KR101119238B1 - 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법에 관한 것으로, 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비한 차량용 냉각 시스템에 있어서, 상기 팽창밸브는 응축기와 증발기 사이에 설치되는 팽창밸브 본체와, 상기 증발기와 압축기 사이에 설치되는 온도감응부로 이루어진 온도조절식 팽창밸브이며, 상기 압축기의 흡입실 내부에는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서가 설치되고, 상기 압축기에는, 외부의 설정 온도값과 적정 증발기 온도값에 대한 데이터베이스를 구비하며, 상기 흡입실로 유입되는 냉매의 온도로부터 증발기 온도를 연산하고, 이를 적정 증발기 온도값과 비교함으로써 구동축의 회전속도를 가변시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하므로, 압축기의 흡입실 내에 온도센서가 설치되는 것만으로, 사용자가 설정한 온도에 따라 압축기가 직접 냉매 토출용량을 변화시킬 수 있고, 특정 프로토콜(Protocol)의 FATC가 필요하지 않아 전원의 투입만으로도 적정 온도를 설정하기 위한 압축기의 구동이 가능하다는 이점이 있다.

차량용 냉각 시스템, 압축기, 온도센서, 압력센서, 압축기 냉매 토출용량

Description

차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법{Cooling System For Car And Refrigerant Ejection Control Of Compressor}

본 발명은 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법에 관한 것으로, 특히 압축기가 직접 흡입냉매 온도를 감지하고 그에 따른 냉매의 토출용량을 컨트롤할 수 있는 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 이용되는 냉각 시스템은 기계적인 수단에 의해 냉매를 강제적으로 순환시켜 압축 - 응축 - 팽창 - 증발과정을 통해 외기와 열교환이 이루어지도록 함으로써 차량의 실내를 냉방하게 된다.

구체적으로, 차량용 냉각 시스템은 인버터에 의해 구동하여 냉매를 압축시키는 용량 가변형 압축기와, 상기 압축기에서 토출되는 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기를 통과하여 액화된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브를 통과한 냉매가 기화될 때의 증발잠열을 이용하여 주위 공기를 냉각시킨 후 상기 압축기로 냉매를 귀환시키는 증발기와, 사용자에 의해 입력된 냉방조건에 따라 상기 압축기의 냉매 토출량을 제어하는 FATC(Full Auto Temp Controller)로 구성되어 있다.

즉, 상기 FATC는 증발기의 온도, 응축기의 온도 및 차량 실내외 온도 등을 감지하고 이들 값을 연산하여 그 값에 따라 상기 압축기의 구동축을 회전시키는 인버터에 지령치를 줌으로써 압축기의 용량을 가변시키는 역할을 수행한다.

이러한 종래기술의 차량용 냉각 시스템의 작용을 설명하면, 이하와 같다.

먼저, 사용자가 냉각 시스템을 작동시키면 FATC는 각종 온도센서로부터 감지된 온도의 값을 연산하게 된다.

이렇게 추출된 연산값은 CAN통신을 이용하여 압축기의 인버터로 전달되고, 인버터는 전달받은 연산값에 따라 압축기 구동축의 회전속도를 가변시키면서 냉매의 토출용량을 변화시킨다.

이어서, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 응축기를 거치면서 응축되어 액화되고, 상기 팽창밸브를 통과하면서 기체와 액체가 혼합된 상태가 된다.

이후, 증발기로 유입된 냉매는 기화되어 주변 공기와 열교환을 통해 공기를 냉각시키게 된다. 그리고, 기화된 냉매는 다시 압축기로 유입되고, 열교환을 통해 냉각된 공기는 차량의 실내로 공급되어 실내를 냉방하게 된다.

그러나, 종래 기술에 따른 차량용 냉각 시스템은 각 냉매라인에 설치된 온도 센서들을 FATC로 연결시키기 위한 구성이 복잡하였고, 이를 통해 연산된 값은 다시 CAN통신을 통해 압축기의 인버터로 전달하는 다단의 단계를 거쳐야하는 복잡성이 있었다.

더욱이, 상기 온도센서의 감지값들 중 어느 하나의 값에서 오류가 발생되었을 때에는 압축기의 정확한 냉매 토출용량을 규제할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 온도센서의 감지값을 기초로 하여 인버터로 전송되는 신호를 CAN통신이 아닌 다른 통신방법으로 전달할 경우에 그에 따른 프로토콜(통신규약)까지 새로이 개발되어 장착하여야 하므로 번거롭고 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발명의 목적은 차량용 냉매 시스템의 각 냉매라인에 설치되는 온도센서들과 이들 연산값을 전송하는 프로토콜통신을 생략하고 압축기 자체 내에서 냉매 토출용량을 변화시킬 수 있는 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 냉매 토출용량 제어방법을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템은 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하는 것으로서,

상기 팽창밸브는 응축기와 증발기 사이에 설치되는 팽창밸브 본체와, 상기 증발기와 압축기 사이에 설치되는 온도감응부로 이루어진 온도조절식 팽창밸브이 며,

상기 압축기의 흡입실 내부에는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서가 설치되고,

상기 압축기에는, 외부의 설정 온도값과 적정 증발기 온도값에 대한 데이터베이스를 구비하며, 상기 흡입실로 유입되는 냉매의 온도로부터 증발기 온도를 연산하고, 이를 적정 증발기 온도값과 비교함으로써 구동축의 회전속도를 가변시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템은 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하는 것으로서,

상기 압축기의 흡입실 내부에는 냉매의 압력을 감지하는 압력센서가 설치되고,

상기 압축기에는, 외부의 설정 온도값과 적정 증발기 온도값에 대한 데이터베이스를 구비하며, 상기 흡입실로 유입되는 냉매의 압력으로부터 증발기 온도를 연산하고, 이를 적정 증발기 온도값과 비교함으로써 구동축의 회전속도를 가변시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템은 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하는 것으로서,

상기 팽창밸브는 응축기와 증발기 사이에 설치되는 팽창밸브 본체와, 상기 증발기와 압축기 사이에 설치되는 온도감응부로 이루어진 온도조절식 팽창밸브이며,

상기 압축기의 흡입실 내부에는 냉매의 온도와 압력을 감지하는 온도센서와 압력센서가 각각 설치되고,

상기 압축기에는, 외부의 설정 온도값과 적정 증발기 온도값에 대한 데이터베이스를 구비하며, 상기 흡입실로 유입되는 냉매의 온도 또는 압력으로부터 증발기 온도를 연산하고, 이를 적정 증발기 온도값과 비교함으로써 구동축의 회전속도를 가변시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 온도센서는 서머커플 또는 RTD 타입인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템의 압축기 냉매 토출용량 제어방법은 전술한 바와 같이 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비한 차량용 냉각 시스템의 압축기 냉매 토출용량 제어방법으로서,

상기 압축기 내의 온도센서가 냉매의 온도를 측정하는 단계,

상기 측정된 냉매의 온도를 인버터에 내장된 컨트롤러로 전송하는 단계,

상기 컨트롤러에서, 과열도를 이용하여 흡입실의 냉매 온도로부터 증발기의 온도를 연산하는 단계,

상기 컨트롤러에서, 연산된 증발기 온도값과 적정 증발기 온도값을 비교하는 단계,

상기 인버터는 비교한 값에 따라 압축기 구동축의 회전속도를 조절하는 단계로 진행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템의 압축기 냉매 토출용량 제어방법은 전술한 바와 같이 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비한 차량용 냉각 시스템의 압축기 냉매 토출용량 제어방법으로서,

상기 압축기 내의 압력센서가 흡입냉매의 압력을 측정하는 단계,

상기 측정된 흡입냉매의 압력을 인버터에 내장된 컨트롤러로 전송하는 단계,

상기 컨트롤러에서, 흡입냉매의 압력으로부터 증발기의 온도를 연산하는 단계,

상기 컨트롤러에서, 연산된 증발기 온도값과 적정 증발기 온도값을 비교하는 단계,

상기 인버터는 비교한 값에 따라 압축기 구동축의 회전속도를 조절하는 단계로 진행되는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 압축기의 흡입실 내에 온도센서가 설치되는 것만으로, 사용자가 설정한 온도에 따라 압축기가 직접 냉매 토출용량을 변화시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 냉각 시스템의 각 라인에 연결되는 복잡한 센서와 배선 등에 대한 설계 및 설치작업이 생략되어 비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉각 시스템에 대한 점검 및 유지보수도 쉽게 이루어지는 효과가 있다.

또한, 압축기 내에서 온도제어가 이루어지므로 특정 프로토콜(Protocol)의 FATC가 필요하지 않으며, 결국 전원의 투입만으로도 적정 온도를 설정하기 위한 압축기의 구동이 가능하다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템은 인버터(110)에 의해 구동축이 회전하여 냉매를 압축하는 전동식 압축기(100)와, 상기 압축기(100)에서 토출되는 냉매를 응축시키는 응축기(200)와, 상기 응축기(200)를 통과하여 액화된 냉매를 팽창시켜며 토출되는 냉매의 온도를 변화시키는 온도조절식 팽창밸브(TXV:Thermal Expansion Valve)(300)와, 냉매가 기화될 때의 증발잠열을 이용하여 주위 공기를 냉각시킨 후 상기 압축기(100)로 냉매를 귀환시키는 증발기(400)로 구성된다.

상기 냉각 시스템의 구성 중 응축기(200)와 증발기(400)는 앞서 설명한 종래기술과 동일하므로, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하고, 차이가 있는 구성에 대해서만 설명하도록 한다.

먼저, 상기 온도조절식 팽창밸브(300)는 상기 응축기(200)와 증발기(400)를 연결하는 냉매라인에 설치되는 팽창밸브 본체(310)와, 상기 증발기(400)와 압축기(100)를 연결하는 냉매라인에 설치되는 온도감응부(320)로 구성된다.

상기 팽창밸브 본체는 응축기(200)를 통과하여 액화된 냉매를 팽창시켜 기체와 액체가 혼합된 상태로 만드는 역할을 수행하며 동시에 상기 온도감응부(320)로부터 압축기 입구의 냉매온도를 파악하여, 상기 증발기(400)로부터 증발잠열된 냉매를 다시 완벽한 기체상태로 변환할 수 있도록 소정의 과열도(superheating, 증발기온도와 압축기의 흡입온도 차)를 제공한다.

결국, 온도조절식 팽창밸브(300)는 증발기(400) 출구에 과열도를 줌으로써, 냉매를 흡입하는 압축기(100)의 압축효율을 항상 최적의 상태로 제공할 수 있는 것이다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 전동식 압축기(100)로 인버터(110)에 의해 구동되는 스크롤 압축기를 일예로써 적용하였으며, 그 구성은 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기 압축기(100)의 흡입실(120)에는 본 발명의 특징적인 구성요소인 온도센서(130)가 설치된다.

상기 온도센서(130)는 흡입실(120)로 유입되는 냉매의 온도를 감지하고 그 온도신호를 압축기(100)의 인버터(110)에 전달하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 흡입실(120)의 온도와 설정된 과열도로부터 증발기(400)의 냉매온도를 계산할 수 있게 된다. 이에 따라, 증발기(400) 냉매의 온도가 높을 경우 압축기(100)의 인버터(110)는 구동축의 회전속도를 빠르게 하여 냉매의 토출용량을 상승시키고, 냉매의 온도가 낮을 경우에는 구동축의 회전속도를 느리게 하여 냉매의 토출용량을 줄여 적절한 냉방상태를 유지케 한다.

물론, 사용자가 설정한 온도에 따라 압축기(100)의 흡입실(120)로 유입되는 냉매의 적절한 온도 값에 대한 데이터베이스와 상기 데이터베이스 값과 온도센서(130)의 감지 값을 비교하여 연산하는 컨트롤러는 미리 인버터(110)에 설정되어 있어야 한다.

예컨대, 상기 온도조절식 팽창밸브(300)의 과열도 값을 5℃로 하고, 차량 실내온도 24℃에 대한 증발기(400) 냉매 온도는 13℃가 적절하다는 데이터베이스를 미리 인버터(110)에 설정한 상태에서, 상기 과열도를 통해 압축기(100)의 흡입실(120)로 유입된 냉매의 온도가 19℃로 감지되어 상기 인버터(110)로 전달되면, 상기 인버터(110)의 컨트롤러는 설정된 과열도인 5℃를 뺀 14℃를 증발기(400)의 냉매 온도로 계산하게 된다.

따라서, 상기 인버터(110)의 컨트롤러는 증발기(400)의 냉매의 적정온도 13℃를 맞추기 위한 압축기(100)의 구동축 회전속도를 빠르게 하여 냉매의 토출용량을 가속화시킨다. 반대로, 상기 과열도 값을 뺀 증발기의 냉매 온도가 13℃보다 낮을 경우에는 압축기(100) 구동축의 회전속도를 느리게 하여 냉매의 토출용량을 저감시킨다.

이와 같이, 상기 압축기(100)는 외부로부터 구동지령을 따로 받지 않고, 흡입실(120) 내에 설치된 온도센서(130)의 온도감지에 의해 냉매 토출용량을 가변시킬 수 있도록 판단한다.

여기서, 상기 온도센서(130)는 저항 변화 타입의 공지된 기술의 서머커플(Thermocouple) 또는 RTD가 적용될 수 있다.

또한, 상기 압축기(100)의 흡입실(120)에는 상기 온도센서(130) 대신 압력센서(140)를 설치하여 흡입실의 압력을 측정할 수도 있다.

이와 같이 하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 흡입실의 입구 압력에 대응하는 증발기의 온도(온도가 일정한 구간인 D구간 참조)를 바로 얻을 수 있고, 이를 통해 적정한 온도제어를 수행할 수 있다.

물론, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 압축기(100)의 흡입실(120)에 온도센서(130)와 압력센서(140)를 함께 설치하여 증발기(400)로부터 토출되는 냉매의 압력이 일정 수준을 유지하는지 체크하는 동시에 증발기의 출구온도를 정확히 확인하도록 할 수도 있다. 특히, 흡입실(120)의 온도를 확인하여 과열도에 의한 증발기의 온도를 산출하는 동시에, 흡입실(120)의 압력을 통한 증발기의 온도를 산출하여 서로 비교하고, 차이가 있을 경우 평균값 등 적절한 보상과정을 거치도록 할 수 있다.

이하, 흡입실에 온도센서가 설치된 구성을 기초로 하여 본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템 및 압축기의 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

도시한 도 3의 그래프에서 A-B-C-D-E는 냉매가 순환하는 과정을 나타내는 것 으로, A는 압축기, B는 응축기, C는 팽창밸브, D는 증발기, E는 과열도 구간에 해당한다.

먼저, 외부에서 냉각 시스템을 작동시키면, 압축기(A)는 냉매를 압축하여 토출시키고, 이렇게 토출된 냉매는 응축기(B)를 거치면서 액화되며, 다시 팽창밸브(C)를 통과하면서 기체와 액체가 혼합된 상태가 된다.

이후, 증발기(D)로 유입된 냉매는 외부공기와 열교환을 통해 주변 공기를 냉각시키고 그 과정에서 기화된다.

이렇게 기화된 냉매는 다시 상기 압축기(A)로 유입되고, 열교환을 통해 냉각된 공기는 실내로 공급되어 그 내부를 냉방하게 된다.

특히, 상기 과열도(E) 구간은 증발기(D)로부터 토출되는 냉매가 완벽한 기체상태로 변환되도록 소정치로 과열된다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 압축기(100)의 흡입실(120)에는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서(130)가 설치됨으로써, 압축기(100)의 흡입실(120)로 유입된 냉매 온도를 측정하게 된다.

그리고, 이 측정된 냉매 온도는 다시 인버터(110)에 내장된 컨트롤러로 전송되며, 상기 컨트롤러는 설정된 과열도를 기초로 증발기(400)의 온도를 연산하고, 이 증발기(400)의 냉매 온도를 설정된 차량 실내 온도에 따라 그에 대응하는 적정 증발기(400)의 온도와 비교하고, 상기 비교 연산한 값에 따라 압축기(100)의 구동축 회전속도를 빠르게 하거나 느리게 진행시킨다(도 4 참조).

즉, 증발기(400)의 온도가 일정 온도 이상이면, 이를 전달받은 인버터(110) 는 상기 압축기(100)의 구동축 회전속도를 빠르게 하여 냉방능력을 올리고, 반대로 냉매의 온도가 낮을 경우에는 구동축의 회전속도를 느리게 하여 냉방능력을 감소시킨다.

이와 같이, 본 발명에 따른 상기 압축기(100)는 압축기의 흡입실(120)로 유입되는 냉매 온도에 따라 자체적으로 냉매 토출용량을 변화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 냉각 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기를 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 냉각 시스템의 순환구조 및 흡입냉매에 대한 P-H 선도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 냉매 토출용량 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 압축기 130 : 온도센서

140 : 압력센서 200 : 응축기

300 : 온도조절식 팽창밸브 310 : 팽창밸브 본체

320 : 온도감응부 400 : 증발기

Claims (6)

1. 구동축을 포함하는 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비한 차량용 냉각 시스템에 있어서,

   상기 팽창밸브는 응축기와 증발기 사이에 설치되는 팽창밸브 본체와, 상기 증발기와 압축기 사이에 설치되는 온도감응부로 이루어진 온도조절식 팽창밸브이며,

   상기 압축기의 흡입실 내부에는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서가 설치되고,

   상기 압축기에는, 외부의 설정 온도값과 적정 증발기 온도값에 대한 데이터베이스를 구비하며, 상기 흡입실로 유입되는 냉매의 온도로부터 증발기 온도를 연산하고, 이를 적정 증발기 온도값과 비교함으로써 구동축의 회전속도를 가변시키는 인버터를 포함하되,

   상기 증발기 온도의 연산은,

   상기 온도조절식 팽창밸브의 과열도 값을 설정하고, 차량 실내온도에 따라 그에 해당하는 증발기 냉매 온도의 데이터베이스를 찾은 다음, 상기 과열도를 통해 압축기의 흡입실로 유입된 냉매의 온도 값이 감지되어 상기 인버터로 전달되면, 상기 인버터의 컨트롤러는 과열도의 값을 뺀 나머지 온도를 증발기의 냉매 온도로 계산하는 것이며,

   증발기의 냉매 온도가 적정 증발기 온도를 초과하면 구동축의 회전속도를 빠르게 하고, 증발기의 냉매 온도가 적정 증발기 온도 미만이면 구동축의 회전속도를 느리게 하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 전동식 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비한 차량용 냉각 시스템의 압축기 냉매 토출용량 제어방법에 있어서,

   상기 압축기 내의 온도센서가 냉매의 온도를 측정하는 단계,

   상기 측정된 냉매의 온도를 인버터에 내장된 컨트롤러로 전송하는 단계,

   상기 컨트롤러에서, 과열도를 이용하여 흡입실의 냉매 온도로부터 증발기의 온도를 연산하는 단계,

   상기 컨트롤러에서, 연산된 증발기 온도값과 적정 증발기 온도값을 비교하는 단계,

   상기 인버터는 비교한 값에 따라 압축기 구동축의 회전속도를 조절하는 단계로 진행되되,

   상기 증발기 온도의 연산은,

   상기 온도조절식 팽창밸브의 과열도 값을 설정하고, 차량 실내온도에 따라 그에 해당하는 증발기 냉매 온도의 데이터베이스를 찾은 다음, 상기 과열도를 통해 압축기의 흡입실로 유입된 냉매의 온도 값이 감지되어 상기 인버터로 전달되면, 상기 인버터의 컨트롤러는 과열도의 값을 뺀 나머지 온도를 증발기의 냉매 온도로 계산하는 것이며,

   증발기의 냉매 온도가 적정 증발기 온도를 초과하면 구동축의 회전속도를 빠르게 하고, 증발기의 냉매 온도가 적정 증발기 온도 미만이면 구동축의 회전속도를 느리게 하는 것을 특징으로 하는 압축기의 냉매 토출용량 제어방법.
6. 삭제

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