KR20220020614A - 전기자동차용 냉난방 시스템 - Google Patents

전기자동차용 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전기자동차의 냉난방 시스템은, 난방 운전시 전장부품의 폐열을 흡수한 냉각수를 바로 히터 코어에 공급함으로써, 전장부품의 폐열을 난방에 직접 활용할 수 있으므로 난방 효율이 보다 향상될 수 있다. 또한, 내부 열교환기는 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매와 히터 코어 또는 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 열교환시키도록 배치되고, 난방 운전시 뿐만 아니라 냉방 운전시에도 사용가능하기 때문에, 열교환 효율이 보다 향상되고 냉매 사이클과 냉각수 사이클의 열적 연계를 강화시킬 수 있다. 또한, 냉방 운전시에도 내부 열교환기를 냉매의 응축기로 활용할 수 있기 때문에, 냉매의 응축 열량을 외부 열교환기와 상기 내부 열교환기로 분산할 수 있으므로, 외부 열교환기의 크기를 컴팩트화시킬 수 있다.

Description

전기자동차용 냉난방 시스템{Cooling and heating system for electrical vehicle}
본 발명은 전기자동차용 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전장부품의 폐열을 흡수한 냉각수를 히터 코어에 바로 공급하여 차실 난방에 직접 활용하고, 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 압축기에서 토출된 고온 고압의 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 난방 운전과 냉방 운전에 모두 사용할 수 있는 전기자동차용 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관 차량의 냉난방 시스템은 차실을 냉방하기 위한 냉방 시스템과, 차실을 난방하기 위한 난방 시스템을 포함한다.
종래의 냉방 시스템은 냉매 사이클을 순환하는 냉매를 이용해 외기를 냉각시켜, 냉각된 공기를 차실로 공급하여 차실을 냉방하도록 구성된다. 난방 시스템은 엔진을 냉각시키기 위한 냉각수 사이클의 냉각수의 열을 이용해 외기를 가열하여, 가열된 온기를 차실로 공급하여 차실을 난방하도록 구성된다.
그러나, 전기모터로 구동하는 전기자동차는 내연기관 차량에 비해 난방 열원의 확보가 어려운 문제점이 있다.
최근에는 전기자동차의 냉난방 시스템에서 냉각수와 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기를 도입하여, 모터의 폐열을 냉매로 전달하여 압축기의 소비동력을 감소시키는 기술이 개발되었다. 그러나, 종래의 내부 열교환기는 냉방 운전시에는 아무런 역할을 하지 못하고 오히려 냉매의 차압 손실(pressure drop)이 일어나는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1342931호
본 발명의 목적은, 내부 열교환기의 활용도를 보다 향상시키고 에너지 소비량을 절감시킬 수 있는 전기자동차용 냉난방 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 전기자동차의 냉난방 시스템은, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매와 외기를 열교환시키는 외부 열교환기, 냉매를 차실로 유입되는 공기와 열교환시키는 증발기를 포함하는 히트펌프와; 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 차실로 유입되는 공기를 열교환시켜, 차실을 난방시키기 위한 히터 코어와; 상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 히터 코어의 흡입구를 연결하여, 차실의 난방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 히터 코어로 안내하는 난방용 냉각수 방열유로와; 상기 히터 코어의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 히터 코어에서 방열하고 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 난방용 냉각수 순환유로와; 상기 압축기의 토출유로와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로 사이에 설치되어, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 전장부품으로 유입되기 이전의 냉각수와 열교환시켜, 냉매를 응축시키는 내부 열교환기를 포함한다.
상기 차실의 냉방 운전시 상기 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 외기를 열교환시켜, 냉각수의 열을 외기에 방열하는 라디에이터와; 상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 라디에이터의 흡입구를 연결하여, 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 라디에이터로 안내하는 냉방용 냉각수 방열유로를 더 포함한다.
상기 라디에이터의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 라디에이터에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 냉방용 냉각수 순환유로를 더 포함한다.
상기 내부 열교환기는, 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로에서 상기 냉방용 냉각수 순환유로가 연결된 지점보다 후류측에 설치되어, 상기 냉방 운전시 상기 압축기에서 토출된 냉매와 상기 냉방용 냉각수 순환유로를 통과한 냉각수를 열교환시키킨다.
상기 전장부품의 냉각수 토출유로에서 상기 난방용 냉각수 방열유로와 상기 냉방용 냉각수 방열유로가 분기되는 지점에 설치된 냉각수 삼방밸브와; 상기 차실의 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉각수 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 히트펌프는, 상기 내부 열교환기와 상기 외부 열교환기를 연결하여, 상기 내부 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 외부 열교환기로 안내하는 내부 열교환기 냉매토출유로와, 상기 내부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 난방용 팽창밸브를 더 포함한다.
상기 히트펌프는, 상기 내부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스하도록 연결되어, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스한 후 상기 외부 열교환기로 유입되도록 안내하는 냉방용 바이패스 유로와, 상기 냉방용 바이패스 유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 유입되는 것을 차단하는 냉방용 체크밸브를 더 포함한다.
상기 히트펌프는, 상기 외부 열교환기와 상기 증발기를 연결하는 외부 열교환기 냉매토출유로와, 상기 외부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 외부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 냉방용 팽창밸브를 더 포함한다.
상기 히트펌프는, 상기 외부 열교환기 냉매토출유로에서 분기되고 상기 압축기의 흡입유로에 연결되어, 상기 난방 운전시 상기 외부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 냉방용 팽창밸브와 상기 증발기를 바이패스한 후 상기 압축기로 유입되도록 안내하는 난방용 바이패스 유로를 더 포함한다.
상기 외부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 바이패스유로가 분기되는 지점에 설치된 냉매 삼방밸브와; 상기 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉매 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전기자동차의 냉난방 시스템은, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매와 외기를 열교환시키는 외부 열교환기, 냉매를 팽창하는 팽창밸브, 냉매를 차실로 유입되는 공기와 열교환시키는 증발기를 포함하는 히트펌프와; 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 차실로 유입되는 공기를 열교환시켜, 차실을 난방시키기 위한 히터 코어와; 상기 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 외기를 열교환시켜, 냉각수의 열을 외기에 방열하는 라디에이터와; 상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 히터 코어의 흡입구를 연결하여, 차실의 난방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 히터 코어로 안내하는 난방용 냉각수 방열유로와; 상기 히터 코어의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 히터 코어에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 난방용 냉각수 순환유로와; 상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 라디에이터의 흡입구를 연결하여, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 라디에이터로 안내하는 냉방용 냉각수 방열유로와; 상기 라디에이터의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 라디에이터에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 냉방용 냉각수 순환유로와; 상기 압축기의 토출유로와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로 사이에 설치되어, 상기 난방 운전시와 상기 냉방 운전시 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 전장부품으로 유입되기 이전의 냉각수와 열교환시켜, 냉매를 응축시키는 내부 열교환기와; 상기 전장부품의 냉각수 토출유로에서 상기 난방용 냉각수 방열유로와 상기 냉방용 냉각수 방열유로가 분기되는 지점에 설치된 냉각수 삼방밸브와; 상기 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉각수 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 히트펌프는, 상기 내부 열교환기와 상기 외부 열교환기를 연결하여, 상기 내부 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 외부 열교환기로 안내하는 내부 열교환기 냉매토출유로와, 상기 내부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 난방용 팽창밸브와, 상기 내부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스하도록 연결되어, 상기 냉방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스한 후 상기 외부 열교환기로 유입되도록 안내하는 냉방용 바이패스 유로와, 상기 냉방용 바이패스 유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 유입되는 것을 차단하는 냉방용 체크밸브를 더 포함한다.
본 발명에 따른 전기자동차의 냉난방 시스템은, 난방 운전시 전장부품의 폐열을 흡수한 냉각수를 바로 히터 코어에 공급함으로써, 전장부품의 폐열을 난방에 직접 활용할 수 있으므로 난방 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 난방 운전시 뿐만 아니라 냉방 운전시에도 내부 열교환기에서 냉매와 냉각수의 열교환이 이루어짐으로써, 냉매 사이클과 냉각수 사이클의 열적 연계를 강화시킬 수 있다.
또한, 냉방 운전시에도 내부 열교환기를 냉매의 응축기로 활용할 수 있기 때문에, 냉매의 응축 열량을 외부 열교환기와 상기 내부 열교환기로 분산할 수 있으므로, 외부 열교환기의 크기를 컴팩트화시킬 수 있다.
또한, 내부 열교환기는 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매와 히터 코어 또는 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 열교환 시키도록 구성됨으로써, 열교환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 난방 운전시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 냉방 운전시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템에서 냉각수 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템에서 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템은, 냉매가 순환하는 히트펌프(100), 냉각수가 순환하는 냉각수 모듈(200), 냉매와 냉각수를 열교환시키는 내부 열교환기(300) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 히트펌프(100)는, 압축기(101), 외부 열교환기(102), 증발기(103), 난방용 팽창밸브(140), 냉방용 팽창밸브(150) 및 냉매 유로를 포함한다.
상기 압축기(101)는 냉매를 압축시킨다.
상기 외부 열교환기(ODHX, Outdoor Heat exchanger)(102)는, 상기 내부 열교환기(300)에서 응축되어 나온 냉매를 외기와 열교환시킨다.
상기 증발기(103)는, 차실로 공기조화된 공기를 공급하기 위한 공기조화실(10)의 내부에 설치되어, 차실의 냉방 운전시 차실의 냉기와 냉매를 열교환시킨다.
상기 공기조화실(10)의 내부에는 에어 플립(Air flip)(12)이 회전가능하게 설치되어, 냉방 운전과 난방 운전에 따라 차실로 공급되는 공기의 유로를 전환한다. 상기 에어 플립(12)은 상기 제어부의 제어에 따라 작동되며, 난방 운전시 히터 코어(220)를 통과하는 유로를 개방하고, 냉방 운전시 상기 히터 코어(220)를 통과하는 유로를 차폐하여 상기 증발기(103)를 통과한 공기가 차실로 유입되도록 한다.
상기 냉매 유로는, 상기 압축기(101)의 흡입유로(101a), 상기 압축기(101)의 토출유로(101b), 상기 내부 열교환기 냉매토출유로(110), 상기 냉방용 바이패스 유로(112), 상기 외부 열교환기 냉매토출유로(120), 상기 난방용 바이패스 유로(122) 및 상기 증발기 토출유로(130)를 포함한다.
상기 압축기(101)의 흡입유로(101a)에는 어큐뮬레이터(106)가 설치된다.
상기 압축기(101)의 토출유로(101b)는, 상기 압축기(101)에서 압축된 냉매를 상기 내부 열교환기(300)로 안내하는 유로이다.
상기 내부 열교환기 냉매토출유로(110)는, 상기 내부 열교환기(300)의 토출측과 상기 외부 열교환기(102)의 흡입측을 연결하여, 상기 내부 열교환기(300)에서 응축된 냉매를 상기 외부 열교환기(102)로 안내한다.
상기 내부 열교환기 냉매토출유로(110)에는 상기 난방용 팽창밸브(140)가 설치된다.
상기 난방용 팽창밸브(140)는, 차실의 난방 운전시 상기 내부 열교환기(300)에서 나온 냉매를 팽창시킨다.
상기 냉방용 바이패스 유로(112)는, 상기 내부 열교환기 냉매토출유로(110)에서 상기 난방용 팽창밸브(140)를 바이패스하도록 연결된 유로이다. 상기 냉방용 바이패스 유로(112)는, 차실의 냉방 운전시 상기 내부 열교환기(300)에서 토출된 냉매가 상기 난방용 팽창밸브(140)를 바이패스한 후 상기 외부 열교환기(102)로 유입되도록 안내한다.
상기 냉방용 바이패스 유로(112)에는 냉방용 체크밸브(115)가 설치된다.
상기 냉방용 체크밸브(115)는 상기 냉방 운전시 개방되고, 상기 난방 운전시 냉매의 역류를 차단한다.
상기 외부 열교환기 냉매토출유로(120)는, 상기 외부 열교환기(102)와 상기 증발기(103)를 연결하는 유로이다.
상기 외부 열교환기 냉매토출유로(120)에는 상기 냉방용 팽창밸브(150)가 설치된다.
상기 냉방용 팽창밸브(150)는, 상기 냉방 운전시 상기 외부 열교환기(102)에서 토출된 냉매를 팽창시킨다.
상기 난방용 바이패스 유로(122)는, 상기 외부 열교환기 냉매토출유로(120)에서 분기되어 상기 압축기(101)의 흡입유로(101a)에 연결되어, 상기 난방 운전시 상기 외부 열교환기(102)에서 토출된 냉매가 상기 냉방용 팽창밸브(150)와 상기 증발기를 바이패스한 후 상기 압축기(101)로 유입되도록 안내하는 유로이다. 본 실시예에서는, 상기 압축기(101)의 흡입유로(101a)에 상기 어큐뮬레이터(106)가 설치된 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 난방용 바이패스 유로(122)는 상기 어큐뮬레이터(106)의 흡입측에 연결된 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 외부 열교환기 냉매토출유로(120)에서 상기 난방용 바이패스 유로(122)가 분기되는 지점에는 냉매 삼방밸브(160)가 설치된다.
상기 냉매 삼방밸브(160)는 상기 제어부(미도시)의 제어에 따라 작동된다. 상기 냉매 삼방밸브(160)는 상기 냉방 운전시 상기 외부 열교환기(102)에서 나온 냉매가 상기 증발기(103)로 유입되도록 유로를 개방하고, 상기 난방 운전시 상기 외부 열교환기(102)에서 나온 냉매가 상기 압축기(101)로 유입되도록 상기 난방용 바이패스 유로(122)를 개방한다.
한편, 상기 냉각수 모듈(200)은, 전장부품(210), 히터 코어(220), 라디에이터(202) 및 냉각수 유로를 포함한다.
상기 전장부품(PEEM, Power Electronics and Electric machinery)(210)은 전기 모터 뿐만 아니라 배터리나 각종 전력 제어장치를 포함할 수 있다.
상기 히터 코어(220)는 상기 공기조화실(10)의 내부에 설치되어, 상기 전장부품(210)을 냉각시킨 냉각수와 차실로 유입되는 공기를 열교환시켜, 차실을 난방시킨다. 즉, 상기 히터 코어(220)는 냉각수와 공기를 열교환시키는 물-공기 실내 열교환기이다.
상기 공기조화실(10)의 내부에는 상기 히터 코어(220)에 열원을 추가 공급하기 위한 PTC 히터(222)가 설치된다.
상기 라디에이터(202)는, 상기 냉방 운전시 상기 전장부품(210)을 냉각시킨 냉각수와 외기를 열교환시켜 냉각수의 열을 외기에 방열하는 저온 방열기(LTR, Low Temperature Radiator)이다.
상기 냉각수 유로는, 상기 전장부품(210)의 냉각수 토출유로(211), 상기 전장부품(210)의 냉각수 흡입유로(212), 난방용 냉각수 방열유로(231), 난방용 냉각수 순환유로(232), 냉방용 냉각수 방열유로(241), 냉방용 냉각수 순환유로(242)를 포함한다.
상기 전장부품(210)의 냉각수 토출유로(211)는, 상기 전장부품(210)을 냉각시킨 냉각수를 토출하는 유로이다.
상기 전장부품(210)의 냉각수 흡입유로(212)는, 상기 내부 열교환기(300)를 통과한 냉각수를 상기 전장부품(210)으로 흡입하기 위한 유로이다.
상기 냉각수 흡입유로(212)에는 상기 내부 열교환기(300)가 설치되어, 상기 전장부품(210)으로 유입되기 이전의 냉각수는 냉매와 열교환된다.
상기 냉각수 흡입유로(212)에는 냉각수 펌프(250)가 설치된다.
상기 난방용 냉각수 방열유로(231)는, 상기 냉각수 토출유로(211)와 상기 히터 코어(220)의 흡입구를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 전장부품(210)을 냉각시키고 나온 냉각수의 열을 상기 히터 코어(220)로 전달하기 위한 유로이다.
상기 난방용 냉각수 순환유로(232)는, 상기 히터 코어(220)의 토출구와 상기 냉각수 흡입유로(212)를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 히터 코어(220)에서 나온 냉각수를 상기 전장부품(210)으로 다시 순환시키는 유로이다.
상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)는, 상기 냉각수 토출유로(211)와 상기 라디에이터(202)의 흡입구를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 전장부품(210)을 냉각시키고 나온 냉각수의 열을 상기 라디에이터(202)로 전달하는 유로이다.
상기 냉방용 냉각수 순환유로(242)는, 상기 라디에이터(202)의 토출구와 상기 전장부품(210)의 냉각수 흡입유로(212)를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 라디에이터(202)에서 방열하고 나온 냉각수를 상기 전장부품(210)으로 다시 순환시키는 유로이다.
상기 냉방용 냉각수 순환유로(242)는, 상기 냉각수 흡입유로(212) 중에서 상기 내부 열교환기(300)가 연결된 지점보다 상류측에 연결된다.
상기 냉각수 토출유로(211)에서 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)와 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)가 분기되는 지점에는 냉각수 삼방밸브(260)가 설치된다.
상기 냉각수 삼방밸브(260)는, 상기 제어부(미도시)의 제어에 따라 작동된다. 상기 냉각수 삼방밸브(260)는, 상기 난방 운전시 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)는 차폐하고, 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)만 개방시킨다. 또한, 상기 냉각수 삼방밸브(260)는, 상기 냉방 운전시 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)는 차폐하고 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)는 차폐시킨다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 난방 운전시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2 및 도 4를 참조하여, 난방 운전시 냉각수의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
차실의 난방 운전시, 상기 제어부(미도시)는 상기 냉각수 펌프(250), 상기 냉각수 삼방밸브(260) 및 상기 에어 플립(12)의 작동을 제어한다.
상기 냉각수 펌프(250)가 작동되면, 냉각수가 상기 전장부품(210)을 통과하면서 상기 전장부품(210)을 냉각시킨다.
상기 난방 운전시 상기 냉각수 삼방밸브(260)는 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)를 개방시키고, 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)는 차폐시킨다.
상기 난방용 냉각수 방열유로(231)가 개방되면, 상기 전장부품(210)을 냉각시키고 나온 냉각수는 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)를 통해 상기 히터 코어(220)로 유입된다.
상기 히터 코어(220)에서는 냉각수와 차실로 유입되는 공기의 열교환이 이루어진다.
상기 전장부품(210)을 냉각시킨 냉각수는 상기 히터 코어(220)로 바로 공급되므로, 상기 전장부품(210)의 폐열이 상기 히터 코어(220)에 직접 전달된다. 상기 전장부품(210)의 폐열의 온도는 냉매의 응축 온도보다 높은 약 60 내지 80℃이기 때문에, 냉각수가 흡수한 폐열을 난방에 직접 이용하는 것이 냉매의 응축열량을 난방에 이용하는 종래의 경우보다 에너지 이용 효율이 높다.
또한, 상기 전장부품(210)의 폐열이 유로에서 발생되는 열손실을 제외하고는 상기 히터 코어(220)로 그대로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 히터 코어(220)에서 열교환 효율이 향상되어, 난방 효율이 향상될 수 있다.
상기 히터 코어(220)에서는 차실로 유입되는 공기와 냉각수의 열교환이 이루어진다.
상기 히터 코어(220)에서 냉각수로부터 열을 전달받은 공기는 차실로 유입되어, 차실을 난방하게 된다.
상기 히터 코어(220)에 열을 방열한 냉각수는 상기 난방용 냉각수 순환유로(232)를 통해 상기 내부 열교환기(300)로 유입된다.
상기 내부 열교환기(300)에서는 상기 히터 코어(220)에서 나온 냉각수와 상기 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 냉매의 열교환이 이루어진다. 상기 내부 열교환기(300)에서 냉각수는 냉매의 열을 흡수하고, 냉매는 냉각수에 열을 빼앗겨서 응축된다.
상기 내부 열교환기(300)를 통과한 냉각수는 상기 냉매 흡입유로(212)를 통해 상기 전장부품(210)으로 순환된다.
한편, 도 2 및 도 5를 참조하여, 난방 운전시 냉매 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제어부(미도시)는 상기 압축기(101) 및 상기 냉매 삼방밸브(160)의 작동을 제어한다.
상기 압축기(101)가 작동되면, 상기 압축기(101)에서 압축된 고온 고압의 냉매는 상기 압축기(101)의 토출유로(101b)를 통해 상기 내부 열교환기(300)로 유입된다.
상기 내부 열교환기(300)에서는 상기 히터 코어(220)에서 나온 냉각수와 상기 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 냉매의 열교환이 이루어진다. 이 때, 상기 내부 열교환기(300)는 냉매의 응축기 역할을 한다.
상기 내부 열교환기(300)를 통과하면서 응축된 냉매는 상기 난방용 팽창밸브(140)에서 팽창되면서 온도가 내려간 후, 상기 외부 열교환기(102)로 유입된다. 이 때, 상기 난방용 팽창밸브(140)는 개방되고, 상기 냉방용 체크밸브(115)는 차폐된 상태이다.
상기 외부 열교환기(102)에서는 냉매와 외기의 열교환이 이루어진다. 상기 외부 열교환기(102)는 냉매의 증발기 역할을 한다. 상기 외부 열교환기(102)에서 냉매는 외기로부터 열을 흡수하여 증발된다.
상기 외부 열교환기(102)에서 증발된 냉매는 상기 냉매 삼방밸브(160)를 거쳐 상기 어큐뮬레이터(106)로 유입된다.
이 때, 상기 냉매 삼방밸브(160)는 상기 난방용 바이패스 유로(122)는 개방시키고, 상기 증발기(103)로 유입되는 유로는 차폐한다. 따라서, 상기 난방 운전시 상기 공기조화실(10)에 설치된 상기 증발기(103)는 사용되지 않는다.
상기 어큐뮬레이터(106)로 유입된 냉매는 상기 압축기(101)로 다시 순환된다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 냉난방 시스템의 냉방 운전시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 냉방 운전시 냉각수의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
차실의 냉방 운전시, 상기 제어부(미도시)는 상기 냉각수 펌프(250), 상기 냉각수 삼방밸브(260) 및 상기 에어 플립(12)의 작동을 제어한다.
상기 냉각수 펌프(250)가 작동되면, 냉각수가 상기 전장부품(210)을 통과하면서 상기 전장부품(210)을 냉각시킨다.
상기 냉방 운전시 상기 냉각수 삼방밸브(260)는 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)를 개방시키고, 상기 난방용 냉각수 방열유로(231)는 차폐시킨다.
상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)가 개방되면, 상기 전장부품(210)을 냉각시키고 나온 냉각수는 상기 냉방용 냉각수 방열유로(241)를 통해 상기 라디에이터(202)로 유입된다.
상기 라디에이터(202)에서는 냉각수와 외기의 열교환이 이루어진다.
상기 전장부품(210)의 폐열을 흡수한 냉각수는 상기 라디에이터(202)를 통해 방열하게 된다.
상기 라디에이터(202)에서 열을 방열한 냉각수는 상기 냉방용 냉각수 순환유로(242)를 통해 상기 내부 열교환기(300)로 유입된다.
상기 내부 열교환기(300)에서는 상기 라디에이터(202)를 통과한 냉각수와 상기 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 냉매와의 열교환이 이루어진다. 상기 내부 열교환기(300)에서 냉각수는 냉매의 열을 흡수하고, 냉매는 냉각수에 열을 빼앗겨서 응축된다. 상기 압축기(101)에서 토출된 냉매의 온도는 상기 라디에이터(202)에서 방열하고 나온 냉각수의 온도보다 높기 때문에, 상기 내부 열교환기(300)에서 상기 냉매는 응축된다.
상기 내부 열교환기(300)를 통과하면서 열을 흡수한 냉각수는 상기 냉매 흡입유로(212)를 통해 상기 전장부품(210)으로 순환된다. 이 때, 냉각수가 상기 내부 열교환기(300)에서 열을 흡수하여 온도가 상승하더라도 상기 전장부품(210)의 한계 온도인 약 150 내지 170℃ 보다는 낮다. 따라서, 상기 냉각수가 상기 내부 열교환기(300)에서 냉매로부터 열을 충분히 흡수할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 5를 참조하여, 냉방 운전시 냉매 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제어부(미도시)는 상기 압축기(101) 및 상기 냉매 삼방밸브(160)의 작동을 제어한다.
상기 압축기(101)가 작동되면, 상기 압축기(101)에서 압축된 고온 고압의 냉매는 상기 압축기(101)의 토출유로(101b)를 통해 상기 내부 열교환기(300)로 유입된다.
상기 내부 열교환기(300)에서는 상기 라디에이터(202)에서 나온 냉각수와 상기 압축기(101)에서 토출된 고온의 냉매의 열교환이 이루어진다. 이 때, 상기 내부 열교환기(300)는 냉매의 응축기 역할을 한다. 상기 압축기(101)에서 토출된 냉매의 온도는 상기 라디에이터(202)에서 방열하고 나온 냉각수의 온도보다 높기 때문에, 상기 내부 열교환기(300)에서 상기 냉매는 응축된다.
종래에는 고온 조건에서 운전하는 전기자동차의 경우, 냉매의 응축 열량을 감당하기 위해서는 응축기 역할을 하는 상기 외부 열교환기(102)의 크기를 증대시켜야만 했으나, 본 발명에서는 냉방 운전시에도 상기 내부 열교환기(300)를 응축기로 사용할 수 있기 때문에, 냉매의 응축 열량을 상기 외부 열교환기(102) 뿐만 아니라 상기 내부 열교환기(300)로 분산할 수 있다. 따라서, 상기 외부 열교환기(102)의 크기를 컴팩트화시킬 수 있다.
상기 내부 열교환기(300)를 통과하면서 응축된 냉매는 상기 냉방용 체크밸브(115)를 거쳐 상기 외부 열교환기(102)로 유입된다. 즉, 냉방 운전시 상기 난방용 팽창밸브(140)는 차폐되고 상기 냉방용 체크밸브(115)는 개방된 상태이다.
상기 외부 열교환기(102)에서는 냉매와 외기의 열교환이 이루어진다. 상기 외부 열교환기(102)는 냉매의 응축기 역할을 한다. 상기 외부 열교환기(102)에서 냉매는 응축된다.
상기 외부 열교환기(102)에서 응축된 냉매는 상기 냉매 삼방밸브(160)를 거쳐 상기 냉방용 팽창밸브(150)로 유입된다.
상기 냉방 운전시 상기 냉매 삼방밸브(160)는 상기 난방용 바이패스 유로(122)를 차폐하고, 상기 냉방용 팽창밸브(150)로 유입되는 유로를 개방하므로, 냉매는 상기 냉방용 팽창밸브(150)로 유입된다.
상기 냉방용 팽창밸브(150)에서 팽창되어 저온 저압 상태가 된 냉매는 상기 증발기(103)로 유입된다.
상기 증발기(103)에서는 냉매와 차실로 유입되는 공기가 열교환되어, 냉매에 의해 냉각된 공기는 차실로 공급된다. 이 때, 상기 에어 플립(12)은 상기 히터 코어(220)로 유입되는 유로를 차폐하므로, 상기 공기조화실(10)에서 상기 증발기(103)에 의해 냉각된 공기가 상기 차실로 공급될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 난방 운전시 상기 전장부품(210)의 폐열을 흡수한 냉각수를 바로 상기 히터 코어(220)에 공급함으로써, 상기 전장부품(210)의 폐열을 난방에 직접 활용할 수 있으므로 난방 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 난방 운전시 뿐만 아니라 냉방 운전시에도 상기 내부 열교환기(300)에서 냉매와 냉각수의 열교환이 이루어짐으로써, 냉매 사이클과 냉각수 사이클의 열적 연계를 강화시킬 수 있다.
또한, 냉방 운전시 상기 내부 열교환기(300)를 냉매의 응축기로 활용할 수 있기 때문에, 냉매의 응축 열량을 상기 외부 열교환기(102)와 상기 내부 열교환기(300)로 분산할 수 있으므로, 상기 외부 열교환기(102)의 크기를 컴팩트화시킬 수 있다.
또한, 높은 가용 에너지를 가지는 상기 전장부품(210)의 폐열을 매우 낮은 온도의 냉매와 열교환하여 엑서지 파괴가 일어나는 현상이 방지할 수 있다.
따라서, 차실의 냉방과 난방 운전에 사용되는 전력량을 감소시킬 수 있으므로, 전기자동차의 저장된 동일량의 전기 에너지 대비 이동거리를 최대화시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 공기조화실 12: 에어 플립
100: 히트펌프 101: 압축기
102: 외부 열교환기 103: 증발기
110: 내부 열교환기 냉매토출유로 112: 냉방용 바이패스 유로
120: 외부 열교환기 냉매토출유로 122: 난방용 바이패스 유로
130: 증발기 토출유로 140: 난방용 팽창밸브
150: 냉방용 팽창밸브 160: 냉매 삼방밸브
200: 냉각수 모듈 202: 라디에이터
220:　히터 코어　　　　　 　　　 210: 전장부품
211: 냉각수 토출유로 212: 냉각수 흡입유로
231:　난방용 냉각수 방열유로　　　232: 난방용 냉각수 순환유로
241:　냉방용 냉각수 방열유로　 　242: 냉방용 냉각수 순환유로
250: 냉각수 펌프 260: 냉각수 삼방밸브

Claims (11)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매와 외기를 열교환시키는 외부 열교환기, 냉매를 차실로 유입되는 공기와 열교환시키는 증발기를 포함하는 히트펌프와;
    전장부품을 냉각시킨 냉각수와 차실로 유입되는 공기를 열교환시켜, 차실을 난방시키기 위한 히터 코어와;
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 히터 코어의 흡입구를 연결하여, 차실의 난방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 히터 코어로 안내하는 난방용 냉각수 방열유로와;
    상기 히터 코어의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 히터 코어에서 방열하고 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 난방용 냉각수 순환유로와;
    상기 압축기의 토출유로와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로 사이에 설치되어, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 전장부품으로 유입되기 이전의 냉각수와 열교환시켜, 냉매를 응축시키는 내부 열교환기를 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차실의 냉방 운전시 상기 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 외기를 열교환시켜, 냉각수의 열을 외기에 방열하는 라디에이터와,
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 라디에이터의 흡입구를 연결하여, 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 라디에이터로 안내하는 냉방용 냉각수 방열유로를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 라디에이터의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 라디에이터에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 냉방용 냉각수 순환유로를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 내부 열교환기는,
    상기 전장부품의 냉각수 흡입유로에서 상기 냉방용 냉각수 순환유로가 연결된 지점보다 후류측에 설치되어,
    상기 냉방 운전시 상기 압축기에서 토출된 냉매와 상기 냉방용 냉각수 순환유로를 통과한 냉각수를 열교환시키는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로에서 상기 난방용 냉각수 방열유로와 상기 냉방용 냉각수 방열유로가 분기되는 지점에 설치된 냉각수 삼방밸브와,
    상기 차실의 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉각수 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프는,
    상기 내부 열교환기와 상기 외부 열교환기를 연결하여, 상기 내부 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 외부 열교환기로 안내하는 내부 열교환기 냉매토출유로와,
    상기 내부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 난방용 팽창밸브를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히트펌프는,
    상기 내부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스하도록 연결되어, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스한 후 상기 외부 열교환기로 유입되도록 안내하는 냉방용 바이패스 유로와,
    상기 냉방용 바이패스 유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 유입되는 것을 차단하는 냉방용 체크밸브를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프는,
    상기 외부 열교환기와 상기 증발기를 연결하는 외부 열교환기 냉매토출유로와,
    상기 외부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 외부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 냉방용 팽창밸브를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 히트펌프는,
    상기 외부 열교환기 냉매토출유로에서 분기되고 상기 압축기의 흡입유로에 연결되어, 상기 난방 운전시 상기 외부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 냉방용 팽창밸브와 상기 증발기를 바이패스한 후 상기 압축기로 유입되도록 안내하는 난방용 바이패스 유로를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 외부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 바이패스유로가 분기되는 지점에 설치된 냉매 삼방밸브와,
    상기 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉매 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
  11. 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매와 외기를 열교환시키는 외부 열교환기, 냉매를 팽창하는 팽창밸브, 냉매를 차실로 유입되는 공기와 열교환시키는 증발기를 포함하는 히트펌프와;
    전장부품을 냉각시킨 냉각수와 차실로 유입되는 공기를 열교환시켜, 차실을 난방시키기 위한 히터 코어와;
    상기 전장부품을 냉각시킨 냉각수와 외기를 열교환시켜, 냉각수의 열을 외기에 방열하는 라디에이터와;
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 히터 코어의 흡입구를 연결하여, 차실의 난방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 히터 코어로 안내하는 난방용 냉각수 방열유로와;
    상기 히터 코어의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 난방 운전시 상기 히터 코어에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 난방용 냉각수 순환유로와;
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로와 상기 라디에이터의 흡입구를 연결하여, 상기 차실의 냉방 운전시 상기 전장부품을 냉각시키고 나온 냉각수를 상기 라디에이터로 안내하는 냉방용 냉각수 방열유로와;
    상기 라디에이터의 토출구와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로를 연결하여, 상기 냉방 운전시 상기 라디에이터에서 나온 냉각수를 상기 전장부품으로 순환시키는 냉방용 냉각수 순환유로와;
    상기 압축기의 토출유로와 상기 전장부품의 냉각수 흡입유로 사이에 설치되어, 상기 난방 운전시와 상기 냉방 운전시 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 전장부품으로 유입되기 이전의 냉각수와 열교환시켜, 냉매를 응축시키는 내부 열교환기와;
    상기 전장부품의 냉각수 토출유로에서 상기 난방용 냉각수 방열유로와 상기 냉방용 냉각수 방열유로가 분기되는 지점에 설치된 냉각수 삼방밸브와;
    상기 냉방 운전과 상기 난방 운전에 따라 상기 냉각수 삼방밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 히트펌프는,
    상기 내부 열교환기와 상기 외부 열교환기를 연결하여, 상기 내부 열교환기에서 응축된 냉매를 상기 외부 열교환기로 안내하는 내부 열교환기 냉매토출유로와,
    상기 내부 열교환기 냉매토출유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 난방용 팽창밸브와,
    상기 내부 열교환기 냉매토출유로에서 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스하도록 연결되어, 상기 냉방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 상기 난방용 팽창밸브를 바이패스한 후 상기 외부 열교환기로 유입되도록 안내하는 냉방용 바이패스 유로와,
    상기 냉방용 바이패스 유로에 설치되어, 상기 난방 운전시 상기 내부 열교환기에서 토출된 냉매가 유입되는 것을 차단하는 냉방용 체크밸브를 더 포함하는 전기자동차용 냉난방 시스템.
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