KR101656583B1 - 자동차용 공기 조화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개 이상의 냉각제 순환계(7, 8) 및 하나의 냉매 순환계(2)를 구비하는 자동차용 공기 조화 시스템(1)에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 냉매를 압축하기 위한 압축기(3), 압축된 냉매를 냉각 및 액화하기 위한 열 교환기(4), 팽창 기관(5) 및 2상 냉매를 증발시키기 위한 열 교환기(6)를 구비한다. 상기 열 교환기(4, 6)는 냉각제-냉매-열 교환기로서 각각 냉매 순환계(2)와 하나 이상의 냉각제 순환계(7, 8) 사이에서 열을 교환하도록 형성되었다. 상기 냉매 순환계(2)는 또한 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기(10) 그리고 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기(10) 앞에 배치되어 있고 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자(9)를 구비하여 형성되었다. 상기 소자(9) 및 상기 열 교환기(10)는 상기 열 교환기(4)와 팽창 기관(5) 사이에 배치되어 있다.

Description

자동차용 공기 조화 시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 2개 이상의 냉각제 순환계 및 하나의 냉매 순환계를 구비하는 자동차용 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 이 냉매 순환계는 냉매를 압축하기 위한 압축기, 압축된 냉매를 냉각 및 액화하기 위한 열 교환기, 팽창 기관 및 2상 냉매를 증발시키기 위한 열 교환기를 구비한다. 이 열 교환기는 냉각제-냉매-열 교환기로서 각각 냉매 순환계와 하나 이상의 냉각제 순환계 사이에서 열을 교환하도록 형성되었다. 공기 조화 시스템은 냉각 및 김 제거(demist) 기능을 갖춘 냉각 설비 모드에서의 동작을 위해 그리고 전동기 및 연소 엔진을 갖춘 하이브리드 구동부 또는 연소 엔진 방식의 구동부 및 전기 구동부를 구비하는 자동차의 객실을 위해 공기 질량 흐름을 가열하거나 추후 가열하기 위한 가열 모드에서의 동작을 위해 형성되었다.
도 1에는 냉매 순환계(2')를 구비하는 자동차의 선행 기술에 공지된 공기 조화 시스템(1')이 도시되어 있다. 이 냉매 순환계(2')는 냉매를 압축하기 위한 압축기(3), 압축된 가스 형태의 냉매를 냉각 및 고온으로 액화하기 위한 열 교환기(4), 냉매를 높은 압력 레벨로부터 낮은 압력 레벨로 그리고 이로써 높은 온도 레벨로부터 낮은 온도 레벨로 완화시키기 위한 팽창 기관(5) 및 낮은 압력 레벨 및 온도 레벨에 존재하는 2상 냉매를 증발시키고 그와 더불어 열을 흡수하기 위한 열 교환기(6)를 구비한다. 증발기(6)로도 명명되는 열 교환기(6)로부터 증기로서 배출되는 냉매는 압축기(3)에 의해서 흡인된다. 냉매 순환계(2')는 폐쇄되었다. 상기 냉매 순환계(2')의 성분들은 냉매 라인을 통해 서로 연결되어 있다.
예컨대 냉매(R134a)를 이용하는 경우와 같은 냉매 순환계(2')의 소위 임계 미달 모드에서 또는 천연 냉매인 이산화탄소에 상응하는 냉매(R744)를 이용하는 특정 주변 조건에서 냉매의 액화가 이루어지면, 열 교환기(4)는 응축기(4)로서 명명된다. 열 교환의 일 부분은 일정한 온도에서 이루어진다. 소위 냉매 순환계(2')의 임계 초과 모드에서 또는 열 교환기(4) 내에서의 임계 초과 열 방출에서는 냉매의 온도가 일정하게 감소한다. 이 경우에 열 교환기(4)는 가스 냉각기(4)로서도 명명된다. 임계 초과 모드는 특정 주변 조건 하에서 또는 예컨대 이산화탄소를 냉매로 이용하는 냉매 순환계(2)의 작동 방식에서 발생한다.
도 1에 도시된 공기 조화 시스템(1')의 냉매 순환계(2')의 열 교환기(4)는 냉각제 순환계(7)의 일 컴포넌트로서 형성되었고, 이로 인해 한 편으로는 냉매에 의해서 관류되고, 다른 한 편으로는 제1 냉각제, 예를 들어 물-글리콜-혼합물에 의해서 관류된다. 열 교환기(6)도 냉각제 순환계(8)의 일 컴포넌트로서 형성되었고, 이로 인해 마찬가지로 한 편으로는 냉매가 제공되고, 다른 한 편으로는 제2 냉각제, 예를 들어 물-글리콜-혼합물이 제공된다.
공기 조화 시스템(1')에 의해서는, 한 편으로는 응축기(4) 또는 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4) 내에서 냉매와 제1 냉각제 간의 열 교환이 가능해지고, 다른 한 편으로는 증발기로서 작동되는 열 교환기(6) 내에서 제2 냉각제와 냉매 간의 열 교환이 가능해진다.
제1 냉각제 순환계(7) 내부에서는, 열 교환기(4) 내에서 냉각제로 전달되는 열이 자신의 특정 장소로 운송되며, 이때 상기 특정 장소는 히트 싱크이다. 냉매의 열을 흡수하는 제1 냉각제 순환계(7)는 냉매의 높은 온도 레벨에서 작동되고, 그 때문에 고온-냉각제 순환계로서 명명된다. 제2 냉각제 순환계(8) 내부에서는, 열이 주변 또는 히트 싱크로서의 열 저장기로부터 냉각제로 전달된다. 이 열은 증발기(6) 내부의 냉매에 공급된다. 열을 냉매로 송출하는 제2 냉각제 순환계(8)는 냉매의 낮은 온도 레벨에서 작동되고, 그 때문에 저온-냉각제 순환계로서 명명된다.
도 1의 공기 조화 시스템(1')은 냉매 순환계(2') 및 2개의 독립적인 냉각제 순환계(7, 8)로 이루어진 소위 가열-/냉각 장치로서, 자동차 내에서 가열, 냉각 또는 조합된 가열 및 냉각을 위한 동작 모드에 따라 사용될 수 있다. 이 경우에는 예를 들어 객실이 가열되는 동시에 배터리 혹은 파워 전자 장치가 냉각될 수 있다. 냉매 순환계(2')는 추후에 물-물-열 펌프로서 작동된다.
상기와 같이 형성된 가열-/냉각 장치는 예컨대 WO 2013/023630 A2호, EP 2 629 040 A2호 또는 JP 2010-012949 A호에서 개시된다.
WO 2013/023630 A2호에서 가열-/냉각 장치는 콤팩트한 시스템으로서 기술되며, 이 경우 한 편으로는 한 편으로 가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기 및 응축기 그리고 다른 한 편으로 증발기로서 작동되는 열 교환기 및 팽창 기관이 각각 서로 열적으로 접촉된 상태로 배치되어 있다. 다른 한 편으로는, 가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기 및 응축기가 열적인 절연 영역에 의해 증발기로서 작동되는 열 교환기 및 팽창 기관으로부터 분리된다.
EP 2 629 040 A2호는 냉각제-냉매-열 교환기를 구비하는 가열-/냉각 장치를 개시하고 있으며, 상기 열 교환기는 고온-냉각제 순환계 내부에 배치되어 있고, 플레이트 열 교환기로서 형성되었다. 이때 상기 열 교환기는 냉매의 과열을 낮추기 위한 영역 및 응축하기 위한 영역, 냉매를 수집하기 위한 영역 및 과냉각하기 위한 다양한 영역을 구비한다.
제1 냉각제 순환계(7)가 냉매를 위한 히트 싱크로서 이용되는 선행 기술에 공지된 가열-/냉각 장치에서는, 냉매의 과열을 낮추기 위한 열 및 응축 열 또는 냉매에 의해 액체 냉각된 열 교환기(4) 내에서 고온 레벨로 송출될 열이 냉각제로 전달되고, 냉각제에 의해서 히트 싱크로 계속 운송된다. 작동 모드에 따라서는, 예를 들어 객실에 공급될 공기 또는 주변 공기가 히트 싱크로서 간주될 수 있다.
열 전달이 간접적으로 이루어지는 상기 기술에 따른 원리에서는, 전체 시스템의 효율이 냉각제의 귀환 온도에 따라서 영향을 받는다. 열 교환기(4)가 대향 흐름-열 교환기로 형성되는 경우, 냉매는 이상적인 경우에 냉각제의 유입 온도까지는 상기 열 교환기(4) 내에서 냉각될 수 있다. 냉각제의 귀환 온도가 상승하는 경우에는, 그에 따라 열 교환기(4)로부터 배출되는 냉매의 배출 온도도 증가된다.
특히 공기 조화 시스템(1')이 열 펌프 모드로 작동되는 경우에는, 주변 공기의 온도가 -15℃ 내지 -20℃의 범위로 매우 낮은 경우, 객실을 가급적 단시간 안에 안락한 온도로 조절할 수 있기 위하여, 냉각제의 귀환 온도를 대략 55℃ 내지 60℃의 범위로 조절하려는 노력이 이루어질 수 있다. 이와 같은 작동 방식에서는 열 교환기(4)의 배출구에 있는 냉매가 이상적으로 55℃를 초과하는 온도를 가졌다.
하지만, 공기 조화 시스템(1')을 더욱 효율적으로 작동시킬 수 있기 위해서, 냉매는 냉각제의 예비 흐름 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각될 수 있다.
종래의 가열-/냉각 장치에 의해서는, 냉매를 냉각제의 예비 흐름 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각시키는 것이 불가능하다.
US 2010/0000713 A1호에서는 냉매 순환계 및 냉각제 순환계를 구비하는 자동차용 공기 조화 시스템이 개시되며, 이들 순환계는 냉매를 액화시키기 위한 그리고 그와 더불어 냉매의 열을 냉각제로 송출하기 위한 열 교환기를 통해서 결합되어 있다. 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기 뒤에는 내부 열 교환기가 접속되어 있다.
이때 '내부 열 교환기'란 고압 상태의 냉매와 저압 상태의 냉매 사이에서 열을 전달하기 위해 이용되는 순환계 내부의 열 교환기로 이해될 수 있다. 이 경우에 예를 들어 한 편으로는 액화 후의 액체 냉매가 계속 냉각되거나 과냉각되며, 다른 한 편으로는 흡인 가스로 존재하는 냉매가 압축기의 유입구 앞에서 과열된다.
또한, 선행 기술에 공지된 공기 조화 시스템은, 냉각 설비 모드로 작동할 때에 객실에 공급될 공기의 냉각이 단지 매우 연장된 시간 범위 안에서만 냉각제로 그리고 그 다음에는 냉매로의 공기의 간접적인 열 교환을 통해서 가능하도록 적응되어야만 한다.
본 발명의 과제는, 냉매가 열 펌프 모드에서 작동할 때에 응결기로 작동되는 열 교환기로부터 배출된 후에 추가의 열이 방출될 수 있고, 이 열이 예를 들어 객실의 공기를 조화하기 위해서 이용될 수 있는, 냉매 순환계를 구비하는 공기 조화 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 냉각 설비 모드로 작동할 때에 객실로 공급될 공기는 가급적 단시간 안에 냉각되어야만 한다. 이와 같은 공기 조화 시스템은 최대의 효율로 작동될 수 있어야만 한다.
상기 과제는 독립 특허 청구항의 특징을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선 예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
상기 과제는 2개 이상의 냉각제 순환계 그리고 하나의 냉매 순환계를 구비하는 본 발명에 따른 자동차용 공기 조화 시스템에 의해서 해결된다. 상기 냉매 순환계는 냉매를 압축하기 위한 압축기, 압축된 냉매를 냉각 및 액화하기 위한 열 교환기, 팽창 기관 및 2상 냉매를 증발시키기 위한 열 교환기를 구비한다. 상기 열 교환기는 냉각제-냉매-열 교환기로서 각각 냉매 순환계와 하나 이상의 냉각제 순환계 사이에서 열을 교환하도록 형성되었다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 냉매 순환계는 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기 그리고 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기 앞에 배치되어 있고 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자를 구비하여 형성되었다. 열 교환기 앞에 배치된 소자 및 열 교환기는 압축된 냉매를 냉각 및 액화시키기 위한 열 교환기와 냉매 순환계의 팽창 기관 사이에 배치되어 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따르면, 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기는 필요에 따라 그리고 공기 조화 시스템의 작동 모드에 따라 증발기로서 또는 응결기로서 작동될 수 있도록 형성되었다. 열 교환기가 증발기로서 작동되는 경우에는 공기 질량 흐름이 냉각되고/냉각되거나 김이 제거된다. 열 교환기가 응결기로서 작동되는 경우에는 공기 질량 흐름이 가열된다.
응결기로서 작동되는 열 교환기 내에서는 냉매가 경우에 따라 가열 및 액화되며, 이 경우 냉매가 임계 미달 범위에서 작동할 때에는 액화가 응축으로서 명명되고, 임계 초과 범위에서 작동할 때에는 액화가 가스 냉각으로서 명명된다. 그에 따라 열 교환기는 응축기로서 또는 가스 냉각기로서 작동된다.
상기 소자는 바람직하게 공기 조화 시스템의 작동 모드에 따라서 그리고 그와 더불어 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 후속하는 열 교환기의 작동에 따라서 팽창 기관으로서, 특히 팽창 밸브로서 작동할 수 있도록 형성되었거나, 또는 통로가 완전히 개방된 경우에는 특히 관통 밸브로서 작동할 수 있도록 형성되었다.
열 교환기가 증발기로서 작동되는 경우에, 상기 소자는 냉매를 낮은 압력 레벨로 그리고 그와 더불어 낮은 온도 레벨로 팽창시키기 위한 팽창 기관으로서 이용된다. 열 교환기가 응결기로서 작동되는 경우에, 상기 소자는 냉매를 가급적 동일한 압력 레벨에서 통과시키기 위하여 완전히 개방된 통로로서 작동된다.
본 발명의 일 개선 예에 따르면, 냉매 순환계는 고압 상태의 냉매와 저압 상태의 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 내부 열 교환기를 구비한다.
상기 냉매 순환계는 바람직하게 3-경로-밸브 및 내부 열 교환기를 우회하는 바이패스 경로를 구비하여 형성되었다. 이때 상기 바이패스 경로는 상기 3-경로-밸브에 의해서 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
본 발명의 바람직한 추가의 일 실시 예에서, 압축된 냉매를 냉각 및 액화시키기 위한 냉매 순환계의 열 교환기는 제1 냉각제 순환계의 냉각제가 관류할 수 있도록 형성되었으며, 2상 냉매를 증발시키기 위한 냉매 순환계의 열 교환기는 제2 냉각제 순환계의 냉각제가 관류할 수 있도록 형성되었다.
압축된 냉매를 냉각 및 액화시키기 위한 냉매 순환계의 열 교환기는 바람직하게 제1 냉각제 순환계의 냉각제뿐만 아니라 제2 냉각제 순환계의 냉각제도 관류할 수 있도록 형성되었다. 열 교환기에 상이한 냉각제 순환계의 냉각제를 제공하는 과정은 필요에 따라서 그리고 공기 조화 시스템의 작동 모드에 따라서 선택적으로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라, 냉매의 열이 냉각제로 송출되는 제1 냉각제 순환계는 가열 열 교환기를 구비하여 형성되었다. 이때 냉매 순환계에 의해서 냉각제 순환계로 전달되는 열은 가열 열 교환기를 통해 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 전달될 수 있다.
본 발명의 대안적인 제1 실시 예에 따르면, 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 냉매 순환계의 열 교환기 및 냉각제 순환계의 가열 열 교환기는 하나의 공기 채널 내부에 배치되어 있으며, 이때 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름은 차례로 냉매 순환계의 열 교환기의 열 교환 면을 거쳐서 그리고 가열 열 교환기의 열 교환 면을 거쳐서 흐른다.
본 발명의 대안적인 제2 실시 예에 따르면, 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 냉매 순환계의 열 교환기 및 냉각제 순환계의 가열 열 교환기는 상호 분리된 형태로 형성된 2개의 공기 채널 내부에 배치되어 있으며, 이때 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름은 냉매 순환계의 열 교환기의 열 교환 면 및 가열 열 교환기의 열 교환 면을 동시에 그리고 상호 독립적으로 관류한다.
본 발명의 일 개선 예에 따르면, 상이한 열원으로부터 유래하는 열을 제2 냉각제 순환계 내에 있는 냉각제로 전달하기 위하여, 제2 냉각제 순환계는 냉각제-공기-열 교환기 및/또는 적어도 하나의 추가 열 교환기를 구비하여 형성되었다.
열원으로서는 주변 공기 또는 객실에 공급될 공기 외에 예를 들어 구동부의 전자 컴포넌트, 배터리 또는 모터가 이용될 수 있다.
요약적으로 말해서, 본 발명에 따른 공기 조화 시스템은 다음과 같은 다양한 장점들을 갖는다:
- 냉매 순환계가 3개의 열 교환기 및 2개의 팽창 밸브 그리고 그와 더불어 유사한 기능을 하면서 종래 기술에 공지된 시스템보다 적은 개수의 밸브를 구비한다는 것,
- 컴포넌트의 개수가 적음으로써, 냉매 순환계의 복잡성도 적다는 것,
- 제조 및 관리 비용이 낮다는 것,
- 냉각 설비 모드로 작동할 때에는, 객실에 공급될 공기가 매우 짧은 시간 안에 냉각될 수 있다는 것,
- 열 펌프 모드로 작동할 때에는, 응결기로서 작동되는 열 교환기로부터 배출된 후에 냉매로부터 추가의 열이 방출될 수 있고, 이 열은 예를 들어 객실의 공기를 조화할 목적으로 이용될 수 있다는 것, 그리고
- 작동시에는 공기 조화 시스템의 효율이 최대라는 것.
본 발명의 추가의 세부 사항, 특징 및 장점은 관련 도면을 참조해서 이루어지는 실시 예들에 대한 이하의 설명으로부터 드러난다. 각각의 도면은 하나의 냉매 순환계 및 냉매 순환계를 위한 열원 혹은 히트 싱크로서 작용을 하는 2개의 냉각제 순환계를 구비하는 자동차 공기 조화 시스템을 보여준다:
도 1은 선행 기술에 따른 자동차 공기 조화 시스템의 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 냉매 순환계에 추가로 제공된, 객실에 공급될 공기와 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 냉매-공기-열 교환기 및 냉매의 유동 방향으로 볼 때 열 교환기 앞에 배치된 냉매 순환계 내의 팽창 기관을 도시한 개략도이며,
도 3은 도 2에 도시된 냉매 순환계에 추가로 제공된 내부 열 교환기를 도시한 개략도이고,
도 4는 도 3에 도시된 냉매 순환계에 추가로 제공된 3-경로-밸브 및 고압 측에서 내부 열 교환기를 우회하는 바이패스 경로를 도시한 개략도이며,
도 5는 도 4에 도시된 냉매 순환계 및 냉각 순환계를 함께 도시한 개략도이다.
도 2에는 하나의 냉매 순환계(2) 및 상기 냉매 순환계(2)를 위한 열원 혹은 히트 싱크로서 작용을 하는 2개의 냉각제 순환계(7, 8)를 구비하는 자동차 공기 조화 시스템(1)이 도시되어 있다.
냉매 순환계(2)는 도 1에 도시된 냉매 순환계(2')에 비해 객실에 공급될 공기와 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 추가의 열 교환기(10) 그리고 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기(10) 앞에 배치되어 있고 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자(9)를 구비한다. 따라서, 상기 열 교환기(10)는 냉매-공기-열 교환기로서 형성되었다.
공기 조화 시스템(1)은 객실에 공급될 공기를 가열하기 위해서 형성된 가열 열 교환기(11)를 추가로 구비한다. 상기 가열 열 교환기(11) 및 냉매가 제공되는 열 교환기(10)는 일렬로, 다시 말해 차례로 또는 병렬로, 다시 말해 나란히 공기에 의해서 관류될 수 있고, 하우징 내부에서 공기를 가이드 하기 위한 유동 경로 내에 배치되어 있다.
도 1에 도시된 공기 조화 시스템(1')에서와 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공된다.
이때 냉매-공기-열 교환기로서 형성된 열 교환기(10) 및 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기(10) 앞에 배치되어 있고 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자(9)는 과열 저감기 및 응결기로서 작동되는 열 교환기(4)와 증발기로서 작동되는 열 교환기(6) 혹은 상기 열 교환기(6) 앞에 배치된 팽창 기관(5) 사이에 형성되어 있다.
열 교환기(10)는 각각 필요에 따라서 그리고 냉매 순환계(2)의 작동에 따라서 증발기로서 또는 응결기로서 작동된다. 이와 같은 열 교환기(10)의 가변적인 기능을 보증하기 위하여, 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 배치된 소자(9)는 냉각 설비 모드로 작동될 때에 냉매의 팽창 작용 혹은 냉매의 양 조절 작용을 한다. 이때 상기 소자(9)는 바람직하게 팽창 기관으로서, 특히 팽창 밸브로서 형성되었다.
열 펌프 모드로 작동될 때에, 소자(9)는 눈에 띌만한 압력 손실 없이 냉매를 통과시킨다. 상기 소자(9)가 열 펌프 모드로 작동 될 때에는 최대 유동 횡단면에서의 통과로 전환됨으로써, 결과적으로 관류하는 냉매는 양 조절 혹은 팽창을 경험하지 않게 된다. 이때 상기 소자(9)는 바람직하게 통과 밸브로서 형성되었다.
결과적으로 소자(9)는 팽창 밸브와 같은 양 조절 기관으로서의 기능과 냉매 라인의 유동 횡단면을 좁히지 않거나 단지 최소로만 좁히는 장치로서의 기능, 예컨대 이상적인 통과 밸브로서의 기능 사이에서 전환될 수 있다.
공기 조화 시스템(1)이 열 펌프 모드로 작동될 때에는, 열 교환기(10)가 공기 냉각된 추가의 응결기로서 작동되고, 이 추가의 응결기는 냉각제가 제공된 열 교환기(4) 뒤에 배치되어 있으며, 열 교환기(4)로부터 배출된 후에 고압 레벨 및 고온 레벨에 존재하는 냉매로부터 계속해서 열을 제거한다. 그 다음에 이어서 냉매는 팽창 밸브로서 작동되는 후속하는 소자(5)를 관류할 때에 저압 레벨로 완화된다. 열 교환기(4)로부터 배출되는 냉매의 추가 냉각으로 인해, 냉매 순환계(2)의 고압 측에서는 냉매의 엔탈피가 더욱 줄어들게 되며, 그 결과 저압 측에서 완화된 후에는 더 크고 고유한 냉각 파워가 냉매의 증발을 위해 이용될 수 있게 되며, 이와 같은 상황은 열 펌프 모드에서 냉매 순환계의 작동 효율을 증가시킨다.
냉매를 추가로 냉각시킴으로써, 예를 들어 흡인된 차가운 외부 공기 혹은 주변 공기 또는 차가운 순환 공기는, 예열된 공기 질량 흐름이 계속해서 가열 열 교환기(11)로 가이드 되기 전에 예열될 수 있다.
공기 질량 흐름의 예열은 팽창 기관(5)을 관류하면서 완화되기 전에 냉매의 추가 냉각과 조합되어 효율을 현저하게 증가시키거나 냉매 순환계(2) 및 그와 더불어 공기 조화 시스템(1)의 성능 지수를 현저하게 증가시킨다.
공기 조화 시스템(1)이 냉각 설비 모드로 작동할 때에, 열 교환기(10)는 예를 들어 객실에 공급될 공기를 냉각시키기 위하여 증발기로서 작동될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 객실에 공급될 공기는 냉매 순환계(8)를 통해서 냉각되는 대신에 직접 냉매를 통해서 냉각될 수 있다. 이때 냉매는 팽창 밸브로서 작동되는 소자(9)를 관류할 때에 저압 또는 원하는 중간 압력으로 완화된다.
따라서, 열 교환기(6, 10)는 냉매를 증발시키기 위하여 동일한 압력 레벨에서 또는 상이한 압력 레벨에서 그리고 동일하거나 상이한 온도 레벨에서 작동될 수 있다. 소자(9) 내에서 냉매가 중간 압력으로 완화될 때에 팽창 기관(5)은 중간 압력으로부터 저압으로 더 완화시킬 목적으로 이용된다. 열 교환기(6, 10)가 동일한 압력 레벨에서 작동될 때에는 팽창 기관(5)이 통과로 설정됨으로써, 결과적으로 냉매는 단지 최소 압력 손실로만 관류하게 된다.
도 3은 도 2에 도시된 냉매 순환계(2)에 추가되는 내부 열 교환기(12)를 보여주며, 상기 내부 열 교환기에 의해서는 특히 냉각 설비 모드로 작동될 때에 공기 조화 시스템(1)의 효율이 더욱 증가될 수 있다.
이때 상기 내부 열 교환기(12)는 고압 상태의 냉매와 저압 상태의 냉매 사이에서 열을 교환하기 위해 이용되는 순환계 내부 열 교환기이다. 고온의 열 교환기(4)로부터 배출되는 냉매는 상기 열 교환기(4) 내에서 액화된 후에 더 냉각되거나 과냉각 되는 한편, 그와 동시에 증발기(6)로부터 배출되고 흡인 가스로서 존재하는 냉매는 압축기(3) 내부로 유입되기 전에 과열된다.
도 4에는 도 3에 도시된 냉매 순환계에 추가되는 3-경로-밸브(13) 및 고압 측에서 내부 열 교환기(12)를 우회하는 바이패스 경로(14)가 도시되어 있다.
특히 냉각 설비 모드로 작동할 때에 내부 열 교환기(12)의 사용에 의해 공기 조화 시스템(1)의 효율이 증가하지만, 특히 열 펌프 모드로 작동할 때에는 내부 열 교환기(12)의 사용이 작동 파라미터에 따라 효율에 부정적으로 작용을 할 수도 있기 때문에, 3-경로-밸브(13)는 작동 모드 및 작동 파라미터에 따라 개방 또는 폐쇄되며, 그 결과 고압 측에 있는 냉매는 작동 모드에 따라서 내부 열 교환기(12)를 관류하거나 바이패스(14)를 통해 내부 열 교환기(12)를 스쳐서 흐르게 된다.
이와 같은 방식으로, 각각의 작동에 대하여 냉매의 유동 방향이 가변적으로 설정될 수 있으며, 냉각 설비 모드로 작동할 때뿐만 아니라 열 펌프 모드로 작동할 때에도 공기 조화 시스템(1)의 최상의 효율에 도달할 수 있다.
3-경로-밸브(13)가 폐쇄된 경우에는, 내부 열 교환기(12)가 기능을 하지 않고, 단지 저압 측에서만 냉매에 의해서 관류된다. 고압 레벨에 있는 냉매의 열은 저압 레벨에 있는 냉매로 전달되지 않는다.
3-경로-밸브(13)가 중간 위치로 조절되고 그로 인해 고압 측 냉매의 질량 흐름이 내부 열 교환기(12)를 통과하면, 고압 레벨에 있는 냉매로부터 저압 레벨에 있는 냉매로 전달될 열도 변동되어 각각의 작동 조건에 적응된다.
도 5는 냉각제 순환계(7, 8) 및 도 4에 도시된 냉매 순환계(2)와 함께 공기 조화 시스템(1)을 보여준다.
냉각제 순환계(7, 8)는 냉매 순환계(2)와 결합된 열 교환기(4, 6) 외에 추가의 다양한 열 교환기(15, 25, 26, 27) 그리고 펌프(16, 17, 23, 24) 및 상기 열 교환기(15, 25, 26, 27)를 통과하는 유동 경로를 개방 및 폐쇄하기 위한 3-경로-밸브(18, 19, 21, 22, 29, 30)를 구비한다. 냉각제 순환계(7)는 또한 특히 내연 기관의 모터(20)를 냉각시킬 목적으로도 형성되었다. 모터(20)는 또한 냉각제 순환계(7)를 위한 열원으로서도 이용된다.
고온-냉각제 순환계(7)는 실제로 모터(20)를 냉각시키기 위해서 그리고 고온 레벨에 있는 냉매 순환계(2)를 위한 열을 공급하기 위해서 제공되었다. 냉각제-공기-열 교환기(15)는 주로 모터(20)에 의해 흡수된 열을 주변 공기로 방출하기 위해서 이용된다. 고온-냉각제 순환계(7) 내부에는 또한 객실에 공급될 공기를 가열하기 위한 가열 열 교환기(11)도 통합되어 있다.
공기 조화 시스템(1)이 열 펌프 모드 또는 가열 모드로 작동할 때에는 냉각제 순환계(17)의 다양한 전환 간에 구별이 될 수 있다.
모터(20)가 작동되지 않는 모드에서는, 냉각제가 펌프(17)에 의해 가열 열 교환기(11) 및 열 교환기(4)를 통해서 이송된다. 냉매의 과열 저감 열 및 응축 열은 열 교환기(4) 내에서는 냉각제로 그리고 가열 열 교환기(11) 내의 냉각제로부터 그리고 열 교환기(10) 내의 냉매로부터 객실에 공급될 공기로 전달된다.
모터(20)가 작동 중에 있지만 객실 공기를 가열하기에 충분히 높은 온도 레벨에 있지 않은 모드에서는, 과열 저감 열 및 냉매의 응축 열이 오로지 냉매-공기-열 교환기(10) 내에서만 객실에 공급될 공기로 송출된다. 냉각제는 펌프(16, 17)에 의해서 가열 열 교환기(11) 및 모터(20)를 통해 이송된다. 이때에는 펌프(16, 17) 중에 하나가 선택적으로 작동될 수 있거나 2개의 펌프(16, 17)가 적응된 파워로 작동될 수 있다. 고온-냉각제 순환계(7)로부터 열을 빼내지 않기 위하여 그리고 가급적 짧은 시간 안에 가열에 필요한 온도 레벨에 도달하기 위하여, 객실 내부로 유입되는 공기는 가열 열 교환기(11)를 스쳐서 가이드 된다.
또한, 상기 모드는 모터(20)가 작동 중에 있지만 객실 공기를 가열하기에 충분히 높은 가열 파워를 갖지 않는 모드와도 구별된다. 이와 같은 상황은 고온-냉각제 순환계(7) 내에서 객실에 공급될 공기를 가열하기 위해서 필요한 온도 레벨은 충분히 높지만 그와 동시에 효과적인 모터(20) 작동으로 인해 객실의 가열을 위해 이용되는 가열 파워는 충분하지 않은 경우에 발생한다. 이와 같은 모드에서 객실 내부로 유입되는 공기는 냉매-공기-열 교환기(10)를 관류할 때에 필요한 최소 온도로 예열된다. 그 다음에 상기 예열된 공기는 가열 열 교환기(11)를 관류할 때에 원하는 온도로 가열된다.
고온-냉각제 순환계(7) 내에서는 가열 열 교환기(11) 및 냉각제-공기-열 교환기(15)에 추가로, 마찬가지로 차량 컴포넌트의 온도 조절 또는 가열을 위해서 사용될 수 있는 다른 열 교환기도 접속될 수 있다.
공기 조화 시스템(1)이 냉각 설비 모드로 작동할 때에는, 냉매의 응축 열 및 과열 저감 열이 저온-냉각제 순환계(8)로 전달된다. 이때 냉각제는 펌프(23)에 의해서 그리고 3-경로-밸브(21, 22)의 위치에 의해서 열 교환기(4) 및 냉각제-공기-열 교환기(25)를 통해 이송되고, 냉각제-공기-열 교환기(25) 내에서 주변 공기로 송출된다.
고온-냉각제 순환계(7)는 열 교환기(4)에 대해서 3-경로-밸브(21, 22)에 의해 차단되었다.
고온-냉각제 순환계(7)뿐만 아니라 저온-냉각제 순환계(8)도 3-경로-밸브(21, 22)를 통해서 열 교환기(4)에 연결될 수 있다. 상기 3-경로-밸브(21, 22)의 개별 위치에 의해서, 열 교환기(4)는 고온-냉각제 순환계(7) 내부에 뿐만 아니라 저온-냉각제 순환계(8) 내부에도 통합될 수 있다.
저온-냉각제 순환계(8) 내부에 통합된 냉각제-공기-열 교환기(25)에 의해서는 또한 주변 공기가 열원으로서 이용되고, 냉각제-공기-열 교환기(25) 내에서 주변 공기에 의해 흡수된 열은 열 교환기(6) 내에서 냉매 순환계(2)로 전달될 수 있다. 냉각제는 펌프(23)에 의해서 냉각제-공기 열 교환기(25)를 통해 이송된다.
또한, 냉각제 순환계(8)는 배터리 냉각제로서 형성된 열 교환기(27) 및 이 열 교환기에 대하여 병렬 접속된 열 교환기(26), 예를 들어 자동차의 전기 컴포넌트를 냉각시키기 위한 열 교환기(26)를 구비한다.
이때 병렬로 관류할 수 있는 냉각제-공기-열 교환기(25), 열 교환기(26) 및 배터리 냉각제(27)는 필요에 따라서 그리고 공기 조화 시스템(1)의 작동 모드에 따라서 동시에 또는 개별적으로 작동될 수 있다. 기능은 3-경로-밸브(29, 30) 및 펌프(23, 24)를 통해서 제어된다.
따라서, 냉매의 과열 저감 열 및 응축 열이 열 교환기(4)를 통해 저온-냉각제 순환계(8) 내부에 공급되고 냉각제-공기-열 교환기(25) 내에서 주변 공기로 송출되는 냉각 설비 모드로 공기 조화 시스템(1)이 작동할 때에는, 동시에 예컨대 배터리 냉각기(27)에 의해서는 배터리가 활성화되고, 열 교환기(26)에 의해서는 파워 전자 장치가 냉각된다. 배터리 혹은 파워 전자 장치의 냉각시에 흡수되는 열은 열 교환기(6)를 통해서 냉매 순환계(2)로 전달된다.
공기 조화 시스템(1)이 열 펌프 모드로 작동할 때에도, 열 교환기(6)를 통해서는 폐열이 저온-냉각제 순환계(8)로부터 냉매 순환계(2) 내부에 공급될 수 있다.
열 교환기(6) 내에서 냉매로 전달될 열이 필요할 때에 그리고 열이 불충분할 때에 주변 공기 또는 전기 컴포넌트 혹은 배터리로부터 추가로 열을 공급하기 위하여 그리고 최소 량의 열을 보상하기 위하여, 저온-냉각제 순환계(8)는 또한 전기 추가 가열기(28), 예를 들어 저항 가열 장치와도 함께 형성되었다.
1, 1': 공기 조화 시스템 2, 2': 냉매 순환계
3: 압축기
4: 열 교환기, 응축기/가스 냉각기, 응결기
5: 팽창 기관 6: 열 교환기, 증발기
7: 고온 상태의 냉각제 순환계 8: 저온 상태의 냉각제 순환계
9: 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자
10: 열 교환기, 냉매-공기-열 교환기
11: 가열 열 교환기 12: 내부 열 교환기
13: 냉매 순환계(2)의 3-경로-밸브
14: 바이패스 경로
15: 냉각제 순환계(7)의 냉각제-공기-열 교환기
16, 17: 냉각제 순환계(7)의 냉각제 펌프
18, 19: 냉각제 순환계(7)의 3-경로-밸브
20: 모터
21, 22: 냉각제 순환계(7, 8)의 3-경로-밸브
23, 24: 냉각제 순환계(8)의 냉각제 펌프
25: 냉각제 순환계(8)의 냉각제-공기-열 교환기
26: 전기 컴포넌트용 열 교환기
27: 열 교환기, 배터리 냉각기
28: 전기 추가 가열기
29, 30: 냉각제 순환계(8)의 3-경로-밸브

Claims (10)

  1. 자동차용 공기 조화 시스템(1)으로서,
    2개 이상의 냉각제 순환계(7, 8) 및 하나의 냉매 순환계(2)를 구비하며, 상기 냉매 순환계가 냉매를 압축하기 위한 압축기(3), 압축된 냉매를 냉각 및 액화하기 위한 열 교환기(4), 팽창 기관(5) 및 2상 냉매를 증발시키기 위한 열 교환기(6)를 갖추고 있으며, 상기 열 교환기(4, 6)는 냉각제-냉매-열 교환기로서 각각 냉매 순환계(2)와 하나 이상의 냉각제 순환계(7, 8) 사이에서 열을 교환하도록 형성된, 자동차용 공기 조화 시스템에 있어서,
    상기 냉매 순환계(2)는 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름과 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기(10) 그리고 냉매의 유동 방향으로 볼 때 상기 열 교환기(10) 앞에 배치되어 있고 관류 횡단면을 변동시키기 위한 소자(9)를 구비하여 형성되었으며, 상기 소자(9) 및 상기 열 교환기(10)는 상기 열 교환기(4)와 팽창 기관(5) 사이에 배치되고,
    상기 냉각제 순환계(7)는 가열 열 교환기(11)를 구비하여 형성되었으며, 상기 냉매 순환계(2)에 의해서 상기 냉각제 순환계(7)로 전달되는 열은 상기 가열 열 교환기(11)를 통해 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    열 교환기(10)는 공기 조화 시스템(1)의 작동 모드에 따라서 증발기 또는 응결기로서 작동될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    소자(9)는 공기 조화 시스템(1)의 작동 모드에 따라 팽창 밸브 또는 통과 밸브로서 작동할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)는 고압 상태의 냉매와 저압 상태의 냉매 사이에서 열을 교환하기 위한 내부 열 교환기(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)는 3-경로-밸브(13) 및 내부 열 교환기(12)를 우회하는 바이패스 경로(14)를 구비하여 형성되었으며, 상기 바이패스 경로(14)는 상기 3-경로-밸브(13)를 통해서 개방될 수 있고 폐쇄될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)의 열 교환기(4)는 제1 냉각제 순환계(7)의 냉각제가 관류할 수 있도록 형성되었으며, 상기 냉매 순환계(2)의 열 교환기(6)는 제2 냉각제 순환계(8)의 냉각제가 관류할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)의 열 교환기(4)는 제1 냉각제 순환계(7)의 냉각제 및 제2 냉각제 순환계(8)의 냉각제가 관류할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)의 열 교환기(10) 및 냉각제 순환계(7)의 가열 열 교환기(11)가 하나의 공기 채널 내부에 배치되어 있음으로써, 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름은 차례로 열 교환기(10)의 열 교환 면을 거쳐서 그리고 가열 열 교환기(11)의 열 교환 면을 거쳐서 흐르는 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환계(2)의 열 교환기(10) 및 냉각제 순환계(7)의 가열 열 교환기(11)가 상호 분리된 형태로 형성된 2개의 공기 채널 내부에 배치되어 있음으로써, 자동차의 객실에 공급될 공기 질량 흐름은 열 교환기(10)의 열 교환 면 및 가열 열 교환기(11)의 열 교환 면을 동시에 그리고 상호 독립적으로 관류하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 공기 조화 시스템.
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