KR20180137262A - 히트 펌프용 에어가드 구조체 - Google Patents

히트 펌프용 에어가드 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트 펌프용 에어가드 구조체에 관한 것으로, 히트 펌프 시스템 및 공력 향상을 위해 라디에이터 그릴 또는 범퍼에 AAF(Active Air Flap)가 적용된 전기 자동차에 적용되며, 차량 전면에서 유입되는 공기가 쿨링모듈로 유입되도록 유도하며 엔진룸 공기가 쿨링모듈 측으로 역류되는 것을 방지하는 에어가드(11)의 일측에 에어가드 홀(13)을 형성하고, 상황에 따라 상기 에어가드 홀(13)의 개폐가 가능하도록 구성한다. 본 발명은 공력 성능 저하 없이 히트 펌프 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

히트 펌프용 에어가드 구조체{AIR GUARD STRUCTURE FOR HIT PUMP}
본 발명은 히트 펌프용 에어가드 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자동차의 히트 펌프 성능 증대를 위한 히트 펌프용 에어가드 구조체에 관한 것이다.
전기 자동차는 엔진의 동력과 폐열이 없기 때문에 공조(에어컨 및 난방) 작동시 주행거리가 평소보다 많이 저하된다. 2010년 JSAE에서 발표한 i-MIEV 차량의 평가 결과를 요약하면 에어컨 구동시 27%, 난방 작동시 최대 45%까지 주행거리가 저하되는 문제가 있다.
전기 자동차에 있어 공조 시스템 효율은 내연기관(가솔린, 디젤) 차량에 비해 훨씬 중요하다. 따라서 냉난방 시스템의 효율 향상을 위한 기술 발전이 시급한 실정이다.
전기 자동차 및 PHEV 차량의 공조 효율 향상을 위한 기술은 전 세계 자동차 OEM 및 글로벌 협력사들에 의해 많은 발전을 이루었는데 그 대표적인 예가 히트 펌프 시스템이다.
전기 자동차는 엔진의 폐열이 없기 때문에 통상적으로 전기히터를 이용하여 난방을 한다. 하지만, 전기히터의 경우 성능계수 COP(Coefficient of Performance)가 0.8~0.9인데 비해 히트 펌프 시스템은 2.5 수준이므로 전기 자동차 주행거리 향상을 위해서는 히트 펌프 적용이 필수적이다.
그 예로 아이오닉 EV 히트 펌프 시스템(기아자동차 히트 펌프)이 있다.
아이오닉 EV 히트 펌프 시스템은 공기 열원식 + 수열원식 히트 펌프 시스템으로, 실외기를 통해 외부 공기로부터 열을 흡수하고 전장 폐열을 이용하여 냉각수로부터 열을 흡수하여 히트 펌프를 구동시킨다.
아이오닉 EV 히트 펌프 시스템은 공기 열원과 수 열원을 동시에 회수하므로 효율이 우수하지만, 난방모드 + AAF 폐쇄시 주행풍을 받을 수 없어 공기 열원 이용이 불가한 문제점이 있다.
즉, 열원 회수량 부족으로 히트 펌프 효율이 저하되어 공조 소모 동력이 증가하며 전기차 주행거리가 축소된다.
AAF(Active Air Flap)는 라디에이터 그릴과 라디에이터 사이에 개폐가 가능한 플랩을 장착하여 제어하는 시스템이며, 저속시 플랩 개방으로 냉각 냉방 성능을 확보하고 고속시 플랩 폐쇄로 공기 저항을 감소시켜 공력 성능을 향상시킨다.
다른 예로 Nissan Leaf 히트 펌프 시스템(덴소)이 있다.
Nissan Leaf 히트 펌프 시스템은 실외기를 통해 외부 공기로부터 열을 흡수하여 히트 펌프를 구동하는 공기 열원식 시스템이다.
Nissan Leaf 히트 펌프 시스템도 공기 열원만을 회수하는 히프 펌프 시스템이므로 난방모드 + AAF 폐쇄시 주행풍을 받을 수 없어 공기 열원 이용이 불가한 문제점이 있다.
이 경우도 열원 회수량 부족으로 히트 펌프 효율이 저하되어 전기 히터 사용량이 증가하고 공조 소모 동력이 증가하여 전기차 주행거리가 축소된다.
도 1에는 종래의 히트 펌프용 에어가드 구조가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 히트 펌프용 에어가드 구조는 일반 주행시 AAF(5)를 폐쇄함에 의해 공력 성능을 향상시키고 에어가드(11)를 구비하여 엔진룸(1) 고온의 공기가 실외기(3) 측으로 역류하는 것을 방지하고 있으므로 히트 펌프 효율이 저하되는 문제가 있다.
특허문헌 1: 한국공개특허 제2016-0110063호(2016.09.21 공개)
본 발명의 목적은 공력 향상을 위해 AAF(Active Air Flap)가 적용된 전기 자동차에서 히트 펌프 성능 증대를 위해 추가로 적용되는 히트 펌프용 에어가드 구조체를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 히트 펌프 시스템 및 공력 향상을 위한 AAF(Active Air Flap)가 적용된 차량에 적용되는 히트 펌프용 에어가드 구조체로서, 차량의 엔진룸과 실외기의 경계에 배치되는 에어가드; 엔진룸에서 역류되는 고온의 공기를 실외기측으로 유입시키기 위해 에어가드 일측에 형성되는 에어가드 홀; 및 상기 에어가드 홀을 개폐하는 도어;를 포함한다.
상기 도어는 플랩 또는 힌지 형식이 적용되거나 슬라이딩 형식이 적용된다.
상기 플랩 또는 힌지 형식의 도어는 고무 등의 연질 재질로 이루어진 플랩으로 구성되거나 힌지로 회동가능하게 구성된다.
상기 플랩 또는 힌지 형식의 도어는 에어가드에 수직방향으로 비스듬하게 설치됨으로써 도어의 자중 및 외부 공기 유입에 의한 힘에 의해 닫혀 있으며, 도어의 전/후 압력에 의해 개방된다.
상기 슬라이딩 형식의 도어는 에어가드 홀의 상부와 하부에 형성된 레일을 따라 이동되도록 구성된다.
상기 슬라이딩 형식의 도어의 개폐를 제어하기 위한 구동수단을 포함한다.
상기 구동수단은 액추에이터, 바이메탈, 전자석, 왁스 중 선택된 1종이 적용된다.
상기 차량은 일반 주행시 AAF를 폐쇄하고 상기 구동수단에 의해 에어가드 홀을 폐쇄한다.
상기 차량은 겨울철 난방시 AAF를 폐쇄하고 상기 구동수단에 의해 에어가드 홀을 개방한다.
본 발명은 에어가드에 공기 통과를 위한 에어가드 홀을 형성하고 상황에 따라 에어가드 홀이 개방 또는 폐쇄 가능하도록 도어를 구비함에 의해 전기 자동차의 겨울철 난방시 공력 성능 저하 없이 공기 열원 회수량을 증대하는 것이 가능하고, 이를 통해 히트 펌프 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 히트 펌프용 에어가드 구조를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 히트 펌프용 에어가드 구조체를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 히트 펌프용 에어가드 구조체를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 히트 펌프용 에어가드 구조체에서 AAF를 폐쇄하고 에어가드 홀을 폐쇄했을 때의 공기 통과 상태를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 의한 히트 펌프용 에어가드 구조체에서 AAF를 폐쇄하고 에어가드 홀을 개방했을 때의 공기 통과 상태를 보인 도면.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 히트 펌프용 에어가드 구조체는, 히트 펌프 시스템 및 공력 향상을 위해 라디에이터 그릴 또는 범퍼에 AAF(Active Air Flap)를 적용한 전기 자동차에 적용된다.
AAF는 라디에이터 그릴과 라디에이터 사이에 개폐가 가능한 플랩을 장착하여 제어하는 시스템이며, 저속시 플랩 개방으로 냉각 냉방 성능을 확보하고 고속시 플랩 폐쇄로 공기 저항을 감소시켜 공력 성능을 향상시킨다.
예를 들어, 차량 시동시 차가운 엔진을 일정 온도까지 올리기 위한 시간을 줄이도록 플랩을 폐쇄하고, 차량 주행시 외부 공기 유입 불필요시 공기 저항 최소화를 위해 플랩을 폐쇄한다. 그리고 엔진룸 온도가 상승하여 부품이 과열될 우려가 있을 때 플랩을 개방하며, 에어컨 컴프레셔가 작동할 때 냉매 압력 유지를 위해 플랩을 개방한다.
그런데 일반적으로 차량 성능 향상을 위해 적용되는 에어가드 및 AAF는 모순이 있다.
차량에 에어가드를 적용하면 차량 주행 및 아이들(IDLE) 주행시 엔진룸의 고온의 공기 역류에 의한 열교환기(라디에이터, 컨덴서)의 성능을 향상시키는 이점이 있고, 차량에 에어가드를 미적용하면 겨울철 히트 펌프 효율 향상을 위해 고온의 엔진룸 공기 흡입이 가능한 이점이 있다.
차량에 AAF를 적용하면 주행 중 차량의 공력 성능을 향상시키는 이점이 있고, 차량에 AAF를 미적용하면 겨울철 히트 펌프 효율 향상을 위해 외부 공기 흡입이 가능한 이점이 있다.
상기한 모순을 해결하기 위한 본 발명의 히트 펌프용 에어가드 구조체를 제공한다.
구체적으로, 히트 펌프용 에어가드 구조체는 공력 향상을 위해 AAF(Active Air Flap)가 적용된 전기 자동차에서 히트 펌프 성능 증대를 위해 적용하며, 시간에 따라 에어가드를 개방 또는 폐쇄하여 모순을 해결할 수 있도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 히트 펌프용 에어가드 구조체(10)는 에어가드(11) 일측에 엔진룸(1)으로 공기 유입을 위해 형성한 에어가드 홀(13)과 에어가드 홀(13)을 개폐하는 도어(17)를 포함한다.
에어가드(11)는 엔진룸(1)과 실외기(3)의 경계에 배치된다. 에어가드(11)는 차량 전면에서 유입되는 공기가 쿨링모듈로 유입되도록 유도하며 엔진룸 공기가 쿨링모듈 측으로 역류되는 것을 방지하는 역할을 한다.
에어가드(11)에 에어가드 홀(13)이 형성된다. 에어가드 홀(13)은 엔진룸(1)에서 역류되는 고온의 공기를 실외기(3) 측으로 통과하게 하는 통로가 된다. 에어가드 홀(13)은 가로에 비해 세로가 긴 사각 형상으로 형성될 수 있다.
에어가드 홀(13)의 선택적 개폐를 위한 도어(17)가 구비된다.
도어(17)는 플랩 또는 힌지 형식이 적용되거나 슬라이딩 형식이 적용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따라 도 2에 도시된 도어(17)는 플랩 또는 힌지 형식이 적용된 것이며, 도어(17)는 고무와 같은 연질 재질로 이루어진 플랩으로 구성되거나 힌지(18)로 회동가능하게 구성된다.
플랩 또는 힌지 형식의 도어(17)는 도 2에 도시된 바와 같이 에어가드(11)에 수직방향으로 비스듬하게 설치됨으로써 도어(17)의 자중 및 외부 공기 유입에 의한 힘에 의해 닫혀 있으며, 도어(17) 전/후의 압력에 의해 개방되게 된다.
도 3에 도시된 도어(17)는 본 발명의 제2 실시예에 따라 슬라이딩 형식이 적용된 것이며, 이를 위해 에어가드 홀(13)의 상부와 하부에는 슬라이딩식 도어 개폐를 위한 레일(15)이 형성된다. 도어(17)는 상단부와 하단부가 레일을 따라 이동되면서 에어가드 홀(13)을 개폐한다.
도어(17)의 개폐는 구동수단(19)이 제어한다. 구동수단(19)은 액추에이터, 바이메탈, 전자석, 왁스 중 선택된 1종이 적용될 수 있다.
예를 들어, 도어(17)의 일측에 액추에이터의 로드를 연결하고 액추에이터의 작동에 따른 로드의 직선 운동으로 도어(17)를 레일 상에서 슬라이딩 이동시켜 에어가드 홀(13)을 개폐할 수 있다. 이때, 로드의 직선 운동은 액추에이터에 진공이 형성되어 수행될 수 있다.
슬라이딩식 도어는 에어가드 홀의 개방 및 닫힘을 정확하게 제어할 수 있고, 내구성도 우수하다.
이하 본 발명의 작용을 설명한다.
본 발명의 히트 펌프용 에어가드 구조체는 에어가드(11) 일측에 고온의 엔진룸(1) 공기를 실외기(3) 측으로 유입시키기 위한 에어가드 홀(13)이 형성되고, 에어가드 홀(13)은 도어(17)에 의해 개방 또는 폐쇄 가능하다.
이는 엔진룸(1)에서 역류되는 고온의 공기를 필요한 시점에 실외기(3) 측으로 유입 가능하게 한다.
그 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 일반 주행시 AAF(5)를 폐쇄하고 에어가드 홀(13)을 폐쇄한다.
이 경우 AAF(5) 폐쇄에 의해 주행풍 유입이 차단되고 공력 성능이 향상되면서 엔진룸(1)으로 역류한 공기는 에어가드(11)에 의해 실외기(3) 측으로 통과가 되지 않는다. 그에 따라 공기 열원 회수가 되지 않고 주행 중 공력 성능 저하가 발생하지 않는다.
다른 예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 겨울철 난방시 AAF(5)를 폐쇄하고 에어가드 홀(13)을 개방한다.
이 경우 AAF(5) 폐쇄에 의해 주행풍이 유입이 차단되고 공력 성능이 향상되면서 엔진룸(1)에서 역류되는 고온의 공기가 에어가드 홀(13)을 통과하여 실외기(3) 측으로 유입된다. 그에 따라 공기 열원 회수가 수행되어 히트 펌프 열원으로 사용할 수 있고 히트 펌프의 효율이 향상된다.
이는 엔진룸(1)에서 역류되는 공기를 열원으로 사용하므로 차가운 외기 공기(예: 주행풍)를 유입하는 경우 대비 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있다.
아래의 표 1은 히트 펌프 구동을 위한 공기 열원과 수열원 회수 이율을 비교하여 나타낸 것이다.
평가 조건: KAP 난방(50-IDLE-100-IDLE)
평가 차량: PS EV POLIT 115호
외기
 수열원
회수 조건
 50KPH 구간(20분)
공기 열원 흡열량(kWh) 수열원 흡열량(kWh) 총 히트펌프
흡열량		 수열원 흡열량 비율
-20℃
 회수 0.093 0.074 0.167 44%
미회수 0.065 -- 0.065 0%
0℃
 회수 0.103 0.246 0.349 70%
미회수 0.291 -- 0.291 0%
표 1에 의하면, 극저온(-20℃)에서 공기 열원 사용 비중이 56%로 매우 높아 히트 펌프 효율이 향상됨을 알 수 있다. 이 경우 공조 소모 동력을 20% 저감할 수 있을 것으로 예상된다.
저온(0℃)에서 공기 열원은 30% 정도 사용함에 의해 히트 펌프 효율이 향상됨을 알 수 있다. 이 경우 공조 소모 동력을 10% 저감할 수 있을 것으로 예상된다.
공기 열원 사용량 증가는 히트 펌프 효율 향상과 직결되므로 본 발명의 히트 펌프용 에어가드 구조체의 적용으로 히트 펌프 효율을 향상시킬 수 있음이 확인되는 것이다.
상술한 히트 펌프용 에어가드 구조체는, 에어가드에 공기 통과를 위한 에어가드 홀을 형성하고 상황에 따라 에어가드 홀의 개방 또는 폐쇄 가능하도록 도어를 구비함에 의해 겨울철 난방시 공력 성능 저하 없이 공기 열원 회수량을 증대하는 것이 가능하고, 이를 통해 히트 펌프 효율을 향상시킬 수 있음이 확인된다.
상술한 히트 펌프용 에어가드 구조체는 전기 자동차에 적용되어 엔진룸에서 역류되는 공기를 열원으로 사용하므로 차가운 외기 공기를 유입시 대비 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 엔진룸
3: 실외기
5: AAF
10: 에어가드 구조체
11: 에어가드
13: 에어가드 홀
15: 레일
17: 도어
18: 힌지
19: 구동수단

Claims (11)

  1. 히트 펌프 시스템 및 공력 향상을 위한 AAF(Active Air Flap)가 적용된 차량에 적용되는 것으로,
    차량의 엔진룸과 실외기의 경계에 배치되는 에어가드;
    엔진룸에서 역류되는 고온의 공기를 실외기측으로 유입시키기 위해 에어가드 일측에 형성되는 에어가드 홀; 및
    상기 에어가드 홀을 개폐하는 도어;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도어는 플랩 또는 힌지 형식이 적용되거나 슬라이딩 형식이 적용되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 플랩 또는 힌지 형식의 도어는 연질 재질로 이루어진 플랩으로 구성되거나 힌지로 회동가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플랩은 고무 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 플랩 또는 힌지 형식의 도어는 에어가드에 수직방향으로 비스듬하게 설치됨으로써 도어의 자중 및 외부 공기 유입에 의한 힘에 의해 닫혀 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  6. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 플랩 또는 힌지 형식의 도어는 도어의 전/후 압력에 의해 개방되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 슬라이딩 형식의 도어는 에어가드 홀의 상부와 하부에 형성된 레일을 따라 이동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 슬라이딩 형식의 도어의 개폐를 제어하기 위한 구동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 구동수단은 액추에이터, 바이메탈, 전자석, 왁스 중 선택된 1종이 적용되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  10. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 차량은 일반 주행시 AAF를 폐쇄하고 상기 구동수단에 의해 에어가드 홀을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
  11. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 차량은 겨울철 난방시 AAF를 폐쇄하고 상기 구동수단에 의해 에어가드 홀을 개방하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프용 에어가드 구조체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114074721A (zh) * 2020-08-13 2022-02-22 大众汽车股份公司 包括车辆前端元件的车辆前端和制造空气导管装置的方法

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