KR102087815B1 - 자동차의 공조 시스템 및 공조 시스템의 작동 방법 - Google Patents

자동차의 공조 시스템 및 공조 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각제 회로(2a, 2b, 2c, 2d, 2f)와 냉각수 회로(30a, 30e, 30g)를 구비한 자동차의 공조 시스템(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g)에 관한 것이다. 상기 냉각제 회로(2a, 2b, 2c, 2d, 2f)는 압축기(3), 냉각수 회로(30a, 30e, 30g)의 냉각수와 냉각제 사이의 열전달을 위해 응축기/기체냉각기로서 작동할 수 있는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 제1 팽창기(5)뿐만 아니라, 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절을 위한 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함한다. 상기 냉각수 회로(30a, 30e, 30g)는 이송 장치(31), 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기(33), 제2 냉각수-공기-열전달기(37)뿐만 아니라, 냉각제-냉각수-열전달기(4)를 구비하여 형성된다. 또한, 냉각제 회로(2a, 2b, 2c, 2d, 2f)는 오로지 기화기로서만 작동할 수 있는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 포함하고, 이때 냉각제의 유동 방향으로 제2 냉각제-공기-열전달기(9)의 상류에는 제2 팽창기(8)가 위치하며, 제2 팽창기(8)뿐만 아니라 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 제1 유동 경로 내(12)에 배치된다.
또한, 본 발명은 공조 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

자동차의 공조 시스템 및 공조 시스템의 작동 방법{AIR CONDITIONING SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE AIR CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 냉각제 회로와 냉각수 회로를 구비한, 자동차의 승객 공간의 공기를 조절하기 위한 공조 시스템에 관한 것이다. 냉각제 회로는 압축기, 냉각수 회로의 냉각수와 냉각제 사이의 열전달을 위해 응축기/기체냉각기로서 작동할 수 있는 냉각제-냉각수-열전달기, 제1 팽창기뿐만 아니라, 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절을 위한 제1 냉각제-공기-열전달기를 포함한다. 냉각수 회로는 냉각수의 순환을 위한 이송 장치, 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기, 제2 냉각수-공기-열전달기뿐만 아니라, 냉각제-냉각수-열전달기를 구비하여 형성된다.
또한, 본 발명은 공조 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 공지된 자동차의 경우, 승객 공간을 위한 공급 공기를 가열하기 위해 엔진의 폐열이 사용된다. 이러한 폐열은 엔진 냉각수 회로에서 순환하는 냉각수에 의해 공조 설비 쪽으로 전달되어 그곳에서 히터 열전달기를 통해 승객 공간 내로 유입 유동하는 공기에 전달된다. 차량 구동부의 효율적인 연소 엔진의 냉각수 회로로부터 가열 성능에 관계하는 냉각수-공기-열전달기를 구비한 공지된 장치는, 주변 온도가 낮을 경우 승객 공간의 전체적인 가열 요구를 충족시키기 위한 승객 공간의 쾌적한 가온에 필요한 수준에는 더이상 도달하지 못한다. 하이브리드 구동을 사용하는 자동차, 다시 말해 전기 모터식 구동뿐만 아니라 연소 엔진식 구동을 사용하는 자동차 내의 공조 설비에 대해서도 유사하게 적용된다.
승객 공간의 전체적인 가열 수요가 엔진의 냉각수 회로로부터의 가열에 의해 충족될 수 없는 경우, 예를 들어 영어 약자로 PTC("Positive Temperatur Coefficient-Thermistor")라 지칭되는 전기 저항 히터 또는 연료 히터와 같은 추가의 가열 조치가 필요하다. 순수하게 전기 모터에 의해서만 구동되는 자동차 또는 연료 전지 차량 내의 공조 설비에 대해서도 동일하게 적용된다. 승객 공간을 위한 공기를 가열하기에 더 효율적으로 가능한 수단은 열원으로서 공기를 이용하는 가열 펌프이며, 이 경우 냉각제 회로는 유일한 가열 수단일뿐만 아니라 추가 가열 조치로서도 사용된다.
전기 저항 히터가 하류에 연결된 공조 시스템은 한편으로 비용 효율적으로 제조될 수 있고 임의의 자동차에 사용될 수 있지만, 매우 큰 전기 에너지의 수요를 포함하는데, 그 이유는 냉각제 회로의 기화기의 과류 중에 승객 공간을 위한 공급 공기가 우선 냉각되고/냉각되거나 제습된 다음에, 이어서 공급 공기 또는 냉각수 회로에 열을 직접 전달하는 전기 저항에 의해 가열되기 때문이다.
가열 펌프로서 작동하는 종래의 공조 시스템의 작동은 실제로 효율적이긴 하지만, 공조 시스템을 위한 구조 공간이 전혀 확보되지 않은 자동차의 내부에 위치시키는 데에도 매우 큰 구조 공간을 필요로 한다. 특히, 제조와 유지 보수의 비용이 상승하는 것뿐만 아니라 큰 구조 공간을 필요로 하는 것도 방해가 된다.
조합된 냉각 설비 모드와 가열 펌프 모드를 위해, 다시 말해 가열 모드뿐만 아니라 재가열-작동으로도 지칭되는 후속 가열 모드를 위해 형성되어 있는, 종래 기술에 속하는 공기-공기-가열 펌프는 주변 공기로부터 열을 흡수한다. 따라서, 주변 공기는 냉각제의 기화를 위한 열원으로서 사용된다. 종래의 공기-공기-가열 펌프는 냉각제와 주변 사이의 열전달을 위한 열전달기, 승객 공간의 조절될 공기의 열을 냉각제에 공급하기 위한 열전달기, 및 냉각제로부터 승객 공간을 위한 조절될 공기에 열을 전달하기 위한 열전달기를 포함한다. 성능은 각각 냉각제와 공기 사이에 전달된다.
소위 "재가열" 또는 후속 가열 모드에서 승객 공간에 공급될 공기가 냉각되고, 이 경우 제습된 다음, 이어서 약간 다시 가열된다. 이러한 작동 모드에서는 필요한 후속 가열 성능이 공기의 냉각 및 제습을 위해 필요한 냉각 성능보다 더 낮다.
이 경우, 냉각제와 공기-공기-가열 펌프의 주변 공기 사이에 열을 전달하기 위한 열전달기는 자동차의 전방 측에서 공조 시스템의 하우징 외부에, 구체적으로는 공조 장치의 외부에 배치되고, 특히 주행 바람을 통해 공기의 작용을 받는다. 공조 장치의 하우징 외부에 배치된 열전달기는 주변 열전달기로도 지칭된다.
냉각 설비 모드에서 냉각제 회로의 작동 중에는 주변 열전달기가 응축기/기체냉각기로서 냉각제로부터 주변 공기에 열을 제공하기 위해 작동되고, 가열 펌프 모드에서 냉각제 회로의 작동 중에는 기화기로서 주변 공기로부터 냉각제에 의해 열을 흡수하기 위해 작동된다. 따라서, 주변 열전달기는 두 가지 기능으로 작동하기 위해 설계되지만, 결과적으로 이러한 설계는 두 기능 중 어느 하나에 대해서도 최적으로 설계되지 않는다.
예를 들어 냉각제 R134a를 사용하는 것과 같은 냉각제 회로의 임계에 미달하는 작동 중에 또는 이산화탄소를 갖는 특정 주변 조건에서 냉각제가 액상인 경우, 열전달기는 응축기로 지칭된다. 열전달의 일부는 일정한 온도에서 발생한다. 열전달기에서 임계를 초과하는 작동 또는 임계를 초과하는 열전달의 경우, 냉각제의 온도는 지속적으로 감소한다. 이러한 경우에 열전달기는 기체냉각기로도 지칭된다. 임계를 초과하는 작동은 특정 주변 조건이나 냉각제 회로의 작동 방식에서 예를 들어 이산화탄소 냉각제를 사용하여 발생할 수 있다.
DE 10 2012 111 672 A1호에는 자동차의 승객 공간의 공기를 조절하기 위한 공조 설비의 냉각제 회로가 기재되어 있다. 냉각제 회로는 냉각 설비 모드와 가열 펌프 모드에서 조합된 작동을 위해 그리고 후속 가열 모드를 위해 형성되고, 압축기, 냉각제와 주변 사이에 열을 전달하기 위한 열전달기, 제1 팽창기뿐만 아니라, 승객 공간의 조절될 공기의 열을 냉각제에 공급하기 위한 열전달기, 냉각제로부터 승객 공간을 위해 조절될 공기에 열을 전달하기 위한 열전달기, 그리고 냉각제의 유동 방향으로 이에 이어지는 제2 팽창기를 포함한다.
냉각제 회로는 연결 라인으로부터 분기된 시스템을 포함하는데, 상기 시스템은 기존의 구조 공간내에 통합되기가 어렵다. 또한, 저압 수준으로 배치되고 큰 용적으로 설계된 냉각제 저장기 및 추가의 밸브는 각각 큰 구조 공간을 필요로 한다. 또한, 밸브는 매우 높은 내부 밀도를 가지며, 이는 또한 시스템 비용의 상승을 초래한다.
DE 10 2012 108 891 A1에는, 공기의 안내를 위한 2개의 유동 채널을 구비한 하우징뿐만 아니라, 기화기 및 응축기를 갖는 냉각제 회로를 포함하는, 승객 공간의 공기를 조절하기 위한 공조 시스템이 기재되어 있다. 이 경우 기화기는 제1 유동 채널에 배치되고 응축기는 제2 유동 채널에 배치된다. 공조 시스템은 승객 공간을 냉각시키고 가열하기 위해 그리고 후속 가열 작동을 위해 형성된다. 작동 모드의 설정은 단지 공기 안내 장치의 제어에 의해 이루어질 수 있으므로, 상이한 작동 모드들 사이의 전환을 위한 냉각제-전환 밸브가 생략될 수 있다.
각각의 작동 모드와는 무관하게, 공조 시스템의 기화기 측과 응축기 측을 위해 각각 하나의 송풍기가 제공되어, 이로써 별도로 작동할 수 있는 두 개의 송풍기가 제공될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 냉각 설비 모드에서 작동 중에 주행 바람의 에너지는 응축기 측에서 열 방출을 위해 사용되지 않는다. 해당 송풍기는 항상 작동 상태에 있고, 이는 진동 및 소음을 유발할 수 있다. 또한, 공조기를 위한 구조 공간이 전혀 확보되지 않은 자동차의 내부에서 위치들을 위한 구조 공간의 확보가 필요하다.
도 1에는 종래 기술에서 냉각제 회로(2') 및 냉각수 회로(30')를 구비한 공조 시스템(1')이 도시되어 있다. 냉각제 회로(2')는 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3), 응축기/기체냉각기로서 작동하는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 팽창기(5)뿐만 아니라, 기화기로서 작동하는 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함한다. 압축기(3)는 기화기(6)로부터 냉각제를 흡입한다. 냉각제 회로(1')는 폐쇄되어 있다.
냉각제 회로(1')는 또한 내부 열전달기(7)도 구비하여 형성될 수 있다. 내부 열전달기(7)는 회로 내부의 열전달기로 이해되어야 하며, 이 열전달기는 고압의 냉각제와 저압의 냉각제 사이의 열전달에 사용된다. 이 경우, 예를 들어 한편으로는 액체 냉각제가 응축 이후에 다시 냉각되고, 다른 한편으로는 흡입 기체가 기화기(3) 이전에 과열된다.
냉각수 회로(30')는 냉각수의 순환을 위한 이송 장치(31), 특히 펌프, 냉각수의 가열을 위한 추가-가열 열전달기(32), 구체적으로는 전기 저항 히터(PTC)뿐만 아니라, 승객 공간에 대한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기로서 가열 열전달기(33)를 포함한다. 가열 열전달기(33)는 냉각제-냉각수-열전달기(4)와 연결된다. 냉각수 회로(30')는 폐쇄되어 있다. 냉각제 측에서 응축기/기체냉각기로서 작동하는 냉각제-냉각수-열전달기(4)는 결과적으로 냉각수에 의해 냉각된다.
또한, 가열 열전달기(33)와 냉각제-냉각수-열전달기(4) 사이에 형성된 연결 라인에는 분기 위치로서 3방향 밸브(34a)뿐만 아니라 합류 위치(35)가 제공되며, 이들 사이에는 각각, 공기에 열을 전달하기 위한 제2 냉각수-공기-열전달기(37)를 구비한 제1 유동 경로(36a)뿐만 아니라 상기 냉각수-공기-열전달기(37)를 우회하는 바이패스로서 제2 유동 경로(38)가 형성된다. 제2 냉각수-공기-열전달기(37)는 설비 모듈(52)의 내부에 배치되고 유동 방향(53)으로 공기의 작용을 받는다.
냉각제 회로(2') 중 기화기로서 작동하는 냉각제-공기-열전달기(6)와, 냉각수 회로(30')의 가열 열전달기(33)는 공조 장치(50)의 내부에 그리고 승객 공간의 공급 공기의 유동 방향(51)으로 서로 차례로 작용을 받을 수 있게 배치된다. 이로써 기화기(6)의 과류중에 냉각된 그리고/또는 제습된 공급 공기는 필요에 따라 가열 열전달기(33)의 과류중에 가열될 수 있다.
가열 열전달기(33)에서 승객 공간의 공급 공기에 전달될 수 있는 열은, 공급 공기의 충분한 온도에 도달하기 위해, 냉각제-냉각수-열전달기(4)에서 총합으로 냉각수에 전달되는 에너지로서 기화기(6) 및 압축기(3) 내에서 냉각제에 전달되는 에너지와, 추가-가열 열전달기(32)에서 냉각수에 전달되는 열로부터 합산된다.
공조 시스템(1')은 기화기(6)에 유입 유동되는 공급 공기의 온도가 0℃를 초과하는 온도값인 경우에만 작동될 수 있다. 0℃ 미만의 온도값인 경우에는 추가-가열 열전달기(32), 특히 전기 저항 히터를 통해 가열 성능이 결정되므로 이로써 비효율적으로 제공된다. 0℃의 범위 및 0℃ 미만인 공기의 온도에서 기화기(6)의 열전달 표면은 동결될 수 있다. 공기로부터 열을 흡수한 결과로서, 냉각된 공기의 상대 공기 습도가 상승한다. 이슬점 온도에 미달하게 되면, 공기 중에 존재하는 수증기는 응축되고 열전달 표면에 물로서 침착된다. 이 경우, 열전달 표면에서 공기로부터 응축된 물은 표면 온도가 0℃ 및 0℃ 미만인 경우 얼음으로 고착된다. 얼음 층이 증가되면 공기측의 열전달 표면 및 공기측의 열전달이 감소하므로, 결과적으로 공기와 기화된 냉각제 사이의 열전달이 감소한다.
이제, 본 발명의 과제는 냉각 설비 모드 및 가열 펌프 모드에서뿐만 아니라 후속 가열 모드에서도 작동될 수 있는 자동차용 공조 시스템을 제공하는 것이다. 이 경우, 주변 공기는 각각의 작동 모드에 따라, 예를 들어 가열 펌프 모드에서의 작동 중에 열원으로서뿐만 아니라, 예를 들어 냉각 설비 모드에서의 작동 중에 히트 싱크로서도 사용되어야 한다. 주변 공기로부터 열을 흡수하기 위한 열전달기는 최적으로 설계되어야 한다.
또한, 공조 시스템은, 예를 들어 공기에 의한 열전달을 위해 냉각제 회로의 기화기의 동결 위험이 최소화되어 효율적으로 작동될 수 있고 콤팩트하게 구현되어야 한다. 이 경우 공조 시스템의 냉각제 회로는, 단지 최소의 작동 비용, 제조 비용 및 유지 보수 비용을 유발할뿐만 아니라 최소의 구조 공간을 포함하기 위해, 구조적으로 간단하게 구성되어야 하고 필요한 수의 구성 부품을 최소로 포함해야 한다.
또한, 본 발명의 과제는, 상이하거나 동일한 압력 수준에서 복수의 열전달기가 작동될 수 있는 공조 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 특허청구범위의 독립항의 특징을 갖는 대상 또는 방법에 의해 해결된다. 추가의 개선예는 종속항에 기재된다.
상기 과제는, 특히 냉각 설비 모드에서, 가열 펌프 모드에서뿐만 아니라, 후속 가열 모드에서 작동을 위해 냉각제 회로와 냉각수 회로를 구비한, 자동차의 승객 공간의 공기를 조절하기 위한 본 발명에 따른 공조 시스템에 의해 해결된다. 냉각제 회로는 냉각제의 유동 방향으로 압축기, 냉각수 회로의 냉각수와 냉각제 사이의 열전달을 위해 응축기/기체냉각기로서 작동할 수 있는 냉각제-냉각수-열전달기, 제1 팽창기뿐만 아니라, 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절을 위한 제1 냉각제-공기-열전달기를 포함한다. 냉각수 회로는 냉각수의 순환을 위한 이송 장치, 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기, 제2 냉각수-공기-열전달기뿐만 아니라, 냉각제-냉각수-열전달기를 구비하여 형성된다.
냉각 설비 모드는 무엇보다도 냉각에 사용되고, 가열 펌프 모드는 가열에 사용되며, 후속 가열 모드는 조절할 승객 공간의 공급 공기의 후속 가열에 사용된다. 후속 가열 모드의 경우, 공급 공기는 후속 가열 이전에 냉각되고/냉각되거나 제습되었다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 냉각제 회로는 오로지 기화기로서만 작동할 수 있는 제2 냉각제-공기-열전달기를 구비하여 형성된다. 이 경우, 냉각제의 유동 방향으로 제2 냉각제-공기-열전달기의 상류에는 제2 팽창기가 위치한다. 제2 팽창기뿐만 아니라 제2 냉각제-공기-열전달기는 공동으로 제1 유동 경로 내에 배치된다.
냉각수 회로의 제2 냉각수-공기-열전달기 및 냉각제 회로의 제2 냉각제-공기-열전달기는 유리하게 설비 모듈 내부에 그리고 공기의 유동 방향으로 위에서 언급된 순서로 서로 차례로 공기의 작용을 받을 수 있게 배치된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 특히 자동차의 전방 영역에 배치된 설비 모듈은 승객 공간으로부터 배출되는 공기, 또는 주변 공기, 또는 승객 공간으로부터 배출되는 공기와 주변 공기로 이루어진 혼합 공기에 의해 관류 가능하게 형성된다.
본 발명의 제1 대안 실시예에 따르면, 제1 냉각제-공기-열전달기 및 제2 냉각제-공기-열전달기는 냉각제 회로 내에서 서로에 대해 직렬로 관류 가능하게 배치된다.
유리하게 냉각제 회로는 밸브를 구비한 제2 유동 경로를 포함한다. 이 경우 제1 유동 경로는 제2 팽창기뿐만 아니라 제2 냉각제-공기-열전달기를 구비하여 연장되고, 제2 유동 경로는 각각 분기 위치로부터 합류 위치까지 연장됨으로써, 결과적으로 제2 유동 경로는 제1 유동 경로에 대해 평행한 바이패스로서 형성된다.
본 발명의 제2 대안 실시예에 따르면, 제1 냉각제-공기-열전달기와 제2 냉각제-공기-열전달기는 냉각제 회로 내에서 서로에 대해 병렬로 관류 가능하게 배치된다.
본 발명의 추가의 장점은, 제2 팽창기 및 제2 냉각제-공기-열전달기를 구비한 제1 유동 경로가 분기 위치로부터 합류 위치까지 연장된다는 데에 있다. 이 경우, 제1 팽창기, 제1 냉각제-공기-열전달기, 및 제3 팽창기는 제2 유동 경로 내에 형성된다. 제3 팽창기는 냉각제-공기-열전달기의 하류에 배치된다. 제2 유동 경로는 마찬가지로 분기 위치로부터 합류 위치까지 연장되도록 형성된다.
냉각제 회로는 또한 바람직하게, 기화기로서 작동할 수 있는 하나 이상의 추가 열전달기뿐만 아니라, 이 열전달기의 상류에 배치된 제4 팽창기를 포함하고, 이들은 제3 유동 경로 내에 형성된다. 이 경우, 제3 유동 경로는 분기 위치로부터 합류 위치까지 연장되므로, 결과적으로 제1 유동 경로와 제2 유동 경로와 제3 유동 경로, 그리고 이와 함께 제1 냉각제-공기-열전달기와 제2 냉각제-공기-열전달기와 기화기로서 작동할 수 있는 상기 추가 열전달기는 각각 서로에 대해 병렬로 배치된다.
기화기로서 작동할 수 있고 제3 유동 경로 내에 배치된 상기 추가 열전달기는 유리하게 냉각제-냉각수-열전달기로서 형성된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 냉각제 회로 내에서 냉각제의 유동 방향으로 압축기의 전방에 냉각제 저장기로서 수집기가 배치된다. 본 발명의 이에 대한 대안 실시예에 따르면, 냉각제 회로의 냉각제-냉각수-열전달기의 내부에는 냉각제 저장기로서 수집기가 통합되어 형성된다.
본 발명의 제1 대안 실시예에 따르면, 냉각수 회로는 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기와 냉각제-냉각수-열전달기 사이에 형성되어 있는 분기 위치 및 합류 위치를 포함한다. 이 경우, 분기 위치와 합류 위치 사이에는 각각, 제2 냉각수-공기-열전달기를 구비한 제1 유동 경로와, 제2 냉각수-공기-열전달기를 우회하는 바이패스로서 제2 유동 경로가 연장된다. 따라서, 승객 공간을 위한 공급 공기를 가열하기 위한 제1 냉각수-공기-열전달기와 제2 냉각수-공기-열전달기는 서로에 대해 직렬로 냉각수에 의해 관류 가능하게 배치된다.
본 발명의 제2 대안 실시예에 따르면, 냉각수 회로는 분기 위치 및 합류 위치를 포함하고, 이 경우 분기 위치는 승객 공간을 위한 공급 공기를 가열하기 위해 이송 장치와 제1 냉각수-공기-열전달기 사이에 형성되고, 합류 위치는 제1 냉각수-공기-열전달기와 냉각제-냉각수-열전달기 사이에 형성된다. 이 경우, 제2 냉각수-공기-열전달기는 제1 유동 경로 내에 형성되고, 제1 냉각수-공기-열전달기는 승객 공간을 위한 공급 공기를 가열하기 위해 제2 유동 경로 내에 형성된다. 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로는 각각 분기 위치로부터 합류 위치까지 연장됨으로써, 결과적으로 제1 냉각수-공기-열전달기와 제2 냉각수-공기-열전달기는 서로에 대해 병렬로 냉각수에 의해 관류 가능하게 배치된다.
분기 위치는 바람직하게 각각 3방향 밸브로서 형성된다.
냉각제 회로는 유리하게 내부 열전달기를 포함한다.
또한, 본 발명의 과제는 냉각 설비 모드에서, 가열 펌프 모드에서, 그리고 조절할 승객 공간의 공급 공기를 위한 후속 가열 모드에서 냉각제 회로와 냉각수 회로를 구비한 자동차의 공조 시스템을 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 냉각제 회로 중 오로지 기화기로서만 작동할 수 있는 제2 냉각제-공기-열전달기에 의해 공기의 열이 냉각제에 전달된다. 이 경우, 제2 냉각제-공기-열전달기 내부에서 냉각제의 압력 수준은, 제2 냉각제-공기-열전달기 내부에서 냉각제의 압력 수준이 제1 냉각제-공기-열전달기의 내부에서의 압력 수준에 상응하거나 제1 냉각제-공기-열전달기 내부에서의 냉각제의 압력 수준보다 더 낮은 방식으로 설정된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 냉각제 회로의 제1 냉각제-공기-열전달기 및 제2 냉각제-공기-열전달기는 서로에 대해 직렬로 또는 서로에 대해 병렬로 냉각제에 의해 관류된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 냉각수 회로의 제1 냉각수-공기-열전달기 및 제2 냉각수-공기-열전달기는 서로에 대해 직렬로 또는 서로에 대해 병렬로 냉각수에 의해 관류된다.
바람직하게, 공기의 유동 방향으로 제2 냉각수-공기-열전달기 및 이에 이어서 제2 냉각제-공기-열전달기는 공기의 작용을 받는다.
본 발명에 따른 공조 시스템의 다양한 장점은 다음과 같이 요약된다:
- 승객 공간의 가열을 위한 폐열의 유동을 사용함으로써 최소 에너지를 사용하여 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절, 특히 냉각, 제습 및/또는 가열이 이루어지고,
- 특히 낮은 외부 온도에서 주변으로부터 열을 흡수하기 위해 가열 펌프 모드에서 작동하는 경우에 사용하기 위한, 기화기로서의 작동을 위해 특별히 형성된 냉각제-공기-열전달기가 사용되며, 이때 더 높은 외부 온도 및 냉방이 필요한 경우 열이 냉각제-공기-열전달기와는 상이한 구성 부품을 통해 주변으로 방출되며, 이 경우, 냉각제 측의 최소 압력 손실 및 공기로부터의 최대 열 흡수뿐만 아니라, 열전달 표면의 최소 동결 위험이 이루어지며,
- 성능, 효율 및 사용 수명이 증가할뿐만 아니라,
- 승객 공간 내부에 충분한 쾌적감이 제공되는데, 이는
- 기존의 자동차의 공지된 구조와 제공되어 있는 구조 공간에서 사용하기 위해 통합될 수 있고 최소 구조 공간, 최소 중량 및 최소 구성부품 수를 포함하는 구조적으로 간단한 냉각제 회로를 사용하며, 이를 통해
- 최소 작동 비용, 제조 비용 및 유지 보수 비용이 이루어진다.
본 발명의 실시예의 다른 추가의 세부 사항, 및 장점은 해당 도면을 참조로 하기의 실시예의 설명으로부터 제시된다. 도면에는 각각, 제1 및 제2 냉각제-공기-열전달기를 포함하는 냉각제 회로와, 제1 및 제2 냉각수-공기-열전달기를 포함하는 냉각수 회로와, 냉각제 회로 및 냉각수 회로를 열적으로 연결하는 냉각제-냉각수-열전달기를 구비한 공조 시스템이 도시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉각제 회로와 냉각수 회로를 구비한 공조 시스템을 도시한다.
도 2는 서로에 대해 직렬로 배치된 냉각제-공기-열전달기들을 구비한 냉각제 회로를 도시한다.
도 3은 내부 열전달기를 구비한 도 2의 냉각제 회로를 도시한다.
도 4는 서로에 대해 병렬로 배치된 냉각제-공기-열전달기들을 구비한 냉각제 회로를 도시한다.
도 5는 내부 열전달기를 구비한 도 4의 냉각제 회로를 도시한다.
도 6은 도 3의 냉각제 회로 및 열을 회수하기 위해 추가의 열원을 연결하기 위한 추가 열전달기를 구비한 냉각수 회로를 도시한다.
도 7은 열을 회수하기 위해 추가의 열원을 연결하기 위한 추가의, 특히 기화기로서 작용하는 열전달기를 구비한 도 5의 냉각제 회로를 도시한다.
도 8은 도 5의 냉각제 회로뿐만 아니라 냉각제-공기-열전달기의 배치가 변경된 냉각수 회로를 도시한다.
도 2에는 냉각제 회로(2a)와 냉각수 회로(30a)를 구비한 공조 시스템(1a)이 도시되어 있다. 냉각제 회로(2a)는 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3), 응축기/기체냉각기로서 작동할 수 있는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 제1 팽창기(5), 그리고 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절을 위한 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함한다. 또한, 냉각제 회로(2a)는 공기의 열을 냉각제에 전달하기 위해 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 구비하여 형성되며, 상기 제2 냉각제-공기-열전달기의 상류에는 제2 팽창기(8)가 위치한다. 제1 냉각제-공기-열전달기(6)와 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 서로에 대해 직렬로 또는 차례로 배치된다. 제2 냉각제-공기-열전달기(9)와 이에 할당되는 제2 팽창기(8)는 제1 유동 경로(12) 내에 형성된다. 유리하게, 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는, 공기의 작용을 받으면서 응축기/기체냉각기로서 작동하는 종래의 냉각제-공기-열전달기의 구조 공간을 포함한다.
제2 냉각제-공기-열전달기(9)와 압축기(3) 사이에는 수집기(11)가 배치된다. 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3)의 전방에 그리고 그에 따라 저압측에 배치된 수집기(11)는 어큐뮬레이터로도 지칭되는 것으로서 냉각제 액체의 침착 및 수집에 사용된다. 압축기(3)는 기체 냉각제를 수집기(11)로부터 흡입한다. 냉각제 회로(2a)는 폐쇄되어 있다.
도시되지 않은 대안 실시예에 따르면, 수집기는 냉각제 저장기로서 냉각제-냉각수-열전달기(4) 내부에 통합되며, 이로써 냉각제의 고압 수준에 배치된다. 이 경우, 저압 수준에 배치된 수집기(11)가 생략될 수 있다. 또한, 냉각제-냉각수-열전달기(4)는 냉각제의 건조를 위한 장치를 구비하여 형성될 수 있다.
냉각제 회로(2a)는 제1 유동 경로(12) 이외에 추가로 제2 유동 경로(13)를 포함하며, 상기 제2 유동 경로는 각각 분기 위치(14)로부터 합류 위치(15)까지 연장된다. 제1 유동 경로(12)에 대해, 특히 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에 대해 병렬로 형성된 제2 유동 경로(13)는 밸브(16), 특히 차단 밸브(16)를 포함하고 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 우회하여 냉각제의 질량 유동을 안내하기 위한 바이패스로서 사용된다.
제1 유동 경로(12) 내에는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)와 합류 위치(15) 사이에 역류 방지 부재(10), 특히 체크 밸브가 배치된다. 상기 역류 방지 부재(10)는 제2 유동 경로(13)를 통하여 냉각제-공기-열전달기(9)를 우회하여 안내되는 냉각제 질량 유동이 냉각제-공기-열전달기(9) 내로 복귀 유동하는 것을 방지한다.
냉각수 회로(30a)는 냉각수의 유동 방향으로 냉각수의 순환을 위한 이송 장치(31), 특히 펌프뿐만 아니라, 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기로서 가열 열전달기(33)를 포함한다. 또한, 가열 열전달기(33)는 냉각제-냉각수-열전달기(4)와 연결되어 있다. 냉각수 회로(30a)는 폐쇄되어 있다.
결국, 냉각제 측에서 응축기/기체냉각기로서 작동하는 냉각제-냉각수-열전달기(4)는 냉각수에 의해 냉각된다.
또한, 가열 열전달기(33)와 냉각제-냉각수-열전달기(4) 사이에 형성된 연결 라인에는, 분기 위치로서 3방향 밸브(34a)뿐만 아니라 합류 위치(35)가 제공되어 있고, 이들 사이에는 공기에 열을 전달하기 위한 제2 냉각수-공기-열전달기(37)를 구비한 제1 유동 경로(36a)뿐만 아니라, 냉각수-공기-열전달기(37)를 우회하는 바이패스로서 제2 유동 경로(38)가 각각 형성된다.
제1 냉각수-공기-열전달기(33)로서 가열 열전달기와 제2 냉각수-공기-열전달기(37)는 서로에 대해 직렬로 냉각수에 의해 관류 가능하게 배치된다.
냉각수 회로(30a)의 제2 냉각수-공기-열전달기(37) 및 냉각제 회로(2a)의 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는, 설비 모듈(52) 내에서뿐만 아니라 자동차의 기존의 구조 공간에서 그리고 공기의 유동 방향(53)으로 서로 차례로 작용을 받을 수 있게 배치된다. 이 경우, 자동차의 전방 영역에 배치된 설비 모듈(52)은 승객 공간으로부터 배출된 공기, 주변 공기, 또는 승객 공간으로부터 배출된 공기와 주변 공기의 혼합 공기에 의해 관류될 수 있다. 결국, 공조 시스템(1a)은 승객 공간으로부터 배출된 공기의 잠재적 열과, 마찬가지로 주변으로부터의 열을 열원으로서 사용한다.
이 경우, 공기는 우선 냉각수-공기-열전달기(37)를 거치고 이어서 냉각제-공기-열전달기(9)를 거쳐 안내되어, 결과적으로 이들 열전달기(9, 37)의 배치는 종래의 공지된 배치와는 상이한데, 이는 냉각제-공기-열전달기(9)의 열전달 표면의 동결 위험을 더욱 감소시킨다.
또한, 냉각수-공기-열전달기(37)에 유입되기 위한 공기는 냉각제-공기-열전달기(9)에 유입되기 위해서도 사용된다.
냉각제 회로(2a)의 냉각제-공기-열전달기(6) 및 냉각수 회로(30a)의 가열 열전달기(33)는 공조 장치(50) 내부에 배치되고 승객 공간의 공급 공기의 유동 방향(51)으로 서로 차례로 작용을 받을 수 있게 배치된다. 이로써, 기화기(6)의 과류 중에 냉각 및/또는 제습된, 승객 공간을 위한 공급 공기는 필요에 따라 가열 열전달기(33)의 과류 중에 가열될 수 있다. 먼저 냉각제-공기-열전달기(6)의 과류 중에 조절된 공기가 가열 열전달기(33)에 유입되는 것은 도시되지 않은 온도 밸브에 의해 제어될 수 있다.
냉각제-냉각수-열전달기(4)는 냉각제 회로(2a)를 냉각수 회로(30a)와 열적으로 연결하는 데에 사용된다. 이 경우 냉각제의 열은 냉각수에 전달된다.
공조 시스템(1a)은, 특히 순환 공기에 의한 작동 중에, 다시 말해 열원으로서 승객 공간으로부터 배출된 공기에 의한 작동 중에, 외부 공기 온도 값이 0℃ 미만인 경우에도, 기화기로서 작동하는 냉각제-공기-열전달기(9)의 열전달기 표면이 동결되는 위험이 없이 작동될 수 있다.
이러한 작동을 보장하기 위해, 공조 장치(50) 내에 배치된 냉각제-공기-열전달기(6)는 중간 압력 수준에서 냉각제에 의해 작동되고 기화기로서 작동된다. 이 경우 기화기 내에 유입되는 공기의 제습 중에 공기로부터 배출되는 잠재적인 열은, 승객 공간을 위한 공급 공기를 원하는 배출 온도로 가열하기 위해, 압축기(3) 내에서 압축 중에 냉각제에 공급되는 성능과 함께 사용된다. 이 경우, 냉각제에 의해 흡수된 상기 열은 냉각수에 의해 냉각된 냉각제-냉각수-열전달기(4)에서 냉각수에 전달되고, 상기 냉각수는 흡수된 열을 가열 열전달기(33)의 관류 중에 공급 공기에 방출한다.
냉각 설비 모드에서 또는 공급 공기의 제습을 위한 후속 가열 모드에서 작동하는 경우, 냉각제에 의해 흡수되고 냉각수에 전달되는 과량의 열은 냉각수 회로(30a)의 제1 유동 경로(36a)를 통해 안내되어, 자동차의 전방 영역 내에서 저온 냉각기로도 지칭되는 제2 냉각수-공기-열전달기(37)에서 공기에 방출된다. 냉각수는 작동 모드와는 무관하게 순환하고 냉각제-냉각수-열전달기(4)의 관류 중에 가열된다.
공조 시스템(1a)이 가열 펌프 모드 또는 후속 가열 모드에서 작동하는 경우, 가열 열전달기(33)에서 승객 공간의 공급 공기에 전달될 수 있는 열은, 승객 공간을 위한 공급 공기의 충분한 온도에 도달하기 위해, 기화기로서 작동하는 제1 냉각제-공기-열전달기(6)에서 또는 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에서 그리고 압축기(3)에서 냉각제에 전달되는 에너지로부터 합산되는데, 상기 에너지는 냉각제-냉각수-열전달기(4)에서 총합으로서 냉각제에 전달된다.
이 경우, 오로지 열의 흡수를 위해 그리고 이로써 기화기로서의 작동을 위해 구성된 냉각제-공기-열전달기(9)는 저압 수준에서 냉각제의 작용을 받는다.
필요에 따라, 다시 말해 냉각제 회로(2a)에서 승객 공간의 공급 공기의 가열을 위해 제공되는 열이 후속 가열 모드에서의 작동 중에 충분하여 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에서 추가의 열 흡수가 전혀 필요하지 않은 경우, 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 냉각제 회로(2a)로부터 차단되어 파이패스에서 제2 유동 경로(13)를 통해 우회할 수 있다. 밸브(16)는 개방되는 반면, 팽창 밸브로서 형성되는 팽창기(8)는 폐쇄된다.
공조 시스템(1a)이 가열 펌프 모드에서 작동하는 경우, 제2 냉각제-공기-열전달기(9)의 상류에 위치하는 팽창기(8)는, 냉각제의 유입 온도가 공기의, 특히 주변 공기의 온도보다 단지 약간 아래를 차지하는 저압 수준에서 냉각제가 팽창되도록 제어될 수 있다. 저압 수준에 해당되는 온도에서 냉각제는 기화된다.
이 경우, 응축기/기체냉각기로서 작동하는 제1 냉각제-공기-열전달기(6)는 중간 압력 수준에서 냉각제의 작용을 받고 필요한 경우 공조 장치(50) 내로 유입되는 승객 공간을 위한 공기를 예열할 수 있다. 냉각수에 의해 작동되는 가열 열전달기(33)의 과류 중에 상기 공급 공기는 추가로 가열된다.
공급 공기의 2단계 가열은, 팽창과 그에 따른 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에서의 기화 이전에, 냉각제의 가능한 엔탈피 편차의 증가에 의해 공조 시스템(1a)의 작동 효율을 향상시킨다.
도 3에는 냉각제 회로(2b)와 냉각수 회로(30a)를 구비한 공조 시스템(1b)이 도시되어 있다. 냉각제 회로(2b)는 도 2의 공조 시스템(1a)의 냉각제 회로(2a)와는 상이하게 내부 열전달기(7)를 구비하여 형성된다.
내부 열전달기(7)는 고압 측에서 냉각제-냉각수-열전달기(4)와 제1 냉각제-공기-열전달기(6)의 제1 팽창기(5) 사이뿐만 아니라, 저압 측에서 합류 위치(15)와 수집기(11) 또는 압축기(3) 사이에도 형성된다.
이 경우, 내부 열전달기(7)는 고압에서의 냉각제와 저압에서의 냉각제 사이에 열전달을 위해 사용되며, 이때 한편으로는 응축기/기체냉각기로서 작동하는 열전달기(4)로부터 유동하여 배출되는 액체 냉각제가 추가로 냉각되고, 다른 한편으로는 기화기로서 작동하는 열전달기(6, 9)로부터 배출되는 냉각제는 압축기(3) 이전에 흡입 기체로서 과열된다.
액체 타격 작용에 대한 압축기(3)의 보호 이외에 내부 열전달기(7)를 구비한 냉각제 회로(2b)의 작동에 의해 비(specific) 압축기 성능이 감소될뿐만 아니라 동시에 비 냉각 성능과 그에 따른 공조 시스템(1b)의 작동 효율이 향상될 수 있다.
도 4에는 냉각제 회로(2c)와 냉각수 회로(30a)를 구비한 공조 시스템(1c)이 도시되어 있다. 냉각수 회로(30a)는 도 2 및 도 3에 따른 공조 시스템(1a, 1b)의 냉각수 회로(30a)와 상응하게 형성되어 있다. 공조 시스템(1c)은 단지 냉각제 회로(2a, 2b)의 구성에서만 공조 시스템(1a, 1b)과 구별된다.
냉각제 회로(2b)는 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3), 응축기/기체냉각기로서 작동하는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 제1 팽창기(5) 및 승객 공간을 위한 공급 공기를 조절하기 위한 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함한다. 냉각제-공기-열전달기(6)의 하류에는 제3 팽창기(20), 특히 팽창 밸브가 배치되어 있다. 제1 팽창기(5), 제1 냉각제-공기-열전달기(6) 및 제3 팽창기(20)로 이루어진 조합은, 분기 위치(18)로부터 합류 위치(19)까지 연장되는 제2 유동 경로(17) 내에 배치되어 있다.
또한, 냉각제 회로(2c)는 공기의 열을 냉각제에 전달하기 위해 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 구비하여 형성되며, 이 열전달기의 상류에는 제2 팽창기(8)가 위치한다. 제1 냉각제-공기-열전달기(6)와 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 서로에 대해 병렬로 배치된다. 제2 냉각제-공기-열전달기(9)와 이에 할당된 제2 팽창기(8)는, 제2 유동 경로(17)와 마찬가지로 분기 위치(18)로부터 합류 위치(19)까지 연장되는 제1 유동 경로(12) 내에 형성된다. 냉각제-공기-열전달기(9)와 합류 위치(19) 사이에 역류 방지 부재(10), 특히 체크 밸브를 포함하는 제1 유동 경로(12)와 제2 유동 경로(17)는 결과적으로 병렬로 진행한다. 유리하게, 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는, 공기의 작용을 받고 응축기/기체냉각기로서 작동하는 종래의 냉각제-공기-열전달기의 구조 공간을 포함한다.
합류 위치(19)와 압축기(3) 사이에는 다시 수집기(11)가 배치되어 있다. 도시되지 않은 대안 실시예에 따르면, 수집기는 냉각제 저장기로서 냉각제-냉각수-열전달기(4)의 내부에 통합되고 이로써 냉각제의 고압 수준에 배치되며, 이때 저압 수준에 배치된 수집기(11)는 생략될 수 있다. 또한, 냉각제-냉각수-열전달기(4)는 냉각제의 건조를 위한 장치를 구비하여 형성될 수 있다.
공조 시스템(1c)이 후속 가열 모드에서 작동하는 경우, 필요에 따라, 다시 말해 냉각제 회로(2c)에서 승객 공간의 공급 공기를 가열하기 위해 제공된 열이 충분하여 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에서 추가의 열 흡수가 전혀 필요하지 않은 경우, 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 냉각제 회로(2c)로부터 차단될 수 있다. 팽창 밸브로서 형성된 제2 팽창기(8)는, 공조 시스템(1c)이 냉각 설비 모드에서 작동하는 경우와 같이, 폐쇄된다.
공조 시스템(1c)이 가열 펌프 모드에서 작동하는 경우, 제2 팽창기(8)가 개방되면 제1 팽창기(5)는 폐쇄될 수 있다. 이 경우, 제1 냉각제-공기-열전달기(6)는 냉각제의 작용을 받지 않는다. 전체적인 냉각제 질량 유동은 열을 흡수하기 위해 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 통해 안내된다.
도 5에는 냉각제 회로(2d)와 냉각수 회로(30a)를 구비한 공조 시스템(1d)이 도시되어 있다. 냉각제 회로(2d)는 도 4의 공조 시스템(1c)의 냉각제 회로(2c)와는 상이하게 내부 열전달기(7)를 구비하여 형성된다.
내부 열전달기(7)는 고압 측에서 냉각제-냉각수-열전달기(4)와 분기 위치(18) 사이뿐만 아니라, 저압 측에서 합류 위치(19)와 수집기(11) 또는 압축기(3) 사이에도 형성된다.
내부 열전달기(7)를 구비한 냉각제 회로(2d)의 작동 방식 및 구성과 관련하여 도 3의 냉각제 회로(2b)가 참조로 언급된다.
도 6에는 도 3의 공조 시스템(1b)의 냉각제 회로(2b)뿐만 아니라 냉각수 회로(30e)를 구비한 공조 시스템(1e)이 도시되어 있다. 냉각수 회로(30e)는 열을 회수하는 냉각수를 위한 추가의 열원을 편입시키기 위해 추가의 열전달기(39)를 포함한다. 이 경우, 공조 시스템은 도 2에 따른 냉각제 회로(2a), 도 4에 따른 냉각제 회로(2c) 또는 도 5에 따른 냉각제 회로(2d)도 포함할 수 있다.
이 경우, 열전달기(39)는 이송 장치(31)와 가열 열전달기(33) 사이에 배치되어, 결과적으로 열전달기(39)에서 냉각수에 전달되는 열은, 예를 들어 승객 공간에 대한 공급 공기에 열을 전달하기 위해 이용된다.
유리하게, 공조 시스템(1e)은 하이브리드 구동부를 갖는 자동차, 특히 연소 엔진을 통해서뿐만 아니라 전기 공급 회로에서도 충전되는 배터리를 갖는 자동차, 소위 플러그-인-하이브리드-차량, 또는 고전적인 연소 엔진을 갖는 자동차를 위한 시스템에서 사용될 수 있다. 이 경우, 열전달기(39)는 연소 엔진 또는 배터리의 냉각, 또는 전기 구성 부품의 냉각에 사용될 수 있다.
도 7에는 냉각제 회로(2f)와 냉각수 회로(30a)를 구비한 공조 시스템(1f)이 도시되어 있다. 냉각제 회로(2f)는 도 5의 공조 시스템(1d)의 냉각제 회로(2d)와는 상이하게, 열을 회수하는 냉각제를 위한 추가의 열원을 편입시키기 위해 특히 기화기로서 작동하는 추가의 열전달기(23)를 구비하여 형성된다. 이 경우 공조 시스템은 도 4에 따른 냉각제 회로(2c)도 구비하여 형성될 수 있다.
따라서, 냉각제 회로(2f)는 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3), 응축기/기체냉각기로서 작동하는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 제1 팽창기(5) 및 승객 공간을 위한 공급 공기를 조절하기 위한 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함한다. 냉각제-공기-열전달기(6)의 하류에는 제3 팽창기(20)가 배치되어 있다. 제1 팽창기(5), 제1 냉각제-공기-열전달기(6) 및 제3 팽창기(20)로 이루어진 조합은, 분기 위치(18)로부터 합류 위치(19)까지 연장되는 제2 유동 경로(17) 내에 배치되어 있다.
또한, 냉각제 회로(2f)는 공기의 열을 냉각제에 전달하기 위해 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 구비하여 형성되며, 이 열전달기의 상류에는 제2 팽창기(8)가 위치한다. 제2 냉각제-공기-열전달기(9)와 이에 할당된 제2 팽창기(8)뿐만 아니라 역류 방지 부재(10)는, 제2 유동 경로(17)와 마찬가지로 분기 위치(18)로부터 합류 위치(19)까지 연장되는 제1 유동 경로(12) 내에 형성된다.
또한, 냉각제 회로(2f)는 도 5의 공조 시스템(1d)의 냉각제 회로(2d)와는 상이하게, 특히 냉각수의 열을 냉각제에 전달하기 위해 기화기로서 작동하는 추가의 열전달기(23)를 포함한다. 바람직하게, 냉각제-냉각수-열전달기로서 형성된 열전달기(23)의 상류에는 제4 팽창기(22), 특히 팽창 밸브가 위치한다. 예를 들어 소위 배터리 냉각을 위해 소위 칠러(chiller)로서 사용되는 상기 추가의 열전달기(23) 및 이에 할당된 제4 팽창기(22)는 제3 유동 경로(21) 내에 형성되는데, 이 유동 경로도 실질적으로 분기 위치(18)로부터 합류 위치(19)까지 연장된다.
제1 유동 경로(12), 제2 유동 경로(17) 및 제3 유동 경로(21) 그리고 이와 함께 제1 냉각제-공기-열전달기(6), 제2 냉각제-공기-열전달기(9) 및 추가의 열전달기(23)는 각각 서로에 대해 병렬로 배치된다.
도 8에는 도 5의 공조 시스템(1d)의 냉각제 회로(2d)와 냉각수 회로(30g)를 구비한 공조 시스템(1g)이 도시되어 있다. 도 2 내지 도 5 및 도 7의 공조 시스템(1a, 1b, 1c, 1d, 1f) 중 냉각수 회로(30g) 및 냉각수 회로(30a)는, 냉각수-공기-열전달기(33, 37)의 배치에서 또는 3방향 밸브로서 형성된 분기 위치(34g)의 배치에서 구별된다. 이 경우 공조 시스템은 도 6에 따른 공조 시스템(1e)의 냉각수 회로(30e)도 포함할 수 있다.
여기서, 3방향 밸브(34g)는 이송 장치(31)와 가열 열전달기(33) 사이에 형성된 연결 라인 내에 제공되는 반면, 합류 위치(35)는 가열 열전달기(33)와 냉각제-냉각수-열전달기(4) 사이에 형성되어 있다. 제2 냉각수-공기-열전달기(37)는 제1 유동 경로(36g) 내에 형성되고 가열 열전달기(33)는 제2 유동 경로(40) 내에 형성되는데, 이들 유동 경로는 각각 분기 위치(34g)로부터 합류 위치(35)까지 연장된다.
따라서, 제1 냉각수-공기-열전달기(33)로서 가열 열전달기(33) 및 제2 냉각수-공기-열전달기(37)는 서로에 대해 병렬로 냉각수에 의해 관류 가능하게 배치된다.
냉각제 회로(2a, 2b, 2c, 2d, 2f) 및 냉각수 회로(30a, 30e, 30g)의 구성 부품이 이용 가능하다는 장점이 있고, 이때 설비 모듈(52) 내부에 배치된 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 오로지 기화기로서 작동하는 열전달기로서 형성되어 있다.
또한, 냉각제-공기-열전달기(9) 및 특히 밸브가 구조 공간 내부에 배치되기만 하면 되기 때문에, 공조 시스템(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g)은 언급할 만한 비용 없이 기존의 구조 양식 내에 사용될 수 있다.
내부 공간 기화기로도 지칭되는 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 이용하여 지속적으로 열이 냉각제에 전달될 수 있기 때문에, 종래의 공조 시스템에 비해 효율상의 장점이 검증될 수 있다. 냉각수에 의해 냉각된 열전달기(4)의 사용을 통해 냉각수는 모든 경우의 작동에서 가열된다. 특히 가열 펌프 모드 또는 후속 가열 모드에서 작동하는 경우, 예를 들어 배터리의 냉각을 위한 열전달기(23), 연소 엔진의 냉각을 위한 열전달기(39) 또는 전기 저항 히터에 의해 추가의 열이 제공될 수 있다. 이 경우, 전기 저항 히터는 종래 기술에 공기된 것 보다 훨씬 더 작게 설계될 수 있고, 더 적은 에너지를 소모하며, 이로써 더 저렴하게 제조되어 작동될 수 있다.
유럽에서 80%의 빈도로 발생하는 온화한 공조 조건 하에서 공조 시스템(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g)의 작동은, 고전적인 공조 시스템보다 훨씬 더 효율적이다.
냉각제 회로 및 작동 모드들은, 저압 측에서 액체로부터 기체 형태로의 상 전이를 거치는 각각의 냉각제에 대해 사용될 수 있다. 고압 측에서는 매체가 기체냉각/응축 및 과냉각을 통해 흡수된 열을 히트 싱크에 제공한다. 냉각제로서는, 예를 들어 R744, R717 등과 같은 천연 재료, R290, R600, R600a 등과 같은 연소 가능한 재료, R134a, R152a, HFO-1234yf와 같은 화학 재료뿐만 아니라, 다양한 냉각제의 혼합물이 사용될 수 있다.
특히 기화기로서 작동하는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는, 바람직하게 액체 냉각제로부터 기체 냉각제의 침착을 위한, 도시되지 않은 통합된 장치뿐만 아니라, 액체 냉각제를 위한 기화기 영역 및 기체 냉각제를 위한 과류 영역을 구비하여 형성된다. 침착 장치 또는 상 분리기로도 지칭되고 냉각제-공기-열전달기(9) 내부에 통합되어 형성된 장치로서 액체 냉각제로부터 기체 냉각제의 침착을 위한 장치는, 냉각제가 냉각제-공기-열전달기(9) 중 열을 전달하는 섹션을 관류하기 전에, 각각 냉각제의 기체 상으로부터 액체 상을 분리시킨다. 이 경우, 냉각제-공기-열전달기(9) 중 열을 전달하는 섹션은 2개의 영역, 즉, 기화 영역으로도 지칭되는 활성 영역과, 과류 영역으로도 지칭되는 비활성 영역으로 분할된다.
활성 영역은 공기의 작용을 받을 수 있고, 이때 공기의 열이 냉각제에 전달될 수 있다. 비활성 영역은 바람직하게 공기의 작용을 받지 않아서, 결과적으로 비활성 영역 내부에서는 전혀 열이 전달되지 않는다.
액체 냉각제로부터 기체 냉각제를 침착시키기 위한 장치 내에서 분리된 액체 냉각제는 냉각제-공기-열전달기(9)의 활성 영역을 통해 냉각제 측에서 관류하고 열을 흡수하면서 기화된다. 분리된 기체 냉각제는 냉각제-공기-열전달기(9)의 비활성 영역을 통해 안내되어, 이로써 열의 흡수 없이 냉각제-공기-열전달기(9)를 관류한다.
냉각제-공기-열전달기(9)는 서로에 대해 병렬로 배치된 튜브 부재에 의해 서로 연결되어 있는 제1 및 제2 수집 튜브를 포함한다. 이 경우, 액체 냉각제로부터 기체 냉각제의 침착을 위한 장치는, 예를 들어 일측 수집 튜브의 내부에서 또는 수집 튜브들 사이에서, 이들 수집 튜브들을 서로 연결하도록 배치된다. 이 경우, 냉각제의 두 가지 상은 기계적으로 서로 분리되고, 이때 이러한 기계적인 분리는 작용력으로서 관성력에 기초하는데, 이는 냉각제의 두 상들 사이의 충분히 큰 밀도 편차를 필요로 한다.
1a - 1g, 1': 공조 시스템
2a - 2d, 2f, 2': 냉각제 회로
3: 압축기
4: 열전달기, 냉각제-냉각수-열전달기
5: 제1 팽창기
6: 열전달기, 제1 냉각제-공기-열전달기
7: 내부 열전달기
8: 제2 팽창기
9: 열전달기, 제2 냉각제-공기-열전달기
10: 역류 방지 부재
11: 수집기
12: 제1 유동 경로
13: 제2 유동 경로
14: 분기 위치
15: 합류 위치
16: 밸브, 차단 밸브
17: 제2 유동 경로
18: 분기 위치
19: 합류 위치
20: 제3 팽창기
21: 제3 유동 경로
22: 제4 팽창기
23: 열전달기
30a, 30e, 30g, 30': 냉각수 회로
31: 이송 장치
32: 추가-가열 열전달기
33: 제1 냉각수-공기-열전달기, 가열 열전달기
34a, 34g: 분기 위치, 3방향 밸브
35: 합류 위치
36a, 36g: 제1 유동 경로
37: 제2 냉각수-공기-열전달기
38: 제2 유동 경로
39: 열전달기
40: 제2 유동 경로
50: 공조 장치
51: 승객 공간 공급 공기의 유동 방향
52: 설비 모듈
53: 공기의 유동 방향

Claims (19)

  1. 냉각제 회로(2a, 2b)와 냉각수 회로(30a, 30e)를 구비한 자동차의 공조 시스템으로서,
    - 상기 냉각제 회로(2a, 2b)는 압축기(3), 냉각수 회로(30a, 30e)의 냉각수와 냉각제 사이의 열전달을 위해 응축기 또는 기체냉각기로서 작동할 수 있는 냉각제-냉각수-열전달기(4), 제1 팽창기(5)뿐만 아니라, 승객 공간을 위한 공급 공기의 공기 조절을 위한 제1 냉각제-공기-열전달기(6)를 포함하고,
    - 상기 냉각수 회로(30a, 30e)는 이송 장치(31), 승객 공간을 위한 공급 공기의 가열을 위한 제1 냉각수-공기-열전달기(33), 제2 냉각수-공기-열전달기(37)뿐만 아니라, 냉각제-냉각수-열전달기(4)를 포함하는, 자동차의 공조 시스템에 있어서,
    냉각제 회로(2a, 2b)는 오로지 기화기로서만 작동할 수 있는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)를 구비하여 형성되고, 이때 냉각제의 유동 방향으로 상기 냉각제-공기-열전달기(9)의 상류에는 제2 팽창기(8)가 위치하며, 제2 팽창기(8)뿐만 아니라 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 제1 유동 경로 내(12)에 배치되고,
    상기 제1 냉각제-공기-열전달기(6)의 상류에 상기 제1 팽창기(5)가 배치되고, 상기 제1 냉각제-공기-열전달기(6)의 하류에 상기 제2 팽창기(8)가 배치되고,
    냉각제 회로(2a, 2b)는 밸브(16)를 구비한 제2 유동 경로(13)를 포함하며, 이때 제1 유동 경로(12) 및 제2 유동 경로(13)는 각각 분기 위치(14)로부터 합류 위치(15)까지 연장되고 제2 유동 경로(13)는 제1 유동 경로(12)에 대해 평행한 바이패스로서 형성되고,
    상기 승객 공간의 공급 공기의 가열을 위해 제공되는 열이 사전에 결정된 값보다 크거나 같은 경우 상기 제2 팽창기(8)가 폐쇄되고 상기 밸브(16)가 개방되어 상기 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에서 열 흡수가 발생되지 않는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 냉각수 회로(30a, 30e)의 제2 냉각수-공기-열전달기(37) 및 냉각제 회로(2a, 2b)의 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 설비 모듈(52) 내부에서뿐만 아니라 공기의 유동 방향(53)으로 서로 차례로 공기의 작용을 받을 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 설비 모듈(52)은 승객 공간으로부터 배출되는 공기, 또는 주변 공기, 또는 승객 공간으로부터 배출되는 공기와 주변 공기로 이루어진 혼합 공기에 의해 관류 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 제1 냉각제-공기-열전달기(6) 및 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 냉각제 회로(2a, 2b) 내에서 서로에 대해 직렬로 관류 가능하게 배치된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 냉각제 회로(2a, 2b) 내에는 냉각제의 유동 방향으로 압축기(3)의 전방에 냉각제 저장기로서 수집기(11)가 배치된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 냉각제 회로(2a, 2b)의 냉각제-냉각수-열전달기(4)의 내부에 냉각제 저장기로서 수집기가 통합되어 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 냉각수 회로(30a, 30e)는 제1 냉각수-공기-열전달기(33)와 냉각제-냉각수-열전달기(4) 사이에 형성되어 있는 분기 위치(34a) 및 합류 위치(35)를 포함하고, 이때 분기 위치(34a)와 합류 위치(35) 사이에는 각각, 제2 냉각수-공기-열전달기(37)를 구비한 제1 유동 경로(36a)와, 제2 냉각수-공기-열전달기(37)를 우회하는 바이패스로서 제2 유동 경로(38)가 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서, 분기 위치(34a)는 3방향 밸브로서 형성된 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 냉각제 회로(2b)는 내부 열전달기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템.
  16. 냉각 설비 모드에서, 가열 펌프 모드에서, 그리고 조절할 승객 공간의 공급 공기를 위한 후속 가열 모드에서 냉각제 회로(2a, 2b)와 냉각수 회로(30a, 30e)를 구비한, 제1항 내지 제4항, 제10항 내지 제12항, 제14항 및 제15항 중 어느 한 항에 따른 자동차의 공조 시스템을 작동하기 위한 방법에 있어서,
    오로지 기화기로서만 작동할 수 있는 제2 냉각제-공기-열전달기(9)에 의해 공기의 열이 냉각제에 전달되고, 이때 제2 냉각제-공기-열전달기(9) 내에서 냉각제의 압력 수준은, 제2 냉각제-공기-열전달기(9) 내에서 냉각제의 압력 수준이 제1 냉각제-공기-열전달기(6)의 내에서의 냉각제의 압력 수준에 상응하거나 제1 냉각제-공기-열전달기(6) 내에서의 냉각제의 압력 수준보다 더 낮은 방식으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템의 작동 방법.
  17. 제16항에 있어서, 냉각제 회로의 제1 냉각제-공기-열전달기(6)와 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 서로에 대해 직렬로 또는 서로에 대해 병렬로 냉각제에 의해 관류되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템의 작동 방법.
  18. 제16항에 있어서, 제1 냉각수-공기-열전달기(33)와 제2 냉각수-공기-열전달기(37)는 서로에 대해 직렬로 또는 서로에 대해 병렬로 냉각수에 의해 관류되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템의 작동 방법.
  19. 제16항에 있어서, 공기의 유동 방향(53)으로 제2 냉각수-공기-열전달기(37) 및 이에 이어서 제2 냉각제-공기-열전달기(9)는 공기의 작용을 받는 것을 특징으로 하는, 자동차의 공조 시스템의 작동 방법.
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