WO2024014730A1 - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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WO2024014730A1
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water
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김재훈
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Definitions

  • the present invention relates to a heat pump system, and more specifically, to a vehicle heat pump system that is installed in a hybrid vehicle and can heat the interior in a low-temperature environment without running the engine.
  • an air conditioning system for a vehicle includes a cooling system for cooling the interior of the vehicle and a heating system for heating the interior of the vehicle.
  • the cooling system cools the vehicle interior by exchanging heat with the refrigerant flowing inside the evaporator and converting it to cold air passing through the outside of the indoor heat exchanger on the indoor heat exchanger side of the refrigerant cycle.
  • the heating system is configured to heat the interior of the vehicle by exchanging heat with the coolant flowing inside the heater core on the heater core side of the coolant cycle and converting the air passing through the outside of the heater core into warmth.
  • electric vehicles use a heat pump system that reverses the vapor compression cycle used for cooling.
  • the focus is on modules for distributing and supplying low-temperature coolant to improve driving range based on battlefield waste heat, it has the disadvantage of being difficult to use in low outdoor temperature environments and having to perform heating in parallel with a high-capacity PTC heater.
  • a vehicle heat pump system installed in a conventional hybrid vehicle includes a compressor (8), an outdoor heat exchanger (6), an expansion valve (5), and an evaporator (3). It is made including. Additionally, an accumulator (9) is provided upstream of the compressor (8) in the refrigerant flow direction. The high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor (8) passes through the outdoor heat exchanger (6), expansion valve (5), evaporator (3), and accumulator (9) in order and circulates.
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • An evaporator (3) and a heater core (4) are sequentially provided in the air flow path within the air conditioning case (1) in the air flow direction.
  • the evaporator 3 exchanges heat with the air passing through it, and the heater core 4 heats the air by exchanging heat with the air passing through it.
  • a temp door (2) is provided between the indoor heat exchanger (3) and the heater core (4) to control the temperature of the air.
  • a PTC heater 7 may be further provided downstream of the heater core 4 in the air flow direction.
  • the coolant line passing through the engine 13 passes through the water pump 16, the reserve tank 15, and the radiator 14.
  • waste heat from the engine 13 is cooled by heat exchange with outdoor air.
  • part of the coolant line passing through the engine 13 passes through the water pump 11 and the heater core 4 and circulates through the engine 13.
  • the high-temperature coolant that cools the engine 13 in the heater core 4 exchanges heat with the air discharged into the room to perform heating.
  • a reserve tank 18, a water pump 19, and a low-temperature radiator 20 are provided in another coolant line that passes through electrical components 17 such as the PE module, so that the coolant circulates.
  • the vehicle heat pump system installed in a hybrid vehicle configured as described above heats the coolant by operating the engine 13, and performs cooling through a vapor compression cooling cycle using the compressor 8.
  • the vehicle heat pump system installed in a conventional hybrid vehicle operates the engine to heat the coolant for heating in winter, so the engine must be operated continuously, which has the disadvantage of poor low-temperature fuel efficiency and increased carbon dioxide emissions.
  • fuel efficiency is reduced by 7% at a low temperature of -7°C compared to room temperature, and when the air conditioning system is turned on at this time, fuel efficiency is reduced by up to 25%.
  • the present invention provides a vehicle heat pump system that has good air conditioning efficiency, can significantly reduce the size of the air-cooled condenser compared to the existing one, and has great advantages in cost reduction and package size reduction.
  • the heat pump system for a vehicle includes a refrigerant line that circulates through a compressor, an outdoor heat exchanger, an expansion means, and an indoor heat exchanger, and through which the refrigerant circulating through the indoor heat exchanger exchanges heat with air discharged into the room; a first coolant line that circulates through the engine and the heater core and exchanges heat with the coolant circulating in the heater core and the air discharged into the room; and a second coolant line that circulates through the electrical components and the electrical radiator, and includes a water-cooled condenser that heat-exchanges engine heat in the first coolant line with a refrigerant, and a chiller that heat-exchanges electrical heat in the second coolant line with a refrigerant, and the water-cooled
  • the condenser is provided downstream of the compressor in the refrigerant flow direction, and the chiller is provided upstream of the compressor in the refrigerant flow direction.
  • Engine heat and electric field heat can be selectively used for heating, and the water-cooled condenser and chiller are configured to absorb both engine heat and electric field heat, respectively.
  • a first expansion valve that selectively expands or bypasses the refrigerant is provided between the compressor and the outdoor heat exchanger, and the water-cooled condenser is disposed between the compressor and the first expansion valve.
  • a second expansion valve is provided between the outdoor heat exchanger and the indoor heat exchanger to selectively expand or redirect the refrigerant toward the chiller, and the chiller is disposed between the second expansion valve and the compressor, so that the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger is It passes through the second expansion valve, passes through the indoor heat exchanger, and is circulated to the compressor, or passes through the chiller to the compressor.
  • a first direction change valve is provided upstream of the engine in the coolant flow direction, and a second direction change valve is provided downstream of the engine in the coolant flow direction, and control of the first direction change valve and the second direction change valve is provided.
  • Coolant that has passed through the water-cooled condenser and heater core selectively passes through or bypasses the engine.
  • the refrigerant discharged from the compressor is first cooled in the water-cooled condenser and secondarily cooled in the outdoor heat exchanger.
  • the refrigerant discharged from the compressor is sequentially cooled in the water-cooled condenser and the outdoor heat exchanger, and the flow of cooling water in the water-cooled condenser is stopped.
  • the refrigerant discharged from the compressor is water-cooled. It is sequentially cooled in the condenser and the outdoor heat exchanger, and the cooling water that has passed through the engine flows into the water-cooled condenser.
  • the coolant bypasses the engine, and the coolant from the first coolant line heated by the refrigerant in the water-cooled condenser is supplied to the heater core to perform heating, and the coolant from the second coolant line passes through the electrical components. Heat is exchanged with the refrigerant in the chiller, and the refrigerant passing through the chiller absorbs heat and then circulates to the compressor.
  • the coolant that has passed through the engine and water-cooled condenser is supplied to the heater core to perform heating.
  • the coolant bypasses the engine, and the coolant from the first coolant line heated by the refrigerant in the water-cooled condenser is supplied to the heater core to perform heating, and the refrigerant line expanded through the outdoor heat exchanger is supplied to the heater core.
  • the refrigerant is evaporated in the indoor heat exchanger and circulates through the compressor, and when the engine operates in dehumidifying mode, the coolant that has passed through the engine and water-cooled condenser is supplied to the heater core to perform heating.
  • a heat pump system for a vehicle includes a refrigerant line that circulates through a compressor, an outdoor heat exchanger, an expansion means, and an indoor heat exchanger, and through which the refrigerant circulating through the indoor heat exchanger exchanges heat with air discharged into the room; a first coolant line that circulates through the engine and the heater core and exchanges heat with the coolant circulating in the heater core and the air discharged into the room; and a second coolant line that circulates through the electrical components and the electrical radiator, and includes a water-cooled condenser for heat exchanging engine heat from the first coolant line with a refrigerant, and a chiller for heat exchanging electrical heat from the second coolant line with a refrigerant.
  • Electric field heat can be selectively used for heating, and the water-cooled condenser and chiller are configured to absorb both engine heat and field heat, respectively.
  • the vehicle heat pump system according to the present invention can heat the interior without operating the engine in a low-temperature environment by applying the heat pump system in a hybrid vehicle, improve fuel efficiency, lower carbon dioxide emissions, and improve the thermal comfort of indoor passengers. improves
  • the condenser is composed of air-cooled and water-cooled types, so the water-cooled condenser is cooled using the coolant of the PE module (electrical equipment), so cooling efficiency is good, and the size of the air-cooled condenser (outdoor heat exchanger) can be significantly reduced compared to the existing one, which saves costs and improves vehicle performance. It is very advantageous in terms of package.
  • Figure 1 shows a conventional vehicle heat pump system
  • Figure 2 shows a heat pump system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows when the engine is stopped in the cooling mode of the vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows when the engine is operating in a cooling mode of a vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 illustrates when the engine is stopped in the heating mode of the vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 shows when the engine is operating in a heating mode of a vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 illustrates when the engine is stopped in the dehumidifying mode of the vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 shows an engine operation in a dehumidifying mode of a vehicle heat pump system according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle heat pump system is installed in a hybrid vehicle (HEV) having an engine 201 and electrical components 251 such as a PE module (Power Electric Module).
  • the vehicle heat pump system includes a refrigerant line 110, a first coolant line 211, and a second coolant line 250.
  • the electrical equipment 251 includes a PE module (Power Electric Module), etc.
  • the refrigerant line 110 circulates through the compressor 111, the outdoor heat exchanger 104, the expansion means, and the indoor heat exchanger 107.
  • the indoor heat exchanger 107 acts as an evaporator, and the refrigerant circulating through the indoor heat exchanger 107 exchanges heat with the air discharged into the room to cool the air.
  • the refrigerant line 110 includes a compressor 111, a water-cooled condenser 102, a first expansion valve 103, an outdoor heat exchanger 104, a second expansion valve 106, and an indoor heat exchanger 107 along the refrigerant flow direction. ), accumulators 108 are provided in sequence.
  • the compressor 111 compresses and discharges the refrigerant, and an accumulator 108 is provided upstream of the compressor 111 in the direction of refrigerant flow.
  • the indoor heat exchanger 107 is provided inside the air conditioning case 150 and heat exchanges the refrigerant with the air within the air conditioning case 150.
  • the outdoor heat exchanger 104 is provided outside the air conditioning case 150 and heat exchanges the refrigerant with the outside air.
  • the first expansion valve 103 is disposed between the compressor 111 and the outdoor heat exchanger 104 to selectively expand or bypass the refrigerant. That is, the first expansion valve 103 passes the refrigerant as it is without expanding it in the cooling mode, and expands the refrigerant in the heating mode.
  • the water-cooled condenser 102 is disposed between the compressor 111 and the first expansion valve 103. In this way, the first expansion valve 103 selectively performs the refrigerant expansion function and the refrigerant bypass function.
  • the second expansion valve 106 is disposed between the outdoor heat exchanger 104 and the indoor heat exchanger 107 to selectively expand or redirect the refrigerant toward the chiller 252.
  • the chiller 252 is disposed between the second expansion valve 106 and the compressor 111 to exchange heat between the coolant in the second coolant line 250 and the refrigerant in the refrigerant line 110.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) passes through the second expansion valve (106) and the indoor heat exchanger (107) and is circulated to the compressor (111), or passes through the chiller (252) through the chiller line (215) to the compressor. It circulates to (111).
  • the second expansion valve 106 expands the refrigerant in the cooling mode, and changes the direction of the refrigerant so that it bypasses the indoor heat exchanger 107 and passes through the chiller 252 without expanding the refrigerant in the heating mode. In this way, the second expansion valve 106 selectively performs the function of expanding the refrigerant and changing the direction of the refrigerant. Additionally, the second expansion valve 106 expands a part of the refrigerant and redirects another part of the refrigerant toward the chiller 252 in the dehumidifying mode.
  • An indoor heat exchanger 107 and a heater core 205 are sequentially provided in the air flow path within the air conditioning case 150 in the air flow direction.
  • a blower unit for blowing air is provided at the air inlet side of the air conditioning case 150.
  • the heater core 205 heats the air by exchanging heat with the air passing through it.
  • a temp door 151 is provided between the indoor heat exchanger 107 and the heater core 205 to control the temperature of the air discharged into the vehicle interior. As the temp door 151 rotates within the air conditioning case 150, it adjusts the amount of air between the cold air flow path and the warm air flow path.
  • the outdoor heat exchanger 104, the electric radiator 253, and the engine radiator 202 are arranged at the front of the vehicle to exchange heat with outdoor air, and a separate blowing fan may be provided for smooth heat exchange.
  • the first coolant line 211 circulates through the engine 201 and the heater core 205. Cooling water circulating through the heater core 205 exchanges heat with air discharged indoors within the air conditioning case 150.
  • the second coolant line 250 circulates through the electrical equipment 251 and the electrical radiator 253.
  • the engine 201 is connected to the engine radiator 202 and the engine line 213.
  • the engine line 213 is equipped with a thermostat 209, a reserve tank 212, and an engine radiator 202.
  • the water-cooled condenser 102 is provided between the compressor 111 and the outdoor heat exchanger 104 to exchange engine heat from the first coolant line 211 with the refrigerant. That is, the water-cooled condenser 102 is provided downstream of the compressor 111 in the refrigerant flow direction.
  • the chiller 252 is provided upstream of the compressor 111 in the direction of refrigerant flow and exchanges electric field heat of the second coolant line 250 with the refrigerant. That is, the chiller 252 is provided upstream of the compressor 111 in the refrigerant flow direction.
  • the coolant passing through the heater core 205 bypasses the engine 201 and passes through only the water-cooled condenser 102 and then circulates through the heater core 205, or the coolant passing through the heater core 205 is circulated through the water-cooled condenser 102. ) is bypassed and passes only the engine 201 and then circulates through the heater core 205, or the coolant passing through the heater core 205 passes through both the engine 201 and the water-cooled condenser 102 and then passes through the heater core (205). 205) can be cycled.
  • the vehicle heat pump system includes a first direction change valve 204 and a second direction change valve 206.
  • the first direction change valve 204 is provided upstream of the engine 201 in the coolant flow direction
  • the second direction change valve 206 is provided downstream of the engine 201 in the coolant flow direction.
  • the coolant passing through the water-cooled condenser 102 and the heater core 205 selectively passes through or bypasses the engine 201. .
  • the first direction change valve 204 is provided between the heater core 205 and the engine 201 in the coolant flow direction, and directs the coolant passing through the heater core 205 to the engine 201 or the water-cooled condenser 102. ) to selectively flow.
  • the second direction switching valve 206 is provided between the engine 201 and the water-cooled condenser 102 in the coolant flow direction.
  • the second direction change valve 206 flows the coolant that has passed through the engine 201 to the water-cooled condenser 102, or the coolant that has passed through the first direction change valve 204 bypasses the engine 201. It flows to the water-cooled condenser (102).
  • the vehicle heat pump system can selectively use engine heat and electric field heat for heating, and the water-cooled condenser 102 and chiller 252 are configured to absorb both engine heat and electric field heat, respectively. Additionally, in the cooling mode, the refrigerant discharged from the compressor 111 is first cooled in the water-cooled condenser 102 and secondarily cooled in the outdoor heat exchanger 104.
  • the first coolant line 211 includes an engine 201, a second direction change valve 206, a water-cooled condenser 102, a heater core 205, a water pump 207, and a first direction change valve.
  • the engines 201 are sequentially arranged in the coolant flow direction.
  • a thermostat 209, a reserve tank 212, and an engine radiator 202 are sequentially arranged in the coolant flow direction.
  • electrical components 251, an electrical radiator 253, a water pump 255, a reserve tank 256, and a chiller 252 are sequentially arranged in the coolant flow direction.
  • the refrigerant discharged from the compressor 111 is sequentially cooled in the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104, and the cooling water flow in the water-cooled condenser 102 is It stops.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is first cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, passes through the first expansion valve 103, and then is transferred to the outdoor air in the outdoor heat exchanger 104. It is secondaryly cooled and expanded in the second expansion valve (106) and then passes through the indoor heat exchanger (107) to exchange heat with indoor air to cool the room.
  • the coolant passing through the electrical equipment 251 passes through the electrical radiator 253 and the chiller 252 and circulates through the electrical equipment 251. The coolant flow in the first coolant line 211 is stopped.
  • the high-temperature refrigerant discharged from the compressor 111 is first cooled by water cooling in the water-cooled condenser 102 and secondarily cooled by air cooling in the outdoor heat exchanger 104, thereby improving cooling performance.
  • the heater core 205 is not in operation, sufficient cooling performance can be secured even when the compressor 111 is operated at a low rotation speed without heat pick-up. That is, since the refrigerant is first cooled in the water-cooled condenser 102 and then secondarily cooled in the outdoor heat exchanger 104, cooling performance is improved, and since coolant does not flow inside the heater core 205, there is no heat pickup, thereby improving cooling performance. This is maximized.
  • the refrigerant discharged from the compressor 111 is sequentially cooled in the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104, and is supplied to the water-cooled condenser 102 by the engine ( Coolant passing through 201) flows.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is first cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, passes through the first expansion valve 103, and then is transferred to the outdoor air in the outdoor heat exchanger 104. It is secondaryly cooled and expanded in the second expansion valve (106) and then passes through the indoor heat exchanger (107) to exchange heat with indoor air to cool the room.
  • the coolant passing through the heater core 205 passes through the water pump 207, the first direction change valve 204, the engine 201, and then the second direction change valve 206 and the water-cooled condenser 102. Circulate the heater core (205). In this case, the coolant flow in the second coolant line 250 is stopped.
  • the coolant bypasses the engine 201, and the coolant in the first coolant line 211 heated by the refrigerant in the water-cooled condenser 102 flows into the heater core 205. ) and heating is performed, and the coolant of the second coolant line 250 passing through the electrical equipment 251 exchanges heat with the refrigerant in the chiller 252, and the refrigerant passing through the chiller 252 absorbs heat and then is transferred to the compressor ( 111).
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, is expanded in the first expansion valve 103, and then passes through the outdoor heat exchanger 104 to the second expansion valve ( It changes direction at 106), passes through the chiller 252, and then circulates through the compressor 111. In this case, the refrigerant does not flow to the indoor heat exchanger (107).
  • the coolant passing through the electrical equipment 251 passes through the chiller 252, the reserve tank 256, the water pump 252, and the electrical radiator 253 to circulate through the electrical equipment 251.
  • the coolant passing through the heater core 205 passes through the water pump 207, the first direction change valve 204, the second direction change valve 206, and the water-cooled condenser 102 before entering the heater core ( 205). Cooling water passing through the heater core 205 heats the room by exchanging heat with the indoor air.
  • cooling water that has passed through the engine 201 and the water-cooled condenser 102 is supplied to the heater core 205 to perform heating.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, is expanded in the first expansion valve 103, and then passes through the outdoor heat exchanger 104 to the second expansion valve ( It changes direction at 106), passes through the chiller 252, and then circulates through the compressor 111. In this case, the refrigerant does not flow to the indoor heat exchanger (107).
  • the coolant passing through the heater core 205 passes through the water pump 207, the first direction change valve 204, the engine 201, and then passes through the second direction change valve 206 to the water-cooled condenser 102. After passing through, it circulates through the heater core (205). Cooling water passing through the heater core 205 heats the room by exchanging heat with the indoor air. Additionally, the coolant in the engine line 213 that passes through the engine 201 is cooled in the engine radiator 202.
  • the coolant bypasses the engine 201, and the coolant in the first coolant line 211 heated by the refrigerant in the water-cooled condenser 102 flows into the heater core 205. ) and heating is performed, and the refrigerant in the refrigerant line 110, which has expanded through the outdoor heat exchanger 104, is evaporated in the indoor heat exchanger 107 and circulates through the compressor 111.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, passes through the first expansion valve 103, cools through the outdoor heat exchanger 104, and then passes through the first expansion valve 103. 2 It is expanded in the expansion valve (106), passes through the indoor heat exchanger (107), and then circulates through the compressor (111).
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (107) is evaporated and dehumidified by circulating through the compressor (111).
  • the coolant passing through the electrical equipment 251 passes through the electrical radiator 253, the water pump 255 and the reserve tank 256, passes through the chiller 252, and then circulates through the electrical equipment 251.
  • the coolant passing through the heater core 205 passes through the water pump 207, the first direction change valve 204, and the second direction change valve 206, and then passes through the water-cooled condenser 102 and then through the heater core 205. ) circulates.
  • the cooling water passing through the heater core 205 heats the room by exchanging heat with the indoor air.
  • cooling water that has passed through the engine 201 and the water-cooled condenser 102 is supplied to the heater core 205 to perform heating.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 is cooled by cooling water in the water-cooled condenser 102, passes through the first expansion valve 103, cools through the outdoor heat exchanger 104, and then passes through the first expansion valve 103. 2 It is expanded in the expansion valve (106), passes through the indoor heat exchanger (107), and then circulates through the compressor (111).
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (107) is evaporated and dehumidified by circulating through the compressor (111).
  • the coolant passing through the heater core 205 passes through the water pump 207 and the first direction change valve 204, passes through the engine 201, and then passes through the second direction change valve 206 to the water-cooled condenser 102. After passing through, it circulates through the heater core (205). Cooling water passing through the heater core 205 heats the room by exchanging heat with the indoor air. Additionally, the coolant in the engine line 213 that passes through the engine 201 is cooled in the engine radiator 202. In this case, the coolant flow in the second coolant line 250 is stopped.
  • the vehicle heat pump system is capable of heating the interior without operating the engine in a low-temperature environment by applying the heat pump system in a hybrid vehicle, improving fuel efficiency and lowering carbon dioxide emissions, and increasing the temperature of indoor passengers. Improves thermal comfort.
  • it is a configuration that connects a heat pump system and an air conditioning device using an existing heater core, and switches to heating using coolant when the engine is running, enabling effective indoor heating even in a low temperature environment of -30°C.
  • the condenser is composed of air-cooled and water-cooled types, so the water-cooled condenser is cooled using the coolant of the PE module (electrical equipment), so cooling efficiency is good, and the size of the air-cooled condenser (outdoor heat exchanger) can be significantly reduced compared to the existing one, which saves costs and improves vehicle performance. It is very advantageous in terms of package.
  • the vehicle heat pump system can operate the heat pump system by configuring a water-cooled condenser to recover waste heat from electrical equipment that is not valuable as heat during heating.
  • a hybrid air conditioning operation is possible that initially operates as a heat pump system to heat the interior, and when the engine temperature rises over a certain period of time, heating is performed using a heater core. Therefore, the conventional heat pump system can only operate at an outside temperature of -20°C, but it can effectively heat the room even in a cryogenic environment of -30°C.
  • the air-cooled condenser (outdoor heat exchanger) can be reduced in size by about half compared to the conventional one, which is advantageous in terms of vehicle packaging, and can be configured as an integrated or stacked form with the electric radiator.
  • the outdoor air heat source not only the outdoor air heat source but also the waste heat of electrical equipment through the chiller is recovered and put into operation, so air conditioning efficiency is excellent and frost-prevention operation is possible.
  • the water-cooled condenser heats cooling water in heating mode and supplies it indoors, and performs the function of cooling the refrigerant in cooling mode.
  • the coolant of the engine cooling module (first coolant line) is simulated under the condition that coolant of about 95°C flows to the water-cooled condenser, the discharge refrigerant temperature of the compressor is about 100.4°C under high load conditions, and when the coolant does not flow, the temperature (100.7°C) ), there is almost no difference in performance, and at low load, the performance coefficient decreases slightly, but the heat dissipation amount of the entire evaporator (indoor heat exchanger) is at the same level and does not cause a decrease in air conditioning performance.

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Abstract

공조 효율이 좋고 공냉식 응축기의 크기를 기존 대비 상당부분 줄일 수 있으며 원가절감 및 패키지 축소에서 큰 이점을 갖는 차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 제1 냉각수라인의 엔진열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기와, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하고, 상기 수냉응축기는 냉매 유동 방향으로 압축기의 하류에 구비되며, 상기 칠러는 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류에 구비된다.

Description

차량용 히트펌프 시스템
본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에 설치되어 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있는 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 냉방시스템은 냉매사이클의 실내 열교환기 측에서 실내 열교환기의 외부를 거치는 공기를 증발기의 내부에서 유동되는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어 차량 실내를 냉방한다. 아울러, 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어 측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어의 내부에서 유동되는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
반면에, 전기자동차의 경우 냉방에 사용하는 증기 압축식 사이클을 역으로 구성한 히트펌프 시스템을 사용한다. 이 경우, 전장폐열을 기반으로 주행거리 향상을 위해 저온 냉각수 분배와 공급을 위한 모듈에 중점을 두기 때문에, 저외기온 환경에서 사용이 어렵고 고용량의 PTC히터를 병행하여 난방을 수행하여야 하는 단점이 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle)에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(8)와, 실외열교환기(6)와, 팽창밸브(5)와, 증발기(3)를 포함하여 이루어진다. 또한, 냉매 유동 방향으로 압축기(8)의 상류에는 어큐뮬레이터(9)가 구비된다. 압축기(8)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실외열교환기(6), 팽창밸브(5), 증발기(3) 및 어큐뮬레이터(9)를 순차로 통과하여 순환된다.
공조케이스(1) 내의 공기유로에는 증발기(3)와 히터코어(4)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 증발기(3)는 이를 통과하는 공기와 열교환하며, 히터코어(4)는 이릍 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 가열시킨다. 실내열교환기(3)와 히터코어(4) 사이에는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(2)가 구비된다. 공기 유동 방향으로 히터코어(4)의 하류에는 PTC히터(7)가 더 구비될 수 있다.
한편, 엔진(13)을 통과하는 냉각수라인은 워터펌프(16), 리저브탱크(15)를 지나 라디에이터(14)를 통과한다. 라디에이터(14)에서 엔진(13)의 폐열이 실외 공기와 열교환되어 냉각된다. 아울러, 엔진(13)을 통과한 냉각수라인에서 일부는 워터펌프(11), 히터코어(4)를 통과하여 엔진(13)을 순환한다. 히터코어(4)에서 엔진(13)을 냉각시킨 고온의 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되어 난방을 수행한다.
또한, PE모듈 등의 전장품(17)을 통과하는 또 다른 냉각수라인에 리저브탱크(18), 워터펌프(19), 저온라디에이터(20)가 구비되어 냉각수가 순환된다. 이와 같이 구성되는 하이브리드 차량에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은, 엔진(13)을 작동하여 냉각수가 데워져 난방이 수행되며, 압축기(8)를 이용하여 증기 압축식 냉방 사이클을 통해 냉방이 수행된다.
종래의 하이브리드 차량에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은 겨울철 난방을 위하여 엔진을 작동하여 냉각수를 데워 난방을 하기 때문에, 엔진을 지속적으로 작동해야 하므로 저온 연비가 나빠지고 이산화탄소 배출이 많아지는 단점이 있다. 또한, 냉각수가 데워져 히터코어로 공급되기까지 시간이 많이 소요되고 이때 실내 탑승자의 쾌적성이 저하된다. 아울러, 연비평가 모드로 테스트한 결과, 상온대비 -7℃의 저온에서 연비가 7% 저감되고, 이때 공조장치를 가동하면 25%까지 연비가 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 공조 효율이 좋고 공냉식 응축기의 크기를 기존 대비 상당부분 줄일 수 있으며 원가절감 및 패키지 축소에서 큰 이점을 갖는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 제1 냉각수라인의 엔진열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기와, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하고, 상기 수냉응축기는 냉매 유동 방향으로 압축기의 하류에 구비되며, 상기 칠러는 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류에 구비된다.
엔진열과 전장열을 선택적으로 난방에 사용 가능하며, 상기 수냉응축기와 칠러에서 각각 엔진열과 전장열을 모두 흡열 가능하게 구성된다.
상기 압축기와 실외열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시키는 제1 팽창밸브가 구비되고, 상기 수냉응축기는 압축기와 제1 팽창밸브 사이에 배치된다.
상기 실외열교환기와 실내열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러쪽으로 방향전환시키는 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 칠러는 제2 팽창밸브와 압축기 사이에 배치되어, 실외열교환기를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브를 지나 실내열교환기를 지나 압축기로 순환되거나 칠러를 지나 압축기로 순환된다.
냉각수 유동 방향으로 엔진의 상류에 구비되는 제1 방향전환밸브와, 냉각수 유동 방향으로 엔진의 하류에 구비되는 제2 방향전환밸브를 구비하고, 상기 제1 방향전환밸브 및 제2 방향전환밸브의 제어에 의해 수냉응축기 및 히터코어를 통과한 냉각수가 선택적으로 엔진을 통과하거나 바이패스한다.
냉방시 압축기에서 토출된 냉매는 상기 수냉응축기에서 1차 냉각되고 상기 실외열교환기에서 2차 냉각된다.
냉방 모드 시 엔진 정지일 때, 압축기에서 토출된 냉매는 수냉응축기와 실외열교환기에서 순차로 냉각되고, 상기 수냉응축기의 냉각수 흐름은 정지되며, 냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 압축기에서 토출된 냉매는 수냉응축기와 실외열교환기에서 순차로 냉각되고, 상기 수냉응축기에 엔진을 통과한 냉각수가 흐른다.
난방 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진을 바이패스하며, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉매와 열교환되어, 칠러를 통과하는 냉매는 흡열한 후 압축기로 순환하며, 난방 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진 및 수냉응축기를 통과한 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행된다.
제습 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진을 바이패스하며, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환하며, 제습 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진 및 수냉응축기를 통과한 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행된다.
본 발명의 다른 양상에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인; 엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및 전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며, 제1 냉각수라인의 엔진열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기와, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하고, 엔진열과 전장열을 선택적으로 난방에 사용 가능하며, 상기 수냉응축기와 칠러에서 각각 엔진열과 전장열을 모두 흡열 가능하게 구성된다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에서 히트펌프 시스템을 적용하여 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있고, 연비를 개선하며 이산화탄소 배출을 낮출 뿐 아니라, 실내 탑승객의 열쾌적성을 향상시킨다.
또한, 히트펌프 시스템과 기존의 히터코어를 이용한 공조장치와 연계한 구성으로서, 엔진이 가동되면 냉각수를 이용한 난방으로 전환하기 때문에 -30℃의 저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
아울러, 응축기를 공냉식과 수냉식으로 구성하여 PE모듈(전장품)의 냉각수를 이용해 수냉응축기를 냉각하기 때문에 냉방 효율이 좋고, 공냉식 응축기(실외열교환기)의 사이즈를 기존 대비 상당히 줄일 수 있어 원가절감 및 차량의 패키지 측면에서 매우 유리하다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이며,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 제습 모드 시 엔진 정지일 때를 도시한 것이며,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 제습 모드 시 엔진 작동일 때를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 히트펌프 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 엔진(201)과 PE모듈(Power Electric Module) 등의 전장품(251)을 갖는 하이브리드차량(HEV)에 설치된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매라인(110)과, 제1 냉각수라인(211)과, 제2 냉각수라인(250)을 포함한다. 이 경우, 전장품(251)은 PE모듈(Power Electic Module) 등을 포함한다.
냉매라인(110)은 압축기(111), 실외열교환기(104), 팽창수단, 실내열교환기(107)를 순환한다. 실내열교환기(107)는 증발기(Evaporator)로 작용하며, 실내열교환기(107)를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되어 공기를 냉각시킨다. 냉매라인(110)에는 냉매 유동 방향을 따라 압축기(111), 수냉응축기(102), 제1 팽창밸브(103), 실외열교환기(104), 제2 팽창밸브(106), 실내열교환기(107), 어큐뮬레이터(108)가 순차로 구비된다.
압축기(111)는 냉매를 압축하여 토출하며, 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 상류에는 어큐뮬레이터(108)가 구비된다. 실내열교환기(107)는 공조케이스(150) 내부에 구비되어, 냉매를 공조케이스(150) 내의 공기와 열교환시킨다. 실외열교환기(104)는 공조케이스(150) 외부에 구비되어 냉매를 외기와 열교환시킨다.
제1 팽창밸브(103)는 압축기(111)와 실외열교환기(104) 사이에 배치되어, 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시킨다. 즉, 제1 팽창밸브(103)는 냉방 모드 시 냉매를 팽창시키지 않고 그대로 통과시키며, 난방 모드 시 냉매를 팽창시킨다. 수냉응축기(102)는 압축기(111)와 제1 팽창밸브(103) 사이에 배치된다. 이와 같이, 제1 팽창밸브(103)는 냉매의 팽창 기능과 냉매의 바이패스 기능을 선택적으로 수행한다.
제2 팽창밸브(106)는 실외열교환기(104)와 실내열교환기(107) 사이에 배치되어, 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러(252)쪽으로 방향전환시킨다. 칠러(252)는 제2 팽창밸브(106)와 압축기(111) 사이에 배치되어, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수와 냉매라인(110)의 냉매를 열교환시킨다. 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브(106)를 지나 실내열교환기(107)를 지나 압축기(111)로 순환되거나, 칠러라인(215)을 통해 칠러(252)를 지나 압축기(111)로 순환된다.
즉, 제2 팽창밸브(106)는 냉방 모드 시 냉매를 팽창시키고, 난방 모드 시 냉매를 팽창시키지 않고 냉매가 실내열교환기(107)를 바이패스하고 칠러(252)를 통과하도록 방향 전환한다. 이와 같이, 제2 팽창밸브(106)는 냉매의 팽창 기능과 냉매의 방향 전환 기능을 선택적으로 수행한다. 또한, 제2 팽창밸브(106)는 제습 모드 시 냉매의 일부를 팽창시킴과 아울러 냉매의 다른 일부를 칠러(252) 쪽으로 방향 전환시킨다.
공조케이스(150) 내의 공기유로에는 실내열교환기(107)와 히터코어(205)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 공조케이스(150)의 공기유입구 쪽에는 공기를 송풍하기 위한 블로워유닛이 구비된다. 히터코어(205)는 이릍 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 가열시킨다. 실내열교환기(107)와 히터코어(205) 사이에는 차량 실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(151)가 구비된다. 템프도어(151)는 공조케이스(150) 내에서 회전됨에 따라, 냉풍유로와 온풍유로 간의 공기양을 조절한다.
실외열교환기(104), 전장라디에이터(253), 엔진라디에이터(202)는 차량 전방 측에 배치되어 실외 공기와 열교환되도록 구성되며, 원활한 열교환을 위해 별도의 송풍팬이 구비될 수 있다.
제1 냉각수라인(211)은 엔진(201) 및 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 순환하는 냉각수는 공조케이스(150) 내에서 실내로 토출되는 공기와 열교환된다. 제2 냉각수라인(250)은 전장품(251) 및 전장라디에이터(253)를 순환한다. 아울러, 엔진(201)은 엔진라디에이터(202)와 엔진라인(213)을 통해 연결된다. 엔진라인(213)에는 써모스텟(209), 리저브탱크(212), 엔진라디에이터(202)가 구비된다.
수냉응축기(102)는 압축기(111)와 실외열교환기(104) 사이에 구비되어, 제1 냉각수라인(211)의 엔진열을 냉매와 열교환시킨다. 즉, 수냉응축기(102)는 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 하류에 구비된다. 칠러(252)는 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 상류에 구비되어, 제2 냉각수라인(250)의 전장열을 냉매와 열교환시킨다. 즉, 칠러(252)는 냉매 유동 방향으로 압축기(111)의 상류에 구비된다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 엔진(201)을 바이패스하여 수냉응축기(102)만을 통과한 후 히터코어(205)를 순환하거나, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 수냉응축기(102)를 바이패스하여 엔진(201)만을 통과한 후 히터코어(205)를 순환하거나, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 엔진(201)과 수냉응축기(102)를 모두 통과한 후 히터코어(205)를 순환할 수 있다.
차량용 히트펌프 시스템은 제1 방향전환밸브(204) 및 제2 방향전환밸브(206)를 구비한다. 제1 방향전환밸브(204)는 냉각수 유동 방향으로 엔진(201)의 상류에 구비되며, 제2 방향전환밸브(206)는 냉각수 유동 방향으로 엔진(201)의 하류에 구비된다. 제1 방향전환밸브(204) 및 제2 방향전환밸브(206)의 제어에 의해 수냉응축기(102) 및 히터코어(205)를 통과한 냉각수가 선택적으로 엔진(201)을 통과하거나 바이패스하게 된다.
즉, 제1 방향전환밸브(204)는 냉각수 유동 방향으로 히터코어(205)와 엔진(201)의 사이에 구비되어, 히터코어(205)를 통과한 냉각수를 엔진(201) 또는 수냉응축기(102)로 선택적으로 유동시킨다. 제2 방향전환밸브(206)는 냉각수 유동 방향으로 엔진(201)과 수냉응축기(102) 사이에 구비된다. 아울러, 제2 방향전환밸브(206)는 엔진(201)를 통과한 냉각수를 수냉응축기(102)로 유동시키거나, 제1 방향전환밸브(204)를 통과한 냉각수를 엔진(201)을 바이패스하여 수냉응축기(102)로 유동시킨다.
차량용 히트펌프 시스템은 엔진열과 전장열을 선택적으로 난방에 사용 가능하며, 수냉응축기(102)와 칠러(252)에서 각각 엔진열과 전장열을 모두 흡열 가능하게 구성된다. 또한, 냉방 모드시 압축기(111)에서 토출된 냉매는 수냉응축기(102)에서 1차 냉각되고 실외열교환기(104)에서 2차 냉각된다.
더욱 상세하게는, 제1 냉각수라인(211)에는 엔진(201), 제2 방향전환밸브(206), 수냉응축기(102), 히터코어(205), 워터펌프(207), 제1 방향전환밸브(204), 엔진(201)이 냉각수 유동 방향으로 순차로 배치된다. 그리고, 엔진(201)을 지나는 엔진라인(213)에는 써모스텟(209), 리저브탱크(212), 엔진라디에이터(202)가 냉각수 유동 방향으로 순차로 배치된다. 아울러, 제2 냉각수라인(250)에는 전장품(251), 전장라디에이터(253), 워터펌프(255), 리저브탱크(256), 칠러(252)가 냉각수 유동 방향으로 순차로 배치된다.
도 3을 더 참조하면, 냉방 모드 시 엔진 정지일 때, 압축기(111)에서 토출된 냉매는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104)에서 순차로 냉각되고, 수냉응축기(102)의 냉각수 흐름은 정지된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 1차 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)에서 실외 공기에 의해 2차 냉각되며 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 실내열교환기(107)를 지나면서 실내 공기와 열교환하여 실내를 냉방한다. 또한, 전장품(251)을 통과한 냉각수는 전장라디에이터(253)와 칠러(252)를 지나 전장품(251)을 순환한다. 제1 냉각수라인(211)의 냉각수 흐름은 정지된다.
이와 같이, 압축기(111)에서 토출된 고온의 냉매는 수냉응축기(102)에서 수냉 방식으로 1차 냉각되고 다시 실외열교환기(104)에서 공냉 방식으로 2차 냉각되어 냉방 성능이 향상될 수 있다. 또한, 히터코어(205)는 미작동되므로 히트픽업(Heat pick-up) 없이 압축기(111)를 저 회전수로 작동해도 냉방 성능을 충분히 확보할 수 있다. 즉, 냉매가 수냉응축기(102)에서 1차 냉각된 후 실외열교환기(104)에서 2차 냉각되므로, 냉방 성능이 향상되고 히터코어(205) 내부로 냉각수가 흐르지 않기 때문에 히트픽업이 없어 냉방 성능이 극대화된다.
도 4를 더 참조하면, 냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 압축기(111)에서 토출된 냉매는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104)에서 순차로 냉각되고, 수냉응축기(102)에 엔진(201)을 통과한 냉각수가 흐른다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 1차 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)에서 실외 공기에 의해 2차 냉각되며 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 실내열교환기(107)를 지나면서 실내 공기와 열교환하여 실내를 냉방한다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 워터펌프(207), 제1 방향전환밸브(204)를 지나고 엔진(201)을 통과한 후 제2 방향전환밸브(206)와 수냉응축기(102)를 지나 히터코어(205)를 순환한다. 이 경우, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수 흐름은 정지된다.
도 5를 더 참조하면, 난방 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진(201)을 바이패스하며, 수냉응축기(102)에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품(251)을 통과한 제2 냉각수라인(250)의 냉각수가 칠러(252)에서 냉매와 열교환되어, 칠러(252)를 통과하는 냉매는 흡열한 후 압축기(111)로 순환한다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 이 경우, 냉매는 실내열교환기(107)로 흐르지 않는다.
전장품(251)을 통과한 냉각수는 칠러(252)를 지나 리저브탱크(256), 워터펌프(252), 전장라디에이터(253)를 지나 전장품(251)을 순환한다. 또한, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 워터펌프(207), 제1 방향전환밸브(204)를 지나 제2 방향전환밸브(206)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다.
도 6을 더 참조하면, 난방 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진(201) 및 수냉응축기(102)를 통과한 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)에서 팽창된 후 실외열교환기(104)를 지나 제2 팽창밸브(106)에서 방향 전환되어 칠러(252)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 이 경우, 냉매는 실내열교환기(107)로 흐르지 않는다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 워터펌프(207), 제1 방향전환밸브(204)를 지나 엔진(201)을 통과한 후 제2 방향전환밸브(206)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다. 또한, 엔진(201)을 통과한 엔진라인(213)의 냉각수는 엔진라디에이터(202)에서 냉각된다.
도 7을 더 참조하면, 제습 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진(201)을 바이패스하며, 수냉응축기(102)에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인(211)의 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행되고, 실외열교환기(104)를 통과해 팽창된 냉매라인(110)의 냉매는 실내열교환기(107)에서 증발되어 압축기(111)를 순환한다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)를 지나 냉각된 후 제2 팽창밸브(106)에서 팽창되어 실내열교환기(107)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 실내열교환기(107)를 지나는 냉매는 증발되어 압축기(111)를 순환함으로써 제습이 이루어진다.
전장품(251)을 통과한 냉각수는 전장라디에이터(253)를 지나 워터펌프(255) 및 리저브탱크(256)를 지나 칠러(252)를 통과한 후 전장품(251)을 순환한다. 또한, 히터코어(205)를 통과한 냉각수는 워터펌프(207)와 제1 방향전환밸브(204)와 제2 방향전환밸브(206)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 히터코어(205)를 순환한다. 이 경우, 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다.
도 8을 더 참조하면, 제습 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진(201) 및 수냉응축기(102)를 통과한 냉각수가 히터코어(205)로 공급되어 난방이 수행된다.
즉, 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 수냉응축기(102)에서 냉각수에 의해 냉각되고, 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(104)를 지나 냉각된 후 제2 팽창밸브(106)에서 팽창되어 실내열교환기(107)를 통과한 후 압축기(111)를 순환한다. 실내열교환기(107)를 지나는 냉매는 증발되어 압축기(111)를 순환함으로써 제습이 이루어진다.
히터코어(205)를 통과한 냉각수는 워터펌프(207)와 제1 방향전환밸브(204)를 지나 엔진(201)을 통과한 후 제2 방향전환밸브(206)를 지나 수냉응축기(102)를 통과한 후 히터코어(205)를 순환한다. 히터코어(205)를 통과하는 냉각수는 실내 공기와 열교환하여 실내를 난방한다. 또한, 엔진(201)을 통과한 엔진라인(213)의 냉각수는 엔진라디에이터(202)에서 냉각된다. 이 경우, 제2 냉각수라인(250)의 냉각수 흐름은 정지된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 하이브리드 차량에서 히트펌프 시스템을 적용하여 저온 환경에서 엔진을 가동하지 않고도 실내를 난방할 수 있고, 연비를 개선하며 이산화탄소 배출을 낮출 뿐 아니라, 실내 탑승객의 열쾌적성을 향상시킨다. 또한, 히트펌프 시스템과 기존의 히터코어를 이용한 공조장치와 연계한 구성으로서, 엔진이 가동되면 냉각수를 이용한 난방으로 전환하기 때문에 -30℃의 저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
아울러, 응축기를 공냉식과 수냉식으로 구성하여 PE모듈(전장품)의 냉각수를 이용해 수냉응축기를 냉각하기 때문에 냉방 효율이 좋고, 공냉식 응축기(실외열교환기)의 사이즈를 기존 대비 상당히 줄일 수 있어 원가절감 및 차량의 패키지 측면에서 매우 유리하다.
정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 수냉응축기를 구성하여 난방시 열로써 가치가 없는 전장품 폐열을 회수하여 히트펌프 시스템을 작동시킬 수 있다. 저온 환경에서 초기에는 히트펌프 시스템으로 작동하여 실내를 난방하고, 어느정도 시간이 경과하여 엔진 온도가 올라가면, 히터코어를 이용하여 난방을 수행하는 하이브리드식 공조 운전이 가능하다. 따라서, 종래의 히트펌프 시스템은 -20℃의 외기온에서만 작동이 가능하나, -30℃의 극저온 환경에서도 효과적으로 실내 난방이 가능하다.
또한, 공냉식 응축기(실외열교환기)는 종래 대비 크기를 절반 정도로 줄일 수 있어 차량의 패키지 측면에서 유리하고 전장라디에이터와 일체 또는 적층 형태로 구성할 수 있다. 아울러, 실외의 공기 열원뿐 아니라 칠러를 통한 전장품의 폐열을 회수하여 작동외 되므로 공조 효율이 우수하고 착상 방지 운전이 가능하다. 수냉응축기는 난방 모드 시 냉각수를 데워 실내로 공급하며, 냉방 모드 시 냉매를 냉각하기 위한 기능을 수행한다.
아울러, 엔진 냉각 모듈(제1 냉각수라인)의 냉각수는 95℃정도의 냉각수가 수냉응축기로 흐르는 조건으로 시뮬레이션 하였을 때 고부하 조건에서는 압축기의 토출 냉매 온도가 100.4℃ 정도로서 냉각수가 흐르지 않을 때 온도(100.7℃) 대비 성능의 차이가 거의 없고, 저부하시에는 성적계수가 약간 저하되나 전체 증발기(실내열교환기)의 방열량 측면에서는 동등 수준으로 나타나 공조 성능의 저하를 일으키지 않는다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 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 (10)

  1. 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인;
    엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및
    전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며,
    제1 냉각수라인의 엔진열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기와, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하고,
    상기 수냉응축기는 냉매 유동 방향으로 압축기의 하류에 구비되며, 상기 칠러는 냉매 유동 방향으로 압축기의 상류에 구비되는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    엔진열과 전장열을 선택적으로 난방에 사용 가능하며, 상기 수냉응축기와 칠러에서 각각 엔진열과 전장열을 모두 흡열 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기와 실외열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 바이패스시키는 제1 팽창밸브가 구비되고, 상기 수냉응축기는 압축기와 제1 팽창밸브 사이에 배치되는 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 실외열교환기와 실내열교환기 사이에 냉매를 선택적으로 팽창시키거나 칠러쪽으로 방향전환시키는 제2 팽창밸브가 구비되고, 상기 칠러는 제2 팽창밸브와 압축기 사이에 배치되어, 실외열교환기를 통과한 냉매는 제2 팽창밸브를 지나 실내열교환기를 지나 압축기로 순환되거나 칠러를 지나 압축기로 순환되는 차량용 히트펌프 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    냉각수 유동 방향으로 엔진의 상류에 구비되는 제1 방향전환밸브와, 냉각수 유동 방향으로 엔진의 하류에 구비되는 제2 방향전환밸브를 구비하고,
    상기 제1 방향전환밸브 및 제2 방향전환밸브의 제어에 의해 수냉응축기 및 히터코어를 통과한 냉각수가 선택적으로 엔진을 통과하거나 바이패스하는 차량용 히트펌프 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    냉방시 압축기에서 토출된 냉매는 상기 수냉응축기에서 1차 냉각되고 상기 실외열교환기에서 2차 냉각되는 차량용 히트펌프 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    냉방 모드 시 엔진 정지일 때, 압축기에서 토출된 냉매는 수냉응축기와 실외열교환기에서 순차로 냉각되고, 상기 수냉응축기의 냉각수 흐름은 정지되며,
    냉방 모드 시 엔진 작동일 때, 압축기에서 토출된 냉매는 수냉응축기와 실외열교환기에서 순차로 냉각되고, 상기 수냉응축기에 엔진을 통과한 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    난방 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진을 바이패스하며, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 전장품을 통과한 제2 냉각수라인의 냉각수가 칠러에서 냉매와 열교환되어, 칠러를 통과하는 냉매는 흡열한 후 압축기로 순환하며,
    난방 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진 및 수냉응축기를 통과한 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되는 차량용 히트펌프 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    제습 모드 시 엔진 정지일 때, 냉각수는 엔진을 바이패스하며, 수냉응축기에서 냉매에 의해 가열된 제1 냉각수라인의 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되고, 실외열교환기를 통과해 팽창된 냉매라인의 냉매는 실내열교환기에서 증발되어 압축기를 순환하며,
    제습 모드 시 엔진 작동일 때, 엔진 및 수냉응축기를 통과한 냉각수가 히터코어로 공급되어 난방이 수행되는 차량용 히트펌프 시스템.
  10. 압축기, 실외열교환기, 팽창수단, 실내열교환기를 순환하고, 상기 실내열교환기를 순환하는 냉매가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 냉매라인;
    엔진 및 히터코어를 순환하고, 상기 히터코어를 순환하는 냉각수가 실내로 토출되는 공기와 열교환되는 제1 냉각수라인; 및
    전장품 및 전장라디에이터를 순환하는 제2 냉각수라인을 포함하며,
    제1 냉각수라인의 엔진열을 냉매와 열교환시키는 수냉응축기와, 제2 냉각수라인의 전장열을 냉매와 열교환시키는 칠러를 구비하고,
    엔진열과 전장열을 선택적으로 난방에 사용 가능하며, 상기 수냉응축기와 칠러에서 각각 엔진열과 전장열을 모두 흡열 가능하게 구성된 차량용 히트펌프 시스템.
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