(120-1)의 작동유, 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140) 또는 트랜스미션(190) 중 어느 하나를 냉각시키는데 사용될 수도 있고, 라디에이터(210), 유압계통(120-1)의 작동유, 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140) 또는 트랜스미션(190) 모두를 냉각시키는데 사용될 수도 있다.

그러나, 냉각팬(211)의 효율을 향상시키기 위해서는 라디에이터(210), 유압계통(120-1), 폐열 회수 시스템(100)의 응축기(140) 및 트랜스미션(190)에 각각 냉각팬(211)(121)(141)(191)이 마련되는 것이 바람직하다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 냉각계통의 냉각수를 공급받는 라디에이터(210)에 제1 냉각팬(211) 및 제1 팬모터(213)가 구비되고, 작동유가 공급되는 유압계통(120-1)에 제2 냉각팬(121) 및 제2 팬모터(123)가 구비되고, 폐열 회수 시스템(100)에서 순환된 작동유체를 냉각 또는 응축시키는 응축기(140)에 제3 냉각팬(141) 및 제3 팬모터(143)가 구비되며, 건설기계의 변속을 위해 미션오일이 공급되는 트랜스미션(190)에 제4 냉각팬(191) 및 제4 팬모터(193)가 구비될 수 있다.

참고로, 제1 냉각팬(211) 및 제1 팬모터(213)는 상술한 라디에이터(210)의 일측에 구비되는 냉각팬(211) 및 팬모터(213)를 의미하는 것이며 이는 설명의 편의를 위한 것이다. 또한, 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191) 및 제1 내지 제4 팬모터(213)(123)(143)(193)는 동일한 형태 및 크기로 구비될 수도 있고, 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191) 및 제1 내지 제4 팬모터(213)(123)(143)(193)가 탑재되는 건설기계의 크기에 따라 그 크기 및 형태가 달라질 수 있다.

도 2를 참조하면, 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191)은 하나의 컨트롤러(220)에 의해 제어될 수 있다. 이때, 컨트롤러(220)에 의해 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191)은 개별적으로 제어될 수도 있고, 다른 냉각팬과 연동되도록 제어될 수도 있다. 이러한 컨트롤러(220)는 상술한 바와 같이, 건설기예의 전자에어유닛(230)에 의해 작동 여부가 결정될 수 있다.

또한, 도 2와 달리 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191) 마다 각각의 컨트롤러(미도시)가 마련되어 제1 내지 제4 냉각팬(211)(1210(141)(191)이 서로 독립적으로 제어될 수도 있다.

상기한 구성에 의하여 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템(10)은 건설기계의 유압계통, 냉각계통 및 엔진에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 기계적 에너지로 변환시키고 최종적으로 전기적 에너지로 저장함으로써 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용함과 동시에 냉각팬을 엔진과 독립적으로 구동시킬 수 있어서 냉각팬의 작동 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템(10)은 엔진뿐만 아니라 건설기계의 작동유, 트랜스미션 오일 및 폐열 회수용 응축기 각각에 개별적으로 냉각팬을 구비하고, 각각 구비된 냉각팬을 건설기계의 폐열 회수 시스템에서 재활용된 기계적 에너지를 활용하여 구동시킬 수 있기 때문에 건설기계의 엔진에 무리를 주지 않고 건설기계의 엔진, 작동유, 트랜스미션 오일 및 폐열 회수 시스템용 응축기를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템
100: 건설기계의 폐열 회수 시스템
110: 엔진 120: 제1 열교환기
121: 제2 냉각팬 122: 제2 열교환기
123: 제2 팬모터 124: 제3 열교환기
126: 제4 열교환기 130: 터빈
140: 응축기 141: 제3 냉각팬
142: 저장 탱크 143: 제3 팬모터
144: 펌프 150: 제1 재생 열교환기
152: 제2 재생 열교환기 160: 웜업 유로
162: 우회 유로 170: 감지센서
180: 우회 밸브 190: 트랜스미션
191: 제4 냉각팬 193: 제4 팬모터
210: 라디에이터 211: 제1 냉각팬
213: 제1 팬모터 220: 컨트롤러
230: 전자제어유닛(ECU) 240: 발전기
242: 배터리

Claims (2)

1. 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서,
   상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환되도록 작동유체를 순환시키는 폐열 회수 시스템;
   상기 폐열 회수 시스템을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈;
   상기 엔진의 일측에 구비되어 상기 냉각계통의 냉각수를 공급받아 상기 엔진을 냉각시키는 라디에이터;
   상기 라디에이터의 일측에 구비되며 상기 터빈에서 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기; 및
   상기 라디에이터의 일측에 마련되어 상기 발전기에서 전기적 에너지를 공급받아 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시키는 냉각팬;
   을 포함하며,
   상기 냉각팬은 상기 엔진의 작동과 무관하게 독립적으로 작동하여 상기 엔진 또는 상기 라디에이터를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각팬에 구동력을 제공하는 팬모터; 및
   상기 발전기에서 생산되는 전기적 에너지를 저장하여 상기 팬모터로 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열을 이용한 냉각팬 구동시스템.

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