KR20220079279A - 단일 ｈｖａｃ 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템 - Google Patents

단일 ｈｖａｃ 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 응축기와 증발기가 구비된 1차 회로를 순환하는 냉매와 2차 회로를 순환하는 냉각수의 열교환을 통해 냉방수와 난방수를 각각 생성하여 HVAC 모듈 내의 열교환기에 구획된 각 열교환 영역별로 동시 또는 선택적으로 공급하여 하나의 열교환기를 통해 차량 실내의 냉,난방을 동시에 구현할 수 있고 냉,난방 온도를 효율적으로 제어할 수 있는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템은, 응축기 및 증발기에 의한 냉매의 순환이 이루어지는 1차 순환계; 상기 응축기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온의 난방수가 순환되는 히팅 순환계와, 상기 증발기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 저온의 냉방수가 순환되는 쿨링 순환계를 가지는 2차 순환계; 상기 히팅 순환계의 난방수와 상기 쿨링 순환계의 냉방수가 동시에 또는 선택적으로 공급되어 공기와의 열교환이 이루어지는 서로 구획된 3개 이상의 영역이 구비된 하나의 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기의 각 영역으로 공급되는 난방수 및 냉방수와 공기와의 열교환을 통해 난방공기 및 냉방공기를 발생시켜 차량 실내의 각 영역별로 토출시키는 HVAC 모듈; 상기 히팅 순환계와 쿨링 순환계에 각각 설치되어 상기 HVAC 모듈 내에 구비된 상기 열교환기의 각 영역으로 난방수 및 냉방수를 동시에 또는 선택적으로 공급하도록 제어부를 통해 개폐가 제어되는 3방 밸브 방식의 복수의 조절밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

단일 ＨＶＡＣ 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템{Air conditioning system with one HVAC heat exchanger for vehicle}
본 발명은 차량용 공조시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응축기와 증발기가 구비된 1차 회로를 순환하는 냉매와 2차 회로를 순환하는 냉각수의 열교환을 통해 냉방수와 난방수를 각각 생성하여 HVAC 모듈 내의 열교환기 내부에 구획된 각각의 열교환 영역별로 동시에 공급하거나 또는 선택적으로 공급하여 하나의 열교환기를 통해 차량 실내의 냉,난방을 동시에 구현할 수 있고 냉,난방 온도를 효율적으로 제어할 수 있는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 차량 내에는 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 차량용 공조장치가 갖추어져 있다. 차량용 공조장치는 겨울철에는 온기를 발생시켜 실내를 따뜻하게 유지하고, 여름철에는 냉기를 발생시켜 실내를 시원하게 유지한다. 이러한 차량용 공조장치는 차량의 실내공간을 효율적으로 이용하기 위하여 소비자의 요구에 따라 점차 소형화되는 추세이다.
차량용 공조장치는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기가 냉매배관에 의해 순차적으로 연결되어 있으며, 엔진의 동력에 의해 압축기가 구동하면서 냉매가 순환한다.
이러한 차량용 공조장치는 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가스가 응축기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하여 액체상태의 냉매로 변환되고, 이렇게 액화된 냉매는 응축기에 연결된 리시버 드라이어를 통과하면서 불순물이 제거되고, 불순물이 제거된 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 저온의 기체로 변한다. 기화된 저온의 냉매는 증발기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하면서 냉각되고, 이 냉각된 공기는 송풍기에 의해 차량 실내로 토출되며, 증발기를 통과한 저온 기체 상태의 냉매는 다시 압축기로 보내져 고온, 고압으로 압축되는 과정을 순환한다.
한편, 최근에는 전기에너지를 동력원으로 이용하는 전기자동차가 출시되고 있는데, 이러한 전기자동차에 장착되는 공조장치는 배터리에서 공급되는 전원을 통해 물 또는 공기를 가열하여 차량 실내의 난방을 수행하도록 구성됨에 따라 전기자동차의 동력성능을 현저하게 저하시키게 되는 단점이 있다.
이에 따라, 전기자동차의 공조장치에는 기존의 내연기관 자동차와 유사하게 히트펌프 시스템을 적용하고 있으며, 이러한 히트펌프 시스템은 냉매의 압축-응축-감압-증발로 이루어지는 사이클을 가역적으로 적용하여 냉방과 난방을 겸하는 냉난방 겸용시스템이다.
즉, 히트펌프 시스템은 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가지게 되는데, 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래의 일반적인 공조장치에 부족한 열원을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같은 히트펌프 시스템을 적용한 기존의 차량용 공조장치는 보통 냉매 회로의 일부가 차량 실내에 위치하는 HVAC 모듈 내부에 구비된 증발기로 배관되어 증발기의 냉매와 이 주변을 이동하는 공기의 열교환을 통해 냉각공기를 얻게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 차량용 공조장치는 HVAC 모듈의 조립불량이나 차량 사고시 물리적 충격에 의해 차량 실내로 배관된 부분에서 냉매의 누설이 발생할 수 있다. 이때, 냉매가 독성 또는 가연성 성질을 가지는 경우에는 냉매배관으로부터 누설된 냉매가 차량 실내로 유출됨으로써 탑승자의 안전에 문제를 발생시킬 수 있는 단점이 있었다. 이 때문에 냉매의 누설에 따른 탑승자의 안전상의 문제를 방지하고자 기존에는 독성 또는 가연성이 거의 없는 값비싼 냉매를 사용할 수밖에 없었는데, 이는 결국 차량의 유지비용을 크게 증가시키는 문제로 귀결된다.
대한민국 등록특허 제10-2039170호(2019.10.25)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 차량 실내로 냉매 배관을 설치하지 않고 냉매와 냉각수의 열교환을 통해 생성되는 난방수 및 냉방수를 이용하여 차량 실내의 냉,난방을 수행하는 간접 냉,난방 방식의 공조시스템을 구현하여 탑승자 안전에 위해 요소가 되는 차량 실내의 냉매 유출을 방지할 수 있고, 외부공기와의 열전달 성능 향상을 위하여 가연성 등급까지 냉매의 선택 폭을 확대시켜 차량 유지비용을 크게 절감시킬 수 있는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 1차 회로에서 순환되는 냉매와 2차 회로를 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 난방수 및 냉방수를 생성하여 HVAC 모듈 내의 하나의 열교환기 내부에 구획된 각 열교환 영역별로 동시 또는 선택적으로 공급하여 공기와의 열교환을 통해 차량 실내의 각 영역별로 냉,난방공기를 동시에 제공할 수 있고, 아울러 토출되는 냉,난방공기의 온도를 효과적으로 제어할 수 있는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 HVAC 모듈 내에 구비된 하나의 열교환기를 통해 차량 실내의 각 영역별 냉,난방 및 냉,난방 온도 조절이 가능하도록 하여 기존보다 한층 저렴한 비용으로 차량의 공조시스템을 구현할 수 있도록 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템은, 응축기 및 증발기에 의한 냉매의 순환이 이루어지는 1차 순환계; 상기 응축기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온의 난방수가 순환되는 히팅 순환계와, 상기 증발기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 저온의 냉방수가 순환되는 쿨링 순환계를 가지는 2차 순환계; 상기 히팅 순환계의 난방수와 상기 쿨링 순환계의 냉방수가 동시에 또는 선택적으로 공급되어 공기와의 열교환이 이루어지는 서로 구획된 3개 이상의 영역이 구비된 하나의 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기의 각 영역으로 공급되는 난방수 및 냉방수와 공기와의 열교환을 통해 난방공기 및 냉방공기를 발생시켜 차량 실내의 각 영역별로 토출시키는 HVAC 모듈; 상기 히팅 순환계와 쿨링 순환계에 각각 설치되어 상기 HVAC 모듈 내에 구비된 상기 열교환기의 각 영역으로 난방수 및 냉방수를 동시에 또는 선택적으로 공급하도록 제어부를 통해 개폐가 제어되는 3방 밸브 방식의 복수의 조절밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열교환기 내부에는 상기 히팅 순환계의 난방수와 상기 쿨링 순환계의 냉방수가 동시에 또는 선택적으로 공급되어 공기와의 열교환이 이루어질 수 있는 서로 구획된 제1영역, 제2영역, 및 제3영역이 구비될 수 있다.
이 경우, 상기 제1영역, 제2영역, 제3영역 중 상기 난방수가 공급되는 어느 하나 이상의 영역은 상기 HVAC 모듈 내부에 구비된 송풍기와 상대적으로 멀리 떨어진 위치상에 배치되고, 다른 하나 이상의 영역은 상기 송풍기와 상대적으로 가까운 위치상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1영역, 제2영역, 제3영역 중 적어도 하나의 영역은 나머지 다른 영역과 열교환 용량이 서로 영역으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 히팅 순환계 및 쿨링 순환계는 차량용 전장부와 배터리부와 각각 연결되어 상기 제어부에 의한 상기 조절밸브의 개폐작동에 따라 상기 전장부와 배터리부의 히팅 또는 쿨링을 선택적으로 수행하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 히팅 순환계에 설치되는 조절밸브는, 상기 응축기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 난방수가 상기 열교환기 방향 또는 차량의 라디에이터 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제1밸브와; 상기 제1밸브를 통과한 난방수가 상기 열교환기 방향 또는 상기 배터리부 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제2밸브와; 상기 제2밸브를 통과한 난방수가 상기 열교환기의 제1영역과 제2영역으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제1영역과 제2영역에 선택적으로 공급되도록 제어되는 제3밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 히팅 순환계에 설치되는 조절밸브는, 상기 열교환기의 제2영역에서 공기와 열교환 후 출수되는 난방수가 상기 응축기 방향으로 공급되거나, 또는 상기 열교환기의 제2영역에서 공기와 열교환 후 출수되는 냉방수가 상기 증발기 방향으로 공급되도록 제어되는 제4밸브를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 쿨링 순환계에 설치되는 조절밸브는, 상기 증발기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 냉방수가 상기 열교환기 또는 배터리부 방향이나, 차량의 라디에이터 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제5밸브와; 상기 제5밸브를 통과한 냉방수가 상기 열교환기 또는 상기 배터리부 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제6밸브와; 상기 제6밸브를 통과한 냉방수가 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제2영역 및 제3영역 중 어느 하나의 영역에 선택적으로 공급되도록 제어되는 제7밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 차량용 공조시스템은 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 쿨링 모드시, 상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브를 경유하여 차량의 라디에이터로 이동된 후 외기와 열교환되고, 열교환된 난방수는 다시 차량의 전장부로 이동하여 열교환된 후 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고, 상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브 및 제6밸브를 경유하여 제7밸브에서 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 유입되어 공기와 열교환되고, 상기 제2영역에서 출수되는 냉방수는 제4밸브를 경유하여 상기 증발기 부분으로 유입되고, 상기 제3영역에서 출수되는 냉방수는 상기 제4밸브를 경유하여 출수되는 냉방수와 합류하여 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어될 수 있다.
그리고, 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 쿨링 및 히팅 모드시, 상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브에서 열교환기 및 차량의 라디에이터 방향을 향하는 2개의 경로로 분리되고, 이 중 상기 열교환기 방향으로 분리된 난방수는 상기 제2밸브 및 제3밸브를 경유하여 상기 열교환기의 제1영역으로 유입된 후 공기와 열교환을 한 후 출수되어 다시 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고, 상기 라디에이터 방향으로 분리된 난방수는 상기 라디에이터로 이동된 후 외기와 열교환을 한 후 차량의 전장부로 다시 이동하여 열교환 후 상기 열교환기에서 출수되는 난방수와 합류하여 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되며, 상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브 및 제6밸브를 경유하여 제7밸브에서 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 유입되어 공기와 열교환되고, 상기 제2영역에서 출수되는 냉방수는 제4밸브를 경유하여 상기 증발기 부분으로 유입되고, 상기 제3영역에서 출수되는 냉방수는 상기 제4밸브를 경유하여 출수되는 냉방수와 합류하여 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 히팅 모드시, 상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브 및 제2밸브를 경유하여 제3밸브에서 상기 열교환기의 제1영역 및 제2영역으로 동시에 유입된 후 공기와 열교환되고, 열교환 후 상기 제2영역에서 출수되는 난방수는 상기 제4밸브를 경유하여 상기 제1영역에서 출수되는 난방수와 합류한 후 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고, 상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브를 경유하여 차량의 라디에이터로 이동 후 외기와 열교환되고, 열교환된 냉방수는 다시 차량의 전장부로 이동하여 열교환 후 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어될 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명의 차량용 공조시스템에 따르면, HVAC 모듈 내부에 설치된 하나의 수냉식 열교환기 내부에 구획된 각각의 열교환 영역별로 냉각수와 난방수를 동시에 흐르게 하거나 선택적으로 흐르게 하여 공기와의 열교환을 통해 냉,난방공기를 생성하여 차량 실내의 각 영역별로 서로 다른 온도의 냉,난방 공기를 동시에 또는 선택적으로 제공할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 기존과 같이 공기의 온도 조절을 위해 공조 시스템 회로 내에 설치되는 수많은 조절밸브와 이 조절밸브를 제어하기 위한 복잡한 밸브 제어 로직을 별도로 개발하지 않고서도 차량 실내의 각 영역별로 서로 다른 냉,난방 온도 환경을 제공하는 것이 가능하며, 탑승자에게 한층 쾌적한 냉,온열감을 제공할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 HVAC 모듈 내에 구비되는 단일 열교환기를 이용하여 차량 실내의 각 영역별 냉,난방 및 냉,난방 온도 조절이 가능하기 때문에, 기존과 같이 HVAC 모듈 내부에 여러 대의 열교환기를 설치할 필요가 없으며, 냉,난방공기의 온도 조절을 위한 별도의 밸브장치를 설치할 필요가 없기 때문에 기존보다 한층 저렴한 비용으로 차량의 냉,난방을 위한 공조시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 하나의 열교환기 내부에 냉,난방수가 동시 또는 선택적으로 공급될 수 있는 상호 구획된 형태의 2개 이상의 열교환 영역을 형성하여 상기 각 열교환 영역에서 공기와 열교환을 통해 생성되는 냉,난방공기를 차량 실내의 각 토출구 별로 제공하여 실내의 냉,난방 조성이 가능해지기 때문에, 차량 실내의 다수 영역(multi-zone)별로 저비용으로 효과적인 냉,난방이 가능한 장점이 있다.
또한, 냉매 회로의 일부가 차량 실내에 위치된 증발기로 배관되어 증발기의 냉매와 HVAC 모듈 내부의 공기와의 열교환을 통해 냉각공기를 차량 실내로 제공하는 기존의 직접식 공조시스템과 달리 본 발명은 차량 실내와 차단된 공간에 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성된 1차 냉매 회로를 구성하고, 상기 1차 냉매 회로를 흐르는 냉매와 2차 순환계를 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉방수와 난방수를 발생시켜 HVAC 모듈 내부에 구비된 하나의 열교환기를 통해 공기와 수냉 방식으로 열교환을 하여 냉각공기와 난방공기를 차량 실내로 제공하는 간접 냉,난방 방식의 공조시스템으로 구성됨에 따라, 기존과 같이 HVAC 모듈의 조립불량이나 차량 사고로 인해 차량 실내에 위치한 배관 부분에 독성 또는 가연성을 갖는 냉매가 누설됨으로써 발생되는 탑승자의 안전상의 문제를 해결할 수 있다. 그리고, 본 발명의 공조시스템은 허용 가능한 수준의 독성 또는 가연성 등급을 가지는 R290 프로판 가스와 같은 값싼 냉매를 적용하더라도 차량 실내로 냉매가 유출될 가능성이 없기 때문에 탑승자의 안전을 보장과 더불어 값비싼 냉매 사용에 따른 차량의 유지비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 차량 실내로 직접 냉매 배관이 설치되지 않고 냉매와 이차적으로 열교환되는 냉각수를 이용한 간접식 냉,난방 방식이 적용됨으로써 탑승자 안전에 위해 요소가 되는 냉매의 차량 실내 유출 사고가 전혀 발생하지 않는 장점이 있고, 아울러 외부 공기와의 열전달 성능을 향상시키기 위해 가연성 등급까지 냉매의 선택 폭을 확대시킬 수 있기 때문에 차량 유지비용이 현저하게 절감될 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 차량 실내로 직접 냉매 배관이 설치되지 않고 냉매와 이차적으로 열교환되는 수냉식 방법을 통해 차량 실내의 냉,난방을 수행하는 간접방식의 공조시스템을 적용하게 됨으로써 기존처럼 탑승자 안전에 위해 요소가 되는 냉매의 차량 실내 유출 사고가 전혀 발생하지 않는 장점이 있고, 아울러 외부 공기와의 열전달 성능을 향상시키기 위해 가연성 등급까지 냉매의 선택 폭을 확대시킬 수 있어서 차량 유지비용이 현저하게 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템의 구성을 보여주는 구성도.
도 2는 HVAC 모듈에 설치된 열교환기의 제2영역 및 제3영역에 냉방수가 공급되어 공기와 열교환 후 생성된 냉방공기가 토출되는 쿨링 모드의 일예를 보여주는 예시도.
도 3은 HVAC 모듈에 설치된 열교환기의 제1영역에 난방수가 공급되고 제2영역 및 제3영역에 냉방수가 공급되어 공기와 열교환 후 생성된 냉,난방공기가 동시 토출되는 쿨링 및 히팅 모드의 일 예를 보여주는 예시도.
도 4는 HVAC 모듈에 설치된 열교환기의 제1영역 및 제2영역에 난방수가 공급되어 공기와 열교환 후 생성된 난방공기가 토출되는 히팅 모드의 일 예를 보여주는 예시도.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템에 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템의 구성을 보여주는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템(100)은, 냉매의 순환이 이루어지는 1차 순환계(110)와, 상기 1차 순환계(110)를 순환하는 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온의 난방수 및 저온의 냉방수(냉각수)가 HVAC(Heating, Ventilation, & Air Conditioning) 모듈(150) 내부에 구비된 열교환기(152)에 공급되는 2차 순환계(140)를 포함한다.
1차 순환계(110)는 압축기(112), 응축기(114), 팽창밸브(116), 및 증발기(118)가 냉매배관을 통해 순차적으로 연결되어, 엔진의 동력 또는 배터리에 의한 압축기(112)의 구동을 통해 냉매의 순환이 이루어진다.
즉, 1차 순환계(110)에서는 압축기(112)를 통해 고온, 고압으로 압축된 냉매가스가 응축기(114)를 통과하면서 열교환을 통해 액체상태의 냉매로 변환되고, 액화된 냉매는 팽창밸브(116)를 통과하면서 저온, 저압의 기체로 변환된 후, 기화된 저온의 냉매가 증발기(118)를 통과하면서 열교환된 후 저온 기체 상태의 냉매로 변환되어 다시 압축기(112)로 보내져 고온, 고압으로 압축되는 과정을 반복적으로 수행하게 된다.
2차 순환계(140)는 냉각수의 순환이 이루어지는 부분으로, 1차 순환계(110)를 순환하는 냉매와의 열교환을 통해 고온의 난방수 및 저온의 냉방수를 발생시켜 HVAC 모듈(150) 내의 열교환기(152)로 공급하게 되고, 열교환기(152)에 공급된 냉,난방수가 송풍기(151)를 통해 송풍되는 외부 공기와의 열교환을 통해 뜨거운 난방공기와 차가운 냉방공기를 발생시켜 차량 실내의 각 영역별로 냉,난방공기를 동시 또는 선택적 토출시킬 수 있으며, 냉,난방공기의 믹싱을 통해 서로 다른 온도의 냉방 또는 난방온도를 조성할 수 있다.
구체적으로, 2차 순환계(140)는 1차 순환계(110)의 응축기(114) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온 난방수의 순환이 이루어지는 히팅(heating) 순환계(120)와, 증발기(118) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 저온 냉방수의 순환이 이루어지는 쿨링(cooling) 순환계(130)로 구성된다.
히팅 순환계(120)는 1차 순환계(110)의 응축기(114) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 고온의 난방수를 생성하여 워터펌프(water pump;121)를 통해 HVAC 모듈(150) 내부에 구비된 열교환기(152)로 난방수를 공급하고, 상기 열교환기(152)에서 공기와 열교환을 통해 온도가 하강된 난방수가 다시 응축기(114) 측으로 이동하는 순환 사이클을 형성한다.
쿨링 순환계(130)는 1차 순환계(110)의 증발기(118) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 저온의 냉방수를 생성하여 워터펌프(131)를 통해 HVAC 모듈(150) 내부의 열교환기(152)로 냉방수를 공급하고, 상기 열교환기(152)에서 공기와 열교환을 통해 온도가 상승된 냉방수가 다시 증발기(118) 측으로 이동하는 순환 사이클을 형성한다.
한편, HVAC 모듈(150) 내부에는 히팅 순환계(120) 및 쿨링 순환계(130)로부터 생성된 난방수 및 냉방수가 각각 유입되는 하나의 열교환기(152)가 구비된다.
그리고, 상기 열교환기(154)의 내부에는 서로 구획된 3개 이상(실시 예에서는 3개)의 열교환 영역(A,B,C)이 구비되어, 히팅 순환계(120)를 순환하는 난방수와 쿨링 순환계(130)를 순환하는 냉방수가 상기 각 열교환 영역(A,B,C)에 동시에 유입되거나, 또는 각 열교환 영역(A,B,C)별로 선택적으로 유입되어 주변의 공기와 열교환이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기(154) 내부에는 히팅 순환계(120)에서 생성된 난방수와 쿨링 순환계(130)에서 생성된 냉방수가 동시에 유입되거나, 또는 선택적으로 유입되어 공기와 열교환이 이루어지는 상호 구획된 열교환 영역인 제1영역(A)과, 제2영역(B), 및 제3영역(C)이 구비된다.
이 경우, HVAC 모듈(150) 내부의 송풍기(151)와 상대적으로 멀리 떨어진 위치에 배치된 상기 열교환기(154)의 제1영역(A) 또는 제2영역(B)으로는 난방수가 공급될 수 있고, 송풍기(151)와 가까운 위치에 배치된 제3영역(C)으로는 냉방수가 공급될 수 있다. 또는, 경우에 따라서는 상기 열교환기(154)의 제1영역(A)으로는 난방수가 공급되고, 제2영역(B) 또는 제3영역(C)으로는 냉방수가 공급될 수도 있다.
바람직하게는 냉방수가 유입되는 제2영역(B) 또는 제3영역(C)을 송풍기(151)와 인접한 위치에 배치하고, 난방수가 유입되는 제2영역(B) 또는 제3영역(C)을 송풍기(151)와 상대적으로 멀리 떨어진 위치에 배치하여 구성할 수 있다.
그리고, 상기 열교환기(154)로 난방수 및 냉방수가 공급될 경우, 상기 열교환기(152)의 제1영역(A) 및 제2영역(B)으로 난방수만 동시에 공급되거나, 상기 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 냉방수만 동시에 공급될 수 있고, 또는 상기 제1영역(A)으로 난방수가 공급되고, 상기 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로는 냉방수가 동시에 공급될 수 있다. 다만, 조절밸브를 통해 상기 제1영역(A), 제2영역(B), 제3영역(C) 중 어느 하나만이 운용되는 상황에서는 운용되지 않은 영역의 내부로 난방수 또는 냉방수의 공급이 차단될 수 있다.
또한, 경우에 따라서는 상기 열교환기(154)의 제1영역(A), 제2영역(B), 및 제3영역(C)이 서로 다른 열교환 용량을 갖도록 구성할 수 있고, 또는 상기 제1영역(A), 제2영역(B), 및 제3영역(C) 중 적어도 하나의 영역이 나머지 다른 영역과 열교환 용량이 다르도록 구성할 수도 있다.
이와 같이 열교환기(154) 내에 구비되는 제1영역(A), 제2영역(B), 및 제3영역(C)의 열교환 용량을 달리 구성하게 되면, 상기 각 영역에서 공기와의 열교환을 통해 발생하는 난방공기 또는 냉방공기의 발생량을 조절하여 차량 실내의 각 영역별로 제공하는 것이 가능해질 수 있고, 또한, 상기 각 영역에서 발생된 냉,난방공기가 함께 믹싱(mixing)된 상태로 토출될 경우 냉,난방공기의 온도조절이 용이하게 이루어질 수 있다.
이 경우 열교환기(152)에 의한 냉,난방공기의 온도조절은 제1영역(A), 제2영역(B), 및 제3영역(C)으로 냉,난방수를 선택적으로 공급하는 것을 통해 온도조절이 가능해지고, 또는 제1영역(A), 제2영역(B), 및 제3영역(C)이 서로 다른 열교환 용량을 갖도록 구성된 경우에도 상기 각 영역별로 냉,난방수를 선택적으로 공급함으로써 냉,난방공기의 온도조절이 가능해질 수 있다.
한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명의 공조시스템(100)을 이용하여 차량 실내로 난방공기 및 냉방공기를 동시에 공급하여 서로 다른 영역에서 난방과 냉방을 동시에 수행하는 모드로 운용할 수 있고, 또는 차량 실내의 특정 영역에 난방공기나 냉방공기만을 공급하여 차량 실내의 난방 또는 냉방 모드로 운용할 수 있다. 이러한 각각의 운용 모드는 히팅 순환계(120) 및 쿨링 순환계(130)에 설치되어 제어부(미도시)를 통해 개폐 동작을 수행하는 복수의 조절밸브를 통해 이루어질 수 있다.
구체적으로, 히팅 순환계(120)를 형성하는 배관라인과 쿨링 순환계(130)를 형성하는 배관라인 상에는 3방 밸브(3way-valve) 방식으로 운용되는 복수의 조절밸브가 설치된다. 따라서, 제어부(미도시)에 의한 상기 조절밸브의 선택적 개폐 작동을 통해 각 조절밸브의 3개의 유,출입 통로를 선택적으로 개폐함으로써 HVAC 모듈(150) 내의 열교환기(152)로 난방수와 냉방수를 동시에 또는 선택적으로 공급할 수 있고, 아울러, 배터리부(160)와 전장부(180) 및 라디에이터(170)를 포함하는 각 계통부로 냉,난방수의 흐름을 적절히 유도할 수 있다.
먼저, 히팅 순환계(120)에 설치되는 조절밸브는, 응축기(114) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온의 난방수가 HVAC 모듈(150) 내부의 열교환기(152) 방향 또는 차량의 라디에이터(170) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제1밸브(V1)와, 상기 제1밸브(V1)를 통과한 난방수가 상기 열교환기(152) 방향 또는 차량의 배터리부(160) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제2밸브(V2)와, 상기 제2밸브(V2)를 통과한 난방수가 상기 열교환기(152)의 제1영역(A)과 제2영역(B)으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제1영역(A)과 제2영역(B)에 선택적으로 공급되도록 제어되는 복수의 제3밸브(V3)를 포함하여 구성된다.
제1밸브(V1)는 히터(122)의 출구 측 제1라인(L1)과 라디에이터(170)로 향하는 제12라인(L12)의 교차지점에 설치되며 응축기(114)에서 냉매와 열교환 후 히터(122)를 통해 추가 가열된 고온의 난방수가 제어부에 의한 제1밸브(V1)의 선택적 개폐에 따라 제2라인(L2)을 통해 HVAC 모듈(150) 내의 열교환기(152)로 이동되거나, 제12라인(L12)을 통해 차량의 라디에이터(170) 방향으로 이동되도록 제어될 수 있다.
제2밸브(V2)는 열교환기(152)를 향하는 제2라인(L2)과 제3라인(L3)의 교차지점에 설치되며, 제1밸브(V1)를 통과하여 제2라인(L2)을 따라 이동하는 난방수가 제3라인(L3)을 통해 열교환기(152) 방향으로 공급되거나, 배터리부(160) 방향으로 공급되도록 제어될 수 있다.
제3밸브(V3)는 열교환기(154)의 제1영역(A) 및 제2영역(B)으로 향하는 제4라인(L4)과 제8라인(L8)의 교차지점에 설치되어, 상기 제1영역(A) 및 제2영역(B)으로 난방수를 동시에 공급하거나, 또는 상기 제1영역(A)과 제2영역(B) 중 어느 한 영역으로만 난방수가 공급되도록 제어될 수 있다. 이때, 상기 제3밸브(V3)는 경우에 따라 상기 제1영역(A) 및 제2영역(B) 모두에 난방수의 공급이 차단되도록 제어될 수도 있다.
그리고, 열교환기(154)의 제2영역(B)에서 공기와 열교환된 난방수 또는 냉방수가 출수되는 제10라인(L10) 상에는 제4밸브(V4)가 설치된다. 상기 제4밸브(V4)는 상기 열교환기(154)의 제2영역(B)에서 공기와 열교환 후 출수되는 난방수가 응축기(114) 방향으로 공급되거나, 또는 상기 열교환기(154)의 제2영역(B)에서 공기와 열교환 후 출수되는 냉방수가 증발기(118) 방향으로 공급되도록 제어될 수 있다.
한편, 쿨링 순환계(130)에 설치되는 조절밸브는, 증발기(118) 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 냉방수가 열교환기(154) 또는 배터리부(160) 방향이나, 차량의 라디에이터(170) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제5밸브(V5)와, 상기 제5밸브(V5)를 통과한 냉방수가 열교환기(154) 또는 배터리부(160) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제6밸브(V6)와, 상기 제6밸브(V6)를 통과한 냉방수가 열교환기(154)의 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제2영역(B)과 제3영역(C) 중 어느 한 영역에 선택적으로 공급되도록 제어되는 제7밸브(V7)를 포함하여 구성된다.
제5밸브(V5)는 증발기(118)에서 열교환기(152)로 향하는 제17라인(L17)과 제18라인(L18)의 교차지점에 설치되어, 상기 증발기(118)에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 저온의 냉방수가 열교환기(152) 방향, 또는 라디에이터(170) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어될 수 있다.
제6밸브(V6)는 제5밸브(V5)의 출구 측에 연결된 제18라인(L18)과 열교환기(154)로 향하는 제19라인(L19)의 교차지점에 설치되어, 상기 제5밸브(V5)를 경유하여 제18라인(L18)을 따라 이동된 냉방수가 제19라인(L19)을 따라 열교환기(154) 방향으로 공급되거나, 또는 배터리부(160) 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어될 수 있다.
제7밸브(V7)는 제19라인(L19)과 제20라인(L20) 및 제21라인(L21)이 서로 교차하는 교차지점에 설치되며, 상기 제6밸브(V6)를 통과한 냉방수가 열교환기(154)의 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제2영역(B)과 제3영역(C) 중 어느 한 영역으로 선택적으로 공급되도록 제어될 수 있다.
아울러, 히팅 순환계(120) 및 쿨링 순환계(130)에는 모터, 인버터, 컨버터 등의 전기/전자장비를 포함하는 차량용 전장부(180)와, 배터리부(160)가 다수의 배관라인 및 조절밸브를 통해 서로 연결되어 난방수 및 냉방수의 순환이 이루어지게 됨으로써 제어부에 의한 복수 조절밸브의 개폐작동을 통해 차량 전장부(180) 및 배터리부(160)의 히팅 및 쿨링이 선택적으로 이루어지도록 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 공조시스템(100)은 차량 승객실과 차단된 공간에 압축기(112), 응축기(114), 팽창밸브(116), 증발기(118)로 구성되는 1차 순환계(110) 냉매 회로를 구성하고, 상기 1차 순환계(110)를 순환하는 냉매와 수냉식 방식으로 열교환하여 난방수와 냉방수를 생성하는 2차 순환계(140) 냉각수 회로를 구성함으로써, 상기 2차 순환계(140)에서 생성된 난방수와 냉방수를 HVAC 모듈(150) 내부에 구비된 열교환기(152)로 동시 공급하거나 선택적으로 공급하여 공기와 열교환을 통해 난방공기 또는 냉방공기를 발생시켜 차량 실내의 각 영역별로 냉,난방공기를 동시에 또는 선택적으로 제공할 수 있고, 열교환기(154) 내부의 각 열교환 영역(A,B,C)을 선택적으로 활용하여 냉,난방공기의 온도를 조절하여 차량 실내로 제공할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4는 상술한 구성을 가지는 본 발명의 차량용 공조시스템(100)을 이용하여 구현될 수 있는 다양한 차량 실내의 냉,난방 모드(mode)를 예시하고 있다.
먼저, 도 2는 HVAC 모듈(150)에 설치된 열교환기(154)의 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 냉방수의 공급을 통해 차량 실내의 최대 냉방을 구현하는 쿨링 모드의 일 예를 보여주는 것이다.
도 2를 참조하여 히팅 순환계(120)에서의 난방수 순환과정을 살펴보면, 1차 순환계(110)의 응축기(114) 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 배터리부(160)의 가열 수요가 없는 경우 제1밸브(V1)를 경유하여 제12라인(L12) 및 제13라인(L13)을 따라 차량의 라디에이터(170)로 이동된 후 외기와 열교환되고, 열교환된 난방수는 다시 제14라인(L14) 및 제15라인(L15)을 따라 차량의 전장부(180)로 이동되어 열교환 후 제16라인(L16)과 제8밸브(V8)를 경유하여 제7라인(L7)을 따라 응축기(114) 부분으로 다시 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
아울러, 쿨링 순환계(130)에서의 냉방수 순환과정은, 1차 순환계(110)의 증발기(118) 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브(V5) 및 제6밸브(V6)를 경유하여 제7밸브(V7)에서 각각 제19라인(L19)과 제20라인(L20)을 통해 열교환기(154)의 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 동시에 유입되어 공기와 열교환되고, 이후 상기 제2영역(B)에서 열교환 후 제10라인(L10)을 통해 출수되는 냉방수는 제4밸브(V4)를 경유하여 제23라인(L23)과 제24라인(L24)을 통해 이동하여 증발기(118) 부분으로 유입되고, 상기 제3영역(C)에서 열교환 후 제22라인(L22)을 통해 출수되는 냉방수는 상기 제4밸브(V4)를 경유하여 출수되는 냉방수와 제23라인(L23)에서 합류하여 제24라인(L24)을 따라 증발기(118) 부분으로 다시 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
상기와 같은 난방수 및 냉방수의 순환과정에서, 열교환기(152)의 제2영역(B)과 제3영역(C)으로 각각 유입된 냉방수는 송풍기(151)에서 공급되는 공기와 열교환을 통해 냉방공기를 발생시키고, 이렇게 발생된 다량의 냉방공기는 HVAC 모듈(150)에 구비된 각각의 토출구를 통해 차량 실내에 토출됨으로써 차량 실내 공간에 대한 최대 냉방환경을 조성할 수 있다.
한편, 도 3은 HVAC 모듈(150)에 설치된 열교환기(154)의 제1영역(A)에 공급되는 난방수와 제2영역(B) 및 제3영역(C)에 공급되는 냉방수를 통해 차량 실내의 각 영역별로 난방과 냉방을 동시에 구현하는 히팅/쿨링 모드의 일 예를 보여주는 것이다.
먼저, 히팅 순환계(120)에서의 난방수 순환을 살펴보면, 1차 순환계(110)의 응축기(114) 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 제1라인(L1)을 따라 이동하여 제1밸브(V1)에서 열교환기(154)와 차량의 라디에이터(170) 방향을 향하는 2개의 경로로 분리된다. 이때, 상기 제1밸브(V1)에서 열교환기(154) 방향으로 분리된 일부의 난방수는 제2밸브(V2)와 제3밸브(V3)를 경유하여 제4라인(L4)을 통해 열교환기(154)의 제1영역(A)으로 유입되어 공기와 열교환을 한 후, 제5라인(L5)을 통해 출수된 후 제6라인(L6)과 제7라인(L7)을 따라 이동하여 응축기(114) 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고, 이와 동시에 상기 제1밸브(V1)에서 라디에이터(170) 방향으로 분리된 또 다른 일부의 난방수는 제12라인(L12)과 제13라인(L13)을 따라 라디에이터(170)로 이동된 후 외기와 열교환되고, 열교환된 난방수는 다시 제14라인(L14)을 통해 차량의 전장부(180)로 이동하여 열교환된 후 제16라인(L16)과 제8밸브(V8)를 경유하여 상기 열교환기(154)에서 출수되어 제6라인(L6)을 따라 이동하는 난방수와 제7라인(L7)에서 합류하여 응축기(114) 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
한편, 쿨링 순환계(130)의 경우 증발기(118) 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브(V5)와 제6밸브(V6)를 경유하여 제7밸브(V7)에서 제9라인(L9) 및 제20라인(L20)을 통해 각각 열교환기(154)의 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 동시에 유입되어 공기와 열교환된다. 그리고, 상기 제2영역(B)에서 열교환 후 제10라인(L10)을 통해 출수된 냉방수는 제4밸브(V4)를 경유하여 제23라인(L23)과 제24라인(L24)을 따라 이동하여 증발기(118) 부분으로 다시 유입되고, 상기 제3영역(C)에서 제22라인(L22)을 통해 출수된 냉방수는 상기 제4밸브(V4)를 경유하여 제23라인(L23)을 따라 출수되는 냉방수와 제23라인(L23)에서 합류한 후 제24라인(L24)을 따라 증발기(118) 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
상기와 같은 난방수 및 냉방수의 순환과정에서 열교환기(152)의 제1영역(A)으로 공급된 난방수와, 제2영역(B) 및 제3영역(C)으로 공급된 냉방수는 송풍기(151)에서 공급되는 공기와의 열교환을 통해 난방공기와 냉방공기를 발생시켜 HVAC 모듈(150)에 마련된 각각의 토출구를 통해 동시 토출됨으로써 차량 실내의 각 영역별로 난방과 냉방을 동시에 구현할 수 있으며, 또한, 상기 제1영역(A) 부분에서 난방수와의 열교환을 통해 발생된 난방공기와 상기 제2영역(B) 및 제3영역(C)에서 냉방수와의 열교환을 통해 발생된 냉방공기를 서로 믹싱한 후 HVAC 모듈(150)의 일측 토출구를 통해 토출시키게 되면 온도가 조절된 상태의 난방공기 또는 냉방공기를 차량 실내에 제공할 수 있다.
한편, 도 4는 HVAC 모듈(150)에 설치된 열교환기(154)의 제1영역(A) 및 제2영역(B)에 공급되는 난방수를 통해 차량 실내의 난방을 구현하는 히팅 모드의 일 예를 보여주고 있다.
도 4를 참조하여, 먼저 히팅 순환계(120)에 의한 난방수 순환과정을 살펴보면, 1차 순환계(110)의 응축기(114) 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 제1밸브(V1) 및 제2밸브(V2)를 경유하여 제3밸브(V3) 부분에서 분리되어 각각 제4라인(L4)과 제10라인(L10)을 통해 열교환기(154)의 제1영역(A) 및 제2영역(B)으로 동시에 유입된 후 공기와 열교환된다. 그리고, 상기 제1영역(A)에서 열교환 후 제5라인(L5)을 통해 출수된 난방수는 제6라인(L6)과 제7라인(L7)을 따라 응축기(114) 부분으로 유입되고, 상기 제2영역(B)에서 열교환 후 제10라인(L10)을 통해 출수된 난방수는 제4밸브(V4)를 경유하여 제11라인(L11)을 따라 이동하여 상기 제1영역(A)에서 제5라인(L5)을 통해 출수되는 난방수와 합류한 후 제6라인(L6)과 제7라인(L7)을 다라 응축기(114) 부분으로 다시 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
아울러, 쿨링 순환계(130)에 있어서, 증발기(118)에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브(V5)를 경유하여 제13라인(L13)을 따라 차량의 라디에이터(170)로 이동한 후 외기와 열교환되고, 열교환된 냉방수는 다시 제14라인(L14)을 따라 차량의 전장부(180)로 이동하여 열교환을 수행한 후 제16라인(L16)과 제8밸브(V8)를 경유하여 제25라인(L25)을 따라 증발기(118) 부분으로 다시 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어된다.
상기와 같은 난방수 및 와 냉방수의 순환과정에서, 열교환기(152)의 제1영역(A) 및 제2영역(B) 부분 각각 공급되는 난방수는 송풍기(151)에서 공급되는 공기와 열교환을 통해 상기 제1,2영역(A,B) 모두에서 난방공기를 발생시켜 HVAC 모듈(150)의 토출구를 통해 다량의 난방공기를 토출시킴으로써 차량 실내의 최대 난방을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 HVAC 모듈(150) 내부에 설치된 하나의 수냉식 열교환기(152) 내부에 구획되어 있는 복수(실시 예에서는 3개)의 열교환 영역(A,B,C)에 각각 냉각수와 난방수를 동시에 흐르게 하여 공기와의 열교환을 통해 냉,난방공기를 생성한 후 차량 실내의 각 영역별로 동시에 토출하거나, 냉방공기 또는 난방공기를 선택적으로 토출함으로써 차량 실내를 탑승자의 요구하는 온도에 맞는 냉방 또는 난방 환경으로 용이하게 조성할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 기존과 같이 공기의 온도 조절을 위해 공조 시스템 회로 내에 수많은 조절밸브 및 이 조절밸브를 제어하기 위한 복잡한 밸브 제어 로직을 별도로 개발하지 않고서도 차량 실내의 각 영역별로 서로 다른 온도 환경을 제공하는 것이 가능하며, 탑승자에게 한층 쾌적한 냉,온열감을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 HVAC 모듈(150) 내의 하나의 열교환기(154) 내에 구획된 복수의 열교환 영역(A,B,C)을 이용하여 차량 실내의 각 영역별 냉,난방 및 냉,난방 온도 조절이 가능하도록 구성되기 때문에, 기존과 같이 HVAC 모듈 내부에 냉,난방을 위한 여러 대의 열교환기를 설치할 필요가 없는 장점이 있고, 아울러, 냉,난방공기의 온도 조절을 위한 별도의 밸브수단을 설치할 필요가 없으므로 기존보다 한층 저렴한 비용으로 차량의 냉,난방 공조시스템을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 하나의 열교환기(154) 내부에 냉,난방수가 공급될 수 있는 구획된 형태의 2개 이상의 열교환 영역을 형성하여 상기 각 열교환 영역에서 각각 공기와의 열교환을 통해 냉,난방공기를 생성한 후 차량 실내의 각 토출구 별로 공급할 수 있기 때문에, 차량의 규모에 따라 차량 실내의 다수 영역(multi-zone)별로 한층 저렴하면서도 효과적인 냉,난방 환경을 조성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 냉매 회로의 일부가 차량 실내에 위치된 증발기로 배관되어 증발기의 냉매와 HVAC 모듈 내부의 공기와의 열교환을 통해 냉각공기를 차량 실내로 제공하는 기존의 직접식 공조시스템과 달리 본 발명의 공조시스템은 차량 실내와 차단된 공간에 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기로 구성된 냉매 회로를 구성하고 이 냉매 회로를 흐르는 냉매와의 열교환을 통해 냉방수와 난방수를 발생시켜 HVAC 모듈 내부에 위치하는 하나의 열교환기를 통해 공기와 수냉 방식으로 열교환을 하여 냉각공기와 난방공기를 차량 실내로 제공하는 간접식 공조시스템 방식으로 구성됨에 따라, HVAC 모듈의 조립불량 또는 차량 사고로 인해 차량 실내의 배관 부분에 독성 또는 가연성을 가지는 냉매가 누설됨으로써 발생되는 탑승자의 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 허용 가능한 수준의 독성 또는 가연성 등급을 가지는 값싼 냉매(예를 들어, R290 프로판 가스)를 적용하더라도 차량 실내로 독성 또는 가연성 냉매가 유출될 가능성을 원천적으로 차단할 수 있고, 이를 통해 탑승자의 안전을 보장과 더불어 기존처럼 값비싼 냉매의 적용으로 인해 차량의 유지비용이 증가되는 것을 억제할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 차량 실내로 직접 냉매 배관이 설치되지 않고 냉매와 이차적으로 열교환되는 수냉식 방법을 통해 차량 실내의 냉,난방을 수행하는 간접방식이 적용됨으로써 기존처럼 탑승자 안전에 위해 요소가 되는 냉매의 차량 실내 유출 사고가 전혀 발생하지 않는 장점이 있고, 아울러 외부 공기와의 열전달 성능을 향상시키기 위해 가연성 등급까지 냉매의 선택 폭을 확대시킬 수 있어서 차량 유지비용이 현저하게 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
100 : 공조시스템 110 : 1차 순환계
112 : 압축기 114 : 응축기
116 : 팽창밸브 118 : 증발기
120 : 히팅 순환계 130 : 쿨링 순환계
140 : 2차 순환계 150 : HVAC 모듈
151 : 송풍기 152 : 열교환기
160 : 배터리부 170 : 라디에이터
180 : 전장부

Claims (11)

  1. 응축기 및 증발기에 의한 냉매의 순환이 이루어지는 1차 순환계;
    상기 응축기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 고온의 난방수가 순환되는 히팅 순환계와, 상기 증발기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 저온의 냉방수가 순환되는 쿨링 순환계를 가지는 2차 순환계;
    상기 히팅 순환계의 난방수와 상기 쿨링 순환계의 냉방수가 동시에 또는 선택적으로 공급되어 공기와의 열교환이 이루어지는 서로 구획된 3개 이상의 영역이 구비된 하나의 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기의 각 영역으로 공급되는 난방수 및 냉방수와 공기와의 열교환을 통해 난방공기 및 냉방공기를 발생시켜 차량 실내의 각 영역별로 토출시키는 HVAC 모듈;
    상기 히팅 순환계와 쿨링 순환계에 각각 설치되어 상기 HVAC 모듈 내에 구비된 상기 열교환기의 각 영역으로 난방수 및 냉방수를 동시에 또는 선택적으로 공급하도록 제어부를 통해 개폐가 제어되는 3방 밸브 방식의 복수의 조절밸브;
    를 포함하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기 내부에는 상기 히팅 순환계의 난방수와 상기 쿨링 순환계의 냉방수가 동시에 또는 선택적으로 공급되어 공기와의 열교환이 이루어질 수 있는 서로 구획된 제1영역, 제2영역, 및 제3영역이 구비된 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1영역, 제2영역, 제3영역 중 상기 난방수가 공급되는 어느 하나 이상의 영역은 상기 HVAC 모듈 내부에 구비된 송풍기와 상대적으로 멀리 떨어진 위치상에 배치되고, 다른 하나 이상의 영역은 상기 송풍기와 상대적으로 가까운 위치상에 배치되는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1영역, 제2영역, 제3영역 중 적어도 하나의 영역은 나머지 다른 영역과 열교환 용량이 다른 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 히팅 순환계 및 쿨링 순환계는 차량용 전장부와 배터리부와 각각 연결되어 상기 제어부에 의한 상기 조절밸브의 개폐작동에 따라 상기 전장부와 배터리부의 히팅 또는 쿨링을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 히팅 순환계에 설치되는 조절밸브는,
    상기 응축기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 난방수가 상기 열교환기 방향 또는 차량의 라디에이터 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제1밸브와;
    상기 제1밸브를 통과한 난방수가 상기 열교환기 방향 또는 상기 배터리부 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제2밸브와;
    상기 제2밸브를 통과한 난방수가 상기 열교환기의 제1영역과 제2영역으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제1영역과 제2영역에 선택적으로 공급되도록 제어되는 제3밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열교환기의 제2영역에서 공기와 열교환 후 출수되는 난방수가 상기 응축기 방향으로 공급되거나, 또는 상기 열교환기의 제2영역에서 공기와 열교환 후 출수되는 냉방수가 상기 증발기 방향으로 공급되도록 제어되는 제4밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 쿨링 순환계에 설치되는 조절밸브는,
    상기 증발기 부분에서 냉매와의 열교환을 통해 생성된 냉방수가 상기 열교환기 또는 배터리부 방향이나, 차량의 라디에이터 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제5밸브와;
    상기 제5밸브를 통과한 냉방수가 상기 열교환기 또는 상기 배터리부 방향으로 선택적으로 공급되도록 제어되는 제6밸브와;
    상기 제6밸브를 통과한 냉방수가 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 공급되거나, 또는 상기 제2영역 및 제3영역 중 어느 하나의 영역에 선택적으로 공급되도록 제어되는 제7밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 쿨링 모드시,
    상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브를 경유하여 차량의 라디에이터로 이동된 후 외기와 열교환되고, 열교환된 난방수는 다시 차량의 전장부로 이동하여 열교환된 후 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고,
    상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브 및 제6밸브를 경유하여 제7밸브에서 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 유입되어 공기와 열교환되고, 상기 제2영역에서 출수되는 냉방수는 제4밸브를 경유하여 상기 증발기 부분으로 유입되고, 상기 제3영역에서 출수되는 냉방수는 상기 제4밸브를 경유하여 출수되는 냉방수와 합류하여 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 쿨링 및 히팅 모드시,
    상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브에서 열교환기 및 차량의 라디에이터 방향을 향하는 2개의 경로로 분리되고,
    이 중 상기 열교환기 방향으로 분리된 난방수는 상기 제2밸브 및 제3밸브를 경유하여 상기 열교환기의 제1영역으로 유입된 후 공기와 열교환을 한 후 출수되어 다시 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고,
    상기 라디에이터 방향으로 분리된 난방수는 상기 라디에이터로 이동된 후 외기와 열교환을 한 후 차량의 전장부로 다시 이동하여 열교환 후 상기 열교환기에서 출수되는 난방수와 합류하여 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되며,
    상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브 및 제6밸브를 경유하여 제7밸브에서 상기 열교환기의 제2영역 및 제3영역으로 동시에 유입되어 공기와 열교환되고, 상기 제2영역에서 출수되는 냉방수는 제4밸브를 경유하여 상기 증발기 부분으로 유입되고, 상기 제3영역에서 출수되는 냉방수는 상기 제4밸브를 경유하여 출수되는 냉방수와 합류하여 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 열교환기에 의한 차량 실내의 히팅 모드시,
    상기 히팅 순환계의 응축기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 고온의 난방수는 상기 제1밸브 및 제2밸브를 경유하여 제3밸브에서 상기 열교환기의 제1영역 및 제2영역으로 동시에 유입된 후 공기와 열교환되고, 열교환 후 상기 제2영역에서 출수되는 난방수는 상기 제4밸브를 경유하여 상기 제1영역에서 출수되는 난방수와 합류한 후 상기 응축기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되고,
    상기 쿨링 순환계의 증발기 부분에서 냉매와 열교환 후 생성된 저온의 냉방수는 제5밸브를 경유하여 차량의 라디에이터로 이동 후 외기와 열교환되고, 열교환된 냉방수는 다시 차량의 전장부로 이동하여 열교환 후 상기 증발기 부분으로 유입되는 순환과정을 반복하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단일 HVAC 열교환기를 가지는 차량용 공조시스템.
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