KR102058640B1 - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 차량 전장품을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기를 설치하고, 냉매 유동방향으로 실내열교환기와 압축기의 사이에 냉매-냉각수 열교환기와 실외열교환기 및 증발기를 배치시키는 제1냉매순환라인과, 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 배치시키는 제2냉매순환라인을 구성함으로써, 에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열환기를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상하고, 히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 통해 외기 및 냉각수(전장 폐열)로부터 흡열함은 물론 증발기를 통해서도 흡열하여 가열되므로 난방성능을 향상할 수 있으며, 상기 냉매-냉각수 열교환기 및 증발기를 통해 열원을 회수하므로 외기온도가 0도 이하이거나 실외열교환기에 착상이 발생한 경우에도 히트펌프 모드의 구동이 가능하여 난방성능 및 효율을 더욱 향상할 수 있고, 소모전력도 절감할 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 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 차량 전장품을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기를 설치하고, 냉매 유동방향으로 실내열교환기와 압축기의 사이에 냉매-냉각수 열교환기와 실외열교환기 및 증발기를 배치시키는 제1냉매순환라인과, 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 배치시키는 제2냉매순환라인을 구성함으로써, 에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열환기를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상하고, 히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 통해 외기 및 냉각수(전장 폐열)로부터 흡열함은 물론 증발기를 통해서도 흡열하여 가열되므로 난방성능을 향상할 수 있는 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 방향전환밸브를 구비한다.

따라서, 방향전환밸브에 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 실내열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 실내열교환기(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 실외열교환기(48)와, 상기 실외열교환기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(60)와, 상기 증발기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 증발기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 상기 실외열교환기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.

도 1 중 도면부호 10은 상기 실내열교환기(32)와 증발기(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 실내열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 실내열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(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 실내열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 제2팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 증발기(60)가 증발기의 역할을 하게 되고, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 실내열교환기(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 실내열교환기(32)가 난방기 역할을 하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 공조케이스(10)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 외기와 열교환하는 증발기 역할을 하게 되는데,

이때, 상기 실외열교환기(48)로 유입되는 냉매의 온도가 외기온도 보다 높을 경우, 다시말해 외기온도가 냉매온도 보다 낮을 경우에는, 외기로부터 열을 흡수(흡열)하지 못함은 물론 상기 실외열교환기(48)에 착상이 발생하는 등 실외열교환기(48)의 열교환 효율이 떨어지게 되고, 이로인해 히트 펌프 시스템의 난방성능 및 효율도 떨어지고, 외기 온도가 0도 이하일 경우에는 히트펌프 모드의 구동이 불가능한 문제가 있었다.

또한, 상기 공냉식 실외열교환기(48)의 성능을 향상시키기 위해서는 두께 또는 열교환 유효면적을 증대시켜야 하므로 크기를 증대시켜야만 성능을 향상할 수 있는데, 엔진룸의 협소한 공간으로 인해 크기 증대 및 성능 향상에 한계가 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 차량 전장품을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기를 설치하고, 냉매 유동방향으로 실내열교환기와 압축기의 사이에 냉매-냉각수 열교환기와 실외열교환기 및 증발기를 배치시키는 제1냉매순환라인과, 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 배치시키는 제2냉매순환라인을 구성함으로써, 에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열환기를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상하고, 히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 통해 외기 및 냉각수(전장 폐열)로부터 흡열함은 물론 증발기를 통해서도 흡열하여 가열되므로 난방성능을 향상할 수 있으며, 상기 냉매-냉각수 열교환기 및 증발기를 통해 열원을 회수하므로 외기온도가 0도 이하이거나 실외열교환기에 착상이 발생한 경우에도 히트펌프 모드의 구동이 가능하여 난방성능 및 효율을 더욱 향상할 수 있고, 소모전력도 절감할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매순환라인에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 상기 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기를 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 차량 전장품을 냉각하도록 차량 전장품측으로 냉각수를 순환시키는 냉각수순환라인이 설치되고, 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 상기 냉각수순환라인을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기가 설치되며, 상기 냉매순환라인은, 냉매 유동방향으로 상기 실내열교환기와 압축기의 사이에, 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열교환기 및 증발기를 순차적으로 배치시키는 제1냉매순환라인과, 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 순차적으로 배치시키는 제2냉매순환라인을 구비하고, 에어컨 모드시에는, 상기 제1냉매순환라인으로 냉매를 순환시켜 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열환기를 통해 냉각수 및 외기에 방열하도록 하고, 히트펌프 모드시에는, 상기 제2냉매순환라인으로 냉매를 순환시켜 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 통해 외기 및 냉각수로부터 흡열하도록 하되, 상기 제2냉매순환라인을 순환하는 냉매 중 일부 냉매는 상기 제1냉매순환라인으로 분기시켜 상기 증발기로부터 흡열하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 차량 전장품을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기를 설치하고, 냉매 유동방향으로 실내열교환기와 압축기의 사이에 냉매-냉각수 열교환기와 실외열교환기 및 증발기를 배치시키는 제1냉매순환라인과, 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기를 배치시키는 제2냉매순환라인을 구성함으로써, 에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기와 실외열환기를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상하고, 히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기와 냉매-냉각수 열교환기 및 증발기를 통해 외기와 냉각수(전장 폐열) 및 차실내 열원으로부터 흡열하여 가열되므로 난방성능을 향상하고 소모전력도 절감할 수 있다.

또한, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기를 통한 전장 폐열 및 상기 증발기를 통한 차실내 열원을 회수하므로 난방성능 및 효율을 더욱 향상함은 물론 외기온도가 0도 이하이거나 실외열교환기에 착상이 발생한 경우에도 히트펌프 모드의 구동이 가능하다.

그리고, 상기 냉매-냉각수 열교환기를 상기 전장품 냉각을 위한 공냉식 라디에이터와 일체화 함으로써, 전장 폐열을 회수하기 위한 칠러(Chiller)와 같은 별도의 열교환기 및 상기 칠러의 연결을 위한 냉각수 라인이 필요 없어 부품수 및 장착공간을 줄일 수 있다.

또한, 상기 냉매-냉각수 열교환기를 사용함으로써, 에어컨 모드시 냉매압력을 감소시켜 압축기의 작동 소비전력을 줄일 수 있다.

그리고, 에어컨 모드시 액상 냉매가 흐르는 상기 실외열교환기의 출구측 제1냉매순환라인을 독립적으로 사용함으로써, 배관의 직경을 축소할 수 있고 이로인해 냉매 충진량을 줄일 수 있다.

또한, 제1밸브는 삼방향 밸브와 오리피스를 일체형으로 구성하고, 제2밸브는 2웨이 밸브와 오리피스를 일체형으로 구성함으로써, 일체화로 인한 중량을 감소하고 설치공간을 확보할 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 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 작동중 제상모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제1밸브의 작동상태를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제2밸브의 작동상태를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 냉매-냉각수 열교환기와 공냉식 라디에이터를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 냉매순환라인(R)에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 제1밸브와, 실외열교환기(130)와, 냉매-냉각수 열교환기(180)와, 제2밸브(140)와, 증발기(160)가 연결되어 구성되는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.

상기 냉매순환라인(R)은, 에어컨 모드시, 냉매가 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1밸브(120), 냉매-냉각수 열교환기(180), 실외열교환기(130), 제2밸브(140), 증발기(160), 압축기(100)로 순환하도록 구성되고, 히트펌프 모드시, 냉매가 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1밸브(120), 실외열교환기(130), 냉매-냉각수 열교환기(180), 압축기(100)로 순환하도록 구성된다.

이러한 상기 냉매순환라인(R)은, 냉매 유동방향으로 상기 실내열교환기(110)와 압축기(100)의 사이에, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열교환기(130) 및 증발기(160)를 순차적으로 배치시키는 제1냉매순환라인(R1)과, 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 순차적으로 배치시키는 제2냉매순환라인(R2)을 구비한다.

즉, 상기 냉매순환라인(R)은, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)에서부터 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)까지 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)을 통해 두 갈래로 분기되어 구성된다.

이때, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)은, 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 구간에서 단일 라인으로 구성되어, 에어컨 모드와 히트펌프 모드시, 상기 단일 라인 구간에서의 냉매흐름이 반대가 되게 된다.

즉, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)은, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)에서 분기되고, 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)에서 다시 합류되는데, 이때 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 구간에서 단일 라인으로 구성되는 것이다.

다시말해, 상기 냉매순환라인(R)은, 냉매 유동방향으로 상기 압축기(100)의 입구측에서부터 상기 실내열교환기(110)의 출구측까지의 구간은 단일 라인으로 구성되고, 상기 실내열교환기(110)의 출구측에서부터 상기 압축기(100)의 입구측까지의 구간은 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)을 통해 두 개의 라인으로 구성된다.

이때, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2) 구간내에서도 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 구간은 단일 라인으로 구성된다. 즉, 히트펌프 모드인 도 3을 기준으로 설명하면, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2) 구간내에서 상기 실외열교환기(130)의 입구측에서부터 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)의 출구측까지의 구간이 단일 라인으로 구성되는 것이다.

그리고, 상기 제1냉매순환라인(R1)은, 에어컨 모드시 냉매가 유동하는 라인으로서, 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제1밸브(120), 냉매-냉각수 열교환기(180), 실외열교환기(130), 제2밸브(140), 증발기(160), 압축기(100)로 순환하도록 라인을 구성하게 되고,

상기 제2냉매순환라인(R2)은, 히트펌프 모드시 냉매가 유동하는 라인으로서, 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제1밸브(120), 실외열교환기(130), 냉매-냉각수 열교환기(180), 압축기(100)로 순환하도록 라인을 구성하게 된다.

따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 냉매를 순환시켜 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열환기(130)를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉매를 냉각하도록 하고,

히트펌프 모드시에는, 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 냉매를 순환시켜 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통해 외기 및 냉각수로부터 흡열하여 냉매를 가열하도록 한 것이다.

이때, 히트펌프 모드시에는 상기 제2냉매순환라인(R2)을 순환하는 냉매 중 일부 냉매를 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 분기시켜 상기 증발기(160)로부터 흡열하도록 하게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 제1밸브(120)를 통해 제2냉매순환라인(R2)으로 유입된 냉매 중 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통과하게 되고, 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)로 유입되기 전에 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 분기되어 상기 증발기(160)로 유동하게 된다.

이처럼, 본 발명에서는, 에어컨 모드 뿐만 아니라 히트펌프 모드에서도 항상 상기 증발기(160)측으로 냉매를 유동시키게 된다.

따라서, 에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열환기(130)를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기(130)의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상할 수 있고,

히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통해 외기 및 냉각수(전장 폐열)로부터 흡열함은 물론 증발기(160)를 통해서도 흡열하여 가열되므로 난방성능을 더욱 향상할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 제2냉매순환라인(R2)에는, 상기 제2냉매순환라인(R2)을 순환하는 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 바이패스라인(R3)이 병렬로 설치된다.

상기 바이패스라인(R3)은 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 단일 라인 구간에 연결되며, 도 3을 참조하면, 상기 바이패스라인(R3)의 입구는 상기 실외열교환기(130)의 입구측 제2냉매순환라인(R2)과 연결되는데 다시말해 상기 제1밸브(120)과 실외열교환기(130) 사이의 제2냉매순환라인(R2)에 연결되고,

상기 바이패스라인(R3)의 출구는 상기 실외열교환기(130)의 출구측 제2냉매순환라인(R2)과 연결되는데 다시말해 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 사이의 제2냉매순환라인(R2)에 연결된다.

또한, 상기 제2냉매순환라인(R2)과 상기 바이패스라인(R3)의 분기지점에는 냉매의 유동방향을 조절하는 방향전환밸브(191)가 설치된다.

상기 방향전환밸브(191)는, 히트펌프 모드시 상기 실외열교환기(130)에 착상 발생시 또는 실외 온도가 0℃ 이하이면 상기 실외열교환기(130)가 외기로부터 흡열을 원활하게 하지 못하므로, 상기 제2냉매순환라인(R2)을 순환하는 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.

한편, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하는 실외 온도 기준을 반드시 0℃로 하지 않고, 상기 외기와 상기 실외열교환기(130)를 흐르는 냉매간에 열교환 효율이 좋은 경우에만 상기 실외열교환기(130)로 냉매가 통과하고 열교환 효율이 좋지 않은 경우에는 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하여 시스템의 난방성능 및 효율을 향상할 수 있다.

아울러, 상기 실외열교환기(130)에 착상 발생시, 상기 바이패스라인(R3)으로 냉매가 유동하여 실외열교환기(130)를 바이패스하게 되면, 착상을 지연시키거나 착상을 해소할 수 있다.

그리고, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 분기지점에는, 에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 냉매의 유동방향을 전환하는 제1밸브(120)가 설치되어, 에어컨 모드시에는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유동시키게 된다.

상기 제1밸브(120)는, 냉매 유동방향을 제1냉매순환라인(R1) 또는 제2냉매순환라인(R2)으로 전환하는 삼방향 밸브(120a)와, 상기 삼방향 밸브(120a)내에서 제2냉매순환라인(R2)과 연결되는 통로에 형성되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(120b)로 이루어진다.

즉, 상기 제1밸브(120)는 삼방향 밸브(120a)와 오리피스(120b)를 일체형으로 구성한 것이며,

상기 삼방향 밸브(120a)의 내부에는 1개의 입구통로(121)와, 제1냉매순환라인(R1)과 연결되는 제1출구통로(122)와, 제2냉매순환라인(R2)과 연결되는 제2출구통로(123)가 형성된다.

상기 입구통로(121)에서 제1,2출구통로(122,123)가 분기되는 지점에는 구동수단(125)에 의해 제1,2출구통로(122,123)를 개폐하는 밸브부재(124)가 설치된다.

상기 구동수단(125)으로는, 스텝핑 모터 또는 솔레노이드를 사용할 수 있다.

또한, 상기 오리피스(120b)는 상기 제2출구통로(123)에 형성되어, 상기 밸브부재(124)에 의해 제2출구통로(123)가 개방될 경우 제2출구통로(123)를 유동하는 냉매를 팽창시키게 된다.

한편, 상기 밸브부재(124)가 제1출구통로(122)를 개방할 경우에는 제1출구통로(122)를 유동하는 냉매가 팽창되지 않는다.

따라서, 도 5와 같이, 에어컨 모드시에는 상기 삼방향 밸브(120a)의 제1출구통로(122)를 개방하여 냉매를 미팽창 상태로 제1냉매순환라인(R1)측으로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 삼방향 밸브(120a)의 제2출구통로(123)를 개방하여 상기 오리피스(120b)를 통해 냉매를 팽창시켜 제2냉매순환라인(R2)측으로 유동시키게 된다.

그리고, 상기 실외열교환기(130)와 증발기(160) 사이의 제1냉매순환라인(R1)에는, 에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 냉매를 선택적으로 팽창시켜 유동시키는 제2밸브(140)가 설치되어, 에어컨 모드시에는, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 상기 증발기(160)로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 미팽창 상태로 상기 증발기(160)로 유동시키게 된다.

상기 제2밸브(140)는, 상기 실외열교환기(130)와 증발기(160) 사이의 제1냉매순환라인(R1)에 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 2웨이 밸브(140a)와, 상기 2웨이 밸브(140a)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(140b)로 이루어진다.

즉, 상기 제2밸브(140)는 상기 2웨이 밸브(140a)와 오리피스(140b)를 일체형으로 구성한 것이며,

도 6은 제2밸브의 작동 상태를 도시한 도면으로서, 2웨이 밸브(140a)의 내부에 냉매가 유동하는 통로(141)가 형성되고, 상기 통로(141)를 개폐하도록 밸브부재(142)를 설치한 것이다.

이때, 상기 밸브부재(142)에는 냉매를 팽창시키기 위한 오리피스(140b)가 형성된다.

또한, 상기 2웨이 밸브(140a)의 일측에는 상기 밸브부재(142)를 개폐 작동시키는 구동수단(143)이 설치된다.

상기 구동수단(143)은 상기 밸브부재(142)를 직선 왕복운동시켜 상기 냉매 통로(141)를 개방하거나 폐쇄하도록 솔레노이드 또는 스텝핑 모터로 이루어진다.

따라서, 상기 2웨이 밸브(140a)의 밸브부재(142)가 통로(141)를 개방할 경우에는 2웨이 밸브(140a)를 통과하는 냉매가 팽창되지 않고 통과하게 되고, 2웨이 밸브(140a)의 밸브부재(142)가 통로(141)를 폐쇄할 경우에는 2웨이 밸브(140a)를 통과하는 냉매가 밸브부재(142)의 오리피스(140b)를 통과하는 과정에서 팽창된 후 통과하게 되는 것이다.

이처럼, 에어컨 모드시에는 상기 2웨이 밸브(140a)를 폐쇄하되 상기 오리피스(140b)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 2웨이 밸브(140a)를 개방하여 냉매를 미팽창 상태로 유동시키게 된다.

한편, 상기 제1밸브(120)는 삼방향 밸브(120a)와 오리피스(120b)를 일체형으로 구성하고, 상기 제2밸브(140)는 2웨이 밸브(140a)와 오리피스(140b)를 일체형으로 구성함으로써, 일체화로 인한 중량을 감소하고 설치공간을 확보할 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 항상 상기 증발기(160)로 냉매가 유동하게 되는데, 이때 히트펌프 모드시 상기 증발기(160)에 착상이 발생한 것으로 판단 되면, 상기 제2밸브(140)를 제어하여 제2밸브(140)내의 통로(141)를 축소시키도록 작동시키게 된다.

즉, 상기 제2밸브(140)내의 통로(141)를 축소시키게 되면, 상기 증발기(160)의 입구측 제1냉매순환라인(R1)의 냉매유로가 축소되어 상기 증발기(160)로 유동하는 냉매량은 줄어들고 상기 실외열교환기(130)로 유동하는 냉매량은 증가하게 되면서 상기 증발기(160)의 착상을 방지하거나 지연시킬 수 있다.

또한, 상기 증발기(160)의 착상을 방지하게 됨으로써, 공조케이스(150)내의 공기유로 막힘 현상을 해결할 수 있다.

그리고, 도 3을 기준으로, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)의 출구측 제2냉매순환라인(R2)에는 냉매 유동을 온오프하는 온오프밸브(192)가 설치된다.

상기 온오프밸브(192)는, 상기 제2냉매순환라인(R2)에서 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 압축기(100)의 사이에 설치되어, 에어컨 모드시에는 온오프밸브(192)가 설치된 위치의 제2냉매순환라인(R2)을 폐쇄하고, 히트펌프 모드시에는 온오프밸브(192)가 설치된 위치의 제2냉매순환라인(R2)을 개방하게 된다.

그리고, 상기 냉각수순환라인(W)에는, 상기 냉각수순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 냉각시키도록 공냉식 라디에이터(210)가 설치된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(180)는, 상기 공냉식 라디에이터(210)의 내부에 설치된다.

상기 공냉식 라디에이터(210)는, 상기 냉각수순환라인(W)과 연결되도록 입,출구파이프(213)(214)가 구비되며 서로 일정간격 이격된 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)와, 상기 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)에 양단부가 연결되어 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)를 연통시키는 복수개의 튜브(216)와, 상기 복수개의 튜브(216) 사이에 개재되는 방열핀(217)으로 이루어진다.

이때, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)는, 상기 한 쌍의 헤더탱크(211)(212) 중 일측 헤더탱크(211)의 내부에 삽입되어 설치된다.

따라서, 에어컨 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 유동하는 냉매가 공냉식 라디에이터(210)를 유동하는 냉각수와 열교환하여 방열하면서 냉각되고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 유동하는 냉매가 공냉식 라디에이터(210)를 유동하는 냉각수와 열교환하여 흡열하면서 가열되게 된다.

이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 압축기(100)는 엔진(내연기관) 또는 모터 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.

상기 압축기(100)는, 에어컨 모드시 상기 증발기(160)에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(180) 및 증발기(160)에서 배출된 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 유동하는 냉매를 열교환시키게 된다.

상기 실내열교환기(110)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드 모두 응축기 역할을 하게 되고,

상기 증발기(160)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드 모두 증발기 역할을 하게 된다.

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)는, 에어컨 모드시 도 2와 같이, 상기 제2밸브(140)의 오리피스(140b)를 통과한 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)는, 히트펌프 모드시에는 도 3과 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.

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, 상기 증발기(160)를 통과한 냉풍이 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시에는 도 3과 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.

그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치됨과 아울러 상기 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키게 된다.

이때, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)이 단일 라인으로 구성되는 구간에 설치된다.

이러한 상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 응축기와 같은 방열 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 방열하여 냉각(응축)되고. 히트펌프 모드시에는 증발기(160)와 같은 흡열 역할을 하게 되는데, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 저온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 외기로부터 흡열하여 가열(증발)되게 된다.

한편, 상기 실외열교환기(130)는, 차량 엔진룸내의 전방측에 설치되며, 물론 공냉식 라디에이터(210)도 엔진룸내의 전방측에 설치된다. 이때 상기 실외열교환기(130)와 공냉식 라디에이터(210)는 주행풍의 유동방향으로 서로 중첩되게 배치된다.

그리고, 차량 전장품(200)을 냉각하도록 차량 전장품(200)측으로 냉각수를 순환시키는 냉각수순환라인(W)이 설치된다.

상기 차량 전장품(200)으로는 대표적으로 모터와, 인버터 등이 있다.

상기 냉각수순환라인(W)에는, 앞서 설명한 공냉식 라디에이터(210) 뿐만 아니라 상기 냉각수순환라인(W)을 따라 냉각수를 순환시키는 워터펌프(P)도 설치된다.

따라서, 상기 워트펌프(P)가 구동되면, 상기 냉각수순환라인(W)을 따라 냉각수가 순환하게 되고, 이 과정에서 상기 전장품(200)을 통과하는 냉각수는 전장품(200)을 냉각시키면서 가열되고, 이때 가열된 냉각수는 상기 공냉식 라디에이터(210)를 통과하면서 외기 및 냉매-냉각수 열교환기(180)의 냉매와 열교환하여 냉각되게 된다.

다시말해, 에어컨 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 유동하는 고온 냉매가 상기 공냉식 라디에이터(210)내의 냉각수와의 열교환에 의해 방열하면서 냉각되고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 유동하는 저온 냉매가 상기 공냉식 라디에이터(210)내의 냉각수와의 열교환에 의해 흡열하면서 가열되게 된다.

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.

그리고, 상기 공조케이스(150) 내부의 실내열교환기(110) 하류측에는 난방성능을 향상할 수 있도록 전기 가열식 히터(115)가 더 설치된다.

상기 전기 가열식 히터(115)는, 차량의 배터리(116)와 연결된다.

즉, 차량의 시동 초기에 보조열원으로 상기 전기 가열식 히터(115)를 작동시킴으로써 난방성능을 향상시킬 수 있고, 또한 난방 열원이 부족할 경우에도 상기 전기 가열식 히터(115)를 가동할 수 있다.

상기 전기 가열식 히터(115)로는 PTC히터를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은,

에어컨 모드시 냉매가 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열교환기(130)를 통해 냉각수 및 외기에 방열하여 냉각되므로 상기 실외열교환기(130)의 크기 증대 없이 냉방성능을 향상하고, 히트펌프 모드시에는 냉매가 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 및 증발기(160)를 통해 외기와 냉각수(전장 폐열) 및 차실내 열원으로부터 흡열하여 가열되므로 난방성능을 향상하게 된다.

또한, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통한 전장 폐열 및 상기 증발기(160)를 통한 차실내 열원을 회수하므로 난방성능 및 효율을 더욱 향상함은 물론 외기온도가 0도 이하이거나 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 경우에도 히트펌프 모드의 구동이 가능하다.

그리고, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 상기 전장품(200) 냉각을 위한 공냉식 라디에이터(210)와 일체화 함으로써, 전장 폐열을 회수하기 위한 칠러(Chiller)와 같은 별도의 열교환기 및 상기 칠러의 연결을 위한 냉각수 라인이 필요 없어 부품수 및 장착공간을 줄일 수 있다.

또한, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 사용함으로써, 에어컨 모드시 냉매압력을 감소시켜 압축기(100)의 작동 소비전력을 줄일 수 있다.

그리고, 에어컨 모드시 액상 냉매가 흐르는 상기 실외열교환기(130)의 출구측 제1냉매순환라인(R1)을 독립적으로 사용함으로써, 배관의 직경을 축소할 수 있고 이로인해 냉매 충진량을 줄일 수 있다. 즉, 종래에는 에어컨 모드시 액상 냉매가 흐르던 실외열교환기(130)의 출구측 배관을 히트펌프 모드시에는 저온 저압의 기상 냉매가 흐르는 용도로 사용하므로 배관의 직경이 커지게 되어 냉매 충진량이 증가하는 문제가 있었다.

한편, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)가 상기 공냉식 라디에이터(210)와 일체화 됨으로써, 상기 공냉식 라디에이터(210)의 냉각수 온도(전장 폐열)가 외기온도 보다 낮은 조건에서는 공냉식 라디에이터(210)의 방열핀(217) 및 튜브(216)를 통해 외기와 열교환하여 외기로부터 흡열을 할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

가. 에어컨 모드(냉방 모드)(도 2)

에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2와 같이, 상기 제1밸브(120)를 통해 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제1냉매순환라인(R1)으로 흐르도록 냉매 유동방향이 전환되고, 상기 제2밸브(140)는 통로(141)를 폐쇄하여 오리피스(140b) 기능만 하게 되며, 상기 온오프밸브(192)는 폐쇄되고, 상기 방향전환밸브(191)를 통해 바이패스라인(R3)이 폐쇄 된다.

또한, 상기 워터펌프(P)가 가동하여 냉각수순환라인(W)의 전장품(200)과 공냉식 라디에이터(210)로 냉각수가 순환하게 된다.

한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)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)로 공급된다.

상기 실내열교환기(110)로 공급된 냉매는, 도 2와 같이 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)측 통로를 폐쇄하고 있으므로 공기와 열교환하지 않고 상기 제1밸브(120)에 의해 제1냉매순환라인(R1)으로 유동하게 된다.

상기 제1냉매순환라인(R1)으로 유동하는 냉매는, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통과하는 과정에서 공냉식 라디에이터(210)를 순환하는 냉각수와 열교환하여 응축(냉각)된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통과하면서 응축된 냉매는, 상기 실외열교환기(130)로 유동하여 외기와 열교환하게 되면서 재차 응축(냉각)된다.

이처럼 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 상기 실외열교환기(130)를 순차적으로 통과하는 냉매는, 냉각수(전장 폐열) 및 외기와 순차적으로 열교환하면서 냉각되어 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다.

계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제2밸브(140)의 오리피스(140b)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 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(난방모드)(도 3)

히트펌프 모드는, 도 3과 같이, 상기 제1밸브(120)를 통해 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제2냉매순환라인(R2)으로 흐르도록 냉매 유동방향이 전환되고, 이때 냉매가 제1밸브(120)의 오피리스(120b)를 통과하게 되면서 팽창되게 된다.

또한, 상기 제2밸브(140)는 통로(141)를 개방하고, 상기 온오프밸브(192)도 개방되며, 상기 방향전환밸브(191)를 통해 바이패스라인(R3)이 폐쇄 된다.

즉, 히트펌프 모드에서는, 제2냉매순환라인(R2)으로 냉매가 유동함은 물론 제2밸브(140)가 개방되어 제1냉매순환라인(R1)을 통해 증발기(160)측으로도 냉매가 유동하게 된다.

또한, 상기 워터펌프(P)가 가동하여 냉각수순환라인(W)의 전장품(200)과 공냉식 라디에이터(210)로 냉각수가 순환하게 된다.

그리고, 히트펌프 모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)를 통과하면서 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 실내열교환기(110)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 제1밸브(120)의 오리피스(120b)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유입되게 된다.

상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유입된 냉매 중 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)와 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통과하게 되고, 일부 냉매는 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 분기되어 유동하게 된다.

상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통과하는 냉매는 외기 및 냉각수(전장 폐열)와 열교환하면서 증발하게 되고,

상기 제1냉매순환라인(R1)으로 분기되어 유동하는 냉매는 상기 제2밸브(140)를 통과한 후 상기 증발기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기와 열교환하는 과정에서 차실내 열원을 흡열(회수)하면서 증발하게 된다.

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

이후, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 상기 증발기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

다. 히트펌프 모드 작동중 제상모드(도 5)

히트펌프 모드 작동중 제상모드는, 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 경우에 작동하게 된다.

따라서, 도 3의 히트펌프 모드와 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.

상기 제상모드시에는, 히트펌프 모드 상태에서 상기 방향전환밸브(191)를 통해 상기 바이패스라인(R3)이 개방된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1밸브(120)의 오리피스(120b)를 통과한 냉매는, 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유입된다.

상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유입된 냉매 중 일부 냉매는 상기 바이패스라인(R3)을 따라 유동하면서 상기 실외열교환기(130)를 바이패스 한 후, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)로 공급되고,

일부 냉매는 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 유동하게 된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(180)로 공급된 냉매는 냉각수(전장 폐열)와 열교환하면서 증발하게 되고,

상기 제1냉매순환라인(R1)으로 유동하는 냉매는 상기 제2밸브(140)를 통과한 후 상기 증발기(160)로 공급되어 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기와 열교환하는 과정에서 차실내 열원을 흡열(회수)하면서 증발하게 된다.

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

이후, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 상기 증발기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

100: 압축기 110: 실내열교환기
115: 전기 가열식 히터 120: 제1밸브
120a: 삼방향 밸브 120b: 오리피스
130: 실외열교환기 140: 제2밸브
140a: 2웨이 밸브 140b: 오리피스
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 냉매-냉각수 열교환기 191: 방향전환밸브
192: 온오프밸브 200: 전장품
210: 공냉식 라디에이터
R: 냉매순환라인 R1: 제1냉매순환라인
R2: 제2냉매순환라인 R3: 바이패스라인
W: 냉각수 순환라인

Claims (13)

1. 냉매순환라인(R)에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(100)와,
   공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150)내 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기(110)와,
   상기 공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150)내 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기(160)와,
   상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기(130)를 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
   차량 전장품(200)을 냉각하도록 차량 전장품(200)측으로 냉각수를 순환시키는 냉각수순환라인(W)이 설치되고,
   상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 상기 냉각수순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기(180)가 설치되며,
   상기 냉매순환라인(R)은, 냉매 유동방향으로 상기 실내열교환기(110)와 압축기(100)의 사이에, 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열교환기(130) 및 증발기(160)를 순차적으로 배치시키는 제1냉매순환라인(R1)과, 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 순차적으로 배치시키는 제2냉매순환라인(R2)을 구비하고,
   에어컨 모드시에는, 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 냉매를 순환시켜 상기 냉매-냉각수 열교환기(180)와 실외열환기(130)를 통해 냉각수 및 외기에 방열하도록 하고,
   히트펌프 모드시에는, 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 냉매를 순환시켜 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180)를 통해 외기 및 냉각수로부터 흡열하도록 하되, 상기 제2냉매순환라인(R2)을 순환하는 냉매 중 일부 냉매는 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 분기시켜 상기 증발기(160)로부터 흡열하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉매순환라인(R)은, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)에서부터 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인까지 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)을 통해 두 갈래로 분기된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)은, 상기 실외열교환기(130)와 냉매-냉각수 열교환기(180) 구간에서 단일 라인으로 구성되어,
   에어컨 모드와 히트펌프 모드시, 상기 단일 라인 구간에서의 냉매흐름이 반대가 되도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 분기지점에는, 에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 냉매의 유동방향을 전환하는 제1밸브(120)가 설치되어,
   에어컨 모드시에는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 상기 제1냉매순환라인(R1)으로 유동시키고,
   히트펌프 모드시에는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 상기 제2냉매순환라인(R2)으로 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1밸브(120)는, 냉매 유동방향을 제1냉매순환라인(R1) 또는 제2냉매순환라인(R2)으로 전환하는 삼방향 밸브(120a)와, 상기 삼방향 밸브(120a)내에서 제2냉매순환라인(R2)과 연결되는 통로(123)에 형성되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(120b)로 이루어져,
   에어컨 모드시에는 상기 삼방향 밸브(120a)의 제1냉매순환라인(R1)측 통로(122)를 개방하여 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 삼방향 밸브(120a)의 제2냉매순환라인(R2)측 통로(123)를 개방하여 상기 오리피스(120b)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 실외열교환기(130)와 증발기(160) 사이의 제1냉매순환라인(R1)에는, 에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 냉매를 선택적으로 팽창시켜 유동시키는 제2밸브(140)가 설치되어,
   에어컨 모드시에는, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 상기 증발기(160)로 유동시키고,
   히트펌프 모드시에는, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 미팽창 상태로 상기 증발기(160)로 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제2밸브(140)는, 상기 실외열교환기(130)와 증발기(160) 사이의 제1냉매순환라인(R1)에 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 2웨이 밸브(140a)와, 상기 2웨이 밸브(140a)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(140b)로 이루어져,
   에어컨 모드시에는 상기 2웨이 밸브(140a)를 폐쇄하되 상기 오리피스(140b)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 2웨이 밸브(140a)를 개방하여 냉매를 미팽창 상태로 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 증발기(160)에 착상이 발생한 것으로 판단되면, 상기 제2밸브(140)를 제어하여 상기 증발기(160)의 입구측 제1냉매순환라인(R1)의 냉매유로를 축소시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각수순환라인(W)에는, 상기 냉각수순환라인(W)을 순환하는 냉각수를 냉각시키도록 공냉식 라디에이터(210)가 설치되며,
   상기 냉매-냉각수 열교환기(180)는, 상기 공냉식 라디에이터(210)의 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공냉식 라디에이터(210)는, 상기 냉각수순환라인(W)과 연결되도록 입,출구파이프(213)(214)가 구비되며 서로 일정간격 이격된 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)와, 상기 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)에 양단부가 연결되어 한 쌍의 헤더탱크(211)(212)를 연통시키는 복수개의 튜브(216)와, 상기 복수개의 튜브(216) 사이에 개재되는 방열핀(217)으로 이루어지고,
    상기 냉매-냉각수 열교환기(180)는, 상기 한 쌍의 헤더탱크(211)(212) 중 일측 헤더탱크(211)의 내부에 삽입되어 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2냉매순환라인(R2)에는, 상기 제2냉매순환라인(R2)을 유동하는 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 바이패스라인(R3)이 병렬로 설치되고,
    상기 제2냉매순환라인(R2)과 상기 바이패스라인(R3)의 분기지점에는 냉매의 유동방향을 조절하는 방향전환밸브(191)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이패스라인(R3)의 입구는, 상기 실외열교환기(130)의 입구측 제2냉매순환라인(R2)과 연결되고,
    상기 바이패스라인(R3)의 출구는, 상기 실외열교환기(130)의 출구측 제2냉매순환라인(R2)과 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
13. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매-냉각수 열교환기(180)의 출구측 제2냉매순환라인(R2)에는 냉매 유동을 온오프하는 온오프밸브(192)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.

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