WO2016072719A1 - 열교환기 - Google Patents

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김시형
박대근
백승호
이호
김동균
남수병
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한온시스템 주식회사
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    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, to a water-cooled condenser type heat exchanger for heat-exchanging a cooling water and a refrigerant in a vehicle air conditioner.
  • the vehicle air conditioner is a device for cooling or heating the vehicle interior by heating or cooling the air in the vehicle in the process of introducing air outside the vehicle or circulating the air in the vehicle interior.
  • the evaporator, the heater core for the heating action, and the air cooled or heated by the evaporator or the heater core are selectively blown to the respective parts of the vehicle cabin by using the blowing mode switching door.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional water-cooled heat exchanger
  • Figure 2 schematically shows the configuration of a conventional water-cooled heat exchanger.
  • the conventional water-cooled heat exchanger (9) is formed by stacking a plurality of plates (1), a refrigerant inlet (2) through which the refrigerant is introduced into one side and a refrigerant outlet (the refrigerant is discharged) ( 3) is formed, and a coolant inlet 4 through which coolant is introduced and a coolant outlet 5 through which coolant is discharged.
  • the plurality of plates 1 are stacked to form a coolant flow path and a coolant flow path therein.
  • the refrigerant introduced into the refrigerant inlet 2 flows through the refrigerant passage formed by the plate 1 and is discharged into the refrigerant outlet 3 to form the refrigerant flow path 7 as shown in FIG. 2.
  • the coolant introduced into the coolant inlet 4 flows through the coolant flow path formed by the plate 1 and is discharged to the coolant outlet 5 to form the coolant flow path 8 as shown in FIG. 2.
  • the coolant in the coolant flow path 7 and the coolant in the coolant flow path 8 exchange heat.
  • two different types of cooling water and refrigerant can be heat exchanged in one device, and heat exchanger can efficiently configure the heat exchange rate between the two cooling water and refrigerant. Provide a flag.
  • the heat exchanger according to the present invention has a refrigerant inlet through which a refrigerant flows in and a refrigerant outlet through which the refrigerant is discharged to form a refrigerant flow path, and forms a cooling water flow path through which the coolant heat exchanged with the refrigerant flowing through the refrigerant flow path flows.
  • the coolant flow path comprises a first coolant flow path through which a first coolant flows, and a second coolant flow path through which a second coolant of a different type from the first coolant flows;
  • a first heat exchange section in which heat exchange between the first cooling water and the coolant in the first cooling water flow path is performed, and a second heat exchange section in which heat exchange between the second coolant and the coolant in the second coolant flow path are performed are exchanged independently.
  • a plurality of plates are stacked to form a refrigerant flow path, a first coolant flow path and a second coolant flow path therein;
  • a partition plate is provided between the plates to partition the first coolant flow path and the second coolant flow path.
  • the first coolant inlet through which the first coolant is introduced and the first coolant outlet through which the first coolant is discharged are provided at one side in a stacking direction of the plate, and the second coolant inlet and the second coolant into which the second coolant is introduced.
  • the second cooling water discharge port is discharged is provided on the other side in the stacking direction of the plate;
  • the coolant inlet port and the coolant outlet port are provided on different sides in the stacking direction of the plate and have a two-pass structure.
  • the partition plate is formed with a refrigerant passage hole for allowing the refrigerant flowing in the first heat exchange section to flow to the second heat exchange section.
  • the ratio of the heat exchange area between the first cooling water and the refrigerant in the first heat exchange section and the heat exchange area between the second cooling water and the refrigerant in the second heat exchange section is adjusted according to the temperature difference between the first cooling water and the second cooling water.
  • the first cooling water is composed of stack cooling water
  • the second cooling water is composed of electrical equipment cooling water
  • the heat exchange area of the stack cooling water is 65%, and the heat exchange area of the electrical equipment coolant is 35%.
  • the heat exchange area of the stack cooling water and the heat exchange area of the electrical equipment cooling water are configured to be the same.
  • the heat exchanger according to the present invention enables heat exchange between two different types of cooling water and refrigerant in a single heat exchanger, thereby enabling the implementation of a triple heat exchanger, and improving heat exchange efficiency by utilizing a stack-side cooling water having a relatively high waste heat.
  • the heat exchange rate of the water-cooled condenser can be adjusted according to the amount of heat dissipation on the stack side and the electrical appliance side, thereby obtaining an optimum heat exchange effect.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional water-cooled heat exchanger
  • Figure 2 schematically shows the configuration of a conventional water-cooled heat exchanger
  • FIG. 3 shows a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 schematically shows the configuration of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a plate of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a partition plate of the heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a block diagram showing a cooling mode of the heat pump system for a vehicle heat pump according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a heating mode of the heat pump system for a vehicle heat pump according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 schematically illustrates a configuration of a heat exchanger according to a modification of FIG. 4.
  • FIG. 3 shows a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 schematically shows the configuration of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 according to an embodiment of the present invention 6 illustrates a plate of a heat exchanger
  • FIG. 6 illustrates a partition plate of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • the up-down direction in FIG. 3 is the "layer stacking direction”.
  • the heat exchanger 100 is made of a plurality of plates 190 are stacked.
  • Each plate 190 is formed in a plate shape having a predetermined thickness, and a plurality of diagonal paths are formed to form passages through which the coolant and the coolant flow as the plates 190 are stacked.
  • the coolant line 191 and the coolant line 192 are formed adjacent to each other, and the coolant flowing through the coolant line 191 and the coolant flowing through the coolant line 192 are heat-exchanged with each other.
  • the heat exchanger may be implemented in various other shapes, and the gist of the present invention is not limited thereto.
  • the heat exchanger 100 includes a refrigerant inlet 110 through which the refrigerant is introduced and a refrigerant outlet 120 through which the refrigerant is discharged to form the refrigerant flow path 160.
  • the heat exchanger 100 forms a coolant flow path, and the coolant flowing through the coolant flow path exchanges heat with the coolant flowing through the coolant flow path 160.
  • the coolant flow path includes a first coolant flow path 170 through which a first coolant flows, and a second coolant flow path 180 through which a second coolant flows to another place with respect to the first coolant.
  • the first cooling water may be made of stack-side cooling water in the case of an electric vehicle
  • the second cooling water may be made of electric equipment cooling water such as a motor and various electric components. Therefore, heat exchange with the refrigerant can be performed using waste heat from two different types of cooling water lines.
  • the heat exchanger 100 includes a first heat exchange section a through which heat exchange between the first coolant of the first coolant flow path 170 and the refrigerant is performed, and heat exchange between the second coolant and the coolant of the second coolant flow path 180 is performed.
  • a second heat exchanging section b is formed. In the first heat exchange section (a) and the second heat exchange section (b), heat exchange between the first coolant and the coolant and heat exchange between the second coolant and the coolant are independently performed.
  • the plates 190 are stacked on each other to form a refrigerant flow path 160, a first coolant flow path 170, and a second coolant flow path 180 therein.
  • a partition plate 150 is provided between the plates 190 to partition the first coolant flow path 170 and the second coolant flow path 180.
  • the partition plate 150 allows the heat exchange of the coolant and the refrigerant to be independently performed in the first heat exchange section a and the second heat exchange section b in a relatively simple configuration.
  • the first coolant inlet 131 through which the first coolant is introduced and the first coolant outlet 132 through which the first coolant is discharged are provided at one side in a stacking direction of the plate.
  • the second coolant inlet 141 through which the second coolant flows and the second coolant outlet 142 through which the second coolant is discharged are provided at the other side in the stacking direction of the plate.
  • the refrigerant inlet 110 and the refrigerant outlet 120 are provided on different sides in the stacking direction of the plate and have a two-pass structure.
  • the refrigerant introduced through the refrigerant inlet 110 is first heat-exchanged with the first cooling water in the first heat exchange section a, and then flows to the second heat exchange section b to the second heat exchange section b. Second heat exchange with the second cooling water. Thereafter, the refrigerant is discharged through the refrigerant outlet 120.
  • heat exchange between the two different types of cooling water and the refrigerant occurs sequentially, thereby achieving efficient heat exchange.
  • the partition plate 150 has a refrigerant passage hole 151 for allowing the refrigerant flowing in the first heat exchange section a to flow in the second heat exchange section b.
  • the refrigerant passage hole 151 communicates the refrigerant passage in the first heat exchange section a with the refrigerant passage in the second heat exchange section b.
  • Figures 7 and 8 schematically show the configuration of heat exchangers having different heat exchange rates according to a modification of the present invention.
  • the ratio of the heat exchange area between the first coolant and the coolant in the first heat exchange section a and the heat exchange area between the second coolant and the coolant in the second heat exchange section b is equal to the first coolant and the second coolant. Adjusted according to the temperature difference of the coolant.
  • the position of the partition plate 150 in the stacking direction that is, the ratio of the upper and lower stages of the heat exchanger is adjusted according to the temperature difference between the first cooling water (stack side cooling water) and the second cooling water (electronic cooling water) through the heat dissipation calculation. .
  • the actual vehicle cooling water temperature difference (temperature difference between the stack side cooling water and the electrical equipment cooling water) is formed at 15 ° C, in which case, the first heat exchange section a and the second heat exchange section b are ) And the ratio of 35:65. If there is no difference in the actual vehicle cooling water temperature, the ratio of the first heat exchange section a and the second heat exchange section b may be 65:35.
  • the heat exchange area of the stack cooling water is 65%, and the heat exchange area of the electrical equipment coolant is 35%.
  • the heat exchange area of the stack cooling water and the heat exchange area of the electrical equipment cooling water may be configured to be the same.
  • FIG. 7 illustrates a case in which the first heat exchange section (a) is formed larger than the second heat exchange section (b) so that the heat exchange area between the first cooling water and the coolant is larger than the heat exchange area between the second coolant and the coolant
  • FIG. This is a case where the first heat exchange section a is formed smaller than the second heat exchange section b so that the heat exchange area between the first cooling water and the coolant is smaller than the heat exchange area between the second coolant and the coolant.
  • the ratio of the number of stages of the water-cooled condenser can be adjusted according to the heat dissipation amount of the stack side and the electrical equipment side, thereby obtaining an optimum heat exchange effect.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating a cooling mode of a vehicle heat pump system to which a heat exchanger is applied according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a heating mode of a vehicle heat pump system to which a heat exchanger is applied according to an embodiment of the present invention. The configuration diagram shown.
  • a vehicle heat pump system includes a refrigerant circulation line 313, a compressor 301, an outdoor heat exchanger 311, an orifice 327, An evaporator 303, a coolant circulation line 315, a heat exchanger 100 (coolant-refrigerant heat exchanger), and a heater core 319 are included.
  • the compressor 301 is installed in the refrigerant circulation line 313 to compress and discharge the refrigerant.
  • An accumulator 309 is provided upstream of the compressor 301 in the refrigerant flow direction. The accumulator 309 separates the liquid refrigerant and the gaseous refrigerant from the refrigerant supplied to the compressor 301 so that only the gaseous refrigerant is supplied to the compressor 301.
  • the outdoor heat exchanger 311 is installed outside the air conditioning case 323 to heat exchange the outdoor air with the refrigerant circulating in the refrigerant circulation line 313.
  • the orifice 327 throttles the refrigerant flowing through the refrigerant circulation line 313 and is disposed between the outdoor heat exchanger 311 and the evaporator 303.
  • the evaporator 303 is installed inside the air conditioning case 323 to heat exchange the refrigerant inside the air conditioning case 323 and the refrigerant flowing through the refrigerant circulation line 313.
  • the coolant circulation line 315 is a passage through which coolant flows through the stack 325, and the coolant flowing through the coolant circulation line 315 exchanges heat with the coolant flowing through the coolant circulation line 313.
  • the water pump 317 is provided on the cooling water circulation line 315 to force circulation of the cooling water.
  • the heat exchanger 100 is a coolant-refrigerant heat exchanger (Chiller), and has the same structure as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the heat exchanger 100 heat exchanges the refrigerant flowing through the refrigerant circulation line 313 and the cooling water flowing through the cooling water circulation line 315.
  • the heater core 319 is installed in the cooling water circulation line 315 and disposed inside the air conditioning case 323 to heat exchange the air inside the air conditioning case 323 with the cooling water flowing through the cooling water circulation line 315.
  • the evaporator 303 and the heater core 319 are sequentially installed in the air flow direction, and a temperature control door 321 is provided between the evaporator 303 and the heater core 319. .
  • the refrigerant discharged from the compressor 301 is air-conditioned while passing through the evaporator 303 through the orifice 327 after heat-exchanging with the outside air through the three-way valve in the outdoor heat exchanger 311.
  • the compressor 301 is circulated through the three-way valve and the accumulator 309.
  • the coolant flowing through the coolant circulation line 315 circulates through the heater core 319 to the coolant-refrigerant heat exchanger 100, and the coolant circulating through the heat exchanger 100 is the refrigerant circulation line 313. Heat exchange with the refrigerant circulating.
  • the coolant passing through the coolant-refrigerant heat exchanger (100) circulates through the heater core (319) again through the stack (325) side.
  • the refrigerant discharged from the compressor 301 passes through the three-way valve and passes through the evaporator 303 to exchange heat with the air in the air conditioning case 323 and then the orifice 327.
  • the two-way valve 305 and passing through the coolant-refrigerant heat exchanger 100 After passing through the two-way valve 305 and passing through the coolant-refrigerant heat exchanger 100, it passes through the accumulator 309 and circulates the compressor 301.
  • the coolant flowing through the coolant circulation line 315 circulates through the heater core 319 to the coolant-refrigerant heat exchanger 100, and the coolant circulates through the coolant-refrigerant heat exchanger 100. Heat exchange with refrigerant circulating in line 313.
  • the coolant passing through the coolant-refrigerant heat exchanger (100) circulates through the heater core (319) again through the stack (325) side.
  • the heat of the refrigerant is radiated from the evaporator 303 to act as heating heat, and the waste heat of the stack 325 side is recovered through the coolant-refrigerant heat exchanger 100 and used as the vaporization energy of the refrigerant.
  • the heat exchanger 100 is configured such that the refrigerant flowing in the refrigerant flow path 160 is first heat exchanged with the cooling water in the coolant flow path having a higher temperature among the first and second cooling water.
  • the refrigerant flows through the refrigerant flow path 160 in the direction shown in FIG. 4.
  • the refrigerant absorbs heat by first heat exchanging with the first cooling water at 60 ° C., and then heat absorbs with heat exchange with the second cooling water at 40 ° C.
  • the refrigerant finally heat exchanges with the lower cooling water in the heat exchanger 100 to lower the temperature of the refrigerant, it is possible to improve the cooling efficiency.
  • FIG. 11 schematically illustrates a configuration of a heat exchanger according to a modification of FIG. 4.
  • the heat exchanger 100 includes a coolant flow path 160 and a coolant flow path, and the coolant flowing through the coolant flow path exchanges heat with the coolant flowing through the coolant flow path 160.
  • the coolant flow path includes a first coolant flow path 170 through which the first coolant flows, and a second coolant flow path 180 through which the second coolant different from the first coolant flows.
  • the heat exchanger 100 includes a first heat exchange section a through which heat exchange between the first coolant of the first coolant flow path 170 and the refrigerant is performed, and heat exchange between the second coolant and the coolant of the second coolant flow path 180 is performed.
  • a second heat exchanging section b is formed.
  • the heat exchanger 100 has a bypass flow path 184.
  • the bypass flow path 184 is formed in the second coolant flow path 180 and bypasses the coolant flowing into the heat exchanger 100 so that the coolant does not flow into the heat exchanger 100.
  • the bypass flow path 184 is branched on the upstream side of the inlet of the second cooling water flow path 180 and connected to the outlet downstream side.
  • the branch portion may be provided with a valve 185 for selectively controlling the flow to flow or bypass the cooling water to the heat exchanger side.
  • the refrigerant of the heat exchanger 100 radiates heat, and the refrigerant exchanges heat with the first cooling water and then with the second cooling water.
  • the refrigerant of the heat exchanger 100 absorbs heat, and the cooling water of the second cooling water flow path 180 is bypassed so that the refrigerant heat exchanges only with the first cooling water.
  • the cooling water flowing in the second cooling water flow path 180 is bypassed and does not heat exchange with the refrigerant, thereby preventing a decrease in heating efficiency.
  • the first cooling water is made of stack-side cooling water in the case of an electric vehicle
  • the second cooling water is made of electric coolant of electronic components such as a motor and various electric components, but the present invention is not limited thereto.
  • the coolant may be a coolant flowing through different heat sources such as a stack and a battery according to the type of the vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.

Abstract

서로 다른 2종의 냉각수와 냉매를 하나의 장치 안에서 열교환 가능하게 구성함과 아울러, 2가지 냉각수와 냉매 간의 열교환 비율을 효율적으로 구성할 수 있는 열교환기가 게시된다. 열교환기는 냉매가 유입되는 냉매 유입구와 냉매가 배출되는 냉매 배출구를 구비하여 냉매 유동 경로를 형성하고, 상기 냉매 유동 경로를 흐르는 냉매와 열교환되는 냉각수가 유동되는 냉각수 유동 경로를 형성한 것으로서, 상기 냉각수 유동 경로는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각수 유동 경로와, 상기 제1 냉각수와 다른 종류의 제2 냉각수가 흐르는 제2 냉각수 유동 경로로 구성되며; 상기 제1 냉각수 유동 경로의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간과, 제2 냉각수 유동 경로의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환 구간이 구획되어 독립적으로 열교환된다. 따라서, 단일의 열교환기에서 서로 다른 2종류의 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어져 3중 열교환기의 구현이 가능해지고, 비교적 높은 폐열을 갖는 스택측 냉각수를 활용하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 스택측과 전장품측 방열량에 따라 수냉식 응축기의 단수 비율을 조절하여 최적의 열교환 효과를 얻을 수 있다.

Description

열교환기
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량용 공조장치에 있어서 냉각수와 냉매를 열교환하는 수냉식 응축기 타입의 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 차량 외부의 공기를 차량 실내로 도입하거나 차량 실내의 공기를 순환시키는 과정에서 가열 또는 냉각시켜 차량 실내를 냉방 또는 난방하기 위한 장치로서, 공조케이스의 내부에는 냉각작용을 위한 증발기와, 가열작용을 위한 히터코어 및 증발기나 히터코어에 의해 냉각 또는 가열된 공기를 송풍 모드 전환용 도어를 사용하여 차량 실내의 각 부분으로 선택적으로 송풍하도록 이루어진다.
선 출원된 대한민국 등록특허 10-1151758호에는 판형 열교환기가 게시된바 있다. 도 1은 종래의 수냉식 열교환기를 도시한 사시도이고, 도 2는 종래의 수냉식 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 수냉식 열교환기(9)는 다수의 플레이트(1)가 적층되어 이루어지며, 일 측에 냉매가 유입되는 냉매 유입구(2) 및 냉매가 배출되는 냉매 배출구(3)가 형성됨과 아울러, 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(4) 및 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(5)가 형성된다. 다수의 플레이트(1)는 적층되어 내부에 냉매 유로 및 냉각수 유로를 형성한다.
냉매 유입구(2)로 유입된 냉매는 플레이트(1)에 의해 형성되는 냉매 유로를 유동하여 냉매 배출구(3)로 배출됨으로써, 도 2와 같은 냉매 유동 경로(7)를 형성한다. 아울러, 냉각수 유입구(4)로 유입된 냉각수는 플레이트(1)에 의해 형성되는 냉각수 유로를 유동하여 냉각수 배출구(5)로 배출됨으로써, 도 2와 같은 냉각수 유동 경로(8)를 형성한다. 냉매 유동 경로(7)의 냉매와 냉각수 유동 경로(8)의 냉각수는 서로 열교환된다.
종래의 수냉식 열교환기(9)는 냉각수 유동 경로(8)를 통해 각종 전장품을 유동한 전장품 냉각수가 흐르며, 이러한 전장품 냉각수의 폐열을 이용하여 냉매와 열교환을 수행하게 된다.
하지만, 전기차량과 같은 경우 스택측 냉각수에 더욱 많은 폐열이 발생하는데, 종래의 수냉식 열교환기는 서로 다른 2종의 냉각수와 냉매가 열교환이 불가능한 구조로 이루어져 스택측 냉각수의 폐열을 이용하지 못하는 문제점이 있었다.
아울러, 서로 다른 2종의 냉각수와 냉매를 동시에 열교환하는 구조를 적용함에 있어서, 2가지 냉각수와 냉매 간의 열교환 비율을 더욱 효율적으로 구성하도록 연구가 필요한 실정이다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 서로 다른 2종의 냉각수와 냉매를 하나의 장치 안에서 열교환 가능하게 구성함과 아울러, 2가지 냉각수와 냉매 간의 열교환 비율을 효율적으로 구성할 수 있는 열교환기를 제공한다.
본 발명에 따른 열교환기는 냉매가 유입되는 냉매 유입구와 냉매가 배출되는 냉매 배출구를 구비하여 냉매 유동 경로를 형성하고, 상기 냉매 유동 경로를 흐르는 냉매와 열교환되는 냉각수가 유동되는 냉각수 유동 경로를 형성한 것으로서, 상기 냉각수 유동 경로는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각수 유동 경로와, 상기 제1 냉각수와 다른 종류의 제2 냉각수가 흐르는 제2 냉각수 유동 경로로 구성되며; 상기 제1 냉각수 유동 경로의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간과, 제2 냉각수 유동 경로의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환 구간이 구획되어 독립적으로 열교환된다.
상기에서, 다수의 플레이트가 적층되어 내부에 냉매 유동 경로, 제1 냉각수 유동 경로 및 제2 냉각수 유동 경로를 형성하고; 플레이트들 사이에 제1 냉각수 유동 경로와 제2 냉각수 유동 경로를 구획하는 구획 플레이트가 구비된다.
상기에서, 제1 냉각수가 유입되는 제1 냉각수 유입구와 제1 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구는 플레이트의 적층 방향으로 일 측에 구비되고, 제2 냉각수가 유입되는 제2 냉각수 유입구와 제2 냉각수가 배출되는 제2 냉각수 배출구는 플레이트의 적층 방향으로 타 측에 구비되며; 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는 플레이트의 적층 방향으로 서로 다른 측에 구비되어 2패스(Pass) 구조로 구성된다.
상기에서, 구획 플레이트에는 제1 열교환 구간을 유동한 냉매를 제2 열교환 구간으로 유동하게 하는 냉매 통과공이 형성된다.
상기에서, 제1 열교환 구간에서의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적과 제2 열교환 구간에서의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적의 비율은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 온도차에 따라 조절된다.
상기에서, 제1 냉각수는 스택(Stack) 냉각수로 구성되고, 제2 냉각수는 전장품 냉각수로 구성된다.
상기에서, 스택 냉각수와 전장품 냉각수의 온도가 동일한 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적을 65%, 전장품 냉각수의 열교환 면적을 35%로 구성한다.
상기에서, 스택 냉각수온이 전장품 냉각수온보다 10℃ 높은 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적과 전장품 냉각수의 열교환 면적을 동일하게 구성한다.
본 발명에 따른 열교환기는 단일의 열교환기에서 서로 다른 2종류의 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어져 3중 열교환기의 구현이 가능해지고, 비교적 높은 폐열을 갖는 스택측 냉각수를 활용하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 스택측과 전장품측 방열량에 따라 수냉식 응축기의 단수 비율을 조절하여 최적의 열교환 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 수냉식 열교환기를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래의 수냉식 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 플레이트를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 구획 플레이트를 도시한 것이며,
도 7 및 도 8은 본 발명의 변형 예에 따라 서로 다른 열교환 비율을 갖는 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기가 적용된 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 구성도이며,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기가 적용된 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 구성도이고,
도 11은 도 4의 변형 예에 따른 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 열교환기의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 플레이트를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기의 구획 플레이트를 도시한 것이다.
이하의 설명에서, 도 3의 상하 방향이 "플레이트의 적층 방향"이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기(100)는 다수의 플레이트(190)가 적층되어 이루어진다. 각 플레이트(190)는 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 이루어지며, 다수의 사선 형태의 유로가 형성되어 플레이트(190)들이 적층되면서 냉매 및 냉각수가 유동하는 통로를 형성한다.
즉, 플레이트(190)는 냉매 라인(191)과 냉각수 라인(192)이 서로 이웃하게 형성되며, 냉매 라인(191)을 유동하는 냉매와 냉각수 라인(192)을 유동하는 냉각수는 서로 열교환된다. 하지만, 열교환기는 이 밖의 다양한 형상으로도 구현이 가능하며, 본 발명의 요지가 이에 한정되는 것은 아니다.
열교환기(100)는 냉매가 유입되는 냉매 유입구(110)와 냉매가 배출되는 냉매 배출구(120)를 구비하여 냉매 유동 경로(160)를 형성한다. 아울러, 열교환기(100)는 냉각수 유동 경로를 형성하며, 냉각수 유동 경로를 유동하는 냉각수는 냉매 유동 경로(160)를 흐르는 냉매와 열교환된다.
상기 냉각수 유동 경로는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각수 유동 경로(170)와, 상기 제1 냉각수에 대해 다른 곳을 유동하는 제2 냉각수가 흐르는 제2 냉각수 유동 경로(180)로 구성된다. 이 경우, 제1 냉각수는 전기차량의 경우 스택측 냉각수로 이루어질 수 있으며, 제2 냉각수는 모터, 각종 전장 부품 등의 전장품 냉각수로 이루어질 수 있다. 따라서, 서로 다른 2종류의 냉각수 라인의 폐열을 이용하여 냉매와 열교환을 수행할 수 있다.
열교환기(100)는 제1 냉각수 유동 경로(170)의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간(a)과, 제2 냉각수 유동 경로(180)의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환 구간(b)이 구획 형성된다. 상기 제1 열교환 구간(a)과 제2 열교환 구간(b)에서 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 및 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 독립적으로 이루어진다.
이러한 구성을 통해, 단일의 열교환기(100)에서 서로 다른 2종류의 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어져 3중 열교환기의 구현이 가능해지며, 비교적 높은 폐열을 갖는 스택측 냉각수를 활용하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 플레이트(190)들은 서로 적층되어, 내부에 냉매 유동 경로(160), 제1 냉각수 유동 경로(170) 및 제2 냉각수 유동 경로(180)를 형성하게 된다. 아울러, 플레이트(190)들 사이에 제1 냉각수 유동 경로(170)와 제2 냉각수 유동 경로(180)를 구획하는 구획 플레이트(150)가 구비된다. 구획 플레이트(150)는 비교적 간단한 구성으로 제1 열교환 구간(a)과 제2 열교환 구간(b)에서 냉각수와 냉매의 열교환이 독립적으로 이루어지도록 한다.
상기 제1 냉각수가 유입되는 제1 냉각수 유입구(131)와 제1 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구(132)는 플레이트의 적층 방향으로 일 측에 구비된다. 아울러, 제2 냉각수가 유입되는 제2 냉각수 유입구(141)와 제2 냉각수가 배출되는 제2 냉각수 배출구(142)는 플레이트의 적층 방향으로 타 측에 구비된다. 또한, 상기 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)는 플레이트의 적층 방향으로 서로 다른 측에 구비되어 2패스(Pass) 구조로 구성된다.
따라서, 냉매 유입구(110)를 통해 유입된 냉매는 먼저 제1 열교환 구간(a)에서 제1 냉각수와 1차로 열교환된 후, 제2 열교환 구간(b)으로 유동하여 제2 열교환 구간(b)에서 제2 냉각수와 2차로 열교환된다. 이후에, 냉매는 냉매 배출구(120)를 통해 배출된다. 결국, 서로 다른 2종류의 냉각수와 냉매 간의 열교환이 순차로 발생하여 효율적인 열교환이 이루어진다.
이 경우, 상기 구획 플레이트(150)에는 제1 열교환 구간(a)을 유동한 냉매를 제2 열교환 구간(b)으로 유동하게 하는 냉매 통과공(151)이 형성된다. 냉매 통과공(151)은 제1 열교환 구간(a)의 냉매 유로와 제2 열교환 구간(b)의 냉매 유로를 연통시킨다.
한편, 도 7 및 도 8은 본 발명의 변형 예에 따라 서로 다른 열교환 비율을 갖는 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
열교환기(100)는 제1 열교환 구간(a)에서의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적과 제2 열교환 구간(b)에서의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적의 비율은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 온도차에 따라 조절된다. 적층 방향으로 구획 플레이트(150)의 위치, 즉 열교환기의 상/하단 단수의 비율은 방열량 계산을 통한 제1 냉각수(스택측 냉각수)와 제2 냉각수(전장품 냉각수)의 온도차에 따라 비율이 조절된다.
예를 들어, 전기차량(무공해 차량)의 경우 실차 냉각수온 차이(스택측 냉각수와 전장품 냉각수의 온도차이)가 15℃로 형성되며, 이 경우 제1 열교환 구간(a)과 제2 열교환 구간(b)의 비율을 35:65로 형성한다. 만약, 실차 냉각수온 차이가 없는 경우, 제1 열교환 구간(a)과 제2 열교환 구간(b)의 비율을 65:35로 형성할 수 있다.
즉, 상기 스택 냉각수와 전장품 냉각수의 온도가 동일한 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적을 65%, 전장품 냉각수의 열교환 면적을 35%로 구성한다. 아울러, 스택 냉각수온이 전장품 냉각수온보다 10℃ 높은 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적과 전장품 냉각수의 열교환 면적을 동일하게 구성할 수 있다.
도 7은 제1 열교환 구간(a)을 제2 열교환 구간(b)보다 크게 형성하여 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적을 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적보다 크게 형성한 경우이고, 도 8은 제1 열교환 구간(a)을 제2 열교환 구간(b)보다 작게 형성하여 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적을 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적보다 작게 형성한 경우이다.
이와 같이, 스택측과 전장품측 방열량에 따라 수냉식 응축기의 단수 비율을 조절하여, 최적의 열교환 효과를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기가 적용된 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 구성도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환기가 적용된 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 구성도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매 순환라인(313)과, 압축기(301)와, 실외 열교환기(311)와, 오리피스(327)와, 증발기(303)와, 냉각수 순환라인(315)과, 열교환기(100)(쿨런트-냉매 열교환기)와, 히터코어(319)를 포함하여 이루어진다.
압축기(301)는 냉매 순환라인(313)에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 기능을 수행한다. 냉매 유동 방향으로 압축기(301)의 상류 측에는 어큐뮬레이터(309)가 설치된다. 어큐뮬레이터(309)는 압축기(301)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(301)로 기상 냉매만 공급되도록 한다. 실외 열교환기(311)는 공조케이스(323)의 외부에 설치되어, 냉매 순환라인(313)을 순환하는 냉매와 실외 공기를 열교환시킨다.
오리피스(327)는 냉매 순환라인(313)을 유동하는 냉매를 교축하는 것으로서, 실외 열교환기(311)와 증발기(303)의 사이에 배치된다. 증발기(303)는 공조케이스(323)의 내부에 설치되어, 공조케이스(323) 내부의 공기와 냉매 순환라인(313)을 유동하는 냉매를 열교환시킨다. 냉각수 순환라인(315)은 스택(325) 측을 통과하는 냉각수가 유동하는 통로로서, 냉각수 순환라인(315)을 유동하는 냉각수는 냉매 순환라인(313)을 유동하는 냉매와 열교환한다. 냉각수 순환라인(315) 상에는 냉각수를 강제 순환시키기 위한 워터 펌프(317)가 구비된다.
열교환기(100)는 쿨런트-냉매 열교환기(Chiller)로서, 도 3 및 도 4에 도시된 구조와 같다. 열교환기(100)는 냉매순환라인(313)을 유동하는 냉매와 냉각수 순환라인(315)을 유동하는 냉각수를 열교환시킨다. 히터코어(319)는 냉각수 순환라인(315)에 설치되고 공조케이스(323)의 내부에 배치되어, 공조케이스(323) 내부의 공기와 냉각수 순환라인(315)을 유동하는 냉각수를 열교환시킨다. 공조케이스(323)의 내부에는 공기 유동 방향으로 증발기(303)와 히터코어(319)가 순차로 설치되고, 증발기(303)와 히터코어(319)의 사이에 온도조절도어(321)가 구비된다.
도 9를 참조하면, 냉방 모드 시, 압축기(301)로부터 토출되는 냉매는 삼방향 밸브를 지나 실외 열교환기(311)에서 외기와 열교환 한 후 오리피스(327)를 지나 증발기(303)를 통과하면서 공조케이스(323) 내부의 공기와 열교환한 후 삼방향 밸브와 어큐뮬레이터(309)를 지나 압축기(301)를 순환한다. 이와 동시에, 냉각수 순환라인(315)을 유동하는 냉각수는 히터코어(319)를 지나 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 순환하며, 열교환기(100)를 순환하는 냉각수가 냉매 순환라인(313)을 순환하는 냉매와 열교환한다. 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 지난 냉각수는 스택(325) 측을 지나 다시 히터코어(319)를 순환한다.
또한, 도 10을 참조하면, 난방 모드 시, 압축기(301)로부터 토출되는 냉매는 삼방향 밸브를 지나 증발기(303)를 통과하면서 공조케이스(323) 내부의 공기와 열교환한 후 오리피스(327)를 지나고 이방향 밸브(305)를 지나 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 지난 후 어큐뮬레이터(309)를 지나 압축기(301)를 순환한다. 이와 동시에, 냉각수 순환라인(315)을 유동하는 냉각수는 히터코어(319)를 지나 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 순환하며, 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 순환하는 냉각수가 냉매 순환라인(313)을 순환하는 냉매와 열교환한다. 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 지난 냉각수는 스택(325) 측을 지나 다시 히터코어(319)를 순환한다. 난방 모드 시, 증발기(303)에서 냉매열이 방열되어 난방열로 작용하며, 쿨런트-냉매 열교환기(100)를 통해 스택(325) 측의 폐열을 회수하여 냉매의 기화 에너지로 사용한다.
열교환기(100)는, 냉매 유동 경로(160)를 유동하는 냉매가 제1 냉각수와 제2 냉각수 중 온도가 더 높은 냉각수 유동 경로의 냉각수와 먼저 열교환 되도록 구성된다. 일 예로, 스택측 냉각수의 온도는 대략 60℃이며 전장품 냉각수의 온도는 대략 40℃를 형성하는 경우, 냉매는 도 4에 도시된 방향으로 냉매 유동 경로(160)를 흐른다. 냉매는 60℃의 제1 냉각수와 먼저 열교환하여 흡열한 후 40℃의 제2 냉각수와 열교환하여 흡열한다. 냉매가 열교환기(100) 내에서 최종적으로 더 낮은 냉각수와 열교환하여 냉매의 온도를 낮춤에 따라, 냉방 효율을 향상시킬 수 있다.
도 11은 도 4의 변형 예에 따른 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 열교환기(100)는 냉매 유동 경로(160)와 냉각수 유동 경로를 구비하며, 냉각수 유동 경로를 유동하는 냉각수는 냉매 유동 경로(160)를 흐르는 냉매와 열교환 된다. 냉각수 유동 경로는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각수 유동 경로(170)와, 제1 냉각수와 다른 종류의 제2 냉각수가 흐르는 제2 냉각수 유동 경로(180)로 구성된다. 열교환기(100)는 제1 냉각수 유동 경로(170)의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간(a)과, 제2 냉각수 유동 경로(180)의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환 구간(b)이 구획 형성된다.
열교환기(100)는 바이패스 유로(184)를 구비한다. 바이패스 유로(184)는 제2 냉각수 유동 경로(180)에 형성되며, 열교환기(100) 측으로 유입되는 냉각수를 바이패스시켜 냉각수가 열교환기(100)로 유입되지 않도록 한다. 바이패스 유로(184)는 제2 냉각수 유동 경로(180)의 입구 상류 측에서 분지되어 출구 하류 측에 연결된다. 상기 분지 부위에는 냉각수를 열교환기 측으로 유동시키거나 바이패스시키도록 흐름을 선택적으로 제어하는 밸브(185)가 구비될 수 있다.
다시, 도 9 및 도 10을 참조하면, 냉방 모드 시, 열교환기(100)의 냉매는 방열하며, 냉매는 제1 냉각수와 열교환 된 후 제2 냉각수와 열교환 된다. 또한, 난방 모드 시, 열교환기(100)의 냉매는 흡열하며, 제2 냉각수 유동 경로(180)의 냉각수는 바이패스 되어, 냉매가 제1 냉각수와만 열교환 된다. 열교환기(100)에서, 제2 냉각수 유동 경로(180)를 흐르는 냉각수는 바이패스되어 냉매와 열교환하지 않음에 따라, 난방 효율의 저하를 방지할 수 있다.
한편, 전술한 실시 예에서, 제1 냉각수는 전기차량의 경우 스택측 냉각수로 이루어지고 제2 냉각수는 모터, 각종 전장 부품 등의 전장품 냉각수로 이루어지는 것을 설명하였으나, 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 제1 냉각수는 전기 차량, 하이브리드 차량 등 차량의 종류에 따라 스택, 배터리 등 서로 다른 열원을 유동하는 냉각수일 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 열교환기는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 냉매가 유입되는 냉매 유입구(110)와 냉매가 배출되는 냉매 배출구(120)를 구비하여 냉매 유동 경로(160)를 형성하고, 상기 냉매 유동 경로(160)를 흐르는 냉매와 열교환되는 냉각수가 유동되는 냉각수 유동 경로를 형성한 열교환기에 있어서,
    상기 냉각수 유동 경로는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각수 유동 경로(170)와, 상기 제1 냉각수에 대해 다른 곳을 유동하는 제2 냉각수가 흐르는 제2 냉각수 유동 경로(180)로 구성되며;
    상기 제1 냉각수 유동 경로(170)의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간(a)과, 제2 냉각수 유동 경로(180)의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환 구간(b)이 구획되어 독립적으로 열교환 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1 항에 있어서,
    다수의 플레이트(190)가 적층되어 내부에 냉매 유동 경로(160), 제1 냉각수 유동 경로(170) 및 제2 냉각수 유동 경로(180)를 형성하고;
    플레이트(190)들 사이에 제1 냉각수 유동 경로(170)와 제2 냉각수 유동 경로(180)를 구획하는 구획 플레이트(150)가 구비되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2 항에 있어서,
    제1 냉각수가 유입되는 제1 냉각수 유입구(131)와 제1 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구(132)는 플레이트의 적층 방향으로 일 측에 구비되고, 제2 냉각수가 유입되는 제2 냉각수 유입구(141)와 제2 냉각수가 배출되는 제2 냉각수 배출구(142)는 플레이트의 적층 방향으로 타 측에 구비되며; 상기 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)는 플레이트의 적층 방향으로 서로 다른 측에 구비되어 2패스(Pass) 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 구획 플레이트(150)에는 제1 열교환 구간(a)을 유동한 냉매를 제2 열교환 구간(b)으로 유동하게 하는 냉매 통과공(151)이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1 항에 있어서,
    제1 열교환 구간(a)에서의 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적과 제2 열교환 구간(b)에서의 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환 면적의 비율은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 온도차에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수는 스택(Stack) 냉각수로 구성되고, 제2 냉각수는 전장품 냉각수로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 스택 냉각수와 전장품 냉각수의 온도가 동일한 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적을 65%, 전장품 냉각수의 열교환 면적을 35%로 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제6 항에 있어서,
    스택 냉각수온이 전장품 냉각수온보다 10℃ 높은 경우, 스택 냉각수의 열교환 면적과 전장품 냉각수의 열교환 면적을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 냉매 유동 경로(160)를 유동하는 냉매는 제1 냉각수와 제2 냉각수 중 온도가 더 높은 냉각수 유동 경로의 냉각수와 먼저 열교환 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 유동 경로(170)와 제2 냉각수 유동 경로(180) 중 적어도 하나에는 냉각수를 바이패스 시키는 바이패스 유로(184)를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제10 항에 있어서,
    냉매가 방열하는 냉방 모드 시, 냉매는 제1 냉각수와 열교환 된 후 제2 냉각수와 열교환 되고,
    냉매가 흡열하는 난방 모드 시, 제2 냉각수 유동 경로(180)의 냉각수는 바이패스 되어, 냉매가 제1 냉각수와만 열교환 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제1 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환 구간(a);
    상기 제1 냉각수에 대해 다른 곳을 유동하는 제2 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지며, 상기 제1 열교환 구간(a)에 대해 구획되어 독립적으로 열교환 되는 제2 열교환 구간(b);
    상기 제1 열교환 구간(a)에 형성된 제1 냉각수 유동 경로(170);
    상기 제2 열교환 구간(b)에 형성된 제2 냉각수 유동 경로(180); 및
    상기 제1 열교환 구간(a)과 제2 열교환 구간(b)을 관통하여 형성된 냉매 유동 경로(160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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