KR20160008049A

KR20160008049A - 차량용 히트 펌프 장치

Info

Publication number: KR20160008049A
Application number: KR1020140087667A
Authority: KR
Inventors: 박준규; 김용철
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US20160009161A1; KR101592734B1; CN105270133A; DE102014117765A1; CN105270133B

Abstract

차량의 전방측에 위치하고, 후방측으로는 HVAC 시스템까지 공기가 통과하는 덕트가 결합되며, 덕트에는 개폐가능한 내부도어가 형성된 응축기; HVAC 시스템 내부의 냉방유로에 형성되되, 상기 응축기에서 냉각된 냉매에 의해 공기를 냉각시키는 증발기; 상기 증발기를 통과한 고온의 냉매를 압축하는 압축기; 및 HVAC 시스템으로 외부의 공기를 흡입 또는 차단하도록 형성된 흡입구;를 포함하는 차량용 히트 펌프 장치가 소개된다.

Description

차량용 히트 펌프 장치 {HEAT PUMP APPARATUS FOR VEHICLE}

본 발명은 차량의 히트 펌프 장치에 관한 것으로써, 겨울철 난방에 따른 전기차 주행거리 감소를 개선하기 위한 차량용 히트 펌프 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료를 사용하는 차량에서는 엔진의 열을 이용하여 냉난방 장치를 이용할 수 있게 된다. 그러나, 전기자동차의 경우에는 엔진이 없기 때문에 엔진에서 발생하는 열을 이용한 냉난방이 되지 않는다. 따라서, 전기자동차에서는 별도로 구성된 히트 펌프 장치를 장착하여 겨울철 난방기능을 수행하게 된다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 장치를 도시한 도면으로써, 도면을 통해 냉난방 시의 냉매의 흐름을 살펴보도록 한다.

먼저, 냉방 시에는 내부응축기(4)를 지나 제2쓰리웨이밸브(6)를 지나 외부응축기(1)를 통해 방열을 한 후 온도가 낮아진 냉매가 제1쓰리웨이밸브(11)와 감온팽창밸브(7)를 지나 증발기(3)를 통해 흡열을 하여 실내에 낮은 온도의 공기를 공급하게 된다. 이 과정에서, 전장부품(5)의 냉각도 동시에 수행하게 된다. 즉, 증발기(3)를 통과해 뜨거워진 냉매는 어큐물레이터(8)와 압축기(2)를 지나 1차 방열을 한 후 다시 제2쓰리웨이밸브(6)을 지나 외부응축기(1)를 통해 2차 방열을 하여 실내에 낮은 온도의 공기를 공급하게 되는 것이다.

또한, 난방 시에는 제1쓰리웨이밸브(11)를 지난 냉매가 냉각기(10)와 어큐물레이터(8)를 지난 후 압축기(2)를 지나면서 내부응축기(4)를 통해 방열을 하여 실내에 뜨거운 공기를 공급하게 된다. 내부응축기(4)에서 방열을 한 냉매는 제2쓰리웨이밸브(6)을 지나 오리피스를 통해 외부응축기(1)에서 흡열을 하게 되는데, 외부응축기(1)가 기존 HVAC 시스템의 증발기 역할을 수행하여 흡열을 하는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 차량용 히트 펌프 장치는 냉방 시와 난방 시의 냉매의 순환경로가 바뀌어야하고, 구조 역시 복잡한 단점이 있다. 또한, 밸브(6,7,11) 등을 많이 이용하게 되므로 고장 발생의 우려가 높고, 원가 상승의 단점이 있었다.

또한, 외기 온도가 영하로 떨어지는 겨울철에는 히트 펌프 장치의 효율이 저하되고, 난방을 사용에 따른 주행거리 감소가 발생하는 단점이 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2013-0011304

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구조가 간단하면서도 히트 펌프 장치의 효율을 높일 수 있으며, 난방을 사용하더라도 주행거리가 감소하지 않도록 하는 차량용 히트 펌프 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 장치는 차량의 전방측에 위치하고, 후방측으로는 HVAC 시스템까지 공기가 통과하는 덕트가 결합되며, 덕트에는 개폐가능한 내부도어가 형성된 응축기; HVAC 시스템 내부의 냉방유로에 형성되되, 상기 응축기에서 냉각된 냉매에 의해 공기를 냉각시키는 증발기; 상기 증발기를 통과한 고온의 냉매를 압축하는 압축기; 및 HVAC 시스템으로 외부의 공기를 흡입 또는 차단하도록 형성된 흡입구;를 포함한다.

상기 응축기의 전방측에는 개폐가능한 외부도어가 형성되어 외부도어를 통해 응축기의 후방 덕트로 외기가 유입 또는 차단될 수 있다.

상기 HVAC 시스템에는 난방유로가 더 포함되고, 난방유로에는 히터가 마련되어 흡입구를 통해 난방유로로 유입된 공기가 히터에 의해 가열되어 실내로 공급될 수 있다.

상기 난방유로는 상기 냉방유로와 병렬로 형성될 수 있다.

상기 HVAC 시스템에는 흡입구의 후방측으로 템프도어가 마련되고, 흡입구를 통해 유입된 공기가 템프도어에 의해 냉방유로 또는 난방유로 중 하나의 유로로 선택적으로 유입되도록 하여 흡열 또는 가열된 후 실내로 유입될 수 있다.

상기 HVAC 시스템에는 배출구가 형성되어 냉방유로 또는 난방유로를 통해 흡열 또는 가열된 공기가 배출구를 통해 실내로 유입될 수 있다.

상기 흡입구에는 차단도어가 형성되고, 차단도어는 HVAC 시스템으로 유입되는 공기를 내기 또는 외기로 구분하여 유입되도록 할 수 있다.

상기 응축기, 증발기, 압축기는 냉매라인으로 연결되어 폐회로가 형성되고, 냉매라인의 냉매는 일방향으로 순환될 수 있다.

상기 응축기의 후면에는 냉각팬이 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 히트 펌프 장치에 따르면 냉매가 지속적으로 한 방향으로 순환될 수 있도록 구성되고, HVAC 시스템 내부에 냉방유로와 별도로 난방유로가 병렬로 형성됨으로써, 종래 대비 적은 에너지만으로도 냉방과 난방의 효율을 높일 수 있게 된다.

따라서, 냉방 시에는 응축기 후방의 공기 대비 차가운 외기를 유입시켜 HVAC 시스템 내에 냉매순환에 이용되는 증발기에 공기가 통과하도록 하여 종래 대비 공기를 냉각시키는데 많은 에너지를 사용하지 않고도 빠르고 간단하고 용이하게 공기를 차갑게 하여 차가운 공기를 실내로 공급할 수 있게 된다.

난방 시에는 냉매와 열교환하여 따뜻해진 응축기 후면의 공기와 따뜻해진 내기를 HVAC 시스템의 난방유로로 유입시킴으로써 열원을 확보하여 종래 대비하여 공기를 가열하는데 많은 에너지를 사용하지 않더라도 빠르고 간단하고 용이하게 공기를 사용자가 원하는 온도로 만들어 따뜻한 공기를 실내로 공급할 수 있게 된다.

또한, 냉매를 한 방향으로만 순환시킴으로써, 종래에 사용되었던 냉매 전환 밸브, 내부열교환기 및 배관 등을 제거할 수 있게 되어 구조 및 제어가 간단해지고, 비용이 감소되며 차량 경량화의 효과가 있게 된다.

더불어, 외기 온도가 영하로 떨어지는 겨울철에도 어느 정도 온도가 상승된 따뜻한 공기를 공기조화에 이용함으로써, 차량용 히트 펌프 장치의 효율을 떨어뜨리지 않을 수 있으며, 친환경 차량의 경우에는 난방 사용에 의한 주행거리 감소가 발생하지 않아 저비용 고효율을 실현할 수 있는 장점이 있게 된다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 장치의 냉방 시를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 난방 시를 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 히트 펌프 장치에 대하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 장치의 냉방 시를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 난방 시를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 장치는 차량의 전방측에 위치하고, 후방측으로는 HVAC 시스템(200, Heating, Ventilating, Air Conditioning System)까지 공기가 통과하는 덕트(110)가 결합되며, 덕트(110)에는 개폐가능한 내부도어(111)가 형성된 응축기(100); HVAC 시스템(200) 내부의 냉방유로(600)에 형성되되, 상기 응축기(100)에서 응축된 냉매에 의해 공기를 냉각시키는 증발기(610); 상기 증발기(610)를 통과한 고온의 냉매를 압축하는 압축기(300); 및 HVAC 시스템(200)으로 외부의 공기를 흡입 또는 차단하도록 형성된 흡입구(400);를 포함한다.

상기 응축기(100)는 통상적으로 라디에이터일 수 있다. 또한, 응축기(100)의 전방측에는 개폐가능한 외부도어(130)가 형성되고, 후방측에는 HVAC 시스템(200)까지 공기가 통과하는 덕트(110)가 결합된다. 상기 외부도어(130)의 개방 시에는 외기가 응축기(100)의 후방 덕트(110)에 유입될 수 있으며, 반대로 외부도어(130)의 부분 또는 전부 폐쇄 시에는 외기가 덕트(110)로 유입되는 것이 일부 또는 완전히 차단된다. 또한, 상기 응축기(100)의 후면에는 냉각팬(150)이 형성되어 응축기(100)의 냉매 냉각 시 보다 빠르게 냉매를 냉각할 수 있게 된다.

상기 응축기(100)의 덕트(110)에는 개폐가능한 내부도어(111)가 형성될 수 있다. 상기 내부도어(111)는 덕트(110)의 하측에 형성될 수 있다. 상기 내부도어(111)의 개방 시 응축기(110) 후면의 공기가 실외로 배출될 수 있으며, 폐쇄 시에는 공기가 덕트(110)를 통해 흡입구(400)를 지나 HVAC 시스템(200)으로 유입되게 된다.

또한, 상기 흡입구(400)에는 공기가 유입되되, HVAC 시스템(200)의 내기 혹은 외기모드에 따라 내기 혹은 외기를 선택적으로 구분하여 유입될 수 있도록 차단도어(410)가 형성된다. 상기 차단도어(410)는 덕트(110)의 후방측 단부의 상측과 HVAC 시스템(200)의 흡입구(400)의 전방측에 위치하여 개방 시에는 외기가 HVAC 시스템(200)측으로 유입되는 외기모드로 수행될 수 있으며, 폐쇄 시에는 외부로부터 HVAC 시스템(200)측으로 공기가 유입되는 것을 차단하고, 실내 공기가 HVAC 시스템(200)으로 유입되는 내기모드로 수행될 수 있다.

상기 증발기(610)는 HVAC 시스템(200) 내부의 냉방유로(600)에 형성되되, 상기 응축기(100)에서 냉각된 냉매에 의해 공기를 냉각시키는 역할을 한다. 상기 HVAC 시스템(200)에는 냉방유로(600)와는 별도로 히터(710)가 마련된 난방유로(700)가 형성되어 난방유로(700)로 유입된 공기가 히터(710)에 의해 가열되어 실내로 공급되게 된다. 상기 난방유로(700)는 냉방유로(600)와 병렬로 형성될 수 있다. 또한, 상기 히터(710)은 PTC 히터(Positive Temperature Coefficient heater)일 수 있다.

상기 HVAC 시스템(200)에는 흡입구(400)의 후방측으로 템프도어(430)가 마련된다. 사용자가 선택한 냉방 혹은 난방 모드에 따라 상기 흡입구(400)를 통해 유입된 공기가 템프도어(430)에 의해 냉방유로(600) 또는 난방유로(700) 중 하나의 유로로 선택적으로 유입되어 흡열 또는 가열된 후 실내로 유입되게 된다. 또한, 상기 HVAC 시스템(200)에는 배출구(210)가 형성되어 냉방유로(600) 또는 난방유로(700)를 통해 흡열 또는 가열된 공기가 하나의 배출구(210)를 통해 실내로 유입되게 된다.

상기와 같이, HVAC 시스템(200)의 내부에 병렬로 냉방유로(600)와 난방유로(700)를 각각 형성하여 증발기(610)와 히터(710)를 병렬로 구성하여 사용자의 냉방 혹은 난방모드의 선택에 따라 공기를 흡열 또는 가열된 공기를 하나의 배출구(210)를 통해 실내로 배출되게 함으로써 구조가 간단하면서도 보다 효율적인 냉난방이 가능하게 된다.

또한, 상기 응축기(100), 증발기(610), 압축기(300)는 하나의 냉매라인(500)으로 연결되어 폐회로가 형성되고, 냉매라인(500)의 냉매는 일방향으로 지속적으로 순환되도록 형성된다.

도면에 의거하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 히트 펌프 장치의 냉방 시와 난방 시 공기와 냉매의 흐름을 살펴보도록 한다.

본 발명에서는 냉방 혹은 난방 시와 상관없이 냉매는 계속 동일한 방향으로 지속적으로 순환하도록 구성된다. 따라서, 도 2와 도 3에서의 냉매라인(500) 내의 냉매의 순환은 동일하다. 그러므로, 냉매라인(500)의 냉매의 흐름을 살펴보면, 상기 HVAC 시스템(200) 냉방유로(600)의 증발기(610)에서 공기와 열교환한 고온의 냉매는 온도가 높아진 상태에서 냉매라인(500)을 따라 압축기(300)를 거쳐 응축기(100)로 유입된다. 상기 응축기(100)에서 응축되어 저온 상태인 냉매는 다시 HVAC 시스템(200)의 냉방유로(600)의 증발기로 유입되며, 냉매는 상기한 바와 같이 계속해서 순환하게 된다.

상기 응축기(100)에서는 냉매를 저온으로 만들기 위하여 외부도어(130)를 개방하여 실외의 공기를 유입시킨다. 외부도어(130)는 단계적으로 개폐상태가 조절되어 필요한 만큼 외기를 유입시킬 수 있도록 형성될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 응축기(100) 후방의 냉각팬(150)을 구동하여 냉매의 열을 흡수할 수 있다.

도 2는 차량용 히트 펌프 장치의 냉방 시를 도시한 도면이다. 냉방 시에는 실내 대비하여 상대적으로 차량 외부의 공기의 온도가 높은 상태이다. 그러나, 냉매를 냉각한 후 응축기(100)의 후방 덕트(110) 내에 모인 공기는 외기보다 상대적으로 고온을 형성한다. 그러므로, 덕트(110)의 내부도어(111)를 개방하여 상대적으로 높은 온도의 공기를 외부로 배출시키고, 흡입구(400)의 차단도어(410)를 개방하여 상대적으로 낮은 온도의 외기를 흡입구(400)를 통해 HVAC 시스템(200)으로 유입시킨다. 이 때, HVAC 시스템(200) 내의 템프도어(430)는 냉방유로(600) 측으로 개방되어 유입된 외기를 냉방유로(600)의 증발기(610)를 통해 보다 빠르고 용이하게 냉각하여 배출구(210)를 통해 실내로 배출시키게 된다. 이 때, 냉방유로(600)와 별도로 형성된 난방유로(700)의 히터(710)는 구동되지 않는다.

도 3은 차량용 히트 펌프 장치의 난방 시를 도시한 도면이다. 난방 시에는 실내 대비하여 상대적으로 차량의 외부의 공기가 낮은 상태이다. 또한, 응축기(100)의 후방 덕트(110)에 모인 공기는 냉매와의 열교환으로 인하여 온도가 높아진 상태이다. 그러므로, 덕트(110)의 내부도어(111)를 폐쇄하여 덕트(110)의 높은 온도의 공기를 HVAC 시스템(200)으로 유입시키고, 흡입구(400)의 차단도어(410)를 폐쇄하여 외기 대비하여 상대적으로 높은 온도의 내기를 흡입구(400)를 통해 HVAC 시스템(200)으로 유입시킨다. 이 때, HVAC 시스템(200) 내의 템프도어(430)는 난방유로(700) 측으로 개방되어 덕트(110)의 따뜻한 공기와 차단도어(410)를 통해 유입되는 따뜻한 온도의 내기를 난방유로(700)의 히터(710)를 통해 보다 빠르고 용이하게 가열하여 배출구(210)를 통해 실내로 배출시키게 된다.

난방 시에는 응축기(100) 전방의 외부도어(130)가 일부 폐쇄된 상태가 되어 응축기(100)가 외부공기에 노출되는 것이 부분적으로 차단된다. 따라서, 냉매와의 열교환을 통해 덕트(110) 내에 형성된 따뜻한 공기의 온도가 외기로 인해 낮아지는 것이 차단되어 공기의 온도가 높은 상태로 유지될 수 있게 된다.

상기와 같은 차량용 히트 펌프 장치는 냉매가 지속적으로 한 방향으로 순환될 수 있도록 구성되고, HVAC 시스템 내부에 냉방유로와 별도로 난방유로가 병렬로 형성됨으로써, 종래 대비 적은 에너지만으로도 냉방과 난방의 효율을 높일 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 응축기 110 : 덕트
111 : 내부도어 130 : 외부도어
150 : 냉각팬 200 : HVAC 시스템
210 : 배출구 300 : 압축기
400 : 흡입구 410 : 차단도어
430 : 템프도어 500 : 냉매라인
600 : 냉방유로 610 : 증발기
700 : 난방유로 710 : 히터

Claims

차량의 전방측에 위치하고, 후방측으로는 HVAC 시스템까지 공기가 통과하는 덕트가 결합되며, 덕트에는 개폐가능한 내부도어가 형성된 응축기;
HVAC 시스템 내부의 냉방유로에 형성되되, 상기 응축기에서 냉각된 냉매에 의해 공기를 냉각시키는 증발기;
상기 증발기를 통과한 고온의 냉매를 압축하는 압축기; 및
HVAC 시스템으로 외부의 공기를 흡입 또는 차단하도록 형성된 흡입구;를 포함하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 응축기의 전방측에는 개폐가능한 외부도어가 형성되어 외부도어를 통해 응축기의 후방 덕트로 외기가 유입 또는 차단되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 HVAC 시스템에는 난방유로가 더 포함되고, 난방유로에는 히터가 마련되어 흡입구를 통해 난방유로로 유입된 공기가 히터에 의해 가열되어 실내로 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 난방유로는 상기 냉방유로와 병렬로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 HVAC 시스템에는 흡입구의 후방측으로 템프도어가 마련되고, 흡입구를 통해 유입된 공기가 템프도어에 의해 냉방유로 또는 난방유로 중 하나의 유로로 선택적으로 유입되도록 하여 흡열 또는 가열된 후 실내로 유입되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 HVAC 시스템에는 배출구가 형성되어 냉방유로 또는 난방유로를 통해 흡열 또는 가열된 공기가 배출구를 통해 실내로 유입되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입구에는 차단도어가 형성되고, 차단도어는 HVAC 시스템으로 유입되는 공기를 내기 또는 외기로 구분하여 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 응축기, 증발기, 압축기는 냉매라인으로 연결되어 폐회로가 형성되고, 냉매라인의 냉매는 일방향으로 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 응축기의 후면에는 냉각팬이 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 장치.