KR101952109B1 - 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템 및 상기 시스템의 작동 방법 - Google Patents

자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템 및 상기 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템(1)에 관한 것이다. 상기 시스템(1)은 냉각제 순환계(12) 및 냉매 순환계(2)를 구비하고, 상기 냉매 순환계(2)는 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(5), 하나 이상의 팽창 기관(6, 8), 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기(7) 그리고 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(9)를 가지며, 이때 상기 열교환기(7)는 냉매-공기-열교환기(7)로서 형성되어 있고, 그리고 상기 열교환기(9)는 냉매-냉각제-열교환기(9)로서 형성되어 있고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(12) 내부에 배치되어 있다. 또한, 상기 냉매 순환계(2)는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기(4)를 구비하고, 상기 열교환기(4)는 냉매-냉각제-열교환기(4)로서 형성되어 있고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(12) 내부에 배치되어 있다. 상기 냉각제 순환계(12)는 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위해 하나 이상의 교환기(14, 16)를 구비하여 형성되어 있다. 본 발명은 또한 상기 시스템(1)을 작동시키기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템 및 상기 시스템의 작동 방법{SYSTEM FOR CONDITIONING THE AIR OF A PASSENGER COMPARTMENT AND FOR HEAT TRANSFER WITH DRIVE COMPONENTS OF A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE SYSTEM}
본 발명은 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트(drive component)들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 냉각제 순환계 및 냉매 순환계를 구비하고, 이때 상기 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기, 하나 이상의 팽창 기관, 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기 그리고 증발기로서 작동되고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 하나 이상의 열교환기를 갖는다. 이 경우 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 상기 열교환기는 냉매-공기-열교환기로서 형성되어 있다. 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 상기 열교환기는 상기 냉각제 순환계 내부에 배치되어 있고, 냉매-냉각제-열교환기로서 형성되어 있다.
간략히 전기차로서도 명명되는 전동 드라이브 또는 간략히 하이브리드 차량으로서도 명명되는, 전동기 및 내연 기관으로 이루어진 하이브리드 드라이브를 갖는 선행 기술에 공지된 자동차들은 고전압 배터리, 내부 충전 장치, 변압기, 인버터 및 전동기와 같은 추가 컴포넌트를 구비하여 형성되었기 때문에, 단순히 내연 기관 구동 방식의 드라이브를 구비하는 자동차들보다 높은 수준의 냉각을 필요로 하는 경우가 대부분이다. 원래의 공기 조화 시스템의 냉매 순환계 외에도, 순수 전기 드라이브 또는 전기 하이브리드 드라이브를 구비한 종래의 자동차들은 냉각제 순환계를 구비하여 형성되어 있으며, 상기 냉각제 순환계 내에는 드라이브 컴포넌트들로부터 방사되는 열을 배출하기 위해 순환되는 냉각제가 공기 냉각되는 열교환기를 통해서 안내된다.
특히, 통상적으로 20℃ 내지 35℃의 범위 안에 놓여 있는 고전압 배터리의 허용된 온도 한계를 준수하기 위하여, 배터리 냉각에는 공기 조화 시스템의 냉매 순환계와 열적 커플링을 위한 추가의 냉매-냉각제-열교환기를 갖는 냉각제 순환계 또는 배터리 냉각기로서 형성되어 직접 냉매 냉각되는 열교환기가 제공된다. 배터리 냉각을 위해 냉매의 증발기로서 작동되는 상기 냉매-냉각제-열교환기는 칠러(chiller)로도 명명된다.
DE 10 2009 002 424 A1호에는 자동차의 객실용 유입 공기를 냉각하고 배터리를 냉각하기 위한 시스템이 제시되어 있다. 상기 시스템은 냉매 순환계 그리고 하나 이상의 냉각제 순환계를 구비한다. 이 경우 상기 냉매 순환계는 냉각제 순환계로부터 열을 흡수하기 위해 형성되어 있다. 냉매-냉각제-열교환기에서 냉각된 냉각제는 한 편으로는 공기 조화 시스템 내에 배치된 냉각제-공기-열교환기로 안내된다. 냉각제는 상기 냉각제-공기-열교환기를 관류할 때 가열되며, 이 경우 객실에 공급될 공기는 냉각된다. 다른 한 편으로는 냉매-냉각제-열교환기에서 냉각된 냉각제가 배터리에 공급되고, 이곳에서 상기 냉각제는 배터리 냉각기에서 배터리로부터 방사되는 열을 흡수한다. 이 경우 냉각제-공기-열교환기와 배터리 냉각기의 냉각제 순환계들은 서로 분리된 형태로 또는 공동 냉각제 순환계로서 형성될 수 있다.
선행 기술에 공지된 전기차 위한 자동차 냉각 장치들은 6kW 내지 9kW 범위의 최대 냉각 출력으로 설계되어 있다. 그러나 전기차와 특히, 배터리 고속 충전 기술(quick charging technology)을 갖춘 하이브리드 차량의 미래 배터리 시스템들은 12kW 내지 15kW 범위의 냉각을 필요로 하고, 그 때문에 종래의 전기차와 하이브리드 차량보다 훨씬 더 높은 수준의 냉각을 필요로 한다.
비교적 높은 수준의 냉각 출력 제공과 관련해서는 상이한 자동차용 공기 조화 시스템들이 공지되어 있다. 이 경우, 한 편으로는 종래의 냉매 순환계 내에서 2개 이상의 압축기가 병렬로 작동됨으로써, 결과적으로 냉매의 질량 흐름은 2배 또는 수배가 된다. 다른 한 편으로는, 2개 이상의 냉매 순환계가 상호 독립적으로 형성되며, 이 경우에는 각각의 추가 냉매 순환계가 추가 컴포넌트들을 구비한다.
US 7,228,707 B2호 및 US 2013/0145781 A1호에서는 각각, 서로 병렬로 배치된 압축기들을 갖춘 냉매 순환계가 기술된다. 상기 서로 병렬로 접속된 압축기들은 냉매를 하나의 공동 압력 라인 내부로 압축하고, 상기 공동 압력 라인은 응축기로서 작동되는 열교환기로 냉매를 안내한다.
US 7,228,707 B2호에 공지된 이코노마이저 회로(economizer circuit) 내의 냉매 순환계는 또한, 증발기로서 작동되는 다수의 열교환기를 구비하며, 이들 열교환기는 다양한 주변 공기를 조화하기 위해 이용된다. 이 경우에는 각각의 증발기가 하나의 압축기와 연결되어 있다.
US 2013/0145781 A1호는 2개의 압축기를 갖춘 냉매 순환계를 기술하며, 이 경우 제 1 압축기는 회전 속도 조절된 상태로 형성되어 있고, 제 2 압축기는 고정된 회전 속도로 작동하도록 형성되어 있다.
선행 기술에 공지된 냉매 순환계들의 경우에는, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기, 컴포넌트들 사이에 형성된 연결 라인으로서의 냉매 라인 및 밸브와 같은 개별 컴포넌트들이 냉매의 높은 최대 질량 흐름에 상응하게 매우 크게 치수 설계되어야만 한다.
개별 유동 경로들 및 이와 더불어 증발기들이 상호 독립적으로 차단될 수 있긴 하지만, 상기 증발기들은 다만 서로 간의 압력에 따라서만 작동될 수 있다. 작동이 병렬로 이루어지는 경우, 증발기들은 또한 비용이 많이 드는 전기식 팽창 밸브의 사용으로 인해서도 매우 비용 소비적으로 서로 매칭될 수밖에 없다.
2개 이상의 압축기를 갖춘 냉매 순환계들을 구비한 종래의 냉각 장치들 또는 공지된 캐스케이드 시스템(cascade system)들은 더 높은 수준의 냉각 출력을 제공하긴 하지만, 냉매에서 주변 공기로의 열 방출로서 응축기/가스 냉각기 내부에서 열 전달이 매주 제한적이다.
선행 기술에 공지된 자동차의 시스템은 단지 13kW 내지 14kW 범위의 열 방출로만 형성되어 있다. 그러나 12kW 내지 15kW 범위의 냉각 출력 제공은 냉매 순환계의 고압측에서 적어도 20kW의 열 방출을 요구한다.
자동차는 배터리의 고속 충전 과정 동안에는 또한 이동하지 않으며, 그리고 이와 더불어 가동이 중단되어 있거나 주차되어 있기 때문에, 자동차의 전방 영역에 있는 응축기/가스 냉각기에 공급하기 위한 공기 유동이 최소 속도를 갖는다. 주변 공기는 단지 응축기/가스 냉각기에 할당된 팬(fan)에 의해 이송되고, 기류(airstream)에 의해서는 추가로 지원되지 않으며, 이는 재차 응축기/가스 냉각기에서 열 방출 감소를 야기한다.
본 발명의 과제는, 냉각 수요가 큰 자동차, 예컨대 전기식 또는 전기식과 내연 기관 방식이 조합된 드라이브를 구비하고 있는 자동차를 위한 충분한 냉각 출력을 갖춘 시스템을 제공하는 데 있다. 이 경우에는 특히 높은 냉각 출력에 필요한, 적어도 20kW의 열 방출이 적어도 제한된 시간 동안, 예를 들면 배터리 고속 충전 과정 동안 보장되어야 한다. 이와 같은 공기 조화 시스템에서는, 제조 비용, 관리 비용 및 작동 비용 그리고 요구되는 설치 공간이 최소이어야만 하고, 냉매 순환계도 종래의 질량 흐름용으로 치수 설계된 컴포넌트들로부터 형성되어야만 한다. 상기 시스템은 최대 효율로 작동될 수 있어야만 한다.
상기 과제는 독립 특허 청구항의 특징들을 갖는 대상들에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
상기 과제는 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 본 발명에 따른 시스템에 의해서 해결된다. 상기 시스템은 냉각제 순환계 및 냉매 순환계를 구비하고, 이때 상기 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기, 하나 이상의 팽창 기관, 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기 및 증발기로서 작동되고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 하나 이상의 열교환기를 갖는다. 이 경우 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 상기 열교환기는 냉매-공기-열교환기로서 형성되어 있다. 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 상기 열교환기는 냉각제 순환계 내부에 배치되어 있고, 냉매-냉각제-열교환기로서 형성되어 있다. 상기 냉매 순환계는 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기를 통해서 상기 냉각제 순환계와 열적으로 커플링 되어 있다.
본 발명의 구상에 따르면, 냉매 순환계는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기를 구비하고, 이 열교환기는 냉매-냉각제-열교환기로서 형성되어 있고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위한 냉각제 순환계 내부에 배치되어 있다. 이와 더불어 냉매 순환계는 또한 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기를 통해서도 냉각제 순환계와 열적으로 커플링 되어 있다. 냉각제 순환계는 또한 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위해 하나 이상의 열교환기를 구비하여 형성되어 있다.
냉매의 액화가 예컨대 냉매 R134a를 사용하는 경우와 같은 임계 이하의 모드에서 이루어지거나 이산화탄소를 사용하는 특정 주변 조건에서 이루어지는 경우에는, 열교환기가 응축기로서 명명된다. 열 전달의 일부분은 일정한 온도에서 이루어진다. 임계 초과의 모드 또는 열교환기 내에서 임계 초과의 열이 방출되는 경우에는, 냉매의 온도가 일정하게 감소한다. 이 경우에는 열교환기가 가스 냉각기로서도 명명된다. 임계 초과의 모드는, 예컨대 이산화탄소를 냉매로 사용하는 냉매 순환계의 특정 주변 조건 또는 작동 방식에서 나타날 수 있다.
본 발명의 개선예에 따르면, 응축기/가스 냉각기로 작동되고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기와 응축기/가스 냉각기로 작동되고 냉매에서 주변 공기로 열 전달을 위한 냉매-공기-열교환기는 냉매의 유동 방향으로 볼 때 연속으로 배치되어 있다. 상기 열교환기들은 직렬로 접속되어 있다. 이 경우 냉매-공기-열교환기는 냉매의 유동 방향으로 볼 때 냉매-냉각제-열교환기 다음에 배치되어 있다.
드라이브 컴포넌트는 바람직하게 자동차 전기 드라이브 트레인의 전기 컴포넌트, 예를 들면 고압 배터리 또는 전기 모터이다. 이 경우 냉각제 순환계는 바람직하게 배터리의 온도를 조절하기 위한 제 1 열교환기와 전기 드라이브 모터를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기를 구비한다.
본 발명의 특별한 장점은, 상기 제 1 열교환기가 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 증발기로 작동되고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기 다음에 배치되어 있고, 응축기/가스 냉각기로서 작동되고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기 앞에 배치되어 있으며, 그리고 상기 제 2 열교환기가 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 응축기/가스 냉각기로서 작동되고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기 다음에 배치되어 있다.
냉각제 순환계는 바람직하게 냉각제에서 주변 공기로 열 전달을 위한 냉각제-공기-열교환기를 구비하여 형성되어 있다. 상기 냉각제-공기-열교환기는 바람직하게 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 드라이브 모터를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기와 증발기로서 작동되고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기 사이에 배치되어 있다.
이 경우 주변 공기는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매 순환계의 냉매-공기-열교환기와 냉각제 순환계의 냉각제-공기-열교환기를 바람직하게는 병렬로 또는 순차적으로, 다시 말해 차례로 과류할 수 있다. 주변 공기를 순차적으로 공급하기 위한 냉매-공기-열교환기와 냉각제-공기-열교환기 배치 시 상기 냉매-공기-열교환기는 주변 공기의 유동 방향으로 볼 때 바람직하게 상기 냉각제-공기-열교환기 앞에 배치되어 있다.
냉각제 순환계의 컴포넌트들, 특히 열교환기들은 각각 차례로 그리고 이와 더불어 직렬로 접속되는 방식으로 배치되어 있다. 열교환기들은 각각 바람직하게는 냉각제에 의해 바로 연속적으로 관류되도록 형성되어 있다. 열교환기들을 바로 연속하여 배치하는 것은, 상응하는 연결 라인 또는 예를 들면 냉각제 펌프를 제외하고, 열교환기들 사이 유동 경로 상에서 냉각제가 냉각제 순환계의 추가 컴포넌트, 특히 냉각제에 의한 열 흡수 또는 열 방출을 위한 컴포넌트를 통과하지 않도록 상기 열교환기들이 냉각제 라인을 통해서 서로 연결되어 있음을 의미한다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 냉매 순환계는 각각 증발기로서 작동되는 열교환기와 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 설치된 팽창 기관을 갖는 2개 이상의 유동 경로를 구비한다. 이 경우 상기 유동 경로들은 서로 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 상기 유동 경로들에 필요에 따라 개별적으로 또는 서로 병렬로 냉매가 공급될 수 있다. 증발기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기는 제 1 유동 경로 내부에 그리고 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기는 제 2 유동 경로 내부에 배치되어 있다.
본 발명의 과제는 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템의 본 발명에 따른 작동 방법에 의해서도 해결된다. 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
- 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때, 냉각제 순환계를 통해 순환되는 냉각제에서 냉매 순환계 내에서 순환되는 냉매로 열을 전달하는 단계로서, 이 경우 상기 냉각제는 냉각되고, 상기 냉매는 증발하며,
- 상기 냉각된 냉각제를 제 1 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위한 제 1 열교환기로 안내하는 단계,
- 상기 제 1 열교환기를 관류할 때 상기 제 1 드라이브 컴포넌트로부터 냉각제로 열을 전달하는 단계로서, 이 경우 상기 냉각제는 가열되고, 상기 제 1 드라이브 컴포넌트는 냉각되며,
- 상기 냉각제를 냉각제-공기-열교환기로 안내하는 단계, 그리고
- 상기 냉각제-공기-열교환기를 관류할 때 냉각제에서 주변 공기로 열을 전달하는 단계로서, 이 경우 상기 냉각제는 냉각된다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때 냉각제는 시스템의 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 냉각된다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 냉각제는 제 1 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위한 또는 제 1 드라이브 컴포넌트의 온도를 조절하기 위한 제 1 열교환기로부터 방출된 후 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기로 안내된다. 상기 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때 열은 냉매에서 냉각제로 전달되며, 이 경우 상기 냉매는 적어도 부분적으로 과열 제거(desuper heat)되거나 과열 제거되고, 그리고 적어도 부분적으로 액화되며, 냉각제는 가열된다.
냉매는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기로부터 방출된 후 바람직하게는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기로 안내된다. 상기 냉매-공기-열교환기를 관류할 때 열은 냉매에서 주변 공기로 전달되며, 이 경우 상기 냉매는 액화되고, 그리고 경우에 따라 과냉각(supercooling)된다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 가열된 냉각제는 제 2 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기로 안내된다. 상기 제 2 열교환기를 관류할 때,
- 시스템이 이러한 시스템에 의해 흡수된 열이 주변으로 전달될 수 있는 열보다 많은 모드로 작동하면, 열은 냉각제에서 제 2 드라이브 컴포넌트로 전달되며, 이 경우 상기 냉각제는 냉각되며, 그리고
- 시스템이 주변으로 전달될 수 있는 열이 시스템에 의해 흡수된 열보다 많은 모드로 작동하면, 열은 제 2 드라이브 컴포넌트로부터 냉각제로 전달되며, 이 경우 상기 냉각제는 가열되고, 제 2 드라이브 컴포넌트는 냉각된다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 제 1 열교환기로부터 방출된 후 냉각제는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기를 통과한 다음 제 2 열교환기를 통해 안내된다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 열은 증발기로서 작동되는 냉매 순환계의 냉매-공기-열교환기의 열 전달 면적을 통해서 안내되며, 이 경우 냉매는 열을 흡수하면서 증발한다.
특히 드라이브 트레인의 컴포넌트 내에 가능한 열 저장과 관련하여, 상기 본 발명의 바람직한 실시예는 전동 드라이브를 갖는 자동차 또는 전동기 및 내연 기관으로 이루어진 하이브리드 드라이브를 갖는 자동차에서 시스템의 사용을 가능하게 한다.
요약적으로 말하자면, 본 발명에 따른 시스템은 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다:
- 배터리의 고속 충전 과정 동안에도 충분한 배터리 냉각이 보장될 수 있고, 이와 같은 배터리 냉각 보장은 전기차에 고속 충전 기술 적용을 가능하게 하며,
- 이와 더불어 열의 일부분이 중간 저장되기 때문에, 특별히 높은 주변 온도에서뿐만 아니라 배터리 고속 충전 과정 동안에도 시스템의 전체 냉각 출력을 소모시킬 필요가 없으며, 그 결과 달성 가능한 냉각 출력의 제한적인 경계 조건(boundary condition)으로서 전체 시스템의 열 방출 면적을 증가시킬 필요가 없으며,
- 이로써, 작동 동안에 시스템의 최대 효율 및 최소 설치 공간이 달성되며, 그리고
- 제조 및 관리 시 그리고 작동 동안에 적은 비용이 소요된다.
공기 조화 시스템, 특히 냉매 순환계들은 사용된 냉매와 무관하기 때문에 R134a, R744, R1234yf 또는 다른 냉매용으로도 설계되었다.
본 발명의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예에 대한 하기 설명으로부터 드러난다. 도면에서:
도 1은 자동차의 객실 유입 공기를 조화하기 위한 냉매 순환계와 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한, 특히 배터리를 냉각하기 위한 냉각제 순환계를 구비한 자동차의 시스템을 도시한다.
도 1은 자동차의 객실 유입 공기를 조화하기 위한 냉매 순환계(2)와 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위한, 특히 배터리를 냉각하기 위한 냉각제 순환계(12)를 구비한 자동차의 시스템(1)을 도시한다. 상기 냉매 순환계(2)와 냉각제 순환계(12)는 열적으로 서로 커플링 되어 있다.
상기 냉매 순환계(2)는 냉매를 흡입하고 압축하기 위한 압축기(3)를 구비한다. 압축되고 과열된 가스 상태의 냉매는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제 1 열교환기(4)로 안내된다. 상기 제 1 응축기/가스 냉각기는 냉매-냉각제-열교환기(4)로서 형성되어 있다. 제 1 응축기/가스 냉각기(4)를 관류할 때 열은 냉매에서 상기 냉각제 순환계(12) 내에서 순환되는 냉각제로 전달된다. 이 경우 냉매는 필요에 따라 그리고 작동 모드에 따라 과열 제거되고 액화되며, 그리고 경우에 따라 과냉각된다. 냉매-냉각제-열교환기(4)에는 냉각제 순환계(12)와 함께 냉매 순환계(2)가 열적으로 커플링 되어 있다.
냉매는 냉매-냉각제-열교환기(4)로부터 배출된 후, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제 2 열교환기(5)로 안내된다. 상기 제 2 응축기/가스 냉각기는 냉매-공기-열교환기(5)로서 형성되어 있다. 제 2 응축기/가스 냉각기(5)를 관류할 때 열은 냉매에서 주변 공기로 전달된다. 이 경우 냉매는 필요에 따라 그리고 작동 모드에 따라 과열 제거되고 액화되며, 그리고 경우에 따라 과냉각되는데, 예를 들면 제 1 응축기/가스 냉각기(4) 내에서 열이 전혀 전달되지 않거나 또는 아주 소량만 전달되는 경우에 과냉각된다. 그렇지 않으면 냉매는 냉매-공기-열교환기(5) 내에서 단지 액화되고/액화되거나 경우에 따라 과냉각된다.
액상 냉매는 냉매-공기-열교환기(5)로부터 배출된 후, 분기 지점(10)에서 필요에 따라 2개의 유동 경로로 세분된다. 각각의 유동 경로는 팽창 기관(6, 8) 및 증발기로서 작동되는 열교환기(7, 9)를 구비한다. 유동 경로들을 통해 안내된 냉매의 부분 질량 흐름들은 입구 지점(11)에서 다시 결합되고, 공동 냉매 질량 흐름으로서 압축기(3)에 의해 흡입된다. 냉매 순환계(2)는 폐쇄되어 있다. 이때 상기 2개의 유동 경로에는 필요에 따라 개별적으로 또는 함께 그리고 병렬로 냉각제가 공급된다. 질량 흐름의 비율은 필요에 따라 0 내지 100%에 달할 수 있다.
냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 설치되는 방식으로 배치된 제 1 팽창 기관(6)을 갖고 제 1 유동 경로의 증발기로서 작동되는 열교환기는 냉매-공기-열교환기(7)로서 형성되어 있다. 상기 냉매-공기-열교환기(7)를 관류할 때 증발되는 냉매는 객실에 공급될 공기 질량 흐름의 열을 흡수한다. 이때 공기 질량 흐름은 습기가 제거되고/되거나 냉각된다.
냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 설치되는 방식으로 배치된 제 2 팽창 기관(8)을 갖고 제 2 유동 경로의 증발기로서 작동되는 열교환기는 냉매-냉각제-열교환기(9)로서 형성되어 있다. 상기 냉매-냉각제-열교환기(9)를 관류할 때 증발되는 냉매는 냉각제 순환계(12) 내에서 순환되는 냉각제의 열을 흡수한다. 이때 냉각제는 냉각된다. 칠러로도 명명되는 상기 냉매-냉각제-열교환기(9)에는 냉각제 순환계(12)와 함께 냉매 순환계(2)가 열적으로 커플링 되어 있다.
냉각제 순환계(12)는 이미 전술한, 냉매 순환계(2) 내에서 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)와 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4)뿐만 아니라 냉각제를 순환시키기 위한 냉각제 펌프(13)와 냉각제-공기-열교환기(15)를 구비한다.
특히 자동차의 드라이브 컴포넌트들을 이용해 열을 전달하기 위해 형성된 냉각제 순환계(12) 내에는 또한 제 1 열교환기(14)와 제 2 열교환기(16)가 통합되어 있다. 상기 제 1 열교환기(14)는 배터리, 예를 들면 고압 배터리의 온도를 조절하기 위해 형성되었다. 이때 상기 제 2 열교환기(16)는 간략히 모터로도 명명되는 전기 드라이브 모터를 이용해 열을 전달하기 위해 사용된다.
이 경우 상기 제 1 열교환기(14)는 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)와 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4) 또는 냉각제 펌프(13) 사이에 배치되어 있는 반면, 상기 제 2 열교환기(16)는 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4)와 냉각제-공기-열교환기(15) 사이에 형성되어 있다.
드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 교환하기 위한 제 1 열교환기(14), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4), 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기(16), 냉각제-공기-열교환기(15) 및 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)는 각각 연이어 그리고 이와 더불어 직렬로 접속되는 방식으로 배치되어 있다.
상기 냉각제 펌프(13)는 냉각제를 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(9)로부터 배터리의 온도를 조절하기 위한 열교환기(14)로 운반하고, 그리고 냉매가 냉각제 순환계(12)로부터 방출되는 열을 흡수할 수 있는 냉매-냉각제-열교환기(4)를 통해 모터를 이용해 열을 전달하기 위한 열교환기(16)로 운반한다.
특히 시스템(1)의 주변 공기 온도가 높을 뿐만 아니라 12kW 내지 15kW 범위의 냉각을 필요로 하는 자동차 전기 드라이브 트레인의 배터리 고속 충전 과정 동안에도 시스템(1)으로부터는 매우 많은 양의 열이 배출되어야 한다. 이 경우 상기 고속 충전 과정은 10분 내지 15분의 시간을 필요로 한다.
배터리 고속 충전 과정의 매우 짧은 시간 동안 매우 많은 양의 열을 방출할 필요가 없도록 하기 위해서는(배터리 고속 충전 과정은 매우 높은 열 출력을 요구함), 주변 공기로 전달될 열 비율이 임시 저장되어야 한다. 이러한 경우 적합한 열 임시 저장기로는 예를 들면 전기 드라이브 모터가 적합하며, 이러한 전기 드라이브 모터는 60℃ 내지 80℃ 범위의 온도로 가열될 수 있고 높은 열 용량 및 이와 더불어 대규모 열 저장기 용량을 갖는다. 열 임시 저장기에 의해 배터리 고속 충전 과정 동안에는 단지 충전 시간 내에 방사되어 방출되는 열 비율만 주변 공기로 전달되어야 한다.
열 임시 저장은 주변 공기의 온도 값이 높을 때뿐만 아니라 배터리 고속 충전 과정 동안에도 배터리의 온도를 조절하기 위해, 특히 냉각하기 위해 또는 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위해 냉매 순환계(2)의 냉각 출력에 많은 영향을 준다.
시스템(1)이 배터리 고속 충전 모드와 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한, 특히 상기 공기 질량 흐름을 냉각 및/또는 습기 제거하기 위한 냉각 장치 모드로 동시에 작동할 경우 냉매의 질량 흐름은 냉매 순환계(2)의 분기 지점(10)에서 세분되며, 결과적으로 냉매의 각각의 부분 질량 흐름이 제 1 및 제 2 유동 경로를 통해 안내된다.
제 1 유동 경로에서 제 1 팽창 기관(6)으로 안내된 냉매는 상기 제 1 팽창 기관(6)을 관류할 때 팽창되어 2상 혼합물로서 증발기(7) 내부로 유입된다. 액상 성분 증발 시에는 냉매가 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로부터 열을 흡수하여 증발한다.
제 2 유동 경로에서 제 2 팽창 기관(8)으로 안내된 냉매는 상기 제 2 팽창 기관(8)을 관류할 때 팽창되어 2상 혼합물로서 증발기(9) 내부로 유입된다. 액상 성분 증발 시에는 냉매가 냉각제로부터 열을 흡수한다. 이 경우 냉각제는 바람직하게 주변 공기 온도 값보다 낮은 온도 값으로 냉각된다.
후속해서 유동 경로들을 통해 안내된 냉매의 부분 질량 흐름들은 입구 지점(11)에서 다시 혼합된 다음 공동 질량 흐름으로서 압축기(3)로부터 흡인되어 압축된다.
증발기(9)를 관류할 때 냉각된 냉각제는 그 다음 배터리의 온도를 조절하기 위해 형성된 제 1 열교환기(14)로 안내된다. 특히 고속 충전 과정 동안 매우 많은 양의 열을 방사하고/하거나 가열되는 배터리로부터 냉각제로 열 전달 시에는 이러한 냉각제가 상당히 가열된다. 배터리로부터 열이 배출됨으로써, 배터리가 너무 많이 가열되는 것이 방지된다.
제 1 열교환기(14)로부터 배출되는 냉각제는 계속해서 냉매-냉각제-열교환기(4)를 통해 제 2 열교환기(16)로 안내되며, 이 경우 상기 제 2 열교환기는 전기 드라이브 모터를 이용해 열을 전달하기 위해 형성되어 있다.
특히 주변 공기의 온도가 매우 높은 경우, 예를 들면 대략 적어도 40℃에서는 시스템(1)에 필요한 전체 냉각 출력(이는 배터리를 냉각하기 위한 출력과 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 출력으로 구성되어 있음)이 전제 시스템의 열 방출 면적의 크기가 일정할 때 상당히 증가한다.
제 1 열교환기(14)를 관류할 때 냉각제 가열 후 배터리 또는 냉각제의 온도에 따라, 냉매-냉각제-열교환기(4)를 관류할 때 열은 과열된 냉매에서 냉각제로 전달된다. 이때 냉매는 적어도 부분적으로 과열 제거되거나 완전히 과열 제거되고, 그리고 경우에 따라 적어도 부분적으로 액화되는 반면, 냉각제는 계속 가열된다. 냉매-냉각제-열교환기(4)에서는 냉매로부터 배출되는 열 대부분이 냉각제로 전달된다.
높은 온도 수준으로 가열된 냉각제는 제 2 열교환기(16)를 관류할 때 냉각되며, 이 경우 열은 더 높게 온도 조절된 냉각제에서 모터로 전달되어 열 용량으로서 상기 모터에 저장된다. 이 경우 냉각제 순환계(12)는, 모터의 미리 정해진 최대 온도가 초과되지 않도록 제어된다.
이어서 냉각제는 냉각제-공기-열교환기(15)를 통해 흐르며, 이 경우 열은 냉각제에서 주변 공기로 전달된다. 적어도 예비 냉각된 냉각제는 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)로 리턴된다.
응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4)를 관류할 때 적어도 부분적으로 과열 제거되거나 완전히 과열 제거된, 그리고 경우에 따라 적어도 부분적으로 액화된 냉매는 냉매-공기-열교환기(5)로 안내된다. 상기 냉매-공기-열교환기(5)에서는 열이 냉매에서 주변 공기로 전달된다. 냉매-냉각제-열교환기(4)에서 이미 냉매로부터 방출되는 대부분의 열, 특히 가스 상태의, 과열된 냉매의 과열을 제거하기 위한 대부분의 열이 냉각제로 전달되었기 때문에, 응축기/가스 냉각기(5)는 냉매의 더 낮은 입구 온도(inlet temperature)에서뿐만 아니라 냉매와 주변 공기의 효율적인 열 전달로 작동될 수 있다.
응축기/가스 냉각기(5)로부터 배출되는, 과열 제거되고 액화된 그리고 경우에 따라 과냉각된 냉매는 분기 지점(10)으로 안내된다.
시스템(1)이 배터리의 고속 충전 모드와 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 냉각 장치 모드로 동시에 작동할 때 고속 충전 과정 동안 배터리로부터 방사된 열은 냉각제에 의해 흡수된다. 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로부터 배출된 열은 냉매에 의해 흡입되고 압축기(3) 내에서 냉매로 운반된 열을 포함해서 냉각제와 주변 공기에 비례적으로 전달된다. 냉각제로 배출된 열은 재차 비례적으로 열 저장기로서 모터, 주변 공기 및 냉매로 전달된다.
시스템(1)이 오로지 배터리 고속 충전 모드로 작동하는 경우에는, 즉 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 냉각 장치 모드 없이 작동하는 경우에는, 냉매 순환계(2) 내에서 순환되는 냉매는 분기 지점(10)에서 오로지 제 2 팽창 기관(8)으로 통하는 제 2 유동 경로 내부로 흘러, 제 2 팽창 기관(8)을 관류할 때 팽창되어 2상 혼합물로서 증발기(9) 내부로 유입된다. 액상 성분 증발 시 냉매는 재차 냉각제로부터 열을 흡수한다. 이 경우 냉각제는 바람직하게 주변 공기의 온도 값보다 낮은 온도 값으로 냉각된다. 시스템(1)이 고속 충전 모드와 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 냉각 장치 모드로 동시에 작동하는 경우와 달리 제 1 유동 경로가 폐쇄되어 있다.
증발기(9) 내에서 냉각제로부터 냉매로 배출되는 열은 압축기(3) 내부에서 냉매로 전달되는 열을 포함해서, 응축기/가스 냉각기(4) 내에서 적어도 비례적으로 다시 냉각제로 방출된다. 증발기(9) 내에서 냉각된 냉각제에 의해서는, 배터리로부터 방출된 열을 흡수하는 것이 가능하다. 응축기/가스 냉각기(4) 내에서 냉매로부터 냉각제로 전달되지 않은 열의 비율은 응축기/가스 냉각기(5) 내에서 주변 공기로 전달된다.
고속 충전 과정 동안 배터리로부터 방사된 열은 제 1 열교환기(14)에서 냉각제로 전달되고, 그리고 이러한 냉각제로부터는 각각 제 2 열교환기(16) 내에서 비례적으로 모터로, 냉각제-공기-열교환기(15) 내에서는 주변 공기로, 그리고 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9) 내에서는 냉매로 전달된다.
배터리 고속 충전 모드 작동이 종료된 후에는 배터리로부터 냉각제로 방출되는 열이 감소하며, 그 결과 냉각제는 시스템(1)의 방출되는 열이 동일하거나 더 많을 경우 제 2 열교환기(16)에 비해 더 낮은 온도를 갖는 주변 공기로 안내되고, 열 저장기로서 사용되는 모터가 재차 냉각될 수 있다.
시스템(1)이 배터리 고속 충전 모드로 작동하는 경우와 비교해 모터보다 낮은 온도를 갖는 냉각제는 제 2 열교환기(16)를 관류할 때 계속 가열된다. 이 경우 열은 더 높게 온도 조절된 모터로부터 냉각제로 전달되는데, 이 경우에는 시스템(1)이 배터리 고속 충전 모드로 작동할 때 모터에 저장된 열이 다시 배출된다.
배터리 고속 충전 모드로 작동할 때 모터에 저장된 열은 자동차의 주행 동안 그리고 이와 더불어 배터리 고속 충전 모드로서 추후 한 시점에 냉각제 순환계(12)와 냉각제-공기-열교환기(15)를 통해 주변 공기로 배출된다.
자동차의 주행에 의해 그리고 이와 더불어 자동차 정지 상태에서보다 차량의 전방 영역에 배치된 냉매-공기-열교환기(5)와 냉각제-공기-열교환기(15)로 안내되는 개선된 주변 공기 질량 흐름에 의해서는 냉매-공기-열교환기(5)와 냉각제-공기-열교환기(15)의 열 통과 및 이와 더불어 열 출력이 각각 동시에 증가된다. 더 많은 열이 시스템(1)으로부터 주변 공기로 전달된다.
1: 시스템
2: 냉매 순환계
3: 압축기
4: 냉매-냉각제-열교환기, 응축기/가스 냉각기
5: 냉매-공기-열교환기, 응축기/가스 냉각기
6: 제 1 팽창 기관
7: 냉매-공기-열교환기, 증발기
8: 제 2 팽창 기관
9: 냉매-냉각제-열교환기, 증발기
10: 분기 지점
11: 입구 지점
12: 냉각제 순환계
13: 냉각제 펌프
14: 드라이브 컴포넌트, 배터리의 제 1 열교환기
15: 냉각제-공기-열교환기
16: 드라이브 컴포넌트, 모터의 제 2 열교환기

Claims (9)

  1. 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 컴포넌트(drive component)들을 이용해 열을 전달하기 위한 시스템(1)으로서, 상기 시스템이
    - 냉각제 순환계(12) 및
    - 냉매 순환계(2)를 구비하고, 상기 냉매 순환계(2)는 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(5), 하나 이상의 팽창 기관(6, 8), 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기(7) 그리고 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(9)를 가지며, 이때 상기 열교환기(7)는 냉매-공기-열교환기(7)로서 형성되어 있고, 그리고 상기 열교환기(9)는 냉매-냉각제-열교환기(9)로서 형성되어 있고 냉각제에서 냉매로 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(12) 내부에 배치되어 있는, 시스템(1)에 있어서,
    상기 냉매 순환계(2)가 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기(4)를 구비하고, 상기 열교환기(4)는 냉매-냉각제-열교환기(4)로서 형성되어 있고 냉매에서 냉각제로 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(12) 내부에 배치되어 있으며, 그리고 상기 냉각제 순환계(12)가 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위해 하나 이상의 열교환기(14, 16)를 구비하고,
    상기 냉각제 순환계(12)가 배터리의 온도 조절을 위한 제 1 열교환기(14) 및 전기 드라이브 모터를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기(16)를 구비하며,
    상기 제 1 열교환기(14)가 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 상기 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9) 다음에 그리고 상기 응축기/가스 냉각기로 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4) 앞에 배치되어 있고, 그리고 상기 제 2 열교환기(16)가 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 상기 응축기/가스 냉각기로 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4) 다음에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(4)와 응축기/가스 냉각기로 작동되는 냉매-공기-열교환기(5)가 냉매의 유동 방향으로 볼 때 연속으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 순환계(2)가 증발기로 작동되는 열교환기(7, 9) 및 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 배치된 팽창 기관(6, 8)을 각각 하나씩 구비하는 2개 이상의 유동 경로를 구비하고, 이때
    - 상기 유동 경로들이 서로 병렬로 배치되어 있고, 그리고 상기 유동 경로들에 개별적으로 또는 서로 병렬로 냉매가 공급될 수 있으며, 그리고
    - 상기 증발기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(7)가 제 1 유동 경로 내부에 그리고 상기 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)가 제 2 유동 경로 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 시스템(1)의 작동 방법으로서, 상기 방법이
    - 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(9)를 관류할 때 냉각제 순환계(12)를 통해 순환되는 냉각제에서 냉매 순환계(2) 내부에서 순환되는 냉매로 열을 전달하는 단계로서, 이때 상기 냉각제는 냉각되고, 상기 냉매는 증발하며,
    - 제 1 열교환기(14)를 관류할 때 제 1 드라이브 컴포넌트로부터 냉각제로 열을 전달하는 단계로서, 이때 상기 냉각제는 가열되고, 상기 제 1 드라이브 컴포넌트는 냉각되며, 그리고
    - 냉각제-공기-열교환기(15)를 관류할 때 냉각제에서 주변 공기로 열을 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 가열된 냉각제가 제 2 드라이브 컴포넌트를 이용해 열을 전달하기 위한 제 2 열교환기(16)로 안내되고, 상기 제 2 열교환기(16)를 관류할 때
    - 상기 시스템(1)이 시스템(1)에 의해 흡수된 열이 주변으로 전달될 수 있는 열보다 많은 모드로 작동하면, 열이 냉각제에서 제 2 드라이브 컴포넌트로 전달되고, 이때 상기 냉각제는 냉각되며, 그리고
    - 상기 시스템(1)이 주변으로 전달될 수 있는 열이 시스템(1)에 의해 흡수된 열보다 많은 모드로 작동하면, 열이 제 2 드라이브 컴포넌트로부터 냉각제로 전달되고, 이때 상기 냉각제는 가열되며, 제 2 드라이브 컴포넌트는 냉각되는 것을 특징으로 하는, 시스템 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각제가 상기 제 1 열교환기(14)로부터 방출된 후 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(4)로 안내되고 그리고 상기 냉매-냉각제-열교환기(4)를 관류할 때 열이 냉매에서 냉각제로 전달되며, 이때 상기 냉매가 적어도 부분적으로 과열 제거(desuper heat)되거나 과열 제거되고, 적어도 부분적으로 액화되며, 그리고 상기 냉각제가 가열되는 것을 특징으로 하는, 시스템 작동 방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각제가 제 1 열교환기(14)로부터 방출된 후 상기 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(4)를 통과한 다음 상기 제 2 열교환기(16)를 통과하여 안내되는 것을 특징으로 하는, 시스템 작동 방법.
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