KR20110073118A

KR20110073118A - 전기자동차용 공기조화장치

Info

Publication number: KR20110073118A
Application number: KR1020090130288A
Authority: KR
Inventors: 조동호; 서인수; 이흥열; 이준호; 양학진; 윤대훈; 박영규; 김철현; 유병역; 강대준; 윤 정; 설동균; 김중귀; 김용찬; 조일용; 주영주; 안재환
Original assignee: 한국과학기술원; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-29

Abstract

본 발명은 집전장치의 집전코일 등의 열원부에서 발생하는 열량을 실외 열교환기의 증발에 이용함으로써 증발열량을 증가시키고, 이로써 외기온도 저하에 따른 난방 성능 및 효율의 저하를 방지하고, 난방 성능 및 효율을 모두 향상시킬 수 있는 전기자동차용 공기조화장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기자동차용 공기조화장치는, 전기자동차의 실내를 냉난방하기 위한 공기조화기에 있어서, 냉매를 압축하여 송출하는 압축기와; 전기자동차의 실내측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실내 열교환기와; 전기자동차의 실외측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실외 열교환기와; 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기를 연결하는 냉매배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브와; 전기자동차에서 열을 발생시키는 열원부의 일측에 설치되어 상기 열원부로부터 열을 전달받으며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 보조 열교환기와; 상기 압축기와 실내 열교환기 및 실외 열교환기로 연결된 냉매배관들을 상호 선택적으로 연결하도록 설치되어, 냉방 또는 난방을 위한 냉매 흐름을 제어하는 절환밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

전기자동차, 집전장치, 집전코일, 증발기, 보조 열교환기,

Description

전기자동차용 공기조화장치{air-conditioner for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 냉난방을 위한 공기조화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도로에 매설된 급전장치를 통하여 차량 하부의 집전장치에서 전자기 유도를 이용하여 전력을 공급받는 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차 등의 전기자동차에 있어서, 집전장치 등의 열원부에서 발생하는 열량을 이용하여 증발 열량을 증가시킴으로써 외기 온도에 대한 성능 저하를 개선할 수 있도록 한 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것이다.

통상의 화석연료를 이용하여 운전되는 자동차의 경우 자동차의 엔진과 연결된 압축기를 구비하고, 이 압축기를 통하여 냉매를 압축순환시킴으로써 냉방운전을 수행하고, 난방운전시는 엔진에서 발생하는 열을 이용하거나 보조열량으로 전기히터를 추가하는 방법을 사용하고 있다.

종래의 자동차 공기조화기는 난방은 엔진에서 방출되는 배열과 히터를 이용하여 실내로의 열교환을 통해 난방을 하고, 냉방은 냉매압축기를 이용한 냉동사이클을 구성하여 실내의 공기조화를 실시하게 된다. 따라서 겨울철 외기온도가 급격히 내려가는 저온의 상태에서도 엔진에서의 발열량 자체는 동일하므로 난방성능 자 체는 저하되지 않는다. 또한 고온의 엔진에서 나오는 배열의 온도가 높고 발열량 자체가 많기 때문에 별도의 추가 열원 없이도 난방이 가능하다.

그리고, 보조열원의 개념의 전기히터를 사용하는 경우에도 엔진과 연결된 발전기에서 전력을 지속적으로 공급하므로 전력의 수요에 영향이 없다.

그러나, 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차를 비롯한 모든 종류의 전기자동차의 경우, 엔진과 같은 높은 온도의 열원이 없고 열량 자체도 적기 때문에 동력원 또는 구동부에서의 발열에 의한 난방이 불가능하여 전기히터 또는 히트펌프와 같은 방식을 사용하여야 한다.

이중 전기히터의 경우 구조가 간단하고 사용방법이 쉽다는 장점이 있으나, 전력대비 열발생량이 100%를 넘을 수 없기 때문에 많은 양의 전기를 소모해야 한다는 단점이 있다. 냉방운전의 경우 통상적인 냉동 사이클의 COP가 3.0정도라면 100의 냉방성능을 발휘하기 위해서는 33의 전기만을 소모하면 되지만 전기히터를 사용하여 난방을 하게 되면 100의 난방성능을 내기 위해서는 100 이상의 전력소모가 불가피 하므로 냉방운전 대비 공조기의 전력사용량이 커지게 된다. 전기자동차의 대부분은 배터리를 사용하거나 연료전지, 혹은 급전장치 등에 의한 전력수급을 통하여 동작하게 되는데 이러한 과다한 전기사용은 배터리 또는 집전장치의 소모를 촉진시키고 발전장치 혹은 집전장치의 용량을 대폭 증가시켜야 하는 결과를 가져온다. 따라서 전기자동차의 난방운전에 있어 히트펌프의 사용은 불가결하다고 할 수 있다.

그러나, 이러한 히트펌프를 사용하게 되면 성능 및 효율이 외기온도에 대해 크게 영향을 받게 된다. 즉, 외기온도가 낮아져 열원이 적어지면 증발열량이 작아지게 되어 히트펌프의 난방성능 및 효율 역시 저하되는 현상이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 히트펌프 방식으로 전기자동차의 냉난방 공기조화장치를 구현하되, 난방시 집전장치의 집전코일 등의 열원부에서 발생하는 열량을 실외 열교환기의 증발에 이용함으로써 증발열량을 증가시키고, 이로써 외기온도 저하에 따른 난방 성능 및 효율의 저하를 방지하고, 난방 성능 및 효율을 모두 향상시킬 수 있는 전기자동차용 공기조화장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기자동차의 실내를 냉난방하기 위한 공기조화기에 있어서, 냉매를 압축하여 송출하는 압축기와; 전기자동차의 실내측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실내 열교환기와; 전기자동차의 실외측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실외 열교환기와; 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기를 연결하는 냉매배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브와; 전기자동차에서 열을 발생시키는 열원부의 일측에 설치되어 상기 열원부로부터 열을 전달받으며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 보조 열교환기와; 상기 압축기와 실내 열교환기 및 실외 열교환기로 연결된 냉매배관들을 상호 선택적으로 연결하도록 설치되어, 냉방 또는 난방을 위한 냉매 흐름을 제어하는 절환밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으 로 하는 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차의 공기조화장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 난방 운전시 보조 열교환기가 전기자동차의 열원부에서 전달된 열을 이용하여 증발열량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 증발기에서의 열교환 효율이 증가하고, 압축기의 흡입부의 압력을 높이게 되어 압축기의 냉매 순환량이 증가하게 되므로 외기 온도가 낮더라도 우수한 난방 성능을 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 증가된 저압에 의해 압축기 전후의 압축비가 낮아지게 되어, 동일 난방 성능 기준일 때 압축기의 소비 전력이 감소되므로 효율 또한 향상되는 이점을 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 공기조화장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

참고로, 이하에서 설명하는 전기자동차용 공기조화장치는 도로에 매설된 급전장치를 통하여 차량 하부의 집전장치에서 전자기 유도를 이용하여 전력을 공급받는 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차에 적용된 것을 예시하고 있으나, 본 발명은 이외에도 열원부를 갖는 모든 종류의 전기자동차에 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차용 공기조화장치의 일 실시예로서, 이 실시예의 공기조화장치는 냉매를 압축하여 송출하는 압축기(10)와, 전기자동차의 실내측에 설치되는 실내 열교환기(20)와, 전기자동차의 실외측에 설치되는 실외 열교환기(30)와, 상기 실내 열교환기(20)와 실외 열교환기(30)를 연결하는 냉매배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브(40)와, 전기자동차에서 열을 발생시키는 열원부 중 하나인 집전장치(1)의 일측에 부착되어 상기 집전장치로부터 열을 전달받는 보조 열교환기(50)와, 실내 열교환기(20)와 보조 열교환기(50)를 연결하는 냉매배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 보조 팽창밸브(60)와, 상기 압축기(10)와 실내 열교환기(20) 및 실외 열교환기(30)로 연결된 냉매배관들을 상호 선택적으로 연결하도록 설치되어 냉방 또는 난방을 위한 냉매 흐름을 제어하는 절환밸브(70) 및, 냉방 운전시 상기 보조 열교환기(50)로 냉매가 유입되지 않도록 압축기(10)와 보조 열교환기(50)를 연결하는 냉매배관을 차단하는 차단밸브(80)를 포함하여 구성된다.

상기 압축기(10)와 실내 열교환기(20) 및 실외 열교환기(30), 보조 열교환기(50)들은 냉매가 유동하는 냉매배관에 의해 상호 연결된다.

상기 실내 열교환기(20)는 냉방운전시에는 실외 열교환기(30) 및 팽창밸브(40)를 유동한 냉매를 공급받아 증발기로서 작용하며, 난방운전시에는 압축기(10)로부터 고온고압으로 압축된 냉매를 공급받아 응축기로서 작용한다.

반대로, 상기 실외 열교환기(30)는 냉방운전시에는 압축기(10)로부터 고온고압으로 압축된 냉매를 공급받아 응축기로서 작용하며, 난방운전시에는 실내 열교환 기(20) 및 팽창밸브(40)를 유동한 냉매를 공급받아 증발기로서 작용한다.

상기 보조 열교환기(50)는 난방 운전시 입구부가 상기 실내 열교환기(20)와 상기 실외 열교환기(30)를 연결하는 냉매배관에 연결되고, 난방 운전시의 출구부가 실외 열교환기(30)의 출구측에 연결되면서 상기 실외 열교환기(30)와 병렬로 배치되는 냉매회로를 구성하여, 난방운전시 실외 열교환기(30)와 함께 증발기로서 작용한다. 여기서, 상기 보조 열교환기(50)는 전기자동차의 집전장치(1)로부터 열을 전달받아 냉매의 증발에 효율을 향상시키는 기능을 하게 된다.

상기 차단밸브(80)는 솔레노이드 밸브 등으로 이루어질 수 있으며, 냉방운전시 압축기(10)로부터 송출된 고온고압의 냉매가 보조 열교환기(50)로 유입되는 것을 차단하는 기능을 한다.

상기 팽창밸브(40) 및 보조 팽창밸브(60)는 실내 열교환기(20) 및 보조 열교환기(50)로의 냉매 유입량을 조절할 수 있도록 개도 조절이 용이한 전동식 팽창밸브인 것이 바람직하다.

상기 절환밸브(70)는 4방밸브로 구성되며, 냉방 운전시에는 압축기(10)로부터 송출된 냉매가 실외 열교환기(30) 쪽으로 유동함과 동시에 실내 열교환기(20)를 통과한 냉매가 압축기(10)로 재유입되면서 순환하도록 유로를 제어하고, 난방 운전시에는 압축기(10)로부터 송출된 냉매가 실내 열교환기(20)로 유동함과 동시에 실외 열교환기(30) 및 보조 열교환기(50)를 통과한 냉매가 압축기(10)로 재유입되면서 순환하도록 제어한다.

상기와 같이 구성된 공기조화장치에 의한 냉난방 작동은 다음과 같이 이루어 진다.

먼저, 냉방 작동시 상기 차단밸브(80)가 보조 열교환기(50)로의 냉매 흐름을 차단한 상태에서 절환밸브(70)가 압축기(10)와 실외 열교환기(30)이 연결되도록 유로를 절환한다.

그리고, 압축기(10)가 구동되면, 압축기(10)에서 고온고압으로 압축되어 송출된 냉매가 절환밸브(70)를 거쳐 실외 열교환기(30)로 유입되어 외기와의 열교환을 통해 응축된 다음, 팽창밸브(40)를 거치면서 감압된 후 실내 열교환기(20)를 통과하면서 외기와의 열교환을 통해 증발된다. 이 때, 실내 열교환기(20)를 통해 열교환된 외기는 전기자동차의 실내로 유입되면서 실내를 냉방한다.

상기 실내 열교환기(20)를 통과한 냉매는 절환밸브(70)를 거쳐 압축기(10)의 입구부로 유동하여 압축기(10) 내로 재유입되면서 순환한다.

다음으로, 난방 운전시에는 절환밸브(70)가 절환되면서 압축기(10)와 실내 열교환기(20)가 연결되도록 유로가 절환되고, 상기 차단밸브(80)가 개방되어 보조 열교환기(50)를 통한 냉매 흐름이 가능한 상태로 된다.

그리고, 상기 압축기(10)가 구동되면, 압축기(10)에서 고온고압으로 압축되어 송출된 냉매는 절환밸브(70)를 거쳐 실내 열교환기(20)로 유입되어 외기와의 열교환을 통해 응축된다. 이 때, 실내 열교환기(20)를 통해 열교환된 외기는 전기자동차의 실내로 유입되면서 실내를 난방한다.

상기 실내 열교환기(20)를 통과하여 응축된 냉매는 팽창밸브(40) 및 보조 팽창밸브(60)로 나누어 유입되면서 감압된 후 각각 실외 열교환기(30) 및 보조 열교 환기(50)를 통과하면서 외기와의 열교환을 통해 증발된다. 이 때, 외기 온도가 매우 낮은 겨울철에는 실외 열교환기(30)에서의 열교환 효율이 현격하게 저하되지만, 상기 보조 열교환기(50)는 집전장치(1)에서 발생한 열을 전달받게 되므로 증발 열량이 증가하게 되고, 따라서 열교환 효율이 현격히 향상된다.

상기 보조 열교환기(50)에 의한 증발열량의 증가는 압축기(10)의 흡입부 압력을 높이게 되고, 높아진 압력에 의해 냉매가스의 비체적이 적어짐에 따라 압축기(10)의 냉매 순환량이 증가하게 된다. 그리고, 이러한 증가된 냉매순환량 만큼의 난방성능의 향상을 얻을 수 있다. 또한, 증가된 저압에 의해 압축기 전후의 압축비가 낮아지게 되고 이러한 압축비의 변화는 동일난방 성능 기준일 때 압축기 소비전력을 감소시키는 역할을 하게 되므로 그만큼의 효율향상을 얻을 수 있다. 즉, 증발기로서 작용되는 보조 열교환기(50)의 보조 열원에 의한 사이클 변화를 통해 난방성능 및 효율을 모두 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 난방 운전시 상기 실외 열교환기(30)에서 증발하는 냉매의 유량과 상기 보조 열교환기(50)에서 증발하는 냉매의 유량이 서로 다르기 때문에 도 2에 다른 실시예로 나타낸 것과 같이 실외 열교환기(30)의 입구부 및 출구부와 보조 열교환기(50)의 입구부 및 출구부 각각에 냉매 온도를 측정하기 위한 온도센서(71a, 71b)(72a, 72b)를 설치하여, 실외 열교환기(30)와 보조 열교환기(50)가 동일한 과열도를 갖도록 팽창밸브(40) 및 보조 팽창밸브(60)의 개도를 조절하여 냉매 유량을 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 도 3에 또 따른 실시예로 나타낸 것과 같이, 상기 실외 열교환기(30) 의 출구부와 보조 열교환기(50)의 출구부 각각에만 냉매 온도를 측정하기 위한 온도센서(71, 72)를 설치하고, 압축기(10)의 냉매 유입측에 냉매 압력을 측정하는 압력센서(75)를 설치하여, 상기 온도센서(71, 72)들에 의해 측정된 온도와 압력센서(75)에 의해 측정된 냉매 압력에 따라 팽창밸브(40) 및 보조 팽창밸브(60)의 개도를 조절하여 냉매 유량을 더 정밀하게 조절할 수도 있을 것이다.

한편, 전술한 실시예들에서는 보조 열교환기(50)의 열원부로서 집전장치가 적용되었지만, 이외에도 배터리나 모터, 인버터 드라이버 등이 열원부가 될 수도 있을 것이다.

전술한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것이로 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 첨부된 특허청구범위에 기재된 범위 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차용 공기조화장치의 일 실시예의 구성을 나타낸 냉매 회로도이다.

도 2는 도 1의 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차용 공기조화장치의 변형례를 나타낸 냉매 회로도이다.

도 3은 도 2의 비접촉 자기 유도 충전 방식 전기자동차용 공기조화장치의 변형례를 나타낸 냉매 회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 집전장치 10 : 압축기

20 : 실내 열교환기 30 : 실외 열교환기

40 : 팽창밸브 50 : 보조 열교환기

60 : 보조 팽창밸브 70 : 절환밸브

71a, 71b, 72a, 72b : 온도센서 71, 72 : 온도센서

75 : 압력센서 80 : 차단밸브

Claims

전기자동차의 실내를 냉난방하기 위한 공기조화기에 있어서,

냉매를 압축하여 송출하는 압축기와;

전기자동차의 실내측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실내 열교환기와;

전기자동차의 실외측에 설치되며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 실외 열교환기와;

상기 실내 열교환기와 실외 열교환기를 연결하는 냉매배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브와;

전기자동차에서 열을 발생시키는 열원부의 일측에 설치되어 상기 열원부로부터 열을 전달받으며, 상기 압축기에서 송출된 냉매가 유동하는 보조 열교환기와;

상기 압축기와 실내 열교환기 및 실외 열교환기로 연결된 냉매배관들을 상호 선택적으로 연결하도록 설치되어, 냉방 또는 난방을 위한 냉매 흐름을 제어하는 절환밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.
제1항에 있어서, 상기 보조 열교환기는 상기 실외 열교환기에 병렬로 연결되며, 실내 열교환기와 보조 열교환기를 연결하는 냉매배관에 응축된 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 보조 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기 조화장치.
제2항에 있어서, 상기 팽창밸브 및 보조 팽창밸브는 개도 조절이 가능한 전동식 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 난방운전시 상기 실외 열교환기의 입구부 및 출구부와 보조 열교환기의 입구부 및 출구부에 설치되어 냉매 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하며;

상기 팽창밸브 및 보조 팽창밸브는 상기 온도센서에 의해 측정된 각각의 냉매 온도에 따라 개도가 자동으로 조절되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 난방운전시 상기 실외 열교환기의 출구부와 보조 열교환기의 출구부에 설치되어 냉매 온도를 측정하는 온도센서와;

상기 압축기의 냉매 유입측에 설치되어 냉매 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하며;

상기 팽창밸브 및 보조 팽창밸브는 상기 온도센서에 의해 측정된 각각의 냉 매 온도 및 상기 압력센서에 의해 측정된 냉매 압력에 따라 개도가 자동으로 조절되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.
제1항에 있어서, 냉방 운전시 보조 열교환기로 냉매가 유입되지 않도록 압축기와 보조 열교환기를 연결하는 냉매배관을 차단하는 차단밸브를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.
제1항에 있어서, 상기 열원부는 급전장치에 의해 발생하는 전자기에 의해 전력을 발생시키는 집전장치인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공기조화장치.