WO2024014739A1 - 매니폴드 유체 모듈 - Google Patents

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heat
temperature
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강인근
김영만
김인혁
김재균
이경철
이재민
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Hanon Systems Corp
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    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers

Definitions

  • the present invention relates to a manifold fluid module, and more specifically, to a manifold fluid module in which parts such as heat exchangers and valves are modularized into one.
  • Electric vehicles and hybrid vehicles are equipped with batteries to provide driving power, and the batteries are used not only for driving but also for cooling and heating.
  • a heat pump refers to a device that absorbs low-temperature heat and moves the absorbed heat to a high temperature.
  • a heat pump has a cycle in which a liquid fluid evaporates in an evaporator, takes heat from the surroundings, becomes a gas, and then liquefies while releasing heat to the surroundings through a condenser. Applying this to an electric vehicle or hybrid vehicle has the advantage of securing a heat source that is insufficient in conventional air conditioning devices.
  • the current modular configuration of the heat pump system for electric vehicles is a partial modularization method in which important parts (valves, accumulators, chillers, condensers, internal heat exchangers, sensors, etc.) are connected by piping, and fittings and connectors are used to connect these piping. It must be constructed separately, and an appropriate gap is created for connection between parts. Because of this, there are disadvantages in packaging, cost, and workability.
  • One embodiment of the present invention provides a manifold fluid module that can minimize thermal interference between refrigerants and improve heat pump performance by separating high-temperature and low-temperature regions of the fluid.
  • the manifold fluid module is a manifold that integrates at least one heat exchanger, at least one valve, and an expansion valve into one heat management system consisting of a compressor, a plurality of heat exchangers, a plurality of valves, and an expansion valve.
  • a fluid module comprising: a manifold plate having a plurality of fluid channels formed therein; a low-temperature fluid passage through which heat-exchanged low-temperature fluid moves among the plurality of fluid passages, and through which a plurality of fluid inlets and one fluid outlet are connected; And one of the plurality of fluid inlets includes an evaporator inlet port connected to an outlet of the evaporator, and the evaporator inlet port may be disposed on the low-temperature fluid flow path.
  • the heat exchanger includes: a first heat exchanger coupled to the manifold plate and heat-exchanging a first fluid and a second fluid; And it may further include a second heat exchanger coupled to the manifold plate and heat-exchanging the first fluid discharged from the first heat exchanger and the second fluid.
  • the evaporator inlet port may be disposed adjacent to a first inlet end through which the first fluid flows into the second heat exchanger.
  • the first fluid flowing into the first inlet end is discharged through the first discharge end, and the evaporator inlet port may be disposed between the first inlet end and the first discharge end.
  • the fluid outlet is an accumulator port through which the first fluid is discharged to the accumulator, and the evaporator inlet port may be disposed adjacent to the accumulator port.
  • the distance between the evaporator inlet port and the accumulator port may be equal to or shorter than the distance between the first discharge stage and the accumulator port.
  • It further includes a heat transfer inhibitor formed between the high-temperature fluid passage and the low-temperature fluid passage to block heat from the passage through which the high-temperature fluid moves from being transferred to the passage through which the low-temperature fluid moves, and the high-temperature fluid passage and the low-temperature fluid.
  • Flow paths may be connected by connections.
  • connection portion connects the manifold plates separated by the heat transfer inhibitor, and fluid can move through the connection portion.
  • connection may allow fluid to move in the heating mode of the thermal management system, but may not allow fluid to move in the cooling mode.
  • the manifold plate includes a main plate with a fluid flow path formed therein; And it may include a bottom plate coupled to one surface of the main plate to cover the fluid passage.
  • the main plate includes: a first main plate through which a high-temperature first fluid passing through the first heat exchanger moves; and a second main plate through which the low-temperature first fluid passing through the second heat exchanger moves, and the heat transfer inhibition portion may be formed between the first main plate and the second main plate.
  • the bottom plate may include: a first bottom plate coupled to cover at least one surface of the first main plate; and a second bottom plate coupled to cover at least one surface of the second main plate, and the heat transfer inhibition portion may be formed between the first bottom plate and the second bottom plate.
  • One side of the first bottom plate and the second bottom plate may be communicated through the connection portion.
  • connection part may be in the form of a pipe.
  • first expansion valve that expands the first fluid flowing into the first heat exchanger
  • second expansion valve that expands the first fluid flowing into the second heat exchanger
  • the second direction switching valve may be disposed above the second heat exchanger.
  • the second main plate may be provided with an accumulator port through which the first fluid is discharged to the accumulator, and the connection portion may be provided so that the second direction change valve side and the accumulator port side communicate.
  • connection portion may be disposed between the second direction switching valve and the second heat exchanger.
  • An opening is formed in the manifold plate at a portion where the second heat exchanger is disposed, and the heat transfer suppression portion may include a first heat transfer suppression portion and a second heat transfer suppression portion formed at an upper and lower portion of the opening, respectively.
  • An opening is formed in the manifold plate at a portion where the second heat exchanger is disposed, and the heat transfer inhibiting portion includes a first heat transfer inhibiting portion and a second heat transfer inhibiting portion formed respectively at an upper and lower portion of the opening, and the first heat transfer inhibiting portion is formed at a portion of the manifold plate.
  • the heat transfer inhibiting part may be formed to cut between the second expansion valve and the first direction switching valve, and the second heat transfer inhibiting part may be formed to cut between the second heat exchanger and the first direction switching valve.
  • the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention can improve heat pump performance by adopting a structure that can block heat conduction between high-temperature fluid and low-temperature fluid.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the front of a manifold fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a view showing the rear of the main plate of the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing refrigerant being discharged from a manifold fluid module to an accumulator port according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a bottom plate coupled to the main plate shown in FIG. 2.
  • Figure 5 is a diagram showing the amount of heat transfer before applying the cut structure to the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing the amount of heat transfer after applying the cut structure to the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • connection does not mean that two or more components are directly connected, but rather that two or more components are indirectly connected through other components, or physically connected. It can mean not only being connected but also being electrically connected, or being integrated although referred to by different names depending on location or function.
  • FIG. 1 is a view showing the front of a manifold fluid module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing the rear of the main plate of the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a diagram showing refrigerant being discharged from a manifold fluid module to an accumulator port according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing a bottom plate coupled to the main plate shown in FIG. 2.
  • the manifold fluid module has a plurality of fluid passages formed inside, and the temperature of the fluid moving through the fluid passages is different from the manifold plate 1,100 and the high temperature. It includes heat transfer inhibitors (90, 92) formed between the high-temperature side flow path and the low-temperature side flow path to block the heat of the flow path through which the fluid moves from being transferred to the flow path through which the low-temperature fluid moves, and the high-temperature side flow path and The low-temperature side flow path may be connected by a connection portion 130.
  • the manifold plate 1,100 includes an assembly consisting of the main plate 1 and the bottom plate 100, and can be manufactured by combining them using brazing, structural adhesives, gaskets, etc. do.
  • the material of the manifold plate 1,100 can be applied in various ways depending on the purpose and function, such as aluminum, thermo-plastic, or stainless steel, depending on the manufacturing method.
  • the main plate 1 is formed to have a fluid flow path substantially recessed therein and has a plate shape with a predetermined thickness.
  • the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 60, the expansion valves 30, 70, and the direction change valves 40, 50 which are heat exchange devices of the heat pump system, are coupled to the main plate 1.
  • the main plate 1 simultaneously performs the functions of piping, fittings, and housing, thereby reducing costs and improving workability.
  • the manifold plate (1,100) includes at least one heat exchanger (20,60) and at least one direction change valve (40,50). and expansion valves 30 and 70 may be combined.
  • the rear of the main plate 1 is provided with a fluid inlet port 6 through which high-temperature, high-pressure gaseous fluid discharged from a compressor or internal condenser flows. Additionally, a fluid flow path may be formed on the rear side of the main plate 1 to guide movement in heat exchange, expansion, inflow, and discharge of fluid.
  • the rear of the main plate 1 may be provided with various fluid ports for the inflow and outflow of fluid.
  • an external heat exchanger discharge port 8 through which the first fluid is discharged to an external heat exchanger (air-cooled condenser) and an external heat exchanger inlet port 10 through which the first fluid flows from the external heat exchanger are provided.
  • an evaporator discharge port 12 through which the first fluid is discharged to the evaporator (not shown) and an evaporator inlet port 14 through which the first fluid flows from the evaporator are provided.
  • the arrangement of the evaporator inlet port 14 will be described in more detail below.
  • an accumulator port 18 through which the first fluid discharged from the second heat exchanger 60 is discharged to an accumulator (not shown) is provided.
  • a first heat exchanger 20 and a second heat exchanger 60 are coupled to the manifold plate 1,100 as a heat exchange device.
  • the first fluid and the second fluid may exchange heat while passing through the first heat exchanger 20 and the second heat exchanger 60, respectively.
  • a water-cooled condenser may be used as the first heat exchanger 20, and a chiller may be used as the second heat exchanger 60.
  • the water-cooled condenser serves to condense the high-temperature, high-pressure gaseous fluid (refrigerant) discharged from a compressor or internal condenser into a high-pressure liquid by exchanging heat with an external heat source.
  • a chiller is a device in which low-temperature, low-pressure fluid is supplied and exchanges heat with fluid (coolant) moving in a coolant circulation line (not shown). The cold coolant heat-exchanged in the chiller can circulate through the coolant circulation line and exchange heat with the battery.
  • a refrigerant, a coolant, etc. may be used as the first fluid and the second fluid.
  • a refrigerant is used as the first fluid and coolant is used as the second fluid.
  • the first heat exchanger 20 is provided with a first fluid port through which the first fluid is introduced and discharged.
  • the first fluid port includes a first inlet end 21 and a first discharge end 22 provided at the upper and lower ends of the first heat exchanger 20, respectively.
  • the first inlet end 21 is a part where the first fluid that has passed through the first expansion valve 30 flows in
  • the first outlet end 22 is a part where the first fluid heat-exchanged in the first heat exchanger 20 is discharged. It's part.
  • the first inlet end 21 and the first outlet end 22 may be formed in the shape of holes at the top and bottom of the first heat exchanger 20, respectively.
  • the first inlet end 21 is formed on one side close to the first expansion valve 30, and the first outlet end 22 is formed on the other side far from the first expansion valve 30. It can be. More specifically, the first inlet end 21 may be arranged closer to the first expansion valve 30 than the first discharge end 22. For example, the distance from the first expansion valve 30 to the first inlet end 21 may be smaller than the distance from the first expansion valve 30 to the first discharge end 22.
  • the first heat exchanger 20 is provided with a second fluid port through which the second fluid is introduced and discharged.
  • the second fluid port includes a second inlet end 23 and a second discharge end 24 provided at the lower and upper ends of the first heat exchanger 20, respectively.
  • the second inlet end 23 is a part where the second fluid flows in
  • the second outlet end 24 is a part where the second fluid that has exchanged heat with the first fluid is discharged.
  • the second fluid exchanges heat with the first fluid while flowing in the opposite direction (lower to upper).
  • first fluid port and the second fluid port described above are disposed separately from each other, assembly of the first fluid pipe and the second fluid pipe can be improved.
  • the first expansion valve 30 serves to control whether the refrigerant flowing into the first heat exchanger 20 expands.
  • the first expansion valve 30 may be disposed above the first heat exchanger 20 and may expand or pass the first fluid flowing in through the fluid inlet port 6.
  • the first fluid flowing in through the first expansion valve 30 may undergo heat exchange while passing through the first heat exchanger 20 or may move to an external heat exchanger.
  • the first direction switching valve 40 serves to control the direction of the first fluid discharged from the first heat exchanger 20.
  • the first direction switching valve 40 discharges the first fluid to the external heat exchanger (air-cooled condenser) through the external heat exchanger discharge port 8
  • the first direction switching valve 40 causes the first fluid to change direction toward the accumulator port 18 and be discharged to the accumulator.
  • the first fluid flows into the low-temperature fluid passage 84 through the first fluid inlet 42 formed in the manifold plate 1,100.
  • first fluid flowing into the first expansion valve 30 may be moved to the second direction switching valve 50 in the dehumidifying mode and then moved to the evaporator.
  • the second heat exchanger 60 is supplied with a low-temperature, low-pressure fluid and exchanges heat with coolant moving in a coolant circulation line (not shown).
  • the cold coolant heat-exchanged in the second heat exchanger 60 may exchange heat with the battery by circulating through the coolant circulation line.
  • the first fluid heat-exchanged with the external heat exchanger flows into the second expansion valve 70, and the first fluid expanded in the second expansion valve 70 flows into the second heat exchanger 60.
  • the first fluid heat-exchanged in the second heat exchanger 60 is discharged through the bottom and flows into an accumulator (not shown).
  • the second heat exchanger 60 is provided with a first fluid port through which the first fluid is introduced and discharged.
  • the first fluid port includes a first inlet end 61 and a first discharge end 62 provided at the upper and lower ends of the second heat exchanger 60, respectively.
  • the first inlet end 61 is a part where the first fluid flows in
  • the first outlet end 62 is a part where the first fluid heat-exchanged in the second heat exchanger 60 is discharged.
  • the first inlet end 61 and the first outlet end 62 may be formed in the shape of holes at the upper and lower ends of the second heat exchanger 60, respectively.
  • the first inlet end 61 of the second heat exchanger 60 is formed on one side close to the second expansion valve 70, and the first outlet end 62 is formed on the second expansion valve 70. It can be formed on the other side far from (70). More specifically, the first inlet end 61 may be arranged closer to the first discharge end 62 based on the second expansion valve 70. For example, the distance from the second expansion valve 70 to the first inlet end 61 may be smaller than the distance from the second expansion valve 70 to the first discharge end 62.
  • the second heat exchanger 60 is provided with a second fluid port through which the second fluid is introduced and discharged.
  • the second fluid port includes a second inlet end 63 and a second discharge end 64 provided at the lower and upper ends of the second heat exchanger 60, respectively.
  • the second inlet end 63 is a part where the second fluid flows in
  • the second outlet end 64 is a part where the second fluid that has exchanged heat with the first fluid is discharged.
  • the second fluid exchanges heat with the first fluid while flowing in the opposite direction (lower to upper).
  • the first expansion valve 30, the second direction change valve 50, and the second expansion valve 70 are disposed on the upper part of the manifold plate 1,100, and the first expansion valve 30
  • the heat exchanger 20 is disposed on one lower side of the manifold plate 1,100, and the second heat exchanger 60 and the first direction change valve 40 may be disposed on the other lower side of the manifold plate 1,100.
  • the first direction switching valve 40 may be disposed below the second heat exchanger 60
  • the second direction switching valve 50 may be disposed above the second heat exchanger 60.
  • the parts can be optimally placed in the minimum space, thereby maximizing space efficiency, and since the flow of fluid is generally formed from the top to the bottom, the flow of the fluid is also improved. It can be optimized.
  • the first heat exchanger 20 is arranged vertically on one lower side of the manifold plate 1,100, and the second heat exchanger 60 is arranged horizontally on the other lower side of the manifold plate 1,100, thereby forming a fluid module.
  • Packages can be optimized. That is, the second heat exchanger 60 can increase space efficiency by being disposed in the side direction of the first heat exchanger 20.
  • the first expansion valve 30 is disposed above the first heat exchanger 20 and the second expansion valve 70 is disposed above the second heat exchanger 60, so that the flow of the first fluid naturally occurs. It can be formed from top to bottom.
  • a virtual baseline (L) is formed on the manifold plate (1,100). Based on the virtual baseline (L), the first heat exchanger (20), the first expansion valve (30), and the first direction change valve (40) are connected to each other. and the second direction switching valve 50 may be disposed on one side, and the second heat exchanger 60 and the second expansion valve 70 may be disposed on the other side.
  • the high-temperature area through which the high-temperature first fluid flows and the low-temperature area through which the low-temperature first fluid flows are separated.
  • a high-temperature fluid flow path 82 through which a high-temperature first fluid moves is formed in the high-temperature region
  • a low-temperature fluid flow path 84 through which a low-temperature first fluid moves is formed in the low-temperature region.
  • components for movement of the high-temperature first fluid may be placed in the high-temperature area
  • components for the movement of the low-temperature first fluid may be placed in the low-temperature area.
  • the high temperature area may include the left part and the bottom part
  • the low temperature area may include the right part excluding the bottom right part
  • the main plate 1 passes through the first main plate 1 and the second heat exchanger 60, through which the high-temperature first fluid passing through the first heat exchanger 20 moves. It may include a second main plate 4 through which the low-temperature first fluid moves.
  • the first main plate 1 and the second main plate 4 can be physically separated from each other by cutting.
  • the cut structure between the first main plate 1 and the second main plate 4 can be implemented in various ways. Referring to this drawing, heat transfer inhibition portions 90 and 92 are formed between the first main plate 1 and the second main plate 4, and the heat transfer inhibition portions 90 and 92 are divided into a high temperature region and a low temperature region. It can be formed in two parts to effectively block heat transfer between them.
  • An opening 80 that opens forward and backward may be formed over a significant portion of the manifold plate 1,100 where the second heat exchanger 60 is disposed.
  • the opening 80 is a part formed to prevent interference with the second inlet end 63 and the second discharge end 64 of the second heat exchanger 60, and the opening 80 is connected to the manifold plate 1,100.
  • the heat transfer inhibitors 90 and 92 may be formed at the top and bottom of the opening 80, respectively.
  • the first heat transfer inhibitor 90 may be formed at the top of the opening 80 in a substantially vertical direction.
  • the second heat transfer inhibition portion 92 may be formed along a substantially horizontal direction on one lower side of the opening 80.
  • the positions of the heat transfer inhibitors 90 and 92 are not limited to the positions shown in this drawing, and may be employed at any position that can partition the high-temperature area and the low-temperature area.
  • the heat transfer inhibition portions 90 and 92 are formed at the upper and lower portions of the opening 80 formed in the central portion of the manifold plate 1,100, the high temperature area located on the left and the low temperature area located on the right are separated from each other. make it possible
  • the heat transfer inhibition portions 90 and 92 may be formed in relative positions to components disposed on the manifold plate 1,100.
  • the first heat transfer inhibitor 90 may be formed to cut between the second expansion valve 70 and the first direction change valve 50, and the second heat transfer inhibitor 92 may be formed in the second heat exchanger 60. ) and the first direction change valve 40. This is so that the heat transfer inhibitors 90 and 92 block the heat transfer path by cutting between the configuration in which the high-temperature first fluid moves and the configuration in which the low-temperature first fluid moves.
  • the evaporator inlet port 14 may be arranged as follows.
  • the evaporator inlet port 14 is disposed on the low-temperature fluid flow path 84, and the low-temperature first fluid introduced through the evaporator inlet port 14 moves downward and is discharged to the outside through the accumulator port 18. .
  • the low-temperature first fluid can receive heat transfer from the high-temperature first fluid. Therefore, in this embodiment, the movement section of the low-temperature first fluid is minimized by arranging the evaporator inlet port 14 as close to the accumulator port 18 as possible.
  • the low-temperature fluid flow path 84 is connected to a plurality of fluid inlets, which include a first fluid inlet 42, a second discharge end 62 of the second heat exchanger 60, and an evaporator inlet port 14. It can be included. Among these, the evaporator inlet port 14 is connected to the outlet of the evaporator and the first fluid heat-exchanged in the evaporator flows in.
  • the evaporator inlet port 14 may be basically disposed on the second main plate 4 through which the low-temperature first fluid moves.
  • the evaporator inlet port 14 may be disposed adjacent to the first inlet end 61 of the second heat exchanger 60, and more specifically, the first inlet end 61 and the first inlet end 61 of the second heat exchanger 60. 1 It can be placed between the discharge stages (62). That is, by placing the low-temperature first fluid adjacent to the second heat exchanger 60 where heat is exchanged, heat transfer to the first fluid flowing into the evaporator inlet port 14 can be minimized.
  • the distance D1 between the evaporator inlet port 14 and the accumulator port 18 may be equal to or shorter than the distance D2 between the first discharge end 62 of the second heat exchanger 60 and the accumulator port 18. You can. This is to minimize heat transfer from the first fluid flowing into the evaporator inlet port 14 to the first fluid discharged from the second heat exchanger 60.
  • a bottom plate 100 is coupled to one side, that is, the back, of the main plate 1 to cover the fluid flow path.
  • the bottom plate 100 includes a first bottom plate 110 coupled to cover at least one side of the first main plate 2 and a second bottom plate 120 coupled to cover at least one side of the second main plate 4.
  • the first bottom plate 110 and the second bottom plate 120 may be combined to cover a significant portion of one surface of the first main plate 2 and the second main plate 4, as well shown in the drawing. .
  • one side of the first bottom plate 110 and the second bottom plate 120 may be communicated through the connection portion 130. Since the main plate 1 is separated from each other by the heat transfer inhibition portions 90 and 92 as described above, the bottom plate 100 coupled to the main plate 1 can also be separated from each other. In this case, in heat pump mode The path through which the first fluid moves from the first direction change valve 40 to the accumulator port 18 is blocked. Therefore, in this embodiment, in order to secure a flow path for the first fluid, the first bottom plate 110 and the second bottom plate 120 are communicated through the connection portion 130.
  • connection portion 130 moves the first fluid in the heating mode of the thermal management system, that is, when the fluid temperature difference between the high-temperature flow path and the low-temperature flow path is small, and in the cooling mode, that is, when the fluid temperature difference between the high-temperature flow path and the low-temperature flow path is large. In this case, the first fluid does not move.
  • connection portion 130 is formed in the shape of a pipe as shown in this drawing to secure a flow path for the first fluid inside. Additionally, the connection portion 130 may connect one side of the first bottom plate 110 and the second bottom plate 120 in a plate shape and form a flow path on the inside.
  • connection portion 130 functions as a flow path and also improves the durability of the manifold plate 1,100.
  • the manifold plate 1,100 is divided into two, so the combined structure is maintained only by the components combined on the manifold plate 1,100.
  • the manifold plate 1,100 (1,100) is not sturdy and may be vulnerable to external shocks. Accordingly, the connection portion 130 connects the two separated parts of the manifold plate 1,100, thereby maintaining a more robust coupling structure.
  • the manifold plate 1,100 is formed by combining the main plate 1 and the bottom plate 100, and the connection portion 130 is provided on the bottom plate 100, but the present invention is not limited thereto.
  • the connection portion 130 may be provided on the main plate 1, or the manifold plate 1,100 may be made of a single plate and the connection portion 130 may be provided on the manifold plate 1,100. .
  • Figure 5 is a diagram showing the amount of heat transfer before applying the cut structure to the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a diagram showing the amount of heat transfer after applying the cut structure to the manifold fluid module according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the amount of heat transfer.
  • the temperature of the portion of the manifold plate 1,100 where the low-temperature first fluid moves appears to be relatively high.
  • the temperature of the portion where the low-temperature first fluid moves in the manifold plate 1,100 appears to be relatively low. This is because heat transfer from the high-temperature first fluid to the low-temperature first fluid is blocked by the cut structure. Additionally, heat transfer can be minimized by minimizing the section through which the low-temperature first fluid flowing into the evaporator inlet port 14 moves as much as possible.
  • Main plate 2 First main plate
  • first main plate 6 fluid inlet port
  • first inlet stage 62 first outlet stage
  • first heat transfer inhibition unit 92 second heat transfer inhibition unit
  • bottom plate 110 first bottom plate
  • connection part 120 second bottom plate 130: connection part

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Abstract

본 발명은 매니폴드 유체 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈은 압축기, 복수개의 열교환기, 복수개의 밸브 및 팽창밸브로 이루어진 열관리 시스템에서 적어도 하나 이상의 열교환기, 적어도 하나 이상의 밸브 및 팽창밸브를 하나로 통합하는 매니폴드 유체 모듈에 있어서, 내부에 복수개의 유체 유로가 형성되는 매니폴드 플레이트, 상기 복수개의 유체 유로 중 열교환된 저온의 유체가 이동하고, 복수개의 유체 유입구 및 하나의 유체 배출구가 연결되는 저온 유체 유로, 및 상기 복수개의 유체 유입구 중 어느 하나는 증발기의 배출구와 연결되는 증발기 유입 포트를 포함하고, 상기 증발기 유입 포트는 상기 저온 유체 유로 상에 배치될 수 있다.

Description

매니폴드 유체 모듈
본 발명은 매니폴드 유체 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기 및 밸브류의 부품들을 하나로 모듈화한 매니폴드 유체 모듈에 관한 것이다.
환경 친화적인 산업 발전 및 화석원료를 대체하는 에너지원의 개발 기조 아래, 근래 자동차 산업에서 가장 주목받는 분야는 전기자동차와 하이브리드 자동차가 있다. 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 유체가 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 공조장치에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
현재 전기 자동차용 히트펌프 시스템의 모듈화 구성은 부분 모듈화 방식으로 중요부품(밸브, 어큐뮬레이터, 칠러, 응축기, 내부 열교환기 및 센서 등)이 배관에 의해 연결되며, 이러한 배관의 연결을 위해 피팅 및 커넥터들이 별도로 구성되어야 하며, 부품간의 연결을 위해 적정 간격이 발생하게 된다. 이로 인해 패키징, 원가 및 작업성에서 불리한 점이 존재한다.
이를 해결하기 위해 매니폴드를 모듈화하는 기술이 개발되고 있는데, 모듈화 과정에서 고온의 유체와 저온의 유체 간에 열간섭으로 인하여 성능이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예는 유체의 고온 영역과 저온 영역을 분리함으로써 냉매 간의 열간섭을 최소화하고 히트펌프 성능을 향상시킬 수 있는 매니폴드 유체 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈은 압축기, 복수개의 열교환기, 복수개의 밸브 및 팽창밸브로 이루어진 열관리 시스템에서 적어도 하나 이상의 열교환기, 적어도 하나 이상의 밸브 및 팽창밸브를 하나로 통합하는 매니폴드 유체 모듈에 있어서, 내부에 복수개의 유체 유로가 형성되는 매니폴드 플레이트; 상기 복수개의 유체 유로 중 열교환된 저온의 유체가 이동하고, 복수개의 유체 유입구 및 하나의 유체 배출구가 연결되는 저온 유체 유로; 및 상기 복수개의 유체 유입구 중 어느 하나는 증발기의 배출구와 연결되는 증발기 유입 포트를 포함하고, 상기 증발기 유입 포트는 상기 저온 유체 유로 상에 배치될 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 매니폴드 플레이트에 결합되고, 제1 유체와 제2 유체를 열교환시키는 제1 열교환기; 및 상기 매니폴드 플레이트에 결합되고, 상기 제1 열교환기에서 배출된 제1 유체와, 제2 유체를 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 증발기 유입 포트는 상기 제2 열교환기로 제1 유체가 유입되는 제1 유입단에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 제1 유입단으로 유입된 제1 유체는 제1 배출단을 통해 배출되는데, 상기 증발기 유입 포트는 상기 제1 유입단과 제1 배출단의 사이에 배치될 수 있다.
상기 유체 배출구는 어큐뮬레이터로 제1 유체가 배출되는 어큐뮬레이터 포트이고, 상기 증발기 유입 포트는 상기 어큐뮬레이터 포트에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 증발기 유입 포트와 어큐뮬레이터 포트 사이의 거리는 상기 제1 배출단과 어큐뮬레이터 포트 사이의 거리와 같거나 짧을 수 있다.
고온의 유체가 이동하는 유로의 열이 저온의 유체가 이동하는 유로로 전달되는 것을 차단하기 위하여 고온 유체 유로와 상기 저온 유체 유로 사이에 형성되는 열전달 억제부를 더 포함하고, 상기 고온 유체 유로와 저온 유체 유로는 연결부에 의해 연결될 수 있다.
상기 연결부는 상기 열전달 억제부에 의해 분리된 상기 매니폴드 플레이트 사이를 연결하고, 상기 연결부로는 유체가 이동할 수 있다.
상기 연결부는 상기 열관리 시스템의 난방 모드 시에는 유체가 이동하고, 냉방 모드 시에는 유체가 이동하지 않을 수 있다.
상기 매니폴드 플레이트는, 내부에 유체 유로가 형성되는 메인 플레이트; 및 상기 유체 유로를 커버하기 위해 상기 메인 플레이트의 일면에 결합되는 바텀 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 메인 플레이트는, 상기 메인 플레이트는 상기 제1 열교환기를 통과하는 고온의 제1 유체가 이동하는 제1 메인 플레이트; 및 상기 제2 열교환기를 통과하는 저온의 제1 유체가 이동하는 제2 메인 플레이트를 포함하고, 상기 제1 메인 플레이트 및 제2 메인 플레이트의 사이에는 상기 열전달 억제부가 형성될 수 있다.
상기 바텀 플레이트는, 상기 제1 메인 플레이트의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제1 바텀 플레이트; 및 상기 제2 메인 플레이트의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제2 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 제1 바텀 플레이트 및 제2 바텀 플레이트의 사이에는 상기 열전달 억제부가 형성될 수 있다.
상기 제1 바텀 플레이트와 상기 제2 바텀 플레이트의 일측은 상기 연결부에 의해 연통될 수 있다.
상기 연결부는 파이프 형태일 수 있다.
상기 제1 열교환기로 유입되는 제1 유체를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 및 상기 제2 열교환기로 유입되는 제1 유체를 팽창시키는 제2 팽창밸브를 더 포함하되, 상기 제1 팽창밸브는 상기 제1 열교환기의 상방에 배치되고 상기 제2 팽창밸브는 상기 제2 열교환기의 상방에 배치됨으로써, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 유입된 제1 유체는 상부에서 하부로 이동될 수 있다.
상기 제1 열교환기에서 배출되는 제1 유체의 방향을 제어하는 제1 방향전환밸브 및 제2 방향전환밸브를 더 포함하되, 상기 제1 방향전환밸브는 상기 제2 열교환기의 하방에 배치되고, 상기 제2 방향전환밸브는 상기 제2 열교환기의 상방에 배치될 수 있다.
상기 제2 메인 플레이트에는 어큐뮬레이터로 제1 유체가 배출되는 어큐뮬레이터 포트가 구비되고, 상기 연결부는 상기 제2 방향전환밸브 측과 상기 어큐뮬레이터 포트 측이 연통되도록 구비될 수 있다.
상기 연결부는 상기 제2 방향전환밸브와 상기 제2 열교환기 사이에 배치될 수 있다.
상기 매니폴드 플레이트에는 상기 제2 열교환기가 배치된 부분에 개구부가 형성되고, 상기 열전달 억제부는 상기 개구부의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제1 열전달 억제부 및 제2 열전달 억제부를 포함할 수 있다.
상기 매니폴드 플레이트에는 상기 제2 열교환기가 배치된 부분에 개구부가 형성되고, 상기 열전달 억제부는 상기 개구부의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제1 열전달 억제부 및 제2 열전달 억제부를 포함하고, 상기 제1 열전달 억제부는 상기 제2 팽창밸브와 제1 방향전환밸브의 사이를 절개하도록 형성되고, 상기 제2 열전달 억제부는 상기 제2 열교환기와 제1 방향전환밸브의 사이를 절개하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈은 고온의 유체 및 저온의 유체 간의 열전도를 차단할 수 있는 구조를 채용함으로써, 히트펌프 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈의 전면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈의 메인 플레이트의 후면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈에서 어큐뮬레이터 포트로 냉매가 배출되는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 메인 플레이트에 바텀 플레이트가 결합된 것을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용하기 전 열전달량을 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용한 후 열전달량을 표시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 매니폴드 유체 모듈의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈의 전면을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈의 메인 플레이트의 후면을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈에서 어큐뮬레이터 포트로 냉매가 배출되는 것을 도시한 도면이고, 도 4는 도 2에 도시한 메인 플레이트에 바텀 플레이트가 결합된 것을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 유체 모듈은 내부에 복수개의 유체 유로가 형성되고, 상기 유체 유로를 이동하는 유체의 온도는 상이한 매니폴드 플레이트(1,100), 및 고온의 유체가 이동하는 유로의 열이 저온의 유체가 이동하는 유로로 전달되는 것을 차단하기 위하여 고온 측 유로와 저온 측 유로 사이에 형성되는 열전달 억제부(90,92)를 포함하고, 상기 고온 측 유로와 저온 측 유로는 연결부(130)에 의해 연결될 수 있다.
매니폴드 플레이트(1,100)는 메인 플레이트(1) 및 바텀 플레이트(100)로 구성되는 어셈블리를 포함하며, 브레이징(Brazing), 구조용 접착제(Structural adhesives), 가스켓 등을 이용하여 결합하는 방식으로 제작이 가능하다. 또한, 매니폴드 플레이트(1,100)의 재료는 제작방식에 따라, 알루미늄, 열가소성 플라스틱(Thermo-plastic), 스테인리스강 등 목적과 기능에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
메인 플레이트(1)는 대략 내부에 유체 유로가 요입되게 형성되며 소정의 두께를 가진 플레이트 형상을 가진다. 이와 같이 메인 플레이트(1)에는 히트펌프 시스템의 열교환 장치인 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(60)와, 팽창밸브(30,70), 방향전환밸브(40,50)가 결합되어 모듈화됨으로써 제품 제작 공수가 절감되고 차량 조립라인의 공수도 절감될 수 있다. 또한, 메인 플레이트(1)는 배관, 피팅 및 하우징의 기능을 동시에 수행하므로 원가절감 및 작업성을 향상시킬 수 있다. 즉, 압축기, 복수개의 열교환기, 복수개의 밸브 및 팽창밸브로 이루어진 열관리 시스템에서, 매니폴드 플레이트(1,100)에는 적어도 하나 이상의 열교환기(20,60), 적어도 하나 이상의 방향전환밸브(40,50) 및 팽창밸브(30,70)가 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 메인 플레이트(1)의 후면에는 압축기 또는 내부 응축기에서 토출된 고온 고압의 기상 유체가 유입되는 유체 유입 포트(6)가 구비된다. 그리고, 메인 플레이트(1)의 후면에는 유체의 열교환, 팽창, 유입 및 배출에 있어서 이동을 가이드하는 유체 유로가 형성될 수 있다.
또한, 메인 플레이트(1)의 후면에는 유체의 유입 및 배출을 위한 각종 유체 포트가 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 유체가 외부 열교환기(공냉식 응축기)로 배출되는 외부 열교환기 배출 포트(8) 및 제1 유체가 외부 열교환기로부터 유입되는 외부 열교환기 유입 포트(10)가 구비된다. 또한, 제1 유체가 증발기(미도시)로 배출되는 증발기 배출 포트(12) 및 제1 유체가 증발기로부터 유입되는 증발기 유입 포트(14)가 구비된다. 증발기 유입 포트(14)의 배치에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 추가적으로, 제2 열교환기(60)에서 배출된 제1 유체가 어큐뮬레이터(미도시)로 배출되는 어큐뮬레이터 포트(18)가 구비된다.
다시 도 1을 참조하면, 매니폴드 플레이트(1,100)에는 열교환 장치로서 제1 열교환기(20) 및 제2 열교환기(60)가 결합된다. 제1 열교환기(20) 및 제2 열교환기(60)에는 제1 유체 및 제2 유체가 각각 통과하면서 열교환될 수 있다.
본 실시예에서 제1 열교환기(20)로는 수냉식 응축기, 제2 열교환기(60)로는 칠러가 사용될 수 있다. 수냉식 응축기는 압축기 또는 내부 응축기에서 토출된 고온 고압의 기상 유체(냉매)를 외부 열원과 열교환시켜 고압의 액체로 응축하는 역할을 한다. 칠러는 저온 저압의 유체가 공급되어 냉각수 순환라인(미도시)에서 이동하는 유체(냉각수)와 열교환되는 장치로서, 칠러에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환라인을 순환하여 배터리와 열교환될 수 있다.
한편, 제1 유체 및 제2 유체는 냉매, 냉각수 등이 적용될 수 있는데, 본 실시예에서는 제1 유체로 냉매, 제2 유체로 냉각수가 적용된다.
제1 열교환기(20)에는 제1 유체가 유입되고 배출되는 제1 유체포트가 구비된다. 제1 유체포트는 제1 열교환기(20)의 상단 및 하단에 각각 구비되는 제1 유입단(21) 및 제1 배출단(22)을 포함한다. 제1 유입단(21)은 제1 팽창밸브(30)를 거친 제1 유체가 유입되는 부분이고, 제1 배출단(22)은 제1 열교환기(20)에서 열교환한 제1 유체가 배출되는 부분이다. 제1 유입단(21) 및 제1 배출단(22)은 제1 열교환기(20)의 상단 및 하단에 각각 홀 형태로 형성될 수 있다.
이때, 열 간섭을 고려하여, 제1 유입단(21)은 제1 팽창밸브(30)와 가까운 일측에 형성되고, 제1 배출단(22)은 제1 팽창밸브(30)와 먼 타측에 형성될 수 있다. 보다 상세하게는 제1 팽창밸브(30)를 기준으로 제1 유입단(21)은 제1 배출단(22)보다 가깝게 배치될 수 있다. 예컨데, 제1 팽창밸브(30)에서 제1 유입단(21)까지의 거리는 제1 팽창밸브(30)에서 제1 배출단(22)까지의 거리보다 작을 수 있다.
그리고, 제1 열교환기(20)에는 제2 유체가 유입되고 배출되는 제2 유체포트가 구비된다. 제2 유체포트는 제1 열교환기(20)의 하단 및 상단에 각각 구비되는 제2 유입단(23) 및 제2 배출단(24)을 포함한다. 제2 유입단(23)은 제2 유체가 유입되는 부분이고, 제2 배출단(24)은 제1 유체와 열교환한 제2 유체가 배출되는 부분이다. 제2 유체는 제1 유체와 반대방향(하부->상부)으로 흐르면서 제1 유체와 열교환된다.
위에서 설명한 제1 유체포트 및 제2 유체포트는 서로 분리되어 배치되기 때문에 제1 유체 배관 및 제2 유체 배관의 조립성이 향상될 수 있다.
제1 팽창밸브(30)는 제1 열교환기(20)로 유입되는 냉매의 팽창여부를 제어하는 역할을 한다. 제1 팽창밸브(30)는 제1 열교환기(20)의 상방에 배치될 수 있으며, 유체 유입 포트(6)를 통해 유입되는 제1 유체를 팽창 또는 통과시킬 수 있다. 제1 팽창밸브(30)를 통해 유입되는 제1 유체는 제1 열교환기(20)를 통과하면서 열교환이 진행되거나 이동하여 외부 열교환기로 이동할 수 있다.
제1 열교환기(20)의 제1 배출단(22)을 통해 배출된 제1 유체는 제1 방향전환밸브(40)로 유입된다. 제1 방향전환밸브(40)는 제1 열교환기(20)에서 배출되는 제1 유체의 방향을 제어하는 역할을 한다. 냉방 모드에서 제1 방향전환밸브(40)는 제1 유체가 외부 열교환기 배출 포트(8)를 통해 외부 열교환기(공냉식 응축기)로 배출되게 하고, 히트펌프 모드에서 제1 방향전환밸브(40)는 제1 유체가 어큐뮬레이터 포트(18) 측으로 방향을 전환시켜 어큐뮬레이터로 배출되게 한다. 제1 유체는 매니폴드 플레이트(1,100)에 형성된 제1 유체 유입구(42)를 통해 저온 유체 유로(84)로 유입된다.
또한, 제1 팽창밸브(30)로 유입된 제1 유체는 제습 모드에서 제2 방향전환밸브(50)로 이동된 후 증발기로 이동할 수 있다.
제2 열교환기(60)는 저온 저압의 유체가 공급되어 냉각수 순환라인(미도시)에서 이동하는 냉각수와 열교환된다. 제2 열교환기(60)에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환라인을 순환하여 배터리와 열교환될 수 있다. 제2 팽창밸브(70)에는 외부 열교환기와 열교환된 제1 유체가 유입되고 제2 팽창밸브(70)에서 팽창된 제1 유체는 제2 열교환기(60)로 유입된다. 제2 열교환기(60)에서 열교환된 제1 유체는 하단을 통해 배출되어 어큐뮬레이터(미도시)로 유입된다.
이를 위해 제2 열교환기(60)에는 제1 유체가 유입되고 배출되는 제1 유체포트가 구비된다. 제1 유체포트는 제2 열교환기(60)의 상단 및 하단에 각각 구비되는 제1 유입단(61) 및 제1 배출단(62)을 포함한다. 제1 유입단(61)은 제1 유체가 유입되는 부분이고, 제1 배출단(62)은 제2 열교환기(60)에서 열교환한 제1 유체가 배출되는 부분이다. 제1 유입단(61) 및 제1 배출단(62)은 제2 열교환기(60)의 상단 및 하단에 각각 홀 형태로 형성될 수 있다.
이때, 열 간섭을 고려하여, 제2 열교환기(60)의 제1 유입단(61)은 제2 팽창밸브(70)와 가까운 일측에 형성되고, 제1 배출단(62)은 제2 팽창밸브(70)와 먼 타측에 형성될 수 있다. 보다 상세하게는 제2 팽창밸브(70)를 기준으로 제1 유입단(61)은 제1 배출단(62)보다 가깝게 배치될 수 있다. 예컨데, 제2 팽창밸브(70)에서 제1 유입단(61)까지의 거리는 제2 팽창밸브(70)에서 제1 배출단(62)까지의 거리보다 작을 수 있다.
또한, 제2 열교환기(60)에는 제2 유체가 유입되고 배출되는 제2 유체포트가 구비된다. 제2 유체포트는 제2 열교환기(60)의 하단 및 상단에 각각 구비되는 제2 유입단(63) 및 제2 배출단(64)을 포함한다. 제2 유입단(63)은 제2 유체가 유입되는 부분이고, 제2 배출단(64)은 제1 유체와 열교환한 제2 유체가 배출되는 부분이다. 제2 유체는 제1 유체와 반대방향(하부->상부)으로 흐르면서 제1 유체와 열교환된다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 제1 팽창밸브(30), 제2 방향전환밸브(50) 및 제2 팽창밸브(70)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 상부에 배치되고, 제1 열교환기(20)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 하부 일측에 배치되며, 제2 열교환기(60) 및 제1 방향전환밸브(40)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 하부 타측에 배치될 수 있다. 여기에서 제1 방향전환밸브(40)는 제2 열교환기(60)의 하방에 배치되고, 제2 방향전환밸브(50)는 제2 열교환기(60)의 상방에 배치될 수 있다.
매니폴드 플레이트(1,100)에 위 부품들을 배치하게 되면, 최소의 공간에 부품들을 최적으로 배치할 수 있게 되어 공간 효율성을 극대화할 수 있으며, 유체의 흐름이 전체적으로 상부에서 하부로 형성되기 때문에 유체의 흐름도 최적화할 수 있다.
특히, 제1 열교환기(20)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 하부 일측에 수직 방향으로 배치되고 제2 열교환기(60)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 하부 타측에 수평 방향으로 배치됨으로써 유체 모듈 패키지를 최적화할 수 있다. 즉, 제2 열교환기(60)는 제1 열교환기(20)의 측면 방향에 배치됨으로써 공간 효율성을 높일 수 있다. 또한, 제1 팽창밸브(30)는 제1 열교환기(20)의 상방에 배치되고 제2 팽창밸브(70)는 제2 열교환기(60)의 상방에 배치됨으로써, 제1 유체의 흐름은 자연스럽게 상부에서 하부로 형성될 수 있다.
매니폴드 플레이트(1,100)에는 가상의 기준선(L)이 형성되는데, 가상의 기준선(L)을 기준으로 제1 열교환기(20), 제1 팽창밸브(30), 제1 방향전환밸브(40) 및 제2 방향전환밸브(50)는 일측에 배치되고, 제2 열교환기(60) 및 제2 팽창밸브(70)는 타측에 배치될 수 있다.
보다 상세하게는 가상의 기준선(L)을 기준으로 냉방 모드 시 고온의 제1 유체가 흐르는 고온 영역과 저온의 제1 유체가 흐르는 저온 영역이 분리된다. 고온 영역에는 고온의 제1 유체가 이동하는 고온 유체 유로(82)가, 저온 영역에는 저온의 제1 유체가 이동하는 저온 유체 유로(84)가 형성된다. 그리고, 고온 영역에는 고온의 제1 유체의 이동을 위한 구성요소들이 배치될 수 있고, 저온 영역에는 저온의 제1 유체의 이동을 위한 구성요소들이 배치될 수 있다. 따라서, 고온과 저온 상태의 제1 유체 간의 열간섭이 최소화되고, 히트펌프 시스템의 성능이 향상될 수 있다. 도면 상으로 고온 영역은 좌측 부분과 하단 부분을 포함하고 저온 영역은 우측 하단을 제외한 우측 부분을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 메인 플레이트(1)는 제1 열교환기(20)를 통과하는 고온의 제1 유체가 이동하는 제1 메인 플레이트(1) 및 제2 열교환기(60)를 통과하는 저온의 제1 유체가 이동하는 제2 메인 플레이트(4)를 포함할 수 있다. 여기에서 제1 메인 플레이트(1)와 제2 메인 플레이트(4)의 사이는 절개됨으로써 물리적으로 서로 분리될 수 있다.
이와 같이 제1 메인 플레이트(1)와 제2 메인 플레이트(4)가 절개 구조를 통해 분리되면 고온 영역과 저온 영역 간의 직접적인 열전달 경로가 차단되기 때문에, 히트펌프 성능을 향상시킬 수 있다.
제1 메인 플레이트(1)와 제2 메인 플레이트(4) 사이의 절개 구조는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 도면을 참조하면, 제1 메인 플레이트(1)와 제2 메인 플레이트(4)의 사이에는 열전달 억제부(90,92)가 형성되는데, 열전달 억제부(90,92)는 고온 영역과 저온 영역 사이의 열전달을 효과적으로 차단하기 위해 2부분에 형성될 수 있다.
매니폴드 플레이트(1,100)에서 제2 열교환기(60)가 배치된 부분은 상당 부분에 걸쳐 전후방으로 개구되는 개구부(80)가 형성될 수 있다. 개구부(80)는 제2 열교환기(60)의 제2 유입단(63) 및 제2 배출단(64)과의 간섭을 방지하기 위해 형성되는 부분이며, 개구부(80)는 매니폴드 플레이트(1,100)에서 고온 영역과 저온 영역이 최대한 이격될 수 있도록 형성되는 부분이다.
열전달 억제부(90,92)는 개구부(80)를 기준으로 상부와 하부에 각각 형성될 수 있는데, 제1 열전달 억제부(90)는 개구부(80)의 상부에서 대략 수직방향을 따라 형성될 수 있고 제2 열전달 억제부(92)는 개구부(80)의 하부 일측에서 대략 수평방향을 따라 형성될 수 있다. 물론, 열전달 억제부(90,92)의 위치는 본 도면에 도시한 위치에 한정되는 것은 아니고 고온 영역과 저온 영역을 구획할 수 있는 위치라면 어디라도 채용될 수 있다.
즉, 열전달 억제부(90,92)는 매니폴드 플레이트(1,100)의 중앙 부분에 형성되는 개구부(80)의 상부 및 하부에 각각 형성되기 때문에 좌측에 위치한 고온 영역과 우측에 위치한 저온 영역이 서로 분리될 수 있도록 한다.
한편, 열전달 억제부(90,92)는 매니폴드 플레이트(1,100)에 배치되는 구성들과의 상대적 위치에 형성될 수 있다. 제1 열전달 억제부(90)는 제2 팽창밸브(70)와 제1 방향전환밸브(50)의 사이를 절개하도록 형성될 수 있고, 제2 열전달 억제부(92)는 제2 열교환기(60)와 제1 방향전환밸브(40)의 사이를 절개하도록 형성될 수 있다. 이는 열전달 억제부(90,92)가 고온의 제1 유체가 이동하는 구성과 저온의 제1 유체가 이동하는 구성 사이를 절개함으로써, 열전달 경로를 차단하도록 한 것이다.
또한, 고온 영역과 저온 영역 간의 열전달 경로를 최소화하기 위해 증발기 유입 포트(14)는 다음과 같이 배치될 수 있다. 증발기 유입 포트(14)는 저온 유체 유로(84) 상에 배치되는 것으로서, 증발기 유입 포트(14)를 통해 유입된 저온의 제1 유체는 하부로 이동되어 어큐뮬레이터 포트(18)를 통해 외부로 배출된다. 이때, 제1 유체가 이동하는 구간이 길어질수록 저온의 제1 유체가 고온의 제1 유체로부터 열전달을 받을 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 증발기 유입 포트(14)를 최대한 어큐뮬레이터 포트(18)에 가깝도록 배치함으로써 저온의 제1 유체의 이동 구간을 최소화한 것이다.
저온 유체 유로(84)는 복수개의 유체 유입구와 연결되는데, 상기 유체 유입구는 제1 유체 유입구(42), 제2 열교환기(60)의 제2 배출단(62) 및 증발기 유입 포트(14)를 포함할 수 있다. 이 중에 증발기 유입 포트(14)는 증발기의 배출구와 연결되어 증발기에서 열교환된 제1 유체가 유입된다.
증발기 유입 포트(14)는 기본적으로 저온의 제1 유체가 이동하는 제2 메인 플레이트(4)에 배치될 수 있다. 증발기 유입 포트(14)는 제2 열교환기(60)의 제1 유입단(61)에 인접하게 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로 제2 열교환기(60)의 제1 유입단(61) 및 제1 배출단(62)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 저온의 제1 유체가 열교환되는 제2 열교환기(60)에 인접하게 배치됨으로써 증발기 유입 포트(14)로 유입된 제1 유체가 열전달 받는 것을 최소화할 수 있다.
증발기 유입 포트(14)와 어큐뮬레이터 포트(18) 사이의 거리(D1)는 제2 열교환기(60)의 제1 배출단(62)과 어큐뮬레이터 포트(18) 사이의 거리(D2)와 같거나 짧을 수 있다. 이는 증발기 유입 포트(14)로 유입되는 제1 유체가 제2 열교환기(60)로부터 배출되는 제1 유체로부터의 열전달을 최소화하기 위함이다.
도 4를 참조하면, 메인 플레이트(1)의 일면, 즉 후면에는 유체 유로를 커버하기 위해 바텀 플레이트(100)가 결합된다. 바텀 플레이트(100)는 제1 메인 플레이트(2)의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제1 바텀 플레이트(110) 및 제2 메인 플레이트(4)의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제2 바텀 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 제1 바텀 플레이트(110) 및 제2 바텀 플레이트(120)는 도면에 잘 도시된 바와 같이 제1 메인 플레이트(2) 및 제2 메인 플레이트(4)의 일면 중 상당 부분을 커버하도록 결합될 수 있다.
이때 제1 바텀 플레이트(110)와 제2 바텀 플레이트(120)의 일측은 연결부(130)에 의해 연통될 수 있다. 메인 플레이트(1)는 상술한 바와 같이 열전달 억제부(90,92)에 의해 서로 분리되므로 메인 플레이트(1)에 결합되는 바텀 플레이트(100) 또한 서로 분리될 수 있는데, 이와 같이 되면 히트펌프 모드 시 제1 유체가 제1 방향전환밸브(40)에서 어큐뮬레이터 포트(18)로 이동되는 경로가 차단된다. 따라서, 본 실시예에서는 제1 유체의 유로를 확보하기 위하여 제1 바텀 플레이트(110)와 제2 바텀 플레이트(120) 사이가 연결부(130)에 의해 연통되게 한 것이다.
연결부(130)는 열관리 시스템의 난방 모드 시 즉 고온의 유로와 저온의 유로의 유체 온도 차이가 작은 경우에는 제1 유체가 이동하고, 냉방 모드 즉 고온의 유로와 저온의 유로의 유체 온도 차이가 큰 경우에는 제1 유체가 이동하지 않는다.
연결부(130)는 본 도면에서와 같이 파이프 형태로 형성되어 내부로 제1 유체의 유로를 확보할 수 있다. 또한, 연결부(130)는 제1 바텀 플레이트(110)와 제2 바텀 플레이트(120)의 일측이 플레이트 형상으로 연결되고 내측에 유로가 형성되게 할 수도 있다.
연결부(130)는 이상에서 설명한 바와 같이 유로로서의 기능도 수행함과 동시에 매니폴드 플레이트(1,100)의 내구성을 향상시키는 기능도 수행한다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예에서 매니폴드 플레이트(1,100)는 2개로 분리가 되므로 매니폴드 플레이트(1,100) 상에 결합된 구성들에 의해서만 결합구조를 유지하게 되는데, 이와 같이 될 경우 매니폴드 플레이트(1,100)가 견고하지 못하고 외부 충격에 취약할 수 있다. 따라서, 연결부(130)가 매니폴드 플레이트(1,100)의 분리된 2개의 부분을 연결함으로써 보다 견고한 결합구조를 유지할 수 있도록 한다.
이상에서는 매니폴드 플레이트(1,100)가 메인 플레이트(1)와 바텀 플레이트(100)의 결합으로 이루어지고 연결부(130)가 바텀 플레이트(100)에 구비되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 연결부(130)는 메인 플레이트(1)에 구비될 수도 있고, 매니폴드 플레이트(1,100)가 단일의 플레이트로 이루어지고 매니폴드 플레이트(1,100)에 연결부(130)가 구비될 수도 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용하기 전 열전달량을 표시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용한 후 열전달량을 표시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용하기 전에는 매니폴드 플레이트(1,100)에서 저온의 제1 유체가 이동하는 부분의 온도가 상대적으로 높게 나타난다.
하지만, 매니폴드 유체 모듈에 절개 구조를 적용한 후 매니폴드 플레이트(1,100)에서 저온의 제1 유체가 이동하는 부분의 온도가 상대적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 절개 구조에 의해 저온의 제1 유체가 고온의 제1 유체로부터 열전달이 전달되는 것이 차단되기 때문이다. 또한, 증발기 유입 포트(14)로 유입된 저온의 제1 유체가 이동하는 구간을 최대한 짧게 하여 열전달을 최소화될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
1: 메인 플레이트 2: 제1 메인 플레이트
4: 제1 메인 플레이트 6: 유체 유입 포트
8: 외부 열교환기 배출 포트 10: 외부 열교환기 유입 포트
12: 증발기 배출 포트 14: 증발기 유입 포트
18: 어큐뮬레이터 포트 20: 제1 열교환기
21: 제1 유입단 22: 제1 배출단
23: 제2 유입단 24: 제2 배출단
30: 제1 팽창밸브 40: 제1 방향전환밸브
50: 제2 방향전환밸브 60: 제2 열교환기
61: 제1 유입단 62: 제1 배출단
63: 제2 유입단 64: 제2 배출단
70: 제2 팽창밸브 80: 개구부
82: 고온 유체 유로 84: 저온 유체 유로
90: 제1 열전달 억제부 92: 제2 열전달 억제부
100: 바텀 플레이트 110: 제1 바텀 플레이트
120: 제2 바텀 플레이트 130: 연결부

Claims (20)

  1. 압축기, 복수개의 열교환기, 복수개의 밸브 및 팽창밸브로 이루어진 열관리 시스템에서 적어도 하나 이상의 열교환기, 적어도 하나 이상의 밸브 및 팽창밸브를 하나로 통합하는 매니폴드 유체 모듈에 있어서,
    내부에 복수개의 유체 유로가 형성되는 매니폴드 플레이트;
    상기 복수개의 유체 유로 중 열교환된 저온의 유체가 이동하고, 복수개의 유체 유입구 및 하나의 유체 배출구가 연결되는 저온 유체 유로; 및
    상기 복수개의 유체 유입구 중 어느 하나는 증발기의 배출구와 연결되는 증발기 유입 포트를 포함하고,
    상기 증발기 유입 포트는 상기 저온 유체 유로 상에 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 매니폴드 플레이트에 결합되고, 제1 유체와 제2 유체를 열교환시키는 제1 열교환기; 및
    상기 매니폴드 플레이트에 결합되고, 상기 제1 열교환기에서 배출된 제1 유체와, 제2 유체를 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 매니폴드 유체 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 증발기 유입 포트는 상기 제2 열교환기로 제1 유체가 유입되는 제1 유입단에 인접하게 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유입단으로 유입된 제1 유체는 제1 배출단을 통해 배출되는데, 상기 증발기 유입 포트는 상기 제1 유입단과 제1 배출단의 사이에 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유체 배출구는 어큐뮬레이터로 제1 유체가 배출되는 어큐뮬레이터 포트이고, 상기 증발기 유입 포트는 상기 어큐뮬레이터 포트에 인접하게 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증발기 유입 포트와 어큐뮬레이터 포트 사이의 거리는 상기 제1 배출단과 어큐뮬레이터 포트 사이의 거리와 같거나 짧은 매니폴드 유체 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    고온의 유체가 이동하는 유로의 열이 저온의 유체가 이동하는 유로로 전달되는 것을 차단하기 위하여 고온 유체 유로와 상기 저온 유체 유로 사이에 형성되는 열전달 억제부를 더 포함하고,
    상기 고온 유체 유로와 저온 유체 유로는 연결부에 의해 연결되는 매니폴드 유체 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 열전달 억제부에 의해 분리된 상기 매니폴드 플레이트 사이를 연결하고, 상기 연결부로는 유체가 이동하는 매니폴드 유체 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 열관리 시스템의 난방 모드 시에는 유체가 이동하고, 냉방 모드 시에는 유체가 이동하지 않는 매니폴드 유체 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트는,
    내부에 유체 유로가 형성되는 메인 플레이트; 및
    상기 유체 유로를 커버하기 위해 상기 메인 플레이트의 일면에 결합되는 바텀 플레이트를 포함하는 매니폴드 유체 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 메인 플레이트는,
    상기 메인 플레이트는 상기 제1 열교환기를 통과하는 고온의 제1 유체가 이동하는 제1 메인 플레이트; 및
    상기 제2 열교환기를 통과하는 저온의 제1 유체가 이동하는 제2 메인 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 메인 플레이트 및 제2 메인 플레이트의 사이에는 상기 열전달 억제부가 형성되는 매니폴드 유체 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바텀 플레이트는,
    상기 제1 메인 플레이트의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제1 바텀 플레이트; 및
    상기 제2 메인 플레이트의 적어도 일면을 커버하도록 결합되는 제2 바텀 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 바텀 플레이트 및 제2 바텀 플레이트의 사이에는 상기 열전달 억제부가 형성되는 매니폴드 유체 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 바텀 플레이트와 상기 제2 바텀 플레이트의 일측은 상기 연결부에 의해 연통되는 매니폴드 유체 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연결부는 파이프 형태인 매니폴드 유체 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로 유입되는 제1 유체를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 및 상기 제2 열교환기로 유입되는 제1 유체를 팽창시키는 제2 팽창밸브를 더 포함하되,
    상기 제1 팽창밸브는 상기 제1 열교환기의 상방에 배치되고 상기 제2 팽창밸브는 상기 제2 열교환기의 상방에 배치됨으로써, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 유입된 제1 유체는 상부에서 하부로 이동되는 매니폴드 유체 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서 배출되는 제1 유체의 방향을 제어하는 제1 방향전환밸브 및 제2 방향전환밸브를 더 포함하되,
    상기 제1 방향전환밸브는 상기 제2 열교환기의 하방에 배치되고, 상기 제2 방향전환밸브는 상기 제2 열교환기의 상방에 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 메인 플레이트에는 어큐뮬레이터로 제1 유체가 배출되는 어큐뮬레이터 포트가 구비되고, 상기 연결부는 상기 제2 방향전환밸브 측과 상기 어큐뮬레이터 포트 측이 연통되도록 구비되는 매니폴드 유체 모듈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제2 방향전환밸브와 상기 제2 열교환기 사이에 배치되는 매니폴드 유체 모듈.
  19. 제7항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트에는 상기 제2 열교환기가 배치된 부분에 개구부가 형성되고, 상기 열전달 억제부는 상기 개구부의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제1 열전달 억제부 및 제2 열전달 억제부를 포함하는 매니폴드 유체 모듈.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트에는 상기 제2 열교환기가 배치된 부분에 개구부가 형성되고, 상기 열전달 억제부는 상기 개구부의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제1 열전달 억제부 및 제2 열전달 억제부를 포함하고,
    상기 제1 열전달 억제부는 상기 제2 팽창밸브와 제1 방향전환밸브의 사이를 절개하도록 형성되고, 상기 제2 열전달 억제부는 상기 제2 열교환기와 제1 방향전환밸브의 사이를 절개하도록 형성되는 매니폴드 유체 모듈.
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