KR101952115B1 - 자동차 객실 공기 조화 및 드라이브 부품 냉각 시스템 그리고 상기 시스템의 작동 방법 - Google Patents

자동차 객실 공기 조화 및 드라이브 부품 냉각 시스템 그리고 상기 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 부품들을 냉각하기 위한 시스템(1)에 관한 것이다. 상기 시스템이 냉각제 순환계(16)와 제1 냉매 순환계(2)를 구비하고, 상기 제1 냉매 순환계는 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(4), 하나 이상의 팽창 기관(5, 7), 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기(6) 그리고 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(8)를 가지며, 이때 상기 열교환기(6)는 냉매-공기-열교환기(6)로서 형성되어 있고, 그리고 상기 열교환기(8)는 냉매-냉각제-열교환기(8)로서 형성되어 있고, 냉각제로부터 냉매로 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(16) 내부에 배치되어 있다. 또한, 상기 시스템(1)이 압축기(12), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기(13), 하나 이상의 팽창 기관(14) 및 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(15)를 갖는, 드라이브 부품들을 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계(11)를 구비하여 형성되어 있다. 이때 응축기/가스 냉각기로 작동되는 상기 열교환기(13)는 냉매-냉각제-열교환기(13)로서 형성되어 있고, 냉매로부터 냉각제로 열을 전달하기 위해 상기 냉각제 순환계(16) 내부에 배치되어 있다. 본 발명은 또한 상기 시스템(1)을 작동시키기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

자동차 객실 공기 조화 및 드라이브 부품 냉각 시스템 그리고 상기 시스템의 작동 방법{SYSTEM FOR CONDITIONING THE AIR OF A PASSENGER COMPARTMENT AND FOR COOLING DRIVE COMPONENTS OF A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE SYSTEM}
본 발명은 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 부품(drive component)들을 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 냉각제 순환계 및 제1 냉매 순환계를 구비하고, 이때 상기 제1 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 냉각제로부터 제1 냉매 순환계의 냉매로의 열 전달을 위한 하나 이상의 열교환기를 갖는다. 이 경우 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화시키기 위한 상기 열교환기는 냉매-공기-열교환기로서 형성되어 있다. 냉각제로부터 냉매로 열을 전달하기 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 차량들은 고전압 배터리, 내부 충전 장치, 변압기, 인버터 및 전동기와 같은 추가 부품을 구비하여 형성되었기 때문에, 단순히 내연 기관 구동 방식의 드라이브를 구비하는 자동차보다 높은 수준의 냉각을 필요로 하는 경우가 대부분이다. 원래의 에어컨 시스템의 냉매 순환계 외에, 순수 전기 드라이브 또는 전기 하이브리드 드라이브를 구비한 종래의 차량들은 냉각제 순환계를 가지며, 상기 냉각제 순환계 내에는 드라이브 부품들로부터 방사되는 열을 방출하기 위해 순환하는 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 칠러(chiller)로서도 명명되는, 공기 조화 시스템의 냉매 순환계와 열적 커플링을 위한 추가의 냉매-냉각제-열교환기 또는 배터리 냉각기로서 형성되어 직접 냉매 냉각되는 열교환기가 제공된다.
DE 10-2009-002424 A1호에는 자동차 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, 이 위치에서 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 전기차의 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, 이와 더불어 종래의 전기차와 하이브리드 차량보다 훨씬 더 높은 수준의 냉각을 필요로 한다.
비교적 높은 수준의 냉각 출력을 제공하기 위해, 상이한 차량용 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 추가의 부품들을 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 공동의 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 구비하여, 이들 열교환기는 다양한 주변 공기를 조화하기 위해서 이용된다. 이 경우에는 각각의 증발기가 하나의 압축기와 연결되어 있다.
US 2013/0145781 A1호는 2개의 압축기를 갖춘 냉매 순환계를 개시하며, 이 경우 제 1 압축기는 회전 속도 조절된 상태로 형성되어 있고, 제2 압축기는 고정된 회전 속도로 작동하도록 형성되어 있다.
선행 기술에 공지된 냉매 순환계들의 경우에는, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기, 부품들 사이에 형성된 연결 라인으로서의 냉매 라인 및 밸브와 같은 개별 부품들이 냉매의 높은 최대 질량 흐름에 상응하게 매우 크게 치수 설계되어야만 한다.
개별 유동 경로들 및 이와 더불어 증발기는 상호 독립적으로 차단될 수 있지만, 증발기들은 다만 서로 간의 압력에 따라서만 작동될 수 있다. 작동이 병렬로 이루어지는 경우, 증발기들은 또한 비용이 많이 드는 전기식 팽창 밸브의 사용에 의해서도 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, 냉매로부터 주변 공기로의 열 방출로서 응축기/가스 냉각기 내부에서 열 전달이 매주 제한적이다.
선행 기술에 공지된 자동차의 시스템은 단지 13kW 내지 14kW 범위의 열 방출로 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 않고, 이와 더불어 가동이 중단되어 있거나 주차되어 있기 때문에, 자동차 전방 영역에 있는 응축기/가스 냉각기 적용(application)을 위한 공기 유동이 최소 속도를 갖는다. 주변 공기는 단지 응축기/가스 냉각기에 할당된 팬(fan)에 의해 이송되고, 기류에 의해 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 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 부품들로부터 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 부품을 냉각하기 위한 본 발명에 따른 시스템에 의해서 해결된다. 상기 시스템은 냉각제 순환계 및 제1 냉매 순환계를 구비하고, 이러한 제1 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기, 하나 이상의 팽창 기관, 증발기로서 작동되고 차량 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기 및 증발기로서 작동되고 냉각제로부터 제1 냉매 순환계의 냉매로의 열 전달을 위한 하나 이상의 열교환기를 갖는다. 이 경우 상기 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화시키기 위한 열교환기는 냉매-공기-열교환기로서 형성되어 있다. 냉각제로부터 냉매로 열을 전달하기 위한 열교환기는 상기 냉각제 순환계 내부에 배치되어 있고, 냉매-냉각제-열교환기로서 형성되어 있다. 상기 제1 냉매 순환계는 상기 냉매-냉각제-열교환기를 통해서 상기 냉각제 순환계와 열적으로 커플링 되어 있다.
본 발명의 구상에 따르면, 상기 시스템은 드라이브 부품을 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계를 구비한다. 상기 제2 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기, 하나 이상의 팽창 기관 및 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기를 구비하여 형성되어 있다. 이 경우 상기 응축기/가스 냉각기로 작동하는 제2 냉매 순환계의 열교환기는 제2 냉매 순환계의 냉매로부터 냉각제로의 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계 내부에 형성되어 있다. 그 결과 제2 냉매 순환계는 냉매-냉각제-열교환기를 통해서 냉각제 순환계와 열적으로 커플링 되어 있다.
본 발명의 한 대안적인 제1 실시 예에 따르면, 증발기로서 작동되는 제2 냉매 순환계의 열교환기는 드라이브 부품의 직접 냉각을 위해 형성되어 있다.
본 발명의 한 대안적인 제2 실시 예에 따르면, 증발기로서 작동되는 제2 냉매 순환계의 열교환기는 제2 냉각제 순환계를 통해서 드라이브 부품의 간접 냉각을 위해 냉매-냉각제-열교환기로서 형성되어 있다. 냉각제를 통한 드라이브 부품의 간접 냉각을 위해 냉매 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기는 칠러로도 명명된다.
드라이브 부품은 바람직하게 전기 부품, 예를 들면 차량의 고전압 배터리 또는 전동기, 전기 구동 트레인(electrical drive train)이다.
이 경우 직접 냉각은 추가 냉각제 또는 냉매와 같은 중간 매체(intermediate medium) 없이 이루어지는 열 전달을 의미한다. 따라서 드라이브 부품에 의해 방출되는 열은 냉매로 직접 전달되는데, 이러한 냉매는 열교환기 내부에서 증발한다. 냉매가 드라이브 부품과 직접 접촉함으로써, 열은 예를 들면 열교환기의 벽을 통해서만, 특히 벽으로부터 냉매로의 열 전도 및 열 전이를 통해서만 전달된다.
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 냉매로서 사용하는 냉매 순환계의 특정 주변 조건 또는 작동 방식에서 나타날 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시 예에 따르면, 제1 냉매 순환계가, 증발기로 작동되는 열교환기 및 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 배치된 팽창 기관을 각각 하나씩 구비하는 2개 이상의 유동 경로를 구비한다. 이 경우, 이들 유동 경로는 서로 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 이들 유동 경로에는 필요에 따라 개별적으로 또는 서로 병렬로 냉매가 공급될 수 있다. 증발기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기는 제 1 유동 경로 내부에 배치되어 있고, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기는 제2 유동 경로 내부에 배치되어 있다.
본 발명의 개선예에 따르면, 증발기로서 작동되는 제1 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기 및 응축기/가스 냉각기로 작동되는 제2 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기는 냉각제 순환계 내부에서 서로 직렬로 연결되는 방식으로 배치되어 있다.
상기 냉매-냉각제-열교환기들은 바람직하게 냉각제에 의해 연속적으로 직접 관류되도록 형성되어 있다. 열교환기들의 연속하는 직접 배치는, 이들 열교환기가 냉각제 라인을 통해서 서로 연결되어 있는 것을 의미하며, 그 결과 제1 열교환기를 통해 흐르는 냉각제가 제2 열교환기로 직접 안내되며, 이때 열교환기들 사이 유동 경로 상에 있는 냉각제는 상응하는 연결 라인 또는 예컨대 냉각제 펌프를 제외하고, 특히 냉각제에 의한 열 흡수 또는 열 방출을 위한 냉각제 순환계의 추가 부품을 통과한다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 냉각제 순환계는 제2 냉매 순환계로부터 흡수된 열을 공기로 방출하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기를 구비한다.
냉각제 순환계는 바람직하게 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기를 구비한다.
본 발명의 한 대안적인 제1 실시 예에 따르면, 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기-열교환기는 공기 조화 시스템의 공기 채널 내에서 상기 공기 질량 흐름의 유동 방향으로 볼 때, 증발기로서 작동되는 제1 냉매 순환계의 냉매-공기-열교환기 다음에 배치되어 있다.
본 발명의 한 대안적인 제2 실시 예에 따르면, 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기-열교환기는 공기 조화 시스템의 공기 채널 내에 배치되어 있고, 상기 공기 채널은, 증발기로서 작동되는 제1 냉매 순환계의 냉매-공기-열교환기가 배치되어 있는 공기 채널에 병렬로 형성되어 있다.
냉각제 순환계는 바람직하게 주변 공기로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기를 구비한다.
상기 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 또는 주변 공기로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기는 냉각제 순환계 내부에서 바람직하게 냉매-냉각제-열교환기에 직렬로 연결되어 있고, 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제2 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기와 증발기로서 작동되는 제1 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기 사이에 배치되어 있다.
객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기와 주변 공기로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기를 갖는 본 발명의 실시예에서는, 또한 냉각제-공기-열교환기들이 서로 직렬로 또는 냉매-냉각제-열교환기와 직렬로 연결되는 방식으로 배치되어 있다. 이 경우 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기-열교환기는 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 바람직하게는 주변 공기로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기-열교환기 앞에 형성되어 있다.
본 발명의 과제는 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 부품들을 냉각하기 위한 시스템의 본 발명에 따른 작동 방법에 의해서 해결된다. 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
- 냉각제 순환계를 통해 순환되는 냉각제를 제1 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때 냉각하는 단계,
- 냉각된 냉각제를 냉각제 순환계 내부에서 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제 2 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기로 안내하는 단계, 그리고
- 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때 냉각제 순환계 내에서 순환되는 냉각제에 의해 제 2 냉매 순환계 내에서 순환되는 냉매로부터 열을 흡수하는 단계.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 제1 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기를 관류할 때 냉각제는 시스템의 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 냉각됨으로써, 제2 냉매 순환계의 냉매-냉각제-열교환기의 냉매가 시스템의 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 상기 냉매-냉각제-열교환기로부터 유출된다.
특히 높은 냉각 출력 제공과 관련해서, 상기 본 발명의 바람직한 실시예는 전동식 드라이브를 갖는 차량 또는 전동기와 내연 기관으로 구성된 하이브리드 드라이브를 갖는 차량에서 시스템의 사용을 가능하게 한다.
요약적으로 말하자면, 본 발명에 따른 시스템은 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다:
- 2개 이상의 냉매 압축기를 사용함으로써, 공지된 시스템들에 비해 높은 냉각 출력을 제공하게 되며,
- 냉매 순환계들의 결합을 해제하고, 2개 이상의 압축기를 사용함으로써, 전체 시스템의 냉각 출력이 매우 우수하게 조절될 수 있으며,
- 1차 냉매 순환계와 2차 냉매 순환계로 세분함으로써, 증발기들의 상호 압력 의존성이 제거되며,
- 이로써, 작동 동안에 높은 동력학(dynamic) 및 높은 유연성이 보장되며, 특히 드라이브 부품을 냉각하기 위한 냉매 순환계가 매우 효율적으로 작동될 수 있으며,
- 또한, 배터리의 고속 충전 과정 동안에도 충분한 배터리 냉각이 보장될 수 있으며, 이와 같은 배터리 냉각 보장은 전기차에 고속 충전 기술 적용을 가능하게 하며,
- 1차 냉매 순환계 및 2차 냉매 순환계의 전체 부품들이 원하는 냉각 요구에 맞추어 정확하게 치수 설계될 수 있고, 이와 같은 치수 설계는 크기가 더 작으면서 더 가벼운 부품들을 야기하며,
- 공기에 의해 냉각된 단 하나의 냉매-공기-열교환기를, 냉매로부터 열을 방출시키기 위한 그리고/또는 냉매를 응축시키기 위한 1차 냉매 순환계 내에서 응축기/가스 냉각기로 사용함으로써, 2차 냉매 순환계 내의 방출 열 및 응축 열이 냉각제에 의해 냉각된 응축기/가스 냉각기를 통해서는 냉각제 순환계 내 냉각제로 전달되고, 1차 냉매 순환계 또는 냉각제-공기-열교환기를 통해서는 주변 공기로 방출되며,
- 이로써 전체 시스템의 열 방출 면적이 눈에 띄게 증가하고, 이러한 열 방출 면적 증가는 특별히 높은 주변 온도에서뿐만 아니라 배터리 충전 과정 동안 달성 가능한 냉매 출력의 제한적인 경제 조건(boundary condition)을 의미하며,
- 특히 2차 냉매 순환계 내에서는 냉매 라인이 짧은데, 그 이유는 압축기뿐만 아니라 냉각제에 의해 냉각된 응축기/가스 냉각기도 가변적으로 그리고 장소와 무관하게 배치될 수 있기 때문이며, 이와 같은 배치 상태는 또한 냉매 순환계 내부에서 냉매 측의 전체 압력 손실을 최소화하며,
- 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 제1 냉매 순환계와 차량의 드라이브 부품들을 냉각하기 위한, 특히 배터리를 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계를 구비한 시스템을 도시한다.
도 1은 자동차의 객실 유입 공기를 조화하기 위한 제1 냉매 순환계(2)와 드라이브 부품들을 냉각하기 위한, 특히 배터리를 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계(11)를 구비한 시스템(1)을 도시한다. 상기 시스템(1)은 또한 제2 냉매 순환계(11)로부터 열을 흡수하고 그리고 흡수한 열을 직접 주변 공기로 그리고/또는 제1 냉매 순환계(2) 내에서 순환되는 냉매로 방출하기 위한 냉각제 순환계(16)도 구비하여 형성되어 있다.
따라서 상기 시스템(1)은 서로 분리된 방식으로 형성되고, 또한 별도로 작동될 냉매 순환계(2, 11)들을 구비하며, 이들 냉매 순환계는 냉각제 순환계(16)에 의해 서로 열적으로 커플링 되어 있다.
1차 냉매 순환계로서도 명명되는 제1 냉매 순환계(2)는 냉매를 흡입하고 압축하기 위한 압축기(3)를 구비한다. 압축되고 과열된 가스 상태의 냉매는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(4)로 안내된다. 상기 응축기/가스 냉각기(4)를 관류할 때 열은 냉매로부터 주변 공기로 전달된다. 냉매는 과열 제거(desuper heat)되고 액화된다.
냉매-공기-열교환기(4)로부터 배출된 후, 액상 냉매는 분기 지점(9)에서 필요에 따라 2개의 유동 경로로 세분된다. 각각의 유동 경로는 팽창 기관(5, 7) 및 증발기로서 작동되는 열교환기(6, 8)를 구비한다. 유동 경로들을 통해 안내된 냉매의 부분 질량 흐름들은 입구 지점(10)에서 다시 결합되고, 압축기(3)에 의해서 공동 냉매 질량 흐름으로서 흡입된다. 냉매 순환계(2)는 폐쇄되어 있다. 이때 상기 2개의 유동 경로에는 필요에 따라 개별적으로 또는 공동으로 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 제1 팽창 기관(5)에 의해 제1 유동 경로의 증발기로서 작동되는 열교환기는 냉매-공기-열교환기(6)로서 형성되어 있다. 상기 냉매-공기-열교환기(6)를 관류할 때 증발되는 냉매는 객실에 공급될 공기 질량 흐름의 열을 흡수한다. 이때 공기 질량 흐름은 냉각되고, 경우에 따라 습기가 제거된다.
냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 설치되는 방식으로 배치된 제2 팽창 기관(7)에 의해 제2 유동 경로의 증발기로서 작동되는 열교환기는 냉매-냉각제-열교환기(8)로서 형성되어 있다. 상기 냉매-냉각제-열교환기(8)를 관류할 때 증발되는 냉매는 냉각제 순환계(16) 내에서 순환되는 냉각제의 열을 흡수한다. 이때 냉각제는 냉각된다. 제1 냉매 순환계(2)는 칠러로도 명명되는 상기 냉매-냉각제-열교환기(8)를 통해서 냉각제 순환계(16)와 열적으로 커플링 되어 있다. 냉매-냉각제-열교환기(8)를 관류할 때 냉각제는 바람직하게 주변 공기의 온도 값보다 낮은 온도 값으로 냉각된다.
2차 냉매 순환계로도 명명되는 제2 냉매 순환계(11)는 냉매를 흡입하고 압축하기 위한 압축기(12)를 구비한다. 압축되고 과열된 가스 상태의 냉매는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(13)로 안내된다. 상기 응축기/가스 냉각기(13)를 관류할 때 열은 냉매로부터 냉각제 순환계(16) 내에서 순환되는 냉각제로 전달된다. 이때 냉매는 과열 제거되어 액화된다.
냉매-냉각제-열교환기(13)로부터 배출된 후, 액상 냉매는 팽창 기관(14)으로 안내되어 증발기로서 작동되는 열교환기(15) 내부로 유입된다. 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 설치되는 방식으로 배치된 팽창 기관(14)에 의해 증발기로서 작동되는 열교환기는 바람직하게는 배터리 냉각기로서 형성되어 있다. 상기 배터리 냉각기(6)를 관류할 때 증발되는 냉매는 배터리로부터 방출되는 열을 흡수한다. 이 경우에 배터리는 자동차의 구동 트레인의 부품으로서 결과적으로 냉매에 의해 직접 냉각된다.
배터리로부터 방출되는 그리고 제2 냉매 순환계(11) 내에서 순환되는 냉매에 의해 흡수된 열은 냉각제에 의해 냉각되는 냉매-냉각제 열교환기(13)에서 냉각제로 전달된다. 상기 냉매는 경우에 따라, 즉 시스템(1)의 작동에 따라, 특히 냉매-냉각제-열교환기(8) 내에서 냉각제 냉각에 따라, 냉매의 유동 방향으로 볼 때 냉매-냉각제-열교환기(13) 뒤에 설치되는 방식으로 배치된, 그러나 도면에 도시되지는 않은 공기에 의해 냉각되는 열교환기를 관류할 때 주변 공기의 온도 값보다 낮은 온도 값으로 과냉각(sub cooling)될 수 있다. 이에 따라 배터리를 냉각하기 위한 냉각 출력이 더 증대된다. 주지된 바와 같이, 이 경우 도면에 도시되지 않은 공기에 의해 냉각되는 열교환기에 의한 제2 냉매 순환계(11)의 냉매로부터 주변 공기로의 추가 열 전달은 단지 냉매-냉각제-열교환기(13)의 유출구에서 냉매의 온도가 주변 공기의 온도 값보다 높은 경우에만 가능하다.
냉각제 순환계(16)는 이미 전술한, 제1 냉매 순환계(2) 내에서 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(8)와 제2 냉매 순환계(11) 내에서 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열교환기(13)뿐만 아니라 냉각제를 순환시키기 위한 냉각제 펌프(17) 및 2개의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)를 구비한다.
상기 냉각제 펌프(17)는 2차 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8)로부터 2차 냉매 순환계(11)의 냉매-냉각제-열교환기(13)로 냉각제를 이송하고, 이때 냉각제는 상기 냉매-냉각제-열교환기(8) 내에서 바람직하게는 주변 공기의 온도보다 낮게 냉각되고, 그리고 상기 냉매-냉각제-열교환기(13) 내에서는 냉각제가 2차 냉매 순환계(11)로부터 열을 흡수한다.
냉각제의 유동 방향으로 볼 때, 냉각제 순환계(16)는 연이어 그리고 이와 더불어 직렬로 연결되는 방식으로 배치된 2개의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)를 구비한다. 상기 냉각제-공기-열교환기(18, 19)들의 배치에 따라, 열은 상이한 공기 질량 흐름들로 전달될 수 있다.
대안적인 제1 실시 예에서, 제1 냉각제-공기-열교환기(18)는 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위해 배치되어 있다. 이때 필요에 따라 그리고 시스템(1)의 작동 방식에 따라, 객실용 유입 공기가 가열되고, 상기 유입 공기는 예를 들면 제1 냉매 순환계(2) 증발기(6)의 열 방출 면적에서 과류할 때 냉각되고, 경우에 따라 습기가 제거된다. 제2 냉각제-공기-열교환기(19)를 관류할 때 필요에 따라 열은 냉각제로부터 주변 공기로 전달된다.
대안적인 제2 실시 예에서, 2개의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)는 냉각제로부터 주변 공기로 열을 전달하기 위해 배치되어 있다. 이때 상기 두 냉각제-공기-열교환기(18, 19)는 바람직하게 자동차의 휠 케이스(wheel case) 영역에 그리고 이와 더불어 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-공기-열교환기(4)의 열 전달 면적을 통해서 전달되는 주변 공기의 공기 질량 흐름 밖에 위치한다.
냉각제 순환계(16)의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)의 도움으로 한 주변 공기로의 열 전달은 특히 배터리 고속 충전 과정 동안 주변 공기의 온도 값이 높을 때, 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 제1 냉매 순환계(2)의 냉각 출력에 많은 영향을 준다. 단지 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-공기-열교환기(4)만을 사용하는 경우에 비해 냉각제-공기-열교환기(18, 19)들을 사용함으로써, 시스템(1)의 열을 주변 공기로 전달하기 위한 열 전달 면적이 증대된다. 이로써 시스템(1)의 출력도 마찬가지로 병렬 작동하는 2개의 압축기를 구비한 냉매 순환계의 출력보다 증가된다.
또한, 냉각제-공기-열교환기(18, 19)들은 필요에 따라 그리고 시스템(1)의 작동 방식에 따라 서로 독립적으로 공기측이 저지될 수 있으며, 그 결과 냉각제가 열 전달 없이 관류된다.
제1 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8)를 관류할 때 냉각제를 냉매 주변 공기의 온도보다 낮게 냉각하는, 시스템(1)에 의해 작동 가능한 냉각 작동 모드에 의해 그리고 제2 냉매 순환계(11) 내에서 순환되는 냉매의 열을 주변 공기의 온도보다 낮게 냉각된 냉각제로 전달 또는 압축 후 제2 냉매 순환계(11) 내에서 순환되는 냉매의 발생 가능한 과냉각에 의해, 특히 배터리를 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계(11)는 매우 낮은 고압력과 매우 높은 과냉각으로 작동된다. 이때 증발기 및 배터리 냉각기로서 작동되는 열교환기(15) 내에서 냉매 증발 과정 동안 달성될 수 있는 매우 높은 엔탈피 효율(enthalpy efficiency)에 의해서, 동일한 또는 심지어 더 작은 냉매 질량 흐름으로 배터리 고속 충전 과정 동안 요구되는 높은 냉각 출력이 제공된다.
제2 냉매 순환계(11) 그리고 앞에 설치된 제2 냉매 순환계(2)의 팽창 기관(7)을 구비한 냉매-냉각제-열교환기(8)의 부품들을 최적으로 배치함으로써, 상기 냉매 순환계(2, 11)들의 부품들은 최소 길이를 갖는 냉매 라인들을 통해서 서로 연결된다. 최소 길이를 갖는 냉매 라인들을 사용함으로써, 한 편으로는 상기 냉매 라인들 관류 시 냉매의 압력 손실이 최소화된다. 다른 한 편으로는 냉매 라인들의 무게 및 이와 연관된 비용이 최소로 된다.
1: 시스템
2: 제1 냉매 순환계, 1차 냉매 순환계
3: 1차 냉매 순환계(2)의 압축기
4: 냉매-공기-열교환기, 응축기/가스 냉각기
5: 제1 팽창 기관
6: 냉매-공기-열교환기, 증발기
7: 제2 팽창 기관
8: 냉매-냉각제-열교환기, 증발기
9: 분기 지점
10: 입구 지점
11: 제2 냉매 순환계, 2차 냉매 순환계
12: 2차 냉매 순환계(7)의 압축기
13: 냉매-냉각제-열교환기, 응축기/가스 냉각기
14: 팽창 기관
15: 열교환기, 증발기, 드라이브 부품 냉각기
16: 냉각제 순환계
17: 냉각제 펌프
18: 제1 냉각제-공기-열교환기
19: 제2 냉각제-공기-열교환기

Claims (10)

  1. 자동차의 객실 공기를 조화하고 드라이브 부품(drive component)들을 냉각하기 위한 시스템(1)으로서,
    상기 시스템(1)이 냉각제 순환계(16) 및 제1 냉매 순환계(2)를 구비하고, 상기 제1 냉매 순환계(2)는 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-공기-열교환기(4), 하나 이상의 팽창 기관(5, 7), 증발기로서 작동되고 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 조화하기 위한 하나 이상의 열교환기(6) 그리고 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(8)를 가지며, 이때 상기 열교환기(6)는 냉매-공기-열교환기(6)로서 형성되어 있고, 그리고 상기 열교환기(8)는 냉매-냉각제-열교환기(8)로서 형성되어 있고, 냉각제로부터 냉매로의 열 전달을 위해 상기 냉각제 순환계(16) 내부에 배치되어 있는, 시스템(1)에 있어서,
    드라이브 부품들을 냉각하기 위한 제2 냉매 순환계(11)가 압축기(12), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열교환기(13), 하나 이상의 팽창 기관(14) 및 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열교환기(15)를 구비하여 형성되어 있으며, 이때 응축기/가스 냉각기로 작동되는 상기 열교환기(13)가 냉매-냉각제-열교환기(13)로서 형성되어 있고, 냉매로부터 냉각제로 열을 전달하기 위해 상기 냉각제 순환계(16) 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉매 순환계(2)가, 증발기로 작동되는 열교환기(6, 8) 및 냉매의 유동 방향으로 볼 때 앞에 배치된 팽창 기관(5, 7)을 각각 하나씩 구비하는 2개 이상의 유동 경로를 구비하고,
    상기 유동 경로들이 서로 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 상기 유동 경로들에 개별적으로 또는 서로 병렬로 냉매가 공급될 수 있으며,
    증발기로서 작동되는 상기 냉매-공기-열교환기(6)가 제1 유동 경로 내부에 그리고 증발기로서 작동되는 상기 냉매-냉각제-열교환기(8)가 제2 유동 경로 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    증발기로서 작동되는, 상기 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8) 및 응축기/가스 냉각기로 작동되는, 상기 제2 냉매 순환계(11)의 냉매-냉각제-열교환기(13)가 상기 냉각제 순환계(16) 내부에서 서로 직렬로 연결되는 방식으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제 순환계(16)가 상기 제2 냉매 순환계(11)로부터 흡수된 열을 공기로 방출하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)가 상기 냉각제 순환계(16) 내부에서 상기 냉매-냉각제-열교환기(8, 13)에 직렬로 연결되어 있고, 그리고 냉각제의 유동 방향으로 볼 때 상기 제2 냉매 순환계(11)의 냉매-냉각제-열교환기(13)와 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8) 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 냉각제 순환계(16)가 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기(18)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 냉각제 순환계(16)가 주변 공기로 열을 전달하기 위한 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기(18, 19)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 시스템(1)의 작동 방법으로서,
    상기 방법이,
    냉각제 순환계(16)를 통해 순환되는 냉각제를 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8)를 관류하고 냉매가 증발될 때 냉각하는 단계,
    상기 냉각제 순환계(16) 내부에서 냉각된 냉각제를 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제2 냉매 순환계(11)의 냉매-냉각제-열교환기(13)로 안내하는 단계, 및
    상기 냉매-냉각제-열교환기(13)를 관류할 때 상기 냉각제 순환계(16) 내에서 순환되는 냉각제를 통해서 상기 제2 냉매 순환계(11) 내에서 순환되는 냉매로부터 열을 흡수하는 단계를 포함하는, 시스템 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제-열교환기(8)를 관류할 때 냉각제가 상기 시스템(1)의 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 냉각되고, 그리고 상기 제2 냉매 순환계(11)의 냉매-냉각제-열교환기(13)의 냉매가 상기 시스템(1)의 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 상기 냉매-냉각제-열교환기(13)로부터 유출되는 것을 특징으로 하는, 시스템 작동 방법.
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