KR20140104927A - 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물(two-phase mixture)로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구 그리고 제 1 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 및 제 2 배출구를 갖는 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 배출구들은 각각 열교환기와 연결되는 연결구(connector)로서 형성되어 있고, 이 경우 상기 열교환기들은 부분 냉매 질량 흐름들에 열을 전달하기 위한 증발기로서 형성되었다. 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치는 부분 냉매 질량 흐름들의 액체상 및 증기상 비율을 변동시키기 위한 수단들을 갖는다. 또한, 본 발명은 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동할 수 있는 열교환기, 팽창 부재, 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 각각 증발기로서 작동할 수 있고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기 그리고 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치를 구비한, 냉각 장치 모드 및 열펌프 모드 겸용 작동용으로 그리고 재열 모드용으로 형성된 냉매 회로와도 관련이 있다.

Description

냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치 {DEVICE FOR DISTRIBUTING A REFRIGERANT MASS FLOW}
본 발명은 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물(two-phase mixture)로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구 그리고 제 1 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 및 제 2 배출구를 갖는 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치를 구비한 냉매 회로(refrigerant circuit)와도 관련이 있다. 상기 냉매 회로는 냉각 장치 모드 및 열펌프 모드 겸용(combined) 작동용으로 그리고 재열 모드용으로 형성되어 있으며 그리고 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동할 수 있는 열교환기, 팽창 부재 그리고 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 각각 증발기로서 작동할 수 있고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기를 구비한다.
종래 기술에 공지된, 냉각 장치 모드 및 열펌프 모드 겸용 작동용으로 형성된 냉난방 장치의 냉매 회로는 압축기 및 팽창 부재 외에도 차 안 유입 공기의 공기 조화(air conditioning) 목적으로 제공되는 내부 열교환기 그리고 열 흡수 또는 열 방출에 사용되는 외부 열교환기를 구비한다. 상기 외부 열교환기에서는 냉매와 주변 공기(ambient air) 사이에서 열이 전달된다. 냉매의 유동 방향, 특히 외부 열교환기를 통한 냉매의 유동 방향 및 그와 더불어 냉매 회로의 작동 모드는 밸브들 또는 밸브 조합들에 의해 조절된다.
독일 특허 DE 10 2006 026 359 A1호에는 냉각 장치 및 열펌프 겸용 작동용으로 형성된 냉난방 장치가 제시되어 있다. 상기 냉난방 장치는 1차 회로(primary circuit) 및 2개의 섹션으로 이루어진 2차 통로(secondary passage)를 포함한다. 상기 1차 회로는 압축기, 냉매와 주변 간 열전달을 위한 양방향 관류가 가능한 열교환기, 양방향 관류가 가능한 스로틀 부재(throttle element) 그리고 조화(conditioning)될 차 안 공기로부터 냉매로의 열 공급을 위한 양방향 관류가 가능한 열교환기를 갖는다. 작동 모드 및 냉매의 유동 방향에 관계없이, 냉매와 주변 간 열전달을 위한 열교환기는 냉매 회로에서 순환하는 전체 냉매 질량 흐름에 의해 영향을 받는다. 열펌프 모드로 작동 시, 냉매는 상기 열교환기로 유입되기 전에 가스상 및 액체상(gaseous and liquid phase)의 2상 영역으로 팽창된다. 순수 액체상에 의한 관류와 비교하면, 가스상 및 액체상으로 된 냉매에 의한 열교환기의 후속 관류 시에는 상대적으로 더 큰 유동 저항이 발생하고, 그리고 높은 증기 비율 때문에, 상응하게 상대적으로 더 많은 압축기 구동 출력 수요 및 상대적으로 더 큰 열교환기 규모와 함께 열전달이 좋지 않다.
독일 특허 DE 101 22 000 A1호에 따르면, 냉매의 유동 방향으로 팽창 밸브 다음에 배치된 열교환기에 대해 평행하게 바이패스 덕트(by-pass duct)가 형성될 수 있다. 상기 팽창 밸브와 열교환기 간 바이패스 덕트의 분기점에는 상 분리기(phase separator)가 배치되어 있으며, 상기 상 분리기의 액체 배출구는 열교환기에 가이드 되고 그리고 상기 상 분리기의 가스 배출구는 바이패스 덕트에 가이드 된다. 상기 상 분리기와 조합된 스로틀 부재는 열교환기 내에서 발생하는 압력 손실에 맞게 조절됨으로써, 액체상 이송에 필요한 가스 형태 냉매의 최소 비율만 열교환기를 관류하고, 그리하여 상기 열교환기에서보다 현저히 더 작은 유동 저항을 갖는 훨씬 더 많은 가스 형태 냉매 비율이 바이패스 덕트를 통해 유도된다.
종래 기술에 속하는 냉난방 장치의 냉매 회로는, 열펌프 모드에서 주변 공기 외에 추가의 열원(source of heat)들을 이용하기 위한 추가의 열교환기를 구비한다. 이러한 경우 열원들로는 예컨대 배터리 또는 다른 전자 컴포넌트들 또는 엔진 냉각 회로의 열이 이용된다. 독일 특허 DE 10 2010 042 127 A1호에서는, 1차 회로 및 2차 라인(secondary line)을 포함하는, 자동차, 특히 전기 자동차 냉난방 장치의 냉매 회로가 공개된다. 이 경우 차 안에 공급될 공기의 제습 및/또는 냉각을 위해 증발기로서 작동하는 내부 열교환기에 열 흡수를 위한 추가의 열교환기가 병렬 접속되어 있다. 냉매 회로가 열펌프 모드 또는 재열 모드(상기 열펌프 모드 또는 재열 모드에서는 마찬가지로 외부 열교환기가 주위로부터 열을 흡수할 목적으로 사용됨)로 작동할 때에는, 전술한 모든 열교환기가 증발기로서 동시에 작동될 수 있다. 이 경우 열교환기들에는 냉매의 유동 방향으로 각각 하나씩의 팽창 부재가 직렬 접속되어 있다. 냉매 라인은 냉매의 유동 방향으로 팽창 부재들 앞에서 분기된다.
그러나 냉매 회로 내에 삽입되는 컴포넌트들의 수를 최소화하여, 예컨대 제조 비용, 장착 비용 및 관리 비용을 감소시키고 공간 수요를 줄이기 위해, 냉매 라인은 냉매의 유동 방향으로 개개의 팽창 부재 뒤에서 분기될 수 있다. 냉매 질량 흐름은 팽창 후 2상의 상태에서 분배된다.
종래 기술에는 상기와 같은 분기점들을 소위 T자형 부재로 형성하는 것이 공지되어 있다. 그러나 T자형 부재를 이용한, 2상 혼합물로서 존재하는 냉매 질량 흐름의 2개의 부분 냉매 질량 흐름으로의 분배는 상기 부분 냉매 질량 흐름들 내 증기 및 액체 비율 조성을 제어할 수 없게 만들기 때문에, 결과적으로 상기 부분 냉매 질량 흐름들의 조성은 개개의 작동 상태 및 그와 더불어 냉매 회로에서 순환하는 전체 냉매 질량 흐름에 의해서도 좌우된다.
본 발명의 과제는 각기 다른 작동 모드들을 위한 냉매 회로를 갖는 냉난방 장치를 개선하는 것이다. 이 경우 열교환기들 내에서 발생하는 압력 손실 및 그와 더불어 압축기의 구동 출력을 최소화하고 열전달 과정들을 최적화하기 위해, 팽창 부재 관류 시 사전에 2상 영역으로 팽창된 냉매 질량 흐름의 분배와 관련하여 부분 냉매 질량 흐름들의 조성에 영향을 줄 수 있다. 또 한편으로는, 최적의 열전달에 의해 열교환기들의 열전달 표면 및 그와 더불어 상기 열교환기들의 바깥 둘레 치수(external dimension)도 감소되고 컴포넌트들의 공간 수요도 줄어들 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구, 제 1 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 배출구 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 2 배출구를 갖는 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치를 통해서 해결된다.
본 발명의 구상에 따르면, 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치의 배출구들은 각각 열교환기와 연결되는 연결구(connector)로서 형성되었다. 이 경우 열교환기들은 부분 냉매 질량 흐름들에 열을 전달하기 위한 증발기로서 설계 및 작동된다. 또한, 본 발명에 따르면 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치는 부분 냉매 질량 흐름들의 액체상 및 증기상 비율을 변동시키기 위한 수단들을 갖는다. 따라서 냉매 회로의 작동 모드에 관계없이, 한편으로는 2개의 부분 냉매 질량 흐름 중 하나의 부분 냉매 질량 흐름이 목표한 바대로 다른 하나의 부분 냉매 질량 흐름보다 더 높은 액상 냉매 비율 및 더 낮은 증기 냉매 비율을 가짐으로써, 결과적으로 제 2 부분 냉매 질량 흐름이 제 1 부분 냉매 질량 흐름보다 더 높은 증기 비율 및 더 낮은 액체 비율을 갖는 것이 보장된다. 다른 한편으로는, 냉매 회로의 작동 모드에 관계없이 거의 동일한 증기 및 액체 조성을 갖는, 다시 말해 동일한 액체 함량 또는 증기 함량을 갖는 2개의 부분 냉매 질량 흐름이 열교환기들로 유도되도록 하는 것도 보장될 수 있다.
바람직하게 단 하나인, 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치의 유입구는 팽창 부재와 연결되는 연결구로서 유효하게 형성되었다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 장치는 원통형 벽, 덮개 부재(cover element) 및 바닥 부재(floor element)에 의해 둘러싸인 챔버를 갖는다. 상기 챔버는 수직으로 정렬된 종축(longitudinal axis) 방향으로 증가하는 벽 지름을 갖는다. 유입구는 상대적으로 더 작은 지름을 갖는 상부 영역에 배치되어 있고, 제 1 배출구는 상대적으로 더 큰 지름을 갖는 하부 영역에 배치되어 있다. 이 경우 상기 유입구는 접선 방향으로 챔버와 이어져 있다. 상기 유입구와 배출구는 바람직하게 종축에 대해 수직으로 정렬되어 있다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 원형 횡단면을 갖는 원통형 증기 라인 부재가 상기 벽에 대해 동심으로 배치되어 있다. 이 경우 상기 증기 라인 부재는 벽보다 더 작은 지름을 갖고 종축에 대해 방사 방향으로(in the radial direction) 챔버를 제한한다. 상기 종축, 증기 라인 부재 및 챔버의 벽은 서로 동축으로 배치되어 있다.
챔버 내부에는 바람직하게 디스크 형상(disk-shaped)의 분리 부재가 벽의 내경보다 작은 외경을 가질 정도로 종축에 대해 수직으로 그리고 동심으로 배치되어 있다. 상기 분리 부재는 바람직하게 중앙에 배치되는 트랜스퍼 포트(= 연결부, transfer port)를 갖는다. 이 경우 상기 트랜스퍼 포트의 지름은 증기 라인 부재의 외경보다 크며, 그 결과 벽과 분리 부재 사이 그리고 분리 부재와 증기 라인 부재 사이에 각각 간극(gap)이 형성되었다. 상기 간극들은, 액체상 또는 증기상 냉매의 관류 및 그와 더불어 액체상 냉매 질량 흐름과 증기상 냉매 질량 흐름의 분리가 보장되도록 형성되었다.
제 1 대안예에 따르면, 증기 라인 부재는 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치의 제 2 배출구로서 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위해 챔버 내부에서 개방된 단부면 및 챔버 외부에서 개방된 단부면을 갖는 중공 원통형으로 형성되었다. 이 경우 상기 제 2 부분 냉매 질량 흐름은 냉매 회로의 작동 모드에 상관없이 제 1 부분 냉매 질량 흐름보다 더 낮은 액체 냉매 비율 및 그와 더불어 더 높은 증기 냉매 비율을 갖는다. 상기 부분 냉매 질량 흐름들의 여러 가지 비율 조성은 제 1 부분 냉매 질량 흐름이 거의 순수 액체로 이루어지고, 제 2 부분 냉매 질량 흐름이 거의 순수 증기로 이루어질 수 있는 가능성도 포함한다. 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치는 종축 방향으로 챔버 내부에 있는 증기 라인 부재의 개방된 단부면 아래에 바람직하게 편향 장치(deflection device)를 구비한다. 상기 편향 장치는 증기 라인 부재의 외부 둘레에서 분리 부재와 증기 라인 부재 사이에 형성된 간극을 통해 하부로 흐르는 증기를 상기 증기 라인 부재의 개방된 단부면 쪽으로 편향하는데 사용된다. 증기는 후속해서 증기 라인 부재를 통해 챔버로부터 빼내어 진다.
제 2 대안예에 따르면, 제 2 배출구는 종축과 관련하여 챔버 하부 영역에 제 1 배출구 높이로 배치되었다. 상기 2개의 배출구로부터 배출될 수 있는 부분 냉매 질량 흐름들은 냉매 회로의 작동 모드에 관계없이 동일한 증기 및 액체 비율을 갖는다. 원통형의 증기 라인 부재는 일체 실린더(solid cylinder)로 형성되거나 폐쇄되어 있으며, 그 결과 상기 증기 라인 부재는 단부면들 간 내부 통로를 갖지 않는다. 벽, 증기 라인 부재 및 분리 부재 그리고 유입구 및 배출구들의 배열체를 갖는 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치의 실시예는 그와 동시에 유입된 냉매 질량 흐름의 균일화 및 유동 정류(flow rectification)를 위한 수단들을 포함한다. 균일화 후 분배된 부분 냉매 질량 흐름들은 동일한 증기 및 액체 조성을 갖는다.
대안적으로 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치는 유입된 냉매 질량 흐름의 균일화 및 유동 정류를 위해 바람직하게는 스트레이너 인서트(strainer insert) 또는 스웨이지 블록(swage block) 형태의 유동 정류기(flow rectifier)를 구비할 수 있다. 이 경우 상기 유동 정류기는 바람직하게 T자형 부재로 형성된 냉매 라인 분기점의 유입구 내부에 배치되었다. 따라서 냉매 질량 흐름은 유동 정류기를 관류할 때 그 조성이 균일화되고, 그 다음에 분배된다.
한 추가 대안예에 따르면, 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치는 수직으로 정렬된 냉매 라인을 구비하며, 상기 냉매 라인은 유동 방향으로 앞쪽에 지지된 곡선 부재(curved element)에 연결되어 있다. 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 배출구는 바람직하게 상기 곡선 부재에서 냉매 라인으로 전환 이후 곡선 부재의 내측 반경 면에, 상기 냉매 라인에 수직으로 정렬되는 방식으로 배치되어 있다. 상기 배출구를 통해 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치로부터 배출된 제 2 부분 냉매 질량 흐름은 제 1 부분 냉매 질량 흐름보다 더 작은 액상 냉매 비율을 갖는다. 상기 제 1 부분 냉매 질량 흐름은 수직으로 정렬되어 배치된 냉매 라인에서 배출구를 (통하지 않고) 지나 하부로 흘러서 높은 액상 냉매 비율을 갖는 부분 냉매 질량 흐름으로서 상기 장치로부터 배출된다.
대안적으로 냉매 라인은 수평으로도 정렬될 수 있고 그리고 하나의 배출구를 가질 수 있는데, 상기 배출구는 상기 냉매 라인에서 수직으로 배치되어 있고 상부 쪽으로 수직 정렬되어 있다. 대부분의 양이 액체인 냉매는 냉매 라인의 하부 영역에서 배출구를 (통하지 않고) 지나쳐 흘러서 제 1 부분 냉매 질량 흐름으로서 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치로부터 배출된다. 대부분의 양이 증기 형태인 냉매는 제 2 부분 냉매 질량 흐름으로서 상기 배출구를 통해 빼내어 진다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 과제는 또한 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 전술한 장치를 구비한 냉매 회로를 통해서도 해결된다. 상기 장치는 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구, 제 1 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 배출구 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 2 배출구를 갖는다. 냉각 장치 모드 및 열펌프 모드 겸용 작동용으로 그리고 재열 모드용으로 형성된 상기 냉매 회로는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동할 수 있는 열교환기, 팽창 부재 그리고 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 각각 증발기로서 작동할 수 있고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기를 포함한다.
본 발명의 구상에 따르면, 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 상기 장치의 유입구는 팽창 부재에 연결되어 있고, 배출구들은 각각 냉매가 동시에 공급될 수 있는 열교환기에 연결되어 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 팽창 부재, 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치 및 냉매가 동시에 공급될 수 있는 열교환기들은, 냉매가 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 상기 팽창 부재로부터 상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치로 유도되고 그리고 상기 장치에서 분배된 부분 냉매 질량 흐름들이 냉매가 동시에 공급될 수 있는 상기 열교환기들 쪽으로 흐르도록 상호 배치되어 있다.
상기 열교환기들 중 하나는 바람직하게 양방향 관류가 가능하고 그리고 냉매 회로의 작동 모드에 따라 냉매에 의해 상이한 방향으로 관류된다. 상기 열교환기는 바람직하게 증발기뿐만 아니라 응축기/가스 냉각기로도 작동할 수 있는 공기-냉매-열교환기로서 형성되었다.
상기 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치는 바람직하게, 제 1 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 배출구가 상기 공기-냉매-열교환기에 연결되는 방식으로 형성 및 배치되었다. 따라서 열교환기 상에서의 압력 손실을 최소화하기 위해, 바람직하게는 액체 비율이 높은 부분 냉매 질량 흐름이 공기-냉매-열교환기로 유도된다. 제 2 부분 냉매 질량 흐름이 공급되는 열교환기와의 차이점은 그 기능에 있다. 제 2 부분 냉매 질량 흐름이 공급되는 열교환기는 냉매 회로의 작동 모드에 관계없이 증발기로서 작동되고 그리고 동일한 방향으로 관류된다. 따라서 상기 열교환기는 바람직하게 증기 형태의 냉매 비율이 높고 그에 따라 냉매측 압력 손실과 관련해 민감하지 않은 냉매 질량 흐름을 갖는 작동 모드로 설계될 수 있다.
열교환기들 내에서 발생하는 압력 손실이 최소화되고 그리하여 냉매 회로의 압축기 구동 출력이 최소화되는 것 외에, 열교환기들에서의 열전달 과정들이 최적화된다. 따라서 상기 열교환기들의 바깥 둘레 치수 및 열전달 표면 감소되고 공간 수요가 줄어든다.
본 발명에 따른 냉매 회로는 바람직하게 자동차의 냉난방 장치에 사용된다.
본 발명의 추가적인 세부 사항, 특징들 및 장점들은 해당 도면들과 관련한 실시예들의 후속 설명에 나타난다.
도 1은 증발될 부분 냉매 질량 흐름들을 분배하기 위한 장치와 함께, 각각 증발기로서 작동 시 병렬로 접속될 수 있고 그리고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기를 갖는 냉매 회로이고,
도 2a 및 도 2b는 액체상 냉매 질량 흐름과 증기상 냉매 질량 흐름을 분리하기 위한 사이클론 분리기(cyclone separator)로서,
도 2a는 2개의 부분 냉매 질량 흐름이 증기 및 액체로서 분리되어 전달되고,
도 2b는 2개의 부분 냉매 질량 흐름이 각각 2상 혼합물로서 전달되며,
도 3은 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 그리고 2개의 부분 냉매 질량 흐름을 각각 2상 혼합물로서 전달하기 위한 유동 정류기이고,
도 4 및 도 5는 액체상 냉매 질량 흐름과 증기상 냉매 질량 흐름을 분리하기 위한 그리고 2개의 부분 냉매 질량 흐름을 증기 및 액체로서 분리하여 전달하기 위한, 결합체로서 형성된 장치로서,
도 4는 수직으로 정렬된 냉매 라인에 결합되는 구조이고,
도 5는 수평으로 정렬된 냉매 라인에 결합되는 구조이다.
도 1에는 증발될 부분 냉매 질량 흐름들을 분배하기 위한 장치(10)와 함께, 각각 증발기로서 작동 시 병렬로 접속될 수 있고 그리고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기(2, 3)를 갖는 냉매 회로(1)가 도시되어 있다.
냉매 회로(1)는, 실선의 화살표들로 지시된 열펌프 모드에서 냉매의 유동 방향으로 차례로 배치된 압축기(5) 외에도 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 열교환기(4), 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치(10) 그리고 각각 증발기로 작동하고 냉매가 동시에 공급되는 2개의 열교환기(2, 3)를 포함한다. 냉매 회로(1)는 주변 온도가 낮을 때 우선하여 차 안을 가열하기 위해 가열 모드 또는 열펌프 모드로 작동된다. 이 경우 열은 열교환기(2, 3)들 내에 흡수된다.
냉매는 압축기(5)에서 압축 과정 후 분기점(6)에서 밸브(7)를 거쳐 열교환기(4)로 유도된다. 밸브(8)는 폐쇄되어 있다. 냉매는 상기 열교환기(4)를 관류할 때 열을 대기 중으로(into the air) 방출하는데, 전문적으로는 차 안에 공급될 공기 질량 흐름으로 열을 방출한다. 이 경우 냉매는 액화된다.
냉매가 임계 이하의 작동에서는 예컨대 냉매 R134a에 의해 액화되고, 또는 특정한 주변 조건에서는 이산화탄소에 의해 액화되면, 열교환기(4)는 응축기로서 표시된다. 일부분의 열전달은 일정한 온도에서 행해진다. 열교환기(4)에서의 임계 초과 작동 시 또는 임계 초과 열 방출 시에는 냉매의 온도가 지속적으로 감소한다. 이러한 경우에는 열교환기(4)가 가스 냉각기로도 표시된다. 임계 초과 작동은 예컨대 이산화탄소로서 냉매에 의해 특정한 조건 하에서 또는 냉매 회로(1)의 작동 방식으로 발생할 수 있다.
액화된 후 액체 상태로 존재하는 냉매는 팽창 부재(9)로 형성된 밸브를 관류할 때 2상 영역으로 팽창된다. 냉매 질량 흐름은 장치(10) 내부에서 2개의 부분 냉매 질량 흐름으로 분배되고, 이어서 상기 2개의 부분 냉매 질량 흐름은 증발기로 작동하는 열교환기(2, 3)들로 유도된다. 열교환기(2)에서 냉매는 대기로부터, 특히 자동차의 주변 공기로부터 열을 흡수한다. 제 2 열교환기(3)는 예를 들면 배터리와 같은 전자 또는 전기 컴포넌트들의 열을 방출하기 위해, 소위 자동차 엔진 냉각 회로로부터 열을 흡수하기 위한 칠러(chiller) 또는 공기-냉매-열교환기로 형성될 수 있으며, 그에 따라 완전히 상이한 기능들을 실행할 수 있다. 그와 동시에 열원들로는 예컨대 공기, 전자 컴포넌트들 또는 엔진 냉각 회로가 이용된다.
열교환기(2)로부터 배출되는 부분 냉매 질량 흐름은 개방된 밸브(11)를 통해 개구부(opening)(12)로 유도되고 압축기(5)로 유입되기 전에 열교환기(3)를 통과하는 부분 냉매 질량 흐름과 혼합된다. 필요에 따라 그리고 작동 모드에 따라 팽창 밸브로 형성된 밸브(13)가 폐쇄 또는 개방됨으로써, 마찬가지로 증발기로서 작동하는 열교환기(14)로의 냉매 공급이 저지 또는 촉진된다. 밸브(13)가 개방되면, 냉매는 열교환기(14) 관류 시 차 안에 공급될 공기로부터 열을 흡수하고 증발시킨다. 공기 질량 흐름은 제습 및/또는 냉각된 다음, 이어서 열교환기(4)에서 과류 현상(overflow) 현상이 발생하면 다시 가열된다. 부분 냉매 질량 흐름은 압축기(5)로 유입되기 전에 열교환기(2, 3)들을 통과하는 부분 냉매 질량 흐름들과 혼합된다. 도면에 도시되지 않은 팬(fan)에 의해 흡인된 공기는, 차 안으로 유입되기 전에 유동 방향으로 제일 먼저 열교환기(14)를 경유한 다음 열교환기(4)를 경유하여 유도된다. 따라서 상기 열교환기(14, 4)들은 차 안에 공급될 공기와 관련해 기술된 순서대로 연달아 배치되었으며, 필요에 따라 그리고 작동 모드에 따라 스위치-온 또는 스위치-오프 된다.
도 2a 및 도 2b는 각각 액체상 냉매 질량 흐름과 증기상 냉매 질량 흐름을 분리하기 위한 사이클론 분리기(10a', 10a")로 형성된 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치(10)를 보여준다. 도 2a에 따르면, 냉매 질량 흐름은 증기 형태의 성분과 액상 성분으로 분리되고, 부분 냉매 질량 흐름들이 증기 및 액체로서 전달된다. 도 2b에 따르면, 실제로 동일한 조성을 갖는 2개의 부분 냉매 질량 흐름이 각각 2상 혼합물로서 전달된다.
상기 사이클론 분리기(10a', 10a")는 벽(16)에 의해 완전히 둘러싸인 원통형 챔버(15)를 구비한다. 수직으로 정렬된 종축(17)을 중심으로 회전 대칭적으로 형성된 벽(16)은 상부 영역에서 하부 영역보다 작은 둘레를 갖는다. 둘레는 상부에서 하부로 일정하게 증가한다. '상부 영역' 및 '하부 영역' 또는 '상부에' 및 '하부에'라는 표현은 종축(17) 방향으로의 배치와 관련이 있다. 벽(16)의 단부면들은 상부 영역에서는 덮개 부재(18)에 의해 폐쇄되어 있고 하부 영역에서는 바닥 부재(19)에 의해 폐쇄되어 있다.
벽(16)의 상부 영역에서 유입구(20', 20")는 접선 방향으로 상기 벽(16)을 통해 챔버(15)로 이어진다. 상기 유입구(20', 20")를 통해 유동 방향(21)으로 냉매 질량 흐름은 2상 혼합물로서 사이클론 분리기(10a', 10a") 내부로 유입된다. 상기 2상 혼합물은 종축(17)을 중심으로 한 냉매 질량 흐름의 회전 운동의 결과로서 분리된다. 액체는 중력으로 인해 벽(16)에서 하부로 흐른다. 증기는 실제로 챔버(15) 내부에 모인다. 상기 챔버(15)의 중앙에는 종축(17)을 중심으로 하여 회전 대칭적으로 증기 라인 부재(22a)가 형성되어 있으며, 상기 증기 라인 부재는 사이클론 분리기(10a', 10a")의 덮개 부재(18)로부터 외부로 돌출하고 그리고 도 2a에 따른 실시예에서는 배출구(22b)로서, 증기 또는 증기 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름으로서 부분 냉매 질량 흐름을 유동 방향(23)으로 챔버(15)의 상부로 유도한다. 증기 라인 부재(22a)는 중공 원통 형태를 갖는다.
증기 라인 부재(22a)를 중심으로 종축(17)에 대해 동축으로는 원형 디스크 형태를 갖는 분리 부재(24)가 배치되어 있다. 이 경우 상기 분리 부재(24)의 외경은 벽(16)의 내경보다 작으며, 그 결과 상기 분리 부재(24)의 에지와 벽(16) 사이에는 간극(25)이 형성되었다. 상기 간극(25)은 벽(16)에 모이는 액체가 유동 방향(27)으로 챔버(15)의 하부 영역으로 흐르는 것을 가능하게 한다. 상기 하부 영역에서 벽(16)은 배출구(26', 26")를 갖는다. 도 2a의 실시예에 따르면, 유동 방향(27)으로의 부분 냉매 질량 흐름은 액체 또는 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름으로서 배출구(26')를 통해 사이클론 분리기(10a')로부터 배출된다.
또한, 분리 부재(24)는 종축(17)과 관련해 중앙에 배치되는 트랜스퍼 포트(28)를 갖는다. 원형의 상기 트랜스퍼 포트(28)가 외부 둘레가 증기 라인 부재(23a)보다 더 큰 지름을 가짐으로써, 증기 라인 부재(22a)의 외부 둘레와 분리 부재(24)의 내부 에지 사이에는 간극(29)이 형성되었다. 상기 간극(29)은 유동 방향(23)으로의 증기 배출을 가능하게 한다.
도 2a의 실시예 따르면, 간극(29)을 통해 유동 방향(23)으로 유도된 증기는 편향 장치(30)에서 편향되어 증기 라인 부재(22a)로 유입된다. 사이클론 분리기(10a)로 유입된 2상 혼합물은 주로 액상인 부분 냉매 질량 흐름 및 주로 증기 형태인 냉매 질량 흐름으로 분배된다.
도 2a에 따른 사이클론 분리기(10a)의 실시예와 달리, 도 2b에 따른 사이클론 분리기(10a")는 편향 장치(30)를 구비하지 않으며, 증기 라인 부재(22a)가 폐쇄되어 있다. 도 2a와 관련해 기술된 바와 같이, 증기 및 액체는 간극(25, 29)들을 통해 챔버(15)의 하부 영역으로 흐르고 그곳에서 목표한 바대로 서로 혼합된다. 벽(16)은 하부 영역에서 배출구(26") 외에도 추가의 배출구(31)를 갖는다. 부분 냉매 질량 흐름들은 각각 2상 혼합물로서 유동 방향(32)으로 배출구(26", 31)들을 통해 사이클론 분리기(10a")로부터 배출된다. 2개의 부분 냉매 질량 흐름은 냉매 회로(1)의 작동 모드에 상관없이 증기 함량과 관련해 동일한 조성을 갖는다. 상기 부분 냉매 질량 흐름들의 증기 함량 차는 무시해도 좋을 정도로 미량이다.
유입구(20', 20") 및 배출구(26', 26", 31)들은 종축(17)에 대해 수직으로 정렬되는 방식으로 배치되었다.
도 3에는 2상 유동을 균일화하기 위해 그리고 균일화된 냉매 질량 흐름을 분배하고 각각 2상 혼합물로 존재하는 분리된 2개의 부분 냉매 질량 흐름을 전달하기 위해 유동 정류기(10b)로서 형성된 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치(10)가 도시되어 있다. 따라서 도 3의 장치(10b)는 도 2b의 장치(10a")와 유사한 기능을 실행한다.
상기 유동 정류기(10b)는 대칭면(33) 방향으로 유입구(34)를 가지며, 상기 유입구를 통해서 냉매 질량 흐름은 2상 혼합물로서의 유동 방향(21)으로 유입된다. 바람직하게 원형 횡단면을 갖는 중공 원통형으로 형성된 유입구(34) 내부에는 유동 정류 부재(35)가 배치되어 있다. 이 경우 상기 부재(35)는 스트레이너 인서트 또는 스웨이지 블록으로 형성될 수 있다. 상기 부재(35) 관류 시 발생하는 압력 손실 때문에, 2상 혼합물로서 존재하는 냉매 질량 흐름은 유동 횡단면에 걸쳐 균일하게 분포된다.
이어서 그 조성이 균일화된 냉매 질량 흐름이 분배된다. 부분 냉매 질량 흐름들은 각각 2상 혼합물로서 유동 방향(32)으로 배출구(36, 37)들을 통해 유동 정류기(10b)로부터 배출된다. 2개의 부분 냉매 질량 흐름은 냉매 회로(1)의 작동 모드에 상관없이 증기 함량과 관련해 동일한 조성을 갖는다.
도 4 및 도 5에는 각각 액체상 냉매 질량 흐름과 증기상 냉매 질량 흐름을 분리하기 위한 장치(10) 그리고 증기 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름 및 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름의 분리 전달이 도시되어 있다. 도 4는 수평 분기점(10c)으로서 장치(10) 그리고 수직으로 정렬된 냉매 라인(38)에의 결합을 보여준다. 이 경우 수직으로 정렬된 냉매 라인(38)은 소위 다운 파이프(down pipe)로서 작동된다. 도 5에는 상부로 수직으로 정렬된 분기점(10d)으로서 장치(10) 그리고 수평으로 정렬된 냉매 라인(45)에의 결합을 보여준다.
도 4에 설명된 바와 같이, 특히 곡선 부재(39) 또는 냉매 라인(38)에서의 편향 직후에 상기 곡선 부재(39)를 관류하는 냉매 질량 흐름의 액체상(40) 및 증기상(41)은 후속하는 냉매 라인(38)의 횡단면에 걸쳐 균일하지 않게 분포되었다. 액체상(40)은 흐를 때 원심력 때문에 곡선 부재(39)의 바깥쪽 가장자리로 밀리게 되고 그에 따라 상대적으로 더 적은 관성을 갖는 증기상(41)으로부터 분리된다. 상기 냉매 질량 흐름은 유입구(43)를 통해 장치(10c)로 유입된다. 증기 또는 증기 함량이 많은 동시에 액체 함량은 적은 부분 냉매 질량 흐름을 위한 수평 분기점(10c)의 배출구(42)는 유동 방향(21)으로 곡선 부재(39)에 바로 이어서 수직으로 정렬된 냉매 라인(38) 내부에 배치되어 있다. 이 경우 냉매 라인(38)에 대해 수직으로 정렬된 배출구(42)는 상기 곡선 부재(39)에 의해 클램핑된 곡관의 내부면에 연결되는 냉매 라인(38) 영역에 형성되었다.
증기 또는 증기 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름은 유동 방향(23)으로 배출구(42)를 통해 배출되는 반면, 액체 또는 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름은 냉매 라인(38) 내에서 유동 방향(27)으로 계속 흘러 배출구(44)로부터 배출된다.
도 5에 개시된 바와 같이, 특히 수평으로 정렬된 냉매 라인(45) 내에서는 2상 혼합물로서 흐르는 냉매 질량 흐름의 액체상(40) 및 기체상(41)이 중력으로 인해 유동 횡단면에 걸쳐 균일하지 않게 분포되었다. 액체상(40)은 냉매 라인(45)의 하부 영역에서 또는 냉매 라인(45)의 바닥에서 흐르는 반면, 기체상(41)은 상대적으로 더 낮은 밀도로 인해 상기 액체상(40) 위쪽에 모인다. 상기 냉매 질량 흐름은 유입구(47)를 통해 장치(10d)로 유입된다. 증기 또는 증기 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름은 유동 방향(23)으로 배출구(46)를 통해 배출되는 반면, 액체 또는 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름은 냉매 라인(45) 내에서 유동 방향(27)으로 계속 흘러 배출구(48)로부터 배출된다. 증기 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름이 냉매 라인(45)의 상부로 유도되도록, 배출구(46)는 수평으로 정렬된 냉매 라인(45)에 대해 수직으로 배치되어 있다.
따라서 도 4에 따른 원심력 또는 도 5에 따른 중력을 이용한 액체상(40)과 증기상(41)의 분리는 2상 혼합물로서 존재하는 냉매 질량 흐름을 액체 함량이 적은 부분 냉매 질량 흐름과 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름으로 분배할 목적으로 사용된다.
도 2a, 도 4 및 도 5의 장치(10a', 10c, 10d)의 실시예에 따른 액체 함량이 많은 부분 냉매 질량 흐름은 도 1에 따른 냉매 회로(1)에서 열교환기(2)로 유도된다. 냉매와 주변 공기 간 열전달을 위해 형성된 열교환기(2)는 냉매 회로의 작동 모드에 따라 냉매에 의해 상이한 방향으로 관류되고 그리고 증발기뿐만 아니라 응축기/가스 냉각기로도 작동된다. 응축기/가스 냉각기로서 작동할 때에는 냉매가 높은 밀도를 갖는 액체 상태에서 열교환기로부터 배출된다. 증발기로서 작동할 때에는 팽창된 2상 냉매가 열교환기(2)의 최초의 응고점 이하 냉각 구간을 관류하여 증발한다. 본래 액상 냉매에 의한 그리고 현저히 더 높은 밀도에 의한 관류를 위해 상대적으로 더 작은 유동 횡단면으로 설계된, 증발기로서 작동하는 열교환기(2)의 이러한 섹션에서는 매우 높은 압력 손실이 발생할 수 있는데, 그 이유는 증발이 증가함으로써 냉매의 밀도가 감소되기 때문이다. 따라서 증발기로서 작동 시 액체 비율이 높은 냉매 질량 흐름이 열교환기(2)에 공급되면, 관류 시 발생하는 압력 손실이 감소된다. 증기 함량이 많은 제 2 부분 냉매 질량 흐름은 열교환기(3)를 통해 유도되는데, 상기 열교환기(3)는 냉매 회로(1)의 작동 모드에 상관없이 냉매에 의해 한 방향으로 관류되고 항상 증발기로서 작동된다. 상기 열교환기(3)가 오로지 증발기 기능으로만 작동되도록 설계되었기 때문에, 냉매측 압력 손실은 냉매 회로(1)의 압축기(5)에 공급될 파워에 덜 결정적이다.
1: 냉매 회로 2: 열교환기
3: 열교환기 4: 열교환기
5: 압축기 6: 분기점
7: 밸브 8: 밸브
9: 팽창 부재
10: 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치
10a', 10a": 장치, 사이클론 분리기
10b: 장치, 유동 정류기
10c: 장치, 수평 분기점
10d: 장치, 수직 분기점
11: 밸브 12: 개구부
13: 밸브 14: 열교환기
15: 챔버 16: 벽
17: 종축 18: 덮개 부재
19: 바닥 부재 20', 20": 2상 혼합물 유입구
21: 2상 혼합물 유동 방향 22a: 증기 라인 부재
22b: 배출구 23: 증기 유동 방향
24: 분리 부재 25: 간극
26': 액체 배출구 26": 2상 혼합물 배출구
27: 액체 유동 방향 28: 트랜스퍼 포트
29: 간극 30: 편향 장치
31: 2상 혼합물 배출구 32: 2상 혼합물 유동 방향
33: 대칭면 34: 2상 혼합물 유입구
35: 유동 정류 부재 36: 2상 혼합물 배출구
37: 2상 혼합물 배출구 38: 냉매 라인
39: 곡선 부재 40: 액체상
41: 증기상 42: 증기 배출구
43: 2상 혼합물 유입구 44: 액체 배출구
45: 냉매 라인 46: 증기 배출구
47: 2상 혼합물 유입구 48: 액체 배출구

Claims (10)

  1. 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물(two-phase mixture)로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구(20', 20", 34, 43, 47), 제 1 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 배출구(26', 26", 37, 44, 48) 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 2 배출구(22b, 31, 36, 42, 46)를 갖는, 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d)로서,
    - 상기 배출구(22b, 26', 26", 31, 36, 37, 42, 44, 46, 48)들이 각각 열교환기(2, 3)와 연결되는 연결구(connector)로서 형성되어 있고, 상기 열교환기(2, 3)들은 부분 냉매 질량 흐름들에 열을 전달하기 위한 증발기로서 형성되어 있으며 그리고
    - 액체상과 증기상 부분 냉매 질량 흐름들의 비율을 변동시키기 위한 수단들이 형성된 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    원통형 벽(16), 덮개 부재(cover element)(18) 및 바닥 부재(floor element)(19)에 의해 둘러싸인 챔버(15)가 수직으로 정렬된 종축(longitudinal axis)(17) 방향으로 증가하는 벽(16) 지름을 가지며, 상기 유입구(20', 20")는 상대적으로 더 작은 지름을 갖는 상부 영역에 배치되어 있고, 상기 제 1 배출구(26', 26")는 상대적으로 더 큰 지름을 갖는 하부 영역에 배치되어 있으며 그리고 상기 유입구(20', 20")는 접선 방향으로 상기 챔버(15)와 이어져 있는 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 벽(16)에 대해 동심으로, 원형의 횡단면을 갖는 원통형 증기 라인 부재(22a)가 배치되어 있으며, 상기 증기 라인 부재(22a)는 상기 벽(16)보다 작은 지름을 갖고 그리고 상기 종축(17) 쪽으로 방사 방향으로(in the radial direction) 상기 챔버(15)를 제한하는 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 챔버(15)의 내부에 디스크 모양(disk-shaped)의 분리 부재(24)가 상기 종축(17)에 대해 수직으로 그리고 동심으로 배치되어 있음으로써, 상기 분리 부재(24)는 상기 벽(16)의 내경보다 작은 외경을 갖고 그리고 상기 분리 부재(24)는 중앙에 배치된 트랜스퍼 포트(transfer port)(28)를 가지며, 상기 트랜스퍼 포트(28)의 지름은 상기 증기 라인 부재(22a)의 외경보다 크며, 그 결과 상기 벽(16)과 분리 부재(24) 그리고 상기 분리 부재(24)와 증기 라인 부재(22a) 사이에 각각 간극(25, 29)이 형성된 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 증기 라인 부재(22a)가 제 2 배출구(22b)로서 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위해 상기 챔버(15) 내부에서 개방된 단부면 및 상기 챔버(15) 외부에서 개방된 단부면을 갖는 중공 원통형으로 형성되어 있으며, 상기 제 2 부분 냉매 질량 흐름은 제 1 부분 냉매 질량 흐름보다 적은 액상 냉매 비율을 갖는 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 제 2 배출구(31)가 상기 종축(17)과 관련해 상기 챔버(15)의 하부 영역에 상기 제 1 배출구(26")의 높이로 배치되어 있으며, 상기 배출구(26", 31)들로부터 배출될 수 있는 부분 냉매 질량 흐름들은 동일한 증기 및 액체 비율을 갖는 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    수직으로 정렬된 냉매 라인(38)이 유동 방향(21)으로 앞쪽에 지지된 곡선 부재(curved element)(39)에 연결되어 있고, 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 배출구(42)가 상기 냉매 라인(38)에서 수직으로 배치되어 있으며, 상기 배출구(42)는 상기 곡선 부재(39)에서 상기 냉매 라인(38)으로 전환 이후 곡선 부재(39)의 내부 반경 면에 배치되어 있고 그리고 상기 제 2 부분 냉매 질량 흐름은 제 1 부분 냉매 질량 흐름보다 더 적은 액상 냉매 비율을 갖는 것을 특징으로 하는,
    냉매 질량 흐름 분배 장치.
  8. 증기와 액체로 이루어진 2상 혼합물로서 냉매 질량 흐름을 유입하기 위한 유입구(20', 20", 34, 43, 47), 제 1 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 1 배출구(26', 26", 37, 44, 48) 및 제 2 부분 냉매 질량 흐름을 배출하기 위한 제 2 배출구(22b, 31, 36, 42, 46)를 구비하는 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 냉매 질량 흐름을 분배하기 위한 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d)를 갖는 냉매 회로(1)로서,
    냉각 장치 모드 및 열펌프 모드 겸용 작동용으로 그리고 재열 모드용으로 형성된 상기 냉매 회로(1)는 압축기(5), 응축기/가스 냉각기로서 작동할 수 있는 열교환기(4), 팽창 부재(9) 그리고 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 각각 증발기로서 작동할 수 있고 냉매가 동시에 공급될 수 있는 2개의 열교환기(2, 3)를 가지며,
    냉매 질량 부분 흐름을 분배하기 위한 상기 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d)의 유입구(20, 34)는 상기 팽창 부재(9)에, 상기 제 1 배출구(26', 26", 37, 44, 48)는 상기 열교환기(2)에 그리고 상기 제 2 배출구(22b, 31, 36, 42, 46)는 상기 열교환기(3)에 연결된 것을 특징으로 하는,
    냉매 회로.
  9. 제 8항에 있어서,
    냉매가 열펌프 모드 또는 재열 모드에서 상기 팽창 부재(9)로부터 상기 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d)로 유도되고 그리고 상기 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d)에서 분배된 부분 냉매 질량 흐름들이 상기 열교환기(2, 3)들 쪽으로 흐르도록, 상기 팽창 부재(9), 장치(10, 10a', 10a", 10b, 10c, 10d) 및 열교환기(2, 3)들이 상호 배치된 것을 특징으로 하는,
    냉매 회로.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 열교환기(2)가 양방향 관류가 가능하게 형성되어 있고 상기 냉매 회로(1)의 작동 모드에 따라 냉매에 의해 상이한 방향으로 관류되는 것을 특징으로 하는,
    냉매 회로.
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