JP2021195115A - 車両用ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】暖房効率を向上させることができる車両用ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】本発明の車両用ヒートポンプシステムは、冷却水ラインに備えられる電装品を冷却するように冷却水を循環させる冷却装置、バッテリモジュールに冷却水を循環させるバッテリー冷却装置、冷却水を利用して車室内を暖房する暖房装置、および冷却水を冷媒と熱交換させて冷却水の温度を調節するチラー、を含み、チラーは、ラジエータと第２バルブの間で冷却水ラインに備えられる第３バルブを通じてチラー連結ラインと連結され、リザーバタンクは、ラジエータと第２バルブの間で冷却水ラインに備えられ、第１バルブと第１ウォータポンプを連結する冷却水ラインと供給ラインを通じて連結される。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用ヒートポンプシステムに関し、より詳しくは、冷媒と冷却水が熱交換される１つのチラーを用いてバッテリモジュールの温度を調節し、電装品から発生した廃熱を利用して暖房効率を向上させる車両用ヒートポンプシステムに関する。

一般に、自動車用空気調和システムは、自動車の室内を暖房または冷房するために冷媒を循環させるエアコン装置を含む。このようなエアコン装置は、外部温度の変化に関係なく自動車の室内温度を適正な温度に維持して快適な室内環境を保つためのものであって、圧縮機の駆動によって吐出される冷媒が凝縮器、レシーバードライヤー、膨張バルブおよび蒸発器を経て再び圧縮機に循環する過程で蒸発器による熱交換によって自動車の室内を暖房または冷房するように構成される。つまり、エアコン装置は、夏季の冷房モード時には圧縮機から圧縮された高温、高圧の気相冷媒が凝縮器を通して凝縮した後、レシーバードライヤーおよび膨張バルブを経て蒸発器での蒸発により室内の温度および湿度を低くする。

一方、最近、エネルギー効率と環境汚染問題などに対する関心が日増しに高まるにつれ、内燃機関自動車を実質的に代替可能な環境に優しい自動車の開発が求められており、このような環境に優しい自動車は、通常、燃料電池や電気を動力源として駆動される電気自動車と、エンジンとバッテリーを用いて駆動されるハイブリッド自動車とに区分される。このような環境に優しい車両のうち、電気自動車またはハイブリッド車両には、一般車両の空気調和装置とは異なり、別途のヒーターを使わず、通常、ヒートポンプシステムが使用される。

また、電気自動車の場合、酸素と水素との化学的反応エネルギーを電気エネルギーに転換して駆動力を発生させるので、この過程で燃料電池内の化学的反応によって熱エネルギーが発生するため、発生した熱を効果的に除去することは燃料電池の性能の確保において必須である。そして、ハイブリッド自動車においても、一般的な燃料で作動するエンジンと共に、燃料電池や電気バッテリーから供給される電気を用いてモータを駆動させて駆動力を発生させるため、燃料電池やバッテリー、およびモータから発生する熱を効果的に除去しなければモータの性能を確保しにくくなる。

これにより、従来技術によるハイブリッド車両や電気自動車は、モータ、電装品、および燃料電池を含むバッテリーの発熱を防止するため、冷却手段およびヒートポンプシステムと共に、バッテリー冷却システムをそれぞれ密閉回路で構成しなければならない。したがって、車両の前方に配置されるクーリングモジュールの大きさおよび重量が増加し、エンジンルームの内部でそれぞれのヒートポンプシステム、冷却手段およびバッテリー冷却システムに冷媒または冷却水を供給する連結配管のレイアウトが複雑になる短所がある。また、バッテリーが最適な性能を発揮できるよう、車両の状態によりバッテリーを昇温または冷却させるためのバッテリー冷却システムを別途に備えているため、各連結配管と連結するための複数のバルブが適用され、該バルブの頻繁な開閉作動による騒音および振動が車室内に伝達されて乗車感が低下する短所もある。

特開２０１７−７７８８０号公報

本発明の目的は、冷媒と冷却水が熱交換される１つのチラーを用いてバッテリモジュールの温度を調節し、電装品から発生した廃熱を回収して室内暖房に使うことによって、暖房効率を向上させることができる車両用ヒートポンプシステムを提供することにある。

本発明による車両用ヒートポンプシステムは、 冷却水ラインに連結されるラジエータ、第１ウォータポンプ、第１バルブ、第２バルブ、およびリザーバタンクを含み、前記冷却水ラインに備えられる少なくとも１つの電装品を冷却するように前記冷却水ラインに冷却水を循環させる冷却装置、前記冷却水ラインと前記第１バルブを通じて連結されるバッテリー冷却水ラインと、前記バッテリー冷却水ラインに連結される第２ウォータポンプと、バッテリモジュールとを含み、前記バッテリモジュールに冷却水を循環させるバッテリー冷却装置、冷却水を利用して車室内を暖房するように前記冷却水ラインと第２バルブを通じて選択的に連結される暖房ラインと、前記暖房ラインに備えられる第３ウォータポンプと、ヒーターと、を含む暖房装置、および前記第１バルブと前記バッテリモジュールの間で前記バッテリー冷却水ラインに備えられ、エアコン装置の冷媒ラインと冷媒連結ラインを通じて連結され、前記バッテリー冷却水ラインを循環する冷却水を前記エアコン装置から選択的に供給された冷媒と熱交換させて冷却水の温度を調節するチラー、を含み、前記チラーは、前記ラジエータと前記第２バルブの間で前記冷却水ラインに備えられる第３バルブを通じてチラー連結ラインに連結され、前記リザーバタンクは、前記ラジエータと前記第２バルブの間で前記冷却水ラインに備えられ、前記第１バルブと前記第１ウォータポンプを連結する前記冷却水ラインと供給ラインを通じて連結されることを特徴とする。

前記ヒーターは、前記エアコン装置に含まれているＨＶＡＣモジュールの内部に備えられることを特徴とする。

前記バッテリー冷却装置は、前記バッテリモジュールと前記チラーの間で前記バッテリー冷却水ラインに備えられる冷却水加熱器をさらに含むことことを特徴とする。

前記バッテリモジュールを昇温する場合、前記バッテリー冷却水ラインは、前記第１バルブの作動により前記冷却水ラインと連結が閉鎖され、前記チラー連結ラインは、前記第３バルブの作動により閉鎖され、前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに沿って冷却水が循環し、前記冷却水加熱器は、前記バッテリー冷却水ラインに沿って前記バッテリモジュールに供給される冷却水を加熱するように作動することことを特徴とする。

前記エアコン装置は、前記冷媒ラインを通じて連結される蒸発器と、車両の冷房、暖房、および除湿モードに応じて、前記蒸発器を通過した外気が前記ヒーターに選択的に流入するように調節する開閉ドアが内部に備えられるＨＶＡＣモジュール、前記第２バルブと前記ヒーターの間で前記暖房ラインに備えられ内部に冷却水が循環し、前記冷媒ラインを通じて供給された冷媒を冷却水と熱交換させるコンデンサ、前記蒸発器と前記コンデンサの間で前記冷媒ラインを通じて連結される圧縮機、前記コンデンサと前記蒸発器の間で前記冷媒ラインに備えられる第１膨張バルブ、および前記冷媒連結ラインに備えられる第２膨張バルブ、を含むことを特徴とする。

前記エアコン装置は、前記コンデンサと前記蒸発器の間で前記冷媒ラインに備えられるサブコンデンサをさらに含むことを特徴とする。

前記冷媒連結ラインの一端は、前記サブコンデンサと前記第１膨張バルブの間で前記冷媒ラインに連結され、前記冷媒連結ラインの他端は、前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒ラインに連結されることを特徴とする。

前記チラーと前記コンデンサは水冷式熱交換器であり、前記サブコンデンサは空冷式熱交換器であることを特徴とする。

前記ＨＶＡＣモジュールは、前記ヒーターに流入する外気を選択的に加熱するように前記ヒーターと前記蒸発器の間に備えられる空気加熱器をさらに含むことを特徴とする。

前記空気加熱器は、前記ヒーターに供給された冷却水の温度が室内暖房の目標温度より低い場合、前記ヒーターに流入する外気の温度を上昇させるために作動することを特徴とする。

冷媒を利用して前記バッテリモジュールを冷却する場合、前記冷却装置では、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインに冷却水が循環し、前記供給ラインが開放され、前記チラー連結ラインが前記第３バルブの作動により閉鎖され、前記暖房装置の作動が停止し、前記バッテリー冷却装置では、前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに冷却水が循環し、前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は、前記第１バルブの作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成し、前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが閉鎖された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする。

車両の冷房モードで前記バッテリモジュールを冷却する場合、前記冷却装置では、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインに冷却水が循環し、前記供給ラインが開放され、前記チラー連結ラインが前記第３バルブの作動により閉鎖され、前記暖房装置では、前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結された状態で、前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに冷却水が循環し、前記バッテリー冷却装置では、前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに冷却水が循環し、前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は、前記第１バルブの作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成し、前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが開放された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする。

車両の暖房および除湿モードを行う場合、前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は作動が停止し、前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により閉鎖され、前記暖房装置では、前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに沿って冷却水が循環し、前記エアコン装置では、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが閉鎖され、前記圧縮機の作動により前記冷媒ラインに沿って冷媒が循環することを特徴とする。

車両の暖房モードで前記電装品と前記コンデンサの廃熱を回収する場合、前記冷却装置では、前記第３バルブの作動により前記ラジエータと連結された前記冷却水ラインと、前記ラジエータと前記リザーバタンクを連結する前記冷却水ラインが閉鎖され、前記供給ラインが開放され、前記第１バルブの作動により前記チラーと連結されたバッテリー冷却水ラインを除いた残りの前記バッテリー冷却水ラインが閉鎖され、前記第３バルブの作動により前記チラー連結ラインが開放され、前記第１ウォータポンプの作動により前記電装品を通過しながら温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータを通過せず、開放された前記冷却水ラインと開放された前記チラー連結ラインに沿って前記チラーに供給され、前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結され、前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに沿って冷却水が循環し、前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて開放された前記冷却水ラインに沿って循環し、前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが閉鎖された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、前記圧縮機の作動により前記冷媒ラインに沿って冷媒が循環し、前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする。

前記ラジエータで冷却された冷却水を利用して前記電装品と前記バッテリモジュールを冷却する場合、前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により閉鎖され、前記バッテリー冷却水ラインは前記第１バルブの作動により前記冷却水ラインと連結され、前記ラジエータで冷却され前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水は、前記第１バルブと前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインを循環しながら前記バッテリモジュールに供給され、前記バッテリー冷却装置を循環した冷却水は、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインを循環しながら前記電装品に供給され、前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて前記冷却水ラインに沿って循環することを特徴とする。

車両の暖房モードで前記電装品の廃熱を利用する場合、前記冷却装置では、前記第３バルブの作動により前記ラジエータと連結された前記冷却水ラインと、前記ラジエータと前記リザーバタンクを連結する前記冷却水ラインが閉鎖され、前記供給ラインが開放され、前記第１バルブの作動により前記チラーと連結されたバッテリー冷却水ラインを除いた残りの前記バッテリー冷却水ラインが閉鎖され、前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により開放され、前記暖房装置では、前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結され、前記第１ウォータポンプの作動により前記電装品を通過しながら温度が上昇した冷却水は前記ラジエータを通過せず、開放された前記冷却水ラインと連結される前記暖房ラインに流入し、前記暖房ラインに流入した冷却水は、前記第３ウォータポンプの作動により前記ヒーターに供給され、前記ヒーターから排出した冷却水は、開放された前記チラー連結ラインに沿って前記チラーを通過して再び前記電装品に流入し、前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて開放された前記冷却水ラインに沿って循環することを特徴とする。

前記第３バルブは前記電装品が過熱される場合、前記ラジエータと連結される前記冷却水ラインを開放して前記暖房装置を循環した冷却水中の一部の冷却水を前記チラー連結ラインに流入させ、残りの冷却水を前記ラジエータに流入させることを特徴とする。

前記第１、および第２バルブは４−ウェイ（ｗａｙ）バルブであり、前記第３バルブは流量分配が可能な３−ウェイバルブであることを特徴とする。

前記電装品は、モータ、電力制御装置、インバータ、または充電器（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ、ＯＢＣ）を含むことを特徴とする。

前記供給ラインは、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインで前記冷却水が循環すれば、前記冷却水ラインと連結されることを特徴とする。

上述のように本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムによれば、冷却水と冷媒が熱交換される１つのチラーを用いて車両のモードによりバッテリモジュールの温度を調節し、冷却水を利用して車室内の暖房を実現することによって、全体システムの簡素化および単純化を図ることができる。また、本発明は、電装品から発生した廃熱とコンデンサの廃熱とを回収して室内暖房に使うことによって、暖房効率を向上させることができる。また、本発明は、バッテリモジュールの温度を効率的に調節することによって、バッテリモジュールの最適な性能を発揮することができ、効率的なバッテリモジュールの管理を通して車両の全体的な走行距離を増加させることができる。さらに、本発明は、全体システムの簡素化により製作コストの節減および重量縮小が可能で、空間活用性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムのブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムでラジエータを利用した電装品とバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで冷媒を利用してバッテリモジュールを冷却させるための作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで車両の冷房モードに対する作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで電装品の廃熱を利用して暖房モードを行うための作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで暖房モードによる電装品およびコンデンサの廃熱回収に対する作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで車両の暖房、および除湿モードに対する作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムでバッテリモジュールの昇温に対する作動状態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本明細書に記載された実施形態の構成は、最も好ましい一実施形態である。しかし、これに限定されるものではなく、多様な変形が可能である。説明上、不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示した。また、様々な部分および領域を明確に表現するために拡大して示した。構成要素を「含む」は他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。「．．．ユニット」、「．．．手段」、「．．．部」、「．．．部材」などの用語は、１つの機能や動作をする包括的な構成の単位として使用した。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムのブロック構成図である。本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムは、冷媒と冷却水が熱交換される１つのチラー３０を利用してバッテリモジュール２４の温度を調節し、電装品１５から発生した廃熱を回収して室内暖房に使用する。このようなヒートポンプシステムは電気自動車に適用される。

図１を参照すると、ヒートポンプシステムは、冷却装置１０、バッテリー冷却装置２０、チラー３０、および暖房装置４０を含む。まず、冷却装置１０は、冷却水ライン１１に連結されるラジエータ１２、第１ウォータポンプ１４、第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、およびリザーバタンク１６を含む。ラジエータ１２は車両の前方に配置され、後方にはクーリングファン１３が備えられ、クーリングファン１３の作動および外気との熱交換により冷却水を冷却する。また、電装品１５は、電力制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＥＰＣＵ）、モータ、インバータ、または充電器（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ、ＯＢＣ）を含むことができる。

このように構成される電装品１５は冷却水ライン１１に備えられ、水冷式で冷却される。これにより、車両の暖房モードで電装品１５の廃熱を回収する場合は電力制御装置、モータ、インバータ、または充電器から発生した熱を回収することができる。また、ラジエータ１２と第１ウォータポンプ１４の間で冷却水ライン１１にはリザーバタンク１６が備えられる。リザーバタンク１６にはラジエータ１２で冷却された冷却水が貯蔵される。このような冷却装置１０は、冷却水ライン１１に備えられる電装品１５に冷却水が供給されるように第１ウォータポンプ１４の作動により冷却水ライン１１に冷却水を循環させることができる。

一方、リザーバタンク１６は、第１バルブＶ１と第１ウォータポンプ１４を連結する冷却水ライン１１と供給ライン１７を通じて連結される。供給ライン１７は、第１ウォータポンプ１４の作動により冷却水ライン１１で冷却水が循環すれば、冷却水ライン１１と連結される。つまり、第１ウォータポンプ１４が作動すると、リザーバタンク１６は、貯蔵された一部の冷却水を供給ライン１７を通じて冷却水ライン１１に常に流入させることができる。これにより、第１ウォータポンプ１４の作動時には第１ウォータポンプ１４で空洞現象（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の発生を防止することができる。また、空洞現象（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）による第１ウォータポンプ１４の破損を未然に防止することができる。

本実施形態で、バッテリー冷却装置２０は、冷却水ライン１１と第１バルブＶ１を通じて連結されるバッテリー冷却水ライン２１と、バッテリー冷却水ライン２１に連結される第２ウォータポンプ２２と、バッテリモジュール２４とを含む。このようなバッテリー冷却装置２０は、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリモジュール２４に選択的に冷却水を循環させることができる。一方、バッテリー冷却装置２０は、バッテリモジュール２４と第１バルブＶ１の間でバッテリー冷却水ライン２１に備えられる冷却水加熱器２６をさらに含むことができる。冷却水加熱器２６は、バッテリモジュール２４の昇温が要求される場合、ＯＮ作動してバッテリー冷却水ライン２１で循環する冷却水を加熱することによって、温度が上昇した冷却水をバッテリモジュール２４に流入させることができる。このような冷却水加熱器２６は、電源供給により作動する電気式ヒーターである。

つまり、冷却水加熱器２６は、バッテリモジュール２４に供給される冷却水の温度が目標温度より低い場合に作動してバッテリー冷却水ライン２１で循環する冷却水を加熱することができる。これにより、冷却水加熱器２６を通過しながら温度が上昇した冷却水は、バッテリモジュール２４に供給され、バッテリモジュール２４の温度を上昇させる。したがって、冷却水加熱器２６は、バッテリモジュール２４の温度を上昇させる場合に選択的に作動する。

本実施形態で、チラー３０は、第１バルブＶ１とバッテリモジュール２４の間でバッテリー冷却水ライン２１に備えられる。このようなチラー３０は、エアコン装置５０の冷媒ライン５１と冷媒連結ライン６１を通じて連結される。つまり、チラー３０は、内部に冷却水が流入する水冷式熱交換器である。ここで、チラー３０は、ラジエータ１２と第２バルブＶ２の間で冷却水ライン１１に備えられる第３バルブＶ３を通じてチラー連結ライン３１と連結される。これにより、チラー３０は、バッテリー冷却水ライン２１とチラー連結ライン３１に選択的に供給された冷却水を、エアコン装置５０から選択的に供給された冷媒と熱交換させて冷却水の温度を調節することができる。ここで、チラー連結ライン３１の一端は、第３バルブＶ３を通じて冷却水ライン１１に連結される。そして、チラー連結ライン３１の他端はチラー３０に連結される。チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により冷却水ライン１１をチラー３０に連結することができる。

そして、暖房装置４０は、冷却水を利用して車室内を暖房するように冷却水ライン１１と第２バルブＶ２を通じて選択的に連結される暖房ライン４１と、暖房ライン４１に備えられる第３ウォータポンプ４２と、ヒーター５２ａとを含むことができる。このように構成される暖房装置４０は車室内を暖房する場合、電装品１５を通過した高温の冷却水が暖房ライン４１に供給されるように第２バルブＶ２の作動により電装品１５と連結された冷却水ライン１１と暖房ライン４１を連結することができる。これにより、高温の冷却水は、暖房ライン４１に沿ってヒーター５２ａに供給される。つまり、暖房装置４０は、車両の暖房モードで冷却装置１０から暖房ライン４１に流入した高温の冷却水、または暖房ライン４１を循環しながら温度が上昇した冷却水を第３ウォータポンプ４２の作動によりヒーター５２ａに供給することによって、車室内を暖房することができる。

ここで、第１、第２、および第３ウォータポンプ１４、２２、４２は電動式ウォータポンプである。また、ヒーター５２ａは、エアコン装置５０に含まれているＨＶＡＣモジュール５２の内部に備えられる。ここで、ＨＶＡＣモジュール５２は、ヒーター５２ａに流入する外気を選択的に加熱するようにヒーター５２ａと蒸発器５６の間に備えられる空気加熱器５２ｃをさらに含むことができる。

空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａに供給された冷却水の温度が室内暖房の目標温度より低い場合、ヒーター５２ａに流入する外気の温度を上昇させるために作動する。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａに供給される外気を選択的に加熱するようにＨＶＡＣモジュール５２の内部で車両の室内に向かってヒーター５２ａの前方に配置する。

本実施形態で、エアコン装置５０は、冷媒ライン５１を通じて連結されるＨＶＡＣモジュール（Ｈｅａｔｉｎｇ、Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）５２、コンデンサ５３、サブコンデンサ５４、第１膨張バルブ５５、蒸発器５６、および圧縮機５９を含む。まず、ＨＶＡＣモジュール５２は、冷媒ライン５１を通じて連結される蒸発器５６と、車両の冷房、暖房、および暖房／除湿モードに応じて、蒸発器５６を通過した外気がヒーター５２ａに選択的に流入するように調節する開閉ドア５２ｂとを内部に備えている。つまり、開閉ドア５２ｂは、車両の暖房モードで蒸発器５６を通過した外気がヒーター５２ａに流入するように開放される。反対に、車両の冷房モードで開閉ドア５２ｂは、蒸発器５６を通過しながら冷却された外気が車両内部に直ちに流入するようにヒーター５２ａ側を閉鎖することになる。

ここで、ＨＶＡＣモジュール５２は、ヒーター５２ａに供給される外気を選択的に加熱するようにヒーター５２ａと蒸発器５６の間に備えられる空気加熱器５２ｃをさらに含むことができる。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａに供給された冷却水の温度が室内暖房の目標温度より低い場合、ヒーター５２ａに流入する外気の温度を上昇させるために作動する。

本実施形態で、コンデンサ５３は、冷媒ライン５１と連結されて冷媒が通過する。コンデンサ５３は、暖房装置４０を循環する冷却水が通過するように第２バルブＶ２とヒーター５２ａの間で暖房ライン４１に備えられる。コンデンサ５３は、暖房ライン４１を循環する冷却水と熱交換により冷媒を凝縮させることができる。つまり、コンデンサ５３は、内部に冷却水が流入する水冷式熱交換器である。

本実施形態で、サブコンデンサ５４は、コンデンサ５３と蒸発器５６の間で冷媒ライン５１に備えられる。ここで、サブコンデンサ５４は、コンデンサ５３で凝縮した冷媒を外気および熱交換によりさらに凝縮させることができる。つまり、サブコンデンサ５４は、ラジエータ１２の前方に配置され、内部に流入した冷媒を外気と相互熱交換させる。つまり、サブコンデンサ５４は、外気を利用して冷媒を凝縮する空冷式熱交換器である。

このように、サブコンデンサ５４は、コンデンサ５３で凝縮した冷媒をさらに凝縮させることによって、冷媒のサブクールを増大させることができ、これによって、圧縮機の所要動力対比冷房能力の係数ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。第１膨張バルブ５５は、サブコンデンサ５４と蒸発器５６の間で冷媒ライン５１に備えられる。第１膨張バルブ５５は、サブコンデンサ５４を通過した冷媒が供給されて膨張する。

本実施形態で、冷媒連結ライン６１の一端は、サブコンデンサ５４と第１膨張バルブ５５の間で冷媒ライン５１に連結される。そして、冷媒連結ライン６１の他端は、蒸発器５６と圧縮機５９の間で冷媒ライン５１に連結される。ここで、冷媒連結ライン６１には第２膨張バルブ６３が備えられる。第２膨張バルブ６３は、冷媒と熱交換された冷却水でバッテリモジュール２４を冷却する場合、冷媒連結ライン６１を通じて流入する冷媒を膨張させてチラー３０に流入させることができる。つまり、第２膨張バルブ６３は、冷媒と熱交換された冷却水を利用してバッテリモジュール２４を冷却するときに冷媒を膨張させるように作動する。

第２膨張バルブ６３は、サブコンデンサ５４から排出した冷媒を膨張させてその温度を低下させた状態でチラー３０に流入させることによって、チラー３０の内部を通過する冷却水の水温をさらに低下させることができる。これにより、バッテリモジュール２４にはチラー３０を通過しながら水温が低くなった冷却水が流入してより効率的に冷却される。そして、圧縮機５９は、蒸発器５６とコンデンサ５３の間で冷媒ライン５１を通じて連結される。圧縮機５９は、気体状態の冷媒を圧縮させ、圧縮された冷媒をコンデンサ５３に供給することができる。

ここで、第１、および第２膨張バルブ５５、６１は、冷媒ライン５１、または冷媒連結ライン６１を通過する冷媒の流動流れを制御しながら、冷媒を選択的に膨張させる電子式膨張バルブでありる。また、第１、および第２バルブＶ１、Ｖ２は４−ウェイバルブであり、第３バルブＶ３は、流量分配が可能な３−ウェイバルブである。

以下、上記のように構成される本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムの作動および作用について、図２〜図８を参照して詳しく説明する。

まず、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、ラジエータ１２を利用した電装品１５とバッテリモジュール２４の冷却時の作動について、図２を参照して説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムでラジエータを利用した電装品とバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。図２を参照すると、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。また、バッテリー冷却水ライン２１は、第１バルブＶ１の作動により冷却水ライン１１と連結される。このような状態で、冷却装置１０では電装品１５の冷却のために第１ウォータポンプ１４が作動する。バッテリー冷却装置２０ではバッテリモジュール２４の冷却のために第２ウォータポンプ２２が作動する。そうすると、ラジエータ１２で冷却されてリザーバタンク１６に貯蔵された冷却水は、第１バルブＶ１と第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に循環しながら、バッテリモジュール２４に供給される。バッテリー冷却装置２０を循環した冷却水は、第１ウォータポンプ１４の作動により冷却水ライン１１を循環しながら電装品１５に供給される。

ここで、リザーバタンク１６に貯蔵された冷却水の一部は、開放された供給ライン１７を通じて冷却水ライン１１に沿って循環する。つまり、ラジエータ１２で冷却され、リザーバタンク１６に貯蔵された冷却水は、第１、および第２ウォータポンプ１４、２２の作動により冷却水ライン１１とバッテリー冷却水ライン２１をそれぞれ循環しながら、電装品１５とバッテリモジュール２４をそれぞれ冷却させることによって、電装品１５およびバッテリモジュール２４を効率的に冷却させることができる。

エアコン装置５０は、車両の冷房モードが作動しないため作動しない。一方、本実施形態では、冷却水で電装品１５とバッテリモジュール２４を全て冷却させることを説明しているが、これに限定されず、電装品１５とバッテリモジュール２４のうちのいずれか１つを別途に冷却する場合には第１、および第２ウォータポンプ１４、２２を選択的に作動させることができる。

本実施形態で、冷媒を利用してバッテリモジュール２４を冷却する場合に対する作動を、図３を参照して説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで冷媒を利用してバッテリモジュールを冷却させるための作動状態図である。図３を参照すると、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。このような状態で、冷却装置１０では、電装品１５の冷却のために第１ウォータポンプ１４が作動する。これにより、冷却装置１０では、第１ウォータポンプ１４の作動により冷却水ライン１１に冷却水が循環する。これと同時に、供給ライン１７は開放される。

バッテリー冷却装置２０では、バッテリモジュール２４の冷却のために第２ウォータポンプ２２が作動する。そうすると、バッテリー冷却装置２０では、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に冷却水が循環する。ここで、冷却装置１０およびバッテリー冷却装置２０は、第１バルブＶ１の作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成することができる。つまり、バッテリー冷却装置２０では、第１バルブＶ１の作動により冷却水ライン１１と連結が閉鎖される。このような状態で、バッテリー冷却装置２０は、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に独立して冷却水が循環する密閉回路を形成することができる。

一方、暖房装置４０は作動が停止する。エアコン装置５０では、冷媒がチラー３０に供給されるように蒸発器５６を除いた各構成要素が作動する。つまり、エアコン装置５０では、第１膨張バルブ５５の作動により蒸発器５６と連結される冷媒ライン５１が閉鎖される。このような状態で、冷媒連結ライン６１は、第２膨張バルブ６３の作動により開放される。そうすると、サブコンデンサ５４を通過した冷媒は、冷媒ライン５１と冷媒連結ライン６１に沿って循環できる。ここで、第２膨張バルブ６３は、冷媒連結ライン６１に供給される冷媒を膨張させてチラー３０に供給することができる。これにより、チラー３０を通過した冷却水は、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリモジュール２４を冷却させるようにバッテリー冷却水ライン２１を循環する。

チラー３０を通過する冷却水は、チラー３０に供給される膨張した冷媒と熱交換により冷却される。チラー３０で冷却された冷却水は、バッテリモジュール２４に供給される。これにより、バッテリモジュール２４は冷却された冷却水によって冷却される。つまり、第２膨張バルブ６３は、膨張した冷媒をチラー３０に供給するようにサブコンデンサ５４を通過した冷媒を膨張させ、冷媒連結ライン６１を開放する。したがって、サブコンデンサ５４から排出した冷媒は、第２膨張バルブ６３の作動により膨張して低温低圧の状態となり、冷媒連結ライン６１と連結されるチラー３０に流入する。

その後、チラー３０に流入した冷媒は冷却水と熱交換され、冷媒連結ライン６１を通じて圧縮機５９に流入する。圧縮機５９は、冷媒を圧縮してコンデンサ５３に供給する。そして、サブコンデンサ５４は、コンデンサ５３から流入した冷媒を外気との熱交換により凝縮させることができる。したがって、バッテリモジュール２４を冷却しながら温度が上昇した冷却水は、低温低圧の冷媒とチラー３０の内部で熱交換により冷却される。冷却された冷却水は、バッテリー冷却水ライン２１を通じて再びバッテリモジュール２４に供給される。つまり、冷却水はこのような過程を繰り返し行いながら、バッテリモジュール２４を効率的に冷却させることができる。

一方、冷媒を利用してバッテリモジュール２４を冷却する状態で、車室内の冷房が必要な場合、第１膨張バルブ５５の作動によりサブコンデンサ５４と蒸発器５６を連結する冷媒ライン５１が開放される。つまり、第１膨張バルブ５５は、車室内冷房の使用の有無により、サブコンデンサ５４と蒸発器５６を連結する冷媒ライン５１を選択的に開放または閉鎖することができる。

本実施形態で、車両の冷房モードでバッテリモジュール２４を冷却する場合に対する作動を、図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで車両の冷房モードに対する作動状態図である。図４を参照すると、冷却装置１０では、第１ウォータポンプ１４の作動により冷却水ライン１１に冷却水が循環する。これと同時に、供給ライン１７は開放される。ここで、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。暖房装置４０では、第２バルブＶ２の作動により冷却水ライン１１と暖房ライン４１が連結される。このような状態で、第３ウォータポンプ４２の作動により暖房ライン４１には冷却装置１１から供給された冷却水が循環する。これにより、ラジエータ１２で冷却された冷却水は電装品１５を通過した後、第１、および第３ウォータポンプ１４、４２の作動によりコンデンサ５３に供給される。

一方、バッテリー冷却装置２０では、バッテリモジュール２４の冷却のために第２ウォータポンプ２２が作動する。そうすると、バッテリー冷却装置２０では第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に冷却水が循環する。ここで、冷却装置１０およびバッテリー冷却装置２０は、第１バルブＶ１の作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成することができる。つまり、バッテリー冷却装置２０では、第１バルブＶ１の作動により冷却水ライン１１と連結が閉鎖される。

このような状態で、バッテリー冷却装置２０は、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に独立して冷却水が循環する密閉回路を形成することができる。つまり、冷却水ライン１１およびバッテリー冷却水ライン２１は、第１バルブＶ１の作動によりそれぞれ独立した密閉回路を形成する。これにより、バッテリー冷却装置２０では、第２ウォータポンプ２２の作動によりチラー３０を通過した冷却水がバッテリー冷却水ライン２１に沿ってバッテリモジュール２４に供給される。

エアコン装置５０では車室内を冷房するために各構成要素が作動する。これにより、冷媒は冷媒ライン５１に沿って循環する。ここで、サブコンデンサ５４と蒸発器５６を連結する冷媒ライン５１は第１膨張バルブ５５の作動により開放される。冷媒連結ライン６１は、第２膨張バルブ６３の作動により開放される。そうすると、サブコンデンサ５４を通過した冷媒は、冷媒ライン５１と冷媒連結ライン６１に沿って循環できる。ここで、第１、および第２膨張バルブ５５、６３は膨張した冷媒が蒸発器５６とチラー３０にそれぞれ供給されるように冷媒を膨張させることができる。

一方、暖房装置４０は、第３ウォータポンプ４２の作動により冷却装置１０で供給された冷却水をコンデンサ５３に供給する。これにより、コンデンサ５３は、暖房ライン４１に沿って流動する冷却水を利用して冷媒を凝縮させる。そして、サブコンデンサ５４は、コンデンサ５３から流入した冷媒を外気との熱交換によりさらに凝縮させることができる。一方、チラー３０を通過した冷却水は、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリモジュール２４を冷却させるようにバッテリー冷却水ライン２１を循環する。チラー３０を通過する冷却水は、チラー３０に供給される膨張した冷媒と熱交換により冷却される。チラー３０で冷却された冷却水は、バッテリモジュール２４に供給される。これにより、バッテリモジュール２４は冷却された冷却水によって冷却される。
つまり、第２膨張バルブ６３は、膨張した冷媒をチラー３０に供給するようにサブコンデンサ５４を通過した冷媒中の一部の冷媒を膨張させ、冷媒連結ライン６１を開放する。

したがって、サブコンデンサ５４から排出した一部の冷媒は、第２膨張バルブ６３の作動により膨張して低温低圧の状態となり、冷媒連結ライン６１と連結されるチラー３０に流入する。その後、チラー３０に流入した冷媒は冷却水と熱交換され、冷媒連結ライン６１を通じて圧縮機５９に流入する。これにより、バッテリモジュール２４を冷却しながら温度が上昇した冷却水は、低温低圧の冷媒とチラー３０の内部で熱交換により冷却される。冷却された冷却水は、バッテリー冷却水ライン２１に沿って再びバッテリモジュール２４に供給される。つまり、バッテリー冷却装置２０で循環した冷却水はこのような過程を繰り返し行いながら、バッテリモジュール２４を効率的に冷却できる。

一方、サブコンデンサ５４から排出した残りの冷媒は、車両の室内を冷房するように冷媒ライン５１を通じて流動され、第１膨張バルブ５５、蒸発器５６、圧縮機５９、およびコンデンサ５３を順次に通過する。ここで、ＨＶＡＣモジュール５２に流入する外気は、蒸発器５６に流入した低温状態の冷媒によって蒸発器５６を通過しながら冷却される。この際、開閉ドア５２ｂは、冷却された外気がヒーター５２ａを通過しないように、ヒーター５２ａを通過する部分は閉鎖する。したがって、冷却された外気は、車両の内部に直接流入することによって、車室内を冷房することができる。

一方、蒸発器５６にはコンデンサ５３とサブコンデンサ５４を順次に通過しながら凝縮量が増加された冷媒が膨張して供給されることによって、冷媒をより低い温度で蒸発させることができる。つまり、本実施形態ではコンデンサ５３が冷媒を凝縮し、サブコンデンサ５４がさらに冷媒を凝縮させることによって、冷媒のサブクール形成が有利になる。そして、サブクールが形成された冷媒が、蒸発器５６でより低い温度で蒸発することによって、蒸発器５６を通過する外気の温度をさらに下げることができ、冷房性能および効率を向上させることができる。このような過程を繰り返し行いながら、冷媒は車両の冷房モードで室内を冷房すると同時に、チラー３０を通過しながら熱交換により冷却水を冷却させることができる。チラー３０で冷却された低温の冷却水は、バッテリモジュール２４に流入する。これにより、バッテリモジュール２４は供給された低温の冷却水によって効率的に冷却されることができる。

本実施形態で、車両の暖房モードでエアコン装置５０の作動なしに電装品１５の廃熱を利用する場合に対する作動を、図５を参照して説明する。

図５は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで電装品の廃熱を利用して暖房モードを行うための作動状態図である。図５を参照すると、ヒートポンプシステムは、電装品１５の廃熱を利用して車室内の暖房を行うことができる。まず、冷却装置１０で第１ウォータポンプ１４は、冷却水の循環のために作動する。この時、エアコン装置５０は作動が中断される。ここで、ラジエータ１２と連結された冷却水ライン１１と、ラジエータ１２とリザーバタンク１６と連結する冷却水ライン１１は第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。供給ライン１７は開放される。

つまり、リザーバタンク１６に貯蔵された冷却水の一部は、開放された供給ライン１７を通じて開放された冷却水ライン１１に沿って循環できる。また、第１バルブＶ１の作動によりチラー３０と連結されたバッテリー冷却水ライン２１を除いた残りのバッテリー冷却水ライン２１が閉鎖される。つまり、第２ウォータポンプ２２、およびバッテリモジュール２４を連結するバッテリー冷却水ライン２１は閉鎖され、バッテリー冷却装置２０の作動が中断される。そして、暖房装置４０では、第２バルブＶ２の作動により冷却水ライン１１と暖房ライン４１が連結される。

ここで、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により開放される。
このような状態で、第１ウォータポンプ１４の作動により電装品１５を通過しながら温度が上昇した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、開放された冷却水ライン１１と連結される暖房ライン４１に流入する。暖房ライン４１に流入した冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりヒーター５２ａに供給される。ヒーター５２ａから排出した冷却水は、第２バルブＶ２を通じて開放された一部の冷却水ライン１１に流入する。

その後、第３バルブＶ３の作動により開放されたチラー連結ライン３１に沿ってチラー３０に流入する。チラー３０から排出した冷却水は、開放された冷却水ライン１１に沿って再び電装品１５に流入する。つまり、電装品１５を通過した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、開放された冷却水ライン１１、チラー連結ライン３１、および開放された一部のバッテリー冷却水ライン２１に沿って循環し続け、電装品１５から廃熱を吸収して温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、冷却水ライン１１と連結された暖房ライン４１を通じてヒーター５２ａに供給される。ここで、暖房ライン４１に流入した冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりヒーター５２ａを通過する。この時、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度により選択的に作動する。

空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。つまり、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過しながら高温の冷却水と熱交換が完了した外気の温度が設定温度、または暖房目標温度より低い場合に作動する。つまり、空気加熱器５２ｃが作動すると、外気は空気加熱器５２ｃを通過しながら加熱して温度が上昇した状態で車室内に流入する。

一方、ヒーター５２ａに供給された高温の冷却水は外気と熱交換された後、暖房ライン４１と第２バルブＶ２を通じて連結された一部の冷却水ライン１１に流動される。その後、第３バルブＶ３の作動により開放されたチラー連結ライン３１に沿って、ラジエータ１２を通過せず、チラー３０と一部のバッテリー冷却水ライン２１を経て電装品１５と連結された冷却水ライン１１に流入する。ここで、開閉ドア５２ｂは、ＨＶＡＣモジュール５２に流入する外気がヒーター５２ａを通過するように開放される。これにより、外部から流入した外気は、冷媒が供給されない蒸発器５６の通過の際、冷却されない室温状態で流入する。流入した外気は、ヒーター５２ａを通過しながら高温状態に変換されて車室内に流入することによって、車室内の暖房が具現される。つまり、本発明はこのような過程を繰り返し行いながら、電装品１５から発生した廃熱を回収して室内暖房に利用することによって、使用電力を減らし、全体的な暖房効率を向上させることができる。

一方、電装品１５の廃熱を冷却水を利用して回収して車両の室内を暖房する過程で、電装品１５が過熱されると、第３バルブＶ３の作動によりラジエータ１２と連結された冷却水ライン１１と、ラジエータ１２とリザーバタンク１６を連結する冷却水ライン１１が開放される。これにより、チラー連結ライン３１に流入しない残りの冷却水は、ラジエータ１２を通過しながら冷却される。冷却が完了した冷却水は、チラー連結ライン３１に沿ってチラー３０を通過した冷却水と一緒に、電装品１５を通過しながら廃熱を回収すると同時に、電装品１５を効率的に冷却することができる。つまり、第３バルブＶ３は電装品１５が過熱される場合、ラジエータ１２と連結される冷却水ライン１１を開放して暖房ライン４１を通過した冷却水中の一部の冷却水をチラー連結ライン３１に流入させ、残りの冷却水をラジエータ１２に流入させることができる。これにより、ラジエータ１２で冷却された一部の冷却水が電装品１５に供給されることによって、電装品１５が過熱されることを防止することができる。

したがって、本発明は、電装品１５から発生した廃熱を回収して室内暖房に利用することによって、使用電力を減らし、全体的な暖房効率を向上させることができる。これと同時に、本発明は、流量分配が可能な第３バルブＶ３の作動制御により一部の冷却水をラジエータ１２に流入させて冷却した後、電装品１５に供給することによって、電装品１５の効率的な冷却が可能になると同時に、電装品１５の冷却性能を確保することができる。

本実施形態で、車両の暖房モードで電装品１５およびコンデンサ５３の廃熱を回収する場合の作動を、図６を参照して説明する。

図６は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで暖房モードに応じた電装品とコンデンサの廃熱回収に対する作動状態図である。図６を参照すると、冷却装置１０で第１ウォータポンプ１４は、冷却水の循環のために作動する。ここで、ラジエータ１２と連結された冷却水ライン１１と、ラジエータ１２とリザーバタンク１６を連結する冷却水ライン１１は第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。供給ライン１７は開放される。つまり、リザーバタンク１６に貯蔵された冷却水の一部は、開放された供給ライン１７を通じて開放された冷却水ライン１１に沿って循環できる。

ここで、第１バルブＶ１の作動によりチラー３０と連結されたバッテリー冷却水ライン２１を除いた残りのバッテリー冷却水ライン２１が閉鎖される。つまり、第２ウォータポンプ２２、およびバッテリモジュール２４を連結するバッテリー冷却水ライン２１は閉鎖され、バッテリー冷却装置２０の作動が中断される。そして、暖房装置４０では、第２バルブＶ２の作動により冷却水ライン１１と暖房ライン４１が連結される。

ここで、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により開放される。
このような状態で、第１ウォータポンプ１４の作動により電装品１５を通過しながら温度が上昇した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、開放された冷却水ライン１１と連結される暖房ライン４１に流入する。暖房ライン４１に流入した冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりヒーター５２ａに供給される。ヒーター５２ａから排出した冷却水は、第２バルブＶ２を通じて開放された一部の冷却水ライン１１に流入する。その後、第３バルブＶ３の作動により開放されたチラー連結ライン３１に沿ってチラー３０に流入する。チラー３０から排出した冷却水は、開放された冷却水ライン１１に沿って再び電装品１５に流入する。つまり、電装品１５を通過した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、開放された冷却水ライン１１、チラー連結ライン３１、および開放された一部のバッテリー冷却水ライン２１に沿って循環し続け、電装品１５から廃熱を吸収して温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、冷却水ライン１１と連結された暖房ライン４１を通じてヒーター５２ａに供給される。このような作動により、電装品１５の廃熱を吸収して温度が上昇した冷却水は暖房装置４０を循環する。その後、冷却水は、第１ウォータポンプ１４の作動によりチラー３０を通過しながら、チラー３０に供給された冷媒の温度を上昇させながら回収される。

一方、暖房装置４０では、第３ウォータポンプ４２の作動により電装品１５を通過しながら温度が上昇した冷却水が暖房ライン４１に沿って循環する。これにより、暖房ライン４１を循環する冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりコンデンサ５３を通過した後、ヒーター５２ａに供給される。ヒーター５２ａから排出した冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりコンデンサ５３に供給される。一方、エアコン装置５０では、冷媒がチラー３０に供給されるように蒸発器５６を除いた各構成要素が作動する。

ここで、第１膨張バルブ５５の作動により蒸発器５６と連結される冷媒ライン５１が閉鎖される。このような状態で、冷媒連結ライン６１は、第２膨張バルブ６３の作動により開放される。そうすると、サブコンデンサ５４を通過した冷媒は、冷媒ライン５１と冷媒連結ライン６１に沿って循環できる。ここで、第２膨張バルブ６３は、冷媒連結ライン６１に供給される冷媒を膨張させてチラー３０に供給することができる。そして、電装品１５の廃熱を吸収して温度が上昇した冷却水は暖房装置４０を循環した後、開放されたチラー連結ライン３１に流入する。チラー連結ライン３１に流入した冷却水は、第１ウォータポンプ１４の作動によりチラー３０を通過しながら、チラー３０に供給された冷媒の温度を上昇させながら回収される。

つまり、チラー３０は、サブコンデンサ５４から供給され、第２膨張バルブ６３の作動により膨張した冷媒が冷媒連結ライン６１を通じて供給される。そして、チラー３０は供給された冷媒を電装品１５と暖房装置４０を通過しながら温度が上昇した冷却水との熱交換により蒸発させることによって、電装品１５の廃熱を回収することができる。その後、チラー３０を通過した冷媒は、冷媒連結ライン６１に沿って圧縮機５９に供給される。圧縮機５９から高温高圧の状態で圧縮された冷媒は、コンデンサ５３に流入する。

ここで、コンデンサ５３に供給された冷媒は、暖房ライン４１を循環する冷却水と熱交換されながら冷却水の温度を上昇させることができる。温度が上昇した冷却水は、ヒーター５２ａに供給される。つまり、暖房装置４０は、第３ウォータポンプ４２の作動により暖房ライン４１を循環する冷却水をコンデンサ５３に供給する。

これにより、コンデンサ５３は、暖房ライン４１に沿って循環する冷却水を利用して圧縮機５９から供給された冷媒を凝縮させる。この時、暖房ライン４１を循環する冷却水は、コンデンサ５３を通過しながら冷媒と熱交換により温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、暖房ライン４１に沿ってヒーター５２ａに供給される。

ここで、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度により選択的に作動する。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。つまり、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過しながら高温の冷却水と熱交換が完了した外気の温度が設定温度、または暖房目標温度より低い場合に作動する。空気加熱器５２ｃが作動すると、外気は、空気加熱器５２ｃを通過しながら加熱して温度が上昇した状態で車室内に流入する。ここで、開閉ドア５２ｂは、ＨＶＡＣモジュール５２に流入して蒸発器５６を通過した外気がヒーター５２ａを通過するように開放される。これにより、外部から流入した外気は、冷媒が供給されない蒸発器５６の通過の際、冷却されない室温状態で流入する。流入した外気は、ヒーター５２ａを通過しながら高温状態に変換されて車室内に流入することによって、車室内の暖房が具現される。

つまり、本実施形態によるヒートポンプシステムは、車両の暖房モードで電装品１５の廃熱とコンデンサ５３の廃熱を利用して冷媒の温度を上昇させることによって、圧縮機５９の動力消耗を減らし、暖房効率を向上させることができる。本実施形態で、車両の暖房および除湿モードに対する作動を、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムで車両の暖房、および除湿モードに対する作動状態図である。図７を参照すると、冷却装置１０とバッテリー冷却装置２０は作動が停止する。ここで、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。暖房装置４０では、第３ウォータポンプ４２の作動により暖房ライン４１に沿って冷却水が循環する。

そうすると、暖房ライン４１を循環する冷却水は、第３ウォータポンプ４２の作動によりコンデンサ５３を通過した後、ヒーター５２ａに供給される。これにより、コンデンサ５３は、暖房ライン４１に沿って循環する冷却水を利用して圧縮機５９から供給された冷媒を凝縮させる。この時、暖房ライン４１を循環する冷却水は、コンデンサ５３を通過しながら冷媒と熱交換により温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、暖房ライン４１に沿ってヒーター５２ａに供給される。ここで、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度により選択的に作動する。

したがって、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。つまり、空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過した外気の温度が目標温度より低い場合に作動して車両の室内に流入する外気を加熱することができる。空気加熱器５２ｃは、ヒーター５２ａを通過しながら高温の冷却水と熱交換が完了した外気の温度が設定温度、または暖房目標温度より低い場合に作動する。空気加熱器５２ｃが作動すると、外気は、空気加熱器５２ｃを通過しながら加熱して温度が上昇した状態で車室内に流入する。

一方、エアコン装置５０では車室内を除湿するために各構成要素が作動する。これにより、圧縮機５９の作動により冷媒ライン５１に沿って冷媒が循環する。ここで、サブコンデンサ５４と蒸発器５６を連結する冷媒ライン５１は、第１膨張バルブ５５の作動により開放される。冷媒連結ライン６１は、第２膨張バルブ６３の作動により閉鎖される。コンデンサ５３に供給された冷媒は、暖房ライン４１を循環する冷却水と熱交換されながら冷却水の温度を上昇させることができる。温度が上昇した冷却水は、ヒーター５２ａに供給される。

一方、第１膨張バルブ５５の作動により蒸発器５６に供給された膨張した冷媒は、蒸発器５６を通過する外気と熱交換された後、圧縮機５９に供給される。つまり、蒸発器５６を通過した冷媒は圧縮機５９に供給される。そして、圧縮機５９から高温高圧の状態で圧縮された冷媒は、コンデンサ５３に流入する。ここで、開閉ドア５２ｂは、ＨＶＡＣモジュール５２に流入して蒸発器５６を通過した外気がヒーター５２ａを通過するように開放される。つまり、ＨＶＡＣモジュール５２に流入する外気は、蒸発器５６に流入した低温状態の冷媒によって蒸発器５６を通過しながら除湿される。その後、ヒーター５２ａを通過しながら高温状態に変換されて車室内に流入することによって、車室内が暖房および除湿される。

本実施形態によるヒートポンプシステムは、車両の暖房および除湿モードでコンデンサ５３から発生した廃熱を冷媒の温度を上昇させるために利用することによって、圧縮機５９の動力消耗を減らし、暖房効率を向上させることができる。そして、バッテリモジュール２４を昇温するための作動を、図８を参照して説明する。

図８は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムでバッテリモジュールの昇温に対する作動状態図である。図８を参照すると、冷却装置１０、暖房装置４０、およびエアコン装置５０は作動が中断される。ここで、バッテリー冷却水ライン２１は、第１バルブＶ１の作動により冷却水ライン１１と連結が閉鎖される。つまり、バッテリー冷却装置２０で第２ウォータポンプ２２、バッテリモジュール２４、および冷却水加熱器２６を連結するバッテリー冷却水ライン２１が開放される。

また、チラー連結ライン３１は、第３バルブＶ３の作動により閉鎖される。このような状態で、第２ウォータポンプ２２の作動によりバッテリー冷却水ライン２１に沿って冷却水が循環する。ここで、冷却水加熱器２６は、開放されたバッテリー冷却水ライン２１に沿ってバッテリモジュール２４に供給される冷却水を加熱するように作動する。そうすると、バッテリー冷却水ライン２１で循環する冷却水は、冷却水加熱器２６を通過しながら温度が上昇する。冷却水加熱器２６を通過しながら温度が上昇した冷却水は、バッテリモジュール２４に供給されることによって、バッテリモジュール２４の温度を上昇させることができる。

つまり、本発明は、このような過程を繰り返し行いながら、バッテリモジュール２４の温度を迅速に上昇させることができ、バッテリモジュール２４の効率的な温度管理が可能になる。したがって、上述のように本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムによれば、冷却水と冷媒が熱交換される１つのチラー３０を利用して車両のモードに応じてバッテリモジュール２４の温度を調節し、冷却水を利用して車室内の暖房を実現することによって、全体システムの簡素化および単純化を図ることができる。

また、本発明は、電装品１５から発生した廃熱を回収して室内暖房に使うことによって、暖房効率を向上させることができる。また、本発明は、バッテリモジュール２４の温度を効率的に調節することによって、バッテリモジュール２４の最適な性能を発揮することができ、効率的なバッテリモジュール２４の管理によって車両の全体的な走行距離を増加させることができる。さらに、本発明は、全体システムの簡素化により製造コストの節減および重量縮小が可能で、空間活用性を向上させることができる。

１０ 冷却装置
１１ 冷却水ライン
１２ ラジエータ
１３ クーリングファン
１４、２２、４２ 第１、第２、および第３ウォータポンプ
１５ 電装品
１６ リザーバタンク
１７ 供給ライン
２０ バッテリー冷却装置
２１ バッテリー冷却水ライン
２４ バッテリモジュール
２６ 冷却水加熱器
３０ チラー
３１ チラー連結ライン
４０ 暖房装置
４１ 暖房ライン
５０ エアコン装置
５１ 冷媒ライン
５２ ＨＶＡＣモジュール
５２ａ ヒーター
５２ｂ 開閉ドア
５２ｃ 空気加熱器５３：コンデンサ
５４ サブコンデンサ
５５、６３ 第１、および第２膨張バルブ
５６ 蒸発器
５７ アキュムレータ
５９ 圧縮機
６１ 冷媒連結ライン
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ 第１、第２、および第３バルブ

Claims (20)

1. 冷却水ラインに連結されるラジエータ、第１ウォータポンプ、第１バルブ、第２バルブ、およびリザーバタンクを含み、前記冷却水ラインに備えられる少なくとも１つの電装品を冷却するように前記冷却水ラインに冷却水を循環させる冷却装置、
   前記冷却水ラインと前記第１バルブを通じて連結されるバッテリー冷却水ラインと、前記バッテリー冷却水ラインに連結される第２ウォータポンプと、バッテリモジュールとを含み、前記バッテリモジュールに冷却水を循環させるバッテリー冷却装置、
   冷却水を利用して車室内を暖房するように前記冷却水ラインと第２バルブを通じて選択的に連結される暖房ラインと、前記暖房ラインに備えられる第３ウォータポンプと、ヒーターと、を含む暖房装置、および
   前記第１バルブと前記バッテリモジュールの間で前記バッテリー冷却水ラインに備えられ、エアコン装置の冷媒ラインと冷媒連結ラインを通じて連結され、前記バッテリー冷却水ラインを循環する冷却水を前記エアコン装置から選択的に供給された冷媒と熱交換させて冷却水の温度を調節するチラー、を含み、
   前記チラーは、前記ラジエータと前記第２バルブの間で前記冷却水ラインに備えられる第３バルブを通じてチラー連結ラインと連結され、
   前記リザーバタンクは、前記ラジエータと前記第２バルブの間で前記冷却水ラインに備えられ、前記第１バルブと前記第１ウォータポンプを連結する前記冷却水ラインと供給ラインを通じて連結されることを特徴とする車両用ヒートポンプシステム。
2. 前記ヒーターは、
   前記エアコン装置に含まれているＨＶＡＣモジュールの内部に備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
3. 前記バッテリー冷却装置は、
   前記バッテリモジュールと前記チラーの間で前記バッテリー冷却水ラインに備えられる冷却水加熱器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
4. 前記バッテリモジュールを昇温する場合、
   前記バッテリー冷却水ラインは、前記第１バルブの作動により前記冷却水ラインと連結が閉鎖され、
   前記チラー連結ラインは、前記第３バルブの作動により閉鎖され、
   前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに沿って冷却水が循環し、
   前記冷却水加熱器は、前記バッテリー冷却水ラインに沿って前記バッテリモジュールに供給される冷却水を加熱するように作動することを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
5. 前記エアコン装置は、
   前記冷媒ラインを通じて連結される蒸発器と、車両の冷房、暖房、および除湿モードに応じて、前記蒸発器を通過した外気が前記ヒーターに選択的に流入するように調節する開閉ドアが内部に備えられるＨＶＡＣモジュール、
   前記第２バルブと前記ヒーターの間で前記暖房ラインに備えられ内部に冷却水が循環し、前記冷媒ラインを通じて供給された冷媒を冷却水と熱交換させるコンデンサ、
   前記蒸発器と前記コンデンサの間で前記冷媒ラインを通じて連結される圧縮機、
   前記コンデンサと前記蒸発器の間で前記冷媒ラインに備えられる第１膨張バルブ、および
   前記冷媒連結ラインに備えられる第２膨張バルブ、を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
6. 前記エアコン装置は、
   前記コンデンサと前記蒸発器の間で前記冷媒ラインに備えられるサブコンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
7. 前記冷媒連結ラインの一端は、前記サブコンデンサと前記第１膨張バルブの間で前記冷媒ラインに連結され、
   前記冷媒連結ラインの他端は、前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒ラインに連結されることを特徴とする請求項６に記載の車両用ヒートポンプシステム。
8. 前記チラーと前記コンデンサは水冷式熱交換器であり、前記サブコンデンサは空冷式熱交換器であることを特徴とする請求項６に記載の車両用ヒートポンプシステム。
9. 前記ＨＶＡＣモジュールは、
   前記ヒーターに流入する外気を選択的に加熱するように前記ヒーターと前記蒸発器の間に備えられる空気加熱器をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
10. 前記空気加熱器は、
    前記ヒーターに供給された冷却水の温度が室内暖房の目標温度より低い場合、前記ヒーターに流入する外気の温度を上昇させるために作動することを特徴とする請求項９に記載の車両用ヒートポンプシステム。
11. 冷媒を利用して前記バッテリモジュールを冷却する場合、
    前記冷却装置では、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインに冷却水が循環し、前記供給ラインが開放され、
    前記チラー連結ラインが前記第３バルブの作動により閉鎖され、
    前記暖房装置の作動が停止し、
    前記バッテリー冷却装置では、前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに冷却水が循環し、
    前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は、前記第１バルブの作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成し、
    前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが閉鎖された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、
    前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
12. 車両の冷房モードで前記バッテリモジュールを冷却する場合、
    前記冷却装置では、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインに冷却水が循環し、前記供給ラインが開放され、
    前記チラー連結ラインが前記第３バルブの作動により閉鎖され、
    前記暖房装置では、前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結された状態で、前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに冷却水が循環し、
    前記バッテリー冷却装置では、前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインに冷却水が循環し、
    前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は、前記第１バルブの作動によりそれぞれ冷却水が循環する独立した密閉回路を形成し、
    前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが開放された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、
    前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
13. 車両の暖房および除湿モードを行う場合、
    前記冷却装置と前記バッテリー冷却装置は作動が停止し、
    前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により閉鎖され、
    前記暖房装置では、前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに沿って冷却水が循環し、
    前記エアコン装置では、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが閉鎖され、前記圧縮機の作動により前記冷媒ラインに沿って冷媒が循環することを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
14. 車両の暖房モードで前記電装品と前記コンデンサの廃熱を回収する場合、
    前記冷却装置では、前記第３バルブの作動により前記ラジエータと連結された前記冷却水ラインと、前記ラジエータと前記リザーバタンクを連結する前記冷却水ラインが閉鎖され、
    前記供給ラインが開放され、
    前記第１バルブの作動により前記チラーと連結されたバッテリー冷却水ラインを除いた残りの前記バッテリー冷却水ラインが閉鎖され、
    前記第３バルブの作動により前記チラー連結ラインが開放され、
    前記第１ウォータポンプの作動により前記電装品を通過しながら温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータを通過せず、開放された前記冷却水ラインと開放された前記チラー連結ラインに沿って前記チラーに供給され、
    前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結され、
    前記第３ウォータポンプの作動により前記暖房ラインに沿って冷却水が循環し、
    前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて開放された前記冷却水ラインに沿って循環し、
    前記エアコン装置では、前記第１膨張バルブの作動により前記蒸発器と連結される前記冷媒ラインが閉鎖された状態で、前記第２膨張バルブの作動により前記冷媒連結ラインが開放され、
    前記圧縮機の作動により前記冷媒ラインに沿って冷媒が循環し、
    前記第２膨張バルブは、前記冷媒連結ラインに供給される冷媒を膨張させて前記チラーに供給することを特徴とする請求項５に記載の車両用ヒートポンプシステム。
15. 前記ラジエータで冷却された冷却水を利用して前記電装品と前記バッテリモジュールを冷却する場合、
    前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により閉鎖され、
    前記バッテリー冷却水ラインは前記第１バルブの作動により前記冷却水ラインと連結され、
    前記ラジエータで冷却され前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水は、前記第１バルブと前記第２ウォータポンプの作動により前記バッテリー冷却水ラインを循環しながら前記バッテリモジュールに供給され、
    前記バッテリー冷却装置を循環した冷却水は、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインを循環しながら前記電装品に供給され、
    前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて前記冷却水ラインに沿って循環することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
16. 車両の暖房モードで前記電装品の廃熱を利用する場合、
    前記冷却装置では、前記第３バルブの作動により前記ラジエータと連結された前記冷却水ラインと、前記ラジエータと前記リザーバタンクを連結する前記冷却水ラインが閉鎖され、
    前記供給ラインが開放され、
    前記第１バルブの作動により前記チラーと連結されたバッテリー冷却水ラインを除いた残りの前記バッテリー冷却水ラインが閉鎖され、
    前記チラー連結ラインは前記第３バルブの作動により開放され、
    前記暖房装置では、前記第２バルブの作動により前記冷却水ラインと前記暖房ラインが連結され、
    前記第１ウォータポンプの作動により前記電装品を通過しながら温度が上昇した冷却水は前記ラジエータを通過せず、開放された前記冷却水ラインと連結される前記暖房ラインに流入し、
    前記暖房ラインに流入した冷却水は、前記第３ウォータポンプの作動により前記ヒーターに供給され、
    前記ヒーターから排出した冷却水は、開放された前記チラー連結ラインに沿って前記チラーを通過して再び前記電装品に流入し、
    前記リザーバタンクに貯蔵された冷却水の一部は、開放された前記供給ラインを通じて開放された前記冷却水ラインに沿って循環することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
17. 前記第３バルブは、
    前記電装品が過熱される場合、前記ラジエータと連結される前記冷却水ラインを開放して前記暖房装置を循環した冷却水中の一部の冷却水を前記チラー連結ラインに流入させ、残りの冷却水を前記ラジエータに流入させることを特徴とする請求項１６に記載の車両用ヒートポンプシステム。
18. 前記第１、および第２バルブは４−ウェイバルブであり、前記第３バルブは流量分配が可能な３−ウェイバルブであることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
19. 前記電装品は、モータ、電力制御装置、インバータ、または充電器（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ、ＯＢＣ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
20. 前記供給ラインは、前記第１ウォータポンプの作動により前記冷却水ラインで前記冷却水が循環すれば、前記冷却水ラインと連結されることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。

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