KR20090091451A - 자동차용 이산화탄소 공조시스템 - Google Patents

자동차용 이산화탄소 공조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 이산화탄소 공조시스템에 있어서, 압축기와 증발기 겸용 가스냉각기의 사이에 설치되어 냉, 난방의 모드에 따라 압축기에서 토출되는 이산화탄소의 유로를 변경하는 제 1 삼방향밸브와, 압축기와 내부열교환기의 사이에 설치되어 난방시 순환된 냉매가 내부열교환기로 유입되는 것을 방지하고 압축기로 바로 들어갈 수 있도록 하는 제 2 삼방향밸브를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 EEV 방식의 팽창장치를 사용하고 두 개의 제 1, 2 삼방향밸브로 하여 효과적인 냉난방 운전과 시스템 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
이산화탄소, 냉매, 압축기, 증발기 겸용 가스냉각기, 내부열교환기, 히터 겸용 증발기, 팽창밸브

Description

자동차용 이산화탄소 공조시스템{CO2 AIR CONDITIONING SYSTEM FOR VEHICLES}
본 발명은 자동차용 이산화탄소 공조시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연 냉매인 이산화탄소 냉매를 사용함에 있어 간단하고 효율적인 구성을 통하여 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 자동차용 이산화탄소 공조시스템에 관한 것이다.
본 발명은 자동차부품연구원의 산업기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:10005246, 과제명: CO2 냉매를 사용하는 친환경 첨단 자동차 에어컨 시스템 개발].
최근 들어 더욱 엄격해지는 환경 규제에 대응하기 위해, 자연 냉매인 이산화탄소 공조시스템에 대한 기술의 중요성이 커지고 있는 실정이다. 현재 자동차용 공조시스템의 냉매인 R134a는 높은 지구온난화지수를 갖기 때문에 사용이 점점 규제될 전망이다. 따라서 환경오염을 최소화할 수 있는 이산화탄소가 대체 냉매로 고려되고 있다.
이산화탄소(CO2) 냉매는 우수한 안정성, 무취, 무독, 비부식성, 비연소, 비폭발성의 물질로서 윤활유와 양호한 상용성을 가지고 있고, 단위 체적당 열용량이 기존 냉매에 비해 월등히 높고 고압에서 작동하기 때문에 시스템의 소형화가 가능한 장점을 가지고 있다.
또한, 이산화탄소의 가장 큰 특징으로는 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 것이다.
상기의 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 특성에 의해 이산화탄소 냉매시스템에서는 임계압력보다 낮은 압력에서 열을 흡수하고, 임계압력보다 높은(초임계상태) 압력에서 열을 방출하는 초임계사이클을 구성하며, 주요 구성요소로는 압축기, 가스 냉각기, 내부열교환기, 팽창밸브, 증발기, 어큐뮬레이터, 내부열교환기 등으로 이루어져 있다.
도 1은 일반적으로 자동차에 적용되는 이산화탄소 공조시스템의 구성도로서, 냉매순환과정은 압축기(1)-가스냉각기(2)-내부열교환기(3)-팽창밸브(4)-증발기(5)-어큐뮬레이터(6)-내부열교환기(3)-압축기(1)로 순환하게 된다.
초임계 냉매시스템의 효율은 가스냉각기(2) 영역의 제어에 의해 영향을 받으므로 가스냉각기(2) 출구냉매의 온도 및 압력을 감지하여 교축시의 냉매유량을 제어하는 것이 필요하며, 일반적으로 최적의 성적계수를 갖기 위해서는 가스냉각기(2) 출구 냉매의 온도를 최대한 낮게 해야 하므로 가스냉각기(2) 출구측 냉매와 증발기(5) 출구측 냉매를 상호 열교환시켜 주는 내부열교환기(3)가 필수적으로 필 요하다.
또한, 어큐뮬레이터(6)는 증발기(5)에서 배출된 기상냉매 중에 포함된 액상냉매를 제거하여 압축기(1)에 기상 냉매만을 공급하는 기능을 하게 된다.
그러나, 종래의 이산화탄소 공조시스템의 성능향상 기술은 아직도 매우 부족한 실정이고, 이에 따른 공조시스템 각각의 구성요소들의 적절한 선정 및 배치의 최적 설계에 대한 제시가 요구된다.
따라서 본 발명은, 시스템 및 제어성능 향상을 위하여 팽창장치를 EEV(Electronic Expansion Valve)로 사용하며, 또한 냉난방 모드 변환에 따른 유로 변경은 두 개의 제 1, 2 삼방향 밸브를 사용하였고 특히, 난방시 제 2 삼방향밸브를 통하여 이산화탄소의 냉매가 압축기로 들어가기 전에 내부열교환기로 유입되는 것을 방지함으로써, 시스템 저압측 내부열교환기에서 열손실을 방지할 수 있는 자동차용 이산화탄소 공조시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가변용량 압축기와, 압축기로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 증발기 겸용 가스냉각기와, 증발기 겸용 가스냉각기에 의해 냉각된 이산화탄소를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 히터 겸용 증발기와, 증발기 겸용 가스냉각기와 히터 겸용 증발기의 사이에 설치되는 팽창장치 및 어큐물레이터와, 증발기 겸용 가스냉각기의 출구와 히터 겸용 증발기의 출구를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하며, 압축기와 증발기 겸용 가스냉각기의 사이에 설치되어 냉, 난방의 모드에 따라 압축기에서 토출되는 이산화탄소의 유로를 변경하는 제 1 삼방향밸브와, 압축기와 내부열교환기의 사이에 설치되어 난방시 순환된 냉매가 내부열교환기로 유입되는 것을 방지하고 압축기로 바로 들어갈 수 있도록 하는 제 2 삼방향밸브를 포함하는 자동차용 이산화탄소 공조시스템을 제공한다.
그리고 바람직하게 팽창장치는, 컨트롤러에 의해 제어되는 EEV(Electronic Expansion Valve)가 사용되는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 천연 냉매로 이산화탄소를 이용하여 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 자동차용 이산화탄소 공조시스템에 따르면, EEV의 팽창장치를 사용하고 두 개의 제 1, 2 삼방향 밸브로 하여 효과적인 냉난방 운전과 시스템 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 냉방시 자동차용 이산화탄소 공조시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 일실시예에 따른 난방시 자동차용 이산화탄소 공조시스템의 구성도이다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소 공조시스템은, 크게 압축기(110)와 증발기 겸용 가스냉각기(120), 내부열교환기(130), 히터 겸용 증발기(150) 그리고 내부열교환기(130)와 히터 겸용 증발기(150)의 사이에 설치되는 팽창장치(140) 및 어큐물레이터(160)로 구성되며, 본 발명의 특징에 따라 압축기(110)와 증발기 겸용 가스냉각기(120)의 사이에 제 1 삼방향밸브(170)와, 압축기(110)와 내부열교환기(130)의 사이에 제 2 삼방향밸브(180)가 설치된다.
여기서 이들 공조시스템의 장치는 순환라인(100)을 통하여 상호 연결 설치된다.
가변용량 압축기(110)는 이산화탄소를 순환 공급받아 고온, 고압으로 압축시킨다.
그리고 증발기 겸용 가스냉각기(120)는 차량의 실외에 설치되고, 압축기(110)에 의해 압축되어 토출된 고온, 고압의 냉매의 열을 차량의 주행속도 및 냉각팬의 작동에 의해 외기로 방출시킴으로써 고온, 고압의 냉매를 냉각시켜서 내부열교환기(130)로 공급되도록 하는 것이다.
증발기 겸용 가스냉각기(120)로부터 이어지는 내부열교환기(130)는 증발기 겸용 가스냉각기(120)를 통과한 냉각 상태의 냉매를 공급받아 더욱 냉각시키는데, 이를 위해 압축기(110)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매가 증발기 겸용 가스냉각기(120)에 의해 1 차적으로 냉각되고 통과하여 냉각 사이클을 마치게 된다.
히터 겸용 증발기(150)는 자동차의 덕트(미도시) 내측에 설치되고 감압된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수함으로써 덕트를 통과하는 공기를 냉각시키게 된다.
그리고 히터 겸용 증발기(150)와 내부열교환기(130)의 사이에 설치되는 팽창장치(140)는 내부열교환기(130)를 통과함으로써 냉각된 냉매를 감압시키게 되며, 바람직하게 컨트롤러(142)에 의해 정밀 제어되는 EEV(Electronic Expansion Valve)가 사용된다.
어큐뮬레이터(160)는 히터 겸용 증발기(150)에서 배출된 기상냉매 중에 포함된 액상냉매를 제거하여 압축기(110)에 기상냉매만을 공급하는 기능을 하게 된다.
그리고 제 1 삼방향밸브(170)는 압축기(110)와 증발기 겸용 가스냉각기(120)의 사이에 설치되어 냉, 난방의 모드에 따라 압축기(110)에서 토출되는 이산화탄소의 냉매 유로를 미도시된 제어부에 의해 변경하게 된다. 즉, 냉방시에는 토출되는 냉매가 제 1 삼방향밸브(170)를 통하여 증발기 겸용 가스냉각기(120)로 유로 변경되고, 난방시에는 히터 겸용 증발기(150)로 유로 변경된다.
또한, 제 2 삼방향밸브(180)는 압축기(110)와 내부열교환기(130)의 사이에 설치되어 난방시 순환된 냉매가 내부열교환기(130)로 유입되는 것을 방지하고 바로 압축기(110)로 들어가도록 유로를 형성함으로써 내부열교환기(130)로 일부 유입되어 발생되는 열손실을 방지하게 된다.
이하, 이와 같이 구성된 자동차용 이산화탄소 공조시스템의 사용 상태를 설명하면 다음과 같다.
다시 도 2를 참고하여 냉방 모드를 설명하면, 압축기(110)에서 이산화탄소의 천연 냉매를 고온, 고압의 가스로 압축하고, 이러한 고온, 고안의 냉매는 순환라인(100)상에 설치된 제 1 삼방향밸브(170)의 냉방 모드에 따른 유로 변경으로 실외 기에 설치되어 있는 증발기 겸용 가스냉각기(120)로 이동되며, 냉매는 증발기 겸용 가스냉각기(120)에서 차량의 주행속도 및 냉각팬의 작동에 의해 외기로 방출하여 1차적으로 냉각된다.
그리고 증발기 겸용 가스냉각기(120)를 통과한 냉매는 팽창장치(140)로 공급되기 이전에 이산화탄소 냉매의 순환 사이클에서 시스템의 성능 향상을 위해 사용되는 내부열교환기(130)에 의해 더욱 냉각되어 팽창장치(140)를 거침으로써, 저온, 저압의 냉매가 되어 히터 겸용 증발기(150)로 공급되고, 이로 인해 내부의 순환공기 또는 외기와 열교환하여 증발열을 빼앗아 차량의 실내를 냉각시키게 된다.
여기서 EEV의 팽창장치(140)는 컨트롤러(142)에 의한 정밀 제어로 성능 향상을 꾀할 수 있다.
그리고 증발작용을 마친 기상의 냉매는 증발기 겸용 가스냉각기(120)와 내부열교환기(130)를 통과하는 냉매를 냉각시키고서 이렇게 어큐뮬레이터(160)와 내부열교환기(130)를 지난 냉매는 제 2 삼방향밸브(180)의 유로 변경에 따라 압축기(110)로 다시 흡입된다.
차량의 실내 난방시에는 도 3을 참고하면, 압축기(110)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 제 1 삼방향밸브(170)의 조작에 의해 순환라인(100)을 따라 히터 겸용 증발기(150)로 공급하고, 차량의 덕트를 통과하는 공기를 가열시킴으로써 차량의 실내의 난방을 수행하게 된다.
그리고 히터 겸용 증발기(150)를 통과하여 냉각된 냉매는 팽창장치(140)를 거쳐서 저온, 저압의 냉매가 되며, 내부열교환기(130)를 거치고 증발기 겸용 가스 냉각기(120)를 통과하여 외기와의 열교환을 통해 증발된다.
과냉각된 냉매는 순환라인(100)상에 설치된 제 2 삼방향밸브(180)를 따라 바로 압축기(110)로 공급된다.
여기서 제 2 삼방향밸브(180)는 순환된 냉매의 일부가 다시 내부열교환기(130)로 유입될 수 있으므로 이를 차단하게 되어 열손실을 방지하게 된다.
그러므로 본 발명에서 차량의 공조시스템은 천연 냉매인 이산화탄소를 이용하여 차량 실내의 냉방은 물론 난방을 동시에 가능하도록 할 뿐만 아니라 이러한 냉난방 효율을 높이도록 제 1, 2 삼방향밸브(170)(180)를 설계하고, 나아가서 EEV의 팽창장치(140)를 통한 정밀 제어로 시스템 효율이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 자동차용 이산화탄소 공조시스템은 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 일반적으로 자동차에 적용되는 이산화탄소 공조시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 냉방시 자동차용 이산화탄소 공조시스템의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 일실시예에 따른 난방시 자동차용 이산화탄소 공조시스템의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 순환라인 110 : 압축기
120 : 증발기 겸용 가스냉각기 130 : 내부열교환기
140 : 팽창장치 150 : 히터 겸용 증발기
160 : 어큐물레이터 170, 180 : 제 1, 2 삼방향밸브

Claims (2)

  1. 가변용량 압축기와, 상기 압축기로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 증발기 겸용 가스냉각기와, 상기 증발기 겸용 가스냉각기에 의해 냉각된 이산화탄소를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 히터 겸용 증발기와, 상기 증발기 겸용 가스냉각기와 히터 겸용 증발기의 사이에 설치되는 팽창장치 및 어큐물레이터와, 상기 증발기 겸용 가스냉각기의 출구와 상기 히터 겸용 증발기의 출구를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하며,
    상기 압축기와 상기 증발기 겸용 가스냉각기의 사이에 설치되어 냉, 난방의 모드에 따라 상기 압축기에서 토출되는 이산화탄소의 유로를 변경하는 제 1 삼방향밸브와,
    상기 압축기와 상기 내부열교환기의 사이에 설치되어 난방시 순환된 냉매가 상기 내부열교환기로 유입되는 것을 방지하고 상기 압축기로 바로 들어갈 수 있도록 하는 제 2 삼방향밸브
    를 포함하는 자동차용 이산화탄소 공조시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창장치는,
    컨트롤러에 의해 제어되는 EEV(Electronic Expansion Valve)가 사용되는 자동차용 이산화탄소 공조시스템.
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KR101357150B1 (ko) * 2011-12-30 2014-02-04 이근형 전기 자동차용 히트펌프 시스템
CN104169111A (zh) * 2012-03-16 2014-11-26 丰田自动车株式会社 冷却系统

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