WO2024019339A1 - 차량용 히트펌프 시스템 - Google Patents

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    • F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle heat pump system, and more specifically, to a vehicle heat pump system installed in an electric vehicle and using a water-cooled condenser and an air-cooled condenser.
  • 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.
  • the vehicle heat pump system installed in a conventional electric vehicle includes a compressor (8), an indoor heat exchanger (4), a first expansion valve (11), and an outdoor heat exchanger (6). It includes a second expansion valve (5) and an evaporator (3). Additionally, an accumulator (9) is provided upstream of the compressor (8) in the refrigerant flow direction.
  • An evaporator bypass line 31 that bypasses the evaporator 3 is formed between the outdoor heat exchanger 6 and the second expansion valve 5, and a first direction change valve 24 that controls the amount of bypass refrigerant is provided. It is provided.
  • a chiller (14) is provided in the evaporator bypass line (31).
  • the first expansion valve 11 has an orifice 21 installed in parallel to the expansion line 33 branched from the refrigerant line 30, and a two-way valve 22 is installed at the branch point.
  • an outdoor unit bypass line 32 is formed in the refrigerant line 30 to bypass the outdoor heat exchanger 6, and a second direction switching valve 23 is provided to control the amount of bypass refrigerant.
  • the dehumidification line 34 is branched upstream of the second direction switching valve 23 in the direction of refrigerant flow to supply the refrigerant to the evaporator 3.
  • the chiller 14 exchanges heat between the coolant circulating in the vehicle electrical components 35 and the refrigerant passing through the evaporator bypass line 31.
  • An evaporator (3) and an indoor heat exchanger (4) are sequentially provided in the air flow path in the air conditioning case (1) in the air flow direction.
  • the evaporator (3) cools the air by exchanging heat with the air passing through it, and the indoor heat exchanger (4) heats the air by exchanging heat with the air passing through it.
  • a temp door (2) is provided between the evaporator (3) and the indoor heat exchanger (4) to control the temperature of the air.
  • a PTC heater (7) may be further provided downstream of the indoor heat exchanger (4) in the air flow direction.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor (8) passes through the indoor heat exchanger (4), passes through the first expansion valve (11), and then passes through the outdoor heat exchanger (6). passes by.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (6) expands in the second expansion valve (5), absorbs heat in the evaporator (3), then passes through the accumulator (9) and circulates through the compressor (8).
  • the air passing through the evaporator 3 exchanges heat with the refrigerant and is cooled, thereby performing indoor cooling.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 8 passes through the indoor heat exchanger 4 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (4) expands as it passes through the orifice (21) of the first expansion valve (11), absorbs heat as it passes through the outdoor heat exchanger (6), and then flows along the evaporator bypass line (31). It circulates to the chiller (14) and bypasses the evaporator (3).
  • the refrigerant recovers battlefield waste heat from the chiller (14), passes through the accumulator (9), and circulates through the compressor (8).
  • the conventional vehicle heat pump system has the limitation of being a system that only recovers waste heat from the electrical components 35.
  • part of the refrigerant passing through the outdoor heat exchanger can be configured to branch to the battery chiller.
  • a refrigerant line for battery cooling is inevitably added and the number of parts increases. There is a problem.
  • the present invention provides a vehicle heat pump system that can implement various air conditioning modes while minimizing the number of expansion valves and can configure parts at relatively low prices, thereby dramatically lowering the manufacturing cost. do.
  • a vehicle heat pump system includes a compressor that discharges refrigerant; an indoor heat exchanger that is provided in the air conditioning case and heats the room by exchanging heat with air and the refrigerant discharged from the compressor; a water-cooled condenser provided downstream of the indoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and exchanging heat with first cooling water; an outdoor heat exchanger provided downstream of the water-cooled condenser in the direction of refrigerant flow and heat-exchanging the refrigerant with outdoor air; An evaporator is provided in the air conditioning case and cools the room by exchanging heat with the refrigerant with air; and a chiller provided downstream of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow, provided in a refrigerant line that bypasses the evaporator, and exchanging heat with a second coolant, so that the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser bypasses the outdoor heat exchanger. and an outdoor unit bypass line, wherein the outdoor unit
  • It is disposed at the connection between the outdoor unit bypass line and the upstream refrigerant line of the chiller, and performs a three-way valve function to control the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser to selectively pass or bypass the outdoor heat exchanger, as well as to expand the refrigerant. Equipped with a refrigerant flow direction change valve.
  • the refrigerant flow direction switching valve consists of two inlets and one outlet, the first inlet is connected to a branch line between the water-cooled condenser and the outdoor heat exchanger, and the second inlet is connected to the downstream of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow. and the outlet is connected to the chiller.
  • the first inlet performs only the on/off function of the refrigerant flow
  • the second inlet is configured to perform both the on/off function of the refrigerant flow and the refrigerant expansion function.
  • a first expansion valve disposed between the indoor heat exchanger and the water-cooled condenser and selectively expanding or passing the refrigerant as is; and a second expansion valve disposed upstream of the evaporator in the direction of refrigerant flow and expanding the refrigerant.
  • the refrigerant flow direction change valve is composed of an electronic expansion valve (EXV) structure capable of controlling the amount of refrigerant
  • the first expansion valve is composed of an electronic expansion valve (EXV) capable of controlling the amount of refrigerant
  • the second expansion valve is composed of an electronic expansion valve (EXV) capable of controlling the amount of refrigerant.
  • the valve consists of a temperature-controlled expansion valve (TXV) that only has an expansion function.
  • the first coolant circulates through the vehicle's electrical components, and the second coolant circulates through the vehicle's battery.
  • dehumidifying line branched downstream of the indoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and connected to an upstream side of the evaporator, and the dehumidifying line is connected between the second expansion valve and the evaporator.
  • the dehumidification line is branched between the indoor heat exchanger and the first expansion valve, and is provided with a third expansion valve that can control the amount of refrigerant in the dehumidification line and expands the refrigerant.
  • the dehumidification line is branched between the first expansion valve and the water-cooled condenser, and is provided with an on-off valve that controls only the amount of refrigerant in the dehumidification line.
  • the refrigerant flow direction switching valve closes all inlets to block the refrigerant flow, and the refrigerant flows into the compressor, indoor heat exchanger, first expansion valve, water-cooled condenser, outdoor heat exchanger, second expansion valve, evaporator, and compressor. is controlled to cycle;
  • the refrigerant flow direction change valve opens only the inlet of the connection line on the downstream side of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and expands the refrigerant, controlling so that some of the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger passes through the chiller. do.
  • the refrigerant flow direction switching valve opens only the inlet of the connection line on the downstream side of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and allows the refrigerant to pass through the compressor, indoor heat exchanger, first expansion valve, water-cooled condenser, It is controlled to circulate the outdoor heat exchanger, refrigerant flow direction switching valve, chiller, and compressor;
  • the refrigerant flow direction change valve opens only the inlet of the branch line between the water-cooled condenser and the outdoor heat exchanger, so that the refrigerant flows into the compressor, indoor heat exchanger, first expansion valve, water-cooled condenser, refrigerant flow direction change valve, and chiller. , is controlled to cycle the compressor.
  • the refrigerant flow direction switching valve opens only the inlet of the connection line on the downstream side of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and allows the refrigerant to pass through the compressor, indoor heat exchanger, first expansion valve, It is controlled to circulate through the water-cooled condenser, outdoor heat exchanger, refrigerant flow direction change valve, chiller, and compressor, and some of the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger is supplied to the evaporator through the dehumidification line;
  • the refrigerant flow direction switching valve opens only the inlet of the branch line between the water-cooled condenser and the outdoor heat exchanger, so that the refrigerant flows to the compressor, indoor heat exchanger, first expansion valve, water-cooled condenser, and refrigerant flow direction. It is controlled to circulate through the valve, chiller, and compressor, and some of the refrigerant that has passed through the indoor
  • a vehicle heat pump system includes a compressor that discharges refrigerant; an indoor heat exchanger that is provided in the air conditioning case and heats the room by exchanging heat with air and the refrigerant discharged from the compressor; a water-cooled condenser provided downstream of the indoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow and exchanging heat with first cooling water; an outdoor heat exchanger provided downstream of the water-cooled condenser in the direction of refrigerant flow and heat-exchanging the refrigerant with outdoor air; An evaporator is provided in the air conditioning case and cools the room by exchanging heat with the refrigerant with air; and a chiller provided downstream of the outdoor heat exchanger in the direction of refrigerant flow, provided in a refrigerant line bypassing the evaporator, and exchanging heat with a second coolant, wherein the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser is selectively passed through the outdoor heat exchanger.
  • It performs a three-way valve function to control or bypass the refrigerant and is provided with a refrigerant flow direction change valve that expands the refrigerant, and the refrigerant flow direction change valve is configured to expand only the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger.
  • the vehicle heat pump system can implement all functions of a heat pump while ensuring price competitiveness.
  • all air conditioning modes including cooling mode, cooling and battery cooling mode, maximum heating mode, maximum heating and dehumidification mode, partial heating mode, and partial heating and dehumidification mode, can be implemented by controlling the refrigerant flow using a total of four valves. . That is, it is possible to operate a maximum heating mode and a maximum heating and dehumidification mode that recover water heat sources and air heat sources, and a partial heating mode and partial heating and dehumidification modes that recover only water heat sources.
  • a double pipe is installed in front of the TXV (second expansion valve) after the battery chiller branch line in cooling mode, minimizing the pressure loss of the refrigerant flowing into the chiller after passing the outdoor heat exchanger in heating mode.
  • Figure 1 shows the cooling mode of a conventional vehicle heat pump system
  • Figure 2 shows the heating mode of a conventional vehicle heat pump system
  • Figure 3 shows a vehicle heat pump system according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows a refrigerant flow direction switching valve of a vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 5 shows the cooling mode of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 6 shows the cooling and battery cooling modes of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 7 shows the maximum heating mode of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 8 shows a partial heating mode of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 9 shows the maximum heating and dehumidification mode of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 10 shows partial heating and dehumidification modes of the vehicle heat pump system according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 11 shows a vehicle heat pump system according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 12 shows the maximum heating mode of the vehicle heat pump system according to the second embodiment of the present invention
  • Figure 13 shows the maximum heating and dehumidification mode of the vehicle heat pump system according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 14 shows the partial heating mode of the vehicle heat pump system according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 15 shows partial heating and dehumidification modes of a vehicle heat pump system according to a second embodiment of the present invention.
  • the vehicle heat pump system is an electric vehicle (EV) having electrical components 191 such as a battery (Battery: 181) and a PE module (Power Electric Module). It is installed on the back.
  • the vehicle heat pump system includes a refrigerant line 110, a first coolant line 190, a second coolant line 180, an outdoor unit bypass line 150, an evaporator bypass line 170, and a dehumidification line ( 160).
  • the refrigerant line 110 includes a compressor 111, an indoor heat exchanger 112, a first expansion valve 103, a water-cooled condenser 102, an outdoor heat exchanger 104, a second expansion valve 106, and an evaporator 107. ), accumulators 108 are provided in sequence.
  • the compressor 111 compresses the refrigerant and discharges it at high temperature and high pressure.
  • the indoor heat exchanger 112 is provided in the air conditioning case 140 and heats the room by exchanging heat with the refrigerant discharged from the compressor 111 with air.
  • An evaporator 107 and an indoor heat exchanger 112 are sequentially provided in the air flow path within the air conditioning case 140 in the air flow direction.
  • a blower unit for blowing air is provided at the air inlet side of the air conditioning case 140.
  • a temp door 141 is provided between the evaporator 107 and the indoor heat exchanger 112 to control the temperature of the air discharged into the vehicle interior. As the temp door 141 rotates within the air conditioning case 140, it adjusts the amount of air between the cold air flow path and the warm air flow path.
  • a PTC heater 142 may be further provided downstream of the indoor heat exchanger 112 in the air flow direction.
  • the first expansion valve 103 is disposed between the indoor heat exchanger 112 and the water-cooled condenser 102, and selectively expands the refrigerant or passes it through without expansion.
  • the water-cooled condenser 102 is provided downstream of the indoor heat exchanger 112 in the direction of refrigerant flow and exchanges heat with the first cooling water. That is, the water-cooled condenser 102 is disposed between the first expansion valve 103 and the outdoor heat exchanger 104 and exchanges heat with the first coolant of the first coolant line 190 circulating through the electrical equipment 191.
  • the outdoor heat exchanger 104 is provided downstream of the water-cooled condenser 102 in the direction of refrigerant flow and exchanges heat with the refrigerant with outdoor air.
  • the second expansion valve 106 is disposed upstream of the evaporator 107 in the direction of refrigerant flow and functions to expand the refrigerant. That is, the second expansion valve 106 is provided between the outdoor heat exchanger 104 and the evaporator 107, and only performs the function of expanding the refrigerant.
  • the evaporator 107 is provided in the air conditioning case 140 and cools the room by exchanging heat with the refrigerant and air.
  • the outdoor unit bypass line 150 allows the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 to bypass the outdoor heat exchanger 104.
  • the evaporator bypass line 170 is branched between the outdoor heat exchanger 104 and the second expansion valve 106 and connected between the evaporator 107 and the accumulator 108.
  • the evaporator bypass line 170 allows the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 104 to bypass the evaporator 107.
  • a chiller 113 is provided in the evaporator bypass line 170. That is, the chiller 113 is provided downstream of the outdoor heat exchanger 104 in the direction of refrigerant flow and is provided in a refrigerant line that bypasses the evaporator 107 to exchange heat with the second coolant. The chiller 113 exchanges heat with the second coolant in the second coolant line 180 circulating through the battery 181.
  • the outdoor unit bypass line 150 branches off between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104, and is connected upstream of the chiller 113 in the direction of refrigerant flow.
  • the vehicle heat pump system includes a refrigerant flow direction change valve (130).
  • the refrigerant flow direction change valve 130 is disposed at a connection portion between the outdoor unit bypass line 150 and the refrigerant line upstream of the chiller 113.
  • the refrigerant flow direction change valve 130 performs a three-way valve function that controls the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 to selectively pass or bypass the outdoor heat exchanger 104, and also performs the function of expanding the refrigerant. do. That is, the refrigerant flow direction switching valve 130 is configured to expand only the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) without expanding the refrigerant that flows through the water-cooled condenser (102) to the chiller (113).
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 consists of two inlets 131 and 132 and one outlet 133.
  • the first inlet 131 is connected to a branch line between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104
  • the second inlet 132 is connected to the downstream of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction
  • the outlet (133) is connected to the chiller (113). That is, the first inlet 131 is connected to the outdoor unit bypass line 150, and the second inlet 132 is connected to the evaporator bypass line 170.
  • the first inlet 131 performs only the ON/OFF function of the refrigerant flow
  • the second inlet 132 performs the ON/OFF function of the refrigerant flow as well as the refrigerant expansion function. It is configured to do so.
  • the refrigerant flow direction change valve 130 has an electronic expansion valve (EXV: Electronic Expansion Valve) structure that can control the amount of refrigerant.
  • the first expansion valve 103 is composed of an electronic expansion valve (EXV) that can control the amount of refrigerant
  • the second expansion valve 106 is a thermostatic expansion valve (TXV) that has only an expansion function. It consists of
  • the dehumidification line 160 branches off downstream of the indoor heat exchanger 112 in the direction of refrigerant flow and connects upstream of the evaporator 107. More specifically, the dehumidification line 160 is connected to the refrigerant line between the second expansion valve 106 and the evaporator 107. Additionally, the dehumidification line 160 branches between the indoor heat exchanger 112 and the first expansion valve 103.
  • the dehumidification line 160 is provided with a third expansion valve 161.
  • the third expansion valve 161 has an electronic expansion valve (EXV) structure to control the amount of refrigerant flowing into the dehumidification line 160 and to expand the refrigerant.
  • EXV electronic expansion valve
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 closes both inlets 131 and 132 to block the refrigerant flow.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor (111) passes through the indoor heat exchanger (112) and the first expansion valve (103), then passes through the water-cooled condenser (102), is first condensed, and then passes through the outdoor heat exchanger (104). Afterwards, it undergoes secondary condensation.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) expands in the second expansion valve (106), absorbs heat in the evaporator (107), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111).
  • the air passing through the evaporator 107 exchanges heat with the refrigerant and is cooled, thereby performing indoor cooling.
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the refrigerant does not flow to the outdoor unit bypass line 150 and the evaporator bypass line 170.
  • the battery 181 is not cooled in the chiller 113.
  • the refrigerant flow direction change valve 130 opens only the second inlet 132 of the downstream connection line of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction and expands the refrigerant. do. That is, part of the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) is controlled to pass through the chiller (113).
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor (111) passes through the indoor heat exchanger (112) and the first expansion valve (103), then passes through the water-cooled condenser (102), is first condensed, and then passes through the outdoor heat exchanger (104). Afterwards, it undergoes secondary condensation.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) expands in the second expansion valve (106), absorbs heat in the evaporator (107), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111), while the other part flows through the refrigerant.
  • After expanding in the direction change valve 130 it absorbs heat in the chiller 113, passes through the accumulator 108, and circulates through the compressor 111.
  • the air passing through the evaporator 107 exchanges heat with the refrigerant and is cooled, thereby performing indoor cooling.
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the battery 181 is cooled in the chiller 113 by opening the second inlet 132 of the refrigerant flow direction change valve 130 and expanding the refrigerant.
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the second inlet 132 of the downstream connection line of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction and allows the refrigerant to pass as is. .
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (112) expands as it passes through the first expansion valve (103), recovers the water heat source as it passes through the water-cooled condenser (102), and recovers the air heat source as it passes through the outdoor heat exchanger (104). retrieve it
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) passes through the refrigerant flow direction switching valve (130), passes through the chiller (113), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111).
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the refrigerant passing through the outdoor heat exchanger 104 flows to the chiller 113 without expansion.
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the first inlet 131 of the branch line between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (112) expands while passing through the first expansion valve (103), recovers the water heat source while passing through the water-cooled condenser (102), and then passes through the refrigerant flow direction change valve (130) to the chiller ( After passing through 113), it passes through the accumulator 108 and circulates through the compressor 111.
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 bypasses the outdoor heat exchanger 104 and goes directly to the refrigerant flow direction change valve 130. The direction is changed and flows to the chiller (113).
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the second inlet 132 of the downstream connection line of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction and releases the refrigerant as is. Let it pass.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (112) expands as it passes through the first expansion valve (103), recovers the water heat source as it passes through the water-cooled condenser (102), and recovers the air heat source as it passes through the outdoor heat exchanger (104). retrieve it
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) passes through the refrigerant flow direction switching valve (130), passes through the chiller (113), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111).
  • the third expansion valve 161 turns on the flow of refrigerant and expands the refrigerant, so that some of the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger 112 is supplied to the evaporator 107 through the dehumidification line 160. This performs indoor dehumidification.
  • the second inlet 132 of the refrigerant flow direction change valve 130 the refrigerant passing through the outdoor heat exchanger 104 flows to the chiller 113 without expansion.
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the first inlet 131 of the branch line between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (112) expands while passing through the first expansion valve (103), recovers the water heat source while passing through the water-cooled condenser (102), and then passes through the refrigerant flow direction change valve (130) to the chiller ( After passing through 113), it passes through the accumulator 108 and circulates through the compressor 111.
  • the third expansion valve 161 turns on the flow of refrigerant and expands the refrigerant, so that some of the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger 112 is supplied to the evaporator 107 through the dehumidification line 160. This performs indoor dehumidification.
  • the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 bypasses the outdoor heat exchanger 104 and goes directly to the refrigerant flow direction change valve 130. The direction is changed and flows to the chiller (113).
  • the branch position of the dehumidification line 160 in the vehicle heat pump system according to the second embodiment of the present invention is different from that in the first embodiment. Since other configurations are the same as the first embodiment, description of overlapping configurations will be omitted.
  • the dehumidification line 160 is branched between the first expansion valve 103 and the water-cooled condenser 102.
  • the dehumidification line 160 is provided with an opening/closing valve 162 that controls only the amount of refrigerant.
  • the on/off valve 162 can control the degree of dehumidification by controlling the amount of refrigerant flowing into the dehumidification line 160. Since the electronic expansion valve (EXV) is relatively expensive, in the second embodiment, the amount of refrigerant already expanded in the first expansion valve 103 heading to the evaporator 107 is controlled even if only the relatively inexpensive on-off valve 162 is used. This allows you to efficiently control the degree of dehumidification.
  • EXV electronic expansion valve
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the second inlet 132 of the downstream connection line of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction and allows the refrigerant to pass as is. .
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (112) expands as it passes through the first expansion valve (103), recovers the water heat source as it passes through the water-cooled condenser (102), and recovers the air heat source as it passes through the outdoor heat exchanger (104). retrieve it
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) passes through the refrigerant flow direction switching valve (130), passes through the chiller (113), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111).
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the refrigerant passing through the outdoor heat exchanger 104 flows to the chiller 113 without expansion.
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the second inlet 132 of the downstream connection line of the outdoor heat exchanger 104 in the refrigerant flow direction and releases the refrigerant as is. Let it pass.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant passing through the indoor heat exchanger (112) expands as it passes through the first expansion valve (103), recovers the water heat source as it passes through the water-cooled condenser (102), and recovers the air heat source as it passes through the outdoor heat exchanger (104). retrieve it
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (104) passes through the refrigerant flow direction switching valve (130), passes through the chiller (113), passes through the accumulator (108), and circulates through the compressor (111).
  • the on-off valve 162 By turning on the flow of refrigerant through the on-off valve 162, some of the refrigerant that has passed through the first expansion valve 103 is supplied to the evaporator 107 through the dehumidification line 160, thereby performing indoor dehumidification.
  • the second inlet 132 of the refrigerant flow direction change valve 130 the refrigerant passing through the outdoor heat exchanger 104 flows to the chiller 113 without expansion.
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the first inlet 131 of the branch line between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (112) expands while passing through the first expansion valve (103), recovers the water heat source while passing through the water-cooled condenser (102), and then passes through the refrigerant flow direction change valve (130) to the chiller ( After passing through 113), it passes through the accumulator 108 and circulates through the compressor 111.
  • the third expansion valve 161 turns off the flow of refrigerant so that the refrigerant does not flow to the dehumidification line 160.
  • the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 bypasses the outdoor heat exchanger 104 and goes directly to the refrigerant flow direction change valve 130. The direction is changed and flows to the chiller (113).
  • the refrigerant flow direction switching valve 130 opens only the first inlet 131 of the branch line between the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant discharged from the compressor 111 passes through the indoor heat exchanger 112 and exchanges heat with indoor air to heat the indoor space.
  • the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (112) expands while passing through the first expansion valve (103), recovers the water heat source while passing through the water-cooled condenser (102), and then passes through the refrigerant flow direction change valve (130) to the chiller ( After passing through 113), it passes through the accumulator 108 and circulates through the compressor 111.
  • the on-off valve 162 turns on the flow of refrigerant, and some of the refrigerant that has passed through the first expansion valve 103 is supplied to the evaporator 107 through the dehumidification line 160 to dehumidify the room.
  • the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser 102 bypasses the outdoor heat exchanger 104 and goes directly to the refrigerant flow direction change valve 130. The direction is changed and flows to the chiller (113).
  • the present invention uses a complex heat source in the heating mode and is configured to flow the refrigerant that has passed through the water-cooled condenser (102) to the outdoor heat exchanger (104) in series. Equipped with a refrigerant flow direction change valve (130) that integrates the three-way valve and expansion valve functions, it functions as an expansion valve on the battery chiller (113) side in cooling mode to perform refrigerant expansion and refrigerant flow control functions, and in heating mode It performs a three-way valve function.
  • the refrigerant flow direction change valve 130 flows the refrigerant that sequentially passed through the water-cooled condenser 102 and the outdoor heat exchanger 104 in the maximum heating mode to the chiller 113, and in the partial heating mode, the refrigerant flows to the water-cooled condenser 113.
  • the outdoor heat exchanger (104) bypass mode can be implemented by flowing the refrigerant that has passed through (102) to the chiller (113).
  • the refrigerant flow direction change valve 130 must be provided with two inlets 131 and 132 and one outlet 133, and the refrigerant flowing into the first inlet 131 must be in a fully open state. It is configured to pass through the refrigerant and send it to the outlet 133, or to pass the refrigerant flowing into the second inlet 132 in an expanded or fully open state and send it to the outlet 133. In addition, it is configured so that both entrances 131 and 132 can be closed.
  • dehumidification mode it is possible to actively control the refrigerant flow rate on the evaporator 107 side using the separate dehumidification line 160 and the third expansion valve 161, which allows for various conditions (maximum heating and partial heating). etc.), sufficient dehumidification performance can be secured.
  • dehumidification mode can be implemented without adding a separate EXV, which can greatly help reduce costs.
  • the present invention can implement all functions of a heat pump while ensuring price competitiveness.
  • all air conditioning modes including cooling mode, cooling and battery cooling mode, maximum heating mode, maximum heating and dehumidification mode, partial heating mode, and partial heating and dehumidification mode, can be implemented by controlling the refrigerant flow using a total of four valves. . That is, all air conditioning modes can be implemented using a total of four expansion valves: the first expansion valve 103, the second expansion valve 106, the third expansion valve 161, and the refrigerant flow direction change valve 130.
  • the second expansion valve 106 can be configured with a TXV, which is relatively inexpensive compared to the EXV, which can significantly reduce the manufacturing cost, and by optimizing the branch location of the dehumidification line 160, the third expansion valve 161 can be additionally installed. ) can be replaced with an on-off valve (162), making it possible to configure a relatively inexpensive valve compared to EXV.
  • the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger is distributed to the chiller and evaporator, and a double pipe (internal heat exchanger) is generally installed in front of the evaporator to improve cooling performance. Because of this, low-pressure refrigerant must pass through a double pipe in order to pass through the evaporator for dehumidification, and heat pump performance deteriorates due to pressure loss.
  • a water-cooled condenser is used, but in heating mode, the use of the water-cooled condenser becomes unclear.
  • a double pipe (internal heat exchanger) is installed in front of the TXV (second expansion valve) after the battery chiller branch line in cooling mode, minimizing the pressure loss of the refrigerant flowing into the chiller after passing the outdoor heat exchanger in heating mode. can do.

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Abstract

팽창밸브의 개수를 최소화하면서 다양한 공조 모드의 구현이 가능하고 비교적 저가형으로 부품을 구성 가능하여 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 차량용 히트펌프 시스템이 개시된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 토출하는 압축기; 공조케이스 내에 구비되며 상기 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기; 냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에 구비되며 제1 냉각수와 열교환하는 수냉응축기; 냉매 유동 방향으로 상기 수냉응축기의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외열교환기; 공조케이스 내에 구비되며 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 증발기; 및 냉매 유동 방향으로 상기 실외열교환기의 하류에 구비되고 상기 증발기를 바이패스하는 냉매라인에 구비되며 제2 냉각수와 열교환하는 칠러를 포함하며, 상기 수냉응축기를 통과한 냉매가 실외열교환기를 바이패스하도록 하는 실외기바이패스라인을 구비하며, 상기 실외기바이패스라인은 상기 수냉응축기와 실외열교환기 사이에서 분기되며 냉매 유동 방향으로 상기 칠러의 상류에 연결된다.

Description

차량용 히트펌프 시스템
본 발명은 차량용 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차에 설치되어 수냉식 응축기 및 공냉식 응축기를 이용하는 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.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전기자동차에 설치되는 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(8)와, 실내열교환기(4)와, 제1 팽창밸브(11)와, 실외열교환기(6)와, 제2 팽창밸브(5)와, 증발기(3)를 포함하여 이루어진다. 또한, 냉매 유동 방향으로 압축기(8)의 상류에는 어큐뮬레이터(9)가 구비된다.
실외열교환기(6)와 제2 팽창밸브(5) 사이에는 증발기(3)를 바이패스하는 증발기바이패스라인(31)이 형성되고, 바이패스 냉매량을 제어하는 제1 방향전환밸브(24)가 구비된다. 증발기바이패스라인(31)에 칠러(14)가 구비된다. 제1 팽창밸브(11)는 냉매라인(30)에서 분기된 팽창라인(33)에 오리피스(21)가 병렬로 설치되며, 분기지점에 투웨이밸브(22)가 설치된다.
또한, 냉매라인(30)에는 실외열교환기(6)를 바이패스하는 실외기바이패스라인(32)이 형성되고, 바이패스 냉매량을 제어하는 제2 방향전환밸브(23)가 구비된다. 또한, 냉매 유동 방향으로 제2 방향전환밸브(23)의 상류에 제습라인(34)이 분기되어 냉매가 증발기(3)로 공급되도록 형성된다. 아울러, 칠러(14)는 차량 전장품(35)을 순환하는 냉각수와 증발기바이패스라인(31)을 통과하는 냉매를 서로 열교환시킨다.
공조케이스(1) 내의 공기유로에는 증발기(3)와 실내열교환기(4)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 증발기(3)는 이를 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 냉각시키며, 실내열교환기(4)는 이릍 통과하는 공기와 열교환하여 공기를 가열시킨다. 증발기(3)와 실내열교환기(4) 사이에는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(2)가 구비된다. 공기 유동 방향으로 실내열교환기(4)의 하류에는 PTC히터(7)가 더 구비될 수 있다.
냉방 모드 시, 도 1에 도시된 것처럼, 압축기(8)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(4)를 통과하고 제1 팽창밸브(11)를 그대로 통과한 후 실외열교환기(6)를 지난다. 실외열교환기(6)를 지난 냉매는 제2 팽창밸브(5)에서 팽창한 후 증발기(3)에서 흡열한 후 어큐뮬레이터(9)를 지나 압축기(8)를 순환한다. 이 경우, 증발기(3)를 통과하는 공기는 냉매와 열교환되어 냉각됨으로써 실내 냉방을 수행하게 된다.
난방 모드 시, 도 2에 도시된 것처럼, 압축기(8)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(4)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 실내열교환기(4)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(11)의 오리피스(21)를 지나면서 팽창하고 실외열교환기(6)를 지나면서 흡열한 후, 증발기바이패스라인(31)을 따라 칠러(14)로 순환하며 증발기(3)를 바이패스한다. 냉매는 칠러(14)에서 전장폐열을 회수한 후 어큐뮬레이터(9)를 지나 압축기(8)를 순환한다.
종래의 차량용 히트펌프 시스템은 전장품(35)의 폐열만을 회수하는 시스템이라는 한계가 있다. 만약, 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 통해 배터리 폐열을 쿨링하기 위해서는 실외열교환기를 통과하는 냉매 일부가 배터리 칠러 측으로 분기하도록 구성할 수 있으나, 이 경우 배터리 쿨링을 위한 냉매 라인이 불가피하게 추가되며 부품수가 증가하는 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 팽창밸브의 개수를 최소화하면서 다양한 공조 모드의 구현이 가능하고 비교적 저가형으로 부품을 구성 가능하여 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 차량용 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 토출하는 압축기; 공조케이스 내에 구비되며 상기 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기; 냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에 구비되며 제1 냉각수와 열교환하는 수냉응축기; 냉매 유동 방향으로 상기 수냉응축기의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외열교환기; 공조케이스 내에 구비되며 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 증발기; 및 냉매 유동 방향으로 상기 실외열교환기의 하류에 구비되고 상기 증발기를 바이패스하는 냉매라인에 구비되며 제2 냉각수와 열교환하는 칠러를 포함하며, 상기 수냉응축기를 통과한 냉매가 실외열교환기를 바이패스하도록 하는 실외기바이패스라인을 구비하며, 상기 실외기바이패스라인은 상기 수냉응축기와 실외열교환기 사이에서 분기되며 냉매 유동 방향으로 상기 칠러의 상류에 연결된다.
상기 실외기바이패스라인과 칠러의 상류 냉매라인의 연결부위에 배치되며, 상기 수냉응축기를 통과한 냉매를 선택적으로 실외열교환기를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 삼방향밸브 기능을 수행함과 아울러 냉매를 팽창시키는 냉매흐름 방향전환밸브를 구비한다.
상기 냉매흐름 방향전환밸브는 2개의 입구와 1개의 출구로 구성되고, 제1 입구는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인에 연결되며, 제2 입구는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기의 하류에 연결되고, 출구는 칠러에 연결된다.
상기 제1 입구는 냉매 흐름의 온오프 기능만 수행하고, 상기 제2 입구는 냉매 흐름의 온오프 기능과 함께 냉매 팽창 기능을 함께 수행하도록 구성된다.
상기 실내열교환기와 수냉응축기 사이에 배치되며 선택적으로 냉매를 팽창시키거나 그대로 통과시키는 제1 팽창밸브; 및 냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 배치되며 냉매를 팽창시키는 팽창시키는 제2 팽창밸브를 구비한다.
상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV) 구조로 이루어지고, 상기 제1 팽창밸브는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV)로 이루어지며, 상기 제2 팽창밸브는 팽창기능만 갖는 온도조절식팽창밸브(TXV)로 이루어진다.
상기 제1 냉각수는 차량의 전장품을 순환하고, 상기 제2 냉각수는 차량의 배터리를 순환한다.
냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에서 분기되어 증발기의 상류에 연결되는 제습라인을 구비하며, 상기 제습라인은 제2 팽창밸브와 증발기 사이에 연결된다.
상기 제습라인은 실내열교환기와 제1 팽창밸브 사이에서 분기되며, 상기 제습라인에 냉매량을 제어할 수 있고 냉매를 팽창시키는 제3 팽창밸브를 구비한다.
상기 제습라인은 제1 팽창밸브와 수냉응축기 사이에서 분기되며, 상기 제습라인에 냉매량만을 제어하는 개폐밸브를 구비한다.
냉방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 입구를 모두 폐쇄하여 냉매 흐름을 차단하고, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 제2 팽창밸브, 증발기, 압축기를 순환하도록 제어되며; 냉방 모드이면서 배터리쿨링 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 팽창하여, 실외열교환기를 통과한 냉매 중 일부가 칠러를 통과하도록 제어된다.
최대난방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 그대로 통과시켜, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며; 부분난방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인의 입구만 개방하여, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어된다.
최대난방 모드이면서 제습 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 그대로 통과시켜, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며, 실내열교환기를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인을 통해 증발기로 공급되고; 부분난방 모드이면서 제습 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인의 입구만 개방하여, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며, 실내열교환기를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인을 통해 증발기로 공급된다.
본 발명의 다른 양상에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 냉매를 토출하는 압축기; 공조케이스 내에 구비되며 상기 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기; 냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에 구비되며 제1 냉각수와 열교환하는 수냉응축기; 냉매 유동 방향으로 상기 수냉응축기의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외열교환기; 공조케이스 내에 구비되며 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 증발기; 및 냉매 유동 방향으로 상기 실외열교환기의 하류에 구비되고 상기 증발기를 바이패스하는 냉매라인에 구비되며 제2 냉각수와 열교환하는 칠러를 포함하며, 상기 수냉응축기를 통과한 냉매를 선택적으로 실외열교환기를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 삼방향밸브 기능을 수행함과 아울러 냉매를 팽창시키는 냉매흐름 방향전환밸브를 구비하며, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 실외열교환기를 통과한 냉매만을 팽창 가능하도록 구성된다.
본 발명에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 가격 경쟁력을 확보하면서 히트펌프의 모든 기능을 구현할 수 있다. 즉, 냉방 모드, 냉방 및 배터리쿨링 모드, 최대난방 모드, 최대난방 및 제습 모드, 부분난방 모드, 부분난방 및 제습 모드 등 모든 공조모드를 총 4개의 밸브를 이용하여 냉매흐름을 제어함으로써 구현할 수 있다. 즉, 수열원 및 공기열원을 회수하는 최대난방 모드와 최대난방 및 제습 모드를 작동 가능하며, 수열원만 온리(Only) 회수하는 부분난방 모드와 부분난방 및 제습 모드를 작동 가능하다. 아울러, 냉방 모드, 냉방 및 배터리쿨링 모드, 배터리쿨링 온리(Only) 모드 등을 구현 가능하다.
또한, 밸브의 개수를 최소화하면서도 실외열교환기 바이패스 모드를 구현 가능하여 실외열교환기 착상 또는 전장폐열 과다 환경 등의 문제점을 효율적으로 해결할 수 있다. 아울러, 이중관(내부열교환기)이 냉방 모드 기준 배터리 칠러 분기라인 이후인 TXV(제2 팽창밸브) 전단에 설치되어 난방 모드 시 실외열교환기 후단을 지나 칠러로 유입되는 냉매의 압력손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 차량용 히트펌프 시스템의 난방 모드를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉매흐름 방향전환밸브를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 모드를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 냉방 및 배터리쿨링 모드를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 최대난방 모드를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 부분난방 모드를 도시한 것이며,
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 최대난방 및 제습 모드를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 부분난방 및 제습 모드를 도시한 것이며,
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 최대난방 모드를 도시한 것이며,
도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 최대난방 및 제습 모드를 도시한 것이고,
도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 부분난방 모드를 도시한 것이며,
도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템의 부분난방 및 제습 모드를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 히트펌프 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 배터리(Battery:181)와 PE모듈(Power Electric Module) 등의 전장품(191)을 갖는 전기자동차(EV: Electic Vehicle) 등에 설치된다. 차량용 히트펌프 시스템은 냉매라인(110)과, 제1 냉각수라인(190)과, 제2 냉각수라인(180)과, 실외기바이패스라인(150)과, 증발기바이패스라인(170) 및 제습라인(160)을 포함한다.
냉매라인(110)에는 압축기(111), 실내열교환기(112), 제1 팽창밸브(103), 수냉응축기(102), 실외열교환기(104), 제2 팽창밸브(106), 증발기(107), 어큐뮬레이터(108)가 순차로 구비된다. 압축기(111)는 냉매를 압축하여 고온고압의 상태로 토출한다. 실내열교환기(112)는 공조케이스(140) 내에 구비되며, 압축기(111)에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방한다.
공조케이스(140) 내의 공기유로에는 증발기(107)와 실내열교환기(112)가 공기 유동 방향으로 순차로 구비된다. 공조케이스(140)의 공기유입구 쪽에는 공기를 송풍하기 위한 블로워유닛이 구비된다. 증발기(107)와 실내열교환기(112) 사이에는 차량 실내로 토출되는 공기의 온도를 조절하기 위한 템프도어(141)가 구비된다. 템프도어(141)는 공조케이스(140) 내에서 회전됨에 따라, 냉풍유로와 온풍유로 간의 공기양을 조절한다. 공기 유동 방향으로 실내열교환기(112)의 하류에는 PTC히터(142)가 더 구비될 수 있다.
제1 팽창밸브(103)는 실내열교환기(112)와 수냉응축기(102) 사이에 배치되며, 선택적으로 냉매를 팽창시키거나 팽창없이 그대로 통과시킨다. 아울러, 수냉응축기(102)는 냉매 유동 방향으로 실내열교환기(112)의 하류에 구비되며, 제1 냉각수와 열교환한다. 즉, 상기 수냉응축기(102)는 제1 팽창밸브(103)와 실외열교환기(104) 사이에 배치되어, 전장품(191)을 순환하는 제1 냉각수라인(190)의 제1 냉각수와 열교환한다.
실외열교환기(104)는 냉매 유동 방향으로 수냉응축기(102)의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시킨다. 제2 팽창밸브(106)는 냉매 유동 방향으로 증발기(107)의 상류에 배치되며, 냉매를 팽창시키는 기능을 한다. 즉, 제2 팽창밸브(106)는 실외열교환기(104)와 증발기(107) 사이에 구비되어, 냉매의 팽창 기능만을 수행한다. 증발기(107)는 공조케이스(140) 내에 구비되며, 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방한다.
실외기바이패스라인(150)은 수냉응축기(102)를 통과한 냉매가 실외열교환기(104)를 바이패스하도록 한다. 증발기바이패스라인(170)은 실외열교환기(104)와 제2 팽창밸브(106) 사이에서 분기되어 증발기(107)와 어큐뮬레이터(108) 사이에 연결된다. 증발기바이패스라인(170)은 실외열교환기(104)를 통과한 냉매가 증발기(107)를 바이패스하도록 한다.
증발기바이패스라인(170)에는 칠러(113)가 구비된다. 즉, 칠러(113)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104)의 하류에 구비되고 증발기(107)를 바이패스하는 냉매라인에 구비되어 제2 냉각수와 열교환한다. 칠러(113)는 배터리(181)를 순환하는 제2 냉각수라인(180)의 제2 냉각수와 열교환한다. 실외기바이패스라인(150)은 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이에서 분기되며, 냉매 유동 방향으로 칠러(113)의 상류에 연결된다.
차량용 히트펌프 시스템은 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 구비한다. 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 실외기바이패스라인(150)과 칠러(113)의 상류 냉매라인의 연결부위에 배치된다. 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)를 통과한 냉매를 선택적으로 실외열교환기(104)를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 삼방향밸브 기능을 수행함과 아울러 냉매를 팽창시키는 기능을 수행한다. 즉, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)를 지나 칠러(113)로 흐르는 냉매는 팽창시키지 않고 실외열교환기(104)를 통과한 냉매만을 팽창 가능하도록 구성된다.
도 4를 더 참조하면, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 2개의 입구(131,132)와 1개의 출구(133)로 구성된다. 제1 입구(131)는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이 분기라인에 연결되고, 제2 입구(132)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104)의 하류에 연결되며, 출구(133)는 칠러(113)에 연결된다. 즉, 제1 입구(131)는 실외기바이패스라인(150)에 연결되며, 제2 입구(132)는 증발기바이패스라인(170)에 연결된다.
아울러, 제1 입구(131)는 냉매 흐름의 온오프(ON/OFF) 기능만 수행하고, 제2 입구(132)는 냉매 흐름의 온오프(ON/OFF) 기능과 함께 냉매 팽창 기능을 함께 수행하도록 구성된다. 이 경우, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV: Electronic Expansion Valve) 구조로 이루어진다. 또한, 제1 팽창밸브(103)는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV)로 이루어지며, 제2 팽창밸브(106)는 팽창기능만 갖는 온도조절식팽창밸브(TXV: Thermostatic Expansion Valve)로 이루어진다.
제습라인(160)은 냉매 유동 방향으로 실내열교환기(112)의 하류에서 분기되어, 증발기(107)의 상류에 연결된다. 더욱 상세하게는, 제습라인(160)은 제2 팽창밸브(106)와 증발기(107) 사이 냉매라인에 연결된다. 또한, 제습라인(160)은 실내열교환기(112)와 제1 팽창밸브(103) 사이에서 분기된다. 제습라인(160)에는 제3 팽창밸브(161)가 구비된다. 제3 팽창밸브(161)는 제습라인(160)으로 유동하는 냉매량을 제어할 수 있고 냉매를 팽창시킬 수 있도록 전자식팽창밸브(EXV) 구조로 이루어진다.
도 5를 더 참조하면, 냉방 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 입구(131,132)를 모두 폐쇄하여 냉매 흐름을 차단한다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 지나 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 수냉응축기(102)를 지나 1차 응축되고 실외열교환기(104)를 지나 2차 응축된다. 실외열교환기(104)를 지난 냉매는 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 증발기(107)에서 흡열한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다.
이와 같이, 증발기(107)를 통과하는 공기는 냉매와 열교환되어 냉각됨으로써 실내 냉방을 수행한다. 제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제1 입구(131) 및 제2 입구(132)의 폐쇄에 의해, 실외기바이패스라인(150) 및 증발기바이패스라인(170)으로 냉매는 흐르지 않게 되어, 칠러(113)에서 배터리(181) 냉각은 이루어지지 않는다.
도 6을 더 참조하면, 냉방 및 배터리쿨링 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104) 하류측 연결라인의 제2 입구(132)만 개방하고 냉매를 팽창한다. 즉, 실외열교환기(104)를 통과한 냉매 중 일부가 칠러(113)를 통과하도록 제어된다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 지나 제1 팽창밸브(103)를 그대로 통과한 후 수냉응축기(102)를 지나 1차 응축되고 실외열교환기(104)를 지나 2차 응축된다.
실외열교환기(104)를 지난 냉매 중 일부는 제2 팽창밸브(106)에서 팽창한 후 증발기(107)에서 흡열한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환하며, 다른 일부는 냉매흐름 방향전환밸브(130)에서 팽창한 후 칠러(113)에서 흡열한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다. 증발기(107)를 통과하는 공기는 냉매와 열교환되어 냉각됨으로써 실내 냉방을 수행한다. 제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제2 입구(132) 개방과 냉매 팽창에 의해, 칠러(113)에서 배터리(181) 냉각이 이루어진다.
도 7을 더 참조하면, 최대난방 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104) 하류측 연결라인의 제2 입구(132)만 개방하고 냉매를 그대로 통과시킨다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 아울러, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수하며 실외열교환기(104)를 지나면서 공기열원을 회수한다.
실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 통과한 후 칠러(113)를 통과하고 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다. 제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제2 입구(132) 개방에 의해 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 팽창없이 칠러(113)로 흐른다.
도 8을 더 참조하면, 부분난방 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이 분기라인의 제1 입구(131)만 개방한다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수한 후, 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 지나 칠러(113)를 통과한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다.
제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제1 입구(131) 개방에 의해 수냉응축기(102)를 통과한 냉매는 실외열교환기(104)를 바이패스하고 바로 냉매흐름 방향전환밸브(130)로 방향전환되어 칠러(113)로 흐른다.
도 9를 더 참조하면, 최대난방 및 제습 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104) 하류측 연결라인의 제2 입구(132)만 개방하고 냉매를 그대로 통과시킨다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 아울러, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수하며 실외열교환기(104)를 지나면서 공기열원을 회수한다.
실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 통과한 후 칠러(113)를 통과하고 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다. 제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 온(ON)시킴과 아울러 냉매를 팽창시켜, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인(160)을 통해 증발기(107)로 공급됨으로써 실내 제습을 수행한다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제2 입구(132) 개방에 의해 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 팽창없이 칠러(113)로 흐른다.
도 10을 더 참조하면, 부분난방 및 제습 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이 분기라인의 제1 입구(131)만 개방한다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수한 후, 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 지나 칠러(113)를 통과한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다.
제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 온(ON)시킴과 아울러 냉매를 팽창시켜, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인(160)을 통해 증발기(107)로 공급됨으로써 실내 제습을 수행한다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제1 입구(131) 개방에 의해 수냉응축기(102)를 통과한 냉매는 실외열교환기(104)를 바이패스하고 바로 냉매흐름 방향전환밸브(130)로 방향전환되어 칠러(113)로 흐른다.
한편, 도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 히트펌프 시스템은 제1 실시 예와 비교하여 제습라인(160)의 분기 위치가 상이하다. 그 밖의 다른 구성은 제1 실시 예와 동일하므로 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
제2 실시 예에 따른 제습라인(160)은 제1 팽창밸브(103)와 수냉응축기(102) 사이에서 분기된다. 또한, 제습라인(160)에 냉매량만을 제어하는 개폐밸브(162)가 구비된다. 개폐밸브(162)는 제습라인(160)으로 흐르는 냉매량을 제어하여 제습 정도를 제어할 수 있다. 전자식팽창밸브(EXV)는 비교적 고가이므로, 제2 실시 예에서는 비교적 저가의 개폐밸브(162)만을 사용하여도 제1 팽창밸브(103)에서 이미 팽창된 냉매가 증발기(107)로 향하는 양을 제어할 수 있어 제습 정도를 효율적으로 제어할 수 있다.
도 12를 더 참조하면, 최대난방 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104) 하류측 연결라인의 제2 입구(132)만 개방하고 냉매를 그대로 통과시킨다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 아울러, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수하며 실외열교환기(104)를 지나면서 공기열원을 회수한다.
실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 통과한 후 칠러(113)를 통과하고 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다. 제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제2 입구(132) 개방에 의해 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 팽창없이 칠러(113)로 흐른다.
도 13을 더 참조하면, 최대난방 및 제습 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기(104) 하류측 연결라인의 제2 입구(132)만 개방하고 냉매를 그대로 통과시킨다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 아울러, 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수하며 실외열교환기(104)를 지나면서 공기열원을 회수한다.
실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 통과한 후 칠러(113)를 통과하고 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다. 개폐밸브(162) 냉매의 흐름을 온(ON)시켜, 제1 팽창밸브(103)를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인(160)을 통해 증발기(107)로 공급됨으로써 실내 제습을 수행한다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제2 입구(132) 개방에 의해 실외열교환기(104)를 통과한 냉매는 팽창없이 칠러(113)로 흐른다.
도 14를 더 참조하면, 부분난방 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이 분기라인의 제1 입구(131)만 개방한다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수한 후, 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 지나 칠러(113)를 통과한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다.
제3 팽창밸브(161)는 냉매의 흐름을 오프(OFF)시켜 제습라인(160)으로 냉매는 흐르지 않는다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제1 입구(131) 개방에 의해 수냉응축기(102)를 통과한 냉매는 실외열교환기(104)를 바이패스하고 바로 냉매흐름 방향전환밸브(130)로 방향전환되어 칠러(113)로 흐른다.
도 15를 더 참조하면, 부분난방 및 제습 모드 시, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104) 사이 분기라인의 제1 입구(131)만 개방한다. 압축기(111)에서 토출된 고온고압의 냉매는 실내열교환기(112)를 통과하면서 실내 공기와 열교환하여 실내 난방을 수행한다. 실내열교환기(112)를 통과한 냉매는 제1 팽창밸브(103)를 지나면서 팽창하고 수냉응축기(102)를 통과하면서 수열원을 회수한 후, 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 지나 칠러(113)를 통과한 후 어큐뮬레이터(108)를 지나 압축기(111)를 순환한다.
개폐밸브(162)는 냉매의 흐름을 온(ON)시켜, 제1 팽창밸브(103)를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인(160)을 통해 증발기(107)로 공급됨으로써 실내 제습을 수행한다. 또한, 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 제1 입구(131) 개방에 의해 수냉응축기(102)를 통과한 냉매는 실외열교환기(104)를 바이패스하고 바로 냉매흐름 방향전환밸브(130)로 방향전환되어 칠러(113)로 흐른다.
정리하면, 본 발명은 난방 모드 시 복합 열원을 사용하며 수냉응축기(102)를 통과한 냉매를 직렬로 실외열교환기(104)로 흐르도록 구성된다. 삼방향밸브와 팽창밸브 기능을 일체화시킨 냉매흐름 방향전환밸브(130)를 구비하여, 냉방 모드 시 배터리용 칠러(113)측 팽창밸브로 기능하여 냉매팽창 및 냉매유량조절 기능을 수행하며, 난방 모드 시 삼방향밸브 기능을 수행한다.
더욱 상세하게는, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 최대난방 모드 시 수냉응축기(102)와 실외열교환기(104)를 차례로 통과한 냉매를 칠러(113)로 흐르게 하고, 부분난방 모드 시 수냉응축기(102)를 통과한 냉매를 칠러(113)로 흐르게 하여 실외열교환기(104) 바이패스 모드를 구현할 수 있다.
이를 구현하기 위해, 냉매흐름 방향전환밸브(130)는 2개의 입구(131,132)와 1개의 출구(133)를 구비하여야 하며, 제1 입구(131)로 유입된 냉매를 최대 개방(Full Open) 상태로 통과시켜 출구(133)로 보내거나, 제2 입구(132)로 유입된 냉매를 팽창 또는 최대 개방(Full Open) 상태로 통과시켜 출구(133)로 보낼 수 있도록 구성된다. 아울러, 2개의 입구(131,132)를 모두 폐쇄(Close)할 수 있도록 구성된다.
한편, 제습 모드를 구현하기 위해 별도의 제습라인(160)과 제3 팽창밸브(161)를 이용하여 능동적으로 증발기(107) 측 냉매 유량 조절이 가능하며, 이로 인해 다양한 조건(최대난방 및 부분난방 등)에서 제습 성능을 충분히 확보할 수 있다. 아울러, 제습라인의 분기 위치를 최적화하면 별도의 EXV를 추가하지 않아도 제습 모드를 구현할 수 있어 원가 절감에 큰 도움을 줄 수 있다.
또한. 본 발명은 가격 경쟁력을 확보하면서 히트펌프의 모든 기능을 구현할 수 있다. 즉, 냉방 모드, 냉방 및 배터리쿨링 모드, 최대난방 모드, 최대난방 및 제습 모드, 부분난방 모드, 부분난방 및 제습 모드 등 모든 공조모드를 총 4개의 밸브를 이용하여 냉매흐름을 제어함으로써 구현할 수 있다. 즉, 제1 팽창밸브(103), 제2 팽창밸브(106), 제3 팽창밸브(161), 냉매흐름 방향전환밸브(130) 총 4개의 팽창밸브를 이용해 모든 공조모드 구현이 가능하다.
본 발명에서 설명한 모든 공조모드를 구현하기 위해서는 종래의 구성으로는 최소 5개 이상의 팽창밸브를 필요로 한다. 본 발명에서는 실외기바이패스라인(150), 증발기바이패스라인(170)의 분기 위치 및 연결 위치, 그리고 냉매흐름 방향전환밸브(130)의 위치 최적화를 통해 팽창밸브의 개수를 줄이면서 다양한 공조 모드를 구현할 수 있는 것이다.
아울러, 제2 팽창밸브(106)는 EXV에 비해 상대적으로 저렴한 TXV로 구성할 수 있어 더욱 제조 원가를 획기적으로 낮출 수 있으며, 제습라인(160)의 분기 위치를 최적화하면 추가적으로 제3 팽창밸브(161)를 개폐밸브(162)로 대체할 수 있어 EXV에 비해 상대적으로 저렴한 밸브 구성이 가능하다.
한편, 종래의 히트펌프 시스템을 통해 본원발명과 같은 공조모드를 구현하기 위해 3개의 전자식팽창밸브(EXV: Electronic Expansion Valve)를 사용할 경우, 난방 모드 시 실외열교환기를 우회할 수 있는 모두를 구현할 수 없다. 이로 인해, 실외열교환기에 착상 방지 시 실외열교환기 바이패스 모드를 구현할 수 없고, 전장폐열 과다 발생 시 실외열교환기 바이패스를 통한 수열원 온리(Only) 모드를 구현할 수 없다
또한, 난방 제습 모드 시, 실외열교환기를 통과한 냉매를 칠러와 증발기 측으로 분배하며, 증발기 전단에는 냉방 성능 향상을 위한 이중관(내부열교환기)이 일반적으로 설치되어야 한다. 이로 인해, 저압의 냉매가 제습을 위해 증발기를 통과하기 위해서는 이중관을 통과해야만 하므로, 압력 손실로 인해 히트펌프 성능이 저하된다. 아울러, 냉방 모드 시, 수냉응축기를 사용하지만 난방 모드 시 수냉응축기의 쓰임이 불분명해진다. 하지만, 본원발명은 이중관(내부열교환기)이 냉방 모드 기준 배터리 칠러 분기라인 이후인 TXV(제2 팽창밸브) 전단에 설치되어 난방 모드 시 실외열교환기 후단을 지나 칠러로 유입되는 냉매의 압력손실을 최소화할 수 있다.
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 (15)

  1. 냉매를 토출하는 압축기; 공조케이스 내에 구비되며 상기 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기; 냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에 구비되며 제1 냉각수와 열교환하는 수냉응축기; 냉매 유동 방향으로 상기 수냉응축기의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외열교환기; 공조케이스 내에 구비되며 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 증발기; 및 냉매 유동 방향으로 상기 실외열교환기의 하류에 구비되고 상기 증발기를 바이패스하는 냉매라인에 구비되며 제2 냉각수와 열교환하는 칠러를 포함하며,
    상기 수냉응축기를 통과한 냉매가 실외열교환기를 바이패스하도록 하는 실외기바이패스라인을 구비하며,
    상기 실외기바이패스라인은 상기 수냉응축기와 실외열교환기 사이에서 분기되며 냉매 유동 방향으로 상기 칠러의 상류에 연결되는 차량용 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 실외기바이패스라인과 칠러의 상류 냉매라인의 연결부위에 배치되며, 상기 수냉응축기를 통과한 냉매를 선택적으로 실외열교환기를 통과하거나 바이패스하도록 냉매 흐름을 제어하는 냉매흐름 방향전환밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 냉매흐름 방향전환밸브는 삼방향밸브 기능을 수행함과 아울러 냉매를 팽창시키는 기능을 수행 가능한 차량용 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 냉매흐름 방향전환밸브는 2개의 입구와 1개의 출구로 구성되고, 제1 입구는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인에 연결되며, 제2 입구는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기의 하류에 연결되고, 출구는 칠러에 연결되는 차량용 히트펌프 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 입구는 냉매 흐름의 온오프 기능만 수행하고, 상기 제2 입구는 냉매 흐름의 온오프 기능과 함께 냉매 팽창 기능을 함께 수행하도록 구성된 차량용 히트펌프 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 실내열교환기와 수냉응축기 사이에 배치되며 선택적으로 냉매를 팽창시키거나 그대로 통과시키는 제1 팽창밸브; 및
    냉매 유동 방향으로 증발기의 상류에 배치되며 냉매를 팽창시키는 팽창시키는 제2 팽창밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV) 구조로 이루어지고,
    상기 제1 팽창밸브는 냉매량을 제어할 수 있는 전자식팽창밸브(EXV)로 이루어지며, 상기 제2 팽창밸브는 팽창기능만 갖는 온도조절식팽창밸브(TXV)로 이루어지는 차량용 히트펌프 시스템.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수는 차량의 전장품을 순환하고, 상기 제2 냉각수는 차량의 배터리를 순환하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  9. 제6 항에 있어서,
    냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에서 분기되어 증발기의 상류에 연결되는 제습라인을 구비하며,
    상기 제습라인은 제2 팽창밸브와 증발기 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제습라인은 실내열교환기와 제1 팽창밸브 사이에서 분기되며,
    상기 제습라인에 냉매량을 제어할 수 있고 냉매를 팽창시키는 제3 팽창밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제습라인은 제1 팽창밸브와 수냉응축기 사이에서 분기되며,
    상기 제습라인에 냉매량만을 제어하는 개폐밸브를 구비하는 차량용 히트펌프 시스템.
  12. 제6 항에 있어서,
    냉방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 입구를 모두 폐쇄하여 냉매 흐름을 차단하고, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 제2 팽창밸브, 증발기, 압축기를 순환하도록 제어되며;
    냉방 모드이면서 배터리쿨링 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 팽창하여, 실외열교환기를 통과한 냉매 중 일부가 칠러를 통과하도록 제어되는 차량용 히트펌프 시스템.
  13. 제6 항에 있어서,
    최대난방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 그대로 통과시켜, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며;
    부분난방 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인의 입구만 개방하여, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되는 차량용 히트펌프 시스템.
  14. 제9 항에 있어서,
    최대난방 모드이면서 제습 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 냉매 유동 방향으로 실외열교환기 하류측 연결라인의 입구만 개방하고 냉매를 그대로 통과시켜, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 실외열교환기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며, 실내열교환기를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인을 통해 증발기로 공급되고;
    부분난방 모드이면서 제습 모드 시, 상기 냉매흐름 방향전환밸브는 수냉응축기와 실외열교환기 사이 분기라인의 입구만 개방하여, 냉매가 압축기, 실내열교환기, 제1 팽창밸브, 수냉응축기, 냉매흐름 방향전환밸브, 칠러, 압축기를 순환하도록 제어되며, 실내열교환기를 통과한 냉매 중 일부는 제습라인을 통해 증발기로 공급되는 차량용 히트펌프 시스템.
  15. 냉매를 토출하는 압축기; 공조케이스 내에 구비되며 상기 압축기에서 토출된 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 난방하는 실내열교환기; 냉매 유동 방향으로 상기 실내열교환기의 하류에 구비되며 제1 냉각수와 열교환하는 수냉응축기; 냉매 유동 방향으로 상기 수냉응축기의 하류에 구비되며 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외열교환기; 공조케이스 내에 구비되며 냉매를 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 증발기; 및 냉매 유동 방향으로 상기 실외열교환기의 하류에 구비되고 상기 증발기를 바이패스하는 냉매라인에 구비되며 제2 냉각수와 열교환하는 칠러를 포함하며,
    상기 수냉응축기를 통과한 냉매를 선택적으로 실외열교환기를 통과하거나 바이패스하도록 제어하는 삼방향밸브 기능을 수행함과 아울러 냉매를 팽창시키는 냉매흐름 방향전환밸브를 구비하며,
    상기 냉매흐름 방향전환밸브는 실외열교환기를 통과한 냉매만을 팽창 가능하도록 구성되는 차량용 히트펌프 시스템.
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