KR20170075628A - 자동차의 공기 조화 시스템 및 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법 - Google Patents

자동차의 공기 조화 시스템 및 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드 작동용으로 냉매 순환계(2, 2', 2", 2'", 2"", 2'"")를 구비한 자동차의 공기 조화 시스템(1, 1', 1", 1'", 1"", 1'"")에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 압축기(3), 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기(4), 팽창 부재(7) 및 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)에서 냉매로 열전달을 위한 열교환기(8)를 갖는 1차 순환계 및 제 1 유동 경로(17, 17")를 포함한다. 상기 유동 경로(17, 17")는 상기 압축기(3)와 열교환기(4) 사이에 배치된 분기점(13)에서부터 시작하여 입구 영역(18, 18a)까지 연장되며, 그리고 냉매에서 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)로의 열전달을 위한 열교환기(9)를 갖는다. 상기 열교환기(9)는 상기 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로 상기 열교환기(8) 다음에 배치되어 있다. 상기 공기 조화 시스템(1, 1', 1", 1'", 1"", 1'"")은 상기 객실 유입 공기(15)를 가열하기 위한 냉각제 순환계의 컴포넌트로서 가열 열교환기(10)를 가지며, 상기 가열 열교환기는 상기 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로 상기 열교환기(8) 다음에 배치되어 있다. 본 발명은 또한 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법과도 관련이 있다.

Description

자동차의 공기 조화 시스템 및 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법 {AIR CONDITIONING SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE AND A METHOD FOR OPERATION OF THE AIR CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드 작동용으로 냉매 순환계를 구비한 자동차의 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 압축기, 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기, 팽창 부재 및 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기를 갖는 1차 순환계를 포함한다. 상기 냉매 순환계는 또한 제 1 유동 경로를 가지며, 상기 제 1 유동 경로는 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기와 압축기 사이에 배치된 분기점에서부터 시작하여 입구까지 연장되고, 냉매에서 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기로 열전달을 위한 열교환기를 가지며, 이 경우 상기 열교환기는 상기 객실 유입 공기의 유동 방향으로 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로 열전달을 위한 상기 열교환기 다음에 배치되어 있다. 그 외에 상기 공기 조화 시스템은 저온 냉각제 순환기의 컴포넌트로서 적어도 하나의 냉각제-냉매-열교환기를 구비한다. 또한, 본 발명은 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법과도 관련이 있다.
선행 기술에 공지된 자동차들의 경우, 객실용 유입 공기를 가열하기 위해 엔진의 폐열이 사용된다. 폐열은 엔진 냉각제 순환계에서 순환하는 냉각제에 의해 냉각 장치로 운반되고, 그곳에서 가열 열교환기를 통해 객실 내부로 유입되는 공기로 전달된다. 파워 엔진(power engine)의 효율적 내연 기관의 냉각제 순환계로부터 가열 능력을 얻는 냉각제-공기-열교환기를 갖는 공지된 장치들은, 주위 온도가 낮을 경우, 객실을 쾌적한 상태로 가열하는데 필요한 레벨에 더 이상 도달하기가 어려운데, 이는 객실의 전체 열 수요를 충족시키기 위해 필요하다. 이러한 사실은 하이브리드 구동 장치를 구비한 차량의 장치들에도 유사하게 적용된다.
객실의 전체 열 수요가 엔진 냉각제 순환계로부터 나오는 열에 의해 충족될 수 없는 경우, 전기 저항 가열(electric resistance heating)(PTC) 또는 연료 가열기와 같은 추가의 가열 수단들이 필요하다. 객실용 공기를 난방하기 위한 효율적인 가능성은 열원(heat source)으로서 공기를 갖는 열 펌프이며, 상기 열 펌프에서 냉매 순환계는 유일한 난방 장치이자 추가 가열 수단으로서 사용된다.
결합형 냉각 장치와 열 펌프 모드, 즉 가열 모드용, 그리고 재열 모드(reheat mode)로도 표기되는 포스트 가열 모드용으로 형성된 선행 기술에 속하는 공기-공기 열 펌프들은 외기로부터 열을 흡수한다. 종래의 공기-공기 열 펌프들은 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기, 컨디셔닝 될 객실 공기에서 냉매로 열을 공급하기 위한 열교환기 그리고 냉매에서 컨디셔닝 될 객실용 공기로 열전달을 위한 열교환기를 구비한다. 파워는 각각 냉매와 공기 간에 전달된다. 소위 "재열" 또는 포스트 가열 모드에서는 객실에 공급될 공기가 냉각되는 동시에 제습되며, 후속해서 미미하게 다시 가열된다. 이러한 작동 모드에서는 필요한 포스트 가열 능력이 공기를 냉각하고 제습하는데 필요한 냉각 능력보다 작다.
이 경우 공기-공기-열 펌프의 외기와 냉매간 열전달을 위한 열교환기는 자동차의 앞쪽에서 공기 조화 시스템의 하우징 외부에 배치되어 있고, 이러한 열교환기에는 특히 기류(airstream)를 통해 공기가 공급된다. 공기 조화 시스템의 하우징 외부에 배치된 열교환기는 외부 열교환기로도 표기된다. 냉매 순환계가 냉각 장치 모드로 작동할 때, 상기 외부 열교환기는 냉매에서 외기로 열을 송출하기 위한 응축기/가스 냉각기로서 작동되고, 그리고 냉매 순환계가 열 펌프 모드로 작동할 때에는 외기로부터 냉매 열을 흡수하기 위한 증발기로 작동된다.
DE 10 2012 111 672 A1호에는 자동차 객실의 공기를 컨디셔닝하기 위한 공기 조화 장치의 냉매 순환계가 기술된다. 상기 냉매 순환계는 냉각 장치 및 열 펌프 모드로 겸용 작동을 위해 그리고 포스트 가열 모드를 위해 형성되어 있고, 압축기, 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기, 제 1 팽창 부재 그리고 컨디셔닝 될 객실 공기에서 냉매로의 열 공급을 위한 열교환기, 냉매에서 컨디셔닝 될 객실용 공기로 열전달을 위한 열교환기 및 냉매 유동 방향으로, 냉매에서 컨디셔닝 될 객실용 공기로 열전달을 위한 상기 열교환기에 후속하는 제 2 팽창 부재를 구비한다.
선행 기술에 공지된 공기-공기-열 펌프들의 경우, 열 펌프 모드에서는 열이 오로지 외부 열교환기에서의 냉매 증발에 의해 흡수되며, 그 결과 상기 외부 열교환기는 냉매의 유일한 열원이다. 외기 온도가 0℃ 범위일 때 그리고 0℃ 미만일 때 외부 열교환기의 열전달 표면(heat transfer surface)이 결빙될 수 있다. 외기로부터 열 흡수 결과로는 냉각된 공기의 상대 습도가 증가한다. 융해점 온도가 미달되면, 공기 중에 존재하는 수증기는 응축되어 물로서 열전달 표면에서 분리된다. 열전달 표면에서 공기로부터 응축된 물은 표면 온도가 0℃ 범위일 때 그리고 0℃ 미만의 범위일 때 얼음으로 응결된다. 증가하는 빙층(ice layer)은 공기측 열전달 면적 및 공기측 열전달 그리고 그와 더불어 공기와 증발되는 냉매간 열전달을 감소시키는데, 상기와 같은 감소는 냉매의 증발 온도와 증발 압력 감소를 야기한다.
외부 열교환기의 열전달 표면의 결빙 과정을 방지하거나 적어도 지연시키기 위해, 예컨대 열 펌프 모드로 작동 시 냉매 순환계의 압축기 흡입압은 정해진 하한 값으로 제한된다. 따라서 외기와 냉매의 증발 온도 사이 예상되는 최대 온도차가 미리 정해진다. 그러나 상기와 같은 흡입압 제한은 또한 열 펌프 모드로 작동 시 공기 조화 시스템의 가열 능력 및 그와 더불어 공기로부터 열 흡수로서 증발기 성능 제한을 야기한다. 주위 온도가 낮은 경우, 특히 -10℃ 미만일 경우에는 가열 능력이 객실 공기를 안락한 상태로 가열하기에 충분하지 않다. 부족한 가열 능력은 추가 가열 플랜을 사용하여 보충되어야 한다.
선행 기술에는 또한 특별히 전기 구동 컴포넌트들의 폐열을, 예를 들면 과급 공기 냉각의 폐열을 저온 냉각제 순환계의 냉각제로 전달한 다음, 냉각제-공기-열교환기를 통해 외기로 송출하는 것이 공지되어 있다. 저온 냉각제 순환계 내에서 저온 레벨로 존재하는 열은 칠러(chiller)로도 표기되는 냉매-냉각제-열교환기를 사용하여 마찬가지로 냉매 순환계의 냉매로 전달될 수 있다. 특히 열 펌프 모드로 작동 시 열은 냉매 증발에 사용된다. 이러한 경우 저온 냉각제 순환계로부터의 폐열 통합은 한편으로는 가열 능력을 상승시키는데 도움을 주고, 다른 한편으로는 공기 조화 시스템의 현저히 더 높은 성능 계수(coefficient of performance)에 도달하는데 도움을 준다. 또한, 필요에 따라 저온 냉각제 순환계에 의해 추가로 외부로부터 냉매로 열이 전달될 수 있다.
DE 10 2010 042 127 A1호는 자동차, 특히 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 공기 조화 장치의 냉매 순환계를 기술한다. 상기 냉매 순환계는 한편으로 압축기, 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기, 컬렉터, 제 1 팽창 부재, 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열 공급을 위한 열교환기 그리고 이러한 열교환기에 병렬연결 방식으로 배치된 열교환기를 갖는 1차 순환계를 포함한다. 또한, 상기 냉매 순환계는 2차 라인을 구비하고, 상기 2차 라인은 냉매 유동 방향으로 압축기 다음에 배치된 분기점에서부터 시작하여 상기 제 1 팽창 부재 앞쪽에 지지된 연결 지점까지 연장되며, 그리고 냉매에서 컨디셔닝 될 객실 유입 공기로 열전달을 위한 열교환기 및 상기 열교환기에 후속하는 제어 밸브(control valve)를 구비한다.
본 발명의 과제는 자동차에서, 특히 구동 컴포넌트들에 의해 발생되는 폐열을 공기 조화 시스템의 냉매 순환계로 전달하고, 열 펌프 모드로 작동 시 외기와 더불어 추가의 열원으로서 사용하는 데 있다.
또한, 본 발명의 과제는 컨디셔닝 될 객실 유입 공기를 가열, 냉각 및 제습하기 위해 냉각 장치 및 열 펌프 작동 겸용 공기 조화 시스템을 구조적으로 단순한 방식으로 개선 및 향상시키고, 그리고 향상된 조절 가능성을 구현할 수 있는, 상기 공기 조화 시스템의 작동 방법들을 제공하는 데 있다. 상기 공기 조화 시스템은 다수의 열원 및 히트 싱크를 사용하여 또한 효율적으로 작동될 수 있어야 하고 소형으로 설계되어야 한다. 이 경우 상기 공기 조화 시스템의 냉매 순환계는, 최소한의 작동비용, 제조비용 및 정비비용을 발생시키기 위해, 구조적으로 단순하게 형성되어야 하고 최소한의 필수 컴포넌트 수를 가져야 한다.
상기 과제는 독립 특허 청구항들의 특징들을 갖는 대상들 및 방법들에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
상기 과제는 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드로 작동하기 위한 냉매 순환계를 구비한 본 발명에 따른 자동차 공기 조화 시스템에 의해서 해결된다. 상기 냉매 순환계는 압축기, 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기, 팽창 부재 및 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기를 갖는 1차 순환계를 구비한다. 상기 냉매 순환계는 또한 제 1 유동 경로를 갖고, 상기 유동 경로는 냉매와 외부간 열전달을 위해 열교환기와 압축기 사이에 배치된 분기점에서부터 시작하여 입구까지 연장되며, 그리고 냉매에서 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기로의 열전달을 위한 열교환기를 갖는다. 상기 냉매에서 컨디셔닝 될 객실 유입 공기로의 열전달을 위한 열교환기는 상기 객실 유입 공기의 유동 방향으로 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기 다음에 배치되어 있다. 본 발명에 따른 상기 공기 조화 시스템은 저온 냉각제 순환계의 컴포넌트로서 적어도 하나의 냉각제-냉매-열교환기를 구비한다. 상기 냉각 장치 모드는 특히 냉각 목적에 사용되고, 그리고 열 펌프 모드는 컨디셔닝 될 객실 유입 공기의 가열 목적에 사용된다.
본 발명의 콘셉트에 따르면, 컨디셔닝 될 객실 유입 공기를 가열하기 위해 냉각제 순환계의 컴포넌트로서 가열 열교환기가 형성되어 있다. 상기 가열 열교환기는 객실 유입 공기의 유입 방향으로 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로 열전달을 위한 열교환기 다음에 배치되어 있다.
상기 냉매 순환계는 바람직하게 내부 열교환기를 구비한다. 이 경우 순환계 내부에 있는 열교환기를 내부 열교환기로 이해할 수 있으며, 상기 내부 열교환기는 상태 파라미터들이 상이할 경우 냉매와 외부간 열전달에 사용된다. 상기 내부 열교환기의 한 측면은 바람직하게 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기와 제 1 유동 경로의 입구 영역 사이에 배치되어 있으며, 그 결과 상기 내부 열교환기는 특정 작동 모드들에서 작동되지 않거나, 또는 2개의 작동 모드에서 상이한 냉매 질량 흐름들이 공급된다.
냉매 순환계는 바람직하게 컬렉터를 구비하고, 상기 컬렉터는 냉매의 유동 방향으로 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기 다음에 배치되어 있다. 따라서 상기 컬렉터는 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로 열전달을 위한 열교환기와 내부 열교환기의 한 측면 사이 그리고 압축기의 흡입측에 배치되어 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 냉매 순환계는 포스트 가열 모드 작동용으로 형성되어 있으며, 이 경우 냉각제-냉매-열교환기는 냉매가 냉각제-냉매-열교환기 및 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기로 분할될 수 있도록, 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에서 냉매로의 열전달을 위한 열교환기에 병렬연결로 배치되어 있다. 이 경우 냉매 질량 흐름은 바람직하게 0% 내지 100% 사이에서 분할될 수 있다. 냉각제-냉매-열교환기 및 컨디셔닝될 객실 유입 공기에서 냉매로 열전달을 위한 열교환기 앞쪽에 지지되는 방식으로 각각 하나의 팽창 부재가 배치되어 있다. 상기 팽창 부재들은 바람직하게 팽창 밸브로서 형성되어 있으며, 이 경우 상기 팽창 밸브들은 바람직하게 외부에서 제어될 수 있다. 제 1 유동 경로는 냉매에서 컨디셔닝 될 객실 유입 공기로 열전달을 위한 열교환기와 입구 영역 사이에서 바람직하게 체크 밸브(check valve) 구비하고, 상기 체크 밸브는 냉매를 입구 영역으로 향하는 유동 방향으로 통과시킨다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 냉매 순환계는 제 2 유동 경로를 가지며, 상기 제 2 유동 경로는 압축기와 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기 사이에 배치된 분기점에서 시작하여 입구 영역까지 연장된다. 이 경우 상기 입구 영역은 냉매의 유동 방향으로 압축기 앞에, 그와 더불어 상기 압축기의 흡입측에, 특히 내부 열교환기 앞에 그리고 특별히 콜렉터 앞에 배치되어 있다.
상기 제 2 유동 경로는 냉매 순환계가 냉각 장치 모드로 작동 시 관류되지 않고, 그리고 바람직하게는 밸브를 갖는다.
본 발명의 제 1 대안적 실시예에 따르면, 냉매 순환계의 작동 모드에 따라 냉매가 냉각제-냉매-열교환기를 통과한 다음 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 관류하거나, 또는 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 통과한 다음 냉각제-냉매-열교환기를 관류하는 방식으로, 냉각제-냉매-열교환기는 냉매 순환계의 1차 순환계 내부에 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기에 직렬연결로 배치되어 있다. 열교환기들의 직접 연결 결과로서 열교환기들 내 냉매는 유동에 의한 압력 손실을 제외하고 동일한 압력 레벨을 갖는다. 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기는 작동 모드에 따라 응축기/가스 냉각기로서 또는 증발기로서 작동된다. 냉각제-냉매-열교환기는 냉각 장치 모드에서 응축기/가스 냉각기로서 작동될 수 있고, 그리고 열 펌프 모드에서 증발기로 작동된다. 상기 열교환기들은 양방향성(bidirectional)으로 관류될 수 있다.
본 발명의 제 2의 대안적 실시예에 따르면, 냉매 순환계의 제 2 유동 경로 내부에는 냉각제-냉매-열교환기가 형성되어 있다. 이 경우 냉매가 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 통과한 다음 냉각제-냉매-열교환기를 관류하는 방식으로, 상기 냉각제-냉매 열교환기는 냉매 순환계가 열 펌프 모드로 작동 시 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기에 직렬연결로 배치되어 있다. 열교환기들의 직접 연결 결과로서 열교환기들 내 냉매는 유동에 의한 압력 손실을 제외하고 동일한 압력 레벨을 갖는다. 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기는 작동 모드에 따라 응축기/가스 냉각기로서 또는 증발기로서 작동된다. 냉각제-냉매-열교환기는 열 펌프 모드에서 증발기로 작동된다.
상기 과제는 컨디셔닝 될 객실 유입 공기에 대해 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드로 작동하기 위한 냉매 순환계를 구비한, 본 발명에 따른 자동차 공기 조화 시스템의 작동 방법들에 의해서도 해결된다.
콘셉트에 따르면, 냉매는 상기 냉매 순환계의 작동 모드에 따라 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기를 통과한 다음 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 통해 안내되거나, 또는 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 통과한 다음 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기를 통해 안내된다. 이 경우 냉매는 동일한 압력을 갖는다. 상기 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기 및 냉각제-냉매-열교환기는 상기 냉매 순환계가 열 펌프 모드로 작동 시 냉매용 증발기로서 작동된다. 상기 증발기에서는 냉매가 증발되고, 경우에 따라 과열된다.
본 발명에 따른 제 2 방법에 따르면, 냉매 순환계가 열 펌프 모드로 작동 시 냉매는 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기를 통과한 다음 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기를 통해 안내된다. 이 경우 냉매는 동일한 압력을 갖는다. 상기 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기 및 냉각제-냉매-열교환기는 냉매용 증발기로서 작동된다.
요약하자면, 본 발명에 따른 공기 조화 시스템은 여러 장점들을 갖는다:
- 최소 전기 에너지 사용으로 객실 유입 공기의 공기 조화, 특히 냉각, 제습 및/또는 가열, 그리고 그와 동시에
- 객실 난방에 손실 열 흐름 사용, 특히
- 냉각제-냉매-열교환기를 사용하여 냉매 증발,
- 배터리, 전동기 그리고 파워 전자 장치와 같은 차량의 파워 트레인의 부품 냉각, 및
- 객실 내부에 충분한 쾌적함 제공을 위해 열 펌프 모드로 작동 시 추가 열원으로서 저온 냉각제 순환계로부터 열 흡수,
- 특히 하이브리드 자동차에서 보조 기기(auxiliary equipment)에 필요한 배터리 용량 감소 및 이와 연결된
- 중량 감소,
- 비용 감소 및
- 리튬과 같은 제한된 자원 절약.
본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면들에는 각각 내부 열교환기 및 외기-냉매-열교환기를 갖는 냉매 순환계와 가열 열교환기를 구비한 공기 조화 시스템이 도시된다:
도 1a 및 도 1c는 냉각 장치 모드로 작동 시 냉매 순환계를 도시하고,
도 1b 및 도 1d는 열원 및 증발기로서 작동되는 2개의 열교환기, 특히 냉각제-냉매-열교환기와 외기-냉매-열교환기가 직렬로 연결된, 열 펌프 모드로 작동 시 도 1a 및 도 1c의 냉매 순환계를 도시하며,
도 2a 및 도 2b는 증발기 및 열원으로서 작동하고 병렬로 연결된 추가의 냉각제-냉매-열교환기를 갖는, 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드로 작동 시 냉매 순환계를 도시하고,
도 3a 및 도 3b는 열 펌프 모드에서 추가로 열원 및 증발기로서 작동하는 외기-냉매-열교환기를 갖는, 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드로 작동 시 도 2a 및 도 2b의 냉매 순환계를 도시하며,
도 3c 및 도 3e는 냉각 장치 모드로 작동 시 추가의 냉각제-냉매-열교환기를 갖는, 도 3a 및 도 3b의 냉매 순환계를 도시하고, 그리고
도 3d 및 도 3f는 열원 및 증발기로서 작동하는 2개의 열교환기, 특히 냉각제-냉매-열교환기와 외기-냉매-열교환기가 직렬로 연결된, 열 펌프 모드로 작동 시 도 3c 및 도 3e의 냉매 순환계를 도시한다.
도 1a 내지 도 1d에는 내부 열교환기(6)와 외기-냉매-열교환기(4)를 갖는 냉매 순환계(2, 2') 및 고온 냉각제 순환계의 가열 열교환기(10)를 구비한 공기 조화 시스템(1, 1')이 도시되어 있다. 도 1a 및 도 1c는 냉각 장치 모드로 작동 시 냉매 순환계(2, 2')를 도시하고, 그리고 도 1b 및 도 1d는 열원 및 증발기로서 작동하는 2개의 열교환기(4, 5, 5'), 특히 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5, 5')와 외기-냉매-열교환기(4)가 직렬로 연결된, 열 펌프 모드로 작동 시 냉매 순환계(2, 2')를 도시한다.
상기 냉매 순환계(2, 2')는 압축기(3), 외기-냉매-열교환기(4), 내부 열교환기(6), 팽창 부재(7), 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)를 냉각 및/또는 제습하기 위한 증발기(8)를 갖는 1차 순환계 그리고 분리기와 컬렉터(11)를 구비한다. 냉매 라인들에 의해 서로 연결된, 상기 1차 순환계의 컴포넌트들은 냉각 장치 모드로 작동 시(도 1a 및 도 1c 참조), 냉매는 정해진 순서대로 관류된다. 냉매의 유동 방향은 실선 화살표로 표시되어 있다.
이 경우 상기 내부 열교환기(6)는 순환계 내부에 있는 열교환기를 의미하는데, 상기 내부 열교환기는 예를 들면 작동 모드에 따라 고압 및 저압에서 냉매와 외부간 열전달에 사용되거나 또는 저압에서 상기 양측간 열전달에 사용된다. 그와 동시에, 예컨대 냉각 장치 모드로 작동 시에는, 한편으로 액상 냉매가 응축되고, 그리고 필시 상기 응축에 후속하는 과냉각(super cooling) 후 계속해서 냉각되며, 다른 한편으로는 흡입 가스가 압축기(3) 앞에서 과열된다. 어큐뮬레이터(accumulator)로도 표기되는 컬렉터(11)는 냉매 액체를 분리하고 수집하는데 사용되며, 저압측에서 냉매의 유동 방향으로 증발기(8) 다음에, 특히 입구 영역(16)과 내부 열교환기(6) 사이에 배치되어 있다.
냉매 순환계(2, 2')는 상기 1차 순환계 외에, 제 1 유동 경로(17) 및 제 2 유동 경로(19, 19')를 구비한다. 상기 제 1 유동 경로(17)는 분기점(13)에서부터 입구 영역(18)까지 연장되고, 그리고 스톱 밸브(12b) 및 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 열교환기(9)를 구비한다. 상기 응축기/가스 냉각기(9)는 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로, 즉 객실에 공급된 공기의 유동 방향으로 증발기(8) 하부에 연결되어 있다. 도면에 도시되지 않은, 한 대안적 실시예에 따르면, 밸브(12a, 12b)들 및 분기점(13)은 3방향-밸브로서 형성되어 있다. 상기 제 2 유동 경로(19, 19')는 압축기(3), 특히 분기점(13)과 열교환기(4) 사이에 배치된 분기점(20)에서부터 입구 영역(16)까지 연장되고, 그리고 밸브(14b)를 구비한다.
도 1a 및 도 1b에 따른 냉매 순환계(2)의 제 1 실시예에 따르면, 칠러로도 표기되는 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5)는 1차 순환계 내부에서, 외기-냉매-열교환기(4)와 내부 열교환기(6) 사이에 배치되어 있다. 도 1c 및 도 1d에 따른 냉매 순환계(2')의 제 2 실시예에 따르면, 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5')는 제 2 유동 경로(19') 내부에 배치되어 있다.
도 1a 및 도 1c에 따른 냉각 장치 모드로 작동 시, 가스 형태의 과열된 냉매는 고압 하에서 압축기(3)로부터 개방된 스톱 밸브(12a)를 통과하여 외기-냉매-열교환기(4)로 흐르고, 그리고 상기 열교환기(4) 관류 시에 열을 외기로 송출한다. 냉매는 응축되고, 그리고 필시 과냉각된다. 후속하는 내부 열교환기(6) 관류 시 냉매는 계속해서 과냉각되며, 예컨대 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(7)에서 저압으로 팽창된다. 스톱 밸브(12b, 14b)들은 폐쇄되어 있다. 제 1 유동 경로(17) 및 제 2 유동 경로(19, 19')에는 냉매가 공급되지 않는다. 증발기(8)를 관류할 때, 냉매는 객실에 공급될 공기로부터 열을 흡수하고 증발시킨다. 상기 냉매는 개방된 밸브(14a)를 통과하여 컬렉터(11)로 흐르며, 그리고 가스 상태로 압축기(3)로부터 내부 열교환기(6)를 통하여 흡인된다. 상기 내부 열교환기(6)에서는 저압측에 있는 냉매가 과열된다. 1차 순환계는 폐쇄되어 있다.
도 1a에 따른 냉매 순환계(2)의 제 1 실시예에서는 냉각제-냉매-열교환기(5)가 냉매에 의해 관류된다. 이 경우 필요에 따라 열이 냉매에서 저온 냉각제 순환계의 냉각제로 전달될 수 있거나, 또는 냉각제-냉매-열교환기(5)에 냉각제가 공급되지 않는다.
냉매 순환계(2, 2')가 냉각 장치 모드로 작동할 경우, 증발기(8)의 과류 시 냉각 및/또는 제습되는 공기는 객실로 공급되기 전에 가열 열교환기(10)의 열전달 표면 과류를 통해 가열될 수 있으며, 그 결과 고온 냉각제 순환계로부터 흡수된 열에 의해 포스트 가열과 유사한 작동이 가능하게 된다.
도 1b 및 도 1d에 따른 열 펌프 모드로 작동 시(냉매의 유동 방향은 파선 화살표로 표시됨) 가스 형태의 과열된 냉매는 고압 하에서 압축기(3)로부터 개방된 스톱 밸브(12b)를 통과하여 제 1 유동 경로(17)를 통해 응축기/가스 냉각기로 작동되는 열교환기(9)로 흐르며, 그리고 상기 열교환기(9) 관류 시에 열이 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)로 송출된다. 냉매는 응축되고, 그리고 필시 과냉각된다. 후속하는 팽창 부재(7) 관류 시, 냉매는 저압으로 팽창되고 내부 열교환기(6)를 관통한다. 특히, 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(7) 및 내부 열교환기(6)는 이 경우 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다. 열원 및 증발기로서 작동하고 직렬 또는 연속으로 연결된 2개의 열교환기(4, 5, 5') 관류 시 냉매는 열을 흡수한다. 열교환기(5, 5')의 도움으로 저온 냉각제 순환계로부터, 예를 들면 배터리 또는 전기 컴포넌트와 같은 전기 파워 트레인의 저온 냉각제 순환계로부터 흡수된 추가 열은 냉매 순환계(2, 2')로 주입된다. 상기 열교환기(4, 5, 5')들에 의해서는 각각 냉매의 증발과 더불어 냉매의 열 흡수를 위한 2개의 독립적인 열원이 형성된다.
냉매의 액화가 임계 이하의 작동에서, 예컨대 냉매 R134a에 의해 이루어지거나 또는 특정한 주변 조건에서 이산화탄소와 같은 냉매에 의해 이루어지면, 열교환기(9)는 응축기로 지칭된다. 일부 열전달은 일정한 온도에서 행해진다. 초임계 작동 시 또는 열교환기(9) 내 초임계 열 방출 시, 냉매의 온도는 일정하게 감소된다. 이러한 경우 상기 열교환기(9)는 가스 냉각기로도 지칭된다. 초임계 작동은 특정한 주변 조건 또는 공기 조화 시스템(1, 1')의 작동 모드에서 예를 들면 이산화탄소 냉매에 의해 발생될 수 있다.
도 1b에 따른 제 1 실시예에 따르면, 냉매는 후속해서 외기-냉매-열교환기(4)를 관류하고, 그와 동시에 외기로부터 열을 흡수하면서 계속해서 증발되며, 그리고 필시 과열되기 전에, 맨 먼저 냉각제-냉매-열교환기(5)를 관류하고, 그리고 증발 하에 저온 냉각제 순환계의 냉각제로부터 열을 흡수한다. 그 다음 상기 냉매는 분기점(20)을 거쳐 제 2 유동 경로(19) 및 개방된 밸브(14b)를 통해 컬렉터(11)로 안내된다. 열교환기(4, 5)들은 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다. 도 1d에 따른 제 2 실시예에 따르면, 냉매는 후속해서 분기점(20)을 거쳐 제 2 유동 경로(19')와 더불어 냉각제-냉매-열교환기(5')를 관류하고, 그와 동시에 저온 냉각제 순환계의 냉각제로부터 열을 흡수하면서 계속해서 증발되며, 그리고 필시 과열되기 전에, 내부 열교환기(6)를 통과한 후 맨 먼저 외기-냉매-열교환기(4)를 관류하고, 그리고 증발 하에 외기로부터 열을 흡수한다. 그 다음 상기 냉매는 개방된 밸브(14b)를 통해 컬렉터(11)로 안내된다. 열교환기(4)는 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다.
스톱 밸브(12a, 14a)들은 폐쇄되어 있다. 제 1 유동 경로(17) 및 제 2 유동 경로(19, 19')에는 냉매가 공급되는 반면, 증발기(8)는 냉매에 의해 관류되지 않는다. 압축기(3)로부터 흡인된 냉매는 컬렉터(11)로부터 가스 상태로 내부 열교환기(6)를 통해 흐른 후 냉각된다. 동시에 팽창 부재(7) 관류 후 저압으로 팽창된 냉매가 부분적으로 증발된다. 이 경우에는 압축 과정 이전에 냉매가 2개의 위상 영역으로 존재하도록 내부 열교환기(6)에서 냉매의 냉각이 야기되지 않고, 냉매가 잔류 과열을 수행하는 방식으로, 상기 냉매가 열교환기(4, 5, 5')들 통과할 때 증발 및 특히 과열되었다. 그러므로 상기 과열된 냉매는 압축되기 전에 경우에 따라 다시 냉각 또는 과열 저감되며, 이러한 상황은 기본적으로 선호되고 열 펌프 모드로 작동 시에 바람직하다. 냉매 유동 방향으로 압축기(3) 앞쪽에 컬렉터(11)가 지지되어 있기 때문에, 흡입 가스가 액체 성분을 갖지 않는 것이 보장된다. 컬렉터(11) 내에는 액체가 분리된다. 내부 열교환기(6) 내 냉매는 압축기(3)에 의해 흡입되기 전에 또한 팽창 부재(7)에서 팽창 후 냉매 온도보다 낮은 온도로는 냉각될 수 없기 때문에, 상기 냉매는 압축 과정 이전에, 2개의 위상 영역으로 냉각되지 않는다. 그러므로 흡입 가스는 항상 잔류 과열이 수행된다. 컬렉터(11) 또는 밸브(14b)의 열교환기(4, 5, 5', 6)들 관류 시 일어나는 압력 손실 무시 하에, 냉매는 압축 과정 이전에 위상 한계까지 최대로 냉각될 수 있다. 상기 냉매는 과열되지 않을 수 있다.
열 펌프 모드로 작동 시, 냉매는 압축기(3)의 출구에서, 특히 고압과 흡입압 사이 비율이 클 때, 매우 높은 온도를 가질 수 있으며, 이 경우에는 또한 압축기(3)에서의 냉매 허용 출구 온도가 초과될 수도 있다. 허용되는 출구 온도에 도달하거나 또는 이러한 허용 출구 온도 초과는 재차 압축기(3)의 하향 조절, 즉 회전 속도 및/또는 행정 체적 감소를 야기할 수 있다. 압축기(3)의 하향 조절을 피하기 위해 냉매는 상기 압축기(3)로 유입 시 가능한 최소 과열만 수행되거나 과열이 수행되지 않아야 하며, 그 결과 냉매가 압축기(3)로부터 나오는 출구에서도 최대 허용 출구 온도에 도달하지 않는다. 특히, R744로도 표기되는 냉매로서 이산화탄소 사용 시 과열된 영역으로 냉매 흡입 상태 이동은 압축기(3)에서의 냉매의 높은 출구 온도 외에 압축기(3)의 더 높은 전력 소비도 야기한다. 따라서 최소 과열은 냉매의 최대 허용 출구 온도에 도달하는 것을 방지하는 것 외에, 냉매 순환계(2)의 작동 시 더 높은 효율도 야기한다.
열 펌프 모드로 작동 시, 객실 유입 공기(15)는 열교환기(9)의 열전달 표면에서 열 흡수 후 필요에 따라 가열 열교환기(10)의 과류 시에 더 가열될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 내부 열교환기(6)와 외기-냉매-열교환기(4)를 갖는 냉매 순환계(2") 및 가열 열교환기(10)를 구비한 공기 조화 시스템(1")을 도시한다. 도 2a에는 냉각 장치 모드로 작동 시 냉매 순환계(2")가 도시되어 있고, 도 2b에는 각각 증발기 및 열원으로서 작동하고 그리고 상기 증발기(8)에 병렬로 연결된 추가의 냉각제-냉매-열교환기(5")를 갖는, 열 펌프 모드로 작동 시 냉매 순환계(2")가 도시되어 있다.
상기 냉매 순환계(2")는 압축기(3), 외기-냉매-열교환기(4), 내부 열교환기(6), 팽창 부재(7), 객실에 공급될 공기의 냉각 및/또는 제습을 위한 증발기(8)를 갖는 1차 순환계 그리고 분리기와 컬렉터(11)를 구비한다. 냉매 라인들에 의해 서로 연결된 상기 1차 순환계의 컴포넌트들은 냉각 장치 모드로 작동 시(도 2a 참조), 냉매는 정해진 순서대로 관류된다. 냉매의 유동 방향은 재차 실선 화살표로 표시되어 있다.
냉매 순환계(2")는 1차 순환계 외에, 제 1 유동 경로(17")를 구비하고, 상기 제 1 유동 경로(17")는 분기점(13)에서부터 입구 영역(18a)까지 연장되고, 그리고 스톱 밸브(12b), 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 열교환기(9) 및 체크 밸브(23)를 구비한다. 상기 체크 밸브(23)의 형성 및 배치로 인해, 상기 유동 경로(17")는 정해진 냉매 유동 방향으로만 관류될 수 있다. 상기 응축기/가스 냉각기(9)는 재차 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로 증발기(8) 하부에 연결되어 있다.
상기 입구 영역(18a)으로부터는 추가 유동 경로(21)가 증발기(8)와 컬렉터(11) 사이에 배치된 입구 영역(16)까지 연장되며, 그리고 상기 추가 유동 경로(21)는 칠러로도 표기되는 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5") 및 냉매의 유동 방향으로 상기 냉각제-냉매-열교환기(5") 앞쪽에 지지된 팽창 부재(22)를 구비한다.
냉매 순환계(2")가 도 2a에 따른 냉각 장치 모드로 작동 시, 가스 형태의 과열된 냉매는 고압 하에서 압축기(3)로부터 개방된 스톱 밸브(12a)를 통해 외기-냉매-열교환기(4)로 흐르고, 그리고 상기 열교환기(4) 관류 시에 열을 외기로 송출한다. 냉매는 응축되고, 그리고 필시 과냉각된다. 냉매는 후속하는 내부 열교환기(6) 관류 시 계속해서 과냉각되고, 체크 밸브(24)를 관류하며, 그리고 분기점(18b)에서 2개의 냉매 질량 흐름으로 분할될 수 있다. 상기와 같은 냉매 질량 흐름들로 분할된 냉매는 예컨대 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(7, 22)들에서 각각 저압으로 팽창된 다음, 열교환기(5", 8)들로 안내된다. 이 경우 상기 냉매 질량 흐름들은 0% 내지 100% 사이에서 분할될 수 있다. 스톱 밸브(12b)는 폐쇄되어 있고, 체크 밸브(23)는 관류되지 않으며, 그 결과 유동 경로(17")에 냉매가 공급되지 않는다. 냉매는 각각 증발기(8)로서 작동되는 열교환기(5", 8)들 관류 시에 열을 흡수하여 증발시킨다. 열교환기(8)의 경우, 냉매는 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)로부터 열을 흡수하고, 열교환기(5")의 경우에는 저온 냉각제 순환계로부터 열을 흡수한다. 분할된 냉매 질량 흐름들은 입구 영역(16)에서 재차 결합하고, 냉매는 컬렉터(11)로 흐르며, 그리고 가스 상태로 압축기(3)로부터 내부 열교환기(6)를 통해 흡인된다. 상기 내부 열교환기(6)에서는 저압측에 있는 냉매가 과열된다. 열은 고압 냉매로부터 저압 냉매로 전달된다.
냉매 순환계(2")가 냉각 장치 모드로 작동하면, 증발기(8) 과류 시에 냉각 및/또는 제습되는 공기는 객실로 공급되기 전에 가열 열교환기(10)의 열전달 표면 과류를 통해 가열될 수 있으며, 그 결과 고온 냉각제 순환계로부터 흡수된 열에 의해 포스트 가열과 유사한 작동이 가능하다.
또한, 냉매 순환계(2")가 냉각 장치 모드로 작동하면, 냉각제-냉매-열교환기(5")를 통해서 배터리 또는 파워 전자 장치와 같은 전기 컴포넌트들의 냉각 능력을 제공할 수 있는 가능성도 있으며, 결과적으로 특수하게 하이브리드 차량에서도 객실의 쾌적한 실내 공기와 관련한 모든 요건이 충족될 수 있다.
냉매 순환계(2")가 도 2b에 따른 열 펌프 모드로 작동 시(냉매의 유동 방향은 재차 파선 화살표로 표시됨), 기체 형태의 과열된 냉매는 고압 하에서 압축기(3)로부터 개방된 스톱 밸브(12b)를 통과하여 유동 경로(17")를 통해 응축기/가스 냉각기로 작동되는 열교환기(9)로 흐르며, 그리고 상기 열교환기(9) 관류 시에 열을 객실에 공급될 공기로 송출한다. 냉매는 응축되고, 그리고 필시 과냉각된다. 객실 유입 공기(15)는 가열된다. 그 다음 상기 냉매는 체크 밸브(23)를 통해 입구 영역(18a)으로 안내되어 병렬로 배치된 경로들을 관류하는 2개의 냉매 질량 흐름으로 분할된다. 팽창 밸브(7, 22)들의 포지션에 따라, 상기 냉매 질량 흐름들은 0% 내지 100% 사이에서 조정될 수 있다.
냉각 장치 모드로 작동할 때 볼 수 있는 팽창 부재(7, 22)들 관류 시와 같이, 냉매 질량 흐름들로 분할된 냉매는 각각 저압으로 팽창된 후, 이어서 열교환기(5", 8)들로 안내된다. 각각 증발기로서 작동하는 상기 열교환기(5", 8)들 관류 시, 냉매는 컨디셔닝될 객실 유입 공기(15) 또는 저온 냉각제 순환계로부터 열을 흡수하여 증발시킨다. 상기 분할된 냉매 질량 흐름들은 입구 영역(16)에서 다시 결합하고, 냉매는 컬렉터(11)로 흐르며, 가스 상태로 내부 열교환기(6)를 통해 압축기(3)로부터 흡인된다. 내부 열교환기(6)는 저온 냉매에 의해서만 관류되므로 활성 상태로 있지 않다. 스톱 밸브(12a)는 폐쇄되어 있고, 체크 밸브(24)는 관류되지 않는다.
팽창 부재(7, 22)들이 개방된 경우, 냉매 순환계(2")는 포스트 가열 모드, 소위 "재열" 모드로 작동된다. 팽창 부재(7)가 폐쇄된 경우, 상기 냉매 순환계(2")는 순수 열 펌프 모드로 작동된다. 각각 열교환기(5")를 관통하는, 저온 냉각제 순환계, 예를 들면 배터리와 같은 전기 파워 트레인의 냉각제는 열원으로서 사용되며, 그리고 팽창 부재(7)의 연결 방식에 따라 객실 유입 공기(15) 역시 열원으로서 사용된다. 냉매 순환계(2")가 순수 열 펌프 모드로 작동할 때뿐만 아니라 포스트 가열 모드로 작동할 때에도 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)는 열교환기(9)의 열전달 표면에서 열 흡수 후 필요에 따라 가열 열교환기(10) 과류 시 계속해서 가열될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d에 따른 실시예들에 비해, 도 2a 및 도 2b에 따른 냉매 순환계(2")는 1개의 팽창 부재(7) 대신 2개의 팽창 부재(7, 22)를 갖고, 그리고 2개의 스톱 밸브(14a, 14b)를 덜 갖는 2개의 체크 밸브(23, 24)를 갖는다.
열 펌프 모드로 작동 시에는 냉매가 외기-냉매-열교환기(4)를 관류하지 않기 때문에, 냉매 순환계(2") 내부에서 흡입압은 주변 온도와 무관하게 조절될 수 있으며, 이는 공기 조화 시스템(1")의 성능 및 효율을 향상시킨다.
도 3a 및 도 3b에는 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드로 작동 시 내부 열교환기(6)와 외기-냉매-열교환기(4)를 갖는 냉매 순환계(2'") 및 가열 열교환기(10)를 구비한 공기 조화 시스템(1'")이 도시되어 있다. 상기 냉매 순환계(2'")는 도 2a 및 2b의 공기 조화 시스템(1")의 냉매 순환계(2")를 포함하며, 특히 열 펌프 모드로 작동 시 외기-냉매-열교환기(4)를 추가의 열원 및 증발기로 사용하기 위해 제 2 유동 경로(19'")에 의해 확장되어 있다.
이 경우 상기 도 2a 및 도 2b의 냉매 순환계(2")는 도 1a 및 도 1b의 냉매 순환계(2)의 제 2 유동 경로(19)와 유사하게, 제 2 유동 경로(19'") 둘레에 확장되는 방식으로 형성되어 있다. 상기 제 2 유동 경로(19'")는 압축기(3), 특히 분기점(13)과 열교환기(4) 사이에 배치된 분기점(20)에서부터 입구 영역(16)까지 연장되고, 그리고 밸브(12c) 및 체크 밸브(26)를 구비한다. 상기 밸브(12c)는 밸브(12a, 12b)와 같이 스톱 밸브로서 형성되어 있다. 도 2a 및 도 2b의 냉매 순환계(2")의 체크 밸브(24)는 도 3a 및 도 3b에 따른 냉매 순환계(2'")에서 팽창 부재(26)로 대체되었다.
도 3a에 따른 냉각 장치 모드로의 냉매 순환계(2'") 작동은 기본적으로 도 2a에 따른 냉각 장치 모드로의 냉매 순환계(2")의 작동에 상응하며, 그 결과 본 실시예에서는 도 2a의 실시예들이 참조된다. 추가의 제 2 유동 경로(19'")에는 냉매가 공급되지 않고, 스톱 밸브(12c)는 폐쇄되어 있으며, 또한 체크 밸브(25)는 유동 경로(19'")로의 냉매 유입을 저지한다. 팽창 부재(26)는 완전히 개방되어 있다.
도 3b에 따른 열 펌프 모드로의 냉매 순환계(2'") 작동(냉매의 유동 방향은 재차 파선 화살표로 표시됨)은 냉매의 증발기 및 그와 더불어 추가 열원으로서 외기-냉매-열교환기(4)의 통합에서 도 2b에 따른 열 펌프 모드로의 냉매 순환계(2")의 작동과 구별된다. 그러므로 본 실시예에서도 마찬가지로 도 2b의 실시예들이 참조되는데, 단지 외기-냉매-열교환기(4)의 통합만 참조로 인용된다. 추가의 제 2 유동 경로(19'")에는 냉매가 공급되고, 스톱 밸브(12c)는 개방되어 있으며, 그리고 체크 밸브(25)는 냉매를 통과시킨다.
체크 밸브(23)를 통해 입구 영역(18a)으로 안내되는 냉매는 병렬로 배치된 경로들을 관류하는 3개의 냉매 질량 흐름으로 분할될 수 있으며, 이 경우 상기 냉매 질량 흐름들은 특히 팽창 밸브로 형성된 팽창 부재(7, 22, 26)들의 포지션에 따라 각각 0% 내지 100% 사이에서 조절된다. 3개의 냉매 질량 흐름으로 분할된 냉매는 상기 팽창 부재(7, 22, 26)들을 관류할 때 각각 저압으로 팽창된 다음, 열교환기(4, 5", 8)들로 안내된다. 각각 증발기로서 작동되는 열교환기(4, 5", 8)들 관류 시, 냉매는 외기, 객실 유입 공기(15) 또는 저온 냉각제 순환계로부터 열을 흡수하여 증발시킨다. 분할된 냉매 질량 흐름들은 입구 영역(16)에서 다시 결합되며, 이 경우 외기-냉매-열교환기(4)를 통해 안내된 냉매는 분기점(20)을 거쳐 개방된 스톱 밸브(12c), 제 2 유동 경로(19'") 및 체크 밸브(25)를 통해 입구 영역(16)으로 흐른다.
결합된 냉매는 후속해서 컬렉터(11)로 흐르고, 가스 상태로 압축기(3)로부터 내부 열교환기(6)를 통해 흡인 및 냉각된다. 동시에 상기 내부 열교환기(6)에는 외기-냉매-열교환기(4)를 통해 안내되는 부분 냉매 질량 흐름이 공급된다. 상기 부분 질량 흐름은 팽창 부재(26)를 관류한 후 저압으로 팽창되어 내부 열교환기(6)에서 부분적으로 증발된다. 그 외에, 냉매는 내부 열교환기(6) 관류 시 압축 과정 전에 냉각되고 잔류 과열을 수행하기 전에, 열교환기(4, 5", 8)들 통과 시 증발되며, 특히 과열된다.
팽창 부재(7, 22, 26)들이 개방된 경우, 냉매 순환계(2'")는 포스트 가열 모드, 소위 "재열" 모드로 작동된다. 팽창 부재(7)가 폐쇄된 경우, 냉매 순환계(2'")는 순수 열 펌프 모드로 작동된다. 각각 열교환기(5")를 관통하는, 저온 냉각제 순환계, 예를 들면 배터리와 같은 전기 파워 트레인의 냉각제 및 또한 팽창 부재(7, 26)들의 연결 방식에 따라 객실에 공급될 공기 및/또는 외기가 열원으로서 사용된다. 냉매 순환계(2'")가 순수 열 펌프 모드로 작동할 때뿐만 아니라 포스트 가열 모드로 작동할 때에도 객실에 공급될 공기는 열교환기(9)의 열전달 표면에서 열 흡수 후 필요에 따라 가열 열교환기(10) 과류 시에 계속해서 가열될 수 있다.
도 3c 내지 3f에는 각각 냉각 장치 모드 또는 열 펌프 모드로 작동 시 내부 열교환기(6)와 외기-냉매-열교환기(4)를 갖는 냉매 순환계(2"", 2'"") 및 가열 열교환기(10)를 구비한 공기 조화 시스템(1"", 1'"")이 도시된다. 상기 냉매 순환계(2"", 2'"")들은 도 3a 및 도 3b에 도시된 공기 조화 시스템(1'")의 냉매 순환계(2'")를 포함하고, 각각 도 1a 내지 1d의 냉매 순환계(2, 2')들과 유사하게 추가의 냉각제-냉매-열교환기(5, 5')에 의해 확장되었다.
도 3c 및 3e에 따른 냉각 장치 모드로의 냉매 순환계(2"", 2'"")의 작동은 기본적으로 도 3a에 따른 냉각 장치 모드로의 냉매 순환계(2'")의 작동 및 그와 더불어 도 2a에 따른 냉각 장치 모드로의 냉매 순환계(2") 작동에 상응하며, 그 결과 본 실시예에서는 도 2a의 실시예들이 참조된다. 추가의 제 2 유동 경로(19'")에는 각각 재차 냉매가 공급되지 않고, 스톱 밸브(12c)가 폐쇄되어 있으며, 그리고 체크 밸브(25)가 유동 경로(19'")로의 냉매 유입을 저지함으로써, 결과적으로 도 3e에 따른 냉매 순환계(2'"")의 실시예의 경우 냉각제-냉매-열교환기(5')는 냉매에 의해 관류되지 않는다. 팽창 부재(26)는 완전히 개방되어 있다. 도 3c에 따른 냉매 순환계(2"")의 실시예에서 냉각제-냉매-열교환기(5)에는 냉매가 공급된다. 이 경우 필요에 따라 열은 냉매에서 저온 냉각제 순환계의 냉각제로 전달될 수 있거나, 또는 냉각제-냉매-열교환기(5)에 냉각제가 공급되지 않는다.
도 3d 및 3f에 따른 열 펌프 모드로의 냉매 순환계(2"", 2'"") 작동(냉매의 유동 방향은 파선 화살표로 표시됨)은 각각 냉매의 증발기 및 그와 더불어 추가 열원으로서 냉각제-냉매-열교환기(5, 5')의 통합에서 도 3b에 따른 열 펌프 모드로의 냉매 순환계(2'")의 작동과 구별된다. 그러므로 본 실시예에서는 도 3b의 실시예들이 참조되는데, 냉각제-냉매-열교환기(5, 5')의 통합만 참조로 인용된다.
열원 및 증발기로서 작동되고 직렬 또는 연속으로 연결된 2개의 열교환기(4, 5, 5') 관류 시 냉매는 열을 흡수한다. 열교환기(5, 5')의 도움으로 저온 냉각제 순환계로부터, 예를 들면 배터리와 같은 전기 파워 트레인의 저온 냉각제 순환계로부터 흡수된 추가 열은 냉매 순환계(2"", 2'"")로 주입된다. 상기 열교환기(4, 5, 5')들에 의해 냉매의 증발과 더불어 냉매의 열 흡수를 위한 2개의 독립적인 열원이 형성된다.
도 3d에 따른 제 1 실시예에 따르면, 냉매는 후속해서 외기-냉매-열교환기(4)를 관류하고, 그와 동시에 외기로부터 열을 흡수하면서 계속해서 증발 및 과열되기 전에, 맨 먼저 냉각제-냉매-열교환기(5)를 관류하고, 증발하면서 저온 냉각제 순환계의 냉각제로부터 열을 흡수한다. 그 다음 상기 냉매는 분기점(20)을 거쳐 제 2 유동 경로(19'") 및 체크 밸브(25)를 통해 입구 영역(16) 및 컬렉터(11)로 안내된다. 열교환기(4, 5)들은 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다. 도 3f에 따른 제 2 실시예에 따르면, 냉매는 후속해서 분기점(20)을 거쳐 제 2 유동 경로(19'")와 더불어 냉각제-냉매-열교환기(5')를 관류하고, 그와 동시에 저온 냉각제 순환계의 냉각제로부터 열 흡수하면서 계속해서 증발 및 과열되기 전에, 내부 열교환기(6)를 통과한 후 맨 먼저 외기-냉매-열교환기(4)를 관류하고, 증발하면서 외기로부터 열을 흡수한다. 이어서 상기 냉매는 체크 밸브(25)를 통해 입구 영역(16) 및 컬렉터(11)로 안내된다. 열교환기(4)는 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다.
또한, 특히 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(26) 및 내부 열교환기(6)는 각각 냉매에 의해 양방향성으로 관류될 수 있다.
압축기(3)로부터 흡인된 냉매는 컬렉터(11)로부터 가스 상태로 내부 열교환기(6)를 관류한 후 냉각된다. 동시에 상기 내부 열교환기(6)에는 외기-냉매-열교환기(4) 및 냉각제-냉매-열교환기(5')를 통해 안내되는 부분 냉매 질량 흐름이 공급된다. 상기 부분 질량 흐름은 팽창 부재(26)를 관류한 다음 저압으로 팽창되어 내부 열교환기(6)에서 부분적으로 증발된다. 또한, 냉매는 내부 열교환기(6) 관류 시 압축 과정 이전에 냉각되고 잔류 과열을 수행하기 전에 열교환기(4, 5", 8) 통과 시 증발되며, 특히 과열된다.
팽창 부재(7, 22, 26)들이 개방된 경우, 냉매 순환계(2"", 2'"")는 포스트 가열 모드, 소위 "재열" 모드로 작동된다. 팽창 부재(7)가 폐쇄된 경우, 상기 냉매 순환계(2"", 2'"")는 순수 열 펌프 모드로 작동된다. 각각 열교환기(5', 5")들을 관통하는, 저온 냉각제 순환계, 예를 들면 배터리와 같은 전기 파워 트레인의 냉각제 그리고 팽창 부재(7, 26)들의 연결 방식에 따라 객실 유입 공기(15) 및/또는 외기 역시 열원으로서 사용된다. 냉매 순환계(2"", 2'"")가 순수 열 펌프 모드로 작동할 때뿐만 아니라 포스트 가열 모드로 작동할 때에도 객실 유입 공기(15)는 열교환기(9)의 열전달 표면에서 열 흡수 후, 필요에 따라 가열 열교환기(10)의 과류 현상 시에도 계속해서 가열될 수 있다.
1 - 1'"": 공기 조화 시스템
2 - 2'"": 냉매 순환계
3: 압축기
4: 열교환기, 외기-냉매-열교환기
5, 5', 5": 열교환기, 냉각제-냉매-열교환기
6: 내부 열교환기
7: 팽창 부재
8: 열교환기, 증발기
9: 열교환기, 응축기/가스 냉각기
10: 가열 열교환기
11: 컬렉터
12a, 12b: 밸브, 스톱 밸브
12c: 밸브, 스톱 밸브
13, 20: 분기점
14a, 14b: 밸브, 스톱 밸브
15: 객실 유입 공기
16, 18, 18a: 입구 영역
17, 17": 제 1 유동 경로, 유동 경로
18b: 분기점
19, 19', 19'": 제 2 유동 경로
21: 유동 경로
22: 팽창 부재
23, 24, 25: 체크 밸브
26: 팽창 부재

Claims (10)

  1. - 압축기(3), 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기(4), 팽창 부재(expansion element)(7) 및 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)에서 냉매로 열전달을 위한 열교환기(8)를 갖는 1차 순환계,
    - 상기 압축기(3)와 열교환기(4) 사이에 배치된 분기점(13)에서부터 시작하여 입구(18, 18a)까지 연장되고, 냉매에서 상기 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)로 열전달을 위한 열교환기(9)를 가지며, 상기 열교환기(9)가 상기 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로 상기 열교환기(8) 다음에 배치되어 있는, 제 1 유동 경로(17, 17"), 그리고
    - 저온 냉각제 순환계의 컴포넌트로서 적어도 하나의 냉각제-냉매-열교환기(5, 5', 5")를 포함하는, 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드 작동용으로 냉매 순환계(2, 2', 2", 2'", 2"", 2'"")를 구비한 자동차의 공기 조화 시스템(1, 1', 1", 1'", 1"", 1'"")으로서,
    상기 객실 유입 공기(15)를 가열하기 위한 냉각제 순환계의 컴포넌트로서 가열 열교환기(10)가 형성되어 있고, 상기 가열 열교환기가 상기 객실 유입 공기(15)의 유동 방향으로 상기 열교환기(8) 다음에 배치된 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 순환계(2, 2', 2", 2'", 2"", 2'"")가 내부 열교환기(6)를 갖는 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 열교환기(6)의 한 측면이 상기 열교환기(4)와 입구 영역(18, 18a) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 순환계(2, 2', 2", 2'", 2"", 2'"")가 컬렉터(collector)(11)를 갖고, 상기 컬렉터가 냉매의 유동 방향으로 상기 열교환기(8) 다음에 배치된 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  5. 제 1 항에 따른 공기 조화 시스템(1", 1'", 1"", 1'"")으로서,
    상기 냉매 순환계(2", 2'", 2"", 2'"")가 포스트 가열(post heating) 모드 작동용으로 형성되어 있으며,
    - 냉매가 냉각제-냉매-열교환기(5") 및 열교환기(8)로 분할될 수 있도록 상기 냉각제-냉매-열교환기(5")가 상기 열교환기(8)에 병렬접속(parallel connection)으로 배치되어 있고, 상기 냉각제-냉매-열교환기(5") 앞쪽에는 팽창 부재(22)가 지지되고, 상기 열교환기(8) 앞쪽에는 팽창 부재(7)가 지지되는 방식으로 배치되어 있으며, 그리고
    - 상기 제 1 유동 경로(17")가 상기 열교환기(9)와 입구(18a) 사이에서 체크 밸브(check valve)(23)를 갖고, 상기 체크 밸브는 냉매를 상기 입구 영역(18a)으로 향하는 유동 방향으로 통과시키는 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  6. 제 1 항에 따른 공기 조화 시스템(1, 1', 1'", 1"", 1'"")으로서,
    상기 냉매 순환계(2, 2', 2'", 2"", 2'"")가 제 2 유동 경로(19, 19', 19'")를 갖고, 상기 제 2 유동 경로가 상기 압축기(3)와 열교환기(4) 사이에 배치된 분기점(20)에서부터 시작하여 입구 영역(16)까지 연장되며, 상기 입구 영역(16)은 냉매의 유동 방향으로 상기 압축기(3) 앞에 배치되어 있고, 상기 제 2 유동 경로(19, 19', 19'")는 상기 냉매 순환계(2, 2', 2'", 2"", 2'"")가 냉각 장치 모드로 작동할 때 관류되지 않는 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  7. 제 6 항에 따른 공기 조화 시스템(1, 1"")으로서,
    상기 냉매 순환계(2, 2"")의 작동 모드에 따라 냉매가 냉각제-냉매-열교환기(5)를 통과한 다음 이어서 열교환기(4)를 관류하거나, 또는 열교환기(4)를 통과한 다음 이어서 냉각제-냉매-열교환기(5)를 관류하도록 상기 냉각제-냉매-열교환기(5)가 상기 냉매 순환계(2, 2"")의 1차 순환계 내부에서 상기 열교환기(4)에 직렬연결(series connection)로 배치된 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  8. 제 6 항에 따른 공기 조화 시스템(1, 1'"")으로서,
    상기 냉매 순환계(2', 2'"")의 제 2 유동 경로(19, 19', 19'") 내부에 냉각제-냉매-열교환기(5')가 형성되어 있으며, 냉매가 열교환기(4)를 통과한 다음 이어서 냉각제-냉매-열교환기(5')를 관류하도록 상기 냉각제-냉매-열교환기(5')는 상기 냉매 순환계(2, 2'"")가 열 펌프 작동 모드로 작동할 때, 상기 열교환기(4)에 직렬연결로 배치된 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템.
  9. 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)의 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드 작동용으로 냉매 순환계(2, 2"")를 구비한, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 자동차의 공기 조화 시스템(1, 1"")의 작동 방법으로서,
    냉매가 상기 냉매 순환계(2, 2"")의 작동 모드에 따라 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5)를 통과한 다음 이어서 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기(4)를 통해 안내되거나, 또는 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기(4)를 통과한 다음 이어서 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5)를 통해 안내되며, 이 경우 상기 냉매는 동일한 압력을 갖고, 그리고 상기 열교환기(4) 및 냉각제-냉매-열교환기(5)는 상기 냉매 순환계(2, 2"")가 열 펌프 모드로 작동할 때 냉매용 증발기로서 작동되는 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템의 작동 방법.
  10. 컨디셔닝 될 객실 유입 공기(15)의 냉각 장치 모드 및 열 펌프 모드 작동용으로 냉매 순환계(2', 2'"")를 구비한, 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 자동차의 공기 조화 시스템(1', 1'"")의 작동 방법으로서,
    상기 냉매 순환계(2', 2'"")가 열 펌프 모드로 작동할 때 냉매가 냉매와 외부간 열전달을 위한 열교환기(4)를 통과한 다음, 이어서 저온 냉각제 순환계의 냉각제-냉매-열교환기(5')를 통해 안내되며, 이 경우 상기 냉매는 동일한 압력을 갖고, 그리고 상기 열교환기(4) 및 냉각제-냉매-열교환기(5')는 냉매용 증발기로서 작동되는 것을 특징으로 하는, 공기 조화 시스템의 작동 방법.
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