KR101316355B1 - 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루프식 히트파이프를 사용하여 전장부품에서 발생한 열로 냉매를 가열하여 난방성능을 향상시키는 을 이용하는 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치에 관한 것으로, 실외열교환기(11)와 제1 팽창밸브(12)와 증발기(13)와 압축기(14)와 실내열교환기(25) 및 제2 팽창밸브(53)가 냉매유로(16)로 연결되고, 상기 제1 팽창밸브(12)의 상류에 상기 증발기(13)로의 냉매유입을 제어하는 제1 삼방밸브(51)가 구비되는 냉난방부와, 전장부품과 라디에이터를 냉각유로(35)로 연결하여 워터펌프(32)로 냉각수를 순환시키는 전장부품 냉각부를 구비하는 전기자동차용 난방장치에 있어서, 상기 전장부품 냉각유로(35) 상에 구비되는 증발부(42)와, 상기 냉매유로(16) 상에 구비되는 응축부(41)와, 상기 증발부(42)와 응축부(41)를 순환하도록 연결되는 루프식 히트파이프(43)와, 상기 제2 팽창밸브(53)와 병렬로 설치되어 냉매가 상기 제2 팽창밸브(53)로 유동하는 것을 단속하는 유로제어밸브(54)를 구비하고, 상기 유로제어밸브(54)가 폐쇄되고, 상기 제1 삼방밸브(51)가 상기 냉난방부에서 냉매가 실외열교환기(11), 제1 삼방밸브(51), 압축기(14) 실내열교환기(25), 제2 팽창밸브(53)를 지나도록 유로를 형성하면, 증발부(42)와 응축부(41)를 루프식 히트파이프(43)의 내부에 수용된 냉매가 순환하면서, 제2 팽창밸브(53)를 통과한 냉매를 가열하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치{Heating system for electric car using heat pump system}

본 발명은 전기자동차의 난방장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 루프식 히트파이프를 사용하여 전장부품에서 발생한 열로 냉매를 가열하여 난방성능을 향상시키는 을 이용하는 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치에 관한 것이다.

친환경 자동차인 전기자동차에서 주행거리의 증대는 전기자동차 개발의 주요 이슈이다.

이러한 전기자동차에서는 실내공기의 조화를 위하여 공조장치가 구비되나, 상기 공조장치의 작동은 배터리의 전원을 소모하여 주행거리를 감소시키는 원인이므로, 공조 장치의 작동에 소요되는 에너지를 감소시키는 기술은 꾸준히 요구되고 있다. 특히, 전기자동차에서 난방은 기존의 엔진이 장착된 자동차에서와 달리 엔진에서 가열된 냉각수를 사용할 수 없고, 배터리에 충전된 전기를 사용해야 하기 때문에 주행거리의 감소에 많은 영향을 미친다.

이를 해결하기 위한 방법의 하나로서, 냉동사이클을 역순환시키는 히트 펌프에서 발생한 고열을 차량의 난방에 사용토록 하고 있다.

그러나, 현재 적용중인 히트 펌프 시스템은 외기의 온도가 낮은 조건에서 냉매의 증발압력이 낮고, 순환 냉매의 급격한 유량감소 및 실외 열교환기 착상으로 인하여 난방성능이 저하되는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해서 별도의 전기 히터를 구비하여 냉매를 가열하기도 하나, 이는 곧 주행거리의 감소를 유발하게 된다.

또한, 상기의 히트 펌프 시스템에서 냉매가 순환하는 파이프는 일반 파이프로서, 열전달 효율이 낮은 문제점이 있다.

한편, 히트 펌프를 전기자동차의 난방시스템으로 채택한 선행기술의 예의 하나로, 하기의 선행기술문헌이 있다.

KR 10-0950402 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 루프식 히트파이프를 사용하여 전장부품에서 발생하는 열로, 히트펌프시스템의 내부를 순환하는 냉매의 온도를 상승시켜, 히트펌프의 효율을 개선함으로써, 저온에서 난방성능이 향상되도록 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치는, 실외열교환기와 제1 팽창밸브와 증발기와 압축기와 실내열교환기 및 제2 팽창밸브가 냉매유로로 연결되고, 상기 제1 팽창밸브의 상류에 상기 증발기로의 냉매유입을 제어하는 제1 삼방밸브가 구비되는 냉난방부와, 전장부품과 라디에이터를 냉각유로로 연결하여 워터펌프로 냉각수를 순환시키는 전장부품 냉각부를 구비하는 전기자동차용 난방장치에 있어서, 상기 전장부품 냉각유로 상에 구비되는 증발부와, 상기 냉매유로 상에 구비되는 응축부와, 상기 증발부와 응축부를 순환하도록 연결되는 루프식 히트파이프와, 상기 제2 팽창밸브와 병렬로 설치되어 냉매가 상기 제2 팽창밸브로 유동하는 것을 단속하는 유로제어밸브를 구비하고, 상기 유로제어밸브가 폐쇄되고, 상기 제1 삼방밸브가 상기 냉난방부에서 냉매가 실외열교환기, 제1 삼방밸브, 압축기 실내열교환기, 제2 팽창밸브를 지나도록 유로를 형성하면, 증발부와 응축부를 루프식 히트파이프의 내부에 수용된 냉매가 순환하면서, 제2 팽창밸브를 통과한 냉매를 가열하는 것을 특징으로 한다.

상기 응축부는 2중관 구조로 형성되고, 내부에는 실내열교환기를 통과한 냉매가 유동되고, 외측에는 상기 증발부를 순환하는 냉매가 유동되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 증발부는 2중관 구조로 형성되고, 내부에는 전장부품 냉각부의 냉각수가 유동되고, 외측에는 상기 증발부를 순환하는 냉매가 유동되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 냉각유로에는 상기 증발부의 상류에 제2 삼방밸브가 구비되고, 상기 제2 삼방밸브와 라디에이터를 직접 연결하는 보조유로가 형성되어, 상기 제2 삼방밸브의 작동에 의해서 선택적으로 냉각수가 상기 증발부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 제1 삼방밸브가 상기 실외열교환기, 증발기, 압축기, 실내열교환기를 순환하도록 유로를 형성하고, 유로제어밸브가 개방되면, 상기 제2 삼방밸브는 전장부품모듈에서 나온 냉각수를 직접 라디에이터로 유입되도록 작동하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치에 따르면, 저온에서도 전장부품의 작동에 따라 발생하는 열을 루프식 히트파이프를 이용하여 히트 펌프의 원리로 난방작용을 하는 냉매로 공급되도록 하여, 저온에서도 전기자동차의 난방성능이 개선되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치를 이용하여 전기자동차를 냉방시키는 상태를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치를 이용하여 전기자동차를 난방시키는 상태를 도시한 개략도,
도 3은 도 1 및 도 2에서 응축부의 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치는, 전장부품 냉각유로(35) 상에 구비되는 증발부(42)와, 냉매유로(16) 상에 구비되는 응축부(41)와, 상기 증발부(42)와 응축부(41)를 순환하도록 연결되는 루프식 히트파이프(43)와, 상기 제2 팽창밸브(53)와 병렬로 설치되어 냉매가 상기 제2 팽창밸브(53)로 유동하는 것을 단속하는 유로제어밸브(54)를 구비하고, 상기 유로제어밸브(54)가 폐쇄되고, 상기 제1 삼방밸브(51)가 상기 냉난방부에서 냉매가 실외열교환기(11), 제1 삼방밸브(51), 압축기(14) 실내열교환기(25), 제2 팽창밸브(53)를 지나도록 유로를 형성하면, 증발부(42)와 응축부(41)를 루프식 히트파이프(43)의 내부에 수용된 냉매가 순환하면서, 제2 팽창밸브(53)를 통과한 냉매를 가열하도록 한다.

냉난방부는 전기자동차의 내부의 공기 조화를 위하여 구비된다.

상기 냉난방부는 실외열교환기(11), 제1 팽창밸브(12), 증발기(13), 압축기(14)가 냉매유로(16)를 통하여 연결된다. 또한, 상기 제1 팽창밸브(12)의 상류에 제1 삼방밸브(51)가 구비되고, 상기 압축기(14)와 실외열교환기(11) 사이에 실내열교환기(25)와 제2 팽창밸브(53)가 구비된다.

상기 냉난방부는 필요에 따라 냉매의 흐름을 제어하여, 차량의 내부를 냉방 또는 난방시킨다. 즉, 상기 제1 삼방밸브(51)의 조작에 의해서, 실외열교환기(11)-제1 팽창밸브(12)-증발기(13)-압축기(14)를 순환하도록 하면, 냉동사이클의 원리에 의해서 차량의 실내를 냉방시킬 수 있다. 그리고, 실외열교환기(11)-압축기(14)-실내열교환기(25)-제2 팽창밸브(53)를 순환하도록 하면, 히트펌프의 원리에 의해서 실내를 난방시킨다.

한편, 전기자동차에는 각종 전장부품(31a)들이 구비되고, 이러한 전장부품(31a)들은 작동에 따라 발열되는 바, 발열된 전장부품(31a)을 냉각시키기 위한 전장부품 냉각부가 구비된다.

전장부품 냉각부는 개별 전장부품(31a)을 하우징에 수용한 전장부품모듈(31)과, 라디에이터(33)를 냉각유로(35)로 연결하고, 냉각수를 워터펌프(32)로 순환시켜 전장부품모듈(31)을 냉각시킨다.

상기와 같이, 냉난방부와 전장부품 냉각부가 구비된 전기자동차에서 상기 냉난방부를 히트펌프로 작동시켜 차량 실내를 난방시킬 때, 상기 냉매유로(16)를 순환중인 냉매에 냉각유로(35)를 순환하는 냉각수의 열을 전달하도록 하기 위해, 응축부(41)와 증발부(42)가 제공되고, 상기 응축부(41)와 증발부(42)를 루프식 히트파이프(43)로 연결한다.

응축부(41)는 상기 냉매유로(16) 상에 구비된다. 상기 응축부(41)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2중관의 형태로 구성되어, 상기 냉매유로(16)를 순환하는 냉매와 루프식 히트파이프(43)를 순환하는 냉매가 서로 열교환할 수 있도록 한다. 상기 응축부(41)는 바람직하게는 내부관이 냉매유로(16)에 연결되어 냉매유로(16)를 순환하는 냉매가 유동하고, 외측으로 루프식 히트파이프(43)를 순환하는 냉매가 유동하도록 하여, 서로 열교환하도록 한다. 또한, 내부와 외부의 유동의 흐름을 서로 반대방향으로 하여, 열구배를 높여 신속히 열전달되도록 한다. 아울러, 상기 내부관의 둘레에는 열전달을 촉진하기 위해 방열핀(16a)이 형성되도록 한다.

증발부(42)는 상기 냉각유로(35) 상에 구비된다. 상기 증발부(42)도 상기 응축부(41)와 마찬가지로 2중관의 형태로 구성되어, 바람직하게는 내부에 냉각수가 유동하고, 외측으로 루프식 히트파이프(43)를 순환하는 냉매가 순환하도록 한다. 증발부(42)는 내부와 외부의 유동을 서로 반대로 하고, 내부관의 외측에 방열핀이 형성되도록 한다.

루프식 히트파이프(43)는 상기 응축부(41)와 증발부(42)를 연결하여, 상기 히트파이프(43)의 내부에 수용된 냉매가 응축부(41)와 증발부(42)를 순환하도록 한다. 이러한 루프식 히트파이프(43)는 내부에 냉매가 순환하면서, 루프식 히트파이프(43)의 일측에서 외부로부터 열을 흡수하여 액상의 냉매가 기화되고, 루프식 히트파이프(43)의 또 다른 일측에서 열을 방출하여 냉매가 액화되는 과정을 반복하여 고열부의 열을 저열부로 전달할 수 있다. 즉, 루프식 히트파이프(43)가 고열부인 증발부(42)와 저열부인 응축부(41)를 순환하면서 증발부(42)로부터 흡수한 열을 응축부(41)에서 방열되도록 하여, 상기 응축부(41)를 통과하는 냉매를 가열시킨다.

이러한 루프식 히트파이프(43)는 상용의 것을 이용하므로, 자세한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 냉매유로(16)상에는 제2 팽창밸브(53)와 병렬로 유로제어밸브(54)를 구비하여, 상기 유로제어밸브(54)의 개폐에 따라 냉매가 상기 제2 팽창밸브(53)로 유동을 단속한다. 즉, 상기 유로제어밸브(54)가 개방된 상태에서는 냉매는 제2 팽창밸브(53)로 유동하지 않고 유로제어밸브(54)를 통하여 유동하고, 반대로 유로제어밸브(54)가 폐쇄되면, 냉매는 제2 팽창밸브(53)를 통과한다.

또한, 상기 냉각유로(35)상에는 상기 증발기(13)의 전단에 제2 삼방밸브(52)를 구비하고, 상기 제2 삼방밸브(52)와 라디에이터(33)를 직접 연결하는 보조유로(36)가 분기된다. 상기 제2 삼방밸브(52)의 작동에 의해 전장부품모듈(31)을 통과한 냉각수는 증발부(42)를 거쳐 라디에이터(33)로 유동하거나, 증발부(42)를 거치지 않고 바로 라디에이터(33)로 선택적으로 유동할 수 있다.

미설명부호 15은 냉매유로(16)의 내부압력을 안정화시키는 축압기이고, 21은 조화된 공기를 차량의 실내로 보내는 통로인 덕트이며, 23은 덕트(21) 내부에서 공기의 흐름을 제어하는 블레이드이고, 24는 별도로 차량의 실내는 난방시키기 위한 보조PTC히터이며, 34는 라디에이터(33)의 방열을 촉진시키는 냉각팬이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치의 작동에 대하여 설명하기로 한다.

우선, 차량의 실내를 냉방하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 삼방밸브(51)가 작동하여 냉매가 제1 팽창밸브(12)를 통과하도록 냉매유로(16)가 형성되면, 상기 실외열교환기(11)를 통과한 냉매는 제1 삼방밸브(51)를 지나 제1 팽창밸브(12)를 통과한다.

이와 동시에, 유로제어밸브(54)가 개방되어 상기 냉매가 제2 팽창밸브(53)를 바이패스하고, 유로제어밸브(54)를 통과하도록 한다.

또한, 제2 삼방밸브(52)는 냉각수가 보조유로(36)를 통과하도록 작동함으로써, 냉각수가 전장부품모듈(31)과 라디에이터(33)만을 순환하도록 한다.

상기와 같이, 제1 삼방밸브(51), 제2 삼방밸브(52) 및 유로제어밸브(54)가 작동하면, 냉매는 실외열교환기(11), 제1 팽창밸브(12), 증발기(13), 압축기(14)를 순환하면서, 상기 증발기(13)를 통하여 냉각된 공기를 블로워(22)에 의해 덕트로 공급함으로써, 실내를 냉방시킨다.

한편, 차량의 실내를 난방하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 삼방밸브(51)와 제2 삼방밸브(52)를 작동시켜 유로를 변경하고, 유로제어밸브(54)를 폐쇄한다.

상기 제1 삼방밸브(51)는 실외열교환기(11)를 통과한 냉매가 바로 압축기(14)로 유입되도록 하고, 증발기(13)로 가는 것은 차단한다.

또한, 제2 삼방밸브(52)는 상기 전장부품모듈(31)을 통과한 냉각수가 증발부(42)를 거쳐 라디에이터(33)로 유입되도록 작동한다.

아울러, 유로제어밸브(54)는 폐쇄하여, 냉매는 모두 제2 팽창밸브(53)를 통과하도록 한다.

난방을 위해서, 제1 삼방밸브(51), 제2 삼방밸브(52) 및 유로제어밸브(54)가 상기와 같이 작동하면, 전장부품모듈을 냉각시켜 가열된 냉각수가 냉매의 온도를 높여 히트펌프의 작동을 촉진시키므로, 차량의 실내로 공급되는 공기의 온도를 높일 수 있다.

이를 자세히 설명하면, 상기 제2 삼방밸브(52)의 작동에 의해서, 전장부품모듈(31)에서 나온 냉각수는 모두 증발부(42)를 거치게 된다. 상기 전장부품모듈(31)을 통과한 냉각수는 전장부품(31a)이 작동에 따라 발열된 상태이므로, 전장부품모듈(31)을 통과한 냉각수는 가열된 상태이다.

또한, 상기 냉난방부는 냉매가 실외열교환기(11), 압축기(14), 실내열교환기(25) 및 제2 팽창밸브(53)를 순환하면서, 히트펌프로 작동하여 고온측의 실내열교환기(25)에서 블로워(22)로 가압된 공기를 덕트(21)를 통하여 실내로 공급한다.

종래에는, 외부의 기온이 낮으므로, 상기 실외열교환기(11)의 작용이 원활하기 않아서, 냉매가 상기 실외열교환기(11)의 내부에서 충분히 증발하지 못하여, 냉매유량의 감소, 실외열교환기의 착상과 같은 문제점이 있었다.

그러나, 상기 냉각유로(35)와 냉매유로(16)에 각각 증발부(42)와 응축부(41)를 구성하고, 상기 전장부품 냉각부의 열을 냉매유로(16)로 전달하여 냉매유로(16)를 순환하는 냉매를 가열함으로써 종래의 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 증발부(42)에서는 냉각유로(35)를 통해 유입된 고온의 냉각수에서 루프식 히트파이프(43)를 통해 유입되는 저온의 냉매로 열을 전달한다. 상기 증발부(42)에서는 루프식 히트파이프(43)의 냉매가 증발하여 증기상태로 루프식 히트파이프(43)를 순환하여 응축부(41)로 유입된다. 응축부(41)에서는 루프식 히트파이프(43)를 통해 유입된 증기상태의 냉매가 냉매유로(16)를 통하여 순환하는 냉매에 열을 절단하고, 다시 액화된다. 루프식 히트파이프(43)내에서 냉매는 증발부(42)에서 기화되고, 응축부(41)에서 액화되는 과정을 반복하면서 순환하고, 증발부(42)에서 응축부(41)로 열을 전달하게 된다.

이와 같이, 제2 팽창밸브(53)를 통과한 저온 저압의 액냉매는 응축부(41)를 통과하면서, 온도가 높아진 상태로 실외열교환기(11)로 유입되므로, 실외열교환기(11)의 내부에서 저온열을 흡수하여 액냉매를 증발할 때, 종래기술에 비하여 보다 높은 온도에서 증발하므로 냉매유량이 증가하고, 실외열교환기(11)의 착상문제를 해결할 수 있다.

11 : 실외열교환기 12 : 제1 팽창밸브
13 : 증발기 14 : 압축기
15 : 축압기 16 : 냉매유로
21 : 덕트 22 : 블로워
23 : 블레이드 24 : 보조 PTC히터
25 : 실내열교환기 31 : 전장부품모듈
31a : 전장부품 32 : 워터펌프
33 : 라디에이터 34 : 냉각팬
35 : 냉각유로 36 : 보조유로
41 : 응축부 42 : 증발부
43 : 루프식 히트파이프 51 : 제1 삼방밸브
52 : 제2 삼방밸브 53 : 제2 팽창밸브
54 : 유로제어밸브

Claims (5)

1. 실외열교환기와 제1 팽창밸브와 증발기와 압축기와 실내열교환기 및 제2 팽창밸브가 냉매유로로 연결되고, 상기 제1 팽창밸브의 상류에 상기 증발기로의 냉매유입을 제어하는 제1 삼방밸브가 구비되는 냉난방부와, 전장부품과 라디에이터를 냉각유로로 연결하여 워터펌프로 냉각수를 순환시키는 전장부품 냉각부를 구비하는 전기자동차용 난방장치에 있어서,
   상기 전장부품 냉각유로 상에 구비되는 증발부와,
   상기 냉매유로 상에 구비되는 응축부와,
   상기 증발부와 응축부를 순환하도록 연결되는 루프식 히트파이프와,
   상기 제2 팽창밸브와 병렬로 설치되어 냉매가 상기 제2 팽창밸브로 유동하는 것을 단속하는 유로제어밸브를 구비하고,
   상기 유로제어밸브가 폐쇄되고, 상기 제1 삼방밸브가 상기 냉난방부에서 냉매가 실외열교환기, 제1 삼방밸브, 압축기, 실내열교환기, 제2 팽창밸브를 지나도록 유로를 형성하면, 증발부와 응축부를 루프식 히트파이프의 내부에 수용된 냉매가 순환하면서, 제2 팽창밸브를 통과한 냉매를 가열하며,
   상기 응축부는 2중관 구조로 형성되고, 내부관에는 실내열교환기를 통과한 냉매가 유동되고, 외부관에는 상기 증발부를 순환하는 냉매가 상기 내부관을 유동하는 냉매와 반대방향으로 유동하며, 상기 내부관의 둘레에는 방열핀이 형성되고,
   상기 증발부는 2중관 구조로 형성되고, 내부관에는 전장부품 냉각부의 냉각수가 유동되고, 외측부관에는 상기 증발부를 순환하는 냉매가 상기 내부관의 냉각수와 반대방향으로 유동하며, 상기 내부관의 둘레에는 방열핀이 형성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각유로에는 상기 증발부의 상류에 제2 삼방밸브가 구비되고,
   상기 제2 삼방밸브와 라디에이터를 직접 연결하는 보조유로가 형성되어,
   상기 제2 삼방밸브의 작동에 의해서 선택적으로 냉각수가 상기 증발부로 유입되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치.
5. 제4항에 있어서,
   제1 삼방밸브가 상기 실외열교환기, 증발기, 압축기, 실내열교환기를 순환하도록 유로를 형성하고, 유로제어밸브가 개방되면, 상기 제2 삼방밸브는 전장부품모듈에서 나온 냉각수를 직접 라디에이터로 유입되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기자동차의 난방장치.

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