KR102266401B1

KR102266401B1 - 자동차 공조 시스템용 장치 및 이 장치를 작동시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR102266401B1
Application number: KR1020190135857A
Authority: KR
Inventors: 나비드 두라니; 토니 스피스; 토비아스 하스
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-06-18
Also published as: DE102018127108A1; US20200130472A1; CN111114244B; US11370271B2; DE102018127108B4; KR20200049648A; CN111114244A

Abstract

본 발명은, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)에 관한 것이다. 상기 장치(1a, 1b, 1c, 1d)는, 냉매의 2개 단계 압축 및 중간 압력 레벨에서 냉매의 분사를 위한 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 열 교환기(4), 제1 내부 열 교환기(11-1), 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 제1 팽창 기관(5)이 앞에 배치되어 있는 적어도 하나의 제1 열 교환기(6), 그리고 각각 분기 지점(8, 18)으로부터 압축기(3)까지 연장되는 제1 유동 경로(7a, 7c) 및 제2 유동 경로(9a, 9c)를 갖는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)를 구비한다. 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)는 제2 내부 열 교환기(11-2)를 구비하여 형성되어 있다. 제1 내부 열 교환기(11-1)는 적어도 제1 유동 경로(7a, 7c) 내부에서 저압 측과 함께 배치되어 있고, 제2 내부 열 교환기(11-2)는 적어도 제2 유동 경로(9a, 9c) 내부에서 중간 압력 측과 함께 배치되어 있다.
본 발명은, 또한 상기 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

자동차 공조 시스템용 장치 및 이 장치를 작동시키기 위한 방법{DEVICE FOR AN AIR CONDITIONING SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE DEVICE}

본 발명은 자동차의 공조 시스템용 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 냉매의 2개 단계의 압축 및 중간 압력 레벨에서의 냉매 주입을 위한 압축기를 갖는 냉매 순환계, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기, 내부 열 교환기, 증발기로서 작동되고 냉매의 유동 방향으로 팽창 기관이 앞에 위치된 열 교환기, 그리고 각각 일 분기 지점으로부터 압축기까지 연장되는 제1 및 제2 유동 경로를 구비한다.

본 발명은, 또한 자동차의 공조 시스템용 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

선행 기술에는, 냉매의 2개 단계의 압축을 갖는 냉매 순환계를 갖춘 시스템이 공지되어 있으며, 이 시스템에서는 냉매가 중간 압력 레벨에서 압축기 내부로 주입된다. 소위 흡입 가스 분사 또는 증기 분사는 특히 공조 시스템 및 냉각 시스템의 냉매 순환계 내의 스크롤 압축기에서 사용된다. 냉매의 주입에 의해, 압축 과정이 2개의 단계로 세분되며, 이 경우 제2 단계는 냉매 주입 후에 중간 압력 레벨에서 이루어진다.

한편, 응축기/가스 냉각기의 출구에서 냉매의 과냉과 관련하여 흡입 가스 분사를 사용하면, 한 편으로는 특정 압축기 출력이 감소하고, 다른 한 편으로는 증발기의 입구에서 증기 함량이 감소하며, 이와 같은 상황은 냉매 순환계의 작동 중에 영어 "coefficient of performance"에 대한 축약어인 COP로서 지칭되는 성능 계수 뿐만 아니라 특정 냉방 능력까지도 증가시킨다.

열역학적으로, 흡입 가스 분사 기술은 특히, 예를 들어 저온 냉각 시스템 내에서 또는 열 펌프 시스템 내에서, 압축기 출구에서의 냉매의 압력비 또는 압력 스트로크 또는 냉매의 온도가 매우 높은 적용예들에서 특별한 장점을 제공해준다. 냉매를 중간 압력 레벨에서 압축기 내로 주입함으로써 냉매를 압축하는 과정에서 추가적인 냉각은, 종래의 1개 단계 압축기보다 더 큰 압력 범위 또는 온도 범위에서 압축기를 작동시키는 것을 가능케 한다.

US 5 878 589 A호에는, 전기 구동 장치를 갖는 자동차용 공조 시스템이 개시되어 있다. 난방 모드에서 작동할 때, 폐쇄된 냉매 순환계 내의 냉매는 공기 조화기의 응축기로서 작동되는 열 교환기, 팽창 기관 및 증발기로서 작동되는 외부 열 교환기 사이의 압축기에 의해 순환된다. 팽창 기관에서, 냉매는 저압 레벨로 이완된다. 응축기에서 유출된 후 부분 질량 흐름은 냉매의 주 질량 흐름에서 전환되어 중간 압력 레벨로 팽창되고, 열을 흡수하여 냉매가 증발하는 구성 요소의 온도를 제어하기 위한 열 교환기로 전달된다. 증발된 냉매는 증발 압력 제어 밸브 및 가스 입구 통로를 통해 중간 압력 레벨로 압축기로 유입된다.

US 6 293 123 B1호에는 자동차의 공조시스템용 냉매 순환계가 개시되어 있다. 난방 모드에서 작동할 때, 냉매는 공기 조절기 내에 배치된 응축기를 통해 고압 레벨로 통과된 다음 2개의 부분 질량 흐름으로 분할된다. 제1 부분 질량 흐름은 제1 팽창 기관을 통과해서 유동하고 중간 압력 레벨로 이완된다.

이어서, 순환 내부 열 교환기 내에서 열은 고압 레벨에 존재하는 제2 부분 질량 흐름으로부터 중간 압력 레벨에 존재하는 제1 부분 질량 흐름으로 전달된다. 제2 부분 질량 흐름의 과냉각된 냉매는 제2 팽창 장치 내에서 저압 레벨로 팽창되고, 외부 열 교환기 내에서 증발된다.

본 발명의 과제는, 자동차 공조 시스템을 위한 장치를 제공하는 것이며, 예컨대 전기 또는 조합형 전기 및 연소 기관 구동 장치를 갖는 자동차를 위한 용도의 공조 시스템 장치를 위한 것이며, 특히 중간 압력 레벨에서 흡입 가스가 주입되는 2개 단계의 압축을 갖는 냉매 순환계의 이점을 구비한다. 시스템은 최대 효율과 최대 성능으로 작동되어야 한다. 또한, 본 발명의 과제는, 상기 장치를 작동시키는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제는, 독립 특허 청구항의 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들이 종속 특허 청구항들에 명시되어 있다.

상기 과제는, 자동차 공조 시스템용 장치에 의해 달성된다. 장치는 냉매의 2개 단계 압축 및 중간 압력 레벨에서의 냉매 주입을 위한 압축기를 갖는 냉매 순환계를 구비한다. 또한, 냉매 순환계는 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 열 교환기, 제1 내부 열 교환기, 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 제1 팽창 기관이 앞에 장착된 적어도 하나의 제1 열 교환기, 그리고 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로를 구비하여 형성되어 있다. 유동 경로들은 각각 일 분기 지점으로부터 압축기까지, 특히 압축기 내 입구까지 각각 연장된다.

본 발명의 컨셉에 따르면, 상기 냉매 순환계는 제2 내부 열 교환기로 형성된다. 여기서, 제1 내부 열 교환기는 적어도 압축기 내로의 입구 앞에서 냉매 흐름 방향으로 적어도 제1 유동 경로 내부에서 저압 측과 함께 배치되고, 압축기 내로의 입구 앞에서 냉매의 유동 방향으로 적어도 제2 유동 경로 내부에서 중간 압력 측과 함께 배치된다.

이 경우 내부 열 교환기란, 고압, 특히 고압 레벨의 냉매, 그리고 저압의 냉매, 특히 저압의 냉매 또는 중간 레벨에서, 특히 저압 레벨 또는 중간 압력 레벨에서, 열 전달을 위해서 이용되는 순환계 내부 열 교환기로 이해될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 한 편으로는 응축/가스 냉각 후의 액체 냉매가 과냉각 또는 추가로 냉각되고, 다른 한 편으로는 흡입 가스가 압축기 앞에서 과열된다.

냉매 R134a와 같은 개별 냉매 순환계의 임계치 이하 작동 시 또는 이산화탄소와 함께 특정 환경 조건하에서 액화될 때, 열 교환기는 응축기로 지칭된다. 열 전달의 일부는 일정한 온도에서 발생한다. 열 교환기의 초임계 작동 또는 초임계 열에서는 냉매의 온도가 계속해서 낮아진다. 이 경우 열 교환기는 가스 냉각기라고도 한다. 초임계 작동은 예를 들어 냉매 이산화탄소와 같은 냉매 순환계의 작동방식 또는 특정 환경 조건하에서 발생할 수 있다.

본 발명의 일 개선예에 따라, 증발기로서 작동되는 냉매 순환계의 제1 열 교환기 그리고 냉매의 유동 방향으로 열 교환기의 그 앞에 위치하는 제1 팽창 기관이 제1 유동 경로 내에 형성된다. 이 경우, 증발기로서 작동되는 제1 열 교환기는 냉매의 흐름 방향으로 제1 내부 열 교환기의 저압 측 앞에 장착되어 있다.

냉매 순환계는 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기로 형성되는 것이 장점을 지니게 되며, 냉매의 흐름 방향으로 열 교환기 앞에 팽창 기관이 위치한다.

본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 증발기로서 작동되는 냉매 순환계의 열 교환기 그리고 제2 유동 경로 내에서 열 교환기에 앞서 장착된 팽창 기관은 냉매 유동 방향으로 연결된다. 이 경우, 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기는 냉매의 흐름 방향으로 제2 내부 열 교환기의 중간 압력 측 전방에 위치한다.

본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 제1 열 교환기는 증발기로서 작동하고, 열 교환기 앞에 장치된 냉매 유동 방향의 제1 팽창 기관 및 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기 그리고 열 교환기 앞에 장치된, 냉매 유동 방향의 팽창 기관은 냉매 순환계의 제1 유동 경로 내에서 장착된 형태로 형성된다. 이 경우, 선행하는 팽창 기관을 갖는 증발기로서 동작하는 제1 열 교환기 앞에서 냉매 흐름 방향의 선행 장착된 팽창 기관을 갖는 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기가 배치된다. 또한, 증발기로서 작동되는 제1 열 교환기는 냉매 흐름 방향으로 제1 내부 열 교환기의 저압 측 앞에 장착되어 있다. 냉매 순환계의 제2 유동 경로 내부에는, 바람직하게 팽창 기관이 형성되어 있다.

본 발명의 또 다른 대안적인 제1 실시예에 따르면, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기의 출구에서의 냉매 순환계의 유동 경로의 분기 지점은, 제1 내부 열 교환기의 고압 측이 제1 유동 경로의 내부에 그리고 제2 내부 열 교환기의 고압 측이 냉매 순환계의 제2 유동 경로 내부에 배치되도록 제공되어 있다.

본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 제1 내부 열 교환기 및 제2 내부 열 교환기의 고압 측 출구 방향으로 향한 냉매 흐름 방향으로 냉매 순환계의 유동 경로의 분기 지점이 배치된다. 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기의 출구에 배치된 제1 분기 지점 및 제1 분기 지점의 냉매의 유동 방향에 이어서 배치된 개방 지점의 제1 분기 지점의 냉매 방향으로 흐름 방향을 갖는 것과 같은 형태로 형성되어 있어서, 제1 내부 열 교환기의 고압 측을 향한 제1 부분 질량 흐름과 제2 내부의 열 교환기의 고압 측 방향으로 제2 부분 질량 흐름이 연결되어 있고, 이것은 배출 지점에서 내부 열 교환기 밖으로 유출된 후 합쳐진다. 이 경우, 유동 경로의 제2 분기 지점은 냉매의 유동 방향으로 배출구 지점 뒤에 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 냉매 순환계의 제1 유동 경로 내부에서 냉매 흐름 방향으로 압축기 앞에서 저압 측에 냉매 액체를 분리 및 수집하기 위한 어큐뮬레이터가 제공되어 있다.

냉매 순환계는 바람직하게 제1 유동 경로와 제2 유동 경로 사이에 형성된 오일 분리기를 구비한다. 오일 분리기는 바람직하게 오일의 압력 조절 및 유량 조절을 위한 일체형 밸브의 형태로 형성된다.

본 발명의 일 개선예에 따라, 이 장치는 적어도 하나의 열 교환기를 통해 냉매 순환계와 열적으로 연결된 적어도 하나의 냉각제 순환계를 구비한다. 이 경우, 적어도 하나의 열 교환기는 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성된다.

본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 상기 장치는, 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기를 통해 냉매 순환계와 열적으로 연결되어 있고 냉매-냉각제-열 교환기로 형성된 제1 냉각제 순환계를 구비한다.

본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 제1 냉각제 순환계는 1차 제1 냉각제 순환계 및 2차 제1 냉각제 순환계를 구비하며, 이들 순환계는 각각 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기를 통해 냉매 순환계와 열적으로 연결되어 있고 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성되어 있다. 이 경우, 제1 냉각제 순환계는 1차 및 2차 냉각제 순환계와 함께 2개의 서로 연결된 또는 2개의 상호 독립된 냉각제 순환계를 구비한다.

제1 냉매 순환계는 바람직하게 냉각제-공기-열 교환기와 함께 주변 공기 또는 자동차의 객실용 공급 공기로 열을 전달하기 위한 목적으로 형성된다. 추가로 또는 대안적으로, 제1 냉각제 순환계는 배터리 및/또는 다른 전자 부품, 예를 들어 자동차의 파워 트레인에 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열 교환기를 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예는, 냉매의 제1 증발기로서 작동되는 열 교환기 및/또는 냉매의 제2 증발기로서 작동되는 열 교환기를 통해 냉매 순환계와 열적으로 연결된 제2 냉각제 순환계가 형성되어 있다는 데 있다. 냉매의 제1 증발기로서 작동되는 열 교환기 또는 냉매의 제2 증발기로서 작동되는 열 교환기는 각각 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성된다.

이 경우, 제2 냉각제 순환계는 바람직하게 1차 및 2차 냉각제 순환계와 함께 2개의 서로 연결된 또는 2개의 상호 독립된 냉각제 순환계를 구비한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 주변 공기 또는 객실용 공급 공기로부터 냉각제로 열을 전달하기 위한 냉각제-공기-열 교환기를 갖는 제2 냉각제 순환계가 형성되어 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 제2 냉각제 순환계는 배터리 및/또는 자동차의 파워 트레인과 같은 다른 전자 부품으로부터 냉각제로 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열 교환기를 구비할 수 있다.

상기 과제는, 또한 자동차의 공조 시스템용 장치를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서 해결된다. 이 경우, 공조 시스템은 자동차 객실의 공기를 조절하고, 자동차 파워 트레인의 구성 요소의 온도를 제어하기 위한 목적으로 설계될 수 있다. 이 방법에서, 압축기 내의 냉매 순환계를 순환하는 냉매는 저압 레벨에서 고압 레벨로 2개의 단계로 압축되고, 증기 형태의 냉매의 부분 질량 흐름은 중간 압력 레벨에서 압축기 내로 분사된다.

본 발명의 컨셉에 따르면, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기로부터 유출되는 냉매는 분기 지점에서 2개의 부분 질량 흐름으로 분할된다. 각각의 경우에, 고압 레벨에 존재하는 냉매의 부분 질량 흐름은 제1 내부 열 교환기 및 제2 내부 열 교환기를 통과해서 안내된다. 제1 내부 열 교환기에서는 저압 레벨에 존재하는 냉매로 열이 전달되고, 제2 내부 열 교환기에서는 중간 압력 레벨에 존재하는 냉매로 열이 전달된다.

본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 고압 레벨에서 제1 부분 질량 흐름으로서 제1 내부 열 교환기를 통과한 냉매는 저압 레벨로 이완되고, 증발기 열 교환기로서 작동되는 제1 열 교환기를 관류할 때에 열을 흡수하여 증발되고, 이어서 제1 내부 열 교환기를 통과하게 된다.

고압 레벨 냉매에서 전도된 제2 내부 열 교환기를 통과하는 제2 부분 질량 흐름은 중간 압력 레벨로 감소되는 장점을 지니며, 열을 흡수하면서 증발기 열 교환기로 작동되는 제2 열을 통해 유동할 때 증발되어 제2 내부 열 교환기를 통과하게 된다.

본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 내부 열 교환기로부터 고압 레벨에서 부분 질량 흐름으로서 유출된 냉매는 혼합된 다음 분기 지점에서 2개의 부분 질량 흐름으로 분할된다. 이 경우, 제1 부분 질량 흐름은 중간 압력 레벨로 완화되고, 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기를 통과할 때 적어도 부분적으로 증발되고 이어서 저압 레벨로 방출되고, 증발기로서 작동되는 열 교환기를 관류할 때 열을 흡수하여 증발되고, 이어서 제1 내부 열 교환기를 통과하게 된다.

본 발명의 대안적인 제3 실시예에 따르면, 고압 레벨의 부분 질량 흐름으로서 내부 열 교환기로부터 흘러나온 냉매는 혼합되고, 이어서 분기 지점에서 2개의 부분 질량 흐름으로 분리된다. 이 경우, 제1 부분 질량 흐름은 저압 레벨로 방출되고, 증발기로서 작동되는 열 교환기를 관류할 때에 각각 열을 흡수하여 증발되고, 이어서 제1 내부 열 교환기를 통과하게 된다.

제2 부분 질량 흐름은 바람직하게 각각 중간 압력 레벨로 이완된 다음 제2 내부 열 교환기를 통과한다.

본 발명의 일 개선예에 따라, 난방 모드에서 공기 조화 시스템의 작동 중에 적어도 하나의 열 출력이 공급된다. 이 경우, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 냉매-냉각제-열 교환기 내에서는 열이 냉매 순환계의 냉매로부터 제1 냉각제 순환계 내에서 순환하는 냉각제로 전달되고, 냉각제-공기-열 교환기 내에서는 열이 제1 냉각제 순환계의 냉각제로부터 객실용 공급 공기로 전달되거나 열이 파워 트레인의 구성 요소로 전달된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 냉동 시스템 모드에서 공조 시스템의 작동 중에 저온 레벨에서 냉동 용량이 공급된다. 이 경우, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기 내에서는 열이 제2 냉각제 순환계 내에서 순환하는 냉각제로부터 냉매 순환계의 냉매로 전달되고, 냉각제-공기-열 교환기 내에서는 열이 객실용 공급 공기로부터 제2 냉각제 순환계의 냉각제로 전달된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 중간 또는 저온 레벨에서 냉동 시스템 모드로 공조 시스템을 작동하면 냉각 용량이 공급된다. 이 경우, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기 내에서는 열이 제2 냉각제 순환계 내에서 순환하는 냉각제로부터 냉매 순환계의 냉매로 전달되고, 열이 파워 트레인의 구성 요소로부터 제2 냉각제 순환계의 냉각제로 전달된다.

이로써, 파워 트레인의 전기 부품, 특히 고전압 배터리 및 인버터와 같은, 전기 또는 결합된 전기 및 연소 기관 구동을 갖는 자동차의 전기 구성 요소는 중간 온도 레벨의 냉매로 조절되어, 냉매 순환계의 압축기 소비와 같이, 전기 에너지의 소비가 최소화되고, 그 결과 전체 시스템의 효율이 향상된다.

본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법을 요약하면 다음과 같은 다양한 장점들을 갖는다:

- 상이한 열 레벨에서 높은 열 출력, 특히 냉각 성능 또는 가열 능력의 제공,

- 특히 압축기가 높은 압축비에서 작동하기 때문에 심지어 높은 용량에서도 압축 단계당 유리한 압축비로 작동되므로 최대 수명을 지닌 고성능 시스템,

- 냉각 시스템 모드에서 작동할 때 냉매를 중간 및 저온 레벨로 제공함으로써, 고전압 배터리 및 파워 트레인의 다른 구성 요소는 객실에 공급되는 공기의 냉각을 위해 제공되는 저온 레벨 대신 중간 온도 레벨으로 냉각될 수 있으며, 그리고

- 시스템 가동 중의 최대 효율과 최대 용량.

본 발명의 실시예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들이 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들의 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이를 나타내면:
도 1a는 냉매가 중간 압력 레벨에서 압축기 내로 주입되는, 선행 기술에 따른 내부 열 교환기와 조합된 냉매의 2개 단계의 압축을 갖는 자동차 공조 시스템용 냉매 순환계를 도시하며,
도 1b는 도 1a에 따른 냉매 순환계의 냉매의 전이 과정에서의 작동을 위한 압력-엔탈피-다이어그램을 도시하고,
도 2a는 냉매가 2개 단계에서 압축되고, 냉매가 중간 압력 레벨에서 압축기 내로 주입되는 냉매 순환계, 그리고 2개의 내부 열 교환기 및 각각 냉매-냉각제-열 교환기를 통해 냉매 순환계와 열적으로 연결된 제1 냉각제 순환계 및 제2 냉각제 순환계를 갖는 자동차 공조 시스템용 장치를 도시하며,
도 2b는 도 2a에 따른 냉매 순환계의 냉매의 전이 과정에서의 작동을 위한 압력-엔탈피-다이어그램을 도시하고,
도 3은 도 2a에 따른 장치는 추가의 냉매 순환계 및 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 2개의 분리된 냉매-냉각제-열 교환기를 갖는 냉매 순환계를 도시하며,
도 4a는 도 2a에 따른 장치와 유사한 장치는, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기가 서로 직렬로 배치된, 냉매 순환계가 장착된 장치를 도시하고,
도 4b는 도 4a에 따른 냉매 순환계의 냉매의 전이 과정에서의 작동을 위한 압력-엔탈피-다이어그램을 도시하며, 그리고
도 5는 도 4a에 따른 장치는, 추가 냉매 순환계 및 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 별도의 냉매-냉각제-열 교환기가 장착된 냉매 순환계를 갖는 장치를 도시한다.

도 1a에는, 예를 들어 차량의 공조 시스템, 종래 기술의 내부 열 교환기(11')와 조합하여 냉매의 2개 단계의 압축을 갖는 것을 나타내며, 여기서 냉매는 중간 압력 레벨로 압축기(3)로 분사된다. 도 1b는 도 1a에 따른 냉매 순환계(2')의 작동에 대한 압력-엔탈피-다이어그램을 도시한다. 도 1b에 도시된 상태변화에는 각각 주기를 명확히 하기 위해 냉매 순환계(2')의 구성 요소의 참조 부호가 부여되어 있다.

냉매 순환계(2')는 냉매의 흐름 방향으로 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4') 및 냉매를 위해 증발기로서 작동되는 후속 열 교환기(6')를 갖는 제1 팽창 기관(5)을 포함한다. 증발기(6') 및 그에 속하는 그리고 냉매 유동 방향으로 증발기(6') 앞에 장치된 제1 팽창 기관(5)은 제1 유동 경로(7') 내에 배치되어 있고, 상기 제1 유동 경로(7')는 분기 지점(8')으로부터 압축기(3)의 입구까지 연장되어 있다. 분기 지점(8')은 응축기/가스 냉각기(4')의 출구 뒤에 배치된다.

분기 지점(8')에서, 응축기/가스 냉각기(4')로부터 고압 레벨로 흘러나온 액체 냉매는 2개의 부분 질량 흐름으로 분할된다. 제1 부분 질량 흐름(

)은 제1 유동 경로(7')를 통해 제1 팽창 기관(5)으로 흐른다. 분기 지점(8')과 제1 팽창 기관(5) 사이에는 내부 열 교환기(11')의 고압 측이 배치되어, 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매는 제1 팽창 기관(5)에 도달하기 전에 냉각되고 또 이어서 저압 레벨로 증발기(6')에 공급된다. 분기 지점(8')에서 주 질량 흐름(

)으로부터 분기된 제2 부분 질량 흐름(

)은 내부 열 교환기(11')의 중간 압력 측과 제2 팽창기관(10)을 갖는 냉매의 흐름 방향으로, 제2 유동 경로(9')를 통해 통과한다. 제2 팽창 기관(10)을 관류할 때 제2 유동 경로를 통과한 냉매는 중간압력 레벨로 이완되고 이어서 내부 열 교환기(11')로 유도된다. 역류 열 교환기로서 형성하는 것이 바람직하고 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매 보조 냉각기로서 작동된 내부 열 교환기(11')가 배치되면 열은, 제1 부분 질량 흐름(

)에 고압 레벨로 존재하는 냉매로부터 제2 부분 질량 흐름(

)에 중간압력 레벨로 존재하는 냉매로 전달된다. 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉매는 내부 열 교환기(11') 내에서 증발한다.

제1 부분 질량 흐름(

)의 과냉각 냉매는 제1 팽창 기관(5) 내에서 저압 레벨로 완화되고 열을 흡수하면서 증발기(6')에서 증발된다. 중간 압력 레벨에 존재하는 냉매는 포화 또는 과열된 증기로서 압축기(3)에 공급되고, 특히 압축기 내의 압축기(3)의 중간 압력 포트에 의해 분사되어 압축기(3)의 출구에서 엔탈피(

)를 감소시키고 압축기(3)로부터 냉매의 출구 온도를 감소시킨다. 이완에 앞서, 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매의 추가 과냉각(

)과 그에 따른 증발기(6')로의 유입에 앞서 증발기(6')의 특정 냉각 용량을 증가시킨다. 그것은 냉매의 엔탈피가 입구에서 증발기(6')로 감소하기 때문이다. 난방 모드에서 냉매 순환계(2')의 작동 중에, 추가적인 제2 부분 질량 흐름(

)은 응축기/가스 냉각기(4')를 통한 냉매의 질량 흐름 및 그에 따른 가열 용량을 증가시킨다.

도 2a는, 중간 압력 레벨에서 압축기(3)로 냉매를 2개 단계 압축하고 2개의 내부 열 교환기(11-1, 11-2)로 냉매 순환계(2a)가 장치된 자동차의 공조 시스템용 장치를 도시한다. 장치(1a)는 또한 냉매-냉각제-열 교환기(4, 6, 12)를 통해 냉매 순환계(2a)와 열적으로 연결되는 제1 냉각제 순환계(14) 및 제2 냉각제 순환계(15)를 구비한다. 도 2b에서, 도 2a에 따른 냉매 순환계(2a)의 작동을 위한 압력-엔탈피-다이어그램은 냉매의 초월 임계 과정에서 나타난다.

냉매 순환계(2a)는 냉매의 흐름 방향으로 압축기(3)가 장착되어 있으며, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)가 장착되어 있어, 이것이 냉매 순환계(2a)와 제1 냉각제 순환계(14) 사이의 열적 연결을 형성하고 있다.

제1 냉각제 순환계(14)는 고온 순환계로서 작동하며, 이 순환계에서 과열 내지 응축열 또는 냉매의 액화열을 냉각제에 토출하게 된다. 장치(1a)의 작동 모드에 따라, 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)에서 제1 냉각제 순환계(14)에서 순환하는 냉각제로 전달된 열은 대기로 전달되거나 객실에 공급되는 공기, 배터리 및/또는 전자 부품, 예를 들어 자동차의 파워 트레인 등의 가열을 위해 사용된다.

또한, 냉매 순환계(2a)는 냉매의 흐름 방향으로 냉매를 위한 제1 증발기로서 작동되는 제1 팽창 기관(5)을 가지며, 냉각기라고도 하는 제2 냉매-냉각제-열 교환기(6)에 연속하여 배치되어 있다. 제1 증발기(6) 및 그와 관련된 그리고 제1 증발기(6)는 냉매 흐름 방향에 앞서 제1 팽창 기관(5)이 있으며 분기 지점(8)부터 증발기(3)의 입구까지 연장되는 제1 유동 경로(7a) 내부에 배치되어 있다. 분기 지점(8)은 냉매의 흐름 방향으로 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)의 출구 방향으로 배치되어 있다.

분기 지점(8)에서 응축기/가스 냉각기(4)로부터 고압 레벨로 흐르는 액체 냉매는 두 부분 질량 흐름으로 나누어지며, 이 경우 상기 제1 부분 질량 흐름(

)은 제1 유동 경로(7a)를 통해 제1 팽창 기관(5)으로 그리고 제2 부분 질량 흐름(

)은 제2 유동 경로(9a)를 통해 제2 팽창 기관(10)으로 흐르게 된다. 각각의 유동 경로(7a, 9a)를 통한 부분 질량 흐름(

,

)은 관련된 팽창 기관(5, 10)에 의해 제어된다. 팽창 기관(5, 10)은 팽창 밸브로서 설계되는 것이 바람직하다.

분기 지점(8)과 제1 유동 경로(7a)의 제1 팽창 기관(5) 사이에는, 제1 내부 열 교환기(11-1)의 고압 측이 배치되어 있어서, 제1 부분 유량(

)의 냉매가 냉각 또는 과냉된다. 제1 팽창 기관(5)에 도달하기 전에 제1 부분 유량(

)의 냉매가 냉각되거나 과냉되고 이어서 저압 레벨로 이완되어 제1 증발기(6)로 공급된다. 이완에 앞서 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매의 추가적인 과냉각과 그에 따라 제1 증발기(6)로 유입되기 전에 제1 증발기(6)의 특정 냉각 용량이 증가한다. 그것은 냉매의 엔탈피가 제1 증발기(6)로 진행하는 입구에서 감소되기 때문이다.

제1 부분 질량 흐름(

)의 과냉각 된 그리고 저압 레벨로 이완된 냉매는 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)에서 나오는 열을 흡수하면서 제1 증발기(6)에서 증발된다.

제1 유동 경로(7a) 내부에서 제1 증발기(6)와 압축기(3) 사이에는 또한 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측이 형성되어 있음으로써, 결과적으로 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측을 관류할 때 제1 증발기(6)에서 유출되는 냉매가 압축기(3) 내로 흡입되기 전에 과열된다. 바람직한 것으로는 역류 열 교환기로서 설계되고 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매의 보조 냉각기로서 작동되는 제1 내부 열 교환기(11-1)에서, 열은 고압 레벨의 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매로부터 저압 레벨로 존재하는 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매로 전달된다.

제1 유동 경로(7a)는 또한 어큐뮬레이터(13)를 구비한다. 압축기(3) 전방, 특히 제1 내부 열 교환기(11-1)의 앞에 냉매 흐름 방향으로 배치된 어큐뮬레이터(13)는 냉매 액체를 분리하여 수집한다. 따라서, 압축기(3)는 제1 내부 열 교환기(11-1)에서 추가로 과열되는 어큐뮬레이터(13)로부터 가스 냉매를 흡입한다.

제2 유동 경로(9a)의 분기 지점(8)과 제2 팽창 기관(10) 사이에는, 제2 내부 열 교환기(11-2)의 고압 측이 배치되어, 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉매가 제2 팽창 기관(10)에 도달하기 전에 냉각 또는 과냉각된 후 중간 압력 레벨로 이완되고 이어서 제2 증발기로서 작동되는 제3 냉매-냉각제-열 교환기(12), 냉각기라고도 함, 로 공급된다. 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉매의 추가적인 과냉각도 제2 증발기(12)로 유입되기 전에 냉매의 엔탈피가 감소되기 때문에, 제2 증발기(12)의 특정 냉각 용량이 증가된다.

제2 부분 질량 흐름(

)의 과냉각된 그리고 중간 압력으로 이완된 냉매는 제2 냉각제 순환계(15-2)에서 방출되는 열을 흡수하면서 제2 증발기(12)에서 증발된다.

제2 증발기(12)와 제2 내부 열 교환기(11-2)의 중간 압력 측을 또한 형성하는 압축기(3) 사이에는 제2 유동 경로(9a)가 형성되어, 그에 따라 제2 증발기(12) 냉매로부터 나온 유출물이 제2 내부 열 교환기(11-2)의 중간 압력 측에서, 2개의 압축 단계 사이의 중간 압력 레벨로 압축기(3)로 주입된다.

제2 내부 열 교환기(11-2)는 역류 열 교환기로 설계되는 것이 선호되고, 열은 고압 레벨로 전송된 제2 부분 유량(

)의 냉매로부터 제2 부분 질량 흐름으로 중간 압력 레벨로 전송된다. 제2 부분 질량 흐름(

)의 중간 압력 레벨에 존재하는 냉매는 압축기(3)의 중간 압력 포트에 의해 압축기(3)에 과열 증기로서 공급되어, 압축실 내의 출구의 엔탈피를 감소시킨다. 따라서 압축기(3)가 유도하는 냉매의 출구 온도를 감소시킨다.

제2 냉각제 순환계(15)는 저온 순환계 또는 중온 순환계로서 동작하고, 2개의 서로 결합된 또는 서로 독립된 냉각제 순환계(15-1, 15-2)의 형태로 형성되었으며, 예를 들어, 냉각제 순환계(15)를 저온 순환시키는 2개의 상호 연결된 또는 독립된 냉각제 순환계(15-1, 15-2)는 객실용 공급 공기를 냉각시켜 배터리 및/또는 전자 부품을 냉각시키는데 사용하기 위한 것이다. 장치(1a)의 동작 모드에 따라, 저온 순환계와 중온 순환계 중 하나인 2개의 제2 냉각제 순환계(15-1, 15-2)는 서로 완전히 분리될 수 있거나, 예를 들어, 함께 작동되는 캐스케이드 연결이라고 한다. 캐스케이드 연결에서, 냉각제는 상호 연결된 냉각제 순환계(15-1, 15-2)를 통해 흐를 수 있고, 냉매의 증발기(6, 12)는 냉각제에 의해 서로 연속적으로 또는 연속적으로 직렬 또는 직렬로 동작한다.

냉각 모드로 장치(1a)가 가동 중일 때, 저압 레벨의 냉매로 작동되는 제1 증발기(6)는 예를 들어 객실용으로 공급되는 공기를 냉각시키기 위해 사용되고, 중간 또는 중간 압력 레벨로 작동되는 제2 증발기(12)는 배터리, 특히 고전압 배터리 또는 다른 전자 부품을 냉각시키기 위한 기능을 한다. 이 경우, 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)를 순환하는 냉각제는 냉매 순환계(2a)의 제1 증발기(6)를 통해 0℃ 부근의 온도로 냉각된 후 냉각되어 에어컨의 배치를 통과하고, 공급 공기와 함께 냉각제-공기-열 교환기에 의해 작동된다. 또한, 제2 냉각제 순환계(15, 15-2) 내를 순환하는 냉각제는 냉매 순환계(2a)의 제2 증발기(12)를 통과할 때 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도로 냉각된다.

따라서, 제2 냉각제 순환계(15, 15-1, 15-2)의 냉각제가 2개의 상이한 온도 레벨로 제공되기 때문에, 예를 들어, 한편으로는 냉각될 중간 온도 레벨의 냉각제로 전기 자동차의 배터리가 냉각되고, 이는 승객 실의 공급 공기를 냉각시키기 위해 주로 필요한 저온 레벨의 냉각제에서 본 발명을 사용하지 않고도 가능하다. 다른 한편으로, 배터리는 최적 작동 온도에 상응하는 온도 레벨로 조절될 수 있다. 중간 압력 레벨의 냉매에 대한 분사 기술 및 이에 따른 냉매의 2개 단계의 압축과 관련하여, 압축기의 최소 전력 소비 및 본 장치(1a)의 최대 냉각 용량 및 효율이 달성된다.

난방 모드의 장치(1a)의 가동 시에는, 제1 증발기(6)의 객실용 공기의 열과 제2 증발기(12)의 배터리 또는 다른 전자 부품의 열이 제2 냉각제 순환계(15, 15-1, 15-2)를 순환하는 냉각제로부터 냉매로 전이된다. 따라서, 객실의 공기 및 배터리 또는 다른 전자 부품은 냉매의 열원으로 사용될 수 있으며, 배터리의 폐열 및 승객 실의 공기 또는 대기의 잔류 열 등은 냉매에 대한 증발 열로서 이용된다.

냉매로 전달된 열은 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)에서 제1 냉각제 순환계(14)를 순환하는 냉각제로 전달된 후, 공조 장치 내에 배치되고 승객 실을 위한 공급 공기가 공급되는 냉각제-공기-열 교환기를 통과한다. 열은 냉각제-공기-열 교환기에서 공급 공기로 전달된다.

냉매 순환계(2a)는 또한, 제1 유동 경로(7a) 및 제2 유동 경로(9a) 사이에, 특히 제1 유동 경로(7a)의 흡입 파이프와 압축기(3)에 분사된 냉매 파이프 사이에 에 형성된 오일 분리기(16)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 오일 분리기(16)는 유동 경로(7a, 9a)에서 내부 열 교환기(11-1, 11-2)와 압축기(3)의 입구 사이에 개재되어 냉매 순환계(2a)의 오일이 중간 압력의 영역으로부터 저압 영역으로 흐를 수 있다. 오일 분리기(16)는 압력 조절 및 오일량 조절 또는 유동 조절을 위한 일체형 밸브를 구비한다.

도 3에는, 장치(1b)는, 도 2a의 장치(1a)와 유사하지만, 고온 순환계로서 추가의 냉각제 순환계(14-2) 및 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 2개의 분리된 냉매 순환계(2b)가 장착된 냉매-냉각제-열 교환기(4a, 4b)를 도시한다.

도 2a의 장치(1a)에 대한 장치(1b)의 본질적인 차이점은 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기(4)의 냉매 순환계(2b)의 형성에 있으며, 냉매 순환계(2b) 형성의 경우 2개의 독립된 형성요소를 가지며, 따라서 제1 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4a) 및 제2 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제4 냉매-냉각제-열 교환기(4b)로 형성된다. 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4a)는 1차 제1 냉각제 순환계(14-1)의 1차 응축기/가스 냉각기로서 작동하고, 제4 냉매-냉각제-열 교환기(4b)는 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)의 2차 응축기/가스 냉각기로서 작동된다. 1차 제1 냉각제 순환계(14-1) 및 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)는 서로 독립적으로 또는 예를 들어 소위 캐스케이드 접속으로 작동될 수 있는 2개의 냉각제 순환계(14-1, 14-2)로서 형성된다. 캐스케이드 연결에서, 냉각제는 상호 연결된 냉각제 순환계(14-1, 14-2)를 통해 흐를 수 있고, 이 경우 냉매-냉각제-열 교환기(4a, 4b)는 일련의 또는 연속적으로 또는 서로에 대해 병렬로 냉각제를 공급받는다.

1차 제1 냉각제 순환계(14-1)는 냉매로부터 냉각제로의 큰 열 출력을 전달하는 데 사용되며, 이러한 열 출력의 전달은 객실에 공급되는 공기를 가열하는 데 사용될 수 있다. 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)는 냉매로부터 냉각제로 미미한 열 출력을 전달하는 데 사용되며, 이러한 열 출력 전달은 배터리의 가열 내지 다른 전기 형성요소의 가열 등에 사용될 수 있다. 1차 제1 냉각제 순환계(14-1)에서 순환하는 냉각제의 온도 레벨은 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)를 순환하는 냉각제의 온도 레벨보다 더 높다.

2개의 분리된 응축기/가스 냉각기(4a, 4b)를 사용함으로써, 열은 냉매로부터 1차적으로 제1 냉각제 순환계(14-1)를 순환하는 냉각제로, 냉매로부터 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)를 순환하는 냉각제로 또는 냉매로부터 1차 제1 냉각제 순환계(14-1)로 그리고 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)를 순환하는 냉각제로 또는 1차 제1 냉각제 순환계를 순환하는 냉각제로부터 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)를 순환하는 냉각제로 전달된다.

따라서, 한편으로, 냉각 설비 모드에서 장치(1b)의 작동 중에, 냉각제는 냉매로부터 냉각제로의 최대 열을 전달하기 위해, 바람직하게는 응축기/가스 냉각기(4a, 4b)를 통해 직렬 및 역방향으로 통과될 수 있다. 한편, 난방 펌프 모드라고도 하는 난방 모드에서 작동될 때, 냉각제 순환계(14-1, 14-2)는 개별적으로 상이한 온도 레벨에서 냉각제를 제공하도록 완전히 분리되어 작동될 수 있다.

도 4a에 있는 장치(1c)는 도 2에 따른 장치(1a)와 유사하며, 냉매 순환계(2c)가 장착되어 있으며, 이 순환계에서 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기(6, 12)가 서로 직렬로 배치되고 도시된 냉매에 연속하여 흘러들어 가도록 되어 있는 것이 도시되어 있다. 따라서, 차량의 공조 시스템용 장치(1c)는 중간 압력 레벨에서 압축기(3) 내의 냉매의 2개 단계의 압축 및 분사를 갖는 냉매 순환계(2c)와 2개의 내부 열 교환기(11-1, 11-2)로 형성되어 있다. 또한, 장치(1c)는 제1 냉각제 순환계(14) 및 제2 냉각제 순환계(15)를 구비하고, 이들 냉각제 순환계는 냉매 순환계(2c)에 냉매-냉각제-열 교환기(4, 6, 12)를 통해 열적으로 연결되어 서로 독립적으로 작동 가능하다. 도 4b에는, 도 4a에 따른 냉매 순환계(2c)의 작동에 대한 냉매의 전이과정에서 압력-엔탈피-다이어그램을 재차 도시되어 있다.

도 4a의 장치(1c)의 본질적인 차이는 도 2a의 장치(1a)로 향하는 냉매 순환계(1c, 1a)의 구조에 있다. 냉각제 순환계(14, 15, 15-1, 15-2)는 변경되지 않는다. 또한, 냉각제 순환계(14, 15, 15-1, 15-2)의 작동 모드는 동일하므로, 이 시점에서 장치(1a)에 대한 설명이 참조된다.

냉매 순환계(2c)는 냉매의 흐름 방향으로 압축기(3)와 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)로 형성되어 있으며, 이것은 냉매 순환계(2c)와 제1 냉각제 순환계(14) 사이의 열 연결로서 형성된다. 장치(1c)의 작동 모드에 따라, 냉매로부터 고온 순환계(14)를 순환하는 냉각제로 전달되는 냉각된 열 또는 응축열은 주변 공기로 전달되거나 객실용 공급 공기를 가열하기 위해, 배터리 및/또는 전자 부품 등에 사용된다.

제1 분기 지점(8)에 배치된 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4)의 출구로 향한 냉매의 유동 방향에서, 응축기/가스 냉각기(4)로부터의 고압 레벨로 분출하는 액체 냉매는 2개의 부분 질량 흐름으로 분할되고, 제1 내부 열 교환기(11-1)의 고압 측으로의 제1 부분 질량 흐름 및 제2 내부 열 교환기(11-2)의 고압 측으로의 제2 부분 질량 흐름이 유도된다. 내부 열 교환기(11-1, 11-2)를 통과할 때, 냉매는 각각 계속 과냉각 되거나 응고점 이하로 냉각된다. 내부 열 교환기(11-1, 11-2)로부터 부분 열이 유출된 뒤에, 부분 질량 흐름은 배출 지점(17)에서 다시 혼합되고 제2 분기 지점(18)으로 보내진다.

제2 분기 지점(18)에서, 액체 냉매는 다시 2개의 부분 질량 흐름으로 나누어진다. 제1 부분 질량 흐름(

)은 제1 유동 경로(7c)를 통해서 그리고 제2 부분 질량 흐름(

)은 제2 유동 경로(9c)를 통해 유동한다. 제1 증발기로서 작동되는 제2 냉매-냉각제-열 교환기(6) 및 그에 부속하는 증발기 그리고 냉매 흐름 방향의 제1 증발기(6) 앞에 장치된 제1 팽창 기관(5) 그리고 제2 증발기(12)로서 또 그에 속하는 증발기로서 그리고 냉매 흐름 방향으로 제2 증발기(12) 앞에 장착된 제3 팽창 기관(19)은 제1 유동 경로(7c) 내에 배치되어 있고, 이것은 제2 분기 지점(18)으로부터 상기 압축기(3)의 입구까지 확장된다. 이 경우, 제2 증발기(12) 및 제1 증발기(6)의 순서로 된 증발기(6, 12)는 각각 그 앞에 위치하는 팽창 기관(19, 5)이 냉매에 순차적으로 작용하도록 배치된다. 증발기(6, 12)는 서로 직렬로 연결된다. 제2 유동 경로(9c) 내에는 제2 팽창 기관(10)이 형성되어 있다. 각각의 유동 경로(7c, 9c)를 통한 부분 질량 흐름(

,

)은 관련된 제2 팽창 기관(10) 및 제3 팽창 기관(19)으로 제어된다. 팽창 기관(5, 10, 19)은 팽창 밸브로서 형성되는 것이 바람직하다.

제1 유동 경로(7c) 내에 배치된 제3 팽창 기관(19)를 통해 관류할 때, 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉각된 또는 과냉각 된 냉매는 제1 증발 압력 레벨로 이완되어 제2 증발기(12)로 공급된다. 제1 부분 질량 흐름(

)의 과냉각된 그리고 제1 증발 압력 레벨 냉매로의 과냉각 및 이완된 냉매는 제2 냉각제 순환계(15, 15-2)로부터 열을 흡수하면서 제2 증발기(12)에서 적어도 부분적으로 증발된다. 이어서, 냉매는 제1 팽창 기관(5)을 통해 제2 증발 압력 레벨 또는 저압 레벨로 이완되어 제1 증발기(6)로 공급된다. 제1 부분 질량 흐름(

)의 저압 레벨로 이완된 냉매는 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)로부터 나오는 열을 흡수하면서 제1 증발기(6)에서 증발한다.

대안적인 작동 모드에 따르면, 도 4a의 냉매 순환계(2c)의 작동을 위한 압력-엔탈피-다이어그램에 도시되지 않았지만, 제1 팽창 기관(5)은 완전히 개방되어, 증발기(6, 12)는 냉매에 의해 공통 압력 레벨에서 작동된다. 이 경우, 제3 팽창 기관(19)을 관류하는 냉매는 저압 레벨로 이완된다.

또한, 제1 증발기(6)와 압축기(3) 사이의 제1 유동 경로(7c) 내부에는, 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측이 형성되어, 제1 증발기(6)로부터 유출되는 냉매는 압축기(3)에 흡입되기 전에 흡입되고, 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측을 관류할 때 과열된다. 역류 열 교환기로 설계되는 것이 바람직한 제1 내부 열 교환기(11-1)에서, 고압 레벨의 냉매로부터 저압 레벨의 제1 부분 질량 흐름(

)의 냉매로 열이 전달된다.

또한, 장치(1c)의 냉매 순환계(2c)의 제1 유동 경로(7c)도 압축기(3)의 앞에 흐름 방향으로, 특히 제1 내부 열 교환기(11-1)의 앞에 저압 측에 어큐뮬레이터(13)가 배치되어 있고, 냉매 액을 분리 및 회수하는 역할을 한다. 따라서, 압축기(3)는 어큐뮬레이터(13)로부터 나오는 가스 형태의 냉매를 흡입하고, 이 냉매는 제1 내부 열 교환기(11-1)에서 추가로 과열된다.

또한, 제2 유동 경로(9c) 내에서는, 제2 팽창 기관(10)과 압축기(3) 사이에 제2 내부 열 교환기(11-2)의 중간 압력 측이 형성되어, 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉각 또는 과냉각된 냉매가 제2 팽창 기관(10)을 관류할 때 중간 압력 레벨로 이완되어, 제2 내부 열 교환기(11-2)의 중간 압력 측을 관류할 때 고압 측의 냉매의 열을 흡수하면서 중간 압축기(3) 내의 2개의 압축기 단계 사이에서 중간 압력 레벨로 압축기(3)로 주입되기 전에 냉매는 증발된다. 역류 열 교환기로서 형성되는 것이 바람직한 제2 내부 열 교환기(11-2)에서, 열은 고압 레벨에 존재하는 냉매로부터 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉매로 전달된다. 중간 압력 레벨로 존재하는 제2 부분 질량 흐름(

)의 냉매는 특히 압축기(3)의 중간 압력 포트에 의해 압축실에서 과주입된 과열 증기로서 공급된다.

또한, 냉매 순환계(2c)는 제1 유동 경로(7c)와 제2 유동 경로(9c) 사이, 특히 제1 유동 경로(7c)의 흡입 라인과 압축기(3) 내로 분사되는 냉매 라인 사이에 형성되는 오일 분리기(16)를 더 포함할 수 있다. 오일 분리기(16)가 내부 열 교환기(11-1, 11-2)와 유동 경로(7c, 9c) 내의 압축기(3)의 입구 사이에 일체화된 상태에서 냉매 순환계(2c)의 오일은 그 영역에서 중간 압력 레벨로 저압 레벨 영역으로 유동할 수 있고, 오일 분리기(16)는 압력 조절 및 오일량 조절 또는 유량 조절을 위한 일체형 밸브로 설계된다.

도 5는, 장치(1d)를 도시하는데, 도 4a에 따른 장치(1c)와 유사한, 이 장치는 고온 순환계로서 추가 냉각제 순환계(14-2) 및 2개의 분리된 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기(4a, 4b)를 갖는 냉매 순환계(2d)를 갖는 장치(1d)이다.

도 4a의 장치(1c)에 대한 장치(1d)의 본질적인 차이는, 도 2a 및 도 3의 장치(1a, 1b)의 비교에서와 같이, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 냉매 순환계 (2c, 2d)의 냉매-냉각제-열 교환기(4)의 형성에 있으며, 이것은 냉매 순환계(2d)의 형성에서 두 개의 독립적인 구성요소를 사용하고, 따라서 제1 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제1 냉매-냉각제-열 교환기(4a)를 사용하고, 또한 1차 제1 냉각제 순환계(14-1)의 1차 응축기/가스 냉각기로서 사용되고, 그리고 제2 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 제4 냉매-냉각제-열 교환기(4b)를 사용하고, 또한 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)의 2차 응축기/가스 냉각기로서 사용된다. 1차 제1 냉각제 순환계(14-1) 및 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)는 서로 독립적으로 또는 캐스케이드로 작동 될 수 있는 2개의 냉각제 회로로서 구성된다.

장치(1a, 1b, 1c, 1d)의 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)는 R744라 불리는 냉매 이산화탄소로 작동하도록 설계되는 것이 바람직하지만, R1234yf 또는 R134a와 같은 다른 냉매로도 작동하도록 설계되었다.

1a, 1b, 1c, 1d, 1' : 장치
2a, 2b, 2c, 2d, 2' : 냉매 순환계
3 : 압축기
4, 4a, 4' : 열 교환기, (제1) 응축기/가스 냉각기, 제1 냉매-냉각제-열 교환기
4b : 제2 응축기/가스 냉각기, 제 4 냉매-냉각제-열 교환기
5 : 제1 팽창 기관
6, 6' : 열 교환기, (제1) 증발기, 제2 냉매-냉각제-열 교환기
7a, 7c, 7' : 제1 유동 경로
8, 8' : (제1) 분기 지점
9a, 9c, 9' : 제2 유동 경로
10 : 제2 팽창 기관
11' : 내부 열 교환기
11-1 : 제1 내부 열 교환기
11-2 : 제2 내부 열 교환기
12 : 열 교환기, 제2 증발기, 제3 냉매-냉각제-열 교환기
13 : 어큐뮬레이터
14, 14-1 : 제1 (1차) 냉매 순환계
14, 14-2 : 제1, 2차 냉매 순환계
15, 15-1 : 제2, 1차 냉매 순환계
15, 15-2 : 제2, 2차 냉매 순환계
16 : 오일 분리기
17 : 개구부 위치
18 : 제2 분기 지점
19 : 제3 팽창 기관

Claims

냉매의 2개 단계 압축 및 중간 압력 레벨에서 냉매의 분사를 위한 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 열 교환기(4), 제1 내부 열 교환기(11-1), 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 제1 팽창 기관(5)이 앞에 배치되어 있는 적어도 하나의 제1 열 교환기(6), 그리고 각각 분기 지점(8, 18)으로부터 압축기(3)까지 연장되는 제1 유동 경로(7a, 7c) 및 제2 유동 경로(9a, 9c)를 갖는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)를 구비하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)에 있어서,
상기 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)가 제2 내부 열 교환기(11-2)를 구비하여 형성되어 있으며, 제1 내부 열 교환기(11-1)는 적어도 제1 유동 경로(7a, 7c)의 내부에서 저압 측과 함께 배치되어 있고, 제2 내부 열 교환기(11-2)는 적어도 제2 유동 경로(9a, 9c) 내부에서 중간 압력 측과 함께 배치되어 있고,
증발기로서 작동되는 제2 열 교환기(12)를 갖는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)가 형성되어 있고, 냉매 흐름 방향으로 상기 제2 열 교환기 앞에 팽창 기관(10, 19)이 배치되어 있고,
증발기로서 작동되는 제1 열 교환기(6) 및 냉매 흐름 방향으로 제1 열 교환기(6)의 앞에 장착된 제1 팽창 기관(5), 그리고 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기(12) 및 냉매 흐름 방향으로 제2 열 교환기(12) 앞에 장착된 팽창 기관(19)이 냉매 순환계(2c, 2d)의 제1 유동 경로(7c) 내부에 형성되어 있으며, 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 팽창 기관(19)이 앞에 장착된 제2 열 교환기(12)가 증발기로서 작동되고 팽창 기관(5)이 앞에 장착된 제1 열 교환기(6) 앞에 배치되어 있고, 증발기로서 작동되는 제1 열 교환기(6)가 냉매 흐름 방향으로 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측 앞에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
제1항에 있어서, 증발기로서 작동되는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 제1 열 교환기(6)와 냉매 흐름 방향으로 제1 열 교환기(6) 앞에 장착된 제1 팽창 기관이 제1 유동 경로(7a, 7c)의 내부에 형성되어 있으며, 증발기로서 작동되는 제1 열 교환기(6)가 냉매 흐름 방향으로 상기 제1 내부 열 교환기(11-1)의 저압 측 앞에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
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제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(2c, 2d)의 제2 유동 경로(9c) 내부에 팽창 기관(10)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1c, 1d).
냉매의 2개 단계 압축 및 중간 압력 레벨에서 냉매의 분사를 위한 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 열 교환기(4), 제1 내부 열 교환기(11-1), 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 제1 팽창 기관(5)이 앞에 배치되어 있는 적어도 하나의 제1 열 교환기(6), 그리고 각각 분기 지점(8, 18)으로부터 압축기(3)까지 연장되는 제1 유동 경로(7a, 7c) 및 제2 유동 경로(9a, 9c)를 갖는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)를 구비하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)에 있어서,
상기 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)가 제2 내부 열 교환기(11-2)를 구비하여 형성되어 있으며, 제1 내부 열 교환기(11-1)는 적어도 제1 유동 경로(7a, 7c)의 내부에서 저압 측과 함께 배치되어 있고, 제2 내부 열 교환기(11-2)는 적어도 제2 유동 경로(9a, 9c) 내부에서 중간 압력 측과 함께 배치되어 있고,
- 상기 제1 내부 열 교환기(11-1)의 고압 측이 제1 유동 경로(7a) 내부에 그리고 상기 제2 내부 열 교환기(11-2)의 고압 측이 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 제2 유동 경로(9a) 내부에 배치되도록, 냉매 순환계(2a, 2b)의 유동 경로(7a, 9a)의 분기 지점(8)이 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4)의 출구에 형성되어 있거나,
- 상기 냉매 순환계(2c, 2d)의 유동 경로(7c, 9c)의 분기 지점(18)이 제1 내부 열 교환기(11-1) 및 제2 내부 열 교환기(11-2)의 고압 측 출구 뒤에 배치되어 있고,
상기 내부 열 교환기(11-1, 11-2)로부터 배출된 후에 배출 지점(17)에서 함께 가이드 되는, 제1 부분 질량 흐름이 제1 내부 열 교환기(11-1)의 고압 측으로 안내되고, 제2 부분 질량 흐름이 제2 내부 열 교환기(11-2)의 고압 측으로 안내되도록, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4)의 출구에 배치된 제1 분기 지점(8) 및 상기 제1 분기 지점(8)의 냉매 흐름 방향으로 뒤에 배치된 배출 지점(17)이 형성되어 있으며, 유동 경로(7c, 9c)의 제2 분기 지점(18)이 냉매 흐름 방향으로 배출 지점(17) 뒤에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1c, 1d).
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제1항에 있어서, 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 제1 유동 경로(7a, 7c) 내부에, 냉매 흐름 방향으로 압축기(3) 앞에서 저압 측에 냉매 액체를 분리 및 수집하기 위한 어큐뮬레이터(13)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
제1항에 있어서, 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)가 오일 분리기(16)를 구비하며, 상기 오일 분리기가 제1 유동 경로(7a, 7c)와 제2 유동 경로(9a, 9c) 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
제1항에 있어서, 적어도 하나의 냉각제 순환계(14, 14-1, 14-2, 15, 15-1, 15-2)가 형성되어 있고, 상기 냉각제 순환계는 적어도 하나의 열 교환기(4, 4a, 4b, 6, 12)를 통해 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)와 열적으로 연결되어 있으며, 상기 적어도 하나의 열 교환기(4, 4a, 4b, 6, 12)는 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
제1항에 있어서, 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4)를 통해 냉매 순환계(2a, 2c)와 열적으로 연결된 제1 냉각제 순환계(14)가 형성되어 있으며, 상기 열 교환기(4)가 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1c).
제1항에 있어서, 제1 냉각제 순환계(14)가 1차 제1 냉각제 순환계(14-1) 및 2차 제1 냉각제 순환계(14-2)를 구비하고, 상기 냉각제 순환계들은 각각 냉매의 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4a, 4b)를 통해 냉매 순환계(2b, 2d)와 열적으로 연결되어 있으며, 상기 열 교환기(4a, 4b)는 각각 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1b, 1d).
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 제1 냉각제 순환계(14, 14-1)가 열을 주변 공기로 전달하거나 객실용 공급 공기로 전달하기 위한 냉각제-공기-열 교환기를 구비하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
냉매의 2개 단계 압축 및 중간 압력 레벨에서 냉매의 분사를 위한 압축기(3), 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 열 교환기(4), 제1 내부 열 교환기(11-1), 증발기로서 작동되고 냉매 흐름 방향으로 제1 팽창 기관(5)이 앞에 배치되어 있는 적어도 하나의 제1 열 교환기(6), 그리고 각각 분기 지점(8, 18)으로부터 압축기(3)까지 연장되는 제1 유동 경로(7a, 7c) 및 제2 유동 경로(9a, 9c)를 갖는 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)를 구비하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)에 있어서,
상기 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)가 제2 내부 열 교환기(11-2)를 구비하여 형성되어 있으며, 제1 내부 열 교환기(11-1)는 적어도 제1 유동 경로(7a, 7c)의 내부에서 저압 측과 함께 배치되어 있고, 제2 내부 열 교환기(11-2)는 적어도 제2 유동 경로(9a, 9c) 내부에서 중간 압력 측과 함께 배치되어 있고,
냉매의 제1 증발기로서 작동되는 열 교환기(6) 및/또는 냉매의 제2 증발기로서 작동되는 열 교환기(12)를 통해 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)와 열적으로 연결된 제2 냉각제 순환계(15, 15-1, 15-2)가 형성되어 있으며, 냉매의 제1 증발기로서 작동되는 열 교환기(6) 및 냉매의 제2 증발기로서 작동되는 열 교환기(12)가 냉매-냉각제-열 교환기로서 형성되어 있고,
상기 제2 냉각제 순환계(15)가 1차 제2 냉각제 순환계(15-1) 및 2차 제2 냉각제 순환계(15-2)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
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제15항에 있어서, 상기 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)가 열을 주변 공기 또는 객실용 공급 공기로부터 냉각제로 전달하기 위한 냉각제-공기-열 교환기를 구비하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d).
객실의 공기를 조절하기 위한 그리고 자동차 구동 트레인의 구성 요소의 온도를 조절하기 위한 공조 시스템이 형성되어 있으며, 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d) 내에서 순환하는 냉매가 압축기(3) 내에서 저압 레벨로부터 고압 레벨로 2개의 단계로 압축되며, 증기 형태의 냉매의 일 부분 질량 흐름이 중간 압력 레벨에서 압축기(3) 내로 분사되는, 제1, 2, 6, 7, 9 내지 13항, 제15항 중 어느 하나에 따른 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
응축기/가스 냉각기로서 작동되는 열 교환기(4, 4b)로부터 배출되는 냉매가 분기 지점(8)에서 2개의 부분 질량 흐름으로 나누어지며, 각각 고압 레벨에 존재하는 냉매의 일 부분 질량 흐름은 제1 내부 열 교환기(11-1)를 통과해서 그리고 제2 내부 열 교환기(11-2)를 통과해서 안내되며, 제1 내부 열 교환기(11-1) 내에서는 열이 저압 레벨에 존재하는 냉매로 전달되고, 제2 내부 열 교환기(11-2) 내에서는 열이 중간 압력 레벨에 존재하는 냉매로 전달되고,
상기 내부 열 교환기(11-1, 11-2)로부터 부분 질량 흐름으로서 고압 레벨로 배출되는 냉매가 혼합되고, 이어서 분기 지점(18)에서 2개의 부분 질량 흐름으로 나누어지며, 제1 부분 질량 흐름은 중간 압력 레벨로 이완되고, 증발기로서 작동되는 제2 열 교환기(12)를 관류할 때에는 열을 흡수하여 적어도 부분적으로 증발된 다음에 저압 레벨로 이완되며, 증발기로서 작동되는 제1 열 교환기(6)를 관류할 때에는 열을 흡수하여 증발된 다음에 제1 내부 열 교환기(11-1)를 통과해서 안내되는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법.
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제18항에 있어서, 제2 부분 질량 흐름이 중간 압력 레벨로 이완되고, 이어서 제2 내부 열 교환기(11-2)를 통과해서 안내되는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법.
제18항에 있어서, 공조 시스템이 난방 모드에서 작동되는 경우에는 적어도 하나의 열 출력이 제공되며, 응축기/가스 냉각기로서 작동되는 적어도 하나의 냉매-냉각제-열 교환기(4, 4a, 4b) 내에서는 열이 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 냉매로부터 제1 냉각제 순환계(14, 14-1, 14-2) 내에서 순환하는 냉각제로 전달되고, 냉각제-공기-열 교환기 내에서는 열이 제1 냉각제 순환계(14, 14-1, 14-2)의 냉각제로부터 객실용 공급 공기로 그리고/또는 구동 트레인의 구성 요소로 전달되는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법.
제18항에 있어서, 공조 시스템이 냉방 설비 모드에서 작동되는 경우에는 낮은 온도 레벨에서 냉방 출력이 제공되며, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기인 제1 열 교환기(6) 내에서는 열이 제2 냉각제 순환계(15, 15-1) 내에서 순환하는 냉각제로부터 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 냉매로 전달되고, 냉각제-공기-열 교환기 내에서는 열이 객실용 공급 공기로부터 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)의 냉각제로 전달되는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법.
제18항에 있어서, 공조 시스템이 냉방 설비 모드에서 작동되는 경우에는 중간 또는 낮은 온도 레벨에서 냉방 출력이 제공되며, 증발기로서 작동되는 냉매-냉각제-열 교환기인 제2 열 교환기(12) 내에서는 열이 제2 냉각제 순환계(15, 15-2) 내에서 순환하는 냉각제로부터 냉매 순환계(2a, 2b, 2c, 2d)의 냉매로 전달되고, 열이 구동 트레인의 구성 요소로부터 제2 냉각제 순환계(15, 15-1)의 냉각제로 전달되는 것을 특징으로 하는, 자동차 공조 시스템용 장치(1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법.