KR20240009818A - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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이대웅
류재춘
우상구
이유호
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한온시스템 주식회사
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Abstract

공조 효율이 좋고 공냉식 응축기의 크기를 기존 대비 상당부분 줄일 수 있으며 원가절감 및 패키지 축소에서 큰 이점을 갖는 차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진, 엔진라디에이터, 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인을 연결 또는 분리시키는 밸브부를 구비한다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에 설치되어 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있는 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.
반면에, 전기자동차의 경우 냉방에 사용하는 증기 압축식 사이클을 역으로 구성한 히트펌프 시스템을 사용한다. 이 경우, 전장폐열을 기반으로 주행거리 향상을 위해 저온 냉각수 분배와 공급을 위한 모듈에 중점을 두기 때문에, 저외기온 환경에서 사용이 어렵고 고용량의 PTC히터를 병행하여 난방을 수행하여야 하는 단점이 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle)에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(8)와, 실외열교환기(6)와, 팽창밸브(5)와, 증발기(3)를 포함하여 이루어진다. 또한, 냉매 유동 방향으로 압축기(8)의 상류에는 어큐뮬레이터(9)가 구비된다. 압축기(8)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실외열교환기(6), 팽창밸브(5), 증발기(3) 및 어큐뮬레이터(9)를 순차로 통과하여 순환된다.
공조케이스(1) 내의 공기유로에는 증발기(3)와 히터코어(4)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 증발기(3)는 이를 통과하는 공기와 열교환하며, 히터코어(4)는 이릍 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 가열시킨다. 실내열교환기(3)와 히터코어(4) 사이에는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(2)가 구비된다. 공기 유동 방향으로 히터코어(4)의 하류에는 PTC히터(7)가 더 구비될 수 있다.
한편, 엔진(13)을 통과하는 냉각수라인은 워터펌프(16), 리저브탱크(15)를 지나 라디에이터(14)를 통과한다. 라디에이터(14)에서 엔진(13)의 폐열이 실외 공기와 열교환되어 냉각된다. 아울러, 엔진(13)을 통과한 냉각수라인에서 일부는 워터펌프(11), 히터코어(4)를 통과하여 엔진(13)을 순환한다. 히터코어(4)에서 엔진(13)을 냉각시킨 고온의 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되어 난방을 수행한다.
또한, PE모듈 등의 전장품(17)을 통과하는 또 다른 냉각수라인에 리저브탱크(18), 워터펌프(19), 저온라디에이터(20)가 구비되어 냉각수가 순환된다. 이와 같이 구성되는 하이브리드 차량에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은, 엔진(13)을 작동하여 냉각수가 데워져 난방이 수행되며, 압축기(8)를 이용하여 증기 압축식 냉방 사이클을 통해 냉방이 수행된다.
종래의 하이브리드 차량에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은 겨울철 난방을 위하여 엔진을 작동하여 냉각수를 데워 난방을 하기 때문에, 엔진을 지속적으로 작동해야 하므로 저온 연비가 나빠지고 이산화탄소 배출이 많아지는 단점이 있다. 또한, 냉각수가 데워져 히터코어로 공급되기까지 시간이 많이 소요되고 이때 실내 탑승자의 쾌적성이 저하된다. 아울러, 연비평가 모드로 테스트한 결과, 상온대비 -7℃의 저온에서 연비가 7% 저감되고, 이때 공조장치를 가동하면 25%까지 연비가 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 공조 효율이 좋고 공냉식 응축기의 크기를 기존 대비 상당부분 줄일 수 있으며 원가절감 및 패키지 축소에서 큰 이점을 갖는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진, 엔진라디에이터, 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인을 연결 또는 분리시키는 밸브부를 구비한다.
상기 밸브부는: 상기 제2 냉각수라인의 냉각수를 제1 냉각수라인으로 유동시키거나 차단시키는 제1 삼방향밸브; 및 상기 제1 냉각수라인의 냉각수를 제2 냉각수라인으로 유동시키거나 차단시키는 제2 삼방향밸브를 구비한다.
상기 압축기와 실외열교환기 사이에 구비되어, 제1 냉각수라인의 엔진열 또는 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기; 및 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류에 구비되어, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비한다.
상기 수냉응축기는 엔진 및 히터코어에 대해 병렬로 배치된다.
냉각수 유동 방향으로 제1 삼방향밸브의 하류에 구비되어, 제1 삼방향밸브를 통과한 냉각수를 엔진 또는 수냉응축기로 유동시키는 제3 삼방향밸브; 및 냉각수 유동 방향으로 제2 삼방향밸브의 상류에 구비되어, 엔진라디에이터를 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브로 유동시키거나 수냉응축기를 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브로 유동시키는 제4 삼방향밸브를 구비한다.
상기 제1 삼방향밸브는 전장라디에이터와 전장품 사이에서 분지되어 제1 냉각수라인의 히터코어와 제3 삼방향밸브 사이에 연결되고, 상기 제2 삼방향밸브는 제4 삼방향밸브와 히터코어 사이에서 분지되어 제2 냉각수라인의 칠러와 전장라디에이터 사이에 연결된다.
상기 압축기와 실외열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시키는 제1 팽창밸브가 구비되고, 상기 수냉응축기는 압축기와 제1 팽창밸브 사이에 배치된다.
상기 실외열교환기와 실내열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러쪽으로 방향전환시키는 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 칠러는 제2 팽창밸브와 압축기 사이에 배치되어, 실외열교환기를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브를 지나 실내열교환기를 지나 압축기로 순환되거나 칠러를 지나 압축기로 순환된다.
상기 제2 냉각수라인에 칠러를 통과한 냉각수가 선택적으로 전장라디에이터를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 제5 삼방향밸브가 더 구비된다.
냉방 모드 시 엔진 정지일 때, 상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 연결되어, 상기 전장라디에이터를 이용하여 수냉응축기가 냉각된다.
냉방 모드 시 엔진 작동 초기일 때, 제1 냉각수라인의 엔진을 순환하는 냉각수를 이용하여 수냉응축기가 냉각되어, 상기 수냉응축기와 실외열교환기를 이용해 냉방이 수행되고, 냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 수냉응축기 유로가 차단되어, 상기 실외열교환기만을 이용해 냉방이 수행된다.
난방 모드 시 엔진 정지일 때, 상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉각된다.
난방 모드 시 엔진 작동일 때, 상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 엔진에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행된다.
제습 모드 시 엔진 정지일 때, 상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉각되며, 실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환한다.
제습 모드 시 엔진 작동일 때, 상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 엔진에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되며, 실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진, 엔진라디에이터, 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 상기 압축기와 실외열교환기 사이에 수냉응축기가 구비되며, 상기 수냉응축기는 제1 냉각수라인의 엔진열 또는 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시켜, 냉방시 압축기에서 토출된 냉매는 상기 수냉응축기에서 1차 냉각되고 상기 실외열교환기에서 2차 냉각된다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에서 히트펌프 시스템을 적용하여 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있고, 연비를 개선하며 이산화탄소 배출을 낮출 뿐 아니라, 실내 탑승객의 열쾌적성을 향상시킨다.
또한, 히트펌프 시스템과 기존의 히터코어를 이용한 공조장치와 연계한 구성으로서, 엔진이 가동되면 냉각수를 이용한 난방으로 전환하기 때문에 -30℃의 저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
아울러, 응축기를 공냉식과 수냉식으로 구성하여 PE모듈(전장품)의 냉각수를 이용해 수냉응축기를 냉각하기 때문에 냉방 효율이 좋고, 공냉식 응축기(실외열교환기)의 사이즈를 기존 대비 상당히 줄일 수 있어 원가절감 및 차량의 패키지 측면에서 매우 유리하다.
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 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드 시 엔진 작동 초기일 때를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 제습 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이며,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 제습 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 히트펌프 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 엔진(201)과 PE모듈(Power Electric Module) 등의 전장품(251)을 갖는 하이브리드차량(HEV)에 설치된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매라인(110)과, 제1 냉각수라인(211)과, 제2 냉각수라인(250)을 포함한다. 이 경우, 전장품(251)은 PE모듈(Power Electic Module) 등을 포함한다.
냉매라인(110)은 압축기(111), 실외열교환기(104), 팽창수단, 실내열교환기(107)를 순환한다. 실내열교환기(107)는 증발기(Evaporator)로 작용하며, 실내열교환기(107)를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되어 공기를 냉각시킨다. 냉매라인(110)에는 냉매 유동 방향을 따라 압축기(111), 수냉응축기(102), 제1 팽창밸브(103), 실외열교환기(104), 제2 팽창밸브(106), 실내열교환기(107), 어큐뮬레이터(108)가 순차로 구비된다.
압축기(111)는 냉매를 압축하여 토출하며, 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 상류에는 어큐뮬레이터(108)가 구비된다. 실내열교환기(107)는 공조케이스(150) 내부에 구비되어, 냉매를 공조케이스(150) 내의 공기와 열교환시킨다. 실외열교환기(104)는 공조케이스(150) 외부에 구비되어 냉매를 외기와 열교환시킨다.
제1 팽창밸브(103)는 압축기(111)와 실외열교환기(104) 사이에 배치되어, 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시킨다. 즉, 제1 팽창밸브(103)는 냉방 모드 시 냉매를 팽창시키지 않고 그대로 통과시키며, 난방 모드 시 냉매를 팽창시킨다. 수냉응축기(102)는 압축기(111)와 제1 팽창밸브(103) 사이에 배치된다. 이와 같이, 제1 팽창밸브(103)는 냉매의 팽창 기능과 냉매의 바이패스 기능을 선택적으로 수행한다.
제2 팽창밸브(106)는 실외열교환기(104)와 실내열교환기(107) 사이에 배치되어, 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러(252)쪽으로 방향전환시킨다. 칠러(252)는 제2 팽창밸브(106)와 압축기(111) 사이에 배치되어, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수와 냉매라인(110)의 냉매를 열교환시킨다. 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브(106)를 지나 실내열교환기(107)를 지나 압축기(111)로 순환되거나, 칠러(252)를 지나 압축기(111)로 순환된다.
즉, 제2 팽창밸브(106)는 냉방 모드 시 냉매를 팽창시키고, 난방 모드 시 냉매를 팽창시키지 않고 냉매가 실내열교환기(107)를 바이패스하고 칠러(252)를 통과하도록 방향 전환한다. 이와 같이, 제2 팽창밸브(106)는 냉매의 팽창 기능과 냉매의 방향 전환 기능을 선택적으로 수행한다. 또한, 제2 팽창밸브(106)는 제습 모드 시 냉매의 일부를 팽창시킴과 아울러 냉매의 다른 일부를 칠러(252) 쪽으로 방향 전환시킨다.
공조케이스(150) 내의 공기유로에는 실내열교환기(107)와 히터코어(205)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 공조케이스(150)의 공기유입구 쪽에는 공기를 송풍하기 위한 블로워유닛이 구비된다. 히터코어(205)는 이릍 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 가열시킨다. 실내열교환기(107)와 히터코어(205) 사이에는 차량 실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(151)가 구비된다. 템프도어(151)는 공조케이스(150) 내에서 회전됨에 따라, 냉풍유로와 온풍유로 간의 공기양을 조절한다.
실외열교환기(104), 전장라디에이터(253), 엔진라디에이터(202)는 차량 전방 측에 배치되어 실외 공기와 열교환되도록 구성되며, 원활한 열교환을 위해 별도의 송풍팬이 구비될 수 있다. 한편, 냉매 유동 방향으로 제2 팽창밸브(106)의 상류와 실내열교환기(107)의 하류에 내부열교환기(105)가 구비될 수 있다.
제1 냉각수라인(211)은 엔진(201), 엔진라디에이터(202), 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 순환하는 냉각수는 공조케이스(150) 내에서 실내로 토출되는 공기와 열교환된다. 제2 냉각수라인(250)은 전장품(251) 및 전장라디에이터(253)를 순환한다. 아울러, 제1 냉각수라인(211)은 엔진(201)을 지나는 엔진라인(210)과 연결되며, 수냉응축기(102)는 엔진(201) 및 히터코어(205)에 대해 병렬로 배치된다.
차량용 히트펌프 시스템은 밸브부(Valve Part)를 구비한다. 밸브부는 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)을 연결 또는 분리시키는 기능을 한다. 밸브부는 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)를 구비한다. 제1 삼방향밸브(204)는 제2 냉각수라인(250)의 냉각수를 제1 냉각수라인(211)으로 유동시키거나 차단시킨다. 제2 삼방향밸브(206)는 제1 냉각수라인(211)의 냉각수를 제2 냉각수라인(250)으로 유동시키거나 차단시킨다.
수냉응축기(102)는 압축기(111)와 실외열교환기(104) 사이에 구비되어, 제1 냉각수라인(211)의 엔진열 또는 제2 냉각수라인(250)의 전장열을 냉매와 열교환시킨다. 수냉응축기(102)는 엔진(201)에 대해 병렬로 연결된다. 칠러(252)는 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 상류에 구비되어, 제2 냉각수라인(250)의 전장열을 냉매와 열교환시킨다.
즉, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 엔진(201)을 바이패스하여 수냉응축기(102)만을 통과한 후 히터코어(205)를 순환하거나, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 수냉응축기(102)를 바이패스하여 엔진(201)만을 통과한 후 히터코어(205)를 순환하거나, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 엔진(201)과 수냉응축기(102)를 모두 통과한 후 히터코어(205)를 순환하게 된다.
차량용 히트펌프 시스템은 제3 삼방향밸브(203) 및 제4 삼방향밸브(208)를 구비한다. 제3 삼방향밸브(203)는 냉각수 유동 방향으로 제1 삼방향밸브(204)의 하류에 구비되어, 제1 삼방향밸브(204)를 통과한 냉각수를 엔진(201) 또는 수냉응축기(102)로 유동시킨다. 제4 삼방향밸브(208)는 냉각수 유동 방향으로 제2 삼방향밸브(206)의 상류에 구비된다. 제4 삼방향밸브(208)는 엔진(201)을 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브(206)로 유동시키거나, 수냉응축기(102)를 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브(206)로 유동시킨다.
제1 삼방향밸브(204)는 전장라디에이터(253)와 전장품(251) 사이에서 분지되어, 제1 냉각수라인(211)의 히터코어(205)와 제3 삼방향밸브(203) 사이에 연결된다. 아울러, 제2 삼방향밸브(206)는 제4 삼방향밸브(208)와 히터코어(205) 사이에서 분지되어, 제2 냉각수라인(250)의 칠러(252)와 전장라디에이터(253) 사이에 연결된다.
한편, 차량용 히트펌프 시스템은 제5 삼방향밸브(254)를 더 구비한다. 제5 삼방향밸브(254)는 제2 냉각수라인(250)에 설치되며, 칠러(252)를 통과한 냉각수가 선택적으로 전장라디에이터(253)를 통과하거나 바이패스하도록 냉각수의 흐름을 제어한다. 즉, 전장품(251)과 칠러(252)를 통과한 냉각수는 제5 삼방향밸브(254)의 제어에 의해 전장라디에이터(253)를 바이패스하고 워터펌프(255)를 지나 전장품(251)을 순환하거나, 전장라디에이터(253)를 통과한 후 워터펌프(255)를 지나 전장품(251)을 순환한다.
더욱 상세하게는, 제1 냉각수라인(211)에는 엔진라디에이터(202), 제4 삼방향밸브(208), 워터펌프(207), 제2 삼방향밸브(206), 히터코어(205), 제1 삼방향밸브(204), 제3 삼방향밸브(203)가 냉각수 유동 방향으로 순차로 배치된다. 그리고, 엔진(201)을 지나는 엔진라인(210)은 엔진라디에이터(202)의 상류와 하류에 각각 연결되어, 엔진(201)을 지나는 냉각수는 엔진라디에이터(202)를 함께 흐르도록 구성된다. 아울러, 제1 냉각수라인(211)에는 써모스텟(209)이 구비될 수 있다.
히터코어(205)를 지난 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 또는, 히터코어(205)를 지난 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 바이패스하고 수냉응축기(102)를 지나 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 또는, 히터코어(205)를 지난 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 일부는 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과하고 다른 일부는 수냉응축기(102)를 지나 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다.
도 3을 더 참조하면, 냉방 모드 시 엔진 정지일 때, 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)의 제어에 의해 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)이 연결되어, 전장라디에이터(253)를 이용하여 수냉응축기(102)가 냉각된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 1차 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)에서 실외 공기에 의해 2차 냉각되며 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 실내열교환기(107)를 지나면서 실내 공기와 열교환하여 실내를 냉방한다.
또한, 전장품(251)을 통과한 냉각수는 칠러(252)와 전장라디에이터(253)를 지나 전장품(251)을 순환하며, 전장라디에이터(253)를 통과한 냉각수 중 일부는 제1 삼방향밸브(204)를 지나 제1 냉각수라인(211)으로 유동되어 제3 삼방향밸브(203)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한다. 수냉응축기(102)를 지나는 냉각수는 압축기(111)에서 토출된 냉매와 열교환한다. 수냉응축기(102)를 통과한 냉각수는 제4 삼방향밸브(208)를 지나 제2 삼방향밸브(206)를 통해 제2 냉각수라인(250)으로 유동된다.
수냉응축기(102)는 제1 냉각수라인(211)의 엔진열 또는 제2 냉각수라인(250)의 전장열을 냉매와 열교환시켜, 냉방 모드시 압축기(111)에서 토출된 냉매는 수냉응축기(102)에서 1차 냉각되고 실외열교환기(104)에서 2차 냉각된다.
이와 같이, 압축기(111)에서 토출된 고온의 냉매는 수냉응축기(102)에서 수냉 방식으로 1차 냉각되고 다시 실외열교환기(104)에서 공냉 방식으로 2차 냉각되어 냉방 성능이 향상될 수 있다. 또한, 히터코어(205)는 미작동되므로 히트픽업(Heat pick-up) 없이 압축기(111)를 저 회전수로 작동해도 냉방 성능을 충분히 확보할 수 있다. 즉, 냉매가 수냉응축기(102)에서 1차 냉각된 후 실외열교환기(104)에서 2차 냉각되므로, 냉방 성능이 향상되고 히터코어(205) 내부로 냉각수가 흐르지 않기 때문에 히트픽업이 없어 냉방 성능이 극대화된다.
도 4를 더 참조하면, 냉방 모드 시 엔진 작동 초기일 때, 제1 냉각수라인(211)의 엔진(201)을 순환하는 냉각수를 이용하여 수냉응축기(102)가 냉각되어, 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104)를 이용해 냉방이 수행된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 1차 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)에서 실외 공기에 의해 2차 냉각되며 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 실내열교환기(107)를 지나면서 실내 공기와 열교환하여 실내를 냉방한다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)를 지나 제3 삼방향밸브(203)를 지나고 일부는 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과하며 다른 일부는 수냉응축기(102)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 이 경우, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수 흐름은 정지된다. 이와 같이, 엔진(201)의 작동 초기에는 엔진 냉각수를 이용하여 수냉응축기(102)를 냉각한다.
도 5를 더 참조하면, 냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 수냉응축기(102) 유로가 차단되어, 실외열교환기만(104)을 이용해 냉방이 수행된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 1차 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)에서 실외 공기에 의해 2차 냉각되며 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 실내열교환기(107)를 지나면서 실내 공기와 열교환하여 실내를 냉방한다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)를 지나 제3 삼방향밸브(203)를 지나고 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 이 경우, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수 흐름은 정지된다. 아울러, 수냉응축기(102)로는 냉각수가 흐르지 않는다.
이와 같이, 엔진(201)이 작동된 후 소정의 시간이 경과되어 웜업(Warm-up)되면, 수냉응축기(102) 유로는 차단하고 히터코어(205)로 냉각수가 흐른다. 결국, 냉각수가 데워지기 전까지는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104)를 이용하여 냉방을 수행하므로 냉방 속효성이 우수해지고, 냉각수가 뜨거워진 이후에는, 수냉응축기(102)로는 냉각수가 흐르지 않고 실외열교환기(104)만을 이용해 냉방을 수행하게 된다.
도 6을 더 참조하면, 난방 모드 시 엔진 정지일 때, 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)의 제어에 의해 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)이 분리된다. 수냉응축기(102)에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수는 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품(251)을 통과한 제2 냉각수라인(250)의 냉각수는 칠러(252)에서 냉각된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 이 경우, 냉매는 실내열교환기(107)로 흐르지 않는다.
전장품(251)을 통과한 냉각수는 칠러(252)를 지나 제5 삼방향밸브(254)의 제어에 의해 전장라디에이터(253)를 바이패스하고 전장품(251)을 순환한다. 또한, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다.
도 7을 더 참조하면, 난방 모드 시 엔진 작동일 때, 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)의 제어에 의해 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)이 분리되어, 엔진(201)에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 이 경우, 냉매는 실내열교환기(107)로 흐르지 않는다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다. 이 경우, 수냉응축기(102)로는 냉각수가 흐르지 않고, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수의 흐름도 정지된다.
도 8을 더 참조하면, 제습 모드 시 엔진 정지일 때, 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)의 제어에 의해 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)이 분리되어, 수냉응축기(102)에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품(251)을 통과한 제2 냉각수라인(250)의 냉각수가 칠러(252)에서 냉각된다.
또한, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 일부는 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 아울러, 실외열교환기(104)를 통과한 냉매의 다른 일부는 제2 팽창밸브(106)에서 팽창된 후 실내열교환기(107)에서 증발되어 압축기(111)를 순환함으로써 제습이 이루어진다.
전장품(251)을 통과한 냉각수는 칠러(252)를 지나 제5 삼방향밸브(254)의 제어에 의해 전장라디에이터(253)를 바이패스하고 전장품(251)을 순환한다. 또한, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다.
도 9를 더 참조하면, 제습 모드 시 엔진 작동일 때, 제1 삼방향밸브(204) 및 제2 삼방향밸브(206)의 제어에 의해 제1 냉각수라인(211)과 제2 냉각수라인(250)이 분리되어, 엔진(201)에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행된다.
또한, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 일부는 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 아울러, 실외열교환기(104)를 통과한 냉매의 다른 일부는 제2 팽창밸브(106)에서 팽창된 후 실내열교환기(107)에서 증발되어 압축기(111)를 순환함으로써 제습이 이루어진다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 제1 삼방향밸브(204)와 제3 삼방향밸브(203)를 지나 엔진(201) 및 엔진라디에이터(202)를 통과한 후 제4 삼방향밸브(208)와 제2 삼방향밸브(206)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다. 이 경우, 수냉응축기(102)로는 냉각수가 흐르지 않고, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수의 흐름도 정지된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에서 히트펌프 시스템을 적용하여 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있고, 연비를 개선하며 이산화탄소 배출을 낮출 뿐 아니라, 실내 탑승객의 열쾌적성을 향상시킨다. 또한, 히트펌프 시스템과 기존의 히터코어를 이용한 공조장치와 연계한 구성으로서, 엔진이 가동되면 냉각수를 이용한 난방으로 전환하기 때문에 -30℃의 저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
아울러, 응축기를 공냉식과 수냉식으로 구성하여 PE모듈(전장품)의 냉각수를 이용해 수냉응축기를 냉각하기 때문에 냉방 효율이 좋고, 공냉식 응축기(실외열교환기)의 사이즈를 기존 대비 상당히 줄일 수 있어 원가절감 및 차량의 패키지 측면에서 매우 유리하다.
정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 수냉응축기를 구성하여 난방시 열로써 가치가 없는 전장품 폐열을 회수하여 히트펌프 시스템을 작동시킬 수 있다. 저온 환경에서 초기에는 히트펌프 시스템으로 작동하여 실내를 난방하고, 어느정도 시간이 경과하여 엔진 온도가 올라가면, 히터코어를 이용하여 난방을 수행하는 하이브리드식 공조 운전이 가능하다. 따라서, 종래의 히트펌프 시스템은 -20℃의 외기온에서만 작동이 가능하나, -30℃의 극저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
또한, 공냉식 응축기(실외열교환기)는 종래 대비 크기를 절반 정도로 줄일 수 있어 차량의 패키지 측면에서 유리하고 전장라디에이터와 일체 또는 적층 형태로 구성할 수 있다. 아울러, 실외의 공기 열원뿐 아니라 칠러를 통한 전장품의 폐열을 회수하여 작동외 되므로 공조 효율이 우수하고 착상 방지 운전이 가능하다. 수냉응축기는 난방 모드 시 냉각수를 데워 실내로 공급하며, 냉방 모드 시 냉매를 냉각하기 위한 기능을 수행한다.
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.
102: 수냉응축기 103: 제1 팽창밸브
104: 실외열교환기 105: 내부열교환기
106: 제2 팽창밸브 107: 실내열교환기
108: 어큐뮬레이터 110: 냉매라인
111: 압축기 201: 엔진
202: 엔진라디에이터 203: 제3 삼방향밸브
204: 제1 삼방향밸브 205: 히터코어
206: 제2 삼방향밸브 208: 제4 삼방향밸브
211: 제1 냉각수라인 250: 제2 냉각수라인
251: 전장품 252: 칠러
253: 전장라디에이터 254: 제5 삼방향밸브

Claims (16)

  1. 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인;
    엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및
    전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며,
    상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인을 연결 또는 분리시키는 밸브부를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브부는:
    상기 제2 냉각수라인의 냉각수를 제1 냉각수라인으로 유동시키거나 차단시키는 제1 삼방향밸브; 및
    상기 제1 냉각수라인의 냉각수를 제2 냉각수라인으로 유동시키거나 차단시키는 제2 삼방향밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 압축기와 실외열교환기 사이에 구비되어, 제1 냉각수라인의 엔진열 또는 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기; 및
    냉매 유동 방향으로 압축기의 상류에 구비되어, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수냉응축기는 엔진 및 히터코어에 대해 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  5. 제3 항에 있어서,
    냉각수 유동 방향으로 제1 삼방향밸브의 하류에 구비되어, 제1 삼방향밸브를 통과한 냉각수를 엔진 또는 수냉응축기로 유동시키는 제3 삼방향밸브; 및
    냉각수 유동 방향으로 제2 삼방향밸브의 상류에 구비되어, 엔진을 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브로 유동시키거나 수냉응축기를 통과한 냉각수를 제2 삼방향밸브로 유동시키는 제4 삼방향밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 삼방향밸브는 전장라디에이터와 전장품 사이에서 분지되어 제1 냉각수라인의 히터코어와 제3 삼방향밸브 사이에 연결되고,
    상기 제2 삼방향밸브는 제4 삼방향밸브와 히터코어 사이에서 분지되어 제2 냉각수라인의 칠러와 전장라디에이터 사이에 연결되는 차량용 히트펌프 시스템.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 압축기와 실외열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시키는 제1 팽창밸브가 구비되고, 상기 수냉응축기는 압축기와 제1 팽창밸브 사이에 배치되는 차량용 히트펌프 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 실외열교환기와 실내열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러쪽으로 방향전환시키는 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 칠러는 제2 팽창밸브와 압축기 사이에 배치되어, 실외열교환기를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브를 지나 실내열교환기를 지나 압축기로 순환되거나 칠러를 지나 압축기로 순환되는 차량용 히트펌프 시스템.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 냉각수라인에 칠러를 통과한 냉각수가 선택적으로 전장라디에이터를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 제5 삼방향밸브가 더 구비되는 차량용 히트펌프 시스템.
  10. 제3 항에 있어서,
    냉방 모드 시 엔진 정지일 때,
    상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 연결되어, 상기 전장라디에이터를 이용하여 수냉응축기가 냉각되는 차량용 히트펌프 시스템.
  11. 제3 항에 있어서,
    냉방 모드 시 엔진 작동 초기일 때, 제1 냉각수라인의 엔진을 순환하는 냉각수를 이용하여 수냉응축기가 냉각되어, 상기 수냉응축기와 실외열교환기를 이용해 냉방이 수행되고,
    냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 수냉응축기 유로가 차단되어, 상기 실외열교환기만을 이용해 냉방이 수행되는 차량용 히트펌프 시스템.
  12. 제3 항에 있어서,
    난방 모드 시 엔진 정지일 때,
    상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉각되는 차량용 히트펌프 시스템.
  13. 제3 항에 있어서,
    난방 모드 시 엔진 작동일 때,
    상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 엔진에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되는 차량용 히트펌프 시스템.
  14. 제3 항에 있어서,
    제습 모드 시 엔진 정지일 때,
    상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉각되며,
    실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환하는 차량용 히트펌프 시스템.
  15. 제3 항에 있어서,
    제습 모드 시 엔진 작동일 때,
    상기 제1 삼방향밸브 및 제2 삼방향밸브의 제어에 의해 상기 제1 냉각수라인과 제2 냉각수라인이 분리되어, 엔진에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되며,
    실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환하는 차량용 히트펌프 시스템.
  16. 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인;
    엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및
    전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며,
    상기 압축기와 실외열교환기 사이에 수냉응축기가 구비되며, 상기 수냉응축기는 제1 냉각수라인의 엔진열 또는 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시켜, 냉방시 압축기에서 토출된 냉매는 상기 수냉응축기에서 1차 냉각되고 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되는 차량용 히트펌프 시스템.
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