KR100758098B1 - 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템 - Google Patents

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KR100758098B1 KR1020060090447A KR20060090447A KR100758098B1 KR 100758098 B1 KR100758098 B1 KR 100758098B1 KR 1020060090447 A KR1020060090447 A KR 1020060090447A KR 20060090447 A KR20060090447 A KR 20060090447A KR 100758098 B1 KR100758098 B1 KR 100758098B1
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Abstract

본 발명에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템은, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(20)와, 상기 압축기(20)의 배출라인에는 설치된 가스 쿨러(22)와, 상기 가스쿨러(22)의 배출라인에 순차적으로 설치된 팽창밸브(24) 및 증발기(26)와, 상기 증발기(26)와 상기 압축기(20) 사이의 라인에 설치된 수액기(28)와, 상기 수액기(28)와 압축기(20) 사이의 라인에 설치된 내부 열교환기(30)를 포함하는 냉동사이클 시스템에 있어서, 상기 압축기(20)와 가스 쿨러(22) 사이에는 냉동사이클을 형성하는 냉매와 엔진(E)에서 나온 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기(32)가 설치되고, 상기 수냉매 열교환기(32)의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터(34)가 설치되어 있으므로, 차량 엔진 구동후 곧바로 운전가능하도록 엔진의 냉각수를 가열하여 차량 출력 및 연비를 개선하고, 차량 초기 운전시에 난기를 쉽게 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Description

수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템{refrigerating cycle system with water heat exchanger}
도1은 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템의 예를 나타내는 시스템도,
도2는 본 발명의 제1실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 나타내는 시스템도,
도3은 도2의 수냉매 열교환기의 단면을 나타내는 구성도,
도4는 도3에서 화살표 A-A선에 따른 단면도(종단면도),
도5는 도2의 수냉매 열교환기의 방열핀의 다른 예를 보인 수냉매 열교환기의 종단면도,
도6은 도2의 수냉매 열교환기가 가스쿨러의 헤더에 인접하여 설치된 상태도,
도7은 도2의 수냉매 열교환기가 가스쿨러의 튜브 부분(가스쿨러의 상측 또는 하측)에 설치된 상태도,
도8은 본 발명의 제2실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 나타내는 시스템도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 압축기 22 : 가스 쿨러
24 : 팽창밸브 26 : 증발기
28 : 수액기 30 : 내부 열교환기
32 : 수냉매 열교환기 34 : 히터
36 : 제1밸브 38 : 제2밸브
40 : 냉각수 유동관 42 : 튜브
44 : 방열핀 46 : 내부캡
48 : 외부캡
본 발명은 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템에 관한 것이다.
수냉매 열교환기는 엔진 또는 스택(stack)을 냉각하는 냉각수와, 실내를 냉난방하는 냉매간의 열교환을 하는 열교환기이다.
수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템의 일예로서, 히트 펌프 시스템은 도1에 도시한 바와 같이, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)의 배출라인(1a)에 설치되어 유로방향을 전환하는 제1삼방향 밸브(2)와, 상기 제1삼방향 밸브(2)의 일측포트(2a)에 라인을 매개로 연결된 실외 열교환기(3)와, 상기 실외 열교환기(3)의 배출라인(3a)에 설치되어 유로방향을 전환하는 제2삼방향 밸브(4)와, 상기 제2삼방향 밸브(4)의 일측포트(4a)에 라인을 매개로 순차적으로 연결된 팽창밸브(5) 및 실내 열교환기(6)와, 상기 실내 열교환기(6)와 상기 압축기(1) 사이의 라인에 설치된 수액기(7)와, 상기 수액기(7)와 상기 실내 열교환기(6) 사이의 라인에 설치되어 유로방향을 전환하는 제3삼방향 밸브(8)와, 상기 수액기(7)와 압축기(1) 사이의 라인에 설치되어 상기 실외 열교환기(3)와 상기 제2삼방향 밸브(4) 사이의 라인에 흐르는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기(9)와, 상기 제3삼방향 밸브(8)의 일측포트(8a)와 상기 제2삼방향 밸브(4)의 타측포트(4b)를 연결하는 라인에 설치되어 스택(Stack)을 냉각하는 냉각수와 열교환하는 냉각수 열교환기(10)를 포함하며, 상기 제3삼방향 밸브(8)의 타측포트(8b)는 상기 실내 열교환기(6)에 연결되는 한편 상기 제1삼방향 밸브(2)의 타측포트(2b)에 연결되어 이루어진다.
이와 같이 구성된 히트 펌프 시스템에서 냉방시에는, 압축기(1)에서 토출된 냉매는 제1삼방향 밸브(2), 실외 열교환기(3), 내부 열교환기(9), 제2삼방향 밸브(4), 팽창밸브(5), 실내 열교환기(6), 제3삼방향 밸브(8), 수액기(7) 및 내부 열교환기(9)를 순차적으로 거쳐 압축기(1)에 유입하는 순환을 이루면서 실내를 냉방하는 열교환을 하게 된다.
그리고 난방시에는, 압축기(1)에서 토출된 냉매는 제1삼방향 밸브(2), 실내 열교환기(6), 팽창밸브(5), 제2삼방향 밸브(4), 냉각수 열교환기(10), 제3삼방향 밸브(8), 수액기(7) 및 내부 열교환기(9)를 순차적으로 거쳐 압축기(1)에 유입하는 순환을 이루면서 실내를 난방하는 열교환을 하게 된다.
그런데, 히터 펌프 시스템으로 작용하는 냉동사이클 시스템은 제어가 복잡하고 히팅성능이 높지 못하므로 난방시에는 차량 내부에는 별도의 히터를 장착하여 난방하게 된다. 이때, 차량 초기 운전시에는 상기 히터가 난방성능을 발휘하기 위해서는 장시간이 걸리게 된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 차량 초기 운전시에 난기를 쉽게 얻을 수 있는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 차량 엔진 구동후 곧바로 운전가능하도록 엔진의 냉각수를 가열하여 차량 출력 및 연비를 개선하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 히터 펌프 시스템에 적용하는 경우에 스택(Stack) 냉각수와 열교환을 하여 난방열원 및 증발기 기능으로 사용할 수 있는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템은, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기의 배출라인에는 설치된 가스 쿨러와, 상기 가스쿨러의 배출라인에 순차적으로 설치된 팽창밸브 및 증발기와, 상기 증발기와 상기 압축기 사이의 라인에 설치된 수액기와, 상기 수액기와 압축기 사이의 라인에 설치된 내부 열교환기를 포함하는 냉동사이클 시스템에 있어서, 상기 압축기와 가스 쿨러 사이에는 냉동사이클을 형성하는 냉매와 엔진(E)에서 나온 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기가 설치되고, 상기 수냉매 열교환기의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터가 설치되어 있는 것을 특징 으로 한다.
본 발명의 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템은, 엔진없이 펌프(P)에 의해 냉각수가 순환하는 냉동사이클 시스템에 적용할 수도 있다.
상기 냉각수가 순환하는 라인에는 냉방시에 냉각수의 흐름을 제어하는 밸브가 설치되어 있다.
상기 수냉매 열교환기는, 냉각수가 유동하는 냉각수 유동관과, 냉매가 유동하여 상기 냉각수와 열교환하도록 상기 냉각수 유동관의 내부에 적층되게 설치된 다수의 튜브와, 방열면적을 증대하도록 상기 튜브 사이에 설치된 방열핀으로 이루어지되, 상기 냉각수 유동관의 양단은 상기 튜브가 관통하는 내부캡에 의해 막혀 있고, 상기 내부캡에는 외부캡이 각각 씌워져 그 내부에 냉매가 모여 흐르는 공간부(S1, S2)가 형성되어 있는 구조로 되어 있다.
상기 수냉매 열교환기는, 가스쿨러 또는 응축기의 헤더(H)에 인접하여 설치되어 있거나, 가스 쿨러 또는 응축기의 튜브(T)부분에 설치되어 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 제1실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템을 나타내는 시스템도로서, 엔진이 있는 경우에 수냉매 열교환기가 적용된 초임계 냉동사이클 시스템을 나타낸다.
초임계 냉동사이클은 압축기에 의해 임계상태를 초과하는 초임계상태로 압축되는 냉동사이클로서, 통상적으로 초임계 냉동사이클에 있어서는, 냉매가 압축된 이후에 대기 중으로 방열하는 과정에서 상변화를 겪지 않으므로, 이때의 방열장치 는 응축기 대신 가스쿨러라고 불리운다. 이와 같은 초임계 냉동사이클에서, 냉매 특성상 증발기를 거쳐나온 냉매는 과열도를 형성하기 어렵기 때문에 압축기에 액체 냉매가 유입되고, 이로 인한 리퀴드 백(liquid back)현상이 발생하여 압축기에 손상을 입힐 수 있다. 이를 방지하기 위해 저압측에 기액분리기를 설치하여 이를 통해 기액을 분리하고, 기체 냉매를 내부열교환기를 통과시켜 과열도를 형성하여 압축기로 보내게 된다. 이때 가스쿨러에서 나온 냉매는 상기 내부열교환기를 통과시켜 임계온도 이하로 내려 과냉각도 형성을 용이하게 한다.
도2에 도시한 바와 같이, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(20)의 배출라인에는 가스쿨러(22)가 설치되고, 상기 가스쿨러(22)의 배출라인에는 후술하는 내부 열교환기를 매개로 팽창밸브(24) 및 증발기(26)가 순차적으로 설치되며, 상기 증발기(26)와 상기 압축기(20) 사이의 라인에는 수액기(28)가 설치되고, 상기 수액기(28)와 압축기(20) 사이의 라인에는 상기 가스 쿨러(22)와 상기 팽창밸브(24) 사이의 라인에 흐르는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기(30)가 설치된다. 그리고, 상기 압축기(20)와 가스 쿨러(22) 사이에는 초임계 냉동사이클을 형성하는 냉매와, 엔진(E)에서 나온 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기(32)가 설치되고, 상기 수냉매 열교환기(32)의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터(34)가 설치되어 있다. 상기 히터(34)를 통과하는 냉각수는 엔진(E)에 유입하게 되어 있고, 상기 엔진(E)과 수냉매 열교환기(32) 사이에는 냉각수를 제어하기 위한 제1밸브(36)가 설치되어 있으며, 상기 수냉매 열교환기(32)와 상기 히터(34) 사이에는 냉각수의 흐름을 제어하도록 상기 엔진(E)에 통하는 제2밸브(38)가 설치되어 있다.
상기 압축기(20), 가스쿨러(22), 팽창밸브(24), 증발기(26), 수액기(28) 및 내부열교환기(30)는 상기 초임계 냉동사이클을 형성하는 일반적인 구성요소이므로상세한 설명은 생략한다.
상기 수냉매 열교환기(32)는 도3에 도시한 바와 같이 몸체를 이루는 냉각수 유동관(40)의 내부에 다수의 튜브(42)가 방열핀(44)을 사이에 두고 적층되어 설치된 구조이다. 상기 냉각수 유동관(40)의 양단은 상기 튜브(42)가 관통하는 내부캡(46, 46)에 의해 막혀 있고, 상기 내부캡(46, 46)에는 외부캡(48, 48)이 각각 씌워져 그 내부에 냉매가 모여 흐르는 공간부(S1, S2)가 형성되어 있다.
상기 냉각수 유동관(40)의 일측에는 이 냉각수 유동관(40)의 내부에 냉각수가 유입하는 냉각수 유입구(40a)가 형성되어 있고, 상기 냉각수 유동관(40)의 타측에는 냉각수 유동관(40)에서 냉각수가 유출하는 냉각수 유출구(40b)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 냉각수 유동관(40)의 타측에 결합된 외부캡(48)에는 상기 공간(S1)에 냉매가 유입하여 상기 다수의 튜브(42) 내부로 유입하도록 냉매 유입구(48a)가 형성되어 있고, 상기 냉각수 유동관(40)의 일측에 결합된 외부캡(48)에는 상기 다수의 튜브(42)에서 나온 냉매가 상기 공간(S2)에 모여 유출하도록 냉매 유출구(48b)가 형성되어 있다. 즉, 상기 냉각수와 냉매는 대향류로 흐르도록 냉각수 유입구(40a) 및 냉각수 유출구(40b)와, 냉매 유입구(48a) 및 냉매 유출구(48b)가 형성되어 있다.
상기 튜브(42)는 그 내부에 다수의 냉매유동구멍(42a)이 형성된 플랫관(마이크로 채널관)으로 되어 있다. 그리고, 상기 방열핀(44)은 도4에 도시한 바와 같이 상기 튜브(42)사이에 삽입되어 용착된 옵셋핀으로 되어 있다. 상기 방열핀은 도5에 도시한 바와 같이 상기 튜브(42)와 일체로 된 핀(44')으로 되어 있을 수도 있다.
도6에 도시한 바와 같이 상기 수냉매 열교환기(32)는 상기 가스 쿨러(22)의 헤더(H)에 인접하여 설치되거나, 도7에 도시한 바와 같이 수냉매 열교환기(32)는 가스 쿨러(22)의 튜브(T)부분 상측, 하측에 설치될 수 있다. 도7에서는 가스 쿨러(22)의 하측에 설치된 구조를 나타낸다.
상기 히터(34)는 공지의 히터 내부에 냉각수가 유동하여 방열하는 냉각수 유동라인 및 방열핀(도시안됨)이 형성된 구조이다.
상기 제1밸브(36)는 냉각수의 흐름을 여닫는 개폐밸브로 되어 있고, 상기 제2밸브(38)는 기존의 엔진 냉각수를 이용하여 히터로 작동시키는 경우 수냉매 쪽으로 냉각수가 유동하지 않고 직접 히터와 엔진간을 유동하도록 전환하는 유로방향전환밸브(삼방향 밸브)로 되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템은, 도2에서 실선의 화살표로 표시한 바와 같이, 압축기(20)에서 토출된 고온 고압의 냉매는 수냉매 열교환기(32)를 통과하면서 엔진(E)에서 나온 냉각수와 열교환되어 1차 냉각되고, 가스 쿨러(22)를 통과하면서 2차로 냉각되고, 내부 열교환기(30)를 통과하면서 수액기(28)에서 나온 냉매와 열교환된 후, 팽창밸브(24) 측으로 유동한다. 상기 팽창밸브(24)를 통과하면서 저온 저압으로 팽창된 냉매는 증발기(26)에서 주위의 열을 흡수하여 냉방 성능을 발휘하게 된다. 상기 증발기(26)를 통과한 냉매는 수액기(28)를 거쳐 상기 내부 열교환기(30)를 통과하면서 상기 가스 쿨러(22)에서 나온 냉매와 열교환된 후, 압축기(20)에 유입하는 냉매 사이클을 이루게 된다.
한편, 엔진(E)에서 나온 냉각수는 수냉매 열교환기(32)를 통과하면서 고온 고압의 냉매와 열교환된 후 히터(34)에 유입되어 히터(34)를 급속하게 가열시켜 난방성능을 높인다. 상기 히터(34)를 통과한 냉각수는 엔진(E)으로 회수되어 냉각수 회로를 이루게 된다. 냉방시에는 상기 제1밸브(36)를 닫아서 냉각수가 흐르지 않게 하거나, 상기 제1밸브(36)는 열고 제2밸브(38)는 냉각수의 유로방향을 엔진(E)측으로 전환하여 히터(34)로 냉각수가 유동되지 않게 한다.
상기 제1밸브(36)와 제2밸브(38)는 냉난방이외에 차량시동후 빠른 엔진가열을 위해 제어하여 냉각수를 가열하는 기능을 하게 할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 제1실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템으로, 차량 초기 운전시에 난기를 쉽게 얻을 수 있으며, 차량 엔진 구동후 곧바로 운전가능하도록 엔진의 냉각수를 가열하여 차량 출력 및 연비를 개선할 수 있게 된다.
도8은 본 발명의 제2실시예에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템으로서, 본 실시예는 엔진없이 구동하는 경우에 히터를 가열하는 난방열원으로 사용하는 실시예로서, 엔진(E) 대신 냉각수를 순환시키는 펌프(P)가 설치되며, 제2 밸브가 제거된 시스템이다. 도시한 바와 같이, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(120)의 배출라인에는 가스 쿨러(122)가 설치되고, 상기 가스쿨러(122)의 배출라인에는 후술하는 내부 열교환기를 매개로 팽창밸브(124) 및 증발기(126)가 순차적으 로 설치되며, 상기 증발기(126)와 상기 압축기(120) 사이의 라인에는 수액기(128)가 설치되고, 상기 수액기(128)와 압축기(120) 사이의 라인에는 상기 가스 쿨러(122)와 상기 팽창밸브(124) 사이의 라인에 흐르는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기(130)가 설치된다. 그리고, 상기 압축기(120)와 가스 쿨러(122) 사이에는 초임계 냉동사이클을 형성하는 냉매와, 펌프(P)에 의해 순환하는 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기(132)가 설치되고, 상기 수냉매 열교환기(132)의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터(134)가 설치되어 있다. 상기 히터(34)를 통과하는 냉각수는 엔진(E)에 유입하게 되어 있고, 상기 펌프(P)과 수냉매 열교환기(32) 사이에는 냉각수를 제어하기 위한 제1밸브(136)가 설치되어 있다.
본 실시예(제2실시예)는 수냉매 열교환기(132)에서 데워진 냉각수가 히터(134)를 가열하는 시스템으로서, 냉방시에는 상기 제1밸브(136)를 닫아서 냉각수가 흐르지 않게 한다. 제2실시예의 나머지 구성은 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 본 실시예(제2실시예)는 엔진없이 구동하는 경우에 난방열원으로 사용할 수 있는 시스템이다.
본 발명에 의한 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템은, 차량 엔진 구동후 곧바로 운전가능하도록 엔진의 냉각수를 가열하여 차량 출력 및 연비를 개선하고, 차량 초기 운전시에 난기를 쉽게 얻을 수 있으며, 엔진없이 구동하는 경우에 난방열원으로 사용할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기의 배출라인에는 설치된 가스 쿨러와, 상기 가스쿨러의 배출라인에 순차적으로 설치된 팽창밸브 및 증발기와, 상기 증발기와 상기 압축기 사이의 라인에 설치된 수액기와, 상기 수액기와 압축기 사이의 라인에 설치된 내부 열교환기를 포함하는 냉동사이클 시스템에 있어서,
    상기 압축기와 가스 쿨러 사이에는 냉동사이클을 형성하는 냉매와 엔진(E)에서 나온 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기가 설치되고,
    상기 수냉매 열교환기의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
  2. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기의 배출라인에는 설치된 가스 쿨러와, 상기 가스쿨러의 배출라인에 순차적으로 설치된 팽창밸브 및 증발기와, 상기 증발기와 상기 압축기 사이의 라인에 설치된 수액기와, 상기 수액기와 압축기 사이의 라인에 설치된 내부 열교환기를 포함하는 냉동사이클 시스템에 있어서,
    상기 압축기와 가스 쿨러 사이에는 냉동사이클을 형성하는 냉매와 펌프(P)에 의해 순환하는 냉각수와 열교환되는 수냉매 열교환기가 설치되고,
    상기 수냉매 열교환기의 냉각수 배출라인에는 차량을 난방하기 위한 히터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각수가 순환하는 라인에는 냉방시에 냉각수의 흐름을 제어하는 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기는,
    냉각수가 유동하는 냉각수 유동관과,
    냉매가 유동하여 상기 냉각수와 열교환하도록 상기 냉각수 유동관의 내부에 적층되게 설치된 다수의 튜브와,
    방열면적을 증대하도록 상기 튜브 사이에 설치된 방열핀으로 이루어지되,
    상기 냉각수 유동관의 양단은 상기 튜브가 관통하는 내부캡에 의해 막혀 있고, 상기 내부캡에는 외부캡이 각각 씌워져 그 내부에 냉매가 모여 흐르는 공간부(S1, S2)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기는 가스쿨러 또는 응축기의 헤더(H)에 인접하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기는 가스 쿨러 또는 응축기의 튜브(T)부분에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수냉매 열교환기를 가진 냉동사이클 시스템.
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