KR102577144B1 - 자동차용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 실내 난방용 히터를 사용하여 실내 난방 및 배터리 예열이 가능하도록 구성함으로써 설치 부품수를 줄여 제조원가를 절감시킬 수 있고 배터리의 전력소비를 감소시켜 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 자동차용 히트펌프 시스템을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 제어하여 자동차 실내의 냉,난방을 수행하는 자동차용 히트펌프 시스템에 있어서, 자동차의 실내 난방을 위한 실내 난방 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 가열해 주는 냉각수 전기히터와; 압축기와 외부열교환기와 내부열교환기가 구비된 냉매순환라인 내부를 순환하는 냉매와 배터리 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 열교환시켜 배터리를 냉각하는 배터리 칠러와; 배터리 칠러의 상류측에 위치한 냉매라인 상에 설치되는 팽창밸브와; 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이에 설치되며, 공조모드에 따라 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이를 선택적으로 연결하는 냉각수라인 4방밸브와; 냉각수 전기히터와 냉각수라인 4방밸브를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 히트펌프 시스템{Automotive heat pump system}
본 발명은 자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 실내 난방용 히터를 사용하여 실내 난방 및 배터리 예열을 수행함으로써 부품수를 줄여 제조원가를 절감시킬 수 있고 배터리 전력소비를 감소시켜 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
자동차 내에는 일반적으로 실내 공기의 온도를 조절하기 위한 공조 시스템이 갖추어져 있다. 이러한 자동차용 공조 시스템은 겨울철에는 온기를 발생시켜 실내를 따뜻하게 유지하고, 여름철에는 냉기를 발생시켜 실내를 시원하게 유지하도록 한다.
일반적인 자동차의 공조 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 냉매배관을 따라 순차적으로 연결되어 엔진의 동력에 의해 압축기가 구동하면서 냉매가 순환한다. 이러한 자동차의 공조 시스템은 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가스가 응축기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하여 액체상태의 냉매로 변환되고, 액화된 냉매는 응축기에 연결된 리시버 드라이어를 통과하면서 불순물이 제거된 후 팽창밸브를 통과하면서 저온의 기체로 변화된다. 그리고, 기화된 저온의 냉매는 증발기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하면서 냉각되고, 이 냉각된 공기는 송풍기에 의해 자동차 실내로 토출되며, 증발기를 통과한 저온 기체 상태의 냉매는 다시 압축기로 보내져 고온, 고압으로 압축되는 과정을 반복적으로 순환하게 된다.
한편, 최근에는 전기에너지를 동력원으로 이용하는 전기자동차가 출시되고 있는데, 이러한 전기자동차에 장착되는 공조 시스템은 배터리에서 공급되는 전원을 통해 물 또는 공기를 가열하여 자동차 실내의 난방을 수행하도록 구성됨에 따라 전기자동차의 동력성능을 현저하게 저하시키게 되는 문제를 야기한다.
이 때문에, 전기자동차의 공조 시스템에는 기존의 내연기관 자동차와 유사하게 히트펌프 시스템을 적용하고 있는데, 이러한 히트펌프 시스템은 냉매의 압축-응축-감압-증발로 이루어지는 사이클을 가역적으로 적용하여 냉방과 난방을 겸하는 냉난방 겸용 시스템으로 구성된다.
즉, 히트펌프 시스템은 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하여 주위의 열을 빼앗아 기체가 되고, 다시 응축기에서 주위에 열을 방출하면서 액화되는 순환 사이클을 가지기 때문에, 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용함으로써 기존 공조 시스템의 부족한 열원을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 히트펌프 시스템은 실내 난방 모드로 작동될 경우 히트펌프(Heat pump)와 냉각수 히터(Coolant heater)의 2가지 열원을 이용하여 실내 난방을 수행하게 된다. 또한, 외기 온도가 낮은 겨울철에 배터리의 충전속도를 높일 수 있도록 배터리를 일정온도까지 예열해줄 수 있는 배터리 히터가 설치되어, 배터리 예열 모드로 작동될 경우 배터리 히터에서 발생되는 열원을 이용하여 배터리를 예열할 수 있다.
그러나, 위와 같은 기존 방식의 히트펌프 시스템은 실내 난방용 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터와 배터리 예열을 위한 배터리 히터가 각각 개별적으로 설치되어, 필요시 배터리의 전력소모를 통해 냉각수 히터를 구동하거나 배터리 히터를 구동하는 구조로 되어 있었다.
이와 같이 기존의 히트펌프 시스템은 실내 난방용 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터와 배터리의 예열을 위한 배터리 히터가 시스템 상에 각기 개별적으로 구비되는 구조로 되어 있었기 때문에 설치 부품수가 증가되어 제조원가를 상승시키는 문제가 있었고, 특히 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 작동되는 경우 2개의 히터가 동시 작동되어야만 하기 때문에 그만큼 배터리의 전력사용량도 증가되어 자동차의 연비 저하를 초래하게 되는 문제점이 있었다.
대한민국 한국 등록특허 제1316355호 (2013년 10월 08일 공고)
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 운용될 경우, 실내 난방용 냉각수 순환라인 상에 설치된 하나의 냉각수 전기히터를 이용하여 실내 난방 및 배터리 예열이 동시 수행되도록 구성함으로써, 설치 부품수 감소에 따른 제조원가 절감을 구현할 수 있고, 배터리의 전력소비를 감소시켜 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 자동차용 히트펌프 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 제어하여 자동차 실내의 냉,난방을 수행하는 자동차용 히트펌프 시스템에 있어서, 자동차의 실내 난방을 위한 실내 난방 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 가열해 주는 냉각수 전기히터와; 압축기와 외부열교환기와 내부열교환기가 구비된 냉매순환라인 내부를 순환하는 냉매와 배터리 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 열교환시켜 배터리를 냉각하는 배터리 칠러와; 배터리 칠러의 상류측에 위치한 냉매라인 상에 설치되는 팽창밸브와; 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이에 설치되며, 공조모드에 따라 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이를 선택적으로 연결하는 냉각수라인 4방밸브와; 냉각수 전기히터와 냉각수라인 4방밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공조모드가 배터리 예열 모드로 운용될 경우, 제어부는 냉각수라인 4방밸브의 유로를 제어하여 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인을 서로 연결시킴으로써, 냉각수 전기히터를 통해 가열된 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브를 통해 배터리 냉각수 순환라인으로 전달하여 고온의 냉각수를 통해 배터리의 예열을 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 냉매순환라인은, 팽창밸브의 상류측 냉매라인에서 분기되어 배터리 칠러의 입구측에 연결 설치되는 바이패스라인과, 제어부에 의해 개폐(Open/Close)가 제어되며 바이패스라인 측으로 냉매의 이동을 선택적으로 허용할 수 있는 바이패스밸브를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 바이패스라인에는 냉매의 역류를 방지할 수 있는 체크밸브가 추가적으로 설치될 수 있다.
그리고, 상기 공조모드가 실내 냉방 모드로 운용될 경우, 냉각수라인 4방밸브의 유로 제어를 통해 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 간의 연결이 차단될 수 있며, 바이패스밸브는 폐쇄(Close)되고 팽창밸브는 개방(Open)되어 외부열교환기에서 나온 냉매의 일부가 팽창밸브로 유입된 후 배터리 칠러를 경유하여 압축기로 다시 전달될 수 있고, 냉매의 또 다른 일부는 내부열교환기로 유입된 후 송풍 공기와의 열교환을 통해 실내 냉방이 수행될 수 있다.
또한, 상기 공조모드가 실내 난방 모드로 운용될 경우, 냉각수라인 4방밸브의 유로 제어를 통해 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 간의 연결이 차단될 수 있으며, 바이패스밸브는 개방(Open)되고 팽창밸브는 폐쇄(Close)되어 내부열교환기에서 나온 냉매의 일부가 바이패스라인을 따라 배터리 칠러로 유입된 후 압축기로 다시 전달될 수 있고, 냉매의 또 다른 일부가 내부열교환기로 유입된 후 송풍 공기와의 열교환을 통해 실내 난방이 수행될 수 있다. 아울러, 필요시 냉각수 전기히터를 통해 가열된 냉각수를 히터코어에 공급하여 송풍 공기와 열교환시킴으로써 실내 난방 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 공조모드가 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드로 운용될 경우, 냉각수라인 4방밸브의 유로제어를 통해 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 간의 연결이 차단될 수 있으며, 바이패스밸브는 폐쇄(Close)되고 팽창밸브는 개방(Open)되어 외부열교환기에서 나온 냉매의 일부가 팽창밸브로 유입된 후 배터리 칠러를 경유하여 압축기로 다시 전달될 수 있고, 냉매의 또 다른 일부는 내부열교환기로 유입된 후 공풍 공기와의 열교환을 통해 실내 냉방이 수행됨과 동시에, 팽창밸브를 통해 배터리 칠러로 유입된 냉매와 배터리 냉각수 순환라인을 순환하는 냉각수의 열교환을 통해 배터리의 냉각이 수행될 수 있다.
또한, 상기 공조모드가 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 운용될 경우, 바이패스밸브는 개방(Open)되고 팽창밸브는 폐쇄(Close)되어 내부열교환기에서 나온 냉매의 일부가 바이패스라인을 따라 배터리 칠러로 유입된 후 압축기로 다시 전달되는 냉매의 순환이 이루어지고, 냉각수라인 4방밸브의 유로 제어를 통해 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인이 서로 연결되어, 내부열교환기로 유입되는 고온의 냉매와 히터코어로 유입되는 고온의 냉각수를 2개의 열원을 이용하여 실내 난방이 수행될 수 있고, 냉각수 전기히터에 의해 가열된 고온의 냉각수를 배터리 냉각수 순환라인으로 전달하여 배터리 예열을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 실내 난방 냉각수 순환라인 상에는 냉각수 전기히터에 의해 가열된 냉각수가 유입되는 히터코어가 설치되되, 상기 히터코어는 HVAC 모듈 내부에서 내부열교환기의 상부측에 장착되어 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기와의 열교환을 통해 실내 난방을 수행할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템은, 상기 제어부를 통해 제어되며 압축기로부터 토출되는 냉매를 외부열교환기로 전달하거나 내부열교환기로 전달하는 냉매라인 4방밸브; 및 상기 냉매순환라인을 따라 이동하는 냉매와 자체 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 자동차에 탑재된 각종 전장부품에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출시키는 전장품 냉각수 순환라인;을 포함하며, 상기 전장품 냉각수 순환라인에는, 외부열교환기와 냉매라인 4방밸브 사이에 장착되어 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 따라 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 전장품 칠러와; 외부열교환기와 인접하게 장착되어 상기 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수의 열을 방출시키는 전장품 라디에이터와; 전장품 냉각수 유로와 전장품 냉각수 바이패스 유로의 교차 지점에 설치되는 3방밸브와; 전장품 라디에이터로 공기를 송풍하여 방열을 촉진시키는 냉각팬;이 구비될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 자동차용 히트펌프 시스템 구조에 따르면, 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드 및 배터리 예열 모드로 동시 운용될 경우, 냉각수 전기히터를 통해 가열된 고온의 냉각수를 히터코어로 전달하여 실내로 송풍되는 공기와의 열교환을 통해 실내 난방을 수행할 수 있고, 이와 동시에 냉각수 전기히터에 의해 가열된 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브를 통해 배터리 냉각수 순환라인으로 전달하여 배터리를 예열시킬 수 있다. 따라서, 기존의 히트펌프 시스템과 같이 배터리 냉각수 순환라인에 배터리 가열을 위한 배터리 히터를 추가 설치할 필요가 없기 때문에 설치 부품수를 감소시켜 제품의 제조원가를 절감시킬 수 있다.
또한, 기존의 히트펌프 시스템에서는 배터리 예열 모드로 운용시 배터리 히터에서 3.6kW 정도의 고정적인 전기를 소모하였지만, 본 발명에서는 제어부를 통해 발열량 조절이 가능한 하나의 냉각수 전기히터를 사용하여 필요한 상황에 따라 냉각수 전기히터의 발열량을 조절하여 실내 난방 강도나 배터리 예열 강도를 적절하게 조절하는 것이 가능해질 수 있기 때문에 배터리의 전력소모를 최소화할 수 있고, 이를 통해 자동차의 주행 연비 개선을 도모할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 구성도.
도 2는 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로만 작동될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 3은 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드로 동시 작동될 때의 냉매 및 냉각수의 흐름을 보여주는 모식도.
도 4는 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로만 작동될 때의 냉매 및 냉각수의 흐름을 보여주는 모식도.
도 5는 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 작동될 때의 냉매 및 냉각수의 흐름을 보여주는 모식도.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 히트펌프 시스템에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자동차용 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 압축기(110)로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 제어하여 자동차 실내의 냉,난방을 수행하는 자동차용 히트펌프 시스템(100)에 있어서, 압축기(110), 냉매라인 4방밸브(120), 외부열교환기(130), 내부열교환기(140), 제1팽창밸브(170), 배터리 칠러(190), 제2팽창밸브(191)를 포함하여 구성되는 냉매순환라인(RL)과, 히터코어(103)와 냉각수 전기히터(104)를 구비하며 실내 난방을 위한 냉각수가 순환되는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과, 냉매순환라인(RL)을 따라 이동하는 냉매와 자체 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 자동차에 탑재된 각종 전장부품에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출시키는 전장품 냉각수 순환라인(EL)과, 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 냉각수라인 4방밸브(108)를 통해 선택적으로 연결되는 배터리 냉각수 순환라인(BL)과, 공조모드에 따라 압축기(110), 4방밸브(108,120), 냉각수 전기히터(104), 제1 및 제2팽창밸브(170, 191)의 동작을 각각 제어하는 제어부(Electric HVAC vehicle control unit, EHVCU)를 포함하여 구성되며, 특히, 공조모드가 배터리 예열 모드로 운용될 경우 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에 구비된 냉각수 전기히터(104)의 열원을 이용하여 냉각수를 가열하고, 가열된 고온의 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브(108)를 통해 배터리 냉각수 순환라인(BL) 측으로 전달하여 배터리의 예열을 수행하는 것을 특징으로 한다.
냉매순환라인(RL)에 구비되는 압축기(110)는 냉매를 압축하여 토출하는 전동식 압축기로서, 제어부를 통해 압축기(110)의 RPM을 PID 제어(Proportional Integral Differential Control)함으로써 실내 냉방 또는 난방을 수행할 수 있다.
냉매라인 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 토출되는 냉매를 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로 전달하거나 내부열교환기(140)로 전달하는 구성으로, 제어부의 제어를 통해 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도할 수 있다.
외부열교환기(130)는 압축기(110) 또는 내부열교환기(140)로부터 전달되는 냉매를 자동차 외부의 공기와 열교환시키는 기능을 하고, 내부열교환기(140)는 외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 탑승객이 위치한 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 기능을 한다.
제1팽창밸브(170)는 내부열교환기(140)로 인입되거나 내부열교환기(140)로부터 인출되는 냉매라인 상에 설치되며, 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 작동되어 냉매를 팽창시킬 수 있다. 이때, 상기 제1팽창밸브(170)로는 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)가 사용될 수 있다.
전장품 냉각수 순환라인(EL)은 외부열교환기(130)와 인접된 영역에 설치되어, 공조모드에 따라 자동차에 탑재된 각종 전장부품(Motor, MCU, LDC, OBC 등)으로부터 발생되는 열을 흡수하여 외부로 배출하는 기능을 한다.
전장품 냉각수 순환라인(EL)에는 외부열교환기(130)와 냉매라인 4방밸브(120) 사이에 장착되어 상기 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로(162)를 따라 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 전장품 칠러(161)가 구비된다.
전장품 냉각수 순환라인(EL)에서 전장품 냉각수 유로(162)는 전장품 칠러(161)와 전장품 라디에이터(163)를 연결하는 하나의 냉각수 유동 통로를 형성하며, 전장품 냉각수 유로(162)와 전장품 냉각수 바이패스 유로(167)의 교차 지점에는 전장품 냉각용 3방밸브(166)가 설치된다.
그리고, 전장품 냉각수 유로(162)에는 자동차에 탑재된 각종 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단(164)과, 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 전장품 냉각수 순환용 펌프(165)가 설치된다.
또한, 전장품 라디에이터(163)는 외부열교환기(130)와 인접하게 장착되어 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉각수의 열을 방출시킨다. 이때, 전장품 냉각수 유로(162)를 따라 이동하는 냉각수가 전장품에서 발생된 열을 흡수하여 전장품 라디에이터(163)를 통해 외부로 방출시킬 수 있으며, 별도로 설치된 냉각팬(168)을 이용하여 외부로의 방열을 촉진시킬 수 있다.
한편, 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도하는 냉매라인 4방밸브(120)는 제1포트(121), 제2포트(122), 제3포트(123) 및 제4포트(124)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 냉매라인 4방밸브의 제1포트(121)는 공조모드에 관계없이 항상 압축기(120)로부터 배출된 냉매가 인입되는 냉매 유입구이며, 제2포트(122)는 공조모드에 따라 제1포트(121) 또는 제3포트(123)에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, HVAC 모듈(101) 내부에 배치된 내부열교환기(140)와 연결된다.
그리고, 냉매라인 4방밸브의 제3포트(123)는 공조모드에 따라 제2포트(122)와 제4포트(124)에 선택적으로 연통되는 냉매 출구로서, 냉매 흐름상 압축기(110)의 상류측에 배치되는 중간열교환기(180)와 연결된다.
또한, 냉매라인 4방밸브의 제4포트(122)는 공조모드에 따라 제1포트(121)와 제3포트(123)에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, 전장품 냉각수 순환라인(EL)의 전장품 칠러(161)와 연결된다.
아울러, 상기 냉매라인 4방밸브의 각 포트들은 제1포트(121)가 제2포트(122)와 연통된 경우에는 제3포트(123)는 제4포트(124)와 연통되고, 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통된 경우에는 제2포트(122)는 제3포트(123)와 연통된다.
이에 따라, 상기 냉매라인 4방밸브의 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통되는 경우에는 압축기(110)로부터 배출된 냉매를 전장품 냉각수 순환라인(EL)의 전장품 칠러(161)로 전달하고, 제4포트(124)가 제3포트(123)와 연통되는 경우에는 전장품 냉각수 순환라인(EL)의 전장품 칠러(161)를 거쳐온 냉매를 냉매 흐름상 압축기(110)의 상류측에 배치되는 중간열교환기(180)로 전달한다.
한편, 외부열교환기(130)와 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인 상에는 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 분기되거나 합류되는 제1분기점(181)이 마련되고, 냉매라인 4방밸브(120)의 제3포트(123)와 압축기(110) 사이를 연결하는 냉매라인 상에는 냉매라인 4방밸브(120)를 거쳐 나온 냉매와 배터리 칠러(190)를 거쳐 나온 냉매가 서로 합류되는 제2분기점(182)이 마련된다.
이때, 상기 제2분기점(182)은 배터리 칠러(190)에서 나온 냉매의 과열도와 성능을 보다 증가시킬 수 있도록 중간열교환기(180) 이전 위치에 위치시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1분기점(181)과 제2분기점(182)을 연결하는 별도의 냉매분기라인 상에는 배터리 칠러(190)가 설치되고, 상기 배터리 칠러(190)의 상류측에는 냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(191)가 설치된다.
또한, 배터리 냉각수 순환라인(BL)에는 냉각수 순환펌프(193), 배터리(194)가 구비되어 냉각수 순환용 펌프(193)를 통해 냉각수의 순환이 이루어지며, 배터리 냉각수 순환라인(BL) 내부를 순환하는 냉각수는 배터리 칠러(190)에서 냉매와 열교환됨으로써 배터리(194)의 냉각이 수행될 수 있다. 여기서, 상기 배터리 칠러(190)는 증발기의 역할을 수행하게 된다.
이와 같이, 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매의 일부를 제2팽창밸브(191)로 유입시켜 배터리 칠러(190)에서 배터리 냉각수 순환라인(BL) 내부를 따라 유동하는 냉각수와 열교환을 통해 배터리(194)를 냉각시킬 수 있다.
이 경우, 상기 배터리 칠러(190) 측에 설치되는 제2팽창밸브(191)는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 개폐동작만이 가능하고 개도량 조절이 불가능한 팽창밸브가 사용되거나, 또는 내부열교환기(140)의 상류측에 설치되는 제1팽창밸브(170)와 같이 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(EEV)가 사용될 수 있다. 또한, 냉매가 배출되는 배터리 칠러(190)의 하류측 냉매라인 상에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(192)가 장착될 수 있다.
한편, 냉매순환라인(RL)에 있어서, 제1분기점(181)과 배터리 칠러(190)를 연결하는 냉매라인 상에는 내부열교환기(140)에서 배출되는 냉매의 일부가 제2팽창밸브(191)를 거치지 않고 우회(Bypass)하여 배터리 칠러(190) 측으로 곧바로 유입될 수 있도록 바이패스라인(183)이 설치될 수 있다.
즉, 바이패스라인(183)은 제2팽창밸브(191)의 상류측 냉매라인의 일측으로부터 분기되어 배터리 칠러(190)와 제2팽창밸브(191) 사이에 위치한 냉매라인에 연결되는 구조로 설치되어, 공조모드에 따라 내부열교환기(140)에서 배출되는 냉매의 일부가 제1분기점(181)을 지나 바이패스라인(183)을 통해 우회하여 배터리 칠러(190) 측으로 곧바로 유입될 수 있다. 이 경우 제2팽창밸브(191)는 폐쇄(Close)되어 상기 제2팽창밸브(191)를 통한 배터리 칠러(190) 측으로의 냉매의 유입은 차단될 수 있다.
아울러, 바이패스라인(183)에는 상기 바이패스라인(183)으로의 냉매 유입을 선택적으로 허용할 수 있도록 제어부에 의해 개폐(Open/Close) 작동이 제어될 수 있는 바이패스밸브(184)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 바이패스라인(183) 상에는 냉매가 역류되는 것을 방지할 수 있도록 체크밸브가 추가적으로 설치될 수 있다.
이와 달리, 바이패스밸브(184)를 제1분기점(181)과 제2팽창밸브(191)를 연결하는 냉매라인과 바이패스라인(183)의 교차 지점에 3방밸브 방식으로 설치하여, 공조모드에 따라 제어부에 의한 3방밸브의 선택적 유로 변경을 통해 제2팽창밸브(191) 측으로 냉매의 흐름을 유도하거나 바이패스라인(183) 측으로 냉매의 흐름을 유도하도록 구성할 수도 있다.
한편, 중간열교환기(180)는 IHX(Intermediate Heat Exchanger)로도 약칭되는 구성으로서, 제1팽창밸브(170) 및 내부열교환기(140)를 통과하기 전의 냉매와 통과한 후의 냉매 간의 열교환을 위해 마련되는 구성이다.
이러한 중간열교환기(180)는 외부열교환기(130)와 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인의 제1분기점(181)과 외부열교환기(130) 사이에 장착되어, 공조모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 내부열교환기(140)에 전달하거나, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 외부열교환기(130)에 전달하게 된다.
이 경우, 상기 중간열교환기(180)는 제1팽창밸브(170) 측으로 냉매를 전달하는 외측관로와, 어큐뮬레이터(150)와 압축기(110) 측으로 냉매를 전달하는 내측관로를 포함하는 이중관 형태의 열교환기로 구성될 수 있다. 여기서 제1팽창밸브(170) 측에 연결된 외측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 높은 냉매가 유동하며, 내측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 낮은 냉매가 유동할 수 있다.
한편, 자동차의 실내 난방을 위한 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에는 히터코어(103)와 냉각수 전기히터(104)와 냉각수 순환용 펌프(106)가 구비되어, 냉각수 전기히터(104)를 통해 가열된 냉각수를 히터코어(103)로 유입시켜 실내 난방을 위한 열원으로 사용될 수 있다.
이 경우, HVAC 모듈(101) 내에 히터코어(103)를 배치하고, 히터코어(103)를 순환하는 냉각수 라인을 구성하되, 냉각수 라인 상에 냉각수 전기히터(104)와 펌프(105)와 냉각수 리저버 탱크(106)를 배치하여 구성할 수 있다.
구체적으로, HVAC 모듈(101)의 내부에는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에 구비된 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 고온의 냉각수가 유입되는 히터코어(103)가 장착된다.
상기 히터코어(103)는 HVAC 모듈(101) 내부에서 내부열교환기(140)의 상부측에 장착되고, 내부열교환기(140)의 하부측에는 제어부를 통해 제어되며 내부열교환기(140) 측으로 공기를 송풍시킬 수 있는 블로워 팬(102)이 설치된다.
따라서, 공조모드가 실내 난방 모드, 또는 제습 또는 제상 모드로 운용될 경우 히터코어(103)를 통해 자동차 실내로 공급되는 공기에 열을 가하여 실내 난방, 또는 제습 또는 제상을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 히터코어(103)로 공급되는 냉각수의 온도는 제어부에 의한 냉각수 전기히터(104)의 PID 제어를 통해 온도가 조절될 수 있다.
또한, 히터코어(103) 측에는 히터코어(103)의 주변의 온도를 검출할 수 있는 온도센서가 설치되고, 상기 온도센서는 히터코어(103)가 설치되어 있는 HVAC 모듈(101) 내부 덕트(Duct)의 현재 온도를 검출하여 제어부로 전송할 수 있다. 그리고, 제어부에서는 온도센서를 통해 검출된 히터코어(103) 주변의 온도가 사용자에 의해 설정된 설정온도값에 오차범위 내로 도달될 때까지 냉각수 전기히터(104)를 PID 제어할 수 있다.
한편, 제어부는 히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드로 운용될 경우, 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110)를 PID 제어함으로써 실내 냉방을 수행할 수 있다.
즉, 히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드로 작동될 경우 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능을 하게 되며, 제어부에서는 증발기 기능을 하는 내부열교환기(140)의 온도를 목표 증발기온으로 설정하고, 내부열교환기(140) 주변에 설치된 온도센서(미도시)를 통해 검출된 현재 증발기온과 상기 목표 증발기온의 차이가 기 설정된 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110) RPM에 대한 PID 제어를 수행함으로써 실내 냉방을 수행할 수 있다.
이와 반대로, 히트펌프 시스템(100)이 실내 난방 모드로 작동될 경우에는 내부열교환기(140)는 응축기로서 기능을 하게 되며, 제어부에서는 응축기 기능을 하는 내부열교환기(140)의 온도를 목표 온도로 설정하고, 온도센서를 통해 검출된 내부열교환기(140)의 현재 온도와 상기 목표 온도의 차이가 기 설정된 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110) RPM에 대한 PID 제어를 수행함으로써 실내 난방을 수행할 수 있다.
아울러, 상기 제어부에서는 히터코어(103)의 온도를 목표 온도로 설정하고, 온도센서를 통해 검출된 히터코어(103)의 현재 온도와 상기 목표 온도의 차이가 기 설정된 오차 범위에 수렴될 때까지 냉각수 전기히터(104)에 대한 PID 제어를 수행함으로써 실내 난방을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 히트펌프 시스템(100)은 실내 난방 모드로 운용될 경우, 압축기(110)에서 내부열교환기(140)로 유입되는 고온의 냉매와, 냉각수 전기히터(104)를 통해 가열되어 히터코어(103)로 유입되는 고온의 냉각수의 2가지 열원을 이용하여 실내 난방을 수행할 수 있다.
이와 함께, 외기 온도가 낮을 경우 배터리(194)의 충전속도를 높일 수 있도록 배터리(194)를 일정온도까지 예열시키는 배터리 예열 모드로 운용될 수 있다. 이를 위해 기존의 히트펌프 시스템에는 배터리 냉각수 순환라인 상에 배터리 히터(Battery heater)가 별도 설치되어, 배터리 예열 모드로 작동될 경우 상기 배터리 히터에서 발생되는 열원을 이용하여 배터리의 예열을 수행하였다.
그러나, 기존의 히트펌프 시스템은 실내 난방 냉각수 순환라인에 실내 난방용 냉각수의 가열을 위해 냉각수 전기히터를 설치하고, 배터리 냉각수 순환라인 상에 배터리의 예열을 위한 배터리 히터가 각각 개별적으로 구비되는 구성으로 이루어져 있다. 이 경우 냉각수 전기히터는 제어부의 제어를 통해 발열량 조절이 가능하지만, 배터리 히터는 발열량 조절이 불가능한 별도의 히터를 사용하고 있었기 때문에, 겨울철 배터리의 예열을 위한 전력 사용량도 그만큼 많아져서 결국 자동차의 연비 저하를 초래하는 문제가 있었다.
이와 같은 문제점을 개선하고자, 본 발명의 히트펌프 시스템(100)에서는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에 설치되어 있는 발열량 조절이 가능한 냉각수 전기히터(104)를 통해 냉각수를 가열하고, 가열된 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브(108)를 통해 배터리 냉각수 순환라인(BL)으로 전달하여 배터리(194)를 가열해 줌으로써 기존과 같이 배터리 냉각수 순환라인 상에 별도의 배터리 히터를 사용하지 않고서도 배터리 예열작업이 가능한 히트펌프 시스템 구조를 제공하고 있다.
이를 위해, 본 발명의 히트펌프 시스템(100)에는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 사이에 제어부의 제어를 통해 내부 유로의 선택적 변경이 가능한 냉각수라인 4방밸브(108)가 설치되어, 공조모드에 따라 상기 냉각수라인 4방밸브(108) 내부의 유로 변경을 통해 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL)이 선택적으로 연결되도록 구성하고, 히트펌프 시스템(100)의 공조모드가 배터리 예열 모드로 운용될 경우, 제어부는 냉각수라인 4방밸브(108)의 내부 유로를 제어하여 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL)을 연결시켜 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 간의 냉각수의 순환이 이루어지도록 함으로써, 냉각수 전기히터(104)를 통해 가열된 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브(108)를 통해 배터리 냉각수 순환라인(BL) 측으로 전달하여 배터리(194)의 예열을 수행할 수 있다.
따라서, 기존의 히트펌프 시스템과 같이 배터리 냉각수 순환라인에 배터리 가열을 위한 배터리 히터를 추가 설치할 필요가 없기 때문에 설치 부품수를 감소시켜 제품의 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 자동차용 히트펌프 시스템(100)의 각 공조모드에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 5에는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차용 히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드, 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드, 실내 난방 모드, 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 각각 운용될 경우에 냉매 및 냉각수의 흐름이 도시되어 있다.
먼저, 도 2에 도시된 실내 냉방 모드의 경우에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드로만 운용될 경우 냉매순환라인(RL) 내에서의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 냉매라인 4방밸브(120) - 전장품 칠러(161) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 냉매라인 4방밸브(120) - 중간열교환기(180) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)" 순으로 순환된다.
이와 같은 실내 냉방 모드에 있어서 냉매라인 4방밸브(120)는, 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 외부열교환기(130)로 인입되고 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 인입되도록 냉매라인 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통되고, 제2포트(122)는 제3포트(123)와 연통될 수 있다.
그리고, 외부열교환기(130)로부터 나온 냉매는 중간열교환기(180)를 경유하여 제1분기점(181)을 기점으로 일부가 내부열교환기(140) 측으로 유입되고, 다른 일부가 배터리 칠러(190)로 유입될 수 있다.
이 경우, 내부열교환기(140) 측으로 향하는 냉매는 제1팽창밸브(170)를 거쳐 팽창된 후 내부열교환기(140)로 유입되고, 이렇게 유입되는 저온의 냉매는 내부열교환기(140)에서 자동차의 실내로 송풍되는 공기와 열교환되어, 열교환된 저온 상태의 공기가 실내로 공급됨으로써 실내 냉방이 이루어질 수 있다.
이와 같이 히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드로만 작동되는 경우에는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 전장품 냉각수 순환라인(EL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL)에 구비되는 각 펌프(105,165,193)의 작동이 중지되므로 상기 각 냉각수 순환라인(CL,EL,BL) 내부에서의 냉각수 흐름은 발생하지 않는다.
그리고, 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 사이에 위치된 냉각수라인 4방밸브(108)는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 사이의 연결을 차단시키도록 제어됨으로써 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 간의 냉각수 순환은 이루어지지 않게 된다.
또한, 냉매순환라인(RL)에 있어 바이패스밸브(184)는 폐쇄(Close)되고 제2팽창밸브(191)는 개방(Open)되어 외부열교환기(130)에서 나온 냉매가 제2팽창밸브(191)를 거쳐 배터리 칠러(190) 측으로 유입된 후 압축기(110) 측으로 유입되는 유동 순환이 이루어지도록 제어될 수 있다.
또는, 바이패스밸브(184) 및 제2팽창밸브(191)를 모두 폐쇄(Close)시켜 외부열교환기(130)에서 나온 냉매가 배터리 칠러(190) 측으로 유입되지 않고 곧바로 내부열교환기(140) 측으로 유입된 후 압축기(110) 측으로 배출되는 유동 순환이 이루어지도록 제어될 수도 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드로 동시 작동되는 경우에 대해 설명하기로 한다.
히트펌프 시스템(100)이 실내 냉방 모드와 배터리 냉각 모드로 동시 운용될 경우 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 냉매라인 4방밸브(120) - 전장품 칠러(161) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능)- 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 냉매라인 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동 순환이 이루어지게 된다.
이와 같이 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드로 동시 작동될 경우에는, 외부열교환기(130)로부터 나온 냉매는 중간열교환기(180)를 경유하여 제1분기점(181)을 기점으로 일부가 내부열교환기(140) 측으로 유입되고, 다른 일부는 배터리 칠러(190) 측으로 유입될 수 있다.
이때, 내부열교환기(140) 측으로 유입되는 저온 상태의 냉매는 실내로 송풍되는 공기와 열교환됨으로써, 열교환된 저온 상태의 공기가 실내로 공급되어 실내 냉방이 이루어질 수 있다.
또한, 배터리 칠러(190) 측으로 향하는 냉매라인에서는 바이패스밸브(184)가 폐쇄(Close)되고 제2팽창밸브(191)가 개방(Open)됨으로써, 외부열교환기(130)에서 나온 냉매의 일부가 제2팽창밸브(191)를 통해 배터리 칠러(190) 측으로 유입된 후 제2분기점(182)에서 내부열교환기(140)를 거쳐 나온 냉매와 합류하여 압축기(110)로 유입될 수 있다.
이 과정에서 배터리 칠러(190)에 유입되는 저온의 냉매와 배터리 냉각수 순환라인(BL) 내부를 순환하는 냉각수와 서로 열교환되어 저온 상태로 만들어진 냉각수를 통해 배터리(194)의 냉각작업이 수행될 수 있다. 이때, 냉각수라인 4방밸브(108)는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 사이의 연결을 차단시키도록 내부유로가 제어될 수 있다.
이와 같이 외부열교환기(130)를 지나며 응축된 냉매가 제1팽창밸브(170)와 제2팽창밸브(191)을 거쳐 팽창하여 저온의 냉매로 내부열교환기(140)와 배터리 칠러(190)로 각각 유입됨으로써, HVAC 모듈(101)에 유입된 공기를 냉각시켜 실내 냉방을 수행하는 동시에 배터리 칠러(190)에 유입된 저온 냉매의 열교환 작용에 의해 배터리(194)를 냉각시킬 수 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 실내 난방 모드의 경우에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 히트펌프 시스템(100)이 실내 난방 모드로만 운용될 경우 냉매순환라인(RL) 내에서의 냉매의 흐름은, "압축기(110) - 냉매라인 4방밸브(120) - 내부열교환기(140, 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 증발기로 기능) - 전장품 칠러(161) - 냉매라인 4방밸브(120) - 중간 열교환기(180) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이 경우, 냉매라인 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 내부열교환기(140)로 유입되고, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 유입되도록, 냉매라인 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제2포트(122)와 연통되고, 제3포트(122)는 제4포트(123)와 연통될 수 있다.
이와 같이 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 운용될 경우에는, 내부열교환기(140)는 응축기로 기능하게 되며, 상기 내부열교환기(140)로 유입된 고온의 냉매는 실내로 송풍되는 공기와 열교환되고, 냉매와 열교환된 고온 상태의 공기가 실내로 공급되어 실내 난방이 이루어질 수 있다.
또한, 필요에 따라 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에서는 자동차 실내로 공급되는 공기에 추가적인 열을 가할 수 있도록 냉각수 전기히터(104)를 작동시켜 냉각수를 가열하여 히터코어(103)에 공급함으로써 난방 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동되는 상황은 실외 온도가 낮은 동절기로서, 일반적인 경우에는 배터리를 냉각시킬 필요가 없기 때문에, 바이패스밸브(184) 및 제2팽창밸브(191)을 폐쇄(Close)시켜 배터리 칠러(190) 측으로 냉매가 유동되지 않도록 할 수 있다.
또는, 도 4에 도시된 실시 예 형태와 같이 냉매순환라인(RL)의 바이패스밸브(184)를 개방(Open)하고 제2팽창밸브(191)를 폐쇄(Close)시켜 내부열교환기(140)에서 나온 냉매의 일부가 바이패스라인(183)을 통해 배터리 칠러(190) 측으로 유입된 후 압축기(110)로 공급되도록 제어될 수도 있다. 이 경우, 냉각수라인 4방밸브(108)는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 사이의 연결을 차단시키도록 제어됨으로써 실내 난방 냉각수 순환라인(CL) 내부를 순환하는 냉각수를 통해서만 실내 난방이 이루어지도록 제어될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여, 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 작동되는 경우에 대해 설명하기로 한다.
히트펌프 시스템(100)이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시에 운용될 경우, 냉매순환라인(RL) 내에서의 냉매의 흐름은, "압축기(110) - 냉매라인 4방밸브(120) - 내부열교환기(140, 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 증발기로 기능) - 전장품 칠러(161) - 냉매라인 4방밸브(120) - 중간 열교환기(180) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이와 같이 히트펌프 시스템(100)이 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 동시 운용될 경우, 내부열교환기(140)는 응축기로서 기능을 하게 되며, 내부열교환기(140)로 유입된 고온 상태의 냉매는 실내로 송풍되는 공기와 열교환되어, 냉매와 열교환된 고온의 공기가 실내로 공급되어 실내 난방이 이루어질 수 있다.
또한, 실내 난방 강도를 추가적으로 높이고자 할 경우에는 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)의 냉각수 전기히터(104)를 작동시켜 냉각수를 가열하고, 가열된 냉각수를 히터코어(103)에 공급하여 송풍 공기와 열교환시켜 실내로 공급함으로써 난방 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 경우는 일반적으로 실외 온도가 낮은 동절기이기 때문에, 낮은 외기 온도에 의해 배터리(194)의 충전현저하게 속도가 저하될 수 있다. 이 때문에 외기 온도가 낮을 경우 배터리(194)의 충전속도를 높일 수 있도록 배터리(194)를 가열하여 일정온도까지 예열시키는 작업이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 히트펌프 시스템(100)이 배터리 예열 모드로 작동될 경우에 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에 설치된 냉각수 전기히터(104)를 이용하여 냉각수를 가열하고, 가열된 냉각수를 배터리 냉각수 순환라인(BL)으로 전달하여 배터리(194)를 예열시킬 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 냉각수라인 4방밸브(108)의 내부유로를 제어하여 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL)을 서로 연결시켜 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)과 배터리 냉각수 순환라인(BL) 간에 냉각수의 순환이 이루어지도록 하고, 냉각수 전기히터(104)를 통해 가열된 고온의 냉각수가 배터리 냉각수 순환라인(BL) 측으로 전달되어 고온의 냉각수에 의해 배터리(194) 예열이 수행될 수 있다.
또한, 냉매순환라인(RL)에 있어서 바이패스밸브(184)를 개방(Open)시키고 제2팽창밸브(191)를 폐쇄(Close)시켜 내부열교환기(140)에서 나온 냉매의 일부가 바이패스라인(183)을 통해 배터리 칠러(190) 측으로 유입되어 배터리 냉각수 순환라인(BL)을 따라 이동하는 냉각수와 열교환된 후 압축기(110)로 공급되도록 제어될 수 있다.
이 경우, 내부열교환기(140)에서 나와 배터리 칠러(190) 측으로 이동하는 냉매는 제2팽창밸브(191)로 유입되지 않고 바이패스라인(183)을 통해 배터리 칠러(190) 측으로 곧바로 유입되어 냉매의 온도 저하가 발생하지 않기 때문에 배터리 칠러(190)에서 냉매와 냉각수과 열교환이 이루어지더라도 냉각수의 온도가 크게 저하되지 않은 상태로 히터코어(103) 측으로 전달될 수 있고, 이에 따라 냉각수 전기히터(104)를 통해 냉각수를 과도하게 과열할 필요가 없다.
이와 같이, 히트펌프 시스템(100)이 배터리 예열 모드로 운용될 경우에 실내 난방 냉각수 순환라인(CL)에 설치되어 있는 발열량 조절이 가능한 냉각수 전기히터(104)를 통해 냉각수를 가열하고, 가열된 고온의 냉각수를 냉각수라인 4방밸브(108)를 통해 배터리 냉각수 순환라인(BL)으로 전달하여 배터리(194)를 예열시킴으로써 기존 방식처럼 배터리 냉각수 순환라인 상에 별도의 배터리 히터를 설치하지 않고서도 배터리 예열을 원활하게 수행하는 것이 가능해질 수 있다. 따라서, 겨울철 배터리의 예열을 위한 배터리 전력 사용량도 그만큼 절감시킬 수 있기 때문에 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
100: 히트펌프 시스템 101: HVAC 모듈
102: 블로워 팬(Blower fan) 103: 히터코어
104: 냉각수 전기히터 105,165,193: 펌프
108 : 냉각수라인 4방밸브 110: 압축기
120 : 냉매라인 4방밸브 130: 외부열교환기
140: 내부열교환기 150: 어큐뮬레이터
161: 전장품 칠러 162: 전장품 냉각수 유로
163: 전장품 라디에이터 168: 냉각팬
170: 제1팽창밸브 180: 중간열교환기
183 : 바이패스라인 184 : 바이패스밸브
190: 배터리 칠러 191: 제2팽창밸브
192: 체크밸브

Claims (10)

  1. 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 제어하여 자동차 실내의 냉,난방을 수행하는 자동차용 히트펌프 시스템에 있어서,
    자동차의 실내 난방을 위한 실내 난방 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 가열해 주는 냉각수 전기히터와;
    상기 압축기와 외부열교환기와 내부열교환기가 구비된 냉매순환라인 내부를 순환하는 냉매와 배터리 냉각수 순환라인 내부를 순환하는 냉각수를 열교환시켜 배터리를 냉각하는 배터리 칠러와;
    상기 배터리 칠러의 상류측에 위치한 냉매라인 상에 설치되는 팽창밸브와;
    상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 상기 배터리 냉각수 순환라인 사이에 설치되며, 공조모드에 따라 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 상기 배터리 냉각수 순환라인 사이를 선택적으로 연결하는 냉각수라인 4방밸브와;
    상기 냉각수 전기히터와 상기 냉각수라인 4방밸브를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 냉매순환라인은,
    상기 팽창밸브의 냉매라인에서 분기되어 상기 배터리 칠러의 입구 측에 연결 설치되는 바이패스라인과;
    상기 제어부에 의해 개폐(Open/Close)가 제어되며, 상기 바이패스라인 측으로의 냉매 이동을 선택적으로 허용하는 바이패스밸브;를 포함하며,
    상기 바이패스라인에는 냉매의 역류를 방지할 수 있는 체크밸브가 설치되고,
    상기 제어부를 통해 제어되며, 상기 압축기로부터 토출되는 냉매를 상기 외부열교환기로 전달하거나 상기 내부열교환기로 전달하는 냉매라인 4방밸브를 포함하며,
    상기 외부열교환기와 상기 내부열교환기 사이를 연결하는 상기 냉매순환라인 상에는 상기 외부열교환기로부터 배출되는 냉매가 분기되거나 합류되는 제1분기점이 마련되고,
    상기 냉매라인 4방밸브의 제3포트와 상기 압축기 사이를 연결하는 상기 냉매순환라인 상에는 상기 냉매라인 4방밸브를 거쳐 나온 냉매와 상기 배터리 칠러를 거쳐 나온 냉매가 서로 합류되는 제2분기점이 마련되고,
    상기 제1분기점과 상기 제2분기점을 연결하는 냉매라인 상에 상기 배터리 칠러가 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공조모드가 배터리 예열 모드로 운용될 경우, 상기 제어부는 상기 냉각수라인 4방밸브의 유로를 제어하여 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인이 서로 연결되도록 함으로써, 상기 냉각수 전기히터를 통해 가열된 고온의 냉각수를 상기 냉각수라인 4방밸브를 통해 배터리 냉각수 순환라인 측으로 전달하여 배터리 예열을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 공조모드가 실내 냉방 모드로 운용될 경우,
    상기 냉각수라인 4방밸브를 통해 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이의 연결이 차단되며,
    상기 바이패스밸브는 폐쇄(Close)되고 상기 팽창밸브는 개방(Open)되어,
    상기 외부열교환기에서 나온 냉매가 상기 팽창밸브를 통해 배터리 칠러 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공조모드가 실내 난방 모드로 운용될 경우,
    상기 냉각수라인 4방밸브를 통해 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이의 연결이 차단되며,
    상기 바이패스밸브는 개방(Open)되고 상기 팽창밸브는 폐쇄(Close)되어,
    상기 내부열교환기에서 나온 냉매가 상기 바이패스라인을 통해 배터리 칠러 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공조모드가 실내 냉방 및 배터리 냉각 모드로 운용될 경우,
    상기 냉각수라인 4방밸브를 통해 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인 사이의 연결이 차단되며,
    상기 바이패스밸브는 폐쇄(Close)되고 상기 팽창밸브는 개방(Open)되어,
    상기 외부열교환기에서 나온 냉매가 상기 팽창밸브를 통해 배터리 칠러 측으로 유입되어 상기 배터리 냉각수 순환라인을 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 배터리의 냉각이 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 공조모드가 실내 난방 및 배터리 예열 모드로 운용될 경우,
    상기 바이패스밸브는 개방(Open)되고 상기 팽창밸브는 폐쇄(Close)되어, 상기 내부열교환기에서 나온 냉매가 상기 바이패스라인을 통해 배터리 칠러 측으로 유입되고,
    상기 냉각수라인 4방밸브를 통해 상기 실내 난방 냉각수 순환라인과 배터리 냉각수 순환라인이 서로 연결되어, 상기 냉각수 전기히터를 통해 가열된 고온의 냉각수가 상기 배터리 냉각수 순환라인 측으로 전달되어 배터리 예열이 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 실내 난방 냉각수 순환라인 상에는 상기 냉각수 전기히터에 의해 가열된 냉각수가 유입되는 히터코어가 설치되되, 상기 히터코어는 HVAC 모듈 내부에서 내부열교환기의 상부측에 장착되어, 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기와의 열교환을 통해 실내 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 냉매순환라인을 따라 이동하는 냉매와 자체 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 자동차에 탑재된 각종 전장부품에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출시키는 전장품 냉각수 순환라인;을 포함하며,
    상기 전장품 냉각수 순환라인에는,
    상기 외부열교환기와 냉매라인 4방밸브 사이에 장착되어 상기 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 따라 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 전장품 칠러와;
    상기 외부열교환기와 인접하게 장착되어 상기 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수의 열을 방출시키는 전장품 라디에이터와;
    상기 전장품 냉각수 유로와 전장품 냉각수 바이패스 유로의 교차 지점에 설치되는 3방밸브와;
    상기 전장품 라디에이터로 공기를 송풍하여 방열을 촉진시키는 냉각팬;이 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프 시스템.
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