KR101416403B1 - 차량용 냉방 시스템 - Google Patents

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Abstract

차량용 냉방 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기; 상기 스털링 냉동기의 압축부와 연결되며, 상기 압축부에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부의 열을 외부로 방출시키는 외부 열교환기; 및 상기 스털링 냉동기의 팽창부와 연결되며, 상기 팽창부에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 차량의 실내로 공급되는 외기와의 열교환을 통해 상기 외기를 냉각시키는 내부 열교환기를 포함한다.

Description

차량용 냉방 시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 냉방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 냉매 순환방식을 대체하고, 내부에 충진된 작동유체의 압축, 팽창, 및 재생을 통하여 차량의 냉방을 수행하도록 하는 차량용 냉방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 냉방 시스템은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 냉방 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 에어컨 시스템이 설치된 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.
이와 같이 구성되는 냉방 시스템은 증발기에서 나온 저압의 냉매가스를 압축기에서 고압으로 압축하여 응축기에 보내고, 응축기에서는 고온고압의 냉매가스가 외기에 의해 냉각되어 액화되며, 이 액체상태의 냉매는 팽창밸브에서 저압 무상(霧狀)의 상태로 변화되어 상기 증발기로 유입된 후 주위 열을 빼앗아 증발하게 되는 구조로 이루어져 있으며, 송풍기를 사용하여 증발기의 튜브 사이로 차 실내 공기를 불어 준 뒤, 이 공기를 다시 차내로 순환시킴으로써 실내의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 에어컨 시스템은 순환되는 작동유체인 냉매로서 CFC/HCFC계 화합물을 사용하고 있는 바, 이들은 화학적으로 매우 안정적이어서 대기 중으로 누출되었을 때 분해되지 않고 성층권에 도달하고, 여기서 햇빛의 자외선에 반응하여 염소 원자가 분리되며, 이 염소원자는 오존과 반응하여 일산화염소를 생성시키면서 점차 오존층을 파괴하게 되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 CFC/HCFC계 화합물인 냉매를 대체냉매로 변경할 경우, 현재 사용중인 냉매 대비 비용이 20배 가량 상승됨에 따라, 원가가 상승되는 문제점도 있다.
또한, 상기 냉매들은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소에 비교해서 수천~수만 배의 적외선 흡수능력을 가지고 있고, 대기 중에서 수명이 길기 때문에 온난화에 미치는 이들의 영향을 무시할 수 없으므로, 종래 에어컨 시스템에 사용되는 냉매들은 오존층 파괴, 지구 온난화의 원인으로서 환경 파괴의 한 요인이 된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감하도록 하는 차량용 냉방 시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기; 상기 스털링 냉동기의 압축부와 연결되며, 상기 압축부에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부의 열을 외부로 방출시키는 외부 열교환기; 및 상기 스털링 냉동기의 팽창부와 연결되며, 상기 팽창부에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 차량의 실내로 공급되는 외기와의 열교환을 통해 상기 외기를 냉각시키는 내부 열교환기를 포함하되, 상기 스털링 냉동기는 상기 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전되는 회전 샤프트가 상기 압축부와 팽창부에 구비되고, 상기 회전 샤프트 상에는 상기 압축부에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함할 수 있다.
삭제
상기 스털링 냉동기는 상기 엔진에 연결되어 발전하는 발전기; 상기 발전기에서 생성된 전력으로 작동하는 모터; 및 상기 압축부와 팽창부를 관통하여 구비되는 회전 샤프트를 더 포함하며, 상기 회전 샤프트에는 상기 압축부에서 작동유체가 압축되면 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함할 수 있다.
상기 발전기와 상기 모터 사이에는 상기 발전기에 발생된 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하기 위한 인버터를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 열교환기와 내부 열교환기는 상기 제2 작동유체 또는 상기 제3 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템은 배터리와 모터를 갖는 전기자동차에서 상기 모터로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기; 상기 스털링 냉동기의 압축부와 연결되며, 상기 압축부에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부의 열을 외부로 방출시키는 외부 열교환기; 및 상기 스털링 냉동기의 팽창부와 연결되며, 상기 팽창부에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 차량의 실내로 공급되는 외기와의 열교환을 통해 상기 외기를 냉각시키는 내부 열교환기를 포함하되, 상기 스털링 냉동기는 상기 모터로부터 구동력을 전달받아 회전되는 회전 샤프트가 상기 압축부와 팽창부에 구비되고, 상기 회전 샤프트 상에는 상기 압축부에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함할 수 있다.
삭제
상기 모터는 상기 배터리로부터 공급된 전력으로 작동하며, 상기 배터리와 상기 모터 사이에는 상기 배터리에서 공급된 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하기 위한 인버터를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 열교환기와 내부 열교환기는 상기 스털링 냉동기의 압축부와 팽창부에 각각 상기 제2 작동유체와 상기 제3 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 내부 열교환기는 상기 팽창부와 단열 배관을 통해 상호 연결될 수 있다.
상기 제1 작동유체는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기에 의하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하고, 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감하는 효과도 있다.
또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시키는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(100)은 CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(100)은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 스털링 냉동기(120), 외부 열교환기(130), 및 내부 열교환기(140)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 스털링 냉동기(120)는 차량의 엔진(110)으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부(121)와, 상기 압축부(121)에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부(123)와, 상기 압축부(121)와 상기 팽창부(123)를 유체적으로 연통시키는 재생부(125)를 포함하여 구성된다.
이러한 스털링 냉동기(120)는 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부(123)에서 흡열하여 제1 작동유체의 온도가 매우 낮아지게 되고, 압축부(121)에서는 발열하여 제1 작동유체의 온도가 상승하게 된다.
여기서, 상기 제1 작동유체는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 스털링 냉동기(120)는 종래 차량의 냉방을 위해 사용되던 냉매를 대신해 제1 작동유체로서 헬륨가스나 질소가스를 이용함으로써, 상기 압축부(121)를 통해 압축되면서 발열된 제1 작동유체를 팽창부(123)를 통해 팽창되면서 흡열됨에 따라 초저온으로 온도가 낮아진 제1 작동유체를 차량의 실내 냉방 시에 사용하게 된다.
한편, 상기 재생부(125)는 상기 압축부(121)에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 제1 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 제1 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부(123)로 공급하게 된다.
그리고 상기 재생부(125)는 상기 팽창부(123)로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 제1 작동유체에 저장된 열을 공급하여 제1 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부(121)에 공급하게 된다.
이러한 스털링 냉동기(120)는 상기 엔진(110)으로부터 구동력을 풀리(128)를 통해 전달받아 회전되는 회전 샤프트(157)가 상기 압축부(121)와 팽창부(123)에 구비된다.
상기 회전 샤프트(127) 상에는 상기 압축부(121)에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부(123)에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부(121)와 팽창부(123)에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판(129)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 경사판(129)은 상기 압축부(121)에서 제1 작동유체의 압축 작동이 이루어질 경우, 동일 선상에 위치되는 팽창부(123)에서 팽창 작동이 이루어지도록 상기 압축부(121)와 팽창부(123)에 구성된다.
이러한 각 경사판(129)에는 상기 압축부(121)와 팽창부(123)에 각각 적어도 하나 이상이 구비된 압축실(미도시) 또는 팽창실(미도시)로 삽입 및 인출이 이루어지는 피스톤이 적어도 하나 이상이 장착되며, 상기 각 피스톤들이 압축실과 팽창실에서 상호간에 삽입 및 인출됨으로써, 제1 작동유체를 상기 압축부(121)에서 압축시키고, 상기 팽창부(123)에서 팽창시키게 된다.
본 실시예에서, 상기 외부 열교환기(130)는 상기 스털링 냉동기(120)의 압축부(121)와 연결되며, 상기 압축부(121)에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부(121)에서 제1 작동유체의 압축 시, 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.
이러한 외부 열교환기(130)는 상기 압축부(121)에 냉각수를 순환시켜 냉각하고, 수온이 상승된 냉각수를 외기와의 열교환을 통해 냉각시키는 라디에이터로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 내부 열교환기(140)는 상기 스털링 냉동기(120)의 팽창부(123)와 연결되며, 상기 팽창부(123)에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 상기 팽창부(123)에서 제1 작동유체의 팽창 시, 흡열을 통해 초저온으로 냉각된 제1 작동유체와 열교환 시켜 냉각시키게 된다.
그런 후, 상기 내부 열교환기(140)는 냉각된 제3 작동유체를 차량의 실내로 공급되는 외기와 열교환시켜 상기 외기를 냉각시킴으로써, 차량의 실내를 냉방하게 된다.
이러한 내부 열교환기(140)는 상기 팽창부(123)와 단열 배관을 통해 상호 연결될 수 있다.
이에 따라, 제2 작동유체는 상기 팽창부(123)에서 흡열을 통해 저온상태인 제1 작동유체와 열교환되어 냉각된 상태에서 외부와 단열된 상태로 내부 열교환기(140)로 공급되는 것이다.
여기서, 상기 외부 열교환기(130)와 내부 열교환기(140)는 상기 제2 작동유체 또는 상기 제3 작동유체를 상기 스털링 냉동기(120)의 압축부(121)와 팽창부(123)로 각각 순환시키기 위한 펌프(P)를 더 포함할 수 있다.
즉, 이와 같이 구성되는 차량용 냉방 시스템(100)은 엔진(110)의 구동력을 이용해 스털링 냉동기(120)가 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축부(121), 팽창부(123), 및 재생부(125)를 통해 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서 발생되는 발열 및 흡열을 통해 차량의 실내를 냉방할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(100)을 적용하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하고, 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감할 수 있다.
또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(200)은 CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해, 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(200)은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 스털링 냉동기(220), 외부 열교환기(230), 및 내부 열교환기(240)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 스털링 냉동기(220)는 차량의 엔진(210)으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부(221)와, 상기 압축부(221)에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부(223)와, 상기 압축부(221)와 상기 팽창부(223)를 유체적으로 연통시키는 재생부(225)를 포함하여 구성된다.
이러한 스털링 냉동기(220)는 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부(223)에서 흡열하여 제1 작동유체의 온도가 매우 낮아지게 되고, 압축부(221)에서는 발열하여 제1 압축유체의 온도가 상승하게 된다.
여기서, 상기 제1 작동유체는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 스털링 냉동기(220)는 종래 차량의 냉방을 위해 사용되던 냉매를 대신해 제1 작동유체로서 헬륨가스나 질소가스를 이용함으로써, 상기 압축부(221)를 통해 압축되면서 발열된 제1 작동유체를 팽창부(223)를 통해 팽창되면서 흡열됨에 따라 초저온으로 온도가 낮아진 제1 작동유체를 차량의 실내 냉방 시에 사용하게 된다.
한편, 상기 재생부(225)는 상기 압축부(221)에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 제1 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 제1 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부(223)로 공급하게 된다.
그리고 상기 재생부(225)는 상기 팽창부(223)로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 제1 작동유체에 저장된 열을 공급하여 제1 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부(221)에 공급하게 된다.
이러한 스털링 냉동기(220)는 상기 엔진(210)에 연결되어 발전하는 발전기(211)와, 상기 발전기(211)에서 생성된 전력으로 작동하는 모터(213)와, 상기 압축부(221)와 팽창부(223)를 관통하여 구비되는 회전 샤프트(227)를 더 포함한다.
상기 회전 샤프트(227) 상에는 상기 압축부(221)에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부(223)에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부(221)와 팽창부(223)에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판(229)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 경사판(229)은 상기 압축부(221)에서 제1 작동유체의 압축 작동이 이루어질 경우, 동일 선상에 위치되는 팽창부(223)에서 팽창 작동이 이루어지도록 상기 압축부(221)와 팽창부(223)에 구성된다.
이러한 각 경사판(229)에는 상기 압축부(221)와 팽창부(223)에 각각 적어도 하나 이상이 구비된 압축실(미도시) 또는 팽창실(미도시)로 삽입 및 인출이 이루어지는 피스톤이 적어도 하나 이상이 장착되며, 상기 각 피스톤들이 압축실과 팽창실에서 상호간에 삽입 및 인출됨으로써, 제1 작동유체를 상기 압축부(221)에서 압축시키고, 상기 팽창부(223)에서 팽창시키게 된다.
여기서, 상기 발전기(211)와 상기 모터(213) 사이에는 상기 발전기에 발생된 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하기 위한 인버터(215)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(200)에서 상기 스털링 냉동기(220)는 발전기(211)에서 발생된 전압을 상기 인버터(215)가 변환하여 모터(213)로 공급함으로써, 모터(213)를 작동시키게 된다.
그리고 작동된 상기 모터(213)는 상기 회전 샤프트(227)를 회전시킴으로써, 상기 압축부(221)와 팽창부(223)에 구비된 각 경사판(229)의 회전을 통해 압축부(221)에서는 등온 압축을 통해 제1 작동유체를 발열시키고, 상기 팽창부(223)에서는 등온 팽창을 통해 제1 작동유체를 흡열시켜 냉각시키게 된다.
본 발명의 제2 실시예에서, 상기 외부 열교환기(230)는 상기 스털링 냉동기(220)의 압축부(221)와 연결되며, 상기 압축부(221)에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부(221)에서 제1 작동유체의 압축 시, 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.
이러한 외부 열교환기(230)는 상기 압축부(221)에 냉각수를 순환시켜 냉각하고, 수온이 상승된 냉각수를 외기와의 열교환을 통해 냉각시키는 라디에이터로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 내부 열교환기(240)는 상기 스털링 냉동기(220)의 팽창부(223)와 연결되며, 상기 팽창부(223)에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 상기 팽창부(223)에서 제1 작동유체의 팽창 시, 흡열을 통해 초저온으로 냉각된 제1 작동유체와 열교환시켜 냉각시키게 된다.
그런 후, 상기 내부 열교환기(240)는 냉각된 제3 작동유체를 차량의 실내로 공급되는 외기와 열교환시켜 상기 외기를 냉각시킴으로써, 차량의 실내를 냉방하게 된다.
이러한 내부 열교환기(240)는 상기 팽창부(223)와 단열 배관을 통해 상호 연결될 수 있다.
이에 따라, 제2 작동유체는 상기 팽창부(223)에서 흡열을 통해 저온상태인 제1 작동유체와 열교환되어 냉각된 상태에서 외부와 단열된 상태로 내부 열교환기(240)로 공급되는 것이다.
여기서, 상기 외부 열교환기(230)와 내부 열교환기(240)는 상기 제2 작동유체 또는 상기 제3 작동유체를 상기 스털링 냉동기(220)의 압축부(221)와 팽창부(223)로 각각 순환시키기 위한 펌프(P)를 더 포함할 수 있다.
즉, 이와 같이 구성되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(200)은 엔진(210)의 구동력을 이용해 발전기(211)를 작동시켜 전압을 생성하고, 생성된 전압을 인버터(215)를 통해 변환하여 스털링 냉동기(220)의 회전 샤프트(227)와 연결된 모터(213)를 작동시킴으로써, 상기 스털링 냉동기(220)를 작동시키게 된다.
이에 따라, 상기 스털링 냉동기(220)는, 전술한 제1 실시예와 동일하게, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축부(221), 팽창부(223), 및 재생부(225)를 통해 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서 발생되는 발열 및 흡열을 통해 차량의 실내를 냉방할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(200)을 적용하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하고, 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감할 수 있다.
또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템의 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(300)은 전기자동차에 적용되는 것으로, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해, 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(300)은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 스털링 냉동기(320), 외부 열교환기(330), 및 내부 열교환기(340)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 스털링 냉동기(320)는 배터리(311)와 모터(313)를 갖는 전기자동차에서 상기 모터(313)로부터 구동력을 전달받아 작동된다.
이러한 스털링 냉동기(320)는 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부(321)와, 상기 압축부(321)에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부(323)와, 상기 압축부(321)와 상기 팽창부(323)를 유체적으로 연통시키는 재생부(325)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 상기 스털링 냉동기(320)는 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 압축부(321)에서는 발열하여 제1 압축유체의 온도가 상승되고, 상기 팽창부(323)에서 흡열하여 제1 작동유체의 온도가 매우 낮아지게 된다.
여기서, 상기 제1 작동유체는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 스털링 냉동기(320)는 종래 차량의 냉방을 위해 사용되던 냉매를 대신하여 제1 작동유체로서 헬륨가스나 질소가스를 이용함으로써, 상기 팽창부(323)에서 제1 작동유체의 온도를 초저온 상태까지 낮춰 차량의 실내 냉방 시에 사용하게 된다.
한편, 상기 재생부(325)는 상기 압축부(321)에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 제1 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 제1 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부(323)로 공급하게 된다.
그리고 상기 재생부(325)는 상기 팽창부(323)로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 제1 작동유체에 저장된 열을 공급하여 제1 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부(321)에 공급하게 된다.
여기서, 상기 스털링 냉동기(320)는 상기 모터(313)로부터 구동력을 전달받아 회전되는 회전 샤프트(327)가 상기 압축부(321)와 팽창부(323)에 구비된다.
상기 회전 샤프트(327) 상에는 상기 압축부(321)에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부(323)에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부(321)와 팽창부(323)에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판(329)을 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 경사판(329)은 상기 압축부(321)에서 제1 작동유체의 압축 작동이 이루어질 경우, 동일 선상에 위치되는 팽창부(323)에서 팽창 작동이 이루어지도록 상기 압축부(321)와 팽창부(323)에 구성된다.
이러한 각 경사판(329)에는 상기 압축부(321)와 팽창부(323)에 각각 적어도 하나 이상이 구비된 압축실(미도시) 또는 팽창실(미도시)로 삽입 및 인출이 이루어지는 피스톤이 적어도 하나 이상이 장착되며, 상기 각 피스톤들이 압축실과 팽창실에서 상호간에 삽입 및 인출됨으로써, 제1 작동유체를 상기 압축부(321)에서 압축시키고, 상기 팽창부(323)에서 팽창시키게 된다.
여기서, 상기 모터(313)는 상기 배터리(311)로부터 공급된 전력으로 작동하며, 상기 배터리(311)와 상기 모터(313) 사이에는 상기 배터리(311)에서 공급된 전압을 변환하여 상기 모터(313)에 공급하기 위한 인버터(315)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(300)에서 상기 스털링 냉동기(320)는 배터리(311)로부터 공급된 전압을 상기 인버터(315)가 변환하여 모터(213)로 공급함으로써, 모터(213)를 작동시키게 된다.
그리고 작동된 상기 모터(313)는 상기 회전 샤프트(327)를 회전시킴으로써, 상기 압축부(321)와 팽창부(323)에 구비된 각 경사판(329)의 회전을 통해 압축부(321)에서는 등온 압축을 통해 제1 작동유체를 발열시키고, 상기 팽창부(323)에서는 등온 팽창을 통해 제1 작동유체를 흡열시켜 냉각시키게 된다.
본 발명의 제3 실시예에서, 상기 외부 열교환기(330)는 상기 스털링 냉동기(320)의 압축부(321)와 연결되며, 상기 압축부(321)에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부(321)에서 제1 작동유체의 압축 시, 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.
이러한 외부 열교환기(330)는 상기 압축부(321)에 냉각수를 순환시켜 냉각하고, 수온이 상승된 냉각수를 외기와의 열교환을 통해 냉각시키는 라디에이터로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 내부 열교환기(340)는 상기 스털링 냉동기(320)의 팽창부(323)와 연결되며, 상기 팽창부(323)에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 상기 팽창부(323)에서 제1 작동유체의 팽창 시, 흡열을 통해 초저온으로 냉각된 제1 작동유체와 열교환시켜 냉각시키게 된다.
그런 후, 상기 내부 열교환기(340)는 냉각된 제3 작동유체를 차량의 실내로 공급되는 외기와 열교환시켜 상기 외기를 냉각시킴으로써, 차량의 실내를 냉방하게 된다.
이러한 내부 열교환기(340)는 상기 팽창부(323)와 단열 배관을 통해 상호 연결될 수 있다.
이에 따라, 제2 작동유체는 상기 팽창부(323)에서 흡열을 통해 저온상태인 제1 작동유체와 열교환되어 냉각된 상태에서 외부와 단열된 상태로 내부 열교환기(340)로 공급되는 것이다.
여기서, 상기 외부 열교환기(330)와 내부 열교환기(340)는 상기 제2 작동유체 또는 상기 제3 작동유체를 상기 스털링 냉동기(320)의 압축부(321)와 팽창부(323)로 각각 순환시키기 위한 펌프(P)를 더 포함할 수 있다.
즉, 이와 같이 구성되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(300)은 배터리(311)에 충전된 전압을 인버터(215)를 통해 변환하여 스털링 냉동기(320)의 회전 샤프트(327)와 연결된 모터(313)를 작동시킴으로써, 상기 스털링 냉동기(320)를 작동시키게 된다.
이에 따라, 상기 스털링 냉동기(320)는, 전술한 제1, 제2 실시예와 동일하게, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축부(321), 팽창부(323), 및 재생부(325)를 통해 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서 발생되는 발열 및 흡열을 통해 차량의 실내를 냉방할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 냉방 시스템(300)을 적용하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체하고, 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하고, 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감할 수 있다.
또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 헬륨가스 또는 질소가스로 이루어진 제1 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100, 200 300 : 냉방 시스템
110, 210 : 엔진
120, 220, 320 : 스털링 냉동기
121, 221, 321 : 압축부
123, 223, 323 : 팽창부
125, 225, 325 : 재생부
127, 227, 327 : 회전 샤프트
129, 229, 329 : 경사판
128 : 풀리
130, 230, 330 : 외부 열교환기
140, 240, 340 : 내부 열교환기
211 : 발전기
213, 313 : 모터
215, 315 : 인버터
311 : 배터리
P : 펌프

Claims (11)

  1. 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기;
    상기 스털링 냉동기의 압축부와 연결되며, 상기 압축부에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부의 열을 외부로 방출시키는 외부 열교환기; 및
    상기 스털링 냉동기의 팽창부와 연결되며, 상기 팽창부에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 차량의 실내로 공급되는 외기와의 열교환을 통해 상기 외기를 냉각시키는 내부 열교환기를 포함하되,
    상기 스털링 냉동기는
    상기 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전되는 회전 샤프트가 상기 압축부와 팽창부에 구비되고, 상기 회전 샤프트 상에는 상기 압축부에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스털링 냉동기는
    상기 엔진에 연결되어 발전하는 발전기;
    상기 발전기에서 생성된 전력으로 작동하는 모터; 및
    상기 압축부와 팽창부를 관통하여 구비되는 회전 샤프트;
    를 더 포함하며,
    상기 회전 샤프트에는 상기 압축부에서 작동유체가 압축되면 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발전기와 상기 모터 사이에는 상기 발전기에 발생된 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하기 위한 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외부 열교환기와 내부 열교환기는
    상기 제2 작동유체 또는 상기 제3 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  6. 배터리와 모터를 갖는 전기자동차에서 상기 모터로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 제1 작동유체를 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 제1 작동유체를 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 제1 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기;
    상기 스털링 냉동기의 압축부와 연결되며, 상기 압축부에 선택적으로 제2 작동유체를 순환시켜 압축부의 열을 외부로 방출시키는 외부 열교환기; 및
    상기 스털링 냉동기의 팽창부와 연결되며, 상기 팽창부에 선택적으로 제3 작동유체를 순환시켜 차량의 실내로 공급되는 외기와의 열교환을 통해 상기 외기를 냉각시키는 내부 열교환기를 포함하되,
    상기 스털링 냉동기는
    상기 모터로부터 구동력을 전달받아 회전되는 회전 샤프트가 상기 압축부와 팽창부에 구비되고, 상기 회전 샤프트 상에는 상기 압축부에서 제1 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부에서 팽창이 이루어지도록 상호 설정된 위상으로 상기 압축부와 팽창부에 각각 장착되는 한 쌍의 경사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 모터는 상기 배터리로부터 공급된 전력으로 작동하며,
    상기 배터리와 상기 모터 사이에는 상기 배터리에서 공급된 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하기 위한 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 외부 열교환기와 내부 열교환기는
    상기 스털링 냉동기의 압축부와 팽창부에 각각 상기 제2 작동유체와 상기 제3 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  10. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 내부 열교환기는
    상기 팽창부와 단열 배관을 통해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
  11. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 작동유체는
    헬륨가스 또는 질소가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 냉방 시스템.
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