KR101361039B1 - 전기자동차용 공조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차용 공조장치에 관한 것으로서, 본 발명은 일정 압력으로 유체를 압축시키는 압축기(10)로부터 나오는 고온 고압의 냉매 중 일부를 통과시켜 고온의 유체와 저온의 유체로 분리되도록 하는 유체 분리기(20); 상기 압축기로부터 나오는 대부분의 유체와 상기 유체 분리기(20)로부터 분리되는 유체를 통과시키면서 발생되는 열기가 난방 모드에서 제1 송풍팬(31)을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 응축기(30); 상기 응축기로부터 액화된 유체를 저온 저압으로 기화되게 하는 팽창밸브(40); 상기 팽창밸브로부터 유도되는 유체와 함께 상기 유체 분리기(20)로부터 분리되는 유체의 통과 시 외부로부터 열을 빼앗으면서 발생되는 냉기는 냉방 모드에서 제2 송풍팬(51)을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 증발기(50); 상기 유체 분리기(20)의 일측에 구비되면서 상기 유체 분리기(20)로부터 분리되어 나오는 고온의 유체를 난방 모드시에는 상기 응축기(30)로 공급되도록 하고, 냉방 모드에서는 상기 압축기(10)로 공급되도록 하는 제1 3웨이 밸브(60); 상기 유체 분리기(20)의 타측으로부터 분리되어 나오는 저온의 유체를 냉방 모드에서 응축기(30)로 공급하고, 난방 모드에서는 상기 팽창밸브(40)로 공급되도록 하는 제2 3웨이 밸브(70); 를 포함하는 구성으로 이루어지도록 한다.

Description

전기자동차용 공조장치{Ventilation and air-conditioning apparatus for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차용 공조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축기로부터 유도되는 압축유체가 볼텍스 튜브를 통과하면서 고온 유체와 저온 유체가 각각 증발기와 응축기로 유도되게 하여 열효율을 극대화할 수 있도록 하는 전기자동차용 공조장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 공조시스템이 설치된다. 그리고 상기 공조시스템은 차실(차량 실내)의 난방을 위한 난방시스템, 차실의 냉방을 위한 냉방시스템, 차실로 유입되는 공기의 온도/세기/방향을 조절하는 공조장치(HVAC :Heating, Ventilation and Air Conditioning) 등을 포함한다.

화석에너지로 구동하는 차량에서는 차실 난방을 위한 열원으로 엔진 냉각수가 직접 사용된다. 즉, 엔진으로부터 열을 빼앗은 냉각수는 공조장치(HVAC) 내의 히터코어를 경유한 후 다시 엔진으로 유입되고, 이 과정에서 냉각수는 히터코어를 통과하는 공기에 열을 전달한다. 그리고 히터코어를 경유한 공기는 차실로 유입되어 차실을 난방한다.

한편, 최근 공해문제의 심각화, 화석 연료의 고갈 등의 문제가 제기되면서 전기에너지로 구동하는 차량이 등장하고 있다. 이러한 전기자동차는 구동 에너지를 기존의 차량과 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 차량이다. 전기자동차는 공해문제를 발생시키지 않고 주행 시 소음을 거의 발생시키지 않으며 화석연료의 고갈을 초래하지 않는바, 자동차 메이커들은 전기자동차의 생산 및 판매를 점차 증가시키고 있다.

전기자동차에는 일본공개특허공보 제2000-62453호에 개시된 바와 같은 소위 히트펌프식 공조시스템이 주로 사용되고 있는데, 이는 차실의 난방이 용이하고 실용적으로 이루어질 수 있기 때문이다.

하지만 히트펌프를 사용하기 위해서는 동력을 배터리로부터 얻어야만 하므로 전력 소모량이 크고, 그로 인해 차량의 주행 길이가 단축될 수 밖에 없는 문제가 있다.

그 외에도 다양한 방식으로 냉난방이 수행되도록 하고는 있지만 이들 추가적인 구성을 위한 구조가 매우 복잡해지면서 차량 내 레이아웃에도 어려움이 있는 단점이 있다.

특허문헌 일본공개특허공보 제2000-62453호(2000.02.29.)명칭:히트펌프식 자동차용 공기조화장치

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 압축기로부터 나온 유체의 일부를 볼텍스 튜브를 통과시켜 고온과 저온의 유체로 분리되도록 하여 응축기나 증발기에 공급되게 함으로써 선택적으로 냉난방이 가능하도록 하면서 열효율이 극대화되도록 하는 전기자동차용 공조장치를 제공하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명은 히트펌프를 사용하지 않으므로 배터리 소모를 최소화할 수 있도록 하여 차량 주행 거리를 증가시킬 수 있도록 하는 전기자동차용 공조장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은 일정 압력으로 유체를 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 나오는 고온 고압의 냉매 중 일부를 볼텍스 튜브를 통과시켜 고온의 유체와 저온의 유체로 분리되도록 하는 유체 분리기; 상기 압축기로부터 나오는 고온 고압의 유체 중 대부분과 상기 유체 분리기로부터 분리되어 오는 유체를 통과시키면서 유체의 액화 시 발생되는 열기는 난방 모드에서 제1 송풍팬을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 응축기; 상기 응축기로부터 액화된 유체를 교축작용에 의해 감압되도록 하여 저온 저압으로 기화되게 하는 팽창밸브; 상기 팽창밸브로부터 유도되는 기화 유체와 함께 상기 유체 분리기로부터 분리되어 오는 유체를 통과시켜 상기 압축기로 공급되도록 하며, 유체의 통과 시 외부로부터 열을 빼앗으면서 발생되는 냉기는 냉방 모드에서 제2 송풍팬을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 증발기; 상기 유체 분리기의 일측에 구비되면서 상기 유체 분리기로부터 분리되어 나오는 고온의 유체를 난방 모드시에는 상기 응축기로 공급되도록 하고, 냉방 모드에서는 상기 응축기로 공급되도록 하는 제1 3웨이 밸브; 상기 유체 분리기의 타측에 구비되면서 상기 유체 분리기로부터 분리되어 나오는 저온의 유체를 냉방 모드에서는 응축기로 공급되도록 하고, 난방 모드에서는 상기 팽창밸브로 공급되도록 하는 제2 3웨이 밸브; 를 포함하는 구성이다.

상기의 구성에서 상기 유체 분리기는 내부가 길이 방향으로 일정 직경으로 관통되게 한 상기 볼텍스 튜브를 유체가 통과하면서 일측으로는 내부의 주면을 따라 고온의 유체가 유출되고, 타측으로는 내부의 중앙을 따라 저온의 유체가 유출되도록 한다.

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상기한 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치에 의해 히트펌프를 사용하지 않고도 기존의 냉방 시스템과 유체 분리기를 이용하여 선택적으로 냉난방이 수행될 수 있도록 함으로써 열효율이 극대화될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 배터리 사용을 최소화하여 한번 충전에 의한 주행거리를 최대한 연장시킬 수 있도록 하며, 충전 주기도 보다 길게 유지되도록 하여 차량 유지 관리를 보다 편리할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 전체적인 구조를 예시한 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치에 의한 냉방 모드 시의 유체 흐름을 도시한 블록 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치에 의한 난방 모드 시의 유체 흐름을 도시한 블록 구성도.

이하, 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 전체적인 구조를 예시한 블록 구성도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 전기자동차용 공조장치는 통상의 냉방 장치의 구성을 이용한다.

즉 본 발명의 전기자동차용 공조장치는 크게 압축기(10)와 유체 분리기(20)와 응축기(30)와 팽창밸브(40)와 증발기(50)와 제1 3웨이밸브((60) 및 제2 3웨이밸브(70)로서 이루어지는 구성이다.

이와 같은 구성 중 압축기(10)와 응축기(30)와 팽창밸브(40)와 증발기(50)는 종전의 냉방장치에 적용되는 구성과 대동소이하다.

다만 본 발명에서는 압축기(10)의 후단에 유체 분리기(20)를 구비하고, 이 유체 분리기(20)의 양측으로 제1 3웨이밸브(60)와 제2 3웨이밸브(70)가 구비되도록 하는데 가장 두드러진 특징이 있다.

이를 좀더 상세하게 설명하면, 본 발명의 압축기(10)는 유체를 일정 압력으로 압축되도록 하는 구성으로서, 압축기(10)는 자동차의 구동력을 이용하여 유체를 고온 고압의 상태가 되도록 하는 구성이다.

그리고 본 발명의 유체 분리기(20)는 압축기(10)로부터 나오는 고온 고압의 유체를 냉방 모드 또는 난방 모드의 선택에 의해 유체 중 일부가 유입되도록 하여 저온의 유체와 고온의 유체가 서로 다른 양측방으로 분리되도록 하는 구성이다.

이때의 유체 분리기(20)는 볼텍스 튜브를 이용하여 길이 중앙부로 압축기(10)로부터 발생되는 고온 고압의 유체가 유입되도록 하고, 이렇게 유입되는 압축된 유체는 볼텍스 튜브의 내부에서 관의 접선방향으로 빠른 속도로 통과하게 되며, 튜브 벽면 쪽은 상대적으로 속도가 느리고, 중심 부분은 빠른 속도로 유동하게 된다.

이같은 유동형태의 변화로 인하여 튜브의 중심에서 벽면 방향으로 운동량 전달이 일어나게 되어 볼텍스 중심이 외부층보다는 더 냉각되지만 에너지 균형을 이루기 위하여 열이 내층으로 이동하지만 운동량 전달이 열의 이동보다 더 크므로 외부층의 공기는 정체온도가 상승되어 고온으로 유동되면서 일측의 출구를 통해 유출된다.

이때 내부층의 유체는 받은 열에너지보다 더 큰 운동량을 잃게 되어 더 낮은 온도가 되고, 입구온도보다 낮은 저온 유동이 되어 반대 방향에 있는 타측의 출구를 통해 외부로 배출된다.

또한 본 발명의 응축기(30)는 압축기(10)로부터 나오는 고온 고압의 유체 중 대부분과 함께 유체 분리기(20)로부터 분리되어 오는 유체를 통과시키면서 유체를 액화되도록 하는 구성이다.

응축기(30)에서 유체의 액화 시 열을 발생시키게 되며, 이때 발생되는 열기는 난방 모드에서 제1 송풍팬(31)을 사용하여 차량 실내로 열기를 강제 공급한다.

팽창밸브(40)는 응축기(30)로부터 액화된 유체를 교축작용에 의해 감압되도록 하고, 저온 저압으로 기화되도록 한다.

특히 본 발명의 증발기(50)는 팽창밸브(40)로부터 유도되는 기화한 유체와 함께 유체 분리기(20)로부터 분리되어 오는 유체를 통과시켜 압축기(10)로 공급되도록 한다.

증발기(50)를 유체가 통과하면서 외부로부터 열을 빼앗게 되면 유체로부터는 냉기가 발생되며, 이때 발생되는 냉기는 냉방 모드에서 제2 송풍팬(51)을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 구성이다.

그리고 본 발명의 제1 3웨이밸브(60)는 유체 분리기(20)의 일측에 구비되면서 유체 분리기(20)를 통해 분리되어 나오는 고온의 유체를 난방 모드 시에는 응축기(30)로 공급되도록 하고, 냉방 모드 시에도 응축기(30)에 공급되도록 한다.

한편 제2 3웨이밸브(70)는 유체 분리기(20)의 타측으로 구비되면서 유체 분리기(20)를 통해 분리되어 나오는 저온의 유체를 냉방 모드에서는 응축기(30)로 공급되도록 하고, 난방 모드에서는 팽창밸브(40)로 공급되도록 한다.

상기한 구성에 따른 본 발명의 전기자동차용 공조장치에 의한 작용에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 주행 중 발생되는 구동력에 의해 압축기(10)를 구동시키게 되면 이 구동력에 의해서 압축기(10)로부터는 일정 압력으로 유체가 압축되도록 한다.

이렇게 압축되는 유체는 냉방 또는 난방 모드의 선택에 의해 대부분의 유체는 응축기(30)로 공급되고, 일부는 유체 분리기(20)에 공급된다.

유체 분리기(20)에 공급된 일부의 유체는 볼텍스 튜브를 통과하면서 일측으로는 고온의 유체를 타측으로는 저온의 유체가 유출되도록 한다.

이때 유체 분리기(20)의 양측에서 고온의 유체측에는 제1 3웨이밸브(60)가 구비되도록 하고, 저온의 유체측에는 제2 3웨이밸브(70)가 구비되도록 하여 냉방 모드와 난방 모드의 선택에 의해 유체의 유동 방향을 제어한다.

즉 냉방 모드로 본 발명을 작동시키게 되면 유체 분리기(20)로부터 유출되는 고온의 유체는 제1 3웨이밸브(60)를 통해 응축기(30)에 공급되고, 반면 제2 3웨이밸브(70)를 통해 유출되는 저온의 유체는 응축기(30)에 공급한다.

따라서 응축기(30)에서는 압축기(10)를 통해 공급되는 고온 고압의 유체와 함께 유체 분리기(20)의 제2 3웨이밸브(70)를 통해 유입되는 저온의 유체와 함께 통과되게 하면서 유체의 온도를 내려 팽창밸브(40)에 공급되도록 한다.

팽창밸브(40)를 통과하면서 저온 저압의 상태가 되면 다시 증발기(50)를 지나면서 열교환에 의해 냉기가 발생되도록 하고, 이때 발생되는 냉기를 제2 송풍팬(51)을 통해 차량의 실내에 냉기가 공급되도록 한다.

증발기(50)를 통과한 유체는 다시 압축기(10)에 공급되면서 재차 일정 압력으로 압축되도록 하다.

또한 본 발명이 난방 모드로 전환되면 제1 3웨이밸브(60)를 통해 고온의 유체가 응축기(30)에 공급되게 함으로써 직접 압축기(1)로부터 유입되는 유체를 보다 고온의 상태가 되도록 하면서 응축기(30)를 통과하도록 한다.

응축기(30)를 통과하면서 유체는 열기를 발생시키게 되며, 이때 발생되는 열기는 제2 송풍팬(31)을 구동시켜 차량 내부로 열기가 공급되도록 한다.

다만 유체 분리기(20)의 제2 3웨이밸브(70)를 통해 유출되는 저온의 유체는 팽창밸브(40)로 공급되면서 저온 저압의 상태가 되도록 한다.

이와 같이 본 발명은 냉방 모드 또는 난방 모드의 선택에 따라 제1 3웨이밸브(60)와 제2 3웨이밸브(70)의 유체 유동 방향을 제어하도록 함과 동시에 응축기(30)측 제1 송풍팬(31) 또는 증발기(50)측 제2 송풍팬(51)의 선택적인 구동에 의해 차량의 내부에는 냉기 또는 열기가 공급되면서 냉방 또는 난방이 선택적으로 이루어지도록 한다.

따라서 본 발명은 하나의 공조장치를 이용하여 냉난방을 할 수 있도록 하면서 유체 분리기(20)를 통해 공급되는 유체에 의해 보다 열효율이 향상될 수 있도록 한다.

또한 더 이상 히트 펌프를 사용하지 않아도 난방이 가능하므로 난방을 위한 배터리 소모를 방지시켜 일회 충전에 의한 주행 거리를 한층 연장시킬 수가 있게 된다.

특히 본 발명에 따른 공조장치에 의해 난방을 위한 구조를 간소화하고, 배터리 충전량에 따른 차량 주행 거리의 한계를 극복하면서 더욱 전기자동차의 상용화를 촉진시키게 되는 효과를 제공한다.

10 : 압축기 20 : 유체 분리기
30 : 응축기 31 : 제1 송풍팬
40 : 팽창밸브 50 : 증발기
51 : 제2 송풍팬 60 : 제1 3웨이밸브
70 : 제2 3웨이밸브

Claims (3)

1. 일정 압력으로 유체를 압축시키는 압축기;
   상기 압축기로부터 나오는 고온 고압의 냉매 중 일부를 볼텍스 튜브를 통과시켜 고온의 유체와 저온의 유체로 분리되도록 하는 유체 분리기;
   상기 압축기로부터 나오는 고온 고압의 유체 중 대부분과 상기 유체 분리기로부터 분리되어 오는 유체를 통과시키면서 유체의 액화 시 발생되는 열기는 난방 모드에서 제1 송풍팬을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 응축기;
   상기 응축기로부터 액화된 유체를 교축작용에 의해 감압되도록 하여 저온 저압으로 기화되게 하는 팽창밸브;
   상기 팽창밸브로부터 유도되는 기화 유체와 함께 상기 유체 분리기로부터 분리되어 오는 유체를 통과시켜 상기 압축기로 공급되도록 하며, 유체의 통과 시 외부로부터 열을 빼앗으면서 발생되는 냉기는 냉방 모드에서 제2 송풍팬을 사용하여 차량 실내로 강제 공급되도록 하는 증발기;
   상기 유체 분리기의 일측에 구비되면서 상기 유체 분리기로부터 분리되어 나오는 고온의 유체를 난방 모드시에는 상기 응축기로 공급되도록 하고, 냉방 모드에서는 상기 응축기로 공급되도록 하는 제1 3웨이 밸브; 및
   상기 유체 분리기의 타측에 구비되면서 상기 유체 분리기로부터 분리되어 나오는 저온의 유체를 냉방 모드에서는 응축기로 공급되도록 하고, 난방 모드에서는 상기 팽창밸브로 공급되도록 하는 제2 3웨이 밸브;
   를 포함하는 구성으로 이루어지는 전기자동차용 공조장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체 분리기는 내부가 길이 방향으로 일정 직경으로 관통되게 한 상기 볼텍스 튜브를 유체가 통과하면서 일측으로는 내부의 주면을 따라 고온의 유체가 유출되고, 타측으로는 내부의 중앙을 따라 저온의 유체가 유출되는 전기자동차용 공조장치.
   
3. 삭제

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