KR20210126361A

KR20210126361A - 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20210126361A
Application number: KR1020200044071A
Authority: KR
Inventors: 김성훈; 이해준; 여지원; 이성제
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2021-10-20

Abstract

본 발명은 냉매를 압축하여 토출하는 압축기, 상기 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기에 전달하거나, 응축된 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기에 전달하는 제1 팽창수단, 상기 제1 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이중 기상 냉매를 상기 압축기로 배출하고, 액상 냉매를 하기 실외열교환기 또는 증발기로 배출하는 기액분리기, 상기 제1 팽창수단을 통과한 냉매 또는 상기 기액분리기에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기, 공조모드에 따라, 상기 실외열교환기에서 전달된 냉매를 통과 또는 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하거나, 하기 어큐뮬레이터로 전달하는 제2 팽창수단, 상기 기액분리기를 통과한 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기 및 상기 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 상기 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터를 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템을 제공한다.

Description

베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템{Vapor injection heat pump system}

실시예는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 vapor injection 모듈을 구비하여 난방효율을 증대하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

환경 친화적인 산업 발전 및 화석원료를 대체하는 에너지원의 개발 기조아래, 근래 자동차 산업에서 가장 주목받는 분야는 전기자동차와 하이브리드 자동차가 있다. 이들 전기자동차와 하이브리드 자동차에는 배터리가 장착되어 구동력을 제공하는데, 주행 운전뿐만 아니라 냉난방 시에도 배터리를 이용한다.

배터리를 이용하여 구동력을 제공하는 차량에서, 냉난방 시 배터리가 열원으로 사용된다는 것은 그만큼 주행거리가 감소된다는 것을 의미하는데, 위 문제를 극복하기 위하여 종래부터 가정용 냉난방장치로 널리 활용된 히트펌프 시스템을 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.

참고로 히트펌프란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 히트펌프는 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조케이스에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.

그런데 히트펌프 시스템을 이용할 경우 차량의 난방운전 시 외기 온도가 너무 낮은 상태이면 난방능력이 현저하게 떨어지는 현상이 발생한다. 이는, 흡열 열원의 부족에 의한 것으로서, 압축기에 전달되는 기체 상태의 냉매가 부족하게 되고, 이는 결국 난방 효율을 저하시키는 원인이 된다.

각국의 자동차 제조업체에서 이 문제를 해결하기 위해 여러 연구들이 이어지고 있으며, 그 일례로 PTC 히터를 이용하여 난방성능을 보충하거나, 전장품의 폐열을 이용하여 난방성능을 보충하는 방법을 사용하곤 하였다.

그러나 종래의 방법에 의하여도 히트펌프 제상 운전 시 난방성능 강하 문제를 해결하기에는 효과적이지 않았으며, 난방성능 보충을 위해 배터리를 일방적으로 소모하는 방법을 주로 사용하였는바, 배터리의 운전성능이 현저히 떨어지는 문제가 있었다.

실시예는 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율이 우수한 히트펌프 시스템, 구체적으로는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기(LGS)를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율이 우수한 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예는, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 상기 압축된 냉매를 응축하는 응축기; 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기에 전달하거나, 응축된 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기에 전달하는 제1 팽창수단; 상기 제1 팽창수단에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이중 기상 냉매를 상기 압축기로 배출하고, 액상 냉매를 하기 실외열교환기 또는 증발기로 배출하는 기액분리기; 상기 제1 팽창수단을 통과한 냉매 또는 상기 기액분리기에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기; 공조모드에 따라, 상기 실외열교환기에서 전달된 냉매를 통과 또는 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하거나, 하기 어큐뮬레이터로 전달하는 제2 팽창수단; 상기 기액분리기를 통과한 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기; 및 상기 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 상기 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 기상냉매는 상기 기액분리기에 연결된 이동라인을 따라 상기 압축기로 재유입되되, 상기 이동라인에는 개폐밸브가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 증발기의 전단에 배치되는 제3 팽창수단; 제3 팽창수단과 병렬로 연결되는 제4 팽창수단; 및 상기 제4 팽창수단에 연결되고 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기를 통과하여 상기 실외열교환기로 냉매가 이동하는 경로에는 제5 팽창수단이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제5 팽창수단은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창밸브 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 팽창수단 및 상기 제2 팽창수단은 3/2-way 밸브가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기로 냉매의 유입여부는 상기 제1 팽창수단 및 상기 제2 팽창수단의 개폐여부에 따라 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 팽창수단은 공조모드에 따라 냉매가 상기 기액분리기로 유입되거나 상기 증발기를 바이패스하여 상기 어큐뮬레이터로 이동하도록 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 응축기는 공조케이스 내부를 통과하면서 상기 증발기와 함께 실내의 냉난방에 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 냉방모드인 경우, 응축된 상기 냉매를 통과시켜 상기 실외열교환기로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 non-vapor injection 난방모드인 경우, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 vapor injection 난방모드인 경우, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

실시예에 따르면, 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율을 증대할 수 있다.

특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기(LGS)를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율을 증대할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템에서 냉매 순환라인을 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1에서 일반 냉방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 3은 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈을 이용한 냉방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 1에서 일반 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 3에서 실외기 흡열을 통한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 6은 도 3에서 칠러 흡열을 통한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 7은 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈을 이용한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 8은 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈을 이용한 제습난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 9는 도 1에서 일반 제습난방모드시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 9는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템에서 냉매 순환라인을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템은 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(110), 상기 압축된 냉매를 응축하는 응축기(120), 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기(140)에 전달하거나, 응축된 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기(133)에 전달하는 제1 팽창수단(131), 상기 제1 팽창수단(131)에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이중 기상 냉매를 상기 압축기(110)로 배출하고, 액상 냉매를 하기 실외열교환기(140) 또는 증발기(150)로 배출하는 기액분리기(133), 상기 제1 팽창수단(131)을 통과한 냉매 또는 상기 기액분리기(133)에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기(140), 공조모드에 따라, 상기 실외열교환기(140)에서 전달된 냉매를 통과 또는 팽창시켜 상기 기액분리기(133)에 전달하거나, 하기 어큐뮬레이터(180)로 전달하는 제2 팽창수단(136), 상기 기액분리기(133)를 통과한 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기(150) 및 상기 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 상기 압축기(110)로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터(180)를 포함할 수 있다.

압축기(110)는 엔진(내연기관) 또는 모터 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 응축기(120) 측에 배출하게 된다.

응축기(120)는 냉방모드 및 난방모드 시 모두 응축기(120) 역할을 하게된다. 응축기(120)에 흐르는 냉매는 후술할 냉각수 순환라인(200) 상의 냉각수와 서로 열교환된 후 베이퍼 인젝션 모듈(130)로 공급된다. 이와 같이 응축기(120)의 냉매에 의해 가열된 냉각수는 냉각수 순환라인(200)을 통해 실내열교환기(213)로 공급될 수 있다. 일실시예로, 응축기(120)는 수냉식 응축기(120)가 사용될 수 있다.

베이퍼 인젝션 모듈(130)(Vapor injection module)은 응축기(120)를 통과한 냉매를 공조모드에 따라 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 결정할 수 있다. 이와 같은 베이퍼 인젝션 모듈(130)에 대해서는 후술한다.

실외열교환기(140)는 라디에이터(231)와 함께 공냉식 열교환기로 차량 엔진룸의 전방측에 설치되며, 송풍팬으로부터 송풍되는 공기의 유동방향으로 일직선상에 배치된다. 또한 실외열교환기(140)는 라디에이터(231)에서 배출되는 저온의 냉각수와 열교환될 수 있다.

또한 상기 실외열교환기(140)는 냉방모드 시, 수냉식 응축기(120)와 동일한 응축기(120) 역할을 하게 되고, 난방모드 시에는 수냉식 응축기(120)와 상반되는 증발기(150) 역할을 하게 된다.

제3 팽창수단(151)은 증발기(150)의 입구측에 배치되어 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.

증발기(150)는 공조케이스(190)의 내부에 설치되고, 냉매 순환라인(100)에 배치되어 제3 팽창수단(151)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되고, 블로어를 통해 공조케이스(190)의 내부를 유동하는 공기가 증발기(150)를 통과하는 과정에서 증발기(150) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다. 즉 증발기(150)는 냉매 순환라인(100) 상에서 증발기(150) 역할을 한다.

이때, 공조케이스(190) 내부에는 응축기(120)와 증발기(150)가 함께 배치되어 실내의 냉난방을 제어할 수 있다.

어큐뮬레이터(180)는 압축기(110)의 입구 측 냉매 순환라인(100)상에 설치되어 증발기(150) 및/또는 칠러(160)를 경유한 냉매가 합류되며, 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(110)로 공급될 수 있도록 한다.

제4 팽창수단(161)은 제3 팽창수단(151)과 병렬로 연결되며, 순환되는 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.

칠러(160)는 제4 팽창수단(161)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되어 제2 방향전환밸브(232)에서 배출되는 냉각수와 열교환된다. 한편, 칠러(160)에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환라인(200)을 순환하여 고온의 배터리(235)와 열교환될 수 있다. 즉 상기 배터리(235)는 냉매와 열교환되는 것이 아니라 냉각수와 열교환된다.

본 발명의 구성인 베이퍼 인젝션 모듈(130)은 제1 팽창수단(131), 제2 팽창수단(136), 기액분리기(133) 및 제5 팽창수단(135)을 포함할 수 있다.

제1 팽창수단(131) 내지 제2 팽창수단(136)은 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템의 공조모드에 따라 냉매의 팽창, 유통 및 유량을 제어할 수 있다.

제1 팽창수단(131)은 응축기(120)를 거친 냉매를 제1 라인(131a) 또는 제2 라인(131b)으로 이동 또는 팽창여부를 결정할 수 있다. 제1 팽창수단(131)은 응축기(120)를 거친 냉매가 유입되며 실외열교환기(140)와 연결되는 제1 라인(131a) 또는 기액분리기(133)와 연결되는 제2 라인(131b)으로 이동을 결정할 수 있다.

제2 팽창수단(136)은 실외열교환기(140)를 통과하는 냉매의 제4 라인(136a) 또는 제5 라인(136b)으로 이동 또는 팽창여부를 결정할 수 있다.

제4 라인(136a)은 기액분리기(133)측으로 냉매가 이동하는 통로를 제공하며, 제5 라인(136b)은 실외열교환기(140)를 거친 냉매가 어큐뮬레이터(180)로 유입되도록 냉매 순환라인(100)과 연결될 수 있다.

일실시예로, 제1 팽창수단(131)과 제2 팽창수단(136)은 3/2-way 밸브가 사용될 수 있다. 3/2-way 밸브는 유입되는 냉매의 이동 방향과 냉매의 팽창여부를 제어할 수 있다.

기액분리기(133)는 제1 팽창수단(131)에서 분기되는 제2 라인(131b)과 제2 팽창수단(136)에서 분기되는 제4 라인(136a)의 합류점인 제1 냉매분기부(171)와 제3 라인(133b)를 통해 연결될 수 있다.

기액분리기(133)는 제1 팽창수단(131) 또는 제2 팽창수단(136)을 통과한 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 분리된 냉매는 실외열교환기(140)나 증발기(150) 측으로 이동할 수 있다.

기액분리기(133)는 압축기(110)와 연결되는 이동라인(133a), 제6 라인(133c) 및 제7 라인(133d)이 연결될 수 있다.

이동라인(133a)은 기액분리기(133)에서 분리된 기상 냉매가 압축기(110)로 이동하는 통로 역활을 수행한다. 이동라인(133a) 상에는 개폐밸브(133a-1)가 구비되어 분리된 기상 냉매의 이동을 제어할 수 있다. 개폐밸브(133a-1)의 종류는 제한이 없으며, 배관을 이동하는 유체의 흐름을 제어하는 다양한 수단이 사용될 수 있다.

제6 라인(133c)과 제7 라인(133d)은 기액분리기(133)에서 분리된 액상 냉매가 이동하는 통로를 제공한다. 기액분리기(133)를 통과한 냉매는 제5 팽창수단(135)을 통해 상기 실외열교환기(140)측으로 냉매가 이동하는 제6 라인(133c)과 상기 증발기(150) 측으로 냉매가 이동하는 제7 라인(133d)으로 이동여부가 결정될 수 있다.

일실시예로, 제5 팽창수단(135)은 제6 라인(133c)에 배치될 수 있다. 일실시예로, 제5 팽창수단(135)은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창밸브 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용될 수 있다.

또한, 제5 팽창수단(135)은 제2 냉매분기점에 설치될 수도 있다. 도면상에는 제6 라인(133c)에 배치되는 것으로 나타나고 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이와 같이, 기액분리기(133)를 통해 분리된 액상의 냉매는 제6 라인(133c)상에 배치되는 제5 팽창수단(135)을 통과하게 된다. 이때, 제5 팽창수단(135)은 기액분리기(133)를 통해 분리된 액상의 냉매를 추가적으로 감압시킬 수 있다.

기액분리기(133)로서 주입된 냉매는 기상의 냉매와 액상의 냉매로 분리되며, 기상의 냉매는 압축기(110) 방향으로 인젝션(injection)되고, 액상의 냉매는 제5 팽창수단(135)을 지나 추가적으로 감압팽창되어 실외열교환기(140)로 주입될 수 있다.

이러한 베이퍼 인젝션 모듈(130)을 이용한 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)로 어큐뮬레이터(180)를 통해 유입되는 냉매에 비해 상대적으로 고온의 기상냉매가 재유입되는 것으로 난방성능을 증대할 수 있으며, 외부 열교환기로 액상의 냉매만 흐르게 되어 외부열교환기에서의 증발온도를 상승시켜 열교환 효율을 증대할 수 있다.

도 2은 도 1에서 일반 냉방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 2을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 고온 고압의 냉매가 토출된다. 압축된 냉매는 응축기(120)에서 응축없이 통과하게 된다. 이후 응축기(120)를 통과한 냉매는 제1 팽창수단(131)에 의해 제1 라인(131a)으로 이동하게 된다. 이때, 제1 팽창수단(131)은 냉매의 팽창없이 제1 라인(131a)으로 이동시키는 출구를 개방하고 제2 라인(131b)으로 이동시키는 출구를 폐쇄하여 냉매를 실외열교환기(140)로 이동시킬 수 있다.

실외열교환기(140)를 통과한 냉매는 응축되어 제2 팽창수단(136)으로 이동한다.

제2 팽창수단(136)은 제4 라인(136a)을 개방하고 제5 라인(136b)을 폐쇄하여 냉매가 팽창없이 제4 라인(136a)을 따라 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

기액분리기(133)로 이동된 냉매는 이동라인(133a)에 설치되어 있는 개폐밸브(133a-1)를 폐쇄하여 분리된 기체가 압축기(110) 측으로 이동하는 것을 방지하며, 분리된 액체는 제7 라인(133d)을 따라 냉매 순환라인(100)에 합류하게 된다.

이후, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 일부는 제3 팽창수단(151)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 그리고 증발기(150)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다.

또한, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제3팽창밸브를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 칠러(160)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(160)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이와 같이 증발기(150)를 통과한 냉매와 칠러(160)를 통과한 냉매가 어큐뮬레이터(180)에서 합류되어 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 3는 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈(130)을 이용한 냉방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 3를 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 고온 고압의 냉매가 토출된다. 압축된 냉매는 응축기(120)에서 응축없이 통과하게 된다. 이후 응축기(120)를 통과한 냉매는 제1 팽창수단(131)에 의해 제1 라인(131a)으로 이동하게 된다. 이때, 제1 팽창수단(131)은 냉매의 팽창없이 제1 라인(131a)으로 이동시키는 출구를 개방하고 제2 라인(131b)으로 이동시키는 출구를 폐쇄하여 냉매를 실외열교환기(140)로 이동시킬 수 있다.

제2 팽창수단(136)은 제4 라인(136a)을 개방하고 제5 라인(136b)을 폐쇄하며, 냉매를 팽창시켜 제4 라인(136a)을 따라 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

기액분리기(133)에서는 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하며, 분리된 기상냉매는 이동라인(133a)을 따라 압축기(110)측으로 이동하게 된다. 이때, 이동라인(133a)에 설치되어 있는 개폐밸브(133a-1)는 개방된다.

또한, 기액분리기(133)에서 분리된 액상냉매는 제7 라인(133d)을 따라 냉매 순환라인(100)을 따라 이동한다. 이후, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 일부는 제3 팽창수단(151)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 그리고 증발기(150)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다

또한, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(161)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 칠러(160)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(160)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다. 이와 같이 증발기(150)를 통과한 냉매와 칠러(160)를 통과한 냉매가 어큐뮬레이터(180)에서 합류되어 압축기(110)로 유입된 후,상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 4은 도 1에서 일반 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 4을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제1 라인(131a)을 따라 이동하여 실내열교환기(213)로 이동한다.

이동된 냉매는 실외열교환기(140)를 거치면서 외부 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 외부 공기의 열을 흡수한다.

실외열교환기(140)를 통과한 냉매는 제2 팽창수단(136)으로 이동한다.

제2 팽창수단(136)은 제4 라인(136a)을 개방하고 제5 라인(136b)을 폐쇄하며, 냉매를 기액분리기(133)로 이동시킨다. 이 경우, 냉매의 팽창은 일어나지 않으며 제4 라인(136a)을 따라 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

이후, 제3 팽창수단(151)은 폐쇄되어 증발기(150) 측으로 냉매가 유입되는 것을 방지한다. 냉매는 냉매분기부(170)에서 제4 팽창수단(161)으로 이동하게 된다.

제4 팽창수단(161)은 개방되어 냉매를 팽창없이 이동시키며, 이동된 냉매는 칠러(160)를 통과하여 어큐뮬레이터(180)로 이동하게 된다. 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입된 냉매는 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 5는 도 4에서 실외기 흡열을 통한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제1 라인(131a)을 따라 이동하여 실내열교환기(213)로 이동한다.

제2 팽창수단(136)은 제4 라인(136a)을 폐쇄하고 제5 라인(136b)을 개방하여 냉매 기액분리기(133)측으로 이동하는 것을 방지한다. 제3 팽창수단(151)과 제4 팽창수단(161)은 제2 팽창수단(136)과 마찬가지로 냉매의 이동을 차단하기 위해 추가적으로 폐쇄된다.

제5 라인(136b)을 따라 이동하는 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입된다. 냉매는 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 순환된다.

도 6는 도 4에서 칠러(160) 흡열을 통한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 6를 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제2 라인(131b)을 따라 이동하여 기액분리기(133) 측으로 이동한다.

이동된 냉매는 제1 냉매분기부(171)에서 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

기액분리기(133)와 연결된 이동라인(133a) 상에 배치되는 개폐밸브(133a-1)는 폐쇄되어 냉매가 압축기(110) 측으로 이동하는 것을 차단하며, 냉매는 기액분리기(133)를 통과하여 제7 라인(133d)을 따라 이동하게 된다.

제2 팽창밸브는 폐쇄되어 증발기(150) 측으로 냉매가 이동하는 것을 차단하며, 제7 라인(133d)을 따라 이동하는 냉매는 냉매분기부(170)에서 제4 팽창수단(161)으로 이동한다.

제4 팽창수단(161)은 개방되어 냉매를 팽창없이 이동시키며, 이동된 냉매는 칠러(160)를 통과하면서 열교환이 일어난 후, 어큐뮬레이터(180)로 이동하게 된다. 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입된 냉매는 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 7은 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈(130)을 이용한 난방시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,

도 7을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제2 라인(131b)을 따라 이동하여 제1 냉매분기부(171)로 이동하게 된다.

제1 냉매분기부(171)에서 냉매는 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

기액분리기(133)는 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하며, 분리된 기상냉매는 이동라인(133a)을 따라 압축기(110)측으로 이동하게 된다. 이때, 이동라인(133a)에 설치되어 있는 개폐밸브(133a-1)는 개방된다.

또한, 기액분리기(133)에서 분리된 액상냉매는 제2 냉매분기부(171)에서 제6 라인(133c)과 제7 라인(133d)으로 분기되어 이동한다.

제6 라인으로 이동하는 냉매는 제5 팽창수단(135)을 지나 실외열교환기(140)측으로 이동하며, 제2 팽창수단(136)으로 이동된다.

제2 팽창수단(136)은 냉매가 제5 라인(136b)을 개방하고, 제4 라인(136a)을 폐쇄하여 냉매가 제5 라인(136b)을 따라 이동하도록 한다.

제5 라인(136b)을 따라 이동하는 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 압축기(110)로 유입된다.

또한, 제2 냉매분기부(171)에서 제7 라인(133d)을 따라 분기되는 냉매는 냉매 순환라인(100)으로 이동하게 된다.

냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(161)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 칠러(160)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(160)에서 증발된 냉매는 제7 라인(133d)을 따라 이동하는 냉매와 합류되며, 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 8은 도 1에서 베이퍼 인젝션 모듈(130)을 이용한 제습난방모드시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제2 라인(131b)을 따라 이동하게 된다.

제2 라인(131b)을 따라 이동하는 냉매는 제1 냉매분기부(171)에서 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

제6라인으로 이동하는 냉매는 제5 팽창수단(135)을 지나 실외열교환기(140)측으로 이동하며, 실외열교환기(140)를 거쳐 제2 팽창수단(136)으로 이동된다.

제2 팽창수단(136)은 제5 라인(136b)을 개방하고, 제4 라인(136a)을 폐쇄하여 냉매가 제5 라인(136b)을 따라 이동하도록 한다.

제2 팽창밸브는 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 증발기(150)으로 이동하여 열교환 후, 어큐뮬레이터(180) 측으로 이동하게 된다.

냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(161)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 칠러(160)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(160)에서 증발된 냉매는 제7 라인(133d) 및 증발기(150)를 통과한 냉매와 합류되며, 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

도 9은 도 1에서 일반 제습난방모드시 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.

도 9을 참조하면, 냉매 순환라인(100)에서는 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 응축기(120)에서 냉각된 냉매는 제1 팽창수단(131)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 제1 팽창수단(131)과 연결되는 제1 라인(131a)을 따라 이동하여 실외열교환기(140) 측으로 이동하게 된다.

실외열교환기(140)를 통과하면서 흡열을 한 냉매는 제5 팽창순단으로 이동하게 되며, 제2 팽창수단(136)은 제4 라인(136a)을 개방하고, 제5 라인(136b)을 폐쇄한다.

제4 라인(136a)을 따라 이동하는 냉매는 기액분리기(133) 측으로 유입된다. 이 경우, 냉매의 팽창은 일어나지 않으며 제4 라인(136a)을 따라 기액분리기(133) 측으로 이동하게 된다.

이후, 냉배분기부에서 분기되는 일부의 냉매는 제3 팽창수단(151)으로 이동하게 되며, 제3 팽창수단(151)은 개방되어 냉매를 증발기(150) 측으로 이동시킨다.

냉매는 증발기(150)를 거치면서 공조케이스(190)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되면서 공기 중의 수분이 제거된다. 그리고 증발기(150)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(180)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입된다.

또한, 냉매분기부(170)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(161)이 개방되어 제3 팽창수단을 바이패스하고, 이후 냉매는 칠러(160)를 통과한 다음 어큐뮬레이터(180)에서 합류되어 압축기(110)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 냉매 순환라인 110 : 압축기
120 : 응축기 130 : 베이퍼 인젝션 모듈
131 : 제1 팽창수단 131a : 제1 라인
131b : 제2 라인 133 : 기액분리기
133a : 이동라인 133a-1 : 개폐밸브
133b : 제3 라인 133c : 제6 라인
133d : 제7 라인 135 : 제5 팽창수단
136 : 제2 팽창수단 136a : 제4 라인
136b : 제5 라인 140 : 실외열교환기
150 : 증발기 151 : 제3 팽창수단
160 : 칠러 161 : 제4 팽창수단
170 : 냉매분기부 171 : 제1 냉매분기부
172 : 제2 냉매분기부 180 : 어큐뮬레이터
190 : 공조케이스

Claims

냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
상기 압축된 냉매를 응축하는 응축기;
공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시켜 하기 실외열교환기에 전달하거나, 응축된 냉매를 팽창시켜 하기 기액분리기에 전달하는 제1 팽창수단;
상기 제1 팽창수단에서 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 이중 기상 냉매를 상기 압축기로 배출하고, 액상 냉매를 하기 실외열교환기 또는 증발기로 배출하는 기액분리기;
상기 제1 팽창수단을 통과한 냉매 또는 상기 기액분리기에서 전달된 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기;
공조모드에 따라, 상기 실외열교환기에서 전달된 냉매를 통과 또는 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하거나, 하기 어큐뮬레이터로 전달하는 제2 팽창수단;
상기 기액분리기를 통과한 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기; 및
상기 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 상기 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터;
를 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 기액분리기에서 분리된 기상냉매는 상기 기액분리기에 연결된 이동라인을 따라 상기 압축기로 재유입되되, 상기 이동라인에는 개폐밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 증발기의 전단에 배치되는 제3 팽창수단;
제3 팽창수단과 병렬로 연결되는 제4 팽창수단; 및
상기 제4 팽창수단에 연결되고 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러;
를 더 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 기액분리기를 통과하여 상기 실외열교환기로 냉매가 이동하는 경로에는 제5 팽창수단이 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 제5 팽창수단은 오리피스 일체형 체크밸브나, 전자식 팽창밸브 또는 오리피스 일체형 shut-off 밸브가 사용되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 팽창수단 및 상기 제2 팽창수단은 3/2-way 밸브가 사용되는 것을 특징으로 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 기액분리기로 냉매의 유입여부는 상기 제1 팽창수단 및 상기 제2 팽창수단의 개폐여부에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제2 팽창수단은 공조모드에 따라 냉매가 상기 기액분리기로 유입되거나 상기 증발기를 바이패스하여 상기 어큐뮬레이터로 이동하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 응축기는 공조케이스 내부를 통과하면서 상기 증발기와 함께 실내의 냉난방에 이용되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 냉방모드인 경우,
응축된 상기 냉매를 통과시켜 상기 실외열교환기로 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 non-vapor injection 난방모드인 경우,
응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 팽창밸브는 상기 공조모드가 베이퍼 인젝션(vapor injection) 난방모드인 경우,
응축된 상기 냉매를 팽창시켜 상기 기액분리기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.