KR20060122037A - 차량 공조장치용 에어사이클 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 차량 공조장치용 에어사이클(Air Cycle)에 관한 것으로서, 차량 공조장치에서의 냉동사이클에 대한 대체사이클로서 역-브래이튼(Bryton) 사이클을 사용하며, 상기 역-브래이튼 사이클과 차량 실내로 송풍되는 공기와의 사이에 2차 유체의 폐회로를 개재하여 열교환시킴으로써, 환경친화적이고 안전하며 높은 효율로 냉방, 난방, 제습의 기능을 모두 수행할 수 있는 차량 공조장치용 에어사이클을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 압축기(11), 고온 열교환기(12), 팽창기(13), 저온 열교환기(14)를 포함하는 에어사이클(10)과; 차량 실내로 유입되는 공기와 열교환하는 차량 실내측 열교환기(21, 31)와; 일단은 상기 차량 실내측 열교환기(21, 31)와 연결되고, 타단은 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와 연결되어, 차량 실내로 유입되는 공기와 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와의 사이의 열전달을 수행하는 2차 유체의 폐회로(40)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
차량 공조장치, 역브래이튼 사이클, 에어사이클, 냉매

Description

차량 공조장치용 에어사이클{Air Cycle for Car Air Conditioning System}
도 1은, 종래의 냉동사이클의 개념도이고,
도 2는, 에어사이클의 개략적인 구성도이고,
도 3은, 에어사이클의 TS 선도이고,
도 4는, 재생기가 도입된 에어사이클의 개략적인 구성도이고,
도 5는, 재생기가 도입된 에어사이클의 TS 선도이며,
도 6은, 본 발명에 의한 에어사이클에서의 냉방모드를 나타내는 개념도이고,
도 7은, 본 발명에 의한 에어사이클에서의 난방모드를 나타내는 개념도이고,
도 8은, 본 발명에 의한 에어사이클에서의 제습모드를 나타내는 개념도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10...에어사이클(Air Cycle) 11...압축기
12...고온 열교환기 13...팽창기
14...저온 열교환기 17...재생기
20...제1 폐회로 21...냉각코어
22, 32...밸브 23, 33...펌프
24, 34...역지밸브 30...제2 폐회로
31...히터코어 50...실외 열교환기
60...소음 감쇄기 70...블로어(Blower)
본 발명은, 차량 공조장치용 에어사이클(Air Cycle)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 차량 공조장치에서의 냉동사이클에 대한 대체사이클로서 역-브래이튼(Bryton) 사이클을 사용하며, 상기 역-브래이튼 사이클과 차량 실내로 송풍되는 공기와의 사이에 2차 유체의 폐회로를 개재하여 열교환시킴으로써, 환경친화적이고 안전하며 높은 효율로 냉방, 난방, 제습의 기능을 모두 수행할 수 있는 차량 공조장치용 에어사이클에 관한 것이다.
차량에는 쾌적한 탑승환경을 조성하기 위하여 차량 실내 공기의 온도 및 습도 등을 조절하는 공조장치가 설치되어 있다.
일반적으로 이러한 차량 공조장치에는, 냉매를 기체상 및 액체상으로 상변화시키고, 이 때에 수반되는 잠열의 흡수 및 방출에 의하여 차량 실내로 송풍되는 공기의 냉방을 수행하는 냉동사이클이 적용된다.
도 1에는, 종래의 냉동사이클의 개념도가 도시되어 있다.
종래의 냉동사이클은, 냉매로서 R-134a를 사용하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 냉매를 압축기(1)에서 고온, 고압으로 압축시킨 후 응축기(2)에서 액체상태로 응축시키고, 이 응축된 냉매를 팽창밸브(3)를 통과시켜 기화되기 쉽게 팽창시킨 다음, 상기 팽창된 냉매를 증발기(4)에서 증발시킴으로써, 상기 증발기(4)를 통 과하는 냉매와 상기 증발기(4)를 경유하여 차량 실내로 공급되는 공기와의 열교환에 의하여 차량 실내를 냉방한다.
상기와 같은 종래의 냉동사이클에 사용되는 냉매인 R-134a는, 지구 온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라, 그 사용이 억제되고 점차적으로 사용이 금지될 것으로 예상되고 있다.
따라서, 상기 R-134a를 대체할 대체냉매의 개발에 대한 관심이 커지고 있으며, 이에 따라 차세대 대체냉매로서 CO2와 R-152a가 거론되고 있다.
그러나, CO2는, 고압의 작동압력이 필요하므로, 냉동사이클에 적용되는 모든 부품이 고압용으로 새로 개발되어야 하며, 따라서 내압성을 향상시키기 위한 소재의 두께의 변화 및 사양의 변화에 의하여 부품의 가격이 상승한다는 문제점이 있다.
한편, R-152a는, 기존의 R-134a을 사용하는 냉동사이클에 적용되었던 부품을 그대로 사용할 수 있다는 장점은 있으나, R-152a 자체가 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers)가 규정하고 있는 냉매그룹 중 A2 그룹(약간의 화염성을 갖는 냉매그룹)에 속해 있으므로, 자동차용 냉매로 사용하기에는 다소 불안정하다는 문제점이 있다.
한편, 최근에는 환경친화적인 자동차의 요구에 응하여 유류를 사용하지 않고 연료전지 등을 사용한 무공해 전기 자동차가 개발되고 있다.
이러한 전기 자동차도 R-134a를 압축기(1)로 압축시켜 순환시키는 종래의 냉 동사이클을 사용하기 때문에, 압축기 구동에 많은 전력이 소비되는 문제점이 있었다.
따라서, 이상과 같이 냉매 자체를 대체하기 보다는 종래의 냉동사이클을 대체하는 새로운 사이클을 이용함으로써, 환경친화적이며 안전하고 효율이 높음과 동시에, 새로운 엔진구동방식의 신개념 자동차에도 적용가능한 새로운 시스템을 개발하려는 노력이 계속되었다.
이러한 대체 사이클로서 가장 유력하게 거론되고 있는 것이 바로 역-브래이튼 사이클이라 불리우는 에어사이클이다.
에어사이클이란, 기체상태의 유체, 특히 공기를 냉매로 사용하는 시스템으로서, 가스동력 사이클의 일종인 브래이튼 사이클을 역으로 가동함으로써 냉동효과를 얻는 사이클이다.
에어사이클의 가장 큰 장점은, 냉매로서 공기를 사용하므로 기존 냉매들의 문제점이었던 오존층 파괴 및 지구 온난화 등과 같은 환경파괴의 문제가 전혀 없다는 것이다.
도 2에는, 에어사이클의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 3에는, 에어사이클의 TS 선도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 에어사이클의 기본원리를 설명하면 다음과 같다.
에어사이클의 전체적인 순환과정은, ⅰ) 공기가 압축기(11)에서 압축됨으로써 그 압력과 온도가 상승하는 압축과정(a→b)과, ⅱ) 압축된 고압, 고온의 공기가 고온 열교환기(12)에서 외부열원(15)으로 열을 전달하며 등압조건에서 그 온도가 감소하는 온도하강과정(b→c)과, ⅲ) 온도가 하강한 공기가 팽창기(13)에서 팽창됨으로써 그 압력과 온도가 하강하는 팽창과정(c→d)과, Ⅳ) 온도와 압력이 하강된 공기가 저온 열교환기(14)에서 외부열원(16)으로부터 열을 전달받아 등압조건에서 그 온도가 상승하는 온도상승과정(d→a)으로 이루어진다.
이 때에, 압축과정(a→b)에서는 압축기를 구동시키기 위한 압축일이 요구되며, 팽창과정(c→d)에서는 팽창기로부터 팽창일이 발생되므로, 이를 압축기로 되돌림으로써 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있다.
또한, 온도하강과정(b→c) 또는 온도상승과정(d→a)에서는 외부열원(15, 16)이 공조공간에 해당하며, 따라서 이 과정에서 공조공간으로 열을 방출하거나 열을 흡수하여 공조공간을 난방 또는 냉방하는 역할을 수행하게 된다.
전체 에어사이클의 냉방용량(Q) 및 성적계수(COP: Coefficient of Performance)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
<식 1>
Figure 112005027403375-PAT00001
한편, 시스템의 냉방성능과 COP를 상승시키기 위하여, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 고온 열교환기(12)의 출구측의 고온의 공기와 저온 열교환기(14)의 출구측의 저온의 공기를 서로 열교환시키는 역할을 하는 재생기(17)를 사용하는 것 이 일반적이다.
이 경우에는, 상기 재생기(17)에서의 재생과정(e→c 및 f→a)에 의하여, 팽창기(13)의 입구측의 공기의 온도가 더욱 감소함에 따라 팽창후의 공기의 온도가 더욱 낮게 되므로, 시스템의 전체성능이 상승되게 된다.
에어사이클의 적용에 있어서 성능을 높이는 다른 방법으로서, 사이클의 구성요소 중 저온 열교환기(14)를 제거하고, 팽창기(13)에서 토출된 공기를 곧바로 공조공간으로 공급하는 개방시스템을 생각할 수 있다.
그러나, 이 경우에는, 팽창기에서 토출되는 공기가 성에를 머금고 있는 포화상태이며 영하의 매우 차가운 공기이므로, 이를 곧바로 차량 실내로 공급하기에는 문제가 많다.
따라서, 에어사이클을 차량의 공조장치에 적용함에 있어서는 밀폐사이클로 적용하여야 하며, 이 때에 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 열교환기(12) 또는 저온 열교환기(14)가 공조공간과 열교환하여 차량 실내를 난방 또는 냉방하게 된다.
그러나, 압축기(11)로부터 상기 고온 열교환기(12)로 유입되는 공기는 매우 고온이며, 팽창기(13)로부터 상기 저온 열교환기(14)로 유입되는 공기는 영하의 매우 차가운 공기이므로, 이들 열교환기(12, 14)가 공조공간과 직접 열교환을 이룬다면 차량 실내의 온도 및 습도조절이 곤란하게 된다.
따라서, 차량 실내의 온도 및 습도조절의 관점으로부터, 상기 열교환기(12, 14)와 공조공간과의 사이에 완충적인 열전달 시스템을 도입할 필요가 대두되게 된 다.
본 발명은, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존 냉매들의 문제점이었던 오존층 파괴 및 지구 온난화 등과 같은 환경파괴의 악영향이 전혀 없는 차량 공조장치용 에어사이클을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 종래의 엔진구동방식이나 전기를 이용한 엔진구동방식에도 모두 적용가능한 새로운 공기조화 시스템으로서의 차량 공조장치용 에어사이클을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
아울러, 시스템의 효율을 개선하고 고속 회전체의 소음을 감소시킨 차량 공조장치용 에어사이클을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 압축기, 고온 열교환기, 팽창기, 저온 열교환기를 포함하며, 기체상태의 1차 유체를 열전달 유체로 하는 에어사이클과; 차량 실내로 유입되는 공기와 열교환하는 차량 실내측 열교환기와; 일단은 상기 차량 실내측 열교환기와 연결되고, 타단은 상기 에어사이클측 열교환기와 연결되어, 2차 유체에 의하여 차량 실내로 유입되는 공기와 상기 에어사이클측 열교환기와의 사이의 열전달을 수행하는 2차 유체의 폐회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차량 실내측 열교환기와 상기 에어사이클측 열교환기와의 사이의 2차 유체의 순환경로상에는, 상기 2차 유체가 순환 도중에 분기되어 차량 실외의 공기와 열교환되도록 하는 별도의 실외 열교환기가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에어사이클측 열교환기로부터 상기 차량 실내측 열교환기 코어로의 2차 유체의 순환경로상에서 상기 2차 유체가 상기 실외 열교환기로 분기되는 분기점에는, 상기 2차 유체가 상기 실외 열교환기로의 유로와 차량 실내측 열교환기로의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고온 열교환기 및 상기 저온 열교환기에 상기 2차 유체의 폐회로가 모두 구비되는 경우에, 상기 2차 유체의 폐회로는, 일단이 차량 실내측 열교환기 중 냉각코어와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 저온 열교환기와 연결되는 제1 폐회로와; 일단이 차량 실내측 열교환기 중 히터코어와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 고온 열교환기와 연결되는 제2 폐회로로 구성되며, 상기 밸에 의하여 2차 유체가 흐르는 방향을 조절함으로써, 상기 2차 유체의 냉각코어 및/또는 상기 히터코어로 유입 여부를 조절하여, 차량 실내의 냉방, 난방, 제습모드를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 냉방모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 냉각코어와 상기 저온 열교환기와의 사이만을 순환하며, 상기 제2 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 고온 열교환기와 상기 실외 열교환기와의 사이만을 순환하는 것이 바람직하다.
또한, 난방모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 저온 열교환기와 상기 실외 열교환기와의 사이만을 순환하며, 상기 제2 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 히터코어와 상기 고온 열교환기와의 사이만을 순환하는 것이 바람직하다.
또한, 제습모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 냉각코어와 상기 저온 열교환기와의 사이를 순환하고, 상기 제2 폐회로를 순환하는 2차 유체는, 상기 히터코어와 상기 고온 열교환기와의 사이를 순환하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 2차 유체의 폐회로에는, 2차 유체의 순환을 강제하는 펌프가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고온 열교환기와 상기 팽창기와의 사이 및 상기 저온 열교환기와 상기 압축기와의 사이에는, 상기 고온 열교환기와 상기 팽창기와의 사이를 흐르는 1차 유체와 상기 저온 열교환기와 상기 압축기와의 사이를 흐르는 1차 유체와의 사이의 열전달을 위한 재생기가 구비되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 압축기 또는 상기 팽창기는, 1차 유체가 유입되는 입구 또는 1차 유체가 유출되는 출구상에 소음 감쇄기를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축기의 소요동력의 일부는, 상기 팽창기에서 발생된 동력으로부터 공급받는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 차량 공조장치용 에어사이클의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6, 도 7 및 도 8에는 각각, 본 발명에 의한 에어사이클에서의 냉방, 난방 및 제습모드를 나타내는 개념도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 공조장치용 에어사이클은, 1차 유체 를 열전달 유체로 하는 에어사이클(10)과, 2차 유체에 의하여 차량 실내로 유입되는 공기와 상기 에어사이클(10)과의 사이에서 열전달을 수행하는 2차 유체의 폐회로(40)를 포함하여 이루어진다.
상기 에어사이클(10)은, 전술한 바와 같이 가스동력 사이클의 일종인 브래이튼 사이클을 역으로 가동하는 역-브래이튼 사이클이다.
상기 에어사이클(10)의 1차 유체로는 기체상태의 유체를 사용하며, 바람직하게는 공기를 사용한다.
상기 에어사이클(10)의 기본원리에 대해서는 이미 설명하였으므로 여기에서는 설명을 생략한다. 다만, 통상의 에어사이클과 다른 점은, 고온 열교환기(12) 및 저온 열교환기(14)가 외부열원과 열교환하는 것이 아니라, 후술하는 2차 유체의 폐회로(40)와 열교환한다는 것이다.
한편, 상기 2차 유체의 폐회로(40)는, 상기 에어사이클(10)의 고온 열교환기(12)측 또는 저온 열교환기(14)측의 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
그러나, 상기 에어사이클(10)의 고온 열교환기(12)측 및 저온 열교환기(14)측 모두에 설치되는 것이 냉방, 난방 및 제습모드를 모두 구현하는 데에 있어서 바람직하다.
상기 폐회로(40)의 2차 유체는 액체상태의 유체인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 환경 및 인체에 악영향이 전혀 없는 물을 사용한다.
상기 폐회로(40)의 2차 유체로서 액체상태의 유체를 사용하는 이유는 다음과 같다.
상기 에어사이클(10)의 1차 유체가 기체상태의 유체이므로, 고온 열교환기(12)에서 매우 고온의 상태가 되고, 저온 열교환기(14)에서 매우 저온의 상태가 된다.
따라서, 상기 고온 열교환기(12) 또는 상기 저온 열교환기(14)와 차량 실내로 유입되는 공기를 직접 열교환시키는 것은, 차량 실내의 온도, 습도조절의 관점에서 문제가 있게 된다.
그러므로, 상기 고온 열교환기(12) 또는 상기 저온 열교환기(14)와 차량 실내로 유입되는 공기와의 열교환을 중간에서 매개함과 동시에, 상기 차량 실내로 유입되는 공기와의 열교환시, 너무 고온의 상태가 되거나 너무 저온의 상태가 되지 않는 열전달 유체를 선택할 필요가 있게 된다.
이러한 조건을 만족하는 것은 기체상태의 유체보다 비열이 높은 액체상태의 유체이며, 보다 바람직하게는 물이 사용될 수 있다.
이하에서는, 에어사이클(10)의 1차 유체로서는 공기, 2차 유체의 폐회로(40)의 2차 유체로서는 물을 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 2차 유체의 폐회로(40)는, 일단은 차량 실내로 유입되는 공기와 열교환하는 차량 실내측 열교환기(21, 31)와 연결되고, 타단은 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와 연결된다.
상기 차량 실내측 열교환기(21, 31)는 냉각코어(21) 및 히터코어(31)로 구성되며, 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)는 고온 열교환기(12) 및 저온 열교환기(14)로 구성된다.
상기 냉각코어(21) 및 히터코어(31)는 일반적인 차량 공조장치의 증발기 및 히터코어에 해당하는 열교환기이며, 블로어(70)에 의하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 상기 냉각코어(21)에 의하여 냉각시키거나 상기 히터코어(31)에 의하여 가열하게 된다.
2차 유체의 폐회로(40)는, 일단이 차량 실내측 열교환기 중 냉각코어(21)와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 저온 열교환기(14)와 연결되는 제1 폐회로(20)와, 일단이 차량 실내측 열교환기 중 히터코어(31)와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 고온 열교환기(12)와 연결되는 제2 폐회로(30)로 구성될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 제1 폐회로(20)는, 일단은 냉각코어(21)와 연결되고, 타단은 저온 열교환기(14)와 연결된다.
따라서, 제1 폐회로(20)에서는, 그 내부를 순환하는 물이 상기 냉각코어(21)에서 차량 실내로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하고, 상기 저온 열교환기(14)에서 에어사이클(10)의 내부를 순환하는 공기로 열을 전달함으로써, 차량 실내의 냉방을 수행하게 된다.
한편, 상기 2차 유체의 폐회로(40)에 있어서, 상기 차량 실내측 열교환기(21, 31)와 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와의 사이에는, 별도의 실외 열교환기(50)가 설치된다.
따라서, 제1 폐회로(20)에 있어서, 상기 저온 열교환기(14)로부터 상기 냉각코어(21)로 물이 흐르는 경로상에는, 상기 실외 열교환기(50)로 물이 분기되어 나 가는 분기점이 마련되며, 상기 냉각코어(21)로부터 상기 저온 열교환기(14)로 물이 흐르는 경로상에는, 상기 실외 열교환기(50)로부터의 물이 합류되어 들어오는 합류점이 마련된다.
상기 저온 열교환기(14)로부터 상기 냉각코어(21)로 물이 흐르는 경로상에 마련된 상기 실외 열교환기(50)로의 분기점에는, 물이 흐르는 방향을 조절하는 밸브(22)로서 삼방밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 밸브(22)는, 상기 분기점에서 상기 냉각코어(21)로 흐르는 유로와 이로부터 분기되어 상기 실외 열교환기(50)로 흐르는 유로를 택일적으로 개폐함으로써, 물의 순환 유로를 결정한다.
한편, 상기 냉각코어(21)로부터 상기 저온 열교환기(14)로 물이 흐르는 경로상에 마련된 상기 실외 열교환기(50)로부터의 합류점을 중심으로, 냉각코어(21)와 상기 합류점과의 사이에, 상기 냉각코어(21)로부터 상기 합류점으로 흐르는 물이 역류하는 것을 방지하기 위한 역지밸브(24)가 설치되고, 실외 열교환기(50)와 상기 합류점과의 사이에도, 상기 실외 열교환기(50)로부터 상기 합류점으로 흐르는 물이 역류하는 것을 방지하기 위한 역지밸브(24)가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 역지밸브(24)에 의하여, 상기 합류점에서 합류된 물이 모두 저온 열교환기(14)로 흐를 수 있게 되며, 상기 합류점으로부터 냉각코어(21)측 또는 실외 열교환기(50)측으로 물이 역류하는 것이 방지될 수 있다.
아울러, 상기 실외 열교환기(50)는 차량 외부의 공기와 열교환될 수 있도록 외기에 노출되어 설치되며, 상기 분기점으로부터 유입되는 물은 여기에서 외기와의 열교환에 의하여 외기의 열을 흡수한 후 상기 합류점으로 되돌아간다.
한편, 제2 폐회로(30)는, 일단은 히터코어(31)와 연결되고, 타단은 고온 열교환기(12)와 연결된다.
따라서, 제2 폐회로(30)에서는, 그 내부를 순환하는 물이 상기 고온 열교환기(12)에서 에어사이클(10)의 내부를 순환하는 공기로부터 열을 흡수하고, 상기 히터코어(21)에서 차량 실내로 송풍되는 공기로 열을 전달함으로써, 차량 실내의 난방을 수행하게 된다.
한편, 여기에도 히터코어(21)와 고온 열교환기(12)와의 사이에 별도의 실외 열교환기(50)가 설치된다.
따라서, 상기 고온 열교환기(12)로부터 상기 히터코어(31)로 물이 흐르는 경로상에는, 상기 실외 열교환기(50)로 물이 분기되어 나가는 분기점이 마련되며, 상기 히터코어(31)로부터 상기 고온 열교환기(12)로 물이 흐르는 경로상에는, 상기 실외 열교환기(50)로부터의 물이 합류되어 들어오는 합류점이 마련된다.
상기 고온 열교환기(12)로부터 상기 히터코어(31)로 물이 흐르는 경로상에 마련된 상기 실외 열교환기(50)로의 분기점에는, 물이 흐르는 방향을 조절하는 밸브(32)로서 삼방밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 밸브(32)는, 상기 분기점에서 상기 히터코어(31)로 흐르는 유로와 이로부터 분기되어 상기 실외 열교환기(50)로 흐르는 유로를 택일적으로 개폐함으로써, 물의 순환 유로를 결정한다.
한편, 상기 히터코어(31)로부터 상기 고온 열교환기(12)로 물이 흐르는 경로 상에 마련된 상기 실외 열교환기(50)로부터의 합류점을 중심으로, 히터코어(31)와 상기 합류점과의 사이에, 상기 히터코어(31)로부터 상기 합류점으로 흐르는 물이 역류하는 것을 방지하기 위한 역지밸브(34)가 설치되고, 실외 열교환기(50)와 상기 합류점과의 사이에도, 상기 실외 열교환기(50)로부터 상기 합류점으로 흐르는 물이 역류하는 것을 방지하기 위한 역지밸브(34)가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 역지밸브(34)에 의하여, 상기 합류점에서 합류된 물이 모두 고온 열교환기(12)로 흐를 수 있게 되며, 상기 합류점으로부터 히터코어(31)측 또는 실외 열교환기(50)측으로 물이 역류하는 것이 방지될 수 있다.
한편, 상기 실외 열교환기(50)는 차량 외부의 공기와 열교환될 수 있도록 외기에 노출되어 설치되며, 상기 분기점으로부터 유입되는 물은 여기에서 외기와의 열교환에 의하여 외기로 열을 방출 또는 흡입한 후 상기 합류점으로 되돌아간다.
2차 유체의 폐회로(40)상에는 물의 순환을 강제하기 위한 펌프(23, 33)가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 에어사이클(10)에 있어서, 고속 회전체인 압축기(11) 및 팽창기(13)의 소음을 감소시키기 위한 소음 감쇄기(60)로서 머플러가 구비되는 것이 바람직하다.
아울러, 고온 열교환기(12)와 팽창기(13)의와 사이 및 저온 열교환기(14)와 압축기(11)와의 사이에는, 고온 열교환기(12)와 팽창기(13)의와 사이를 흐르는 공기와 저온 열교환기(14)와 압축기(11)와의 사이를 흐르는 공기와의 사이의 열전달을 위한 재생기(17)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 소음 감쇄기(60)는, 상기 압축기(11) 및 상기 팽창기(13)의 입구 또는 출구에 각각 설치될 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 에어사이클에 있어서, 냉방모드, 난방모드 및 제습모드에서의 작동관계를 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 6을 참조하여 본 발명에 의한 에어사이클에서의 냉방모드를 설명한다.
도 6은, 에어컨만을 가동하는 경우에 있어서, 에어사이클(10)내를 순환하는 공기의 흐름 및 2차 유체의 폐회로(40)를 순환하는 물의 흐름을 보여준다.
냉방모드에서는 히터코어(31)와 차량 실내로 송풍되는 공기와의 열교환이 필요없으므로, 도시된 바와 같이, 상기 히터코어(31)측으로는 물이 흐르지 않는다.
따라서, 제2 폐회로(30)에 있어서, 고온 열교환기(12)로부터 열을 흡수한 물은, 삼방밸브(32)에 의하여 히터코어(31)를 바이패스하여 실외 열교환기(50)로 유입되며, 상기 실외 열교환기(50)에서 외기로 방열하고 온도가 하강된 후, 다시 고온 열교환기(12)로 돌아가게 된다.
한편, 에어사이클(10)에 있어서, 고온 열교환기(12)를 거친 고압의 공기는 온도가 상온까지 감소한 후 재생기(17)를 거쳐 온도가 더욱 감소하고, 팽창기(13)를 통과하면서 영하의 온도까지 온도가 감소하게 된다.
영하의 온도까지 온도가 감소된 공기는, 저온 열교환기(14)를 통과하면서, 제1 폐회로(20)를 순환하는 물의 온도를 떨어뜨림과 동시에, 공기 자체의 온도는 상승하게 된다.
저온 열교환기(14)를 나온 공기는, 다시 재생기(17)를 통과하면서 온도가 더 욱 상승되고 마지막으로 압축기(11)로 되돌아오게 된다.
한편, 제1 폐회로(20)에 있어서, 저온 열교환기(14)로 열을 방출한 물은, 삼방밸브(22)에 의하여 실외 열교환기(50)를 바이패스하여 냉각코어(21)로 유입되며, 상기 냉각코어(21)에서 차량 실내로 송풍되는 공기로부터 열을 흡수하며 냉방성능을 발휘한 후, 다시 저온 열교환기(14)로 돌아가게 된다.
다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명에 의한 에어사이클에서의 난방모드를 설명한다.
도 7은, 히터만을 가동하는 경우에 있어서, 에어사이클(10)내를 순환하는 공기의 흐름 및 2차 유체의 폐회로(10)를 순환하는 물의 흐름을 보여준다.
난방보드에서는 냉각코어(21)와 차량 실내로 송풍되는 공기와의 열교환이 필요없으므로, 도시된 바와 같이, 상기 냉각코어(21)측으로는 물이 흐르지 않는다.
따라서, 제1 폐회로(20)에 있어서, 저온 열교환기(14)로 열을 방출한 물은, 삼방밸브(22)에 의하여 냉각코어(21)를 바이패스하여 실외 열교환기(50)로 유입되며, 상기 실외 열교환기(50)에서 외기로부터 열을 흡수하여 온도가 상승된 후, 다시 저온 열교환기(14)로 돌아가게 된다.
한편, 에어사이클(10)에 있어서, 압축기(11)에서 온도와 압력이 상승한 고온, 고압의 공기는 고온 열교환기(12)를 거치면서 제2 폐회로(30)를 순환하는 물에 열을 공급하고, 온도가 감소된 상태로 재생기(17)로 유입된다.
재생기(17)를 통과한 공기는 팽창기(13)를 거치면서 온도가 영하로 감소되고, 영하의 온도까지 온도가 감소된 공기는, 저온 열교환기(14)를 통과하면서, 제1 폐회로(20)를 순환하는 물의 온도를 떨어뜨림과 동시에, 공기 자체의 온도는 상승하게 된다.
저온 열교환기(14)를 나온 공기는, 다시 재생기(17)를 통과하면서 온도가 더욱 상승되고 마지막으로 압축기(11)로 되돌아오게 된다.
한편, 제2 폐회로(30)에 있어서, 고온 열교환기(12)로부터 열을 흡수한 물은, 삼방밸브(32)에 의하여 실외 열교환기(50)를 바이패스하여 히터코어(31)로 유입되며, 상기 히터코어(31)에서 차량 실내로 송풍되는 공기로 열을 방출하며 난방성능을 발휘한 후, 다시 고온 열교환기(12)로 돌아가게 된다.
다음으로, 도 8을 참조하여 본 발명에 의한 에어사이클에서의 제습모드를 설명한다.
도 8은, 온도변화없이 제습만을 수행하는 경우에 있어서, 에어사이클(10)내를 순환하는 공기의 흐름 및 2차 유체의 폐회로(40)를 순환하는 물의 흐름을 보여준다.
이 경우에는, 상기와 같은 설명에 의하여, 제1 및 제2 폐회로(20, 30)를 흐르는 물은 모두 실외 열교환기(50)를 바이패스하고, 각각 히터코어(31)와 냉각코어(21)를 거치면서 제습기능을 수행한다.
한편, 에어사이클(10)측은 시스템 효율을 향상시키기 위하여 재생기(17)가 장착된 구조이며, 아울러, 팽창기(13)에서 얻어지는 일은 압축기(11)로 되돌려 소모동력을 작게 함으로써, 시스템의 COP를 향상시키는 구조로 하였다.
또한, 시스템의 소음을 감소시키기 위하여, 노이즈 감쇄기(60)를 압축기(11) 또는 팽창기(13)의 전방 또는 후방에 각각 장착하였다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차량 공조장치용 에어사이클에 의하면, 종래의 냉동사이클을 대체하는 새로운 사이클을 이용함으로써, 환경친화적이며 안전함과 동시에 효율이 높은 차량 공조장치용 에어사이클을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 엔진구동방식에 적용가능함과 동시에 전기자동차 등 새로운 엔진구동방식의 신개념 자동차에도 적용가능한 차량 공조장치용 에어사이클을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 에어사이클과 공조공간과의 사이의 열전달을 매개하는 2차 유체의 폐회로를 마련함으로써, 환경친화적이고 안전하며 높은 효율로 냉방, 난방, 제습의 기능을 모두 수행할 수 있는 차량 공조장치용 에어사이클을 제공할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 이중 폐회로의 밀폐시스템으로 구성하였기 때문에, 차량 실내의 온도, 습도의 조절을 최적화할 수 있음과 동시에, 시스템상의 구동부에 사용되는 오일이 차량 실내로 직접 토출되는 것을 방지하는 차량 공조장치용 에어사이클을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 압축기(11), 고온 열교환기(12), 팽창기(13), 저온 열교환기(14)를 포함하며, 기체상태의 1차 유체를 열전달 유체로 하는 에어사이클(10)과;
    차량 실내로 유입되는 공기와 열교환하는 차량 실내측 열교환기(21, 31)와;
    일단은 상기 차량 실내측 열교환기(21, 31)와 연결되고, 타단은 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와 연결되어, 2차 유체에 의하여 차량 실내로 유입되는 공기와 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와의 사이의 열전달을 수행하는 2차 유체의 폐회로(40)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량 실내측 열교환기(21, 31)와 상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)와의 사이의 2차 유체의 순환경로상에는, 상기 2차 유체가 순환 도중에 분기되어 차량 실외의 공기와 열교환되도록 하는 별도의 실외 열교환기(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어사이클측 열교환기(12, 14)로부터 상기 차량 실내측 열교환기 코어(21, 31)로의 2차 유체의 순환경로상에서 상기 2차 유체가 상기 실외 열교환기(50) 로 분기되는 분기점에는, 상기 2차 유체가 상기 실외 열교환기(50)로의 유로와 차량 실내측 열교환기(21, 31)로의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브(22, 32)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고온 열교환기(12) 및 상기 저온 열교환기(14)에 상기 2차 유체의 폐회로(40)가 모두 구비되는 경우에,
    상기 2차 유체의 폐회로(40)는, 일단이 차량 실내측 열교환기 중 냉각코어(21)와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 저온 열교환기(14)와 연결되는 제1 폐회로(20)와; 일단이 차량 실내측 열교환기 중 히터코어(31)와 연결되고, 타단이 상기 에어사이클측 열교환기 중 고온 열교환기(12)와 연결되는 제2 폐회로(30)로 구성되며,
    상기 밸브(22, 32)에 의하여 2차 유체가 흐르는 방향을 조절함으로써, 상기 2차 유체의 냉각코어(21) 및/또는 상기 히터코어(31)로 유입 여부를 조절하여, 차량 실내의 냉방, 난방, 제습모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  5. 제4항에 있어서,
    냉방모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로(20)를 순환하는 2차 유체는, 상기 냉각코어(21)와 상기 저온 열교환기(14)와의 사이만을 순환하며, 상기 제 2 폐회로(30)를 순환하는 2차 유체는, 상기 고온 열교환기(12)와 상기 실외 열교환기(50)와의 사이만을 순환하는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  6. 제4항에 있어서,
    난방모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로(20)를 순환하는 2차 유체는, 상기 저온 열교환기(14)와 상기 실외 열교환기(50)와의 사이만을 순환하며, 상기 제2 폐회로(30)를 순환하는 2차 유체는, 상기 히터코어(21)와 상기 고온 열교환기(12)와의 사이만을 순환하는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  7. 제4항에 있어서,
    제습모드를 수행하는 경우에는, 상기 제1 폐회로(20)를 순환하는 2차 유체는, 상기 냉각코어(21)와 상기 저온 열교환기(14)와의 사이를 순환하고, 상기 제2 폐회로(30)를 순환하는 2차 유체는, 상기 히터코어(21)와 상기 고온 열교환기(12)와의 사이를 순환하는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 2차 유체의 폐회로(40)에는, 2차 유체의 순환을 강제하는 펌프(23, 33)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온 열교환기(12)와 상기 팽창기(13)와의 사이 및 상기 저온 열교환기(14)와 상기 압축기(11)와의 사이에는, 상기 고온 열교환기(12)와 상기 팽창기(13)와의 사이를 흐르는 1차 유체와 상기 저온 열교환기(14)와 상기 압축기(11)와의 사이를 흐르는 1차 유체와의 사이의 열전달을 위한 재생기(17)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(11) 또는 상기 팽창기(13)는, 1차 유체가 유입되는 입구 또는 1차 유체가 유출되는 출구상에 소음 감쇄기(60)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(11)의 소요동력의 일부는, 상기 팽창기(13)에서 발생된 동력으로부터 공급받는 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 에어사이클.
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