KR101551973B1 - 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 차량내 에어컨 시스템을 구성하는 부품중 현 기계식 TXV 대신 냉매 유량의 능동적 제어를 통한 연비개선을 목적으로한 전자팽창밸브(Electronic eXpasion Valve, 이하 EXV)를 적용한 에어컨 시스템 제어기술에 관한 것이다.

Description

전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템 {Air Conditioning System for Vehicle Using a Electronic Expasion Valve}

본 발명은 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 차량내 에어컨 시스템을 구성하는 부품중 현 기계식 TXV 대신 냉매 유량의 능동적 제어를 통한 연비개선을 목적으로한 전자팽창밸브(Electronic eXpasion Valve, 이하 EXV)를 적용한 에어컨 시스템 제어기술에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 구비되는 에어컨 시스템을 구성하는 부품 중에 냉매 유량의 제어를 위하여 팽창밸브가 구비된다.

통상적으로 차량의 에어컨 시스템에 구비되는 팽창밸브는 기계식 팽창밸브(Thermal eXpansion Valve, TXV)가 적용되고 있다.

상기 TXV가 사용된 차량용 TXV 에어컨 시스템은 상기 TXV가 수액기로부터 유입된 고온 고압의 액체 냉매를 작은 구멍을 통하여 분사함으로써 감압 팽창시켜 저온 저압의 무화 상태의 냉매로 변환시키고, 증발기 출구에서 냉매의 증발 상태가 적절한 과열도를 유지하도록 냉매량을 조절하는 기능을 하기 때문에 자동차 실내 온도의 변동 및 압축기 회전수의 변동에 따라 냉매량을 자동적으로 조절하도록 이루어진다.

한편, 공지의 에어컨 시스템에 사용되는 밸브에는 상기와 같은 TXV를 대체하는 전자식 팽창밸브(Electronic eXpasion Valve, 이하 'EXV'라 함)가 또한 공지되어 사용되고 있다. 상기 전자식 팽창밸브는 주로 가정용 에어컨에 적용되어 사용되고 있으며, 냉매 유량의 능동적 제어를 통한 연비개선을 목적으로 종래의 기계식 팽창밸브를 대체하여 개발되어 사용되고 있다.

일반적으로 상기 EXV가 적용된 EXV 에어컨 시스템은 상기 TXV가 적용된 종래의 TXV 에어컨 시스템과 밸브 구조를 제외한 부분에서 동일한 구조로 이루어진다. 다시말해서, 상기 EXV 에어컨 시스템은 냉매유량의 최적 제어를 위해 증발기에서 토출되는 냉매의 과열도를 검출 가능한 센서를 구비하고 과열도를 모니터링하여 목표한 과열도로 도달할 수있도록 전자팽창변의 개도량을 제어하는 컨트롤을 구비하며 컨트롤에 의해 증발기 출구의 냉매 팽창 및 냉매유량을 조절하여 과열도를 발생시키는 밸브로 구성된다.

그러나, 상기 EXV 에어컨 시스템은 일반적으로 목표한 과열도에서 과열도 변동(Fluctuation)이 발생하는 문제가 있었다. 특히, 상기 EXV 에어컨 시스템은 요구되지 않은 시스템 딜레이 또는 통신 딜레이로 인하여 급격한 과열도 변동(오버슈팅 또는 언더슈팅)이 발생할 수 있었다. 상기 시스템 딜레이는 상기 EXV가 목표 과열도를 트래킹(Tracking) 하는 과정에서 개도량 변경시 과열도 변화에 미치는 시간적 딜레이를 말하는 것이고, 상기 통신 딜레이는 에바출구에서 측정된 과열도가 제어부로 전달되고 제어부에서 상기 EXV로 제어 신호를 보내는 과정에서 오는 시간적 딜레이를 말하는 것으로, 상기 EXV 에어컨 시스템은 상기와 같은 시스템 딜레이 또는 통신 딜레이로 인하여 급격한 과열도 변동이 발생할 수 있는 문제를 가지고 있었다.

상기와 같이 유발되는 급격한 과열도 변동은 곧 시스템 냉방성능을 저하시키는 결과를 가져오므로, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서,

냉매 유량의 능동적 제어를 통한 연비개선을 목적으로한 전자 팽창밸브(Electronic eXpasion Valve, 이하 EXV)를 차량의 에어컨 시스템에 적용시키고, 상기 EXV 에어컨 시스템의 밸브를 제어함에 있어서, 목표한 과열도에서 발생할 수 있는 과열도 변동의 수준을 감소시킴으로써 상기 과열도 변동에 의하여 발생할 수 있는 시스템 냉방성능 저하를 방지하고, 시스템의 안정성을 증대시키기 위한 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

냉매를 증발시켜 차량내 공기와 열교환하는 증발기, 열교환된 냉매를 고온 및 고압의 냉매로 압축하는 컴프레서, 상기 컴프레서로부터 토출된 냉매를 차량밖 외부공기를 통해 냉각하는 응축기를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에 있어서, 상기 응축기에 의해 냉각된 냉매를 다시 저온 및 저압의 냉매로 팽창시키고, 상기 냉매의 유량을 조절하도록 스텝모터를 구비한 전자팽창밸브(EXV); 상기 증발기의 출구에 배치되어 상기 증발기에서 토출되는 냉매의 과열도를 측정하는 검출기; 및

상기 검출기으로부터 측정된 냉매의 과열도를 수신하고, 상기 전자팽창밸브의 스텝모터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 과열도의 변화에 따른 과열도 기울기를 산출하고, 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 과열도 기울기가 상기 기준치 이하로 유지되도록 상기 EXV의 개도량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 과열도 기울기가 과열도 상승구간에서 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 EXV의 개도량을 감소시키고, 과열도 기울기가 과열도 하강구간에서 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 EXV의 개도량을 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 최초 과열도 발생시 상기 EXV의 개도량을 저장하고, 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하면 저장된 EXV의 개도량과 동일하게 현재 EXV의 개도량을 변경하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 과열도 상승구간에 대응하는 제1기준치 및 과열도 하강구간에 대응하는 제2기준치를 각각 사전 설정하여 저장하고, 과열도 기울기 상승구간에서는 상기 제1기준치와 비교하고, 과열도 기울기 하강구간에서는 상기 제2기준치와 비교하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 아래와 같은 장점을 제공한다.

차량의 에어컨 시스템의 증발기 출구의 과열도 오버/언더 슈팅을 방지하여 냉방 성능저하가 없도록 하며 최종적으로 과열도 제어가 목표과열도에 수렴하도록 함으로써 에어컨 냉매 유량을 효율적으로 제어하는 효과가 있다.

따라서, 본 발명이 적용된 차량의 에어컨 시스템은 기존 기계식 팽창밸브(TXV)가 적용된 차량의 에어컨 시스템에 비하여, 과열도에 대응하여 냉매의 유량을 제어함으로써 연비가 개선되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어부의 제어 EXV제어 단계를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 도 2의 방법을 통하여 상기 검출기으로부터 검출된 온도와, 이에 대응하여 상기 제어부에서 상기 EXV를 제어하여 조절된 EXV 개도량을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 차량용 에어컨 시스템에 적용되는 냉매 유량의 능동적 제어를 통하여 차량 연비를 효율적으로 개선시키는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 위하여 전자 팽창밸브(Electronic eXpasion Valve, 이하 EXV)를 차량의 에어컨 시스템에 적용시키고, 상기 에어컨 시스템의 EXV를 제어함에 있어서, 상기 에어컨 시스템의 증발기 출구의 과열도를 측정하고, 측정된 과열도와 이에 대응하는 목표한 과열도에서 발생할 수 있는 과열도 변동 수준을 감소시킴으로써, 상기 과열도 변동에 의하여 발생할 수 있는 시스템 냉방성능 저하를 방지하고, 시스템의 안정성을 증대시키는 구성을 가진다.

상기한 본 발명의 구성을 따르는 본 발명의 바람직한 실시예를 이하의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 냉매를 증발시켜 실내공기와 열교환하는 증발기(50)와 열교환된 냉매를 고온 및 고압의 냉매로 압축하는 컴프레서(60)，상기 컴프레서(60)로부터 토출된 냉매를 차량밖 외부공기를 통해 냉각하는 응축기(40), 응축기(40)에 의해 냉각된 냉매를 다시 저온 및 저압의 냉매로 팽창시키는 동시에 증발기(50) 출구로 토출되는 냉매의 과열도를 가변적으로 조절가능한 모터를 구비한 전자팽창밸브(EXV)(20)를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 증발기(50)에서 토출되는 냉매의 과열도를 검출하는 검출기(30) 및 상기 검출기(30)를 통하여 검출된 과열도를 사전 설정한 기준치와 비교하고 목표한 과열도로 팽창수단을 제어하는 컨트롤러을 더 구비함으로써, 상기 컨트롤러에 의하여 상기 팽창밸브(20)를 과열도에 대응하여 제어하도록 구성된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 검출기(30)는 압력-온도 센서를 포함하여 이루어진다. 상기 압력-온도(Pressure-Temperature) 센서(이하 'P-T센서'라 함)는 압력과 온도를 측정 가능한 공지의 센서로서, 공지의 장치이므로 그 구성상의 상세한 설명은 생략한다. 그러나, 본 발명의 검출기(30)는 상기한 P-T센서로 한정되는 것은 아니며, 그 외의 증발기(50)의 출구 과열도를 검출하기 위한 공지의 어떠한 센서라도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

상기 검출기(30)는 상기 증발기(50)의 출구에 배치되어 상기 증발기(50)에서 토출되는 냉매의 압력 및 온도를 측정하도록 구성된다. 상기 검출기(30)에서 검출된 냉매의 압력 및 온도는 상기 제어부(10)에 전송되고, 상기 제어부(10)는 수신한 냉매의 압력 및 온도를 모니터링하여 증발기(50) 출구의 과열도를 모니터링할 수 있다.

상기 제어부(10)는 상기와 같이 검출기(30)를 통하여 검출되는 냉매의 압력 및 온도를 바탕으로 상기 증발기(50)의 과열도를 모니터링함과 동시에, 사전 설정된 기준치와 상기 모니터링된 증발기(50)의 과열도를 비교하여 EXV(20)의 개도를 제어한다.

이때, 상기 제어부(10)는 상기 검출기(30)으로부터 수신한 과열도를 모니터링함에 있어서, 상기 과열도의 변화에 따른 과열도 기울기를 산출하고, 산출된 과열도 기울기와 사전 설정된 기준치를 비교하여 산출된 과열도가 기준치를 초과하면 상기 과열도 기울기가 상기 기준치 이하로 유지되도록 상기 EXV(20)의 개도량을 제어하도록 이루어진다.

더 바람직하게는, 상기 제어부(10)는 과열도 기울기가 과열도 상승구간에서 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 EXV(20)의 개도량을 증가시키고, 과열도 기울기가 과열도 하강구간에서 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 EXV(20)의 개도량을 감소시키도록 제어함으로써, 과열도 상승시 상기 과열도가 급격하게 증가하거나, 과열도 하강시 상기 과열도가 급격하게 하강하는 것을 방지하고, 이를 통하여 냉방성능 저하를 방지한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제어부(10)는 최초 과열도 발생시 상기 EXV(20)의 개도량을 저장하고, 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하면 저장된 EXV(20)의 개도량과 동일하게 현재 EXV(20)의 개도량을 변경한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 제어부(10)는, 과열도 상승구간에 대응하는 제1기준치 및 과열도 하강구간에 대응하는 제2기준치를 각각 사전 설정하여 저장하고, 과열도 기울기 상승구간에서는 상기 제1기준치와 비교하고, 과열도 기울기 하강구간에서는 상기 제2기준치와 비교하도록 이루어진다. 이때, 상기 제1기준치와 제2기준치는 서로 다른 값이거나, 또는 서로 같은 값일 수 있다. 따라서, 상기 제어부(10)는 과열도에 대응하여 EXV(20)의 개도량을 제어함에 있어서, 과열도 상승구간과 과열도 하강구간에 서로 다른 기준치를 적용할 수 있다.

상기 EXV(20)는 스텝모터부(21)와 냉매팽창부(22)를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(10)는 상기 EXV(20)의 스텝모터부(21)의 작동을 제어하여 상기 스텝모터부(20)의 작동에 따라 구동되는 냉매팽창부(22)의 작동을 제어한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 제어부(10)의 과열도 판단은 과열도가 발생하여 과열도가 상승하는 과열도 상승구간 또는 과열도가 상승된 후 하강하는 과열도 하강구간을 인지하고, 이를 사전 설정된 과열도의 기준치와 비교하도록 이루어진다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어부(10)의 제어 EXV(20)제어 단계를 나타내는 플로우차트이며, 도 3은 도 2의 방법을 통하여 상기 검출기(30)으로부터 검출된 온도와, 이에 대응하여 상기 제어부(10)에서 상기 EXV(20)를 제어하여 조절된 EXV(20) 개도량을 나타내는 그래프이다.

도시된 바와 같이, 상기 제어부(10)는 상기 검출기(30)으로부터 검출된 상기 증발기(50) 출구 온도를 바탕으로 과열도를 인식하고, 상기 과열도의 상승구간과 하강구간에 대응하여 상기 EXV(20)를 조절하도록 구성된다.

먼저, 상기 제어부(10)는 상기 검출기(30)으로부터 검출된 증발기(50) 출구 온도 정보로부터 과열도 발생을 모니터링하고, 최초 과열도 발생시(0℃ 이상), EXV(20) 개도량을 레코딩한다(S001).

이후, 과열도가 증가하여 목표과열도에 도달하면(정상 제어시 과열도와 차이가 0℃인 지점) 해당 시점에서 과열도 변동(Fluctuation)이 발생할 수 있으므로, 해당 시점에서 상기 제어부(10)는 과열도의 기울기를 판단한다(S002). 과열도 기울기의 판단은 상기 제어부(10)에서 과열도의 증가를 지속적(또는 특정한 주기적)으로 판단함으로써 달성될 수 있다.

상기 제어부(10)는 상기 단계(S002)에서 측정된 과열도 기울기와 사전 설정된 기준치를 비교하고, 상기 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하는지 판단한다(S003). 상기 단계 S003에서 측정된 과열도 기울기는 상술한 과열도 변동에 의하여 달라질 수 있으며, 급격한 과열도의 증가는 시스템의 냉방성능 저하를 수반하기 때문에 이를 방지하기 위하여 상기 단계를 수행한다.

상기 단계 S003에서 현재 측정된 과열도 기울기가 기준치 이하인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 과열도 제어를 통상의 방법으로 제어한다(S004).

반면, 상기 단계 S003에서 현재 측정된 과열도 기울기가 기준치 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 과열도 제어를 통상의 방법과는 다르게 제어한다(S005). 이 단계에서, 과열도 기울기가 기준치를 초과한다는 것은 과열도의 증가가 급격하게 이루어진 것이므로, 상기 제어부(10)는 EXV(20)의 개도량을 통상의 제어시 보다 더 증가시켜 냉매 유량을 증가시킨다. 이 단계에서는 상기 단계 S001에서 레코딩된 EXV(20)개도량에 대응하도록 상기 EXV(20)개도량이 조절될 수 있다. 결과적으로 상기 EXV(20)개도량의 조절에 의하여 냉매의 유량이 증대됨에 따라 과열도의 급격한 상승을 방지할 수 있다.

이후, 상기 제어부(10)는 과열도가 하강하는것으로 판단되면 해당 시점의 EXV(20) 개도량을 레코딩한다(S006).

이후, 과열도가 하강하여 목표과열도에 도달하면(정상 제어시 과열도와 차이가 0℃인 지점) 해당 시점 역시 과열도 변동(Fluctuation)이 발생할 수 있으므로, 해당 시점에서 상기 제어부(10)는 과열도의 기울기를 판단한다(S007).

상기 제어부(10)는 상기 단계(S007)에서 측정된 과열도 기울기와 사전 설정된 기준치를 비교하고, 상기 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하는지 판단한다(S008). 상기 단계 S007에서 측정된 과열도 기울기는 상술한 과열도 변동에 의하여 달라질 수 있으며, 급격한 과열도의 증가는 시스템의 냉방성능 저하를 수반하기 때문에 이를 방지하기 위하여 상기 단계를 수행한다.

상기 단계 S008에서 현재 측정된 과열도 기울기가 기준치 이하인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 과열도 제어를 통상의 방법으로 제어한다(S009).

반면, 상기 단계 S008에서 현재 측정된 과열도 기울기가 기준치 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 과열도 제어를 통상의 방법과는 다르게 제어한다(S010). 이 단계에서, 과열도 기울기가 기준치를 초과한다는 것은 과열도의 하강이 급격하게 이루어진 것이므로, 상기 제어부(10)는 EXV(20)의 개도량을 통상의 제어시 보다 더 감소시켜 냉매 유량을 감소시킨다. 결과적으로 냉매의 유량의 저감에 따라 과열도의 급격한 저하를 방지할 수 있다.

본 발명은 상기와같은 구성을 통하여 목표한 과열도에서 발생할 수 있는 과열도 변동의 수준을 감소시키고, 이에 따라 상기 과열도 변동에 의하여 발생할 수 있는 시스템 냉방성능 저하를 방지하고, 시스템의 안정성을 증대시킬 수 있다. 더 나아가, 본 발명은 상기와 같은 에어컨 냉방성능 저하를 방지함으로 인하여 차량의 전체적인 연비를 증대시킬 수 있는 장점을 제공한다.

이상으로 본 발명의 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 제어부
20: 전자팽창밸브 (EXV)
21: 스텝모터부
22: 냉매팽창부
30: 검출기
40: 응축기
50: 증발기
60: 컴프레서

Claims (4)

1. 냉매를 증발시켜 차량내 공기와 열교환하는 증발기, 열교환된 냉매를 고온 및 고압의 냉매로 압축하는 컴프레서, 상기 컴프레서로부터 토출된 냉매를 차량밖 외부공기를 통해 냉각하는 응축기를 포함하는 차량용 에어컨 시스템에 있어서,
   상기 응축기에 의해 냉각된 냉매를 다시 저온 및 저압의 냉매로 팽창시키고, 상기 냉매의 유량을 조절하도록 스텝모터를 구비한 전자팽창밸브(EXV);
   상기 증발기의 출구에 배치되어 상기 증발기에서 토출되는 냉매의 과열도를 측정하는 검출기; 및
   상기 검출기으로부터 측정된 냉매의 과열도를 수신하고, 상기 전자팽창밸브의 스텝모터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 과열도의 변화에 따른 과열도 기울기를 산출하고, 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하면 상기 과열도 기울기가 상기 기준치 이하로 유지되도록 상기 EXV의 개도량을 제어하되,
   과열도 상승구간에 대응하는 제1기준치 및 과열도 하강구간에 대응하는 제2기준치를 각각 사전 설정하여 저장하고, 과열도 기울기 상승구간에서는 상기 제1기준치와 비교하고, 과열도 기울기 하강구간에서는 상기 제2기준치와 비교하며,
   과열도 기울기가 과열도 상승구간에서 상기 제1기준치를 초과하면 상기 EXV의 개도량을 감소시키고, 과열도 기울기가 과열도 하강구간에서 상기 제2기준치를 초과하면 상기 EXV의 개도량을 증가시키도록 제어하고,
   최초 과열도 발생시 상기 EXV의 개도량을 저장하고, 과열도 기울기가 사전 설정된 기준치를 초과하면 저장된 EXV의 개도량과 동일하게 현재 EXV의 개도량을 변경하는 것을 특징으로 하는 전자팽창밸브를 이용한 차량용 에어컨 시스템.
   
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