KR20180007021A - 차량용 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 실외열교환기(전장 라디에이터)와 전장품을 연결하는 제1냉각수라인과, 칠러와 배터리를 연결하는 제2냉각수라인을 설치하고, 상기 제1,2냉각수라인을 연결하여 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단을 설치함으로써, 상기 칠러를 통해 난방모드시에는 전장품의 폐열 뿐만아니라 배터리의 폐열을 이용할 수 있어 난방성능을 향상하고, 냉방모드시에는 배터리를 냉각하여 배터리의 열교환리가 가능한 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 실외열교환기(전장 라디에이터)와 전장품을 연결하는 제1냉각수라인과, 칠러와 배터리를 연결하는 제2냉각수라인을 설치하고, 상기 제1,2냉각수라인을 연결하여 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단을 설치하여, 상기 칠러를 통해 난방모드시에는 전장품의 폐열 뿐만아니라 배터리의 폐열을 이용하고, 냉방모드시에는 배터리를 냉각하여 배터리의 열교환리가 가능한 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.
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 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 일예가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 차량용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 실내 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 실내 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 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 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)와, 상기 증발기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 상기 실외열교환기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.
도 1 중 도면부호 10은 상기 실내 열교환기(32)와 증발기(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, 난방모드(히트펌프 모드)가 가동될 경우에는, 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 실내 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(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 실내 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.
냉방모드가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 실내 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 실내 열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2팽창밸브(56), 증발기(60), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 이때, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 실내 열교환기(32)는 난방모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 차량용 히트펌프 시스템은, 난방모드시 상기 공조케이스(10)의 내부에 설치된 실내 열교환기(32)가 난방기 역할 즉 방열하여 난방을 수행하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 공조케이스(10)의 외부 즉, 차량의 엔진룸 전방측에 설치되어 외기와 열교환하는 증발기 역할 즉 흡열을 하게 되는데,
이때, 외기온도가 영하로 내려갈 경우나 실외열교환기(48)에 착상이 발생할 경우 상기 실외열교환기(48)가 흡열을 거의 하지 못함으로서, 시스템내의 냉매 온도 및 압력이 낮아져 차실내로 토출되는 공기의 온도가 떨어져 난방성능이 저하되는 문제가 있었다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 출원인이 선출원한 국내 특허등록번호 제1342931호(발명의 명칭: 차량용 히트 펌프 시스템)는, 실외열교환기의 착상시, 제상모드를 수행하여 냉매가 실외열교환기를 바이패스하고 열공급수단(칠러)을 통해 차량 전장품의 폐열을 회수하도록 함으로써, 상기 실외열교환기의 착상시는 물론 외기온도가 영하인 경우에도 난방을 계속 수행할 수 있도록 한 것이다.
그러나, 상기 종래의 히트 펌프 시스템은, 상기 실외열교환기의 착상이나 외기온도 조건에 따라 냉매가 상기 실외열교환기를 바이패스하고 열원으로 차량 전장품의 폐열만을 사용하게 되는데, 이때 상기 전장품의 폐열 회수량이 충분하지 않아 난방성능이 저하되는 문제가 있고, 실내 온도를 유지하기 위해 PTC히터를 추가로 작동시켜야 하는 문제도 있었다.
또한, 상기 종래의 히트 펌프 시스템은 냉,난방모드만 수행할 뿐 차량 배터리의 열교환리 기능이 없으며 즉, 배터리 냉각을 위해서 별도의 장치를 구성해야 하는 문제도 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실외열교환기(전장 라디에이터)와 전장품을 연결하는 제1냉각수라인과, 칠러와 배터리를 연결하는 제2냉각수라인을 설치하고, 상기 제1,2냉각수라인을 연결하여 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단을 설치함으로써, 상기 칠러를 통해 난방모드시에는 전장품의 폐열 뿐만아니라 배터리의 폐열을 이용할 수 있어 난방성능을 향상하고, 냉방모드시에는 배터리를 냉각하여 배터리의 열교환리가 가능한 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉매순환라인에 압축기, 실내열교환기, 실외열교환기, 팽창수단, 증발기가 연결되는 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인에 제1바이패스라인을 통해 병렬로 연결되는 칠러와, 상기 실외열교환기와 차량의 전장품을 연결하여 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인과, 상기 칠러와 차량의 배터리를 연결하여 냉각수를 순환시키는 제2냉각수라인과, 상기 제1냉각수라인과 제2냉각수라인을 연결하며 제1,2냉각수라인간에 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단을 포함하며, 상기 칠러를 통해 난방모드시에는 전장품이나 배터리의 폐열을 회수하고, 냉방모드시에는 배터리를 냉각하여 배터리의 열관리가 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 실외열교환기(전장 라디에이터)와 전장품을 연결하는 제1냉각수라인과, 칠러와 배터리를 연결하는 제2냉각수라인을 설치하고, 상기 제1,2냉각수라인을 연결하여 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단을 설치함으로써, 상기 칠러를 통해 난방모드시에는 전장품의 폐열 뿐만아니라 배터리의 폐열을 이용할 수 있어 난방성능을 향상하고, 냉방모드시에는 배터리를 냉각하여 배터리의 열교환리가 가능하다.
또한, 전장 라디에이터를 통해 전장품은 물론 배터리까지 냉각할 수 있기 때문에 배터리 냉각을 위해 별도 라디에이터의 설치 없이 기존에 전장품 냉각을 위한 전장 라디에이터를 활용할 수 있어 원가를 절감할 수 있다.
그리고, 전장 라디에이터와 칠러 및 가열수단을 이용하여 상기 배터리의 냉각 뿐만 아니라 가열까지 수행함으로써, 상기 배터리의 온도를 최적으로 유지하여 배터리의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 냉방모드 상태에서 칠러를 이용한 배터리 냉각시를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 냉방모드 상태에서 전장 라디에이터를 이용한 배터리 냉각시를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드 상태에서 전장품과 배터리의 폐열 회수시를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드 상태에서 전장품의 폐열 회수시를 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 난방모드 상태에서 배터리의 폐열 회수시를 나타내는 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 칠러와 팽창밸브를 나타내는 사시도,
도 9는 도 8에서 팽창밸브를 칠러측에서 바라본 사시도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 냉매순환라인(R)에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 실외열교환기(130), 팽창수단과, 증발기(160)가 연결된 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
상기 팽창수단은 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)에 설치되는 제1팽창수단(120)과, 상기 실외열교환기(130)와 증발기(160) 사이의 냉매순환라인(R)에 설치되는 제2팽창수단(140)으로 구성된다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)상에는, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 제1바이패스라인(R1)과, 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하는 제2바이패스라인(R2)이 각각 병렬로 연결 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)에는 칠러(180)가 설치된다.
따라서, 냉방모드시에는, 도 3과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(미팽창) 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140)(팽창), 증발기(160), 압축기(100)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름이 제어되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)는 응축기 역할을 수행하고 상기 증발기(160)는 증발기 역할을 수행하게 된다.
난방모드(히트펌프 모드)시에는, 도 5와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(팽창), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1)의 칠러(180), 압축기(100)를 순차적으로 순환하도록 냉매 흐름이 제어되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하며, 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)로는 냉매 공급이 되지 않는다.
한편, 난방모드에서 차실내 제습시에는 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매의 일부가 후술하는 제습라인(R3)을 통해 증발기(160)로 공급되므로 차실내 제습을 수행하게 된다.
이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 냉매순환라인(R)상에 설치된 압축기(100)는 엔진(내연기관) 또는 모터 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.
상기 압축기(100)는, 냉방모드시 상기 증발기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 난방모드시에는 상기 실외열교환기(130)측에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.
아울러, 난방모드 중 제습모드시에는, 상기 제1바이패스라인(R1)과, 후술하는 제습라인(R3)을 통해 증발기(160)로 동시에 냉매가 공급되므로, 이 경우 상기 압축기(100)는 상기 제1바이패스라인(R1)과 증발기(160)를 통과한 후 합류된 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 유동하는 냉매를 열교환시키게 된다.
상기 실내열교환기(110)는, 냉방모드 및 난방모드시 모두 응축기 역할을 하게 되고,
상기 증발기(160)는, 냉방모드시 증발기 역할을 하고, 난방모드에서는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지되며, 제습모드시에는 냉매가 일부 공급되어 증발기 역할을 수행하게 된다.
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.
따라서, 상기 증발기(160)가 증발기 역할을 수행하는 냉방모드시에는 도 3과 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 난방모드시에는 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 실내열교환기(110)의 사이에는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.
상기 온도조절도어(151)는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 실내열교환기(110)를 통과하는 공기의 양을 조절하여 상기 공조케이스(150)에서 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있는데,
이때, 냉방모드시 도 3과 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기(160)를 통과한 냉풍이 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 난방모드시에는 도 5와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 응축기 역할을 하는 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.
그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인(R)과 연결되며, 상기 냉매순환라인(R)의 냉매와 후술하는 제1냉각수라인(W1)의 냉각수를 열교환시키는 전장 라디에이터(131)와, 상기 냉매순환라인(R)의 냉매와 공기를 열교환시키는 공냉식 열교환기(132)로 이루어진다.
여기서, 상기 실외열교환기(130)인 전장 라디에이터(131)와 공냉식 열교환기(132)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되며, 아울러 상기 전장 라디에이터(131)와 공냉식 열교환기(132)는 송풍팬(133)으로부터 송풍되는 공기의 유동방향으로 일직선상에 배치된다.
따라서 상기 전장 라디에이터(131)는 냉매와 냉각수 및 공기가 서로 열교환하게 되고, 상기 공냉식 열교환기(132)는 냉매와 공기가 서로 열교환하게 된다.
상기 실외열교환기(130)는, 냉방모드시 상기 실내열교환기(110)와 동일한 응축기 역할을 하게 되고, 난방모드시에는 상기 실내열교환기(110)와 상반되는 증발기 역할을 하게 된다.
그리고, 상기 제1팽창수단(120)은, 상기 실내열교환기(110)와 상기 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 설치되어, 냉방모드 또는 난방모드에 따라 상기 실외열교환기(130)측으로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
상기 제1팽창수단(120)은, 오리피스 일체형 온오프 밸브로 구성되며, 즉, 온오프 밸브의 개방시에는 냉매를 미팽창 상태로 유동시키고, 폐쇄시에는 상기 온오프 밸브에 구비된 오리피스를 통해 냉매를 팽창시켜 유동시키게 된다.
상기 오리피스 일체형 온오프 밸브는 공지된 것이므로 상세 구조에 대한 설명은 생략한다.
그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)은, 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)에서 분기되어 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)과 합류하도록 연결되어, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 증발기(160)를 바이패스하도록 구성된다.
물론, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)으로 유동할 경우 상기 제2팽창수단(140)과 증발기(160)를 바이패스하게 된다.
도면에서와 같이, 상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)와 병렬로 설치치되는데, 즉, 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측은 상기 실외열교환기(130)와 제2팽창수단(140)을 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결되고, 출구측은 상기 증발기(160)와 압축기(100)를 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결된다.
이로인해, 냉방모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 유동하게 되지만, 난방모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)을 통해 압축기(100)측으로 곧바로 유동하여 상기 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스 하게 된다.
여기서, 냉방모드 및 난방모드에 따라 냉매의 흐름방향을 전환하는 역할은 제1냉매 방향전환밸브(191)를 통해 이루어진다.
물론, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191) 뿐만 아니라, 후술하는 제2냉매 방향전환밸브(192)와 온오프밸브(195), 제1,2팽창수단(120,140)을 포함하는 부품들을 제어부(미도시)가 제어하여 냉방모드와 난방모드에 따라 히트펌프 시스템을 순환하는 냉매의 흐름을 제어하게 된다.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제2바이패스라인(R2)이 병렬로 설치되는데, 즉, 상기 제2바이패스라인(R2)은 상기 실외열교환기(130)의 입구측 냉매순환라인(R)과 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하여 실외열교환기(130)와 병렬로 설치되며, 따라서 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 제2바이패스라인(R2)으로 선택적으로 유동하도록 냉매의 유동방향을 전환하는 제2냉매 방향전환밸브(192)가 설치되는데, 상기 제2냉매 방향전환밸브(192)는 상기 제2바이패스라인(R2)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 상기 실외열교환기(130) 또는 제2바이패스라인(R2)으로 냉매가 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하게 된다.
그리고, 냉매순환라인(R)상에는, 난방모드시 차실내 제습을 수행할 수 있도록 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매의 일부를 상기 증발기(160)측으로 공급하는 제습라인(R3)이 설치된다.
상기 제습라인(R3)은, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 저온 냉매의 일부를 상기 증발기(160)측으로 공급하도록 설치된다.
즉, 상기 제습라인(R3)은 상기 제1팽창수단(120)의 출구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치된다.
도면에서 보면, 상기 제습라인(R3)의 입구는 상기 제1팽창수단(120)과 상기 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)에 연결됨으로써, 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 후 상기 실외열교환기(130)로 유입되기전의 냉매 일부가 상기 제습라인(R3)으로 유동하여 상기 증발기(160)측으로 공급되게 된다.
다시말해, 상기 난방모드 작동 중 제습모드시, 상기 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매가 2분할되어, 일부 냉매는 상기 실외열교환기(130)측으로 순환하고, 일부 냉매는 상기 제습라인(R3)을 통해 증발기(160)측으로 순환하며, 상기 각각 분할되어 순환한 냉매는 상기 압축기(100)의 입구측에서 합류되게 된다.
또한, 상기 제습라인(R3)상에는, 차실내 제습모드시에만 상기 제1팽창수단(120)을 통과한 냉매의 일부가 상기 제습라인(R3)으로 유동할 수 있도록 제습라인(R3)을 개폐하는 온오프밸브(195)가 설치된다.
상기 온오프밸브(195)는, 제습모드시에만 상기 제습라인(R3)을 개방하고 제습모드가 아닌 경우에는 상기 제습라인(R3)을 폐쇄하게 된다.
상기 제습라인(R3)의 출구는, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)과 연결되어 상기 제습라인(R3)을 통과한 냉매는 상기 증발기(160)로 곧바로 유입되게 된다.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는 제1바이패스라인(R1)을 통해 칠러(180)가 병렬로 연결된다.
상기 칠러(180)는, 상기 제1바이패스라인(R1)상에 설치되어, 상기 제1바이패스라인(R1)을 유동하는 냉매와 전장품(202)이나 배터리(207)를 순환하는 냉각수를 열교환시키게 된다.
상기한 칠러(180)는, 후술하는 제2냉각수라인(W2)과 연결되는 냉각수 열교환부와, 상기 제1바이패스라인(R1)과 연결되는 냉매 열교환부로 구성된다.
따라서, 냉방모드시에는 상기 제1바이패스라인(R1)으로 냉매가 흐르지 않지만, 냉방모드 상태에서 배터리(207) 냉각시에는 제1바이패스라인(R1)으로 냉매가 흐르게 되고 이때 칠러(180)는 제1바이패스라인(R1)의 냉매와 제2냉각수라인(W2)의 냉각수를 열교환시켜 냉각수를 냉각시킴으로써 상기 배터리(207)를 냉각할 수 있으며 즉 배터리(207)의 열관리가 가능한 것이다.
난방모드시에는 제1바이패스라인(R1)으로 냉매가 흐르게 되고, 이때 칠러(180)는 제1바이패스라인(R1)의 냉매와, 전장품(202) 및 배터리(207)를 순환하는 냉각수를 열교환시킴으로써 상기 전장품(202)의 폐열은 물론 배터리(207)의 폐열까지 이용할 수 있어 난방성능을 향상할 수 있다.
이처럼 상기 실외열교환기(130)의 착상이나 외기온도의 조건에 따라 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하는 모드에서도 상기 칠러(180)를 통해 전장품(202)의 폐열과 배터리(207)의 폐열을 이용할 수 있으므로, 열원부족에 의한 실내 토출온도의 변화를 최소화 할 수 있으며, 이로인해 전기가열식히터(115)의 사용빈도를 축소하여 소비전력 감소 및 전기자동차나 하이브리드 자동차의 주행거리도 증대시킬 수 있다.
그리고, 상기 실외열교환기(130)와 차량의 전장품(202)을 연결하여 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인(W1)과, 상기 칠러(180)와 차량의 배터리(207)를 연결하여 냉각수를 순환시키는 제2냉각수라인(W2)이 설치된다.
또한, 상기 제1냉각수라인(W1)에는 냉각수를 순환시키는 제1워터펌프(201)와 냉각수를 저장하는 리저버 탱크(203)가 설치되고, 상기 제2냉각수라인(W2)에는 냉각수를 순환시키는 제2워터펌프(205)가 설치된다.
즉, 상기 제1냉각수라인(W1)에는 제1워터펌프(201), 전장품(202), 실외열교환기(130)의 전장 라디에이터(131), 리저버 탱크(203)가 냉각수 흐름방향으로 순차적으로 연결되고, 상기 제2냉각수라인(W2)에는 제2워터펌프(205), 배터리(207), 칠러(180)가 냉각수 흐름방향으로 순차적으로 연결된다.
그리고, 상기 제2냉각수라인(W2)에는, 상기 배터리(207)로 순환하는 냉각수를 가열하는 가열수단(206)이 설치된다.
즉, 외기온도가 낮은 조건, 일예로 외기온도가 영하로 내려간 경우와 같이 배터리(207)의 승온이 필요한 조건에서는 상기 가열수단(206)을 통해 배터리(207)로 순환하는 냉각수를 가열함으로써, 배터리(207)의 온도를 최적으로 유지하여 배터리(207)의 효율을 향상시키게 된다.
상기 가열수단(206)으로는 전기가열식 히터를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 전장품(202)으로는 대표적으로 모터와, 인버터 등이 있다.
한편, 상기 가열수단(206)은, 상기 배터리(207)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 연결하며 제1,2냉각수라인(W1,W2)간에 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단(200)이 설치되어, 상기 칠러(180)를 통해 난방모드시에는 전장품(202)이나 배터리(207)의 폐열을 회수하고, 냉방모드시에는 배터리(207)를 냉각하여 배터리(207)의 열관리가 가능하다.
상기 냉각수조절수단(200)은, 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 병렬로 연결하여 상기 실외열교환기(130), 전장품(202), 칠러(180), 배터리(207)를 병렬로 구성하는 연결라인(210)과, 상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)과 연결라인(210)의 분기지점에 설치되어 냉각수의 흐름을 조절하는 밸브로 이루어진다.
상기 연결라인(210)은, 상기 전장품(202)의 입,출구측 제1냉각수라인(W1)과 상기 칠러(180)의 입,출구측 제2냉각수라인(W2)을 병렬 연결하게 된다.
좀더 상세하게는, 상기 연결라인(210)은 상기 리저버 탱크(203)와 제1워터펌프(201) 사이의 제1냉각수라인(W1)과 상기 칠러(180)와 제2워터펌프(205) 사이의 제2냉각수라인(W2)을 서로 연결하는 라인과, 상기 전장품(202)과 전장 라디에이터(131) 사이의 제1냉각수라인(W1)과 상기 배터리(207)와 칠러(180) 사이의 제2냉각수라인(W2)을 서로 연결하는 라인으로 구성되어 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 병렬로 연결하게 된다.
상기 밸브는, 상기 전장품(202)의 입,출구측 제1냉각수라인(W1)과 상기 연결라인(210)의 분기지점에 각각 설치되는 제1,2냉각수 방향전환밸브(211,212)와, 상기 칠러(180)의 입구측 제2냉각수라인(W2)과 상기 연결라인(210)의 분기지점에 설치되는 제3냉각수 방향전환밸브(213)로 이루어진다.
상기 제1,2,3냉각수 방향전환밸브(211,212,213)는 삼방밸브로 이루어지고, 앞서 설명한 제1,2냉매 방향전환밸브(191,192)도 삼방밸브로 이루어진다.
따라서, 도 3 내지 도 7과 같이 상기 밸브의 제어를 통해 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)간에 냉각수의 흐름을 다양하게 조절할 수 있다.
도 3 및 도 4는 냉방모드 상태에서 배터리(207) 냉각시이며, 먼저 도 3은 상기 실외열교환기(130)의 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수는 제1냉각수라인(W1)의 전장품(202)측으로 순환하고 상기 칠러(180)에서 냉각된 냉각수는 제2냉각수라인(W2)의 배터리(207)측으로 각각 독립적으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어된다.
즉, 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)이 각각 독립적으로 냉각수를 순환시킴으로써, 전장 라디에이터(131)에서 냉각되어 순환하는 냉각수를 통해 전장품(202)을 냉각하고, 칠러(180)에서 냉각되어 순환하는 냉각수를 통해 배터리(207)를 냉각하게 된다.
이때, 상기 칠러(180)측으로 냉매가 순환하도록 제어된다.
도 3과 같은 조건은 외기온도가 높은 조건으로서, 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수 온도가 배터리(207)의 냉각을 위한 요구 온도 조건을 만족하지 못하기 때문에, 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 독립적으로 가동하여 칠러(180)를 이용하여 배터리(207)를 냉각하는 것이다.
도 4는 상기 실외열교환기(130)에서 냉각된 냉각수가 제1냉각수라인(W1)의 전장품(202)과 제2냉각수라인(W2)의 배터리(207)를 모두 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어된다.
즉, 외기온도가 높지 않아 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수 온도가 배터리(207)의 냉각을 위한 요구 온도 조건을 만족한 경우로서, 상기 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수를 전장품(202)과 배터리(207)로 순환시켜 전장품(202)과 배터리(207)를 냉각하게 된다.
이때, 상기 칠러(180)측으로는 냉각수가 순환하지 않는다.
도 5 내지 도 7은 난방모드 상태에서 폐열 회수시이며, 먼저 도 5는 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수와 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수가 제2냉각수라인(W2)의 칠러(180)측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어된다.
도 5와 같은 경우는 전장품(202)과 배터리(207)가 모두 충분히 발열하여 전장품(202)과 배터리(207)측 폐열을 모두 이용하는 경우이다.
도 6은 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수만 제2냉각수라인(W2)의 칠러측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어된다.
도 6과 같은 경우는 전장품(202)은 발열하고 배터리(207)는 충분히 발열하지 않아 전장품(202)측 폐열만 이용하는 경우이다.
도 7은 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수만 제2냉각수라인(W2)의 칠러(180)측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어된다.
도 7의 경우는 배터리(207)는 발열하고 전장품(202)은 충분히 발열하지 않아 배터리(207)측 폐열만 이용하는 경우이다.
한편 배터리(207)의 승온이 필요한 조건에서는 상기 가열수단(206)을 작동시켜 배터리(207)를 승온시키고 히트 펌프 시스템에 열공급도 가능하다.
그리고, 상기 칠러(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)에는, 냉매를 팽창시키는 팽창유로(186)와, 상기 팽창유로(186)를 바이패스하는 바이패스유로(187)를 구비한 팽창밸브(185)가 설치되어, 상기 칠러(180)로 유동하는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
상기 팽창밸브(185)는 도 8과 같이 상기 칠러(180)의 일측에 결합되며, 상기 팽창유로(186)를 개폐하는 솔레노이드 밸브(189)를 더 포함하여 이루어진다.
도 8과 같이 상기 팽창밸브(185)에서 상기 팽창유로(186)의 입구와 바이패스유로(187)의 입구는 분리되어 구성되지만, 팽창유로(186)의 출구와 바이패스유로(187)의 출구는 합류되어 1개로 형성된다.(도 9참조)
또한, 상기 솔레노이드 밸브(189)는 상기 팽창유로(186)를 선택적으로 개폐하게 되는데, 즉, 상기 팽창유로(186)는 조건에 따라 개도가 조절되는데 이때 팽창유로(186)의 개도가 열려있는 조건에서도 상기 솔레노이드 밸브(189)를 통해 폐쇄할 수 있는 것이다.
한편, 상기 바이패스유로(187)를 유동하는 냉매는 상기 팽창유로(186)를 바이패스하게 되므로 미팽창 상태로 칠러(180)로 유동하게 된다.
또한, 상기 팽창밸브(185)에는 상기 칠러(180)에서 배출된 냉매가 통과하는 냉매통로(188)가 형성된다.
상기한 팽창밸브(185)는 상기 팽창유로(186)의 출구와 바이패스유로(187)의 출구가 하나로 형성되어 상기 칠러(180)의 냉매입구(미도시)와 연결되고, 상기 냉매통로(188)는 칠러(180)의 냉매출구(미도시)와 연결된다.
아울러, 상기 칠러(180)에는 제2냉각수라인(W2)이 연결되는 냉각수입구(181)와 냉각수출구(182)가 형성된다.
또한, 상기 제1바이패스라인(R1)이 분기되기 전의 냉매순환라인(R)과 상기 팽창밸브(185)의 바이패스유로(187)를 연결하는 보조 바이패스라인(R4)이 설치되며,
상기 냉매순환라인(R)과 보조 바이패스라인(R4)의 분기지점에는 제1냉매 방향전환밸브(191)가 설치된다.
상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 냉방모드시 보조 바이패스라인(R4)을 폐쇄하여 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 제2팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 유동시키게 되고, 난방모드시에는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하여 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매는 미팽창 상태로 칠러(180)측으로 유동시키게 된다.
물론, 냉방모드시 배터리(207) 냉각이 필요할 경우에는 솔레노이드밸브(189)로 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)를 개방하여 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매의 일부를 팽창시킨 후 칠러(180)로 유동시키게 된다.
이와 같이, 상기 칠러(180)의 입구측에 솔레노이드밸브(189)로 팽창유로(186)의 개폐가 가능하고 바이패스유로(187) 까지 구비한 팽창밸브(185)를 설치함으로써, 냉방모드시에는 냉매의 일부를 팽창시켜 칠러(180)로 공급할 수 있어 배터리(207)의 냉각이 가능하고, 난방모드시에는 바이패스유로(187)를 통해 팽창유로(186)를 바이패스한 냉매를 칠러(180)로 공급할 수 있어 폐열을 회수할 수 있다.
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.
그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에는, 난방성능을 향상할 수 있도록 상기 실내열교환기(110)의 하류측에 인접하여 전기 가열식 히터(115)가 더 설치된다.
즉, 차량의 시동 초기에 보조열원으로 상기 전기 가열식 히터(115)를 작동시킴으로써 난방성능을 향상시킬 수 있고, 또한 난방 열원이 부족할 경우에도 상기 전기 가열식 히터(115)를 가동할 수 있다.
상기 전기 가열식 히터(115)로는 PTC히터를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2팽창수단(140)은 앞서 설명한 팽창밸브(185)와 같이 팽창유로의 개폐가 가능한 솔레이드밸브와 바이패스유로를 갖는 구조로 구성된다. 이때 상기 제습라인(R3)은 상기 제2팽창수단(140)의 바이패스유로를 통해 증발기(160)와 연결된다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
가. 냉방모드 상태에서 칠러를 이용한 배터리 냉각시,(도 3)
냉방모드에서의 냉매 흐름은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(미팽창), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140)(팽창), 증발기(160), 다시 압축기(100)로 순환하게 되면서 차실내 냉방을 수행하게 된다.
이때, 칠러(180)를 이용한 배터리(207) 냉각시에는 제1바이패스라인(R1)에 설치된 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)가 솔레노이드밸브(189)에 의해 개방되고, 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 폐쇄하게 된다.
이로인해, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매 중 일부는 제1바이패스라인(R1)으로 유동하여 상기 팽창밸브(185)에서 팽창된 후 칠러(180)를 거쳐 압축기(100)로 순환하게 된다.
냉각수 흐름은, 도 3과 같이 냉각수조절수단(200)에 의해 연결라인(210)이 폐쇄되어 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)이 독립적으로 구성된다.
따라서, 제1냉각수라인(W1)에서는 냉각수가 제1워터펌프(201), 전장품(202), 실외열교환기(130)의 전장 라디에이터(131), 리저버탱크(203), 다시 제1워터펌프(201)로 순환하게 되면서 상기 전장 라디에이터(131)에서 냉매 및 공기와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 상기 전장품(202)을 냉각하게 된다.
제2냉각수라인(W2)에서는 냉각수가 제2워터펌프(205), 가열수단(206)(미작동), 배터리(207), 칠러(180), 다시 제2워터펌프(205)로 순환하게 되면서 상기 칠러(180)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 상기 배터리(207)를 냉각하게 된다.
이와 같이, 칠러(180)를 이용한 배터리(207) 냉각은, 외기온도가 높아 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수 온도가 배터리(207)의 냉각을 위한 요구 온도 조건을 만족하지 못하는 경우에 사용된다.
나. 냉방모드 상태에서 전장 라디에이터를 이용한 배터리 냉각시,(도 4)
냉방모드에서의 냉매 흐름은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(미팽창), 실외열교환기(130), 제2팽창수단(140)(팽창), 증발기(160), 다시 압축기(100)로 순환하게 되면서 차실내 냉방을 수행하게 된다.
이때, 전장 라디에이터(131)를 이용한 배터리(207) 냉각시에는 제1바이패스라인(R1)에 설치된 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)가 솔레노이드밸브(189)에 의해 폐쇄되고, 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 폐쇄하게 된다.
냉각수 흐름은, 도 4와 같이 냉각수조절수단(200)에 의해 연결라인(210)이 개방되고, 제2냉각수라인(W2)에서 칠러(180)가 연결된 구간이 폐쇄되어, 상기 제1냉각수라인(W1)에 배터리(207)가 병렬로 연결되는 형태로 구성된다.
따라서, 제1냉각수라인(W1)에서는 냉각수가 제1워터펌프(201), 전장품(202), 실외열교환기(130)의 전장 라디에이터(131), 리저버탱크(203), 다시 제1워터펌프(201)로 순환하게 되면서 상기 전장 라디에이터(131)에서 냉매 및 공기와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 상기 전장품(202)을 냉각하게 된다.
이때, 상기 제1냉각수라인(W1)의 리저버탱크(203)를 통과한 냉각수의 일부는 연결라인(210) 및 제2냉각수라인(W2)을 통해 제2워터펌프(205), 가열수단(206)(미작동), 배터리(207)를 순환하게 되면서 상기 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수를 이용하여 배터리(207)를 냉각하게 된다.
이와 같이, 전장 라디에이터(131)를 이용한 배터리(207) 냉각은, 외기온도가 높지 않은 조건에서 전장 라디에이터(131)에서 냉각된 냉각수 온도가 배터리(207)의 냉각을 위한 요구 온도 조건을 만족하는 경우에 사용된다.
다. 난방모드 상태에서 전장품(202)과 배터리(207) 폐열 회수시,(도 5)
난방모드에서의 냉매 흐름은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(팽창), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 칠러(180), 다시 압축기(100)로 순환하게 되면서 차실내 난방을 수행하게 된다.
이때, 제1바이패스라인(R1)에 설치된 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)가 솔레노이드밸브(189)에 의해 폐쇄되고, 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하게 된다.
냉각수 흐름은, 도 5와 같이 냉각수조절수단(200)에 의해 연결라인(210)이 개방되고, 제1냉각수라인(W1)에서 전장 라디에이터(131)와 리저버탱크(203)가 연결된 구간이 폐쇄되어, 상기 제2냉각수라인(W2)에 전장품(202)이 병렬로 연결되는 형태로 구성된다.
따라서, 제2냉각수라인(W2)에서는 냉각수가 제2워터펌프(205), 가열수단(206)(미작동), 배터리(207), 칠러(180), 다시 제2워터펌프(205)로 순환하게 되면서 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수가 칠러(180)에서 냉매와 열교환하게 되면서 배터리(207)의 폐열을 회수하게 된다.
이때, 상기 제1냉각수라인(W1)의 제1워터펌프(201), 전장품(202)을 통과한 냉각수는 상기 칠러(180)로 순환하게 되면서 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수가 칠러(180)에서 냉매와 열교환하게 되면서 전장품(202)의 폐열도 회수하게 된다.
즉, 상기 제2냉각수라인(W2)의 제2워터펌프(205) 및 배터리(207)를 통과한 냉각수와 상기 제1냉각수라인(W1)의 제1워터펌프(201) 및 전장품(202)을 통과한 냉각수는 서로 반대방향으로 유동하면서 서로 합류된 후 칠러(180)를 통과하게 되어 전장품(202)과 배터리(207)의 폐열을 모두 회수할 수 있다.
이와 같이, 전장품(202)과 배터리(207) 폐열 회수는, 전장품(202)과 배터리(207)가 모두 충분히 발열한 경우에 사용된다.
라. 난방모드 상태에서 전장품(202) 폐열 회수시,(도 6)
난방모드에서의 냉매 흐름은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(팽창), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 칠러(180), 다시 압축기(100)로 순환하게 되면서 차실내 난방을 수행하게 된다.
이때, 제1바이패스라인(R1)에 설치된 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)가 솔레노이드밸브(189)에 의해 폐쇄되고, 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하게 된다.
냉각수 흐름은, 도 6과 같이 냉각수조절수단(200)에 의해 연결라인(210)이 개방되고, 제1냉각수라인(W1)에서 전장 라디에이터(131)와 리저버탱크(203)가 연결된 구간이 폐쇄되며, 제2냉각수라인(W2)에서는 제2워터펌프(205), 가열수단(206), 배터리(207)가 연결된 구간이 폐쇄되어, 상기 제1워터펌프(201), 전장품(202), 칠러(180)가 직렬로 연결로 연결되는 형태로 구성된다.
따라서, 냉각수가 제1워터펌프(201), 전장품(202), 칠러(180), 다시 제1워터펌프(201)로 순환하게 되면서 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수가 칠러(180)에서 냉매와 열교환하게 되면서 전장품(202)의 폐열만 회수하게 된다.
이와 같이, 전장품(202) 폐열 회수는, 전장품(202)은 발열하고 배터리(207)는 충분히 발열하지 않아 전장품(202)측 폐열만 이용하는 경우에 사용된다.
마. 난방모드 상태에서 배터리(207) 폐열 회수시,(도 7)
난방모드에서의 냉매 흐름은, 압축기(100), 실내열교환기(110), 제1팽창수단(120)(팽창), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 칠러(180), 다시 압축기(100)로 순환하게 되면서 차실내 난방을 수행하게 된다.
이때, 제1바이패스라인(R1)에 설치된 팽창밸브(185)의 팽창유로(186)가 솔레노이드밸브(189)에 의해 폐쇄되고, 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하게 된다.
냉각수 흐름은, 도 7과 같이 냉각수조절수단(200)에 의해 연결라인(210)이 폐쇄되고, 제1워터펌프(201)가 가동 정지되면서 제1냉각수라인(W1)도 폐쇄되어, 상기 제2냉각수라인(W2)으로만 냉각수가 순환하게 된다.
따라서, 냉각수가 제2워터펌프(205), 가열수단(206)(미작동), 배터리(207), 칠러(180), 다시 제2워터펌프(205)로 순환하게 되면서 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수가 칠러(180)에서 냉매와 열교환하게 되면서 배터리(207)의 폐열만 회수하게 된다.
이와 같이, 배터리(207) 폐열 회수는, 배터리(207)는 발열하고 전장품(202)은 충분히 발열하지 않아 배터리(207)측 폐열만 이용하는 경우에 사용된다.
또한, 배터리(207)의 승온이 필요한 조건에서는 상기 가열수단(206)을 작동시켜 배터리(207)를 승온시키고 히트 펌프 시스템에 열 공급도 가능하다.
100: 압축기 110: 실내열교환기
115: 전기 가열식 히터
120: 제1팽창수단 130: 실외열교환기
131: 전장 라디에이터 132: 공냉식 열교환기
140: 제2팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 칠러
191: 제1냉매 방향전환밸브 192: 제2냉매 방향전환밸브
195: 온오프 밸브
200: 냉각수조절수단 201: 제1워터펌프
202: 전장품 203: 리저버 탱크
205: 제2워터펌프 206: 가열수단
207: 배터리 210: 연결라인
211: 제1냉각수 방향전환밸브 212: 제2냉각수 방향전환밸브
213: 제2냉각수 방향전환밸브
R: 냉매순환라인 R1: 제1바이패스라인
R2: 제2바이패스라인 R3: 제습라인
R4: 보조 바이패스라인 W1: 제1냉각수라인
W2: 제2냉각수라인

Claims (17)

  1. 냉매순환라인(R)에 압축기(100), 실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 팽창수단, 증발기(160)가 연결되는 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
    상기 냉매순환라인(R)에 제1바이패스라인(R1)을 통해 병렬로 연결되는 칠러(180)와,
    상기 실외열교환기(130)와 차량의 전장품(202)을 연결하여 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인(W1)과,
    상기 칠러(180)와 차량의 배터리(207)를 연결하여 냉각수를 순환시키는 제2냉각수라인(W2)과,
    상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 연결하며 제1,2냉각수라인간(W1,W2)에 냉각수의 흐름을 조절하는 냉각수조절수단(200)을 포함하며,
    상기 칠러(180)를 통해 난방모드시에는 전장품(202)이나 배터리(207)의 폐열을 회수하고, 냉방모드시에는 배터리(207)를 냉각하여 배터리(207)의 열관리가 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수조절수단(200)은,
    상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 병렬로 연결하여 상기 실외열교환기(130), 전장품(202), 칠러(180), 배터리(207)를 병렬로 구성하는 연결라인(210)과,
    상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)과 연결라인(210)의 분기지점에 설치되어 냉각수의 흐름을 조절하는 밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결라인(210)은, 상기 전장품(202)의 입,출구측 제1냉각수라인(W1)과 상기 칠러(180)의 입,출구측 제2냉각수라인(W2)을 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 전장품(202)의 입,출구측 제1냉각수라인(W1)과 상기 연결라인(210)의 분기지점에 각각 설치되는 제1,2냉각수 방향전환밸브(211,212)와,
    상기 칠러(180)의 입구측 제2냉각수라인(W2)과 상기 연결라인(210)의 분기지점에 설치되는 제3냉각수 방향전환밸브(213)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실외열교환기(130)는, 상기 냉매순환라인(R)의 냉매와 상기 제1냉각수라인(W1)의 냉각수를 열교환시키는 전장 라디에이터(131)와, 상기 냉매순환라인(R)의 냉매와 공기를 열교환시키는 공냉식 열교환기(132)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전장 라디에이터(131)와 공냉식 열교환기(132)는, 송풍팬(133)으로부터 송풍되는 공기의 유동방향으로 일직선상에 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1냉각수라인(W1)에는 냉각수를 순환시키는 제1워터펌프(201)와 냉각수를 저장하는 리저버 탱크(203)가 설치되고,
    상기 제2냉각수라인(W2)에는 냉각수를 순환시키는 제2워터펌프(205)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2냉각수라인(W2)에는, 상기 배터리(207)로 순환하는 냉각수를 가열하는 가열수단(206)이 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 칠러(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)에는, 냉매를 팽창시키는 팽창유로(186)와, 상기 팽창유로(186)를 바이패스하는 바이패스유로(187)를 구비한 팽창밸브(185)가 설치되어,
    상기 칠러(180)로 유동하는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 팽창밸브(185)는 상기 팽창유로(186)를 개폐하는 솔레노이드 밸브(189)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 팽창밸브(185)는 상기 칠러(180)의 일측에 결합된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 실외열교환기(130)의 출구측 냉매순환라인(R)에서 분기되어 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)과 합류하도록 연결되어, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 증발기를 바이패스하도록 구성되고,
    상기 제1바이패스라인(R1)이 분기되기 전의 냉매순환라인(R)과 상기 팽창밸브(185)의 바이패스유로(187)를 연결하는 보조 바이패스라인(R4)이 설치되며,
    상기 냉매순환라인(R)과 보조 바이패스라인(R4)의 분기지점에는 제1냉매 방향전환밸브(191)가 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    냉방모드 상태에서 배터리(207) 냉각시, 상기 실외열교환기(130)에서 냉각된 냉각수는 제1냉각수라인(W1)의 전장품(202)측으로 순환하고 상기 칠러(180)에서 냉각된 냉각수는 제2냉각수라인(W2)의 배터리(207)측으로 각각 독립적으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어되고, 상기 팽창밸브(185)는 냉매를 팽창시키도록 제어되며, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 폐쇄하도록 제어되어,
    상기 칠러를 이용하여 배터리(207)를 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    냉방모드 상태에서 배터리(207) 냉각시, 상기 실외열교환기(130)에서 냉각된 냉각수가 제1냉각수라인(W1)의 전장품(202)과 제2냉각수라인(W2)의 배터리(207)를 모두 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어되고, 상기 팽창밸브(185)는 팽창유로(186)를 폐쇄하도록 제어되며, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 폐쇄하도록 제어되어,
    상기 실외열교환기(130)를 이용하여 배터리(207)를 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    난방모드 상태에서 폐열 회수시, 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수와 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수가 제2냉각수라인(W2)의 칠러(180)측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어되고, 상기 팽창밸브(185)는 팽창유로(186)를 폐쇄하도록 제어되며, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하도록 제어되어,
    상기 전장품(202)과 배터리(207)를 이용하여 폐열을 회수하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    난방모드 상태에서 폐열 회수시, 상기 전장품(202)에서 가열된 냉각수만 제2냉각수라인(W2)의 칠러(180)측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어되고, 상기 팽창밸브(185)는 팽창유로(186)를 폐쇄하도록 제어되며, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하도록 제어되어,
    상기 전장품(202)을 이용하여 폐열을 회수하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    난방모드 상태에서 폐열 회수시, 상기 배터리(207)에서 가열된 냉각수만 제2냉각수라인(W2)의 칠러(180)측으로 순환하도록 상기 냉각수조절수단(200)이 제어되고, 상기 팽창밸브(185)는 팽창유로(186)를 폐쇄하도록 제어되며, 상기 제1냉매 방향전환밸브(191)는 보조 바이패스라인(R4)을 개방하도록 제어되어,
    상기 배터리(207)를 이용하여 폐열을 회수하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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