KR20110093219A - 배기열 회수 이젝터 공조 시스템 - Google Patents

배기열 회수 이젝터 공조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 배기열 회수 이젝터 공조 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 압축기를 대체하는 배기열 회수 열교환기 및 이젝터를 이용하여 냉매의 압축을 수행하도록 함으로써 차량 연비를 개선하는, 배기열 회수 이젝터 공조 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 배기열 회수 이젝터 공조 시스템은, 액화열을 방출하여 주변 공기를 가열하며 냉매를 응축시키는 응축기(110); 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 하나를 제1유로(161)을 통해 유입받아 팽창시키는 팽창밸브(120); 상기 팽창밸브(120)로부터 배출된 냉매를 유입받아, 기화열을 흡수하여 주변 공기를 냉각하며 냉매를 증발시키는 증발기(130); 이종의 열교환매체가 각각 그 내부로 유동되는 제1열교환부(141) 및 제2열교환부(142)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1열교환부(141)는 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 상기 팽창밸브(120)로 유입되는 냉매가 아닌 다른 하나를 제2유로(162)를 통해 유입받아 열교환한 후 배출하며, 상기 제2열교환부(142)는 배기가스를 유입받아 열교환한 후 배출하되, 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매 및 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스가 열교환함으로써 냉매를 고온ㆍ고압으로 압축시키는 이종 열교환기(140); 상기 이종 열교환기(140)의 상기 제1열교환부(141)로부터 배출된 냉매를 노즐부(151)로 유입받고, 상기 증발기(130)로부터 배출된 냉매를 흡입부(152)로 유입받아, 냉매를 승압하여 상기 응축기(110)로 유입시키는 이젝터(150); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배기열 회수 이젝터 공조 시스템 {Air-Conditioning System using Exhaustion Heat Recovery Ejector}
본 발명은 배기열 회수 이젝터 공조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열교환 시스템은 주변으로부터 주변으로 열을 방출하는 응축기, 열교환매체를 팽창시키는 팽창밸브, 열을 흡수하는 증발기, 열교환매체를 압축하는 압축기로 구성된다. 여기에서 증발기나 응축기가 대표적인 열교환기로서, 열교환기는 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른쪽으로 열을 방출시키는 장치이다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 팽창밸브를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하게 되어 사이클을 이루게 된다. 즉, 증발기 측에서는 기화열이 흡수됨으로써 주변의 공기가 냉각되고, 응축기 측에서는 액화열을 방출하게 되어 주변의 공기가 가열된다.
도 1은 일반적인 종래의 차량용 공조 시스템을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 차량용 공조 시스템은, 일반적인 열교환 시스템과 동일하게, 주변으로 액화열을 방출하며 열교환매체를 응축시키는 응축기(1), 열교환매체를 팽창시키는 팽창밸브(2), 주변으로부터 기화열을 흡수하여 열교환매체를 기화시키는 증발기(3), 열교환매체를 압축하는 압축기(4)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하자면, 상기 응축기(1)에서는 고온ㆍ고압의 기상 냉매를 외부로 액화열을 방출하며 응축시킴으로써 냉매를 액상으로 만든다. 상기 응축기(1)에서 배출된 액상 냉매는 상기 팽창밸브(2)로 유입되어, 상기 팽창밸브(2)에서 냉매가 팽창된 후 상기 증발기(3)로 유입된다. 상기 증발기(3)에서는 냉매가 외부로부터 기화열을 흡수함으로써 주변 공기를 냉각시키면서 냉매 자체는 저온ㆍ저압의 기상이 되어 배출된다. 이렇게 저온ㆍ저압의 기상 냉매가 상기 압축기(4)로 유입되면, 상기 압축기(4)에서는 냉매를 압축함으로써 고온ㆍ고압의 기상 냉매로 만들어 배출하게 된다.
이 때, 상기 압축기(4)는 일반적으로 엔진의 동력에 의하여 작동되게 되며, 이에 따라 상기 압축기(4)의 작동에 필요한 에너지가 소모됨으로써 엔진 연비가 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압축기를 대체하는 배기열 회수 열교환기 및 이젝터를 이용하여 냉매의 압축을 수행하도록 함으로써 차량 연비를 개선하는, 배기열 회수 이젝터 공조 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기열 회수 이젝터 공조 시스템은, 액화열을 방출하여 주변 공기를 가열하며 냉매를 응축시키는 응축기(110); 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 하나를 제1유로(161)을 통해 유입받아 팽창시키는 팽창밸브(120); 상기 팽창밸브(120)로부터 배출된 냉매를 유입받아, 기화열을 흡수하여 주변 공기를 냉각하며 냉매를 증발시키는 증발기(130); 이종의 열교환매체가 각각 그 내부로 유동되는 제1열교환부(141) 및 제2열교환부(142)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1열교환부(141)는 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 상기 팽창밸브(120)로 유입되는 냉매가 아닌 다른 하나를 제2유로(162)를 통해 유입받아 열교환한 후 배출하며, 상기 제2열교환부(142)는 배기가스를 유입받아 열교환한 후 배출하되, 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매 및 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스가 열교환함으로써 냉매를 고온ㆍ고압으로 압축시키는 이종 열교환기(140); 상기 이종 열교환기(140)의 상기 제1열교환부(141)로부터 배출된 냉매를 노즐부(151)로 유입받고, 상기 증발기(130)로부터 배출된 냉매를 흡입부(152)로 유입받아, 냉매를 승압하여 상기 응축기(110)로 유입시키는 이젝터(150); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 이종 열교환기(140)는 복수 개의 플레이트(1450)가 적층되어 상기 플레이트(1450)의 전면끼리 마주보며 결합된 부분에 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(1410)이 형성되고 상기 플레이트(1450)의 후면끼리 마주보며 결합된 부분에 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(1420)이 형성되며, 상기 플레이트(1450)에는 상기 제1매체공간(1410)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(1411) 및 제1매체배출구(1412)와; 상기 제1매체유입구(1411) 및 상기 제1매체배출구(1412) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(1415)와; 상기 제2매체공간(1420)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(1421) 및 제2매체배출구(1422)와; 상기 제2매체유입구(1421) 및 상기 제2매체배출구(1422) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(1425);가 구비되는 판형 열교환기 형태로 형성되어, 상기 제1매체공간(1410) 및 상기 제2매체공간(1420) 내로 냉매 및 배기가스가 각각 유동하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 이종 열교환기(140)는 냉매 및 배기가스의 유동이 대향류를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이젝터(150)는 상기 이종 열교환기(140)의 제1열교환부(141)로부터 토출된 냉매를 유입받아 감압 팽창시키면서 냉매 유속을 증가시키는 노즐부(151), 상기 노즐부(151)로부터 분사되는 냉매의 증가된 유속을 이용하여 상기 증발기(130)로부터 토출된 냉매를 유입받아 흡입하는 흡입부(152), 상기 노즐부(151)에서 분사되는 냉매와 상기 흡입부(152)를 통해 흡입되는 냉매를 혼합한 후 이 냉매의 압력을 승압시키는 디퓨져부(153)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
종래의 차량용 공조 시스템은 일반적인 열교환 시스템, 즉 응축기 - 팽창밸브 - 증발기 - 압축기로 이루어지는 열교환 시스템으로 이루어져 있었으며, 이 때 압축기의 작동에는 엔진의 동력이 소모되게 되어 차량 연비가 떨어지게 되는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 종래의 열교환 시스템에서의 압축기를 이젝터 및 배기열 회수 열교환기로 대체하여, 냉매의 압축을 수행하면서도 엔진의 동력을 전혀 소모하지 않아 엔진 연비를 크게 개선하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 공조 시스템.
도 2는 본 발명의 공조 시스템.
도 3은 본 발명의 공조 시스템에 구비되는 이종 열교환기.
도 4는 본 발명의 공조 시스템에 구비되는 이젝터.
도 5는 본 발명의 공조 시스템 및 p-h 선도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 배기열 회수 이젝터 공조 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 배기열 회수 이젝터 공조 시스템을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 공조 시스템은, 응축기(110), 팽창밸브(120), 증발기(130)를 포함하여 이루어지는 점에 있어서는 종래의 공조 시스템과 유사하나, 종래의 공조 시스템과는 달리 압축기가 생략되고, 그 대신에 배기열을 회수할 수 있는 이종 열교환기(140) 및 이젝터(150)를 포함하여 이루어진다. 또한 상기 이종 열교환기(140) 및 상기 이젝터(150)로의 냉매 유동이 각각 이루어질 수 있도록, 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 제1유로(161) 및 제2유로(162)로 분기되게 된다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 응축기(110)는, 일반적인 공조 시스템에서의 응축기와 마찬가지로, 액화열을 방출하여 주변 공기를 가열하며 냉매를 응축시킨다. 이 때, 상기 응축기(110)에서 배출된 냉매는 본 발명의 공조 시스템에서는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 제1유로(161) 및 제2유로(162)로 분기되게 된다.
상기 팽창밸브(120)는, 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 하나를 제1유로(161)을 통해 유입받아, 일반적인 공조 시스템에서의 응축기와 마찬가지로 냉매를 팽창시킨다.
상기 증발기(130)는, 상기 팽창밸브(120)로부터 배출된 냉매를 유입받아, 일반적인 공조 시스템에서의 응축기와 마찬가지로, 기화열을 흡수하여 주변 공기를 냉각하며 냉매를 증발시킨다.
본 발명의 공조 시스템에서 종래의 압축기를 대체하는 부품은 상기 이종 열교환기(140) 및 상기 이젝터(150)로서, 이에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
상기 이종 열교환기(140)는, 이종의 열교환매체가 각각 그 내부로 유동되는 제1열교환부(141) 및 제2열교환부(142)를 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 제1열교환부(141)는 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 상기 팽창밸브(120)로 유입되는 냉매가 아닌 다른 하나를 제2유로(162)를 통해 유입받아 열교환한 후 배출하며, 상기 제2열교환부(142)는 배기가스를 유입받아 열교환한 후 배출하게 된다. 이 때, 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매 및 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스가 열교환하게 되는데, 차량의 배기가스는 매우 높은 온도를 가지고 있는 바 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매는 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스로부터 열을 공급받게 된다. 이에 따라 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매 및 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스가 열교환하게 되면, 상기 제1열교환부(141) 내의 냉매는 고온ㆍ고압이 되어 압축되는 효과를 얻게 된다.
이를 구현할 수 있는 이종 열교환기의 일반적인 구성이 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 형태로, 상기 이종 열교환기(140)는, 복수 개의 플레이트(1450)가 적층되어 상기 플레이트(1450)의 전면끼리 마주보며 결합된 부분에 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(1410)이 형성되고 상기 플레이트(1450)의 후면끼리 마주보며 결합된 부분에 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(1420)이 형성되며, 상기 플레이트(1450)에는 상기 제1매체공간(1410)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(1411) 및 제1매체배출구(1412)와; 상기 제1매체유입구(1411) 및 상기 제1매체배출구(1412) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(1415)와; 상기 제2매체공간(1420)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(1421) 및 제2매체배출구(1422)와; 상기 제2매체유입구(1421) 및 상기 제2매체배출구(1422) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(1425);가 구비되는 판형 열교환기 형태로 형성되게 된다. 이 때, 상기 제1매체공간(1410) 및 상기 제2매체공간(1420) 내로 냉매 및 배기가스가 각각 유동하게 됨으로써, 서로 인접해 있는 상기 제1매체공간(1410) 내의 냉매 및 상기 제2매체공간(1420) 내의 배기가스가 서로 열교환을 일으킬 수 있게 되는 것이다.
상기 제1매체유입구(1411), 상기 제1매체배출구(1412), 상기 제2매체유입구(1421), 상기 제2매체배출구(1422)의 위치가 도 3에 도시된 바와 반드시 동일하게 형성될 필요는 없다. 또한, 상기 플레이트(1450)의 형상 역시 도 3에 도시된 바와 반드시 동일하게 형성될 필요는 없다. 또한, 도 3에는 제1열교환매체가 냉매이고, 제2열교환매체가 배기가스인 것으로 표기되어 있으나, 이 둘이 서로 바뀌어도 전혀 무방하다. 다만, 냉매 및 배기가스 간의 열교환성능을 극대화하기 위하여, 상기 이종 열교환기(140)는 냉매 및 배기가스의 유동이 대향류를 형성하도록 입출구 배치 또는 매체 선택 등이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 이젝터(150)는, 상기 이종 열교환기(140)의 상기 제1열교환부(141)로부터 배출된 냉매를 노즐부(151)로 유입받고, 상기 증발기(130)로부터 배출된 냉매를 흡입부(152)로 유입받아, 냉매를 승압하여 상기 응축기(110)로 유입시킴으로써 공조 사이클이 완성되게 된다.
도 4는 상기 이젝터(150)의 상세 구조를 도시한 것이다. 상기 이젝터(150)는 노즐부(151), 흡입부(152) 및 디퓨져부(153)를 포함하여 이루어진다. 상기 노즐부(151)는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 유로 면적이 점점 좁아지는 형태로 형성됨으로써, 상기 이종 열교환기(140)의 제1열교환부(141)로부터 토출된 냉매를 유입받아 감압 팽창시키면서 냉매 유속을 증가시킨다. 상기 흡입부(152)는, 상기 노즐부(151)로부터 분사되는 냉매의 증가된 유속을 이용하여 상기 증발기(130)로부터 토출된 냉매를 유입받아 흡입한다. 상기 디퓨저부(153)는, 상기 노즐부(151)에서 분사되는 냉매와 상기 흡입부(152)를 통해 흡입되는 냉매를 혼합한 후 이 냉매의 압력을 승압시킨다.
도 5는 본 발명의 공조 시스템과 p-h 선도를 도시한 것으로, 도 5(A)에 표시된 ①, ②, …, ⑦ 지점이 도 5(B)에도 각각 표시되어 있다. 상기 제1유로(161)를 따라 흐르는 냉매는 도 5에서 ① - ② - ③ - ④ - ⑦ - ①의 경로를 따라 순환하게 되고, 상기 제2유로(162)를 따라 흐르는 냉매는 도 5에서 ① - ② - ⑤ - ⑥ - ⑦ - ①의 경로를 따라 순환하게 된다.
정리하자면, 상기 이종 열교환기(140)에서는 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매를 고온의 배기가스와 열교환시킴으로써 고온ㆍ고압으로 만든다. 또한, 상기 이젝터(150)에서는 상기 이종 열교환기(140)에서 배출된 고온ㆍ고압의 구동류를 이용하여 상기 증발기(130)를 통해 배출된 냉매를 흡입하고, 상기 이젝터(150)의 상기 디퓨저부(153)에서 이들이 혼합되어 승압됨으로써, 상기 이젝터(150)에서는 고온ㆍ고압의 기상 냉매가 배출될 수 있게 된다.
일반적인 종래의 공조 시스템에서, 증발기에서 배출된 냉매를 고온ㆍ고압의 기상으로 만들기 위해 압축기가 사용되는데, 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 압축기를 사용하지 않고도 냉매를 고온ㆍ고압의 기상으로 만들 수 있다. 이에 따라, 종래에 압축기를 구동하기 위하여 엔진 동력을 사용하였기 때문에 발생되었던 에너지 소모분을 본 발명에서는 절약할 수 있으며, 궁극적으로 엔진 연비를 크게 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 공조 시스템 110: 응축기
120: 팽창밸브 130: 증발기
140: 이종 열교환기
141: 제1열교환부 142: 제2열교환부
150: 이젝터 151: 노즐부
152: 흡입부 153: 디퓨저부
161: 제1유로 162: 제2유로

Claims (3)

  1. 액화열을 방출하여 주변 공기를 가열하며 냉매를 응축시키는 응축기(110);
    상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 하나를 제1유로(161)을 통해 유입받아 팽창시키는 팽창밸브(120);
    상기 팽창밸브(120)로부터 배출된 냉매를 유입받아, 기화열을 흡수하여 주변 공기를 냉각하며 냉매를 증발시키는 증발기(130);
    이종의 열교환매체가 각각 그 내부로 유동되는 제1열교환부(141) 및 제2열교환부(142)를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1열교환부(141)는 상기 응축기(110)로부터 배출된 냉매가 분기되어, 그 중 상기 팽창밸브(120)로 유입되는 냉매가 아닌 다른 하나를 제2유로(162)를 통해 유입받아 열교환한 후 배출하며, 상기 제2열교환부(142)는 배기가스를 유입받아 열교환한 후 배출하되,
    상기 제1열교환부(141) 내의 냉매 및 상기 제2열교환부(142) 내의 배기가스가 열교환하는 이종 열교환기(140);
    상기 이종 열교환기(140)의 상기 제1열교환부(141)로부터 배출된 냉매를 노즐부(151)로 유입받고, 상기 증발기(130)로부터 배출된 냉매를 흡입부(152)로 유입받아, 냉매를 승압하여 상기 응축기(110)로 유입시키는 이젝터(150);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 이젝터 공조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이종 열교환기(140)는
    냉매 및 배기가스의 유동이 대향류를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 이젝터 공조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 이젝터(150)는
    상기 이종 열교환기(140)의 제1열교환부(141)로부터 토출된 냉매를 유입받아 감압 팽창시키면서 냉매 유속을 증가시키는 노즐부(151),
    상기 노즐부(151)로부터 분사되는 냉매의 증가된 유속을 이용하여 상기 증발기(130)로부터 토출된 냉매를 유입받아 흡입하는 흡입부(152),
    상기 노즐부(151)에서 분사되는 냉매와 상기 흡입부(152)를 통해 흡입되는 냉매를 혼합한 후 이 냉매의 압력을 승압시키는 디퓨져부(153)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기열 회수 이젝터 공조 시스템.
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