KR20190034617A - 자동차용 에어 컨디셔닝 장치 및 그 작동 방법 - Google Patents

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그레고르 호만
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 자동차용 에어 컨디셔닝 장치에 관한 것으로서, 냉매 회로(100)를 구비하고, 상기 냉매 회로는 압축기(34), 압축기의 출구와 연결되고 제1 및 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21, 22), 그 사이에 배치된 제1 팽창 밸브(Exp. valve)(41)를 포함하는 내부 열 교환기(WU) 장치, 제2 팽창 밸브(42), 및 열 소스 또는 열 싱크와 열적으로 연결된 커플링 열 교환기(23) - 상기 커플링 열 교환기의 출구는 압축기(34)의 입구와 연결됨 - 를 포함하며, 제1 및 제2 냉매 라인 섹션(I / II)은 제4 냉매 라인 섹션(IV)을 통해 서로 연결되고, 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)의 입구 및 커플링 열 교환기의 출구는 제3 팽창 밸브(43)를 포함하는 제5 냉매 라인 섹션(V)을 통해 서로 연결되고, 그리고 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 출구 및 압축기(34)의 입구는 제6 냉매 라인 섹션(VI)을 통해 서로 연결된다.

Description

자동차용 에어 컨디셔닝 장치 및 그 작동 방법
본 발명은 자동차용 에어 컨디셔닝 장치에 관한 것으로서, 냉매 회로를 구비하고, 상기 냉매 회로는
- 압축기,
- 입구 측에서 제1 냉매 라인 섹션을 통해 압축기의 출구와 연결되고, 자동차의 탑승자 공간으로 안내 가능한 공기 흐름의 일부가 관류할 수 있는 내부 열 교환기 장치 - 상기 내부 열 교환기 장치는
· 냉매 회로의 증발기로서 작동 가능한 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트,
· 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트에 대해 냉매의 유동 방향으로 상류에 연결된 제1 팽창 밸브 및
· 제1 팽창 밸브에 냉매의 유동 방향으로 상류에 연결되고, 냉매 회로의 응축기로서 작동 가능한 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트를 포함함 - ,
- 상기 내부 열 교환기 장치에 대해 냉매의 유동 방향으로 하류에 연결된 제2 팽창 밸브, 및
- 입구 측에서 제2 냉매 라인 섹션을 통해 제2 팽창 밸브와 연결되고, 열 소스 또는 열 싱크와 열적으로 연결된 커플링 열 교환기 - 상기 커플링 열 교환기의 출구는 제3 냉매 라인 섹션을 통해 압축기의 입구와 연결됨 -
를 포함한다.
또한, 본 발명은 이러한 유형의 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 2가지의 상이한 방법에 관한 것이다.
이러한 유형의 에어 컨디셔닝 장치 및 그 작동 방법은 WO 2012/028307 A1호로부터 공지되어 있다.
상기 공보는 자동차용 에어 컨디셔닝 장치를 개시하고, 그 냉매 회로는 열 펌프 모드에서뿐만 아니라 냉각 모드에서도 작동될 수 있다. 보통의 냉매 회로와 같이, 상기 냉매 회로는 냉매를 압축하기 위한 압축기를 포함한다. 압축기에 대해 냉매 측에서 하류에 2개의 공기/냉매 열 교환기 세그먼트를 갖는 내부 열 교환기 장치가 연결되고, 상기 2개의 공기/냉매 열 교환기 세그먼트 중 냉매 입구 측에 있는 것은 모든 작동 모드에서 항상 응축기로서 작동되고 그리고 냉매 출구 측에 있는 것은 필요에 따라 응축기로서 또는 증발기로서 작동될 수 있다. 응축기라는 용어는 여기서 넓게 이해되어야 하며, 응축될 수 없는 냉매를 갖는 냉매 회로에서 가스 냉각기로서 작용하는 장치도 또한 포함한다. 내부 열 교환기 세그먼트는 분배 채널을 통해 자동차의 내부 공간으로 안내될 수 있는 공기 흐름이 관류될 수 있다. 내부 열 교환기 장치의 2개의 열 교환기 세그먼트들 사이에는 제1 팽창 밸브가 배치되고, 상기 제1 팽창 밸브에 의해 2개의 열 교환기 세그먼트 사이의 압력차가 조정될 수 있다. 또한, 공지된 냉매 회로는 공기/냉매 열 교환기로서 형성되고 냉매 회로를 외부 공기와 열적으로 결합시키는 외부 열 교환기를 포함한다. 또한, 제1 팽창 밸브에 대향하여 위치되는 냉매 하류측 열 교환기 세그먼트의 측면 상에 배치된 제2 팽창 밸브가 제공된다.
열 펌프 모드에서, 압축된 냉매는 우선 항상 응축기로서 작동되는 열 교환기 세그먼트를 관류하고, 거기에서 상기 응축기를 관류하는 공기 흐름으로 열을 방출한다. 이어서, 냉각된 냉매는 제1 팽창 밸브를 관류하고, 하류에 연결된 열 교환기 세그먼트가 보다 낮은 온도 레벨에서 작동되어야 하는 경우에, 압력 강하가 조정될 수 있다. 그러나, 이러한 열 교환기 세그먼트는 추가적인 응축기로도 사용되며, 상기 응축기는 상기 응축기를 관류하는 공기 흐름으로 열을 방출하고, 따라서 이 공기 흐름은 내부 열 교환기 장치를 통해 통과할 때 두 번 가열된다. 이어서, 제2 팽창 밸브에 의해 냉매의 확실한 팽창이 이루어지므로, 외부 열 교환기는 증발기로 작동될 수 있고, 이 증발기를 관류하는 주변 공기로부터 열을 흡수할 수 있다. 그런 다음, 냉매는 다시 압축기에 도달한다.
냉각 모드에서, 압축기에 의해 압축된 냉매는 마찬가지로 우선 항상 응축기로서 사용되는 열 교환기 세그먼트를 관류하고, 거기에서 상기 응축기를 관류하는 공기 흐름으로 열을 방출한다. 그러나, 이러한 공기 흐름은 탑승자 공간으로 안내되고 냉각 모드에서는 상당한 가열이 요구되지 않기 때문에, 공기 흐름의 실질적인 부분은 바이패스 플랩(bypass flap)에 의해 이러한 열 교환기 세그먼트 주위로 유도될 수 있다. 따라서, 이러한 세그먼트 내의 가스 냉각 또는 응축은 물론 매우 비효율적이다. 냉각 모드에서 제1 팽창 밸브가 폐쇄되므로, 냉매는 언급된 열 교환기 세그먼트의 출구로부터 외부 열 교환기로 직접 흐르고, 상기 외부 열 교환기는 이러한 모드에서 실제의 응축기로서 작용하고 상기 응축기를 관류하는 외부 공기로 열을 제공한다. 외부 열 교환기는 냉각 모드에서 냉매가 상기 설명된 열 펌프 모드의 경우와 반대 방향으로 관류한다는 것을 유의해야 한다. 외부 열 교환기의 이후에서는 냉매가 제2 팽창 밸브를 통해, 냉각 모드에서 증발기로서 작동되는 다른 내부 열 교환기 세그먼트로 흐른다. 이를 위해 필요한 냉매의 팽창은 제2 팽창 밸브에서 이루어진다. 그런 다음, 냉매는 증발기로부터 압축기에 다시 도달한다.
공지된 에어 컨디셔닝 장치에서의 단점은 냉각 모드에서 효율이 낮다는 것이다.
본 발명의 과제는 특히 냉각 모드에서 보다 효율적으로 작동될 수 있도록 일반적인 유형의 에어 컨디셔닝 장치를 개선하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항의 전제부의 특징과 관련하여 다음을 통해 달성된다:
- 제1 및 제2 냉매 라인 섹션은 제4 냉매 라인 섹션을 통해 서로 연결되고,
- 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트의 입구 및 커플링 열 교환기의 출구는 제3 팽창 밸브를 포함하는 제5 냉매 라인 섹션을 통해 서로 연결되고, 그리고
- 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트의 출구 및 압축기의 입구는 제6 냉매 라인 섹션을 통해 서로 연결되고,
조절 가능한 밸브가 냉매 회로에 분포되도록 배치되어, 그 스위칭 위치에 따라,
열 펌프 모드에서, 제1, 제2 및 제3 냉매 라인 섹션에서는 냉매가 관류할 수 있고, 제4, 제5 및 제6 냉매 라인 섹션에서는 냉매의 관류가 방지되거나,
또는, 냉각 모드에서, 제4, 제5 및 제6 냉매 라인 섹션에서는 냉매가 관류할 수 있고, 제1, 제2 및 제3 냉매 라인 섹션에서는 냉매의 관류가 방지된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항의 주제이다.
본 발명자는 냉각 모드에서의 효율 손실이 여기서 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트로서 지칭되는 냉매 입구 측 내부 열 교환기 세그먼트에 응축기 기능을 영구적으로 할당하는 것에 특히 기인한다는 것을 인식하였다. 따라서, 본 발명자들은 제4 냉매 라인 섹션에 의해, 제1 냉매 라인 섹션의 입구와 제2 냉매 라인 섹션의 출구 사이에 직접적인, 그리고 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트를 우회하는 연결을 생성하였다. 또한 밸브가 제공되고, 상기 밸브에 의해 압축기에 의해 압축된 냉매가 (열 펌프 모드에서) 제1 냉매 라인 섹션을 통해 또는 (냉각 모드에서) 제4 냉매 라인 섹션을 통해 안내될 수 있다.
따라서, 냉각 모드에서 압축된 냉매는 우선, 여기서 응축기로서 작용하고 냉매 회로를 열 싱크와 열적으로 결합시키는 커플링 열 교환기를 관류한다. 이것은 커플링 열 교환기를 외부 열 교환기로서 설계하는 경우에 외부 공기일 수 있다. 커플링 열 교환기를 냉각제/냉매 열 교환기로서 설계하는 경우에 이것은 열적으로 결합된 냉각제 회로, 예를 들어 모터 또는 전자 냉각 회로일 수 있다. 커플링 열 교환기의 이후에서, 냉매는 제5 냉매 라인 섹션 및 그 안의 본 발명에 따라 제공되는 제3 팽창 밸브를 관류하고, 여기에서 팽창이 이루어진다. 제3 팽창 밸브의 이후에서만 냉각된 그리고 팽창된 냉매는 이에 따라 증발기로서 작동될 수 있는 내부 열 교환기 장치의 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트로 흐른다.
본 발명에 의해, 2개의 내부 열 교환기 세그먼트가 증발기로서 작동되는 것이 가능하므로, 내부 열 교환기 장치에서 냉각만이 이루어지는 것이 가능하고, 거기서 응축기로서 사용된 세그먼트의 효율이 감소된, 종래의 기술에서는 회피될 수 없는 가열 작용을 제거하는 것이 가능하다. 그러나, 냉각 모드에서 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트 자체를 가열하여 작동하는 것도 또한 가능하다. 이를 위해, 제3 팽창 밸브에서 압력 강하는 감소되어야만 한다. 극단적인 경우에는, (단일) 증발기로서 제1 내부 열 교환기 세그먼트를 작동시키기 위해 제1 팽창 밸브가 압력 강하를 구현하기 위해 사용되는 동안, 제3 팽창 밸브에서 압력 감소를 제거하고 최대 온도에서 제2 내부 열 교환기 세그먼트를 작동시키는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명은 냉각 모드에서의 효율의 증가 외에도, 냉매 회로의 제어 시 보다 큰 유연성을 허용한다.
열 펌프 모드에서, 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 장치는 도입부에 설명된 일반적으로 형성된 장치와 유사하게 작동한다. 이 경우, 압축된 냉매는 제1 냉매 라인 섹션을 통해, 응축기로서 작용하는 제2 내부 열 교환기 세그먼트로 직접 흐른다. 하류에 연결된, 제1 내부 열 교환기 세그먼트는 제1 팽창 밸브의 조정에 따라 마찬가지로 응축기로서 또는 증발기로서 작동하며, 이 경우 2개의 세그먼트의 원하는 온도 차이는 큰 유연성으로 조정 가능하다. 따라서, 그런 다음 냉매는 그곳에서 각각의 경우에 팽창되도록 제2 팽창 밸브를 관류하여, 이후의 커플링 열 교환기가 열적으로 결합된 열 소스로부터 열을 흡수하도록 증발기로서 각각의 경우에 작용한다.
따라서, 즉 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 특히 바람직한 2가지의 방법이 생긴다. 이것은 한편으로는 청구항 제8항에 따른 방법인데, 즉 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 방법으로서,
- 조절 가능한 밸브는 열 펌프 모드의 스위칭 위치에 연결되고,
- 제1 팽창 밸브는 응축기로서 작동되는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트와 응축기 또는 증발기로서 작동되는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트 사이의 온도차를 조정하도록 제어되고, 그리고
- 제2 팽창 밸브는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트와 증발기로서 작동되는 커플링 열 교환기 사이의 압력차를 조정하도록 제어된다.
다른 한편으로는, 이것은 청구항 제9항에 따른 방법으로서, 본 발명에 따른 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 방법이며,
- 조절 가능한 밸브는 냉각 모드의 스위칭 위치에 연결되고,
- 제3 팽창 밸브는 응축기로서 작동되는 커플링 열 교환기와 증발기 또는 응축기로서 작동되는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트 사이의 압력차를 조정하도록 제어되고, 그리고
- 제1 팽창 밸브는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트와 증발기로서 작동되는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트 사이의 온도차를 조정하도록 제어된다.
설명된 바와 같이, 의도된 모드에 따라 냉매가 대안적으로 제1 냉매 라인 섹션을 통해 또는 제4 냉매 라인 섹션을 통해 흐르는 것이 본 발명의 본질적인 요소이다. 이것을 구현하기 위해, 특히 두 가지 변형예가 특히 유리하다. 제1 변형예에서는, 제1 및 제4 냉매 라인 섹션의 분기 지점에 스위칭 가능한 2-웨이 밸브가 배치되는 것이 제공된다. 한편, 제2 변형예에서는, 제1 및 제4 냉매 라인 섹션의 분기 지점의 하류에 각각 스위칭 가능한 차단 밸브가 배치되는 것이 제공된다. 제1 경우에는 2-웨이 밸브의 구성 및 제어가 복잡한 반면, 부품의 절약이 유리한 것으로 간주될 수 있다. 제2 경우에는 부품의 개수가 증가하지만, 그 구조 및 제어는 특히 간단하며, 여기에 이러한 변형예의 장점이 존재한다.
마찬가지로, 냉매가 원하는 작동 모드에 따라 대안적으로 제3 냉매 라인 섹션을 통해 또는 제6 냉매 라인 섹션을 흐르는 것이 본 발명의 중요한 특징이다. 이러한 스위칭 가능성을 구현하기 위해, 다시 두 가지 변형예가 특히 유리한 것으로 간주된다. 제1 변형예에서는, 제3 및 제6 냉매 라인 섹션의 개방 지점에 스위칭 가능한 2-웨이 밸브가 배치되는 것이 제공된다. 한편, 제2 변형예에서는, 제3 및 제6 냉매 라인 섹션의 개방 지점의 상류에 각각 스위칭 가능한 차단 밸브가 배치되는 것이 제공된다. 두 가지 변형예의 장점과 단점에 관해서는, 이전에 언급된 바와 유사한 방식으로 참조된다.
냉매의 선택에 따라, 추가의 내부 열 교환기, 즉 냉매 회로의 상이한 섹션을 서로 열적으로 결합시키는 냉매/냉매 열 교환기를 갖는 냉매 회로를 설계하는 것이 유용하거나 또는 필요할 수 있다. 따라서 이러한 유형의 실시예에서, 압축기의 상류에는 냉매/냉매 열 교환기로서 형성된 내부 열 교환기의 저압 출구가 배치되는 것이 제공될 수 있고, 상기 내부 열 교환기의 저압 입구는 제3 및 제 6 냉매 라인 섹션의 개방 지점의 하류에 위치되고, 상기 내부 열 교환기의 고압 입구 및 고압 출구는 커플링 열 교환기의 출구와 제3 및 제5 냉매 라인 섹션의 분기 지점 사이에 위치된다. 즉, 내부 열 교환기는 저압 측에서 압축기의 입구 바로 이전에 그리고 고압 측에서 커플링 열 교환기의 출구 바로 이후에 위치된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하에서 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 내부 열 교환기 장치의 제1 실시예를 도시한다.
도 2는 내부 열 교환기 장치의 제2 실시예를 도시한다.
도 3은 내부 열 교환기 장치의 제3 실시예를 도시한다.
도 4는 내부 열 교환기 장치의 제4 실시예를 도시한다.
도 5는 도 2에 따른 내부 열 교환기 장치를 사용하는 냉매 회로를 도시한다.
도 6은 열 펌프 모드에서의 도 5의 냉매 회로를 도시한다.
도 7은 냉각 모드에서의 도 5의 냉매 회로를 도시한다.
도 8은 도 3에 따른 내부 열 교환기 장치를 사용하는 냉매 회로를 도시한다.
도 9는 도 4에 따른 내부 열 교환기 장치를 사용하는 냉매 회로를 도시한다.
동일한 참조 번호는 도면에서 동일하거나 또는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1 내지 도 4는 상이한 내부 열 교환기 장치를 도시하고, 그 중에서 도 2 내지 도 4의 내부 열 교환기 장치는 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 이하에서 더 설명될 냉매 회로 접속과 관련하여 특히 유리하게 사용될 수 있다. 이 경우, 부분 도면 1a 내지 4a는 각각 공기 안내 채널 연장부에 대해 평행한 수직 종단면을 나타낸다. 부분 도면 1b 내지 4b는 각각 공기 흐름의 시선 방향으로의 열 교환기의 부분적으로 절단된 도면을 나타낸다.
상세히 도시되지 않은 하우징(10)에는 공기 안내 채널(12)이 형성된다. 공기 안내 채널(12)은 공기 흐름(14)이 관류할 수 있고, 상기 공기 흐름은 전형적으로 이전에 위치된 송풍기에 의해 생성되어 이후에 위치된 혼합 챔버로 안내되며, 이곳으로부터 상기 공기 흐름은 추가적인 분배 채널을 통해 탑승자 공간으로 유출되도록 안내된다. 도 1 내지 도 4에서, 탑승자 공간의 발 공간으로 향하는 부분 흐름(16a) 및 탑승자 공간의 머리 공간으로 향하는 부분 흐름(16b)이 순전히 예로서 도시된다.
도 1 내지 도 4의 실시예에서 공통적인 것은 공기 안내 채널을 커버하는 선택적인 필터(18)이며, 상기 필터에 의해 먼지, 꽃가루 및 다른 오염물이 하류에 연결된 내부 열 교환기 또는 탑승자 공간으로 도달하는 것이 방지된다. 내부 열 교환기라는 용어는 이러한 요소에서 템퍼링된 공기가 탑승자 공간의 내부로 흐를 수 있는 것을 나타낸다. 또한, 도 1 내지 도 4의 실시예는 바람직하게는 소위 PTC 저항 소자(PTC: 포지티브 온도 계수(positiv temperature coefficient))로 이루어지는 저항 가열 소자로 구성된 전기 열 교환기 세그먼트(20)를 포함한다. 선택적인 필터(18)와 전기 열 교환기 세그먼트(20)의 사이, 즉 전기 열 교환기 세그먼트(20)의 공기 흐름 상류에는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)가 도 1 내지 도 4의 모든 실시예에서 배치된다. 추가적으로, 도 2 내지 도 4의 실시예는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)를 포함하고, 상기 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트는 실시예에 따라 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)와 함께 제1 열 교환기를 형성하고(도 2), 전기 열 교환기 세그먼트(20)와 함께 제2 열 교환기를 형성하거나(도 3) 또는 독립적으로 제3 열 교환기를 형성한다(도 4).
도 1 내지 도 4의 모든 실시예에 대해 특징적인 것은, 스위칭 위치에 따라 열 교환기 세그먼트(20, 21, 22)를 우회하는 공기 안내 채널(12)의 측면 경로(12')를 폐쇄하거나 또는 해제하는 바이패스 플랩(30)이다. 폐쇄된 플랩 위치는 도 1 내지 도 4에서 실선으로 도시되어 있다. 추가적으로, 부분 도면 도 1a 내지 도 4a에는 개방된 플랩 위치가 파선으로 도시되어 있다. 폐쇄된 플랩 위치에서, 전체 공기 흐름(14)은 열 교환기 세그먼트(20, 21, 22)를 통해 가압되므로, 냉매와 공기 사이 또는 저항 가열 소자와 공기 사이의 열 전달이 일어난다. 반대로, 개방된 플랩 위치에서는 공기 흐름(14)의 대부분이 보다 낮은 유동 저항으로 인해 측면 경로(12')를 통해 흐르게 되므로, 실질적으로 열 전달은 일어나지 않는다.
이하에서는 도 1 내지 도 4의 실시예의 차이점이 설명된다.
도 1은 가장 단순한 실시예를 도시한다. 전기 열 교환기 세그먼트(20) 및 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)는 여기서 공기 안내 채널(12)의 횡단면의 실질적으로 동일한 영역을 차지한다. 전기 열 교환기 세그먼트(20)는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)에 대해 공기 유동 방향으로 하류에 장착된다. 바이패스 플랩(30)은 공기 안내 채널(12)의 상부 영역에 배치되어, 그 측면 경로(12')가 공기 안내 채널(12)의 상부 에지 영역에서 연장된다. 열 교환기 세그먼트(20, 21)를 통한 실질적인 흐름 일부뿐만 아니라 측면 경로(12')를 통한 실질적인 흐름 일부도 허용하는 바이패스 플랩(30)의 플랩 위치에서, 이것은 하류에 장착된 혼합 챔버 내의 온도 계층화를 발생시킨다. 이것은 특히 보다 따뜻한 부분 흐름(16a)을 탑승자 공간의 발 영역으로 흐르게 하고, 보다 차가운 부분 흐름(16b)을 탑승자 공간의 머리 공간으로 흐를 수 있게 하는데 사용될 수 있다. 또한 부분 도면 도 1b에 도시된 바와 같이, 열 교환기 세그먼트(20, 21)의 측 방향 세그먼트화가 제공되며, 여기서 개별 측 방향 세그먼트는 바람직하게는 개별적으로 제어될 수 있다. 하류에 장착된 혼합 챔버가 대응하는 측 방향 분기부를 갖는 경우, 이러한 방식으로 운전자 및 동승자 공간을 상이하게 에어 컨디셔닝하는 것이 가능하다. 바이패스 플랩(30)은 바람직하게는 자동적으로 제어될 수 있으며, 이를 위해 부분 도면 도 1b에 도시된 액추에이터(32)가 사용될 수 있다.
바이패스 플랩(30)의 위치 및 열 교환기 세그먼트(20, 21)의 측 방향 세그먼트화 외에, 특히 바람직한 실시예에서 작은 섹션으로의 온도 분화가 수행될 수 있다. 이것은 특히 이러한 실시예에서 전기 열 교환기 세그먼트(20)가 독립적으로 제어 가능한 복수의 저항 가열 소자로 구성됨으로써 수행된다.
도 2의 실시예에서, 추가적으로 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 하부에 수직으로 배치된 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)가 제공된다. 특히 이하에서 더 설명될 냉매 회로 스위칭과 관련하여, 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)를 가열하도록 작동시키고, 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)를 냉각하도록 작동시키는 것이 가능하며, 이것은 하류에 배치된 혼합 챔버에서의 개선된 온도 계층화를 가져온다. 다른 한편으로는, 제1 및 제2 열 교환기 세그먼트(21, 22)를 동일한 온도에서 작동시키거나 또는 냉각 또는 가열 모드에서 공동으로, 그러나 상이한 온도로 작동시키는 것도 또한 가능하다. 전기 열 교환기 세그먼트(20)는 추가적 또는 카운터 가열기로서 사용될 수 있다. 당업자는 이러한 방식으로 혼합 챔버에서 온도 계층화의 매우 유연한 설계가 가능하다는 것을 인지할 것이다. 그 외에는, 도 1에 대해 상기 언급된 바와 유사하게 참조된다.
도 3의 실시예에서, 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)는 전기 열 교환기 세그먼트(20)의 하부에 수직으로 그리고 공기 유동 방향으로 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21) 이후에 배치된다. 또한, 여기서 혼합 챔버에서의 온도 계층화의 매우 유연한 설계가 이루어지지만, 그러나 여기서 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 영향은 전기 열 교환기 세그먼트(20)의 영향을 희생시키면서 증가한다. 그 외에는, 도 1에 대해 상기 언급된 바와 유사하게 참조된다.
마지막으로, 도 4는 전기 열 교환기 세그먼트(20), 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21) 및 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)가 모두 실질적으로 공기 안내 채널 횡단면의 동일한 영역을 차지하는 변형예를 도시한다. 도 1의 실시예와 유사하게, 혼합 챔버에서의 온도 계층화는 여기서 실질적으로 바이패스 플랩(30)을 통해 그리고 경우에 따라서는 추가적으로 전기 열 교환기 세그먼트(20)의 작은 섹션으로 분할된 방식의 제어 가능성을 통해 조절된다. 그러나, 여기서 보다 많은 개수의 제어 가능한 열 교환기 세그먼트(20, 21, 22)에 의해, 온도 조정 시 더 큰 유연성이 제공된다.
도 5는 도 2의 내부 열 교환기 장치(물론 여기서 또한 사용될 수 있는 선택적인 필터(18) 없이)가 사용되는 냉매 회로(100)의 특히 유리한 접속을 도시한다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 실질적으로 동일한 회로는 또한 도 3 및 도 4의 내부 열 교환기 장치를 사용하여 구현될 수 있다. 따라서, 도 5의 냉매 회로(100)에 초점을 맞춘 이하의 설명은 도 3 및 도 4에 대한 설명을 고려하여 도 8 및 도 9의 냉매 회로(100)에도 또한 완전히 적용된다.
냉매 회로(100)는 냉매를 압축시킬 수 있는 압축기(34)를 포함한다. 압축기(34)의 출구는 냉매 라인을 통해 제1 분기 지점 또는 개방 지점(101)과 연결된다. 분기 지점 및 개방 지점이라는 용어는 여기서 상호 교환적으로 사용된다. 제1 분기 지점(101)으로부터 제2 냉매 라인 섹션, 즉 제1 냉매 라인 섹션(I) 및 제4 냉매 라인 섹션(IV)이 분기된다. 제1 냉매 라인 섹션(I)은 제1 차단 밸브(51)를 포함하고, 제2 분기 또는 개방 지점(102)에서 종료된다. 제4 냉매 라인 섹션(IV)은 제2 차단 밸브(52)를 포함하고, 제3 분기 또는 개방 지점(103)에서 종료된다. 제2 개방 지점(102)은 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)의 입구와 연결된다. 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)의 출구는 제1 팽창 밸브(41)를 통해 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 입구와 연결된다. 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 출구는 제4 분기 또는 개방 지점(104)과 연결되고, 이 제4 분기 또는 개방 지점은 그 측에서 제2 팽창 밸브(42)를 포함하는 제2 냉매 라인 섹션(II)을 통해 제3 개방 지점(103)과 연결된다.
또한, 제2 개방 지점(102)은 제3 팽창 밸브(43)을 포함하는 제5 냉매 라인 섹션(V)을 통해 제5 분기 또는 개방 지점(105)과 연결된다. 이것은 한편으로는 냉매/냉매 열 교환기로서 형성된 내부 열 교환기(24)의 고압 출구와 연결되고, 다른 한편으로는 제3 차단 밸브(53)를 포함하는 제3 냉매 라인 섹션(III)을 통해 제6 분기 또는 개방 지점(106)과 연결되며, 이 제6 분기 또는 개방 지점은 그 측에서 컬렉터(36)를 통해 내부 열 교환기(24)의 저압 입구와 연결되며, 상기 내부 열 교환기의 저압 출구는 압축기(34)의 입구와 연결된다.
내부 열 교환기(24)의 저압 입구는 예를 들어 구동 어셈블리 및/또는 그 전자 기기의 냉각 작용을 할 수 있는 상세히 도시되지 않은 냉각제 회로의 냉각제 측 구성 요소인, 냉각제/냉매 열 교환기로서 형성된 커플링 열 교환기(23)의 출구와 연결된다. 내연 기관을 냉각시키기 위한 냉각제 회로가 고려될 수 있다. 마찬가지로, 냉각제 회로는 전기 구동 어셈블리 및/또는 그 전자 기기, 특히 전력 전자 장치 및 견인 배터리를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 공기/냉매 열 교환기로서 형성된 외부 열 교환기로서의 커플링 열 교환기의 설계가 고려될 수도 있다. 그러나, 이것은 에너지적으로 덜 유리하다.
입구 측에서 커플링 열 교환기(23)는 제3 개방 지점(103)과 연결된다.
마지막으로, 제4 분기 지점(104)은 제4 차단 밸브(54)를 포함하는 제6 냉매 라인 섹션(VI)을 통해 제6 개방 지점(106)과 연결된다.
도 5의 냉매 회로(100)의 바람직한 작동 모드는 도 6 및 도 7을 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 이들은 실선으로 각각 활성, 즉 냉매가 관류하는 냉매 라인의 섹션을 도시한다. 파선은 각각의 모드에서 차단되는, 즉 냉매가 관류하지 않는 섹션을 나타낸다.
도 6은 열 펌프 모드에서의 냉매 회로(100)를 도시한다. 이를 위해, 제1 차단 밸브(51)는 개방되고, 제2 차단 밸브(52)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기(34)에 의해 압축된 냉매는 제1 냉매 라인 섹션(I)을 관류하고, 반면에 제4 냉매 라인 섹션(IV)은 관류되지 않은 채로 유지된다. 제1 또는 제4 냉매 라인 섹션(I, IV)에서 차단 밸브(51, 52)의 배치에 대해 대안적으로, 제1 분기 지점(101)에 스위칭 가능한 2-웨이 밸브를 설치하는 것도 또한 가능하다. 또한, 열 펌프 모드에서 제3 차단 밸브(53)는 개방되고, 제4 차단 밸브(54)는 폐쇄된다. 따라서, 제3 냉매 라인 섹션(III)은 냉매가 관류할 수 있는 반면, 제6 냉매 라인 섹션(VI)은 차단된다. 제3 또는 제6 냉매 라인 섹션(III, VI)에서 제3 및 제4 차단 밸브(53, 54)의 배치에 대해 대안적으로, 제6 개방 지점(106) 상에서 2-웨이 밸브가 또한 사용될 수도 있다.
또한, 열 펌프 모드는 추가적으로 제5 냉매 라인 섹션(V)이 마찬가지로 차단되는 것을 특징으로 한다. 도시된 실시예에서, 이에 대해 제3 팽창 밸브(43)가 사용된다. 대안적으로, 이를 위해 제5 냉매 라인 섹션(V)에서 추가적인 차단 밸브도 또한 사용될 수 있다.
따라서, 압축기(34)에서 압축된 냉매는 제1 냉매 라인 섹션(I)을 통해 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)로 흐른다. 이것은 이러한 모드에서 응축기로서 작동하고, 열을 냉매로부터 공기 흐름(14)으로 전달한다. 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)의 출구로부터 냉매는 제1 팽창 밸브(41)를 통해 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)로 흐른다. 이 경우, 제1 팽창 밸브(41)의 위치에 따라 압력 강하가 조정되어, 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)는 마찬가지로 응축기로서 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)와 실질적으로 동일한 온도 레벨에서 작동되거나, 응축기로서 그러나 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)보다 더 낮은 온도 레벨에서 작동되거나, 또는 증발기를 관류하는 공기 흐름(14)에서 열을 추출하는 증발기로서 작동될 수 있다. 제1 팽창 밸브(41)의 조정은 통상적으로 하류에 장착된, 별도로 도시되지 않은 혼합 챔버에서 원하는 온도 계층화를 달성하기 위한 제어와 관련하여 수행된다. 도시된 실시예에서, 공기 흐름(14)은 제1 및 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21, 22) 이후에서, 추가 또는 카운터 가열이 수행될 수 있는 전기 열 교환기 세그먼트(20)를 통해 여전히 흐른다. 그러나, 냉매 회로(100)의 접속과 관련하여, 전기 열 교환기 세그먼트(20)는 선택적인 것으로 간주될 수 있다.
제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 이후에는 냉매가 제4 분기 지점(104)에서 제2 냉매 라인 섹션(II)으로 흐르는데, 왜냐하면 제4 차단 밸브(54)의 차단 위치로 인해 제4 분기 지점(104)으로부터 분기되는 제6 냉매 라인 섹션(VI)도 마찬가지로 차단되기 때문이다. 제2 냉매 라인 섹션(II)에 포함된 제2 팽창 밸브(42)에서 냉매의 추가적인 팽창이 이루어지고, 그 압력은 어떠한 경우에도 매우 낮아야 하므로, 하류에 연결된 커플링 열 교환기(23)는 연결된 냉각제 회로로부터 열을 흡수하는 증발기로서 작동된다.
커플링 열 교환기(23)의 이후에서 냉매가 내부 열 교환기(24)의 고압 부분을 관류한다. 그러나, 당업자라면 알 수 있듯이, 이것은 컬렉터(36)와 같이 순전히 선택적인 것이고 실질적으로 냉매의 선택에 달려있다. 또한, 도시된 실시예에서 내부 열 교환기(24)의 고압 출구와 연결된 제5 개방 지점(105)과 커플링 열 교환기(23)의 출구의 직접적인 연결도 고려될 수 있다.
여기로부터, 냉매는 개방된 제3 차단 밸브(53) 및 제3 냉매 라인 섹션(III)을 관류하고, 제6 개방 지점(106), 내부 열 교환기(24)의 저압 부분을 통해 압축기(34)에 다시 도달한다.
도 7은 냉각 모드에서의 냉매 회로(100)를 도시한다. 여기서, 제1 차단 밸브(51)는 폐쇄되고, 제2 차단 밸브(52)는 개방된다. 또한, 제3 차단 밸브(53)는 폐쇄되고, 제4 차단 밸브(54)는 개방된다. 제3 팽창 밸브(53)는 이러한 모드에서 제어되는 방식으로 작동된다. 그러나, 대안적인 실시예에서는 제2 냉매 라인 섹션(II)에 추가적인 차단 밸브가 또한 사용될 수 있으며, 제2 팽창 밸브(52)는 폐쇄되고, 제2 냉매 라인 섹션(II)을 차단한다.
압축기(34)에 의해 압축된 냉매는 제1 분기 지점(101)에서 제4 냉매 라인 섹션(IV)으로 분기되고, 제3 개방 지점(103)을 통해, 이 모드에서 응축기로서 작동되어 연결된 냉각제 회로로 열을 방출하는 커플링 열 교환기(23)의 입구에 도달한다. 선택적인 내부 열 교환기(24)의 고압 부분을 통과한 후, 냉매는 폐쇄된 제3 차단 밸브(53)로 인해 제5 분기 지점(105)에서 제5 냉매 라인 섹션(V)으로 흐르고, 그곳에서 제3 팽창 밸브(43)에 의해 팽창된다.
제1 차단 밸브(51)가 폐쇄되기 때문에, 팽창된 냉매는 제2 개방 지점(102)으로부터 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)로 흐른다. 이 경우, 제3 팽창 밸브(43)의 조정에 따라, 열을 공기 흐름(14)의 응축기를 관류하는 일부로 방출하기 위해, 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)는 추가적인 응축기로서 사용될 수 있다. 그러나, 이는 증발기로서 또한 작동될 수도 있고, 공기 흐름(14)의 증발기를 관류하는 일부로부터 열을 흡수할 수 있다. 조정은 도시되지 않은 혼합 챔버에서 원하는 온도 계층화에 따라 실제적으로 제어된다. 냉매 측에서 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22) 이후에는 제1 팽창 밸브(41)의 냉매가 추가적으로 팽창되고, 이어서 상기 모드에서 각각의 경우에 증발기로서 작동되는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)를 관류하여, 공기 흐름(14)의 증발기를 관류하는 일부로부터 열을 흡수한다.
냉매 측에서 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 이후에 위치된 제4 분기 지점(104)에서는 냉매가 폐쇄된 제2 팽창 밸브(42)로 인해 제6 냉매 라인 섹션으로 그리고 개방된 제4 차단 밸브(54)를 통해 컬렉터(36)로 그리고 선택적인 내부 열 교환기(24)의 저압 부분을 통해 다시 압축기(34)에 도달한다.
당업자는 3개의 비 선택적 열 교환기 또는 열 교환기 세그먼트, 즉 제1 공기/냉매 열 전달 세그먼트(21), 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22) 및 커플링 열 교환기(23)가 설명된 냉매 회로(100)에서 각각 응축기로서 뿐만 아니라 증발기로서도 작동될 수 있다는 것을 인식한다. 더 적은 스위칭 및 제어 요소의 적합한 조정을 통해, 냉매 회로(100)에서 작동은 2개의 기본적인 모드, 즉 열 펌프 모드 및 냉각 모드에서 가능하고, 여기서 2개의 각각의 모드 안에서 필요에 따라 공기 측에서 내부 열 교환기의 하류에 연결된 혼합 챔버에서 차별화된 온도 계층화가 가능하다. 이러한 방식으로, 탑승자 공간 내의 온도 분포는 매우 유연성 있고 개별적으로 조정될 수 있다.
물론, 특정 설명에서 논의되고 도면에 도시된 실시예는 단지 본 발명의 예시적인 실시예를 나타낸다. 본 명세서의 개시 내용에 비추어, 당업자에게 넓은 범위의 변형 가능성이 주어진다.
10 하우징
12 공기 안내 채널
12' 12의 측면 경로
14 공기 흐름
16a 발 공간으로의 공기 흐름 일부
16b 머리 공간으로의 공기 흐름 일부
18 필터
20 전기 열 교환기 세그먼트
21 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트
22 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트
23 커플링 열 교환기
24 내부 열 교환기
30 바이패스 플랩
32 액추에이터
34 압축기
36 컬렉터
41 제1 팽창 밸브
42 제2 팽창 밸브
43 제3 팽창 밸브
51 제1 차단 밸브
52 제2 차단 밸브
53 제3 차단 밸브
54 제4 차단 밸브
100 냉매 회로
101 제1 분기/개방 지점
102 제2 분기/개방 지점
103 제3 분기/개방 지점
104 제4 분기/개방 지점
105 제5 분기/개방 지점
106 제6 분기/개방 지점
I 제1 냉매 라인 섹션
II 제2 냉매 라인 섹션
III 제3 냉매 라인 섹션
IV 제4 냉매 라인 섹션
V 제5 냉매 라인 섹션
VI 제6 냉매 라인 섹션

Claims (9)

  1. 자동차용 에어 컨디셔닝 장치로서,
    냉매 회로(100)를 구비하고,
    상기 냉매 회로(100)는
    - 압축기(34),
    - 입구 측에서 제1 냉매 라인 섹션을 통해 상기 압축기의 출구와 연결되고, 상기 자동차의 탑승자 공간으로 안내 가능한 공기 흐름의 일부가 관류할 수 있는 내부 열 교환기 장치 - 상기 내부 열 교환기 장치는
    · 상기 냉매 회로(100)의 증발기로서 작동 가능한 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21),
    · 상기 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)에 대해 상기 냉매의 유동 방향으로 상류에 연결된 제1 팽창 밸브(41) 및
    · 상기 제1 팽창 밸브(41)에 대해 상기 냉매의 유동 방향으로 상류에 연결되고, 상기 냉매 회로(100)의 응축기로서 작동 가능한 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)를 포함함 - ,
    - 상기 내부 열 교환기 장치에 대해 상기 냉매의 유동 방향으로 하류에 연결된 제2 팽창 밸브(42), 및
    - 입구 측에서 제2 냉매 라인 섹션(II)을 통해 상기 제2 팽창 밸브(42)와 연결되고, 열 소스 또는 열 싱크와 열적으로 연결된 커플링 열 교환기(23) - 상기 커플링 열 교환기의 출구는 제3 냉매 라인 섹션(III)을 통해 상기 압축기(34)의 입구와 연결됨 -
    를 포함하는, 상기 자동차용 에어 컨디셔닝 장치에 있어서,
    - 상기 제1 및 제2 냉매 라인 섹션(I / II)은 제4 냉매 라인 섹션(IV)을 통해 서로 연결되고,
    - 상기 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)의 입구 및 상기 커플링 열 교환기의 출구는 제3 팽창 밸브(43)를 포함하는 제5 냉매 라인 섹션(V)을 통해 서로 연결되고, 그리고
    - 상기 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)의 출구 및 상기 압축기(34)의 입구는 제6 냉매 라인 섹션(VI)을 통해 서로 연결되고,
    조절 가능한 밸브(42, 43, 51, 52, 52, 53, 54)가 상기 냉매 회로(100)에 분포되도록 배치되어, 그 스위칭 위치에 따라,
    열 펌프 모드에서, 상기 제1, 상기 제2 및 상기 제3 냉매 라인 섹션(I / II / III)에서는 냉매가 관류할 수 있고, 상기 제4, 상기 제5 및 상기 제6 냉매 라인 섹션(IV / V / VI)에서는 냉매의 관류가 방지되거나,
    또는, 냉각 모드에서, 상기 제4, 제5 및 제6 냉매 라인 섹션(IV / V / VI)에서는 냉매가 관류할 수 있고, 상기 제1, 상기 제2 및 상기 제3 냉매 라인 섹션(I / II / III)에서는 냉매의 관류가 방지되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 및 제4 냉매 라인 섹션의 분기 지점에는 스위칭 가능한 2-웨이 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 및 제4 냉매 라인 섹션(I / IV)의 분기 지점(101)의 하류에는 각각 스위칭 가능한 차단 밸브(51, 52)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3 및 제6 냉매 라인 섹션의 개방 지점에는 스위칭 가능한 2-웨이 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3 및 제6 냉매 라인 섹션(I / VI)의 개방 지점(106)의 상류에는 각각 스위칭 가능한 차단 밸브(53, 54)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(34)의 상류에는 냉매/냉매 열 교환기로서 형성된 내부 열 교환기(24)의 저압 출구가 배치되고, 상기 내부 열 교환기의 저압 입구는 제3 및 제6 냉매 라인 섹션(III / VI)의 개방 지점(106)의 하류에 위치되고, 상기 내부 열 교환기의 고압 입구 및 출구는 상기 커플링 열 교환기(23)의 출구와 제3 및 제5 냉매 라인 섹션(III / IV)의 분기 지점(105) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 열 교환기(23)는 냉매 측에서 구동 어셈블리 및/또는 그 전기 부품과 열적으로 연결되는 냉매/냉매 열 교환기로서 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 컨디셔닝 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    - 조절 가능한 밸브(43, 51, 52, 52, 53, 54)는 열 펌프 모드의 스위칭 위치에 연결되고,
    - 제1 팽창 밸브(41)는 응축기로서 작동되는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)와 응축기 또는 증발기로서 작동되는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21) 사이의 온도차를 조정하도록 제어되고, 그리고
    - 제2 팽창 밸브(42)는 상기 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21)와 증발기로서 작동되는 커플링 열 교환기(23) 사이의 압력차를 조정하도록 제어되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 에어 컨디셔닝 장치를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    - 조절 가능한 밸브(42, 51, 52, 52, 53, 54)는 냉각 모드의 스위칭 위치에 연결되고.
    - 제3 팽창 밸브(43)는 응축기로서 작동되는 커플링 열 교환기(23)와 증발기 또는 응축기로서 작동되는 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22) 사이의 압력차를 조정하도록 제어되고, 그리고
    - 제1 팽창 밸브(41)는 상기 제2 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(22)와 증발기로서 작동되는 제1 공기/냉매 열 교환기 세그먼트(21) 사이의 온도차를 조정하도록 제어되는, 방법.
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