KR100473272B1 - 차량용 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팽창밸브에서 유입된 냉매를 기액분리한 후 액냉매만을 증발기로 송출되게 함으로써 냉방성능을 향상시키고, 플레이트 튜브로의 냉매분배가 균일하여 열전달 효율을 증대시키며, 더욱이 증발기에 작용하는 냉매압력을 줄일 수 있는 차량용 냉각시스템에 관한 것으로, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 냉매관에 의해 순차적으로 연결한 냉각싸이클에 있어서, 팽창밸브의 출구측과 연결되고, 하부는 증발기의 입구측과 연결되며, 상부는 증발기의 출구측과 연결되어 냉매를 기액분리하는 기액분리수단을 포함하는 것을 특징으로 하며, 액분리수단은 냉매를 저장하기 위한 공간을 갖는 상분리기와, 팽창밸브의 출구측과 연결되는 제1냉매관과, 증발기의 입구측과 연결되는 제2냉매관과, 증발기의 출구측과 연결되는 제3냉매관으로 이루어진다.

Description

차량용 냉각시스템

본 발명은 냉각싸이클에 있어서, 팽창밸브에서 유입된 냉매를 별도의 용기에서 기액분리한 후 액냉매만을 증발기로 토출되게 하는 차량용 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화기는 기계적인 수단에 의해 냉매를 강제적으로 순환시켜 압축 - 응축 - 팽창 - 증발과정을 통해 외기와 열교환이 이루어지도록 함으로써 목적하는 바 냉방을 실현하게 되며, 이러한 냉방 효과는 카에어컨에서 단위 중량당의 냉매가 증발기에서 증발할 때 흡수하는 열량 즉, 냉각싸이클에서 증발기 입구의 비엔탈피와 증발기 출구의 비엔탈피 차에 의해 증발온도가 결정된다.

일예로 종래의 카에어컨용 냉각싸이클은 도 6과 같이 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3) 및 증발기(4)가 냉매관(5)에 의해 밀폐된 구조로 순차적 연결되어 구성되며, 압축기에서 엔진의 회전력을 전달받아 냉매를 순환시키도록 되어 있다.

이러한 냉각싸이클에 있어서, 도 7의 몰리엘선도와 같이 증발되기 쉬운 저압의 냉매가 증발기(4)를 통과한 후 압축기(1)로 흡입되어 고온.고압 기체상태로 압축되어 토출된 다음 응축기(2)를 통해 공기와 열교환하면서 액체상태로 변화된다.

응축기(2)를 통해 열교환된 액체냉매는 팽창밸브(3)를 통해 감압되어 다시 증발기(4)로 유입되고 서서히 외기열과 열교환하면서 증발하여 증발기(4)의 출구에서는 완전히 증발된 상태 즉, 저압의 기체상태로 변하여 압축기에 유입됨으로써 1싸이클을 완료하게 된다.

이러한 차량용 에어컨 시스템은 엔진룸의 제한된 공간으로 인해 점차 소형화되고 있으며 동시에 고성능이 요구됨에 따라 최근에는 열교환기에서 열교환기 성능을 향상시키기 위한 방안으로 별도의 복잡한 냉매라인을 구성하는 경우가 있다.

일예로 응축기를 지난 냉매와 증발기 출구 냉매를 열교환시켜 냉방시스템의 효율을 높이도록 하는 미국 특허번호 5,622,055호와, 2개의 교축기구를 사용함과 아울러, 기존의 증발기와 증발기 및 응축기 역할을 수행하는 증발기와 열교환기를 일체화하여 내부 열교환을 행하도록 함으로서 시스템의 효율을 높히는 일본국 특개평 5-106938호 등이 제시된 바 있지만 이러한 방법들은 부피가 큰 장치를 사용하므로 장착성이 좋지 않을 뿐만 아니라 냉매라인의 복잡화로 설치 공간의 한계를 극복하기 어렵고, 또한 플레이트 방식의 열교환기를 사용할 경우 고강도의 소재가 필요하며 2개의 교축기구를 통해 작동압력을 낮출 경우에도 내압성 문제를 해결하기 위해 장치가 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 특히, 팽창밸브에서 유입된 냉매를 기액분리한 후 액냉매만을 증발기로 송출되게 함으로써 냉방성능을 향상시키고, 플레이트 튜브로의 냉매분배가 균일하여 열전달 효율을 증대시키며, 더욱이 증발기에 작용하는 냉매압력을 줄일 수 있는 차량용 냉각시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이러한 목적은 증발기의 측면에 원통형 압력용기를 연통되게 설치하여 팽창밸브에서 유입된 냉매를 기액분리함으로써 달성할 수 있는 것으로, 본 발명은 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 냉매관에 의해 순차적으로 연결한 냉각싸이클에 있어서, 상기 팽창밸브의 출구측과 연결되고, 하부는 상기 증발기의 입구측과 연결되며, 상부는 상기 증발기의 출구측과 연결되어 냉매를 기액분리하는 기액분리수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기액분리수단은 냉매를 저장하기 위한 공간을 갖는 상분리기와, 상기 팽창밸브의 출구측과 연결되는 제1냉매관과, 상기 증발기의 입구측과 연결되는 제2냉매관과, 상기 증발기의 출구측과 연결되는 제3냉매관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3냉매관은 관로상에 교축장치가 개재되고, 상기 교축장치는 캐필러리튜브로 이루어짐을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 팽창밸브에서 감압된 냉매가 상분리기로 유입되며, 유입된 냉매는 자중에 의해 기액으로 분리되고, 이중 액냉매는 증발기로 기상의 냉매는 교축장치를 통해 기상으로 상변환되어 압축기로 유입된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예를 보인 냉각싸이클의 계통도로써, 도시한 바와 같이 압축기(10) - 응축기(20) - 팽창밸브(30) - 증발기(40) - 압축기(10)로 순환하는 냉매회로에 있어서, 상기 팽창밸브(30)와 증발기(40) 사이에 상분리기(50)를 개재하여 기액 2상으로 유입된 냉매를 자중에 의해 기냉매와 액냉매로 분리시키되 액냉매는 증발기(40)로 기냉매는 압축기(10)로 유동되게 하고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 시스템을 보인 증발기의 정면도로써 전체를 부호 40으로 표시한 증발기는 알루미늄 합금으로 된 한 쌍의 접시 형상의 플레이트(42)를 적층시켜서 된 플레이트 튜브(41)로 구성된다.

또한 플레이트 튜브(41) 사이에는 코루게이트핀(45)이 교대로 적층되어 있으며, 상,하탱크부(43)(44)에는 각각 유출공(46) 및 유입공(47)이 형성되어 유출공(46)은 압축기(10)와 연결되고, 유입공(17)은 후술하는 냉매 상분리기(50)와 연결되어 있으며, 최외곽에 배열된 코루게이트핀(45)의 양측면에는 엔드플레이트(48)가 횡방향으로의 응력에 대항하여 설치되어 있다.

상기 상분리기(50)는 도 3과 같이 단면이 원통형인 본체(51)로 이루어지며, 상기 본체(51)의 상,하 개구부는 캡(52)(53)으로 밀폐되어 있다. 또한 상기 본체(51)에는 제1내지 제3연통공(54-56)이 관통되어 제1내지 제3냉매관(57-59)과 각각 결합되어 있다.

즉, 제1냉매관(57)은 일측이 팽창밸브(30)의 출구측과, 타측이 본체(51)의 중상부에 형성된 제1연통공(54)과 각각 결합되고, 제2냉매관(58)은 일측이 증발기(40)의 하탱크부(44)와, 타측이 본체(51)의 하부에 형성된 제2연통공(58)과 각각 결합되며, 제3냉매관(59)은 일측이 증발기(40)의 출구파이프(49)와, 타측이 본체(51)의 상부에 형성된 제3연통공(56)과 각각 결합되어 있다. 이러한 연결구조에 의하면, 팽창밸브(30)에서 감압된 냉매는 제1냉매관(57)을 통해 상분리기(50)로 유입되며, 유입된 냉매중 액냉매는 제2냉매관(58)으로 기냉매는 제3냉매관(59)으로 각각 기액분리되어 송출된다.

한편, 본 발명은 증발기(40)의 구성에 있어서 플레이트 튜브(42)의 형상을 다양하게 제공할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 접시형상의 플레이트(42)는 도 4와 같이 상.하에 각각 상탱크부(42a)와 하탱크부(42b)를 상하 대칭으로 형성한 양 탱크형으로 구성하거나 탱크를 플레이트의 일측 좌.우양단에 형성하고 이들 탱크 사이에 일정길이의 구획벽을 형성하여 냉매가 U턴하여 흐르도록 한 편탱크형, 또는 냉매의 유로가 2번 U턴하는 다중 유로형으로 구성할 수도 있고, 통상의 압출튜브를 사용할 수도 있다.

도 4에 의하면, 접시형상의 플레이트(42)들 각각은 상.하탱크부(42a)(42b)와 열교환부(A)를 포함한다. 열교환부(A)는 상.하탱크부(42a)(42b) 사이에 형성되어 있으며, 상기 열교환부(A)의 저면에는 원형 내지 타원형상의 비드(42c)들이 일정한 배열구조로 배열되어 한쌍의 플레이트(42)를 상호 대향되게 접합시켰을 때 마주대하는 비드(42c)끼리 접합면을 형성함과 동시에 그 사이로 유로를 형성한다.

상술한 튜브들중 플레이트 튜브를 사용할 경우 증발기 코어에서 증발에 의해 위로 상승하는 흐름이 형성됨에 따라 열전달 및 부력이 작용하여 압력강하량을 획기적으로 줄이며 일반적으로 증발시에 흐름이 중력의 반대방향으로 형성될 때 나타나는 유동의 안정성을 얻을 수 있다. 이와 같은 유동의 안정성은 증발기의 유량제어를 보다 손쉽게 할 수 있고 증발기 토출 공기온도의 변동을 작게할 수 있음을 의미한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 엔진이 발진한 상태에서 도시되지 않은 전자클러치에 전원이 인가되어 전자클러치가 엔진의 동력을 압축기 회전축에 전달하게 되면 압축기(10)의 회전축이 회전하면서 냉매를 압축시키고 압축된 냉매는 응축기(20), 팽창밸브(30) 증발기(40)를 순차적으로 통과하면서 순환되어 열교환하게 된다.

이러한 냉매순환 과정에 있어서 본 발명의 실시예에 의하면 상기 응축기(20)에서 응축된 고온의 냉매는 팽창밸브(30)를 통과하면서 급격히 감온된 후 제1냉매관(57)을 통해 상분리기(50)의 중상부측으로 유입된다.

상분리기(50)로 유입된 액냉매는 중력에 의해 상분리되어 액냉매는 본체(51) 하부에 연결된 제2냉매관(58)을 통해 증발기(40)의 하탱크부(44)로 유동하며, 기냉매는 본체(51) 상부에 연결된 제3냉매관(59)을 통해 증발기(40)의 출구파이프(49)로 송출된 후 증발기(40)에서 열교환된 냉매와 합류하여 압축기(10)로 유입되는 순환과정을 거치게 된다.

따라서 본 발명은 증발기(40)에 액냉매만이 공급되게 함으로써 증발기 튜브로의 냉매 분배를 균일하게 하여 열전달 효율을 증대시킬 수 있고 냉매분배의 불균일로 인한 온도편차를 줄일 수 있다.

그리고 상분리기(50)의 상부로 유동하는 기냉매는 제3냉매관(59)의 관로상에 개재된 교축장치(60)를 거치게 되는데 이는 증발기(40)의 코어를 거친 냉매와 상분리기(50)에서 곧바로 증발기(40)의 출구로 향하는 냉매와의 압력차를 맞추어 주기 위해 설치되는 것으로, 액냉매에 비해 비체적이 큰 기냉매를 바이패스함으로써 증발기에 작용하는 압력강하를 줄일 수 있고 이로 인해 냉매유량을 증대시킬 수 있어 냉방용량이 증가한다.

실시예에서는 캐필러리튜브를 이용하고 있으나, 이와 동일한 역할을 하는 팽창밸브, 정압밸브등의 유동 압력을 강하시킬 수 있는 다양한 형태의 기구가 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 구성에 따라 순환하는 냉매의 압력과 엔탈피의 변화과정을 보인 몰리엘선도이다.

이에 의하면, 응축기(20)를 통과한 냉매(A점)가 팽창밸브(30)에서 감압된 후 상분리기(50)로 유입되며, 상기 상분리기(50)에서 기액분리된 냉매중 증발기(40)로 유입되는 냉매(C점)는 엔탈피가 감소된 상태된 유입된 후 외부공기의 잠열을 흡수하면서 엔탈피가 증가된 상태로 압축기(10)로 토출된다.

또한 상기 상분리기(50)로 유입된 냉매중 기냉매(B점)는 바이패스되어 교축장치(60)를 통과하면서 엔탈피가 증가된 상태로 증발기(40)를 유동한 냉매와 혼합된 상태로 압축기(10)로 유입되므로, 상기 압축기(10)에 유입된 냉매는 기상의 냉매가 유입될 수 있어 과부하를 방지할 수 있고 동시에 동력소모를 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 비교적 단순하게 LOF(Liquid over feeding) 기능을 구현하므로서 냉방효율이 증가되며 동력소모를 감소할 수 있다. 또한 증발기에 액냉매만을 공급함으로써 증발기의 플레이트 튜브로의 냉매분배가 균일하여 열전달 효율이 증가하며 냉매분배의 불균일로 인한 온도편차를 줄일 수 있다.

상분리기의 액냉매 수위를 높게 조절할 경우 예를 들면 전체 부피의 90%이상을 액냉매가 차지하도록 조절할 경우 증발기 코어에도 90%의 체적을 액냉매로 채울 수 있어 코어의 전 범위에서 온도의 균일성을 실현할 수 있다.

본 발명은 열전달율이 높고 많은 잠열을 흡수할 수 있는 액냉매를 증발기 코어에 공급함으로써 열교환 효율이 향상되며 액냉매의 비체적이 기냉매에 비해 작고 비체적이 큰 기냉매를 바이패스하므로 압력강하량을 대폭 줄일 수 있어 냉매유량을 증대시킴으로 인해 냉방용량이 증대한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 보인 냉각싸이클 계통도,

도 2는 본 발명에 따른 설치예를 보인 증발기 정면도,

도 3은 상분리기를 보인 도 2의 A-A선 단면도,

도 4는 증발기 냉매 플레이트 튜브 일예를 보인 평면도,

도 5는 본 발명의 냉각싸이클에 따른 몰리엘선도,

도 6은 종래 냉각싸이클 계통도,

도 7은 종래 냉각싸이클에 따른 몰리엘선도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10;압축기 20;응축기

30;팽창밸브 40;증발기

41;플레이트 튜브 43;상탱크부

44;하탱크부 45;코루게이트핀

46;유출공 47;유입공

48;엔드플레이트 50;상분리기

51;본체 52,52;캡

54-56;제1-3연통공 57-59;제1-3냉매관

Claims (4)

1. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 냉매관에 의해 순차적으로 연결한 냉각싸이클에 있어서,

   상기 팽창밸브의 출구측과 연결되고, 하부는 상기 증발기의 입구측과 연결되며, 상부는 상기 증발기의 출구측과 연결되어 냉매를 기액분리하는 기액분리수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기액분리수단은 냉매를 저장하기 위한 공간을 갖는 용기와, 상기 팽창밸브의 출구측과 연결되는 제1냉매관과, 상기 증발기의 입구측과 연결되는 제2냉매관과, 상기 증발기의 출구측과 연결되는 제3냉매관을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제3냉매관은 관로상에 교축장치가 개재됨을 특징으로 하는 차량용 냉각시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 교축장치는 캐필러리튜브로 이루어짐을 특징으로 하는 차량용 냉각시스템.