KR100572613B1 - 전기자동차용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

전기자동차용 히트 펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 구동모터 냉각장치에 사용되는 냉각매체와 공기조화장치에 사용되는 열교환매체를 서로 열교환시킴으로써 부품을 단순화할 수 있고, 냉난방성능이 우수함과 아울러 제습성도 뛰어난 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 압축기(2)와; 상기 압축기 배출단에 연결되는 삼방향밸브(3)와; 상기 밸브와 연결되는 실외측 응축기(4)와; 상기 응축기에 이어 차례로 설치되는 리시버 드라이어(5), 제1팽창밸브(61) 및 증발기(6)와; 상기 증발기에 이어 설치되고 압축기와 연결되는 칠러(chiller)(7)와; 상기 삼방향밸브와 연결되는 실내측 응축기(8)와; 그리고, 상기 실내측 응축기에 이어 설치되고 칠러와 연결되는 제2팽창밸브(71)를 포함하여 이루어진다. 칠러(7)는 구동모터(1) 냉각라인과 연결되어 냉각매체와 열교환매체가 서로 열교환된다. 증발기(6) 및 칠러(7) 사이와, 제2팽창밸브(71)와 칠러(7) 사이에는 제1체크밸브(63) 및 제2체크밸브(73)가 차례로 설치되는 것이 바람직하다.
히트펌프, 전기자동차, 공조, 공기조화

Description

전기자동차용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 구성하는 삼방향밸브의 작용상태를 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 구동모터, 2 : 압축기,
3 : 삼방향밸브, 4 : 실외측 응축기,
5 : 리시버 드라이어, 6 : 증발기,
7 : 칠러(chiller), 8 : 실외측 응축기,
11 : 재킷, 13 : 냉각매체 순환펌프,
31 : 밸브판, 61 : 제1팽창밸브,
63 : 제1체크밸브, 71 : 제2팽창밸브,
73 : 제2체크밸브
본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 전기자동차 의 구동모터 냉각장치에 사용되는 고온의 오일 또는 쿨런트와 실내 응축기 내의 열교환매체인 액냉매를 보조증발기인 칠러(chiller)와 열교환시킴으로써 액냉매가 기상냉매로 전환될 수 있도록 열원을 제공하고, 시스템 구성부품을 단순화할 수 있으며, 또한 냉난방성능이 우수함과 아울러 제습성도 뛰어난 전기자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적인 자동차용 공기조화장치는 자동차의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과 자동차의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함한다. 냉방시스템은 압축기의 구동에 의하여 토출되는 열교환매체가 응축기, 리시버 드라이어, 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환하는 과정에서 증발기에 의한 열교환에 의하여 자동차의 실내를 냉방하도록 구성되며, 한편 난방시스템은 냉각수를 히터로 유입하여 열교환시킴으로써 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 전기자동차용 공기조화장치의 경우에는 일반적인 자동차에서와 같이 히터가 별도로 사용되지 않기 않기 때문에 그 구성이 상기한 바와 같은 일반적인 자동차의 공기조화장치와는 다르다. 전기자동차에 적용되는 공기조화장치인 히트펌프 시스템은 그 기본원리가 여름에는 압축기로부터 압축된 고온, 고압의 기상냉매가 응축기를 통하여 응축된 후 리시버 드라이어 및 팽창밸브를 거쳐 증발기에서의 증발을 통하여 실내의 온도 및 습도를 낮는 일반적인 원리와 동일하지만, 특히 겨울에 고온,고압의 기상냉매를 히터 매체로 이용한다는 특징을 가지고 있다. 즉, 고온, 고압의 기상냉매가 삼방향밸브를 통하여 실외응축기가 아닌 실내응축기로 유동하여 흡입된 외기와의 열교환을 통하여 실내의 온도가 높아지는 것이다. 따라서, 실내응축기의 고온,고압의 기상냉매는 흡입된 외기와의 열교환을 통하여 응축이 되어 액냉매로 토출된다.
그러나, 종래 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서는, 압축기를 비롯한 열교환기들 및 각 구성요소의 구조가 복잡하게 될 뿐만 아니라 열교환매체의 열교환효율, 특히 난방성능이 저하된다. 즉, 실내응축기로부터의 액냉매가 압축기로 흡입될 때 기상냉매로 전환해 줄 수 있는 열원이 부족하기 때문에 압축효율이 저하되어 외기온도가 낮은 경우에는 난방성능이 현저하게 부족하며, 시스템이 불안정할 뿐만 아니라 액냉매가 압축기로 유입될 때 압축기의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 전기자동차의 구동모터 냉각장치에 사용되는 고온의 오일 또는 쿨런트와 실내응축기 내의 열교환매체인 액냉매를 보조증발기인 칠러를 통하여 열교환시킴으로써 액냉매가 기상냉매로 전환될 수 있도록 열원을 제공하고, 시스템 구성부품을 단순화할 수 있으며, 또한 냉난방성능이 우수함과 아울러 제습성도 뛰어난 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 열교환매체를 압축하여 배출하는 압축기와; 상기 압축기의 배출라인에 연결되어 유로를 선택적으로 전환하는 삼방향밸브와; 상기 삼방향밸브와 연결되는 실외 측 응축기와; 상기 실외측 응축기에 이어 설치되어 열교환매체를 기액분리하기 위한 리시버 드라이어와; 상기 리시버 드라이어에 이어 설치되는 제1팽창밸브와; 상기 제1팽창밸브와 연결되는 증발기와; 상기 증발기에 이어 설치됨과 아울러 압축기와 연결되는 칠러와; 상기 삼방향밸브와 연결되는 실내측 응축기와; 그리고, 상기 실내측 응축기에 이어 설치됨과 아울러 칠러와 연결되는 제2팽창밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 칠러는 보조증발기의 역할을 하는 것으로서 전기자동차의 구동모터 냉각라인과 연결되어 구동모터 냉각라인을 흐르는 냉각매체와 열교환매체를 서로 열교환하도록 되어 있다. 또한, 상기 증발기 및 칠러 사이의 라인중에 제1체크밸브가 설치됨과 아울러 상기 제2팽창밸브와 칠러 사이의 라인중에 제2체크밸브가 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 전기자동차용 히트펌프 시스템에 따르면, 냉방모드시에는 압축기로부터 압축되어 토출되는 열교환매체가 삼방향밸브, 실외측 응축기, 리시버 드라이어, 제1팽창밸브, 증발기, 제1체크밸브 및 칠러를 차례로 경유하여 압축기로 순환함으로써 증발기의 열교환작용에 의하여 전기자동차의 실내냉방이 이루어지게 된다. 그리고, 난방모드시에는 압축기로부터 압축되어 토출되는 열교환매체가 삼방향밸브, 실내측 응축기, 제2팽창밸브, 제2체크밸브 및 칠러를 차례로 경유하여 압축기로 순환함으로써 실내측 응축기의 열교환작용에 의하여 전기자동차의 실내난방이 이루어지게 된다. 한편, 제습 및 믹싱모드시에는 삼방향밸브가 중립위치에 놓이고, 따라서 압축기로부터 압축되어 토출되는 열교환매체는 삼방향밸브를 거쳐 실외측 응축기 및 실내측 응축기로 대략 절반씩 분기되어 공급됨으로써 증발기를 흐르는 열교환매체와 열교환된 냉기와 실내측 응축기를 흐르는 열교환매체와 열교환된 열기가 증발기 및 실내측 응축기가 내장되는 공기조화케이스 내에서 믹싱됨으로써 제습된 공기가 실내로 유입되며, 제습된 공기의 온도조절은 공기조화케이스 내부의 온도조절도어들의 개도에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 참조부호 1은 전기자동차를 구동하기 위한 구동모터로서, 구동모터(1)의 구동시 발생하는 열은 구동모터(1) 둘레로 설치되는 재킷(11)을 순환하는 오일 또는 쿨런트 등의 냉각매체에 의하여 냉각된다. 구동모터(1)의 열의 냉각매체에 대한 열교환라인은 후술한다.
참조부호 2는 압축기로서, 유입되는 열교환매체를 압축하여 토출하도록 되어 있고, 상기 압축기(2)의 토출라인에 삼방향밸브(3)가 설치되어 있다. 상기 삼방향밸브(3)는 냉방모드, 난방모드 및 제습 및 믹싱모드에 따라 열교환매체의 유로를 전환하도록 이루어진 것으로서, 냉방라인을 구성하는 실외측 응축기(4) 및 난방라인을 구성하는 실내측 응축기(8)와 연결되어 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 삼방향밸브(3)의 내부에 회동가능하게 설치된 밸브판(31)이 점선으로 도시된 바와 같이 실내측 응축기(8)쪽 유로를 막고 있을 때에는 압축기(2)로부터 토출되는 열교환매체가 전량 실외측 응축기(4)쪽으로 공급되고, 밸브판(31)이 실선으로 도시된 바와 같이 실외측 응축기(4)쪽 유로를 막고 있을 때에는 압축기(2)로부터 토출 되는 열교환매체가 전량 실내측 응축기(8)로 공급된다. 또한, 밸브판(31)이 이점쇄선으로 도시된 바와 같이 중립위치에 놓일 때에는 압축기(2)로부터 토출되는 열교환매체가 실외측 응축기(4) 및 실내측 응축기(8)로 각각 절반씩 공급된다.
실외측 응축기(4)에 이어 리시버 드라이어(5)가 설치됨으로써 실외측 응축기(4)에 의하여 응축된 열교환매체는 리시버 드라이어(5)를 통과하면서 기액분리된다. 그리고, 리시버 드라이어(5)에 이어 제1팽창밸브(61)가 설치되고, 제1팽창밸브(61)에 이어 증발기(6)가 설치되며, 증발기(6)는 칠러(7)와 연결되어 있다. 상기 증발기(6)와 칠러(7) 사이를 연결하는 라인중에는 제1체크밸브(63)가 설치됨으로써 칠러(7)로부터 증발기(6)쪽으로의 열교환매체의 역류를 방지하는 것이 바람직하며, 칠러(7)는 압축기(2)와 연결된다.
그리고, 삼방향밸브(3)와 연결된 실외측 응축기(4)는 제2팽창밸브(71)와 연결되고, 이 제2팽창밸브(71)는 칠러(7)와 연결된다. 상기 칠러(7)와 제2팽창밸브(71)를 연결하는 라인중에는 칠러(7)로부터 제2팽창밸브(71) 쪽으로 열교환매체가 역류하는 것을 방지하기 위하여 제2체크밸브(73)가 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 전기자동차의 구동모터(1)를 냉각하기 위한 재킷(11) 내부를 흐르는 냉각매체를 냉각하기 위하여 재킷(11) 내부를 흐르는 냉각매체는 냉각라인을 통하여 칠러(7)를 경유하여 다시 재킷(11)으로 복귀하도록 되어 있고, 칠러(7)를 경유하여 재킷(11)으로 복귀하는 라인 중에 냉각매체 순환펌프(13)가 설치되어 있다.
다음에 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시 스템의 작용에 대하여 설명한다.
냉방모드시에는 삼방향밸브(3)의 밸브판(31)이 실내측 응축기(8)쪽 유로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(2)로부터 압축되어 토출되는 고온, 고압의 열교환매체가스는 실외측 응축기(4)를 통과한다. 이 때 실외측 응축기(4)의 전면 또는 후면에 설치되는 냉각팬의 구동에 의하여 실외측 응축기(4)가 방열작용을 함에 따라 실외측 응축기(4)를 경유하는 열교환매체는 응축되고, 이 응축된 열교환매체는 리시버 드라이어(5)를 경유하면서 기액분리된 상태로 제1팽창밸브(61) 및 증발기(6)를 거치면서 증발되어 열교환매체가스 상태로 칠러(7)로 유입된다. 이 증발기(6)의 증발작용에 의한 열교환에 의하여 실내로 냉기가 송풍됨으로써 실내의 냉방작용이 이루어진다. 한편, 구동모터(1)로부터 열전달된 고온의 냉각매체가 순환펌프(13)에 의한 강제순환에 의하여 칠러(7)를 경유하기 때문에 이 구동모터(1)측 고온의 냉각매체와 증발기(6)에 의하여 1차 증발된 열교환매체와의 열교환에 의하여 구동모터(1)측 고온의 냉각매체가 냉각되어 재킷(11)으로 복귀함과 아울러 1차 증발된 열교환매체는 2차 증발되어 가스상태로 압축기(2)로 복귀하여 구동부가 냉각됨과 아울러 1차 증발된 열교환매체는 칠러(6)에 의하여 2차 증발되어 가스상태로 압축기(2)로 복귀하여 순환된다. 이와 같은 칠러(7)의 열교환작용, 즉 2차 증발작용에 의하여 열교환매체가 가스상태로 압축기(2)로 유입됨으로써 압축기(2)에서 액열교환매체 압축현상이 발생하지 않아 압축기(2)가 소손되는 등의 사고를 방지할 수 있다.
한편, 난방모드시에는 삼방향밸브(3)의 밸브판(31)이 실외측 응축기(4)쪽 유 로를 폐쇄함으로써 압축기(2)로부터 압축되어 토출되는 열교환매체는 삼방향밸브(3)를 거쳐 실내측 응축기(8)로 공급되어 열교환에 의하여 응축되고, 이 열교환과정에서 가열된 열기가 실내로 유입되어 실내의 난방이 수행된다. 실내측 응축기(8)를 거치면서 응축되어 액상으로 변한 열교환매체는 제2팽창밸브(71)의 교축작용에 의해 저온, 저압의 습열교환매체로 변하면서 칠러(7)로 유입되며, 이 저온, 저압의 습열교환매체는 구동모터(1)측 냉각라인을 순환하는 고온의 냉각매체와 열교환되어 증발됨으로써 가스상태로 압축기(2)로 복귀하여 순환하는 동시에 구동모터(1)의 냉각도 수행된다. 따라서, 난방모드시에도 열교환매체 압축기(2)에 가스상태로 유입됨으로써 액열교환매체 압축현상을 방지할 수 있어 압축기(2)를 보호할 수 있다.
그리고, 제습 및 믹싱모드시에는 삼방향밸브(3)가 중립위치에 놓임으로써 압축기(2)로부터 압축되어 토출되는 열교환매체는 삼방향밸브(3)를 거쳐 실외측 응축기(4) 및 실내측 응축기(8)로 대략 절반씩 분기되어 공급됨으로써 증발기(6)를 흐르는 열교환매체와 열교환된 냉기와, 실내측 응축기(8)를 흐르는 열교환매체와 열교환된 열기가 증발기(6) 및 실내측 응축기(8)가 내장되는 공기조화케이스(미도시) 내에서 믹싱됨으로써 제습된 공기가 실내로 유입된다. 제습된 상태로 실내로 유입되는 공기에 대한 온도조절은 공기조화케이스 내부의 온도조절도어(미도시)들의 개도에 따라 적절하게 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서는, 전기자동차의 구동모터(1) 냉각라인이 압축기(2)의 입구단과 연결되는 칠러(7)를 경유하는 과정에서 냉각매체와 열교환매체와의 열교환에 의하여 냉각매체가 열교환되도록 함으로써 냉각매체의 열교환에 의하여 열교환매체가 2차로 증발되어 가스상태로 압축기(2)로 유입되도록 함으로써 압축기(2)의 액열교환매체 압축현상을 방지할 수 있어 압축기(2)를 보호할 수 있음과 아울러 압축효율 및 냉난방성능을 높일 수 있다.
또한, 삼방향밸브(3)의 간단한 유로전환에 의하여 제습 및 믹싱모드를 쉽게 수행할 수 있으므로 제습작용이 우수하다.
또한, 냉각매체와 열교환매체와의 열교환에 의하여 냉각매체가 열교환되도록 함으로써 공기조화라인 및 냉각라인의 구성을 단순화할 수 있다.

Claims (4)

  1. 열교환매체를 압축하여 배출하는 압축기와;
    상기 압축기의 배출라인에 연결되어 유로를 선택적으로 전환하는 삼방향밸브와;
    상기 삼방향밸브와 연결되는 실외측 응축기와;
    상기 실외측 응축기에 이어 설치되어 열교환매체를 기액분리하기 위한 리시버 드라이어와;
    상기 리시버 드라이어에 이어 설치되는 제1팽창밸브와;
    상기 제1팽창밸브와 연결되는 증발기와;
    상기 증발기에 이어 설치됨과 아울러 압축기와 연결되는 칠러와;
    상기 삼방향밸브와 연결되는 실내측 응축기와; 그리고,
    상기 실내측 응축기에 이어 설치됨과 아울러 칠러와 연결되는 제2팽창밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 칠러는 전기자동차의 구동모터 냉각라인과 연결되어 구동모터의 냉각라인을 흐르는 냉각매체와 열교환매체가 서로 열교환되는 열원을 제공할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 증발기 및 칠러 사이의 라인중에 제1 체크밸브가 설치됨과 아울러 상기 제2팽창밸브와 칠러 사이의 라인중에 제2체크밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 칠러는 전기자동차의 구동모터를 냉각시키기 위한 구동모터의 냉각라인에 설치되는 냉각매체 순환용 순환펌프와 연결됨으로써 구동모터의 냉각을 위한 냉각매체가 칠러를 경유하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
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