KR100300694B1 - 차량용열펌프형공기조화기및이에사용되는전자기밸브 - Google Patents

차량용열펌프형공기조화기및이에사용되는전자기밸브 Download PDF

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오오 노 하루 오
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Abstract

본 발명에 따른 차량용 열 펌프형 공기 조화기는 압축기, 외부 열 교환기, 냉매 밸브 유니트 및 내부 열 교환기 유니트로 이루어진 냉각 사이클을 구비한다. 냉매 밸브 유니트는 제1 및 제2 유량 제어 밸브를 포함하고, 내부 열 교환기 유니트는 보조 내부 열 교환기와 주 내부 열 교환기를 포함한다. 냉각 사이클에서, 제1 유량 제어 밸브와, 보조 내부 열 교환기와, 제2 유량 제어 밸브와, 주 내부 열 교환기는 나열한 순서로 직렬 연결된다. 주 내부 열 교환기와 보조 내부 열 교환기는 제1 및 제2 유량 제어 밸브의 제어 상태에 따라 그 기능을 증발기와 응축기로 변동한다. 또한, 본 발명은 이러한 차량용 열 펌프형 공기 조화기에 사용되는 전자기 밸브를 마련하고 있다.

Description

차량용 열 펌프형 공기 조화기 및 이에 사용되는 전자기 밸브 {HEAT PUMP TYPE AIR CONDITIONER FOR VEHICLE AND ELECTROMAGNETIC VALVE USED THERETO}
본 발명은 차량용 열 펌프형 공기 조화기, 특히 냉각 사이클을 작동시킴으로써 난방을 수행하는 차량용 공기 조화기에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에 채용되는 공기 조화기는 엔진 냉각제를 순환시키는 히터 코어를 이용함으로써 난방 작동을 실행하고 냉각 시스템을 이용함으로써 냉방 작동을 수행하도록 구성되어 있다.
그러나, 외부 공기 온도가 상당히 낮은 상태 하에서 차량의 엔진이 시동되는경우에는, 엔진 냉각제가 난방 작동에 이용될 수 있도록 약 50 ℃ 정도의 온도로 가열될 때까지 소정의 시간이 필요하다. 또한, 엔진이 공회전(idling) 상태 또는 저부하 상태 하에서 작동되면, 엔진 냉각제의 온도는 히터 코어가 난방 작동에 적용되기에 불충분한 온도로 유지된다.
본 발명의 목적은 공기 조화기의 냉각 시스템을 채용함으로써 난방 작동을 신속하고도 충분하게 수행할 수 있는 열 펌프형 공기 조화기를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따라 난방 작동하는 열 펌프형 공기 조화기의 제1 실시예를 도시한 개략도.
도2는 냉방 작동하는 제1 실시예를 도시한 개략도.
도3a는 개방 상태로 설정된 도1의 제1 유량 제어 밸브를 도시한 단면도.
도3b는 초크(choked) 상태로 설정된 도2의 제1 유량 제어 밸브를 도시한 단면도.
도4는 제1 유량 제어 밸브의 오리피스 튜브의 측면도.
도5는 제1 유량 제어 밸브의 동작 특성을 도시하는 그래프.
도6a는 개방 상태로 설정된 도3a의 제1 유량 제어 밸브의 변형예를 도시한 단면도.
도6b는 초크 상태로 설정된 도3b의 제1 유량 제어 밸브의 변형예를 도시한 단면도.
도7은 본 발명에 따라 난방 작동하는 열 펌프형 공기 조화기의 제2 실시예를 도시한 개략도.
도8은 냉방 작동하는 제2 실시예를 도시한 개략도.
도9는 본 발명에 따라 난방 작동하는 열 펌프형 공기 조화기의 제3 실시예를 도시한 개략도.
도10은 냉방 작동하는 제3 실시예를 도시한 개략도.
도11은 본 발명에 따라 난방 작동하는 열 펌프형 공기 조화기의 제4 실시예를 도시한 개략도.
도12는 냉방 작동하는 제4 실시예를 도시한 개략도.
도13은 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제5 실시예를 도시한 개략도.
도14는 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제6 실시예를 도시한 개략도.
도15는 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기에 채용된 보조 내부 열 교환기의 개략 단면도.
도16a 및 도16b는 제6 실시예의 4방 밸브 및 보조 내부 열 교환기의 작동을 설명하기 위한 부분 개략도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 엔진
2 : 압축기
3 : 열 교환기
4 : 유체 탱크
5 : 밸브 유니트
6 : 4방 밸브
10 : 유니트 케이스
11 : 공기 흡입 유니트
13 : 히터 코어
14 : 공기 도관
15 : 공기 혼합 도어
20 : 축압기
30 : 부 열 교환기
B : 바이패스 통로
E : 열 교환기 유니트
R : 복귀 통로
본 발명의 제1 태양은 온도 조건에 따라 난방 작동 및 냉방 작동을 실행하는 차량용 열 펌프형 공기 조화기이다. 본 열 펌프형 공기 조화기는 냉매에 작업 부하를 제공하는 압축기를 포함한다. 외부 열 교환기는 압축기의 출구에 연결된다. 제1 유량 제어 밸브는 외부 열 교환기의 냉매 출구에 연결된다. 보조 내부 열 교환기는 제1 유량 제어 밸브의 출구에 연결된다. 제2 유량 제어 밸브는 보조 내부 열 교환기의 냉매 출구에 연결된다. 내부 주 열 교환기는 제2 유량 제어 밸브에 연결된다. 주 내부 열 교환기의 냉매 출구는 압축기의 입구에 연결된다. 공기 공급부는 공기를 주 내부 열 교환기 및 보조 내부 열 교환기를 통해 유동시켜 공기를 차량의 승객석쪽으로 이송한다.
본 발명의 제2 태양은 온도 조건에 따라 난방 작동 및 냉방 작동을 실행하는 차량용 열 펌프형 공기 조화기이다. 본 열 펌프형 공기 조화기는 냉매에 작동 부하를 제공하는 압축기를 포함한다. 외부 열 교환기는 압축기의 출구에 연결된다.보조 내부 열 교환기는 제1 및 제2 포트를 가지며 보조 내부 열 교환기의 냉매 통로의 단면적이 제1 포트로부터 제2 포트로 점차로 증가되도록 배열된다. 팽창 밸브는 보조 내부 열 교환기의 제1 포트에 연결된다. 냉매 통로 절환부는 냉매를 팽창 밸브 및 제1 포트로부터 제2 포트로 유동시키기 위한 제1 냉매 통로 상태와 냉매를 제2 포트로부터 제1 포트 및 팽창 밸브로 유동시키기 위한 제2 냉매 통로 상태를 선택적으로 성립시킨다. 주 내부 열 교환기는 냉매가 공급되는 제1 및 제2 포트 중 하나에 연결된다. 내부 주 열 교환기의 냉매 출구는 압축기의 입구에 연결된다.
도1 내지 도6b를 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제1 실시예가 도시되어 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 열 펌프형 공기 조화기는 차량용이고, 압축기(2)로부터 토출된 냉매가 외부 열 교환기(3)와 유체 탱크(4) 그리고 냉매 밸브 유니트(5) 및 내부 열 교환기 유니트(E)의 순서로 공급되는 냉각 사이클을 갖는다. 압축기(2)는 냉매에 작업 부하를 제공하여 냉매가 냉각 사이클을 순환하도록 하는 기능을 한다.
바이패스 통로(B)는 외부 열 교환기(3)와 평행하게 배치되어 있다. 바이패스 통로(B)의 입구 단부는 압축기(2)와 외부 열 교환기(3)를 접속시키는 통로에 연결된다. 바이패스 통로(B)의 출구 단부는 외부 열 교환기(3)와 유체 탱크(수용기)(4)를 접속시키는 통로에 연결된다. 제1 절환 밸브(Vs1)는 냉매를 외부 열 교환기(3)로 선택적으로 공급하도록 외부 열 교환기(3)의 냉매 입구에 설치된다. 제1 역지 밸브(Vc1)는 외부 열 교환기(3)로부터 유체 탱크(4)로의 방향으로 흐르는 냉매의 유동을 제한하도록 외부 열 교환기(3)의 냉매 출구에 설치된다. 제2 절환 밸브(Vs2)는 냉매를 바이패스 통로(B)로 선택적으로 공급하도록 바이패스 통로(B)의 입구에 설치된다. 제2 역지 밸브(Vc2)는 압축기(2)로부터 유체 탱크(4)로의 방향으로 흐르는 냉매의 유동을 제한하도록 바이패스 통로(B)에 설치된다. 유체 탱크(4)의 입구는 제1 역지 밸브(Vc1)를 통해 외부 열 교환기(3)의 냉매 출구에 그리고 제2 역지 밸브(Vc2)를 통해 바이패스 통로(B)에 연결된다. 유체 탱크(4)의 출구는 냉매 밸브 유니트(5)의 제1 유량 제어 밸브(5a)에 연결된다. 제1 유량 제어 밸브(5a)의 출구는 내부 열 교환기 유니트(E)의 보조 내부 열 교환기(Ea)의 냉매 입구에 연결된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)의 냉매 출구는 냉매 밸브 유니트(5)의 제2 유량 제어 밸브(5b)의 입구에 연결된다. 제2 유량 제어 밸브(5b)의 출구는 내부 열 교환기 유니트(E)의 주 내부 열 교환기(Eb)의 냉매 입구에 연결된다. 주 내부 열 교환기(Eb)의 냉매 출구는 부 열 교환기(30)의 냉매 입구에 연결된다. 부 열 교환기(30)의 냉매 출구는 압축기(3)의 입구에 연결된다. 부 열 교환기(30)는 냉매 밸브(12a)가 개방될 때에 엔진 냉각제가 엔진을 순환하도록 차량의 엔진(1)에 연결된다. 주 내부 열 교환기(Eb)와 압축기(2) 사이에 설치된 부 열 교환기(30)는 부 열 교환기(30)와 엔진(1)을 접속시키는 통로에 설치된 냉매 밸브(12a)가 개방될 때에 엔진 냉각제에 의해 냉매를 가열하는 기능을 한다. 이는 냉매의 엔탈피를 증가시킴으로써 열 펌프형 공기 조화기의 난방 성능을 개선한다. 히터 코어(13)는 히터 코어(13)와 엔진(1)을 접속시키는 통로에 설치된 히터 밸브(12b)가 개방될 때에 엔진(1)의 냉각수가 히터 코어(13)를 순환하도록 엔진(1)에 연결된다.
제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b)는 주 내부 열 교환기(Eb)를 작동시키기 위해 (도시하지 않은) 스위치를 올려 개방 상태(대체로 완전 개방된 상태)를 취하고, 스위치를 내려 초크(choked) 상태(약간 개방된 상태)를 취할 수 있는 양상태 선택형 밸브이다. 보조 및 주 내부 열 교환기(Ea, Eb)는 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b)를 적절히 제어함으로서 응축기나 증발기로서의 기능을 한다. 이것은 냉각 사이클 내에서의 냉매 흐름을 직접적으로 절환하지 않고도 소정 온도 제어를 가능하게 한다.
도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b) 각각은 밸브 몸체(28)에 배치된 주 포트(30)의 개폐 밸브로서 기능하는 다이어프램 밸브(21)를 작동시켜 냉매의 유동을 제어하는 솔레노이드 밸브이다. 냉매는 다이어프램 밸브(21)가 개방 상태에 놓이게 될 때에 주 포트(30)를 통해 유동한다. 또한, 냉매는 다이어프램 밸브(21)가 폐쇄 상태에 놓이게 되면 초크 포트(31)를 통해 제한적으로 유동한다.
각각의 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b)는 차압 작동식 솔레노이드 밸브이며 서로 완전히 동일한 구조를 갖는다. 이하 대표로 제1 유량 제어 밸브(5a)에대해 논의하기로 한다. 제1 유량 제어 밸브(5a)는 밸브 몸체(28) 및 전자기 파일럿(40)에 의해 구성된다. 밸브 몸체(28)는 냉매가 제1 유량 제어 밸브(5a)로 유입되는 입구 연결 포트(41)와 냉매가 보조 내부 열 교환기(Ea)로 배출되는 출구 연결 포트(42)를 구비한다. 입구 연결 포트(41)는 도관에 의해 유체 탱크(4)의 출구에 연결된다. 출구 연결 포트(42)는 도관에 의해 보조 내부 열 교환기(Ea)의 냉매 흡입구에 연결된다. 다이어프램 밸브(21)는 상부 공간 내 압력과 하부 공간 내 압력 사이의 차압에 따라 수직으로 변위하도록 배치된다. 다이어프램 밸브(21)가 상향 이동하면, 주 포트(30)가 개방된다. 다이어프램 밸브(21)의 상부 공간이 고압 측면과 연통하도록 다이어프램 밸브(21)의 외주부에 압력 균등화 구멍(27)이 형성된다. 파일럿 포트(22)는 압력 균등화 구멍(27)을 통과한 냉매를 출구 연결 포트(42) 쪽으로 보내도록 밸브 몸체(28) 내에 형성된다.
전자기 파일럿(40)은 파일럿 포트(22)를 개폐하는 파일럿 밸브(29)와, 파일럿 밸브(29)를 작동시키는 플런저(26) 및 전자기력을 발생시켜 플런저(26)를 상향 이동하는 코일(24)을 포함한다. 플런저(26)는 플런저(26) 상단부와 코일(24)에 의해 둘러싸여진 공간을 한정하는 상부면 사이에 설치된 스프링(25)에 의해 하향으로 가압된다. 파일럿 밸브(29)는 파일럿 포트(22)를 개방하도록 지지 스프링(43)에 의해 상향 지지된다. 그러므로, 전자기 파일럿(40)이 가동(turn-on)되면 플런저(26)는 스프링(25)의 탄성력에 대항하여 상향 이동하여 플런저(26)와 연결된 파일럿 니들(23)이 파일럿 통로(22)를 개방하도록 파일럿 밸브(29)를 바이어스하는 것을 멈추도록 한다. 한편, 전자기 파일럿(40)이 차단(turn-off)되면 플런저(26)는 스프링(25)의 탄성력에 의해 하향 위치에 위치하여 파일럿 니들은 파일럿 포트(22)를 폐쇄하는 파일럿 밸브(29)를 바이어스한다.
초크 포트(31)는 다이어프램(21)의 고압 측면(상류 측면)과 다이어프램(21)의 저압 측면(하류 측면)이 주 포트(30)에서 제한적으로 상호 작용하도록 주 포트(20) 내에 위치된다. 초크 포트(31)는 도4에 도시된 바와 같이 오리피스 튜브(31a)를 주 포트(30) 내에서 고압 측면과 저압 측면으로 분배하는 격벽(30a)에 고정 설치하여 구성된다. 오리피스 튜브(31a)는 도4에 도시된 바와 같이 길이(L) 및 내경(D)을 갖는다. 오리피스 튜브(31a)는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 입구 연결 포트(42)로부터 출구 연결 포트(42)로의 방향에 평행하게 배치된다. 제1 유량 제어 밸브(5a)는 도5의 그래프에 의해 도시된 바와 같이 전자기 파일럿(40) 코일(24)의 가동 및 차단됨에 따라 선택적으로 개방 상태 및 초크 상태를 취한다. 또한, 초크 상태에서의 유속은 길이(L) 및 내경(D)을 변경함으로써 변동된다.
제2 유량 제어 밸브(5b)의 구조 및 기능은 제1 유량 제어 밸브(5a)의 그것과 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 열 펌프형 공기 조화기는 차량 탑승실로 공급되는 조절된 공기가 통과하는 공기 도관(14)을 포함하는 유니트 케이스(10)로 구성된다. 조절되어질 공기는 팬(11F)과 모터(M) 및 (도시하지 않은)흡입 도어를 포함하는 공기 흡입 유니트(11)로부터 모터(M)에 의해 구동되는 팬(11F)의 작동으로 공기 도관(14)으로 공급된다. 팬(11F)에 의해 공급된 공기는 공기 도관(14)에 배치된 주 및 보조 내부 열 교환기(Eb, Ea)와, 공기 혼합 도어(15) 및, 히터코어(13)에 의해 기재순으로 조절된다. 주 및 보조 내부 열 교환기(Eb, Ea)는 공기 도관(14)에 대향 인접하게 배치된다. 공기 도관(14)의 출구부는 서리 제거 장치(defroster) 출구(17d), 벤트(vent) 출구(17v) 및 푸트(foot) 출구(17f)와 같은 여러 출구로 분할된다.
이하 도1 및 도2를 참조하여 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제1 실시예에 대해 논의하기로 한다.
난방 작동
공기 조화기의 난방 작동이 외부 공기 온도가 일반적으로 -10 ℃에서 +5 ℃ 의 범위인 상태에서 또는 엔진 시동 직후 엔진(1)의 저부하 상태나 공회전 상태의 경우처럼 엔진(1)의 엔진 냉각제가 공기 조화기에 의해 난방 작동에 이용되기에는 너무 저온인 상태에서 개시될 때에, 제1 절환 밸브(Vs1)는 폐쇄(완전 폐쇄 상태)되고 제2 절환 밸브(Vs2)는 개방(완전 개방 상태)된다. 또한, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 개방 상태로 설정하고 제2 유량 제어 밸브(5b)는 보조 내부 열 교환기(Ea)를 응축기로 작동시키는 스위치(도시되지 않음)를 작동시켜 초크 상태로 설정한다. 도3a에 도시된 바와 같이 플런저(26)는 코일(24)에서 발생된 전자기력에 의해 상향 이동되어 파일럿 밸브(29)를 자유 상태로 설정한다. 그러므로, 화살표 방향으로 표시된 바와 같이 제1 연결 포트(41)로부터 유입된 고압 냉매(압력 PH)는 다이어프램 밸브(21)의 압력 균등화 구멍(27)을 통하여 다이어프램 챔버(33)로 이송된다. 이 때에 다이어프램 챔버(33) 내의 압력을 PM이라고 가정한다. 다이어프램 챔버(33) 내의 냉매는 파일럿 밸브(29) 둘레의 부분을 통해 파일럿 포트(22)로 이송된다. 제2 연결 포트의 상류측 부분에서의 압력을 PL이라고 가정한다. 제1 유량 제어 밸브(5a)는 압력 균등화 구멍(27)의 단면적이 파일럿 밸브(29)의 개방부의 단면적보다 현저히 작도록 구성되므로, 유입된 고압 냉매의 압력(PH)은 다이어프램 챔버(33)에서의 압력(PM)보다 크고(PH 〉PM), 압력(PM)은 압력(PL)과 대체로 같다. 그러므로, 다이어프램 밸브(21)의 저부에서 압력(PH와 PL의 합)은 다이어프램 밸브(21)의 상부에서의 압력(PM)보다 더 크게 된다. 이로 인해, 다이어프램 밸브(21)는 상기 압력차에 의해 상향 이동하여 주 포트(30)를 개방하게 된다. 결과적으로, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 개방 상태에 놓이게 된다.
상기 조건하에서, 압축기를 작동시킴으로써 고온 고압의 냉매는 바이패스 통로(B)와 유체 탱크(4) 그리고 개방 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로 이송된다. 냉매는 이러한 조건에서는 단지 유체 탱크(4)를 통과할 뿐이다.
그러므로, 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 공기는 냉매에 의해 가열되어 공기 조화기의 난방 특성을 개선한다. 보조 내부 열 교환기(Ea)에 에너지를 방출했던 냉매는 상기 열 전도에 의해 어느 정도 액화된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 냉매가 단열 팽창하도록 초크 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 제한적으로 공급된다. 즉, 냉매는 열을 흡수하여 기화된다. 이는 주 내부 열 교환기(Eb)와 주 내부 열 교환기(Eb)를 관통한 공기를 냉각시킨다.
따라서, 팬(11F)에 의해 전달된 공기는 냉각되고 주 내부 열 교환기(Eb)에서 제습되며 보조 내부 열 교환기(Ea)에 의해 가열된다. 이러한 공기 조화 작업은 제습 및 가열 작업에 대응된다. 엔진 냉각제가 공기를 가열시키는 난방 작동에 이용하기에 너무 차가운 경우에도, 냉매가 비교적 짧은 시간 내에 쉽고 신속하게 가열 및 가압되는 특성을 가지므로, 탑승실로 전달될 공기는 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통해 냉매를 순환시킴으로서 가열된다. 따라서, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기는 뛰어나면서 신속한 난방 성능을 실행한다.
주 내부 열 교환기(Eb)로부터 배출된 냉매는 엔진 냉각제에 의해 보조 열 교환기(30)를 통해 가열되어 완전히 기화된다. 그후, 기화된 냉매는 압축기(2)로 복귀된다. 조절시킬 공기를 가열하기에는 엔진 냉각제가 너무 저온일지라도, 엔진 냉각제는 저온 냉매를 증발시키기 위한 엔탈피를 갖는다. 따라서, 주 내부 열 교환기(Eb)로부터의 냉매는 냉매와 엔진 냉각제 간의 열 전도에 의해 보조 열 교환기(30)를 통해 거의 완전히 증발된다. 이는 압축기(2)가 액체 냉매를 압축시키는 것을 막으며, 그러므로 압축기(2)의 부품 파손을 피할 수 있도록 한다.
또한, 엔진 냉각제의 열이 보조 열 교환기(30)에서 냉매를 가열함으로서 냉매에 효과적으로 전달되기 때문에, 가열된 냉매는 냉매의 엔탈피를 더 증가시키도록 압축기(2)에 의해 추가 가열된다. 따라서, 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가 가열된 냉매에 의해 가열된 공기의 온도는 비교적 높은 온도로 상승된다.
히터 코어(13)가 탑승실에 공급될 공기를 가열시키기 위해 엔진 냉각제를 순환시키도록 배치되더라도, 공기를 가열시키는 데 적용 가능하도록 엔진(1)의 작동에 의해 엔진 냉각제의 온도가 증가되는 것이 필요하다. 따라서, 엔진 냉각제의 온도가 공기 가열에 바람직한 소정 온도로 상승될 때까지, 히터 밸브(12b)는 폐쇄되거나 공기 혼합 도어(15)는 공기 조화된 공기가 히터 코어(13)를 우회하도록 소정 위치로 설정된다.
본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 상기한 배치로 인해, 공기 도관(14)으로 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 제습되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 가열된다. 따라서, 고온으로 가열된 공기는 탑승실에 전달된다. 또한, 난방 작동이 공기 조화기의 내부 공기 순환 모드 하에서 실행되더라도, 제습된 고온의 공기가 탑승실로 전달된다. 따라서, 차량의 전방 유리는 김서림이 제거된 상태로 유지된다. 이로 인해 차량 운전 상태 하에서의 안전도가 향상된다.
공기 조화기의 난방 작동이 외부 공기 온도가 대개 +5 ℃ 내지 +15 ℃ 범위의 상태 또는 엔진(1)이 비교적 높은 부하에서 작동되는 상태 하에서 실행될 때, 엔진 냉각제의 온도는 공기 조화기의 가열 작업에서 히터 코어(13)에서 이용되도록 높아진다. 따라서, 이러한 상태에서는 압축기(2)에 의해 활성화된 냉매를 이용하여 난방 작동을 실행하는 것은 불필요하다. 따라서, 이러한 상태에서는 엔진(1)과 압축기(2) 사이의 연결을 차단하여 압축기(2)의 작업을 중지한다. 보다 구체적으로, 엔진(1)과 압축기(2)가 연결된 클러치를 해제한다. 이러한 동작은 엔진(1)에 인가될 부하를 줄이고 난방 작동이 에너지 절약 모드로 실행될 수 있도록 한다.
냉방 작동
공기 조화기의 냉방 작동이 외부 공기 온도가 대체로 +15 ℃ 내지 +30 ℃ 범위의 상태에서 실행될 때, 제1 절환 밸브(VS1)는 개방되고 제2 절환 밸브(VS2)는 폐쇄된다. 또한, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 초크 상태로 설정되고, 제2 유량 제어 밸브(5b)는 개방 상태로 설정된다. 도3b에 도시된 대로, 제1 유량 제어 밸브(5a)의 코일(24)을 작동 중지시킴으로서, 플런저(26)는 파일럿 밸브(29)가 폐쇄 상태로 설정되도록 스프링(25)에 의해 하향 이동된다. 따라서, 화살표로 표시된 바와 같이 제1 연결 포트(41)로부터 입력된 고압 냉매(압력(PH))는 다이어프램 밸브(21)의 압력 균등화 구멍(27)을 통해 다이어프램 챔버(33)로 전달된다. 이 때에, 다이어프램 챔버(33) 내의 압력은 PM으로 간주한다. 그러나, 파일럿 밸브(29)가 폐쇄 상태로 설정되기 때문에, 다이어프램 챔버(33) 내의 냉매는 파일럿 포트(22)로 전달되지 않으며 파일럿 밸브(29)를 하향 바이어스시키는 힘은 더욱 증가한다. 따라서, 압력(PH)은 대체로 압력(PM)과 동일하게 되고 압력(PM)은 압력(PL)보다 더 커지게 된다. 따라서, 다이어프램 밸브(21)의 하부에서의 압력(PH와 PL의 합)은 다이어프램 밸브(21)의 상부에서의 압력(PM)보다 작아지게 된다. 따라서, 다이어프램 밸브(21)는 주 포트(30)를 폐쇄하기 위해 상기 압력차에 의해 하향 이동한다. 그 결과, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 초크 상태로 설정된다.
상기한 밸브 설정에 의해, 압축기(2)로부터 배출된 냉매는 도2에 도시된 대로 제1 절환 밸브(VS1)를 통해 외부 열 교환기(3)로 전달된다. 외부 열 교환기(3)는 냉매를 냉각 및 액화시킨다. 저온 및 고압 상태의 냉매는 유체 탱크(4) 내에 일시적으로 저장된다. 그후, 냉매는 냉매를 단열 팽창시키기 위해 초크 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로 제한적으로 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 관통하는 냉매는 개방 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 더욱 기화시킨다. 따라서, 팬(11F)으로부터 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 우선 냉각되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가로 냉각된다.
외부 공기 온도가 대개 +15 ℃ 내지 +20 ℃ 범위인 경우에, 공기 조화된 공기의 온도는 공기의 과냉을 피하기 위해 가열 코어(13)의 상류측에 배치된 공기 혼합 도어(15)의 개도를 변경함으로서 제어된다. 보다 구체적으로, 공기 혼합 도어(15)의 개도는 공기의 일부가 히터 코어(13)에 의해 재가열될 히터 코어(13)를 관통하고 공기의 다른 일부가 공기 도관(14)의 바이패스 통로(14b)로 전달되도록 주 및 보조 내부 열 교환기(5a, 5b)에 의해 냉각된 공기를 적절히 분배하도록 제어된다. 그후에, 히터 코어(13)에 의해 가열된 공기와 바이패스 통로를 통해 통과된 저온 공기는 혼합되어 조화된 공기의 온도를 소정의 온도로 조정하여 선택된 출구(17d, 17v, 17f)를 통해 탑승실로 전달된다.
외부 공기 온도가 약 +30 ℃ 이상인 경우에, 제1 절환 밸브(VS1)는 개방되고 제2 절환 밸브(VS2)는 폐쇄된다. 또한, 제1 유량 제어 밸브(5a)가 초크되고 제2 유량 제어 밸브(5b)는 개방된다.
이러한 밸브 설정에 의해, 유체 탱크(4)로부터 배출된 중간 온도의 고압 냉매는 냉매를 단열 팽창시키기 위해 초크 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를통해 보조 내부 열 교환기(Ea)에 제한적으로 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)로부터의 냉매는 주 내부 열 교환기(Eb)가 이를 통해 흐르는 공기를 냉각시키기 위한 증발기로서 기능하도록 개방 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다.
따라서, 팬(11F)으로부터 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 우선 냉각 및 제습되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가로 냉각된다.
도6a 및 도6b는 도3a 및 도3b에 도시된 제1 유량 제어 밸브(5a)의 수정예를 도시한 것이다. 도6a 및 도6b에 도시된 이러한 유량 제어 밸브는 초크부(45)가 도6a 및 도6b에 도시된 대로 격벽(30a)에 관통 구멍을 형성함으로서 밸브 본체(28)를 일체로 갖추도록 설치된다. 도6a는 제1 유량 제어 밸브(5a)의 개방 상태를 도시한 것이고 도6b는 그 초크 상태를 도시한 것이다. 또한, 도3a 및 도3b의 부품 및 부재와 동일한 부품 및 부재는 동일한 참조 부호로 표시하였으며 그에 대한 설명은 여기에서는 생략하기로 한다.
도7 및 도8을 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제2 실시예가 도시되어 있다. 제2 실시예의 구조는 대개 제1 및 제2 절환 밸브(VS1, VS2)가 4방 밸브(6)와 복귀 통로(R)로 대치되고 제2 유량 제어 밸브(5b)가 팽창 밸브(5c)로 대치된 점을 제외하고는 제1 실시예의 구조와 유사하다.
일반적으로 공기 조화기를 정지시킨 후에도 냉매의 일부는 압축기(3)로 복귀하지 않고 공기 조화기의 냉각 사이클을 구성하는 각 부품 내에 잔류한다. 난방작동을 위한 이같은 양호하지 못한 냉각 상태에서 압축기(3)가 재가동되면, 냉매의 순환은 불충분하게 되고 공기 조화기의 난방력을 저하시키게 된다. 그러므로, 압축기(2)를 가동시키기 전에 외부 열 교환기(3)와 같은 각 부품 내에 잔류하는 냉매를 일단 압축기(3)로 복귀시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제2 실시예는 압축기(3)와 외부 열 교환기(3) 사이에 설치된 4방 밸브(6)와 외부 열 교환기(3)의 냉매 입구를 4방 밸브(6)와 제3 역지 밸브(Vc3)를 통해 압축기(2)의 입구와 연결시켜 외부 열 교환기(3) 내에 잔류하는 냉매를 복귀 통로(R)를 통해 압축기(2)로 복귀시키는 복귀 통로(R)를 포함한다.
4방 밸브(6)는 입구 포트(P1)와 3개의 출구 포트(Po1, Po2, Po3)를 갖는 밀폐 케이스를 포함한다. 3개의 출구 포트(Po1, Po2, Po3)의 2개의 포트를 유체 연통시키기 위한 슬라이드 부재(S)는 밀폐 케이스 내에 설치된다. 4방 밸브(6)는 슬라이드 부재(S)에 의해 선택된 출구 포트(Po1, Po2, Po3)를 제외한 하나의 출구 포트와 입구 포트(P1)를 연통시키도록 설치된다.
따라서, 도7에 도시된 바와 같이 4방 밸브(6)를 설정함으로써 난방 작동이 가동되면, 압축기(2)의 입구는 복귀 통로(R)를 통해 외부 열 교환기(3)와 유체 연통한다. 이러한 유체 연통은 압축기가 외부 열 교환기(3) 내에 잔류하는 냉매를 복귀시킬 수 있도록 한다. 따라서, 압축기(2)로부터 배출되는 냉매의 양은 증가하며, 공기 조화기는 난방 작동을 유지할 수 있게 된다.
팽창 밸브(5c)는 통상 사용되는 온도 제어식 팽창 밸브이다. 상기 팽창 밸브(5c)는 이 팽창 밸브(5c)와 연결된 도시되지 않은 온도 감지 실린더를 통해 주 외부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도의 온도에 따라 개도를 미세하게 제어하도록 설치된다. 이와 같은 개도의 정밀 제어는 냉매의 유속이 정밀하게 제어될 수 있도록 한다. 즉, 주 외부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도가 저하되면, 팽창 밸브(5c)는 그 개도를 감소시켜 냉매의 유속을 제한한다. 반면 높아지면, 팽창 밸브(5c)는 그 개도를 증가시켜 주 내부 열 교환기(Eb)로의 냉매 유속을 증가시킨다. 팽창 밸브(5c)의 상기 동작은 주 내부 열 교환기(Eb)내의 냉매의 기화 온도와 주 내부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도 사이의 온도차가 일정하도록 하는 기능을 한다.
선택형 유량 제어 밸브와 온도 제어식 팽창 밸브를 사용함으로써, 제습 작업과 난방 작동을 확실하게 실행할 수 있게 된다. 이는 전방 유리에 김이 서리지 않으면서 내부 순환 모드로 난방 작동이 실행될 수 있도록 한다. 그러므로, 차량 운전 상태에서의 안전도가 상기와 같이 배치된 공기 조화기에 의해 보다 개선된다. 또한, 온도 제어식 팽창 밸브(5c)가 주 내부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도에 따라 개도를 변화시키도록 설치되었으므로, 냉매 제어가 정밀하게 실행된다.
난방 작동
외부 공기 온도가 일반적으로 -10 ℃ 내지 +5 ℃인 상태에서 난방 작동이 실행되면, 4방 밸브(6)는 난방 상태로 설정되어 압축기(2)로부터 배출되는 냉매가 외부 열 교환기(3)를 거쳐 유동하지 않으면서 유체 탱크(4)로 바로 운송되고, 외부 열 교환기(3) 내에 잔류하는 냉매는 도7에 도시된 바와 같이 복귀 통로(R)를 통해 압축기(R)로 복귀한다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a)가 개방되고 팽창 밸브(5c)는 작동 모드로 설정된다.
상기 조건하에서 압축기(2)를 작동시킴으로써, 고온 고압의 냉매는 바이패스 통로(B)와, 유체 탱크(4) 및, 제1 실시예에서와 같이 동일하게 개방된 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로 유동한다.
그러므로, 보조 내부 열 교환기(Ea)를 거쳐 통과하는 공기는 냉매에 의해 가열되어 공기 조화기의 난방 특성을 개선한다. 보조 내부 열 교환기(Ea) 내의 에너지를 방출하는 냉매는 상기 열 전도에 의해 어느 정도 액화된다. 보조 열 교환기(Ea)를 거쳐 통과하는 냉매는 이 냉매가 단열 팽창하도록 작동 모드로 설정된 팽창 밸브(5c)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 제한적으로 공급된다. 팽창 밸브(5c)가 온도 제어식이므로, 그 개도는 주 내부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도에 따라 소정의 개도로 조정된다. 즉, 주 내부 열 교환기(Eb)의 출구 냉매 온도가 저하되면, 개도는 감소되어 냉매를 제한적으로 유동시키게 된다.
따라서, 팬(11F)으로부터 운송되는 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 냉각되고 제습되어 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 가열된다. 이러한 공기 조화 작동이 제습 및 난방 작동에 해당한다.
제1 실시예에서와 같이 외부 공기 온도가 일반적으로 +5 ℃ 내지 +15 ℃ 범위인 조건하에서 난방 작동이 실행되면, 압축기(2)는 작동되지 않으면서 히터코어(13)에 의해서만 난방 작동이 실행된다.
냉방 작동
외부 공기 온도가 일반적으로 +5 ℃ 내지 +30 ℃ 범위인 조건하에서 냉방 작동이 실행되면, 4방 밸브(6)가 냉방 상태로 설정되어 압축기(2)로부터 배출되는 냉매가 바이패스 통로(B)를 거치지 않고 외부 열 교환기(3)로 운송되고 바이패스 통로(B) 내에 잔류하는 냉매는 도8에 도시된 바와 같이 복귀 통로(R)를 통해 압축기(2)로 복귀한다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 초크 상태로 설정되고 팽창 밸브(5c)는 작동 모드로 설정되어 밸브의 개도를 제어한다.
상기한 밸브 설정에 의해, 압축기(2)로부터 방출되는 냉매는 도8에 도시된 바와 같이 4방 밸브(6)를 통해 외부 열 교환기(3)로 운송된다. 외부 열 교환기(3)는 냉매를 냉각시키고 액화한다. 외부 열 교환기(3)에 의해 저온 및 고압 상태에 놓인 냉매는 유체 탱크(4) 내에 일시적으로 보관된다. 그리고 나서, 냉매는 이 냉매가 단열 팽창하도록 초크 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로 제한적으로 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 거쳐 통과한 냉매는 작동 모드로 설정된 팽창 밸브(5c)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 더욱 기화시킨다. 그러므로, 팬(11F)으로부터 운송된 공기는 우선 주 내부 열 교환기(Eb)에서 냉각되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가 냉각된다.
외부 공기 온도가 +30 ℃보다 높은 경우에는 냉방 작동이 +15 ℃ 내지 +30 ℃의 범위에서와 대체로 동일하게 실행된다.
도9와 도10을 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제3 실시예가 도시되었다. 제3 실시예의 구조는 도9에 도시된 바와 같이 어큐뮬레이터(20)가 부 열 교환기(30)를 연결하는 냉매 통로에 설치되고 압축기와 유체 탱크(4)가 냉각 사이클에서 제거되었다는 점을 제외하고는 일반적으로 제2 실시예와 유사하다. 또한, 제1 실시예에서 설명되었던 전자기 밸브가 본 제3 실시예에서는 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b)로 채용되었다.
이하 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제3 실시예의 작동 방식을 논하기로 한다.
난방 작동
외부 공기 온도가 일반적으로 +10 ℃ 내지 +5 ℃인 조건 또는 엔진(1) 가동 직후의 엔진(1)의 공회전 또는 저부하 상태에서와 같이 엔진(1)의 엔진 냉각제가 공기 조화기에 의해 난방 작동에 이용되기에 너무 저온인 조건에서 공기 조화기의 난방 작동이 가동되면, 4방 밸브(6)는 압축기(2)의 출구와 바이패스 통로(B)를 유체 연통시키고 외부 열 교환기(3)와 압축기(2)의 냉매 입구를 유체 연통시키도록 설정되어 도9에 도시된 바와 같이 복귀 통로(R)를 형성한다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 개방 상태로 설정되고 제2 유량 제어 밸브(5b)는 초크 상태로 설정된다.
이러한 조건하에서, 압축기(2)의 작동에 의해 고온 고압의 냉매가 개방 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a) 및 바이패스 통로(B)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea) 내로 유입된다. 그러므로, 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과하는 공기가 냉매에 의해 가열되어 공기 조화기의 난방 특성을 향상시킨다. 보조 내부 열 교환기(Ea) 내에서 에너지를 방출했던 냉매는 상기 열 전도에 의해 어느 정도 액화된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 냉매를 단열 팽창시키기 위해 초크 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb) 내로 제한적으로 공급된다. 즉, 냉매는 열을 흡수하여 기화됨으로써 주 내부 열 교환기(Eb)와 주 내부 열 교환기(Eb)를 통과하는 공기를 냉각시킨다.
따라서, 팬(11F)으로부터 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 냉각되고 제습되고 내부 열 교환기(Ea)에 의해 가열된다. 이러한 공기 조화 작동은 제습 및 난방 작동에 해당한다. 냉매의 저온 상태로 인해 엔진 냉각제를 난방 작동에 사용할 수 없는 경우에도, 탑승실로 전달된 공기는 비교적 짧은 시간 내에 가열 및 가압될 수 있는 냉매에 의해 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통해 가열된다.
주 내부 열 교환기(Eb)로부터 배출된 냉매는 완전히 증발되도록 엔진 냉각제에 의해 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통해 가열된다. 엔진 냉각제가 과냉되어 공기를 가열할 수 없는 상태에 있더라도, 이 엔진 냉각제는 냉각 냉매를 증발시키는 엔탈피를 갖는다. 따라서, 주 내부 열 교환기(Eb)로부터의 냉매는 냉매와 엔진 냉각제 간의 열 전도에 의해 보조 열 교환기(30)를 통해 거의 완전히 증발된다. 또한, 보조 열 교환기(30)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(20)에 있는 액체 냉매로부터 분리된다. 이는 압축기(2)가 액체 냉매를 압축시키는 것을 막아 압축기(2)의 부품들의 파손을 피할 수 있도록 한다. 엔진 냉각제의 열은 보조 열 교환기(30)를 통해 냉매를 가열함으로써 냉매로 효과적으로 전달되므로, 가열된 냉매는 압축기(2)에 의해 더욱 가열되어 냉매의 엔탈피를 더욱 증가시킨다. 따라서, 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통해 더욱 가열된 냉매에 의해 가열된 공기는 그 온도가 상대적으로 높은 온도로 상승되도록 가열되어진다.
탑승실로 공급되는 공기를 가열하기 위해 엔진 냉각제를 순환시키는 히터 코어(13)가 배치되어 있더라도, 엔진 냉각제의 온도는 공기를 가열하는 데 적용할 수 있도록 하기 위해 엔진(1)의 작동에 의해 증가될 필요가 있다. 이에 따라, 엔진 냉각제의 온도가 공기를 가열시키는 데 양호한 소정 온도로 상승할 때까지 조절된 공기가 히터 코어(13)를 바이패스하도록 히터 밸브(12b)가 폐쇄되거나 공기 혼합 도어(15)가 소정 위치로 설정되어야 한다.
이러한 배치의 공기 조화기에 의해, 공기 도관(14) 내로 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 습기가 제거되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 가열된다. 따라서, 고온으로 가열된 공기가 탑승실 내로 전달된다. 또한, 내부 공기 순환 모드에서 난방 작동이 실행되더라도 차량의 전방 유리는 김서림 제거 상태로 유지된다. 이는 차량 주행 하의 안전도를 향상시킨다.
외부 공기 온도가 대체로 ＋5℃ 내지 ＋15℃의 범위 내에 있는 상태 또는 엔진(1)이 비교적 고부하 조건에서 작동되는 상태 하에서 공기 조화기의 난방 작동이 실행되면, 엔진 냉각제는 공기 조화기의 난방 작동에 이용될 수 있도록 고온이 된다. 따라서, 이러한 상태에서는 압축기(2)에 의해 에너지를 받은 냉매를 사용함으로써 난방 작동을 실행하는 것을 필요치 않다. 이에 따라, 이러한 상태에서 압축기(2)의 작동은 엔진(1)과 압축기(2) 간의 연결을 단절시킴으로써 정지된다. 구체적으로는, 엔진(1)과 압축기(2)를 연결시키는 클러치가 해제된다. 이러한 작동은 엔진(1)에 가해지는 부하를 감소시키며, 난방 작동이 에너지 절약 모드에서 실행될 수 있게 해준다.
냉방 작동
외부 공기 온도가 대체로 ＋5℃ 내지 ＋15℃의 범위 내에 있는 상태 하에서 외부 공기 조화기의 냉방 작동을 실행하면, 4방 밸브(6)는 압축기(2)의 유출구를 외부 열 교환기(3)와 유체 연통시키고 바이패스 통로(b)를 압축기(2)의 입구와 유체 연통시켜 복귀 통로(R)를 형성시키도록 설정된다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 초크 상태로 설정되고 제2 유량 제어 밸브(5b)는 개방 상태로 설정된다.
이와 같은 밸브 설정에 의해, 압축기(2)로부터 배출된 냉매는 도10에 도시한 바와 같이 4방 밸브(6)를 통해 외부 열 교환기(3)로 전달된다. 외부 열 교환기(3)는 냉매를 냉각 및 액화시킨다. 저온 및 고압 상태로 있는 냉매는 초크 상태로 설정된 제1 내부 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea) 내로 제한적으로 공급되어 냉매를 단열 팽창시킨다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 개방 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 더욱 증발시킨다. 따라서, 팬(11F)으로부터 전달된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 먼저 냉각되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가 냉각된다.
그러나 외부 공기 온도가 대체로 +15 ℃ 내지 +20 ℃의 범위 내에 있는 경우에, 공기의 온도는 히터 코어(13)의 공기 혼합 도어(15)의 개도를 변동시킴으로써 제어되어 공기의 과냉을 방지한다. 구체적으로, 공기 혼합 도어(15)의 개도가 제어되어 주 및 보조 내부 열 교환기(5a, 5b)에 의해 냉각된 공기를 적절하게 분배하게 함으로써 공기의 일부가 히터 코어(13)를 통과해서 히터 코어(13)에 의해 재가열되고 공기의 다른 일부는 공기 도관(14)의 바이패스 통로로 전달되게 한다. 그후, 가열 코어(13)에 의해 가열된 공기와 바이패스 통로를 통과한 냉각 공기는 공기의 온도가 소정 온도로 조절되도록 혼합되어 공기 도관(14)의 선택된 유출구(17d, 17v, 17f)를 통해 탑승실로 전달된다.
외부 공기 온도가 약 +30 ℃보다 더 높은 경우에, 4방 밸브(6)는 냉각 상태로 설정되고, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 초크 상태로 설정되며, 제2 유량 제어 밸브(5b)는 개방 상태로 설정되며, 이는 외부 공기 온도가 +15 ℃ 내지 +20 ℃의 범위 내에 있는 상태에서의 설정과 동일하다. 그러나, 히터 코어(13)는 사용되지 않는다. 즉, 공기 혼합 도어(15)의 개도를 제어하여 주 및 보조 내부 열 교환기(5a, 5b)에 의해 냉각된 공기를 전달하지 않도록 또는 히터 밸브(12b)를 폐쇄시키지 않도록 한다.
이와 같은 밸브 설정에 의해, 유체 탱크(4)로부터 배출된 중간 온도 및 고압 냉매가 냉매를 단열 팽창시키도록 초크 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea) 내로 제한적으로 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)로부터의 냉매는 개방 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급되어 증발기로서의 기능을 한다.
도11 및 도12를 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제4 실시예가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제4 실시예는 차량의 후방 좌석측을 공기 조화하기 위한 다른 공기 조화 유니트를 더 포함한다. 도11 및 도12에 도시한 바와 같이, 제4 실시예의 열 펌프형 공기 조화기는 비교적 큰 공간을 갖는 탑승실 내의 전방 좌석부(이후로는 전방측이라 함)의 공기 조화를 실행하기 위한 제1 냉각 사이클과 탑승실 내의 후방 좌석부(이후로는 후방측이라 함)의 공기 조화을 실행하기 위한 제2 냉각 사이클을 포함한다. 제1 냉각 사이클은 제3 실시예의 냉각 사이클과 동일하다. 제2 냉각 사이클은 압축기(2)로부터 배출된 냉매가 외부 열 교환기(3), 후방 냉매 밸브 유니트(50) 및 후방 내부 열 교환기 유니트(Er)로 전달되도록 배치된다. 제1 냉각 사이클은 전방측의 공기 조화를 실행하고, 제2 냉매 사이클은 후방 좌석측의 공기 조화를 수행한다.
이러한 형태의 공기 조화기를 소위 듀얼형 공기 조화기라 한다. 제1 냉각 사이클의 기본 구성이 제3실시예에서와 동일하므로, 제4실시예에서의 제1 냉각 사이클의 구성 및 기능에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하 제4실시예의 제2 냉각 사이클의 구성에 대하여 설명한다.
후방 냉매 밸브 유니트(50)는 제1 및 제2 유량 제어 밸브(50a, 50b)를 포함한다. 후방 내부 열 교환기 유니트(Er)는 후방 보조 내부 열 교환기(Era) 및 후방 주 내부 열 교환기(Erb)를 포함한다. 후방 냉매 밸브 유니트(50)와 후방 내부 열 교환기 유니트(Er)는 외부 열 교환기(4)의 냉매 출구와 바이패스 통로(B)의 출구사이에서 연결 지점(CP1)에 연결된다. 후방 주 내부 열 교환기(Erb)의 냉매 출구는 제2 연결 지점(CP2)에서 부 열 교환기(30)의 냉매 입구에 연결되어 있다. 특히, 후방 제1 유량 제어 밸브(50a), 후방 보조 내부 열 교환기(Era), 후방 제2 유량 제어 밸브(50b) 및 후방 주 내부 열 교환기(Erb)는 이러한 순서로 직렬로 배열된다.
후방 제1 및 후방 제2 내부 열 교환기(Era, Erb)는 이들의 설정 상태에 따라 증발기 또는 응축기로 기능하도록 변경된다. 후방 제1 및 후방 제2 유량 제어 밸브(50a, 50b)는 전자기 밸브 형태의 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b)와 동일하다. 후방 보조 내부 열 교환기(Era) 및 후방 주 내부 열 교환기(Erb)는 전방 측부용 유니트 케이스(10)에서와 마찬가지로 후방 측부용 유니트 케이스(100) 내에 대향 방식으로 인접하게 배치된다. 유니트 케이스(100)의 출구부는 푸트(foot) 출구(170f) 및 벤트 출구(170v) 등의 여러 출구 포트를 갖는다.
이하 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제4 실시예의 작동 방식에 대하여 설명하기로 한다.
난방 작동
외부 기온이 -10 ℃ 내지 +5 ℃의 범위에 있거나 또는 엔진(1)의 엔진 냉각제가 엔진(1)의 시동 직후에 엔진의 공회전 또는 낮은 부하 상태 등에서처럼 난방 작동에 사용되기에는 너무 저온인 경우에 난방 작동이 시동되면, 4방 밸브(6)가 압축기(2)의 출구와 바이패스 통로(B)를 유체 연통시키고 외부 열 교환기(3)와 압축기(2)의 입구를 유체 연통시켜서 도11에 도시된 것처럼 복귀 통로(R)를 형성하도록설정된다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a) 및 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)는 개방 상태로 설정되고, 제2 유량 제어 밸브(5b) 및 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)가 폐쇄 상태로 설정된다.
이러한 상태 하에서, 압축기(2)를 작동시킴으로써 고온 고압의 냉매가 바이패스 통로(B)를 통해서 보조 내부 열 교환기(Ea) 및 개방 상태로 설정된 제1 유량 제어 밸브(5a)로 흐른다. 이와 동시에, 고온 고압의 냉매는 바이패스 통로(B)를 통해서 보조 내부 열 교환기(Ea) 및 개방 상태로 설정된 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)로 흐른다. 따라서, 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과하는 공기는 냉매에 의해 가열되어 공기 조화기의 난방 특성을 개선하게 된다. 또한, 후방 보조 내부 열 교환기(Era)를 통과하는 공기는 가열되어 공기 조화기의 난방 특성을 개선하게 된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 에너지가 배출된 냉매는 이러한 열전달에 의해 어느 정도 액화된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 폐쇄 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해서 주 내부 열 교환기(Eb)에 제한적으로 공급되어 냉매를 단열 팽창 상태로 두게 된다. 이와 동시에, 후방 보조 내부 열 교환기(Era)를 통과한 냉매는 폐쇄 상태로 설정된 제2 유량 제어 밸브(50b)를 통해서 후방 주 내부 열 교환기(Erb)에 제한적으로 공급되어 냉매를 단열 팽창 상태로 두게 된다. 즉, 냉매는 열을 흡수하여 증발되어 주 내부 열 교환기(Eb) 및 이를 통과하는 공기를 냉각시키고 후방 주 내부 열 교환기(Erb) 및 이를 통과하는 공기를 냉각시키게 된다.
따라서, 팬(11F)으로부터 이송된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 냉각 및제습되어 보조 내부 열 교환기(Ea)에 의해 가열되고, 팬(110F)으로부터 이송된 공기는 후방 주 내부 열 교환기(Erb)에 의해 냉각 및 제습되어 후방 보조 내부 열 교환기(Era)에 의해 가열된다. 이러한 공기 조화기의 작동은 제습 및 난방 작동에 해당한다. 엔진 냉각제가 이의 냉각 상태에 기인하여 난방 작동에 사용될 수 없는 경우에도, 탑승실의 전방측으로 이송된 공기는 비교적 짧은 시간 내에 가열 및 가압될 수 있는 냉매에 의해 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통해 가열된다. 따라서, 본 발명에 따른 공기 조화기는 높고 신속한 난방 기능을 실행한다. 이와 동시에, 탑승실이 후방측에 이송된 공기는 제1 냉각 사이클에서와 동일하게 냉매에 의해 후방 보조 내부 열 교환기(Era)를 통해서 가열된다.
주 내부 열 교환기(Eb) 및 후방 주 내부 열 교환기(Erb)로부터 배출된 냉매는 엔진 냉각제에 의해 부 열 교환기(13)를 통해 가열되어 완전히 증발된다. 그 다음에, 증발된 냉매는 일단 어큐뮬레이터(20)에 저장되어 증발된 냉매를 액체 냉매로부터 분리시킨다. 어큐뮬레이터(20)로부터 증발된 냉매는 압축기(20)로 이송된다. 따라서, 보조 내부 열 교환기(Ea) 및 후방 보조 내부 열 교환기(Era)를 통해서 더욱 가열된 냉매에 의해 가열된 공기는 비교적 고온으로 가열된다.
공기 도관(14)의 히터 코어(13) 및 공기 도관(140)의 히터 코어(130)는 탑승실에 공급될 공기를 가열하기 위해 엔진 냉각제를 순환시키도록 배열된다. 엔진 냉각제는 공기를 가열할 수 있도록 엔진(1)에 의해 가열될 필요가 있다. 따라서, 엔진 냉각제의 온도는 공기를 가열시키기 위해 적합한 소정 온도로 상승될 때까지 히터 밸브(12b) 및 후방 히터 밸브(120b)가 폐쇄되거나 또는 공기 혼합 도어(15)및 후방 공기 혼합 도어(150)가 소정 위치로 설정되어서 조화된 공기가 히터 코어(13) 및 후방 히터 코어(130)를 바이패스하게 된다.
이러한 배열을 취하는 듀얼형 공기 조화기에서는 공기 도관(14)에 이송된 공기가 주 내부 열 교환기(Eb)에서 제습되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 가열된다. 또한, 공기 도관(140)에 이송된 공기는 후방 주 내부 열 교환기(Erb)에서 제습되고 후방 보조 내부 열 교환기(Era)에서 가열된다. 따라서, 고온으로 가열된 공기가 탑승실의 전방 및 후방 양쪽으로 이송된다. 또한, 난방 작동이 내부 공기 순환 모드로 작동하더라도 제습된 고온의 공기가 탑승실에 이송된다. 따라서, 차량의 전방 유리가 김서림이 없는 상태로 유지된다. 이는 차량 운전 상태에서 안전도를 개선시켜 준다.
외부 기온이 +5 ℃ 내지 +15 ℃ 범위인 상태 하에서 또는 엔진(1)이 비교적 높은 부하로 작동하는 상태에서 공기 조화기의 난방 작동이 실행되면, 엔진 냉각제가 가열되어 난방 작동에 사용될 수 있게 된다. 따라서, 이러한 상태 하에서는 압축기(2)에 의해 여기된 냉매를 사용하여 난방 작동을 실행할 필요가 없다. 따라서, 압축기(2)의 작동은 엔진(1)과 압축기(2) 사이의 연결을 차단함으로써 정지된다. 이 작동은 엔진(1)에 인가되는 부하를 감소시켜 주어서 난방 작동이 에너지 절약 모드로 실행될 수 있게 해준다.
냉방 작동
외부 기온이 +15 ℃ 내지 +30 ℃ 범위인 상태 하에서 냉방 작동이 실행되면, 4방 밸브(6)가 압축기(2)의 출구와 외부 열 교환기(3)를 유체 연통시키고 바이패스통로(B)와 압축기(2)의 냉매 입구를 유체 연통시켜서 도12에 도시된 것처럼 복귀 통로(R)를 형성하도록 설정된다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a) 및 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)가 폐쇄 상태로 설정되고, 제2 유량 제어 밸브(5b) 및 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)가 개방 상태로 설정된다.
이러한 밸브 배치에 의하여, 압축기(2)로부터 토출된 냉매는 도12에 도시된 바와 같이 4방 밸브(6)를 통해 외부 열 교환기(3)로 송출된다. 외부 열 교환기(3)는 냉매를 냉각하여 액화시킨다. 저온 고압 상태에 놓인 냉매는 냉매가 단열 팽창하도록 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로, 그리고 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)를 통해 후방 보조 내부 열 교환기(Era)로 제한 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 개방 상태로 된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 추가로 기화시킨다. 따라서, 팬(11F)으로부터 송출된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 먼저 냉각되고 나서 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가로 냉각된다. 동시에, 후방 보조 내부 열 교환기를 통과한 냉매는 개방 상태로 된 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)를 통해 후방 주 열 교환기(Erb)로 공급된다. 후방 주 내부 열 교환기(Erb)는 냉매를 추가로 기화시킨다. 따라서, 팬(110F)으로부터 송출된 공기는 후방 주 내부 열 교환기(Erb)에서 먼저 냉각되고 나서 후방 보조 내부 열 교환기(Era)에서 추가로 냉각된다.
주 내부 열 교환기(Ea) 및 후방 주 내부 열 교환기(Era)로부터 배출된 냉매는 부 열 교환기(30)로 공급되고, 부 열 교환기에서 냉매는 엔진 냉각제에 의해 가열되어 추가로 기화되게 된다. 그리고 나서, 부 열 교환기(30)로부터 배출된 냉매는 어큐뮬레이터(20)로 공급되며, 어큐뮬레이터에서 액체 냉매는 기화된 냉매로부터 분리되어 기화된 냉매만이 압축기(2)로 공급되게 된다.
그러나, 외부 공기 온도가 대체로 +15 ℃ 내지 +20 ℃의 범위에 있는 경우에, 조절되는 공기의 온도는 히터 코어(130)의 상류측에 위치된 공기 혼합 도어(150)의 개도를 변경함으로써 제어되어, 공기의 과냉을 방지하도록 한다. 특히, 공기 혼합 도어(150)의 개도는, 공기의 일부가 히터 코어(130)에 의해 재가열되게 하기 위하여 히터 코어(130)를 통과하도록 그리고 공기의 다른 일부가 공기 도관(140)의 바이패스 통로(140a)로 이송되도록, 후방 주 내부 열 교환기(Erb) 및 후방 보조 내부 열 교환기(Era)에 의해 냉각된 공기를 적절히 분할하도록 제어된다. 이후에, 히터 코어(130)에 의해 가열된 공기 및 바이패스 통로를 통과한 저온 공기가 혼합되어, 조절된 공기의 온도를 요구되는 온도로 조정되도록 한다. 그리고 나서, 전방측용 유니트 케이스(10)에 의해 실행된 공기 조화와 유사하게, 혼합된 공기는 공기 도관(140)의 선택된 유출구(170v, 170f)를 통해 승객 탑승 공간으로 이송된다.
이렇게 구성된 실시예에 의하면, 엔진 냉각제가 과냉되어 가열용 히터 코어(13, 130)에서 사용할 수 없는 경우에도, 승객 탑승 공간의 전방측 및 후방측이 비교적 단시간 내에 가열 난방된다.
제4 실시예는 냉매를 전방측 및 후방측으로 유동시킴으로써 가열 작동을 실행하도록 구성되므로, 제1 유량 제어 밸브(5a) 및 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)의밸브 상태를 제어함으로써 전방측과 후방측 사이의 가열 균형을 제어할 수 있다. 예컨대, 전방측은 너무 덥고 후방측이 추가로 데워져야 하는 경우에, 제1 제어 밸브(5a)는 후방측의 가열 용량을 증가시키기 위해 제2 냉동 사이클로 공급되는 냉매의 유량을 증가시키기 위하여 적당히 일시적으로 초크 상태(choked state)에 놓인다. 한편 후방측이 너무 덥고 전방측이 추가로 추가로 데워져야 하는 경우에는, 전방측의 가열 용량을 증가시키도록 제1 냉동 사이클로 공급되는 냉매의 유량을 증가시키기 위하여 후방 제1 제어 밸브(50a)는 적당히 일시적으로 초크 상태에 놓인다.
도13을 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제5 실시예가 도시되어 있다. 제5 실시예의 공기 조화기는 제4 실시예와 유사한 듀얼형(dual type)이다. 본 실시예는 히터 코어(13, 130)를 포함하지 않도록 구성된다. 내부 열 교환기(Ea, Eb, Era, Erb)는 히터 코어(13, 130) 없이 충분한 가열 용량을 보장하도록, 제1 내지 제4 실시예에 사용된 내부 열 교환기(Ea, Eb, Era, Erb)와 비교할 때, 이들의 열교환 용량을 더욱 증가시키도록 구성된다. 따라서, 유니트 케이스(110, 210)는 도13에 도시된 바와 같이 간단하면서 소형화된다.
본 발명에 따른 열 펌프형 듀얼형 공기 조화기의 제5 실시예의 작동 방식을 이항에서 설명하기로 한다.
난방 작동
제5 실시예는 히터 코어(13, 130)를 갖지 않으므로, 제5 실시예의 가열 작동은 항상 압축기(2)를 작동시킴으로써 실행된다. 즉, 가열 작동이 실행될 때, 4방밸브(6)는 압축기(2)의 유출구와 바이패스 통로(B)를 유체 연통시키고 외부 열 교환기(3)와 압축기(2)의 입구를 유체 연통시켜 복귀 통로(R)를 형성하도록 배치된다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a)와 후방 제1 제어 밸브(50a)는 개방되고, 제2 유량 제어 밸브(5b) 및 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)는 외부 공기 온도가 -10 ℃ 내지 +5 ℃의 범위에 있는 경우에 제4 실시예의 가열 작동에서와 유사하게 초크 상태로 된다.
냉방 작동
외부 공기 온도가 대체로 +15 ℃ 내지 +30 ℃의 범위인 조건하에서 공기 조화기의 냉각 작동이 실행될 때, 4방 밸브(6)는 압축기(2)의 유출구와 외부 열 교환기(3)를 유체 연통시키고 바이패스 통로(B)와 압축기(2)의 입구를 유체 연통시켜 복귀 통로(R)를 형성하도록 배치된다. 이와 동시에, 제1 유량 제어 밸브(5a) 및 후방 제1 제어 밸브(50a)는 초크 상태로 되고, 제2 유량 제어 밸브(5b) 및 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)는 개방 상태로 된다.
이러한 밸브의 배치에 의해, 압축기(2)로부터 토출된 냉매는 4방 밸브(6)를 통해 외부 열 교환기(3)로 이송된다. 외부 열 교환기(3)는 냉매를 냉각하여 액화시킨다. 저온 고압 상태에 놓인 냉매는 냉매가 단열 팽창하도록 제1 유량 제어 밸브(5a)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)로, 그리고 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)를 통해 후방 보조 내부 열 교환기(Era)로 제한 공급된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과한 냉매는 개방 상태로 된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 추가로 기화시킨다. 따라서, 팬(11F)으로부터 송출된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 먼저 냉각되고 나서 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 추가 냉각된다. 동시에, 후방 보조 내부 열 교환기를 통과한 냉매는 개방 상태로 된 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)를 통해 후방 주 열 교환기(Erb)로 공급된다. 후방 주 내부 열 교환기(Erb)는 냉매를 추가로 기화시킨다. 따라서, 팬(110F)으로부터 송출된 공기는 후방 주 내부 열 교환기(Erb)에서 먼저 냉각되고 나서 후방 보조 내부 열 교환기(Era)에서 추가로 냉각된다.
주 내부 열 교환기(Ea) 및 후방 주 내부 열 교환기(Era)로부터 배출된 냉매는 부 열 교환기(30)로 공급되고, 부 열 교환기에서 냉매는 엔진 냉각제에 의해 가열되어 추가로 기화되게 된다. 그리고 나서, 부 열 교환기(30)로부터 배출된 냉매는 어큐뮬레이터(20)로 공급되며, 어큐뮬레이터에서 액체 냉매는 기화된 냉매로부터 분리되어 기화된 냉매만이 압축기(2)로 공급되게 된다.
냉각 작동이 승객 탑승 공간의 전방측에서 과도하게 실행된 경우에, 제1 유량 제어 밸브(5a)는 개방 상태에 있게 되고 제2 유량 제어 밸브(5b)는 초크 상태에 있게 된다. 따라서, 약 40 ℃ 내지 50 ℃의 온도의 냉매는 외부 열 교환기(3)로부터 배출되고, 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 자체의 열을 어느 정도 방열한다. 그리고 나서, 냉매는 초크 상태로 된 제2 유량 제어 밸브(5b)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 주 내부 열 교환기(Eb)는 냉매를 추가로 기화시키는 역할을 한다. 따라서, 팬(11F)으로부터 송출된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 먼저 냉각되고 나서, 보조 내부 열 교환기(Er)에서 가열된다. 이는 조절된 공기가 과냉되는 것을 방지한다.
후방측의 경우에, 후방측을 위한 조절된 공기가 과냉되는 것을 방지하기 위하여 전방측에서와 유사하게 후방 제1 유량 제어 밸브(50a)는 개방되고 후방 제2 유량 제어 밸브(50b)는 초크 상태로 된다.
이렇게 배치된 실시예로써, 유니트 케이스(110, 210)는 제1 내지 제4 실시예의 것에 비해 크기가 작게 형성된다. 이런 구조는 또 공기 조화기를 소형화하면서 형성할 수 있게 하고, 차량에 공기 조화기를 설치하는 것을 용이하게 한다. 또, 공기 조화기의 구조는 부품 개수를 감소시키게 되어 단순화된다. 또, 히터 코어(13, 130)를 채택하지 않고도 유량 제어 밸브(5a, 5b, 50a, 50b)만으로도 냉방 작동 중에 과냉을 방지할 수 있게 된다.
도14 내지 도16B를 참조하면, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제6 실시예가 도시되어 있다. 제6 실시예는 4방 밸브(60) 및 팽창 밸브(51)를 제1 및 제2 유량 제어 밸브(5a, 5b) 대신에 채택하는 점을 제외하고는 제3 실시예와 일반적으로 유사하다.
제6 실시예를 포함하는 적합한 실시예에 채택된 보조 내부 열 교환기(Ea)의 배치는, 그 냉매 통로의 단면적이 응축기로서의 역할을 주로 하도록 보조 내부 열 교환기(Ea)의 제2 포트(150)로부터 제1 포트(250) 까지 점차 감소되도록 한다.
이렇게 구성된 열 교환기를 증발기로서 사용하는 경우에, 보조 내부 열 교환기(Ea)에 공급된 냉매는 냉매의 단열 팽창의 실행에 의해 그 압력이 점증된다. 그러나, 보조 내부 열 교환기(Ea)는 제2 포트(150)로부터 제1 포트(250)로 냉매 통로의 단면적이 점차 감소되게 배치되어 있다. 냉매 통로의 이런 구조는 냉매 통로 내의 압력 손실을 증대시켜 보조 내부 열 교환기(Ea)가 증발기로서 기능할 때 냉각 사이클 내의 냉매의 순환 성능을 저하시키게 된다. 따라서, 이런 보조 내부 열 교환기를 채택하는 공기 조화기의 냉각 능력은 보조 내부 열 교환기(Ea)를 증발기로서 사용할 때 저하된다.
이런 공기 조화기의 냉각 능력의 손실을 방지하기 위해, 제6 실시예는 보조 내부 열 교환기를 증발기로서 사용할 때 냉매가 제1 포트(250)로부터 인입되도록 배치된다. 특히, 보조 내부 열 교환기(Ea)에는 냉매 통로 변경 수단이 제공되어 도16a 및 도16b에 도시한 바와 같이 그 용도에 따라 입구 포트를 변경하게 되어 있다.
도14에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열 펌프형 공기 조화기의 제6 실시예는 압축기(2)로부터 토출된 냉매가 외부 열 교환기(3), 팽창 밸브(51), 내부 열 교환기 유니트(E)를 순환하게 되는 냉각 사이클을 구성하도록 배치되어 있다.
바이패스 통로(B)는 외부 열 교환기(3)와 평행으로 배치된다. 바이패스 통로(B)의 입구단, 외부 열 교환기(3)의 냉매 입구, 압축기(2)의 출구 및 복귀 통로(R)의 입구는 4방 밸브(6)에 연결되어 있다. 제1 역지 밸브(Vc1)를 거치는 외부 열 교환기(3)의 출구는 제2 역지 밸브(Vc2)를 거치는 바이패스 통로(B)의 출구에 연결된다. 외부 열 교환기(3)와 바이패스 통로(B) 사이의 연결부는 4방 밸브(60)에 연결되어 있다. 압축기(2)로부터 토출된 냉매는 팽창 밸브(51)를 구비한 제2통로(L1) 또는 제2 통로(L2)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)에 공급된다. 냉매가 제1 통로(L1)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)의 제1 포트(250)로 공급되는 경우에, 냉매는 팽창 밸브(51)에 의해 단열 팽창되고 보조 내부 열 교환기(Ea)를 통과하는 공기의 열을 흡수한다. 즉, 이렇게 사용하면 보조 내부 열 교환기(Ea)는 증발기로서 기능한다. 한 편, 냉매가 제2 통로(L2)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)의 제2 포트(150)로 공급되는 경우에, 비교적 고압의 냉매는 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 액화된다. 즉, 이렇게 사용하면, 보조 내부 열 교환기(Ea)는 응축기의 역할을 하게 된다.
보조 내부 열 교환기(Ea)의 입구 통로로서 제1 및 제2 통로(L1, L2) 중 하나를 선택하도록 4방 밸브(60)를 절환함으로써, 보조 내부 열 교환기(Ea)는 증발기 및 응축기 중 하나로부터 선택된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)로부터 토출된 냉매는 제1 및 제2 통로(L1, L2) 중 하나를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 또, 주 내부 열 교환기(Eb)로부터 토출된 냉매는 보조 열 교환기(30)에서 증발되어 압축기(2)에 증발 냉매를 공급하도록 어큐뮬레이터(20)에서 액체 냉매로부터 분리되게 된다.
다음에, 본 발명의 열 펌프형 공기 조화기의 제6 실시예의 작동 방법에 대해 도16a, 도16b를 참조하여 기술하기로 한다.
난방 작동
외부 기온이 -10 ℃ 내지 +5 ℃의 범위에 있는 조건하에서 난방 작동을 실행할 때, 4방 밸브(6)는 압축기(2)로부터 토출된 냉매가 외부 열 교환기(3)를 통해유동하지 않고 바이패스 통로로 송출되고 외부 열 교환기(3)에 잔류하는 냉매는 복귀 통로(R)를 통해 압축기(2)로 복귀되는 가열 상태로 설정된다. 이와 동시에, 4방 밸브(60)는 도16b에 도시한 바와 같이 냉매가 제2 통로(L2)를 통하여 보조 내부 열 교환기(Ea)의 제2 포트(150)로 공급되도록 설정된다. 보조 내부 열 교환기(Ea)에 공급된 냉매는 그 열을 방출하고 액화된다. 이 때, 보조 내부 열 교환기(Ea)로부터 토출된 냉매는 제1 통로(L1) 및 팽창 밸브(51)를 통해 주 내부 열 교환기(Eb)에 공급된다. 냉매는 팽창 밸브(51)를 통해 제한적으로 유동하지만, 단열 팽창을 실행하고, 주 내부 열 교환기(Eb)로 공급된다. 단열 팽창 냉매는 주 내부 열 교환기(Eb)를 통해 통과하는 공기의 열을 흡수한다. 따라서, 유니트 케이스(10) 내의 팬(11F)에 의해 유도된 공기는 냉각되고 주 내부 열 교환기(Eb)에서 제습되고 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 가열된다. 이 때, 건조 공기는 제습 및 난방 작동을 실행하도록 탑승실에 공급된다.
외부 기온이 +5 ℃ 내지 +15 ℃의 범위에 있는 조건하에서 난방 작동을 실행하게 되면, 난방 작동은 제3 실시예에서와 같은 압축기(2)를 작동하지 않고도 히터 코어(13)에 의해서만 실행된다.
냉방 작동
외부 기온이 +15 ℃ 내지 +30 ℃의 범위에 있는 조건하에서 난방 작동을 실행하게 되면, 4방 밸브(6)는 냉각 상태로 설정되어 압축기(2)로부터 토출된 냉매는 바이패스 통로(B)를 거치지 않고 외부 열 교환기(3)로 송출된다. 동시에, 4방 밸브(60)는 외부 열 교환기(3)에서 액화된 냉매가 도16a에 도시한 바와 같이 제1 통로(L1)와 팽창 밸브(51)를 통해 보조 내부 열 교환기(Ea)의 제1 포트(250)로 공급되게 설정된다. 팽창 밸브(51)는 냉매의 단열 팽창을 실행하고, 보조 내부 열 교환기(Ea)는 공기로부터 냉매로 열 전달을 실행한다. 보조 내부 열 교환기(Ea)로부터 토출된 냉매는 주 내부 열 교환기(Eb)에 공급되고, 또 주 내부 열 교환기(Eb)를 통과하는 공기의 열을 흡수하도록 더욱 증발된다. 따라서, 팬(11F)으로부터 송출된 공기는 주 내부 열 교환기(Eb)에서 먼저 냉각되고 제습되고 또 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 더욱 냉각 및 제습된다.
제1 실시예에서 실행한 바와 마찬가지로 냉방 작동이 과도하게 실행되는 경우에, 조화 공기의 온도 제어는 히터 코어(13) 및 공기 혼합 도어(15)를 적절히 이용해서 실행될 수 있다.
이런 구성의 제6 실시예에서, 입구 통로를 보조 내부 열 교환기(Ea)로 절환함으로써, 응축기로서 사용된 보조 내부 열 교환기(Ea)의 가열 성능을 높게 보장해주고 냉매 사이클에서의 냉매 유량의 저하를 방지하도록 증발기로서 사용되는 보조 내부 열 교환기(Ea)에서 압력 손실을 저하시킨다.
1996년 7월 31일자 출원된 일본 특허 출원 평8-202167호 및 평8-202168호 및 1997년 4월 9일자 일본 특허 출원 평9-90654호는 본 명세서에 참고로 기술하였다.
본 발명에 따르면, 공기 조화기의 냉각 시스템을 채용함으로써 난방 작동을 신속하고도 충분하게 실행할 수 있는 열 펌프형 공기 조화기를 제공할 수 있다.

Claims (22)

  1. 온도 상태에 따라서 난방 작동 및 냉방 작동을 실행하는 차량용 열 펌프형 공기 조화기에 있어서,
    냉매와, 상기 냉매에 작동 부하를 가하는 압축기와, 상기 압축기의 출구에 연결된 외부 열 교환기와, 상기 외부 열 교환기의 냉매 출구에 연결된 제1 유량 제어 밸브와, 상기 제1 유량 제어 밸브의 출구에 연결된 보조 내부 열 교환기와, 상기 보조 내부 열 교환기의 냉매 출구에 연결된 제2 유량 제어 밸브와, 상기 제2 유량 제어 밸브의 출구에 연결되며 냉매 출구는 압축기의 입구에 연결되는 주 내부 열 교환기와, 공기를 상기 주 내부 열 교환기와 상기 보조 내부 열 교환기로 통과시켜서 그 공기를 차량의 탑승실로 공급하는 공기 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는 개방 상태와 폐쇄 상태를 선택적으로 설정하도록 설치된 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 유량 제어 밸브는 개방 상태와 폐쇄 상태를 선택적으로 설정하도록 설치된 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는 난방 작동이 실행될 때에는 개방 상태로 설정되어서 상기 보조 내부 열 교환기가 응축기로 기능하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 유량 제어 밸브는 난방 작동이 실행될 때에는 상기 냉매를 제한적으로 유동시키기 위해 초크 상태로 설정되어서 상기 주 내부 열 교환기가 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는 냉방 작동이 실행될 때에는 상기 냉매를 제한적으로 유동시키기 위해 초크 상태로 설정되어서 상기 보조 내부 열 교환기가 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 유량 제어 밸브가 개방 상태로 설정되어서 상기 주 내부 열 교환기가 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는 상기 주 내부 열 교환기의 출구 냉매 온도에 따라서 밸브 개도를 변화시키는 팽창 밸브인 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  9. 제1항에 있어서, 난방 작동이 실행될 때에 상기 외부 열 교환기를 우회하면서 상기 냉매를 상기 제1 제어 밸브로 공급하는 바이패스 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 주 내부 열 교환기의 냉매 출구와 상기 압축기의 냉매 입구에 연결되는 보조 열 교환기를 더 포함하고, 상기 보조 열 교환기는 상기 냉매가 차량 엔진의 엔진 냉각제에 의해 가열되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  11. 제10항에 있어서, 난방 작동이 실행될 때에는 상기 외부 열 교환기 내에 잔류하는 냉매를 복귀시키는 냉매 복귀 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는, 상기 냉매를 제한적으로 유동시키도록 항상 개방되어 있는 초크 부분과 제어 가능한 전자기력에 의해 작동되는 밸브 부재에 의해 개폐되는 주 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 초크 부분이 소정의 내경(d)과 소정의 길이(D)를 갖는 오리피스 튜브인 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 초크 부분이 밸브 본체와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 유량 제어 밸브는 밸브 본체와 전자기 파일럿으로 구성된 전자기 밸브이고,
    상기 밸브 본체는 냉매가 유입되는 제1 연결 포트와, 냉매가 배출되는 제2 연결 포트와, 다이어프램 밸브가 개방 및 폐쇄되는 주 포트와, 상기 다이어프램 밸브 내를 관통하여 형성된 압력 균등화 구멍과, 상기 압력 균등화 구멍을 통과한 냉매를 제2 연결 포트로 유도하는 파일럿 포트를 포함하고,
    상기 전자기 파일럿은 파일럿 포트를 개방 및 폐쇄시키는 파일럿 밸브와, 플런저를 이동시키기 위한 전자기력을 발생시키는 코일을 포함하고,
    상기 초크 부분은 상기 냉매가 밸브 본체 내의 제1 연결 포트로부터 제2 연결 포트로 제한적으로 유동할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 외부 열 교환기의 출구와 상기 제1 유량 제어 밸브의 입구에 연결된 유체 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  17. 제1항에 있어서, 차량의 엔진에 연결되어서 엔진 냉각제가 히터 코어를 순환할 수 있게 하는 히터 코어를 더 포함하고, 상기 히터 코어는 상기 공기 공급 수단 내에 배치된 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  18. 제1항에 있어서, 상기 주 내부 열 교환기의 냉매 출구와 압축기의 냉매 입구에 연결되는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  19. 온도 상태에 따라서 난방 작동 및 냉방 작동을 실행하는 차량용 열 펌프형 공기 조화기에 있어서,
    냉매와, 상기 냉매에 작동 부하를 가하는 압축기와, 상기 압축기의 출구에 연결된 외부 열 교환기와, 제1 포트 및 제2 포트를 구비하며 냉매 통로의 단면적이 제1 포트로부터 제2 포트까지 점차 증가하도록 마련된 보조 내부 열 교환기와, 상기 보조 내부 열 교환기의 제1 포트에 연결된 팽창 밸브와, 상기 냉매를 상기 팽창 밸브 및 제1 포트로부터 제2 포트까지 유동시키는 제1 냉매 통과 상태와 그리고 상기 냉매를 상기 제2 포트로부터 상기 제1 포트 및 상기 팽창 밸브까지 유동시키는 제2 냉매 통과 상태를 선택적으로 설정하기 위한 냉매 통과 절환 수단과, 상기 냉매를 공급시키는 제1 포트와 제2 포트 중 어느 하나의 포트에 연결되고 냉매 출구는 상기 압축기의 입구에 연결되는 주 내부 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 냉매 통과 절환 수단은, 상기 외부 열 교환기의 냉매 출구와 상기 보조 내부 열 교환기의 제2 포트와 팽창 밸브에 연결되고, 증발 상태와 응축 상태를 선택적으로 설정하고, 냉매를 제1 포트로부터 보조 내부 열 교환기의 제2 포트까지 팽창 밸브를 거쳐서 공급하는 증발 상태로 설정하며, 냉매를 제2 포트로부터 보조 내부 열 교환기의 제1 포트까지 공급하는 응축 상태로 설정하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
  21. 유체 유동을 제어하는 전자기 밸브에 있어서,
    유체가 통과하여 유입되는 제1 연결 포트와, 유체가 배출되는 제2 연결 포트, 유체가 밸브 본체를 통과 유동하게 통과시키는 주 포트, 주 포트를 개방 및 폐쇄시키는 다이어프램 밸브, 다이어프램 밸브의 한 표면 쪽과 다른 표면 쪽과 유체 연통하도록 상기 다이어프램 밸브 내에 형성된 압력 균등화 구멍 및 상기 압력 균등화 구멍을 통과한 냉매를 제2 연결 포트에 이르게 하는 파일럿 포트를 구비하는 밸브 본체와,
    파일럿 포트를 개폐시키는 파일럿 밸브와, 파일럿 밸브를 작동시키는 플런저 및 플런저를 이동시키는 전자기력을 발생시키는 코일을 구비하는 전자기 파일럿과,
    유체가 제1 연결 포트로부터 밸브 본체 내의 제2 연결 포트까지 제한적으로 유동하도록 형성된 초크 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유량 제어 밸브는 유체 유동을 제어하는 전자기 밸브이고,
    상기 전자기 밸브는, 유체가 유동되는 포트를 구비한 밸브 본체와, 전기 신호에 따라 상기 포트를 개방 및 폐쇄하는 밸브와, 상기 포트가 밸브에 의해 폐쇄되었을 때 유체를 제한적으로 유동시키는 초크 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프형 공기 조화기.
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