KR20140126846A - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스내의 증발기를 공용으로 사용하여 냉,난방에 이용함으로써, 공조케이스의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스를 공용화하여 원가를 절감할 수 있으며, 아울러 엔진 폐열을 이용하므로 외기온도에 영향 없이 저온에서도 작동이 가능하여 연비 개선은 물론 난방성능 및 효율을 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for vehicle}
본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스내의 증발기를 공용으로 사용하여 냉,난방에 이용함으로써, 공조케이스의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스를 공용화하여 원가를 절감할 수 있으며, 아울러 엔진 폐열을 이용하므로 외기온도에 영향 없이 저온에서도 작동이 가능하여 연비 개선은 물론 난방성능 및 효율을 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
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.
그리고, 엔진(내연기관)과 전기모터로 구동되는 하이브리드 차량에서는 실내 난방을 위해 엔진 폐열(냉각수)을 이용하여 난방열원으로 사용하고 있다.
즉, 엔진으로 구동시에는 엔진 폐열이 충분하여 난방시 기존 차량과 동일하게 공조장치를 사용할 수 있으나, 전기모터로 구동되는 조건에서는 엔진이 오프된 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 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 일예를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 실내 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 실내열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1팽창밸브(34)와, 상기 제1팽창밸브(34)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외열교환기(48)와, 상기 실외열교환기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(60)와, 상기 증발기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 증발기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 히트펌프 모드시 상기 실외열교환기(48)를 통과한 냉매가 상기 제2팽창밸브(56) 및 증발기(60)를 바이패스 하도록 하는 바이패스 라인(58)을 포함하여 이루어진다.
상기 증발기(60)와 상기 실내열교환기(32)는 공조케이스(50)의 내부에 설치되며, 이때 상기 공조케이스(50)의 내부에는 상기 증발기(60)와 실내열교환기(32)의 사이에 히터코어(70)가 설치된다.
상기 히터코어(70)에는 엔진(72)의 냉각수가 순환하게 되며, 상기 증발기(60)와 히터코어(70)의 사이에는 냉풍과 온풍의 혼합량을 조절하는 온도조절도어(74)가 설치된다.
상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 히트펌프 모드(최대난방모드)가 가동될 경우에는, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 바이패스 라인(58), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 이때, 상기 실내열교환기(32)가 난방기 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기 역할을 하게 된다.
따라서, 히트펌프 모드시 전기모터로 주행하는 조건에서는 상기 실내열교환기(32)를 이용하여 난방을 수행하게 되고, 엔진으로 주행하는 조건에서는 엔진(72) 냉각수가 순환하는 히터코어(70)를 이용하여 난방을 수행하게 되므로 연비를 개선할 수 있다.
한편, 에어컨 모드(최대냉방모드)가 가동될 경우에는, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 실외열교환기(48), 제2팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 이때, 상기 온도조절도어(74)에 의해 폐쇄되는 상기 실내열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기 역할을 하게 되고, 상기 증발기(60)는 냉방 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 저온에서의 연비 개선을 위해 히트펌프 시스템을 적용할 경우, 엔진(72)의 폐열과 히터펌프 시스템을 병행하여 사용하므로 공조케이스(50)의 내부에 히트펌프용 열교환기인 실내열교환기(32)가 추가되어 공조케이스(50)의 크기가 증대되고 중량도 증대되어 공조케이스(50)의 공용화가 어렵고 원가도 증가되는 문제가 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스내의 증발기를 공용으로 사용하여 냉,난방에 이용함으로써, 공조케이스의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스를 공용화하여 원가를 절감할 수 있으며, 아울러 엔진 폐열을 이용하므로 외기온도에 영향 없이 저온에서도 작동이 가능하여 연비 개선은 물론 난방성능 및 효율을 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 증발기와 실외열교환기의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키는 팽창수단과, 차량의 폐열과 냉매를 열교환시키는 폐열 열교환기와, 에어컨 모드시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 상기 실외열교환기, 팽창수단, 증발기, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제1냉매순환라인과, 히트펌프 모드시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 상기 증발기, 팽창수단, 폐열 열교환기, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제2냉매순환라인을 포함하여 이루어져, 에어컨 모드시에는 냉방 작용을 하고 히트펌프 모드시에는 난방 작용을 하는 상기 증발기를 공용으로 사용하도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스내의 증발기를 공용으로 사용하여 냉,난방에 이용함으로써, 공조케이스의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스를 공용화하여 원가를 절감할 수 있다.
또한, 종래의 히트펌프 시스템에서 공조케이스내에 설치되던 실내열교환기를 삭제할 수 있어 부품수를 줄이고 원가를 절감할 수 있다.
그리고, 엔진 폐열을 이용하여 히트펌프 시스템(히트펌프 모드)을 작동하므로 외기온도에 영향 없이 저온에서도 작동이 가능하여 연비 개선은 물론 난방성능 및 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 엔진 온(ON) 상태의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 엔진 오프(OFF) 상태의 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 엔진 오프(OFF) 상태의 히트펌프 모드를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 압축기(100)와, 증발기(110)와, 실외열교환기(130)와, 팽창수단(120)과, 폐열 열교환기(140)와, 제1냉매순환라인(R1)과, 제2냉매순환라인(R2)을 구비하는 것으로서, 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
상기 제1냉매순환라인(R1)은 에어컨 모드시 냉매가 순환하는 라인이고, 상기 제2냉매순환라인(R2)은 히트펌프 모드시 냉매가 순환하는 라인이다.
상기 제1냉매순환라인(R1)은, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실외열교환기(130), 팽창수단(120), 증발기(110), 압축기(100)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하게 되고, 상기 제2냉매순환라인(R2)은, 히트펌프 모드시, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 증발기(110), 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 압축기(100)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하게 된다.
이때, 상기 제1냉매순환라인(R1)과 제2냉매순환라인(R2)은, 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 일부 구간을 서로 공용으로 사용하도록 구성된다.
즉, 상기 제1냉매순환라인(R1)과 제2냉매순환라인(R2)의 일부 구간이 일체로 형성되어 공용으로 사용되는데, 도면에서와 같이, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용 구간(a,b)은, 상기 압축기(100)가 연결된 구간(a)과, 상기 증발기(110) 및 팽창수단(120)이 연결된 구간(b)이다.
한편, 상기 실외열교환기(130)는 상기 제1냉매순환라인(R1)상에 설치되고, 상기 폐열 열교환기(140)는 상기 제2냉매순환라인(R2)상에 설치된다.
따라서, 에어컨 모드와 히트펌프 모드시 후술하는 제1방향전환밸브(181)와 제2방향전환밸브(182)의 방향전환에 의해, 에어컨 모드시에는 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매순환라인(R1)을 따라 유동하면서 상기 실외열교환기(130), 팽창수단(120), 증발기(110), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 압축기(100)에 배출된 냉매가 상기 제2냉매순환라인(R2)을 따라 유동하면서 상기 증발기(110), 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 된다.
이처럼, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 에어컨 모드와 히트펌프 모드시 상기 공조케이스(150)내에 설치된 상기 증발기(110)를 공용으로 사용하도록 한 것이다.
이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 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 오프된 상태에서도 냉,난방을 수행할 수 있도록 상기 압축기(100)는 모터로 구동되는 전동 압축기를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전동 압축기를 사용하면 엔진(161)의 작동 유무에 상관없이 구동이 가능하다.
또한, 상기 압축기(100)는, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간(a)에 설치되어, 에어컨 모드시 상기 증발기(110)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 제1냉매순환라인(R1)상의 실외열교환기(130)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 폐열 열교환기(140)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 제2냉매순환라인(R2)상의 증발기(110)측으로 공급하게 된다.
그리고, 상기 증발기(110)는, 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치되어 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 냉매를 열교환시키게 된다.
아울러, 상기 증발기(110)는, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간(b)에 연결 설치되어, 에어컨 모드시 상기 팽창수단(120)에서 배출된 저온 저압의 냉매와 공조케이스(150)내의 공기를 열교환시켜 공기를 냉각하게 되고, 이후 공기와 열교환 과정에서 증발된 냉매를 상기 압축기(100)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매와 공조케이스(150)내의 공기를 열교환시켜 공기를 가열하게 되고, 이후 공기와 열교환 과정에서 응축된 냉매를 상기 팽창수단(120)측으로 공급하게 된다.
이처럼 상기 증발기(110)는, 에어컨 모드시 본래의 증발기(110) 역할을 하여 냉방역할을 수행하게 되고, 히트펌프 모드시는 응축기(난방기) 역할을 하여 난방 역할을 수행하게 된다.
한편, 종래의 증발기는 저온 저압의 냉매만 유동하여 냉방 역할만 수행하지만, 본 발명에 따른 증발기(110)는 에어컨 모드시에는 저온 저압의 냉매가 유동하고, 히트펌프 모드시에는 고온 고압의 냉매가 유동하게 되며, 이로인해 상기 증발기(110)는 냉매가 양방향으로 모두 유동할 수 있도록 구성된다.
그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키게 된다.
여기서, 상기 실외열교환기(130)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 제1냉매순환라인(R1)을 유동하는 냉매를 외기와 열교환시키게 된다.
상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 응축기 역할을 하게 되며, 이때 상기 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다. 히트펌프 모드시에는 냉매가 흐르지 않는다.
그리고, 상기 팽창수단(120)은, 상기 증발기(110)와 실외열교환기(130)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키게 된다.
즉, 상기 팽창수단(120)은 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간(b)에 설치되고, 이때, 상기 팽창수단(120)은 냉매를 팽창시킬 수 있도록 오리피스로 이루어진 것이 바람직하지만, 팽창밸브로 이루어질 수도 있다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 팽창수단(120)을 통과하면서 팽창되어 증발기(110)로 공급되고, 히트펌프 모드시에는, 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 증발기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창수단(120)을 통과하면서 팽창된 후 상기 폐열 열교환기(140)로 공급되게 된다.
그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에는, 차량 엔진(161)과 냉각수순환라인(W)을 통해 연결되는 히터코어(160)가 설치된다.
이때, 상기 냉각수순환라인(W)상에는 상기 엔진(161)의 냉각수를 상기 히터코어(160)측으로 순환시킬 수 있도록 워터펌프(162)가 설치된다.
따라서, 상기 엔진(161)이 온(ON) 상태일 경우에는 상기 엔진(161)에 의해 가열된 냉각수를 상기 히터코어(160)측으로 순환시킴으로써, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기가 상기 히터코어(160)를 통과하는 과정에서 가열되므로 난방을 수행하게 되고, 엔진(161)이 오프(OFF) 상태일 경우에는 상기 히터코어(160)를 냉각수가 순환하지 않는다. 물론, 엔진(161)이 오프(OFF) 된 경우 엔진(161)에 남아있는 잔열을 이용하기 위해 상기 워터펌프(162)를 가동시켜 엔진(161)측 냉각수를 상기 히터코어(160) 및 폐열 열교환기(140)측으로 순환시킬 수도 있다.
그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에서 상기 증발기(110)와 상기 히터코어(160)의 사이에는, 상기 히터코어(160)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.
상기 온도조절도어(151)는, 상기 히터코어(160)를 바이패스하는 공기의 양과 히터코어(160)를 통과하는 공기의 양을 조절하여 상기 공조케이스(150)에서 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있는데,
이때, 에어컨 모드시 도 2와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 히터코어(160)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기(110)를 통과한 냉풍이 히터코어(160)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시에는 도 4와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 히터코어(160)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 히터코어(160)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.
그리고, 상기 폐열 열교환기(140)는, 상기 차량 엔진(161)의 폐열과 냉매를 열교환할 수 있도록, 상기 제2냉매순환라인(R2)과 연결되어 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(142)와, 상기 냉각수순환라인(W)과 연결되어 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(141)로 구성되어, 상기 냉매 열교환부(142)의 냉매와 상기 냉각수 열교환부(141)의 냉각수를 열교환시키도록 이루어진다.
상기 폐열 열교환기(140)는 히트펌프 모드시 냉매와 엔진(161) 폐열을 열교환시켜 냉매를 증발시키는 역할을 하게 되는데, 즉, 히트펌프 모드시 상기 압축기(100), 증발기(110), 팽창수단(120)을 통과한 냉매와, 상기 엔진(161)의 냉각수(엔진 폐열)를 열교환시키게 되고, 이 과정에서 냉매가 증발한 후 상기 압축기(100)로 공급된다.
다시말해, 상기 폐열 열교환기(140)는, 히트펌프 모드시 도 4와 같이 상기 엔진(161)의 냉각수가 냉각수순환라인(W)을 순환하지 않더라도 냉각수에 남아 있는 잔열과, 상기 팽창수단(120)에서 배출된 냉매를 열교환시켜 냉매를 증발시키게 된다.
물론, 도 4에서는 엔진(161) 오프(OFF)시 엔진(161) 냉각수가 냉각수순환라인(W)을 순환하지 않는 경우만 도시하였으나, 엔진(161)이 오프(OFF)된 경우에도 상기 워터펌프(162)를 가동하여 냉각수를 순환시킬 수 있다. 이 경우 엔진(161)에 남아 있는 잔열을 이용할 수 있는 것이다.
상기한 폐열 열교환기(140)는, 판형 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 폐열 열교환기(140)의 입구측 제2냉매순환라인(R2)상에는, 에어컨 모드시 폐쇄되고 히트펌프 모드시 개방되는 온오프밸브(183)가 설치된다.
한편, 본 발명의 히트펌프 모드는, 엔진(161)이 오프(OFF)되는 경우에만 작동하게 된다. 즉, 엔진(161)이 온(ON) 상태인 경우에는 엔진(161)에 의해 가열된 냉각수가 상기 히터코어(160)로 순환하여 난방이 가능하므로 히트펌프 모드를 작동시킬 필요가 없으며, 엔진(161)이 오프(OFF)되는 경우에만 난방을 위해 히트펌프 모드를 작동하게 되고 이때 엔진(161)의 폐열(냉각수)을 이용하게 되는 것이다.
그리고, 상기 압축기(100)의 입구측에는 어큐뮬레이터(170)가 설치되는데, 즉, 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용구간(a)에서 상기 압축기(100)의 입구측에 설치된다.
상기 어큐뮬레이터(170)는 상기 압축기(100)로 유입되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.
그리고, 상기 압축기(100)의 출구측에서 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매순환라인(R1) 또는 제2냉매순환라인(R2)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브(181)가 설치된다.
따라서, 에어컨 모드시에는 상기 제1방향전환밸브(181)의 방향전환에 의해 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실외열교환기(130)측으로 유동하면서 제1냉매순환라인(R1)을 따라 순환하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 제1방향전환밸브(181)의 방향전환에 의해 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 증발기(110)측으로 유동하면서 제2냉매순환라인(R2)을 순환하게 된다.
또한, 상기 증발기(110)의 일측에서 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는, 에어컨 모드시 상기 증발기(110)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매순환라인(R1)을 따라 압축기(100)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 압축기(100)에서 배출되어 제2냉매순환라인(R2)을 유동하는 냉매가 상기 증발기(110)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(182)가 설치된다.
상기 제2방향전환밸브(182)는, 도 4의 냉매흐름방향을 기준으로 설명하면 상기 증발기(110)의 입구측 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 분기지점에 설치되게 된다.
이와 같이, 본 발명은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스(150)내의 증발기(110)를 공용으로 사용하여 냉,난방에 이용함으로써, 공조케이스(150)의 구조변경 없이 히트 펌프 시스템을 적용할 수 있어 중량을 줄이고 공조케이스(150)를 공용화하여 원가를 절감할 수 있다.
아울러, 종래의 히트펌프 시스템에서 공조케이스내에 설치되던 실내열교환기를 삭제할 수 있어 부품수를 줄이고 원가를 절감할 수 있다.
또한, 엔진(161) 폐열을 이용하여 히트펌프 시스템(히트펌프 모드)을 작동하므로 외기온도에 영향 없이 저온에서도 작동이 가능하여 연비 개선은 물론 난방성능 및 효율을 향상할 수 있다. 즉, 저온 환경에서 엔진(161)으로 주행하는 구간에서는 히터코어(160)를 이용하여 난방을 수행하고, 전기모터로 주행하는 구간에서는 엔진(161)이 오프(OFF) 되더라도 엔진(161)의 폐열을 이용한 히트펌프 모드를 작동시켜 난방을 수행하므로 난방 부족으로 인한 엔진(161)의 강제 작동을 방지하여 저온 환경에서 연비를 향상할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
가. 에어컨 모드(엔진 온(ON)시)(도 2)
엔진(161) 온(ON) 상태에서의 에어컨 모드는, 도 2와 같이, 제1방향전환밸브(181)와 제2방향전환밸브(182) 및 온오프밸브(183)의 제어에 의해 제1냉매순환라인(R1)을 따라 냉매가 순환하게 된다.
또한, 엔진(161)이 온(ON) 상태이므로 워터펌프(162)에 의해 엔진(161)의 냉각수가 히터코어(160) 및 폐열 열교환기(140)측으로 순환하게 된다.
한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(160)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(110)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(160)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실내를 냉방하게 된다.
물론, 상기 온도조절도어(151)를 조절하면 차실내로 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 제1방향전환밸브(181)를 거쳐 상기 실외열교환기(130)로 공급된다.
상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 외기와 열교환하게 되면서 응축되며, 이로인해 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다.
계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 증발기(110)로 유입된다.
상기 증발기(110)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 냉방하게 된다.
이후, 상기 증발기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제2방향전환밸브(182)를 거쳐 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
나. 에어컨 모드(엔진 오프(OFF)시)(도 3)
엔진(161) 오프(OFF) 상태에서의 에어컨 모드는, 도 3과 같이, 제1방향전환밸브(181)와 제2방향전환밸브(182) 및 온오프밸브(183)의 제어에 의해 제1냉매순환라인(R1)을 따라 냉매가 순환하게 된다.
이때, 엔진(161) 오프(OFF) 상태에서는 워터펌프(162)가 정지되어 상기 히터코어(160) 및 폐열 열교환기(140)측으로 냉각수가 순환하지 않는다.
한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(160)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(110)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(160)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실내를 냉방하게 된다.
그리고, 냉매 순환과정은 앞서 설명한 엔진(161) 온(ON) 상태에서의 에어컨 모드와 동일하므로 설명을 생략한다.
다. 히트펌프 모드(엔진 오프(OFF)시)(도 4)
엔진(161) 오프(OFF) 상태에서의 히트펌프 모드는, 도 4와 같이, 제1방향전환밸브(181)와 제2방향전환밸브(182) 및 온오프밸브(183)의 제어에 의해 제2냉매순환라인(R2)을 따라 냉매가 순환하게 된다.
이때, 엔진(161) 오프(OFF) 상태에서는 도 4와 같이 상기 히터코어(160) 및 폐열 열교환기(140)측으로 냉각수가 순환하지 않으나, 상기 워터펌프(162)를 가동할 경우 냉각수를 순환시킬 수도 있다.
아울러, 엔진(161) 오프(OFF) 상태에서는 엔진(161) 냉각수에 남아 있는 잔열을 이용하여 난방 열원으로 사용하게 된다.
한편, 최대 난방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(160)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(110)(난방 역할)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 제1방향전환밸브(181) 및 제2방향전환밸브(182)를 거쳐 상기 증발기(110)로 공급된다.
상기 증발기(110)로 공급된 고온 고압의 기상냉매는, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 열교환하게 되면서 응축됨과 동시에 공기를 가열하게 되며, 이처럼 가열된 공기가 차량 실내로 공급되어 난방하게 된다.
계속해서, 상기 증발기(110)를 통과한 냉매는, 상기 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 폐열 열교환기(140)로 유입된다.
상기 폐열 열교환기(140)로 유입된 냉매는 엔진(161) 냉각수(엔진 폐열)와 열교환하면서 증발하게 된다.
이후, 상기 증발기(110)에서 배출된 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
100: 압축기 110: 증발기
120: 팽창수단 130: 실외열교환기
140: 폐열 열교환기 150: 공조케이스
151: 온도조절도어 160: 히터코어
170: 어큐뮬레이터
181: 제1방향전환밸브 182: 제2방향전환밸브
183: 온오프밸브
R1: 제1냉매순환라인 R2: 제2냉매순환라인
W: 냉각수순환라인

Claims (8)

  1. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(100)와,
    공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150)내 공기와 냉매를 열교환시키는 증발기(110)와,
    상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키는 실외열교환기(130)와,
    상기 증발기(110)와 실외열교환기(130)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키는 팽창수단(120)과,
    차량의 폐열과 냉매를 열교환시키는 폐열 열교환기(140)와,
    에어컨 모드시, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실외열교환기(130), 팽창수단(120), 증발기(110), 압축기(100)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제1냉매순환라인(R1)과,
    히트펌프 모드시, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 증발기(110), 팽창수단(120), 폐열 열교환기(140), 압축기(100)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제2냉매순환라인(R2)을 포함하여 이루어져,
    에어컨 모드시에는 냉방 작용을 하고 히트펌프 모드시에는 난방 작용을 하는 상기 증발기(110)를 공용으로 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1냉매순환라인(R1)과 제2냉매순환라인(R2)은, 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 일부 구간을 공용으로 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)의 공용 구간은, 상기 압축기(100)가 연결된 구간(a)과, 상기 증발기(110) 및 팽창수단(120)이 연결된 구간(b)인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공조케이스(150)의 내부에는, 차량 엔진(161)과 냉각수순환라인(W)을 통해 연결되는 히터코어(160)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 폐열 열교환기(140)는, 상기 차량 엔진(161)의 폐열과 냉매를 열교환할 수 있도록, 상기 제2냉매순환라인(R2)과 연결되어 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(142)와, 상기 냉각수순환라인(W)과 연결되어 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(141)로 구성되어, 상기 냉매 열교환부(142)의 냉매와 상기 냉각수 열교환부(141)의 냉각수를 열교환시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기(100)의 출구측에서 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매순환라인(R1) 또는 제2냉매순환라인(R2)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제1방향전환밸브(181)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 증발기(110)의 일측에서 상기 제1,2냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는, 에어컨 모드시 상기 증발기(110)에서 배출된 냉매가 상기 제1냉매순환라인(R1)을 따라 압축기(100)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하고, 히트펌프 모드시에는 상기 압축기(100)에서 배출되어 제2냉매순환라인(R2)을 유동하는 냉매가 상기 증발기(110)측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(182)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐열 열교환기(140)의 입구측 제2냉매순환라인(R2)상에는, 에어컨 모드시 폐쇄되고 히트펌프 모드시 개방되는 온오프밸브(183)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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