KR102208666B1 - 차량용 열 관리 어레인지먼트 및 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

차량용 열 관리 어레인지먼트 및 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 냉방 시스템 및/또는 열 펌프 기능을 갖춘 냉매 순환계(2) 및 차량 구성 요소들을 냉각 및/또는 가열하기 위한 열 매체 망(3)을 구비하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1)에 관한 것이며, 이 경우 열 매체 망(3)은 열 매체 저장기(11) 및 이 열 매체 저장기(11)로부터 열을 공급받는 복수의 열 매체 공급 섹션을 구비하며, 별도로 제어 및 조절 가능한 주변-열 매체 공급 섹션(25)은 중앙의 저온 주변 열 교환기(12) 및 하나 이상의 열 매체 저장기(11)를 갖춘 하나의 순환계를 형성한다.
본 발명은 또한 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

차량용 열 관리 어레인지먼트 및 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법{THERMAL MANAGEMENT ARRANGEMENT FOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING A THERMAL MANAGEMENT ARRANGEMENT}
본 발명은, 열 관리 어레인지먼트 및 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 의미에서의 열 관리 어레인지먼트란, 차량에 열 및/또는 냉기를 공급하는 과정을 구현하는 장치로서 이해될 수 있다. 이 경우에는, 필요에 따라 폐열이 주변으로 방출되거나, 열 부족의 경우에는 주변 열을 상응하는 온도 수준에서 차량 내에서 이용할 수 있기 위하여 주변 열이 열 관리 어레인지먼트에 의해 흡수된다.
열 관리 어레인지먼트의 적용 분야는 특히 고효율 연소 기관을 갖춘 차량 및 하이브리드 차량 또는 전기 차량이다. 종래 기술에서는, 자체 폐열을 차량의 전방 단부에 있는 복수의 상이한 열 매체를 통해 주변으로 방출하는 복수의 냉각수 순환계 또는 냉매 순환계가 차량 내에 부분적으로 설치된다. 이와 같은 설치 방식은 부피가 큰 열 교환기 패킷을 야기하며, 이 경우에는 열 전달 과제를 유동 기술적으로 만족스럽게 해결하는 데 어려움이 많이 있는데, 그 이유는 열 교환기들이 유동 기술적으로 유리한 제한된 영역을 공유할 수밖에 없거나 의도적으로 더욱 불리한 상황을 감수할 수밖에 없기 때문이다.
또한, 효율적인 연소 기관을 갖춘 현대적인 차량 또는 하이브리드 차량 및 전기 차량에서는, 기관 내에서 필요한 온도 수준에서 열이 충분히 생성되지 않음으로써, 결과적으로 이용 가능한 각각의 폐열이, 차량 실내의 충분한 난방 또는 추가 구성 요소들의 가열을 구현하기 위해 예를 들어 열 펌프에 의해서 이용된다는 문제점이 존재한다. 종래 기술에 따른 차량들에서는, 공기 조화 시스템의 폐열이 항상 추가의 공기 열 교환기에 의해 별도로 주변으로 방출되거나, 겨울에는 상기 공기 열 교환기를 통해서 상응하게 열이 증발기로서 흡수된다.
종래 기술에 따른 열 관리 어레인지먼트는 예를 들어 JP 19990286211A2호로부터 출발한다.
종래 기술에 따른 시스템에서의 단점은, 다양한 기술적 해결책들이 병행해서 사용된다는 것인데, 이와 같은 상황은 전체 시스템의 높은 설치 공간 수요를 야기하고, 이와 같은 해결책들의 부정적인 상호 영향은 바람직하게 높은 효율에 도달할 수 없게 한다.
또한, 전문 분야의 노력은, 냉매 순환계의 냉매 충전량을 줄이는 데 있으며, 이와 같은 상황은 경제적, 생태학적, 안전 기술적인 고려 측면에서 바람직하며, 이로써 냉매는 안전 기술적으로 더욱 높은 요구 조건에서도 사용될 수 있다.
본 발명의 과제는, 차량 내에서 가급적 적은 설치 공간을 요구하고, 간단히 구성되어 있으며, 자체적으로 메인 구성 요소들을 갖는 간단한 냉매 순환계를 이용하고, 이산화탄소, 프로판, 프로필렌, 이소부탄, 암모니아와 같은 가급적 천연적인 냉매뿐만 아니라 화학적인 냉매 또는 냉매 혼합물에 의해서도 작동될 수 있는, 열 관리 어레인지먼트 및 이와 같은 차량용 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 데 있다. 더 나아가서는, 효율적인 열 관리 컨셉도 가능해야만 하며, 이로 인해 결과적으로는 충분한 열이 차량의 가열을 위해 이용될 수 있다.
상기 과제는, 독립 특허 청구항들에 따른 특징들을 갖는 열 관리 어레인지먼트 및 이와 같은 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항들에 명시되어 있다.
본 발명의 과제는, 특히 기본 구성 요소로서 냉매 순환계 및 열 매체 망(heat carrier net)을 구비하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트에 의해서 해결된다. 냉매 순환계는 냉방 설비 기능으로 작동할 수 있을 뿐만 아니라 열 펌프 기능으로도 작동할 수 있다. 이와 같은 내용은, 열 교환기 회로에 따라 응축기 및 이 응축기의 생성되는 응축 열이 가열의 목적으로 사용될 수 있으며, 증발기의 다른 측에서 냉각에 사용될 수 있고, 열 펌프 회로에서 냉매 순환계 내부로의 열 흡수를 위해서 이용된다는 내용을 포함한다. 이 경우, 냉매 순환계는 항상 동일하게 동작하는데, 다시 말하자면 증발기 또는 응축기는 항상 기능에 따라 증발기 또는 응축기이다. 물 순환계에는 상응하게 밸브가 제공된다. 열 매체 망은, 차량 구성 요소들의 냉각 및 가열을 위한 열 매체 유체, 특히 물/글리콜 혼합물의 운송을 위해서 이용되는 안내 시스템이다. 열 매체 망은 하나 이상의 열 매체 저장기를 구비하며, 이 열 매체 저장기는 또한 중앙의 물병(water bottle)/글리콜병으로서도 지칭 및 구현되며, 열 매체 질량 흐름의 저장기, 분배기 및 수집기로서 이용된다. 이 저장기는 열 용량 또는 냉각 용량을 증가시키기 위해, 물에 의해서 또는 추가로 PCM(Phase Change Materials) 또는 겔(gel)에 의해서 작동될 수 있다. 추가로는, PCM 또는 겔(gel) 저장기와 같은 또 다른 저장기가 상기 중앙의 물병/글리콜병에 연결될 수 있으며, 이들 병은 필요한 최대 냉각/가열의 경우에 출력 피크를 커버하기 위해서 사용될 수 있다. 열 매체 저장기로부터는, 열 매체 망 및 이와 더불어 복수의 열 매체 공급 섹션에 열이 공급되고, 이들은 다양한 순환계에 모듈 방식으로 접속될 수 있다. 자체적으로 형성되는 순환계들은, 다양한 구성 요소들의 회로에 따라 한 편으로는 저장기의 활용을 위해서 이용되고, 다른 한 편으로는 중앙의 저온 주변 열 교환기 및 열 전달 저장기를 갖춘 순환계를 형성하는 열 매체 공급 섹션을 통한 열 흡수 또는 열 방출을 위해서 이용된다.
따라서, 열 매체 망 내부에는 세 가지 타입의 열 매체 공급 섹션이 상호 구별될 수 있다.
제1 타입은, 열 매체 저장기를 저온 주변 열 교환기와 연결하는 주변-열 매체 공급 섹션과 관련이 있다. 저온 주변 열 교환기를 통해서는, 열 관리 어레인지먼트로부터 유래하는 폐열이 주변으로 전달되거나, 주변으로부터 유래하는 주변 열이 저온 주변 열 교환기를 통해서 열 관리 어레인지먼트 내부로 전달된다.
바람직하게는, 별도로 제어 및 조절 가능한 주변-열 매체 공급 섹션은 중앙의 저온 주변 열 교환기 및 하나 이상의 열 매체 저장기를 갖춘 하나의 순환계를 형성할 수 있다.
제2 타입의 열 매체 공급 섹션은, 열 전달 과제에 따라 열 매체 저장기와 상호 접속되어 있는 개별 구성 요소들을 순환계 내에서 연결시킨다.
마지막으로, 제3 타입의 열 매체 공급 섹션은, 열 매체 저장기와 연결되어 있지 않은 하부 순환계가 열 매체 망 내부에 접속되어 있음으로써 형성된다는 점에서 구별될 수 있다.
바람직하게는, 열 매체 저장기에 열 매체 펌프 및 열 매체 분배 유닛이 배열되어 있음으로써, 결과적으로 열 매체 액체는 펌프에 의해서, 순환계 내에 접속되어 있고 열 매체 저장기를 갖춘 열 매체 공급 섹션을 관류할 수 있게 된다.
열 매체 분배 유닛을 통해서는, 열 매체 유체 흐름이 열 매체 망 내부에서 열 매체 저장기로부터의 출구에 접속된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는, 별도로 제어 및 조절 가능한 증발기-열 매체 공급 섹션이 열 매체 저장기, 구성 요소 열 교환기 및/또는 배터리 열 교환기 및 냉매 순환계의 증발기를 갖춘 하나의 순환계를 형성한다는 데 있다.
바람직하게, 열 매체 펌프는 유동 방향으로 볼 때 증발기-열 매체 공급 섹션 내에서 증발기 뒤에 배열되어 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예는, 냉매 순환계의 응축기 및 가열 열 교환기를 갖춘 일시적으로 폐쇄된 순환계를 형성하는, 별도로 제어 및 조절 가능한 응축기 가열-열 매체 공급 섹션에 있으며, 이 경우 열 매체 펌프는 응축기 가열-열 매체 공급 섹션 내에 배열되어 있다.
바람직하게, 별도로 제어 및 조절 가능한 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션은 열 매체 저장기 및 구성 요소 열 교환기를 갖춘 하나의 순환계를 형성하면서 열 관리 어레인지먼트 내부에 제공되어 있다.
열 관리 어레인지먼트의 또 다른 바람직한 일 실시예는, 열 매체 저장기, 냉매 순환계의 응축기 및 가열 열 교환기를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는, 별도로 제어 및 조절 가능한 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션이다.
별도로 제어 및 조절 가능한 냉각-열 매체 공급 섹션은, 바람직하게 냉매 순환계의 증발기 및/또는 배터리 열 교환기 및/또는 냉각기를 갖춘 하나의 순환계를 형성한다.
또 다른 바람직한 일 실시예는, 열 매체 저장기, 구성 요소 열 교환기 및/또는 배터리 열 교환기 및/또는 냉각기 및 냉매 순환계의 증발기를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는, 별도로 제어 및 조절 가능한 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션을 포함한다.
바람직하게는, 전기식 추가 가열 장치가 열 매체 망 내에 배열되어 있다.
바람직하게는, 추가의 에너지 저장기들이 순환계 내에 배열될 수 있다. 이들 추가의 에너지 저장기는 배터리의 신속 충전과 같은 고부하점을 위해 사전에 원하는 온도 레벨로 될 수 있다.
바람직하게, 냉매 순환계 내에서는, R290 또는 R1270, R134a, R152a, R1234yf, R1234zf, R744 또는 R600a와 같은 냉매들로부터 선택된 하나의 냉매가 사용된다.
본 발명의 과제는, 또한 선행하는 바람직한 실시예들에 따른 열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 방법에 의해서도 해결되며, 이 경우 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 모드에서는, 응축기 가열-열 매체 공급 섹션, 증발기-열 매체 공급 섹션 및 열 매체 저장기 내에 있는 열 매체의 온도 레벨에 따라 주변-열 매체 공급 섹션 그리고 냉매 순환계가 공동으로 접속되어 있다.
열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 대안적인 한 가지 방법은, 냉각 모드에서는, 냉각-열 매체 공급 섹션, 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션, 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션, 주변-열 매체 공급 섹션 그리고 냉매 순환계가 공동으로 접속되어 있다는 데 있다.
열 관리 어레인지먼트를 작동시키기 위한 또 다른 일 대안은, 가열 모드에서는, 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션, 응축기 가열-열 매체 공급 섹션, 주변-열 매체 공급 섹션 및 냉매 순환계가 공동으로 접속되어 있다는 데 있다.
본 발명의 컨셉은, 냉매 순환계 및 열 매체 망과 열 관리 어레인지먼트의 주요 구성 부품들의 조합에 의해서, 열을 주변으로 결합시키거나 주변으로부터 결합 해제시키는 데 이용되는 복수의 공기 열 교환기가 하나의 저온 주변 열 교환기로 통합될 수 있다는 데 있다. 이로부터 생성되는 크기는, 종래의 차량에서 배터리를 신속 충전할 때, 매우 높은 출력(30 내지 40 ㎾까지)을 주변으로 송출할 수 있기에 충분한 크기를 저온 주변 열 교환기에 제공해준다. 물이 공급되는 냉매 열 교환기는 두 가지 유체의 우수한 열 전달 특성으로 인해 훨씬 더 간단히 조작될 수 있다. 열 관리 어레인지먼트 내에 통합된 열 매체 저장기는 열의 저장 및 이로써 열의 완충(buffering)을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 열 관리의 핵심은, 실시예들에 대한 개략적인 기본 원리도에 명확하게 도시되어 있다.
저온 주변 열 교환기는 차량의 전방 단부에 배열된 열 교환기로서, 열을 주변으로 방출할 수 있을 뿐만 아니라 열을 주변으로부터 흡수할 수도 있다. 열 매체 저장기로서도 지칭되는 중앙의 물/글리콜병은, 열 펌프 모드에서 가열하는 경우를 제외하고, 모든 열 매체 흐름의 분배기 및 수집기로서 기능을 한다. 열 매체 저장기는, 물 글리콜 혼합물을 상응하게 이송 및 분배하는 펌프 및 분배 장치를 추가로 포함할 수 있다. 필요한 열 및 냉각에 상응하게, 이 경우에는 상응하는 열 매체 또는 물 질량 흐름이 전방 단부에 그리고 주변에 접촉하는 열 교환기 내로 공급된다. 열 펌프 모드에서는 이와 같은 배열이 특히 바람직한데, 그 이유는 높은 물 질량 흐름 및 주변에 대해 낮은 온도차를 갖는 주변 공기에 의해서, 열 교환기의 빙결을 야기하지 않는 열 흐름이 흡수될 수 있기 때문이다. 또한, 열 매체 유체로서의 물이 압력 손실로 인해, 냉매에서 통상적인 것과 같이 온도를 변경시키지 않는다는 사실도 바람직하다. 또한, 저온 주변 열 교환기가 증발기로서 동작하는 냉매 순환계의 개별 응축기보다 훨씬 더 클 수 있다는 사실도 바람직하다. 따라서, 주변에 대한 낮은 온도차로써 열이 충분히 흡수될 수 있다.
본 발명의 장점들은, 공급되는 모든 열 흐름을 이용할 수 있는 간단한 시스템이 제공된다는 데 있다. 이와 같은 시스템은 바람직하게 주변과 접촉하고 있는 단 하나의 열 교환기만을 포함한다. 이로 인해서는, 상황에 따라 차량의 더 우수한 충돌-분류도 가능해진다. 특별히 두드러지는 한 가지 장점은, 냉매 순환계가 적은 충전량으로도 충분하다는 것, 그리고 이로써 프로판 또는 더 높은 안전 요구 수준을 갖지만 훨씬 더 우수한 열역학적인 특성을 갖는 다른 냉매의 사용 가능성이 존재하게 된다는 데 있다.
본 발명에 따른 실시예들의 또 다른 세부 사항, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조해서 이루어지는 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 상태에서 열 관리 어레인지먼트의 원리적인 회로도를 도시하고,
도 2는 냉각 모드에서의 열 관리 어레인지먼트를 도시하며, 그리고
도 3은 가열 모드에서의 열 관리 어레인지먼트를 도시한다.
도 1에는, 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 상태에서 열 관리 어레인지먼트(1)의 원리적인 회로도가 도시되어 있다. 열 매체 공급 섹션으로서도 지칭되는 열 매체 망(3)의 활성 영역은 열 매체 유체의 유동 방향을 지시하는 화살촉에 의해서 도시되어 있다. 도면에 도시된 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 상태는 특히 봄 및 가을과 같은 환절기에서의 적용예 및 사용예로서 나타난다.
열 관리 어레인지먼트(1)는 2개의 메인 구성 요소, 즉 냉매 순환계(2) 및 또한 열 매체 망(3)으로 이루어진다. 냉매 순환계(2)는 기본 형상으로 개략적으로 도시되어 있고, 압축기(4), 응축기/가스 냉각기(5), 내부 열 교환기(6), 팽창 기관(7) 및 증발기(8)와 같이 순환계 내에 접속된 구성 요소들을 구비한다. 내부 열 교환기(6)는 또한 하부 냉각 반류(countercurrent)로서도 지칭되고, 사용된 냉매에 따라 바람직하게는 냉매 순환계(2) 내에 통합되어 있지만, 반드시 필요치는 않다. 냉매 순환계는 또한 2개 단계의 압축 과정 및 상응하는 냉각 과정 그리고 2개 단계의 이완 과정을 수행하거나 수행하지 않도록 구현될 수 있다.
또한, 열 관리 어레인지먼트(1)는, 열뿐만 아니라 냉기까지도 사용자 장치로 운송하는 열 매체 유체의 이송을 위해서 이용되는 열 매체 망(3)으로 이루어진다. 열 매체 유체로서는, 일반적으로 물과 글리콜로 이루어진 혼합물이 자동차 섹터 상에서 사용되지만, 특별한 사용예를 위한 다른 열 매체 유체도 생각할 수 있다. 열 매체 망(3)은 열 관리 어레인지먼트(1)의 적용예 및 사용예에 따라, 열 관리 어레인지먼트(1)의 다양한 구성 요소들을 위한 열 전달의 특정 기능을 구현하기 위하여, 열 매체 공급 섹션으로서도 지칭되는 다양한 영역에서 접속된다. 열 매체 망(3)의 핵심 요소는, 기능에 따라 더 많은 양의 열 매체 유체를 저장하는 열 매체 저장기(11)이다. 상기 중앙의 열 매체 저장기(11)로부터, 열 매체 유체가 열 매체 망(3)의 특정 영역으로 이송된다. 더 복잡한 열 매체 망(3)의 경우에는, 또한 적용예에 따라 서로 연결된 상태로 또는 상호 분리된 상태로 동작하는 복수의 열 매체 저장기가 열 매체 망에 설치될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 목적을 위해 열 매체 펌프(13)가 열 매체 저장기(11) 바로 옆에 배열되어 있고, 열 매체 유체를 열 매체 분배 유닛(24)을 거쳐 상응하게 접속된 열 매체 망(3)의 영역으로 이송한다. 주변-열 매체 공급 섹션(25)은 열 매체 망(3) 내부에서 특별한 위치를 취한다. 주변-열 매체 공급 섹션(25) 내에는 저온 주변 열 교환기(12)가 접속되어 있다. 주변-열 매체 공급 섹션(25)은 열 저장기(11), 열 매체 펌프(13), 경우에 따라서는 열 매체 분배 유닛(24) 및 저온 주변 열 교환기(12)로 구성된 하나의 순환계를 형성한다. 통상적으로 소위 자동차의 전방 단부에서 중앙에 배열되어 있는 저온 주변 열 교환기(12)를 통해서는, 완전한 열 교환 또는 주변으로의 열 방출 또는 주변으로부터의 열 흡수가 이루어진다. 주변-열 매체 공급 섹션(25)을 통해서는, 상응하게 열 매체 저장기(11) 내의 열 매체 유체에 주변으로부터 열이 공급되거나, 열 매체 유체의 열이 열 매체 저장기(11)로부터 저온 주변 열 교환기(12)에 의해서 주변으로 방출된다. 종래 기술에 따른 열 관리 어레인지먼트와 달리, 열 교환은, 오로지 저온 주변 열 교환기(12)로서 구현되어 이와 같이 지칭되는 단 하나의 중앙 열 교환기를 통해서만 주변에서 또는 주변으로부터 이루어진다.
도 1에 도시된 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 작동 모드에서는, 전술된 주변-열 매체 공급 섹션(25) 외에 추가의 열 교환기 공급 섹션들이 접속되어 있다. 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27)은 냉매 순환계의 응축기/가스 냉각기(5)로부터 출발하여 환기 설비(15)의 가열 열 교환기(16)를 거치는 순환계를 형성하고, 상기 별도의 열 매체 공급 섹션은 이 경우에 열 매체 펌프(19)에 의해서 구동된다. 이 경우에는, 개별 라인들을 연결하기 위해 도 1에 따른 실시예에서 2개의 삼방 밸브(22)(three-way valve)가 제공되어 있으며, 이들 삼방 밸브에 의해 상기 순환계가 열 매체 망(3) 내부에서 접속된다.
또한, 증발기-열 매체 공급 섹션(26)도 전술된 열 매체 망(3)의 회로 내에서 동작하는데, 상기 증발기-열 매체 공급 섹션(26)은 열 매체 저장기(11)로부터 출발하여 열 매체 펌프(13) 및 열 매체 분배 유닛(24)을 거치는 순환계를 형성한다. 원리적인 회로도에 도시되어 있는 바와 같이, 경우에 따라서는 사방 밸브(14)를 통해서 냉매 순환계(2)의 증발기(8) 쪽으로 접속된 복수의 구성 요소 열 교환기(18)가 열 매체 펌프(20) 및 차량 환기 설비(15)의 공기 냉각기(17)를 통해서 순환계 내에 연결되어 있다. 마지막으로, 순환계의 라인은 열 매체 저장기(11) 쪽으로 역으로 안내된다. 평행한 분기가 경우에 따라서는 분기점(31)을 통과해서 제공되어 있으며, 이 분기점을 통해 열 매체 유체가 열 매체 저장기(11)로부터 배터리 열 교환기(9)로 그리고 이곳으로부터 다중 경로 밸브(21)를 통해서 열 매체 저장기(11)로 안내된다. 도 1에 따른 도면에는 추가로 또 하나의 냉각기(10)가 도시되어 있지만, 이 냉각기는 조절 변형예 및 회로 변형예에서는 동작하는 열 매체 공급 섹션 내에 연결되어 있지 않다.
도 2는, 특히 여름과 같은 따뜻한 계절에 차량 냉각과 관련이 있는 냉각 모드에서 열 관리 어레인지먼트(1)의 원리적인 회로도를 보여준다. 차량 탑승자를 편안하게 하기 위한 차량 실내의 직접적인 냉각 외에, 더 나아가서는 예를 들어 구동 시스템 그리고 전자식 구성 요소 및 배터리의 중요 구성 요소들도 냉각된다.
이와 같은 냉각 적용 모드에서는, 재차 저온 주변 열 교환기(12)를 갖춘 주변-열 매체 공급 섹션(25)이 경우에 따라 그리고 별도로 제어 및 조절 가능하게 활성화되어 있다. 더 나아가서는, 기능에 따라 중요한 냉각-열 매체 공급 섹션(29)이 접속되어 있으며, 상기 냉각-열 매체 공급 섹션(29)은 공기 냉각기(17) 및 그와 동시에 배터리 열 교환기(9)를 갖춘 증발기에 그리고 경우에 따라서는 추가로 또한 냉각기(10)에, 열 매체 펌프(20)를 이용해서, 증발기(8) 내에서 냉각된 열 매체 유체를 공급한다. 본 회로 변형예에서는, 상기 열 매체 공급 섹션이 열 매체 저장기(11)에 연결되지 않는다.
열 매체 저장기(11)로부터는, 열 매체 유체가 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션(23) 내에 있는 구성 요소 열 교환기(18)에 공급된다.
또한, 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션(28)을 통해서는, 열 매체 저장기(11)가 응축기/가스 냉각기(5)와 그리고 더 나아가서는 차량 환기 설비(15)의 가열 열 교환기(16)와 순환계로서 연결되어 있다. 열 매체 저장기(11)를 통해 열 매체 유체와 연결된 구성 요소들의 냉각은, 저온 주변 열 교환기(12)를 이용하여, 저온 주변 열 교환기(12)의 온도차가 가산된 주변 레벨로 열 매체 저장기(11)를 냉각시키는 과정을 통해서 이루어진다. 배터리 열 교환기(9)를 통한 배터리의 냉각 그리고 환기 설비(15) 및 공기 냉각기(17)를 이용한 차량 실내의 냉각은 냉방 설비로서 동작하는 냉매 순환계(2)를 통해서 이루어진다.
도 3에는, 가열 모드에서 열 관리 어레인지먼트(1)의 원리적인 회로도가 도시되어 있다. 가열 원리에서는, 특히 또 하나의 고온 주변 열 교환기가 전방 단부에 부가되는 고효율 연소 기관을 갖춘 차량, 및 하이브리드 차량 또는 전기 차량을 위해서는, 열이 열 펌프-회로 또는 열 펌프-기능을 통해서 열 관리 어레인지먼트(1)에 공급된다는 것이 특히 중요하다. 이 경우, 저온 주변 열 교환기(12)는 주변-열 매체 공급 섹션(25) 내부에서, 차량 내부에서의 가열 과제를 위한 후속적인 변환 및 주변 열의 지속적인 이용의 목적으로, 주변 열을 흡수하기 위하여 주변과 열 매체 공급 섹션(25)을 결합시키는 커플링 부재로서의 기능을 한다. 열 매체 저장기(11)는, 구성 요소 열 교환기(18)를 통해, 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션(30) 내부에서 냉매 순환계(2)의 증발기(8)와 연결되어 있다. 그와 동시에 본 실시예에서 수렴점으로서의 기능을 하는 분기점(31)을 통해서는, 증발기(8) 뒤에서 배터리 열 교환기(9)도 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션(30)에 대해 평행하게 연결되어 있다. 본 회로 변형예에서는, 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27)이 재차 열 매체 저장기(11)에 대한 연결 없이 구현되어 있고, 다만 냉매 순환계(2)의 응축기(5) 및 환기 설비(15)의 가열 열 교환기(16)만을 갖춘 하나의 순환계를 형성한다. 회로를 구현하기 위해, 통상적인 방식으로 다중 경로 밸브(21) 및 삼방 밸브(22)가 삽입되어 있다.
이로써, 열 관리 어레인지먼트(1)는, 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 모드, 냉각 모드, 및 가열 모드로 구성된 자신의 다양한 기능 방식에서, 모듈 방식으로 구성된 단 하나의 열 관리 어레인지먼트(1)를 이용하게 된다. 차량 내에서 실시할 때의 특별한 장점은, 열 매체 유체의 요구되는 온도 레벨에 따라 열 매체 저장기(11)와 별도로 제어 및 조절 가능하게 연결된 또 하나의 저온 주변 열 교환기(12)만 필요하다는 것이며, 이와 같은 상황은 비용 측면에서의 장점 및 중량 측면에서의 장점 그리고 설치 공간 측면에서의 장점을 유도한다.
바람직하게는, 열 매체 망 내에서 상이한 용적 흐름이 구현될 수 있다. 실제의 설비에서는, 열 펌프 동작 중에 응축기가 증발기로서 작동된다. 증발기가 빙결되지 않도록 하기 위하여, 증발기는 적은 온도차로써 냉매와 주변 사이에서 작동된다. 하지만, 이와 같은 상황은 냉매의 과열 및 또한 주변으로부터 흡수될 열원 출력에 대해서도 제한적으로 작용한다. 더욱이, 요구되는 증발기 모드에서 증발기로서 작동되는 응축기의 압력 손실은 다수의 경우에 압력 손실 요구로서, 예를 들어 12 ㎜로부터 16 ㎜로의 설치 공간 확대를 야기한다. 따라서, 증발기-열 매체 공급 섹션(26) 내에서의 열 펌프 모드에서는 예를 들어 202 내지 300 l/h의 용적 흐름이 구현되는 한편, 주변-열 매체 공급 섹션(25) 내에서는 용적 흐름이 1000 내지 1500 l/h의 범위 안에 놓이게 된다. 이로 인해, 저온 주변 열 교환기(12)를 결빙시키지 않으면서 최대로 적은 온도차에서 높은 열원 출력이 주변으로부터 흡수될 수 있고, 냉매 순환계는 적지만 확실한 과열로써 작동될 수 있다. 필수적인 추가의 전기식 얼음 제거 기능 또는 전체 열 매체 망의 라인 직경의 확대가 생략된다. 얼음 제거가 필수적이 되는 경우, 이 과정은 삼방 밸브(22)의 개방에 의해서 또는 열 매체 저장기(11) 내에서의 온도 상승에 의해서 구현될 수 있다.
증발기를 통한 냉각은 또한 냉매에 의해서 직접적으로 또는 직접/간접의 조합에 의해서 실시될 수 있다.
바람직하게, 열 매체 저장기(11)는 또한 상호 선택적으로 연결된/연결되지 않은 2개 이상의 용기의 형태로도 구현될 수 있다.
1: 열 관리 어레인지먼트
2: 냉매 순환계
3: 열 매체 망(heat carrier net)
4: 압축기
5: 응축기/가스 냉각기
6: 내부 열 교환기
7: 팽창 기관
8: 증발기
9: 배터리 열 교환기
10: 냉각기
11: 열 매체 저장기
12: 저온 주변 열 교환기
13: 열 매체 펌프
14: 사방 밸브(four-way valve)
15: 환기 설비
16: 가열 열 교환기
17: 공기 냉각기
18: 구성 요소 열 교환기
19: 열 매체 펌프
20: 열 매체 펌프
21: 다중 경로 밸브
22: 삼방 밸브
23: 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션
24: 열 매체 분배 유닛
25: 주변-열 매체 공급 섹션
26: 증발기-열 매체 공급 섹션
27: 응축기 가열-열 매체 공급 섹션
28: 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션
29: 냉각-열 매체 공급 섹션
30: 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션
31: 분기점

Claims (18)

  1. 냉방 시스템 또는 열 펌프 기능을 갖춘 냉매 순환계(2) 및 차량 구성 요소들을 냉각 또는 가열하기 위한 열 매체 망(3)을 구비하며, 상기 열 매체 망(3)은 열 매체 저장기(11) 및 상기 열 매체 저장기(11)로부터 열을 공급받는 복수의 열 매체 공급 섹션을 구비하며,
    상기 복수의 열 매체 공급 섹션은 각각, 열 매체가 상기 열 매체 저장기(11)에서 나와 다시 상기 열 매체 저장기(11)로 순환되도록, 상기 열 매체 저장기(11)에 독립적으로 연결되어 별도로 제어 및 조절 가능하고,
    상기 복수의 열 매체 공급 섹션 중 주변-열 매체 공급 섹션(25)은 중앙의 저온 주변 열 교환기(12) 및 하나 이상의 열 매체 저장기(11)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 매체 저장기(11)에 열 매체 펌프(13) 및 열 매체 분배 유닛(24)이 배열되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  3. 제1항에 있어서, 주변-열 매체 공급 섹션(25)의 용적 흐름은, 구성 요소 열 교환기(18) 또는 추가의 열 매체 저장기(11)에 충분한 열 공급이 이루어지는 열 펌프 모드에서는 차단되거나, 외부로부터 주변 열이 필요한 경우에는 적어도 열 매체 망(3)과 동일하거나 열 매체 망(3)의 수배에 달하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  4. 제1항에 있어서, 열 매체 망(3)에 따라, 적용 모드에 따라 공동으로 또는 분리된 상태로 작동되고 찬 상태와 따뜻한 상태로 구별되는 복수의 열 매체 저장기(11)가 접속되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  5. 제1항에 있어서, 열 매체 저장기(11) 내에서 자체적으로 또는 열 매체 망(3)에 대해 직렬로 그리고/또는 병렬로, PCM 또는 겔(gel) 형태의 저장 매체가 배열되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 매체 공급 섹션 중 증발기-열 매체 공급 섹션(26)이 열 매체 저장기(11), 구성 요소 열 교환기(18) 및/또는 배터리 열 교환기(9) 및 냉매 순환계(2)의 증발기(8)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  7. 제6항에 있어서, 열 매체 펌프(20)가 유동 방향으로 볼 때 증발기-열 매체 공급 섹션(26) 내에서 증발기(8) 뒤에 배열되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  8. 제1항에 있어서, 별도로 제어 및 조절 가능한 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27)이 냉매 순환계(2)의 응축기(5) 및 가열 열 교환기(16)를 갖춘 일시적으로 폐쇄된 순환계를 형성하며, 열 매체 펌프(19)가 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 매체 공급 섹션 중 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션(23)이 열 매체 저장기(11) 및 구성 요소 열 교환기(18)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 매체 공급 섹션 중 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션(28)이 열 매체 저장기(11), 냉매 순환계(2)의 응축기(5) 및 가열 열 교환기(16)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  11. 제1항에 있어서, 별도로 제어 및 조절 가능한 냉각-열 매체 공급 섹션(29)이 냉매 순환계(2)의 증발기(8), 배터리 열 교환기(9) 및/또는 냉각기(10)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 매체 공급 섹션 중 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션(30)이 열 매체 저장기(11), 구성 요소 열 교환기(18), 냉매 순환계(2)의 증발기(8), 배터리 열 교환기(9) 및/또는 냉각기(10)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  13. 제1항에 있어서, 전기식 추가 가열 장치가 열 매체 망(3) 내에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  14. 제1항에 있어서, 냉매 순환계 내에서는 냉매 R290 또는 R1270, R134a, R152a, R1234yf, R744, R600a가 사용된 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법에 있어서, 냉각 모드와 가열 모드가 조합된 모드에서는, 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27), 증발기-열 매체 공급 섹션(26) 및 열 매체 저장기(11) 내에 있는 열 매체의 온도 레벨에 따라 주변-열 매체 공급 섹션(25) 그리고 냉매 순환계(2)가 공동으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법에 있어서, 냉각 모드에서는, 냉각-열 매체 공급 섹션(29), 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션(28), 구성 요소 냉각-열 매체 공급 섹션(23), 주변-열 매체 공급 섹션(25) 그리고 냉매 순환계(2)가 공동으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법.
  17. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법에 있어서, 가열 모드에서는, 구성 요소 가열-열 매체 공급 섹션(30), 응축기 가열-열 매체 공급 섹션(27), 주변-열 매체 공급 섹션(25) 그리고 냉매 순환계(2)가 공동으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 관리 어레인지먼트(1)를 작동시키기 위한 방법.
  18. 냉방 시스템 또는 열 펌프 기능을 갖춘 냉매 순환계(2) 및 차량 구성 요소들을 냉각 또는 가열하기 위한 열 매체 망(3)을 구비하며, 상기 열 매체 망(3)은 열 매체 저장기(11) 및 상기 열 매체 저장기(11)로부터 열을 공급받는 복수의 열 매체 공급 섹션을 구비하며,
    별도로 제어 및 조절 가능한 주변-열 매체 공급 섹션(25)은 중앙의 저온 주변 열 교환기(12) 및 하나 이상의 열 매체 저장기(11)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하고,
    별도로 제어 및 조절 가능한 응축기 냉각-열 매체 공급 섹션(28)이 열 매체 저장기(11), 냉매 순환계(2)의 응축기(5) 및 가열 열 교환기(16)를 갖춘 하나의 순환계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열 관리 어레인지먼트(1).
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