KR20140097776A - 차량용 인버터 에어컨 시스템 - Google Patents

차량용 인버터 에어컨 시스템 Download PDF

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KR20140097776A
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유병준
권병하
송경근
오일석
박지열
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오텍캐리어 주식회사
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Abstract

차량용 인버터 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 가변속 압축기; 냉방 시에는 냉매를 응축하는 응축기로 사용되고 난방 시에는 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되는 제1 열교환기; 냉방 시에는 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되고 난방 시에는 냉매를 응축하는 응축기로 사용되는 제2 열교환기; 가변속 압축기의 회전속도가 가변됨에 따라 냉매의 흐름 압력을 자동으로 조절하는 전자 팽창 밸브; 냉방 또는 난방 작동에 따라 냉매의 흐름을 절환시키는 사방 밸브; 및 차량의 배터리로부터 전원을 공급받아 가변속 압축기를 구동하는 인버터를 포함한다. 인버터는 현재온도를 미리 설정된 목표온도와 비교하고, 비교 결과에 기반하여 가변속 압축기의 운전 주파수를 할당하여 가변속 압축기의 회전속도를 조정한다.
이에 따라, 차량용으로 최적화된 전력 운용, 구조 및 구동 방식 등을 구현하여, 차량에서 냉난방 기능을 안정적으로 제공함과 동시에 전력 효율을 최대한 높일 수 있게 된다.

Description

차량용 인버터 에어컨 시스템{INVERTER TYPE AIR CONDITIONER SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 에어컨 시스템에 관한 것으로, 특히 인버터 방식의 차량용 에어컨 시스템에 관한 것이다.
차량용 에어컨은 냉방 또는 난방 기능으로 실내온도를 쾌적하게 유지하는 위한 것으로, 작동 시에 엔진 동력을 구동원으로 이용하는 것이 일반적이다.
이러한 경우에는, 에어컨 가동을 위해 반드시 차량이 시동 상태를 유지하여야 하는데, 이는 연료 소모와 환경 오염을 유발하고, 엔진의 회전력을 나누어 소모하여 차량의 주행 동력을 감소시키며, 엔진 회전수에 따라 에어컨의 세기가 가변되어 실내 온도가 불안정해질 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라, 엔진 동력을 이용하지 않고 차량 배터리를 전원으로 하여 작동하는 에어컨이 제안된 바 있다. 그 일례로, 대한민국 등록특허 제10-2012-0083154호의 '차량용 무시동 에어컨'을 들 수 있다.
전술한 '차량용 무시동 에어컨'은 정속형 압축기를 사용한 것으로서, 압축기는 목표온도가 달성되었는지 여부에 따라 온(on)/오프(off)를 반복한다. 즉, 목표온도를 맞추기 위해 압축기가 운전/정지를 반복하며 가동되므로, 실내 온도의 변동이 심해지게 된다. 그리고, 가동 시에 가변되지 않는 소비전력 100% 운전 방식을 사용하여 전력 효율이 낮은 단점이 있다. 또한, 정속형 압축기는 가동 시에 매우 큰 기동전류(통상 전류의 약 6배 정도)를 필요로 하는 바, 이로 인해 불필요하게 과전류가 소비되고, 주변 부품의 손상이 발생할 수 있다.
한편, 가정용 에어컨의 경우 인버터 방식의 에어컨이 사용되고 있으나, 차체 상에 탑재되어 주행 시에 빈번하게 움직이게 되는 이동체인 차량용 에어컨의 특성상, 한 곳에 고정되어 반영구적으로 사용되는 가정용 에어컨과는 다른 전력 운용, 구조 및 구동 방식 등이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-2012-0083154호, 명칭: 차량용 무시동 에어컨, 공개일: 2012년 07월 25일
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 차량용으로 최적화되어 냉난방 기능을 안정적으로 제공함과 동시에, 차량 배터리 용량이 한정됨에 따라 전력 효율을 최대한 높일 수 있는 차량용 인버터 에어컨 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템은, 차량에서 사용되는 에어컨 시스템에 있어서, 냉매를 압축하는 가변속 압축기; 냉방 시에는 상기 냉매를 응축하는 응축기로 사용되고 난방 시에는 상기 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되는 제1 열교환기; 냉방 시에는 상기 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되고 난방 시에는 상기 냉매를 응축하는 응축기로 사용되는 제2 열교환기; 상기 가변속 압축기의 회전속도가 가변됨에 따라 상기 냉매의 흐름 압력을 자동으로 조절하는 전자 팽창 밸브; 냉방 또는 난방 작동에 따라 상기 냉매의 흐름을 절환시키는 사방 밸브; 및 차량의 배터리로부터 전원을 공급받아 상기 가변속 압축기를 구동하되, 현재온도를 미리 설정된 목표온도와 비교하고, 상기 비교 결과에 기반하여 상기 가변속 압축기의 운전 주파수를 할당하여 상기 가변속 압축기의 회전속도를 조정하는 인버터를 포함한다.
상기 가변속 압축기, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 전자 팽창 밸브, 상기 사방 밸브 및 상기 인버터는 배관을 통해 서로 연결되는 일체 구조로 차체에 설치될 수 있다.
상기 인버터는, 최소 회전수보다 낮은 시동 회전수로 상기 가변속 압축기의 구동을 시작하며, 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 가변속 압축기를 최대 회전수로 고속 회전시키고, 현재온도가 목표온도에 근접하여 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제2 임계값 이하가 되면 상기 가변속 압축기를 최소 회전수로 저속 회전시키며, 목표온도가 달성된 경우 유휴 모드로 전환하여 최소 회전수보다 낮은 기본 회전수로 상기 가변속 압축기의 회전을 유지시키는 연속 운전을 실행할 수 있다.
상기 인버터는, 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 감소하는 경우 상기 가변속 압축기의 회전수를 단계별로 감소시키고, 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 증가하는 경우 상기 가변속 압축기의 회전수를 단계별로 증가시킬 수 있다.
상기 가변속 압축기는 BLDC(Brushless Direct Current) 압축기이고, 상기 인버터는 펄스폭 변조를 통해 상기 가변속 압축기에 3상 전류를 공급하여 상기 가변속 압축기의 회전속도를 소정 범위 내에서 조정할 수 있다.
상기 인버터는, 배터리 잔존용량을 참조하여 목표온도를 보정하되, 배터리 잔존용량이 모두 임계값 이하이면 목표온도를 조절하여 상기 가변속 압축기의 회전수의 상한을 제한할 수 있다.
상기 인버터는, 냉방 또는 난방 기능이 턴-오프되는 경우 회전 동작으로 냉난방에 필요한 내외 공기를 유입시키는 블로워 및 송풍팬을 소정의 오프셋 시간 동안 회전 상태로 유지하다가 정지시킬 수 있다.
일 측면에서, 상기 차량용 인버터 에어컨 시스템은, 냉방 시에 증발기로 사용되는 상기 제2 열교환기의 하단에 설치되어 상기 제2 열교환기에 구비된 냉각핀으로부터 흘러내리는 응축수를 모으는 집수통; 상기 집수통으로부터 응축기로 사용되는 상기 제1 열교환기까지 배치되어 있는 공급 호스; 상기 공급 호스 상에 설치된 펌프; 및 회전하여 상기 제1 열교환기에서의 열교환을 통해 냉각된 공기를 차량 실내에 송풍하는 송풍팬을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인버터는 냉방 시에 상기 펌프를 작동시켜 상기 집수통에 모인 응축수를 상기 공급 호스 상에 배치된 복수 개의 관통홀들을 통해 상기 제1 열교환기 측으로 분무할 수 있다.
상기 송풍팬이 수직으로 설치된 경우, 응축수가 상기 제1 열교환기와 나란히 설치된 상기 송풍팬으로 분무됨과 더불어 상기 송풍팬이 회전하여 상기 제1 열교환기의 표면으로부터 수평한 방향으로 공기를 유동시킨다. 상기 송풍팬이 수평으로 설치된 경우, 응축수가 상기 제1 열교환기와 수직하게 설치된 상기 송풍팬으로 분무됨과 더불어 상기 송풍팬이 회전하여 상기 제1 열교환기의 표면으로부터 상측 방향으로 공기를 유동시킨다.
다른 측면에서, 상기 차량용 인버터 에어컨 시스템은, 냉방 시에 증발기로 사용되는 상기 제2 열교환기의 하단에 설치되어 상기 제2 열교환기에 구비된 냉각핀으로부터 흘러내리는 응축수를 모으는 집수통; 상기 집수통으로부터 응축기로 사용되는 상기 제1 열교환기까지 배치되어 있는 공급 호스; 상기 공급 호스 상에 설치된 펌프; 및 회전하여 상기 제1 열교환기에서의 열교환을 통해 냉각된 공기를 차량 실내에 송풍하는 송풍팬을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인버터는 냉방 시에 상기 펌프를 작동시켜 상기 집수통에 모인 응축수를 상기 공급 호스를 따라 상기 제1 열교환기 측으로 유입시키되, 상기 공급 호스의 일단으로부터 시작되어 상기 제1 열교환기의 상측을 따라 분기된 복수 개의 분기 호스들을 통해 상기 제1 열교환기의 상부에서 저온의 응축수가 흐르도록 할 수 있다.
본 발명의 차량용 인버터 에어컨 시스템에 따르면, 차량용으로 최적화된 전력 운용, 구조 및 구동 방식 등을 구현하여, 차량에서 냉난방 기능을 안정적으로 제공함과 동시에 전력 효율을 최대한 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템의 구성도.
도 2는 도 1에 나타난 차량용 인버터 에어컨 시스템의 설치 상태를 예시한 도면.
도 3은 도 1에 나타난 인버터의 구동 방식을 설명하기 위한 참조 그래프.
도 4는 도 1에 나타난 인버터의 세부 구성도.
도 5는 도 4의 후단 인버터부를 구동하기 위한 구동부의 세부 구성도.
도 6은 도 1에 나타난 인버터의 사용 시 냉방 성능을 향상시키기 위한 구조를 예시한 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템의 구성도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 나타난 차량용 인버터 에어컨 시스템의 설치 상태를 예시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템은 가변속 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(130), 전자 팽창 밸브(140), 사방 밸브(170), 인버터(150) 및 차량 배터리(160)를 포함한다.
제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(130)의 주변에는 송풍을 위한 송풍팬(190) 및 블로워(180)가 각각 설치된다. 송풍팬(190)과 블로워(180)에는 팬 모터(191) 및 블로워 모터(181)가 각각 연결된다.
인버터(150)는 냉/난방 시에 가변속 압축기(110)와 더불어, 팬 모터(191) 및 블로워 모터(181)를 구동한다.
가변속 압축기(110)는 저압 가스 상태의 냉매를 압축하여 고온 고압의 가스 상태로 만들어 내보내는 것으로, 인버터(150)의 제어 하에 냉매를 흡입, 압축 순환시키는 과정을 반복한다.
제1 열교환기(120)는 냉방 시에는 냉매를 응축하여 주변으로 열을 방출하는 응축기로 사용되고 난방 시에는 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기로 사용된다. 응축기로 작동할 때는 제1 열교환기(120)의 온도가 주변보다 높고, 증발기로 작동할 때는 제1 열교환기(120)의 온도가 주변보다 낮다.
제2 열교환기(130)는 냉방 시에는 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되고 난방 시에는 냉매를 응축하는 응축기로 사용된다. 증발기로 작동할 때는 제2 열교환기(130)의 온도가 주변보다 낮고, 응축기로 작동할 경우에는 제2 열교환기(130)의 온도가 주변보다 높다.
전자 팽창 밸브(140)는 가변속 압축기(110)의 회전속도가 가변됨에 따라 냉매의 흐름 압력을 자동으로 조절한다.
사방 밸브(170)는 냉방 또는 난방 작동에 따라 냉매의 흐름을 절환시키는 역할을 한다.
전술한 가변속 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(130), 전자 팽창 밸브(140) 및 이들을 연결해 주는 배관으로 냉방 또는 난방 사이클이 구성되고, 사방 밸브(170)는 냉난방 시 냉매의 흐름을 역으로 바꾸어 운전시킴으로써 난방 시에 냉매의 흐름이 냉방과는 역으로 흐르도록 한다.
냉방 시에는, 가변속 압축기(110)의 구동에 의해 냉매가 제1 열교환기(120), 전자 팽창 밸브(140) 및 제2 열교환기(130)로 순환하며 압축-응축-팽창-증발시키는 과정을 반복함으로써 냉방과 제습을 수행한다. 이때, 순환하는 냉매와, 블로워(180)에 의해 제2 열교환기(130)의 표면을 거치는 송풍 공기 간의 열교환에 의해 송풍 공기가 냉기로 바뀌어 차량 실내로 토출되며 차량 실내의 냉방이 이루어진다. 난방 시에는 가변속 압축기(110)의 구동에 의해 뜨거워진 냉매와 사방 밸브(170)을 통한 제2 열교환기(130) 부근의 송풍 공기 간의 열교환에 의해 차량 실내의 난방이 이루어진다.
블로워(180) 및 송풍팬(190)은 냉/난방 시에 회전 동작으로 주변 공기를 유동시켜 차량 외부로 공기를 내보내거나 차량 실내로 공기를 유입시킨다.
냉방 사이클에서, 차량용 인버터 에어컨 시스템은 가변속 압축기(110)의 구동을 통해 냉매를 고온 고압의 상태로 만들어 응축기 역할을 하는 제1 열교환기(120)에서 응축시키고, 전자 팽창 밸브(140)를 이용해 그 압력을 강하시킨다. 증발기 역할을 하는 제2 열교환기(130)에서는 이 냉매를 흡입 기화시킨다. 제2 열교환기(130)를 통과하면서 열 교환된 냉각 공기는 블로워(180)에 의해 냉방이 필요한 차량 실내로 강제 송풍된다. 이때, 제2 열교환기(130)에서 얻어진 저온 저압의 냉매 가스가 다시 가변속 압축기(110)로 보내짐으로써 하나의 냉방 사이클이 완료된다.
차량 배터리(160)로부터 전원을 공급받아 가변속 압축기(110)를 구동하되, 현재온도를 미리 설정된 목표온도와 비교하고, 비교 결과에 기반하여 가변속 압축기(110)가 회전해야 하는 운전 주파수를 할당하여 가변속 압축기(110)의 회전속도를 조정한다.
가정용 에어컨과 달리, 차량용 에어컨의 경우 설치공간이 비교적 협소하고 소형 경량의 냉난방 구조가 요구되는 바, 일 실시예에서, 가변속 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(130), 전자 팽창 밸브(140), 사방 밸브(170) 및 인버터(150)는 배관을 통해 서로 연결되는 일체 구조로 차체에 설치, 구성될 수 있도록 한다. 도 2는 이와 같은 일체 구조의 차량용 인버터 에어컨 시스템에 설치되어 있는 상태를 예시한 도면이다.
또한, 본 발명에서는, 이동체라는 특성상 플러그인 방식으로 전원을 공급받을 수 없고 차량 배터리(160)의 용량이 제한적이므로, 전력 효율을 최우선적으로 고려하여야 한다.
이러한 측면에서, 일 실시예의 인버터(150)는 냉방 또는 난방 기능이 턴-온되면 최소 회전수보다 낮은 시동 회전수로 가변속 압축기(110)의 구동을 시작하여 기동전류를 제한할 수 있다. 또한, 목표온도가 달성된 경우 인버터(150)는 가변속 압축기(110)를 턴-오프하지 않고 유휴 모드(idle mode)로 전환하여 최소 회전수보다 낮은 값의 기본 회전수로 가변속 압축기(110)의 회전을 유지시키는 연속 운전을 실행할 수 있다. 유휴 모드에서는, 최저 소비전력으로 냉방 또는 난방이 유지된다.
연속 운전 시에는, 최소 회전수보다도 낮은 기본 회전수로 가변속 압축기(110)가 구동되므로, 온/오프로 인한 급격한 전류 변화를 방지하면서 동시에 절전 효과를 누릴 수 있다.
도 3은 도 1에 나타난 인버터의 구동 방식을 설명하기 위한 참조 그래프이다. (a)는 시간(Time)에 따른 부하 용량(Capacity)의 변화를, (b)는 시간(Time)에 따른 입력 신호(Input)의 변화를 각각 예시한 파형도이다.
정속형 압축기의 입력 신호(DC 레벨)는 G4와 같이 온/오프를 반복하므로, G1과 같이 급격한 전력 변화가 유발되어 일정한 전력 손실(L)이 불가피한 반면, 본 발명에 따른 가변속 압축기(110)에서는, 그 입력 신호(DC 레벨)가 G3와 같이 거의 일정하여 G1과 같이 전력 변화가 크지 않게 구동됨으로써 전력 효율이 향상될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 차량용 인버터 에어컨 시스템을 한정된 배터리 용량에서 정속형 에어컨에 비해 더 오랜 시간 운전할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 인버터(150)는 가변속 압축기(110)의 회전수를 다양한 속도로 제어하되, 목표온도를 맞추기 위해 목표온도와 현재온도 간의 차이가 크면 가변속 압축기(110)를 고속 회전시켜 빠르게 목표온도에 도달하도록 하고, 현재온도가 목표온도에 근접하면 가변속 압축기(110)의 회전수를 줄여 전력 소모를 최적화하며, 목표온도에서는 연속 운전을 수행하여 해당 온도를 유지한다.
또한, 인버터(150)는 가변속 압축기(110)의 기동 시에 최소 회전수보다도 낮은 회전수로 기동을 하여 기동전류가 미미하며, 일단 운전을 시작하면 연속 운전을 진행하여 가변속 압축기(110)의 빈번한 운전/정지를 없애 가변속 압축기(110)의 안정성도 확보할 수 있다.
이와 같은 인버터(150) 및 가변속 압축기(110)의 사용으로 신뢰성, 소음, 진동 측면에서의 성능 향상도 기대할 수 있다.
도 4는 도 1에 나타난 인버터의 세부 구성도이다.
일 실시예에서, 가변속 압축기(110)로는 BLDC(Brushless Direct Current) 압축기를 채용할 수 있다.
이러한 경우, 인버터(150)는 고속 BLDC 압축기인 가변속 압축기(110)를 구동하기 위하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)을 통해, DC 전압을 가변속 압축기(110)의 구동에 필요한 파동 형태로 변환해 주고, 가변속 압축기(110)에 3상 전류를 공급하여 가변속 압축기(110)의 회전속도를 소정 범위 내에서 조정한다.
이때, 인버터(150)는 벡터 제어 알고리즘을 이용하여 가변속 압축기(110)를 구동하여 소정 범위 내, 예컨대 최저 15 ~ 120rps(rotation per second, 초당 회전수)까지 가변속 압축기(110)의 회전수를 제어할 수 있다.
또한, 인버터(150)는 시스템 운전율을 높이고 저전력 구동을 구현하기 위해 가변속 압축기(110)를 최대한 정지시키지 않고 필요한 경우 최저 rps 운전을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(150)는 크게 전단 인버터부(151), AC 입력전원을 우선 DC 링크전압으로 변환시키기 위한 컨버터부(152)와, 임의 주파수의 AC 전원을 생성하여 가변속 압축기(110)를 구동하는 후단 인버터부(153)를 포함한다.
차량 배터리(160)의 DC 전원(예컨대, DC 24V)은 전단 인버터부(151)를 거쳐 상용의 AC 전원(AC 220 ~ 240V, 50/60Hz)으로 변환되어 컨버터부(152)로 인가된다.
컨버터부(152)는 고정된 주파수를 갖는 상용 AC전원을 정류 및 평활하여 DC로 변환하는 부분으로, 전력 효율을 최대화하고, EMI(Electro-Magnetic Interference) 하모닉 노이즈를 저감하기 위한 역률 보상 회로와, 가변속 압축기(110)의 안정적인 구동을 위해 DC 링크전압을 일정하게 유지하기 위한 전압 부스팅 회로를 내장하여, 역률 보상 및 정전압 기능을 수행할 수 있다.
역률 보정을 위한 컨버터부(152)의 스위칭 소자로는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)들을 채용하여 전력 손실을 최소화할 수 있다.
컨버터부(152)는 출력되는 DC 링크전압이 일정하게 유지되도록, IGBT 스위칭 소자들의 부분 스위칭 온 시간을 자동적으로 제어함으로써, 역률을 최대한 높게 하면서 하모닉 규격을 만족시킬 수 있다.
후단 인버터부(153)는 컨버터부(152)의 DC 전원을 다시 가변속 압축기(110)의 모터 특성에 맞는 특정 주파수와 전압의 AC로 변환시켜 가변속 압축기(110)의 회전속도를 제어함으로써 주위의 온도를 조절한다.
도 5는 도 4의 후단 인버터부를 구동하기 위한 구동부의 세부 구성도이다.
도 5의 일 실시예에서, 후단 인버터부(153)의 구동부(154)는 차량 조건 분석부(154_1), 시작 모드 제어부(154_2), 정상 운전 제어부(154_3), 및 유휴 모드 제어부(154_4)를 포함한다.
차량 조건 분석부(154_1)는 현재온도와 목표온도를 비교하여 그 비교 결과에 따라 시작 모드 제어부(154_2), 정상 운전 제어부(154_3), 및 유휴 모드 제어부(154_4)를 선택적으로 활성화시켜 가변속 압축기(110)의 회전속도를 소정 범위 내에서 조절한다.
이때, 실내온도를 측정하여 현재온도로 사용하고, 사용자 설정온도를 목표온도로 사용하며, 실외온도에 기반하여 목표온도를 보정할 수 있다.
시작 모드 제어부(154_2), 정상 운전 제어부(154_3), 및 유휴 모드 제어부(154_4)는 차량 조건 분석부(154_1)의 제어 하에 선택적으로 활성화되며, 활성화 상태에서 후단 인버터부(153)를 구동하여 가변속 압축기(110)에 적정한 운전 주파수를 할당, 가변속 압축기(110)의 회전속도를 제어한다.
먼저, 냉방 또는 난방 기능이 턴-온되면 시작 모드 제어부(154_2)가 최소 회전수보다 낮은 시동 회전수로 가변속 압축기(110)의 구동을 시작하여 기동전류를 제한할 수 있다.
턴-온 기동 후 일정 시간이 지나면, 시작 모드 제어부(154_2)가 비활성화됨과 아울러, 정상 운전 제어부(154_3)가 활성화된다.
정상 운전 시에 차량 조건 분석부(154_1)에서의 비교 결과, 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 정상 운전 제어부(154_3)가 가변속 압축기(110)를 최대 회전수로 고속 회전시키고, 현재온도가 목표온도에 근접하여 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제2 임계값 이하가 되면 정상 운전 제어부(154_3)가 가변속 압축기(110)를 최소 회전수로 저속 회전시킨다.
차량 조건 분석부(154_1)에서의 비교 결과, 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 점차 증가하거나 점차 감소하는 경우에는 정상 운전 제어부(154_3)가 운전 주파수를 1 단위씩 강하 또는 증가시킨다. 즉, 정상 운전 제어부(154_3)는 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 감소하는 경우에는 운전 주파수를 1 단계씩 강하하여 가변속 압축기(110)의 회전수를 단계별로 감소시키고, 목표온도와 현재온도 간의 차이가 증가하는 경우에는 운전 주파수를 1 단계씩 늘려 가변속 압축기(110)의 회전수를 단계별로 증가시킨다. 이때에도, 온도 차에 따라 가변속 압축기(110)의 회전수를 단계별로 순차적으로 가변함으로써 급격한 전류 변화를 방지하여 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
정상 운전 제어부(154_3)의 동작으로 목표온도가 달성된 경우에는, 유휴 모드로 전환하여 유휴 모드 제어부(154_4)가 최소 회전수보다 낮은 기본 회전수로 가변속 압축기(110)의 회전을 유지시키는 연속 운전을 수행한다. 연속 운전 시에는, 최소 회전수보다 작은 값의 기본 회전수로 가변속 압축기(110)가 구동되므로, 온/오프로 인한 급격한 전류 변화를 방지하면서 동시에 절전 효과를 누릴 수 있다.
나아가, 차량 조건 분석부(154_1)는 배터리 잔존용량을 추가로 참조하여 목표온도를 보정하되, 배터리 잔존용량이 모두 임계값 이하이면 저전력 모드로 판단, 목표온도를 조절하여 가변속 압축기(110)의 회전수의 상한을 제한할 수 있다.
또한, 차량 조건 분석부(154_1)는 냉방 또는 난방 기능이 턴-오프되는 경우 회전 동작으로 냉/난방에 필요한 내부 또는 외부 공기를 유입시키는 블로워(180) 및 송풍팬(190)을 소정의 오프셋 시간(예컨대, 1 ~ 2분) 동안 회전 상태로 유지하다가 정지시킬 수 있다.
차량이 시동을 멈출 때까지 에어컨이 켜져 있는 경우, 배관이나 증발기 표면 등에 에어컨 사용으로 인한 수분이 그대로 남아 내부에 맺히고, 여기에 먼지가 엉겨 붙을 수 있는데, 이는 성능 저하와 냄새의 원인이 된다.
엔진 구동축에 바로 연결되어 엔진의 회전에 의해 작동 여부가 결정되는 기존 차량용 에어컨과 달리, 본 발명의 경우 엔진과 별개로 차량 배터리(160)를 전원으로 하여 냉난방에 사용되는 각 구성요소들을 제어할 수 있다.
그러므로, 이러한 점을 활용하여, 냉난방 기능이 턴-오프된 후 1~2분 정도 블로워(180) 및 송풍팬(190)이 자동 회전한 후 정지되도록 하면, 배관이나 증발기 표면 등에 맺힌 수분이 말라 고장과 냄새를 예방할 수 있다.
도 6은 도 1에 나타난 인버터의 사용 시 냉방 성능을 향상시키기 위한 구조를 예시한 도면이다.
일 실시예에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템은 냉방 성능의 향상을 위해, 집수통(210), 공급 호스(230), 및 펌프(220)를 더 포함할 수 있다.
집수통(210)은 냉방 시에 증발기로 사용되는 제2 열교환기(130)의 하단에 설치되어 제2 열교환기(130)에 구비된 냉각핀으로부터 흘러내리는 응축수를 모은다.
집수통(210)의 일측에는 공급 호스(230)가 연결되어 집수통(210)에 모인 응축수를 펌프(220) 측으로 배출시킨다. 공급 호스(230)는 집수통(210)으로부터 응축기로 사용되는 제1 열교환기(120)까지 배치되며, 공급 호스(230) 상에는 응축수를 제1 열교환기(120)까지 도달시키기 위한 펌프(220)가 설치된다.
이와 같은 구성에서, 인버터(150)는 펌프(220)를 작동시켜 공급 호스(230)를 통해 응축기로 사용되는 제1 열교환기(120)에 차가운 응축수를 직접적으로 뿌리거나 흘려줌으로써 응축기의 성능을 향상시키게 된다. 펌프(220)가 작동하여 응축수가 제1 열교환기(120)로 분무 또는 흐르게 됨과 동시에, 송풍팬(190)이 회전하여 제1 열교환기(120)에서의 열교환을 통해 냉각된 공기를 차량 실내에 송풍한다.
도 6의 (a), (b)는 응축수를 응축기로 사용되는 제1 열교환기(120)에 분무하는 경우를 예시한 것이다.
이러한 경우, 인버터(150)는 냉방 시에 펌프(220)를 작동시켜 집수통(210)에 모인 차가운 응축수를 공급 호스(230) 상에 배치된 복수 개의 관통홀(231)들을 통해 제1 열교환기(120) 측으로 분무하여 냉방 성능을 향상시킬 수 있다.
응축수의 분무 방향은 송풍팬(190)의 회전에 의한 공기 유동 방향을 고려하여 설계할 수 있다.
송풍팬(190)이 (a)와 같이 수직으로 설치된 경우에는, 응축수가 제1 열교환기(120)와 나란히 설치된 송풍팬(190)으로 분무됨과 더불어 송풍팬(190)이 회전하여 제1 열교환기(120)의 표면으로부터 수평한 방향(차량 실내)으로 공기를 유동시킨다.
송풍팬(190)이 (b)와 같이 수평으로 설치된 경우에는, 응축수가 제1 열교환기(120)와 수직하게 설치된 송풍팬(190)으로 분무됨과 더불어 송풍팬(190)이 회전하여 제1 열교환기(120)의 표면으로부터 상측 방향(차량 실내)으로 공기를 유동시킨다.
도 6의 (c)는 응축기로 사용되는 제1 열교환기(120)에 응축수가 흐르는 구조를 예시한 것이다.
이러한 구조에서, 인버터(150)는 냉방 시에 펌프(220)를 작동시켜 집수통(210)에 모인 응축수를 공급 호스(230)를 따라 제1 열교환기(120) 측으로 유입시킨다. 공급 호스(230)의 일단으로부터 복수 개의 분기 호스(232)들이 시작되어 제1 열교환기(120)의 상측을 따라 길게 배치되며, 펌프(220)의 작동에 의해 이 분기 호스(232)들을 통해 제1 열교환기(120)의 상부에서 차가운 저온의 응축수가 흘러 응축기의 효율을 향상시킨다.
본 발명에 따른 차량용 인버터 에어컨 시스템의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
110: 가변속 압축기
120: 제1 열교환기
130: 제2 열교환기
140: 전자 팽창 밸브
150: 인버터
160: 차량 배터리
170: 사방 밸브
180: 블로워

Claims (9)

  1. 차량에서 사용되는 에어컨 시스템에 있어서,
    냉매를 압축하는 가변속 압축기;
    냉방 시에는 상기 냉매를 응축하는 응축기로 사용되고 난방 시에는 상기 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되는 제1 열교환기;
    냉방 시에는 상기 냉매를 증발시키는 증발기로 사용되고 난방 시에는 상기 냉매를 응축하는 응축기로 사용되는 제2 열교환기;
    상기 가변속 압축기의 회전속도가 가변됨에 따라 상기 냉매의 흐름 압력을 자동으로 조절하는 전자 팽창 밸브;
    냉방 또는 난방 작동에 따라 상기 냉매의 흐름을 절환시키는 사방 밸브; 및
    차량의 배터리로부터 전원을 공급받아 상기 가변속 압축기를 구동하되, 현재온도를 미리 설정된 목표온도와 비교하고, 상기 비교 결과에 기반하여 상기 가변속 압축기의 운전 주파수를 할당하여 상기 가변속 압축기의 회전속도를 조정하는 인버터를 포함하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변속 압축기, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 전자 팽창 밸브, 상기 사방 밸브 및 상기 인버터는 배관을 통해 서로 연결되는 일체 구조로 차체에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인버터는,
    최소 회전수보다 낮은 시동 회전수로 상기 가변속 압축기의 구동을 시작하며,
    기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 가변속 압축기를 최대 회전수로 고속 회전시키고, 현재온도가 목표온도에 근접하여 목표온도와 현재온도 간의 차이가 제2 임계값 이하가 되면 상기 가변속 압축기를 최소 회전수로 저속 회전시키며,
    기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 감소하는 경우 상기 가변속 압축기의 회전수를 단계별로 감소시키고, 기 설정된 목표온도와 현재온도 간의 차이가 증가하는 경우 상기 가변속 압축기의 회전수를 단계별로 증가시키며,
    목표온도가 달성된 경우 유휴 모드로 전환하여 최소 회전수보다 낮은 기본 회전수로 상기 가변속 압축기의 회전을 유지시키는 연속 운전을 실행하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변속 압축기는 BLDC(Brushless Direct Current) 압축기이고,
    상기 인버터는 펄스폭 변조를 통해 상기 가변속 압축기에 3상 전류를 공급하여 상기 가변속 압축기의 회전속도를 소정 범위 내에서 조정하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 인버터는,
    배터리 잔존용량을 참조하여 목표온도를 보정하되, 배터리 잔존용량이 모두 임계값 이하이면 목표온도를 조절하여 상기 가변속 압축기의 회전수의 상한을 제한하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인버터는,
    냉방 또는 난방 기능이 턴-오프되는 경우 회전 동작으로 냉난방에 필요한 내외 공기를 유입시키는 블로워 및 송풍팬을 소정의 오프셋 시간 동안 회전 상태로 유지하다가 정지시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    냉방 시에 증발기로 사용되는 상기 제2 열교환기의 하단에 설치되어 상기 제2 열교환기에 구비된 냉각핀으로부터 흘러내리는 응축수를 모으는 집수통;
    상기 집수통으로부터 응축기로 사용되는 상기 제1 열교환기까지 배치되어 있는 공급 호스;
    상기 공급 호스 상에 설치된 펌프; 및
    회전하여 상기 제1 열교환기에서의 열교환을 통해 냉각된 공기를 차량 실내에 송풍하는 송풍팬을 더 포함하며,
    상기 인버터가 냉방 시에 상기 펌프를 작동시켜 상기 집수통에 모인 응축수를 상기 공급 호스 상에 배치된 복수 개의 관통홀들을 통해 상기 제1 열교환기 측으로 분무하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송풍팬이 수직으로 설치된 경우, 응축수가 상기 제1 열교환기와 나란히 설치된 상기 송풍팬으로 분무됨과 더불어 상기 송풍팬이 회전하여 상기 제1 열교환기의 표면으로부터 수평한 방향으로 공기를 유동시키고,
    상기 송풍팬이 수평으로 설치된 경우, 응축수가 상기 제1 열교환기와 수직하게 설치된 상기 송풍팬으로 분무됨과 더불어 상기 송풍팬이 회전하여 상기 제1 열교환기의 표면으로부터 상측 방향으로 공기를 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    냉방 시에 증발기로 사용되는 상기 제2 열교환기의 하단에 설치되어 상기 제2 열교환기에 구비된 냉각핀으로부터 흘러내리는 응축수를 모으는 집수통;
    상기 집수통으로부터 응축기로 사용되는 상기 제1 열교환기까지 배치되어 있는 공급 호스;
    상기 공급 호스 상에 설치된 펌프; 및
    회전하여 상기 제1 열교환기에서의 열교환을 통해 냉각된 공기를 차량 실내에 송풍하는 송풍팬을 더 포함하며,
    상기 인버터가 냉방 시에 상기 펌프를 작동시켜 상기 집수통에 모인 응축수를 상기 공급 호스를 따라 상기 제1 열교환기 측으로 유입시키되, 상기 공급 호스의 일단으로부터 시작되어 상기 제1 열교환기의 상측을 따라 분기된 복수 개의 분기 호스들을 통해 상기 제1 열교환기의 상부에서 저온의 응축수가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 에어컨 시스템.
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