KR102456828B1 - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모드에 따라 변경되는 냉각수순환라인을 이용한 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. 차량용 히트 펌프 시스템은 압축기에서 배출된 냉매가 공조케이스의 외부에 설치된 실외 열교환기, 팽창수단, 공조케이스의 내부에 설치된 실내 열교환기, 압축기를 순환하도록 구성된 제 1 냉매순환라인과, 압축기에서 배출된 냉매가 증발기, 팽창수단, 폐열 열교환기, 압축기를 순환하도록 구성된 제 2 냉매순환라인과, 냉각수가 폐열 열교환기와 차량의 배기열을 이용하도록 설치된 배기열 회수장치를 순환하도록 구성된 제 1 냉각수순환라인과, 냉각수가 엔진과 공조케이스 내에 설치된 히터 코어를 순환하도록 구성된 제 2 냉각수순환라인을 포함한다. 본 발명은, 각 모드에 따라 냉각수순환라인을 독립적으로 운행하거나 병합하여 운행하여 효율적으로 난방을 수행하는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공할 수 있다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모드에 따라 변경되는 냉각수순환라인을 이용한 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성된다. 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 엔진(내연기관)과 전기모터로 구동되는 하이브리드 차량에서는 실내 난방을 위해 엔진 폐열(냉각수)을 이용하여 난방열원으로 사용하고 있다.
즉, 엔진 구동시에는 엔진 폐열이 충분하여 난방시 기존 차량과 동일하게 공조장치를 사용할 수 있고, 전기모터로 구동되는 조건에서는 엔진이 꺼진 상태이더라도 엔진 냉각수에 남아있는 잔열을 이용하여 난방 열원으로 사용하게 된다.
그러나, 전기모터로 구동되는 조건의 경우, 외기온도가 낮은 조건(약 0 이하)에서는 엔진 냉각수의 잔열이 부족하여 엔진 냉각수가 일정온도 이하가 되면 전기모터로 구동할 수 있음에도 불구하고 난방 열원을 확보하기 위해 엔진이 강제로 작동하도록 되어 있어 하이브리드 차량의 연비가 저하되는 문제가 있다.
이러한 하이브리드 차량의 저온에서의 연비 개선을 위해 히트펌프 시스템을 적용한 공조장치가 개발되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 1은 냉방모드인 제 1 냉매순환라인(R1)을 실선으로 도시하였고, 도 2는 난방모드인 제 2 냉매순환라인(R2)을 실선으로 도시하였다. 제 1 냉매순환라인(R1)과 제 2 냉매순환라인(R2)은 일부 구간을 서로 공용으로 사용하도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 냉매순환라인(R1)은 압축기(1), 실외 열교환기(2), 팽창수단(3), 실내 열교환기(4)로 구성되어 있고, 실외 열교환기(2)는 응축기, 실내 열교환기(4)는 증발기의 역할을 한다. 공조케이스(5) 내에 설치된 실내 열교환기(4)가 공조케이스(5) 내의 공기와 열교환하며 차량 내부를 냉방할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 냉매순환라인(R2)은 압축기(1), 실내 열교환기(4), 팽창수단(3), 폐열 열교환기(6)로 구성되어 있고, 냉각수순환라인(W)은 폐열 열교환기(6), 엔진(7), 워터 펌프(8), 히터 코어(9)로 구성된다.
폐열 열교환기(6)는 제 2 냉매순환라인(R2) 및 냉각수순환라인(W) 상에 마련되어 냉각수와 냉매를 열교환시킨다. 즉, 냉매와 엔진 폐열을 열교환시켜 냉매를 증발시키는 증발기의 역할을 한다.
엔진(7)이 켜진 상태일 경우에는 엔진(7)에 의해 가열된 냉각수를 히터 코어 (9)측으로 순환시켜 공조케이스(5) 내를 유동하는 공기가 히터 코어(9)를 통과하는 과정에서 가열되어 난방을 수행한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(7)이 꺼진 상태일 경우에는 냉매가 순환하며 엔진(7)의 잔열을 이용하여 난방에 수행한다. 이때, 냉각수는 순환하거나 순환하지 않을 수도 있다.
즉, 이러한 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 엔진(7)이 작동하는 동안에는 엔진 폐열을 이용한 난방이 가능하므로 엔진(7)이 꺼져있는 동안에만 작동하도록 설계되었다.
이때, 외기온도가 낮은 조건에서는 엔진(7)의 잔열을 이용하는 난방이 불가능하기 때문에, 난방을 위해 엔진(7)이 항상 작동해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 초기 시동시 엔진(7)의 폐열이 폐열 열교환기에서 흡수되어 오랜 시간동안 차량의 내부로 난방이 되지 않는 문제점이 있었다.
또한, 이를 해결하기 위해 전기히터를 설치하는 경우, 초기 시동시 난방 문제를 보완할 수 있으나, 전기히터를 설치하기 위해 공조케이스(5)의 부피가 증대되고 일정 용량 이상의 전기히터를 적용해야 하는 문제점이 있었다.
10-2014-0126846 (2014.11.03.공개)
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 각 모드에 따라 냉각수순환라인을 변경하여 효율적으로 차량 내부를 난방하고, 배기열 회수장치를 이용하여 난방효율을 높인 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 사상이 따른 차량용 히트 펌프 시스템은 압축기에서 배출된 냉매가 공조케이스의 외부에 설치된 실외 열교환기, 팽창수단, 상기 공조케이스의 내부에 설치된 실내 열교환기, 압축기를 순환하도록 구성된 제 1 냉매순환라인과, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 상기 증발기, 상기 팽창수단, 폐열 열교환기, 상기 압축기를 순환하도록 구성된 제 2 냉매순환라인과, 냉각수가 상기 폐열 열교환기와 차량의 배기열을 이용하도록 설치된 배기열 회수장치를 순환하도록 구성된 제 1 냉각수순환라인과, 냉각수가 엔진과 상기 공조케이스 내에 설치된 히터 코어를 순환하도록 구성된 제 2 냉각수순환라인을 포함한다.
상기 제 1 냉각수순환라인과 상기 제 2 냉각수순환라인을 하나의 제 3 냉각수순환라인으로 병합시키는 냉각수 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제 3 냉각수순환라인은 냉각수가 상기 폐열 열교환기, 상기 배기열 회수장치, 상기 엔진, 상기 히터 코어를 순환하도록 구성될 수 있다.
상기 냉각수 밸브가 상기 배기열 회수장치에서 토출되는 냉각수를 상기 폐열 열교환기로 보내며 상기 히터 코어에서 토출되는 냉각수를 상기 엔진으로 보내도록 설치되는 제 1 냉각수모드와, 상기 냉각수 밸브가 상기 배기열 회수장치에서 토출되는 냉각수를 상기 엔진으로 보내며 상기 히터 코어에서 토출되는 냉각수를 상기 폐열 열교환기로 보내도록 설치되는 제 2 냉각수모드를 포함할 수 있다.
냉매가 상기 제 1 냉매순환라인을 따라 순환하는 냉방모드와, 냉매가 상기 제 2 냉매순환라인을 따라 순환하는 난방모드를 더 포함하고, 상기 난방모드는 상기 제 1 냉각수모드 또는 상기 제 2 냉각수모드와 동시에 구동가능하게 마련될 수 있다.
상기 제 1 냉각수모드시, 냉각수는 상기 제 1 냉각수순환라인과 상기 제 2 냉각수순환라인을 독립적으로 순환하고, 상기 제 2 냉각수모드시, 냉각수는 상기 제 3 냉각수순환라인을 순환할 수 있다.
냉각수 온도가 미리 정해진 온도 미만인 경우 제 1 냉각수모드로 냉각수를 순환시키고, 냉각수의 온도가 미리 정해진 온도 이상인 경우 제 2 냉각수모드로 냉각수를 순환시키도록, 상기 냉각수 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 밸브는 4방향밸브일 수 있다.
본 발명은, 각 모드에 따라 냉각수순환라인을 독립적으로 운행하거나 병합하여 운행하여 효율적으로 난방을 수행하는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 배기열을 이용하여 보다 효율적인 난방효율을 갖는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템의 냉방모드를 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 냉방모드를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드 및 제 1 냉각수모드를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드 및 제 2 냉각수모드를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 압축기(100)와, 실내 열교환기(110)와, 실외 열교환기(130)와, 팽창수단(120)과, 폐열 열교환기(140)와, 제 1 냉매순환라인(R1)과, 제 2 냉매순환라인(R2)을 구비하는 것으로서, 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
제 1 냉매순환라인(R1)은 냉방모드시 냉매가 순환하는 라인이고, 제 2 냉매순환라인(R2)은 난방모드시 냉매가 순환하는 라인이다.
제 1 냉매순환라인(R1)은, 냉방모드시 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실외 열교환기(130), 팽창수단(120), 실내 열교환기(110), 압축기(100)를 순환하도록 구성된다. 제 2 냉매순환라인(R2)은, 난방모드시, 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내 열교환기(110), 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 압축기(100)를 순환하도록 구성된다.
이때, 제 1 냉매순환라인(R1)과 제 2 냉매순환라인(R2)은 일부 구간을 서로 공용으로 사용하도록 구성된다.
즉, 제 1 냉매순환라인(R1)과 제 2 냉매순환라인(R2)의 일부 구간이 일체로 형성되어 공용으로 사용되는데, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1, 2 냉매순환라인(R1,R2)의 공용 구간은 압축기(100)가 연결된 구간과 실내 열교환기(110) 및 팽창수단(120)이 연결된 구간이다.
한편, 실외 열교환기(130)는 제 1 냉매순환라인(R1)상에만 설치되고, 폐열 열교환기(140)는 제 2 냉매순환라인(R2)상에만 설치된다.
따라서, 냉방모드와 난방모드시 제 1 방향전환밸브(181)와 제 2 방향전환밸브(182)의 방향전환에 의해, 냉방모드에는 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제 1 냉매순환라인(R1)을 따라 유동하면서 실외 열교환기(130), 팽창수단(120), 실내 열교환기(110), 압축기(100)를 순차적으로 순환하고, 난방 모드에는 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제 2 냉매순환라인(R2)을 따라 유동하면서 실내 열교환기(110), 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 압축기(100)를 순차적으로 순환한다.
이처럼, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 냉방모드와 난방모드시 공조케이스(150) 내에 설치된 실내 열교환기(110)를 공용으로 사용하도록 한 것이다.
이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소 별로 상세히 설명한다.
먼저, 압축기(100)는 엔진(161, 내연기관) 또는 전기모터(미도시) 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.
이때, 본 발명에서는 엔진(161)이 꺼진 상태에서도 냉난방을 수행할 수 있도록 압축기(100)는 모터로 구동되는 전동 압축기를 사용하는 것이 바람직하다. 전동 압축기를 사용하면 엔진(161)의 작동 유무에 상관없이 구동이 가능하다.
또한, 압축기(100)는 제 1,2 냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간에 설치되어, 냉방모드에는 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매를 흡입, 압축하여 제 1 냉매순환라인(R1)상의 실외 열교환기(130)측으로 공급하고, 난방모드에는 폐열 열교환기(140)에서 배출된 냉매를 흡입, 압축하여 제 2 냉매순환라인(R2)상의 증발기(110)측으로 공급한다.
그리고, 실내 열교환기(110)는 공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150) 내를 유동하는 공기와 냉매를 열교환시킨다.
아울러, 실내 열교환기(110)는 제 1,2 냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간에 설치되어, 냉방모드시 팽창수단(120)에서 배출된 저온 저압의 냉매와 공조케이스(150) 내의 공기를 열교환시켜 공기를 냉각하고, 이후 공기와 열교환 과정에서 증발된 냉매를 압축기(100)측으로 공급한다. 난방모드에는 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매와 공조케이스(150) 내의 공기를 열교환시켜 공기를 가열하고, 이후 공기와 열교환 과정에서 응축된 냉매를 상기 팽창수단(120)측으로 공급한다.
이처럼 실내 열교환기(110)는, 냉방모드에는 증발기 역할을 하여 차량을 냉방하고, 난방모드에는 응축기(난방기) 역할을 하여 차량을 난방한다.
본 발명에 따른 실내 열교환기(110)는 냉방모드에는 저온 저압의 냉매가 유동하고 난방모드에는 고온 고압의 냉매가 유동하게 되기 때문에, 냉매가 양방향으로 모두 유동할 수 있도록 구성된다.
그리고, 실외 열교환기(130)는 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시킨다.
여기서, 실외 열교환기(130)는 엔진룸의 전방 측에 설치됨과 아울러 압축기(100)에서 배출되어 제 1 냉매순환라인(R1)을 유동하는 냉매를 외기와 열교환시킨다.
실외 열교환기(130)는 냉방모드시 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외 열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 외기와 열교환하면서 응축된다. 난방모드에는 실외 열교환기(130)에 냉매가 흐르지 않는다.
그리고, 팽창수단(120)은 실내 열교환기(110)와 실외열교환기(130)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다.
팽창수단(120)은 제 1,2 냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간에 설치된다. 이때, 팽창수단(120)은 냉매를 팽창시킬 수 있도록 오리피스로 이루어진 것이 바람직하지만, 팽창밸브로 이루어질 수도 있다.
따라서, 냉방모드에는 압축기(100)에서 배출되어 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매가 팽창수단(120)을 통과하면서 팽창되어 실내 열교환기(110)로 공급되고, 난방모드에는 압축기(100)에서 배출되어 실내 열교환기(110)를 통과한 냉매가 팽창수단(120)을 통과하면서 팽창된 후 폐열 열교환기(140)로 공급된다.
그리고, 압축기(100)의 입구 측에 어큐뮬레이터(170)가 설치된다. 어큐뮬레이터(170)는 압축기(100)로 유입되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 한다.
그리고, 압축기(100)의 출구 측 제 1,2 냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는, 냉방모드 또는 난방모드에 따라 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제 1 냉매순환라인(R1) 또는 제 2 냉매순환라인(R2)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제 1 방향전환밸브(181)가 설치된다.
따라서, 냉방모드에는 제 1 방향전환밸브(181)의 방향전환에 의해 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실외 열교환기(130)측으로 유동하면서 제 1 냉매순환라인(R1)을 따라 순환하고, 난방모드에는 제 1 방향전환밸브(181)의 방향전환에 의해 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내 열교환기(110)측으로 유동하면서 제 2 냉매순환라인(R2)을 순환한다.
또한, 실내 열교환기(110)의 일 측 제 1,2 냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는 냉방모드시 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제 1 냉매순환라인(R1)을 따라 압축기(100) 측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하고, 난방모드에는 압축기(100)에서 배출되어 제 2 냉매순환라인(R2)을 유동하는 냉매가 증발기(110)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제 2 방향전환밸브(182)가 설치된다.
이와 같이, 본 발명은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스(150)내의 실내 열교환기(110)를 공용으로 사용하여 냉난방에 이용함으로써, 공조케이스(150)의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스(150)를 공용화하여 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)을 구비한다.
제 1 냉각수순환라인(W1)은 냉각수가 폐열 열교환기(140)와 배기열 회수장치(190)를 순환하도록 구성된다. 제 2 냉각수순환라인(W2)은 냉각수가 엔진(161)과 히터 코어(160)를 순환하도록 구성된다.
이때, 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)에는 각각 제 1 워터펌프(162)와 제 2 워터펌프(163)가 설치된다.
즉, 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)은 독립적으로 구동가능하다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)의 사이에는 냉각수 밸브(200)가 설치된다.
냉각수 밸브(200)는 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)을 병합가능하게 설치된다. 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)이 병합된 냉각수라인을 제 3 냉각수순환라인(W3)이라 한다.
즉, 냉각수 밸브(200)는 배기열 회수장치(190)에서 토출되는 냉각수를 폐열 열교환기(140)로 보내며 히터 코어(160)에서 토출되는 냉각수를 엔진(161)으로 보내어, 냉각수가 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)을 독립적으로 순환하도록 설치된다. 또는, 배기열 회수장치(190)에서 토출되는 냉각수를 엔진(161)으로 보내며 히터 코어(160)에서 토출되는 냉각수를 폐열 열교환기(140)로 보내어, 냉각수가 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)가 하나로 병합된 제 3 냉각수순환라인(W3)을 순환하도록 설치된다.
즉, 제 3 냉각수순환라인(W3)은 냉각수가 폐열 열교환기(140), 배기열 회수장치(190), 엔진(161), 히터 코어(160)를 순환하도록 구성된다.
이때, 냉각수 밸브(200)는 4방향 밸브로 마련될 수 있다.
이처럼, 냉각수가 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)을 독립적으로 순환하는 경우를 제 1 냉각수모드라 하고, 냉각수가 제 3 냉각수순환라인(W3)을 순환하는 경우를 제 2 냉각수모드라 한다.
이때, 냉매순환라인과 냉각수순환라인은 별도로 구성됨으로 각 모드는 독립적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 난방모드는 제 1 냉각수모드 또는 제 2 냉각수모드와 동시에 구동가능하게 마련될 수 있다. 이를 통해, 보다 다양한 조건에서 차량용 히트 펌프 시스템을 구동할 수 있다.
히터코어(160)는 공조케이스(150)의 내부에 실내 열교환기(110)와 함께 설치된다. 히터코어(160)는 냉각수순환라인 상에 설치되어 엔진(161)의 폐열 또는 배기열을 이용하여 차량의 실내를 난방할 수 있다.
또한, 공조케이스(150)의 내부에서 실내 열교환기(110)와 히터코어(160)의 사이에 히터코어(160)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.
온도조절도어(151)는 히터코어(160)를 바이패스하는 공기의 양과 히터코어(160)를 통과하는 공기의 양을 조절하여 공조케이스(150)에서 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있다.
이때, 도 3와 같이 냉방모드시 온도조절도어(151)를 통해 히터코어(160)의 전방 측 통로를 완전히 폐쇄하면, 실내 열교환기(110)를 통과한 냉풍이 히터코어(160)를 바이패스하여 차실 내로 공급되므로 최대 냉방이 수행된다. 난방모드에는 도 4, 5와 같이 온도조절도어(151)를 통해 히터코어(160)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 히터코어(160)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실 내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.
그리고, 폐열 열교환기(140)는 제 2 냉매순환라인(R2) 및 냉각수순환라인과 연결되어 냉각수와 냉매를 열교환시킨다.
폐열 열교환기(140)는 난방모드시 냉매를 증발시키는 증발기 역할을 한다. 즉, 난방모드시 압축기(100), 증발기(110), 팽창수단(120)을 통과한 냉매와 냉각수를 열교환시키고, 이 과정에서 냉매가 증발한 후 압축기(100)로 공급된다.
상기한 폐열 열교환기(140)는 판형 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 폐열 열교환기(140)의 입구 측 냉매순환라인상에는 냉방모드시 유로를 폐쇄하고 난방모드시 유로를 개방하는 온오프밸브(183)가 설치된다.
배기열 회수장치(190)는 차량의 배기장치와 인접하게 설치될 수 있다. 배기가스로 버려지는 에너지를 배기열 회수장치(190)에서 회수하여 이를 차량의 난방에 이용할 수 있어 효율적이다.
또한, 냉각수 온도가 미리 정해진 온도 미만인 경우 제 1 냉각수모드로 냉각수를 순환시키고, 냉각수의 온도가 미리 정해진 온도 이상인 경우 제 2 냉각수모드로 냉각수를 순환시키도록, 냉각수 밸브(200)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이는 외기온도가 낮은 경우, 엔진(161)을 통과하는 냉각수와 폐열 열교환기(140)를 통과하는 냉각수를 독립적으로 순환시켜 엔진(161)의 시동 초기에 열원을 빼앗기지 않도록 한다. 이를 통해, 외기온도가 낮은 경우에도 엔진(161)의 웜업(warm-up)과 실내 난방을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 배기가스로 버려지는 에너지를 배기열 회수장치(190)를 통해 회수하고 이를 폐열 열교환기(140)가 다시 회수할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
가. 냉방모드(도 3)
도 3와 같이 냉방모드에는 제 1 방향전환밸브(181)와 제 2 방향전환밸브(182) 및 온오프밸브(183)에 의해 제 1 냉매순환라인(R1)을 따라 냉매가 순환하게 된다.
또한, 도 3에는 냉각수가 순환하지 않는 경우를 도시하였으나 냉각수가 순환하며 엔진의 폐열 또는 배기열에 의해 히트코어를 가열할 수 있다.
한편, 최대 냉방시에는 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(160)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어(미도시)에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(110)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(160)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실 내를 냉방하게 된다.
물론, 온도조절도어(151)를 조절하면 차실 내로 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명한다.
압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제 1 방향전환밸브(181)를 거쳐 실외 열교환기(130)로 공급된다. 실외 열교환기(130)로 공급된 냉매는, 외기와 열교환하면서 응축되며, 이로 인해 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다. 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매는 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 실내 열교환기(110)로 유입된다.
실내 열교환기(110)로 유입된 냉매는 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 차량 내부를 냉방한다.
이후, 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 제 2 방향전환밸브(182)를 거쳐 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
나. 난방모드 및 제 1 냉각수모드(도 4)
도 4에 도시된 바와 같이 난방모드는 제 1 방향전환밸브(181)와 제 2 방향전환밸브(182) 및 온오프밸브(183)에 의해 제 2 냉매순환라인(R2)을 따라 냉매가 순환하게 된다.
한편, 최대 난방시에는 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(160)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여 블로어(미도시)에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(110) 및 히터코어(160)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실 내로 공급됨으로서, 차실 내를 난방하게 된다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명한다.
압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제 1 방향전환밸브(181) 및 제 2 방향전환밸브(182)를 거쳐 실내 열교환기(110)로 공급된다.
실내 열교환기(110)로 공급된 고온 고압의 기상냉매는 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 열교환하게 되면서 응축됨과 동시에 공기를 가열하게 되며, 이처럼 가열된 공기가 차량 실내로 공급되어 난방하게 된다.
계속해서, 실내 열교환기(110)를 통과한 냉매는 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 폐열 열교환기(140)로 유입된다.
폐열 열교환기(140)로 유입된 냉매는 냉각수와 열교환하면서 증발하게 된다. 이후, 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 냉각수모드는 냉각수밸브(200)에 의해 냉각수는 제 1 냉각수순환라인(W1)과 제 2 냉각수순환라인(W2)을 독립적으로 순환하게 된다.
계속해서, 냉각수 순환과정을 설명한다.
제 1 냉각수순환라인(W1)을 순환하는 냉각수는 제 1 워터펌프(162)에 의해 폐열 열교환기(140)와 배기열 회수장치(190)를 순환한다. 배기열 회수장치(190)에서 회수된 배기열은 폐열 열교환기(140)에서 냉매와 열교환하며 냉매를 증발시킨다.
제 2 냉각수순환라인(W2)을 순환하는 냉각수는 제 2 워터펌프(163)에 의해 엔진(161)과 히터코어(160)를 순환한다. 엔진(161)의 폐열에 의해 히터코어(160)가 차량의 실내 난방을 수행할 수 있다.
다. 난방모드 및 제 2 냉각수모드(도 5)
냉매의 순환과정은 상기에서 설명한 도 4와 동일하기 때문에 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이 제 2 냉각수모드는 냉각수밸브(200)에 의해 냉각수는 제 3 냉각수순환라인(W3)을 순환하게 된다.
계속해서, 냉각수 순환과정을 설명한다.
제 3 냉각수순환라인(W3)을 순환하는 냉각수는 제 1, 2 워터펌프(162, 163)에 의해 엔진(161), 히터코어(160), 폐열 열교환기(140)와 배기열 회수장치(190)를 순차적으로 순환한다.
따라서, 엔진(161)의 폐열 및 배기열에 의해 히터코어(160)가 차량의 난방을 수행하거나 폐열 열교환기(140)에 의해 실내 열교환기(110)가 차량의 난방을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시 예에 관하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
100 : 압축기 110 : 실내 열교환기
120 : 팽창수단 130 : 실외 열교환기
140 : 폐열 열교환기 160 : 히터코어
161 : 엔진 190 : 배기열 회수장치
200 : 냉각수밸브 R1 : 제 1 냉매순환라인
R2 : 제 2 냉매순환라인 W1 : 제 1 냉각수순환라인
W2 : 제 2 냉각수순환라인 W3 : 제 3 냉각수순환라인

Claims (8)

  1. 압축기(100)에서 배출된 냉매가 공조케이스(150)의 외부에 설치된 실외 열교환기(130), 팽창수단(120), 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내 열교환기(110), 압축기(100)를 순환하도록 구성된 제 1 냉매순환라인(R1)과,
    상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내 열교환기(110), 상기 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 상기 압축기(100)를 순환하도록 구성된 제 2 냉매순환라인(R2)과,
    냉각수가 상기 폐열 열교환기(140)와 차량의 배기열을 이용하도록 설치된 배기열 회수장치(190)를 순환하도록 구성된 제 1 냉각수순환라인(W1)과,
    냉각수가 엔진(161)과 상기 공조케이스(150) 내에 설치된 히터 코어(160)를 순환하도록 구성된 제 2 냉각수순환라인(W2)을 포함하고,
    상기 제 1 냉각수순환라인(W1)과 상기 제 2 냉각수순환라인(W2)을 하나의 제 3 냉각수순환라인(W3)으로 병합시키는 냉각수 밸브(200)를 포함하며,
    상기 냉각수 밸브(200)가 상기 배기열 회수장치(190)에서 토출되는 냉각수를 상기 폐열 열교환기(140)로 보내며 상기 히터 코어(160)에서 토출되는 냉각수를 상기 엔진(161)으로 보내도록 설치되는 제 1 냉각수모드와, 상기 냉각수 밸브(200)가 상기 배기열 회수장치(190)에서 토출되는 냉각수를 상기 엔진(161)으로 보내며 상기 히터 코어(160)에서 토출되는 냉각수를 상기 폐열 열교환기(140)로 보내도록 설치되는 제 2 냉각수모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 냉각수순환라인(W3)은 냉각수가 상기 폐열 열교환기(140), 상기 배기열 회수장치(190), 상기 엔진(161), 상기 히터 코어(160)를 순환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    냉매가 상기 제 1 냉매순환라인(R1)을 따라 순환하는 냉방모드와, 냉매가 상기 제 2 냉매순환라인(R2)을 따라 순환하는 난방모드를 더 포함하고,
    상기 난방모드는 상기 제 1 냉각수모드 또는 상기 제 2 냉각수모드와 동시에 구동가능하게 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각수모드시, 냉각수는 상기 제 1 냉각수순환라인(W1)과 상기 제 2 냉각수순환라인(W2)을 독립적으로 순환하고,
    상기 제 2 냉각수모드시, 냉각수는 상기 제 3 냉각수순환라인(W3)을 순환하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    냉각수 온도가 미리 정해진 온도 미만인 경우 제 1 냉각수모드로 냉각수를 순환시키고,
    냉각수의 온도가 미리 정해진 온도 이상인 경우 제 2 냉각수모드로 냉각수를 순환시키도록,
    상기 냉각수 밸브(200)를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 밸브(200)는 4방향밸브인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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