KR20210059276A

KR20210059276A - 차량용 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20210059276A
Application number: KR1020190146515A
Authority: KR
Inventors: 이길우; 오동석; 최용현; 이원석; 이순종; 김철민
Original assignee: 현대자동차주식회사; 주식회사 두원공조; 기아 주식회사
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-25
Also published as: US20210146753A1; DE102020114584A1; CN112810394A; CN112810394B; US11383582B2

Abstract

차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매의 유동 흐름을 제어하고, 내부를 통과하는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 통합 제어밸브; 상기 통합 제어밸브와 제1, 및 제1 연결라인을 통해 연결되고, 차량의 전방에 배치되는 외부 컨덴서; 상기 통합 제어밸브와 제3 연결라인을 통해 연결되는 팽창밸브; 상기 팽창밸브와 냉매라인을 통해 연결되는 증발기; 상기 증발기와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 어큐뮬레이터; 상기 어큐뮬레이터와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 압축기; 상기 통합 제어밸브와 상기 어큐뮬레이터를 연결하는 제4 연결라인에 구비되는 제1 칠러; 상기 제1 칠러와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 제4 연결라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제5 연결라인; 상기 증발기와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 냉매라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제6 연결라인에 구비되는 제2 칠러; 및 상기 압축기와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 통합 제어밸브와 제7 연결라인을 통해 연결되는 내부 컨덴서; 를 포함한다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 모드에 따라 하나의 밸브를 이용해 냉매의 유동 흐름을 제어하고, 각 구성요소에 선택적으로 공급하도록 하는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

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

이러한 에어컨 시스템은 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, 에어컨 시스템은 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 히트펌프 시스템이라 한다.

한편, 연료전지차의 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 히트펌프 시스템과 함께, 배터리 냉각 시스템이 각각 별도의 밀폐회로로 구성해야만 한다.

따라서, 차량의 전방에 배치되는 쿨링모듈의 크기 및 중량이 증가되고, 엔진룸 내부에서 각각의 히트펌프 시스템으로 냉매 또는 냉각수를 공급하는 연결배관과 밸브들의 레이아웃이 복잡해지는 단점이 있다.

또한, 종래의 히트펌프 시스템은 각 연결배관들과 연결하기 위한 다수개의 밸브가 적용되고, 이 밸브들의 빈번한 개폐작동으로 인한 소음 및 진동이 차량 실내로 전달되어 승차감이 저하되는 단점도 있다.

또한, 종래의 히트펌프 시스템은 다수개의 밸브를 적용해야만 하는 바, 부품수, 제작원가, 및 중량이 증가되는 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 차량의 모드에 따라 냉매의 유동 흐름을 제어하는 하나의 통합 제어밸브를 적용하고, 통합 제어밸브를 이용해 냉매를 각 구성요소에 선택적으로 공급하여 시스템의 단순화가 가능한 차량용 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하나의 통합 제어밸브를 적용함에 따라, 부품수를 축소하고, 제작원가 및 중량을 저감시키도록 하는 차량용 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매의 유동 흐름을 제어하고, 내부를 통과하는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 통합 제어밸브; 상기 통합 제어밸브와 제1, 및 제2 연결라인을 통해 연결되고, 차량의 전방에 배치되는 외부 컨덴서; 상기 통합 제어밸브와 제3 연결라인을 통해 연결되는 팽창밸브; 상기 팽창밸브와 냉매라인을 통해 연결되는 증발기; 상기 증발기와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 어큐뮬레이터; 상기 어큐뮬레이터와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 압축기; 상기 압축기와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 통합 제어밸브와 제4 연결라인을 통해 연결되는 내부 컨덴서; 상기 통합 제어밸브와 상기 어큐뮬레이터를 연결하는 제5 연결라인에 구비되는 제1 칠러; 상기 제1 칠러와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 제5 연결라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제6 연결라인; 및 상기 증발기와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 냉매라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제7 연결라인에 구비되는 제2 칠러; 를 포함한다.

상기 제1 칠러는 차량의 난방모드에서 전장품에서 발생된 폐열을 회수하도록 상기 전장품과 냉각수 라인을 통해 연결될 수 있다.

상기 제2 칠러는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용해 배터리 모듈을 냉각하도록 상기 배터리 모듈과 배터리 냉각수 라인을 통해 연결될 수 있다.

차량의 냉방모드에서, 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제5, 제6 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며, 개방된 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환될 수 있다.

배터리 모듈의 냉각모드에서, 상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제3, 제5, 및 제6 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며, 개방된 상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고, 상기 통합 제어밸브는 상기 제7 연결라인을 통해 상기 제2 칠러로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

차량의 난방모드에서, 상기 제4, 제5 및 제6 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제1, 제2, 제3, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며, 개방된 상기 제4, 제5, 및 제6 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고, 상기 통합 제어밸브는 상기 제5 연결라인을 통해 상기 제1 칠러로 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

상기 제6 연결라인은 상기 통합 제어밸브 내부의 압력 차이에 의해 상기 실외 컨덴서에 적체된 냉매를 상기 압축기로 공급할 수 있다.

차량의 난방/제습 모드에서, 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 제6, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며, 개방된 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고, 상기 통합 제어밸브는 상기 제5 연결라인을 통해 상기 제1 칠러로 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

상기 통합 제어밸브는 차량의 냉방모드에서, 냉매를 이용하여 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 실외 컨덴서로부터 상기 제2 연결라인을 통해 공급된 냉매를 팽창시킨 상태로 상기 제7 연결라인으로 배출하여 상기 제2 칠러에 유입시킬 수 있다.

상기 제1, 및 제2 칠러는 수랭식 열교환기일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에 의하면, 차량의 모드에 따라 냉매의 유동 흐름을 제어하는 통합 제어밸브를 적용하고, 통합 제어밸브를 이용해 냉매를 각 구성요소에 선택적으로 공급하여 시스템의 단순화가 가능해 질 수 있다.

또한, 본 발명은 냉매의 유동을 제어하는 하나의 통합 제어밸브를 적용함으로써, 밸브의 개수를 축소할 수 있다.

또한, 본 발명은 하나의 통합 제어밸브를 적용함에 따라, 협소한 엔진룸 내부에서 장착공간을 확보할 수 있고, 연결배관들의 공용화를 도모하는 동시에, 조립공수를 줄일 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 히트펌프 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 냉방모드에 대한 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 배터리 모듈 냉각모드에 대한 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 난방모드에 대한 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 난방/제습 모드에 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 히트펌프 시스템의 블록 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템(1)은 차량에 탑재된 배터리 모듈(30)을 냉각시키거나 전장품(20)으로부터 발생된 폐열을 선택적으로 이용하여 난방효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 히트펌프 시스템은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 하이브리드 차량 또는 전기자동차에 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 통합 제어밸브(10), 외부 컨덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 어큐뮬레이터(140), 압축기(150), 내부 컨덴서(160), 제1 칠러(170), 및 제2 칠러(180)를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 통합 제어밸브(10)는 냉매의 유동 흐름을 제어하고, 차량의 모드에 따라 내부를 통과하는 냉매를 선택적으로 팽창시켜 각 구성요소 중, 어느 하나의 구성요소에 공급할 수 있다.

상기 외부 컨덴서(110)는 상기 통합 제어밸브(10)와 제1, 및 제2 연결라인(11, 12)을 통해 연결되고, 차량의 전방에 배치된다.

이러한 외부 컨덴서(110)는 차량의 주행 중, 외기와의 열교환을 통해 내부로 유입된 냉매를 응축시킬 수 있다.

즉, 상기 외부 컨덴서(110)는 상기 제1 연결라인(11)을 통해 상기 통합 제어밸브(10)로부터 냉매를 공급받고, 상기 제2 연결라인(12)을 통해 상기 통합 제어밸브(10)로 응축된 냉매를 배출한다.

본 실시예에서, 상기 팽창밸브(120)는 상기 통합 제어밸브(10)와 제3 연결라인(13)을 통해 연결된다. 이러한 팽창밸브(120)는 상기 제3 연결라인(13)을 통해 유입된 냉매를 팽창시킬 수 있다.

상기 증발기(130)는 상기 팽창밸브(120)와 냉매라인(101)을 통해 연결된다.

한편, 도면에서는 상기 팽창밸브(120)가 상기 증발기(130)에 일체로 장착된 것을 일 실시예로 하여 도시하였으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 팽창밸브(120)와 상기 증발기(130)는 상기 냉매라인(101)에서 서로 이격되게 배치될 수 있다.

상기 어큐뮬레이터(140)는 상기 증발기(130)와 상기 냉매라인(101)을 통해 연결된다.

상기 압축기(150)는 상기 어큐뮬레이터(140)와 상기 냉매라인(101)을 통해 연결된다. 이러한 압축기(150)는 기체 상태의 냉매를 압축시킨다.

여기서, 상기 어큐뮬레이터(140)는 상기 압축기(150)에 기체 상태의 냉매만 공급함으로써, 상기 압축기(150)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.

본 실시예에서, 상기 내부 컨덴서(160)는 상기 압축기(150)와 상기 냉매라인(101)을 통해 연결되고, 상기 통합 제어밸브(10)와 제4 연결라인(14)을 통해 연결된다.

한편, 상기 압축기(150)와 상기 내부 컨덴서(160)의 사이에서 상기 냉매라인(101)에는 온도센서, 압력센서 등이 구비될 수 있다.

여기서, 상기 내부 컨덴서(160)와 상기 증발기(130)는 미도시된 차량의 HVAC 모듈의 내부에 구비될 수 있다.

상기 HVAC 모듈은 차량의 냉방, 난방, 및 난방/제습 모드에 따라, 상기 증발기(130)를 통과한 외기가 상기 내부 컨덴서(160 : internal condenser)와 내부히터(190 : internal heater)에 선택적으로 유입되도록 조절하는 개폐도어(미도시)가 내부에 구비된다.

즉, 상기 개폐도어는 차량의 난방모드에서 상기 증발기(130)를 통과한 외기가 상기 내부 컨덴서(160)와 내부히터(190)로 유입되도록 개방된다. 반대로, 차량의 냉방모드에서 상기 개폐도어는 상기 증발기(130)를 통과하면서 냉각된 외기가 차량 내부로 바로 유입되도록 상기 내부 컨덴서(160)와 내부히터(190) 측을 폐쇄하게 된다.

여기서, 상기 실외 컨덴서(110)와 상기 내부 컨덴서(160)는 외기와의 열교환을 통해 냉매를 응축하는 공랭식 열교환기 일 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제1 칠러(170)는 상기 통합 제어밸브(10)와 상기 어큐뮬레이터(140)를 연결하는 제5 연결라인(15)에 구비된다.

이러한 제1 칠러(170)는 차량의 난방모드에서 전장품(20)에서 발생된 폐열을 회수하도록 상기 전장품(20)과 냉각수 라인(21)을 통해 연결될 수 있다.

여기서, 상기 전장품(20)은 모터, 충전기(On Board Charger), 및 전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU) 등을 포함할 수 있다.

상기 모터와 상기 전력제어장치는 주행 중에 발열되고, 상기 충전기는 상기 배터리 모듈(30)을 충전할 경우 발열될 수 있다.

즉, 상기 제1 칠러(170)는 상기 제5 연결라인(15)을 통해 유입된 냉매를 상기 전장품(20)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수와 열교환을 통해 증발시킴으로써, 상기 전장품(20)의 폐열을 회수할 수 있다.

본 실시예에서, 제6 연결라인(16)은 상기 제1 칠러(170)와 상기 어큐뮬레이터(140)의 사이에서 상기 제5 연결라인(15)과 상기 통합 제어밸브(10)를 연결할 수 있다.

이러한 제6 연결라인(16)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동에 따라 선택적으로 개방되고, 차량의 난방모드에서 상기 통합 제어밸브(10) 내부의 압력 차이에 의해 상기 실외 컨덴서(110)에 적체된 냉매를 상기 압축기(150)로 공급할 수 있다.

그리고 상기 제2 칠러(180)는 상기 증발기(130)와 상기 어큐뮬레이터(140)의 사이에서 상기 냉매라인(101)과 상기 통합 제어밸브(10)를 연결하는 제7 연결라인(17)에 구비된다.

여기서, 상기 제2 칠러(180)는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용해 상기 배터리 모듈(30)을 냉각하도록 상기 배터리 모듈(30)과 배터리 냉각수 라인(31)을 통해 연결될 수 있다.

이에 따라, 상기 제2 칠러(180)는 내부에 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 제1, 및 제2 칠러(170, 180)는 내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기일 수 있다.

또한, 상기 전장품(20)과 상기 배터리 모듈(30)은 냉각수를 통해 냉각되는 수랭식으로 형성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 히트펌프 시스템에서 상기 통합 제어밸브(10)는 차량의 냉방모드에서, 냉매를 이용하여 상기 배터리 모듈(30)을 냉각할 경우, 상기 실외 컨덴서(110)로부터 상기 제2 연결라인(12)을 통해 공급된 냉매를 팽창시킨 상태로 상기 제7 연결라인(17)으로 배출하여 상기 제2 칠러(180)에 유입시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 실외 컨덴서(110)로부터 배출된 냉매는 상기 통합 제어밸브(10)에서 팽창되어 온도가 저하된 상태로, 상기 제7 연결라인(17)을 통해 상기 제2 칠러(110)에 유입된다.

그러면, 상기 냉매는 상기 제2 칠러(180)의 내부에서 상기 배터리 냉각수 라인(31)을 통해 공급된 냉각수의 수온을 더욱 저하시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(30)에는 상기 제2 칠러(180)를 통과하면서 수온이 낮아진 냉각수가 유입된다. 따라서, 상기 배터리 모듈(30)은 보다 효율적으로 냉각될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템(1)의 각 모드별 작동 및 작용을 도 2 내지 도 5를 통하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템(1)에서 차량의 냉방모드에 대한 작동을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 냉방모드에 대한 작동 상태도이다.

도 2를 참조하면, 차량의 냉방모드에서 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인(11, 12, 13, 14)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 개방된다.

이와 동시에, 상기 제5, 제6 및 제7 연결라인(15, 16, 17)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 폐쇄된다.

이에 따라, 개방된 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인(11, 12, 13, 14)을 통해 연결되는 상기 냉매라인(101)을 따라 냉매가 순환될 수 있다.

즉, 상기 압축기(150)에서 압축된 냉매는 상기 냉매라인(101)을 통해 상기 실내 컨덴서(160)로 유입되고, 상기 실내 컨덴서(160)에서 응축된 후, 상기 제4 연결라인(14)을 따라 상기 통합 제어밸브(10)로 유입된다.

상기 통합 제어밸브(10)는 상기 실내 컨덴서(160)로부터 유입된 냉매를 개방된 상기 제1 연결라인(11)을 통해 상기 실외 컨덴서(110)로 배출한다. 상기 실외 컨덴서(110)로 유입된 냉매는 외기와 열교환을 통해 응축된 후, 상기 제2 연결라인(12)을 통해 다시 상기 통합 제어밸브(10)로 유입된다.

그런 후, 냉매는 상기 통합 제어밸브(10)로부터 개방된 상기 제3 연결라인(13)을 통해 상기 팽창밸브(120)로 유입되고, 상기 팽창밸브(120)에서 팽창된 상태로 상기 증발기(130)로 유입된다.

여기서, 미도시된 HVAC 모듈로 유입되는 외기는 상기 증발기(130)로 유입된 저온 상태의 냉매에 의해 상기 증발기(130)를 통과하면서 냉각된다.

이 때, 상기 개폐도어는 냉각된 외기가 상기 내부 컨덴서(160)와 내부히터(190)를 통과하지 않도록 상기 내부 컨덴서(160)로 통과하는 부분을 폐쇄한다. 따라서, 냉각된 외기는 차량의 내부로 직접 유입됨으로써, 차량 실내를 냉방할 수 있다.

상기 증발기(130)를 통과한 냉매는 상기 어큐뮬레이터(140)를 거쳐 다시 상기 압축기(150)로 유입된다.

즉, 냉매는 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 개방된 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인(11, 12, 13, 14)과 연결된 상기 냉매라인(101), 및 상기 실외 컨덴서(110), 상기 팽창밸브(120), 상기 증발기(130), 상기 어큐뮬레이터(140), 상기 압축기(150), 상기 내부 컨덴서(160)를 순차적으로 통과하면서, 차량의 냉방모드에서 실내를 냉방할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 배터리 모듈(30)의 냉각모드에 대한 작동을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 배터리 모듈 냉각모드에 대한 작동 상태도이다.

도 3을 참조하면, 상기 배터리 모듈(30)의 냉각모드에서, 상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인(11, 12, 14, 17)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 개방될 수 있다.

또한, 상기 제3, 제5, 및 제6 연결라인(13, 15, 16)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 폐쇄될 수 있다.

이에 따라, 개방된 상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인(11, 12, 14, 17)을 통해 연결되는 상기 냉매라인(101)을 따라 냉매가 순환될 수 있다.

그런 후, 냉매는 상기 통합 제어밸브(10)로부터 개방된 상기 제7 연결라인(17)을 통해 상기 제2 칠러(180)로 공급된다.

여기서, 상기 통합 제어밸브(10)는 상기 제7 연결라인(17)을 통해 상기 제2 칠러(180)로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

즉, 상기 배터리 모듈(30)에는 상기 제2 칠러(180)를 통과하면서 수온이 낮아진 냉각수가 유입된다. 따라서, 상기 배터리 모듈(30)은 보다 효율적으로 냉각될 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에 따른 작동을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 난방모드에 대한 작동 상태도이다.

도 4를 참조하면, 차량의 난방모드에서, 상기 제4, 제5 및 제6 연결라인(14, 15, 16)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 개방될 수 있다.

또한, 상기 제1, 제2, 제3, 및 제7 연결라인(11, 12, 13, 17)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 폐쇄될 수 있다.

이에 따라, 개방된 상기 제4, 제5, 및 제6 연결라인(14, 15, 16)을 통해 연결되는 상기 냉매라인(101)을 따라 냉매가 순환될 수 있다.

즉, 상기 압축기(150)에서 압축된 냉매는 상기 냉매라인(101)을 통해 상기 실내 컨덴서(160)로 유입되고, 상기 실내 컨덴서(160)에서 1차로 응축된 후, 상기 제4 연결라인(14)을 따라 상기 통합 제어밸브(10)로 유입된다.

상기 통합 제어밸브(10)는 상기 실내 컨덴서(160)로부터 유입된 냉매를 개방된 상기 제5 연결라인(11)을 통해 상기 제1 칠러(170)로 배출한다.

여기서, 상기 통합 제어밸브(10)는 상기 제5 연결라인(15)을 통해 상기 제1 칠러(170)로 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

따라서, 팽창된 냉매는 상기 제5 연결라인(15)을 통해 상기 제1 칠러(170)로 유입된다. 여기서, 상기 제1 칠러(170)에는 상기 전장품(20)을 냉각하면서 상기 전장품(20)의 폐열에 의해 온도가 상승된 냉각수가 유입된다.

이에 따라, 상기 냉매는 상기 제1 칠러(170)로 유입된 온도가 상승된 냉각수와 열교환 된다.

그러면, 상기 제1 칠러(170)는 상기 제5 연결라인(15)을 통해 유입되는 팽창된 냉매를 상기 전장품(20)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수와 열교환을 통해 증발시킴으로써, 상기 전장품(20)의 폐열을 회수할 수 있다.

한편, 상기 제6 연결라인(16)은 상기 통합 제어밸브(10) 내부의 압력 차이에 의해 상기 실외 컨덴서(110)에 적체된 냉매를 상기 압축기(150)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 냉매의 유량이 증가될 수 있다.

즉, 상기 전장품(20)에서 발생된 폐열은 상기 제1 칠러(170)에서 상기 냉매의 온도를 상승시킨다.

온도가 상승된 냉매는 제5 연결라인(15)을 통해 상기 어큐뮬레이터(140)를 통과한 후, 상기 압축기(150)로 유입된다. 그리고 냉매는 상기 압축기(150)로부터 고온 고압의 상태로 압축되어 상기 내부 컨덴서(160)로 유입된다.

여기서, 상기 개폐도어는 상기 HVAC 모듈로 유입되어 상기 증발기(130)를 통과한 외기가 상기 내부 컨덴서(160)를 통과하도록 개방된다.

이에 따라, 외부로부터 유입된 외기는 냉매가 공급되지 않은 상기 증발기(130)를 통과 시, 냉각되지 않은 실온 상태로 유입된다. 유입된 외기는 상기 내부 컨덴서(160)를 통과하면서 고온상태로 변환되고, 선택적으로 작동하는 상기 내부히터(190)를 통과하여 차량 실내로 유입됨으로써, 차량 실내의 난방이 구현될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 차량의 난방모드에서 상기 전장품(20)에서 발생되는 폐열원을 냉매의 온도를 상승시키는데 이용함으로써, 상기 압축기(150)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방/제습 모드에 대한 작동을 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 난방/제습 모드에 대한 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면, 차량의 난방/제습 모드에서, 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인(11, 12, 13, 14, 15)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 개방될 수 있다.

상기 제6, 및 제7 연결라인(16, 17)은 상기 통합 제어밸브(10)의 작동을 통해 폐쇄될 수 있다.

이에 따라, 개방된 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인(11, 12, 13, 14, 15)을 통해 연결되는 상기 냉매라인(101)을 따라 냉매가 순환될 수 있다.

상기 통합 제어밸브(10)는 상기 실내 컨덴서(160)로부터 유입된 냉매를 개방된 상기 제1 연결라인(11)과 상기 제5 연결라인(15)을 통해 상기 실외 컨덴서(110)와 상기 제1 칠러(170)로 각각 배출할 수 있다.

즉, 상기 통합 제어밸브(10)는 상기 실내 컨덴서(160)로부터 유입된 냉매 중, 일부의 냉매를 개방된 상기 제5 연결라인(11)을 통해 상기 제1 칠러(170)로 배출한다.

한편, 상기 통합 제어밸브(10)로 유입된 나머지 냉매 중, 상기 제5 연결라인(15)으로 배출되지 않은 나머지 냉매는 개방된 상기 제1 연결라인(11)을 통해 상기 실외 컨덴서(110)로 배출된다.

상기 실외 컨덴서(110)로 유입된 냉매는 외기와 열교환을 통해 응축된 후, 상기 제2 연결라인(12)을 통해 다시 상기 통합 제어밸브(10)로 유입된다.

이러한 상태에서, 상기 개폐도어는 상기 HVAC 모듈로 유입되어 상기 증발기(130)를 통과한 외기가 상기 내부 컨덴서(160)를 통과하도록 개방된다.

따라서, 상기 HVAC 모듈로 유입되는 외기는 상기 증발기(130)로 유입된 저온 상태의 냉매에 의해 상기 증발기(130)를 통과하면서 제습된다. 그런 후, 상기 내부 컨덴서(160)를 통과하면서 고온상태로 변환되고, 선택적으로 작동하는 상기 내부히터(190)를 통과하여 차량 실내로 유입됨으로써, 차량의 실내를 난방/제습 하게 된다.

즉, 본 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 차량의 난방 및 제습 모드에서 상기 전장품(20)에서 발생되는 폐열원을 냉매의 온도를 상승시키는데 이용하여 압축기(150)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 적용하면, 차량의 모드에 따라 냉매의 유동 흐름을 제어하는 상기 통합 제어밸브(10)를 적용하고, 상기 통합 제어밸브(10)를 이용해 냉매를 각 구성요소에 선택적으로 공급하여 시스템의 단순화가 가능해 질 수 있다.

또한, 본 발명은 냉매의 유동을 제어하는 하나의 상기 통합 제어밸브(10)를 적용함으로써, 밸브의 개수를 축소할 수 있다.

또한, 본 발명은 하나의 상기 통합 제어밸브(10)를 적용함에 따라, 협소한 엔진룸 내부에서 장착공간을 확보할 수 있고, 연결배관들의 공용화를 도모하는 동시에, 조립공수를 줄일 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.

10 : 통합 제어밸브
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 및 제7 연결라인
20 : 전장품
21 : 냉각수 라인
30 : 배터리 모듈
31 : 배터리 냉각수 라인
101 : 냉매라인(refrigerant line)
110 : 실외 컨덴서
120 : 팽창밸브
130 : 증발기
140 : 어큐뮬레이터
150 : 압축기
160 : 내부 컨덴서(internal condenser)
170, 180 : 제1, 및 제2 칠러
190 : 내부히터(internal heater)

Claims

냉매의 유동 흐름을 제어하고, 내부를 통과하는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 통합 제어밸브;
상기 통합 제어밸브와 제1, 및 제2 연결라인을 통해 연결되고, 차량의 전방에 배치되는 외부 컨덴서;
상기 통합 제어밸브와 제3 연결라인을 통해 연결되는 팽창밸브;
상기 팽창밸브와 냉매라인을 통해 연결되는 증발기;
상기 증발기와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 어큐뮬레이터;
상기 어큐뮬레이터와 상기 냉매라인을 통해 연결되는 압축기;
상기 압축기와 상기 냉매라인을 통해 연결되고, 상기 통합 제어밸브와 제4 연결라인을 통해 연결되는 내부 컨덴서;
상기 통합 제어밸브와 상기 어큐뮬레이터를 연결하는 제5 연결라인에 구비되는 제1 칠러;
상기 제1 칠러와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 제5 연결라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제6 연결라인; 및
상기 증발기와 상기 어큐뮬레이터의 사이에서 상기 냉매라인과 상기 통합 제어밸브를 연결하는 제7 연결라인에 구비되는 제2 칠러;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 칠러는
차량의 난방모드에서 전장품에서 발생된 폐열을 회수하도록 상기 전장품과 냉각수 라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 칠러는
냉매와 열교환된 냉각수를 이용해 배터리 모듈을 냉각하도록 상기 배터리 모듈과 배터리 냉각수 라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
차량의 냉방모드에서,
상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고,
상기 제5, 제6 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며,
개방된 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
배터리 모듈의 냉각모드에서,
상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고,
상기 제3, 제5, 및 제6 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며,
개방된 상기 제1, 제2, 제4, 및 제7 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고,
상기 통합 제어밸브는 상기 제7 연결라인을 통해 상기 제2 칠러로 공급되는 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
차량의 난방모드에서,
상기 제4, 제5 및 제6 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고,
상기 제1, 제2, 제3, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며,
개방된 상기 제4, 제5, 및 제6 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고,
상기 통합 제어밸브는 상기 제5 연결라인을 통해 상기 제1 칠러로 유입되는 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제6 연결라인은
상기 통합 제어밸브 내부의 압력 차이에 의해 상기 실외 컨덴서에 적체된 냉매를 상기 압축기로 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
차량의 난방/제습 모드에서,
상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 개방되고,
상기 제6, 및 제7 연결라인은 상기 통합 제어밸브의 작동을 통해 폐쇄되며,
개방된 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 연결라인을 통해 연결되는 상기 냉매라인을 따라 냉매가 순환되고,
상기 통합 제어밸브는 상기 제5 연결라인을 통해 상기 제1 칠러로 유입되는 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 통합 제어밸브는
차량의 냉방모드에서, 냉매를 이용하여 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 실외 컨덴서로부터 상기 제2 연결라인을 통해 공급된 냉매를 팽창시킨 상태로 상기 제7 연결라인으로 배출하여 상기 제2 칠러에 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1, 및 제2 칠러는 수랭식 열교환기인 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.