WO2022014900A1 - 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템 - Google Patents

베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템 Download PDF

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expansion means
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vapor injection
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김윤진
김성훈
이성제
이해준
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한온시스템 주식회사
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    • F25B5/04—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in series
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the embodiment relates to a vapor injection module and a heat pump system using the same. It relates to a vapor injection module capable of expanding, bypassing, and gas-liquid separation of a refrigerant according to an air conditioning mode, and a heat pump system using the same.
  • electric vehicles and hybrid vehicles have recently received the most attention in the automobile industry.
  • These electric and hybrid vehicles are equipped with batteries to provide driving power, and the batteries are used not only for driving, but also for heating and cooling.
  • a heat pump absorbs low-temperature heat and moves the absorbed heat to high-temperature.
  • a heat pump as an example has a cycle in which a liquid refrigerant evaporates in the evaporator, takes heat from the surroundings, becomes gas, and then liquefies while discharging heat to the surroundings by a condenser. When this is applied to an electric vehicle or a hybrid vehicle, there is an advantage in that it is possible to secure a heat source insufficient in a conventional general air conditioning case.
  • heating performance is supplemented using a PTC heater, or a method of supplementing heating performance using waste heat of electrical equipment is used.
  • the conventional method was not effective in solving the heating performance drop problem during the defrosting operation of the heat pump, and the method of unilaterally consuming the battery to supplement the heating performance was mainly used.
  • An object of the embodiment is to provide a vapor injection module capable of improving heating efficiency even in a cryogenic state where the outdoor temperature is low.
  • An embodiment of the present invention block the flow of the condensed refrigerant, or expand the condensed refrigerant to deliver the first expansion means to the gas-liquid separator; the gas-liquid separator that receives the refrigerant from the first expansion means and separates the refrigerant into gaseous and liquid refrigerants; According to the air conditioning mode, the condensed refrigerant passes or expands, or a second expansion means for expanding the liquid refrigerant separated in the gas-liquid separator may be included.
  • the second expansion means passes or expands the condensed refrigerant.
  • the first expansion means may block the flow of the condensed refrigerant, and the second expansion means may allow the condensed refrigerant to pass therethrough.
  • the first expansion means blocks the flow of the condensed refrigerant
  • the second expansion means expands the condensed refrigerant
  • the first expansion means expands the condensed refrigerant
  • the gas-liquid separator separates the expanded refrigerant into a gaseous phase and a liquid phase, and then the gaseous phase is transferred to the compressor And the liquid phase is transferred to the second expansion means
  • the second expansion means may be characterized in that the expansion of the refrigerant in the liquid phase.
  • the gas-liquid separator may separate the refrigerant into a gaseous phase and a liquid phase only in a vapor injection heating mode among a cooling mode, a general heating mode, and a vapor injection heating mode among the air conditioning modes.
  • a first line connected to the inlet through which the refrigerant is introduced; a second line connected to the first line and an upper region of the gas-liquid separator; a third line connected to the first line and a lower region of the gas-liquid separator; the first expansion means disposed on the second line to control the moving direction and expansion of the refrigerant according to the air conditioning mode; and the second expansion means disposed on the third line and controlling the movement direction and expansion of the liquid refrigerant introduced through the first line or separated from the gas-liquid separator.
  • the first expansion means may include a first ball valve disposed on the second line to rotate.
  • the first ball valve may include a first inlet hole and a first expansion groove connected to the first inlet hole.
  • the gas-liquid separator includes a housing having an internal space through which the refrigerant flows, an outlet passage formed in a pipe shape to discharge the gaseous refrigerant disposed on the upper portion of the housing, and to prevent the inflow of the liquid refrigerant, and the housing; It may include a moving passage disposed under the liquid refrigerant for discharging to the second expansion means.
  • the second line connected to the housing may be arranged such that the refrigerant is discharged toward the sidewall of the housing.
  • a barrier rib portion for preventing scattering of the refrigerant is disposed on one side of the moving passage.
  • the partition wall portion may be provided to be larger than a diameter of the outlet passage to prevent the scattered liquid refrigerant from moving to the outlet passage.
  • the second expansion means includes a second ball valve having a second inlet hole, a second outlet hole connected to the second inlet hole, and a second expansion groove formed at one side of the second outlet hole can do.
  • the refrigerant moves along the first line and the third line, the second line is blocked from moving by the first expansion means, and the second expansion means is the refrigerant. It may be characterized by bypassing the
  • the refrigerant moves along the first line, expands through the first expansion means and moves to the gas-liquid separator, and the liquid refrigerant separated through the gas-liquid separator is It may be characterized in that it is expanded and discharged from the second expansion means.
  • the refrigerant moves along the first line and the second line, and is expanded and discharged by the second expansion means.
  • Another embodiment of the present invention is a compressor for compressing and discharging the refrigerant; a condenser condensing the compressed refrigerant; a first expansion means for blocking the flow of the condensed refrigerant or expanding the condensed refrigerant and transferring it to the gas-liquid separator according to the air conditioning mode; the gas-liquid separator that receives the refrigerant from the first expansion means and separates the refrigerant into gaseous and liquid refrigerants; a second expansion means for passing or expanding the condensed refrigerant or expanding the liquid refrigerant separated from the gas-liquid separator according to the air conditioning mode; an outdoor heat exchanger condensing or evaporating the refrigerant transferred from the second expansion means; a third expansion means for controlling the moving direction and expansion of the refrigerant transferred from the outdoor heat exchanger according to the air conditioning mode; and an evaporator for cooling the room using the refrigerant transferred from the third expansion means.
  • the second expansion means may be characterized in that it is arranged in parallel with the first expansion means.
  • the first expansion means may block movement of the refrigerant, and the second expansion means may bypass the refrigerant and deliver it to the outdoor heat exchanger.
  • the first expansion means expands the condensed refrigerant and delivers it to the gas-liquid separator, and the gas-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator flows into the compressor and the liquid refrigerant separated in the gas-liquid separator is expanded by the second expansion means and delivered to the outdoor heat exchanger.
  • the first expansion means blocks the movement of the refrigerant
  • the second expansion means expands the refrigerant and transfers it to the outdoor heat exchanger.
  • a fourth expansion means connected in parallel with the third expansion means; and a chiller connected to the fourth expansion means and exchanging heat between the refrigerant and the coolant.
  • it may further include an indoor heat exchanger for heating the room using the refrigerant compressed in the compressor.
  • the evaporator and the indoor heat exchanger may be arranged inside the air conditioning case.
  • the refrigerant of the indoor heat exchanger exchanges heat with air, and the heat-exchanged air flows into the room to heat the room.
  • the refrigerant of the indoor heat exchanger may be heat-exchanged with cooling water, and the heat-exchanged cooling water may be heat-exchanged with air for heating the room.
  • it may further include a water-cooled condenser for exchanging heat with the refrigerant discharged from the indoor heat exchanger and the cooling water.
  • a water-cooled condenser for exchanging heat with the refrigerant discharged from the indoor heat exchanger and the cooling water.
  • heating efficiency can be increased without unnecessary pressure drop by bypassing the gas-liquid separator in indoor cooling and non-vapor injection modes.
  • FIG. 1 is a view showing the inside of a vapor injection module according to an embodiment of the present invention
  • FIG 2 is a view showing the operation of the refrigerant in the cooling mode in Figure 1,
  • Figure 3 is a view showing the operation of the refrigerant in the vapor injection heating mode in Figure 1,
  • FIG 4 is a view showing the operation of the refrigerant in the heating mode in Figure 1,
  • FIG. 5 and 6 are diagrams for explaining the operation of the first expansion means, which is a component of FIG. 1,
  • FIG. 7 to 9 are views for explaining the operation of the second expansion means, which is a component of FIG. 1,
  • FIG. 10 is a structural diagram of a heat pump system using a vapor injection module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the operating state of the system in the cooling mode in FIG. 10;
  • FIG. 12 is a view showing the operating state of the system in the vapor injection heating mode in FIG.
  • FIG. 13 is a view showing an operating state of the system in the general heating mode in FIG. 10 .
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as “at least one (or more than one) of A and (and) B, C”, it is combined with A, B, and C It may include one or more of all possible combinations.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include a case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • the top (above) or bottom (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components.
  • the meaning of not only the upward direction but also the downward direction based on one component may be included.
  • FIG. 1 is a view showing the inside of a vapor injection module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing the operation of the refrigerant in the cooling mode in FIG. 1
  • FIG. 3 is the refrigerant in the vapor injection heating mode in FIG. It is a view showing the operation
  • Fig. 4 is a view showing the operation of the refrigerant in the heating mode in Fig. 1
  • Figs. 5 and 6 are views for explaining the operation of the first expansion means, which is a component of Fig. 1
  • Fig. 7 9 to 9 are views for explaining the operation of the second expansion means, which is a component of FIG. 1 .
  • the vapor injection module 1 includes a first line 100 , a gas-liquid separator 400 , a second line 200 , a third line 300 , It may include a first expansion means 500 and a second expansion means 600 .
  • the first line 100 may be connected to the inlet 110 through which the refrigerant flows to provide a passage through which the refrigerant flows into the vapor injection module 1 .
  • the first line 100 may have a circular tube structure, and various tube structures for moving the refrigerant may be used.
  • the gas-liquid separator 400 may receive the refrigerant from the first expansion means 500 and separate the refrigerant into gaseous and liquid refrigerants.
  • the gas-liquid separator 400 may move the separated gaseous refrigerant to the compressor 10 , and may move the liquid refrigerant to the third line 300 .
  • the gas-liquid separator 400 may include a housing 410 , an outlet passage 420 , and a movement passage 430 .
  • the housing 410 provides an internal space through which the refrigerant flows.
  • the housing 410 is provided in a cylindrical structure, and the inner wall may have a slope. This inclination may have an effect of correcting the flow rate as the radius decreases toward the lower part.
  • An outlet is disposed at an upper portion of the housing 410 , and a moving passage 430 may be formed at a lower portion of the housing 410 .
  • An outlet passage 420 is connected to the outlet, and the gaseous refrigerant may move to the outlet through the outlet passage 420 .
  • a second line 200 is connected to an upper portion of the housing 410 , and the second line 200 is disposed such that the refrigerant is discharged toward the sidewall of the housing 410 to form a circulating flow.
  • the refrigerant discharged from the second line 200 descends while turning around the sidewall of the outlet passage 420 .
  • the movement passage 430 provides a passage through which the refrigerant liquefied in the housing 410 moves toward the second expansion means 600 arranged in the third line 300 .
  • a partition wall portion 440 for preventing scattering of the refrigerant may be disposed on one side of the movement passage 430 .
  • the partition wall portion 440 may be located at the center of the moving passage 430, that is, under the outlet passage 420, and it is possible to prevent the refrigerant moving through the passage passage from scattering and flowing into the outlet passage 420. .
  • the partition wall portion 440 may have a circular plate structure, and may have a larger diameter than the diameter of the outlet passage 420 .
  • the shape of the partition wall portion 440 is not limited, but is preferably formed to be larger than the cross-section of the outlet passage 420 , and may be variously deformed according to the shape of the cross-section of the outlet passage 420 .
  • a fixing part may be connected to the partition wall part 440 to be fixed to the housing 410 .
  • the fixing unit may have a bar structure, one side connected to the partition wall unit 440 , and the other side fixed to the housing 410 .
  • One side of the second line 200 may be connected to the first line 100 , and the other end may be connected to an upper region of the gas-liquid separator 400 .
  • the second line 200 provides a passage through which the refrigerant moves, and the first expansion means 500 may be disposed in one region of the second line 200 .
  • the first expansion means 500 may block the flow of the condensed refrigerant according to the air conditioning mode, or expand the condensed refrigerant and deliver it to the gas-liquid separator 400 .
  • the first expansion means 500 may include a first ball valve 510 disposed in the center of the second line 200 to rotate.
  • the first ball valve 510 may include a first inlet hole 511 and a first expansion groove 513 connected to the first inlet hole 511 .
  • the refrigerant flowing into the first expansion means 500 moves through the first inlet hole 511 formed in the first ball valve 510 , and expands while passing through the first expansion groove 513 to expand the gas-liquid separator 400 . ) can be introduced.
  • a driving unit may be connected to the first ball valve 510 to rotate, and the refrigerant moving to the second line 200 may be moved or blocked through the rotation of the first ball valve 510 .
  • first expansion means 500 and the second expansion means 600 are electromagnetic expansion valves, and although not indicated by reference numerals, have actuators (motors) for rotating each ball valve, and rotation of the actuators Depending on the angle, it is possible to control the amount of expansion or the amount of refrigerant flow.
  • the first inlet hole 511 may have a bent structure, and a first expansion groove 513 may be connected to an end of the first inlet hole 511 .
  • the refrigerant flows into the first ball valve 510 , and expands while passing through the first expansion groove 513 , and the gas-liquid separator (400).
  • FIG. 5 and 6 illustrate a structure in which a ball valve is used as an embodiment of the first expansion means 500, various known structures capable of expanding the refrigerant while controlling the movement of the refrigerant may be used.
  • the third line 300 may be connected to an area under the first line 100 and the gas-liquid separator 400 to provide a passage through which the refrigerant may move.
  • One side of the third line 300 is connected to the first line 100 , and the other side is connected to the movement passage 430 of the gas-liquid separator 400 so that the refrigerant can move.
  • the second expansion means 600 may pass or expand the condensed refrigerant according to the air conditioning mode, or may expand the liquid refrigerant separated in the gas-liquid separator 400 .
  • the second expansion means 600 is disposed on the third line 300 to control the movement direction and expansion of the liquid refrigerant introduced through the first line 100 or separated from the gas-liquid separator 400 and introduced.
  • the second expansion means 600 may pass or expand the condensed refrigerant when the first expansion means 500 blocks the flow of the condensed refrigerant.
  • the second expansion means 600 includes a second inlet hole 611 , a second outlet hole 613 connected to the second inlet hole 611 , and a second expansion groove formed at one side of the second outlet hole 613 . It may include a second ball valve 610 having a (613a).
  • the second ball valve 610 is provided in a spherical shape, and is connected to a driving unit (not shown) to rotate.
  • the second ball valve 610 may be disposed inside the second expansion means 600 .
  • the second ball valve 610 may form a passage through which the second inlet hole 611 and the second outlet hole 613 are connected to each other.
  • the second inlet hole 611 and the second outlet hole 613 may be connected to have an angle of 90 degrees.
  • angles of the second inlet hole 611 and the second outlet hole 613 are not limited and may be modified to various angles.
  • the second expansion groove 613a is connected to an end of the second outlet hole 613 to expand and move the refrigerant moving through the second outlet hole 613 .
  • the second expansion groove 613a is provided in an elongated shape to expand the refrigerant using a pressure change of the moving refrigerant.
  • the second ball valve 610 operates to move or expand the refrigerant.
  • the second ball valve 610 may operate to move or expand the refrigerant by changing the positions of the second inlet hole 611 , the second outlet hole 613 , and the second expansion groove 613a through rotation. .
  • the second outlet hole 613 is disposed toward the third line 300 connected to the first line 100 , and the second outlet connected at 90 degrees is formed in the second expansion means 600 . It is disposed toward the refrigerant outlet 601 to be used to move the refrigerant. At this time, the refrigerant blocks the side of the third line 300 connected to the gas-liquid separator 400 , and moves toward the refrigerant outlet 601 without passing through the second expansion groove 613a.
  • the second outlet hole 613 is disposed toward the third line 300 connected to the gas-liquid separator 400 , and the second outlet connected at 90 degrees is disposed near the second expansion means 600 .
  • the second outlet is blocked by the inner wall of the second expansion means 600 , and the refrigerant expands through the second expansion groove 613a and moves toward the refrigerant outlet 601 .
  • the second outlet hole 613 is disposed toward the third line 300 connected to the first line 100 , and the second outlet connected at 90 degrees moves to the vicinity of the second expansion means 600 . can be placed. At this time, the second outlet is blocked by the inner wall of the second expansion means 600 , and the refrigerant expands through the second expansion groove 613a and moves toward the refrigerant outlet 601 .
  • the second expansion means 600 may be moved by bypassing or expanding the refrigerant flowing through the first line 100 or the gas-liquid separator 400 .
  • FIG. 2 is a view showing the operation of the refrigerant in the cooling mode in the vapor injection module 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the first expansion means 500 may block the flow of the condensed refrigerant, and the second expansion means 600 may allow the condensed refrigerant to pass therethrough.
  • the refrigerant flows in through the inlet 110 .
  • the movement of the refrigerant is blocked by the first expansion means 500 , and the refrigerant moves to the third line 300 .
  • the second expansion means 600 may bypass the refrigerant flowing in through the third line 300 to move it to the refrigerant outlet 601 .
  • FIG 3 is a view showing the operation of the refrigerant in the vapor injection heating mode in the vapor injection module (1) according to an embodiment of the present invention.
  • the first expansion means 500 expands the condensed refrigerant
  • the gas-liquid separator 400 separates the expanded refrigerant into a gaseous phase and a liquid phase, is delivered to the compressor and the liquid phase is delivered to the second expansion means 600 , and the second expansion means 600 may expand the liquid refrigerant.
  • the refrigerant is introduced through the inlet 110 .
  • the first expansion means 500 is opened and the refrigerant flows in, and the incoming refrigerant expands to a medium pressure in the first expansion means 500 and flows into the gas-liquid separator 400 .
  • the first expansion means 500 may reduce the load on the compressor by expanding the incoming refrigerant to a medium pressure, and may increase the heat exchange efficiency in the evaporator.
  • the refrigerant flowing into the gas-liquid separator 400 circulates along the sidewall of the housing 410 of the gas-liquid separator 400 and descends. ), and the separated gaseous refrigerant may be discharged through the outlet passage 420 .
  • the second ball valve 610 of the second expansion means 600 blocks the refrigerant from flowing from the first line 100 to the third line 300 , and a third line connected to the gas-liquid separator 400 ( 300) may operate so that the refrigerant is introduced.
  • the refrigerant flowing into the second ball valve 610 may be expanded to a low pressure through the second expansion groove 613a and discharged through the refrigerant outlet 601 .
  • the efficiency can be increased by adjusting the expansion pressure of the refrigerant while passing through the first expansion means 500 and the second expansion means 600 step by step.
  • FIG 4 is a view showing the operation of the refrigerant in a normal heating mode (non-vapor injection) in the vapor injection module 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the first expansion means 500 may block the flow of the condensed refrigerant, and the second expansion means 600 may expand the condensed refrigerant.
  • the refrigerant is introduced through the inlet (110).
  • the movement of the refrigerant is blocked by the first expansion means 500 , and the refrigerant moves to the third line 300 .
  • the second ball valve 610 of the second expansion means 600 blocks the refrigerant from flowing into the third line 300 from the gas-liquid separator 400, and the third line ( 300) may operate so that the refrigerant is introduced.
  • the refrigerant flowing into the second ball valve 610 may be expanded to a low pressure through the second expansion groove 613a and discharged through the refrigerant outlet 601 .
  • the refrigerant is separated into a gaseous phase and a liquid phase only in the vapor injection heating mode among the cooling mode, the general heating mode, and the vapor injection heating mode among the air conditioning modes.
  • FIG. 10 is a structural diagram of a heat pump system using the vapor injection module 1 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a view showing the operating state of the system in the cooling mode in FIG. 10
  • FIG. 12 is FIG. It is a view showing the operating state of the system in the vapor injection heating mode in FIG. 13 is a view showing the operating state of the system in the heating mode in FIG. 10 .
  • the same reference numerals as those of FIGS. 1 to 9 denote the same members, and detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the heat pump system using the vapor injection module 1 includes a compressor 10 , a condenser 30 , an indoor heat exchanger 20 , and a first expansion means 500 .
  • the second expansion means 600 the gas-liquid separator 400 , the outdoor heat exchanger 40 , the third expansion means 50 , the evaporator 60 , the fourth expansion means 70 , the chiller 80 and the accumulator (90) may be included.
  • the compressor 10 receives power from an engine (internal combustion engine) or a motor, and while driving, sucks a refrigerant, compresses it, and then discharges it to the condenser 30 in a high-temperature and high-pressure gas state.
  • the indoor heat exchanger 20 may heat the room by heat exchange with the air conditioning wind using the heat of the refrigerant flowing in from the compressor 10 .
  • the indoor heat exchanger 20 may be disposed inside the air conditioning case C of the vehicle together with the evaporator 60 to be described later to heat the interior of the vehicle.
  • the indoor heat exchanger 20 may be a condenser as a heat exchanger for indoor heating.
  • the refrigerant moving the indoor heat exchanger 20 exchanges heat with air, and the heat-exchanged air flows into the room to heat the room.
  • the refrigerant of the indoor heat exchanger 20 may exchange heat with cooling water, and the heat-exchanged cooling water may exchange heat with air for heating the room.
  • the indoor heat exchanger 20 may be either air-cooled or water-cooled.
  • the indoor heat exchanger 20 may further include a water-cooled condenser for exchanging heat with the discharged refrigerant and cooling water.
  • the water-cooled condenser included in the indoor heat exchanger 20 exchanges heat with the cooling water moving through the cooling water line, and the heat-exchanged cooling water can heat the room.
  • the condenser 30 serves as the condenser 30 in both the cooling mode and the heating mode.
  • the condenser 30 may condense the compressed refrigerant.
  • the refrigerant condensed in the condenser 30 moves along the first line 100 and is supplied to the vapor injection module 1 .
  • the condenser 30 may be a water-cooled condenser 30 .
  • the first expansion means 500 may block or expand the condensed refrigerant according to the air conditioning mode and deliver it to the gas-liquid separator 400 .
  • the first expansion means 500 is disposed on the second line 200 connecting the first line 100 and the gas-liquid separator 400 , and whether the refrigerant moves through the first ball valve 510 disposed therein. and expansion.
  • the second expansion means 600 is connected to the gas-liquid separator 400 in parallel with the first expansion means 500 , and may be discharged to the outdoor heat exchanger 40 by passing or expanding the refrigerant according to the air conditioning mode.
  • the second expansion means 600 is disposed on the third line 300 connecting the first line 100 and the gas-liquid separator 400 , and the movement direction of the refrigerant through the second ball valve 610 disposed therein. And it is possible to determine whether to expand.
  • the second line 200 and the third line 300 are connected in parallel to each other, and the third line 300 is lower than the second line 200 for the liquid refrigerant separated in the gas-liquid separator 400 to move. It is preferable to place
  • the second expansion means 600 may be a 3/2-way expansion valve.
  • the 3/2-way expansion valve can perform the functions of controlling the moving direction of the incoming refrigerant, whether it is expanded or not, and the flow rate.
  • the gas-liquid separator 400 separates the refrigerant that has passed through the first expansion means 500 into a gaseous phase and a liquid phase, and moves the liquid refrigerant among the separated refrigerants to the second expansion stage, and the gaseous refrigerant is transferred to the compressor 10 . can be reintroduced.
  • the gas-liquid separator 400 serves to divide the refrigerant into a gaseous phase and a liquid phase like the accumulator 90 disposed before the refrigerant circulates through the refrigerant line and flows into the compressor 10 .
  • the accumulator 90 supplies a gaseous refrigerant to the compressor 10, but the gas-liquid separator 400 has a difference in that the separated liquid refrigerant flows as it is.
  • the liquid refrigerant separated through the gas-liquid separator 400 passes through the second expansion means 600 disposed on the third line 300 .
  • the second expansion means 600 may additionally depressurize the liquid refrigerant separated through the gas-liquid separator 400 .
  • the outdoor heat exchanger 40 is an air-cooled heat exchanger together with a radiator, installed on the front side of the engine room of the vehicle, and disposed on a straight line in the flow direction of the air blown from the blower fan.
  • the outdoor heat exchanger 40 may exchange heat with low-temperature cooling water discharged from the radiator.
  • the outdoor heat exchanger 40 may perform different roles depending on the air conditioning mode.
  • the outdoor heat exchanger 40 serves as the same condenser 30 as the water-cooled condenser 30 in the cooling mode, and serves as an evaporator 60 opposite to the water-cooled condenser 30 in the heating mode.
  • the third expansion means 50 may be disposed on the inlet side of the evaporator 60 to perform the functions of expansion, flow control, and opening/closing of the refrigerant.
  • the evaporator 60 is installed inside the air conditioning case C, is disposed in the refrigerant circulation line, and the low-temperature and low-pressure refrigerant discharged from the third expansion means 50 is supplied, and the inside of the air conditioning case C through a blower
  • the air flowing through the evaporator 60 exchanges heat with the low-temperature and low-pressure refrigerant inside the evaporator 60 to change to cold air, and then is discharged into the vehicle interior to cool the vehicle interior. That is, the evaporator 60 serves as the evaporator 60 on the refrigerant circulation line.
  • the fourth expansion means 70 is connected in parallel with the third expansion means 50 and can perform functions of expansion, flow control, and opening and closing of the circulating refrigerant.
  • the chiller 80 may be supplied with the low-temperature and low-pressure refrigerant discharged from the fourth expansion means 70 to exchange heat with the cooling water that moves through the cooling water circulation line. Meanwhile, the cold coolant heat-exchanged in the chiller 80 may be circulated through the coolant circulation line to exchange heat with the high-temperature battery.
  • the accumulator 90 is installed on the refrigerant circulation line at the inlet side of the compressor 10 so that the refrigerant passing through the evaporator 60 and/or the chiller 80 joins, and separates the liquid refrigerant and the vapor refrigerant among the refrigerants to form a gaseous refrigerant Only the compressor 10 is supplied, and the surplus refrigerant can be stored.
  • a suction port of the compressor 10 is connected to the gaseous refrigerant outlet of the accumulator 90 , and through this, it is possible to prevent the liquid refrigerant from being sucked into the compressor 10 .
  • the first expansion means 500 , the second expansion means 600 , the third expansion means 50 and the fourth expansion means 70 shown in the embodiment of the present invention have the functions of expansion, distribution and blocking according to each mode. can be performed.
  • each expansion means can perform three functions of expanding the refrigerant, passing the refrigerant without expansion, or blocking the refrigerant.
  • FIG. 11 is a view showing an operating state of the system in the cooling mode of FIG. 10 .
  • the compressor 10 in the cooling mode, operates to discharge high-temperature and high-pressure refrigerant from the compressor 10 .
  • the compressed refrigerant moves to the indoor heat exchanger 20 , bypasses the inactive indoor heat exchanger 20 and flows into the water-cooled condenser 30 .
  • the refrigerant flowing into the water-cooled condenser 30 is cooled by heat exchange with the cooling water, and the cooled refrigerant flows into the vapor injection module 1 along the first line 100 .
  • the refrigerant moving along the first line 100 is blocked from moving to the second line 200 by the first expansion means 500 and flows into the third line 300 .
  • the second expansion means 600 disposed in the third line 300 bypasses the refrigerant and flows into the outdoor heat exchanger 40 , and is cooled by exchanging heat with external air in the outdoor heat exchanger 40 . That is, both the water-cooled condenser 30 and the outdoor heat exchanger 40 serve as the condenser 30 to condense the refrigerant.
  • the condensed refrigerant is then throttled while passing through the third expansion means 50 to expand the refrigerant, and then the expanded refrigerant passes through the evaporator 60 and is blown by a blower (not shown) of the air conditioning case (C).
  • a blower not shown
  • the air conditioning case C
  • the refrigerant evaporates through heat exchange with the air the air is cooled, and the cooled air is supplied to the interior of the vehicle to cool the interior.
  • the refrigerant evaporated in the evaporator 60 is introduced into the compressor 10 again through the accumulator 90 .
  • the remainder of the refrigerant branched from the refrigerant branch (B) passes through the fourth expansion means (70).
  • the fourth expansion means 70 may be closed to allow the refrigerant to flow into the evaporator 60 , and may flow into the chiller 80 through expansion.
  • the expanded refrigerant is heat-exchanged with the cooling water while passing through the chiller 80 so that the refrigerant is evaporated and the cooling water may be cooled.
  • the refrigerant evaporated in the chiller 80 is introduced into the compressor 10 again through the accumulator 90 .
  • the refrigerant that has passed through the evaporator 60 and the refrigerant that has passed through the chiller 80 are merged in the accumulator 90 and introduced into the compressor 10, and then the refrigerant can circulate while repeating the process as described above. .
  • FIG. 12 is a view showing an operating state of the system in the vapor injection heating mode in FIG. 10 .
  • the compressor 10 in the vapor injection heating mode, the compressor 10 operates to discharge a high-temperature and high-pressure refrigerant from the compressor 10 .
  • the compressed refrigerant moves to the indoor heat exchanger 20 , bypasses the inactive indoor heat exchanger 20 and flows into the water-cooled condenser 30 .
  • the refrigerant flowing into the water-cooled condenser 30 is cooled by heat exchange with the cooling water, and the cooled refrigerant flows into the vapor injection module 1 along the first line 100 .
  • the refrigerant moving along the first line 100 moves to the second line 200 , expands to a medium pressure through the first expansion means 500 , and moves toward the gas-liquid separator 400 .
  • the expanded refrigerant moves toward the gas-liquid separator 400 , and the liquid refrigerant separated from the gas-liquid separator 400 moves to the second expansion means 600 , undergoes additional decompression to a low pressure, and then into the outdoor heat exchanger 40 . is brought in
  • the efficiency can be increased by adjusting the expansion pressure of the refrigerant while passing through the first expansion means 500 and the second expansion means 600 step by step.
  • the second expansion means 600 blocks the third line 300 connected to the first line 100 so that the refrigerant flows into the second line 200 , and is disposed inside the second expansion means 600 .
  • the second ball valve 610 may expand the refrigerant separated in the gas-liquid separator 400 and supply it to the outdoor heat exchanger 40 .
  • the second expansion means 600 may vary the flow rate of the refrigerant that has passed through the gas-liquid separator 400 in some cases in order to maintain the optimal COP during heating. That is, the second expansion means 600 adjusts the opening amount through rotation of the ball valve, and through this, the flow rate of the refrigerant passing through the gas-liquid separator 400 can be adjusted. Conversely, it is possible to forcibly reduce the refrigerant flow rate in order to give up optimal COP and improve system performance. That is, in the present invention, the amount of refrigerant expansion in the vapor injection heating mode can be varied through the second expansion means 600 , and through this, it is possible to secure optimal COP or optimal system performance.
  • the refrigerant in the gas phase separated by the gas-liquid separator 400 may be re-introduced into the compressor 10 .
  • the refrigerant flowing into the compressor 10 is re-introduced as a high-temperature refrigerant compared to the refrigerant flowing in from the accumulator 90 , and thus heating efficiency can be increased.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 40 exchanges heat with the outside air to absorb the heat of the outside air as the refrigerant evaporates.
  • the refrigerant passes through the refrigerant branch (B) and passes through the fourth expansion means 70 in a fully opened state and flows into the chiller 80, where the refrigerant and cooling water exchange heat to heat the refrigerant. have.
  • the refrigerant that has passed through the chiller 80 is introduced into the compressor 10 again through the accumulator 90 .
  • the third expansion means 50 may be blocked so that the refrigerant may not flow to the evaporator 60 .
  • the refrigerant is circulated while repeating the process as described above.
  • FIG. 13 is a view showing an operating state of the system in the general heating mode in FIG. 10 .
  • the compressor 10 in the general heating mode (non-vapor injection), the compressor 10 operates to discharge high-temperature and high-pressure refrigerant from the compressor 10 .
  • the compressed refrigerant moves to the indoor heat exchanger 20 , bypasses the inactive indoor heat exchanger 20 and flows into the water-cooled condenser 30 .
  • the refrigerant flowing into the water-cooled condenser 30 is cooled by heat exchange with the cooling water, and the cooled refrigerant flows into the vapor injection module 1 along the first line 100 .
  • the refrigerant moving along the first line 100 is blocked from moving to the second line 200 by the first expansion means 500 and flows into the third line 300 .
  • the second expansion means 600 disposed in the third line 300 expands the refrigerant to a low pressure and flows it into the outdoor heat exchanger 40 , and is cooled by heat exchange with external air in the outdoor heat exchanger 40 . That is, both the water-cooled condenser 30 and the outdoor heat exchanger 40 serve as the condenser 30 to condense the refrigerant.
  • the second expansion means 600 blocks the third line 300 connected to the gas-liquid separator 400 so that the refrigerant flows into the second line 200 , and the second expansion means 600 is disposed inside the second expansion means 600 .
  • the ball valve 610 may expand the refrigerant introduced through the third line 300 and supply it to the outdoor heat exchanger 40 .
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 40 exchanges heat with the outside air to absorb the heat of the outside air as the refrigerant evaporates.
  • the refrigerant passes through the refrigerant branch (B) and passes through the fourth expansion means 70 in a fully opened state and flows into the chiller 80, where the refrigerant and cooling water exchange heat to heat the refrigerant. have.
  • the refrigerant that has passed through the chiller 80 is introduced into the compressor 10 again through the accumulator 90 .
  • the third expansion means 50 may be blocked so that the refrigerant may not flow to the evaporator 60 .
  • the refrigerant is circulated while repeating the process as described above.

Abstract

본 발명은 공조모드에 따라, 응축된 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 기액분리기로 전달하는 제1 팽창수단, 상기 제1 팽창수단으로부터 냉매를 전달받아, 기상과 액상의 냉매로 분리하는 상기 기액분리기, 상기 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단을 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈을 제공한다.

Description

베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템
실시예는 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 공조모드에 따라 냉매의 팽창, 바이패스 및 기액분리가 가능한 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
환경 친화적인 산업 발전 및 화석원료를 대체하는 에너지원의 개발 기조아래, 근래 자동차 산업에서 가장 주목받는 분야는 전기자동차와 하이브리드 자동차가 있다. 이들 전기자동차와 하이브리드 자동차에는 배터리가 장착되어 구동력을 제공하는데, 주행 운전뿐만 아니라 냉난방 시에도 배터리를 이용한다.
배터리를 이용하여 구동력을 제공하는 차량에서, 냉난방 시 배터리가 열원으로 사용된다는 것은 그만큼 주행거리가 감소된다는 것을 의미하는데, 위 문제를 극복하기 위하여 종래부터 가정용 냉난방장치로 널리 활용된 히트펌프 시스템을 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.
참고로 히트펌프란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 히트펌프는 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조케이스에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
그런데 히트펌프 시스템을 이용할 경우 차량의 난방운전 시 외기 온도가 너무 낮은 상태이면 난방능력이 현저하게 떨어지는 현상이 발생한다. 이는, 흡열 열원의 부족에 의한 것으로서, 압축기에 전달되는 기체 상태의 냉매가 부족하게 되고, 이는 결국 난방 효율을 저하시키는 원인이 된다.
각국의 자동차 제조업체에서 이 문제를 해결하기 위해 여러 연구들이 이어지고 있으며, 그 일례로 PTC 히터를 이용하여 난방성능을 보충하거나, 전장품의 폐열을 이용하여 난방성능을 보충하는 방법을 사용하곤 하였다.
그러나 종래의 방법에 의하여도 히트펌프 제상 운전 시 난방성능 강하 문제를 해결하기에는 효과적이지 않았으며, 난방성능 보충을 위해 배터리를 일방적으로 소모하는 방법을 주로 사용하였는바, 배터리의 운전성능이 현저히 떨어지는 문제가 있었다.
실시예는 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율을 향상시킬 수 있는 베이퍼 인젝션 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기(LGS)를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율이 우수한 베이퍼 인젝션 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 공조모드에 따라, 응축된 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 기액분리기로 전달하는 제1 팽창수단; 상기 제1 팽창수단으로부터 냉매를 전달받아, 기상과 액상의 냉매로 분리하는 상기 기액분리기; 상기 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단이 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단할 경우, 상기 제2 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드 중 냉방 모드 시, 상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단하고, 상기 제2 팽창수단은 응축된 냉매를 통과시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드 중 일반(non-vapor injection) 난방 모드 시, 상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단하고, 상기 제2 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드 중 베이퍼 인젝션 난방 모드 시, 상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 팽창하고, 상기 기액분리기는 팽창된 상기 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상은 상기 압축기로 전달하고 액상은 상기 제2 팽창수단으로 전달하며, 상기 제2 팽창수단은 액상의 상기 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기액분리기는 상기 공조모드 중 냉방 모드, 일반 난방 모드 및 베이퍼 인젝션 난방 모드 중, 베이퍼 인젝션 난방 모드에서만 냉매를 기상과 액상으로 분리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 냉매가 유입되는 유입구와 연결되는 제1 라인; 상기 제1 라인과 상기 기액분리기의 상측 일영역에 연결되는 제2 라인; 상기 제1 라인과 상기 기액분리기의 하측 일영역에 연결되는 제3 라인; 상기 제2 라인상에 배치되어 공조모드에 따라 상기 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 상기 제1 팽창수단; 및 상기 제3 라인상에 배치되어 상기 제1 라인을 통해 유입되거나, 상기 기액분리기에서 분리되어 유입되는 액상 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 상기 제2 팽창수단;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 팽창수단은 상기 제2 라인에 배치되어 회전하는 제1 볼밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 볼밸브는 제1 유입홀, 상기 제1 유입홀과 연결되는 제1 팽창홈을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기액분리기는 냉매가 유동하는 내부공간을 구비하는 하우징, 상기 하우징의 상부에 배치되어 기상 냉매를 배출하며, 액상 냉매의 유입을 방지하기 위해 파이프 형태로 형성된 유출통로, 및 상기 하우징의 하부에 배치되어 액상 냉매를 상기 제2 팽창수단으로 배출하는 이동통로를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하우징에 연결되는 상기 제2 라인은 냉매가 상기 하우징 측벽을 향하여 토출되도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이동통로의 일측에는 냉매의 비산을 방지하는 격벽부가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 격벽부는 상기 유출통로의 직경보다 크게 마련되어 비산되는 액상 냉매가 상기 유출통로로 이동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 팽창수단은 제2 유입홀, 상기 제2 유입홀과 연결되는 제2 유출홀 및 상기 제2 유출홀의 일측에 형성되는 제2 팽창홈을 구비하는 제2 볼밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 냉방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인과 상기 제3 라인을 따라 이동하며, 상기 제2 라인은 상기 제1 팽창수단에 의해 이동이 차단되고, 상기 제2 팽창수단은 냉매를 바이패스하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 베이퍼 인젝션 난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인을 따라 이동하며, 상기 제1 팽창수단을 통해 팽창하여 상기 기액분리기로 이동하고, 상기 기액분리기를 통해 분리된 액상 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 유출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인 및 상기 제2 라인을 따라 이동하며, 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 유출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 압축된 냉매를 응축하는 응축기; 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 기액분리기로 전달하는 제1 팽창수단; 상기 제1 팽창수단으로부터 냉매를 전달받아, 기상과 액상의 냉매로 분리하는 상기 기액분리기; 상기 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단; 상기 제2 팽창수단에서 전달되는 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기; 상기 공조모드에 따라 상기 실외열교환기에서 전달된 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 제3 팽창수단; 및 상기 제3 팽창수단에서 전달된 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 팽창수단은 상기 제1 팽창수단과 병렬로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드가 냉방모드인 경우, 상기 제1 팽창수단은 냉매의 이동을 차단하며, 상기 제2 팽창수단은 냉매를 바이패스하여 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드가 베이퍼 인젹션 난방모드인 경우, 상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 팽창시며, 상기 기액분리기로 전달하며, 상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매는 상기 압축기로 유입되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공조모드가 일반(non-vapor injection) 난방모드인 경우, 상기 제1 팽창수단은 냉매의 이동을 차단하며, 상기 제2 팽창수단은 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 팽창수단과 병렬로 연결되는 제4 팽창수단; 및 상기 제4 팽창수단에 연결되고 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 이용하여 실내를 난방하는 실내열교환기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 증발기와 상기 실내열교환기는 공조케이스 내부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 실내열교환기의 냉매는 공기와 열교환되고, 열교환된 상기 공기가 실내에 유입되어 실내를 난방하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 실내열교환기의 냉매는 냉각수와 열교환되고, 열교환된 냉각수가 실내를 난방하기 위한 공기와 열교환되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 실내열교환기에서 토출되는 냉매와 냉각수를 열교환하는 수냉식 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 외기 온도가 낮은 극저온 상태에서도 난방 효율을 증대할 수 있다.
특히, 실내 냉방 및 non-vapor injection 모드에서는 기액분리기를 bypass하여 불필요한 압력 강하 없이 난방 효율을 증대할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 베이퍼 인젝션 모듈의 내부를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1에서 냉방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고,
도 3은 도 1에서 베이퍼 인젝션 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고,
도 4는 도 1에서 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고,
도 5 및 도 6은 도 1의 구성요소인 제1 팽창수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 7 내지 도 9는 도 1의 구성요소인 제2 팽창수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈을 이용하는 히트펌프 시스템의 구조도이고,
도 11은 도 10에서 냉방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 12는 도 10에서 베이퍼 인젝션 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고,
도 13은 도 10에서 일반 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 13는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 베이퍼 인젝션 모듈의 내부를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에서 냉방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에서 베이퍼 인젝션 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1에서 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이고, 도 5 및 도 6은 도 1의 구성요소인 제1 팽창수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 7 내지 도 9는 도 1의 구성요소인 제2 팽창수단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)은 제1 라인(100), 기액분리기(400), 제2 라인(200), 제3 라인(300), 제1 팽창수단(500) 및 제2 팽창수단(600)을 포함할 수 있다.
제1 라인(100)은 냉매가 유입되는 유입구(110)와 연결되어 냉매가 베이퍼 인젝션 모듈(1)로 유입되는 통로를 제공할 수 있다. 일실시예로, 제1 라인(100)은 원형의 관구조를 구비할 수 있으며, 냉매가 이동하기 위한 다양한 관 구조가 사용될 수 있다.
기액분리기(400)는 제1 팽창수단(500)으로부터 냉매를 전달받아 기상과 액상의 냉매로 분리할 수 있다. 기액분리기(400)는 분리된 기상 냉매를 압축기(10)로 이동시키며, 액상의 냉매를 제3 라인(300)으로 이동시킬 수 있다.
기액분리기(400)는 하우징(410), 유출통로(420) 및 이동통로(430)를 포함할 수 있다.
하우징(410)은 냉매가 유동하는 내부공간을 제공한다. 하우징(410)은 원통구조로 마련되며, 내벽은 경사를 가질 수 있다. 이러한 경사는 하부로 갈수록 반경이 줄어 유속 보정의 효과를 구비할 수 있다.
하우징(410)의 상부에는 유출구가 배치되며, 하우징(410)의 하부에는 이동통로(430)가 형성될 수 있다.
*유출구에는 유출통로(420)가 연결되며, 유출통로(420)를 통해 기상 냉매가 유출구로 이동할 수 있다.
하우징(410)의 상측 일영역에는 제2 라인(200)이 연결되며, 제2 라인(200)은 냉매가 하우징(410)의 측벽을 향하여 토출되도록 배치되어 회류를 형성할 수 있다. 제2 라인(200)에서 토출되는 냉매는 유출통로(420)의 측벽을 선회하면서 하강한다.
이동통로(430)는 하우징(410)에서 액화된 냉매가 제3 라인(300)에 배치되는 제2 팽창수단(600)을 향해 이동하는 통로를 제공한다.
이동통로(430)의 일측에는 냉매의 비산을 방지하는 격벽부(440)가 배치될 수 있다.
격벽부(440)는 이동통로(430)의 중심부, 즉 유출통로(420)의 하부에 위치할 수 있으며, 이통통로를 이동하는 냉매가 비산되어 유출통로(420)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 일실시예로, 격벽부(440)는 원형의 판구조를 구비할 수 있으며, 유출통로(420)의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 격벽부(440)의 형상은 제한이 없으나, 유출통로(420)의 단면보다 크게 형성되는 것이 바람직하며, 유출통로(420)의 단면의 형상에 따라 다양하게 변형실시될 수 있다.
또한, 격벽부(440)에는 고정부가 연결되어 하우징(410)에 고정될 수 있다. 일실시예로, 고정부는 막대구조를 구비하며, 일측이 격벽부(440)에 연결되며, 타측이 하우징(410)에 고정되는 구조로 고정될 수 있다.
제2 라인(200)은 일측이 제1 라인(100)에 연결되며, 타측은 기액분리기(400)의 상측 일영역에 연결될 수 있다. 제2 라인(200)은 냉매가 이동하는 통로를 제공하며, 제2 라인(200)의 일영역에는 제1 팽창수단(500)이 배치될 수 있다.
제1 팽창수단(500)은 공조모드에 따라 응축된 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 냉매를 팽창시켜 기액분리기(400)로 전달할 수 있다.
제1 팽창수단(500)은 제2 라인(200)의 중심에 배치되어 회전하는 제1 볼밸브(510)를 포함할 수 있다. 제1 볼밸브(510)는 제1 유입홀(511), 제1 유입홀(511)에 연결되는 제1 팽창홈(513)을 포함할 수 있다.
제1 팽창수단(500)으로 유입되는 냉매는 제1 볼밸브(510)에 형성되는 제1 유입홀(511)을 통해 이동하며, 제1 팽창홈(513)을 지나면서 팽창되어 기액분리기(400)로 유입될 수 있다.
제1 볼밸브(510)에는 구동부가 연결되어 회전할 수 있으며, 제1 볼밸브(510)의 회전을 통해 제2 라인(200)으로 이동하는 냉매를 이동시키거나 차단할 수 있다.
그리고, 제1팽창수단(500)과 제2 팽창수단(600)은 전자식 팽창밸브로서, 도면부호로 표시하지는 않았으나, 각각의 볼밸브를 회전시키기 위한 액츄에이터(모터)를 구비하고 있으며, 액츄에이터의 회전 각도에 따라 팽창량 또는 냉매 유동량을 제어할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 유입홀(511)은 절곡된 구조를 구비할 수 있으며, 제1 유입홀(511)의 단부에는 제1 팽창홈(513)이 연결될 수 있다.
도 5에서와 같이 제1 유입홀(511)이 제2 라인(200)에 배치되는 경우 냉매가 제1 볼밸브(510)로 유입되며, 제1 팽창홈(513)을 거치면서 팽창하여 기액분리기(400)로 이동하게 된다.
도 6을 참조하면, 볼밸브가 회전하여 제2 라인(200)과 제1 유입홀(511)이 어긋나게 되는 경우, 제2 라인(200)으로 냉매의 이동이 차단될 수 있다.
도 5 및 도 6은 제1 팽창수단(500)의 일실시예로 볼밸브가 사용되는 구조를 설명하고 있으나, 냉매의 이동을 제어하면서 냉매를 팽창시킬 수 있는 다양한 공지의 구조가 사용될 수 있다.
제3 라인(300)은 제1 라인(100)과 기액분리기(400)의 하측의 일영역에 연결되어 냉매가 이동할 수 있는 통로를 제공할 수 있다.
제3 라인(300)의 일측은 제1 라인(100)과 연결되며, 타측은 기액분리기(400)의 이동통로(430)와 연결되어 냉매가 이동할 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 공조모드에 따라 응축된 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 기액분리기(400)에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시킬 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 제3 라인(300)상에 배치되어 제1 라인(100)을 통해 유입되거나, 기액분리기(400)에서 분리되어 유입되는 액상 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어할 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 제1 팽창수단(500)이 응축된 냉매를 흐름을 차단하는 경우, 응축된 냉매를 통과 또는 팽창할 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 제2 유입홀(611), 제2 유입홀(611)과 연결되는 제2 유출홀(613) 및 제2 유출홀(613)의 일측에 형성되는 제2 팽창홈(613a)을 구비하는 제2 볼밸브(610)를 포함할 수 있다.
제2 볼밸브(610)의 구 형상으로 마련되며, 구동부(미도시)에 연결되어 회전할 수 있다. 제2 볼밸브(610)는 제2 팽창수단(600)의 내부에 배치될 수 있다.
제2 볼밸브(610)는 제2 유입홀(611)과 제2 유출홀(613)이 연결되어 냉매가 이동하는 통로를 형성할 수 있다. 일실시예로, 제2 유입홀(611)과 제2 유출홀(613)은 90도의 각도를 가지도록 연결될 수 있다. 다만, 제2 유입홀(611)과 제2 유출홀(613)의 각도는 한정되지 않으며 다양한 각도로 변형실시될 수 있다.
제2 팽창홈(613a)은 제2 유출홀(613)의 단부와 연결되도록 연결되어 제2 유출홀(613)을 통해 이동하는 냉매를 팽창시켜 이동시킬 수 있다. 일실시예로, 제2 팽창홈(613a)은 세장형으로 구비되어 이동하는 냉매의 압력변화를 이용하여 냉매를 팽창시킬 수 있다.
제2 볼밸브(610)는 냉매를 이동시키거나 팽창하도록 동작한다. 제2 볼밸브(610)는 회전을 통해 제2 유입홀(611), 제2 유출홀(613) 및 제2 팽창홈(613a)의 위치를 변경시켜 냉매를 이동시키거나 팽창하도록 동작할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2 유출홀(613)은 제1 라인(100)과 연결되는 제3 라인(300)측으로 배치되며, 90도로 연결되는 제2 유출구는 제2 팽창수단(600)에 형성되는 냉매출구(601) 측으로 배치되어 냉매를 이동시킬 수 있다. 이때, 냉매는 기액분리기(400)와 연결되는 제3 라인(300)측을 차단하게 되며, 제2 팽창홈(613a)을 거치지 않고 냉매출구(601)측으로 이동하게 된다.
도 8를 참조하면, 제2 유출홀(613)은 기액분리기(400)와 연결되는 제3 라인(300)측으로 배치되며, 90도로 연결되는 제2 유출구는 제2 팽창수단(600) 근방으로 배치될 수 있다. 이때, 제2 유출구는 제2 팽창수단(600)의 내벽에 막히게 되며, 냉매는 제2 팽창홈(613a)을 통해 팽창하여 냉매출구(601)측으로 이동하게 된다.
도 9를 참조하면, 제2 유출홀(613)은 제1 라인(100)과 연결되는 제3 라인(300)측으로 배치되며, 90도로 연결되는 제2 유출구는 제2 팽창수단(600) 근방으로 배치될 수 있다. 이때, 제2 유출구는 제2 팽창수단(600)의 내벽에 막히게 되며, 냉매는 제2 팽창홈(613a)을 통해 팽창하여 냉매출구(601)측으로 이동하게 된다.
이와 같이 제2 팽창수단(600)을 제1 라인(100)이나 기액분리기(400)를 통해 유입되는 냉매를 바이패스시키거나, 팽창시켜 이동시킬 수 있다.
이하 각 공조모드에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)의 동작을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 베이퍼 인젝션 모듈(1)에서 냉방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 냉방모드의 경우, 제1 팽창수단(500)은 응축된 냉매의 흐름을 차단하고, 제2 팽창수단(600)은 응축된 냉매를 통과시킬 수 있다.
냉방모드의 경우, 냉매가 유입구(110)를 통해 유입된다. 이때, 제1 라인(100)과 연결되는 제2 라인(200)은 제1 팽창수단(500)에 의해 냉매의 이동이 차단되며, 냉매는 제3 라인(300)으로 이동하게 된다.
제2 팽창수단(600)은 제3 라인(300)을 통해 유입되는 냉매를 바이패스하여 냉매출구(601)로 이동시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 베이퍼 인젝션 모듈(1)에서 베이퍼 인젝션 난방모드시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 베이퍼 인젝션(vapor injection) 난방모드의 경우, 제1 팽창수단(500)은 응축된 냉매를 팽창하고, 기액분리기(400)는 팽창된 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상은 압축기로 전달하고 액상은 제2 팽창수단(600)으로 전달하며, 제2 팽창수단(600)은 액상의 상기 냉매를 팽창시킬 수 있다.
베이퍼 인젝션(vapor injection) 난방모드의 경우, 냉매가 유입구(110)를 통해 유입된다. 이때, 제1 팽창수단(500)이 개방되어 냉매가 유입되며, 유입되는 냉매는 제1 팽창수단(500)에서 중압으로 팽창을 하여 기액분리기(400)로 유입된다. 제1 팽창수단(500)은 유입되는 냉매를 중압으로 팽창하여 압축기에 걸리는 부하를 감소할 수 있으며, 증발기에서 열교환 효율을 증대할 수 있다.
기액분리기(400)로 유입되는 냉매는 기액분리기(400)의 하우징(410)의 측벽을 타고 회류하여 하강하게 되며, 기액분리기(400)에서 분리되는 액상 냉매는 연결통로를 통해 제3 라인(300)으로 이동하게 되며, 분리된 기상 냉매는 유출통로(420)를 통해 배출될 수 있다.
제2 팽창수단(600)의 제2 볼밸브(610)는 제1 라인(100)에서 제3 라인(300)으로 냉매가 유입되는 것을 차단하며, 기액분리기(400)와 연결되는 제3 라인(300)으로 냉매가 유입되도록 동작할 수 있다.
제2 볼밸브(610)로 유입되는 냉매는 제2 팽창홈(613a)을 통해 저압으로 팽창되어 냉매출구(601)를 통해 유출될 수 있다.
베이퍼 인젝션(vapor injection) 난방모드의 경우, 제1 팽창수단(500)과 제2 팽창수단(600) 단계적으로 지나면서 냉매의 팽창압을 조절하여 효율을 증대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 베이퍼 인젝션 모듈(1)에서 일반 난방모드(non-vapor injection)시 냉매의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일반 난방모드의 경우, 제1 팽창수단(500)은 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단하고, 제2 팽창수단(600)은 응축된 상기 냉매를 팽창시킬 수 있다.
일반 난방모드의 경우, 냉매가 유입구(110)를 통해 유입된다. 이때, 제1 라인(100)과 연결되는 제2 라인(200)은 제1 팽창수단(500)에 의해 냉매의 이동이 차단되며, 냉매는 제3 라인(300)으로 이동하게 된다.
제2 팽창수단(600)의 제2 볼밸브(610)는 기액분리기(400)에서 제3 라인(300)으로 냉매가 유입되는 것을 차단하며, 제1 라인(100)과 연결되는 제3 라인(300)으로 냉매가 유입되도록 동작할 수 있다.
제2 볼밸브(610)로 유입되는 냉매는 제2 팽창홈(613a)을 통해 저압으로 팽창되어 냉매출구(601)를 통해 유출될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)에서는 공조모드 중 냉방 모드, 일반 난방 모드 및 베이퍼 인젝션 난방 모드 중, 베이퍼 인젝션 난방 모드에서만 냉매를 기상과 액상으로 분리하게 된다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)을 이용하는 히트펌프 시스템을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)을 이용하는 히트펌프 시스템의 구조도이고, 도 11은 도 10에서 냉방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고, 도 12는 도 10에서 베이퍼 인젝션 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이고, 도 13은 도 10에서 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다. 도 10 내지 도 13의 설명에 있어서, 도 1 내지 도 9와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이퍼 인젝션 모듈(1)을 이용하는 히트펌프 시스템은 압축기(10), 응축기(30), 실내열교환기(20), 제1 팽창수단(500), 제2 팽창수단(600), 기액분리기(400), 실외열교환기(40), 제3 팽창수단(50), 증발기(60), 제4 팽창수단(70), 칠러(80) 및 어큐뮬레이터(90)를 포함할 수 있다.
압축기(10)는 엔진(내연기관) 또는 모터 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 응축기(30) 측에 배출하게 된다.
실내열교환기(20)는 압축기(10)에서 유입되는 냉매의 열을 이용하여 공조풍과 열교환시켜 실내를 난방할 수 있다. 실내열교환기(20)는 후술할 증발기(60)와 함께 차량의 공조케이스(C) 내부에 배치되어 차량의 실내를 난방할 수 있다.
일실시예로, 실내열교환기(20)는 실내 난방용 열교환기로 응축기가 사용될 수 있다.
실내열교환기(20)를 이동하는 냉매는 공기와 열교환되고, 열교환된 공기가 실내로 유입되어 실내를 난방할 수 있다.
또한, 실내열교환기(20)의 냉매는 냉각수와 열교환되고, 열교환된 냉각수가 실내를 난방하기 위한 공기와 열교환될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 실내열교환기(20)는 공랭이나 수냉식 모두 사용될 수 있다.
일실시예로, 실내열교환기(20)는 토출되는 냉매와 냉각수를 열교환하는 수냉식 응축기를 더 포함할 수 있다. 실내열교환기(20)에 포함되는 수냉식 응축기는 냉각수 라인을 이동하는 냉각수와 열교환하게 되며, 열교환된 냉각수는 실내를 난방할 수 있다.
응축기(30)는 냉방모드 및 난방모드 시 모두 응축기(30) 역할을 하게된다. 응축기(30)는 압축된 냉매를 응축할 수 있다. 응축기(30)에 응축된 냉매는 제1 라인(100)을 따라 이동하여 베이퍼 인젝션 모듈(1)로 공급된다. 일실시예로, 응축기(30)는 수냉식 응축기(30)가 사용될 수 있다.
제1 팽창수단(500)은 공조모드에 따라 응축된 냉매를 차단 또는 팽창시켜 기액분리기(400)로 전달할 수 있다. 제1 팽창수단(500)은 제1 라인(100)과 기액분리기(400)를 연결하는 제2 라인(200)에 배치되며, 내부에 배치되는 제1 볼밸브(510)를 통해 냉매의 이동여부 및 팽창을 결정할 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 제1 팽창수단(500)과 병렬로 기액분리기(400)에 연결되며, 공조모드에 따라 냉매를 통과 또는 팽창시켜 실외열교환기(40)로 배출할 수 있다. 제2 팽창수단(600)은 제1 라인(100)과 기액분리기(400)를 연결하는 제3 라인(300)에 배치되며, 내부에 배치되는 제2 볼밸브(610)를 통해 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 결정할 수 있다. 제2 라인(200)과 제3 라인(300)은 서로 병렬로 연결되며, 제3 라인(300)은 기액분리기(400)에서 분리되는 액상 냉매가 이동하기 위해 제2 라인(200)보다 하부에 배치되는 것이 바람직하다.
제2 팽창수단(600)은 3/2-way 팽창밸브가 사용될 수 있다. 3/2-way 팽창밸브는 유입되는 냉매의 이동방향, 팽창여부 및 유량제어기능을 수행할 수 있다.
기액분리기(400)는 제1 팽창수단(500)을 통과한 냉매를 기상과 액상으로 분리하고, 분리된 냉매 중 액상의 냉매를 제2 팽창순단으로 이동시키며, 기상의 냉매는 압축기(10)로 재유입할 수 있다.
기액분리기(400)는 냉매가 냉매라인을 순환하여 압축기(10)로 유입되기 전에 배치되는 어큐뮬레이터(90)와 같이 냉매를 기상과 액상으로 구분하는 역할을 수행한다. 다만, 어큐뮬레이터(90)는 압축기(10)에 기상의 냉매를 공급하나, 기액분리기(400)는 분리된 액상 냉매가 그대로 흘러가도록 하는 점에서 차이점이 존재한다.
기액분리기(400)를 통해 분리된 액상의 냉매는 제3 라인(300)상에 배치되는 제2 팽창수단(600)을 통과하게 된다. 이때, 제2 팽창수단(600)은 기액분리기(400)를 통해 분리된 액상의 냉매를 추가적으로 감압시킬 수 있다.
실외열교환기(40)는 라디에이터와 함께 공냉식 열교환기로 차량 엔진룸의 전방측에 설치되며, 송풍팬으로부터 송풍되는 공기의 유동방향으로 일직선상에 배치된다. 또한 실외열교환기(40)는 라디에이터에서 배출되는 저온의 냉각수와 열교환될 수 있다.
또한, 실외열교환기(40)는 공조모드에 따라 다른 역할을 수행할 수 있다. 실외열교환기(40)는 냉방모드 시, 수냉식 응축기(30)와 동일한 응축기(30) 역할을 하게 되고, 난방모드 시에는 수냉식 응축기(30)와 상반되는 증발기(60) 역할을 하게 된다.
제3 팽창수단(50)은 증발기(60)의 입구측에 배치되어 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.
증발기(60)는 공조케이스(C)의 내부에 설치되고, 냉매 순환라인에 배치되어 제3 팽창수단(50)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되고, 블로어를 통해 공조케이스(C)의 내부를 유동하는 공기가 증발기(60)를 통과하는 과정에서 증발기(60) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다. 즉 증발기(60)는 냉매 순환라인 상에서 증발기(60) 역할을 한다.
제4 팽창수단(70)은 제3 팽창수단(50)과 병렬로 연결되며, 순환되는 냉매의 팽창, 유량 제어 및 개폐의 기능을 수행할 수 있다.
칠러(80)는 제4 팽창수단(70)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 공급되어 냉각수 순환라인을 이동하는 냉각수와 열교환될 수 있다. 한편, 칠러(80)에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환라인을 순환하여 고온의 배터리와 열교환될 수 있다.
어큐뮬레이터(90)는 압축기(10)의 입구 측 냉매 순환라인 상에 설치되어 증발기(60) 및/또는 칠러(80)를 경유한 냉매가 합류되며, 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(10)로 공급하며, 잉여 냉매를 저장할 수 있다.
어큐뮬레이터(90)의 기상 냉매 출구에는 압축기(10)의 흡입포트가 연결되어 있으며, 이를 통해 압축기(10)에 액상의 냉매가 흡입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 나타나는 제1 팽창수단(500), 제2 팽창수단(600), 제3 팽창수단(50) 및 제4 팽창수단(70)은 각 모드에 따라 팽창, 유통 및 차단의 기능을 수행할 수 있다. 다시말하면, 각 팽창수단은 냉매를 팽창하거나, 냉매를 팽창없이 통과시키거나, 냉매를 차단하는 3가지 기능을 수행할 수 있다.
도 11은 도 10에서 냉방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 냉방모드에서는 압축기(10)가 작동하여 압축기(10)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 압축된 냉매는 실내열교환기(20)로 이동하게 되며, 동작하지 않는 실내열교환기(20)를 바이패스하여 수냉식 응축기(30)로 유입된다.
수냉식 응축기(30)로 유입된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉각되며, 냉각된 냉매는 제1 라인(100)을 따라 베이퍼 인젝션 모듈(1)로 유입된다.
제1 라인(100)을 따라 이동하는 냉매는 제1 팽창수단(500)에 의해 제2 라인(200)으로 이동이 차단되고, 제3 라인(300)으로 유입된다. 제3 라인(300)에 배치된 제2 팽창수단(600)은 냉매를 바이패스하여 실외열교환기(40)로 유입되며, 실외열교환기(40)에서 외부 공기와 열교환되어 냉각된다. 즉 수냉식 응축기(30)와 실외열교환기(40)는 모두 응축기(30)의 역할을 하여 냉매를 응축시킨다.
응축된 냉매는 이후 제3 팽창수단(50)을 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창되며, 이후 팽창된 냉매는 증발기(60)를 거치면서 공조케이스(C)의 송풍기(미도시)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 그리고 증발기(60)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(90)를 거쳐 다시 압축기(10)로 유입된다.
냉매분기부(B)에서 분기된 냉매의 나머지는 제4 팽창수단(70)를 통과하게 된다.
이때, 제4 팽창수단(70)은 폐쇄되어 냉매가 증발기(60)로 유입되도록 할 수 있으며, 팽창을 통해 칠러(80)로 유입될 수 있다.
제4 팽창수단(70)에서 냉매가 교축되어 냉매가 팽창된 이후, 팽창된 냉매는 칠러(80)를 거치면서 냉각수와 열교환되어 냉매가 증발되면서 냉각수가 냉각될 수 있다. 그리고 칠러(80)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(90)를 거쳐 다시 압축기(10)로 유입된다. 이와 같이 증발기(60)를 통과한 냉매와 칠러(80)를 통과한 냉매가 어큐뮬레이터(90)에서 합류되어 압축기(10)로 유입된 후, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환할 수 있다.
도 12는 도 10에서 베이퍼 인젝션 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 베이퍼 인젝션 난방모드에서는 압축기(10)가 작동하여 압축기(10)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 압축된 냉매는 실내열교환기(20)로 이동하게 되며, 동작하지 않는 실내열교환기(20)를 바이패스하여 수냉식 응축기(30)로 유입된다.
수냉식 응축기(30)로 유입된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉각되며, 냉각된 냉매는 제1 라인(100)을 따라 베이퍼 인젝션 모듈(1)로 유입된다.
제1 라인(100)을 따라 이동하는 냉매는 제2 라인(200)으로 이동하며, 제1 팽창수단(500)을 통해 중압으로 팽창하여 기액분리기(400) 측으로 이동하게 된다.
팽창된 냉매는 기액분리기(400) 측으로 이동하게 되며, 기액분리기(400)에서 분리된 액상 냉매는 제2 팽창수단(600)으로 이동하여 저압으로 추가적인 감압을 거친 후, 실외열교환기(40)로 유입된다.
베이퍼 인젝션(vapor injection) 난방모드의 경우, 제1 팽창수단(500)과 제2 팽창수단(600) 단계적으로 지나면서 냉매의 팽창압을 조절하여 효율을 증대할 수 있다.
제2 팽창수단(600)은 제1 라인(100)과 연결되는 제3 라인(300)을 차단하여 냉매가 제2 라인(200)으로 유입되도록 하며, 제2 팽창수단(600) 내부에 배치되는 제2 볼밸브(610)는 기액분리기(400)에서 분리되는 냉매를 팽창하여 실외열교환기(40)로 공급할 수 있다.
이때, 제2 팽창수단(600)은 난방 시 최적의 COP 유지를 위해서, 경우에 따라 기액분리기(400)를 통과한 냉매의 유량을 가변시킬 수 있다. 즉, 제2 팽창수단(600)은 볼밸브의 회전을 통해 개도량을 조절하며, 이를 통해 기액분리기(400)를 통과한 냉매의 유량을 조절할 수 있다. 반대로, 최적의 COP를 포기하고, 시스템 성능을 향상시키기 위해, 강제로 냉매 유량을 감소시킬 수도 있다. 즉, 본 발명은 제2 팽창수단(600)을 통해 베이퍼 인젝션 난방모드에서 냉매 팽창량을 가변시킬 수 있으며, 이를 통해 최적의 COP 또는 최적의 시스템 성능을 확보할 수 있다.
기액분리기(400)에서 분리된 기상의 냉매는 압축기(10)로 재유입할 수 있다. 이를 통해 압축기(10)로 유입되는 냉매는 어큐뮬레이터(90)로부터 유입되는 냉매와 비교하여 고온의 냉매가 재유입되는 바, 난방효율을 증대할 수 있다.
실외열교환기(40)를 거친 냉매는 외부 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 외부 공기의 열을 흡수한다. 이후 냉매는 냉매분기부(B)를 지나 완전 개방된 상태의 제4 팽창수단(70)을 통과하여 칠러(80)로 유입되며, 칠러(80)에서는 냉매와 냉각수가 열교환되어 냉매가 가열될 수 있다. 그 다음 칠러(80)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(90)를 거쳐 다시 압축기(10)로 유입된다. 이때, 제3 팽창수단(50)은 차단되어 증발기(60)로 냉매가 흐르지 않을 수 있다. 그리하여 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
도 13은 도 10에서 일반 난방모드에서 시스템의 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 일반 난방모드(non-vapor injection)에서는 압축기(10)가 작동하여 압축기(10)에서 고온 고압의 냉매가 토출된다. 압축된 냉매는 실내열교환기(20)로 이동하게 되며, 동작하지 않는 실내열교환기(20)를 바이패스하여 수냉식 응축기(30)로 유입된다.
수냉식 응축기(30)로 유입된 냉매는 냉각수와 열교환되어 냉각되며, 냉각된 냉매는 제1 라인(100)을 따라 베이퍼 인젝션 모듈(1)로 유입된다.
제1 라인(100)을 따라 이동하는 냉매는 제1 팽창수단(500)에 의해 제2 라인(200)으로 이동이 차단되고, 제3 라인(300)으로 유입된다. 제3 라인(300)에 배치된 제2 팽창수단(600)은 냉매를 저압으로 팽창시켜 실외열교환기(40)로 유입시키며, 실외열교환기(40)에서 외부 공기와 열교환되어 냉각된다. 즉 수냉식 응축기(30)와 실외열교환기(40)는 모두 응축기(30)의 역할을 하여 냉매를 응축시킨다.
제2 팽창수단(600)은 기액분리기(400) 연결되는 제3 라인(300)을 차단하여 냉매가 제2 라인(200)으로 유입되도록 하며, 제2 팽창수단(600) 내부에 배치되는 제2 볼밸브(610)는 제3 라인(300)을 통해 유입되는 냉매를 팽창하여 실외열교환기(40)로 공급할 수 있다.
실외열교환기(40)를 거친 냉매는 외부 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 외부 공기의 열을 흡수한다. 이후 냉매는 냉매분기부(B)를 지나 완전 개방된 상태의 제4 팽창수단(70)을 통과하여 칠러(80)로 유입되며, 칠러(80)에서는 냉매와 냉각수가 열교환되어 냉매가 가열될 수 있다. 그 다음 칠러(80)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(90)를 거쳐 다시 압축기(10)로 유입된다. 이때, 제3 팽창수단(50)은 차단되어 증발기(60)로 냉매가 흐르지 않을 수 있다. 그리하여 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명] 1 : 베이퍼 인젝션 모듈, 10 : 압축기, 20 : 실내열교환기, 30 : 응축기, 40 : 실외열교환기, 50 : 제3 팽창수단, 60 : 증발기, 70 : 제4 팽창수단, 80 : 칠러, 90 : 어큐뮬레이터, 100 : 제1 라인, 110 : 유입구, 200 : 제2 라인, 300 : 제3 라인, 400 : 기액분리기, 410 : 하우징, 420 : 유출통로, 430 : 이동통로, 440 : 격벽부, 500 : 제1 팽창수단, 510 : 제1 볼밸브, 511 : 제1 유입홀, 513 : 제1 팽창홈, 600 : 제2 팽창수단, 601 : 냉매출구, 610 : 제2 볼밸브, 611 : 제2 유입홀, 613 : 제2 유출홀, 613a : 제2 팽창홈, C : 공조케이스, B : 냉매분기부

Claims (20)

  1. 공조모드에 따라, 응축된 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 기액분리기로 전달하는 제1 팽창수단;
    상기 제1 팽창수단으로부터 냉매를 전달받아, 기상과 액상의 냉매로 분리하는 상기 기액분리기;
    상기 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단
    을 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단이 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단할 경우, 상기 제2 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공조모드 중 베이퍼 인젝션 난방 모드 시, 상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 팽창하고, 상기 기액분리기는 팽창된 상기 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상은 상기 압축기로 전달하고 액상은 상기 제2 팽창수단으로 전달하며, 상기 제2 팽창수단은 액상의 상기 냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기는 상기 공조모드 중 냉방 모드, 일반 난방 모드 및 베이퍼 인젝션 난방 모드 중, 베이퍼 인젝션 난방 모드에서만 냉매를 기상과 액상으로 분리하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    냉매가 유입되는 유입구와 연결되는 제1 라인;
    상기 제1 라인과 상기 기액분리기의 상측 일영역에 연결되는 제2 라인;
    상기 제1 라인과 상기 기액분리기의 하측 일영역에 연결되는 제3 라인;
    상기 제2 라인상에 배치되어 공조모드에 따라 상기 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 상기 제1 팽창수단; 및
    상기 제3 라인상에 배치되어 상기 제1 라인을 통해 유입되거나, 상기 기액분리기에서 분리되어 유입되는 액상 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 상기 제2 팽창수단;
    을 더 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 팽창수단은 상기 제2 라인에 배치되어 회전하는 제1 볼밸브를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 볼밸브는 제1 유입홀, 상기 제1 유입홀과 연결되는 제1 팽창홈을 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 기액분리기는 냉매가 유동하는 내부공간을 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 상부에 배치되어 기상 냉매를 배출하며, 액상 냉매의 유입을 방지하기 위해 파이프 형태로 형성된 유출통로, 및
    상기 하우징의 하부에 배치되어 액상 냉매를 상기 제2 팽창수단으로 배출하는 이동통로,
    를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 하우징에 연결되는 상기 제2 라인은 냉매가 상기 하우징 측벽을 향하여 토출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이동통로의 일측에는 냉매의 비산을 방지하는 격벽부가 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 유출통로의 직경보다 크게 마련되어 비산되는 액상 냉매가 상기 유출통로로 이동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  12. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 팽창수단은 제2 유입홀, 상기 제2 유입홀과 연결되는 제2 유출홀 및 상기 제2 유출홀의 일측에 형성되는 제2 팽창홈을 구비하는 제2 볼밸브를 포함하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  13. 제5 항에 있어서,
    냉방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인과 상기 제3 라인을 따라 이동하며, 상기 제2 라인은 상기 제1 팽창수단에 의해 이동이 차단되고,
    상기 제2 팽창수단은 냉매를 바이패스하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  14. 제5 항에 있어서,
    베이퍼 인젝션 난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인을 따라 이동하며, 상기 제1 팽창수단을 통해 팽창하여 상기 기액분리기로 이동하고,
    상기 기액분리기를 통해 분리된 액상 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 유출되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  15. 제5 항에 있어서,
    난방모드의 경우, 상기 냉매는 상기 제1 라인 및 상기 제2 라인을 따라 이동하며, 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 유출되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 모듈.
  16. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
    압축된 냉매를 응축하는 응축기;
    공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매의 흐름을 차단하거나, 응축된 상기 냉매를 팽창시켜 기액분리기로 전달하는 제1 팽창수단;
    상기 제1 팽창수단으로부터 냉매를 전달받아, 기상과 액상의 냉매로 분리하는 상기 기액분리기;
    상기 공조모드에 따라, 응축된 상기 냉매를 통과 또는 팽창시키거나, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 팽창수단;
    상기 제2 팽창수단에서 전달되는 냉매를 응축 또는 증발시키는 실외열교환기;
    상기 공조모드에 따라 상기 실외열교환기에서 전달된 냉매의 이동방향 및 팽창여부를 제어하는 제3 팽창수단; 및
    상기 제3 팽창수단에서 전달된 냉매를 이용하여 실내를 냉방하는 증발기;
    를 포함하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 팽창수단은 상기 제1 팽창수단과 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 공조모드가 냉방모드인 경우,
    상기 제1 팽창수단은 냉매의 이동을 차단하며, 상기 제2 팽창수단은 냉매를 바이패스하여 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 공조모드가 베이퍼 인젹션 난방모드인 경우,
    상기 제1 팽창수단은 응축된 상기 냉매를 팽창시며, 상기 기액분리기로 전달하며, 상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매는 상기 압축기로 유입되고,
    상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매는 상기 제2 팽창수단에서 팽창되어 상기 실외열교환기에 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 공조모드가 일반(non-vapor injection) 난방모드인 경우,
    상기 제1 팽창수단은 냉매의 이동을 차단하며, 상기 제2 팽창수단은 냉매를 팽창시켜 상기 실외열교환기로 전달하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 인젝션 히트펌프 시스템.
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