KR20160033838A

KR20160033838A - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR20160033838A
Application number: KR1020140124278A
Authority: KR
Inventors: 김학규; 이상기; 이정재; 강성호
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-29
Also published as: KR102111322B1

Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 실외열교환기를 바이패스하는 바이패스라인에 차량 엔진을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인을 유동하는 냉매를 열교환시키도록 엔진 라디에이터를 이용한 냉매-냉각수 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기측으로 냉매가 순환하여 상기 실외열교환기를 사용하지 않으므로 실외열교환기의 착상 방지 및 제상이 불필요하고, 차량 연비도 향상할 수 있으며, 또한 냉각수 폐열이 부족한 경우에는 차량 엔진을 구동할 수 있어 극저온 환경에서의 난방이 가능하고, 별도의 전기가열식히터도 불필요한 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 실외열교환기를 바이패스하는 바이패스라인에 차량 엔진을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인을 유동하는 냉매를 열교환시키도록 엔진 라디에이터를 이용한 냉매-냉각수 열교환기를 설치한 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적인 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 엔진 냉각수를 히터코어로 순환시켜 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.

그리고, 하이브리드 차량의 경우에는, 엔진을 가동하여 주행하는 엔진 주행모드와, 엔진을 정지하고 배터리로 모터를 가동하여 주행하는 배터리 주행모드가 있으며, 이러한 하이브리드 차량에서의 난방은 엔진의 냉각수 열을 이용하게 된다.

그러나, 하이브리드 차량에서 엔진 냉각수 열을 이용하여 난방하기 때문에 배터리 주행모드에서 불필요하게 엔진을 가동해야하므로 연비가 감소하는 문제가 있다.

특히, 저온 조건에서는 배터리를 이용한 주행이 가능함에도 불구하고 항시 엔진을 가동할 수 밖에 없어서 하이브리드 차량의 장점이 감소되고, 역으로 연비가 더욱 나빠지는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 개발되고 있으며,

이러한 차량용 히트펌프 시스템의 일예가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 차량용 히트펌프 시스템은, 냉매순환라인(1)에 설치되어 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 실내열교환기(32)와, 냉매순환라인(1)과 병렬구조로 설치된 팽창라인(3)에 설치되어 상기 실내열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1팽창밸브(34)과, 상기 팽창라인(3)으로의 냉매 유동방향을 전환하는 제1방향전환밸브(81)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1방향전환밸브(81)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 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56) 및 증발기(60)와 병렬로 설치되어 상기 실외열교환기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 바이패스라인(2)과, 상기 바이패스라인(2)으로의 냉매 유동방향을 전환하는 제2방향전환밸브(83)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 바이패스라인(2)에는 차량 전장품(72)을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인(2)을 유동하는 냉매를 열교환하는 수냉식열교환기(75)가 설치되어, 차량 전장품(72)으로부터 열을 회수하여 난방열원으로 사용하게 된다.

도 1 중 도면부호 50은 상기 실내열교환기(32)와 증발기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 74는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 70은 상기 공조케이스내의 실내열교환기(32) 후방측에 설치된 전기가열식히터, 도면부호 5는 제상모드시 냉매가 실외열교환기(48)를 바이패스하도록 하는 보조 바이패스라인을 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 히트펌프 모드(난방모드)가 가동될 경우에는, 바이패스라인(2)이 개방되며, 온도조절도어(74)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 바이패스라인(2), 수냉식열교환기(75), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 실내열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.

에어컨 모드(냉방모드)가 가동될 경우에는, 팽창라인(3)과 바이패스라인(2)이 닫히고, 온도조절도어(74)는 실내열교환기(32)측 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내열교환기(32), 실외열교환기(48), 제2팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 증발기(60)가 증발기의 역할을 하게 되고, 상기 온도조절도어(74)에 의해 폐쇄된 상기 실내열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.

상기한 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드(난방모드)시 상기 공조케이스(50)의 내부에 설치된 실내열교환기(32)가 난방기 역할을 하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 공조케이스(50)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 외기와 열교환하는 증발기 역할을 하게 되는데,

이때, 상기 실외열교환기(48)로 유입되는 냉매의 온도가 외기와 열교환하는 과정에서 실외열교환기(48)의 표면이 빙점이하로 떨어지게 되면서 실외열교환기(48)의 표면에 착상이 발생하기 시작한다.

상기 실외열교환기(48)의 표면에 착상이 발생하게 되면, 시스템이 제상모드로 전환되는데, 즉, 보조 바이패스라인(5)이 개방되어 냉매가 실외열교환기(48)를 바이패스하도록 하여 제상을 수행하게 된다. 물론 실외열교환기(48)가 외기와 열교환하기 어려운 극저온시에도 상기 보조 바이패스라인(5)이 개방된다.

그러나, 상기 실외열교환기(48)에 착상이 발생하여 제상모드를 수행하거나 또는 극저온시에는 외기로부터 열을 회수하지 못하므로, 바이패스라인(2)을 유동하는 냉매가 수냉식열교환기(75)를 통해 차량의 전장품(72)과 열교환하여 열을 회수하게 되는데, 이때 전장품(72)의 열이 충분하지 못하여 난방성능이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기와 같이 난방성능이 부족할 경우에는 전기가열식히터(70)의 가동률이 증가하여 소비전력이 많고 연비도 더욱 떨어지는 문제가 있다.

아울러, 저온 환경에서는 히트펌프 시스템의 난방성능이 제한적이므로 전기가열식히터(70)가 추가적으로 설치되어야하는 문제도 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실외열교환기를 바이패스하는 바이패스라인에 차량 엔진을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인을 유동하는 냉매를 열교환시키도록 엔진 라디에이터를 이용한 냉매-냉각수 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기측으로 냉매가 순환하여 상기 실외열교환기를 사용하지 않으므로 실외열교환기의 착상 방지 및 제상이 불필요하고, 차량 연비도 향상할 수 있으며, 또한 냉각수 폐열이 부족한 경우에는 차량 엔진을 구동할 수 있어 극저온 환경에서의 난방이 가능하고, 별도의 전기가열식히터도 불필요한 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 상기 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 실내열교환기의 출구측 냉매순환라인에 설치되어 실내열교환기에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인에 설치되어 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단을 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인에는, 상기 제1팽창수단을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기를 바이패스하도록 바이패스라인이 병렬로 설치되고, 상기 바이패스라인에는, 차량 엔진을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인을 유동하는 냉매를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 실외열교환기를 바이패스하는 바이패스라인에 차량 엔진을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인을 유동하는 냉매를 열교환시키도록 엔진 라디에이터를 이용한 냉매-냉각수 열교환기를 설치함으로써, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기측으로 냉매가 순환하여 상기 실외열교환기를 사용하지 않으므로 실외열교환기의 착상 방지 및 제상이 불필요하고, 차량 연비도 향상할 수 있다.

또한, 냉각수 폐열이 부족한 경우에는 차량 엔진을 구동할 수 있어 극저온 환경(일예로 -20℃)에서의 히트펌프 모드의 난방이 가능하고, 별도의 전기가열식히터도 불필요하여 시스템이 단순하다.

그리고, 배터리 주행모드에서도 냉각수 폐열을 히터코어로 순환시켜 난방에 활용할 수 있다.

또한, 난방성능 부족시 엔진을 구동하여 냉각수온을 높여 히트펌프 모드의 난방성능을 높일 수 있다.

그리고, 상기 증발기를 통해 제습을 수행하면서도 엔진 냉각수(히터코어)나 실내열교환기를 사용하여 난방이 가능하다.

또한, 전기가열식히터가 불필요하므로 소비전력을 줄이고 연비도 향상할 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드 작동 중 엔진 냉각모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 냉각수 난방모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드 작동중 냉각수 난방모드를 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 냉매-냉각수 열교환기를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 제1팽창수단의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

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

먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140), 증발기(160), 어큐뮬레이터(170)를 냉매순환라인(R)으로 연결하여 구성되고,

상기 실외열교환기(130)를 바이패스하는 바이패스라인(R1)에는 엔진 라디에이터(200a)를 이용한 냉매-냉각수 열교환기(200)가 설치되며, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 보조 바이패스라인(R2)이 설치되고,

차량 엔진(210)과 냉매-냉각수 열교환기(200) 및 히터코어(220)를 다양한 경로로 연결하는 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)을 설치한 구성으로서, 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.

상기 제1냉각수순환라인(W1)은 히트펌프 모드시 차량 엔진(210) 냉각수가 냉매-냉각수 열교환기(200)로 순환하는 라인이고, 제2냉각수순환라인(W2)은 냉각수 난방모드시 차량 엔진(210) 냉각수가 히터코어(220)로 순환하는 라인이며, 제3냉각수순환라인(W3)은 히트펌프 모드시 난방열원으로 엔진 냉각수 열을 필요로 하거나 또는 에어컨 모드시 엔진 냉각수 열이 활용가능 할 경우 차량 엔진(210) 냉각수가 히터코어(220)와 냉매-냉각수 열교환기(200)로 순환하는 라인이다.

상기 냉매순환라인(R)은, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(미팽창), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140)(팽창), 증발기(160), 어큐뮬레이터(170), 압축기(100)를 순환하도록 라인을 구성하게 되고,

히트펌프 모드시에는, 상기 바이패스라인(R1) 및 보조 바이패스라인(R2)이 개방되어, 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 상기 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(팽창), 냉매-냉각수 열교환기(200), 어큐뮬레이터(170), 압축기(100)를 순환하게 된다.

이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 냉매순환라인(R)상에 설치된 압축기(100)는 엔진(210)(내연기관 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.

상기 압축기(100)는, 에어컨 모드시 상기 증발기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 보조 바이패스라인(R2)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.

상기 실내열교환기(110)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 출구측 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키게 된다.

또한, 상기 증발기(160)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키게 된다.

상기 실내열교환기(110)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 모두 응축기 역할을 하게 되고,

상기 증발기(160)는, 에어컨 모드시 증발기 역할을 하고, 히트펌프 모드시에는 냉매 공급이 되지 않는다.

또한, 상기 실내열교환기(110) 및 증발기(160)는, 상기 공조케이스(150)의 내부에 서로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향 상류측에서부터 상기 증발기(160)와 실내열교환기(110)가 순차적으로 설치된다.

물론, 상기 증발기(160)와 실내열교환기(110)의 사이에는 후술하는 히터코어(220)가 설치된다.

따라서, 상기 증발기(160)가 증발기 역할을 수행하는 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제2팽창수단(140)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 상기 증발기(160)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 증발기(160)를 통과하는 과정에서 증발기(160) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다.

상기 실내열교환기(110)가 응축기 역할을 수행하는 히트펌프 모드시에는 도 5와 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 실내열교환기(110)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 과정에서 실내열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 된다.

그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에서 상기 증발기(160)와 상기 히터코어(220)의 사이에는, 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.

상기 온도조절도어(151)는, 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)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(220)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기(160)를 통과한 냉풍이 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고,

히트펌프 모드시에는 도 5와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 히터코어(220)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행되며,

한편, 최대 냉방 및 최대 난방 뿐만 아니라 상기 온도조절도어(151)를 조절하면 공조케이스(150)에서 차실내로 토출되는 공기의 온도를 조절할 수 있다.

아울러, 에어컨 모드로 작동하면서 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 히터코어(220)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 상기 증발기(160)를 이용한 제습과 상기 실내열교환기(110)의 냉매 열원을 이용한 난방이 가능하다.

그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치됨과 아울러 상기 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키게 된다.

여기서, 상기 실외열교환기(130)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되어 내부를 유동하는 냉매를 외기와 열교환시키게 된다.

상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기(110)와 동일한 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 외기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다. 히트펌프 모드시에는 실외열교환기(130)로 냉매 공급이 되지 않아 실외열교환기(130)의 착상을 방지하고 이로인해 제상이 불필요하게 된다.

그리고, 상기 제1팽창수단(120)은, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.

상기 제1팽창수단(120)은, 도 8과 같이, 상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 온오프 밸브(125)와, 상기 온오프 밸브(125)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(128)로 이루어져, 상기 온오프 밸브(125)의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키게 된다.

다시말해, 상기 제1팽창수단(120)은 온오프 밸브(125)와 교축(팽창) 역할을 하는 오리피스(128)를 일체화 한 구성이다.

도 8은 제1팽창수단(120)을 개략적으로 도시한 도면으로서, 온오프 밸브(125)의 내부에 냉매가 유동하는 유로(126)가 형성되고, 상기 유로(126)를 개폐하도록 밸브부재(127)를 설치한 것이다.

이때, 상기 밸브부재(127)상에는 냉매를 팽창시키기 위한 오리피스(128)가 형성된다.

또한, 상기 온오프 밸브(125)의 일측에는 상기 밸브부재(127)의 개폐작동을 위한 솔레노이드(129)가 설치된다.

따라서, 상기 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)를 개방할 경우에는 제1팽창수단(120)을 통과하는 냉매가 팽창되지 않고 통과하게 되고, 제1팽창수단(120)의 밸브부재(127)가 유로(126)를 폐쇄할 경우에는 제1팽창수단(120)을 통과하는 냉매가 밸브부재(127)상의 오리피스(128)를 통과하는 과정에서 팽창된 후 통과하게 되는 것이다.

그리고, 상기 제2팽창수단(140)은, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)에 설치되어, 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키게 된다.

즉, 상기 제2팽창수단(140)은, 에어컨 모드시 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 액상(습포화) 상태가 되게 한 후, 상기 증발기(160)로 공급하게 된다.

상기 제2팽창수단(140)으로는 기계식 팽창밸브(미도시) 또는 전자식 팽창밸브(미도시) 등 다양한 팽창밸브를 사용할 수 있다.

그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 바이패스라인(R1)이 병렬로 설치된다.

즉, 상기 바이패스라인(R1)은, 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)과 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하게 된다.

상기 바이패스라인(R1)에는, 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기(200)가 설치된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(200)는, 차량 엔진(210)을 냉각시키기 위해 엔진룸의 전방측에 설치된 엔진 라디에이터(200a)를 이용하여 냉매와 냉각수를 열교환시키게 된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(200)는, 도 7과 같이, 상기 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수와 외기를 열교환시켜 차량 엔진(210)을 냉각시키는 엔진 라디에이터(200a)와, 상기 엔진 라디에이터(200a)의 헤더탱크(201)내에 설치되어 상기 엔진 라디에이터(200a)를 유동하는 냉각수와 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매를 열교환시키는 수냉 열교환튜브(200b)로 이루어진다.

즉, 상기 엔진 라디에이터(200a)는, 서로 이격된 한 쌍의 헤더탱크(201)와, 상기 한 쌍의 헤더탱크(201)를 연결하는 복수개의 튜브(202)와, 상기 복수개의 튜브(202) 사이에 설치되는 방열핀(203)으로 이루어진다.

이때, 상기 한 쌍의 헤더탱크(201)에는 상기 제1,3냉각수순환라인(W1,W3)이 연결되어 상기 엔진 냉각수가 상기 일측 헤더탱크(201)로 유입되어 복수개의 튜브(202)를 유동하는 과정에서 외기와 열교환하여 냉각된 후 타측 헤더탱크(201)를 거쳐 배출되게 된다. 상기 엔진 라디에이터(200a)에서 배출된 냉각수는 차량 엔진(210)측으로 순환하여 엔진을 냉각시키게 된다.

상기 수냉 열교환튜브(200b)는, 상기 한 쌍의 헤더탱크(201) 중 일측 헤더탱크(201)의 내부에 삽입되어 설치되며, 상기 바이패스라인(R1)과 연결된다. 따라서, 히트펌프 모드시 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매가 상기 수냉 열교환튜브(200b)로 유입되어 유동하는 과정에서 상기 엔진 라디에이터(200a)의 헤더탱크(201)를 유동하는 냉각수와 열교환하여 증발한 후 배출되게 된다.

한편, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)와 상기 실외열교환기(130)는, 차량 엔진(210)룸의 전방측에 공기유동방향으로 중첩되게 설치된다. 즉, 외기가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 통과한 후 상기 실외열교환기(130)를 통과하게 되는 것이다.

그리고, 상기 냉매순환라인(R)과 상기 바이패스라인(R1)인 분기지점에는, 냉매의 유동방향을 전환하는 제1냉매방향전환밸브(180)가 설치된다.

또한, 본 발명에 따른 히트 펌프 시스템을 제어하는 제어부(미도시)가 구비되는데, 상기 제어부는 상기 제1냉매방향전환밸브(180)로 유입된 냉매에 대해 에어컨 모드시는 상기 실외열교환기(130)측으로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 유동시키도록 상기 제1냉매방향전환밸브(180)를 제어하게 된다.

그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에는, 상기 공조케이스(150)내 공기와 상기 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 히터코어(220)가 설치된다.

상기 히터코어(220)는, 상기 증발기(160)와 상기 실내열교환기(110)의 사이에 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향으로 상기 실내열교환기(110)와 중첩되게 설치된다.

그리고, 본 발명에서는 에어컨 모드와 히트펌프 모드 등과 같은 각 모드에 따라 차량 엔진(210)과 냉매-냉각수 열교환기(200) 및 히터코어(220)를 다양한 경로로 연결하는 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)이 설치된다.

상기 제1냉각수순환라인(W1)은, 도 5의 가는 실선과 같이 상기 차량 엔진(210)과 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 연결하도록 라인을 구성하여, 히트펌프 모드시 상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수를 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)로 순환시키게 된다.

상기 제2냉각수순환라인(W2)은, 도 4의 가는 실선과 같이 상기 차량 엔진(210)과 상기 히터코어(220)를 연결하도록 라인을 구성하여, 냉각수 난방모드시 상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수를 상기 히터코어(220)로 순환시키게 된다.

상기 제3냉각수순환라인(W3)은, 도 3의 가는 실선과 같이 상기 차량 엔진(210)과 상기 히터코어(220) 및 냉매-냉각수 열교환기(200)를 연결하도록 라인을 구성하여, 히트펌프 모드시 난방열원으로 엔진 냉각수 열을 필요로 하거나 또는 에어컨 모드시 엔진 냉각수 열이 활용가능 할 경우, 상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수를 상기 히터코어(220)와 냉매-냉각수 열교환기(200)로 순차적으로 순환시키게 된다.

여기서, 상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)은, 일부 구간이 공용 라인으로 구성됨으로써, 라인 구성을 단순화하게 된다.

즉, 도면에서와 같이 상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)은 중첩되는 구간이 있으며, 이렇게 상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)의 중첩되는 구간은 단일 공용 라인으로 구성되고, 중첩되지 않는 구간은 별도의 라인으로 구성된다.

또한, 상기 공용 라인과 별도의 라인이 분기되는 지점에는 냉매의 유동방향을 전환하도록 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)가 설치된다.

즉, 상기 차량 엔진(210)의 냉각수 출구측에 위치한 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)의 분기지점에는 제1냉각수방향전환밸브(190)가 설치되고,

상기 차량 엔진(210)의 냉각수 입구측에 위치한 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)의 분기지점에는 제2냉각수방향전환밸브(191)가 설치된다.

따라서, 상기 제어부는 각각의 모드에 따라 상기 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)의 제어를 통해, 상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3) 중 하나의 냉각수순환라인으로 냉각수를 순환시키게 된다.

그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 실외열교환기(130) 또는 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 토출된 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하여 상기 압축기(100)로 유동하도록, 상기 제2팽창수단(140)의 입구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하는 보조 바이패스라인(R2)이 설치된다.

또한, 상기 냉매순환라인(R)과 상기 보조 바이패스라인(R2)의 분기지점에는, 상기 실외열교환기(130) 또는 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 토출된 냉매에 대해 상기 제2팽창수단(140)측으로 유동시키거나 상기 보조 바이패스라인(R2)측으로 유동시키도록 냉매의 유동방향을 전환하는 제2냉매방향전환밸브(181)가 설치된다.

즉, 상기 제어부는, 에어컨 모드시에는 상기 실외열교환기(130)에서 토출된 냉매가 상기 제2팽창수단(140)측으로 유동하도록 상기 제2냉매방향전환밸브(181)를 제어하고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 토출된 냉매가 상기 보조 바이패스라인(R2)측으로 유동하도록 상기 제2냉매방향전환밸브(181)를 제어하게 된다.

한편, 상기 히터코어(220)의 냉각수 출구측과, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 출구측에는 냉각수 온도센서(미도시)가 설치되고, 상기 실내열교환기(110)의 출구측에는 냉매 온도센서(미도시)가 설치된다.

그리고, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 히터코어(220) 전면의 공기유입온도가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도 보다 높을 경우, 상기 제1냉각수순환라인(W1)으로 냉각수가 순환하도록 상기 제1냉각수방향전환밸브(190) 및 제2냉각수방향전환밸브(191)를 제어하여 상기 실내열교환기(110)로만 난방을 수행하게 된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 출구측에 설치된 냉각수 온도센서를 통해 검출한 냉각수 온도이다.

또한, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 히터코어(220) 전면의 공기유입온도가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도 보다 낮을 경우, 상기 제3냉각수순환라인(W3)으로 냉각수가 순환하도록 상기 제1냉각수방향전환밸브(190) 및 제2냉각수방향전환밸브(191)를 제어하여 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)로 난방을 수행하게 된다.

즉, 상기 히터코어(220)를 순환하는 엔진 냉각수 열원과, 상기 실내열교환기(110)를 순환하는 냉매 열원을 모두 이용하여 난방을 수행하는 것이다. 이처럼, 엔진 냉각수 열원을 활용할 수 있는 경우에는 엔진 냉각수 열원을 이용하여 난방에 활용할 수 있는 것이다.

또한, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도가 외기온도 보다 낮을 경우, 차량의 배터리 주행모드에서도 상기 차량 엔진(210)을 가동하도록 제어하여 엔진 냉각수 열원을 난방에 이용하게 된다.

즉, 극저온 환경에서 냉매 열원이 부족하거나 또는 냉각수 폐열이 부족한 경우에는 차량 엔진(210)을 구동할 수 있어 극저온 환경에서의 난방이 가능하고, 별도의 전기가열식히터도 불필요한 장점이 있다.

그리고, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 전방측에는, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 외기가 선택적으로 유입될 수 있도록 개폐도어(미도시)가 설치된다.

즉, 차량의 전방측에는 주행풍이 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 선택적으로 유입될 수 있도록 복수개의 개폐도어가 설치되는데, 히트펌프 모드시 또는 엔진 냉각이 불필요한 조건에서는 상기 개폐도어를 폐쇄하여 외기 유입을 차단하게 되는 것이다.

다시말해, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 차량 엔진(210)의 냉각이 불필요한 조건일 경우, 상기 개폐도어를 폐쇄하도록 제어하여 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 외기 유입을 차단하는 것이다.

한편, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시, 엔진 냉각수 온도가 외기 온도 보다 항시 높게 유지되도록, 배터리 주행모드라고 하더라도 엔진을 일정 RPM으로 가동할 수 있으며, 이때 엔진 냉각수 온도가 설정온도 이상이 되면 엔진을 정지하게 된다.

그리고, 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)상에는 어큐뮬레이터(170)가 설치된다.

상기 어큐뮬레이터(170)는 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 하며, 대표적으로 에어컨 모드, 에어컨 모드 작동 중 엔진 냉각모드, 냉각수 난방모드, 히트펌프 모드, 히트펌프 모드 작동중 냉각수 난방모드에 대해서만 설명하기로 한다.

가. 에어컨 모드(냉방 모드)(도 2)

에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 냉매순환라인(R)에서는 상기 제1팽창수단(120)이 도 8의 오른쪽과 같이 개방되어 냉매를 미팽창 하게 되고, 제2팽창수단(140)은 팽창 작용을 하며, 상기 바이패스라인(R1) 및 보조 바이패스라인(R2)이 폐쇄된다.

또한, 엔진 냉각이 불필요한 경우나, 냉각수 열원이 불필요한 경우에는 도 2와 같이 엔진 냉각수가 순환하지 않는다. 물론 배터리 주행모드에서는 엔진도 정지된다.

한편, 냉방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실내를 냉방하게 된다.

계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,

상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 상기 실내열교환기(110)로 공급된다.

상기 실내열교환기(110)로 공급된 냉매는, 도 2와 같이 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)측 통로를 폐쇄하고 있으므로 공기와 열교환하지 않고 곧바로 상기 제1팽창수단(120)을 통과하여 실외열교환기(130)측으로 유동하게 된다.

상기 실외열교환기(130)로 유동한 냉매는, 외기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다.

계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제2팽창수단(140)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 증발기(160)로 유입된다.

상기 증발기(160)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(160)에서 배출된 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

한편, 상기 온도조절도어의 조절시 차실내로 공급되는 공기의 온도조절이 가능하다.

나. 에어컨 모드 작동 중 엔진 냉각모드(도 3),

에어컨 모드 작동 중 엔진 냉각모드는, 상기 에어컨 모드로 작동 중 엔진(210) 냉각이 필요한 경우로서, 도 3과 같이 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)를 통해 상기 제3냉각수순환라인(W3)으로 엔진 냉각수가 순환하게 된다.

즉, 상기 엔진에서 배출된 냉각수는 상기 히터코어(220)와 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환한 후 다시 엔진(210)으로 복귀하게 된다.

이때, 상기 온도조절도어(151)가 도 3과 같은 위치에 있을 경우에는, 상기 증발기(160)를 통과한 냉풍 중 일부는 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스 하게 되고, 냉풍 중 일부는 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과하면서 열교환하여 가열되며, 이때 히터코어(220)의 냉각수 및 실내열교환기(110)의 냉매는 열교환과정에서 냉각되게 된다.

이후, 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스한 냉풍과, 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과한 온풍은 서로 혼합되면서 온도 조절되어 차실내를 온도 조절하게 된다.

또한, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환하는 냉각수는 외기와 열교환하는 과정에서 냉각된 후 엔진(210)으로 복귀함으로써, 엔진(210)을 냉각하게 된다.

한편, 에어컨 모드 작동 중 엔진 냉각모드는, 엔진(210) 냉각을 위해 엔진 냉각수가 히터코어(220) 및 냉매-냉각수 열교환기(200)로 순환하여 엔진(210) 냉각 및 히터코어(220)의 냉각수 열원을 이용하는 것 외에는 상기 에어컨 모드와 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.

다. 냉각수 난방모드(도 4),

냉각수 난방모드는, 도 4와 같이, 압축기(100)가 정지되어 냉매가 순환하지 않으며, 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)를 통해 상기 제2냉각수순환라인(W2)으로 엔진(210) 냉각수만 순환하게 된다.

즉, 상기 엔진(210)에서 배출된 냉각수는 상기 히터코어(220)를 순환한 후 다시 엔진(210)으로 복귀하게 된다.

또한, 상기 온도조절도어(151)는 상기 히터코어(220)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하게 된다.

따라서, 상기 증발기(160)를 통과한 공기가 상기 히터코어(220)를 통과하면서 가열되어 온풍으로 바뀐 후, 치실내로 공급되어 난방하게 된다.

이처럼, 냉각수 난방모드는, 상기 히터코어(220)를 이용한 냉각수 열원만을 이용하여 난방하게 된다.

라. 히트펌프 모드(난방모드)(도 5)

히트펌프 모드는, 냉매순환라인(R)에서는 상기 제1팽창수단(120)이 도 8의 왼쪽과 같이 폐쇄되어 냉매를 팽창하게 되고, 제2팽창수단(140)은 냉매유로를 폐쇄하며, 상기 바이패스라인(R1) 및 보조 바이패스라인(R2)이 개방된다.

또한, 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)를 통해 상기 제1냉각수순환라인(W1)으로 엔진(210) 냉각수가 순환하게 된다.

즉, 상기 엔진(210)에서 배출된 냉각수는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환한 후 다시 엔진(210)으로 복귀하게 된다.

그리고, 히트펌프 모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)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 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내열교환기(110)로 유입된다.

상기 실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축되며, 이때 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.

계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제1팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 수냉 열교환튜브(200b)로 유입된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 수냉 열교환튜브(200b)로 유입된 냉매는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 엔진 라디에이터(200a)를 유동하는 냉각수와 열교환하면서 증발된 후 배출된다.

상기 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 배출된 냉매는, 상기 보조 바이패스라인(R2)을 따라 유동하면서 상기 제2팽창수단(140)과 증발기(160)를 바이패스 한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.

한편, 엔진(210)에서 배출된 냉각수는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환하면서 냉매 및 외기와 열교환하여 냉각된다.

마. 히트펌프 모드 작동 중 냉각수 난방모드(도 6),

히트펌프 모드 작동 중 냉각수 난방모드는, 상기 히트펌프 모드로 작동 중 엔진(210) 냉각수 열원을 난방에 활용하고자 할 경우로서, 이 경우 상기 히터코어(220) 전면의 공기유입온도가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도 보다 낮을 경우, 다시말해 냉각수 온도가 공기유입온도 보다 높을 경우에 엔진 냉각수 열원을 난방에 이용하게 되며, 도 6과 같이 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)를 통해 상기 제3냉각수순환라인(W3)으로 엔진(210) 냉각수가 순환하게 된다.

즉, 상기 엔진(210)에서 배출된 냉각수는 상기 히터코어(220)와 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환한 후 다시 엔진(210)으로 복귀하게 된다.

따라서, 상기 증발기(160)를 통과한 공기는 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과하면서 열교환하여 가열되며, 이때 히터코어(220)의 냉각수 및 실내열교환기(110)의 냉매는 열교환과정에서 냉각되게 된다.

이후, 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)를 통과한 온풍은 차실내를 공급되어 난방하게 된다.

또한, 상기 엔진(210)에서 배출된 냉각수는 상기 히터코어(220) 및 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환하면서 냉각되게 된다.

한편, 히트펌프 모드 작동 중 냉각수 난방모드는, 냉매 열원 뿐만 아니라 엔진(210) 냉각수 열원을 난방에 이용하는 것 외에는 상기 히트펌프 모드와 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.

100: 압축기 110: 실내열교환기
120: 제1팽창수단
130: 실외열교환기 140: 제2팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 제1냉매방향전환밸브 181: 제2냉매방향전환밸브
190: 제1냉각수방향전환밸브 191: 제2냉각수방향전환밸브
200: 냉매-냉각수 열교환기
200a: 엔진 라디에이터 200b: 수냉 열교환튜브
210: 엔진 220: 히터코어
R: 냉매순환라인 R1: 바이패스라인
R2: 보조 바이패스라인 W1: 제1냉각수순환라인
W2: 제2냉각수순환라인 W3: 제3냉각수순환라인

Claims

냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(100)와,
공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150)내 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기(110)와,
상기 공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150)내 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기(160)와,
상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기(130)와,
상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)에 설치되어 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제1팽창수단(120)과,
상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)에 설치되어 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단(140)을 포함하여 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 바이패스라인(R1)이 병렬로 설치되고,
상기 바이패스라인(R1)에는, 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수와 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매를 열교환시키는 냉매-냉각수 열교환기(200)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매순환라인(R)과 상기 바이패스라인(R1)인 분기지점에는, 냉매의 유동방향을 전환하는 제1냉매방향전환밸브(180)가 설치되고,
상기 제1냉매방향전환밸브(180)로 유입된 냉매에 대해 에어컨 모드시는 상기 실외열교환기(130)측으로 유동시키고, 히트펌프 모드시에는 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 유동시키도록 상기 제1냉매방향전환밸브(180)를 제어하는 제어부가 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 공조케이스(150)의 내부에는, 상기 공조케이스(150)내 공기와 상기 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수를 열교환시키는 히터코어(220)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환하도록 라인을 구성하는 제1냉각수순환라인(W1)과,
상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수가 상기 히터코어(220)를 순환하도록 라인을 구성하는 제2냉각수순환라인(W2)과,
상기 차량 엔진(210)에서 배출된 냉각수가 상기 히터코어(220)와 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)를 순환하도록 라인을 구성하는 제3냉각수순환라인(W3)을 구비하되,
상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)은, 일부 구간이 공용 라인으로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 차량 엔진(210)의 냉각수 출구측에 위치한 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)의 분기지점에는, 제1냉각수방향전환밸브(190)가 설치되고,
상기 차량 엔진(210)의 냉각수 입구측에 위치한 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3)의 분기지점에는, 제2냉각수방향전환밸브(191)가 설치되어,
상기 제1,2냉각수방향전환밸브(190,191)의 제어를 통해, 상기 제1,2,3냉각수순환라인(W1,W2,W3) 중 하나의 냉각수순환라인으로 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매-냉각수 열교환기(200)는, 상기 차량 엔진(210)을 순환하는 냉각수와 외기를 열교환시켜 차량 엔진(210)을 냉각시키는 엔진 라디에이터(200a)와, 상기 엔진 라디에이터(200a)의 헤더탱크내에 설치되어 상기 엔진 라디에이터(200a)를 유동하는 냉각수와 상기 바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매를 열교환시키는 수냉 열교환튜브(200b)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매-냉각수 열교환기(200)와 상기 실외열교환기(130)는, 차량 엔진룸의 전방측에 공기유동방향으로 중첩되게 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매순환라인(R)에는, 상기 실외열교환기(130) 또는 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 토출된 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하여 상기 압축기(100)로 유동하도록, 상기 제2팽창수단(140)의 입구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하는 보조 바이패스라인(R2)이 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 냉매순환라인(R)과 상기 보조 바이패스라인(R2)의 분기지점에는, 상기 실외열교환기(130) 또는 냉매-냉각수 열교환기(200)에서 토출된 냉매에 대해 상기 제2팽창수단(140)측으로 유동시키거나 상기 보조 바이패스라인(R2)측으로 유동시키도록 냉매의 유동방향을 전환하는 제2냉매방향전환밸브(181)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1팽창수단(120)은,
상기 실내열교환기(110)의 출구측 냉매순환라인(R)상에 설치되어 냉매 유동을 온오프하는 온오프 밸브(125)와, 상기 온오프 밸브(125)에 일체로 구비되어 냉매를 팽창시키는 오리피스(128)로 이루어져,
상기 온오프 밸브(125)의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 오리피스(128)를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 히터코어(220)는, 상기 증발기(160)와 상기 실내열교환기(110)의 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 히터코어(220) 전면의 공기유입온도가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도 보다 높을 경우, 상기 제1냉각수순환라인(W1)으로 냉각수가 순환하도록 상기 제1냉각수방향전환밸브(190) 및 제2냉각수방향전환밸브(191)를 제어하여 상기 실내열교환기(110)로만 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 히터코어(220) 전면의 공기유입온도가 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도 보다 낮을 경우, 상기 제3냉각수순환라인(W3)으로 냉각수가 순환하도록 상기 제1냉각수방향전환밸브(190) 및 제2냉각수방향전환밸브(191)를 제어하여 상기 히터코어(220) 및 실내열교환기(110)로 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 전방측에는, 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 외기가 선택적으로 유입될 수 있도록 개폐도어가 설치되고,
상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 차량 엔진(210)의 냉각이 불필요한 조건일 경우, 상기 개폐도어를 폐쇄하도록 제어하여 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)측으로 외기 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는, 히트펌프 모드시 상기 냉매-냉각수 열교환기(200)의 냉각수 온도가 외기온도 보다 낮을 경우, 차량의 배터리 주행모드에서도 상기 차량 엔진(210)을 가동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.