KR20210155525A

KR20210155525A - 차량용 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20210155525A
Application number: KR1020200072850A
Authority: KR
Inventors: 김재완; 김재연; 김연호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-23
Also published as: US20210387505A1; CN113799572A; US11390141B2; DE102020131554A1

Abstract

차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉각수 라인에 구비되는 적어도 하나의 전장품을 냉각하도록 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치; 배터리 모듈에 냉각수를 순환시키는 배터리 냉각장치; 냉각수를 냉매와 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러; 냉각수를 이용해 차량실내를 난방하는 난방장치; 분기라인; 및 제1 밸브와 상기 칠러를 연결하는 칠러 연결라인을 포함하되, 상기 리저버 탱크는 상기 라디에이터와 상기 제1 밸브의 사이에서 상기 냉각수 라인에 구비되며, 제1 밸브와 제1 워터펌프를 연결하는 상기 냉각수 라인과 공급라인을 통해 연결되고, 상기 에어컨 장치에 포함된 컨덴서는 상기 난방장치를 순환하는 냉각수가 통과되도록 상기 난방라인과 연결될 수 있다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매와 냉각수가 열교환 되는 하나의 칠러를 이용하여 배터리 모듈의 온도를 조절하고, 전장품으로부터 발생된 폐열을 이용하여 난방효율을 향상시키도록 하는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 공기조화 시스템은 자동차의 실내를 난방하거나 냉방하기 위하여 냉매를 순환시키는 에어컨 장치를 포함한다.

이러한 에어컨 장치는 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 장치는 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, 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 히트펌프 시스템과 함께, 배터리 냉각 시스템이 각각 별도의 밀폐회로로 구성해야만 한다.

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

또한, 배터리가 최적성능을 발휘되도록 차량의 상태에 따라 배터리를 승온 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 냉매와 냉각수가 열교환 되는 하나의 칠러를 이용하여 배터리 모듈의 온도를 조절하고, 전장품으로부터 발생된 폐열을 회수해 실내난방에 사용함으로써, 난방효율을 향상시키도록 하는 차량용 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉각수 라인으로 연결되는 라디에이터, 제1 워터펌프, 제1 밸브, 제2 밸브, 및 리저버 탱크를 포함하며, 상기 냉각수 라인에 구비되는 적어도 하나의 전장품을 냉각하도록 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치; 상기 냉각수 라인과 상기 제1 밸브를 통해 연결되는 배터리 냉각수 라인과, 상기 배터리 냉각수 라인으로 연결되는 제2 워터펌프, 및 배터리 모듈을 포함하며, 상기 배터리 모듈에 냉각수를 순환시키는 배터리 냉각장치; 상기 제1 밸브와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되며, 에어컨 장치의 냉매라인과 냉매 연결라인을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각수 라인을 순환하는 냉각수를 상기 에어컨 장치로부터 선택적으로 공급된 냉매와 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러; 냉각수를 이용해 차량실내를 난방하도록 상기 냉각수 라인과 상기 제2 밸브를 통해 선택적으로 연결되는 난방라인과, 상기 난방라인에 구비되는 제3 워터펌프, 및 히터를 포함하는 난방장치; 일단이 상기 라디에이터와 상기 제2 밸브의 사이에서 상기 냉각수 라인에 연결되고, 타단은 상기 제1 밸브에 연결되는 분기라인; 및 상기 배터리 냉각수 라인과 별도로 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 칠러 연결라인; 을 포함하되, 상기 리저버 탱크는 상기 라디에이터와 상기 제1 밸브의 사이에서 상기 냉각수 라인에 구비되며, 상기 제1 밸브와 상기 제1 워터펌프를 연결하는 상기 냉각수 라인과 공급라인을 통해 연결되고, 상기 에어컨 장치에 포함된 컨덴서는 상기 난방장치를 순환하는 냉각수가 통과되도록 상기 난방라인과 연결될 수 있다.

상기 제1 밸브는 상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인과 연결되는 제1 포트; 상기 제1 워터펌프와 연결된 상기 냉각수 라인과 연결되는 제2 포트; 상기 칠러 연결라인과 연결되는 제3 포트; 상기 분기라인과 연결되는 제4 포트; 상기 칠러와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되는 제5 포트; 및 상기 제2 워터펌프와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되는 제6 포트; 를 포함할 수 있다.

상기 제1 밸브는 상기 제1 내지 제6 포트 중, 냉각수가 유입되는 포트와 이웃하는 포트를 통해 냉각수가 배출되도록 작동될 수 있다.

상기 에어컨 장치는 상기 냉매라인을 통해 연결되는 증발기와, 차량의 냉방, 난방, 및 제습 모드에 따라, 상기 증발기를 통과한 외기가 상기 히터에 선택적으로 유입되도록 조절하는 개폐도어가 내부에 구비된 HVAC모듈; 상기 제2 밸브와 상기 히터의 사이에서 상기 난방라인에 구비되어 내부에 냉각수가 순환되고, 상기 냉매라인을 통해 공급된 냉매를 냉각수와 열교환시키는 컨덴서; 상기 증발기와 상기 컨덴서의 사이에서 상기 냉매라인을 통해 연결되는 압축기; 상기 컨덴서와 상기 증발기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 열교환기; 상기 열교환기와 상기 증발기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 제1 팽창밸브; 상기 냉매 연결라인에 구비되는 제2 팽창밸브; 상기 증발기와 상기 압축기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되고, 상기 냉매 연결라인과 연결되는 어큐뮬레이터; 및 상기 컨덴서와 상기 열교환기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 제3 팽창밸브; 를 포함할 수 있다.

상기 열교환기는 상기 제3 팽창밸브의 선택적인 작동에 따라, 상기 컨덴서에서 응축된 냉매를 외기와 열교환을 통해 추가로 응축 또는 증발시킬 수 있다.

상기 제2 팽창밸브는 냉매로 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 냉매 연결라인을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시키고, 상기 제3 팽창밸브는 차량의 난방모드와, 저온 제습 모드에서 상기 열교환기로 유입되는 냉매를 선택적으로 팽창시킬 수 있다.

상기 냉매 연결라인의 일단은 상기 열교환기와 상기 제1 팽창밸브 사이에서 상기 냉매라인에 연결되고, 상기 냉매 연결라인의 타단은 상기 어큐뮬레이터에 연결될 수 있다.

상기 칠러와 상기 컨덴서는 수랭식 열 교환기이고, 상기 열교환기는 공랭식 열 교환기일 수 있다.

상기 HVAC 모듈은 상기 히터를 통과한 외기를 선택적으로 가열하도록 상기 히터를 사이에 두고, 상기 증발기의 반대측에 구비되는 공기 가열기를 더 포함할 수 있다.

상기 공기 가열기는 상기 히터로 공급된 냉각수의 온도가 실내 난방의 목표온도 보다 낮을 경우, 상기 히터를 통과한 외기의 온도를 상승시키기 위해 작동될 수 있다.

상기 HVAC 모듈은 상기 히터로 유입되는 외기를 선택적으로 가열하도록 상기 히터와 상기 증발기의 사이에 구비되는 공기 가열기를 더 포함할 수 있다.

상기 공기 가열기는 상기 히터로 공급된 냉각수의 온도가 실내 난방의 목표온도 보다 낮을 경우, 상기 히터로 유입되는 외기의 온도를 상승시키기 위해 작동될 수 있다.

차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 냉각장치에서는 상기 제1 워터펌프의 작동에 의해 상기 냉각수 라인에 냉각수가 순환되고, 상기 공급라인이 개방되며, 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며, 상기 배터리 냉각장치에서는 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 칠러를 통과한 냉각수가 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈에 공급되고, 상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되어 상기 냉각장치로부터 냉각수가 공급되며, 상기 에어컨 장치에서는 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 상기 냉매 연결라인이 개방된 상태에서, 상기 냉매라인과 상기 냉매 연결라인을 따라 냉매가 순환되고, 팽창된 냉매가 상기 증발기와 상기 칠러에 각각 공급되도록 상기 제1, 및 제2 팽창밸브는 냉매를 팽창시키며, 상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 상기 열교환기로 유입시킬 수 있다.

상기 난방장치는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 냉각장치에서 공급된 냉각수를 상기 컨덴서에 공급하고, 상기 컨덴서는 냉각수와의 열교환을 통해 냉매를 응축시키고, 상기 열교환기는 상기 컨덴서로부터 유입된 냉매를 외기와의 열교환을 통해 추가로 응축시킬 수 있다.

차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 전장품의 폐열을 회수할 경우, 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 공급라인이 개방되며, 상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터와 상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 분기라인과 개방된 일부의 상기 냉각수 라인을 순환하고, 상기 분기라인을 통해 상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러로 유입되며, 상기 칠러를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 밸브를 통해 상기 전장품과 연결된 상기 냉각수 라인으로 순환되고, 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인은 상기 제2 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고, 상기 난방장치에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며, 상기 에어컨 장치에서는 상기 제1 팽창밸브의 작동을 통해 상기 컨덴서와 상기 증발기를 연결하는 냉매라인이 폐쇄되고, 상기 냉매 연결라인은 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 개방되며, 상기 제2 팽창밸브는 상기 냉매 연결라인으로 공급되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러에 공급하고, 상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기에 공급할 수 있다.

차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 배터리 모듈의 폐열을 회수할 경우, 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 공급라인이 폐쇄되며, 상기 냉각장치는 작동이 정지되고, 상기 배터리 냉각장치에서는 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 배터리 모듈을 통과한 냉각수가 상기 칠러에 공급되며, 상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 난방라인과 상기 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며, 상기 에어컨 장치에서는 상기 제1 팽창밸브의 작동을 통해 상기 컨덴서와 상기 증발기를 연결하는 냉매라인이 폐쇄되고, 상기 냉매 연결라인은 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 개방되며, 상기 제2 팽창밸브는 상기 냉매 연결라인으로 공급되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러에 공급하고, 상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기에 공급할 수 있다.

차량의 저온 제습 모드를 수행할 경우, 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 공급라인이 개방되며, 상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터와 상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 분기라인과 개방된 일부의 상기 냉각수 라인을 순환하고, 상기 분기라인을 통해 상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러로 유입되며, 상기 칠러를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 밸브를 통해 상기 전장품과 연결된 상기 냉각수 라인으로 순환되고, 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인은 상기 제2 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고, 상기 난방장치에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며, 상기 에어컨 장치에서는 상기 제1, 및 2 팽창밸브의 작동을 통해 개방된 상기 냉매라인과 상기 냉매 연결라인을 따라 냉매가 각각 순환되고, 팽창된 냉매가 상기 증발기와 상기 칠러에 각각 공급되도록 상기 제1, 및 제2 팽창밸브는 냉매를 팽창시키고, 상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기로 유입시킬 수 있다.

냉각수를 이용해 상기 전장품과 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되며, 상기 공급라인은 개방되고, 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인이 폐쇄되고, 상기 리저버 탱크와 상기 제1 밸브를 연결하는 상기 냉각수 라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되며, 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수는 상기 제1, 및 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 제1 밸브로부터 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈을 통과하고, 상기 배터리 모듈을 통과한 냉각수는 상기 칠러로부터 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 워터펌프와 연결된 상기 냉각수 라인을 따라 유동되면서, 상기 전장품으로 공급될 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치의 작동 없이 상기 전장품의 폐열을 이용할 경우, 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 개방되고, 상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터, 상기 리저버 탱크, 및 상기 제1 밸브와 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 공급라인이 개방되고, 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 칠러와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 제외한 나머지 상기 배터리 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되며, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 냉각수 라인과 연결되는 상기 난방라인으로 유입되고, 상기 난방라인으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 히터로 공급되며, 상기 히터로부터 배출된 냉각수는 개방된 일부의 상기 냉각수 라인과 개방된 상기 분기라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입되고, 상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 개방된 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러를 통과한 후, 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 다시 상기 제1 밸브로 유입되며, 상기 제1 밸브로 다시 유입된 냉각수는 개방된 상기 냉각수 라인을 따라 상기 전장품으로 공급될 수 있다.

차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치의 작동 없이 상기 전장품의 폐열을 이용하면서, 상기 전장품의 냉각이 요구될 경우, 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 폐쇄되고, 상기 냉각장치에서는 상기 냉각수 라인이 개방되며, 상기 공급라인이 개방되고, 상기 배터리 냉각장치는 작동이 정지되며, 상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되고, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 냉각수 라인과 연결된 상기 난방라인으로 유입되고, 상기 난방라인으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 히터로 공급되며, 상기 히터로부터 배출된 냉각수는 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 냉각수 라인을 따라 상기 라디에이터를 통과면서 냉각된 후, 상기 전장품을 통과하면서 상기 전장품으로부터 폐열을 회수하는 동시에, 상기 전장품을 냉각시킬 수 있다.

상기 제1 밸브는 6-way 밸브이고, 상기 제2 밸브는 4-Way 밸브일 수 있다.

상기 전장품은 모터, 또는 전력제어장치, 또는 인버터, 또는 충전기(On Board Charger, OBC)를 포함할 수 있다.

상기 공급라인은 상기 제1 워터펌프의 작동에 의해 상기 냉각수 라인으로 상기 냉각수가 순환되면, 상기 냉각수 라인과 연결될 수 있다.

상기 배터리 냉각장치는 상기 배터리 모듈과 상기 칠러의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되는 제1 냉각수 가열기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 냉각수 가열기는 상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우, 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되는 냉각수를 가열하도록 작동될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에 의하면, 냉각수와 냉매가 열교환 되는 하나의 칠러를 이용하여 차량의 모드에 따라 배터리 모듈의 온도를 조절하고, 냉각수를 이용해 차량 실내의 난방을 구현함으로써, 전체 시스템의 간소화 및 단순화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 전장품, 또는 배터리 모듈로부터 발생된 폐열을 회수해 실내난방에 사용함으로써, 난방효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리 모듈의 온도를 효율적으로 조절함으로써, 배터리 모듈의 최적 성능 발휘가 가능해지고, 효율적인 배터리 모듈의 관리를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 난방장치에 적용되는 냉각수 가열기를 이용하여 배터리 모듈을 승온 또는 실내 난방에 보조로 사용할 수 있어 원가 및 중량을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 차량의 난방모드에서 외기열원과, 전장품, 및 배터리 모듈의 폐열을 선택적으로 이용함으로써, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 컨덴서와 열교환기를 이용해 냉매의 응축 또는 증발 성능을 증대시킴으로써, 냉방성능을 향상시키고 압축기의 소모동력을 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 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 라디에이터를 이용해 전장품과 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 냉방 모드 시에 냉매를 이용해 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 난방모드에 따른 외기열원과 전장품의 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 난방모드에 따른 외기열원과 배터리 모듈의 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 전장품의 폐열을 이용해 난방모드를 수행하는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 전장품의 폐열을 이용해 난방모드를 수행하면서, 전장품을 냉각하는 것에 대한 작동 상태도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 저온 제습 모드에 따른 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 구성도이고, 도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매와 냉각수가 열교환 되는 하나의 칠러(30)를 이용하여 배터리 모듈(24)의 온도를 조절하고, 전장품(15)과 배터리 모듈(24)로부터 발생된 폐열을 회수해 실내난방에 사용할 수 있다.

이러한 히트펌프 시스템은 전기 자동차에 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 냉각장치(10), 배터리 냉각장치(20), 칠러(30), 및 난방장치(40)를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 냉각장치(10)는 냉각수 라인(11)으로 연결되는 라디에이터(12), 제1 워터펌프(14), 제1 밸브(V1), 제2 밸브(V2), 및 리저버 탱크(16)를 포함한다.

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

또한, 상기 전장품(15)은 전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU), 모터, 인버터, 또는 충전기(On Board Charger, OBC) 등의 전력변환장치를 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 전장품(15)은 상기 냉각수 라인(11)에 구비되어 수랭식으로 냉각될 수 있다.

이에 따라, 차량의 난방모드에서 상기 전장품(15)의 폐열을 회수할 경우에는 상기 전력제어장치, 모터, 인버터, 또는 충전기 등의 전력변환장치로부터 발생된 열을 회수할 수 있다.

또한, 상기 라디에이터(12)와 상기 제1 워터펌프(14) 사이에서 상기 냉각수 라인(11)에는 상기 리저버 탱크(16)가 구비된다. 상기 리저버 탱크(16)에는 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수가 저장될 수 있다.

이러한 냉각장치(10)는 상기 냉각수 라인(11)에 구비되는 상기 전장품(15)에 냉각수가 공급되도록 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)에 냉각수를 순환시킬 수 있다.

한편, 상기 리저버 탱크(16)는 상기 제1 밸브(V1)와 상기 제1 워터펌프(14)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)과 공급라인(17)을 통해 연결될 수 있다.

상기 공급라인(17)은 상기 제1 워터펌프(14)의 작동에 의해 상기 냉각수 라인(11)으로 상기 냉각수가 순환되면, 상기 냉각수 라인(11)과 연결될 수 있다.

즉, 상기 제1 워터펌프(14)가 작동되면, 상기 리저버 탱크(16)는 저장된 일부의 냉각수를 상기 공급라인(17)을 통해 상기 냉각수 라인(11)으로 유입시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 워터펌프(14)의 작동 시에는 상기 제1 워터펌프(14)에서 공동현상(Cavitation)의 발생이 방지될 수 있다. 또한, 공동현상(Cavitation)으로 인한 상기 제1 워터펌프(14)의 파손이 미연에 방지될 수 있다.

또한, 상기 냉각장치(10)는 분기라인(18)을 더 포함할 수 있다.

상기 분기라인(18)의 일단은 상기 라디에이터(12)와 상기 제2 밸브(V2)의 사이에서 상기 냉각수 라인(11)에 연결된다. 상기 분기라인(18)의 타단은 상기 제1 밸브(V1)에 연결될 수 있다.

이러한 분기라인(18)은 상기 전장품(15)의 폐열을 회수할 경우, 상기 전장품(15)을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터(12)의 통과 없이, 상기 전장품(15)으로 다시 공급되도록 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 선택적으로 개폐될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 배터리 냉각장치(20)는 상기 냉각수 라인(11)과 제1 밸브(V1)를 통해 연결되는 배터리 냉각수 라인(21)과, 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 연결되는 제2 워터펌프(22), 및 배터리 모듈(24)을 포함한다.

이러한 배터리 냉각장치(20)는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동에 의해 상기 배터리 모듈(24)에 선택적으로 냉각수를 순환시킬 수 있다.

여기서, 상기 제1, 및 제2 워터펌프(14, 22)는 전동식 워터펌프 일 수 있다.

한편, 상기 배터리 냉각장치(20)는 상기 배터리 모듈(24)과 상기 제1 밸브(V1)의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 구비되는 제1 냉각수 가열기(26)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 냉각수 가열기(26)는 상기 배터리 모듈(24)의 승온이 요구될 경우에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각수 라인(21)에서 순환되는 냉각수를 가열함으로써, 온도가 상승된 냉각수를 상기 배터리 모듈(24)로 유입시킬 수 있다.

이러한 제1 냉각수 가열기(26)는 전원 공급에 따라 작동하는 전기식 히터일 수 있다.

즉, 상기 제1 냉각수 가열기(26)는 상기 배터리 모듈(24)로 공급되는 냉각수의 온도가 목표온도 보다 낮을 경우에 작동되어 상기 배터리 냉각수 라인(21)에서 순환되는 냉각수를 가열할 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 냉각수 가열기(26)를 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 배터리 모듈(24)로 공급되며, 상기 배터리 모듈(24)의 온도를 상승시킬 수 있다.

따라서, 상기 제1 냉각수 가열기(26)는 상기 배터리 모듈(24)의 온도를 상승시킬 경우에 선택적으로 작동할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 칠러(30)는 상기 제1 밸브(V1)와 상기 배터리 모듈(24)의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 구비된다.

이러한 칠러(30)는 에어컨 장치(50)의 냉매라인(51)과 냉매 연결라인(61)을 통해 연결된다. 즉, 상기 칠러(30)는 내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기일 수 있다.

여기서, 상기 칠러(30)는 상기 제1 밸브(V1)와 칠러 연결라인(31)을 통해 연결될 수 있다.

즉, 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 의해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 별도로 상기 칠러(30)와 상기 제1 밸브(V1)를 연결할 수 있다.

이에 따라, 상기 칠러(30)는 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 칠러 연결라인(31)에 선택적으로 공급된 냉각수를 상기 에어컨 장치(50)로부터 선택적으로 공급된 냉매와 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.

여기서, 상기 칠러 연결라인(31)의 일단은 상기 제1 밸브(V1)에 연결된다. 그리고 상기 칠러 연결라인(31)의 타단은 상기 칠러(30)에 연결될 수 있다.

즉, 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 따라 상기 칠러(30)를 상기 제1 밸브(V1)에 선택적으로 연결할 수 있다.

그리고 상기 난방장치(40)는 냉각수를 이용해 차량실내를 난방하도록 상기 냉각수 라인(11)과 상기 제2 밸브(V2)를 통해 선택적으로 연결되는 난방라인(41)과, 상기 난방라인(41)에 구비되는 제3 워터펌프(42), 및 히터(52a)를 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 난방장치(40)는 차량 실내를 난방할 경우, 상기 전장품(15)을 통과한 고온의 냉각수가 상기 난방라인(41)에 공급되도록 상기 제2 밸브(V2)의 작동에 의해 상기 전장품(15)과 연결된 상기 냉각수 라인(11)과 상기 난방라인(41)을 연결할 수 있다.

이에 따라, 고온의 냉각수는 상기 난방라인(41)을 따라 상기 히터(52a)에 공급될 수 있다.

즉, 상기 난방장치(40)는 차량의 난방모드에서 상기 냉각장치(10)로부터 상기 난방라인(41)으로 유입된 고온의 냉각수, 또는 상기 난방라인(41)을 순환하면서 온도가 상승된 냉각수를 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 히터(52a)로 공급함으로써, 차량 실내를 난방할 수 있다.

여기서, 상기 제3 워터펌프(42)는 전동식 워터펌프 일 수 있다.

한편, 상기 히터(52a)는 상기 에어컨 장치(50)에 포함된 HVAC 모듈(52)의 내부에 구비될 수 있다.

여기서, 상기 제3 워터펌프(42)와 상기 히터(52a)의 사이에서 상기 난방라인(41)에는 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수를 선택적으로 가열하기 위한 제2 냉각수 가열기(43)가 구비될 수 있다.

상기 제2 냉각수 가열기(43)는 차량의 난방모드에서 상기 히터(52a)로 공급되는 냉각수의 온도가 목표온도 보다 낮을 경우에 ON 작동되어 상기 난방라인(41)에서 순환되는 냉각수를 가열함으로써, 온도가 상승된 냉각수를 상기 히터(52a)로 유입시킬 수 있다.

이러한 제2 냉각수 가열기(43)는 전원 공급에 따라 작동하는 전기식 히터일 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 제2 냉각수 가열기(43)가 상기 난방라인(41)에 구비된 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 제2 냉각수 가열기(43)를 대신하여 차량의 실내로 유입되는 외기의 온도를 상승시키기 위한 공기 가열기(45)를 적용할 수 있다.

상기 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 통과한 외기를 선택적으로 가열하도록 상기 HVAC 모듈(52)의 내부에서 차량의 실내를 향하여 상기 히터(52a)의 후방에 배치될 수 있다.

즉, 상기 난방장치(40)에는 상기 제2 냉각수 가열기(43)와 상기 공기 가열기(45) 중, 어느 하나가 적용될 수 있다.

이와 같이 구성되는 난방장치(40)는 차량의 난방모드에서 상기 냉각장치(10)로부터 상기 난방라인(41)으로 유입된 고온의 냉각수, 또는 상기 난방라인(41)을 순환하면서 온도가 상승된 냉각수를 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 히터(52a)로 공급함으로써, 차량 실내를 난방할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 에어컨 장치(50)는 상기 냉매라인(51)을 통해 연결되는 상기 HVAC 모듈(Heating, Ventilation, and Air Conditioning : 52), 컨덴서(53), 열교환기(54), 제1 팽창밸브(55), 증발기(56), 및 압축기(59)를 포함한다.

먼저, 상기 HVAC 모듈(52)은 상기 냉매라인(51)을 통해 연결되는 상기 증발기(56)와, 차량의 냉방, 및 난방 모드와, 난방 및 제습 모드에 따라, 상기 증발기(56)를 통과한 외기가 상기 히터(52a)에 선택적으로 유입되도록 조절하는 개폐도어(52b)가 내부에 구비된다.

즉, 상기 개폐도어(52b)는 차량의 난방모드에서 상기 증발기(56)를 통과한 외기가 상기 히터(52a)로 유입되도록 개방된다. 반대로, 차량의 냉방모드에서 상기 개폐도어(52b)는 상기 증발기(56)를 통과하면서 냉각된 외기가 차량 내부로 바로 유입되도록 상기 히터(52a) 측을 폐쇄하게 된다.

여기서, 상기 난방장치(40)에 상기 제2 냉각수 가열기(43)가 구비되지 않을 경우, 상기 HVAC 모듈(52)에 구비되는 상기 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 사이에 두고, 상기 증발기(56)의 반대측에 구비될 수 있다.

이러한 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)로 공급된 냉각수의 온도가 실내 난방의 목표온도 보다 낮을 경우, 상기 히터(52a)를 통과한 외기의 온도를 상승시키기 위해 작동될 수 있다.

한편, 상기 공기 가열기(45)는 상기 난방라인(41)에 상기 제2 냉각수 가열기(43)가 구비되지 않을 경우, 상기 HVAC 모듈(52)의 내부에 구비될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템에서 상기 제2 냉각수 가열기(43)와 상기 공기 가열기(45)는 둘 중, 하나만 적용될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 컨덴서(53)는 상기 냉매라인(51)과 연결되어 냉매가 통과된다. 이러한 컨덴서(53)는 상기 난방장치(40)를 순환하는 냉각수가 통과되도록 상기 제2 밸브(V2)와 상기 히터(52a)의 사이에서 상기 난방라인(41)에 구비된다.

이러한 컨덴서(53)는 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 냉매를 응축시킬 수 있다. 즉, 상기 컨덴서(53)는 내부에 냉각수가 유입되는 수랭식 열교환기일 수 있다.

이와 같이 구성되는, 상기 컨덴서(53)는 상기 압축기(59)로부터 공급된 냉매를 상기 난방장치(40)에서 공급되는 냉각수와 열교환시켜 냉매를 응축시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상기 열교환기(54)는 상기 컨덴서(53)와 상기 증발기(56)의 사이에서 상기 냉매라인(51)에 구비될 수 있다.

상기 제1 팽창밸브(55)는 상기 열교환기(54)와 상기 증발기(56)의 사이에서 상기 냉매라인(51)에 구비된다. 상기 제1 팽창밸브(55)는 상기 열교환기(54)를 통과한 냉매를 공급받아 팽창시키게 된다.

상기 어큐뮬레이터(57)는 상기 증발기(56)와 상기 압축기(59) 사이에서 상기 냉매라인(51)에 구비되고, 상기 냉매 연결라인(61)과 연결된다.

이러한 어큐뮬레이터(57)는 상기 압축기(59)에 기체 상태의 냉매만 공급함으로써, 상기 압축기(59)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.

본 실시예에서, 상기 냉매 연결라인(61)의 일단은 상기 열교환기(54)와 상기 제1 팽창밸브(55) 사이에서 상기 냉매라인(51)에 연결된다. 그리고 상기 냉매 연결라인(61)의 타단은 상기 어큐뮬레이터(57)에 연결될 수 있다.

여기서, 상기 어큐뮬레이터(55)는 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 공급된 냉매 중, 기체냉매를 상기 압축기(59)에 공급할 수 있다.

한편, 상기 냉매 연결라인(61)에는 제2 팽창밸브(63)가 구비되고, 상기 컨덴서(53)와 상기 열교환기(54) 사이에서 상기 냉매라인(51)에는 제3 팽창밸브(65)가 구비될 수 있다.

상기 제2 팽창밸브(63)는 냉매로 상기 배터리 모듈(24)을 냉각할 경우, 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러(30)로 유입시킬 수 있다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(63)는 차량의 난방모드, 및 저온 제습 모드에서 상기 전장품(15), 또는 상기 배터리 모듈(24)의 폐열을 회수할 경우에도 작동될 수 있다.

이러한 제2 팽창밸브(63)는 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 유입되는 냉매를 선택적으로 팽창시켜 상기 칠러(30)로 유입시킬 수 있다.

즉, 상기 제2 팽창밸브(63)는 상기 열교환기(54)로부터 배출된 냉매를 팽창시켜 그 온도를 저하시킨 상태로 상기 칠러(30)에 유입시킴으로써, 상기 칠러(30)의 내부를 통과하는 냉각수의 수온을 더욱 저하시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)에는 상기 칠러(30)를 통과하면서 수온이 낮아진 냉각수가 유입되어 보다 효율적으로 냉각될 수 있다.

상기 제3 팽창밸브(65)는 차량의 난방모드와, 저온 제습 모드에서 상기 열교환기(54)로 유입되는 냉매를 선택적으로 팽창시킬 수 있다.

여기서, 상기 열교환기(54)는 상기 제3 팽창밸브(65)의 선택적인 작동에 따라, 상기 컨덴서(53)에서 응축된 냉매를 외기와 열교환을 통해 추가로 응축 또는 증발시킬 수 있다.

즉, 상기 열교환기(54)는 상기 라디에이터(12)의 전방에 배치되어 내부로 유입된 냉매를 외기와 상호 열교환 시키게 된다. 이러한 열교환기(54)는 외기를 이용해 냉매를 응축하는 공랭식 열교환기일 수 있다.

한편, 상기 열교환기(54)가 냉매를 응축할 경우, 상기 열교환기(54)는 상기 컨덴서(53)에서 응축된 냉매를 더 응축시킴으로써, 냉매의 서브 쿨을 증대시킬 수 있고, 이로 인해, 압축기 소요동력 대비 냉방 능력의 계수인 COP(Coefficient Of Performance)가 향상될 수 있다.

상기 압축기(59)는 상기 증발기(56)와 상기 컨덴서(53) 사이에서 상기 냉매라인(51)을 통해 연결된다. 이러한 압축기(59)는 기체 상태의 냉매를 압축시키고 압축된 냉매를 상기 컨덴서(53)에 공급할 수 있다.

즉, 상기 제1, 제2, 및 제3 팽창밸브(55, 63, 65)는 상기 냉매라인(51), 또는 상기 냉매 연결라인(61)을 통과하는 냉매의 유동흐름을 제어하면서, 냉매를 선택적으로 팽창시키는 전자식 팽창밸브일 수 있다.

또한, 상기 제1 밸브(V1)는 6-Way 밸브이고, 상기 제2 밸브(V2)는 4-Way 밸브일 수 있다.

여기서, 상기 제1 밸브(V1)의 구조를 첨부한 도 2를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

본 실시예에서, 상기 제1 밸브(V1)는 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 및 제6 포트(P1, P2, P3, P4, P5, P6)를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 제1 포트(P1)는 상기 리저버 탱크(16)에 연결된 상기 냉각수 라인(11)과 연결된다.

상기 제2 포트(P2)는 상기 제1 워터펌프(14)와 연결된 상기 냉각수 라인(11)과 연결된다.

여기서, 상기 제2 포트(P2)와 상기 제1 워터펌프(14)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)에는 상기 공급라인(17)이 연결될 수 있다.

상기 제3 포트(P3)는 상기 칠러 연결라인(31)과 연결되고, 상기 제4 포트(P4)는 상기 분기라인(18)과 연결된다.

상기 제5 포트(P5)는 상기 칠러(30)와 상기 제1 밸브(V1)의 사이에서 상기 칠러(30)와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결된다. 그리고 상기 제6 포트(P6)는 상기 제2 워터펌프(22)와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결된다.

여기서, 상기 제1 밸브(V1)는 상기 제1 내지 제6 포트(P1, P2, P3, P4, P5, P6) 중, 냉각수가 유입되는 포트와 이웃하는 포트를 통해 냉각수가 배출되도록 작동될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 포트(P1)로 유입된 냉각수는 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 따라, 상기 제1 포트(P1)와 이웃하여 배치된 상기 제2 포트(P2), 또는 상기 제6 포트(P6)를 통해 배출될 수 있다.

즉, 상기 제1 밸브(V1)는 구조의 단순화를 도모하고, 밸브 제어의 편리함을 위해 6개의 포트 중, 서로 이웃하는 2개의 포트가 폐쇄되면, 나머지 4개의 포트는 서로 이웃하는 2개의 포트가 각각 연결되도록 개방되면서, 냉각수의 유동을 제어할 수 있다.

또한, 상기 밸브(V)는 서로 이웃하는 4개의 포트가 폐쇄되면, 나머지 2개의 포트가 각각 연결되도록 개방되면서 냉각수의 유동을 제어할 수도 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 작동 및 작용을 도 3 내지 도 9를 통하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수 이용해 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(24)을 냉각시킬 경우에 대한 작동을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 라디에이터를 이용해 전장품과 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 3을 참조하면, 상기 분기라인(18)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄된다. 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 개방된다.

그리고 상기 공급라인(17)은 개방된다. 즉, 상기 리저버 탱크(16)에 저장된 냉각수의 일부는 개방된 상기 공급라인(17)을 통해 개방된 상기 냉각수 라인(11)을 따라 순환될 수 있다.

여기서, 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 상기 칠러(30)와 상기 제1 밸브(V1)를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인(21)이 폐쇄된다.

또한, 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 의해 상기 냉각수 라인(11)과 연결된다.

또한, 상기 리저버 탱크(16)와 상기 제1 밸브(V1)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 연결된다.

이러한 상태에서, 상기 냉각장치(10)에서는 상기 전장품(15)의 냉각을 위하여 상기 제1 워터펌프(14)가 작동된다.

상기 배터리 냉각장치(20)에서는 상기 배터리 모듈(24)의 냉각을 위하여 상기 제2 워터펌프(22)가 작동된다.

그러면, 상기 라디에이터(12)에서 냉각되어 상기 리저버 탱크(16)에 저장된 냉각수는 상기 제1 밸브(V1)와 상기 제2 워터펌프(22)의 작동에 의해 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 순환되면서, 상기 배터리 모듈(24)에 공급된다.

즉, 상기 제1 포트(P1)를 통해 상기 리저버 탱크(16)로부터 상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 상기 제6 포트(P6)를 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 유입된다.

상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 유입된 냉각수는 상기 배터리 모듈(24)을 통과하여 상기 칠러(30)에 유입된다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)을 통과한 냉각수는 상기 칠러(30)로부터 개방된 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다. 그런 후, 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동에 의해 상기 제1 워터펌프(14)와 연결된 상기 냉각수 라인(11)을 따라 유동되면서, 상기 전장품(15)에 공급될 수 있다.

즉, 상기 칠러(30)로부터 배출된 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 상기 제1 밸브(V1)의 상기 제3 포트(P3)로 유입되고, 상기 제2 포트(P2)를 통해 상기 제1 워터펌프(14)와 연결되는 상기 냉각수 라인(11)으로 배출된다.

여기서, 상기 리저버 탱크(16)에 저장된 냉각수의 일부는 개방된 상기 공급라인(17)을 통해 상기 냉각수 라인(11)을 따라 순환될 수 있다.

즉, 상기 라디에이터(12)에서 냉각되어 상기 리저버 탱크(16)에 저장된 냉각수는 상기 제1, 및 제2 워터펌프(14, 22)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 각각 순환하면서, 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(24)을 각각 냉각시킴으로써, 상기 전장품(15), 및 상기 배터리 모듈(24)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

상기 에어컨 장치(50)는 차량의 냉방모드가 작동되지 않기 때문에 작동되지 않는다.

한편, 본 실시예에서는, 냉각수로 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(24)을 모두 냉각시키는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 전장품(15)과 상기 배터리 모듈(24) 중, 어느 하나를 별도로 냉각할 경우에는 상기 제1, 및 제2 워터펌프(14, 22), 및 상기 제1 밸브(V1)를 선택적으로 작동시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈(24)을 냉각할 경우에 대한 작동을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 차량의 냉방 모드 시에 냉매를 이용해 배터리 모듈을 냉각시키는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 4를 참조하면, 상기 냉각장치(10)에서는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동에 의해 상기 냉각수 라인(11)에 냉각수가 순환된다. 이와 동시에, 상기 공급라인(17)이 개방된다.

즉, 상기 리저버 탱크(16)에 저장된 냉각수의 일부는 개방된 상기 공급라인(17)을 통해 개방된 상기 냉각수 라인(11)을 따라 순환될 수 있다.

여기서, 상기 분기라인(18)과 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄된다.

이에 따라, 상기 제1 포트(P1)를 통해 상기 리저버 탱크(16)로부터 상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 상기 제2 포트(P2)를 통해 상기 냉각수 라인(11)으로 유입될 수 있다.

그러면, 상기 배터리 냉각장치(20)에서는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동에 의해 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 냉각수가 순환될 수 있다.

여기서, 상기 냉각장치(10)와 상기 배터리 냉각장치(20)는 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 의해 각각 냉각수가 순환되는 독립된 밀폐회로를 형성할 수 있다.

즉, 상기 배터리 냉각장치(20)에서는 상기 제1 밸브(V1)의 작동에 의해 상기 냉각수 라인(11)과 연결이 폐쇄된다.

이러한 상태에서, 상기 배터리 냉각장치(20)는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동에 의해 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 독립적으로 냉각수가 순환되는 밀폐회로를 형성할 수 있다.

즉, 상기 냉각수 라인(11)과 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성한다.

이에 따라, 상기 배터리 냉각장치(20)에서는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동을 통해 상기 칠러(30)를 통과한 냉각수가 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 배터리 모듈(24)에 공급될 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)을 통과한 냉각수는 상기 칠러(30)로부터 개방된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다. 그런 후, 냉각수는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동에 의해 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 유동되면서, 상기 배터리 모듈(24)에 공급될 수 있다.

즉, 상기 칠러(30)로부터 배출된 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 제1 밸브(V1)의 상기 제5 포트(P5)로 유입되고, 상기 제6 포트(P6)를 통해 상기 제2 워터펌프(22)와 연결되는 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 배출된다.

한편, 상기 난방장치(40)에서는 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)과 상기 난방라인(41)이 연결된다.

이러한 상태에서, 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 난방라인(41)에는 상기 냉각장치(10)로부터 공급된 냉각수가 순환된다.

이에 따라, 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수는 상기 전장품(15)을 통과한 후, 상기 제1, 및 제3 워터펌프(14, 42)의 작동을 통해 상기 컨덴서(53)로 공급될 수 있다.

상기 에어컨 장치(50)에서는 차량 실내를 냉방하기 위해 각 구성요소가 작동한다. 이에 따라, 냉매는 상기 냉매라인(51)을 따라 순환된다.

여기서, 상기 열교환기(54)와 상기 증발기(56)를 연결하는 상기 냉매라인(51)은 상기 제1 팽창밸브(55)의 작동을 통해 개방된다. 상기 냉매 연결라인(61)은 상기 제2 팽창밸브(63)의 작동을 통해 개방된다.

그러면 상기 열교환기(54)를 통과한 냉매는 상기 냉매라인(51)과 상기 냉매 연결라인(61)을 따라 순환될 수 있다.

여기서, 상기 제1, 및 제2 팽창밸브(55, 63)는 팽창된 냉매가 상기 증발기(56)와 상기 칠러(30)에 각각 공급되도록 냉매를 팽창시킬 수 있다. 그리고 상기 제3 팽창밸브(65)는 상기 컨덴서(53)로부터 공급된 냉매를 팽창시키지 않고, 상기 열교환기(54)로 유입시킬 수 있다.

한편, 상기 난방장치(40)는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 냉각장치(10)에서 공급된 냉각수를 상기 컨덴서(53)에 공급한다.

이에 따라, 상기 컨덴서(53)는 상기 난방라인(41)을 따라 유동하는 냉각수를 이용하여 상기 냉매를 응축시킨다. 그리고 상기 열교환기(54)는 상기 제3 팽창밸브(65)의 작동을 통해 상기 컨덴서(53)로부터 유입된 냉매를 외기와의 열교환을 통해 추가로 응축시킬 수 있다.

한편, 상기 칠러(30)를 통과한 냉각수는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(24)을 냉각시키도록 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 순환한다.

상기 칠러(30)를 통과하는 냉각수는 상기 칠러(30)에 공급되는 팽창된 냉매와 열교환을 통해 냉각된다. 상기 칠러(30)에서 냉각된 냉각수는 상기 배터리 모듈(24)에 공급된다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)은 냉각된 냉각수에 의해 냉각된다.

즉, 상기 제2 팽창밸브(63)는 팽창된 냉매를 상기 칠러(30)에 공급하도록 상기 열교환기(54)를 통과한 냉매 중, 일부의 냉매를 팽창시키고, 상기 냉매 연결라인(61)을 개방한다.

따라서, 상기 열교환기(54)에서 배출된 일부의 냉매는 상기 제2 팽창밸브(63)의 작동을 통해 팽창되어 저온저압의 상태가 되고, 상기 냉매 연결라인(61)과 연결되는 상기 칠러(30)로 유입된다.

그런 후, 상기 칠러(30)에 유입된 냉매는 냉각수와 열교환 되고, 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 상기 어큐뮬레이터(57)를 통과한 후, 상기 압축기(59)로 유입된다.

즉, 상기 배터리 모듈(24)을 냉각하면서 온도가 상승된 냉각수는 저온저압의 냉매와 상기 칠러(30)의 내부에서 열교환을 통해 냉각된다. 냉각된 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 통해 다시 배터리 모듈(24)로 공급된다.

즉, 냉각수는 전술한 바와 같은 작동을 반복 수행하면서 상기 배터리 모듈(24)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

한편, 상기 열교환기(54)에서 배출된 나머지 냉매는 차량의 실내를 냉방하도록 상기 냉매라인(51)을 통해 유동되고, 상기 제1 팽창밸브(55), 상기 증발기(56), 상기 압축기(59), 및 상기 컨덴서(53)를 순차적으로 통과한다.

여기서, 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되는 외기는 상기 증발기(56)로 유입된 저온 상태의 냉매에 의해 상기 증발기(56)를 통과하면서 냉각된다.

이 때, 상기 개폐도어(52b)는 냉각된 외기가 상기 히터(52a)를 통과하지 않도록 상기 히터(52a)로 통과하는 부분을 폐쇄한다. 따라서, 냉각된 외기는 차량의 내부로 직접 유입됨으로써, 차량 실내를 냉방할 수 있다.

한편, 상기 증발기(56)에는 상기 컨덴서(53)와, 상기 열교환기(54)를 순차적으로 통과하면서 응축량이 증가된 냉매가 팽창되어 공급됨으로써, 냉매를 보다 낮은 온도로 증발시킬 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 상기 컨덴서(53)가 냉매를 응축하고, 상기 열교환기(54)가 추가로 냉매를 응축시킴으로써, 냉매의 서브 쿨 형성이 유리해진다.

그리고 서브 쿨이 형성된 냉매가 상기 증발기(56)에서 보다 낮은 온도로 증발됨에 따라, 상기 증발기(56)를 통과하는 외기의 온도를 더욱 낮출 수 있어 냉방성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.

전술한 과정을 반복 수행하면서 냉매는 차량의 냉방모드에서 실내를 냉방하는 동시에, 상기 칠러(30)를 통과하면서 열교환을 통해 냉각수를 냉각시킬 수 있다.

상기 칠러(30)에서 냉각된 저온의 냉각수는 상기 배터리 모듈(24)로 유입된다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)은 공급된 저온의 냉각수에 의해 효율적으로 냉각될 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 전장품(15)의 폐열을 회수할 경우에 대한 작동을 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 난방모드에 따른 외기열원과 전장품의 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 상기 전장품(15)의 폐열이 부족한 차량의 초기 시동 공회전(IDLE) 상태, 또는 초기 주행 시에 상기 전장품(15)의 폐열과 함께 외기로부터 외기열원을 흡수할 수 있다.

먼저, 상기 냉각장치(10)에서 상기 제1 워터펌프(14)는 냉각수의 순환을 위해 작동된다. 이와 동시에, 상기 공급 라인(17)은 개방된다.

여기서, 상기 분기라인(18)과 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 개방된다.

이에 따라, 상기 분기라인(18)을 기준으로 상기 라디에이터(12)와 연결된 상기 냉각수 라인(11)과, 상기 라디에이터(12)와 상기 리저버 탱크(16)를 연결하는 상기 냉각수 라인(11)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄된다.

이러한 상태에서, 상기 전장품(15)을 통과한 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 개방된 상기 분기라인(18)과 개방된 일부의 상기 냉각수 라인(11)을 순환할 수 있다.

여기서, 상기 분기라인(18)을 통해 상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 상기 칠러(30)와 상기 제1 밸브(V1)를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 칠러(30)로 유입될 수 있다.

상기 칠러(30)를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인(30)을 따라 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다. 그런 후, 냉각수는 상기 제1 밸브(V1)를 통해 상기 전장품(15)과 연결된 상기 냉각수 라인(11)으로 순환된다.

한편, 상기 배터리 냉각장치(20)에서 상기 제2 워터펌프(22)는 작동이 정지된다.

그러면, 상기 전장품(15)을 통과한 냉각수는 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 개방된 상기 냉각수 라인(11), 상기 분기라인(18), 개방된 일부의 상기 배터리 냉각수 라인(21), 및 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 계속 순환하고, 상기 전장품(15)으로부터 폐열을 흡수하여 온도가 상승된다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 구비된 상기 칠러(30)에 공급될 수 있다. 즉, 상기 전장품(15)에서 발생된 폐열은 상기 칠러(30)로 공급되는 냉각수의 온도를 상승시킨다.

즉, 상기 분기라인(18)으로부터 상기 제4 포트(P4)를 통해 상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 상기 제5 포트(P5)를 통해 상기 칠러(30)와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 유입된다.

그런 후, 상기 칠러(30)를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 상기 제1 밸브(V1)의 제3 포트(P3)로 유입된다. 상기 제3 포트(P3)로 유입된 냉각수는 상기 제3 포트(P3)와 연결된 상기 제2 포트(P2)를 통해 상기 제1 워터펌프(14)와 연결되는 상기 냉각수 라인(11)으로 배출된다.

이러한 작동을 반복 수행하면서 냉각수는 상기 전장품(15)으로부터 폐열을 흡수하여 온도가 상승될 수 있다.

한편, 상기 난방장치(40)에서는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 난방라인(41)을 따라 냉각수가 순환된다.

여기서, 상기 냉각수 라인과(11) 상기 난방라인(41)은 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성할 수 있다.

이에 따라, 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 히터(52a)를 통과한 후, 상기 컨덴서(53)로 공급될 수 있다.

여기서, 상기 제2 냉각수 가열기(43)는 상기 난방라인(41)을 따라 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도 보다 낮을 경우에 작동되어 상기 난방라인(41)에서 순환되는 냉각수를 가열할 수 있다.

한편, 상기 제2 냉각수 가열기(43)를 대신하여 상기 공기 가열기(45)가 적용될 경우, 상기 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 통과한 외기의 온도가 목표온도 보다 낮을 경우에 작동되어 차량의 실내로 유입되는 외기를 가열할 수 있다.

상기 에어컨 장치(50)에서는 차량 실내를 난방하기 위해 각 구성요소가 작동한다. 이에 따라, 냉매는 상기 냉매라인(51)을 따라 순환된다.

여기서, 상기 컨덴서(53)와 상기 증발기(56)를 연결하는 상기 냉매라인(51)은 상기 제1 팽창밸브(55)의 작동을 통해 폐쇄된다.

상기 냉매 연결라인(61)은 상기 제2 팽창밸브(63)의 작동을 통해 개방된다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(63)는 상기 열교환기(54)로부터 상기 냉매 연결라인(61)으로 공급되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러(30)에 공급할 수 있다.

또한, 상기 제3 팽창밸브(65)는 상기 컨덴서(53)로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기(54)에 공급할 수 있다.

이에 따라, 상기 열교환기(54)는 팽창된 냉매를 외기와 열교환을 통해 증발시키면서 외기열원을 회수한다.

그리고 상기 전장품(15)의 폐열을 흡수하여 온도가 상승된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 칠러(30)를 통과하면서, 상기 칠러(30)로 공급된 냉매의 온도를 상승시키면서 회수된다.

즉, 상기 칠러(30)는 상기 열교환기(54)로부터 공급되고, 상기 제2 팽창밸브(63)의 작동을 통해 팽창된 냉매를 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 공급받고, 공급된 냉매를 상기 전장품(15)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수와의 열교환을 통해 증발시킴으로써, 상기 전장품(15)의 폐열을 회수할 수 있다.

그런 후, 상기 칠러(30)를 통과한 냉매는 상기 냉매 연결라인(61)을 따라 상기 어큐뮬레이터(57)에 공급된다.

상기 어큐뮬레이터(57)에 공급된 냉매는 기체와 액체로 분리된다. 기체와 액체로 분리된 냉매 중, 기체냉매는 상기 압축기(59)로 공급된다.

상기 압축기(59)로부터 고온 고압의 상태로 압축된 냉매는 상기 컨덴서(53)로 유입된다.

여기서, 상기 컨덴서(53)에 공급된 냉매는 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수와 열교환되면서 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다. 온도가 상승된 냉각수는 상기 히터(52a)로 공급된다.

한편, 상기 개폐도어(52b)는 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되어 상기 증발기(56)를 통과한 외기가 상기 히터(52a)를 통과하도록 개방된다.

이에 따라, 외부로부터 유입된 외기는 냉매가 공급되지 않은 상기 증발기(56)를 통과 시, 냉각되지 않은 실온 상태로 유입된다. 유입된 외기는 상기 히터(52a)를 통과하면서 고온상태로 변환되어 차량 실내로 유입됨으로써, 차량 실내의 난방이 구현될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 차량의 초기 시동 공회전(IDLE) 상태, 또는 초기 주행 상태에서 난방이 요구될 경우, 상기 열교환기(54)에서 외기열원을 흡수하고, 상기 전장품(15)의 폐열을 이용하여 냉매의 온도를 상승시키는데 이용함으로써, 상기 압축기(59)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 배터리 모듈(24)의 폐열을 회수할 경우에 대한 작동을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 난방모드에 따른 외기열원과 배터리 모듈의 폐열 회수에 대한 작동 상태도이다.

도 6을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 상기 전장품(15)의 폐열이 부족한 차량의 초기 시동 공회전(IDLE) 상태, 또는 초기 주행 시에 상기 배터리 모듈(24)의 폐열과 함께 외기로부터 외기열원을 흡수할 수 있다.

먼저, 상기 냉각장치(10)는 작동이 정지된다.

또한, 상기 분기라인(18)과 상기 칠러 연결라인(31)이 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 공급라인(17)이 폐쇄된다.

상기 배터리 냉각장치(20)에서는 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)과 상기 냉각수 라인(11)의 연결이 폐쇄된다.

이러한 상태에서, 상기 제2 워터펌프(22)는 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 냉각수를 순환시키기 위해 작동된다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(24)을 통과한 냉각수는 상기 칠러(30)에 공급된다.

여기서, 상기 칠러(30)를 통과한 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 제1 밸브(V1)의 제3 포트(P3)로 유입된다. 그런 후, 냉각수는 상기 제3 포트(P3)와 연결된 상기 제6 포트(P6)를 통하여 상기 제2 워터펌프(22)와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)으로 유입된다.

즉, 상기 배터리 모듈(24)을 통과한 냉각수는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 순환할 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 배터리 모듈(24)로부터 폐열을 흡수하여 온도가 상승된다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 배터리 냉각수 라인(21)에 구비된 상기 칠러(30)에 공급될 수 있다. 즉, 상기 배터리 모듈(24)에서 발생된 폐열은 상기 칠러(30)로 공급되는 냉각수의 온도를 상승시킨다.

여기서, 상기 난방라인(41)은 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)과 연결되지 않는다.

그리고 상기 배터리 모듈(24)의 폐열을 흡수하여 온도가 상승된 냉각수는 상기 제2 워터펌프(22)의 작동을 통해 상기 칠러(30)를 통과하면서, 상기 칠러(30)로 공급된 냉매의 온도를 상승시키면서 회수된다.

즉, 상기 칠러(30)는 상기 열교환기(54)로부터 공급되고, 상기 제2 팽창밸브(63)의 작동을 통해 팽창된 냉매를 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 공급받고, 공급된 냉매를 상기 배터리 모듈(24)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수와의 열교환을 통해 증발시킴으로써, 상기 배터리 모듈(24)의 폐열을 회수할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 차량의 초기 시동 공회전(IDLE) 상태, 또는 초기 주행 상태에서 난방이 요구될 경우, 상기 열교환기(54)에서 외기열원을 흡수하고, 상기 배터리 모듈(24)의 폐열을 이용하여 냉매의 온도를 상승시키는데 이용함으로써, 상기 압축기(59)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치(50)의 작동 없이 상기 전장품(15)의 폐열을 이용할 경우에 대한 작동을 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 전장품의 폐열을 이용해 난방모드를 수행하는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 7을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 상기 에어컨 장치(50)의 작동 없이 상기 전장품(15)의 폐열을 이용해 차량 실내의 난방을 수행할 수 있다.

먼저, 상기 냉각장치(10)에서 상기 제1 워터펌프(14)는 냉각수의 순환을 위해 작동된다. 이 때, 상기 에어컨 장치(50)는 작동이 중단된다.

여기서, 상기 분기라인(18)과 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 개방된다. 또한, 상기 공급 라인(17)이 개방된다.

즉, 상기 분기라인(18)을 기준으로, 상기 라디에이터(12), 상기 리저버 탱크(16), 및 상기 제1 밸브(V1)와 연결된 일부의 상기 냉각수 라인(11)이 폐쇄될 수 있다.

또한, 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 상기 칠러(30)와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 제외한 나머지 상기 배터리 냉각수 라인(21)이 폐쇄된다.

즉, 상기 제2 워터펌프(22), 및 상기 배터리 모듈(24)을 연결하는 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 폐쇄되고, 상기 배터리 냉각장치(20)의 작동이 중단된다.

그리고 상기 난방장치(40)에서는 상기 제2 밸브(V2)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)과 상기 난방라인(41)이 연결된다.

이러한 상태에서, 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 전장품(15)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 개방된 상기 냉각수 라인(11)과 연결되는 상기 난방라인(41)으로 유입된다.

상기 난방라인(41)으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 히터(52a)로 공급될 수 있다.

상기 히터(52a)로부터 배출된 냉각수는 상기 제2 밸브(V2)를 통과하여 개방된 일부의 상기 냉각수 라인(11)과, 개방된 상기 분기라인(18)을 따라 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다.

상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 개방된 일부의 상기 배터리 냉각수 라인(21)을 따라 상기 칠러(30)를 통과한 후, 개방된 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 다시 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다.

상기 제1 밸브(V1)로 다시 유입된 냉각수는 개방된 상기 냉각수 라인(11)을 따라 상기 전장품(15)으로 공급된다.

즉, 상기 전장품(15)을 통과한 냉각수는 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 개방된 상기 냉각수 라인(11), 상기 분기라인(18), 개방된 일부의 상기 배터리 냉각수 라인(21), 및 상기 칠러 연결라인(31)을 따라 계속 순환하고, 상기 전장품(15)으로부터 폐열을 흡수하여 온도가 상승된다.

온도가 상승된 냉각수는 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 상기 냉각수 라인(11)과 연결된 상기 난방라인(41)으로 유입된다.

상기 난방라인(41)으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 히터(52a)를 통과할 수 있다.

한편, 상기 제2 냉각수 가열기(43)를 대신하여 상기 공기 가열기(45)가 적용될 경우, 상기 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 통과한 외기의 온도에 따라 선택적으로 작동될 수 있다.

즉, 상기 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 통과한 외기의 온도가 목표온도 보다 낮을 경우에 작동되어 차량의 실내로 유입되는 외기를 가열할 수 있다.

이러한 공기 가열기(45)는 상기 히터(52a)를 통과하면서 고온의 냉각수와 열교환이 완료된 외기의 온도가 설정온도, 또는 난방 목표온도 보다 낮을 경우에 작동된다.

상기 공기 가열기(45)가 작동되면, 외기는 상기 공기 가열기(45)를 통과하면서 가열되어 온도가 상승된 상태로 차량 실내로 유입될 수 있다.

한편, 상기 히터(52a)로 공급된 고온의 냉각수는 외기와 열 교환된 후, 상기 난방라인(41)과 상기 제2 밸브(V2)를 통해 연결된 일부의 상기 냉각수 라인(11)으로 유동된다.

그런 후, 냉각수는 개방된 상기 분기라인(18)을 따라, 상기 라디에이터(12)의 통과 없이 상기 제1 밸브(V1)로 유입된다.

상기 제1 밸브(V1)로 유입된 냉각수는 개방된 일부의 배터리 냉각수 라인(21), 상기 칠러(30), 및 상기 칠러 연결라인(31)을 순차적으로 통과하여 상기 전장품(15)과 연결된 상기 냉각수 라인(11)으로 다시 유입된다.

한편, 상기 개폐도어(52b)는 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되는 외기가 상기 히터(52a)를 통과하도록 개방된다.

즉, 본 발명은 전술한 바와 같은 과정을 반복 수행하면서, 상기 전장품(15)에서 발생된 폐열을 회수하여 실내 난방에 이용함으로써, 사용전력을 줄이고 전체적인 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치(50)의 작동 없이 상기 전장품(15)의 폐열을 이용하고, 상기 전장품(15)의 냉각이 요구될 경우에 대한 작동을 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 전장품의 폐열을 이용해 난방모드를 수행하면서, 전장품을 냉각하는 것에 대한 작동 상태도이다.

도 8을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 상기 에어컨 장치(50)의 작동 없이 상기 전장품(15)의 폐열을 이용해 차량 실내의 난방을 수행하고, 동시에, 상기 전장품(15)을 냉각할 수 있다.

먼저, 상기 냉각장치(10)에서 상기 제1 워터펌프(14)는 냉각수의 순환을 위해 작동된다.

여기서, 상기 분기라인(18)과 상기 칠러 연결라인(31)은 상기 제1 밸브(V1)의 작동을 통해 폐쇄된다. 상기 공급라인(17)은 개방된다.

그리고 상기 제2 워터펌프(22), 및 상기 배터리 모듈(24)을 연결하는 상기 배터리 냉각수 라인(21)은 폐쇄되고, 상기 배터리 냉각장치(20)의 작동이 중단된다.

이러한 상태에서, 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 전장품(15)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 냉각수 라인(11)과 연결되는 상기 난방라인(41)으로 유입된다.

상기 히터(52a)로부터 배출된 냉각수는 상기 제2 밸브(V2)를 통해 연결된 상기 냉각수 라인(11)으로 유입된다.

그런 후, 상기 냉각수 라인(11)으로 유입된 냉각수는 상기 라디에이터(12)를 통과하면서 냉각되고, 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)을 따라 다시 상기 전장품(15)으로 유입된다.

즉, 상기 전장품(15)을 통과하는 냉각수는 상기 전장품(15)으로부터 폐열을 흡수하여 온도가 상승되고, 상기 냉각수 라인(11)과 연결된 상기 난방라인(41)을 통해 상기 히터(52a)에 공급된다.

이러한 작동을 통해, 상기 전장품(15)의 폐열을 흡수하여 온도가 상승된 냉각수는 상기 난방장치(40)를 순환한다. 그런 후, 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 라디에이터(12)를 통과하면서 냉각된다.

냉각이 완료된 냉각수는 상기 전장품(15)을 통과하면서 폐열을 회수함과 동시에, 상기 전장품(15)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

한편, 상기 난방장치(40)에서는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 전장품(15)을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수가 상기 난방라인(41)을 따라 순환된다.

이에 따라, 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수는 상기 제3 워터펌프(42)의 작동을 통해 상기 컨덴서(53)를 통과한 후, 상기 히터(52a)로 공급된다.

여기서, 상기 개폐도어(52b)는 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되는 외기가 상기 히터(52a)를 통과하도록 개방된다.

한편, 상기 히터(52a)로부터 배출된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(14)의 작동을 통해 상기 냉각수 라인(11)을 따라 상기 라디에이터(12)를 통과면서 냉각된다. 그런 후, 냉각된 냉각수는 상기 전장품(15)을 통과하면서 상기 전장품(15)으로부터 폐열을 회수하는 동시에, 상기 전장품(15)을 냉각시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수가 상기 전장품(15)으로 공급됨으로써, 상기 전장품(15)이 과열되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 난방장치(40)를 통과한 냉각수를 상기 라디에이터(12)에서 냉각시켜 상기 전장품(15)에 공급함으로써, 상기 전장품(15)을 통과하면서 폐열을 회수함과 동시에, 상기 전장품(15)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

본 실시예에서, 차량의 저온 제습 모드에 대한 작동을 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에서 저온 제습 모드에 따른 작동 상태도이다.

여기서, 저온 제습 모드는 차량의 난방 모드에서 차량 실내에 제습이 요구될 경우 작동하는 모드이다.

도 9를 참조하면, 상기 히트펌프 시스템은 상기 전장품(15)의 폐열이 충분할 경우, 상기 전장품(15)의 폐열을 회수하여 실내 난방에 이용할 수 있다.

이에 따라, 상기 컨덴서(53)는 상기 난방라인(41)을 따라 순환하는 냉각수를 이용하여 상기 압축기(59)로부터 공급된 냉매를 응축시킨다.

이 때, 상기 난방라인(41)을 순환하는 냉각수는 상기 컨덴서(53)를 통과하면서 냉매와 열교환을 통해 온도가 상승된다. 온도가 상승된 냉각수는 상기 난방라인(41)을 따라 상기 히터(52a)에 공급된다.

한편, 상기 에어컨 장치(50)에서는 차량 실내를 난방, 및 제습하기 위해 각 구성요소가 작동한다. 이에 따라, 냉매는 상기 냉매라인(51)을 따라 순환된다.

여기서, 상기 컨덴서(53)와 상기 증발기(56)를 연결하는 상기 냉매라인(51)은 상기 제1 팽창밸브(55)의 작동을 통해 개방된다.

여기서, 상기 제1, 및 제2 팽창밸브(55, 63)는 팽창된 냉매가 상기 증발기(56)와 상기 칠러(30)에 각각 공급되도록 상기 열교환기(54)로부터 상기 냉매 연결라인(61)과 상기 냉매라인(51)으로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

또한, 상기 제3 팽창밸브(65)는 상기 컨덴서(53)로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기(54)로 유입시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 팽창밸브(55)의 작동을 통해 상기 증발기(56)로 공급된 팽창된 냉매는 상기 증발기(56)를 통과하는 외기와 열교환된 후, 상기 냉매라인(51)을 통해 따라 상기 어큐뮬레이터(57)를 거쳐 상기 압축기(59)로 공급된다.

즉, 상기 증발기(56)를 통과한 냉매는 상기 냉매 연결라인(61)을 통해 상기 어큐뮬레이터(57)로 유입된 냉매와 함께 상기 압축기(59)에 공급될 수 있다.

그리고 상기 압축기(59)로부터 고온 고압의 상태로 압축된 냉매는 상기 컨덴서(53)로 유입된다.

여기서, 상기 개폐도어(52b)는 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되어 상기 증발기(56)를 통과한 외기가 상기 히터(52a)를 통과하도록 개방된다.

즉, 상기 HVAC 모듈(52)로 유입되는 외기는 상기 증발기(56)로 유입된 저온 상태의 냉매에 의해 상기 증발기(56)를 통과하면서 제습된다. 그런 후, 상기 히터(52a)를 통과하면서 고온상태로 변환되어 차량 실내로 유입됨으로써, 차량의 실내를 난방 및 제습 하게 된다.

즉, 본 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 차량의 저온 제습 모드에서 상기 전장품(15)에서 발생되는 폐열과 함께, 차량의 실내 온도에 따라 외기열원을 선택적으로 흡수하여 냉매의 온도를 상승시키는데 이용함으로써, 하여 상기 압축기(59)의 동력 소모를 줄이고, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 히트펌프 시스템에 의하면, 냉각수와 냉매가 열교환되는 하나의 상기 칠러(30)를 이용하여 차량의 모드에 따라 상기 배터리 모듈(24)의 온도를 조절하고, 냉각수를 이용해 차량 실내의 난방을 구현함으로써, 전체 시스템의 간소화 및 단순화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전장품(15), 또는 상기 배터리 모듈(24)로부터 발생된 폐열을 회수해 실내난방에 사용함으로써, 난방효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈(24)의 온도를 효율적으로 조절함으로써, 상기 배터리 모듈(24)의 최적 성능 발휘가 가능해지고, 효율적인 상기 배터리 모듈(24)의 관리를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 난방장치(40)에 적용되는 상기 제2 냉각수 가열기(43)를 이용하여 상기 배터리 모듈(24)을 웜업하거나 실내 난방에 보조로 사용할 수 있어 원가 및 중량을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 차량의 난방모드에서 외기열원과, 상기 전장품(15), 및 배터리 모듈(24)의 폐열을 선택적으로 이용함으로써, 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 컨덴서(53)와 상기 열교환기(54)를 이용해 냉매의 응축 또는 증발 성능을 증대시킴으로써, 냉방성능을 향상시키고 상기 압축기(59)의 소모동력을 줄일 수 있다.

나아가, 본 발명은 전체 시스템의 간소화를 통해 제작원가 절감 및 중량 축소가 가능하고, 공간 활용성을 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.

10 : 냉각장치
11 : 냉각수 라인
12 : 라디에이터
13 : 쿨링팬
14, 22, 42 : 제1, 제2, 및 제3 워터펌프
15 : 전장품
16 : 리저버 탱크
17 : 공급라인
18 : 분기라인
20 : 배터리 냉각장치
21 : 배터리 냉각수 라인
24 : 배터리 모듈
26 : 제1 냉각수 가열기
30 : 칠러
31 : 칠러 연결라인
40 : 난방장치
41 : 난방라인
43 ; 제2 냉각수 가열기
45 : 공기 가열기
50 : 에어컨 장치
51 : 냉매라인
52 : HVAC 모듈
53 : 컨덴서
54 : 열교환기
55, 63, 65 : 제1, 제2, 및 제3 팽창밸브
56 : 증발기
57 : 어큐뮬레이터
59 : 압축기
61 : 냉매 연결라인
V1, V2 : 제1, 및 제2 밸브

Claims

냉각수 라인으로 연결되는 라디에이터, 제1 워터펌프, 제1 밸브, 제2 밸브, 및 리저버 탱크를 포함하며, 상기 냉각수 라인에 구비되는 적어도 하나의 전장품을 냉각하도록 상기 냉각수 라인에 냉각수를 순환시키는 냉각장치;
상기 냉각수 라인과 상기 제1 밸브를 통해 연결되는 배터리 냉각수 라인과, 상기 배터리 냉각수 라인으로 연결되는 제2 워터펌프, 및 배터리 모듈을 포함하며, 상기 배터리 모듈에 냉각수를 순환시키는 배터리 냉각장치;
상기 제1 밸브와 상기 배터리 모듈의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되며, 에어컨 장치의 냉매라인과 냉매 연결라인을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각수 라인을 순환하는 냉각수를 상기 에어컨 장치로부터 선택적으로 공급된 냉매와 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러;
냉각수를 이용해 차량실내를 난방하도록 상기 냉각수 라인과 상기 제2 밸브를 통해 선택적으로 연결되는 난방라인과, 상기 난방라인에 구비되는 제3 워터펌프, 및 히터를 포함하는 난방장치;
일단이 상기 라디에이터와 상기 제2 밸브의 사이에서 상기 냉각수 라인에 연결되고, 타단은 상기 제1 밸브에 연결되는 분기라인; 및
상기 배터리 냉각수 라인과 별도로 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 칠러 연결라인; 을 포함하되,
상기 리저버 탱크는 상기 라디에이터와 상기 제1 밸브의 사이에서 상기 냉각수 라인에 구비되며, 상기 제1 밸브와 상기 제1 워터펌프를 연결하는 상기 냉각수 라인과 공급라인을 통해 연결되고,
상기 에어컨 장치에 포함된 컨덴서는 상기 난방장치를 순환하는 냉각수가 통과되도록 상기 난방라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 밸브는
상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인과 연결되는 제1 포트;
상기 제1 워터펌프와 연결된 상기 냉각수 라인과 연결되는 제2 포트;
상기 칠러 연결라인과 연결되는 제3 포트;
상기 분기라인과 연결되는 제4 포트;
상기 칠러와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되는 제5 포트; 및
상기 제2 워터펌프와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되는 제6 포트;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 밸브는
상기 제1 내지 제6 포트 중, 냉각수가 유입되는 포트와 이웃하는 포트를 통해 냉각수가 배출되도록 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 에어컨 장치는
상기 냉매라인을 통해 연결되는 증발기와, 차량의 냉방, 난방, 및 제습 모드에 따라, 상기 증발기를 통과한 외기가 상기 히터에 선택적으로 유입되도록 조절하는 개폐도어가 내부에 구비된 HVAC모듈;
상기 제2 밸브와 상기 히터의 사이에서 상기 난방라인에 구비되어 내부에 냉각수가 순환되고, 상기 냉매라인을 통해 공급된 냉매를 냉각수와 열교환시키는 컨덴서;
상기 증발기와 상기 컨덴서의 사이에서 상기 냉매라인을 통해 연결되는 압축기;
상기 컨덴서와 상기 증발기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 열교환기;
상기 열교환기와 상기 증발기의 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 제1 팽창밸브; 및
상기 냉매 연결라인에 구비되는 제2 팽창밸브;
상기 증발기와 상기 압축기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되고, 상기 냉매 연결라인과 연결되는 어큐뮬레이터; 및
상기 컨덴서와 상기 열교환기 사이에서 상기 냉매라인에 구비되는 제3 팽창밸브;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 열교환기는
상기 제3 팽창밸브의 선택적인 작동에 따라, 상기 컨덴서에서 응축된 냉매를 외기와 열교환을 통해 추가로 응축 또는 증발시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제2 팽창밸브는
냉매로 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 상기 냉매 연결라인을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시키고,
상기 제3 팽창밸브는
차량의 난방모드와, 저온 제습 모드에서 상기 열교환기로 유입되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 냉매 연결라인의 일단은 상기 열교환기와 상기 제1 팽창밸브 사이에서 상기 냉매라인에 연결되고,
상기 냉매 연결라인의 타단은 상기 어큐뮬레이터에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 칠러와 상기 컨덴서는 수랭식 열 교환기이고, 상기 열교환기는 공랭식 열 교환기인 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 HVAC 모듈은
상기 히터를 통과한 외기를 선택적으로 가열하도록 상기 히터를 사이에 두고, 상기 증발기의 반대측에 구비되는 공기 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제9항에 있어서,
상기 공기 가열기는
상기 히터로 공급된 냉각수의 온도가 실내 난방의 목표온도 보다 낮을 경우, 상기 히터를 통과한 외기의 온도를 상승시키기 위해 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
차량의 냉방모드에서 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우,
상기 냉각장치에서는 상기 제1 워터펌프의 작동에 의해 상기 냉각수 라인에 냉각수가 순환되고, 상기 공급라인이 개방되며,
상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고,
상기 냉각수 라인과 상기 배터리 냉각수 라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하며,
상기 배터리 냉각장치에서는 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 칠러를 통과한 냉각수가 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈에 공급되고,
상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되어 상기 냉각장치로부터 냉각수가 공급되며,
상기 에어컨 장치에서는 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 상기 냉매 연결라인이 개방된 상태에서, 상기 냉매라인과 상기 냉매 연결라인을 따라 냉매가 순환되고,
팽창된 냉매가 상기 증발기와 상기 칠러에 각각 공급되도록 상기 제1, 및 제2 팽창밸브는 냉매를 팽창시키며,
상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 상기 열교환기로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제11항에 있어서,
상기 난방장치는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 냉각장치에서 공급된 냉각수를 상기 컨덴서에 공급하고,
상기 컨덴서는 냉각수와의 열교환을 통해 냉매를 응축시키고, 상기 열교환기는 상기 컨덴서로부터 유입된 냉매를 외기와의 열교환을 통해 추가로 응축시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 전장품의 폐열을 회수할 경우,
상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 공급라인이 개방되며,
상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터와 상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 분기라인과 개방된 일부의 상기 냉각수 라인을 순환하고,
상기 분기라인을 통해 상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러로 유입되며,
상기 칠러를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 밸브를 통해 상기 전장품과 연결된 상기 냉각수 라인으로 순환되고,
상기 냉각수 라인과 상기 난방라인은 상기 제2 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고,
상기 난방장치에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며,
상기 에어컨 장치에서는 상기 제1 팽창밸브의 작동을 통해 상기 컨덴서와 상기 증발기를 연결하는 냉매라인이 폐쇄되고,
상기 냉매 연결라인은 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 개방되며,
상기 제2 팽창밸브는 상기 냉매 연결라인으로 공급되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러에 공급하고,
상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
차량의 난방모드에서 외기열원과 상기 배터리 모듈의 폐열을 회수할 경우,
상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고, 상기 공급라인이 폐쇄되며,
상기 냉각장치는 작동이 정지되고,
상기 배터리 냉각장치에서는 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 상기 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 배터리 모듈을 통과한 냉각수가 상기 칠러에 공급되며,
상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 난방라인과 상기 냉각수 라인의 연결이 폐쇄되고, 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며,
상기 에어컨 장치에서는 상기 제1 팽창밸브의 작동을 통해 상기 컨덴서와 상기 증발기를 연결하는 냉매라인이 폐쇄되고,
상기 냉매 연결라인은 상기 제2 팽창밸브의 작동을 통해 개방되며,
상기 제2 팽창밸브는 상기 냉매 연결라인으로 공급되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러에 공급하고,
상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
차량의 저온 제습 모드를 수행할 경우,
상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되고, 상기 공급라인이 개방되며,
상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터와 상기 리저버 탱크에 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며, 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 분기라인과 개방된 일부의 상기 냉각수 라인을 순환하고,
상기 분기라인을 통해 상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러로 유입되며,
상기 칠러를 통과한 냉각수는 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 밸브를 통해 상기 전장품과 연결된 상기 냉각수 라인으로 순환되고,
상기 냉각수 라인과 상기 난방라인은 상기 제2 밸브의 작동을 통해 각각 독립된 밀폐회로를 형성하고,
상기 난방장치에서는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 난방라인을 따라 냉각수가 순환되며,
상기 에어컨 장치에서는 상기 제1, 및 2 팽창밸브의 작동을 통해 개방된 상기 냉매라인과 상기 냉매 연결라인을 따라 냉매가 각각 순환되고,
팽창된 냉매가 상기 증발기와 상기 칠러에 각각 공급되도록 상기 제1, 및 제2 팽창밸브는 냉매를 팽창시키고,
상기 제3 팽창밸브는 상기 컨덴서로부터 공급된 냉매를 팽창시켜 상기 열교환기로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
냉각수를 이용해 상기 전장품과 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우,
상기 분기라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 폐쇄되고,
상기 칠러 연결라인이 상기 제1 밸브의 작동을 통해 개방되며, 상기 공급라인은 개방되고,
상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 칠러와 상기 제1 밸브를 연결하는 일부의 상기 배터리 냉각수 라인이 폐쇄되고,
상기 리저버 탱크와 상기 제1 밸브를 연결하는 상기 냉각수 라인은 상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 배터리 냉각수 라인과 연결되며,
상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수는 상기 제1, 및 제2 워터펌프의 작동을 통해 상기 제1 밸브로부터 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈을 통과하고,
상기 배터리 모듈을 통과한 냉각수는 상기 칠러로부터 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입된 후, 상기 제1 워터펌프와 연결된 상기 냉각수 라인을 따라 유동되면서, 상기 전장품으로 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치의 작동 없이 상기 전장품의 폐열을 이용할 경우,
상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 개방되고,
상기 냉각장치에서는 상기 분기라인을 기준으로 상기 라디에이터, 상기 리저버 탱크, 및 상기 제1 밸브와 연결된 상기 냉각수 라인이 폐쇄되며,
상기 공급라인이 개방되고,
상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 칠러와 연결된 상기 배터리 냉각수 라인을 제외한 나머지 상기 배터리 냉각수 라인이 폐쇄되며,
상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되며,
상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 라디에이터의 통과 없이 개방된 상기 냉각수 라인과 연결되는 상기 난방라인으로 유입되고,
상기 난방라인으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 히터로 공급되며,
상기 히터로부터 배출된 냉각수는 개방된 일부의 상기 냉각수 라인과 개방된 상기 분기라인을 따라 상기 제1 밸브로 유입되고,
상기 제1 밸브로 유입된 냉각수는 개방된 일부의 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 칠러를 통과한 후, 개방된 상기 칠러 연결라인을 따라 다시 상기 제1 밸브로 유입되며,
상기 제1 밸브로 다시 유입된 냉각수는 개방된 상기 냉각수 라인을 따라 상기 전장품으로 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
차량의 난방모드에서 상기 에어컨 장치의 작동 없이 상기 전장품의 폐열을 이용하면서, 상기 전장품의 냉각이 요구될 경우,
상기 제1 밸브의 작동을 통해 상기 분기라인과 상기 칠러 연결라인이 폐쇄되고,
상기 냉각장치에서는 상기 냉각수 라인이 개방되며,
상기 공급라인이 개방되고,
상기 배터리 냉각장치는 작동이 정지되며,
상기 난방장치에서는 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 냉각수 라인과 상기 난방라인이 연결되고,
상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 전장품을 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 냉각수 라인과 연결된 상기 난방라인으로 유입되고,
상기 난방라인으로 유입된 냉각수는 상기 제3 워터펌프의 작동을 통해 상기 히터로 공급되며,
상기 히터로부터 배출된 냉각수는 상기 제1 워터펌프의 작동을 통해 상기 냉각수 라인을 따라 상기 라디에이터를 통과면서 냉각된 후, 상기 전장품을 통과하면서 상기 전장품으로부터 폐열을 회수하는 동시에, 상기 전장품을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 밸브는 6-way 밸브이고, 상기 제2 밸브는 4-Way 밸브인 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전장품은
모터, 또는 전력제어장치, 또는 인버터, 또는 충전기(On Board Charger, OBC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공급라인은
상기 제1 워터펌프의 작동에 의해 상기 냉각수 라인으로 상기 냉각수가 순환되면, 상기 냉각수 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 냉각장치는
상기 배터리 모듈과 상기 칠러의 사이에서 상기 배터리 냉각수 라인에 구비되는 제1 냉각수 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
제22항에 있어서,
상기 제1 냉각수 가열기는
상기 배터리 모듈을 승온시킬 경우, 상기 배터리 냉각수 라인을 따라 상기 배터리 모듈로 공급되는 냉각수를 가열하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.