KR101313593B1

KR101313593B1 - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR101313593B1
Application number: KR1020110103368A
Authority: KR
Inventors: 김학규; 이정재; 최영호; 임연우
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-10-01
Also published as: KR20130038982A

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 냉매 순환라인상에서 제1팽창수단 및 증발기를 바이패스하는 제1바이패스라인과, 실외열교환기,제1팽창수단,증발기를 바이패스하는 제2바이패스라인을 설치하되, 상기 제2바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수하는 열공급수단을 설치하여, 실외온도에 따라 실외열교환기 또는 열공급수단 중 어느 하나 또는 양자 모두에 냉매가 유동하도록 함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능을 향상함과 아울러 실외온도가 영하인 조건에서도 전장품의 폐열을 회수하여 사용하므로 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하며, 또한 실외 열교환기의 적상을 지연시키거나 방지하여 히트펌프 시스템의 성능을 향상시키고, 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리도 증대시킬 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for vehicle}

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 냉매 순환라인상에서 제1팽창수단 및 증발기를 바이패스하는 제1바이패스라인과, 실외열교환기,제1팽창수단,증발기를 바이패스하는 제2바이패스라인을 설치하되, 상기 제2바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수하는 열공급수단을 설치하여, 실외온도에 따라 실외열교환기 또는 열공급수단 중 어느 하나 또는 양자 모두에 냉매가 유동하도록 한 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.

한편, 상기한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있는데, 예컨대 2개의 열교환기(즉, 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기)와, 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브를 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 역할을 하게 되며, 난방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 역할을 하게 된다.

이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류가 제안되고 있는데, 그 대표적인 일예가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 차량용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 고압측 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키는 제1팽창밸브(34) 및 제1바이패스 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외기(48)와, 상기 실외기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 저압측 열교환기(60)와, 상기 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 벙렬로 설치되어 상기 실외기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.

도 1 중 도면부호 10은 상기 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 12는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 20은 상기 공조케이스의 입구에 설치되는 송풍기를 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 히트펌프 모드(난방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 개방된다. 또한, 온도조절도어(12)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 고압측 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.

에어컨 모드(냉방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 고압측 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2팽창밸브(56), 저압측 열교환기(60), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 저압측 열교환기(60)가 증발기의 역할을 하게 되고, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 고압측 열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.

그러나, 상기 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드(난방모드)시 상기 공조케이스(10)의 내부에 설치된 고압측 열교환기(32)가 난방기 역할을 하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외기(48)는 공조케이스(10)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 실외공기와 열교환하는 증발기 역할을 하게 되는데,

이때, 실외온도가 낮은 조건에서는 상기 증발기 역할을 하는 실외기(48)가 차가운 실외공기와 열교환하기 때문에 상기 난방기 역할을 하는 고압측 열교환기(32)측에 충분한 폐열을 공급하지 못하게 되며, 이처럼 실외온도가 낮은 조건에서는 열원이 확보 되지 않으면 난방 성능이 악화되고, 특히 실외기(48)의 적상 문제로 인해 냉매와 실외공기간에 열교환효율이 저하되어 난방성능 및 히트펌프 시스템의 효율이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기와 같이 실외온도가 낮은 조건에서의 성능악화 문제를 해결하기 위해 공조케이스(10)의 내부에 전기 가열식 히터(미도시)를 메인 난방용 또는 보조 난방용으로 설치하는 경우가 있으나, 이처럼 전기 가열식 히터를 난방장치로 이용한 경우에는 전기자동차 또는 연료전지 차량에서 제공할 수 있는 전기에너지에 한계가 있기 때문에 상기 전기 가열식 히터의 작동에 의한 소비전력 과다로 인해 배터리에 의한 차량 주행거리가 급격히 감소하는 문제가 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 냉매 순환라인상에서 제1팽창수단 및 증발기를 바이패스하는 제1바이패스라인과, 실외열교환기,제1팽창수단,증발기를 바이패스하는 제2바이패스라인을 설치하되, 상기 제2바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수하는 열공급수단을 설치하여, 실외온도에 따라 실외열교환기 또는 열공급수단 중 어느 하나 또는 양자 모두에 냉매가 유동하도록 함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능을 향상함과 아울러 실외온도가 영하인 조건에서도 전장품의 폐열을 회수하여 사용하므로 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하며, 또한 실외 열교환기의 적상을 지연시키거나 방지하여 히트펌프 시스템의 성능을 향상시키고, 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리도 증대시킬 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매 순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기의 출구측 냉매 순환라인과 연결되어, 상기 공조케이스내를 유동하는 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 상기 공조케이스의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기의 입구측 냉매 순환라인과 연결되어, 상기 공조케이스내를 유동하는 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 증발기의 입구측 냉매 순환라인상에 설치되어, 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 제1팽창수단의 입구측 냉매 순환라인과 상기 증발기의 출구측 냉매 순환라인을 연결하도록 설치되어, 상기 실외열교환기를 통과한 냉매가 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 제1팽창수단 및 증발기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인과, 상기 실내열교환기와 실외열교환기를 연결하는 냉매 순환라인상에 병렬로 설치됨과 아울러 냉매 팽창을 위한 제2팽창수단이 구비되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 선택적으로 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기로 공급하도록 하는 팽창라인과, 상기 팽창라인을 통과하는 냉매의 일부 또는 전부가 상기 실외열교환기, 제1팽창수단, 증발기를 바이패스하도록, 상기 팽창라인으로부터 분기하여 상기 제1바이패스라인 또는 상기 압축기의 입구측 냉매 순환라인을 연결하는 제2바이패스라인과, 상기 제2바이패스라인상에 설치되어 제2바이패스라인을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 냉매 순환라인상에서 제1팽창수단 및 증발기를 바이패스하는 제1바이패스라인과, 실외열교환기,제1팽창수단,증발기를 바이패스하는 제2바이패스라인을 설치하되, 상기 제2바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수하는 열공급수단을 설치하여, 실외온도에 따라 실외열교환기 또는 열공급수단 중 어느 하나 또는 양자 모두에 냉매가 유동하도록 함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능이 향상된다.

또한, 실외온도가 영하인 조건에서도 전장품의 폐열을 회수하여 사용하므로 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상함과 아울러 실외 열교환기의 적상을 지연시키거나 방지하여 히트펌프 시스템의 전체 성능을 향상시키고, 이로인해 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리도 증대시킬 수 있다.

그리고, 히트펌프 모드시에도 제습모드를 수행할 수 있게 됨으로써, 차실내 제습기능을 수행하여 탑승자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 중 제1난방모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 중 제2난방모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 중 제3난방모드를 나타내는 구성도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 중 제습모드를 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 에어컨 시스템의 냉매 순환라인(R)상에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 제2팽창수단(120)과, 실외열교환기(130)와, 제1팽창수단(140)과, 증발기(160)가 순차적으로 설치되어 구성되는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉매 순환라인(R)상에는 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 제1바이패스라인(R1)과, 실외열교환기(130)와 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 제2바이패스라인(R2)과, 제2팽창수단(120)이 설치된 팽창라인(R3)이 각각 병렬로 연결 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)의 분기지점에는 제1방향전환밸브(191)가 설치되고, 상기 팽창라인(R3)의 분기지점에는 제2방향전환밸브(192)가 설치된다.

아울러, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 분기라인(R4)이 설치된다.

또한, 상기 팽창라인(R3)과 제2바이패스라인(R2)에는 각각 온,오프밸브(195a,195b)가 설치되고, 상기 제1바이패스라인(R1)과 분기라인(R4)에도 각각 온,오프밸브(196a,196b)가 설치된다.

한편, 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에는 어큐뮬레이터(170)가 설치된다.

상기 어큐뮬레이터(170)는 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 제1팽창수단(140), 증발기(160), 어큐뮬레이터(170), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110) 및 실외열교환기(130)는 응축기 역할을 수행하게 된다.

히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시)에는, 도 3과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 팽창라인(R3)의 제2팽창수단(120), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 어큐뮬레이터(170), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하게 된다.

이처럼, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 냉매 순환방향이 동일하여 냉매 순환라인(R)의 많은 구간을 공용화 할 수 있으며, 이로인해 냉매가 흐르지 않을 때 발생하는 냉매 정체현상을 방지하고, 전체 냉매 순환라인(R)도 단순화 할 수 있다.

그리고, 본 발명에서는, 상기 히트펌프 모드를 실외온도나 열부하 또는 목적에 따라 제1난방모드, 제2난방모드, 제3난방모드 그리고 상기 분기라인(R4) 추가에 의한 제습모드와 같이 다양화하고 있는데,

이때, 미도시된 제어부는, 실외온도가 제1설정온도 이상이면 히트펌프 모드 중 제1난방모드를 수행하고, 실외온도가 제2설정온도 이하이면 히트펌프 모드 중 제2난방모드를 수행하며, 실외온도가 상기 제1설정온도와 제2설정도의 사이 온도이면 히트펌프 모드 중 제3난방모드를 수행하게 된다.

여기서, 상기 제1설정온도는 상온이고, 상기 제2설정온도는 0℃ 미만이며, 상기 제3설정온도는 상온과 0℃의 사이 온도이다. 이때, 상기 상온은 0℃ 보다 높은 온도인 것이 바람직하다.

물론, 상기 제1,2,3설정온도는 목적에 따라 변경 가능하다.

또한, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)을 연결하는 분기라인(R4)을 설치한 경우 상기 제1난방모드 및 제3난방모드 상태에서 제습모드를 추가로 운영할 수 있다.

한편, 상기 각 모드별로 냉매 순환경로를 간략히 설명하면 다음과 같다.

상기 제1난방모드는, 도 3과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매는 상기 어큐뮬레이터 및 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제2난방모드는, 도 4와 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)를 거쳐 팽창라인(R3)으로 유입되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유입된 냉매는 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입되며, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)의 일부구간을 통해 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제3난방모드는, 도 5와 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)를 거쳐 팽창라인(R3)으로 유입되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유입된 냉매는 제2팽창수단(120)을 통과한 후 일부는 상기 실외열교환기(160)를 통과하고 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입되며, 상기 실외열교환기(160)를 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매와 합류되어 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

그리고, 상기 제1난방모드 상태에서 제습모드는, 도 6과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)와 팽창라인(R3)의 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 증발기(160)를 거치면서 제습을 수행한 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제3난방모드 상태에서 제습모드는, 도 7과 같이, 상기 제2바이패스라인(R2)이 상기 어큐뮬레이터(170)에 직접 연결되며, 따라서, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)를 거쳐 팽창라인(R3)으로 유입되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유입된 냉매는 제2팽창수단(120)을 통과한 후 일부는 상기 실외열교환기(130)를 거쳐 제1바이패스라인(R1)으로 유입되며, 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된다. 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 증발기(160)를 거치면서 제습을 수행한 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 순환하게 되고, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 상기 증발기(160)에서 어큐뮬레이터(170)로 유입된 냉매와 합류된 후 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

이하, 상기 히트 펌프 시스템을 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 냉매 순환라인(R)상에 설치된 압축기(100)는 엔진(내연기관 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.

상기 압축기(100)는, 에어컨 모드 또는 제습모드시 상기 증발기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)측에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매 또는 상기 열공급수단(180)측에서 배출되어 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.

상기 실내열교환기(110)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 출구측 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키게 된다.

또한, 상기 증발기(160)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키게 된다.

이때, 상기 증발기(160)와 압축기(100) 사이의 냉매 순환라인(R)에는 상기 어큐뮬레이터(170)가 설치된다.

상기 실내열교환기(110)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 모두 응축기(난방기) 역할을 하게 되고,

상기 증발기(160)는, 에어컨 모드시 증발기 역할을 하고, 히트펌프 모드 중 제1,2,3난방모드시에는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지되며, 제1,3난방모드 중 제습모드시에는 냉매가 일부 공급되어 증발기 역할을 수행하게 된다.

이때, 제1,3난방모드 중 제습모드시 상기 증발기(160)의 성능은 에어컨 모드시 증발기(160)의 성능 보다 저하된다.

또한, 상기 실내열교환기(110) 및 증발기(160)는, 상기 공조케이스(150)의 내부에 서로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향 상류측에서부터 상기 증발기(160)와 실내열교환기(110)가 순차적으로 설치된다.

따라서, 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제1팽창수단(140)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 상기 증발기(160)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 증발기(160)를 통과하는 과정에서 증발기(160) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다.

상기 실내열교환기(110)가 응축기(난방기) 역할을 수행하는 히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시)에는 도 3과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 실내열교환기(110)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 과정에서 실내열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 된다.

한편, 상기 증발기(160)의 크기는, 상기 실내열교환기(110)의 크기 보다 더 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 공조케이스(150) 내부의 실내열교환기(110) 하류측에는 난방성능을 향상할 수 있도록 전기 가열식 히터(115)가 더 설치된다.

즉, 차량의 시동 초기에 보조열원으로 상기 전기 가열식 히터(115)를 작동시킴으로써 난방성능을 향상시킬 수 있다. 물론 상기 전기 가열식 히터(115)는 시동 초기 뿐만 아니라 히트펌프 모드 작동 중에 보조 난방역할을 할 수 도 있다.

상기 전기 가열식 히터(115)로는 PTC히터를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에서 상기 증발기(160)와 상기 실내열교환기(110)의 사이에는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.

상기 온도조절도어(151)는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 실내열교환기(110)를 통과하는 공기의 양을 조절하여 상기 공조케이스(150)에서 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있는데,

이때, 에어컨 모드시 도 2와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기 역할을 하는 증발기(160)를 통과한 냉풍이 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시)에는 도 3과 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 응축기(난방기) 역할을 하는 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.

한편, 상기 온도조절도어(151)의 위치를 조절하면 차실내로 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있는데, 일예로 에어컨 모드시, 상기 온도조절도어(151)를 작동시켜 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로와 통과하는 통로를 모두 개방하게 되면, 상기 증발기(160)를 통과한 냉풍 중 일부는 실내열교환기(110)를 바이패스 하고 일부는 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 된다. 이후, 상기 냉풍과 온풍이 혼합되어 차실내를 적절한 온도로 제어하게 되며, 아울러 증발기 역할을 하는 증발기(160)를 공기가 통과하므로 제습도 함께 이루어지게 된다.

아울러, 본 발명에서는 에어컨 모드 뿐만 아니라, 히트펌프 모드 중 상기 증발기(160)에 일부 냉매가 공급되는 제습모드시에는 상기 증발기(160)에 의해 차실내를 제습하게 된다.

이처럼, 본 발명에서는 에어컨 모드는 물론 특히 히트펌프 모드시에도 차실내 제습기능을 작동할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치됨과 아울러 상기 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 냉매 순환라인(R)을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키게 된다.

여기서, 상기 실외열교환기(130)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되어 내부를 유동하는 냉매를 실외공기와 열교환시키게 된다.

상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기(110)와 동일한 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다.

또한, 히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시)에는 상기 실내열교환기(110)와 상반되는 증발기 역할을 하게 되는데, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 저온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 증발하게 된다.

그리고, 상기 제1팽창수단(140)은, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키게 된다.

즉, 상기 제1팽창수단(140)은, 에어컨 모드시 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 액상(습포화) 상태가 되게 한 후, 상기 증발기(160)로 공급하게 된다.

상기 제1팽창수단(140)으로는, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브 또는 오리피스 등을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)은, 상기 제1팽창수단(140)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 선택적으로 바이패스하도록 하게 된다.

도면에서와 같이, 상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)와 병렬로 배치되는데, 즉, 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측은 상기 실외열교환기(130)와 제1팽창수단(140)을 연결하는 냉매 순환라인(R)과 연결되고, 출구측은 상기 증발기(160)와 어큐뮬레이터(170)를 연결하는 냉매 순환라인(R)과 연결된다.

이로인해, 에어컨 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 유동하게 되지만, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)을 통해 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)측으로 곧바로 유동하여 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스 하게 된다.

여기서, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드에 따라 냉매의 흐름방향을 전환하는 역할은 제1방향전환밸브(191)를 통해 이루어진다.

상기 제1방향전환밸브(191)는, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 제1팽창수단(140)으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하게 된다.

다시말해, 제1방향전환밸브(191)는, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 흐르도록 방향을 전환하게 되고, 히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시) 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)으로 흐르도록 방향을 전환하게 된다.

한편, 상기 제1방향전환밸브(191)는 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측 분기지점에 설치되며, 3방밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제1방향전환밸브(191) 뿐만아니라 후술하는 제2방향전환밸브(192)도 3방밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 팽창라인(R3)은, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 연결하는 냉매 순환라인(R)상에 병렬로 설치됨과 아울러 냉매 팽창을 위한 제2팽창수단이 구비되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 선택적으로 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기(130)로 공급하게 된다.

또한, 상기 팽창라인(R3)에 구비된 상기 제2팽창수단(120)은, 상기 팽창라인(R3)상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(121)를 설치하여 이루어진다.

물론 상기 제2팽창수단(120)은 상기 제1팽창수단(140)과 같이 팽창밸브로 구성할 수도 있다.

한편, 상기 팽창라인(R3)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3) 또는 상기 실외열교환기(130)로 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치된다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 제2방향전환밸브(192)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3) 및 제2팽창수단(120)을 바이패스하여 실외열교환기(130)로 공급되고,

히트펌프 모드시(일예로 제1난방모드시)에는, 상기 제2방향전환밸브(192)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3) 및 제2팽창수단(120)을 통과하면서 팽창된 후 상기 실외열교환기(130)로 공급되게 된다.

그리고, 상기 팽창라인(R3)을 통과하는 냉매의 일부 또는 전부가 상기 실외열교환기(130), 제1팽창수단(140), 증발기(160)를 바이패스하도록, 상기 팽창라인(R3)으로부터 분기하여 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하는 제2바이패스라인(R2)이 설치된다.

도면에서와 같이, 상기 제1,2,3난방모드의 경우 상기 제2바이패스라인(R2)의 입구측은 상기 팽창라인(R3)과 연결되고, 출구측은 상기 제1바이패스라인(R1)과 연결되며, 상기 제1,3난방모드 상태에서 제습모드의 경우 상기 제2바이패스라인(R2)의 입구측은 상기 팽창라인(R3)과 연결되고, 출구측은 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)에 설치된 어큐뮬레이터(170)에 직접 연결된다.

한편, 상기 어큐뮬레이터(170)는 상기 제2바이패스라인(R2) 및 상기 증발기(160)의 출구측 냉매 순환라인(R)을 통과한 냉매가 유입되도록 두 개의 입구(미도시)를 구비하며, 유입된 냉매를 상기 압축기(100)측으로 공급하도록 하나의 출구(미도시)를 구비한다.

또한, 상기 상기 팽창라인(R3)과 상기 팽창라인(R3)으로부터 분기되는 제2바이패스라인(R2)상에는 각각 냉매유동을 온,오프 제어하는 온,오프밸브(195a,195b)가 설치된다.

이때, 상기 팽창라인(R3)에 설치되는 온,오프밸브(195a)는 상기 제2바이패스라인(R2)이 연결된 지점 보다 냉매 유동방향 하류측에 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)에 설치되는 온,오프밸브(195b)는 후술하는 열공급수단(180) 보다 냉매 유동방향 상류측에 설치된다.

아울러, 상기 팽창라인(R3)에 설치된 제2팽창수단(120)은 상기 제2바이패스라인(R2)이 연결된 지점 보다 냉매 유동방향 상류측에 설치된다.

따라서, 히드펌프 모드 중 제1난방모드시에는 상기 팽창라인(R3)에 설치된 온,오프밸브(195a)는 개방되고, 상기 제2바이패스라인(R2)에 설치된 온,오프밸브(195b)는 폐쇄되어, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 팽창라인(R3)의 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 실외열교환기(130)로 유동하게 되고, 제2난방모드시에는 반대로 상기 팽창라인(R3)에 설치된 온,오프밸브(195a)는 폐쇄되고, 상기 제2바이패스라인(R2)에 설치된 온,오프밸브(195b)는 개방되어, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 팽창라인(R3)의 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 제2바이패스라인(R2)을 통해 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유동하게 된다. 또한, 제3난방모드시에는 상기 팽창라인(R3) 및 제2바이패스라인(R2)에 설치된 온,오프밸브(195a,195b)는 모두 개방되어, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 팽창라인(R3)의 제2팽창수단(120)을 통과한 후 일부는 상기 실외열교환기(130)로 유동하게 되고, 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)을 통해 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유동하게 된다.

그리고, 상기 제2바이패스라인(R2)상에는 제2바이패스라인(R2)을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단(180)이 설치된다.

상기 열공급수단(180)은, 차량 전장품(200)의 폐열을 상기 제2바이패스라인(R2)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 제2바이패스라인(R2)을 흐르는 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(181a)와, 상기 냉매 열교환부(181a)의 일측에 열교환 가능하게 구비되어 상기 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(181b)로 구성된 수냉식 열교환기(181)를 설치하여 이루어진다.

따라서, 히트펌프 모드시 차량 전장품(200)의 폐열로 부터 열원을 회수함으로써 난방성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

한편, 상기 차량 전장품(200)으로는 대표적으로 모터와, 인버터, 배터리 등이 있다.

여기서, 상기 열공급수단(180)을 보다 상세히 설명하면, 크게 냉각수 순환라인(W)과, 수냉 라디에이터(210)와, 냉각수 바이패스라인(W1)과, 냉각수 방향전환밸브(230)로 구성된다.

상기 냉각수 순환라인(W)은, 상기 차량 전장품(200)과 수냉 라디에이터(210)를 연결하여 상기 차량 전장품(200)에 냉각수를 순환시키게 된다.

이때, 상기 냉각수 순환라인(W)상에서는 냉각수 순환을 위해 워터펌프(220)가 구비된다.

도면에서는, 상기 냉각수 순환라인(W)상에 2개의 전장품(200)이 연결된 경우만 도시하였으나, 그 개수는 변경가능하다.

상기 수냉 라디에이터(210)는, 상기 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 냉각시켜 차량 전장품(200)을 냉각시킬 수 있도록, 상기 냉각수 순환라인(W)상에 설치되어 실외공기와 상기 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 열교환시키게 된다.

이때, 상기 수냉 라디에이터(210)의 일측에는 송풍팬(215)이 설치되어 상기 수냉 라디에이터(210)측으로 실외공기를 송풍시킴으로서 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수의 냉각성능을 향상시키게 된다.

상기 냉각수 바이패스라인(W1)은, 상기 냉각수 순환라인(W)과 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)를 병렬로 연결하여, 상기 워터펌프(220)를 통해 상기 전장품(200)을 통과한 냉각수가 상기 수냉 라디에이터(210)를 바이패스하여 상기 냉각수 열교환부(181b)로 흐르도록 하게 된다.

또한, 상기 냉각수 방향전환밸브(230)는, 상기 냉각수 바이패스라인(W1)과 상기 냉각수 순환라인(W)의 분기지점에 설치되어 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 냉각수의 흐름방향을 전환하게 된다.

따라서, 히트펌프 모드시에는 상기 워터펌프(220)의 작동으로 상기 전장품(200)을 통과한 냉각수가 상기 냉각수 방향전환밸브(230)에 의해 상기 수냉 라디에이터(210)를 바이패스하여 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)로 흐르게 되고, 이 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 흐르는 냉각수와 상기 제2바이패스라인(R2)을 따라 냉매 열교환부(181a)를 흐르는 냉매가 상호 열교환하게 되어 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하게 된다.

에어컨 모드시에는 상기 워터펌프(220)의 작동으로 상기 전장품(200)을 통과한 냉각수가 상기 냉각수 방향전환밸브(230)에 의해 상기 수냉 라디에이터(210)를 순환하게 되고, 이 과정에서 상기 순환하는 냉각수가 실외공기와의 열교환에 의해 냉각되어 전장품(200)을 냉각시키게 된다.

한편, 도면에서는 상기 냉각수 방향전환밸브(230)가 2개의 전장품(200) 사이에 설치됨에 따라, 냉각수 흐름방향으로 첫번째 전장품(200)의 폐열을 회수하는 경우만 도시하고 있으나, 상기 냉각수 방향전환밸브(230)를 두번째 전장품(200)의 출구측에 설치할 경우 2개의 전장품(200) 폐열을 모두 회수할 수 있다.

그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유동하는 냉매가 상기 증발기(160)측으로 유동할 수 있도록 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하는 분기라인(R4)이 설치되고, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 분기라인(R4)상에는 각각 냉매유동을 온,오프 제어하는 온,오프밸브(196a,196b)가 설치된다.

한편, 상기 분기라인(R4) 및 온,오프밸브(196a,196b)는 히트펌프 모드시 제습모드를 구현하고자 하는 시스템에만 설치하면 된다.

따라서, 히트펌프 모드 중 제1,3난방모드상태에서 제습모드를 작동시키게 되면, 상기 제1바이패스라인(R1)에 설치된 온,오프밸브(196a)는 폐쇄되고, 상기 분기라인(R4)에 설치된 온,오프밸브(196b)가 개방된다. 이로인해 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매가 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 증발기(160)로 공급되고, 이 과정에서 상기 증발기(160)를 통과하는 공기가 제습되게 되며, 이후 상기 증발기(160)를 통과한 냉매는 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 공급된다.

이와 같이, 본 발명은 실외온도에 따라 실외열교환기(130) 또는 열공급수단(180) 중 어느 하나 또는 양자 모두에 냉매가 유동하도록 함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능을 향상함과 아울러 실외온도가 영하인 조건에서도 전장품의 폐열을 회수하여 사용하므로 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하며, 또한 실외 열교환기의 적상을 지연시키거나 방지하여 히트펌프 시스템의 성능을 향상시키고, 이로인해 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량(전기자동차 또는 하이브리드 자동차)의 주행거리도 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

가. 에어컨 모드(냉방 모드)

에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2와 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 폐쇄되고, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3) 및 제2바이패스라인(R2)도 폐쇄되게 된다.

또한, 상기 냉각수 방향전환밸브(230)는 상기 냉각수 바이패스라인(W1)을 폐쇄하여 워터펌프(220)를 통해 순환하는 냉각수는 차량 전장품(200)과 수냉 라이에이터를 순환하면서 차량 전장품(200)을 냉각시키게 된다.

한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)를 통과하면서 냉각된 후 실내열교환기(110)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실내를 냉방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 상기 실내열교환기(110)(응축기 역할)로 공급된다.

상기 실내열교환기(110)로 공급된 냉매는, 도 2와 같이 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)측 통로를 폐쇄하고 있으므로 공기와 열교환하지 않고 곧바로 상기 실외열교환기(130)(응축기 역할)로 유동하게 된다.

상기 실외열교환기(130)로 유동한 냉매는, 실외공기와 열교환하게 되면서 응축되며, 이로인해 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다.

한편, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)는 모두 응축기 역학을 하게 되지만, 실외공기와 열교환하는 상기 실외열교환기(130)에서 주로 냉매가 응축되게 된다.

계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제1팽창수단(140)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 증발기(160)로 유입된다.

상기 증발기(160)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 냉방하게 된다.

이후, 상기 증발기(160)에서 배출된 냉매는 상기 어큐뮬레이터(170)를 통과한 후 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

나. 히트펌프 모드 중 제1난방모드

히트펌프 모드 중 제1난방모드는, 실외온도가 상온(영상)인 조건에서 작동하며, 실외공기를 열원으로 이용하는 모드로서, 도 3과 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되어, 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로는 냉매가 공급되지 않는다.

또한, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3)이 개방되고, 상기 제2바이패스라인(R2)은 온,오프밸브(195b)에 의해 폐쇄된다.

아울러, 상기 냉각수 방향전환밸브(230)는 상기 냉각수 바이패스라인(W1)을 폐쇄하여 워터펌프(220)를 통해 순환하는 냉각수는 차량 전장품(200)과 수냉 라이에이터를 순환하면서 차량 전장품(200)을 냉각시키게 된다.

그리고, 제1난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)(응축기)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내열교환기(110)(응축기 역할)로 유입된다.

상기 실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축되며, 이때 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 실외열교환기(130)(증발기 역할)로 공급된다.

상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 실외공기와 열교환하면서 증발한 후 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과한 후, 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

다. 히트펌프 모드 중 제2난방모드

히트펌프 모드 중 제2난방모드는, 실외온도가 영하인 조건에서 작동하며, 도 4와 같이, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 상기 팽창라인(R3)이 개방됨과 아울러 상기 온,오프밸브(195b)에 의해 제2바이패스라인(R2)이 개방된다.

아울러, 상기 냉각수 방향전환밸브(230)는 상기 냉각수 바이패스라인(W1)을 개방함으로써, 상기 워터펌프(220)를 통해 순환하는 냉각수는 차량 전장품(200)을 통과한 후, 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)로 유동하여 계속 순환하게 된다. 이때, 차량 전장품(200)에 의해 가열된 냉각수가 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)로 유동하게 된다.

그리고, 제2난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)(응축기 역할)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하게 되면서 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 된다.

이때, 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스 하므로 저온의 실외공기 영향이 최소화 된다.

이후, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과하는 냉매는, 상기 열공급수단(180)인 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하면서 증발되고, 이후 상기 수냉식 열교환기(181)를 통과한 냉매는 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

라. 히트펌프 모드 중 제3난방모드

히트펌프 모드 중 제3난방모드는, 실외온도가 제1난방모드가 작동하는 온도와 제2난방모드가 작동하는 온도 사이의 온도 조건에서 작동하며, 다시말해 상온과 영하 사이의 온도 조건에서 작동하며, 도 5와 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되어, 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로는 냉매가 공급되지 않는다.

또한, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 상기 팽창라인(R3)이 개방됨과 아울러 상기 온,오프밸브(195a,195b)에 의해 팽창라인(R3) 및 제2바이패스라인(R2)이 동시에 개방된다.

그리고, 제3난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)(응축기 역할)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 일부는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 후 제1바이패스라인(R1)으로 유동하게 되고 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하게 된다.

계속해서, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유동한 냉매는 제1바이패스라인(R1)을 통과한 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되게 되고, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하는 냉매는, 상기 열공급수단(180)인 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하면서 증발되고, 이후 상기 수냉식 열교환기(181)를 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매와 합류된 후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

한편, 상기 제3난방모드에서는 상기 실외열교환기(130)에 유입되는 냉매의 양이 상기 에어컨 모드시에 실외열교환기(130)로 유입되는 냉매의 양 보다 적기 때문이 적상이 지연되게 되고, 이로인해 히트펌프 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

마. 히트펌프 모드 중 제습모드

상기 제습모드는, 상기 제1,3난방모드 상태에서 각각 제습모드를 수행할 수 있으며, 상기 제습모드에 관련된 부분에 대해서만 간략히 설명하기로 한다.

먼저, 제1난방모드 상태에서 제습모드 수행할 경우에는, 도 6과 같이, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 온,오프밸브(196b)에 의해 개방된 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 증발기로(160)로 유입된다.

상기 증발기(160)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기를 제습하게 되며, 이후, 상기 증발기(160)에서 배출된 냉매는 상기 어큐뮬레이터(170)를 통과한 후 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

다음으로, 상기 제3난방모드 상태에서 제습모드를 수행할 경우에는 도 7과 같이, 상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내열교환기(110)(응축기 역할)로 유입된 후, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 후 일부는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 후 제1바이패스라인(R1)으로 유동하게 되고 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하게 된다.

계속해서, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 온,오프밸브(196b)에 의해 개방된 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 증발기(160)를 통과하는 과정에서 공조케이스(150)의 내부공기를 제습하게 되고, 이후 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되며,

상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하는 냉매는, 상기 열공급수단(180)인 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하면서 증발되고, 이후 상기 수냉식 열교환기(181)를 통과한 냉매는 상기 어큐뮬레이터(170) 및 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

100: 압축기 110: 실내열교환기
115: 전기 가열식 히터
120: 제2팽창수단
130: 실외열교환기 140: 제1팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 열공급수단 181: 수냉식 열교환기
181a: 냉매 열교환부 181b: 냉각수 열교환부
191: 제1방향전환밸브 192: 제2방향전환밸브
195a,195b,196a,196b: 온,오프밸브
200: 전장품 210: 수냉 라디에이터
220: 워터펌프 230: 냉각수 방향전환밸브
R: 냉매 순환라인 R1: 제1바이패스라인
R2: 제2바이패스라인 R3: 팽창라인
R4: 분기라인

Claims

냉매 순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(100)와,
공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 출구측 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기(110)와,
상기 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기(160)와,
상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 상기 냉매 순환라인(R)을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키는 실외열교환기(130)와,
상기 증발기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 상기 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단(140)과,
상기 제1팽창수단(140)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 선택적으로 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인(R1)과,
상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 연결하는 냉매 순환라인(R)상에 병렬로 설치됨과 아울러 냉매 팽창을 위한 제2팽창수단(120)이 구비되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 선택적으로 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기(130)로 공급하도록 하는 팽창라인(R3)과,
상기 팽창라인(R3)을 통과하는 냉매의 일부 또는 전부가 상기 실외열교환기(130), 제1팽창수단(140), 증발기(160)를 바이패스하도록, 상기 팽창라인(R3)으로부터 분기하여 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하는 제2바이패스라인(R2)과,
상기 제2바이패스라인(R2)상에 설치되어 제2바이패스라인(R2)을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단(180)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 제1팽창수단(140)으로 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브(191)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 팽창라인(R3)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3) 또는 상기 실외열교환기(130)로 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 팽창라인(R3)과 상기 팽창라인(R3)으로부터 분기되는 제2바이패스라인(R2)상에는 각각 냉매유동을 온,오프 제어하는 온,오프밸브(195a,195b)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1바이패스라인(R1)으로 유동하는 냉매가 상기 증발기(160)측으로 유동할 수 있도록 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하는 분기라인(R4)이 설치되고,
상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 분기라인(R4)상에는 각각 냉매유동을 온,오프 제어하는 온,오프밸브(196a,196b)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인상에는, 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급되도록 하는 어큐뮬레이터(170)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 압축기(100)의 입구측 냉매 순환라인(R)측에 연결되는 상기 제2바이패스라인(R2)은 상기 어큐뮬레이터(170)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열공급수단(180)은, 차량 전장품(200)의 폐열을 상기 제2바이패스라인(R2)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 제2바이패스라인(R2)을 흐르는 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(181a)와, 상기 냉매 열교환부(181a)의 일측에 열교환 가능하게 구비되어 상기 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(181b)로 구성된 수냉식 열교환기(181)를 설치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 열공급수단(180)은,
상기 차량 전장품(200)에 냉각수를 순환시키도록 워터펌프(220)를 구비한 냉각수 순환라인(W)과,
상기 냉각수 순환라인(W)상에 설치되어 실외공기와 상기 냉각수 순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 수냉 라디에이터(210)와,
상기 냉각수 순환라인(W)과 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)를 병렬로 연결하여, 상기 워터펌프(220)를 통해 상기 전장품(200)을 통과한 냉각수가 상기 수냉 라디에이터(210)를 바이패스하여 상기 냉각수 열교환부(181b)로 흐르도록 하는 냉각수 바이패스라인(W1)과,
상기 냉각수 바이패스라인(W1)과 상기 냉각수 순환라인(W)의 분기지점에 설치되어 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 냉각수의 흐름방향을 전환하는 냉각수 방향전환밸브(230)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
실외온도가 제1설정온도 이상이면 히트펌프 모드 중 제1난방모드를 수행하고, 실외온도가 제2설정온도 미만이면 히트펌프 모드 중 제2난방모드를 수행하며, 실외온도가 상기 제1설정온도와 제2설정도의 사이 온도이면 히트펌프 모드 중 제3난방모드를 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제1난방모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매는 상기 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제2난방모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)를 거쳐 팽창라인(R3)으로 유입되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유입된 냉매는 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입되며, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)의 일부구간을 통해 상기 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제3난방모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110)를 거쳐 팽창라인(R3)으로 유입되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유입된 냉매는 제2팽창수단(120)을 통과한 후 일부는 상기 실외열교환기(130)를 통과하고 일부는 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입되며, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매와 합류되어 상기 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.