WO2021096316A1 - 가스 히트펌프 시스템 - Google Patents

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WO2021096316A1
WO2021096316A1 PCT/KR2020/016040 KR2020016040W WO2021096316A1 WO 2021096316 A1 WO2021096316 A1 WO 2021096316A1 KR 2020016040 W KR2020016040 W KR 2020016040W WO 2021096316 A1 WO2021096316 A1 WO 2021096316A1
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gas
pipe
blow
mixer
oil
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PCT/KR2020/016040
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English (en)
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이진우
정호종
김철권
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엘지전자 주식회사
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    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/007—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in parallel, e.g. at least one pump supplying alternatively
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
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    • F02M35/10209—Fluid connections to the air intake system; their arrangement of pipes, valves or the like
    • F02M35/10222—Exhaust gas recirculation [EGR]; Positive crankcase ventilation [PCV]; Additional air admission, lubricant or fuel vapour admission
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F01M2013/0411—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil using cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2327/00—Refrigeration system using an engine for driving a compressor
    • F25B2327/001—Refrigeration system using an engine for driving a compressor of the internal combustion type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the heat pump system is a system provided with a refrigeration cycle capable of performing a cooling or heating operation, and may be interlocked with a hot water supply device or a cooling and heating device.
  • Such a refrigeration cycle generally includes a compressor for compressing the refrigerant, a condenser for condensing the refrigerant compressed by the compressor, an expansion device for decompressing the refrigerant condensed by the condenser, and an evaporator for evaporating the reduced refrigerant.
  • the heat pump system may be classified into an electric heat pump system and a gas heat pump system according to a type of a drive source for driving a compressor.
  • the electric heat pump system is suitable for home use where the load capacity is not large.
  • Gas heat pump systems are suitable for industrial or large buildings with very large load capacities.
  • the gas heat pump system uses a gas engine rather than an electric motor to drive a large-capacity compressor suitable for such a high load capacity.
  • the gas heat pump system includes an engine that generates power by burning a mixture of gas fuel and air (hereinafter referred to as a mixer), an air supply device for supplying a mixer to the engine, a fuel supply device, and air and gas fuel. Includes a mixer for mixing.
  • the engine of the gas heat pump system generates power through a piston reciprocating inside a cylinder, similar to a general internal combustion engine.
  • blow-by gas contains a small amount of engine oil.
  • the oil contained in the blow-by gas may damage the filter of the intake line during the re-inflow process, so it is common to go through an oil separation means.
  • Korean Patent Publication No. 10-0401567 discloses a configuration of an oil separation device that compresses a blow-by gas through an impeller, cools the compressed blow-by gas, and separates oil.
  • the present invention was devised to solve the above-described problems, and the blow-by gas is sucked using a mixer and a venturi pressurized by a supercharger, thereby simplifying the recirculation structure of the blow-by gas and reducing the manufacturing cost. It is an object to provide a gas heat pump system.
  • the present invention is configured to prevent oil deposition by separating and cooling the oil contained in the blow-by gas, and to introduce the separated blow-by gas to the supercharger side of the rear end of the filter.
  • a gas heat pump system capable of effectively preventing damage to a filter.
  • a gas heat pump system includes: a compressor of an air conditioning module; A gas engine generating driving force of the compressor; A supercharger that pressurizes and supplies a mixture of air and gas fuel to the engine; A supply pipe for guiding the mixer pressurized by the supercharger to the engine; A blow-by gas pipe for guiding the blow-by gas discharged from the engine; A bypass pipe connected to the supply pipe and branching at least a portion of the pressurized mixer; A venturi unit connected to the bypass pipe and the blow-by gas pipe, and suctioning the blow-by gas discharged through the blow-by gas pipe; An oil separation unit separating the oil contained in the blow-by gas sucked through the venturi unit; And a recovery pipe guiding the blow-by gas from which the oil is separated to the supercharger.
  • the supercharger includes: a first supercharger configured to first pressurize the mixer; A second supercharging unit for secondary pressurizing the mixer pressurized through the first supercharging unit; And a connection pipe for guiding the firstly pressurized mixer through the first supercharge unit to the second supercharge unit, and the recovery pipe guides the blow-by gas from which the oil is separated to the connection pipe.
  • a check valve for blocking the reverse flow of the first pressurized mixer from the connection pipe to the recovery pipe.
  • venturi unit is connected to the bypass pipe, a large diameter portion into which the branched mixer is introduced; And a small-diameter part integrally connected to the large-diameter part and having an inner diameter smaller than that of the large-diameter part, wherein the blow-by gas pipe is connected to the small-diameter part, and the blow-by gas is sucked through the small-diameter part.
  • the small diameter portion of the venturi portion and the introduction pipe of the oil separation portion are integrally formed.
  • the first supercharging unit may include a first impeller for first pressing the mixer
  • It includes; a first motor providing a rotational force to the first impeller.
  • the gas heat pump system according to the present invention is configured to separate and cool the oil contained in the blow-by gas to prevent oil deposition, and to introduce the separated blow-by gas to the supercharger side of the rear end of the filter.
  • the gas heat pump system according to the present invention has the effect of effectively preventing damage to the impeller and filter of the supercharger due to oil.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a gas heat pump system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a detailed configuration of the engine module of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a pressure ratio of an intake system included in the engine module shown in FIG. 2 and a pressure ratio of a blow-by gas recirculation system.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a venturi unit and an oil separation unit included in the engine module shown in FIG. 2.
  • first and second may be used to describe various elements, but the elements may not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
  • the term “and/or” may include a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a gas heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a detailed configuration of the engine module of FIG. 1.
  • a gas heat pump system 10 includes an air conditioning module, an engine module, and a cooling module.
  • the air conditioning module includes a plurality of components constituting a refrigerant cycle.
  • the air conditioning module includes a compressor 110 for compressing a refrigerant and a four-way valve 115 for changing a direction of the refrigerant compressed by the compressor 110.
  • the air conditioning module further includes an outdoor heat exchanger 120 and an indoor heat exchanger 140.
  • the outdoor heat exchanger 120 may be disposed inside the outdoor unit disposed on the outdoor side, and the indoor heat exchanger 140 may be disposed inside the indoor unit disposed on the indoor side.
  • the refrigerant passing through the four-way valve 115 may flow to the outdoor heat exchanger 120 or the indoor heat exchanger 140.
  • Components of the system shown in FIG. 1 may be disposed outside the indoor heat exchanger 140 and the indoor expansion device 145, that is, inside the outdoor unit.
  • the refrigerant passing through the four-way valve 115 may flow toward the indoor heat exchanger 140 through the outdoor heat exchanger 120.
  • the refrigerant passing through the four-way valve 115 may flow toward the outdoor heat exchanger 120 through the indoor heat exchanger 140.
  • the air conditioning module further includes a refrigerant pipe 170 (solid line flow path) connecting the compressor 110, the outdoor heat exchanger 120, and the indoor heat exchanger 140 to guide the flow of the refrigerant.
  • a refrigerant pipe 170 solid line flow path
  • the refrigerant flowing through the outdoor heat exchanger 120 may be condensed by heat exchange with outside air.
  • An outdoor fan 122 for blowing outside air may be disposed on one side of the outdoor heat exchanger 120.
  • the main expansion device 125 is fully open and does not decompress the refrigerant.
  • a subcooling heat exchanger 130 for additionally cooling the refrigerant may be provided at the outlet side of the main expansion device 125.
  • a subcooling flow path 132 may be connected to the subcooling heat exchanger 130.
  • the subcooling flow path 132 may be branched from the refrigerant pipe 170 and connected to the subcooling heat exchanger 130.
  • a supercooling expansion device 135 may be installed in the supercooling passage 132.
  • the refrigerant flowing through the subcooling passage 132 may be depressurized while passing through the supercooling expansion device 135.
  • heat exchange may be performed between the refrigerant in the refrigerant pipe 170 and the refrigerant in the subcooling passage 132.
  • the refrigerant in the refrigerant pipe 170 is supercooled, and the refrigerant in the subcooling channel 132 absorbs heat.
  • the subcooling passage 132 may be connected to the gas-liquid separator 160.
  • the refrigerant in the subcooling passage 132 heat-exchanged in the subcooling heat exchanger 130 may flow into the gas-liquid separator 160.
  • the indoor expansion device 145 is installed inside the indoor unit and may be configured with an electronic expansion valve (EEV).
  • the refrigerant evaporated from the indoor heat exchanger 140 may be directly introduced into the gas-liquid separator 160 after passing through the four-way valve 115, and the separated gaseous refrigerant may be sucked into the compressor 110. .
  • the refrigerant compressed by the compressor 110 may flow to the indoor heat exchanger 140, and the refrigerant condensed by the indoor heat exchanger 140 may flow to the auxiliary heat exchanger 150.
  • a refrigerant branch pipe 151 may be connected to the auxiliary heat exchanger 150.
  • An expansion valve 152 may be provided in a pipe located at an inlet side of the auxiliary heat exchanger 150 among the refrigerant branch pipes 151.
  • the expansion valve 152 may depressurize the refrigerant while controlling the flow of the refrigerant.
  • the auxiliary heat exchanger 150 is a heat exchanger capable of performing heat exchange between a low-pressure refrigerant and a high-temperature cooling water, and includes, for example, a plate heat exchanger.
  • the refrigerant that has passed through the auxiliary heat exchanger 150 may be introduced into the gas-liquid separator 160.
  • the refrigerant passing through the auxiliary heat exchanger 150 is gas-liquid separated by the gas-liquid separator 160, and the separated gaseous refrigerant may be sucked into the compressor 110.
  • the cooling module includes a cooling water pipe 360 (dotted line flow path) for guiding a flow of cooling water for cooling the engine 210 to be described later.
  • the cooling water pipe 360 includes a cooling water pump 300 for generating a flow force of cooling water, a plurality of flow conversion units 310 and 320 for changing a flow direction of the cooling water, and a radiator 330 for cooling the cooling water. ) Can be installed.
  • the coolant pump 300 When the coolant pump 300 is driven, the coolant passes through the engine 210 and the exhaust gas heat exchanger 280, and the radiator 330 through the first flow conversion unit 310 and the second flow conversion unit 320 Alternatively, it may be selectively flowed to the auxiliary heat exchanger 150.
  • the engine module includes a mixer 230 disposed at the inlet side of the engine 210 to mix air and gaseous fuel.
  • an air filter 220 that supplies purified air to the mixer 230 through an air pipe 200a, and a gas fuel of a predetermined pressure or less through the fuel pipe 200b.
  • a zero governor 240
  • the zero governor 240 may be understood as a device that constantly adjusts and supplies an outlet pressure regardless of a change in the inlet pressure or flow rate of the gaseous fuel.
  • the engine module further includes a supercharger 250 and an adjustment means 270 disposed between the mixer 230 and the engine 210.
  • the supercharger 250 pressurizes the mixer to increase the density of the mixer and supplies it to the engine 210, thereby being used as a means for outputting a higher output than the naturally aspirated engine.
  • the supercharger 250 pressurizes the discharged mixer after air and gaseous fuel are mixed in the mixer 230 and discharges it to the engine 210 through the supply pipe 200e.
  • the supercharger 250 is a first supercharger 251 for primary pressurizing the mixer mixed in the mixer 230, and a second supercharger for secondary pressurization of the first pressurized mixer. It may have a two-stage supercharge structure including the unit 252.
  • the adjusting means 270 is disposed between the supercharger 250 and the engine 210 to adjust the amount of the compressed mixer supplied to the engine 210.
  • control means 270 may be provided with a valve to which an ETC (electronic throttle control) method is applied.
  • ETC electronic throttle control
  • the present invention is not limited thereto, but will be described based on an embodiment in which an ETC valve capable of electronic control is applied as the adjusting means 270.
  • gaseous fuel and air are mixed in the mixer 230 to form a mixer, and the mixer may be supplied to the engine 210 after being pressurized to a high pressure in the supercharger 250.
  • the output of the engine 210 is controlled by precisely controlling the amount of the high-pressure mixer supplied to the engine 210 through the ETC valve 270.
  • an intercooler 260 may be provided between the supercharger 250 and the adjusting means 270 as a means for supplying the mixture to the cylinder 211 of the engine 210 by lowering the temperature and pressure of the mixer.
  • the intercooler 260 may exchange heat between a mixer to be supplied to the engine 210 and a part of coolant to flow to the engine 210.
  • the engine module may further include an exhaust gas heat exchanger 280 disposed on the exhaust port side of the engine 210 to exchange heat between the coolant and the exhaust gas.
  • a configuration for recirculating the blow-by gas discharged from the engine and a configuration for separating the oil contained in the blow-by gas may be added.
  • the supercharger 250 that pressurizes and supplies a mixture of air and gas fuel to the engine 210 as described above is a first supercharger 251, a second supercharger 252, and a first supercharger 250. And a motor housing 254 accommodating the first motor 251b of the supercharging unit 251 and the second motor 252b of the second supercharging unit 252 at the same time.
  • Air and gaseous fuel supplied through the air pipe 200a and the fuel pipe 200b are mixed in the mixer 230, and the first supercharger 251 first pressurizes the mixer supplied through the mixing engine 200c. do.
  • the first supercharger 251 includes a first impeller 251a that pressurizes the mixer, a first motor 251b that provides rotational force to the first impeller 251a, and a first impeller 251a. And a housing 251c.
  • the mixing pipe 200c is connected to the inlet of the first housing 251c, and the mixer 230 mixed in the mixer 230 flows in.
  • the outlet of the first housing 251c is connected to one end of the connection pipe 200d.
  • the other end of the connection pipe 200d is connected to the second housing 252c of the second supercharging part 252 to be described later.
  • the mixer which is first pressurized through the first impeller 251a, is transmitted to the second supercharger 252 through the connection pipe 200d.
  • the second supercharging unit 252 pressurizes the mixer firstly pressurized through the first impeller 251a and transferred through the connection pipe 200d.
  • the second supercharging unit 252 includes a second impeller 252a for pressurizing the first pressurized mixer, a second motor 252b for providing rotational force to the second impeller 252a, and a second impeller 252a. And a second housing 252c to accommodate it.
  • a connection pipe 200d is connected to the inlet of the second housing 252c, and the mixer, which is first pressurized by the first impeller 251a, is introduced.
  • the outlet of the second housing 252c is connected to one end of the supply pipe 200e.
  • the other end of the supply pipe 200e is connected to the ETC valve 270. Meanwhile, the mixer passing through the ETC valve 270 is evenly distributed to each cylinder 211 of the engine 210 through the intake manifold 212.
  • the mixer distributed to each cylinder 211 is burned inside the cylinder 211 to generate power to reciprocate the piston, and the burned mixer passes through the exhaust manifold 213 and is discharged through the exhaust pipe 200f.
  • a small amount of the mixer may leak into a gap between the cylinder 211 and the piston (not shown) in the combustion process of the mixer, thereby generating blow-by gas.
  • the generated blow-by gas is accumulated in the crankcase (not shown) of the engine 210.
  • a blow-by gas pipe 214 having a purpose for discharging the blow-by gas to the outside of the engine 210 is connected to the crankcase of the engine 210.
  • blow-by gas pipe 214 One end of the blow-by gas pipe 214 is connected to the crankcase of the engine 210 and the other end is connected to a venturi part 300 to be described later.
  • a bypass pipe 200g for branching at least a part of the two-stage pressurized mixer is connected to the above-described connection pipe 200d.
  • one end of the bypass pipe 200g is connected to the connection pipe 200d, the other end is connected to the venturi part 300, and the branched mixer is guided to the venturi part 300.
  • the venturi part 300 includes a large-diameter part 301 through which the mixer branched through the bypass pipe 200g is introduced, and a small-diameter part 302 to which the other end of the above-described blow-by gas pipe 214 is connected. It has a venturi structure.
  • the mixer introduced into the large diameter portion 301 increases the speed while passing through the small diameter portion 302, and the pressure decreases.
  • the blow-by gas discharged from the engine 210 contains a trace amount of oil in the form of a mist.
  • An oil separation unit 400 is included as a means for separating the oil mist (M) contained in the blow-by gas.
  • the oil separation unit 400 is directly coupled to the small diameter portion 302 of the above-described venturi unit 300, a structure to separate the oil mist (M) and the blow-by gas using gravity Has.
  • the recovery pipe 200h may further include a recovery gas heat exchanger 600 as a means for lowering the temperature and pressure of the recovered blow-by gas and the mixer.
  • the recovered gas heat exchanger 600 may lower the temperature and pressure of the blow-by gas and the mixer recovered by using the refrigerant of the above-described air conditioning system, and preferably, the refrigerant pipe 601 so that the refrigerant is used before flowing into the compressor. ) Is connected.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the pressure ratio of the intake system included in the engine module shown in FIG. 2 and the pressure ratio of the blow-by gas recirculation system
  • FIG. 4 is a venturi unit 300 included in the engine module shown in FIG. And a cross-sectional view for explaining the oil separation unit 400.
  • the pressure of the mixer inside the mixing engine 200c before being introduced into the first supercharger 251 may be defined as the reference pressure Pr.
  • the mixer introduced into the first supercharging unit 251 is pressurized by the first impeller 251a and discharged through the connection pipe 200d.
  • the pressure of the mixer pressurized and discharged from the first supercharger 251 may be defined as a first pressure ratio P1 having a pressure 1.1 times higher than the reference pressure.
  • the pressure of the mixer that is secondarily pressurized and discharged and supplied to the engine 210 through the supply pipe 200e may be defined as a second pressure ratio P2 having a pressure 1.4 times higher than the reference pressure.
  • the pressure ratio dropped from the small-diameter portion 302 is at a level of 0.9 times the reference pressure, which may be defined as a third pressure ratio P3.
  • the fourth pressure ratio (P4) inside the blow-by gas pipe 214 becomes higher than the third pressure ratio (P3) of the small diameter portion 302 of the venturi unit 300, the inside of the blow-by gas pipe 214 The blow-by gas of is sucked into the small-diameter part 302 of the venturi part 300, and is mixed with the mixer in the small-diameter part 302.
  • the oil contained in the blow-by gas is separated through an oil separation structure provided in the oil separation unit 400.
  • the detailed configuration of the oil separation structure will be described later with reference to FIG. 4.
  • the blow-by gas from which the oil is separated and the mixer are guided to the supercharger 250 through the recovery pipe 200h. At this time, the pressure ratio inside the recovery pipe 200h is approximately maintained at the fifth pressure ratio.
  • blow-by gas and the mixer that are naturally recovered may be introduced into the inside of the connection pipe 200d having a first pressure ratio lower than the fifth pressure ratio.
  • the recovered blow-by gas and mixer have a relatively high temperature compared to the first pressurized mixer. Accordingly, the recovered blow-by gas and the mixture are passed through the recovered gas heat exchanger 600 in order to lower the temperature and increase the density.
  • the pressure of the blow-by gas and the mixer passing through the recovered gas heat exchanger 600 is 1.15 to 1.2 times the reference pressure, which may be defined as a sixth pressure ratio.
  • the large diameter part 301 of the venturi part 300 is connected to the bypass pipe 200g, and the branched mixer is introduced and flows through the bypass pipe 200g.
  • a small-diameter portion 302 having a shape in which the inner diameter gradually decreases from the large-diameter portion 301 is integrally formed.
  • a blow-by gas inlet 303 is formed in the small diameter part 302, and the blow-by gas inlet 303 is connected to the blow-by gas pipe 214 so that the blow-by gas containing oil is sucked. .
  • the sucked blow-by gas and the mixer are transferred to the oil separation unit 400 in a mixed state in the small diameter unit 302.
  • the oil separation unit 400 has a double pipe structure so that oil can be separated using gravity.
  • the casing 401 forming the outer tube has a structure that extends in the vertical direction so that the separated oil can be collected in the downward direction by gravity.
  • the oil separation pipe 403 forming the inner tube is fixed inside the casing 401, and an oil separation chamber 401c is formed in the space between the oil separation pipe 403 and the casing 401.
  • the oil separation pipe 403 has a structure extending in the vertical direction.
  • An introduction pipe 402 is formed on the upper side of the casing 401 to guide the blow-by gas and the mixer to the oil separation chamber 401c.
  • the blow-by gas and the mixer guided to the inlet pipe 402 pass through the inlet port 401a and move to the oil separation chamber 401c.
  • the introduction pipe 402 is configured to fit into the inside of the small diameter portion 302 of the venturi portion 300.
  • the present invention is not limited thereto, and a configuration in which the small-diameter portion 302 of the venturi portion 300 and the introduction pipe 402 are integrally formed is also possible, which naturally falls within the scope of the present invention.
  • the following description will be made based on an embodiment in which the introduction pipe 402 is fitted into the small diameter portion 302 of the venturi unit 300.
  • the oil mist (M) is separated while adhering to the inner wall of the casing 401 or the outer wall of the oil separation pipe 403 and moves downward by gravity.
  • the oil is discharged through the oil outlet 401d provided at the lower end of the casing 401 while moving downward.
  • the discharged oil is guided to the oil tank 500 described above along the oil pipe 405.
  • blow-by gas from which oil is separated and the mixer move downward along the oil separation chamber 401c and flow in through the inlet formed at the lower end of the oil separation pipe 403, and at the top of the oil separation pipe 403 It moves to the formed discharge port 401b.
  • the upper end of the oil separation pipe is connected to the recovery pipe 200h, and the blow-by gas and mixer from which the oil is separated is guided to the recovery pipe 200h and guided to the connection pipe 200d of the supercharger 250.
  • the upper end of the oil separation pipe 403 may be directly connected to the recovery pipe 200h, or may be configured to be connected to the discharge pipe 404 integrally formed with the casing 401 as shown in FIG. 4. .
  • FIG 5 shows a configuration in which a check valve CV is added to the recovery pipe 200h.
  • the illustrated check valve CV serves to block the primary pressurized mixer from flowing back into the recovery pipe 200h.
  • connection pipe 200d is in a state in which sufficient pressure is not formed in the supply pipe 200e and the bypass pipe 200g at the initial start of the engine 210 and the supercharger 250. This is to prevent a phenomenon in which the first pressurized mixer flows back because it is larger than the internal pressure ratio.
  • check valve CV any type known in the art can be applied as long as it is a means to prevent reverse inflow, and it will be seen that it naturally falls within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명은 엔진의 블로우바이가스를 재순환시키는 구조를 단순화하고, 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리하여 과급기측으로 재공급함으로써 블로우바이가스의 오일로 인한 과급기 및 여과기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

가스 히트펌프 시스템
본 발명은, 가스 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 엔진의 블로우바이가스를 재순환시키는 구조를 단순화하고, 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리하여 과급기 측으로 재공급함으로써 블로우바이가스의 오일로 인한 과급기 및 여과기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
히트펌프 시스템은 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있는 냉동 사이클이 구비되는 시스템으로서, 온수 공급장치 또는 냉난방 장치와 연동될 수 있다.
즉, 냉동 사이클의 냉매와 소정의 축열 매체가 열교환하여 얻어진 열원을 이용하여 온수를 생산하거나, 냉난방을 위한 공기 조화를 수행할 수 있다.
이러한 냉동 사이클에는, 냉매의 압축을 위한 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 응축기에서 응축된 냉매를 감압하는 팽창장치 및 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함되어 구성되는 것이 일반적이다.
히트펌프 시스템은, 압축기를 구동하기 위한 구동원의 형식에 따라 전동 히트펌프 시스템과 가스 히트펌프 시스템으로 구분될 수 있다.
전동 히트펌프 시스템은 부하 용량이 크지 않은 가정용으로 적합하다.
가스 히트펌프 시스템은 부하 용량이 대단히 큰 산업용 또는 대형 빌딩에 적합하다.
따라서 가스 히트펌프 시스템은 이러한 고부하 용량에 맞는 대용량의 압축기를 구동하기 위하여 전동 모터가 아닌 가스 엔진을 이용한다.
가스 히트펌프 시스템은, 가스 연료와 공기의 혼합물(이하, 혼합기라 함)을 연소시켜 동력을 생성하는 엔진과, 엔진에 혼합기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 공급장치 및 공기와 가스 연료를 혼합하기 위한 믹서를 포함한다.
한편, 가스 히트펌프 시스템의 엔진은 일반적인 내연기관과 동일하게 실린더 내부에서 왕복운동하는 피스톤을 통해서 동력이 발생한다.
따라서 엔진 운전 시에 실린더와 피스톤 사이의 틈새로 미량의 혼합기가 누설되어 블로우바이가스가 생성된다. 생성된 블로우바이가스는 엔진의 크랭크케이스 내부에 축적되기 때문에 일반적으로 축적된 블로우바이가스를 흡기 라인을 통해 엔진의 실린더로 재유입시키는 기술이 적용된다.
다만, 이러한 블로우바이가스에는 소량의 엔진 오일이 포함되어 있다. 블로우바이가스에 포함된 오일은 재유입과정에서 흡기라인의 여과기 등에 손상을 가할 우려가 있기 때문에 오일분리 수단을 거치는 것이 일반적이다.
이와 관련하여, 한국등록특허공보 제10-0401567호에는 블로우바이가스를 임펠러를 통해 압축하고, 압축된 블로우바이가스를 냉각시킨 후 오일을 분리하는 오일분리장치에 관한 구성이 공개되어 있다.
다만, 해당 선행문헌에 개시된 구성은, 오일이 포함된 블로우바이가스를 임펠러를 통해 압축하기 때문에 액상의 오일을 압축하는 과정에서 임펠러에 손상이 발생할 가능성이 매우 높다.
또한, 해당 선행문헌에 개시된 구성은, 오일분리 전에 블로우바이가스를 냉각하는 과정을 거치기 때문에 냉각된 오일이 오일분리장치의 벽면에 침착될 가능성이 매우 높다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 과급기로 가압된 혼합기 및 벤츄리부를 이용하여 블로우바이가스를 흡입하도록 하여 블로우바이가스의 재순환구조를 단순화하고, 제조 비용을 절감할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리한 후 냉각하도록 하여 오일의 침착을 방지하고, 오일이 분리된 블로우바이가스를 여과기 후단의 과급기측으로 도입시키도록 구성하여 오일로 인한 과급기의 임펠러 및 여과기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 공기조화 모듈의 압축기; 상기 압축기의 구동력을 생성하는 가스 엔진; 상기 엔진으로 공기와 가스 연료의 혼합기를 가압하여 공급하는 과급기; 상기 과급기로 가압된 혼합기를 상기 엔진으로 안내하는 공급관; 상기 엔진으로부터 배출된 블로우바이가스를 안내하는 블로우바이가스 관; 상기 공급관에 연결되며, 상기 가압된 혼합기의 적어도 일부를 분기시키는 바이패스 관; 상기 바이패스 관 및 상기 블로우바이가스 관에 연결되며, 상기 블로우바이가스 관을 통해 배출되는 블로우바이가스를 흡입하는 벤츄리부; 상기 벤츄리부를 통해 흡입된 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리하는 오일분리부; 및 상기 오일이 분리된 블로우바이가스를 상기 과급기 측으로 안내하는 회수관을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 과급기는, 상기 혼합기를 1차 가압하는 제1 과급부; 상기 제1 과급부를 통해 가압된 혼합기를 2차 가압하는 제2 과급부; 및 상기 제1 과급부를 통해 1차 가압된 혼합기를 상기 제2 과급부로 안내하는 연결관을 포함하고, 상기 회수관은 상기 오일이 분리된 블로우바이가스를 상기 연결관으로 안내한다.
또한, 상기 회수관에 설치되고, 상기 회수관의 내부에서 상기 연결관을 향해 유동하는 블로우바이가스의 온도를 낮추는 회수가스 열교환기를 더 포함한다.
또한, 상기 회수가스 열교환기는, 상기 압축기로 압축될 냉매를 이용하여 상기 블로우바이가스의 온도를 낮추게 된다.
또한, 상기 회수관에 설치되고, 상기 연결관으로부터 상기 회수관으로 상기 1차 가압된 혼합기가 역유입되는 것을 차단하는 체크밸브를 더 포함한다.
또한, 상기 벤츄리부는, 상기 바이패스 관에 연결되고, 상기 분기된 혼합기가 도입되는 대경부; 및 상기 대경부에 일체로 연결되고, 상기 대경부보다 더 작은 내경을 갖는 소경부;를 포함하고, 상기 블로우바이가스 관은 상기 소경부에 연결되고, 상기 블로우바이가스는 상기 소경부를 통해 흡입된다.
또한, 상기 오일분리부는, 내부에 오일분리 챔버가 형성되고, 상하방향으로 연장되어 형성되는 케이싱; 상기 케이싱의 측면에 구비되고, 상기 분기된 혼합기와 상기 블로우바이가스를 함께 상기 오일분리 챔버로 안내하는 도입관; 상기 오일분리 챔버의 내부에 상기 상하방향으로 연장되도록 배치되고, 상기 블로우바이가스 중에 포함된 오일을 분리하는 오일분리 파이프; 상기 오일분리 파이프에 연결되고, 상기 오일이 분리된 블로우바이가스와 상기 분기된 혼합기를 외부로 배출하는 배출관; 및 상기 분리된 오일을 외부로 배출하는 오일 배출구;를 포함한다.
또한, 상기 벤츄리부의 소경부와 상기 오일분리부의 도입관은 일체로 형성된다.
또한, 상기 오일분리부의 배출관은 상기 회수관에 연결된다.
또한, 상기 제1 과급부는, 상기 혼합기를 1차 가압하는 제1 임펠러; 및
상기 제1 임펠러에 회전력을 제공하는 제1 모터;를 포함한다.
또한, 상기 제2 과급부는, 상기 1차 가압된 혼합기를 2차 가압하는 제2 임펠러; 및 상기 제2 임펠러에 회전력을 제공하는 제2 모터;를 포함한다.
본 발명에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 과급기로 가압된 혼합기 및 벤츄리부를 이용하여 블로우바이가스를 흡입하도록 하여 블로우바이가스의 재순환구조를 단순화하고, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리한 후 냉각하도록 하여 오일의 침착을 방지하고, 오일이 분리된 블로우바이가스를 여과기 후단의 과급기측으로 도입시키도록 구성하여 오일로 인한 과급기의 임펠러 및 여과기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 엔진 모듈의 상세 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 엔진 모듈에 포함된 흡기 계통의 압력비 및 블로우바이가스 재순환 계통의 압력비를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 엔진 모듈에 포함된 벤츄리부 및 오일분리부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 엔진 모듈에 체크밸브가 추가된 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 나타내는 개략도이며, 도 2는 도 1의 엔진 모듈의 상세 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)은, 공기 조화 모듈과 엔진 모듈 및 냉각 모듈을 포함한다.
공기 조화 모듈은 냉매 사이클을 구성하는 다수의 부품을 포함한다.
예시적으로, 공기 조화 모듈은, 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 압축기(110)에서 압축된 냉매의 방향을 전환하여 주는 사방 밸브(115)을 포함한다.
공기 조화 모듈은, 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140)를 더 포함한다.
실외 열교환기(120)는 실외측에 배치되는 실외기의 내부에 배치되고, 실내 열교환기(140)는 실내측에 배치되는 실내기의 내부에 배치될 수 있다.
사방 밸브(115)을 통과한 냉매는 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기(140)로 유동할 수 있다.
도 1에 도시된 시스템의 구성들은 실내 열교환기(140) 및 실내 팽창장치(145)를 제외하고 실외측, 즉 실외기의 내부에 배치될 수 있다.
가스 히트펌프 시스템(10)이 냉방 운전 모드로 운전될 경우, 사방 밸브(115)을 통과한 냉매는 실외 열교환기(120)를 거쳐 실내 열교환기(140) 측으로 유동할 수 있다.
반면에, 가스 엔진 히트펌프 시스템(10)이 난방 운전 모드로 운전될 경우, 사방 밸브(115)을 통과한 냉매는 실내 열교환기(140)를 거쳐 실외 열교환기(120) 측으로 유동할 수 있다.
공기 조화 모듈은, 압축기(110), 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140) 등을 연결하여 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매 배관(170, 실선 유로)을 더 포함한다.
이하에서는 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성에 대하여, 먼저 냉방 운전 모드를 기준으로 설명한다.
실외 열교환기(120)로 유동한 냉매는 외기와 열교환하여 응축될 수 있다. 실외 열교환기(120)의 일측에는 외기를 불어주는 실외 팬(122)이 배치될 수 있다.
실외 열교환기(120)의 출구측에는, 냉매를 감압하기 위한 메인 팽창 장치(125)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 메인 팽창 장치(125)는, 전자 팽창 밸브(Electronic expansion valve, EEV)를 포함할 수 있고, 전자 팽창 밸브(EEV)는 펄스 폭 변조 방식으로 제어할 수 있다. 따라서, 펄스를 증가(+)시키는 경우 메인 팽창 장치(125)의 개도량이 증가하고, 펄수를 감소(-)시키는 경우 메인 팽창 장치(125)의 개도량이 감소할 수 있다.
냉방 운전 시, 메인 팽창 장치(125)는 풀 오픈(full open) 되어 냉매의 감압 작용을 수행하지 않는다.
메인 팽창 장치(125)의 출구 측에는, 냉매를 추가 냉각하기 위한 과냉각 열교환기(130)가 제공될 수 있다. 그리고, 과냉각 열교환기(130)에는, 과냉각 유로(132)가 연결될 수 있다. 과냉각 유로(132)는 냉매 배관(170)으로부터 분지되어 과냉각 열교환기(130)에 연결될 수 있다.
그리고, 과냉각 유로(132)에는, 과냉각 팽창 장치(135)가 설치될 수 있다. 과냉각 유로(132)를 유동하는 냉매는 과냉각 팽창 장치(135)를 통과하면서 감압될 수 있다.
과냉각 열교환기(130)에서는, 냉매 배관(170)의 냉매와 과냉각 유로(132)의 냉매 간에 열교환이 이루어질 수 있다. 열교환 과정에서, 냉매 배관(170)의 냉매는 과냉되며, 과냉각 유로(132)의 냉매는 흡열한다.
과냉각 유로(132)는 기액 분리기(160)에 연결될 수 있다. 과냉각 열교환기(130)에서 열교환 된 과냉각 유로(132)의 냉매는 기액 분리기(160)로 유입될 수 있다.
과냉각 열교환기(130)를 통과한 냉매 배관(170)의 냉매는 실내기 측으로 유동하며, 실내 팽창 장치(145)에서 감압된 후 실내 열교환기(140)에서 증발된다. 실내 팽창 장치(145)는 실내기의 내부에 설치되며, 전자 팽창 밸브(EEV)로 구성될 수 있다.
또한, 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 사방 밸브(115)을 경유한 후, 곧 바로 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있으며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
한편, 이하에서는 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성에 대하여, 난방 운전 모드를 기준으로 설명한다.
난방 과정에서는 압축기(110)에서 압축된 냉매가 실내 열교환기(140)로 유동하고, 실내 열교환기(140)에서 응축된 냉매는 보조 열교환기(150)로 유동할 수 있다. 보조 열교환기(150)에는 냉매 분기 배관(151)이 연결될 수 있다.
냉매 분기 배관(151) 중에서 보조 열교환기(150)의 입구 측에 위치되는 배관에는 팽창 밸브(152)가 구비될 수 있다. 팽창 밸브(152)는 냉매의 유동을 조절하면서 냉매를 감압할 수 있다.
따라서, 보조 열교환기(150)는 저압의 냉매와 고온의 냉각수 간에 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기로서, 일례로 판형 열교환기를 포함한다.
보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있다.
보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액 분리기(160)에서 기액 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
한편, 냉각 모듈은, 후술하는 엔진(210)의 냉각을 위한 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관(360, 점선 유로)을 포함한다.
냉각수 배관(360)에는, 냉각수의 유동력을 발생시키는 냉각수 펌프(300)와, 냉각수의 유동 방향을 전환하기 위한 복수의 유동 전환부(310, 320) 및 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(330, radiator)가 설치될 수 있다.
복수의 유동 전환부(310, 320)는, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 포함한다. 일예로, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)는, 삼방 밸브(3way valve)를 포함한다.
방열기(330)는 실외 열교환기(120)의 일측에 위치될 수 있으며, 방열기(330)의 냉각수는 실외 팬(122)의 구동에 의하여 외기와 열교환되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다.
냉각수 펌프(300)가 구동되면, 냉각수는 엔진(210) 및 배기가스 열교환기(280)를 통과하며, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 거쳐 방열기(330) 또는 보조 열교환기(150)로 선택적으로 유동될 수 있다.
한편, 엔진 모듈은 엔진(210), 및 엔진(210)으로 혼합기를 공급하기 위한 다양한 부품을 포함한다.
먼저, 엔진 모듈은 엔진(210)의 입구 측에 배치되어 공기와 가스 연료를 혼합하는 믹서(230)를 구비한다.
믹서(230)의 상류에는 공기관(200a)을 통해 믹서(230)에 정화된 공기를 공급하는 공기 여과기(220), 및 연료관(200b)을 통해 소정 압력 이하의 가스 연료(fuel)를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor, 240)가 설치될 수 있다.
제로 가버너(240)는 가스 연료의 입구 압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계없이, 출구 압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다.
공기 여과기(220)를 통과한 공기와, 제로 가버너(240)에서 토출된 가스 연료는 믹서(230)에서 혼합되어 혼합기를 형성하며, 혼합기는 혼합기관(200c)을 통해 엔진(210)에 공급될 수 있다.
한편, 엔진 모듈은, 믹서(230)와 엔진(210) 사이에 배치되는 과급기(250) 및 조절수단(270)을 더 포함한다.
과급기(250)는 혼합기를 가압하여 혼합기의 밀도를 높여 엔진(210)에 공급함으로써 자연 흡기 방식의 엔진에 비해서 보다 높은 출력을 내기 위한 수단으로 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이 과급기(250)는 믹서(230)에서 공기와 가스 연료가 혼합된 후 배출된 혼합기를 가압하여 공급관(200e)을 통해 엔진(210) 측으로 배출한다.
예시적으로 도 2에 도시된 바와 같이 과급기(250)는 믹서(230)에서 혼합된 혼합기를 1차 가압하는 제1 과급부(251), 및 1차 가압된 혼합기를 2차 가압하는 제2 과급부(252)를 포함하는 2단 과급 구조를 가질 수 있다.
제1 과급부(251)와 제2 과급부(252)는 각각 동일한 형상 및 구조를 갖는 모터(251b, 252b) 및 임펠러(251a, 252a)로 구성된다. 이와 같이 동일한 형상 및 구조를 갖는 모터(251b, 252b) 및 임펠러(251a, 252a)를 통해 과급기(250)를 구성함으로써 단일 모터 및 임펠러를 갖는 과급기에 비해서 소형화 및 효율화가 가능하다는 장점을 갖는다.
2단 과급 구조를 포함하는 과급기(250)에 관한 상세 구성은 도 2를 참조하여 후술한다.
한편, 조절수단(270)은 과급기(250)과 엔진(210) 사이에 배치되어, 엔진(210)으로 공급되는 압축된 혼합기의 양을 조절한다.
예시적으로, 조절수단(270)은 ETC(electronic throttle control) 방식이 적용된 밸브로 구비될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니지만 조절수단(270)으로서 전자 제어가 가능한 ETC 밸브가 적용된 실시예를 기준으로 설명하도록 한다.
이와 같이 가스 연료와 공기가 믹서(230)에서 혼합되어 혼합기가 형성되며, 혼합기는 과급기(250)에서 고압으로 가압된 후 엔진(210)으로 공급될 수 있다.
이 때, ETC 밸브(270)를 통해 엔진(210)으로 공급되는 고압의 혼합기의 양이 정밀하게 제어됨으로써 엔진(210)의 출력이 제어된다.
한편, 전술한 바와 같이, 과급기(250)를 통과한 혼합기는 고온, 고압 상태가 된다. 따라서 과급기(250)과 조절수단(270) 사이에는 혼합기의 온도와 압력을 낮춰 엔진(210)의 실린더(211)로 공급하기 위한 수단으로서 인터쿨러(260)가 구비될 수 있다.
예시적으로, 인터쿨러(260)는, 엔진(210)으로 공급될 혼합기와 엔진(210)으로 유동하기 위한 냉각수의 일부를 열교환시킬 수 있다.
한편, 엔진 모듈은 엔진(210)의 배기구 측에 배치되어 냉각수와 배기가스 간에 열교환하는 배기가스 열교환기(280)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 구성에 추가하여 엔진으로부터 배출되는 블로우바이가스를 재순환하는 구성 및, 블로우바이가스 포함된 오일을 분리하는 구성이 추가될 수 있다.
이하 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)의 블로우바이가스 재순환 구조 및 오일분리 구조에 대해서 설명하도록 한다.
먼저, 도 2를 참조하면 전술한 바와 같이 엔진(210)에 공기와 가스 연료의 혼합기를 가압하여 공급하는 과급기(250)는 제1 과급부(251), 제2 과급부(252) 및 제1 과급부(251)의 제1 모터(251b)와 제2 과급부(252)의 제2 모터(252b)를 동시에 수용하는 모터 하우징(254)을 포함한다.
공기관(200a) 및 연료관(200b)을 통해 각각 공급되는 공기와 가스 연료가 믹서(230)에 혼합되며, 제1 과급부(251)는 혼합기관(200c)을 통해 공급되는 혼합기를 1차 가압한다.
제1 과급부(251)는, 혼합기를 가압하는 제1 임펠러(251a), 제1 임펠러(251a)에 회전력을 제공하는 제1 모터(251b), 및 제1 임펠러(251a)를 수용하는 제1 하우징(251c)을 포함한다.
제1 하우징(251c)의 입구는 혼합기관(200c)이 연결되어, 믹서(230)에서 혼합된 혼합기가 유입된다.
제1 하우징(251c)의 출구는 연결관(200d)의 일단부가 연결된다. 연결관(200d)의 타단부는 후술하는 제2 과급부(252)의 제2 하우징(252c)에 연결된다.
따라서 제1 임펠러(251a)를 통해 1차 가압된 혼합기는 연결관(200d)을 통해 제2 과급부(252)로 전달된다.
제2 과급부(252)는, 제1 임펠러(251a)를 통해 1차 가압되어 연결관(200d)을 통해 전달된 혼합기를 2차 가압한다.
제2 과급부(252)는, 1차 가압된 혼합기를 가압하는 제2 임펠러(252a), 제2 임펠러(252a)에 회전력을 제공하는 제2 모터(252b), 및 제2 임펠러(252a)를 수용하는 제2 하우징(252c)을 포함한다.
제2 하우징(252c)의 입구는 연결관(200d)이 접속되어, 제1 임펠러(251a)로 1차 가압된 혼합기가 유입된다.
제2 하우징(252c)의 출구는 공급관(200e)의 일단부가 연결된다. 공급관(200e)의 타단부는 ETC 밸브(270)에 연결된다. 한편, ETC 밸브(270)를 통과한 혼합기는 흡기 매니폴드(212)를 거쳐 엔진(210)의 각 실린더(211)로 고르게 분배된다.
각 실린더(211)로 분배된 혼합기는 실린더(211) 내부에서 연소되어 피스톤을 왕복운동시키는 동력을 발생시키며, 연소된 혼합기는 배기 매니폴드(213)를 거쳐 배기관(200f)을 통해 배출된다.
한편, 혼합기의 연소 과정에서 실린더(211)와 피스톤(미도시) 사이의 틈새로 미량의 혼합기가 누설되어 블로우바이가스가 생성될 수 있다. 생성된 블로우바이가스는 엔진(210)의 크랭크케이스(미도시)의 내부에 축적된다.
따라서 이러한 블로우바이가스를 엔진(210)의 외부로 배출하기 위한 용도를 갖는 블로우바이가스 관(214)이 엔진(210)의 크랭크케이스에 연결된다.
블로우바이가스 관(214)의 일단부는 엔진(210)의 크랭크케이스에 연결되며 타단부는 후술하는 벤츄리부(300)에 연결된다.
한편, 전술한 연결관(200d)에는 2단 가압된 혼합기의 적어도 일부를 분기시키는 바이패스 관(200g)이 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이 바이패스 관(200g)의 일단부는 연결관(200d)에 연결되며, 타단부는 벤츄리부(300)에 연결되어, 분기된 혼합기는 벤츄리부(300)로 안내된다.
벤츄리부(300)는 바이패스 관(200g)을 통해 분기된 혼합기가 유입되는 대경부(301)와, 전술한 블로우바이가스 관(214)의 타단부가 연결되는 소경부(302)를 포함하는 벤츄리 구조를 구비한다.
따라서 대경부(301)로 유입된 혼합기는 소경부(302)를 지나면서 속도는 증가하게 되고, 압력은 감소하게 된다.
소경부(302)에서 압력 강하의 효과로 블로우바이가스 관의 내부의 블로우바이가스가 벤츄리부(300)의 소경부(302)로 흡입된다.
이러한 압력 분포에 따른 블로우바이가스의 흡입 및 재순환 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
이와 같이 과급기(250)를 통해 가압되어 배출되는 혼합기의 일부를 바이패스시키고, 바이패스된 혼합기와 벤츄리부(300)를 이용하여 블로우바이가스를 흡입하는 동력을 발생시키도록 하여 종래에 비해서 블로우바이가스의 재순환구조를 간소화시킬 수 있게 된다.
한편, 엔진(210)으로부터 배출되는 블로우바이가스에는 미량의 오일이 미스트 형태로 포함되어 있다.
이러한 오일 미스트(M)는 엔진(210)으로 재유입되는 과정에서 엔진(210) 및 과급기(250) 등에 손상을 미칠 수 있다.
블로우바이가스에 포함된 오일 미스트(M)를 분리하기 위한 수단으로서 오일분리부(400)가 포함된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 오일분리부(400)는 전술한 벤츄리부(300)의 소경부(302)에 직접 결합되며, 중력을 이용하여 오일 미스트(M)와 블로우바이가스를 분리하는 구조를 갖는다.
오일분리부(400)의 세부 구성은 벤츄리부(300)와 함께 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
한편, 오일분리부(400)를 통해 분리된 오일은 오일관(405)을 통해 오일 탱크(500)로 안내된다.
오일이 분리된 블로우바이가스와 혼합기는 회수관(200h)을 통해 과급기(250) 측으로, 바람직하게는 연결관(200d)으로 안내되어 회수된다.
또한, 회수관(200h)에는 회수되는 블로우바이가스와 혼합기의 온도 및 압력을 낮추기 위한 수단으로서 회수가스 열교환기(600)가 더 포함될 수 있다.
회수가스 열교환기(600)는 전술한 공기 조화 시스템의 냉매를 이용하여 회수되는 블로우바이가스와 혼합기의 온도 및 압력을 낮출 수 있으며, 바람직하게는 압축기로 유입되기 전 냉매가 이용하도록 냉매관(601)이 접속된다.
도 3은 도 2에 도시된 엔진 모듈에 포함된 흡기 계통의 압력비 및 블로우바이가스 재순환 계통의 압력비를 설명하기 위한 개략도이며, 도 4는 도 2에 도시된 엔진 모듈에 포함된 벤츄리부(300) 및 오일분리부(400)를 설명하기 위한 단면도이다.
먼저 도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 믹서(230)를 통해 생성된 혼합기는 혼합기관(200c)을 통해 제1 과급부(251)로 안내된다.
제1 과급부(251)로 도입되기 전 혼합기관(200c) 내부의 혼합기의 압력을 기준 압력(Pr)으로 정의할 수 있다.
한편, 제1 과급부(251)로 도입된 혼합기는 제1 임펠러(251a)로 가압되어 연결관(200d)을 통해 배출된다.
제1 과급부(251)로부터 가압되어 배출된 혼합기의 압력은 기준 압력 대비 1.1배 높은 압력을 갖는 제1 압력비(P1)로서 정의될 수 있다.
1차 가압되어 연결관(200d)을 통해 제2 과급부(252)로 도입된 혼합기는 제2 임펠러(252a)를 통해 2차 가압된다.
2차 가압되어 배출되며, 공급관(200e)을 통해 엔진(210)으로 공급되는 혼합기의 압력은 기준 압력 대비 1.4배 높은 압력을 갖는 제2 압력비(P2)로서 정의될 수 있다.
한편, 2차 가압된 혼합기는 전술한 바와 같이 바이패스 관(200g)을 통해 벤츄리부(300)의 대경부(301)로 유입된다. 대경부(301) 내부의 압력비도 제2 압력비(P2)로 유지될 수 있다.
벤츄리부(300)의 대경부(301)를 통과하여 혼합기가 소경부(302)로 유입되면, 벤츄리 효과에 의해서 유속은 증가하나 반대로 압력은 강하된다.
소경부(302)에서 강하된 압력비는 기준 압력 대비 0.9배 수준이 되며 이는 제3 압력비(P3)로 정의될 수 있다.
벤츄리부(300)의 소경부(302)에 연결된 블로우바이가스 관(214) 내부의 압력비는 기준 압력 대비 1.1~1.2 배 수준이 되며, 이는 제4 압력비(P4)로 정의될 수 있다.
따라서 블로우바이가스 관(214) 내부의 제4 압력비(P4)가 벤츄리부(300)의 소경부(302)의 제3 압력비(P3)로다 더 큰 수준이 되기 때문에 블로우바이가스 관(214) 내부의 블로우바이가스는 벤츄리부(300)의 소경부(302)로 흡입되고, 소경부(302) 내의 혼합기와 섞이게 된다.
이와 같이 블로우바이가스와 혼합기가 섞인 상태로 오일분리부(400)의 오일분리 챔버(401c)로 유입되면, 유로의 단면적이 소경부(302)에 비해 커지면서 유속은 감소하고 압력은 기준 압력 대비 1.2~1.25 배로 상승하게 된다. 이는 제5 압력비(P5)로 정의될 수 있다.
한편, 블로우바이가스에 포함되는 오일은 오일분리부(400) 내부에 구비되는 오일분리구조를 통해서 분리된다. 오일분리구조에 대한 상세 구성은 도 4를 참조하여 후술한다.
오일이 분리된 블로우바이가스와 혼합기는 회수관(200h)을 통해 과급기(250)측으로 안내된다. 이때 회수관(200h) 내부의 압력비는 대략 제 5 압력비가 유지된다.
따라서 제5 압력비보다 더 낮은 제1 압력비를 갖는 연결관(200d)의 내부로 자연적으로 회수되는 블로우바이가스와 혼합기가 유입될 수 있다.
다만, 회수되는 블로우바이가스와 혼합기는 1차 가압된 혼합기에 비해서 상대적으로 온도가 높은 상태가 된다. 따라서 회수되는 블로우바이가스와 혼합기의 온도를 낮추고 밀도를 높이기 위해서 회수가스 열교환기(600)를 거치게 된다.
회수가스 열교환기(600)를 거친 블로우바이가스와 혼합기의 압력은 기준 압력 대비 1.15~1.2배가 되며, 이는 제6 압력비로서 정의될 수 있다.
회수가스 열교환기(600)를 거치더라도 제6 압력비가 제1 압력비보다는 더 높게 유지되기 때문에 연결관(200d)의 내부로 자연적으로 회수되는 블로우바이가스와 혼합기가 역류발생 없이 유입될 수 있다.
이하 도 4를 참조하여 벤츄리부(300)와 오일분리부(400)의 세부 구성을 설명하도록 한다.
도시된 바와 같이, 벤츄리부(300)의 대경부(301)는 바이패스 관(200g)에 연결되며, 바이패스 관(200g)을 통해 분기된 혼합기가 도입되어 유동한다.
대경부(301)에는 대경부(301)로부터 점진적으로 내경이 축소되는 형상을 갖는 소경부(302)가 일체로 형성된다.
소경부(302)를 지나면서 혼합기의 유속은 증가되고 압력은 감소된다.
한편, 소경부(302)에는 블로우바이가스 도입구(303)가 형성되어 있고, 블로우바이가스 도입구(303)는 블로우바이가스 관(214)에 접속되어 오일이 포함된 블로우바이가스가 흡입된다.
흡입된 블로우바이가스와 혼합기는 소경부(302)에서 섞인 상태로 오일분리부(400)로 전달된다.
오일분리부(400)는 중력을 이용하여 오일을 분리할 수 있도록 이중관 구조를 갖는다.
외부관을 형성하는 케이싱(401)은 분리되는 오일이 중력에 의해서 하측방향으로 모일수 있도록 상하방향으로 연장되는 구조를 갖는다.
내부관을 형성하는 오일분리 파이프(403)는 케이싱(401)의 내부에 고정되며, 오일분리 파이프(403)와 케이싱(401) 사이의 공간에 오일분리 챔버(401c)가 형성된다.
케이싱(401)과 동일하게 오일분리 파이프(403)도 상하방향으로 연장되는 구조를 갖는다.
케이싱(401)의 상측에는 블로우바이가스와 혼합기를 오일분리 챔버(401c)로 안내하는 도입관(402)이 형성된다. 도입관(402)으로 안내된 블로우바이가스와 혼합기는 도입구(401a)를 통과하여 오일분리 챔버(401c)로 이동된다.
도시된 바와 같이, 도입관(402)은 벤츄리부(300)의 소경부(302)의 내부로 끼워지도록 구성된다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 벤츄리부(300)의 소경부(302)와 도입관(402)이 일체로 형성되는 구성도 가능하며, 이는 본 발명의 범위에 당연히 속한다. 예시적으로 이하에서는 도입관(402)이 벤츄리부(300)의 소경부(302)의 내부로 끼워지는 실시예를 기준으로 설명하도록 한다.
한편, 도입관(402)을 통해 오일분리 챔버(401c)로 안내된 블로우바이가스와 혼합기는 케이싱(401)의 내부 벽면 또는 오일분리 파이프(403)의 외부 벽면에 충돌하게 된다.
충돌 과정을 통해서 오일 미스트(M)는 케이싱(401)의 내부 벽면 또는 오일분리 파이프(403)의 외부 벽면에 점착되면서 분리되고 중력에 의해서 하측방향으로 이동하게 된다.
오일은 하측방향으로 이동하면서 케이싱(401)의 하단에 구비된 오일 배출구(401d)를 통해 배출된다. 배출된 오일은 오일관(405)을 따라 전술한 오일 탱크(500)로 안내된다.
한편, 오일이 분리된 블로우바이가스와 혼합기는 오일분리 챔버(401c)를 따라 하측방향으로 이동하면서 오일분리 파이프(403)의 하단에 형성된 입구를 통해 유입되고, 오일분리 파이프(403)의 상단에 형성된 배출구(401b)로 이동하게 된다.
오일 분리 파이프의 상단은 회수관(200h)에 연결되며, 오일이 분리된 블로우바이가스와 혼합기는 회수관(200h)으로 안내되어 과급기(250)의 연결관(200d)으로 안내된다.
이 때, 오일분리 파이프(403)의 상단이 직접 회수관(200h)에 연결되거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 케이싱(401)에 일체로 형성되는 배출관(404)에 연결되도록 구성될 수 있다.
이와 같은 단순한 구조를 통해서 블로우바이가스의 흡입과 오일 분리가 효과적으로 달성될 수 있다.
도 5에는 회수관(200h)에 체크밸브(CV)가 추가된 구성이 도시되어 있다.
도시된 체크밸브(CV)는 1차 가압된 혼합기가 회수관(200h)으로 역유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.
이는 엔진(210) 및 과급기(250)의 시동 초기에 공급관(200e) 및 바이패스 관(200g) 내부에 충분한 압력이 형성되지 않은 상태에서 연결관(200d)의 내부 압력비가 회수관(200h)의 내부 압력비보다 더 크게 되어 1차 가압된 혼합기가 역유입되는 현상이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
체크밸브(CV)는, 역유입을 방지할 수 있는 수단이라면 당업계에 공지된 임의의 형식이 적용 가능하며 이는 본 발명의 범위에 당연히 속한다고 볼 것이다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 공기조화 모듈의 압축기;
    상기 압축기의 구동력을 생성하는 가스 엔진;
    상기 엔진으로 공기와 연료의 혼합기를 가압하여 공급하는 과급기;
    상기 과급기로 가압된 혼합기를 상기 엔진으로 안내하는 공급관;
    상기 엔진으로부터 배출된 블로우바이가스를 안내하는 블로우바이가스 관;
    상기 공급관에 연결되며, 상기 가압된 혼합기의 적어도 일부를 분기시키는 바이패스 관;
    상기 바이패스 관 및 상기 블로우바이가스 관에 연결되며, 상기 블로우바이가스 관을 통해 배출되는 블로우바이가스를 흡입하는 벤츄리부;
    상기 벤츄리부를 통해 흡입된 블로우바이가스에 포함된 오일을 분리하는 오일분리부; 및
    상기 오일이 분리된 블로우바이가스를 상기 과급기 측으로 안내하는 회수관;
    를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에서,
    상기 과급기는,
    상기 혼합기를 1차 가압하는 제1 과급부;
    상기 제1 과급부를 통해 가압된 혼합기를 2차 가압하는 제2 과급부; 및
    상기 제1 과급부를 통해 1차 가압된 혼합기를 상기 제2 과급부로 안내하는 연결관을 포함하고,
    상기 회수관은 상기 오일이 분리된 블로우바이가스를 상기 연결관으로 안내하는 가스 히트펌프 시스템.
  3. 제2 항에서,
    상기 회수관에 설치되고, 상기 회수관의 내부에서 상기 연결관을 향해 유동하는 블로우바이가스의 온도를 낮추는 회수가스 열교환기를 더 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에서,
    상기 회수가스 열교환기는, 상기 압축기로 압축될 냉매를 이용하여 상기 블로우바이가스의 온도를 낮추는 가스 히트펌프 시스템.
  5. 제2 항에서,
    상기 회수관에 설치되고, 상기 연결관으로부터 상기 회수관으로 상기 1차 가압된 혼합기가 역유입되는 것을 차단하는 체크밸브를 더 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  6. 제1 항에서,
    상기 벤츄리부는,
    상기 바이패스 관에 연결되고, 상기 분기된 혼합기가 도입되는 대경부; 및
    상기 대경부에 일체로 연결되고, 상기 대경부보다 더 작은 내경을 갖는 소경부;
    를 포함하고,
    상기 블로우바이가스 관은 상기 소경부에 연결되고,
    상기 블로우바이가스는 상기 소경부를 통해 흡입되는 가스 히트펌프 시스템.
  7. 제6 항에서,
    상기 오일분리부는,
    내부에 오일분리 챔버가 형성되고, 상하방향으로 연장되어 형성되는 케이싱;
    상기 케이싱의 측면에 구비되고, 상기 분기된 혼합기와 상기 블로우바이가스를 함께 상기 오일분리 챔버로 안내하는 도입관;
    상기 오일분리 챔버의 내부에 상기 상하방향으로 연장되도록 배치되고, 상기 블로우바이가스 중에 포함된 오일을 분리하는 오일분리 파이프;
    상기 오일분리 파이프에 연결되고, 상기 오일이 분리된 블로우바이가스와 상기 분기된 혼합기를 외부로 배출하는 배출관; 및
    상기 분리된 오일을 외부로 배출하는 오일 배출구;
    를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  8. 제7 항에서,
    상기 벤츄리부의 소경부와 상기 오일분리부의 도입관은 일체로 형성되는 가스 히트펌프 시스템.
  9. 제7 항에서,
    상기 오일분리부의 배출관은 상기 회수관에 연결되는 가스 히트펌프 시스템.
  10. 제2 항에서,
    상기 제1 과급부는,
    상기 혼합기를 1차 가압하는 제1 임펠러; 및
    상기 제1 임펠러에 회전력을 제공하는 제1 모터;
    를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  11. 제10 항에서,
    상기 제2 과급부는,
    상기 1차 가압된 혼합기를 2차 가압하는 제2 임펠러; 및
    상기 제2 임펠러에 회전력을 제공하는 제2 모터;
    를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
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