KR20210136642A - 열교환기 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템 - Google Patents

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heat exchange
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한정완
김재훈
임홍영
전영하
이유호
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기, 압축된 냉매가 이동하는 라인에 배치되며 냉각수를 이용하여 고온의 냉매를 냉각하는 수냉식 응축기, 상기 수냉식 응축기에서 응축된 냉매가 이동하는 열교환부, 상기 열교환부를 통과한 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각하는 수냉식 증발기 및 상기 수냉식 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터를 포함하며, 상기 수냉식 응축기에서 상기 열교환부로 냉매가 이동하는 라인에는 제1 팽창밸브가, 상기 열교환부에서 상기 수냉식 증발기로 냉매가 이동하는 라인에는 제2 팽창밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공한다.

Description

열교환기 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템{Heat exchanger and heat pump system using the same}
실시예는 열교환기 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 시스템 내부의 냉각수 온도에 따라 팽창밸브의 구동으로 다양한 온도의 냉각수를 공급하는 열교환기 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차 분야에서 환경 친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제 해결책으로서 각광받고 있는 것이 전기 자동차이다.
전기 자동차는 배터리 또는 연료전지로부터 전력을 공급받아 구동되는 모터를 이용해 주행하기 때문에 탄소 배출이 적고 소음이 작다. 또한, 전기 자동차는 기존의 엔진보다 에너지 효율이 우수한 모터를 사용하기 때문에 친환경적이다.
그런데 전기 자동차는 배터리 및 구동 모터의 작동 시 많은 열이 발생하기 때문에 열관리가 중요하다. 그리고 배터리를 재충전하는데 시간이 오래 소요되므로 효율적인 배터리 사용 시간의 관리가 중요하다. 특히, 전기 자동차는 실내 공조를 위해 구동되는 냉매 압축기도 전기로 구동되는바 더욱 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다. 또한, 구동 모터 및 인버터에서는 배터리나 충전기 등 다른 전장부품에 비해 상대적으로 많은 열이 발생하므로, 구동 모터를 적정한 온도로 냉각시켜야 하며 이를 위해 구동 모터의 냉각을 위한 열교환기의 냉각 성능을 높여야 할 필요성이 있다.
또한, 열관리 시스템의 히트펌프 모드 시 냉매 열교환기로 인해 압축기의 유입측 냉매 압력이 낮아져 히트펌프로서의 역할을 하지 못하거나 성능 및 효율이 저하될 수 있다.
실시예는 적은 수의 부품으로 일체형 열교환기를 제작하는 것을 목적으로 한다.
또한, 시스템 내부 냉각수의 온도에 따라 밸브 구동을 통해 시스템 내부로 3가지 온도의 냉각수를 공급하는 것을 목적으로 한다.
또한, 적은 수의 냉매 및 냉각수 밸브를 이용하여 차량의 열관리를 하는 것을 목적으로 한다.
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 순환시키는 압축기; 압축된 냉매가 이동하는 라인에 배치되며 냉각수를 이용하여 고온의 냉매를 냉각하는 수냉식 응축기; 상기 수냉식 응축기에서 응축된 냉매가 이동하는 열교환부; 상기 열교환부를 통과한 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각하는 수냉식 증발기; 및 상기 수냉식 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터를 포함하며, 상기 수냉식 응축기에서 상기 열교환부로 냉매가 이동하는 라인에는 제1 팽창밸브가, 상기 열교환부에서 상기 수냉식 증발기로 냉매가 이동하는 라인에는 제2 팽창밸브가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수냉식 응축기, 상기 열교환부 및 상기 수냉식 증발기는 내부에 복수의 핀 및 튜브의 열교환 구조를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브가 냉매를 팽창시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키는 경우, 상기 열교환부는 증발기의 기능을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브가 냉매를 바이패스 시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 팽창시키는 경우, 상기 열교환부는 고압측 냉매의 과냉각기로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수냉식 응축기, 상기 열교환부 및 상기 수냉식 증발기는 서로 마주보도록 배치되는 제1 헤더탱크와 제2 헤더탱크를 공유하는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브는 상기 제1 헤더탱크의 외측에 배치되며, 상기 제2 팽창밸브는 상기 제2 헤더탱크의 외측에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기; 압축된 상기 냉매를 응축시키는 수냉식 응축기; 상기 응축기을 통과한 상기 냉매의 이동라인에 배치되는 제1 팽창밸브; 응축된 상기 냉매가 이동하는 경로에 배치되는 열교환부; 상기 열교환부를 통과한 상기 냉매의 이동라인에 배치되는 제2 팽창밸브; 상기 열교환부와 직렬로 연결되어, 상기 열교환부를 통과한 냉매가 이동하는 경로에 배치되여 냉매를 냉각수와 열교환시켜 기화시키는 수냉식 증발기; 및 상기 냉매와 열교환하는 냉각수를 이용하여 실내를 냉난방하는 냉각수라인;을 포함하며, 상기 열교환부는 상기 제1 팽창밸브와 상기 제2 팽창밸브의 동작에 따라 다른 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템으로 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브가 냉매를 팽창시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키는 경우, 상기 열교환부는 상기 냉매의 제1 증발부로, 상기 증발기는 2차 증발부로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키고, 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 팽창시키는 경우, 상기 열교환부는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각수라인은 상기 수냉식 증발기에서 냉매와 열교환을 하는 냉각수가 순환하는 제1 냉각수라인; 제1 라디에이터를 순환하는 냉각수를 이용하여 전장부품을 냉각하는 제2 냉각수라인; 상기 열교환부, 상기 수냉식 응축기 또는 제2 라디에이터 중 적어도 하나에서 열교환을 한 냉각수가 순환하는 제3 냉각수라인;을 포함하며, 상기 제1 냉각수라인과 상기 제2 냉각수라인은 제1 방향전환밸브로 연결되어, 공조모드에 따라 서로 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 냉각수라인에서 분기되는 제1-1 연결라인. 상기 제2 냉각수라인에서 분기되는 제2-1 연결라인 및 상기 제3 냉각수라인에서 분기되는 제3-1 연결라인은 리저버 탱크와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 냉각수라인은 냉각수가 상기 수냉식 증발기, 상기 제1 방향전환밸브, 캐빈쿨러 및 제1 펌프를 순환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 냉각수라인은 냉각수가 제2 펌프, 전장부품, 상기 제1 방향전환밸브, 제2 방향전환밸브 및 상기 제1 라디에이터를 순환하며, 상기 제2 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 제1 라디에이터를 바이패스하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 냉각수라인은 제3 펌프, 냉각수 히터, 캐빈히터, 상기 열교환부, 제3 방향전환밸브, 베터리, 상기 응축기 및 제2 라디에이터를 순환하며, 상기 제3 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 베터리를 바이패스하도록 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 냉각수라인은 제4 방향전환밸브를 더 포함하며, 상기 제4 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 제2 라디에이터를 바이패스하도록 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 적은수의 부품으로 일체형 열교환기를 제작시 비용을 감소할 수 있다.
또한, 시스템 내부의 냉각수 온도에 따라 복수의 팽창밸브의 구동을 제어하여 히트펌프 시스템 내부에 배치되는 부품에 3가지 온도의 냉각수를 공급할 수 잇다.
또한, 적은 수의 냉각수/냉매 밸브로 차량의 열관리를 할 수 있는 효과가 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 열교환기의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구조도이고,
도 3은 도 2의 제1 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 2의 제2 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 2의 제3 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 6은 도 2의 제4 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 7은 도 2의 제5 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 8은 도 2의 제6 공조모드 상태를 나타내는 도면이고,
도 9는 도 2의 제7 공조모드 상태를 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 열교환기의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 압축기(110), 수냉식 응축기(120), 열교환부(140), 수냉식 증발기(160) 및 어큐뮬레이터(170)를 포함할 수 있다.
압축기(110)는 동력 공급원인 모터 또는 엔진으로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있으며, 증발부에서 토출된 저온저압의 기상 냉매를 흡입 및 압축하여 고온고압의 기체 상태로 만들어 수냉식 응축기(120)로 보낼 수 있다.
수냉식 응축기(120)는 압축기(110)에서 토출된 고온고압의 기상 냉매를 외부 열원과 열교환시켜 저온고압의 액체로 응축하여 제1 팽창밸브(130)쪽으로 보내는 역할을 한다. 일실시예로, 수냉식 응축기(120)는 핀 튜브 구조가 사용될 수 있다. 이때, 수냉식 응축기(120)의 튜브 내부로는 냉매가 이동을 하며, 튜브 내부를 이동하는 냉매는 튜브를 감싸는 하우징 내부로 이동하는 냉각수와 열교환을 할 수 있다.
열교환부(140)는 수냉식 응축기(120)에서 응축된 냉매가 이동하며, 내부에서 열교환이 일어나게 된다. 수냉식 응축기(120)에서 열교환부(140)로 냉매가 이동하는 라인에는 제1 팽창밸브(130)가 배치되며, 열교환부(140)에서 수냉식 증발기(160)로 냉매가 이동하는 라인에는 제2 팽창밸브(150)가 배치될 수 있다. 열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130)와 제2 팽창밸브(150)의 작동에 따라 그 기능을 달리하며, 기능에 대해서는 후술한다.
수냉식 증발기(160)는 냉매의 유동 방향으로 제2 팽창밸브(150)의 후단에 배치되며, 냉매가 통과하면서 냉각수와 열교환될 수 있다. 일실시예로, 수냉식 증발기(160)는 수냉식 응축기(120)와 마찬가지로 핀 튜브의 결합구조를 구비할 수 있다.
어큐뮬레이터(170)는 수냉식 증발기(160)를 통과하여 유입되는 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(110)로 공급할 수 있다. 어큐뮬레이터(170)는 냉매 유동 방향으로 압축기(110)의 전방에 배치될 수 있다.
본 발명에서 수냉식 응축기(120)와 열교환부(140), 수냉식 증발기(160)는 한 쌍의 헤더탱크를 공유하는 구조를 구비할 수 있다.
일실시예로, 제1 헤더탱크(181)와 제2 헤더탱크(182)는 마주보도록 배치되며, 수냉식 응축기(120), 열교환부(140) 및 수냉식 증발기(160)가 냉매의 이동방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 이때, 제1 헤더탱크(181)와 제2 헤더탱크(182) 내부는 배플을 통해 구획되어 유로를 형성할 수 있다.
제1 헤더탱크(181)와 제2 헤더탱크(182) 외측에는 제1 팽창밸브(130) 및 제2 팽창밸브(150)가 배치될 수 있다.
일실시예로, 제1 팽창밸브(130)는 제1 헤더탱크(181) 외측에 설치되어 수냉식 응축기(120)를 통과한 냉매를 팽창하거나 통과시킬 수 있으며, 제2 팽창밸브(150)는 제2 헤더탱크(182) 외측에 배치되어 열교환부(140)를 통과한 냉매를 팽창하거나 통과시킬 수 있다.
본 발명에서는 수냉식 응축기(120), 열교환부(140) 및 수냉식 증발부가 직렬로 연결되는 구조를 구비한다.
이때, 열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130)와 제2 팽창밸브(150)의 동작에 따라 서로 다른 기능을 수행할 수 있다.
제1 팽창밸브(130)가 냉매를 팽창시키고 제2 팽창밸브(150)가 냉매를 바이패스시키는 경우, 열교환부(140)는 증발부의 역할을 수행할 수 있다. 이때, 열교환부(140)는 1차 증발기로 동작하여 냉매를 증발시키며, 수냉식 증발기(160)는 2차 증발기로 동작을 수행할 수있다. 이때, 열교환부(140)는 칠러의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제1 팽창밸브(130)가 냉매를 바이패스 시키고, 제2 팽창밸브(150)가 냉매를 팽창시키는 경우, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각기로 동작하며, 수냉식 증발기(160)는 증발기로 작동할 수 있다. 이때, 열교환부(140)는 서브 쿨러(sub-cooler)의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에서는 종래에 증발기와 병렬로 연결되는 칠러의 구성을 직렬로 개선하여 부품 수를 절감할 수 있다. 또한, 제1 팽창밸브(130) 및 제2 팽창밸브(150)의 동작에 따라 열교환부(140)의 기능을 변경하여 열교환기의 성능을 증대할 수 있으며, 다양한 온도의 냉각수를 시스템 내부로 공급할 수 있다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구조도이고, 도 2의 설명에 있어서, 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 냉매 순환라인(100)과 냉각수 라인을 포함한다.
냉매 순환라인(100)에는 냉매가 압축기(110), 수냉식 응축기(120), 제1 팽창밸브(130), 열교환부(140), 제2 팽창밸브(150), 수냉식 증발기(160) 및 어큐뮬레이터(170)가 배치되며, 냉매가 순환을 하게 된다.
압축기(110)는 동력 공급원인 모터 또는 엔진으로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있으며, 증발부에서 토출된 저온저압의 기상 냉매를 흡입 및 압축하여 고온고압의 기체 상태로 만들어 수냉식 응축기(120)로 보낼 수 있다. 압축기(110)의 종류는 제한이 없으며 다양한 공지의 압축기(110)가 사용될 수 있다.
수냉식 응축기(120)는 압축기(110)에서 토출된 고온고압의 기상 냉매를 외부 열원과 열교환시켜 저온고압의 액체로 응축하여 제1 팽창밸브(130)쪽으로 보내는 역할을 한다. 수냉식 응축기(120)의 종류는 제한이 없으며 다양한 공지된 수냉식 응축기(120) 구조가 사용될 수 있다.
제1 팽창밸브(130)는 수냉식 응축기(120)의 후단, 즉 열교환부(140)의 전단에 배치되어 수냉식 응축기(120)에서 토출되는 냉매를 팽창시키거나 바이패스할 수 있다.
열교환부(140)는 수냉식 응축기(120)에서 응축된 냉매가 이동하며, 내부에서 열교환이 일어나게 된다. 열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130)와 제2 팽창밸브(150)의 동작에 따라 서로 다른 역할을 수행할 수 있다. 이때 열교환부(140)는 칠러의 기능을 수행할 수 있다.
열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130)가 냉매를 팽창시키고, 제2 팽창밸브(150)가 냉매를 바이패스하는 경우, 열교환부(140)는 냉매의 제1 증발부로 수냉식 증발기(160)는 제2 증발부로 동작할 수 있다.
또한, 열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130)가 냉매를 바이패스시키고, 제2 팽창밸브(150)가 냉매를 팽창시키는 경우, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작을 하게 되며, 수냉식 증발기(160)는 증발기로의 역할을 수행할 수 있다.
제2 팽창밸브(150)는 열교환부(140)의 후단에 배치되어 열교환부(140)를 통과한 냉매의 이동라인에 배치될 수 있다. 제2 팽창밸브(150)는 열교환부(140)를 통과한 냉매를 팽창시키거나 바이패스할 수 있다.
수냉식 증발기(160)는 냉매의 유동 방향으로 제2 팽창밸브(150)의 후단에 배치되며, 냉매가 통과하면서 냉각수와 열교환될 수 있다. 수냉식 증발기(160)를 통해 냉각된 냉각수는 실내의 냉난방에 사용될 수 있다.
본 발명에서는 종래의 수냉식 증발기(160)와 칠러의 병렬구조를 직렬구조로 변경하여 부품수를 절감할 수 있으며, 제1 팽창밸브(130)와 제2 팽창밸브(150)의 동작에 따라 열교환되는 냉각수의 온도를 다양하게 제어할 수 있다.
어큐뮬레이터(170)는 수냉식 증발기(160)를 통과하여 유입되는 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(110)로 공급할 수 있다. 어큐뮬레이터(170)는 냉매 유동 방향으로 압축기(110)의 전방에 배치될 수 있다.
이와 같이 냉매 순환라인(100)은 압축기(110), 수냉식 응축기(120), 제1 팽창밸브(130), 열교환부(140), 제2 팽창밸브(150), 수냉식 증발기(160) 및 어큐뮬레이터(170)를 순환하면서 냉각수와 열교환을 할 수 있다.
냉각수라인은 냉매와 열교환을 하는 냉각수를 이용하여 실내를 냉난방하거나, 전장부품(222)을 냉각할 수 있다.
냉각수 라인은 제1 냉각수 라인(210), 제2 냉각수 라인(220) 및 제3 냉각수 라인(230)을 포함할 수 있다.
제1 냉각수 라인(210)은 수냉식 증발기(160)에서 냉매와 열교환하는 냉각수 이동 라인에 해당한다. 제1 냉각수 라인(210)에는 제1 펌프(211), 수냉식 증발기(160), 캐빈 쿨러(213) 및 제1 분기부(214)가 배치될 수 있다.
제1 펌프(211)는 냉각수를 압송하여 제1 냉각수 라인(210)을 따라 냉각수가 이동하도록 한다.
캐빈 쿨러(213)는 공랭식 증발기의 역할을 하며, 수냉식 증발기(160)를 통과하는 냉매와 열교환되어 냉각된 냉각수가 통과한다. 일실시예로, 캐빈 쿨러(213)는 공조장치의 내부에 배치될 수 있으며, 공조장치의 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 쿨러(213)를 거치며 냉각되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 냉방에 이용될 수 있다.
제1 분기부(214)는 제1-1 연결라인이 연결되며, 제1 연결라인은 리저버 탱크(240)와 연결될 수 있다.
리저버 탱크(240)는 냉각수를 저장 및 냉각수 라인 상에 부족한 냉각수를 보충하는 역할을 할 수 있으며, 냉각수의 부피 팽창 및 수축을 흡수할 수 있다.
제2 냉각수 라인(220)은 제1 라디에이터(224)를 순환하는 냉각수를 이용하여 전장부품(222)을 냉각할 수 있다.
이때, 제2 냉각수 라인(220)은 제1 방향 전환밸브를 통해 제1 냉각수 라인(210)과 연결될 수 있으며, 공조모드에 따라 서로 연결되거나 연결이 차단될 수 있다.
제2 냉각수 라인(220)은 제2 펌프(221), 전장부품(222), 제1 방향전환밸브(212), 제2 방향전환밸브(223), 제1 라디에이터(224) 및 제2 분기부(225)가 배치될 수 있다.
제2 펌프(221)는 제2 냉각수 라인(220)으로 냉각수를 압송할 수 있다.
전장부품(222)은 3-port로 구비되며, 일측은 냉각수의 이동라인에서 제1 방향전환밸브(212)를 따라 냉각수가 이동하며, 타측은 제2 방향전환밸브(223)와 연결될 수 있다. 이때, 제2 방향전환밸브(223)는 공조모드에 따라 제1 라디에이터(224)를 바이패스하도록 배치될 수 있다. 일실시예로, 구동 모터, 인버터, 충전기 등을 포함할 수 있으며, 차량에 장착되는 구성부품 중 발열이 일어나는 모든 구성부품이 포함될 수 있다.
제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)을 따라 흐르는 냉각수의 이동방향을 제어할 수 있다.
제2 방향전환밸브(223)는 3방향 밸브로 마련될 수 있으며, 공조모드에 따라 제1 라디에이터(224)를 바이패스하도록 냉각수의 흐름을 제어할 수 있다.
제1 라디에이터(224)는 전장부품(222)과 열교환된 냉각수를 냉각시킬 수 있으며, 냉각팬에 의해 공랭식으로 냉각수를 냉각시킬 수 있다.
제2 분기부(225)는 제2-1 연결라인(220a)을 통해 리저버 탱크(240)와 연결될 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)은 열교환부(140), 수냉식 응축기(120) 또는 제2 라디에이터(238) 중 적어도 하나에서 열교환을 한 냉각수가 순환할 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)은 제3 펌프(231), 냉각수 히터, 캐빈 히터(233), 열교환부(140), 제3 방향전환밸브(234), 배터리(235), 제3 분기부(236), 응축기, 제4 방향전환밸브(237) 제2 라디에이터(238) 및 제4 분기부(239)가 배치될 수 있다.
제3 펌프(231)는 제3 냉각수 라인(230)을 따라 냉각수를 압송할 수 있다.
냉각수 히터는 공조모드에 따라 동작여부가 결정될 수 있으며, 냉각수의 온도가 부족한 경우 추가적으로 냉각수를 가열할 수 있다.
캐빈 히터(233)는 냉각수 히터를 통해 가열된 냉각수가 통과한다. 일실시예로, 캐빈 히터(233)는 공조장치의 내부에 배치될 수 있으며, 공조장치의 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 히터(233)를 거치며 가열되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다.
캐빈 히터(233)는 냉각수 히터에 의해 미리 가열된 냉각수가 유입되므로, 캐빈 히터(233)는 상대적으로 발열 용량이 작은 저전압 피티씨 히터를 사용할 수 있으며, 이에 따라 고전압 피티씨 히터 대비 저렴한 가격으로 구성할 수 있다.
열교환부(140)는 제1 팽창밸브(130) 및 제2 팽창밸브(150)의 구동에 따라 기능이 달라지며, 이동하는 냉매가 냉각수와 열교환될 수 있다.
제3 방향전환밸브(234)는 공조모드에 따라 냉각수가 배터리(235)를 바이패스하도록 구동할 수 있다. 제3 방향전환밸브(234)는 3방 밸브가 사용될 수 있으며, 일측은 배터리(235)를 통과하며 배터리(235)를 냉각할 수 있으며, 타측은 제3-3 연결라인(230c)으로 연결되어 배터리(235)를 바이패스할 수 있다.
배터리(235)는 차량의 동력원이며, 차량 내 각종 전장부품(222)의 구동원이 될 수 있다. 또는 배터리(235)는 연료전지와 연결되어 전기를 저장하는 역할을 하거나, 외부에서 공급되는 전기를 저장하는 역할을 할 수 있다. 이러한 배터리(235)는 제3 냉각수 라인(230) 상에 배치되며, 유동하는 냉각수와 열교환되어 배터리(235)가 냉각되거나 가열될 수 있다.
제3 분기부(236)는 제3 방향전환밸브(234)에서 분기되는 제3-3 연결라인(230c)이 연결되어 공조모드에 따라 냉각수의 흐름이 배터리(235)를 바이패스하도록 할 수 있다.
응축기는 제3 분기부(236)를 통과하는 냉각수와 냉매 순환라인(100)을 따라 이동하는 냉매가 열교환을 할 수 있다.
제4 방향전환밸브(237)는 공조모드에 따라 응축기를 통과한 냉각수가 제2 라디에이터(238)를 바이패스하도록 구동할 수 있다. 제4 방향전환밸브(237)는 3방 밸브가 사용될 수 있으며, 일측은 라디에이터와 타측은 제4 분기부(239)와 연결될 수 있다.
제2 라디에이터(238)는 열교환부(140), 배터리(235) 또는 응축기 중 적어도 하나와 열교환된 냉각수를 냉각시킬 수 있으며, 냉각팬에 의해 공랭식으로 냉각수를 냉각시킬 수 있다.
제4 분기부(239)는 4방 밸브로 마련될 수 있으며, 제3 냉각수 라인(230)을 따라 제2 라디에이터(238) 및 제3 펌프(231)와 연결될 수 있으며, 제3-2 연결라인(230b)을 통해 제4 방향전환밸브(237)와 연결되고, 제3-1 연결라인(230a)을 따라 리저버 탱크(240)와 연결될 수 있다.
이하 각 공조모드에 따른 열교환기의 동작에 대해 설명하도록 한다.
1. 제1 공조모드(전장부품(222) 냉각+냉방+배터리(235) 칠러 냉각 모드)
도 3은 도 2의 제1 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수냉식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수냉식 응축기(120)에서 냉각되어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 팽창된 냉매는 열교환부(140)로 유입된다.
이때, 열교환부(140)는 칠러와 같은 동작을 하게된다. 팽창된 냉매는 열교환부(140)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다.
이후 열교환부(140)를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브(150)를 바이패스하여 수냉식 증발기(160)로 유입되며, 수냉식 증발기(160)에서는 제1 냉각수 라인(210)을 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 냉각수를 냉각하게 된다.
수냉식 증발기(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
또한, 제1 냉각수 라인(210)에서는 제1 펌프(211)의 동작으로 냉각수가 순환하게 되며, 증발기를 거치면서 냉각수가 냉각된다. 냉각된 냉각수는 제1 냉각수 라인(210)을 따라 이동하게 되며, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 차단하도록 동작된다.
캐빈 쿨러(213)는 공랭식 증발기의 역할을 하며, 수냉식 증발기(160)를 통과하는 냉각수는 공조장치의 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 쿨러(213)를 거치며 냉각되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 냉방에 이용될 수 있다.
캐빈 쿨러(213)를 통과한 냉각수는 제1 분기부(214)로 이동하게 되며, 냉각수 중 일부는 제1 분기부(214)에서 분기되어 리저버 탱크(240)로 유입되며, 일부는 제1 펌프(211)로 이동할 수 있다.
제2 냉각수 라인(220)에서 제1 방향전환밸브(212)는 제1 냉각수 라인(210)과 제2 냉각수 라인(220)을 차단하게 된다. 제2 펌프(221)를 통해 이동하는 냉각수는 전장부품(222)을 통과하면서 전장부품(222)을 냉각하게 되며, 3 포트로 구성되는 전장부품(222)은 제2 방향전환밸브(223)에 의해 제1 방향전환밸브(212)로의 흐름이 차단되며, 제2 방향전환밸브(223)를 통과한 냉각수는 제1 라디에이터(224)를 통과하면서 냉각될 수 있다.
제1 라디에이터(224)를 통과하는 냉각수는 제2 분기부(225)를 통과하며, 냉각수의 일부는 리저버 탱크(240)로 유입되고, 나머지는 제2 펌프(221)로 이동하여 냉각수가 순환된다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터와 캐빈 히터(233)는 동작하지 않으며, 냉각수는 열교환부(140)를 통과하면서 냉각되어 이동하게 된다.
제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하도록 제3-3 연결라인(230c)을 차단하며, 배터리(235)를 냉각한 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 냉매와 열교환을 할 수 있다.
수냉식 응축기(120)를 거치면서 승온된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하도록 제3-2 연결라인(230b)과 연결되는 라인을 폐쇄할 수 있다.
제2 라디에이터(238)를 거친 냉각수는 냉각이되어, 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
2. 제2 공조모드(전장부품(222) 냉각+냉방+배터리(235) 라디에이터 냉각 모드)
도 4는 도 2의 제2 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 4을 참조하면, 제2 공조모드에서 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수냉식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수냉식 응축기(120)에서 냉각되어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)를 바이패스한다.
이때, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하며, 열교환부(140)를 거쳐 과냉각된 냉매는 제2 팽창밸브(150)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창될 수 있다. 팽창된 냉매는 수냉식 증발기(160)로 유입되며, 팽창된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다.
수냉식 증발기(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
또한, 제1 냉각수 라인(210)에서는 제1 펌프(211)의 동작으로 냉각수가 순환하게 되며, 증발기를 거치면서 냉각수가 냉각된다. 냉각된 냉각수는 제1 냉각수 라인(210)을 따라 이동하게 되며, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 차단하도록 동작된다.
캐빈 쿨러(213)는 공랭식 증발기의 역할을 하며, 수냉식 증발기(160)를 통과하는 냉각수는 공조장치의 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 쿨러(213)를 거치며 냉각되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 냉방에 이용될 수 있다.
캐빈 쿨러(213)를 통과한 냉각수는 제1 분기부(214)로 이동하게 되며, 냉각수 중 일부는 제1 분기부(214)에서 분기되어 리저버 탱크(240)로 유입되며, 일부는 제1 펌프(211)로 이동할 수 있다.
제2 냉각수 라인(220)에서 제1 방향전환밸브(212)는 제1 냉각수 라인(210)과 제2 냉각수 라인(220)을 차단하게 된다. 제2 펌프(221)를 통해 이동하는 냉각수는 전장부품(222)을 통과하면서 전장부품(222)을 냉각하게 되며, 3 포트로 구성되는 전장부품(222)은 제2 방향전환밸브(223)에 의해 제1 방향전환밸브(212)로의 흐름이 차단되며, 제2 방향전환밸브(223)를 통과한 냉각수는 제1 라디에이터(224)를 통과하면서 냉각될 수 있다.
제1 라디에이터(224)를 통과하는 냉각수는 제2 분기부(225)를 통과하며, 냉각수의 일부는 리저버 탱크(240)로 유입되고, 나머지는 제2 펌프(221)로 이동하여 냉각수가 순환된다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터와 캐빈 히터(233)는 동작하지 않으며, 냉각수는 열교환부(140)를 통과하면서 이동하게 된다.
제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하도록 제3-3 연결라인(230c)을 차단하며, 배터리(235)를 냉각한 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 냉매와 열교환을 할 수 있다.
수냉식 응축기(120)를 거치면서 승온된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하도록 제3-2 연결라인(230b)과 연결되는 라인을 폐쇄할 수 있다.
제2 라디에이터(238)를 거친 냉각수는 냉각이되어, 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
3. 제3 공조모드(전장부품(222) 냉각+배터리(235) 라디에이터 냉각 모드)
도 5는 도 2의 제3 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제3 공조모드에서 냉매 순환라인(100)은 작동하지 않는다.
또한, 차량의 실내를 냉방하기 위한 제1 냉각수 라인(210) 또한 동작하지 않는다. 이때, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 차단하도록 동작된다.
제2 냉각수 라인(220)에서 제1 방향전환밸브(212)는 제1 냉각수 라인(210)과 제2 냉각수 라인(220)을 차단하게 된다. 제2 펌프(221)를 통해 이동하는 냉각수는 전장부품(222)을 통과하면서 전장부품(222)을 냉각하게 되며, 3 포트로 구성되는 전장부품(222)은 제2 방향전환밸브(223)에 의해 제1 방향전환밸브(212)로의 흐름이 차단되며, 제2 방향전환밸브(223)를 통과한 냉각수는 제1 라디에이터(224)를 통과하면서 냉각될 수 있다.
제1 라디에이터(224)를 통과하는 냉각수는 제2 분기부(225)를 통과하며, 냉각수의 일부는 리저버 탱크(240)로 유입되고, 나머지는 제2 펌프(221)로 이동하여 냉각수가 순환된다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터와 캐빈 히터(233)는 동작하지 않으며, 냉각수는 열교환부(140)를 통과하면서 이동하게 된다.
제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하도록 제3-3 연결라인(230c)을 차단하며, 배터리(235)를 냉각하여 승온된 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하게 된다.
수냉식 응축기(120)를 통과한 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하도록 제3-2 연결라인(230b)과 연결되는 라인을 폐쇄할 수 있다.
제2 라디에이터(238)를 거친 냉각수는 냉각이 되어, 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)은 제2 라디에이터(238)를 통해 배터리(235)를 냉각할 수 있다.
4. 제4 공조모드(전장부품(222) 폐열+외기흡수+난방+배터리(235)승온 모드)
도 6은 도 2의 제4 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수냉식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수냉식 응축기(120)에서 냉각되어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)를 바이패스하여 열교환부(140)로 유입된다.
이때, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하며, 열교환부(140)를 거쳐 과냉각된 냉매는 제2 팽창밸브(150)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창될 수 있다. 팽창된 냉매는 수냉식 증발기(160)로 유입되며, 팽창된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다.
수냉식 증발기(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
또한, 제1 냉각수 라인(210)에서는 제1 펌프(211)의 동작으로 냉각수가 순환하게 되며, 증발기를 거치면서 냉각수가 냉각된다. 냉각된 냉각수는 제1 냉각수 라인(210)을 따라 이동하게 되며, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 연결하도록 동작된다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과한 냉각수는 제2 방향전환밸브(223)로 유입되며, 제2 방향전환밸브(223)는 제2-2 연결라인(220b)을 차단하여 냉각수가 제1 라디에이터(224)로 흐르도록 할 수 있다.
냉각수는 제1 라디에이터(224)에서 외기를 흡수하여 승온되어 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 냉각수의 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제2 펌프(221)로 이동할 수 있다.
제2 펌프(221)를 통해 이동하는 냉각수는 전장부품(222)을 통과하면서 전장부품(222)의 폐열을 흡수하게 되며, 3 포트로 구성되는 전장부품(222)은 제2 방향전환밸브(223)에 의해 제2-2 연결라인(220b)이 차단되며, 냉각수는 제1 방향전환밸브(212)를 통해 제1 냉각수 라인(210)으로 이동할 수 있다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과하는 냉각수는 캐빈 쿨러(213)를 통과한다. 이때 캐빈 쿨러(213)는 동작하지 않으며, 냉각수는 제1 분기부(214)로 이동할 수 있다. 제1 분기부(214)로 이동한 냉각수 중 일부는 제1 분기부(214)에서 분기되어 리저버 탱크(240)로 유입되며, 일부는 제1 펌프(211)로 이동할 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 승온된 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터는 냉각수를 추가적으로 승온할 수 있으며, 냉각수 히터를 통과한 냉각수는 캐빈 히터(233)로 공급된다.
캐빈 히터(233)로 공급된 냉각수는 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 히터(233)를 거치며 가열되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다.
캐빈 히터(233)를 통과한 냉각수는 열교환부(140)를 거쳐 제3 방향전환밸브(234)로 이동하며, 제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하도록 제3-3 연결라인(230c)을 차단하며, 배터리(235)를 냉각하여 승온된 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하게 된다.
수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 이때, 냉각수는 제3-2 연결라인(230b)을 따라 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
5. 제5 공조모드(전장부품(222) 폐열+외기흡수+난방)
도 7은 도 2의 제5 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제5 공조모드에서 냉매 순환라인(100)의 구동은 상기 언급한 제4 공조모드와 동일하다.
또한, 제1 냉각수 라인(210)과 제2 냉각수 라인(220)이 제1 방향전환밸브(212)를 통해 서로 연결되어 순환되며, 이는 제4 공조모드에서 순환과 동일하다.
따라서 차이점이 도출되는 제3 냉각수 라인(230)을 살펴보도록 한다.
제3 냉각수 라인(230)은 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 승온된 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터는 냉각수를 추가적으로 승온할 수 있으며, 냉각수 히터를 통과한 냉각수는 캐빈 히터(233)로 공급된다.
캐빈 히터(233)로 공급된 냉각수는 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 히터(233)를 거치며 가열되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다.
캐빈 히터(233)를 통과한 냉각수는 열교환부(140)를 거쳐 제3 방향전환밸브(234)로 이동하며, 제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하는 것을 차단하고 제3-3 연결라인(230c)을 개방하여 냉각수가 배터리(235)를 바이패스 하도록 하여 배터리(235) 과열을 방지할 수 있다.
이후, 제3 분기부(236)를 통과한 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열되며, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 이때, 냉각수는 제3-2 연결라인(230b)을 따라 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
6. 제6 공조모드(전장부품(222) 폐열+난방+배터리(235)승온 모드)
도 8은 도 2의 제6 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수냉식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수냉식 응축기(120)에서 냉각되어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)를 바이패스하여 열교환부(140)로 유입된다.
이때, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하며, 열교환부(140)를 거쳐 과냉각된 냉매는 제2 팽창밸브(150)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창될 수 있다. 팽창된 냉매는 수냉식 증발기(160)로 유입되며, 팽창된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다.
수냉식 증발기(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
또한, 제1 냉각수 라인(210)에서는 제1 펌프(211)의 동작으로 냉각수가 순환하게 되며, 증발기를 거치면서 냉각수가 냉각된다. 냉각된 냉각수는 제1 냉각수 라인(210)을 따라 이동하게 되며, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 연결하도록 동작된다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과한 냉각수는 제2 방향전환밸브(223)로 유입되며, 제2 방향전환밸브(223)는 냉각수라 제1 라디에이터(224)를 바이패스하도록 제2-2 연결라인(220b)을 개방하고, 제1 라디에이터(224) 측으로 흐르는 냉각수를 차단할 수 있다.
냉각수는 전장부품(222) 폐열을 흡수하여 다시 제1 방향전환밸브(212)로 유입되며, 냉각수는 제1 방향전환밸브(212)를 통해 제1 냉각수 라인(210)으로 이동할 수 있다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과하는 냉각수는 캐빈 쿨러(213)를 통과한다. 이때 캐빈 쿨러(213)는 동작하지 않으며, 냉각수는 제1 분기부(214)로 이동할 수 있다. 제1 분기부(214)로 이동한 냉각수 중 일부는 제1 분기부(214)에서 분기되어 리저버 탱크(240)로 유입되며, 일부는 제1 펌프(211)로 이동할 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 승온된 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터는 냉각수를 추가적으로 승온할 수 있으며, 냉각수 히터를 통과한 냉각수는 캐빈 히터(233)로 공급된다.
캐빈 히터(233)로 공급된 냉각수는 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 히터(233)를 거치며 가열되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다.
캐빈 히터(233)를 통과한 냉각수는 열교환부(140)를 거쳐 제3 방향전환밸브(234)로 이동하며, 제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하도록 제3-3 연결라인(230c)을 차단하며, 배터리(235)로 이동하는 냉각수는 배터리(235)를 승온한 후, 수냉식 응축기(120)를 통과하게 된다.
수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 이때, 냉각수는 제3-2 연결라인(230b)을 따라 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
7. 제7 공조모드(전장부품(222) 폐열+난방)
도 9는 도 2의 제7 공조모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 냉매 순환라인(100)은 압축기(110)가 작동하여 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(110)에서 토출된 냉매는 수냉식 응축기(120)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 수냉식 응축기(120)에서 냉각되어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)를 바이패스하여 열교환부(140)로 유입된다.
이때, 열교환부(140)는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하며, 열교환부(140)를 거쳐 과냉각된 냉매는 제2 팽창밸브(150)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창될 수 있다. 팽창된 냉매는 수냉식 증발기(160)로 유입되며, 팽창된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다.
수냉식 증발기(160)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(170)로 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
제1 냉각수 라인(210)에서는 제1 펌프(211)의 동작으로 냉각수가 순환하게 되며, 증발기를 거치면서 냉각수가 냉각된다. 냉각된 냉각수는 제1 냉각수 라인(210)을 따라 이동하게 되며, 제1 방향전환밸브(212)는 제2 냉각수 라인(220)과 제1 냉각수 라인(210)을 연결하도록 동작된다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과한 냉각수는 제2 방향전환밸브(223)로 유입되며, 제2 방향전환밸브(223)는 냉각수라 제1 라디에이터(224)를 바이패스하도록 제2-2 연결라인(220b)을 개방하고, 제1 라디에이터(224) 측으로 흐르는 냉각수를 차단할 수 있다.
냉각수는 전장부품(222) 폐열을 흡수하여 다시 제1 방향전환밸브(212)로 유입되며, 냉각수는 제1 방향전환밸브(212)를 통해 제1 냉각수 라인(210)으로 이동할 수 있다.
제1 방향전환밸브(212)를 통과하는 냉각수는 캐빈 쿨러(213)를 통과한다. 이때 캐빈 쿨러(213)는 동작하지 않으며, 냉각수는 제1 분기부(214)로 이동할 수 있다. 제1 분기부(214)로 이동한 냉각수 중 일부는 제1 분기부(214)에서 분기되어 리저버 탱크(240)로 유입되며, 일부는 제1 펌프(211)로 이동할 수 있다.
제3 냉각수 라인(230)에서 제3 펌프(231)를 통해 냉각수가 이동하게 된다. 이때, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 승온된 냉각수가 이동하는 라인에 배치되는 냉각수 히터는 냉각수를 추가적으로 승온할 수 있으며, 냉각수 히터를 통과한 냉각수는 캐빈 히터(233)로 공급된다.
캐빈 히터(233)로 공급된 냉각수는 송풍기에 의해 유동되는 공기가 캐빈 히터(233)를 거치며 가열되어 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다.
캐빈 히터(233)를 통과한 냉각수는 열교환부(140)를 거쳐 제3 방향전환밸브(234)로 이동하며, 제3 방향전환밸브(234)는 열교환부(140)를 통과하는 냉각수가 배터리(235)로 이동하는 것을 차단하고 제3-3 연결라인(230c)을 개방하여 냉각수가 배터리(235)를 바이패스 하도록 하여 배터리(235) 과열을 방지할 수 있다.
이후, 제3 분기부(236)를 통과한 냉각수는 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열되며, 수냉식 응축기(120)를 통과하면서 가열된 냉각수는 제4 방향전환밸브(237)를 통과하게 되며, 이때 제4 방향전환밸브(237)는 냉각수가 제2 라디에이터(238)로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 이때, 냉각수는 제3-2 연결라인(230b)을 따라 제4 분기부(239)로 이동하게 되며, 제4 분기부(239)에서 일부는 리저버 탱크(240)로 이동하며, 나머지는 제3 펌프(231)로 이동할 수 있다.
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 : 수냉식 응축기 130 : 제1 팽창밸브
140 : 열교환부 150 : 제2 팽창밸브
160 : 수냉식 증발기 170 : 어큐뮬레이터
181 : 제1 헤더탱크 182 : 제2 헤더탱크
210 : 제1 냉각수 라인 211 : 제1 펌프
212 : 제1 방향전환밸브 213 : 캐빈 쿨러
214 : 제1 분기부 220 : 제2 냉각수 라인
220a : 제2-1 연결라인 220b : 제2-2 연결라인
221 : 제2 펌프 222 : 전장부품
223 : 제2 방향전환밸브 224 : 제1 라디에이터
225 : 제2 분기부 230 : 제3 냉각수 라인
230a : 제3-1 연결라인 230b : 제3-2 연결라인
230c : 제3-3 연결라인 231 : 제3 펌프
232 : 냉각수 히터 233 : 캐빈 히터
234 : 제3 방향전환밸브 235 : 배터리
236 : 제3 분기부 237 : 제4 방향전환밸브
238 : 제2 라디에이터 239 : 제4 분기부
240 : 리저버 탱크

Claims (15)

  1. 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기;
    압축된 냉매가 이동하는 라인에 배치되며 냉각수를 이용하여 고온의 냉매를 냉각하는 수냉식 응축기;
    상기 수냉식 응축기에서 응축된 냉매가 이동하는 열교환부;
    상기 열교환부를 통과한 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각하는 수냉식 증발기; 및
    상기 수냉식 증발기를 이동하는 냉매를 기액분리하여 압축기로 기체를 전달하는 어큐뮬레이터를 포함하며,
    상기 수냉식 응축기에서 상기 열교환부로 냉매가 이동하는 라인에는 제1 팽창밸브가, 상기 열교환부에서 상기 수냉식 증발기로 냉매가 이동하는 라인에는 제2 팽창밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수냉식 응축기, 상기 열교환부 및 상기 수냉식 증발기는 내부에 복수의 핀 및 튜브의 열교환 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브가 냉매를 팽창시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키는 경우, 상기 열교환부는 증발기의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브가 냉매를 바이패스 시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 팽창시키는 경우, 상기 열교환부는 고압측 냉매의 과냉각기로 동작하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 수냉식 응축기, 상기 열교환부 및 상기 수냉식 증발기는 서로 마주보도록 배치되는 제1 헤더탱크와 제2 헤더탱크를 공유하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브는 상기 제1 헤더탱크의 외측에 배치되며, 상기 제2 팽창밸브는 상기 제2 헤더탱크의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기;
    압축된 상기 냉매를 응축시키는 수냉식 응축기;
    상기 응축기을 통과한 상기 냉매의 이동라인에 배치되는 제1 팽창밸브;
    응축된 상기 냉매가 이동하는 경로에 배치되는 열교환부;
    상기 열교환부를 통과한 상기 냉매의 이동라인에 배치되는 제2 팽창밸브;
    상기 열교환부와 직렬로 연결되어, 상기 열교환부를 통과한 냉매가 이동하는 경로에 배치되여 냉매를 냉각수와 열교환시켜 기화시키는 수냉식 증발기; 및
    상기 냉매와 열교환하는 냉각수를 이용하여 실내를 냉난방하는 냉각수라인;
    을 포함하며,
    상기 열교환부는 상기 제1 팽창밸브와 상기 제2 팽창밸브의 동작에 따라 다른 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브가 냉매를 팽창시키고 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키는 경우, 상기 열교환부는 상기 냉매의 제1 증발부로, 상기 증발기는 2차 증발부로 동작하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브가 냉매를 바이패스시키고, 상기 제2 팽창밸브가 냉매를 팽창시키는 경우, 상기 열교환부는 고압측 냉매의 과냉각부로 동작하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 냉각수라인은
    상기 수냉식 증발기에서 냉매와 열교환을 하는 냉각수가 순환하는 제1 냉각수라인;
    제1 라디에이터를 순환하는 냉각수를 이용하여 전장부품을 냉각하는 제2 냉각수라인;
    상기 열교환부, 상기 수냉식 응축기 또는 제2 라디에이터 중 적어도 하나에서 열교환을 한 냉각수가 순환하는 제3 냉각수라인;
    을 포함하며,
    상기 제1 냉각수라인과 상기 제2 냉각수라인은 제1 방향전환밸브로 연결되어, 공조모드에 따라 서로 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수라인에서 분기되는 제1-1 연결라인. 상기 제2 냉각수라인에서 분기되는 제2-1 연결라인 및 상기 제3 냉각수라인에서 분기되는 제3-1 연결라인은 리저버 탱크와 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수라인은 냉각수가 상기 수냉식 증발기, 상기 제1 방향전환밸브, 캐빈쿨러 및 제1 펌프를 순환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 냉각수라인은 냉각수가 제2 펌프, 전장부품, 상기 제1 방향전환밸브, 제2 방향전환밸브 및 상기 제1 라디에이터를 순환하며,
    상기 제2 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 제1 라디에이터를 바이패스하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 냉각수라인은 제3 펌프, 냉각수 히터, 캐빈히터, 상기 열교환부, 제3 방향전환밸브, 베터리, 상기 응축기 및 제2 라디에이터를 순환하며,
    상기 제3 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 베터리를 바이패스하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제3 냉각수라인은 제4 방향전환밸브를 더 포함하며,
    상기 제4 방향전환밸브는 공조모드에 따라 상기 제2 라디에이터를 바이패스하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114906332A (zh) * 2022-05-18 2022-08-16 南京航空航天大学 一种机载泵驱能量利用系统
WO2023132659A1 (ko) * 2022-01-10 2023-07-13 한온시스템 주식회사 매니폴드 냉매 모듈

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