KR102183499B1

KR102183499B1 - 자동차용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR102183499B1
Application number: KR1020200048897A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 장호영; 이성엽
Original assignee: 에스트라오토모티브시스템 주식회사
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-11-26
Also published as: EP4122726A4; CN115427240A; EP4122726A1; US20230158856A1; WO2021215695A1

Abstract

자동차용 히트 펌프 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조모드에 따라 외부열교환기로 전달하거나 내부열교환기로 전달하는 4방밸브; 압축기 또는 내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 차량 외부의 공기와 열교환시키는 외부열교환기; 외부열교환기에서 전달된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기에서 배출된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기; 공조모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터를 통해 방출하거나, 열을 흡수한 후 냉매/전장품냉각수 열교환기와 열교환을 수행하는 전장품 냉각회로부; 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기; 공조모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단; 및 공조모드에 따라 외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 배터리와 열교환시킨 후 내부열교환기에 전달하도록 마련되는 배터리 칠러;를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

자동차용 히트 펌프 시스템{Heat Pump System For Vehicle}

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 4방 밸브, 내부열교환기, 냉각수 전기히터, 전장품 냉각회로부, 외부열교환기 및 2개의 전자팽창밸브 등을 이용하여 다양한 운전 모드를 손쉽게 변경하되, 에어컨 냉매가 유동하는 내부열교환기는 HVAC모듈 내에 1개만 배치되는 구성을 갖는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방 기능과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방 기능 등이 선택적으로 작동되는 시스템으로 이루어진다. 이러한 종래의 차량용 공조장치는, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 지나는 공기가 증발기 내부를 흐르는 냉매에 열을 빼앗겨 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 난방 기능은 엔진 냉각수가 순환되는 히터코어를 HVAC 유닛이라 불리는 공조케이스 내에 배치하여 히터코어 외부를 지나는 공기를 가열하여 차량 실내가 난방되도록 구성한다.

그러나, 엔진이 장착되지 않는 전기자동차의 경우에는 히터코어에 공급될 고온의 엔진 냉각수가 존재하지 않으며, 따라서 종래의 차량용 공조장치와는 전혀 다른 방식의 냉매사이클이 모색되어야 한다.

전기자동차에 적합한 다른 방식의 냉매사이클이 적용되는 시스템으로 냉매의 유동경로를 전환시켜 냉방과 난방 기능이 선택적으로 수행되는 히트펌프 시스템이 최근 각광을 받고 있는데, 예컨대 HVAC 유닛 내부에 증발기와 실내열교환기를 배치하여, 냉방 모드에서는 외부열교환기를 거쳐온 냉매를 팽창시켜 증발기로 유입시킴으로써 실내의 공기를 냉각시키고, 난방모드에서는 압축기를 통과한 고온의 냉매를 실내열교환기로 유입시키되 실내열교환기측 공기 유동로를 개방시켜 실내의 공기를 승온시키는 시스템이 적용되며, 냉매 사이클만으로는 난방 수요가 충족되지 않아 HVAC 유닛 내에 별도의 PTC 히터를 장착하는 시스템이 대표적이다.

즉, HVAC 모듈 내부에 배치된 2개의 열교환기(즉, HVAC 유닛 내부에 설치되어 히터로서 기능하는 실내열교환기와 증발기)와 PTC히터 그리고 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브가 해당 시스템의 필수 구성으로 구비된다.

이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류의 방식이 제안되고 있는데, 그 대표적인 것으로 한국등록특허 제1316355호에 개시된 것을 들 수 있다.

한국등록특허 제1316355호에 개시된 히트펌프를 이용한 전기자동차의 냉난방장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 실외열교환기(11)와 제1팽창밸브(12)와 증발기(13)와 압축기(14)와 실내열교환기(25) 및 제2팽창밸브(53)가 냉매유로로 연결되고, 상기 제1팽창밸브(12)의 상류에 상기 증발기(13)로의 냉매유입을 제어하는 제1 삼방밸브(51)가 구비되는 냉난방부와, 전장부품과 전장품 라디에이터를 냉각유로(35)로 연결하여 워터펌프로 냉각수를 순환시키는 전장부품 냉각부를 구비하는 장치에 있어서, 상기 전장부품 냉각유로(35) 상에 구비되는 증발부(42)와, 상기 냉매유로(16) 상에 구비되는 응축부(41)와, 상기 증발부(42)와 응축부(41)를 순환하도록 연결되는 루프식 히트파이프(43)와, 상기 제2 팽창밸브(53)와 병렬로 설치되어 냉매가 상기 제2 팽창밸브(53)로 유동하는 것을 단속하는 유로제어밸브(54)를 구비하고, 상기 유로제어밸브(54)가 폐쇄되고, 상기 제1 삼방밸브(51)가 상기 냉난방부에서 냉매가 실외열교환기(11), 제1 삼방밸브(51), 압축기(14), 실내열교환기(25), 제2 팽창밸브(53)를 지나도록 유로를 형성하면, 증발부(42)와 응축부(41)를 루프식 히트파이프의 내부에 수용된 냉매가 순환하면서, 제2 팽창밸브를 통과한 냉매를 가열하도록 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 히트펌프 시스템에 따르면, 난방모드가 가동될 경우에는 제1 삼방밸브(51)는 실외열교환기(11)를 거쳐온 냉매가 제1 팽창밸브(12)와 증발기(13) 측이 아닌 압축기(14) 측으로 향하도록 작동되고, 실내열교환기(25)를 막고 있던 블레이드(23)는 열려, 블로워에 의해 유입된 공기가 실내열교환기(25)와 PTC 히터(24)에 의해 가열되도록 하고, 냉방모드가 가동될 경우에는 제1 삼방밸브(51)는 실외열교환기(11)를 거쳐온 냉매가 제1 팽창밸브(12)와 증발기(13) 측으로 향하도록 작동되고, 실내열교환기(25)를 막고 있던 블레이드(23)는 닫혀, 블로워에 의해 유입된 공기가 증발기(13)에 의해 냉각되도록 기능한다.

상기 종래의 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 난방모드시 상기 HVAC 유닛 또는 공조케이스(21)의 내부에 설치된 실내열교환기(25)가 응축기로 기능하며 난방을 수행하게 되고, 상기 실외열교환기(11)는 공조케이스(21)의 외부 즉, 차량의 전방측에 설치되어 증발기로 기능하며 외기와 열교환이 이루어지게 되는데, 이때, 외기온이 낮은 조건에서는 상기 증발기 역할을 하는 실외열교환기(11)가 차가운 외기와 열교환하기 때문에 상기 난방기 역할을 하는 실내열교환기(25)측이 난방에 필요한 적정 온도로 상승되지 못하여 충분한 난방열을 공급하지 못하게 되며, 결국 외기온이 낮은 조건에서는 난방 성능이 악화되거나 히트펌프 모드 시스템의 작동이 불가하여 부득이하게 HVAC 유닛 내부에 PTC 히터(24)를 추가하여야만 한다.

그러나, 패키지 공간이 협소한 인스트루먼트 패널(Instrument Panel) 내부에 위치하여 설계 자유도 측면에서 극심한 제약을 받는 HVAC 유닛 내부에 PTC 히터와 같은 별도의 구성요소를 추가하는 것은 HVAC 모듈을 전반적으로 재설계해야 할 정도의 노력이 필요한 것으로서, 특히 단일의 차량 모델을 내연기관 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자동차로 각각 양산하는 경우에는 내연기관 자동차용으로 개발된 HVAC 모듈과는 다른 새로운 전기자동차용 HVAC 모듈을 개발해야만 하는 문제에 직면하게 되는 것이다.

따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템 대한 기술이 필요한 실정이다.

한국 등록특허 제1316355호 (2013년 10월 08일 공고)

본 발명의 목적은, 엔진의 폐열을 이용하는 히터코어와 증발기를 포함하는 기존 내연기관용 HVAC 모듈을 냉각수 전기히터에 의해 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어와 내부열교환기를 포함하는 전기자동차용 HVAC 모듈로 활용할 수 있도록, 4방 밸브, 내부열교환기, 냉각수 전기히터, 전장품 냉각회로부, 외부열교환기 및 2개의 전자팽창밸브 등을 이용하여 다양한 운전 모드를 손쉽게 변경할 수 있고, 여러가지 공조모드에 필요한 배관과 장치를 간략하게 구성할 수 있으며, 이로써 종래의 내연기관 자동차용의 HVAC 모듈을 전기 자동차용 HVAC 모듈과 공용화가 가능하도록 하고, 또한 이와 같은 구성에 의해 난방 효율 및 배터리 운전 성능을 향상시킬 수 있는 구성을 포함하는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조모드에 따라 외부열교환기로 전달하거나 내부열교환기로 전달하는 4방밸브; 압축기 또는 내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 차량 외부의 공기와 열교환시키는 외부열교환기; 외부열교환기에서 전달된 냉매를 HVAC 유닛 내부로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기에서 배출된 냉매를 HVAC 유닛 내부로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기; 상기 외부열교환기와 인접하여 장착되고, 공조모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터를 통해 방출하거나, 열을 흡수한 후 냉매/전장품냉각수 열교환기와 열교환을 수행하는 전장품 냉각회로부; 상기 외부열교환기와 4방밸브 사이에 장착되고, 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기; 상기 내부열교환기로 인입되거나 내부열교환기로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되고, 공조모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 개폐 가능한 제1팽창수단; 및 외부열교환기와 HVAC 모듈 내의 내부열교환기 사이에 장착되고, 공조모드에 따라 외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 배터리와 열교환시킨 후 내부열교환기에 전달하도록 마련되는 배터리 칠러;를 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 4방밸브는, 공조모드에 관계없이 항상 압축기로부터 배출된 냉매가 인입되는 냉매 유입구로 기능하는 상기 4방밸브의 제1포트; 공조모드에 따라 제1포트와 제3포트에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, HVAC 유닛 내부에 배치된 내부열교환기와 연결된 상기 4방밸브의 제2포트; 공조모드에 따라 제2포트와 제4포트에 선택적으로 연통되는 냉매 출구로서, 냉매 흐름상 압축기 측으로 연결된 상기 4방밸브의 제3포트; 공조모드에 따라 제1포트와 제3포트에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, 전장품 냉각회로부와 연결된 4방밸브의 제4포트;를 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 중간열교환기는, 외부열교환기와 내부열교환기 사이에 장착되고, 공조모드에 따라 외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 내부열교환기에 전달하거나, 내부열교환기로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 외부열교환기에 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 히트 펌프 시스템은, 상기 중간열교환기와 압축기 사이에 장착되고, 중간열교환기를 통과한 냉매를 압축기로 전달하는 어큐뮬레이터(Accumulator)를 더 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내부열교환기는, 공조모드에 따라 차량 실내로 공급되는 공기로부터 열을 흡수한 냉매를 배출하거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공할 냉매가 인입되는 제1포트; 및 공조모드에 따라 차량 실내로 공급되는 공기로부터 열을 흡수할 냉매가 인입되거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공한 냉매가 배출되는 제2포트;를 포함하는 구성일 수 있다.

이 경우, 공조모드에 따라 상기 내부열교환기가 증발기로 활용될 경우, 외부열교환기로부터 전달된 냉매를 제1팽창수단을 통해 팽창시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 제1팽창수단을 통과한 냉매가 내부열교환기의 제2포트로 인입될 수 있다.

상기 제1팽창수단으로는 냉매의 팽창량을 제어하거나 냉매 유로를 폐쇄할 수 있는 전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 적용된다.

또한, 공조모드에 따라 상기 내부열교환기가 응축기로 활용될 경우, 압축기로부터 배출된 냉매를 응축시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 압축기로부터 배출된 냉매가 4방밸브의 제1포트로 인입될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전장품 냉각회로부는, 외부열교환기와 인접하여 장착되고, 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉매를 외부열교환기와 열교환시키는 전장품 라디에이터; 상기 냉매/전장품냉각수 열교환기와 전장품 라디에이터를 하나의 냉각수 유동로로 형성하고, 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단 및 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 전장품 냉각수 순환펌프가 장착된 전장품 냉각수 유로; 상기 전장품 냉각수단을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기를 통과하지 않고 바로 전장품 라디에이터를 향하도록 상기 전장품 냉각수 유로 상에 형성된 전장품냉각수 바이패스 유로; 및 상기 전장품 냉각수 유로와 전장품냉각수 바이패스 유로가 서로 연통되는 연결부에 장착되고, 전장품 냉각수단을 통과한 냉각수를 공조모드에 따라 전장품냉각수 바이패스 유로 또는 냉매/전장품냉각수 열교환기로 선택적으로 유동하도록 하는 전장품 냉각용 3방밸브;를 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 히트 펌프 시스템은, 상기 외부열교환기와 상기 내부열교환기 사이를 연결하는 냉매라인을 분기시켜, 공조모드에 따라 외부열교환기로부터 배출된 냉매를 제2팽창수단으로 유입되도록 하여, 상기 냉매를 팽창시켜 배터리를 냉각시킬 수 있도록 마련되는 배터리 칠러를 포함한다.

이 경우, 상기 외부열교환기로부터 배출되는 냉매가 배터리 칠러로 인입되는 배관에는 제2팽창수단이 장착되고, 상기 배터리 칠러로부터 냉매가 배출되는 배관에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 장착된다.

상기 제2팽창수단은 일정 팽창율로의 개방과 유로 폐쇄 기능을 갖는 On/Off 방식의 전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 적용된다.

그리고 상기 외부열교환기와 상기 내부열교환기 사이를 연결하는 냉매라인을 외부열교환기 측 제1분기점에서 분기시켜, 공조모드에 따라 외부열교환기로부터 배출된 냉매를 제2팽창수단으로 유입되도록 하여, 상기 냉매를 팽창시켜 배터리를 냉각시킬 수 있도록 마련되는 배터리 칠러를 구성하며, 배터리 칠러는 4방밸브의 제3포트와 압축기를 연결하는 냉매라인의 4방밸브 측 제2분기점과 상기 제1분기점을 연결하는 냉매 분기라인에 장착되는 구성으로서, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매를 배터리와 열교환시킨 후 내부열교환기(140)에 전달할 수 있다. 상기 제2분기점은 배터리칠러에서 나온 냉매의 과열도와 성능을 더 증가시키기 위하여 중간열교환기(180) 이전에 위치하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 히트 펌프 시스템은, 상기 차량 실내로 공급되는 공기 유동 배관 내부에 장착되고, 공조모드가 난방 모드, 제습 모드 또는 제상 모드일 경우, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가할 수 있도록 냉각수 전기히터로부터 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어;를 더 포함하는 구성일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 특정 역할을 수행하는 4방밸브, 압축기, 외부열교환기 및 내부열교환기를 구비함으로써, 냉방모드와 난방모드를 손쉽게 변경할 수 있고, 냉방모드와 난방모드에 필요한 배관과 장치를 간소하게 구성할 수 있고, 난방 효율 및 배터리 운전 성능을 향상시킬 수 있는 구성을 포함하는 히트 펌프 시스템을 제공할 수 있으며, 아울러 내연기관차량용 HVAC 모듈과 전기자동차용 HVAC 모듈을 공용할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 냉방모드 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 냉방모드 시 페열회수부를 이용하여 냉각수의 흐름을 일부 변경한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 난방모드 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제습모드 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 외부열교환기 제상모드 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 냉방모드와 배터리 쿨링 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에서 제1팽창수단을 차단(full close)하고 제2팽창수단을 개방(open)하여 오직 배터리 쿨링 시 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 '자동차용 히트펌프'에 대하여 상세하게 설명한다. 설명하는 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다. 특히 '제1팽창수단, 제2팽창수단', 혹은 '제1포트, 제2포트, 제3포트, 제4포트' 와 같은 표현은 각 구성을 상호 간에 명확히 구분하기 위한 것 일뿐, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

도 2를 참조로 본원발명의 자동차용 히트펌프 시스템의 전반적인 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 구성을 나타낸다.

먼저, 본원발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 구성은 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프 시스템(100)은, 특정 위치에 배치되어 특정 역할을 수행하는 압축기(110), 4방밸브(120), 외부열교환기(130), 내부열교환기(140), 전장품 냉각회로부(160), 제1팽창수단(170) 및 배터리 칠러(190)를 포함하는 구성일 수 있다.

보다 구체적으로 압축기(110)는 냉매를 압축하여 토출하는 구성이고, 4방밸브(120)는, 압축기(110)로부터 배출되는 냉매를 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로 전달하거나 내부열교환기(140)로 전달하는 구성이다.

외부열교환기(130)는, 압축기(110) 또는 내부열교환기(140)로부터 전달되는 냉매를 차량 외부의 공기와 열교환시키는 구성이다. 또한, 내부열교환기(140)는, 외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 구성이다. 이때, 제1팽창수단(170)은, 내부열교환기(140)로 인입되거나 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되고, 공조모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 구성이다.

전장품 냉각회로부(160)는, 외부열교환기(130)와 인접하여 장착되고, 공조모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 외부로 배출하는 구성이다.

그리고 전장품 냉각회로부(160)의 일부 구성으로서, 상기 외부열교환기(130)와 4방밸브(120) 사이에 장착되고, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 포함된다.

다음으로, 본 발명에 따른 4방밸브(120)는, 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도하는 제1포트(121), 제2포트(122), 제3포트(123) 및 제4포트(124)를 포함하는 구성이다.

상기 4방밸브의 제1포트(121)는 공조모드에 관계없이 항상 압축기(120)로부터 배출된 냉매가 인입되는 냉매 유입구이다.

4방밸브의 제2포트(122)는 공조모드에 따라 제1포트와 제3포트에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, HVAC 유닛 내부에 배치된 내부열교환기(140)와 연결된다.

4방밸브의 제3포트(123)는 공조모드에 따라 제2포트와 제4포트에 선택적으로 연통되는 냉매 출구로서, 냉매 흐름상 압축기의 전단에 배치되는 중간열교환기와 연결된다.

4방밸브의 제4포트(122)는 공조모드에 따라 제1포트와 제3포트에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, 전장품 냉각회로부의 냉매/전장품냉각수 열교환기와 연결된다.

그리고, 상기 4방밸브의 각 포트들은 제1포트가 제2포트와 연통된 경우에는 제3포트는 제4포트와 연통되고, 제1포트가 제4포트와 연통된 경우에는 제2포트는 제3포트와 연통된다.

이로써 상기 4방밸브의 제1포트가 제4포트와 연통되는 경우에는 압축기로부터 배출된 냉매를 전장품 냉각회로부(160)의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 전달하고, 제4포트가 제3포트와 연통되는 경우에는 전장품 냉각회로부의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 거쳐온 냉매를 냉매 흐름상 압축기의 전단에 배치되는 중간열교환기(180)로 전달한다.

또한, 상기 외부열교환기(130)와 상기 내부열교환기(140) 사이를 중간에 4방밸브(120) 없이 연결하는 냉매라인의 외부열교환기(130) 측에서 냉매가 분기되거나 합류되는 제1분기점(181)과 4방밸브(120)의 제3포트(123)와 압축기(110)를 연결하는 냉매라인의 4방밸브(120) 측에서 냉매가 분기되거나 합류되는 제2분기점(182)을 마련하고, 상기 제1분기점(181)과 제2분기점(182)을 연결하는 별도의 냉매분기라인 상에 배터리 칠러(190)를 장착하여, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매를 제2팽창수단(191)으로 유입시키고, 배터리 칠러(190)로부터 냉매가 배출되는 배관에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(192)가 장착된다.

그리고 상기 제2분기점(182)은 배터리칠러에서 나온 냉매의 과열도와 성능을 더 증가시키기 위하여 중간열교환기(180) 이전에 위치시킨다.

상기 언급한 중간열교환기(180)는, 상기 외부열교환기(130)와 상기 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인의 상기 제1분기점(181)과 내부열교환기(140) 사이에 추가로 장착되는 구성으로서, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 내부열교환기(140)에 전달하거나, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 외부열교환기(130)에 전달할 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 중간열교환기(180)는 IHX(Intermediate Heat Exchanger)로도 약칭되는 구성으로서, 제1팽창수단(170)과 내부열교환기(140)를 통과하기 전의 냉매와 통과한 후의 냉매간의 열교환을 위해 마련되는 구성이다. 실시예에 따라서 상기 중간열교환기(180)는 제1팽창수단(170) 측으로 냉매를 전달하는 외측관로와, 어큐뮬레이터(150)와 압축기(110) 측으로 냉매를 전달하는 내측관로를 포함하도록 형성된 이중관 형태의 열교환수단일 수 있다. 여기서 제1팽창수단(170)측에 연결된 외측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 높은 냉매가 유동하며, 내측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 낮은 냉매가 유동한다.

그리고 엔진 폐열로부터 열을 얻는 히터코어를 포함하는 기존 내연기관 차량용 HVAC 모듈의 히터코어 위치에는 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어(103)를 장착하되, 상기 히터코어(103)는 상기 차량 실내로 공급되는 공기 유동로 내부에 장착되어 공조모드가 난방 모드, 제습 모드 또는 제상 모드일 경우 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가하도록 제어되고, 상기 전장품 냉각회로부(160)는 히트 펌프 시스템의 공조모드가 난방모드 또는 냉방모드일 경우 작동하도록 제어되며, 상기 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는 냉방모드에서는 전장품 냉각수를 이용하여 수냉식 응축기로 작동되고, 난방모드에서는 전장품에서 발생된 열을 흡수하는 증발기로 작동된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 엔진 냉각수가 공급되는 히터코어를 포함하는 기존 내연기관 차량용 HVAC 모듈에서, 상기 히터코어의 위치에 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어(103)를 바로 설치할 수 있어, 내연기관 차량용 HVAC 모듈과 전기자동차용 HVAC모듈을 공용할 수 있으며, 더 나아가 히터코어도 공용할 수 있다.

이하에서는 자동차용 히트펌프 시스템의 각 공조모드에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 냉방모드 시, 난방모드 시, 제습모드 시, 제상모드 시 각각의 냉매 흐름을 나타내는 냉매 순환 흐름도가 도시되어 있다.

우선 도 3에 도시된 냉방모드의 경우에 대해 설명하기로 한다.

냉방모드일 경우 , 냉매의 흐름을 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어한다.

냉방모드에서 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 외부열교환기(130)로 인입되고, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 인입되도록 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통되고, 제2포트(122)는 제3포트(123)와 연통된다.

본 발명에 따른 내부열교환기(140)는, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 구성이다. 이를 위해 본 발명에 따른 내부열교환기(140)는, 공조모드에 따라 그 기능을 달리하는 내부열교환기의 제1포트(141)와 제2포트(142)를 구비하고 있다. 구체적으로, 내부열교환기의 제1포트(141)는, 공조모드에 따라 HVAC 유닛 내부로 유입된 공기로부터 열을 흡수한 냉매를 배출하거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공하기 위한 냉매가 유입되는 구성이다. 또한, 제2포트(142)는, 공조모드에 따라 HVAC 유닛 내부로 유입된 공기로부터 열을 흡수하는 냉매가 유입되거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공한 냉매를 배출하는 구성이다.

앞서도 기재한 바와 같이 공조모드가 냉방모드일 경우에는 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능하게 되는데, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매를 제1팽창수단(170)을 통해 팽창시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 제1팽창수단(170)를 통과한 냉매가 내부열교환기(140)의 제2포트(142)로 인입된다.

또한, 어큐뮬레이터(150)는, 중간열교환기(180)와 압축기(110) 사이에 장착되는 구성으로서, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 흡수한 후 압축기(110)로 전달한다.

아울러, 전장품 냉각회로부(160)는 공조모드가 냉방모드인 경우 작동될 수 있으며, 이 경우 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는 전장품 냉각수를 이용하여 수냉식 응축기로 작동됨으로써, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161) 내부의 냉매를 더욱 냉각시킬 수 있어, 냉방 성능을 향상시킬 수 있다.

도 3에 나타낸 냉방모드는 배터리 냉각이 필요하지 않은 외기온 조건에서의 운전모드로서, 제2팽창수단은 폐쇄(Clsoe)시켜 외부열교환기(130)와 중간열교환기(180)를 연결하는 냉매라인을 분기시킨 냉매 유로가 개방되지 않도록 하여, 배터리 칠러(190)로 냉매가 유동되지 않도록 한다. 냉방모드와 배터리 쿨링이 동시에 행해지는 경우에 대한 설명은 도 8을 통해 별도로 설명하도록 한다.

아울러, 도 3에 나타낸 냉방모드는 앞서도 설명한 바와 같이 배터리 냉각이 필요하지 않은 외기온 조건인 경우로서, 전장품 냉각수 온도가 설정온도(70~80도) 이하인 경우의 실시예를 나타낸 것으로서, 전장품 냉각수 온도가 설정온도 보다 낮아, 냉매로부터 열을 받더라도 전장품의 냉각에는 영향이 없어, 전장품 냉각수를 전장품 냉각수 순환펌프(165), 전장품 냉각수단(164), 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 거쳐 냉매/전장품 냉각수 열교환기(161)로 유동시키는 상황을 보여준다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 전장품 냉각회로부(160)를 이용하여 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터(163)만으로 방출시킬 수 있다.

이때, 전장품 냉각회로부(160)는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161), 전장품 라디에이터(163), 전장품 냉각수 유로(162), 전장품냉각수 바이패스 유로(167) 및 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 포함하는 구성이다.

구체적으로, 전장품 라디에이터(163)는 외부열교환기(130)와 인접하여 장착되는 구성으로서, 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉각수의 열을 방출시킨다. 이때, 도면에 도시된 바와 같이 별도의 냉각팬(168)을 설치하여 방열을 촉진시키는 것이 바람직하다. 또한, 전장품 냉각수 유로(162)는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)와 전장품 라디에이터(163)를 하나의 냉각수 유동로를 형성하고 있으며, 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단(164) 및 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 전장품 냉각수 순환펌프(165)가 장착되어 있다.

또한, 전장품냉각수 바이패스 유로(167)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 통과하지 않고 바로 전장품 라디에이터(163)를 향하도록 상기 전장품 냉각수 유로(162) 상에 형성된다. 이때, 전장품 냉각수 유로(162)와 전장품냉각수 바이패스 유로(167)가 서로 연통되는 연결부에 장착된 전장품 냉각용 3방밸브(166)는 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수를 공조모드에 따라 전장품냉각수 바이패스 유로(167) 또는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 선택적으로 유동한다.

도 4에 도시된 경우는 공조모드가 냉방모드이면서, 전장품 냉각수가 설정온도(70~80도) 이상인 경우, 전장품 냉각수를 수냉식 응축기로 동작하는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 보내게 되면, 냉매로부터 추가로 열을 전달받게 되어, 전장품의 냉각은 더이상 기대할 수 없는 상황이 되므로, 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 작동시켜 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수를 전장품냉각수 바이패스 유로(167)를 통해 바로 전장품 라디에이터(163)로 유동시키는 것을 나타낸다.

즉, 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수의 온도값이 설정온도값 이상일 경우, 전장품 냉각용 3방밸브(166)는 전장품 냉각수의 유동을 전장품냉각수 바이패스 유로(167)를 향하도록 하여, 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 통과하지 않고 바로 전장품 라디에이터(163)를 향하도록 하는 것이다. 바람직하게는 상기 전장품 냉각수의 설정온도값은 70~80도로 설정될 수 있다.

한편, 상기 언급한 전장품 냉각수 유로(162)와 전장품냉각수 바이패스 유로(167)를 지나는 냉각수는 냉동 사이클에서 운용되는 냉매와는 달리 부동액이 첨가된 냉각수인 것이 바람직하다.

다음으로 도 5를 참조하여, 본 발명의 난방모드에 대해 설명하기로 한다.

난방모드일 경우 , 냉매의 흐름을 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 내부열교환기(140, 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 증발기로 기능) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어한다.

4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 내부열교환기(140)로 유입되고, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 유입되도록, 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제2포트(122)와 연통되고, 제3포트(122)는 제4포트(123)와 연통시킨다.

앞서도 기재한 바와 같이 공조모드가 난방모드일 경우에는, 내부열교환기(140)는 응축기로 기능하게 되는데, 압축기(110)로부터 배출된 냉매를 응축시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 압축기(110)로부터 배출된 냉매가 내부열교환기(140)의 제1포트(141)로 유입된다.

또한, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가할 수 있도록 냉각수 전기히터(104)를 작동시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있다. 도면에 나타낸 바와 같이 HVAC 유닛 내에 히터 코어를 배치하고, 히터 코어를 순환하는 냉각수 라인을 구성하되, 냉각수 라인 상에 냉각수 전기히터(104), 펌프(105)와 냉각수 리저버 탱크(106)를 배치한다.

그리고 어큐뮬레이터(150)는, 전장품 냉각회로부(160)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 흡수한 후 압축기(110)로 전달할 수 있다. 아울러, 전장품 냉각회로부(160)에서는 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매가 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 열교환을 통해 흡수하고, 열을 흡수한 냉매는 4방밸브(120)를 통해 어큐뮬레이터(150)로 전달될 수 있다.

상기와 같이 난방모드가 작동되는 경우는 실외 온도가 낮은 동절기로서, 일반적인 경우에는 배터리를 냉각시킬 필요가 없으므로, 제2팽창수단(191)을 폐쇄(Close)시켜 배터리칠러(190)측으로 냉매가 유동되지 않도록 한다. 또한 배터리 자체나 주위의 이상으로 인해 배터리 냉각이 필요한 경우에는 후술하게 될 배터리 쿨링 동작만을 수행하는 배터리 쿨링 모드로 전환하여 배터리 냉각을 수행하고, 난방은 냉각수 전기 히터에 의해 수행한다.

난방모드에서 전장품 냉각회로부(160)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 외부열교환기(130)와 4방밸브(120) 사이에 장착되는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161), 외부열교환기(130)와 인접하여 장착되는 전장품 라디에이터(163) 및 전장품 냉각수 유로(162)를 포함하는 구성이다.

냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 전장품 냉각수를 서로 열교환시킬 수 있다. 전장품 냉각수 유로(162)는, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)와 전장품 라디에이터(163)를 하나의 냉매 라인으로 형성하고, 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단(164) 및 냉매의 일방향 유동을 발생시키는 전장품냉각수 순환펌프(165)가 장착된 구성이다.

이때, 전장품 냉각용 3방밸브(166)는 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 향하도록 하고, 이와 동시에 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 전장품냉각수 바이패스 유로(167)로 유동하지 못하도록 한다.

경우에 따라서, 전장품 냉각용 3방밸브(166)는 전장품 냉각수의 유동을 전장품냉각수 바이패스 유로(167)를 향하도록 하여, 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 통과하지 않고 바로 전장품 라디에이터(163)를 향하도록 할 수도 있는데, 이는 실외에 장시간 주차된 차량에서의 냉간 시동시와 같이 전장품 냉각수 온도가 매우 낮은 경우에는 전장품에서 발생된 열이 없어 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 증발기로서 기능할 것을 기대할 수가 없기 때문이다.

그러나, 차량이 운행 중인 경우에는 전장품에서 열이 발생되고, 전장품 냉각회로부(160)에 냉매 유입시, 전장품 냉각회로부(160)의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 증발기로서 기능하게 되어, 냉매는 전장품에서 발생한 열을 흡수하여 상대적으로 보다 고온 상태에 도달하여 어큐뮬레이터(150) 및 압축기 측으로 유입되고, 이로서 내부열교환기(140)에서의 발열량이 증가되어 난방 성능을 더욱 향상시키게 된다.

다음으로는 도 6을 참조하여, 본 발명의 제습모드에 대해 설명하기로 한다.

제습모드일 경우 , 냉매의 흐름을 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어한다.

여기서, 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 전장품 냉각회로부(160)를 거쳐 외부열교환기(130)로 유입되고, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매가 중간열교환기(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입되도록, 냉방모드의 경우와 마찬가지로 4방밸브의 포트들을 연통시킨다.

또한, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가하도록 냉각수 전기히터(104)를 작동시킨다.

본 실시예에서와 같이 공조모드가 제습모드일 경우에는, 내부열교환기(140)는 증발기로 기능하게 되고, 증발기로 기능하는 내부열교환기(140) 표면에서는 HVAC 유닛 내로 유입된 공기가 응축되어 공기 중의 습기가 제거된다.

이때, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매를 제1팽창수단(170)을 통해 팽창시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 제1팽창수단(170)를 통과한 냉매가 내부열교환기(140)의 제2포트(142)로 유입되도록 제어하게 된다.

상기 언급한 냉각수 전기히터(104)는, HVAC 유닛 내부의 차량 실내로 공급되는 공기 유동 경로상에 장착된 히터코어(103)로 가열된 냉각수를 공급하는 구성으로서, 차량 실내로 공급되는 공기에 필요시 열을 가할 수 있어, 냉방 기능은 원하지 않고 제습 기능만을 원하는 운전자에게 적정 온도의 공기를 제공할 수 있다.

아울러, 제습모드가 작동되는 경우는 실외 온도가 높은 하절기일 수도 있어, 배터리의 온도가 높아져 배터리 효율이 저하될 수 있으므로, 외부열교환기(130)와 중간열교환기(180) 사이를 연결하는 냉매라인을 분기시켜 냉매를 제2팽창수단(191)으로 통과시켜 냉매가 팽창되도록 하고, 팽창된 냉매가 배터리 칠러(190)를 지나면서 배터리 칠러(190)가 증발기로서 기능하게 하여, 배터리를 냉각시킨다.

제습모드가 작동되나 배터리의 냉각이 필요하지 않은 경우에는 제2팽창수단을 폐쇄(Close)하여 배터리 칠러로 냉매가 지나지 않도록 한다.

본 발명의 제상모드에 대해서는 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

제상모드일 경우는 냉매의 흐름을 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어한다.

제상모드일 경우 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매를 외부열교환기(130)로 인입시키고, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 압축기(110)로 인입시키도록 냉방모드의 경우와 마찬가지로 포트를 연통시킨다.

이때, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가하도록 냉각수 전기히터(104)를 작동시킨다.

본 실시예에서와 같이 공조모드가 제상모드일 경우에는, 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능하고, 외부열교환기(130)는 응축기로서 기능한다. 즉, HVAC 유닛 내의 증발기에서 실내 공기의 열을 흡수하여, 외부열교환기(130)에서 방열되도록 함으로써 동절기에 난방모드로 계속 운전됨으로 인하여 외부열교환기(130) 표면에 형성되는 성애를 제거할 수 있는 것이다.

제상모드에서 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매는 제1팽창수단(170)을 통해 팽창되어 온도가 낮아지고, HVAC 유닛 내부로 유입된 공기로부터 열을 흡수하여 공기 온도를 낮출 수 있도록, 제1팽창수단(170)를 통과한 냉매가 내부열교환기(140)의 제2포트(142)로 인입되도록 제어하게 된다.

상기 언급한 냉각수 전기히터(104)는, HVAC 유닛 내에 장착된 히터코어(103)로 가열된 냉각수를 공급하기 위한 구성으로서, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가하여, 통상 동절기에 작동되는 제상모드 운전시 내부열교환기를 거치며 온도가 낮아진 공기를 승온시켜 공기를 취출할 수 있다.

제상모드가 작동되는 경우는 실외 온도가 낮은 동절기로서, 일반적인 경우에는 배터리를 냉각시킬 필요가 없으므로, 제2팽창수단(191)은 폐쇄(Close)시켜 냉매가 유동되지 않도록 한다.

또한 외부열교환기(130)의 착상 감지시 제상모드로 작동하는 경우에는 상기 외부열교환기(130)로 공급되는 냉매의 온도를 상승시키기 위해 냉각팬(168)과 전장품 냉각수 순환펌프(165)를 작동 중지하고, 내외기 모드를 내기 모드 또는 부분 외기(약 10~20% 외기) 상태로 실시하고, 난방 기능을 위해 상기 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 HVAC 모듈내로 순환시킬 수 있다.

다음으로 도 8을 참조하여, 본 발명의 냉방모드와 배터리 쿨링 모드를 동시에 실시하는 경우에 대해 설명하기로 한다.

냉방모드와 배터리 쿨링 모드를 동시에 수행할 경우 , 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어하고, 외부열교환기(130)와 중간열교환기(180) 사이를 연결하는 냉매라인을 분기시켜 분기된 냉매의 일부가 제2팽창수단(191)을 거쳐 배터리 칠러(190)로 유입되어 배터리를 냉각시키도록 한다.

공조모드가 냉방모드일 경우에는, 내부열교환기(140)는 증발기로 기능하게 된다. 이때, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매를 제1팽창수단(170)을 통해 팽창시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 제1팽창수단(170)를 통과한 냉매가 실내열교환기(140)의 제2포트(142)로 인입된다. 또한, 어큐뮬레이터(150)는, 중간열교환기(180)와 압축기(110) 사이에 장착되는 구성으로서, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 전달받은 후 다시 압축기(110)로 전달한다.

또한 공조모드가 냉방모드와 배터리 쿨링모드를 동시에 수행할 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 외부열교환기(130)와 중간열교환기(140) 사이에 배치된 배터리 칠러(190)를 이용하여, 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매를 팽창시켜 저온이 되도록 하여 배터리의 열을 낮출 수 있도록 구성할 수 있다.

이때, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 배터리 칠러(190)로 인입되는 배관에는 냉매를 팽창시켜 배터리 칠러(190)가 증발기 역할을 수행할 수 있도록 제2팽창수단(191)이 장착된다. 또한, 배터리 칠러(190)로부터 냉매가 배출되는 배관에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(192)가 장착될 수 있다.

이상과 같이 냉방모드가 작동되는 경우는 실외 온도가 높은 하절기로서, 배터리의 온도가 높아져 배터리 효율이 저하되므로, 제2팽창수단(191)을 일부 개방하여 냉매를 유동시키되 냉매가 팽창되도록 하고, 팽창된 냉매가 증발로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 배터리 냉난방 냉각수회로의 냉각수를 냉각시키고, 이 냉각수가 배터리팩의 쿨링플레이트로 순환되어 배터리팩이 과열되는 것을 방지하며, 상기 제2팽창수단(191)은 전기개폐팽창밸브 또는 전자팽창밸브를 사용할 수 있는데 이 밸브는 배터리 또는 배터리팩의 온도가 배터리 제2설정온도보다 높아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 동시에 수행되도록 전자팽창밸브(191)를 개방시켜 팽창된 냉매가 증발기로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 냉매가 배터리 냉각 회로부의 냉각수를 냉각시키고, 이를 배터리팩의 쿨링플레이트로 순환시켜 배터리팩이 과열되는 것을 방지하고, 냉방모드로 운용되는 상태에서 배터리의 온도가 배터리 제1설정온도보다 낮아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 작동되지 않도록 전자팽창밸브(191)를 폐쇄시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 배터리 쿨링 모드 전환의 기준이 되는 상기 제1설정온도는 30~35도, 상기 제2설정온도는 35~37도인 것이 바람직하다.

이로써 외부열교환기(130)를 지나며 응축된 냉매는 제1팽창수단(170)과 제2팽창수단(191)을 거쳐 팽창하여 저온의 냉매로 내부열교환기(140)와 배터리칠러(190)로 유입됨으로써, HVAC 유닛에 유입된 공기를 냉각시키고, 배터리를 냉각시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 경우는 냉매가 중간열교환기(181)로 진입하기 이전인 제1분기점(181)에서 분기되고, 배터리 칠러를 지난 냉매가 내부열교환기를 거쳐 4방밸브를 지나온 위치인 제2분기점(182)에서 합류되게 되므로, 중간열교환기(181)에서는 상대적으로 더 적은 냉매가 유입되어 열교환이 이루어짐으로 인해 내부열교환기(140)로 유입되는 냉매는 더 낮은 온도, 즉 보다 액화가 잘 이루어진 상태로 팽창부재로 유입되게 된다. 그리고 이와 같은 차이로 인해 통상 실내에 위치하는 HVAC 모듈에 인접하여 엔진룸과 패신저룸을 경계짓는 프론트패널 직전에 설치되는 팽창부재에서의 소음 발생 원인을 감소시키는 작용 효과를 기대할 수 있다.

마지막으로 도 9를 참조하여, 본 발명의 자동차용 히트 펌프 시스템으로 배터리 쿨링 동작만 수행하는 경우를 설명하기로 한다.

배터리 쿨링 동작만 수행하는 경우 , 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 제2팽창수단(191) - 배터리 칠러(190, 증발기로 기능) - 체크밸브(192) - 중간열교환기(180) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어한다.

이 경우, 전자팽창밸브와 같은 제1팽창수단(170)를 폐쇄(full close)시켜 중간열교환기(180)로부터 내부열교환기(140) 측으로 냉매가 유동하는 것을 차단하게 된다.

이와 동시에, 외부열교환기(130)와 중간열교환기(180) 사이를 연결하는 냉매 라인을 분기시켜 설치한 제2팽창수단(191, EEV)은 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 팽창되어 배터리 칠러(190)로 인입되도록 개방(Open, 설정된 팽창율로 유로가 개방됨을 의미)된다.

보다 구체적으로 앞서 냉방모드와 배터리 쿨링 모드가 동시에 수행되는 경우에서와 마찬가지로 팽창된 냉매가 증발로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 배터리 냉난방 냉각수회로의 냉각수를 냉각시키고, 이 냉각수가 배터리팩의 쿨링플레이트로 순환되어 배터리팩이 과열되는 것을 방지하며, 상기 제2팽창수단(191)은 전기개폐팽창밸브 또는 전자팽창밸브를 사용할 수 있는데 이 밸브는 배터리 또는 배터리팩의 온도가 배터리 제2설정온도보다 높아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 동시에 수행되도록 전자팽창밸브(191)를 개방시켜 팽창된 냉매가 증발기로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 냉매가 배터리 냉각 회로부의 냉각수를 냉각시키고, 이를 배터리팩의 쿨링플레이트로 순환시켜 배터리팩이 과열되는 것을 방지하고, 냉방모드로 운용되는 상태에서 배터리의 온도가 배터리 제1설정온도보다 낮아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 작동되지 않도록 전자팽창밸브(191)를 폐쇄시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 배터리 쿨링 모드 전환의 기준이 되는 상기 제1설정온도는 30~35도, 상기 제2설정온도는 35~37도인 것이 바람직하다.

본 발명의 히트펌프 시스템은 이와 같은 구성을 통해, HVAC 모듈 내부의 내부열교환기(140)로는 냉매가 유동하지 않도록 하고, 히트펌프 사이클을 배터리 칠러 측으로만 순환시킬 수 있어, 공조장치는 작동시키지 않고 배터리만을 냉각시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 특정 역할을 수행하는 4방밸브, 압축기, 외부열교환기 및 내부열교환기를 구비함으로써, 공조모드를 손쉽게 변경할 수 있고, 각각의 공조모드에 필요한 배관과 장치를 간소하게 구성할 수 있고, 난방 효율 및 배터리 운전 성능을 향상시킬 수 있고, HVAC 유닛 내부에 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어(103)와 내부열교환기(140)만을 배치해도 상기에서 설명된 모든 공조모드를 구현할 수 있어, 내연기관 자동차용으로 개발된 2개의 열교환기를 갖는 HVAC 모듈을 별다른 설계 변경없이도 바로 전기자동차용 HVAC 모듈로 활용할 수 있는 효과를 갖는다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만, 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100: 히트 펌프 시스템
101: HVAC 모듈
102: 블로워 팬(Blower fan)
103: 히터코어
104: 냉각수 전기히터
105: 펌프
106: 냉각수 리저버 탱크
110: 압축기
120: 4방밸브
121: 4방밸브의 제1포트
122: 4방밸브의 제2포트
123: 4방밸브의 제3포트
124: 4방밸브의 제4포트
130: 외부열교환기
140: 내부열교환기
141: 내부열교환기의 제1포트
142: 내부열교환기의 제2포트
150: 어큐뮬레이터
160: 전장품 냉각회로부
161: 냉매/전장품냉각수 열교환기
162: 전장품 냉각수 유로
163: 전장품 라디에이터
164: 전장품 냉각수단
165: 전장품 냉각수 순환펌프
166: 전장품 냉각용 3방 밸브
167: 전장품냉각수 바이패스 유로
168: 냉각팬
170: 제1팽창수단
180: 중간열교환기
190: 배터리 칠러
191: 제2팽창수단
192: 체크밸브

Claims

냉매를 압축하여 토출하는 압축기(110);
압축기(110)로부터 배출되는 냉매를 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로 전달하거나 내부열교환기(140)로 전달하는 4방밸브(120);
상기 압축기(110) 또는 상기 내부열교환기(140)로부터 전달되는 냉매를 차량 외부의 공기와 열교환시키는 상기 외부열교환기(130);
외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 HVAC 내부로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기(140);
상기 외부열교환기(130)와 인접하여 장착되고, 공조모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 전장품 냉각회로부(160);
상기 외부열교환기(130)와 4방밸브(120) 사이에 장착되고, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161);
상기 내부열교환기(140)로 인입되거나 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되고, 공조모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단(170);
상기 4방밸브(120)는, 공조모드에 관계없이 항상 압축기(120)로부터 배출된 냉매가 인입되는 냉매 유입구로 기능하는 상기 4방밸브의 제1포트(121);
공조모드에 따라 제1포트와 제3포트에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, HVAC 유닛 내부에 배치된 내부열교환기(140)와 연결된 상기 4방밸브의 제2포트(122);
공조모드에 따라 제2포트와 제4포트에 선택적으로 연통되는 냉매 출구로서, 냉매 흐름상 압축기 측으로 연결된 상기 4방밸브의 제3포트(123);
공조모드에 따라 제1포트(121)와 제3포트(123)에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, 전장품 냉각회로부(160)와 연결된 4방밸브의 제4포트(124)로 구성되고,
상기 외부열교환기(130)와 상기 내부열교환기(140) 사이를 중간에 4방밸브(120) 없이 연결하는 냉매라인의 외부열교환기(130) 측에서 냉매가 분기되거나 합류되는 제1분기점(181)과 4방밸브(120)의 제3포트(123)와 압축기(110)를 연결하는 냉매라인의 4방밸브(120) 측에서 냉매가 분기되거나 합류되는 제2분기점(182)을 마련하고, 상기 제1분기점(181)과 제2분기점(182)을 연결하는 별도의 냉매분기라인 상에 배터리 칠러(190)를 장착하되, 상기 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 배터리 칠러(190)로 인입되는 배관에는 제2팽창수단(191)이 장착되어, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매를 제2팽창수단(191)으로 유입시켜 배터리를 냉각시키고, 배터리 칠러(190)로부터 냉매가 배출되는 배관에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(192)가 장착되며,
상기 외부열교환기(130)와 상기 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인의 상기 제1분기점(181)과 내부열교환기(140) 사이에 추가로 중간열교환기(180)를 배치하되, 상기 중간열교환기(180)는 상기 제1팽창수단(170)과 내부열교환기(140)를 통과하기 전의 냉매와 통과한 후의 냉매 간의 열교환을 위해 마련되고, 상기 제2분기점은 배터리칠러에서 나온 냉매의 과열도와 성능을 더 증가시키기 위하여 중간열교환기(180) 이전에 위치하는 한편,
히터코어를 포함하는 기존 내연기관용 HVAC 모듈의 엔진 폐열로부터 열을 얻는 히터코어 위치에 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 공급받는 히터코어(103)를 장착하되, 상기 히터코어(103)는 상기 차량 실내로 공급되는 공기 유동로 내부에 장착되어 공조모드가 난방 모드, 제습 모드 또는 제상 모드일 경우 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 가하도록 제어되고,
상기 전장품 냉각회로부(160)는 히트 펌프 시스템의 공조모드가 난방모드 또는 냉방모드일 경우 작동하도록 제어되며, 상기 전장품 냉각회로부(160)의 상기 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는 냉방모드에서는 전장품 냉각수를 이용하여 수냉식 응축기로 작동되고, 난방모드에서는 전장품에서 발생된 열을 흡수하는 증발기로 작동되되, 전장품 냉각수 온도가 설정온도인 70~80도 이하인 경우에는 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 작동시켜 전장품 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 유동하도록 하고, 전장품 냉각수 온도가 설정온도인 70~80도 이상인 경우에는 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 작동시켜 전장품 냉각수가 전장품 냉각수 바이패스 유로(167)로 향하도록 하여 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 유동하지 않도록 하며,
냉방모드로 운용되는 상태에서 배터리의 온도가 배터리 제2설정온도보다 높아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 동시에 수행되도록 전자팽창밸브(191)를 개방시켜 팽창된 냉매가 증발기로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 냉매가 배터리 냉각 회로부의 냉각수를 냉각시키고, 이를 배터리팩의 쿨링플레이트로 순환시켜 배터리팩이 과열되는 것을 방지하고,
냉방모드로 운용되는 상태에서 배터리의 온도가 배터리 제1설정온도보다 낮아지는 경우에는 배터리 쿨링 모드가 작동되지 않도록 전자팽창밸브(191)를 폐쇄시키며,
상기 외부열교환기(130)의 착상 감지시 제상모드로 작동하는 경우에는 상기 외부열교환기(130)로 공급되는 냉매의 온도를 상승시키기 위해 냉각팬(168)과 전장품 냉각수 순환펌프(165)를 작동 중지하고, 내외기 모드를 내기 모드 또는 10~20% 외기의 부분 외기 상태로 실시하고, 난방 기능을 위해 상기 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수를 HVAC 모듈내로 순환시키는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 내부열교환기(140)는,
공조모드에 따라 차량 실내로 공급되는 공기로부터 열을 흡수한 냉매를 배출하거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공할 냉매가 인입되는 상기 내부열교환기(140)의 제1포트(141); 및
공조모드에 따라 차량 실내로 공급되는 공기로부터 열을 흡수할 냉매가 인입되거나, 차량 실내로 공급되는 공기에 열을 제공한 냉매가 배출되는 상기 내부열교환기(140)의 제2포트(142);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
공조모드에 따라 상기 내부열교환기(140)가 증발기로 기능하는 경우, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매를 제1팽창수단(170)을 통해 팽창시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 제1팽창수단(170)를 통과한 냉매가 상기 내부열교환기(140)의 제2포트(142)로 인입되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
공조모드에 따라 상기 내부열교환기(140)가 응축기로 기능하는 경우, 압축기(110)로부터 배출된 냉매를 응축시켜 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키도록, 압축기(110)로부터 배출된 냉매가 상기 내부열교환기(140)의 제1포트(141)로 인입되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전장품 냉각회로부(160)는,
외부열교환기(130)와 인접하여 장착되고, 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉매를 외부열교환기(130)와 열교환시키는 전장품 라디에이터(163);
상기 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)와 전장품 라디에이터(163)를 하나의 냉매 유동로를 형성하고, 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단(164) 및 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 전장품 냉각수 순환펌프(165)가 장착된 전장품 냉각수 유로(162);
상기 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수가 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 통과하지 않고 바로 전장품 라디에이터(163)를 향하도록 상기 전장품 냉각수 유로(162) 상에 형성된 전장품냉각수 바이패스 유로(167);
상기 전장품 냉각수 유로(162)와 전장품냉각수 바이패스 유로(167)가 서로 연통되는 연결부에 장착되고, 전장품 냉각수단(164)을 통과한 냉각수를 공조모드에 따라 전장품냉각수 바이패스 유로(167) 또는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 선택적으로 유동하도록 하는 전장품 냉각용 3방밸브(166);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
배터리 냉각이 필요하지 않은 외기온 조건에서의 냉방모드인 경우로서, 전장품 냉각수 온도가 설정온도인 70~80도 이하인 경우에는, 전장품 냉각수를 전장품 냉각수 순환펌프(165), 전장품 냉각수단(164), 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 거쳐 냉매/전장품 냉각수 열교환기(161)로 유동시키고,
전장품 냉각수 온도가 설정온도인 70~80도 이상인 경우에는, 전장품 냉각용 3방밸브(166)를 작동시켜 전장품 냉각수단(164)을 통과한 전장품 냉각수를 전장품냉각수 바이패스 유로(167)를 통해 바로 전장품 라디에이터(163)로 유동시키는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 쿨링 모드 전환의 기준이 되는 상기 제1설정온도는 30~35도, 상기 제2설정온도는 35~37도인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 중간열교환기(180)와 압축기(110) 사이에 장착되고, 중간열교환기(180)를 통과한 냉매를 압축기(110)로 전달하는 어큐뮬레이터(150,Accumulator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.