KR102184161B1 - 팽창-압축 장치를 구비한 냉매 회로 및 상기 냉매 회로를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

팽창-압축 장치를 구비한 냉매 회로 및 상기 냉매 회로를 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)에 관한 것이다. 상기 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)는 하나 이상의 압축기(2), 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동 가능한 제1 열교환기(3), 팽창 컴포넌트(4a)와 압축 컴포넌트(4b)를 갖는 팽창-압축 장치(4), 냉매의 증발기로서 작동 가능한 제2 열교환기(5) 그리고 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되는 방식으로, 냉매가 서로 병렬적으로 공급될 수 있도록 형성되어 있다. 상기 입구(9)는 상기 압축기(2)와 제1 열교환기(3) 사이에 배치되어 있다. 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 냉매의 유동 방향으로는 상기 팽창 컴포넌트(4a), 제2 열교환기(5) 및 압축기(2)가 형성되어 있고, 그리고 상기 제2 유동 경로(7) 내에는 상기 압축 컴포넌트(4b)가 형성되어 있다.
본 발명은 또한, 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)를 작동시키기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

팽창-압축 장치를 구비한 냉매 회로 및 상기 냉매 회로를 작동시키기 위한 방법{REFRIGERANT CIRCUIT WITH AN EXPANSION-COMPRESSION DEVICE AND METHOD FOR OPERATING THE REFRIGERANT CIRCUIT}
본 발명은 하나 이상의 압축기, 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동 가능한 제1 열교환기, 팽창 컴포넌트와 압축 컴포넌트를 갖는 팽창-압축 장치 그리고 냉매의 증발기로서 작동 가능한 제2 열교환기를 구비하는, 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 냉매 회로를 작동시키기 위한 방법과도 관련이 있다.
특히, 염소 함유 냉매에 의한 성층권의 오존 파괴에 대한 발견과 이에 따른 상기 냉매의 금지에서 결과되는 대체 냉매 논의는 자연 냉매의 사용과 함께 다양한 해결책을 제시했다. 그러나 에너지, 안전 관련 또는 이산화탄소, 암모니아, 물, 공기와 같은 환경 친화적인 냉매의 열역학적 특성은 냉매의 광범위한 사용을 제한한다. 언급한 자연 냉매들로부터 시작하여, 이산화탄소는 기술적으로 안전하고 그리고 열역학적으로 압축 냉각기의 냉매 회로에 사용하기에 적합한 일부 특성을 갖는 작동 물질로 여겨진다.
냉매로서 이산화탄소를 사용하는 작업 공정은 열역학적으로, 예를 들면, 냉매로서 R134a 또는 R290을 사용하는 전통적인 수증기 냉각 프로세스에서 미임계 열 방출의 등압, 등온 상태 변화에 비해 특히, 초임계 열 방출에서, 즉 냉매의 등압, 비등온 상태 변화의 다른 냉매를 사용하는 공정과 구별된다. 이때 초임계 및 미임계 열 방출이라는 용어는 냉매의 특징적 상태로서 한계점을 나타낸다. 초임계 열 방출은 공정이 초월 임계 공정(transcritical process)으로도 언급된다.
임계 이하의 열 방출로서 냉매의 압축, 초임계 열 방출, 정엔탈피 팽창(isenthalpic expansion) 그리고 냉매의 증발을 포함하는 열역학적 공정에서 냉매의 팽창, 특히 2상 영역에서의 냉매의 팽창은 높은 열역학적 손실과 결부되고, 이는 특히 20℃ 내지 45℃ 범위의 고압 열교환기의 냉매의 유출구 온도를 갖는 적용예에서 특징적이다. 다른 냉매를 사용하는 전통적인 임계 이하의 증기 냉각 공정과 정력적(energetic)으로 대등한 효율을 달성하기 위하여, 초월 임계적으로 작동하는 공정에서 냉매는 가동률적으로 팽창되어야 한다.
US 3 934 424 A호에는 냉매의 증기 냉각 공정을 위한 팽창-압축 장치가 기술된다. 상기 장치는 냉매를 팽창시키고, 팽창되는 냉매의 운동 에너지(kinetic energy)를 이용하여 상기 회전자를 구동시키는 반경 방향의 통로들을 갖는 회전자를 포함한다. 상기 회전자는 냉매를 압축하기 위해 압축기의 드라이브에 연결되어 있다. 그 결과 냉매가 증발 전에 팽창-압축 장치에 의해 가동률적으로 팽창되며, 이 경우 팽창 중에 얻어진 에너지는 냉매의 압축에 이용되며, 이로써 냉매 회로의 동작 효율이 증가된다.
팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트는 고압 열교환기의 유출구와 증발기로서 작동하는 열교환기 내부로 이어지는 유입구 사이에 배치되어 있다. 냉매가 상기 팽창 컴포넌트 내에서 고압 레벨에서 저압 레벨로 팽창될 때에는 운동 에너지가 회수되고, 이러한 운동 에너지는 구동 샤프트를 통해서 팽창 컴포넌트와 연결된 압축 컴포넌트 내에서 증발기의 유출구에서의 저압 레벨로부터 메인 압축기의 유입구에서의 상대적으로 더 높은 중간 압력 레벨로 냉매를 압축하기 위한 사전 압축된다. 상대적으로 큰 특정 증발 용량과 상대적으로 낮은 특정 압축 용량 외에 높은 압력 레벨 및 이와 연결된, 메인 압축기 내로 이어지는 유입구에서의 흡입 밀도는 또한 증기 냉각 공정의 더 높은 작동 효율을 야기한다.
종래 기술에 공지된 냉매 회로의 경우에는 팽창-압축 장치를 제어하기 위한 능동적 작동 부재가 제공되어 있어, 특히 다양한 주행 상황으로 인해 매우 불안정한 작동에서 다수의 상이한 부하점을 갖는 자동차의 공기 조화 시스템에서 효율적인 사용이 불가능하다.
또한, 장치의 팽창 컴포넌트 그리고 사전 압축을 위한 장치의 압축 컴포넌트는 냉매의 메인 질량 흐름 내에 각각 배치되어, 메인 압축기의 유입구에서의 냉매의 상태가 상기 팽창 압축 장치에 의해 직접 영향을 받는다. 따라서 예를 들어 자동차의 보다 높은 주행 속도, 냉매 회로의 고압 레벨 및 그에 따른 팽창-압축 장치의 에너지 회수 가능성이 낮다. 결과적으로, 장치의 팽창 컴포넌트로는 에너지를 더 적게 회수할 수 있기 때문에, 장치의 압축 컴포넌트의 유출구에서 압력 레벨 및 밀도도 낮아진다. 그러나 전체 시스템에서 냉매의 일정한 질량 흐름을 제공하여 증발기에서 냉각 용량을 일정하게 유지하기 위해서는, 특히 일정한 행정 체적을 갖고 전기적으로 구동되는 메인 압축기 사용 시 고속으로 작동되어야 한다. 압축기의 속도 변화는 차내의 소음으로 감지될 수 있다.
본 발명의 과제는 특히 전기식, 내연 기관식 또는 전기 및 내연 기관 결합식 드라이브를 갖는 자동차의 공기 조화 시스템을 위한 팽창-압축 장치를 갖는 냉매 회로를 제공하는 것이다. 상기 냉매 회로는 최대 열용량 또는 냉각 용량 그리고 최대 효율로 작동 가능해야 하며, 이 경우 냉매가 고압 레벨에서 저압 레벨로 또는 흡입 압력 레벨로 팽창될 때 운동 에너지가 회수되어야 하며, 그리고 이러한 운동 에너지는 특히 압축기 용량의 일부로서 사용될 수 있어야 한다. 또한, 팽창-압축 장치는 다양한 주행 상황으로 인해 매우 불안정한 작동에서 다수의 상이한 부하점을 갖는 자동차의 공기 조화 시스템에 사용하기에 적합해야 한다. 이와 동시에 예를 들면, 특히 압축기의 속도를 지속적으로 조정할 필요가 없이 증발기의 냉각 용량을 일정하게 유지하여 소음 배출을 최소화하고 차량 객실의 편안함을 증가시키기 위해 전체 시스템에서 냉매의 일정한 질량 흐름이 제공될 수 있어야 한다.
또한, 본 발명의 과제는 팽창-압축 장치를 구비한 냉매 회로, 특히 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립항들의 특징들을 갖는 대상 또는 방법에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속항들에 제시되어 있다.
상기 과제는 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로에 의해서 해결된다. 상기 냉매 회로는, 하나 이상의 압축기, 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동 가능한 제1 열교환기, 팽창 컴포넌트와 압축 컴포넌트를 갖는 팽창-압축 장치 그리고 냉매의 증발기로서 작동 가능한 제2 열교환기를 구비한다. 상기 공기 조화 시스템은 특히 내연 기관식 드라이브, 전기 차량으로도 지칭되는 전기식 드라이브 그리고 전기와 내연 기관 방식이 결합된 하이브리드 드라이브를 포함하는 자동차에 적합하다.
냉매의 액화가 예컨대 냉매 R134a를 사용하는 경우와 같은 냉매 회로의 임계 이하의 작동에서 이루어지거나 이산화탄소를 사용하는 특정 주변 조건에서 이루어지는 경우에는, 열교환기가 응축기로서 지칭된다. 열전달의 일부분은 일정한 온도에서 이루어진다. 임계 초과의 작동 또는 열교환기 내에서 임계 초과의 열이 방출되는 경우에는, 냉매의 온도가 일정하게 감소한다. 이 경우에는 열교환기가 가스 냉각기로도 지칭된다. 임계 초과의 작동은, 예컨대 이산화탄소를 냉매로서 사용하는 냉매 회로의 특정 주변 조건 또는 작동 방식에서 나타날 수 있다.
본 발명의 구상에 따르면, 냉매 회로는 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로를 포함하고, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점에서 입구까지 연장되는 방식으로 냉매가 서로 동시에 공급 가능하게 형성되어 있다. 이 경우 상기 유동 경로들의 입구는 압축기와 제1 열교환기 사이에 배치되어 있다. 또한, 상기 제1 유동 경로 내에서 냉매의 유동 방향으로는 팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트, 제2 열교환기 및 압축기가 형성되어 있고, 상기 제2 유동 경로 내에는 상기 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트가 형성되어 있다.
제1 유동 경로에는 바람직하게는 냉매의 메인 질량 흐름이 공급되고, 반면에 제2 유동 경로를 통해서는 바이패스 질량 흐름이 흐른다.
팽창 컴포넌트에 의해 냉매의 팽창으로부터 변환된 운동 에너지가 냉매를 압축하기 위한 압축 컴포넌트로 직접 전달되도록 팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트와 압축 컴포넌트는 기계적으로 서로 연결되어 있다.
팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트와 압축 컴포넌트는 바람직하게는 공동의 샤프트 상에 고정 배치되어 있다.
본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 제1 유동 경로와 제2 유동 경로의 분기점이 분리기 또는 컬렉터로서 형성되어 있다. 또한, 분기점에서 냉매가 제1 열교환기의 유출구에서보다 낮은 압력 레벨을 갖도록 상기 제1 열교환기와 분기점 사이에 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 배치되어 있다.
상기 냉매를 팽창시키기 위한 장치는 바람직하게는 팽창 부재로서, 특히 팽창 밸브로서 또는 팽창 기능을 갖춘 밸브로서, 특히 3-방향 밸브로서 형성되어 있다.
본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 제1 열교환기의 유출구에서의 냉매의 압력 레벨이 분기점 관류 후 냉매의 압력 레벨에 상응하도록 상기 분기점이 T자형 부재로서 형성되어 상기 제1 열교환기의 유출구에 배치되어 있다. 이 경우 상기 분기점의 T자형 부재는 냉매에 의해 거의 손실 없이 관류된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 내부 열교환기를 구비하는 냉매 회로가 형성되어 있고, 상기 내부 열교환기는 제1 유동 경로와 제2 유동 경로를 서로 열적으로 연결하도록 배치되어 있다. 내부 열교환기는 회로 내부 열교환기로 간주되며, 이 경우 상기 회로 내부 열교환기는 제1 유동 경로를 통해 안내되는 냉매와 제2 유동 경로를 통해 안내되는 냉매의 열전달을 위해 제공되어 있다.
특히 바람직하게, 내부 열교환기는 제1 유동 경로 내에서 상기 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로의 분기점과 팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트 사이에 배치되어 있다.
내부 열교환기는 제2 유동 경로 내에서는 바람직하게 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로의 분기점과 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트 사이에 배치되어 있다. 이 경우 냉매의 유동 방향으로 내부 열교환기 앞에는 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 배치되어 있다. 상기 냉매를 팽창시키기 위한 장치는 바람직하게는 팽창 부재로서, 특히 팽창 밸브로서 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제2 열교환기의 냉매의 유출구에 냉매의 상태를 결정하기 위한 센서가 배치되어 있다. 대안적으로 또는 추가로 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트로 이어지는 유입구에 냉매의 상태를 결정하기 위한 센서가 배치되어 있다. 이 경우 상기 센서는 바람직하게 각각 연결된 압력 센서/온도 센서로서 또는 압력 센서로서 또는 온도 센서로서 형성되어 있다.
분기점이 냉매의 분리기 또는 컬렉터로서 형성된 냉매 회로의 대안적인 제1 실시예에서, 냉매를 팽창시키기 위한 장치는 바람직하게 저압측 제1 유동 통로와 고압측 제2 유동 통로를 구비하는 서모스태틱 팽창 밸브로서 형성되어 있다. 이 경우 상기 제1 유동 통로는 제1 유동 경로 내에서 제2 열교환기의 유출구에 배치되어 있고, 그리고 상기 제2 유동 통로는 제1 열교환기와 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로의 분기점 사이에 배치되어 있다.
내부 열교환기를 갖는 냉매 회로의 대안적인 제2 실시예에서, 냉매를 팽창시키기 위한 장치는 바람직하게 저압측 제1 유동 통로와 고압측 제2 유동 통로를 구비하는 서모스태틱 도징 밸브로서 형성되어 있다. 이 경우 상기 제1 유동 통로는 제1 유동 경로 내에서 제2 열교환기의 유출구에 배치되어 있고, 그리고 상기 제2 유동 통로는 제2 유동 경로 내에서 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로의 분기점과 내부 열교환기 사이에 배치되어 있다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 상기 서모스태틱 팽창 밸브 또는 서모스태틱 도징 밸브는 이동 가능하게 지지된 폐쇄 부재를 구비하여 형성되어 있고, 이 폐쇄 부재는 제1 유동 통로 내에서 냉매의 상태에 따라 제1 유동 통로 내에서 2개의 끝 위치 사이 제2 유동 통로의 유동 단면적을 연속적으로 변경하도록 구성되어 있다. 냉매는 상기 제2 유동 통로를 관류할 때 팽창된다.
서모스태틱 팽창 밸브는 바람직하게는, 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 너무 낮거나 과열도가 너무 크면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 증가시키고, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 너무 크거나 과열도가 너무 적으면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 감소시키도록 구성되어 형성되어 있다.
서모스태틱 도징 밸브는 바람직하게 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 너무 낮거나 과열도가 너무 크면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 감소시키고, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 너무 크거나 과열도가 너무 낮으면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 증가시키도록 구성되어 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 추가 일 실시예에 따르면, 제3 유동 경로를 갖는 냉매 회로가 형성되어 있고, 상기 제3 유동 경로는 분기점에서 입구까지 연장된다. 이 경우 상기 입구는 제1 유동 경로 내에서 팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트와 제2 열교환기 사이에 배치되어 있다.
대안적인 제1 실시예에 따르면, 상기 제3 유동 경로의 분기점은 팽창 부재 및 냉매를 팽창시키기 위한 장치, 특히 하나 이상의 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성되어 있다. 이 경우 상기 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브 및 팽창 부재로서 형성된 제3 유동 경로의 분기점은 바람직하게는 제1 열교환기와 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로의 분기점 사이에 배치되어 있다. 대안적으로 하나 이상의 팽창 기능을 갖는 3-방향 밸브로서 형성된 제3 유동 경로의 분기점, 특히 내부 열교환기를 구비한 냉매 회로의 대안적인 제2 실시예에서 분기점은 바람직하게는 제1 유동 경로 내에서 분기점과 내부 열교환기 사이에 배치되어 있다.
대안적인 제2 실시예에 따르면, 제3 유동 경로의 분기점을 팽창 부재로서 형성하는 대신에, 제3 유동 경로 내에 팽창 부재가 제공되어 있다.
바람직하게 제2 유동 경로 내에서 냉매의 유동 방향으로 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트 다음에는 팽창 부재, 특히 팽창 밸브, 특히 전자식 팽창 밸브가 배치되어 있다.
냉매 회로는 또한 냉매의 유동 방향으로 제1 열교환기 다음에 배치된 적어도 하나의 컬렉터를 구비하여 형성될 수 있다.
마찬가지로 냉매 회로는 적어도 하나의 어큐뮬레이터를 포함할 수 있으며, 이 어큐뮬레이터는 냉매의 유동 방향으로 압축기의 유입구 앞에 배치되어 있다.
본 발명의 과제는 또한, 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서 해결된다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 냉매의 총 질량 흐름을 유동 경로들의 분기점에서 상기 제1 유동 경로를 통과하는 메인 질량 흐름과 상기 제2 유동 경로를 통과하는 바이패스 질량 흐름으로 분할하는 단계,
- 팽창-압축 장치의 팽창 컴포넌트를 관류할 때 상기 제1 유동 경로를 통해 안내되는 메인 질량 흐름의 냉매를 저압 레벨로 팽창시키는 단계,
- 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트를 관류할 때 상기 제2 유동 경로를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름의 냉매를 고압 레벨로 압축하는 단계, 이때 상기 팽창 컴포넌트를 관류할 때 상기 메인 질량 흐름의 냉매 팽창 시 변환된 운동 에너지가 상기 압축 컴포넌트를 관류할 때 바이패스 질량 흐름의 냉매를 압축하기 위해 사용되며, 그리고
- 상기 유동 경로들의 입구에서, 압축기 내에서 고압 레벨로 압축된 메인 질량 흐름의 냉매와 바이패스 질량 흐름의 냉매가 결합되는 단계.
제2 유동 경로를 통과하는 바이패스 질량 흐름의 냉매는 바람직하게 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축된다.
본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 총 질량 흐름의 냉매는 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되고, 분리기로서 형성된 분기점에서 액체 냉매로 이루어진 메인 질량 흐름과 증기 상태의 냉매로 이루어진 바이패스 질량 흐름으로 분할된다.
바람직하게는 상기 제1 유동 경로를 통해 안내되는 메인 질량 흐름의 냉매가 중간 압력 레벨에서 저압 레벨로 팽창되고, 그리고 상기 제2 유동 경로를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름의 냉매가 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축된다.
본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 고압 레벨의 냉매의 총 질량 흐름은 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름으로 분할된다. 이어서 상기 메인 질량 흐름의 냉매는 고압 레벨에서 저압 레벨로 그리고 바이패스 질량 흐름의 냉매는 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창된다.
추가 장점은, 제1 유동 경로와 제2 유동 경로를 열적으로 연결하는 내부 열교환기를 관류할 때, 고압 레벨의 메인 질량 흐름의 냉매가 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매로 열을 방출하면서 냉각되고, 반면에 중간 압력 레벨의 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매가 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매로부터 열을 흡수하면서 증발된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 중간 압력 레벨의 냉매가 2상 영역 내에 있도록 상기 냉매의 바이패스 질량 흐름의 중간 압력 레벨이 조절된다.
냉매의 중간 압력 레벨은 특히 본 발명의 대안적인 제1 실시예에서 바람직하게는, 분리기 내로 유입될 때 냉매가 2상 영역 내에서의 상태를 갖도록 상기 냉매의 중간 압력 레벨이 조절되고, 이 경우 상기 중간 압력 레벨의 조절에 의해 냉매의 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름의 비율이 설정된다.
본 발명의 바람직한 추가 일 실시예에 따르면, 냉매의 총 질량 흐름 또는 바이패스 질량 흐름이 증발기로서 작동하는 제2 열교환기의 유출구에서 냉매의 압력 및/또는 온도에 따라 또는 상기 팽창-압축 장치의 압축 컴포넌트 내로 이어지는 유입구에서 냉매의 압력 및/또는 온도에 따라 조절된다.
본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 냉매의 총 질량 흐름이 냉매의 유동 방향으로 분기점 앞에 형성된 팽창 부재에 의해 조절된다. 증발기로서 작동하는 열교환기의 유출구에서 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 낮거나 과열도가 높으면 상기 팽창 부재의 유동 단면적이 증가하고, 반면에 열교환기의 유출구에서 상기 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 높거나 과열도가 낮으면 상기 팽창 부재의 유동 단면적이 감소된다.
본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 냉매의 바이패스 질량 흐름은 바람직하게 냉매의 유동 방향으로 내부 열교환기 앞에 형성된 팽창 부재에 의해 조절된다. 증발기로서 작동하는 열교환기의 유출구에서 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 낮거나 과열도가 높으면 상기 팽창 부재의 유동 단면적이 감소하고, 상기 열교환기의 유출구에서 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 높거나 과열도가 낮으면 상기 팽창 부재의 유동 단면적이 증가된다.
팽창-압축 장치를 구비하는 본 발명에 따른 냉매 회로 및 상기 냉매 회로를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은 요약하면 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다:
- 냉매 회로의 모듈식 구조가 가능함으로써, 종래 방식의 냉매 회로가 메인 압축기, 증발기 또는 응축기/가스 냉각기를 변경할 필요 없이 추가 컴포넌트들을 포함하도록 확장될 수 있으며, 이러한 경우 상기 컴포넌트들의 최적화가 가능하며,
- 냉매 회로의 최대 열 용량 및 냉각 용량,
- 냉매 회로의 작동 시 최대 효율,
- 메인 압축기의 회전 속도가 감소될 수 있어 냉매 회로의 음향의 최소 소음 및 개선,
- 임계 이하의 범위에서 작동할 수 있는 R134a, R1234yf와 같은 냉매뿐만 아니라 임계 초과 범위에서 작동할 수 있는 R744와 같은 냉매도 사용 가능, 그리고
- 최소한의 작동 비용, 제조 비용 및 유지 보수 비용.
본 발명의 실시예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련된 도면들을 참조하여, 각각 분기점에서 입구까지 연장되는 제1 및 제2 유동 경로, 팽창-압축 장치, 압축기 그리고 제1 및 제2 열교환기를 구비한 냉매 회로들의 실시예들의 하기의 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1a는 분리기 또는 컬렉터로서 형성된 분기점을 갖는 제1 냉매 회로를 도시하고,
도 1b는 도 1a의 냉매 회로의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램을 도시하며,
도 2a는 팽창-압축 장치의 둘레를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로를 갖는 도 1a의 제1 냉매 회로와 유사한 제2 냉매 회로를 도시하고,
도 2b는 도 2a의 냉매 회로의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램을 도시하며,
도 3은 서모스태틱 팽창 밸브를 갖는 도 1a의 제1 냉매 회로와 유사한 제3 냉매 회로를 도시하고,
도 4는 팽창-압축 장치의 둘레를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로를 갖는 도 3의 제3 냉매 회로와 유사한 제4 냉매 회로를 도시하며,
도 5a는 내부 열교환기를 갖는 제5 냉매 회로를 도시하고,
도 5b는 도 5a의 냉매 회로의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램을 도시하며,
도 6a는 팽창-압축 장치의 둘레를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로를 갖는 도 5a의 제5 냉매 회로와 유사한 제6 냉매 회로를 도시하며,
도 6b는 도 6a의 냉매 회로의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램을 도시하고,
도 7은 서모스태틱 도징 밸브를 갖는 도 5a의 제5 냉매 회로와 유사한 제7 냉매 회로를 도시하며,
도 8은 팽창-압축 장치의 둘레를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로를 갖는 도 7의 제7 냉매 회로와 유사한 제8 냉매 회로를 도시하며, 그리고
도 9는 스위치-오프 기능을 갖는 서모스태틱 팽창 밸브와 팽창 기능이 없는 제어 밸브를 갖는 도 8의 제8 냉매 회로와 유사한 제9 냉매 회로를 도시한다.
도 1a에는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제1 냉매 회로(1a)가 도시되어 있다. 상기 냉매 회로(1a)는 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하여 형성되어 있고, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되고 서로 평행하게 진행된다. 상기 분기점(8)은 분리기(8a) 또는 컬렉터로서 형성되어 있다.
상기 제1 유동 경로(6) 내부에는 냉매의 흐름 방향으로 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a), 증발기로서 작동하는 제2 열교환기(5) 및 냉매 회로(1a)의 메인 압축기로서 작동하는 압축기(2)가 형성되어 있다. 제1 유동 경로(6)에는 분리기(8a) 또는 컬렉터로부터 나온 액체 냉매가 공급된다. 상기 액체 냉매는, 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때, 중간 압력 레벨에서 저압 레벨로, 2상 영역으로 가동률적으로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 증발기(5)를 관류할 때는 냉매의 액체 부분이 열을 흡수하면서 증발된다. 그 다음 냉매는 압축기(2)에 의해 흡입되어 고압 레벨로 압축된다.
제1 유동 경로(6)의 바이패스로서 형성된 제2 유동 경로(7)의 내부에는, 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)가 배치되어 있다. 제2 유동 경로(7)에는 분리기(8a) 또는 컬렉터로부터 나온 기체상 냉매가 공급된다. 상기 냉매는, 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)를 관류할 때, 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축된다.
입구(9) 상에서는 제1 유동 경로(6)를 통해 안내되는 메인 질량 흐름과 제2 유동 경로(7)를 통해 안내되는 바이패스 흐름이 혼합되어 제1 열교환기(3)로 가이드된다. 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제1 열교환기(3)를 관류할 때 상기 냉매는 열 방출 하에 액화되고, 그런 다음 팽창 부재(10)를 관류할 때 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되어 분리기(8a)에 공급된다. 냉매 회로(1a)는 폐쇄되어 있다. 팽창 부재(10)는 바람직하게는 팽창 밸브로서 형성될 수 있다.
냉매 회로(1a) 내부에서의 냉매의 상태 및 상태 변화는 냉매 회로(1a)의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램으로 도 1b에 도시되어 있다. 도면 부호들은 각각 냉매 회로(1a)의 컴포넌트를 관류할 때의 상태 변화 또는 냉매 회로(1a)의 특정 지점에서의 상태를 보여준다.
제1 유동 경로(6) 내에서 흡입 측에 배치된 증발기(5) 및 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a), 압축기(2) 그리고 예를 들어, 도면에 도시되지 않은 칠러 또는 어큐뮬레이터의 둘레를 우회하는 바이패스로서 형성된 제2 유동 경로(7)에 의해서는 총 질량 흐름이 냉매의 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름으로 분할될 수 있다. 상기 총 질량 흐름은 냉매의 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름의 합으로서, 고압 측에 배치된 응축기/가스 냉각기(3) 그리고 팽창 부재(10)를 통해서 분리기(8a) 내부로 흐른다. 냉매의 총 질량 흐름은, 고압 측에 배치된 제1 열교환기(3) 및 팽창 부재(10)의 하류 측에 배치된 분기점(8)에서 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름으로 분할된다. 이때 냉매는 중간 압력 레벨로 배치된 분리기(8a) 내에서 메인 질량 흐름으로서 제1 유동 경로(6) 내로 공급되는 액체 비율과 바이패스 질량 흐름으로서 제2 유동 경로(7) 내로 공급되는 기체상 비율로 분리되어 분할된다.
이러한 경우 냉매의 중간 압력 레벨은, 분리기(8a) 내로 유입될 때 냉매가 2상 영역 내부에서 하나의 상태를 갖는 방식으로 조절된다. 중간 압력 레벨의 변화에 의해서는 상기 비율들, 특히, 따라서 액체와 기체상의 질량 비율들 그리고 이와 더불어 냉매의 바이패스 질량 흐름에 대한 메인 질량 흐름의 비율도 변경되며, 이 경우 특히, 상기 바이패스 질량 흐름은 분리기(8a) 내부로 이어지는 유입구에서 증기 질량 분율(steam mass fraction)의 결과로서 조절된다.
압축기(2)의 회전 속도와 바이패스 질량 흐름에 의해 결정된 냉매의 총 질량 흐름은 증발기(5)의 유출구에서 또는 분기점(8, 8a) 영역에서, 특히 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)로 이어지는 유입구에서의 냉매의 압력 및/또는 온도에 따라 팽창 부재(10)에 의해 중간 압력 레벨로 조절된다. 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력 및/또는 온도는 센서(11)에 의해 결정된다. 대안적인 실시 형태에 따르면, 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내부로 이어지는 유입구에서 냉매의 바이패스 질량 흐름의 압력 및/또는 온도는 센서(12)에 의해 검출된다. 이 경우 상기 센서(11, 12)는 각각 연결된 압력 센서/온도 센서로서 또는 압력 센서로서 또는 온도 센서로서 형성되어 있다.
한편으로는 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력이 너무 낮거나 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 높은 경우에는, 팽창 부재(10)의 유동 단면적, 즉 상기 팽창 부재(10)가 추가로 개방된다. 다른 한편으로는 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력이 너무 높거나 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 낮은 경우에는, 팽창 부재(10)의 유동 단면적, 즉 상기 팽창 부재(10)가 추가로 폐쇄된다.
인용한 제어 전략은 센서(12)에 의한 제어에 적용될 수 있으며, 이 경우 압력 또는 온도에 대한 목표값이 높은 레벨에 있다. 상기 센서(12)에 의해 검출되는 압력 또는 온도 값은 미리 주어진 목표값들에 따라 중간 압력 레벨을 직접 조절하기 위해서 사용되며, 상기 목표값들은 예를 들어, 조절을 위해 작동점에 따라 최적화된 중간 압력 레벨의 특성 필드에 저장되어 있다.
팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 회수되는, 냉매의 메인 질량 흐름의 운동 에너지는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)를 통과하는 바이패스 흐름을 압축하기 위해 사용된다. 이때 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 및 압축 컴포넌트(4b)는 공통의 기계적 샤프트 상에 배치될 수 있으며, 그 결과 상기 컴포넌트들 간의 운동 에너지가 직접 전달된다.
바이패스 질량 흐름을 압축할 때 추가적으로 발생하는 열은 냉매 회로의 작동 모드 또는 자동차의 공기 조화 시스템에 따라, 응축기/가스 냉각기(3)에서 주변으로 또는 객실에 공급될 공기 질량 흐름으로 전달된다. 따라서 열은 공기 조화 시스템이 열 펌프 모드 또는 재열 모드로 작동할 때 객실의 공기를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
도 2a는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제2 냉매 회로(1b)를 도시한다. 상기 제2 냉매 회로(1b)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분리기(8a)로서 형성된 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장된다. 따라서 제2 냉매 회로(1b)는 도 1a의 제1 냉매 회로(1a)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1a, 1b)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1a, 1b)들의 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 1a의 제1 냉매 회로(1a)와 도 2a의 제2 냉매 회로(1b)의 주요 차이점은 분기점(13)에서 입구(15)까지 연장되는, 팽창-압축 장치(4)를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로(14)의 형성에 있다. 이 경우 제1 열교환기(3)와 분리기(8a) 사이에 배치된 분기점(13)은 팽창 기능을 갖는 3-방향 밸브로서 그리고 특수하게는 제1 냉매 회로(1a)의 팽창 부재(10)를 대체하는 팽창 부재(13a)로서 형성되어 있다. 상기 3-방향 밸브는 특히 도 2a에 따르면 3/2-방향 밸브 또는 3/3-방향 밸브로서 형성되어 있다. 도면에 도시되지 않은 대안적인 일 실시 형태에 따르면, 상기 3-방향 밸브 대신, 별도의 제어 가능한 팽창 부재, 특히 팽창 밸브가 제공되어 있다. 입구(15)는 제1 유동 경로(6) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 제2 열교환기(5) 사이에 배치되어 있으며, 그 결과 상기 팽창-압축 장치(4)는 필요한 경우 작동 정지될 수 있다.
따라서 팽창-압축 장치(4)는 특히, 저부하 범위의 특정 작동 모드에서 사이클 작동(cycle operation)을 피하기 위해 비활성화될 수 있다. 이 경우 냉매의 총 질량 흐름은 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 분기점(13)을 관류할 때 고압 레벨에서 곧바로 저압 레벨로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 특별한 작동 모드는 제2 냉매 회로(1b)의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램이 도시된 도 2b에도 나타나며, 이때 상기 압력-엔탈피 다이어그램은 파선으로 도시되어 있다. 분리기(8a)로의 유동 경로는 폐쇄되어 있다. 제3 유동 경로(14)가 폐쇄된 냉매 회로(1b)의 작동 동안, 냉매는 팽창 기능(13)을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 분기점(13) 또는 팽창 부재(13a)를 관류할 때 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되어 분리기(8a)로 공급된다.
3/2-방향 밸브 대신 3/3-방향 밸브로서 팽창 부재가 통합된 분기점(13)의 형성으로, 냉매 회로(1b)의 동작 모드들 사이에서는 팽창-압축 장치(4)의 작동 ON 및 OFF 전환이 더욱 용이하게 수행될 수 있다. 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로의 냉매/오일 이동 또는 고압 레벨로의 냉매의 의도치 않은 역방향 오버플로우를 피하기 위해, 제2 유동 경로(7) 내에는 체크 부재(16)가 제공되어 있다. 특히, 체크 밸브로서 형성된 체크 부재는 압축 컴포넌트(4b)와 입구(9) 사이에 배치되어 있다. 상기 체크 부재(16) 대신에 대안적으로 활성 차단 밸브도 제공될 수 있다.
도 3에는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제3 냉매 회로(1c)가 도시되어 있다. 상기 제3 냉매 회로(1c)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분리기(8a)로서 형성된 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장된다. 따라서 제3 냉매 회로(1c)는 도 1a의 제1 냉매 회로(1a)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1a, 1b, 1c)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1a, 1b, 1c)들의 동일한 컴포넌트에는 재차 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 1a의 제1 냉매 회로(1a)와 도 3의 제3 냉매 회로(1c)의 주요 차이점은 팽창 부재(17a)로서 서모스태틱 팽창 부재의 형성에 있으며, 이 경우 상기 팽창 부재는 활성 팽창 부재(10) 및 제1 유동 경로(6) 내에서 증발기(5)의 유출구에 배치된 센서(11) 또는 대안적으로 제2 유동 경로(7) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로 이어지는 유입구에 제공된, 제1 냉매 회로(1a)의 센서(12)를 대체한다.
제1 유동 통로를 갖는 저압측에서 증발기(5)의 유출구에 배치된 서모스태틱 팽창 밸브(17a)는 특히, 기체상 냉매에 의해 관류되며, 그 결과 상기 팽창 부재(17a) 내 냉매의 압력 또는 온도에 따라, 구 모양의 헤드를 갖는 태핏으로서 형성된 폐쇄 부재(18a)가 이동된다. 서모스태틱 팽창 밸브(17a)는 제2 유동 통로를 갖는 고압측에서 제1 열교환기(3)와 분리기(8a) 사이에 배치되어 있다.
폐쇄 부재(18a)의 헤드는 팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적을 형성하고, 고압측 관류가 중단되거나 연속적으로 조절될 수 있도록 배치되어 있다. 제2 유동 통로를 관류할 때에는 고압 레벨의 냉매가 팽창된다.
이 경우 한편으로는 증발 압력이 너무 낮거나 증발기(5)의 유출구에서의 냉매의 과열도가 높은 경우에는 팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적이 증가되며, 즉 추가로 개방된다. 다른 한편으로 팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 경로의 유동 단면적은 증기 압력이 너무 높거나, 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 낮은 경우에는 감소되며, 즉 추가로 폐쇄된다.
팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적 증가는, 분리기(8a) 내에서는 냉매의 증기 질량 분율이 감소되기 때문에, 상기 분리기(8a) 내에서의 냉매의 중간 압력 레벨의 상승 그리고 이와 더불어 제2 유동 경로(7)에 의한 냉매의 바이패스 질량 흐름의 감소를 야기한다. 냉매의 바이패스 질량 흐름 감소는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)의 부하 감소를 유발하고, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 비교적 적은 냉매 팽창을 야기하며, 결과적으로 냉매의 저압 레벨 및 증발 압력이 상승되고, 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 증가하며, 그리고 이에 따라 증발기(5)의 유출구에서의 냉매의 과열도가 감소한다.
팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적 감소는, 분리기(8a) 내에서 냉매의 증기 질량 분율이 증가되기 때문에, 상기 분리기(8a) 내에서 냉매의 중간 압력 레벨 감소 그리고 이와 더불어 제2 유동 경로(7)를 통과하는 냉매의 바이패스 질량 흐름 증가를 야기한다. 냉매의 바이패스 질량 흐름 증가는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)의 부하 증가를 유발하고, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 비교적 큰 냉매 팽창을 야기하며, 결과적으로 냉매의 저압 레벨 및 증발 압력이 감소되고, 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 감소하며, 그리고 이에 따라 증발기(5)의 유출구에서의 냉매의 과열도가 증가한다.
도 4는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제4 냉매 회로(1d)를 도시한다. 상기 제4 냉매 회로(1d)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7) 그리고 서모스태틱 팽창 밸브(17a)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분리기(8a)로서 형성된 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장된다. 따라서 제4 냉매 회로(1d)는 도 3의 제3 냉매 회로(1c)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1c, 1d)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1c, 1d)들의 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 3의 제3 냉매 회로(1c)와 도 4의 제4 냉매 회로(1d)의 주요 차이점은 팽창-압축 장치(4)의 둘레를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로(14)의 형성에 있으며, 이때 상기 제3 유동 경로는 분기점(13)에서 입구(15)까지 연장된다. 상기 제3 유동 경로(14) 내부에는 추가 팽창 부재(19)가 제공되어 있다. 바람직하게는 팽창 밸브로서 형성된 상기 추가 팽창 부재(19)는 전자식 팽창 밸브뿐만 아니라 서모스태틱 밸브로도 설계될 수 있다. 분기점(13)은 제1 열교환기(3)와 서모스태틱 팽창 밸브(17a)의 고압측 사이에 배치되어 있고, 반면에 입구(15)는 제1 유동 경로(6) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 제2 열교환기(5) 사이에 형성되어 있으며, 그 결과 상기 팽창-압축 장치(4)는 특히, 저부하 범위의 특정 작동 모드에서 사이클 작동을 피하기 위해 필요한 경우 작동 정지될 수 있다.
냉매의 총 질량 흐름은 추가 팽창 부재(19)를 관류할 때 고압 레벨에서 곧바로 저압 레벨로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 이 경우 서모스태틱 팽창 밸브(17a) 및 분리기(8a)의 고압 측 유동 경로를 폐쇄 상태로 유지할 수 있도록 서모스태틱 팽창 밸브(17a)는 스위치-오프 기능이 형성되어 있다. 도면에 도시되지 않은 대안적인 일 실시 형태에 따르면, 고압측 유동 경로 내에서 냉매의 유동 방향으로 서모스태틱 팽창 밸브(17a) 앞에 또는 뒤에는 추가 차단 밸브가 장치되어 있다. 제3 유동 경로(14)가 폐쇄된 냉매 회로(1d)의 작동 동안, 냉매는 서모스태틱 팽창 밸브(17a)의 고압측 유동 통로를 관류할 때 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되어 분리기(8a)로 공급된다.
팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로의 냉매/오일 이동 또는 고압 레벨로의 냉매의 의도치 않은 역방향 오버플로우를 피하기 위해, 제2 유동 경로(7) 내에는 마찬가지로 체크 부재(16)가 제공되어 있다. 특히, 체크 밸브로서 형성된 체크 부재는 압축 컴포넌트(4b)와 입구(9) 사이에 배치되어 있다. 상기 체크 부재(16) 대신에 대안적으로 활성 차단 밸브 또는 전자식 팽창 밸브도 제공될 수 있으며, 상기 전자식 팽창 밸브는 압력 손실을 방지하기 위해 전체 유동 단면적을 개방하도록 형성되어 있다.
도 5a에는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제5 냉매 회로(1e)가 도시되어 있다. 상기 제5 냉매 회로(1e)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되고 서로 평행하게 진행된다. 상기 분기점(8)은 냉매의 유동 방향으로 제1 열교환기(3) 바로 다음에 배치되어 있다. 제5 냉매 회로(1e)는 또한 내부 열교환기(21)를 구비하여 형성되어 있고, 이 내부 열교환기는 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)를 서로 열적으로 연결한다.
제1 유동 경로(6) 내에서, 냉매의 유동 방향으로는 내부 열교환기(21)의 고압측, 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a), 증발기로서 작동하는 제2 열교환기(5) 그리고 냉매 회로(1e)의 메인 압축기로서 작동하는 압축기(2)가 형성되어 있다. 제1 유동 경로(6) 내로 유입되는 액체 냉매는 내부 열교환기(21)의 고압측을 관류할 때 과냉각되고, 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때는 고압 레벨에서 저압 레벨로 2상 영역으로 가동률적으로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 증발기(5)를 관류할 때, 냉매의 액체 부분은 열을 흡수하면서 증발된다. 그 다음 냉매는 압축기(2)에 의해 흡입되어 고압 레벨로 압축된다.
제1 유동 경로(6)의 바이패스로서 형성된 제2 유동 경로(7)의 내부에서 냉매의 유동 방향으로는 팽창 부재(20), 내부 열교환기(21)의 중간 압력측 그리고 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)가 배치되어 있다. 제2 유동 경로(7) 내로 유입되는 액체 냉매는 바람직하게는 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(20)를 관류할 때 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 2상 영역으로 팽창되어 내부 열교환기(21)의 중간 압력측에 공급된다. 내부 열교환기(21)의 중간 압력측을 관류할 때 냉매의 액체 부분은 열을 흡수하면서 증발된다. 후속해서 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)를 관류할 때 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축된다.
내부 열교환기(21)는 제1 유동 경로(6)를 통해 안내되는 고압 레벨 냉매와 제2 유동 경로(7)를 통해 안내되는 중간 압력 레벨 냉매 사이 열전달에 사용되는 회로 내부 열교환기를 의미한다. 내부 열교환기(21)에는 바람직하게 역류식으로 냉매가 공급된다.
입구(9)에서는 제1 유동 경로(6)를 통해 안내되는 메인 질량 흐름과 제2 유동 경로(7)를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름이 혼합되어 제1 열교환기(3)로 가이드된다. 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제1 열교환기(3)를 관류할 때 냉매는 열을 방출하면서 액화된다. 냉매 회로(1e)는 폐쇄되어 있다.
냉매 회로(1e) 내부에서의 냉매의 상태 및 상태 변화는 냉매 회로(1e)의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램으로 도 5b에 도시되어 있다. 도면 부호들은 각각 냉매 회로(1e)의 컴포넌트를 관류할 때의 상태 변화 또는 냉매 회로(1e)의 특정 지점에서의 상태를 보여준다.
제5 냉매 회로(1e)의 형성에서 냉매의 바이패스 질량 흐름은, 후속해서 내부 열교환기(21)로 가이드되기 전에, 제2 유동 경로(7) 내에서 응축기/가스 냉각기(3)의 유출구에 배치된 분기점(8) 다음에 배치된 팽창 부재(20)에 의해 조절될 수 있다. 내부 열교환기(21) 내부에서 제1 유동 경로(6)를 통해 흐르는 냉매의 메인 질량 흐름은 고압 레벨 그리고 이와 더불어 중간 압력 레벨을 갖는 바이패스 질량 흐름보다 높은 온도의 중간 압력 레벨로 있으며, 그 결과 냉매 회로(1e)의 미임계 작동 시 내부 열교환기(21) 내부에서의 열전달에 의해 바이패스 질량 흐름의 증기 질량 분율이 증가되거나 상기 바이패스 질량 흐름이 과열되고, 또는 냉매 회로(1e)의 미임계 작동 시 상기 바이패스 질량 흐름이 가열되며, 반면에 메인 질량 흐름은 냉매 회로(1e)의 초임계 작동 시 경우에 따라 응축되고 과냉각되거나 냉매 회로(1e)의 초임계 작동 시 냉각된다. 내부 열교환기(21)를 갖는 냉매 회로(1e)는 특히, 초임계 영역에서의 냉매 회로(1e)의 작동에 유리한데, 그 이유는 냉매의 고압 레벨이 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 내로 유입되기 전에 먼저, 위상 분리를 가능하게 하기 위해 강제적으로 중간 압력 레벨로 감소될 필요가 없기 때문이다. 이로써 팽창-압축 장치(4)에 의해 회수될 수 있는 운동 에너지에 대한 가능성이 더 높게 유지된다.
냉매의 바이패스 질량 흐름은 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 압력 및/또는 온도에 따라 또는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로 이어지는 유입구에서 팽창 부재(20)에 의해 중간 압력 레벨로 조절된다. 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력 및/또는 온도는 센서(11)에 의해 결정된다. 대안적인 실시 형태에 따르면, 냉매의 바이패스 질량 흐름의 압력 및/또는 온도는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로 이어지는 유입구에서는 센서(12)에 의해 검출된다. 이 경우 센서(11, 12)는 각각 연결된 압력 센서/온도 센서로서 또는 압력 센서로서 또는 온도 센서로서 형성되어 있다.
한편으로는, 특히 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)에 대한 부하가 감소되기 때문에 증발기(5)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름을 증가시키고 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)의 스로틀 효과를 감소시키기 위해, 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력이 너무 낮거나 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 높은 경우에는, 팽창 부재(20)의 유동 단면적, 즉 상기 팽창 부재(20)가 추가로 폐쇄된다. 다른 한편으로는, 특히 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)에 대한 부하가 증가되기 때문에 증발기(5)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름을 감소시키고 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)의 스로틀 효과를 증가시키기 위해, 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 메인 질량 흐름의 압력이 너무 높거나 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 낮은 경우에는, 팽창 부재(20)의 유동 단면적, 즉 상기 팽창 부재(20)가 추가로 개방된다.
인용한 제어 전략은 센서(12)에 의한 제어에 적용될 수 있으며, 이 경우 내부 열교환기(21)의 유출구에서 냉매의 바이패스 질량 흐름의 압력이 너무 낮거나 내부 열교환기(21)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 높은 경우에는, 팽창 부재(20)의 유동 단면적이 증가하며, 즉 팽창 부재(20)이 추가로 개방된다.
팽창 부재(20)의 유동 단면적 증가는, 제2 유동 경로(7)를 통과하는 바이패스 질량 흐름을 증가시키고, 이와 더불어 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)뿐만 아니라 팽창 컴포넌트(4a)에 대한 부하도 증가시키며, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 관류 시 냉매를 더 많이 팽창시키며, 그 결과 저압 레벨 및 냉매의 증발 압력이 감소되고 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 감소하며, 그리고 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 증가된다.
팽창 부재(20)의 유동 단면적 감소는, 제2 유동 경로(7)를 통과하는 바이패스 질량 흐름을 감소시키고, 이와 더불어 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)뿐만 아니라 팽창 컴포넌트(4a)에 대한 부하도 감소시키며, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 관류 시 냉매를 더 적게 팽창시키며, 그 결과 저압 레벨 및 냉매의 증발 압력이 상승하고 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 증가하며, 그리고 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 감소된다.
팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 회수되는 냉매의 메인 질량 흐름의 운동 에너지는 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름을 압축하는데 사용된다. 이때 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 및 압축 컴포넌트(4b)는 공통의 기계적 샤프트 상에 배치될 수 있어, 운동 에너지가 컴포넌트들 사이에서 직접 전달된다.
도 6a는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제6 냉매 회로(1f)를 도시한다. 상기 제6 냉매 회로(1f)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되고, 내부 열교환기(21)를 통해서 서로 열적으로 연결되어 있다. 따라서 제6 냉매 회로(1f)는 도 5a의 제5 냉매 회로(1e)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1e, 1f)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1e, 1f)들의 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 5a의 제5 냉매 회로(1e)와 도 6a의 제6 냉매 회로(1f)의 주요 차이점은 분기점(13)에서 입구(15)까지 연장되는, 팽창-압축 장치(4)를 우회하는 바이패스로서 제3 유동 경로(14)의 형성에 있다. 이 경우 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7) 사이에 배치된 제3 유동 경로(14)의 분기점(13)은 팽창 기능을 갖는 3-방향 밸브로서 그리고 특수하게는 팽창 부재(13b)로서, 특히 3/2-방향 밸브 또는 3/3-방향 밸브로서 형성되어 있다. 도면에 도시되지 않은 대안적인 일 실시 형태에 따르면, 상기 3-방향 밸브 대신, 별도의 제어 가능한 2개의 밸브, 즉 특히 팽창 밸브와 차단 밸브가 제공되어 있다. 입구(15)는 제1 유동 경로(6) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 제2 열교환기(5) 사이에 배치되어 있으며, 그 결과 상기 팽창-압축 장치(4)는 필요한 경우 작동 정지될 수 있다.
따라서 팽창-압축 장치(4)는 특히, 저부하 범위의 특정 작동 모드에서 사이클 작동을 피하기 위해 비활성화될 수 있다. 이 경우 냉매의 총 질량 흐름은 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 분기점(13) 또는 팽창 부재(13b)를 관류할 때 고압 레벨에서 곧바로 저압 레벨로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 특별한 작동 모드는 제6 냉매 회로(1f)의 임계 이하의 작동에 대한 압력-엔탈피 다이어그램이 도시된 도 6b에도 나타나며, 이때 상기 압력-엔탈피 다이어그램은 파선으로 도시되어 있다. 내부 열교환기(21)를 갖는 제1 유동 경로(6) 및 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)의 영역 그리고 제2 유동 경로(7), 특히 팽창 부재(20)는 폐쇄되어 있다.
팽창 기능(13)을 갖춘 3-방향 밸브로서 그리고 팽창 부재(13b)로서 형성된 분기점(13)에 의해서는 선택적으로 제3 유동 경로(14)가 증발기(5)의 방향으로 개방되거나 폐쇄될 수 있고, 또는 제1 유동 경로(6)가 내부 열교환기(21)의 방향으로 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 이 경우, 팽창-압축 장치(4)의 작동 유무에 관계없이 냉매 회로(1f)의 작동 모드들 사이에서 서서히 전환하기 위해 분기점(13)은 양방향으로 적어도 부분적으로 개방될 수 있다.
팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로의 냉매/오일 이동 또는 고압 레벨로의 냉매의 의도치 않은 역방향 오버플로우를 피하기 위해, 제2 유동 경로(7) 내에는 체크 부재(16)가 제공되어 있다. 특히, 체크 밸브로서 형성된 체크 부재(16)는 압축 컴포넌트(4b)와 입구(9) 사이에 배치되어 있다. 상기 체크 부재(16) 대신에 대안적으로 활성 차단 밸브 또는 전자식 팽창 밸브도 제공될 수 있으며, 상기 전자식 팽창 밸브는 압력 손실을 방지하기 위해 전체 유동 단면적을 개방하도록 형성되어 있다.
도 7에는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제7 냉매 회로(1g)가 도시되어 있다. 상기 제7 냉매 회로(1g)도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되고, 내부 열교환기(21)를 통해서 서로 열적으로 연결되어 있다. 따라서 제7 냉매 회로(1g)는 도 5a의 제5 냉매 회로(1e)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1e, 1f, 1g)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1e, 1f, 1g)들의 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 5a의 제5 냉매 회로(1e)와 도 7의 제7 냉매 회로(1g)의 주요 차이점은 제2 유동 경로(7)를 통해 흐르는 냉매를 위한 팽창 부재(17b)로서 서모스태틱 도징 밸브의 형성에 있으며, 이 경우 상기 팽창 부재는 활성 팽창 부재(20) 및 제1 유동 경로(6) 내에서 증발기(5)의 유출구에 배치된 센서(11) 또는 대안적으로 제2 유동 경로(7) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로 이어지는 유입구에 제공된, 제5 냉매 회로(1e)의 센서(12)를 대체한다.
제1 유동 통로를 갖는 저압측에서 증발기(5)의 유출구에 배치된 서모스태틱 도징 밸브(17b)는 특히, 기체상 냉매에 의해 관류되며, 그 결과 상기 도징 밸브(17b) 내부에서 냉매의 압력 또는 온도에 따라, 구 모양의 헤드를 갖는 태핏으로서 형성된 폐쇄 부재(18b)가 이동된다. 서모스태틱 도징 밸브(17b)는 제2 유동 통로를 갖는 고압측에서 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)의 분기점(8)과 내부 열교환기(21) 사이에 배치되어 있다. 폐쇄 부재(18a)의 헤드는 도징 밸브(17b)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적을 형성하고, 그리고 고압측 관류가 중단되거나 연속적으로 조절될 수 있도록 영향을 주는 방식으로 배치되어 있다. 제2 유동 통로(7)를 관류할 때에는 고압 레벨의 냉매가 중간 압력 레벨로 팽창된다.
결과적으로 팽창 밸브의 기능을 충족시키는 서모스태틱 도징 밸브(17b)는 도 3 및 도 4에 따른 냉매 회로(1c, 1d)의 팽창 밸브(17a)와 비교하면, 냉매의 고압측 질량 흐름이 서모스태틱 팽창 밸브(17a)의 사용에 반대 방식으로 조절됨으로써 구별된다.
이 경우 한편으로는 증발 압력이 너무 낮거나 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 높은 경우에는 도징 밸브(17b)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적이 감소되며, 즉 추가로 폐쇄된다. 다른 한편으로 증기 압력이 너무 높거나, 증발기(5)의 유출구에서 냉매의 과열도가 너무 낮은 경우에는 도징 밸브(17b)의 고압측 유동 경로의 유동 단면적이 증가되며, 즉 추가로 개방된다.
도징 밸브(17b)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적 증가는 제2 유동 경로(7)를 통과하는 냉매의 바이패스 질량 흐름의 증가 및 이와 더불어 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)에 대한 부하를 야기하고, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 냉매를 더 많이 팽창시키며, 결과적으로 냉매의 저압 레벨 및 증발 압력 그리고 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 감소하며, 그리고 이에 따라 증발기(5)의 유출구에서의 냉매의 과열도가 증가한다.
도징 밸브(17b)의 고압측 유동 통로의 유동 단면적 감소는, 제2 유동 경로(7)를 통과하는 냉매의 바이패스 질량 흐름의 감소 및 이와 더불어 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)에 대한 부하를 야기하고, 이는 재차 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 냉매를 더 적게 팽창시키며, 결과적으로 냉매의 저압 레벨 및 증발 압력 그리고 제1 유동 경로(6)를 통과하는 냉매의 메인 질량 흐름이 증가하며, 그리고 이에 따라 증발기(5)의 유출구에서의 냉매의 과열도가 감소한다.
도 8 및 9는 압축기(2), 제1 열교환기(3), 팽창-압축 장치(4) 및 제2 열교환기(5)를 갖는 제8 냉매 회로(1h) 또는 제9 냉매 회로(1i)를 도시한다. 상기 냉매 회로(1h, 1i)들도 마찬가지로 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7) 그리고 서모스태틱 도징 밸브(17b)를 구비하며, 이때 상기 제1 유동 경로와 제2 유동 경로는 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되고, 내부 열교환기(21)를 통해서 서로 열적으로 연결되어 있다. 따라서 냉매 회로(1h, 1i)들은 도 7의 제7 냉매 회로(1g)와 유사하게 형성되어 있다. 상기 냉매 회로(1g, 1h, 1i)들은 기능도 유사하다. 또한, 상기 냉매 회로(1g, 1h, 1i)들의 동일한 컴포넌트에는 동일한 도면 부호가 제공되었다.
도 7의 제7 냉매 회로(1g)와 도 8의 제8 냉매 회로(1h) 및 도 9의 제9 냉매 회로(1i)의 주요 차이점은 팽창-압축 장치(4)의 바이패스로서 제3 유동 경로(14)의 형성에 있으며, 이때 상기 제3 유동 경로는 분기점(13)에서 입구(15)까지 연장된다.
제1 열교환기(3)와 제1 유동 경로(6)과 제2 유동 경로(7)의 분기점(8) 사이에 배치된 제3 유동 경로(14)의 분기점(13)은 도 8에 따른 제8 냉매 회로(1h)의 실시 형태에서 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 그리고 특수하게는 팽창 부재(13b), 특히 3/2-방향 밸브 또는 3/3-방향 밸브로서 형성되어 있다. 도 8의 냉매 회로(1h)와 비교해 도 9에 따른 제9 냉매 회로(1i)의 실시 형태에서는 3-방향 밸브 대신 팽창 부재(13b)로서 분기점(13) 외에 별도의 제어 가능한 2개의 밸브(22, 23), 특히 팽창 밸브(22)와 차단 밸브(23)가 제공되어 있다. 팽창 밸브(22)로서 형성된 팽창 부재(22)는 바람직하게 도면에 도시되지 않은, 특히 차단 기능을 갖춘 서모스태틱 팽창 밸브로서 형성되어 있으며, 이때 상기 팽창 밸브에는 흡입측에서 증발기(5)로부터 흘러나오는 냉매가 공급된다.
입구(15)는 제1 유동 경로(6) 내에서 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 제2 열교환기(5) 사이에 배치되어 있으며, 그 결과 상기 팽창-압축 장치(4)는 필요한 경우 작동 정지될 수 있다. 따라서 팽창-압축 장치(4)는 특히, 저부하 범위의 특정 작동 모드에서 사이클 작동을 피하기 위해 비활성화될 수 있다.
이 경우 냉매의 총 질량 흐름은 도 8에 따른 냉매 회로(1h)의 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 분기점(13) 또는 팽창 부재(13b)를 관류할 때 또는 도 9에 따른 냉매 회로(1i)의 팽창 밸브(22)를 관류할 때 고압 레벨에서 곧바로 저압 레벨로 팽창되어 증발기(5)로 공급된다. 내부 열교환기(21)를 갖는 제1 유동 경로(6) 및 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)의 영역 그리고 제2 유동 경로(7)는 각각 폐쇄되어 있으며, 이 경우 예를 들어 도 9에 따른 냉매 회로(1i)의 차단 밸브(23)는 폐쇄되어 있다.
팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서, 특히 3/3-방향 밸브로서 그리고 이와 더불어 팽창 부재(13b)로서 형성된 도 8에 따른 냉매 회로(1h)의 분기점(13) 또는 도 9에 따른 냉매 회로(1i)의 밸브(22, 23)들을 갖는 분기점(13)에 의해서는, 각각 선택적으로 제3 유동 경로(14)가 증발기(5)의 방향으로 개방되거나 폐쇄될 수 있고, 또는 제1 유동 경로(6)가 내부 열교환기(21)의 방향으로 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 고압 레벨로 있는 냉매의 질량 흐름은 실제로 압력 손실 없이 도 8에 따른 냉매 회로(1h)의 3-방향 밸브 또는 도 9에 따른 냉매 회로(1i)의 차단 밸브(23)를 관통하며, 제3 유동 경로(14) 및 증발기(5)로 흐르는 질량 흐름은 저압 레벨로 팽창된다. 이 경우 팽창-압축 장치(4)의 작동 유무에 관계없이 개별 냉매 회로(1h, 1i)의 작동 모드들 사이에서 천천히 전환하기 위해 도 8에 따른 냉매 회로(1h)의 팽창 부재(13b) 또는 도 9에 따른 냉매 회로(1i)의 밸브(22, 23)들을 갖는 분기점(13)은 양방향으로 적어도 부분적으로 개방될 수 있다. 서모스태틱 도징 밸브(17b)에 대해 제2 유동 경로(7), 특히 상기 유동 경로(7)의 고압측 영역을 폐쇄하고, 이에 따른 냉매의 비제어식 흐름을 방지하기 위해, 차단 기능을 갖는 상기 서모스태틱 도징 밸브(17b)가 형성되어 있다. 도면에 도시되지 않은 대안적인 일 실시 형태에 따르면, 고압측 유동 경로 내에서 냉매의 유동 방향으로 서모스태틱 도징 밸브(17b) 앞에 또는 뒤에는 추가 차단 밸브가 장치되는 방식으로 배치되어 있다.
팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 내로의 냉매/오일 이동 또는 고압 레벨로의 냉매의 의도치 않은 역방향 오버플로우를 피하기 위해, 제2 유동 경로(7) 내에는 체크 부재(16)가 제공되어 있다. 특히, 체크 밸브로서 형성된 체크 부재(16)는 압축 컴포넌트(4b)와 입구(9) 사이에 배치되어 있다. 상기 체크 부재(16) 대신에 대안적으로 활성 차단 밸브 또는 전자식 팽창 밸브도 제공될 수 있다.
공기 조화 시스템이 특히, 객실용 유입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치 모드로 작동할 때 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들의 장점은, 한편으로는 증발기(5) 통과하는 메인 질량 흐름이 일정할 경우, 분리기(8a) 내에서의 위상 분리 또는 상기 증발기(5) 내에서의 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름 간의 열전달로 인해 증발 엔탈피로도 지칭되는 비교적 높은 냉각 용량이 나타나고, 이는 재차 더 높은 냉각 용량을 실현한다는 것이다. 냉매의 일정한 메인 질량 흐름은 압축기(2)가 일정한 회전 속도 및 일정한 행정 체적으로 작동함으로써 달성된다. 다른 한편으로는 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들이 예를 들면 압축기(2)의 상대적으로 낮은 회전 속도로 인해 적은 메인 질량 흐름으로 작동할 때 일정한 냉각 용량이 제공될 수 있다. 두 작동 방식은 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들 또는 공기 조화 시스템의 작동 효율을 증가시킨다.
또한, 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들은 냉매가 추가로 동시에 그리고/또는 연속으로 공급될 수 있고, 응축기/가스 냉각기 또는 증발기로서 작동하는 열교환기들, 하나 또는 다수의 추가 내부 열교환기 및/또는 추가 팽창 부재들을 구비하여 형성될 수 있다. 또한, 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들은 고압측에 하나 또는 다수의 고압 컬렉터, 저압측에 어큐뮬레이터로도 지칭되는 하나 또는 다수의 저압 컬렉터 또는 중간 압력 레벨의 하나 또는 다수의 냉매 컬렉터를 구비할 수 있다.
그 밖에, 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들의 조절 가능성을 더욱 향상시키기 위해, 상기 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들 내부에서, 특히 제2 유동 경로(7) 내에서 냉매의 유동 방향으로 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 다음에는 추가 팽창 밸브가 제공될 수 있다.
이 경우 냉매 회로(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i)들 및 작동 모드들은 저압 측에서 액체로부터 기체상으로 위상 변화를 실행하는 모든 냉매의 경우에 고려될 수 있다. 고압 측에서 냉매는 각각 가스 냉각 또는 응축에 의해, 경우에 따라서는 과냉각에 의해 흡수된 열을 히트 싱크로 방출한다. 냉매로는 특히, R744, R717등과 같은 천연 물질, R290, R600, R600a 등과 같은 가연성 물질, R134a, R152a, R1234yf, R32, R404A와 같은 화학 물질 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있는 천연 물질을 포함한다.
1a 내지 1i: 냉매 회로
2: 압축기
3: 제1 열교환기, 응축기/가스 냉각기
4: 팽창-압축 장치
4a: 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트
4b: 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트
5: 제2 열교환기, 증발기
6: 제1 유동 경로
7: 제2 유동 경로
8, 13: 분기점
8, 8a: 분리기
9, 15: 입구
10: 팽창 부재
11, 12: 센서
13a, 13b: 팽창 부재
14: 제3 유동 경로
16: 체크 부재
17a: 팽창 부재, 서모스태틱 팽창 밸브
17b: 팽창 부재, 서모스태틱 도징 밸브
18a, 18b: 폐쇄 부재
19, 20: 팽창 부재
21: 제3 열교환기, 내부 열교환기
22: 밸브, 서모스태틱 팽창 밸브, 팽창 부재
23: 밸브, 차단 밸브

Claims (34)

  1. 하나 이상의 압축기(2), 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동 가능한 제1 열교환기(3), 팽창 컴포넌트(4a)와 압축 컴포넌트(4b)를 갖는 팽창-압축 장치(4) 그리고 냉매의 증발기로서 작동 가능한 제2 열교환기(5)를 구비하는, 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 회로로서,
    제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)가 각각 분기점(8)에서 입구(9)까지 연장되며, 냉매가 상기 분기점(8)에서 상기 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)로 각각 분기된 후 상기 입구(9)에서 다시 혼합되고, 상기 입구(9)는 상기 압축기(2)와 제1 열교환기(3) 사이에 배치되며, 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 냉매의 유동 방향으로 상기 팽창 컴포넌트(4a), 제2 열교환기(5) 및 압축기(2)가 형성되고, 상기 제2 유동 경로(7) 내에는 상기 압축 컴포넌트(4b)가 형성된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팽창 컴포넌트(4a)에 의해 냉매의 팽창으로부터 변환된 운동 에너지(kinetic energy)가 냉매를 압축하기 위한 압축 컴포넌트(4b)로 직접 전달되도록 상기 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 압축 컴포넌트(4b)가 기계적으로 서로 연결된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분기점(8)이 분리기(8a)로서 형성되고, 상기 분기점(8)에서 냉매가 상기 제1 열교환기(3)의 유출구에서보다 낮은 압력 레벨을 갖도록 상기 제1 열교환기(3)와 분기점(8) 사이에 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  4. 제3항에 있어서, 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 팽창 밸브로서 또는 3-방향 밸브로서 형성되는 팽창 부재(10, 13a)인 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 열교환기(3)의 유출구에서의 냉매의 압력 레벨이 상기 분기점(8) 관류 후 냉매의 압력 레벨에 상응하도록 상기 분기점(8)이 T자형 부재로서 상기 제1 열교환기(3)의 유출구에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  6. 제5항에 있어서, 내부 열교환기(21)가 형성되고, 상기 내부 열교환기는 상기 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)를 서로 열적으로 연결하는 방식으로 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내부 열교환기(21)가 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 상기 분기점(8)과 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 내부 열교환기(21)가 상기 제2 유동 경로(7) 내에서 상기 분기점(8)과 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 사이에 배치되고, 냉매의 유동 방향으로 상기 내부 열교환기(21) 앞에는 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 팽창 밸브로서 형성되는 팽창 부재(20)인 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 열교환기(5)의 냉매의 유출구에, 냉매의 상태를 결정하기 위한 센서(11)가 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)로 이어지는 유입구에, 냉매의 상태를 결정하기 위한 센서(12)가 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  12. 제3항에 있어서, 상기 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 서모스태틱 팽창 밸브(17a)로서 형성되고, 상기 서모스태틱 팽창 밸브는 저압측 제1 유동 통로와 고압측 제2 유동 통로를 가지며, 상기 제1 유동 통로는 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 상기 제2 열교환기(5)의 유출구에, 그리고 상기 제2 유동 통로는 상기 제1 열교환기(3)와 분기점(8) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  13. 제3항에 있어서, 상기 냉매를 팽창시키기 위한 장치가 서모스태틱 도징 밸브(17b)로서 형성되고, 상기 서모스태틱 도징 밸브는 저압측 제1 유동 통로와 고압측 제2 유동 통로를 가지며, 상기 제1 유동 통로는 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 상기 제2 열교환기(5)의 유출구에, 그리고 상기 제2 유동 통로는 상기 제2 유동 경로(7) 내에서 상기 분기점(8)과 내부 열교환기(21) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 서모스태틱 팽창 밸브(17a)는 이동 가능하게 지지된 폐쇄 부재(18a)를 구비하여 형성되고, 상기 폐쇄 부재는 상기 제1 유동 통로 내에서 2개의 최종 위치 사이 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 연속적으로 변경하도록 구성되며, 냉매는 상기 제2 유동 통로를 관류할 때 팽창되는 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  15. 제13항에 있어서, 상기 서모스태틱 도징 밸브(17b)는 이동 가능하게 지지된 폐쇄 부재(18b)를 구비하여 형성되고, 상기 폐쇄 부재는 상기 제1 유동 통로 내에서 2개의 최종 위치 사이 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 연속적으로 변경하도록 구성되며, 냉매는 상기 제2 유동 통로를 관류할 때 팽창되는 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  16. 제12항에 있어서, 상기 서모스태틱 팽창 밸브(17a)는, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 일정 기준 이하이거나 과열도가 일정 기준 초과면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 증가시키고, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 일정 기준 초과이거나 과열도가 일정 기준 이하면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 감소시키도록 구성되어 형성된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  17. 제13항에 있어서, 상기 서모스태틱 도징 밸브(17b)는, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 일정 기준 이하이거나 냉매의 과열도가 일정 기준 초과면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 감소시키고, 상기 제1 유동 통로 내에서 냉매의 압력이 일정 기준 초과이거나 과열도가 일정 기준 이하면, 상기 제2 유동 통로의 유동 단면적을 증가시키도록 구성되어 형성된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  18. 제1항에 있어서, 제3 유동 경로(14)가 분기점(13)에서 입구(15)까지 연장되는 방식으로 형성되고, 상기 입구(15)는 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 상기 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)와 제2 열교환기(5) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제3 유동 경로(14)의 분기점(13)이 팽창 부재(13a, 13b) 및 하나 이상의 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  20. 제19항에 있어서, 하나 이상의 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브 및 팽창 부재(13a, 13b)로서 형성된 제3 유동 경로(14)의 분기점(13)이 상기 제1 열교환기(3)와 제1 유동 경로(6) 및 제2 유동 경로(7)의 분기점(8) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  21. 제19항에 있어서, 하나 이상의 팽창 기능을 갖춘 3-방향 밸브로서 형성된 제3 유동 경로(14)의 분기점(13, 13b)이 상기 제1 유동 경로(6) 내에서 상기 분기점(8)과 내부 열교환기(21) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  22. 제18항에 있어서, 상기 제3 유동 경로(14) 내에 팽창 부재(19, 22)가 형성된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  23. 제1항에 있어서, 상기 제2 유동 경로(7) 내에서 냉매의 유동 방향으로 상기 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b) 다음에 팽창 부재가 배치된 것을 특징으로 하는, 냉매 회로.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 자동차 공기 조화 시스템용 냉매 회로를 작동시키기 위한 방법으로서,
    - 냉매의 총 질량 흐름을 유동 경로(6, 7)들의 분기점(8)에서 상기 제1 유동 경로(6)를 통과하는 메인 질량 흐름과 상기 제2 유동 경로(7)를 통과하는 바이패스 질량 흐름으로 분할하는 단계,
    - 팽창-압축 장치(4)의 팽창 컴포넌트(4a)를 관류할 때 상기 제1 유동 경로(6)를 통해 안내되는 메인 질량 흐름의 냉매를 저압 레벨로 팽창하는 단계,
    - 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)를 관류할 때 상기 제2 유동 경로(7)를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름의 냉매를 고압 레벨로 압축하는 단계, 이때 상기 팽창 컴포넌트(4a) 관류 시 상기 메인 질량 흐름의 냉매가 팽창될 때 변환된 운동 에너지가 상기 압축 컴포넌트(4b)를 관류할 때 바이패스 질량 흐름의 냉매를 압축하기 위해 사용되며, 그리고
    - 상기 유동 경로(6, 7)들의 입구(9)에서 압축기(2) 내에서 고압 레벨로 압축된 메인 질량 흐름의 냉매와 바이패스 질량 흐름의 냉매가 결합되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매가 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 총 질량 흐름의 냉매가 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되고, 분리기(8a)로서 형성된 분기점(8)에서 액체 냉매로 이루어진 메인 질량 흐름과 증기 상태의 냉매로 이루어진 바이패스 질량 흐름으로 분할되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제1 유동 경로(6)를 통해 안내되는 메인 질량 흐름의 냉매가 중간 압력 레벨에서 저압 레벨로 팽창되고, 그리고 상기 제2 유동 경로(7)를 통해 안내되는 바이패스 질량 흐름의 냉매가 중간 압력 레벨에서 고압 레벨로 압축되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  28. 제24항에 있어서, 고압 레벨의 냉매의 총 질량 흐름이 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름으로 분할되고, 상기 메인 질량 흐름의 냉매는 고압 레벨에서 저압 레벨로 그리고 바이패스 질량 흐름의 냉매는 고압 레벨에서 중간 압력 레벨로 팽창되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1 유동 경로(6)와 제2 유동 경로(7)를 열적으로 연결하는 내부 열교환기(21)를 관류할 때, 고압 레벨의 상기 메인 질량 흐름의 냉매가 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매로 열을 방출하면서 냉각되고, 중간 압력 레벨의 상기 바이패스 질량 흐름의 냉매가 열을 흡수하면서 증발되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  30. 제25항에 있어서, 중간 압력 레벨의 냉매가 2상 영역 내에 있도록 상기 냉매의 바이패스 질량 흐름의 중간 압력 레벨이 조절되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 분리기(8a) 내로 유입될 때 냉매가 2상 영역 내에서의 상태를 갖도록 상기 냉매의 중간 압력 레벨이 조절되고, 상기 중간 압력 레벨의 조절에 의해 냉매의 메인 질량 흐름과 바이패스 질량 흐름의 비율이 설정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  32. 제24항에 있어서, 상기 냉매의 총 질량 흐름 또는 바이패스 질량 흐름이 증발기로서 작동하는 제2 열교환기(5)의 유출구에서 냉매의 압력 또는 온도에 따라 또는 상기 팽창-압축 장치(4)의 압축 컴포넌트(4b)로의 유입구에서 냉매의 압력 또는 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 냉매의 총 질량 흐름이 냉매의 유동 방향으로 분기점(8) 앞에 형성된 팽창 부재(10, 13a, 17)에 의해 조절되고, 증발기로서 작동하는 열교환기(5)의 유출구에서 상기 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 일정 기준 이하이거나 과열도가 일정 기준 초과면 상기 팽창 부재(10, 13a, 17a)의 유동 단면적이 증가하고, 상기 열교환기(5)의 유출구에서 상기 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 일정 기준 초과이거나 과열도가 일정 기준 이하면 상기 팽창 부재(10, 13a, 17a)의 유동 단면적이 감소되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 냉매의 바이패스 질량 흐름이 냉매의 유동 방향으로 내부 열교환기(21) 앞에 형성된 팽창 부재(20, 17b)에 의해 조절되고, 증발기로서 작동하는 열교환기(5)의 유출구에서 상기 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 일정 기준 이하이거나 과열도가 일정 기준 초과면 상기 팽창 부재(20, 17b)의 유동 단면적이 감소하고, 상기 열교환기(5)의 유출구에서 상기 메인 질량 흐름의 냉매의 압력이 일정 기준 초과이거나 과열도가 일정 기준 이하면 상기 팽창 부재(20, 17b)의 유동 단면적이 증가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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