KR100279134B1 - 자동차 공조 시스템 - Google Patents

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오오 노 하루 오
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Abstract

내연기관("엔진")에 의해 동력을 받는 차량용 공조 시스템은 제1 사이클을 수행하기 위한 제1 시스템을 가지며, 이는 엔진에 의해 구동되는 압축기와, 주 응축기와, 제1 보조 응축기와, 그 상이 변화하면서 압축기의 출구로부터 입구로 냉매가 유동하는 제1 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 파이프를 통해 연결된 증발기를 구비하며, 제1 사이클은 작동 시에 제1 보조 응축기가 히터로서 작용하고 증발기가 쿨러로서 작용하게 한다. 본 공조 시스템은 제2 사이클을 수행하기 위한 제2 시스템을 가지며, 이는 압축기와, 그 상이 변화하면서 압축기의 출구로부터 입구로 냉매가 유동하는 제2 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 파이프를 통해 연결된 제2 보조 응축기를 구비하며, 제2 사이클은 작동 시에 제2 보조 응축기가 히터로서 작용하게 한다. 제1 및 제2 개별 공기 유동 통로가 형성된다. 제1 통로는 히터 코어와, 제1 보조 응축기와, 상기 통로 내에 설치된 증발기를 가지며, 제2 통로는 그 내부에 설치된 제2 보조 응축기를 갖는다. 보조 증발기는 제2 보조 응축기의 출구로부터 압축기의 입구로 연장하는 파이프 내에 배치된다. 냉각수 회로는 엔진의 냉각수가 이를 통해 보조 증발기로 공급되어 엔진 냉각수와 파이프 내에서 유동하는 냉매 사이의 열 교환을 달성하도록 배치된다. 제어 장치는 제2 시스템이 작동될 때 엔진의 부하에 따라 보조 증발기로 향하는 엔진 냉각수의 유동을 제어하도록 배치된다.

Description

자동차 공조 시스템
밀폐 냉동 시스템으로 공조 시스템을 특히 사용함으로써 공기를 냉각하기 위한 냉각 사이클과 열 펌프 시스템으로 공조 시스템을 특히 사용함으로써 제습하는 동안에 공기를 가열하기 위한 가열 사이클의 이중 기능을 갖는 자동차용 공조 시스템에 통상 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 이중 기능형 시스템의 원리를 사용하는 자동차용 이중 공조 시스템에 관한 것이다.
이때까지, 다양한 형태의 공조 시스템이 자동차 분야에 특히 사용되도록 제안되었다. 그 몇몇은 상기 전술한 이중 기능 형태의 것이다.
박스형 차량 등과 같은 긴 차체의 승용차에 있어서, 객실의 전방에 공급되는 공기를 공조하기 위한 제1 공조 유닛과 상기 객실의 후방에 공급되는 공기를 공조하기 위한 제2 공조 유닛을 갖는 소위 이중 공조 시스템이 폭넓게 사용되었다.
현재, 조합될 때 예상되는 다양한 장점을 얻기 위해, 몇몇의 이중 공조 시스템은 이중 기능형 시스템의 원리를 사용하고 있다. 즉, 예를 들면, 제1 공조 유닛은 이중 기능형 공조 시스템의 밀폐 냉동 회로의 일부를 형성하는 제1 증발기와, 엔진의 냉각수와 함께 공급되는 히터 코어를 구비하며, 제2 공조 유닛은 밀폐 냉동 회로에 연결된 제2 증발기와 히터로서 작용하는 제2 증발기와 직렬로 연결된 응축기를 구비한다.
그러나, 본질적인 구성으로 인해, 전술한 이중 기능형 이중 공조 시스템은 특히 겨울에 사용자에게 만족을 주지 못하였다. 즉, 추운 계절에, 상기 시스템은 소위 가열 모드(heating mode)로 가정된다. 그러나, 이러한 가열 모드를 가정한 시스템은 특히 엔진이 시동된 직후에 충분히 데워진 공기를 객실에 공급하지 못하였다. 사실상, 이때에는 히터 코어에 공급된 엔진 냉각수의 온도는 여전히 낮고 응축기로 안내된 냉매의 온도도 낮아서, 바람직하지 못한 현상을 일으킨다. 이러한 현상은 엔진이 열을 덜 발생시켜서 상대적으로 낮은 온도를 갖는 엔진 냉각수를 발생시키는 직접 분사 형태일 때에 훨씬 심해진다.
이러한 단점을 제거하기 위해, 본 출원인은 엔진 냉각수를 가열함으로써 밀폐 냉동 회로의 압축기로 막 복귀된 냉매를 데우기 위해 추가 증발기를 상기 시스템에 제공하는 방법을 제안하였다. 이럼으로써, 응축기로 공급된 압축 냉매는 응축기의 가열 기능을 향상시키기 위해 보다 고온이 된다. 즉, 추가 증발기는 제2 증발기로부터 압축기로 연장하는 냉매 유동 도관 내에 배치되어 이를 통과하는 엔진 냉각수에 의해 데워진다. 즉, 추가 증발기는 압축기를 막 향하는 복귀 냉매와 이와 관련한 엔진의 냉각수 자켓(jacket)으로부터 공급된 엔진 냉각수 사이에서 열 교환이 수행되는 열 교환기를 갖는다. 이러한 방법은 일본 특허 출원 제9-90854호에 개시된다.
도12는 전술한 방법을 이용함으로써 본 출원인에 의해 수행되는 2개의 실험 결과를 도시하는 그래프이다. 부호 "a"로 도시된 특성 곡선은 엔진 냉각수와 함께 공급된 종래의 히터 코어에 의해 데워진 공기의 온도를 도시하는 반면에, 부호 "b"로 도시된 특성 곡선은 이와 함께 사용된 추가 증발기를 갖는 열 펌프 시스템에 의해 데워진 공기 온도를 도시한다. 본 그래프에 도시된 바와 같이, 엔진 냉각수의 온도가 70℃ 이하일 때, 열 펌프 시스템은 공기를 데움에 있어서 종래의 히터를 능가한다. 반면에, 엔진 냉각수 온도가 70℃를 초과할 때, 종래의 히터 코어는 열 펌프 시스템을 능가한다.
본 출원인은 추가 증발기를 장착한 공조 시스템을 향상시키기 위한 다른 방법을 제안하였으며, 즉 추가 증발기를 우회하게 하도록 복귀 냉매가 유동하는 우회 회로를 제공하거나 또는 온/오프 밸브를 이용함으로써 추가 증발기로 공급되는 엔진 냉각수의 유동을 제어하는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 방법에 근거한 자동차용 공조 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보조 증발기로 향하는 엔진 냉각수의 유동이 해당 자동차의 엔진 부하에 따라 제어되는 자동차용 공조 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 엔진에 의해 동력을 받는 차량용 공조 시스템이 제공된다. 본 시스템은 제1 사이클을 수행하기 위한 제1 수단-여기서, 제1 수단은 엔진에 의해 구동되는 압축기, 주 응축기, 제1 보조 응축기 및 증발기를 구비하며, 이들은 냉매의 상을 변화시키면서 압축기의 출구로부터 그 입구로 냉매를 유동시키는 제1 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 도관을 통해 연결되고, 상기 제1 사이클은 작동시 제1 보조 응축기를 히터로 또한 증발기를 쿨러(cooler)로 사용함-과; 제2 사이클을 수행하기 위한 제2 수단-여기서, 제2 수단은 냉매의 상을 변화시키면서 압축기의 출구로부터 그 입구로 냉매를 유동시키는 제2 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 도관을 통해 연결된 압축기 및 제2 보조 응축기를 구비하며, 상기 제2 사이클은 작동시 제2 보조 응축기를 히터로 사용함-과; 상기 제1 및 제2 수단을 스위칭하기 위한 스위칭 수단과; 그 내부에 설치된 히터 코어와; 제1 보조 응축기 및 증발기를 갖는 제1 공기 유동 통로와, 그 내부에 설치된 제2 보조 응축기를 갖는 제2 공기 유동 통로를 독립적으로 형성하기 위한 제3 수단과; 제2 보조 응축기의 출구로부터 압축기의 입구로 연장하는 도관 내에 배치된 보조 증발기와; 히터 코어를 통과하는 공기를 데우기 위해 엔진의 냉각수가 히터 코어로 공급되는 제1 냉각수 회로와; 엔진 냉각수와 상기 도관 내에서 유동하는 냉매 사이의 열 교환을 수행하기 위해 엔진의 냉각수가 보조 증발기로 공급되는 제2 냉각수 회로와; 상기 스위칭 수단이 제2 수단을 선택할 때 엔진의 부하에 따라 보조 증발기로 향하는 엔진 냉각수의 유동을 제어하는 제4 수단을 포함한다.
도1은 본 발명에 의한 자동차용 이중 공조 시스템의 개략도.
도2는 내연기관("엔진") 냉각수가 유동하는 냉각수 회로의 개략도.
도3은 추가 증발기 내의 냉각수 유동과 히터 코어(heater core)의 냉각수 유동 도관에 배치된 유동 제어 밸브의 개방도 사이의 관계를 도시한 선도.
도4의 (a)는 압축기의 배출 압력에 대한 압축기의 온/오프(ON/OFF) 특성을 도시한 선도이고, (b)는 압축기로부터 배출된 냉매 온도에 대한 압축기의 온/오프 특성을 도시한 선도.
도5의 (a)는 압축기의 배출 압력에 대한 추가 증발기의 온/오프 특성을 도시한 선도이고, (b)는 압축기로부터 배출된 냉매 온도에 대한 추가 증발기의 온/오프 특성을 도시한 선도.
도6은 본 발명의 이중 공조 시스템에 특히 사용할 수 있는 제어 시스템의 블록 선도.
도7은 도6의 제어 시스템을 이용하는 경우 엔진의 속도에 따라 히터 코어의 냉각수 유동 도관 상의 유동 제어 밸브의 특성을 도시하는 도면.
도8은 도6의 제어 시스템을 이용하는 공조 시스템으로부터 달성되는 장점을 설명하기 위한 도면.
도9는 본 발명에 의한 이중 공조 시스템에 특히 사용될 수 있는 다른 제어 시스템의 블록 선도.
도10은 도9의 제어 시스템을 이용하는 경우 엔진의 냉각수 온도에 따라 히터 코어의 냉각수 유동 도관 상의 유동 제어 밸브의 특성을 도시하는 도면.
도11은 도9의 제어 시스템을 이용하는 공조 시스템으로부터 주어진 장점을 설명하기 위한 도면.
열원으로 냉각수를 사용하는 히터 코어에 의해 공기가 데워지는 종래의 히터 코어형 가열 시스템과 추가 증발기를 장착한 밀폐 냉동 회로 내에 설치된 응축기에 의해 공기가 데워지는 열 펌프형 가열 시스템의 가열 성능을 도시하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 내연기관 또는 엔진
2 : 압축기
3 : 주 응축기
5 : 냉매 복귀 회로 또는 도관
6 : 우회 회로 또는 도관
8 : 보조 증발기
10, 20 : 공조 유닛
11, 21 : 공기 유동 통로
12 : 히터 코어
13 : 보조 응축기
14 : 증발기
25, 26 : 전자기 밸브
50, 50a : 제어 유닛
55 : 엔진 회전 속도 센서
57 : 냉각수 온도 센서
도면 중 도1에 의하면, 본 발명에 의한 자동차용 공조 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 하기의 설명으로부터 명백하게 되는 바와 같이, 시스템(100)은 전술한 이중 기능 형태를 갖는다.
이중 공조 시스템(100)은 제1 공조 유닛(10)과, 제2 공조 유닛(20)과, 후술하는 바와 같이 제1 및 제2 유닛(10, 20)을 작동적으로 연결시키는 상호 연결 수단을 구비한다.
제1 공조 유닛(10)은 객실의 전방으로부터 공급된 공기를 공조하도록 배치되고, 제2 공조 유닛(20)은 객실의 후방 부분으로부터 공급된 공기를 공조하도록 배치된다.
이들 유닛(10, 20)에 의해 공조된 공기는 상기 2개의 유닛(10, 20)의 공기 유동 통로(11, 21)의 상류에 위치된 (도시되지 않은) 공기 흡입부 내에 설치된 전기 송풍기를 사용하여 차량의 외부 및/또는 내부로부터 흡입된다. 외부 및 내부로부터의 선택적인 공기 흡입을 위해, (도시되지 않은) 흡입 도어가 공기 흡입부 내에 회동가능하게 설치된다.
제1 공조 유닛(10)은 화살표 방향으로 공기를 강제 유동하게 하는 공기 유동 통로(11)를 갖는다. 전기 팬(15), 증발기(14), 제1 보조 응축기(13) 및 히터 코어(12)는 공기 유동 방향에 대해 공기 유동 통로(11) 내에 순차적으로 설치된다. 후술하는 바와 같이, 증발기(14)와 제1 보조 응축기(13)는 밀폐 냉매 시스템의 일부를 일부를 형성하고, 히터 코어(12)는 공기 유동 통로(11)를 통해 유동하는 공기를 가열 또는 데우기 위해 엔진 냉각수와 함께 냉각수 회로 "n"을 통해 공급된다. 제1 보조 응축기(13)의 전방에, 제1 보조 응축기(13)를 통해 유동하는 통로와 제1 보조 응축기(13)를 우회하는 통로를 각각 독립적으로 형성하는 제1 공기 혼합 도어(16a)가 회동가능하게 설치된다. 히터 코어(12)의 전방에는, 히터 코어(12)를 통과하여 유동하는 통로와 히터 코어(12)를 우회하는 통로를 각각 독립적으로 형성하는 제2 공기 혼합 도어(16b)가 회동적으로 설치된다. 이들 2개의 통로 직후에, 공기 혼합 챔버(M)가 형성된다. 따라서, 공기 혼합 도어(16a, 16b)의 각도를 변경시킴으로써, 공기 혼합 챔버(M) 내로 공급된 공기는 소정의 온도를 갖는다. 공기 유동 통로(11)는 하류 부분에 공조된 공기가 객실의 전방으로 송풍되는 (도시되지 않은) 다양한 출구 개구를 구비한다.
제2 공조 유닛(20)은 화살표 방향으로 공기가 강제 유동하는 공기 유동 통로(21)를 갖는다. 전기 팬(23)과 제2 보조 응축기(22)는 공기 유동 방향에 대해 공기 유동 통로(21) 내에 순차적으로 설치된다. 후술하는 바와 같이, 제2 보조 응축기(22)는 밀폐 냉동 시스템의 일부를 형성한다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 보조 응축기(22)는 증발기(14) 및 제1 보조 응축기(13)로 구성되는 직렬 배치와 평행하게 배치된다. 공기 유동 통로(21)는 그 하류에 객실의 후방으로 공기가 송풍되는 (도시되지 않은) 출구 개구를 갖는다.
엔진(1)은 관련 자동차의 엔진 공간 내에 장착된다. 엔진(1)에 의해 구동되는 압축기(2)와 주 응축기(3) 또한 상기 엔진 공간 내에 장착된다.
밀폐 냉동 시스템은 도시된 바와 같이 도관을 통해 연결되는 압축기(2), 주 응축기(3), 제1 보조 응축기(13) 및 증발기(14)로 구성되는 제1 부분과, 도시된 바와 같이 도관을 통해 제1 부분에 연결되는 제2 보조 응축기(22)를 갖는 제2 부분을 통상 포함한다.
오리피스를 갖는 제1 전자기 밸브(26)는 제1 부분의 제1 보조 응축기(13)와 증발기(14) 사이에서 연장하는 도관 내에 배치된다. 오리피스를 갖는 제2 전자기 밸브(25)와 액체 탱크(24)는 제2 부분의 제2 보조 응축기(22)의 출구에 연결된 도관 내에 배치된다. 물론, 밀폐 냉동 시스템은 그 내부에 보유된 적절한 냉매를 갖는다. 예를 들면, 각 밸브(26, 25)의 오리피스는 직경이 대략 1.45㎜이다.
공조 시스템(100)을 냉각 사이클 또는 가열 시스템으로 스위칭하는 4방향 밸브(4)는 제1 부분 내에 배치된다. 도시된 바와 같이, 4방향 밸브(4)는 압축기92)의 출구 포트에 연결된 입구 포트와, 주 응축기(3)의 입구 포트에 각각 연결된 3개의 출구 포트와, 냉매 복귀 회로(5)를 통과하는 압축기(2)의 입구 포트와, 우회 회로(6)를 통과하는 주 응축기(3)의 출구 파이프를 갖는다. 냉매 복귀 회로(5)는 이하에서 명백하게 되는 바와 같이 정체된 냉매를 정지 상태의 사이클에서 작동이 막 개시된 다른 사이클로 이송하는 데에 사용된다. 냉매 복귀 회로(5)와 우회 회로(6)는 각각 첵 밸브(check valve; 45, 42)를 갖는다. 주 응축기(3)로부터의 출구 파이프는 우회 회로(6)가 연결되는 부분의 상류 위치에 첵 밸브(41)를 갖는다.
가열 사이클을 달성하기 위해 4방향 밸브(4)가 도면에 도시된 가열 위치에 있게 될 때, 압축기(2)로부터의 압축 냉매는 주 응축기(3)를 우회하는 우회 회로(6)를 향한다. 반면에, 냉각 사이클을 달성하기 위해 밸브(4)가 냉각 위치에 있을 때, 압축기(2)로부터의 압축 냉매는 주 응축기(3)로 공급된다.
도시된 바와 같이, 증발기(14)로부터의 출구 파이프와 제2 보조 응축기(22)로부터의 출구 파이프는 부분(71)에서 만나서 회로 세그멘트(P)를 통해 압축기(2)의 입구 포트에 연결된다. 회로 세그멘트(P)는 압축기(2)의 입구 포트의 직전 상류 부분(72)에서 복귀 회로(5)와 결합된다. 증발기(14) 및 제2 보조 응축기(22)로부터의 각각의 출구 파이프는 첵 밸브(43, 44)를 장착한다.
도시된 바와 같이, 회로 세그멘트(P)는 그 내부에 배치된 보조 증발기(8)와 축압기(9)를 공히 구비한다.
보조 증발기(8)는 열원으로서 엔진 냉각수를 갖는 냉각수 도관 "m"을 통해 공급되는 열 교환기를 갖는다. 즉, 보조 증발기(8) 내에서, 냉매와 엔진 냉각수 사이에서 열 교환이 수행된다. 보다 상세하게는, 냉매는 엔진 냉각수에 의해 가열되거나 적어도 데워진다. 보조 증발기(8)는 엔진 공간 등과 같은 개방된 영역 내에 위치된다.
이러한 보조 증발기(8)의 사용은 엔진 냉각수에 의해 보유된 열의 효과적인 사용을 목적으로 하는 것임을 알아야 한다. 즉, 엔진 냉각수가 히터 코어(12)를 작동시키기에 충분한 수준으로 데워지지 않을 때에도, 상기 냉각수는 냉각수와 냉매 사이의 열 교환을 수행함으로써 냉매의 엔탈피(enthalpy)를 증가시킬 수 있다. 이러한 조건 하에서, 제1 및 제2 보조 응축기(13, 22)는 이러한 열 교환이 수행되지 않을 때 예상되는 것보다 더 큰 가열 성능을 보여준다.
회로 세그멘트(P) 상의 축압기(9)는 상대적으로 큰 용량을 갖도록 구성된다. 따라서, 축압기(9)로 향하는 복귀 냉매가 보다 많은 양의 액체를 보유할 때에도 상기 액체의 증발은 축압기(9) 내에서 원만하게 달성되어 압축기(2)가 손상되는 것을 방지한다.
전술한 바와 같이, 보조 증발기(8)와 히터 코어(12)는 엔진 냉각수와 함께 각각의 냉각수 도관 "m" 및 "n"을 통해 공급된다. 각 도관 "m" 또는 "n"은 냉각수 입구(m1, n1) 및 출구(m2, n2)를 구비한다.
도1 및 도2로부터 잘 알 수 있는 바와 같이, 히터 코어(12)의 입구 도관(n1)은 제1 유동 제어 밸브(31)를 구비하며, 보조 증발기(8)의 입구 도관(m1)은 제2 유동 제어 밸브(32)를 구비한다. 제1 밸브(31)는 히터 코어(12)로 유동하는 엔진 냉각수의 유동을 연속적으로 변화시키는 연속 가변형인 반면에, 제2 밸브(32)는 보조 증발기(8)로 향하는 통로를 선택적으로 개폐하는 온/오프형이다.
후술하는 바와 같이, 이중 공조 시스템(100)이 가열 사이클 하에 있을 때 제2 밸브(32)는 엔진 냉각수를 보조 증발기(8)에 공급하도록 온(ON) 위치를 갖는다. 제2 밸브(32)의 이러한 온 위치 하에서, 보조 증발기(8)를 통과하는 엔진 냉각수의 유동은 제1 밸브(31)를 연속적으로 제어함으로써 연속적으로 제어된다. 이러한 현상은 도3의 그래프에 도시된다. 즉, 제2 밸브(32)가 완전 개방 위치(말하자면, 온 위치)를 차지함으로써 제1 밸브(31)의 개방 정도가 히터 코어(12)를 통한 엔진 냉각수의 유동을 증가시키기 위해 점진적으로 증가될 때, 보조 증발기(8)를 통한 엔진 냉각수의 유동은 점진적으로 감소된다.
이하 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 밸브(32)가 완전 개방 상태(말하자면, 온 상태)로 유지되는 가열 사이클 하에서, 보조 증발기(8)를 통한 엔진 냉각수의 유동은 엔진 회전 속도 또는 엔진 냉각수의 온도에 따라 제1 밸브(31)를 제어함으로써 연속적으로 제어된다.
압축기(2)의 직하류 위치에 압축기(2)로부터 막 배출된 크게 가압된 냉매에 의해 보유되는 압력 "Pd"와 온도 "Td"를 검출하는 압력 검출 수단 "PD"와 온도 검출 수단 "TD"가 배치된다. 압력 검출 수단 "PD"는 내부에 다이아프램(diaphragm)을 갖는 압력 스위치 또는 검출된 압력이 대응되는 전압으로 변환되는 트랜스듀서(transducer)를 갖는 압력 센서이다. 온도 검출 수단 "TD"는 검출된 온도가 대응되는 전압으로 변환되는 트랜스듀서(transducer)를 갖는 온도 센서이다. 후술하는 바와 같이, 압축기(2)로부터 배출된 냉매의 압력 "Pd"와 온도 "Td"가 상승될 때, 이러한 상승을 감소시키기 위해 다양한 제어가 수행된다.
냉매 복귀 도관(5)은 대기의 한랭 조건으로 인해 엔진 냉각수가 아주 차가와서 열원으로 사용될 수 없을 때 작동된다. 즉, 이러한 경우에, 주 응축기(3) 내에 정체된 냉매는 복귀 도관(5)을 통해 압축기(2)의 입구로 복귀된다. 이럼으로써, 이중 공조 시스템(100)은 증가된 양의 냉매로써 가열 사이클을 개시할 수 있다.
이하에 본 발명에 의한 이중 공조 시스템(100)의 작동을 설명한다.
(1) 가열 사이클의 초기 단계
엔진(1)의 시동 직후에, 특히 겨울에 엔진 냉각수 온도는 아주 낮다. 따라서, 이러한 때에는 엔진 냉각수는 히터 코어(12)용 열원으로 사용될 수 없다. 더욱이, 어떤 냉매는 주 응축기(3) 내에 여전히 정체하고 있어서 압축기(2)로 공급되는 냉매의 부족을 일으킨다.
객실의 전후 부분을 공히 가열하기 위해, 제1 밸브(31)는 완전 밀폐되고 제2 밸브(32)는 완전 개방되며(온 상태), 제1 및 제2 전자기 밸브(26, 25)는 개방되고 4방향 밸브(4)는 도1에 도시된 가열 위치에 있게 된다. 제1 공기 혼합 도어(16a)는 제1 보조 응축기(13)를 통과하는 통로를 완전 개방하기 위한 위치를 차지한다. 반면에, 제2 공기 혼합 도어(16b)는 도시된 바와 같이 히터 코어(12)를 통과하는 통로를 완전 밀폐하는 위치를 차지한다.
압축기(2)가 작동을 개시할 때, 주 응축기(3) 내에 정체된 냉매는 4방향 밸브(4)와 냉매 복귀 도관(5)을 통해 압축기(2)의 입구 측으로 다시 공급된다.
따라서, 이후 압축기(2)에 의해 가압된 냉매는 4방향 밸브(4), 우회 회로(6), 제1 보조 응축기(13), 전자기 밸브(26)의 오리피스 및 증발기(14)를 통해 접합부(71)로 강제 유동하고, 우회 회로(6)로부터 공급된 냉매의 일부는 제2 보조 응축기(22), 액체 탱크(24) 및 제2 전자기 밸브(25)의 오리피스를 통해 접합부(71)로 강제 유동된다. 접합부(71)에서 만난 냉매는 보조 증발기(8)와 축압기(9)를 통해 압축기(2)의 입구로 강제 유동된다.
이러한 유동 중에, 제1 및 제2 보조 응축기(13, 22)에서 열 에너지를 잃어버린 냉매는 상기의 이유로 보조 증발기(8)에서 열을 얻는다. 이와 같이 다소 데워진 냉매는 압축기(2)에 의해 압축된다. 그러므로, 가열 사이클을 반복함으로써 압축기(2)로부터 배출된 냉매의 엔탈피는 점진적으로 증가하고, 따라서 제1 및 제2 보조 응축기(13, 22)의 가열 성능은 점진적으로 증가한다. 그러므로, 공조 시스템(100)의 제1 및 제2 유닛(10, 20)은 엔진 시동 직후에 충분히 데워진 공기를 객실의 전후 부분에 공급할 수 있다.
보다 상세하게는, 제1 유닛(10)에 있어서, 공기 유동 통로(11) 내에서 유동하는 공기는 증발기(14)에 의해 제습(냉각)되고, 객실의 전방으로 송풍되기 전에 제1 보조 응축기(13)에 의해 데워진다. 반면에, 제2 유닛(20)에 있어서, 공기 유동 통로(21) 내에서 유동하는 공기는 객실의 후방으로 송풍되기 이전에 제2 보조 응축기(22)에 의해 데워진다.
(2) 가열 사이클의 안정 단계
시간이 증가함에 따라, 엔진 냉각수 온도는 증가한다. 엔진 냉각수 온도가 특정 수준으로 상승될 때, 제1 밸브(31)의 또는 이에 의한 제어가 개시된다.
전술한 바와 같이, 압축기(2)로 막 공급된 복귀 냉매의 온도가 상승할 때 제1 및 제2 보조 응축기(13, 22)의 가열 효과는 증가되어 제1 및 제2 유닛(10, 20)에 의해 객실로 공급되는 공기의 온도는 증가한다. 물론, 냉매에 대한 보조 증발기(8)의 가열 성능은 보조 증발기(8)로 공급된 엔진 냉각수의 유동에 의해 제어될 수 있다. 즉, 가열 성능은 엔진 냉각수의 보조 증발기(8)로의 유동 증가에 따라 증가한다.
본 발명에 있어서, 엔진 냉각수의 보조 증발기(8)로의 유동은 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이 제1 밸브(31)를 제어함으로써 조절된다.
압축기(2)의 과부하를 방지하기 위해, 온/오프 제어는 압축기(2)로부터 막 배출된 가압 냉매에 의해 보유된 압력 "Pd" 및 온도 "Td"에 따라 압축기(2) 및 제2 유동 제어 밸브(32)에 실질적으로 작용된다. 즉, 도4의 (a) 및 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 압축기(2)의 작동 하에서 압력 "Pd"가 대략 23㎏/㎠로 증가하거나 또는 온도 "Td"가 대략 120℃로 증가할 때, 압축기(2)는 작동을 중지한다. 압축기(2)의 오프 상태에서 압력 "Pd"가 대략 20㎏/㎠로 감소하거나 또는 온도 "Td"가 대략 80℃로 감소하는 때에, 압축기(2)는 작동을 시작한다. 도5의 (a) 및 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 밸브(32)의 개방 상태 하에서 압력 "Pd"가 20㎏/㎠로 증가하거나 또는 온도 "Td"가 대략 100℃로 증가할 때, 제2 밸브(32)는 밀폐된다. 제2 밸브(32)의 밀폐 상태에서, 압력 "Pd"가 17㎏/㎠로 감소하거나 또는 온도 "Td"가 대략 80℃로 감소하는 때에, 제2 밸브(32)는 개방된다. 제2 밸브(32)가 밀폐될 때, 엔진 냉각수의 보조 증발기(8)로의 공급은 정지되어 복귀 냉매에 대한 가열이 정지된다. 이럼으로써 압축기(2)로부터 막 배출된 냉매의 압력 "Pd" 및 온도 "Td"는 감소된다.
제2 밸브(32)의 온/오프 작동은 압축기(2)의 온/오프 작동에 실질적으로 적용될 수 있는 범위 내에서 수행됨을 알아야 한다. 이러한 방법으로써, 압축기(2)의 온/오프 스위칭의 빈도(frequency)는 감소된다. 공지된 바와 같이, 압축기(2)의 온/오프 스위칭이 너무 빈번하면, 엔진의 작동성이 감소된다.
전술한 바와 같이, 엔진 냉각수의 보조 증발기(8)로의 유동은 엔진 회전 속도 또는 엔진 냉각수 온도에 따라 제어된다.
이하에서, 엔진 냉각수의 유동 제어가 엔진 회전 속도에 따라 수행되는 경우를 설명한다.
도6은 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동을 제어하기 위한 인자로서 엔진 회전 속도를 이용하는 제어 시스템의 블록 선도이다.
이 제어 시스템은 메모리(56)를 갖는 마이크로컴퓨터인 제어 유닛(50)을 구비한다. 시스템 스위치(51), 공조 스위치(52), 압력 검출 수단(PD; 53), 온도 검출 수단(TD; 54) 및 엔진 회전 속도 센서(55)로부터의 정보 신호는 모두 제어 유닛(50)으로 공급된다. 압축기(2)가 (도1에 도시된) 구동 벨트를 통해 엔진(1)에 의해 구동되므로, 엔진 회전 속도 센서(55)는 압축기(2)의 회전 속도를 감지하는 수단으로 기능한다. 이들 정보 신호들을 처리함으로써, 제어 유닛(50)은 압축기(2; 말하자면, 상기 압축기의 자석 클러치)와, 제1 유동 제어 밸브(31)와, 제2 유동 제어 밸브(32)를 제어한다.
시스템 스위치(51)는 보조 증발기(8)를 실질적으로 사용하는 가열 사이클로 공조 시스템(100)을 스위칭하기 위한 스위치이다. 공조 스위치(52)는 보조 증발기(8)의 도움 없이도 시스템(100)을 통상의 공조 시스템으로 스위칭하기 위한 스위치이다. 엔진 회전 속도 센서(55)는 엔진의 크랭크 각도를 검출하기 위한 센서일 수도 있다. 시스템 스위치(51)가 켜지고 공조 스위치(52)가 꺼질 때, 제어 유닛(50)은 시스템(100)의 가열 사이클을 개시하고 하기의 방법으로 압축기(2)와 제1 및 제2 유동 제어 밸브(31, 32)를 제어한다.
제어 유닛(50)의 메모리(56)는 도7에 도시된 기준 맵(reference map)을 기억한다. 이 맵은 엔진 회전 속도와 보조 증발기(8)로 향한 엔진 냉각수의 소정의 유동을 일으킬 수 있는 제1 유동 제어 밸브(31)의 개방 정도 사이의 관계를 도시한다. 이 맵으로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 회전 속도가 1200 rpm 이하일 때, 제1 유동 제어 밸브(31)는 완전 밀폐된다. 이러한 상태에서, 히터 코어(12)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 영(zero)이 되는 반면에, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대가 된다. 반면에, 엔진 회전 속도가 3000 rpm을 초과할 때, 밸브(31)는 완전 개방된다. 이러한 상태에서, 히터 코어(12)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대가 되는 반면에, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최소가 된다. 엔진 회전 속도가 1200 rpm 내지 3000 rpm의 범위 내에 있을 때, 제1 밸브(31)의 개방 정도는 엔진 회전 속도에 따라 비례적으로 변화하여 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 엔진 회전 속도의 증가에 따라 점진적으로 감소한다. 이러한 현상은 도3에 도시된다.
즉, 해당 차량이 공회전 또는 저속 주행 중에 있을 때, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대로 유지된다. 따라서, 이러한 상태에서, 압축기(2)로부터 막 배출된 냉매의 압력 "Pd" 및 온도 "Td"는 제2 유동 제어 밸브(32)의 온/오프 작동에 의해 제어된다. 엔진 회전 속도의 증가에 따라 압축기(2)의 작업 부하가 증가함으로써 배출된 냉매의 압력 "Pd" 및 온도 "Td"가 상승될 때, 제1 밸브(31)의 개방 정도는 엔진 회전 속도에 따라 점진적으로 증가한다. 즉, 엔진 회전 속도가 증가함으로써 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동이 감소되어 엔진 냉각수로부터 냉매에 주어진 열의 감소를 가져온다.
도8은 도6의 전술한 제어 시스템을 사용하는 공조 시스템(100)으로부터 얻어지는 장점을 설명하기 위한 그래프이다. 도8의 그래프에 있어서, 가로축은 경과된 시간을 나타내고 세로축은 압력 "Pd"를 나타낸다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동이 제2 밸브(32)에 의해 여전히 제어될 때, 압력 "Pd"는 현저한 변동(fluctuation)을 보여 준다. 그러나, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동이 제1 밸브(31)에 의해 형성된다면, 이러한 변동은 아주 작게 되어서 가열 사이클에서 시스템(100)의 회로 내의 냉매의 안정된 유동을 일으킨다. 실험에 의하면, 압축기(2)에 의해 막 배출된 냉매에 의해 보유된 온도 "Td"의 경우 유사한 장점이 얻어진다. 즉, 이러한 경우에, 온도 "Td"의 변동은 80℃ 내지 100℃의 범위 내로 제어된다.
이하에는 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동 제어가 엔진 냉각수의 온도에 따라 행해지는 다른 경우가 설명된다.
도9는 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동을 제어하기 위한 인자로서 엔진 냉각수 온도를 이용하는 제어 시스템의 블록 선도이다.
이 제어 시스템은 메모리(56a)를 갖는 마이크로컴퓨터인 제어 유닛(50a)을 구비한다. 시스템 스위치(51), 공조 스위치(52), 압력 검출 수단(PD; 53), 온도 검출 수단(TD; 54) 및 냉각수 온도 센서(57)로부터의 정보 신호는 모두 제어 유닛(50a)으로 공급된다. 이들 정보 신호들을 처리함으로써, 제어 유닛(50a)은 압축기(2)와, 제1 및 제2 유동 제어 밸브(31, 32)와, 제1 및 제2 공기 혼합 도어(16a, 16b)용의 제1 및 제2 작동기(58a, 58b)를 제어한다.
온도 센서(57)는 엔진(1)의 냉각수 자켓으로부터 막 배출된 엔진 냉각수의 온도를 감지하는 센서일 수도 있다. 시스템 스위치(51)가 켜지고 공조 스위치(52)가 꺼질 때, 제어 유닛(50a)은 시스템(100)의 가열 사이클을 개시하고 아래의 방법으로 압축기(2)와 제1 및 제2 유동 제어 밸브(31, 32)를 제어한다.
제어 유닛(50a)의 메모리(56a)는 도10에 의해 도시된 기준 맵을 기억한다. 이 맵은 엔진 냉각수 온도와 제1 보조 증발기(8)로 향한 엔진 냉각수의 소정의 유동을 일으킬 수 있는 제1 유동 제어 밸브(31)의 개방 정도 사이의 관계를 도시한다. 이 맵으로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 냉각수 온도가 60℃ 이하일 때, 제1 유동 제어 밸브(31)는 완전 밀폐된다. 이러한 상태에서, 히터 코어(12)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 영(zero)이 되는 반면에, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대가 된다. 반면에, 엔진 냉각수 온도가 70℃를 초과할 때, 히터 코어(12)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대가 되는 반면에, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최소가 된다. 엔진 냉각수의 온도가 60℃ 내지 70℃ 사이의 범위에 있을 때, 제1 밸브(31)의 개방 정도는 엔진 냉각수 온도에 따라 비례적으로 변화하여 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 엔진 냉각수 온도의 증가에 따라 점진적으로 감소한다. 이러한 현상은 도3의 그래프에 도시된다.
즉, 해당 차량이 엔진 냉각수 온도가 여전히 낮은 엔진 시동 직후의 상태와 같은 상태에 있을 때, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 최대로 유지된다. 따라서, 이러한 상태에서 압축기(2)로부터 막 배출된 냉매의 압력 "Pd" 및 온도 "Td"는 제2 유동 제어 밸브(32)의 온/오프 작동에 의해 제어된다. 엔진 냉각수 온도가 증가하여 보조 증발기(8)에서의 열 교환이 증가함으로써 배출된 냉매의 압력 "Pd" 및 온도 "Td"가 증가할 때, 제1 밸브(31)의 개방 정도는 엔진 냉각수 온도에 따라 점진적으로 증가한다. 즉, 엔진 냉각수 온도가 증가함으로써, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동은 감소하여 엔진 냉각수로부터 냉매에 주어진 열을 감소시킨다.
도10은 도9의 제어 시스템을 이용하는 공조 시스템(100)으로부터 얻어진 장점을 설명하는 그래프이다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 보조 증발기(8)를 향한 엔진 냉각수의 유동 제어가 제1 밸브(31)에 의해 수행되면, 변동이 아주 작게 되어 가열 사이클 내의 시스템(100) 회로 내의 냉매의 안정된 유동을 일으킨다. 실험에 의하면, 압축기(2)로부터 막 배출된 냉매에 의해 보유된 온도 "Td"의 경우에 유사한 장점이 또한 얻어진다. 즉, 이러한 경우 온도 "Td"의 변동은 80℃ 및 100℃ 사이 범위 내에서 제어된다.
엔진 냉각수 온도가 60℃로 증가하자마자 제1 밸브(31)의 제어가 개시된다면, 제어 유닛(50a)은 제1 유닛(10)의 공기 유동 통로(11; 도1 참조) 내의 제1 및 제2 공기 혼합 도어(16a, 16b)의 제어를 개시한다. 이럼으로써 제1 보조 응축기(13)에 의해 데워진 공기는 도11의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 객실의 전방으로 송풍되기 전에 히터 코어(12)에 의해 데워진다.
(3) 냉각 사이클
이 사이클은 도시된 실시예 내의 제1 유닛(10)에만 적용된다. 냉각 사이클을 달성하기 위해, 제2 전자기 밸브(25)는 밀폐되고, 4방향 밸브(4)는 압축기(2)의 출구 포트를 우회 회로(6)를 차단하는 주 응축기(3)의 입구 포트와 연결시키는 냉각 위치로 돌려진다. 더욱이, 제1 및 제2 밸브(31, 32)는 완전 밀폐되고, 제1 및 제2 공기 혼합 도어(16a, 16b)는 도1에 도시된 위치를 차지한다. 압축기(2)의 작동시 압축기(2)로부터의 가압 냉매는 주 응축기(3) 내로 공급된다. 주 응축기(3)로부터의 냉매는 제1 보조 응축기(13), 증발기(14), 보조 증발기(8) 및 상을 변화시키는 축압기(9)를 통해 강제 유동되고, 압축기(2)로 다시 복귀한다. 냉매의 이러한 유동 중에, 제1 보조 응축기(13)는 히터로서 작용하고 증발기(14)는 쿨러로서 작용한다. 그러나, 제1 공기 혼합 도어(16a)는 제1 보조 응축기(13)를 통과하는 통로를 완전 밀폐하는 위치에 있으므로, 증발기(14)에 의해 냉각된 공기는 공기 혼합 챔버 "M"으로 직접 공급되고 객실의 전방으로 송풍된다.
이상 전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 공조 시스템은 복귀 냉매가 보조 증발기를 우회할 수 있는 우회 회로 또는 도관을 구비함과 동시에 온/오프 밸브를 이용하여 엔진 냉각수의 유동을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 공조 시스템은 엔진 부하(즉, 엔진 회전 속도 및 엔진 냉각수 온도 등)에 따라 엔진 냉각수의 유동을 효과적으로 제어하여 엔진 냉각수에 의해 보유된 열을 효과적으로 이용할 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 내연기관(엔진)에 의해 동력을 받는 차량용 공조 시스템에 있어서,
    제1 사이클을 수행하기 위한 제1 수단-여기서, 상기 제1 수단은 상을 변화시키면서 상기 압축기의 출구로부터 입구로 냉매를 유동하게 하는 제1 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 파이프들을 통해 연결되는 엔진 구동식 압축기, 주 응축기, 제1 보조 응축기 및 증발기를 포함하고, 상기 제1 사이클은 작동시 상기 제1 보조 응축기가 히터로 상기 증발기가 쿨러로 작용함-과,
    제2 사이클을 수행하기 위한 제2 수단-여기서, 상기 제2 수단은 상을 변화시키면서 압축기의 출구로부터 입구로 상기 냉매를 유동하게 하는 제2 냉매 순환 회로를 형성하기 위해 파이프들을 통해 연결되는 상기 응축기 및 제2 보조 응축기를 포함하고, 상기 제2 사이클은 작동시 상기 제2 보조 응축기가 히터로 작용함-과,
    상기 제1 및 제2 수단을 스위칭하기 위한 스위치 수단과,
    히터 코어와,
    그 내부에 설치된 상기 히터 코어, 상기 제1 보조 응축기 및 상기 증발기를 갖는 제1 공기 유동 통로와, 그 내부에 설치된 상기 제2 보조 응축기를 갖는 제2 공기 유동 통로를 각각 독립적으로 형성하기 위한 제3 수단과,
    상기 제2 보조 응축기의 출구로부터 상기 압축기의 입구로 연장하는 파이프 내에 배치된 보조 응축기와,
    상기 엔진의 엔진 냉각수가 히터 코어를 통과하는 공기를 데우기 위해 상기 히터 코어로 공급되는 제1 냉각수 회로와,
    엔진 냉각수와 상기 파이프 내에서 유동하는 냉매 사이의 열 교환을 수행하기 위해 상기 엔진의 엔진 냉각수가 상기 보조 응축기로 공급되는 제2 냉각수 회로와, 그리고
    상기 스위치 수단이 상기 제2 수단을 선택할 때 상기 엔진의 부하에 따라 상기 보조 증발기를 향하는 엔진 냉각수의 유동을 제어하기 위한 제4 수단을
    구비하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제4 수단은 상기 엔진의 회전 속도를 감지하기 위한 센서와, 상기 센서에 의해 감지된 엔진 회전 속도에 따라 엔진 냉각수의 상기 보조 증발기로의 유동을 제어하기 위한 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제4 수단은 엔진 냉각수 온도를 감지하기 위한 센서와, 상기 센서에 의해 감지된 냉각수 온도에 따라 엔진 냉각수의 상기 보조 증발기로의 유동을 제어하기 위한 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각수 회로는 상기 엔진의 공통 냉각수 자켓에 연결되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제4 수단은 상기 제1 냉각수 회로 내에 배치된 제1 밸브와, 상기 제2 냉각수 회로 내에 배치된 제2 밸브와, 상기 엔진의 부하를 감지하기 위한 센서와, 상기 센서에 의해 감지된 엔진 부하에 따라 상기 제1 밸브를 연속적으로 제어하기 위한 제어 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서는 엔진의 회전 속도를 감지하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 센서는 엔진 냉각수 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 제1 냉각수 회로 내에서 유동하는 엔진 냉각수 유동을 연속적으로 변화시키는 형태이며, 상기 제2 밸브는 상기 제2 냉각수 회로의 통로를 선택적으로 개폐시키는 형태인 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수단은 상기 보조 증발기를 통해 상기 압축기의 상기 입구로 연장하는 공통 냉매 유동 도관을 갖는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공통 냉매 유동 도관은 상기 보조 증발기의 하류 위치에 배치된 축압기를 갖는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제3 수단은 상기 제1 보조 응축기를 통과하는 통로와 상기 보조 응축기를 우회하는 통로를 각각 독립적으로 형성하기 위해 상기 보조 응축기의 전방에 회동가능하게 배치된 제1 공기 혼합 도어와, 상기 히터 코어를 통과하는 통로와 상기 히터 코어를 우회하는 통로를 각각 독립적으로 형성하기 위해 상기 히터 코어의 전방에 회동가능하게 배치된 제2 공기 혼합 도어를 구비하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
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