KR102612458B1 - 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매가 유입되는 유입구와 유입된 냉매가 이동할 수 있도록 상기 유입구와 연결되는 제1 라인 및 제2 라인을 구비하고, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인의 연결부에 배치되어 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 제1 팽창수단, 상기 제1 라인과 연결되어 유입되는 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 기액분리기, 상기 기액분리기에서 분리되는 액상의 냉매가 이동하는 이동통로와 연결되어 유입되는 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단, 상기 제2 라인 및 상기 제2 팽창수단과 연결되는 제1 유출구를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈을 제공한다.

Description

베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템{Vapor injection module and heat pump system using the same}
실시예는 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 공조모드에 따라 냉매의 팽창, 바이패스 및 기액분리가 가능한 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
환경 친화적인 산업 발전 및 화석원료를 대체하는 에너지원의 개발 기조아래, 근래 자동차 산업에서 가장 주목받는 분야는 전기자동차와 하이브리드 자동차가 있다. 이들 전기자동차와 하이브리드 자동차에는 배터리가 장착되어 구동력을 제공하는데, 주행 운전뿐만 아니라 냉난방 시에도 배터리를 이용한다.
배터리를 이용하여 구동력을 제공하는 차량에서, 냉난방 시 배터리가 열원으로 사용된다는 것은 그만큼 주행거리가 감소된다는 것을 의미하는데, 위 문제를 극복하기 위하여 종래부터 가정용 냉난방장치로 널리 활용된 히트펌프 시스템을 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.
참고로 히트펌프란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 히트펌프는 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조케이스에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
그런데 히트펌프 시스템을 이용할 경우 차량의 난방운전 시 외기 온도가 너무 낮은 상태이면 난방능력이 현저하게 떨어지는 현상이 발생한다. 이는, 흡열 열원의 부족에 의한 것으로서, 압축기에 전달되는 기체 상태의 냉매가 부족하게 되고, 이는 결국 난방 효율을 저하시키는 원인이 된다.
각국의 자동차 제조업체에서 이 문제를 해결하기 위해 여러 연구들이 이어지고 있으며, 그 일례로 PTC 히터를 이용하여 난방성능을 보충하거나, 전장품의 폐열을 이용하여 난방성능을 보충하는 방법을 사용하곤 하였다.
그러나 종래의 방법에 의하여도 히트펌프 제상 운전 시 난방성능 강하 문제를 해결하기에는 효과적이지 않았으며, 난방성능 보충을 위해 배터리를 일방적으로 소모하는 방법을 주로 사용하였는바, 배터리의 운전성능이 현저히 떨어지는 문제가 있었다.
실시예는 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율을 향상시킬 수 있는 베이퍼 인젝션 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기(LGS)를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율이 우수한 베이퍼 인젝션 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 냉매가 유입되는 유입구와 유입된 냉매가 이동할 수 있도록 상기 유입구와 연결되는 제1 라인 및 제2 라인을 구비하고, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인의 연결부에 배치되어 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 제1 팽창수단; 상기 제1 라인과 연결되어 유입되는 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기에서 분리되는 액상의 냉매가 이동하는 이동통로와 연결되어 유입되는 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단; 상기 제2 라인 및 상기 제2 팽창수단과 연결되는 제1 유출구;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단은 상기 유입구, 제1 라인 및 제2 라인이 연결되는 중심에 배치되어 회전하는 하나의 볼밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 볼밸브는 상기 유입구과 연결되는 유입홀, 상기 유입홀과 연결되고, 회전에 따라 상기 제1 라인 또는 제2 라인과 연결되는 유출홀 및 상기 유출홀의 단부에 연결되는 팽창홈을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창홈은 상기 볼밸브의 회전 방향으로 상기 유출홀의 일측에 형성되어 유입되는 냉매를 팽창시켜 토출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창홈은 상기 볼밸브의 회전 방향으로 상기 유출홀의 양측에 각각 형성되어 유입되는 냉매를 팽창시켜 토출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기액분리기는 냉매가 유동하는 내부공간을 구비하는 하우징, 상기 하우징의 상부에 배치되어 기상 냉매를 배출하며, 액상 냉매의 유입을 방지하기 위해 파이프 형태로 형성된 유출통로, 및 상기 하우징의 하부에 배치되어 액상 냉매를 배출하는 이동통로를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하우징에 연결되는 상기 제1 라인은 냉매가 상기 하우징의 측벽을 향하여 토출되도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하우징의 내벽은 경사를 가지는 원통 구조를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이동통로의 단부에는 냉매의 비산을 방지하는 격벽부가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 격벽부는 상기 유출통로의 직경보다 큰게 마련되어 비산되는 냉매가 상기 유출통로로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 팽창수단은 상기 이동통로를 통해 유입되는 냉매를 팽창시키는 오리피스 및 냉매의 이동 여부를 결정하는 체크밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 체크밸브는 상기 이동통로와 상기 제2 라인을 이동하는 냉매의 압력차에 의해 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이동통로가 배치되는 제1 바디부와 상기 오리피스가 배치되는 제2 바디부 사이에는 단열부재가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 볼밸브는 360도의 각도의 회전각 범위를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 볼밸브는 180도의 각도의 회전각 범위를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 볼밸브의 상기 팽창홈은 냉매가 팽창되기 위해, 상기 제1 라인 또는 상기 제2 라인과 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 볼밸브는 상기 팽창홈과 상기 제1 라인 또는 상기 제2 라인의 중첩 영역을 조절하여 냉매의 팽창량을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 난방시, 압축된 상기 냉매를 응축하는 응축기; 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기에 전달하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기에 전달하는 제1 팽창수단; 상기 제1 팽창수단에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이 중 기상 냉매를 상기 압축기로 배출하고 액상 냉매를 하기 제2 팽창수단으로 배출하는 기액분리기; 상기 기액분리기에서 토출된 액상 냉매를 팽창시켜 하기 실외열교환기로 전달하는 제2 팽창수단; 상기 제1 또는 제2 팽창수단(131, 135)에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기; 상기 공조모드에 따라 실외열교환기에서 전달된 냉매의 이동방향 및 팽창 여부를 제어하는 제3 팽창수단; 및 상기 제3 팽창수단에서 전달된 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 냉방모드인 경우, 압축된 상기 냉매를 통과시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 non-vapor injection 난방모드인 경우, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 vapor injection 난방모드인 경우, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 기액분리기(133)에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 팽창수단과 병렬로 연결되는 제4 팽창수단; 및 상기 제4 팽창수단에 연결되고 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 응축기에서 냉매와 열교환한 냉각수를 공조풍과 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 응축기와 상기 실내열교환기 사이에는 냉각수 히터가 배치될 수 있다.
바람직하게는, 냉매가 순환되는 냉매 순환라인과, 냉각수가 순환되는 냉각수 순환라인 및 상기 증발기 및 상기 실내열교환기를 수용하여 공조풍과 열교환시키는 공조케이스를 포함하고, 상기 증발기는 냉매 순환라인 상에 배치되며, 상기 실내열교환기는 냉각수 순환라인 상에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각수 순환라인은 냉각수를 순환하여 실내를 난방하는 난방라인과 냉각수를 순환시켜 배터리 및 전장부품을 냉각하는 냉각라인을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각라인은 상기 냉각라인의 일측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제1 연결라인 및 상기 냉각라인의 타측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제2 연결라인을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 연결라인, 제2 연결라인 및 난방라인은 제1 방향전환밸브에 연결되며, 상기 제1 방향전환밸브에 의해 냉각라인과 난방라인이 서로 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각라인은, 상기 배터리와 병렬로 연결되며 칠러를 통과하는 제3 연결라인을 포함하고, 상기 제3 연결라인은 제3 방향전환밸브에 의해 냉각라인에 연결되어, 상기 제3 방향전환밸브에 의해 제3 연결라인에 냉각수가 흐르거나 흐름이 차단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 팽창수단은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창수단 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율을 증대할 수 있다.
특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율을 증대할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 베이퍼 인젝션 모듈의 내부를 나타내는 도도면이고,
도 2는 도 1의 사시도이고,
도 3은 도 1에서 냉매가 기액분리기로 유입되는 상태를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 1의 구성요소인 볼밸브의 제1 실시예를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 1의 구성요소인 볼밸브의 제2 실시예를 나타내는 도면이고,
도 6은 도 3에서 유출홀이 냉매를 바이패스 시키는 배치구조를 나타내는 도면이고,
도 7은 도 3에서 팽창홀이 냉매를 팽창시키는 배치구조를 나타내는 도면이고,
도 8은 도 4 및 도 5에 나타나는 팽창홈의 동작을 비교하기 위한 도면이고,
도 9 내지 도 12는 공조모드에 따른 볼밸브의 배치위치 및 동작을 나타내는 도면이고,
도 13은 도 1에서 냉방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고,
도 14는 도 1에서 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고,
도 15는 도 1에서 인젝션 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈을 이용하는 히트펌프 시스템에서 냉매순환 라인의 제1 실시예이고,
도 17은 도 16의 구성요소인 가스인젝션 모듈의 제1 실시예이고,
도 18은 도 16의 구성요소인 가스인젝션 모듈의 제2 실시예이고,
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템의 구조도이고,
도 20은 도 19에서 최대냉방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 21은 도 19에서 마일드 냉방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 22는 도 19에서 non-vapor injection 난방모드의 시스템이 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 23은 도 19에서 injection 난방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 24는 도 19에서 제습난방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 15는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 베이퍼 인젝션 모듈의 내부를 나타내는 도도면이고, 도 2는 도 1의 사시도이고, 도 3은 도 1에서 냉매가 기액분리기로 유입되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 구성요소인 볼밸브의 제1 실시예를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 1의 구성요소인 볼밸브의 제2 실시예를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 3에서 유출홀이 냉매를 바이패스 시키는 배치구조를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 3에서 팽창홀이 냉매를 팽창시키는 배치구조를 나타내는 도면이고, 도 8은 도 4 및 도 5에 나타나는 팽창홈의 동작을 비교하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 12는 공조모드에 따른 볼밸브의 배치위치 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈은 제1 팽창수단(131), 엑추에이터(1370), 기액분리기(133), 제2 팽창수단(135) 및 제1 유출구(131b-1)를 포함할 수 있다.
제1 팽창수단(131)은 유입되는 냉매가 이동할 수 있도록 유입구(1311)와 연결되는 제1 라인(131a) 및 제2 라인(131b)을 구비하고, 제1 라인(131a)과 제2 라인(131b)의 연결부에 배치되어 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 볼밸브(1313)를 구비할 수 있다.
유입구(1311)는 압축기(110)를 통과한 냉매가 유입되는 통로로 볼밸브(1313)를 향해 냉매가 이동할 수 있다.
제1 라인(131a)과 제2 라인(131b)은 유입구(1311)를 통해 유입되는 냉매가 분기되는 통로로 제1 라인(131a)은 기액분리기(133)와 연결되며, 제2 라인(131b)은 공조모드에 따라 냉매가 기액분리기(133)를 통과하지 않고 제2 팽창수단(135)으로 직접 이동하도록 연결될 수 있다.
일실시예로, 제1 라인(131a)과 제2 라인(131b)은 동일선상에 배치될 수 있으며, 유입구(1311)는 제1 라인(131a) 및 제2 라인(131b)과 90도의 각도를 가지도록 연결될 수 있다.
제1 라인(131a)은 기액분리기(133) 내부로 냉매를 토출하게 되며, 이때 제1 라인(131a)은 기액분리기(133)의 내부공간의 측벽을 향하도록 편향하여 배치되며, 토출되는 냉매는 회전하면서 중력에 의해 아래측으로 이동할 수 있다.
볼밸브(1313)는 제1 팽창수단(131) 내부에 배치되며, 제1 라인(131a)과 제2 라인(131b) 및 유입구(1311)가 연결되는 영역에 배치되어 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어할 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 8을 참조하면, 볼밸브(1313)는 구형상으로 마련되는 볼밸브본체(1313a)를 포함하며, 볼밸브본체(1313a)는 유입홀(1313b), 유입홀(1313b)과 연결되는 유출홀(1313c), 유출홀(1313c)의 단부에 연결되는 팽창홈(1313d)을 포함할 수 있다.
유입홀(1313b)과 유출홀(1313c)은 90도의 각도를 가지도록 연결되며, 유입홀(1313b)은 항상 유입구(1311)를 향하도록 배치되며, 유출홀(1313c)은 엑추에이터(1370)의 동작에 따라 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)을 향하도록 배치될 수 있다.
볼밸브(1313)는 유입홀(1313b)의 중심축을 기준으로 회전하여 유출홀(1313c)의 배치위치가 조정될 수 있다.
유출홀(1313c)의 단부에는 적어도 하나의 팽창홈(1313d)이 형성될 수 있다. 일실시예로, 팽창홈(1313d)은 세장형으로 구비되어 이동하는 냉매의 압력변화를 이용하여 냉매가 팽창할 수 있다.
볼밸브(1313)는 냉매를 이동시키거나 팽창하도록 동작한다. 볼밸브(1313)는 회전을 통해 유출홀(1313c)과 팽창홈(1313d)의 위치를 변경시켜 냉매를 이동시키거나 팽창하도록 동작할 수 있다.
도 4 및 도 8의 (a)에 나타나는 볼밸브(1313)는 유출홀(1313c)의 양측에 서로 마주보도록 팽창홈(1313d)이 배치될 수 있다. 팽창홈(1313d)은 볼밸브(1313)의 회전방향으로 배치되어 이동하는 냉매를 팽창할 수 있다.
이때 양측으로 배치되는 팽창홈(1313d)을 구비하는 볼밸브(1313)는 제1 라인(131a)과 제2 라인(131b)의 냉매의 팽창여부를 결정하기 위해 180도의 회전반경을 구비할 수 있다.
팽창홈(1313d)이 양측에 배치되는 경우 유출홀(1313c)이 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)에 배치되기 위해 180도의 회전각을 가질 수 있으며, 팽창홈(1313d)을 통한 팽창은 이보다 작은 각에서 이뤄지게 된다. 이를 통해 팽창홈(1313d)의 길이가 팽창홈(1313d, 도 8의 (b) 참조)이 일측에 형성되는 경우보다 가 짧아지게 되나, 볼밸브(1313)의 회전반경이 작아져 동작응답성이 향상될 수 있다.
도 5 및 도 8의 (b)에 나타나는 볼밸브(1313)는 유출홀(1313d)이 회전방향을 따라 일측에 배치될 수 있다. 이 경우 볼밸브(1313)는 360도의 회전반경을 구비할 수 있으며, 팽창홈(1313d)이 유출홀(1313c)에 양측에 배치되는 경우에 비해 길이가 길어져 이동유량을 증대할 수 있다. 이를 통해 냉매시스템의 제어성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.
도 4 및 도 5에 나타나는 볼밸브는 제어적 특성에 따라 취사 선택될 수 있다. 볼밸브(1313)의 동작에 대해서는 후술하도록 한다.
도 6을 참조하면, 냉매가 바이패스 되기 위해서 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)은 제1 팽창수단(131)의 유입구(1311)와 일치하도록 배치되며, 회전을 통해 유출홀(1313c)이 제1 라인(131a)의 입구 또는 제2 라인(131b)의 입구로 이동하게 된다. 볼밸브(1313)는 냉매를 바이패스시키기 위해 유출홀(1313c)과 제1 라인(131a)의 입구를 일치시켜 냉매가 유출홀(1313c)을 지나 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)으로 이동할 수 있다.
도 7을 참조하면, 냉매가 팽창되기 위해서 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)은 제1 팽창수단(131)의 유입구(1311)와 일치하도록 배치되며, 유출홀(1313c)은 제1 라인(131a)의 입구 또는 제2 라인(131b)의 입구와 어긋나도록 배치된다. 제1 팽창수단(131)의 유입구(1311)를 통해 유입되는 냉매는 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)을 지나 유출홀(1313c)로 이동한다. 이때, 볼밸브(1313)의 유출홀(1313c)이 막혀있어 냉매가 팽창홈로 이동하여 팽창하게 되며, 팽창된 냉매는 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)으로 이동할 수 있다.
도 5와 도 6에 나타나는 팽창홈(1313d)은 냉매가 팽창되기 위해 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)과 중첩되도록 배치되어 이동하는 냉매가 팽창할 수 있다. 이때, 중첩된다는 의미는 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)의 출구측에서 바라보는 경우 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)이 팽창홈(1313d)과 연통되는 것을 의미한다.
또한, 팽창홈(1313d)과 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)이 중첩되는 영역을 조절하여 냉매의 팽창량을 제어할 수도 있다.
엑추에이터(1370)는 볼밸브(1313)를 구동할 수 있다. 엑추에이터(1370)는 볼밸브(1313)를 회전시켜, 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 결정할 수 있다. 냉매의 이동방향 및 팽창여부는 공조모드에 따라 결정될 수 있다.
일실시예로, 엑추에이터(1370)는 전기 엑추에이터 또는 전기 작동 부재가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 볼밸브(1313)를 회전시키기 위한 다양한 장치 구조가 사용될 수 있다.
기액분리기(133)는 하우징(1331), 제2 유출구(1333), 이동통로(1335)를 포함하며, 제1 라인(131a)과 연결되어 유입되는 냉매를 기체와 액체로 분리할 수 있다.
하우징(1331)은 냉매가 유동하는 내부공간을 제공한다. 하우징(1331)은 원통구조로 마련되며, 내벽이 경사를 가질 수 있다. 이러한 경사는 하부로 갈수록 반경이 줄어 유속 보정의 효과를 구비할 수 있다.
하우징(1331)의 상부에는 제2 유출구(1333)가 배치되며, 하우징(1331)의 하부에는 이동통로(1335)가 배치될 수 있다.
제2 유출구(1333)에는 유출통로(1332)가 연결되며, 유출통로(1332)를 통해 기화된 냉매가 제2 유출구(1333)로 이동할 수 있다.
하우징(1331)의 상부 일측에는 제1 라인(131a)과 연결되며, 제1 라인(131a)은 냉매가 하우징(1331)의 측벽을 향하여 토출되도록 배치되어 회류를 형성할 수 있다. 이때, 제1 라인(131a)에서 토출되는 냉매는 유출통로(1332)의 측벽을 선회하면서 하강된다.
이동통로(1335)는 하우징(1331)에서 액화된 냉매가 이동할 수 있다. 이동통로(1335)의 일 영역에는 격벽부(1334)가 배치될 수 있다.
격벽부(1334)는 이동통로(1335)의 중심부에 배치되며, 이동통로(1335)를 이동하는 냉매가 비산되어 유출통로(1332)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 일실시에로, 격벽부(1334)는 원판의 구조를 구비할 수 있으며, 유출통로(1332)의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 격벽부(1334)의 형상은 제한이 없으나, 유출통로(1332)의 단면보다 크게 마련되는 것이 바람직하며, 유출통로(1332)의 단면형상에 따라 다양하게 변형실시될 수 있다.
또한, 격벽부(1334)에는 고정부(1334a)가 형성되어 하우징(1331)에 고정될 수 있다. 고정부(1334a)는 유출통로(1332)의 하부에 배치되어 하우징(1331)의 일영역에 삽입되는 방식으로 고정될 수 있다.
제2 팽창수단(135)은 기액분리기(133)에서 분리되는 액상의 냉매가 이동하는 이동통로(1335)와 연결되어 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
제2 팽창수단(135)은 이동통로(1335)를 통해 냉매가 유입되는 방향으로 오리피스(1351)와 체크밸브(1353)가 순차적으로 배치될 수 있다. 이때, 오리피스(1351)와 체크밸브(1353)는 일체로 형성될 수 있다.
제2 팽창수단(135)을 구성하는 몸체(1350)의 일측에는 오리피스(1351)가 구비되며, 오리피스(1351)의 후단에는 체크밸브(1353)가 배치될 수 있다. 체크밸브(1353)는 탄성체가 연결되어 압력에 의해 오리피스(1351)가 개폐되는 구조를 구비할 수 있다.
일실시예로, 냉매가 제2 라인(131b)으로 유입되는 경우, 오리피스(1351) 측의 압력이 낮아 체크밸브(1353)가 개방되지 않으며, 냉매가 제1 라인(131a)으로 유입되어 이동통로(1335)를 통해 이동하는 경우 오리피스(1351)측의 압력이 높아 체크밸브(1353)가 개방되어 제1 유출구(131b-1)를 통해 냉매가 이동할 수 있다.
제1 유출구(131b-1)는 제2 라인(131b)과 제2 팽창수단(135)과 연결되어 냉매가 이동하는 통로를 제공한다. 이때, 제1 유출구(131b-1)와 유입구(1311)는 동일한 방향으로 형성되어 배관이 연결되는 경우 공간적 손실을 최소화할 수 있다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 팽창홈(1313d)이 하나가 배치되는 볼밸브(1313)에서 볼밸브(1313)는 360도의 각도범위에서 회전을 하게 되며, 공조모드에 따라 회전각이 달라지게 된다. 여기서 볼밸브의 중심을 회전중심(O)으로 판단하며, 제2 라인(131b)의 중심선을 0도로 보고 내용을 설명하도록 한다.
도 9는 공조모드가 에어컨 모드인 경우 볼밸브의 배치위치를 나타낸다. 볼밸브(1313)의 유출홀(1313c)은 제2 라인(131b)과 0도의 각도를 가지도록 배치된다.
도 10은 공조모드가 non-vapor injection 난방모드인 경우, 유출홀(1313c)은 제2 라인(131b)과 시계방향으로 90도의 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 이 경우 팽창홈(1313d)의 일영역이 제2 라인(131b)과 연통되도록 배치되어 유출홀(1313c)을 통과한 냉매가 팽창하여 제2 라인(131b)으로 이동할 수 있다.
도 11은 냉매를 바이패스하는 구조로 유출홀(1313c)과 제2 라인(131b)이 시계방향으로 180도의 각도를 가지도록 배치될 수 있다.
도 12는 공조모드가 vapor injection 난방모드인 경우, 유출홀(1313c)은 상기 제2 라인(131b)과 270도의 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 팽창홈(1313d)의 일영역이 제1 라인(131a)과 연통되도록 배치되어 유출홀(13113c)을 통과한 냉매가 팽창하여 제1 라인(131a)으로 이동할 수 있다. 이때, 팽창홈(1313d)은 제1 라인(131a)의 우측에 배치될 수 있다.
이와 같이 도 9 내지 도 12를 참조하면, 볼밸브(1313)는 공조모드에 따라 90도의 각도로 회전할 수 있다.
그러나, 도 9 내지 도 12는 팽창홈(1313d)의 일실시예를 나타내는 것이며 볼밸브(1313)의 회전각도는 팽창홈(1313d)의 길이에 따라 다양하게 변형실시될 수 있다.
또한, 도 2에 나타나는 것과 같이 이동통로(1335)가 배치되는 제1 바디부(1335a)와 오리피스(1351)가 배치되는 제2 바디부(1350a) 사이에는 단열부재(1360)가 배치될 수 있다. 이는 냉매가 오리피스(1351)를 통과하여 2차 팽창시 오리피스(1351) 전단과 후단에서 발생하는 온도차이에 의한 열교환이 오리피스 감압특성에 영향을 미치는 것을 방지하기 위함이다. 일실시예로, 단열부재(1360)는 고무 또는 플라스틱이 사용될 수 있다. 다만, 단열부재(1360)의 재질은 이에 한정되지 않으며 단열을 위한 다양한 재질로 변형실시될 수 있다.
도 13은 도 1에서 냉방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 냉방모드시 냉매는 유입구(1311)를 통해 유입되며, 유입되는 냉매는 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)을 통해 이동한다. 이때, 볼밸브(1313)는 엑추에이터(1370)를 통해 회전하여 유출홀(1313c)이 제2 라인(131b)을 향하도록 배치되며, 냉매는 유출홀(1313c)을 통해 제2 라인(131b)으로 이동 후, 제1 유출구(131b-1)를 통해 유출된다.
도 14는 도 1에서 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 난방모드시 냉매는 유입구(1311)를 통해 유입되며, 유입되는 냉매는 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)을 통해 이동한다. 이때, 볼밸브(1313)는 엑추에이터(1370)를 통해 회전하여 팽창홈(1313d)이 제2 라인(131b)을 향하도록 배치되며, 냉매는 유출홀(1313c)과 팽창홈(1313d)을 지나며 팽창되어 제2 라인(131b)으로 이동 후, 제1 유출구(131b-1)를 통해 유출된다.
도 15는 도 1에서 인젝션 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 인젝션 난방모드시 냉매는 유입구(1311)를 통해 유입되며, 유입되는 냉매는 볼밸브(1313)의 유입홀(1313b)을 통해 이동한다. 이때, 볼밸브(1313)는 엑추에이터(1370)를 통해 회전하여 팽창홈(1313d)이 제1 라인(131a)을 향하도록 배치되며, 냉매는 유출홀(1313c)과 팽창홈(1313d)을 지나며 제1 차 팽창되어 제1 라인(131a)으로 이동한다.
제1 라인(131a)으로 이동하는 냉매는 기액분리기(133)의 하우징(1331)의 측벽을 향하도록 토출되며, 토출된 냉매는 회전을 하면서 아래로 하강하게 된다.
기액분리기(133)에서 분리된 기상의 냉매는 제2 유출통로(1332)를 따라 상승하여 제2 유출구(1333)로 이동한다.
또한, 액상의 냉매는 이동통로(1335)를 통해 이동하게 된다. 이때, 격벽부(1334)를 통해 냉매가 비산시 유출통로(1332)로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
이동통로(1335)를 통해 이동하는 냉매는 제2 팽창수단(135)의 오리피스(1351)에서 2차 팽창이 일어나며, 체크밸브(1353)는 압력에 의해 개방되어 냉매가 제1 유출구(131b-1)로 이동하게 된다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈을 이용하는 히트펌프 시스템을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 16 내지 도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템을 설명한다. 도 10 내지 도 18의 설명에 있어서, 도 1 내지 도 9와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈을 이용하는 히트펌프 시스템에서 냉매순환 라인의 제1 실시예이고, 도 17은 도 16의 구성요소인 가스인젝션 모듈의 제1 실시예이고, 도 18은 도 16의 구성요소인 가스인젝션 모듈의 제2 실시예이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템에서 냉매순환 라인은 압축기(110), 응축기(120), 베이퍼 인젝션 모듈(130), 실외열교환기(140), 제3 팽창수단(151), 증발기(150), 어큐뮬레이터(180) 및 실내열교환기(213)를 포함할 수 있다.
압축기(110)는 엔진(내연기관) 또는 모터 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 응축기(120) 측에 배출하게 된다.
응축기(120)는 냉방모드 및 난방모드 시 모두 응축기(120) 역할을 하게된다. 응축기(120)는 압축된 냉매를 응축할 수 있다. 응축기(120)에 흐르는 냉매는 후술할 냉각수 순환라인(200) 상의 냉각수와 서로 열교환된 후 베이퍼 인젝션 모듈(130)로 공급된다. 이와 같이 응축기(120)의 냉매에 의해 가열된 냉각수는 냉각수 순환라인(200)을 통해 실내열교환기(213)로 공급될 수 있다. 일실시예로, 응축기(120)는 수냉식 응축기(120)가 사용될 수 있다.
응축기(120)는 증발기(150)와 함께 공조케이스(190) 내부에서 차량의 실내의 냉난방을 수행할 수 있다.
베이퍼 인젝션 모듈(130)(Vapor injection module)은 응축기(120)를 통과한 냉매를 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 결정할 수 있다. 이와 같은 베이퍼 인젝션 모듈(130)에 대해서는 후술한다.
실외열교환기(140)는 라디에이터(231)와 함께 공냉식 열교환기로 차량 엔진룸의 전방측에 설치되며, 송풍팬으로부터 송풍되는 공기의 유동방향으로 일직선상에 배치된다. 또한 실외열교환기(140)는 라디에이터(231)에서 배출되는 저온의 냉각수와 열교환될 수 있다.
또한 상기 실외열교환기(140)는 냉방모드 시, 수냉식 응축기(120)와 동일한 응축기(120) 역할을 하게 되고, 난방모드 시에는 수냉식 응축기(120)와 상반되는 증발기(150) 역할을 하게 된다.
제3 팽창수단(151)은 증발기(150)의 입구측에 배치되어 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.
증발기(150)는 공조케이스(190)의 내부에 설치되고, 냉매 순환라인(100)에 배치되어 제3 팽창수단(151)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되고, 블로어를 통해 공조케이스(190)의 내부를 유동하는 공기가 증발기(150)를 통과하는 과정에서 증발기(150) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다. 즉 증발기(150)는 냉매 순환라인(100) 상에서 증발기(150) 역할을 한다.
어큐뮬레이터(180)는 압축기(110)의 입구 측 냉매 순환라인(100)상에 설치되어 증발기(150) 및/또는 칠러(160)를 경유한 냉매가 합류되며, 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(110)로 공급하며, 잉여 냉매를 저장할 수 있다. 어큐뮬레이터(180)의 기상 냉매 출구에는 압축기의 흡입포트가 연결되어 있으며, 이를 통해 압축기(110)에 액상의 냉매가 흡입되는 것을 방지할 수 있다.
제4 팽창수단(161)은 제3 팽창수단(151)과 병렬로 연결되며, 순환되는 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.
칠러(160)는 제4 팽창수단(161)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되어 제2 방향전환밸브(232)에서 배출되는 냉각수와 열교환된다. 한편, 칠러(160)에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환라인(200)을 순환하여 고온의 배터리(235)와 열교환될 수 있다. 즉 상기 배터리(235)는 냉매와 열교환되는 것이 아니라 냉각수와 열교환된다.
베이퍼 인젝션 모듈(130)은 제1 팽창수단(131), 기액분리기(133) 및 제2 팽창수단(135)을 구비할 수 있다.
제1 팽창수단(131)은 응축기(120)로부터 유입되는 냉매의 이동방향을 결정할 수 있다. 제1 팽창수단(131)은 제어부에서 출력되는 출력 전압을 통해 개폐가 제어될 수 있다.
일실시예로, 제1 팽창수단(131)은 3/2-way 팽창수단이 사용될 수 있다. 3/2-way 팽창수단은 유입되는 냉매의 이동방향, 팽창여부 및 유량제어기능을 수행할 수 있다.
3/2-way 팽창수단은 실외열교환기(140)와 연결되는 제1 라인(131a)과 기액분리기(133)와 연결되는 제2 라인(131b)과 연결될 수 있다.
기액분리기(133)는 3/2-way 팽창수단을 통과한 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 분리된 냉매 중 액상의 냉매를 실외열교환기(140)로 이동시키며, 기상의 냉매는 압축기(110)로 재유입할 수 있다.
기액분리기(133)는 냉매가 냉매라인을 순환하여 압축기(110)로 유입되기 전에 배치되는 어큐뮬레이터(180)와 같이 냉매를 기상과 액상으로 구분하는 역할을 수행한다. 다만, 어큐뮬레이터(180)는 압축기(110)에 기상의 냉매를 공급하나, 기액분리기(133)는 분리된 액상냉매가 그대로 흘러가도록 하는 점에서 차이점이 존재한다.
기액분리기(133)를 통해 분리된 액상의 냉매는 제2 라인(131b)상에 배치되는 제2 팽창수단(135)을 통과하게 된다. 이때, 제2 팽창수단(135)은 기액분리기(133)를 통해 분리된 액상의 냉매를 추가적으로 감압시킬 수 있다.
도 16 내지 도 18에서 제2 팽창수단(135)은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창수단 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 나타나는 제1 팽창수단(131), 제2 팽창수단(135), 제3 팽창수단(151) 및 제4 팽창수단(161)은 각 모드에 따라 팽창, 유통 및 차단의 기능을 수행할 수 있다. 다시말하면, 각 팽창수단은 냉매를 팽창하거나, 냉매를 팽창없이 통과시키거나, 냉매를 차단하는 3가지 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템에서 냉매라인의 베이퍼 인젝션 모듈(130)의 동작을 설명한다.
응축기(120)을 통과한 냉매는 제1 팽창수단(131)에서 감압 팽창되어 저압의 냉매가 되며, 제2 라인(131b)을 따라 이동하여 기액분리기(133)로 냉매가 주입된다. 기액분리기(133)로서 주입된 냉매는 기상의 냉매와 액상의 냉매로 분리되며, 기상의 냉매는 압축기(110) 방향으로 인젝션(injection)되고, 액상의 냉매는 제2 팽창수단(135)을 지나 추가적으로 감압팽창되어 실외열교환기(140)로 주입될 수 있다.
이러한 베이퍼 인젝션 모듈(130)을 이용한 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)에 어큐뮬레이터(180)를 통해 유입되는 냉매에 비해 상대적으로 고온의 기상냉매가 재유입되는 것으로 난방성능을 증대할 수 있으며, 외부 열교환기로 액상의 냉매만 흐르게 되어 외부열교환기에서의 증발온도를 상승시켜 열교환 효율을 증대할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템의 구조도이고,
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템은 냉매 순환라인과 냉각수 순환라인을 포함할 수 있다.
도 19에서 사용되는 냉매 순환라인은 도 16 내지 도 18에서 설명된 냉매 순환라인이 적용될 수 있다. 또한, 도 16 내지 도 18에서는 응축기(120)가 공조케이스(190) 내부에서 열교환을 하는 경우로 설명되고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 냉각수를 통한 열교환으로 실내열교환기를 이용하여 열교환을 실시할 수도 있다.
냉각수 순환라인(200)은 실내 난방을 위한 난방라인(210)과, 전장부품(239) 및 배터리(235)의 냉각을 위한 냉방라인(230)을 포함할 수 있다.
난방라인(210)은 수랭식 응축기(120), 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 실내열교환기(213) 및 제1 방향전환밸브(214)를 포함할 수 있다.
수랭식 응축기(120)는 상기한 바와 같이 냉매 및 냉각수가 통과하면서 서로 열교환될 수 있다.
제1 펌프(211)는 난방라인(210)을 따라 냉각수가 순환되도록 냉각수를 압송하는 수단이며, 제1 펌프(211)는 냉각수의 유동 방향으로 수랭식 응축기(120)의 후방에 배치되어 냉각수라인 상에 설치될 수 있다.
냉각수 히터(212)는 냉각수를 가열하는 장치이며, 냉각수의 유동 방향으로 제1 펌프(211)의 후방 및 실내열교환기(213)의 전방에 배치되어 연결될 수 있다. 그리고 냉각수 히터(212)는 냉각수의 온도가 특정한 온도 이하일 경우 가동될 수 있으며, 전력을 이용해 발열할 수 있는 인덕션 히터, 씨즈 히터, 피티씨 히터, 필름 히터 등 다양하게 형성될 수 있다.
실내열교환기(213)는 차량의 공조케이스(190) 내에 배치될 수 있으며, 송풍기에 의해 유동되는 공기가 실내열교환기(213)를 거치며 승온되어 차량의 실내로 공급되어 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다. 그리고 실내열교환기(213)는 냉각수의 유동 방향으로 냉각수 히터(212)의 후방에 배치되어 연결될 수 있다.
제1 방향전환밸브(214)는 실내열교환기(213)와 수랭식 응축기(120)의 사이에 설치될 수 있으며, 난방라인(210)과 이후에 설명할 냉방라인(230)을 선택적으로 연결하거나 연결을 차단하도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게 제1 방향전환밸브(214)는 난방라인(210) 상에 설치되어 2개의 냉각수라인 배관이 제1 방향전환밸브(214)에 연결되고, 냉방라인(230)의 일측에서 분기된 1개의 제1 연결라인(230a)이 제1 방향전환밸브(214)에 연결되며, 냉방라인(230)의 타측에서 분기된 1개의 제2 연결라인(230b)이 제1 방향전환밸브(214)에 연결될 수 있다. 즉, 제1 방향전환밸브(214)에서는 4개의 냉각수 라인이 만나도록 연결되며, 제1 방향전환밸브(214)는 4개의 냉각수 라인들이 서로 연결되거나 차단된 상태를 조절할 수 있는 4방향의 방향전환밸브가 될 수 있다.
냉방라인(230)은 전장용 라디에이터(231), 제2 방향전환밸브(232), 제2 펌프(238), 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제1 냉각수 조인트(233), 제2 냉각수 조인트(237), 제3 펌프(234), 배터리(235), 칠러(160) 및 제3 방향전환밸브(236)를 포함할 수 있다.
전장용 라디에이터(231)는 전장부품(239) 또는 배터리(235)와 열교환된 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(231)이며, 전장용 라디에이터(231)는 냉각팬에 의해 공랭식으로 냉각될 수 있다.
제2 방향전환밸브(232)는 냉방라인(230) 상에 설치되어 2개의 냉각수 배관이 제2 방향전환밸브(232)에 연결되고, 난방라인(210)과 냉방라인(230)이 연결되도록 제1 방향전환밸브(214)와 제2 방향전환밸브(232)가 제1 연결라인(230a)으로 연결될 수 있다. 즉, 제2 방향전환밸브(232)는 3개의 냉각수라인이 만나도록 연결되며, 제2 방향전환밸브(232)는 3개의 냉각수라인들이 서로 연결되거나 차단된 상태를 조절할 수 있는 3방향의 방향전환밸브가 될 수 있다.
제2 펌프(238)는 냉방라인(230)을 따라 냉각수가 순환되도록 냉각수를 압송하는 수단이다. 그리고 제2 펌프(238)는 제1 방향전환밸브(214)와 제2 방향전환밸브(232) 사이의 제1 연결라인(230a) 상에 설치되어, 제2 펌프(238)의 작동에 의해 제2 방향전환밸브(232)에서 제1 방향전환밸브(214)쪽으로 냉각수가 흐를 수 있다.
제1 방향전환밸브(214)는 상기한 난방라인(210)에서 설명한 바와 같다.
전장부품(239)은 제1 방향전환밸브(214)와 제2 냉각수 조인트를 연결하는 제2 연결라인(230b) 상에 배치되어, 냉각수에 의해 전장부품(239)이 냉각될 수 있다. 일실시예로, 전장부품(239)은 구동 모터, 인버터, 충전기(OBC; On Board Charger) 열이 발생하는 다양한 부품이 사용될 수 있다.
제3 펌프(234)는 냉방라인(230)을 따라 냉각수가 순환되도록 냉각수를 압송하는 수단이다. 그리고 제3 펌프(234)는 제1 냉각수 조인트와 배터리(235) 사이의 냉각수라인에 설치되어, 제3 펌프(234)에서 배터리(235)쪽으로 냉각수가 흐를 수 있다.
배터리(235)는 차량의 동력원이며, 차량 내 각종 전장부품(239)의 구동원이 될 수 있다. 또는 배터리(235)는 연료전지와 연결되어 전기를 저장하는 역할을 하거나, 외부에서 공급되는 전기를 저장하는 역할을 할 수 있다. 그리고 배터리(235)는 제3 펌프(234)와 제3 방향전환밸브(236) 사이의 냉각수라인 상에 배치될 수 있다. 그리하여 유동되는 냉각수와 열교환되어 배터리(235)가 냉각되거나 가열될 수 있다.
제1 냉각수 조인트(233)는 냉각수의 유동방향으로 제2 방향전환밸브(232)의 후방의 냉각수라인에 설치되며, 제1 냉각수 조인트(233)는 3개의 냉각수라인이 만나도록 연결된다. 즉, 제1 냉각수 조인트(233)는 냉방라인(230) 상에 양측이 연결되도록 설치되며, 하측에는 제3 연결라인(230c)이 연결될 수 있다. 여기에서 제3 연결라인(230c)은 칠러(160)를 통과하도록 연결될 수 있다.
제2 냉각수 조인트(237)는 제2 연결라인(230b)의 후단이 냉방라인(230)과 만나는 지점에 설치될 수 있으며, 제2 냉각수 조인트(237)에서 3개의 냉각수라인이 만나도록 연결된다. 즉, 제2 냉각수 조인트(237)는 냉방라인(230) 상에 양측이 연결되도록 설치되며, 상측에는 제2 연결라인(230b)이 연결될 수 있다.
칠러(160)는 상기한 난방라인(210)에서 설명한 바와 같다.
제3 방향전환밸브(236)는 배터리(235)와 제2 냉각수 조인트(237) 사이의 냉각수라인 상에 설치되며, 2개의 냉각수 배관이 제3 방향전환밸브(236)에 연결되고, 제3 방향전환밸브(236)의 상측에 제3 연결라인(230c)이 연결되어 배터리(235)와 제3 연결라인(230c)이 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 제3 방향전환밸브(236)는 3개의 냉각수라인들이 서로 연결되거나 차단된 상태를 조절할 수 있는 3방향의 방향전환밸브가 될 수 있다.
그리고 공조케이스(190)는 공기를 송풍시킬 수 있도록 일측에 송풍기(미도시)가 설치될 수 있으며, 공조케이스(190)의 내부에는 온도조절도어(미도시)가 설치될 수 있다. 또한, 공조케이스(190) 내에 배치된 증발기(150) 및 실내열교환기(213)는 온도조절도어(미도시)의 작동에 따라 송풍기(미도시)에서 토출된 공기가 증발기(150)만을 거친 후 실내로 유입되도록 하거나, 증발기(150)와 실내열교환기(213)를 통과하여 실내로 유입될 수 있도록 배치 및 구성될 수 있다. 공조케이스(190)의 구성은 도면 구성에 제한되지 않으며 다양한 구조로 변형실시될 수 있다.
이하, 도 20 내지 도 24를 참조하여, 히트펌프 시스템의 작동 모드에 따른 동작을 설명하도록 한다.
도 20은 도 19에서 최대냉방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다.
이어서 수랭식 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 실외열교환기(140) 측으로 완전히 개방된 상태의 제1 팽창수단(131) 통과하여 실외열교환기(140)로 유입되며, 냉매는 실외열교환기(140)에서 외부 공기와 열교환되어 냉각된다. 즉, 수랭식 응축기(120) 및 실외열교환기(140)는 모두 응축기(120)의 역할을 하여 냉매를 응축시킨다.
응축된 냉매는 이후 제3 팽창수단(151)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 그리고 증발기(150)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다.
또한, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제3 팽창수단(161)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 칠러(160)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(160)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이와 같이 증발기(150)를 통과한 냉매와 칠러(160)를 통과한 냉매가 어큐뮬레이터(180)에서 합류되어 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1 펌프(211), 제2 펌프(238) 및 제3 펌프(234)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수에 의해 수랭식 응축기(120)를 통과하는 냉매로 전장부품(239) 및 배터리(235)가 냉각될 수 있으며, 가열된 냉각수는 전장용 라디에이터(231)에서 냉각팬(미도시)의 작동에 의해 외부 공기와 열교환 되어 냉각될 수 있다. 이때, 제1 방향전환밸브(214) 및 제2 방향전환밸브(232)는 난방라인(210)과 냉방라인(230)을 연결하는 방향으로 조절될 수 있다. 보다 상세하게는 제1 방향전환밸브(214)는 상측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2 방향전환밸브(232)는 좌측과 하측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 우측은 연결이 차단될 수 있다. 또한, 제3 방향전환밸브(236)는 상측과 우측이 서로 연결되어 있고 좌측은 차단되어 있을 수 있다.
그리하여 냉각수는 전장용 라디에이터(231)에서부터 제2 방향전환밸브(232), 제2 펌프(238), 제1방향전환밸브, 수랭식 응축기(120), 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 실내열교환기(213), 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제2냉각수 조인트를 차례대로 거쳐 다시 전장용 라디에이터(231)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 여기에서 제2 방향전환밸브(232)에 의해 제2 방향전환밸브(232)에서부터 제1냉각수 조인트까지에는 냉각수가 흐르지 않으며, 제3 방향전환밸브(236)에 의해 제3 방향전환밸브(236)에서부터 제2 냉각수 조인트(237)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 또한, 냉각수는 칠러(160)에서부터 제1냉각수 조인트, 제3 펌프(234), 배터리(235), 제3 방향전환밸브(236)를 차례대로 거쳐 다시 칠러(160)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 즉, 제2 방향전환밸브(232) 및 제3 방향전환밸브(236)에 의해 배터리(235)와 칠러(160)는 냉각수가 순환되는 별개의 폐루프로 냉방라인(230)이 형성되어 배터리(235)가 별도로 냉각될 수 있다.
여기에서 최대 냉방 모드는 외부 공기의 온도가 섭씨 30도 내지 45도 범위일 경우에 작동될 수 있으며, 이때 압축기(110)는 최대 회전수로 회전될 수 있다. 그리고 배터리(235)의 냉각이 불필요할 경우에는 제4 팽창수단(161)이 차단되어 칠러(160) 쪽으로 냉매가 흐르지 않을 수 있으며, 이때 제3 펌프(234)는 작동되지 않을 수 있다.
도 21은 도 19에서 마일드 냉방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 21을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수랭식 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 실외열교환기(140) 측으로 완전히 개방된 상태의 제1 팽창수단(131)을 통과하여 실외열교환기(140)로 유입되며, 냉매는 실외열교환기(140)에서 외부 공기와 열교환되어 냉각된다. 즉, 수랭식 응축기(120) 및 실외열교환기(140)가 모두 응축기(120)의 역할을 하여 냉매를 응축시킨다. 응축된 냉매는 이후 냉매분기부(170)를 지나 제3 팽창수단(151)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 그리고 증발기(150)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이때, 제4 팽창수단(161)은 차단되어 칠러(160)로 냉매가 흐르지 않을 수 있다.
증발기(150)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1 펌프(211), 제2 펌프(238) 및 제3 펌프(234)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수에 의해 수랭식 응축기(120)를 통과하는 냉매, 전장부품(239) 및 배터리(235)가 냉각될 수 있으며, 가열된 냉각수는 전장용 라디에이터(231)에서 냉각팬(미도시)의 작동에 의해 외부 공기와 열교환되어 냉각될 수 있다. 이때, 제1 방향전환밸브(214) 및 제2 방향전환밸브(232)는 난방라인(210)과 냉방라인(230)을 연결하는 방향으로 조절될 수 있다. 보다 상세하게는 제1 방향전환밸브(214)는 상측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2 방향전환밸브(232)는 좌측, 하측 및 우측의 세방향이 모두 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 또한, 제3 방향전환밸브(236)는 좌측과 우측이 서로 연결되어 있고 상측은 차단되어 있을 수 있다.
그리하여 냉각수는 전장용 라디에이터(231)에서부터 제2 방향전환밸브(232), 제2 펌프(238), 제1방향전환밸브, 수랭식 응축기(120), 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 실내열교환기(213), 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제2 냉각수 조인트(237)를 차례대로 거쳐 다시 전장용 라디에이터(231)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 여기에서 제2 방향전환밸브(232)에 의해 냉각수 중 일부는 우측으로 유동되어 제1 냉각수 조인트(233), 제3 펌프(234), 배터리(235), 제3 방향전환밸브(236), 제2 냉각수 조인트(237)를 차례대로 거쳐 다시 전장용 라디에이터(231)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 이때, 전장부품(239)을 통과한 냉각수와 배터리(235)를 통과한 냉각수는 제2 냉각수 조인트(237)에서 합류되어 전장용 라디에이터(231)로 유입될 수 있다.
여기에서 마일드 냉방 모드는 외부 공기의 온도가 섭씨 15도 내지 25도 범위일 경우에 작동될 수 있으며, 이때 배터리(235)는 전장용 라디에이터(231)에 의해 냉각될 수 있어, 냉매가 칠러(160)쪽을 순환하지 않도록 할 수 있으므로 압축기(110)의 구동에 소모되는 동력을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 22는 도 19에서 non-vapor injection 난방모드의 시스템이 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수랭식 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 실외열교환기(140)를 거치면서 외부 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 외부 공기의 열을 흡수한다. 이후 냉매는 냉매분기부(170)를 지나 완전 개방된 상태의 제4 팽창수단(161)을 통과하여 칠러(160)로 유입되며, 칠러(160)에서는 냉매와 냉각수가 열교환되어 냉매가 가열될 수 있다. 그 다음 칠러(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이때, 제3 팽창수단(151)은 차단되어 증발기(150)로 냉매가 흐르지 않을 수 있다. 그리하여 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1 펌프(211) 및 제2 펌프(238)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수는 수랭식 응축기(120)를 통과하면서 가열되고, 냉각수 히터(212)와 전장부품(239)의 폐열로 가열될 수 있으며, 칠러(160)를 통과하면서 냉각될 수 있다. 이때, 제1 방향전환밸브(214) 및 제2 방향전환밸브(232)는 난방라인(210)과 냉방라인(230)을 분리하는 방향으로 조절될 수 있다.
보다 상세하게는 제1 방향전환밸브(214)는 상측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2 방향전환밸브(232)는 우측과 하측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 좌측은 연결이 차단될 수 있다. 또한, 제3 방향전환밸브(236)는 상측과 좌측이 서로 연결되고 우측은 차단될 수 있다.
그리하여 난방라인(210)의 냉각수는 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 내부열교환기, 제1방향전환밸브 및 수랭식 응축기(120)를 차례대로 거쳐 다시 제1 펌프(211)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 그리고 난방라인(210)과 분리된 냉방라인(230)의 냉각수는 제2 펌프(238)에서부터 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제2 냉각수 조인트(237), 제3 방향전환밸브(236), 칠러(160), 제1 냉각수 조인트(233), 제2 방향전환밸브(232)를 차례대로 거쳐 다시 제2 펌프(238)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다.
여기에서 제2 방향전환밸브(232)에 의해 제2 방향전환밸브(232)에서부터 전장용 라디에이터(231)를 거쳐 제2 냉각수 조인트(237)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있으며, 제3 방향전환밸브(236)에 의해 제3 방향전환밸브(236)에서부터 배터리(235) 및 제3 펌프(234)를 거쳐 제1 냉각수 조인트(233)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 그리고 냉각수는 히터코어를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 공기가 가열되며, 가열된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 난방이 이루어진다.
도 23은 도 19에서 injection 난방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 23을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수랭식 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)에 연결된 제2 라인(131b)을 따라 기액분리기(133)로 이동하게 된다. 기액분리기(133)에서 분리된 액상의 냉매는 제2 팽창수단(135)으로 이동하여 추가적으로 감압된 후, 실외열교환기(140)로 공급될 수 있다. 실외열교환기(140)로 공급되는 액상의 냉매는 증발온도를 상승시켜 착상을 지연하는 효과가 있으며 이를 통해 열교환효율을 증대할 수 있다.
또한, 기액분리기(133)에서 분리된 기상의 냉매는 압축기(110)로 재유입할 수 있다. 이를 통해 압축기(110)로 유입되는 냉매는 어큐뮬레이터(180)로부터 유입되는 냉매와 비교하여 고온의 냉매가 재유입되는 바, 난방효율을 증대할 수 있다.
이후, 실외열교환기(140)를 거치면서 외부 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 외부 공기의 열을 흡수한다. 이후 냉매는 냉매분기부(170)를 지나 완전 개방된 상태의 제4 팽창수단(161)을 통과하여 칠러(160)로 유입되며, 칠러(160)에서는 냉매와 냉각수가 열교환되어 냉매가 가열될 수 있다. 그 다음 칠러(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이때, 제3 팽창수단(151)은 차단되어 증발기(150)로 냉매가 흐르지 않을 수 있다. 그리하여 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1 펌프(211) 및 제2 펌프(238)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수는 수랭식 응축기(120)를 통과하면서 가열되고, 냉각수 히터(212)와 전장부품(239)의 폐열로 가열될 수 있으며, 칠러(160)를 통과하면서 냉각될 수 있다. 이때, 제1 방향전환밸브(214) 및 제2 방향전환밸브(232)는 난방라인(210)과 냉방라인(230)을 분리하는 방향으로 조절될 수 있다.
보다 상세하게는 제1 방향전환밸브(214)는 상측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2 방향전환밸브(232)는 우측과 하측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 좌측은 연결이 차단될 수 있다. 또한, 제3 방향전환밸브(236)는 상측과 좌측이 서로 연결되고 우측은 차단될 수 있다.
그리하여 난방라인(210)의 냉각수는 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 내부열교환기, 제1방향전환밸브 및 수랭식 응축기(120)를 차례대로 거쳐 다시 제1 펌프(211)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 그리고 난방라인(210)과 분리된 냉방라인(230)의 냉각수는 제2 펌프(238)에서부터 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제2 냉각수 조인트(237), 제3 방향전환밸브(236), 칠러(160), 제1 냉각수 조인트(233), 제2 방향전환밸브(232)를 차례대로 거쳐 다시 제2 펌프(238)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다.
여기에서 제2 방향전환밸브(232)에 의해 제2 방향전환밸브(232)에서부터 전장용 라디에이터(231)를 거쳐 제2 냉각수 조인트(237)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있으며, 제3 방향전환밸브(236)에 의해 제3 방향전환밸브(236)에서부터 배터리(235) 및 제3 펌프(234)를 거쳐 제1 냉각수 조인트(233)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 그리고 냉각수는 히터코어를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 공기가 가열되며, 가열된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 난방이 이루어진다.
injection 난방모드는 일반 난방모드에 비해 추운경우 동작하도록 설정될 수 있으며, 온도는 차량의 상태나 환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 24는 도 19에서 제습난방모드의 시스템 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 24를 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수랭식 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)에 연결된 제2 라인(131b)을 따라 기액분리기(133)로 이동하게 된다. 기액분리기(133)에서 분리된 액상의 냉매는 제2 팽창수단(135)으로 이동하여 추가적으로 감압된 후, 실외열교환기(140)로 공급될 수 있다. 실외열교환기(140)로 공급되는 액상의 냉매는 증발온도를 상승시켜 착상을 지연하는 효과가 있으며 이를 통해 열교환효율을 증대할 수 있다.
또한, 기액분리기(133)에서 분리된 기상의 냉매는 압축기(110)로 재유입할 수 있다. 이를 통해 압축기(110)로 유입되는 냉매는 어큐뮬레이터(180)로부터 유입되는 냉매와 비교하여 고온의 냉매가 재유입되는 바, 난방효율을 증대할 수 있다.
이후 실내열교환기(213)를 거치면서 냉매분기부(170)에서 분기되어 냉매의 일부는 제3 팽창수단(151)을 바이패스하고, 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되면서 공기 중의 수분이 제거된다. 그리고 증발기(150)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)(210)로 유입된다. 또한, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(161)을 바이패스하고, 이후 냉매는 칠러(160)를 통과한 다음 어큐뮬레이터(180)에서 합류되어 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1 펌프(211) 및 제2 펌프(238)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수는 전장부품(239)의 폐열만으로 가열될 수 있다. 이때, 제1 방향전환밸브(214) 및 제2 방향전환밸브(232)는 난방라인(210)과 냉방라인(230)을 분리하는 방향으로 조절될 수 있다. 보다 상세하게는 제1 방향전환밸브(214)는 상측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2방향전환밸브는 우측과 상측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측은 연결이 차단될 수 있다. 또한, 제3 방향전환밸브(236)는 좌측과 상측이 서로 연결되고 우측은 차단될 수 있다.
그리하여 난방라인(210)의 냉각수는 제1 펌프(211), 냉각수 히터(212), 실내열교환기(213), 제1방향전환밸브 및 수랭식 응축기(120)를 차례대로 거쳐 다시 제1 펌프(211)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 그리고 난방라인(210)과 분리된 냉방라인(230)의 냉각수는 제2 펌프(238)에서부터 제1 방향전환밸브(214), 전장부품(239), 제2 냉각수 조인트(237), 제3 방향전환밸브(236), 칠러(160), 제1 냉각수 조인트(233), 제2 방향전환밸브(232)를 차례대로 거쳐 다시 제2 펌프(238)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 이때, 제3 방향전환밸브(236)에 의해 제3 방향전환밸브(236)에서부터 배터리(235), 제3 펌프(234), 제1 냉각수 조인트(233)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있으며, 제2 방향전환밸브(232)에 의해 제2 방향전환밸브(232)에서부터 전장용 라디에이터(231)를 거쳐 제2 냉각수 조인트(237)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 여기에서 증발기(150)를 통과하면서 제습된 공기는 실내열교환기(213)를 통과하면서 가열되어 실내 난방에 이용될 수 있다.
여기에서 제습 난방 모드는 외부 공기의 온도가 섭씨 5도 내지 15도 범위일 경우에 작동될 수 있다.
여기에서 제습 난방 모드는 외부 공기의 온도가 섭씨 5도 내지 15도 범위일 경우에 작동될 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 냉매 순환라인 110 : 압축기
120 : 응축기 130 : 베이퍼 인젝션 모듈
131 : 제1 팽창수단 131a : 제1 라인
131b : 제2 라인 131b-1 : 제1 유출구
133 : 기액분리기 135 : 제2 팽창수단
140 : 실외열교환기 150 : 증발기
151 : 제3 팽창수단 160 : 칠러
161 : 제4 팽창수단 170 : 냉매분기부
180 : 어큐뮬레이터 190 : 공조케이스
200 : 냉각수 순환라인 210 : 난방라인
211 : 제1 펌프 212 : 냉각수 히터
213 : 실내열교환기 214 : 제1 방향전환밸브
230 : 냉방라인 230a : 제1 연결라인
230b : 제2 연결라인 230c : 제3 연결라인
231 : 라디에이터 232 : 제2 방향전환밸브
233 : 제1 냉각수 조인트 234 : 제3 펌프
235 : 배터리 236 : 제3 방향전환밸브
237 : 제2 냉각수 조인트 238 : 제2 펌프
239 : 전장부품
1311 : 유입구 1313 : 볼밸브
1313a : 볼밸브본체 1313b : 유입홀
1313c : 유출홀 1313d : 팽창홈
1331 : 하우징 1332 : 유출통로
1333 : 제2 유출구 1334 : 격벽부
1334a : 고정부 1335 : 이동통로
1335a : 제1 바디부 1350 : 몸체
1350a : 제2 바디부 1351 : 오리피스
1353 : 체크밸브 1360 : 단열부재
1370 : 엑추에이터

Claims (30)

  1. 냉매가 유입되는 유입구와 유입된 냉매가 이동할 수 있도록 상기 유입구와 연결되는 제1 라인 및 제2 라인을 구비하고, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인의 연결부에 배치되어 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 제1 팽창수단;
    상기 제1 라인과 연결되어 유입되는 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리되는 액상의 냉매가 이동하는 이동통로와 연결되어 유입되는 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단; 및
    상기 제2 라인 및 상기 제2 팽창수단과 연결되는 제1 유출구;
    를 포함하고,
    상기 제1 팽창수단은 상기 유입구, 제1 라인 및 제2 라인이 연결되는 중심에 배치되어 회전하는 하나의 볼밸브를 포함하며,
    상기 제1 팽창수단은 상기 기액분리기의 일측면에 위치하도록 결합되고,
    상기 제2 팽창수단은 상기 기액분리기의 하부에 위치하도록 결합되며,
    상기 제1 라인은 상기 볼밸브를 중심으로 상부로 연장되고,
    상기 제2 라인은 상기 볼밸브를 중심으로 하부로 연장되어 상기 제2 팽창수단 및 상기 제1 유출구와 연결되며,
    상기 제1 라인과 상기 제2 라인은 동일선상에 배치되고, 상기 유입구는 상기 제1 팽창수단의 전면 방향으로 수직하게 형성됨으로써 상기 제1 라인 및 상기 제2 라인에 대하여 수직한 방향으로 형성되고,
    상기 제1 유출구는 상기 제2 팽창수단의 단부에서 수직한 방향으로 형성되되, 상기 제1 유출구는 상기 유입구와 동일한 방향으로 형성되며,
    냉방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 유입구를 통해 유입되고, 상기 제1 라인은 차단되며, 상기 제2 라인으로 이동한 후 상기 제1 유출구를 통해 유출되고,
    난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 유입구를 통해 유입되고, 상기 제1 라인은 차단되며, 상기 볼밸브에서 팽창되어 상기 제2 라인으로 이동한 후 상기 제1 유출구를 통해 유출되고,
    베이퍼 인젝션 난방모드의 경우, 상기 냉매는 유입구를 통해 유입되고, 상기 볼밸브에서 1차 팽창되어 상기 제1 라인을 따라 이동된 후 상기 기액분리기로 이동되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 2차 팽창되어 상기 제1 유출구로 유출되는 베이퍼 인젝션 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서
    상기 볼밸브는 상기 유입구과 연결되는 유입홀,
    상기 유입홀과 연결되고, 회전에 따라 상기 제1 라인 또는 제2 라인과 연결되는 유출홀 및
    상기 유출홀의 단부에 연결되는 팽창홈,
    을 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 팽창홈은 상기 볼밸브의 회전 방향으로 상기 유출홀의 일측에 형성되어 유입되는 냉매를 팽창시켜 토출하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 팽창홈은 상기 볼밸브의 회전 방향으로 상기 유출홀의 양측에 각각 형성되어 유입되는 냉매를 팽창시켜 토출하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 기액분리기는
    냉매가 유동하는 내부공간을 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 상부에 배치되어 기상 냉매를 배출하며, 액상 냉매의 유입을 방지하기 위해 파이프 형태로 형성된 유출통로, 및
    상기 하우징의 하부에 배치되어 액상 냉매를 배출하는 이동통로
    를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 하우징에 연결되는 상기 제1 라인은 냉매가 상기 하우징의 측벽을 향하여 토출되도록 배치되는 베이퍼 인젝션 모듈.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 하우징의 내벽은 경사를 가지는 원통 구조를 구비하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 이동통로의 단부에는 냉매의 비산을 방지하는 격벽부가 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 유출통로의 직경보다 큰게 마련되어 비산되는 냉매가 상기 유출통로로 이동하는 것을 방지하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 팽창수단은
    상기 이동통로를 통해 유입되는 냉매를 팽창시키는 오리피스 및
    냉매의 이동 여부를 결정하는 체크밸브를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 체크밸브는 상기 이동통로와 상기 제2 라인을 이동하는 냉매의 압력차에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 이동통로가 배치되는 제1 바디부와 상기 오리피스가 배치되는 제2 바디부 사이에는 단열부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  14. 제4 항에 있어서,
    상기 볼밸브는 360도의 각도의 회전각 범위를 구비하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  15. 제5 항에 있어서,
    상기 볼밸브는 180도의 각도의 회전각 범위를 구비하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  16. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    상기 볼밸브의 상기 팽창홈은 냉매가 팽창되기 위해,
    상기 제1 라인 또는 상기 제2 라인과 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 볼밸브는 상기 팽창홈과 상기 제1 라인 또는 상기 제2 라인의 중첩 영역을 조절하여 냉매의 팽창량을 제어하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  18. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
    난방시, 압축된 상기 냉매를 응축하는 응축기;
    공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기에 전달하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기에 전달하는 제1 팽창수단;
    상기 제1 팽창수단에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이 중 기상 냉매를 상기 압축기로 배출하고 액상 냉매를 하기 제2 팽창수단으로 배출하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 토출된 액상 냉매를 팽창시켜 하기 실외열교환기로 전달하는 제2 팽창수단;
    상기 제1 또는 제2 팽창수단에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기;
    상기 공조모드에 따라 실외열교환기에서 전달된 냉매의 이동방향 및 팽창 여부를 제어하는 제3 팽창수단; 및
    상기 제3 팽창수단에서 전달된 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기;
    를 포함하고,
    상기 제1 팽창수단은 냉매가 유입되는 유입구와 유입된 냉매가 이동할 수 있도록 상기 유입구와 연결되는 제1 라인 및 제2 라인을 구비하고, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인의 연결부에 배치되어 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하고,
    상기 제2 라인 및 상기 제2 팽창수단과 연결되는 제1 유출구를 포함하고,
    상기 제1 팽창수단은 상기 유입구, 제1 라인 및 제2 라인이 연결되는 중심에 배치되어 회전하는 하나의 볼밸브를 포함하며,
    상기 제1 팽창수단은 상기 기액분리기의 일측면에 위치하도록 결합되고,
    상기 제2 팽창수단은 상기 기액분리기의 하부에 위치하도록 결합되며,
    상기 제1 라인은 상기 볼밸브를 중심으로 상부로 연장되고,
    상기 제2 라인은 상기 볼밸브를 중심으로 하부로 연장되어 상기 제2 팽창수단 및 상기 제1 유출구와 연결되며,
    상기 제1 라인과 상기 제2 라인은 동일선상에 배치되고, 상기 유입구는 상기 제1 팽창수단의 전면 방향으로 수직하게 형성됨으로써 상기 제1 라인 및 상기 제2 라인에 대하여 수직한 방향으로 형성되고,
    상기 제1 유출구는 상기 제2 팽창수단의 단부에서 수직한 방향으로 형성되되, 상기 제1 유출구는 상기 유입구와 동일한 방향으로 형성되며,
    냉방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 유입구를 통해 유입되고, 상기 제1 라인은 차단되며, 상기 제2 라인으로 이동한 후 상기 제1 유출구를 통해 유출되고,
    난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 유입구를 통해 유입되고, 상기 제1 라인은 차단되며, 상기 볼밸브에서 팽창되어 상기 제2 라인으로 이동한 후 상기 제1 유출구를 통해 유출되고,
    베이퍼 인젝션 난방모드의 경우, 상기 냉매는 유입구를 통해 유입되고, 상기 볼밸브에서 1차 팽창되어 상기 제1 라인을 따라 이동된 후 상기 기액분리기로 이동되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 2차 팽창되어 상기 제1 유출구로 유출되는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 냉방모드인 경우,
    압축된 상기 냉매를 통과시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 non-vapor injection 난방모드인 경우,
    응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단은 상기 공조모드가 vapor injection 난방모드인 경우,
    응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  22. 제18 항에 있어서,
    상기 제3 팽창수단과 병렬로 연결되는 제4 팽창수단; 및
    상기 제4 팽창수단에 연결되고 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러;
    를 더 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 응축기에서 냉매와 열교환한 냉각수를 공조풍과 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기;를 더 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 실내열교환기 사이에는 냉각수 히터가 배치되는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  25. 제23 항에 있어서,
    냉매가 순환되는 냉매 순환라인과, 냉각수가 순환되는 냉각수 순환라인 및 상기 증발기 및 상기 실내열교환기를 수용하여 공조풍과 열교환시키는 공조케이스를 포함하고,
    상기 증발기는 냉매 순환라인 상에 배치되며, 상기 실내열교환기는 냉각수 순환라인 상에 배치되는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 냉각수 순환라인은 냉각수를 순환하여 실내를 난방하는 난방라인과 냉각수를 순환시켜 배터리 및 전장부품을 냉각하는 냉각라인을 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 냉각라인은 상기 냉각라인의 일측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제1 연결라인 및 상기 냉각라인의 타측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제2 연결라인을 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 제1 연결라인, 제2 연결라인 및 난방라인은 제1 방향전환밸브에 연결되며, 상기 제1 방향전환밸브에 의해 냉각라인과 난방라인이 서로 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  29. 제26 항에 있어서,
    상기 냉각라인은, 상기 배터리와 병렬로 연결되며 칠러를 통과하는 제3 연결라인을 포함하고, 상기 제3 연결라인은 제3 방향전환밸브에 의해 냉각라인에 연결되어, 상기 제3 방향전환밸브에 의해 제3 연결라인에 냉각수가 흐르거나 흐름이 차단되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  30. 제18 항에 있어서,
    상기 제2 팽창수단은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창수단 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
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