KR20210013425A - 차량용 공조시스템 - Google Patents

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신기영
정대익
장승혁
권동호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에서는 냉난방 공기를 공급하는 공기유로를 변경시켜 전기차량의 복잡한 구성의 냉각수회로 및 폐열을 회수하기 위한 별도의 히트펌프 시스템이 대체되고, 공조장치가 엔진룸에 위치되어 실내공간이 확보된다. 이로 인해, 복잡한 냉각라인이 회피되고 밸브 구성이 최소화되어 원가 및 중량이 과다해지는 것이 방지되는 차량용 공조시스템이 소개된다.

Description

차량용 공조시스템 {HVAC SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명은 실내 공조와 배터리의 냉난방에 필요한 에너지를 효율적으로 관리하여 주행거리 연장이 가능한 차량용 공조시스템에 관한 것이다.
최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기자동차이다. 전기자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동한다. 따라서, 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경 자동차로 각광받고 있다.
이런 전기자동차를 구현함에 있어 핵심기술은 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다. 그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어려운 실정이다.
또한, 전기자동차는 내연기관처럼 별도의 엔진에서 연소시 발생되는 폐열원이 없어 전기식 난방장치로 겨울철 차량 실내난방을 수행하고, 또한 혹한기 시 배터리 충방전 성능을 향상시키기 위해 웜업이 필요하므로, 별도의 냉각수 가열식 전기 히터를 각각 구성하여 사용한다. 즉, 배터리 모듈의 최적의 온도환경 유지를 위해 배터리 모듈 온도조절을 위한 냉난방 시스템을 차량 실내 공조를 위한 냉난방 시스템과는 별도로 운용하는 기술을 채택하고 있다. 다시 말하면, 독립된 2개의 냉난방 시스템을 구축하여 하나는 실내 냉난방에 사용하고, 다른 하나는 배터리 모듈 온도조절을 위한 용도로 활용하고 있는 것이다.
그러나 이와 같은 방법으로 운영하는 경우 에너지를 효율적으로 관리하지 못하므로, 항속거리가 짧아 장거리 운행이 불가하다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2014-0077064 A (2014.06.23.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 냉난방 공기를 공급하는 공기유로를 변경시켜 전기차량의 복잡한 구성의 냉각수회로 및 폐열을 회수하기 위한 별도의 히트펌프 시스템이 대체되고, 공조장치가 엔진룸에 위치되어 실내공간이 확보된다. 이로 인해, 복잡한 냉각라인이 회피되고 밸브 구성이 최소화되어 원가 및 중량이 과다해지는 것이 방지되는 차량용 공조시스템을 제공하는데 그 목적이 있다
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 공조시스템은 냉매가 순환되는 증발기, 압축기, 컨덴서로 구성된 냉매라인; 내부 공기유로 상에 증발기와 컨덴서가 배치되고, 도어의 제어를 통해 증발기 또는 컨덴서를 통과한 공기가 실내 또는 실외로 토출되는 실내공조장치; 실내공조장치의 공기유로 상에서 컨덴서에 인접하여 배치되며 컨덴서와 열교환되도록 마련된 제1열교환부; 실내공조장치의 공기유로 상에서 증발기에 인접하여 배치되며 증발기와 열교환되도록 마련된 제2열교환부; 및 제1열교환부와 제2열교환부에 냉각수가 순환되도록 하는 냉각수라인;를 포함한다.
실내공조장치는, 컨덴서와 제1열교환부가 배치되고 제1도어가 마련되며 컨덴서를 통과하여 승온된 공기가 유통되는 제1공기유로와, 증발기와 제2열교환부가 배치되고 제2도어가 마련되며 증발기를 통과하여 냉각된 공기가 유통되는 제2공기유로로 구성된 것을 특징으로 한다.
컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로 내부에 배치되고, 증발기와 제2열교환부는 제2공기유로 내부에 배치된 것을 특징으로 한다.
컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로를 통과하는 공기가 제1열교환부 이후 컨덴서를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달되며, 증발기와 제2열교환부는 제2공기유로를 통과하는 공기가 제2열교환부 이후 증발기를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달되는 것을 특징으로 한다.
컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로를 통과하는 공기가 제1열교환부 이후 컨덴서를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉되며, 증발기와 제2열교환부는 제2공기유로를 통과하는 공기가 제2열교환부 이후 증발기를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉된 것을 특징으로 한다.
컨덴서는 제1공기유로 내부에 배치되고, 제1열교환부는 제1공기유로 외부에서 컨덴서와 열교환되도록 마련되며, 증발기는 제2공기유로 내부에 배치되고, 제2열교환부는 제2공기유로 외부에서 증발기와 열교환되도록 마련된 것을 특징으로 한다.
컨덴서는 제1열교환부와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달되고, 증발기는 제2열교환부와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달되는 것을 특징으로 한다.
냉각수라인에는 수가열히터가 더 구성되고, 냉각수라인에서 분기되어 제1열교환부와 제2열교환부로 분기되며 제3열교환부, 배터리, 제1열교환부 또는 제2열교환부의 냉각수 흐름을 전환하는 제1밸브가 구성된 배터리승온라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
냉매라인에서 분기되어 제3열교환부와 열교환되도록 연결되고, 제3열교환부의 냉매 흐름을 전환하는 제2밸브가 구성된 배터리냉각라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
배터리의 온도, 실내공기의 토출온도 정보를 수집하고, 배터리의 온도, 실내공기의 토출온도 정보에 따른 동작모드에 따라 수가열히터, 제1밸브, 제2밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 난방모드가 수행되는 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브와 제2밸브가 폐쇄 동작되도록 하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 배터리승온모드가 수행되는 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제1열교환부와 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 폐쇄 동작된 것을 특징으로 한다.
제어부는 배터리승온모드 대비 온도가 낮은 마일드승온모드일 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 폐쇄 동작된 것을 특징으로 한다.
제어부는 냉방모드의 경우 수가열히터가 미동작되고, 제1밸브와 제2밸브가 폐쇄 동작되도록 하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 배터리냉각모드의 경우 수가열히터가 미동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 개방 동작되도록 하는 것을 특징으로 한다.
제1도어와 제2도어는 제어부에 의해 개폐 제어되며, 제어부는 난방모드일 경우 제1도어가 개방되고 제2도어가 폐쇄되며, 냉방모드일 경우 제1도어가 폐쇄되고 제2도어가 개방되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 공조시스템은 냉난방 공기를 공급하는 공기유로를 변경시켜 전기차량의 복잡한 구성의 냉각수회로 및 폐열을 회수하기 위한 별도의 히트펌프 시스템이 대체되고, 공조장치가 엔진룸에 위치되어 실내공간이 확보된다. 이로 인해, 복잡한 냉각라인이 회피되고 밸브 구성이 최소화되어 원가 및 중량이 과다해지는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 공조시스템의 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제1실시예를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제2실시예를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제3실시예를 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 난방모드를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 배터리승온모드를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 마일드승온모드를 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 냉방모드를 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 배터리냉각모드를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 공조시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 공조시스템의 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제1실시예를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제2실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템에 따른 실내공조장치의 제3실시예를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 난방모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 배터리승온모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 마일드승온모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 냉방모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 도 1에 도시된 차량용 공조시스템의 배터리냉각모드를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 차량용 공조시스템은 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 냉매가 순환되는 증발기(11), 압축기(12), 컨덴서(13)로 구성된 냉매라인(10); 내부 공기유로 상에 증발기(11)와 컨덴서(13)가 배치되고, 도어의 제어를 통해 증발기(11) 또는 컨덴서(13)를 통과한 공기가 실내 또는 실외로 토출되는 실내공조장치(20); 실내공조장치(20)의 공기유로 상에서 컨덴서(13)에 인접하여 배치되며 컨덴서(13)와 열교환되도록 마련된 제1열교환부(31); 실내공조장치(20)의 공기유로 상에서 증발기(11)에 인접하여 배치되며 증발기(11)와 열교환되도록 마련된 제2열교환부(32); 및 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)에 냉각수가 순환되도록 하는 냉각수라인(30);를 포함한다.
보다 상세하게, 냉매라인(10)에는 팽창밸브(14)가 구비되고, 냉각수라인(30)에는 수가열히터(33)가 마련되며, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 열교환되고 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 열교환됨에 따라 냉매라인(10)을 순환하는 냉매와 냉각수라인(30)을 순환하는 냉각수의 열전달을 통해 공조 효율성이 향상되도록 한다.
즉, 실내의 난방 또는 냉방 상황시, 냉매라인(10)의 냉매와 냉각수라인(30)의 냉각수가 열교환되어 냉매의 온도가 조절됨으로써, 압축기(12)의 구동량을 크게 확보하지 않더라도 컨덴서(13)에 의한 난방공기 또는 증발기(11)에 의한 냉방공기 생성을 효율적으로 수행할 수 있다.
특히, 실내에 난방 또는 냉방 공기를 제공하는 증발기(11)와 컨덴서(13)가 실내공조장치(20)에 배치되고, 실내공조장치(20)에 구비된 도어의 제어를 통해 증발기(11) 또는 컨덴서(13)를 통과한 공기가 실내 또는 실외로 토출되도록 구성된다. 즉, 실내공조장치(20)의 공기유로에 컨덴서(13)와 증발기(11)가 각기 마련되고, 도어의 제어를 통해 컨덴서(13)를 통과한 난방공기 또는 증발기(11)를 통과한 냉방공기가 실내에 토출되도록 할 수 있다. 이렇게, 냉매라인(10) 및 냉각수라인(30)에 따른 공조장치들이 엔진룸에 위치된 상태에서 실내공조장치(20)의 공기유로를 변경하여 냉난방 공기가 실내로 유입되도록 함으로써, 실내 공간이 확보된다.
본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 실내공조장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 배치되고 제1도어(22)가 마련되며 컨덴서(13)를 통과하여 승온된 공기가 유통되는 제1공기유로(21)와, 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 배치되고 제2도어(26)가 마련되며 증발기(11)를 통과하여 냉각된 공기가 유통되는 제2공기유로(25)로 구성될 수 있다.
이렇게, 실내공조장치(20)는 제1공기유로(21)와 제2공기유로(25)로 구획되며, 제1공기유로(21)와 제2공기유로(25)는 엔진룸측으로 경로가 변경되어 컨덴서(13)와 증발기(11)를 통해 온도조절된 공조공기를 실내측으로 유입되도록 구성된다. 여기서, 제1공기유로(21)에는 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 배치되고, 제1블로워(23)를 통해 공기가 유통되며, 제1도어(22)의 개폐 여부에 따라 온도조절된 공기가 실내 또는 실외로 토출된다. 제2공기유로(25)에는 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 배치되고, 제2블로워(27)를 통해 공기가 유통되며, 제2도어(26)의 개폐 여부에 따라 온도조절된 공기가 실내 또는 실외로 토출된다. 또한, 제1공기유로(21)와 제2공기유로(25)에는 불술물의 유입을 방지하기 위한 필터(29)가 마련될 수 있다.
이로 인해, 제1공기유로(21)에는 컨덴서(13)를 통해 온도가 상승된 난방공기가 유통되며, 제2공기유로(25)에는 증발기(11)를 통해 온도가 하강된 냉방공기가 유통될 수 있다.
상술한 실내공조장치(20)는 다양한 실시 형태로 적용될 수 있다.
일실시예로서, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)는 제1공기유로(21) 내부에 배치되고, 증발기(11)와 제2열교환부(32)는 제2공기유로(25) 내부에 배치될 수 있다.
즉, 제1공기유로(21) 내부에 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)에 마련됨으로써 제1공기유로(21)를 통과하는 공기는 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)에 영향을 받아 온도가 조절되고, 제2공기유로(25) 내부에 증발기(11)와 제2열교환부(32)에 마련됨으로써 제2공기유로(25)를 통과하는 공기는 증발기(11)와 제2열교환부(32)에 영향을 받아 온도가 조절된다.
이는, 도 3에 도시된 바와 같이, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)는 제1공기유로(21)를 통과하는 공기가 제1열교환부(31) 이후 컨덴서(13)를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달되며, 증발기(11)와 제2열교환부(32)는 제2공기유로(25)를 통과하는 공기가 제2열교환부(32) 이후 증발기(11)를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달될 수 있다.
이렇게, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)는 열교환 가능하도록 마련되되 서로 이격되어 대류 열전달됨에 따라 제1공기유로(21) 내에서 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)의 배치 자유도가 확보된다. 또한, 증발기(11)와 제2열교환부(32)도 서로 이격되어 대류 열전달됨에 따라 제2공기유로(25) 내에서 배치 자유도가 확보된다. 또한, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31), 증발기(11)와 제2열교환부(32)는 각각 이격되도록 배치됨에 따라 공기유통에 의한 건조효율이 증가된다.
한편, 도 2에서 볼 수 있듯이, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)는 제1공기유로(21)를 통과하는 공기가 제1열교환부(31) 이후 컨덴서(13)를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉되며, 증발기(11)와 제2열교환부(32)는 제2공기유로(25)를 통과하는 공기가 제2열교환부(32) 이후 증발기(11)를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉될 수 있다.
이렇게, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 서로 접촉되고, 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 서로 접촉되어 각각 전도 열전달됨으로써, 열전도 효율이 확보되도록 할 수 있다. 또한, 제1공기유로(21) 또는 제2공기유로(25)를 통과하는 공기가 컨덴서(13)와 제1열교환부(31) 또는 증발기(11)와 제2열교환부(32)를 통과함에 따라, 공기의 온도조절량을 크게 확보할 수 있다. 또한, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 서로 접촉되고, 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 서로 접촉되도록 구성되어 크기가 축소되고 레이아웃상으로 유리하다.
한편, 다른 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 컨덴서(13)는 제1공기유로(21) 내부에 배치되고, 제1열교환부(31)는 제1공기유로(21) 외부에서 컨덴서(13)와 열교환되도록 마련되며, 증발기(11)는 제2공기유로(25) 내부에 배치되고, 제2열교환부(32)는 제2공기유로(25) 외부에서 증발기(11)와 열교환되도록 마련될 수 있다.
여기서, 컨덴서(13)는 제1열교환부(31)와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달되고, 증발기(11)는 제2열교환부(32)와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달됨으로써, 컨덴서(13)와 제1열교환부(31)가 서로 접촉되고, 증발기(11)와 제2열교환부(32)가 서로 접촉되어 전도 열전달됨으로써, 열전도 효율이 확보될 수 있다.
즉, 제1공기유로(21) 내부에는 컨덴서(13)만 마련되고 제1열교환부(31)는 제1공기유로(21) 외부에서 컨덴서(13)와 열교환됨으로써, 제1공기유로(21)를 통과하는 공기는 컨덴서(13)의 영향을 받아 온도가 조절된다. 또한, 제2공기유로(25) 내부에는 증발기(11)만 마련되고 제2열교환부(32)는 제2공기유로(25) 외부에서 증발기(11)와 열교환됨으로써, 제2공기유로(25)를 통과하는 공기는 증발기(11)의 영향을 받아 온도가 조절된다.
이렇게, 제1공기유로(21)에서 컨덴서(13)만이 공기의 온도를 조절하고, 제2공기유로(25)에서 증발기(11)만이 공기의 온도를 조절함으로써, 난방공기 또는 냉방공기의 온도 조절이 단순화된다. 또한, 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)의 배치 자유도가 확보된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수라인(30)에는 수가열히터(33)가 더 구성되어 냉각수라인(30)을 순환하는 냉각수의 온도를 상승 조절할 수 있다.
또한, 냉각수라인(30)에서 분기되어 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)로 분기되며 제3열교환부(41), 배터리(42), 제1열교환부(31) 또는 제2열교환부(32)의 냉각수 흐름을 전환하는 제1밸브(43)가 구성된 배터리승온라인(40);을 더 포함할 수 있다.
즉, 배터리승온라인(40)에는 냉각수라인(30)의 냉각수가 순환되며, 제3열교환부(41), 배터리(42)가 마련되어 냉각수의 영향을 받아 배터리(42)의 온도 조절이 가능하다. 이와 더불어, 배터리승온라인(40)의 경우 냉각수라인(30)에서 분기되어 연장되고, 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)로 다시 분기되도록 연장되며, 제1밸브(43)에 의해 냉각수 흐름이 전환됨으로써, 배터리승온라인(40)을 순환하는 냉각수의 경로에 따라 배터리(42)의 세분화된 온도 조절이 가능하다.
또한, 냉매라인(10)에서 분기되어 제3열교환부(41)와 열교환되도록 연결되고, 제3열교환부(41)의 냉매 흐름을 전환하는 제2밸브(51)가 구성된 배터리냉각라인(50);을 더 포함한다. 이렇게, 배터리냉각라인(50)이 냉매라인(10)에서 분기되어 제3열교환부(41)와 열교환되도록 구성됨에 따라 냉매라인(10)을 순환하는 냉매와 냉각수라인(30)을 순환하는 냉각수 간의 열교환이 이루어질 수 있다. 이로 인해, 냉매라인(10)을 순환하는 냉매를 통해 냉각수를 냉각하고, 온도가 저하된 냉각수에 의한 배터리(42)의 냉각이 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 도 1에서 볼 수 있듯이, 증발기(11), 압축기(12), 컨덴서(13), 팽창밸브(14)가 구성된 냉매라인(10)과, 제1열교환부(31), 워터펌프(34), 수가열히터(33), 제2열교환부(32)가 구성된 냉각수라인(30)이 구비된다. 여기서, 배터리승온라인(40)의 경우 일단이 냉각수라인(30)에서 수가열히터(33) 이후에 연결되고 타단이 분기되어 각각 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)로 연장되어 연결된다. 배터리냉각라인(50)은 일단이 냉매라인(10)에서 압축기(12) 이전에 연결되고 제3열교환부(41)를 통과하여 팽창밸브 이전에 연결되도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 냉방, 난방, 배터리의 온도조절에 따른 각종 모드의 구현이 가능하다.
여기서, 제1열교환부(31)는 히터코어로 구성되고, 제2열교환부(32)는 흡열원으로서 코어로 구성될 수 있으며, 제3열교환부(41)는 배터리칠러로 구성될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 제어는 하기와 같이 수행될 수 있다.
이를 위해, 배터리(42)의 온도, 실내공기의 토출온도 정보를 수집하고, 배터리(42)의 온도, 실내공기의 토출온도 정보에 따른 동작모드에 따라 수가열히터(33), 제1밸브(43), 제2밸브(51)를 제어하는 제어부(60);를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어부(60)는 각종 온도센서를 통해 배터리(42)의 온도와 실내공기의 토출온도 정보를 수집할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어부(60)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
한편, 제1도어(22)와 제2도어(26)는 제어부(60)에 의해 개폐 제어되며, 제어부는 난방모드일 경우 제1도어(22)가 개방되고 제2도어(26)가 폐쇄되며, 냉방모드일 경우 제1도어(22)가 폐쇄되고 제2도어(26)가 개방되도록 할 수 있다.
이에 따른 제어부(60)의 제어에 대해서 구체적으로 설명하면, 제어부(60)는 난방모드가 수행되는 경우 수가열히터(33)가 동작되고, 제1밸브(43)와 제2밸브(51)가 폐쇄 동작되도록 할 수 있다.
여기서, 난방모드는 실내에 난방 공기가 토출되는 조건으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 수가열히터(33)가 동작되도록 하여 냉각수라인(30)의 냉각수 온도가 상승되도록 하고, 제1밸브(43)와 제2밸브(51)는 폐쇄 동작되도록 하여 배터리(42)의 온도에 영향이 가지 않도록 한다. 이렇게, 수가열히터(33)가 동작됨에 따라 온도가 상승된 냉각수가 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)를 순환한다. 즉, 제2열교환부(32)가 증발기(11)를 통해 열을 전달하여 압축기(12)로 전달되는 냉매의 온도가 상승됨에 따라 압축기(12)를 통해 상승되는 냉매의 온도가 추가 상승되고, 이에 따른 영향으로 컨덴서(13)에도 고온의 냉매가 확보되어 컨덴서(13)를 통한 공기의 온도 상승이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다.
이때, 실내공조장치(20)의 제1도어(22)는 개방되고 제2도어(26)는 폐쇄되어, 난방공기가 실내로 토출되고, 냉방공기는 실외로 토출되도록 한다.
한편, 제어부(60)는 배터리승온모드가 수행되는 경우 수가열히터(33)가 동작되고, 제1밸브(43)가 개방 동작되어 냉각수가 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)에 이동되도록 하며, 제2밸브(51)가 폐쇄 동작되도록 할 수 있다.
여기서, 배터리승온모드는 초기 시동 상황 등 배터리(42)의 온도 상승이 요구되는 조건으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 제어부는 수가열히터(33)가 동작되도록 하여 냉각수라인(30)의 냉각수 온도가 상승되도록 하고, 제1밸브(43)가 개방 동작되어 배터리승온라인(40)에 냉각수가 순환함에 따라 배터리(42)의 온도가 승온되도록 할 수 있다. 여기서, 제1밸브(43)는 배터리승온라인(40)을 순환하는 냉각수가 제1열교환부(31)와 제2열교환부(32)에 모두 순환되도록 함으로써, 난방모드와 동시 구현이 가능하다.
이때, 제어부(60)는 배터리승온모드만 수행되는 경우 제1도어(22)와 제2도어(26)가 모두 폐쇄되도록 하여 난방공기와 냉방공기가 모두 실외로 토출되도록 하며, 난방모드가 함께 수행되는 경우 제1도어(22)는 개방되도록 하여 난방공기가 실내로 토출되도록 한다.
한편, 제어부(60)는 배터리승온모드 대비 온도가 낮은 마일드승온모드일 경우 수가열히터(33)가 동작되고, 제1밸브(43)가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부(32)에 이동되도록 하며, 제2밸브(51)가 폐쇄 동작되도록 할 수 있다.
여기서, 마일드승온모드는 배터리(42)의 온도가 어느 정도 상승된 상황으로서, 도 7에 도시된 바와 같이 제어부는 수가열히터(33)가 동작되도록 하여 냉각수의 온도가 상승되도록 하고, 제1밸브(43)가 개방 동작되어 배터리(42)로 냉각수가 흐름에 따라 배터리(42)의 온도가 상승된다. 또한, 냉각수가 제1열교환부(31)를 통과하지 않음에 따라 컨덴서(13)는 제1열교환부(31)를 통해 열을 빼앗기지 않으며, 제2열교환부(32)가 증발기(11)를 통해 냉각수의 열을 전달하여 압축기(12)로 전달되는 냉매의 온도가 상승됨에 따라 압축기(12)를 통해 상승되는 냉매의 온도가 추가 상승되고, 이에 따른 영향으로 컨덴서(13)에도 고온의 냉매가 확보되어 컨덴서(13)를 통한 공기의 온도 상승이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다. 즉, 히트펌프의 성능이 극대화되는 것으로, 난방공기의 온도 상승에 효과적이다.
한편, 제어부(60)는 냉방모드의 경우 수가열히터(33)가 미동작되고, 제1밸브(43)와 제2밸브(51)가 폐쇄 동작되도록 할 수 있다.
여기서, 냉방모드는 실내에 냉방 공기가 토출되는 조건으로서, 도 8에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 수가열히터(33)가 미동작되도록 하고 제1밸브(43)와 제2밸브(51)가 폐쇄되도록 하여 배터리(42) 온도에 영향이 가지 않도록 한다. 특히, 냉매라인(10)을 순환하는 냉매는 컨덴서(13)를 통해 온도가 저하될 때, 제1열교환부(31)가 컨덴서(13)의 열을 빼앗음에 따라 냉매의 온도가 더욱 크게 감소되고, 증발기(11)에서는 제2열교환부(32)가 열을 빼앗음에 따라 증발기(11)를 통한 냉방공기 생성 효율이 증가된다.
이렇게, 컨덴서(13)에 결합된 제1열교환부(31)가 활용되어 컨덴서(13)의 방열 면적이 증대되는 효과가 발생됨에 따라 냉방 성능이 향상된다.
이때, 실내공조장치(20)의 제1도어(22)는 폐쇄되고 제2도어(26)는 개방되어, 냉방공기가 실내로 토출되고, 난방공기는 실외로 토출되도록 한다
한편, 제어부(60)는 배터리냉각모드의 경우 수가열히터(33)가 미동작되고, 제1밸브(43)가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부(32)에 이동되도록 하며, 제2밸브(51)가 개방 동작되도록 할 수 있다.
여기서, 배터리냉각모드는 배터리(42)의 냉각이 요구되는 조건으로서, 도 9에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 수가열히터(33)가 미동작되도록 하고 제1밸브(43)가 개방 동작되도록 하여 배터리승온라인(40)에 냉각수가 유통되며, 제2밸브(51)가 개방 동작됨에 따라 제3열교환부(41)와 냉매가 열교환되도록 한다.
즉, 냉매라인(10)에서 증발기(11)를 통과함에 따라 온도가 저하된 냉매는 제2밸브(51)가 개방 동작됨에 따라 배터리냉각라인(50)을 통해 제3열교환부(41)로 이동되고, 냉각수라인(30)의 냉각수는 제3열교환부(41)를 통해 냉매와 열교환되어 온도가 저하된다. 이렇게 온도가 저하된 냉각수가 냉각수라인(30)을 순환하여 배터리(42)에 공급됨으로써, 배터리(42)의 냉각이 수행될 수 있다. 이때, 제1밸브(43)의 경우 개방 동작되되 냉각수가 제2열교환부(32)로만 순환되도록 함으로써, 열을 흡수하는 제1열교환부(31)를 통해 냉각수의 온도가 상승되지 않도록 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 공조시스템은 냉난방 공기를 공급하는 공기유로를 변경시켜 전기차량의 복잡한 구성의 냉각수회로 및 폐열을 회수하기 위한 별도의 히트펌프 시스템이 대체되고, 공조장치가 엔진룸에 위치되어 실내공간이 확보된다. 이로 인해, 복잡한 냉각라인이 회피되고 밸브 구성이 최소화되어 원가 및 중량이 과다해지는 것이 방지된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10:냉매라인 11:증발기
12:압축기 13:컨덴서
20:실내공조장치 21:제1공기유로
22:제1도어 25:제2공기유로
26:제2도어 30:냉각수라인
31:제1열교환부 32:제2열교환부
33:수가열히터 40:배터리승온라인
41:제3열교환부 42:배터리
43:제1밸브 50:배터리냉각라인
51:제2밸브

Claims (16)

  1. 냉매가 순환되는 증발기, 압축기, 컨덴서로 구성된 냉매라인;
    내부 공기유로 상에 증발기와 컨덴서가 배치되고, 도어의 제어를 통해 증발기 또는 컨덴서를 통과한 공기가 실내 또는 실외로 토출되는 실내공조장치;
    실내공조장치의 공기유로 상에서 컨덴서에 인접하여 배치되며 컨덴서와 열교환되도록 마련된 제1열교환부;
    실내공조장치의 공기유로 상에서 증발기에 인접하여 배치되며 증발기와 열교환되도록 마련된 제2열교환부; 및
    제1열교환부와 제2열교환부에 냉각수가 순환되도록 하는 냉각수라인;를 포함하는 차량용 공조시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    실내공조장치는,
    컨덴서와 제1열교환부가 배치되고 제1도어가 마련되며 컨덴서를 통과하여 승온된 공기가 유통되는 제1공기유로와,
    증발기와 제2열교환부가 배치되고 제2도어가 마련되며 증발기를 통과하여 냉각된 공기가 유통되는 제2공기유로로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로 내부에 배치되고, 증발기와 제2열교환부는 제2공기유로 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로를 통과하는 공기가 제1열교환부 이후 컨덴서를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달되며,
    증발기와 제2열교환부는 제2공기유로를 통과하는 공기가 제2열교환부 이후 증발기를 통과하도록 배치되고 서로 이격되어 대류 열전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    컨덴서와 제1열교환부는 제1공기유로를 통과하는 공기가 제1열교환부 이후 컨덴서를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉되며,
    증발기와 제2열교환부는 제2공기유로를 통과하는 공기가 제2열교환부 이후 증발기를 통과하도록 배치되고 전도 열전달되도록 접촉된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    컨덴서는 제1공기유로 내부에 배치되고, 제1열교환부는 제1공기유로 외부에서 컨덴서와 열교환되도록 마련되며,
    증발기는 제2공기유로 내부에 배치되고, 제2열교환부는 제2공기유로 외부에서 증발기와 열교환되도록 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    컨덴서는 제1열교환부와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달되고, 증발기는 제2열교환부와 접촉되도록 구성되어 전도 열전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    냉각수라인에는 수가열히터가 더 구성되고,
    냉각수라인에서 분기되어 제1열교환부와 제2열교환부로 분기되며 제3열교환부, 배터리, 제1열교환부 또는 제2열교환부의 냉각수 흐름을 전환하는 제1밸브가 구성된 배터리승온라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    냉매라인에서 분기되어 제3열교환부와 열교환되도록 연결되고, 제3열교환부의 냉매 흐름을 전환하는 제2밸브가 구성된 배터리냉각라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    배터리의 온도, 실내공기의 토출온도 정보를 수집하고, 배터리의 온도, 실내공기의 토출온도 정보에 따른 동작모드에 따라 수가열히터, 제1밸브, 제2밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 난방모드가 수행되는 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브와 제2밸브가 폐쇄 동작되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 배터리승온모드가 수행되는 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제1열교환부와 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 폐쇄 동작된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    제어부는 배터리승온모드 대비 온도가 낮은 마일드승온모드일 경우 수가열히터가 동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 폐쇄 동작된 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 냉방모드의 경우 수가열히터가 미동작되고, 제1밸브와 제2밸브가 폐쇄 동작되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 배터리냉각모드의 경우 수가열히터가 미동작되고, 제1밸브가 개방 동작되어 냉각수가 제2열교환부에 이동되도록 하며, 제2밸브가 개방 동작되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  16. 청구항 2에 있어서,
    제1도어와 제2도어는 제어부에 의해 개폐 제어되며,
    제어부는 난방모드일 경우 제1도어가 개방되고 제2도어가 폐쇄되며, 냉방모드일 경우 제1도어가 폐쇄되고 제2도어가 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
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