KR101015640B1 - 차량용 공조시스템 - Google Patents

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KR101015640B1
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Abstract

본 발명은 차량용 공조시스템에 관한 것으로서, 냉/난방모드의 전환 및 제습난방모드의 수행이 가능하고, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 공조시스템에 있어서, 냉매와 냉각수를 열교환시킴으로써, 사이클의 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 차량용 공조시스템은, 압축기(100)와; 냉각용 실내 열교환기(202)와; 냉매를 응축시키는 실외 열교환기(400)와; 가열용 실내 열교환기(200)와; 상기 실외 열교환기로부터 냉각용 실내 열교환기로 공급되는 냉매 또는 가열용 실내 열교환기로부터 실외 열교환기로 공급되는 냉매를, 압축기로 복귀하는 냉매와 열교환시키는 내부 열교환기(404)와; 상기 내부 열교환기와 냉각용 실내 열교환기와의 사이에 설치되는 어큐물레이터(Accumulator, 600)와; 차량을 구동하는 구동장치(520)를 냉각수에 의해 냉각하는 냉각장치(500)와; 상기 압축기로부터 실외 열교환기로 공급되는 냉매 또는 실외 열교환기로부터 압축기로 복귀하는 냉매와, 상기 냉각장치를 순환하는 냉각수를 열교환시키는 2종 열교환기(402)와; 냉매의 유로를 전환하는 유로제어수단(B1, B2, B3);을 포함하여 이루어진다.
공조, 공기조화, 히트펌프, 이산화탄소, 연료전지, 냉각수, 냉매

Description

차량용 공조시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM FOR VEHICLE}
도 1은, 종래의 냉/난방모드(Mode) 전환이 가능한 차량용 공조시스템의 일 예를 나타내는 구성도이다.
도 2는, 종래의 냉/난방모드 전환이 가능한 차량용 공조시스템의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템에 있어서, 냉방모드시 열교환매체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템에 있어서, 난방모드시 열교환매체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템에 있어서, 제습난방모드시 열교환매체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템에 있어서, 제습난방모드시 열교환매체의 다른 흐름을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 압축기, 200 : 가열용 실내 열교환기,
202 : 냉각용 실내 열교환기, 300 : 제1 팽창밸브,
302 : 제2 팽창밸브, 304 : 체크밸브,
400 : 실외 열교환기, 402 : 2종 열교환기,
404 : 내부 열교환기, 500 : 냉각장치,
510 : 방열기, 520 : 구동장치,
600 : 어큐물레이터(Accumulator),
B1, B2, B3 : 유로제어수단.
본 발명은 차량용 공조시스템에 관한 것으로서, 특히 냉/난방모드(Mode)의 전환 및 제습난방모드의 수행이 가능하고, 냉매와 냉각수를 열교환시킴으로써 사이클(Cycle)의 효율을 증대시킬 수 있는 차량용 공조시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 공조시스템은, 냉방시스템과 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 대표적인 냉방시스템은, 압축기의 구동에 의하여 토출되는 열교환매체, 즉 냉매가 응축기, 리시버 드라이어(Receiver Dryer), 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환하는 과정에서, 송풍공기를 증발기쪽에서 열교환시켜 냉기로 바꾸어 차량의 실내로 공급함으로써, 차량의 실내를 냉방하는 시스템이다. 또한, 대표 적인 난방시스템은, 엔진에서 발생하는 열을 냉각하는 냉각수가 순환하는 히터코어(Heater Core)쪽에서 송풍공기를 열교환시켜 온기로 바꾸어 차량의 실내로 공급함으로써, 차량의 실내를 난방하는 시스템이며, 내연기관 차량에 적용된다.
그런데, 추운 날씨에 차량을 난방하는 경우, 엔진(Engine)을 시동한 때부터 냉각수가 가열될 때까지는 상당한 시간이 소요되므로, 초기난방효율이 저하되는 문제가 있다.
이 문제를 해결하기 위하여, 엔진의 열을 이용하여 공기를 가열하지 않고, 냉매의 열을 이용하여 공기를 가열하는 공조시스템이 개발되고 있다. 이러한 공조시스템은, 비용절감 및 컴팩트(Compact)한 디자인(Design)을 위하여, 기존의 냉동사이클을 구성하는 부품을 사용하여 냉/난방모드의 전환이 가능하도록 구성되는 것이 일반적이다.
그런데, 이러한 공조시스템에 있어서, 예컨대 -20℃∼-30℃의 추운 날씨에, 열교환매체로서 R134와 같은 냉매를 사용하여 차량 내부의 온도를 10℃ 이상으로 난방하는 경우, 압축기에서의 냉매 압축비가 커지게 되어 압축기의 용량 및 성능이 커야 하는 문제점이 발생하게 된다.
한편, 전기차량용 공조시스템의 경우에는, 내연기관 차량에서와는 달리 냉각수가 순환하는 히터코어가 사용되지 않기 때문에, 그 구성이 내연기관 차량용 공조시스템과는 다르며, 주로 냉/난방모드를 전환할 수 있는 히트펌프(Heat Pump) 구조의 공조시스템이 전기차량에 적용된다.
따라서, 작동압축비가 낮아 압축효율이 우수한 점과, 우수한 열전달 특성 때 문에, 이산화탄소와 같은 냉매를 사용할 수 있는 한편, 냉/난방모드를 전환할 수 있고, 전기차량은 물론 내연기관 차량에도 적용될 수 있는 공조시스템이 최근 활발히 연구되고 있다.
도 1은 종래 냉/난방모드의 전환이 가능한 차량용 공조시스템의 일 예를 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이 차량용 공조시스템은, 공조케이스(U)에 내장된 냉각용 실내 열교환기(22)로부터 공급되는 냉매를 압축하는 압축기(10)와; 상기 공조케이스(U)에 내장되어 압축기(10)로부터 공급되는 냉매를 방열시키는 가열용 실내 열교환기(20)과, 상기 가열용 실내 열교환기(20)로부터 배출되는 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브(30)와, 상기 제1 팽창밸브(30)로부터 팽창된 냉매를 응축시키는 실외 열교환기(40)와; 그리고, 상기 실외 열교환기(40)로부터 냉각용 실내 열교환기(22)쪽으로 공급되는 냉매와, 상기 냉각용 실내 열교환기(22)로부터 압축기(10)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기(42);를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 냉각용 실내 열교환기(22)와 내부 열교환기(42)와의 사이에는, 냉매의 기액을 분리하기 위한 어큐물레이터(Accumulator, 60)가 설치되는 것이 일반적이다.
또한, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 내부 열교환기(42)와 냉각용 실내 열교환기(22)와의 사이에는 삼방향밸브와 같은 유로제어수단(B)이 설치되고, 상기 유로제어수단(B)과 냉각용 실내 열교환기(22)와의 사이에는 제2 팽창밸브(32)가 설치된다.
상기 유로제어수단(B)으로부터 냉각용 실내 열교환기(22)를 거쳐 어큐물레이터(60)에 이르는 점선으로 표시된 유로는, 제습유로(C)를 의미한다.
또한, 공조케이스(U)의 입구측에는 내기 또는 외기를 도입하여, 공조케이스(U)에 내장된 열교환기들(20, 22)쪽으로 공기를 송풍하는 송풍기(P)가 설치된다.
상기한 바와 같은 차량용 공조시스템의 작용중 난방모드를 설명하면, 압축기(10)에 의해 압축된 냉매는 가열용 실내 열교환기(20)를 거치면서 송풍기(P)에 의해 송풍되는 공기(즉, 내기 또는 외기)와 열교환됨으로써 방열된다. 따라서, 송풍공기는 온기로 바뀌어 공조케이스(U)의 개방된 출구(Vent)를 통해 차량의 실내로 토출됨으로써 차량 실내의 난방이 수행될 수 있다. 상기 가열용 실내 열교환기(20)를 거친 냉매는, 제1 팽창밸브(30)를 경유하여 실외 열교환기(40)를 거치면서 응축된 다음, 내부 열교환기(42), 유로제어수단(B), 어큐물레이터(60), 내부 열교환기(42)를 차례로 거쳐 압축기(10)로 복귀한다.
이 과정에서, 운전자가 차량 내의 습기를 제거하기 위하여 제습모드를 선택하게 되면, 실 외열교환기(40)로부터 내부 열교환기(42)를 거친 냉매는, 유로제어수단(B)의 유로전환에 의해 유로제어수단(B)을 거쳐 냉각용 실내 열교환기(22)쪽으로 유동하고, 어큐물레이터(60) 및 내부 열교환기(42)를 거쳐 압축기(10)로 복귀하게 된다. 이 과정에서, 냉각용 실내 열교환기(22)를 흐르는 냉매와, 송풍기(P)에 의한 송풍공기가 열교환되므로, 송풍공기가 냉각된다. 따라서, 송풍공기 중에 포함된 수증기는 상기 냉각용 실내 열교환기(22)의 표면에 응결하여 제거되므로, 제습모드가 수행될 수 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 차량용 공조시스템에 있어서, 상기 실외 열교환기(40)는 외기와 접촉하도록 설치되므로, 외기 중에 포함된 수증기가 실외 열교환기(40)의 표면에 응결될 수 있다. 이 때문에, 외기의 온도가 영하인 경우에는 응결된 수증기가 어는 착상현상이 발생하여 열교환 성능이 저하하는 문제점이 있다.
한편, 도 2에는 종래의 냉/난방모드 전환이 가능한 차량용 공조시스템의 다른 예가 도시되어 있다. 이 공조시스템은, 내연기관 차량에 있어서 엔진 냉각수를 이용하도록 이루어진 것으로서, 도 1에 도시된 차량용 공조시스템과 그 구성이 대동소이하고, 그 작용에만 일부 차이가 있으므로, 전술한 예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일부호를 붙여 나타낸다.
본 예의 공조시스템에 있어서 난방모드를 설명하면, 압축기(10)에 의해 압축된 냉매는 가열용 실내 열교환기(20)를 거치면서 송풍기(P)에 의한 송풍공기와 열교환됨으로써 방열된다. 따라서, 송풍공기는 온기로 바뀌어 차량 실내로 토출됨으로써 차량 실내의 난방이 수행될 수 있다. 상기 가열용 실내 열교환기(20)를 거친 냉매는, 유로제어수단(B) 및 제1 팽창밸브(30)를 경유하여 실외 열교환기(40)를 거치면서 엔진냉각수 순환유로를 통해 실외 열교환기(40)를 거치는 냉각수와 열교환된 후, 어큐물레이터(60)를 거쳐 압축기로 복귀한다. 이 과정에서, 제습모드를 선택하게 되면, 가열용 실내 열교환기(20)로부터 배출되는 냉매는, 유로제어수단(B)의 유로전환에 의해 유로제어수단(B), 제2 팽창밸브(32)를 거쳐 냉각용 실내 열교환기(22)로 공급된다. 따라서, 송풍공기와 냉각용 실내 열교환기(22)를 거치는 냉매가 열교환됨으로써, 송풍공기가 냉각에 의해 제습될 수 있다. 상기 냉각용 실내 열교환기(22)를 거친 냉매는, 어큐물레이터(60)를 거쳐 압축기(10)로 복귀하게 된다.
그런데, 본 예의 공조시스템에 있어서, 냉방모드일 경우에도 가열용 실내 열교환기(20)를 냉매가 유동하므로 냉방효율이 떨어지고, 상기 가열용 실내 열교환기(20)의 표면에 수증기가 응결되며, 그와 함께 공기 중의 먼지 등의 이물질이 부착된다. 이 상태에서, 난방모드로 전환하게 되면, 상기 가열용 실내 열교환기(20)의 표면이 가열되어 그 표면에 부착된 이물질이 타서 악취가 발생할 수 있으며, 수증기가 증발하여 차창에 플래시포깅(Flash fogging)현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 냉/난방모드의 전환 및 제습난방모드의 수행이 가능하고, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 공조시스템에 있어서, 냉매와 냉각수를 열교환시킴으로써, 사이클의 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템은, 기상의 냉매를 압축하는 압축기와; 냉방모드시 제1 팽창밸브에 의해 교축된 냉매를 증발시키면서 공기를 냉각하며, 난방/제습모드시 공기중의 습도를 감소시키는 냉각용 실내 열교환기와; 냉방모드시 고온고압의 냉매를 냉각시키는 실외 열교환기와; 난방 모드시 고온고압의 냉매가 냉각되면서 공기를 가열하는 가열용 실내 열교환기와; 고온고압의 냉매와 저온저압의 냉매를 상호 열교환시켜, 사이클의 성능을 향상시키는 내부 열교환기와; 기상의 냉매만을 압축기로 보내기 위한 어큐물레이터와; 차량을 구동하는 구동장치를 냉각시키는 냉각장치와; 상기 냉각장치를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 2종 열교환기와; 상기 압축기에서 토출된 냉매가, 상기 실외 열교환기 및 상기 내부 열교환기를 지나 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 공기를 냉각하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제1 냉매순환경로와; 상기 압축기에서 토출된 냉매가, 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가열한 후, 상기 내부 열교환기를 지나 상기 실외 열교환기를 거쳐 제2 팽창밸브에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제2 냉매순환경로와; 그리고, 상기 제1 냉매순환경로 및 제2 냉매순환경로를 선택적으로 전환하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제어수단은, 상기 내부 열교환기, 냉각용 실내 열교환기 및 가열용 실내 열교환기간의 유로를 전환하는 제1 유로제어수단과; 상기 어큐물레이터, 냉각용 실내 열교환기 및 2종 열교환기간의 유로를 전환하는 제2 유로제어수단과; 그리고, 상기 압축기, 가열용 실내 열교환기, 제2 유로제어수단 및 2종 열교환기간의 유로를 전환하는 제3 유로제어수단;을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 유로제어수단 및 제2 유로제어수단으로는 삼방향밸브가 각각 채용되고, 제3 유로제어 수단으로는 사방향밸브가 채용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템은, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가열한 후, 상기 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 압축기로 유입되는 제3 냉매순환경로를 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템은, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가열한 후, 일부 냉매는, 상기 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 압축기로 유입되며, 나머지 냉매는, 상기 내부 열교환기를 지나 상기 실외 열교환기를 거쳐 상기 제2 팽창밸브에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제4 냉매순환경로를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 구동장치는 연료전지를 그 구동원으로 하고, 상기 냉각장치는, 상기 연료전지의 스택(Stack)을 순환하는 냉각수를 냉각시키는 방열기를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉매는 이산화탄소인 것이 바람직하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 3에는 본 발명에 따른 차량용 공조시스템이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템은, 기상의 냉매를 압축하는 압축기(100)와, 냉방모드시 제1 팽창밸브(300)에 의해 교축된 냉매를 증발시키면서 공기를 냉각하고, 난방/제습모드시 공기중의 습도를 감소시키는 냉각용 실내 열교환기(202)와, 냉방모드시 고온고압의 냉매를 냉각시키는 실외 열교환기(400)와, 그리고 난방모드시 고온고압의 냉매가 냉각되면서 공기를 가열하는 가열용 실내 열교환기(200)를 구비한다. 본 발명에 있어서, 상기 냉매로 이산화탄소가 채용되는 것이 바람직하다.
상기 압축기(100)는, 복귀하는 냉매를 고온고압으로 압축하여 냉각용 실내 열교환기(202) 또는 가열용 실내 열교환기(200)로 공급하게 된다. 상기 냉각용 실내 열교환기(202) 및 가열용 실내 열교환기(200)는 내부로 공기를 송풍할 수 있도록 입구에 송풍기(P)가 설치되고, 출구에 차량 실내로 공기를 토출시키는 벤트(V)가 설치된 공조케이스(U)에 내장된다. 상기 냉각용 실내 열교환기(202)는 공기송풍방향에 대하여 상류측에 설치되고, 가열용 실내 열교환기(200)는 공기송풍방향에 대하여 하류측에 설치된다. 또한, 상기 공조케이스(U)중 냉각용 실내 열교환기(202)와 가열용 실내 열교환기(200)와의 사이에는 냉각용 실내 열교환기(202)를 거 친 공기의 송풍방향을 가열용 실내 열교환기(200)쪽이나 가열용 실내 열교환기(200)를 우회하는 쪽으로 제어하는 온도조절도어(D)가 설치된다.
따라서, 냉방모드일 경우, 송풍기(P)에 의해 송풍되는 공기가 냉각용 실내 열교환기(202)를 유동하는 냉매와 열교환되어 냉각된 상태로 개방된 벤트(V)를 통해 차량 실내로 토출됨으로써, 차량 실내의 냉방이 수행된다. 또한, 난방모드일 경우, 송풍기(P)에 의해 송풍되는 공기가 가열용 실내 열교환기(200)를 유동하는 냉매와 열교환되어 가열된 상태로 개방된 벤트(V)를 통해 차량 실내로 토출됨으로써, 차량 실내의 난방이 수행된다. 이 냉/난방모드의 수행과정에서, 가열용 실내 열교환기(200)에 대한 온도조절도어(D)의 개도 조절에 의하여 공기의 온도가 조절된다.
한편, 참조부호 404는 내부 열교환기로서, 고온고압의 냉매와 저온저압의 냉매를 상호 열교환시켜, 사이클의 성능을 향상시키도록 제공된다. 즉, 상기 내부 열교환기(404)는, 상기 실외 열교환기(400)로부터 냉각용 실내 열교환기(202)로 공급되는 냉매 또는 가열용 실내 열교환기(200)로부터 실외 열교환기(400)로 공급되는 냉매를, 압축기(100)로 복귀하는 냉매와 열교환시키도록 설치된다.
또한, 상기 내부 열교환기(404)와 냉각용 실내 열교환기(202)와의 사이에는 어큐물레이터(600)가 설치되며, 이 어큐물레이터(600)는 압축기(100)의 액압축현상을 방지할 수 있도록, 기상냉매만을 압축기(100)로 공급하는 기능을 한다.
참조부호 500은 냉각장치로서, 차량을 구동하는 구동장치(520)를 냉각수에 의해 냉각하도록 되어 있다. 이 냉각장치(500)는, 구동장치(520)로부터 발생하는 열을 냉각수에 의해 방열시키는 방열기(510)를 포함하여 이루어진다. 예컨대, 상기 구동장치(520)로는 전기차량용 연료전지를 그 구동원으로 하거나, 내연기관 차량용 엔진이 채용될 수 있다. 따라서, 연료전지가 상기 구동장치(520)의 구동원일 경우에는, 방열기(510)는 연료전지 스택(Stack)을 순환하는 냉각수를 냉각하게 된다.
본 발명에 따른 차량용 공조시스템은, 상기 냉각장치(500)를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키기 위한 2종 열교환기(402)를 가진다. 상기 2종 열교환기(402)는, 압축기(100)로부터 실외 열교환기(400)로 공급되는 냉매 또는 실외 열교환기(400)로부터 압축기(100)로 복귀하는 냉매와, 상기 냉각장치(500)를 순환하는 냉각수를 열교환시키도록 되어 있다.
또한, 상기 실외 열교환기(400)와 2종 열교환기(402)와의 사이에는, 제2 팽창밸브(302)가 설치된다. 이 제2 팽창밸브(302)는, 예컨대 난방모드나 제습난방모드일 경우, 실외 열교환기(400)로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 2종 열교환기(402)로 공급하는 기능을 한다. 또한, 상기 실외 열교환기(400)와 2종 열교환기(402)와의 사이에, 상기 제2 팽창밸브(302)와 병렬구조로 실외 열교환기(400)로부터 2종 열교환기(402)쪽으로 냉매가 흐르는 것을 차단하는 체크밸브(304)가 더 설치된다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 압축기(100)에서 토출된 냉매가, 상기 실외 열교환기(400) 및 상기 내부 열교환기(404)를 지나 제1 팽창밸브(300)에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기(202)에서 증발되면서 공기를 냉각하고, 상기 어큐물레이터(600) 및 상기 내부 열교환기(404)를 거쳐 상기 압축기(100)로 유입되는 제1 냉매순환경로와; 상기 압축기(100)에서 토출된 냉매가, 상기 가열용 실내 열교 환기(200)에서 공기를 가열한 후, 상기 내부 열교환기(404)를 지나 상기 실외 열교환기(400)를 거쳐 제2 팽창밸브(302)에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기(402)에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터(600) 및 상기 내부 열교환기(404)를 거쳐 상기 압축기(100)로 유입되는 제2 냉매순환경로;의 유로를 선택적으로 전환할 수 있도록 하기 위하여, 제어수단이 구비된다.
즉, 상기 제어수단은, 냉방모드, 난방모드 등 각종 공조모드를 선택적으로 수행하도록 냉매의 유로를 전환하는 것으로서, 상기 내부 열교환기(404), 냉각용 실내 열교환기(202) 및 가열용 실내 열교환기(200)간의 유로를 전환하는 제1 유로제어수단(B1)과, 상기 어큐물레이터(600), 냉각용 실내 열교환기(202) 및 2종 열교환기(402)간의 유로를 전환하는 제2 유로제어수단(B2)과, 그리고 상기 압축기(100), 가열용 실내 열교환기(200), 제2 유로제어수단(B2) 및 2종 열교환기(402)간의 유로를 전환하는 제3 유로제어수단(B3)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 냉매순환경로는, 냉방모드일 경우의 냉매순환경로를 의미하며, 상기 제2 냉매순환경로는 난방모드일 경우의 냉매순환경로를 의미하는데, 예컨대, 냉방모드일 경우, 제1 유로제어수단(B1)은 내부 열교환기(404)와 냉각용 실내 열교환기(202)가 통하도록 유로를 전환하고, 제2 유로제어수단(B2)은 냉각용 실내 열교환기(202)와 어큐물레이터(600)가 통하도록 유로를 전환하며, 제3 유로제어수단(B3)은 압축기(100)와 2종 열교환기(402)가 통하도록 유로를 전환한다.
상기 제1 유로제어수단(B1) 및 제2 유로제어수단(B2)으로는 삼방향밸브가 각각 채용될 수 있고, 제3 유로제어수단(B3)으로는 사방향밸브가 채용될 수 있다.
또한, 상기 제어수단에 의하여, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가열한 후, 상기 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 압축기로 유입되는 제3 냉매순환경로와; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가열한 후, 일부 냉매는, 상기 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 압축기로 유입되며, 나머지 냉매는, 상기 내부 열교환기를 지나 상기 실외 열교환기를 거쳐 상기 제2 팽창밸브에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제4 냉매순환경로;를 선택적으로 전환할 수 있다. 즉, 상기 제3 냉매순환경로 및 제4 냉매순환경로는 난방과 함께 제습이 수행되는 제습난방모드일 경우의 냉매순환경로를 의미한다.
다음에, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량용 공조시스템의 작용에 대하여 설명한다.
<냉방모드>
냉방모드가 수행될 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 유로제어수단(B1)에 의하여 내부 열교환기(404)와 냉각용 실내 열교환기(202)가 통하도록 유로가 전환되고, 제2 유로제어수단(B2)에 의하여 냉각용 실내 열교환기(202)와 어큐물레이터(600)가 통하도록 유로가 전환되며, 제3 유로제어수단(B3)에 의하여 압축기(100)와 2종 열교환기(402)가 통하도록 유로가 전환된다. 또한, 온도조절도어(D)는 가열용 실내 열교환기(200)쪽으로 선회한다.
따라서, 냉매는 제1 냉매순환경로를 통하여 순환한다. 즉, 압축기(100)에 의하여 압축된 냉매는, 제3 유로제어수단(B3)을 통하여 2종 열교환기(402)로 공급된다. 이 2종 열교환기(402)에 공급된 냉매는 냉각장치(500)를 순환하는 냉각수와 열교환되어 냉각된 다음 체크밸브(304)를 거쳐 실외 열교환기(400)로 유입된다. 상기한 바와 같이, 냉매와 냉각수가 열교환됨에 따라, 실외 열교환기(400)를 거치는 냉매는 효율좋게 응축될 수 있으며, 이와 같이 응축된 냉매는, 내부 열교환기(404), 제1 유로제어수단(B1), 팽창밸브를 거쳐 냉각용 실내 열교환기(202)로 공급된다.
상기 냉각용 실내 열교환기(202)를 거치는 냉매는 송풍기(P)에 의하여 송풍되는 공기와 열교환되면서 상기 송풍공기의 열을 빼앗아 증발되고, 이와 같이 증발된 냉매는 제2 유로제어수단(B2), 어큐물레이터(600)를 거친 후, 내부 열교환기(404)를 거치면서 실외 열교환기(400)로부터 냉각용 실내 열교환기(202)로 공급되는 냉매와 열교환된 다음, 압축기(100)로 복귀한다. 즉, 압축기(100)로 복귀하는 냉매와, 냉각용 실내 열교환기(202)로 공급되는 냉매가 열교환됨으로써 냉매의 증발효율을 높일 수 있는 것이다. 그리고, 냉각용 실내 열교환기(202)를 유동하는 냉매와의 열교환에 의하여 냉기로 바뀐 송풍공기는 개방된 벤트(V)를 통해 차량 실내로 토출됨으로써, 차량 실내의 냉방이 수행될 수 있다.
<난방모드>
난방모드가 수행될 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 유로제어수단(B1)에 의하여 내부 열교환기(404)와 냉각용 실내 열교환기(202)가 통하도록 유로가 전환되고, 제2 유로제어수단(B2)에 의하여 어큐물레이터(600)와 제3 유로제어수단(B3)이 통하도록 유로가 전환된다. 한편, 제3 유로제어수단(B3)에 의해서는, 제2 유로제어수단(B2)과 2종 열교환기(402)가 통하도록 유로가 전환됨과 아울러, 압축기(100)와 가열용 실내 열교환기(200)가 통하도록 유로가 전환된다. 또한, 온도조절도어(D)는 가열용 실내 열교환기(200)쪽을 개방하도록 선회한다.
따라서, 냉매는 제2 냉매순환경로를 통하여 순환한다. 즉, 압축기(100)에 의하여 압축된 냉매는, 제3 유로제어수단(B3)을 통하여 가열용 실내 열교환기(200)로 공급된다. 이 냉매는, 가열용 실내 열교환기(200)를 거치면서 송풍기(P)에 의하여 송풍되는 공기와 열교환되어 방열된다. 따라서, 상기 송풍공기는 온기로 바뀐 채 개방된 벤트(V)를 통하여 차량 실내로 토출됨으로써, 차량 실내의 난방이 수행될 수 있다.
한편, 가열용 실내 열교환기(200)를 거친 냉매는 제1 유로제어수단(B1)을 통하여 내부 열교환기(404)로 공급된다. 이 냉매는, 후술하겠지만 내부 열교환기(404)를 거치면서 압축기(100)로 복귀하는 냉매와 열교환된 다음, 실외 열교환기(400)를 거치면서 응축된다. 이 응축과정에서, 실외 열교환기(400)에는 압축기(100)로 복귀하는 냉매에 의해 열교환되어 가열된 냉매가 유입되므로, 혹한기에 실외 열교환기(400)의 표면에 수증기가 응결되어 응축을 방해하는 현상을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 응축된 냉매는, 제2 팽창밸브(302)를 통해 2종 열교환기(402)를 거치면서 냉각장치(500)를 순환하는 냉각수와 열교환되면서 증발된다. 상기한 바와 같이 증발된 냉매는, 제3 유로제어수단(B3), 제2 유로제어수단(B2), 어큐물레이터(600) 및 내부 열교환기(404)를 차례로 거친 후, 압축기(100)로 복귀한다. 즉, 2종 열교환기(402)에서 냉각수의 열에 의하여 냉매가 증발된 후, 압축기(100)로 복귀함으로써 압축효율을 높일 수 있는 것이다.
<제습난방모드 1>
본 제습난방모드는 난방모드를 유지하면서 제습을 하고자 할 경우에 수행된다. 즉, 이 제습난방모드가 수행될 경우에는 도 3에 점선으로 도시된 유로를 통하여 냉매가 유동하여, 냉각용 실내 열교환기(202)에도 냉매가 흐르게 된다.
이 제습난방모드가 수행될 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각용 실내 열교환기(202)와 가열용 실내 열교환기(200)가 통하도록 유로가 전환되고, 제2 유로제어수단(B2)에 의하여 어큐물레이터(600)와 냉각용 실내 열교환기(202)가 통하도록 유로가 전환되며, 제3 유로제어수단(B3)에 의하여 압축기(100)와 가열용 실내 열교환기(200)가 통하도록 유로가 전환된다. 또한, 온도조절도어(D)는 가열용 실내 열교환기(200)쪽을 개방하도록 선회한다.
따라서, 냉매는 제3 냉매순환경로를 통하여 순환한다. 즉, 압축기(100)에 의하여 압축된 냉매는 제3 유로제어수단(B3)을 통하여 가열용 실내 열교환기(200)로 공급되어 송풍공기와 열교환되고, 이에 따라 가열된 송풍공기가 차량 실내로 토출 됨으로써 난방이 수행된다. 상기 송풍공기와의 열교환에 의해 냉각된 냉매는 제1 유로제어수단(B1)을 통하여 제1 팽창밸브(300)로 공급되고, 이 냉매는 상기 제1 팽창밸브(300)를 거치면서 팽창되어 냉각용 실내 열교환기(202)로 공급된다. 냉각용 실내 열교환기(202)에 공급된 냉매는 송풍공기와의 열교환에 의하여 증발되고, 이 과정에서 상기 송풍공기 중에 포함된 수증기는 상기 냉각용 실내 열교환기(202)의 표면에 응결하여 제거되므로, 제습모드가 수행될 수 있는 것이다.
상기 냉각용 실내 열교환기(202)로부터 배출되는 냉매는, 제2 유로제어수단(B2), 어큐물레이터(600) 및 내부 열교환기(404)를 거쳐 압축기(100)로 복귀한다.
<제습난방모드 2>
난방모드를 유지하면서 제습을 수행하는 제습난방모드의 다른 예가 도 7에 도시되어 있다.
본 제습난방모드는, 전술한 난방모드 및 제습난방모드 1이 복합적으로 수행되는 모드로 볼 수 있다. 즉, 본 제습난방모드일 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 전술한 모드들과는 달리 가열용 실내 열교환기(200)로부터 배출되는 냉매가 제1 유로제어수단(B1)에 의하여 냉각용 실내 열교환기(202) 및 내부 열교환기(404)쪽으로 분기되어 흐르도록 유로가 제어된다. 제2 유로제어수단(B2)에 의해서는, 어큐물레이터(600)와 제3 유로제어수단(B3)이 통하도록 유로가 전환된다. 한편, 제3 유로제어수단(B3)에 의해서는, 제2 유로제어수단(B2)과 2종 열교환기(402)가 통하도록 유로가 전환됨과 아울러, 압축기(100)와 가열용 실내 열교환기(200)가 통하도록 유로 가 전환된다. 또한, 온도조절도어(D)는 가열용 실내 열교환기(200)쪽을 개방하도록 선회한다.
따라서, 냉각용 실내 열교환기(202) 및 가열용 실내 열교환기(200)에 대한 냉매의 출입이 전술한 제습난방모드 1과 같이 수행되는 한편, 가열용 실내 열교환기(200)로부터 배출되는 냉매는, 전술한 난방모드와 같은 경로를 통하여 압축기(100)로 복귀하게 된다. 즉, 이 경우에는, 제4 냉매순환경로를 통하여 냉매가 순환하게 되는 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량용 공조시스템에 의하면, 냉방모드일 경우에, 2종 열교환기(402)에 의해 응축효율을 높임과 아울러, 내부 열교환기(404)에 의해 증발효율이 향상되도록 함으로써, 냉방성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 냉방모드일 경우에, 가열용 실내 열교환기(200)를 냉매가 유동하지 않아, 가열용 실내 열교환기(200)의 표면에 수증기가 응결되거나, 공기 중의 먼지 등의 이물질이 부착되는 현상이 방지되므로, 이 상태에서 난방모드로 전환한다 할 지라도 가열용 실내 열교환기(200)의 가열에 의하여 종래 문제시되었던 악취발생문제 및 플래시포깅현상을 해결할 수 있다.
또한, 난방모드 또는 제습난방모드일 경우, 내부 열교환기(404)에 의하여 열교환된 냉매가 실외 열교환기(400)로 공급되어 응축되도록 함으로써, 실외 열교환 기(400)에 수증기가 응결되어 응축효율을 저해하는 현상을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기상의 냉매를 압축하는 압축기(100)와;
    냉방모드시 제1 팽창밸브(300)에 의해 교축된 냉매를 증발시키면서 공기를 냉각하며, 난방/제습모드시 공기중의 습도를 감소시키는 냉각용 실내 열교환기(202)와;
    냉방모드시 고온고압의 냉매를 냉각시키는 실외 열교환기(400)와;
    난방모드시 고온고압의 냉매가 냉각되면서 공기를 가열하는 가열용 실내 열교환기(200)와;
    고온고압의 냉매와 저온저압의 냉매를 상호 열교환시켜, 사이클의 성능을 향상시키는 내부 열교환기(404)와;
    기상의 냉매만을 압축기로 보내기 위한 어큐물레이터(600)와;
    차량을 구동하는 구동장치를 냉각시키는 냉각장치(500)와;
    상기 냉각장치를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 2종 열교환기(402)와;
    상기 압축기에서 토출된 냉매가, 상기 실외 열교환기 및 상기 내부 열교환기를 지나 제1 팽창밸브에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기에서 증발되면서 공기를 냉각하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제1 냉매순환경로와;
    상기 압축기에서 토출된 냉매가, 상기 가열용 실내 열교환기에서 공기를 가 열한 후, 상기 내부 열교환기를 지나 상기 실외 열교환기를 거쳐 제2 팽창밸브에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 유입되는 제2 냉매순환경로와; 그리고,
    상기 제1 냉매순환경로 및 제2 냉매순환경로를 선택적으로 전환하는 제어수단;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(100)에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기(200)에서 공기를 가열한 후, 상기 제1 팽창밸브(300)에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기(202)에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터(600) 및 상기 내부 열교환기(404)를 거쳐 압축기(100)로 유입되는 제3 냉매순환경로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기(100)에서 토출된 냉매가 상기 가열용 실내 열교환기(200)에서 공기를 가열한 후, 일부 냉매는, 상기 제1 팽창밸브(300)에 의해 교축된 후, 상기 냉각용 실내 열교환기(202)에서 증발되면서 제습하고, 상기 어큐물레이터(600) 및 상기 내부 열교환기(404)를 거쳐 압축기(100)로 유입되며,
    나머지 냉매는, 상기 내부 열교환기(404)를 지나 상기 실외 열교환기(400)를 거쳐 상기 제2 팽창밸브(302)에서 교축된 후, 상기 2종 열교환기(402)에서 냉각수와 열교환하고, 상기 어큐물레이터(600) 및 상기 내부 열교환기(404)를 거쳐 상기 압축기(100)로 유입되는 제4 냉매순환경로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동장치(520)는 연료전지를 그 구동원으로 하고,
    상기 냉각장치(500)는 상기 연료전지의 스택(Stack)을 순환하는 냉각수를 냉각시키는 방열기(510)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 내부 열교환기(404), 냉각용 실내 열교환기(202) 및 및 가열용 실내 열교환기(200)간의 유로를 전환하는 제1 유로제어수단(B1)과; 상기 어큐물레이터(600), 냉각용 실내 열교환기(202) 및 2종 열교환기(402)간의 유로를 전환하는 제2 유로제어수단(B2)과; 그리고, 상기 압축기(100), 가열용 실내 열교환기(200), 제2 유로제어수단(B2) 및 2종 열교환기(402)간의 유로를 전환하는 제3 유 로제어수단(B3);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 유로제어수단(B1) 및 제2 유로제어수단(B2)은 각각 삼방향밸브로 이루어지고, 제3 유로제어수단(B3)은 사방향밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
KR1020040030484A 2003-04-30 2004-04-30 차량용 공조시스템 KR101015640B1 (ko)

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