KR20120024273A

KR20120024273A - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR20120024273A
Application number: KR1020100087089A
Authority: KR
Inventors: 박태영; 강성호; 왕윤호
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-14
Also published as: KR101235039B1

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 에어컨 시스템을 이용한 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키고 히트펌프 모드시에는 엔진을 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 난방을 위해 히트펌프 모드 작동시 엔진 폐열을 충분히 이용할 수 있게 되어 외기온이 낮은 조건에서도 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있음은 물론 난방성능을 향상하며, 에어컨 모드시에는 워터펌프에 의한 냉각수량 조절을 통해 냉방성능을 가변제어할 수 있고, 아울러 시스템 구성이 간단하며 구성부품수를 줄여 중량 및 원가를 절감할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for vehicle}

차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.

한편, 상기한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있는데, 예컨대 2개의 열교환기(즉, 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기)와, 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 적어도 하나의 방향조절밸브를 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 역할을 하게 되며, 난방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 역할을 하게 된다.

이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류가 제안되고 있는데, 그 대표적인 일본 공개특허 제2001-27455호에 개시된 것을 들 수 있다.

상기 차량용 히트펌프 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 고압측 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키는 제1팽창밸브(34) 및 제1바이패스 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외기(48)와, 상기 실외기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 저압측 열교환기(60)와, 상기 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 벙렬로 설치되어 상기 실외기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.

도 1 중 도면부호 10은 상기 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 12는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 20은 상기 공조케이스의 입구에 설치되는 송풍기를 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 난방모드가 가동될 경우에, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 개방된다. 또한, 온도조절도어(12)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 고압측 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.

그러나, 상기 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드(난방모드)시 상기 공조케이스(10)의 내부에 설치된 고압측 열교환기(32)가 난방기 역할을 하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외기(48)는 공조케이스(10)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 외기와 열교환하는 증발기 역할을 하게 되는데,

이때, 외기온이 낮은 조건에서는 상기 증발기 역할을 하는 실외기(48)가 차가운 외기와 열교환하기 때문에 상기 난방기 역할을 하는 고압측 열교환기(32)측에 충분한 폐열을 공급하지 못하게 되며, 이처럼 외기온이 낮은 조건에서는 난방 성능이 악화되거나 히트펌프 모드 시스템의 작동이 불가하여 실질적으로 저온 지방에서는 사용할 수 없는 기술적 한계를 가지고 있다.

또한, 상기와 같이 외기온이 낮은 조건에서의 성능악화 또는 작동이 불가한 문제를 해결하기 위해 별도로 공조케이스(10)의 내부에 엔진의 냉각수가 순환하는 히터코어(미도시)를 설치하여 병행하는 경우가 있으나, 이 경우에는 전체 시스템의 구성이 복잡하고 구성부품이 많아 중량 및 원가가 증가하는 문제가 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에어컨 시스템을 이용한 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키고 히트펌프 모드시에는 엔진을 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 난방을 위해 히트펌프 모드 작동시 엔진 폐열을 충분히 이용할 수 있게 되어 외기온이 낮은 조건에서도 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있음은 물론 난방성능을 향상하며, 에어컨 모드시에는 워터펌프에 의한 냉각수량 조절을 통해 냉방성능을 가변제어할 수 있고, 아울러 시스템 구성이 간단하며 구성부품수를 줄여 중량 및 원가를 절감할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매를 흡입하여 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 배출된 냉매를 공조케이스내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 실내측 열교환기와, 상기 실내측 열교환기에서 배출된 냉매를 팽창시키는 팽창수단과, 상기 팽창수단에서 배출된 냉매를 증발시키도록 공조케이스내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 증발기와, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 수냉 라디에이터 또는 엔진을 선택적으로 순환하는 냉각수와 상기 냉매를 열교환시키는 수냉식 열교환기와, 상기 수냉식 열교환기에서 배출된 냉매의 유동방향을 에어컨 모드시에는 상기 증발기측으로 유동하도록 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 증발기를 바이패스하여 압축기측으로 유동하도록 전환하는 제1방향전환밸브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 에어컨 시스템을 이용한 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터를 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키고 히트펌프 모드시에는 엔진을 순환하는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 수냉식 열교환기를 설치함으로써, 난방을 위해 히트펌프 모드 작동시 상기 수냉식 열교환기를 통해 엔진 폐열을 충분히 이용하여 실내측 열교환기측으로 공급할 수 있게 되어, 외기온이 낮은 조건에서도 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있음은 물론 난방성능이 향상된다.

또한, 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터를 통해 외기와 열교환되어 냉각된 냉각수를 상기 수냉식 열교환기로 순환시켜 냉매와 열교환시킴과 아울러 워터펌프를 통해 수냉식 열교환기로 공급되는 냉각수량을 조절함으로써, 에어컨 부하에 따라 냉방성능을 가변제어 할 수 있다.

그리고, 히트 펌프 시스템의 전체 구성이 간단함과 아울러 구성 부품수를 줄여 중량 및 원가를 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 제습 및 온도조절 모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 수냉식 열교환기를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 압축기(100)와, 실내측 열교환기(110)와, 팽창수단(120)과, 증발기(150)와, 수냉식 열교환기(140)와, 제1,2방향전환밸브(131,132)와, 어큐뮬레이터(160)를 포함하여 이루어진다.

상기 압축기(100)는 엔진(200)(내연기관 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 증발기(150) 또는 어큐뮬레이터(160)에서 토출된 냉매를 흡입,압축하여 고온 고압의 기체 상태로 실내측 열교환기(110)측으로 공급하게 된다.

상기 실내측 열교환기(110)는 상기 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매를 고온 고압의 액체상태로 응축시키도록 공조케이스(170)내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키게 되며, 이후 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 팽창수단(120)(제2팽창수단(122))을 선택적으로 경유한 후 수냉식 열교환기(140)측으로 공급되게 된다.

이러한 상기 실내측 열교환기(110)는 공조케이스(170)의 내부에서 상기 증발기(150)의 하류측에 설치되어 난방기(히터코어) 역할을 하게 된다. 즉, 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(170)의 내부로 송풍되는 공기가 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 과정에서 실내측 열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 되는 것이다.

상기 팽창수단(120)은, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내측 열교환기(110) 또는 수냉식 열교환기(140)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 액상(습포화) 상태가 되게 한 후, 후술하는 수냉식 열교환기(140) 또는 증발기(150)측으로 공급하게 된다.

도면에서와 같이, 상기 팽창수단(120)은, 후술하는 제1방향전환밸브(131)와 증발기(150) 사이의 냉매라인(R3)상 설치되는 제1팽창수단(121)과, 상기 실내측 열교환기(110)와 수냉식 열교환기(140) 사이의 냉매라인(R1)에 병렬로 연결된 분기 냉매라인(R2)상에 설치되는 제2팽창수단(122)으로 이루어진다.

따라서, 히트펌프 모드시에는 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매를 팽창시킨 후 수냉식 열교환기(140)(증발기 역할을 함)로 공급하게 되고, 에어컨 모드시에는 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출되어 수냉식 열교환기(140)를 거친 후의 냉매를 팽창시킨 후 증발기(150)로 공급하게 된다.

한편, 상기 제1팽창수단(121)은 팽창밸브를 사용하고, 상기 제2팽창수단(122)은 오리피스를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 증발기(150)는 상기 팽창수단(120)(제1팽창수단(121))에서 배출된 냉매를 증발시키도록 공조케이스(170)내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키게 된다.

상기 증발기(150)는 상기 공조케이스(170)의 내부에서 실내측 열교환기(110)의 상류측에 설치되며, 상기 제1팽창수단(121)으로부터 팽창된 냉매를 공급받아 공조케이스(170)의 내부를 유동하는 공기와 열교환시켜 증발시킴으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 차량 실내로 토출되는 공기를 냉각하게 된다.

또한, 상기 공조케이스(170)의 내부에서 상기 증발기(150)와 실내측 열교환기(110)의 사이에는 온도조절도어(171)가 설치되어, 상기 증발기(150)를 통과한 냉풍과 상기 실내측 열교환기(110)를 통과한 온풍의 혼합량을 조절하여 차실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하게 된다.

그리고, 상기 수냉식 열교환기(140)는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 엔진(200)(내연기관 또는 모터) 또는 수냉 라디에이터(220)를 선택적으로 순환하는 냉각수와 상기 냉매를 열교환시키게 된다.

즉, 외기온이 낮은 조건(대략 외기온 0℃ 이하)에서 차량용 에어컨 시스템을 이용한 히트펌프 시스템을 원활하게 작동시킬 수 있도록 차량의 폐열인 엔진(200)(내연기관 또는 모터) 냉각수와 상기 냉매를 열교환시켜 히트펌프 시스템의 효율을 증대시키게 되는 것이다.

여기서, 상기 수냉식 열교환기(140)는, 도 5와 같이, 단일의 열교환기에 상기 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(142)와 상기 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(141)가 구성된 것이다.

또한, 상기 수냉식 열교환기(140)는 상기 실내측 열교환기(110)와 제1방향전환밸브(131) 사이의 냉매라인(R1)상에 설치되며, 이때, 상기 냉매 열교환부(141)에는 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 후 상기 제2팽창수단(122)를 거치거나 또는 바이패스한 냉매가 유입되어 냉각수 열교환부(142)를 유동하는 냉각수와 열교환하게 된다.

그리고, 상기 엔진(200)은 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)와 냉각수 라인(W1)을 통해 연결되어 히트펌프 모드시 엔진(200)의 뜨거운 냉각수가 상기 냉각수 열교환부(142)를 순환하도록 구성된다.

또한, 상기 수냉 라디에이터(220)는 상기 엔진(200)과 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하는 냉각수 라인(W1)에 병렬로 연결된 냉각수 라인(W2)상에 설치되어, 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터(220)를 통해 냉각된 냉각수가 상기 냉각수 열교환부(142)를 순환하도록 구성된다.

그리고, 상기 엔진(200)측에는, 상기 엔진(200)과 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하는 냉각수 라인(W1)에 병렬로 연결되는 라디에이터(210)가 설치되어, 엔진(200)을 냉각하게 된다.

또한, 상기 수냉 라디에이터(220)는 상기 엔진(200)을 냉각하는 라디에이터(210) 보다 적은 유량 또는 낮은 온도의 냉각수가 순환하도록 되어 있으며, 충분한 냉각성능을 발휘하도록 최적화 되어 있다.

한편, 상기 수냉 라디에이터(220)는 차량의 전장품류(배터리 제어모듈, 인버터 등)을 냉각하는 용도로 적용 가능하다.

상기 냉각수 열교환부(142)와 연결되는 수냉 라디에이터(220)와 상기 엔진(200)과 연결되는 라디에이터(210)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되어 내부를 유동하는 냉각수를 외기와 열교환시켜 냉각하게 된다.

또한, 에어컨 모드시에는 수냉 라디에이터(220)를 순환하는 냉각수가 상기 냉각수 열교환부(142)로 공급되어 순환하도록 하고, 히트펌프 모드시에는 엔진(200)을 순환하는 냉각수가 상기 냉각수 열교환부(142)로 공급되어 순환할 수 있도록, 상기 엔진(200)을 순환하는 냉각수 라인(W1)과 상기 수냉 라디에이터(220)를 순환하는 냉각수 라인(W2)의 분기되는 지점에는 제3방향전환밸브(241)가 설치된다.

아울러, 상기 엔진(200)을 순환하는 냉각수 라인(W1)과 상기 라디에이터(210)를 순환하는 냉각수 라인(W3)의 분기되는 지점에는 제4방향전환밸브(242)가 설치되며, 이때 상기 라디에이터(210)를 순환하는 냉각수 라인(W3)상에는 온/오프 밸브(245)도 설치된다.

또한, 상기 냉각수 라인(W1)상에는 워터펌프(230)가 설치되어, 에어컨 모드시에는 상기 수냉 라디에이터(220)의 냉각수를 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)로 순환시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 엔진(200) 냉각수를 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)로 순환시키게 된다.

이때, 상기 워터펌프(230)는 상기 엔진(200)과 냉각수 열교환부(142)를 순환하는 냉각수 라인(W1)상에 설치하는 것이 바람직하다. 따라서 하나의 워터펌프(230)를 이용하여 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드 따라 수냉 라디에이터(220)의 냉각수 또는 엔진(200) 냉각수를 상기 냉각수 열교환부(142)측으로 순환시킬 수 있다.

아울러, 에어컨 모드시, 상기 수냉 라디에이터(220)를 통해 외기와 열교환되어 냉각된 냉각수를 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)로 순환시켜 상기 냉매 열교환부(141)를 유동하는 냉매와 열교환시킬 때, 상기 워터펌프(230)를 통해 냉각수 열교환부(142)로 공급되는 냉각수량을 조절하게 되면, 에어컨 부하에 따라 냉방성능을 가변제어할 수 있다.

그리고, 상기 제1방향전환밸브(131)는, 상기 수냉식 열교환기(140)의 출구측 냉매라인(R3)상에 설치되어, 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)에서 배출된 냉매의 유동방향을, 에어컨 모드시에는 상기 증발기(150)측으로 유동하도록 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 증발기(150)를 바이패스하여 압축기(100)측으로 유동하도록 전환하게 된다.

이로인해, 히트펌프 모드시에는 상기 수냉식 열교환기(140)가 증발기 역할을 수행하게 된다.

한편, 히트펌프 모드시, 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)에서 배출된 냉매가 제1방향전환밸브(131)를 통해 상기 증발기(150)를 바이패스하여 압축기(100)측으로 유동하게되는데, 이때 상기 제1방향전환밸브(131)와 상기 압축기(100)를 연결하는 냉매라인(R4)상에는 어큐뮬레이터(160)가 설치된다.

상기 어큐뮬레이터(160)는 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.

상기 제2방향전환밸브(132)는, 상기 실내측 열교환기(110)와 수냉식 열교환기(140)의 사이에서 상기 제2팽창수단(122)이 설치된 분기 냉매라인(R2)의 분기 저점에 설치되어, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매의 유동방향을, 에어컨 모드시에는 상기 제2팽창수단(122)을 바이패스하여 수냉식 열교환기(140)측으로 유동하도록 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 제2팽창수단(122)을 통과하면서 팽창된 후 수냉식 열교환기(140)측으로 유동하도록 전환하게 된다.

한편, 상기 제1,2,3,4방향전환밸브(131,132,241,242)는 삼방밸브(3 way valve)인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

가. 에어컨 모드(냉방 모드)

에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2와 같이, 상기 제2방향전환밸브(132)는 상기 제2팽창수단(122)을 바이패스하도록 방향을 전환하게 되고, 상기 제1방향전환밸브(131)는 상기 어큐뮬레이터(160)를 바이패스하고 상기 제1팽창수단(121) 및 증발기(150)측으로 냉매가 유동하도록 방향을 전환하게 된다.

또한, 상기 워터펌프(230)가 작동함과 아울러 상기 제3방향전환밸브(241)는 상기 수냉 라디에이터(220)의 냉각수가 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하도록 방향을 전환하게 되고, 상기 제4방향전환밸브(242)는 상기 엔진(200) 냉각수가 상기 라디에이터(210)를 순환하도록 방향을 전환하게 된다. 이때, 상기 온/오프 밸브(245)는 온 상태로 작동한다.

한편, 상기 공조케이스(170)내의 온도조절도어(171)는 실내측 열교환기(110)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(170)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(150)를 통과한 후 실내측 열교환기(110)를 바이패스 하여 차실내로 공급되게 된다.

따라서, 상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 실내측 열교환기(110)(110)를 거친 후, 상기 제3방향전환밸브(241)를 지나 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)로 공급된다.

상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)로 공급된 냉매는, 상기 수냉 라디에이터(220)에서 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하는 냉각수와 열교환하면서 응축되어 배출된다.

이때, 상기 수냉 라디에이터(220)내의 냉각수는 수냉 라디에이터(220)를 통과하는 외기와의 열교환에 의해 냉각되며, 이렇게 냉각된 냉각수가 상기 냉각수 열교환부(142)로 공급되어 냉매 열교환부(141)를 통과하는 냉매를 냉각시키게 되는 것이다.

이처럼, 상기 수냉 라디에이터(220)를 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉매를 냉각하는 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각 성능에 따라 그 하류의 제1팽창수단(121) 및 증발기(150)를 통과하는 냉매의 온도를 더욱 낮출 수 있으므로, 에어컨의 부하에 따라 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)로 공급되는 냉각수량을 워터펌프(230)로 조절하여 냉방성능을 가변제어할 수 있다.

계속해서, 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)를 통과한 냉매는, 상기 제1팽창수단(121)를 통과하는 과정에서 냉매는 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 증발기(150)로 유입된다.

상기 증발기(150)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(170) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각한 후 차량 실내로 공급하여 냉방하게 된다.

이후, 상기 증발기(150)에서 배출된 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

나. 히트펌프 모드(난방 모드)

히트펌프 모드(난방 모드)시에는, 도 3과 같이, 상기 제2방향전환밸브(132)는 상기 제2팽창수단(122)을 통과하도록 방향을 전환하게 되고, 상기 제1방향전환밸브(131)는 상기 제1팽창수단(121) 및 증발기(150)를 바이패스하고 상기 어큐뮬레이터(160) 및 압축기(100)측으로 냉매가 곧바로 유동하도록 방향을 전환하게 된다.

또한, 상기 워터펌프(230)가 작동함과 아울러 상기 제3,4방향전환밸브(241,242)는 상기 엔진(200) 냉각수가 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하도록 방향을 전환하게 되고, 상기 온/오프 밸브(245)는 오프 상태로 작동한다. 이때, 상기 수냉 라디에이터(220) 및 라디에이터(210)에는 냉각수가 순환하지 않는다.

한편, 상기 공조케이스(170)내의 온도조절도어(171)는 실내측 열교환기(110)를 통과하는 개방하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(170)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(150)를 통과한 후 실내측 열교환기(110)를 통과하여 차실내로 공급되게 된다.

따라서, 상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 실내측 열교환기(110)로 유입된다.

상기 실내측 열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(170)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축됨과 동시에 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.

즉, 히트펌프 모드에서는 상기 실내측 열교환기(110)가 난방기(히터코어) 역할을 하게 되는 것이다.

계속해서, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제3방향전환밸브(241)에 의해 방향이 전환되어 상기 제2팽창수단(122)을 통과하게 되고, 이 과정에서 냉매는 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)로 공급된다.

상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)로 공급된 냉매는, 상기 엔진(200)에서 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉각수 열교환부(142)를 순환하는 뜨거운 냉각수와 열교환하면서 증발한 후 배출된다.

즉, 히트펌프 모드에서는 상기 수냉식 열교환기(140)가 증발기 역할을 하게 된다.

이처럼, 상기 수냉식 열교환기(140)를 통과하는 냉매는 상기 엔진(200)을 순환하는 뜨거운 냉각수와 열교환하여 증발하는 과정에서 과열되어 온도가 상승하게 되고, 온도가 상승한 냉매는 그 하류의 압축기(100)를 통과하면서 온도가 더욱 상승한 후, 상기 실내측 열교환기(110)로 공급된다.

이와 같이, 본 발명은 히트펌프 모드 작동시, 상기 수냉식 열교환기(140)를 통해 엔진(200) 폐열을 충분히 이용하여 실내측 열교환기(110)측으로 공급할 수 있게 됨으로써, 외기온이 낮은 조건에서도 히트펌프 모드를 원활하게 작동시킬 수 있음은 물론 난방성능이 향상되는 것이다.

계속해서, 상기 수냉식 열교환기(140)의 냉매 열교환부(141)를 통과한 냉매는, 상기 제1방향전환밸브(131)에 의해 방향이 전환되어 상기 어큐뮬레이터(160)를 통과하게 되고, 이 과정에서 액상 냉매와 기상 냉매가 분리되어 기상 냉매만 배출된다.

상기 어큐뮬레이터(160)를 통과한 기상 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

다. 제습 및 온도조절 모드

제습 및 온도조절 모드는 도 4와 같이, 도 2의 에어컨 모드와 동일하다.

다만, 상기 온도조절도어(171)가 상기 실내측 열교환기(110)를 통과하는 통로와 실내측 열교환기(110)를 바이패스 하는 통로를 모두 개방하도록 작동하여 냉풍과 온풍의 혼합량을 조절함으로써, 차실내로 공급되는 공기의 온도를 조절하게 된다.

100: 압축기 110: 실내측 열교환기
120: 팽창수단 121: 제1팽창수단
122: 제2팽창수단 131: 제1방향전환밸브
132: 제2방향전환밸브 140: 수냉식 열교환기
141: 냉매 열교환부 142: 냉각수 열교환부
150: 증발기 160: 어큐뮬레이터
170: 공조케이스 171: 온도조절도어
200: 엔진 210: 라디에이터
220: 수냉 라디에이터 230: 워터펌프
241: 제3방향전환밸브 242: 제4방향전환밸브
245: 온/오프 밸브

Claims

냉매를 흡입하여 압축시키는 압축기(100)와,
상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 공조케이스(170)내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 실내측 열교환기(110)와,
에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 엔진(200) 또는 수냉 라디에이터(220)를 선택적으로 순환하는 냉각수와 상기 냉매를 열교환시키는 수냉식 열교환기(140)와,
에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내측 열교환기(110) 또는 수냉식 열교환기(140)에서 배출된 냉매를 팽창시키는 팽창수단(120)과,
상기 팽창수단(120)에서 배출된 냉매를 증발시키도록 공조케이스(170)내에서 차량 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 증발기(150)와,
상기 수냉식 열교환기(140)에서 배출된 냉매의 유동방향을 에어컨 모드시에는 상기 증발기(150)측으로 유동하도록 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 증발기(150)를 바이패스하여 압축기(100)측으로 유동하도록 전환하는 제1방향전환밸브(131)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수냉식 열교환기(140)는, 상기 실내측 열교환기(110)와 상기 제1방향전환밸브(131) 사이의 냉매라인(R1)상에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 팽창수단(120)은, 상기 제1방향전환밸브(131)와 상기 증발기(150) 사이의 냉매라인(R3)상 설치되는 제1팽창수단(121)과, 상기 실내측 열교환기(110)와 상기 수냉식 열교환기(140) 사이의 냉매라인(R1)에 병렬로 연결된 분기 냉매라인(R2)상에 설치되는 제2팽창수단(122)으로 이루어지고,
상기 분기 냉매라인(R2)의 분기 지점에는, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매의 유동방향을 에어컨 모드시에는 상기 제2팽창수단(122)을 바이패스하여 수냉식 열교환기(140)측으로 유동하도록 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 제2팽창수단(122)을 통과하면서 팽창된 후 수냉식 열교환기(140)측으로 유동하도록 전환하는 제2방향전환밸브(132)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수냉식 열교환기(140)에서 배출된 냉매가 상기 증발기(150)를 바이패스하도록 상기 제1방향전환밸브(131)와 상기 압축기(100)를 연결하는 냉매라인(R4)상에는 어큐뮬레이터(160)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수냉 라디에이터(220)는, 상기 엔진(200)과 수냉식 열교환기(140)를 순환하는 냉각수 라인(W1)에 병렬로 연결되는 냉각수 라인(W2)상에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 냉각수 라인(W1)상에는 워터펌프(230)가 설치되어, 에어컨 모드시 상기 수냉 라디에이터(220)와 수냉식 열교환기(140)를 순환하는 냉각수량을 조절하여 냉방성능을 가변제어하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 엔진(200)과 수냉식 열교환기(140)를 순환하는 냉각수 라인(W1)상에는 엔진(200)을 냉각하도록 라디에이터(210)가 설치되고,
상기 수냉 라디에이터(220)에는 상기 엔진(200)을 냉각하는 라디에이터(210) 보다 적은 유량 또는 낮은 온도의 냉각수가 순환하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수냉식 열교환기(140)는, 단일 열교환기에 상기 냉각수가 순환하는 냉각수 열교환부(142)와 상기 냉매가 순환하는 냉매 열교환부(141)를 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.