KR102170463B1 - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와, 실외열교환기에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 실내열교환기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러를 설치함으로써, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되면서 서브쿨(Sub cool)이 증대되어 냉매 유량 증대 및 냉방 성능을 향상하고, 히트펌프 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 서브쿨을 확보하여 냉매 유량을 증대함은 물론 상기 실외열교환기에서 배출된 냉매는 상기 칠러에서 추가 열원을 공급받아 난방 성능을 향상할 수 있으며, 또한 상기 실외열교환기의 착상으로 인한 제상모드시에도 상기 칠러에서 추가 열원을 확보할 수 있으므로 열원부족에 의한 실내 토출온도의 변화를 최소화 할 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 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와, 실외열교환기에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 실내열교환기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러를 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 실내 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 실내 열교환기(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 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)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 실내 열교환기(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(최대난방모드)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 실내 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 실내 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.
에어컨 모드(최대냉방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 실내 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내 열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 이때, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 실내 열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드시 상기 공조케이스(10)의 내부에 설치된 실내 열교환기(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 외기와 열교환하는 과정에서 실외열교환기(48)의 표면이 빙점이하로 떨어질 경우 실외열교환기(48)의 표면에 착상이 발생하게 된다.
상기 실외열교환기(48)의 표면에 착상이 지속적으로 확대되면, 실외열교환기(48)가 흡열을 하지 못함으로서, 시스템내의 냉매 온도 및 압력이 낮아져 차실내로 토출되는 공기의 온도가 떨어져 난방성능이 현격히 감소하며, 압축기내로 액냉매가 유입될 수 있어 시스템의 안정성도 떨어지게 된다.
따라서, 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 상기 실외열교환기(48)에 착상이 발생하게 되면 히트펌프 시스템의 작동을 중지한 후, 상기 착상이 해제되면 다시 시스템을 재 작동하는 제어를 하게 되는데, 이처럼 착상 발생시 히트펌프 시스템의 작동을 중지함으로써 난방성능이 저하되고, 이때 난방을 위해 별도의 전기가열식 히터를 작동시킴으로서 소비전력이 증가하여 전기자동차나 하이브리드 자동차에서는 주행거리가 단축되는 문제가 있었다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 출원인이 선출원한 국내 특허등록번호 제1342931호(발명의 명칭: 차량용 히트 펌프 시스템)는, 실외열교환기의 착상시, 제상모드를 수행하여 냉매가 실외열교환기를 바이패스하고 열공급수단(칠러)을 통해 차량 전장품의 폐열을 회수하도록 함으로써, 상기 실외열교환기의 착상시에도 난방을 계속 수행할 수 있도록 한 것이다.
그러나, 상기 종래의 히트 펌프 시스템은, 상기 실외열교환기의 착상시, 열원으로 차량 전장품의 폐열만을 사용하게 되어 실내 토출온도가 5~10℃ 정도 떨어지게 되고, 실내 온도를 유지하기 위해 PTC히터를 추가로 작동시켜야 하는 문제가 있다.
또한, 실내열교환기에서 배출된 냉매가 충분히 응축되지 않아 냉매 유량이 감소하고 이로인해 냉,난방 성능도 저하되는 문제도 있었다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와, 실외열교환기에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 실내열교환기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러를 설치함으로써, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되면서 서브쿨(Sub cool)이 증대되어 냉매 유량 증대 및 냉방 성능을 향상하고, 히트펌프 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 서브쿨을 확보하여 냉매 유량을 증대함은 물론 상기 실외열교환기에서 배출된 냉매는 상기 칠러에서 추가 열원을 공급받아 난방 성능을 향상할 수 있으며, 또한 상기 실외열교환기의 착상으로 인한 제상모드시에도 상기 칠러에서 추가 열원을 확보할 수 있으므로 열원부족에 의한 실내 토출온도의 변화를 최소화 할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 실내열교환기와 실외열교환기 사이의 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단을 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인에는, 상기 제2팽창수단의 입구측 냉매순환라인과 상기 증발기의 출구측 냉매순환라인을 연결하도록 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매가 제2팽창수단 및 증발기를 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인과, 차량 전장품을 순환하는 냉각수와 상기 실외열교환기에서 배출되어 제1바이패스라인을 흐르는 냉매 및 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러가 설치되어, 에어컨 모드시, 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되고, 히트펌프 모드시, 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 서브쿨(Sub cool)을 확보하고, 상기 실외열교환기에서 배출된 냉매는 상기 칠러에서 추가 열원을 공급받도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와, 실외열교환기에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 실내열교환기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러를 설치함으로써, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되면서 서브쿨(Sub cool)이 증대되어 냉매 유량 증대 및 냉방 성능을 향상하고, 히트펌프 모드시 상기 실내열교환기에서 배출된 냉매가 상기 칠러에서 서브쿨을 확보하여 냉매 유량을 증대함은 물론 상기 실외열교환기에서 배출된 냉매는 상기 칠러에서 추가 열원을 공급받아 난방 성능을 향상할 수 있다.
또한, 상기 실외열교환기의 착상으로 인한 제상모드시에도 상기 칠러에서 추가 열원(실내열교환기 배출 냉매+전장품 폐열)을 확보할 수 있으므로 열원부족에 의한 실내 토출온도의 변화를 최소화 할 수 있고, 아울러 전기가열식히터의 사용빈도를 축소하여 소비전력 감소 및 전기자동차나 하이브리드 자동차의 주행거리도 증대시킬 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 작동 중 제습모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 작동 중 제상모드를 나타내는 구성도,
도 6은 본발명과 종래의 히트펌프 시스템에서 에어컨 모드시 압력-엔탈피 선도를 나타내는 그래프,
도 7은 본발명과 종래의 히트펌프 시스템에서 히트펌프 모드시 압력-엔탈피 선도를 나타내는 그래프,
도 8은, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제1팽창수단의 작동상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 냉매순환라인(R)상에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 제1팽창수단(120)과, 실외열교환기(130)와, 제2팽창수단(140)과, 증발기(160)가 순차적으로 연결되어 구성되는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)상에는, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 제1바이패스라인(R1)과, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하는 제2바이패스라인(R2)이 각각 병렬로 연결 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)의 분기지점에는 제1방향전환밸브(191)가 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)의 분기지점에는 제2방향전환밸브(192)가 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)에는 칠러(180)가 설치된다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 칠러(180), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140), 증발기(160), 압축기(100)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름이 제어되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 증발기(160)는 증발기 역할을 수행하게 된다.
또한, 상기 칠러(180)와 실외열교환기(130)는 상기 실내열교환기(110)와 같은 응축기 역할을 하게 된다.
한편, 에어컨 모드시 상기 칠러(180)에서 배출된 냉매가 제1팽창수단(120)을 지나가긴 하지만 오리피스(128)를 바이패스하여 미팽창 상태로 지나가게 된다.
히트펌프 모드시에는, 도 3과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120)의 오리피스(128), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1)의 칠러(180), 압축기(100)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름이 제어되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하며, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)로는 냉매 공급이 되지 않는다.
또한, 상기 칠러(180)는 상기 응축기 역할과 증발기 역할을 동시에 하게 되는데, 즉, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매에 대해서는 응축기 역할을 수행하게 되고, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매에 대해서는 증발기 역할을 수행하게 된다.
한편, 히트펌프 모드에서 차실내 제습시에는 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매의 일부가 후술하는 제습라인(R3)을 통해 증발기(160)로 공급되므로 차실내 제습을 수행하게 된다.
이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 냉매순환라인(R)상에 설치된 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)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)측에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.
아울러, 히트펌프 모드 중 제습모드시에는, 상기 제1바이패스라인(R1)과, 후술하는 제습라인(R3)을 통해 증발기(160)로 동시에 냉매가 공급되므로, 이 경우 상기 압축기(100)는 상기 제1바이패스라인(R1)과 증발기(160)를 통과한 후 합류된 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 모드시 모두 응축기 역할을 하게 되고,
상기 증발기(160)는, 에어컨 모드시 증발기 역할을 하고, 히트펌프 모드에서는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지되며, 제습모드시에는 냉매가 일부 공급되어 증발기 역할을 수행하게 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)가 증발기 역할을 수행하는 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제2팽창수단(140)에서 배출된 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 역할을 수행하는 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, 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 응축기 역할을 하는 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.
여기서, 상기 실외열교환기(130)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되어 내부를 유동하는 냉매를 외기와 열교환시키게 된다.
상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기(110) 및 칠러(180)와 동일한 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다. 히트펌프 모드시에는 상기 실내열교환기(110)와 상반되는 증발기 역할을 하게 되는데, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 저온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 증발하게 된다.
또한, 상기 실외열교환기(130)의 일측에는 외기를 실외열교환기(130)측으로 강제 송풍하는 팬(135)이 설치된다.
그리고, 상기 제1팽창수단(120)은, 상기 실내열교환기(110)와 상기 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)측으로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
좀더 상세하게는, 본 발명에서는 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 칠러(180)를 거친 후 제1패창수단(120)으로 유동하기 때문에, 상기 제1팽창수단(120)은 상기 칠러(180)와 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 설치된다.
상기 제1팽창수단(120)은, 상기 냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 온오프 밸브(125)와, 상기 온오프 밸브(125)에 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(128)로 이루어져, 상기 온오프 밸브(125)의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키게 된다.
다시말해, 상기 제1팽창수단(120)은 온오프 밸브(125)와 교축(팽창) 역할을 하는 오리피스(128)를 일체화 한 구성이다.
도 8은 제1팽창수단(120)을 개략적으로 도시한 도면으로서, 온오프 밸브(125)의 내부에 냉매가 유동하는 유로(126)가 형성되고, 상기 유로(126)를 개폐하도록 밸브부재(127)를 설치한 것이다.
이때, 상기 밸브부재(127)에는 냉매를 팽창시키기 위한 오리피스(128)가 형성된다.
또한, 상기 온오프 밸브(125)의 일측에는 상기 냉매 유로(126)를 온오프하는 밸브부재(127)를 작동시키기 위한 솔레노이드(129)가 설치된다.
따라서, 상기 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)를 개방할 경우에는 상기 유로(126)를 통해 냉매를 미팽창 상태로 유동시키게 되고(온오프 밸브기능), 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)를 폐쇄할 경우에는 상기 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창 상태로 유동시키게 되는 것이다.(오리피스 기능)
그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)은, 상기 제2팽창수단(140)의 입구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 선택적으로 바이패스하도록 하게 된다.
도면에서와 같이, 상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)와 병렬로 설치치되는데, 즉, 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측은 상기 실외열교환기(130)와 제2팽창수단(140)을 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결되고, 출구측은 상기 증발기(160)와 압축기(100)를 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결된다.
이로인해, 에어컨 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 유동하게 되지만, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)을 통해 압축기(100)측으로 곧바로 유동하여 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스 하게 된다.
여기서, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드에 따라 냉매의 흐름방향을 전환하는 역할은 제1방향전환밸브(191)를 통해 이루어진다.
물론, 상기 제1방향전환밸브(191) 뿐만 아니라, 제2방향전환밸브(192)와 제1,2팽창수단(120,140), 후술하는 온오프밸브(195)를 포함하는 부품들을 제어부(190)가 제어하여 에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 히트펌프 시스템을 순환하는 냉매의 흐름을 제어하게 된다.
상기 제1방향전환밸브(191)는, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 제2팽창수단(140)으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하게 된다.
이때, 제1방향전환밸브(191)는, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110), 칠러(180), 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 흐르도록 방향을 전환하게 되고, 히트펌프 모드시 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)으로 흐르도록 방향을 전환하게 된다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(191)는 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측 분기지점에 설치된다.
그리고, 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러(180)가 설치된다.
이때, 상기 칠러(180)는, 상기 제1바이패스라인(R1)상에 위치하도록 설치되어, 상기 제1바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매는 상기 차량 전장품(200)의 폐열과 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 고온 고압의 냉매와 열교환하게 된다.
상기한 칠러(180)는, 상기 차량 전장품(200)과 냉각수순환라인(R)으로 연결되는 냉각수 열교환부(181b)와, 상기 제1바이패스라인(R1)과 연결되는 제1냉매 열교환부(181a)와, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)과 연결되는 제2냉매 열교환부(181c)로 구성된다.
다시말해, 상기 칠러(180)는, 냉각수-냉매-냉매가 상호 열교환하는 3중 열교환기로 구성된다.
이때, 상기 칠러(180)를 구성할 때, 상기 제1냉매 열교환부(181a)가 상기 냉각수 열교환부(181b)와 제2냉매 열교환부(181c)의 사이에 배치되도록 구성하는 것이 바람직하다.
즉, 히트펌프 모드시, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매가 상기 칠러(180)의 중간에 배치된 제1냉매 열교환부(181a)를 통과하면서 그 양측에 배치된 냉각수 열교환부(181b)의 냉각수와 제2냉매 열교환부(181c)의 냉매와 원활하게 열교환하게 되는 것이다.
따라서, 에어컨 모드시는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 칠러(180)에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기(130)에서 2차 냉각되면서 서브쿨(Sub cool)이 증대되어 냉매 유량이 증대되고, 이로인해 냉방 성능 향상 및 소모동력을 저감할 수 있다.
한편, 에어컨 모드시에는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 냉매가 공급되지 않지만, 상기 칠러(180)에 채워져 있는 냉매나 냉각수를 이용하여 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 냉각시키게 된다. 물론 필요시에는 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수를 상기 칠러(180)의 냉각수 열교환부(181b)로 순환시킬 수 있다.
도 6은, 본발명과 종래의 히트펌프 시스템에서 에어컨 모드시 압력-엔탈피 선도를 나타내는 그래프로서, 보는 바와 같이, 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 칠러(180)와 실외열교환기(130)를 통해 1,2차에 걸쳐 냉각됨에 따라 충분히 응축되면서 서브쿨이 증대됨을 알 수 있다.
그리고, 히트펌프 모드시에는, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 칠러(180)에서 실외열교환기(130) 배출 냉매와의 열교환을 통해 서브쿨(Sub cool)을 확보하여 냉매 유량을 증대시키고, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 저온 저압의 냉매는 상기 칠러(180)에서 차량 전장폐열(냉각수) 및 실내열교환기(110) 배출 냉매로부터 추가 열원을 공급받아 냉매의 온도,압력 향상 및 열원 증대로 인해 난방 성능을 향상할 수 있다.
또한, 도 5와 같은 상기 실외열교환기(130)의 착상으로 인해 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하는 제상모드시에도 상기 칠러(180)에서 추가 열원(전장폐열+실내열교환기 배출 냉매)을 확보할 수 있으므로, 열원부족에 의한 실내 토출온도의 변화를 최소화 할 수 있으며, 이로인해 전기가열식히터(115)의 사용빈도를 축소하여 소비전력 감소 및 전기자동차나 하이브리드 자동차의 주행거리도 증대시킬 수 있다.
도 7은, 본발명과 종래의 히트펌프 시스템에서 히트펌프 모드시 압력-엔탈피 선도를 나타내는 그래프로서, 보는 바와 같이, 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 칠러(180)에서 실외열교환기(130) 배출 냉매와의 열교환을 통해 충분히 응축되면서 서브쿨이 증대됨을 알 수 있다.
한편, 상기 차량 전장품(200)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.
그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에는, 난방성능을 향상할 수 있도록 상기 실내열교환기(110)의 하류측에 인접하여 전기 가열식 히터(115)가 더 설치된다.
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.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는 상기 제1팽창수단(120)을 선택적으로 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제2바이패스라인(R2)이 병렬로 설치되는데, 즉, 상기 제2바이패스라인(R2)은 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)과 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하여 실외열교환기(130)와 병렬로 설치되며, 따라서 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 제2바이패스라인(R2)으로 선택적으로 유동하도록 냉매의 유동방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치되는데, 상기 제2방향전환밸브(192)는 상기 제2바이패스라인(R2)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 상기 실외열교환기(130) 또는 제2바이패스라인(R2)으로 냉매가 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하게 된다.
그리고, 냉매순환라인(R)상에는, 히트펌프 모드시 차실내 제습을 수행할 수 있도록 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매의 일부를 상기 증발기(160)측으로 공급하는 제습라인(R3)이 설치된다.
상기 제습라인(R3)은, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 저온 냉매의 일부를 상기 증발기(160)측으로 공급하도록 설치된다.
즉, 상기 제습라인(R3)은 상기 제1팽창수단(120)의 출구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치된다.
도면에서 보면, 상기 제습라인(R3)의 입구는 상기 제1팽창수단(120)과 상기 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)에 연결됨으로써, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 후 상기 실외열교환기(130)로 유입되기전의 냉매 일부가 상기 제습라인(R3)으로 유동하여 상기 증발기(160)측으로 공급되게 된다.
다시말해, 상기 히트펌프 모드 작동 중 제습모드시, 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 2분할되어, 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)와 제1바이패스라인(R1)측으로 순환하고, 일부 냉매는 상기 제습라인(R3)과 증발기(160)측으로 순환하며, 상기 각각 분할되어 순환한 냉매는 상기 압축기(100)의 입구측에서 합류되게 된다.
또한, 상기 제습라인(R3)상에는, 차실내 제습모드시에만 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매의 일부가 상기 제습라인(R3)으로 유동할 수 있도록 제습라인(R3)을 개폐하는 온오프밸브(195)가 설치된다.
상기 온오프밸브(195)는, 제습모드시에만 상기 제습라인(R3)을 개방하고 제습모드가 아닌 경우에는 상기 제습라인(R3)을 폐쇄하게 된다.
한편, 상기 제습라인(R3)의 출구는, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)과 연결되어 상기 제습라인(R3)을 통과한 냉매는 상기 증발기(160)로 곧바로 유입되게 된다.
그리고, 상기 제어부(190)는, 히트펌프 모드시 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 것으로 인지한 경우, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하도록 냉매 흐름을 제어하여, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제어하게 되는데, 즉, 도 5와 같이 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120), 제2바이패스라인(R2), 제1바이패스라인(R1), 칠러(180)을 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름을 제어하여 제상제어(제상모드)를 수행하게 된다.
상기 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 되면, 실외열교환기(130)의 착상을 지연시키거나 착상을 해소할 수 있다.
한편, 상기 실외열교환기(130)의 착상 인지 방법으로는 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매의 온도가 0℃ 이하인 경우 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 것으로 인지할 수 있다.
물론, 별도의 센서를 설치하여 실외열교환기(130)의 착상을 인지할 수도 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 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)이 폐쇄되고, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)도 폐쇄되며, 상기 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)를 개방하여 냉매를 미팽창 상태로 유동시키게 된다.
또한, 상기 칠러(180)로는 전장품(200)을 순환하는 냉각수가 공급되지 않는다.
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 곧바로 상기 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급된다.
상기 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급된 냉매는, 칠러(180)에 채워져 있는 냉매 및 냉각수와 열교환하여 1차 냉각되어 응축된 후, 상기 제1팽창수단(120)을 미팽창상태로 통과하여 상기 실외열교환기(130)로 유동하게 된다.
상기 실외열교환기(130)로 유동한 냉매는, 외기와 열교환하게 되면서 2차 냉각되어 응축된다.
계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제2팽창수단(140)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(도 3)
히트펌프 모드는, 도 3과 같이, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)이 폐쇄되고, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되어, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로는 냉매가 공급되지 않는다.
또한, 상기 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)을 폐쇄하여 냉매가 오리피스(128)를 통과하면서 팽창하도록 하게 된다.
한편, 차량 전장품(200)에 의해 가열된 냉각수가 상기 칠러(180)의 냉각수 열교환부(181b)로 공급되게 된다.
그리고, 제1난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)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)로 유입된다.
상기 실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 냉각되어 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 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급되며, 상기 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급된 냉매는 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 제1냉매 열교환부(181a)를 유동하는 저온 저압의 냉매와 열교환하면서 추가 냉각되어 응축된 후, 상기 제1팽창수단(120)으로 유동하게 된다.
상기 제1팽창수단(120)으로 유동한 냉매는 오리피스(128)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 증발기 역할을 하는 실외열교환기(130)로 공급된다.
상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 외기와 열교환하면서 증발한 후 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 칠러(180)의 제1냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수 및 상기 제2냉매 열교환부(181c)를 통과하는 냉매와 열교환하여 열원을 공급받은 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
다. 히트펌프 모드 작동 중 제습모드(도 4)
히트펌프 모드 작동 중 제습모드는, 도 3의 히트펌프 모드로 작동 중에 차실내 제습이 필요한 경우에 작동하게 된다.
따라서, 도 3과 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 제습모드시에는, 히트펌프 모드 상태에서 상기 온오프 밸브(195)를 통해 상기 제습라인(R3)이 추가로 개방되게 된다.
그리고, 제습모드시에는 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 통과하는 과정에서 냉각된 후, 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 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), 칠러(180), 제1팽창수단(120)의 오리피스(128)를 통과한 냉매 중 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)를 통과하게 되고, 일부 냉매는 상기 제습라인(R3)을 통과하게 된다.
상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는 외기와 열교환하면서 증발한 후 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 칠러(180)의 제1냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수 및 상기 제2냉매 열교환부(181c)를 통과하는 냉매와 열교환하여 열원을 공급받으면서 증발하게 되고,
상기 제습라인(R3)을 통과한 냉매는 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)를 통과하면서 온풍으로 바뀐 후 차량 실내로 공급되어 제습 난방하게 된다.
이후, 상기 칠러(180)와 증발기(160)를 각각 통과한 냉매는 합류된 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
라. 히트펌프 모드 작동 중 제상모드(도 5)
히트펌프 모드 작동 중 제상모드는, 상기 실외열교환기(130)의 착상을 인지하여 제상제어가 필요한 경우에 작동하며, 도 5과 같이, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 상기 제2바이패스라인(R2)이 개방되고, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방된다.
또한, 상기 온오프 밸브(195)를 통해 상기 제습라인(R3)이 폐쇄되고, 상기 제1팽창수단(120)의 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창시키며, 상기 공조케이스(150)내로 실내공기를 유입하도록 내기유입모드로 전환된다.
한편, 차량 전장품(200)에 의해 가열된 냉각수가 상기 칠러(180)의 냉각수 열교환부(181b)로 공급되게 된다.
그리고, 제상모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)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)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 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급되며, 상기 칠러(180)의 제2냉매 열교환부(181c)로 공급된 냉매는 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 제1냉매 열교환부(181a)를 유동하는 저온 저압의 냉매와 열교환하면서 추가 냉각되어 응축된 후, 상기 제1팽창수단(120)으로 유동하게 된다.
상기 제1팽창수단(120)으로 유동한 냉매는 오리피스(128)를 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하게 되면서 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 된다.
이후, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매는, 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 칠러(180)의 제1냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수 및 상기 제2냉매 열교환부(181c)를 통과하는 냉매와 열교환하여 열원을 공급받아 증발한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
100: 압축기 110: 실내열교환기
115: 전기 가열식 히터
120: 제1팽창수단 128: 오리피스
130: 실외열교환기 135: 팬
140: 제2팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 칠러 190: 제어부
191: 제1방향전환밸브 192: 제2방향전환밸브
195: 온오프 밸브 200: 전장품
R: 냉매순환라인(R) R1: 제1바이패스라인
R2: 제2바이패스라인 R3: 제습라인

Claims (11)

  1. 냉매순환라인(R)상에 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, 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)와, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단(120)과, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단(140)을 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
    상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 제2팽창수단(140)의 입구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하도록 하는 제1바이패스라인(R1)과,
    차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수와 상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매 및 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 열교환시키는 칠러(180)가 설치되어,
    에어컨 모드시, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 칠러(180)에서 1차 냉각된 후 상기 실외열교환기(130)에서 2차 냉각되고,
    히트펌프 모드시, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매가 상기 칠러(180)에서 서브쿨(Sub cool)을 확보하고, 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매는 상기 칠러(180)에서 추가 열원을 공급받도록 하며,
    상기 칠러(180)는, 상기 차량 전장품(200)과 냉각수순환라인(R)으로 연결되는 냉각수 열교환부(181b)와, 상기 제1바이패스라인(R1)과 연결되는 제1냉매 열교환부(181a)와, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)과 연결되는 제2냉매 열교환부(181c)로 구성되어,
    히트펌프 모드시 상기 칠러(180)는,
    제1팽창수단(120) 전단에서 실내열교환기(110)로부터 배출된 냉매에 대해서는 응축시키고, 제1팽창수단(120)을 통과하여 팽창된 냉매에 대해서는 증발시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 칠러(180)는, 상기 제1냉매 열교환부(181a)가 상기 냉각수 열교환부(181b)와 제2냉매 열교환부(181c)의 사이에 배치되도록 구성되어,
    상기 실외열교환기(130)에서 배출되어 제1냉매 열교환부(181a)를 유동하는 냉매가 상기 냉각수 열교환부(181b)의 냉각수와 제2냉매 열교환부(181c)의 냉매 사이에서 열교환하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 실외열교환기(130)의 입,출구측 냉매순환라인(R)을 연결하여 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하는 제2바이패스라인(R2)이 설치되고,
    상기 제1바이패스라인(R1)과 제2바이패스라인(R2)은 상기 냉매순환라인(R)상에 병렬로 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매순환라인(R)상에서 상기 제1바이패스라인(R1)이 분기되는 지점에는 제1방향전환밸브(191)가 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)이 분기되는 지점에는 제2방향전환밸브(192)가 설치되며,
    에어컨 모드와 히트펌프 모드에 따라 상기 히트펌프 시스템을 순환하는 냉매의 흐름을 제어하는 제어부(190)가 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부(190)는,
    에어컨 모드시, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110), 칠러(180), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140), 증발기(160)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름을 제어하고,
    히트펌프 모드시, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120), 실외열교환기(130), 칠러(180)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부(190)는,
    상기 히트펌프 모드시 상기 실외열교환기(130)에 착상이 발생한 것으로 인지한 경우 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하도록 냉매 흐름을 제어하여, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1팽창수단(120)의 출구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)을 연결하는 제습라인(R3)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제습라인(R3)에는 온오프밸브(195)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    히트펌프 모드 작동 중 제습모드시, 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 칠러(180), 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 2분할되어, 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)와 제1바이패스라인(R1)측으로 순환하고, 일부 냉매는 상기 제습라인(R3)과 증발기(160)측으로 순환하며, 상기 각각 분할되어 순환한 냉매는 상기 압축기(100)의 입구측에서 합류되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1팽창수단(120)은, 솔레노이드(129)를 통해 밸브부재(127)를 작동시켜 냉매 유로(126)를 온오프하는 온오프 밸브(125)로 이루어지고, 상기 밸브부재(127)에는 오리피스(128)가 형성되어,
    상기 밸브부재(127)가 유로(126)를 개방할 경우에는 상기 유로(126)를 통해 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 상기 밸브부재(127)가 유로(126)를 폐쇄할 경우에는 상기 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창 상태로 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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