KR20180096361A - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

차량용 히트펌프 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20180096361A
KR20180096361A KR1020170022975A KR20170022975A KR20180096361A KR 20180096361 A KR20180096361 A KR 20180096361A KR 1020170022975 A KR1020170022975 A KR 1020170022975A KR 20170022975 A KR20170022975 A KR 20170022975A KR 20180096361 A KR20180096361 A KR 20180096361A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refrigerant
heat exchanger
circulation line
compressor
indoor heat
Prior art date
Application number
KR1020170022975A
Other languages
English (en)
Inventor
이재민
윤서준
이승호
Original Assignee
한온시스템 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한온시스템 주식회사 filed Critical 한온시스템 주식회사
Priority to KR1020170022975A priority Critical patent/KR20180096361A/ko
Publication of KR20180096361A publication Critical patent/KR20180096361A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H1/00899—Controlling the flow of liquid in a heat pump system
    • B60H1/00921—Controlling the flow of liquid in a heat pump system where the flow direction of the refrigerant does not change and there is an extra subcondenser, e.g. in an air duct
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H1/00885—Controlling the flow of heating or cooling liquid, e.g. valves or pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/02—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant
    • B60H1/04—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant from cooling liquid of the plant
    • B60H1/08—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant from cooling liquid of the plant from other radiator than main radiator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/3205—Control means therefor
    • B60H1/3213—Control means therefor for increasing the efficiency in a vehicle heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat
    • F25B41/046—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H2001/00949—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices comprising additional heating/cooling sources, e.g. second evaporator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/04—Refrigeration circuit bypassing means
    • F25B2400/0411—Refrigeration circuit bypassing means for the expansion valve or capillary tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2507—Flow-diverting valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

하이브리드 차량의 히트펌프 시스템에 있어서 냉방용 팽창장치와 난방용 팽창장치를 선택적으로 사용 가능하도록 구성된 차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기; 공조케이스의 내부에 구비되어 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기; 공조케이스의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기; 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기의 사이에 구비되어 냉매를 팽창시키는 제1 팽창수단; 차량의 폐열과 냉매를 열교환시키는 칠러; 냉방 모드 시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 실외 열교환기, 제1 팽창수단, 실내 열교환기, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제1 냉매순환라인; 및 난방 모드 시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 실내 열교환기, 칠러, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제2 냉매순환라인을 포함하며, 상기 제2 냉매순환라인은 실내 열교환기와 제1 팽창수단 사이의 제1 냉매순환라인에서 분지되어 칠러에 연결되는 바이패스 냉매라인을 구비하고, 상기 칠러의 상류측 바이패스 냉매라인에 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단을 구비한다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 냉방시스템은 냉매사이클의 증발기 측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기기의 내부에서 유동되는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어 차량 실내를 냉방한다. 아울러, 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어 측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어의 내부에서 유동되는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 전술한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있다. 이러한 히트펌프 시스템은 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기 및 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브 등을 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방 모드가 가동될 경우에 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 기능을 수행하며, 난방 모드가 가동될 경우에는 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 기능을 수행하게 된다.
한편, 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. 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 저하된다.
선 출원된 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0126846호(2014.11.03)에는 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 공조케이스 내의 실내 열교환기를 공용으로 사용하여 냉방 및 난방에 이용한 차량용 히트펌프 시스템이 개시된바 있다. 도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 에어컨 모드를 도시한 것이고, 도 2는 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 히트펌프 모드를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에 적용되는 것이 바람직한 것으로서, 압축기(100)와, 실내 열교환기(110)와, 실외 열교환기(130)와, 팽창수단(120)과, 칠러(140)와, 제1 냉매순환라인(R1)과, 제2 냉매순환라인(R2)을 구비한다.
제1 냉매순환라인(R1)은 에어컨 모드시 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실외 열교환기(130), 팽창수단(120), 실내 열교환기(110), 압축기(100)를 순환하도록 냉매 라인을 구성한다. 제2 냉매순환라인(R2)은 히트펌프 모드시 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내 열교환기(110), 팽창수단(120), 칠러(140), 압축기(100)를 순환하도록 냉매 라인을 구성한다.
제1 냉매순환라인(R1)과 제2 냉매순환라인(R2)은 일부 구간을 서로 공용으로 사용하도록 구성된다. 즉, 제1 냉매순환라인(R1)과 제2 냉매순환라인(R2)의 일부 구간이 일체로 형성되어 공용으로 사용되며, 제1,2 냉매순환라인(R1,R2)의 공용 구간(a,b)은 압축기(100)가 연결된 구간(a)과, 실내 열교환기(110) 및 팽창수단(120)이 연결된 구간(b)이다. 실외 열교환기(130)는 제1 냉매순환라인(R1)에 구비되고, 칠러(140)는 제2 냉매순환라인(R2)에 구비된다.
압축기(100)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 실내 열교환기(110)는 공조케이스(150)의 내부에 설치되어 공조케이스(150) 내를 유동하는 공기와 냉매를 열교환 시킨다. 실내 열교환기(110)는 에어컨 모드시 본래의 실내 열교환기(110) 역할을 하여 냉방역할을 수행하고, 히트펌프 모드시 응축기 역할을 하여 난방 역할을 수행한다.
실외 열교환기(130)는 공조케이스(150)의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환 시킨다. 팽창수단(120)은 실내 열교환기(110)와 실외 열교환기(130)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다. 공조케이스(150)의 내부에는 차량 엔진(161)과 냉각수순환라인(W)을 통해 연결되는 히터코어(160)가 구비된다. 냉각수순환라인(W)에는 엔진(161)의 냉각수를 히터코어(160) 측으로 순환시키는 워터펌프(162)가 구비된다.
실내 열교환기(110)와 히터코어(160)의 사이에는 히터코어(160)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 구비된다. 칠러(140)의 입구측 제2 냉매순환라인(R2)에는 에어컨 모드시 폐쇄되고 히트펌프 모드시 개방되는 온오프 밸브(183)가 구비된다. 압축기(100)의 입구측에는 압축기(100)로 유입되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 공급하는 어큐뮬레이터(170)가 구비된다.
압축기(100)의 출구측에서 제1,2 냉매순환라인(R1,R2)이 분기되는 지점에는 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 압축기(100)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(R1) 또는 제2 냉매순환라인(R2) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하는 제1 방향전환밸브(181)가 구비된다.
아울러, 압축기(100)가 연결된 구간(a)과 실내 열교환기(110) 및 팽창수단(120)이 연결된 구간(b) 사이를 연결하는 위치의 실내 열교환기(110) 일측에서 제1,2 냉매순환라인(R1,R2)이 분지되는 지점에는, 에어컨 모드시 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(R1)을 따라 압축기(100) 측으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하고 히트펌프 모드시에는 압축기(100)에서 배출되어 제2 냉매순환라인(R2)을 유동하는 냉매가 실내 열교환기(110) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하는 양방향 삼방밸브 구조의 제2 방향전환밸브(182)가 구비된다.
도 1을 참조하면, 엔진 오프(OFF) 상태에서 에어컨 모드시, 제1 방향전환밸브(181)와 제2 방향전환밸브(182) 및 온오프 밸브(183)의 제어에 의해 제1 냉매순환라인(R1)을 따라 냉매가 순환된다. 엔진(161) 오프(OFF) 상태에서는 워터펌프(162)가 정지되어 히터코어(160) 및 칠러(140) 측으로 냉각수가 순환하지 않는다. 최대 냉방시 공조케이스(150) 내의 온도조절도어(151)는 히터코어(160)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150) 내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(110)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(160)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써 차실내가 냉방된다.
압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제1 방향전환밸브(181)를 거쳐 실외 열교환기(130)로 공급된다. 실외 열교환기(130)로 공급된 냉매는 외기와 열교환하여 응축되며 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다. 계속해서, 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매는 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후 실내 열교환기(110)로 유입된다. 실내 열교환기(110)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발 잠열에 의한 흡열 작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 냉방이 이루어진다. 이후, 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 제2방향전환밸브(182)를 거쳐 압축기(100)로 유입되면서 전술한 바와 같은 사이클을 반복한다.
도 2를 참조하면, 엔진 오프(OFF) 상태에서 히트펌프 모드시, 제1 방향전환밸브(181)와 제2 방향전환밸브(182) 및 온오프 밸브(183)의 제어에 의해 제2 냉매순환라인(R2)을 따라 냉매가 순환된다. 엔진(161) 오프(OFF) 상태에서는 히터코어(160) 및 칠러(140) 측으로 냉각수가 순환하지 않으나, 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. 최대 난방시 공조케이스(150) 내의 온도조절도어(151)는 히터코어(160)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150) 내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(110)(난방 역할)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로써 차실내가 난방된다.
압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제1 방향전환밸브(181) 및 제2 방향전환밸브(182)를 거쳐 실내 열교환기(110)로 공급된다. 실내 열교환기(110)로 공급된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(150) 내를 유동하는 공기와 열교환하여 응축됨과 동시에 공기를 가열하게 되며, 이처럼 가열된 공기가 차량 실내로 공급되어 난방이 이루어진다. 계속해서, 실내 열교환기(110)를 통과한 냉매는 팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 칠러(140)로 유입된다. 칠러(140)로 유입된 냉매는 엔진(161) 냉각수(엔진 폐열)와 열교환하면서 증발하게 된다. 이후, 실내 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 압축기(100)로 유입되면서 전술한 바와 같은 사이클을 반복한다.
종래의 차량용 히트펌프 시스템은 엔진 냉각수 열원을 회수하여 실내 난방효과를 가지며, 실내 열교환기에서 냉매열을 방열하여 난방열로 사용한다. 아울러, 칠러를 통해 엔진의 폐열을 회수하여 냉매 기화 에너지로 사용한다. 한편, 상기 팽창수단(120)은 단일 개로 구비되고 양방향 오리피스의 형태로 이루어져, 냉방 및 난방 시스템을 모두 구현 가능하게 구성된다.
종래의 차량용 히트펌프 시스템은 냉방 및 난방 시 모두 단일 개의 양방향 오리피스를 이용하여 작동됨에 따라, 팽창밸브(TXV)를 사용하는 냉방 시스템과 비교하여 냉방 성능이 저하되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0126846호(2014.11.03)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 하이브리드 차량의 히트펌프 시스템에 있어서 냉방용 팽창장치와 난방용 팽창장치를 선택적으로 사용 가능하도록 구성된 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기; 공조케이스의 내부에 구비되어 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기; 공조케이스의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기; 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기의 사이에 구비되어 냉매를 팽창시키는 제1 팽창수단; 차량의 폐열과 냉매를 열교환시키는 칠러; 냉방 모드 시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 실외 열교환기, 제1 팽창수단, 실내 열교환기, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제1 냉매순환라인; 및 난방 모드 시, 상기 압축기에서 배출된 냉매가 실내 열교환기, 칠러, 압축기를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제2 냉매순환라인을 포함하며, 상기 제2 냉매순환라인은 실내 열교환기와 제1 팽창수단 사이의 제1 냉매순환라인에서 분지되어 칠러에 연결되는 바이패스 냉매라인을 구비하고, 상기 칠러의 상류측 바이패스 냉매라인에 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단을 구비한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 난방 성능은 유지하면서 냉방 성능을 향상시킬 수 있고 이로 인해 압축기 사용량을 줄여 공조 소모전력 측면에서 유리한 효과가 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 에어컨 모드를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 히트펌프 모드를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 히트펌프 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에 적용되는 것으로서, 압축기(700)와, 실내 열교환기(710)와, 실외 열교환기(730)와, 제1 팽창수단(720)과, 칠러(740)와, 제1 냉매순환라인(701)과, 제2 냉매순환라인(702)과, 바이패스 냉매라인(704) 및 제2 팽창수단(721)을 포함하여 이루어진다.
압축기(700)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 실내 열교환기(710)는 공조케이스(750)의 내부에 구비되어 공조케이스(750) 내를 유동하는 공기와 냉매를 열교환 시킨다. 실내 열교환기(710)는 냉방 모드 시 본래의 실내 열교환기(710) 역할을 하여 냉방 역할을 수행하고, 난방 모드 시 응축기 역할을 하여 난방 역할을 수행한다.
실외 열교환기(730)는 공조케이스(750)의 외부에 구비되어, 외기와 냉매를 열교환 시킨다. 제1 팽창수단(720)은 실내 열교환기(710)와 실외 열교환기(730)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다. 공조케이스(750)의 내부에는 차량 엔진(761)과 냉각수순환라인(703)을 통해 연결되는 히터코어(760)가 구비된다. 냉각수순환라인(703)에는 엔진(761)의 냉각수를 히터코어(760) 측으로 순환시키는 워터펌프(762)가 구비된다.
공조케이스(750)의 내부에는 실내 열교환기(710)와 히터코어(760)의 사이에, 히터코어(760)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(751)가 구비된다. 칠러(740)는 차량의 폐열과 냉매를 열교환 시킨다. 압축기(700)의 입구측에는 압축기(700)로 유입되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 공급하는 어큐뮬레이터(770)가 구비된다.
제1 냉매순환라인(701)은 냉방 모드 시 압축기(700)에서 배출된 냉매가 실외 열교환기(730), 제1 팽창수단(720), 실내 열교환기(710), 압축기(700)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성한다. 제2 냉매순환라인(702)은 난방 모드 시 압축기(700)에서 배출된 냉매가 실내 열교환기(710), 칠러(740), 압축기(700)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성한다.
차량용 히트펌프 시스템은 냉방 모드 및 난방 모드 시 실내 열교환기(710)를 공용으로 사용하도록 구성된다. 제1 냉매순환라인(701)과 제2 냉매순환라인(702)은 일부 구간을 공용으로 사용하도록 구성된다. 즉, 제1 냉매순환라인(701)과 제2 냉매순환라인(702)의 일부 구간은 일체로 형성되어 공용으로 사용되며, 상기 공용 구간은 압축기(700)가 연결된 구간과 실내 열교환기(710)가 연결된 구간이다.
압축기(700)의 출구 측에서 제1,2 냉매순환라인(701,702)이 분지되는 지점에는 제1 방향전환밸브(781)가 구비된다. 제1 방향전환밸브(781)는 냉방 모드 또는 난방 모드에 따라 압축기(700)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(701) 또는 제2 냉매순환라인(702) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환한다.
압축기(700)가 연결된 구간과 실내 열교환기(710)가 연결된 구간 사이를 연결하는 실내 열교환기(710)의 일측에서 제1 냉매순환라인(701)과 제2 냉매순환라인(702)이 분지되는 지점에는 양방향 삼방밸브 구조의 제2 방향전환밸브(782)가 구비된다. 제2 방향전환밸브(782)는 냉방 모드 시 실내 열교환기(710)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(701)을 따라 압축기(700) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하고 난방 모드 시 압축기(700)에서 배출되어 제2 냉매순환라인(702)을 유동하는 냉매가 실내 열교환기(710) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환한다.
상기 제2 냉매순환라인(702)은 바이패스 냉매라인(704)을 구비한다. 바이패스 냉매라인(704)은 실내 열교환기(710)와 제1 팽창수단(720) 사이의 제1 냉매순환라인(701)에서 분지되어 칠러(740)에 연결된다. 아울러, 칠러(740)의 상류측 바이패스 냉매라인(704)에 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단(721)을 구비한다.
상기 제1 팽창수단(720)은 기계식 또는 전자식으로 구동되는 팽창밸브(Expansion valve)로 이루어지고, 상기 제2 팽창수단(721)은 단방향 오리피스(Orifice)로 이루어진다. 제1 팽창수단(720)은 기계식 팽창밸브(TXV)로 구성하는 것이 바람직하다. 오리피스 타입의 팽창수단은 자체적으로 유량 조절 기능이 없어 냉방 부하에 따른 성능 차이가 발생하며, 실내 열교환기가 가장 뛰어난 열전달 효율을 갖는 냉매조건을 맞추기 어려워 냉방 성능이 떨어진다. 본 발명은 TXV를 이용하여 냉방 모드를 구현하므로 냉방 성능이 향상된다.
즉, 종래의 양방향 오리피스를 사용하는 히트펌프 시스템은 냉방 및 난방 모드를 오리피스의 구조를 이용하여 구현하기 때문에 냉방 성능이 열세하다. 본 발명의 차량용 히트펌프 시스템은 TXV를 이용하여 냉방 모드를 구현할 경우 실내 열교환기에서 최적의 열효율을 가질 수 있는 SH조건(5℃~7℃)의 냉매유량을 제어함에 따라 냉방 성능이 우세하다. 냉방 성능이 우세할 경우 더 적은 압축기 작업을 이용하여 동등 냉방 성능을 가질 수 있으므로 공조 소모전력 측면에서 유리해진다.
본 발명의 차량용 히트펌프 시스템은 냉매유동 전환수단을 구비한다. 냉매유동 전환수단은 냉매가 제1 팽창수단(720)과 제2 팽창수단(721)을 선택적으로 유동하도록 제어한다.
더욱 상세하게는, 냉매유동 전환수단은 체크밸브(784)와 투웨이밸브(783)로 구성된다. 체크밸브(784)는 제1 팽창수단(720)의 상류측 제1 냉매순환라인(701)에 구비되어, 제1 팽창수단(720)으로의 냉매 유동만을 허용한다. 체크밸브(784)는 실외 열교환기(730)와 제1 팽창수단(720)의 사이에 구비된다. 투웨이밸브(783)는 제2 팽창수단(721)의 상류측 바이패스 냉매라인(704)에 구비되어, 제2 팽창수단(721)으로의 냉매 유동을 개폐한다. 투웨이밸브(783)는 바이패스 냉매라인(704)의 분지지점과 제2 팽창수단(721)의 사이에 구비된다.
이와 같이, 종래의 히트펌프 시스템과 비교하여 제1 냉매순환라인(701)에 체크밸브(784) 1개를 추가 구성함에 따라 냉방용 팽창수단과 난방용 팽창수단으로의 냉매 유동을 선택적으로 제어 가능하므로 간단한 구성으로 효율적인 냉방 성능의 향상을 도모할 수 있는 것이다. 이 경우, 오일 트랩 방지를 고려하여 배관을 설계할 필요가 있을 것이다.
상기 제1 방향전환밸브(781)는 쓰리웨이(3way)밸브로 구성되어 실외 열교환기(730)와 칠러(740) 측의 냉매 방향을 구분 및 제어한다. 또한, 상기 제2 방향전환밸브(782)는 양방향 쓰리웨이(3way)밸브로 구성되어 실내 열교환기(710)를 양방향으로 구현 가능하게 한다. 아울러, 투웨이(2way)밸브(783)와 체크밸브(784)를 통해 냉방 및 난방 시 팽창수단을 선택적으로 사용 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 엔진 오프(OFF) 상태에서 냉방 모드 시, 제1 방향전환밸브(781)와 제2 방향전환밸브(782) 및 투웨이밸브(783)의 제어에 의해 제1 냉매순환라인(701)을 따라 냉매가 순환된다. 엔진(761) 오프(OFF) 상태에서는 워터펌프(762)가 정지되어 히터코어(760) 및 칠러(740) 측으로 냉각수가 순환하지 않는다.
최대 냉방시 공조케이스(750) 내의 온도조절도어(751)는 히터코어(760)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(750) 내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(710)를 통과하면서 냉각된 후 히터코어(760)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써 차실내가 냉방된다.
압축기(700)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제1 방향전환밸브(781)를 거쳐 실외 열교환기(730)로 공급된다. 실외 열교환기(730)로 공급된 냉매는 외기와 열교환하여 응축되며 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다. 계속해서, 실외 열교환기(730)를 통과한 냉매는 체크밸브(784)를 지난 후 팽창수단(720)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후 실내 열교환기(710)로 유입된다.
실내 열교환기(710)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(750) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발 잠열에 의한 흡열 작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 냉방이 이루어진다. 이후, 실내 열교환기(710)에서 배출된 냉매는 제2 방향전환밸브(782)를 거쳐 압축기(700)로 유입되면서 전술한 바와 같은 사이클을 반복한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 엔진 오프(OFF) 상태에서 히트펌프 모드시, 제1 방향전환밸브(781)와 제2 방향전환밸브(782) 및 투웨이밸브(783)의 제어에 의해 제2 냉매순환라인(702) 및 바이패스 냉매라인(704)을 따라 냉매가 순환된다. 엔진(761) 오프(OFF) 상태에서는 히터코어(760) 및 칠러(740) 측으로 냉각수가 순환하지 않으나, 워터펌프(762)를 가동할 경우 냉각수를 순환시킬 수도 있다. 아울러, 엔진(761) 오프(OFF) 상태에서는 엔진(761) 냉각수에 남아 있는 잔열을 이용하여 난방 열원으로 사용하게 된다.
최대 난방시 공조케이스(750) 내의 온도조절도어(751)는 히터코어(760)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(750) 내로 송풍된 공기가 실내 열교환기(710)(난방 역할)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로써 차실내가 난방된다.
압축기(700)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 제1 방향전환밸브(781) 및 제2 방향전환밸브(782)를 거쳐 실내 열교환기(710)로 공급된다. 실내 열교환기(710)로 공급된 고온 고압의 기상 냉매는 공조케이스(750) 내를 유동하는 공기와 열교환하여 응축됨과 동시에 공기를 가열하게 되며, 이처럼 가열된 공기가 차량 실내로 공급되어 난방이 이루어진다.
계속해서, 실내 열교환기(710)를 통과한 냉매는 투웨이밸브(783)를 지난 후 제2 팽창수단(721)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후 칠러(740)로 유입된다. 칠러(740)로 유입된 냉매는 엔진(761) 냉각수(엔진 폐열)와 열교환하면서 증발하게 된다. 이후, 칠러(740)에서 배출된 냉매는 압축기(700)로 유입되면서 전술한 바와 같은 사이클을 반복한다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
700: 압축기 710: 실내 열교환기
720: 제1 팽창수단 721: 제2 팽창수단
730: 실외열교환기 740: 칠러
750: 공조케이스 751: 온도조절도어
760: 히터코어 770: 어큐뮬레이터
781: 제1 방향전환밸브 782: 제2 방향전환밸브
783: 투웨이밸브 784: 체크밸브
701: 제1 냉매순환라인 702: 제2 냉매순환라인
703: 냉각수순환라인 704: 바이패스 냉매라인

Claims (9)

  1. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(700);
    공조케이스(750)의 내부에 구비되어 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기(710);
    공조케이스(750)의 외부에 설치되어 외기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기(730);
    상기 실내 열교환기(710)와 실외 열교환기(730)의 사이에 구비되어 냉매를 팽창시키는 제1 팽창수단(720); 및
    상기 실내 열교환기(710)와 압축기(700) 사이에 제2 팽창수단(721)을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    차량의 폐열과 냉매를 열교환시키는 칠러(740);
    냉방 모드 시, 상기 압축기(700)에서 배출된 냉매가 실외 열교환기(730), 제1 팽창수단(720), 실내 열교환기(710), 압축기(700)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제1 냉매순환라인(701); 및
    난방 모드 시, 상기 압축기(700)에서 배출된 냉매가 실내 열교환기(710), 칠러(740), 압축기(700)를 순환하도록 냉매라인을 연결 구성하는 제2 냉매순환라인(702)을 포함하며,
    상기 제2 냉매순환라인(702)은 실내 열교환기(710)와 제1 팽창수단(720) 사이의 제1 냉매순환라인(701)에서 분지되어 칠러(740)에 연결되는 바이패스 냉매라인(704)을 구비하고, 상기 칠러(740)의 상류측 바이패스 냉매라인(704)에 상기 제2 팽창수단(721)을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    냉매가 상기 제1 팽창수단(720)과 제2 팽창수단(721)을 선택적으로 유동하도록 제어하는 냉매유동 전환수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 냉매유동 전환수단은:
    상기 제1 팽창수단(720)의 상류측 제1 냉매순환라인(701)에 구비되어, 제1 팽창수단(720)으로의 냉매 유동만을 허용하는 체크밸브(784)와;
    상기 제2 팽창수단(721)의 상류측 바이패스 냉매라인(704)에 구비되어, 제2 팽창수단(721)으로의 냉매 유동을 개폐하는 투웨이밸브(783)로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단(720)은 기계식 또는 전자식으로 구동되는 팽창밸브(Expansion valve)로 이루어지고, 상기 제2 팽창수단(721)은 오리피스(Orifice)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    냉방 모드 및 난방 모드 시 상기 실내 열교환기(710)를 공용으로 사용하도록 구성되고, 제1 냉매순환라인(701)과 제2 냉매순환라인(702)은 일부 구간을 공용으로 사용하도록 구성되며, 상기 공용 구간은 압축기(700)가 연결된 구간과 실내 열교환기(710)가 연결된 구간인 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 공조케이스(750)의 내부에 차량 엔진(761)과 냉각수순환라인(703)을 통해 연결되는 히터코어(760)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 압축기(700)의 출구 측에서 제1,2 냉매순환라인(701,702)이 분지되는 지점에, 냉방 모드 또는 난방 모드에 따라 압축기(700)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(701) 또는 제2 냉매순환라인(702) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하는 제1 방향전환밸브(781)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 압축기(700)가 연결된 구간과 실내 열교환기(710)가 연결된 구간 사이를 연결하는 실내 열교환기(710)의 일측에서 제1 냉매순환라인(701)과 제2 냉매순환라인(702)이 분지되는 지점에, 냉방 모드 시 실내 열교환기(710)에서 배출된 냉매가 제1 냉매순환라인(701)을 따라 압축기(700) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하고 난방 모드 시 압축기(700)에서 배출되어 제2 냉매순환라인(702)을 유동하는 냉매가 실내 열교환기(710) 측으로 흐르도록 냉매 흐름 방향을 전환하는 양방향 삼방밸브 구조의 제2 방향전환밸브(782)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
KR1020170022975A 2017-02-21 2017-02-21 차량용 히트펌프 시스템 KR20180096361A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170022975A KR20180096361A (ko) 2017-02-21 2017-02-21 차량용 히트펌프 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170022975A KR20180096361A (ko) 2017-02-21 2017-02-21 차량용 히트펌프 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180096361A true KR20180096361A (ko) 2018-08-29

Family

ID=63434753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170022975A KR20180096361A (ko) 2017-02-21 2017-02-21 차량용 히트펌프 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20180096361A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140126846A (ko) 2013-04-23 2014-11-03 한라비스테온공조 주식회사 차량용 히트 펌프 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140126846A (ko) 2013-04-23 2014-11-03 한라비스테온공조 주식회사 차량용 히트 펌프 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6634160B2 (ja) 車両用ヒートポンプシステム
KR102058119B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101450636B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101715723B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101235039B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101669826B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR20120103054A (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101748213B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101511508B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR20130038982A (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101811762B1 (ko) 자동차용 히트펌프
KR102111322B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
CN109720165B (zh) 车辆用热泵系统
KR20130057082A (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR102047749B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR20150041739A (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
CN109982877B (zh) 车辆热泵系统
KR101941026B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
CN111251809B (zh) 车辆的热管理系统及车辆
KR101903143B1 (ko) 자동차용 히트펌프
KR101903140B1 (ko) 자동차용 히트펌프
KR101544877B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101276225B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR101578101B1 (ko) 차량용 히트 펌프 시스템
KR20180096353A (ko) 차량용 히트펌프 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal