KR20180112681A - 자동차 공기 조화 시스템의 냉각제 분배 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 열 펌프 시스템에 관한 것으로서, 상기 열 펌프 시스템은 2개 이상의 열교환기(10, 12) 및 서로 분리 가능한 2개 이상의 냉각제 순환계(14, 16)를 구비하며, 이때 상기 열교환기들은 차량 실내를 가열 및/또는 냉각하기 위해 관류되고, 상기 2개 이상의 냉각제 순환계 중 적어도 하나의 냉각제 순환계는 다른 한 냉각제 순환계와 상관없이 1개, 2개 또는 그 이상의 열교환기(10, 12)와 연결될 수 있음으로써, 2개 또는 그 이상의 열교환기(10, 12)와 연결 시 상기 냉각제 순환계들은 차례로 관류되고, 그리고 상기 다른 한 냉각제 순환계는 하나 이상의 열교환기(10, 12)와 연결될 수 있다.

Description

자동차 공기 조화 시스템의 냉각제 분배 장치{DEVICE FOR DISTRIBUTING THE COOLANT IN AN AIR-CONDITIONING SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 2개 이상의 냉각제 순환계와 하나의 냉매 순환계를 구비하는 자동차의 냉각제 분배 장치에 관한 것이다. 냉각 장치 모드(cooling system mode), 열 펌프 모드(heat pump mode) 그리고 후가열(post heating mode) 모드로의 겸용 작동을 위해 형성된 상기 냉각제 순환계는 2개의 냉각제-공기-열교환기를 구비한다. 차실(passenger compartment)의 유입 공기를 조화하기 위해, 냉각제-공기-열교환기들 내에 있는 냉각제의 온도 레벨은 냉매 순환계를 통해 제공된다. 상기 냉매 순환계는 일반적으로 하나 이상의 압축기, 냉매를 높은 압력 레벨에서 낮은 압력 레벨로 완화하기 위한 팽창 부재, 응축기/가스 냉각기로 작동되는 냉매-냉각제-열교환기 그리고 증발기로 작동되고 냉매 순환계의 냉매와 냉각제 순환계의 냉각제 간의 열전달을 위한 냉매-냉각제-열교환기를 구비한다.
차량 탑승자의 쾌적함을 위하여, 차량 실내는 주위 온도에 따라 가열 또는 냉각 또는 제습될 수 있다.
예를 들어 전기 자동차 가열 시 특히 어려움에 직면하는데, 그 이유는 이때 내연 기관의 통상적인 구역 내에서는 엔진 폐열을 이용할 수 없기 때문이다. 이러한 경우 사용되는, 예를 들어 R744로 작동되는 2차 순환계를 구비하는 열 펌프 시스템들은 경우에 따라 그들의 가열 능력과 관련하여 제한적이다.
그 밖에 본 발명의 기초가 되는 간접적인 열전달 원리에서는 열 펌프 작동 시 전체 시스템의 효율이 결정적으로 응축기/가스 냉각기로 작동되는 냉매-냉각제-열교환기 내 냉각제의 유입 온도에 따라 달라진다. 열교환기가 역류식 열교환기로서 형성된 경우, 냉매는 가장 이상적인 경우 열교환기로 유입되는 냉각제의 유입 온도까지 냉각될 수 있다. 냉각제의 공급 온도(supply temperature)가 상승하면, 따라서 열교환기로부터 나오는 냉매의 유출 온도도 상승하고, 이에 따라 열교환기 내에서 전달되는 엔탈피 차(enthalpy difference)가 줄어든다.
특히, 공기 조화 시스템이 열 펌프 모드로 작동 시, 외기 온도가 -15℃ 내지 -20℃ 범위로 매우 낮을 때, 차실을 최대한 단시간에 안락한 온도로 조절할 수 있기 위해 약 55℃ 내지 60℃ 범위의 냉각제 공급 온도를 얻고자 노력된다. 이와 같은 작동 시 냉매는 냉매-냉각제-열교환기의 출구에서 가장 이상적인 경우 55℃보다 높은 온도를 갖는다. 그러나 공기 조화 시스템을 보다 효율적으로 작동시킬 수 있기 위해, 냉매는 냉각제의 공급 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 있고, 이렇게 함으로써 최대한 큰 엔탈피 차가 달성될 수 있다.
앞서 설명한 냉각제 순환계는 일반적으로 주위 온도 레벨보다 높은 냉각제 온도에서 작동되고, 차량 실내 가열뿐만 아니라 주변으로의 열 방출을 위해서도 사용된다. 전술한 바와 유사한 어려움은 병렬 냉각제 순환계에서 존재하는데, 이러한 병렬 냉각제 순환계는 (일반적으로 주위 레벨보다 낮은) 저온에서 작동되고, 주로 차량 실내 또는 차량 부품들을 냉각하기 위해 사용된다. 이러한 경우 또 다른 냉매-냉각제-열교환기 내에 있는 냉각제는 냉매에 의해 냉각되고, 냉각제의 유입 온도가 높을수록 가열/냉각 장치의 성능 계수(COP: coefficient of performance)가 더욱 높다.
또한, 냉매-공기-열교환기들의 경우, 이들 열교환기의 하류측에서 조화된 공기는, 차량 탑승자의 쾌적함을 저해하지 않기 위해 단지 적은 온도차를 가져야만 하는 요건이 존재한다. 이러한 요건은 열교환기들의 입구와 출구 사이에서 허용되는 약 10 내지 15K 범위의 최대 냉각제 온도 차를 초래한다.
종래 방식의 열 펌프 시스템은 미국 특허 US 7,063,137 B2호에 기술되어 있다. 그러나 이와 같은 열 펌프 시스템은 앞서 언급한 문제점들을 해결할 수 없다.
본 발명의 과제는, 차량 탑승자의 안락함을 저해하지 않으면서 2차 순환계를 구비한 열 펌프 시스템의 성능 계수 또는 COP를 향상시키는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 기술된 열 펌프 시스템에 의해서 해결되며, 따라서 본 발명에 따른 차량용 열 펌프 시스템은 2개 이상의 냉각제-공기-열교환기를 구비하고, 이들 열교환기는 차량 실내를 가열 및/또는 냉각하기 위해 공기에 의해 관류된다. 또한, 서로 분리된 2개 이상의 냉각제 순환계가 제공되며, 이들 2개 이상의 냉각제 순환계 중 적어도 하나의 냉각제 순환계는 다른 한 냉각제 순환계와 상관없이 1개, 2개 또는 그 이상의 냉각제-공기-열교환기와 연결될 수 있으며, 그 결과 2개 또는 그 이상의 냉각제-공기-열교환기와 연결 시 상기 냉각제 순환계들은 차례로 관류되며, 그리고 상기 다른 한 냉각제 순환계는 하나 이상의 냉각제-공기-열교환기와 연결될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은, 가열 및/또는 냉각 시 상기 2개의 냉각제-공기-열교환기가 차례로 관류됨으로써, 결과적으로 작동 상태에 따라, 냉매와 관련하여 고압측 냉매-냉각제-열교환기 내로 유입 시 비교적 더 낮은 냉각제의 유입 온도 또는 냉매와 관련하여 저압측 냉매-냉각제-열교환기 내로 유입 시(이러한 경우에는 열전달이 냉매로부터 또는 냉매로 이루어짐) 비교적 더 높은 냉각제의 유입 온도가 달성될 수 있다. 이러한 것은 기본적으로 냉각제가 2개의 냉각제-공기-열교환기를 차례로 관류함으로써 냉각 모드에서 더욱 가열되고, 그리고 가열 모드에서 더욱 냉각된다. 상기 냉각제-공기-열교환기의 하류측에서 공기측 온도차를 증가시킴 없이 냉각제-공기-열교환기들의 연속 관류에 의해 냉각제 체적 유량이 동시에 감소될 수 있으므로, 상기와 같은 효과는 추가로 강화될 수 있다.
더 나아가 본 발명은, 하나의 냉각제-공기-열교환기가 공기를 냉각하고, 그리고 다른 한 냉각제-공기-열교환기가 먼저 공기를 제습한 다음 가열하기 위하여 공기를 가열하는 작동 모드를 가능하게 하는데, 즉 후가열 또는 재열 작동이 실현될 수 있다.
더 나아가 강조되는 점은, 본 발명에 따른 열 펌프 시스템은 예를 들면 사용된 냉매, 증발기, 냉각기 또는 응축기의 수와 같은 냉매 순환계의 세부 사항에 종속되지 않는다. 특히, 전기 자동차의 배터리 냉각도 제공될 수 있다. 그 밖에 추가의 열원 및/또는 히트 싱크가 주어질 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 설명된 분배 및 주어지는 스위칭 가능성을 위해 필요한 밸브들은 단일 부품 내에 내장될 수 있다.
바람직한 개선예들은 추가 청구항들에 기술되어 있다.
이미 언급한 바와 같이, 냉각제 순환계들과 냉매-공기-열교환기들의 연결은 분분배기 형태의 단일 부품으로 형성될 수 있다.
바람직하게 2개 이상, 특히 바람직하게는 3개의 3/2 방향 밸브가 제공되고, 이들 3/2 방향 밸브는 각각 2개의 차단 밸브로 대체될 수 있다.
이러한 경우, 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 3/2 방향 밸브는 제1 냉각제 순환계의 측면에 직접 유입구 및 다른 한 냉각제 순환계 방향으로 유출구를 구비하는 경우, 특히 다양한 작동 옵션이 달성된다.
또한, 하나 이상의 3/2 방향 밸브가 제공되고, 이러한 밸브는 열교환기의 측면에 직접 유입구 및 상기 하나의 냉각제 순환계 방향으로 유출구 및 다른 한 냉각제 순환계 방향으로 하나의 유출구를 구비한다.
바람직하게는 또한 하나 이상의 차단 밸브 또는 대안적으로 체크 밸브가 제공되고, 이러한 밸브는 냉각제가 냉각제 순환계의 펌프로 역류되는 것을 방지한다. 상기 밸브는, 언급된 펌프가 비작동 시 자체 밀봉 방식으로 설계되지 않은 경우에 선택적으로 유도된다.
전체 밸브와 관련하여서는 이러한 밸브들이 단일 부품으로 분배기 내에 제공될 수 있을 뿐만 아니라 적어도 부분적으로 2개의 냉각제 순환계 내 다른 위치에도 제공될 수 있다는 점이 강조된다.
차량 실내 공기를 냉각 또는 가열하기 위한 열교환기와 관련하여서는, 적어도 공기 냉각/제습에 사용되는 상기 열교환기가 실내 공기로부터 탈취한 습기용 배수 장치(drainage)도 구비한다는 점이 바람직하다.
효율적인 구조와 관련하여서는 또한, 2개의 냉각제 순환계가 하나의 공동 냉매 순환계와 연결되어 있고, 그리고 상기 냉매 순환계와 2개의 냉각제 순환계의 열 교환이 이루어지는 경우 장점들을 제공한다.
아래에서는 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도면에서:
도 1은 가열 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제1 실시 형태이고;
도 2는 냉각 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제1 실시 형태이며;
도 3은 제습 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제1 실시 형태이고;
도 4는 가열 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제2 실시 형태이며;
도 5는 냉각 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제2 실시 형태이고;
도 6은 제습 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제2 실시 형태이며;
도 7은 가열 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제3 실시 형태이고;
도 8은 냉각 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제3 실시 형태이며; 그리고
도 9는 제습 시 본 발명에 따른 열 펌프 시스템을 도시한 제3 실시 형태이다.
도 1에 도시된 열 펌프 시스템은 먼저 좌측 중앙 영역을 참조하여 설명되며, 이 경우 예를 들면 R 744를 냉매로서 포함하는 냉매 순환계가 제공되어 있고, 상기 냉매 순환계는 압축기(Comp), 제1 냉각제 순환계(14) 내에 있는 냉각제를 가열하기 위한 냉매-냉각제-열교환기(WGC) 및 제2 냉각제 순환계(16) 내에 있는 냉각제를 냉각하기 위한 냉매-냉각제-열교환기(Chiller)를 구비한다. 또한, 팽창 밸브(EXV) 및 컬렉터(Accu/IHX)가 내장된 내부 열교환기가 제공되어 있다. 좌측 영역에서 상부 및 하부에 도시된 냉각제 순환계 각각은 (냉각제-공기-열교환기) 라디에이터(LTR) 및 2개의 펌프를 구비하고, 이들 펌프 중 하나의 펌프는 상기 라디에이터 바로 위 상류측에 배치되어 있고, 그리고 다른 한 펌프는 도면에서 우측에 도시된 냉각제-공기-열교환기(10 및 12) 방향으로 배출되는 배출 라인 내에 제공되어 있으며, 이들 냉각제-공기-열교환기는 표현의 간략함을 위하여 이하, 열교환기로 표기된다. 항상 상류측에 배치되어 있는 제1 열교환기(10)는 주로 공기의 냉각/제습을 위해 사용되고, 그리고 항상 하류측에 배치되어 있는 제2 열교환기(12)는 주로 공기의 가열을 위해 사용된다. 상기 두 열교환기(10, 12)는 HVAC 또는 에이컨으로 표기되는 냉난방 및 환기 장치(heating, ventilation, air conditioning system)에 속한다. 도시된 실시 형태의 냉각제 분배기는 Coolant Distributor로 표기되고, "System"은 상기 냉매 순환계와 2개의 냉각제 순환계의 결합을 나타낸다. 또한, 전체 도면과 관련해서는 화살표가 각각 화살표 방향으로의 유동을 나타낸다는 점이 명시된다.
바람직하게 가열을 위해 2개의 열교환기(10, 12)는 매우 높은 효율로 사용될 수 있으며, 그 결과 도면에서 상부에 있는 제1 냉각제 순환계(14) 내에 있는 냉각제의 유동이 아래 설명과 같이 이루어지는 경우, 바람직하게 상기 제1 냉각제 순환계(14) 내에 있는 냉각제가 매우 큰 규모로 냉각된다.
열교환기(12)로 공급되는 공급 라인 내에 제공된 펌프는 상기 열교환기(12)의 방향으로 냉각제를 이송하고, 상기 열교환기(12)를 관류한 후 냉각제는 도면 부호 3으로 표기된 3/2 방향 밸브에 의해 계속해서 다른 냉각제 순환계(16) 방향으로 이송된 다음, 상기 냉각제 순환계(16) 위치에서 제1 열교환기(10)를 통과한다. 도면 부호 1로 표기된 3/2 방향 밸브에 의해서는, 특히 냉각제를 다시 가열하기 위한 열교환기(WGC)를 통한, 제1 냉각제 순환계(14)로의 재순환이 이루어진다. 이러한 경우에 라디에이터(LTR)는 관류되지 않는다. 또한, 제2 냉각제 순환계(16) 내에 있는 냉각제는 오로지 펌프, 라디에이터(LTR) 그리고 냉각기만 관류하며, 그러나 열교환기(10, 12)들의 방향으로는 흐르지 않는다.
상기 두 열교환기(12, 10)가 차례로 관류됨으로써, 앞서 언급한 본 발명에 따른 효과가 달성될 수 있다. 한 편으로는 공기에 의한 그리고 다른 한 편으로는 냉각제에 의한 열교환기(10, 12)들의 관류는 역류(counterflow) 또는 횡방향 유동(transverse flow) 혹은 직교류 흐름/역류로 설계될 수 있다. 따라서 차량의 실내로 안내되는 공기는 2개의 단계를 거쳐 가열된다. 도시된 실시 형태에는 완전성을 위하여, 차단 밸브 또는 체크 밸브(4)가 제공되었다는 점이 명시되며, 이러한 차단 밸브 또는 체크 밸브는 선택적인 사항으로서 냉각제가 펌프로 역류되는 것을 방지하며, 이러한 점은 상기 펌프가 오프 상태에서는 밀봉성이 보장되지 않고, 따라서 뜻하지 않은 바이패스를 가능하게 할 수 있는 경우에 바람직하다.
도 2는 열교환기(10 및 12)들을 통해 가이드 되는 공기의 2단 냉각의 경우를 보여주는데, 이때 제2 냉각제 순환계(16)의 냉각제는 먼저, 3/2 방향 밸브(2)의 적합한 포지션을 통해 제1 냉각제 순환계(14)의 방향으로 안내되고, 그곳에서는 도 1에 상응하는 3/2 방향 밸브(3)의 포지션을 통해 제2 열교환기(12)를 통과한 다음, 다시 상기 제2 냉각제 순환계(16) 방향으로 안내되고, 그곳에서는 제1 열교환기(10)를 통과한 다음, 그곳에서부터는 상응하게 전환된 3/2 방향 밸브(1)를 통해 상기 제2 냉각제 순환계(16)의 펌프 방향으로 안내된다. 따라서 상응하게, (전술한 경우에 반대로도), 차량 실내에서 안내되는 공기의 2단 냉각 및 제2 냉각제 순환계(16) 내에 있는 냉각제의 특히 대규모의 가열이 달성될 수 있다. 이러한 경우 제2 냉각제 순환계(16)의 라디에이터(LTR)는 관류되지 않고, 그리고 제1 냉각제 순환계(14) 내에 있는 냉각제는 오로지 열교환기(WGC), 상기 하나의 펌프 및 라디에이터(LTR)만을 통해서 흐르며, 그러나 이때 열교환기들의 방향으로는 흐르지 않는다.
도 3에 도시된 제습 작동 시 냉각제는 각각 "자체" 냉각제 순환계 내에서만 흐른다. 다른 말로 하면, 제1 냉각제 순환계(14)의 냉각제는 제2 열교환기(12)를 통해 안내된 다음 공기를 가열하는 반면에, 제2 냉각제 순환계(16)의 냉각제는 제1 열교환기(10)를 통해 안내된 다음 공기를 냉각한다. 맨 우측에 나타나 있는 플랩(18)들의 적절한 포지션을 통해, 도 3의 작동 모드에서는 냉각되고 가열된 공기의 혼합이 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 플랩들은 도 1 및 도 2의 작동 모드에서, 제2 열교환기(12)를 통한 유동을 달성하기 위해 양측 모두 폐쇄되어 있다. 이로 인해 공기는 바람직하게 제습되고, 온도는 일정하게 유지된다. 다른 말로 하면, 이러한 작동 모드에서는 도면에서 수직 방향으로 나타나는 2개의 냉각제 순환계(14, 16)의 연결부들이 관류되지 않는다. 도 3에 도시된 작동 모드에서는 각각의 냉각제 순환계(14, 16) 내에 있는 냉각제가 마찬가지로 라디에이터(LTR)를 통해 흐른다.
도 4 내지 도 6의 실시 형태는, 도 1 내지 도 3에서 도면 부호 2로 표기된 3/2 방향 밸브와 차단 밸브(4)가 생략됨으로써 도 1 내지 도 3의 실시 형태와 다르다. 그 결과로 바람직하게 비용이 절감될 수 있다. 밸브(2) 대신 선택 사항으로 차단 밸브(2a)가 제공되어 있으며, 이 차단 밸브(2a)는 제2 냉각제 순환계(16)의 펌프로의 역류를 방지한다. 그러나 상기 차단 밸브(2a)의 임무는 마찬가지로 열교환기(10)의 방향으로, 즉 라디에이터(LTR) 바로 위 상류측에 배치되지 않은 펌프를 통해 전달될 수 있다. 도 4에 도시된 가열 모드는 도 1에 따른 가열 모드와 구별되며, 결과적으로 이러한 사실은 참조될 수 있다.
도 5에 도시된 냉각 모드는, 제2 냉각제 순환계(16) 내에 있는 냉각제가 오로지 제1 열교환기(10)를 통해서만 흐르고, 그 결과 1단 냉각만 이루어진다는 점에 있어서 구별된다. 도 6에 도시된 제습 모드는 도 3에 도시된 작동 모드와 상응하기 때문에 여기서는 다시 설명이 주어지지 않는다.
도 7 내지 도 9에 따른 제3 실시예의 경우, 도 1 내지 도 6에서 도면 부호 1로 표시된 3/2 방향 밸브가 생략되었으며, 그 결과 도 7에 도시된 바와 같이 가열 모드가 1단으로만 실행되고, 그리고 이러한 점에 있어서 냉각제는 제1 냉각제 순환계(14)로부터 나와 제2 냉각제 순환계(16)를 통하여 유동되지 않는다. 그러나 도 8에 나타난 바와 같이, 2단 냉각 모드도 계속해서 가능하며, 이러한 점에 있어서 상기 2단 냉각 모드는 도 2에 상응하므로 여기서는 다시 설명이 주어지지 않는다. 이러한 사실은 마찬가지로 예상 가능한, 도 3 및 도 6에 상응하는 도 9에 따른 제습 모드에도 동일하게 적용된다. 도 4 내지 도 6의 차단 밸브(2a)와 비교하면, 도 7 내지 도 9의 실시 형태에는, 제1 냉각제 순환계(16)의 펌프로의 역류를 방지하기 위해 차단 밸브(4)가 제공되었다.
비록 도면들에는 2개의 열교환기(10, 12)가 도시되었더라도, 더 많은 열교환기가 제공될 수 있다. 또한, 다수의 열 폄프 시스템에는 각각 2개 또는 그 이상의 열교환기가 제공될 수 있다.

Claims (8)

  1. 2개 이상의 열교환기(10, 12) 및 서로 분리 가능한 2개 이상의 냉각제 순환계(14, 16)를 구비하는 차량용 열 펌프 시스템으로서,
    상기 열교환기들은 차량 실내를 가열 및 냉각하기 위해 관류되고,
    상기 2개 이상의 냉각제 순환계 중 적어도 하나의 냉각제 순환계는 다른 한 냉각제 순환계와 상관없이 1개, 2개 또는 그 이상의 열교환기(10, 12)와 연결될 수 있음으로써, 2개 또는 그 이상의 열교환기(10, 12)와 연결 시 상기 냉각제 순환계들은 차례로 관류되고, 그리고 상기 다른 한 냉각제 순환계는 하나 이상의 열교환기(10, 12)와 연결될 수 있는, 열 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 순환계(14, 16)들과 열교환기(10, 12)들의 연결이 분배기(distributor)에 의해서 실현되는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개 이상의 3/2 방향 밸브(1, 2, 3) 또는 4개 이상의 차단 밸브(shut-off valve)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 3/2 방향 밸브(2)가 냉각제 순환계(16)로부터 직접적인 유입구 및 상기 다른 한 냉각제 순환계(14) 방향으로 유출구를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 하나 이상의 3/2 방향 밸브(1, 3)가 열교환기(10, 12)로부터 직접적인 유입구, 상기 하나의 냉각제 순환계(14) 방향으로 유출구 그리고 상기 다른 한 냉각제 순환계(16) 방향으로 유출구를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 추가로 하나 이상의 차단 밸브 또는 체크 밸브(2a, 4)가 제공되어 있고, 상기 차단 밸브 또는 체크 밸브는 냉각제가 냉각제 순환계(14, 16)의 펌프로 역류되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 열교환기(10, 12)가 실내 공기로부터 탈취한 습기용 배수 장치(drainage)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 2개의 냉각제 순환계(14, 16)가 하나의 공동 냉매 순환계와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 펌프 시스템.
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