KR102120950B1 - 분리된 오일 순환계를 갖춘 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매 유동 방향으로 압축기(1), 열교환기 모듈(11), 팽창 부재(5) 및 증발기(7)를 구비하는, 분리된 오일 순환계를 갖춘 냉각 장치에 관한 것으로서, 상기 냉각 장치는 상기 열교환기 모듈(11)이 오일 분리기(10) 및 열교환기(2)를 구비하고, 이때 냉매-오일-혼합물은 상기 압축기(1)를 거친 다음 상기 오일 분리기(10)에서 분리되고, 냉매 질량 흐름은 냉매 라인(8)에서 그리고 오일 질량 흐름은 오일 라인(9)에서 개별적으로 안내되며, 그리고 냉매 질량 흐름과 오일 질량 흐름이 상기 열교환기(2)에서 개별적으로 냉각된 다음, 냉매 질량 흐름은 팽창 부재(5)로 그리고 오일 질량 흐름은 상기 압축기(1)로 상기 열교환기 모듈(11)로부터 배출되는 것을 특징으로 한다.

Description

분리된 오일 순환계를 갖춘 냉각 장치{COOLING DEVICE WITH SEPARATE OIL CIRCULATION SYSTEM}
본 발명은, 특히 R744로도 명명되는 냉매로서 이산화탄소를 포함하는 분리된 오일 순환계를 갖춘, 특히 냉매 순환계를 위한 냉각 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉각 장치의 적용 분야는 일반적으로 냉난방 기술 분야, 그중에서도 특히 자동차 공학에 사용되는 모바일 냉각 장치 분야에 속한다.
선행 기술에는 냉매로서 R744를 포함하는 차량의 에어컨 시스템들이 공지되어 있다. 냉각 장치에는 내연 기관에 의해 구동되는 기계식 압축기(mechanical compressor)가 사용된다. 그러나 앞으로는 차량에서도 하이브리드 드라이브 또는 순수 전기 드라이브를 갖춘 R744 냉각 장치들이 사용될 것이며, 이러한 상황에서는 바람직하게 전동식 압축기(electric compressor)가 사용된다.
그러나 상기 냉매 R744에는, 냉매의 압력차가 높을 뿐만 아니라 압축기 출구 온도가 높은 경우에도 예를 들면 구현되어야 할 내부 밀봉력과 관련하여 요구되는 압축기의 엄격한 요건이 결부되어 있다. 이러한 내부 밀봉력 관련 요건을 충족하기 위해서는 상대적으로 더 높은 오일 순환율이 적용된다. 그러나 냉매의 높은 압축 최종 온도 및 높은 내부 열전달 효율로 인해 오일이, R134a 또는 R1234yf를 포함하는 냉각 장치와 비교하면 분리 냉각(separate cooling)이 필요할 정도로 상당히 가열된다는 점은 단점으로 언급된다.
오일은 냉매 순환계 내부에서 다수의 기능을 한다. 오일은 한 편으로는 압축기 내부에 배치된 이동식 컴포넌트들의 윤활 목적에 사용되고, 따라서 특히 금속 부품 또는 코팅이 있는 금속 부품으로 형성된 컴포넌트 간의 마찰을 감소시킨다. 그러므로 이러한 윤활에 의해서는 압축기의 마모가 감소된다. 또한, 오일에 의해서는 경우에 따라 주변에 대한 압축기 밀봉 그리고 압축기 내부에 있는 냉매의 고압 영역, 중압 영역 및 저압 영역 간의 내부 밀봉이 향상된다.
냉매 순환계 내부에서 오일의 또 다른 기능은, 예를 들면 압축기의 가동 부품 간의 마찰로 인해 상기 압축기 내부에서 형성되는 열을 흡수하고 방출하는 것이다.
오일이 대체로 압축기 내부에서 자신의 기능들을 구현하기는 하지만, 이러한 오일이 냉매 질량 흐름과 함께 압축기로부터 배출되고, 그리고 냉매 순환계 내부에서 순환하는 것 또한 피할 수 없다. 이때 순환하는 오일의 양은 다수의 요인에 따라 달라진다. 이러한 요인들에는 특히 압축기의 디자인 또는 구조 및 배치 그리고 냉매 순환계의 주변 장치가 포함된다. 압축기의 마모와 관련한 상태 및 노후도, 작동 조건 및 시스템 조건 그리고 냉매와 오일의 혼화성(miscibility)은 추가적인 영향 요인이다.
선행 기술에 따른 냉매 순환계들에서는, 오일의 순환율이 냉매 질량 흐름의 1% 내지 4% 사이에서 변한다. 냉매와 함께 냉매 순환계를 통과하여 순환하는 압축기의 오일은 여러 작용을 한다. 이렇게 오일은 예를 들면 냉매-오일-혼합물의 품질 그리고 물리적이고 열역학적인 특징들을 변경한다. 또한, 존재하는 오일은 냉매 순환계의 열교환기 효과를 감소시킨다. 열교환기 내부에서 열전달 표면이 오일 막에 의해 덮여 있는 경우에는, 열전달 그리고 이와 더불어 열처리량이 영향을 받는데, 그 이유는 상기 오일 막이 추가 절연층과 같이 작용하기 때문이다.
저온 적용예들의 경우, 냉매 순환계 내부에서 오일의 운동 역량(movement capacity)은 온도가 낮은 경우 상대적으로 점성이 높기 때문에 상당히 제한된다. 이러한 경우 압축기 내부에서 오일 레벨 감소는 압축기의 돌이킬 수 없는 기계적 손상으로 이어질 수 있다.
그 외에 기본적으로 비압축성인 오일은 극히 사소한 팽창 과정 동안에는 냉각되지 않는다. 오일은 냉매와 혼합되며, 이러한 경우 상기 냉매는 부분적으로 증발한다. 이때 냉매의 냉각 성능 비율, 즉 약 8% 내지 10%의 냉각 성능 비율은 압축기 오일을 냉각하는 데 쓰이고 사용 가능한 냉각 성능으로 소실된다.
이 때문에 냉각 회로 내 냉매 오일의 순환은 잘 알려진 문제이고, 이와 관련하여 선행 기술에서는 다양한 방식으로 해결책이 강구되었다.
예컨대, 미국 특허 6,058,727 A호에는 압축기, 응축기, 팽창 부재 및 증발기를 포함하는 공기 냉각을 위한 냉매 순환계가 기술된다. 상기 문서에 기술되는 냉매 순환계는 또한 압축기의 유출구에서 오일 분리기와 오일 냉각기를 갖는 압축기의 유입구로 오일을 재순환하기 위한 유동 경로를 갖는다. 가스 상태의 냉매 압축 시 가열되는 오일은 압축기로 유입되기 전에 냉각된다. 이 경우 오일의 열은 압축기에 의해 흡입된 냉매로 전달된다. 상기 오일 냉각기는 열교환기 유닛으로서 내부 열교환기를 구비하여 형성되어 있고, 이 경우 상기 열교환기 유닛은 냉매의 어큐뮬레이터 내부에 배치될 수 있다.
미국 특허 US 2010/0251756 A1호 또한 공기를 냉각하기 위한 냉매 순환계에 관해 기술하며, 이 경우 상기 냉매 순환계는 압축기, 응축기, 팽창 부재 및 증발기 그리고 상기 압축기의 유출구에서, 오일 분리기와 오일 냉각기를 갖는 압축기의 유입구로 오일을 재순환시키기 위한 유동 경로를 갖는다. 상기 오일 냉각기는 공기-오일-열교환기로서 형성되어 있고, 공기의 유동 방향으로 증발기 다음에 배치되어 있다. 열은 오일에서 증발기 관류 시 냉각된 공기로 전달된다.
미국 특허 US 6,579,335 B2호에서는 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치가 제시되며, 이 경우 상기 장치는 압축된 가스에서 오일을 분리하고, 가스 압축 후 오일을 냉각하며 그리고 오일 저장을 위한 컴포넌트들을 갖는다. 오일은 압축될 가스 상태의 유체와 함께 다시 압축기로 공급된다. 오일 냉각을 위해, 이러한 오일은 열교환기를 통해 안내된다. 이 경우 열은 오일에서 압축될 가스 상태의 유체로 전달된다. 후속해서 가스 상태의 유체가 압축된다.
오일 분리기, 오일 냉각기 및 오일 저장기는 하나의 공동 하우징 내에 통합되는 방식으로 배치되어 있다. 오일은 연결 라인을 통해 오일 저장기에서 압축기로 안내된다.
종래의 냉매 순환계들에서 냉매-오일-혼합물은 흐름 방향으로 압축기 다음에 배치된 열교환기를 통해 안내된다. 또한, 선행 기술에는 냉매-오일-혼합물을 압축기로부터 유출된 후 냉매 성분과 오일 성분으로 분리하는 것이 공지되어 있다. 분리된 오일은 후속해서 열전달 시 냉매 순환계 내에서 순환하는 냉매에 의해 또는 증발기 내에서 컨디셔닝 된 공기에 의해 냉각되고, 이러한 상황은 냉매 순환계의 효율을 떨어뜨린다.
본 발명의 과제는, 전술한 문제점들을 기술적으로 해결하고 냉각 장치의 안전하고 확실한 작동을 가능하게 하는 콤팩트한 장치 실시예를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
상기 과제는 특히 분리된 오일 순환계를 갖춘 냉각 장치에 의해서 해결되며, 상기 냉각 장치는 냉매 유동 방향으로 압축기, 열교환기 모듈, 팽창 부재 및 증발기를 구비한다. 또한, 상기 냉각 장치는 상기 열교환기 모듈이 오일 분리기 및 열교환기를 구비하고, 이때 냉매-오일-혼합물은 상기 압축기를 거친 다음 상기 오일 분리기 내에서 분리되며, 냉매 질량 흐름은 냉매 라인에서 그리고 오일 질량 흐름은 오일 라인에서 분리된 다음 개별적으로 안내되는 것을 특징으로 한다. 상기 냉매 질량 흐름과 오일 질량 흐름은 이어서 열교환기에서 개별적으로 냉각되고, 마지막으로 상기 냉매 질량 흐름은 팽창 부재로 그리고 상기 오일 질량 흐름은 압축기로 상기 열교환기 모듈의 유출구로부터 방출된다.
본 발명의 의미에서 오일과 냉매의 유체 질량 흐름의 분리 냉각은, 유체 라인들이 오일과 냉매의 질량 흐름을 공간적으로 그리고 물질별로 분리하고, 그리고 상기 유체 라인들이 각각 열교환기 내로 통합되며, 따라서 열교환기에 의해 냉각됨을 의미한다. 따라서 냉매 및 오일 냉각을 위한 열교환기는 기능상 냉매 냉각기와 오일 냉각기로 분리되어 있고, 이 경우 두 기능 영역은 하나의 열교환기 내에 형성되어 있다.
상기 냉각 장치는 바람직하게 열교환기 모듈에서 열교환기를 거친 다음, 냉매 라인 내에 중압용 팽창 부재와 이어서 중압 플랜지가 배치되어 있다. 오일 라인 내 오일용 팽창 부재는 열교환기 다음에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 열교환기를 거친 다음 오일 라인 내에는 오일용 팽창 부재가 배치되어 있다. 마지막으로 상기 중압 플랜지의 냉매 증기는 혼합 부재로도 형성된 팽창 부재 내에서 오일 질량 흐름과 결합된 다음 열교환기 모듈의 유출구로 안내된다.
수랭식 응축기로서 열교환기 모듈 내부에서의 열교환기 형성은 특히 바람직하다. 그러나 상기 수랭식 응축기는 전술한 바와 같이 냉매 질량 흐름뿐만 아니라 오일 질량 흐름도 냉각한다.
또한, 냉각 장치의 한 바람직한 설계에서, 냉매 라인 내에서 열교환기 다음 고압 측과 압축기 앞 저압 측에, 특히 과냉각 열교환기로 설계된 내부 열교환기가 배치되어 있으며, 이는 알려진 바와 같이 바로 R744 냉각 장치에서 냉각 프로세스 효율을 향상시킨다.
계속해서 바람직하게 압축기 모듈은 열전달 모듈과 압축기로 형성되어 있다. 압축기와 열전달 모듈의 컴포넌트 통합은 이미 열교환기 모듈의 콤팩트한 설계 외에도 냉각 장치의 체적 수요를 추가로 감소시킨다. 특히 현대의 차량들에서는 기술 부품들을 위한 공간 부족 문제가 존재하므로, 컴포넌트들의 체적 감소 그리고 단일 컴포넌트(single component)들을 모듈로 결합하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 냉매, 냉매-오일-혼합물을 위한 하나 이상의 팽창 부재가 모세관(capillary tube)으로서 매우 견고하면서도 간단하고 경제적인 비용으로 형성되어 있다.
마찬가지로 냉매, 냉매-오일-혼합물을 위한 하나 이상의 팽창 부재가 확관기(expansion machine)로서 형성될 수 있으며, 이렇게 함으로써 팽창 공정의 일부를 회복할 수 있다. 또한, 압축기가 스크롤 압축기(scroll compressor)로 설계된 경우가 바람직하다.
냉각 장치는 바람직하게 냉매 R744, 즉 이산화탄소에 의해 작동된다.
중압 레벨을 갖는 냉각 장치 사용 시, 압축기는 중압단을 갖는 2단 압축기로서 형성된다. 이 경우 중압 레벨의 오일 질량 흐름과 냉매 가스 또는 저압 레벨의 오일 질량 흐름과 냉매 가스는 상기 2단 압축기 내로 유입된다.
또한, 고압단의 압축기가 중압용 팽창 부재로서 확관기와 연결되어 있고, 그리고/또는 저압용 팽창 부재로서 확관기와 연결되어 있는 것이 바람직하며, 따라서 상기 확관기들의 팽창 작업은 냉매의 압축에 이용될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 한 실시예에 따르면, 오일을 냉각하는 열교환기의 영역은 모세관으로 형성되어 있으며, 이러한 모세관은 상기 열교환기의 외측에 곡류 형태로 그리고 상기 열교환기와 열전도성으로 연결되는 방식으로 배치되어 있다. 오일 냉각 기능은 이러한 방식에 의해 특히 간단하고 구조적으로도 복잡하지 않게 실현되며, 따라서 비용도 경제적이다.
본 발명의 구상에서는, (오일 분리기(독일어: Oelabscheider) 또는 단지 분리기(독일어: Abscheider)로만도 명명되는) 오일 분리기(독일어: Oelseparator)에서의 가스 상태이고 상당히 가열된 냉매로부터 오일의 분리가 압축기 직후에 이루어진다. 바람직하게 상기 분리기는 응축기 또는 가스 냉각기에 배치되어 있다. 냉매와 오일의 분리 직후, 상기 냉매와 오일은 각기 따로 수랭식 응축기 내에서 냉각된다. 이는 당연히 상기 응축기가 프로세스 상태에 따라 가스 냉각기 또는 물 가스 냉각기로도 표기됨을 의미하기도 한다. 냉매는 항상 그랬듯이 계속해서 바람직하게 고압 측 내부 열교환기를 지나고, 이어서 팽창 장치, 증발기, 저압 측 내부 열교환기 지나며, 마지막으로는 순환계를 폐쇄하는 방식으로 압축기로 리턴 한다.
냉매는 물 가스 냉각기 냉각된 후 짧은 경로에 걸쳐 최대한 빨리 곧바로 압축기로 리턴 하며, 이 경우 냉매는 압축기의 흡입 측에 맞게 조절되거나 팽창 과정 없이 목적에 맞게 압축 공간 내로 리턴되고, 그 결과 압축 공정이 절감될 수 있다.
바람직하게 관련된 컴포넌트, 즉 압축기, 오일 분리기, 물 가스 냉각기 및 라인 가이드 그리고 경우에 따라 모세관으로서 팽창 장치는 콤팩트한 컴포넌트, 즉 하나의 모듈 내에 통합된다.
바람직하게 이러한 순환계에는 중압 플랜지가 추가되고, 냉매의 가스 비율이 중압 레벨로 제1 팽창 단계를 거친 다음 배출되어 오일과 함께 압축기로 리턴 된다.
본 발명의 장점들은 압축기 오일과 압축기의 냉각이 응축기 또는 가스 냉각기에 의해 이루어지고, 이를 위한 냉각 용량이 저압 레벨의 냉매 순환계로부터 인용되지 않음으로써 순환계가 비효율적으로 작동되지 않는다는 것이다. 오일은 바람직하게 특히 냉각 후 압축기 윤활에 필요한 특성을 갖게 되고, 최적으로 작용할 수 있는데, 그 이유는 상기 오일이 직행 경로를 통해 최대한 빨리 압축기로 리턴 되기 때문이다.
상응하는 설계에서 보면, 적은 양의 이산화탄소 질량 흐름이 추가로 재순환될 때 중압 레벨에서 압축기가 추가로 냉각될 수 있고, 이러한 것은 컴포넌트들의 부하를 뚜렷하게 감소시키거나 또는 압축기와 가스 냉각기 사이에 금속 재료와 달리 폴리머 재료가 사용될 수 있도록 한다.
또한, 오일이 증발기를 통해 안내될 필요가 없기 때문에 압력 손실 및 냉각 성능 감소가 방지될 수 있다.
중압 플랜지 사용 시 일부 냉매 가스가 증발기를 관류하지 않는데, 이러한 점 또한 압력 손실 방지로 이어진다.
바람직하게는 냉각 회로가 수응축기(water condenser)에 의해 작동될 수 있으며, 더 나아가 상기 냉각 회로가 열원으로서 열 펌프 그리고 물 또는 공기에 의해 작동될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면들을 참조해서 이루어지는 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 분리된 오일 순환계를 갖춘 1단 냉각 장치를 도시한 도면이고,
도 2는 분리된 오일 순환계 및 모듈들을 갖춘 2단 냉각 장치를 도시한 도면이며,
도 3은 2단 압축 시 로그(p)-h 다이어그램을 도시한 도면이고, 그리고
도 4는 1단 압축 시 로그(p)-h 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 1에는 1단 냉매 순환계의 기본 회로도가 도시되어 있다. 상기 냉매 순환계의 기본 요소들은 압축기(1), 열교환기(2) 그리고 팽창 부재(5) 및 증발기(7)로 이루어지며, 이후 순환계는 상기 압축기(1) 쪽으로 폐쇄되어 있다. 흐름 방향으로 상기 압축기(1) 다음에 그리고 상기 열교환기(2) 앞에는, 냉매-오일-혼합물을 냉매와 오일로 분리하는 오일 분리기(10)가 배치되어 있다. 이어서 상기 두 유체 질량 흐름은 순환계 내에서 냉매 질량 흐름으로서 냉매 라인(8)에서 그리고 오일 질량 흐름으로서 오일 라인(9)에서 개별적으로 계속 안내된다. 상기 냉매 질량 흐름은, 공정 조건에 따라 응축기 또는 가스 냉각기로서 작동하는 열교환기(2)에서 냉각된 다음, 냉매 질량 흐름을 위한 팽창 부재(5)에서 팽창된다. 마지막으로 냉각 준비는 증발기(7) 내에 있는 냉매가 증발함으로써 이루어지고, 이후 생성되는 냉매 가스는 압축기(1)에 의해 흡입되며, 따라서 냉매의 순환계는 폐쇄된다. 냉매 오일은 오일 라인(9)에서 열교환기(2)로 안내되고, 이때 상기 위치에서 오일은 냉매와 별도로 냉각된다. 후속해서 냉각된 오일은 오일 라인(9)에서 압축기(1)로 안내되는데, 이렇게 함으로써 상기 압축기를 상응하게 윤활하고 설명한 바와 같이 마찬가지로 부분적으로 냉각할 수 있다. 오일은 팽창 부재(6) 내에서 압축기(1)로 공급하기 위한 작동 압력에 따라, 상기 압축기(1) 내 압력 레벨에 적합하게 조정된다. 오일 질량 흐름을 위한 오일 라인(9) 내에 있는 팽창 부재(6)는 바람직하게 그리고 기술적으로 간단하면서도 적은 유지보수를 필요로 하는 방식으로 모세관으로서 설계되거나 추가 냉매에 의한 냉각 시 개구(aperture) 또는 밸브로 설계된다.
모듈 형성은 도 1에 명확하게 도시되어 있지 않다. 열교환기 모듈은 오일 분리기(10), 열교환기(2) 그리고 모듈 내부에 있는 냉매 라인(8)과 오일 라인(9) 영역으로 형성된다. 경우에 따라 오일 질량 흐름을 위한 팽창 부재(6)가 제공되어 있는데, 이는 마찬가지로 열교환기 모듈에 통합되어 있다.
도 2에는 중압 레벨을 갖는 2단 냉각 장치의 기본 회로도가 도시된다. 도 2에 따른 도식과 실시예에서는 도 1에 따른 냉각 장치의 기본 도식에 중압 레벨 설계에 필요한 컴포넌트들이 추가된다. 특히, 이 목적으로 열교환기(2)와 냉매 질량 흐름을 위한 팽창 부재(5) 사이에 냉매 질량 흐름을 위한 팽창 부재(3)가 배치되어 있으며, 이러한 팽창 부재(3)는 냉매 질량 흐름을 열교환기(2)를 지난 후 고압 레벨에서 중압 레벨로 이완된다. 중압을 형성하기 위한 팽창 부재(3)는 유출구 측에서 중압 플랜지로도 명명되는 냉매 컬렉터(4)와 연결되어 있다. 상기 냉매 컬렉터(4)에서는 냉매의 액체상에서 기체상이 분리되고, 이러한 기체상은 개별적으로 계속 안내된다. 기체상은 오일 질량 흐름에 공급되고, 팽창 부재(6)로도 명명된 혼합 부재에서 오일 질량 흐름과 결합된다. 이 경우 상기 혼합 부재(6)는 오일과 냉매 가스가 압축기(1)로 유입되기 전에 오일 질량 흐름을 추가로 냉각한다. 상기 냉매의 액체상은 냉매 컬렉터(4)로부터 냉매 질량 흐름을 위한 팽창 부재(5)로 안내되고, 상기 팽창 부재(5)의 위치에서 팽창되며, 전술한 바와 같이 증발기를 경유한 다음 기체 상태로 압축기(1)로 공급된다. 특히 바람직하게 열교환기 모듈(11)은 다수의 단일 컴포넌트가 통합된 모듈 형성물로서 설계되어 있다. 이 경우 오일 분리기(10), 열교환기(2), 냉매 질량 흐름을 위한 중압 레벨 팽창 부재(3), 냉매 컬렉터(4) 그리고 경우에 따라 오일 질량 흐름을 위한 팽창 부재(6)는 열교환기 모듈(11)로서 하나의 컴포넌트에 통합되고, 그 결과 최소 설치 용적으로 설계되어 있다
냉각 장치의 바람직한 추가 실시예에서는 컴포넌트들이 서로 상대방 속으로 추가 통합되고, 그 결과 압축기 모듈(12)은 압축기(1)와 (함께) 결합된 열교환기 모듈(11)의 실시예에 의해 설계되었다. 이 경우, 모든 컴포넌트가 차량 내 한 장소에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 압축기, 분리기 및 수응축기; 이로 인해 오일 재순환 또는 오일 순환계는 큰 복잡함 없이 구현될 수 있으며, 그리고 엔진실 내에 추가 라인이 배치되지 않는다. 중압 플랜지에서 유출되는 냉매 가스 재순환의 경우에도 동일하게 적용된다.
도 3에는 로그(p)-h 다이어그램이 제시되어 있는데, 이 다이어그램은 도 2에 따른 냉각 장치에 의한 냉각 프로세스를 보여준다. 저압 레벨과 고압 레벨 사이에는 중압 레벨이 형성되어 있고, 도면에는 이러한 상황이 도시되어 있다. 다이어그램에서 고압 레벨 위치를 지난 후에는 가스 냉각기로서 작동하는 열교환기(2)의 기능이 도시되어 있다. 중압 레벨에서 압축기로 흘러들어 가는 냉매 가스와 냉매 오일의 유입은 재냉각으로 이어지고, 이러한 재냉각은 제1 단계 후 압축 최종 온도를 감소시키고, 제2 압축 단계가 시작하기 전까지 계속해서 2상 영역으로 접근한다.
마지막으로 도 4에는 도 1에 따른 냉각 장치에 의한 프로세스의 로그(p)-h 다이어그램이 도시되어 있으며, 이 경우 마찬가지로 열교환기(2)가 냉매 R744에 있어 전형적으로 가스 냉각기로서 작동한다. 압축기용 오일에 의한 추가 냉각 효과는 압축 시작 시 압축 시작 온도가 작동하면 나타난다.
1: 압축기
2: 열교환기, 수랭식 응축기
3: 냉매 질량 흐름을 위한 중압 팽창 부재
4: 냉매 컬렉터, 중압 플랜지
5: 냉매 질량 흐름을 위한 팽창 부재
6: 오일 질량 흐름을 위한 팽창 부재
7: 증발기
8: 냉매 라인
9: 오일 라인
10: 오일 분리기
11: 열교환기 모듈
12: 압축기 모듈

Claims (12)

  1. 냉매 유동 방향으로 압축기(1), 열교환기 모듈(11), 팽창 부재(5) 및 증발기(7)를 구비하는, 분리된 오일 순환계를 갖춘 냉각 장치로서,
    상기 열교환기 모듈(11)이 오일 분리기(10) 및 열교환기(2)를 구비하고, 이때 냉매-오일-혼합물은 상기 압축기(1)를 거친 다음 상기 오일 분리기(10)에서 분리되고, 냉매 질량 흐름은 냉매 라인(8)에서 그리고 오일 질량 흐름은 오일 라인(9)에서 개별적으로 안내되며, 그리고 냉매 질량 흐름과 오일 질량 흐름이 상기 열교환기(2)에서 개별적으로 냉각된 다음, 냉매 질량 흐름은 팽창 부재(5)로 그리고 오일 질량 흐름은 상기 압축기(1)로 상기 열교환기 모듈(11)로부터 배출되며,
    상기 열교환기 모듈(11)에서 상기 열교환기(2)를 거친 다음, 상기 냉매 라인(8) 내에는 중압용 팽창 부재(3) 및 후속해서 중압 플랜지(4)가 배치되고, 상기 열교환기(2) 다음 상기 오일 라인(9) 내에는 오일용 팽창 부재(6)가 배치되며, 상기 중압 플랜지(4)는 액체상 냉매와 기체상 냉매를 분리하는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중압 플랜지(4)의 냉매 증기가 상기 팽창 부재(6)에서 오일 질량 흐름과 결합되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열교환기(2)가 수랭식 응축기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉매 라인(8)에서 상기 열교환기(2) 다음 고압 측에 그리고 상기 압축기(1) 앞 저압 측에 내부 열교환기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서, 압축기 모듈(12)이 상기 압축기(1)와 상기 열교환기 모듈(11)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  6. 제2항에 있어서, 냉매, 오일 또는 냉매-오일-혼합물용으로 사용되는 팽창 부재들 중 하나 이상의 팽창 부재(3, 5, 6)가 모세관(capillary tube)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 팽창 부재들 중 하나 이상의 팽창 부재(3, 5)가 확관기(expansion machine)로서 형성되어 있고, 그리고/또는 상기 압축기(1)가 스크롤 압축기(scroll compressor)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치에서 R744가 냉매로 사용되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압축기(1)가 중압단을 갖는 2단 압축기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  10. 제7항에 있어서, 고압단의 압축기가 중압용 팽창 부재(3)로서 상기 확관기와 연결되어 있고, 그리고/또는 저압용 팽창 부재(5)로서 상기 확관기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  11. 제2항에 있어서, 중압 레벨의 오일 질량 흐름과 냉매 가스 또는 저압 레벨의 오일 질량 흐름과 냉매 가스가 2단 압축기(1)로 유입되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  12. 제1항에 있어서, 오일 냉각기가 모세관으로 형성되어 있고, 상기 열교환기(2)의 외측에 곡류 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018211568B4 (de) * 2018-07-12 2023-12-14 Audi Ag Kälteanlage mit gekühltem Ölkreislauf für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage
DE102020106626B4 (de) 2020-03-11 2023-09-28 Audi Aktiengesellschaft Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines solchen Kältemittelkreislaufs

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001194033A (ja) * 1999-12-28 2001-07-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 車両用空気調和装置
JP2008133996A (ja) * 2006-11-28 2008-06-12 Sanden Corp 車両用冷房装置
JP2012202565A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Mitsubishi Electric Corp 冷凍装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3705850A1 (de) * 1987-02-24 1988-09-01 Sueddeutsche Kuehler Behr Verfahren und vorrichtung zur leistungssteigerung einer kaelteanlage fuer kraftfahrzeuge
JPH06337171A (ja) * 1993-03-30 1994-12-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 冷凍装置
WO1994023252A1 (en) * 1993-03-31 1994-10-13 American Standard Inc. Cooling of compressor lubricant in a refrigeration system
US6058727A (en) 1997-12-19 2000-05-09 Carrier Corporation Refrigeration system with integrated oil cooling heat exchanger
US6579335B2 (en) 2000-10-23 2003-06-17 Walter Duane Ollinger Oil separator and cooler
DE10203772A1 (de) * 2002-01-30 2004-04-15 Robert Bosch Gmbh Klimaanlage mit Heizfunktion und Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage mit Heizfunktion
WO2009091403A1 (en) 2008-01-17 2009-07-23 Carrier Corporation Refrigerant vapor compression system with lubricant cooler
JP5181813B2 (ja) * 2008-05-02 2013-04-10 ダイキン工業株式会社 冷凍装置
CN105917178B (zh) * 2014-05-15 2018-02-02 三菱电机株式会社 冷冻装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001194033A (ja) * 1999-12-28 2001-07-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 車両用空気調和装置
JP2008133996A (ja) * 2006-11-28 2008-06-12 Sanden Corp 車両用冷房装置
JP2012202565A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Mitsubishi Electric Corp 冷凍装置

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