KR101128693B1 - 이산화탄소 공조 시스템 - Google Patents

이산화탄소 공조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 난방 모드에서(즉 열펌프 시스템 사용 시) 제1가스쿨러를 증발기로 사용하지 않고 또한 보조열원을 사용함으로써, 극저온 상태에서의 난방이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 하여 모든 작동 영역에서 냉매 유동성을 보장하고, 이에 따라 시스템 효율을 극대화하는 이산화탄소 공조 시스템을 제공함에 있다.
본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템은, 냉매를 압축시키는 압축기(400); 냉방 모드 시 제1팽창밸브(610)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(500); 모드에 따라 선택적으로 내부에 유입된 냉매가 유동하여 공기와 열교환되도록 하는 제1가스쿨러(110) 및 제2가스쿨러(120); 상기 제1가스쿨러(110)와 나란히 병렬 배치되며, 난방 모드 시 제2팽창밸브(620)를 통과한 냉매를 증발시키는 보조열교환기(810); 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 보조열원(800); 냉방 모드 시 상기 증발기(500)로부터 배출된 저온ㆍ저압의 냉매와 상기 제1가스쿨러(110)로부터 배출된 고온ㆍ고압의 냉매를 서로 밀접해 있는 제1유로(210) 및 제2유로(220)로 각각 유통시킴으로써 상호 열교환시키는 내부열교환기(200); 냉방 모드 시와 난방 모드 시 냉매의 유통 경로를 전환하는 제1바이패스밸브(710) 및 제2바이패스밸브(720); 를 포함하여 이루어지며, 상기 제1바이패스밸브(710)는 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로 유통시키며, 상기 제2바이패스밸브(720)는 상기 내부 열교환기(200) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시키되, 상기 제1바이패스밸브(710) 및 상기 제2바이패스밸브(720)의 개방 유로 선택에 의해 형성되는 냉방 모드 냉매 순환 경로 및 난방 모드 냉매 순환 경로 중에서 선택되는 어느 하나의 경로를 통해 냉매를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
이산화탄소 공조 시스템, 저온, 극저온, 난방, 냉매 유동성, 김서림, 보조열원

Description

이산화탄소 공조 시스템 {CO2 Air-Conditioning System}
본 발명은 이산화탄소 공조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열펌프 사이클을 개선한 이산화탄소 공조 시스템에 관한 것이다.
문명의 발달로 인하여 환경의 오염 문제가 점점 심각해져 가고 있는 현실에서, 특히 CFC계 냉매들과 같이 지구 오존층을 파괴하는 냉매 물질들의 사용에 대한 규제가 확산되고 있다. 프레온 가스(R-12, CFC계 냉매)를 대체하기 위한 냉매 물질로서 개발된 R-134a(CFC계 냉매)는, R-12와 달리 오존층을 파괴하는 주원인이 되는 염소 원자를 만들지 않고 다른 물질과도 반응을 하지 않는 안정된 분자구조를 지녔으며 독성과 인화성도 없는 물질이지만 R-12와 같은 응축 온도에서 냉동 능력이 저하된다는 문제점이 있으며, 역시 온실효과를 일으킨다는 점에서는 R-12의 문제점을 완전히 해결하였다고 볼 수 없다. 일반적으로 현재 차량의 공조장치에 사용되는 냉매 물질들은 대부분 CFC계 냉매지만, 환경에 대한 관심사가 점점 커져 가고 있는 현재에는 이러한 물질들에도 많은 규제가 이루어지고 있으며, 따라서 충분한 냉동 능력을 가지면서도 안전한 대체 냉매에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다.
이러한 시류에 따라 대체 냉매로 등장한 물질 중 하나가 이산화탄소(CO2)이다. 원래 이산화탄소는 CFC계 냉매가 사용되기 이전부터 냉매 물질로서 사용되었으나, 다른 냉매보다 높은 압축이 필요할 뿐만 아니라 에너지 효율이 낮다는 점 등의 문제점으로 인하여 사용되지 않아 왔다. 그러나 현재에는 압축 기술이 발달했을 뿐만 아니라, 환경 문제를 일으키지 않는다는 커다란 장점 때문에 이산화탄소를 냉매로 사용하는 차량용 공조장치에 대한 연구와 개발이 점점 가속화되고 있다.
한편, 휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다. 그런데, 이와 같은 연료전지를 사용하는 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 가지는 차량과는 달리 냉각수를 이용한 히팅 시스템을 사용할 수 없다. 이 때 이산화탄소 냉매를 사용하는 냉각 시스템을 이러한 연료전지 차량의 공조 시스템으로서 사용하게 되면, 이산화탄소 공조 시스템에 열펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 일반적인 이산화탄소 공조 시스템의 시스템도이며, 도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 일반적인 이산화탄소 공조 시스템에서의 냉방 / 난방 / 제습 모드일 때의 냉매 순환 경로를 도시하고 있다.
냉방 시에는 도 2a에 도시된 바와 같이, 냉매는 제1가스쿨러(1110) - 내부열교환기(1200)의 제1유로(1210) - 제1팽창밸브(1611) - 증발기(1500) - 어큐뮬레이터(1300) - 내부열교환기(1200)의 제2유로(1220) - 압축기(1400) - 제2가스쿨러(1120) - 제2바이패스밸브(1622)를 순서대로 통과하며 순환한다. 즉, 냉매는 제1팽창밸브(1611)를 통과하면서 팽창한 후 증발기(1500)를 통과함으로써 상기 증발기(1500) 주변의 공기를 냉각시키게 된다. 블로워 팬에 의해 바람이 발생되면, 상기 증발기(1500) 주변의 냉각된 공기를 불어내게 됨으로써 차량의 내부로 냉각된 공기가 토출된다.
난방 시에는 도 2b에 도시된 바와 같이, 냉매는 제1가스쿨러(1110) - 내부열교환기(1200)의 제1유로(1210) - 제1바이패스밸브(1612) - 어큐뮬레이터(1300) - 내부열교환기(1200)의 제2유로(1220) - 압축기(1400) - 제2가스쿨러(1120) - 제2팽창밸브(1621)를 순서대로 통과하며 순환한다. 즉, 냉매는 압축기(1400)를 통과하면서 압축된 후 제2가스쿨러(1120)를 통과하고, 이후 제2팽창밸브(1621)를 통과하면서 팽창된다. 이 때, 상기 제2가스쿨러(1120)는 응축기 위치에 해당하지만 실제로 냉매의 상변화가 일어나지는 않고, 다만 주변의 공기로 열을 방출하여 이에 따라 차량의 내부로 가열된 공기가 토출된다.
제습 시에는 도 2c에 도시된 바와 같이, 냉매는 제1가스쿨러(1110) - 내부열교환기(1200)의 제1유로(1210) - 제1팽창밸브(1611) - 증발기(1500) - 어큐뮬레이 터(1300) - 내부열교환기(1200)의 제2유로(1220) - 압축기(1400) - 제2가스쿨러(1120) - 제2팽창밸브(1621)를 순서대로 통과하며 순환한다. 즉, 냉매가 상기 증발기(1500)를 통과함으로써 주변의 공기를 냉각시키는데, 이 때 공기 중에 있던 습기가 액화되어 공기가 건조해지게 된다. 또한, 냉매가 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과함으로써 주변의 공기로 열을 방출하는데, 상기 증발기(1500)를 지나면서 건조해진 공기가 상기 제2가스쿨러(1120)에서 방출되는 열에 의해 가열된다. 따라서 차량의 내부에는 제습 및 가열된 공기가 토출된다.
도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이 종래의 이산화탄소 공조 시스템에서는 냉방 / 난방 / 제습 모드를 전환하기 위해서 복수 개의 바이패스 밸브를 이용하고, 모드에 따라 바뀌는 냉매 순환 경로에 맞추어 역시 복수 개의 팽창밸브를 구비하고 있다. 특히 난방 또는 제습 모드에서는 상기 제2가스쿨러(1120)에 의하여 방출되는 열을 이용하여 난방 또는 제습을 수행하는 열펌프 시스템이 이루어지게 된다.
그런데, 종래의 이산화탄소 공조 시스템의 경우 여러 문제점들을 가지고 있었다. 도 3은 극저온 환경(외기 온도 -6℃), 공회전(idle) 상태, 난방 모드에서 종래의 이산화탄소 공조 시스템에서의 여러 특성들을 도시한 그래프이다. 도 3에서 A는 상기 압축기(1400)에서 토출되는 냉매의 온도를 나타내고 있으며, B는 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과한 후의 공기의 온도를 나타내고 있다. 도 2b를 참조하여 보면, 상기 압축기(1400)에서 토출되는 냉매는 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과하면서 주변으로 열을 발산하고, 이에 따라 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과하는 공기가 가열되어 차량 내부의 난방이 이루어지게 된다.
그런데, 먼저 상기 압축기(1400)에서 토출되는 냉매의 온도가 시간에 따라 변화하는 양상(A 그래프)을 보면, 엔진 시동 후 약 10분(600초)이 지난 후에 난방 모드를 시작해도, 냉매의 온도 증가 속도가 매우 느려서 약 23분(1400초) 정도에야 고온에 도달하게 됨을 알 수 있다. 상기 압축기(1400)에서 토출되는 냉매가 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과하면서 공기를 가열하게 되므로, 상기 압축기(1400)에서 토출되는 냉매가 충분히 고온이 되지 않으면 공기도 잘 가열되지 않을 것임은 당연하다. 이는 상기 제2가스쿨러(1120)를 통과하는 공기의 온도가 시간에 따라 변화하는 양상(B 그래프)에 그대로 나타나 있는데, 변화 폭이 보다 작을 뿐 냉매 온도 변화 양상과 거의 유사한 형태로 변화함을 알 수 있다. 실제적으로 설명하자면, 난방 모드로 공조 시스템을 작동시켜 두어도, 즉 엔진을 시동한 후 10분간 예열한 후에 난방을 시작한다 해도 13분 가량이나 있어야 공조 시스템에서 나오는 공기의 온도가 비로소 50℃ 가량이 되어 차량 내부를 난방하기에 충분한 온도에 도달하게 되는 것이다.
이와 같이 종래의 이산화탄소 공조 시스템은, 극저온 상태에서 난방 모드로 작동시켰을 경우 실질적인 난방이 시작되기까지 매우 오랜 시간이 걸리게 되어 사용자에게 큰 불편을 야기하는 문제가 있었다. 또한 시스템적으로 볼 때, 냉매의 온도가 잘 증가하지 않아 시동 후 한동안은 시스템 내에서 극저온 상태의 냉매가 유동하게 되는데, 이와 같이 극저온 상태의 냉매는 점도가 높아지게 되어 냉매의 유 동성이 저하되는 문제점이 있었다. 이러한 문제에 따라 상기 압축기(1400)에서의 슬러깅(slugging) 현상 및 과열도가 증가하게 되었으며, 따라서 상기 압축기(1400)에서의 작동 효율이 저하될 뿐만 아니라 상기 압축기(1400)의 손상이나 파손이 일어날 위험성 또한 증가하는 문제점 또한 있었다.
이 뿐만 아니라, 종래의 이산화탄소 공조 시스템의 경우 냉방 모드에서 난방 모드로 전환할 때 습기가 제거되지 않아 차량 내부에 김이 서리게 되는 문제점도 있는 등, 여러 가지 문제점이 산적해 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 난방 모드에서(즉 열펌프 시스템 사용 시) 제1가스쿨러를 증발기로 사용하지 않고 또한 보조열원을 사용함으로써, 극저온 상태에서의 난방이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 하여 모든 작동 영역에서 냉매 유동성을 보장하고, 이에 따라 시스템 효율을 극대화하는 이산화탄소 공조 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템은, 냉매를 압축시키는 압축기(400); 냉방 모드 시 제1팽창밸브(610)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(500); 모드에 따라 선택적으로 내부에 유입된 냉매가 유동하여 공기와 열교환되도록 하는 제1가스쿨러(110) 및 제2가스쿨러(120); 상기 제1가스쿨러(110)와 나란히 병렬 배치되며, 난방 모드 시 제2팽창밸브(620)를 통과한 냉매를 증발시키는 보조열교환기(810); 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 보조열원(800); 냉방 모드 시 상기 증발기(500)로부터 배출된 저온ㆍ저압의 냉매와 상기 제1가스쿨러(110)로부터 배출된 고온ㆍ고압의 냉매를 서로 밀접해 있는 제1유로(210) 및 제2유로(220)로 각각 유통시킴으로써 상호 열교환시키는 내부열교환기(200); 냉방 모드 시와 난방 모드 시 냉매의 유통 경로를 전환하는 제1바이패스 밸브(710) 및 제2바이패스밸브(720); 를 포함하여 이루어지며, 상기 제1바이패스밸브(710)는 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로 유통시키며, 상기 제2바이패스밸브(720)는 상기 내부열교환기(200) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시키되, 상기 제1바이패스밸브(710) 및 상기 제2바이패스밸브(720)의 개방 유로 선택에 의해 형성되는 냉방 모드 냉매 순환 경로 및 난방 모드 냉매 순환 경로 중에서 선택되는 어느 하나의 경로를 통해 냉매를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 냉방 모드 냉매 순환 경로는, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되며, 상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제1가스쿨러(110)를 통과하고, 상기 내부열교환기(200)의 제2유로(220)를 지나 상기 제1팽창밸브(610)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 증발기(500)를 통과하면서 증발되며 공기를 냉각하고, 상기 내부열교환기(200)의 제1유로(210) 및 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 난방 모드 냉매 순환 경로는, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 보조열교환기(810)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되며, 상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하면서 공기를 가열하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제2팽창밸브(620)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 보조열교환기(810)를 통과하면서 증발되고, 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조열원(800)은 전기 히터, 냉각수를 이용한 워머, 냉매를 이용한 열펌프용 열교환기 중 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)는 차량 내부로 유입되는 공기유통경로(900) 내에 구비되되, 상기 제2가스쿨러(120)는 상기 증발기(500)의 하류에 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 공기유통경로(900)는 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하거나, 또는 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하도록 공기 흐름을 전환하는 통풍개폐문(910)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 공조 시스템은 상기 압축기(400)로 유입되는 냉매를 기액 분리하여 액상의 냉매만을 상기 압축기(400)로 유입시키는 기액분리기(300); 를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법은, 상술한 바와 같은 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어 서, a1) 냉방 모드가 선택되는 단계; a2) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키는 단계; a3) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법은, 상술한 바와 같은 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어서, b1) 제습 모드가 선택되는 단계; b2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경우(Ka<Tambient : No) 제습 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes) 제습 냉방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키는 단계; b3) 상기 b2) 단계에서 제습 냉방 모드로 설정되면, 차량 내부 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 낮을 경우(Tint<Tsetting : No) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되고, 차량 내부 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 높을 경우(Tint<Tsetting : Yes) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법은, 상술한 바와 같은 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어서, c1) 난방 모드가 선택되는 단계; c2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes) 일반 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 개방되고, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경우(Ka<Tambient : No) 저온 난방 모드로 설정되어, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)와 냉매 온도(Tcoolant)를 비교하는 단계; c3) 상기 c2) 단계에서 저온 난방 모드로 설정되면, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 높을 경우(Kc<Tcoolant : Yes) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸 브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄되고, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 낮을 경우(Kc<Tcoolant : No) 극저온 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄되고, 상기 보조열원(800)이 작동되어 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 단계; c4) 상기 c3) 단계에서 극저온 난방 모드로 설정되면, 미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 낮을 경우(Ks<Tref_suc : No) 상기 보조열원(800)의 작동을 반복 수행하고, 미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 높을 경우(Ks<Tref_suc : Yes) 다음 단계로 넘어가는 단계; c5) 상기 압축기(400)가 작동을 시작하는 단계; c6) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 이산화탄소 공조 시스템이 극저온 환경에서 냉매 가 빨리 가열되지 못함으로써 난방이 매우 느리게 이루어지게 되었던 문제점을 해결하는 큰 효과가 있다. 즉 본 발명에서는, 난방 모드에서 제1가스쿨러를 증발기로 사용하지 않고, 또한 보조열원을 사용하도록 이산화탄소 공조 시스템의 냉매 순환 경로를 개선함으로써, 냉매가 보다 빨리 가열되어 난방이 신속하게 이루어지게 하는 큰 효과가 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면 동절기와 같은 극저온 환경에서 빠른 난방이 이루어지게 됨으로써 사용자 편의성이 극대화되는 큰 효과가 있으며, 뿐만 아니라 종래에 저온 상태로 점도가 높은 냉매가 유동함으로써 압축기 등에 무리를 주었던 문제점이 해결되는 효과 또한 있다. 물론 이에 따라 공조 시스템의 효율이 향상될 뿐만 아니라 내구성 및 수명 또한 연장되는 효과 또한 있다.
특히 본 발명에 의하면 난방 시라 하더라도 외기 온도에 따라, 즉 극저온 상태일 때 또는 상온 상태일 때에 따라 더 효율적인 모드를 선택하여 작동하게 되는 바, 외기 온도 등과 같은 환경 변수에 구애받지 않고 시스템 효율 및 난방 효과를 극대화할 수 있게 하는 큰 효과가 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템을 도시한 것이다. 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템은 도시되어 있는 바와 같이, 냉매를 압축시키는 압축기(400); 냉방 모드 시 제1팽창밸브(610)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(500); 모드에 따라 선택적으로 내부에 유입된 냉매가 유동하여 공기와 열교환되도록 하는 제1가스쿨러(110) 및 제2가스쿨러(120); 상기 제1가스쿨러(110)와 나란히 병렬 배치되며, 난방 모드 시 제2팽창밸브(620)를 통과한 냉매를 증발시키는 보조열교환기(810); 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 보조열원(800); 냉방 모드 시 상기 증발기(500)로부터 배출된 저온ㆍ저압의 냉매와 상기 제1가스쿨러(110)로부터 배출된 고온ㆍ고압의 냉매를 서로 밀접해 있는 제1유로(210) 및 제2유로(220)로 각각 유통시킴으로써 상호 열교환시키는 내부열교환기(200); 냉방 모드 시와 난방 모드 시 냉매의 유통 경로를 전환하는 제1바이패스밸브(710) 및 제2바이패스밸브(720); 를 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 제1바이패스밸브(710)는 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로 유통시키며, 상기 제2바이패스밸브(720)는 상기 내부열교환기(200) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시키되, 상기 제1바이패스밸브(710) 및 상기 제2바이패스밸브(720)의 개방 유로 선택에 의해 형성되는 냉방 모드 냉매 순환 경로 및 난방 모드 냉매 순환 경로 중에서 선택되는 어느 하나의 경로를 통해 냉매를 순환시키도록 형성된다. 즉 상기 제1바이패스밸브(710) 및 상기 제2바이패스밸브(720)에 의하여 냉매 순환 경로가 설정됨으로써 냉방 / 난방 등의 모드가 설정되는 것이다.
이 때, 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)는 도시되어 있는 바와 같이 차량 내부로 유입되는 공기유통경로(900) 내에 구비되되, 상기 제2가스쿨러(120)는 상기 증발기(500)의 하류에 구비된다. 또한, 상기 공기유통경로(900)에는 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하거나, 또는 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하도록 공기 흐름을 전환하는 통풍개폐문(910)이 구비되게 된다. 난방 / 냉방 / 제습 등의 모드는, 냉매 순환 경로와 더불어 상기 통풍개폐문(910)의 개폐 배치에 따라 결정되게 된다.
또한, 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템은 도시된 바와 같이, 시스템 효율을 보다 향상시키도록, 상기 압축기(400)로 유입되는 냉매를 기액 분리하여 액상의 냉매만을 상기 압축기(400)로 유입시키는 기액분리기(300)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템의 각 모드에서의 냉매 순환 경로를 도시하고 있다. 이하에서 각 모드에서의 냉매 순환 경로에 대해 보다 상세히 설명한다.
먼저 도 5a는 냉방 모드일 때의 냉매 순환 경로를, 도 5b는 제습 모드일 때의 냉매 순환 경로를 도시하고 있다. 두 모드의 경우 냉매 순환 경로는 동일하나 상기 통풍개폐문(910)의 배치가 다르게 되어 있다. 먼저 냉매 순환 경로에 대하여 설명하자면 다음과 같다.
본 발명의 이산화탄소 공조 시스템에서 냉방 모드 냉매 순환 경로는, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되게 된다. 즉 냉방 모드일 때에는 상기 보조열교환기(810)로 냉매가 유통되지 않게 되는 것이다.
냉매의 흐름을 순차적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제1가스쿨러(110)를 통과하고, 상기 내부열교환기(200)의 제2유로(220)를 지나 상기 제1팽창밸브(610)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 증발기(500)를 통과하면서 증발되며 공기를 냉각하고, 상기 내부열교환기(200)의 제1유로(210) 및 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입됨으로써 순환되게 된다. 즉 이 때, 상기 제2가스쿨러(120) 및 상기 제1가스쿨러(110)가 모두 응축기 위치에 해당하지만 실제로 냉매의 상변화가 일어나지는 않고, 다만 상기 제1가스쿨러(110)에서는 외부로 열을 방출하며 냉매의 온도를 하강시키고, 상기 제2가스쿨러(120)에서는 (공기가 주변을 통과하지 않으므로 열교환이 일어나지 않아) 냉매의 상변화나 열교환이 일어나지 않는다.
이 때, 냉방 모드일 때에는 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 상기 통풍개폐문(910)이 상기 제2가스쿨러(120)를 막아 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 상기 공기유통경로(910)로 흘러가도록 배치된다. 따라서 상기 증발기(500)에 구비된 팬이 회전함에 의하여 발생되는 바람이 상기 증발기(500)를 통과하여 상기 공기유통경로(900)로 흘러감으로써, 차량 내부로 상기 증발기(500)에 의해 냉각된 공기가 흘러들어가 냉방이 이루어지게 된다.
제습 모드일 때에는 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입될 수 있도록 배치되게 된다. 따라서 공기는 상기 증발기(500)를 먼저 통과하면서 냉각되어 습기가 제거된 후, 외부로 열을 방출하는 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하면서 가열되어 적절한 온도가 된 후 상기 공기유통경로(910)로 흘러가게 됨으로써, 차량 내부를 적절한 온도로 유지하면서 제습이 이루어질 수 있도록 하게 된다.
먼저 도 5c는 난방 모드일 때의 냉매 순환 경로를, 도 5b는 극저온 난방 모드일 때의 냉매 순환 경로를 도시하고 있다. 두 모드의 경우 냉매 순환 경로는 동일하나 상기 통풍개폐문(910)의 배치가 다르게 되어 있다. 먼저 냉매 순환 경로에 대하여 설명하자면 다음과 같다.
본 발명의 이산화탄소 공조 시스템에서 난방 모드 냉매 순환 경로는, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 보조열교환기(810)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되게 된다. 즉 난방 모드일 때에는 상기 보조열교환기(810)로 냉매가 유통되며, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 내부열교환기(200)로는 냉매의 유통이 이루어지지 않게 된 다. 상기 제1가스쿨러(110)는 일반적으로 차량 최외측에 위치해 있어 외기와 직접적으로 접촉하게 되는 바, 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템에서는 난방 모드일 때 저온 상태의 외기와 직접적인 접촉이 이루어지는 상기 제1가스쿨러(110)로 냉매가 유통되지 않도록 함으로써 냉매의 온도를 보다 빨리 끌어올릴 수 있게 되는 장점이 있다.
냉매의 흐름을 순차적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하면서 공기를 가열하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제2팽창밸브(620)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 보조열교환기(810)를 통과하면서 증발되고, 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입됨으로써 순환되게 된다. 즉 이 때, 상기 제2가스쿨러(120)가 응축기 역할을 하게 되며, 상기 보조열교환기(810)가 증발기 역할을 하게 된다. 물론 이 경우에도, 상기 제2가스쿨러(120)는 응축기 위치에 해당하지만 실제로 냉매의 상변화가 일어나지는 않고, 다만 주변에 열을 방출하게 된다.
또한 난방 모드일 때에는 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입될 수 있도록 배치되게 된다. 이 때 상기 증발기(500)로는 냉매가 흘러가지 않아 열교환이 일어나지 않기 때문에, 공기는 상기 제2가스쿨러(120)에서 의해 가열만 일어나게 되고, 따라서 차량 내부로는 따뜻한 공기가 흘러들어가게 되어 난방이 이루어지게 된다.
그런데 이 때, 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템은 외기 온도가 저온인 경우와 극저온인 경우를 구분하여, 외기 온도가 극저온인 경우(예를 들어 영하) 상기 보조열교환기(810)로 열을 더 공급해 주는 보조열원(800)을 구비함으로써, 냉매가 보다 빨리 높은 온도에 도달할 수 있도록 해 준다. 따라서 냉매의 유동성이 보다 빨리 좋아질 수 있게 되며, 상기 압축기(400)에서의 슬러깅 및 과열도 증가 문제가 해소되고, 시스템 효율이 향상되는 장점이 있다.
상기 보조열원(800)은 상술한 바와 같이 전기 히터, 냉각수를 이용한 워머, 냉매를 이용한 열펌프용 열교환기 중 선택되는 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이 상기 보조열원(800)은 공조 시스템의 나머지 부품들과는 독립적인 부품으로서 단지 상기 보조열교환기(810)에 열을 공급해 줄 수 있기만 하면 되기 때문에, 본 발명의 상기 보조열원(800)은 어떤 형태로 형성되어도 무방하다. 즉 상기 보조열원(800)은 나머지 부품들과는 완전히 독립적으로, 전기 히터와 같은 형태로 이루어질 수 있다. 또는 상기 보조열원(800)은 공조 시스템의 일부로서 형성될 수도 있는데, 예를 들어 냉각수를 이용한 워머나 냉매를 이용한 열펌프용 열교환기로서 이루어질 수도 있다. 물론 상기 보조열원(800)은 전기 히터와 워머가 결합된 형태로 이루어질 수도 있는 등, 상기 보조열교환기(810)에 열을 공급해 줄 수 있기만 하다면 어떤 형태로든 이루어질 수 있다.
이와 같이 상기 보조열원(800)의 형태에 있어 넓은 자유도를 가짐으로써 다음과 같은 장점이 있다. 난방은 필요하지만 극저온이 아닌 환경, 즉 외기 온도가 0 ~ 10℃ 정도가 되는 경우에는 상기 보조열원(800)이 공조 시스템의 일부(즉 워머나 열펌프용 열교환기 등)로서 이루어지는 경우가 더욱 효율이 좋다. 그러나 극저온인 환경, 즉 외기 온도가 -20℃ 정도 되는 경우에는 상기 보조열원(800)이 전기 히터 형태로 되어 있는 경우가 더욱 효율이 좋다. 즉 본 발명의 경우, 상기 보조열원(800)을 복합적으로 구성하여 외기 온도에 따라 더 유리한 형태의 열원이 작동되도록 함으로써, 시스템 효율을 향상시키고 냉매의 온도를 효과적으로 끌어올릴 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템의 제어 방법의 실시예들이다. 상술한 바와 같이 냉방 모드 / 난방 모드로 나누어 냉매 순환 경로를 결정할 수도 있지만, 외기 온도 등과 같은 여러 조건들을 사용하여 도 6a 및 도 6b에서와 같이 자동적인 제어가 더 이루어지도록 함으로써 차량 공조 상태를 보다 세밀하게 조절할 수 있다.
먼저 도시되어 있지는 않았으나 본 발명의 냉방 모드 제어 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템에서, 먼저 사용자에 의하여 a1) 냉방 모드가 선택되면, a2) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키게 된다. 물론 이 상태가 기본(default) 상태인 것으로 하면 실제로 전환 동작이 이루어지지는 않을 수도 있다. 다음으로, a3) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되게 된다. 이렇게 되면 상기 증발기(500)에 의해 냉각된 공기가 차량 내부로 유통됨으로써 차량 내부의 냉방이 이루어진다.
다음으로 도 6a에 도시되어 있는 제습 모드 제어 방법에 대하여 설명한다. 상기 도 5b에서는 단지 제습만이 이루어지는 경우를 설명하였으나, 도 6a에서와 같이 외기 온도 등을 고려하여 보다 세밀한 제어가 이루어지도록 할 수 있다. 본 발명의 이산화탄소 공조 시스템에서, 먼저 b1) 제습 모드가 선택되면, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)와 외기 온도(Tambient)를 비교하여 b2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경우(Ka<Tambient : No)(즉 추운 날씨인 경우) 제습 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키게 된다. 이 경우에는 난방을 함으로써 공기 중의 수분을 증발시킴으로써 제습이 이루어지도록 하는 경우이다. 또는, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes)(즉 더운 날씨인 경우) 제습 냉방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키게 된다.
이 때, b3) 상기 b2) 단계에서 제습 냉방 모드로 설정되면, 차량 실내 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 낮을 경우(Tint<Tsetting : No)(즉 차량 내부가 더운 경우) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 실내로 유입되도록 배치됨으로써 차량 내부가 냉방되게 된다. 상기 증발 기(500)에서 공기가 냉각되면서 제습이 이루어지게 되는 바, 냉방이 이루어지면 자동적으로 제습이 함께 이루어지게 되며, 실질적으로 이는 상기 도 5a에 도시된 냉방 모드와 동일하게 작동한다. 또는, 차량 실내 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 높을 경우(Tint<Tsetting : Yes)(즉 차량 내부가 덥지 않은 경우) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 실내로 유입되도록 배치됨으로써 차량 내부에서 제습만이 이루어지게 된다. 이 경우는 실질적으로는 도 5b에 도시되어 있는 형태이다.
다음으로, 도 6b에 도시되어 있는 난방 모드 제어 방법에 대하여 설명한다. 먼저 사용자에 의하여 c1) 난방 모드가 선택되면, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)와 외기 온도(Tambient)를 비교하게 된다. 이 때, c2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes)(즉 그리 춥지 않은 날씨일 때) 일반 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 개방된다. 즉 도 5c 및 도 5에 도시된 바와 같은 난방 모드 냉매 순환 경로를 이루게 된다.
또는, 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경우(Ka<Tambient : No)(즉 상당히 추운 날씨인 경우) 저온 난방 모드로 설정되어, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)와 냉매 온도(Tcoolant)를 비교하게 된다. 이 때 c3) 상기 c2) 단계에서 저온 난방 모드로 설정되면, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 높을 경우(Kc<Tcoolant : Yes)(즉 냉매 온도가 매우 낮지 않을 때) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄된다. 또는, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 낮을 경우(Kc<Tcoolant : No)(즉 날씨가 매우 추워서 냉매 온도도 매우 낮을 때) 극저온 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄되고, 상기 보조열원(800)이 작동되어 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하게 된다. 도 6b에서는 상기 보조열원(800)이 전기 히터로 형성된 경우이며, 즉 극저온 상태에서 상기 보조열원(800)이 작동되어 냉매를 빠르게 덥혀 주게 된다.
다음으로, c4) 상기 c3) 단계에서 극저온 난방 모드로 설정되면, 미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 낮을 경우(Ks<Tref_suc : No) 상기 보조열원(800)의 작동을 반복 수행하여 냉매의 온도를 충 분한 상태까지 끌어올리고, 미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 높을 경우(Ks<Tref_suc : Yes) 다음 단계로 넘어가게 된다. 이와 같이 극저온 상태의 냉매는 점도가 매우 높아 냉매 유동성이 불량하기 때문에, 이러한 상태의 냉매가 상기 압축기(400)로 그대로 유입될 경우 상기 압축기(400)에서의 슬러깅 및 과열도 증가 문제가 크게 발생한다. 그러나 상기 보조열원(800)을 이용하여 충분히 냉매를 덥혀 줌으로써 냉매 유동성을 향상시킨 후 c5) 상기 압축기(400)가 작동을 시작하게 함으로써, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 문제점들을 해소할 수 있게 된다.
이와 같이 난방 모드가 적용된 후에는 c6) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 실내로 유입되도록 배치되어, 주변에 열을 방출하는 상기 제2가스쿨러(120)를 통과함으로써 가열된 공기가 차량 내부로 유입되도록 한다. 이 경우 상기 증발기(500)는 작동하지 않기 때문에 공기의 가열만 이루어지는 바, 차량 내부의 난방이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래기술에 의한 이산화탄소 공조 시스템.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 종래기술에 의한 이산화탄소 공조 시스템에서의 냉매 순환 경로.
도 3은 종래기술에 의한 이산화탄소 공조 시스템에서의 시간에 따른 냉매 및 공기의 특성 변화 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템에서의 냉매 순환 경로.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1110: (종래의) 제1가스쿨러 1120: (종래의) 제2가스쿨러
1200: (종래의) 내부열교환기
1210: (종래의 열교환기) 제1유로
1220: (종래의 열교환기) 제2유로
1300: (종래의) 어큐뮬레이터
1400: (종래의) 압축기 1500: (종래의) 증발기
1611: (종래의) 제1팽창밸브 1621: (종래의) 제2팽창밸브
1612: (종래의) 제1바이패스밸브 1622: (종래의) 제2바이패스밸브
110: 제1가스쿨러 120: 제2가스쿨러
200: 내부열교환기
210: 제1유로 220: 제2유로
300: 어큐뮬레이터
400: 압축기 500: 증발기
610: 제1팽창밸브 620: 제2팽창밸브
710: 제1바이패스밸브 720: 제2바이패스밸브
800: 보조열원 810: 보조열교환기
900: 공기유통경로 910: 통풍개폐문

Claims (9)

  1. 냉매를 압축시키는 압축기(400);
    냉방 모드 시 제1팽창밸브(610)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(500);
    모드에 따라 선택적으로 내부에 유입된 냉매가 유동하여 공기와 열교환되도록 하는 제1가스쿨러(110) 및 제2가스쿨러(120);
    상기 제1가스쿨러(110)와 나란히 병렬 배치되며, 난방 모드 시 제2팽창밸브(620)를 통과한 냉매를 증발시키는 보조열교환기(810);
    상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 보조열원(800);
    냉방 모드 시 상기 증발기(500)로부터 배출된 저온ㆍ저압의 냉매와 상기 제1가스쿨러(110)로부터 배출된 고온ㆍ고압의 냉매를 서로 밀접해 있는 제1유로(210) 및 제2유로(220)로 각각 유통시킴으로써 상호 열교환시키는 내부열교환기(200);
    냉방 모드 시와 난방 모드 시 냉매의 유통 경로를 전환하는 제1바이패스밸브(710) 및 제2바이패스밸브(720);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1바이패스밸브(710)는 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로 유통시키며, 상기 제2바이패스밸브(720)는 상기 내부열교환기(200) 및 상기 보조열교환기(810) 중 선택되는 하나로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시키되,
    상기 제1바이패스밸브(710) 및 상기 제2바이패스밸브(720)의 개방 유로 선택에 의해 형성되는 냉방 모드 냉매 순환 경로 및 난방 모드 냉매 순환 경로 중에서 선택되는 어느 하나의 경로를 통해 냉매를 순환시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉방 모드 냉매 순환 경로는,
    상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 제1가스쿨러(110)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되며,
    상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제1가스쿨러(110)를 통과하고, 상기 내부열교환기(200)의 제2유로(220)를 지나 상기 제1팽창밸브(610)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 증발기(500)를 통과하면서 증발되며 공기를 냉각하고, 상기 내부열교환기(200)의 제1유로(210) 및 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 난방 모드 냉매 순환 경로는,
    상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제2가스쿨러(120)측으로부터 흘러온 냉매를 상기 보조열교환기(810)로 유통시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 흘러온 냉매를 상기 압축기(400) 측으로 유통시킴으로써 형성되며,
    상기 압축기(400)로부터 흘러온 냉매가, 상기 제2가스쿨러(120)를 통과하면서 공기를 가열하고, 상기 제1바이패스밸브(710)를 거쳐 상기 제2팽창밸브(620)를 통과하면서 팽창한 후, 상기 보조열교환기(810)를 통과하면서 증발되고, 상기 제2바이패스밸브(720)를 지나 상기 압축기(400)로 유입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보조열원(800)은
    전기 히터, 냉각수를 이용한 워머, 냉매를 이용한 열펌프용 열교환기 중 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)는
    차량 내부로 유입되는 공기유통경로(900) 내에 구비되되, 상기 제2가스쿨러(120)는 상기 증발기(500)의 하류에 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공 조 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 공기유통경로(900)는
    상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하거나, 또는 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되게 하도록 공기 흐름을 전환하는 통풍개폐문(910)을 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템.
  7. 제 6항에 의한 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어서,
    a1) 냉방 모드가 선택되는 단계;
    a2) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키는 단계;
    a3) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법.
  8. 제 6항에 의한 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어서,
    b1) 제습 모드가 선택되는 단계;
    b2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경우(Ka<Tambient : No) 제습 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고,
    미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes) 제습 냉방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 제1가스쿨러(110) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 내부열교환기(200)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키는 단계;
    b3) 상기 b2) 단계에서 제습 냉방 모드로 설정되면,
    차량 내부 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 낮을 경우(Tint<Tsetting : No) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500)만을 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되고,
    차량 내부 온도(Tint)보다 미리 설정된 기준 온도(Tsetting)가 높을 경우(Tint<Tsetting : Yes) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법.
  9. 제 6항에 의한 이산화탄소 공조 시스템을 사용하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법에 있어서,
    c1) 난방 모드가 선택되는 단계;
    c2) 미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 높을 경우(Ka<Tambient : Yes) 일반 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 개방되고,
    미리 설정된 외기 기준 온도(Ka)보다 외기 온도(Tambient)가 낮을 경 우(Ka<Tambient : No) 저온 난방 모드로 설정되어, 미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)와 냉매 온도(Tcoolant)를 비교하는 단계;
    c3) 상기 c2) 단계에서 저온 난방 모드로 설정되면,
    미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 높을 경우(Kc<Tcoolant : Yes) 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄되고,
    미리 설정된 냉매 기준 온도(Kc)보다 냉매 온도(Tcoolant)가 낮을 경우(Kc<Tcoolant : No) 극저온 난방 모드로 설정되어, 상기 제1바이패스밸브(710)가 상기 보조열교환기(810) 측으로 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제2바이패스밸브(720)가 상기 보조열교환기(810)로부터 냉매를 유통시키도록 유로를 전환시키고, 상기 제1가스쿨러(110) 및 상기 보조열교환기(810)로의 공기 유통이 폐쇄되고, 상기 보조열원(800)이 작동되어 상기 보조열교환기(810)로 열을 공급하는 단계;
    c4) 상기 c3) 단계에서 극저온 난방 모드로 설정되면,
    미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 낮을 경우(Ks<Tref_suc : No) 상기 보조열원(800)의 작동을 반복 수행하 고,
    미리 설정된 압축기 유입 냉매 기준 온도(Ks)보다 압축기 유입 냉매 온도(Tref_suc)가 높을 경우(Ks<Tref_suc : Yes) 다음 단계로 넘어가는 단계;
    c5) 상기 압축기(400)가 작동을 시작하는 단계;
    c6) 상기 통풍개폐문(910)이 상기 증발기(500) 및 상기 제2가스쿨러(120)를 순차적으로 통과한 공기가 차량 내부로 유입되도록 배치되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공조 시스템 제어 방법.
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