KR20040079429A - 가열 기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템 및 상기 가열기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법 - Google Patents

가열 기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템 및 상기 가열기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 증발기(18), 압축기(12), 응축기 또는 가스 냉각기(14) 및 팽창 부재(16)를 포함하고, 상기 부품들은 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제 회로(34)에, 상기 압축기(12)가 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시 냉각제를 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 및 상기 팽창 부재(16)를 통해(가열 작동시에는 응축기 또는 가스 냉각기(14)를 바이패스함) 상기 증발기(18)로 이송하도록 배치되고, 상기 냉각제 회로는 커플 열 교환기(46)를 통해 열원의 냉각제 회로(66)에 결합되는, 차량, 특히 내연 기관(68)에 의해 작동되는 차량용 에어 컨디셔닝 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따라 상기 냉각제 회로(66)로의 열 방출이 상기 커플 열 교환기(46)를 통해 제어 및/또는 조절되게 하는 수단(56,58,70,74,76)이 상기 냉각제 회로(66)에 제공된다. 또한 본 발명은 이러한 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

가열 기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템 및 상기 가열 기능을 가진 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법{Air-conditioning system with heating function and method for operating an air-conditioning system with heating function}
차량 내에 연비가 최적화된 내연 기관을 사용하는 것은 상기 내연 기관의 에어 컨디셔닝에도 영향을 미치고, 특정 작동 영역에서, 예컨대 외부 온도가 낮을 경우 시작 단계동안 더 이상 충분한 열이 냉각액으로 방출되지 않음으로써, 차량은 안락하게 가열된다. 이것은 특히 디젤 엔진에서도 적용되고, 상기 디젤 엔진은 이미 오늘날 가열기를 포함함으로써, 온도가 낮은 경우에도 안락함이 보장될 수 있다.
이러한 이유로 미래에는 고유의 내연 기관 외에 추가 열원이 차량에서 지능형 열 관리부에 연결될 것이다.
상급 차량의 대부분에, 더 나아가서 중급 차량에도 오늘날 표준적으로 에어 컨디셔닝 시스템이 장착된다. 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 부품은 온도가 낮을 경우 냉각 회로의 방향 전환을 위해 열 펌프로서 사용될 수 있다. 이러한 열 펌프는 낮은 에너지 소비 및 가열 전력이 높을 경우 자발적 반응 특성을 특징으로 한다. 이것은 예컨대 차량 윈도우의 신속한 제빙시 특히 안전성과 관련된 가열 컨셉에 있어서, 그러나 또한 안락함의 관점에서 미래 지향적 컨셉이다.
또한 앞으로는 차량의 에어 컨디셔닝 시스템에서 종래의 냉각제(R 134a)는 자연 냉각제인 이산화탄소(CO2)로 대체되고, 상기 이산화탄소는 R 134a 보다 더 높은 가열 온도를 가능하게 한다. 종래의 냉각 증발 프로세스와는 달리 CO2에어 컨디셔닝 시스템에서 열 방출은 응축기의 냉각액이 압축되면서 이루어지는 것이 아니라, 가스 냉각기에서 압력이 임계값을 초과할 경우 이루어진다. 이러한 에어 컨디셔닝 시스템이 회로 방향 전환에 의해 열 펌프로서 사용되면, 열 수용은 가스 냉각기를 통해 이루어진다. 열 방출-즉 가열 효과-은 에어 컨디셔닝 시스템의 에어 컨디셔닝 박스에서 차량의 대시보드에 조립된 증발기를 통해 이루어진다.
이러한 열 펌프 회로의 중요한 단점으로서, 가스 냉각기가 외부 온도가 낮을 경우 공기측에서 빙결될 수 있다. 이로 인해 예컨대 충분한 엔진 냉각이 더 이상 보장되지 않는데, 그 이유는 공기 흐름으로 볼 때 일반적으로 후방 접속된 내연 기관의 냉각기가 냉기에 의해 불충분하게 관류되기 때문이다.
또한 에어 컨디셔닝 시스템의 열 펌프 회로는, 에어 컨디셔닝 시스템이 더 이상 공기의 제습을 위해 사용될 수 없다는 단점을 가진다. 증발기를 통한 열 방출에 의해, 증발기 표면에 존재할 수 있는 물이 증발됨으로써, 추가로 윈도우에 김서림이 갑자기 발생할 수 있다(플래시 포깅(flash fogging)). 또한 증발기 또는그 표면에 물이 축적될 수 있고, 가열시 악취로 인한 고통 및 예컨대 알러지에 의한 건강에 치명적인 손상을 야기하는 박테리아의 압축이 이루어진다.
가스 냉각기 빙결의 문제점을 해결하기 위해, DE 198 06 654 A1에는 엔진 냉각수가 열원으로서 사용되는 것이 공지되어 있다. DE 168 06 654 A1에는 냉각제 회로에서 단계마다 유체 또는 가스형 상태로 순환되는 이산화탄소가 냉각제로서 사용되는 차량용 에어 컨디셔닝 시스템이 공지되어 있다. 압축기는 냉각제를 냉각 작동시 가스 냉각기, 내부 열 교환기, 팽창 장치, 증발기를 통해 그리고 내부 열 교환기를 통해 낮은 압력에서 흡입측으로 다시 운반한다. 이 경우 가스 냉각기 내의 냉각제는 압축기에서의 압축에 의해 발생된 열의 일부를 방출한다. 내부 열 교환기에서 흡입측으로 다시 흘러가는 냉각된 냉각제는 추가 부분을 전달한다. 팽창 장치에서 냉각제는 주변 온도보다 낮은 온도로 팽창됨으로써, 증발기에서 에어 컨디셔닝 시스템으로 유입되는 공기로부터 열이 제거될 수 있거나 경우에 따라 공기가 이로 인해 동시에 건조된다. 이제 공기에는 후방 접속된 가열 열 교환기에 의해 바람직한 온도가 제공된다. 그러나 이것은 다수의 차량에서 이용되지 않는 에어 컨디셔닝 박스의 추가 체적을 필요로 한다.
흐름 분할기의 전환에 의해 압축기는 냉각제를 가열 작동 동안 증발기를 통해 운반하고, 상기 증발기는 이제 전환 방향으로 관류된다. 이 경우 냉각제는 압축에 의해 발생하는 열에 의해 에어 컨디셔닝 시스템으로 유입되는 공기의 일부를 방출한다. 따라서 상기 공기는 차량 내 객실을 가열하여 윈도우를 제빙시킨다. 내연 기관의 특정 작동 단계에서 가열 열 교환기가 이를 관류하는 공기보다 더 냉각되면, 추가 열은 내연 기관의 냉각액 회로로 방출된다. 이것은 차량 내부로 열이 유입되는 것을 지연시킨다. 공기로부터 수분이 제거되지 않고 오히려 공기가 나머지 습기를 증발기로부터 수용하는 것을 고려해야 하기 때문에, 이러한 방식의 에어 컨디셔닝 시스템에서는, 이후에 습기가 포화된 공기로부터 냉각된 차량 윈도우로 침전되어 시야가 방해됨으로써 안전성의 위험이 야기되는 것 우려된다.
증발기 다음에 냉각제는 DE 198 06 654 A1의 에어 컨디셔닝 시스템에서 더 낮은 온도로 팽창 유닛에서 팽창됨으로써, 상기 냉각제는 유체 회로와 냉각제 회로 사이에 배치된 커플 열 교환기 내 압축기의 흡입측으로 향한 경로에서 냉각액 회로로부터 열을 수용할 수 있다. 이러한 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 내연 기관의 비용으로 날씨가 추운 경우 차량 내부의 온도가 상승될 수 있다.
열 펌프 회로에서 문제점으로서, 에어 컨디셔닝 시스템의 압축기가 더 많이 작동될 수 있는데도 불구하고, 열원이 너무 적은 열을 전달함으로써 열 펌프의 가열 전력이 경우에 따라서 매우 작을 수 있다. 여기서 소위 가열 가스 회로는 다른 열원 필요없이 전체 압축력이 열로 변환되는 것을 가능하게 한다. 물론 습기 제거의 문제를 해결하지 않은 에어 컨디셔닝 시스템용 2 개의 상기 회로 종류의 혼합 버젼은 EP 0945 291 A1에 공지되어 있다. EP 0945 291 A1은 차량의 사용 공간을 가열 및 냉각하기 위한 장치 및 방법을 공지하고, 냉각제는 가열 작동시 압축기에 의해 압축되고 2/3-분배-밸브를 통해 증발기에 도달한다. 증발기를 통해 냉각제는 압축기에 의해 발생된 열의 일부를 더 냉각된 차량 내부 공기로 방출한다. 냉각제가 증발기로부터 팽창 장치로 흐르고, 상기 냉각제가 연속적으로 배치된 가스 냉각기에서 열이 주변 공기로부터 수용할 수 있는 경우에 한해서 상기 냉각제가 상기 팽창 장치에서 냉각된다. 추가열은 후방 접속된 배기가스 열 교환기 내의 EP 0995 291 A1 의 장치 내 냉각제로 공급되고, 상기 배기가스 열 교환기는 내연 기관의 가열된 배기 가스에 의해 작동된다.
냉각제는 배기 가스 열 교환기로부터 다시 압축기에 도달하고, 이로 인해 EP 0945 291 A1의 냉각제 회로가 차단된다. 냉각제가 팽창 장치에서 주변 온도보다 낮은 온도로 팽창되면, 가스 냉각기를 관류하는 공기는 포화 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 이러한 경우 물은 흡입된 주변 공기로부터 압축된다. 온도가 물의 승화선 보다 낮게 놓이면, 상기 물은 고체 상태로 변형됨으로써, 가스 냉각기는 결빙된다. 가스 냉각기는 일반적으로 공기의 흐름 방향으로 볼 때 내연 기관의 냉각기 앞에 접속되기 때문에, 가스 냉각기의 결빙에 의해 내연 기관의 정상적인 냉각이 위험해진다. 너무 심한 결빙을 방지하기 위해, 주변 조건이 위험할 경우 3/2-분배 밸브를 통해 바이패스 라인이 개방됨으로써, 가스 냉각기가 짧게 차단된다. 따라서 냉각제는 가스 냉각기를 바이패스하면서 배기 가스 열 교환기로 바로 흘러가고 거기서부터 압축기의 흡입측으로 흘러간다.
증발기를 통해 흐르는 차량 내부 공기가 가열되기는 하지만, -냉각 작동시와 같이- 공기로부터 습기가 제거되지는 않는다. 오히려 가열된 공기는 증발기에 다시 잔류하는 나머지 습기를 수용하고 다시 차량 내부의 냉각된 차량 윈도우로 습기로서 방출한다. 공기의 충분한 제습은 이러한 시스템에서 단지 에어 컨디셔닝 시스템의 추가 열 교환기에 의해 달성될 수 있지만, 이를 위해 다수의 차량에는 존재하지 않는 추가 구조 체적이 요구된다.
순수한 가열 가스 회로와 EP 0945 291 A1의 회로는 가열된 가스용 팽창 밸브("가열 가스 밸브")를 필요로 하고, 상기 밸브는 매우 비싼데, 그 이유는 높은 체적 흐름, 높은 압력 및 높은 온도용으로 설계되어야 하기 때문이다.
DE 198 18 649 A1 으로부터 차량 에어 컨디셔닝 시스템 및 구동 장치의 냉각제의 템퍼링(tempering) 방법이 공지되어 있고, 상기 시스템 및 방법에서 냉각제 회로에 열 교환기가 배치되고, 상기 열 교환기는 한편으로는 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제에 의해 그리고 다른 한편으로는 구동 장치의 냉각제에 의해 작동될 수 있다. DE 198 18 649 A1의 열 교환기는 압축기와 응축기 사이의 냉각제 회로에 배치되고, 열 교환기-바이패스 밸브에 의해 열 교환기를 냉각제측으로 연결시킬 수 있는 열 교환기-바이패스 라인을 포함한다. 구동 장치의 냉각제의 가열 단계동안 에어 컨디셔닝 시스템의 응축기는 바이패스 라인에 의해 연결됨으로써, 압축기에서 발생되는 열은 단지 열 전달기를 통해 냉각제로 이어지거나 또는 에어 컨디셔닝 시스템의 증발기를 통해 증발기에 의해 관류되는 공기로 전달될 수 있다. 이를 위해 열 교환기-바이패스 라인은 차단되고 바이패스 라인은 응축기를 통해 개방됨으로써 냉각제는 DE 198 18 649 A1의 회로 내 압축기, 열 교환기, 팽창 부재 및 증발기를 관류한다. 응축기가 연결되기 때문에, 냉각제는 응축기에서 응축할 경우 발생하는 열에 의해 가스형 상태로 변형되어 전체 회로에서 가스형태로 유지된다. 응축기에 수용된 열은 이제 열 교환기에서 여전히 냉각된 냉각제로 방출될 수 있다. 이 후에 냉각제는 팽창 부재에서 팽창되고, 증발기의 관류 이후에 압축기에서 다시 압축되어 이로 인해 가열된다.
본 발명의 목적은, 가급적 간단한 냉각제 회로 및 상기 냉각제 회로의 조절 방법을 개발함으로써, 내부의 제습과 높은 추가 가열 전력이 가능하도록 하는데 있다. 특히 이러한 에어 컨디셔닝 시스템은 에어 컨디셔닝 박스 내에 추가 구조 공간이 필요 없도록 제공되어야 한다.
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 에어 컨디셔닝 시스템 또는 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
도 1은 선행 기술에 따른 CO2-에어 컨디셔닝 시스템의 개략도이고,
도 2는 마찬가지로 선행 기술에 따른 가열 가스 회로의 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 제 1 실시예의 개략도이고,
도 4는 전환 가능한 내부 열 교환기를 포함하는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 제 2 실시예의 개략도이고,
도 5는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 제 3 실시예의 개략도이고,
도 6은 P(압력)-H(엔탈피)-다이어그램에서 가열 함수의 개략도이고,
도 7은 차량의 냉각수/가열 회로에 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 커플 열 교환기에 결합하기 위한 제 1 실시예의 개략도이고,
도 8은 차량의 냉각수-가열 회로에 에어 컨디셔닝 시스템의 커플 열 교환기에 결합하기 위한 제 2 실시예의 개략도이고,
도 9는 차량의 냉각수-가열 회로에 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 커플 열 교환기에 결합하는 추가 실시예의 개략도이고,
도 10은 가열 작동시 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 조절 전략의 개략도이고,
도 11은 가열 작동시 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 조절 전략의 제 2 변형예이고,
도 12는 가열 작동시 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 조절 전략의 제 3 변형예이고,
도 13은 가열 작동시 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 조절 전략의 제 4 변형예이고,
도 14-19는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템에서 커플 열 교환기와 가스 냉각기의 상대 배치에 대한 가능한 변형예이다.
본 발명에 따라 커플 열 교환기는 차량용 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제 회로에 통합되고, 상기 커플 열 교환기는 차량의 열원의 냉각제 회로의 냉각제에 의해 관류된다. 냉각제 회로의 방향 전환에 의해 에어 컨디셔닝 시스템은 열 펌프로서 사용될 수 있다.
에어 컨디셔닝 시스템의 가열 기능은 열 펌프 회로에 의해 구현되고, 상기 열 펌프 회로는 바람직하게 통풍 작동시 증발기에서 제습열을 열원으로서 사용하고, 유효열을 냉각제 회로의 커플 열교환기를 통해 냉각제로 송출함으로써, 가열 열 교환기를 통해 차량의 내실이 가열될 수 있다. 이러한 방식으로 냉각 전력은 예컨대 제습이 필요한 경우에 매칭될 수 있음으로써, 최적의 가열은 공기의 제습과 동시에 구현될 수 있다. 이러한 조절은 본 발명에 따란 커플 열 교환기에 의해 간접적으로 차량의 냉각제 회로 내의 열량 송출의 제어 또는 조절을 통해 이루어진다. 본 발명에 따라 냉각제 회로에 커플-열 교환기를 통해 열량 방출을 제어하거나 또는 조절하는 수단이 배치된다.
상기 장치 또는 기초를 이루는, 가열 기능을 가진 이러한 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법은, 공기의 제습과 동시에 차량 내실에 높은 가열 전력이 결합될 수 있게 한다. 에어 컨디셔닝 시스템의 증발기로의 열 결합은, 냉각제 회로 및 차량 내부 공간에 대한 최대 전력 결합이 압축기에 의해 가능해지도록 제어될 수 있다.
따라서 가열 작동은 완전한 통풍 작동시에 가능하고, 이로 인해 필요한 가열 에너지가 상당히 절약된다. 또한 차량의 에어 컨디셔닝 박스 내의 추가 구조 공간이 필요없게 된다.
냉각제측에서의 상응하는 회로 설계에 의해 전달된 열이 규정되어 예컨대 엔진의 냉각 시스템으로 공급될 수 있고, 이로 인해 더 신속한 엔진 가열이 가능하고, 이것은 내연 기관의 방출 감소와 관련하여 특히 바람직하다.
커플 열 교환기는 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시에도 관류된다. 차량의 냉각수에서 열이 분리되는 것은 냉각 작동시 열방출의 개선을 위해 사용된다. 이와 함께 냉각 전력의 개선과 효율의 개선이 이루어짐으로써, 예컨대 차량의 내연 기관이 더 신속하게 가열될 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 압축기에 연결된 가열 가스 밸브의 사용이 생략될 수 있음으로써, 증발기에서의 냉각 전력의 조절은 커플 열 교환기에서 동시에 압축 압력이 높고 따라서 가열 전력이 높을 경우에 가능하다.
추가 청구항에서 구현된 조치에 의해 청구항 제 1 항에 제시된 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 개선 및 개선예가 가능하다. 또한 이로부터 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 대한 바람직한 개선 및 개선예가 발생된다.
커플 열 교환기에 의한 열량 방출의 제어 및 조절은 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 실시예에서 커플 열 교환기에 의한 냉각제 질량 흐름의 조절에 의해 가능해질 수 있다. 이러한 방식으로 커플 열 교환기로부터 방출된 전력의 규정된 제어와 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 최적의 매칭이 구현될 수 있다. 냉각제 질량 흐름의 제어에 의한 커플 열 교환기로부터 방출된 전력의 상승은 냉각제 회로에서 증발압의 저하를 야기하거나 그 반대가 된다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 실시예에서 냉각제 질량 흐름은 조합된 에어 컨디셔닝-, 냉각- 및 가열 시스템의 냉각제측에서 커플 열 교환기의 바이패스 라인에 의해 커플 열 교환기를 통해 조절된다. 또한 예컨대 규정된 방식으로 냉각제측의 바이패스 밸브는, 바람직한 냉각제 질량 흐름만이 커플 열 교환기를 통해 흐르도록 제어될 수 있다. 커플 열 교환기는 예컨대 가열 열 교환기 다음에 있는 냉각제측에 있는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 상기 실시예에서 차량용 내연 기관의 냉각제 회로에 통합될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 실시예에서 커플 열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름은 예컨대 커플 열교환기에 직렬 접속된 추가의 전기 부가 물펌프의 제어에 의해 또는 선택적으로 예컨대 내연 기관의 냉각회로의 메인 물펌프에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 추가 바람직한 실시예에서 커플 열 교환기는 냉각제측에서 예컨대 내연 기관에 병렬 접속될 수 있음으로써, 커플 열 교환기를 통한 냉각제 체적 흐름은 내연 기관의 냉각제 회로에 있는 추가 혼합 밸브의 제어에 의해 조절될 수 있다.
다른 실시예에서 열량 방출은 냉각제의 온도의 조절에 의해서도 구현될 수 있다.
에어 컨디셔닝 시스템으로부터 커플 열 교환기를 통해 냉각제 회로로 많은 열량이 유입되는 것을 보장하기 위해, 커플 열 교환기는 바람직한 방법으로 압축기와 냉각제 회로의 팽창 밸브 사이에 배치된다.
특히 바람직한 방법으로 커플 열 교환기는 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때 응축기 또는 가스 냉각기 앞에 배치될 수 있고, 추가 가열-냉각 작동-전환 밸브는 바람직하게 응축기 또는 가스 냉각기 앞에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 다른 실시예에서, 커플 열 교환기를 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때 응축기 또는 가스 냉각기에 대해 평행하게 배치하는 것이 제공된다.
바람직한 방법으로 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 추가 실시예에서, 응축기 또는 가스 냉각기가 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시 또는 커플-열 교환기가 에어 컨디셔닝 시스템의 가열 작동시 관류되도록 냉각제 회로에 배치되는 것이 제공될 수 있다. 이 경우 가열-냉각 작동-전환 밸브는 예컨대 응축기 또는 가스 냉각기 앞에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 가열- 또는 냉각 작동 사이의 간단한 전환이 구현될 수 있다. 특히 이러한 간단한 전환은 바람직한 방법으로 3-분배 밸브의 사용에 의해 가능하다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 개선예에서 내부 열 교환기의 선택적 접속이 특히 가열 작동시 제공된다. 이러한 내부 열 교환기에 의해 바람직한 방법으로 높은 냉각수 온도에서도 충분한 제습이 보장될 수 있다. 내부 열 교환기는, 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때 응축기 또는 가스 냉각기의 뒤에 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템은, 특히 응축기 또는 가스 냉각기를 바이패스하면서 냉각제 체적 흐름이 내부 열 교환기를 통해 유입될 수 있게 하는 수단이 냉각제 회로에 제공되도록 형성된다.
내부 열 교환기를 통한 체적 흐름의 제어 수단은 바람직한 방법으로 밸브 및/또는 스로틀을 포함할 수 있다. 이 경우 밸브는 예컨대 2-분배 밸브로서, 스로틀은 예컨대 모세관 형태로 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 실시예에서, 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때 응축기 또는 가스 냉각기 뒤에 밸브, 특히 체크 밸브가 배치된다.
특히 바람직한 방법으로 냉각제 회로의 적어도 하나의 팽창 부재가 조절 가능한 팽창 부재로서 형성될 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 냉각제 회로는, 팽창 부재가 가열 작동과 냉각 작동시에도 한 방향으로만 관류되도록 설계된다. 따라서 팽창 부재로서 예컨대 저렴한 밸브, 특히 조절 가능한 밸브가 조절 가능한 팽창 부재로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 개선예에서, 적어도 하나의 커플 열 교환기, 응축기 또는 가스 냉각기의 바이패스를 위한 바이패스 밸브, 내부 열 교환기, 팽창 부재, 조절 밸브, 스로틀 및 체크 밸브를 포함하는 부품 그룹으로부터 선택된 적어도 2 개의 부품이 하나의 구조 유닛으로 배치되는 것이 제공된다. 하나의 콤팩트한 모듈에서 본 발명에 따른 2 개 또는 다수의 에어 컨디셔닝 시스템의 이전에 구현된 부재의 조합은 냉각제 라인 즉 전기 라인의 현저한 절약을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 냉각제 라인을 통해 열- 또는 냉각 손실이 바람직한 방법으로 감소된다. 이러한 콤팩트한 모듈은 예컨대 이미 하나 또는 다수의 상기 모듈의 부품용 제어 전자 장치를 포함할 수 있다. 이것은 고집적 시스템을 가능하게 하고 다시 구조 공간을 절약한다.
바람직한 방법으로 적어도 하나의 열 교환기가,그러나 바람직한 방법으로는 2 개의 열 교환기가 마이크로 구조-열 교환기로서 형성될 수 있다. 열 교환기를 마이크로 구조로 제조할 경우 엄청난 공간 및 무게의 절약이 발생되는데, 그 이유는 예컨대 상기 부품들의 연결부가 통합될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 추가 실시예에서 적어도 하나의 열 교환기가 바람직한 방법으로는 다수의 열 교환기가 역류 원리에 따라 작동한다. 특히 차량의 냉각제 회로에서 커플 열 교환기는 흐름 방향으로 볼 때 가열 열 교환기 뒤에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 바람직한 개선예에서 차량의 냉각제 회로의 커플 열 교환기는 냉각제 펌프의 흡입측에 배치된다. 바람직한 방법으로 상기 냉각제 펌프로서 조절 가능한 전기 냉각제 펌프가 다루어진다. 전기 조절 가능한 다른 냉각제 펌프도 마찬가지로 가능하다.
커플 열 교환기는 바람직한 방법으로 열원에 대해 평행하게 배치되고, 특히차량의 냉각제 회로에서 내연 기관에 대해 평행하게 배치될 수 있다. 밸브 및 냉각제 라인의 상응하는 회로 설계에 의해. 유효열이 커플 열 교환기(냉각수-열 교환기)를 통해 냉각제로 방출될 수 있고, 효과적으로 가열 열 교환기를 통해 차량의 내부 공기로 다시 전달될 수 있다. 이러한 배치는 공기의 제습과 동시에 차량 내부에 대한 높은 가열 전력의 신속한 결합을 가능하게 한다. 대안적인 방식으로 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각수 측에서의 상응하는 회로 설계에 의해 열이 완전히 또는 부분적으로 내연 기관으로도 제공될 수 있고, 이로 인해 예컨대 내연 기관의 방출을 방지하는 신속한 엔진 가열이 가능해진다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 실시예에서 냉각제가 사용되고, 상기 냉각제에서 열 방출은 임계값을 초과하는 압력에서 이루어진다. 특히 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템에서 바람직한 방법으로 냉각제인 이산화탄소용으로 설계된다. 그러나 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템은 다른 냉각제에 의해서도 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템은 에어 컨디셔닝 시스템의 작동을 위한 간단한 방법을 가능하게 하고, 상기 방법에서 에어 컨디셔닝 시스템의 증발기의 증발기 전력은 커플-열 교환기를 통해 열원의 냉각제 회로로 열을 방출함으로써 제어 및/또는 조절될 수 있다. 특히 냉각제 회로로의 열 방출은 커플-열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름에 의해 제어 또는 조절될 수 있다. 커플-열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름의 조절을 위해 바람직한 방법으로 조절값이 사용되고, 상기 조절 변수는 증발기 이후의 공기 온도의 온도 신호에 따라 좌우된다. 따라서 상기 조절에 증발기 이후의 공기 온도의 설정값이 할당되고, 상기 증발기는 내부 공간에 공급된 공기의 제습을 실행한다. 특히 증발기 이후의 공기 온도에 대한 설정값은 에어 컨디셔닝 시스템의 통풍 작동시 차량의 윈도우에 김서림이 발생하지 않도록 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법의 추가 실시예에서, 커플-열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름의 조절을 위해 조절값이 사용되고, 상기 조절값에, 팽창 부재의 출구와 에어 컨디셔닝 시스템의 압축기의 입구 사이의 측정점에서 측정된 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제의 압력이 포함된다.
또한 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에서 커플-열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름의 조절은 바람직한 방법으로, 증발기 전 및/또는 이후의 냉각제의 온도가 포함되는 조절값이 사용되도록 구현된다.
대안적인 방법 또는 추가로 커플-열 교환기를 통한 냉각제 질량 흐름의 조절은 조절값에 의해 조절될 수 있고, 상기 조절값에는 커플-열 전달기 이후의 냉각제의 온도가 포함된다. 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법의 바람직한 개선예에서 에어 컨디셔닝 시스템의 증발기의 증발기 전력과 증발기 이후의 공기 온도는 압축기의 추가 제어에 의해 조절될 수 있다. 특히 증발기의 증발 온도가 낮게 설정됨으로써, 증발기에 습기가 형성되도록 하는 조절이 사용될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 의해, 증발기의 증발기 전력과 증발기 이후의 공기 온도가 추가 수단에 의해 제어될 수 있다. 이러한 추가 수단은 바람직한 방법으로 내부 열 교환기의 접속 또는 차단이 구현된다.
물론 상기 언급된 다수의 조절값의 사용도 가능하고 바람직하다.
따라서 본 발명에 의해, 에어 컨디셔닝 시스템 및 특히 에어 컨디셔닝 시스템용 냉각제 회로를 구현할 수 있고, 상기 냉각제 회로는 내부 공간의 제습과 매우 콤팩트한 구조에서의 높은 추가 가열 전력을 가능하게 한다. 특히 본 발명에 의해 차량의 에어 컨디셔닝 박스내에 추가 구조 공간을 필요로 하지 않는 에어 컨디셔닝 시스템 및 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 조절 방법을 구현할 수 있다.
본 발명의 추가 장점 및 실시예는 하기의 설명부 및 도면에서 설명된다.
도면에는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 다수의 실시예 또는 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 조절 방법에 대한 다수의 실시예가 도시되고, 상기 실시예는 하기의 설명부에서 더 자세히 설명된다. 도면, 설명부 및 청구항은 다수의 특징을 조합하여 포함한다. 당업자들은 상기 장점을 개별로 관찰하거나 추가로 조합하여 요약한다.
도 1은 선행 기술에 일반적으로 공지된 바와 같이, CO2-에어 컨디셔닝 시스템(10)의 표준 배치의 개략도를 도시한다. 압축기(12), 가스 냉각기 또는 응축기(14), 팽창 밸브(16) 및 증발기(18)는 냉각제가 순환할 수 있는 차단된 회로에서 서로 연결된다. 또한 도 1에 따른 CO2-에어 컨디셔닝 시스템은 내부 열 교환기(20)를 포함하고, 상기 내부 열 교환기는 한편으로는 가스 냉각기(14)와 팽창 밸브(16) 사이에, 다른 한편으로는 증발기(18)와 압축기(12) 사이에 배치된다. 또한 도 1에 따른 CO2-회로는 분리된 유체가 축적된 축적기(22) 및 경우에 따라 압축기에 의해 회로에 도달한 오일 성분의 분리를 위한 오일 분리기(24)를 포함한다.
종래의 냉각 증발 프로세스와는 달리, 도 1에 도시된 바와 같이, CO2-에어 컨디셔닝 시스템에서 열 방출은 응축기에서 냉각액을 압축시켜서 이루어지는 것이 아니라, 가스 냉각기(14) 내의 압력이 임계값을 초과할 경우 이루어진다. 팽창 부재(16)에서 냉각제의 팽창 및 압력의 감소가 이루어진다. 팽창 부재(16)에 의해 팽창된 냉각제는 증발기(18)로 유입되고, 상기 증발기에서 상기 냉각제는 외부 매체에 의해 열이 수용된다. 냉각제는 열 전달이 이루어지는 내부 열 교환기(20)를 통해 흡입됨으로써, 냉각제의 압력이 압축기의 기계적 작동에 의해 다시 상승되는 압축기(12)에 도달한다.
이러한 에어 컨디셔닝 시스템이 회로 방향 전환에 의해 열 펌프로서 사용되면, 가스 냉각기(14)를 통해 열 수용이 이루어진다. 열 방출, 즉 가열 효과는 예컨대 차량의 에어 컨디셔닝 시스템의 에어 컨디셔닝 박스에 조립된 증발기(18)를 통해 이루어진다. 이러한 방식의 에어 컨디셔닝 시스템 회로의 실시예에서의 단점으로서, 내부 열 교환기(20)는 냉각 모드와 열 펌프 모드에서도 순환된다는 것이다.
도 2는 가열 가스 회로 형태의 에어 컨디셔닝 시스템의 대안적인 실시에를 도시한다, 팽창 밸브(16)와 가스 냉각기(14) 사이에 연결 라인(28)이 제공되고, 상기 연결 라인은 밸브(30)를 통해 접속 또는 차단될 수 있다. 밸브(30)는 바람직한 방법으로, 연결 라인(28)과 가스 냉각기(14) 사이에 배치된 밸브(32)와 함께 3-분배-혼합 밸브로서 형성될 수 있다.
도 3은 냉각- 및 가열 작동을 하고, 차량의 냉각수 회로에 열 결합이 이루어지는 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 제 1 실시예를 도시한다. 하기의 도면은 전달 중심의 프로세스 제어가 이루어지는 냉각제, 특히 냉각제 CO2에 관한 것이다. 그러나 본 발명은 다른 냉각제에 의해서도 구현될 수 있다. 이러한 경우 가스 냉각기(14) 대신에 예컨대 선행 기술로부터 여러 번 공지된 기존의 응축기가 사용된다. 이러한 의미에서 본 출원서에서는 용어 "응축기 또는 가스 냉각기(14)"가 사용된다.
도 3에 따른 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템(34)의 작동은 하기에 기술된다. 차량의 에어 컨디셔닝 박스(36)에 있는 증발기(18)는 차량의 내부 공간에 흐르는 공기(40)로부터 열을 수용하고, 이 경우 냉각제를 증발시킨다. 상기 냉각제는 축적기(42)에서 유체가 분리된 이후에 내부 열 교환기(20)를 통해 압축기(12)에 도달한다. 압축기(12)에서 냉각제는 고압(PHP)으로 압축된다. 압축 압력(PHP)은 상응하는 측정 장치(44)를 통해 진단된다. 가열된 가스는 커플 열 교환기(46)에서 그의 내부 열을, 예컨대 차량의 도 3에는 추가로 도시되지 않은 냉각수-가열 회로의 냉각수(48)로 방출한다. 커플 열 교환기(46)의 순환 이후에 냉각된 가스는 전환 밸브(50)를 통해 내부 열 교환기(20)를 통해 가지 않고 직접 팽창 부재(16)에 도달하고, 상기 팽창 부재는 도 3에서 밸브의 형태로 도시된다. 팽창 밸브(16)에 의해 냉각제가 팽창되어 이어서 다시 증발기(18)에 도달한다. 즉 본 발명에 따라 내부 열 교환기(20)는 에어 컨디셔닝 시스템의 유동 회로의 한 측면에서는 관류되지 않는다. 이로 인해 바람직한 방법으로 커플 열 교환기(46)와 팽창 밸브(16) 사이의 유체가 추가로 냉각되지 않고, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 선행 기술의 에어 컨디셔닝 시스템과는 대조적이다.
이러한 방식으로 증발기(18) 내의 냉각 전력의 조절은 커플 열 교환기(46)에서 동시에 압축 압력(PHP)이 높고 따라서 가열 전력이 높을 경우 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템-회로용 가능한 냉각제로서 유체 CO2의 압력-엔탈피-다이어그램에 의해 특성을 설명하기 위해 사용된다. 에어 컨디셔닝 시스템의 가열 작동시 내부 열 교환기(20)의 사용시 냉각제 CO2는 팽창 밸브(16) 이전에 전형적인 온도에서 가열할 경우 이미 강하게 냉각될 것이므로, 증발기(18)에서는 큰 증발 엔탈피가 이용될 것이다(도 6의 회로(1) 참조). 따라서 증발 온도의 감소를 야기하는 너무 높은 냉각 전력이 실행될 것이다. 이것은 다시 낮은 증발 압력에 상응하여 압축기(12)의 전력을 감소시킨다. 감소된 압축 전력은 다시시스템의 효과적인 가열 전력을 감소시킨다. 내부 열 교환기(20)가 가열 작동시, 그리고 거기서만 관류되지 않음으로써, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 에어컨디셔닝 시스템에 의해 상기 단점이 방지된다. 도 6은 회로(2)로 형성된 상기 본 발명에 따른 가열 회로의 상태 곡선을 도시한다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 전력의 최적의 매칭을 위해, 냉각수-가열 회로의 냉각수 질량 흐름(48)의 제어에 의해 커플 열 교환기(46)로부터 방출된 냉각- 또는 가열 전력이 제어될 수 있다. 냉각수 질량 흐름(48)의 제어 또는 조절에 의한 커플 열 교환기(46)로부터 방출된 전력의 상승은 에어 컨디셔닝 시스템의 증발 압력의 저하를 야기하거나 또는 그 반대이다. 상기 가열 기능은 가열 작동시에도 바람직한 방법으로 가열될 공기의 제습을 가능하게 한다. 따라서 내부 공기(52)(도 3 참조)는 제습되고 이어서 가열될 수 있다. 이로 인해 바람직한 방법으로 차가운 외부 공기(40)의 소량만이 차량의 에어 컨디셔닝 박스(36)에 공급되어야만 한다. 이러한 방법으로 차량 내부 공간에서 종래의 외부 공기 작동시보다 더 에너지 효율적이고 더 신속한 가열이 가능한다. 따라서 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 효과적인 통풍 작동이 가능하다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템에서 커플 열 교환기(46)가 특히 차량의 내연기관(68)의 열원의 냉각수 회로(66)에 통합된다(도 6 내지 9 참조). 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름(48)을 본 발명에 따른 방법으로 제어하기 위해, 일련의 실시예가 연구되고, 하기에서는 이 실시예들 중 3 개의 실시예가 예시적으로 나타난다.
도 7은 커플 열 교환기(46)가 차량의 냉각수-/가열 회로(66)에 결합되는 제 1 실시예를 도시한다. 차량의 냉각수-/가열 회로(66)는 공지된 방식으로 설계되므로, 본 발명의 사상에 있어서 중요하지 않은 이상 추가로 구현되지 않아도 된다.
도 7에 따른 실시예는 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름(48)의 조절을 위한 바이패스 라인(70)의 용도를 공지한다. 바이패스 밸브(56)에 의해 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름(48)이 변경될 수 있음으로써, 커플 열 교환기(46)로부터 냉각수 회로(66)로 방출된 전력의 세팅이 조절될 수 있다. 따라서 예컨대 커플 열 교환기(46)로부터 방출된 전력의 상승은 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제 회로(34) 내의 증발 압력의 저하를 야기한다.
커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름(48)의 제어를 위한 도 8의 실시예는 냉각수 질량 흐름(48)의 제어를 위한 전기로 제어되는 냉각수 펌프(58)의 용도를 공지한다. 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름(48)은 전기 부가 물펌프(58)의 제어 또는 최적으로 전기 메인 물펌프(74)의 제어에 의해서도 조절될 수 있다.
도 9는 차량의 내연 기관(68)의 냉각수-/가열 회로(66)에 커플 열 교환기(46)가 결합되는 추가 실시예를 도시한다. 이러한 경우 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각수 질량 흐름의 제어는 혼합 밸브(76)의 제어에 의해 구현된다. 커플 열 교환기(46)는 상기 실시예에서 차량의 냉각수- 또는 가열 회로(66)에서 내연 기관(68)에 대해 평행하게 배치된다.
하기에는 높은 가열 전력을 구현하기 위한 본 발명에 따른 가열 기능을 가진에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법 또는 가능한 조절 전략이 기술된다. 도 11 내지 14에는 이러한 조절 전략 또는 이러한 조절 전략의 기본이 되는 조절 회로에 대한 4 개의 예시적 변형예가 도시된다. 변형예들은 개별 조절기(1 내지 3)의 상이한 조합에 의해 발생된다(PID-Ri).
이 경우
t_U : 주변 온도
t_I : 차량 객실의 내부 온도
X : 공급된 전체 공기의 통풍양
t_02L : 증발기 출구의 공기 온도
p_0 : 증발기 압력
t_CHx2 : 커플 열 전달기 출구의 CO2온도
증발기 출구의 공기 온도의 설정값은 예컨대 하기식에 따라 계산된다 :
t_02Lsoll(X*t_U +(1-X)*t_I) - 5K
에어 컨디셔닝 박스(36)내 공기의 충분한 제습을 고려하면서, 예컨대 차량의 내부 공간의 가열 전력의 최적화를 위한 서술에 상응하도록, 증발기로부터 발생되는 공기(54)(t_02Lsoll)의 설정 온도가 결정된다. 따라서 증발기 압력은 증발기 온도 대략 0-20K, 바람직하게 5 K가, 유입된 공기의 온도 보다 낮게 놓이도록 설정된다.
증발기 전력과 증발기(18)로부터 발생되는 공기의 온도는 커플 열 교환기(47)를 통한 냉각 유체(48)의 관류량에 의해 매우 양호하게 제어될 수 있다. 커플 열 교환기(47)를 통한 냉각 유체(48)의 관류량은 선택된 부재(예컨대 도 7의 바이패스 밸브(56) 또는 도 9의 부가 물펌프(58))의 상응하는 제어에 의해 조절될 수 있다. 이러한 능동적인 조절에 의해 원칙적으로 증발기(18) 내의 증발 온도는 증발기에 서리가 형성되도록 낮게 설정될 수 있다.
도 10 내지 13에서 "PID-Ri"는 PID 기술의 i-ten 조절기를 나타낸다. 개별 조절기는 바람직한 방법으로 I-값-제한부를 가진 PID-조절기일 수 있다. 다른 조절기의 사용도 물론 가능하다. 도면 부호 "RS"는 각각 조절 구간을 나타낸다.
조절기(PID-R)에 의해, 센서(60)로 측정된 증발기(t_02L)로부터 나온 공기 온도가 설정값(t_02Lsoll)으로 조절된다. 조절기(1)(PID-R1)로부터 계산된 조절값은 조절 구간(RS), 예컨대 도 7의 바이패스 밸브(56) 또는 도 8의 부가 물펌프(58)에 직접 제공되거나 또는 추가의, 뒤에 제공된 조절기(2)(PID-R2) 또는 추가 조절기(3)(PID-R3)에 제공될 수 있다. 조절기(2 및 3)에 의해, 조절 변동을 야기하는 시스템 내 부동 시간(dead time)이 보상되고 조절 품질도 상승될 수 있다.
조절기(2)에 의한 센서(62)를 통한 증발기 압력(p_0)의 조절 및 측정에 의해, 증발기에서의 변경 이후에 CO2-측에서 조절되는 부동 시간이 보상될 수 있고, 상기 변경까지는 에어 컨디셔닝 시스템의 공기측에서 측정될 수 있다.
조절기(3)는 커플 열 교환기-출구(t_CHx2)(센서 64)에서의 CO2-온도의 변경과 증발기 출구(t_02L)의 공기 온도 또는 증발 압력(p_0) 사이의 부동 시간을 보상할 수 있다. 이러한 조절기(3)에 의해 조절기(1) 또는 조절기(2)로부터 계산된 설정값이 커플 열 교환기-출구(t_CHxsoll)의 온도용으로 조절된다.
이미 언급된, 예시적 조절 전략 이외에 물론 다른 에어 컨디셔닝 시스템의 파라미터 및 특히 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제 회로의 압력도 사용될 수 있다. 따라서 예컨대 증발기 전력과 증발기 출구(t_02L)의 공기 온도는 내부 열 교환기(20)의 접속 또는 차단에 의해 및 브레이크어웨이 포인트(breakaway point)로 또는 여기로부터 압축기(12)의 조절에 의해 영향을 받을 수 있다.
소위 에어 컨디셔닝 작동시 에어 컨디셔닝 시스템(34)은 도 3, 도 4 및 도 5에 따른 배치에 상응하게 작동한다. 이러한 작동 방식에서 가열 가스(냉각제)는 마찬가지로 압축기(12)로부터 커플 열 교환기(46)로 흐르고, 여기서 상기 가열 가스는 열을 할당된 냉각회로의 냉각제 유체(24)로 방출할 수 있다. 상기 냉각제 유체는 냉각수-가열 회로에서 가열 조절 밸브(76)(도 7 참조)를 통해 가열 열 교환기(78)를 거쳐 엔진(68) 또는 냉각수-가열 회로의 냉각기(80)에 공급된다.
에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시 혼합 밸브(3-분배 밸브)(50)가 전환됨으로써, 가스 냉각기(14)가 관류된다. 가스 냉각기(14)는 순환하는 냉각 유체를 주변으로 열을 방출하면서 냉각시킨다. 내부 열 교환기(20)에서 추가 열 방출이 이루어지고 팽창 밸브(16)에서 저압으로 팽창된 이후에, 냉각 유체는 증발기(18)에 도달하고, 상기 증발기에서 상기 냉각 유체는 열을 수용하면서(유효 냉각 전력) 증발된다. 냉각 유체는 내부 열 교환기(20)를 통해 이어서 다시 압축기(12)에 도달한다.
매우 바람직하게 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 기술은 시작 단계에서 고유의 가능한 엔진 가열을 기본으로 한다. 또한 추가 운전 작동시 열의 일부가 에어 컨디셔닝 시스템으로부터 냉각수-가열 회로(66)의 냉각제 유체(48)로 공급될 수 있다. 따라서 가스 냉각기(14)는 부하를 덜 받고, 이로 인해 가스 냉각기(14)에서 출구의 냉각제 온도가 낮아진다. 이것은 다시 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템(34)의 효율을 개선시킨다.
냉각제 유체 온도가 높을 경우 도 3에 따른 회로는 경우에 따라서 충분한 제습력을 더 이상 불가능하게 한다. 그러나 이것은-커플 열 교환기(46)에서 감소된 가열 전력의 손해로 인해-내부 열 교환기(20)의 전환에 의해 방지될 수 있다.
도 4는 도 3에 따른 에어 컨디셔닝 시스템과는 달리 존재하는 추가 부품 즉 모세관/스로틀(82) 및 2-분배-전환 밸브(84)를 포함하는 회로 변형예를 도시한다. 냉각제 유체 온도가 높을 경우 냉각 전력이 상승되면, 내부 열 교환기(20)에 대해 평행하게 배치된 2- 분배-전환 밸브(84)가 개방된다. 전환 밸브(84)에 대해 직렬로 배치된 모세관/스로틀(82)을 통해 압력이 강하됨으로써, 냉각제의 일부가 내부 열 교환기(20)를 통해 흐르고 이 경우 열을 에어 컨디셔닝 시스템의 저압 측에 있는 냉각 유체로 방출시킨다. 이러한 방법으로 더 큰 엔탈피 차가 증발기(18)에서 사용될 수 있고, 이것은 시스템의 냉각 전력을 상승시키고, 물론 동시에 그의 가열 전력을 저하시킨다.
시스템의 각 시작시 가급적 가장 신속하게 압축기(12)와 팽창 밸브(16) 사이의 부품에서 고압이 형성되어야 한다. 또한 온도가 낮을 경우에는 더 많은 양의 냉각제가 필요하다. 도 5에 따른 배치에 의해 가열 작동시 에어 컨디셔닝 회로의 시작 이후에 필요한 냉각제 양이 감소될 수 있다. 또한 체크 밸브(86)에 의해 가스 냉각기(14)가 에어 컨디셔닝 시스템의 나머지 부분과 완전히 분리된다. 이러한 방식으로 더 신속한 반응 특성이 구현될 수 있다. 증발기(18)의 냉각 전력을 조절하는 추가 실시예, 특히 냉각 전력의 세밀한 조절을 위한 실시예는 팽창 부재(16)의 제어에 의해 구현될 수 있다. 팽창 밸브(16)에 의해 에어 컨디셔닝 시스템 회로의 고압 레벨이 조절되고, 고압의 상승은 증발기 압력의 저하와 냉각 전력의 상승을 야기한다. 그러나 동시에 이러한 조절 방식에서 시스템의 냉각 전력이 영향을 받는다. 따라서 상기한 시스템의 조절 변동을 보상하기 위해 이러한 조절이 사용될 수 있다.
부품들 즉, 커플 열 교환기(46), 3-분배-밸브(50), 내부 열 교환기(20), 팽창 부재(16), 모세관/스로틀(82), 2-분배-전환 밸브(84) 및 체크 밸브(86)가 완전히 또는 부분적으로 해당 제어 전자 장치를 포함하거나 포함하지 않은 콤팩트한 모듈에 통합될 수 있다. 이러한 방식으로 냉각제 라인 또는 전기 라인이 현저히 절약된다. 또한 이것은 가열 또는 냉각 손실이 상기 라인에서 감소되는 장점을 가진다. 특히 열 교환기(20 또는 46)를 마이크로 구조로 제조할 경우 여기서 과도한 공간-무게 절약이 발생되는데, 그 이유는 상기 부품의 연결부가 통합될 수 있기 때문이다. 예컨대 차량의 에어 컨디셔닝 시스템의 콤팩트한 모듈은 이미 하나 또는 다수의 상기 시스템의 부품용 제어 전자 장치를 포함할 수 있다. 이것은 구조 공간을 절약하고, 에어 컨디셔닝 시스템용 고집적 시스템을 가능하게 한다.
냉각제 유체의 흐름 방향으로 볼 때 커플 열 교환기(46)는 가스 냉각기(140 뒤 및 가스 냉각기 앞에 있는 전환 밸브(가열-/냉각 작동) 뒤에 배치됨으로써, 커플 열 교환기(46)는 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시 관류되지 않는다. 에어 컨디셔닝 작동용으로 기술된 장점이 바람직하지 않기 때문에, 커플 열 교환기(46)의 중단에 의해 CO2-회로에서의 압력 손실이 감소될 수 있고, 이것은 압축기(12)에 있어서 낮은 압력비를 의미함으로써, 에어 컨디셔닝 시스템의 효율이 냉각 시스템에서보다 높아진다.
커플 열 교환기(46)와 가스 냉각기(14)의 배치의 추가 변형예는 도 14 내지 19와 상기 도면의 하기 설명으로부터 제공된다. 도 14 내지 19에 도시된 1-분배 밸브는 바람직한 방법으로 2- 또는 다수 분배 밸브에 통합될 수 있다. 또한 하기에 제시된 밸브 종류인 수동- 및 자기 밸브는 가능한 밸브에 대한 예시일 뿐이다. 또한 마찬가지로 스로틀과 1-분배 밸브의 조합도 가능하다.
도 14는 커플 열 교환기(46)와 가스 냉각기(14)의 평행 배치를 도시한다. 한편으로는 압축기(12)와 커플 열 교환기(46) 사이에 그리고 다른 한편으로는 압축기(12)와 가스 냉각기(14) 사이에 수동 밸브(88 또는 90)가 배치된다. 커플 열 교환기(46)는 가스 냉각기(14)와는 달리 선택적으로 체크 밸브(92)에 의해 보호된다. 밸브(88 또는 90)의 조정에 의해 선택적으로 커플 열 교환기(46) 또는 가스 냉각기(14)가 냉각제에 의해 관류될 수 있다. 이 경우 가스 냉각기(14)가 한측면에서 냉각 회로로 향해 개방되므로 바람직한 방법으로 저장 체적으로서 사용된다. 가스 냉각기(14) 다음에 있는 선택적인 체크 밸브(92)는 가스 냉각기에 저장된 냉각제 양을 감소시킬 수 있다. 물론 2 개의 밸브(88 및 90)는 하나의 3-분배-혼합 밸브로 통합될 수 있다.
도 15는 도 14의 커플 열 교환기(46) 및 가스 냉각기(14)의 평행한 배치의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 배치에서 밸브(94 또는 96)는 커플 열교환기(46) 또는 가스 냉각기(14) 다음에 배치된다. 바람직한 방법으로 상기 배치에서 자시 밸브가 사용될 수 있는데, 그 이유는 밸브가 도 15에 따른 배치에서 100℃ 보다 높은 임계 온도에 노출되지 않기 때문이다. 물론 2 개의 밸브(94 및 96)가 하나의 3-분배-혼합 밸브, 예컨대 액추에이터를 가진 혼합 밸브에 통합될 수 있다. 밸브의 조정에 의해 선택적으로 커플 열 교환기(46) 또는 가스 냉각기(14)가 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제에 의해 관류될 수 있다. 이 경우 가스 냉각기(14)는 한쪽측에서 냉각 회로로 향해 개방되므로, 도 14와 관련하여 기술한 바와 같이 마찬가지로 저장 체적으로서 사용된다.
도 16은 커플 열 교환기(46)와 가스 냉각기(14)의 추가 평행 배치를 도시한다. 도 15에 따른 배치에 대해 추가로 추가 밸브(98)가 가스 냉각기(14)로의 공급 라인에 제공됨으로써, 상기 밸브는 선택적으로 에어 컨디셔닝 시스템의 가열 작동시 양측에서 폐쇄될 수 있다. 가스 냉각기 입구와 커플 열 교환기 출구 사이에 바이패스(100)가 배치됨으로써, 커플 열 교환기(46)와 가스 냉각기(14)는 차례로 작동될 수도 있다. 따라서 바람직한 방법으로 밸브(98)는 3-분배 밸브로서 형성된다. 도 16에 따른 실시예에서, 열이 냉각 유체 회로로 방출될 수 있는 장점이 발생되고, 이로 인해 한편으로는 더 높은 냉각 전력 및 다른 한편으로는 내연 기관의 더 짧은 워밍업이 발생된다.
도 17은 가스 냉각기(14)와 커플 열 교환기(46)의 직렬 회로를 도시한다. 이러한 경우 가스 냉각기(14) 주위에 바이패스(102)가 요구되는데, 그 이유는 그렇지 않은 경우 가열 작동시 열이 주변으로 방출되기 때문이다. 높은 온도 부하로 인해 자기 밸브는 상기 배치에서 사용되지 않을 수 있다. 따라서 수동 밸브의 사용 또는 다른 방식으로 설계된 밸브가 추천된다. 또한 이러한 실시예에서 선택적으로 체크 밸브는 가스 냉각기(14) 뒤에 배치됨으로써, 가스 냉각기에 저장된 냉각제 양이 감소될 수 있다.
도 18은 커플 열 교환기(46)와 가스 냉각기(14)의 직렬 배치의 추가 변형예를 도시한다. 상기 변형예에서 마찬가지로 후방 접속된 가스 냉각기(14) 주위에 바이패스(104)가 필요하다. 다른 경우에는 가열 작동시 냉각제는 가스 냉각기(14)에서 매우 광범위하게 냉각될 것이므로, 증발기의 상기 열은 다시 방출되어야만 한다. 도 18의 실시예에서 2 개의 자기 밸브(106 또는 108)가 사용된다. 밸브의 조정에 의해 냉각제는 가스 냉각기(14) 또는 바이패스(104)에 의해 가스 냉각기를 지나 안내된다. 가스 냉각기(14) 또는 밸브를 통한 압력 손실인 유사한 크기를 가지기 때문에, 2 개의 밸브가 사용되어야 하는데, 그 이유는 바이패스에서 단 하나의 밸브만 사용할 경우 밸브가 개방될 경우 냉각제가 가스 냉각기를 통해 흐를 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 그러나 원칙적으로 단 하나의 밸브를 포함한 디자인도 가능하고, 이 경우 예컨대 밸브에서의 압력 손실이 감소되거나 또는 가스 냉각기(14)에서의 압력 손실이 인위적으로, 예컨대 삽입된 스로틀에 의해 상승된다. 이러한 경우 시스템은 단 하나의 밸브에 의해서만 전환될 수 있다. 선택적으로 3-분배-밸브, 특히 액추에이터를 포함한 3-분배-밸브가 가능하다.
도 19는 하나 또는 2 개의 수동 밸브를 사용하는 도 18에 대해 대안적인 실시예를 도시한다. 실질적으로 도 18에서 구현된 실시예가 적용된다. 선택적으로 가스 냉각기(14) 뒤에 체크 밸브(112)가 제공될 수 있음으로써, 가스 냉각기 앞의 수동 밸브(110) 및 가스 냉각기(14) 뒤에 있는 체크 밸브(112)에 의해 가스 냉각기의 버퍼링 체적이 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 회로로부터 제거된다. 바이패스 라인(104)에서 대안적인 방식으로 밸브(106)용 추가 수동 밸브도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 시스템 및 본 발명에 따른 상기 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법은 도면 및 서술부에 나타낸 실시예에 국한되지 않는다.
특히 본 발명은 내연 기관을 포함한 차량에서의 사용에 국한되지 않는다.
본 발명은 냉각제로서 CO2또는 냉각제로서 물의 사용에 국한되지 않는다.

Claims (34)

  1. 적어도 하나의 증발기(18),
    압축기(12),
    응축기 또는 가스 냉각기(14) 및
    팽창 부재(16)를 포함하고,
    상기 부품들은 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각제 회로(34)에, 상기 압축기(12)가 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 작동시 냉각제를 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 및 상기 팽창 부재(16)를 통해(가열 작동시에는 응축기 또는 가스 냉각기(14)를 바이패스함) 상기 증발기(18)로 이송하도록 배치되고, 상기 냉각제 회로는 커플 열 교환기(46)를 통해 열원의 냉각제 회로(66)에 결합되는,
    차량, 특히 내연 기관(68)에 의해 작동되는 차량용 에어 컨디셔닝 시스템에 있어서,
    상기 냉각제 회로(66)로의 열 방출이 상기 커플 열 교환기(46)를 통해 제어 및/또는 조절되게 하는 수단(56,58,70,74,76)이 상기 냉각제 회로(66)에 제공되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각제 회로(66)로의 열 방출을 제어 또는 조절하기 위한 상기 수단(56,58,70,74,76)은 상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)을 제어또는 조절하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수단(56,58,70,74,76)은 상기 커플 열 교환기(46) 주위에 적어도 하나의 바이패스 라인(70), 특히 적어도 하나의 조절 가능한 밸브(56)를 포함한 바이패스 라인(70)을 구비하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)을 제어하기 위한 상기 수단(56,58,70,74,76)은 적어도 하나의 혼합 밸브(56,76)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수단(56,58,70,74,76)은 적어도 하나의 제어 가능한 물펌프(58,74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)는 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 압축기(12)와 상기 팽창 밸브(16) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)는 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 앞에 배치되고, 가열-냉각 작동-전환 밸브(50)는 바람직하게 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기는 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14)에 대해 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    가열-냉각 작동-전환 밸브(50)가 냉각제 회로에 배치되고, 상기 가열-냉각 작동-전환 밸브로 인해, 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14)는 냉각 작동시 또는 상기 커플 열 교환기(46)는 가열 작동시 관류되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가열-냉각 작동-전환 밸브(50)가 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기응축기 또는 가스 냉각기(14) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 열 교환기(20)가 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 냉각제 회로는 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14)를 바이패스하면서 상기 내부 열 교환기(20)를 통해 냉각제 체적 흐름을 안내하는 수단(82,84)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 수단(82,84)은 밸브(84) 및/또는 스로틀(82)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브(86), 특히 체크 밸브(86)가 냉각제의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 응축기 또는 가스 냉각기(14) 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제 회로의 적어도 하나의 팽창 부재(16)가 조절 가능한 팽창 부재인 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 커플 열 교환기(46), 응축기 또는 가스 냉각기(14)의 바이패스를 위한 바이패스 밸브(50), 내부 열 교환기(20), 팽창 부재(16), 조절 밸브(16,84), 스로틀(82) 및 체크 밸브(86)를 포함하는 부품 그룹으로부터 선택된 적어도 2 개의 부품이 하나의 구조 유닛으로 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 구조 유닛이 상기 구조 유닛의 부품용 제어 전자 장치와 함께 하나의 콤팩트한 모듈에 집적되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 열 교환기(20,46)가 역류 원리에 따라 작동하는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 열 교환기(20,46)가 마이크로 구조-열 교환기인 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)는 차량의 냉각제 회로(66)에서 흐름 방향으로 볼 때 가열 열 교환기(78) 다음에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)는 차량의 냉각제 회로(66)에서 냉각제 펌프(58,74)의 흡입측에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)는 차량의 냉각제 회로(66)에서 열원, 특히 내연 기관(68)에 대해 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  23. 제 1항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 압력이 임계값을 초과할 경우 열을 방출하는 냉각제인 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  24. 제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템.
  25. 제 1항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 있어서,
    에어 컨디셔닝 시스템의 증발기(18)의 출력은 커플 열 교환기(46)를 통해 냉각제 회로(66)로의 열 방출에 의해 제어 및/또는 조절되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 에어 컨디셔닝 시스템의 상기 냉각제 회로로부터 냉각제 회로(66)로의 열 방출이 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)에 의해 제어 및/또는 조절되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  27. 제 25항 또는 제 26항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)의 조절을 위해 조절값이 사용되고, 상기 조절값에는 증발기(18) 이후의 공기 온도의 온도 신호(60)가 포함되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 증발기(18) 이후의 공기 온도에 대한 설정값은, 내부 공간으로 공급된 공기(54)의 제습이 이루어지도록 결정되고, 상기 제습은 특히 에어 컨디셔닝 시스템의 통풍 작동시 차량의 윈도우에 김서림이 발생하지 않을 정도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  29. 제 1항 내지 제 28항 중 어느 한 항에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)의 조절을 위해 조절값이 사용되고, 상기 조절값에는 팽창 부재(16)의 출구와 압축기(12)의 입구 사이의 측정점(62)에서 측정되는 냉각제의 압력(62)이 포함되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  30. 제 1항 내지 제 29항 중 어느 한 항에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)의 조절을 위해 조절값이 사용되고, 상기 조절값에는 상기 증발기(18) 이전(64) 및/ 또는 이후(65)의 냉각제의 온도가 포함되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  31. 제 25항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플 열 교환기(46)를 통한 냉각제 질량 흐름(48)의 조절을 위해 조절값이 사용되고, 상기 조절값에는 상기 커플 열 교환기(46) 이후의 냉각제의 온도가 포함되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  32. 제 25항 내지 제 31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기(18)의 출력과 증발기(18) 이후의 공기 온도는 추가로, 내부 열 교환기(20)의 접속 또는 차단을 가능하게 하는 수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  33. 제 25항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기(18)의 출력과 증발기 이후의 공기 온도는 추가로 압축기(12)의 제어에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
  34. 제 25항 내지 제 33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절은, 증발기(18) 내의 증발 온도를 상기 증발기(18)에 서리가 형성될 정도로 낮게 설정하는 조절인 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 시스템의 작동 방법.
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