KR101637968B1 - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 실외열교환기의 입구측 냉매순환라인상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부와, 증발기 바이패스라인의 입구측에 연결되어 바이패스라인을 온오프하는 온오프밸브부와, 상기 삼방밸브부 및 온오프밸브부와 상기 실외열교환기의 출구측 냉매순환라인를 연통되게 연결하는 연결블럭과, 상기 삼방밸브부의 입구측에 연결되어 실내열교환기에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 팽창수단을 일체로 구성한 복합밸브장치를 구비함으로써, 상기 복합밸브장치의 냉매 제어를 통해 히트 펌프 시스템의 기능(모드)을 모두 수행할 수 있음은 물론 여러개의 부품 및 기능이 복합밸브장치 하나로 일체화 됨에 따라 냉매순환라인(배관)이 간소화되어 히트 펌프 시스템의 컴팩트화가 가능함과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 확보할 수 있으며, 중량을 줄여 작업성 및 연비도 향상할 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 실외열교환기의 입구측 냉매순환라인상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부와, 증발기 바이패스라인의 입구측에 연결되어 바이패스라인을 온오프하는 온오프밸브부와, 상기 삼방밸브부 및 온오프밸브부와 상기 실외열교환기의 출구측 냉매순환라인를 연통되게 연결하는 연결블럭과, 상기 삼방밸브부의 입구측에 연결되어 실내열교환기에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 팽창수단을 일체로 구성한 복합밸브장치를 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 제1개폐 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1개폐 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) 및 저압측 열교환기(60)에 대해 병렬로 설치됨과 아울러 상기 실외기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 연결하는 바이패스라인(58a) 및 상기 바이패스라인(58a)을 개폐하는 제2개폐 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, 제1개폐 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2개폐 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), 제2개폐 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, 제1개폐 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2개폐 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 고압측 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1개폐밸브(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.
그리고, 상기한 차량용 히트펌프 시스템에는 순환하는 냉매를 바이패스시키는 바이패스라인(58a) 뿐만아니라, 도면에는 도시하지 않았지만 순환하는 냉매를 일정량 분기하여 특정부위로 공급하는 분기라인이 설치되고, 또한 상기 냉매가 유동하는 라인상에는 냉매의 유동방향을 전환하는 삼방밸브(미도시), 냉매의 유동을 개폐하는 개폐밸브(36,58), 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(34,56)가 설치된다.
그러나, 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 상기 바이패스라인(58a), 분기라인과 같은 배관과, 삼방밸브와 개폐밸브(36,58) 및 팽창밸브(34,56)가 차량의 협소한 엔진룸내에 밀집해서 배치됨에 따라 냉매라인(배관)의 구조가 복잡해짐은 물론 냉매라인(배관)간에 연결해주는 별도의 연결블럭(미도시)들이 필요하고 각각의 밸브가 개별적으로 분리 설치되는 등 협소한 엔진룸내에서 히트 펌프 시스템이 많은 공간을 차지하고 중량이 과다하여 작업성 및 연비가 떨어지는 문제가 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실외열교환기의 입구측 냉매순환라인상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부와, 증발기 바이패스라인의 입구측에 연결되어 바이패스라인을 온오프하는 온오프밸브부와, 상기 삼방밸브부 및 온오프밸브부와 상기 실외열교환기의 출구측 냉매순환라인를 연통되게 연결하는 연결블럭과, 상기 삼방밸브부의 입구측에 연결되어 실내열교환기에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 팽창수단을 일체로 구성한 복합밸브장치를 구비함으로써, 상기 복합밸브장치의 냉매 제어를 통해 히트 펌프 시스템의 기능(모드)을 모두 수행할 수 있음은 물론 여러개의 부품 및 기능이 복합밸브장치 하나로 일체화 됨에 따라 냉매순환라인(배관)이 간소화되어 히트 펌프 시스템의 컴팩트화가 가능함과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 확보할 수 있으며, 중량을 줄여 작업성 및 연비도 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매순환라인상에 각각 연결되는 것으로, 공조케이스의 내부에 설치되는 실내열교환기 및 증발기와, 공조케이스의 외부에 설치되는 압축기 및 실외열교환기를 포함하여 이루어져, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 실외열교환기, 증발기를 순차적으로 순환하는 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인의 특정구간에 설치되어 상기 냉매순환라인을 따라 순환하는 냉매가 상기 증발기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 바이패스라인과, 상기 실외열교환기의 입구측 냉매순환라인상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부와, 상기 바이패스라인의 입구측에 연결되어 바이패스라인을 온오프하는 온오프밸브부와, 상기 삼방밸브부 및 온오프밸브부와 상기 실외열교환기의 출구측 냉매순환라인를 연통되게 연결하는 연결블럭을 일체로 구성한 제1복합밸브장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 실외열교환기의 입구측 냉매순환라인상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부와, 증발기 바이패스라인의 입구측에 연결되어 바이패스라인을 온오프하는 온오프밸브부와, 상기 삼방밸브부 및 온오프밸브부와 상기 실외열교환기의 출구측 냉매순환라인를 연통되게 연결하는 연결블럭과, 상기 삼방밸브부의 입구측에 연결되어 실내열교환기에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 팽창수단을 일체로 구성한 제1복합밸브장치를 구비함으로써, 상기 제1복합밸브장치의 냉매 제어를 통해 히트 펌프 시스템의 기능(모드)을 모두 수행할 수 있음은 물론 여러개의 부품 및 기능이 제1복합밸브장치 하나로 일체화 됨에 따라 냉매순환라인(배관)이 간소화되어 히트 펌프 시스템의 컴팩트화가 가능함과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 확보할 수 있으며, 중량을 줄여 작업성 및 연비도 향상할 수 있다.
또한, 증발기의 입구측 냉매순환라인상에 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키도록 팽창유로를 갖는 팽창밸브부와, 상기 팽창유로를 통과한 냉매의 유동을 온오프하는 온오프밸브부를 일체로 구성하고 상기 팽창유로상에 항시 냉매 유동을 위해 노치부를 형성한 제2복합밸브장치를 설치함으로써, 상기 제1복합밸브장치 및 제2복합밸브장치의 냉매 제어를 통해 히트 펌프 시스템의 기능(모드)을 모두 수행할 수 있음은 물론 여러개의 부품 및 기능이 제1,2복합밸브장치로 일체화 됨에 따라 냉매순환라인(배관)이 더욱 간소화되어 히트 펌프 시스템을 더욱 컴팩트화 할 수 있음과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 더욱 확보할 수 있으며 중량도 더욱 줄일 수 있다.
그리고, 바이패스라인의 분기지점에 설치해야했던 삼방밸브를 두 개의 온오프밸브로 대체하여 삼방밸브 기능을 수행하되, 이중 하나의 온오프밸브를 팽창밸브와 일체화하여 제2복합밸브장치를 구성함으로써, 무게 및 부품수 감소와 배관을 단순화 할 수 있다.
또한, 제1복합밸브장치의 오리피스를 샤프트 형태인 밸브부재상에 직접 형성함으로써, 제작이 간편함은 물론 유로의 급격한 변화를 방지하여 압력 강하를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 도 2에서 제1복합밸브장치를 나타내는 사시도,
도 4는 도 3에서 삼방밸브부 및 팽창수단의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 5는 도 2에서 제2복합밸브장치의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 중 최대난방모드를 나타내는 구성도,
도 7은 도 6에서 삼방밸브부 및 팽창수단의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 8은 도 6에서 제2복합밸브장치의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 중 제습모드를 나타내는 구성도,
도 10은 도 9에서 삼방밸브부 및 팽창수단의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 11은 도 9에서 제2복합밸브장치의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 12는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 중 제상모드를 나타내는 구성도,
도 13은 도 12에서 삼방밸브부 및 팽창수단의 작동상태를 나타내는 단면도,
도 14는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제1복합밸브장치의 오리피스의 다른 실시예를 나타내는 단면도,
도 15는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 냉매순환라인(R)상에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 제1복합밸브장치(200)와, 실외열교환기(130)와, 제2복합밸브장치(300)와, 증발기(160)가 각각 연결 설치되어 냉매가 순차적으로 순환하는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)의 특정구간에는 상기 냉매순환라인(R)을 따라 유동하는 냉매가 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)를 바이패스하도록 하는 바이패스라인(R1)이 설치된다.
이때, 상기 바이패스라인(R1)은 상기 냉매순환라인(R)에 대해 병렬로 설치된다.
또한, 상기 히트 펌프 시스템에는 두 개의 팽창수단이 설치되는데, 하나의 팽창수단(240)은 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 연결하는 냉매순환라인상에 설치되고, 다른 하나의 팽창수단은 팽창밸브부(310)로서 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치되는데, 이때 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)의 사이에 설치되는 팽창수단(240)은 제1복합밸브장치(200)에 일체화 하였고, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치되는 팽창밸브부(310)는 상기 제2복합밸브장치(300)에 일체화 하였다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 제1복합밸브장치(300), 제2복합밸브장치(300), 증발기(160), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기(난방기) 역할을 수행하게 된다.
한편, 상기 실외열교환기(130)는 상기 실내열교환기(110)와 같은 응축기 역할을 하게 된다.
또한, 히트펌프 모드시(최대난방모드시)에는, 도 6과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 제1복합밸브장치(200), 실외열교환기(130), 바이패스라인(R1), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기(난방기) 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하며, 상기 증발기(160)로는 냉매 공급이 되지 않는다.
이처럼, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 냉매 순환방향이 동일함과 아울러 냉매순환라인(R)의 많은 구간을 공용화함으로써, 냉매가 흐르지 않을 때 발생하는 냉매 정체현상을 방지하고, 전체 냉매순환라인(R)도 단순화 할 수 있다.
그리고, 본 발명에서는, 상기 히트펌프 모드를 최대난방모드, 제습모드, 제상모드와 같이 다양화하고 있는데, 상기 제습모드는 차량 실내에 제습이 필요한 경우에 수행하게 되고, 상기 제상모드는 실외열교환기의 착상 발생시 수행하게 된다.
이하, 본 발명의 각 구성요소들을 상세히 설명하기로 한다.
상기 냉매순환라인(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 증발기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 바이패스라인(R1)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 냉매순환라인(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 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키게 된다.
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 난방모드시에는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지된다.
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, 상기 증발기(160)가 증발기 역할을 수행하는 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창밸브부(310)를 통해 팽창된 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(최대난방모드시)에는 도 6과 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(미도시)가 더 설치될 수도 있다.
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(160)를 통과한 냉풍이 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시(최대난방모드시)에는 도 6과 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 모드에서는 공기가 상기 증발기(160)를 통과하게 되면서 차실내가 제습되게 된다.
이처럼, 본 발명에서는 에어컨 모드는 물론 히트펌프 모드시에도 차실내 제습기능을 작동할 수 있는 것이다.
그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치됨과 아울러 상기 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 냉매순환라인(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(최대난방모드시)에는 상기 실내열교환기(110)와 상반되는 증발기 역할을 하게 되는데, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 저온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 증발하게 된다.
그리고, 본 발명은, 기존에 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 제어하는 다수의 밸브들과, 배관들을 연결하는 다수의 연결블럭들의 기능을 제1복합밸브장치(200)와 제2복합밸브장치(300)만으로 수행할 수 있도록 한 것이다.
즉, 상기 제1복합밸브장치(200)와 제2복합밸브장치(300)의 냉매 제어를 통해 히트 펌프 시스템의 기능(모드)을 모두 수행할 수 있음은 물론 여러개의 부품 및 기능이 각 복합밸브장치 하나로 일체화 됨에 따라 냉매순환라인(배관)이 간소화되어 히트 펌프 시스템의 컴팩트화가 가능함과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 확보할 수 있으며, 중량을 줄여 작업성 및 연비도 향상할 수 있는 것이다.
상기 제1복합밸브장치(200)는, 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부(210)와, 상기 바이패스라인(R1)의 입구측에 연결되어 바이패스라인(R1)을 온오프하는 온오프밸브부(220)와, 상기 삼방밸브부(210) 및 온오프밸브부(220)와 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)를 연통되게 연결하는 연결블럭(230)을 일체로 구성하여 이루어진다.
또한, 상기 제1복합밸브장치(200)는 상기 삼방밸브부(210)와 온오프밸브부(220) 및 연결블럭(230) 구성 뿐만 아니라 팽창수단(240) 구성까지 일체로 구성하게 되는데, 즉, 상기 팽창수단(240)은 상기 삼방밸브부(210)의 입구측에 연결되어 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
다시말해, 상기 제1복합밸브장치(200)는, 상기 삼방밸브부(210), 온오프밸브부(220), 연결블럭(230), 팽창수단(240)을 일체화하여 단일 부품으로 구성한 것이다.
상기 팽창수단(240)은, 상기 삼방밸브부(210)의 입구(211)측과 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 온오프 밸브(241)와, 상기 온오프 밸브(241)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(246)로 이루어져, 상기 온오프 밸브(241)의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 오리피스(246)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키게 된다.
상기 온오프 밸브(241)는, 도 4와 같이, 상기 온오프 밸브(241)의 내부에 냉매가 유동하도록 형성되는 유로(242)와, 상기 유로(242)를 개폐하도록 설치되는 밸브부재(243)로 구성된다.
이때, 상기 온오프 밸브(241)의 밸브부재(243)상에 상기 오리피스(246)가 형성되는 것이다.
여기서, 상기 밸브부재(243)는, 상기 온오프 밸브(241)의 일측에 설치된 구동장치와 연결되는 샤프트(243a)와, 상기 샤프트(243a)에 형성되어 상기 유로(242)를 개폐하는 밸브판(243b)으로 구성되고, 상기 오리피스(246)는 상기 밸브부재(243)의 밸브판(243b)에 관통 형성되어 이루어진다.
이로인해, 상기 온오프 밸브(241)의 유로(242)로 유입된 냉매가 상기 밸브판(243b)에 형성된 오리피스(246)를 통과하면서 팽창하게 되는 것이다.
한편, 도 14는 상기 오리피스(246)의 다른 실시예로서, 도 14에 도시된 밸브부재(243)는, 상기 온오프 밸브(241)의 일측에 설치된 구동장치와 연결되는 중공의 샤프트(243a)와, 상기 샤프트(243a)에 형성되어 상기 유로(242)를 개폐하는 밸브판(243b)으로 구성되고, 상기 오리피스(246)는 상기 밸브부재(243)의 중공 샤프트(243a)에 내,외부를 관통하도록 형성되어 이루어진다.
이로인해, 상기 온오프 밸브(241)의 유로(242)로 유입된 냉매가 상기 중공의 샤프트(243a)에 형성된 오리피스(246)로 유입되어 샤프트(243a) 내부를 통과하면서 팽창하게 되는 것이다.
이처럼, 상기 오리피스(246)를 샤프트 형태인 상기 밸브부재(243)상에 직접 형성함으로써, 제작이 간편함은 물론 유로의 급격한 변화를 방지하여 압력 강하를 방지할 수 있는 장점이 있다.
만일, 상기 오리피스(246)를 상기 온오프 밸브(241)의 몸체상에 형성할 경우 제작이 어려운 단점이 있다.
그리고, 상기 온오프 밸브(241)의 일측에는 상기 밸브부재(243)의 개폐작동을 위한 구동장치인 솔레노이드(244)가 설치되며, 상기 온오프 밸브(241)의 내부에는 상기 솔레노이드(244)의 전원차단시 상기 밸브부재(243)를 이동시켜 상기 유로(242)를 개방시키는 탄성부재(245)가 설치된다.
이와 같이, 상기 팽창수단(240)의 밸브부재(243)가 유로(242)를 개방할 경우에는 팽창수단(240)을 통과하는 냉매가 팽창되지 않은 상태로 통과하게 되고, 팽창수단(240)의 밸브부재(243)가 유로(242)를 폐쇄할 경우에는 팽창수단(240)을 통과하는 냉매가 밸브부재(243)상의 오리피스(246)를 통과하는 과정에서 팽창된 후 통과하게 되는 것이다.
그리고, 상기 삼방밸브부(210)는, 1개의 입구(211)와 2개의 출구(212a,212b)가 형성되며, 상기 1개의 입구(211)는 상기 팽창수단(240)의 온오프밸브(241) 유로(242)와 연결되고, 상기 2개의 출구(212a,212b)는 상기 1개의 입구(211)로부터 분기됨과 아울러 이 중 1개의 출구(212a)는 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)과 연결되고 다른 1개의 출구(212b)는 상기 연결블럭(230)과 연결되게 된다.
또한, 상기 삼방밸브부(210)의 내부에는 상기 2개의 출구(212a,212b)를 선택적으로 개방하는 밸브부재(213)가 설치된다.
아울러, 상기 삼방밸브부(210)의 일측에는 상기 밸브부재(213)를 작동시키기 위한 솔레노이드(215)가 설치되며, 상기 삼방밸브부(210)의 내부에는 상기 솔레노이드(215)의 전원차단시 상기 밸브부재(213)를 이동시켜 실외열교환기(130)측 출구(212a)를 폐쇄시키는 탄성부재(214)가 설치된다.
따라서, 상기 팽창수단(240)의 유로(242)를 통과한 냉매를 상기 실외열교환기(130)측으로 유동시키거나 또는 상기 연결블럭(230)측으로 유동시켜 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.
그리고, 상기 연결블럭(230)의 내부에는, 상기 삼방밸브부(210) 및 온오프밸브부(220)와 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)를 연통되게 연결하도록 십자형태의 사방유로(231)가 형성된다.
따라서, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매의 경우 상기 연결블럭(230)을 통해 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)측으로 유동할 수도 있고 상기 바이패스라인(R1)측으로 유동할 수도 있다.
또한, 상기 삼방밸브부(210)에서 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 연결블럭(230)으로 곧바로 유입되는 냉매의 경우도 상기 연결블럭(230)을 통해 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)측으로 유동할 수도 있고 상기 바이패스라인(R1)측으로 유동할 수도 있다.
이때, 상기 삼방밸브부(210)를 통해 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하는 경우는, 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 경우이다.
아울러, 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하더라도, 수냉식 열교환기(181)나 증발기(160)를 통해 열원을 회수하도록 함으로써, 난방성능을 향상할 수 있는 것이다.
한편, 상기 연결블럭(230)으로 유입된 냉매의 유동 흐름은, 상기 제2복합밸브장치(300)나 상기 바이패스라인(R1)상에 설치된 온오프밸브부(220)의 제어를 통해 결정된다. 즉, 상기 제2복합밸브장치(300)와 온오프밸브부(220)의 제어를 통해 어느 일측으로만 냉매가 유동할 수도 있고 동시에 유동할 수도 있다.
그리고, 상기 온오프밸브부(220)는, 상기 바이패스라인(R1)의 입구측에 설치되어 상기 연결블럭(230)과 바이패스라인(R1)을 연결하여 바이패스라인(R1)을 선택적으로 온오프하게 된다.
상기 온오프밸브부(220)의 구조는 상기 팽창수단(240)의 구조에서 오리피스(246)만 빠진 온오프밸브(241)의 구조와 동일하다.
이러한, 상기 제1복합밸브장치(200)는, 에어컨 모드시, 상기 팽창수단(240)의 온오프밸브(241)는 유로(242)를 개방하게 되고, 상기 삼방밸브부(210)는 실외열교환기(130)측 출구(212a)를 개방하게 되며, 상기 온오프밸브부(220)는 상기 바이패스라인(R1)을 폐쇄하게 되고, 상기 제2복합밸브장치(300)가 개방됨으로써, 상기 팽창수단(240)의 온오프밸브(241)를 미팽창상태로 통과한 냉매를 상기 삼방밸브부(210)를 통해 실외열교환기(130)측으로 유동시키게 되고, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 상기 연결블럭(230)을 통해 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)측으로 유동하게 된다.
또한, 히트펌프 모드시에는, 상기 팽창수단(240)의 온오프밸브(241)는 유로(242)를 폐쇄하여 오리피스(246)를 통한 팽창기능을 하게 되고, 상기 삼방밸브부(210)는 실외열교환기(130)측 출구를 개방하게 되며, 상기 온오프밸브부(220)는 상기 바이패스라인(R1)을 개방하게되고, 상기 제2복합밸브장치(300)가 폐쇄됨으로써, 상기 팽창수단(240)의 온오프밸브(241)를 팽창상태로 통과한 냉매를 상기 삼방밸브부(210)를 통해 실외열교환기(130)측으로 유동시키게 되고, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 상기 연결블럭(230)을 통해 상기 바이패스라인(R1)측으로 유동하게 된다.
그리고, 상기 제2복합밸브장치(300)는, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치되는 것으로, 상기 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키도록 팽창유로(312a)를 갖는 팽창밸브부(310)와, 상기 팽창유로(312a)를 통과한 냉매의 유동을 온오프하는 온오프밸브부(320)를 일체로 구성하여 이루어진다.
또한, 상기 팽창유로(312a)의 내측면에는 냉매의 일부가 항시 유동할 수 있도록 후술하는 노치부(312c)가 형성된다.
즉, 하나의 복합밸브장치(300)에 팽창유로(312a) 및 노치부(312c)를 갖는 팽창밸브부(310)와 온오프밸브부(320)를 통합 구성한 것으로, 이를 통해 팽창밸브 기능과 온오프밸브 기능 및 냉매 일정량 항시 공급 기능을 모두 수행할 수 있게 됨으로써, 냉매순환라인(배관)(R)이 간소화되어 히트 펌프 시스템의 컴팩트화가 가능함과 아울러 협소한 차량 엔진룸의 공간을 확보할 수 있으며 중량도 줄일 수 있는 것이다.
그리고, 상기 팽창밸브부(310)는, 상기 냉매순환라인(R)과 연결됨과 아울러 내부에는 냉매를 팽창시키는 상기 팽창유로(312a) 및 상기 팽창유로(312a)를 통과한 냉매가 유동하는 연통유로(312b)가 형성된 본체(311)와, 상기 본체(311)에 설치되어 상기 팽창유로(312a)를 개폐하는 개폐수단(315)으로 이루어진다.
여기서, 상기 본체(311)의 내부에는 상기 냉매순환라인(R)과 연결되어 냉매순환라인(R)을 따라 유동하는 냉매가 통과하는 유로(312)가 형성되는데, 이때 상기 본체(311)내 유로(312)의 일부 구간에는 유로(312)의 직경을 축소한 상기 팽창유로(312a)로 구성되고, 상기 팽창유로(312a)의 하류측 일부 구간은 상기 연통유로(312b)로 구성된다.
또한, 상기 개폐수단(315)은, 상기 팽창유로(312a)의 일측(하측)에 배치되어 상기 팽창유로(312a)를 개폐하도록 작동하는 볼(316)과, 상기 본체(311)의 내부에 승하강 가능하게 설치되어 상기 볼(316)을 작동시키는 작동축(317)을 포함하여 이루어진다.
한편, 상기 본체(311)의 하부에는 상기 볼(316)을 팽창유로(312a)측으로 밀착시키는 탄성부재(319)가 설치된다.
아울러, 상기 본체(311)의 내부에는 상기 증발기(160)에서 배출된 냉매가 압축기(100)로 유입되기 전에 경유하도록 경유유로(313)가 형성된다.
또한, 상기 본체(311)의 상부에는 상기 경유유로(313)내를 흐르는 냉매의 온도변화에 따라 변위되는 다이아프램(318)이 설치되고, 상기 다이아프램(318)은 상기 작동축(317)과 연결된다.
따라서, 상기 증발기(160)에서 배출되어 상기 경유유로(313)를 유동하는 냉매의 온도변화에 따라 상기 다이아프램(318)이 변위되고, 이 변위량에 따라 상기 작동축(317)이 승하강하면서 상기 볼(316)을 작동시켜 팽창유로(312a)를 개폐하게 된다.
그리고, 상기 팽창유로(312a)의 내측면에는, 상기 개폐수단(315)에 의해 상기 팽창유로(312a)가 폐쇄 상태일 경우에도 상기 팽창유로(312a)를 통해 냉매가 일부 유동할 수 있도록 노치부(312c)가 형성된다.
즉, 상기 볼(316)이 안착되는 상기 팽창유로(312a)의 안착면에 상기 홈형태의 노치부(312c)를 형성함으로써, 상기 볼(316)이 상기 팽창유로(312a)를 폐쇄하더라도 상기 노치부(312c)를 통해 항시 일정량의 냉매가 팽창유로(312a)를 통과하게 된다.
그리고, 상기 제2복합밸브장치(300)의 온오프밸브부(320)는, 상기 본체(311)의 일측면에 결합되는 구동장치(321)와, 상기 구동장치(321)에 왕복운동 가능하게 설치되어 상기 연통유로(312b)를 개폐하는 작동밸브(322)로 이루어진다.
상기 구동장치(321)는, 상기 작동밸브(322)를 직선 왕복운동시키는 솔레노이드인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 솔레노이드에 전원이 인가되면 상기 작동밸브(322)가 이동하면서 상기 본체(311)내의 연통유로(312b)를 폐쇄하게 되고, 상기 솔레노이드에 전원이 차단되면 상기 본체(311)측에 설치된 탄성부재(323)가 상기 작동밸브(322)를 초기위치로 이동시킴으로서 상기 연통유로(312b)가 개방되게 된다.
이러한 상기 제2복합밸브장치(300)는, 에어컨 모드시 도 5와 같이, 상기 팽창밸브부(310)가 팽창유로(312a)를 개방하게 되고, 상기 온오프밸브부(320)는 연통유로(312b)를 개방하게 됨으로써, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매가 상기 연결블럭(230)을 통과한 후 상기 팽창유로(312a)를 통과하는 과정에서 팽창된 후, 연통유로(312b)를 통과하여 상기 증발기(160)측으로 공급되게 되고,
히트펌프 모드(최대난방모드)시에는, 도 8과 같이, 상기 팽창밸브부(310)가 팽창유로(312a)를 폐쇄하게 되고, 상기 온오프밸브부(320)는 연통유로(312b)를 폐쇄하게 됨으로써, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매가 상기 연결블럭(230) 및 온오프밸브부(220)를 통해 상기 바이패스라인(R1)측으로 유동하면서 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)를 바이패스 하게 된다.
한편, 제습모드시에는, 상기 팽창밸브부(310)가 팽창유로(312a)를 폐쇄하게 되고, 상기 온오프밸브부(320)는 연통유로(312b)를 개방하게 되는데, 이때 상기 팽창밸브부(310)의 볼(316)이 팽창유로(312a)를 폐쇄하더라도 상기 노치부(312c)를 통해서 일정량의 냉매가 통과하게 됨으로써, 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 상기 연결블럭(230)으로 유입된 냉매 중 일부는 상기 온오프밸브부(220) 및 바이패스라인(R1)을 통해 압축기(100)측으로 유동하고, 냉매 중 일부는 상기 냉매순환라인(R)을 따라 상기 노치부(312c) 및 연통유로(312b)를 통과 한 후 증발기(160)측으로 공급되고 이후 압축기(100)측으로 유동하게 되어 차실내를 제습하게 된다.
그리고, 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)를 바이패스하도록 설치되는 상기 바이패스라인(R1)상에는 바이패스라인(R1)을 따라 흐르는 냉매와 차량 전장품(400)을 순환하는 냉각수를 열교환하도록 수냉식 열교환기(181)가 설치된다.
상기 수냉식 열교환기(181)는, 차량 전장품(400)의 폐열을 상기 바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(181a)와, 상기 냉매 열교환부(181a)의 일측에 열교환 가능하게 구비되어 상기 차량 전장품(400)을 순환하는 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(181b)로 이루어진다.
따라서, 히트펌프 모드시 차량 전장품(400)의 폐열로 부터 열원을 회수함으로써 난방성능을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 상기 차량 전장품(400)으로는 대표적으로 모터와, 인버터 등이 있다.
그리고, 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(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.
도 15는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 다른 실시예로서, 앞서 설명한 히트 펌프 시스템과 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 15의 실시예에서는, 상기 제2복합밸브장치(300)는 그대로 사용하되, 상기 제1복합밸브장치(200)를 생략한 것이다. 이로인해 상기 제1복합밸브장치(200) 하나가 하던 기능을 각각 여러개의 부품 즉, 팽창수단(120), 제1삼방밸브(191), 제2삼방밸브(192)로 분리하여 설치한 것이다.
다시말해, 상기 제1복합밸브장치(200) 하나가 하던 기능을 여러개 부품으로 분리한 것일 뿐 그 외 냉매흐름제어는 동일하게 수행하게 된다. 물론, 제1복합밸브장치(200)를 사용하는 경우보다는 부품수가 많아지긴 하나 상기 제2복합밸브장치(300) 만으로도 후술하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같이 여러개 부품으로 분리함으로 인해, 상기 냉매순환라인(R)상에는 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)를 바이패스하는 바이패스라인(R1)외에도 상기 실외열교환기(130)을 바이패스하는 보조 바이패스라인(R2)가 설치되고, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 연결하는 냉매순화라인(R)상에는 팽창라인(R3)이 병렬로 설치된다.
그리고, 상기 보조 바이패스라인(R2)의 분기지점에는 상기 제1삼방밸브(191)가 설치되고, 상기 팽창라인(R3)의 분기지점에는 상기 제2삼방밸브(192)가 설치된다.
이때, 상기 바이패스라인(R1)의 분기지점에는 삼방밸브가 설치되지 않고, 대신 두 개의 온오프밸브를 설치하여, 하나의 온오프밸브(195)는 상기 바이패스라인(R1)상에 설치하고, 다른 하나의 온오프밸브(320)는 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치된 상기 제2복합밸브장치(300)에 일체화 하였다.
즉, 삼방밸브는 크기가 크고 무게가 무거운 단점이 있으므로, 이를 두 개의 온오프밸브로 분리 하되, 이때 두 개의 온오프밸브를 사용하면 부품수 증가 및 배관 연결이 복잡해지는 또 다른 단점이 있으므로,
본 발명에서는 이러한 단점을 모두 해결할 수 있도록, 상기 바이패스라인(R1)의 분기지점에 설치해야 했던 삼방밸브를 두 개의 온오프밸브로 대체하여 삼방밸브 기능을 수행하되, 이중 하나의 온오프밸브(320)는 상기 증발기(160)의 입구측에 설치되던 팽창밸브(310)와 일체화 한 것이다.
즉, 상기 증발기(160)를 향하는 냉매순환라인(R)상에 설치되는 온오프밸브(온오프밸브부)와 팽창밸브(팽창밸브부)를 일체화한 것이 바로 제2복합밸브장치(300)인 것이다.
이처럼 상기 바이패스라인(R1)의 분기지점에 설치해야했던 삼방밸브를 두 개의 온오프밸브로 대체하되, 이중 하나의 온오프밸브(320)를 상기 팽창밸브(310)와 일체화하여 제2복합밸브장치(300)를 구성함에 따른 무게 및 부품수 감소와 배관 단순화 효과는 도 2 내지 도 13과 같은 히트 펌프 시스템에도 동일하게 적용된다.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에서 보조 바이패스라인(R2)의 분기지점에 설치된 제1삼방밸브(191)는 실외열교환기(130)의 착상발생 여부에 따라 냉매가 상기 실외열교환기(130) 또는 보조 바이패스라인(R2)으로 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하게 된다.
즉, 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 경우에는 상기 제1삼방밸브(191)의 제어를 통해 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 상기 보조 바이패스라인(R2)측으로 흐르도록 제어된다.
이처럼, 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하더라도, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스한 냉매 중 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통해 차량 전장품(400)의 폐열을 회수하고, 냉매 중 일부는 제2복합밸브장치(300)를 통해 실내공기와 열교환하는 증발기(160)로 공급되어 실내공기의 열원을 회수하도록 함으로써, 난방성능을 향상할 수 있는 것이다.
그리고, 상기 팽창라인(R3)에 설치된 팽창수단(120)은, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
상기 팽창수단(120)은, 오리피스를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 제2삼방밸브(192)에 의해 상기 팽창수단(120)을 바이패스하여 실외열교환기(130)로 공급되고,
히트펌프 모드시(최대난방모드시)에는, 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 제2삼방밸브(192)에 의해 상기 팽창수단(120)을 통과하면서 팽창된 후 상기 실외열교환기(130)로 공급되게 된다.
한편, 도 15는 히트펌프 모드 중 최대난방모드만 일예로 나타낸 것이며, 이 외에도 도 2 내지 도 13과 같은 다양한 모드를 수행할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
가. 에어컨 모드(냉방 모드)
에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2 내지 도 5와 같이, 상기 온오프밸브부(220)를 통해 상기 바이패스라인(R1)이 폐쇄됨과 아울러 상기 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)은 유로(242)를 개방하고, 삼방밸브부(210)는 실외열교환기(130)측 출구(212a)를 개방하게 된다.
또한, 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a) 및 연통유로(312b)가 개방되게 된다.
한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)(응축기)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 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240) 및 삼방밸브부(210)를 통과한 후 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 연결블럭(230)을 경유하여 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 온오프밸브부(320)에 의해 개방된 연통유로(312b)를 거쳐 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 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
나. 히트펌프 모드 중 최대난방모드
히트펌프 모드 중 최대난방모드는, 도 6 내지 도 8과 같이, 상기 온오프밸브부(220)를 통해 상기 바이패스라인(R1)이 개방됨과 아울러 상기 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)은 유로(242)를 폐쇄하여 오리피스(246)를 통한 팽창기능을 수행하고, 삼방밸브부(210)는 실외열교환기(130)측 출구(212a)를 개방하게 된다.
또한, 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a) 및 연통유로(312b)가 폐쇄되어, 상기 연결블럭(230)까지 유동한 냉매가 상기 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)측으로 흐르지 않게 된다.
그리고, 난방모드시에는 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,
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 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)내 오리피스(246)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 삼방밸브부(210)를 통해 상기 실외열교환기(130)(증발기 역할)로 공급된다.
상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 실외공기와 열교환하면서 증발한 후 상기 연결블럭(230) 및 온오프밸브부(220)를 통해 상기 바이패스라인(R1)측으로 유동하게 되는데, 이때 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매는 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(400)의 폐열을 회수한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
다. 히트펌프 모드 중 제습모드
히트펌프 모드 중 제습모드는, 도 9 내지 도 11과 같이, 도 6의 최대난방모드로 작동 중에 실내 제습이 필요한 경우에 작동하게 된다.
따라서, 도 6의 최대난방모드와 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 제습모드시에는, 최대난방모드 상태에서 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a)는 폐쇄되고, 연통유로(312b)는 개방되게 된다.
이때, 상기 팽창밸브부(310)의 볼(316)이 상기 팽창유로(312a)측에 밀착되어 팽창유로(312a)를 폐쇄하더라도, 상기 팽창유로(312a)의 내측면에 형성된 노치부(312c)를 통해 일정량의 냉매가 항시 팽창유로(312a)를 통과할 수 있다.
이로인해, 상기 제1복합밸브장치(200)의 연결블럭(230)으로 유입된 냉매가 두 갈래로 분기되어 일부는 제2복합밸브장치(300) 및 증발기(160)측으로 유동하고, 일부는 바이패스라인(R1)측으로 유동하게 된다.
그리고, 제습모드시에는 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)를 통과하는 과정에서 냉각 및 제습된 후, 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 제습 난방하게 된다.
이때, 상기 증발기(160)로 공급되는 냉매량이 적기 때문에 공기 냉각성능도 낮아 실내온도 변화를 최소화하게 되고, 증발기(160)를 통과하는 공기의 제습은 원활하게 이루어진다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)내 오리피스(246) 및 삼방밸브부(210), 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 연결블럭(230)을 유입되고, 상기 연결블럭(230)으로 유입된 냉매 중 일부는 상기 바이패스라인(R1)의 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(400)의 폐열을 회수하면서 증발되고, 냉매 중 일부는 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a)의 노치부(312c)를 통과한 후 연통유로(312b)를 거쳐 증발기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기와 열교환하는 과정에서 증발하게 된다.
상기 과정에서 상기 증발기(160)를 통과하는 공기의 제습이 이루어지게 되며, 상기 증발기(160)를 통과한 제습된 공기는 상기 실내열교환기(110)(응축기 역할)를 통과하면서 온풍으로 바뀐 후 차량 실내로 공급되어 제습 난방하게 된다.
이후, 상기 수냉식 열교환기(181)와 증발기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
라. 히트펌프 모드 중 제상모드
히트펌프 모드 중 제상모드는, 도 12 및 도 13과 같이, 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생하여 제상이 필요한 경우에 작동하게 된다.
상기 제상모드는, 도 6의 최대난방모드로 작동 중에 상기 실외열교환기(130)의 제상이 필요한 경우, 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하여 제상하게 된다. 물론 제상을 위해 에어컨 모드로 전환하여도 가능하다.
아울러, 상기 제습모드시에는, 도 13과 같이 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)은 유로(242)를 폐쇄하여 오리피스(246)를 통해 팽창기능을 수행하고, 상기 삼방밸브부(210)는 연결블럭(230)측 출구(212b)를 개방하여 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.
한편, 상기 제2복합밸브장치(300)는, 도 11과 같이, 상기 팽창유로(312a)는 폐쇄되고, 연통유로(312b)는 개방되므로, 일정량의 냉매가 팽창유로(312a)의 노치부(312c)를 통해 팽창유로(312a) 및 연통유로(312b)로 유동할 수 있게 된다.
그리고, 제상모드시에는 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)를 통과하는 과정에서 냉각된 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 상기 실내열교환기(110)(응축기 역할)로 공급된다.
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 제1복합밸브장치(200)의 팽창수단(240)내 오리피스(246)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 삼방밸브부(210)를 통해 상기 연결블럭(230)측으로 유동하여 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 된다.
상기 연결블럭(230)으로 유입된 냉매 중 일부는 상기 바이패스라인(R1)의 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(400)의 폐열을 회수하면서 증발되고, 냉매 중 일부는 상기 제2복합밸브장치(300)의 팽창유로(312a)의 노치부(312c)를 통과한 후 연통유로(312b)를 거쳐 증발기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기와 열교환하는 과정에서 증발하게 된다.
이후, 상기 수냉식 열교환기(181)와 증발기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
100: 압축기 110: 실내열교환기
130: 실외열교환기 150: 공조케이스
151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
181: 수냉식 열교환기 181a: 냉매 열교환부
181b: 냉각수 열교환부
200: 제1복합밸브장치 210: 삼방밸브부
220: 온오프밸브부 230: 연결블럭
240: 팽창수단
300: 제2복합밸브장치 310: 팽창밸브부
311: 본체 312: 유로
312a: 팽창유로 312b: 연통유로
312c: 노치부
315: 개폐수단 320: 온오프밸브부
321: 구동장치 322: 작동밸브
400: 전장품
R: 냉매순환라인 R1: 바이패스라인

Claims (15)

  1. 냉매순환라인(R)상에 각각 연결되는 것으로, 공조케이스(150)의 내부에 설치되는 실내열교환기(110) 및 증발기(160)와, 공조케이스(150)의 외부에 설치되는 압축기(100) 및 실외열교환기(130)를 포함하여 이루어져, 냉매가 압축기(100), 실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 증발기(160)를 순차적으로 순환하는 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
    상기 냉매순환라인(R)의 특정구간에 설치되어 상기 냉매순환라인(R)을 따라 순환하는 냉매가 상기 증발기(160)를 선택적으로 바이패스하도록 하는 바이패스라인(R1)과,
    상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 연결되어 순환 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 선택적으로 바이패스하도록 하는 삼방밸브부(210)와, 상기 바이패스라인(R1)의 입구측에 연결되어 바이패스라인(R1)을 온오프하는 온오프밸브부(220)와, 상기 삼방밸브부(210) 및 온오프밸브부(220)와 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)를 연통되게 연결하는 연결블럭(230)을 일체로 구성한 제1복합밸브장치(200)를 구비한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1복합밸브장치(200)는, 상기 삼방밸브부(210)의 입구측에 연결되어 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 팽창수단(240)을 일체로 구비한 것을 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창수단(240)은, 상기 삼방밸브부(210)의 입구측과 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 온오프 밸브(241)와, 상기 온오프 밸브(241)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(246)로 이루어져,
    상기 온오프 밸브(241)의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 오리피스(246)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온오프 밸브(241)는, 상기 온오프 밸브(241)의 내부에 냉매가 유동하도록 형성되는 유로(242)와, 상기 유로(242)를 개폐하도록 설치되는 밸브부재(243)로 구성되고,
    상기 오리피스(246)는, 상기 밸브부재(243)상에 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브부재(243)는, 상기 온오프 밸브(241)의 일측에 설치된 구동장치와 연결되는 샤프트(243a)와, 상기 샤프트(243a)에 형성되어 상기 유로(242)를 개폐하는 밸브판(243b)으로 구성되고,
    상기 오리피스(246)는, 상기 밸브부재(243)의 밸브판(243b)에 관통 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브부재(243)는, 상기 온오프 밸브(241)의 일측에 설치된 구동장치와 연결되는 중공의 샤프트(243a)와, 상기 샤프트(243a)에 형성되어 상기 유로(242)를 개폐하는 밸브판(243b)으로 구성되고,
    상기 오리피스(246)는, 상기 밸브부재(243)의 중공 샤프트(243a)에 내,외부를 관통하도록 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 삼방밸브부(210)는, 상기 팽창수단(240)과 연결되는 1개의 입구(211)와, 상기 1개의 입구(211)로부터 분기됨과 아울러 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R) 및 상기 연결블럭(230)과 각각 연결되는 2개의 출구(212a,212b)와, 상기 2개의 출구(212a,212b)를 선택적으로 개폐하는 밸브부재(213)를 구비한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결블럭(230)의 내부에는, 상기 삼방밸브부(210) 및 온오프밸브부(220)와 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)를 연통되게 연결하도록 사방유로(231)가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에는, 상기 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키도록 팽창유로(312a)를 갖는 팽창밸브부(310)와, 상기 팽창유로(312a)를 통과한 냉매의 유동을 온오프하는 온오프밸브부(320)를 일체로 구성하여 이루어진 제2복합밸브장치(300)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 팽창밸브부(310)는, 상기 냉매순환라인(R)과 연결됨과 아울러 내부에는 냉매를 팽창시키는 상기 팽창유로(312a) 및 상기 팽창유로(312a)를 통과한 냉매가 유동하는 연통유로(312b)가 형성된 본체(311)와,
    상기 본체(311)에 설치되어 상기 팽창유로(312a)를 개폐하는 개폐수단(315)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 팽창유로(312a)의 내측면에는, 상기 개폐수단(315)에 의해 상기 팽창유로(312a)가 폐쇄 상태일 경우에도 상기 팽창유로(312a)를 통해 냉매가 일부 유동할 수 있도록 노치부(312c)가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 개폐수단(315)은, 상기 팽창유로(312a)의 일측에 배치되어 상기 팽창유로(312a)를 개폐하도록 작동하는 볼(316)과, 상기 본체(311)의 내부에 승하강 가능하게 설치되어 상기 볼(316)을 작동시키는 작동축(317)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 온오프밸브부(320)는, 상기 본체(311)의 일측면에 결합되는 구동장치(321)와, 상기 구동장치(321)에 왕복운동 가능하게 설치되어 상기 연통유로(312b)를 개폐하는 작동밸브(322)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 구동장치(321)는, 상기 작동밸브(322)를 직선 왕복운동시키는 솔레노이드인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스라인(R1)상에는, 상기 바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매와 차량 전장품(400)의 폐열을 열교환 할 수 있도록, 상기 바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(181a)와, 상기 냉매 열교환부(181a)의 일측에 열교환 가능하게 구비되어 상기 차량 전장품(400)을 순환하는 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(181b)로 구성된 수냉식 열교환기(181)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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