KR20180078074A

KR20180078074A - 자동차용 히트펌프

Info

Publication number: KR20180078074A
Application number: KR1020160183074A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 장호영; 최준호
Original assignee: 이래오토모티브시스템 주식회사
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-07-09
Also published as: KR101903108B1

Abstract

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매루프, 냉각수루프를 포함하는 이중루프(secondary-loop)로 구성되고 이중루프로서 상호 연동하여 냉방/난방/제상/제습운전을 수행하는 자동차용 히트펌프에 대한 발명이다.
제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 상기 제2유체라인의 제1분기라인에는 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가, 제2분기라인에는 제2개폐밸브 및 폐열회수부가 배치되며, PCM(Phase Change Material)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.

Description

자동차용 히트펌프{Heat Pump For a Vehicle}

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매루프, 냉각수루프를 포함하는 이중루프(secondary-loop)로 구성되고 이중루프로서 상호 연동하여 냉방/난방/제상/제습운전을 수행하는 자동차용 히트펌프에 대한 발명이다.

근래에 지구환경문제와 대기환경의 개선요구에 동반하여 대체에너지를 동력원으로 하는 자동차 또는 저공해차에 대한 도입 욕구가 높아지고 있다.

이에 대체에너지를 사용하는 차량으로는 배터리와 전동모터를 사용하는 전기자동차, 그리고 구동원으로서 전동모터와 엔진을 병용하는 하이브리드 자동차가 주목되고 있다.

가솔린 또는 디젤 등을 원료로 하는 일반적인 내연기관의 경우 내연기관으로부터의 열원을 이용하여 난방운전을 할 수 있으나 전기자동차의 경우에는 가열원으로서 엔진 내지 냉각수가 구비되지 않아 배터리에 의존할 수 밖에 없는데, 현재까지의 기술개발 수준에서는 배터리를 이용한 난방을 할 때, 차량의 주행거리가 급격히 감소하게 되는 기술적인 난점이 존재한다. 하이브리드 자동차에서도 엔진을 정지하여 전동모터만으로 주행하는 모터주행모드가 있는데 이 구간에서는 배터리의 용량으로만 주행해야 하므로 전기자동차에서처럼 난방시에 충분한 열원을 확보하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서, 전기자동차와 하이브리드 자동차에 일반 엔진을 쓰는 자동차에 장착되는 공조장치를 그대로 적용하면, 난방운전시의 열원이나 냉방운전시의 압축기 구동력을 충분히 제공 받지 못하는 문제가 발생한다.

이러한 연유에서 전기자동차나 하이브리드 자동차에 냉난방을 실시하려면 종래의 냉난방장치의 한계를 극복할 필요성이 있는 바, 이 문제를 극복하기 위한 방안의 하나로서, 주로 가정용 냉난방장치로 활용되어오는 히트펌프를 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.

히트펌프란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 히트펌프는 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조장치에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.

물론 종래에도 히트펌프를 자동차에 적용하려는 시도들은 있었다.

한국 공개특허공보 제10-2000-0063254를 참조하면, 히트펌프로서 공기순환유니트의 하류측에 설치되어 엔진의 냉각수가 순환하는 온수히터와, 공기순환유니트의 상류측에 설치되어 공기순환유니트의 외부에 설치된 압축기 및 응축기와 함께 냉매사이클을 형성하는 실내열교환기와, 난방운전시에 상기 압축기에서 토출된 냉매를 바이패스시키는 제1바이패스라인과, 공기순환유니트의 외부에 설치되어 상기 온수히터에서 나온 엔진의 냉각수와 상기 실내열교환기에서 나온 냉매를 열교환시키는 이중관 열교환기를 포함하되, 상기 실내열교환기의 냉매입구측에 설치된 제1전자팽창밸브와, 상기 이중관 열교환기의 냉매입구측에 설치된 제2전자팽창밸브와, 상기 제1전자팽창밸브 및 제2전자팽창밸브의 개도를 제어하는 제어수단을 구비한 히트펌프를 개시하였다.

그리고 한국 등록특허공보 제10-1669826을 참조하면, 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 실내열교환기와 실외열교환기 사이의 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단과, 상기 제2팽창수단의 입구측 냉매순환라인과 상기 증발기의 출구측 냉매순환라인을 연결하도록 설치되어 히트펌프 모드시 냉매가 제2팽창수단 및 증발기를 바이패스하도록 하는 바이패스라인을 포함하여 이루어진 차량용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인상에는, 히트펌프 모드시 차실내 제습을 수행할 수 있도록 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매의 일부를 상기 증발기측으로 공급하는 제습라인이 설치되되, 상기 제습라인은, 상기 제1팽창수단의 출구측 냉매순환라인과 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인을 연결하도록 설치되어, 상기 제1팽창수단을 통과하고 실외열교환기로 유입되기 전의 냉매 일부를 증발기측으로 공급하도록 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템을 개시하였다.

이들 선행기술의 차량용 히트펌프에 의하면, 냉방 및 난방을 최적으로 제어할 수 있게 되고, 차실 내 원활한 제습작용도 할 수 있는 등의 장점이 있으나, 이들 발명 모두 냉/난방/제습 등의 다양한 모드를 작동하기 위해서 많은 바이패스 라인과 밸브들을 구성하여 매우 복잡한 시스템을 형성하고 있다. 나아가 외기 온도가 극저온인 환경(예컨대 겨울철)에서는 외부 열교환기가 쉽게 착상될 수 있는데 이를 제거하기 위해서도 바이패스라인을 포함한 복잡한 냉매 제상루프를 이용하여 제거하는 방식들이 다수를 이룬다.

종래기술과 같이 많은 바이패스라인과 밸브들을 구성할 경우 그만큼 히트펌프 시스템의 조립과 제조 공정이 복잡하고, 복잡해진 라인을 따라 냉매의 압력 강하량이 커져 결과적으로 효율이 저하되는 문제가 발생하며, 각 운전 모드별 냉매 루프 제어가 복잡해진다는 문제도 발생한다. 이로 인해 히트펌프 시스템을 채용함으로써 얻을 수 있는 장점에 비해 제어의 복잡성, 원가의 상승으로 인한 단점들이 만만치 않아 그 효용성이 있는지에 대한 논란이 있는 실정이다.

차량용 배터리에 한계가 있는 한 종래의 공조장치의 개조 내지 신개념의 공조장치에 대한 개발이 필요한 것은 분명한 사실이다.

시대적 흐름인 대체에너지 개발에 발맞추어 전기자동차 또는 하이브리드 차에 적합한 새로운 공조장치의 개발의 필요가 있다.

아울러 자동차의 연비 향상을 위해 자동차 설비 및 부품의 컴팩트(compact)화, 다운사이징(downsizing)화의 추세에도 발맞추어 공조장치 구성을 간단하게 구성할 필요성도 존재한다.

이러한 요구에 부응하기 위해, 본 발명에서는 그 일 실시예로서 불필요한 바이패스 라인을 없애 종래 기술의 히트펌프 시스템에 비해 구조적, 제어적 복잡성을 탈피한 히트펌프 시스템으로서, 냉매루프와 냉각수루프로 구성된 이중루프를 구성하는 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

특히, 외기 온도가 저온일 때 난방운전을 가동하면, 외부 열교환기에 서리가 착상되는 현상이 발생하는데, 착상된 서리에 의해 외부열교환기에서의 열교환이 원활하지 않게 되어 난방성능이 저하되는 문제로 이어진다. 따라서 본 발명에서는 외기 온도가 저온 일 때, 난방성능을 유지하면서 외부열교환기에 서리 착상을 방지하는 히트펌프 구성과, 히트펌프 동작방법을 제안하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 상기 제2유체라인의 제1분기라인에는 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가, 제2분기라인에는 제2개폐밸브 및 폐열회수부가 배치되며, 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 축열하는 PCM(Phase Change Material)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.

여기서 상기 히트펌프는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 할 수 있으며,

상기 제1유체는 냉매, 상기 제2유체는 냉각수인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따라 상기 PCM은 상기 내부열교환기와 일체로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 히트펌프의 제1제상운전모드로서, 상기 방향전환밸브는 상기 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서는 상기 PCM이 냉각됨으로써 차실 내를 난방시킬 수 있다.

그리고 제2제상운전모드로서, 상기 방향전환밸브는 상기 내부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1유체가 유동하는 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, PCM(Phase Change Material), 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 상기 제2유체라인의 제1분기라인에는 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가, 제2분기라인에는 제2개폐밸브 및 폐열회수부가 배치되는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프의 동작방법으로서, 난방운전모드에서 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 이용해 PCM을 축열한 다음, 상기 PCM을 냉각하여 차실 내를 난방시키면서 제상하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 PCM의 냉각은, 상기 방향전환밸브가 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 제1제상운전모드에서 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서는 히트펌프 시스템의 바이패스라인을 최소화하는 발명을 제안하였다.

종래의 히트펌프 시스템에서는 히트펌프 모드 구동을 위해 조립과 제조 공정이 복잡하고, 냉매의 압력 강하량이 커지는 문제가 발생하며, 각 운전 모드별 냉매 루프 제어가 어려운 문제가 있었다. 특히 외기 온도가 저온시 외부 열교환기에는 서리가 착상되는 문제가 발생하곤 하는데, 종래의 히트펌프 시스템에서는 이를 제거하기 위해 복잡한 냉매 루프를 이용한 제상운전을 통하여 제거를 하였다. 예컨대 기존의 기술은 내부 열교환기를 지난 중온고압의 냉매를 팽창밸브를 지나 외부열교환기를 거치지 않고 칠러(제3열교환기)로 바이패스 라인을 구성하여 유동시킨다.

그러나 본 발명에서는 기존의 히트펌프 시스템보다 간단한 구조로서 냉매 루프 길이가 짧으며, 제상 효율 측면에서도 종래기술보다 뛰어난 히트펌프 시스템을 제안한다. 바이패스라인을 생략하므로 원가를 절감할 수 있는 비용적 이점을 가지고, 냉매 루프 길이가 짧아 압력 강하량이 적어지는 기술적 이점을 가지며, 내부열교환기를 지난 냉매를 팽창시키지 않고 중온고압 상태로 외부열교환기로 순환시킬 수 있어 제상성능이 향상되고 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 부가적으로 제상운전시 난방성능이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.

제어적 측면에서 보면, 본 발명은 이중루프 시스템이므로 각 루프에 대해 온도 제어를 개별적으로 할 수 있게 되어 시스템 안정성 측면에서도 이점을 가지며, 시스템 고장진단 측면에서도, 시스템에 이상 발생시 루프별 개별적인 진단이 가능한 장점이 있다.

아울러, 종래 기술은 제상 운전시 난방을 제공하지 못하였지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제상운전 동안에도 난방을 제공할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 히트펌프 시스템에 의하면 제상운전이 필요한 경우 난방운전할 때의 냉매 순환방향을 그 역방향으로 전환시키지 않고도 제상운전이 가능하므로, 궁극적으로 종래에 비해 제상운전 시의 난방성능을 향상시키는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 냉방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제상운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제2제상운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 ‘자동차용 히트펌프’에 대하여 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

도 1 내지 도 5를 참조로 본원발명의 자동차용 히트펌프 시스템 및 히트펌프 동작방법에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 냉방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제상운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제상운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체의 순환경로를 도시한 도면이다.

먼저, 본원발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 구성은 다음과 같다. 본 발명의 자동차용 히트펌프의 구성은 이중루프(secondary-loop)로 구성됨을 주요 특징으로 한다. 이중루프(secondary-loop)인 경우 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1)상의 구성들과 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)상의 구성들로 이루어진다. 본 발명의 자동차가 전기자동차인 경우 제1유체와 제2유체는 서로 다른 냉매를 의미할 수 있고, 하이브리드 자동차인 경우에 제1유체는 냉매를 제2유체는 제1유체와 다른 냉매 또는 냉각수를 의미할 수 있다. 바람직하게는 상기 제1유체는 차실내의 공조를 위해 마련되는 냉매, 상기 제2유체는 워터펌프(PUMP)를 통해 차량 내부에 유동하는 냉각수라인일 수 있다.

본 발명의 히트펌프 시스템은 화석연료를 사용하는 내연기관을 구비하지 않고 배터리만으로 구동하는 전기 자동차 및, 내연기관과 배터리가 동시에 장착된 하이브리드 자동차에 적용될 수 있을 것이다. 일 실시예에 따라 상기 전기 자동차에 본 발명의 히트펌프 시스템이 적용되는 경우라면 엔진의 냉각을 위한 냉각수라인을 별도로 구성하지 않으므로, 상기 제2유체는 냉각수가 아닌 냉매가 적용됨이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1)과 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)을 포함하는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인(line 1)상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 제2유체라인(line 2)의 제1분기라인(line 2-1)에 제1개폐밸브(240) 및 캐빈쿨러(140)가 배치되며, 제2유체라인(line 2)의 제2분기라인(line 2-2)에 제2개폐밸브(250) 및 폐열회수부(150)가 배치될 수 있다.

그리고 본 발명의 특징으로서, PCM(Phase Change Material)이 구비될 수 있다. PCM이란 잠열재 또는 축열재 또는 축냉재로 불리는 상변화물질로서 고체에서 액체, 액체에서 기체로 상변화하거나 그 역방향으로 상변화하는 과정에서 발생하는 잠열에너지를 축적 및/또는 방출하는 물질이다.

보다 구체적으로 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1) 상에는, 제1유체를 압축하여 토출하는 압축기(COMP); 상기 제1유체를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기(110); 상기 제1유체를 외기와 열교환시키는 외부열교환기(120); 상기 내부열교환기(110)와 외부열교환기(120) 사이의 제1유체라인 상에 배치되고, 제1유체를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단(220); 제1유체라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기(120)를 통과한 제1유체를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단(230); 상기 제2팽창수단(230)을 통과한 제1유체라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기(COMP)에 유입시키는 어큐뮬레이터(ACC); 상기 제2팽창수단(230)과 상기 어큐뮬레이터(ACC) 사이의 제1유체라인(line 1) 상에 배치되고, 제2유체와 열교환 가능한 제3열교환기(130)가 배치된다.

또한, 상기 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)은, 차실 내의 공기와 열교환하는 캐빈쿨러(140)와 연결되고, 폐열을 획득하여 제1유체에 제공하기 위해 마련된 폐열회수부(150)와 연결될 수 있으며, 상기 제2유체라인(line 2) 상에는, 캐빈쿨러(140)로의 유동을 개폐(또는 단속)하는 제1개폐밸브(240)와 폐열회수부(150)로의 유동을 개폐(또는 단속)하는 제2개폐밸브(250)가 구비될 수 있다.

아울러, 본 발명의 히트펌프는 상기 압축기(COMP)로부터 토출되는 제1유체의 유동방향을 전환하는 방향전환밸브(210)를 포함할 수 있다.

제1유체라인(line 1)상에 구비된 방향전환밸브(210)는 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 제1유체를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 외부열교환기(120)에 직접적으로 공급하게 된다. 이를 위해 방향전환밸브(210)는 3-Way 밸브로 이루어질 수 있다. 방향전환밸브(210)가 3-Way 밸브인 경우 제1유체를 외부열교환기(120)에 공급하는 동작과, 내부열교환기(110)에 제1유체를 공급하는 동작은 선택적으로 이루어질 수 있다.

나아가 상기 압축기(COMP)와 방향전환밸브(210)를 연결하는 제1유체라인(line 1)상에는 압력센서(미도시)가 장착되어 상기 압축기(COMP)로부터 압축된 상태로 배출되는 냉매의 압력을 감지할 수 있다.

구체적으로 상기 방향전환밸브(210)는, 냉방운전모드에서, 상기 제1유체가 내부열교환기(110)를 통과하지 않고 바로 제1팽창수단(220)으로 공급되도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 제1유체는 제1팽창수단(220)을 그대로 통과하여 외부열교환기(120)에서 증발한다. 반면, 상기 방향전환밸브(210)는 난방운전모드, 제상운전모드 및 제습-난방운전모드에서 상기 제1유체가 내부열교환기(110)를 통과하여 상기 제1팽창수단(220)으로 공급되도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 제1유체는 내부열교환기(110)를 통과하면서 응축되므로 온도가 낮아지고, 응축된 이후의 제1유체가 제1팽창수단(220)을 거쳐, 외부열교환기(120)측으로 유입된다.

내부열교환기(110)는 내부에는 제1유체가 유동하는 내부공간이 마련되고, 내부열교환기(110)의 표면과 접촉하면서 유동하는 공기와 보다 넓은 면적에서 열교환하도록 복수 개의 튜브 또는 주름핀이 나란히 배열된 형태로서 형성될 수 있다.

그리고 본 발명의 히트펌프는 PCM을 포함할 수 있다. PCM은 내부열교환기(110)의 열을 이용하여 축열할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에 따르면 내부열교환기(110)를 통해 차실 내부를 충분히 난방하고, 난방목적을 달성한 이후에 잔류한 열에너지를 이용하여 PCM을 축열할 수 있다.

PCM은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 내부열교환기(110)와 일체로 형성되는 구성일 수 있다.

PCM이 내부열교환기(110)와 일체로 형성되는 경우는 내부열교환기(110)와 외측 케이스를 공유하며, 내부열교환기(110)에 인접하게 형성되어 내부열교환기(110)로부터 소정의 증발열을 전도 받아 축열 에너지로 사용한다. PCM은 경우에 따라 내부열교환기(110) 또는 냉매라인에 탈착 가능한 형태로 형성될 수 있어, 내부 상변화물질의 기능이 저하된 경우 이를 교체할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 PCM은 상변화 시의 잠열을 이용하여 필요시 차량 내부를 난방하는 역할을 한다. 여기서 잠열이란 상변화물질이 액체상태(녹아 있는 상태)에서 고체상태(언 상태)로 변화할 때 방출되는 에너지 형태이다. 본 발명에서 PCM은 냉매 순환에 따른 차실 내의 난방을 보조하는 역할을 하는데, 특히 외부열교환기(120)에 서리가 착상되어 제상이 필요한 경우에 PCM이 잠열을 방출하도록 구성할 수 있다. 종래기술에서는 히트펌프 구조상 제상운전시 난방성능이 저하되는 문제가 발생하였으나, 본 발명에서는 제상 시 PCM을 이용한 난방을 수행할 수 있게 되어 난방성능 저하를 방지한다.

예시적으로, PCM의 어는 점과 녹는 점은 각각, 대략 50℃, 70℃로 설정될 수 있고, 이 어는 점과 녹는 점 범위 내 PCM이 상변화 함으로써 냉매의 열을 축열하거나, 냉매로 열을 방열할 수 있게 된다.

PCM은 먼저 난방운전모드를 거쳐 내부열교환기(110)부터 에너지를 축적하고 있다가, 추후 제상이 필요한 경우에는 잠열을 방출한다. 구체적으로 난방운전모드에서 PCM은 상변화물질이 녹으면서 축열이 되고, 외부 열교환기에 서리 착상 발생 시, 다시 말해 제상운전이 필요할 경우에 녹아있던 상변화물질이 다시 냉각되면서(또는 얼려지면서) 열을 방출한다.

본 발명의 제상운전모드는 제1제상운전모드와 제2제상운전모드가 포함될 수 있는데 PCM이 방열하는 운전모드는 제1제상운전모드가 해당될 수 있다. 이때의 유체 이동 경로는 도 3과 같다. 제1제상운전모드와 제2제상운전모드에서 특이할 점은 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open) 상태로 두고, 제2팽창수단(230)은 냉매를 감압 팽창시키도록 한 다음, 방향전환밸브(210)를 이용하여 냉매라인 상의 냉매의 흐름만을 변경시킨다는 점에 있다. 제1제상운전모드, 제2제상운전모드 그리고 이에 따른 PCM의 거동에 대한 상세한 설명은 이하 히트펌프 동작방법에서 후술하기로 한다.

종래 일반적인 히트펌프 시스템에서는 실외열교환기 착상 시 제상운전으로 전환하고자 할 경우에 난방성능이 저하되는 경우가 많았으나, 본 발명에서는 제상운전을 수행하면서도 PCM에 축열된 에너지를 이용하여 차실 내를 따뜻하게 하므로 난방성능이 저하되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

한편, 제2유체라인(line 2)상에 구비된 캐빈쿨러(140)와 폐열회수부(150)는 병렬적으로 구성되며 제1개폐밸브(240), 제2개폐밸브(250)의 선택적인 개폐작동에 의해 제2유체가 캐빈쿨러(140)와 폐열회수부(150)측으로 선택적으로 흐를 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 제1개폐밸브(240)와 제2개폐밸브(250)가 동시에 열려 캐빈쿨러(140)와 폐열회수부(150)로 제2유체가 동시에 흐를 수도 있다. 즉, 폐열원을 선택적으로 제공하여 제2유체의 온도를 변화시킬 수 있다.

실시예에 따라 상기 폐열회수부(150)는 전장품으로부터 폐열을 회수하거나 캐빈으로부터 폐열을 회수하는 것을 의미할 수 있다. 여기서 폐열회수부(150)측에 연결된 전장품은 예컨대 모터(M), 인버터, 컨버터, 배터리 등과 같이 발열이 가능한 제품을 의미할 수 있다. 그리고 폐열회수부(150)에 연결된 캐빈의 폐열은 캐빈룸 내부 및 외부에서 제공되는 모든 형태의 폐열을 의미하며, 예컨대 난방을 위해 별도로 마련되는 히팅수단, 캐빈룸 상부 자동차 표면에 설치되어 태양열 에너지를 회수하는 태양열 패널 등이 이에 해당될 수 있다.

본 발명의 제3열교환기(130)는 제1유체측 파트(131)와 제2유체측 파트(132)로 구분될 수 있다. 제3열교환기(130)는 두 개의 서로 다른 유체가 만나 각각의 유체가 가지는 열에너지를 전달하는데, 여기의 제3열교환기(130)에는 별도의 열 제공수단이 연결되지 않으므로 열역학 제3법칙에 따라 보다 뜨거운 온도를 가진 유체로부터 차가운 온도를 가지는 유체로 열이 전달될 것이다. 제3열교환기(130)에서 만나는 유체는 서로 혼합되지 않도록 구성되고, 이를 위해 제3열교환기(130)의 형상은 냉각기로 널리 쓰이는 칠러(chiller)와 같은 형상으로 형성됨이 바람직하다.

제2유체라인(line 2)의 역할은, 냉방시 제3열교환기(130)를 통해 뜨거운 제2유체의 열을 상대적으로 차가운 제1유체 측으로 이동시켜 캐빈쿨러(140)측을 차갑게 함으로써 차실 내를 냉방시킬 수 있으며, 난방시에는 폐열을 회수하여 제3열교환기(130)를 통해 제1유체측으로 열을 전달하는 역할을 할 수 있고, 고도난방시에는 전장 폐열 및/또는 캐빈 측의 열을 함께 회수하여 제3열교환기(130)에 전달하는 역할을 할 수 있다.

이하, 본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법을 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법에 따르면 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1) 상에 압축기(COMP), 방향전환밸브, 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC)가 배치되고, 상기 제2유체라인(line 2)의 제1분기라인(line 2-1)에는 제1개폐밸브(240) 및 캐빈쿨러(140)가 제2분기라인(line 2-2)에는 제2개폐밸브(250) 및 폐열회수부(150)가 배치되는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프를 기반으로, 먼저 난방운전모드에서 상기 내부열교환기(110)로부터 발생된 열을 이용해 PCM을 축열한 다음, 상기 PCM을 냉각하여 차실 내를 난방시키면서 제상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 냉방운전모드, 난방운전모드, 제상운전모드 그리고 제습-난방운전모드의 on/off, 공조모드에 따른 차량 내 온도의 조절, 공조모드 간의 전환을 위한 밸브의 거동은 사용자의 선택 또는 차량의 제어기에 의해 자동적으로 조절 및 작동될 수 있다. 여기서 제어기란 차량에 마련된 통상의 VCU(Vehicle Control Unit)를 의미할 수 있다.

제어기는 압력센서(미도시)를 통해 수신된 제1유체의 압력정보와, 제2유체의 압력정보, 온도센서(미도시)를 통해 수신된 제1유체와 제2유체의 온도를 감지하여 이하에서 설명하는 각 공조모드에서 밸브를 압축기를 구동시키고, 각 팽창수단의 개도 및 개폐밸브의 개도를 조절하게 된다.

한편, 본 발명의 제1팽창수단(220)과 제2팽창수단(230)은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 수 있다. 사용자 또는 제어기의 입력에 따라 냉매라인의 개도량을 자유롭게 조절 가능하다. 배관 형상에 따라 개도량이 정해져, 냉매라인의 압력을 자유롭게 조절할 수 없는 기계식팽창수단과는 다르다.

또한, 제어기는 차량의 공조모드와 전장품 폐열원의 온도상태에 따라 워터펌프의 유량을 조절하는 역할을 하거나, 개폐 도어 및 송풍팬의 풍량을 제어하는 역할도 할 수 있다. 아울러, 차량에 요구되는 난방부하 또는 차량 공조모드에 따라 상기 폐열회수부 폐열 회수 및 열량 제공 여부를 결정하는 것도 상기 제어기에서 수행한다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 냉방운전모드에 대해 설명하기로 한다.

냉방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전 개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 캐빈쿨러(140), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2) 는 폐쇄되고, 내부열교환기(110)를 거치지 않으면서 외부열교환기(120) 측으로 연결되는 경로(line 1-1)만 개방된다.

이때, 제1팽창수단(220)은 완전 개방(full open)되어 제1유체의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 따라서 압축기(COMP)로부터 토출된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 제1팽창수단(220)을 그대로 통과한 다음 외부열교환기(120)에서 비로소 차가운 외기와 만나 열교환하게 되면서 응축되며, 이로 인해 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환한다.

계속해서 상기 외부열교환기(120)를 통과한 제1유체는, 제2팽창수단(230)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상의 제1유체가 된 후, 제3열교환기(130) 측으로 유입된다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 저온 저압 액상의 제1유체는 제2유체라인상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 이때, 제3열교환기(130)에서의 제1유체는 제2유체와 열교환하면서 증발함과 동시에 증발잠열에 의한 흡열작용으로 제2유체를 냉각하게 되며, 이로써 냉각된 제2유체가 캐빈쿨러(140) 측으로 공급되어 이곳에서 송풍팬(11)에 의해 공급된 공기를 냉각함으로써 냉방이 이루어지게 된다. 이 과정에서 도어(12)는 내부열교환기(110)측의 공기 유동은 폐쇄하고, 공조케이스 내로 유입된 후 캐빈쿨러(140)를 만나 차가워진 공기는 곧바로 차실 내로 토출하도록 한다.

이후, 제3열교환기(130)를 통과한 저온, 저압의 기상과 액상이 혼합된 제1유체는 어큐뮬레이터(ACC)를 통과하여 압축기(COMP)로 다시 유입됨으로써 사이클을 순환하게 된다. 어큐뮬레이터(ACC)에서는 상기 압축기(COMP)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(COMP)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.

즉, 상기 냉방운전모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 완전개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과, 외부열교환기(120)에서의 응축, 제2팽창수단(230)에서의 감압 팽창, 제3열교환기(130)에서의 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 의해 열을 빼앗긴 상태에서 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.

도 2를 참조하여, 난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.

난방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 이때 상기 제2팽창수단(230)은 완전 개방(Full Open)시킨다. 그리고 상기 제2유체는 제3열교환기(130), 폐열회수부(150), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 구동에 의해 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2)는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 제1유체는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.

내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 송풍된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환한다. 내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.

내부열교환기(110)를 통과한 제1유체는 제1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창되어 저압의 제1유체가 된다. 그리고 제1유체는 외부열교환기(120)로 공급된다. 외부열교환기(120)에서 액상의 제1유체는 증발하여, 기상과 액상의 혼합기 상태인 제1유체로 변화한 다음 제3열교환기(130)를 통과하고 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

이때, 제2팽창수단(230)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 상태변화에 영향을 주지 않는다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 제1유체는 제2유체라인(line 2)상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 여기서 열교환은 선택적으로 이루어질 수 있으며, 주로 제1유체의 온도를 더 높여 난방성능을 향상시키고자 할 때 제1유체가 제2유체로부터 열을 제공받는 형태로 열교환한다. 예를 들어, 실외 온도가 소정 온도(예컨대, -10℃)이하의 저온 상태인 경우에는 제1유체의 유동에 의한 난방성능과 더불어, 제2유체로부터 적극적으로 폐열을 제공받는 운전모드(고(高)난방운전모드)를 수행하여 차량에 요구되는 난방 부하를 만족시킬 수 있다.

이때, 제3열교환기(130)에서의 제1유체는 제2유체와 열교환하면서 제2유체로부터 열을 제공받을 수 있다. 도 2를 참조하면, 제2유체는 폐열을 회수하여 제3열교환기(130)를 통해 제1유체로 열을 공급하도록 하는 역할을 한다. 이를 위해 제2유체라인(line 2)상의 제1개폐밸브(240)는 폐쇄되어 캐빈쿨러(140)측의 제2유체의 유동을 차단하고, 제2개폐밸브(250)는 개방되어 폐열회수부(150)측으로만 제2유체가 유동하도록 할 수 있다.

이로써 제3열교환기(130)에 유입될 때 상대적으로 저온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 제1유체는 상대적으로 고온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 제1유체가 되어 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다. 이와 같은 작용은 결과적으로 압축기(COMP) 효율을 높여 난방효율을 높이게 된다.

이 과정에서 도어(12)는 내부열교환기(110)측의 공기 유동을 개방하고, 공조케이스 내로 유입된 후 내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하도록 한다.

즉, 상기 난방운전모드에서 제1유체는 압축기(COMP)로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 제1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 외부열교환기(120)에서의 증발, 완전개방된 제2팽창수단(230)에서 그대로 통과, 제3열교환기(130)에서의 선택적인 열교환 과정을 순차적으로 거친다. 그리고 제2유체는 제1유체에 폐열을 제공하는 역할을 한다.

도 3을 참조하여, 제상운전모드에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에서 제상운전모드는 제1제상운전모드와 제2제상운전모드를 포함한다. 제1제상운전모드는 고온의 냉매를 외부열교환기(120)로 직접적으로 유입시켜 제상속도를 빠르게 한 운전모드를 의미하고, 제2제상운전모드는 난방성능을 떨어뜨리지 않으면서 제상운전을 수행하게 하는 운전모드를 의미한다.

제상운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전 개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 폐열회수부(150), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2)는 폐쇄되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)만 개방된다.

계속해서 제1유체가 유동하는 경로상에 위치하는 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 제1팽창수단(220)을 통과한 제1유체는 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 응축되어 외부열교환기(120) 표면에 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다.

제1제상운전모드에서는 고온, 고압, 기상의 제1유체를 서리가 착상된 외부열교환기(120)에 직접 공급함으로써 제상을 수행한다. 외부열교환기(120)에 유입되는 냉매는 대략 90℃ 정도 고온의 제1유체로서, 이 제1유체가 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 표면에 착상된 서리를 제거하게 되는 것이다. 외기가 차가울 때 난방운전을 가동하면, 외부열교환기(120)의 흡열작용에 의해 표면에 서리가 착상하는 문제가 발생할 수 있는데, 이때, 도 3에 도시된 제상운전모드를 적용함으로써 서리 착상을 미연에 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다.

외부열교환기(120)를 통과하는 제1유체는 제2팽창수단(230)을 통과하면서 감압 팽창되어 저온, 저압, 기상의 상태가 된 뒤, 제3열교환기(130)측으로 유입된다. 제3열교환기(130)에서는 제2유체와 만나 증발함으로써 저온, 저압의 기상과 액상의 혼합기 상태가 되어 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

여기서 제2유체는 폐열회수부(150)를 통과하도록 하여 폐열을 제1유체에 전달함으로써 제3열교환기(130)에서의 증발작용이 더욱 활발히 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 상기 제상운전모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 완전 개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과, 외부열교환기(120)에서의 응축, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창, 제3열교환기(130)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 폐열을 제공한다.

이 과정에서 축열된 상태의 PCM을 이용하여 상변화물질이 냉각되면서(또는 얼면서) 외부열교환기(120) 측으로 열을 방여 차실 내를 난방시킬 수 있다. PCM을 이용하면 제상기능을 수행하면서도 난방성능을 어느 정도 유지할 수 있게 된다.

도 4를 참조하여, 제2제상운전모드에 대해 설명하기로 한다. 제2제상운전모드는 앞서 설명한 바와 같이 난방운전 중 제상운전을 수행하는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제2제상운전모드를 제상-난방운전모드라고 명명할 수도 있다.

제상-난방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 이때 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방(Full Open)시킨다. 그리고 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 폐열회수부(150), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

난방운전 중 제상이 필요할 경우에, 난방운전을 중단하지 않고, 제상을 진행하기 때문에 난방열량이 저하되는 현상을 방지하는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 구동에 의해 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2)는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 제1유체는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.

계속해서 제1유체가 유동하는 경로상에 위치하는 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 내부열교환기(110)를 통과한 제1유체는 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 다시 한번 응축될 수 있다.

이때 제1유체는 압축기(COMP)에서 토출될 때의 열을 어느 정도 유지(대략 40℃ 에서 50℃)하고 있으므로, 외부열교환기(120)에서 서리가 착상되는 것을 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다. 다시 말해 내부열교환기(110)를 통과한 냉매를 팽창시키지 않고 중온 고압 상태로 외부열교환기(120)로 순환시킴으로써 향상된 제상 능력을 발휘한다. 난방성능을 유지하면서 간단한 밸브 조작을 통해 제상효과를 발휘하는 장점을 가진다. 다만, 이때 외부열교환기(120)에 제공되는 냉매의 온도는 제1제상운전모드에 비해 낮기 때문에 제2제상운전모드에서 제상속도는 제1제상운전모드에서의 그것보다 다소 느릴 수 있다.

외부열교환기(120)를 통과하는 제1유체는 제2팽창수단(230)을 통과하면서 감압 팽창되어 저온, 저압, 기상의 상태가 된 뒤, 제3열교환기(130)측으로 유입된다. 제3열교환기(130)에서는 제2유체와 만나 증발함으로써 저온, 저압의 기상과 액상의 상태로 변환하여 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

즉, 상기 제2제상운전모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 완전 개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과, 외부열교환기(120)에서의 재응축, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창, 제3열교환기(130)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 폐열을 제공한다.

제상운전모드에 대해 다시 한번 강조하면,

서리 착상을 감지한 경우, 제1제상운전모드와 제2제상운전모드 중 어느 하나를 선택하여 히트펌프를 작동시킬 수 있다.

외부열교환기(120)에 서리가 착상되는 것을 감지하는 방법은 소정의 촬영장치를 이용해 착상량을 촬영하여 이를 식별하거나, 소정의 전기장을 형성시키는 전극과 전자기계를 형성하여 전극의 변화에 따라 착상량을 감지하거나 적외선 또는 압력 센서를 이용하여 착상을 감지하는 방법 등이 적용될 수 있다. 이외 외부열교환기에 부착된 기타 센서를 이용해 착상을 직접적으로 감지하거나 상기한 정보 이외에 차량의 속도 외기 온도를 함께 고려하여 서리 착상 여부를 판정할 수도 있다.

제상모드의 선택은 사용자의 선택 또는 기 설정된 알고리즘에 따라 자동적으로 선택될 수 있는데, 선택의 기준은 (a)착상된 서리의 양, 또는 (b)PCM의 사용가부 내지 PCM의 축열정도, 또는 (c) 외기의 온도 등이 해당될 수 있다.

제1제상운전모드에서는 고온의 냉매를 외부열교환기(120) 측으로 유입시키게 되므로, 제상운전 속도가 빠르다. 그리고 제1제상운전모드에서는 PCM에서 축열된 열을 방열하여 차량 내부를 난방시키게 된다.

제2제상운전모드에서는 제2제상운전모드보다는 중온의 냉매를 외부열교환기(120) 측으로 유입시키게 되므로 제상운전 속도에서는 제1제상운전모드에 비해 느린 측면이 있으나, 제상운전을 하고자 할 때 난방성능을 떨어뜨리지 않게 할 수 있는 장점이 있다.

예컨대 착상된 서리의 양이 기 설정된 양(A)보다 큰 경우 제상시간이 오래 소요되므로 제2제상운전모드를 실시하고, 기 설정된 양(A)보다 크지 않은 경우는 제1제상운전모드를 가동하도록 설정할 수 있다. 제상운전모드는 착상된 정도에 따라 단계적으로도 수행하도록 설정될 수 있다.

아울러, 본 발명은 제상을 위한 별도의 바이패스라인을 거치지 않고, 간단한 밸브 조작을 통해 제상효과를 발휘함으로써 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점도 가진다.

도 5를 참조하여, 제습-난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.

제습-난방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제2팽창수단(230)은 완전개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 캐빈쿨러(140), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로는 개방(line 1-2)되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 제1유체는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.

내부열교환기(110)를 통과한 제1유체는 제1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창되어 저압의 액상 제1유체가 된 후, 증발기 역할을 하는 외부열교환기(120)로 공급된다. 외부열교환기(120)로 공급된 제1유체는 저온, 저압의 기상과 액상의 혼합기가 되어 제3열교환기를 통해 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

이때, 제2팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 상태변화에 영향을 주지 않는다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 제1유체는 제2유체라인(line 2)상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 이 때, 제3열교환기(130)에서의 제2유체는 제1유체와 열교환하면서 제1유체에 의해 열을 빼앗길 수 있다. 냉각된 제2유체는 캐빈쿨러(140) 측으로 공급되어 송풍팬에 의해 공급된 공기를 냉각시킬 수 있다.

즉, 상기 제습-난방운전모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 제1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 외부열교환기(120)에서의 증발, 완전개방된 제2팽창수단(230)에서 그대로 통과, 제3열교환기(130)에서의 열교환을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 의해 열을 빼앗긴 상태에서 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.

공조케이스 내 미도시된 습도센서에 의해 고습한 것으로 판단되면, 송풍 팬에 의해 유입된 습한공기를 캐빈쿨러(140)의 표면과 접촉하도록 하여 응축시킨 뒤, 도어(12)를 이용하여 캐빈쿨러(140)와 접촉한 공기를 발열작용중인 내부열교환기(110) 측으로 이송시킴으로써 결과적으로 습기가 제거된 건조한 공기가 차실 내로 배출되도록 한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 시스템에 따르면, 기존의 히트펌프 시스템보다 간단한 구조로서 냉매 루프 길이가 짧으며, 제상 효율 측면에서도 종래기술보다 뛰어난 히트펌프 시스템을 제안한다. 종래기술과 달리 바이패스라인을 생략하므로 원가를 절감할 수 있는 비용적 이점을 가지고, 냉매 루프 길이가 짧아 압력 강하량이 적어지는 기술적 이점을 가지며, 내부열교환기를 지난 냉매를 팽창시키지 않고 중온고압 상태로 외부열교환기로 순환시킬 수 있어 제상성능이 향상되고 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 부가적으로 제상운전시 난방성능이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.

제어적 측면에서 보면, 본 발명은 이중루프 시스템이므로 각 루프에 대해 온도 제어를 개별적으로 할 수 있게 되어 시스템 안정성 측면에서도 이점을 가진다. 루프가 이원화되어 있어 시스템 고장진단 발생 시 루프별 개별적인 진단도 가능할 것이다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만, 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 공조케이스(덕트)
11 : 송풍팬
12 : 도어
110 : 내부열교환기
120 : 외부열교환기
130 : 제3열교환기
140 : 캐빈쿨러
150 : 폐열회수부
210 : 방향전환밸브
220 : 제1팽창수단
230 : 제2팽창수단
240 : 제1개폐밸브
250 : 제2개폐밸브

Claims

제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프로서,
상기 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 상기 제2유체라인의 제1분기라인에는 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가, 제2분기라인에는 제2개폐밸브 및 폐열회수부가 배치되며,
상기 제1유체라인 상에 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 축열하는 PCM(Phase Change Material)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1유체는 냉매, 상기 제2유체는 냉각수인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제4항에 있어서,
상기 PCM은 상기 내부열교환기와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
제1제상운전모드로서, 상기 방향전환밸브는 상기 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제5항에 있어서,
상기 PCM이 냉각됨으로써 차실 내를 난방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
제2제상운전모드로서, 상기 방향전환밸브는 상기 내부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1유체가 유동하는 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, PCM(Phase Change Material), 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 상기 제2유체라인의 제1분기라인에는 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가, 제2분기라인에는 제2개폐밸브 및 폐열회수부가 배치되는 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프의 동작방법으로서,
난방운전모드에서 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 이용해 PCM을 축열한 다음, 상기 PCM을 냉각하여 차실 내를 난방시키면서 제상하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
제9항에 있어서,
상기 PCM의 냉각은,
상기 방향전환밸브가 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2개폐밸브는 열리는 제1제상운전모드에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.