KR20190053487A

KR20190053487A - 차량용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR20190053487A
Application number: KR1020170149426A
Authority: KR
Inventors: 김재연
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-20
Also published as: CN109760483B; KR102474356B1; US10634402B2; CN109760483A; US20190145675A1

Abstract

차량용 히트 펌프 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은 냉각수 라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하고, 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치; 상기 냉각수 라인과 제1 밸브를 통해 선택적으로 연결되는 배터리 냉각수 라인에 구비되는 배터리 모듈; 상기 배터리 냉각수 라인과 제3 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 냉방하도록 제1 연결라인이 구성되고, 상기 제1 연결라인에 구비되는 제2 워터펌프와 쿨러를 포함하는 냉방회로; 상기 배터리 냉각수 라인과 제4 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 난방하도록 제2 연결라인이 구성되고, 상기 제2 연결라인에 구비되는 제3 워터펌프와 히터를 포함하는 난방회로; 및 상기 냉방회로에는 저온의 냉각수를 공급하고, 상기 난방회로에는 고온의 냉각수를 공급하기 위하여 상기 냉각수 라인, 상기 제1, 및 제2 연결라인에 각각 연결되며, 내부를 순환하는 냉매의 응축 및 증발 시에 발생하는 열 에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키는 CE 모듈(Centralized Energy Module)을 포함할 수 있다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온의 냉각수와 저온의 냉각수를 각각 선택적으로 이용하여 차량의 실내를 냉방 또는 난방 하도록 하는 차량용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 공기조화장치는 자동차의 실내를 난방하거나 냉방하기 위하여 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 포함한다.

이러한 에어컨수단은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것으로 압축기의 구동에 의하여 토출되는 냉매가 응축기, 리시버 드라이어, 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환하는 과정에서 증발기에 의한 열교환에 의하여 자동차의 실내를 난방 또는 냉방하도록 구성된다.

즉, 에어컨수단은 여름철 냉방모드 시에는 압축기로부터 압축된 고온, 고압의 기상냉매가 응축기를 통하여 응축된 후 리시버 드라이어 및 팽창밸브를 거쳐 증발기에서의 증발을 통하여 실내의 온도 및 습도를 낮추게 된다.

한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 친환경 자동차는 보통 연료전지나 전기를 동력원으로 하여 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 배터리를 이용하여 구동되는 하이브리드 자동차로 구분된다.

이러한 친환경 차량 중, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에는 일반 차량의 공기조화장치와는 달리 별도의 히터가 사용되지 않으며, 친환경 차량에 적용되는 공기조화장치를 통상적으로 히트 펌프 시스템이라 한다.

한편, 전기 자동차의 경우에는 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되며, 이 과정에서 연료전지 내의 화학적 반응에 의해 열에너지가 발생되는 바, 발생된 열을 효과적으로 제거하는 것이 연료전지의 성능 확보에 있어 필수적이다.

그리고 하이브리드 자동차에서도 일반적인 연료로 작동하는 엔진과 함께, 상기한 연료전지나, 전기 배터리로부터 공급되는 전기를 이용해 모터를 구동시켜 구동력을 발생시키게 되는 바, 연료전지나 배터리, 및 모터로부터 발생되는 열을 효과적으로 제거해야만 모터의 성능을 확보할 수 있게 된다.

이에 따라, 종래 기술에 따른 하이브리드 차량이나 전기 자동차에서는 모터와 전장품, 및 연료전지를 포함하는 배터리의 발열을 방지하도록 냉각수단, 및 히트 펌프 시스템과 함께, 배터리 냉각 시스템이 각각 별도의 밀폐회로로 구성해야만 한다.

따라서, 차량의 전방에 배치되는 쿨링모듈의 크기 및 중량이 증가되고, 엔진룸 내부에서 각각의 히트 펌프 시스템과 냉각수단 및 배터리 냉각 시스템으로 냉매 또는 냉각수를 공급하는 연결배관들의 레이아웃이 복잡해지는 단점이 있다.

또한, 배터리가 최적성능을 발휘되도록 차량의 상태에 따라 배터리를 웜업 또는 냉각시키는 배터리 냉각 시스템이 별도로 구비되는 바, 각 연결배관과 연결하기 위한 다수개의 밸브가 적용되고, 이 밸브들의 빈번한 개폐작동으로 인한 소음 및 진동이 차량 실내로 전달되어 승차감이 저하되는 단점도 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 냉매의 응축 및 증발 시에 냉매로부터 발생하는 열에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키고, 열교환된 저온 또는 고온의 냉각수를 각각 이용하여 차량의 실내온도를 조절하도록 하는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전장품과 배터리 모듈의 폐열을 이용하여 차량의 난방효율을 향상시키고, 배터리 모듈의 최적 성능이 발휘되도록 배터리 모듈의 효율적인 온도조절을 함으로써, 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키도록 하는 차량용 히트 펌프 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은 냉각수 라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하고, 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치와, 상기 냉각수 라인과 제1 밸브를 통해 선택적으로 연결되는 배터리 냉각수 라인에 구비되는 배터리 모듈과, 상기 배터리 냉각수 라인과 제3 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 냉방하도록 제1 연결라인이 구성되고, 상기 제1 연결라인에 구비되는 제2 워터펌프와 쿨러를 포함하는 냉방회로와, 상기 배터리 냉각수 라인과 제4 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 난방하도록 제2 연결라인이 구성되고, 상기 제2 연결라인에 구비되는 제3 워터펌프와 히터를 포함하는 난방회로와, 상기 냉방회로에는 저온의 냉각수를 공급하고, 상기 난방회로에는 고온의 냉각수를 공급하기 위하여 상기 냉각수 라인, 상기 제1, 및 제2 연결라인에 각각 연결되며, 내부를 순환하는 냉매의 응축 및 증발 시에 발생하는 열 에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키는 CE 모듈(Centralized Energy Module)을 포함한다.

상기 냉각장치는 상기 냉각수 라인을 순환하는 냉각수를 이용해 전장품을 냉각시키거나 상기 배터리 모듈을 냉각할 수 있다.

상기 CE 모듈은 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 냉각수 라인에 구비되며, 냉매를 응축 또는 증발시키는 메인 열교환기와, 상기 메인 열교환기와 냉매라인을 통해 연결되는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 냉방회로에서 상기 제1 연결라인을 순환하는 냉각수를 냉각하도록 상기 제1 연결라인에 구비되는 증발기와, 상기 증발기와 상기 메인 열교환기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 압축기를 포함할 수 있다.

상기 증발기와 상기 압축기의 사이에서 상기 냉매라인에는 내부 열교환기가 구비될 수 있다.

상기 내부 열교환기에는 상기 메인 열교환기와 상기 팽창밸브를 연결하는 상기 냉매라인과, 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 상기 냉매라인이 각각 연결될 수 있다.

상기 내부 열교환기는 상기 메인 열교환기가 냉매를 응축할 경우, 상기 메인 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 증발기로부터 배출되는 저온의 냉매와 열교환시켜 냉매를 추가로 응축시키고, 상기 팽창밸브로 유입시킬 수 있다.

상기 제1 밸브는 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인을 선택적으로 연결하고, 상기 제3 밸브와 상기 제4 밸브는 상기 배터리 모듈을 사이에 두고, 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되며, 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 및 제2 연결라인을 각각 선택적으로 연결할 수 있다.

상기 CE 모듈은 상기 메인 열교환기와 상기 압축기의 사이에서 상기 압축기와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 난방회로에서 상기 제2 연결라인을 순환하는 냉각수를 가열하도록 상기 제2 연결라인에 구비되는 서브 컨덴서와, 상기 서브 컨덴서와 상기 메인 열교환기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 서브 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 냉각수 라인에는 상기 제1 밸브를 통해 상기 배터리 모듈을 상기 냉방회로 및 상기 난방회로와 연결하고, 상기 냉각장치와의 연결을 폐쇄하는 제1 분기라인이 구비되며, 상기 냉각수 라인에는 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 냉각수 라인을 분리하는 제2 분기라인이 구비되고, 전장품과 상기 라디에이터 사이를 연결하는 상기 냉각수 라인에는 제5 밸브를 통해 상기 라디에이터와 상기 제1 워터펌프 사이의 상기 냉각수 라인과 연결되는 제3 분기라인이 구비될 수 있다.

차량의 냉방모드에서 상기 전장품과 함께 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인이 상기 제1 연결라인과 연결되고, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결이 폐쇄되며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 컨덴서와 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지될 수 있다.

상기 증발기는 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인으로부터 상기 제1 연결라인을 따라 순환하는 냉각수를 내부에서 증발된 저온의 냉매와 열교환을 통해 냉각시키고, 상기 증발기를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 제1 연결라인을 따라 상기 쿨러에 공급되며, 상기 쿨러를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제3 밸브의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되어 상기 배터리 모듈을 냉각할 수 있다.

상기 냉각장치에서는 개방된 상기 제2 분기라인이 상기 냉각수 라인과 연결되어 독립된 밀폐회로를 형성하고, 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 순환되면서 상기 전장품을 냉각시킬 수 있다.

차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결되며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기와 상기 서브 컨덴서가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지될 수 있다.

상기 서브 컨덴서는 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인으로부터 상기 제2 연결라인을 따라 순환하는 냉각수를 상기 압축기로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환시켜 가열하고, 상기 서브 컨덴서를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 제2 연결라인을 따라 상기 히터로 공급되며, 상기 히터를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제4 밸브의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되어 상기 배터리 모듈을 승온시킬 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈과 상기 전장품의 폐열을 회수할 경우에는 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 폐쇄되고, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되고, 상기 난방회로에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 제2 연결라인을 따라 냉각수가 순환되며, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 팽창밸브와 상기 증발기의 작동이 정지되고, 상기 서브 팽창밸브가 작동하여 상기 서브 컨덴서를 통과한 냉매를 팽창시켜 상기 메인 열교환기에 공급할 수 있다.

상기 전장품과 상기 배터리 모듈에서 발생된 폐열은 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 온도를 상승시키고, 온도가 상승된 냉각수는 상기 메인 열교환기를 통과하는 냉매의 온도를 상승시키면서 회수되며, 상기 난방회로에서는 상기 제2 연결라인을 따라 순환하는 냉각수가 상기 서브 컨덴서에서 상기 압축기로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환을 통해 가열된 상태로 상기 히터에 공급될 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는, 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결되며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되고, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 팽창밸브와 상기 증발기의 작동이 정지되고, 상기 서브 팽창밸브가 작동하여 상기 서브 컨덴서를 통과한 냉매를 팽창시켜 상기 메인 열교환기에 공급할 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈을 냉각시킬 경우에는, 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인이 상기 제1 연결라인과 연결되고, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기와 상기 서브 컨덴서가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지될 수 있다.

차량의 제습 모드에서는 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며, 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고, 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고, 상기 냉방회로와 상기 난방회로에서는 상기 제2, 및 제3 워터펌프의 작동을 통해 제1, 및 제2 연결라인을 따라 냉각수가 각각 순환되고, 상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환될 수 있다.

차량의 제습모드에서 외부의 기온이 낮을 경우에는 상기 제5 밸브의 작동을 통해 폐쇄되었던 상기 제3 분기라인이 개방되고, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄될 수 있다.

차량의 냉방 또는 난방모드가 중지된 상태에서, 상기 전장품의 폐열을 이용하여 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는 상기 CE 모듈에서 냉매의 순환이 정지되고, 상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며, 상기 제3, 및 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 및 제2 연결라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄될 수 있다.

상기 라디에이터와 상기 메인 열교환기 사이에는 상기 제3 분기라인과 연결되는 리저버 탱크가 구비될 수 있다.

상기 제1, 및 제5 밸브는 3- Way 밸브이고, 제3, 및 제4 밸브는 4- Way 밸브일 수 있다.

상기 메인 열교환기, 상기 서브 컨덴서, 및 상기 증발기는 내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기일 수 있다.

상기 CE 모듈에서 순환하는 냉매는 R152-a 또는 R744, 또는 R290 냉매일 수 있다.

상기 전장품은 모터, 또는 전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU), 또는 충전기(On Board Charger, OBC)를 포함하며, 상기 모터와 상기 전력제어장치는 주행 중에 발열되고, 상기 충전기는 상기 배터리 모듈을 충전할 경우 발열될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에 의하면, 냉매의 응축 및 증발 시에 냉매로부터 발생하는 열에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키고, 열교환된 저온 또는 고온의 냉각수를 각각 이용하여 차량의 실내온도를 조절함으로써, 시스템을 간소화하고, 냉매가 순환하는 연결배관의 레이아웃을 간소화시킬 수 있다.

또한, 상기 히트 펌프 시스템은 전장품과 배터리 모듈의 폐열을 이용하여 차량의 난방효율을 향상시키고, 배터리 모듈의 최적 성능이 발휘되도록 배터리 모듈의 효율적인 온도조절을 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 냉매의 응축 및 증발을 통해 열 에너지를 생성하는 CE모듈(Centralized Energy Module)을 패키지화하고, 고성능의 R152-a 또는 R744 냉매를 사용함에 따라, 사이즈 및 중량을 줄일 수 있고, 종래 에어컨 수단에 비해 소음, 진동, 및 작동 불안정 발생을 방지할 수 있다.

또한, 상기 CE 모듈에서 냉매의 응축량이 증대되도록 서브 컨덴서와 내부 열교환기를 함께 구성함으로써, 냉매의 서브쿨 증가를 도모하여 냉방성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 전체 시스템의 간소화를 통해 제작원가 절감 및 중량 축소가 가능하고, 공간 활용성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방모드 시에 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방모드 시에 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 전장품과 배터리 모듈에서 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 제습 모드에 따른 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방 또는 난방모드가 작동되지 않을 경우, 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 “...유닛”, “...수단”, “...부”, “...부재” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 블록 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템(1)은 냉매의 응축 및 증발 시에 냉매로부터 발생하는 열에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시켜 저온 또는 고온의 냉각수만을 이용해 차량의 냉방 또는 난방모드를 수행한다.

이러한 히트 펌프 시스템(1)은 하이브리드 차량 또는 전기 자동차에 적용된다. 도 1을 참조하면, 상기 히트 펌프 시스템(1)은 냉각장치(10), 배터리 모듈(B), CE 모듈(40), 냉방회로(50), 및 난방회로(60)를 포함한다.

먼저, 상기 냉각장치(10)는 냉각라인(11)으로 연결되는 라디에이터(12)와 제1 워터펌프(14)를 포함하며, 전장품(15)을 냉각하도록 상기 냉각수 라인(11)에 냉각수를 순환시키게 된다.

여기서, 상기 전장품(15)은 모터를 포함하는 전력제어장치(16 :Electric Power Control Unit, EPCU)와 충전기(17 : On Board Charger, OBC)를 포함할 수 있다.

상기 전력제어장치(16)는 주행 중에 발열되고, 상기 충전기(17)는 상기 배터리 모듈(B)을 충전할 경우 발열될 수 있다.

이에 따라, 차량의 난방모드에서 상기 전장품(15)의 폐열을 회수할 경우에는 상기 전력제어장치(16)로부터 발생된 열을 회수하고, 상기 충전기(17)로부터 발생된 열은 상기 배터리 모듈(B)의 충전 시에 회수할 수 있다.

상기 라디에이터(12)는 차량의 전방에 배치되며, 후방에는 쿨링팬(13)이 구비되어 쿨링팬(13)의 작동과 외기와의 열교환을 통해 냉각수를 냉각하게 된다.

이와 같이 구성되는 상기 냉각장치(10)는 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수를 냉각라인(11)을 따라 순환시킴으로써, 상기 전장품(15)이 과열되지 않도록 냉각시키게 된다.

상기 배터리 모듈(B)은 상기 냉각수 라인(11)과 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)를 통해 선택적으로 연결되는 배터리 냉각라인(21)에 구비된다.

여기서, 상기 제1 밸브(V1)는 상기 라디에이터(12)와 상기 배터리 모듈(B)의 사이에서 상기 전장품(15)과 연결된 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 선택적으로 연결할 수 있다.

이러한 배터리 모듈(B)은 상기 전장품(15)에 전원을 공급하고, 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되는 냉각수로 냉각되는 수랭식으로 형성된다.

즉, 상기 배터리 모듈(B)은 상기 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)의 작동에 따라 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 통해 상기 냉각장치(10)와 선택적으로 연결되며, 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 순환하는 냉각수로 냉각될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 냉방회로(50)는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 제3 밸브(V3)를 통해 선택적으로 연결된다. 이러한 냉방회로(50)는 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 냉방하도록 제1 연결라인(52)이 구성되고, 상기 제1 연결라인(52)에 구비되는 쿨러(54)와 제2 워터펌프(56)를 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 냉방회로(50)는 상기 제2 워터펌프(56)의 작동을 통해 제1 연결라인(52)을 따라 순환되며, 상기 CE 모듈(40)에 의해 냉각된 저온의 냉각수를 이용해 상기 쿨러(54)를 냉각할 수 있다.

여기서, 상기 쿨러(54)는 차량에 구비되는 HVAC 모듈(미도시)의 내부에 구비된다. 이에 따라, 상기 HVAC 모듈에서 차량의 실내로 공급되는 공기는 상기 쿨러(54)를 통과하면서 저온의 냉각수와 열교환을 통해 냉각되어 유입될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 난방회로(60)는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 제4 밸브(V4)를 통해 선택적으로 연결된다. 이러한 난방회로(60)는 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 난방하도록 제2 연결라인(62)이 구성되고, 상기 제2 연결라인(62)에 구비되는 히터(64)와 제3 워터펌프(66)를 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 난방회로(60)는 상기 제3 워터펌프(66)의 작동을 통해 제2 연결라인(62)을 따라 순환되며, 상기 CE 모듈(40)에 의해 가열된 고온의 냉각수를 이용해 상기 히터(64)를 가열시킬 수 있다.

여기서, 상기 히터(64)는 차량에 구비되는 HVAC 모듈(미도시)의 내부에 구비된다. 이에 따라, 상기 HVAC 모듈에서 차량의 실내로 공급되는 공기는 상기 히터(64)를 통과하면서 고온의 냉각수와 열교환을 통해 가열되어 유입될 수 있다.

한편, 상기 쿨러(54)와 상기 히터(64)는 내부로 유입되는 냉각수의 온도에 따라 냉각 또는 가열되는 수랭식으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제3 밸브(V3)와 상기 제4 밸브(V4)는 상기 배터리 모듈(B)을 사이에 두고, 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 구비된다.

이러한 제3, 및 제4 밸브(V3, V4)는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제1 및 제2 연결라인(52, 54)을 각각 선택적으로 연결할 수 있다.

여기서, 상기 제3, 및 제4 밸브(V3, V4)는 4-Way 밸브 일 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2, 및 제3 워터펌프(14, 56, 66)는 전동식 워터펌프 일 수 있다.

상기 CE 모듈(Centralized Energy Module : 40)은 상기 냉방회로(50)에는 저온의 냉각수를 공급하고, 상기 난방회로(60)에는 고온의 냉각수를 공급하기 위하여 상기 냉각수 라인(21), 상기 제1, 및 제2 연결라인(52, 62)에 각각 연결된다.

이러한 CE 모듈(40)은 내부를 순환하는 냉매의 응축 및 증발 시에 발생하는 열 에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키고, 열교환된 저온 또는 고온의 냉각수를 상기 냉방회로(50)와 상기 난방회로(60)에 각각 공급한다.

여기서, 상기 냉매는 고성능의 R152-a 또는 R744 냉매일 수 있다.

즉, 저온의 냉각수는 상기 제1 연결라인(52)을 통해 상기 쿨러(54)에 공급되고, 고온의 냉각수는 상기 제2 연결라인(62)을 통해 상기 히터(64)에 공급된다.

여기서, 상기 CE 모듈(40)은 메인 열교환기(42), 팽창밸브(45), 증발기(46), 및 압축기(48)를 포함한다.

먼저, 상기 메인 열교환기(42)는 상기 라디에이터(12)와 상기 제2 밸브(V2)의 사이에서 상기 냉각수 라인(11)에 구비된다. 이러한 메인 열교환기(42)는 냉매를 응축 또는 증발시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 메인 열교환기(42)는 유입된 냉매를 냉각수와 열교환시켜 응축 또는 증발시키고, 냉매의 응축 및 증발 시에 발생된 열 에너지를 냉각수에 공급하여 냉각수의 온도를 상승 또는 하강시킨다.

여기서, 상기 제2 밸브(V2)는 상기 메인 열교환기(42)와 상기 배터리 모듈(B)의 사이에서 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 선택적으로 연결할 수 있다.

상기 팽창밸브(45)는 상기 메인 열교환기(42)와 냉매라인(41)을 통해 연결될 수 있다. 이러한 팽창밸브(45)는 상기 메인 열교환기(42)를 통과한 냉매를 공급받아 팽창시키게 된다. 상기 팽창밸브(46)는 기계식 또는 전자식으로 구성될 수 있다.

상기 증발기(46)는 상기 팽창밸브(45)와 상기 냉매라인(41)을 통해 연결되고, 상기 냉방회로(50)에서 상기 제1 연결라인(52)을 순환하는 냉각수를 냉각하도록 상기 제1 연결라인(52)에 구비될 수 있다.

이러한 증발기(46)는 유입된 냉매를 냉각수와 열교환시켜 증발시키고, 냉매의 증발 시에 발생된 저온의 열 에너지를 냉각수에 공급하여 냉각수의 온도를 낮추게 된다.

그리고 상기 압축기(48)는 상기 증발기(46)와 상기 메인 열교환기(42)의 사이에서 상기 냉매라인(41)에 구비된다. 이러한 압축기(41)는 상기 증발기(46)로부터 배출되는 기체 상태의 냉매를 압축시킨다.

여기서, 상기 증발기(46)와 상기 압축기(48)의 사이에서 상기 냉매라인(41)에는 어큐뮬레이터(47)와 내부 열교환기(44)가 각각 순차적으로 구비될 수 있다.

상기 내부 열교환기(44)에는 상기 메인 열교환기(42)와 상기 팽창밸브(45)를 연결하는 상기 냉매라인(41)과, 상기 어큐뮬레이터(47)와 상기 압축기(48)를 연결하는 상기 냉매라인(41)이 각각 연결될 수 있다.

또한, 상기 내부 열교환기(44)는 상기 메인 열교환기(42)가 냉매를 응축할 경우, 상기 메인 열교환기(42)에서 응축된 냉매를 상기 증발기(46)로부터 배출되는 저온의 냉매와 열교환시켜 냉매를 추가로 응축시키고, 상기 팽창밸브(45)로 유입시킬 수 있다.

상기 어큐뮬레이터(47)는 상기 증발기(46)와 상기 내부 열교환기(44)의 사이에서 상기 냉매라인(41)에 구비된다. 이러한 어큐뮬레이터(47)는 상기 압축기(48)에 기체 상태의 냉매만 공급함으로써, 상기 압축기(48)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.

따라서, 상기 증발기(46)로부터 배출되는 냉매는 상기 내부 열교환기(44)를 통과하면서 상기 메인 열교환기(42)로부터 공급되는 냉매와 열교환 된 후, 상기 압축기(48)로 공급될 수 있다.

여기서, 상기 내부 열교환기(44)에는 상기 메인 열교환기(42)로부터 배출되는 응축된 냉매와, 상기 증발기(46)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 각각 유입된다. 이에 따라, 상기 내부 열교환기(44)는 저온의 냉매와, 응축된 냉매를 추가로 열교환시켜 냉매의 온도를 더 낮추고, 응축량을 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 내부 열교환기(44)는 상기 메인 열교환기(42)에서 응축된 냉매를 더 응축시킴으로써, 냉매의 서브쿨을 증대시킬 수 있고, 이로 인해, 압축기 소요동력 대비 냉방 능력의 계수인 COP(Coefficient Of Performance)가 향상될 수 있다.

한편, 상기 CE 모듈(40)은 서브 컨덴서(43)와 서브 팽창밸브(49)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 상기 서브 컨덴서(43)는 상기 메인 열교환기(42)와 상기 압축기(48)의 사이에서 상기 압축기(48)와 상기 냉매라인(21)을 통해 연결되고, 상기 난방회로(60)에서 상기 제2 연결라인(62)을 순환하는 냉각수를 가열하도록 상기 제2 연결라인(62)에 구비된다.

그리고 상기 서브 팽창밸브(49)는 상기 서브 컨덴서(43)와 상기 메인 열교환기(42) 사이에서 상기 냉매라인(21)에 구비될 수 있다.

이러한 서브 컨덴서(43)는 상기 메인 열교환기(42)가 냉매를 응축시킬 경우, 상기 압축기(48)에서 배출된 냉매를 1차로 응축시킨다. 이에 따라, 상기 메인 열교환기(42)는 상기 서브 컨덴서(43)에서 응축된 냉매를 추가로 응축시켜 냉매의 응축량을 증가시킬 수 있다.

여기서, 상기 서브 팽창밸브(49)는 냉매를 팽창시키지 않고 상기 메인 열교환기(42)로 통과시킬 수 있다.

이와는 반대로, 상기 메인 열교환기(42)가 냉매를 증발시킬 경우, 상기 서브 팽창밸브(49)는 상기 서브 컨덴서(43)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 상기 메인 열교환기(42)로 공급할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 내부 열교환기(44)에서 증발된 저온의 냉매와 응축된 냉매를 상호 열교환시키는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나 이에 한정된 것은 아니며, 상기 내부 열교환기(44)에서 배출되는 냉매 중, 일부를 우회시켜 냉각하고, 냉각된 냉매와 상기 증발기(46)로부터 배출된 저온의 냉매를 함께 이용해 상기 내부 열교환기(44)로부터 유입된 나머지 냉매를 냉각하여 냉매의 서브쿨을 증대시키도록 구성될 수도 있다.

이러한 메인 열교환기(42), 상기 서브 컨덴서(43), 및 상기 증발기(46)는 내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기일 수 있다.

상기 팽창밸브(45)가 전자식일 경우, 냉매는 상기 서브 컨덴서(43), 상기 메인 열교환기(42), 및 상기 내부 열교환기(44)를 차례로 통과한 후, 상기 팽창밸브(45)에서 팽창되어 상기 증발기(47)로 유입된다. 상기 증발기(47)에서 배출된 냉매는 상기 내부 열교환기(44)를 통과한 후, 상기 압축기(48)로 배출될 수 있다.

이 때, 내부 열교환기(44)와 상기 압축기(48)를 연결하는 상기 냉매라인(41)에는 냉매의 온도 및 압력을 측정하는 센서가 별도로 구비되며, 이 센서가 냉매의 과열도를 측정하여 상기 팽창밸브(45)의 팽창량을 조절할 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 배터리 냉각수 라인(21)에는 상기 제1 밸브(V1)를 통해 상기 배터리 모듈(B)을 상기 냉방회로(50) 및 상기 난방회로(60)와 연결하고, 상기 냉각장치(10)의 연결을 폐쇄하는 제1 분기라인(30)이 구비된다.

상기 제1 밸브(V1)는 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 선택적으로 연결하거나, 상기 배터리 냉각라인(21)과 상기 제1 분기라인(70)을 선택적으로 연결하여 냉각수의 유동 흐름을 제어한다.

즉, 상기 제1 밸브(V1)는 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수를 이용한 상기 배터리 모듈(B)의 냉각할 경우, 상기 라디에이터(12)와 연결되는 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 연결하고, 상기 제1 분기라인(70)은 폐쇄할 수 있다.

또한, 상기 제1 밸브(V1)는 상기 배터리 모듈(B)을 상기 냉방회로(50), 및 상기 난방회로(60)를 순환하면서 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 냉각 또는 승온시킬 경우, 상기 제1 분기라인(30)을 개방하고, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

이 때, 상기 제3, 및 제4 밸브(V1)는 각각 선택적으로 작동하여 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 상기 제1, 및 제2 연결라인(52, 62)과 각각 연결할 수 있다.

이에 따라, 상기 증발기(46)에서 냉매와 열교환이 완료된 저온의 냉각수는 상기 제1 밸브(V1)에 의해 개방된 상기 제1 분기라인(30)과, 상기 제3 밸브(V3)에 의해 연결된 상기 제1 연결라인(52)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 통해 상기 배터리 모듈(B)로 유입됨으로써, 효율적으로 상기 배터리 모듈(B)을 냉각시킬 수 있다.

이와는 반대로, 상기 서브 컨덴서(43)에서 냉매와 열교환이 완료된 고온의 냉각수는 상기 제1 밸브(V1)에 의해 개방된 상기 제1 분기라인(30)과, 상기 제4 밸브(V4)에 의해 연결된 상기 제2 연결라인(62)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 통해 상기 배터리 모듈(B)로 유입됨으로써, 효율적으로 상기 배터리 모듈(B)을 승온시킬 수 있다.

한편, 상기 냉각수 라인(11)에는 상기 제2 밸브(V2)를 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 냉각수 라인(11)을 분리하는 제2 분기라인(32)이 구비된다.

상기 제2 분기라인(32)은 상기 냉각장치(10)가 상기 냉각수 라인(11)을 통해 독립된 밀폐회로를 형성하도록 상기 제2 밸브(V2)를 통해 상기 냉각수 라인(11)과 선택적으로 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제2 밸브(V2)는 상기 냉각수 라인(11), 상기 배터리 냉각수 라인(21), 및 상기 제2 분기라인(32)를 선택적으로 연결하는 3-Way 밸브인 것을 일 예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 제2 분기라인(32) 상에 구비되는 2-Way 밸브일 수도 있다.

그리고 상기 전장품과 상기 라디에이터 사이를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)에는 제5 밸브(V5)를 통해 상기 라디에이터(12)와 상기 제1 워터펌프(14) 사이의 상기 냉각수 라인(11)과 연결되는 제3 분기라인(34)이 구비될 수 있다.

상기 제3 분기라인(34)은 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(B)에서 발생된 폐열을 흡수하여 냉각수의 온도를 상승시킬 경우 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 선택적으로 개방된다. 이 때, 상기 라디에이터(12)와 연결되는 상기 냉각수 라인(11)은 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 폐쇄된다.

한편, 상기 라디에이터(12)와 상기 제1 워터펌프(14) 사이에는 상기 제3 분기라인(34)과 연결되는 리저버 탱크(19)가 구비될 수 있다. 상기 리저버 탱크(19)는 상기 라디에이터(12)로부터 유입되는 냉각이 완료된 냉각수가 저장될 수 있다.

여기서, 상기 제1, 제2, 및 제5 밸브(V1, V2, V5)는 유량의 분배가 가능한 3- Way 밸브일 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 상기 제2 분기라인(32)을 선택적으로 개폐할 수 있도록 제2 밸브(V2)가 구성된 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 제2 밸브(V2)는 필요에 따라 삭제가 가능하다.

즉, 제2 밸브(V2)가 제거될 경우에는, 각 모드에 따라 선택적으로 연결되는 상기 냉각수 라인(11), 상기 배터리 냉각수 라인(21), 및 제1, 제2, 및 제3 분기라인(30, 32, 34)과, 상기 제1 내지 제3 워터펌프(14, 56, 66)의 작동을 통하여 순환되는 냉각수의 유량 제어가 가능함으로써, 상기 제2 분기라인(32)의 개폐 제어가 가능하다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템(1)의 각 모드별 작동 및 작용을 도 2 내지 도 8을 통하여 상세히 설명한다.

먼저, 차량의 냉방 모드에서 상기 전장품(15)과 함께 상기 배터리 모듈(B)을 냉각할 경우의 작동을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방모드 시에 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 2를 참조하면, 상기 냉각장치(10)는 상기 전장품(15)의 냉각을 위하여 작동된다. 또한, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 냉방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

여기서, 상기 제1, 및 제2 분기라인(30, 32)은 상기 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 개방된다.

또한, 상기 냉각수 라인(11)은 상기 제1, 및 제2 제3 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과의 연결이 폐쇄된다.

그리고 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(B)과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)이 상기 제1 연결라인(52)과 연결된다.

상기 제2 연결라인(62)은 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결이 폐쇄된다. 여기서, 상기 난방회로(60)는 상기 제3 워터펌프(66)의 작동이 정지되며, 상기 제2 연결라인(62)에는 냉각수의 유동이 중단된다.

상기 CE 모듈(40)의 상기 메인 열교환기(42)는 상기 냉각수 라인(11)을 따라 유동하는 냉각수를 이용하여 상기 냉매를 응축시킨다. 그리고 상기 서브 컨덴서(43)와 상기 서브 팽창밸브(49)는 상기 난방회로(60)의 작동이 중단됨에 따라 작동이 정지된다.

그리고 상기 제3 분기라인(34)은 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 폐쇄된다. 이와 동시에, 상기 제5 밸브(V5)는 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)을 개방한다.

이에 따라, 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통하여 상기 제2 밸브(V2)의 작동에 의해 제2 분기라인(32)과 연결된 상기 냉각수 라인(11)을 따라 순환할 수 있다.

즉, 상기 냉각장치(10)에서는 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 개방된 상기 제2 분기라인(32)이 상기 냉각수 라인(21)과 연결되어 독립된 밀폐회로를 형성할 수 있다. 그러면 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 순환되면서 상기 전장품(15)을 냉각시킬 수 있다.

그리고 상기 배터리 냉각수 라인(21)의 냉각수는 상기 제2 워터펌프(56)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21), 상기 제1 분기라인(30), 및 상기 제1 연결라인(52)을 따라 순환된다.

즉, 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 순환되는 냉각수는 상기 제3 밸브(V3), 및 상기 제2 워터펌프(56)의 작동을 통해 상기 제1 연결라인(52)으로 유동된다.

이에 따라, 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제1 연결라인(52)을 따라 순환될 수 있다.

여기서, 상기 내부 열교환기(44)는 냉매의 서브쿨 증대를 통해 응축량이 더욱 증가되도록 상기 메인 열교환기(42)에서 응축된 냉매를 상기 증발기(46)에서 배출되는 저온의 냉매와 열교환을 통해 추가로 응축시켜 냉매의 응축량을 증가시킨다.

또한, 상기 증발기(46)는 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로부터 상기 제1 연결라인(52)을 따라 순환하는 냉각수를 내부에서 증발된 저온의 냉매와 열교환시킨다.

상기 증발기(46)를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제2 워터펌프(56)의 작동을 통해 상기 제1 연결라인(52)을 따라 상기 쿨러(54)에 공급된다.

즉, 상기 CE 모듈(40)에서 상기 냉매라인(41)을 따라 순환하는 냉매는 상기 메인 열교환기(42)를 통과하는 냉각수와 열교환을 통해 1차로 응축된다. 그런 후, 상기 메인 열교환기(42)에서 배출된 냉매는 상기 내부 열교환기(44)에서 상기 증발기(46)로부터 공급된 저온의 냉매와 추가로 열교환되면서 응축량이 더욱 증가된다.

응축량이 증가된 냉매는 상기 팽창밸브(45)에서 팽창되며, 상기 증발기(46)에서 증발된다.

이 때, 상기 증발기(47)에서 증발된 냉매는 상기 제1 연결라인(52)을 통해 유입된 냉각수를 냉각시킨다. 여기서, 상기 증발기(46)에는 상기 메인 열교환기(42)와, 상기 내부 열교환기(44)를 순차적으로 통과하면서 응축량이 증가된 냉매가 팽창되어 공급됨으로써, 냉매를 보다 낮은 온도로 증발시킬 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 상기 내부 열교환기(44)가 추가로 냉매를 응축시킴으로써, 냉매의 서브 쿨 형성이 유리해진다.

그리고 서브 쿨이 형성된 냉매가 상기 증발기(46)에서 보다 낮은 온도로 증발됨에 따라, 상기 증발기(46)에서 열교환되는 냉각수의 온도를 더욱 낮출 수 있어 냉방성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 증발기(46)에서 증발된 냉매는 상기 제1 연결라인(52)을 통해 유입된 냉각수를 냉각시킨다. 따라서, 냉각수는 상기 증발기(46)를 통과하면서 낮은 온도로 냉각되고, 상기 제1 연결라인(52)을 통해 상기 쿨러(54)로 공급된다.

그러면, 미도시된 상기 HVAC 모듈로 유입되는 외기가 상기 쿨러(54)로 유입된 저온 상태의 냉각수와 열교환되면서 냉각된다. 그런 후, 냉각된 외기는 차량의 내부로 직접 유입됨으로써, 차량 실내를 냉방할 수 있다.

한편, 상기 쿨러(54)를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되면서 상기 배터리 모듈(B)로 유입된다. 이에 따라, 배터리 모듈(B)은 상기 배터리 냉각라인(21)으로 공급된 저온의 냉각수에 의해 효율적으로 냉각될 수 있다.

차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈(B)을 승온 시킬 경우에 대한 작동을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방모드 시에 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 3을 참조하면, 상기 냉각장치(10)는 상기 전장품(15)의 냉각을 위하여 작동된다. 또한, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 냉방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

그리고 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(B)과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제1 연결라인(52)이 각각 독립된 밀폐회로를 형성한다.

상기 제2 연결라인(62)은 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결된다.

한편, 상기 CE 모듈(40)의 상기 메인 열교환기(42)는 상기 냉각수 라인(11)을 따라 유동하는 냉각수를 이용하여 상기 냉매를 응축시킨다.

이와 동시에, 상기 서브 컨덴서(43)는 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로부터 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환하는 냉각수를 상기 압축기(48)로부터 배출된 고온의 냉매와 열교환시켜 냉각수의 온도를 상승시킨다.

이와 동시에, 상기 서브 컨덴서(43)는 냉각수와 열교환을 통해 냉매를 1차로 응축시켜 상기 메인 열교환기(42)로 공급한다.

그리고 상기 서브 팽창밸브(49)는 냉매의 팽창 없이 상기 메인 열교환기(42)로 공급할 수 있다.

그리고 상기 배터리 냉각수 라인(21)의 냉각수는 상기 제3 워터펌프(66)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21), 상기 제1 분기라인(30), 및 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환된다.

즉, 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 순환되는 냉각수는 상기 제4 밸브(V4)와 상기 제3 워터펌프(66)의 작동을 통해 상기 제2 연결라인(62)으로 유동된다.

이에 따라, 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환될 수 있다.

여기서, 상기 메인 열교환기(42)는 냉매의 응축량이 증가되도록 상기 서브 컨덴서(43)를 통과한 응축된 냉매를 상기 냉각수 라인(11)을 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 추가로 응축시킨다.

그리고 상기 내부 열교환기(44)는 냉매의 서브쿨 증대를 통해 응축량이 더욱 증가되도록 상기 메인 열교환기(42)에서 응축된 냉매를 상기 증발기(46)에서 배출되는 저온의 냉매와 열교환을 통해 추가로 응축시켜 냉매의 응축량을 증가시킨다.

또한, 상기 증발기(46)는 상기 제3 밸브(V3)와 상기 제2 워터펌프(56)의 작동을 통해 상기 제1 연결라인(52)을 따라 순환하는 냉각수를 내부에서 증발된 저온의 냉매와 열교환시킨다.

즉, 상기 CE 모듈(40)에서 상기 냉매라인(41)을 따라 순환하는 냉매는 상기 서브 컨덴서(43)를 통과하는 제2 연결라인(62)의 냉각수와 열교환을 통해 응축된다. 그런 후, 응축된 냉매는 상기 메인 열교환기(42)를 통과하는 상기 냉각수 라인(11)의 냉각수와 열교환을 통해 추가로 응축된다.

그리고 상기 내부 열교환기(44)는 냉매의 서브쿨 증대를 통해 응축량이 더욱 증가되도록 상기 메인 열교환기(42)에서 배출된 중온의 냉매를 상기 증발기(47)에서 배출되는 저온의 냉매와 열교환을 통해 추가로 응축시킨다.

한편, 상기 난방회로(60)에서 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 서브 컨덴서(43)에서 상기 압축기(48)로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환을 통해 온도가 상승된다.

상기 서브 컨덴서(43)를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제3 워터펌프(66)의 작동을 통해 상기 제2 연결라인(62)을 따라 상기 히터(64)로 공급된다.

여기서, 고온의 냉각수는 상기 제2 연결라인(62)을 통해 상기 히터(64)로 유입되지만, 외기가 상기 히터(64)를 통과하지 못하도록 미도시된 HVAC 모듈에 구비된 개폐도어가 폐쇄됨으로써, 실내 냉방이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되면서 상기 배터리 모듈(B)로 공급된다. 이에 따라, 배터리 모듈(B)은 상기 배터리 냉각라인(21)으로 공급된 고온의 냉각수에 의해 효율적으로 승온될 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈(B)과 상기 전장품(15)의 폐열 회수 시의 작동을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 전장품과 배터리 모듈에서 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.

도 4를 참조하면, 차량의 난방모드에서 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(B)의 폐열을 회수할 경우, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 난방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

상기 제1, 및 제2 분기라인(30, 32)은 상기 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 폐쇄된다. 또한, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 상기 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 연결된다.

상기 제1 연결라인(52)은 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결이 폐쇄된다.

여기서, 상기 냉방회로(50)는 상기 제2 워터펌프(66)의 작동이 정지되며, 상기 제2 연결라인(62)에는 냉각수의 유동이 중단된다.

이에 따라, 상기 팽창밸브(45)와 상기 증발기(46)는 상기 냉방회로(50)의 작동이 중단됨에 따라 작동이 정지된다.

그리고 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제2 연결라인(62)은 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성한다.

여기서, 상기 난방회로(60)에서는 상기 제3 워터펌프(66)의 작동을 통해 상기 제2 연결라인(62)을 따라 냉각수가 순환될 수 있다.

그러면, 상기 난방회로(60)에서 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 압축기(48)로부터 상기 서브 컨덴서(43)에 공급된 고온의 냉매와 열교환을 통해 온도가 상승된다.

한편, 상기 제5 밸브(V5)는 상기 제3 분기라인(34)을 개방한 상태에서, 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인(12)을 폐쇄한다.

그러면, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 밸브(V1, V2, V3, V4, V5)의 선택적인 작동에 의해 서로 연결되고, 냉각수가 순환하는 하나의 폐쇄된 회로를 형성할 수 있다.

여기서, 상기 전장품(15)에서 발생된 폐열과 상기 배터리 모듈(B)에서 발생된 폐열은 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 순환하는 냉각수의 온도를 상승시킨다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 메인 열교환기(42)를 통과하면서, 상기 메인 열교환기(42)에서 배출되는 냉매의 온도를 상승시키면서 회수된다.

여기서, 상기 메인 열교환기(42)에는 상기 서브 팽장밸브(49)의 작동을 통해 상기 서브 컨덴서(43)를 통과하면서 응축된 냉매가 팽창된 상태로 공급된다. 즉, 상기 메인 열교환기(42)는 냉매를 증발시키는 기능을 한다.

이에 따라, 상기 메인 열교환기(42)를 통과하면서 온도가 상승된 냉매는 상기 냉매라인(41)을 따라 상기 내부 열교환기(44)와 상기 팽창밸브(45)를 통과하여 상기 압축기(48)로 유입된다. 이 때, 상기 팽창밸브(45)는 냉매의 팽창 없이 상기 압축기(48)로 공급할 수 있다.

즉, 온도가 상승된 냉매는 상기 압축기(48)로 유입되고, 상기 압축기(48)에서 더 높은 온도와 압력으로 압축되어 상기 서브 컨덴서(43)로 유입된다.

한편, 상기 제2 연결라인(21)을 따라 순환되는 냉각수는 상기 서브 컨덴서(43)를 통과하면서 고온의 냉매와 열교환을 통해 그 온도가 더욱 상승된 상태로, 상기 히터(64)로 공급된다.

따라서, 미도시된 상기 HVAC 모듈로 유입되는 외기는 고온의 냉각수가 유입되는 상기 히터(64)를 통과하면서 가열되고, 온도가 상승된 상태로 차량실내로 유입됨으로써, 차량 실내를 난방할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)은 차량의 난방모드에서 상기 전장품(15), 및 상기 배터리 모듈(B)에서 발생되는 폐열원을 냉매의 온도를 상승시키는데 이용함으로써, 상기 압축기(48)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 4에는 도시되지 않았으나, 차량의 난방모드에서 상기 전장품(15)에서만 폐열을 회수할 경우, 상기 제1 분기라인(30)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄된다. 이와 동시에, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 상기 제1, 제2 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 연결이 폐쇄된다.

그러면, 냉각수는 제1 워터펌프(14)의 작동에 의해 상기 냉각수 라인(11)과 상기 제2, 및 제3 분기라인(32, 34)을 따라 순환하면서 상기 전장품(15)에서 발생된 폐열을 회수하여 온도가 상승된다. 온도가 상승된 냉각수는 상기 내부 열교환기(42)를 통과하면서 냉매와 열교환을 통해 냉매의 온도를 상승시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈(B)을 승온 시킬 경우에 대한 작동을 도 5를 통해 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면, 차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈(B)을 승온시킬 경우, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 난방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

그리고 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제2 연결라인(62)은 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 연결된다.

그러면, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 밸브(V1, V2, V3, V4, V5)의 선택적인 작동에 의해 서로 독립된 각각의 밀폐회로를 형성할 수 있다.

즉, 상기 냉각장치(10)에서는 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 개방된 상기 제2 분기라인(32)과 제3 분기라인(34)이 상기 냉각수 라인(21)과 연결되어 독립된 밀폐회로를 형성할 수 있다.

그러면 냉각수는 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 상기 냉각수 라인(11)에서 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 순환된다.

따라서, 상기 전장품(15)에서 발생된 폐열은 상기 냉각수 라인(11)을 순환하는 냉각수의 온도를 상승시킨다.

한편, 상기 제2 연결라인(21)을 따라 순환되는 냉각수는 상기 서브 컨덴서(43)를 통과하면서 고온의 냉매와 열교환을 통해 그 온도가 더욱 상승된 상태로, 상기 히터(64)로 공급될 수 있다.

그러면, 미도시된 상기 HVAC 모듈로 유입되는 외기가 상기 히터(64)로 유입된 고온의 냉각수와 열교환되면서 가열된다. 그런 후, 온도가 상승된 외기는 차량의 내부로 직접 유입됨으로써, 차량 실내를 난방할 수 있다.

여기서, 상기 히터(64)를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되면서 상기 배터리 모듈(B)로 공급된다. 이에 따라, 배터리 모듈(B)은 상기 배터리 냉각라인(21)으로 공급된 고온의 냉각수에 의해 효율적으로 승온될 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈(B)을 냉각 시킬 경우에 대한 작동을 도 6을 통해 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 난방모드 시에 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 6을 참조하면, 차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈(B)을 냉각시킬 경우, 상기 냉각장치(10)는 상기 전장품(15)의 냉각을 위하여 작동된다. 또한, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 난방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(B)과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제1 연결라인(52)이 연결된다.

그리고 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(B)과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제2 연결라인(62)이 각각 독립된 밀폐회로를 형성한다.

또한, 상기 제3 분기라인(34)은 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 폐쇄된다. 이와 동시에, 상기 제5 밸브(V5)는 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)을 개방한다.

이와 동시에, 상기 서브 컨덴서(43)는 상기 제4 밸브(V4)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로부터 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환하는 냉각수를 상기 압축기(48)로부터 배출된 고온의 냉매와 열교환 시켜 냉각수의 온도를 상승시킨다.

여기서, 저온의 냉각수는 상기 제1 연결라인(52)을 통해 상기 쿨러(54)로 유입되지만, 외기가 상기 쿨러(54)를 통과하지 못하도록 미도시된 HVAC 모듈에 구비된 개폐도어가 폐쇄됨으로써, 실내 난방이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

상기 쿨러(54)를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되면서 상기 배터리 모듈(B)로 유입된다. 이에 따라, 배터리 모듈(B)은 상기 배터리 냉각라인(21)으로 공급된 저온의 냉각수에 의해 효율적으로 냉각될 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 제습 모드에서의 작동을 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 제습 모드에 따른 작동 상태도이다.

도 7을 참조하면, 차량의 제습 모드에서 상기 냉각장치(10)는 상기 전장품(15)의 냉각을 위하여 작동된다. 또한, 상기 CE 모듈(40)은 차량 실내를 난방하기 위해 각 구성요소가 작동하여 냉매라인(41)을 따라 냉매가 순환된다.

여기서, 상기 제1, 및 제2 분기라인(30, 32)은 상기 제1, 및 제2 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 폐쇄된다.

또한, 상기 냉각수 라인(11)은 상기 제1, 및 제2 제3 밸브(V1, V2)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결된다.

상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 제1 연결라인(52)은 상기 제3 밸브(V3)의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성한다.

여기서, 상기 냉방회로(50), 및 상기 난방회로(60)에서는 상기 제2 및 제3 워터펌프(56, 66)의 작동을 통해 상기 제1 및 제2 연결라인(52, 62)을 따라 냉각수가 각각 순환될 수 있다.

상기 제3 분기라인(34)은 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 폐쇄된다. 이와 동시에, 상기 제5 밸브(V5)는 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)을 개방한다.

이에 따라, 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통하여 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 순환할 수 있다.

상기 메인 열교환기(42)는 냉매의 응축량이 증가되도록 상기 서브 컨덴서(43)를 통과한 응축된 냉매를 상기 냉각수 라인(11)을 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 추가로 응축시킨다.

또한, 상기 난방회로(60)에서 상기 제2 연결라인(62)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 서브 컨덴서(43)에서 상기 압축기(48)로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환을 통해 온도가 상승된다.

이러한 상태에서, 미도시된 HVAC 모듈에 구비된 개폐도어는 외기가 상기 쿨러(54)와 상기 히터(64)를 모두 통과하도록 개방된다.

이에 따라, 상기 HVAC 모듈로 유입된 외기는 저온의 냉각수가 유입된 쿨러(54)와, 고온의 냉각수가 유입된 상기 히터(64)를 모두 통과하면서 제습된 상태로, 차량의 실내로 유입됨으로써, 차량의 실내를 제습 하게 된다.

한편, 차량의 제습모드에서 외부의 기온이 낮을 경우에는 상기 제5 밸브(V5)의 작동을 통해 폐쇄되었던 상기 제3 분기라인(34)이 개방되고, 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄될 수 있다.

그리고 차량의 냉방 또는 난방모드가 중지된 상태에서, 상기 배터리 모듈(B)의 승온 시의 작동을 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 차량의 냉방 또는 난방모드가 작동되지 않을 경우, 배터리 모듈을 승온시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 8을 참조하면, 차량의 냉방 또는 난방모드가 작동되지 않은 상태에서, 상기 배터리 모듈(B)을 승온시킬 경우, 상기 CE 모듈(40)은 가동이 중단되고, 이로 인해 냉매의 순환이 정지된다.

상기 제1, 및 제2 연결라인(52, 62)은 상기 제3, 및 제4 밸브(V3, V4)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결이 폐쇄된다.

여기서, 상기 냉방회로(50)와 상기 난방회로(60)는 상기 제2, 및 제3 워터펌프(54, 64)의 작동이 정지된다. 따라서, 상기 제1, 및 제2 연결라인(52, 62)에는 냉각수의 유동이 중단된다.

그리고 상기 제5 밸브(V5)는 상기 제3 분기라인(34)을 개방한 상태에서, 상기 전장품(15)과 상기 라디에이터(12)를 연결하는 상기 냉각수 라인(12)을 폐쇄한다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)과 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 순환하면서 상기 배터리 모듈(B)을 통과하게 된다. 이에 따라, 배터리 모듈(B)은 상기 배터리 냉각라인(21)으로 공급된 고온의 냉각수에 의해 효율적으로 승온될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트 펌프 시스템(1)을 적용하면, 냉매의 응축 및 증발 시에 냉매로부터 발생하는 열에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키고, 열교환된 저온 또는 고온의 냉각수를 각각 이용하여 차량의 실내온도를 조절함으로써, 시스템을 간소화하고, 냉매가 순환하는 연결배관의 레이아웃을 간소화시킬 수 있다.

또한, 상기 히트 펌프 시스템(1)은 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(B)의 폐열을 이용하여 차량의 난방효율을 향상시키고, 상기 배터리 모듈(B)의 최적 성능이 발휘되도록 배터리 모듈의 효율적인 온도조절을 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 냉매의 응축 및 증발을 통해 열 에너지를 생성하는 CE모듈(Centralized Energy Module : 40)을 패키지화하고, 고성능의 R152-a 또는 R744 냉매를 사용함에 따라, 사이즈 및 중량을 줄일 수 있고, 종래 에어컨 수단에 비해 소음 ,진동, 및 작동 불안정 발생을 방지할 수 있다.

또한, 상기 CE 모듈(40)에서 냉매의 응축량이 증대되도록 냉각수와 냉매를 2차로 열교환시켜 응축하는 서브 컨덴서(44)와, 저온의 냉매와 응축된 냉매를 열교환시켜 응축하는 서브 열교환기(45)를 함께 구성함으로써, 냉매의 서브쿨 증가를 도모하여 냉방성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 CE 모듈에서 냉매의 응축량이 증대되도록 서브 컨덴서(43)와 내부 열교환기(44)를 함께 구성함으로써, 냉매의 서브쿨 증가를 도모하여 냉방성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1 : 히트펌프 시스템
10 : 냉각장치
11 : 냉각수 라인
12 : 라디에이터
13 : 쿨링팬
14 : 제1 워터펌프
15 : 전장품
19 : 리저버 탱크
21 : 배터리 냉각수 라인
30, 32, 34 : 제1, 제2, 및 제3 분기라인
40 : CE 모듈
41 : 냉매라인
42 : 메인 열교환기
43 : 서브 컨덴서
44 : 내부 열교환기
45 : 팽창밸브
46 : 증발기
47 : 어큐뮬레이터
48 : 압축기
49 : 서브 팽창밸브
50 : 냉방회로
52 : 제1 연결라인
54 : 쿨러
56 : 제2 워터펌프
60 : 난방회로
62 : 제2 연결라인
64 : 히터
66 : 제3 워터펌프
B : 배터리 모듈
V1, V2, V3, V4, V5 : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 밸브

Claims

냉각수 라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하고, 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치;
상기 냉각수 라인과 제1 밸브를 통해 선택적으로 연결되는 배터리 냉각수 라인에 구비되는 배터리 모듈;
상기 배터리 냉각수 라인과 제3 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 냉방하도록 제1 연결라인이 구성되고, 상기 제1 연결라인에 구비되는 제2 워터펌프와 쿨러를 포함하는 냉방회로;
상기 배터리 냉각수 라인과 제4 밸브를 통해 연결되며, 독립된 밀폐회로를 형성하여 차량실내를 난방하도록 제2 연결라인이 구성되고, 상기 제2 연결라인에 구비되는 제3 워터펌프와 히터를 포함하는 난방회로; 및
상기 냉방회로에는 저온의 냉각수를 공급하고, 상기 난방회로에는 고온의 냉각수를 공급하기 위하여 상기 냉각수 라인, 상기 제1, 및 제2 연결라인에 각각 연결되며, 내부를 순환하는 냉매의 응축 및 증발 시에 발생하는 열 에너지를 냉각수와 선택적으로 열교환시키는 CE 모듈(Centralized Energy Module);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉각장치는
상기 냉각수 라인을 순환하는 냉각수를 이용해 전장품을 냉각시키거나 상기배터리 모듈을 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 CE 모듈은
상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 냉각수 라인에 구비되며, 냉매를 응축 또는 증발시키는 메인 열교환기;
상기 메인 열교환기와 냉매라인을 통해 연결되는 팽창밸브;
상기 팽창밸브와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 냉방회로에서 상기 제1 연결라인을 순환하는 냉각수를 냉각하도록 상기 제1 연결라인에 구비되는 증발기; 및
상기 증발기와 상기 메인 열교환기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 압축기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제3항에 있어서,
상기 증발기와 상기 압축기의 사이에서 상기 냉매라인에는
내부 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 내부 열교환기에는
상기 메인 열교환기와 상기 팽창밸브를 연결하는 상기 냉매라인과, 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 상기 냉매라인이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제5항에 있어서,
상기 내부 열교환기는
상기 메인 열교환기가 냉매를 응축할 경우, 상기 메인 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 증발기로부터 배출되는 저온의 냉매와 열교환시켜 냉매를 추가로 응축시키고, 상기 팽창밸브로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 밸브는 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인을 선택적으로 연결하고,
상기 제3 밸브와 상기 제4 밸브는 상기 배터리 모듈을 사이에 두고, 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되며, 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 및 제2 연결라인을 각각 선택적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제3항에 있어서,
상기 CE 모듈은
상기 메인 열교환기와 상기 압축기의 사이에서 상기 압축기와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 난방회로에서 상기 제2 연결라인을 순환하는 냉각수를 가열하도록 상기 제2 연결라인에 구비되는 서브 컨덴서; 및
상기 서브 컨덴서와 상기 메인 열교환기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 서브 팽창밸브;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 배터리 냉각수 라인에는 상기 제1 밸브를 통해 상기 배터리 모듈을 상기 냉방회로 및 상기 난방회로와 연결하고, 상기 냉각장치와의 연결을 폐쇄하는 제1 분기라인이 구비되며,
상기 냉각수 라인에는 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 냉각수 라인을 분리하는 제2 분기라인이 구비되고,
전장품과 상기 라디에이터 사이를 연결하는 상기 냉각수 라인에는 제5 밸브를 통해 상기 라디에이터와 상기 제1 워터펌프 사이의 상기 냉각수 라인과 연결되는 제3 분기라인이 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 냉방모드에서 상기 전장품과 함께 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우,
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인이 상기 제1 연결라인과 연결되고,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결이 폐쇄되며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 컨덴서와 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제10항에 있어서,
상기 증발기는 상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인으로부터 상기 제1 연결라인을 따라 순환하는 냉각수를 내부에서 증발된 저온의 냉매와 열교환을 통해 냉각시키고,
상기 증발기를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 제1 연결라인을 따라 상기 쿨러에 공급되며,
상기 쿨러를 통과한 저온의 냉각수는 상기 제3 밸브의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되어 상기 배터리 모듈을 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제10항에 있어서,
상기 냉각장치에서는
개방된 상기 제2 분기라인이 상기 냉각수 라인과 연결되어 독립된 밀폐회로를 형성하고, 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 순환되면서 상기 전장품을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결되며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기와 상기 서브 컨덴서가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제13항에 있어서,
상기 서브 컨덴서는 상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인으로부터 상기 제2 연결라인을 따라 순환하는 냉각수를 상기 압축기로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환시켜 가열하고,
상기 서브 컨덴서를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 제2 연결라인을 따라 상기 히터로 공급되며,
상기 히터를 통과한 고온의 냉각수는 상기 제4 밸브의 작동을 통해 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되어 상기 배터리 모듈을 승온시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈과 상기 전장품의 폐열을 회수할 경우에는
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 폐쇄되고,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되고,
상기 난방회로에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 제2 연결라인을 따라 냉각수가 순환되며,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 팽창밸브와 상기 증발기의 작동이 정지되고, 상기 서브 팽창밸브가 작동하여 상기 서브 컨덴서를 통과한 냉매를 팽창시켜 상기 메인 열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제15항에 있어서,
상기 전장품과 상기 배터리 모듈에서 발생된 폐열은 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 온도를 상승시키고,
온도가 상승된 냉각수는 상기 메인 열교환기를 통과하는 냉매의 온도를 상승시키면서 회수되며,
상기 난방회로에서는 상기 제2 연결라인을 따라 순환하는 냉각수가 상기 서브 컨덴서에서 상기 압축기로부터 공급된 고온의 냉매와 열교환을 통해 가열된 상태로 상기 히터에 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는,
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인의 연결이 폐쇄되고,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인의 연결되며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되고,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 팽창밸브와 상기 증발기의 작동이 정지되고, 상기 서브 팽창밸브가 작동하여 상기 서브 컨덴서를 통과한 냉매를 팽창시켜 상기 메인 열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 난방모드에서 상기 배터리 모듈을 냉각시킬 경우에는,
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제2 분기라인이 개방되며, 개방된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 모듈과 연결된 상기 배터리 냉각수 라인이 상기 제1 연결라인과 연결되고,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되며, 상기 메인 열교환기와 상기 서브 컨덴서가 냉매를 응축시키고, 상기 서브 팽창밸브의 작동이 정지되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제9항에 있어서,
차량의 제습 모드에서는
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며,
상기 제3 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고,
상기 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제2 연결라인이 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인은 폐쇄되고,
상기 냉방회로와 상기 난방회로에서는 상기 제2, 및 제3 워터펌프의 작동을 통해 제1, 및 제2 연결라인을 따라 냉각수가 각각 순환되고,
상기 CE 모듈에서는 냉매가 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제19항에 있어서,
차량의 제습모드에서 외부의 기온이 낮을 경우에는
상기 제5 밸브의 작동을 통해 폐쇄되었던 상기 제3 분기라인이 개방되고, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제8항에 있어서,
차량의 냉방 또는 난방모드가 중지된 상태에서, 상기 전장품의 폐열을 이용하여 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우에는
상기 CE 모듈에서 냉매의 순환이 정지되고,
상기 제1 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 제2 분기라인이 폐쇄되며, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 폐쇄된 상기 제1, 및 제2 분기라인에 의해 상호 연결되며,
상기 제3, 및 제4 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 제1 및 제2 연결라인의 연결이 폐쇄되고,
상기 제5 밸브의 작동을 통해 상기 제3 분기라인이 개방된 상태에서, 상기 전장품과 상기 라디에이터를 연결하는 상기 냉각수 라인이 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제9항에 있어서,
상기 라디에이터와 상기 메인 열교환기 사이에는 상기 제3 분기라인과 연결되는 리저버 탱크가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1, 및 제5 밸브는 3- Way 밸브이고,
제3, 및 제4 밸브는 4- Way 밸브인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제8항에 있어서,
상기 메인 열교환기, 상기 서브 컨덴서, 및 상기 증발기는
내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 CE 모듈에서 순환하는 냉매는 R152-a 또는 R744 또는 R290 냉매인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 전장품은 모터, 또는 전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU), 또는 충전기(On Board Charger, OBC)를 포함하며,
상기 모터와 상기 전력제어장치는 주행 중에 발열되고, 상기 충전기는 상기 배터리 모듈을 충전할 경우 발열되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.