KR101750917B1 - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기, 실내 열교환기, 팽창밸브 및 실외 열교환기가 냉매 유로에 의해 순환되도록 순차적으로 연결되고, 상기 압축기로부터 냉매가 토출되는 냉매 유로 상에 설치되어 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 사방전환밸브를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 실외 열교환기와 압축기의 사이를 연결하는 냉매 유로 상에 설치되되, 차량의 배기파이프와 결합되어 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기 열교환기와, 상기 실외 열교환기와 압축기의 사이를 연결하는 냉매 유로 상에서 분기되도록 설치되어 냉매가 상기 배기 열교환기를 거치지 않도록 바이패스시키는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로의 분기된 양단에 설치되어 냉매를 배기 열교환기 또는 바이패스 유로로 선택적으로 이동시키는 전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 차량의 엔진 또는 연소식 히터에서 발생하는 배기열을 히트펌프 시스템의 열원으로 사용함으로써 연료 소모에 따른 열효율을 증대시킬 수 있으며, 실외 열교환기의 제상에 필요한 열을 배기열에서 회수하여 사용함으로써 실내 열교환기의 제상을 보다 쉽게 해소할 수 있고 이에 따라 압축기의 소모 동력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

차량용 히트펌프 시스템 {HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 엔진 또는 연소식 히터에서 발생하는 배기열을 히트펌프 시스템의 열원으로 사용함으로써 연료 소모에 따른 열효율을 증대시킬 수 있으며, 실외 열교환기의 제상에 필요한 열을 배기열에서 회수하여 사용함으로써 실내 열교환기의 제상을 보다 쉽게 해소할 수 있고 이에 따라 압축기의 소모 동력을 감소시킬 수 있는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 시스템은 하나의 냉매 시스템을 이용하여 냉방과 난방을 동시에 수행하도록 하는 공기조화시스템을 의미한다.
따라서, 히트펌프 시스템은 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기, 팽창밸브 및 방향조절밸브를 구비한다.
상기한 히트펌프 시스템에서 냉방 시에는 냉매가 압축기, 실외 열교환기, 팽창밸브, 실내 열교환기, 압축기의 경로로 순환되고, 난방 시에는 압축기, 실내 열교환기, 팽창밸브, 실외 열교환기, 압축기의 경로로 순환된다.
즉, 냉방 시에는 실내 열교환기가 증발기로 작동되고 실외 열교환기는 응축기로 작동되며, 난방 시에는 실내 열교환기가 응축기로 작동되고 실외 열교환기가 증발기로 작동되는 것이다.
상기와 같은 히트펌프 시스템을 차량에 적용한 차량용 히트펌프 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(100)와, 냉매의 순환방향을 변형하는 사방전환밸브(600)와, 차량 실내로 유입되는 공기와 냉매가 열교환되는 실내 열교환기(200)와, 차량 실외의 공기와 냉매가 열교환되는 실외 열교환기(400)와, 실내 열교환기(200)와 실외 열교환기(400)의 사이에 설치되어 냉매의 압력을 변화시키는 팽창밸브(300)와, 실내 열교환기(200)의 하류 측에 설치되고 고온의 엔진(10) 냉각수를 이용하여 차량 실내로 유입되는 공기를 가열하는 히터코어(20)를 포함하여 구성된다.
또한, 히터코어(20)로 공기를 통과시키거나 차단하는 템프도어(30)와, 외부 공기를 차량 실내 측으로 송풍하는 블로어(40)가 설치된다.
상기와 같이 구성되는 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 각 공조모드에 따라 냉매의 흐름이 달라지게 된다.
먼저, 냉방모드를 살펴보면, 냉매는 압축기(100)에서 토출된 후, 사방전환밸브(600)에 의해 역방향으로 제어되어 실외 열교환기(400), 팽창밸브(300), 실내 열교환기(200), 사방전환밸브(600)를 거쳐 압축기(100)로 귀환된다.
여기서, 실외 열교환기(400)에서는 냉매의 응축이 일어나고, 실내 열교환기(200)에서는 냉매의 증발이 일어나게 된다.
따라서, 실내 열교환기(200)에서 냉매와 공기 사이의 열교환이 이루어지게 되며, 블로어(40)에 의하여 실내 열교환기(200) 쪽으로 유입되는 공기가 실내 열교환기(200)를 통과하면서 냉각된 후 차량 실내로 유입됨으로써 차량의 실내를 냉방한다.
이때, 템프도어(30)는 히터코어(20)를 통과하는 유로를 폐쇄하도록 위치되어 실내 열교환기(200)를 통과한 차가운 공기가 히터코어(20)를 거치지 않고 차량 실내로 유입되도록 한다.
그리고, 난방모드로 제어하게 되면, 냉매는 압축기(100)에서 토출된 후, 사방전환밸브(600)에 의해 정방향으로 제어되어 실내 열교환기(200), 팽창밸브(300), 실외 열교환기(400), 사방전환밸브(600)를 거쳐 압축기(100)로 귀환된다.
여기서, 실내 열교환기(200)에서는 냉매의 응축이 일어나고, 실외 열교환기(400)에서는 냉매의 증발이 일어나게 된다.
따라서, 실내 열교환기(200)의 고온 고압의 냉매와 실내 열교환기(200)를 통과하는 공기가 상호 열교환하게 되어 고온의 공기가 차량 실내로 유입됨으로써 차량의 실내를 난방하게 된다.
이때, 템프도어(30)는 히터코어(20)를 통과하는 유로를 개방하도록 위치되어 실내 열교환기(200)를 통과한 공기가 히터코어(20)와 열교환할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성되어 작동되는 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 차량용 히트펌프 시스템을 난방모드로 운전 중 차량 외기가 저하될 경우, 외기온도와 실외 열교환기(400)와의 상관성에 따라 실내 열교환기(200)에 적상이 발생하게 되는데, 이 적상을 적절히 처리하여 주지 못하면 실내 열교환기(200)의 열교환 효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있었다.
둘째, 차량용 히트펌프 시스템의 경우 차량의 배기열이 폐열의 형태로 외부로 방출되기 때문에 연료 소모에 대한 열효율이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 엔진 또는 연소식 히터에서 발생하는 배기열을 히트펌프 시스템의 열원으로 사용함으로써 연료 소모에 따른 열효율을 증대시킬 수 있으며, 실외 열교환기의 제상에 필요한 열을 배기열에서 회수하여 사용함으로써 실외 열교환기의 제상을 보다 쉽게 해소할 수 있고 이에 따라 압축기의 소모 동력을 감소시킬 수 있는 차량용 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 압축기, 실내 열교환기, 팽창밸브 및 실외 열교환기가 냉매 유로에 의해 순환되도록 순차적으로 연결되고, 상기 압축기로부터 냉매가 토출되는 냉매 유로 상에 설치되어 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 사방전환밸브를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 실외 열교환기와 압축기의 사이를 연결하는 냉매 유로 상에 설치되되, 차량의 배기파이프와 결합되어 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기 열교환기와, 상기 실외 열교환기와 압축기의 사이를 연결하는 냉매 유로 상에서 분기되도록 설치되어 냉매가 상기 배기 열교환기를 거치지 않도록 바이패스시키는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로의 분기된 양단에 설치되어 냉매를 배기 열교환기 또는 바이패스 유로로 선택적으로 이동시키는 전환밸브에 의해 달성된다.
또한, 상기 배기 열교환기는 차량의 배기파이프의 일 영역을 감싸도록 형성되는 이중관 형태일 수 있다.
또한, 상기 차량용 히트펌프 시스템이 난방모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브에 의해 냉매가 정방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브에 의해 배기 열교환기를 통과할 수 있다.
또한, 상기 차량용 히트펌프 시스템이 냉방모드 또는 제습 난방모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브에 의해 냉매가 역방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브에 의해 바이패스 유로를 통과할 수 있다.
또한, 상기 차량용 히트펌프 시스템이 제상모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브에 의해 냉매가 역방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브에 의해 배기 열교환기를 통과할 수 있다.
이에 의해, 차량의 엔진 또는 연소식 히터에서 발생하는 배기열을 히트펌프 시스템의 열원으로 사용함으로써 연료 소모에 따른 열효율을 증대시킬 수 있으며, 실외 열교환기의 제상에 필요한 열을 배기열에서 회수하여 사용함으로써 실외 열교환기의 제상을 보다 쉽게 해소할 수 있고 이에 따라 압축기의 소모 동력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 블록도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 각 모드에 따른 블록 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(100)와, 냉매의 순환방향을 변형하는 사방전환밸브(600)와, 차량 실내로 유입되는 공기와 냉매가 열교환되는 실내 열교환기(200)와, 차량 실외의 공기와 냉매가 열교환되는 실외 열교환기(400)와, 실내 열교환기(200)와 실외 열교환기(400)의 사이에 설치되어 냉매의 압력을 변화시키는 팽창밸브(300)와, 실외 열교환기(400)와 압축기(100)의 사이를 연결하는 냉매 유로(500) 상에 설치되되 차량의 배기파이프(710)와 결합되어 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기 열교환기(700)와, 실외 열교환기(700)와 압축기(100)의 사이를 연결하는 냉매 유로(500) 상에서 분기되도록 설치되어 냉매가 배기 열교환기(700)를 거치지 않도록 바이패스시키는 바이패스 유로(800)와, 바이패스 유로(800)의 분기된 양단에 설치되어 냉매를 배기 열교환기(700) 또는 바이패스 유로(800)로 선택적으로 이동시키는 전환밸브(900)를 포함하여 구성된다.
그리고, 실내 열교환기(200)의 하류 측에 설치되고 고온의 엔진 또는 연소식 히터(10)의 냉각수를 이용하여 차량 실내로 유입되는 공기를 가열하는 히터코어(20)와, 히터코어(20)로 공기를 통과시키거나 차단하는 템프도어(30)와, 외부 공기를 차량 실내 측으로 송풍하는 블로어(40)가 더 설치된다.
상기한 차량용 히트펌프 시스템의 압축기(100), 사방전환밸브(600), 실내 열교환기(200), 팽창밸브(300), 실외 열교환기(400) 및 히터코어(20), 템프도어(30), 블로어(40)는 종래의 차량용 히트펌프 시스템에서 널리 사용되는 것이므로 자세한 설명은 생략하고, 본 발명의 주요 특징부인 배기 열교환기(700), 바이패스 유로(800) 및 전환밸브(900)에 대해 설명한다.
먼저, 배기 열교환기(700)는 차량의 엔진 또는 연소식 히터(10)의 배기파이프(710)를 감싸도록 설치되고, 그 양측이 냉매 유로(500)와 연결되어 내부로 냉매가 통과되도록 형성된다.
즉, 배기 열교환기(700)는 배기파이프(710)를 감싸도록 형성되는 이중관의 형태로 형성되어 배기파이프(710)를 통과하는 배기가스와 배기 열교환기(700)를 통과하는 냉매를 상호 열교환시키게 된다.
여기서, 배기 열교환기(700)의 양단에 연결되는 냉매 유로(500)는 일측이 사방전환밸브(600)를 통하여 압축기(100)와 연결되고, 타측은 실외 열교환기(400)와 연결되도록 형성된다.
그리고, 바이패스 유로(800)는 실외 열교환기(400)와 압축기(100)의 사이를 연결하는 냉매 유로(500) 상에서 분기되도록 형성되어, 냉매가 배기 열교환기(700)를 거치지 않고 압축기(100)로 환원될 수 있도록 형성된다.
이때, 바이패스 유로(800)의 양단에는 냉매를 배기 열교환기(700) 또는 바이패스 유로(800)로 선택적으로 이동시키는 전환밸브(900)가 설치된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 난방모드, 냉방모드, 제습 난방모드 및 제상모드로 작동된다.
이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 상술한 작동모드를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템이 난방모드로 작동될 때의 냉매의 흐름도이다.
먼저, 압축기(100)에 의해 압축된 냉매는 사방전환밸브(600)로 이동되고, 사방전환밸브(600)는 이동된 냉매를 정방향으로 제어하여 실내 열교환기(200)로 이동시킨다.
실내 열교환기(200)로 이동된 냉매는 실내 열교환기(200)에서 응축되는데, 응축된 고온 고압의 냉매와 블로어(40)에 의해 송풍되는 공기가 열교환되어 차량 실내로 온기가 공급된다.
여기서, 템프도어(30)는 히터코어(20)를 통과하는 유로를 개방하여 공급되는 공기와 재차 열교환함으로써 차량 실내로 온기를 공급하게 된다.
그 후, 실내 열교환기(200)에 의해 응축된 냉매는 팽창밸브(300)에 의해 팽창되어 실외 열교환기(400)로 이동되고, 이동된 냉매는 실외 열교환기(400)에서 증발된다.
실외 열교환기(400)에서 증발된 냉매는 전환밸브(900)의 제어에 의해 배기 열교환기(700)로 이동되고, 배기 열교환기(700)에서 배기열과 열교환된 후, 압축기(100)로 다시 환원된다.
상기와 같은 일련의 과정이 반복되면서 차량 실내를 난방하게 되는데, 배기열을 외기보다 온도 차가 큰 저온의 팽창된 냉매로 회수함으로써, 배기열의 회수 효율을 증가시켜 연료 소모에 따른 열교환 효율을 증대시키게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템이 냉방모드로 작동될 때의 냉매의 흐름도이다.
먼저, 압축기(100)에 의해 압축된 냉매는 사방전환밸브(600)로 이동되고, 사방전환밸브(600)는 이동된 냉매를 역방향으로 제어하여 전환밸브(900)로 이동시킨다.
전환밸브(900)는 이동된 냉매를 바이패스 유로(800)로 이동시켜 냉매가 배기 열교환기(700)를 거치지 않고 곧바로 실외 열교환기(400)로 이동되게 한다.
그 후, 실외 열교환기(400)로 이동된 냉매는 실외 열교환기(400)에서 응축되어 팽창밸브(300)로 보내지고, 팽창밸브(300)는 이 냉매를 팽창시켜 실내 열교환기(200)로 이동시킨다.
실내 열교환기(200)로 이동된 냉매는 실내 열교환기(200)에서 증발되는데, 증발된 저온의 냉매와 블로어(40)에 의해 송풍되는 공기가 열교환되어 차량 실내로 냉기가 공급된다.
여기서, 템프도어(30)는 히터코어(20)를 통과하는 유로를 폐쇄하여 공급되는 공기와 히터코어(20)가 열교환되는 것을 방지한다.
그 후, 실내 열교환기(200)에 의해 증발된 냉매는 사방전환밸브(600)를 통하여 압축기(100)로 환원된다.
상기와 같은 일련의 과정이 반복되면서 차량 실내를 냉방하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템이 제습 난방모드로 작동될 때의 냉매의 흐름도이다.
제습 난방모드의 경우에는 히트펌프 시스템의 냉매의 흐름이 상기 냉방모드와 동일하다.
단지, 템프도어(30)가 히터코어(20)를 통과하는 유로를 개방함으로써, 제습과 난방이 동시에 일어나게 되는 것이다.
상기한 냉매의 흐름은 상술한 냉방모드와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템이 제상모드로 작동될 때의 냉매의 흐름도이다.
제상모드는 차량용 히트펌프 시스템이 난방모드로 작동될 경우, 차량 외기 온도 저하 등의 문제로 실외 열교환기(400)에 서리가 안착할 경우 가동되는 모드이다.
먼저, 압축기(100)에 의해 압축된 냉매는 사방전환밸브(600)로 이동되고, 사방전환밸브(600)는 이동된 냉매를 역방향으로 제어하여 전환밸브(900)로 이동시킨다.
전환밸브(900)는 이동된 냉매를 배기 열교환기(700)로 이동시키고, 배기 열교환기(700)는 배기가스와 냉매를 열교환시켜 고온 고압의 냉매에 재차 열을 가하게 된다.
그 후, 배기가스와 열교환된 냉매는 실외 열교환기(400)에서 응축되어 실외 열교환기(400)의 서리를 제거하고, 팽창밸브(300)는 이 냉매를 팽창시켜 실내 열교환기(200)로 이동시킨다.
실내 열교환기(200)로 이동된 냉매는 실내 열교환기(200)에서 증발되는데, 이때 템프도어(30)는 히터코어(20)를 통과하는 유로를 개방하여 차량 실내로 공급되는 공기가 히터코어(20)와 열교환되게 함으로써, 제상모드 시에도 차량 실내를 난방할 수 있게 한다.
그 후, 실내 열교환기(200)에 의해 증발된 냉매는 사방전환밸브(600)를 통하여 압축기(100)로 환원된다.
상기와 같이 구성되어 작동되는 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 차량의 엔진 또는 연소식 히터에서 발생하는 배기열을 히트펌프 시스템의 열원으로 사용함으로써 연료 소모에 따른 열효율을 증대시킬 수 있으며, 실외 열교환기의 제상에 필요한 열을 배기열에서 회수하여 사용함으로써 실외 열교환기의 제상을 보다 쉽게 해소할 수 있고 이에 따라 압축기의 소모 동력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 것은 자명하다.
10 : 엔진 20 : 히터코어
30 : 템프도어 40 : 블로어
50 : 냉각수 유로 100 : 압축기
200 : 실내 열교환기 300 : 팽창밸브
400 : 실외 열교환기 500 : 냉매 유로
600 : 사방전환밸브 700 : 배기 열교환기
710 : 배기파이프 800 : 바이패스 유로
900 : 전환밸브

Claims (5)

  1. 압축기(100), 실내 열교환기(200), 팽창밸브(300) 및 실외 열교환기(400)가 냉매 유로(500)에 의해 순환되도록 순차적으로 연결되고, 상기 압축기(100)로부터 냉매가 토출되는 냉매 유로(500) 상에 설치되어 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 사방전환밸브(600)를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 실외 열교환기(400)와 압축기(100)의 사이를 연결하는 냉매 유로(500) 상에 설치되되, 차량의 배기파이프(710)와 결합되어 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기 열교환기(700)와;
    상기 실외 열교환기(400)와 압축기(100)의 사이를 연결하는 냉매 유로(500) 상에서 분기되도록 설치되어 냉매가 상기 배기 열교환기(700)를 거치지 않도록 바이패스시키는 바이패스 유로(800)와;
    상기 바이패스 유로(800)의 분기된 양단에 설치되어 냉매를 배기 열교환기(700) 또는 바이패스 유로(800)로 선택적으로 이동시키는 전환밸브(900);를 포함하며,
    상기 차량용 히트펌프 시스템이 냉방모드 또는 제습 난방모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브(600)에 의해 냉매가 역방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브(900)에 의해 바이패스 유로(800)를 통과하여 냉매가 배기 열교환기(700)를 우회하여 실외 열교환기(400)로 이동하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 열교환기(700)는 차량의 배기파이프(710)의 일 영역을 감싸도록 형성되는 이중관 형태인 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 히트펌프 시스템이 난방모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브(600)에 의해 냉매가 정방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브(900)에 의해 배기 열교환기(700)를 통과하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 히트펌프 시스템이 제상모드로 작동될 경우에는 사방전환밸브(600)에 의해 냉매가 역방향으로 흐르게 되고, 냉매는 전환밸브(900)에 의해 배기 열교환기(700)를 통과하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
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