KR102017044B1 - 차량용 에어컨 시스템 - Google Patents

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KR102017044B1
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Abstract

본 발명은 차량용 에어컨 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 냉각수가 순환되는 엔진을 구비하는 차량에 장착되며, 팽창밸브. 증발기, 컴프레셔(compressor) 및 응축기를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에서, 상기 증발기와 컴프레셔를 연결시키는 석션배관을 통해 유동되는 냉매와, 상기 엔진과 연결되는 냉각수 배관을 통해 유동되는 냉각수 사이에서 열교환이 이루어지는 열교환기를 포함하며, 상기 증발기로부터 공급되는 저온의 냉매가 상기 엔진으로부터 공급되는 고온의 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태로 컴프레셔에 공급되는 것을 특징으로 하여 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태의 냉매를 컴프레셔에 공급함으로써 저압축비의 컴프레셔를 사용하여도 에어컨 시스템 효율 및 차량 연비가 향상되는 차량용 에어컨 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 에어컨 시스템{Air conditioner system for vehicle}
본 발명은 차량용 에어컨 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 엔진 및 컴프레셔(compressor)와 연결되는 열교환기를 통해 승압된 상태의 냉매를 컴프레셔에 공급하여 에어컨 시스템 효율 및 차량 연비가 향상되는 차량용 에어컨 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 에어컨 시스템은 외부 온도 변화에 관계없이 차량 내부의 온도를 적당한 상태로 유지시키고 차량 내부의 습도 및 공기 환경을 운전자의 요구에 따라 적절히 유지시켜 줌으로써 운전자에게 보다 편리하고 쾌적한 환경을 제공하기 위해 사용된다.
또한, 일반적으로 차량용 에어컨 시스템은 냉매를 압축시키는 컴프레셔, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 응축기, 액화된 냉매를 단열팽창시켜 저온·저압의 냉매로 만드는 팽창밸브 및 팽창된 냉매를 이용하여 차량 실내와 열교환을 통해 공기의 온도를 낮추고 습도를 조절하는 증발기와 기타 부속 부품으로 구성된다.
특히, 현재 차량용 에어컨 시스템은 냉방 성능 향상, 차량 연비 향상 및 에어컨 시스템의 사이즈 축소화 등의 요구를 지속적으로 제기 받고 있는 상태이나 종래의 차량용 에어컨 시스템으로는 위와 같은 요구사항을 모두 만족시키기 어려운 문제가 있다.
즉, 종래의 차량용 에어컨 시스템에서 차량 연비 향상 및 사이즈 축소화를 만족시키기 위해서는 컴프레셔의 용량을 축소하거나 컴프레셔의 타입 변경이 필요하나 단순한 컴프레셔의 용량 축소는 냉방 성능 저하를 가져와 양 조건을 모두 만족시키기 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 증발기와 컴프레셔를 연결시키는 석션배관을 통해 증발기로부터 공급되는 냉매와, 엔진과 연결되는 냉각수 배관을 통해 엔진으로부터 공급되는 냉각수를 열교환시키는 열교환기를 포함하여 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태의 냉매를 컴프레셔에 공급함으로써 저압축비의 컴프레셔를 사용하여도 에어컨 시스템 효율 및 차량 연비가 향상되는 차량용 에어컨 시스템을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 내부에 냉각수가 순환되는 엔진을 구비하는 차량에 장착되며, 팽창밸브. 증발기, 컴프레셔(compressor) 및 응축기를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에서, 상기 증발기와 컴프레셔를 연결시키는 석션배관을 통해 유동되는 냉매와, 상기 엔진과 연결되는 냉각수 배관을 통해 유동되는 냉각수 사이에서 열교환이 이루어지는 열교환기를 포함하며, 상기 증발기로부터 공급되는 저온의 냉매가 상기 엔진으로부터 공급되는 고온의 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태로 컴프레셔에 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환기는 냉매 유로와 냉각수 유로가 서로 평행하게 이웃하여 교대로 배치되는 판형 열교환기로 형성되고, 상기 냉매 유로와 냉각수 유로 사이의 열교환을 통해 저온의 냉매가 가열·승압된 상태로 컴프레셔에 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 엔진과 열교환기 사이의 냉각수 배관 상에 배치되며 냉각수 온도에 따라 엔진에서 열교환기로 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 제어밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어밸브는, 상기 엔진으로부터 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구, 상기 열교환기로 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구, 상기 냉각수 유입구와 냉각수 배출구 사이에 배치되어 냉각수의 유동을 조절하는 피스톤, 상기 피스톤의 일단에서 연장되는 스프링, 상기 피스톤의 타단에서 연장되는 로드 및 냉각수 온도에 따라 상기 피스톤을 좌우로 이동시키는 로드가 내부에 활주 가능하도록 수용되는 감온부를 포함하는 것이 좋다.
나아가, 상기 제어밸브는, 상기 감온부의 내부에 왁스(wax)가 밀봉되어 냉각수 온도가 높아지면 왁스가 팽창되어 제어밸브가 열리고, 냉각수 온도가 낮아지면 왁스가 수축하여 제어밸브가 닫히는 왁스 펠릿 서모스탯(wax pellet thermostat)으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 열교환기를 사용하여 가열·승압된 상태의 냉매를 컴프레셔에 제공함으로써 종래 차량용 에어컨 시스템과 비교하였을 때 상대적으로 저압축비의 컴프레셔를 적용할 수 있어 에어컨 시스템 전체 사이즈를 더욱 축소시킬 수 있는 것이다.
또한, 저압축비 컴프레셔를 사용함으로써 에어컨의 작동 시 소요동력 및 토크를 감소시킬 수 있고 이에 따라 전체 에어컨 시스템의 효율이 상승되고 차량의 연비가 향상되는 효과가 있다.
또한, 엔진과 열교환기 사이에 제어밸브를 포함하여 냉각수가 저온일 경우 냉각수 배출구를 막아 엔진 자체의 웜엄(warm-up) 기능이 저하되는 것을 방지하고, 냉각수가 미리 정해진 온도 이상일 경우 냉각수 배출구를 열어 냉매와 냉각수 사이의 열교환이 일어나도록 하며, 냉각수가 충분히 웜업 되었을 경우 과도한 열교환에 의해 에어컨 시스템의 압력이 높아지는 것을 방지하기 위해 소량의 냉각수만 냉각수 배출구를 통과하도록 하는 효과가 있다.
나아가, 제어밸브는 감온부 내부에 왁스가 밀봉되어 냉각수 온도가 높아지면 왁스가 팽창되어 제어밸브가 열리고, 냉각수 온도가 낮아지면 왁스가 수축하여 제어밸브가 닫히는 왁스 펠릿 서모스탯으로 형성되어 전자적인 제어 없이도 제어밸브가 항상 정해진 패턴으로 작동되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 사이클을 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 일실시예를 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 열교환기 부분을 확대한 확대도.
도 4는 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 열교환기의 일실시예를 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 B-B 선에 따른 단면도.
도 6은 종래 차량용 에어컨 시스템과 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 몰리에르선도를 비교한 비교 도표.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어밸브가 닫힌 모습을 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어밸브가 열린 모습을 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어밸브가 최대로 열린 모습을 도시한 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 에어컨 시스템의 로드의 이동에 따른 냉각수 배출구 측 유량을 나타낸 도표.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)은, 내부에 냉각수가 순환되는 엔진(10)을 구비하는 차량에 장착되며, 팽창밸브(20). 증발기(30), 컴프레셔(compressor, 40) 및 응축기(50)를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에서, 상기 증발기(30)와 컴프레셔(40)를 연결시키는 석션배관(70)을 통해 유동되는 냉매와, 상기 엔진(10)과 연결되는 냉각수 배관(90)을 통해 유동되는 냉각수 사이에서 열교환이 이루어지는 열교환기(60)를 포함하며, 상기 증발기(30)로부터 공급되는 저온의 냉매가 상기 엔진(10)으로부터 공급되는 고온의 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태로 컴프레셔(40)에 공급되는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증발기(30)와 컴프레셔(40)는 석션배관(70)에 의해 열교환기(60)와 상호 연결되어 있고, 상기 석션배관(70)의 내부에는 증발기(30)로부터 컴프레셔(40) 방향으로 냉매가 유동된다.
구체적으로 상기 석션배관(70)은 증발기(30)에서 열교환기(60)로 냉매가 공급되는 제 1 석션배관(72)과 열교환기(60)에서 컴프레셔(40)로 냉매가 토출되는 제 2 석션배관(74)으로 구분된다.
상기 제 1 석션배관(72)에는 증발기(30)로부터 공급된 저온·저압의 냉매가 유동되고, 상기 제 2 석션배관(74)에는 제 1 석션배관(72)의 냉매보다 상대적으로 가열·승압된 냉매가 유동된다.
또한, 상기 엔진(10)과 열교환기(60)는 냉각수 배관(90)에 의해 상호 연결되어 있으며, 구체적으로 상기 엔진(10)으로부터 열교환기(60)로 냉각수가 공급되는 제 1 냉각수 배관(92)과 상기 열교환기(60)로부터 엔진(10)으로 냉각수가 토출되는 제 2 냉각수 배관(94)으로 구분된다.
상기 제 1 냉각수 배관(92)에는 엔진(10)으로부터 웜업된 냉각수가 유동되고, 상기 제 2 냉각수 배관(94)에는 열교환기(60)에서 저온·저압의 냉매와 열교환을 한 후 제 1 냉각수 배관(92)의 냉각수보다 상대적으로 저온의 냉각수가 유동된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(60)는 냉매 유로(65)와 냉각수 유로(66)가 서로 평행하게 이웃하여 교대로 배치되는 판형 열교환기로 형성되고, 상기 열교환기(60)의 일측면에는 상기 제 1 석션배관(72)과 연결되는 냉매 입구 포트(61), 상기 제 2 석션배관(74)과 연결되는 냉매 출구 포트(63), 상기 제 1 냉각수 배관(92)과 연결되는 냉각수 입구 포트(62) 및 상기 제 2 냉각수 배관(94)과 연결되는 냉각수 출구 포트(64)가 형성된다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 냉매 입구 포트(61)를 통해 열교환기(60)에 유입되어 냉매 출구 포트(63)를 통해 토출되는 냉매가 유동하는 냉매 유로(65)와 상기 냉각수 입구 포트(62)를 통해 열교환기(60)에 유입되어 냉각수 출구 포트(64)를 통해 토출되는 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(66)는 서로 평행하게 교대로 쌓여있는 구조로 이루어져 있으며, 도시된 실시예에서 냉매는 상기 냉매 유로(65)를 통해 오른쪽으로 유동되고, 냉각수는 상기 냉각수 유로(66)를 통해 왼쪽으로 유동된다.
냉매와 냉각수가 서로 교차하며 반대 방향으로 유동함으로써, 냉매와 냉각수 사이에 열교환이 일어나고 저온·저압의 냉매가 웜업된 냉각수에 의해 가열·승압된 상태로 컴프레셔(40)에 공급된다.
따라서, 1차적으로 가열·승압된 냉매가 상기 컴프레셔(40)로 유입되므로 컴프레셔(40)는 상대적으로 소요 동력이 적게 소모되는 저압축비 컴프레셔로 구성될 수 있고, 이에 따라 에어컨 시스템의 효율 및 차량의 연비가 향상된다.
일반적으로 종래의 차량용 에어컨 시스템에서는 보통 8~10 정도의 압축비를 가지는 컴프레셔가 사용된 반면, 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)에서는 3~5 정도의 저압축비 컴프레셔가 사용되는 것이 바람직하다.
도 6은 종래 차량용 에어컨 시스템과 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)의 몰리에르선도를 비교하는 도면이다.
몰리에르선도란 냉매의 모든 상태 및 열역학적 변화를 나타내는 도표로, 가로축에 냉매의 엔탈피(KJ/Kg), 세로축에 냉매의 압력(Bar)를 취하는 도표이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래 차량용 에어컨 시스템에서 사용된 컴프레셔의 소요 동력(ⓐ) 및 압축비(ⓒ)는 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)에서 사용된 컴프레셔(40)의 소요 동력(ⓑ) 및 압축비(ⓓ)보다 상대적으로 크고, 종래 차량용 에어컨 시스템과 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)의 냉방 성능(ⓔ)은 동일하다.
이에 따라, 냉방 성능/소요 동력으로 정의되는 에어컨 시스템의 효율(coefficient of performance, COP)은 종래 차량용 에어컨 시스템(ⓔ/ⓐ)에서 보다 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(ⓔ/ⓑ)에서 현저하게 높아지게 된다.
도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템(100)은 상기 제 1 냉각수 배관(92) 상에 배치되며 냉각수 온도에 따라 엔진(10)에서 열교환기(60)로 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 제어밸브(80)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제어밸브(80)는 상기 엔진(10)으로부터 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구(81), 상기 열교환기(60)로 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(82), 상기 냉각수 유입구(81)와 냉각수 배출구(82) 사이에 배치되어 냉각수의 유동을 조절하는 피스톤(83), 상기 피스톤(83)의 일단에서 연장되는 스프링(84), 상기 피스톤(83)의 타단에서 연장되는 로드(85) 및 냉각수 온도에 따라 상기 피스톤(83)을 좌우로 이동시키는 로드(85)가 내부에 활주 가능하도록 수용되는 감온부(86)를 포함한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 유입구(81)로 공급되는 냉각수가 저온일 경우 제어밸브(80)의 피스톤(83)은 스프링(84)의 탄성력에 의해 지지되고 이때 상기 냉각수 배출구(82)는 막혀있게 된다.
따라서 냉각수는 상기 열교환기(60)로 공급되지 않고 엔진(10) 내부를 순환하며 가열되어 엔진(10) 자체의 웜업 기능이 저하되지 않게 하는 효과가 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 유입구(81)로 공급되는 냉각수가 미리 정해진 온도 이상일 경우(예를 들어, 냉각수 온도가 50° 이상일 경우) 상기 감온부(86)는 스프링(84)의 탄성력을 넘어서는 힘을 로드(85)에 가하고 로드(85)는 도시된 실시예에서 왼쪽으로 이동되며 로드(85)의 이동에 따라 피스톤(83)도 왼쪽으로 이동되어 막혀있던 냉각수 배출구(82)가 열리게 된다.
이때 상기 냉각수 배출구(82)를 통해 열교환기(60)에 공급된 냉각수와 증발기(30)에서 열교환기(60)로 공급된 냉매가 상호 열교환하여 가열·승압된 냉매가 컴프레셔(40)에 공급되게 된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 유입구(81)로 공급되는 냉각수가 미리 정해진 온도를 훨씬 넘어서는 온도일 경우(예를 들어, 냉각수 온도가 100° 이상일 경우) 상기 감온부(86)는 로드(85)에 최대의 힘을 가해 로드(85)가 최대로 이동되게 한다.
이때 도시된 실시예에서 상기 피스톤(83)의 경사진 형태로 형성된 피스톤(83) 단부는 냉각수 유입구(81) 사이에 오게 되고, 과도한 열교환에 의해 차량용 에어컨 시스템(100)의 압력이 높아지는 것을 방지하게 위해 소량의 냉각수만을 냉각수 배출구(82)를 통해 열교환기(60)에 공급하게 된다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 냉각수 온도가 일정 온도에 도달할 때까지 상기 로드(85)의 이동에 따라 냉각수의 유량은 점차 증가하다가 냉각수의 온도가 미리 정해진 온도를 넘어서면 감소하기 시작하여 냉각수의 유량은 일정한 유량으로 수렴하게 된다.
또한, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제어밸브(80)는, 상기 감온부(86)의 내부에 왁스(wax, 87)가 밀봉되어 냉각수 온도가 높아지면 왁스(87)가 팽창되어 제어밸브(80)가 열리고, 냉각수 온도가 낮아지면 왁스(87)가 수축하여 제어밸브(80)가 닫히는 왁스 펠릿 서모스탯(wax pellet thermostat)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 감온부(86)의 케이스와 상기 로드(85) 사이에 왁스(87)를 가득 채워넣고 감온부(86)의 입구를 고무(88)로 밀봉하여 냉각수 온도가 미리 정해진 온도 이상으로 높아지면 왁스(87)가 팽창되어 로드(85)가 도시된 실시예에서 왼쪽으로 이동되고 상기 로드(85)의 이동에 따라 피스톤(83)도 왼쪽으로 이동되어 제어밸브(80)가 열리게 된다.
반대로 냉각수 온도가 미리 정해진 온도 이하로 낮아지면 왁스(87)는 수축되고 상기 스프링(84)의 탄성력에 의해 도시된 실시예에서 피스톤(83)은 오른쪽으로 이동되어 제어밸브(80)가 닫히게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 엔진 20 : 팽창밸브
30 : 증발기 40 : 컴프레셔
50 : 응축기 60 : 열교환기
61 : 냉매 입구 포트 62 : 냉각수 입구 포트
63 : 냉매 출구 포트 64 : 냉각수 출구 포트
65 : 냉매 유로 66 : 냉각수 유로
70 : 석션배관 72 : 제 1 석션배관
74 : 제 2 석션배관 80 : 제어밸브
81 : 냉각수 유입구 82 : 냉각수 배출구
83 : 피스톤 84 : 스프링
85 : 로드 86 : 감온부
87 : 왁스 88 : 고무
90 : 냉각수 배관 92 : 제 1 냉각수 배관
94 : 제 2 냉각수 배관 100 : 차량용 에어컨 시스템

Claims (5)

  1. 내부에 냉각수가 순환되는 엔진을 구비하는 차량에 장착되며, 팽창밸브. 증발기, 컴프레셔(compressor) 및 응축기를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에서,
    상기 증발기와 컴프레셔를 연결시키는 석션배관을 통해 유동되는 냉매와, 상기 엔진과 연결되는 냉각수 배관을 통해 유동되는 냉각수 사이에서 열교환이 이루어지는 열교환기; 를 포함하며,
    상기 증발기로부터 공급되는 저온의 냉매가 상기 엔진으로부터 공급되는 고온의 냉각수와 열교환을 통해 가열·승압된 상태로 컴프레셔에 공급되며,
    상기 석션 배관은 상기 증발기에서 상기 열교환기로 냉매가 공급되는 제1 석션 배관과, 상기 열교환기에서 상기 컴프레셔로 냉매가 토출되는 제2 석션배관으로 구분되고, 상기 냉각수 배관은 상기 엔진으로부터 상기 열교환기로 냉각수가 공급되는 제1 냉각수 배관과 상기 열교환기로부터 상기 엔진으로 냉각수가 토출되는 제2 냉각수 배관으로 구분되며,
    상기 열교환기는 냉매 유로와 냉각수 유로가 서로 평행하게 이웃하여 교대로 배치되는 판형 열교환기로 형성되는 것으로서, 상기 판형 열교환기에 상기 제1 석션 배관과 연결되는 냉매 입구 포트, 상기 제2 석션 배관과 연결되는 냉매 출구 포트, 상기 제1 냉각수 배관과 연결되는 냉각수 입구 포트, 및 상기 제2 냉각수 배관과 연결되는 냉각수 출구 포트가 형성되며,
    상기 냉매 유로와 냉각수 유로 사이의 열교환을 통해 저온의 냉매가 가열·승압된 상태로 컴프레셔에 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진과 열교환기 사이의 냉각수 배관 상에 배치되며 냉각수 온도에 따라 엔진에서 열교환기로 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 제어밸브; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어밸브는,
    상기 엔진으로부터 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구;
    상기 열교환기로 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구;
    상기 냉각수 유입구와 냉각수 배출구 사이에 배치되어 냉각수의 유동을 조절하는 피스톤;
    상기 피스톤의 일단에서 연장되는 스프링;
    상기 피스톤의 타단에서 연장되는 로드; 및
    냉각수 온도에 따라 상기 피스톤을 좌우로 이동시키는 로드가 내부에 활주 가능하도록 수용되는 감온부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어밸브는,
    상기 감온부의 내부에 왁스(wax)가 밀봉되어 냉각수 온도가 높아지면 왁스가 팽창되어 제어밸브가 열리고, 냉각수 온도가 낮아지면 왁스가 수축하여 제어밸브가 닫히는 왁스 펠릿 서모스탯(wax pellet thermostat)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
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