냉난방 공용 공조시스템 document_id A220623023379

최근 들어, 자연냉매를 사용하는 차량용 공조시스템이 다양하게 개발되고 있다. 특히, 이산화탄소(CO2)를 냉매로 사용하는 이산화탄소 공조시스템이 주목받고 있다. 이산화탄소 공조시스템은, 이산화탄소를 냉매로 사용하므로, 오존층의 파괴를 줄일 수 있고, 지구 온난화를 방지할 수 있다. 이러한 이산화탄소 공조시스템은, 냉매의 흐름 방향에 따라 냉방용 또는 난방용으로 사용할 수 있다. 도 1에는 이산화탄소 공조시스템(이하, "공조시스템"이라 약칭함)을 나타내는 도면이 도시되어 있다. 공조시스템은, 압축기(10)와 흐름제어밸브장치(12)를 구비한다. 압축기(10)는, 냉매를 고온·고압의 가스로 압축하여 메인냉매라인(10a)으로 토출한다. 흐름제어밸브장치(12)는, 메인냉매라인(10a)의 냉매 흐름을 냉방모드냉매라인(10b) 또는 난방모드냉매라인(10c)으로 바꾸어주는 것으로, 도 2에서와 같이, 냉방모드냉매라인(10b)상에 설치되는 제 1개폐밸브(14)와, 난방모드냉매라인(10c)상에 설치되는 제 2개폐밸브(16)와, 인가되는 신호에 따라 제 1개폐밸브(14) 또는 제 2개폐밸브(16)를 선택적으로 작동시키는 파일럿 밸브(18)로 구성된다. 제 1개폐밸브(14)는, 내부파일럿 작동식 2방향 체크밸브로서, 포핏(14a)을 구비한다. 포핏(14a)은 일측의 파일럿 수압부(14b)에 가해지는 메인냉매라인(10a)의 고압 냉매에 의해 냉방모드냉매라인(10b)을 차단하고, 타측의 포핏페이스부(14c)에 가해지는 메인냉매라인(10a)의 고압 냉매에 의해 냉방모드냉매라인(10b)을 개방한다. 따라서, 메인냉매라인(10a)에서 냉방모드냉매라인(10b)으로 흐르는 냉매를 차단하거나 허용한다. 제 2개폐밸브(16)는, 제 1개폐밸브(14)와 마찬가지로 내부파일럿 작동식 2방향 체크밸브로 구성되며, 포핏(16a)의 파일럿 수압부(16b)에 가해지는 메인냉매라인(10a)의 고압 냉매에 의해 난방모드냉매라인(10c)을 차단하고, 포핏페이스부(16c)에 가해지는 메인냉매라인(10a)의 고압 냉매에 의해 난방모드냉매라인(10c)을 개방한다. 따라서, 메인냉매라인(10a)에서 난방모드냉매라인(10c)으로 흐르는 냉매를 차단하거나 허용한다. 파일럿 밸브(18)는, 3방향 2위치 솔레노이드 밸브로서, "냉방모드신호"가 인가되면, 제 1위치(X)로 전환되면서 메인냉매라인(10a)의 냉매를 제 1개폐밸브(14)의 포핏페이스부(14c)에 공급하고, "난방모드신호"가 인가되면, 제 2위치(Y)로 전환되면서 메인냉매라인(10a)의 냉매를 제 2개폐밸브(16)의 포핏페이스부(16c)에 공급한다. 따라서, "냉방모드신호"가 인가되면, 제 1개폐밸브(14)가 냉방모드냉매라인(10b)을 개방하도록 제어하고, "난방모드신호"가 인가되면, 제 2개폐밸브(16)가 난방모드냉매라인(10c)을 개방하도록 제어하며, 이러한 제어를 통해, 냉매의 흐름 방향을 정방향 또는 역방향으로 바꾸어준다. 다시, 도 1을 참조하면, 공조시스템은, 실외열교환기(20)와 팽창밸브(22)와 실내열교환기(24) 및 보조실내열교환기(26)와 내부열교환기(28)와 히터코어(30)를 구비한다. 실외열교환기(20)는, 냉매의 흐름이 정방향인 냉방모드시에는 가스쿨러 역할을 수행하고, 냉매의 흐름이 역방향인 난방모드시에는 증발기 역할을 수행한다. 팽창밸브(22)는, 냉방모드시에는 실외열교환기(20)로부터 실내열교환기(24)로 흐르는 정방향 흐름의 냉매를 감압시킨다. 그리고 난방모드시에는 보조실내열교환기(26)로부터 실외열교환기(20)로 흐르는 역방향 흐름의 냉매를 감압시킨다. 실내열교환기(24)는, 냉방모드시에 증발기 역할을 수행한다. 따라서, 차량의 실내로 공급되는 공기를 냉각시며, 이에 따라 차량의 실내를 냉방한다. 보조실내열교환기(26)는, 난방모드시에 보조 가스쿨러 역할을 수행한다. 따라서, 차량의 실내로 공급되는 공기를 가열하며, 이에 따라 차량의 실내를 난방한다. 내부열교환기(28)는, 냉방모드시에 실내열교환기(24)의 입구측 냉매와 출구측 냉매를 상호 열교환시킨다. 따라서, 실내열교환기(24)의 입구측 냉매 온도를 강제적으로 낮추어 준다. 그리고 난방모드시에 실외열교환기(20)의 입구측 냉매와 출구측 냉매를 상호 열교환시킨다. 따라서, 실외열교환기(20)의 입구측 냉매 온도를 높이게 된다. 히터코어(30)는, 고온의 엔진 냉각수가 흐를 수 있는 것으로, 보조실내열교환기(26)에 병렬형태로 설치되며, 차량의 실내로 공급되는 공기를 가열하여 실내를 난방한다. 그런데, 이러한 종래의 공조시스템은, 흐름제어밸브장치(12)가 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 빠르게 전환할 수 없다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 냉방모드와 난방모드가 상호 전환될 시에, 모드의 전환시간이 지연된다는 문제점이 있다. 즉, 흐름제어밸브장치(12)는, 냉방모드에서 난방모드로 전환될 시에, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1개폐밸브(14)의 포핏페이스부(14c)에 인가되는 메인냉매라인(10a)의 냉매는 차단하고, 제 2개폐밸브(16)의 포핏페이스부(16c)에는 메인냉매라인(10a)의 냉매를 인가한다. 그러면, 제 1개폐밸브(14)의 포핏페이스부(14c)에 인가되는 냉매의 압력은 소거(消去)되고, 제 2개폐밸브(16)의 포핏페이스부(16c)에는 냉매의 압력이 작용하며, 그 결과, 제 1개폐밸브(14)는 냉방모드냉매라인(10b)을 차단하고 제 2개폐밸브(16)는 난방모드냉매라인(10c)을 개방한다. 따라서, 냉매의 흐름은 냉방모드냉매라인(10b)에서 난방모드냉매라인(10c)으로 바뀌어진다. 그런데, 냉방모드냉매라인(10b)을 차단하기 위해, 제 1개폐밸브(14)의 포핏페이스부(14c)에 인가되는 냉매의 압력을 소거해도, 냉방모드냉매라인(10b)의 냉매는 여전히 고압을 유지하는데, 이러한 고압의 냉매 압력은, 제 1개폐밸브(14)의 포핏페이스부(14c)에 여전히 작용하는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 포핏(14a)의 움직임이 둔화되어 냉방모드냉매라인(10b)의 차단이 지연된다는 문제점이 있다. 특히, 이러한 문제점은, 냉방모드냉매라인(10b)의 냉매 압력이 낮아지고 난방모드냉매라인(10c)의 냉매 압력이 높아져서, 제 1 및 제 2개폐밸브(14, 16)의 포핏페이스부(14c, 16c)에 작용하는 양자의 냉매 압력 차이가 어느 정도 줄어들 때까지 지속되며, 그 결과, 양자의 냉매 압력 차이가 줄어들 때까지 모드의 전환시기가 지연된다는 문제점이 있다. 한편, 이러한 문제점은 난방모드에서 냉방모드로 전환될 경우에도 동일하게 적용되므로, 냉매의 흐름이 정방향 또는 역방향으로 상호 빠르게 전환될 수 없으며, 그 결과, 냉방모드와 난방모드가 상호 전환될 시에, 모드의 전환시간이 지연된다는 결점이 있다.