KR20230159178A - 전기 자동차의 히트펌프 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 자동차의 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 저온 외기온 환경에서 동결이 발생된 외부열교환기의 제상(defrosting)과 실내 난방이 동시에 구현되도록 함으로써 탑승객의 난방 편의성을 향상시킬 수 있는 전기 자동차의 히트펌프 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와; HVAC 모듈 내에 설치되며 압축기로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬을 통해 자동차 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기와; 제1내부열교환기와 일정거리 이격된 공기의 유동 흐름 상류측에 설치되며, 제1내부열교환기 또는 제2외부열교환기로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬을 통해 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제2내부열교환기와; 제1내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제1외부열교환기와; 제1외부열교환기와 직렬로 연결되며, 제1내부열교환기 또는 제1외부열교환기로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제2외부열교환기와; 제1내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 제1외부열교환기 및 제2외부열교환기로 동시 유입시키거나, 상기 제1외부열교환기 또는 제2외부열교환기로 선택적으로 유입시키도록 작동되는 제1삼방밸브와; 상기 제1삼방밸브와 제1외부열교환기 사이를 연결하는 제1입구측 냉매라인과; 제1입구측 냉매라인 상에 설치되는 제1팽창밸브와; 제1삼방밸브와 제2외부열교환기 사이를 연결하는 제2입구측 냉매라인과; 제2입구측 냉매라인 상에 설치되는 제2팽창밸브와; 제1외부열교환기의 출구측 냉매라인 상에 설치되며, 특정 공조모드에서 제1외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 제2외부열교환기 측으로 유입시키도록 작동되는 제2삼방밸브와; 상기 제2삼방밸브와 제2입구측 냉매라인 사이를 연결하는 제1연결 냉매라인과; 상기 제2입구측 냉매라인과 제3삼방밸브 사이를 연결하는 제2연결 냉매라인과; 제1외부열교환기의 출구측 냉매라인과 제2연결 냉매라인의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 제1외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 제2연결 냉매라인을 통해 제2입구측 냉매라인 측으로 유입시키도록 작동되는 제3삼방밸브와; 제1입구측 냉매라인과 제4삼방밸브 사이를 연결하는 바이패스 냉매라인과; 제2외부열교환기의 출구측 냉매라인과 바이패스 냉매라인의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 제2외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 바이패스 냉매라인을 통해 제1입구측 냉매라인으로 바이패스시키도록 작동되는 제4삼방밸브와; 상기 압축기, 블로워 팬 및 각종 밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기 자동차의 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 외기온 환경에서 동결이 발생된 외부열교환기의 제상(defrosting)과 실내 난방이 동시에 구현되도록 함으로써 탑승객의 난방 편의성을 향상시킬 수 있는 전기 자동차의 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
자동차 내에는 일반적으로 실내 공기의 온도를 조절하기 위한 공조 시스템이 갖추어져 있다. 이러한 자동차의 공조 시스템은 겨울철에는 온기를 발생시켜 실내를 따뜻하게 유지하고, 여름철에는 냉기를 발생시켜 실내를 시원하게 유지하도록 한다.
일반적인 자동차의 공조 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 냉매배관을 따라 순차적으로 연결되어 엔진의 동력에 의해 압축기가 구동하면서 냉매가 순환한다. 이러한 자동차의 공조 시스템은 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가스가 응축기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하여 액체상태의 냉매로 변환되고, 액화된 냉매는 응축기에 연결된 리시버 드라이어를 통과하면서 불순물이 제거된 후 팽창밸브를 통과하면서 저온의 기체로 변화된다. 그리고, 기화된 저온의 냉매는 증발기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하면서 냉각되고, 이 냉각된 공기는 송풍기에 의해 자동차 실내로 토출되며, 증발기를 통과한 저온 기체 상태의 냉매는 다시 압축기로 보내져 고온, 고압으로 압축되는 과정을 반복적으로 순환하게 된다.
한편, 최근에는 전기 에너지를 동력원으로 이용하는 전기 자동차가 출시되고 있는데, 이러한 전기 자동차에 장착되는 공조 시스템은 배터리에서 공급되는 전원을 통해 물 또는 공기를 가열하여 자동차 실내의 난방을 수행하도록 구성됨에 따라 전기 자동차의 동력성능을 현저하게 저하시키게 되는 문제를 야기하고 있다.
따라서, 전기 자동차의 공조 시스템에는 기존의 내연기관 자동차와 유사하게 히트펌프 시스템을 적용하고 있는데, 이러한 히트펌프 시스템은 냉매의 압축-응축-감압-증발로 이루어지는 사이클을 가역적으로 적용하여 냉방과 난방을 겸하는 냉난방 겸용 시스템으로 구성된다.
즉, 히트펌프 시스템은 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하여 주위의 열을 빼앗아 기체가 되고, 다시 응축기에서 주위에 열을 방출하면서 액화되는 순환 사이클을 가지기 때문에, 이를 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용함으로써 기존 공조 시스템의 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
한편, 이와 같은 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동하는 경우 실내기인 내부열교환기는 응축기 기능을 수행하고, 실외기인 외부열교환기는 증발기 기능을 수행하게 된다. 이와 반대로, 실내 냉방 모드로 작동하는 경우에는 내부열교환기가 증발기 기능을 수행하고, 외부열교환기는 응축기 기능을 수행하게 된다.
그러나, 외기 온도가 낮은 겨울철에 실내 난방 모드로 작동하는 경우에는 증발기 기능을 하는 외부열교환기 표면에 응축수가 동결하는 경우가 발생하게 되며, 이러한 응축수의 동결은 외부열교환기 표면을 통과하는 공기 유동을 방해하거나 열교환기 표면의 열전달을 방해하여 열교환기 성능을 저하시키게 됨으로써 히트펌프 기능을 원활히 수행하지 못하게 된다. 따라서, 저온의 외기온 환경에서는 외부열교환기 표면의 응축수 동결을 감지, 판단한 후 동결된 외부열교환기 표면의 제상(defrosting) 작업이 필요하다.
그러나, 기존의 히트펌프 시스템의 경우에는 외기온도가 낮은 겨울철에 동결된 외부열교환기 표면의 제상을 위해 히트펌프 시스템의 냉매 사이클을 실내 냉방 모드(A/C 모드)로 변경하여 외부열교환기로 고온 냉매가 유동되도록 함으로써 고온 냉매를 통해 열교환기 표면을 제상할 수 있지만, 반대로 실내측에 위치한 내부열교환기는 증발기로 작용하여 실내로 냉각공기가 토출됨으로써 탑승객의 난방 편의성을 저하시키는 문제점이 있었다. 따라서, 탑승객의 난방 편의성을 그대로 유지하면서 동결된 상태의 외부열교환기를 효과적으로 제상할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 외기온도가 낮은 겨울철에 히트펌프를 난방 모드로 작동시키는 경우 외부열교환기의 제상과 함께 실내 난방이 동시에 구현되도록 함으로써 탑승객의 난방 편의성을 향상시킬 수 있는 전기 자동차의 히트펌프 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와; HVAC 모듈 내에 설치되며 압축기로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬을 통해 자동차 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기와; 제1내부열교환기와 일정거리 이격된 공기의 유동 흐름 상류측에 설치되며, 제1내부열교환기 또는 제2외부열교환기로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬을 통해 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제2내부열교환기와; 제1내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제1외부열교환기와; 제1외부열교환기와 직렬로 연결되며, 제1내부열교환기 또는 제1외부열교환기로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제2외부열교환기와; 제1내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 제1외부열교환기 및 제2외부열교환기로 동시 유입시키거나, 상기 제1외부열교환기 또는 제2외부열교환기로 선택적으로 유입시키도록 작동되는 제1삼방밸브와; 상기 제1삼방밸브와 제1외부열교환기 사이를 연결하는 제1입구측 냉매라인과; 제1입구측 냉매라인 상에 설치되는 제1팽창밸브와; 제1삼방밸브와 제2외부열교환기 사이를 연결하는 제2입구측 냉매라인과; 제2입구측 냉매라인 상에 설치되는 제2팽창밸브와; 제1외부열교환기의 출구측 냉매라인 상에 설치되며, 특정 공조모드에서 제1외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 제2외부열교환기 측으로 유입시키도록 작동되는 제2삼방밸브와; 상기 제2삼방밸브와 제2입구측 냉매라인 사이를 연결하는 제1연결 냉매라인과; 상기 제2입구측 냉매라인과 제3삼방밸브 사이를 연결하는 제2연결 냉매라인과; 제1외부열교환기의 출구측 냉매라인과 제2연결 냉매라인의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 제1외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 제2연결 냉매라인을 통해 제2입구측 냉매라인 측으로 유입시키도록 작동되는 제3삼방밸브와; 제1입구측 냉매라인과 제4삼방밸브 사이를 연결하는 바이패스 냉매라인과; 제2외부열교환기의 출구측 냉매라인과 바이패스 냉매라인의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 제2외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 바이패스 냉매라인을 통해 제1입구측 냉매라인으로 바이패스시키도록 작동되는 제4삼방밸브와; 상기 압축기, 블로워 팬 및 각종 밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2연결 냉매라인과 바이패스 냉매라인 상에는 각각 체크밸브가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 제1내부열교환기는 응축기로 기능하고, 제2내부열교환기는 증발기로 기능할 수 있다.
이 경우, 상기 제2내부열교환기는 상기 제1내부열교환기보다 열교환 용량이 더 크고, 블로워 팬과 더 가까운 위치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1내부열교환기와 인접하는 HVAC 모듈 내부 영역에는 제2내부열교환기에서 열교환된 공기를 제1내부열교환기에 통과시키지 않고 실내 측으로 직접 토출시킬 수 있도록 하는 토출유로가 구비될 수 있다.
이때, 상기 HVAC 모듈 내부에는 제2내부열교환기에서 열교환된 공기를 제1내부열교환기 또는 토출유로 측으로 선택적으로 유도하도록 제어부를 통해 제어되는 유로변경도어가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 제1내부열교환기의 출구측에는 제1내부열교환기에서 열교환 후 실내 측으로 공급되는 공기를 추가적으로 가열해줄 수 있는 PTC 히터가 추가 설치될 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템에는 제1외부열교환기 또는 제2외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 회로부를 순환하는 냉각수를 열교환시킬 수 있는 전장품 열교환기가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 히트펌프 시스템에는 제1외부열교환기 또는 제2외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 압축기 또는 제2내부열교환기 측으로 선택적으로 유입시키도록 작동될 수 있는 제5삼방밸브가 설치될 수 있다.
또한, 상기 제1내부열교환기와 제1삼방밸브를 연결하는 냉매라인 상에는 특정 공조모드에서 제1내부열교환기로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 제1외부열교환기 측으로 유입시키도록 작동될 수 있는 제3팽창밸브가 설치될 수 있다.
아울러, 상기 제5삼방밸브와 제2내부열교환기 사이에 위치하는 냉매라인과 상기 제2내부열교환기와 압축기 사이에 위치하는 냉매라인 사이에는 중간열교환기가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 히트펌프 시스템은, 제1내부열교환기의 출구측 냉매라인과 중간열교환기 사이를 연결하는 제3연결 냉매라인을 더 포함하되, 상기 제3연결 냉매라인에는 제어부를 통해 냉매의 유동 흐름을 개폐하도록 작동되는 개폐밸브가 설치될 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 경우,
상기 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기가 유로변경도어를 통해 제1내부열교환기 측으로 유도되어 제1내부열교환기 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 제1내부열교환기에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 제1삼방밸브에서 제1입구측 냉매라인을 따라 제1외부열교환기로 유입되어 제1외부열교환기의 표면을 제상하고,
다른 일부는 제2입구측 냉매라인을 따라 이동하며 제1외부열교환기에서 배출되어 제2연결 냉매라인을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 제2팽창밸브로 유입되어 팽창되고, 상기 제2팽창밸브에서 팽창된 냉매가 제2외부열교환기에서 열교환 후 배출되어 제4삼방밸브 및 압축기를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 경우,
상기 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기가 유로변경도어를 통해 제1내부열교환기 측으로 유도되어 제1내부열교환기 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 제1내부열교환기에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 제1삼방밸브에서 제2입구측 냉매라인을 따라 제2외부열교환기로 유입되어 제2외부열교환기의 표면을 제상하고,
다른 일부는 제1입구측 냉매라인을 따라 이동하며 제2외부열교환기에서 배출되어 바이패스 냉매라인을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 제1팽창밸브로 유입되어 팽창되고, 상기 제1팽창밸브에서 팽창된 냉매가 제1외부열교환기에서 열교환 후 배출되어 상기 제2삼방밸브, 제3삼방밸브, 압축기를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로만 작동될 경우,
상기 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기가 유로변경도어를 통해 제1내부열교환기 측으로 유도되어 제1내부열교환기 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 압축기로부터 전달된 냉매가 제1내부열교환기에서 공기와 열교환 후 배출되어 제3팽창밸브를 통해 팽창된 이후 제1삼방밸브를 경유하여 제1입구측 냉매라인을 따라 제1외부열교환기로 유입되어 열교환되고, 상기 제1외부열교환기에서 열교환 후 배출된 냉매가 제2삼방밸브를 경유하여 제1연결 냉매라인을 따라 제2외부열교환기로 유입되어 열교환된 이후 다시 상기 압축기로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로만 작동될 경우,
상기 블로워 팬을 통해 송풍되는 공기가 제2내부열교환기 내부를 유동하는 저온의 냉매와 열교환 후 유로변경도어를 통해 토출유로 측으로 유도되어 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 압축기로부터 전달된 냉매가 제1내부열교환기에서 공기와 열교환 후 배출되어 제1입구측 냉매라인을 따라 제1외부열교환기로 유입되어 열교환되고, 상기 제1외부열교환기에서 열교환 후 배출된 냉매가 제2삼방밸브를 경유하여 제1연결 냉매라인을 따라 제2외부열교환기로 유입되어 열교환된 이후 상기 제2내부열교환기로 유입되어 공기와 열교환 후 다시 상기 압축기로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 자동차용 히트펌프 시스템은 실내기로 사용되는 내부열교환기와 실외기로 사용되는 외부열교환기를 복수 개로 구성하고, 이들 내부열교환기 및 외부열교환기를 복수의 냉매라인 및 밸브류의 조합에 의해 구성하여, 저온의 외기온 환경에서 어느 일측의 외부열교환기에 동결이 발생한 경우에 동결이 발생된 외부열교환기 부분에 내부열교환기로부터 전달되는 고온의 냉매를 공급하여 제상하고, 다른 일측의 외부열교환기는 증발기 역할을 하는 히트펌프 모드로 작동되도록 하여, 동결이 발생된 외부열교환기의 제상 작업과 함께 차량 실내로 따뜻한 공기를 지속적으로 공급하여 외부열교환기의 제상과 실내 난방을 동시에 구현할 수 있다.
특히, 히트펌프 모드로 작동되는 일측의 외부열교환기에서 동결이 발생된 경우에 제어부에 의한 각종 밸브류의 조정을 통해 기존의 제상이 완료된 외부열교환기를 히트펌프 모드로 작동되도록 변경하고, 동결이 새롭게 발생된 외부열교환기를 제상 모드로 작동되도록 변경하여 동결된 외부열교환기의 제상이 이루어지도록 함으로써, 난방 모드로 작동 중에 복수의 외부열교환기들이 증발기 기능을 교차로 수행하면서 동결된 어느 한쪽 외부열교환기가 제상되는 동안 내부열교환기가 증발기 역할을 할 필요없이 응축기 기능을 지속적으로 수행할 수 있게 됨으로써 탑승객의 난방 편의성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도.
도 8은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 9는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 10은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 12는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도.
도 8은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 9는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 10은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 예시도.
도 12는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 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 제1실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(110)와, HVAC 모듈(120) 내에 설치되며 압축기(110)로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬(121)을 통해 자동차 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기(122)와, 제1내부열교환기(122)와 일정거리 이격된 공기의 유동 흐름 상류측에 설치되며 제1내부열교환기(122) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬(121)을 통해 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제2내부열교환기(123)와, 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제1외부열교환기(132)와, 제1외부열교환기(132)와 직렬로 연결되며 제1내부열교환기(122) 또는 제1외부열교환기(132)로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제2외부열교환기(134)와, 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134)로 동시 유입시키거나 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로 선택적으로 유입시키도록 작동되는 제1삼방밸브(V1)와, 제1삼방밸브(V1)와 제1외부열교환기(132) 사이를 연결하는 제1입구측 냉매라인(EL1)과, 제1입구측 냉매라인(EL1) 상에 설치되는 제1팽창밸브(TXV1)와, 제1삼방밸브(V1)와 제2외부열교환기(134) 사이를 연결하는 제2입구측 냉매라인(EL2)과, 제2입구측 냉매라인(EL2) 상에 설치되는 제2팽창밸브(TXV2)와, 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2) 상에 설치되며 특정 공조모드에서 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매를 제2외부열교환기(134) 측으로 유입시키도록 작동되는 제2삼방밸브(V2)와, 제2삼방밸브(V2)와 제2입구측 냉매라인(EL2) 사이를 연결하는 제1연결 냉매라인(SL1)과, 제2입구측 냉매라인(EL2)과 제3삼방밸브(V3) 사이를 연결하는 제2연결 냉매라인(SL2)과, 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2)과 제2연결 냉매라인(SL2)의 교차지점에 설치되며 특정 공조모드에서 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매를 제2연결 냉매라인(SL2)을 통해 제2입구측 냉매라인(EL2) 측으로 유입시키도록 작동되는 제3삼방밸브(V3)와, 제1입구측 냉매라인(EL1)과 제4삼방밸브(V4) 사이를 연결하는 바이패스 냉매라인(BPL)과, 제2외부열교환기(134)의 출구측 냉매라인(L3)과 바이패스 냉매라인(BPL)의 교차지점에 설치되며 특정 공조모드에서 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 바이패스 냉매라인(BPL)을 통해 제1입구측 냉매라인(EL1)으로 바이패스시키도록 작동되는 제4삼방밸브(V4)와, 상기 압축기(110), 블로워 팬(121) 및 각종 밸브를 제어하는 제어부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
압축기(110)는 냉매를 압축하여 토출하는 구성으로, 제어부를 통해 압축기(110)의 RPM을 PID 제어(Proportional Integral Differential Control)할 수 있는 전동식 압축기가 구비될 수 있다.
제1내부열교환기(122)는 HVAC(heating, ventilation, & air conditioning) 모듈(120) 내부에서 송풍되는 공기의 유동흐름 상류측에 배치되며, 압축기(110)로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬(121)을 통해 자동차 실내로 송풍되는 공기와 열교환시킬 수 있다.
제2내부열교환기(123)는 제1내부열교환기(122)로부터 일정거리 이격된 송풍 공기의 유동 흐름 상류측에 배치되며, 공조모드에 따라 제1내부열교환기(122) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬(121)을 통해 실내로 송풍되는 공기와 열교환시킬 수 있다.
여기서, 제1내부열교환기(122)는 압축기(110)로부터 전달되는 고온의 냉매를 송풍되는 공기와 열교환시키는 응축기(Condenser)로서의 기능을 하고, 제2내부열교환기(123)는 제1내부열교환기(122) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 전달되는 저온의 냉매를 송풍되는 공기와 열교환시키는 증발기(Evaporator)로서의 기능을 하게 된다.
이 경우, 제2내부열교환기(123)는 제1내부열교환기(122)보다 블로워 팬(121)과 더 가까운 공기의 유동흐름 상류측에 배치될 수 있으며, 제1내부열교환기(122)의 열교환 용량보다 일정수준 큰 열교환 용량을 갖는 열교환기로 구비될 수 있다.
그리고, HVAC 모듈(120) 내부에서 제1내부열교환기(122)의 출구측 방면에는 제1내부열교환기(122)에서 열교환 후 실내 측으로 송풍되는 공기를 추가적으로 가열해줄 수 있는 PTC 히터(126)가 설치될 수 있다.
이 경우, PTC 히터(126)는 송풍팬과 자체 센서 및 방열핀을 구비하며, 외부 제어부에 의한 피드백 제어 없이도 자체적으로 동작하며 균일한 열원을 제공해줄 수 있는 PTC(Positive Temperature Coefficient) Air Heater가 적용될 수 있다.
한편, 실외기인 외부열교환기는 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 자동차 내부로 유입되는 외부 공기와 열교환시킬 수 있다. 이러한 외부열교환기는 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134)를 포함하는 복수 개의 열교환기 형태로 구비될 수 있다.
여기서, 제1외부열교환기(132)는 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 자동차 내부로 유입되는 외부 공기와 열교환시킬 수 있다. 그리고, 제2외부열교환기(134)는 제1외부열교환기(132)와 직렬로 연결되어 상기 제1내부열교환기(122) 또는 제1외부열교환기(132)로부터 전달되는 냉매를 자동차 내부로 유입되는 외부 공기와 열교환시킬 수 있다.
이러한 외부열교환기는 냉방 모드에서 전장품 냉각수 회로부(150) 내부를 순환하는 냉각수를 열교환시키는 수냉식 응축기로서 작동하고, 난방 모드에서는 자동차에 탑재된 전장품에서 발생된 열을 흡수하는 증발기로 작동할 수 있다.
본 발명의 실시 예에는 실외기로 기능하는 외부열교환기를 독립된 2개 장치형태의 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134)로 구성하였지만, 하나의 외부열교환기 장치 내부를 2개의 영역으로 나누어 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134)를 구성할 수도 있으며, 서로 구획된 2개 이상의 외부열교환기 형태로 구성할 수도 있다.
한편, 제1내부열교환기(122)의 출구측 냉매라인(L1)의 말단에는 공조모드에 따라 제어부에서 전달되는 제어신호에 의해 작동되어 상기 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 제1외부열교환기(132)와 제2외부열교환기(134)로 동시 유입시키거나, 또는 제1외부열교환기(132)나 제2외부열교환기(134) 어느 한쪽으로만 냉매를 선택적으로 유입시킬 수 있는 제1삼방밸브(V1)가 설치될 수 있다.
예를 들어, 히트펌프 시스템이 냉방 및 난방 모드로 작동시 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매는 제1삼방밸브(V1)를 경유하여 상기 제1삼방밸브(V1)와 제1외부열교환기(132) 사이를 연결하는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입될 수 있다.
그리고, 제1입구측 냉매라인(EL1) 상에는 냉매를 팽창시킬 수 있는 제1팽창밸브(TXV1)가 설치되어, 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 제2외부열교환기 제상 모드)에서 상기 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 이동하는 냉매를 팽창시켜 저온 상태의 냉매를 제1외부열교환기(132)로 공급할 수 있다.
또한, 특정 공조모드(난방 및 제2외부열교환기 제상 모드)에서 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매는 제1삼방밸브(V1)를 경유하여 상기 제1삼방밸브(V1)와 제2외부열교환기(134) 사이를 연결하는 제2입구측 냉매라인(EL2)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입될 수 있다.
이때, 제2입구측 냉매라인(EL2) 상에는 제2팽창밸브(TXV2)가 설치되어, 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 제1외부열교환기 제상 모드)에서 상기 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 이동하는 냉매를 팽창시켜 저온 상태의 냉매를 상기 제2외부열교환기(134)로 제공할 수 있다.
그리고, 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2) 상에는 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 냉방 모드)에서 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라 제1외부열교환기(132)에서 배출되는 냉매를 제2외부열교환기(134)로 직접 유입시킬 수 있도록 작동되는 제2삼방밸브(V2)가 설치될 수 있다.
이때, 상기 제2삼방밸브(V2)와 제2입구측 냉매라인(EL2) 사이에는 제1연결 냉매라인(SL1)이 연결 설치되어, 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 냉방 모드)에서 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매가 제2삼방밸브(V2)에서 제1연결 냉매라인(SL1)을 따라 이동하여 제2외부열교환기(134)로 유입될 수 있다.
또한, 제2입구측 냉매라인(EL2)과 제3삼방밸브(V3) 사이에는 제2연결 냉매라인(SL2)이 연결 설치되고, 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2)과 제2연결 냉매라인(SL2)의 교차지점에는 제어부를 통해 작동이 제어되는 제3삼방밸브(V3)가 설치될 수 있다.
상기 제3삼방밸브(V3)는 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 제1외부열교환기 제상 모드)에서 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매를 제2연결 냉매라인(SL2)으로 유입시켜 상기 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 이동하는 냉매와 합류하여 제2팽창밸브(TXV2)로 유입될 수 있도록 제어부에 의해 작동이 제어될 수 있다. 이때, 제2연결 냉매라인(SL2) 상에는 냉매의 역류 방지를 위한 체크밸브(142)가 설치될 수 있다.
그리고, 제2외부열교환기(134)의 출구측 냉매라인(L3) 상에는 제4삼방밸브(V4)가 설치되며, 상기 제4삼방밸브(V4)와 제1입구측 냉매라인(EL1) 사이를 연결하는 바이패스 냉매라인(BPL)이 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제4삼방밸브(V4)는 제2외부열교환기(134)의 출구측 냉매라인(L3)과 바이패스 냉매라인(BPL)의 교차지점에 설치되어, 특정 공조모드(예를 들어, 난방 및 제2외부열교환기 제상 모드)에서 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 바이패스 냉매라인(BPL)을 통해 제1입구측 냉매라인(EL1)으로 바이패스시키도록 제어될 수 있다. 이때, 바이패스 냉매라인(BPL) 상에는 제2외부열교환기(134) 측으로 냉매가 역류하지 않도록 체크밸브(144)가 설치될 수 있다.
한편, HVAC 모듈(120)의 내부 영역에서 제1내부열교환기(122)와 인접하는 위치에는 제2내부열교환기(123)에서 열교환된 공기를 제1내부열교환기(122)에 통과시키지 않고 실내 측으로 직접 토출시킬 수 있는 토출유로(124)가 형성될 수 있다.
그리고, HVAC 모듈(120) 내부에는 제2내부열교환기(123)에서 열교환된 공기를 제1내부열교환기(122) 또는 토출유로(124) 측 방향으로 선택적으로 유도할 수 있는 유로변경도어(125)가 회동 가능하게 설치될 수 있다.
즉, 상기 유로변경도어(125)는 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회동되며, 제2내부열교환기(123)에서 열교환된 공기를 제1내부열교환기(122) 또는 토출유로(124) 측으로 향하도록 안내하는 기능을 하게 된다.
그리고, HVAC 모듈(120) 내부에서 제1내부열교환기(122)의 출구측 방면에는 상기 제1내부열교환기(122)에서 열교환 후 실내 측으로 송풍되는 공기를 추가적으로 가열해줄 수 있는 PTC 히터(126)가 설치될 수 있다.
이 경우, 상기 PTC 히터(126)는 송풍팬과 자체 센서 및 방열핀을 구비하며, 외부 제어부에 의한 피드백 제어 없이도 자체적으로 동작하며 균일한 열원을 제공해줄 수 있는 PTC(Positive Temperature Coefficient) Air Heater가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 히트펌프 시스템에는 제1 및 제2외부열교환기(132,134)와 인접하여 장착되어 공조모드에 따라 자동차의 전장품에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 기능을 하는 전장품 냉각수 회로부(150)가 구비될 수 있다.
상기 전장품 냉각수 회로부(150)에는 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로 유입되거나 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 전장품 냉각수 회로부(150) 내부를 순환하는 냉각수와 상호 열교환시킬 수 있는 전장품 열교환기(151)가 설치될 수 있다.
상기 전장품 냉각수 회로부(150)에서 냉각수가 유동 순환하는 냉각수 유로(152)는 OBC, LDC, Motor 등과 같은 차량의 각종 전장부품에서 발생되는 열을 흡수하는 전장품 열관리 장치(Power Electronics and Electric Motor; PEEM, 153)와 전장품 라디에이터(155)를 연결하는 하나의 냉각수 유동 통로를 형성하게 된다. 그리고, 전장품 라디에이터(155)에서 전장품 열관리 장치(153)로 향하는 냉각수 유로(152) 상에는 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 펌프(154)가 설치될 수 있다.
이 경우, 전장품 라디에이터(155)는 냉각수 유로(152)를 통해 유동하는 냉각수의 열을 외부로 방출시키게 되는데, 차량의 전장부품에서 발생된 열을 흡수한 고온의 냉각수를 전장품 라디에이터(155)만을 이용하여 외부로 방열시켜 냉각할 수 있고, 별도의 냉각팬(156)을 추가 설치하여 방열을 촉진시킬 수도 있다.
또한, 전장품 열관리 장치(153)에서 전장품 라디에이터(155)로 향하는 냉각수 유로(152) 상에는 상기 전장품 열관리 장치(153)로부터 배출되는 냉각수를 전장품 열교환기(151) 측으로 바이패스(bypass)시킬 수 있는 바이패스 유로(157)가 설치될 수 있다. 이때, 상기 냉각수 유로(152)와 바이패스 유로(157)의 교차지점에는 바이패스 유로(157) 측으로 냉각수의 이동을 선택적으로 허용할 수 있는 바이패스 밸브(158)가 설치될 수 있다.
이 경우, 바이패스 밸브(158)는 공조 모드에 따라 전장품 열관리 장치(183)에서 나온 냉각수를 전장품 라디에이터(155)로 유입시키거나, 바이패스 유로(157)를 통해 우회시켜 전장품 열교환기(151) 내부로 유입시키도록 냉각수의 이동 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 삼방밸브(3-way valve)가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 히트펌프 시스템에는 공조모드에 따라 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 압축기(110) 또는 제2내부열교환기(123)로 선택적으로 유입시킬 수 있도록 제어되는 제5삼방밸브(V5)가 설치될 수 있다.
이 경우, 상기 제5삼방밸브(V5)는 제4삼방밸브(V4)에서 제2내부열교환기(123)로 향하는 냉매라인(L4)과 압축기(110)로 향하는 냉매라인(L8)의 교차지점에 설치될 수 있다. 이때, 상기 제5삼방밸브(V5)에서 압축기(110)로 향하는 냉매라인(L8)에는 냉매의 역류 방지를 위한 체크밸브(146)가 설치될 수 있다.
그리고, 제1내부열교환기(122)와 제1삼방밸브(V1)를 연결하는 냉매라인(L1) 상에는 특정 공조모드(예를 들어, 난방 모드)에서 제1내부열교환기(122)로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 저온 상태로 제1외부열교환기(132) 측으로 공급할 수 있는 제3팽창밸브(TXV3)가 설치될 수 있다.
또한, 제5삼방밸브(V5)와 제2내부열교환기(123) 사이에 위치하는 냉매라인(L5)과 제2내부열교환기(123)와 압축기(110) 사이에 위치하는 냉매라인(L7) 사이에는 IHX(Intermediate Heat Exchanger)로도 약칭되는 중간열교환기(165)가 설치될 수 있다.
상기 중간열교환기(165)는 제2내부열교환기(123)를 통과하기 전의 냉매와 통과한 후의 냉매 간의 열교환을 위해 마련된 구성으로, 이러한 중간열교환기(165)는 공조모드에 따라 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 제2내부열교환기(123)로 전달하거나, 상기 제2내부열교환기(123)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 압축기(110)에 전달할 수 있다.
아울러, 상기 중간열교환기(165)에서 제2내부열교환기(123)로 향하는 냉매라인(L6) 상에는 특정 공조모드(예를 들어, 냉방 및 제습 모드)에서 중간열교환기(165)를 통과한 냉매를 팽창시켜 저온 상태의 냉매를 제2내부열교환기(123)로 유입시킬 수 있는 제4팽창밸브(TXV4)가 설치될 수 있다.
이 경우, 본 발명의 실시 예에서는 제1팽창밸브(TXV1)와 제2팽창밸브(TXV2) 및 제3팽창밸브(TXV3)를 개도량 조절이 불가능한 기계식 팽창밸브로 적용하고, 제4팽창밸브(TXV4)를 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)로 적용한 예를 도시하고 있으나, 상기 제1팽창밸브(TXV1), 제2팽창밸브(TXV2), 제3팽창밸브(TXV3), 및 제4팽창밸브(TXV4)는 필요에 따라 기계식 또는 전자식 팽창밸브로 다양하게 변경하여 적용할 수 있다.
또한, 상기 중간열교환기(165)와 제4팽창밸브(TXV4) 사이에 위치하는 냉매라인(L6)과 제1내부열교환기(122)의 출구측 냉매라인(L1) 사이에는 이들 냉매라인 사이를 연결하는 제3연결 냉매라인(SL3)이 설치될 수 있다. 이때, 상기 제3연결 냉매라인(SL3) 상에는 제어부에서 입력되는 제어신호에 의해 냉매의 유동 흐름을 개폐할 수 있는 개폐밸브(167)가 설치될 수 있다.
이하에서는 상술한 구성을 갖는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 각 공조 모드에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드(A/C 모드)만으로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) - 제2삼방밸브(V2) - 제1연결 냉매라인(SL1) - 제2외부열교환기(134) - 제4삼방밸브(V4) - 중간열교환기(165) - 제4팽창밸브(TXV4) - 제2내부열교환기(123, 증발기로 기능) - 중간열교환기(165) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
여기서, 제1팽창밸브(TXV1) 및 제3팽창밸브(TXV3)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은 실내 냉방 모드에서, 제어부는 HVAC 모듈(120) 내부의 유로변경도어(125)를 제어하여 토출유로(124)를 개방시키고 제1내부열교환기(122)로 향하는 공기 유로를 폐쇄함으로써, 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 증발기로 기능하는 제2내부열교환기(123) 내부를 유동하는 저온의 냉매와 열교환된 후 유로변경도어(125)를 통해 토출유로(124) 측으로 유도되어 실내로 토출되도록 제어할 수 있다.
이와 동시에 상기 제어부는 제1삼방밸브(V1)와 제2삼방밸브(V2)를 제어하여 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매가 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 1차 열교환 후, 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 2차 열교환 후 배출되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 제1내부열교환기(122)를 경유하여 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 1차 열교환되고, 상기 제1외부열교환기(132)에서 외부 공기와 열교환된 후 배출된 냉매가 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 2차 열교환된 후 제4팽창밸브(TXV4)로 유입되어 팽창된 다음 제2내부열교환기(123)로 유입되어 송풍 공기와 열교환 후 중간열교환기(165), 전장품 열교환기(151), 어큐뮬레이터(105)를 순차적으로 경유하여 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이와 같은, 실내 냉방 모드에서는 제2내부열교환기(123)가 증발기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제4팽창밸브(TXV4)를 거쳐 저온 상태로 제2내부열교환기(123)로 유입된 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태로 토출유로(124)를 통해 실내로 토출됨으로써 실내 냉방이 이루어질 수 있다. 즉, 실내 냉방 모드에서는 증발기로 작동하는 하나의 제2내부열교환기(123)만으로 실내 냉방이 구현될 수 있다.
또한, 전장품 냉각수 회로부(150)에서는 바이패스 밸브(158)에 의해 전장품 열교환기(151)로 향하는 바이패스 유로(157)가 폐쇄됨으로서, 전장품 열관리 장치(153)에서 배출되는 고온의 냉각수가 바이패스 밸브(158)를 경유하여 전장품 라디에이터(155)로 유입되어 외부 공기와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 펌프(154)를 거쳐 다시 전장품 열관리 장치(153)로 유입되는 냉각수 유동 순환이 이루어지게 됨으로써 차량의 전장부품에서 발생하는 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드만으로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제3팽창밸브(TXV3) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) - 제2삼방밸브(V2) - 제2외부열교환기(134) - 제4삼방밸브(V4) - 전장품 열교환기(151) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
여기서, 제1팽창밸브(TXV1)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은 실내 난방 모드에서, 제어부는 HVAC 모듈(120) 내부의 유로변경도어(125)를 제어하여 토출유로(124)를 폐쇄시키고 제1내부열교환기(122)로 향하는 공기 유로를 개방함으로써, 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환된 후 실내로 토출되도록 제어할 수 있다.
이와 동시에 상기 제어부는 제1삼방밸브(V1)와 제2삼방밸브(V2)를 제어하여 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매가 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 1차 열교환 후, 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 2차 열교환 후 배출되도록 제어할 수 있다.
아울러, 상기 제어부는 제3팽창밸브(TXV3)를 작동시켜 제1내부열교환기(122)로부터 배출되는 냉매가 상기 제3팽창밸브(TXV3)에서 팽창되어 저온 상태로 제1외부열교환기(132)로 공급되도록 제어할 수 있으며, 또한, 제2내부열교환기(123)의 입구측에 위치한 제4팽창밸브(TXV4)를 폐쇄하여 제2외부열교환기(134)에서 배출되는 냉매가 제2내부열교환기(123)로 유입되지 않고 제5삼방밸브(V5)를 경유하여 압축기(110) 측으로 유동되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)로 유입되어 송풍되는 공기와 열교환되고, 공기와 열교환 후 제1내부열교환기(122)에서 배출되는 냉매가 제3팽창밸브(TXV3)에서 팽창되어 저온 상태로 만들어진 다음 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환되고, 상기 제1외부열교환기(132)에서 외부 공기와 열교환된 후 배출된 냉매가 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 열교환된 이후 제5삼방밸브(V5), 전장품 열교환기(151), 어큐뮬레이터(105)를 순차적으로 경유하여 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이와 같은, 실내 난방 모드에서는 제1내부열교환기(122)가 응축기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제1내부열교환기(122)로 유입된 고온의 냉매와 열교환 후 온도가 상승된 상태로 실내로 토출됨으로써 실내 난방이 이루어질 수 있다. 즉, 실내 난방 모드에서는 응축기로 작동하는 하나의 제1내부열교환기(122)만을 이용하여 실내 난방이 구현될 수 있다.
또한, 전장품 냉각수 회로부(150)에서는 바이패스 밸브(158)에 의해 전장품 열교환기(151)로 향하는 바이패스 유로(157)가 개방되어, 전장품 열관리 장치(153)에서 배출되는 고온의 냉각수가 바이패스 밸브(158)를 경유하여 바이패스 유로(157)로 유입되어 전장품 열교환기(151)에서 저온의 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태로 전장품 열관리 장치(153)로 유입되는 냉각수의 유동 순환이 이루어지게 됨으로써 차량의 전장부품에서 발생하는 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드(Dehumidification)로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 나타낸 것이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 개폐밸브(167) - 제4팽창밸브(TXV4) - 제2내부열교환기(123, 증발기로 기능) - 중간열교환기(165) - 어큐뮬레이터(105) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
이와 같은 제습 냉방 모드에서, 제어부는 HVAC 모듈(120) 내부의 유로변경도어(125)를 제어하여 토출유로(124)를 폐쇄시키고 제1내부열교환기(122)로 향하는 공기 유로를 개방함으로써, 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 증발기로 기능하는 제2내부열교환기(123) 내부를 유동하는 저온의 냉매와 열교환된 후 유로변경도어(125)를 통해 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 상기 제1내부열교환기(122)에서 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어할 수 있다.
이와 동시에 상기 제어부는 제3팽창밸브(TXV3)와 제5삼방밸브(V5)를 폐쇄시키고, 개폐밸브(167)를 개방시켜서 제1내부열교환기(122)로부터 배출되는 냉매가 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134) 측으로 유입되지 않고 제3연결 냉매라인(SL3)을 통해 제4팽창밸브(TXV4)로 유입되어 팽창된 후 제2내부열교환기(123) 측으로 공급되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 제1내부열교환기(122)로 유입되어 송풍되는 공기와 열교환된 이후 제3연결 냉매라인(SL3)을 따라 제4팽창밸브(TXV4)로 유입되어 팽창된 후 제2내부열교환기(123)로 유입되어 송풍 공기와 열교환 후 중간열교환기(165), 전장품 열교환기(151), 어큐뮬레이터(105)를 순차적으로 경유하여 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이와 같은, 실내 제습 모드에서는 제2내부열교환기(123)가 증발기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제4팽창밸브(TXV4)를 거쳐 저온 상태로 제2내부열교환기(123)에 유입된 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 하류 측에 위치한 제1내부열교환기(122)에서 고온의 냉매와 다시 열교환된 후 실내로 토출됨으로써 실내 제습이 구현될 수 있다.
이 경우, 전장품 냉각수 회로부(150)에서는 바이패스 밸브(158)에 의해 전장품 열교환기(151)로 향하는 바이패스 유로(157)가 폐쇄되어, 전장품 열관리 장치(153)에서 배출되는 고온의 냉각수가 바이패스 밸브(158)를 경유하여 전장품 라디에이터(155)로 유입되어 외부 공기와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 다시 전장품 열관리 장치(153)로 유입되는 냉각수 유동 순환이 이루어지게 됨으로써 차량의 전장부품에서 발생하는 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 것이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134, 증발기로 기능) - 제4삼방밸브(V4) - 전장품 열교환기(151) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1내부열교환기(122)로부터 제1삼방밸브(V1)로 유입되는 고온의 냉매 중 일부는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입되어 제1외부열교환기(132)의 동결된 표면을 제상한 후 제2삼방밸브(V2) 및 제3삼방밸브(V3)를 경유하여 제2연결 냉매라인(SL2)을 따라 이동하여 제2입구측 냉매라인(EL2)을 통해 유입되는 냉매와 합류한 후 제2팽창밸브(TXV2)를 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되는 냉매 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
여기서, 제1팽창밸브(TXV1) 및 제3팽창밸브(TXV3)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은 실내 난방 및 제1외부열교환기(132)의 제상 모드에서, 제어부는 HVAC 모듈(120) 내부의 유로변경도어(125)를 제어하여 토출유로(124)를 폐쇄시키고 제1내부열교환기(122)로 향하는 공기 유로를 개방함으로써, 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 유로변경도어(125)를 통해 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어할 수 있다.
이와 동시에 상기 제어부는 제1팽창밸브(TXV1) 및 제3팽창밸브(TXV3)를 완전 개방시키고 제1삼방밸브(V1), 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 제4삼방밸브(V4)를 제어하여 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 제1삼방밸브(V1)에서 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 동결이 발생된 제1외부열교환기(132)의 표면을 제상하고, 다른 일부의 냉매는 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 이동하여 상기 제1외부열교환기(132)로부터 배출된 후 제2연결 냉매라인(SL2)을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 교축상태를 위해 유로가 좁아진 제2팽창밸브(TXV2)로 유입되어 팽창되고, 상기 제2팽창밸브(TXV2)에서 팽창된 냉매가 제2외부열교환기(134)에서 외부 공기와 열교환 후 배출되어 제4삼방밸브(V4), 제5삼방밸브(V5), 전장품 열교환기(151), 어큐뮬레이터(105), 압축기(110)를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기(122)로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 사용 중인 제1외부열교환기(132)에 동결이 발생한 경우에 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매 중 일부를 동결이 발생된 제1외부열교환기(132)로 공급하여 고온의 냉매를 통해 제1외부열교환기(132)를 제상할 수 있고, 다른 일부의 냉매는 제2팽창밸브(TXV2)로 유입시켜 팽창시킨 후 제2외부열교환기(134)로 유입시켜 상기 제2외부열교환기(134)가 증발기로 기능하는 히트펌프 모드로 작동되도록 함으로써 동결이 발생된 제1외부열교환기(132)를 효과적으로 제상할 수 있고, 이와 동시에 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)를 통해 차량 실내에 따뜻한 공기를 지속적으로 토출시킴으로써 제1외부열교환기(132)의 제상 및 차량의 실내 난방을 동시에 구현할 수 있다.
또한, 전장품 냉각수 회로부(150)에서는 바이패스 밸브(158)에 의해 전장품 열교환기(151)로 향하는 바이패스 유로(157)가 개방되어, 전장품 열관리 장치(153)에서 배출되는 고온의 냉각수가 바이패스 유로(157)로 유입되어 전장품 열교환기(151) 내부를 유동하는 저온의 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 전장품 열관리 장치(153)로 공급되는 냉각수의 유동 순환이 이루어지게 됨으로써 차량의 전장부품에서 발생하는 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1팽창밸브(TXV1) - 제1외부열교환기(132, 증발기로 기능) 및 제2외부열교환기(134) - 제2삼방밸브(V2) - 제3삼방밸브(V3) - 전장품 열교환기(151) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1내부열교환기(122)로부터 제1삼방밸브(V1)로 유입되는 고온의 냉매 중 일부는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1팽창밸브(TXV1)로 유입되어 팽창된 후 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환되고, 다른 일부는 제2입구측 냉매라인(EL2)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되어 고온 냉매를 통해 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)를 제상한 후 제4삼방밸브(V4)를 통해 바이패스 냉매라인(BPL)으로 유입되어 상기 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 다시 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환되며, 상기 제1외부열교환기(132)에서 열교환 후 배출되는 냉매는 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 전장품 열교환기(151)를 순차적으로 경유하여 압축기(110)로 유입된 후 다시 제1내부열교환기(122)로 공급되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
여기서, 제2팽창밸브(TXV2) 및 제3팽창밸브(TXV3)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은 실내 난방 및 제2외부열교환기(134)의 제상 모드에서, 제어부는 HVAC 모듈(120) 내부의 유로변경도어(125)를 제어하여 토출유로(124)를 폐쇄시키고 제1내부열교환기(122)로 향하는 공기 유로를 개방함으로써, 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 유로변경도어(125)를 통해 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어할 수 있다.
이와 동시에 상기 제어부는 제2팽창밸브(TXV2) 및 제3팽창밸브(TXV3)를 완전 개방시키고 제1삼방밸브(V1), 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 제4삼방밸브(V4)를 제어하여 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 제1삼방밸브(V1)에서 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)의 표면을 제상하고, 다른 일부는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 이동하면서 상기 제2외부열교환기(134)에서 배출된 후 바이패스 냉매라인(BPL)을 따라 유입되는 냉매와 합류하여 제2팽창밸브(TXV2)에서 팽창된 후 제1외부열교환기(132)에서 외부 공기와 열교환 과정을 거쳐 배출된 이후 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 전장품 열교환기(151), 어큐뮬레이터(105), 압축기(110)를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기(122)로 유입되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 사용 중인 제2외부열교환기(134)에 동결이 발생한 경우에 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매 중 일부를 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)로 공급하여 고온의 냉매를 통해 제2외부열교환기(134)를 제상할 수 있고, 다른 일부의 냉매는 제1팽창밸브(TXV1)를 통해 팽창시킨 후 제1외부열교환기(132)로 공급하여 상기 제1외부열교환기(132)가 증발기 기능을 하는 히트펌프 모드로 작동되도록 함으로써 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)를 효과적으로 제상할 수 있고, 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)를 통해 차량 실내에 따뜻한 공기를 지속적으로 토출시킴으로써 제2외부열교환기(134)의 제상 및 차량의 실내 난방을 동시에 구현할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도이다.
도 7에 도시된 본 발명의 제2실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템의 경우 전술된 제1실시 예의 히트펌프 시스템의 구성과 기본적으로 동일하며, 단지, 전술된 제1실시 예(도 1 참조)에 나타나 있는 전장품 열교환기(151)를 포함하는 전장품 냉각수 회로부(150)와, 제3팽창밸브(TXV3), 개폐밸브(167), 제5삼방밸브(V5) 등의 밸브들과, 제3연결 냉매라인(SL3) 등이 삭제된 단순화된 형태의 히트펌프 시스템 구성을 나타낸 것이다.
따라서, 전술된 제1실시 예와 동일한 구성들은 동일한 참조번호로 표시하였으며, 이들 동일한 구성들에 대한 별도의 중복 설명도 생략하기로 한다. 다만, 도 7에 도시된 본 발명의 제2실시 예에 따른 전기 자동차의 히트펌프 시스템은 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 압축기(110)로 향하는 일측 냉매라인(L9) 상에 냉매의 유동 흐름을 개폐할 수 있는 개폐밸브(169)가 설치되어, 특정 공조모드(예를 들어, 냉방 및 제습 모드)에서 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 압축기(110)로 향하는 냉매의 유동 흐름을 제한할 수 있도록 구성되어 있다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 공조모드에 따른 냉매 및 공기의 흐름을 보여주는 것이다.
먼저, 도 8은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매 및 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 8에서 보는 바와 같이, 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) - 제2삼방밸브(V2) - 제2외부열교환기(134) - 제4삼방밸브(V4) - 중간열교환기(165) - 제4팽창밸브(TXV4) - 제2내부열교환기(123, 증발기로 기능) - 중간열교환기(165) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
따라서, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 제1내부열교환기(122)를 경유한 후 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환되고, 열교환 후 배출된 냉매가 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 열교환된 이후 제4팽창밸브(TXV4)로 유입되어 팽창되고, 팽창된 저온의 냉매가 제2내부열교환기(123)로 유입되어 송풍 공기와 열교환 후 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다. 여기서, 제1팽창밸브(TXV1)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은 실내 냉방 모드에서는 제2내부열교환기(123)가 증발기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제4팽창밸브(TXV4)를 거쳐 저온 상태로 제2내부열교환기(123)로 유입되는 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 토출유로(124)를 통해 실내로 토출됨으로써 실내 냉방이 이루어질 수 있다. 이때, 제2팽창밸브(TXV2) 및 개폐밸브(169)는 폐쇄됨으로써 이들 각 밸브가 설치된 냉매라인으로는 냉매의 유동 흐름이 발생하지 않게 된다.
그리고, 도 9는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매, 냉각수, 공기의 흐름을 보여주는 것이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1팽창밸브(TXV1) - 제1외부열교환기(132, 증발기로 기능) - 제2삼방밸브(V2) - 제2외부열교환기(134) - 제4삼방밸브(V4) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
따라서, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)로 유입되어 송풍되는 공기와 열교환되고, 공기와 열교환 후 제1내부열교환기(122)로부터 배출되는 냉매가 제1팽창밸브(TXV1)에서 팽창되어 저온 상태의 냉매로 변화한 후 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환되고, 상기 제1외부열교환기(132)에서 외부 공기와 열교환된 후 배출된 냉매가 다시 제1연결 냉매라인(SL1)을 통해 제2외부열교환기(134)로 유입되어 외부 공기와 열교환된 이후 제4삼방밸브(V4), 개폐밸브(169), 어큐뮬레이터(105)를 순차적으로 경유하여 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다.
이와 같은, 실내 난방 모드에서는 제1내부열교환기(122)가 응축기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제1내부열교환기(122)로 유입된 고온의 냉매와 열교환 후 온도가 상승된 상태로 실내로 토출됨으로써 실내 난방이 이루어질 수 있다.
그리고, 도 10은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매 및 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 10에서 보는 바와 같이, 히트펌프 시스템이 제습 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) - 제2삼방밸브(V2) - 제2외부열교환기(134) - 제4삼방밸브(V4) - 중간열교환기(165) - 제4팽창밸브(TXV4) - 제2내부열교환기(123, 증발기로 기능) - 중간열교환기(165) - 어큐뮬레이터(105) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
따라서, 압축기(110)에서 배출되는 고온 고압의 냉매가 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)로 유입되어 송풍되는 공기와 열교환된 이후 제1삼방밸브(V1)를 경유하여 제1외부열교환기(132)로 유입되어 열교환되고, 열교환 후 상기 제1외부열교환기(132)로부터 배출된 냉매가 다시 제2외부열교환기(134)로 유입되어 열교환된 후 제4팽창밸브(TXV4)로 유입되어 팽창이 이루어진 다음 제2내부열교환기(123)로 유입되어 송풍되는 공기와 열교환 후 중간열교환기(165), 어큐뮬레이터(105)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입되는 냉매의 유동 순환이 이루어질 수 있다. 여기서, 제1팽창밸브(TXV1)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같은, 실내 제습 모드에서는 제2내부열교환기(123)가 증발기로서 기능을 하게 되어 블로워 팬(121)을 통해 실내 측으로 송풍되는 공기가 제4팽창밸브(TXV4)를 거쳐 저온 상태로 제2내부열교환기(123)에 유입되는 냉매와 열교환 후 온도가 낮아진 상태에서 하류 측에 위치한 제1내부열교환기(122)를 통과하면서 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출됨으로써 실내 제습이 이루어질 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매 및 공기의 흐름을 보여주는 것이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134, 증발기로 기능) - 제4삼방밸브(V4) - 개폐밸브(169) - 어큐뮬레이터(105) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1내부열교환기(122)로부터 제1삼방밸브(V1)로 유입되는 고온의 냉매 중 일부는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 통해 제1외부열교환기(132)로 유입되어 제1외부열교환기(132)의 동결된 표면을 제상한 후 제2삼방밸브(V2) 및 제3삼방밸브(V3)를 경유하여 제2연결 냉매라인(SL2)을 따라 이동한 후 상기 제2입구측 냉매라인(EL2)을 통해 유입되는 냉매와 합류한 후 제2팽창밸브(TXV2)를 거쳐 제2외부열교환기(134)로 유입되는 냉매 유동 흐름이 이루어질 수 있다. 여기서, 제1팽창밸브(TXV1)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
이와 같이, 제1외부열교환기(132) 표면에 동결이 발생된 경우에 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매 중 일부를 동결이 발생된 제1외부열교환기(132)로 공급하여 고온의 냉매를 통해 제1외부열교환기(132)를 제상할 수 있고, 다른 일부는 제2팽창밸브(TXV2)를 통해 팽창시킨 후 제2외부열교환기(134)로 공급하여 제2외부열교환기(134)가 증발기 기능을 하는 통상의 히트펌프 모드로 작동되도록 함으로써 동결이 발생된 제1외부열교환기(132) 표면을 효과적으로 제상할 수 있으며, 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)를 통해 차량 실내에 따뜻한 공기를 지속적으로 토출시킴으로써 차량의 실내 난방을 동시에 구현할 수 있다.
그리고, 도 12는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매 및 공기의 흐름을 보여주고 있다.
도 12에서 보는 바와 같이, 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 제1내부열교환기(122, 응축기로 기능) - 제1삼방밸브(V1) - 제1팽창밸브(TXV1) - 제1외부열교환기(132, 증발기로 기능) 및 제2외부열교환기(134) - 제2삼방밸브(V2) - 제3삼방밸브(V3) - 개폐밸브(169) - 어큐뮬레이터(105) - 압축기(110)" 순으로 냉매의 유동 흐름이 이루어질 수 있다. 여기서, 제1팽창밸브(TXV1)는 냉매가 통과만 할 수 있도록 밸브가 완전 개방된 Full open 상태로 유지될 수 있다.
따라서, 사용 중인 제2외부열교환기(134)에 동결이 발생된 경우에 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 고온의 냉매 중 일부를 제2입구측 냉매라인(EL2)을 통해 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)로 공급하여 고온 냉매를 통해 제2외부열교환기(134) 표면을 제상할 수 있고, 다른 일부의 냉매는 제1입구측 냉매라인(EL1)으로 유입시켜 상기 제2외부열교환기(134)의 제상 후 바이패스 냉매라인(BPL)을 통해 우회하여 유입되는 냉매와 합류하여 제1팽창밸브(TXV1)를 통해 팽창된 다음 제1외부열교환기(132)로 유입되어 외부 공기와 열교환된 이후 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 개폐밸브(169), 어큐뮬레이터(105), 압축기(110)를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기(122)로 순환되도록 제어함으로써 동결이 발생된 제2외부열교환기(134)를 효과적으로 제상할 수 있는 동시에 응축기로 기능하는 제1내부열교환기(122)를 통해 차량 실내에 따뜻한 공기를 지속적으로 토출시킬 수 있는 실내 난방을 동시적으로 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트펌프 시스템은 실내기로 사용되는 내부열교환기(122,123)를 복수 개로 구성하고, 실외기로 사용되는 외부열교환기(132,134)를 복수 개의 외부열교환기 형태로 구성하여, 이들 내부열교환기(122,123)와 외부열교환기(132,134)가 복수의 냉매라인들 및 밸브류의 조합에 의해 시스템화되도록 구성함으로써, 저온의 외기온 환경에서 어느 한쪽의 외부열교환기에 동결이 발생한 경우, 상기 동결이 발생된 외부열교환기에 내부열교환기로부터 고온의 냉매를 공급하여 제상하고, 동결이 발생되지 않은 다른 한쪽의 외부열교환기는 히트펌프의 증발기 기능을 담당하도록 하여 차량 실내로 따뜻한 공기를 지속적으로 공급할 수 있기 때문에, 동결된 외부열교환기의 제상 작업과 함께 실내 난방을 동시에 효과적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
특히, 히트펌프 모드로 작동되는 어느 일측의 외부열교환기에서 동결이 발생된 경우 제어부에 의한 각종 밸브류의 조정을 통해 기존에 제상이 완료된 외부열교환기를 히트펌프 모드로 작동되도록 변경하고, 새롭게 동결이 발생된 외부열교환기를 제상 모드로 변경시켜 동결된 외부열교환기 표면의 제상이 이루어지도록 함으로써, 복수의 외부열교환기들이 증발기 기능을 교차로 수행하여 동결된 어느 일측의 외부열교환기가 제상되는 동안 내부열교환기가 증발기 역할을 할 필요가 없이 응축기 기능을 지속적으로 수행할 수 있기 때문에 기존과 같이 외부열교환기의 제상 운전 동안 실내에 냉각공기를 제공함으로써 발생되던 탑승객의 불편을 해소할 수 있게 되어 탑승객의 난방 편의성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 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
110 : 압축기
120 : HVAC 모듈
121 : 블로워 팬 122 : 제1내부열교환기
123 : 제2내부열교환기 124 : 토출유로
125 : 유로변경도어 126 : 히터코어
132 : 제1외부열교환기 134 : 제2외부열교환기
142,144,146 : 체크밸브 150 : 전장품 냉각수 회로부
151 : 전장품 열교환기 152 : 냉각수 유로
153 : 전장품 열관리 장치 155 : 전장품 라디에이터
156 : 냉각팬 157 : 바이패스 유로
158 : 바이패스 밸브 165 : 중간열교환기
167,169 : 개폐밸브
EL1,EL2 : 제1,2입구측 냉매라인
SL1,SL2 : 제1,2연결 냉매라인
TXV1,TXV2,TXV3, TXV4 : 제1,2,3,4팽창밸브
V1,V2,V3,V4,V5 : 제1,2,3,4,5삼방밸브
121 : 블로워 팬 122 : 제1내부열교환기
123 : 제2내부열교환기 124 : 토출유로
125 : 유로변경도어 126 : 히터코어
132 : 제1외부열교환기 134 : 제2외부열교환기
142,144,146 : 체크밸브 150 : 전장품 냉각수 회로부
151 : 전장품 열교환기 152 : 냉각수 유로
153 : 전장품 열관리 장치 155 : 전장품 라디에이터
156 : 냉각팬 157 : 바이패스 유로
158 : 바이패스 밸브 165 : 중간열교환기
167,169 : 개폐밸브
EL1,EL2 : 제1,2입구측 냉매라인
SL1,SL2 : 제1,2연결 냉매라인
TXV1,TXV2,TXV3, TXV4 : 제1,2,3,4팽창밸브
V1,V2,V3,V4,V5 : 제1,2,3,4,5삼방밸브
Claims (16)
- 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(110);
HVAC 모듈(120) 내에 설치되며 상기 압축기(110)로부터 전달되는 냉매를 블로워 팬(121)을 통해 자동차 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기(122);
상기 제1내부열교환기(122)와 일정거리 이격된 공기의 유동 흐름 상류측에 설치되며, 상기 제1내부열교환기(122) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 전달되는 냉매를 상기 블로워 팬(121)을 통해 실내로 송풍되는 공기와 열교환시키는 제2내부열교환기(123);
상기 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제1외부열교환기(132);
상기 제1외부열교환기(132)와 직렬로 연결되며, 상기 제1내부열교환기(122) 또는 제1외부열교환기(132)로부터 전달되는 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 제2외부열교환기(134);
상기 제1내부열교환기(122)로부터 전달되는 냉매를 상기 제1외부열교환기(132) 및 제2외부열교환기(134)로 동시 유입시키거나, 상기 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로 선택적으로 유입시키도록 작동되는 제1삼방밸브(V1);
상기 제1삼방밸브(V1)와 제1외부열교환기(132) 사이를 연결하는 제1입구측 냉매라인(EL1);
상기 제1입구측 냉매라인(EL1) 상에 설치되는 제1팽창밸브(TXV1);
상기 제1삼방밸브(V1)와 제2외부열교환기(134) 사이를 연결하는 제2입구측 냉매라인(EL2);
상기 제2입구측 냉매라인(EL2) 상에 설치되는 제2팽창밸브(TXV2);
상기 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2) 상에 설치되며, 특정 공조모드에서 상기 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매를 상기 제2외부열교환기(134) 측으로 유입시키도록 작동되는 제2삼방밸브(V2);
상기 제2삼방밸브(V2)와 제2입구측 냉매라인(EL2) 사이를 연결하는 제1연결 냉매라인(SL1);
상기 제2입구측 냉매라인(EL2)과 제3삼방밸브(V3) 사이를 연결하는 제2연결 냉매라인(SL2);
상기 제1외부열교환기(132)의 출구측 냉매라인(L2)과 상기 제2연결 냉매라인(SL2)의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 상기 제1외부열교환기(132)로부터 배출되는 냉매를 상기 제2연결 냉매라인(SL2)을 통해 상기 제2입구측 냉매라인(EL2) 측으로 유입시키도록 작동되는 제3삼방밸브(V3);
상기 제1입구측 냉매라인(EL1)과 제4삼방밸브(V4) 사이를 연결하는 바이패스 냉매라인(BPL);
상기 제2외부열교환기(134)의 출구측 냉매라인(L3)과 상기 바이패스 냉매라인(BPL)의 교차지점에 설치되며, 특정 공조모드에서 상기 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 상기 바이패스 냉매라인(BPL)을 통해 제1입구측 냉매라인(EL1)으로 바이패스시키도록 작동되는 제4삼방밸브(V4);
상기 압축기(110), 블로워 팬(121) 및 각종 밸브를 제어하는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제2연결 냉매라인(SL2)과 상기 바이패스 냉매라인(BPL) 상에는 각각 체크밸브(142,144)가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1내부열교환기(122)는 응축기로 기능하고, 상기 제2내부열교환기(123)는 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 제2내부열교환기(123)는 상기 제1내부열교환기(122)보다 열교환 용량이 더 크고, 상기 블로워 팬(121)과 더 가까운 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1내부열교환기(122)와 인접하는 상기 HVAC 모듈(120)의 내부 영역에는 상기 제2내부열교환기(123)에서 열교환된 공기를 상기 제1내부열교환기(122)에 통과시키지 않고 실내 측으로 직접 토출시킬 수 있는 토출유로(124)가 형성된 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 HVAC 모듈(120) 내부에는 상기 제2내부열교환기(123)에서 열교환된 공기를 상기 제1내부열교환기(122) 또는 상기 토출유로(124) 측으로 선택적으로 유도하도록 상기 제어부를 통해 제어되는 유로변경도어(125)가 설치된 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1내부열교환기(122)의 출구측에는 상기 제1내부열교환기(122)에서 열교환 후 실내 측으로 공급되는 공기를 추가적으로 가열해줄 수 있는 PTC 히터(126)가 설치된 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 회로부(150)를 순환하는 냉각수를 열교환시키는 전장품 열교환기(151)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1외부열교환기(132) 또는 제2외부열교환기(134)로부터 배출되는 냉매를 상기 압축기(110) 또는 제2내부열교환기(123) 측으로 선택적으로 유입시키도록 작동되는 제5삼방밸브(V5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1내부열교환기(122)와 상기 제1삼방밸브(V1)를 연결하는 냉매라인(L1) 상에는 특정 공조모드에서 상기 제1내부열교환기(122)로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 상기 제1외부열교환기(132) 측으로 유입시키도록 작동되는 제3팽창밸브(TXV3)가 설치된 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 제5삼방밸브(V5)와 제2내부열교환기(123) 사이에 위치하는 냉매라인(L5)과 상기 제2내부열교환기(123)와 압축기(110) 사이에 위치하는 냉매라인(L7) 사이에는 중간열교환기(165)가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 제1내부열교환기(122)의 출구측 냉매라인(L1)과 상기 중간열교환기(165) 사이를 연결하는 제3연결 냉매라인(SL3)을 더 포함하되,
상기 제3연결 냉매라인(SL3)에는 상기 제어부를 통해 냉매의 유동 흐름을 개폐하도록 작동되는 개폐밸브(167)가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제1외부열교환기의 제상 모드로 작동될 경우,
상기 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 상기 유로변경도어(125)를 통해 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 상기 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 상기 제1삼방밸브(V1)에서 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 제1외부열교환기(132)의 표면을 제상하고,
다른 일부는 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 이동하며 상기 제1외부열교환기(132)에서 배출되어 제2연결 냉매라인(SL2)을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 상기 제2팽창밸브(TXV2)로 유입되어 팽창되고, 상기 제2팽창밸브(TXV2)에서 팽창된 냉매가 제2외부열교환기(134)에서 열교환 후 배출되어 상기 제4삼방밸브(V4) 및 압축기(110)를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기(122)로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 히트펌프 시스템이 실내 난방 및 제2외부열교환기의 제상 모드로 작동될 경우,
상기 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 상기 유로변경도어(125)를 통해 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 상기 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되는 고온의 냉매 중 일부가 상기 제1삼방밸브(V1)에서 제2입구측 냉매라인(EL2)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 제2외부열교환기(134)의 표면을 제상하고,
다른 일부는 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 이동하며 상기 제2외부열교환기(134)에서 배출되어 상기 바이패스 냉매라인(BPL)을 따라 이동하는 냉매와 합류한 후 제1팽창밸브(TXV1)로 유입되어 팽창되고, 상기 제1팽창밸브(TXV1)에서 팽창된 냉매가 제1외부열교환기(132)에서 열교환 후 배출되어 상기 제2삼방밸브(V2), 제3삼방밸브(V3), 압축기(110)를 순차적으로 경유하여 다시 제1내부열교환기(122)로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 히트펌프 시스템이 실내 난방 모드로만 작동될 경우,
상기 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 상기 유로변경도어(125)를 통해 상기 제1내부열교환기(122) 측으로 유도되어 상기 제1내부열교환기(122) 내부를 유동하는 고온의 냉매와 열교환 후 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 압축기(110)로부터 전달된 냉매가 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되어 상기 제3팽창밸브(TXV3)를 통해 팽창된 이후 제1삼방밸브(V1)를 경유하여 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 열교환되고, 상기 제1외부열교환기(132)에서 열교환 후 배출된 냉매가 제2삼방밸브(V2)를 경유하여 제1연결 냉매라인(SL1)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 열교환된 이후 다시 상기 압축기(110)로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 히트펌프 시스템이 실내 냉방 모드로만 작동될 경우,
상기 블로워 팬(121)을 통해 송풍되는 공기가 상기 제2내부열교환기(123) 내부를 유동하는 저온의 냉매와 열교환 후 상기 유로변경도어(125)를 통해 토출유로(124) 측으로 유도되어 실내로 토출되도록 제어하고,
상기 압축기(110)로부터 전달된 냉매가 제1내부열교환기(122)에서 공기와 열교환 후 배출되어 상기 제1입구측 냉매라인(EL1)을 따라 제1외부열교환기(132)로 유입되어 열교환되고, 상기 제1외부열교환기(132)에서 열교환 후 배출된 냉매가 제2삼방밸브(V2)를 경유하여 제1연결 냉매라인(SL1)을 따라 제2외부열교환기(134)로 유입되어 열교환된 이후 상기 제2내부열교환기(123)로 유입되어 공기와 열교환 후 다시 상기 압축기(110)로 유입되는 냉매 순환이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 히트펌프 시스템.
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2022
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Patent Citations (1)
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