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KR102009970B1 - Whr-시스템용 냉각 장치 - Google Patents

Whr-시스템용 냉각 장치 Download PDF

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KR102009970B1
KR102009970B1 KR1020177016382A KR20177016382A KR102009970B1 KR 102009970 B1 KR102009970 B1 KR 102009970B1 KR 1020177016382 A KR1020177016382 A KR 1020177016382A KR 20177016382 A KR20177016382 A KR 20177016382A KR 102009970 B1 KR102009970 B1 KR 102009970B1
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South Korea
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coolant
cooling
cooling circuit
radiator
condenser
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졸탄 카르도스
올라 할
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 냉각 장치에 관한 것이다. 이 냉각 시스템은 순환하는 냉각제가 제1 온도(T1)로 냉각되는 제1 라디에이터(9)를 포함하는 제1 냉각 회로, 순환하는 냉각제가 제1 온도(T1)보다 낮은 온도인 제2 온도(T2)로 냉각되는 제2 라디에이터(14)를 포함하는 제2 냉각 회로 및 순환하는 냉각제가 제2 온도(T2)보다 낮은 온도인 제3 온도(T3)로 냉각되는 제3 라디에이터(25)를 포함하는 제3 냉각 회로를 포함한다. 상기 냉각 장치는 냉각제를 제2 라디에이터(14)로부터 냉각제가 WHR-시스템의 작동 매체를 냉각시키는 WHR-시스템의 응축기(19)를 향하게 하는 응축기 유입 라인(17)과 고온(T1)인 제1 냉각 회로 내의 냉각제 및/또는 저온(T2)인 제3 냉각 회로 내의 냉각제에 의해 응축기(19)를 향하는 제2 냉각 회로 내의 냉각제의 온도 및/또는 유량을 조절할 수 있는 냉각 조절 수단(13, 16, 24, 38)을 포함한다.

Description

WHR-시스템용 냉각 장치 {A COOLING ARRANGEMENT FOR A WHR-SYSTEM}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 WHR-시스템용 냉각 장치에 관한 것이다.
폐열 에너지를 회수하여 그 폐열 에너지를 기계 에너지 또는 전기 에너지로 변환하기 위해 WHR-시스템(Waste Heat Recovery System)이 차량에 사용될 수 있다. WHR-시스템은 작동 매체를 가압하고 폐쇄 회로 내에서 순환시키는 펌프를 포함한다. 이 폐쇄 회로는 예를 들어 연소 기관에서 나오는 배기가스 같은 하나 또는 복수의 열 공급원에 의해 작동 매체가 가열 및 증발되는 하나 또는 복수의 증발기를 포함한다. 가압되고 가열된 기상의 작동 매체는 작동 매체가 팽창하는 팽창기를 향한다. 팽창기는 기계 에너지를 발생시키며, 이 기계 에너지는 차량 또는 차량 위에 있는 장치들을 작동시키는 데에 사용될 수 있다. 또는, 팽창기는 전기 에너지를 발생시키는 발전기에 연결되어 있다. 팽창기를 빠져나가는 작동 매체는 응축기를 향한다. 응축기에서 작동 매체가 응축되는 온도로 냉각된다. 액화 작동 매체는 그 작동 매체를 가압하는 펌프를 다시 향한다. 이에 따라 예를 들어 차량의 연소 엔진의 배기가스로부터 폐열 에너지가 WHR-시스템에 의해 회수될 수 있다. 결과적으로, WHR-시스템은 차량의 연료 소모를 줄일 수 있다.
WHR-시스템에서 열효율을 높이기 위해서는, 응축기 내에서 작동 매체가 실질적으로 과냉되지 않으면서 가능하면 낮은 응축 온도로 냉각되어야 한다. 결과적으로, WHR-시스템에서 열효율을 높이기 위해서는, 작동 매체가 적당한 냉각 효과로 냉각되어야 한다. 그러나 응축기에서 작동 매체의 적당한 냉각 효과는 예를 들어 배기가스로부터 증발기로 공급되는 열 효과와 같이 다른 작동 조건 중에 변화한다. 배기가스로부터 공급되는 열은 급격하게 변할 수 있기 때문에, WHR-시스템에 적당한 냉각 효과를 연속적으로 제공하여 높은 열효율을 제공하기가 어렵다.
US2013/0118423호는 모터를 냉각시키는 순환 냉각제를 구비하는 냉각 회로를 도시하고 있다. 이 냉각 회로는 WHR-시스템의 응축기에서 냉각제가 작동 매체를 냉각시키는 냉각 라인과, 작동 매체를 응축기를 지나서 향하게 하는 바이패스 라인을 포함한다. 바이패스 라인을 통한 냉각제 유동은 특정 압력에서 개방되는 릴리프 밸브에 의해 조절된다.
본 발명의 목적은, WHR-시스템이 실질적으로 연속적으로 높은 열효율로 작동할 수 있도록, WHR-시스템의 응축기 내의 작동 매체에 냉각 효과를 제공할 수 있는 냉각 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적은 청구항 제1항의 특징부에 따른 냉각 장치에 의해 달성된다. WHR-시스템에서 높은 열효율을 연속적으로 유지하기 위해서는, 서로 다른 작동 조건에서 작동하는 동안에 응축기 내의 작동 매체의 냉각 효과가 조절되어야만 한다. 이 냉각 장치는 온도가 다른 3개의 냉각제가 제공되어 있는 3개의 다른 냉각 회로들을 포함한다. 중간 냉각 온도의 제2 냉각 회로 내의 냉각제는 응축기를 향한다. 냉각 장치는 센서로부터 응축기 내의 작동 매체의 냉각과 관련된 파라미터에 관한 정보를 실질적으로 연속적으로 수신하는 제어 유닛을 포함한다. 이 파라미터가 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 응축기 내의 작동 매체를 지나치게 느리게 냉각하는 것을 나타내는 경우, 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 제3 냉각 회로 내의 냉각제에 의해 냉각제가 응축기로 유입되기 전에 적당한 더 낮은 온도로 냉각되도록 제어 유닛이 냉각 조절 수단을 제어한다. 이 파라미터가 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 응축기 내의 작동 매체를 지나치게 빠르게 냉각하는 것을 나타내는 경우, 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 제1 냉각 회로 내의 냉각제에 의해 냉각제가 응축기로 유입되기 전에 적당한 더 높은 온도로 가열되도록 제어 유닛이 냉각 조절 수단을 제어한다. 응축기로 들어가는 냉각제의 온도를 변화시키는 대안으로, 응축기로 들어가는 냉각제 유동을 조절할 수 있다. 응축기 내 작동 매체의 냉각 효과는 냉각제의 온도와 유량(flow)과 관련되어 있다. 상기 냉각 조절 수단을 사용하여, 응축기로 들어가는 제2 냉각 회로 내 냉각제의 온도 및/또는 유량을 조절할 수 있다. 응축기를 향하는 냉각제의 온도 및 유량의 이러한 조절이 신속한 방식으로 제공될 수 있다. 그 결과, WHR-시스템이 작동하는 중에 실질적으로 연속적으로 높은 열효율을 이룰 수가 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 냉각 조절 수단은 제2 냉각 회로 내의 냉각제와 접촉하게 되는 열교환기 및 제1 냉각 회로 내 냉각제 또는 제3 냉각 회로 내 냉각제의 조절 가능한 부분을 열교환기 내에서 제2 냉각 라인 내 냉각제와 접촉하여 열을 전달하게 구성되는 제어 밸브를 포함한다. 이러한 열교환기 및 제어 밸브에 의해, 간단한 방식으로 응축기를 향하는 냉각제의 온도를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 냉각 조절 수단은 제1 냉각 회로로부터 냉각제를 받아들이는 유입 라인과 유입 라인 내의 냉각제 중 조절 가능한 제1 부분을 제2 라디에이터로 향하게 하고, 유입 라인 내의 냉각제 중 나머지 제2 부분을 제2 라디에이터를 지나치게 안내하는 바이패스 라인으로 향하게 구성되어 있는 제어 밸브를 포함하며, 냉각제 중 제1 부분과 제2 부분은 냉각제가 응축기로 들어가기 전에 혼합된다. 이 경우, 제2 라디에이터의 크기는 냉각제를 제1 라디에이터 내의 냉각제의 온도보다 상대적으로 더 낮은 온도로 냉각할 수 있는 크기이다. 작동 매체가 최대의 냉각 효과로 냉각되어야 하는 경우, 밸브는 냉각제 유동 전부가 제2 라디에이터를 통과하도록 한다. 작동 매체가 더 낮은 냉각 효과로 냉각되는 경우, 밸브는 냉각제 중 적당한 양의 제1 부분을 제2 라디에이터로 향하게 하고, 냉각제 중 나머지 적당한 제2 부분은 바이패스 라인을 통해 흐르게 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 냉각 장치는 응축기 내의 응축 압력과 관련된 파라미터를 감지하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. WHR-시스템의 팽창기의 열효율을 달성하기 위해, 응축기 내의 응축 압력은 가능하면 낮아야 한다. 이 센서는 응축기 내에서 또는 WHR-회로 내의 응축기의 바로 하류의 일 지점에서 압력을 감지하는 압력 센서일 수 있다. 또는, 이 센서는 응축기 내에서 또는 응축기의 바로 하류의 일 지점에서 작동 매체의 응축 온도를 감지하는 온도센서일 수 있다. 응축 온도는 특정 응축 압력에 대응한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제어 유닛은, 작동 유체가 사전에 정해진 압력 범위 내의 응축 압축을 획득하도록, 작동 매체의 냉각을 추정하도록 구성된다. 실제적인 이유로, 종종 WHR-시스템 내에서 음압을 방지하기에 적당하다. 이 경우, 응축 압력을 1 바(bar) 바로 위로 하는 것이 적당하다. 소정의 압력 범위는 예를 들면 1.1-1.5 바 사이일 수 있다. 소정의 압력 범위는 작업 매체의 온도 범위에 대응한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 냉각 장치는 응축기에서 냉각제의 온도 차이를 검출하도록 구성된 온도 센서들을 포함한다. 응축기에서의 냉각제의 온도, 냉각제 유동 및 냉각제의 비열 용량(specific heat capacity)의 차이를 사용하여, 응축기 내에서 작동 매체의 냉각 효과를 계산할 수 있다. 제어 유닛은 작동 조건이 다른 중에 적당한 냉각 효과에 관한 정보를 구비할 수 있다. 냉각 효과가 지나치게 낮은 경우, 냉각 조절 수단은 저온의 냉각제가 응축기를 향하도록 제어된다. 냉각 효과가 지나치게 높은 경우, 냉각 조절 수단은 고온의 냉각제가 응축기를 향하도록 제어된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 냉각 회로 내의 냉각제는 연소 엔진을 냉각하도록 구성되어 있다. 이 경우, 제1 냉각 회로 내의 냉각제는 90℃-100℃ 사이의 온도 범위의 제1 온도를 구비할 수 있다. 이 경우, 제1 냉각 회로는 차량의 연소 엔진에 대한 통상적인 냉각 시스템이다. 가장 낮은 냉각제 온도를 구비하는 제3 냉각 회로 내의 냉각제는 쿨러 내에서 적어도 하나의 매체를 냉각하도록 구성될 수 있다. 제3 냉각 회로는 차징 에어 쿨러 내에 차징된 공기, AC 쿨러 내의 냉매, 오일 쿨러 내의 기어박스 오일 및 EGR 쿨러 내의 재순환 배기가스와 같은 다양한 종류의 매체들을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 각 라디에이터 내에서 냉각제들이 공기 유동에 의해 냉각되며, 제2 라디에이터는 제1 라디에이터의 상류 위치에 배치되어 있다. 이에 따라, 제2 라디에이터 내의 냉각제가 제1 라디에이터 내의 냉각제보다 더 낮은 온도의 공기에 의해 냉각된다. 그 결과, 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 제1 냉각 회로 내의 냉각제보다 더 낮은 온도로 냉각된다. 이 공기 유동은 차량의 전방 이동에 의해 발생되는 램 공기(ram air)일 수 있다. 통상적으로, WHR-시스템이 작동할 때, 라디에이터 팬은 꺼진다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제2 냉각 회로는 제1 냉각 회로로부터 냉각제를 받아들이는 유입 라인과 냉각제를 다시 제1 냉각 회로로 안내하는 리턴 라인을 포함한다. 이 경우, 제1 냉각 회로와 제2 냉각 회로는 공통 냉각제를 구비한다. 제2 냉각 회로의 유입 라인은 제1 냉각 회로로부터 제1 냉각 회로 내에서 냉각제를 순환시키는 펌프의 거의 하류 지점에서 냉각제를 받아들일 수 있다. 이 경우, 제1 냉각 회로와 제2 냉각 회로에서 하나의 동일한 펌프를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제3 냉각 회로는 제1 냉각 회로와 제2 냉각 회로 내의 냉각제와의 관계에서 별개의 냉각제를 구비하는 별개의 회로를 구성한다. 이 경우, 제3 냉각 회로는 별개의 냉각제를 포함하며, 이는 제3 냉각 회로 내의 냉각제를 매우 낮은 온도로 만들 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, WHR-시스템의 증발기 내에서, 차량을 구동하는 연소 엔진으로부터 나오는 배기가스들에 의해 작동 매체가 가열된다. 이 배기가스들은 다량의 열에너지를 함유하고 있으며, 이는 통상적으로 대기로 배출된다. WHR-시스템을 사용함으로써, 배기가스들 내의 열에너지 중 많은 부분을 회수할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, WHR-시스템 내의 작동 매체가 에탄올이다. 에탄올의 증발 온도는 1 바에서 약 78℃이다. 에탄올의 증발 온도 아래의 적당한 레벨에서 냉각제 온도를 달성하고, 응축기 내의 에탄올을 78℃ 바로 위의 응축 온도로 냉각시키는 것이 비교적 용이하다. 그러나, 예컨대 R245fa와 같은 다른 작동 매체를 사용할 수도 있다. R245fa의 증발 온도는 1 바에서 약 15℃이다. 이 경우, 냉각제는 실질적으로 더 낮은 온도를 필요로 하게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 일 실시예로 설명한다.
도 1은 냉각 장치의 제1 실시형태를 도시하는 도면이다.
도 2는 냉각 장치의 제2 실시형태를 도시하는 도면이다.
도 1은 차량(1)을 구동하는 연소 엔진(2)을 개략적으로 도시하고 있다. 연소 엔진(2)은 디젤 엔진일 수 있다. 차량(1)은 중대형 차량일 수 있다. 이 차량은 제1 고온 냉각 회로를 포함한다. 이 제1 냉각 회로는 제1 냉각 회로 내에서 제1 냉각제를 순환시키는 펌프(4)가 제공되어 있는 엔진 유입 라인(3)을 포함한다. 펌프(4)는 냉각제를 연소 엔진(2)으로 순환시킨다. 냉각제가 연소 엔진(2)을 통해 순환할 때, 냉각제는 리타더 쿨러(5)를 포함하는 엔진 유출 라인(6) 내에 수용된다. 냉각제는, 리타더가 작동할 때 리타더 쿨러(5) 내의 오일을 냉각하기 위한 것이다. 서모스탯(7)이 엔진 유출 라인(6)의 끝부분에 배치되어 있다. 냉각제의 온도가 서모스탯(7)의 규제 온도보다 낮은 경우, 냉각제는 제1 리턴 라인(8)을 거쳐 펌프(4)로 다시 향하게 된다. 냉각제의 온도가 서모스탯(7)의 규제 온도보다 높은 경우, 냉각제는 차량(1)의 전방 부분에 배치되어 있는 제1 라디에이터(9)를 향한다. 램 공기와 라디에이터 팬(10)은 제1 라디에이터(9)를 통해 차가운 공기 유동을 제공할 수 있다. 냉각제가 제1 라디에이터(9)를 통해 순환할 때, 냉각제는 제2 리턴 라인(11)을 거쳐 엔진 유입 라인(3)과 펌프(4)를 다시 향하게 된다.
차량(1)은 제2 고온 냉각 회로를 포함한다. 이 제2 고온 냉각 회로는, 펌프(4)의 하류의 일 지점에서 제1 냉각 회로의 엔진 유입 라인(3)으로부터 유입 라인(12)을 거쳐 냉각제를 받아들인다. 이에 따라, 펌프(4)는 냉각제를 제2 냉각 회로를 통해 순환시킬 수 있다. 유입 라인(12)은 제어 밸브(13)를 포함하며, 이 제어 밸브에 의해 유입 라인(12)을 통과하는 냉각제 유동이 규제된다. 유입 라인(12)은 냉각제가 제2 라디에이터(14)를 향하게 한다. 제2 라디에이터(14)는 제1 라디에이터(9)와 나란하게 배치되어 있으며, 제1 라디에이터(9)의 유출 부분에 가까이 배치되어 있다. 냉각제가 제2 라디에이터(14)를 통과할 때, 냉각제는 제1 라디에이터(9)에서 제1 단계로 냉각되고, 제2 라디에이터(14)에 의해 제2 단계로 냉각된다. 제2 라디에이터(14)를 빠져나가는 냉각제는 라디에이터 유출 라인(15)을 거쳐 열교환기(16)를 향한다. 열교환기(16)로부터 나온 냉각제 유동은 응축기 유입 라인(17)을 거쳐 WHR-시스템의 응축기(19)를 향한다.
응축기 유입 라인(17)은 그 응축기 유입 라인(17)에 배치되어 있는 제1 온도 센서(18a)와 응축기 유출 라인(20)에 배치되어 있는 제2 온도 센서(18b)를 포함한다. 제1 온도 센서(18a)는 응축기(19)로 유입되는 냉각제의 온도를 감지하고, 제2 온도 센서(18b)는 응축기(19)를 떠나는 냉각제의 온도를 감지한다. 응축기 유출 라인(20)은 냉각제가 제1 냉각 회로의 엔진 유출 라인(6)으로 향하게 한다. 이에 따라, 응축기 유출 라인(20)은 냉각제를 제1 냉각 회로로 다시 안내한다.
차량(1)은 제3 저온 냉각 회로를 포함한다. 이 제3 냉각 회로는 펌프(21)를 포함한다. 제3 냉각 회로는, 펌프(21)의 하류의 일 지점에서 냉각 라인(22)과 바이패스 라인(23)으로 분기된다. 냉각 라인(22)은 제3 냉각 라인의 냉각제가 제2 냉각 라인의 냉각제를 냉각하기 위한 열교환기(16)를 포함한다. 제3 냉각 회로는 냉각 라인(22)과 바이패스 라인(23)에 연결되어 있는 제어 밸브(24)를 포함한다. 제어 밸브(24)의 임무는 냉각 라인(22)과 바이패스 라인(23)을 통과하는 냉각제 유동을 제어하는 것이다. 제어 밸브(24)가 제1 위치에 있을 때, 제어 밸브는 냉각 라인(22)을 막고, 펌프(21)에서 나온 냉각제 유동 전체가 바이패스 라인(23)을 통해 순환하게 한다. 제어 밸브(24)가 제2 위치에 있을 때, 제어 밸브는 바이패스 라인(23)을 막고, 펌프(21)에서 나온 냉각제 유동 전체가 열교환 라인(22)을 통해 순환하게 한다. 제어 밸브(24)는 제1 위치와 제2 위치 사이의 복수의 위치로 설정될 수 있다. 이 복수의 위치에서 제어 밸브는 펌프(21)에서 나온 냉각제 유동이 냉각 라인(22)과 바이패스 라인(23) 사이에서 가변하는 방식으로 분배시킨다.
제어 밸브(24)는 냉각제를 차량의 전방 부분에 배치되어 있는 제3 라디에이터(25)를 향하게 한다. 라디에이터 팬(11)에 의해 규정되는 공기 유동 방향에 따라, 제3 라디에이터(25)는 제1 라디에이터(9)와 제2 라디에이터(14)의 상류 지점에 배치되어 있다. 이에 따라, 제3 라디에이터(25) 내의 냉각제가 제1 라디에이터(9) 내의 냉각제와 제2 라디에이터(14) 내의 냉각제보다 더 낮은 온도의 공기에 의해 냉각된다. 제3 라디에이터(25)를 빠져나가는 냉각제는 압축 공기 쿨러(26) 내의 압축 공기, AC 쿨러(27) 내의 냉매 및 오일 쿨러(28) 내의 기어박스 오일을 냉각하는 데에 사용된다. 제어 유닛(29)이 제어 밸브(13)와 제어 밸브(24)를 제어한다.
차량에는 WHR-시스템(Waste Heat Recovery system)이 제공되어 있다. WHR-시스템은 작동 매체를 압축하고 폐쇄된 회로(30) 내에서 작동 매체를 순환시키는 펌프(31)를 포함한다. 이 경우, 작동 매체는 에탄올이다. 그러나 예를 들어 R245fa 같은 다른 종류의 작동 매체를 사용할 수도 있다. 펌프(31)가 작동 매체를 가압하여 증발기(32)로 순환시킨다. 증발기(32) 내에서 배기가스에 의해 작동 매체가 가열된다. 배기가스는 연소 엔진(2)으로부터 배기 라인(33)을 거쳐 증발기(32)로 공급된다. 배기 라인(33)은 증발기(32)를 통해 연장하는 열 라인(33a)과 증발기(32) 우회하여 배기가스를 안내하는 바이패스 라인(33b)으로 분기된다. 열 라인(33a)을 통한 배기가스 유동은 제1 밸브(34a)에 의해 제어되고, 바이패스 라인(33b)을 통한 배기가스 유동은 제2 밸브(34b)에 의해 제어된다. 제어 유닛(29)은 제1 밸브(34a)와 제2 밸브(34b)를 제어하고, 이에 따라 증발기(32)를 통과하는 배기가스 유동을 제어한다. 작동하는 대부분의 기간 중에, 배기가스 유동 전체가 열 라인(33a)을 향하게 된다. 작동 매체는 증발기(32) 내에서 배기가스에 의해 작동 매체가 증발하는 온도로 가열된다.
작동 매체는 증발기(32)로부터 팽창기(35)로 순환된다. 가압되고 가열된 작동 매체는 팽창기(35) 내에서 팽창한다. 팽창기(35)는 회전 운동을 발생시키며, 적당한 기계적 전달 장치를 거쳐 차량(1)의 파워 트레인의 샤프트로 전달될 수 있다. 또는, 팽창기(35)가 기계 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 발전기에 연결될 수 있다. 전기 에너지는 배터리 내에 저장될 수 있다. 작동 매체가 팽창기(35)를 통과한 후, 작동 매체는 응축기(19)를 향한다. 응축기(19) 내에서 작동 매체가 제2 냉각 회로 내의 냉각제에 의해 작동 매체가 응축되는 온도로 냉각된다. 압력 센서(37)가 응축기(19)의 바로 하류의 일 지점에서 회로(30) 내의 압력을 감지한다. 제어 유닛(29)은 응축기(19) 내의 응축 압력의 압력 센서로부터 정보를 수신한다. 작동 매체는 응축기(19)로부터 리시버(36)를 향한다. 펌프(31)가, 액체 상태의 작동 매체만이 펌프(31)로 공급되도록 하는 리시버(36)의 하부로부터 작동 매체를 흡입한다. WHR-시스템은 배기가스로부터 나온 열 에너지를 기계 에너지 또는 전기 에너지로 변환할 수 있도록 한다.
연소 엔진(2)이 작동하는 중에, 펌프(4)가 냉각제를 압축 엔진(2)을 냉각하는 제1 냉각 회로 내에서 순환시킨다. 제1 냉각 회로 내의 냉각제는 제1 라디에이터(9)에서 제1 온도 T1로 냉각된다. 제어 유닛(29)이, 제1 냉각 회로 내의 냉각제의 적당한 부분이 제2 냉각 회로의 유입 라인(12)을 향하도록 제어 밸브(13)를 제어한다. 제1 라디에이터(9) 내에서 제1 단계에서 냉각된 제2 냉각 회로 내의 냉각제가 제2 단계에서 제2 라디에이터(14) 내에서 냉각된다. 제2 라디에이터 내에서 냉각제가, 제1 냉각 회로의 냉각제의 온도 T1보다 낮은 온도인 T2로 냉각된다. 제2 라디에이터 내의 냉각제는 라디에이터 유출 라인(15)을 거쳐 열교환기(16)를 향한다. 열교환기(16)로부터 나온 냉각제 유동은 응축기 유입 라인(17)을 거쳐 응축기(19)를 향한다. 제2 냉각 회로 내의 냉각제는 응축기(19) 내의 작동 매체를 냉각시킨다.
펌프(21)는 제3 냉각 회로 내에서 냉각제를 순환시킨다. 제3 냉각 회로 내의 냉각제는 제3 라디에이터(25) 내에서 제1 라디에이터(9) 및 제2 라디에이터(14) 내의 냉각제보다 온도가 낮은 공기에 의해 냉각된다. 이에 따라 제3 냉각 회로 내의 냉각제는 제2 냉각 회로 내의 냉각제의 온도 T2보다 상당히 낮은 온도로 냉각된다. 제3 냉각 회로 내의 냉각제가 쿨러들(26-28)에서 매체들을 냉각시킬 때, 냉각제의 온도는 T3은 제2 냉각 회로 내의 냉각제의 온도 T2보다 여전히 낮다. 이에 따라, 제3 냉각 회로 내의 냉각제를 사용하여 열교환기(16)에서 제2 냉각 회로 내의 냉각제를 냉각시킬 수 있다. 열교환기(16)를 통과하는 제3 냉각 회로 내의 냉각제의 유동은 제어 밸브(24)에 의해 규제된다.
WHR-시스템에서 높은 열효율을 달성하기 위해, 응축기(19) 내의 작동 매체가 다른 작동 상태 중에 변화하는 냉각 효과로 냉각되게 된다. 배기가스로부터 증발기(32)로 공급되는 열 효과가 변하기 때문에, 응축기(19) 내에서 작동 매체에 가변 냉각 효과를 제공할 필요가 있다. 다른 작동 조건에서 가능하면 응축 압력을 낮게 확립하는 것이 바람직하다. 그러나 실용적인 이유로 WHR-시스템 내에서 음압이 발생되지 않도록 하는 것이 적당하다. 이런 사실들에 비추어 보면, 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각을 1 바(bar) 바로 위의 응축 압력으로 제공하는 것이 적당하다. 높은 열효율을 유지하기 위해, 연소 엔진(2)으로부터 공급되는 열에너지를 감안하여 응축 압력이 1 바 바로 위로 되도록, 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각 효과를 조절하는 것이 필요하다. 작동 매체 에탄올은 1 바의 응축 압력에서 응축 온도가 78℃이다. 이 경우, 응축기(19) 내에서 응축 온도를 78℃ 바로 위로 하는 것이 적당하다.
제1 냉각 회로 내의 냉각제는 제1 라디에이터(9)에 의해 압축 엔진(2)을 냉각하기에 적당한 온도인 T1로 냉각된다. 제1 냉각 회로 내의 냉각제는 90-100℃ 사이의 온도 T1로 냉각될 수 있다. 이 경우, 제2 라디에이터(14)는 냉각제를 예를 들면 60-70℃ 사이의 온도 T2로 냉각시킬 수 있는 크기이다. 제어 유닛(29)은 제어 밸브(24)를 사용하여 열교환기(16)를 통해 제3 냉각 회로로부터 나오는 냉각제 유동을 조절한다. 제3 냉각 회로 내의 냉각제의 온도가 온도 T2보다 낮은 온도인 T3이므로, 제어 유닛(29)이 T2보다 낮은 온도인 응축기(19)로 냉각제를 공급할 수 있다. 제어 유닛은 제어 밸브(13)를 사용하여 제2 냉각 회로와 응축기(19)로 향하는 냉각제 유동을 규제한다. 응축기(19) 내에서 작동 매체의 냉각 효과는 냉각제의 온도와 유량에 관련되어 있다.
이 경우, 제어 유닛(29)은 응축기(19) 내에서 응축 압력을 예를 들어 1.1-1.5 바 범위에서 유지하도록 구성되어 있다. 제어 유닛(29)은 압력 센서(37)로부터 응축기(19) 내의 현재의 응축 압력에 관한 정보를 거의 연속적으로 수신한다. 이 경우, 응축 압력이 1.5 바보다 높으면 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각 효과는 너무 느리게 된다. 이 경우, 제어 유닛(29)은, 제3 냉각 회로 내의 냉각제 유동의 더 많은 부분이 열교환기(16)를 구비하는 냉각 라인(22)으로 향하게 하고, 더 적은 부분이 냉각 라인(22)을 통하도록 제어 밸브(24)를 제어한다.
이에 의해, 더 낮은 온도의 냉각제가 응축기(19)로 들어가게 된다. 또한 또는 이에 조합하여, 제어 유닛(29)은, 더 많은 양의 냉각제 유동이 제2 냉각 회로 내로 그리고 응축기(19)를 향하도록 제어 밸브(13)를 규제할 수 있다. 또한, 냉각제가 응축기(19) 내에서 작동 매체를 냉각할 때, 제어 유닛(29)은 온도 센서들(18a, 18b)로부터 냉각제의 온도 상승에 관한 정보를 수신한다. 제어 유닛(26)은 응축기(19) 내의 냉각제의 온도 강하, 응축기(19)를 통과하는 냉각제 유동 및 작동 매체의 비열 용량에 관한 정보를 가지고 응축기(19) 내에서의 냉각 효과를 계산할 수 있다.
제어 유닛(29)이 응축 압력이 1.1 바 미만을 나타내는 정보를 수신하는 경우, WHR-시스템에 음압이 발생할 위험이 있다. 이 경우, 제어 유닛(29)은, 제3 냉각 회로 내의 냉각제 중 더 적은 부분이 냉각 라인(22)과 열교환기(16)를 향하게 하고, 제3 냉각 회로 내의 냉각제 중 더 적은 부분이 바이패스 라인(23)을 향하게 제어 부재(24)를 제어한다. 이에 의해 더 높은 온도의 냉각제가 응축기(19)로 들어가게 된다. 또한, 또는 이와 조합하여, 제어 유닛은, 더 적은 양의 냉각제 유동이 제2 냉각 회로 내로 그리고 응축기(19)를 향하도록 제어 밸브(13)를 조절할 수 있다. 제어 유닛(29)이 제어 밸브(13)에 의해 응축기(19)를 향하는 냉각재의 온도와 제어 밸브(24)에 의해 응축기(19)로 향하는 냉각제 유동을 조절할 수 있기 때문에, 간단하면서도 신속한 방식으로 응축기(19) 내에서 작동 매체의 냉각 효과를 변화시킬 수 있다.
도 2는 냉각 장치의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 냉각 장치는, 이 경우에서, 각각이 라디에이터들(9, 14, 25)을 포함하는 3개의 냉각 회로들을 포함하고 있다. 제1 냉각 회로는 도 1에 도시되어 있는 실시형태와 비교하여 변화가 없다. 제2 냉각 회로는 도 1의 실시형태보다 더 큰 제2 라디에이터(14)를 포함한다. 이에 따라, 제2 라디에이터(14) 내에서 냉각제를 도 1에서의 실시형태보다 더 낮은 온도 T2로 냉각시킬 수 있다. 제2 냉각 회로는 펌프(4)의 하류의 일 지점에서 제1 냉각 회로의 엔진 유입 라인(3)으로부터 유입 라인(12) 내에서 냉각제를 받아들인다. 유입 라인(12)은 그 유입 라인(12) 내에서 냉각제 유동을 받아들이는 제어 밸브(38)를 포함한다. 제어 밸브(38)는 냉각제 유동의 제1 부분이 제2 라디에이터(14)를 거치지 않고 바이패스 라인(39)으로 향하게 하고, 냉각제 유동의 제2 부분은 라디에이터 유입 라인(40)과 제2 라디에이터(14)를 향하게 하도록 구성되어 있다. 제어 밸브(38)는 무단 방식으로 냉각제 유동을 바이패스 라인(39)과 라디에이터 유입 라인(40)으로 분배할 수 있다. 냉각제의 제1 부분의 온도는 고온인 T1이고, 냉각제의 제2 부분의 온도는 저온인 T2이다. 냉각제의 제1 부분과 냉각제의 제2 부분은 응축이 유입 라인(17)에서 혼합된다. 이 경우, 제3 냉각 회로에서 냉각제를 사용할 필요가 없게 된다.
이 경우, 제어 유닛(29)은 예를 들면 응축 압력이 1.1-1.5 바 범위 내에서 유지되도록 구성되어 있다. 제어 유닛(29)은 압력 센서(37)로부터 응축기(19) 내의 응축 압력에 관한 정보를 거의 연속적으로 수신한다. 응축 압력이 1.5 바보다 높은 경우, 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각 효과가 너무 낮아진다. 이 경우, 제어 유닛(29)은, 라디에이터 유입 라인(40)이 유입 라인(12) 내의 냉각제 유동 중 더 많은 부분을 받아들이고, 바이패스 라인(39)이 유입 라인(12) 내의 냉각제 유동 중 더 적은 부분을 받아들이도록 제어 밸브(38)를 조절한다. 이에 의해, 유입 라인(12) 내에서 냉각제 유동의 증가된 부분이 제2 라디에이터(14) 내에서 더 낮은 온도 T2로 냉각되는 동시에, 냉각제 유동 중 줄어든 부분은 더 높은 온도 T1인 바이패스 라인(39)을 향하게 된다. 응축기(19)를 향하는 유입 라인(17) 내의 혼합된 냉각제는 더 낮은 온도가 되어, 응축기(19) 내에서 작동 매체의 냉각 효과가 더 커지게 된다. 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각 효과가 커질수록 응축기(19) 내의 응축 압력이 낮아지게 된다.
응축 압력이 1.1 바보다 낮음을 나타내는 정보를 제어 유닛(29)이 수신하는 경우, WHR-시스템 내에 음압이 발생할 위험이 있다. 이 경우, 제어 유닛(29)은, 라디에이터 유입 라인(40)이 유입 라인(12)으로부터 냉각제 유동 중 더 적은 부분을 받아들이고, 바이패스 라인(39)이 유입 라인(12)으로부터 냉각제 유동 중 더 많은 부분을 받아들이도록 제어 밸브(38)를 규제한다. 이에 의해, 냉각제 유동 중 감소된 부분이 제2 라디에이터(14)에서 더 낮은 온도인 T2로 냉각되는 동시에, 냉각제 유동 중 증가된 부분은 더 높은 온도 T1인 바이패스 라인(39)을 향하게 된다. 응축기(19)를 향하는 유입 라인(17) 내의 혼합된 냉각제는 고온으로 되어, 응축기(19) 내에서 작동 매체의 냉각 효과를 낮추게 된다. 응축기(19) 내에서 작동 매체의 냉각 효과가 낮을수록, 응축 압력이 커지게 된다. 제어 유닛(29)이 제어 밸브(38)를 사용하여 응축기(19)를 향하는 냉각제의 온도를 조절할 수 있기 때문에, 간단하면서도 신속한 방식으로 응축기(19) 내의 작동 매체의 냉각 효과를 변화시킬 수 있게 된다. 제1 냉각 시스템으로부터 제2 냉각 부분의 유입 라인(12)을 향하는 냉각제 유동을 조절할 수 있는 제어 밸브(38)를 제공할 수도 있다. 이 경우, 응축기(19)를 향하는 냉각제 유동을 변화시킬 수도 있다.
본 발명은 전술한 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 청구항의 범위 내에서 자유롭게 변형될 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량 내의 WHR-시스템용 냉각 장치로, 이 냉각 시스템은 순환하는 냉각제가 제1 온도(T1)로 냉각되는 제1 라디에이터(9)를 포함하는 제1 냉각 회로, 순환하는 냉각제가 제1 온도(T1)보다 낮은 온도인 제2 온도(T2)로 냉각되는 제2 라디에이터(14)를 포함하는 제2 냉각 회로 및 순환하는 냉각제가 제2 온도(T2)보다 낮은 온도인 제3 온도(T3)로 냉각되는 제3 라디에이터(25)를 포함하는 제3 냉각 회로를 포함하는 WHR-시스템용 냉각 장치에 있어서,
    상기 냉각 장치는 냉각제를 제2 라디에이터(14)로부터 냉각제가 WHR-시스템의 작동 매체를 냉각시키는 WHR-시스템의 응축기(19)를 향하게 하는 응축기 유입 라인(17), 제1 냉각 회로 내의 냉각제 및/또는 제3 냉각 회로 내의 냉각제에 의해 제2 냉각 회로 내의 냉각제의 온도 및/또는 유량을 조절할 수 있는 냉각 조절 수단(13, 16, 24, 38), 응축기(19) 내의 작동 매체와의 냉각과 관련된 파라미터를 검출하는 센서(37) 및 상기 파라미터 정보를 수신하고, 응축기 내의 작동 매체의 냉각을 추정하며, 응축기 유입 라인(17) 내의 냉각제가 응축기(19) 내의 작동 매체의 상기 추정된 냉각을 제공하도록 냉각 조절 수단(13, 16, 24, 38)을 제어하는 제어 유닛(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 조절 수단이 제2 냉각 회로 내의 냉각제와 접촉하게 되는 열교환기(16) 및 제1 냉각 회로 또는 제3 냉각 회로 내의 조절된 양의 냉각제를 열교환기(16) 내에서 제2 냉각 라인 내의 냉각제와 열전달 접촉하게 하도록 구성되는 제어 밸브(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 조절 수단은 제1 냉각 회로로부터 냉각제를 받아들이는 유입 라인(12) 및 상기 유입 라인(12) 내의 냉각제의 조절가능한 제1 부분을 제2 라디에이터(14)로, 냉각제의 나머지 제2 부분을 제2 라디에이터(14)를 지나치게 안내하는 우회 라인(39)으로 향하게 구성된 제어 밸브(38)를 포함하여, 냉각제가 응축기(19)로 유입되기 전에 냉각제의 제1 부분과 냉각제의 제2 부분이 혼합되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서(37)가 응축기(19) 내의 응축 압력과 관련된 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제어 유닛이, 작동 매체가 사전에 정해진 압력 범위 내의 응축 압력을 획득하도록 작동 매체의 냉각을 추정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    응축기(19)에 걸쳐서 냉각제의 온도 차이를 검출하도록 구성된 온도 센서들(18a, 18b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 냉각 회로 내의 냉각제가 연소 엔진(2)을 냉각하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제3 냉각 회로 내의 냉각제가 적어도 하나의 쿨러(26-28) 내의 매체를 냉각하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    각 라디에이터(9, 14, 25)들 내의 냉각제가 공기 유동에 의해 냉각되고, 제3 라디에이터(25)가 라디에이터(9, 14, 25)들을 통과하는 공기 유동 방향의 측면에서 제1 라디에이터(9) 및 제2 라디에이터(14)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    제1 라디에이터(9) 및 제2 라디에이터(14)가 공통 평면 내에 나란하게 배치되어 있고, 제2 냉각 회로 내의 냉각제는 제1 단계로 제1 라디에이터(9) 내에서 그리고 제2 단계로 제2 라디에이터(14) 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    제2 냉각 회로가 제1 냉각 회로로부터 냉각제를 받아들이는 유입 라인(12) 및 냉각제를 다시 제1 냉각 회로로 안내하는 리턴 라인(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    제2 냉각 회로의 유입 라인(12)이 제1 냉각 회로 내에서 냉각제를 순환시키는 펌프(4)의 거의 하류 위치에서 상기 제1 냉각 회로로부터 냉각제를 받아들이는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    제3 냉각 회로가 상기 제1 냉각 회로 및 제2 냉각 회로 내의 냉각제와 별개의 냉각제를 구비하는 별개의 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    WHR-시스템의 증발기에서 차량(1)을 구동하는 연소 엔진(2)으로부터 나오는 배기가스들에 의해 작동 매체가 가열되는 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    WHR-시스템 내의 작동 매체가 에탄올인 것을 특징으로 하는 WHR-시스템용 냉각 장치.
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