KR20240016469A - 차량의 열관리 시스템 - Google Patents

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김종원
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현대자동차주식회사
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Abstract

냉매의 기액 분리가 수행되는 축압기; 냉매를 압축하는 압축기; 냉매와 난방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 내부 응축기; 냉매와 외기 사이의 열교환이 수행되는 외부 응축기; 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 냉매와 냉방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 증발기; 상기 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매라인에서 분기되어 상기 축압기로 연결되고 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 상기 축압기로 선택적으로 재순환시키도록 구비된 재순환용 냉매라인; 및 상기 재순환용 냉매라인에에 설치되어 재순환용 냉매라인을 통과한 냉매를 축압기 내부에 선택적으로 토출할 수 있도록 구비된 토출밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템이 개시된다.

Description

차량의 열관리 시스템{Thermal management system for vehicle}
본 발명은 차량의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에서 냉매만을 이용하여 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있는 차량의 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 차량의 실내 공조, 전력전자(Power Electronics, PE) 부품의 냉각, 배터리의 냉각 또는 가열에 필요한 에너지를 관리한다.
차량의 열관리 시스템은 공조를 위한 에어컨 시스템과 히트 펌프 시스템, 그리고 전력계통의 부품들에 대한 열관리 및 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다.
종래의 열관리 시스템은 압축기(compressor), 수냉식 응축기(Water Cooled Condenser, WCC), 칠러(chiller), 외부 응축기(공냉식 응축기), 내부 열교환기(Internal Heat Exchanger, IHX), 팽창밸브 등을 포함한다.
여기서, 내부 열교환기(IHX)로는 내부 응축기(inner condenser)와 증발기(evporator), 축압기(accumulator) 등이 있고, 압축기, 외부 응축기, 팽창밸브, 증발기는 일반적인 에어컨 시스템을 구성하는 주요 구성요소이다.
종래의 열관리 시스템은 가열된 공기가 차량 실내로 공급되는 난방 모드, 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되는 냉방 모드(에어컨 모드), 그리고 습기를 제거한 공기가 차량 실내로 공급되는 제습 모드 등으로 작동될 수 있다.
이 중에서 난방 모드의 작동시 냉매와 전기히터(예, PTC 히터)를 이용할 수 있고, 냉매의 온도가 충분히 높은 경우 전기히터의 작동 없이도 고온의 냉매를 이용하여 실내 난방이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 히트 펌프 시스템을 이용하기 어려운 극저온 외기 조건이거나, 전력전자(PE) 부품 또는 배터리의 폐열을 회수하기 어려운 조건에서, 압축기 일(compressor work)을 이용하여 실내 난방을 위한 열을 공급하는 모드(COP = 1)가 수행될 수 있다(예, 테슬라 로시 모드 수행)
이러한 난방 모드, 예컨대 테슬라 로시 모드(Tesla Lossy mode)의 작동시에는 압축기에 의해 압축된 고온의 냉매가 내부 응축기를 통과하도록 하는 동시에, 난방용 공기가 내부 응축기 주위를 통과하도록 하여, 내부 응축기에서 고온의 냉매에 의해 가열된 공기가 차량 실내로 공급되도록 한다.
이와 같이 고온의 냉매와 난방용 공기가 내부 응축기를 통과하는 동안, 내부 응축기에서는 냉매와 공기 간의 열교환이 이루어지면서 냉매의 열이 공기로 전달되는바, 이러한 열교환에 의해 가열된 공기가 차량 실내로 공급되면서(실내 방열) 전기히터의 작동 없이 실내 난방이 이루어질 수 있다.
또한, 상기와 같이 압축기를 구동하는 난방 모드 동안, 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매 중 일부는 내부 응축기로, 나머지는 수냉식 응축기로 흐르도록 하여, 내부 응축기와 수냉식 응축기에서 각각 냉매의 방열이 이루어지도록 하는데, 내부 응축기에서 냉매의 열은 난방용 공기로 전달되고(내기 방열), 수냉식 응축기에서 냉매의 열은 냉각수로 전달된다.
이와 같이 압축기를 구동하는 난방 모드 동안에는 수냉식 응축기에서의 방열을 위해 냉각 시스템의 전동식 워터펌프 등을 작동시켜 냉각수가 냉각수 라인을 따라 순환되도록 해야 한다.
수냉식 응축기에서 냉매의 열은 냉각수로 전달되고, 냉각수로 전달된 열은 칠러에서 다시 냉매로 전달된다. 칠러는 냉매와 냉각수 간 열교환이 이루어지는 열교환기이다.
즉, 수냉식 응축기에서 냉각수로 열을 전달한 냉매가 팽창밸브를 거쳐 칠러로 흐르게 되고, 수냉식 응축기에서 열을 전달받은 냉각수 또한 칠러로 흐르게 되는바, 냉매와 냉각수 간 열교환이 이루어지는 칠러에서 냉각수로부터 열이 다시 냉매로 전달된다.
수냉식 냉각 시스템에서 냉각수는 모터, 인버터, 충전장치, 컨버터 등의 전력전자(PE) 부품이나 배터리, 오일(오일쿨러 이용) 등을 냉각하는데 이용되는데, 전력전자 부품이나 배터리를 냉각한 냉각수는 칠러에서 에어컨 냉매로 열을 전달하게 된다.
이를 통해 수냉식 냉각 시스템에서 냉각수의 열을 외부로 배출할 수 있고, 난방 모드에서 냉각수의 열을 전달받은 냉매를 이용할 수 있으므로 폐열 회수 및 이용이 가능해진다.
하지만, 상기와 같이 난방 모드에서 압축기 일(compressor work)을 이용하는 종래의 열관리 시스템에서는, 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 전기히터(예, PTC 히터) 대신 실내 난방을 위한 열을 공급하는 열원으로 이용할 수 있으나, COP(Coefficient of Performance) = 1을 벗어나는 압축기 일을 공급하는 것은 불가하고, 냉매와 냉각수 모두를 이용해야 하므로 열전달시 열손실이 발생할 수 있다.
즉, 난방 모드 동안 추가 난방 열량을 공급하기 위해 냉각수와 같은 별도의 열전달 매체가 필요하기 때문에 열전달시 열손실이 발생할 수 있고, 모드 구현을 위한 별도의 냉각수 순환 과정이 필요하다는 단점이 있다.
또한, 난방시 열관리 시스템의 열량 공급을 위해 압축기 일(= 부하)을 이용하지만, 압축기 일을 통해 충분한 열량을 확보하기 위해서는 압축기의 속도(RPM)만을 높여야 하는 한계가 있고, 결국 고속 운전으로 인한 압축기 소음 발생 및 수명 단축의 문제가 있다. 또한, 열관리 시스템에서 난방을 위해 압축기 일만을 이용할 경우 충분한 난방 열량을 얻기까지 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량에서 냉매만을 이용하여 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있고, 압축기 일만 이용하더라도 난방을 위한 충분한 열량 공급이 가능하여 전기히터 이용 없이 또는 전기히터의 최소 이용만으로도 난방을 수행할 수 있으며, 압축기 일만 이용할 경우의 충분한 열량 확보 문제 및 소음 발생 문제, 압축기 내구 문제가 개선될 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 냉매의 기액 분리가 수행되는 축압기; 냉매를 압축하는 압축기; 냉매와 난방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 내부 응축기; 냉매와 외기 사이의 열교환이 수행되는 외부 응축기; 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 냉매와 냉방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 증발기; 상기 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매라인에서 분기되어 상기 축압기로 연결되고 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 상기 축압기로 선택적으로 재순환시키도록 구비된 재순환용 냉매라인; 및 상기 재순환용 냉매라인에에 설치되어 재순환용 냉매라인을 통과한 냉매를 축압기 내부에 선택적으로 토출할 수 있도록 구비된 토출밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템을 제공한다.
이로써 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템에 의하면, 기액분리기 역할을 하는 축압기를 이용하여 냉매 재순환 효과를 구현할 수 있고, 이러한 냉매 재순환 효과를 이용하는 작동 모드를 제공할 수 있게 된다.
또한, 압축기 일과 함께 냉매 재순환 효과를 추가로 활용하여 난방에 필요한 열량을 충분히 확보할 수 있게 되며, 압축기만 이용할 경우의 충분한 열량 확보 문제 및 소음 문제, 압축기 내구 문제 해소가 모두 개선될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 냉매만을 이용하여 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있고, 압축기 일(compressor work)을 이용하여 난방용 열을 공급하는 테슬라 로시 모드(Tesla Lossy mode)를 냉각수 이용 없이도 냉매만을 이용하여 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 난방시 압축기 일(= 부하) 및 냉매 재순환 효과를 이용하여 추가 난방 열량을 공급하는 것이 가능하며, 이로써 전기히터(PTC 히터)의 사용량을 감소시킬 수 있는 이점이 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 축압기 내부에 냉매 간 열교환을 수행하는 열교환부가 설치되어 내부 열교환기(IHX) 중 하나로 이용되는바, 축압기와 열교환부에 의해 이중관 효과를 구현할 수 있게 된다. 특히, 상기 열교환부에 의해 추가 서브쿨링(subcooling, 과냉) 영역을 확보하는 것이 가능해지며, 이에 냉방 용량이 증가하는 효과가 있게 된다.
결국, 난방시의 테슬라 로시 모드와 냉방시의 이중관 효과가 구현될 수 있고, 시스템의 에너지 효율이 향상될 수 있으며, 열관리 시스템의 냉, 난방 성능이 모두 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서 제어요소와 작동요소를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 난방 모드 초기시 수행되는 냉매 재순환 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 난방 모드시 냉매 재순환 및 실내 방열 수행을 위한 냉매 순환 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 난방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서 내기 흡열(실내 흡열) 과정이 추가로 수행되는 난방 모드의 냉매 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 난방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 냉방 모드시 냉매 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 냉방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 의해 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성을 나타내는 도면으로서, 차량의 냉, 난방을 위한 열관리 회로를 보여주고 있다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서 제어요소와 작동요소를 나타내는 블록도로서, 제어기(1)와 밸브류 및 압축기(12)를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템은, 냉매가 순환하는 경로를 따라 배치되는 축압기(accumulator)(11), 압축기(compressor)(12), 제1 밸브(13), 내부 응축기(inner condenser)(14), 제2 팽창밸브(15), 외부 응축기(공냉식 응축기)(16), 제2 밸브(17), 제1 팽창밸브(18) 및 증발기(evaporator)(19), 토출밸브(24)를 포함한다.
상기 열관리 시스템의 구성요소들은 냉매가 순환할 수 있도록 냉매라인(20)을 통해 연결되고, 제1 밸브(13)와 제2 밸브(17), 그리고 제1 팽창밸브(18)와 제2 팽창밸브(15)는 제어기(1)에 의해 내부유로의 개폐상태 및 개도량이 제어되는 전자식 밸브일 수 있다. 이 중에서 제1 밸브(13)와 제2 밸브(17)는 3-웨이 벨브일 수 있다.
또한, 열관리 시스템의 냉매라인(20) 중 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인에서 분기되어 축압기(11)의 내부를 통과한 후 다시 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인으로 연결되는 제2 분기관(22)이 설치된다.
상기 제2 분기관(22)은 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인에서도 냉매 흐름 방향을 기준으로 상류측 위치에서 분기되어 축압기(11)의 내부로 연결되고, 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인에서 제2 분기관(22)이 분기된 상류측 위치의 분기점에 3-웨이 밸브인 제2 밸브(17)가 설치된다.
또한, 축압기(11)의 내부를 통과한 제2 분기관(22)은, 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인에서도 냉매 흐르는 방향을 기준으로 하류측 위치, 즉 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인에서 상기 제2 밸브(17)가 설치된 위치보다 더 하류측 위치의 냉매라인으로 다시 합관된다.
상기 제2 분기관(22)은 축압기(11) 내부공간 중 하부를 통과하도록 설치되는데, 축압기(11)의 내부에서 제2 분기관(22)의 도중에는 열교환부(23)가 설치된다. 즉, 축압기(11) 내부공간 중 하부를 통과하는 제2 분기관(22)의 도중에 열교환부(23)가 설치되는 것이며, 제2 분기관(22)의 내부유로와 열교환부(23)의 내부유로가 연통된다.
상기 제2 분기관(22)에서도 축압기(11)의 내부에 위치되는 관로 부분에 상기 열교환부(23)가 설치되는 것이며, 이에 더하여 제2 분기관(22)에서 열교환부(23) 출구측 관로 부분에 축압기(11)의 내부에 위치하도록 3-웨이 밸브인 토출밸브(24)가 설치된다.
상기 토출밸브(24) 또한 제어기(1)에 의해 내부유로의 개폐상태 및 개도량이 제어되는 전자식 밸브일 수 있다. 이와 같이 축압기(11)의 내부에 설치되는 토출밸브(24)의 제1 포트(25a)에는 제2 분기관(22)의 열교환부(23) 출구측 관로 부분이 연결되고, 이에 제2 분기관(22)을 따라 흐르는 냉매가 열교환부(23)와 토출밸브(24)를 차례로 통과하도록 되어 있다.
또한, 축압기(11)의 내부에서 토출밸브(24)의 제2 포트(25b)에는 축압기(11)의 외부로 연장되어 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인으로 연결되는 제2 분기관(22)의 관로 부분이 연결된다.
즉, 축압기(11)의 내부에서 제2 밸브(17)와 제1 팽창밸브(18) 사이의 냉매라인(20)으로 연결되는 제2 분기관(22)의 관로 부분이 상기 토출밸브(24)의 제2 포트(25b)에 연결되는 것이다.
또한, 상기 토출밸브(24)는 냉매를 축압기(11)의 내부로 토출하는 토출구(25c)를 가진다. 이로써 압축기(12)에 의해 압축된 냉매는 후술하는 바와 같이 제1 밸브(13)와 제1 분기관(21), 제2 분기관(22)을 따라 이동하여 축압기(11)로 재순환된 뒤 상기 토출밸브(24)의 토출구(25c)에서 축압기(11)의 내부로 토출된다.
그리고, 냉매 흐름 방향을 기준으로 제2 분기관(22)이 합관된 위치보다 더 하류측의 냉매라인(20)에 제1 팽창밸브(18)가 설치되고, 제1 팽창밸브(18)의 하류측 위치에 증발기(19), 상기 증발기(19)의 하류측 위치에 축압기(11)가 설치된다.
즉, 제1 팽창밸브(18) 출구측의 냉매라인이 증발기(19)의 입구로 연결되고, 상기 증발기(19) 출구측의 냉매라인이 축압기(11)의 입구로 연결된다. 또한, 상기 축압기(11) 출구측 냉매라인은 압축기(12)의 입구로 연결되고, 압축기(12) 출구측의 냉매라인은 내부 응축기(14)의 입구로 연결된다. 이에 압축기(12)의 구동시 축압기(11)에 저장되어 있던 냉매가 압축기로 흡입된 뒤 압축되어 내부 응축기(14) 입구측 냉매라인으로 토출될 수 있게 된다.
또한, 내부 응축기(14) 출구측의 냉매라인에 제2 팽창밸브(15)가 설치되고, 제2 팽창밸브(15) 출구측의 냉매라인이 외부 응축기(16)의 입구로 연결되며, 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인(20)이 제2 밸브(17)로 연결된다.
그리고, 압축기(12) 출구측의 냉매라인에서는 제1 분기관(21)이 분기되고, 상기 제1 분기관(21)은 제2 분기관(22)의 축압기(11) 입구측 관로 부분, 즉 제2 분기관(22)에서도 제2 밸브(17)와 축압기(11) 사이의 관로 부분으로 연결된다. 또한, 상기 압축기(12) 출구측의 냉매라인에서 제1 분기관(21)이 분기되는 분기점 위치에는 3웨이 밸브인 제1 밸브(13)가 설치된다.
본 발명에서 제1 분기관(21)과 제2 분기관(22)은 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 축압기(11)로 재순환시키도록 압축기(12)와 내부 응축기(14) 사이의 냉매라인(20)으로부터 축압기(11)로 연결되는 재순환용 냉매라인이 된다.
또한, 본 발명에서 제1 분기관(21), 제2 분기관(22), 제1 밸브(13), 제2 밸브(17), 그리고 토출밸브(24)는 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 축압기(11)로 재순환시키기 위한 재순환용 냉매 회로를 구성하는 냉매라인 및 밸브로서, 압축기(12)의 구동 동안 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 내부 응축기(14) 입구측 및 압축기(12) 출구측의 냉매라인에서 제1 밸브(13)를 통해 축압기(11)로 재순환시키는데 이용된다.
또한, 상기한 구성 중 축압기(11), 압축기(12), 외부 응축기(16), 제1 팽창밸브(18) 및 증발기(19)는 냉매가 순환하고 냉동 사이클을 이용하는 공지의 에어컨 시스템의 구성요소이다. 이 중에서 압축기(12)는 배터리 전력을 공급받아 작동하는 전동식 압축기일 수 있다.
또한, 상기한 구성 중 내부 열교환기(IHX)는 내부 응축기(14)와 증발기(19), 그리고 기액분리기의 역할을 하면서 냉방시 이중관 효과를 나타내는 축압기(11) 등이다.
상기한 구성 중 축압기(11)는 내부에서 냉매의 기액 분리가 이루어지도록 구비된 것으로서, 축압기(11)의 냉매 입구에 증발기(19) 출구측의 냉매라인이 연결되고, 축압기(11)의 냉매 출구에 압축기(12) 압구측의 냉매라인이 연결된다.
본 발명의 실시예에서 축압기(11)는 전술한 바와 같이 냉매가 통과하는 열교환부(23)를 가지는 열교환기 타입의 장치 구성을 가진다. 이러한 축압기(11)는 증발기(19)와 압축기(12) 사이의 냉매라인(20)에 설치되어 압축기(12)에 기체 상태의 냉매만이 공급되도록 함으로써 압축기의 효율 및 내구성을 향상시킨다.
상기한 구성 중 압축기(12)는 냉매를 압축하는 구성부이며, 내부 응축기(14)와 외부 응축기(16)는 냉매와 공기 간 열교환이 이루어지도록 구비되는 것으로서 상기 압축기(12)에 의해 압축된 냉매를 응축시켜 액화시킨다.
상기 두 응축기 중 내부 응축기(14)는 차량 실내로 난방용 공기를 공급하기 위한 통로에 설치되며, 외부 응축기(16)는 차량 전단부의 개구부를 통해 유입되는 공기가 통과할 수 있는 차체 전단부 위치에 설치될 수 있다.
그리고, 내부 응축기(14)가 설치되는 통로에는 미도시된 전기히터(예, PTC 히터)가 더 설치될 수 있다. 상기 전기히터는 배터리의 전력을 공급받아 작동하며, 이러한 전기히터의 작동은 제어기(1)에 의해 제어된다.
상기 전기히터는 작동시 블로워(blower)(26)에 의해 송풍되는 난방용 공기를 가열하는데, 전기히터를 통과하는 동안 가열된 난방용 공기가 차량 실내로 공급되면서 난방이 수행될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서 외부 응축기(16) 입구측의 냉매라인에는 제2 팽창밸브(15)가 설치되고, 증발기(19) 입구측의 냉매라인에는 제1 팽창밸브(18)가 설치된다. 상기 제1 팽창밸브(18) 및 제2 팽창밸브(15)는 모두 응축을 통해 액화된 냉매를 팽창시키는 역할을 하며, 각각 밸브 바디의 내부에 냉매가 팽창되는 팽창부와 바이패스 통로를 가지는 것일 수 있다.
상기 제1 팽창밸브(18) 및 제2 팽창밸브(15)는 모두 제어기(1)에 의해 내부유로의 개폐상태 및 개도량이 제어되는 전자식 팽창밸브일 수 있다. 상기 제1 팽창밸브(18) 및 제2 팽창밸브(15)는 제어기(1)에 의해 풀 오픈(full open) 상태로 제어될 경우, 바이패스 통로가 완전 개방되고 팽창부의 내부유로는 차단되면서, 냉매가 팽창부의 냉매유로는 통과하지 않고 바이패스 통로로만 흐르게 된다. 이때 냉매가 팽창밸브(15,18)에서 바이패스 통로를 통과하고 팽창부는 바이패스하게 되므로 냉매의 팽창이 이루어지지 않게 된다.
상기 증발기(19)는 제1 팽창밸브(18)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각한다. 상기 증발기(19)는 차량 실내와 연결되고 차량 실내로 냉방용 공기를 공급하기 위한 공기 통로에 설치될 수 있는데, 내부 응축기(14)가 설치되는 난방용 공기 통로와는 별도로 구비된 냉방용 공기 통로에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 냉방 모드시에는 블로워(26)에 의해 흡입된 냉방용 공기가 증발기(19)를 통과하게 되고, 냉방용 공기가 증발기(19)를 통과하는 동안 증발기 내부의 저온 냉매에 의해 냉각된 뒤 차량 실내로 토출되면서 실내 냉방이 이루어지게 된다.
또는, 후술하는 바와 같이, 난방 모드의 냉매 재순환시에는 내기 흡열을 위해 상기 블로워(26) 또는 별도 블로워(미도시됨)에 의해 차량 실내 공기(내기)가 흡입 후 송풍되어 증발기(19)를 통과하도록 한다. 이로써 차량 실내 공기의 열이 증발기(19)의 내부를 통과하는 냉매로 전달될 수 있고, 차량 실내 공기가 가지는 열을 증발기(19)에서 냉매를 통해 흡수할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성에 대해 설명하였는바, 이하에서는 열관리 시스템의 작동 모드에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 열관리 시스템에서는 기액분리기의 역할을 하는 축압기(11)를 이용하여 냉매 재순환 효과를 구현할 수 있고, 이러한 냉매 재순환 효과를 이용하는 작동 모드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 열관리 시스템은 냉매만을 이용하여 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있고, 압축기 일(compressor work)을 이용하여 난방용 열을 공급하는 테슬라 로시 모드(Tesla Lossy mode)를 냉각수 이용 없이도 냉매만을 이용하여 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 열관리 시스템에서는 난방시 압축기 일(= 부하) 및 냉매 재순환 효과를 이용하여 추가 난방 열량을 공급하는 것이 가능하며, 이로써 전기히터(PTC 히터)의 사용량을 감소시킬 수 있는 이점이 있게 된다.
또한, 본 발명에서 축압기(11) 및 열교환부가 내부 열교환기(IHX)로 이용될 수 있는데, 축압기(11)의 내부에 냉매 사이의 열교환을 수행하는 열교환부(23)가 설치되는바, 이러한 축압기(11) 및 열교환부(23)에 의해 이중관 효과가 구현될 수 있게 된다.
특히, 축압기(11)의 내부에 설치된 열교환부(23)에 의해 추가적인 서브쿨링(subcooling, 과냉) 영역을 확보하는 것이 가능해지며, 이에 냉방 용량이 증가하는 효과가 있게 된다.
결국, 난방시의 테슬라 로시 모드와 냉방시의 이중관 효과가 구현될 수 있고, 열관리 시스템의 에너지 효율이 향상될 수 있으며, 열관리 시스템의 냉, 난방 성능이 모두 향상될 수 있게 된다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 난방 모드를 나타내는 도면으로, 도 3은 난방 모드 초기시 수행되는 냉매 재순환 상태를 나타내고, 도 4는 난방 모드시 냉매 재순환 및 실내 방열을 위한 냉매 순환 상태를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 난방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
이를 참조로 난방 모드에 대해 먼저 설명하면, 압축기 일, 즉 추가 부하(compressor work)가 압축기(12)에서 발생하도록 제어기(1)가 압축기(12)를 구동 및 제어하고, 구동하는 압축기(12)의 출구를 통해 고온, 고압으로 압축된 냉매가 토출되도록 한다.
또한, 외기 온도가 극저온 상태일 경우에는, 전기히터(PTC 히터)를 이용하지 않고 도 3에 나타낸 바와 같이 압축기(12)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매 전량을 압축기(12)에서 재순환용 냉매 회로를 통해 축압기(11)로 재순환시킨다. 즉, 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매 전량이 제1 분기관(21) 및 제2 분기관(22)을 통해 축압기(11)로 재순환되도록 하는 것이다.
또한, 제어기(1)는 토출밸브(24)의 개도상태를 제어하는데, 압축기(12)로부터 축압기(11)로 재순환된 냉매가 토출밸브(24)의 제3 포트(25c)를 통해 축압기(11)의 내부로 토출될 수 있도록 한다. 이때 토출밸브(24)에서 제2 포트(25b)로 연결된 내부유로만 차단하도록 밸브 하우징 내 밸브체의 위치가 제어기(1)에 의해 제어된다.
또한, 제어기(1)는 제1 밸브(13) 및 제2 밸브(17)의 개도상태도 제어한다. 즉, 제1 밸브(13)의 경우, 내부 응축기(14) 입구측의 냉매라인이 연결된 출구포트로 이어지는 내부유로는 차단하는 동시에, 압축기(12) 출구측의 냉매라인이 연결된 입구포트 및 제1 분기관(21)이 연결된 분기포트로 이어지는 각 내부유로는 개방하도록 밸브 하우징 내 밸브체의 위치가 제어된다.
제2 밸브(17)의 경우, 제1 팽창밸브(18) 입구측의 냉매라인이 연결된 출구포트 및 제2 분기관(22)이 연결된 분기포트로 이어지는 내부유로는 모두 차단하도록 밸브 하우징 내 밸브체의 위치가 제어된다.
이와 같이 난방 모드 초기 동안에는 압축기(12)에 의해 압축된 냉매 전량을 축압기(11)로 재순환시킴으로써 열관리 시스템의 전체 열량을 압축기 일(compressor work)을 통해 증대시킨다.
전술한 바와 같이, 제1 분기관(21) 및 제2 분기관(22)은 압축기(12)에서 토출되는 고온, 고압의 냉매를 축압기(11)로 재순환시키기 위한 재순환용 냉매 회로를 구성하는 냉매라인들이다.
이러한 재순환용 냉매 회로는 난방 모드 초기의 압축기 구동 동안 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매를 압축기(12) 출구측의 냉매라인에서 제1 밸브(13) 및 토츨밸브(24)를 통해 축압기(11)로 재순환시키는데 이용된다.
이어 도 3의 난방 모드 초기 동안 압축기 일(부하) 및 냉매 재순환 효과에 의해 압축기에서 토출된 냉매의 온도와 압력이 일정 수준까지 상승하게 되면, 이후 도 4의 난방 모드로 전환하여 냉매 재순환과 동시에 차량 실내 난방이 이루어지도록 한다.
이를 위해 제어기(1)가 제1 밸브(13)의 개도상태 및 개도량을 제어하여, 압축기(12)에서 토출되는 냉매 중 일부는 냉매라인(20)을 따라 제1 밸브(13)에서 내부 응축기(14)로 흐르도록 하고, 나머지 냉매는 도 3의 난방 모드 초기시와 동일하게 재순환용 냉매 회로를 통해 축압기(11)로 재순환되도록 한다.
상기 제1 밸브(13)를 통해 재순환용 냉매 회로의 제1 분기관(21)으로 분배된 나머지 냉매는 전술한 난방 모드 초기시와 동일하게 제1 분기관(21) 및 제2 분기관(22), 토출밸브(24)를 통해 축압기(11)로 흐르게 된다.
또한, 압축기(12)에 의해 압축된 냉매 중 일부가 내부 응축기(14)를 포함하는 난방 회로를 순환하게 되어 난방에 이용될 수 있는데, 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매가 내부 응축기(14)의 내부를 통과하는 동안 내부 응축기의 주위를 지나는 난방용 공기를 가열하게 된다.
즉, 내부 응축기(14)에서는 블로워(26)에 의해 송풍되는 난방용 공기와 내부를 통과하는 고온, 고압의 냉매 간의 열교환이 수행되고, 내부 응축기(14)에서 냉매에 의해 가열된 난방용 공기가 차량 실내로 토출되면서 난방이 이루어지게 된다('실내 방열').
상기와 같이 내부 응축기(14)를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브(15)를 통과하게 되는데, 이때 제2 팽창밸브(15)는 제어기(1)에 의해 팽창부의 냉매유로가 개방되도록 제어되며, 이에 내부 응축기(14)를 통과한 냉매가 제2 팽창밸브(15)의 팽창부를 통과하게 되어 팽창되고, 이후 팽창된 냉매는 저온, 저압 상태에서 외부 응축기(16)로 흐르게 된다.
상기 외부 응축기(16)에는 외기, 즉 차량 전단부의 개구부를 통해 유입된 공기가 통과하도록 되어 있으며, 이때 쿨링팬(27)에 의해 흡입된 외기가 외부 응축기(16)를 통과하도록 할 수 있다.
또한, 저온, 저압 상태의 냉매가 외부 응축기(16)의 내부를 통과하는 동안, 외부 응축기(16)에서는 내부의 냉매가 외부 응축기의 주위를 통과하는 공기(외기)의 열을 흡수하게 되며('외기 흡열'), 공기의 열을 흡수한 냉매는 이후 제1 팽창밸브(18) 및 증발기(19)를 거쳐 축압기(11)로 이동한 후 축압기(11) 내부의 냉매와 혼합된다.
이때, 제1 팽창밸브(18)는 제어기(1)에 의해 풀 오픈(full open) 상태로 제어되어 바이패스 통로가 개방되며, 이에 냉매가 제1 팽창밸브(18)의 팽창부를 통과하지 못하고 바이패스 통로를 지나면서 냉매는 팽창되지 않고 그대로 증발기(19)로 흐르게 된다. 결국, 증발기(19)를 통과한 냉매는 축압기(11) 내부의 냉매와 혼합된 상태로 압축기(12)로 흐른 뒤 전술한 냉매 순환 과정을 다시 거치게 된다.
이와 같이 압축기(12)에서 토출되는 고온, 고압의 냉매 중 일부는 난방 회로로 흐르도록 하여 난방 모드가 수행되도록 하고, 나머지 소량의 냉매는 축압기(11)로 재순환시키는바, 전기히터를 사용하는 대신 냉매 재순환을 통해 열관리 시스템의 열량을 증대시킬 수 있다.
또한, 냉매 재순환만이 수행되는 도 3의 난방 모드 초기시와 더불어, 냉매 재순환 및 내부 응축기에 의한 난방, 외부 응축기에 의한 외기 흡열 과정이 동시에 수행되는 도 4의 난방 모드 동안 모두, 압축기 일로 추가 냉매 유량을 확보하는 것이 가능해진다.
결국, 난방 모드 초기시 전기히터를 이용하지 않고도 압축기 일('Comp. Work') 및 냉매 재순환을 활용하여 시스템의 난방을 위한 열량 수준에 도달할 수 있고(도 5 참조), 난방 모드 동안 압축기 일로 냉매 유량을 증대시켜 전기히터 대신 난방 효과 및 성능을 향상시킬 수 있으며, 전기히터를 이용하더라도 그 사용량을 줄일 수 있게 된다.
그리고, 난방 모드 동안 냉매의 온도와 압력이 설정 수준에 도달한 상태이면 냉매 재순환은 중지될 수도 있고, 냉매 재순환이 중지된 상태에서 압축기(12)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매 전량이 난방 회로를 통해 순환하는 일반 난방 모드가 수행될 수 있다.
일반 난방 모드 동안에는 제1 밸브(13)에서 제1 분기관(21)이 연결된 분기포트로 이어지는 내부유로는 차단되고, 압축기(12) 출구측의 냉매라인이 연결된 입구포트 및 내부 응축기(14) 입구측의 냉매라인이 연결된 출구포트로 이어지는 내부유로는 개방된다.
이에 압축기(12)에서 토출되는 냉매 전량이 제1 밸브(13)에서 냉매라인(20)을 따라 내부 응축기(14)로만 흐르게 되고, 고온, 고압의 냉매가 내부 응축기(14)를 통과하는 동안 난방용 공기를 가열하게 된다. 이로써 내부 응축기(14)에서 가열된 난방용 공기가 차량 실내로 토출되면서 전기히터(PTC 히터)의 이용 없이도 난방이 이루어지게 된다.
한편, 도 6은 냉매 재순환 및 실내 방열, 외기 흡열에 더하여 내기 흡열('실내 흡열') 과정이 더 수행되는 난방 모드의 냉매 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 난방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
도 4의 난방 모드는 차량 실내 난방을 위해 냉매 재순환 및 실내 방열과 더불어 외기 흡열 과정이 수행되는 모드이고, 이러한 도 4의 난방 모드에서는 냉매 재순환 및 외기 흡열 과정에 의해 기액분리기인 축압기(11)로 열이 공급될 수 있다.
도 6의 난방 모드는 차량 실내 난방을 위해 냉매 재순환 및 실내 방열, 외기 흡열 과정에 더하여 내기 흡열('실내 흡열') 과정이 추가로 더 수행되는 모드이고, 이러한 도 6의 난방 모드에서는 냉매 재순환 및 외기 흡열 과정, 그리고 추가된 내기 흡열 과정에 의해 기액분리기인 축압기(11)로 열이 공급될 수 있다.
도 6의 난방 모드에서 냉매 재순환이 이루어지는 과정은 도 3 및 도 4를 참조로 설명한 것과 차이가 없다. 또한, 도 6의 난방 모드에서 내부 응축기(14)에서의 실내 방열을 통해 난방이 수행되는 과정, 그리고 외부 응축기(16)에서의 외기 흡열 과정 또한 도 3 및 도 4를 참조로 설명한 것과 차이가 없다.
다만, 내부 응축기(14) 내부를 통과하는 고온, 고압의 냉매로부터 난방용 공기로 열이 전달되는 실내 방열을 통해 차량 실내 난방이 이루어지는 동안, 블로워(26)에 의해 흡입 및 송풍되는 차량 실내 공기(내기)가 증발기(19)의 주위를 지날 수 있도록 한다.
내기 흡열이 더 수행되는 도 6의 난방 모드에서 냉매는 내부 응축기(14)를 통과한 후 제2 팽창밸브(15)에서 팽창되는데, 이렇게 제2 팽창밸브(15)에서 팽창된 냉매가 외부 응축기(16)를 통과하게 된다.
이때 제2 팽창밸브(15)는 팽창부의 냉매유로가 개방되도록 제어기(1)에 의해 제어되는데, 이에 제2 팽창밸브(15)에서는 내부 응축기(14)를 통과한 냉매가 팽창부의 냉매유로를 통과하면서 팽창될 수 있게 된다.
그리고, 외부 응축기(16)에서는 전술한 바와 같이 냉매의 외기 흡열 과정이 수행되는데, 냉매가 외부 응축기(16)의 내부를 통과하는 동안 외부 응축기(16)의 주위를 지나는 외기의 열을 전달받은 후 다시 냉매라인(20)을 따라 제1 팽창밸브(18)로 흐르게 된다.
상기와 같이 냉매는 제2 팽창밸브(15)에서 충분히 저온, 저압 상태가 되었으므로 외부 응축기(16)에서의 외기 흡열 과정을 수행한 후 제1 팽창밸브(18)에서는 팽창 없이 바이패스 통로를 통과하도록 한다.
즉, 제1 팽창밸브(18)가 제어기(1)에 의해 풀 오픈(full open) 상태로 제어되고, 이때 제1 팽창밸브(18)의 바이패스 통로가 개방된다. 이에 냉매는 제1 팽창밸브(18)의 팽창부를 통과하지 못하고 바이패스 통로를 지나면서 팽창되지 않고 그대로 증발기(19)로 흐르게 된다.
그리고, 냉매가 증발기(19)의 내부를 통과하는 동안 차량 실내로부터 도입된 공기(내기)가 증발기(19)의 주위를 지나게 되면, 증발기(19)에서 냉매와 실내 공기 간의 열교환이 수행되고, 이때 실내 공기의 열이 냉매로 전달되면서 냉매에 의한 내기 흡열('실내 흡열')이 이루어지게 된다.
상기와 같이 증발기(19)를 통과한 냉매는 이후 냉매라인(20)을 통해 축압기(11)의 내부로 회수되며, 이렇게 회수된 냉매는 축압기(11) 내부의 냉매와 혼합된다. 또한, 이후 축압기(11) 내부의 냉매는 압축기(12)로 흐른 뒤 전술한 냉매 순환 과정을 다시 거치게 된다.
이와 같이 도 6의 난방 모드에서는 냉매 재순환, 실내 방열(내기 방열), 외기 흡열, 내기 흡열('실내 흡열')이 동시에 수행될 수 있으며, 이 중에서 냉매 재순환은 필요에 따라 중지될 수 있다.
도 6의 난방 모드에서는 도 3 및 도 4의 난방 모드에서와 마찬가지로 압축기 일에 의해 제공되는 일부 열량이 냉매 재순환을 통해 기액분리기인 축압기(11)의 내부로 공급될 수 있고, 결국 축압기(11)의 내부에 공급된 열을 흡수한 냉매가 축압기(11)에서 압축기(12)로 공급될 수 있게 된다. 이렇게 난방 모드 동안 냉매 재순환 과정을 통해 축압기(11)에서 열을 전달받은 냉매는 난방 회로 등 냉매 회로를 다시 순환하게 된다.
결국, 도 6의 난방 모드에서는 압축기 일(부하) 제어와 밸브 제어를 통해 냉매 재순환, 외기 흡열 및 내기 흡열 과정이 동시에 수행될 수 있고, 냉매 재순환, 외기 흡열 및 내기 흡열 과정에 의해 기액분리기인 축압기(11)로 지속적으로 열을 공급할 수 있게 된다.
또한, 압축기(12)가 구동하여 냉매를 압송하므로, 즉 냉매를 고온, 고압으로 압축한 후 송출하므로 저온에서의 냉매 순환량을 늘릴 수 있고, 이를 통해 히트 펌프 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 실내 공기의 열을 증발기(19)에서 냉매를 통해 흡수하고, 냉매를 통해 흡수한 실내 공기의 열을 축압기(11)로 공급하는 동시에, 이후 실내 공기의 열을 흡수한 냉매가 난방 회로 등 냉매 회로를 순환하는 난방 과정을 통하여 COP = 1의 테슬라 로시 모드 효과를 구현할 수 있게 된다(도 7 참조).
다음으로, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 냉방 모드시 냉매 순환 및 상태를 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 냉방 모드시 P-H 선도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 냉방 모드시에는 냉매가 축압기(11), 압축기(12), 외부 응축기(16), 제1 팽창밸브(18), 증발기(19)의 순으로 순환하게 된다.
냉방 모드 동안 작동되는 압축기(12)와 외부 응축기(16), 제1 팽창밸브(18), 증발기(19)의 작용 및 기능은, 공지의 에어컨 시스템에서 냉동 사이클의 과정을 수행하는 주요 구성요소, 즉 공지의 압축기와 응축기, 팽창밸브, 증발기의 작용 및 기능과 비교하여 차이가 없다.
다만, 제어기(1)에 의해, 제1 밸브(13)는, 제1 분기관(21)이 연결된 분기포트로 이어지는 내부유로는 차단되고 증발기(19) 출구측의 냉매라인이 연결된 출구포트 및 내부 응축기(14) 입구측의 냉매라인이 연결된 입구포트로 이어지는 내부유로는 개방되도록 제어된다.
이로써 압축기(12)에서 토출되는 고온, 고압의 냉매가 제1 밸브(13)에서 제1 분기관(21)으로는 흐르지 못하고 냉매 전량이 내부 응축기(14)로만 흐르게 된다.
이때 제2 팽창밸브(15)는 팽창부가 차단되고 바이패스 통로가 개방되는 풀 오픈(full open) 상태로 제어되며, 이에 고온, 고압의 냉매는 팽창 없이 제2 팽창밸브(15)를 통과한 뒤 외부 응축기(16)로 흐르게 되고, 이어 외부 응축기(16)의 내부를 통과하게 된다.
이와 같이 냉매가 외부 응축기(16)의 내부를 통과하는 동안, 쿨링팬(27)에 의해 흡입되어 차량 전단부의 개구부를 통해 유입된 외기가 외부 응축기(16)의 주위를 통과하게 된다. 이에 외부 응축기(16)에서는 냉매와 외기 간의 열교환이 이루어지고, 열교환 과정에서 냉매의 열이 외기로 전달되는 외기 방열이 수행된다.
상기와 같이 외부 응축기(16)에서 공기에 의해 냉각 및 응축된 냉매는 제2 밸브(17)에서 제2 분기관(22)으로 흐른 뒤 제2 분기관(22)을 따라 축압기(11)로 이동하고, 이어 축압기(11) 내부의 열교환부(23)를 통과한다.
이때 외부 응축기(16)를 통과한 냉매가 제2 밸브(17)에서 제2 분기관(22)을 통해 축압기(11)로 흐를 수 있도록 제2 밸브(17)의 개폐상태가 제어기(1)에 의해 제어되는데, 제2 밸브(17)에서 제1 팽창밸브(18) 입구측의 냉매라인이 연결된 출구포트로 이어지는 냉매유로는 차단되고 외부 응축기(16) 출구측의 냉매라인이 연결된 입구포트 및 제2 분기관(22)이 연결된 분기포트로 이어지는 내부유로는 개방되도록 제어된다.
상기와 같이 축압기(11) 내에서 열교환부(23)를 통과한 냉매는 축압기(11)로부터 배출되어 제2 분기관(22)을 따라 흐르게 되고, 이어 제2 분기관(22)에서 제1 팽창밸브(18) 입구측의 냉매라인으로 이동하게 된다.
냉방 모드에서, 제어기(1)에 의해, 제2 팽창밸브(15)는 팽창부가 차단되고 바이패스 통로가 개방되는 풀 오픈(full open) 상태로 제어되는 반면, 제1 팽창밸브(18)는 냉매의 팽창이 이루어질 수 있게 바이패스 통로가 개방되고 팽창부가 개방되도록 제어된다. 이에 제1 팽창밸브(18)에서는 냉매가 저온, 저압 상태로 팽창된 뒤 증발기(19)로 흐르게 된다.
이때 증발기(19)의 주위로는 블로워(26)에 의해 송풍되는 냉방용 공기가 지나게 되므로 증발기(19)에서 냉매와 냉방용 공기 간의 열교환이 이루어지게 된다. 열교환시 증발기(19)의 내부를 통과하는 냉매가 증발기(19)의 주위를 지나는 냉방용 공기로부터 열을 흡수하며('실내 흡열'), 이에 냉방용 공기가 증발기(19)에서 냉각될 수 있게 된다.
이와 같이 증발기(19)에서 냉매에 의해 냉각된 공기가 차량 실내로 토출됨으로써 차량 실내 냉방이 이루어지게 된다. 또한, 증발기(19)를 통과한 냉매는 이후 축압기(11)로 이동한 후, 냉방 모드 동안 다시 압축기(12)에 의해 냉매 회로를 동일한 경로로 순환하게 된다.
상기와 같은 냉방 모드 동안, 전술한 바와 같이 외부 응축기(16)를 통과한 냉매의 전량이 제2 밸브(17)에서 제2 분기관(22)으로 이동한 후 열교환부(23)를 통과하게 되는데, 축압기(11)의 내부에서는 외부 응축기(16)에서 외기 방열을 마친 뒤 열교환부(23)의 내부를 통과하는 냉매와, 열교환부(23)의 외부에 저장된 냉매 간의 열교환이 이루어진다.
이때 열교환부(23)의 내부를 통과하는 냉매의 온도가 상대적으로 고온이므로 열교환부(23)의 내부를 통과하는 냉매로부터 열교환부(23)의 외부에 저장된 냉매로 열이 전달된다. 또한, 토출밸브(24)는 제3 포트(25c)를 차단하도록 제어되므로 열교환부(23)를 통과한 냉매는 다시 축압기(11) 외부의 제2 분기관(22)을 따라 이동한 후 냉매라인으로 흐르게 되며, 이후 제1 팽창밸브(18)로 이동하게 된다.
이때 토출밸브(24)는 제1 포트(25a)와 제2 포트(25b)가 서로 연통되고 제3 포트(25c)가 차단되도록 제어기(1)에 의해 내부유로의 개도상태가 제어된다. 이에 열교환부(23)를 통과한 냉매는 토출밸브(24)에서 축압기(11)의 내부로 토출되지 않고 그 전량이 축압기(11) 외부의 제2 분기관(22)으로 흐르게 된다.
그리고, 상기와 같이 냉매가 제2 분기관(22)의 도중에 설치된 열교환부(23)를 지나는 동안, 기액분리기인 축압기(11)의 내부에서 상기 열교환부(23) 내부의 냉매와 열교환부(23) 외부의 냉매가 서로 열교환을 하게 되는데, 이러한 열교환부(23)에서의 냉매 간 열교환에 의해 냉방에 사용될 냉매의 서브쿨링(과냉) 영역이 추가로 확보될 수 있게 된다.
또한, 서브쿨링 영역이 추가로 확보됨에 따라 열관리 시스템의 전체 냉방 용량이 증가하게 되어 냉방 성능이 향상될 수 있고, 기액분리기인 축압기(11) 및 열교환부(23)가 내부 열교환기(IHX)로 활용될 수 있게 됨에 따라 이중관 효과 또한 확보될 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 제어기 11 : 축압기
12 : 압축기 13 : 제1 밸브
14 : 내부 응축기 15 : 제2 팽창밸브
16 : 외부 응축기 17 : 제2 밸브
18 : 제1 팽창밸브 19 : 증발기
20 : 냉매라인 21 : 제1 분기관
22 : 제2 분기관 23 : 열교환부
24 : 토출밸브 25a : 제1 포트
25b : 제2 포트 25c : 토출구
26 : 블로워 27 : 쿨링팬

Claims (17)

  1. 냉매의 기액 분리가 수행되는 축압기;
    냉매를 압축하는 압축기;
    냉매와 난방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 내부 응축기;
    냉매와 외기 사이의 열교환이 수행되는 외부 응축기;
    냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브;
    냉매와 냉방용 공기 사이의 열교환이 수행되는 증발기;
    상기 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매라인에서 분기되어 상기 축압기로 연결되고 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 상기 축압기로 선택적으로 재순환시키도록 구비된 재순환용 냉매라인; 및
    상기 재순환용 냉매라인에에 설치되어 재순환용 냉매라인을 통과한 냉매를 축압기 내부에 선택적으로 토출할 수 있도록 구비된 토출밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 재순환용 냉매라인은,
    상기 압축기에 의해 압축된 냉매가 선택적으로 통과할 수 있도록 구비된 제1 분기관; 및
    상기 외부 응축기와 제1 팽창밸브 사이의 냉매라인에서 분기되어 상기 축압기로 연결되고 상기 제1 분기관이 연결되어 상기 제1 분기관을 통과한 냉매가 축압기로 흐를 수 있도록 구비된 제2 분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매라인에서 상기 제1 분기관이 분기된 분기점 위치에 설치되는 전자식 3-웨이 밸브인 제1 밸브; 및
    상기 제1 밸브를 통과하는 냉매의 유동 상태가 제어될 수 있도록 제1 밸브의 개도상태를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    난방 모드 초기 동안,
    상기 압축기에 의해 압축된 냉매의 전량이 상기 제1 분기관 및 제2 분기관으로 흐를 수 있도록 제1 밸브의 개도상태를 제어하고,
    상기 제1 분기관 및 제2 분기관을 통과한 냉매를 축압기 내부로 토출할 수 있도록 상기 토출밸브의 개도상태를 제어하는 것을 특징으로 차량의 열관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 압축기에서 토출된 냉매의 온도와 압력이 일정 수준까지 상승하면, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매가 제1 밸브에서 상기 내부 응축기로 연결된 냉매 라인과 제1 분기관으로 분배되어 흐를 수 있도록 상기 제1 밸브의 개도상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 응축기와 제1 팽창밸브 사이의 냉매라인에서 상기 제2 분기관이 분기된 분기점 위치에 설치되는 전자식 3-웨이 밸브인 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어기는 제2 밸브를 통과하는 냉매의 유동 상태가 제어될 수 있도록 제2 밸브의 개도상태를 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 분기관은 상기 축압기의 내부를 통과하도록 구비되고,
    상기 축압기의 내부를 통과한 제2 분기관이 상기 제2 밸브와 제1 팽창밸브 사이의 냉매라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 토출밸브는,
    상기 축압기의 내부에 위치하도록 설치되고,
    상기 제2 밸브로부터 연장된 제2 분기관이 연결되는 제1 포트, 상기 제2 밸브와 제1 팽창밸브 사이의 냉매라인으로 연장된 제2 분기관이 연결되는 제2 포트, 상기 축압기의 내부로 냉매를 토출하는 토출구를 가지며,
    상기 제1 포트로 유입된 냉매가 상기 제2 포트와 토출구 중 선택된 하나로 흐를 수 있도록 상기 제어기에 의해 내부유로의 개폐상태가 제어되는 전자식 밸브인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 축압기 내부를 통과하는 제2 분기관의 관로 부분에 열교환부가 설치되고,
    상기 열교환부는,
    상기 제1 분기관 및 제2 분기관을 따라 이동하여 열교환부 내부를 통과하는 냉매와, 상기 축압기 내부에서 열교환부 외측으로 저장된 냉매 사이의 열교환이 수행되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 축압기 내부를 통과하는 제2 분기관의 관로 부분 중 상기 열교환부 출구측의 관로 부분에 상기 토출밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 축압기 내부를 통과하는 제2 분기관의 관로 부분에 열교환부가 설치되고,
    상기 열교환부는,
    상기 제1 분기관 및 제2 분기관을 따라 이동하여 열교환부 내부를 통과하는 냉매와, 상기 축압기 내부에서 열교환부 외측으로 저장된 냉매 사이의 열교환이 수행되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 응축기와 외부 응축기 사이의 냉매라인에 설치되고 상기 내부 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 제2 팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 팽창밸브는 상기 내부 응축기에서 외부 응축기로 흐르는 냉매를 선택적으로 팽창시키도록 제어기에 의해 제어되는 전자식 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는,
    난방 모드 동안,
    상기 내부 응축기에서 외부 응축기로 흐르는 냉매를 팽창시키도록 상기 제2 팽창밸브를 제어하고,
    외기가 외부 응축기의 주위를 통과하도록 쿨링팬을 작동시켜, 외부 응축기에서 외기와 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는,
    난방 모드 동안,
    냉매를 팽창시키지 않도록 상기 제1 팽창밸브를 제어하여, 상기 외부 응축기를 통과한 냉매가 제1 팽창밸브에 의한 팽창 없이 증발기로 흐르도록 하고,
    차량 실내 공기가 증발기 주위를 통과하도록 블로워를 작동시켜, 상기 증발기에서 차량 실내 공기와 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는 냉방 모드 동안 냉매를 팽창시키지 않도록 상기 제2 팽창밸브를 제어하여, 상기 내부 응축기를 통과한 냉매가 제2 팽창밸브에 의한 팽창 없이 외부 응축기로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브는 상기 외부 응축기에서 증발기로 흐르는 냉매를 선택적으로 팽창시키도록 제어기에 의해 제어되는 전자식 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
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