KR101342931B1

KR101342931B1 - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR101342931B1
Application number: KR1020110021073A
Authority: KR
Inventors: 왕윤호; 강성호; 서정훈; 임연우; 김학규
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2013-12-18
Also published as: JP2012188108A; EP2497662A2; CN102679477B; EP2497662B1; EP2497662A3; CN102679477A; JP5187786B2; KR20120103054A; US9180754B2; US20120227431A1

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 제2실내열교환기(증발기)를 바이패스하는 제1바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수할 수 있도록 열공급수단인 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능을 향상하고, 또한 상기 제2실내열교환기측 냉매 순환라인과 상기 제1바이패스라인을 연결하도록 분기라인을 설치하고, 실외열교환기를 바이패스하도록 제2바이패스라인을 설치함과 아울러 공조케이스내로 실내공기를 유입하도록 제어함으로써 실외온도가 영하인 조건에서도 저온의 실외공기 영향을 최소화함은 물론 전장품의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하여 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하며, 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리를 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 제2실내열교환기(증발기)를 바이패스하는 제1바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수할 수 있도록 열공급수단인 수냉식 열교환기를 설치함과 아울러 상기 제2실내열교환기측 냉매 순환라인과 상기 제1바이패스라인을 연결하는 분기라인을 설치하고 실외열교환기를 바이패스하는 제2바이패스라인을 설치한 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 제2실내열교환기(증발기)를 바이패스하는 제1바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수할 수 있도록 열공급수단인 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능을 향상하고, 또한 상기 제2실내열교환기측 냉매 순환라인과 상기 제1바이패스라인을 연결하도록 분기라인을 설치하고, 실외열교환기를 바이패스하도록 제2바이패스라인을 설치함과 아울러 공조케이스내로 실내공기를 유입하도록 제어함으로써 실외온도가 영하인 조건에서도 저온의 실외공기 영향을 최소화함은 물론 전장품의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하여 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하며, 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리를 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 제1실내열교환기와, 상기 공조케이스의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기의 입구측 냉매 순환라인과 연결되어, 상기 공조케이스내를 유동하는 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 제2실내열교환기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 제2실내열교환기의 입구측 냉매 순환라인상에 설치되어, 상기 제2실내열교환기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 제1팽창수단의 입구측 냉매 순환라인과 상기 제2실내열교환기의 출구측 냉매 순환라인을 연결하도록 설치되어, 순환 냉매가 상기 제1팽창수단 및 제2실내열교환기를 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인과, 상기 제1바이패스라인과 상기 냉매 순환라인의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인 또는 상기 제1팽창수단으로 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브와, 상기 제1바이패스라인상에 설치되어 제1바이패스라인을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단과, 상기 실외열교환기의 입구측 냉매 순환라인상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 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 제1실내열교환기와, 상기 공조케이스의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기의 입구측 냉매 순환라인과 연결되어, 상기 공조케이스내를 유동하는 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 제2실내열교환기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 제2실내열교환기의 입구측 냉매 순환라인상에 설치되어, 상기 제2실내열교환기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 제1팽창수단의 입구측 냉매 순환라인과 상기 제2실내열교환기의 출구측 냉매 순환라인을 연결하도록 설치되어, 순환 냉매가 상기 제1팽창수단 및 제2실내열교환기를 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인과, 상기 제1바이패스라인과 상기 냉매 순환라인의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인 또는 상기 제1팽창수단으로 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브와, 상기 제2실내열교환기의 입구측 냉매 순환라인과 상기 제1바이패스라인을 연결하도록 설치되어, 상기 제1바이패스라인으로 유동하는 냉매 중 일부를 상기 제2실내열교환기측으로 유동시키거나 또는 상기 제2실내열교환기로 공급되는 냉매 중 일부를 상기 제1바이패스라인측으로 유동시키도록 하는 분기라인과, 상기 분기라인상에 설치되어 분기라인을 유동하는 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브와, 상기 실외열교환기의 입,출구측 냉매 순환라인상에 병렬로 연결되어, 상기 제2팽창수단을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기를 바이패스하도록 하는 제2바이패스라인과, 상기 제2바이패스라인과 상기 냉매 순환라인의 분기지점에 설치되어, 실외온도에 따라 상기 제2팽창수단을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기 또는 제2바이패스라인으로 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브와, 상기 실외열교환기의 입구측 냉매 순환라인상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 제2실내열교환기(증발기)를 바이패스하는 제1바이패스라인상에 차량 전장품의 폐열을 회수할 수 있도록 열공급수단인 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 시스템의 난방성능이 향상된다.

또한, 상기 제2실내열교환기측 냉매 순환라인과 상기 제1바이패스라인을 연결하도록 분기라인을 설치하고, 실외열교환기를 바이패스하도록 제2바이패스라인을 설치함과 아울러 공조케이스내로 실내공기를 유입하도록 제어함으로써, 실외온도가 영하인 조건에서도 저온의 실외공기 영향을 최소화함은 물론 전장품의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하여 히트펌프 시스템의 원활한 작동 및 난방성능을 향상하고 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량 주행거리를 증대시킬 수 있다.

그리고, 실외온도가 영상인 조건에서는 차량 전장품의 폐열 및 실외공기의 열원을 회수하도록 하고, 실외온도가 영하인 조건에서는 차량 전장품의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하도록 함과 아울러 히트펌프 모드를 최대난방 모드, 난방모드, 제습모드, 제상모드와 같이, 열부하 및 목적에 따라 모드를 다양화함으로써, 히트펌프 시스템의 효율을 향상시켜 난방성능 향상 및 난방성능을 유지할 수 있고, 전기 가열식 히터의 작동을 최소화하여 차량의 주행거리도 증대시킬 수 있다.

또한, 히트펌프 모드 작동 중에 제습모드 또는 제상모드시, 상기 분기라인을 통해 상기 수냉식열교환기와 제2실내열교환기로 냉매를 분기함으로써, 제습 및 제상모드를 수행하면서도 차실내 온도변화를 최소화 할 수 있다.

그리고, 히트펌프 모드시에도 차실내 제습기능을 수행할 수 있어서 탑승자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

또한, 상기 제2실내열교환기의 입구측에 설치되는 제1팽창수단(팽창밸브)의 제1유로에 형성된 오리피스부에 냉매유동부을 형성하여 오리피스 역할을 병행하도록 함으로써, 실외온도가 영하인 조건에서 과냉에 의해 상기 제1팽창수단의 제어가 불가능한 경우에도 히트펌프 모드를 작동시킬 수 있고 폐열을 회수할 수 있어서 난방 성능이 향상된다.

그리고, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 냉매 순환방향이 동일함과 아울러 제1,2바이패스라인 및 팽창라인을 제외하고는 냉매 순환라인의 모든 구간을 공용화함으로써, 냉매가 흐르지 않을 때 발생하는 냉매 정체현상을 방지하고, 전체 냉매 순환라인도 단순화 할 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 작동 중 제1난방모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 작동 중 제습모드를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드 작동 중 제상모드를 나타내는 구성도,
도 7은 종래의 히트펌프 시스템과 본 발명의 히트펌프 시스템의 실외온도에 따른 난방성능을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제1팽창수단을 나타내는 단면도이다.

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, 제1실내열교환기(110)와, 제2팽창수단(120)과, 실외열교환기(130)와, 제1팽창수단(140)과, 제2실내열교환기(160)가 순차적으로 연결되어 구성되는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉매 순환라인(R)상에는 제2실내열교환기(160)를 바이패스하는 제1바이패스라인(R1)과, 실외열교환기(130)를 바이패스하는 제2바이패스라인(R2)과, 제2팽창수단(120)을 구성하는 팽창라인(R3)이 각각 병렬로 연결 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)의 분기지점에는 제1방향전환밸브(191)가 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)의 분기지점에는 제2방향전환밸브(192)가 설치되며, 상기 팽창라인(R3)의 분기지점에는 상기 제3방향전환밸브(193)가 설치된다.

아울러, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 제2실내열교환기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 분기라인(R4) 및 분기라인(R4)상에 유량제어밸브(195)가 설치된다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제1실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 제1팽창수단(140), 제2실내열교환기(160), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 제1실내열교환기(110)는 응축기(난방기) 역할을 수행하고 상기 제2실내열교환기(160)는 증발기 역할을 수행하게 된다.

한편, 상기 실외열교환기(130)는 상기 제1실내열교환기(110)와 같은 응축기 역할을 하게 된다.

히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는, 도 3과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제1실내열교환기(110), 제2팽창수단(120)의 오리피스(121), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 제1실내열교환기(110)는 응축기(난방기) 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하며, 상기 제2실내열교환기(160)로는 냉매 공급이 되지 않는다.

이처럼, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 냉매 순환방향이 동일함과 아울러 상기 제1,2바이패스라인(R1,R2) 및 팽창라인(R3)을 제외하고는 냉매 순환라인(R)의 모든 구간을 공용화함으로써, 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, 제습모드, 제상모드와 같이 다양화하고 있는데,

이때, 미도시된 제어부는, 실외온도가 기준온도 이상이면 히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드 또는 제습모드 또는 제상모드를 수행하고, 실외온도가 기준온도 미만이면 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드를 수행하게 된다.

여기서, 히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드 또는 제습모드 또는 제상모드를 수행하는 실외온도의 기준온도는 0℃ 이상(영상)이고, 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드를 수행하는 실외온도의 기준온도는 0℃ 미만(영하)이다.

물론, 상기 실외온도의 기준온도가 0℃로 한정 되는 것은 아니고, 목적에 따라 변경 가능하다.

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

상기 제1난방모드는, 도 3과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 상기 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제습모드는, 도 5와 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매 중 일부는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 제1팽창수단(140)을 바이패스한 후 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제상모드는, 도 6과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1팽창수단(140)으로 유입되어 팽창되고, 상기 제1팽창수단(140)에서 팽창된 냉매 중 일부는 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

상기 제2난방모드는, 도 4와 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하여 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 되고, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 후 냉매 중 일부는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 제1팽창수단(140)을 바이패스한 후 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진다.

그리고, 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 모드시 상기 제2실내열교환기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 제1실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)측에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 제1실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.

아울러, 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드나 제습모드 또는 제상모드시에는, 후술하는 분기라인(R4)을 통해 제1바이패스라인(R1)과 제2실내열교환기(160)로 동시에 냉매가 공급되므로, 이 경우 상기 압축기(100)는 상기 제1바이패스라인(R1)과 제2실내열교환기(160)를 통과한 후 합류된 냉매를 흡입,압축하여 제1실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.

참고로, 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드는 실외온도가 영하일 때 작동하는 모드로서 제1난방모드 대비 난방성능이 낮다.

상기 제1실내열교환기(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 제2실내열교환기(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.

상기 제1실내열교환기(110)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 모두 응축기(난방기) 역할을 하게 되고,

상기 제2실내열교환기(160)는, 에어컨 모드시 증발기 역할을 하고, 히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드시에는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지되며, 제2난방모드와 제습모드 및 제상모드시에는 냉매가 일부 공급되어 증발기 역할을 수행하게 된다.

이때, 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드와 제습모드 및 제상모드시 상기 제2실내열교환기(160)의 증발기 성능은 에어컨 모드시 제2실내열교환기(160)의 증발기 성능 보다 저하된다.

또한, 상기 제1실내열교환기(110) 및 제2실내열교환기(160)는, 상기 공조케이스(150)의 내부에 서로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향 상류측에서부터 상기 제2실내열교환기(160)와 제1실내열교환기(110)가 순차적으로 설치된다.

따라서, 상기 제2실내열교환기(160)가 증발기 역할을 수행하는 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제1팽창수단(140)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 제2실내열교환기(160)를 통과하는 과정에서 제2실내열교환기(160) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다.

상기 제1실내열교환기(110)가 응축기(난방기) 역할을 수행하는 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 도 3과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 제1실내열교환기(110)를 통과하는 과정에서 제1실내열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 된다.

한편, 상기 제2실내열교환기(160)의 크기는, 상기 제1실내열교환기(110)의 크기 보다 더 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 공조케이스(150) 내부의 제1실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)와 상기 제1실내열교환기(110)의 사이에는, 상기 제1실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.

상기 온도조절도어(151)는, 상기 제1실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 제1실내열교환기(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 제1실내열교환기(110)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)를 통과한 냉풍이 제1실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 도 3과 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 제1실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 응축기(난방기) 역할을 하는 제1실내열교환기(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 제1실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로와 통과하는 통로를 모두 개방하게 되면, 상기 제2실내열교환기(160)를 통과한 냉풍 중 일부는 제1실내열교환기(110)를 바이패스 하고 일부는 제1실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 된다. 이후, 상기 냉풍과 온풍이 혼합되어 차실내를 적절한 온도로 제어하게 되며, 아울러 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)를 공기가 통과하므로 제습도 함께 이루어지게 된다.

아울러, 본 발명에서는 에어컨 모드 뿐만 아니라, 히트펌프 모드 작동 중 상기 제2실내열교환기(160)에 일부 냉매가 공급되는 제2난방모드와 제습모드 및 제상모드시에는 상기 제2실내열교환기(160)가 증발기 역할을 하게 되어 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 제1실내열교환기(110)와 동일한 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다.

또한, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 상기 제1실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 제2실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)로 공급하게 된다.

한편, 히트펌프 모드 작동 중 제상모드 또는 영하 조건시, 증발기 역할을 하는 상기 제2실내열교환기(160)의 입구측에 설치된 상기 제1팽창수단(140)이 과냉에 의해 제어가 불가능할 수 있으므로 상기 제1팽창수단(140)을 오리피스 기능을 병행 할 수 있는 팽창밸브로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제1팽창수단(140)인 팽창밸브는, 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키도록 오리피스부(142a)를 구비한 제1유로(142) 및 상기 제2실내열교환기(160)에서 배출된 냉매가 유동하는 제2유로(143)가 형성된 본체(141)와, 상기 오리피스부(142a)의 일측에 안착되도록 설치되어 오리피스부(142a)의 개도를 조절하는 밸브체(144)와, 상기 밸브체(144)가 안착되는 상기 오리피스부(142a)의 안착면에 형성되어 상기 밸브체(144)가 오리피스부(142a)의 안착면에 안착된 상태에서도 일정량의 냉매가 유동할 수 있도록 하는 냉매유동부(142b)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 냉매유동부(142b)가 오리피스 기능을 하게 되므로 상기 밸브체(144)가 상기 제1유로(142)의 오리피스부(142a)에 안착되어 오리피스부(142a)를 닫고 있을 경우에도 냉매가 상기 냉매유동부(142b)를 통해 유동할 수 있으며, 이 과정에서 냉매가 팽창하게 된다.

이처럼, 상기 제상모드 또는 영하 조건시 상기 제1팽창수단(140)인 팽창밸브가 과냉에 의해 제어가 불가능하게 되더라도 상기 냉매유동부(142b)가 오리피스 기능을 수행하게 되어 항시 냉매유동 및 팽창이 가능하기 때문에 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있고 폐열을 회수할 수 있어서 난방 성능이 향상된다.

한편, 상기 본체(141)의 상단부에는 상기 제2유로(143)내를 흐르는 냉매의 온도변화에 따라 변위되는 다이아프램(145)이 설치되고, 상기 다이아프램(145)의 하부에는 다이아프램(145)의 변위에 따라 상기 밸브체(144)를 작동시키는 로드(146)가 설치된다.

그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)은, 상기 제1팽창수단(140)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 제2실내열교환기(160)의 출구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 순환 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(160)를 바이패스하도록 하게 된다.

도면에서와 같이, 상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)와 압축기(100)를 연결하는 냉매 순환라인(R)과 연결된다.

이로인해, 에어컨 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(160)측으로 유동하게 되지만, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)을 통해 압축기(100)측으로 곧바로 유동하여 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(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.

이때, 제1방향전환밸브(191)는, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출되어 제1실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(160)측으로 흐르도록 방향을 전환하게 되고, 히트펌프 모드시(제1난방모드시) 상기 압축기(100)에서 배출되어 제1실내열교환기(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)와 제3방향전환밸브(193)도 3방밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제2팽창수단(120)은, 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.

상기 제2팽창수단(120)은, 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 병렬로 연결되는 팽창라인(R3)과, 상기 팽창라인(R3)상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(121)와, 상기 팽창라인(R3)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 제1실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 오리피스(121)를 통과하거나 또는 오리피스(121)를 바이패스하도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제3방향전환밸브(193)로 이루어진다.

여기서, 상기 오리피스(121)는 상기 제1팽창수단(140)과 같이 팽창밸브로 구성할 수도 있다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 제3방향전환밸브(193)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 제1실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 오리피스(121)를 바이패스하여 실외열교환기(130)로 공급되고,

히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는, 상기 제3방향전환밸브(193)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 제1실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 오리피스(121)를 통과하면서 팽창된 후 상기 실외열교환기(130)로 공급되게 된다.

그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)상에는 제1바이패스라인(R1)을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단(180)이 설치된다.

상기 열공급수단(180)은, 차량 전장품(200)의 폐열을 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 제1바이패스라인(R1)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 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 제1바이패스라인(R1)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)의 열공급수단(180)으로 공급되는 냉매 중 일부를 상기 제2실내열교환기(160)측으로 유동시키거나 또는 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매 중 일부를 상기 제1바이패스라인(R1)의 열공급수단(180)측으로 유동시키도록, 상기 제2실내열교환기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 열공급수단(180)인 수냉식 열교환기(181)의 입구측 제1바이패스라인(R1)을 연결하는 분기라인(R4)이 설치되고, 상기 분기라인(R4)상에는 냉매량을 제어하는 유량제어밸브(195)가 설치된다.

더욱 상세하게는, 상기 분기라인(R4)은, 상기 제1팽창수단(140)과 제2실내열교환기(160) 사이의 냉매 순환라인(R)과, 상기 열공급수단(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)을 연결하도록 설치된다.

상기 분기라인(R4) 및 유량제어밸브(195)를 이용하는 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드, 제습모드, 제상모드에 대해 설명하면,

먼저, 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드시에는, 도 4와 같이 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)측으로 흐르는 냉매 중 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통과하면서 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하고, 일부는 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)를 통과하게 된다.

도 4와 같은 제2난방모드는, 실외온도가 영하인 조건에서 작동하는 모드로서, 저온의 실외공기 영향을 최소화하도록 순환 냉매가 후술하는 제2바이패스라인(R2)을 통해 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 되는데, 이때 차량 전장품(200)의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하여 난방성능을 향상하도록 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매를 분기라인(R4)을 통해 분기하여 상기 수냉식 열교환기(181)와 제2실내열교환기(160)로 동시에 공급하게 되는 것이다. 여기서, 상기 공조케이스(150)의 내부로는 실내공기가 유입되어 제2실내열교환기(160)와 열교환하도록 내기유입모드로 제어된다.

그리고, 히트펌프 모드 작동 중 제습모드시에는, 도 5와 같이 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)측으로 흐르는 냉매 중 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통과하면서 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하고, 일부는 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)를 통과하게 된다.

도 5와 같은 제습모드는, 실외온도가 영상인 조건에서 작동하는 모드로서, 실외공기의 열원 및 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하도록 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 제1바이패스라인(R1)을 흐르면서 수냉식 열교환기(181)를 통과하게 되는데, 이때 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 중 일부를 분기라인(R4)을 통해 분기하여 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)로 공급하여 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기를 제습하게 된다.

또한, 히트펌프 모드 작동 중 제상모드시에는, 도 6과 같이 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1팽창수단(140)측으로 냉매가 흐르게 되고, 이때 상기 제1팽창수단(140)을 통과한 냉매 중 일부는 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)를 통과하게 되고, 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통과하면서 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하게 된다.

도 6과 같은 제상모드는, 도 3과 같이 제1난방모드로 작동시 증발기 역할을 하는 실외열교환기(130)의 결빙을 제상하기 위한 모드로서, 냉매를 도 2와 같은 에어컨 모드로 작동시켜 실외열교환기(130)로 고온의 냉매를 공급하여 제상시키게 되며, 이때 상기 실외열교환기(130)를 통과한 후 제1팽창수단(140)을 통과한 냉매 중 일부를 분기라인(R4)을 통해 분기하여 수냉식 열교환기(181)로 공급함으로써 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)의 성능을 저하시켜 제상모드 작동 중에 실내공기의 온도변화를 최소화하게 된다.

또한, 히트펌프 모드 작동 중 제습모드 및 제상모드시에는, 실내공기의 온도변화를 최소화 할 수 있도록 증발기 역할을 하는 상기 제2실내열교환기(160)측으로 공급되는 냉매량을 상기 유량제어밸브(195)를 통해 적절하게 조절하게 된다.

한편, 상기 제1바이패스라인(R1)상에 설치된 열공급수단(180)인 수냉식 열교환기(181)는, 상기 제1바이패스라인(R1)의 냉매 흐름방향으로 상기 분기라인(R4) 위치 보다 하류측에 설치된다.

여기서, 상기 열공급수단(180)인 수냉식 열교환기(181)를 상기 제1바이패스라인(R1)상에서 상기 분기라인(R4) 위치 보다 하류측에 설치해야 하는 이유를 각 모드별로 설명하면,

먼저, 에어컨 모드시에는, 상기 수냉식 열교환기(181)가 냉매 순환라인(R)상에 설치되면 냉매를 가열하여 냉방성능이 저하되므로, 에어컨 모드시 냉매가 유동하지 않는 제1바이패스라인(R1)상에 설치해야 하며,

제2난방모드, 제습모드시에는, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매를 상기 분기라인(R4)을 통해 분기한 후 상기 수냉식 열교환기(181)와 제2실내열교환기(160)로 각각 공급해야 폐열 회수를 증대시킬 수 있으며, 만일 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되기 전에 상기 수냉식 열교환기(181)에서 먼저 열을 회수하면 상기 제2실내열교환기(160)와 공기간에 열교환성능이 떨어지므로, 상기 수냉식 열교환기(181)를 상기 제1바이패스라인(R1)상에서 분기라인(R4) 위치 보다 하류측에 설치해야 하고,

제상모드시에는, 냉매가 에어컨 모드로 작동하므로 상기 수냉식 열교환기(181)를 상기 제1팽창밸브(140)를 통과한 저온 저압 냉매가 유동하는 상기 제1바이패스라인(R1)상에서 분기라인(R4) 위치 보다 하류측에 설치해야 하며, 이때 제상모드시 상기 제2실내열교환기(160)로 많은량의 냉매가 흐르게 되면 실내온도 변화가 커질 수 있으므로 일정량의 냉매를 분기라인(R4)을 통해 수냉식 열교환기(181)측으로 바이패스시켜야 한다.

그리고, 상기 냉매 순환라인(R)에는 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제2바이패스라인(R2)이 병렬로 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에는 실외온도에 따라 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130) 또는 제2바이패스라인(R2)으로 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치된다.

즉, 실외온도가 영상일 경우에는 상기 제2방향전환밸브(192)의 제어를 통해 냉매가 상기 실외열교환기(130)측으로 흐르도록 제어되고, 실외온도가 영하일 경우에는 상기 제2방향전환밸브(192)의 제어를 통해 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 상기 제2바이패스라인(R2)측으로 흐르도록 제어된다.

여기서, 실외온도가 영하일 경우, 저온의 실외공기 영향을 최소화 할 수 있도록 도 4의 제2난방모드와 같이, 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 제2바이패스라인(R2)측으로 흐르게 되고, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매는 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 과정에서 일부는 수냉식 열교환기(181)로 공급되어 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하게 되고, 일부는 분기라인(R4)을 통해 증발기 역할을 하는 제2실내열교환기(160)로 공급되게 된다.

이때, 상기 공조케이스(150)의 내부로는 실내공기가 유입되어 상기 제2실내열교환기(160)와 열교환하도록 내기유입모드로 제어됨으로써, 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매가 실내공기의 열원을 회수하게 된다.

이처럼, 실외온도가 영하인 저열원 조건에서, 냉매가 상기 제2바이패스라인(R2)을 통해 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하여 저온의 실외공기 영향을 최소화하도록 하고, 아울러 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매를 분기라인(R4)을 통해 분기하여 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통해 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하고 일부는 실내공기와 열교환하는 제2실내열교환기(160)를 통해 실내공기의 열원을 회수하도록 함으로써, 난방성능을 향상할 수 있는 것이다.

한편, 상기 제어부는, 차량 시동후 실외온도 및 실내온도가 모두 기준온도(0℃) 미만이면 전기 가열식 히터(115)를 작동시켜 초기 난방을 수행하고, 이후 실내온도가 기준온도(0℃) 이상이 되면, 상기 공조케이스(150)의 내부로 실내공기가 유입되도록 공기유입모드를 내기유입모드로 제어한 후 도 4와 같은 제2난방모드를 작동시키게 된다.

이와 같이, 본 발명은 실외온도가 영상인 조건에서는 차량 전장품(200)의 폐열 및 실외공기의 열원을 회수하도록 하고, 실외온도가 영하인 조건에서는 차량 전장품(200)의 폐열 및 실내공기의 열원을 회수하도록 함과 아울러, 히트펌프 모드를 제1난방모드(도3), 제2난방모드(도4), 제습모드(도5), 제상모드(도6)와 같이, 열부하 및 목적에 따라 모드를 다양화함으로써, 히트펌프 시스템의 효율을 향상시켜 난방성능을 유지하고, 전기 가열식 히터(115)의 작동을 최소화하여 차량(전기자동차 또는 하이브리드 자동차)의 주행거리를 증대할 수 있는 것이다.

도 7은 종래의 히트펌프 시스템과 본 발명의 히트펌프 시스템의 실외온도에 따른 난방성능을 나타낸 그래프로서, 보는 바와 같이, 실외온도가 상승할수록 요구되는 냉방성능도 상승하고, 실외온도가 하강할수록 요구되는 난방성능도 상승하게 된다.

여기서, 종래의 히트펌프 시스템은, 실외온도가 0℃ 이하인 경우 히트펌프 모드로 작동이 불가능하기 때문에, 실외온도 0℃ 이하에서는 보조 난방역할을 하는 PTC히터가 소비전력 100%로 난방을 수행하게 되고, 실외온도 0℃ 이상에서만 히트펌프 모드를 작동시켜 난방을 수행하게 됨으로써, 히트펌프 시스템의 효율이 떨어지게 되고 특히 실외온도 0℃ 이하에서는 PTC히터에만 의존하여 난방을 수행해야 하기 때문에 소비전력이 급격히 증가하게 되고, 이로인해 차량 주행거리가 단축되는 문제가 있음을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 실외온도가 0℃ 이하인 경우에도 히트펌프 모드를 작동시킬 수 있기 때문에, 실외온도 0℃ 이하에서 종래에 PTC히터가 소비전력 100%로 난방을 수행하던 부분의 일부 영역("개선효과" 부분)을 히트펌프 모드가 대체함으로써, 상기 개선효과 부분 만큼을 담당하는 PTC히터의 소비전력을 절감할 수 있고, 이로인해 차량 주행거리를 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.

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.

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 제2바이패스라인(R2)도 폐쇄되며, 상기 제3방향전환밸브(193)는 팽창라인(R3)을 폐쇄하게 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 제1실내열교환기(110)(응축기)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 제2실내열교환기(160)(증발기)를 통과하면서 냉각된 후 제1실내열교환기(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 제1실내열교환기(110)(응축기)로 공급된다.

상기 제1실내열교환기(110)로 공급된 냉매는, 도 2와 같이 온도조절도어(151)가 제1실내열교환기(110)측 통로를 폐쇄하고 있으므로 공기와 열교환하지 않고 곧바로 상기 실외열교환기(130)(응축기)로 유동하게 된다.

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

한편, 상기 제1실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)(증발기)로 유입된다.

상기 제2실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)에서 배출된 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

나. 히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드

히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드는, 실외온도가 영상인 조건에서 작동하며, 실외공기와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 3과 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되어, 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(160)측으로는 냉매가 공급되지 않는다.

또한, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)이 폐쇄되고, 상기 제3방향전환밸브(193)를 통해 상기 팽창라인(R3)이 개방된다.

한편, 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, 제1난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 제1실내열교환기(110)(응축기)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 제2실내열교환기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 제1실내열교환기(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 제1실내열교환기(110)(응축기)로 유입된다.

상기 제1실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축되며, 이때 상기 제1실내열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 상기 제1실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제3방향전환밸브(193)을 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)인 오리피스(121)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 실외열교환기(130)(증발기)로 공급된다.

상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 실외공기와 열교환하면서 증발한 후 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

다. 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드

히트펌프 모드 작동 중 난방 모드는, 실외온도가 영하인 조건에서 작동하며, 실내공기(내기유입모드)와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 4와 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되고, 상기 유량제어밸브(195)를 통해 상기 분기라인(R4)이 개방된다.

또한, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)이 개방되고, 상기 제3방향전환밸브(193)를 통해 상기 팽창라인(R3)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.

한편, 차실내온도가 영상인 조건이면 상기 공조케이스(150)의 공기유입모드가 내기유입모드로 제어되어 상기 공조케이스(150)로 실내공기가 유입된다.

그리고, 제2난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 제1실내열교환기(110)(응축기)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 제2실내열교환기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 제1실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

계속해서, 상기 제1실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제3방향전환밸브(193)을 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)인 오리피스(121)를 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 통과한 냉매는, 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매 중 일부는 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, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 제2실내열교환기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 실내공기와 열교환하는 과정에서 증발하게 된다.

상기 수냉식 열교환기(181)와 제2실내열교환기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

라. 히트펌프 모드 작동 중 제습모드

히트펌프 모드 작동 중 제습모드는, 실외온도가 영상인 조건에서 작동하며, 실외공기와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 5와 같이, 도 3의 제1난방모드로 작동 중에 실내 제습이 필요한 경우에 작동하게 된다.

따라서, 도 3의 제1난방모드와 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.

상기 제습모드시에는, 제1난방모드 상태에서 상기 유량제어밸브(195)를 통해 상기 분기라인(R4)이 추가로 개방되게 된다.

그리고, 제습모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 제1실내열교환기(110)(응축기)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 제2실내열교환기(160)(증발기)를 통과하는 과정에서 냉각된 후, 상기 제1실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

이때, 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매량이 적기 때문에 공기 냉각성능도 낮아 실내온도 변화를 최소화하게 되고, 제2실내열교환기(160)를 통과하는 공기의 제습은 원활하게 이루어진다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

상기 압축기(100), 제1실내열교환기(110), 제2팽창수단(120)인 오리피스(121), 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매 중 일부는 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, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 제2실내열교환기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기와 열교환하는 과정에서 증발하게 된다.

상기 과정에서 상기 제2실내열교환기(160)를 통과하는 공기의 제습이 이루어지게 되며, 상기 제2실내열교환기(160)를 통과한 제습된 공기는 상기 제1실내열교환기(110)(응축기)를 통과하면서 온풍으로 바뀐 후 차량 실내로 공급되어 제습 난방하게 된다.

이후, 상기 수냉식 열교환기(181)와 제2실내열교환기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

마. 히트펌프 모드 작동 중 제상모드

히트펌프 모드 작동 중 제상모드는, 실외온도가 영상인 조건에서 작동하며, 실외공기와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 6과 같이, 실외열교환기(130)의 적상문제(빙결)로 인해 제상이 필요한 경우에 작동하게 된다.

상기 제상모드는, 도 3의 제1난방모드로 작동 중에 상기 실외열교환기(130)의 제상이 필요한 경우, 냉매를 도 2의 에어컨 모드로 작동시켜 상기 실외열교환기(130)로 고온의 냉매를 공급하여 제상하게 된다.

아울러, 상기 제상모드시, 상기 차량 전장품(200)의 폐열 회수를 위한 냉각수의 순환방향은 도 3과 동일하며, 냉매만 도 2의 에어컨 모드로 작동하게 되며, 추가로 상기 유량제어밸브(195)를 통해 상기 분기라인(R4)이 개방되게 된다.

그리고, 제상모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 제1실내열교환기(110)(응축기)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 제2실내열교환기(160)(증발기)를 통과하는 과정에서 냉각된 후, 상기 제1실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.

이때, 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매량이 적기 때문에 공기 냉각성능도 낮아 실내온도 변화를 최소화하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

계속해서, 상기 제1실내열교환기(110)에서 배출된 고온의 냉매는 상기 실외열교환기(130)(응축기)로 유동하여 실외열교환기(130)를 제상하게 된다.

계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제1팽창수단(140)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 제2실내열교환기(160)(증발기)측으로 공급되게 되는데, 이때 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매 중 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 제1바이패스라인(R1)측으로 유동하게 된다.

상기 제2실내열교환기(160)로 공급된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발하게 되고, 상기 제1바이패스라인(R1)측으로 공급된 냉매는 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 증발하게 된다.

100: 압축기 110: 제1실내열교환기
115: 전기 가열식 히터
120: 제2팽창수단 121: 오리피스
130: 실외열교환기 140: 제1팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 제2실내열교환기 170: 어큐뮬레이터
180: 열공급수단 181: 수냉식 열교환기
181a: 냉매 열교환부 181b: 냉각수 열교환부
191: 제1방향전환밸브 192: 제2방향전환밸브
193: 제3방향전환밸브 195: 유량제어밸브
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 제1실내열교환기(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 제2실내열교환기(160)와,
상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 상기 냉매 순환라인(R)을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키는 실외열교환기(130)와,
상기 제2실내열교환기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단(140)과,
상기 제1팽창수단(140)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 제2실내열교환기(160)의 출구측 냉매 순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 순환 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 제2실내열교환기(160)를 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인(R1)과,
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 흐로도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브(191)와,
상기 제1바이패스라인(R1)상에 설치되어 제1바이패스라인(R1)을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단(180)과,
상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창수단(120)을 포함하여 이루어지되,
상기 제1바이패스라인(R1)의 열공급수단(180)으로 공급되는 냉매 중 일부를 상기 제2실내열교환기(160)측으로 유동시키거나 또는 상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매 중 일부를 상기 제1바이패스라인(R1)의 열공급수단(180)측으로 유동시키도록, 상기 제2실내열교환기(160)의 입구측 냉매 순환라인(R)과 상기 열공급수단(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)을 연결하는 분기라인(R4)이 설치되고,
상기 분기라인(R4)상에는 냉매량을 제어하는 유량제어밸브(195)가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열공급수단(180)은, 차량 전장품(200)의 폐열을 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 제1바이패스라인(R1)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 2 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.
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제 1 항에 있어서,
상기 분기라인(R4)은, 상기 제1팽창수단(140)과 제2실내열교환기(160) 사이의 냉매 순환라인(R)과, 상기 열공급수단(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)을 연결하도록 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열공급수단(180)은, 상기 제1바이패스라인(R1)의 냉매 흐름방향으로 상기 분기라인(R4) 위치 보다 하류측에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매 순환라인(R)에는 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제2바이패스라인(R2)이 병렬로 설치되고,
상기 제2바이패스라인(R2)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에는 실외온도에 따라 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130) 또는 제2바이패스라인(R2)으로 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 7 항에 있어서,
실외온도가 기준온도 이상이면 히트펌프 모드 작동 중 제1난방모드 또는 제습모드 또는 제상모드를 수행하고, 실외온도가 기준온도 미만이면 히트펌프 모드 작동 중 제2난방모드를 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제1난방모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 상기 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제습모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 후, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입되고, 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 냉매 중 일부는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 제1팽창수단(140)을 바이패스한 후 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제상모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 통과한 후 상기 제1팽창수단(140)으로 유입되어 팽창되고, 상기 제1팽창수단(140)에서 팽창된 냉매 중 일부는 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제2난방모드는, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120)을 통과한 후 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하여 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 되고, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유입된 후 냉매 중 일부는 상기 열공급수단(180)을 거쳐 압축기(100)로 순환하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 상기 제1팽창수단(140)을 바이패스한 후 상기 제2실내열교환기(160)를 거쳐 압축기(100)로 순환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 제어부는, 실외온도가 기준온도 미만이고 실내온도가 기준온도 이상인 조건이면, 상기 공조케이스(150)의 내부로 실내공기가 유입되도록 내기유입모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2팽창수단(120)은,
상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매 순환라인(R)상에 병렬로 연결되는 팽창라인(R3)과,
상기 팽창라인(R3)상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(121)와,
상기 팽창라인(R3)과 상기 냉매 순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 제1실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 오리피스(121)를 통과하거나 또는 오리피스(121)를 바이패스하도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제3방향전환밸브(193)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1실내열교환기(110) 및 제2실내열교환기(160)는 상기 공조케이스(150)의 내부에 서로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향 상류측에서부터 상기 제2실내열교환기(160)와 제1실내열교환기(110)가 순차적으로 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1팽창수단(140)은,
상기 제2실내열교환기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키도록 오리피스부(142a)를 구비한 제1유로(142) 및 상기 제2실내열교환기(160)에서 배출된 냉매가 유동하는 제2유로(143)가 형성된 본체(141)와,
상기 오리피스부(142a)의 일측에 안착되도록 설치되어 오리피스부(142a)의 개도를 조절하는 밸브체(144)와,
상기 밸브체(144)가 안착되는 상기 오리피스부(142a)의 안착면에 형성되어 상기 밸브체(144)가 오리피스부(142a)의 안착면에 안착된 상태에서도 일정량의 냉매가 유동할 수 있도록 하는 냉매유동부(142b)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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