KR102290776B1 - 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하는 압축기, 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 유동 방향을 전환할 수 있는 사방밸브, 상기 사방밸브와 일측이 연결되는 실외 열교환기와 실내 열교환기, 상기 사방밸브와 어큠배관으로 연결되며, 상기 어큠배관의 냉매가 내부 공간에 채워지는 보조 열교환기, 상기 실외 열교환기의 타측으로부터 연장되는 실외배관, 상기 실내 열교환기의 타측으로부터 연장되는 실내배관 및 상기 실외배관의 실외분지점으로부터 분기되어 상기 실내배관의 실내분지점까지 연장되는 유동배관을 포함할 수 있다.

Description

전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 {Heat pump system for electric vehicle and control method thereof}
본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전기자동차는 자동차의 구동 에너지를 화석연료의 연소로부터가 아닌, 전기에너지로부터 얻는 자동차로 정의된다.
일반적으로, 상기 전기자동차에는 배터리, 구동모터, 감속기, 인버터, 컨버터, 온보더차져(OBD) 등이 포함될 수 있다. 그리고 상기 전기자동차는, 전기 에너지를 상기 배터리로부터 상기 구동모터로 공급하여 구동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 전기자동차는 상기 배터리의 소모전력을 저감할수록 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있다.
상기 전기자동차는 전기 에너지의 효율적인 사용과 실내(또는 객실)를 냉방 또는 난방하기 위해 히트펌프 시스템을 포함할 수 있다. 이러한, 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기, 유로 전환 밸브, 실외 열교환기, 실내 열교환기 및 팽창밸브를 포함할 수 있다.
냉방모드에서 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기에서 압축된 고압의 기상냉매가 실외 열교환기를 통해 응축된 후 팽창밸브를 거쳐 실내 열교환기에서 증발할 수 있다. 따라서, 상기 실내는 냉방될 수 있다.
난방모드에서 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기에서 압축된 고압의 기상냉매가 실내 열교환기를 통과하면서 실내팬의 송풍력에 의해 외기와 열교환될 수 있다. 여기서, 열교환된 냉매는 응축되고, 외기는 열을 흡수하므로 온도가 상승할 수 있다.
상기 온도가 상승한 외기는 실내팬의 송풍에 의해 실내로 토출된다. 따라서, 상기 실내는 난방될 수 있다. 한편, 응축된 냉매는 팽창밸브를 거쳐 실외 열교환기에서 증발된 후 압축기로 회수될 수 있다.
그러나, 종래 전기자동차용 히트펌프 시스템에는 아래와 같은 문제가 있다.
첫째, 실내의 냉난방과 제습을 위해, 다수의 3방향 밸브가 구비되고 실내 측 열교환기가 2개 이상 구비되는 등 시스템 구성이 복잡한 문제가 있다. 이에 의하면, 부품의 수와 크기가 증가하게 되어 전기자동차의 제약적인 설치공간에 적용하기 어려운 문제가 있다.
둘째, 히트펌프 시스템의 다양한 문전모드 또는 요구되는 부하에 따라, 전기자동차의 주위 환경을 적절하고 유연하게 활용하는 방안이 부족한 문제가 있다. 이에 의하면, 냉방 또는 난방모드에서 적절한 과냉도 확보를 통한 사이클의 성능 향상을 기대하기 어려우며, 결국, 배터리의 과도한 전력소모가 발생하는 문제가 있다.
셋째, 자동차의 냉각수 사이클(또는 회로)에서 발생되는 폐열을 실내 공기조화를 위해 최적으로 활용하기 어려운 문제가 있다.
넷째, 사용자의 쾌적감을 향상시키기는 동시에, 배터리 소모전력을 저감시키기 어려운 문제가 있다.
다섯째, 배터리 성능의 신뢰성을 위하여 배터리에서 발생되는 열을 공랙식으로 냉각시키는 것에 한계가 있다.
이와 관련된 선행기술문헌 정보는 아래와 같다.
KR1020140097688 A, 차량용 히트 펌프 시스템 KR1020130014535 A, 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법
본 발명은 상기한 문제를 해결할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 실내 공기조화를 위한 다양한 운전모드를 단일의 보조 열교환기를 이용하여 구현할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기자동차의 협소한 설치공간에 알맞도록 어큐뮬레이터와 과냉각 열교환기의 기능을 통합하며, 컴팩트(compact)한 구조를 가지는 보조 열교환기가 구비되는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 보다 효과적인 냉매 사이클을 구현할 수 있는 환경 변화를 감지하고, 이를 기초로 상기 환경에 알맞은 최적의 운전모드를 제공할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 난방모드에서 다양한 열원을 활용하여 난방성능을 향상시킬 수 있는 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실내 탑승자의 온열 괘적감을 향상시키는 동시에, 배터리 소모전력을 저감시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기자동차의 1차 유체인 냉매와 2차 유체인 냉각수에 대해 총합적인 열 관리를 수행할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 파워트레인, 온보드차져(On Board Charger), 배터리 등 전기자동차의 냉각수 사이클에서 발생되는 폐열을 냉매 사이클에 활용할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 난방모드에서 환경 변화에 따라 열원을 다양하게 선택할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리의 냉각을 냉매를 활용하여 수행할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하는 압축기, 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 유동 방향을 전환할 수 있는 사방밸브, 상기 사방밸브와 일측이 연결되는 실외 열교환기와 실내 열교환기, 상기 사방밸브와 어큠배관으로 연결되며, 상기 어큠배관의 냉매가 내부 공간에 채워지는 보조 열교환기, 상기 실외 열교환기의 타측으로부터 연장되는 실외배관, 상기 실내 열교환기의 타측으로부터 연장되는 실내배관 및 상기 실외배관의 실외분지점으로부터 분기되어 상기 실내배관의 실내분지점까지 연장되는 유동배관을 포함할 수 있다.
상기 유동배관은 상기 보조 열교환기와 연결되는 공통 과냉라인을 형성하기 위해 구비될 수 있다. 또한, 상기 공통 과냉라인은, 두 유동밸브 사이에서 분지되도록 형성할 수 있다.
상세히, 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은 상기 유동배관의 유동분지점으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기의 내부로 냉매를 가이드하는 제 1 보조배관 및 상기 제 1 보조배관과 연결되며, 상기 내부 공간에 채워진 냉매와 열교환된 냉매가 상기 보조 열교환기로부터 배출되도록 가이드하는 제 2 보조배관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유동배관에는 서로 냉매의 유동 허용방향을 반대로 하는 유동밸브가 설치될 수 있다.
상세히, 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 상기 실외분지점으로부터 상기 유동분지점으로 냉매 유동을 허용하도록 상기 유동배관에 설치되는 제 1 유동밸브 및 상기 실내분지점으로부터 상기 유동분지점으로 냉매 유동을 허용하도록 상기 유동배관에 설치되는 제 2 유동밸브를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 유동밸브는 체크밸브를 포함할 수 있다.
이에 의하면, 냉방, 배터리 냉각, 난방, 제습, 제상, 단독열원 폐열회수, 이중열원 폐열회수 등 다양한 히트펌프 시스템의 운전모드를 하나의 보조 열교환기와 상기 공통 과냉라인을 이용하여 구현할 수 있다. 즉, 전기자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 단순화할 수 있다.
또한, 상기 실내배관은 상기 제 2 보조배관으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 실내분지점과 상기 제 2 보조배관 사이에 위치하도록 상기 실내배관에 설치되는 실내 팽창밸브를 더 포함하라 수 있다.
또한, 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 구동모터가 구비되는 파워트레인모듈로 냉각수가 순환하도록 가이드하는 파워트레인라인, 상기 파워트레인라인에 설치되어 상기 냉각수가 통과하도록 구비되는 파워트레인칠러, 일 단부에 형성되는 제 1 연결점에 상기 실외배관이 결합되며, 타 단부에 형성되는 제 2 연결점에 상기 제 2 보조배관이 결합되는 공통배관, 상기 제 1 연결점으로부터 상기 파워트레인칠러로 연장되는 칠러배관 및 상기 파워트레인칠러로부터 상기 어큠배관으로 연장되며, 상기 파워트레인에서 상기 냉각수와 열교환된 냉매를 가이드하는 칠러회수배관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결점과 상기 실외분지점 사이에 위치하도록 상기 실외배관에 설치되는 실외 팽창밸브 및 상기 칠러배관에 설치되는 폐열 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 칠러회수배관에 설치되는 칠러밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인라인으로부터 분기되어 라디에이터와 상기 파워트레인모듈 사이에 냉각수의 순환을 가이드하는 라디에이터라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인라인에 설치되어 냉각수의 순환을 제어하는 파워트레인펌프 및 상기 라디에이터라인에 설치되어 냉각수의 순환을 제어하는 라디에이러펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인라인은, 상기 파워트레인칠러를 순환하는 칠러라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인라인에는 상기 칠러라인과 상기 라디에이터라인이 각각 연결되는 파워트레인밸브가 설치될 수 있다.
또한, 배터리로 냉각수가 순환하도록 가이드하는 배터리라인 및 상기 배터리라인에 설치되어 상기 냉각수가 통과하도록 구비되는 배터리쿨러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 연결점으로부터 상기 배터리쿨러로 연장되는 쿨러배관 및
상기 배터리쿨러로부터 상기 어큠배관으로 연장되며, 상기 배터리쿨러에서 상기 냉각수와 열교환된 냉매를 가이드하는 쿨러회수배관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 쿨러배관에 설치되는 쿨러 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리라인에 설치되어 냉각수의 순환을 제어하는 배터리펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 실내 열교환기에 송풍을 제공하는 실내팬, 발열을 수행하는 히터, 상기 히터에 냉각수가 순환되도록 가이드하는 히터라인, 상기 히터라인에 설치되며, 상기 히터를 통과한 냉각수에 의해 달구어지는 히터코어를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 실내팬의 송풍에 의하여 상기 실내 열교환기를 통과한 실내공기는 상기 히트코어를 통과하여 다시 실내로 토출될 수 있다. 이에 의하면, 제습 또는 제상운전에서 실내 난방을 연속적으로 제공할 수 있다.
또한, 상기 보조 열교환기는, 상기 내부 공간을 형성하는 케이스, 상기 어큠배관이 결합되며, 하단이 상기 내부 공간의 하면으로부터 상방으로 이격되도록 연장되는 흡입관, 상기 내부 공간에 채워진 기상냉매를 흡입하여 상기 압축기로 회수하는 토출관, 상기 제 1 보조배관이 결합되며, 상기 내부공간으로 하면으로 연장되는 유입관, 상기 유입관으로부터 상기 흡입관을 다수회 둘러싸도록 상방으로 연장되는 나선관 및 상기 나선관의 상단으로부터 연장되며, 상기 제 2 보조배관과 결합되는 배출관을 포함할 수 있다.
또 다른 관점에서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 파워트레인모듈 및 배터리에 냉각수가 순환하는 냉각수라인, 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기 및 다수의 팽창밸브에 냉매가 순환하는 냉매라인, 상기 파워트레인모듈을 순환하는 냉각수라인과 상기 다수의 팽창밸브 중 어느 하나의 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러 및 상기 배터리를 순환하는 냉각수라인과 상기 다수의 팽창밸브 중 다른 하나의 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 배터리쿨러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 팽창밸브는, 상기 실외 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실외 팽창밸브 및 상기 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인모듈 및 상기 배터리 중 적어도 어느 하나를 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 단독 열원으로 사용하는 제 1 폐열회수모드에서, 상기 실외 팽창밸브 및 상기 실내 팽창밸브는, 완전히 폐쇄되고, 상기 어느 하나의 팽창밸브 및 상기 다른 하나의 팽창밸브 중 적어도 어느 하나는 개방될 수 있다.
또한, 상기 냉각수 및 외기를 냉매 증발의 열원으로 사용하는 제 2 폐열회수모드에서, 상기 실내 팽창밸브는 완전히 폐쇄되고, 상기 실외 팽창밸브는 개방되며, 상기 어느 하나의 팽창밸브 및 상기 다른 하나의 팽창밸브 중 적어도 어느 하나는 개방될 수 있다.
또한, 상기 제 1 폐열회수모드 및 상기 제 2 폐열회수모드는, 상기 냉각수의 온도가 점성력 변화를 기초로 규정되는 냉각수 기준온도 보다 큰 경우에 운전될 수 있다.
또 다른 관점에서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법은, 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기 및 다수의 팽창밸브에 냉매가 순환하는 냉매라인, 파워트레인모듈 및 배터리에 냉각수가 순환하는 냉각수라인, 상기 냉각수라인과 상기 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러와 배터리쿨러 및 다수의 감지센서를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서, 사용자가 입력하는 사용자설정온도, 상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 실외온도, 실내온도, 재실인원 및 내부 일사량을 기초로 실내로 토출되는 공기의 목표온도를 계산하는 단계; 상기 계산된 목표온도와 상기 외기온도를 기초로, 환기모드, 냉방모드 및 난방모드 중 어느 하나의 운전모드를 판단하는 단계; 및 상기 난방모드로 판단한 경우, 상기 파워트레인칠러 및 상기 배터리쿨러 중 적어도 어느 하나에서 냉매를 증발시키는 폐열회수모드를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수모드를 판단하는 단계는, 상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 냉각수의 온도가 점성력의 변화를 기초로 규정되는 냉각수 기준온도 보다 큰지를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수모드를 판단하는 단계는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 큰 경우, 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 큰지를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작은 경우, 실외 열교환기에서 냉매를 증발시키는 일반 난방모드로 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수 기준온도는, 상기 냉각수의 점성력이 상온에서의 점성력 대비 10% 증가하는 온도로 설정될 수 있다.
또한, 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 큰 경우, 상기 냉각수만을 냉매 증발의 열원으로 사용하는 단독열원 폐열회수모드로 작동하며, 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 작은 경우, 상기 냉각수 및 외기를 냉매 증발의 열원으로 사용하는 이중열원 폐열회수모드로 작동할 수 있다.
본 발명을 따르면, 전기자동차용 히트펌프 시스템의 다양한 운전모드, 즉, 냉방, 배터리 냉각, 난방, 제상, 제습, 단독열원 폐열회수(또는 “제 1 폐열회수”) 및 이중열원 폐열회수 (또는 “제 2 폐열회수”)모드에서 공통적으로 단일의 보조 열교환기를 활용할 수 있기 때문에, 히트펌프 시스템의 구성이 단순해지고, 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 어큐뮬레이터의 기능이 통합된 보조 열교환기에 의하여, 히트펌프 시스템을 경량화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래 전기자동차용 히트펌프 시스템 보다 동등 또는 그 이상의 냉난방 성능을 제공할 수 있는 동시에, 냉난방을 위한 전력 소모량은 감소시킬 수 있다. 따라서, 배터리 소모전력을 최소화하여 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있으며, 실내 탑승자의 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
또한, 수소불화탄소(HFC)에 대한 국제적인 규제로 인하여 이산화탄소(CO2)와 같이 지구온난화지수(GWP)가 매우 낮은 대체 냉매가 자동차에 적용되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기가 적용된 히트펌프 시스템은 고온의 환경에서 압력이 너무 높아지는 상기 대체 냉매의 단점을 보완할 수 있기 때문에 미래형 전기자동차의 히트펌프 시스템으로 적합한 장점이 있다.
또한, 보조 열교환기에 의하여 응축기의 출구 측에서 냉매의 과냉각도가 더욱 증가되기 때문에 증발기의 입구 측에서 플래쉬 가스(flash gas)를 보다 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 과냉각도의 증가는 증발구간의 잠열을 상대적으로 더 확보할 수 있게 하므로, 증발과정에서 흡수열량이 증가하는 장점이 있다.
또한, 난방모드에서, 실외 온도와 냉각수 온도를 변수로 하는 히트펌프 시스템의 환경 변화에 따라 열원을 냉각수, 냉각수와 외기 또는 외기로 선택할 수 있으므로 난방성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전기자동차의 다양한 운전모드를 공통배관, 보조배관 및 유동배관에 의하여 단순하게 구현할 수 있기 때문에 제조 가격을 낮출 수 있고 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구성을 보여주는 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 냉방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 배터리 냉각모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제습모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제 1 폐열회수모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제 2 폐열회수모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 사이클을 비교해주는 P-h 선도
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 과열도 및 과냉도 변화를 비교해주는 실험 그래프
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 냉매 질량유량 및 증발기의 엔탈피 차를 비교해주는 실험 그래프
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 압축기의 토출압력 및 흡입압력을 비교해주는 실험 그래프
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 난방능력 및 소비전력을 비교해주는 실험 그래프
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 난방 성능계수(heating COP) 및 난방 성능계수의 개선율을 보여주는 실험 그래프
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 운전모드를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 난방모드의 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 18은 온도에 따른 냉각수의 점성 변화를 보여주는 실험 그래프
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템(1)은 설명의 편의를 위해 “히트펌프(1)”로 이름한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는, 1차 유체인 냉매가 순환하는 냉매라인과 2차 유체인 냉각수가 순환하는 냉각수라인을 포함할 수 있다. 즉, 상기 냉매 및 상기 냉각수는, 상기 히트펌프(1)의 작동 유체로 이해할 수 있다.
상기 냉매는 냉동사이클을 형성하여 실내(또는 객실)에 냉난방을 제공할 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 전기자동차의 전장 부품 중 방열이 필요한 부품에 제공될 수 있다.
즉, 상기 냉각수는 파워트레인모듈(10) 및 배터리(20)에서 발생하는 열을 배출시키는 방열 기능을 수행할 수 있다. 일례로, 상기 냉각수는 전기자동차에 구비되는 저장탱크(미도시)에 저장될 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 저장탱크로부터 방열이 필요한 각 구성에 제공되고, 상기 저장탱크로 다시 회수될 수 있다.
한편, 상기 파워트레인모듈(10)을 냉각시키기 위해 파워트레인모듈(10)로 제공되는 냉각수를 제 1 냉각수, 상기 배터리(20)를 냉각시키기 위해 상기 배터리(20)로 제공되는 냉각수를 제 2 냉각수라 이름할 수 있다.
상기 파워트레인모듈(10)은, 전기자동차의 구동력을 발생시키는 구동모터, 상기 구동모터와 연결되는 감속기 및 인버터를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 파워트레인모듈(10)을 식히기 위한 냉각수가 순환하는 파워트레인라인(11), 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수와 냉매가 열교환하는 파워트레인칠러(15), 상기 파워트레인칠러(15)와 상기 파워트레인모듈(10) 사이에서 냉각수가 순환하도록 연장되는 칠러라인(12), 상기 칠러라인(12)에 냉각수가 제공되도록 작동하는 파워트레인펌프(13) 및 실외 측으로 설치되는 실외 열교환모듈(40)을 포함할 수 있다.
상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)로 냉각수가 통과하도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)에 냉각수가 순환하도록 상기 파워트레인모듈(10)의 냉각수 입구와 냉각수 출구를 형성하는 배관으로 이해할 수 있다.
즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)에 냉각수가 순환하도록 가이드할 수 있다.
상기 파워트레인칠러(15)는 후술할 폐열팽창밸브(161)를 통과하여 팽창된 냉매를 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 고온의 냉각수와 열교환시킬 수 있다.
상기 칠러라인(12)은 상기 파워트레인모듈(10)을 관통하는 파워트레인라인(11)의 양측에 연결될 수 있다.
상세히, 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수 입구에는, 상기 파워트레인모듈(10)의 출구에 위치하는 파워트레인라인(11)과 연결되는 칠러라인(12)이 결합될 수 있다. 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수 출구에는, 상기 파워트레인모듈(10)의 입구에 위치하는 파워트레인라인(11)과 연결되는 칠러라인(12)이 결합될 수 있다.
따라서, 상기 파워트레인모듈(10)을 통과하여 열을 흡수한 냉각수는, 상기 칠러라인(12)을 통해 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 열을 방출할 수 있다.
그리고 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하는 냉매는 상기 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 냉매는 상기 파워트레인모듈(10)로부터 발생하는 폐열을 열원으로 사용할 수 있다. 후술할 제 1 폐열회수 및 제 2 폐열회수 모드에서는, 상기 폐열을 열원으로 냉매의 증발이 수행될 수 있다.
상기 칠러라인(12)은 상기 파워트레인라인(11)으로부터 연장되도록 형성할 수 있다. 즉, 상기 칠러라인(12)과 상기 파워트레인라인(11)은, 일체의 배관으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 칠러라인(12)을 포함할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 파워트레인라인(11)에는, 상기 파워트레인모듈(10)과 상기 파워트레인칠러(15)가 설치되어 냉각수를 순환시킬 수 있다.
상기 파워트레인펌프(13)는 상기 칠러라인(12)에 설치될 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인펌프(13)는 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측과 상기 파워트레인칠러(15)의 입구측을 연결하는 칠러라인(12)에 설치할 수 있다.
상기 파워트레인펌프(13)는 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 냉각수가 상기 칠러라인(12)으로 유입되도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인펌프(13)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크로부터 제공되는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11) 및 상기 칠러라인(12)을 순환할 수 있다.
상기 실외 열교환모듈(40)은 냉각수의 열을 방출시키는 라디에이터(41), 외기와 냉매가 열교환하는 실외 열교환기(45) 및 송풍을 제공하는 실외팬(46)을 포함할 수 있다.
상기 라디에이터(41)에는 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수가 통과될 수 있다. 즉, 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수는, 상기 라디에이터(41)와 상기 파워트레인칠러(15)를 통과할 수 있다.
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 라디에이터(41)와 상기 파워트레인모듈(10) 사이를 냉각수가 순환하도록 연장되는 라디에이터라인(17), 상기 라디에이터라인(17)으로 냉각수가 제공되도록 작동하는 라디에이터펌프(16) 및 냉각수의 유동을 제한할 수 있는 파워트레인밸브(19)를 더 포함할 수 있다.
상기 라디에이터라인(18)은 상기 파워트레인라인(11)의 일 지점에서 분기되어 상기 라디에이터(41)를 통과한 후 상기 파워트레인라인(11)의 타 지점으로 연결될 수 있다.
즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 칠러라인(12)과 상기 라디에이터라인(18)으로 분기되는 분지점을 형성할 수 있으며, 상기 칠러라인(12)과 상기 라디에이터라인(18)이 합지되는 합지점을 형성할 수 있다. 그리고 상기 분지점은 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측에 위치할 수 있으며, 상기 합지점은 상기 파워트레인모듈(10)의 입구측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인밸브(19)는 상기 합지점에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인밸브(19)는 3방향 밸브를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인밸브(19)에는 상기 파워트레인라인(11), 상기 칠러라인(12) 및 상기 라디에이터라인(17)이 연결될 수 있다.
상기 파워트레인밸브(19)는 상기 칠러라인(12) 또는 상기 라디에이터라인(17)을 유동하는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11)으로 회수되도록 개폐동작을 수행할 수 있다.
상기 라디에이터펌프(16)는 상기 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 라디에이터펌프(16)는 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측과 상기 라디에이터(41)의 입구측을 연결하는 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다.
상기 라디에이터펌프(16)는 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터라인(17)으로 유입되도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 라디에이터펌프(16)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크로부터 제공되는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11) 및 상기 라디에이터라인(17)을 순환할 수 있다.
냉각수의 유동 관점에서, 상기 라디에이터(41)는 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다. 즉, 냉각수는 상기 라디에이터라인(17)을 따라 상기 라디에이터(41)를 통과할 수 있다.
상기 라디에이터(41)는 전기자동차의 앞부분에 위치할 수 있다. 따라서, 전기자동차가 달릴 때에는 찬 공기가 상기 라디에이터(41)로 들어오면서 상기 파워트레인모듈(11)에서 발생되는 열을 흡수한 냉각수를 냉각시킬 수 있다.
상기 실외팬(46)은 상기 라디에이터(41)의 뒤에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 실외팬(46)은 상기 라디에이터(41)의 뒤로 뜨거운 공기가 정체되는 것을 방지하도록 작동할 수 있다.
상기 실외 옆교환기(45)는 상기 실외팬(46)의 앞에 위치할 수 있다. 그리고 상기 실외 열교환기(45)는 상기 라디에이터(41)의 앞 또는 뒤에 위치할 수 있다.
즉, 상기 실외 열교환기(45)는 상기 라디에이터(41)와 함께 상기 전기자동차의 앞부분에 위치하여 외기와 냉매의 열교환을 수행할 수 있다.
한편, 상기 실외 열교환모듈은 CRFM(Condenser Radiator Fan Module)이라 이름할 수도 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 배터리(20)를 식히기 위한 냉각수가 순환하는 배터리라인(28), 상기 배터리라인(28)을 유동하는 냉각수와 냉매가 열교환하는 배터리쿨러(25) 및 상기 배터리라인(28)에 냉각수가 제공되도록 작동하는 배터리펌프(21)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리라인(28)은 상기 배터리쿨러(25)와 상기 배터리(20) 사이를 냉각수가 순환하도록 연장될 수 있다.
상기 배터리펌프(21)는 상기 배터리라인(28)에 설치될 수 있다.
상기 배터리펌프(21)는 냉각수가 상기 배터리라인(28)를 순환하여 상기 배터리(20)의 방열을 수행하도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 배터리펌프(21)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크(미도시)에 저장된 냉각수는 상기 배터리라인(28)으로 제공될 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 배터리(20)와 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 상기 배터리라인(28)을 순환할 수 있다.
상기 배터리쿨러(25)는 후술할 배터리팽창밸브(156)를 통과한 냉매를 상기 배터리(20)을 통과한 고온의 냉각수와 열교환시킬 수 있다.
상기 배터리라인(28)은, 상기 배터리(20)의 출구측이 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수 입구와 연결되도록 연장되며, 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수 출구가 상기 배터리(20)의 입구측에 연결되도록 연장된다.
따라서, 상기 배터리(20)을 통과하여 열을 흡수한 냉각수는, 상기 배터리라인(28)을 통해 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 냉매와 열교환되어 냉각될 수 있다.
그리고 상기 배터리쿨러(25)를 통과하는 냉매는, 상기 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 냉매는, 상기 배터리(20)로부터 발생하는 폐열을 열원으로 사용할 수 있다.
따라서, 도면에 도시하진 않았으나, 후술할 제 1 폐열회수 및 제 2 폐열회수모드에서는, 상술한 파워트레인칠러(15)뿐만 아니라 상기 배터리쿨러(25)를 통해서도 상기 폐열을 열원으로 하는 냉매의 증발이 수행될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 실내 측으로 설치되는 실내 열교환모듈(30)을 더 포함할 수 있다.
상기 실내 열교환모듈(30)은 실내덕트(31), 상기 실내덕트(31)의 내부에 위치하는 실내 열교환기(35) 및 실내팬(36)을 포함할 수 있다.
상기 실내팬(36)은 송풍을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 실내팬(26)은 전기자동차의 실내로 공기를 토출 또는 실내의 공기를 흡입시킬 수 있다.
또한, 상기 실내팬(36)은 상기 실내 열교환기(35)를 통과하는 냉매를 공기와 열교환할 수 있도록 송풍을 제공할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 사용자 입력부를 제공하는 실내 컨트롤러(39)를 더 포함할 수 있다.
상기 실내 컨트롤러(39)는 상기 실내 열교환모듈(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 상기 실내 컨트롤러(39)는 상기 실내 열교환기모듈(30)에 구비되는 제어장치(미도시)와 연결될 수 있다.
그리고 사용자는 상기 실내 컨트롤러(39)를 조작함으로써 다양한 상기 히트펌프(1)의 운전모드를 입력할 수 있다.
일례로, 상기 히트펌프(1)의 운전모드 중 사용자가 선택할 수 있는 운전모드는 냉방, 난방, 제습 및 환기 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 상기 제어장치는 실내온도, 실외온도, 냉각수 온도, 냉매 온도, 냉매 압력 등을 기초로 최적의 열효율을 구현할 수 있는 구체적인 운전모드를 작동시킬 수 있다.
여기서, 상기 구체적인 운전모드는, 일반 난방, 단독열원 폐열회수(제 1 폐열회수), 이중열원 폐열회수(제 2 폐열회수), 제습 난방, 제상 난방 및 배터리 냉각을 포함할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 냉매를 압축하는 압축기(100), 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브(110) 및 냉매 간의 열교환이 수행되는 보조 열교환기(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기(100)는 저온, 저압의 냉매를 흡입하여 고온, 고압의 냉매로 압축시킬 수 있다.
상기 압축기(100)의 토출구에는 고온, 고압으로 압축된 기상 냉매가 토출될 수 있다. 그리고 상기 압축기(100)의 흡입구에는 저온, 저압의 기상 냉매가 흡입될 수 있다.
상기 압축기(100)의 토출구는 토출배관(103)과 결합할 수 있다. 그리고 상기 토출배관(103)은 상기 사방밸브(110)로 연장될 수 있다.
상기 보조 열교환기(200)는 응축기를 통과한 응축냉매와 증발기를 통과한 증발냉매 간의 열교환을 가이드할 수 있다. 상기 증발냉매는 상대적으로 저온, 저압의 냉매이며, 상기 응축냉매는 상대적으로 고온, 고압의 냉매이다.
이에 의하면, 상기 응축냉매는 과냉각될 수 있다. 즉, 상기 보조 열교환기(200)는 과냉각 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 보조 열교환기(200)는 증발냉매가 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하고, 상기 기상 냉매를 상기 압축기(100)로 유입시키는 어큐뮬레이터 기능을 수행할 수 있다. 그리고 상대적으로 온도가 낮은 상기 증발냉매 중 액상 냉매는 상기 응축냉매와 열교환을 통하여 더욱 증발될 수 있다. 따라서, 상기 압축기(100)로 흡입되는 기상 냉매량은 상대적으로 증가될 수 있다.
전기자동차에 구비되는 히트펌프 시스템은, 실내 열교환기의 전열면적이 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 상기 보조 열교환기(200)는 일종의 액상 냉매의 버퍼 공간(Receiver tank)기능으로 활용될 수도 있다.
한편, 상기 보조 열교환기(200)는 “어큐뮬레이터 일체형 내부 열교환기”로 이름할 수도 있다. 상기 보조 열교환기(200)에 대한 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
상기 압축기(100)의 흡입구는 흡입배관(103)과 결합할 수 있다. 상기 흡입배관(103)는 상기 기상 냉매가 상기 압축기(100)로 유입되도록 상기 보조 열교환기(200)로 연장될 수 있다.
상기 사방밸브(110)는 상기 토출배관(103)으로부터 유입되는 냉매를 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 상기 실외 열교환기(45) 또는 상기 실내 열교환기(35)로 선택적으로 유동하도록 가이드할 수 있다.
상세히, 상기 사방밸브(110)에는, 상기 실외 열교환기(45)의 일측으로 연장되는 실외 연결배관(113) 및 상기 실내 열교환기(35)의 일측으로 연장되는 실내 연결배관(138)이 각각 결합될 수 있다.
또한, 상기 사방밸브(110)는 냉매를 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다. 상세히, 상기 사방밸브(110)에는 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 어큠배관(170)이 결합될 수 있다.
그리고 상기 어큠배관(170)에는 후술할 쿨러회수배관(157)이 결합되는 쿨러 합지점(158) 및 후술할 칠러회수배관(163)이 결합되는 칠러합지점(165)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 쿨러합지점(158)과 상기 칠러합지점(165)은, 증발냉매가 상기 보조 열교환기(200)로 유동하기 위해 상기 어큠배관(170)과 합지되는 지점으로 이해할 수 있다.
상기 쿨러합지점(158)은 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 증발된 냉매가 상기 어큠배관(170)을 통하여 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상기 칠러합지점(165)은 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 증발된 냉매가 상기 어큠배관(170)을 통하여 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 실외 열교환기(45)의 타측으로부터 연장되는 실외배관(115) 및 상기 실내 열교환기(35)의 타측으로부터 연장되는 실내배관(130)을 포함할 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)는 양측으로 상기 실외 연결배관(113)과 상기 실외배관(115)이 결합되어 냉매를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 실외배관(115)과 상기 실외 연결배관(113)은, 상기 실외 열교환기(45)의 냉매 출구와 냉매 입구에 각각 결합할 수 있다. 일례로, 상기 실외 열교환기(45)가 응축기로 작동하는 경우, 상기 실외 연결배관(113)은 상기 실외 열교환기(45)로 압축된 냉매를 유입시키며, 상기 실외배관(115)에는 상기 실외 열교환기(45)에서 응축된 냉매가 토출된다.
상기 실내 열교환기(35)는 양측으로 상기 실내 연결배관(138)과 상기 실내배관(130)이 결합되어 냉매를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 실내배관(130)과 상기 실내 연결배관(138)은, 상기 실내 열교환기(35)의 냉매 출구와 냉매 입구에 각각 결합할 수 있다. 일례로, 상기 실내 열교환기(35)가 응축기로 작동하는 경우, 상기 실내 연결배관(138)은 상기 실내 열교환기(35)로 압축된 냉매를 유입시키며, 상기 실내배관(130)에는 상기 실내 열교환기(35)에서 응축된 냉매가 토출된다.
상기 히트펌프(1)는 상기 실외배관(115)으로부터 분기되어 상기 실내배관(130)으로 연장되는 유동배관(120)을 더 포함할 수 있다.
상세히, 상기 유동배관(120)은 상기 실외배관(115)의 일 지점에 형성되는 실외분지점(116)으로부터 상기 실내배관(130)의 일 지점에 형성되는 실내분지점(131)까지 연장될 수 있다.
상기 실외분지점(116)은 상기 실외배관(115)의 냉매가 분지되는 지점으로 이해할 수 있다. 상기 실내분지점(131)은 상기 실내배관(130)의 냉매가 분지되는 지점으로 이해할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 실내배관(130)은 상기 실내 열교환기(35)와 연결되는 유동배관(120)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기(200)와 연결되는 제 2 보조배관(142)까지 연장될 수 있다.
상기 유동배관(120)은 응축냉매가 합지되는 유동분지점(123)을 포함할 수 있다.
상기 유동분지점(123)은, 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 실외 열교환기(45) 또는 실내 열교환기(35)를 통과한 냉매가 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다. 일례로, 상기 유동분지점(123)은 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 보조배관(141)이 결합될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 유동배관(120)의 냉매 유동을 조절하는 제 1 유동밸브(125) 및 제 2 유동밸브(127)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 유동배관(120)에 설치될 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)과 상기 유동분지점(123) 사이에 설치할 수 있다. 그리고 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)과 상기 유동분지점(123) 사이를 유동하는 냉매를 제어할 수 있다.
상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동분지점(123)과 상기 실내분지점(131) 사이에 설치할 수 있다. 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 유동분지점(123)과 상기 실내분지점(131) 사이를 유동하는 냉매를 제어할 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동배관(120)을 유동하는 냉매가 상기 유동분지점(123)에서 보조배관(141)을 통해 보조 열교환기(200)로 유동하도록 작동할 수 있다.
즉, 상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동배관(120)에서 냉매의 유동 방향을 제어할 수 있다.
한편, 상기 제 1 유동밸브(125)와 상기 제 2 유동밸브(127)는, 함께 “유동밸브”라고 이름할 수 있다.
상기 유동밸브(125, 127)는, 체크밸브, 솔레노이드 밸브, 전자밸브 등을 포함할 수 있다.
설명과 이해의 편의를 위하여, 본 발명의 실시예에서는, 상기 유동밸브(125,127)가 냉매의 유동을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브로 구비된 것을 기준으로 설명하도록 한다.
상기 제 1 유동밸브(125)와 제 2 유동밸브(127)는, 서로 허용하는 냉매의 유동 방향이 반대가 되도록 설치될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)으로부터 상기 유동분지점(123)으로 향하는 냉매의 유동을 허용한다. 그러나, 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 실외분지점(116)으로 향하는 냉매의 유동은 차단한다.
또한, 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 실내분지점(131)으로부터 상기 유동분지점(123)으로 향하는 냉매의 유동을 허용한다. 그러나, 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 실내분지점(131)으로 향하는 냉매의 유동은 차단한다.
이에 의하면, 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 실외 열교환기(45) 또는 실내 열교환기(35)에 관계없이, 응축냉매는 제 1 보조배관(141)으로 유입되어 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 유동배관(120)의 일 지점에서 분기되어 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 제 1 보조배관(141) 및 상기 보조 열교환기(200)로부터 팽창밸브(161,118,156,135)를 향하여 연장되는 제 2 보조배관(142)을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제 1 보조배관(141)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로 유입된 냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 열교환된 후 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로부터 배출될 수 있다.
즉, 상기 제 1 보조배관(141)과 상기 제 2 보조배관(142)은 연결될 수 있다. 일례로, 상기 제 1 보조배관(141) 및 상기 제 2 보조배관(142)은, 상기 보조 열교환기(200)의 내부에서 후술할 유입관(241), 나선관(245) 및 배출관(242)에 의해 일체의 배관을 형성할 수 있다.
상기 제 1 보조배관(141)은 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 보조 열교환기(200)로 연장될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 보조배관(141)은 응축기를 통과한 응축냉매를 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 응축냉매는 상기 보조 열교환기(200)에서 증발냉매와 열교환하여 과냉각될 수 있다. 그리고 상기 과냉각 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로부터 토출될 수 있다. 즉, 상기 제 2 보조배관(142)은 상기 보조 열교환기(200)를 통과한 상기 제 1 보조배관(141)의 냉매를 가이드할 수 있다.
상기 제 2 보조배관(142)은 상기 보조 열교환기(200)로부터 후술할 공통배관(150)까지 연장될 수 있다.
또한, 상기 제 2 보조배관(142)은 상기 실내배관(130)이 결합되는 보조분지점(145)을 포함할 수 있다.
상기 보조분지점(145)은 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매가 상기 실내배관(130)으로 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다. 즉, 상기 실내배관(130)은 상기 제 2 보조배관(142)으로부터 분기되어 상기 실내 열교환기(35)로 연장될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 실외배관(115) 사이를 연결하는 공통배관(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 공통배관(150)의 일측 단부는 제 1 연결점(151)으로 정의하고, 상기 공통배관(150)의 타측 단부는 제 2 연결점(152)이라 정의한다.
상기 제 1 연결점(151)에는 상기 실외배관(115)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 실외배관(115)의 일측 단부는 상기 실외 열교환기(45)에 결합되고, 상기 실외배관(115)의 타측 단부는 상기 공통배관(150)과 결합된다. 여기서, 상기 실외분지점(116)은 상기 실외 열교환기(45)와 상기 공통배관(150) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결점(151)에는 칠러배관(160)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 1 연결점(151)은 냉매가 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 1 연결점(151)에서 상기 실외배관(115)과 상기 칠러배관(160)으로 분기될 수 있다.
또 달리 표현하면, 상기 칠러배관(160)은 상기 실외배관(115)으로부터 분기되어 상기 파워트레인칠러(15)로 연장될 수 있다.
상기 제 2 연결점(152)에는 상기 제 2 보조배관(142)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 2 보조배관(142)의 일측 단부는 상기 보조 열교환기(200)에 결합되고, 상기 제 2 보조배관(142)의 타측 단부는 상기 공통배관(150)과 결합된다.
여기서, 상기 보조분지점(145)은 상기 실내 열교환기(35)와 상기 공통배관(150) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제 2 연결점(152)에는 쿨러배관(155)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 2 연결점(152)은 냉매가 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다. 달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 쿨러배관(155)으로 분기될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 실외배관(115)에 설치되는 실외 팽창밸브(118) 및 실내배관(130)에 설치되는 실내 팽창밸브(135)를 더 포함할 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 실내 팽창밸브(135)는, 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 실내 팽창밸브(135)는 개도 조절을 통하여 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118)는 상기 실외분지점(116)과 상기 제 1 연결점(151) 사이에 위치할 수 있다. 이에 의하면, 난방모드에서 상기 공통배관(150)을 유동하는 냉매는 상기 실외배관(115)으로 유입되어 상기 실외 팽창밸브(118)에서 팽창될 수 있다.
상기 실내 팽창밸브(135)는 상기 보조분지점(145)과 실내분지점(131) 사이에 위치할 수 있다. 이에 의하면, 냉방모드에서 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매는 상기 실내배관(130)으로 유입되어 상기 실내 팽창밸브(135)에 의해 팽창될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 배터리 쿨러(25)에서 냉매와 냉각수의 열교환을 위하여 냉매를 가이드하는 쿨러배관(155) 및 쿨러회수배관(157)을 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러배관(155)은 상기 공통배관(150)으로부터 분기되어 상기 배터리 쿨러(25)로 연장될 수 있다. 상세히, 상기 쿨러배관(155)은 제 2 연결점(152)으로부터 상기 배터리 쿨러(25)의 일측에 형성되는 냉매입구까지 연장될 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 쿨러배관(155)으로 분기될 수 있다.
상기 쿨러회수배관(157)은 상기 배터리 쿨러(25)로부터 상기 어큠배관(170)까지 연장될 수 있다. 상세히, 상기 쿨러회수배관(157)은 상기 배터리 쿨러(25)의 타측에 형성되는 냉매출구로부터 상기 쿨러합지점(158)까지 연장될 수 있다.
즉, 상기 쿨러배관(155)과 상기 쿨러회수배관(157)은, 상기 배터리 쿨러(25)에서 상기 배터리라인(28)을 순환하는 냉각수와 열교환하는 냉매를 가이드할 수 있다. 일례로. 난방모드에서, 상기 쿨러배관(155)을 유동하는 냉매는, 상기 쿨러배관(155)을 통해 상기 배터리쿨러(25)의 냉매입구로 유입되어 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수입구로 유입된 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 이에 의하면, 상기 배터리쿨러(25)를 통과하는 냉매는 증발할 수 있다.
그리고 상기 냉각수의 열을 흡수한 냉매는, 상기 배터리쿨러(25)의 냉매출구를 통해 상기 쿨러회수배관(157)으로 배출될 수 있다. 그리고 상기 쿨러회수배관(157)의 냉매는 상기 쿨러합지점(158)에서 상기 어큠배관(170)으로 유동하여 보조 열교환기(200)의 내부로 유입될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 쿨러배관(155)에 설치되는 쿨러 팽창밸브(156)을 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러 팽창밸브(156)는 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
상기 쿨러 팽창밸브(156)는 개도 조절을 통하여 상기 쿨러배관(155)을 유동하는 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다. 일례로, 난방모드에서 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄(Full Closed)된 경우, 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매는 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 공통배관(150)과 상기 쿨러배관(155)으로 분지되지 않고, 상기 공통배관(150)으로 모두 유입될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 냉매를 가이드하는 칠러배관(160)과 칠러회수배관(163), 상기 칠러배관(160)에 설치되는 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 칠러회수배관(163)에 설치되는 칠러밸브(164)를 더 포함할 수 있다.
상기 칠러배관(160)은 상기 공통배관(150)으로부터 분기되어 상기 파워트레인칠러(15)로 연장될 수 있다. 상세히, 상기 칠러배관(160)은 상기 제 1 연결점(151)으로부터 상기 파워트레인칠러(15)의 일측에 형성되는 냉매입구까지 연장될 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 1 연결점(151)에서 상기 칠러배관(160)과 상기 실외배관(115)으로 분기될 수 있다. 즉, 상기 공통배관(150)은, 일측 단부에서 칠러배관(160)과 실외배관(115)이 결합되며, 타측 단부에서 쿨러배관(155)과 제 2 보조배관(142)이 결합된다.
상기 칠러회수배관(163)은 상기 파워트레인칠러(15)로부터 상기 어큠배관(170)까지 연장될 수 있다. 상세히, 상기 칠러회수배관(163)은 상기 파워트레인칠러(15)의 타측에 형성되는 냉매출구로부터 상기 칠러합지점(165)까지 연장될 수 있다.
즉, 상기 칠러배관(160)과 상기 칠러회수배관(163)은, 상기 파워트레인칠러(15)에서 상기 필러라인(12)을 순환하는 냉각수와 열교환하는 냉매를 가이드할 수 있다.
일례로. 난방모드에서, 상기 공통배관(150)을 유동하는 냉매는, 상기 칠러배관(160)을 통해 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매입구로 유입되어 상기 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수입구로 유입된 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 이에 의하면, 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하는 냉매는 증발할 수 있다.
그리고 상기 냉각수의 열을 흡수한 냉매는, 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매출구를 통해 상기 칠러회수배관(163)으로 배출될 수 있다.
그리고 상기 칠러회수배관(163)의 냉매는 상기 칠러합지점(165)에서 상기 어큠배관(170)으로 유동하여 보조 열교환기(200)의 내부로 유입될 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 상기 제 1 연결점(151)과 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매입구 사이에 위치할 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 개도 조절을 통하여 상기 칠러배관(160)을 유동하는 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 상기 칠러합지점(165)과 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매출구 사이에 위치할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)를 포함할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 냉매 역류를 방지하고 상기 파워트레인칠러(15)를 보호하기 위해 상기 칠러회수배관(163)에 설치될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)는 온오프(On/OFF) 동작을 통해 상기 칠러회수배관(163)의 냉매 유동을 제한할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 제습 또는 제상모드에서 실내에 연속적인 난방을 제공하기 위한 객실히터기(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 객실히터기(60)는 난방운전 중 제습 또는 제상모드로 운전되는 경우 실내에 난방을 유지하기 위해 작동할 수 있다.
상세히. 상기 객실히터기(60)는 발열할 수 있는 히터(63), 상기 히터(63)의 열을 흡수하기 위한 냉각수가 순환하는 히터라인(68), 상기 히터라인(68)으로 냉각수를 유입시키는 히터펌프(61) 및 상기 히터(63)를 통과한 냉각수에 의해 달구어지는 히터코어(65)를 포함할 수 있다.
상기 히터펌프(61)는 상기 히터라인(68)에 설치할 수 있다. 그리고 상기 히터펌프(61)는 상기 히터(63)의 방열을 위하여 냉각수의 유동을 가이드할 수 있다. 일례로, 상기 저장탱크(미도시)에 저장된 냉각수가 상기 히터라인(68)으로 유입되도록 작동할 수 있다.
상기 히터(63)는 전기히터를 포함할 수 있다. 상기 히터(63)를 통과하는 과정에서 냉각수는 상기 히터(63)의 발열에 의해 열을 흡수하여 온도가 높아질 수 있다.
상기 히터코어(65)는 상기 히터라인(68)에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 히터코어(65)는 열 전도성이 높은 금속재질의 판으로 형성할 수 있다.
상기 히터(63)를 통과한 냉각수는 상기 히터코어(65)를 통과하면서 상기 히터코어(65)를 달구어줄 수 있다. 이때, 송풍을 주어서 온도가 높아진 상기 히터코어(65)에는 바람이 통과할 수 있다. 일례로, 상기 송풍은 상기 실내팬(36)의 작동에 의해 발생시킬 수 있다.
그리고 상기 히터코어(65)를 통과한 따뜻한 바람은 실내로 토출될 수 있다. 따라서, 상기 실내에는 실내 열교환기(35)가 증발기의 기능을 수행하는 제습 또는 제상모드에서도 연속적인 난방이 제공될 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상술한 냉매가 순환하는 냉매라인 및 냉각수가 순환하는 냉각수라인에 설치되는 다수의 감지센서(PT,CT)를 포함할 수 있다.
상기 다수의 감지센서는, 냉매 또는 냉각수의 상태를 감지할 수 있다. 일례로, 상기 다수의 감지센서는, 냉매의 압력과 온도를 감지하는 냉매감지센서(PT) 및 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수감지센서(CT)를 포함할 수 있다.
상기 다수의 감지센서는 상기 냉각수와 상기 냉매의 상태를 감지한 정보를 제어부(미도시)로 제공할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 실외온도를 감지하는 실외온도센서, 전기자동차의 실내온도를 감지하는 실내온도센서, 전기자동차의 내부로 입사되는 일사량을 측정하는 일사량감지센서 및 재실인원을 감지하는 인체감지센서를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 실외온도센서, 상기 실내온도센서, 상기 일사량감지센서 및 상기 인체감지센서는, 감지정보를 상기 제어부(미도시)로 제공할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 서지탱크(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 서지탱크(50)는 구동모터의 방열을 위해 소정의 체적을 가지도록 형성할 수 있다. 그리고 상기 서지탱크(50)에는 공기가 채워질 수 있다. 따라서, 상기 서지탱크(50)는 상기 파워트레인모듈(10)에서 발생되는 폐열을 회수하는 난방모드에서 활용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 보조 열교환기(200)는 외관을 형성하는 케이스(210), 상기 흡입배관(105)이 결합되는 토출관(205), 상기 어큠배관(170)이 결합되는 흡입관(207), 상기 제 1 보조배관(141)이 결합되는 유입관(241), 상기 제 2 보조배관(142)이 결합되는 배출관(242) 및 상기 케이스 내부에서 상기 유입관(241)과 배출관(242)을 연결해주는 나선관(245)을 포함할 수 있다.
상기 케이스(210)는 도입된 냉매가 상분리할 수 있는 내부 공간을 형성할 수 있다. 일례로, 상기 케이스(210)는 원통 형상을 포함할 수 있다.
상기 흡입관(207)은 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상기 내부 공간의 하측으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 흡입관(207)은 상기 케이스(210)의 중심 축선을 따라 연장될 수 있다.
상기 흡입관(207)의 상단은 상기 어큠배관(170)과 결합할 수 있다.
상기 흡입관(207)의 하단은 상기 케이스(210)의 하면보다 상방으로 이격되어 위치할 수 있다. 따라서, 상기 어큠배관(170)을 통해 상기 흡입관(207)으로 유입되는 냉매는 상기 케이스(210)의 하면으로 토출되어 상기 내부 공간에 채워질 수 있다.
상기 흡입관(207)으로부터 상기 내부 공간으로 배출된 냉매는, 상기 내부 공간에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리될 수 있다. 그리고 상기 기상 냉매는 상기 토출관(205)으로 유입되어 상기 흡입배관(105)을 통해 압축기(100)로 회수 될 수 있다.
상기 토출관(205)은 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상기 내부 공간으로 연장될 수 있다.
상기 토출관(205)의 상단은 상기 흡입배관(105)과 결합할 수 있다.
상기 토출관(205)의 하단은 상기 내부 공간의 상측에 위치할 수 있다. 일례로, 상기 토출관(205)의 하단은 상기 나선관(245)의 상단 보다 상방으로 위치할 수 있다.
또한, 상기 토출관(205)의 하단은, 일측 방향으로 라운드지게 연장되며, 상기 내부 공간에 채워진 기상냉매가 유입되도록 개구를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 토출관(205)으로 유입된 기상 냉매는 상기 흡입배관(105)으로 유동할 수 있다.
상기 보조 열교환기(200)에는 응축냉매를 과냉각 하기 위한 냉매 간의 열교환을 수행할 수 있다.
상기 유입관(241)은 상기 케이스의 상면을 관통하여 상기 내부 공간의 하측까지 연장될 수 있다. 일례로, 상기 유입관(241)은 상기 흡입관(207)의 연장 방향을 따라 하방으로 길게 연장될 수 있다.
상기 유입관(241)의 상단은 상기 제 1 보조배관(141)과 결합할 수 있다.
상기 유입관(241)의 하단은 상기 나선관(245)이 결합할 수 있다.
상기 나선관(245)은 상기 내부 공간의 하측에서부터 상기 유입관(241) 및/또는 상기 흡입관(207)을 외측에서 다수 회 둘러싸도록 상방으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 나선관(245)은 헬리컬(helical) 형상을 가지도록 상방으로 연장될 수 있다.
이에 의하면, 상기 나선관(245)을 유동하는 응축냉매는 상기 흡입관(207)으로부터 상기 내부 공간으로 배출된 증발냉매와 열교환을 할 수 있다. 따라서, 상대적으로 온도가 높은 응축냉매는 상대적으로 온도가 낮은 증발냉매와 열교환 되어 과냉각될 수 있다.
또한, 상기 증발냉매는 상대적으로 온도가 높은 응축냉매와 열교환 되어 잔존하는 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킬 수 있다. 이에 의하면, 상기 압축기(100)로 회수되는 기상 냉매의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 나선관(245)은 상기 내부 공간에 위치할 수 있다. 그리고 상기 나선관(245)의 상단은 상기 배출관(242)에 결합할 수 있다.
상기 배출관(242)은 상기 나선관(245)으로부터 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상방으로 연장될 수 있다. 그리고 상기 배출관(242)의 상단은 상기 제 2 보조배관(142)과 결합할 수 있다.
한편, 상기 보조 열교환기(200)에 의하면, 응축냉매의 과냉각도를 증가시켜 증발기가 아닌 곳에서 증발한 냉매가스로 규정되는 플래쉬 가스(flash gas)를 감소시킬 수 있다.
상기 플래쉬 가스는 증발기로 공급되는 냉매유량의 손실 및 잠열량 감소로 성능 저하를 유발시키는 가스이다. 따라서, 상기 보조 열교환기(200)는 상기 응축냉매의 과냉도를 상대적으로 더욱 확보하여 팽창밸브(118,135,156,161,118)로 제공할 수 있기 때문에 상기 플래쉬 가스를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 응축냉매의 과냉각도 증가는 증발기 입구측 냉매의 액상 비율을 보다 증가시킬 수 있다. 이에 의하면, 증발과정에서 흡입열량이 상승하는 장점이 있다.
한편, 상기 응축냉매의 과냉각도 증가는 과열도를 증가시키는 단점이 있다.
상기 과열도의 증가는 압축기(100)로 흡입되는 냉매의 온도를 상승시켜 실린더 과열, 윤활유 번(burn) 형상을 발생시킬 수도 있다. 따라서, 과냉각도는 충분하고 적정 수준으로 증가시키는 것이 중요하다.
본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)는 과열도 증가에 따른 부정적 영향이 상쇄될 수 있도록 최적의 과냉도 증가를 구현할 수 있다. 그리고 상기 보조 열교환기(200)는 과열도에 의한 영향 보다 과냉각도 증가에 따른 성능 향상이 월등히 높아지도록 제공될 수 있다.(도 11 참고)
상기 히트펌프(1)에 설치되는 다수의 감지센서(PT,CT)는 작동 유체의 감지 정보를 제어부(미도시)로 제공하며, 상기 제어부는 상기 감지 정보를 기초로 적정 과냉도를 유지시킬 수 있도록 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)의 운전모드에 따라 작동 유체의 흐름 및 사이클을 설명하도록 한다. 여기서, 상기 작동 유체는 1차 유체로 규정되는 냉매 및 2차 유체로 규정되는 냉각수를 포함한다.
설명과 이해의 편의를 위하여, 도 4 내지 도 9에서 상술한 다수의 펌프(13,16,21,61)와 다수의 밸브(118,135,156,161,164)는, 채색 여부에 따라 작동(ON) 또는 미작동(OFF)을 나타내도록 표시된다. 즉, 도면에 채색된 펌프 또는 밸브는 미작동(OFF) 상태를 의미하고, 도면에 채색되지 않은 펌프 또는 밸브는 작동(ON) 상태를 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 냉방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 히트펌프(1)의 운전모드가 냉방모드인 경우, 상기 실외 팽창밸브(118), 상기 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 쿨러 팽창밸브(156)는 완전히 폐쇄(Full Close)될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)도 폐쇄(close)될 수 있다.
상기 실내 팽창밸브(135)는 개방될 수 있다. 그리고 상기 실내 팽창밸브(135)는 개도 조절을 통하여 통과하는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 전기자동차의 냉방모드는, 실외 온도가 높은 계절, 날씨 등에서 운전될 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인모듈(10)에 구비되는 전장 부품은, 상대적으로 빈도가 높게 방열을 수행할 수 있다. 일례로, 상기 냉방모드에서 상기 라디에이터펌프(16)는 작동(ON)될 수 있다.
상기 라디에이터펌프(16)가 작동(ON)상태인 경우, 냉각수가 상기 파워트레인모듈(10)을 냉각시키도록 상기 라디에이터라인(17)을 순환할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인모듈(10)로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수는 상기 라디에이터(41)에서 외기와 열교환되어 냉각될 수 있다.
한편, 파워트레인펌프(13) 및 배터리펌프(21)는 상기 폐열 팽창밸브(161)와 상기 쿨러 팽창밸브(156)의 작동에 따라 함께 작동할 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인펌프(13) 및 배터리펌프(21)는 미작동(OFF)될 수 있다. 그리고 상기 냉방모드에서 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF) 된다.
물론, 상기 파워트레인모듈(10)과 상기 배터리(20)는, 냉방모드 또는 난방모드에 종속되지 않고 방열필요 여부를 판단하여, 필요에 따라 냉각수의 순환에 의한 방열을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 방열필요 여부는, 미리 설정된 조건의 만족 여부로 판단될 수 있다.
또한, 상기 파워트레인모듈(10)은, 냉매와 열교환이 필요한 경우 상기 파워트레인펌프(13)를 작동시키고, 외기와 열교환이 필요한 경우 상기 라디에이터펌프(16)를 작동시킬 수 있다.
즉, 파워트레인모듈(10)을 순환하는 냉각수는 필요에 따라 냉매 및/또는 외기와 열교환할 수 있도록 선택할 수 있다.
다만, 도 4에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 배터리(20)는 방열이 필요하지 않고, 상기 파워트레인모듈(10)을 순환하는 냉각수가 외기를 통해 냉각되는 경우를 기준으로 도시한다.
상기 압축기(100)로부터 토출된 고온, 고압의 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실외 열교환기(45)로 유입될 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)는 전기자동차의 주행 및/또는 실외팬(46)에 의해 외기와 상기 압축냉매를 열교환시킬 수 있다. 따라서, 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매는 응축되며, 상기 응축냉매는 상기 실외배관(115)을 거쳐 상기 유동배관(120)으로 유입될 수 있다.
상기 유동배관(120)으로 유입된 응축냉매는, 상기 제 1 유동밸브(125)를 통과하여 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된다. 이때, 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 응축냉매가 실내분지점(131)을 향하여 유동할 수 없도록 응축냉매의 유동방향을 제한한다.
상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 증발냉매와 열교환되어 과냉각될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 보조배관(141)의 응축냉매는, 유입관(241), 나선관(245) 및 배출관(242)을 차레로 유동하면서 상기 케이스(210)의 내부 공간에 채워지는 기상 및/또는 액상 상태의 증발냉매와 열교환하여 과냉각될 수 있다.
그리고 상기 과냉각된 냉매는 상기 배출관(242)을 통해 상기 제 2 보조배관(142)으으로 유동하며, 상기 실내배관(130)으로 유입될 수 있다.
상기 실내배관(130)으로 유입된 과냉각된 냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)를 통과하면서 팽창될 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는 상기 실내 열교환기(35)로 유입될 수 있다.
상기 팽창된 냉매는, 상기 실내 열교환기(25)에서 상기 실내팬(36)에 의해 공기와 열교환되어 증발될 수 있다. 그리고 상기 증발된 냉매는 상기 실내 연결배관(138)을 통해 배출될 수 있다. 상기 실내 연결배관(138)의 증발냉매는 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 어?n배관(170)으로 유입된다. 그리고 상기 어큠배관(170)으로 유입된 증발냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 상기 응축냉매와 열교환할 수 있다.
상세히, 상기 어?n배관(170)을 통해 상기 흡입관(207)으로 유입되는 증발냉매는, 상기 케이스(210)의 내부 공간에 배출될 수 있다. 따라서, 상기 케이스(210)의 내부 공간은 액상 및 기상 상태의 증발냉매로 채워질 수 있다.
이때, 상기 증발냉매는, 상기 나선관(245)을 통과하는 응축냉매의 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 액상 상태의 증발냉매는 기상으로 증발될 수 있다. 그리고 기상 상태의 증발냉매는 상기 토출관(205)으로 유입된다.
그리고 상기 토출관(205)으로 유입된 증발냉매는 상기 흡입배관(105)을 통해 압축기(100)의 흡입측으로 회수되면서 사이클을 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 배터리 냉각모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다. 구체적으로, 도 5는 냉방모드로 운전 중 배터리를 냉각하기 위한 냉각수 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상술한 냉방모드를 기준으로, 상기 배터리 냉각모드에서 상기 배터리펌프(21)는 작동(ON)될 수 있다. 그리고 상기 쿨러 팽창밸브(156)는 개방될 수 있다.
상기 배터리펌프(21)의 작동(ON)에 의해, 냉각수는 상기 배터리라인(28)을 순환할 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 배터리(20)에서 발생되는 열을 흡수하여 상기 배터리를 냉각시킬 수 있다.
상기 배터리(20)에서 발생되는 열을 흡수한 냉각수는 상기 배터리쿨러(25)에서 냉각될 수 있다.
상세히, 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 개방되면, 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 과냉각된 냉매는 상기 실내배관(130)과 상기 쿨러배관(155)으로 분지될 수 있다.
상기 쿨러배관(155)으로 분지된 냉매는, 상기 쿨러 팽창밸브(156)를 통과하면서 팽창된 후 상기 배터리 쿨러(25)로 유입될 수 있다. 따라서, 상기 배터리 쿨러(25)에서, 상대적으로 고온의 냉각수는 상대적으로 저온의 냉매와 열교환될 수 있다.
즉, 상기 저온의 냉매는 상기 냉각수의 열을 흡수하여 증발되며, 상기 고온의 냉각수는 상기 저온의 냉매로 열을 방출하여 냉각될 수 있다.
상기 배터리 쿨러(25)를 통과한 증발냉매는, 상기 쿨러회수배관(157)을 통해 상기 어큠배관(170)으로 유입될 수 있다. 즉, 상기 쿨러회수배관(157)을 유동하는 증발냉매는, 상기 실내 열교환기(35)를 통과한 증발냉매와 상기 쿨러합지점(165)에서 합지되어 상기 어큠배관(170)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로 유입될 수 있다.
상기 합지된 증발냉매는 상술한 바와 같이 상기 보조 열교환기(200)에서 응축냉매와 열교환될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하여 설명하는, 난방모드는 “일반 난방모드”로 이름할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 난방모드에서, 상기 폐열 팽창밸브(161), 상기 쿨러 팽창밸브(156), 상기 실내 팽창밸브(135)는 완전히 폐쇄(Full Close)될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)도 폐쇄될 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118)는 개방될 수 있다. 그리고 상기 실외 팽창밸브(118)는 개도 조절을 통하여 통과하는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 전기자동차의 난방모드는, 실외 온도가 낮은 계절, 날씨 등에서 운전될 수 있다. 따라서, 상기 난방모드에서 상기 파워트레인펌프(13), 상기 라디에이터펌프(16) 및 상기 배터리펌프(21)는 미작동(OFF)될 수 있다.
또한, 상기 객실히터기(60)는 상기 실내 열교환기(35)가 응축기로 작동하는 난방모드에서 작동하지 않을 수 있다. 즉, 상기 객실히터기(60)는 상기 실내 열교환기(35)가 증발기로 작동하는 난방모드(제상, 제습 등)에서 작동할 수 있다. 따라서, 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF)될 수 있다.
상기 압축기(100)로부터 토출되는 고온, 고압의 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실내 연결배관(138)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 실내 연결배관(138)의 압축냉매는, 실내 열교환기(35)를 통과하면서 응축될 수 있다.
상기 실내 열교환기(35)를 통과한 응축냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 유동배관(120)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 유동배관(120)으로 유입된 응축냉매는, 상기 제 2 유동밸브(127)를 통과하여 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 유동배관(120)의 응축냉매가 상기 실외분지점(116)으로 유동하지 않도록 유동 방향을 제한한다.
상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상술한 바와 같이 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각되고, 상기 과냉각된 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)으로 유입된다.
그리고 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 제 2 보조배관(142)의 과냉각된 냉매는, 상기 공통배관(150)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 공통배관(150)으로 유입된 냉매는, 상기 폐열 팽창밸브(161)와 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄된 상태이므로 상기 실외배관(115)으로 유입될 수 있다.
상기 실외배관(115)으로 유입된 냉매는 상기 실외 팽창밸브(118)를 통과하면서 팽창될 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는 상기 실외 열교환기(45)로 유입되어 증발될 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)에서 증발된 냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 어큠배관(170)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 어?n배관(170)의 증발냉매는 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 상기 응축냉매와 열교환되고, 기상 상태의 냉매가 상기 압축기(100)로 회수될 수 있다.
물론, 배터리 냉각모드는, 상기 난방모드에서도 동작할 수 있다. 상세히, 상기 난방모드에서 상기 배터리 냉각모드는, 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 개방되도록 개도를 조절함으로써 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제습모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다. 구체적으로, 도 7은 실내에 난방을 제공하는 제습모드(이하, 제습난방모드)를 기준으로 냉각수 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제습난방모드에서 상기 실외 열교환기(45)는 응축기로 작동하며, 상기 실내 열교환기(35)는 증발기로 작동할 수 있다.
즉, 상기 제습난방모드에서 냉매 사이클은 상기 냉방모드의 냉매 사이클과 동일할 수 있다. 따라서, 상기 제습난방모드에서 냉매 유동에 관한 설명은, 상술한 냉방모드에서 냉매의 유동에 관한 설명을 원용하도록 한다.
이에 의하면, 상기 실내 열교환기(35)의 주변 공기는 냉각될 수 있다. 따라서, 실내에 난방 제공을 유지할 수 있도록, 상기 히터작동기(60)는 작동(ON)될 수 있다. 그리고 상기 히터펌프(61)가 작동할 수 있다.
상기 제습난방모드에서, 상기 실외 팽창밸브(151), 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 쿨러 팽창밸브(156)는 완전히 폐쇄(Full close)될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)도 폐쇄될 수 있다.
상기 실내 팽창밸브(135)는 개방될 수 있다. 그리고 상기 실내 팽창밸브(135)는 개도 조절을 통하여 통과하는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
상기 제 2 보조배관(142)의 과냉각된 냉매는 상기 실내배관(130)으로 유입되어 상기 실내 팽창밸브(135)에 의해 팽창될 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는 상기 실내 열교환기(25)를 통과하면서 열교환하여 증발될 수 있다.
상기 제습난방모드가 작동하는 환경에서, 상기 전기자동차의 실내 공기에는 수증기량 많은 함유된 상태일 것이다.
그리고 상기 제습난방모드에서, 상기 실내 공기는 상기 실내덕트(31)에 구비된 실내팬(36)의 작동에 의하여 상기 실내 열교환기(35)를 통과할 수 있다.
상기 실내 열교환기(35)는 증발기로 작동하므로 냉매가 주위 공기로부터 열을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 실내 덕트(31)로 유입된 상대적으로 고온의 실내 공기는 상기 실내 열교환기(35)를 유동하는 냉매로 열을 방출하여 냉각될 수 있다.
따라서, 수증기량이 상대적으로 많이 함유된 실내 공기는, 실내 열교환기(35)를 통과하면서 온도가 낮아져 이슬점에 도달할 수 있다. 그리고 상기 실내 공기의 수증기는 응결될 수 있다. 상기 응결에 의해, 상기 실내 열교환기(35)를 통과한 실내 공기는 수증기량이 감소될 수 있다.
그리고 상기 실내 공기는 온도가 낮아진 상태이므로 실내 난방을 유지하기 위해 상기 히터코어(63)를 통과할 수 있다.
상기 히터코어(63)는 상기 히터(63)에 의해 열을 흡수한 냉각수가 통과하면서 달구어질 수 있다. 따라서, 상기 수증기량이 감소된 실내 공기는 상기 히터코어(63)를 통과하면서 온도가 다시 높아질 수 있다.
그리고 상기 히터코어(63)를 통과한 공기는 다시 실내로 토출될 수 있다. 이에 의하면, 상기 실내에는 실내 열교환기(35)가 증발기로 작동하여도 난방이 계속 제공될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제 1 폐열회수모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
상기 제 1 폐열회수모드는, 상기 전기자동차의 난방모드 중 일 모드로서, 배터리의 전력소모를 저감하기 위해 파워트레인모듈(10) 및/또는 배터리(20)를 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 단독 열원으로 이용하는 난방모드로 규정할 수 있다.
상기 제 1 폐열회수모드는, “단독열원 폐열회수모드”라 이름할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제 1 폐열회수모드에서 상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 실내 팽창밸브(135)는 완전히 폐쇄(Full close)될 수 있다. 그리고 상기 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 칠러밸브(164)는 개방될 수 있다. 또한, 상기 파워트레인펌프(13)는 작동(ON)된다. 그리고 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF)된다.
한편, 도 8은 상기 파워트레인모듈(10)로부터 발생되는 열을 흡수한 냉각수를 냉매 증발의 열원을 이용하는 경우를 기준으로 도시된다. 따라서, 도 8에서는 배터리펌프(21)는 미작동(OFF)되며, 쿨러 팽창밸브(156)는 완전히 폐쇄(Full close)된다.
그러나 상기 배터리(20)의 방열을 위한 조건이 만족된다면, 상기 쿨러 팽창밸브(156)를 개방하고 상기 배터리펌프(21)를 작동(ON)시켜 상기 배터리(20)에서 발생되는 열을 흡수한 냉각수를 냉매 증발의 열원으로 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 배터리(20)에서 발생되는 열을 흡수한 냉각수는, 상기 파워트레인모듈(10)로부터 발생되는 열을 흡수한 냉각수와 함께 또는 단독으로 냉매 증발의 열원으로 사용될 수 있음은 자명할 것이다.
상기 제 1 폐열회수모드에서, 상기 압축기(100)로부터 토출된 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실내 열교환기(35)로 유입될 수 있다. 그리고 상기 압축냉매는 상기 실내 열교환기(35)를 통과하면서 응축될 수 있다.
상기 실내 열교환기(35)를 통과한 응축냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 유동배관(120)을 따라 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각되고, 상기 과냉각된 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 공통배관(150)으로 유입될 수 있다.
상기 공통배관(150)으로 유입된 냉매는, 상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄된 상태이므로 상기 칠러배관(160)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 칠러배관(160)으로 유입된 냉매는 상기 폐열 팽창밸브(161)를 통과하면서 팽창될 수 있다.
상기 팽창된 냉매는 상기 파워트레인칠러(15)로 유입되어 상기 파워트레인모듈(10)의 열을 흡수한 고온의 냉각수와 열교환될 수 있다.
즉, 상기 팽창된 냉매는, 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 증발될 수 있다. 여기서, 상기 파워트레인칠러(15)는 증발기로 작동할 수 있다.
상기 파워트레인칠러(15)를 통과한 증발냉매는, 상기 칠러밸브(164)가 개방 상태이므로 상기 칠러회수배관(163)을 통해 상기 어큠배관(170)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 어큠배관(170)으로 유입된 증발냉매는, 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 상기 응축냉매와 열교환될 수 있다. 그리고 상기 보조 열교환기(200)에서 기상 상태로 분리된 증발냉매는, 상기 흡입배관(105)으로 유입되어 상기 압축기(100)로 회수될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제 2 폐열회수모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
상기 제 2 폐열회수모드는, 상기 전기자동차의 난방모드 중 일 모드로서, 배터리의 전력소모를 저감하기 위해 냉각수와 외기를 냉매 증발의 열원으로 함께 이용하는 난방모드로 규정할 수 있다.
상기 제 2 폐열회수모드는, “이중열원 폐열회수모드”이라 이름할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제 1 폐열회수모드를 기준으로, 상기 제 2 폐열회수모드에서 상기 실외 팽창밸브(118)는 개방될 수 있다.
즉, 상기 공통배관(150)을 유동하는 과냉각된 냉매는, 상기 제 1 연결점에서 상기 실외배관(115)과 상기 칠러배관(160)으로 분지되어 유동할 수 있다.
상기 칠러배관(160)으로 유입된 냉매는, 상술한 제 1 폐열회수모드와 동일하게 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 증발될 수 있다. 그리고 상기 실외배관(115)으로 유입된 냉매는, 상기 실외 열교환기(45)를 통과하면서 증발될 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)를 통과한 증발냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 어큠배관(170)으로 유입된다. 그리고 상기 파워트레인칠러(15)를 통과한 증발냉매는, 상기 칠러합지점(165)에서 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 증발냉매와 합지되어 상기 보조 열교환기(200)로 유입될 수 있다.
물론, 상기 배터리(20)의 방열이 필요한 조건이 만족되면, 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 개방되고, 상기 배터리 쿨러(25)도 증발기로 작동할 수 있다.
이 경우, 상기 어큠배관(170)에는 상기 파워트레인칠러(15), 상기 실외 열교환기(45) 및 상기 배터리쿨러(25)를 통과한 증발냉매가 합지되어 상기 보조 열교환기(200)로 유입될 수 있을 것이다.
따라서, 실외 열교환기(45)에서는 외기를 냉매 증발의 열원으로 사용하고, 상기 파워트레인칠러(15)에서는 상기 파워트레인모듈(10)을 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 열원으로 사용하며, 상기 배터리쿨러(25)에서는, 상기 배터리(20)를 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 열원으로 사용할 수 있다. 이 경우에도 냉매 증발의 열원은, 냉각수 및 외기로써 이중으로 제공될 수 있다.
상기 보조 열교환기(200)로 유입된 증발냉매는, 상술한 바와 같이 응축냉매와 열교환될 수 있다. 그리고 기상 상태로 분리된 증발냉매는, 상기 흡입배관(105)을 통해 압축기(100)로 회수될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 사이클을 비교해주는 P-h 선도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 과열도 및 과냉도 변화를 비교해주는 실험 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 경우의 제 1 사이클도(z1)와 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)를 구비한 제 2 사이클도(z2)를 비교할 수 있다.
이하 도 10 내지 도 15에서 보여주는 실험그래프는, 상기 압축기(100)가 4000RPM으로 작동하며, 실외 온도가 0도씨(°C, 섭씨)이고, 냉매는 R-134a를 사용한 조건을 기준으로 한다.
상기 제 2 사이클도(z2)를 살펴보면, 상기 제 2 사이클도(z2)에서는, 상기 제 1 사이클도(z1) 보다 토출압력이 감소(PD2)하고, 과냉각도가 증가(s2)한 것을 확인할 수 있다.
그리고 상기 제 2 사이클도(z2)에서 증발기 입구의 냉매 상태를 살펴보면, 건도가 상기 제 1 사이클도(z1)보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 제 2 사이클도(z2)에서 증발기 입구에서 발생하는 플래쉬 가스량(f2)은, 상기 제 1 사이클도(z1)에서 증발기 입구에서 발생하는 플래쉬 가스량(f1) 보다 적을 수 있다.
이에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는 상기 플래쉬 가스의 저감으로 증발기로 공급되는 냉매유량의 손실을 최소화하고, 증발기 입구에서 냉매의 액상 비율을 증가시켜 잠열량 감소를 최소화할 수 있다. 따라서, 히트펌프(1)의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 보조 열교환기(200)가 구비된 경우 응축냉매의 과냉각도(Sub-Cooled 2, SC2)는, 상기 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 경우 응축냉매의 과냉각도(Sub-cooled 1, SC1) 보다 평균적으로 9% 증가한다.
상술한 바와 같이, 상기 과냉각도의 증가는 상기 과열도(superheat)의 증가를 가져오는 한계가 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)를 구비한 경우(SH2)가 상기 보조 열교환기(200)르 구비하지 않은 경우(SH1) 보다 과열도가 평균 5% 증가한 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)가 구비된 히트펌프(1)는 과냉각도의 증가율(9%)이 과열도의 증가율(5%) 보다 훨씬 크게 증가하므로, 증발기에서 냉매의 상변화에 사용되는 열인 잠열량이 대폭 증가할 수 있다. 결국, 전체적인 히트펌프(1)의 성능은, 상기 과열도의 상승에 대한 영향을 상쇄함으로써 더욱 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 냉매 질량유량 및 증발기의 엔탈피 차를 비교해주는 실험 그래프이다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기(200)가 구비된 냉매 질량유량(MF2)과 상기 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 냉매 질량유량(MF1)은 동등한 수준을 가질 수 있다.
그러나 상기 보조 열교환기(200)가 구비된 경우의 증발기에서 엔탈피 차(H2)는, 상기 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 경우의 증발기에서 엔탈피 차(H1) 보다 평균 14% 증가한 것을 확인할 수 있다.
이에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는, 증발과정의 흡수열량이 더욱 증가한 것을 알 수 있다. 즉, 과냉각도 증가에 의한 증발기에서 잠열량의 증가는, 증발과정에서 더 많은 열에너지를 흡수할 수 있는 장점이 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 압축기의 토출압력 및 흡입압력을 비교해주는 실험 그래프이다.
도 10 및 도 13을 참조하면, 상기 보조 열교환기(200)가 구비된 경우의 압축기 흡입압력(PS2)은, 상기 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 경우의 압축기 흡입압력(PS1)과 동등한 수준임을 알 수 있다.
그러나 상기 보조 열교환기(200)가 구비된 경우의 압축기 토출압력(PD2)은 상기 보조 열교환기(200)가 구비되지 않은 경우의 압축기 토출압력(PD1) 보다 약 14% 감소한 것을 확인할 수 있다. 즉, 압축기의 흡입압력은 동등하나, 토출압력은 상기 보조 열교환기(200)를 구비한 경우가 그렇지 않은 경우 보다 약 14% 감소한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는 압축에 요구되는 부하, 즉, 압축일(compression work)을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 상세히, 상기 토출압력의 감소는 압축비를 감소시켜 최적의 압축비에서 압축과정을 수행하도록 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 난방능력(Heating Capacity) 및 소비전력(Comp. Power)을 비교해주는 실험 그래프이며, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구비 여부에 따라 난방 성능계수(heating COP) 및 난방 성능계수의 개선율을 보여주는 실험 그래프이다.
여기서, 난방능력은, 증발과정에서 흡수한 열량에 압축기 소비전력(또는 소비동력)의 합으로 정의할 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 보조 열교환기(200)가 적용된 경우의 난방능력(Q2)과 상기 보조 열교환기(200)가 적용되지 않은 경우의 난방능력(Q1)은 동등한 수준인 것을 확인할 수 있다.
그러나, 상기 보조 열교환기(200)가 적용된 경우의 소비전력(W2)은, 상기 보조 열교환기(200)가 적용되지 않은 경우의 소비전력(W1) 보다 평균 9% 감소하는 것을 확인할 수 있다.
상세히, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는 상술한 토출압력(PD2)의 감소에 기인하여 소비전력(W2)을 감소시킬 수 있다.
또한, 상술한 증발기의 흡수열량의 증가 및 압축기의 소비동력의 감소는, 난방 성능계수(COP)를 향상시킬 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 보조 열교환기(200)를 구비한 경우의 제 2 난방 성능계수(COP2)는, 상기 보조 열교환기(200)를 구비하지 않은 경우의 제 1 난방 성능계수(COP1) 보다 약 10.1% 개선된 것을 확인할 수 있다.
상세히, 상기 압축기(100)가 2000 RPM으로 작동하는 경우, 상기 제 1 난방 성능계수(COP1) 대비 상기 제 2 난방 성능계수(COP2)의 개선율(COPr)은 8.1%이다.
상기 압축기(100)가 4000 RPM으로 작동하는 경우, 상기 제 1 난방 성능계수(COP1) 대비 상기 제 2 난방 성능계수(COP2)의 개선율(COPr)은 10.1%이다.
상기 압축기(100)가 6000 RPM으로 작동하는 경우, 상기 제 1 난방 성능계수(COP1) 대비 상기 제 2 난방 성능계수(COP2)의 개선율(COPr)은 10.2%이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 운전모드를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템(1)의 제어방법은, 히트펌프 온(ON)단계(S1)를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 온(ON)단계는, 실내 컨트롤러(39)에 의한 사용자의 히트펌프 작동 명령을 입력받는 단계로 이해할 수 있다.
사용자는 실내 공조환경을 쾌적하게 하도록 실내 컨트롤러(39)를 조작할 수 있다. 일례로, 상기 실내 컨트롤러(39)에는 실내 공조환경에 대한 현 상태를 자동으로 판단하고 최적의 운전모드를 제공할 수 있는 오토(Auto) 입력버튼이 구비될 수 있다. 물론, 상기 실내 컨트롤러(39)에는 사용자가 원하는 운전모드와 실내 공조환경을 직접 입력할 수 있는 매뉴얼(Manual) 입력버튼이 구비될 수도 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는, 사용자 설정온도를 입력 받을 수 있다.(S2)
상기 사용자 설정온도는, 상기 실내 컨트롤러(39)를 이용하여 사용자가 직접 원하는 온도로 설정할 수 있다.
사용자가 상기 사용자 설정온도를 입력하면, 상기 히트펌프(1)는 실내 및 실외 환경과, 전기자동차 부품의 상태를 감지하여 최적의 운전모드로 실내 공조를 수행할 수 있다.
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 사용자 설정온도, 실외(외기)온도, 실내 온도, 일사량 및 실내인원을 감지하고, 상기 감지정보를 기초로 실내로 토출되는 공기의 목표온도를 계산할 수 있다.(S3)
상기 실외온도는 상기 실외온도감지센서에 의해 감지될 수 있다. 상기 실내온도는 상기 실내온도감지센서에 의해 감지될 수 있다. 상기 일사량은 상기 일사량감지센서에 의해 감지될 수 있다. 상기 실내인원은 상기 인체감지센서에 의해 감지될 수 있다.
그리고 제어부(미도시)는 상술한 다수의 감지센서에 의해 감지된 정보를 기초로 상기 목표온도를 계산할 수 있다. 일례로, 상기 사용자 설정온도가 23도씨(°C)이고 실외온도가 0도씨(°C)인 경우, 상기 실내로 토출되는 공기의 목표온도는 43도씨(°C)로 계산될 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 상기 계산된 목표온도를 기초로 운전모드를 판단할 수 있다.(S4)
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 계산된 목표온도, 실외온도, 포화압력, 이슬점을 기초로 상기 히트펌프(1)의 운전모드를 판단할 수 있다.
일례로. 상기 계산된 목표온도가 43도씨(°C)이고, 상기 실외온도가 0도씨(°C)이면, 상기 히트펌프는 난방모드(S10)로 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 운전모드를 판단하는 단계를 통해 환기모드(S5), 냉방모드(S6) 및 난방모드(S10) 중 어느 하나의 운전모드를 결정할 수 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는 결정된 운전모드로 냉매 사이클이 작동하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 S2 내지 S4 단계와 독립적으로 파워트레인모듈(10)의 온도를 감지하여 방열 필요여부를 판단할 수 있다. 마찬가지로 상기 히트펌프(1)는 상기 S2 내지 S4단계와 독립적으로 배터리(20)의 온도를 감지하여 방열 필요여부를 판단할 수 있다.
그리고 상기 파워트레인모듈(10)에 방열이 필요한 경우, 상기 히트펌프(1)는 실외온도, 냉각수 온도 및 상기 S4단계에서 결정되는 운전모드를 기초로 파워트레인펌프(13) 또는 라디에이터펌프(16)가 작동하도록 제어할 수 있다.
일례로, 상기 히트펌프(1)는 후술할 난방모드(S10) 중 폐열회수모드로 작동하는 경우에 상기 파워트레인펌프(13)가 작동하도록 제어할 수 있다. 상기 파워트레인펌프(13)가 작동(ON)하는 경우, 상기 폐열 팽창밸브(161)는 개방되어 냉매를 상기 파워트레인칠러(15)로 유입시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리(20)에 방열이 필요한 경우, 상기 히트펌프(1)는 실외온도와 냉각수 온도를 기초로 상기 배터리펌프(21)가 작동하도록 제어할 수 있다. 상기 배터리펌프(21)가 작동하는 경우, 상기 쿨러 팽창밸브(156)는 개방되어 냉매를 상기 배터리쿨러(25)로 유입시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 난방모드의 제어방법을 보여주는 플로우 차트이며, 도 18은 온도에 따른 냉각수의 점성 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 상기 히트펌프(1)는 난방모드(S10)로 운전모드가 결정되면, 폐열회수모드 여부를 판단할 수 있다.(S11)
상술한 바와 같이, 상기 폐열회수모드는 전기자동차의 전장 부품에서 발생되는 열을 증발기에서 냉매의 열원으로 이용하는 모드로 규정될 수 있다. 그리고 상기 폐열회수모드는 도 8을 참조로 상술한 제 1 폐열회수모드 및 도 9를 참조로 상술한 제 2 폐열회수모드를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 히트펌프(1)는 상기 전장 부품의 방열을 수행하는 냉각수의 온도가 냉각수 기준온도 보다 큰지를 판단할 수 있다.(S12)
상기 냉각수 기준온도는 냉각수의 점성력 변화를 기초로 결정할 수 있다. 일례로, 상기 냉각수 기준온도는 10도씨(°C)로 설정될 수 있다.
상기 냉각수 기준온도와 관련하여 상세히 설명한다.
도 18을 참조하면, 상기 냉각수는 온도(Temp.) 변화에 따라 동점성 계수(Kinematic viscosity)가 급격하게 변화하는 것을 그래프로 확인할 수 있다.
특히, 냉각수의 온도가 10°C 이하로 낮아지는 급변구간(CH)에서, 상기 냉각수의 동점성 계수는 상온(RT)에서 동점성 계수 보다 크게 증가한다. 따라서, 상기 냉각수 기준온도를 결정하기 위한 기준은 상온(RT)으로 설정한다. 여기서, 상온(RT)은 20°C로 정의할 수 있다.
상기 동점성 계수는 밀도에 대한 점성계수의 비로 정의된다. 그리고 점성력은 상기 점성계수에 비례한다.
상기 점성력이 커질수록 상기 냉각수는 끈적한 상태로 다수의 펌프(13,16,21)에 유입될 수 있다. 즉, 상기 급변구간(CH)의 냉각수는 펌프(13,16,21)의 소비동력을 급격하게 상승시킬 수 있고, 냉각수의 유량이 불안정하게 요동칠 수 있다. 이에 의하면, 상기 펌프(13,16,21)의 성능을 저하시키고, 순환되는 냉각수의 유량이 불균형해지는 문제가 있다. 결국, 불안정한 난방운전으로 히트펌프(1)의 신뢰성에 악영향을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 상기 냉각수의 점성력이 상온(RT)에서의 점성력 대비 10%가 증가하는 온도를 냉각수 기준온도(S)로 설정한다.
그리고 상기 상온(RT) 대비 점성력이 10%가 증가하는 냉각수 기준 온도는 약 10도씨(°C)이다.
따라서, 상기 파워트레인칠러(15) 및/또는 상기 배터리쿨러(25)에서 냉각수가 정상적으로 냉매와 열교환하기 위해, 상기 히트펌프(1)는 상기 전장 부품의 방열을 수행하는 냉각수의 온도가 냉각수 기준온도(10°C) 보다 큰지를 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 히트펌프(1)는 상기 파워트레인모듈(10)의 냉각을 수행하는 파워트레인라인(11)에 설치된 냉각수온도센서(CT)의 감지정보를 기초로 상기 파워트레인라인(10)의 열을 흡수한 냉각수가 10도씨(°C) 보다 큰지를 판단할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 상기 배터리라인(28)에 설치된 냉각수온도센서(CT)의 감지정보를 기초로 상기 배터리(20)의 열을 흡수한 냉각수가 10도씨(°C) 보다 큰지를 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 낮으면, 상기 도 6을 참조하여 서술한 일반 난방모드를 수행하도록 구성을 제어할 수 있다.
반면에, 상기 히트펌프(1)는 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 크다면, 실외온도가 냉각수의 어는점 보다 큰지를 판단할 수 있다.(S13)
여기서, 냉각수의 어는점은 0도씨(°C)로 설정된다.
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 파워트레인(10)의 열을 흡수한 냉각수 또는 상기 배터리(20)의 열을 흡수한 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 크다면, 실외온도가 0도씨(°C) 보다 큰지 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는, 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 낮으면 상기 제 1 폐열회수모드를 수행하도록 구성을 제어할 수 있다.(S100)
상세히, 실외온도가 0도씨(°C) 보다 낮으면 증발기로 작동하는 실외 열교환기(45)에서 저온의 냉매와 온도 차이가 작아지므로 외기와 냉매 간의 열효율이 떨어진다.
따라서, 상기 파워트레인모듈(10) 또는 배터리(20)의 폐열을 흡수한 냉각수를 냉매의 증발을 위한 열원으로 사용하는 것이, 상기 실외 열교환기(45)에서 외기를 냉매의 증발을 위한 열원으로 사용하는 것 보다 증발 온도를 높여줄 수 있다. 즉, 상기 실외온도가 0도씨(°C) 보다 낮으면 상기 제 1 폐열회수모드로 작동하여 난방 성능을 개선시킬 수 있다.
반면에, 상기 히트펌프(1)는 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 높으면 상기 제 2 폐열회수모드를 수행하도록 구성을 제어할 수 있다.(S200)
상세히, 상기 제 2 폐열회수모드에서는, 상기 파워트레인모듈(10) 또는 상기 배터리(20)의 폐열을 흡수한 냉각수와, 외기를 함께 냉매의 증발을 위한 열원으로 사용할 수 있다.
그리고 냉매의 증발을 위해 냉각수 및 외기로 규정되는 이중열원이 사용되는 경우, 외기와 열교환하는 상기 실외 열교환기(45)만을 사용하는 것 보다 전력소모를 저감시킬 수 있으며, 사이클 관점에서 상기 제 1 폐열회수모드 보다 증발 온도가 더 높아지므로 난방 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 제 2 폐열회수모드는 상기 실외온도가 0도씨(°C) 보다 높은 경우에 작동하여 난방 성능을 개선시킬 수 있다.
결국, 상술한 폐열회수모드에 의하면, 전기자동차의 전장 부품에서 발생하는 폐열을 활용함으로써 배터리의 소모전력을 최소화할 수 있고 탑승자의 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
1: 전기자동차용 히트펌프 시스템
10: 파워트레인모듈
20: 배터리
30: 실내 열교환모듈
40: 실외 열교환모듈
100: 압축기
200: 보조열교환기

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  16. 파워트레인모듈로 냉각수를 순환시키는 파워트레인라인 및 배터리로 냉각수를 순환시키는 배터리라인을 포함하는 냉각수라인;
    압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기 및 다수의 팽창밸브에 냉매가 순환하는 냉매라인;
    상기 파워트레인라인과 상기 다수의 팽창밸브 중 어느 하나의 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러;
    상기 배터리라인과 상기 다수의 팽창밸브 중 다른 하나의 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 배터리쿨러;
    상기 냉매라인 및 상기 냉각수라인에 설치되는 다수의 감지센서; 및
    상기 다수의 감지센서에 의해 감지된 정보를 기초로 운전모드를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 냉각수의 온도와 점성력 변화를 기초로 규정되는 냉각수 기준온도를 비교한 결과에 따라, 상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 실외온도와 상기 냉각수의 어는점을 비교하여, 상기 파워트레인칠러 및 상기 배터리쿨러 중 적어도 어느 하나에서 상기 냉매가 증발되도록 제어하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 팽창밸브는,
    상기 실외 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실외 팽창밸브; 및
    상기 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내 팽창밸브를 더 포함하며,
    상기 파워트레인모듈 및 상기 배터리 중 적어도 어느 하나를 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 단독 열원으로 사용하는 제 1 폐열회수모드에서,
    상기 실외 팽창밸브 및 상기 실내 팽창밸브는, 완전히 폐쇄되고,
    상기 어느 하나의 팽창밸브 및 상기 다른 하나의 팽창밸브 중 적어도 어느 하나는 개방되는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉각수 및 외기를 냉매 증발의 열원으로 사용하는 제 2 폐열회수모드에서, 상기 실내 팽창밸브는 완전히 폐쇄되고, 상기 실외 팽창밸브는 개방되며, 상기 어느 하나의 팽창밸브 및 상기 다른 하나의 팽창밸브 중 적어도 어느 하나는 개방되는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
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  20. 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기 및 다수의 팽창밸브에 냉매가 순환하는 냉매라인, 파워트레인모듈로 냉각수를 순환시키는 파워트레인라인 및 배터리로 냉각수를 순환시키는 배터리라인을 포함하는 냉각수라인, 상기 냉각수라인과 상기 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러와 배터리쿨러 및 상기 냉매라인 및 상기 냉각수라인에 설치되는 다수의 감지센서를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서,
    사용자가 입력하는 사용자설정온도, 상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 실외온도, 실내온도, 재실인원 및 내부 일사량을 기초로 실내로 토출되는 공기의 목표온도를 계산하는 단계;
    상기 계산된 목표온도와 상기 실외온도를 기초로, 환기모드, 냉방모드 및 난방모드 중 어느 하나의 운전모드를 판단하는 단계; 및
    상기 난방모드로 판단한 경우, 상기 파워트레인칠러 및 상기 배터리쿨러 중 적어도 어느 하나에서 냉매를 증발시키는 폐열회수모드를 판단하는 단계를 포함하며,
    상기 폐열회수모드를 판단하는 단계는,
    상기 다수의 감지센서에 의해 감지되는 냉각수의 온도가 점성력의 변화를 기초로 규정되는 냉각수 기준온도 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 큰 경우, 상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 큰지를 판단하는 단계를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 폐열회수모드를 판단하는 단계는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작은 경우, 실외 열교환기에서 냉매를 증발시키는 일반 난방모드로 운전하는 단계를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 냉각수 기준온도는, 상기 냉각수의 점성력이 상온에서의 점성력 대비 10% 증가하는 온도로 설정되는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 큰 경우, 상기 냉각수만을 냉매 증발의 열원으로 사용하는 단독열원 폐열회수모드로 작동하며,
    상기 실외온도가 상기 냉각수의 어는점 보다 작은 경우, 상기 냉각수 및 외기를 냉매 증발의 열원으로 사용하는 이중열원 폐열회수모드로 작동하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
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