KR101342933B1

KR101342933B1 - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR101342933B1
Application number: KR1020100128331A
Authority: KR
Inventors: 강성호; 왕윤호
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2013-12-18
Also published as: KR20120066963A

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 2개의 압축기를 병렬로 연결하여 히트펌프 모드시 제1압축기에 의해 순환하는 실외 증발기측 냉매와, 상기 순환하는 냉매를 분기하여 제2압축기에 의해 순환하는 실외 응축기측 냉매를 상호 열교환시켜 히트펌프 모드시 필요한 열원을 확보하도록 함으로써, 외기온이 낮은 조건에서도 2개의 압축기를 통해 자체적으로 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 작동할 수 있음은 물론 난방성능을 향상하고, 전체시스템의 구성이 간단하여 부품수 및 원가를 절감할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for vehicle}

차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.

한편, 상기한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있는데, 예컨대 2개의 열교환기(즉, 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기)와, 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 적어도 하나의 방향조절밸브를 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 역할을 하게 되며, 난방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 역할을 하게 된다.

이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류가 제안되고 있는데, 그 대표적인 일본 공개특허 제2001-27455호에 개시된 것을 들 수 있다.

상기 차량용 히트펌프 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 고압측 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키는 제1팽창밸브(34) 및 제1바이패스 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외기(48)와, 상기 실외기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 저압측 열교환기(60)와, 상기 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 벙렬로 설치되어 상기 실외기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.

도 1 중 도면부호 10은 상기 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 12는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 20은 상기 공조케이스의 입구에 설치되는 송풍기를 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 난방모드가 가동될 경우에, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 개방된다. 또한, 온도조절도어(12)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 고압측 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.

그러나, 상기 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드(난방모드)시 상기 공조케이스(10)의 내부에 설치된 고압측 열교환기(32)가 난방기 역할을 하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외기(48)는 공조케이스(10)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 외기와 열교환하는 증발기 역할을 하게 되는데,

이때, 외기온이 낮은 조건에서는 상기 증발기 역할을 하는 실외기(48)가 차가운 외기와 열교환하기 때문에 상기 난방기 역할을 하는 고압측 열교환기(32)측에 충분한 폐열을 공급하지 못하게 되며, 이처럼 외기온이 낮은 조건에서는 열원이 확보 되지 않으면 난방 성능이 악화되거나 히트펌프 모드 시스템의 작동이 불가하여 실질적으로 저온 지방에서는 사용할 수 없는 기술적 한계를 가지고 있다.

또한, 상기와 같이 외기온이 낮은 조건에서의 성능악화 또는 작동이 불가한 문제를 해결하기 위해 별도로 공조케이스(10)의 내부에 엔진의 냉각수가 순환하는 히터코어(미도시)를 설치하여 병행하는 경우가 있으나, 이 경우에는 전체 시스템의 구성이 복잡하고 구성부품이 많아 중량 및 원가가 증가하는 문제가 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 2개의 압축기를 병렬로 연결하여 히트펌프 모드시 제1압축기에 의해 순환하는 실외 증발기측 냉매와, 상기 순환하는 냉매를 분기하여 제2압축기에 의해 순환하는 실외 응축기측 냉매를 상호 열교환시켜 히트펌프 모드시 필요한 열원을 확보하도록 함으로써, 외기온이 낮은 조건에서도 2개의 압축기를 통해 자체적으로 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 작동할 수 있음은 물론 난방성능을 향상하고, 전체시스템의 구성이 간단하여 부품수 및 원가를 절감할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매 순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 제1압축기와, 공조케이스의 내부에 설치됨과 아울러 상기 냉매 순환라인과 연결되어 상기 제1압축기에서 배출된 냉매를 공조케이스내를 유동하는 공기와 열교환시키는 실내측 열교환기와, 상기 냉매 순환라인상에 설치되어 상기 실내측 열교환기에서 배출된 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 냉매 순환라인상에 설치되어 상기 제1팽창수단에서 배출된 냉매를 증발시키는 실외 증발기와, 상기 냉매 순환라인으로부터 분기되는 냉매를 이용하여 상기 실외 증발기내를 유동하는 냉매를 증발시키도록 열을 공급하는 열공급수단을 포함하며, 외기온이 낮은 조건에서 히트펌프 모드시 난방성능을 향상하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 2개의 압축기를 병렬로 연결하여 히트펌프 모드시 제1압축기에 의해 순환하는 실외 증발기측 냉매와, 상기 순환하는 냉매를 분기하여 제2압축기에 의해 순환하는 실외 응축기측 냉매를 상호 열교환시켜 히트펌프 모드시 필요한 열원을 확보하도록 함으로써, 외기온이 낮은 조건에서도 2개의 압축기를 통해 자체적으로 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 작동할 수 있음은 물론 난방성능이 향상되고, 전체시스템의 구성이 간단하여 부품수 및 원가를 절감할 수 있다.

또한, 1개의 압축기만을 사용하면서, 상기 압축기에서 배출된 고온 고압의 기상냉매를 분기하여 일부 기상냉매는 난방용으로 사용하고, 일부 기상냉매는 열원 확보용으로 사용하도록 함으로써, 전체시스템의 구성이 더욱 간단하여 부품수 및 원가를 더욱 절감할 수 있다.

그리고, 상기 제1,2압축기의 회전수를 조절하여 냉매 순환라인과 제1냉배 분기라인으로 배분되는 냉매 유량을 조절함으로써, 난방성능 향상을 위한 효율을 극대화 할 수 있다.

또한, 냉각수가 채워진 수냉식 열교환기의 내부에 일체형 실외 증발기 및 실외 응축기를 설치함으로써, 상기 실외 증발기 및 실외 응축기가 냉각수를 통해 상호 원활하게 열교환되어 열교환 효율이 향상된다.

아울러, 상기 수냉식 열교환기의 내부에 냉각수를 교반하는 교반장치를 설치함으로써, 상기 냉각수를 통해 상호 열교환하는 상기 실외 증발기 및 실외 응축기간에 열교환 효율이 더욱 향상된다.

그리고, 상기 실외 증발기 및 실외 응축기를 일체형으로 구성하고, 상기 실외 응축기의 전방에 복수개의 도어를 설치하여 외기온이 낮은 조건에서 외기를 차단함으로써, 히트펌프 모드시 난방 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 수냉식 열교환기를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 제1실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 도 2 및 도 3과 같이, 제1압축기(100)와, 실내측 열교환기(110)와, 제1팽창수단(130)과, 실외 증발기(140)와, 열공급수단(200)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제1압축기(100)와, 실내측 열교환기(110)와, 제1팽창수단(130)과, 실외 증발기(140)는 냉매 순환라인(R)상에 순차적으로 연결되어 구성되고, 상기 열공급수단(200)은 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결되는 제1냉매 분기라인(R1)상에 구성된다.

상기 제1압축기(100)는, 엔진(내연기관 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 히트펌프 모드시 상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 고온 고압의 기체 상태로 상기 실내측 열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 에어컨 모드시에는 정지된다. 에어컨 모드시에는 후술하는 제2압축기(101)가 가동된다.

상기 실내측 열교환기(110)는, 공조케이스(170)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 제1압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 기상 냉매를 고온 고압의 액체상태로 응축시키도록 공조케이스(170)내를 유동하는 공기와 열교환시키게 된다.

이러한 상기 실내측 열교환기(110)는 공조케이스(170)의 내부에서 후술하는 실내 증발기(120)의 하류측에 설치되어 난방기(응축기) 역할을 하게 된다. 즉, 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(170)의 내부로 송풍되는 공기가 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 과정에서 실내측 열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 되는 것이다.

상기 제1팽창수단(130)은, 상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 액상(습포화) 상태가 되게 한 후, 상기 실외 증발기(140)측으로 공급하게 된다.

한편, 상기 제1팽창수단(130)과 후술하는 제2팽창수단(131)은 팽창밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 실외 증발기(140)는, 상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 상기 제1팽창수단(130)에서 배출된 냉매를 증발시켜 기상 상태로 만들어 상기 제1압축기(100)로 공급하게 된다.

상기 실외 증발기(140)는 상기 열공급수단(200)으로부터 공급되는 열원에 의해 증발하게 된다.

상기에서 설명한 냉매 순환라인(R)은 히트펌프 모드시 난방역할을 하는 라인이다.

한편, 외기온이 높은 조건(대략 외기온 0℃ 보다 높은 조건)일 경우, 상기 실외 증발기(140)와 외기의 열교환만으로도 냉매가 원활히 증발됨은 물론 히트펌프 모드시 난방에 필요한 열원도 확보가 가능하다.

아울러, 상기 실외 증발기(140)내의 냉매가 증발함에 있어 충분한 열원이 확보되면, 상기 실외 증발기(140)내의 냉매가 증발하는 과정에서 과열되어 온도가 상승하게 되고, 온도가 상승한 냉매는 그 하류의 제1압축기(100)를 통과하면서 온도가 더욱 상승한 후, 상기 실내측 열교환기(110)로 공급되게 되므로 난방 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이처럼 히트펌프 시스템에서는 열원을 확보하는 것이 매우 중요하다.

그러나, 외기온이 낮은 조건(대략 외기온 0℃ 이하 조건)일 경우, 상기 실외 증발기(140)와 차가운 외기가 열교환하게 되면 냉매의 포화 압력 및 온도가 낮아져 냉매 유량이 감소하고 이로인해 히트펌프 모드시 난방성능이 감소함은 물론 상기 실외 증발기(140)내의 냉매가 원활하게 증발하지 못하게 되고 결국 시스템의 난방 성능이 악화되거나 히트펌프 모드의 작동이 불가능하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 외기온이 낮은 조건에서 히트펌프 모드시, 별도의 외부장치를 통한 열원 확보가 아닌, 자체 시스템을 통해 충분한 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 작동함과 동시에 난방성능을 향상하도록 열공급수단(200)을 구비한 것이다.

상기 열공급수단(200)은, 상기 냉매 순환라인(R)으로부터 분기되는 냉매를 이용하여 상기 실외 증발기(140)내를 유동하는 냉매를 증발시키도록 열을 공급하게 된다.

상기 열공급수단(200)은, 제1냉매 분기라인(R1)과, 제2압축기(101)와, 실외 응축기(150)로 구성된다.

상기 제1냉매 분기라인(R1)은, 도 3과 같이 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결되는 라인으로서, 상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매를 분기하여 분기된 냉매를 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)으로 순환하는 냉매에 합류시키게 된다.

즉, 도 3과 같이, 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입구는 상기 실외 증발기(140)의 출구측 냉매 순환라인(R)과 연결되고, 출구는 상기 제1팽창수단(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 연결된다.

또한, 상기 냉매 순환라인(R)과 제1냉매 분기라인(R1)의 분기 지점에는, 상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매 중에서 기상 냉매와 액상 냉매를 분리한 후, 기상 냉매를 상기 냉매 순환라인(R)의 제1압축기(100)와 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 제2압축기(101)로 분배하는 어큐뮬레이터(180)가 설치된다.

이때, 상기 어큐뮬레이터(180)를 통해 냉매 순환라인(R)과 제1냉매 분기라인(R1)으로 각각 분기되는 냉매 유량은 상기 제1압축기(100)와 제2압축기(101)의 회전수(RPM)에 의해 조절 가능하며, 물론 별도의 유량 조절밸브(미도시) 장착할 수도 있다.

따라서, 상기 실외 증발기(140)에서 배출된 기상 냉매는 상기 어큐뮬레이터(180)에서 분기되어 일부는 냉매 순환라인(R)의 제1압축기(100)로 유동하고, 일부는 제1냉매 분기라인(R1)의 제2압축기(101)로 유동하게 된다.

상기 제2압축기(101)로 유동한 냉매는 상기 실외 응축기(150)를 통과하여, 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)측으로 유동하는 냉매와 합류된 후, 상기 제1팽창수단(130) 및 실외 증발기(140)를 통과하며, 이후 상기 냉매 순환과정을 반복하게 된다.

상기 제2압축기(101)는, 상기 제1냉매 분기라인(R1)상에 설치되어 제1냉매 분기라인(R1)으로 분기된 냉매를 압축하여 고온 고압의 기상 냉매 상태로 배출하게 된다.

상기 실외 응축기(150)는, 상기 제1냉매 분기라인(R1)상에 설치됨과 아울러 상기 제2압축기(101)에서 배출된 고온 고압의 기상 냉매와 상기 실외 증발기(140)내의 저온 저압의 액상 냉매를 상호 열교환시키게 된다.

이 과정에서 상기 실외 응축기(150)내의 기상 냉매는 응축되면서 액상 냉매로 바뀌게 되고, 상기 실외 증발기(140)내의 액상 냉매는 과열되어 기상 냉매로 바뀌게 된다.

이처럼, 상기 제2압축기(101)는 상기 냉매 순환라인(R)으로부터 분기된 냉매를 압축하여 고온 고압의 기상 냉매를 만들게 됨으로써, 히트펌프 모드시 난방에 필요한 열원을 만들게 되는 것이다.

다시 설명하면, 하나의 시스템에 2개의 압축기를 병렬로 연결하여, 제1압축기(100)에 의해 냉매가 순환하는 냉매 순환라인(R)은 히트펌프 모드시 난방용 라인이 되고, 제2압축기(101)에 의해 냉매가 순환하는 제1냉매 분기라인(R1)은 열원을 만드는 라인이 되는 것이다.

이와 같이, 2개의 압축기를 동시에 구동시킴으로써 외기온이 낮은 조건에서 히트펌프 시스템에서 열원을 확보하여 히트펌프 모드를 원활하게 구동할 수 있게 되고 난방성능도 향상할 수 있게 되는 것이다.

아울러, 히트펌프 시스템의 효율 및 난방성능 확보를 위해서는 상기 제1압축기(100) 및 제2압축기(101)의 회전수(RPM)를 각각 조정하여 유량을 적절히 배분하면 효율을 극대화 할 수 있다.

그리고, 상기 실외 증발기(140)와 실외 응축기(150)간에 열교환 효율을 증대할 수 있도록, 상기 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)의 외부를 감싸도록 설치됨과 아울러 내부에는 냉각수가 채워진 수냉식 열교환기(160)가 구비된다.

상기 실외 증발기(140)와 상기 실외 응축기(150)는 일체형으로 형성되며, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수를 통해 상호 열교환된다.

이때, 상기 수냉식 열교환기(160)의 내부에는 상기 냉각수를 교반시켜 상기 실외 증발기(140)와 실외 응축기(150)간에 열교환을 더욱 활성화 할 수 있도록 교반장치(161)가 설치된다.

상기 교반장치(161)로는 도면에서와 같이 프로펠러를 사용할 수 있다.

또한, 상기 수냉식 열교환기(160)의 일측에는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수를 순환시킬 수 있도록 워터펌프(166)가 구비된 냉각수 순환라인(W)이 설치되며, 상기 냉각수 순환라인(W)상에는 상기 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수와 외부공기를 상호 열교환시키는 수냉 라디에이터(165)가 설치된다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이, 상기 워터펌프(166)를 통해 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수가 상기 수냉 라디에이터(165)로 순환하게 되며, 이때 상기 수냉 라디에이터(165)내를 유동하는 냉각수는 외부공기와의 열교환을 통해 냉각되게 된다.

계속해서, 상기 수냉 라디에이터(165)를 통해 냉각된 냉각수는 상기 수냉식 열교환기(160)내로 유입되어 상기 실외 응축기(150)와 열교환하게 되면서 실외 응축기(150)를 통과하는 기상 냉매를 응축시키게 된다.

한편, 에어컨 모드시에는 상기 제1압축기(100)가 정지되어 상기 실외 증발기(140)에는 냉매가 흐르지 않는다.

히트펌프 모드시에는, 도 3과 같이, 상기 워터펌프(166)가 정지되고, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 교반장치(161)가 가동되어 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수를 교반함으로써, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)간에 열교환이 향상되게 된다.

한편, 도 7과 같이, 상기 수냉식 열교환기(160)내에 수납된 상기 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)는 일체형 구조로서, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수가 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)를 원활하게 통과하도록 냉각수통로(151)가 형성되고, 상기 냉각수통로(151)의 내측에는 열교환성능을 향상하도록 방열핀(152)이 설치된다.

그리고, 상기 공조케이스(170)의 내부에는, 상기 공조케이스(170)내의 공기유동방향으로 상기 실내측 열교환기(110)의 상류측에 실내 증발기(120)가 설치된다.

또한, 상기 제1냉매 분기라인(R1)상의 제2압축기(101) 및 실외 응축기(150)에서 배출된 냉매가 상기 실내 증발기(120)를 거쳐 상기 제2압축기(101)로 순환하도록하여 에어컨 모드시 에어컨사이클을 구성하도록, 상기 제1냉매 분기라인(R1)과 병렬로 연결되는 제2냉매 분기라인(R2)이 설치된다.

아울러, 상기 실내 증발기(120)의 입구측 제2냉매 분기라인(R2)상에는 상기 실외 응축기(150)에서 실내 증발기(120)로 순환하는 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단(131)이 설치된다.

또한, 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결된 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입,출구측에는 각각 온오프밸브(190)(191)가 설치되어, 상기 냉매 순환라인(R)과 상기 제2냉매 분기라인(R2)이 별도의 라인이 구성된다.

한편, 상기 제1냉매 분기라인(R1)과 제2냉매 분기라인(R2)의 일부 구간이 공용화된다. 즉, 상기 제2압축기(101)에서 상기 실외 응축기(150)를 연결하는 구간이 공용화된다.

따라서, 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 온오프밸브(190)(191)가 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입,출구를 각각 폐쇄하게 되고, 이후 상기 제2압축기(101)가 작동하게 되면, 상기 제2압축기(101)에서 배출된 기상 냉매가 상기 실외 응축기(150)로 공급되고, 상기 실외 응축기(150)로 공급된 기상 냉매는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수와 열교환을 통해 응축된 후 배출된다.

상기 실외 응축기(150)에서 배출된 냉매는 상기 제2팽창수단(131)을 통해 팽창된 후, 상기 실내 증발기(120)로 유입되고, 상기 실내 증발기(120)로 유입된 냉매는 공조케이스(170)의 내부를 유동하는 공기와 열교환을 통해 증발되면서 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 차량 실내로 토출되는 공기를 냉각하게 된다.

이후, 상기 실내 증발기(120)에서 배출된 냉매는 다시 상기 제2압축기(101)로 유입되게 된다.

그리고, 상기 공조케이스(170)내에서 상기 실내 증발기(120)와 상기 실내측 열교환기(110)의 사이에는 상기 실내측 열교환기(110)를 바이패스하는 공기(냉풍)와 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 공기(온풍)의 양을 조절하는 온도조절도어(175)가 설치되어, 차실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하게 된다.

한편, 상기 실외 응축기(150)의 출구측 제1냉매 분기라인(R1)상에는 리시버드라이어(181)가 설치된다. 상기 리시버드라이어(181)는 상기 실외 응축기(150)에서 배출된 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 상기 제2팽창수단(131)으로 액상 냉매만을 공급하게 된다.

한편, 외기온이 낮은 조건에서는 도 3과 같이 워터펌프(166)가 정지되어 냉각수의 순환도 정지되므로 상기 수냉 라디에이터(165)가 빙결되는 현상을 근본적으로 방지할 수 있다.

아울러, 전기자동차나 연료전지차에서 난방용으로 사용하는 고용량 PTC히터의 경우 비용이 과다하고 효율이 1 보다 낮으며, 유사한 가격면에서 압축기 2개를 사용하여 히트펌프 시스템을 구성할 경우 효율이 1 보다 높아 더 효율적이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

가. 에어컨 모드(냉방 모드)

에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2와 같이, 상기 온오프밸브(190)(191)가 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입,출구를 각각 폐쇄하게 되고, 상기 제1압축기(100)는 정지되어 상기 냉매 순환라인(R)으로는 냉매가 순환하지 않으며, 반면, 상기 제2압축기(101)가 가동되어 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 일부 구간과 상기 제2냉매 분기라인(R2)을 통해 냉매가 순환하게 된다.

상기 제2압축기(101)가 작동하게 되면, 상기 제2압축기(101)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 실외 응축기(150)로 공급되고, 상기 실외 응축기(150)로 공급된 기상 냉매는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수와 열교환을 통해 응축된 후 배출된다.

이때, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수는 상기 워터펌프(166)를 통해 상기 수냉 라디에이터(165)를 순환하는 과정에서 외부공기와의 열교환을 통해 냉각되게 된다.

계속해서, 상기 실외 응축기(150)에서 응축되어 배출된 액상 냉매는 상기 제2팽창수단(131)을 통해 팽창된 후, 상기 실내 증발기(120)로 유입되고, 상기 실내 증발기(120)로 유입된 냉매는 공조케이스(170)의 내부를 유동하는 공기와 열교환을 통해 증발되면서 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 차량 실내로 토출되는 공기를 냉각하여 냉방하게 된다.

이후, 상기 실내 증발기(120)에서 배출된 냉매는 상기 제2압축기(101)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

나. 히트펌프 모드(난방 모드)

히트펌프 모드(난방 모드)시에는, 도 3과 같이, 상기 온오프밸브(190)(191)가 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입,출구를 각각 개방하게 되고, 상기 제1압축기(100) 및 제2압축기(101)가 모두 가동되어 상기 냉매 순환라인(R)과 제1냉매 분기라인(R1)으로 냉매가 순환하게 된다.

한편, 상기 제2팽창수단(131)는 유로를 폐쇄하게 되어 상기 제2냉매 분기라인(R2)으로는 냉매가 순환하지 않으며, 상기 워터펌프(166)는 정지되고, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 교반장치(161)가 가동되어 냉각수를 교반하게 된다.

상기 제1압축기(100)가 작동하게 되면, 상기 제1압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 실내측 열교환기(110)로 공급되고, 상기 실내측 열교환기(110)로 공급된 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(170)의 내부를 유동하는 공기와 열교환을 통해 응축되면서 차량 실내로 토출되는 공기를 가열하여 난방하게 된다.

계속해서, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 액상 냉매는 상기 제1팽창수단(130)을 통해 팽창된 후, 상기 실외 증발기(140)로 유입되고, 상기 실외 증발기(140)로 유입된 액상 냉매는 상기 실외 응축기(150)측 기상 냉매와 냉각수를 매개로 열교환하면서 증발한 후 배출된다.

상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매는 상기 어큐뮬레이터(180)로 유입되어 액상 냉매와 기상 냉매가 분리된 후, 기상 냉매만 상기 냉매 순환라인(R) 및 제1냉배 분기라인으로 각각 분배된다.

이후, 상기 냉매 순환라인(R)으로 분배된 냉매는 상기 제1압축기(100)로 유입되어 상술하 바와 같은 사이클을 재순환하게 되고, 상기 제1냉매 분기라인(R1)으로 분배된 냉매는 상기 제2압축기(101)로 유입된다.

상기 제2압축기(101)로 유입된 냉매는 압축되면서 고온 고압의 기상 냉매가 되어 상기 실외 응축기(150)로 공급된다.

상기 실외 응축기(150)로 공급된 고온 고압의 기상 냉매는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수를 매개로 상기 실외 증발기(140)측 저온 저압의 액상 냉매와 열교환하게 되고, 이 과정에서 상기 실외 응축기(150)내 냉매는 응축되면서 액상 냉매로 바뀌게 되고, 상기 실외 증발기(140)내 냉매는 증발하면서 기상 냉매로 바뀌게 된다.

계속해서, 상기 실외 응축기(150)에서 배출된 액상 냉매는 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)측으로 유동하는 냉매와 합류된 후, 상기 제1팽창수단(130)으로 공급되어 팽창된다.

상기 제1팽창수단(130)에 배출된 냉매는 상기 실외 증발기(140) 및 어큐뮬레이터(180)로 유동하면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 에어컨 모드를 나타내는 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도로서, 앞서 설명한 제1실시예와 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.

상기 제2실시예에 따른 히트 펌프 시스템은, 상기 열공급수단(200)을 변경한 것이다.

상기 제2실시예에 따른 열공급수단(200)은, 제1냉매 분기라인(R1a)과 실외 응축기(150)로 이루어진다.

상기 제1냉매 분기라인(R1a)은, 도 5와 같이 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결되는 라인으로서, 상기 제1압축기(100)에서 배출된 냉매를 분기하여 분기된 냉매를 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)으로 순환하는 냉매에 합류시키게 된다.

즉, 도 5와 같이 상기 제1냉매 분기라인(R1a)의 입구는 상기 제1압축기(100)의 출구측 냉매 순환라인(R)과 연결되고, 출구는 상기 제1팽창수단(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 연결된다.

상기 실외 응축기(150)는 상기 제1냉매 분기라인(R1a)상에 설치됨과 아울러 상기 제1압축기(100)에서 배출되어 분기된 고온 고압의 기상 냉매와 상기 실외 증발기(140)내의 저온 저압의 액상 냉매를 상호 열교환시키게 된다.

이처럼, 상기 제1압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 기상 냉매 일부를 분기하여 상기 실외 응축기(150)로 공급한 후 상기 실외 증발기(140)와 열교환하도록 함으로써, 히트펌프 모드시 난방에 필요한 열원을 만들게 되는 것이다.

이와 같이, 제2실시예에서는 제1실시예에서의 제2압축기(101)를 삭제하고 1개의 압축기만을 사용하여 히트펌프 모드시 열원을 확보하도록 한 것이며, 이로인해 전체시스템의 구성이 더욱 간단하여 부품수 및 원가도 더욱 절감할 수 있다.

한편, 에어컨 모드시에는 상기 제1압축기(100)를 통해 순환하는 냉매가 상기 제1냉매 분기라인(R1a) 및 제2냉매 분기라인(R2a)으로만 순환할 수 있도록, 상기 제1냉매 분기라인(R1a)의 출구측에 온오프밸브(197)가 설치되고, 또한 상기 어큐뮬레이터(180)의 출구측 냉매 순환라인(R) 및 상기 제1압축기(100)와 실내측 열교환기(110) 사이의 냉매 순환라인(R)상에도 각각 온오프밸브(195)(196)가 설치된다.

이하, 상기 제2실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 냉매 순환과정을 설명하기로 한다.

에어컨 모드(냉방 모드)시에는 도 4와 같이, 상기 온오프밸브(195)(196)(197) 3개가 모두 유로를 폐쇄하게 되고, 상기 제1압축기(100)가 가동되어 상기 제1냉매 분기라인(R1a) 및 제2냉매 분기라인(R2a)을 통해 냉매가 순환하게 된다.

상기 제1압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 실외 응축기(150)로 공급되고, 상기 실외 응축기(150)로 공급된 기상 냉매는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수와 열교환을 통해 응축된 후 배출된다.

이후, 상기 실내 증발기(120)에서 배출된 냉매는 상기 제1압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

히트펌프 모드(난방 모드)시에는, 도 5와 같이, 상기 온오프밸브(195)(196)(197) 3개가 유로를 모두 개방하게 되고, 상기 제1압축기(100)가 가동되어 상기 냉매 순환라인(R)과 제1냉매 분기라인(R1a)으로 냉매가 순환하게 된다.

한편, 상기 제2팽창수단(131)는 유로를 폐쇄하게 되어 상기 제2냉매 분기라인(R2a)으로는 냉매가 순환하지 않으며, 상기 워터펌프(166)는 정지되고, 상기 수냉식 열교환기(160)내의 교반장치(161)가 가동되어 냉각수를 교반하게 된다.

상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매는 상기 어큐뮬레이터(180)로 유입되어 액상 냉매와 기상 냉매가 분리된 후, 기상 냉매만 상기 제1압축기(100)로 유입되어 상술하 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

그리고, 상기 제1압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 기상 냉매 일부는 상기 제1냉매 분기라인(R1a)으로 분배되어 상기 실외 응축기(150)로 공급된다.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도로서, 앞서 설명한 제1실시예 및 제2실시예와 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.

상기 제3실시예에 따른 히트 펌프 시스템은, 상기 제2실시예에서 수냉식 열교환기(160)를 삭제한 것이다.

또한, 제3실시예에서는 상기 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)가 일체형으로 구성됨과 아울러 상기 실외 응축기(150)의 전방에는 외기온도에 따라 상기 실외 응축기(150) 및 실외 증발기(140)로 송풍되는 외기를 선택적으로 차단하도록 복수개의 도어(155)를 설치한 것이다.

따라서, 에어컨 모드시(미도시)에는 상기 복수개의 도어(155)가 개방되어 외기가 상기 실외 응축기(150)와 열교환하여 실외 응축기(150)내의 기상 냉매를 응축시키게 되고,

히트펌프 모드시에는, 도 6과 같이 상기 복수개의 도어(155)가 폐쇄되어 외기를 차단하게 된다. 이때 상기 실외 응축기(150)과 실외 증발기(140)가 상호 열교환가능하게 일체형으로 구성되므로, 상기 실외 응축기(150)를 유동하는 고온 고압의 기상냉매와 상기 실외 증발기(140)를 유동하는 저온 저압의 액상냉매가 상호 열교환하여, 상기 실외 응축기(150)측 기상냉매는 응축되어 액상냉매로 바뀌게 되고, 상기 실외 증발기(140)측 액상냉매는 증발하면서 기상냉매로 바뀌게 된다.

한편, 상기 제3실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 냉매 순환과정은 제2실시예와 동일하므로 생략하기로 한다.

100: 제1압축기 101: 제2압축기
110: 실내측 열교환기 120: 실내 증발기(120)
130: 제1팽창수단 131: 제2팽창수단
140: 실외 증발기 150: 실외 응축기
160: 수냉식 열교환기 161: 교반장치
165: 수냉 라디에이터 166: 워터펌프
170: 공조케이스 175: 온도조절도어
180: 어큐뮬레이터 190,191,195,196,197: 온오프밸브
200: 열공급수단
R: 냉매 순환라인 R1,R1a: 제1냉매 분기라인
R2,R2a: 제2냉매 분기라인 W: 냉각수 순환라인

Claims

냉매 순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 제1압축기(100)와,
공조케이스(170)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 냉매 순환라인(R)과 연결되어 상기 제1압축기(100)에서 배출된 냉매를 공조케이스(170)내를 유동하는 공기와 열교환시키는 실내측 열교환기(110)와,
상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단(130)과,
상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어 상기 제1팽창수단(130)에서 배출된 냉매를 증발시키는 실외 증발기(140)와,
상기 냉매 순환라인(R)으로부터 분기되는 냉매를 이용하여 상기 실외 증발기(140)내를 유동하는 냉매를 증발시키도록 열을 공급하는 열공급수단(200)을 포함하되,
상기 열공급수단(200)은,
상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매를 분기하여 분기된 냉매를 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)으로 순환하는 냉매에 합류시키도록 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결되는 제1냉매 분기라인(R1)과,
상기 제1냉매 분기라인(R1)상에 설치되어 분기된 냉매를 압축하여 배출하는 제2압축기(101)와,
상기 제1냉매 분기라인(R1)상에 설치됨과 아울러 상기 제2압축기(101)에서 배출된 냉매와 상기 실외 증발기(140)내의 냉매를 상호 열교환시키는 실외 응축기(150)로 이루어져,
외기온이 낮은 조건에서 히트펌프 모드시 난방성능을 향상하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 실외 증발기(140)와 실외 응축기(150)간에 열교환 효율을 증대할 수 있도록, 상기 실외 증발기(140) 및 실외 응축기(150)의 외부를 감싸도록 설치됨과 아울러 내부에는 냉각수가 채워진 수냉식 열교환기(160)가 구비되고,
상기 수냉식 열교환기(160)의 일측에는 상기 수냉식 열교환기(160)내의 냉각수를 순환시킬 수 있도록 워터펌프(166)가 구비된 냉각수 순환라인(W)이 설치되며,
상기 냉각수 순환라인(W)상에는 상기 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수와 외부공기를 상호 열교환시키는 수냉 라디에이터(165)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 수냉식 열교환기(160)의 내부에는 상기 냉각수를 교반시켜 상기 실외 증발기(140)와 실외 응축기(150)간에 열교환을 활성화 할 수 있도록 교반장치(161)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매 순환라인(R)과 제1냉매 분기라인(R1)의 분기 지점에는, 상기 실외 증발기(140)에서 배출된 냉매 중에서 기상 냉매와 액상 냉매를 분리한 후, 기상 냉매를 상기 냉매 순환라인(R)의 제1압축기(100)와 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 제2압축기(101)로 분배하는 어큐뮬레이터(180)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공조케이스(170)의 내부에는, 상기 공조케이스(170)내의 공기유동방향으로 상기 실내측 열교환기(110)의 상류측에 실내 증발기(120)가 설치되고,
상기 제1냉매 분기라인(R1)상의 제2압축기(101) 및 실외 응축기(150)에서 배출된 냉매가 상기 실내 증발기(120)를 거쳐 상기 제2압축기(101)로 순환하도록하여 에어컨 모드시 에어컨사이클을 구성하도록, 상기 제1냉매 분기라인(R1)과 병렬로 연결되는 제2냉매 분기라인(R2)이 설치되며,
상기 실내 증발기(120)의 입구측 제2냉매 분기라인(R2)상에는 상기 실외 응축기(150)에서 실내 증발기(120)로 순환하는 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단(131)이 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결된 상기 제1냉매 분기라인(R1)의 입,출구측에는 각각 온오프밸브(190)(191)가 설치되어, 상기 냉매 순환라인(R)과 상기 제2냉매 분기라인(R2)이 별도의 라인이 되도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
냉매 순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 제1압축기(100)와,
공조케이스(170)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 냉매 순환라인(R)과 연결되어 상기 제1압축기(100)에서 배출된 냉매를 공조케이스(170)내를 유동하는 공기와 열교환시키는 실내측 열교환기(110)와,
상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단(130)과,
상기 냉매 순환라인(R)상에 설치되어 상기 제1팽창수단(130)에서 배출된 냉매를 증발시키는 실외 증발기(140)와,
상기 냉매 순환라인(R)으로부터 분기되는 냉매를 이용하여 상기 실외 증발기(140)내를 유동하는 냉매를 증발시키도록 열을 공급하는 열공급수단(200)을 포함하되,
상기 열공급수단(200)은,
상기 제1압축기(100)에서 배출된 냉매를 분기하여 분기된 냉매를 상기 실내측 열교환기(110)에서 제1팽창수단(130)으로 순환하는 냉매에 합류시키도록 상기 냉매 순환라인(R)과 병렬로 연결되는 제1냉매 분기라인(R1a)과,
상기 제1냉매 분기라인(R1a)상에 설치됨과 아울러 상기 제1압축기(100)에서 배출되어 분기된 냉매와 상기 실외 증발기(140)내의 냉매를 상호 열교환시키는 실외 응축기(150)로 이루어져, 외기온이 낮은 조건에서 히트펌프 모드시 난방성능을 향상하도록 하며,
상기 공조케이스(170)의 내부에는, 상기 공조케이스(170)내의 공기유동방향으로 상기 실내측 열교환기(110)의 상류측에 실내 증발기(120)가 설치되고,
상기 제1압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매 분기라인(R1a)상의 실외 응축기(150) 및 상기 실내 증발기(120)를 거쳐 상기 제1압축기(100)로 순환하도록하여 에어컨 모드시 에어컨사이클을 구성하도록, 입구는 상기 실외 응축기(150)의 출구측 제1냉매 분기라인(R1a)과 연결되고 출구는 상기 제1압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 연결되는 제2냉매 분기라인(R2a)이 설치되며,
상기 실내 증발기(120)의 입구측 제2냉매 분기라인(R2a)상에는 상기 실외 응축기(150)에서 실내 증발기(120)로 순환하는 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단(131)이 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 실외 증발기(140)와 상기 실외 응축기(150)는 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 실외 응축기(150)의 전방에는 외기온도에 따라 상기 실외 응축기(150) 및 실외 증발기(140)로 송풍되는 외기를 선택적으로 차단하도록 도어(155)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 실내 증발기(120)와 상기 실내측 열교환기(110)의 사이에는 상기 실내측 열교환기(110)를 바이패스하는 공기와 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(175)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.