KR20220157067A - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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KR20220157067A
KR20220157067A KR1020210064658A KR20210064658A KR20220157067A KR 20220157067 A KR20220157067 A KR 20220157067A KR 1020210064658 A KR1020210064658 A KR 1020210064658A KR 20210064658 A KR20210064658 A KR 20210064658A KR 20220157067 A KR20220157067 A KR 20220157067A
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heat
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오승규
강인근
김종수
김진욱
변상철
조영욱
천성빈
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한온시스템 주식회사
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Abstract

어큐뮬레이터를 지나 압축기로 유입되는 액상 냉매를 최소화하여 압축기의 내구성을 향상시키고 냉방 성능 및 난방 성능을 극대화시킬 수 있는 차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와, 공조케이스 내에 구비되고 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 방열시키는 실내열교환기와, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1 팽창밸브와, 공조케이스 내에 구비되어 냉매를 공기와 열교환시켜 증발시키는 증발기와, 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류측에 압축기로 유입되는 냉매의 액상과 기상을 분리하는 어큐뮬레이터를 포함하며, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 열교환시키고 상기 증발기로 유입되는 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 선택적으로 열교환시키는 3중열교환기가 구비된다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 어큐뮬레이터와 압축기 사이에 냉매 열교환 시스템을 갖는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 냉방시스템은 냉매사이클의 실내 열교환기 측에서 실내 열교환기의 외부를 거치는 공기를 증발기의 내부에서 유동되는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어 차량 실내를 냉방한다. 아울러, 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어 측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어의 내부에서 유동되는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 전술한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있다.
히트펌프 시스템은 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기 및 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브 등을 구비한다. 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방 모드가 가동될 경우에 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 기능을 수행하며, 난방 모드가 가동될 경우에는 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 기능을 수행한다.
도 1을 참조하면, 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(30)와, 실내열교환기(32)와, 제1 팽창밸브(34)와, 실외열교환기(48)와, 증발기(60)를 포함하여 이루어진다.
압축기(30)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 토출한다. 실내열교환기(32)는 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 이를 통과하는 공기와 열교환시켜 공기를 가열한다. 제1 팽창밸브(34)는 실내열교환기(32)를 통과한 냉매를 팽창시키며, 실외열교환기(48)는 제1팽창밸브(34)를 통과한 냉매를 실외 공기와 열교환시킨다. 증발기(60)는 냉매를 이를 통과하는 공기와 열교환시켜 공기를 냉각한다.
증발기(60) 및 실내열교환기(32)는 공조케이스(10) 내에 공기유동 방향으로 순차로 설치된다. 증발기(60)와 실내열교환기(32)의 사이에는 온풍유로와 냉풍유로 간의 공기 유동량을 제어하여 공기 온도를 조절하는 템프도어(12)가 구비된다. 공조케이스(10)의 일 측에는 내기 또는 외기를 공조케이스(10)의 공기유로로 송풍하기 위한 송풍기(20)가 구비된다.
증발기(60)와 압축기(30) 사이에는 압축기(30)로 유입되는 냉매를 기상과 액상으로 분리하는 어큐뮬레이터(62)가 더 구비된다. 또한, 실외열교환기(48)와 증발기(60)의 사이에, 증발기(60)로 공급되는 냉매와 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)가 더 구비될 수 있다. 한편, 실내열교환기(32)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(34)에 대해 병렬로 설치된 제1 바이패스밸브(36)에 의해 제1 팽창밸브(34)로 선택적으로 유동된다.
아울러, 증발기(60)의 상류측에는 증발기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2 팽창밸브(56)가 구비된다. 실외열교환기(48)와 제2 팽창밸브(56) 사이에는, 제2 팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 실외열교환기(48)의 출구측과 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2 바이패스밸브(58)를 구비할 수 있다.
에어컨 모드(냉방 모드) 시, 제1 바이패스밸브(36) 및 제2 팽창밸브(56)는 개방되고, 제1 팽창밸브(34) 및 제2 바이패스밸브(58)는 닫힌다. 템프도어(12)는 냉풍유로를 개방한다. 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 제1 바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 제2 팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 통과하여 압축기(30)로 복귀한다.
히트펌프 모드(난방 모드) 시, 제1 바이패스밸브(36) 및 제2 팽창밸브(56)는 닫히고, 제1 팽창밸브(34) 및 제2 바이패스밸브(58)는 개방된다. 또한, 템프도어(12)는 온풍유로를 개방한다. 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 제1 팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 제2 바이패스밸브(58), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 통과하여 압축기(30)로 복귀한다. 이 경우, 실내열교환기(32)는 난방기의 역할을 하게 되고, 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 한다.
한편, 히트펌프 모드에서 제습 시, 냉매는 압축기(30)로부터 토출되어 실내열교환기(32)를 지난 후, 제1 팽창밸브(34)를 통과한 냉매 중 일부는 실외열교환기(48), 제2 바이패스밸브(58), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 통과하여 압축기(30)로 복귀한다. 아울러, 제1 팽창밸브(34)를 통과한 냉매 중 다른 일부를 증발기(60)로 유동시켜 차실내의 제습을 수행하게 된다.
종래의 차량용 히트펌프 시스템은 난방 모드 또는 난방+제습 모드 시 어큐뮬레이터(62)가 기상과 액상을 분리하여 기상이 압축기(30)로 유입되는 구조이다. 그러나, 실제로 압축기(30)로 들어가는 저온/저압의 냉매에는 액상이 어느정도 포함되어 있다. 만약, 압축기(30)에 액상의 냉매가 들어갈 경우, 압축기(30)의 내구성이 저하되는 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 어큐뮬레이터를 지나 압축기로 유입되는 액상 냉매를 최소화하여 압축기의 내구성을 향상시키고 냉방 성능 및 난방 성능을 극대화시킬 수 있는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와, 공조케이스 내에 구비되고 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 방열시키는 실내열교환기와, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1 팽창밸브와, 공조케이스 내에 구비되어 냉매를 공기와 열교환시켜 증발시키는 증발기와, 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류측에 압축기로 유입되는 냉매의 액상과 기상을 분리하는 어큐뮬레이터를 포함하며, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 열교환시키고 상기 증발기로 유입되는 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 선택적으로 열교환시키는 3중열교환기가 구비된다.
상기 3중열교환기는 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이에 배치된다.
상기 3중열교환기는: 냉매 유동 방향으로 실내열교환기의 하류에 형성되는 제1 냉매라인; 어큐뮬레이터와 압축기 사이에 형성되는 제2 냉매라인; 및 냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 형성되는 제3 냉매라인을 구비한다.
냉매 유동 방향으로 증발기의 상류측에서 분기되고 증발기를 바이패스하여 어큐뮬레이터에 연결되는 증발기바이패스라인이 구비되며, 상기 3중열교환기는 증발기바이패스라인의 분기지점과 증발기 사이에 배치된다.
상기 증발기바이패스라인의 분기지점과 3중열교환기 사이에, 상기 3중열교환기로 유입되는 냉매의 유동을 제어하는 바이패스제어밸브가 구비된다.
냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 3중열교환기는 증발기바이패스라인의 분기지점과 제2 팽창밸브 사이에 배치된다.
상기 증발기바이패스라인에, 제3 팽창밸브와, 배터리와 열교환하는 냉각수라인과 상기 제3 팽창밸브를 통과한 냉매를 열교환시키는 칠러가 구비된다.
상기 제1 팽창밸브와 증발기 사이에 냉매를 이를 통과하는 공기와 열교환시키는 실외열교환기가 구비되고, 상기 실외열교환기와 제1 팽창밸브 사이에서 분기되고 실외열교환기를 바이패스하는 실외기바이패스라인과, 상기 실외기바이패스라인으로 흐르는 냉매와 실외열교환기로 흐르는 냉매의 양을 조절하는 제1 냉매제어밸브를 포함한다.
상기 제1 팽창밸브의 하류에서 분기되어 증발기로 냉매를 공급하는 제습라인; 및 상기 제습라인에 구비되는 제2 냉매제어밸브를 포함한다.
상기 3중열교환기와 증발기의 사이에 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 제습라인은 제2 팽창밸브와 증발기 사이에 연결된다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉방 성능 및 난방 성능을 극대화시킬 수 있다. 또한, 3중열교환기의 구성을 통해 고온 고압의 냉매와 열교환한 저온 저압의 액냉매가 흡열하여 압축기로 유입되는 액냉매가 기화되어 압축기의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3중열교환기를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 + 배터리냉각 모드를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 + 제습 모드를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 히트펌프 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(101)와, 실내열교환기(102)와, 제1 팽창밸브(104)와, 실외열교환기(108)와, 제2 팽창밸브(112) 및 증발기(113)가 냉매라인(118)에 냉매 유동 방향으로 순차로 배치되어 이루어진다.
압축기(101)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 토출한다. 실내열교환기(102)는 공조케이스(114) 내에 구비되며, 압축기(101)에서 토출되는 냉매를 실내열교환기(102)를 통과하는 공기와 열교환시켜 방열시킨다. 제1 팽창밸브(104)는 실내열교환기(102)를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시킨다. 실외열교환기(108)는 제1 팽창밸브(104)와 증발기(113) 사이에 구비되어, 제1 팽창밸브(104)를 통과한 냉매를 이를 통과하는 실외공기와 열교환시킨다.
실외열교환기(108) 및 제2 팽창밸브(112)는 제1 팽창밸브(104)와 증발기(113) 사이 냉매라인(118)에 순차로 구비된다. 제2 팽창밸브(112)는 냉매 유동 방향으로 증발기(113)의 상류에 구비되어, 실외열교환기(108)를 통과한 냉매를 팽창시킨다. 증발기(113)는 공조케이스(114) 내에 구비되며, 냉매를 증발기(113)를 통과하는 공기와 열교환시켜 증발시킨다. 아울러, 증발기(113)와 실내열교환기(102)는 공조케이스(110) 내에 공기 유동 방향으로 순차로 설치된다.
공조케이스(114) 내의 공기 유동 방향으로 실내열교환기(102)의 하류측에는 PTC 등의 전열히터(103)가 더 구비된다. 또한, 증발기(113)와 실내열교환기(102)의 사이에는 온풍유로와 냉풍유로 간의 공기 유동량을 제어하여 차량 실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하는 템프도어(115)가 구비된다.
압축기(101)의 상류에는 어큐뮬레이터(116)가 구비된다. 어큐뮬레이터(116)는 냉매 유동 방향으로 압축기(101)의 상류측에 구비되어, 압축기(101)로 유입되는 냉매의 액상과 기상을 분리한다. 즉, 어큐뮬레이터(116)는 증발기(113)와 압축기(101) 사이에 구비된다.
차량용 히트펌프 시스템은 냉매라인(118)과 제습라인(119)과 실외기바이패스라인(123)과 증발기바이패스라인(120)을 구비한다. 냉매라인(118)은 압축기(101), 실내열교환기(102), 제1 팽창밸브(104), 실외열교환기(108), 제2 팽창밸브(112) 및 증발기(113)로 냉매를 순환시킨다. 제습라인(119)은 제1 팽창밸브(104)의 하류에서 분기되어 증발기(113)로 냉매를 공급한다. 제습라인(119)에는 냉매의 유동을 제어하는 2방향밸브(2Way valve) 형태의 제2 냉매제어밸브(117)가 구비된다.
실외기바이패스라인(123)은 실외열교환기(108)와 제1 팽창밸브(104) 사이에서 분기되고 실외열교환기(108)를 바이패스한다. 또한, 실외기바이패스라인(123)의 분기 지점에는 제1 냉매제어밸브(107)가 구비된다. 제1 냉매제어밸브(107)는 실외기바이패스라인(123)으로 흐르는 냉매와 실외열교환기(108)로 흐르는 냉매의 양을 조절한다.
즉, 제1 냉매제어밸브(107)는 실외기바이패스라인(123)과 실외열교환기(108)를 향하는 냉매라인 사이의 개도를 조절한다. 아울러, 제1 냉매제어밸브(107)는 3방향(3Way valve) 형태로 이루어져, 냉매를 실외열교환기(108) 측으로 흐르게 하거나 실외열교환기(108)를 바이패스하여 바이패스라인(123)측으로 흐르도록 제어한다. 아울러, 바이패스라인(123)으로 흐르는 냉매는 실외열교환기(108)를 통과하지 않고 압축기(101)로 복귀하여 순환된다.
증발기바이패스라인(120)은 냉매 유동 방향으로 증발기(113)의 상류측에서 분기되고 증발기(113)를 바이패스하여 어큐뮬레이터(116)에 연결된다. 즉, 증발기바이패스라인(120)은 실외열교환기(108)와 제2 팽창밸브(112) 사이 냉매라인에서 분기되어, 제2 팽창밸브(112) 및 증발기(113)를 바이패스하여 압축기(101)에 연결된다.
아울러, 증발기바이패스라인(120)에는 제3 팽창밸브(121) 및 칠러(122)가 냉매 유동 방향으로 순차로 구비된다. 제3 팽창밸브(121)는 전자식팽창밸브(EXV)로 이루어지며 냉매를 선택적으로 팽창시킨다. 아울러, 칠러(122)는 냉각수라인(133)과 증발기바이패스라인(120)을 열교환시킨다. 즉, 칠러(122)는 배터리(131)와 열교환하는 냉각수라인(133)과 제3 팽창밸브(121)를 통과한 냉매를 열교환시킨다.
한편, 차량용 히트펌프 시스템은 냉각수라인(133)을 구비한다. 냉각수라인(133)은 라디에이터(109), 워터펌프(134), 칠러(122), 배터리(131)를 통과한다. 라디에이터(109)는 냉각수를 실외 공기와 열교환시키며, 일측에 팬(111)이 구비될 수 있다. 이 경우, 배터리(131)는 차량 구동부품, 전장품 등 다른 발열체로 치환될 수 있다. 또한, 냉각수라인(133)에는 별도의 냉각수제어밸브가 구비되어 냉각수의 흐름을 적절히 제어할 수 있다.
또한, 차량용 히트펌프 시스템은 3중열교환기(150) 및 바이패스제어밸브(190)를 포함한다. 3중열교환기(150)는 실내열교환기(102)를 통과한 냉매와 어큐뮬레이터(116)와 압축기(101) 사이 냉매를 열교환시키고, 증발기(113)로 유입되는 냉매와 어큐뮬레이터(116)와 압축기(101) 사이 냉매를 선택적으로 열교환시킨다. 바이패스제어밸브(190)는 증발기바이패스라인(120)의 분기지점과 3중열교환기(150) 사이에 구비되어, 3중열교환기(150)로 유입되는 냉매의 유동을 제어한다.
3중열교환기(150)는 어큐뮬레이터(116)와 압축기(101) 사이에 배치된다. 또한, 3중열교환기(150)는 증발기바이패스라인(120)의 분기지점과 증발기(113) 사이에 배치된다. 더욱 상세하게는, 3중열교환기(150)는 증발기바이패스라인(120)의 분기지점과 제2 팽창밸브(112) 사이에 배치된다. 또한, 3중열교환기(150)와 증발기(113)의 사이에 제2 팽창밸브(112)가 구비되고, 제습라인(119)은 제2 팽창밸브(112)와 증발기(113) 사이에 연결된다.
3중열교환기(150)는 제1 냉매라인(180)과 제2 냉매라인(170)과 제3 냉매라인(160)을 구비한다. 제1 냉매라인(180)은 냉매 유동 방향으로 실내열교환기(102)의 하류에 형성되고, 제2 냉매라인(170)은 어큐뮬레이터(116)와 압축기(101) 사이에 형성되며, 제3 냉매라인(160)은 냉매 유동 방향으로 증발기(113)의 상류에 형성된다.
더욱 상세하게는, 제1 냉매라인(180)은 실내열교환기(102)와 제1 팽창밸브(104) 사이에 형성되는 고압 냉매라인이다. 제2 냉매라인(170)은 어큐뮬레이터(116)와 압축기(101) 사이에 형성되는 저압 냉매라인이다. 제3 냉매라인(160)은 실외열교환기(108)의 하류에 위치한 바이패스제어밸브(190)와 제2 팽창밸브(112) 사이에 형성된다.
실내열교환기(102)에서 나온 냉매는 유입구(151)를 통해 3중열교환기(150)로 들어가며 제1 냉매라인(180)을 순환한 후 배출구(152)를 통해 나온다. 어큐뮬레이터(116)에서 나온 냉매는 유입구(153)를 통해 3중열교환기(150)로 들어가며 제2 냉매라인(170)을 순환한 후 배출구(154)를 통해 나온다. 실외열교환기(108)에서 나온 냉매는 유입구(155)를 통해 3중열교환기(150)로 들어가며 제3 냉매라인(160)을 순환한 후 배출구(156)를 통해 나온다.
제1 냉매라인(180)은 제2 냉매라인(170)과 열교환하여, 압축기(101)에서 나온 고온 고압의 기상 냉매는 실내열교환기(102)를 거쳐 3중열교환기(150)에서 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환한다. 또한, 제3 냉매라인(160)은 제2 냉매라인(170)과 열교환하여, 실외열교환기(108)를 통과한 냉매는 3중열교환기(150)에서 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환한다.
도 4를 참조하면, 냉방 모드 시 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(114) 내의 실내열교환기(102)를 거쳐 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환하여 1차로 방열한다. 이 경우, 공조케이스(114) 내에서, 템프도어(115)는 온풍유로를 폐쇄하며 증발기(113)를 통과하며 냉각된 공기는 실내열교환기(102)를 바이패스하여 냉풍유로를 통해 차량 실내로 토출된다.
3중열교환기(150)에서 나온 냉매는 제1 팽창밸브(104)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(108)로 유입된다. 실외열교환기(108)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는 실외 공기와 열교환하여 2차로 방열한다. 이후에, 냉매는 바이패스제어밸브(190)를 거쳐 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환하여 3차로 방열한다. 이후에, 냉매는 제2 팽창밸브(112)에서 팽창한 후 증발기(113)로 들어간다.
증발기(113)에서 흡열한 저온 저압의 냉매는 어큐뮬레이터(116)로 들어가고 고온의 냉매와 열교환하여 엔탈피를 확보한다. 이로 인해, 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 냉방 + 배터리냉각 모드 시 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(114) 내의 실내열교환기(102)를 거쳐 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환하여 1차로 방열한다. 이 경우, 공조케이스(114) 내에서, 템프도어(115)는 온풍유로를 폐쇄하며 증발기(113)를 통과하며 냉각된 공기는 실내열교환기(102)를 바이패스하여 냉풍유로를 통해 차량 실내로 토출된다.
3중열교환기(150)에서 나온 냉매는 제1 팽창밸브(104)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(108)로 유입된다. 실외열교환기(108)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는 실외 공기와 열교환하여 2차로 방열한다. 이후에, 냉매는 증발기바이패스라인(120)의 분기지점에서 두갈래로 나뉜다.
하나의 갈래의 냉매는 칠러(122)로 들어가 배터리(131)를 지나는 냉각수와 열교환하여 배터리(131)를 냉각시킨다. 다른 하나의 갈래의 냉매는 바이패스제어밸브(190)를 거쳐 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저압의 냉매와 열교환하여 3차로 방열한다. 이후에, 냉매는 제2 팽창밸브(112)에서 팽창한 후 증발기(113)로 들어간다.
증발기(113)에서 흡열한 저온 저압의 냉매는 어큐뮬레이터(116)로 들어가고 고온의 냉매와 열교환하여 엔탈피를 확보한다. 이로 인해, 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 난방 모드 시 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(114) 내의 실내열교환기(102)로 들어가 공기와 열교환하여 방열함으로써 실내 난방의 열원으로 작용한다. 이 경우, 공조케이스(114) 내에서, 템프도어(115)는 온풍유로를 개방하며 공기는 실내열교환기(102)에 의해 가열되어 실내로 토출된다.
이후에, 냉매는 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저온 저압의 냉매와 열교환하여 2차로 방열한다. 이후에 냉매는 제1 팽창밸브(104)에서 교축되어 팽창된다. 팽창된 저온 저압의 냉매는 실외열교환기(108)에 들어가 실외 공기와 열교환하여 1차로 흡열한다. 이후에, 냉매는 칠러(122)로 들어가 냉각수와 열교환하여 2차로 흡열한다.
이후에, 냉매는 어큐뮬레이터(116)로 들어가 3중열교환기(150)에서 고온 고압의 냉매와 열교환하여 3차로 흡열한다. 이 경우, 바이패스제어밸브(190)는 폐쇄되어, 실외열교환기(108)를 통과한 냉매는 모두 칠러(122)로 흐르며 3중열교환기(150)로 유입되지 못한다. 만약, 바이패스제어밸브(190)가 없다면, 3중열교환기(150)로 유입되는 저온 저압의 냉매가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저온 저압의 냉매에 열을 빼앗겨 난방 성능이 저하될 수 있다.
이러한 구성을 통해, 차량용 히트펌프 시스템의 난방 성능을 극대화시킬 수 있다. 또한, 난방 모드 시 어큐뮬레이터(116)가 기/액 분리를 하여 기상 냉매가 압축기(101)로 유입되는 구조이나, 실제 압축기(101)로 들어가는 저온 저압의 냉매에는 액상이 어느정도 포함되어 있다. 만약, 압축기(101)에 액상 냉매가 들어갈 경우 압축기 액압축으로 인해 압축기(101)의 내구성을 악화시킬 수 있는데, 3중열교환기(150)의 구성을 통해 고온 고압의 냉매와 열교환한 저온 저압의 액냉매가 흡열하여 압축기(101)로 유입되는 액냉매가 기화되어 압축기(101)의 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.
도 7을 참조하면, 난방 + 제습 모드 시 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(114) 내의 실내열교환기(102)로 들어가 공기와 열교환하여 방열함으로써 실내 난방의 열원으로 작용한다. 이 경우, 공조케이스(114) 내에서, 템프도어(115)는 온풍유로를 개방하며 공기는 실내열교환기(102)에 의해 가열되어 실내로 토출된다.
이후에, 냉매는 3중열교환기(150)로 들어가 어큐뮬레이터(116)에서 압축기(101)로 흐르는 저온 저압의 냉매와 열교환하여 2차로 방열한다. 이후에 냉매는 제1 팽창밸브(104)에서 교축되어 팽창된다. 팽창된 저온 저압의 냉매는 실외열교환기(108)에 들어가 실외 공기와 열교환하여 1차로 흡열한다. 이후에, 냉매는 칠러(122)로 들어가 냉각수와 열교환하여 2차로 흡열한다. 이후에, 냉매는 어큐뮬레이터(116)로 들어가 3중열교환기(150)에서 고온 고압의 냉매와 열교환하여 3차로 흡열한다.
난방 + 제습 모드 시 추가적으로 제2 냉매제어밸브(117)개 개방되어 제1 팽창밸브(104)를 통과한 냉매중 일부는 제습라인(119)을 통해 저온 저압의 냉매가 이동되어 증발기(113)로 유입된다. 증발기(113)를 통과한 공조케이스(114) 내의 공기는 제습되어 실내로 토출된다. 증발기(113)에서 나온 냉매는 칠러(122)에서 나온 냉매와 함께 합쳐져 어큐뮬레이터(116)로 들어가고 난방 모드와 동일하게 3중열교환기(150)에서 열교환되어 난방 성능이 향상된다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
101: 압축기 102: 실내열교환기
104: 제1 팽창밸브 107: 제1 냉매제어밸브
108: 실외열교환기 112: 제2 팽창밸브
113: 증발기 114: 공조케이스
115: 템프도어 116: 어큐뮬레이터
117: 제2 냉매제어밸브 121: 제3 팽창밸브
122: 칠러 131: 배터리
150: 3중열교환기 160: 제3 냉매라인
170: 제2 냉매라인 180: 제1 냉매라인
190: 바이패스제어밸브

Claims (10)

  1. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와, 공조케이스 내에 구비되고 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 방열시키는 실내열교환기와, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1 팽창밸브와, 공조케이스 내에 구비되어 냉매를 공기와 열교환시켜 증발시키는 증발기와, 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류측에 압축기로 유입되는 냉매의 액상과 기상을 분리하는 어큐뮬레이터를 포함하며,
    상기 실내열교환기를 통과한 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 열교환시키고 상기 증발기로 유입되는 냉매와 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이 냉매를 선택적으로 열교환시키는 3중열교환기가 구비되는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 3중열교환기는 상기 어큐뮬레이터와 압축기 사이에 배치되는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 3중열교환기는:
    냉매 유동 방향으로 실내열교환기의 하류에 형성되는 제1 냉매라인;
    어큐뮬레이터와 압축기 사이에 형성되는 제2 냉매라인; 및
    냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 형성되는 제3 냉매라인을 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉매 유동 방향으로 증발기의 상류측에서 분기되고 증발기를 바이패스하여 어큐뮬레이터에 연결되는 증발기바이패스라인이 구비되며,
    상기 3중열교환기는 증발기바이패스라인의 분기지점과 증발기 사이에 배치되는 차량용 히트펌프 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 증발기바이패스라인의 분기지점과 3중열교환기 사이에, 상기 3중열교환기로 유입되는 냉매의 유동을 제어하는 바이패스제어밸브가 구비되는 차량용 히트펌프 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 제2 팽창밸브가 구비되고,
    상기 3중열교환기는 증발기바이패스라인의 분기지점과 제2 팽창밸브 사이에 배치되는 차량용 히트펌프 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 증발기바이패스라인에,
    제3 팽창밸브와, 배터리와 열교환하는 냉각수라인과 상기 제3 팽창밸브를 통과한 냉매를 열교환시키는 칠러가 구비되는 차량용 히트펌프 시스템.
  8. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브와 증발기 사이에 냉매를 이를 통과하는 공기와 열교환시키는 실외열교환기가 구비되고,
    상기 실외열교환기와 제1 팽창밸브 사이에서 분기되고 실외열교환기를 바이패스하는 실외기바이패스라인과, 상기 실외기바이패스라인으로 흐르는 냉매와 실외열교환기로 흐르는 냉매의 양을 조절하는 제1 냉매제어밸브를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
  9. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브의 하류에서 분기되어 증발기로 냉매를 공급하는 제습라인; 및
    상기 제습라인에 구비되는 제2 냉매제어밸브를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 3중열교환기와 증발기의 사이에 제2 팽창밸브가 구비되고,
    상기 제습라인은 제2 팽창밸브와 증발기 사이에 연결되는 차량용 히트펌프 시스템.
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