KR102188104B1 - 자동차용 열 시스템 및 상기 열 시스템의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자동차의 객실에 공급될 하나 이상의 공기 질량 흐름과 드라이브 트레인의 컴포넌트를 컨디셔닝하기 위한 하나 이상의 냉매 순환계(2, 2-1) 및 이러한 냉매 순환계(2, 2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 하나 이상의 냉각제 순환계(3-1)를 구비한 자동차용 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b), 특히 열관리 시스템에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계(2, 2-1)는 압축기(4, 4-1), 응축기/가스 냉각기(5)로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기(5), 증발기(10-1, 10-2)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(7)를 갖는 하나 이상의 제1 열교환기 및 증발기(12)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(8)를 갖는 하나 이상의 제2 열교환기를 구비한다. 상기 냉각제 순환계(3-1)는 상기 냉매 순환계(2, 2-1)의 냉매-냉각제 열교환기(5), 열을 주변 공기로 전달하기 위한 냉각제-공기 열교환기(13) 및 축열기 장치(20-1, 20-2)를 구비하여 형성되어 있다.
본 발명은 또한, 상기 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)의 작동 방법 및 용도와도 관련이 있다.

Description

자동차용 열 시스템 및 상기 열 시스템의 작동 방법{THERMAL SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE THERMAL SYSTEM}
본 발명은, 높은 냉각 수요(high cooling demand)에 따라, 자동차의 객실에 공급될 하나 이상의 공기 질량 흐름과 드라이브 트레인(drive train)의 컴포넌트를 컨디셔닝(conditioning)하기 위한 하나 이상의 냉매 순환계 및 이러한 냉매 순환계로부터 열을 흡수하기 위한 하나 이상의 냉각제 순환계를 구비한 자동차용 열 시스템(thermal system), 특히 열관리 시스템(thermal management system)에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기 및 각각 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 하나 이상의 제1 및 제2 열교환기를 구비한다.
본 발명은 또한, 상기 열 시스템의 작동 방법 및 용도와도 관련이 있다.
스포츠카 및 상용차 또는 약칭 SUV로도 언급되는 스포츠 유틸리티 차량, 차체가 상승된 차량, 하이 루프 콤비 또는 약칭 VAN로도 언급되는 미니 버스 또는 고급 차량 같은 객실 공간이 넓은, 종래 기술에 공지된 승용차들은 객실의 상이한 영역을 서로 개별적으로 공기 조화하기 위해 적어도 2개의 증발기를 갖는 냉매 순환계들 및 공조 시스템을 구비하여 형성된다. 이 경우, 객실은 특히 전방 및 후방 영역으로 세분된다. 프런트 영역으로도 언급되는 전방 영역과 리어 영역으로도 언급되는 후방 영역은 자동차의 주행 방향과 관련된다.
제1 공기 질량 흐름은, 운전자와 동승자 모두를 위한 쾌적한 실내 공기를 조성하기 위해, 제1 증발기(소위 프런트 증발기)에서 과류 현상 발생 시 컨디셔닝되고 객실의 전방 영역으로 안내된다. 제2 공기 질량 흐름은, 객실 내부에서 두 번째 및 경우에 따라 세 번째 좌석 열의 동승자를 위한 쾌적한 실내 공기를 조성하기 위해, 제2 증발기(소위 리어 증발기)에서 과류 현상 발생 시 컨디셔닝되고 객실의 후방 영역으로 안내된다.
상기 프런트 증발기와 리어 증발기는 서로 분리되어 형성된 공조 유닛들 내에 배치된다. 이 경우 각 공조 유닛은 필요한 공기 온도와 미리 주어진 공기 유동 방향에 따라 서로 독립적으로 원하는 공기량을 제공할 수 있다.
또한, 약칭 EV로 언급되는 전기 자동차 또는 약칭 BEV로 언급되는 배터리 전기 자동차 또는 약칭 HEV로 언급되는 하이브리드 자동차 또는 PHEV로도 언급되는 플러그인 하이브리드 자동차 또는 약칭 FCV로 언급되는 연료 전지 차량과 같은 고도로 전동화된 자동차(high-electrified vehicle)들은 고전압 배터리 내부 충전기, 변압기, 인버터 및 전기 모터와 같은 추가 컴포넌트들에 의한 형성으로 인해 대게 순수하게 내연 기관에 의해 구동되는 드라이브를 갖는 자동차로서 비교적 높은 냉각 수요를 갖는다. 특히, 언급한 차량들은 드라이브 트레인의 고전압 배터리와 같이 전기 에너지 저장 장치의 상승된 냉각 요건으로서 상기 에너지 저장 장치의 고속 충전 옵션과 함께 형성될 수 있다. 이러한 경우 매우 높은 충전 전류는 특히 높은 전기적 손실을 야기하고, 결과적으로 에너지 저장 장치의 상당한 가열로 이어진다. 특히, 고전압 배터리의 허용 온도 한계(통상적으로 20℃ 내지 35℃)를 준수하기 위해, 칠러로도 언급되는 추가 냉매-냉각제 열교환기 또는 배터리 냉각기로서 형성된 직접 냉매 냉각식 열교환기가 제공된다.
추가로 전기 하이브리드 드라이브를 갖는 종래의 자동차는 저온 냉각제 순환계를 구비하고, 이러한 저온 냉각제 순환계 내에는 드라이브 컴포넌트로부터 방출된 열을 배출시키기 위해 순환하는 냉각제가 공랭식 저온 냉각기를 통해 안내된다. 상기 저온 냉각기를 관류할 때, 열의 적어도 일부가 냉각제로부터 주변 공기로 전달된다. 이 경우 예를 들면 90℃까지의 온도에서 작동을 가능하게 하는 전기 구동 모터 또는 인버터와 같은 컴포넌트들의 열이 배출될 수 있는데, 이들 컴포넌트는 주변 공기의 온도보다 높은 온도에서 작동된다.
종래 기술에는 드라이브 트레인의 고전압 배터리를 온도 조절하기 위한, 특히 냉각하기 위한 여러 시스템 및 방법은 공지되어 있다.
따라서 예를 들면, 추가 공기 송풍기에 의한 공기 냉각을 기본으로 하는 시스템이 형성되어 있고, 이때 상기 공기 송풍기는 객실로부터 공기를 흡입한다. 이 경우 객실로부터 흡인된 공기는 일반적으로 주변 공기 또는 외부 공기보다 건조하고 서늘하다. 이와 같이 서늘하고 건조한 공기는 고전압 배터리가 배치된 하우징을 통해 이송되고 배터리 셀의 열을 흡수한다. 이어서 가열된 공기는 주변으로 보내어진다. 배터리 셀에서 배터리 셀 주위로 흐르는 공기로의 열전달은 한편으로는 배터리 셀의 냉각을 야기하고, 다른 한편으로는 공기 흐름을 가열한다.
냉각제 냉각을 기반으로 하는 또 다른 시스템의 경우, 냉각제가 관류하는 열교환기는 고전압 배터리의 배터리 셀과 직접 접촉하여 배치된다. 이 경우 열은 배터리 셀에서 접촉 열교환기를 통해 흐르는 냉각제로 전달된다. 배터리 셀에서 배터리 셀 주위로 흐르는 냉각제로의 열전달은 한편으로는 배터리 셀의 냉각을 야기하고, 다른 한편으로는 냉각제를 가열한다. 주변 공기의 온도가 배터리 셀의 온도보다 낮은 경우에는 일반적으로 냉각제-공기 열교환기에서 접촉 열교환기 내에서 냉각제로부터 흡수된 열을 상대적으로 온도가 더 낮은 주변 공기로 전달하기에 충분하다.
주변 공기의 온도가 배터리 셀의 온도보다 높거나, 대략 배터리 셀의 온도에 상응하면 냉각제는 냉각제-냉매 열교환기를 통해 안내되며, 이 경우 상기 냉각제-냉매 열교환기에서, 접촉 열교환기 내에서 냉각제로부터 흡수된 열이 냉매로 전달된다. 각각의 필요한 냉각제 질량 흐름은 냉각제 순환계 내부에 형성된 이송 장치를 통해, 특히 냉각제 펌프를 통해서 제공된다. 바람직하게는 증발기로서 작동하는 냉각제-냉매 열교환기는 냉매 순환계의 저압 측에 배치되어 있다. 배터리 셀에서 배터리 셀 주위로 흐르는 냉각제로 전달된 열은 냉각제에서 냉매로 전달되며, 이때 냉각제가 냉각되고, 상기 냉매는 증발 및 과열될 수 있다. 후속해서 냉매로부터 흡수된 열은 냉매 순환계에서 고압 측에 배치되고, 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-공기 열교환기 내에서 주변 공기로 전달된다.
냉매 냉각을 기반으로 하는 또 다른 시스템의 경우, 냉매가 관류하는 열교환기는 고전압 배터리의 배터리 셀과 직접 접촉하여 배치된다. 이 경우 주변 공기의 온도와 관계없이 열은 일시적으로 배터리 셀에서 증발기로서 작동하는 접촉 열교환기를 관류하는 냉매로 전달된다. 이 경우 냉매는 증발하고 경우에 따라 과열된다. 후속해서 냉매로부터 흡수된 열은 냉매 순환계 내에서 고압 측에 배치되고, 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-공기 열교환기에서 주변 공기로 전달된다.
종래 기술에서 공지된 자동차 드라이브 트레인의 고전압 배터리를 냉각하기 위한 시스템들과 방법들의 경우, 자동차 정지 상태에서 고전압 배터리 충전 시, 충분한 냉각 용량을 달성하는 데 필요한 공기량이 이용 가능한 공기 송풍기들에 의해 제공될 수 없다. 상응하는 냉각 용량에 필요한 충분한 양의 공기를 공급한다고 가정하더라도, 높은 공기량의 흐름으로 인해 소음 수준이 현저하게 증가할 수 있다. 또한, 사용 가능한 컴포넌트가 있는 냉매 순환계를 사용해도 최대 16kW 이상의 필요한 최대 냉각 용량을 달성할 수 없다.
DE 10 2017 101 217 A1호에는 축열기 장치, 냉각제 밸브, 온도 센서 및 제어 장치를 구비한 열 배터리 시스템이 개시된다. 상기 축열기 장치는 제1 위상 전이 온도를 갖는 제1 위상 전이 물질 그리고 제1 위상 전이 온도와 다른 제2 위상 전이 온도를 갖는 제2 위상 전이 물질을 포함한다. 상기 냉매 밸브는, 상기 축열기 장치를 의도한 대로 엔진 냉각제 순환계와 연결하고 상기 축열기 장치를 통해 순환하는 냉각제의 양을 조절하기 위해 제1 위치와 제2 위치 사이에서 조정 가능하게 형성되어 있다. 배터리 셀 가열 시 그리고 위상 변화 물질(phase change material)의 적합한 융점 선택 시 열이 배터리 셀에서 위상 변화 물질로 직접 전달되도록, 위상 변화 물질은 배터리 셀과 직접 접촉한다.
충분한 냉각 성능과 내구성을 보장하기 위해 배터리 셀은 20℃ 내지 35℃, 특히 25℃ 내지 35℃의 온도 범위에서 작동해야 하므로, 위상 변화 물질은 35℃보다 낮은 융점을 가져야 하며, 그 결과 열이 배터리 셀에서 위상 변화 물질로 전달될 수 있다. 주변 공기의 온도가 35℃를 초과하고, 잠열 축열기(latent heat accumulator)가 완전히 충전된 경우(이때 위상 변화 물질은 액체 상태임) 자동차 정지 상태에서는 배터리 셀의 열로부터 열이 흡수될 수 없다. 위상 변화 물질의 용융 온도보다 낮은 온도 레벨로 배터리 셀을 냉각하기 위해서는 먼저 잠열 축열기에서 저장된 전체 잠열이 제거되어야 한다.
본 발명의 과제는, 높은 냉각 수요를 갖는 자동차, 예를 들어 고도로 전동화된 자동차에 충분한 냉각 용량을 갖는 열적 시스템, 특히 열관리 시스템을 제공하는 것이다. 이 경우 예를 들어, 주변 공기의 온도가 높은 경우에도 피크 열 부하가 고려되고 기본 열 부하기 주변으로 배출될 수 있도록, 축열기 장치가 상기 열 시스템에 통합되어야 한다. 또한, 상기 축열기 장치는 필요에 따라, 증가된 요건에 상응하게 냉각될 수 있어야 한다. 그 외에도 제조, 유지 보수 및 운영 비용뿐만 아니라 필요한 설치 공간이 최소화되어야 한다. 상기 시스템은 최대 효율로 작동 가능해야 한다.
상기 과제는 독립항들의 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속항들에 기재되어 있다.
상기 과제는 본 발명에 따른 자동차용 열 시스템, 특히 열관리 시스템에 의해서 해결된다. 상기 열 시스템은 자동차의 객실에 공급될 하나 이상의 공기 질량 흐름과 드라이브 트레인의 컴포넌트를 컨디셔닝하기 위한 하나 이상의 냉매 순환계 그리고 이러한 냉매 순환계로부터 열을 흡수하기 위한 하나 이상의 냉각제 순환계를 구비한다. 상기 하나 이상의 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기, 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 하나 이상의 제1 열교환기 및 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 제2 열교환기를 구비하여 형성되어 있다.
냉매의 액화가 예컨대, 냉매 R134a를 사용하는 경우와 같이 임계 이하의 작동에서 이루어지거나 이산화탄소를 사용하는 특정 주변 조건에서 이루어지는 경우에는, 열교환기가 응축기로서 명명된다. 열전달의 일부분은 일정한 온도에서 이루어진다. 임계 초과의 작동 또는 열교환기 내에서 임계 초과의 열이 방출되는 경우에는, 냉매의 온도가 일정하게 감소한다. 이 경우에는 열교환기가 가스 냉각기로도 명명된다. 임계 초과의 작동은, 예컨대 이산화탄소를 냉매로서 사용하는 냉매 순환계의 특정 주변 조건 또는 작동 방식에서 나타날 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 냉각제 순환계는 냉매 순환계의 냉매-냉각기 열교환기, 주변 공기로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기 열교환기 및 축열기 장치를 구비한다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 상기 열 시스템은 특히, 배터리, 특수하게는 고전압 배터리의 에너지 저장 장치를 컨디셔닝하고, 그리고 열을 증발기로서 작동하는, 냉매 순환계의 제1 열교환기를 통해 흐르는 냉매로 전달하기 위한 열교환기를 구비한다.
본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 상기 열 시스템은 에너지 저장 장치를 컨디셔닝하기 위한 열교환기를 갖는 제2 냉각제 순환계 및 증발기로서 작동하는, 냉매 순환계의 제1 열교환기를 구비하여 형성되어 있으며, 그 결과 증발기를 관류하는 동안 냉각제가 열교환기 관류 시 흡수된 열을 냉매 순환계로 전달한다.
제1 냉각제 순환계는 바람직하게는 제2 냉각제 순환계보다 낮은 온도 레벨에서 작동되며, 따라서 상기 제1 냉각제 순환계는 저온 냉각제 순환계로, 상기 제2 냉각제 순환계는 고온 냉각제 순환계로 언급된다.
본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 증발기로서 작동하는, 냉매 순환계의 제1 열교환기가 열을 냉매로 직접 전달하기 위해 에너지 저장 장치를 컨디셔닝하기 위한 열교환기와 결합하여 형성되어 있다. 대안적인 제1 실시예와 비교하여, 열교환기들은 중간 접속되는 냉각제 순환계 없이 서로 직접 열적으로 연결된다.
본 발명의 또 다른 장점은, 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 제1 열교환기가 냉매 순환계의 제1 유동 경로 내에 배치되어 있고, 그리고 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 제2 열교환기가 냉매 순환계의 제2 유동 경로 내에 배치되어 있다는 것이다. 이 경우 상기 유동 경로들은 냉매가 공급될 수 있도록 병렬로 형성되어 있다.
냉매 순환계의 냉매-냉각제 열교환기, 주변 공기로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기 열교환기 및 제1 냉각제 순환계의 축열기 장치는 바람직하게 서로 직렬로 접속되며, 냉각제가 관류될 수 있도록 차례로 배치되어 있다.
본 발명의 대안적인 실시예들에 있어서, 축열기 장치는 냉각제의 유동 방향으로 냉매-냉각제 열교환기 다음에 그리고 냉각제-공기 열교환기 이전에, 또는 상기 냉각제-공기 열교환기 다음에 그리고 상기 냉매-공기 열교환기 이전에 배치되어 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 제1 냉각제 순환계의 축열기 장치는 잠열 축열기로서 위상 변화 물질을 포함한다.
상기 위상 변화 물질은 바람직하게는, 상기 축열기 장치 작동 시 고체와 액체 사이에서 위상 변화하도록 형성되어 있다. 이 경우, 위상 변화 물질은 바람직하게는 특히 40℃ 내지 80℃의 범위의 응고 온도 또는 일정한 용융 온도를 갖는다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 제1 냉각제 순환계는 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로를 가지며, 이들 유동 경로는 각각 분기 지점에서 합류 지점까지 연장되는 방식으로 그리고 냉각제에 의해 관류 가능하게 평행하게 형성되어 있다. 이 경우 제1 유동 경로 내에는 냉매 순환계의 냉매-냉각제 열교환기가 그리고 제2 유동 경로 내에는 드라이브 트레인의 컴포넌트를 온도 조절하기 위한 열교환기가 배치되어 있다. 분기 지점은 바람직하게 3방향 밸브로 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 냉매 순환계는 객실에 공급될 제1 공기 질량 흐름을 컨디셔닝하기 위해, 증발기로서 작동하고 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 제1 냉매-공기 열교환기를 구비하며, 이 경우 상기 요소들은 하나의 공동 유동 경로 내에 배치되어 있다. 이 경우 상기 제1 냉매-공기 열교환기는 냉매가 공급될 수 있도록 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 컨디셔닝하기 위한 제2 냉매-공기 열교환기로서 증발기를 갖는 제1 유동 경로에 그리고 증발기를 갖는 제2 유동 경로에 평행하게 형성되어 있다.
냉매 순환계는 바람직하게는 주변 공기로 열을 전달하기 위해 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제2 냉매-공기 열교환기를 구비하여 형성되어 있고, 상기 제2 냉매-공기 열교환기는 냉매의 유동 방향으로 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제1 냉매-냉각제 열교환기 다음에 배치되어 있다.
본 발명의 대안적인 한 실시예에 따르면, 제2 냉매 순환계는 압축기, 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 열교환기, 특히 주변 공기로 열을 전달하기 위한 냉매-공기 열교환기 그리고 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재를 갖는 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 컨디셔닝하기 위한 냉매-공기 열교환기를 구비하여 형성되어 있다. 이 경우 제2 냉매 순환계는 바람직하게는 객실에 공급될 공기 질량 흐름의 독립적인 컨디셔닝을 위해 사용된다.
냉각제 순환계의 냉각제-공기 열교환기와 냉매 순환계의 냉매-공기 열교환기는 주변 공기의 유동 방향으로, 바람직하게는 지정된 순서대로 차례로 주변 공기가 흐를 수 있도록 배치되어 있다.
본 발명의 과제는 또한, 본 발명에 따른 자동차용 열 시스템, 특히 열 관리 시스템의 작동 방법에 의해서 해결된다.
본 발명의 구상에 따르면, 필요에 따라 그리고 시스템으로부터 흡수된 열에 따라 냉각제 순환계로, 특히 냉매 순환계에서 냉각제 순환계로 전달된 열이 냉각제-공기 열교환기 내에서 주변 공기로 그리고/또는 축열기 장치의 위상 변화 물질로 전달된다. 이때 상기 위상 변화 물질은 고체상에서 액체상으로 변환된다.
본 발명의 바람직한 한 추가 실시예에 따르면, 냉각제-공기 열교환기 내에서만 주변 공기로 전달될 수 없는 열이 축열기 장치의 위상 변화 물질로 전달된다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 축열기 장치의 위상 변화 물질에 축적된 열은 냉각제 순환계의 냉각제로 전달되고, 냉각제-공기 열교환기를 관류할 때 주변 공기로 전달된다. 이 경우 위상 변화 물질은 액체상에서 고체상으로 변환된다. 냉각제에서 축열기 장치의 위상 변화 물질로 그리고 위상 변화 물질에서 냉각제로의 열전달은 시간 지연 방식으로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 자동차의 공조 시스템으로서 열 시스템의 사용 및 피크 열 부하를 방출하기 위한 고속 충전 과정에서 전기 에너지 저장 장치의 컨디셔닝을 가능하게 한다. 이 경우 상기 열 시스템은 바람직하게 배터리 전기식으로 형성된 자동차의 전기 저장 장치의 고속 충전 과정을 최적화하기 위해 제공된다.
이 경우 피크 열 부하는 시스템의 기존 컴포넌트들에 의해 주변 공기로 배출될 수 있는 양보다 많은 열을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은, 요약하면 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다:
- 필요에 따라 총 냉각 용량의 최대화,
- 배터리 셀의 온도 상승으로 인한 충전 전류의 스로틀 없이 고전압 배터리의 고속 충전을 가능하게 하기 위한 냉각 용량 증가,
- 위상 변화 물질이 물 또는 광물과 같은 민감한 축열기보다 단위 용적당 최대 14배 더 많은 열을 축적하므로, 단위 질량당 그리고 단위 용적당 에너지 밀도가 높은 잠열 저장기,
- 위상 변화 과정 동안 위상 변화 물질의 온도가 거의 일정하게 유지, 이는 온도 변동이 급격한 온도 변화없이 이루어지도록 하고, 냉각될 대상을 일정한 온도로 유지하기 위해 사용되며, 또한 방열 및 축열이 일정한 온도에서 위상 변화 물질에 의해 이루어지도록 하며,
- 위상 변화 물질의 질량 또는 용적에 따라 냉각 모듈의 공기 송풍기가 작동하지 않아도 장시간에 걸쳐 열이 완전히 흡수될 수 있으며,
- 잠열 축열기가 간단히 그리고 사용 가능한 모든 공간에서 냉각제 순환계에 통합될 수 있으며, 단열 없이 폐열 전용으로 사용되므로 비용과 설치 공간이 줄고 고전압 배터리의 고속 충전을 위해 절대 필요하며,
- 특히 자동차가 정지 상태에서, 자동차의 공기 조화 시스템의 냉각 용량을 증가시키며,
- 적어도 2개의 냉매 압축기를 사용하는 경우, 공지된 시스템보다 높은 냉매의 질량 흐름 및 높은 냉각 용량을 야기하며,
- 냉매 순환계의 연결 해제 및 적어도 2개의 압축기의 사용 시에도 전체 시스템의 냉각 능력을 매우 잘 제어하고, 또한, 증발기 상호 간의 압력 의존성도 제거되며,
- 따라서 작동 중에 높은 동역학과 유연성이 보장되며,
- 분리된 냉매 순환계들의 컴포넌트가 원하는 냉각 조건으로 정확히 설계 가능하므로, 더 작고 가벼운 컴포넌트로 이어지며,
- 압축기뿐만 아니라 냉각제 냉각식 응축기/가스 냉각기 또한 가변적이고 위치 독립적으로 배치될 수 있어 짧은 냉매 라인 실현, 이는 또한, 냉매 순환계 내에서 냉매 측 전체 압력 손실을 최소화하며,
- 따라서 작동 중 공조 시스템의 최대 효율과 최소 설치 공간 실현, 그리고
- 공지된 컴포넌트들과 비교해서 새로운 또는 추가의 컴포넌트가 필요하지 않으므로 적은 제조 비용 보장.
상기 열 시스템, 특히 상기 냉매 순환계들은 사용되는 냉매에 상관없이 그리고 이와 더불어 R134a, R744, R1234yf, R404a, R600a, R290, R152a, R32 또는 이들의 혼합물 또는 다른 냉매에도 적합하게 설계되었다.
본 발명의 실시예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조해서 이루어지는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러나며, 이때 상기 도면들에는 각각 객실의 전방 영역과 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 하나 이상의 제1 냉매 순환계 및 이러한 냉매 순환계로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치를 갖고 그리고 예를 들면 드라이브 트레인, 특히 전기 드라이브 트레인의 컴포넌트들을 냉각하기 위한 하나 이상의 제1 냉각제 순환계를 구비하는 자동차의 열 시스템이 개시된다. 이 경우 도면부에서:
도 1a는 추가의 제2 냉각제 순환계를 구비하는 시스템으로서, 이때 상기 제2 냉각제 순환계는 냉매 순환계와 열적으로 연결되어 있고, 배터리를 냉각하기 위한 열교환기를 구비하며, 이 경우 축열기 장치는 제1 냉각제 순환계 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기 이전에 배치되어 있고,
도 1b는 도 1a의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 축열기 장치는 제1 냉각제 순환계 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기 다음에 배치되어 있으며,
도 1c는 배터리를 냉각하기 위한 추가 냉각제 순환계를 구비하지 않는, 도 1a의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 배터리를 냉각하기 위한 냉매 순환계의 열교환기가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있으며,
도 1d는 배터리를 냉각하기 위한 추가 냉각제 순환계를 구비하지 않는, 도 1b의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 배터리를 냉각하기 위한 냉매 순환계의 열교환기가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있으며,
도 2a는 추가의 제2 냉매 순환계와 추가의 제2 냉각제 순환계를 구비하는 시스템으로서, 이때 상기 제2 냉각제 순환계는 제1 냉매 순환계와 열적으로 연결되고, 배터리를 냉각하기 위한 열교환기를 구비하며, 이 경우 축열기 장치는 제1 냉각제 순환계 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기 이전에 배치되어 있으며,
도 2b는 도 2a의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 축열기 장치는 제1 냉각제 순환계 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기 다음에 배치되어 있으며,
도 2c는 배터리를 냉각하기 위한 추가 냉각제 순환계를 구비하지 않는, 도 2a의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 배터리를 냉각하기 위한 제1 냉매 순환계의 열교환기가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있으며, 그리고
도 2d는 배터리를 냉각하기 위한 추가 냉각제 순환계를 구비하지 않는, 도 2b의 시스템과 유사한 시스템으로서, 이 경우 배터리를 냉각하기 위한 제1 냉매 순환계의 열교환기가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있다.
도 1a에는, 객실의 전방 영역과 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 냉매 순환계(2), 이러한 냉매 순환계(2)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-1)를 갖고 그리고 예를 들어 드라이브 트레인, 특히 전동기와 같은 전기 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1) 및 제2 냉각제 순환계(3-2)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-1a)이 개시된다.
상기 제2 냉각제 순환계(3-2)는 증발기로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기(10-1)를 통해서 냉매 순환계(2)와 열적으로 연결되어 있으며, 이때 상기 냉매-냉각제 열교환기(10-1)는 칠러로도 명명되며, 그리고 고전압 배터리와 같은 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1)를 구비하여 형성되어 있다. 이 열교환기(21-1)는 배터리 냉각기로도 명명되고, 그리고 제2 냉각제 순환계(3-2)는 냉각제의 온도 레벨 때문에 고온 냉각제 순환계로도 명명된다. 냉각제는 이송 장치(22), 특히 펌프에 의해서 냉각제 순환계(3-2) 내에서 순환된다.
냉매 순환계(2)는 냉매의 유동 방향으로 압축기(4), 응축기/가스 냉각기(5)로서 작동하는 제1 냉매-냉각제 열교환기(5), 응축기/가스 냉각기(6-1)로서 작동하는 제2 냉매-공기 열교환기(6-1) 그리고 증발기로서 작동하고, 각각 상류에 배치된 팽창 부재(7, 8, 9-1)를 갖는 열교환기(10-1, 11-1, 12)를 구비한다. 상기 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된, 예를 들면 전기 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(7, 8, 9-1)들을 갖는 열교환기(10-1, 11-1, 12)들은 각각 유동 경로 내부에 배치되어 있다. 이 경우 각각 증발기로서 작동하는 제1 냉매-공기 열교환기(11-1)와 냉매의 유동 방향으로 상류에 배치된 팽창 부재(9-1)를 갖는 유동 경로 및 증발기로서 작동하는 제2 냉매-공기 열교환기(12)와 냉매의 유동 방향으로 상류에 배치된 팽창 부재(8)를 갖는 유동 경로에 평행하게, 팽창 부재(7)와 냉매의 유동 방향으로 하류에 배치되고, 증발기로서 작동하는, 제2 냉각제 순환계(3-2)의 냉매-냉각제 열교환기(10-1)를 갖는 유동 경로가 형성되어 있다. 상기 증발기(10-1, 11-1, 12)들에는 냉매의 유동 방향으로 상류에 배치된 팽창 부재(7, 8, 9-1)들과 함께 필요에 따라 개별적으로 또는 서로 동시에 냉매가 공급된다. 상기 증발기(10-1, 11-1, 12)들로부터 배출되는 냉매는 압축기(4)에 의해 흡입된다. 냉매 순환계(2)는 폐쇄되어 있다.
제1 냉매-공기 열교환기(11-1) 내에서 냉매 증발 시 생성되는 냉각 용량은 전방 영역에 있는 객실에 공급된 공기 질량 흐름을 냉각하기 위해 사용되고, 반면에 제2 냉매-공기 열교환기(12) 내에서 냉매 증발 시 생성되는 냉각 용량은 후방 영역에 있는 객실에 공급된 공기 질량 흐름을 냉각하기 위해 사용된다. 냉매 순환계(2)와 제2 냉각제 순환계(3-2)를 열적으로 연결하는 냉매-냉각제 열교환기(10-1) 내에서 냉매 증발 시, 전기 컴포넌트 냉각을 위해 열교환기(21-1) 내에서 냉각제로 전달된 열은 냉각 용량으로서 냉각제에서 냉매로 전달된다. 그 결과 제2 냉각제 순환계(3-2) 내에서 순환하는 냉각제는 배터리 냉각기(21-1) 관류 시 고전압 배터리의 열을 흡수하며, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-1) 접촉 열교환기로서 형성되거나, 또는 배터리 셀 주위에 냉각제가 흐른다.
낮은 온도를 갖는 저압 레벨의 압축기(4)로부터 흡입된 냉매는 높은 온도를 갖는 고압 레벨로 이송되어 압축된다. 냉매 순환계(2)의 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제1 냉매-냉각제 열교환기(5) 관류 시 각각 열교환기(10-1, 11-1, 12)들 내에서 증발 시 냉매로부터 그리고 압축기(4) 내에서 압축 시 흡수된 열이 적어도 비율적으로 냉매에서 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환하는 냉각제로 전달될 수 있다.
냉매-냉각제 열교환기(5)를 통해, 냉매 순환계(2)는 제1 냉각제 순환계(3-1)와 열적으로 연결되어 있다. 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제1 냉매 냉각제 열교환기(5)의 하류에 배치된, 냉매 순환계(2)의 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 제2 냉매-공기 열교환기(6-1) 내에서는, 열이 냉매에서 주변 공기로 전달됨으로써 냉매가 계속 냉각 또는 응축되고/응축되거나 과냉각(super cooling)될 수 있다. 상기 냉매-냉각제 열교환기(5)와 냉매-공기 열교환기(6-1)는 냉매 순환계(2) 내에서 서로 직렬접속 방식으로 배치되어 있고, 냉매가 차례로 공급된다.
제1 냉각제 순환계(3-1)는 냉매-냉각제 열교환기(5)와 함께 냉매 순환계(2)로부터 냉매의 열을 흡수하기 위해 사용된다. 또한, 제1 냉각제 순환계(3-1)는 저온 냉각제 순환계로서, 마찬가지로 예를 들면 전기 드라이브 트레인의 여러 컴포넌트(19)(예: 내부 충전기 또는 충전 장치, 변압기 또는 변류기, 인버터 또는 전기 구동 모터)들의 열을 배출하기 위해 또는 과급 공기 또는 트랜스미션 오일의 열을 배출하기 위해 사용된다.
이 경우 냉각제는 2개의 상이한 유동 경로(15, 16)로 분할되는데, 이들 유동 경로는 각각 분기 지점(17)에서 합류 지점(18)까지 연장되며, 이 경우 제1 유동 경로(15)는 냉매-냉각제 열교환기(5)를 구비하고, 냉각제는 제2 유동 경로(16)를 통해 냉각될 컴포넌트(19), 특히 전기 컴포넌트로 안내된다. 이러한 경우에 상기 두 유동 경로(15, 16)에는 필요에 따라 개별적으로 또는 공동으로 그리고 동시에 냉각제가 공급된다. 냉각제 분할을 위해, 분기 지점(17)은 3방향 밸브로서 형성되어 있으며, 그 결과 질량 흐름의 비율이 필요에 따라 0% 내지 100%에 이를 수 있다.
축열기 장치(20-1)는 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 냉각제의 유동 방향으로 유동 경로(15, 16)들의 합류 지점(18) 다음에 그리고 이와 더불어 냉매-냉각제 열교환기(5)의 하류에 그리고 냉각제-공기 열교환기(13) 이전에 배치되어 있으며, 그 결과 특히, 시스템(1-1a)이 높은 열 부하로 작동 시, 후속해서 냉각제-공기 열교환기(13) 관류 시 열이 냉각제에서 주변 공기로 전달되어 냉각제가 더 냉각되기 전에, 먼저 열이 온도가 높은 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제에서 잠열 축열기(20-1)의 위상 변화 물질로 전달될 수 있다.
특히, 배터리 냉각기(21-1)를 통해 다량의 고전압 배터리의 열이 배출되는 고전압 배터리의 고속 충전 과정에서는, 제2 냉각제 순환계(3-2) 내에서 순환하는 냉각제로 또는 냉매 순환계(2) 내에서 순환하는 냉매로 그리고 냉매-냉각제 열교환기(5)에서, 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환하는 냉각제로 전달되어야 하며, 결국 상기 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환하는 냉각제의 다량의 열이 잠열 축열기(20-1)의 위상 변화 물질에 축적되며, 이 경우 상기 위상 변화 물질은 고체상에서 액체상으로 변한다.
그렇지 않은 경우 냉매-냉각제 열교환기(5) 내에서 또는 컴포넌트(19)에 의해 냉각제로부터 흡수된 열이 필요에 따라 축열기 장치(20-1) 관류 시 이러한 축열기 장치(20-1) 내에 배치된 위상 변화 물질로 또는 냉각제-공기 열교환기(13) 관류 시 주변 공기로 전달될 수 있다. 냉각제는 이송 장치(14)에 의해 특히 펌프에 의해 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환된다.
잠열 축열기(20-1)의 위상 변화 물질에서, 특히 고전압 배터리의 고속 충전 과정에서 축적된 잠열은 필요에 따라 그리고 주어진 시점에 시간 연장되어, 특히 자동차의 주행 모드 동안, 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환하는 냉각제로 그리고 공랭식 저온 냉각기로서 냉각제-공기 열교환기(13)에서 주변 공기로 전달될 수 있다. 이 경우 잠열 축열기(20-1)의 위상 변화 물질은 액체상에서 고체상으로 위상 변화한다.
냉매 순환계(2)의 작동에 의해서는, 고전압 배터리의 고속 충전 과정 동안에도 또한, 동시에 객실용 유입 공기가 컨디셔닝될 수 있는데, 특히 냉각될 수 있다. 이 경우 잠열 축열기로서 형성된 축열기 장치(20-1)는 냉매 순환계(2)의 최대 폐열 이용 시 방출되는 열을 흡수하기 위해 열 버퍼(thermal buffer)로서 이용된다.
도 1a에 따른 시스템 (1-1a)의 형성에 의해, 별도의 영역으로서 객실의 프런트 영역과 리어 영역용 유입 공기 흐름들이 서로 독립적으로 컨디셔닝될 수 있다. 또한, 단지 열교환기(21-1)만, 예를 들면 고전압 배터리의 냉각을 위한 배터리 냉각기로서 사용할 수 있는 반면에, 객실용 유입 공기 흐름들은 컨디셔닝되지 않을 수 있는데, 특히 냉각 및/또는 제습되지 않을 수 있다. 이 경우 열은 제2 냉각제 순환계(3-2), 냉매 순환계(2)의 냉매-냉각제 열교환기(10-1) 그리고 냉매-공기 열교환기(6-1) 또는 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)와 결합하여 냉매-냉각제 열교환기(5)에 의해 고전압 배터리에서 간접적으로 주변 공기로 그리고/또는 축열기 장치(20-1)의 위상 변화 물질로 전달된다.
저온 냉각기로도 명명되는, 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)와 냉매 순환계(2)의 냉매-공기 열교환기(6-1)는, 주변 공기로 열을 전달하기 위해 각각 자동차의 전방 영역에 배치되어 있다. 이 경우 상기 열교환기(13, 6-1)들은 주변 공기의 유동 방향으로 언급한 순서대로 배치되어 있으며, 그 결과 상기 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)에는 상응하는 온도를 갖는 서늘한 주변 공기가 직접 유입된다.
도 1b에는 도 1a에 따른 시스템(1-1a)과 유사하게, 객실의 전방 영역과 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 냉매 순환계(2), 이러한 냉매 순환계(2)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-2)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1) 및 제2 냉각제 순환계(3-2)를 구비한 자동차의 열 시스템(1-2a)이 도시되어 있다.
도 1a에 따른 시스템(1-1a)과 달리, 도 1b에 따른 시스템(1-2a)의 경우에는 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기(13) 다음에 그리고 이와 더불어 냉각제-공기 열교환기와 분기 지점(17) 또는 이송 장치(14) 사이에 단지 축열기 장치(20-2)만 배치되어 있다.
도 1a의 시스템(1-1a)과 비교해 상기 시스템(1-2a)은, 잠열 축열기(20-2)에만 열이 축적된다는 장점을 가지며, 이러한 열은 냉각제-공기 열교환기(13) 관류 시 냉각제에서 주변 공기로 전달될 수 없다.
도 1a의 시스템(1-1a)과 도 1b의 시스템(1-2a)의 기능, 특히 냉매 순환계(2)와 제2 냉각제 순환계(3-2)의 기능은 동일하다.
도 1c는 도 1a의 시스템(1-1a)과 유사하게, 객실의 전방 영역과 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 냉매 순환계(2), 이러한 냉매 순환계(2)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-1)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 냉각제 순환계(3-1)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-3a)을 도시한다.
도 1a에 따른 시스템(1-1a)과 달리, 도 1c에 따른 시스템(1-3a)은 고전압 배터리와 같은 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1)를 갖는 제2의 추가 냉각제 순환계(3-2) 없이 형성되어 있다. 냉각제에 의해 관류되는 열교환기(21-1) 대신, 배터리를 냉각하기 위한 냉매 순환계(2)의 열교환기(10-2)가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있다. 그 결과 냉매 순환계(2) 내에서 순환하는 냉매는 배터리 냉각기(21-2) 관류 시 고전압 배터리로부터 열을 흡수하고, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-2)는 접촉 열교환기로서, 특히 냉매 순환계(2)의 열교환기(10-2)를 갖는 접촉 열교환기로서 형성되어 있거나 배터리 셀 주위로 냉매가 흐른다.
도 1d에는 도 1b의 시스템(1-2a)과 유사하게, 객실의 전방 영역과 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 냉매 순환계(2), 이러한 냉매 순환계(2)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-2)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 냉각제 순환계(3-1)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-4a)이 도시되어 있다.
도 1b에 따른 시스템(1-2a)과 달리, 도 1d에 따른 시스템(1-4a)은 고전압 배터리와 같은 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1) 갖는 제2의 추가 냉각제 순환계(3-2) 없이 형성되어 있다. 냉각제에 의해 관류되는 열교환기(21-1) 대신, 배터리를 냉각하기 위한 냉매 순환계(2)의 열교환기(10-2)가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있다. 그 결과 냉매 순환계(2) 내에서 순환하는 냉매는 배터리 냉각기(21-2) 관류 시 고전압 배터리로부터 열을 흡수하고, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-2)는 접촉 열교환기로서, 특히 냉매 순환계(2)의 열교환기(10-2)를 갖는 접촉 열교환기로서 형성되어 있거나 냉매가 배터리 셀 주위로 냉매가 흐른다.
도 2a에는 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1), 객실의 전방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제2 냉매 순환계(2-2), 상기 제1 냉매 순환계(2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-1)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인, 특히 전동기와 같은 전기 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1) 및 제2 냉각제 순환계(3-2)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-1b)이 도시되어 있다.
상기 제1 냉각제 순환계(3-1)와 제2 냉각제 순환계(3-2)는 도 1a에 따른 시스템(1-1a)의 냉각제 순환계(3-1, 3-2)와 동일하게 형성되어 있다.
제1 냉매 순환계(2-1)는 냉매의 유동 방향으로 압축기(4-1), 응축기/가스 냉각기(5)로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기(5) 및 증발기로서 작동하고, 각각 상류에 배치된 팽창 부재(7, 8)를 갖는 열교환기(10-1, 12)를 구비한다. 상기 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된, 예를 들면 전기 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(7, 8)들을 갖는 열교환기(10-1, 12)들은 각각 유동 경로 내부에 배치되어 있다. 이 경우 증발기로서 작동하는 냉매-공기 열교환기(12)와 냉매의 유동 방향으로 상류에 배치된 팽창 부재(8)를 갖는 유동 경로에 평행하게, 팽창 부재(7)와 냉매의 유동 방향으로 하류에 배치된, 증발기로서 작동하는, 제2 냉각제 순환계(3-2)의 냉매-냉각제 열교환기(10-1)를 갖는 유동 경로가 형성되어 있다. 상기 증발기(10-1, 12)들에는 냉매의 유동 방향으로 상류에 배치된 팽창 부재(7, 8)들과 함께 필요에 따라 개별적으로 또는 서로 동시에 냉매가 공급된다. 상기 증발기(10-1, 12)들로부터 방출되는 냉매는 압축기(4-1)에 의해 흡입된다. 제1 냉매 순환계(2-1)는 폐쇄되어 있다.
냉매-공기 열교환기(12) 내에서 냉매 증발 시 생성되는 냉각 용량은 후방 영역에 있는 객실에 공급된 공기 질량 흐름을 냉각시키기 위해 사용된다. 제1 냉매 순환계(2-1)와 제2 냉각제 순환계(3-2)를 열적으로 연결하는 냉매-냉각제 열교환기(10-1) 내에서 냉매 증발 시, 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1) 내에서 냉각제로 전달되는 열은 냉각 용량으로서 냉각제에서 냉매로 전달된다. 그 결과 제2 냉각제 순환계(3-2) 내에서 순환하는 냉각제는 배터리 냉각기(21-1) 관류 시 고전압 배터리의 열을 흡수하며, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-1)가 접촉 열교환기로서 형성되어 있거나 배터리 셀 주위로 냉각제가 흐른다.
낮은 온도를 갖는 저압 레벨의 압축기(4-1)로부터 흡입된 냉매는 높은 온도를 갖는 고압 레벨로 이송되어 압축된다. 제1 냉매 순환계(2-1)의 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기(5) 관류 시, 각각 열교환기(10-1, 12)들 내에서 증발 시 냉매로부터 그리고 압축기(4-1) 내에서 압축 시 흡수된 열이 냉매에서 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 순환하는 냉각제로 전달되며, 이 경우 냉매는 냉각 또는 응축 및/또는 과냉각된다. 냉매-냉각제 열교환기(5)를 통해 제1 냉매 순환계(2-1)는 제1 냉각제 순환계(3-1)와 열적으로 연결되어 있다.
예를 들어, 열교환기(21-1)에 의한 전기 컴포넌트의 냉각 활성화와 동시에 자동차 내부 공간의 유입 공기를 컨디셔닝하기 위해 사용되는 제2 냉매 순환계(2-2)는 냉매의 유동 방향으로 압축기(4-2), 응축기/가스 냉각기(6-2)로서 작동하는 냉매-공기 열교환기(6-2) 및 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된, 예를 들면 전기 팽창 밸브로서 형성된 팽창 부재(9-2)를 갖는 열교환기(11-2)를 구비한다. 상기 증발기(11-2)로부터 방출되는 냉매는 증발기(4-2)에 의해 흡입된다. 제2 냉매 순환계(2-2)는 폐쇄되어 있다. 냉매 증발 시 제1 냉매-공기 열교환기(11-2) 내에서 생성되는 냉각 용량은 전방 영역에 있는 객실에 공급되는 공기 질량 흐름을 냉각하기 위해 사용된다.
낮은 온도를 갖는 저압 레벨의 압축기(4-2)로부터 흡입된 냉매는 높은 온도를 갖는 고압 레벨로 이송되어 압축된다. 도면에 도시되지 않은 대안적인 실시 형태에 따라 냉매-냉각제 열교환기로도 형성될 수 있는, 제2 냉매 순환계(2-2)의 응축기/가스 냉각기로서 작동하는 냉매-공기 열교환기(6-2) 관류 시, 도면에 도시되지 않은 대안적인 실시 형태에 따라 냉매-냉각제 열교환기로도 형성될 수 있는 냉매-공기 열교환기(11-2)들 내에서 증발 시 냉매로부터 그리고 압축기(4-2) 내에서 압축 시 흡수된 열이 냉매에서 주변 공기로 전달되며, 이 경우 냉매는 냉각 또는 응축 및/또는 과냉각된다.
도 2a에 따른 시스템 (1-1b)의 형성에 의해, 별도의 영역으로서 객실의 프런트 영역과 리어 영역의 유입 공기 흐름들이 서로 독립적으로 컨디셔닝될 수 있다. 또한, 단지 열교환기(21-1)만 예를 들면, 고전압 배터리 냉각을 위한 배터리 냉각기로서 사용할 수 있는 반면에, 특히, 객실의 후방 영역의 유입 공기 흐름은 컨디셔닝, 특히 냉각 및/또는 제습되지 않고, 제2 냉매 순환계(2-2)의 압축기(4-2) 및 이와 더불어 제2 냉매 순환계(2-2)가 작동하지 않는다. 이 경우 열은 제2 냉각제 순환계(3-2), 제1 냉매 순환계(2-1)의 냉매-냉각제 열교환기(10-1) 및 냉매-냉각제 열교환기(5) 또는 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉매-냉각제 열교환기(13)에 의해 고전압 배터리에서 간접적으로 주변 공기로 그리고/또는 축열기 장치(20-1)의 위상 변화 물질로 전달된다.
압축기(4-1), 냉각제에 의해 냉각되는 응축기/가스 냉각기(5), 팽창 부재(7, 8)들 및 제1 냉매 순환계(2-1)의 증발기(10-1, 12)와 같은 컴포넌트들의 최적의 배치에 의해, 이러한 컴포넌트들은 최소 길이를 갖는 냉매 라인에 의해 서로 연결된다. 최소 길이를 갖는 냉매 라인이 사용됨으로써, 한편으로는 냉매 라인들 관류 시 냉매의 압력 손실이 최소화된다. 다른 한편으로는, 중량 그리고 이와 관련한 냉매 라인에 대한 비용이 최소 수준으로 구현된다.
저온 냉각기로도 명명되는, 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)와 제2 냉매 순환계(2-2)의 냉매-공기 열교환기(6-2)는 주변 공기로 열을 전달하기 위해 자동차의 프런트 영역에 각각 배치되어 있다. 이 경우 상기 열교환기(13, 6-2)들은 주변 공기의 유동 방향으로 언급한 순서대로 배치되어 있으며, 그 결과 상기 제1 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)에 상응하는 온도를 갖는 서늘한 주변 공기가 유입된다.
도 2b에는 도2a의 시스템(1-1b)과 유사하게 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1)와 객실의 전방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제2 냉매 순환계(2-2), 상기 제1 냉매 순환계(2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-2)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1)와 제2 냉각제 순환계(3-2)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-2b)이 도시되어 있다.
도 2a에 따른 시스템(1-1b)과 달리 도 2b에 따른 시스템(1-2b)의 경우, 축열기 장치(20-2)만 제1 냉각제 순환계(3-1) 내에서 냉각제의 유동 방향으로 냉각제-공기 열교환기(13) 다음에 그리고 이와 더불어 냉각제-공기 열교환기(13)와 분기 지점(17) 또는 이송 장치(14) 사이에 배치되어 있다.
도 2a의 시스템(1-1b)과 비교해 상기 시스템(1-2b)은, 열이 잠열 축열기(20-2)에만 축적된다는 장점을 가지며, 냉각제-공기 열교환기(13) 관류 시 상기와 같은 열은 냉각제에서 주변 공기로 전달될 수 없다.
시스템(1-2b)과 시스템(1-1b), 특히 냉매 순환계(2-1, 2-2)와 제2 냉각제 순환계(3-2)의 기능은 동일하다.
도 2c는 도 2a의 시스템(1-1b)과 유사하게, 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1)와 객실의 전방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제2 냉매 순환계(2-2), 상기 제1 냉매 순환계(2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-1)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-3b)을 도시한다.
도 2a에 따른 시스템(1-1b)과 달리, 도 2c에 따른 시스템(1-3b)은 고전압 배터리와 같은 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1) 갖는 제2의 추가 냉각제 순환계(3-2) 없이 형성되어 있다. 냉각제에 의해 관류되는 열교환기(21-1) 대신, 배터리를 냉각하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1)의 열교환기(10-2)가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있다. 그 결과 제1 냉매 순환계(2-1) 내에서 순환하는 냉매는 배터리 냉각기(21-2) 관류 시 고전압 배터리로부터 열을 흡수하고, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-2)는 접촉 열교환기로서, 특히, 제1 냉매 순환계(2-1)의 열교환기(10-2)를 구비하는 접촉 열교환기로서 형성되어 있거나, 또는 배터리 셀 주위로 냉매가 흐른다.
도 2d에는 도 2b의 시스템(1-2b)과 유사하게, 객실의 후방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1)와 객실의 전방 영역의 공기를 컨디셔닝하기 위한 제1 냉매 순환계(2-2), 상기 제1 냉매 순환계(2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 축열기 장치(20-1)를 갖는 그리고 예를 들면 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)들을 냉각하기 위한 제1 냉각제 순환계(3-1)를 구비하는 자동차의 열 시스템(1-4b)이 도시되어 있다.
도 2b에 따른 시스템(1-2b)과 달리, 도 2d에 따른 시스템(1-4b)은 고전압 배터리와 같은 전기 컴포넌트를 냉각하기 위한 열교환기(21-1) 갖는 제2의 추가 냉각제 순환계(3-2) 없이 형성되어 있다. 냉각제에 의해 관류되는 열교환기(21-1) 대신, 배터리를 냉각하기 위한 제1 냉매 순환계(2-1)의 열교환기(10-2)가 배터리 셀과 직접 열적으로 연결되어 있다. 그 결과 제1 냉매 순환계(2-1) 내에서 순환하는 냉매는 배터리 냉각기(21-2) 관류 시 고전압 배터리로부터 열을 흡수하고, 이 경우 상기 배터리 냉각기(21-2)는 접촉 열교환기로서, 특히, 제1 냉매 순환계(2-1)의 열교환기(10-2)를 구비하는 접촉 열교환기로서 형성되어 있거나, 또는 배터리 셀 주위로 냉매가 흐른다.
도면에 도시되지 않은 실시 형태에 따르면, 제1 냉매 순환계(2, 2-1)는 증발기로서 작동하는 열교환기만 구비한다.
또한, 냉매 순환계(2, 2-1, 2-2)들은 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 배치되고, 응축기/가스 냉각기 및/또는 증발기로서 작동하는 추가 열교환기들 및/또는 팽창 부재들을 구비하여 형성될 수 있다. 그 외에 상기 냉매 순환계(2, 2-1, 2-2)들은 고압 측에 하나 이상의 고압 컬렉터 또는 저압 측에 하나 이상의 저압 컬렉터(어큐뮬레이터라고도 함) 또는 하나 이상의 내부 열교환기를 구비할 수 있다. 이 경우 내부 열교환기가 통합된 어큐뮬레이터들도 형성될 수 있다.
이때 내부 열교환기는 순환계 내부 열교환기로 이해해야 하며, 이러한 열교환기는 고압 냉매와 저압 냉매 간 열전달을 위해 사용된다. 이 경우 예를 들어, 한편으로는 액체 냉매가 응축 또는 액화 후에 더 냉각되고, 다른 한편으로는 흡입 가스가 압축기 이전에 과열된다.
계속해서 한편으로는 상기 냉매 순환계(2-1, 2-2)들 그리고 다른 한편으로는 냉각제 순환계 (3-1, 3-2)들이 각각 직접 또는 하나 이상의 추가 냉매-냉매 열교환기 또는 냉각제-냉각제 열교환기를 통해 서로 열적으로 연결될 수 있다.
상기 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)들은 또한, 개별 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)이 가열 모드로 또는 재가열 모드로 작동하기 위해 도면에 도시되지 않은 냉각제 순환계 또는 냉각제 순환계의 유동 경로를 구비하여 형성될 수 있다.
1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a: 시스템
1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b: 시스템
2, 2-1: 냉매 순환계, 제1 냉매 순환계
2-2: 냉매 순환계, 제2 냉매 순환계
3-1: 제1 냉각제 순환계, 냉각제 순환계
3-2: 제2 냉각제 순환계, 냉각제 순환계
4, 4-1: (제1) 냉매 순환계(2, 2-1)의 압축기
4-2: 제2 냉매 순환계(2-2)의 압축기
5: 냉매-냉각제 열교환기, 냉매 순환계(2)의 (제1) 응축기/가스 냉각기
6-1: 냉매-공기 열교환기, 냉매 순환계(2)의 (제2) 응축기/가스 냉각기
6-2: 냉매-공기 열교환기, 제2 냉매 순환계(2-2)의 응축기/가스 냉각기
7, 8, 9-1: (제1) 냉매 순환계(2, 2-1)의 팽창 부재
9-2: 제2 냉매 순환계(2-2)의 팽창 부재
10-1: 냉매-냉각제 열교환기, 증발기
10-2: 열교환기, 증발기
11-1, 11-2: 제1 냉매-공기 열교환기, 증발기
12: 제2 냉매-공기 열교환기, 증발기
13: 냉각제-공기 열교환기
14: 이송 장치, 펌프
15: 제1 유동 경로
16: 제2 유동 경로
17: 분기 지점, 3방향 밸브
18: 합류 지점
19: 드라이브 트레인의 컴포넌트
20-1, 20-2: 축열기 장치, 잠열 축열기
21-1, 21-2: 열교환기, 배터리 냉각기
22: 이송 장치, 펌프

Claims (20)

  1. - 자동차의 객실에 공급될 하나 이상의 공기 질량 흐름과 압축기(4, 4-1), 응축기/가스 냉각기(5)로서 작동하는 냉매-냉각제 열교환기(5), 증발기(10-1, 10-2)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(7)를 갖는 하나 이상의 제1 열교환기 및 증발기(12)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(8)를 갖는 하나 이상의 제2 열교환기를 구비하는 드라이브 트레인(drive train)의 컴포넌트를 컨디셔닝(conditioning)하기 위한 하나 이상의 냉매 순환계(2, 2-1) 그리고
    - 상기 냉매 순환계(2, 2-1)로부터 열을 흡수하기 위한 하나 이상의 냉각제 순환계(3-1)를 포함하는, 자동차용 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)으로서,
    상기 냉각제 순환계(3-1)는 상기 냉매 순환계(2, 2-1)의 냉매-냉각제 열교환기(5), 열을 주변 공기로 전달하기 위한 냉각제-공기 열교환기(13) 및 축열기 장치(20-1, 20-2)를 구비하여 형성되어 있고,
    상기 냉각제 순환계(3-1)가 제1 유동 경로(15) 및 제2 유동 경로(16)를 갖고, 이러한 유동 경로들은 각각 분기 지점(17)에서 합류 지점(18)까지 연장되는 방식으로 그리고 냉각제가 관류될 수 있도록 병렬로 형성되어 있으며, 이 경우 상기 냉매 순환계(2, 2-1)의 냉매-냉각제 열교환기(5)가 상기 제1 유동 경로(15) 내에 그리고 상기 드라이브 트레인의 컴포넌트(19)를 온도 조절(tempering)하기 위한 열 교환기가 상기 제2 유동 경로(16) 내에 배치되어 있고,
    상기 축열기 장치(20-1, 20-2)는 상기 합류 지점(18)의 하류에 배치되며,
    상기 증발기(10-1, 10-2)를 통해 흐르는 냉매로 열을 전달하며, 배터리를 컨디셔닝하기 위한 열교환기(21-1, 21-2)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 증발기(10-1)를 관류하는 동안 냉각제가, 상기 열교환기(21-1) 관류 시 흡수된 열을 상기 냉매 순환계(2, 2-1)로 전달하도록, 제2 냉각제 순환계(3-2)가 상기 에너지 저장 장치를 컨디셔닝하기 위한 열교환기(21-1)와 상기 증발기(10-1)로서 작동하는, 냉매 순환계(2, 2-1)의 제1 열교환기를 구비하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-1b, 1-2b).
  4. 제1항에 있어서, 상기 증발기(10-1)로서 작동하는, 냉매 순환계(2, 2-1)의 제1 열교환기가 냉매로 열을 직접 전달하기 위해 상기 에너지 저장 장치를 컨디셔닝하기 위한 열교환기(21-1)와 결합하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-3a, 1-4a, 1-3b, 1-4b).
  5. 제1항에 있어서, 상기 증발기(10-1, 10-2)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(7)를 갖는 제1 열교환기가 제1 유동 경로 내에 배치되어 있고, 상기 증발기(12)로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(8)를 갖는 상기 제2 열교환기가 제2 유동 경로 내에 배치되어 있으며, 이때 상기 유동 경로들은 냉매가 공급될 수 있도록 병렬로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(2, 2-1)의 냉매-냉각제 열교환기(5), 상기 냉각제-공기 열교환기(13) 및 상기 냉각제 순환계(3-1)의 축열기 장치(20-1, 20-2)가 서로 직렬로 접속되어 있고 냉각제가 관류될 수 있도록 차례로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  7. 제6항에 있어서, 상기 축열기 장치(20-1)가 상기 냉각제의 유동 방향으로 상기 냉매-냉각제 열교환기(5) 다음에 그리고 상기 냉각제-공기 열교환기(13) 이전에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-3a, 1-1b, 1-3b).
  8. 제6항에 있어서, 상기 축열기 장치(20-2)가 상기 냉각제의 유동 방향으로 상기 냉각제-공기 열교환기(13) 다음에 그리고 상기 냉매-냉각제 열교환기(5) 이전에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-2a, 1-4a, 1-2b, 1-4b).
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 순환계(3-1)의 축열기 장치(20-1, 20-2)가 위상 변화 물질(phase change material)을 포함하는 잠열 축열기(latent heat accumulator)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  10. 제9항에 있어서, 상기 축열기 장치(20-1, 20-2) 작동 시 상기 위상 변화 물질이 고체와 액체 위상 사이에서 변화하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  11. 제10항에 있어서, 상기 위상 변화 물질이 40℃ 내지 80℃ 범위의 일정한 용융 온도 또는 응고 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  12. 삭제
  13. 제5항에 있어서, 상기 냉매 순환계(2)가, 자동차의 객실에 공급될 제1 공기질량 흐름을 컨디셔닝하기 위해, 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(9-1)를 갖는 제1 냉매-공기 열교환기(11-1)를 구비하고, 상기 팽창 부재(9-1) 및 제1 냉매-공기 열교환기(11-1)는 하나의 공동 유동 경로 내에 배치되어 있으며, 이 경우 상기 제1 냉매-공기 열교환기(11-1)는 상기 자동차의 객실에 공급될 제2 공기 질량 흐름을 컨디셔닝 하기 위한 제2 냉매-공기 열교환기(12)로서 상기 증발기(12)를 포함하는 제1 유동 경로와 상기 증발기(10-1)를 포함하는 제2 유동 경로에 평행하게 냉매가 공급될 수 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a).
  14. 제5항에 있어서, 상기 냉매 순환계(2)가 주변 공기로 열을 전달하기 위해 응축기/가스 냉각기로 작동하는 제2 냉매-공기 열교환기(6-1)를 구비하고, 상기 제2 냉매-공기 열교환기는 냉매의 유동 방향으로 상기 응축기/가스 냉각기(5)로서 작동하는 제1 냉매-냉각제 열교환기(5) 다음에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템 (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a).
  15. 제1항에 있어서, 제2 냉매 순환계(2-2)가 압축기(4-2), 응축기/가스 냉각기(6-2)로서 작동하는 열교환기 및 객실에 공급될 공기 질량 흐름을 컨디셔닝하기 위한 증발기로서 작동하고, 상류에 배치된 팽창 부재(9-2)를 갖는 냉매-공기 열교환기(11-2)를 구비하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 주변 공기의 유동 방향으로, 상기 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제-공기 열교환기(13)와 상기 냉매 순환계(2, 2-2)의 냉매-공기 열교환기(6-1, 6-2)가 주변 공기가 유입될 수 있도록 차례로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).
  17. 제1항에 따른 열 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)의 작동 방법으로서,
    상기 시스템(1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b)으로부터 흡수된 열에 따라 상기 냉각제 순환계(3-1)로 전달된 열이 냉각제-공기 열교환기(13) 내에서 주변 공기로 또는 축열기 장치(20-1, 20-2)의 위상 변환 물질로 전달되고, 이 경우 상기 위상 변화 물질이 고체에서 액체로 위상 변화하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 냉각제-공기 열교환기(13) 내에서만 주변 공기로 전달할 수 없는 열이 상기 축열기 장치(20-2)의 위상 변화 물질로 전달되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 축열기 장치(20-1, 20-2)의 위상 변화 물질에 축적된 열이 상기 냉각제 순환계(3-1)의 냉각제로 전달되고, 상기 냉각제-공기 열교환기(13) 관류 시 주변 공기로 전달되며, 이 경우 상기 위상 변화 물질이 액체에서 고체로 위상 변화하고, 열이 냉각제에서 상기 축열기 장치(20-1, 20-2)의 위상 변환 물질로 그리고 상기 축열기 장치(20-1, 20-2)의 위상 변환 물질에서 상기 냉각제로 시간 지연 방식으로 전달되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 삭제
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