KR101371755B1

KR101371755B1 - 차량의 공조장치

Info

Publication number: KR101371755B1
Application number: KR1020120146846A
Authority: KR
Inventors: 오만주; 김재웅; 박재우; 김재훈
Original assignee: 갑을오토텍(주); 현대자동차(주)
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-03-10
Also published as: CN103863055A; DE102013206770B4; US9097446B2; CN103863055B; DE102013206770A1; US20140165606A1

Abstract

송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어 및 히터코어; 발열면과 흡열면이 구비된 열전소자; 냉각수가 흐르며, 흡열면과 냉각코어를 순환하는 제1냉각로 및 흡열면과 엔진을 순환하는 제2냉각로로 구성된 냉각라인; 냉각수가 흐르며, 발열면과 히터코어를 순환하는 제1히터로 및 엔진과 히터코어를 순환하는 제2히터로로 구성된 히터라인; 및 난방모드시 제2냉각로와 제1히터로를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로를 순환시키는 제어부;를 포함하는 차량의 공조장치가 소개된다.

Description

차량의 공조장치 {AIR CONDITIONING APPARATUS FOR VEHICLE}

본 발명은 냉매를 사용하지 않고 열전소자를 이용한 차량의 공조장치에 관한 것이다.

기존의 차량의 경우 냉각 시스템에 냉매를 사용하는 시스템으로서, 콤프레셔를 회전시켜 냉매를 압축/액화/증발 과정을 거쳐 냉방을 실시하고 PTC 히터를 이용하여 공기를 가열하여 난방하는 시스템을 적용 중이다.

그러나 냉매를 사용함으로 인하여 지구온난화가 문제로 대두되고 있다. 냉매를 이용한 냉난방 시스템(hot gas system 포함)은 기계적 동력이 필요하며, 전기적인 에너지를 기계적으로 변환하여 냉난방을 함으로써 기계적 손실뿐만 아니라 기계부품으로 인한 품질문제 및 냉매 유출에 의한 품질문제가 지속되고 있다.

종래의 KR10-2009-0062143 A "열전소자 이용 공조장치"는 "열전소자의 양면 온도차를 최소화시킴으로써 열전소자의 이용 효율이 향상되도록 한 열전소자 이용 공조장치"를 제시한다. 그러나 이러한 기술에 의하더라도 아직 초보적인 수준에서의 냉각수와 열전소자를 이용한 공조시스템의 제시에 머무를 뿐, 이를 차량의 전반적인 열관리 측면에서 함께 생각하여 기존의 공조시스템과 방열시스템을 모두 대체할 수 있는 새로운 시스템을 제시하지 못한 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2009-0062143

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기존의 냉매 사용 공조시스템에서 냉매를 삭제하고 냉각수만을 이용하여 공조시스템과 차량 냉각시스템을 모두 함께 운용할 수 있는 차량의 공조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 공조장치는, 송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어 및 히터코어; 발열면과 흡열면이 구비된 열전소자; 냉각수가 흐르며, 흡열면과 냉각코어를 순환하는 제1냉각로 및 흡열면과 엔진을 순환하는 제2냉각로로 구성된 냉각라인; 냉각수가 흐르며, 발열면과 히터코어를 순환하는 제1히터로 및 엔진과 히터코어를 순환하는 제2히터로로 구성된 히터라인; 및 난방모드시 제2냉각로와 제1히터로를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로를 순환시키는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 냉방모드시 제1냉각로를 순환시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 차량의 공조장치는, 송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어 및 히터코어; 발열면과 흡열면이 구비된 열전소자; 냉각수가 흐르며, 흡열면과 냉각코어를 순환하는 제1냉각로 및 흡열면과 엔진을 순환하는 제2냉각로로 구성된 냉각라인; 냉각수가 흐르며, 발열면과 히터코어를 순환하는 제1히터로 및 엔진과 히터코어를 순환하는 제2히터로로 구성된 히터라인; 냉각수가 흐르며, 발열면과 라디에이터를 순환하는 제1방열로 및 엔진과 라디에이터를 순환하는 제2방열로로 구성된 방열라인; 및 냉방모드시 제1냉각로와 제1방열로 및 제2방열로를 순환시키는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 제습모드시 제2방열로와 제1냉각로 및 제1히터로를 순환시킬 수 있다.

상기 제어부는 난방모드시 제2냉각로와 제1히터로를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로를 순환시킬 수 있다.

상기 제1냉각로와 제2냉각로는 흡열면의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 흡열면의 출구측 분기점에는 3웨이밸브가 설치될 수 있다.

상기 제1냉각로에는 워터펌프가 마련될 수 있다.

상기 제1히터로와 제1방열로는 발열면의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 발열면의 출구측 분기점에는 3웨이밸브가 설치될 수 있다.

상기 발열면의 입구측 합류점과 발열면 사이에는 워터펌프가 마련될 수 있다.

상기 제2냉각로와 제2방열로는 엔진의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 엔진의 출구측 분기점에는 3웨이밸브가 설치될 수 있다.

상기 제2히터로는 엔진의 출구측에서 제2냉각로가 분기된 후 다시 3웨이밸브를 통해 분기되어 형성될 수 있다.

상기 제1히터로와 제2히터로는 히터코어의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 히터코어의 출구측 분기점에는 3웨이밸브가 설치될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 공조장치에 따르면, 기존의 냉매 사용 공조시스템에서 냉매를 삭제하고 냉각수만을 이용하여 공조시스템과 차량 냉각시스템을 모두 함께 운용할 수 있다.

냉매를 삭제하고 냉각수로 대체함으로써 환경적인 효과가 있다.

실내의 공조시스템뿐만 아니라 엔진 등의 냉각시스템을 함께 구미며, 컴팩트한 시스템을 통하여 최적의 열관리를 수행함으로써 폐열을 줄이고 에너지 낭비를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 공조장치의 난방모드를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 또 다른 난방모드를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 냉방모드를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 제습모드를 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 공조장치에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 공조장치의 난방모드를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 또 다른 난방모드를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 냉방모드를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 제습모드를 나타낸 도면이다.

본 발명의 차량의 공조장치는, 송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어(100) 및 히터코어(200); 발열면(310)과 흡열면(320)이 구비된 열전소자(300); 냉각수가 흐르며, 흡열면(320)과 냉각코어(100)를 순환하는 제1냉각로(A) 및 흡열면(320)과 엔진(400)을 순환하는 제2냉각로(B)로 구성된 냉각라인; 냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 히터코어(200)를 순환하는 제1히터로(C) 및 엔진(400)과 히터코어(200)를 순환하는 제2히터로(D)로 구성된 히터라인; 및 난방모드시 제2냉각로(B)와 제1히터로(C)를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로(D)를 순환시키는 제어부(800);를 포함한다.

본 발명의 차량의 공조장치는 기본적으로 냉매를 사용하지 않기 때문에 종래와 같은 압축기, 컨덴서 등이 필요하지 않다. 다만, 냉각수를 이용하되 종래의 차량 레이아웃을 최대한 손상하지 않고, 특히 엔진이나 모터, 배터리 등의 고열기관을 냉각하기 위해 라디에이터는 필요하며, 그리고 기존의 공조장치에 마련된 히터코어와 에바코어(냉각코어)를 모두 동일하게 이용하도록 한다.

기존의 공조장치(HVAC)에는 이러한 히터코어와 냉각코어가 모두 마련되어 있었고, 이들은 실내로 송풍을 하는 유로상에 마련되어 템프도어 등을 통하여 온도를 조절한 후 실내로 토출하도록 되어 있었다. 이는 종래의 널리 알려진 공조장치의 구성으로서 상세한 설명은 생략한다.

한편, 냉각수만으로의 공조를 위하여 그 냉각수의 냉각 또는 가열이 필요한바, 이를 위하여 압축기 등을 이용하지 않고 열전소자를 이용하게 된다. 열전소자의 예로는 펠티어소자가 있을 수 있으며, 이는 전기적인 에너지를 이용하여 발열면과 흡열면을 가지고, 작동의 결과 흡열면에서 발열면으로 열을 펌핑하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 흡열면이 차가워질수록 발열면으로 열을 펌핑하는 것이 어려워지고, 반대로 흡열면에 열이 가해질수록 발열면으로는 열을 펌핑하기가 수월해진다.

한편, 본 발명의 냉각코어(100) 및 히터코어(200)는 종래의 공조장치(HVAC)의 송풍유로에 중첩적으로 배치된다. 이점은 종래와 동일하다. 다만, 발열면(310)과 흡열면(320)이 구비된 열전소자(300)가 구비되고, 그 열전소자의 발열면(310)과 흡열면(320)에는 각각 냉각수의 유로가 연결된다.

구체적으로, 냉각라인과 히터라인이 마련되는데, 냉각라인은 냉각수가 흐르며, 흡열면(320)과 냉각코어(100)를 순환하는 제1냉각로(A) 및 흡열면(320)과 엔진(400)을 순환하는 제2냉각로(B)로 구성된다.

그리고, 히터라인은 냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 히터코어(200)를 순환하는 제1히터로(C) 및 엔진(400)과 히터코어(200)를 순환하는 제2히터로(D)로 구성된다.

한편, 제어부는 밸브 또는 워터펌프 등을 제어함으로써, 난방모드시에는 제2냉각로(B)와 제1히터로(C)를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로(D)를 순환시키도록 하는 것이다. 또한, 상기 제어부(800)는 냉방모드시 제1냉각로(A)를 순환시키도록 함으로써 열전소자와 냉각수 만으로 냉각코어 또는 히터코어를 냉각 또는 가열하고, 이를 통하여 결국 실내의 공조를 수행하는 것이다.

한편, 엔진 또는 모터 또는 배터리 등의 차량 부품의 냉각을 위한 방열 역시 고려해야할 것이다. 이러한 점을 고려한 본 발명의 또 다른 실시예의 차량 공조장치는, 송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어(100) 및 히터코어(200); 발열면(310)과 흡열면(320)이 구비된 열전소자(300); 냉각수가 흐르며, 흡열면(320)과 냉각코어(100)를 순환하는 제1냉각로(A) 및 흡열면(320)과 엔진(400)을 순환하는 제2냉각로(B)로 구성된 냉각라인; 냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 히터코어(200)를 순환하는 제1히터로(C) 및 엔진(400)과 히터코어(200)를 순환하는 제2히터로(D)로 구성된 히터라인; 냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 라디에이터(500)를 순환하는 제1방열로(E) 및 엔진(400)과 라디에이터(500)를 순환하는 제2방열로(F)로 구성된 방열라인; 및 냉방모드시 제1냉각로(A)와 제1방열로(E) 및 제2방열로(F)를 순환시키는 제어부(800);를 포함한다.

즉, 이 경우에는 라디에이터(500)를 통한 방열라인을 추가하여 엔진 등의 방열을 함께 수행하도록 하는 것이다.

구체적으로, 열전소자(300)에는 발열면(310)과 흡열면(320)이 마련된다. 그리고 흡열면(320)은 먼저 냉각코어(100)와 함께 냉각수가 순환되는 제1냉각로(A)를 형성한다. 이를 통해 실내 냉방을 수행하는 것이다.

그리고, 흡열면(320)은 엔진(400)과 연결되어 순환하는 제2냉각로(B)를 구성한다. 이를 통해 필요시 엔진(400)을 냉각하고 동시에 엔진(400)의 폐열을 발열면(310)으로 펌핑하게 되는 것이다.

그리고, 연전소자의 발열면(310)은 히터코어(200)와 제1히터로(C)를 구성한다. 이를 통해 열전소자의 발열로 실내의 난방을 수행하는 것이다.

그리고, 엔진(400)은 히터코어(200)와 제2히터로(D)를 구성한다. 이를 통해 엔진(400)의 폐열을 통해 실내 난방을 수행하는 것이다.

그리고, 열전소자의 발열면(310)은 라디에이터(500)와 제1방열로(E)를 구성한다. 이를 통해 흡열면(320)의 열을 펌핑하여 외부로 버리는 것으로서 냉방의 효율을 상승시키는 것이다.

그리고, 엔진(400)은 라디에이터(500)와 제2방열로(F)를 구성하여 엔진의 폐열을 버릴 수 있는 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 공조장치의 난방모드를 나타낸 도면으로서, 상기 제어부(800)는 난방모드시 제2히터로(D)를 순환시킴으로써 엔진(400)의 폐열을 통하여 히터코어(200)를 가열하고 난방을 수행한다. 이는 종래의 내연기관이나 하이브리드 차량 등에서 엔진이 어느 정도 가동되어 열을 발생하는 경우이다. 또한, 하이브리드 차량의 경우는 엔진 이외에도 모터, 배터리 등의 전장부품의 폐열을 이용하는 경우도 포함할 수 있다.

한편, 도 2는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 또 다른 난방모드를 나타낸 도면이다. 이 경우는 상기 제어부(800)가 난방모드시 제2냉각로(B)와 제1히터로(C)를 동시에 순환시킴으로써 난방을 수행할 수도 있다. 이 경우는 열전소자(300)의 역할을 통해 난방을 수행하는 것이다. 그리고, 특히 흡열부(320)의 경우 온도를 높일수록 발열부(310)의 온도 역시 올라가는 열전소자의 특성을 최대한 이용하기 위해, 엔진(400)과 제2냉각로(B)를 통해 순환함으로써 난방효율을 더욱 높일 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 냉방모드를 나타낸 도면이다. 이 경우는 제어부(800)가 냉방모드시 제1냉각로(A)를 순환시키도록 한다. 그리고 역시 열전소자(300)의 효율을 최대한 끌어올리기 위해 발열부(310)의 온도를 낮출 필요가 있다. 이를 위해 제어부(800)는 발열부(310)를 제1방열로(E)를 통해 라디에이터(500)와 연결하여 방열을 수행하게 된다. 동시에, 엔진(400) 등의 냉각을 위해 제2방열로(F) 역시 가동하여 라디에이터(500)를 통한 방열이 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 도 4는 도 1에 도시된 차량의 공조장치의 제습모드를 나타낸 도면이다. 이 경우에는 냉각코어(100)와 히터코어(200)가 모두 가동되어야 할 것이다. 따라서, 이를 위해 제어부(800)는 제습모드시 제2방열로(F)와 제1냉각로(A) 및 제1히터로(C)를 순환시키도록 한다. 즉, 열전소자(300)의 흡열부(320)를 통해 냉각을 수행하고 발열부(310)를 통해 난방을 수행하는 것이다.

따라서, 이 경우는 별도로 열을 순환시키지 않더라도 열전소자의 효율이 매우 높은 상태를 유지하게 된다. 그리고 그에 따라 열전소자를 위한 전기적인 에너지를 덜 소모하게 되는 것이다. 한편, 엔진(400) 등의 냉각을 위해 제2방열로(F)는 별도로 가동하도록 함이 바람직하다.

상기 설명한 각각의 냉각로, 히터로, 방열로들은 모두 제어부의 밸브 및 워터펌프의 제어를 통해 수행하게 된다. 그리고, 그러한 시스템의 구성을 간결하게 하여 컴팩트한 유로를 설계하기 위해서는 아래와 같은 유로의 설계가 유용할 것이다.

구체적으로, 상기 제1냉각로(A)와 제2냉각로(B)는 흡열면(320)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 흡열면(320)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(740)를 설치한다. 그리고 제1냉각로(A)에는 워터펌프(620)를 마련하여 냉방을 위한 냉각수의 순환력을 제공한다.

한편, 상기 제1히터로(C)와 제1방열로(E)는 발열면(310)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 발열면(310)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(730)를 설치한다. 그리고 발열면(310)의 입구측 합류점과 발열면(310) 사이에는 워터펌프(610)를 설치하여 발열면으로의 냉각수 순환력을 제공한다. 한편, 엔진의 경우에는 기존 차량의 엔진측 워터펌프를 이용하여 냉각수의 순환을 활용할 수 있다.

또한, 상기 제2냉각로(B)와 제2방열로(F)는 엔진(400)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 엔진(400)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(710)를 설치한다.

그리고, 상기 제2히터로(D)는 엔진(400)의 출구측에서 제2냉각로(B)가 분기된 후 다시 3웨이밸브(720)를 통해 분기되어 형성되도록 한다.

또한, 상기 제1히터로(C)와 제2히터로(D)는 히터코어(200)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 히터코어(200)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(750)를 설치한다.

이와 같은 공조 유로 회로의 설계에 따라, 공조장치의 냉각수 순환 시스템은 매우 간결해질 것이며, 최소한의 밸브와 워터펌프의 제어만으로도 난방/냉방/제습을 수행하고 동시에 엔진 등의 차량 부품의 적절한 방열과 그 폐열을 이용하여 다시 공조의 효율을 높일 수 있는 선순환의 구조를 이룰 수 있는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 냉각코어 200 : 히터코어
300 : 열전소자 400 : 엔진
500 : 라디에이터 800 : 제어부

Claims

송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어(100) 및 히터코어(200);
발열면(310)과 흡열면(320)이 구비된 열전소자(300);
냉각수가 흐르며, 흡열면(320)과 냉각코어(100)를 순환하는 제1냉각로(A) 및 흡열면(320)과 엔진(400)을 순환하는 제2냉각로(B)로 구성된 냉각라인;
냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 히터코어(200)를 순환하는 제1히터로(C) 및 엔진(400)과 히터코어(200)를 순환하는 제2히터로(D)로 구성된 히터라인; 및
난방모드시 제2냉각로(B)와 제1히터로(C)를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로(D)를 순환시키는 제어부(800);를 포함하는 차량의 공조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부(800)는 냉방모드시 제1냉각로(A)를 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
송풍유로에 중첩적으로 배치된 냉각코어(100) 및 히터코어(200);
발열면(310)과 흡열면(320)이 구비된 열전소자(300);
냉각수가 흐르며, 흡열면(320)과 냉각코어(100)를 순환하는 제1냉각로(A) 및 흡열면(320)과 엔진(400)을 순환하는 제2냉각로(B)로 구성된 냉각라인;
냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 히터코어(200)를 순환하는 제1히터로(C) 및 엔진(400)과 히터코어(200)를 순환하는 제2히터로(D)로 구성된 히터라인;
냉각수가 흐르며, 발열면(310)과 라디에이터(500)를 순환하는 제1방열로(E) 및 엔진(400)과 라디에이터(500)를 순환하는 제2방열로(F)로 구성된 방열라인; 및
냉방모드시 제1냉각로(A)와 제1방열로(E) 및 제2방열로(F)를 순환시키는 제어부(800);를 포함하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제어부(800)는 제습모드시 제2방열로(F)와 제1냉각로(A) 및 제1히터로(C)를 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제어부(800)는 난방모드시 제2냉각로(B)와 제1히터로(C)를 동시에 순환시키거나 또는 제2히터로(D)를 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1냉각로(A)와 제2냉각로(B)는 흡열면(320)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 흡열면(320)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(740)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1냉각로(A)에는 워터펌프(620)가 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1히터로(C)와 제1방열로(E)는 발열면(310)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 발열면(310)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(730)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 8에 있어서,
상기 발열면(310)의 입구측 합류점과 발열면(310) 사이에는 워터펌프(610)가 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제2냉각로(B)와 제2방열로(F)는 엔진(400)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 엔진(400)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(710)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제2히터로(D)는 엔진(400)의 출구측에서 제2냉각로(B)가 분기된 후 다시 3웨이밸브(720)를 통해 분기되어 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1히터로(C)와 제2히터로(D)는 히터코어(200)의 입구와 출구를 공유하도록 병렬연결되고, 히터코어(200)의 출구측 분기점에는 3웨이밸브(750)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 공조장치.