KR20140036985A - 열전식 히트 펌프 장치 - Google Patents

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KR20140036985A
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바스티앙 프레제
마이크-우베 칠리히
라이크 비에너르트
로베르트 플라이쉬학커
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 제1 유체 순환루프, 하나의 제2 유체 순환루프 및 하나의 제3 유체 순환루프로 이루어진, 특히 자동차를 위한 열전식 히트 펌프 장치에 관한 것으로, 본 발명에서는 제1 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위한 제1 열 교환기가 구비되고, 제2 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위한 제2 열 교환기가 구비되고, 제1 열 교환기의 열 교환 영역들 사이 및 제2 열 교환기의 열 교환 영역들 사이에 각각 하나의 열전 소자가 배치된다.

Description

열전식 히트 펌프 장치{ARRANGEMENT OF A THERMOELECTRIC HEAT PUMP}
본 발명은 특히 자동차를 위한 하나 이상의 제1 유체 순환루프 및 제2 유체 순환루프로 이루어진 열전식 히트 펌프 장치에 관한 것이다.
특히 전기 구동 차량과 같은 자동차에서 실내의 가열은 탑승자의 주행 쾌적성에 관련된 요인이다.
전기 구동 차량의 경우, 전기 모터 형태의 구동 기계는 내연기관에 의해서만 구동되는 차량의 내연기관처럼 많은 폐열을 발생시키지 않는다. 하이브리드 차량의 경우에도 내연기관의 크기가 더 작은 만큼 폐열도 더 적게 발생시킬 수 있으므로, 이러한 용례들에서도 실내의 적절한 가열 문제는 여전히 해결해야 할 문제로 남아 있다.
차량에 유체 순환루프가 구비되는 경우, 상기 유체 순환루프는 열 교환기를 거쳐 하나의 열전식 히트 펌프 부재를 이용하여 탑승자 영역에 연결되고, 또 다른 열전식 히트 펌프 부재를 이용하여 외기와의 열 교환기에 연결될 수 있다. 열 펌프 부재들을 제어함으로써, 유체 순환루프로부터 외기 또는 탑승자 영역으로의, 목적에 부합하는 열 방출을 구현할 수 있다. 이와 관련하여 EP 2 357 102 A1호가 공지되어 있다.
그러나 상기 구성은 유체 순환루프에서의 가용 열의 분배를 구현할 뿐이다.
차량에서 다양한 조립체들의 냉각 또는 온도 제어에 다양한 유체 순환루프들이 사용되는 경우, 상기 유체 순환루프들은 예를 들어 실내의 가열 또는 온도 제어에도 사용될 수 있다. 그러나 EP 2 357 102 A1호에 따른 제어는 이에 거의 적합하지 않다.
본 발명의 과제는, 종래 기술에 비해 단순하게 구성되면서도 실내의 적절한 온도 제어를 구현하는, 특히 자동차를 위한 하나 이상의 제1 유체 순환루프 및 제2 유체 순환루프로 이루어진 열전식 히트 펌프 장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 과제는 이와 관련하여 상기 유형의 장치를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 청구범위 제1항의 특징들에 따라, 하나 이상의 제1 유체 순환루프, 제2 유체 순환루프 및 제3 유체 순환루프 내에 배치되는, 특히 자동차를 위한 열전식 히트 펌프 장치에 의해 해결되며, 이때 제1 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위해 제1 열 교환기가 구비되고, 제2 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위한 제2 열 교환기가 구비되며, 제1 열 교환기의 열 교환 영역들 사이 및 제2 열 교환기의 열 교환 영역들 사이에 각각 하나의 열전 소자가 배치된다. 이러한 방식으로, 제1 및/또는 제2 유체로부터 제3 유체로의 열 전달이 제어됨으로써, 상기 제3 유체의 온도가 제어되거나 가열될 수 있고, 예컨대 실내의 가열에 이용될 수 있다.
이 경우, 하나 이상의 제4 유체 순환루프가 구비되고, 하나 이상의 제4 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위해 하나 이상의 추가의 제3 열 교환기가 구비되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로 적어도 추가 유체 순환루프의 추가 유체의 결합을 통해 제3 유체로의 열 전달이 최적화될 수 있다.
또한, 하나 이상의 다른 제3 열 교환기의 열 교환 영역들 사이에 열전 소자가 배치되는 것이 바람직하다. 열전 소자가 구비됨으로써, 제4 유체로부터 제3 유체로의 열 전달이 제어될 수 있다.
제1 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 제1 열 교환기에 할당되고/되거나, 제2 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 제2 열 교환기에 할당되고/되거나, 하나 이상의 제3 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 하나 이상의 제3 열 교환기에 할당되는 것도 유리하다. 각각의 밸브에 의해, 열 교환기를 통과하는 흐름이 제어되고, 이에 따라 교환되는 열의 양도 제어될 수 있다.
제1 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 제1 열 교환기에 할당되고/되거나, 제2 열 교환기를 통과하는 제2 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 제2 열 교환기에 할당되고/되거나, 하나 이상의 제3 열 교환기를 통과하는 제4 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 하나 이상의 제3 열 교환기에 할당되는 것도 바람직하다. 각각의 밸브에 의해, 열 교환기를 통과하는 흐름이 제어되고, 이에 따라 교환되는 열의 양도 제어될 수 있다.
여기서, 밸브들 중 하나 이상의 밸브는 유체 흐름으로 볼 때 열 교환기의 상류 및/또는 하류에 배치되는 것이 유리하다.
또한 밸브는 스로틀 밸브인 것이 유리하다. 그럼으로써 각각의 열 교환기를 통과하는 통과 유량을 제어할 수 있다.
열전 소자는 펠티에 소자인 것이 특히 바람직하다. 그럼으로써 목적에 적합한 제어를 통해 열 교환을 제어할 수 있다.
유리하게는, 열전 소자는 전기적으로 및/또는 전자적으로 구동 가능한 것이 제안된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 차량 실내의 가열을 최적화하기 위해, 목적에 적합한 전기 및/또는 전자 구동을 통해 제3 유체로의 열 전달을 제어할 수 있다.
제1 열 교환기 및 제2 열 교환기 및/또는 하나 이상의 제3 열 교환기는 하나의 하우징 내에 배치되는 것이 바람직하다.
제3 회로의 유체 흐름으로 볼 때, 제1, 제2 및/또는 제3 열 교환기는 서로에 대해 병렬 및/또는 직렬로 배열되는 것이 유리하다. 그럼으로써, 모든 열 교환기가 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있다. 그러나, 열 교환기들 중 일부는 직렬로, 그리고 열 교환기들 중 다른 일부는 병렬로 배열 또는 배선되는 것도 가능하다.
방법과 관련한 과제는 청구범위 제12항의 특징들에 따라, 하나 이상의 유체로부터 제3 유체로의 열 전달이 각각의 연결된 유체 순환루프의 필요 가열 출력 및/또는 가용 열량의 사전 설정된 기준을 만족시키도록, 하나 이상의 열전 소자 및/또는 하나 이상의 밸브를 제어하는 데 이용되는 장치의 제어 방법에 의해 해결된다.
여기서, 열전 소자 및/또는 밸브의 선택 및 구동을 통해 실내를 가열하기 위한 제3 유체에 대한 설정 온도에 도달하도록 제어가 수행되는 것이 바람직하다.
그 밖의 바람직한 실시예들은 하기의 도면 설명 및 종속 청구항들에 의해 기술된다.
본 발명은 하나 이상의 실시예를 기반으로 도면들을 참조하여 하기에 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 복수의 유체 채널의 회로 구성으로 이루어진 열전식 히트 펌프의 일례의 개략도이다.
도 2는 복수의 유체 채널의 회로 구성으로 이루어진 열전식 히트 펌프의 일례의 개략도이다.
도 3은 복수의 유체 채널의 회로 구성으로 이루어진 열전식 히트 펌프의 일례의 개략도이다.
도 1은, 복수의 유체 순환루프(2, 3, 4, 5)를 구비한 회로 배선 또는 구성의 열전식 히트 펌프(1)를 개략적으로 보여준다. 여기서, 유체 순환루프(2, 3, 4)는 열원(6, 7, 8)을 구비한 유체 채널들이며, 그에 따라 유체 순환루프(2, 3, 4)에서 흐르는 유체는 각각의 열원(6, 7, 8)에 의해 가열된다. 유체 순환루프(2, 3, 4)의 유체로부터 유체 순환루프(5)의 유체로의 열 전달에 의해, 유체 순환루프(5)의 유체가 가열된다. 가열된 유체를 사용하여, 다른 열 교환기(9)를 통해 자동차의 실내로 유입되는 공기가 가열될 수 있다.
여기서, 열전식 히트 펌프(1)는 3개의 열 교환기(10, 11, 12)로 형성된다. 열 교환기(10)는 유체 순환루프(2)의 유체와 유체 순환루프(5)의 유체 사이의 열 교환을 수행한다.
열 교환기(11)는 유체 순환루프(3)의 유체와 유체 순환루프(5)의 유체 사이에서 열 교환을 수행한다. 열 교환기(12)는 유체 순환루프(4)의 유체로부터 유체 순환루프(5)의 유체로의 열 전달을 수행한다.
열전식 히트 펌프(1)의 열 교환기(10, 11, 12)는 바람직하게, 각각 관련된 유체들 사이의 열 교환을 제어하는 각각 하나의 열전 소자를 구비하며, 이때 각각의 열전 소자의 전기 또는 전자 구동에 의해 유체 순환루프(5)의 입구측 유체로부터 출구측 유체로의 열 전달이 목적에 적합하게 수행될 수 있다.
도 2는 3개의 열 교환기(102, 103, 104)가 설치된 열전식 히트 펌프(101)의 개략도이다. 입구측에서, 열전식 히트 펌프(101)는 유체 순환루프(105, 106, 107)과 연결되며, 이때 하나의 추가 유체 순환루프(108)가 열전식 히트 펌프(101)와 연결된다.
유체 순환루프(105, 106, 107)에는 바람직하게 열원들이 배치되고, 그에 따라 유체 순환루프(105)의 유체(109)가 열원들에 의해 가열된다. 여기서, 유체(109)는 온도(T3)로 열 교환기(102)로 유입되고, 열 교환기(102) 및 열전식 히트 펌프(101)로부터 다시 온도(T9)로 배출된다. 유체 순환루프(106)의 유체(110)는 유체 순환루프(106)의 열원에 의해 가열되어, 온도(T4)로 열 교환기(103) 또는 열전식 히트 펌프(101)로 유입된다. 유체(110)는 다시 온도(T10)로 열 교환기(103) 또는 열전식 히트 펌프(101)로부터 배출된다. 유체 순환루프(107)의 유체(111)는 열원에 의해 가열된다. 유체(111)는 온도(T5)로 열 교환기(104)로 유입되고, 상기 열 교환기(104) 또는 열전식 히트 펌프(101)로부터 온도(T11)로 배출된다.
유체 순환루프(108)의 유체(112)는 온도(T1)로 열전식 히트 펌프(101)로 유입되고, 바이패스(113) 및 밸브(114)를 거쳐 열 교환기(102, 103, 104)를 순환하여 흐를 수 있고, 그에 따라 상기 유체는 온도(T2)로 열전식 히트 펌프(101)를 다시 벗어난다.
대안적으로, 유체(112)는 열 교환기(102) 및/또는 열 교환기(103) 및/또는 열 교환기(104)를 통해 흐를 수 있으며, 이는 밸브(115, 116, 117)에 의해 제어될 수 있다. 이 경우, 유체(112)는 열 교환기(102)로부터 온도(T6)로 배출되고/되거나, 열 교환기(103)로부터 온도(T7)로 배출되고/되거나, 열 교환기(104)로부터 온도(T8)로 배출된다. 밸브(114, 115, 116, 117)의 제어에 의해, 바이패스(113) 및/또는 열 교환기(102) 및/또는 열 교환기(103) 및/또는 열 교환기(104)를 통과하는 유체(112)의 유량이 제어된다.
또한, 각각의 열 교환기(102, 103, 104)는, 각각 제1 열 교환 영역(118)과 제2 열 교환 영역(119), 제1 열 교환 영역(120)과 제2 열 교환 영역(121), 및 제1 열 교환 영역(122)과 제2 열 교환 영역(123)을 가지도록 구성된다. 유체 순환루프(105)의 유체(109)는 열 교환 영역(118)을 통해 흐른다. 유체(112)는 제1 열 교환기(102)의 제2 열 교환 영역(119)을 통해 흐른다.
이에 상응하게, 유체(110)는 열 교환기(103)의 열 교환 영역(120)을 통해 흐르는 한편, 유체(112)는 열 교환기(103)의 열 교환 영역(121)을 통해 흐른다.
유체(111)는 열 교환기(104)의 열 교환 영역(122)을 통해 흐르며, 이때 유체(112)는 열 교환기(104)의 열 교환 영역(123)을 통해 흐른다.
도 2의 실시예에서, 열 교환 영역들(118, 119; 120, 121; 122, 123) 사이에는 각각 하나의 열전 소자(124, 125, 126)가 배치된다. 열 교환 영역들(118, 119; 120, 121; 122, 123) 사이의 열 흐름은 각각의 열전 소자(124, 125, 126)의 구동에 의해 각각 제어될 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 열 교환기들 중 적어도 하나는 열전 소자를 포함하지 않을 수도 있다.
밸브들(114 내지 117)은 유체 흐름(112)을 제어하기 위해 유체 순환루프(108) 내에 배치될 수 있다. 본 실시예에서 상기 밸브들은 유체 흐름의 측면에서 각각의 열 교환기(102, 103, 104)의 하류에 배치되고/되거나 바이패스(113) 내에 배치된다. 대안적으로, 상응하는 밸브가 각각의 열 교환기의 상류에 배치될 수도 있다. 또한, 일부 밸브는 열 교환기의 상류에 배치되고, 다른 밸브는 각각의 열 교환기의 하류에 배치되는 것도 가능하다.
대안적으로 또는 추가적으로, 열전식 히트 펌프(101) 또는 그 내부에 배치된 열 교환기(102, 103, 104)를 통과하는 유체 흐름(109, 110, 111)을 제어하기 위해 유체 순환루프(105, 106, 107) 내에도 각각의 밸브가 배치될 수 있다.
도 3은 제1 유체 순환루프(202), 제2 유체 순환루프(203), 제3 유체 순환루프(204) 및 제4 유체 히로(205)를 구비한 회로 구성의 열전식 히트 펌프(201) 장치를 보여준다.
유체 순환루프(202, 203, 204)는, 각각 도 1 및 도 2의 유체 순환루프(2, 3, 4 및 105, 106, 107)에 상응하는 유체 순환루프이다. 유체 순환루프(205)는 각각 유체 순환루프(5) 및 유체 순환루프(108)에 상응한다. 유체 순환루프(205)는 실내를 가열하기 위한 유체 순환루프이며, 펌프(206)와, 실내로 흐르는 공기를 가열하기 위한 가열 열 교환기(207)와, 선택적으로 전기 히터(208)를 포함하며, 상기 전기 히터는 PTC 타입의 히터로서 형성되며, 예컨대 고전압 PTC 보조 히터일 수 있다. 가열 열 교환기로서의 열 교환기(207)는, 예를 들어 공조 시스템의 공조 장치내에 배치된다. 차량의 실내를 가열하기 위하여, 열전식 히트 펌프(201)에 의해 유체 순환루프(202, 203, 204)로부터 유체 순환루프(205)로 열이 전달된다.
제1 유체 순환루프(202)는 팬(210)을 구비한 제1 열 교환기(209) 및 팬(212)을 구비한 제2 열 교환기(211)를 가진 유체 순환루프이며, 상기 유체 순환루프는 다시 밸브들(213, 214)을 통해 회로(203)와 유체학적으로 연결되어 있다. 회로(203) 내에는 차량의 구동 모터(215)가 제어 유닛(216) 및 펌프(217)와 함께 배치된다. 유체 순환루프(202) 내에는, 분기부(218), 밸브(213) 및 밸브(214)에 더하여, 유체 순환루프 내에서 유체를 순환시키기 위한 펌프(219)가 배치된다.
유체 순환루프(204)는 배터리(220)를 냉각하기 위한 유체 순환루프이다. 상기 유체 순환루프(204)는 펌프(221), 충전 유닛(222) 및 배터리(220)를 포함하며, 배터리는 예컨대 고전압 배터리의 형태일 수 있다. 배터리(220)의 하류에, 가열 에 이용될 수 있는 고전압 PTC 보조 히터(223)가 배치될 수 있다. 또한, 회로(204) 내에는 팬(225)을 구비한 열 교환기(224)가 제공되는데, 이는 물론 선택적이며 바이패스(226) 및 밸브(227)에 의해 우회될 수 있다. 또한, 회로(204) 내에는 제2 열 교환기(228)가 배치된다. 제2 열 교환기(228)는 회로(204)와 공조 시스템의 냉매 회로(229) 사이에서 열 교환 작용을 한다. 제2 열 교환기(228)는 냉각기(chiller)로도 지칭되며, 냉각 회로(204)의 냉각수와 냉매 회로(229)의 냉매 사이의 액체-액체 열 교환기이다. 냉매 회로(229) 내에는 바람직하게 2개의 응축기(230, 231)가 배치된다. 또한, 회로 내에서 유체로서 냉매를 펌핑하는 냉매 압축기(232)가 구비되며, 이때 회로(229) 내에는 증발기(234), 팽창 밸브(235) 및 제어 밸브(236)도 구비된다. 또한, 제2 열 교환기(228)의 분기 내에 밸브(237, 238)가 배치된다.

Claims (13)

  1. 하나 이상의 제1 유체 순환루프(2, 105), 제2 유체 순환루프(3, 106) 및 제3 유체 순환루프(5, 108)로 이루어진 열전식 히트 펌프 장치(1)로서, 제1 유체 순환루프(2)의 유체와 제3 유체 순환루프(5)의 유체 사이의 열 교환을 위한 제1 열 교환기(10, 102)가 구비되고, 제2 유체 순환루프(3)의 유체와 제3 유체 순환루프(5)의 유체 사이의 열 교환을 위한 제2 열 교환기(11, 103)가 구비되고, 제1 열 교환기(10, 102)의 열 교환 영역들(118, 119) 사이 및 제2 열 교환기(11, 103)의 열 교환 영역들(120, 121) 사이에 각각 하나의 열전 소자(124, 125)가 배치되는, 열전식 히트 펌프 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 또 다른 제4 유체 순환루프(4, 107)가 구비되고, 상기 하나 이상의 제4 유체 순환루프의 유체와 제3 유체 순환루프의 유체 사이의 열 교환을 위한 하나 이상의 또 다른 제3 열 교환기(12, 104)가 구비되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 또 다른 제3 열 교환기(104)의 열 교환 영역들(122, 123) 사이에 열전 소자(126)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기에 제1 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브(115)가 할당되거나, 제2 열 교환기에 제2 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브(116)가 할당되거나, 하나 이상의 제3 열 교환기에 하나 이상의 제3 열 교환기를 통과하는 제3 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브(117)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기에 제1 열 교환기를 통과하는 제1 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 할당되거나, 제2 열 교환기에 제2 열 교환기를 통과하는 제2 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 할당되거나, 하나 이상의 제3 열 교환기에 하나 이상의 제3 열 교환기를 통과하는 제4 유체 순환루프의 유체 흐름을 제어하기 위한 밸브가 할당되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 밸브들 중 하나 이상의 밸브는 유체 흐름의 측면에서 상기 열 교환기의 상류 또는 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 밸브는 스로틀 밸브인 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열전 소자(124, 125, 126)는 펠티에 소자인 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열전 소자(124, 125, 126)는 전기 구동식, 전자 구동식, 또는 전기전자 구동식인 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기와 제2 열 교환기, 그리고 하나 이상의 제3 열 교환기가 하나의 하우징 내에 배치되거나, 제1 열 교환기와 제2 열 교환기, 또는 하나 이상의 제3 열 교환기가 하나의 하우징 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 열 교환기 중 하나 이상의 열 교환기는 제3 회로의 유체 흐름의 측면에서 서로에 대해 병렬 또는 직렬로 배열되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 열전식 히트 펌프 장치의 제어 방법에 있어서, 하나 이상의 유체로부터 제3 유체로의 열 전달이, 각각의 연결된 유체 순환루프의 필요 가열 출력 또는 가용 열량의 사전 설정된 기준을 만족시키도록, 하나 이상의 열전 소자 또는 하나 이상의 밸브, 또는 이들 모두가 제어되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어는, 열전 소자들 또는 밸브들, 또는 이들 모두의 선택 및 구동을 통해, 실내의 가열을 위한 제3 유체에 대한 설정 온도에 도달하도록 수행되는 것을 특징으로 하는, 열전식 히트 펌프 장치의 제어 방법.
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