KR20030055174A - 하이브리드 압축기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 엔진이 정지중일 때에, 객실의 냉각을 보장하면서 차량의 연료 소비 효율을 개선하기 위해, 추가의 모터를 최대한 사용함으로써 최대 냉각 능력을 제공하는 하이브리드 압축기 시스템이 제공된다. 하이브리드 압축기 시스템은 냉매를 압축하기 위한 압축장치, 압축장치를 구동하기 위한 모터, 및 차량 엔진의 구동력을 단절시키기 위한 단절 수단을 포함한다. 하이브리드 압축기 시스템에서, 냉동 사이클 시스템의 열부하가 고부하측의 소정범위내에 있는 경우, 제어 수단은 차량 엔진이 압축장치를 구동하도록 단절 수단을 접속시킨다. 냉동 사이클 시스템의 열부하가 소정 범위보다 저부하측내에 있는 경우, 엔진이 주행중인 동안에도, 모터가 압축장치를 구동하도록 단절 수단을 단절시킨다.

Description

하이브리드 압축기 시스템{HYBRID COMPRESSOR SYSTEM}
본 발명은 하이브리드(hybrid) 차량 또는 장기간 동안 아이들링(idling)하지 않도록 설계된 아이들-정지(idle-stop) 차량에 탑재되는 냉동 사이클 시스템(refrigeration cycle system)을 위한 하이브리드 압축기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 또는 아이들-정지 차량은 전체 연료 소비량을 감소시키기 위해 연료 효율 차량에 대한 필요성의 증가에 따라 상업적으로 유통되고 있다. 이러한 차량에서는, 엔진이 일부 주행 상태(예로, 아이들-정지 차량에 대해서는 일시정지시, 하이브리드 차량에 대해서는 일시정지, 저속 주행. 및 시동시)에서 정지하도록 적응된다. 엔진 정지는 엔진에 의해 구동되는 냉동 사이클 시스템내의 압축장치가 객실에 냉난방을 제공하는 것을 멈추도록 한다.
이 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면, 일본특허공개공보 제2000-130323호에는, 엔진의 회전이 전자기 클러치를 통해 도르래(pulley)와 압축장치를 서로 결합시키고, 도르래와 마주보는 압축장치의 회전축에 모터를 결합시키는 하이브리드 압축기가 기재되어 있다. 이 구성에서, 엔진 정지시 전자기 클러치가 턴오프될 때에, 모터가 압축장치를 구동할 수 있다. 이것은 엔진이 정지되더라도 냉동 사이클 시스템이 동작하도록 하여, 차량에 냉각기능을 제공한다.
그러나, 상기의 특허에 기재된 기술은, 엔진 정지시에 냉동 사이클 시스템에 필요한 최대 냉각 용량을 달성하기 위하여, 모터가 압축장치의 동작에 응답하는 것을 전제로 한다. 이 경우에, 모터 탑재의 용이성 및 모든 관련 비용을 고려하여 적당한 크기의 모터를 사용하는 것이 실용적이지만, 큰 크기의 외부 전원 공급장치와 모터를 모두 제공해야 할 필요가 있다. 이것은 또한, 냉각이 부족할 때에 엔진을 가동시켜야 할 필요가 있는데, 이것은 본래 기대되었던 것에 비해 연료 절약의 저하를 초래한다.
또한, 상기의 특허에 기재된 기술은 엔진 정지시에 모터가 압축장치를 구동시킬 수 있도록 적응된다. 따라서, 이 추가의 모터는 차량의 모든 가능한 조건에 응답하여 사용하도록 의도된 것이 아니므로, 이에 따라, 아래의 문제가 해결되지않은 채로 남게 된다.
예를 들면, 엔진의 주행 중에, 엔진의 회전속도에서의 변화는 압축장치의 동작에서의 변화를 야기하여, 불안정한 냉동 흐름을 초래한다. 이것은 냉동 사이클 시스템의 효율성을 저하시킨다. 보다 중요한 문제는, 이것이 엔진의 연료 효율성의 저하 뿐만 아니라, 압축장치 및 엔진의 동작 변화로부터 야기되어 객실에서 발생하는 진동 및 소음을 포함하는 차량 객실 환경의 악화를 초래할 수 있다는 것이다.
가변 용량형의 압축장치를 사용하여 방출량을 조정함으로써, 엔진의 회전속도에서의 변화로 인한 냉동 사이클 시스템의 효율성 저하를 경감시키는 것이 가능하다. 그러나, 이것은 압축장치 자체를 비싸게 만들고, 가변 용량의 적은 용량으로 동작될 때에 압축장치의 효율성이 떨어지도록 하여, 이에 의해, 엔진의 연료 절약의 저하를 초래한다.
한편, 모터-구동형 압축장치는 엔진에 의해 구동될 필요가 없는 것으로 알려져 있다(예로, 일본특허공개공보 제11-159338호). 논의될 수 있는 바와 같이, 모터-구동형 압축장치는 동작중에 엔진의 회전속도에서의 변화에 의해 가해지는 영향을 피할 수 있게 한다. 그러나, 이 모터-구동형 압축 장치는 모터가 압축장치의 최대 냉각 용량을 고려하여 크기가 정해지도록 요구되어, 모터 및 외부 전원장치 모두의 크기를 증가시킬 필요가 있다.
상기의 문제점의 관점에서, 본 발명의 목적은 압축기를 구동하기 위해 작은보조 모터를 이용하여 최대의 냉각을 제공하고, 엔진 정지시에도 알맞은 냉난방을 제공하면서 차량의 연료 소비량을 감소시킬 수 있는 하이브리드 압축기 시스템을 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 기술 수단을 사용한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 하이브리드 압축기 시스템은 냉동 사이클 시스템내의 냉매를 압축하기 위한 압축장치; 전원에 의해 전력이 공급되어 회전동작하고, 상기 압축장치를 구동하기 위한 모터; 상기 압축장치로 전달되는 차량 엔진의 구동력을 간헐적으로 단절시키기 위한 단절 수단; 및 상기 모터의 동작 및 상기 단절 수단의 단절동작 수행을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다. 상기 하이브리드 압축기 시스템에서, 상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 고부하측의 소정 범위내에 있는 경우, 상기 제어 수단은 상기 차량 엔진이 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절 수단을 접속시킨다. 대안적으로, 상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 상기 소정 범위보다 저부하측내에 있는 경우, 상기 차량 엔진이 주행중인 동안에도, 상기 제어 수단은 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절수단을 단절시킨다.
이것은 압축장치를 최대 용량으로 사용하기 위해, 차량 엔진의 주 구동력이 압축장치를 구동하는데 사용될 수 있게 한다. 압축장치의 최대 능력은 냉동 사이클 시스템의 열부하가 차량의 냉각 동작 동안과 같이 고부하측의 소정 범위내에 있을 때에 필요하다.
객실이 냉각되어, 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 소정 범위보다 저부하측으로 감소되면, 압축장치의 감소된 동작을 필요로 하기 때문에, 모터는 압축장치의 용량에 따라 크기가 정해질 수 있다. 즉, 모터는 최대 열부하를 고려하여 크기가 정해질 필요가 없고, 이로써, 전원과 함께 크기가 감소될 수 있다.
또한, 모터는 엔진이 주행중인 동안에도 압축장치를 구동할 수 있다. 이것은 엔진의 회전속도에서의 변화로 수반되는 압축장치 동작에서의 변화를 없앨 수 있다. 이 결합된 작용이 냉동 사이클 시스템에 대한 효율을 향상시킬 수 있다. 통상적으로, 일년동안에, 열부하는 80 내지 90%가 저부하측에서 발생한다. 이 80 내지 90%는 대개 여름 동안의 냉각 동작을 제외한다. 이것은 냉동 사이클 시스템의 효율에서의 증가가 엔진의 연료 효율에서의 개선에 크게 기여하도록 한다.
또한, 벨트를 통해 엔진으로 전파되는 동작에서, 압축장치에 의해 야기되는 진동없이, 모터가 압축장치를 구동하고, 전자기 클러치는 단절된 상태로 남아있는다. 이것은 진동 또는 소음의 관점에서 객실 환경을 개선시킬 수 있다.
또한, 차량 엔진이 정지한 경우, 모터는 압축장치를 구동하기 위한 종래 기술에서와 같이 동력원으로서 역할할 수도 있고, 이에 의해, 냉각 기능을 계속 수행할 수 있다.
이 방식에서, 압축장치에 대한 동력원, 즉, 엔진 및 모터가 엔진의 동작 상태 및 냉동 사이클 시스템상의 열부하에 따라 교번적으로 사용된다. 이것은 소형 모터를 이용하여 냉각 능력을 확보할 수 있고, 차량에 대한 연료 소비 효율을 향상시킬 수 있으며, 엔진이 정지된 경우에도 냉각 기능을 보장할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 상기 열부하의 고부하측(고냉각 요구)과 저부하측(저냉각 요구) 사이의 경계는 상기 압축장치 전력의 1/2에 대응하는 열부하에 의해 정의된다. 다시 말해서, 압축장치가 냉각 용량의 1/2 또는 그 이상으로 설정되면, 압축장치는 고부하측 또는 고냉각 요구 영역에서 동작하는 것이다. 이 고냉각 요구 영역은 최대 열부하 냉각 용량에 대응한다. 압축장치가 냉각 용량의 1/2 이하로 설정되면, 압축장치는 저부하측 또는 저냉각 요구 영역에서 동작하는 것이다.
일반적으로, 열부하가 증가함에 따라 냉동 사이클 시스템의 성능 계수(압축장치의 전력에 대한 열부하에 대응하는 냉각 능력의 비)가 감소되기 때문에, 열부하에 대한 압축장치의 필요 전력에서의 증가 비율이 증가한다. 반대로, 열부하에서의 약간의 감소는 압축장치의 필요 전력의 많은 양을 감소시킨다. 이 경우에, 최대 전력의 1/2 이하인 전력 레벨에 대응하는 열부하는 통상적으로 최대 열부하의 60 내지 70% 인데, 이것은 냉동 사이클 시스템상의 저부하에 대한 정상치에 대응하는 영역내에 있기 때문에, 압축장치가 어려움없이 동작될 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 최대 열부하에서의 냉각 능력은 상기 차량이 햇빛 아래에서 정상 동작하는 동안에 차량 객실을 쾌적한 온도로 유지할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 상기 제어 수단은 상기 모터를 동작시키도록 공급되는 전력을 가변시키기 위한 인버터를 포함한다. 본 발명은 상기 모터 및 상기 인버터가, 상기 열부하의 고부하측과 저부하측 사이의 경계 영역에서 요구되는 상기 압축장치의 전력을 전달하기 위한 능력에서 최대 출력으로 설정되도록 적응된다. 이것은 모터 및 인버터가 크기는 감소되면서 충분하지만 최소인 능력으로 제공되도록 할 수 있다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 상기 압축장치는 소정값으로 설정된 1회전당 방출량을 갖는 고정 용량형 압축장치이다. 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 하기 위해, 상기 제어 수단은 상기 모터의 회전속도를 변화시켜 상기 압축장치로부터의 방출량을 제어한다.
이것은 모터의 회전속도가 압축장치로부터의 방출량을 변경시킬 수 있게 하고, 이에 따라, 압축장치 자체에 방출량을 변경시키는 기능을 제공할 필요성을 없앨 수 있고, 이로써, 적은 비용으로 고정 용량형의 압축장치를 제조할 수 있게 된다. 가변 용량형과는 달리, 고정 용량형의 압축장치는 방출량이 적은 시간 동안에 효율이 현저히 감소되지 않고, 따라서, 항상 최적의 조건하에서 고효율로 사용될 수 있다. 이것은 차량에 대한 연료 소비 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 상기 차량 엔진에 가까운 상기 단절 수단의 옆에 제공되고, 상기 차량 엔진에 의해 구동되는 외부 구동 수단; 및 상기 외부 구동 수단과 상기 압축장치 사이에는 제공되지만 상기 모터와 상기 압축장치 사이에는 제공되지 않으며, 상기 차량 엔진으로부터 전달된 구동력의 회전 속도를 증가시키기 위한 속도 증가 수단이 제공된다. 상기 압축장치가 상기 차량 엔진에 의해 구동되는 경우, 상기 압축장치는 상기 속도 증가 수단에 의해 속도가 증가된다. 상기 압축장치가 상기 모터에 의해 구동되는 경우, 상기 압축장치는 상기 모터의 회전속도에 동기된다.
이 구성은 회전속도가 차량 엔진에 의해 구동되는 압축장치를 동작시키는데필요한 최대 방출량을 제공하도록 한다. 이것은 압축장치가 1회전당 보다 적은 방출량을 제공하도록 하여, 이로써, 소형이고 적은 비용으로 제조될 수 있는 압축장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 상기 하이브리드 압축기 시스템은 상기 차량 엔진 또는 상기 압축장치의 회전속도를 감지하기 위한 회전속도 센서 수단을 더 포함한다. 상기 압축장치가 상기 차량 엔진에 의해 구동되고, 상기 회전속도 센서 수단에 의해 감지된 회전속도가 소정 회전속도 이상으로 판단된 경우, 상기 제어 수단은 상기 단절 수단을 단절시키거나, 또는 상기 단절 수단을 단절시켜 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 한다. 대안적으로, 상기 회전속도가 상기 소정 회전속도 미만인 경우, 상기 제어 수단은 상기 단절 수단을 접속시키거나, 또는 상기 단절 수단을 접속시켜 상기 모터를 정지시킨다.
압축장치가 본 발명의 제6 양태를 참조하여 설명된 것과 같은 요구된 방출량을 만족하기 위해 높은 회전 속도로 구동되는 경우에, 압축장치의 내구성과 관련된 제한 회전속도가 존재한다. 이에 따라, 소정 회전속도(Ns1) 또는 그 이상에 도달한 경우 단절 수단이 단절되어 압축장치를 보호한다. 차량 엔진의 낮은 회전속도에서 압축장치가 다시 구동되어 냉동 사이클 시스템의 성능을 크게 손상시킬 가능성이 없다. 또한, 모터가 압축장치를 구동하고, 단절 수단은 단절 상태로 유지되어, 냉동 사이클 시스템의 성능을 유지할 수 있다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 상기 단절 수단은 전자기 클러치인 것이 바람직하다. 본 발명의 제9 양태에 따르면, 상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 상기 고부하측의 소정 범위내에 있는 경우, 상기 제어 수단은 상기 차량 엔진 및 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절 수단을 접속시킨다.
이것은 차량 엔진에 추가로 모터에 의해 압축장치가 구동되도록 하여, 방출량을 증가시키고, 그 양만큼 압축장치의 크기를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 영역에서의 응용성은 이후에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하였지만, 상세한 설명 및 특정 예들은 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니라, 예시적인 목적으로 제공되었음을 이해해야 한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 차량의 냉동 사이클 시스템의 구성을 도시한 개략도.
도2는 도1의 하이브리드 압축기의 단면도.
도3은 엔진의 회전속도와 압축장치의 회전속도 사이의 관계를 나타낸 그래프.
도4는 엔진 회전속도에 대한 전자기 클러치의 온/오프 제어를 도시한 그래프.
도5는 제1 실시예에 따른 동작 제어를 도시한 순서도.
도6의 (a)는 시간에 따른 차량 속도를 나타낸 그래프이고, (b)는 시간에 따른 엔진의 회전속도를 나타낸 그래프이고, (c)는 시간에 따른 압축장치의 회전속도를 나타낸 그래프이고, (d)는 시간에 따른 전자기 클러치의 동작 상태를 나타낸 그래프이고, (e)는 시간에 따른 모터의 회전속도를 나타낸 그래프.
도7은 압축장치로부터의 방출량에 대한 압축장치의 효율을 나타낸 그래프.
도8은 열부하의 고부하측과 저부하측 사이의 경계 영역을 결정하는 개념을 나타낸 그래프.
도9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 압축기의 단면도.
도10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 압축기의 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 엔진20: 배터리(전원)
40: 회전속도 센서100: 하이브리드 압축기 시스템
110: 도르래(외부 구동 수단)120: 전자기 클러치(단절 수단)
120: 모터140: 압축장치
150: 제어기(제어 수단)151: 인버터
170: 유성 기어(속도 증가 수단)200: 냉동 사이클 시스템
다음의 바람직한 실시예의 설명은 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니며 단지 예시적인 것이다.
(제1 실시예)
이제, 도1 내지 도8에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 구체적인 구성을 도1 내지 도4를 참조하여 설명할 것이다.
도1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 압축기 시스템(100)은 차량 엔진(이하, 엔진으로 언급함)이 주행 조건에 따라 정지되는 하이브리드 차량에 포함된 냉동 사이클 시스템(200)에 적용된다. 하이브리드 압축기 시스템(100)은 제어 수단으로 역할하는 제어기(150) 및 하이브리드 압축기(101)를 포함한다. 또한, 하이브리드 차량은 엔진(10)의 회전속도를 감지하기 위한 회전속도 센서(40)가 제공되는엔진(10)에 직접 연결되는 모터 제네레이터(발전기)(30)를 포함한다.
냉동 사이클 시스템(200)은 공지된 냉동 사이클을 제공하고, 하이브리드 압축기(101)를 구성하는 압축장치(140)가 제공된다. 압축장치(140)는 냉동 사이클에 포함된 냉매를 고온 및 고압으로 압축한다. 그리고, 압축된 냉매를 응축 액화시키기 위한 응축기(210), 액화된 냉매를 단열 팽창시키기 위한 팽창 밸브(220), 및 팽창된 냉매를 증발시켜, 증발에 의해 초래된 잠열(latent heat)을 이용하여 통과하는 공기를 냉각시키기 위한 증발기(230)가 냉매 배관(240)에 차례로 연결되어, 폐회로를 형성한다.
증발기(230)로부터의 상류 공기흐름에서, 들어오는 공기의 온도(또는 대안적으로 외부 공기의 온도)를 감지하기 위한 증발기 온도 센서(231)가 존재한다. 이 실시예에서, 들어오는 공기 온도와 외부 공기 온도에 의해 결정된 목표 온도 사이의 차는 공기흐름량에 의해 증배되어, 냉동 사이클 시스템(200)상에 열부하에 대응하는 필요 냉각량을 정의한다. 들어오는 공기 온도와 목표 온도 사이의 차가 커질수록, 냉각되어질 공기의 흐름량이 많아지고, 냉동 사이클 시스템(200)의 필요 냉각량(열부하)도 커진다.
최대 열부하에서의 필요 냉각량은, 여름에 햇빛 아래에서 정상 동작을 하는 동안에 객실을 쾌적한 온도로 유지하는데 필요한 냉각량(소위, 여름 냉각 능력)으로 정의된다. 상세히 말하면, 외부 공기 온도가 35 내지 45℃인 맑은 날에, 냉각 시스템은 10.15 모드에 대응하는 정상 주행 조건하에서(40 내지 60km/h) 약 25℃로 객실을 유지할 수 있도록 기대된다. 임의의 일년 동안에, 최대 열부하는 약 10 내지 20%의 빈도로 발생하고, 중간 내지 낮은 레벨의 열부하가 (80 내지 90% 빈도로) 연평균 동안에 발생한다.
하이브리드 압축기(101)는 도르래(110), 전자기 클러치(120), 모터(130) 및 압축장치(140)로 주로 구성된다. 이러한 구성이 도2를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다. 외부 구동 수단으로서 역할하는 도르래(110)는 중심 부분에 모터 하우징(131)내에 설치된 도르래 베어링(111)에 의해 회전가능하게 지지되는 도르래 회전축(112)을 갖는다. 이러한 구성으로, 엔진(10)은 벨트(50)(도1 참조)를 이용하여 도르래(110)를 회전시킨다. 도르래 회전축(112)은 베어링(113) 수단에 의해 지지된다.
단절 수단(disconnection means)으로서 역할하는 전자기 클러치(120)는 압축장치(140)로 전달되는 엔진(10)의 구동력을 단절시키고, 도르래 회전축(112)에 연결된 허브(122) 및 모터 하우징(131)에 고정된 코일(121)을 포함한다. 공지된 바와 같이, 코일(121)에 전압이 가해지면, 전자기 클러치(120)는 엔진(10)으로부터 도르래 회전축(112)으로 구동력을 전달하고, 도르래(110)를 이용하여 허브(122)를 끌어 당긴다(클러치 온(ON)). 반대로, 코일(121)에 전압이 해제되면, 허브(122)는 도르래(110)로부터 멀리 이동하고, 엔진(10)으로부터의 구동력을 단절시킨다(클러치 오프(OFF)).
모터(130)는 교류(A/C) 3상 모터이고, 모터 하우징(131)의 내부 원주 표면에 권선에 의해 고정되는 고정자부(136), 및 모터 회전축(132)에 고정되는 회전자부(135)를 포함한다. 모터 회전축(132)은 분할 플레이트(137)내에 설치된 모터 베어링(134) 및 모터 하우징(131)의 바닥부분에 설치된 모터 베어링(133)을 이용하여 회전가능하게 지지된다. 모터 회전축(132)은 전술된 도르래 회전축(112)에 연결된다. 인버터(151)를 통해 고정자부(136)에 전원장치로서 역할하는 배터리(20)(도1 참조)에 의해 공급된 전력이 회전자부(135) 및 모터 회전축(132)이 회전 구동되도록 한다.
또한, 이 실시예에서, 압축장치(140)는 1회전당 소정의 방출량(V1)을 제공하기 위한 고정 용량 압축장치, 보다 상세하게 말하면, 공지된 스크롤 압축장치이다. 압축장치(140)는 압축장치 하우징(141)에 고정되는 고정 스크롤(144), 및 상기 모터 회전축(132)에 연결된 편심축(구동축)(142)을 이용하여 편심적으로 회전하는 이동 스크롤(143)을 포함한다. 냉매는 모터 하우징(131)상에 제공된 삽입 포트(131a)를 통해 들어오고, 분할 플레이트(137)상에 제공된 연통 구멍(137a)을 통과한다. 그리고 나서, 냉매는 압축실(145)에서 압축되고, 방출실(146)을 통해 압축장치 하우징(141)상에 제공된 방출 포트(141a)로부터 방출된다. 이에 의해, 들어오는 냉매가 모터(130)의 내부와 접속하게 되고, 이로써 모터(130)가 냉각되어, 모터(130)의 내구성이 향상된다.
도1을 참조하면, 제어기(150)는 회전속도 센서(40)로부터 엔진(10)에 대한 회전속도 신호, A/C 요구 신호, 증발기 온도 센서(231)로부터 온도 신호 등을 수신한다. 이 신호들에 따라, 전술한 전자기 클러치(120)의 단절(해제) 및 모터(130)의 동작을 제어하기 위해, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하를 판단한다.
보다 상세히 말하면, 제어기(150)는, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하가여름에 고부하측의 소정의 범위내로 떨어지는 냉각 동작을 위해 전자기 클러치(120)를 접속시킨다. 대안적으로, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하가 상기의 범위보다 저부하측에 있는 경우, 예를 들면, 냉각 동작 후의 정상 주행 동안 또는 엔진(10)의 정지 동안으로 가정하자. 이 경우에, 엔진(10)이 주행중이라도, 제어기(150)는 전자기 클러치(120)를 단절시킨다. 전자기 클러치(120)가 단절되면, 그 때의 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하에 응답하여 배터리(20)로부터의 전력이 변화되고, 압축장치(140)가 구동되는 구동력에 의해, 모터(130)의 동작 회전속도가 변화한다. 인버터(151)는 배터리(20)로부터의 직류를 교류로 변환시키고, 턴온 또는 턴오프되는 6개의 내부 스위칭 소자에 의해 모터로의 출력 전류를 조정하기 위한 공지된 AC/DC 변환기이다.
이 실시예에서, 모터(130) 및 압축장치(140)의 사양은 도3에 도시된 회전속도 특성도에 따라 결정된다. 도3은 엔진(10)의 속도에 대한 압축장치(140)의 회전속도를 나타낸다. 도3에서, 압축장치(140)의 회전속도는, 엔진(10)의 구동력에 의해 동작하는 압축장치(140)에 대한 도르래 비에 따라 직선 "a"로 나타낸다. 냉동 사이클 시스템(200)의 열부하가 최대가 되는 냉각 동작에 대한 차량 주행 상태를 가정하고, 압축장치(140)의 최대 필요 회전속도를 Na로 가정하자. 압축장치(140)의 1회전당 방출량(소정값)(V1)은 V = V1 x Na 관계의 역동작을 통해 그 때에 필요한 방출량(V)에 따라 결정된다.
모터(130)가 냉각 동작시에 압축장치(140)를 구동하지 않기 때문에, 모터(130)는 전술된 최대 필요 회전속도(Na)의 약 1/2인 회전속도(Nb) 범위내에서동작하는 것이 가능해진다. 이것은 모터(130)의 크기를 감소시킨다.
또한, 이 실시예에서, 도4에 도시된 바와 같이, 압축장치(140)가 엔진(4)에 의해 필요보다 더 높은 회전속도로 구동된다고 가정하자. 이 경우에, 전자기 클러치(120)는, 엔진 회전속도가 소정 회전속도(Ns1) 또는 그 이상에 도달하였을 때에 압축장치(140)를 보호하기 위해 단절된다. 반면에, 엔진 회전속도가 소정 회전속도(Ns1)보다 낮은 쪽으로 설정된 회전속도(Ns2) 이하로 떨어지면, 전자기 클러치(120)는 압축장치(140)를 구동하기 위해 다시 접속된다. 동시에, 전자기 클러치(120)가 단절되고, 모터(130)는 압축장치(140)를 구동하여, 가능한 한 많은 냉각량을 유지한다.
이제, 상기의 구성에 따른 이 실시예의 동작이 도5에 도시된 순서도 및 도6에 도시된 타이밍도를 참조하여 설명될 것이다. 도5에서, 먼저, 단계(S100)에서, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하(또는 대응하는 냉각용량)가 증발기 온도 센서(231)로부터 들어오는 공기 온도, 목표 온도, 및 A/C 요구 신호에서의 공기흐름량에 따라 계산된다.
그리고 나서, 단계(S110)에서, 열부하가 냉각 동작내의 고부하측의 소정 범위내로 떨어지는 경우, 전자기 클러치(120)가 접속되고(단계(S120)), 그리고 나서, 엔진(10)이 압축장치(140)를 구동한다(단계(S130)).
판단결과가 "아니오"인 경우(단계(S110)), 즉, 열부하가 소정 범위보다 저부하측에 있는 경우(또는, 냉동 사이클 시스템상의 열부하를 정상 주행 조건에 대한 열부하로 감소시키도록, 냉각 동작이 객실을 냉각한 경우), 전자기 클러치(120)가단절되고(단계(S140)), 엔진(10)이 주행중이라도, 모터(130)가 압축장치(140)를 구동하기 시작한다. 이 경우에, 모터(130)의 회전속도는 그 시간에서의 열부하에 따라 회전속도(Nb)의 범위내에서 변화하여, 압축장치(140)로부터의 방출량을 변화시킨다. 그 동안에, 전자기 클러치(120)는 단절된 상태로 유지된다.
엔진(10)이 전술한 단계(S130)에서 압축장치(140)를 구동하는 동안, 단계(S160)에서 엔진의 회전속도가 소정 회전속도(Ns1) 이상인지가 판단된다. 예를 들면, 엔진이 언덕을 오르는 경우와 같이 정상적으로 예상되는 것보다 더 큰 회전속도, 또는 소정 회전속도(Ns1) 이상의 회전속도로 주행할 필요가 있다고 가정하자. 이 경우에, 전자기 클러치(120)는 단절되고(단계(170)), 단계(S180)에서, 모터(130)가 압축장치(140)를 구동하기 시작한다. 단계(S190)에서, 엔진이 회전속도(Ns2) 이하인 회전 속도에 도달한 경우, 이 과정은 단계(S120)로 리턴하고, 여기서, 전자기 클러치(120)는 엔진(10)이 압축장치(140)를 다시 구동하도록 연결된다. 엔진(10)이 저부하측에 놓인 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하를 가지고 아이들링(idling)과 같이 정지된 경우, 냉각 기능을 계속 수행하기 위해, 전자기 클러치(120)는 모터(130)가 압축장치(140)를 구동하도록 단절된다(단계(S140, S150)).
전술된 구성 및 동작에 따른 본 발명의 동작 효과가 후술된다. 먼저, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하가 냉각 동작 동안과 같은 고부하측 소정 범위내에로 떨어지면, 엔진(10)의 주 구동력은 압축장치(140)를 최대 능력으로 사용하도록 적용된다.
객실이 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하를 소정 범위보다 저부하측으로 감소시키도록 냉각된 경우, 압축장치(140)는 보다 적은 용량을 필요로 하기 때문에, 모터(130)는, 모터(130)에 의해 압축장치를 구동하는데 필요한 능력으로 크기가 정해질 수 있다. 즉, 모터(130)는 최대 열부하를 고려하여 크기가 정해질 필요가 없고, 이에 따라, 배터리(20)와 함께 크기에서 감소될 수 있다.
또한, 엔진(10)이 주행중인 동안에도, 모터(130)가 압축장치(140)를 구동한다. 이것은 엔진(10)의 회전속도에서의 변화에 의해 수반되는 압축장치(140)의 동작에서의 변화를 없애므로, 이에 의해, 냉동 사이클 시스템(200)에 대한 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 일년동안에, 여름의 냉각 동작을 제외하면, 대개 열부하는 80 내지 90%의 빈도로 저부하측에서 발생한다. 이것은 냉동 사이클 시스템(200)의 효율에서의 증가가 엔진(10)의 연료 소비 효율에서의 향상에 크게 기여하도록 한다.
또한, 벨트(50)를 통해 엔진(10)으로 전파되는 동작에서, 압축장치(140)에 의해 야기되는 진동없이, 모터(130)가 압축장치(140)를 구동하고, 전자기 클러치(120)는 단절된 상태로 남아있다. 이것은 진동 또는 소음의 관점에서 객실 환경을 개선시킬 수 있다. 차량 엔진(10)이 정지한 경우, 모터(130)는 압축장치(140)를 구동하기 위한 종래 기술에서와 같이 동력원으로서 역할할 수도 있고, 이에 의해, 냉각 기능을 계속 수행할 수 있다.
이 방식에서, 압축장치(140)에 대한 동력원(power sources), 즉, 엔진(10) 및 모터(130)가 엔진(10)의 동작 상태 및 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하에따라 교번적으로 사용된다. 이것은 소형 모터(130)를 이용하여 냉각 능력을 확보할 수 있고, 차량에 대한 연료 소비 효율을 향상시킬 수 있으며, 엔진(10)이 정지된 경우에도 냉각 기능을 보장할 수 있다.
한편, 모터(130)가 압축장치(140)를 구동하면, 모터(130)의 회전속도가 변화하여, 압축장치(140)로부터의 방출량을 제어한다. 이것은 모터(130)의 회전속도가 압축장치(140)로부터의 방출량을 변경시킬 수 있게 하고, 이에 따라, 압축장치(140) 자체에 방출량을 변경시키는 기능을 제공할 필요성을 없앨 수 있고, 이로써, 적은 비용으로 고정 용량형의 압축장치를 제조할 수 있게 된다.
가변 용량형과는 달리, 고정 용량형의 압축장치(140)는 방출량이 적은 시간 동안에 효율이 현저히 감소되지 않고, 따라서, 항상 최적의 조건하에서 고효율로 사용될 수 있다. 이것은 차량에 대한 연료 소비 효율을 개선시킬 수 있다. 즉, 도7에 도시된 바와 같이, 최대 열부하로 적응된 가변 용량형의 큰 압축장치(도7에서 "A"로 나타남)가 방출량이 낮은 양측으로 변화되면서 사용되는 경우, 이것은 압축장치가 보다 낮은 효율에서 저부하 조건 동안에 사용되도록 한다. 그러나, 저부하 조건에 대해 미리 적응된 방출량을 만족하도록 크기가 감소된 고정 용량형 압축 장치(도7에서 "B"로 나타남)는 회전 속도 제어를 제공하고, 그 방출량으로 동작하여, 이에 의해, 항상 고효율을 제공할 수 있다.
또한, 엔진 회전속도가 소정 회전속도(Ns1) 이상일 때에, 전자기 클러치(120)가 단절되기 때문에, 압축장치(140)에 대한 보호가 제공될 수 있다. 엔진(10)의 낮은 회전 속도에서 압축장치(140)가 다시 구동되어, 냉동 사이클시스템(200)의 성능을 현저히 손상시킬 가능성이 없다. 이 때, 모터(130)가 압축장치(140)를 다시 구동하고, 전자기 클러치(120)는 해제된 상태로 유지되어, 냉동 사이클 시스템(200)의 성능을 유지시킬 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하의 고부하측과 저부하측 사이에 경계를 명확하게 정의하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 전술된 바와 같이, 열부하 영역은 냉각 동작에서와 같이 최대 열부하에서 요구되는 냉각 능력에 대응하는 압축장치(140) 전력의 1/2(MAX)로 둘러싸여지도록 정의될 수 있다.
일반적으로, 열부하가 증가함에 따라 냉동 사이클 시스템(200)의 성능 계수(압축장치의 전력에 대한 열부하에 대응하는 냉각 능력의 비)가 감소되기 때문에, 열부하에 대한 압축장치(140)의 필요 전력에서의 증가 비율이 증가한다. 반대로, 열부하에서의 약간의 감소는 압축장치(140)의 필요 전력의 많은 양을 감소시킨다. 이 경우에, 최대 전력의 1/2 이하인 전력 레벨에 대응하는 열부하는 통상적으로 최대 열부하의 60 내지 70% 인데, 이것은 냉동 사이클 시스템(200)상의 저부하에 대한 정상치에 대응하는 영역내에 있기 때문에, 압축장치(140)가 어려움없이 동작될 수 있다.
모터(130) 및 인버터(151)는 열부하의 고부하측과 저부하측 사이의 경계 영역에서 필요한 압축장치(140)가 전력을 최대출력으로 제공하는 능력으로 설정될 수 있다. 즉, 도8에 도시된 바와 같이 열부하의 경계 영역을 설정하는 것은 모터(130) 및 인버터(151)가 압축장치(140)의 최대 전력의 1/2과 같은 전력을 최대 출력으로제공하는 능력 및 크기를 갖도록 한다. 이것은 모터(130) 및 인버터(151)가 크기는 감소되면서 충분하지만 최소인 능력으로 제공되도록 할 수 있다.
모터(130)는 고정 용량형 중 스크롤형으로 제한되지는 않지만, 피스톤형 또는 스루-베인(through-vane)형일 수 있다. 또한, 회전 속도 센서(40)는, 소정 회전 속도(Ns1)에 대응하는 압축장치(140)의 회전속도가 압축장치(140)를 보호할 수 있게 결정되도록, 압축장치(140) 옆에 제공될 수 있다.
(제2 실시예)
도9는 본 발명의 제2 실시예를 도시하고 있다. 제2 실시예에서는, 도르래(110)와 압축장치(140) 사이에, 보다 상세하게는, 도르래(110)와 모터(130) 사이에 속도 증가 수단과 같은 기어 메커니즘이 제공된다. 이 실시예에서, 기어 메커니즘은 유성 기어(planetary gear)(170)로 내장된다. 유성 기어(170)를 형성하는 기어 중 선 기어(sun gear)(171)가 모터 회전축(132)에 연결되고, 유성 기어(172)가 도르래 회전축(112)에 연결된다. 유성 기어(170)의 외부 원주부분을 형성하는 링 기어(173)는 모터 하우징(131)의 바닥에 가까운 보호부(131B)에 고정된다.
이 구성은 회전 속도가 엔진(10)에 의해 압축장치(140)를 동작시키는데 필요한 최대 방출량을 제공할 수 있게 한다. 그후, 이것은 압축장치(140)가 1회전당 보다 적은 방출량을 제공하도록 하여, 소형이고 적은 비용으로 제조되는 압축장치(140)를 실현하게 된다. 그러나, 기어 메커니즘은 유성 기어(170)로 제한되지 않고, 속도를 증가시키기 위한 통상적인 기어의 조합을 사용할 수도 있다.
(그 밖의 실시예)
전술된 제1 및 제2 실시예에서, 압축장치(140)는 고정 용량형 압축장치로 설명되었다. 그러나, 도10에 도시된 바와 같이, 압축장치(140)는, 피스톤(148)의 왕복 운동이 경사판(147)의 경사각에 따라 변화하는 경사판 가변 용량형일 수 있다. 이것은 압축장치 효율에서의 저하를 초래할 수 있지만, 냉동 사이클 시스템(200)의 효율을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 모터(130)에 의해 동작될 때에, 압축장치(140)에 대한 방출량의 보다 확장된 가변 범위를 제공할 수 있다.
냉동 사이클 시스템(200)상의 열부하가 고부하측에 있는 경우, 압축장치(140)가 엔진(10) 및 모터(130)에 의해 구동될 수 있도록 모터(130)가 개시될 수 있다. 이것은 압축장치(140)가 엔진(10) 뿐만 아니라 모터(130)에 의해 구동될 수 있게 하여, 이에 의해, 방출량을 증가시키고, 그 양만큼 압축장치(140)의 크기를 줄일 수 있다. 본 발명은 하이브리드 차량 뿐만 아니라, 차량이 정지하면 엔진(10)을 정지시키도록 적응된 소위 아이들-정치 차량에도 적용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 압축기를 구동하기 위해 작은 보조 모터를 이용하여 최대의 냉각을 제공하고, 엔진 정지시에도 알맞은 냉난방을 제공하면서 차량의 연료 소비량을 감소시킬 수 있는 하이브리드 압축기 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명은 단지 예시적인 관점에서 설명되었고, 이에 따라, 본 발명의 주제에서 벗어나지 않는 변형예들이 본 발명의 범위내에 있도록 의도되었다. 이러한 변형예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않는다.

Claims (9)

  1. 하이브리드 압축기 시스템에 있어서,
    냉동 사이클 시스템내의 냉매를 압축하기 위한 압축장치;
    전원에 의해 전력이 공급되어 회전동작하고, 상기 압축장치를 구동하기 위한 모터;
    상기 압축장치로 전달되는 차량 엔진의 구동력을 간헐적으로 단절시키기 위한 단절 수단; 및
    상기 모터의 동작 및 상기 단절 수단의 단절동작 수행을 제어하기 위한 제어 수단
    을 포함하고,
    여기서, 상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 고부하측의 소정 범위내에 있는 경우, 상기 제어 수단은 상기 차량 엔진이 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절 수단을 접속시키고,
    상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 상기 소정 범위보다 저부하측내에 있는 경우, 상기 차량 엔진이 주행중인 동안에도, 상기 제어 수단은 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절수단을 단절시키는
    하이브리드 압축기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열부하의 고부하측과 저부하측 사이의 경계는 상기 압축장치 전력의 1/2에 대응하는 열부하에 의해 정의되는
    하이브리드 압축기 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    최대 열부하에서의 냉각 능력은 상기 차량이 햇빛 아래에서 정상 동작하는 동안에 차량 객실을 쾌적한 온도로 유지할 수 있는
    하이브리드 압축기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 모터를 동작시키도록 공급되는 전력을 가변시키기 위한 인버터를 포함하고,
    상기 모터 및 상기 인버터는, 상기 열부하의 고부하측과 저부하측 사이의 경계 영역에서 요구되는 상기 압축장치의 전력을 전달하기 위한 능력에서 최대 출력으로 설정되는
    하이브리드 압축기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축장치는 소정값으로 설정된 1회전당 방출량을 갖는 고정 용량형 압축장치이고,
    상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 하기 위해, 상기 제어 수단은 상기 모터의 회전속도를 변화시켜 상기 압축장치로부터의 방출량을 제어하는
    하이브리드 압축기 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차량 엔진에 가까운 상기 단절 수단의 옆에 제공되고, 상기 차량 엔진에 의해 구동되는 외부 구동 수단; 및
    상기 외부 구동 수단과 상기 압축장치 사이에는 제공되지만 상기 모터와 상기 압축장치 사이에는 제공되지 않으며, 상기 차량 엔진으로부터 전달된 구동력의 회전 속도를 증가시키기 위한 속도 증가 수단
    을 더 포함하고,
    여기서, 상기 압축장치가 상기 차량 엔진에 의해 구동되는 경우, 상기 압축장치는 상기 속도 증가 수단에 의해 속도가 증가되고,
    상기 압축장치가 상기 모터에 의해 구동되는 경우, 상기 압축장치는 상기 모터의 회전속도에 동기되는
    하이브리드 압축기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차량 엔진 또는 상기 압축장치의 회전속도를 감지하기 위한 회전속도 센서 수단
    을 더 포함하고,
    여기서, 상기 압축장치가 상기 차량 엔진에 의해 구동되고, 상기 회전속도 센서 수단에 의해 감지된 회전속도가 소정 회전속도 이상으로 판단된 경우, 상기 제어 수단은 상기 단절 수단을 단절시키거나, 또는 상기 단절 수단을 단절시켜 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 하고,
    상기 회전속도가 상기 소정 회전속도 미만인 경우, 상기 제어 수단은 상기 단절 수단을 접속시키거나, 또는 상기 단절 수단을 접속시켜 상기 모터를 정지시키는
    하이브리드 압축기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단절 수단은 전자기 클러치(electromagnetic clutch)인
    하이브리드 압축기 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉동 사이클 시스템상의 열부하가 상기 고부하측의 소정 범위내에 있는 경우, 상기 제어 수단은 상기 차량 엔진 및 상기 모터가 상기 압축장치를 구동하도록 상기 단절 수단을 접속시키는
    하이브리드 압축기 시스템.
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