KR20230055715A - 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환되는 냉매 사이의 열교환을 통하여 난방시 압축기에서 소비되는 에너지를 활용하여 난방 초기에 별도의 히터 사용량을 감소시킬 수 있는 플래쉬 탱크가 적용된 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템은 압축기, 실내 콘덴서, 제 1 팽창밸브 및 플래쉬 탱크가 순차적으로 구비되어 냉매가 유동되는 제 1 냉매라인과; 제 2 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 구비되어 냉매가 상기 플래쉬 탱크로부터 유동되어 상기 제 2 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 압축기로 순환되는 제 2 냉매라인과; 상기 플래쉬 탱크에서 분기된 냉매가 압축기로 직접 유동되도록 구비되고, 상기 실내 콘덴서에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 탱크에서 토출된 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 흡열기가 구비되는 제 3 냉매라인과; 상기 압축기의 작동 여부를 제어하고, 상기 제 1 팽창밸브 및 제 2 팽창밸브의 개도량을 조절하여 냉매의 유동 여부 및 팽창 여부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템{THERMAL MANAGEMENT SYSTEM FOR VEHICLE OF GAS INJECTION TYPE}
본 발명은 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순환되는 냉매 사이의 열교환을 통하여 난방시 압축기에서 소비되는 에너지를 활용하여 난방 초기에 별도의 히터 사용량을 감소시킬 수 있는 플래쉬 탱크가 적용된 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에 관한 것이다.
최근 내연기관 차량의 환경적인 이슈로 인하여 전기차 등이 친환경 차량으로 보급이 확대되는 추세이다. 그러나 기존의 내연기관 차량의 경우 엔진의 폐열을 통하여 실내를 난방할 수 있어 별도의 난방을 위한 에너지가 필요치 않았지만, 전기차 등의 경우 엔진이 없어 열원이 없기 때문에 별도의 에너지를 통하여 난방을 수행하여 하고, 이로 인하여 연비가 하락하는 문제를 가지고 있다. 그리고 이 점은 전기차의 주행가능거리를 단축시켜 잦은 충전이 필요하게 되는 등 불편함을 주고 있는 것이 사실이다.
한편, 차량의 전동화로 인하여 차량의 실내뿐만 아니라, 고전압배터리, 모터 등의 전장부품들의 열관리 니즈도 새로이 추가되었다. 즉, 전기차 등의 경우 실내공간과 배터리, 전장부품 들의 경우 각각 공조에 대한 니즈가 상이하고, 이들을 독립적으로 대응하면서도 효율적으로 협업하여 에너지를 최대한 절약할 수 있는 기술이 필요한 것이다. 이에 따라 각각의 구성에 대하여 독립적으로 열관리를 수행하면서 동시에 전체적인 차량의 열관리를 통합하여 열효율을 증대시키고자 차량의 통합 열관리 개념이 제시되고 있다.
이러한 차량의 통합 열관리가 수행되기 위해서는 복잡한 냉각수라인들과 부품들을 통합하여 모듈화 할 필요가 있는데, 복수의 부품들을 모듈화 하면서도 제조가 간단하고 패키지적인 측면에서도 컴팩트한 모듈화의 개념이 필요한 것이다.
한편, 최근에는 전기차에서 히트펌프의 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
히트펌프의 효율을 높이는 방법 중 한 방법은 가스인젝션 타입의 히트펌프이다.
가스인젝션 타입의 히트펌프는 열교환기(H/X) 또는 플래쉬 탱크(Flash Tank)를 사용하여 난방시 순환되는 냉매의 유량을 증가시켜 차량의 난방 효율을 높이는 방식이다.
본 출원인은 가스인젝션 타입의 히트펌프 시스템에서 냉매간 열교환을 통하여 압축기에서 소비되는 에너지의 활용도를 높일 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2019-0070924 A1 (2019.03.07)
본 발명은 순환되는 냉매 사이의 열교환을 통하여 난방시 압축기에서 소비되는 에너지를 활용하여 난방 초기에 별도의 히터 사용량을 감소시킬 수 있는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템은 압축기, 실내 콘덴서, 제 1 팽창밸브 및 플래쉬 탱크가 순차적으로 구비되어 냉매가 유동되는 제 1 냉매라인과; 제 2 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 구비되어 냉매가 상기 플래쉬 탱크로부터 유동되어 상기 제 2 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 압축기로 순환되는 제 2 냉매라인과; 상기 플래쉬 탱크에서 분기된 냉매가 압축기로 직접 유동되도록 구비되고, 상기 실내 콘덴서에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 탱크에서 토출된 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 흡열기가 구비되는 제 3 냉매라인과; 상기 압축기의 작동 여부를 제어하고, 상기 제 1 팽창밸브 및 제 2 팽창밸브의 개도량을 조절하여 냉매의 유동 여부 및 팽창 여부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제 1 냉매라인 상에는 냉매의 유동방향을 기준으로 상기 실내 콘덴서의 하류지점에 구비되는 분기점에서 분기되어 상기 흡열기를 통과한 다음 상기 분기점의 하류지점과 제 1 팽창팰브 사이에서 상기 제 1 냉매라인과 합류되는 합류점으로 합류되는 제 4 냉매라인을 더 포함하고, 상기 분기점 또는 합류점에는 3방향의 유동을 제어하는 3방향 밸브가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출된 냉매로 흡열되도록 열교환되는 것을 특징으로 한다.
상기 증발기는 차량에서 순환되는 공기의 열이 상기 제 2 냉매라인에서 유동되는 냉매로 흡열되도록 열교환되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 제 1 난방모드에서, 상기 제 1 냉매라인으로 유동되는 냉매를 상기 제 3 냉매라인으로 순환시키고, 상기 제 2 냉매라인으로 냉매가 유동되는 것을 차단시키되, 상기 실내 콘덴서를 통과한 냉매를 상기 흡열기로 유동시켜서, 상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출되어 압축기로 유입되는 냉매로 흡열되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 제 1 난방모드에서, 압축된 냉매가 실내 콘덴서를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 상기 압축기를 작동시키고, 실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매가 상기 흡열기로 유동되도록 상기 3방향 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제 4 냉매라인으로 냉매가 유동되도록 하며, 실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매와 상기 흡열기를 통과하면서 방열된 냉매가 제 1 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 플래쉬 탱크를 통과하도록 상기 제 1 팽창밸브의 개도량을 조절하고, 상기 제 2 냉매라인으로 냉매가 유동되는 것을 차단하도록 상기 제 2 팽창밸브는 완전폐쇄(Full Close)하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 난방모드는, 상기 제 1 냉매라인, 제 3 냉매라인 및 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 상기 제 3 냉매라인에서 유동되는 냉매와 상기 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 제 2 난방모드에서, 상기 제 1 냉매라인으로 유동되는 냉매 중 일부는 상기 제 2 냉매라인으로 순환시키고, 나머지는 제 3 냉매라인으로 순환시키되, 상기 실내 콘덴서를 통과한 냉매를 상기 흡열기로 유동시켜서, 상기 증발기에서는 차량에서 순환되는 공기의 열이 상기 제 2 냉매라인에서 유동되는 냉매로 흡열되도록 하고, 상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출되어 압축기로 유입되는 냉매로 흡열되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 제 2 난방모드에서, 압축된 냉매가 실내 콘덴서를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 상기 압축기를 작동시키고, 실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매가 상기 흡열기로 유동되도록 상기 3방향 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제 4 냉매라인으로 냉매가 유동되도록 하며, 실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매와 상기 흡열기를 통과하면서 방열된 냉매가 제 1 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 플래쉬 탱크를 통과하도록 상기 제 1 팽창밸브의 개도량을 조절하고, 상기 플래쉬 탱크를 통과한 냉매 중 일부가 제 2 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 증발기를 통과하도록 상기 제 2 팽창밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 난방모드는, 상기 제 1 냉매라인, 제 2 냉매라인, 제 3 냉매라인 및 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 상기 제 3 냉매라인에서 유동되는 냉매와 상기 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1 상태이고, 상기 증발기를 통과하는 냉매와 차량에서 순환되는 공기 사이에서 열교환이 이루어지는 상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 실내 콘덴서 하류 지점의 냉매와 플래쉬 탱크 하류 지점의 냉매 사이에 열교환을 통하여 압축기로 흡입되는 냉매의 온도를 상승시킴으로써, 압축기의 작동 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 난방시 압축기에서 소비되는 에너지를 활용할 수 있도록 흡열기를 구비하여 냉매간 열교환을 시킴으로써, 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이도 COP=1 상태의 난방모드를 구현할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이에 따라, 난방 초기에도 별도의 히터 사용량을 감소하거나 히터 사용을 하지 않더라도 난방을 실시할 수 있기 때문에 에너지 절약 및 히터의 구성을 생략할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템을 보여주는 회로도이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 일반 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 일반 난방모드의 작동시 P-h 선도이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 1 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 1 난방모드의 작동시 P-h 선도이며,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 2 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 2 난방모드의 작동시 P-h 선도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 특별한 언급이 없는 한 각 구성 요소의 위치는 냉각수 및 냉매와 같은 유체의 유동흐름 방향을 기준으로 설명한 것이다. 예를 들어 유체의 흐름상 유체가 상대적으로 먼저 통과되는 구성 요소는 상류지점에 위치하는 것이고, 상대적으로 나중에 통과되는 구성 요소는 하류지점에 위치하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템을 보여주는 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템은 압축기(10), 실내 콘덴서(20), 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)가 순차적으로 구비되어 냉매가 유동되는 제 1 냉매라인(1)이 구비된다.
그리고, 제 2 팽창밸브(32) 및 증발기(40)가 순차적으로 구비되어 냉매가 플래쉬 탱크(60)로부터 유동되어 제 2 팽창밸브(32) 및 증발기(40)를 거쳐 압축기로 순환되는 제 2 냉매라인(2)이 구비된다. 이때 제 2 냉매라인(2) 상에는 증발기(40)의 하류지점, 즉 증발기(40)와 압축기(10) 사이에 기액 분리기(50)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
특히, 본 실시예에서는 플래쉬 탱크(60)에서 분기된 냉매가 압축기(10)로 직접 유동되도록 구비되고, 실내 콘덴서(20)에서 토출된 냉매와 플래쉬 탱크(60)에서 토출된 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 흡열기(70)가 구비되는 제 3 냉매라인(3)이 구비된다.
그리고, 제 1 냉매라인(1) 상에는 실내 콘덴서(20)에서 토출된 냉매를 흡열기(70)로 유동시키고, 흡열기(70)를 통과한 냉매가 다시 합류되도록 하는 제 4 냉매라인(4)이 구비된다.
압축기(Compressor; 10)는 제 2 냉매라인(2) 및 제 3 냉매라인(3)으로부터 흡입되는 냉매를 압축시켜 고압으로 변환시키는 수단이다. 이때 압축기(10)는 가스인젝션 타입의 압축기가 적용된다.
실내 콘덴서(Inner Condenser; 20)는 차량의 실내공조장치에 설치되어 실내 콘덴서(20)를 통과하는 압축된 냉매와 차량의 실내로 공급되는 공기 사이에 열교환이 이루어지도록 하면서 냉매의 열을 차량의 실내로 공급되는 공기로 방열시킴으로써, 차량의 실내를 난방시키는 수단이다.
제 1 팽창밸브(31)와 제 2 팽창밸브(32)는 냉매의 유동을 개폐하는 역할을 하면서, 냉매가 유동되는 동안 팽창되도록 개도량이 조절되는 수단이다.
증발기(Evaporator; 40)는 냉매와 차량의 실내공간으로 재순환되는 공기 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는 수단으로서, 차량의 실내공간으로 재순환되는 공기의 열을 흡열하여 냉매를 승온시키는 역할을 한다.
기액 분리기(Accumulator; 50)는 냉매 중에 포함된 기상의 냉매와 액상의 냉매를 분리시켜서 기상의 냉매만 압축기(10)로 흡입되도록 하는 수단이다.
플래쉬 탱크(Flash Tank; 60)는 제 1 팽창밸브(31)에서 팽창된 냉매를 재차 팽창시키고, 기상의 냉매와 액상의 냉매를 분리시키는 수단이다.
흡열기(70)는 냉매와 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환 수단이다. 본 실시예에서는 실내 콘덴서(20)에서 토출되는 냉매의 열이 플래쉬 탱크(60)에서 토출된 냉매로 흡열되도록 열교환되도록 한다.
한편, 제 1 냉매라인(1) 상에는 실내 콘덴서(20)의 하류지점에 제 4 냉매라인(4)이 분기되는 분기점(P1)이 구비되어 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 방열된 냉매가 제 4 냉매라인(4)을 통하여 흡열기(70)로 유동되도록 한다.
그리고, 흡열기(70)를 통과하면서 열교환되어 방열된 냉매가 다시 제 1 냉매라인(1) 상의 분기점(P1) 하류지점으로 합류되도록 제 4 냉매라인(4)은 분기점(P1)의 하류지점과 제 1 팽창밸브(31) 사이에 구비되는 합류점(P2)으로 합류된다.
이때, 분기점(P1) 또는 합류점(P2)에는 3방향의 유동을 제어하는 3방향 밸브(80)가 구비된다. 본 실시예에서는 3방향 밸브(80)를 분기점(P1)에 구비하였다.
한편, 압축기(10)의 작동 여부를 제어하고, 제 1 팽창밸브(31) 및 제 2 팽창밸브(32)의 개폐여부 및 개도량을 조절하여 냉매의 유동 여부 및 팽창 여부를 제어하며, 3방향 밸브(80)의 개폐를 제어하는 제어부(미도시)가 더 구비된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템은 제어부의 제어에 의해 다양한 모드의 구현이 가능하다.
이하에는 도면을 참조하여 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 구현되는 다양한 모드의 구현예를 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 일반 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 일반 난방모드의 작동시 P-h 선도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 일반 난방모드는 흡열기(70)의 작동없이 플래쉬 탱크(60)를 사용하여 난방시 순환되는 냉매의 유량을 증가시킨 난방모드이다.
이때 냉매는 제 1 냉매라인(1)으로 유동된 다음 제 2 냉매라인(2)과 제 3 냉매라인(3)으로 분기되어 다시 제 1 냉매라인(1)으로 순환된다.
이에 따라, 제어부는 압축된 냉매가 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 압축기(10)를 작동시킨다.
그리고, 제어부는 제 1 팽창밸브(31)의 개도량을 조절하여 통과되는 냉매가 팽창되도록 한다. 또한, 제 2 팽창밸브(32)는 제 1 팽창밸브(31)과 마찬가지로 개도량을 조절하여 통과되는 냉매가 팽창되도록 하거나 완전개방(Full Open)하여 냉매의 추가적인 팽창없이 그대로 유동되도록 할 수 있다.
그래서, 압축기(10)에서 압축된 냉매가 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되어 냉각된다. 이렇게 저온고압의 냉매는 제 1 팽창밸브(31)를 통과하면서 팽창되어 저온저압의 냉매가 되고, 저온저압의 냉매 중 일부의 냉매는 압축기(10)로 직접 흡입된다.(Cycle 1)
그리고, 제 1 팽창밸브(31)를 통과하면서 팽창된 저온저압의 냉매 중 나머지 냉매는 제 2 팽창밸브(32)를 그대로 통과하거나 제 2 팽창밸브(32)를 통과하면서 더 팽창된 다음 증발기(40)를 통과시켜 증발기(40)에서 차량에서 순환되는 공기로부터 열을 흡수하여 고온저압의 냉매가 된다. 이렇게 증발기(40)에서 흡열된 고온저압의 냉매는 기액 분리기(50)를 통과하면서 액상이 분리되어 기상의 냉매만 다시 압축기(10)로 흡입된다.(Cycle 2)
이렇게 플래쉬 탱크(60)를 통과한 냉매 중 일부를 직접 압축기(10)로 흡입시키고, 나머지 일부는 증발기(40)를 통하여 흡열을 시켜서 압축기(10)로 흡입시킴으로써, 난방시 순환되는 냉매의 유량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 난방 효율의 향상을 기대할 수 있다.
다음으로, 흡열기로 냉매를 유동시켜서 냉매간 열교환이 이루어지도록 하는 제 1 난방모드 및 제 2 난방모드를 설명한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 1 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 1 난방모드의 작동시 P-h 선도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 난방모드는 제 1 냉매라인(1), 제 3 냉매라인(3) 및 제 4 냉매라인(4)에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 제 3 냉매라인(3)에서 유동되는 냉매와 제 4 냉매라인(4)에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1인 상태가 구현되는 난방모드이다.
제 1 난방모드의 경우, 흡열기(70)에서는 실내 콘덴서(20)에서 토출되는 냉매의 열이 플래쉬 탱크(60)에서 토출되어 압축기(10)로 유입되는 냉매로 흡열되도록 한다.
이를 위하여 냉매는 제 1 냉매라인(1)으로 유동된 다음 제 3 냉매라인(3)을 통하여 다시 제 1 냉매라인(1)으로 순환되도록 하고, 제 2 냉매라인(2)으로는 냉매의 유동을 차단시킨다.
특히, 제 1 냉매라인(1)으로 유동되는 냉매를 제 4 냉매라인(4)으로 유동시킴으로써, 흡열기(70)에서 냉매간 열교환이 이루어지도록 한다.
이에 따라, 제어부는 압축된 냉매가 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 압축기(10)를 작동시킨다.
그리고, 제어부는 제 1 팽창밸브(31)의 개도량을 조절하여 통과되는 냉매가 팽창되도록 한다. 또한, 제 2 팽창밸브(32)는 완전폐쇄(Full Close)하여 냉매가 제 2 냉매라인(2)으로 유동되는 것을 차단시킨다.
또한, 제어부는 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 방열된 냉매가 흡열기(70)로 유동되도록 3방향 밸브(80)의 개폐를 제어하여 제 4 냉매라인(4)으로 냉매가 유동되도록 한다.
그래서, 압축기(10)에서 압축된 냉매가 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되어 냉각된다. 이렇게 저온고압의 냉매는 제 4 냉매라인(4)을 통하여 흡열기(70)로 유동된다.
그리고, 흡열기(70)에서는 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압의 냉매와 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압의 냉매 사이에 열교환이 이루어진다. 이때 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압의 냉매보다 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압의 냉매가 상대적으로 더 저온이기 때문에 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압 냉매의 열이 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압 냉매로 흡열되는 열교환이 이루어진다.
흡열기(70)에서 열교환된 고온저압의 냉매는 압축기(10)로 흡입되어 압축된다.
이렇게 냉매 간 열교환되는 에너지를 통하여 난방을 실시함으로써, 별도의 냉각수와 열교환 없이도 압축기에서 소비되는 에너지만으로도 난방이 실시되는 COP=1인 상태를 구현할 수 있다.
다음으로, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 2 난방모드의 작동을 보여주는 회로도이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템에서 제 2 난방모드의 작동시 P-h 선도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 난방모드는 제 1 냉매라인(1), 제 2 냉매라인(2), 제 3 냉매라인(3) 및 제 4 냉매라인(4)에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 제 3 냉매라인(3)에서 유동되는 냉매와 제 4 냉매라인(4)에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1 상태인 상태가 구현되고, 증발기(40)를 통과하는 냉매와 차량에서 순환되는 공기 사이에서 열교환이 이루어지도록 하여 히트펌프 효율을 더욱 증대시키며서 실내 습기량을 조절할 수 있는 난방모드이다.
제 2 난방모드의 경우, 증발기(40)에서는 차량에서 순환되는 공기의 열이 제 2 냉매라인(2)에서 유동되는 냉매로 흡열되도록 하고, 흡열기(70)에서는 실내 콘덴서(20)에서 토출되는 냉매의 열이 플래쉬 탱크(60)에서 토출되어 압축기(10)로 유입되는 냉매로 흡열되도록 한다.
이를 위하여 냉매는 제 1 냉매라인(1)으로 유동된 다음 일부는 제 2 냉매라인(2)을 통하여 다시 제 1 냉매라인(1)으로 순환되도록 하고, 나머지는 제 3 냉매라인(3)으로 순환시킨다. 특히, 제 1 난방모드와 마찬가지로 제 1 냉매라인(1)으로 유동되는 냉매는 제 4 냉매라인(4)으로 유동시킴으로써, 흡열기(70)에서 냉매간 열교환이 이루어지도록 한다.
이에 따라, 제어부는 압축된 냉매가 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 압축기(10)를 작동시킨다.
그리고, 제어부는 제 1 팽창밸브(31)의 개도량을 조절하여 통과되는 냉매가 팽창되도록 한다. 또한, 제 2 팽창밸브(32)는 제 1 팽창밸브(31)과 마찬가지로 개도량을 조절하여 통과되는 냉매가 팽창되도록 하거나 완전개방(Full Open)하여 냉매의 추가적인 팽창없이 그대로 유동되도록 할 수 있다.
또한, 제어부는 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 방열된 냉매가 흡열기(70)로 유동되도록 3방향 밸브(80)의 개폐를 제어하여 제 4 냉매라인(4)으로 냉매가 유동되도록 한다.
그래서, 압축기(10)에서 압축된 냉매는 실내 콘덴서(20)를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되어 냉각된다. 이렇게 저온고압의 냉매는 제 4 냉매라인(4)을 통하여 흡열기(70)로 유동된다.
그리고, 흡열기(70)에서는 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압의 냉매와 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압의 냉매 사이에 열교환이 이루어진다. 이때 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압의 냉매보다 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압의 냉매가 상대적으로 더 저온이기 때문에 실내 콘덴서(20)에서 토출된 저온고압 냉매의 열이 제 1 팽창밸브(31) 및 플래쉬 탱크(60)를 통과한 저온저압 냉매로 흡열되는 열교환이 이루어진다.
이렇게 흡열기에서 열을 방열된 냉매되는 다시 제 1 냉매라인(1)으로 합류되어 제 1 팽창밸브(31)로 유입되어 팽창된다.
또한, 제 2 냉매라인(2)으로 유동되는 저온저압의 냉매는 증발기(40)를 통과하면서 흡열하여 고온저압의 냉매가 되고, 고온저압의 냉매는 흡열기(70)를 통과한 고온저압의 냉매와 함께 압축기(10)로 흡입되어 압축된다.
이렇게 냉매 간 열교환되는 에너지를 통하여 난방을 실시함으로써, 별도의 냉각수와 열교환 없이도 압축기에서 소비되는 에너지만으로도 난방이 실시되는 COP=1인 상태를 구현할 수 있고, 더불어 증발기(40)에서 주변 공기의 열을 흡열하여 난방을 실시함으로써, 히트펌프 효율을 더욱 향상시키면서 실내 습기량을 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어부는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1: 제 1 냉매라인 2: 제 2 냉매라인
3: 제 3 냉매라인 4: 제 4 냉매라인
10: 압축기 20: 실내 콘덴서
31: 제 1 팽창밸브 32: 제 2 팽창밸브
40: 증발기 50: 기액 분리기
60: 플래쉬 탱크 70: 흡열기
80: 3방향 밸브 P1: 분기점
P2: 합류점

Claims (10)

  1. 압축기, 실내 콘덴서, 제 1 팽창밸브 및 플래쉬 탱크가 순차적으로 구비되어 냉매가 유동되는 제 1 냉매라인과;
    제 2 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 구비되어 냉매가 상기 플래쉬 탱크로부터 유동되어 상기 제 2 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 압축기로 순환되는 제 2 냉매라인과;
    상기 플래쉬 탱크에서 분기된 냉매가 압축기로 직접 유동되도록 구비되고, 상기 실내 콘덴서에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 탱크에서 토출된 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 흡열기가 구비되는 제 3 냉매라인과;
    상기 압축기의 작동 여부를 제어하고, 상기 제 1 팽창밸브 및 제 2 팽창밸브의 개도량을 조절하여 냉매의 유동 여부 및 팽창 여부를 제어하는 제어부를 포함하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 냉매라인 상에는 냉매의 유동방향을 기준으로 상기 실내 콘덴서의 하류지점에 구비되는 분기점에서 분기되어 상기 흡열기를 통과한 다음 상기 분기점의 하류지점과 제 1 팽창팰브 사이에서 상기 제 1 냉매라인과 합류되는 합류점으로 합류되는 제 4 냉매라인을 더 포함하고,
    상기 분기점 또는 합류점에는 3방향의 유동을 제어하는 3방향 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출된 냉매로 흡열되도록 열교환되는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발기는 차량에서 순환되는 공기의 열이 상기 제 2 냉매라인에서 유동되는 냉매로 흡열되도록 열교환되는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 제 1 난방모드에서,
    상기 제 1 냉매라인으로 유동되는 냉매를 상기 제 3 냉매라인으로 순환시키고, 상기 제 2 냉매라인으로 냉매가 유동되는 것을 차단시키되, 상기 실내 콘덴서를 통과한 냉매를 상기 흡열기로 유동시켜서,
    상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출되어 압축기로 유입되는 냉매로 흡열되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 제 1 난방모드에서,
    압축된 냉매가 실내 콘덴서를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 상기 압축기를 작동시키고,
    실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매가 상기 흡열기로 유동되도록 상기 3방향 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제 4 냉매라인으로 냉매가 유동되도록 하며,
    실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매와 상기 흡열기를 통과하면서 방열된 냉매가 제 1 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 플래쉬 탱크를 통과하도록 상기 제 1 팽창밸브의 개도량을 조절하고,
    상기 제 2 냉매라인으로 냉매가 유동되는 것을 차단하도록 상기 제 2 팽창밸브는 완전폐쇄(Full Close)하는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 난방모드는,
    상기 제 1 냉매라인, 제 3 냉매라인 및 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 상기 제 3 냉매라인에서 유동되는 냉매와 상기 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1 상태인 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 제 2 난방모드에서,
    상기 제 1 냉매라인으로 유동되는 냉매 중 일부는 상기 제 2 냉매라인으로 순환시키고, 나머지는 제 3 냉매라인으로 순환시키되, 상기 실내 콘덴서를 통과한 냉매를 상기 흡열기로 유동시켜서,
    상기 증발기에서는 차량에서 순환되는 공기의 열이 상기 제 2 냉매라인에서 유동되는 냉매로 흡열되도록 하고,
    상기 흡열기에서는 상기 실내 콘덴서에서 토출되는 냉매의 열이 상기 플래쉬 탱크에서 토출되어 압축기로 유입되는 냉매로 흡열되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는 제 2 난방모드에서,
    압축된 냉매가 실내 콘덴서를 통과하면서 차량의 내기와 열교환되면서 방열되도록 상기 압축기를 작동시키고,
    실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매가 상기 흡열기로 유동되도록 상기 3방향 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제 4 냉매라인으로 냉매가 유동되도록 하며,
    실내 콘덴서를 통과하면서 방열된 냉매와 상기 흡열기를 통과하면서 방열된 냉매가 제 1 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 플래쉬 탱크를 통과하도록 상기 제 1 팽창밸브의 개도량을 조절하고,
    상기 플래쉬 탱크를 통과한 냉매 중 일부가 제 2 팽창밸브를 통과하면서 팽창된 다음 상기 증발기를 통과하도록 상기 제 2 팽창밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 2 난방모드는,
    상기 제 1 냉매라인, 제 2 냉매라인, 제 3 냉매라인 및 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매가 별도의 냉각수와 열교환 없이 상기 제 3 냉매라인에서 유동되는 냉매와 상기 제 4 냉매라인에서 유동되는 냉매 사이에서 열교환이 이루어지는 COP=1 상태이고, 상기 증발기를 통과하는 냉매와 차량에서 순환되는 공기 사이에서 열교환이 이루어지는 상태인 것을 특징으로 하는 가스인젝션 타입의 차량용 열관리 시스템.
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