KR102080803B1 - 자동차용 열 펌프 시스템의 열 흡수 및 방출 장치 - Google Patents

자동차용 열 펌프 시스템의 열 흡수 및 방출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축기(1)의 상류 및 하류 측에 각각 하나 이상의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)를 갖는 냉매 순환계(12) 그리고 예컨대 라디에이터(4), 과급 공기 냉각기(6), 전기 모터(7) 및/또는 전자 부품(8)들과 같은 하나 이상의 열원을 갖는 냉각제 순환계(28)를 구비하는 차량용 열 펌프 시스템에 관한 것으로서, 상기 냉각제 순환계(28)가 선택적으로 하나 또는 2개의 열교환기(2, 3)와 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 열 펌프 시스템의 열 흡수 및 방출 장치{DEVICE FOR ABSORBING AND RELEASING HEAT IN A HEAT PUMP SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 저온 냉각제 순환계를 구비한 자동차의 열 펌프 시스템에서 냉매의 증발 열을 흡수하고 완열 또는 응축 열(desuperheated or condensation heat)을 방출하기 위해 사용되는 장치에 관한 것이다. 바람직하게는 각각 냉매 압축기 바로 앞에 또는 뒤에 배치되는 2개의 냉매-냉각제-열교환기의 본 발명에 따른 배열에 의해서 냉매 순환계는 고압 측과 저압 측 모두에서 차량의 저온 냉각제 순환계에 연결될 수 있다.
차량 탑승자의 쾌적함을 위하여, 차량 실내는 주위 온도에 따라 가열 또는 냉각 또는 제습되어야 한다. 냉각 시에는 실내로부터 열이 탈취된 다음 응축기에서 주변으로 방출된다. 이러한 방식은 예를 들면 전기 차량의 경우 배터리를 과열되지 않은 서늘한 상태로 유지하기 위하여, 상기 배터리로부터 방출되는 열에도 동일하게 해당된다.
가열 시에는 특히, 증발 시 냉매가 흡수하는 열이 사용된다. 이러한 경우 주요 열원은 주변이 언급될 수 있는데, 이러한 열원은 특정 제한(certain restriction)을 초래한다.
예를 들면 추운 주위 온도에서는 열 펌프 시스템의 출력 및 성능 계수(COP)가 제한적인데, 그 이유는 증발기의 표면에서 수증기가 결빙될 수 있기 때문이다. 이러한 점은 공기 측 열전달에 나쁜 영향을 주고, 더불어 전반적으로 열 펌프 시스템의 효율에도 악영향을 미친다. 그러므로 주변으로부터 흡수된 증발 열을 조절하거나 제한하기 위하여, (약 5℃의) 상대적으로 낮은 주위 온도에서는 일반적으로 냉매 순환계의 압축기의 입구 압력(inlet pressure)이 하향 제한되어야 한다. 이로 인해 야기되는 열 출력(heat output) 감소는 차량의 실내를 충분히 가열하기에는 부족한 열 출력 레벨로 이어질 수 있다.
상기와 같은 단점은 예를 들면 독일 특허 DE 10 2004 001 233 A1호에 공지된 공기 조화 시스템에도 해당된다. 상기 공기 조화 시스템에 의해서는 또한 열 펌프 모드에서 증발 열이 저온 냉각제 순환계에서 냉매 순환계로 흡수될 수 없는데, 이러한 것은 경우에 따라 불충분한 열 출력의 또 다른 원인일 수 있다. 미국 특허 2012/0183815 A1호에 공지된 공기 조화 시스템의 경우, 냉각 장치 모드에서 완열 또는 응축 열을 냉각제 순환계로 방출하는 것과 관련하여 단점이 존재한다.
이러한 점을 배경으로, 본 발명의 과제는 예를 들면 전기 차량 또는 하이브리드 차량과 같은 차량용 열 펌프 시스템에서 냉매의 증발 열을 흡수하기 위한 열원 및 완열 또는 응축 열을 방출하기 위한 히트 싱크(heat sink)를 제공하는 것이며, 이때 상기 열 펌프 시스템은 매우 넓은 주위 온도 범위에서 효율적인 실내 냉방 및/또는 난방을 가능하게 한다.
상기 과제는 청구항 1에 기술된 열 펌프 시스템에 의해서 해결된다.
따라서 차량은 냉각 장치 모드, 열 펌프 모드 그리고 재열 모드로 겸용 작동을 위해 형성된, 차량 실내를 공기 조화하기 위한 냉매 순환계, 바람직하게는 곧바로 냉매 압축기의 상류 및 하류 측에 각각 배치된 2개 이상의 냉매-냉각제-열교환기 그리고 냉각제-공기-열교환기(라디에이터)를 갖는 냉각제 순환계를 구비하며, 이때 상기 냉각제-공기-열교환기는 전기 모터, 하나 또는 다수의 전자 부품 및/또는 과급 공기 냉각에 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 냉각제 순환계는 선택적으로 냉매 순환계의 하나 또는 2개의 냉매-냉각제-열교환기와 연결될 수 있다.
그 결과 냉각 장치 모드와 열 펌프 모드 모두에서 그리고 냉매 순환계의 저압 측뿐만 아니라 고압 측에서도 냉매 순환계와 냉각제 순환계의 열전달이 가능해진다. 다른 말로 하면 냉매 순환계는 특히 저온 냉각제 순환계에 통합된다. 이 때문에 냉각 장치 모드에서는 차량 실내뿐만 아니라 전기 모터, 전자 부품들 또는 과급 공기 냉각으로부터 발생되는 열이 라디에이터를 통해 주변으로 방출된다. 열 펌프 모드에서는 바람직하게 라디에이터만 열원으로 사용되는 것이 아니라, 전기 모터 및/또는 전자 부품 또는 과급 공기의 폐열도 냉매를 증발시키기 위한 추가 열원으로 사용될 수 있다. 그렇기 때문에 특히 바람직하게는 추가의 전기 히터 또는 보조 히터(정온도 계수, PTC; positive temperature coefficient)의 사용이 피해질 수 있다. 바람직하게 라디에이터는 주위 온도가 매우 낮을 경우 우회될 수 있으며, 그 결과 냉각제-공기-열교환기(라디에이터)의 결빙과 관련하여 전술한 문제점들을 방지하기 위해, 냉각제 순환계 내에서는 전기 모터 및/또는 전자 부품 또는 과급 공기 냉각으로부터 발생되는 폐열만 열원으로 사용된다.
또한, 본 발명에 따르면 냉각제 순환계의 냉각제가 냉매 순환계의 기술된 2개의 냉매-냉각제-열교환기로 분할되는 작동 모드도 가능하다. 그 결과 바람직하게는 열이 냉매 순환계의 저압 측과 고압 측 사이에서 전달될 수 있으며, 이 경우에는 또한 전기 모터 등과 같은 추가 열원들에 대한 냉각제 측 연결이 이루어질 수 있다. 동시에 라디에이터에서의 수증기 결빙과 관련한 단점들이 방지될 수 있다. 강조되어야 할 점으로는 냉매 순환계가 그 외에는 종래 방식과 동일하게 설계될 수 있다는 것이며, 다른 말로 하면 추가로 저압 측에서는 하나 또는 다수의 열교환기를 통해 열이 흡수될 수 있고 그리고/또는 고압 측에서는 하나 또는 다수의 열교환기를 통해 열이 방출될 수 있다는 것이다. 열 펌프 시스템은 또한 임의의 냉각제, 즉 물 또는 공기에 의해 작동될 수 있다. 이러한 사실은 모든 냉매(예: R 744, R 134a 및 R 1234yf)에 동일하게 적용된다. 마지막으로는 열 펌프 시스템이 바람직하게는 모든 동작 모드에서 전기 모터 및/또는 전자 부품들과 같은 부품들의 냉각을 가능하게 한다는 사실이 언급된다. 하나 이상의, 바람직하게는 2개의 기술된 냉매-냉각제-열교환기는 바람직하게 압축기 바로 앞에 또는 뒤에 위치한다.
본 발명에 따른 시스템의 바람직한 개선예들은 추가 청구항들에 기술되어 있다.
냉매 측 압력 손실을 방지하기 위하여, 하나 이상의 냉매-냉각제-열교환기가 차단 가능한 냉매 측 바이패스(bypass)를 구비할 경우 장점이 주어진다. 이러한 바이패스는 각각의 냉매-냉각제-열교환기에서 열전달이 필요하지 않을 경우 개방되며, 그 결과 언급된 바와 같이 불필요한 압력 손실 없이 작동이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 다양한 작동 모드는, 냉각제 순환계가 2개의 냉매-냉각제-열교환기의 전환을 위한 그리고/또는 상기 2개의 냉매-냉각제-열교환기로의 냉각제 분할을 위한 하나 이상의 리버싱 밸브(reversing valve)를 구비함으로써 특히 효율적인 방식으로 달성될 수 있다.
주위 온도에 따라 작동 모드를 단계화하는 것과 관련하여서는, 냉각제 순환계의 라디에이터가 하나 이상의 리버싱 밸브에 의해 개방되는 바이패스를 구비하는 경우에 장점이 주어진다. 예를 들어 주위 온도가 보통 수준일 경우, 전기 모터 및 전자 부품과 같은 부품들의 폐열 및 차량 실내로부터 탈취된 열이, 라디에이터를 통해 주변으로 방출되고 필요에 따라 가열 시 사용됨 없이 냉각제 순환계 내에 저장되는 것으로 충분할 수 있다.
바람직하게 냉각제 순환계는 싱글 펌프(single pump)를 구비하고, 이러한 싱글 펌프에 의해 가열 작동뿐만 아니라 냉각 작동도 효율적인 방식으로 실현될 수 있다.
아래에서는 본 발명의 실시 형태가 도면들을 참조하여 설명된다.
도면에서:
도 1은 본 발명에 따라 열 펌프 시스템에 연결된 차량의 난방 및 공기 조화 시스템을 개략적으로 도시하고;
도 2는 냉각 장치 모드에서 본 발명에 따라 열 펌프 시스템을 통해 흐르는 냉각제 또는 냉매의 관류를 개략적으로 도시하며;
도 3은 라디에이터에서 열이 주변으로 방출됨 없이, 냉각 장치 모드에서 본 발명에 따라 열 펌프 시스템을 통해 흐르는 냉각제 또는 냉매의 관류를 개략적으로 도시하고;
도 4는 열 펌프 모드에서 본 발명에 따라 열 펌프 시스템을 통해 흐르는 냉각제 또는 냉매의 관류를 개략적으로 도시하며;
도 5는 라디에이터에서 주변으로부터 열을 흡수함 없이, 열 펌프 모드에서 본 발명에 따라 열 펌프 시스템을 통해 흐르는 냉각제 또는 냉매의 관류를 개략적으로 도시하고; 그리고
도 6은 냉매 순환계 내부에서 고압 측과 저압 측의 내부 열전달 시 본 발명에 따라 열 펌프 시스템을 통해 흐르는 냉각제 또는 냉매의 관류를 개략적으로 도시한다.
차실 내로 공급될 공기의 조화와 관련하여, 도 1의 하부 영역에는 냉각 장치 모드와 가열 모드 그리고 재열 모드로 겸용 작동용으로 형성된 공기 조화 시스템이 도시되어 있다.
상기 공기 조화 시스템은 냉풍 유동 채널(14)과 온풍 유동 채널(16)을 갖는 하우징 및 냉매 순환계(12)를 구비한다. 상기 냉매 순환계는 압축기, "Condenser"로 명명되고 고압 컬렉터를 갖는 응축기 유닛, 팽창 부재 그리고 "Evaporator"로 명명되는 증발기로 이루어져 있으며, 이 경우 상기 응축기는 고압 측에서 온풍 유동 채널(16) 내에 배치되어 있고, 그리고 상기 증발기는 저압 측에서 냉풍 유동 채널(14) 내에 배치되어 있다. 작동 모드에 따라, 응축기 또는 증발기를 통해 조화된 공기는 차량 실내 또는 주변으로 안내될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 냉매 순환계는 저압 측에 있는 제1 냉매-냉각제-열교환기(2)와 고압 측에 있는 제2 냉매-냉각제 열교환기(3)를 추가로 구비한다. 도시된 실시예는 각각의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)와 관련하여 차단 밸브(10)에 의해 차단 가능하고 그리고 개방되는 바이패스(26)를 갖는다.
도 1의 상부 영역에는 냉각제 순환계(28)가 도시되어 있는데, 본 발명에 따르면 상기 냉각제 순환계는 상응하는 밸브(30)에 의해 서로 독립적으로 2개의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)와 연결될 수 있다. 또한, 아래에 설명되는 바와 같이, 냉각제 흐름이 상기 2개의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)로 분할되는 작동 모드도 가능하다. 펌프(5)는 냉각제를 이송하고, 그리고 특히 모터 또는 차량의 구조에 따라, 선택적인 과급 공기 냉각(WCAC)(6)으로부터 그리고/또는 전기 모터(7) 및/또는 전자 부품(8)들로부터 열을 흡수한다. 또한, 추가의 밸브(38, 40)들의 작동 모드 및 전환에 따라, 라디에이터(4)를 통해 주변으로의 열전달이 이루어질 수 있다.
냉각 모드는 도 2에 도시되어 있다. 전체 도면과 관련하여 언급되어야 할 것은, 검은색으로 어둡게 처리된 화살표들은 펌프(5) 및 라디에이터(4)에와 관련하여서는 유동 그리고 마찬가지로 상기 밸브들과 관련하여서는 차단 상태를 나타낸다는 것이다. 도 2에서 알 수 있듯이, 냉매-냉각제-열교환기(2)는 우회되고, 그리고 순환계(12) 내에 있는 냉매는 냉매-냉각제-열교환기(3)에 의해 완열 또는 응축 열을 냉각제 순환계(28) 내로 방출할 수 있으며, 이러한 경우 상기 냉각제 순환계가 전환됨으로써, 더 나아가 열원(6, 7 및 8)들에 의해 열이 흡수될 수 있고 그리고 라디에이터(4)를 통해 주변으로 방출될 수 있다. 이와 같은 작동 모드에서는 제1 냉매-냉각제-열교환기(2)의 바이패스가 개방되고, 이러한 경우 상기 제1 냉매-냉각제-열교환기가 작동하지 않음으로써 불필요한 압력 손실이 방지될 수 있다.
도 3에 도시된 작동 모드는, 라디에이터(4)가 관류되지 않음으로써 구별되는데, 이때 리버싱 밸브(40)는 라디에이터(4) 쪽이 아닌 펌프(5)의 방향으로 즉각 전환된다. 이와 같은 작동 모드는, 예를 들면 5 내지 약 20℃ 범위의 주위 온도에서 중간 정도의 냉각에 적합한데, 그 이유는 이러한 경우 열원(6, 7 및 8)들의 폐열뿐만 아니라 열교환기(3)를 통해 흡수되는 차량 실내의 폐열에 대해서도 냉각제 순환계(28)의 흡수력이 충분하기 때문이다. 또한, 냉각제 순환계(28) 내에 저장된 열이 경우에 따라 추후 스위치 밸브들의 적합한 전환에 의해 가열에 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 작동 모드는 중간 정도보다 더 낮은 주위 온도로 가열할 때 적합하다. 이러한 경우 주변으로부터 열을 흡수하기 위해 라디에이터(4)가 관류된다. 더 나아가, 열원(6, 7 및 8)들로부터 열이 흡수되고, 그리고 밸브(30)가 전환됨으로써 냉각제가 냉매-냉각제-열교환기(2)를 통해 흐른다. 이때, 차실 가열을 가능하게 하기 위해 증발열이 냉매 순환계(12) 내에 있는 냉매로 방출된다. 이러한 작동 모드에서는 제2 냉매-냉각제-열교환기(3)의 바이패스가 개방되고, 이러한 경우 상기 제2 냉매-냉각제-열교환기가 작동하지 않음으로써 불필요한 압력 손실이 방지될 수 있다.
도 5에 도시된 작동 모드는 도 2 및 도 3의 작동 모드와 유사하게 도 4의 작동 모드와 구별된다. 라디에이터(4)가 유사하게 우회되고, 오로지 열원(6, 7 및 8)들의 열만 사용됨으로써, 주위 온도가 매우 낮을 때 라디에이터 결빙으로 생기는 문제점들이 방지되며, 그 결과 열 펌프 시스템의 성능이 전체적으로 상승된다.
마지막으로 도 6에는 2개의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)가 관류되는 작동 모드가 도시되어 있으며, 이때 순환계(28) 내에서의 냉각제 흐름은 밸브(30)에 의해서 분할된 다음 펌프(5) 앞에서 다시 결합된다. 따라서 고압 측에 있는 냉매-냉각제-열교환기(3)에서는 완열 또는 응축 열이 방출되고, 그리고 저압 측에 있는 열교환기(2)에서는 증발 열이 흡수된다. 이러한 작동 모드에서는 냉각제 순환계(28)의 라디에이터(4)가 우회된다. 그 결과 열은 말하자면 냉각제 순환계(28)를 통해 간접적으로 냉매 순환계(12)의 고압 측과 저압 측 사이에서 전달된다. 또한, 열원(6, 7 및 8)들로부터 열이 흡수된다. 또 한편으로는 특히, 주위 온도가 낮은 경우 라디에이터(4)의 결빙과 관련한 문제점들이 방지될 수 있다. 그 외에 주위 온도보다 높은 온도 레벨의 증발 열이 사용됨으로써 열 펌프 시스템의 효율적인 작동이 가능해지고, 따라서 냉매의 더 높은 흡입 밀도로 인해 냉매 질량 흐름이 증가된다. 동일한 장점이 도 5의 작동 모드에도 적용된다.

Claims (5)

  1. 압축기(1)의 상류 및 하류 측에 각각 하나 이상의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)를 갖는 냉매 순환계(12), 그리고 라디에이터(4)와, 과급 공기 냉각기(6), 전기 모터(7) 및 전자 부품(8) 중 하나 이상을 갖는 냉각제 순환계(28)를 구비하는 차량용 열 펌프 시스템으로서,
    상기 냉각제 순환계(28)가 선택적으로 하나 또는 2개의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)와 연결될 수 있으며,
    하나 이상의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)가 각각 냉매의 차단이 가능한 바이패스(bypass)(26)를 구비하고,
    하나 이상의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3) 중 상기 냉각제 순환계(28)가 연결되지 않는 냉매-냉각제 열교환기는 바이패스(26)를 통해 냉매가 차단되는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 순환계(28)가 상기 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)들의 전환을 위한 또는 상기 2개의 냉매-냉각제-열교환기(2, 3)로의 냉각제 분할을 위한 하나 이상의 리버싱 밸브(reversing valve)(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 순환계(28)의 라디에이터(4)가 하나 이상의 리버싱 밸브(38, 40)를 통해 연결되는 바이패스를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 순환계(28)가 싱글 펌프(single pump)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
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