KR20230005480A

KR20230005480A - 차량용 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20230005480A
Application number: KR1020210086239A
Authority: KR
Inventors: 박경태; 강동수; 김재형
Original assignee: 주식회사 두원공조
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-01-10

Abstract

유입된 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출하는 압축기; 상기 압축기와 제1유로에 의해 연결되며, 상기 압축기에서 토출되는 냉매가 유입되고 유입된 냉매를 공조케이스 내로 유동하는 공기와 열교환하여 난방모드 시 차량 실내를 난방시키는 실내콘덴서; 상기 실내콘덴서와 제2유로에 의해 연결되며 상기 실내콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉각수와 열교환으로 냉매를 응축시키는 수냉식콘덴서; 상기 수냉식콘덴서와 제3유로에 의해 연결되며, 상기 수냉식콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 외부에서 공급되는 외부공기와 열교환으로 냉매를 응축시키는 실외콘덴서; 상기 실외콘덴서와 제4유로에 의해 연결되며, 냉방모드 시 상기 실외콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉매를 기화시키면서 공조케이스를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기와 열교환으로 차량 실내를 냉방시키는 증발기; 상기 제4유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 바이패스유로 상에 구비되며 냉방 배터리협조모드 시 냉매와 열교환으로 배터리냉각수를 냉각시키는 배터리칠러; 상기 증발기와 제5유로에 의해 연결되고 상기 압축기와 제6유로에 의해 연결되며, 각각의 모드 시 상기 증발기에서 공급되는 냉매, 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로를 통해 상기 수냉식콘덴서에서 공급되는 냉매, 상기 바이패스유로를 통해 상기 배터리칠러에서 공급되는 냉매를 일시적으로 저장하고, 저장된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리한 후 기상 냉매를 상기 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터; 상기 제4유로로 이동되는 냉매와 상기 제5유로로 이동되는 냉매를 열교환시키는 중간열교환기; 상기 제2유로, 상기 제4유로, 상기 바이패스유로 상에 구비되는 상기 제2유로, 상기 제4유로로 이동되는 냉매를 감압하고, 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매를 감압하면서 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 바이패스유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제3분기유로로 전환하는 팽창밸브부; 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 상기 제1분기유로가 상기 제3유로에서 분기되는 지점, 상기 제2유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제2분기유로 상, 그리고 상기 제4유로 상에서 상기 제2분기유로가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 냉매의 흐름을 전환하고 제2분기유로를 선택적으로 개폐하는 개폐밸브부; 상기 압축기와 인접한 상기 제6유로와 상기 실내콘덴서와 인접한 제1유로 상, 상기 실외콘덴서와 인접하게 구비되어 상기 제6유로와 제1유로로 이동되는 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 측정하는 센서부; 및 상기 팽창밸브부, 상기 센서부 및 상기 개폐밸브부와 연결되며, 상기 센서부가 측정한 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 토대로 각각의 모드에 대응하여 상기 팽창밸브부의 동작과 개폐방향 및 상기 개폐밸브부의 개폐방향과 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.

Description

차량용 히트펌프 시스템{Automotive heat pump system}

본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수냉식콘덴서에서 냉각수와 열교환된 냉매를 이용하여 차량의 냉난방을 실시하는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.

한편, 상기한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있는데, 예컨대 2개의 열교환기(즉, 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기)와, 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브를 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방모드가 가동될 경우에는 상기 실외 열교환기가 냉방용 컨덴서의 역할을 하게 되며, 난방모드가 가동될 경우에는 상기 실외 열교환기가 증발기의 역할을 하게 된다.

이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류가 제안되고 있는데, 그 대표적인 일 예가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 차량용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 고압측 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키는 제1팽창밸브(34) 및 제1바이패스 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외열교환기(48)와, 상기 실외열교환기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 저압측 열교환기(60)와, 상기 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 중간열교환기(50)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 상기 실외열교환기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.

도 1 중 도면부호 10은 상기 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 12는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 20은 상기 공조케이스의 입구에 설치되는 송풍기를 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 히트펌프 모드(난방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 개방된다. 또한, 온도조절도어(12)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 중간열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 중간열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 고압측 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.

에어컨 모드(냉방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 고압측 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 중간열교환기(50)의 고압부(52), 제2팽창밸브(56), 저압측 열교환기(60), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 중간열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 저압측 열교환기(60)가 증발기의 역할을 하게 되고, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 고압측 열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.

종래의 기술로는 한국 공개특허 제10-2013-0101254호(2013.09.13.)를 참조할 수 있다.

종래에는 냉매를 팽창시키는 팽창밸브 및 냉매의 흐름방향을 전환하는 방향전환밸브는 각각의 용도에 맞는 위치에 적용되었으며, 냉매를 팽창시키거나 냉매의 흐름방향을 전환하는 각각의 역할을 수행하였고, 냉매의 응축과 팽창, 증발을 흐름의 변경을 통해 차량의 공조성능을 수행하는 히트펌프 시스템의 특성상 각각의 밸브를 회로에 맞게 연결하기 위해선 다소 복잡한 배관의 연결이 필요하며, 한정된 차량의 전력전기(Power Electric)룸 내 패키지 특성상 공간구성이 효율적이지 못함에 따라 고가의 방향전환밸브 등이 추가로 필요하여 원가경쟁력이 저하되는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 냉방 시 배터리팽창밸브의 냉매팽창기능과 난방 시 제습팽창밸브의 팽창기능을 하나의 통합팽창밸브에서 구현하면서 배터리냉각라인과 제습라인으로의 냉매방향전환을 통합팽창밸브의 내부에서 구현이 가능하도록 하는 차량용 히트펌프 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유입된 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출하는 압축기; 상기 압축기와 제1유로에 의해 연결되며, 상기 압축기에서 토출되는 냉매가 유입되고 유입된 냉매를 공조케이스 내로 유동하는 공기와 열교환하여 난방모드 시 차량 실내를 난방시키는 실내콘덴서; 상기 실내콘덴서와 제2유로에 의해 연결되며 상기 실내콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉각수와 열교환으로 냉매를 응축시키는 수냉식콘덴서; 상기 수냉식콘덴서와 제3유로에 의해 연결되며, 상기 수냉식콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 외부에서 공급되는 외부공기와 열교환으로 냉매를 응축시키는 실외콘덴서; 상기 실외콘덴서와 제4유로에 의해 연결되며, 냉방모드 시 상기 실외콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉매를 기화시키면서 공조케이스를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기와 열교환으로 차량 실내를 냉방시키는 증발기; 상기 제4유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 바이패스유로 상에 구비되며 냉방 배터리협조모드 시 냉매와 열교환으로 배터리냉각수를 냉각시키는 배터리칠러; 상기 증발기와 제5유로에 의해 연결되고 상기 압축기와 제6유로에 의해 연결되며, 각각의 모드 시 상기 증발기에서 공급되는 냉매, 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로를 통해 상기 수냉식콘덴서에서 공급되는 냉매, 상기 바이패스유로를 통해 상기 배터리칠러에서 공급되는 냉매를 일시적으로 저장하고, 저장된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리한 후 기상 냉매를 상기 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터; 상기 제4유로로 이동되는 냉매와 상기 제5유로로 이동되는 냉매를 열교환시키는 중간열교환기; 상기 제2유로, 상기 제4유로, 상기 바이패스유로 상에 구비되는 상기 제2유로, 상기 제4유로로 이동되는 냉매를 감압하고, 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매를 감압하면서 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 바이패스유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제3분기유로로 전환하는 팽창밸브부; 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 상기 제1분기유로가 상기 제3유로에서 분기되는 지점, 상기 제2유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제2분기유로 상, 그리고 상기 제4유로 상에서 상기 제2분기유로가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 냉매의 흐름을 전환하고 제2분기유로를 선택적으로 개폐하는 개폐밸브부; 상기 압축기와 인접한 상기 제6유로와 상기 실내콘덴서와 인접한 제1유로 상, 상기 실외콘덴서와 인접하게 구비되어 상기 제6유로와 제1유로로 이동되는 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 측정하는 센서부; 및 상기 팽창밸브부, 상기 센서부 및 상기 개폐밸브부와 연결되며, 상기 센서부가 측정한 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 토대로 각각의 모드에 대응하여 상기 팽창밸브부의 동작과 개폐방향 및 상기 개폐밸브부의 개폐방향과 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 중간열교환기는 이중관 구조, 스파이럴 이중관 구조, 플레이트 적층형 구조, 판형 튜브 접합 구조 중 하나의 형태를 가질 수 있으며, 냉방모드, 난방모드, 난방제습모드, 냉방 배터리협조모드 시에 상기 중간열교환기에서 고온의 냉매와 저온의 냉매가 열교환될 수 있다.

상기 어큐뮬레이터의 내부에는 공급된 액상의 냉매를 기화시키는 탄소발열복합소재의 발열체가 구비될 수 있으며, 상기 발열체에 의해 상기 압축기로 공급되는 냉매의 과열도가 증대될 수 있다.

상기 팽창밸브부는 상기 제2유로 상에서 상기 수냉식콘덴서의 전단에 구비되며 난방모드, 난방제습모드 시에 상기 실내콘덴서에서 상기 수냉식콘덴서로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 전자식팽창밸브와, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되며 냉방모드, 냉방 배터리협조모드 시 상기 제4유로를 통해 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 솔레노이드팽창밸브와, 상기 바이패스유로 상에 구비되는 상기 배터리칠러의 전단에서 상기 바이패스유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되며 난방모드, 난방제습모드 시 바이패스유로로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하며 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 제3분기유로로 전환하고, 냉방 배터리협조모드 시 상기 바이패스유로를 통해 상기 배터리칠러로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 통합팽창밸브를 포함할 수 있다.

상기 통합팽창밸브는 3웨이밸브가 사용될 수 있고, 상기 통합팽창밸브의 내부에 구비되는 볼에는 상기 제4유로와 연결되는 주입구와, 상기 배터리칠러 및 상기 증발기 측과 연결되는 토출구가 형성될 수 있으며, 상기 토출구의 일측면에는 토출슬릿이 형성될 수 있다.

상기 주입구와 상기 토출구는 서로 연통되며 서로 직각되게 배치될 수 있고, 상기 토출구의 일측면과 타측면은 서로 다른 길이를 가질 수 있으며, 상기 토출슬릿이 형성되는 일측면의 길이(L1)는 타측면의 길이(L2) 보다 작을 수 있다.

상기 개폐밸브부는 상기 제1분기유로가 상기 제3유로 상에서 분기되는 지점에 구비되어 상기 제3유로로 이동되는 냉매의 흐름을 전환하는 제1개폐밸브와, 상기 제2분기유로 상에 구비되어 상기 제2분기유로를 선택적으로 개폐하는 제2개폐밸브를 포함할 수 있으며, 상기 제1개폐밸브는 3웨이밸브가 사용되고 상기 제2개폐밸브는 2웨이밸브가 사용될 수 있다.

상기 개폐밸브부는 상기 제4유로 상에서 상기 제2분기유로가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 제4유로로 이동되는 냉매가 상기 실외콘덴서 방향으로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 센서부는 상기 압축기와 인접한 제6유로 및 상기 실내콘덴서와 인접한 제1유로 상에 구비되어 상기 제6유로 및 제1유로로 이동되는 냉매의 압력과 온도를 측정하는 PT센서와, 상기 실외콘덴서와 인접하게 구비되어 외기의 온도를 측정하는 외기온도센서를 포함할 수 있다.

냉방모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 실외콘덴서 방향으로 개방될 수 있고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 닫힐 수 있으며, 상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 완전 개방될 수 있고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 열리면서 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있으며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출구 및 토출슬릿은 닫힐 수 있다.

난방모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로 방향으로 개방될 수 있고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 열릴 수 있으며, 상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 열리면서 상기 수냉식콘덴서로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 닫힐 수 있으며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출슬릿이 개방되어 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있고, 상기 센서부의 외기온도센서가 측정한 외기온도가 0℃ 이하일 경우에는 난방모드로 전환될 수 있다.

난방제습모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로 방향으로 개방될 수 있고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 열릴 수 있으며, 상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 열리면서 상기 수냉식콘덴서로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 닫힐 수 있으며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 상기 증발기 측으로 토출슬릿이 개방 또는 토출구가 부분 개방되어 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있고, 상기 센서부의 외기온도센서가 측정한 외기온도가 0℃ 이상 15℃ 이하일 경우에는 난방제습모드로 전환될 수 있다.

냉방 배터리협조모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 실외콘덴서 방향으로 개방될 수 있고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 닫힐 수 있으며, 상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 완전 개방될 수 있고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 열리면서 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있으며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출슬릿이 개방 또는 토출구가 부분 개방되어 상기 배터리칠러로 공급되는 냉매를 팽창시킬 수 있다.

본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉방 시 배터리팽창밸브의 냉매팽창기능과 난방 시 제습팽창밸브의 팽창기능을 하나의 통합팽창밸브에서 구현할 수 있고, 배터리냉각라인과 제습라인으로의 냉매방향전환을 통합팽창밸브의 내부에서 구현이 가능하도록 하여 밸브의 개수를 저감시킬 수 있고 고가의 방향전환밸브를 사용하지 않음으로써 원가경쟁력을 향상시킬 수 있고, 전력전기(Power Electric)룸 내의 공간구성을 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 차량용 히트펌프 시스템의 냉방모드 시 냉매가 순환되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 차량용 히트펌프 시스템의 난방모드 시 냉매가 순환되는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 차량용 히트펌프 시스템의 난방제습모드 시 냉매가 순환되는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 배터리협조모드 시 냉매가 순환되는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 냉방모드 시 팽창밸브부의 통합팽창밸브의 개폐상태 및 통합팽창밸브를 통한 냉매의 흐름상태를 도시한 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 난방모드 시 팽창밸브부의 통합팽창밸브의 개폐상태 및 통합팽창밸브를 통한 냉매의 흐름상태를 도시한 도면이다.
도 9는 도 5에 도시된 난방제습모드 시 팽창밸브부의 통합팽창밸브의 개폐상태 및 통합팽창밸브를 통한 냉매의 흐름상태를 도시한 도면이다.
도 10은 도 6에 도시된 냉방 배터리협조모드 시 팽창밸브부의 통합팽창밸브의 개폐상태 및 통합팽창밸브를 통한 냉매의 흐름상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템(100)은 압축기(1100)와, 실내콘덴서(1200)와, 수냉식콘덴서(1300)와, 실외콘덴서(1400)와, 증발기(1500)와, 배터리칠러(1600)와, 어큐뮬레이터(1700)와, 중간열교환기(1800)와, 팽창밸브부(1900)와, 개폐밸브부(2000)와, 센서부(2100)와, 제어부(2200)를 포함하며, 냉매가 순환하는 냉매순환라인 상에는 압축기(1100), 실내콘덴서(1200), 수냉식콘덴서(1300), 실외콘덴서(1400), 증발기(1500)가 연결되고, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 상기 압축기(1100)는 냉매가 유동하는 유로와 연결된 입력단을 통해 냉매를 인입하여 압축한 후, 압축된 냉매를 출력단을 통해 유로로 토출하는데, 이때 토출되는 냉매는 고온고압의 냉매(냉매가스; 기체)로 토출된다.

상기 압축기(1100)의 출력단은 제1유로(R1)와 연결되고, 상기 제1유로(R1)를 통해 실내콘덴서(1200)의 입력단과 상기 압축기(1100)의 출력단이 연결되어, 상기 압축기(1100)에서 압축된 고온고압의 냉매(기체)를 상기 실내콘덴서(1200)로 출력한다.

상기 실내콘덴서(1200)는 공조케이스(미도시) 내에 구비되며, 상기 실내콘덴서(1200)는 상기 압축기(1100)에서 토출되는 냉매(기체)를 제1유로(R1)를 통해 인입한다. 상기 실내콘덴서(1200)가 공조케이스(미도시)를 통해 차량 실내로 공급되는 공기와의 열교환을 통해 내부를 유동하는 고온고압의 냉매(기체)를 응축시키면서 그 응축열로 공기를 가열하여, 차량 실내의 난방이 이루어지도록 한다.

상기 실내콘덴서(1200)와 인접하게 PTC히터(PTC)가 구비되는 것이 바람직하며, 상기 PTC히터(PTC)는 상기 공조케이스(미도시)의 내부에 구비되어 부족한 난방열원을 공급하는 역할을 한다.

상기 공조케이스(미도시)의 구조 및 공조케이스(미도시)가 공기를 인입한 후 열교환된 공기를 차량의 실내로 공급하여 난방이 이루어지도록 하는 과정은 공지된 기술인 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 실내콘덴서(1200)의 출력단은 제2유로(R2)와 연결되고, 상기 제2유로(R2)는 수냉식콘덴서(1300)와 연결된다. 상기 수냉식콘덴서(1300)는 상기 제2유로(R2)를 통해 상기 실내콘덴서(1200)에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉각수라인(미도시)으로 유동하는 냉각수와의 열교환으로 냉매를 응축 및 증발시키는 역할을 하며, 상기 제2유로(R2) 상에는 후술되는 팽창밸브부(1900)의 전자식팽창밸브(1910)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 수냉식콘덴서(1300)는 제3유로(R3)에 의해 실외콘덴서(1400)와 연결된다. 상기 실외콘덴서(1400)는 상기 제3유로(R3)를 통해 인입되는 냉매를 외부 공기와의 열교환으로 냉매를 응축시킨 후 출력단을 통해 제4유로(R4)로 배출한다. 상기 제4유로(R4)는 증발기(1500)와 연결되어 상기 실외콘덴서(1400)에서 응축된 후 출력되는 냉매를 상기 증발기(1500)로 공급한다.

상기 실외콘덴서(1400)는 상기 수냉식콘덴서(1300)로부터 냉매를 인입하여 외부 공기와의 열교환으로 냉매를 응축하는데, 상기 실외콘덴서(1400)는 차량 구동부(구동모터, 미도시)에 구비된 라디에이터부(미도시)에 근접하게 배치되어, 입력측을 통해 인입된 냉매를 외부 공기와 열교환하여 응축한 후 제4유로(R4)로 배출한다.

상기 제4유로(R4)는 증발기(1500)와 연결되어 상기 실외콘덴서(1400)에서 응축된 후 출력되는 냉매를 상기 증발기(1500)로 공급하며, 상기 증발기(1500)는 인입된 냉매를 기화시키면서 공조케이스(미도시)를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기와 열교환으로 차량 실내를 냉방시키는 역할을 한다.

상기 증발기(1500)는 제5유로(R5)에 의해 어큐뮬레이터(1700)와 연결되며, 상기 실외콘덴서(1400)와 상기 증발기(1500)를 연결하는 상기 제4유로(R4)에서 분기되어 상기 증발기(1500)와 상기 어큐뮬레이터(1700)를 연결하는 상기 제5유로(R5)와 연결되는 바이패스유로(BR) 상에는 배터리칠러(1600)가 구비된다. 상기 배터리칠러(1600)는 냉방 배터리협조모드 시 배터리냉각수라인(미도시)과 상기 바이패스유로(BR)로 유동하는 냉매를 열교환하여 배터리(미도시)를 냉각시키는 역할을 한다. 후술되는 냉방 배터리협조모드 시에는 상기 바이패스유로(BR)로 냉매가 흐르게 되고, 이때 상기 배터리칠러(1600)는 상기 바이패스유로(BR)로 유동하는 냉매와 냉각수라인으로 유동하는 배터리용 냉각수를 열교환시켜 냉각수를 냉각시킴으로써 배터리(미도시)의 열관리가 가능하게 된다.

상기 어큐뮬레이터(1700)는 상기 증발기(1500)와 상기 압축기(1100) 사이에 구비되어 상기 증발기(1500)에서 공급되는 냉매, 상기 제3유로(R3)에서 분기되어 상기 제5유로(R5)와 연결된 제1분기유로(QR1)를 통해 상기 수냉식콘덴서(1300)에서 공급되는 냉매, 상기 바이패스유로(BR)를 통해 상기 배터리칠러(1600)에서 공급되는 냉매를 일시적으로 저장하면서 인입된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하고 분리된 기상 냉매를 제6유로(R6)를 통해 상기 압축기(1100)로 공급한다.

상기 어큐뮬레이터(1700)의 내부에는 공급된 액상의 냉매를 기화시키는 탄소발열복합소재의 발열체(미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 어큐뮬레이터(1700)의 내부에 발열체(미도시)가 구비됨에 따라 상기 압축기(1100)로 공급되는 냉매의 과열도를 증대시킬 수 있고, 그로 인해 난방 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 제4유로(R4)로 이동되는 고온고압의 냉매와 상기 제5유로(R5)로 이동되는 저온저압의 냉매는 중간열교환기(1800)에 의해 열교환되며, 후술되는 난방모드 시 과냉도 확보 및 압축기(1100)의 과열도에 대한 여유범위 확보가 가능하게 된다. 상기 중간열교환기(1800)는 이중관 구조, 스파이럴 이중관 구조, 플레이트 적층형 구조, 판형 튜브 접합 구조 등 다양한 구조를 갖는 형태일 수 있다. 상기 중간열교환기(1800)는 일례로, 이중관 구조일 경우 내측에 구비되는 내측관으로 흐르는 냉매와 내측관을 감싸는 외측관으로 흐르는 냉매를 열교환시키게 되며, 상기 중간열교환기(1800)의 구조는 일반적인 것인 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제2유로(R2), 상기 제4유로(R4), 상기 바이패스유로(BR) 상에는 팽창밸브부(1900)가 구비되며, 상기 팽창밸브부(1900)는 상기 제2유로(R2), 상기 제4유로(R4)로 이동되는 냉매를 감압하고, 상기 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매를 감압하면서 상기 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 바이패스유로(BR)에서 분기되어 상기 제4유로(R4)와 연결되는 제3분기유로(QR3)로 전환하는 역할을 한다.

상기 팽창밸브부(1900)는 전자식팽창밸브(1910)와, 솔레노이드팽창밸브(1920)와, 통합팽창밸브(1930)를 포함한다. 상기 전자식팽창밸브(1910)는 상기 제2유로(R2) 상에 구비되어 난방모드, 난방제습모드 시 상기 실내콘덴서(1200)를 통과하여 상기 제2유로(R2)로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 역할을 한다. 상기 솔레노이드팽창밸브(1920)는 상기 증발기(1500)와 인접한 제4유로(R4) 상에 구비되며 냉방모드, 냉방 배터리협조모드 시 상기 실외콘덴서(1400)를 통과하여 상기 증발기(1500)로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 역할을 한다.

상기 통합팽창밸브(1930)는 상기 바이패스유로(BR) 상에 구비되는 상기 배터리칠러(1600)의 전단에서 상기 바이패스유로(BR)에서 분기되어 상기 제4유로(R4)와 연결되는 제3분기유로(QR3)가 분기되는 지점에 구비된다. 상기 통합팽창밸브(1930)는 난방모드, 난방제습모드 시에는 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 상기 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 제3분기유로(QR3)로 전환하고, 냉방 배터리협조모드 시에는 상기 바이패스유로(BR)를 통해 상기 배터리칠러(1600)로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 역할을 하며, 상기 통합팽창밸브(1930)에 의해 냉방 시 배터리팽창밸브의 냉매팽창기능과 난방 시 제습팽창밸브의 팽창기능이 수행되게 된다. 상기 전자식팽창밸브(1910)와 솔레노이드팽창밸브(1920) 및 통합팽창밸브(1930)는 후술되는 제어부(2200)와 연결되어 상기 제어부(2200)에 의해 동작되는 것이 바람직하다.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 상기 통합팽창밸브(1930)의 내부에 구비되는 볼(1931)에는 주입구(1933)와, 토출구(1935)가 형성되며, 상기 주입구(1933)와 상기 토출구(1935)는 서로 연통되고 서로 직각되게 배치된다. 상기 주입구(1933)는 상기 제4유로(R4) 측과 연결되고, 상기 토출구(1935)는 상기 배터리칠러(1600) 및 상기 증발기(1500) 측과 연결되며, 상기 토출구(1935)의 일측면에는 토출슬릿(1935a)이 형성된다. 상기 토출구(1935)가 상기 주입구(1933)를 중심으로 회전됨에 따라 상기 토출구(1935)가 상기 배터리칠러(1600) 및 상기 증발기(1500) 측과 연결된다.

상기 토출구(1935)의 일측면과 타측면은 서로 다른 길이를 가지며, 상기 토출슬릿(1935a)이 형성되는 일측면의 길이(L1)는 타측면의 길이(L2) 보다 상기 토출슬릿(1935a) 만큼 작은 길이를 가지는 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 상기 제3유로(R3)에서 분기되어 상기 제5유로(R5)와 연결되는 제1분기유로(QR1)가 상기 제3유로(R3)에서 분기되는 지점, 상기 제2유로(R2)에서 분기되어 상기 제4유로(R4)와 연결되는 제2분기유로(QR2) 상, 상기 제4유로(R4) 상에서 상기 제2분기유로(QR2)가 연결되는 지점의 전단에는 개폐밸브부(2000)가 구비되며, 상기 개폐밸브부(2000)는 제3유로(R3)로 이동되는 냉매의 흐름을 전환, 상기 제2분기유로(QR2)를 선택적으로 개폐, 상기 제4유로(R4)로 냉매가 역류하는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 개폐밸브부(2000)는 제1개폐밸브(2010)와, 제2개폐밸브(2020)와, 체크밸브(2030)를 포함한다. 상기 제1개폐밸브(2010)는 상기 제3유로(R3) 상에서 상기 제3유로(R3)에서 분기되어 상기 제5유로(R5)와 연결되는 제1분기유로(QR1)가 분기되는 지점에 구비되어 상기 제3유로(R3)로 이동되는 냉매의 흐름방향을 전환하는 역할을 하며, 상기 제1개폐밸브(2010)로는 3웨이밸브가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 제2개폐밸브(2020)는 상기 제2분기유로(QR2) 상에 구비되어 상기 제2분기유로(QR2)를 선택적으로 개폐하는 역할을 하며, 상기 제2개폐밸브(2020)로는 2웨이밸브가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 체크밸브(2030)는 상기 제4유로(R4) 상에서 상기 제2분기유로(QR2)가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 제4유로(R4)로 이동되는 냉매가 상기 실외콘덴서(1400) 방향으로 역류하는 것을 방지하는 역할을 하며, 상기 제1개폐밸브(2010), 제2개폐밸브(2020), 체크밸브(2030)는 후술되는 제어부(2200)와 연결되어 제어부(2200)에 의해 동작하는 것이 바람직하다.

상기 압축기(1100)와 인접한 상기 제6유로(R6)와 상기 실내콘덴서(1200)와 인접한 제1유로(R1) 상, 상기 실외콘덴서(1400)와 인접하게 센서부(2100)가 구비되며, 상기 센서부(2100)는 상기 제6유로(R6)와 제1유로(R1)로 이동되는 냉매의 압력과 온도 및 상기 실외콘덴서(1400)와 인접한 외기의 온도를 측정하는 역할을 한다.

상기 센서부(2100)는 PT센서(2110)와, 외기온도센서(2120)를 포함한다. 상기 PT센서(2110)는 상기 압축기(1100)와 인접한 제6유로(R6) 및 상기 실내콘덴서(1200)와 인접한 제1유로(R1) 상에 구비되어 상기 제6유로(R5)를 통해 상기 압축기(1100)로 공급되는 냉매 및 상기 실내콘덴서(1200)로 공급되는 압력과 온도를 측정하는 역할을 하고, 상기 외기온도센서(2120)는 상기 실외콘덴서(1300)와 인접하게 구비되어 외기의 온도를 측정하는 역할을 하며, 상기 센서부(2100)는 후술되는 제어부(2200)와 연결된다.

상기 제어부(2200)는 상기 센서부(2100)가 측정한 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 토대로 각각의 모드에 대응하여 상기 팽창밸브부(1900)를 동작과 개폐방향 및 상기 개폐밸브부(2000)의 개폐방향과 개폐를 제어하여 각각의 모드로 전환하게 된다.

도 3을 참조하면, 냉방모드 시 냉매의 흐름은 압축기(1100), 실내콘덴서(1200), 수냉식콘덴서(1300), 실외콘덴서(1400), 증발기(1500), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하면서 차량 실내의 냉방을 수행하게 된다.

냉방모드 시, 상기 제3유로(R3) 상에서 상기 수냉식콘덴서(1300)의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부(2000)의 제1개폐밸브(2010)는 상기 실외콘덴서(1400) 측으로 개방되어 상기 수냉식콘덴서(1300)에서 토출되는 냉매를 상기 실외콘덴서(1400) 측으로 공급되도록 한다.

상기 제2유로(R2) 상에서 상기 수냉식콘덴서(1300)의 전단에 구비되는 팽창밸브부(1900)의 전자식팽창밸브(1910)는 완전 개방되어 제2유로(R2)로 이동되는 냉매를 상기 수냉식콘덴서(1300)로 공급하고, 상기 제2유로(R2)에서 분기되는 제2분기유로(QR2) 상에 구비되는 개폐밸브부(2000)의 제2개폐밸브(2020)는 닫혀 상기 제2유로(R2)로 이동되는 냉매가 상기 제2분기유로(QR2)로 이동되지 않도록 한다.

상기 제4유로(R4)에서 분기되는 바이패스유로(BR) 상에서 상기 제3분기유로(QR3)가 분기되는 지점에 구비되는 팽창밸브부(1900)의 통합팽창밸브(1930)는 도 7에 도시된 바와 같이 토출구(1935) 및 토출슬릿(1935a)이 닫혀 상기 제4유로(R4)로 이동되는 냉매가 상기 바이패스유로(BR)로 이동되지 않도록 한다.

상기 제4유로(R4) 상에서 상기 증발기(1500)의 전단에 구비되는 팽창밸브부(1900)의 솔레노이드팽창밸브(1920)는 제4유로(R4)로 이동되는 냉매를 팽창시킨 후 상기 증발기(1500)로 공급하며, 상기 솔레노이드팽창밸브(1920)는 상기 증발기(1500)로 냉매를 공급하기 위해 열리는 것이 바람직하다. 상기 증발기(1500)를 통과한 냉매는 상기 중간열교환기(1800)를 거쳐 어큐뮬레이터(1700)로 공급되어 액상 냉매와 기상 냉매로 분리되고, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(1100)로 순환된다.

도 4를 참조하면, 난방모드 시 냉매의 흐름은 압축기(1100), 실내콘덴서(1200)를 거친 후 일부의 최소유량을 제외한 대부분의 냉매는 수냉식콘덴서(1300), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하고, 실내콘덴서(1200)를 거친 냉매 중 최소유량의 냉매는 제2분기유로(QR2)를 통해 증발기(1500), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하면서 냉매의 과열도 확보를 수행하며, 상기 센서부(2100)의 외기온도센서(2120)가 측정한 외기온도가 0℃ 이하일 경우에는 난방모드로 전환된다.

난방모드 시, 상기 제3유로(R3) 상에서 상기 수냉식콘덴서(1300)의 후단에 구비되는 개폐밸브부(2000)의 제1개폐밸브(2010)는 상기 제1분기유로(QR1) 측으로 개방되어 상기 수냉식콘덴서(1300)에서 토출되는 냉매를 상기 제1분기유로(QR1)를 통해 어큐뮬레이터(1700) 측으로 공급한다.

상기 제2유로(R2) 상에서 상기 수냉식콘덴서(1300)의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부(1900)의 전자식팽창밸브(1910)는 열려 상기 제2유로(R2)로 이동되는 냉매를 상기 수냉식콘덴서(1300)로 공급하면서 상기 수냉식콘덴서(1300)로 공급되는 냉매를 팽창시킨다.

상기 제2유로(R2)에서 분기되는 제2분기유로(QR2) 상에 구비되는 개폐밸브부(2000)의 제2개폐밸브(2020)는 최소유량이 이동하도록 열려 상기 제2유로(R2)로 이동되는 냉매가 상기 제2분기유로(QR2)로 최소유량이 이동되도록 하며, 상기 제4유로(R4) 상에 구비되는 개폐밸부부(2000)의 체크밸브(2030)는 동작하여 상기 제2분기유로(QR2)로 이동된 냉매가 제4유로(R4)를 통해 상기 실외콘덴서(1400) 측으로 역류하지 않도록 한다.

상기 제4유로(R4) 상에서 상기 증발기(1500)의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부(1900)의 솔레노이드팽창밸브(1920)는 닫혀 상기 제4유로(R4)로 이동되는 냉매가 상기 증발기(1500)로 공급되지 않도록 하고, 상기 바이패스유로(BR) 상에서 상기 제3분기유로(QR3)로 분기되는 지점에 구비되는 팽창밸브부(1900)의 통합팽창밸브(1930)는 도 8에 도시된 바와 같이 토출슬릿(1935a)이 상기 증발기(1500) 측으로 개방되어 상기 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매를 상기 제3분기유로(QR3)를 통해 상기 증발기(1500)로 공급하면서 상기 증발기(1500)로 공급되는 냉매를 팽창시킨다.

상기 제2분기유로(QR2)로 이동되는 최소유량의 냉매는 상기 증발기(1500)를 통해 상기 어큐뮬레이터(1700)로 공급되는 냉매와 열교환되며, 상기 수냉식콘덴서(1300)와 상기 증발기(1500)를 통해 어큐뮬레이터(1700)로 공급된 냉매는 액상 냉매와 기상 냉매로 분리되고, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(1100)로 순환된다.

도 5를 참조하면, 난방제습모드 시 냉매의 흐름은 압축기(1100), 실내콘덴서(1200)를 거친 후 일부의 냉매는 수냉식콘덴서(1300), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하고, 실내콘덴서(1200)를 거친 다른 일부의 냉매는 제2분기유로(QR2)를 통해 증발기(1500), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하면서 차량 실내의 난방 및 제습을 수행하며, 상기 센서부(2100)의 외기온도센서(2120)가 측정한 외기온도가 0℃ 이상이고 15℃ 이하일 경우에는 난방제습모드로 전환된다.

난방제습모드 시, 개폐밸브부(2000)의 제1개폐밸브(2010)가 어큐뮬레이터(1700) 측으로 개방되며, 개폐밸브부(2000)의 제2개폐밸브(2020)는 개방되고, 체크밸브(2030)는 동작하며, 팽창밸브부(1900)의 전자식팽창밸브(1910)는 열리고, 솔레노이드팽창밸브(1920)는 닫힌다. 상기 팽창밸브부(1900)의 통합팽창밸브(1930)가 상기 증발기(1500) 측으로 개방되는 점은 도 4에 도시된 난방모드와 동일하나, 상기 제2개폐밸브(2020)는 난방모드 시에는 최소유량이 통과하도록 열리나, 난방제습모드 시에는 최소유량이 아닌 증발기(1500)가 제습성능을 확보할 수 있도록 유량을 제어한다는 점과 도 9에 도시된 바와 같이 상기 통합팽창밸브(1930)가 상기 증발기(1500) 측으로 토출슬릿(1935a)이 개방 또는 토출구(1935)가 부분 개방되는 점이 난방모드 시와 상이하다.

도 6을 참조하면, 냉방 배터리협조모드 시 냉매의 흐름은 압축기(1100), 실내콘덴서(1200), 수냉식콘덴서(1300), 실외콘덴서(1400)를 거친 후 일부의 냉매는 증발기(1500), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하고, 다른 일부의 냉매는 배터리칠러(1600), 어큐뮬레이터(1700), 압축기(1100)로 순환하면서 차량 실내의 냉방을 수행하게 된다.

냉방 배터리협조모드 시, 상기 제3유로(R3) 상에서 상기 수냉식콘덴서(1300)의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부(2000)의 제1개폐밸브(2010)는 상기 실외콘덴서(1400) 측으로 개방되어 상기 수냉식콘덴서(1300)에서 토출되는 냉매를 상기 실외콘덴서(1400) 측으로 공급되도록 한다.

상기 제4유로(R4) 상에서 상기 증발기(1500)의 전단에 구비되는 팽창밸브부(1900)의 솔레노이드팽창밸브(1920)는 열려 상기 제4유로(R4)로 이동되는 냉매를 상기 증발기(1500)로 공급하면서 상기 증발기(1500)로 공급되는 냉매를 팽창시키며, 상기 제4유로(R4)에서 분기되는 바이패스유로(BR) 상에 구비되는 통합팽창밸브(1930)는 도 10에 도시된 바와 같이 상기 배터리칠러(1600) 측으로 토출슬릿(1935a)이 개방 또는 토출구(1935)가 부분 개방되어 상기 바이패스유로(BR)로 이동되는 냉매를 상기 배터리칠러(1600)로 공급하면서 상기 배터리칠러(1600)로 공급되는 냉매를 팽창시킨다.

상기 증발기(1500)와 상기 배터리칠러(1600)를 통과한 냉매는 상기 중간열교환기(1800)를 거쳐 어큐뮬레이터(1700)로 공급되어 액상 냉매와 기상 냉매로 분리되고, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(1100)로 순환된다.

따라서, 냉방 시 배터리팽창밸브의 냉매팽창기능과 난방 시 제습팽창밸브의 팽창기능을 하나의 통합팽창밸브(1930)에서 구현할 수 있고, 배터리냉각라인과 제습라인으로의 냉매방향전환을 통합팽창밸브(1930)의 내부에서 구현이 가능하도록 하여 밸브의 개수를 저감시킬 수 있고 고가의 방향전환밸브를 사용하지 않음으로써 원가경쟁력을 향상시킬 수 있고, 전력전기(Power Electric)룸 내의 공간구성을 효율성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 차량용 히트펌프 시스템 1100 : 압축기
1200 : 실내콘덴서 1300 : 수냉식콘덴서
1400 : 실외콘덴서 1500 : 증발기
1600 : 배터리칠러 1700 : 어큐뮬레이터
1800 : 중간열교환기 1900 : 팽창밸브부
1910 : 전자식팽창밸브 1920 : 솔레노이드팽창밸브
1930 : 통합팽창밸브 2000 : 개폐밸브부
2010 : 제1개폐밸브 2020 : 제2개폐밸브
2030 : 체크밸브 2100 : 센서부
2110 : PT센서 2120 : 외기온도센서
2200 : 제어부

Claims

유입된 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출하는 압축기;
상기 압축기와 제1유로에 의해 연결되며, 상기 압축기에서 토출되는 냉매가 유입되고 유입된 냉매를 공조케이스 내로 유동하는 공기와 열교환하여 난방모드 시 차량 실내를 난방시키는 실내콘덴서;
상기 실내콘덴서와 제2유로에 의해 연결되며 상기 실내콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉각수와 열교환으로 냉매를 응축시키는 수냉식콘덴서;
상기 수냉식콘덴서와 제3유로에 의해 연결되며, 상기 수냉식콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 외부에서 공급되는 외부공기와 열교환으로 냉매를 응축시키는 실외콘덴서;
상기 실외콘덴서와 제4유로에 의해 연결되며, 냉방모드 시 상기 실외콘덴서에서 토출되는 냉매를 인입하여 냉매를 기화시키면서 공조케이스를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기와 열교환으로 차량 실내를 냉방시키는 증발기;
상기 제4유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 바이패스유로 상에 구비되며 냉방 배터리협조모드 시 냉매와 열교환으로 배터리냉각수를 냉각시키는 배터리칠러;
상기 증발기와 제5유로에 의해 연결되고 상기 압축기와 제6유로에 의해 연결되며, 각각의 모드 시 상기 증발기에서 공급되는 냉매, 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로를 통해 상기 수냉식콘덴서에서 공급되는 냉매, 상기 바이패스유로를 통해 상기 배터리칠러에서 공급되는 냉매를 일시적으로 저장하고, 저장된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리한 후 기상 냉매를 상기 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터;
상기 제4유로로 이동되는 냉매와 상기 제5유로로 이동되는 냉매를 열교환시키는 중간열교환기;
상기 제2유로, 상기 제4유로, 상기 바이패스유로 상에 구비되는 상기 제2유로, 상기 제4유로로 이동되는 냉매를 감압하고, 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매를 감압하면서 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 바이패스유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제3분기유로로 전환하는 팽창밸브부;
상기 제3유로에서 분기되어 상기 제5유로와 연결되는 상기 제1분기유로가 상기 제3유로에서 분기되는 지점, 상기 제2유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제2분기유로 상, 그리고 상기 제4유로 상에서 상기 제2분기유로가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 냉매의 흐름을 전환하고 제2분기유로를 선택적으로 개폐하는 개폐밸브부;
상기 압축기와 인접한 상기 제6유로와 상기 실내콘덴서와 인접한 제1유로 상, 상기 실외콘덴서와 인접하게 구비되어 상기 제6유로와 제1유로로 이동되는 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 측정하는 센서부; 및
상기 팽창밸브부, 상기 센서부 및 상기 개폐밸브부와 연결되며, 상기 센서부가 측정한 냉매의 압력과 온도 및 외기의 온도를 토대로 각각의 모드에 대응하여 상기 팽창밸브부의 동작과 개폐방향 및 상기 개폐밸브부의 개폐방향과 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 중간열교환기는 이중관 구조, 스파이럴 이중관 구조, 플레이트 적층형 구조, 판형 튜브 접합 구조 중 하나의 형태를 가지며,
냉방모드, 난방모드, 난방제습모드, 냉방 배터리협조모드 시에 상기 중간열교환기에서 고온의 냉매와 저온의 냉매가 열교환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 어큐뮬레이터의 내부에는 공급된 액상의 냉매를 기화시키는 탄소발열복합소재의 발열체가 구비되며, 상기 발열체에 의해 상기 압축기로 공급되는 냉매의 과열도가 증대되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 팽창밸브부는,
상기 제2유로 상에서 상기 수냉식콘덴서의 전단에 구비되며 난방모드, 난방제습모드 시에 상기 실내콘덴서에서 상기 수냉식콘덴서로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 전자식팽창밸브와,
상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되며 냉방모드, 냉방 배터리협조모드 시 상기 제4유로를 통해 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 솔레노이드팽창밸브와,
상기 바이패스유로 상에 구비되는 상기 배터리칠러의 전단에서 상기 바이패스유로에서 분기되어 상기 제4유로와 연결되는 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되며 난방모드, 난방제습모드 시 바이패스유로로 이동되는 냉매를 팽창시켜 감압하며 상기 바이패스유로로 이동되는 냉매의 흐름을 상기 제3분기유로로 전환하고, 냉방 배터리협조모드 시 상기 바이패스유로를 통해 상기 배터리칠러로 공급되는 냉매를 팽창시켜 감압하는 통합팽창밸브를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 통합팽창밸브는 3웨이밸브가 사용되고,
상기 통합팽창밸브의 내부에 구비되는 볼에는 상기 제4유로(R4)와 연결되는 주입구와, 상기 배터리칠러 및 상기 증발기 측과 연결되는 토출구가 형성되고,
상기 토출구의 일측면에는 토출슬릿이 형성되는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 주입구와 상기 토출구는 서로 연통되며 서로 직각되게 배치되고, 상기 토출구의 일측면과 타측면은 서로 다른 길이를 가지며, 상기 토출슬릿이 형성되는 일측면의 길이(L1)는 타측면의 길이(L2) 보다 작은 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 개폐밸브부는,
상기 제1분기유로가 상기 제3유로 상에서 분기되는 지점에 구비되어 상기 제3유로로 이동되는 냉매의 흐름을 전환하는 제1개폐밸브와,
상기 제2분기유로 상에 구비되어 상기 제2분기유로를 선택적으로 개폐하는 제2개폐밸브를 포함하며,
상기 제1개폐밸브는 3웨이밸브가 사용되고 상기 제2개폐밸브는 2웨이밸브가 사용되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 개폐밸브부는,
상기 제4유로 상에서 상기 제2분기유로가 연결되는 지점의 전단에 구비되어 제4유로로 이동되는 냉매가 상기 실외콘덴서 방향으로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브를 더 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 센서부는,
상기 압축기와 인접한 제6유로 및 상기 실내콘덴서와 인접한 제1유로 상에 구비되어 상기 제6유로 및 제1유로로 이동되는 냉매의 압력과 온도를 측정하는 PT센서와,
상기 실외콘덴서와 인접하게 구비되어 외기의 온도를 측정하는 외기온도센서를 포함하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
냉방모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 실외콘덴서 방향으로 개방되고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 닫히며,
상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 완전 개방되고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 열리면서 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출구 및 토출슬릿은 닫히는 것을 특징으로 하는 차량용 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서,
난방모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로 방향으로 개방되고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 열리며,
상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 열리면서 상기 수냉식콘덴서로 공급되는 냉매를 팽창시키고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 닫히며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출슬릿이 개방되어 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키며,
상기 센서부의 외기온도센서가 측정한 외기온도가 0℃ 이하일 경우에는 난방모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
난방제습모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 제5유로와 연결되는 제1분기유로 방향으로 개방되고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 열리며,
상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 열리면서 상기 수냉식콘덴서로 공급되는 냉매를 팽창시키고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 닫히며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 상기 증발기 측으로 토출슬릿이 개방 또는 토출구가 부분 개방되어 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키고,
상기 센서부의 외기온도센서가 측정한 외기온도가 0℃ 이상 15℃ 이하일 경우에는 난방제습모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
냉방 배터리협조모드 시, 상기 수냉식콘덴서의 후단에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제1개폐밸브는 상기 실외콘덴서 방향으로 개방되고, 상기 제2분기유로 상에 구비되는 상기 개폐밸브부의 제2개폐밸브는 닫히며,
상기 제2유로 상에 구비되는 상기 팽창밸브부의 제1전자식팽창밸브는 완전 개방되고, 상기 제4유로 상에서 상기 증발기의 전단에 구비되는 상기 팽창밸브부의 솔레노이드팽창밸브는 열리면서 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키며, 상기 바이패스유로 상에서 상기 제3분기유로가 분기되는 지점에 구비되는 상기 팽창밸브부의 통합팽창밸브는 토출슬릿이 개방 또는 토출구가 부분 개방되어 상기 배터리칠러로 공급되는 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.