KR100291525B1 - 자동차용열펌프식공조시스템 - Google Patents

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도시오 오오하시
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히로끼 요시오까
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오오 노 하루 오
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Abstract

본 발명은 자동차용 열펌프식 공조 시스템(A)에 관한 것이며, 상기 열펌프식 공조 시스템(A)은 엔진 냉각수가 흐르는 히터 코어(11)를 포함하는 제1 유니트(10) 및, 압축기(1)와 제1 응축기(3)를 포함하는 냉각 사이클의 일부를 이루는 제1 열교환기(12)를 포함하고, 냉매는 냉각 사이클 내에서 순환하며, 제1 열교환기(12)와 병렬로 유체 연결된 제2 응축기(21) 및 제2 열교환기(22)를 포함하는 제2 유니트(20)가 제공되고, 밸브(V2)가 제2 응축기(21)와 직렬로 유체가 통하게 연결되어 있고 냉매의 일부가 밸브를 통해 제2 응축기(21) 및 제2 열교환기(22)로 도입되게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 유니트들의 외측에는 부 열교환기(30)가 배치되어 있으며 제2 열교환기(22)와 직렬로 유체가 통하게 연결되어 있고, 제2 열교환기(22)로부터 흐르는 냉매는 부 열교환기로 도입되어 엔진 냉각수의 일부에 의해 가열되며, 부 열교환기로부터 방출되는 냉매는 압축기로 복귀되고, 전자기식 클러치(40)가 제공되어 압축기(1)가 엔진과 구동 연결되게 하며, 전자기식 클러치는 압축기와 동력 연결을 이루게 맞물려서 압축기를 작동시키고 그러한 동력 연결을 차단하도록 분리되어 압축기를 비작동 상태로 하며, 제어 장치(C)가 전자기식 클러치(40)에 대해 작동 연결되어 공조 시스템(A) 내의 온도에 따라 전자기식 클러치가 분리되도록 제어한다.

Description

자동차용 열펌프식 공조 시스템 {HEAT PUMP TYPE AIR CONDITIONING SYSTEM FOR AUTOMOTIVE VEHICLE}
본 발명은 엔진 냉각수 및 냉매의 작용하에 객실이 가열되거나 냉각되는 자동차용 열펌프식 공조 시스템에 관한 것이며, 특히 종래의 유사한 열펌프식 공조 시스템들에 있는 다양한 문제들을 해결하고 실제 사용하기에 적합한 열펌프식 공조 시스템에 관한 것이다.
지금까지 많은 자동차용 열펌프식 공조 시스템들이 개발되어 왔다. 그러한 공조 시스템들은 냉매를 사용한 사이클 작동하에서 객실을 위한 냉각 및 가열을 모두 수행한다. 그러한 공조 시스템들은 객실의 내측에 배치되어 있는 부 응축기 또는 내부 열교환기를 포함하며, 압축기로부터의 고온 고압의 냉매가 부 응축기로 도입되어 객실을 가열하기 위한 열원으로서 이용된다. 주 응축기 또는 외부 열교환기는 객실의 외측에 배치되어 있다. 또한, 4-방향 밸브가 제공되어 냉매가 부 응축기로부터 주 응축기로 유동하게 하거나 그 반대로 유동하게 함으로써 공조 시스템의 냉각 작동과 가열 작동간의 전환을 수행한다. 특히, 주 응축기를 우회하게 형성된 우회로를 통해 부 응축기로 직접 도입되는 반면에, 압축기로부터 방출된 냉매는 냉각 작동 시에 주 응축기로 도입된다.
이러한 열펌프식 공조 시스템들은 최근에 고품질 자동차들 및 상당히 큰 공간을 갖는 이른바 원박스식 자동차들에 설치되어 왔으며, 그것들은 객실의 전방 부분(예를 들어, 전방 시트부)을 공기 조화(air conditioning)하기 위한 전방 유니트 및 객실의 후방 부분(예를 들어, 후방 시트부)을 공기 조화하기 위한 후방 유니트를 포함하는 이른바 이중 공조식(dual air conditioning type)이다. 그러므로, 객실의 전방 및 후방 부분들은 객실의 아늑한 공조 상태를 이루도록 독립적으로 공기 조화될 수 있다. 그러한 공조 시스템들은 다음과 같이 작동한다. 즉, 공조 시스템의 가열 작동시, 전방 유니트는 엔진 냉각수를 열원으로서 이용하는 반면에, 후방 유니트는 열원으로서 압축기에 의해 압축된 고온 고압의 냉매를 이용한다. 그러한 공조 시스템들은 냉매의 냉각 사이클 또는 순환 과정에서 저온의 외기로부터 열을 퍼 올리도록 배치되어 있으며 그러한 열을 객실을 가열시키기 위해 이용한다.
그러한 공조 시스템들은 자동차의 객실의 가열 작동을 수행하는 경우에 몇 가지의 문제들에 부딪친다. 예를 들어, 겨울철의 아침과 같이 외기 온도가 낮을 때에는 엔진 시동 시에 엔진 냉각수의 온도가 낮고 냉매의 온도 상승이 신속하지못하다. 결과적으로, 공조 시스템의 작동 개시와 동시에 따뜻한 공기를 객실 내로 송풍할 수 있는 상태로 공조 시스템을 만들기가 곤란하므로, 공조 시스템의 신속 가열성 또는 즉시 가열성이 낮고 가열 성능이 열악하다. 특히, 객실의 공간이 크고 디젤 엔진을 구비한 원박스식 자동차들에서는 엔진 냉각수의 온도 상승률이 일반적인 휘발유 엔진을 구비한 자동차들에 비해 낮으면서도 큰 공간을 가열할 것이 요구되므로, 객실을 위한 신속 가열성 및 가열 성능이 낮아지는 경향이 있다. 이러한 관점에서, 다음과 같은 형식의 열펌프식 공조 시스템이 제안되어 있다. 즉, 냉매는 전기 자동차에서의 구동계통을 위한 냉각제의 가열 시에 가열됨으로써 엔탈피가 증가되고 온도가 상승된다. 냉매가 그렇게 가열됨에 따라 공조 시스템이 높은 가열성을 갖는다. 그러한 열펌프식 공조 시스템은 일본특허예비공보 제7-101227호에 기재되어 있다.
그렇게 다양한 열펌프식 공조 시스템들 및 이에 대한 개선책들이 개발되고 제안되어 왔다.
그러나, 앞서 설명한 열펌프식 공조 시스템들은 다음과 같이 다양한 결점들이 있다. 즉, 압축기의 방출 압력이 과도하게 상승할 때에 압축기가 손상되는 것을 방지하기 위해 압축기의 방출 압력에 따라 자기 클러치(압축기와 엔진의 사이에 배치됨)의 온-오프 제어를 함으로써 압축기의 온-오프 제어를 수행하는 것이 일반적이다. 압축기의 방출 압력은 압력 감지기에 의해 탐지된다. 그러나, 압축기의 온-오프 제어에 의해서만 압축기를 보호하는 경우에는, 압축기의 온-오프 제어(예를 들어, 자기 클러치의 온-오프 작용)에 따라 쇼크(충격) 및 충격이 발생된다.자기 클러치의 온-오프 작용은 압축기와 엔진 사이의 연결 및 분리에 대응하는 것임을 알 수 있을 것이다. 이러한 연결 및 분리는 운전자에 대한 충격으로 전달되기 쉬우므로 자동차의 운전성을 열악하게 한다.
또한, 열펌프식 공조 시스템들이 높은 가열 성능을 갖게 하기 위해서는, 외부 열교환기 내에 축적된 냉매를 압축기로 복귀시킴으로써 공조 시스템의 가열 작동을 위해 대량의 냉매를 사용할 것이 요구된다. 이와 관련해서, 앞서 설명한 원박스식 자동차들에 장착된 이중 공조식 공조 시스템 등과 같은 것은 상당히 큰 체적의 응축기 및 상당히 긴 배관을 가지므로, 냉매를 복귀시키기 위해 상당히 긴 시간이 요구된다. 또한, 예를 들어 후방 유니트만의 냉각 및 가열 작동을 수행하는 경우에는 전방 유니트를 위한 냉매는 불필요해진다. 그러므로, 증발기 등에 축적된 냉매(전방 유니트용)가 복귀되면, 대량의 액상 냉매가 압축기로 공급되므로, 액상 냉매를 압축시킬 우려가 있고 압축기의 내측을 액상 냉매로 씻어 낼 우려가 있다. 이는 압축기 자체의 신뢰성을 악화시킨다.
본 발명의 목적은 종래의 열펌프식 공조 시스템들이 갖는 결점들이 효율적으로 극복될 수 있는 개선된 자동차용 열펌프식 공조 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 손상을 방지하고 신뢰성을 높이며 비용을 저감시키면서도 자동차의 운전성을 효율적으로 향상시키는 개선된 자동차용 열펌프식 공조 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압축기 자체나 냉매 복귀의 신뢰성이 높은 개선된자동차용 열펌프식 공조 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대량의 냉매가 짧은 시간 내에 효율적으로 복귀됨으로써 공조 시스템의 높은 가열 성능을 보장할 수 있는 개선된 자동차용 열펌프식 공조 시스템을 제공하려는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 열펌프식 공조 시스템의 제1 실시예의 도식도.
도2는 도1의 공조 시스템에서의 후방 유니트 내로의 흡기 온도와 압축기의 방출 압력간의 상대적인 관계를 도시한 그래프.
도3은 도1에 도시된 제1 실시예에 따른 열펌프식 공조 시스템의 변형예의 도식도.
도4는 본 발명에 따른 열펌프식 공조 시스템의 제2 실시예의 도식도.
도5는 본 발명에 따른 열펌프식 공조 시스템의 제3 실시예의 도식도.
도6은 도5에 도시된 제3 실시예에 따른 열펌프식 공조 시스템의 변형예의 도식도.
도7은 도5에 도시된 제3 실시예에 따른 열펌프식 공조 시스템의 다른 변형예의 도식도.
도8은 도5에 도시된 제3 실시예에 따른 열펌프식 공조 시스템의 또 다른 변형예의 도식도.
도9는 도5의 열펌프식 공조 시스템의 일부를 이루는 주 응축기의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 압축기
2 : 엔진
10 : 제1 유니트 (또는, 전방 유니트)
11 : 히터 코어
12 : 제1 열교환기
20 : 제2 유니트 (또는, 후방 유니트)
21 : 제2 응축기
22 : 제2 열교환기
40 : 전자기식 클러치
본 발명의 일태양은 본 발명은 자동차용 열펌프식 공조 시스템(A)이다. 열펌프식 공조 시스템은 엔진 냉각수가 흐르는 히터 코어(11) 및 압축기(1)와 제1 응축기(3)를 포함하고 내부에서 냉매가 순환하는 냉각 사이클의 일부를 이루는 제1 열교환기(12)를 포함하는 제1 유니트(10)를 포함한다. 또한, 제1 열교환기(12)와 병렬로 유체 연결된 제2 열교환기(22) 및 제2 응축기(21)를 포함하는 제2 유니트(20)가 제공된다. 제2 응축기(21)와 직렬로 유체 연결된 밸브(V2)는 냉매의 일부가 밸브를 통해 제2 응축기(21) 및 제2 열교환기(22) 내로 들어가게 배치되어 있다. 제1 및 제2 유니트들의 외측에 배치된 부 열교환기(30)는 제2 열교환기(22)와 일렬로 유체가 통하게 연결되어 있으며, 제2 열교환기(22)로부터 흐르는 냉매는 부 열교환기로 도입되어 엔진 냉각수의 일부에 의해 가열되며, 부 열교환기로부터 방출된 냉매는 압축기로 복귀된다. 전자기식 클러치(40)가 제공되어 압축기(1)가 엔진과 구동 연결되게 하며, 그러한 전자기식 클러치는 압축기를 작동시키게 동력 연결을 이루도록 압축기와 맞물리거나 압축기를 비작동상태로 만들게 동력 연결을 차단하도록 분리된다. 전자기식 클러치(40)에 대해서는 제어 장치(C)가 작동 연결되어 공조 시스템(A) 내의 온도에 따라 전자기식 클러치가 분리되게 제어한다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 전자기식 클러치가 공조 시스템(A) 내의 온도에 따라 분리되게 제어된다는 사실로 인해, 전자기식 클러치의 온-오프(결합 및 분리) 작용의 시간주기가 연장됨으로써 연결 상태(엔진과 압축기 사이)로부터 분리 상태(엔진과 압축기 사이)로 및 그 반대로의 전환의 주기를 감축시킨다. 이것은 공조 시스템이 장착된 자동차의 운전성을 향상시킨다. 또한, 감축된 전환 주기는 공조 시스템 내의 압력 변화를 최소화시키면서 공조 시스템 자체를 보호하는 데에 기여한다.
자동차용 열펌프식 공조 시스템에서 본 발명의 또 다른 측면이 구현된다. 그러한 열펌프식 공조 시스템은 엔진 냉각수가 흐르는 히터 코어(111) 및, 서로 직렬로 연결된 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a) 및 제1 팽창 밸브(105a)를 포함하는 제1 냉각 사이클의 일부를 이루는 제1 증발기(112)를 포함하는 제1 유니트(110)를 포함하고, 상기 제1 냉각 사이클에는 엔진에 의해 구동되는 압축기(101)로부터 방출된 냉매가 제1 밸브(V11)를 통해 공급되고, 상기 압축기는 상기 제1 증발기(112)와 직렬로 유체가 통하게 연결되어 있다. 또한, 제2 응축기(121) 및 제2 액체 탱크(104b)와 제2 팽창 밸브(105b)를 통해 상기 제2 응축기(121)와 유체 연결된 제2 증발기(122)를 포함하는 제2 유니트(120)를 포함하며, 상기 제2 응축기(121) 및 상기 제2 증발기(122)는 상기 압축기(101)와 직렬로 유체가 통하게 연결되어 있고 상기 압축기(101)로부터 방출된 냉매의 일부가 제2 밸브(V12)를 통해 공급되는 제2 냉각 사이클의 일부를 이룬다. 또한, 상기 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 상기 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매를 상기 제2냉각 사이클로 도입하도록 상기 제1 응축기(103)와 직렬로 유체 연결된 냉매 회수 라인(R1)을 포함한다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 공조 시스템의 가열 작동 시에 제1 응축기로부터 방출되는 냉매를 제2 냉각 사이클로 도입하기 위한 냉매 회수 라인으로 인해, 복귀되어야 할 냉매는 제2 냉각 사이클을 통해 압축기로 복귀됨으로써, 냉매가 증발 상태로 되므로, 압축기 내의 액체를 압축시킬 우려가 없고, 오일의 유출을 일으킬 우려가 없으며, 냉매로 씻어 낼 우려도 없다. 결과적으로, 압축기(1)는 그 신뢰성을 악화시키지 않고 정상적으로 작동할 수 있다.
자동차용 열펌프식 공조 시스템에서 본 발명의 또 다른 측면이 구현된다. 그러한 열펌프식 공조 시스템은 냉매 파이프(212)를 통해 서로 직렬로 연결된 압축기(206)와, 자동차의 객실의 외측에 배치된 외부 응축기(207)와, 객실의 내측에 배치된 내부 응축기(205)와, 감압 장치(209) 및, 파이프 객실의 내측에 배치된 내부 증발기를 포함한다. 또한, 상기 압축기(206)로부터 방출된 냉매가 상기 외부 응축기(207)를 우회해서 상기 내부 응축기(205) 내에 도입되도록 상기 외부 응축기를 우회하게 형성된 우회로(213)를 포함한다. 또한, 상기 압축기(206)로부터 방출된 냉매를 상기 공조 시스템의 냉각 작동 시에는 상기 외부 응축기(207)로 도입하고 상기 공조 시스템의 가열 작동 시에는 상기 우회로(213)로 도입하는 유로 변경 장치(220)를 포함한다. 또한, 상기 외부 응축기(207)의 출구측 및 상기 압축기(206)의 흡입측에 연결되게 배치되어 상기 외부 응축기(207) 내에 체류하고 있는 냉매를 상기 압축기(206)의 흡입측으로 복귀시키는 냉매 회수 통로(230)를 포함한다. 또한, 냉매 회수 통로를 통해 냉매가 흐르는 것을 허용하도록 개방되며 냉매 회수 통로를 통해 냉매가 흐르는 것을 방지하도록 폐쇄되기 위해 상기 냉매 회수 통로(230) 내에 배치되어 있는 밸브(231)를 포함한다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 냉매는 공조 시스템의 가열 작동 시에 외부 응축기의 출구로부터 액상으로 복귀될 수 있다. 그러므로, 외부 응축기로의 냉매의 역류를 유발함이 없이 대량의 냉매가 짧은 시간 내에 복귀될 수 있다. 공조 시스템의 가열 작동시의 가열 사이클 내의 냉매의 양은 항상 적절한 수준으로 유지될 수 있다. 이는 가열 성능 냉매부족 상태에서의 가열 작동으로 인한 가열 성능 악화의 문제 및 윤활성 악화의 문제를 해결함으로써 공조 시스템의 성능과 신뢰성을 향상시킨다.
첨부된 도면에서 동일한 인용부호(문자)들은 모든 도면에 걸쳐 동일한 요소들 및 부분들을 지칭한다.
이제, 도1 내지 도3을 보면, 제1 실시예에 따른 자동차용 열펌프식 공조 시스템이 인용부호 A로 지칭되면서 예시되어 있다. 이 실시예에 따른 공조 시스템(A)은 전방유니트, 즉, 제1 유니트(10) 및 후방유니트, 즉, 제2 유니트(20)를 포함한다. 전방 유니트(10)는 팬(도시 안됨)의 작용하에 자동차의 객실(도시 안됨)의 내측 또는 외측으로부터 선택적으로 빨아들인 공기를 조화시켜서 승객을 위한 전방 좌석을 향해 송풍하도록 배치되어 있다. 후방 유니트(20)는 팬의 작용하에 자동차의 객실의 내측 또는 외측으로부터 선택적으로 빨아들인 공기를 조화시켜서 승객을 위한 후방 좌석을 향해 송풍하도록 배치되어 있다. 그러므로, 이러한공조 시스템(A)은 이중 공조 시스템이라고 지칭된다.
전방 유니트(10)는 공기가 화살표 F1에 의해 지시된 방향(기류 방향)으로 흐르는 기류 통로(10f)를 형성하고 있는 케이싱(10a)을 포함한다. 히터 코어(11) 및 제1 열교환기(12)가 기류 통로(10f) 내에서 기류 방향(F1)으로 보아 하류측 및 상류측에 각각 배치되어 있다. 히터 코어(11)는 엔진(2)에 의해 가열된 엔진 냉각수(온수)가 순환되도록 배치되어 있다. 좀더 자세히 말하면, 전방 유니트(10)는 명확하게 도시되지는 않았지만 케이싱(10a) 내에서의 기류 방향이라고 언급된 직렬로 배치된 흡기 유니트(지정 안됨)와 냉각 유니트(지정 안됨) 및 가열 유니트(지정 안됨)를 포함한다. 흡기 유니트는 흡기 도어(도시 안됨) 및 앞서 설명한 팬을 포함한다. 냉각 유니트는 제1 열교환기(12)를 포함한다. 가열 유니트는 공기 혼합 도어(도시 안됨) 및 히터 코어(11)를 포함한다. 공기 혼합 도어는 히터 코어(11)의 전방에 배치되어 있으며, 히터 코어(11)를 통과하는 열기와 히터 코어(11)를 우회하는 냉기간의 유량 비율을 제어함으로써 히터 코어(11)의 하류 구역에 예정 온도를 갖는 공기를 제공하고 공기가 히터 코어(11)를 통과하는 것을 방지한다. 또한, 다양한 송풍공(공기 송출 구멍)들이 가열 유니트의 히터 코어(11)의 하류에 형성되어, 도시되지는 않았지만, 객실의 내측의 전방 좌석을 향해 열기와 냉기를 혼합하여 마련한 공기를 송출하게 한다.
후방 유니트(20)는 공기가 화살표 F2에 의해 지시된 방향(기류 방향)으로 흐르는 기류 통로(20f)를 형성하고 있는 케이싱(20a)을 포함한다. 제2 응축기(21) 및 제2 열교환기(22)가 기류 통로(20f) 내에서 기류 방향(F2)으로 보아 하류측 및상류측에 각각 배치되어 있다. 좀더 자세히 말하면, 후방 유니트(20)는 명확하게 도시되지는 않았지만 전방 유니트(10)와 마찬가지로 기류 통로(21) 내에서의 기류 방향이라고 언급된 직렬로 배치된 흡기 유니트(지정 안됨)와 냉각 유니트(지정 안됨) 및 가열 유니트(지정 안됨)를 포함한다. 흡기 유니트는 흡기 도어(도시 안됨) 및 앞서 설명한 팬을 포함한다. 냉각 유니트는 제2 열교환기(22)를 포함한다. 가열 유니트는 공기 혼합 도어(도시 안됨) 및 제2 응축기(21)를 포함한다. 공기 혼합 도어는 제2 응축기(21)의 전방에 배치되어 있으며, 제2 응축기(21)를 통과하는 열기와 제2 응축기(21)를 우회하는 냉기 간의 유량 비율을 제어함으로써 제2 응축기(21)의 하류 구역에 예정 온도를 갖는 공기를 제공하고 공기가 제2 응축기(21)를 통과하는 것을 방지한다. 또한, 다양한 송풍공(공기 송출 구멍)들이 가열 유니트의 제2 응축기(21)의 하류에 형성되어, 도시되지는 않았지만, 객실의 내측의 후방 좌석을 향해 열기와 냉기를 혼합하여 마련한 공기를 송출하게 한다.
이 실시예에서, 공조 시스템(A)은 제1 냉각 사이클, 즉, 제1 냉각 회로 및 제2 냉각 사이클, 즉, 제2 냉각 회로를 포함한다. 제1 냉각 사이클은 압축기(1)와 제1 응축기(3)와 액체 탱크(4a)와 제1 밸브(V1)와 제1 팽창 밸브(5a) 및 제1 열교환기(12 : 전방 유니트(10)의 경우)로 이루어지며, 이는 냉매용 배관을 통해 서로 연결되어 있다. 제2 냉각 사이클은 제2 밸브(V2)와 제2 응축기(21 : 후방 유니트(20)의 경우)와 액체 탱크(4b)와 제2 팽창 밸브(5b)와 제2 열교환기(22 : 후방 유니트(20)의 경우) 및 부 열교환기(30)로 이루어지고, 이는 제1 열교환기(12)와 병렬 관계를 이루게 냉매용 배관을 통해 서로 유체가 통하게 연결되어 있다.제1 및 제2 냉각 사이클 사이의 냉매 유동의 전환은 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)의 개폐 작용의 조합에 의해 수행된다.
공조 시스템(A)의 냉각 작동 및 가열 작동을 동일 사이클로 실현하기 위해서는, 우회 회로, 즉, 우회로(3B)가 제공되어 압축기(1)로부터 방출된 냉매가 제1 응축기(3)를 우회하게 해야 한다. 4-방향 밸브(7)가 제공되어 압축기(1)로부터 방출된 냉매가 제1 응축기(3)로부터 우회로(3B)로 흐르거나 그 반대로 흐르도록 전환되게 한다. 다시 말해서, 4-방향 밸브(7)의 작용에 의해 압축기(1)로부터의 냉매가 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에는 우회로(3B)로 도입되지만, 공조 시스템(A)의 냉각 작동 시에는 제1 응축기(3)로 도입된다.
4-방향 밸브(7)는 하나의 입구 포트(Pi)와 세 개의 출구 포트(Po)들을 포함하는 밀봉 케이싱(8)을 포함한다. 미끄럼 부재(S)가 케이싱 내에 미끄럼이 가능하게 배치되어 세 개의 출구 포트(Po)들 중의 선택된 두 개의 사이가 통하게 함으로써 선택된 두 개의 출구 포트(Po)들을 제외한 하나의 출구 포트(Po)가 입구 포트(Pi)와 통하게 한다. 4-방향 밸브(7)의 입구 포트(Pi)는 압축기(1)의 방출측과 통하며, 4-방향 밸브(7)의 출구 포트(Po)들은 제1 응축기(3)의 입구와 압축기(1)의 흡입측(냉매 복귀 회로, 즉, 냉매 복귀로(R)를 통함) 및 제1 응축기(3)의 출구(우회로(3B)를 통함)에 각각 통한다.
4-방향 밸브(7)는 복귀로(R)를 만들기 위해 이용된다. 이러한 복귀로(R)는 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시에 외기 온도가 낮아서 엔진 냉각수가 객실을 가열시키기 위한 열원으로서 즉시 이용될 수 없는 경우에, 제1 응축기(3) 등에체류하는 대량의 냉매를 한 번에 압축기(1)로 복귀시키는 작용을 한다. 이는 고성능의 가열을 위해 대량의 냉매가 이용될 수 있게 한다.
전방 유니트(10)에 있어서는, 공조 시스템(A)의 가열 작동 시, 압축기(1)로부터 방출된 냉매는 4-방향 밸브(7)와 제1 응축기(3)를 위한 우회로(3B)와 액체 탱크(4a)와 제1 밸브(V1)와 팽창 밸브(5a) 및 제1 열교환기(12)를 순서대로 통과한 후에 압축기(1)로 복귀한다. 공조 시스템(A)의 냉각 작동 시, 압축기(1)로부터 방출된 냉매는 4-방향 밸브(7)와 제1 응축기(3)와 액체 탱크(4a)와 제1 밸브(V1)와 팽창 밸브(5a) 및 제1 열교환기(12)를 순서대로 통과한 후에 압축기(1)로 복귀한다.
히터 코어(11)는 온수로, 즉, 온수로(W)의 온수 콕, 즉, 온수 밸브(11a)를 개방함으로써 엔진(2)으로부터 유출된 엔진 냉각수가 공급되게 배치되어 있다.
후방 유니트(20)에 있어서는, 공조 시스템(A)의 가열 작동 및 냉각 작동의 모두에서, 액체 탱크(4a)로부터 방출된 냉매는 제2 밸브(V2)와 제2 응축기(21)와 액체 탱크(4b)와 제2 팽창 밸브(5b)와 제2 열교환기(22) 및 부 열교환기(30)를 순서대로 통과한 후에 압축기(1)로 복귀한다.
부 열교환기(30)는 전방 및 후방 유니트(10, 20)들의 기류 통로(10f, 20f)들의 외측에 배치된다. 엔진(2)으로부터의 엔진 냉각수는 온수로(W)의 온수 콕, 즉, 온수 밸브(11b)를 개방함으로써 부 열교환기(30)로 도입되며, 엔진 냉각수와 부 열교환기(30)를 통해 흐르는 냉매의 사이에 열교환이 이루어진다. 다시 말해서, 부 열교환기(30)를 통해 흐르는 냉매가 엔진 냉각수에 의해 가열됨으로써 냉매가 등엔트로피 변화를 이룬다. 등엔트로피 변화한 냉매가 압축기(1)로 복귀됨으로써 공조 시스템(A)이 좀더 높은 가열 성능을 갖게 한다.
압축기(1)는 전자기식 클러치(40)를 통해 엔진(2)에 대해 구동 연결되어 있다. 전자기식 클러치(40)는 온-오프 제어에 의해 온-오프 작용한다. 좀더 상세히 말하면, 전자기식 클러치(40)는 온(ON)-전환됨으로써 엔진(2)으로부터 압축기(1)로 회전력을 전달하게 맞물려지고, 오프(OFF)-전환됨으로써 엔진(2)으로부터의 회전력이 압축기(1)로 전달되지 못하게 분리된다. 전자기식 클러치(40)의 온-오프 제어는 후방 유니트(20)의 기류 통로(20f) 내로 유입된 공기의 온도(흡기 온도)에 따라 이루어진다. 좀더 상세히 말하면, 온도 감지기(SE1) 흡기 온도를 탐지하기 위해 후방 유니트(20)의 흡기 유니트의 기류 통로(20f) 내에 배치되어 있다. 온도 감지기(SE1)로부터 제어 유니트(C)로 신호(흡기 온도를 표시)가 전달된다. 제어 유니트(C)는 온도 감지기(SE1)로부터의 신호에 따라 전자기식 클러치(40)의 온-오프 제어를 한다. 다시 말해서, 후방 유니트(20) 내의 흡기 온도가 예정 수준(예를 들어, 30 ℃)보다 낮지 않음을 온도 감지기(SE1)가 탐지하면, 제어 유니트(C)는 전자식 밸브(40)가 오프-전환되어 분리되도록 제어한다. 전자식 밸브(40)가 분리되면, 압축기(1)가 오프-전환되어 압축 작용을 정지시킨다. 전자식 밸브(40)가 온(ON)-전환되어 결합되면, 압축기가 온-전환되어 압축 작용을 한다. 그럼으로써, 후방 유니트(20) 내의 흡기 온도에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어가 수행된다.
경험에 따르면, 도2에 보이듯이, 엔진(2)의 속도(회전 속도)에 따라 약간의 차이는 있을지라도, 후방 유니트(2) 내의 흡기 온도(C)와 압축기의 방출압력(kg/cm2)의 사이에는 비례 관계가 있음이 밝혀졌다. 도2에는, 800 rpm과 1500 rpm 및 3000 rpm의 3개의 엔진 속도에서 각각 얻어진 3개의 관계들이 도시되어 있다. 도2에 나타내는 "압축기-오프 구역"은 압축기(1)가 오프-전환되어 압축기(1)의 압축 작용을 정지시키는 구역을 나타낸다. 이것은 압축기(1)의 방출 압력에 따라서 및 후방 유니트(20)의 흡기 온도에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어를 수행함으로써 동일한 효과가 얻어질 수 있음을 의미한다.
여기에서, 후방 유니트(20)의 흡기 온도에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어가 수행되는 경우에는 압축기(1)의 방출 압력에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어가 수행되는 경우보다 제어 응답이 낮다. 그러나, 전자기식 클러치(40)의 온-오프 작용(결합 및 분리)의 시간 주기가 연장됨으로써 연결 상태(엔진(2)과 압축기(1)의 사이)로부터 분리 상태(엔진(2)과 압축기(1)의 사이)로 및 그 반대로의 전환의 주기를 감축시킨다. 이는 공조 시스템(A)이 장착된 자동차의 운전성을 향상시킨다. 또한, 감축된 전환 주기는 공조 시스템(A)에서의 압력 변화를 감소시키고, 그에 따라, 공조 시스템(A) 자체의 보호를 위한 관점에서 바람직하다.
그러므로, 이 실시예에서는, 후방 유니트(20)에서의 흡기 온도가 예정 수준에 도달하면, 공기 압축기(1)의 작동이 정지되어 후방 유니트(20)에서의 가열 작동을 정지시킨다.
이제, 그렇게 배치된 제1 실시예에 따른 열펌프식 공조 시스템(A)의 작동 방식에 대해 설명하겠다.
가열 작동의 개시 단계
외기(자동차의 외측의 공기)의 온도가 낮아서 (예를 들어, 약 -10 ℃ 내지 약 +5 ℃) 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시에 엔진 냉각수가 낮은 온도를 가질 때에는, 히터 코어(11)를 이용하여 객실을 가열하기 위해 엔진 냉각수를 이용하기가 곤란하다. 그러한 경우에는, 냉매가 제1 응축기(3) 등의 안쪽에 체류하고 있으므로 압축기(1) 내에 대량의 냉매가 존재하지 않는다. 이러한 조건하에서 전방 및 후방 좌석들을 위한 가열을 수행하는 경우에는 다음과 같은 설정이 이루어진다. 즉, 제1 및 제2 밸브(V1, V2)들이 개방되고 4-방향 밸브(4)가 도1에 도시된 상태로 된다.
압축기(2)가 이러한 조건하에서 작동되게 온-전환될 때, 주로 제1 응축기(3) 등에 체류하고 있던 냉매가 4-방향 밸브(7) 및 냉매 복귀로(R)를 통해 압축기(2)의 흡입측으로 도입되어 복귀된다. 결과적으로, 대량의 냉매가 압축기(1)로부터 방출된다. 압축기(1)로부터 방출된 고온 고압의 냉매가 4-방향 밸브(7)와 우회로(3B)와 액체 탱크(4a)와 제1 밸브(V1)와 팽창 밸브(5a) 및 제1 열교환기(12)를 순서대로 통해서 흐른다.
엔진(1)의 시동에 의해, 온도가 어느 정도까지 상승된 엔진 냉각수가 히터 코어(11) 내로 흐른다. 그러나, 이 때의 엔진 냉각수는 온도가 충분히 상승되지 않았으므로, 객실을 가열하기 위해 엔진 냉각수를 이용하는 것은 적합하지 못하다. 그러므로, 그러한 조건하에서는, 온수 콕(1la)이 폐쇄됨으로써 엔진 냉각수가 히터 코어(11) 내로 유입하는 것을 방지하거나, 또는, 흡기 도어의 작용에 의해 기류 통로(10f) 내의 공기가 히터 코어(11)를 통해 흐를 수 없게 하고, 온수 콕(11b)이 개방되어 엔진 냉각수가 부 열교환기(30)를 통해 흐르게 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 흡기 유니트로부터 전방 유니트(10)의 내측으로 유입된 공기는 고온 고압의 냉매가 흐르는 제1 열교환기(12)와 접촉하며, 공기와 냉매의 사이에 열교환이 이루어진다. 그 후에, 공기는 기류 통로(10f)의 하류측으로 흘러서 송풍공들을 통해 객실로 송풍된다.
후방 유니트(20)에 있어서, 액체 탱크(4a)의 밖으로 유출된 후에 두 갈래로 분기된 고온 고압의 냉매는 제2 밸브(V2)를 통해 제2 응축기(21)로 들어간다. 여기에서, 냉매와 후방 유니트(20)의 기류 통로(20f)를 통해 흐르는 공기의 사이에 열교환이 이루어짐으로써 객실로 공급될 공기가 가열된다. 그 후에, 냉매는 응축되고 중온 및 중압으로 되며 제2 팽창 밸브(5b) 내에서 단열 팽창됨으로써 냉매가 좀더 저온 저압으로 된다. 그 후에, 냉매가 증발기로서 작용하는 제2 열교환기(22) 내로 유입한다. 여기에서, 냉매와 후방 유니트(20)의 기류 통로(20f)를 통해 흐르는 공기의 사이에 열교환이 이루어지며, 냉매는 공기를 냉각시킨 후에 증발하고 저온 저압으로 되어 부 열교환기(30) 내로 흐른다. 그러므로, 객실 내로 공급될 공기는 우선 제습되고 제2 열교환기(22)에 의해 냉각된 후에 제2 응축기(21)에 의해 가열된다.
가열 작동에 공기가 제2 열교환기(22)에 의해 냉각되는 것은 바람직하지 못하므로, 제2 열교환기(22)의 전방에는 도어(도시 안됨)가 배치됨으로써 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 공기가 제2 열교환기(22)를 통과하는 것을 방지하는 것이바람직하다.
부 열교환기(30)를 통해 흐르는 저온 저압의 냉매는 엔진 냉각수의 열을 취하여 온도가 상승됨으로써 등엔트로피 변화한다. 등엔트로피 변화한 냉매는 압축기(1)로 복귀되어 다시 압축됨으로써 압축기(1)로부터 방출된 냉매의 온도가 상승하게 한다. 이러한 경우에, 압축기(1)로 복귀될 냉매는 제2 열교환기(22) 내에서 공기에 의해 가열되고 부 열교환기(30) 내에서 엔진 냉각수에 의해 다시 가열됨으로써 이른바 이단 가열이 이루어진다. 이러한 것은 공조 시스템(A)이 높은 가열 성능을 가지면서도 객실의 즉시 가열 또는 신속 가열 특성을 향상시킨다. 또한, 그렇게 가열된 냉매가 압축기(1)에 의해 다시 압축될 때에, 냉매의 온도 상승이 좀더 촉진된다. 이렇게 가열된 냉매가 순환해서 제1 및 제2 열교환기(12, 22)들에 다시 도달할 때에, 냉매가 다시 가열되어 좀더 고온으로 됨으로써 공조 시스템(A)이 좀더 높은 가열 성능을 갖게 하고 고온의 공기가 객실로 송풍되게 한다. 이러한 경향은 시간이 경과함에 따라 증폭됨으로써 공조 시스템(A)의 즉시 가열 또는 신속 가열 특성을 크게 향상시킨다.
엔진 냉각수의 온도가 앞서 말한 바와 같은 공조 시스템(A)의 작동에 따라 상승되었을 때에, 부 열교환기(30)의 가열성이 증대되고 전방 유니트(10)와 관련한 히터 코어(11)의 가열성이 증대됨으로써 부 열교환기 및 히터 코어(11)의 증대된 가열성의 조합에 의해 상당히 고온의 공기를 객실로 송풍할 수 있게 한다.
후방 유니트(20)에 있어서는, 제2 응축기(21)의 가열성이 증대되고, 그에 따라, 상당히 고온의 공기가 객실로 송풍된다. 제2 열교환기(22)의 전방에서 닫혀있는 도어는 앞서 설명한 바와 같이 제2 응축기(21)의 가열성이 증대될 때에 개방됨으로써 제습된 공기가 가열되는 이른바 제습 가열을 수행할 수 있다. 이는 후방 좌석 근처의 창유리에 서린 김을 제거함으로써 자동차의 안전한 구동을 보장한다.
안정 가열 작동시
엔진 냉각수의 온도가 어느 정도까지 상승해서 객실의 온도가 어느 정도까지 상승할 때에는, 온수 콕(11b)이 폐쇄됨으로써 엔진 냉각수가 부 열교환기(30) 내로 유입하는 것이 방지된다. 이는 냉매가 불필요하게 가열되는 것을 방지함으로써 공조 시스템(A)의 정상적인 가열 작동을 수행하게 한다.
이 실시예에서, 후방 유니트(20) 내의 흡기 온도가 예정 온도보다 낮지 않은 수준으로 될 때에, 온도 감지기(SE1)는 온도 수준을 탐지하고 그러한 온도 수준을 나타내는 신호를 제어 유니트(C)에 제공한다. 제어 유니트(C)는 전자기식 클러치(40)가 오프-전환되거나 분리되게 함으로써 압축기(1)의 압축 작용을 정지시킨다. 대조적으로, 후방 유니트(20) 내의 흡기 온도가 예정 수준보다 낮은 정도로 낮춰질 때에는, 압축기(1)의 압축 작용이 다시 이루어진다. 그럼으로써, 후방 유니트(20)의 기류 통로(20f)를 통해 흐르는 공기의 온도에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어가 수행된다. 압축기(1)의 온-오프 제어는 후방 유니트(20)의 흡기 온도에 따라 수행되므로, 압축기(1)의 방출 압력에 따라 압축기(1)의 온-오프 제어가 수행되는 경우에 비해 제어 응답이 낮아질 수 있다. 그러나, 전자기식 클러치(40)의 온-오프 작용(결합 및 분리)의 시간 주기가 연장됨으로써 연결 상태(엔진(2)과 압축기(1)의 사이)로부터 분리 상태(엔진(2)과 압축기(1)의 사이)로 및 그 반대로의전환의 빈도를 감소시킨다. 이는 공조 시스템(A)이 장착된 자동차의 운전성을 향상시킨다. 또한, 감소된 전환 빈도는 공조 시스템(A)에서의 압력 변화를 최소화하면서도 공조 시스템(A) 자체를 보호하는 데에 기여한다.
냉각 작동시
전방 및 후방 좌석의 모두에 대한 냉각을 수행하기 위해서는, 우선, 제1 및 제2 밸브(V1, V2)들이 개방되고, 4-방향 밸브(7)의 미끄럼 부재(S)가 이동된다. 이러한 상태에서, 압축기(1)가 작동되어 압축 작용을 할 때에, 압축기(1)로부터 방출된 냉매는 제1 냉각 사이클에서 4-방향 밸브(7)와 제1 응축기(3)와 액체 탱크(4a)와 제1 밸브(V1)와 제1 팽창 밸브(5a) 및 제1 열교환기(12)를 순서대로 통과한다. 냉매의 유동은 액체 탱크(4a)의 하류에서 두 갈래로 분기됨으로써 냉매가 제2 밸브(V2)와 제2 응축기(21)와 제2 팽창 밸브(5b)와 제2 열교환기(22) 및 부 열교환기(30)를 순서대로 통과한다.
이에 따라, 전방 유니트(10)의 기류 통로(10f) 내에 도입된 공기는 증발기로서 작용하는 제1 열교환기(12)에서 열교환되며, 그러한 열교환은 공기와 열교환기(12)를 통해 흐르는 저온 저압의 냉매의 사이에서 이루어짐으로써 제습 저온 공기를 제공한다. 이러한 공기는 공기 혼합 도어의 작용에 의해 히터 코어(11) 및 히터 코어(11)를 우회하는 우회로(도시 안됨)에 분배됨으로써 냉기 및 열기를 제공한다. 냉기 및 열기는 혼합되거나 또는 혼합되지 않음으로써 예정 온도를 갖는 공기로 제공된다. 그러한 예정 온도를 갖는 공기는 송풍공들을 통해 객실로 송풍된다.
후방 유니트(20)에 있어서는, 제2 팽창 밸브(5b)에 의해 압력이 낮춰진 냉매가 제2 열교환기(22) 내로 유입한다. 제2 열교환기(22)에 의해 냉각된 공기는 공기 혼합 도어의 작용에 의해 제2 응축기(21) 및 제2 응축기(21)를 우회하는 우회로(도시 안됨)에 분배됨으로써 냉기 및 열기를 제공한다. 냉기 및 열기는 혼합되거나 또는 혼합되지 않음으로써 예정 온도를 갖는 공기로 제공된다. 그러한 예정 온도를 갖는 공기는 송풍공들을 통해 객실로 송풍된다.
제2 열교환기(22)로부터 방출된 냉매는 부 열교환기(30) 내로 유입되지만, 엔진 냉각수가 부 열교환기(30) 내로 유입하는 것을 방지하기 위해 온수 콕(11b)이 폐쇄되므로, 냉매는 이 상태로 압축기(1)로 복귀된다.
전방 좌석만을 위한 냉각을 수행하기 위해서는, 제2 밸브(V2)가 폐쇄된다. 후방 좌석만을 위한 냉각을 수행하기 위해서는, 제1 밸브(V1)가 폐쇄된다.
제1 실시예에 대해서만 도시되고 설명되었을지라도, 숙련된 자들은 청구범위에 기재된 본 발명의 개념의 범위 내에서 여러 변형예들을 만들 수 있을 것이다. 예를 들어, 4-방향 밸브(7) 및 냉매 복귀로(R)가 냉매 회로 내에 체류하고 있는 냉매를 압축기(1)로 복귀시키기 위해 제공된 것처럼 도시되고 설명되었지만, 공조 시스템(A) 그렇게 체류하는 냉매를 압축기(1)로 복귀시키지 않고도 작동될 수 있을 것이며, 4-방향 밸브(7)는 도3에 도시된 바와 같이 제1 응축기(3) 및 우회로(3B)의 입구에 각각 배치된 개폐 밸브(V3, V4)들로 대체될 수도 있다.
제1 실시예에 따른 공조 시스템(A)에서는, 전자기식 클러치가 상기 공조 시스템 내의 공기의 온도에 따라 분리되게 제어된다는 사실에 의해, 전자기식 클러치의 온-오프 작용(결합 및 분리)의 시간 주기가 연장됨으로써 연결 상태(엔진과 압축기의 사이)로부터 분리 상태(엔진과 압축기의 사이)로 및 그 반대로의 전환의 빈도를 감소시킨다. 이는 공조 시스템이 장착된 자동차의 운전성을 향상시킨다. 또한, 감소된 전환 빈도는 공조 시스템에서의 압력 변화를 최소화하면서도 공조 시스템 자체를 보호하는 데에 기여한다.
도4는 제1 실시예에 따른 공조 시스템과 유사한 제2 실시예에 따른 자동차용 열펌프식 공조 시스템(A)을 도시한다. 이 실시예에 따른 공조 시스템(A)은 전방 유니트, 즉, 제1 유니트(110) 및 후방 유니트, 즉 제2 유니트(120)를 포함한다. 전방 유니트(110)는 팬(도시 안됨)의 작용하에 자동차의 객실(도시 안됨)의 내측 또는 외측으로부터 선택적으로 빨아들인 공기를 조화시켜서 승객을 위한 전방 좌석을 향해 송풍하도록 배치되어 있다. 후방 유니트(120)는 팬의 작용하에 자동차의 객실의 내측 또는 외측으로부터 선택적으로 빨아들인 공기를 조화시켜서 승객을 위한 후방 좌석을 향해 송풍하도록 배치되어 있다. 그러므로, 이러한 공조 시스템(A)은 이중 공조 시스템이라고 지칭된다.
전방 유니트(110)는 공기가 화살표 F1에 의해 지시된 방향(기류 방향)으로 흐르는 기류 통로(110f)를 형성하고 있는 케이싱(110a)을 포함한다. 히터 코어(111) 및 제1 열교환기(112)가 기류 통로(111f) 내에서 기류 방향(F)으로 보아 하류측 및 상류측에 각각 배치되어 있다. 히터 코어(111)는 엔진(102)에 의해 가열된 엔진 냉각수(온수)가 순환되도록 배치되어 있다. 좀더 자세히 말하면, 전방 유니트(110)는 명확하게 도시되지는 않았지만 케이싱(110a) 내에서의 기류 방향이라고 언급된 직렬로 배치된 흡기 유니트(지정 안됨)와 냉각 유니트(지정 안됨) 및 가열 유니트(지정 안됨)를 포함한다. 흡기 유니트는 흡기 도어(도시 안됨) 및 앞서 설명한 팬을 포함한다. 냉각 유니트는 제1 열교환기(112)를 포함한다. 가열 유니트는 공기 혼합 도어(도시 안됨) 및 히터 코어(111)를 포함한다. 공기 혼합 도어는 히터 코어(111)의 전방에 배치되어 있으며, 히터 코어(111)를 통과하는 열기와 히터 코어(111)를 우회하는 냉기간의 유량 비율을 제어함으로써 히터 코어(111)의 하류 구역에 예정 온도를 갖는 공기를 제공하고 공기가 히터 코어(111)를 통과하는 것을 방지한다. 또한, 다양한 송풍공(공기 송출 구멍)들이 가열 유니트의 히터 코어(111)의 하류에 형성되어, 도시되지는 않았지만, 객실의 내측의 전방 좌석을 향해 열기와 냉기를 혼합하여 마련한 공기를 송출하게 한다.
후방 유니트(120)는 공기가 화살표 F2에 의해 지시된 방향(기류 방향)으로 흐르는 기류 통로(120f)를 형성하고 있는 케이싱(120a)을 포함한다. 제2 응축기(121) 및 제2 열교환기(122)가 기류 통로(120f) 내에서 기류 방향(F2)으로 보아 하류측 및 상류측에 각각 배치되어 있다. 좀더 자세히 말하면, 후방 유니트(120)는 명확하게 도시되지는 않았지만 전방 유니트(110)와 마찬가지로 기류 통로(120f) 내에서의 기류 방향이라고 언급된 순서대로 배치된 흡기 유니트(지정 안됨)와 냉각 유니트(지정 안됨) 및 가열 유니트(지정 안됨)를 포함한다. 흡기 유니트는 흡기 도어(도시 안됨) 및 앞서 설명한 팬을 포함한다. 냉각 유니트는 제2 증발기(122)를 포함한다. 가열 유니트는 공기 혼합 도어(도시 안됨) 및 제2 응축기(121)를 포함한다. 공기 혼합 도어는 제2 응축기(121)의 전방에 배치되어 있으며, 부 응축기를 통과하는 열기와 제2 응축기(121)를 우회하는 냉기간의 유량 비율을 제어함으로써 제2 응축기(121)의 하류 구역에 예정 온도를 갖는 공기를 제공하고 공기가 제2 응축기(121)를 통과하는 것을 방지한다. 또한, 다양한 송풍공(공기 송출 구멍)들이 가열 유니트의 제2 응축기(121)의 하류에 형성되어, 도시되지는 않았지만, 객실의 내측의 후방 좌석을 향해 열기와 냉기를 혼합하여 마련한 공기를 송출하게 한다.
이 실시예에서, 공조 시스템(A)은 제1 냉각 사이클, 즉, 제1 냉각 회로(지정 안됨) 및 제2 냉각 사이클, 즉, 제2 냉각 회로(지정 안됨)를 포함한다. 제1 냉각 사이클은 압축기(101)와 제1 밸브(V11)와 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a)와 제1 팽창 밸브(105a) 및 제1 증발기(112)를 포함하며, 이들은 냉매용 배관을 통해 순서대로 직렬 연결되어 있다. 제2 냉각 사이클은 서로 냉매용 배관 및 선로를 통해 일렬로 연결된 제2 밸브(V12)와 제2 응축기(121)와 제2 액체 탱크(104b)와 제2 팽창 밸브(105b)와 제2 증발기(122) 및 부 열교환기(130)로 이루어진다. 제1 및 제2 냉각 사이클 사이의 냉매 유동의 전환은 제1 밸브(V11) 및 제2 밸브(V12)의 개폐 작용의 조합에 의해 수행된다. 또한, 공조 시스템(A)의 냉각 작동 및 가열 작동이 동일한 사이클에서 실현될 수 있다.
이 실시예에서는, 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매를 제2 냉매 사이클로 도입하기 위해 냉매 회수 회로, 즉, 냉매 회수 라인(R1)이 제공된다. 자세히 말하면, 냉매 회수 라인(R)이 배치되어 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매를 제2 액체 탱크(104b) 내로 복귀시킨다. 좀더 자세히 말하면, 냉매 회수 라인(R1)은 제1 응축기(103)의 출구와 제2 응축기(121)의 출구가 서로 유체가 통하게 연결되는 선로, 즉 통로(P)를 포함한다. 제3 밸브(V13) 및 일방향 밸브(140)가 통로(P)에 배치되어 있다. 제3 밸브(V13)는 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 개방된다. 일방향 밸브(140)는 냉매의 흐름을 제1 응축기(103)로부터 제2 증발기(122)로 지향시키도록 배치되어 있다. 그러므로, 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시에, 제1 응축기(103) 내에 체류하고 있는 냉매가 제2 냉각 사이클로 복귀됨으로써 대량의 냉매를 사용할 때에 공조 시스템(A)의 고성능의 가열 작동을 이루게 한다.
전방 유니트(110)에 의해 가열 작동이 수행될 수 있다. 전방 유니트(110)에 의한 가열 작동의 경우에는, 압축기(101)로부터 방출된 냉매가 제1 밸브(V11)와 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a)와 제1 팽창 밸브(105a) 및 제1 증발기(112)를 순서대로 통과한 후에 압축기(101)로 복귀한다. 이러한 냉매의 흐름은 공조 시스템(A)의 냉각 작동 시에서의 냉매의 흐름과 같다. 공조 시스템(A)의 정상적인 가열 작동 시에, 온수 콕, 즉, 온수로(W)의 온수 밸브(111a)가 개방되어 엔진(102)의 밖으로 유출된 엔진 냉각수(상당히 고온)가 히터 코어(111)로 도입되게 한다. 히터 코어(111)는 제1 증발기(112)에 의해 냉각된 공기를 가열하는 작용을 한다. 엔진(102)의 엔진 냉각수는 온수로(W)를 통해 순환한다.
공조 시스템(A)의 냉각 및 가열 작동 시에, 후방 유니트(120)에 있어서는, 제2 밸브(V12)의 개방 시에 제1 냉각 사이클로부터 두 갈래로 분기된 냉매는 제2 응축기(121)와 제2 액체 탱크(104b)와 제2 팽창 밸브(105b)와 제2 증발기(122) 및 부 열교환기(130)를 순서대로 흘러서 압축기(101)로 복귀한다.
부 열교환기(130)는 전방 및 후방 유니트(110, 120)의 기류 통로(110f, 120f)의 외측에 배치된다. 엔진 냉각수는 온수 콕(111b)을 개방함으로써 엔진(102)으로부터 부 열교환기(130)로 도입되며 그러한 엔진 냉각수와 부 열교환기(130)를 통해 유입하는 냉매의 사이에는 열교환이 이루어진다. 즉, 이러한 부 열교환기(130)에서는, 부 열교환기(130)를 통해 유입하는 냉매가 엔진 냉각수에 의해 가열됨으로써 등엔트로피 변화한다. 등엔트로피 변화하는 엔진 냉각수는 압축기(101)로 복귀되며, 그럼으로써, 공조 시스템(A)이 높은 가열 성능을 갖게 한다.
냉매 회수 작동시 (가열 작동의 초기 단계)
외기(자동차의 외측의 공기)의 온도가 낮아서 (예를 들어, 약 -10 ℃ 내지 약 +5 ℃) 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시에 엔진 냉각수가 낮은 온도를 가질 때에는, 히터 코어(111)를 이용하여 객실을 가열하기 위해 엔진 냉각수를 이용하기가 곤란하다. 그러한 경우에는, 냉매가 제1 응축기(103) 등의 안쪽에 체류하고 있으므로 압축기(101) 내에 대량의 냉매가 존재하지 않는다. 이러한 조건하에서 전방 및 후방 좌석들을 위한 가열을 수행하는 경우에는 냉매의 결핍이 발생할 우려가 있으므로 특정한 설정이 이루어진다. 이러한 관점에서, 제1 및 제3 밸브(V11, V13)들이 개방되고 제2 밸브(V12)가 폐쇄된다.
압축기(101)가 작동되어 압축 작용을 할 때에, 제1 응축기(103) 내에 체류하고 있던 냉매의 일부는 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a)와 제1 팽창 밸브(105a) 및 제1 증발기(112 : 제1 냉각 사이클의 일부를 형성)를 순서대로 통과한 후에 압축기(101)로 복귀한다. 즉, 그러한 체류 냉매의 일부는 제1 회수 사이클의 구성 요소 또는 부품들을 통과하면서 증발되고 압축기(101)로 복귀되며, 그럼으로써, 액상의 냉매의 양을 상당히 감소시킨다.
제1 응축기(103) 내에 체류하고 있던 냉매의 나머지 부분은 압축기(101)의 흡입에 의해 흡입되어 제3 밸브(V13)와 상당히 긴 통로(P) 및 일방향 밸브(140 : 냉매 회수 라인(R)을 이룸)를 순서대로 흘러서 제2 냉각 사이클로 도입된다.
그렇게 도입된 냉매의 일부는 차기의 가열 작동에 이용하기 위해 제2 액체 탱크(104b)에 저장되며 냉매의 나머지 부분은 제2 팽창 밸브(105b)와 제2 증발기(122) 및 부 열교환기(130)를 순서대로 통과한 후에 압축기(101)로 유입한다. 이러한 경우에는, 제2 냉각 사이클의 구성 요소 또는 부분들을 통과한 후에 냉매가 회수되므로, 액상의 냉매의 양이 최소화한다. 또한, 그러한 대량의 냉매가 압축기로 복귀될지라도, 냉매는 엔진 냉각수에 의해 어느 정도까지 가열될 수 있으며, 그럼으로써, 냉매의 증발을 좀더 촉진하여 복귀될 액상 냉매의 양을 최소화한다.
이는 대량의 냉매가 압축기(101)로부터 방출되고 대량의 냉매가 압축기(101)로 복귀되는 조건을 설정한다. 이러한 냉매 회수에서, 액상 냉매의 양은 상당히 적으며, 따라서, 압축기(101)내에서 액체가 압축될 우려나 오일의 유출이 발생할 우려 또는 냉매로 씻어 낼 우려가 전혀 없다. 결과적으로, 압축기(101)는 압축기(101)의 신뢰성을 악화시키지 않고 정상적으로 작동할 수 있다. 또한, 냉매 회수 라인(R)이 제3 밸브(V13)와 통로(P) 및 일방향 밸브(140)로 구성되므로, 공조 시스템(A)의 생산비용이 저렴하고 경제적 관점에서 양호하다.
가열 작동시
가열 작동을 수행하는 경우에는, 제1 밸브(V11) 및 제3 밸브(V13)가 폐쇄됨으로써 제2 냉각 사이클로부터의 냉매의 역류를 방지하며, 이 때, 제2 밸브(V12)는 개방되어 있다. 이에 따라, 압축기(101)로부터 방출된 대량의 고온 고압의 냉매는 제2 밸브(V12)와 제2 응축기(121)와 제2 액체 탱크(104b)와 제2 팽창 밸브(105b)와 제2 증발기(122) 및 부 열교환기(130)를 순서대로 통과한다.
엔진(102)의 시동 시에, 온도가 어느 정도까지 상승된 엔진 냉각수가 히터 코어(111) 및 부 열교환기(130) 내로 유입하지만, 이 때의 엔진 냉각수는 온도 상승이 불충분하므로, 그러한 엔진 냉각수 객실의 가열을 위해 이용하는 것은 바람직하지 못하다. 그러므로, 그러한 조건에서는, 전방 유니트(110)에 있어서는 온수 콕(111a)이 폐쇄되어 엔진 냉각수가 히터 코어(111) 내로 유입하는 것을 방지하거나, 또는, 흡기 도어의 작용에 의해 기류 통로(110f) 내의 공기가 히터 코어(111) 내로 통할 수 없게 하는 것이 양호하다. 이 때에, 후방 유니트(120)에 있어서는, 온수 콕(111b)이 개방되어 엔진 냉각수가 부 열교환기(130)를 통해 흐르게 한다. 이에 따라, 전방 유니트(110)에서는 가열 작동이 수행되지 않지만, 고온 고압의 냉매가 제2 밸브(V12)로부터 제2 응축기(121)로 흘러서 냉매와 객실 내측의 공기의 사이에 열교환이 이루어지므로, 후방 유니트(120)에서는 가열 작동이 수행되어 객실의 내측을 가열한다.
객실 내측의 공기를 가열한 후에 응축될 때에 냉매는 중온 고압으로 된다. 그 후에, 냉매는 제2 팽창 밸브(105b)에서 단열 팽창되며, 그에 따라, 좀더 저온저압으로 된다. 이러한 냉매는 제2 증발기(122) 내로 유입하며, 거기에서 냉매와 객실 내측의 공기의 사이에 열교환이 이루어지고, 그럼으로써, 공기를 냉각시킨다. 그러나, 이렇게 냉각된 냉기가 객실 내로 송풍되는 것은 바람직하지 못하므로, 그러한 냉기는 자동차의 외측으로 방출되거나 제2 증발기(122)의 전방에 도어(도시 안됨)가 제공되어 공기가 제2 증발기(122)를 통과하는 것을 방지한다.
이어서, 제2 증발기(122) 내에서 증발되어 저온 저압으로 된 냉매가 부 열교환기(130) 내로 유입함으로써 그러한 냉매는 부 열교환기(130) 내에서 엔진 냉각수의 열을 취하여 온도가 상승하고 등엔트로피 변화한다. 이러한 냉매는 그 후에 압축기(101)로 복귀되고 다시 압축됨으로써 압축기(101)로부터 방출된 냉매가 상승한다. 이러한 경우에, 압축기(101)로 복귀될 냉매는 제2 증발기(122) 내에서 공기에 의해 가열되고 부 열교환기(130) 내에서 엔진 냉각수에 의해 가열됨으로써 이른바 냉매를 위한 이단 가열이 수행된다. 그러므로, 공조 시스템(A)은 높은 가열 성능을 가지면서도 즉시 가열 특성 또는 신속 가열 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 가열시의 냉매가 압축기(101)에 의해 다시 압축될 때에는 냉매의 온도 상승이 좀더 촉진된다. 그리고, 냉매가 제2 증발기(122)에 다시 도달할 때에는, 냉매가 다시 가열되고 좀더 고온으로 됨으로써 공조 시스템(A)의 가열 성능을 좀더 높이고 고온 공기를 객실로 송풍한다. 이러한 경향 시간이 경과함에 따라 증폭되며, 그럼으로써, 공조 시스템(A)의 신속 가열 특성 또는 즉시 가열 특성을 크게 향상시킨다.
공조 시스템(A)의 앞서 설명한 작동에 의해 엔진 냉각수의 온도가 상승되었을 때에는, 엔진 냉각수는 전방 유니트(110)의 히터 코어(111) 내로 유입되어 전방유니트(110)에서의 가열 작동을 수행함으로써, 모든 엔진 격실이 가열되게 한다. 또한, 전방 유니트(110)와 관련해서 엔진 냉각수의 가열성이 증가됨에 따라 부 열교환기(130)의 가열성이 증가됨으로써 부 열교환기와 엔진 냉각수의 가열성의 조합에 의해 상당히 고온의 공기가 객실로 송풍될 수 있다.
제2 응축기(121)의 가열성이 증가될 때에는 제2 증발기(122)의 전방에서 닫혀 있는 도어가 개방됨으로써 제습된 공기가 가열되는 이른바 제습 가열을 수행할 수 있다. 이는 후방 좌석 근처의 창유리에 서린 김을 제거함으로써 자동차의 안전한 구동을 보장한다.
안정 가열 작동시
엔진 냉각수의 온도가 어느 정도까지 상승해서 객실의 온도가 어느 정도까지 상승할 때에는, 부 열교환기(130)의 온수 콕(111b)이 폐쇄됨으로써 엔진 냉각수가 부 열교환기(130) 내로 유입하는 것이 방지된다. 이는 냉매가 불필요하게 가열되는 것을 방지함으로써 공조 시스템(A)의 정상적인 가열 작동을 수행하게 한다.
냉각 작동시
냉각 작동은 전방 및 후방 좌석의 모두를 위해서 수행될 수도 있고, 또는, 전방 좌석만을 위해 수행될 수도 있다. 전방 좌석만을 위한 냉각 작동을 수행하기 위해서는 제1 밸브(V11)가 개방되고 제2 밸브(V12) 및 제3 밸브(V13)는 폐쇄된다. 이러한 조건하에서 압축기(101)가 작동되어 압축 작용을 할 때에는, 압축기(101)로부터 방출된 냉매가 제1 밸브(V11)와 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a)와 제1 팽창 밸브(105a) 및 제1 증발기(112)를 제1 냉각 사이클의 순서대로 통과한다.이에 따라, 흡기 유니트를 통해 전방 유니트(110)의 기류 통로(110f)로 도입된 공기는 제1 증발기(112) 내에서 저온 저압의 냉매와 열교환됨으로써 제습 저온 공기를 제공한다. 이러한 공기는 공기 혼합 도어의 작용에 의해 히터 코어(111) 및 히터 코어(111)를 우회하는 우회로(도시 안됨)에 분배됨으로써 냉기 및 열기를 제공한다. 냉기 및 열기는 혼합되거나 또는 혼합되지 않음으로써 예정 온도를 갖는 공기로 제공된다. 그러한 예정 온도를 갖는 공기는 송풍공들을 통해 객실로 송풍된다.
후방 유니트(120)에 있어서, 제2 밸브(V12)가 개방됨으로써 제2 팽창 밸브(105b)에 의해 압력이 낮춰진 냉매가 제2 증발기(122) 내로 유입한다. 제2 증발기(122)에 의해 냉각된 공기는 공기 혼합 도어의 작용에 의해 제2 응축기(121) 및 제2 응축기(121)를 우회하는 우회로(도시 안됨)에 분배됨으로써 냉기 및 열기를 제공한다. 냉기 및 열기는 예정 온도를 갖는 공기를 제2 응축기(121)의 하류 구역에 제공하도록 혼합되거나 또는 혼합되지 않는다. 그리고 그러한 송풍공들을 통해 객실로 송풍된다.
제2 증발기(122)로부터 방출된 냉매는 부 열교환기(130) 내로 유입되지만, 엔진 냉각수가 부 열교환기(130) 내로 유입하는 것을 방지하도록 냉각 작동시에는 온수 콕(111b)이 폐쇄된다. 후방 좌석만을 위한 냉각을 수행하기 위해서는, 제1 밸브(V11)가 폐쇄된다.
제2 실시예에 대해서만 도시되고 설명되었을지라도, 숙련된 자들은 청구범위에 기재된 본 발명의 개념의 범위 내에서 여러 변형예들을 만들 수 있을 것이다.예를 들어, 열펌프식 공조 시스템(A)이 부 열교환기(130)를 포함하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 공조 시스템(A) 반드시 부 열교환기(130)를 포함할 필요는 없다. 또한, 냉매 회수 라인(R)이 제1 응축기(103)의 출구와 제2 응축기(121)의 출구의 사이를 통하게 하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 냉매 회수 라인(R)은 제1 냉각 사이클의 냉매를 제2 냉각 사이클에 도입할 수만 있다면 어떤 구성도 가능하다.
제2 실시예에 따른 공조 시스템(A)에서는, 공조 시스템의 가열 작동 시에 제1 응축기로부터 방출된 냉매를 제2 냉각 사이클에 도입하기 위한 냉매 회수 라인에 의해, 회수될 냉매가 제2 냉각 사이클을 통해 압축기로 복귀됨으로써 냉매는 증발 상태로 되며, 따라서, 압축기 내에서 액체를 압축할 우려도 없고 오일의 유출이 발생할 우려도 없으며 냉매로 씻어 낼 우려도 없다. 결과적으로, 압축기(1)는 그 신뢰성을 저하시키지 않고 정상적으로 작동할 수 있다.
도5는 제1 실시예 공조 시스템과 유사한 본 발명에 따른 공조 시스템(A)의 제3 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 공조 시스템(A)은 공조 유니트(200)를 포함하며, 이는 자동차의 객실(도시 안됨)의 내측 또는 외측으로부터 선택적으로 빨아들인 공기를 조화시켜서 객실의 정해진 위치를 향해 송풍하도록 배치되어 있다.
공조 유니트(200) 송풍팬(203)의 작용하에 공기가 화살표 F에 의해 지시된 방향(기류 방향)으로 흐르는 기류 통로(110f)를 형성하고 있는 덕트(202)를 포함한다. 기류 통로 내에서 내부 증발기(204) 및 내부 응축기로서의 부 응축기(205)는 기류 방향(F)을 기준으로 상류 및 하류에 각각 배치되어 있다. 증발기(204)는 증발기(204)에서의 냉매의 증발 시에 기류 통로를 통해 냉기를 유동시키는 작용을 한다. 부 응축기(205)는 주로 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 증발 냉매의 응축 및 액화 시에 기류 통로를 통해 흐르는 공기를 가열하는 작용을 한다. 좀더 자세히 말하면, 공조 유니트(200)는 흡기 유니트(지정 안됨)와 냉각 유니트(지정 안됨) 및 가열 유니트(지정 안됨)를 포함하며, 그것들은 명확하게 도시되지는 않았지만 기류 통로의 기류 방향으로 순서대로 배치되어 있다. 흡기 유니트는 흡기 도어(도시 안됨) 및 앞서 설명한 송풍팬(203)을 포함한다. 냉각 유니트는 증발기(204)를 포함한다. 가열 유니트는 회전식 공기 혼합 도어(도시 안됨) 및 부 응축기(205)를 포함한다. 공기 혼합 도어는 부 응축기(205)의 전방에 배치되어 있으며, 부 응축기(205)를 통과하는 열기와 부 응축기(205)를 우회하는 냉기의 사이의 유량비를 제어함으로써 부 응축기(205)의 하류 구역에 예정 온도의 공기를 제공하고 공기가 부 응축기(205)를 통과하는 것을 방지하게 구성되어 있다. 또한, 다양한 송풍공(공기 송출 구멍)들이 가열 유니트의 부 응축기(205)의 하류측에 형성되어 도시되지는 않았지만 열기와 냉기를 혼합하여 마련한 공기(온도가 제어됨)를 객실의 내측의 정해진 위치를 향해 송출한다.
공조 시스템(A)은 냉매를 위한 사이클 작동에 의해 냉각 및 가열 작동을 함으로써 냉각 사이클 또는 냉각 회로의 작용하에 객실을 위한 냉각 및 가열(제습시)을 수행하게 한다.
공조 시스템(A)의 공조 유니트(200)의 외측에 배치되어 벨트(도시 안됨)를 통하여 엔진(도시 안됨)에 의해 회전 구동되는 압축기(206)를 포함한다. 외부 응축기로서의 주 응축기(207)는 공조 유니트(200)의 외측에 배치되어 있고 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에만 작동하게 구성되어 있다. 냉각 사이클은 압축기(206)와 주 응축기(207)와 부 응축기(205)와 액체 탱크(208)와 감압 수단 또는 감압 장치로서의 팽창 밸브(209)와 증발기(204) 및 축압기(210)를 포함하며, 이들은 냉매를 위한 배관, 즉, 선로(212)를 통해 서로 유체가 통하게 연결되어 있다. 냉매는 냉각 사이클 내에 밀봉적 충전된다.
액체 탱크(208)는 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하고 액상 냉매를 그 안에 저장해서 액상 냉매만을 팽창 밸브(209)로 방출하는 작용을 한다. 이러한 액체 탱크(208)는 또한 공기를 분리하고 물과 이물질을 제거하는 작용을 한다. 팽창 밸브(209)가 감압하에서 액상 냉매를 팽창시킴으로써 액상 냉매 저온 저압의 무상(mist state) 냉매로 변화시키는 작용을 하며, 증발기(204)의 출구에서의 온도 변화에 따라(팽창 밸브(209)가 온도 감응식인 경우) 냉매의 유량을 자동으로 제어하는 작용을 한다. 축압기(210)는 내부에 잉여 냉매를 저장하고 기상 냉매와 액상 냉매를 분리함으로써 기상 냉매를 압축기(206)로 복귀시키는 작용을 한다. 축압기(210)는 체적이 상당히 커서 냉매가 액상으로 축압기(210)로 복귀될지라도 그러한 냉매는 증발되어 압축기(206)로 복귀되며, 그럼으로써, 액체의 압축으로 인해 압축기(206)가 손상되는 것을 방지한다.
액체 탱크(208)와 축압기(210)는 부분적으로 서로 공통적인 작용을 가지며, 그러므로, 반드시 필요한 것은 아니다. 이와 관련해서, 본 발명에 따르면, 주 응축기(207)의 출구로부터의 냉매(액상 냉매)의 회수를 수행하기 위해서는 적어도 축압기(210)는 제공되는 것이 양호하다. 그러므로, 예를 들어, 이 실시예에서처럼 온도 감응식 팽창 밸브(209)가 감압 수단으로 이용되는 경우에는 액체 탱크(208)와 축압기(210)의 모두가 제공된다. 그렇지 않으면, 오리피스를 갖는 전자식 밸브(도시 안됨)가 온도 감응식 팽창 밸브(209)의 대신에 이용되는 경우에는, 액체 탱크(208)를 생략한 채로 축압기(210)만이 제공될 수도 있으며, 그러한 전자식 밸브는 밸브 부재의 위치가 변화되어 밸브의 완전 개방 상태나 부분 개방 상태를 취하는 형식의 유량 전환 밸브이다.
인용부호 216, 217, 218은 냉매가 역방향으로 흐르는 것을 방지하기 위한 체크 밸브를 지칭한다. 인용부호 219는 공기를 주 응축기(207)로 송출하여 주 응축기(207)를 냉각시키기 위한 응축기 팬을 지칭한다.
이 실시예에서는, 3-방향 밸브(220)가 압축기(206)의 방출구와 주 응축기(207)의 입구의 사이에 제공되어 공조 시스템(A)의 가열 작동 및 냉각 작동 시에 작용될 응축기들을 위한 전환을 수행한다. 즉, 3-방향 밸브(220)는 어떤 회로로부터 다른 회로로의 냉매의 유로를 전환하는 작용을 한다. 좀더 자세히 말하면, 3-방향 밸브(220)는 냉매를 위한 하나의 입구 포트와 두 개의 출구 포트들을 갖는다. 입구 포트는 압축기(206)의 방출측에 연결되며, 두 개의 출구 포트는 우회로, 즉, 관로(213)를 통해 주 응축기(207)의 입구 및 주 응축기(207)의 출구에 대해 각각 연결되어 있다. 입구 포트와 통하게 될 두 개의 출구 포트들 중의 하나를 선택함으로써 압축기(206)로부터 방출되는 냉매의 유동이 냉매가 주 응축기(207)로 지향되는 냉각 사이클로부터 냉매가 우회로(213)를 통해 부응축기(205)로 직접 지향되거나 그 반대로 지향되는 가열 사이클로 전환된다.
인용부호 D1, D2는 공조 시스템(A)의 냉각 작동 및 가열 작동시의 냉매의 유동방향의 각각을 지칭한다. 인용부호 D3은 냉매 회수 방향(즉, 회수될 냉매의 유동 방향)을 지칭한다.
공조 시스템(A)의 냉각 작동시, 3-방향 밸브(220)의 작동에 의해, 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 주 응축기(207)로 도입된다. 좀더 자세히 말하면, 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 3-방향 밸브(220)와 주 응축기(207)와 부 응축기(205)와 액체 탱크(208)와 팽창 밸브(209)와 증발기(204) 및 축압기(210)를 순서대로 통하고 압축기(206)로 복귀하며, 그럼으로써 냉각 사이클을 이룬다. 이에 따라, 증발기(204)에서는, 냉매 통로 주변의 공간을 통과하는 공기가 증발한 액상 냉매로 냉각되어 객실을 냉각시키는 방식으로 액상 냉매와 공기의 사이의 열교환이 이루어진다. 주 응축기(207)에서는, 냉매와 외기의 사이의 열교환에서 증발기(204)에 의해 취해진 열을 냉매가 외측에 방출함으로써 기상 냉매를 냉각 및 응축시켜 액상 냉매를 얻게 한다. 이 때, 부 응축기(205)는 거의 열교환기로 작용할 수 없다.
공조 시스템(A)의 가열 작동 시에, 3-방향 밸브(220)의 작동에 의해, 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 우회로(213)를 통해 부 응축기(205)로 직접 도입된다. 좀더 자세히 말하면, 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 3-방향 밸브(220)와 우회로(213)와 부 응축기(205)와 액체 탱크(208)와 팽창 밸브(209)와 증발기(204) 및 축압기(210)를 순서대로 통해서 압축기(206)로 복귀하며, 주 응축기(207)를 이용하지 않고, 그럼으로써, 가열 사이클을 이룬다. 이에 따라, 압축기(206)로부터 방출되어 주 응축기(207)를 우회한 고온 고압의 기상 냉매가 부 응축기(205)에서 응축되고 액화되어 방열함으로써 증발기(204)에 의해 냉각된 공기가 가열되고 객실로 송출됨으로써 객실을 가열한다. 이 때, 증발기(204)는 내부에 취해진 공기를 냉각하고 제습함으로써 제습과 함께 가열 작동을 수행한다.
이 실시예의 공조 시스템(A)은 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 주 응축기(207) 내에 체류하는 냉매를 압축기(206)의 흡입측으로 복귀시키는 냉매 회수 시스템(R)을 포함한다. 냉매 회수 시스템(R)은 주 응축기(207)의 출구로부터의 냉매를 회수시키도록 구성되어 있다. 좀더 자세히 말하면, 냉매 회수 시스템(R)은 한 쪽의 단부가 3-방향 연결기(지정 안됨)를 통해 주 응축기(207)의 출구관의 한 단부에 연결됨으로써 냉매 회수 통로(230)가 분기 형성되게 하는 냉매 회수 통로, 즉, 냉매 회수 통로(230)를 포함한다. 전자식 밸브(231)가 냉매 회수 통로(230)에 개폐가 가능하게 배치되어 있다. 냉매 회수 통로(230)의 다른 단부는 3-방향 연결기(지정 안됨)를 통해 축압기(210)의 입구에 연결됨으로써 냉매 회수 회로를 이룬다. 전자식 밸브(231)는 냉각 작동 시에 주 응축기(207)의 밖으로 유출하는 냉매가 냉매 회수 통로(230) 내로 유입하는 것을 방지하기 위해 제공된다.
도9에 보이듯이 주 응축기(207)의 바닥 부분에는 액상 냉매가 축적되어 있으므로, 주 응축기(207)로부터의 냉매를 회수함으로써, 냉매는 액상으로 회수될 수 있다. 결과적으로, 냉매가 기상으로 회수되는 경우에 비해, 냉매를 회수하기 위해 요구되는 시간은 매우 짧아지고 회수될 냉매의 양은 매우 증가된다. 이는 실험적으로 다음과 같이 확인되었다. 예를 들어, 외기의 온도가 20 ℃이었을 때에는, 300 g 이상의 냉매(주 응축기(207) 내의 냉매의 거의 전량)가 90초 이내에 회수될 수 있다. 또한, 냉매 회수의 지속 시에도 냉매의 역류가 전혀 발견되지 않았다.
위와 같은 실험 결과를 고찰할 때, 전자식 밸브(231)의 개폐 제어는 다음과 같이 수행되었다. 즉, 전자식 밸브(231)는 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시로부터 정해진 시간(예를 들어, 90초)만큼 개방되게 온-전환되어 냉매 회수 통로(230)를 통한 냉매의 유동을 허용한다. 정해진 시간(90초)의 경과 또는 냉매 회수의 완료 시에, 전자식 밸브(231)는 냉매 회수 통로(230)를 차단하게 오프-전환되어 냉매 회수 통로(230)를 통한 냉매의 유동을 정지시킨다. 또한, 공조 시스템(A)의 냉각 작동시, 전자식 밸브(231)는 항상 오프-전환되어 냉매 회수 통로(230)를 차단한다. 냉매 회수를 위한 상기 정해진 시간은 90초로 제한되지 않으며, 각각의 공조 시스템을 위해 필요한 만큼의 냉매 회수량을 얻기 위해 요구되는 적절한 값으로 설정될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 액상 냉매의 회수가 주 응축기(207)의 출구로부터 수행되므로, 주 응축기(207)에 대한 냉매의 역류가 발생함이 없이 대량의 냉매가 짧은 시간 동안에 회수될 수 있으며, 그럼으로써, 냉매 회수 시간(전자식 밸브(231)가 온-전환되는 시간)이 단축될 수 있다. 또한, 주 응축기(207) 내에 체류하는 필요 충분의 냉매의 양이 냉매 회수 시간 내에 회수되고, 그에 따라, 공조 시스템(A)의 가열 작동시 적정한 양의 냉매가 항상 가열 사이클 내에 유지될 수 있다. 이는 냉매가 지나치게 소량인 조건하에서 발생되던 열악한 가열 성능 및 열악한 윤활 특성에 관한 문제를 해결하며, 그럼으로써, 공조 시스템(A)의 반복 동작 시에도 동일한 성능을 얻게 한다.
도6은 본 발명에 따른 공조 시스템(A)의 제3 실시예의 변형예를 도시한다. 이 변형예는 제2 실시예와 유사하지만, 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)가 전자식 밸브(231)의 대신에 사용되어 냉매의 양방향 유동을 제어하게 구성된다는 점이 다르다. 냉매의 역류를 허용하도록 직접 작동되는 전자식 밸브(231)에 비해, 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)는 비용이 저렴하고 전력 소모량이 적으며, 그러므로, 그러한 전자식 밸브(231a)는 전기자동차에 장착된 공조 시스템에 이용되기에 특히 적합하다.
파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(23la)는 일방향으로의 냉매 유동만을 제어할 수 있게 구성되어 있으며, 따라서, 화살표 D3에 의해 지시된 냉매 회수 방향(즉, 회수될 냉매의 유동 방향)으로의 냉매의 유동을 허용하게 배치되어 있다. 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(23la) 자체는 공지되어 있으며, 따라서, 전자식 밸브(23la)의 구성에 관한 설명은 간략화를 위해 생략한다.
이 변형예의 냉매 회수 시스템(R2)은 주 응축기(207)의 출구와 압축기(206)의 흡입측을 연결하는 냉매 회수 통로(230)를 포함하며, 다음과 같이 작동한다. 공조 시스템(A)의 가열 작동의 개시 시에 공조 시스템(A)의 주 응축기(207)의 내압(포화압)이 압축기(206)의 흡입압보다 클 때에는, 주 응축기(207) 내에 체류하는 냉매가 냉매 회수 통로(230)를 통해 주 응축기(207)의 출구로부터 압축기(206)의 흡입측으로 액상으로 복귀됨으로써 가열 사이클로 회수되게 한다. 여기에서,파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)가 냉매 회수 통로(230)에 배치된 밸브로서 이용되므로, 다음과 같은 단점이 발생할 우려가 있다. 냉매 회수의 완료 후에 냉매 회수 통로(230)의 전자식 밸브(231a)가 폐쇄(오프-전환)되는 조건하에서, 외기의 온도가 저온(예를 들어, -20 ℃)이고, 객실내의 온도가 약 20 ℃일 때, 주 응축기(207)의 내압(포화압)이 압축기의 흡입압보다 낮아질 수도 있다. 이러한 경우에는, 전자식 밸브(23la)를 통한 냉매의 역류를 허용하도록 전자식 밸브(231a)에 대한 역차압의 작용하에 압축기(206)의 흡입측으로부터 주 응축기(207)로 냉매가 역류할 우려가 있다.
이러한 관점에서, 이 변형예에 따르면, 체크 밸브(232)가 냉매 회수 통로(230)에서 냉매 회수 방향 D3을 기준으로 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)의 하류에 배치된다. 자세히 말하면, 체크 밸브(232)는 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(23la)와 압축기(206)의 흡입측(좀더 자세히 말하면, 축압기(210)의 입구)의 사이에 배치되며 압축기(206)의 흡입측으로부터 주 응축기(207)로의 냉매의 유동을 차단하게 지향된다. 이에 따라, 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)를 이용하는 냉매 회수 시스템(R2)이 냉매 회수 통로(230)에서 냉매의 역류가 발생할 조건에 처할지라도, 체크 밸브(232)의 작용에 의해 역류의 발생이 방지되며, 그럼으로써, 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 압축기(206)의 흡입측으로부터 주 응축기(207)로의 냉매의 누설로 인해 냉매가 주 응축기(207)에 누적되는 것을 방지한다. 이는 공조 시스템(A)의 가열 작동 시에 적정량의 냉매를 유지한다.
기타의 구성 및 작동은 제3 실시예에 따른 공조 시스템(A)에서와 동일하므로, 간략화를 위해 그 설명은 생략하겠다.
도7은 본 발명에 따른 제3 실시예의 공조 시스템(A)의 또 다른 변형예를 예시한다. 이러한 변형예는 도6의 변형예와 유사하지만, 유로 전환 수단으로서의 3-방향 밸브(220)의 대신에 두 개의 전자식 밸브(233, 234)들이 배치되는 것만 다르다. 예를 들어, 두 개의 전자식 밸브(233, 234)들은 각각 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브이며, 그러한 전자식 밸브(233, 234)들이 배치된 유동 방향은 항상 일정하므로, 비용증가를 최소로 억제한다.
이 변형예에서는, 공조 시스템(A)의 냉각 작동시, 주 응축기(207)의 내부관에 배치된 전자식 밸브(233)는 개방(온-전환)되고, 우회로(213)에 배치된 전자식 밸브(234)는 폐쇄(오프-전환)됨으로써 압축기(206)로부터 방출된 냉매가 주 응축기(207)로 도입되고, 그럼으로써, 냉각 사이클을 이룬다. 대조적으로, 공조 시스템(A)의 가열 작동시, 주 응축기(207)의 입구관에 배치된 전자식 밸브(233)는 폐쇄(오프-전환)되고, 우회로(213)에 배치된 전자식 밸브(234)는 개방(온-전환)됨으로써 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 우회로(213)를 통해 부 응축기(205) 내로 직접 도입되며, 그럼으로써, 가열 사이클을 이룬다.
기타의 구성 및 작동은 도6의 변형예에 따른 공조 시스템(A)에서와 동일하므로, 간략화를 위해 그 설명은 생략하겠다.
도8은 본 발명에 따른 공조 시스템(A)의 제3 실시예의 또 다른 변형예를 예시한 것이며, 이는 도5에 도시된 제3 실시예와 유사하지만, 부 증발기, 즉, 외부증발기(235 : 객실의 외측에 배치)가 흡입측(좀더 자세히 말하면, 축압기(210)의 입구)과 증발기(204)의 출구의 사이의 저압측 냉매 통로에 배치되어 공조 시스템(A)의 열펌프 시스템의 가열 성능을 상승시키는 것이 다르다. 부 증발기(235)는 냉매와 부 증발기(235)를 통해 흐르는 엔진 냉각수의 사이의 열교환에 의해 부 증발기를 통해 흐르는 냉매를 가열함으로써 온수와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 작용을 한다. 인용부호 236은 엔진 냉각수가 부 증발기(235)를 통해 유동하게 하는 워터 밸브를 지칭한다.
부 증발기(235)에 의해, 엔진 냉각수가 저온이고 공기와의 열교환에 의해 객실을 가열하기 위해 즉시 이용되기가 곤란한 조건일지라도, 냉매는 엔진 냉각수에 남아 있는 열을 효율적으로 취할 수 있고 부 증발기(235) 내에서 엔진 냉각수와의 열교환에 의해 가열되며, 냉매의 엔탈피가 증가된다. 그 후에, 냉매는 압축기(206)로 복귀하고, 이어서, 다시 압축기(206)에 의해 압력이 증가되게 압축된다. 압축기(206)로부터 방출된 냉매는 좀더 고압으로 되어 부 응축기(205)로 공급된다. 결과적으로, 부 응축기(205)의 방열 성능이 증가되며, 그럼으로써 부 응축기(205) 내에서 열교환되는 공기는 좀더 고온으로 된다. 그러므로, 공조 시스템(A)은 좀더 높은 가열 성능을 가지면서도 객실을 위한 즉시 가열성 또는 신속 가열성이 향상된다.
팽창 밸브(209)가 온도 반응식인 경우에는 팽창 밸브(209)의 온도 탐지 구역(도시 안됨)이 부 증발기(235)의 출구에 배치되는 것이 양호하다. 이에 따라, 냉매의 유량은 부 증발기에 의해 가열되는 냉매의 양에 의해 제어되며, 따라서 부증발기(235)의 작동 중에 대량의 냉매가 순환될 수 있으며, 그럼으로써, 공조 시스템(A)의 가열 성능을 좀더 향상시킬 수 있다.
기타의 구성 및 작동은 도5의 제3 실시예에서와 동일하므로, 간략화를 위해 그 설명은 생략하겠다.
제3 실시예의 공조 시스템(A)에 따르면, 공조 시스템의 가열 작동 시에 냉매는 외부 응축기의 출구로부터 액상으로 회수될 수 있다. 그러므로, 외부 응축기로의 냉매의 역류를 일으킴이 없이 대량의 냉매가 짧은 시간 내에 회수될 수 있다. 공조 시스템의 가열 작동 시에 가열 사이클 내에서의 냉매의 양은 항상 적절한 수준으로 유지될 수 있다. 이것은 냉매부족 상황으로 인한 열악한 가열 성능의 문제나 열악한 윤활 특성의 문제를 해결함으로써 공조 시스템의 성능과 신뢰도를 향상시킨다.
본 발명의 자동차용 열펌프식 공조 시스템을 제공함으로써, 공조 시스템의 손상이 방지되고 신뢰성이 고양되며 비용이 절감되는 한편, 자동차의 운전성이 효율적으로 향상되게 됩니다.

Claims (10)

  1. 자동차용 열펌프식 공조 시스템(A)에 있어서,
    엔진의 엔진 냉각수가 흐르는 히터 코어(11)와, 압축기(1) 및 제1 응축기(3)를 포함하고 냉매가 순환하는 냉각 사이클의 일부를 이루는 제1 열교환기(12)를 포함하는 제1 유니트(10)와; 상기 제1 열교환기(12)와 병렬로 유체 연결된 제2 응축기(21) 및 제2 열교환기(22)를 포함하는 제2 유니트(20)와; 상기 제2 응축기(21)와 직렬로 유체 연결되고 냉매의 일부가 상기 밸브를 통해 상기 제2 응축기(21) 및 상기 제2 열교환기(22) 내로 도입되도록 배치된 밸브(V2)와; 상기 제1 및 제2 유니트들의 외측에 배치되고 상기 제2 열교환기(22)와 직렬로 유체 연결되는 부 열교환기(30)와; 상기 압축기(1)가 상기 엔진에 구동 연결되게 하는 전자기식 클러치(40)와; 상기 전자기식 클러치(40)에 작동 연결되어 상기 공조 시스템 내의 온도에 따라 상기 전자기식 클러치(40)가 분리될 수 있도록 제어하는 제어 장치(C)를 포함하고,
    상기 제2 열교환기(22)로부터 흐르는 상기 냉매는 상기 엔진 냉각수의 일부에 의해 가열되도록 상기 부 열교환기 내로 도입되며 상기 부 열교환기로부터 방출된 냉매는 상기 압축기로 복귀되고, 상기 전자기식 클러치는 상기 압축기를 작동시키도록 상기 압축기와의 사이에 동력 연결을 이루게 맞물리며 상기 압축기를 비작동시키도록 상기 동력 연결을 차단하게 분리되는
    것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치(C)는 상기 제2 유니트에서 취해진 온도가 정해진 수준에 도달하면 상기 전자기식 클러치를 분리시키게 구성된 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  3. 자동차용 열펌프식 공조 시스템에 있어서,
    엔진의 엔진 냉각수가 흐르는 히터 코어(111)와, 서로 직렬로 유체 연결된 제1 응축기(103)와 제1 액체 탱크(104a)와 제1 팽창 밸브(105a)를 포함하는 제1 냉각 사이클의 일부를 이루는 제1 증발기(112)를 포함하는 제1 유니트(110)와; 제2 응축기(121)와, 제2 액체 탱크(104b) 및 제2 팽창 밸브(105b)를 통해 상기 제2 응축기(121)와 직렬로 유체 연결된 제2 증발기(122)를 포함하는 제2 유니트(120)와; 상기 제1 응축기(103)와 직렬로 유체 연결되어 상기 공조 시스템(A)의 가열 작동 중에 상기 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매를 상기 제2 냉각 사이클로 도입하는 냉매 회수 라인(R1)을 포함하고,
    상기 제1 냉각 사이클에는 엔진에 의해 구동되는 압축기(101)로부터 방출된 냉매가 제1 밸브(V11)를 통해 공급되고, 상기 압축기는 상기 제1 증발기(112)와 직렬로 유체 연결되고, 상기 제2 응축기(121) 및 상기 제2 증발기(122)는 상기 압축기(101)와 직렬로 유체 연결되어 상기 압축기(101)로부터 방출된 냉매의 일부가 제2 밸브(V12)를 통해 공급되는 제2 냉각 사이클의 일부를 이루는
    것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉매 회수 라인(R1)은 상기 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매를 상기 제2 액체 탱크(104b)로 도입하는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 냉매 회수 라인(R1)은 상기 제1 응축기(103)의 출구 및 상기 제2 응축기(121)의 출구에 유체 연결된 냉매 통로(P)와, 상기 냉매 통로(P) 내에 배치되어 있으며 상기 공조 시스템의 가열 작동 중에 냉매가 통과할 수 있도록 작동가능한 제3 밸브(V13)와, 상기 제1 응축기(103)로부터 방출된 냉매가 상기 제2 응축기(121)를 향해 흐르도록 상기 냉매 통로(P) 내에 배치되어 있는 일방향 밸브(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유니트들의 외측에 배치되어 있는 부 열교환기(130)를 또한 포함하고, 상기 제2 증발기(122)로부터 방출된 냉매는 엔진 냉각수의 일부에 의해 가열되도록 상기 부 열교환기(130)로 도입되며, 상기 부 열교환기(130)로부터 방출된 냉매는 상기 압축기(101)로 복귀되는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  7. 자동차용 열펌프식 공조 시스템에 있어서,
    냉매 파이프(212)를 통해 서로 직렬로 연결된 압축기(206)와, 자동차의 객실의 외측에 배치된 외부 응축기(207)와, 객실의 내측에 배치된 내부 응축기(205)와, 감압 장치(209)와, 상기 객실의 내측에 배치된 내부 증발기와;
    상기 압축기(206)로부터 방출된 냉매가 상기 외부 응축기(207)를 우회해서 상기 내부 응축기(205)로 도입될 수 있도록 상기 외부 응축기를 우회하게 형성된 우회로(213)와;
    상기 공조 시스템의 냉각 작동 중에는 상기 외부 응축기(207)로 상기 공조 시스템의 가열 작동 중에는 상기 우회로(213)로 상기 압축기(206)로부터 방출된 냉매를 도입하는 유로 변경 장치(220)와;
    상기 외부 응축기(207)의 출구측 및 상기 압축기(206)의 흡입측에 연결되게 배치되어 상기 외부 응축기(207) 내에 체류하고 있는 냉매가 상기 압축기(206)의 흡입측으로 복귀되는 냉매 회수 통로(230)와;
    상기 냉매 회수 통로(230) 내에 배치되어 냉매 회수 통로를 통해 냉매가 흐르는 것을 허용하도록 개방되며 냉매 회수 통로를 통해 냉매가 흐르는 것을 방지하도록 폐쇄시키는 밸브(231)를
    포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 밸브는 상기 공조 시스템의 가열 작동의 개시 후에 일정한 시간 동안 개방되어 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 밸브가 회수될 냉매가 흐르는 냉매 회수 방향으로 냉매의 유동을 제어하게 지향되도록 배치되어 있는 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)인 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 냉매가 냉매 회수 방향의 반대 방향으로 흐르는 것을 방지하도록 상기 냉매 회수 통로(230) 내에 배치되어 있는 체크 밸브(232)를 또한 포함하고, 상기 체크 밸브는 냉매 회수 방향에서 상기 파일럿 차압 작동식 전자식 밸브(231a)의 하류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열펌프식 공조 시스템.
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