KR100457660B1 - 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템에 관한 것으로서, 기존의 이산화탄소 에어컨 시스템에 장착되어 고온의 냉매와 저온의 냉매를 열교환시키는 인터쿨러가 장착되어 있으나 이는 원가 및 중량 상승이 요구되므로 이를 배제하고 대신에 상기 이산화탄소 에어컨 시스템의 저압 리시버 내에 내부 열교환이 가능한 방열핀과 튜브로 구성된 열교환기를 내장시켜 튜브로 엔진의 냉각수를 흘려보내 저온 상태의 냉매 온도를 상승시킴으로써, 기존과 동일한 에어컨의 효율을 유지할 수 있으며, 인터쿨러 삭제로 원가 및 중량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔진 발열량 중 일부를 에어컨에서 흡수함에 따라 엔진 냉각 성능이 우수한 새로운 자동차용 이산화탄소에어컨 시스템에 관한 것이다.

Description

자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템{CO2 aircondination system for automobile}

본 발명은 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 이산화탄소 에어컨 시스템에 장착되어 고온의 냉매와 저온의 냉매를 열교환시키는 인터쿨러가 장착되어 있으나 이는 원가 및 중량 상승이 요구되므로 이를 배제하고 대신에 상기 이산화탄소 에어컨 시스템의 저압 리시버 내에 내부 열교환이 가능한 방열핀과 튜브로 구성된 열교환기를 내장시켜 튜브로 엔진의 냉각수를 흘려보내 저온 상태의 냉매 온도를 상승시킴으로써, 기존과 동일한 에어컨의 효율을 유지할 수 있으며, 인터쿨러 삭제로 원가 및 중량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔진 발열량 중 일부를 에어컨에서 흡수함에 따라 엔진 냉각 성능이 우수한 새로운 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 에어컨 시스템의 냉동 사이클에 사용되는 증발하기 쉬운 액체를 냉매라고 하고, 냉매를 사용하여 연속적으로 저열원을 얻기 위해서는 액체→기체→액체로 상태 변화를 반복해 줄 필요가 있으며, 이것을 냉동 사이클이라고 한다.

냉매가 실제로 어떤 경로를 통해 순환하는가를 설명하자면, 먼저 냉매 가스는 증발기에서 컴프레서로 흡입 압축되어 고온 고압의 가스 상태를 응축기에 보내진다.

상기 응축기로 보낸 냉매는 전동팬 등에 의해 강제 냉각되어 액화되고, 액화된 냉매는 고압 리시버로 들어가 수분과 먼지를 제거한 다음 팽창 밸브로 흘러간다.

상기 팽창밸브에서 상온 고압의 액상 냉매는 급격히 팽창되고, 저온 저압의 안개상태의 냉매가 되어 증발기로 들어간다.

증발기 냉매는 블로워 모터팬을 통해 주위의 공기에서 열을 빼앗아 안개 상태의 냉매에서 가스 모양의 냉매가 되어 또다시 컴프레서로 흡입된다.

이와 같이 하여 냉매는 사이클을 반복하여 순환하고, 냉방작용을 한다.

이러한 에어컨 시스템에 사용되는 냉매는 대기의 물질중에 염화불화탄소(CFC : 프레온가스)의 분자중 염소가 오존층 파괴 즉 성층권의 오존과 반응하여 오존층의 두께 감소 내지는 오존층에 구멍을 형성함으로써 지표면에 다량의 자외선을 유입하여 생태계를 파괴하고 염화불화탄소의 열흡수 능력이 크기 때문에 대기중의 염화불화탄소로 인한 지표면의 온도 상승을 유발하는 물질로 판명됨에 따라 이의 생산과 사용을 규제하여 오존층을 보호하고자 신냉매인 R-134a로 적용하였으나, 온실효과가 있어 지구 온난화 문제를 야기시키므로 향후 회수 및 재생 문제에 어려움이 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소(CO₂)를 냉매로 이용하는 이산화탄소 에어컨 시스템이 개발되었다.

도 4는 종래의 이산화탄소 에어컨 시스템의 정상 운전 상태에서의 열역학 사이클을 설명하기 위한 p-h선도를 나타내는 것으로서, 첨부된 도면에서와 같이, 종축에 압력, 횡축에 엔탈피로 표현한 것으로서, 구역1은 냉매가 액상인 상태이고,구역2는 2상(액상+기상)인 상태 즉, 증기인 상태이며, 구역 3은 기상인 상태(냉매가스, 과열증기)이다.

특별히, 2상인 상태는 포화상태라고 하며, 여기서 AK선을 따라서 액상과 2상이 경계되는 라인을 포화액선이라 한다.

동일한 이유로 BK선을 포화 증기선이라고 한다.

한편, 포화액선과 포화증기선이 만나는 점이 존재하는 바, 이때의 냉매 상태는 이론적으로는 액상, 액상+기상, 기상의 3가지가 교차되는 점이 된다.

이 점을 임계점(critical point)이라고 하는데 실제적으로는 존재할 수 없는 상태이다.

그런데, 이와 같은 이산화탄소 에어컨 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(110), 가스 쿨러(120), 팽창밸브(140), 증발기(150), 고압 리시버(160)로 구성되어 있는 바, 성능 향상을 목적으로 응축기 기능을 갖는 가스쿨러(120)와 팽창밸브(140) 사이의 통로에 냉매의 열교환을 수행하는 인터쿨러(130)를 추가하여 인터쿨러(130)를 적용하지 않은 이산화탄소 에어컨 시스템의 p-h선도의 열역학 사이클 면적보다 확대되게 되는 바, 이것은 온도 구간의 면적이 확대되어 그 만큼의 출력이 향상된다.

따라서, 이러한 인터쿨러(130)의 적용은 이산화탄소 에어컨 시스템(100)의 성능 개선을 이룰 수 있도록 한다.

그러나, 상기 인터쿨러(130)의 적용은 비용 및 중량을 상승시키는 문제점이 있으며, 공간 상 제한적인 엔진룸에서의 인터쿨러(130)는 레이아웃(lay-out) 상의문제점이 있다.

또한, 상기 인터쿨러(130)에서는 더운 냉매와 차가운 냉매가 열교환되므로 CO₂냉매 순환량에 따라 인터쿨러(130)의 열교환 능력이 제한적이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이산화탄소 에어컨 시스템의 저압 리시버 내에 내부 열교환이 가능한 방열핀과 튜브로 구성된 열교환기를 내장시켜 튜브로 엔진의 냉각수를 흘려보내 저온 상태의 냉매 온도를 상승시킴으로써, 기존과 동일한 에어컨의 효율을 유지할 수 있으며, 인터쿨러 삭제로 원가 및 중량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔진 발열량 중 일부를 에어컨에서 흡수함에 따라 엔진 냉각 성능이 우수한 새로운 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소에어컨 시스템을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소에어컨 시스템의 정상 운전상태에서의 열역학 사이클을 설명하기 위한 p-h선도,

도 3은 종래의 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템을 나타내는 도면,

도 4는 종래의 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템의 정상 운전상태에서의 열역학 사이클을 설명하기 위한 p-h선도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 이산화탄소 에어컨 시스템 11 : 압축기

12 : 가스 쿨러 13 : 팽창밸브

14 : 증발기 15 : 저압 리시버

16 : 열교환기 16a : 튜브

16b : 방열핀

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 냉매가 압축기, 가스 쿨러, 팽창밸브, 증발기를 따라 유동하면서 형성한 냉기를 자동차의 실내로 공급하는 이산화탄소 에어컨 시스템에 있어서,

상기 이산화탄소 에어컨 시스템(10)의 저압 리시버(15)는 엔진으로부터 유입되는 고온의 냉각수를 이용하여 냉매와 열교환을 할 수 있는 열교환기(16)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 열교환기(16)는 고온의 냉각수가 흐르는 유로인 튜브(16a)와, 상기 튜브 사이에 개재된 코러게이트(corrugate)형의 방열핀으로 이루어진 구조인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템의 정상 운전상태에서의 열역학 사이클을 설명하기 위한 p-h선도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예인 이산화탄소 에어컨 시스템(10)은 먼저, 냉매를 고온 고압의 기체 상태 냉매로 압축하는 압축기(11)가 연결되어 있고, 상기 압축기(11)에는 고온 고압의 기체 상태 냉매를 외부 공기와 열교환시켜서 액체상태 냉매로 변환시키는 가스 쿨러(12)가 연결되어 있다.

상기 가스 쿨러(12)에는 액체 상태 냉매를 압력이 낮은 액체 상태로 변환시켜 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브(13)가 연결되어 있다.

또한, 상기 팽창밸브(13)에는 저온저압으로 팽창된 액체상태의 냉매에 의해 주위의 열을 흡수하여 압축기로 공급하는 증발기(14)가 연결되어 있다.

이와 같이 구성된 자동차의 에어컨 시스템을 작동시키면 냉매가 압축기(11), 가스 쿨러(12), 팽창밸브(13), 증발기(14)를 따라 유동하면서 형성한 냉기를 팬모터(미도시)의 작동에 의해 자동차의 실내로 공급하게 된다.

이때, 상기 증발기(14)와 압축기(11) 사이에는 냉매를 저장하는 저압 리시버(15)가 장착되어 있는 바, 상기 저압 리시버(15)의 내부에 튜브(16a)와, 각 튜브(16a)들 간에 개재되어 전열면적을 넓혀 열교환을 도울 수 있도록 하기 위해 골과 산이 반복 형성되는 지그재그형으로 연속 절곡된 코러게이트(corrugate)형의 방열핀(16b)으로 구성된 열교환기(16)가 설치되어 있다.

상기 열교환기(16)는 일반적으로 공지된 기술로 이루어진 것으로서, 상기 튜브(16a)는 엔진에서 히터로 연결되어 엔진으로부터의 고온의 냉각수가 히터코어를 통해 순환되도록 되어 있다.

이때, 엔진에서 배출되는 고온의 냉각수는 상기와 같이, 튜브(16a)를 통해 히터로 흐르고, 저압 리시버(15) 내의 냉매는 방열핀(16b) 사이에서 상기 냉각수에 의해 열교환이 이루어짐에 따라 열을 보충하게 된다.

따라서, 고온의 냉각수는 튜브(16a)를 통해 방열핀(16b)으로 열을 보내면 방열핀(16b) 사이를 지나는 저압 리시버(15) 내의 냉매는 그 온도가 상승되어 에어컨의 효율을 향상시키게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템의 정상 운전상태에서의 열역학 사이클을 설명하기 위한 p-h선도에서 상기 이산화탄소 에어컨 시스템의 인터쿨러를 삭제하면, 고온 상태의 냉매는 가스 쿨러(12) 이후에 열교환이 이루어지지 않아 첨부도면에서와 같이 온도 저감 부분의 사이클 면적이 축소된다.

그러나, 저온 상태의 냉매가 저압 리시버(15)에서 엔진의 냉각수에 의해 열교환이 이루어지게 되어 상대적으로 온도가 상승하므로 사이클 면적이 증가하게 되어 결과적으로는 기존의 이산화탄소 에어컨 시스템과 동등 이상의 효율을 유지하게 된다.

따라서, 본 발명은 인터쿨러 삭제로 인한 비용 및 중량 그리고, 패키지(package)에서 유리한 점이 발생하고, 엔진 발열량 중, 일부를 에어컨에서 흡수함으로써, 엔진 냉각 성능이 향상되는 새로운 발명인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템은 인터쿨러 삭제로 비용 및 중량과 장착의 용이성을 확보할 수 있으며, 엔진 발열량 중, 일부를 에어컨에서 흡수 가능함에 따라 엔진 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 냉매가 압축기, 가스 쿨러, 팽창밸브, 증발기를 따라 유동하면서 형성한 냉기를 자동차의 실내로 공급하는 이산화탄소 에어컨 시스템에 있어서,

   상기 이산화탄소 에어컨 시스템(10)의 저압 리시버(15)는 엔진으로부터 유입되는 고온의 냉각수를 이용하여 냉매와 열교환을 할 수 있는 열교환기(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기(16)는 고온의 냉각수가 흐르는 유로인 튜브(16a)와, 상기 튜브 사이에 개재된 코러게이트(corrugate)형의 방열핀으로 이루어진 구조인 것을 특징으로 하는 자동차용 이산화탄소 에어컨 시스템.