KR20040018252A - 공조기 냉매를 사용하는 차량용 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

차량에 탑재되는 유닛(1)을 냉각시키는 냉각액을 순환시키는 냉각액 회로(21), 차량의 공조기용 냉매를 냉각시키는 냉매 회로(41), 및 이 냉각액 및 냉매 회로(21, 41)에 접속되는 열 교환기(15)를 포함하는 차량용 냉각 시스템으로서, 이 냉매의 냉기를 축열하는 축열재(25)가 구비되어 있다. 열 교환기(15)는, 냉각액과 축열재간, 및 냉각액과 냉매간의 열 교환을 수행한다.

Description

공조기 냉매를 사용하는 차량용 냉각 시스템{VEHICULAR COOLING SYSTEM USING AIR CONDITIONER REFRIGERANT}
일본국 실용신안 제4-116660호 공보에는 공조기 냉매를 사용하여 연료의 온도 상승을 억제하는 연료 냉각 시스템이 개시되어 있다.
일본국 특허 제11-337193호 공보에는 공조기 냉매를 사용하는 모터 또는 인버터의 냉각 시스템이 개시되어 있다.
본 발명은, 차량에 탑재되는 유닛을 냉각시키는 차량용 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 공조기 냉매를 흡열원으로서 사용하는 차량용 냉각 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 차량용 냉각 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도,
도 2는 도 1의 차량용 냉각 시스템에서의 열 교환기, 및 냉매와 냉각액의 흐름을 도시하는 개략도,
도 3은 도 1의 차량용 냉각 시스템의 동작을 도시하는 플로차트,
도 4는 냉각수 온도의 상승률을 설명하는 냉각수 온도의 그래프,
도 5는 평균 연료전지 출력의 상승률을 설명하는 단위시간당 평균 연료전지 출력의 그래프,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 차량용 냉각 시스템에서의 열 교환기, 및 냉매와 냉각액의 흐름을 도시하는 개략도,
도 7은 도 6의 차량용 냉각 시스템의 동작을 도시하는 플로차트이다.
내연기관(ICE) 등의 차량의 발전 유닛은 냉각액에 의해 효율적으로 냉각되고, 그 온도는 외부 기온보다 충분히 높다. 유닛을 냉각시키는데 냉매는 사용되지 않고 있다.
연료전지도, 냉각액에 의해 냉각되며, 냉매에 의해 직접 냉각시키는데 적합하지 않다. 어느 연료전지에서는, 내부에 냉매 배관이 설치될 수 없다.
연료전지의 냉각액의 열을 제거하기 위해서는, ICE 동력 차량과 동일하게,라디에이터가 사용된다. 필요한 고 출력시의 라디에이터의 냉각 성능은 ICE 라디에이터와 거의 동일하다. 안전한 운전을 위해서, 연료전지의 냉각액은 ICE보다 온도가 낮게 유지될 필요가 있다. 냉각액과 외부 공기간의 온도차가 작기 때문에, 연료전지의 라디에이터는, 필요한 냉각 성능을 확보하기 위해서 ICE 라디에이터보다 외부 공기와의 접촉 면적을 크게 할 필요가 있어, 라디에이터의 크기가 차량에 탑재하기 위한 허용 가능한 한계를 초과하거나, 발전을 억제하도록 차량의 출력이 희생된다.
본 발명의 목적은, 차량에 탑재되는 유닛의 차량용 냉각 시스템의 냉각 성능을 향상시키는 것이다.
본 발명의 특징은, 차량에 탑재되는 유닛을 냉각시키는 냉각액을 순환시키는 냉각액 회로, 차량의 공조기용 냉매를 순환시키는 냉매 회로, 및 이 냉각액 회로 및 냉매 회로에 접속되는 열 교환기를 포함하는 차량용 냉각 시스템으로서, 상기 냉매의 냉기를 축열하는 축열재가 구비되어 있고, 상기 열 교환기는 상기 냉각액과 상기 축열재간, 및 상기 냉각액과 상기 냉매간의 열 교환을 수행한다.
이하, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명되는데, 동일한 부재에는 동일한 참조부호가 붙여진다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 차량에 탑재되는 유닛으로서의 연료전지(1)는 배관(5 및 7)에 의해 라디에이터(3)에 접속되어 있다. 배관(5)에는 워터 펌프(9)가 설치되고, 워터 펌프로부터 토출되는 냉각액으로서의 냉각수가 라디에이터(3)로 흐른다. 배관(7)에는 냉각액 통로 전환 밸브(11)가 설치되고, 이 밸브는 배관(13)에 의해 열 교환기(13)의 도면 중의 하부측에 접속되어 있다. 냉각액 통로 전환 밸브(11)와 연료전지(1)간의 배관(7)은 배관(17)에 의해 열 교환기(15)의 도면 중의 상부측에 접속되어 있다.
배관(13 및 17)은 냉각액 바이패스(19)를 구성한다. 배관(5 및 7) 및 냉각액 바이패스(19)는 연료전지(1)의 냉각 시스템의 냉각액 회로(21)를 구성하고 있다. 냉각액 통로 전환 밸브(11)를 동작시킴으로써, 라디에이터(3)로부터 토출된 냉각수가, 냉각액 바이패스(19) 및 열 교환기(15)를 경유하여 연료전지(1)로 흐르는 상태와, 냉각액 바이패스(19)를 경유하지 않고 냉각액 통로 전환 밸브(11)로부터 연료전지(1)로 직접 흐르는 상태 중의 어느 하나로 전환된다. 이 때문에, 연료전지(1)의 온도 상태에 따라 냉각수의 온도를 제어할 수 있고, 이것에 의해 냉각수의 온도가 안정화된다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 열 교환기(15)는, 배관(13 및 17)이 접속되는 냉각액 영역(23)을 포함한다. 도면 중 냉각액 영역(23)의 좌측에는 축열재(25)가 배치되고, 그 우측에는, 후술되는 차량용 공조기에 흡열원으로서 사용되는 냉매가 유입하는 제1 냉매 영역(27)이 배치되어 있다. 축열재(25)의 냉각액 영역(23)과 반대측에는 제2 냉매 영역(29)이 배치되어 있다. 열 교환기(15)에서는, 냉각액 영역(23)의 냉각수와 제1 냉매 영역(27)의 냉매간, 제2 냉매 영역(29)의 냉매와 축열재(25)간, 및 냉각액 영역(23)의 냉각수와 축열재(25)간의 열 교환이 수행될 수 있다. 따라서, 연료전지(1)의 냉각수는, 공조기용 냉매, 및 이 냉매의 냉기를 축열하는 축열재(25)에 의해 효과적으로 냉각될 수 있고, 이것에 의해 연료전지(1)의 냉각 시스템의 냉각 성능이 향상된다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 차량용 공조기, 즉, 차량에 설치된 공조기 유닛은, 전동 컴프레서(31), 전동 컴프레서(31)로부터 토출된 유입 냉매를 응축하는 응축기(33), 액체 탱크(35), 및 차 실내의 내부와 연통되는 덕트(37)에서 액체 냉매를 증발시키는 증발기(39)를 포함하며, 이들이 모두 접속되어 냉매 회로(41)를 구성하고 있다. 전동 컴프레서(31)는 전동 컴프레서용 인버터(43)에 의해 제어된다.
증발기(39)와 액체 탱크(35)간의 배관(45)에는 냉매 통로 전환 밸브(47)가설치되어 있다. 이 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 배관(51)에 의해 열 교환기(15)의 제1 냉매 영역(27)의 도면 중의 상부측에 접속되고, 배관(53)에 의해 열 교환기(15)의 제2 냉매 영역(29)의 도면 중의 하부측에 접속되어 있다. 제1 냉매 영역(27)과 제2 냉매 영역(29)의 도면 중의 하부측은 서로 배관(55)에 의해 접속되어 있다. 배관(55)과, 전동 컴프레서(31)와 증발기(39)간의 배관(57)은 서로 배관(59)에 의해 접속되어 있다. 배관(51, 53, 55 및 59)은 냉매 바이패스(61)를 구성하고 있다. 냉매 통로 전환 밸브(47)를 동작시킴으로써, 액체 탱크(35)로부터의 냉매가, 배관(45a)를 경유하여 증발기(39)로 흐르는 상태, 배관(51)으로 흐르는 상태, 두 배관(45a와 51) 모두로 흐르는 상태, 또는 두 배관(45a와 53) 모두로 흐르는 상태로 전환된다. 냉매 바이패스(61)로의 냉매의 유입은 연료전지(1)의 온도 상태 또는 공조기의 운전 조건에 따라 제어된다. 냉각수의 온도는 낮아지고 공조기 성능에 영향은 최소로 된다.
연료전지(1) 앞의 배관(7)에는, 냉각수 온도를 검출하기 위해 수온 센서(63)가 제공되고, 축열재(25)에는 그 온도를 검출하는 온도 센서(64)가 제공된다. 수온 센서(63) 및 온도 센서(64)의 각 검출값은, 제어 장치로서의 차량 제어 유닛(VCU)으로 보내진다. VCU(65)는, 연료전지(1)로부터의 출력값과, 수온 센서(63) 및 온도 센서(64)로부터의 검출값을 수신하고, 냉각액 통로 전환 밸브(11)와 냉매 통로 전환 밸브(47)에 대해 작동 신호를 출력한다.
전동 컴프레서용 인버터(43)는, 공조기 제어 유닛(ACCU)(67)으로부터 작동 신호를 수신하여 전동 컴프레서(31)를 제어한다. 증발기(39) 하류측의 분위기 온도 센서(69)의 검출값이 ACCU(67)로 보내진다.
다음에, 도 3에 도시되는 플로차트에 기초하여, 전술한 차량용 냉각 시스템의 동작이 설명된다. 차량의 점화 스위치(IGN)가 온(ON) 되면, 냉각액 통로 전환 밸브(11)는, 냉각액이 냉각액 바이패스(19)를 경유하여 흐르지 않고 냉각액 통로 전환 밸브(11)에서 배관(7)으로 직접 흐르도록 전환된다. 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 냉매가 냉매 바이패스(61)를 경유하여 흐르지 않고 냉매 통로 전환 밸브(47)에서 배관(45a)을 경유하여 증발기(39)로 직접 흐르도록 전환된다(단계 S301).
이 상태에서, VCU(65)는, 수온 센서(63)에 의해 검출된 냉각수 온도(Tw)를 받어들이고 이 온도(Tw)를 소정값(Tmax)과 비교하여, Tw ≥Tmax가 성립되는지 아닌지를 판단한다(단계 S303). 여기서, 연료전지(1)의 운전 부하가 높고, 라디에이터(3)에서는 냉각수의 방열이 불충분하여 냉각수 온도가 상승하게 하는 것을 의미하는 Tw ≥Tmax이 성립되면, 열 교환기(15)에서 냉각수와 냉매간의 열 교환이 수행되어 냉각수 온도를 저하시킨다. 소정값(Tmax)은, 예를 들면 연료전지(1)의 최대 부하 운전시의 온도보다도 낮게 설정된다.
이 때, 냉각액 통로 전환 밸브(11)는, 냉각수가 냉각액 바이패스(19)(배관(13))를 경유하여 흐르는 상태로 전환된다. 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 냉매가 배관(51)을 경유하여 제1 냉매 영역(27)으로 흐르는 상태로 전환된다. ACCU(67)는 냉방 능력과 열 교환기(15)에서의 냉각액과 냉매간의 열 교환량이 최대가 되도록 전동 컴프레서용 인버터(43)로 신호를 출력한다.
각 통로 전환 밸브(11과 47)의 전환에 의해, 냉각수는, 배관(13)으로부터 열 교환기(15)의 냉각액 영역(23)으로 흐른 다음에, 배관(17)으로 흘러 배관(7)으로 복귀한다. 냉매는, 배관(51)으로부터 제1 냉매 영역(27)으로 흐른 다음에, 배관(55와 59)으로 흘러, 배관(57)으로 복귀한다. 그 다음, 냉매는 전동 컴프레서(31)에 흡입된다. 따라서, 열 교환기(15)에서는, 냉각액 영역(23)의 냉각수가 제1 냉매 영역(27)의 냉매로부터 냉기를 흡수한다. 이 때, 최대로 된 냉방 능력의 냉매에 의해 효과적으로 냉각되는 냉각수에 의해 연료전지(1)는 충분히 냉각된다.
냉각수 온도(Tw)가 소정값(Tmax) 미만이면, 냉각수 온도(Tw)는 소정값(Tmax)보다 낮은 온도의 제2 소정값(T1)과 비교되어, 냉각수 온도(Tw)가 소정값(Tmax) 미만이고 제2 소정값(T1) 이상인지 아닌지를, 즉, Tmax > Tw ≥T1이 성립되는지 아닌지가 판단된다(단계 307). 여기서, Tmax > Tw ≥T1이 성립되면, VCU(65)가, 냉각수의 수온 상승률(Tp=ΔTw(℃)/ΔS(s)), 및 단위 시간당 연료전지(1)의 평균 출력의 상승률(Pp=ΔPwave(kW)/ΔS(s))을, 온도 상승률 산출 장치 및 출력 상승률 산출 장치에 의해 각각 계산하고, 이 상승률(Tp 및 Pp)이 각각 설정값(α및 β) 이상인지 아닌지를 판단한다(단계 309 및 단계 311).
이 경우, 수온 상승률(Tp)은, 도 4에 도시되는 바와 같이, 횡축을 시간[sec.], 종축을 냉각수 온도[℃]로 하여, {Tw(n)-Tw(n-1)}/{S(n)-S(n-1)}로 나타내어진다. 평균 출력의 상승률(Pp)은, 도 5에 도시되는 바와 같이, 횡축을 시간[sec.], 종축을 평균 출력[kW]으로 하여, {Pwave(n)-Pwave(n-1)}/{S(n)-S(n-1)}로 나타내어진다. 도 5에서, 꺽은선(Pa)은 연료전지(1)의 실제 출력을 나타내고, 곡선(Pb)은 단위시간당 실제 출력의 평균값이다.
냉각수 온도 뿐만 아니라 연료전지(1)의 출력이 크게 변동하는 경우에는, 상승률(Tp 및 Pp)이 각각 소정값(α및 β) 이상으로 판단되면, 냉각액 통로 전환 밸브(11)는, 냉각수가 냉각액 바이패스(19)(배관(13))를 경유하여 흐르는 상태로 전환된다(단계 313). 이 때, 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 냉매가 냉매 바이패스(61)를 경유해 흐르지 않고 공조기 통로(45a)에만 흐르는 초기 상태로 유지된다.
따라서, 냉각수가 열 교환기(15)의 냉각액 영역(23)에 유입하고, 이 냉각액 영역(23)에서의 냉각수가, 미리 냉매로부터 냉기를 축적하고 있는 축열재(25)와의 열 교환에 의해 냉각된다. 축열재(25)의 냉기를 축열하는 작업은 냉매 통로 전환 밸브(47)를 전환시킴으로써 수행되어, 냉매가 배관(53)을 경유하여 흘러 제2 냉매 영역(29)에 도달하여 축열재(25)와의 열 교환을 수행한다.
전술한 바와 같이, 연료전지(1)의 출력이 크게 변동하고 따라서 냉각수의 온도가 크게 변동하면, 축열재(25)와의 열 교환은 냉각수 온도를 안정화시켜 그 변화를 억제한다.
그 다음에, 온도 센서(64)에 의해 검출된 축열재의 온도(Ts)가 규정값으로서의 축열재의 융점(Tsmelt) 이상인지, 즉, Ts ≥Tsmelt가 성립되는지 아닌지에 대해 판단한다(단계 315). 여기서, Ts ≥Tsmelt가 성립되면, ACCU(67)가, 차 실내 온도가 공조기의 설정 온도에 비해 소정 온도 높은 경우에 온으로 되는 쿨-다운(cool-down) 신호가 온인지 아닌지를 판단한다(단계 317).
이 경우, 쿨-다운 신호가 오프(OFF)이고 차 실내 온도가 낮으면, 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 냉매가 배관(51)과 증발기(39)측의 배관(45a)으로 흐르는 상태로 전환된다(단계 319). 따라서, 배관(51)을 경유하여 제1 냉매 영역(27)에 유입하는 냉매가, 융점(Tsmelt) 이상에 도달한 축열재(25) 대신에 냉각액 영역(23)의 냉각수와 열 교환하게 되어, 냉각수가 계속하여 냉각된다.
이 때에도, 필요에 따라 냉방 능력을 높임으로써(단계 319), 냉각수와 냉매간의 열 교환량을 공조 성능에 영향을 주지 않고 높일 수 있다.
그 다음, 냉각수 온도(Tw)가 제2 소정값(T1)을 하회하는지를, 즉, Tw < T1이 성립되는지 아닌지가 판단된다(단계 321). 여기서, Tw < T1이 성립되면, 냉각수를 냉각시킬 필요가 없다. 따라서, 프로세스는 단계 301로 복귀하여, 냉매에 의한 냉각수의 냉각이 정지된다.
단계 317에서 쿨-다운 신호가 온이면, 차 실내의 냉방을 최우선시킬 필요가 있기 때문에, 프로세스는 단계 301로 복귀하여, 냉매에 의한 냉각수의 냉각이 정지된다.
전술한 냉각수 온도(Tw)의 상승률(Tp) 및 평균 출력(Pwave)의 상승률(Pp)에 따라 냉각액 바이패스(19)로의 냉각수의 유입이 제어된다. 따라서, 냉각수의 온도는 연료전지(1)의 상태에 따라 정확하고 신속히 제어되어 보다 안정화되고, 이것에 의해 냉각 시스템의 작동이 필요 최소한으로 제한된다. 이 경우에, 냉각수 온도(Tw)의 변동량이 작게 되고, 연료전지(1)의 온도 변화가 억제되어, 연료전지(1)의 성능을 향상시킨다.
단계 317에서, Tmax > Tw ≥T1이 성립되지 않고 냉각수 온도(Tw)가 제2 소정값(T1)을 하회하면, 온도 센서(64)에 의해 검출된 축열재(25)의 온도(Ts)가 규정값으로서의 융점(Tsmelt) 이상인지 아닌지가 판단된다(단계 323). 여기서, Ts ≥Tsmelt가 성립되면, 쿨-다운 신호가 온인지 아닌지가 판단된다(단계 325). 쿨-다운 신호가 오프이고, 차 실내 온도가 낮으면, 냉매 통로 전환 밸브(47)는, 냉매가 배관(53) 및 증발기(47)측 배관(45a)으로 흐르는 상태로 전환된다(단계 327). 따라서, 배관(53)을 경유해 제2 냉매 영역(29)에 유입하는 냉매가 축열재(25)와 열 교환하여, 융점(Tsmelt) 이상에 도달한 축열재(25)에 냉기가 축열된다.
단계 323에서 축열재(25)의 온도(Ts)가 Tsmelt 미만이고, 단계 325에서 쿨-다운 신호가 온이면, 축열재(25)로의 냉기의 축열 동작이 불필요하고, 차 실내의 냉방은 필요하다. 그러므로, 프로세스는 단계 301로 복귀하여, 냉각액 통로 전환 밸브(11) 및 냉매 통로 배관 밸브(47)가 모두 초기 상태로 복귀된다.
따라서, 공조 성능에 영향을 주지 않고 축열재(25)에, 냉각수를 냉각시키기 위한 냉기를 축열하는 것이 가능하다.
그 다음, 냉각수 온도(Tw)가 전술한 제2 소정값(T1) 이상인지 아닌지가 판별된다(단계 329). 여기서, Tw ≥T1이 성립되고 냉각수 온도가 상승되면, 프로세스는 단계 301로 복귀한다. 반대로, 냉각수 온도(Tw)가 제2 소정값(T1) 미만이면, 프로세스는 단계 323으로 복귀하여 이후의 동작이 반복된다.
도 6에 도시되는 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 열 교환기(71)는 냉매가 통과하는 냉매 영역(73)을 포함한다. 냉매 영역(73)의 도면 중의 좌측에는축열재(75)가 배치되고, 그 우측에는 냉각수가 유입하는 제1 냉각액 영역(77)이 배치되어 있다. 축열재(75)의 냉매 영역(73)과 반대측에는 제2 냉각액 영역(79)이 배치되어 있다. 구체적으로, 열 교환기(71)에서는, 제1 냉각액 영역(77)의 냉각수와 냉매 영역(73)의 냉매간, 냉매 영역(73)의 냉매와 축열재(75)간, 및 냉각액 영역(79)의 냉각수와 축열재(75)간에 열이 교환된다.
냉매 회로(41)에 설치되는 냉매 통로 전환 밸브(81)는, 냉매 영역(73)의 도면 중의 상부측에 배관(83)에 의해 접속되고, 냉매 영역(73)의 도면 중의 하부측은, 도 1의 전동 컴프레서(31)와 증발기(39)간의 배관(57)에 배관(85)에 의해 접속되어 있다. 배관(83 및 85)은 냉매 바이패스(87)를 구성하고 있다. 냉매 통로 전환 밸브(81)의 전환 동작에 의해, 액체 탱크(35)로부터 유입하는 냉매가 증발기(39)측의 배관(45a)에 흐르는 상태와 배관(83)에 흐르는 상태 중의 어느 하나로 전환되거나, 또는 모두로 흐르는 상태로도 전환 가능하다.
배관(7)에 설치되는 냉각액 통로 전환 밸브(89)는, 제1 냉각액 영역(77) 및 제2 냉각액 영역(79)의 도면 중의 하부측에 각각 배관(91) 및 배관(93)에 의해 접속되어 있다. 제1 냉각액 영역(77) 및 제2 냉각액 영역(79)의 도면 중의 상부측에는 각각 배관(95) 및 배관(97)이 접속되어 있다. 이들 배관(95 및 97)은 배관(99)을 통해 배관(7)에 접속되어 있다. 배관(91, 93, 95, 97 및 99)은 냉각액 바이패스(101)를 구성하고, 냉각액 바이패스(101)와 배관(5 및 7)은 냉각액 회로(21)를 구성하고 있다.
구체적으로, 도 2의 예에서는, 냉매 바이패스 배관은 2개의 배관(51 및 53)을 가지고 있고, 냉각액 바이패스 배관은 하나의 배관(13)을 가지고 있다. 이와 같은 구조에 의해, 냉매에 의한 냉각수의 냉각과 축열재(25)에 의한 냉각간의 전환이 냉매 통로 전환 밸브(47)에 의해 실행된다. 한편, 도 6의 예에서는, 냉매 바이패스 배관은 하나의 배관(83)을 가지고 있고, 냉각액 바이패스 배관은 2개의 배관(91 및 93)을 가지고 있다. 냉매에 의한 냉각수의 냉각과 축열재에 의한 냉각간의 전환이 냉각액 통로 전환 밸브(89)에 의해 실행된다.
도 7은 도 6의 차량용 냉각 시스템의 동작을 도시하는 플로차트이다. 여기서, 도 3의 플로차트와 다른 처리 동작만이 설명된다.
냉각수 온도(Tw)가 Tmax 이상일 때에는(단계 303), 냉각액 통로 전환 밸브(89)는, 냉각수가 배관(91)을 경유하여 제1 냉각액 영역(71)에 흐르는 상태로 전환된다. 냉매 통로 전환 밸브(81)는, 냉매가 배관(83)을 경유하여 냉매 영역(73)에 흐르는 상태로 전환되고, ACCU(67)에 의해 냉방 능력이 최대로 되며, 열 교환기(15)에서의 냉각수와 냉매간의 열 교환량이 최대로 된다(단계 701). 따라서, 냉각수 온도가 높은 상태에서는, 냉각수 온도의 저하가 우선되어, 냉각수가 효과적으로 냉각된다.
냉각수 온도(Tw)가 Tmax 미만이고 T1 이상이면(단계 307), 그리고 냉각수 온도의 상승률(Tp)과 평균 출력의 상승률(Pp)이 각각 설정값(α및 β) 이상이면(단계 309 및 단계 311), 냉각액 통로 전환 밸브(89)는, 냉각수가 배관(93)을 흐르는 상태로 전환된다(단계 703). 냉매 통로 전환 밸브(81)는, 냉매가 냉매 바이패스(87)을 흐르지 않고 공조기 통로(45a)에만 흐르는 초기 상태로 유지된다.
따라서, 냉각수는 열 교환기(71)의 제2 냉각액 영역(79)에 유입하고, 이 제2 냉각액 영역(79) 내의 냉각액이, 미리 냉매로부터 냉기를 축열하고 있는 축열재(75)에 의해 냉각된다.
또한, 축열재(75)의 온도(Ts)가 융점(Tsmelt) 이상이고(단계 315), 쿨-다운 신호가 오프일 때에는(단계 317), 냉매 통로 전환 밸브(81)는, 냉매가 배관(83) 및 증발기(39)측 배관(45a)으로 흐르는 상태로 전환된다(단계 705). 따라서, 배관(83)을 경유하여 냉매 영역(73)에 유입하는 냉매가, 융점(Tsmelt) 이상에 도달한 축열재(25)를 통해 제2 냉각액 영역(79) 내의 냉각수와 열 교환되어, 냉각수가 계속하여 냉각된다.
이 때에도, 필요에 따라 냉방 능력을 높임으로써(단계 709), 냉각수와 냉매간의 열 교환량을 공조 성능에 영향을 주지 않고 높이는 것이 가능하다.
냉각수 온도가 T1 미만이고(단계 307), 축열재(25)의 온도(Ts)가 융점(Tsmelt) 이상이며(단계 323), 쿨-다운 신호가 오프이면(단계 325), 냉매 통로 전환 밸브(81)는, 냉매가 배관(83) 및 증발기(39)측 배관(45a)으로 흐르는 상태로 전환된다(단계 707). 따라서, 배관(83)을 경유하여 냉매 영역(73)에 유입하는 냉매가, 축열재(75)와 열 교환하여, 융점(Tsmelt) 이상에 도달한 축열재(75)에 냉기가 축열된다.
본 명세서는 2001년 10월 30일 출원된 일본국 특허 제 2001-332728호에 포함되는 내용에 관한 것으로 그 명세서가 여기에 완전히 참조를 위해 특별히 포함되어 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 방식으로 실시되거나 구현되어도 된다. 전술한 각 실시예에서는 차량에 탑재되는 유닛으로서 연료전지가 사용되었지만, 냉각액의 온도가 대략 80℃이기만 하면, 이 유닛은 구동 모터이어도 된다.
여기에 기술된 바람직한 실시예는 예시적이나 제한적이지 않으므로, 본 발명의 범위는 특허청구범위로 한정되며 특허청구범위 내의 모든 변화는 특허청구범위에 포함되도록 의도된다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명의 차량용 냉각 시스템에 의하면, 냉각액 회로와 냉매 회로에 접속되는 열 교환기에서, 차량에 탑재되는 유닛을 냉각시키는 냉각액이 공조기 냉매 및 이 냉매의 냉기가 축열되는 축열재와 열을 교환한다. 따라서, 냉각액이 충분히 그리고 안정하게 냉각됨으로써, 시스템의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 냉각액 회로와 냉매 회로에 각각 제공되는 배관 전환 밸브는, 냉매와 냉각액간, 냉각액과 축열재간, 및 축열재와 냉매간의 열 교환의 최적의 조합을 만들도록 제어된다. 그러므로, 유닛의 냉각은, 냉각액 온도, 냉각액 온도 상승률, 유닛 출력 상승률, 축열재의 온도, 차 내부 온도 등의 변화를 취급하면서 유연하고 신속하게 수행될 수 있다. 따라서, 시스템은 차량용 냉각 시스템으로서 유용하다.

Claims (19)

  1. 차량용 냉각 시스템에 있어서,
    차량에 탑재되는 유닛을 냉각시키는 냉각액을 순환시키는 냉각액 회로;
    상기 차량의 공조기용 냉매를 순환시키는 냉매 회로; 및
    이 냉각액 회로 및 냉매 회로에 접속되며, 상기 냉매의 냉기를 축열하는 축열재가 구비되어 있는 열 교환기를 포함하고, 상기 열 교환기는, 상기 냉각액과 상기 축열재간, 및 상기 냉각액과 상기 냉매간의 열 교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는,
    상기 축열재의 한쪽 측에 배치되며, 상기 냉각액 회로에 접속되는 냉각액 영역;
    상기 냉각액 영역의 축열재의 반대측에 배치되며, 상기 냉매 회로에 접속되는 제1 냉매 영역; 및
    상기 축열재의 다른쪽 측에 배치되며, 상기 냉매 회로에 접속되는 제2 냉매 영역을 포함하고,
    상기 열 교환기는, 냉각액과 축열재간, 냉각액과 냉매간, 및 축열재와 냉매간의 열 교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는,
    상기 축열재의 한쪽 측에 배치되며, 상기 냉매 회로에 접속되는 냉매 영역;
    상기 냉매 영역의 축열재의 반대측에 배치되며, 상기 냉각액 회로에 접속되는 제1 냉각액 영역; 및
    상기 축열재의 다른쪽 측에 배치되며, 상기 냉각액 회로에 접속되는 제2 냉각액 영역을 포함하고,
    상기 열 교환기는, 냉매와 축열재간, 냉매와 냉각액간, 및 축열재와 냉각액간의 열 교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액 회로에 제공되며, 상기 열 교환기에 접속되는 냉각액 바이패스; 및
    이 냉각액 바이패스로의 냉각액의 유입을 온 오프 전환하는 냉각액 통로 전환 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    냉각액의 온도 상승률을 산출하는 온도 상승률 산출 장치;
    상기 유닛의 출력 상승률을 산출하는 출력 상승률 산출 장치; 및
    산출된 냉각액의 온도 상승률 및 유닛의 출력 상승률에 따라 상기 냉각액 통로 전환 밸브의 전환을 제어하는 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉각액 통로 전환 밸브는, 산출된 냉각액의 온도 상승률 및 유닛의 출력 상승률이 각기 각각의 설정값 이상일 때에, 냉각액과 축열재간의 열 교환을 수행하도록, 상기 냉각액 바이패스로의 냉각액의 유입을 온으로 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 회로에 제공되며, 상기 열 교환기에 접속되는 냉매 바이패스; 및
    이 냉매 바이패스로의 냉매의 유입을 온 오프 전환하는 냉매 통로 전환 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 냉매 통로 전환 밸브는, 상기 열 교환기와 상기 공조기의 증발기 중 어느 하나, 또는 쌍방에 냉매가 흐르도록 전환될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액 회로에 제공되며, 상기 열 교환기에 접속되는 냉각액 바이패스;
    이 냉각액 바이패스로의 냉각액의 유입을 온 오프 전환하는 냉각액 통로 전환 밸브;
    상기 냉매 회로에 제공되며, 상기 열 교환기에 접속되는 냉매 바이패스;
    이 냉매 바이패스로의 냉매의 유입을 온 오프 전환하는 냉매 통로 전환 밸브; 및
    냉각액 온도가 제1 소정값 이상일 때에, 상기 냉각액 바이패스에 냉각액이 유입하도록 상기 냉각액 통로 전환 밸브를 제어하고 상기 냉매 바이패스에 냉매가 유입하도록 상기 냉매 통로 전환 밸브를 제어하는 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 냉각액 온도가 제1 소정값 미만이고 제2 소정값 이상일 때에, 상기 냉각액 통로 전환 밸브는 냉각액의 온도 상승률 및 상기 유닛의 출력 상승률에 따라 제어되고, 상기 냉매 통로 전환 밸브는 상기 축열재의 온도에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 냉각액 통로 전환 밸브 및 냉매 통로 전환 밸브는, 냉각액의 온도가 상기 제2 소정값 미만이고, 축열재의 온도가 규정값 이상이며, 차 실내 온도가 설정 온도보다 소정 범위만큼 높을 때에, 상기 축열재와 촉매간의 열 교환을 수행하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공조기의 컴프레서는 냉방 능력 가변의 전동 컴프레서를 포함하고, 축열재와 냉매간의 열 교환이 수행되어 상기 축열재에 냉매의 냉기를 축열하고 있을 때에, 냉방 능력이 높아지는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 공조기의 컴프레서는 냉방 능력 가변의 전동 컴프레서를 포함하고, 냉각액과 냉매간의 열 교환이 수행될 때에, 냉방 능력이 높아지는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템.
  14. 차량에 탑재되는 유닛의 냉각 방법에 있어서,
    상기 유닛을 냉각시키는 냉각액을 순환시키는 냉각액 회로 및 상기 차량의 공조기용 냉매를 순환시키는 냉매 회로를, 축열재, 상기 냉각액 회로에 접속되는 냉각액 영역, 및 상기 냉매 회로에 접속되는 제1과 제2 냉매 영역을 포함하며, 냉각액 영역의 냉각액과 제1 냉매 영역의 냉매간의 제1 열 교환, 축열재와 제2 냉매 영역의 냉매간의 제2 열 교환, 및 냉각액과 축열재간의 제3 열 교환을 수행할 수 있는 열 교환기에 접속시키는 것;
    냉각액 회로에 제공되는 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 냉각액 영역에 냉각액이 유입하게 하고, 냉매 회로에 제공되는 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 제1 냉매 영역에 냉매가 유입하게 함으로써 제1 열 교환을 수행하는 것;
    상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉각액의 유입을 막고, 상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 제2 냉매 영역에냉매가 유입하게 함으로써 제2 열 교환을 수행하는 것;
    상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉매의 유입을 막고, 상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 냉각액 영역에 냉각액이 유입하게 함으로써 제3 열 교환을 수행하는 것; 및
    상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉매의 유입을 막고, 상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉각액의 유입을 막음으로써 제1, 제2, 및 제3 열 교환을 정지시키는 것을 포함하는 냉각 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    냉각액의 온도 상승률을 산출하는 것; 및
    상기 유닛의 출력 상승률을 산출하는 것을 더 포함하고,
    상기 제3 열 교환은, 냉각액의 온도 상승률 및 상기 유닛의 출력 상승률이 각각 설정값 이상일 때에 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 열 교환은, 냉각액의 온도가 제1 소정값 이상일 때에 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
  17. 제16항에 있어서, 냉각액의 온도가 제1 소정값 미만이고 제1 소정값보다 작은 제2 소정값 이상일 때에, 상기 제3 열 교환은 냉각액의 온도 상승률 및 상기 유닛의 출력 상승률에 따라 수행되고, 상기 제1 열 교환은 축열재의 온도에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
  18. 제17항에 있어서, 냉각액의 온도가 제2 소정값 미만이고, 축열재의 온도가 규정값 이상이며, 차 실내 온도가 설정 온도에서 소정 온도 범위 내에 있을 때에, 상기 제2 열 교환은 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
  19. 차량에 탑재되는 유닛의 냉각 방법에 있어서,
    상기 유닛을 냉각시키는 냉각액을 순환시키는 냉각액 회로 및 상기 차량의 공조기용 냉매를 순환시키는 냉매 회로를, 축열재, 상기 냉각액 회로에 접속되는 제1과 제2 냉각액 영역, 및 상기 냉매 회로에 접속되는 냉매 영역을 포함하며, 제1 냉각액 영역의 냉각액과 냉매 영역의 냉매간의 제1 열 교환, 축열재와 냉매 영역의 냉매간의 제2 열 교환, 및 제2 냉각액 영역의 냉각액과 축열재간의 제3 열 교환을 수행할 수 있는 열 교환기에 접속시키는 것;
    냉각액 회로에 제공되는 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 제1 냉각액 영역에 냉각액이 유입하게 하고, 냉매 회로에 제공되는 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 냉매 영역에 냉매가 유입하게 함으로써 제1 열 교환을 수행하는 것;
    상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉각액의 유입을 막고, 상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 냉매 영역에 냉매가 유입하게 함으로써 제2 열 교환을 수행하는 것;
    상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉매의 유입을 막고, 상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 제2 냉각액 영역에 냉각액이 유입하게 함으로써 제3 열 교환을 수행하는 것;
    상기 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉매의 유입을 막고, 상기 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기로의 냉각액의 유입을 막음으로써 제1, 제2, 및 제3 열 교환을 정지시키는 것; 및
    상기 냉각액 회로에 제공되는 냉각액 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 제2 냉각액 영역에 냉각액이 유입하게 하고, 상기 냉매 회로에 제공되는 냉매 통로 전환 밸브를 사용하여 상기 열 교환기의 냉매 영역에 냉매가 유입하게 함으로써 제1 열 교환 및 제2 열 교환을 수행하는 것을 포함하는 냉각 방법.
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