WO2024253429A1 - 차량용 열관리 유체 모듈 - Google Patents

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WO2024253429A1
WO2024253429A1 PCT/KR2024/007724 KR2024007724W WO2024253429A1 WO 2024253429 A1 WO2024253429 A1 WO 2024253429A1 KR 2024007724 W KR2024007724 W KR 2024007724W WO 2024253429 A1 WO2024253429 A1 WO 2024253429A1
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heat exchanger
refrigerant
heat
thermal management
fluid module
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PCT/KR2024/007724
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김민성
김무중
김성훈
노경태
신영민
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Hanon Systems Corp
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Hanon Systems Corp
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    • F25B2400/00—Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/13—Economisers

Definitions

  • the present invention relates to a thermal management fluid module for a vehicle, and more specifically, to a thermal management fluid module for a vehicle in which components such as a heat exchanger 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 heating and cooling.
  • a thermal management system is one that absorbs low-temperature heat and moves the absorbed heat to high-temperature heat.
  • a thermal management system has a cycle in which liquid refrigerant evaporates in an evaporator, takes heat from the surroundings, becomes a gas, and then liquefies while releasing heat to the surroundings through a condenser. If this is applied to electric or hybrid vehicles, it has the advantage of securing a heat source that is lacking in conventional air conditioning devices.
  • the present invention provides a vehicle thermal management fluid module that minimizes heat loss by positioning a relatively heavy compressor below and a heat exchanger for exchanging heat with a refrigerant above, thereby shortening the refrigerant line between the compressor and the heat exchanger, and enables the overall vehicle thermal management fluid module to be configured compactly by utilizing the upper space of the compressor.
  • a vehicle thermal management fluid module in which the entire thermal management system can have its performance controlled by controlling the distribution amount of refrigerant branched through the opening amount of the first expansion valve.
  • a vehicle thermal management fluid module includes a plurality of heat exchangers used in a vehicle interior and electrical equipment thermal management system, the vehicle thermal management fluid module including a compressor that compresses a refrigerant to high temperature and high pressure, and the heat exchanger that exchanges heat with the refrigerant can be arranged above the compressor.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the cooling water may be placed at least on either the front or rear side of the compressor.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the cooling water can be placed at the front or rear of the compressor.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the cooling water may include a first heat exchanger through which a high-temperature refrigerant flows; and a second heat exchanger through which a low-temperature refrigerant flows.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the refrigerant may include an economizer in which the refrigerant discharged from the first heat exchanger is introduced and heat-exchanged; and an internal heat exchanger in which the refrigerant discharged from the economizer is heat-exchanged with the refrigerant discharged from the second heat exchanger after heat exchange.
  • the above economizer and the internal heat exchanger can be combined so as to be stacked in a horizontal direction.
  • the refrigerant flowing out from the first heat exchanger is branched and heat exchanged, with some being expanded through the first expansion valve and the remainder being heat exchanged while passing through the economizer and the internal heat exchanger.
  • the refrigerant expanded in the first expansion valve may be introduced into the compressor after heat exchange in the economizer, and the refrigerant not expanded in the first expansion valve may be heat exchanged with the refrigerant introduced after heat exchange in the second heat exchanger in the internal heat exchanger.
  • the distribution of the refrigerant flowing out from the first heat exchanger can be controlled by the opening amount of the first expansion valve.
  • the upper part of the compressor may be provided with an inlet port and a vapor injection port into which refrigerant flowing out of the economizer and the internal heat exchanger is introduced.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the cooling water can be respectively placed at the front and rear of the compressor.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the cooling water may include a first heat exchanger arranged in front of the compressor and through which a high-temperature refrigerant flows; and a second heat exchanger arranged in the rear of the compressor and through which a low-temperature refrigerant flows.
  • the heat exchanger for exchanging heat with the refrigerant may include an economizer in which the refrigerant discharged from the first heat exchanger is introduced and heat-exchanged; and an internal heat exchanger in which the refrigerant discharged from the economizer is heat-exchanged with the refrigerant discharged from the second heat exchanger after heat exchange.
  • the above economizer and the internal heat exchanger are laminated and connected, and the economizer can be arranged to face the first heat exchanger, and the internal heat exchanger can be arranged to face the second heat exchanger.
  • the heat exchanger is differently arranged around the compressor depending on the difference in temperature and pressure of the fluid, thermal interference between the fluid paths communicating with the heat exchanger can be minimized, so that heat loss can be reduced and heat management performance can be improved.
  • the entire thermal management system can be controlled in performance by controlling the distribution amount of refrigerant branched through the opening amount of the first expansion valve.
  • FIG. 2 is a drawing illustrating a connection structure of a compressor, an economizer, and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a drawing illustrating an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to one embodiment of the present invention, which are stacked in a horizontal direction.
  • FIG. 4 is a drawing illustrating the refrigerant flow in an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a drawing exemplarily illustrating the arrangement of a heat exchanger in a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a drawing illustrating an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention, which are vertically stacked.
  • FIG. 8 is a drawing illustrating the refrigerant flow in an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only to distinguish one component from another.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a vehicle thermal management fluid module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a drawing illustrating a connection structure of a compressor, an economizer, and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a drawing illustrating an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to an embodiment of the present invention, which are horizontally stacked
  • FIG. 4 is a drawing illustrating a refrigerant flow of an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to an embodiment of the present invention.
  • the compressor (1) is the component that takes up the largest weight among the components that constitute the vehicle thermal management fluid module.
  • the arrangement of the heat exchanger will be described with the compressor (1) as the center.
  • the upper part of the compressor (1) is provided with an outlet port (2) through which refrigerant flows out, an inlet port (4) through which refrigerant flows in, and a vapor injection port (6) through which refrigerant flows in in vapor injection mode. Since the outlet port (2), inlet port (4), and vapor injection port (6) are provided at the upper part of the compressor (1), the refrigerant line flowing in from the economizer (40) and internal heat exchanger (50) arranged above can be minimized.
  • the heat exchanger may include a heat exchanger that exchanges heat with a refrigerant and a heat exchanger that exchanges heat with a cooling water.
  • the heat exchanger that exchanges heat with the cooling water refers to a heat exchanger that exchanges heat with a refrigerant and a cooling water.
  • the heat exchanger that exchanges heat with the refrigerant may include an economizer (40) and an internal heat exchanger (50, IHX).
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are heat exchangers provided for the vapor injection mode.
  • the heat exchanger in which the refrigerant and the cooling water exchange heat may include a first heat exchanger (10) in which a high-temperature refrigerant flows and a second heat exchanger (60) in which a low-temperature refrigerant flows.
  • a water-cooled condenser may be used as the first heat exchanger (10) and a chiller may be used as the second heat exchanger (60).
  • the water-cooled condenser functions to condense a high-temperature, high-pressure gaseous fluid (refrigerant) discharged from a compressor or an internal condenser into a high-pressure liquid by heat-exchanging it with an external heat source.
  • the chiller is a device in which a low-temperature, low-pressure fluid is supplied and heat-exchanged with cooling water moving in a cooling water circulation path (not shown), and the cold cooling water heat-exchanged in the chiller may circulate in the cooling water circulation path and exchange heat with a battery.
  • the receiver dryer (20) serves to store excess refrigerant that may be generated in the thermal management fluid module.
  • the refrigerant discharged from the receiver dryer (20) is re-introduced into the first heat exchanger (10), and a sub-cooling unit (not shown) may be formed in the first heat exchanger (10) to increase the subcooling degree of the liquid refrigerant discharged from the receiver dryer (20). In this way, if the subcooling degree of the refrigerant is increased in the sub-cooling unit, the performance of the thermal management system may be improved.
  • the refrigerant discharged from the sub-cooling unit may be introduced into the economizer (40) to secure additional subcooling degree.
  • the first expansion valve (30) expands some of the refrigerant flowing out of the first heat exchanger (10) and introduces it into the economizer (40).
  • the refrigerant introduced into the economizer (40) can be introduced into the compressor (1) after heat exchange.
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50), which are heat exchangers that exchange heat with the refrigerant, can be placed above the compressor (1). This allows the relatively heavy compressor (1) to be placed below and the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) to be placed above, thereby minimizing heat loss by shortening the refrigerant line between the compressor (1), the economizer (40), and the internal heat exchanger (50), and by utilizing the upper space of the compressor (1), the overall vehicle thermal management fluid module can be configured compactly.
  • first heat exchanger (10) and the second heat exchanger (60) which are heat exchangers for exchanging heat between the refrigerant and the cooling water, may be arranged at the front or rear of the compressor (1).
  • the first heat exchanger (10) and the second heat exchanger (60) may also be arranged at the front and rear of the compressor (1), respectively, which will be described again below.
  • the first heat exchanger (10) and the second heat exchanger (60) may be arranged at the front or rear of the compressor (1), thereby allowing the overall vehicle thermal management fluid module to be configured compactly.
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) can be combined so as to be stacked horizontally (left and right).
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are stacked horizontally in this way, the overall height can be minimized, so that the vehicle thermal management fluid module can be configured more compactly.
  • the refrigerant heat-exchanged in the first heat exchanger (10) can be divided into two and introduced into the first refrigerant inlet (42) of the economizer (40).
  • refrigerant 1 introduced into the economizer (40) without a separate expansion process undergoes heat exchange with refrigerant 3 in a different state in the internal heat exchanger (50), and refrigerant 3 is the refrigerant discharged after heat exchange in the second heat exchanger (60).
  • refrigerant 1 is discharged into the first refrigerant outlet (52) of the internal heat exchanger (50), expanded in the second expansion valve (70), and then introduced into the second heat exchanger (60) to undergo heat exchange.
  • the other 2 refrigerant that flows out from the first heat exchanger (10) and branches out can be expanded in the first expansion valve (30) and then flowed into the second refrigerant inlet (44) of the economizer (40).
  • the 2 refrigerant that flows into the economizer (40) can flow out through the second refrigerant outlet (46) after heat exchange and flow into the vapor injection port (6) of the compressor (1).
  • the low-temperature refrigerant 3 that flows out after heat exchange in the second heat exchanger (60) flows into the third refrigerant inlet (54) of the internal heat exchanger (50) and then flows out through the third refrigerant outlet (56) while exchanging heat with the refrigerant 1.
  • the refrigerant 3 that flows out of the internal heat exchanger (50) can flow into the inlet port (4) of the compressor (1).
  • the piping can be connected so that the refrigerant can flow directly from the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) to the compressor (1), so that the refrigerant line can be shortened. This can ultimately reduce heat loss due to the flow of the refrigerant.
  • the main refrigerant (refrigerant 1) flowing into the second heat exchanger (60) from the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) can have a refrigerant path formed from the bottom to the top. Since the cooling water exchanging heat with the refrigerant in the second heat exchanger (60) flows from the bottom to the top (favorable for air removal), the refrigerant flows into the top and flows out to the bottom to create a countercurrent of the cooling water.
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are configured to be integrally laminated, the refrigerant that has exchanged heat in the economizer (40) does not need to pass through a separate path to exchange heat in the internal heat exchanger (50), so the refrigerant path is shortened and unnecessary waste of heat energy can be prevented.
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are configured integrally, cost reduction and weight reduction are possible.
  • the refrigerant flowing out of the first heat exchanger (10) is divided into refrigerant 1 and refrigerant 2, and the distribution of the divided amount can be controlled by the opening amount of the first expansion valve (30). That is, if the first expansion valve (30) is opened a lot, the flow amount of refrigerant 2 increases, and if it is closed a lot, the flow amount of refrigerant 2 decreases due to resistance. In this way, by controlling the distribution amount of the divided refrigerant through the opening amount of the first expansion valve (30), the performance of the entire thermal management system can be controlled.
  • the second heat exchanger (60) is supplied with low-temperature, low-pressure refrigerant and heat-exchanges with the cooling water.
  • the cold cooling water that has exchanged heat in the second heat exchanger (60) can circulate in the cooling water circulation path and heat-exchange with the battery.
  • two second heat exchangers (60) are shown arranged horizontally, but this is only an example, and only one second heat exchanger (60) may be arranged.
  • a second expansion valve (70) for refrigerant expansion may be arranged at each of the front ends of the second heat exchangers (60).
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a drawing exemplarily illustrating a heat exchanger arrangement of a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a drawing illustrating an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention, which are vertically stacked
  • FIG. 8 is a drawing illustrating a refrigerant flow of an economizer and an internal heat exchanger of a vehicle thermal management fluid module according to another embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the above-described embodiment are given the same reference numerals, and a detailed description thereof is omitted for convenience.
  • a vehicle thermal management fluid module includes a plurality of heat exchangers used in a vehicle interior and electrical equipment thermal management system, the vehicle thermal management fluid module including a compressor (1) that compresses a refrigerant to high temperature and high pressure, the heat exchanger that exchanges heat with the refrigerant is arranged above the compressor (1), and the heat exchanger that exchanges heat with a cooling water can be arranged at the front and rear of the compressor (1), respectively.
  • heat exchangers for exchanging heat with the cooling water are respectively arranged at the front and rear of the compressor (1).
  • the heat exchangers for exchanging heat with the cooling water may include a first heat exchanger (10) arranged at the front of the compressor (1) and through which high-temperature refrigerant flows, and a second heat exchanger (60) arranged at the rear of the compressor (1) and through which low-temperature refrigerant flows.
  • the positions of the first heat exchanger (10) and the second heat exchanger (60) may be arranged opposite to each other.
  • a receiver dryer (20) and a first expansion valve (30) may be arranged on the first heat exchanger (10) side, and a second expansion valve (70) may be arranged on the second heat exchanger (60) side.
  • the first heat exchanger (10) through which high-temperature and high-pressure refrigerant flows and the second heat exchanger (60) through which low-temperature and low-pressure refrigerant flows may not be arranged adjacently, but may be arranged on both sides centered on the compressor (1).
  • components such as a compressor (1), a first heat exchanger (10), and a second heat exchanger (60) can be combined on a manifold plate (100).
  • a refrigerant path can be formed on the manifold plate (100), and the compressor (1) can be combined on an open portion of the manifold plate (100).
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) can be combined so as to be stacked front to back. In this way, when the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are stacked front to back, the overall height can be minimized, so that the vehicle thermal management fluid module can be configured more compactly.
  • the economizer (40) and the internal heat exchanger (50) are stacked front to back as described above.
  • the refrigerant line can be shortened, which ultimately minimizes heat loss.
  • the movement path of the refrigerant is the same as in the above-described embodiment, but there is a slight difference in that the first refrigerant inlet (42), the second refrigerant inlet (44), and the second refrigerant outlet (46) of the economizer (40) are all provided on one side of the economizer (40), and the first refrigerant outlet (52), the third refrigerant inlet (54), and the third refrigerant outlet (56) of the internal heat exchanger (50) are also all provided on one side of the internal heat exchanger (50).

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 차실내 및 전장품 열관리 시스템에 사용되는 복수개의 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기를 포함하고, 냉매와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 상방에 배치될 수 있다.

Description

차량용 열관리 유체 모듈
본 발명은 차량용 열관리 유체 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기 및 밸브류의 부품들을 하나로 모듈화한 차량용 열관리 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 열관리 시스템을 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.
참고로, 열관리 시스템이란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 열관리 시스템은 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조장치에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
이러한 열관리 시스템의 운전 성능을 향상키기 위해 차실내 및 전장품 열관리 시스템이 도입되었다. 기존의 판형 열교환기(Economizer)를 사용하는 형태의 차실내 및 전장품 열관리 시스템의 기본 구성을 위해서는 응축기, 리시버 드라이어, 판형 열교환기, 내부 열교환기(IHX) 등의 구성이 필요하다. 하지만, 이러한 구성 부품들은 서로 별도로 설치되다 보니 공간효율성이 떨어지고 패키징, 원가 및 작업성에서 불리한 점이 있었다.
본 발명은 상대적으로 무거운 압축기를 하방에 배치하고 상방에 냉매와 열교환하는 열교환기를 배치함으로써 압축기와 열교환기 간의 냉매 라인을 짧게 함으로써 열손실을 최소화하고, 압축기의 상부 공간을 활용하여 전체적인 차량용 열관리 유체 모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있는 차량용 열관리 유체 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 유체의 온도, 압력의 차이에 따라 압축기를 중심으로 열교환기를 다르게 배치하기 때문에, 열교환기와 연통되는 유체 유로 간의 열간섭이 최소화될 수 있어 열손실이 줄어들고 열관리 성능이 향상될 수 있는 차량용 열관리 유체 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 팽창밸브의 개도량을 통해 분기되는 냉매의 분배량을 제어하면 전체 열관리 시스템이 성능 제어가 가능한 차량용 열관리 유체 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈은 차실내 및 전장품 열관리 시스템에 사용되는 복수개의 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기를 포함하고, 냉매와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 상방에 배치될 수 있다.
냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 또는 후방 중 적어도 어느 한 쪽에 배치될 수 있다.
냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는, 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기; 및 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
냉매와 열교환하는 상기 열교환기는, 상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매가 유입되어 열교환하는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저에서 유출된 냉매가 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 유출되는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 수평 방향으로 적층되게 결합될 수 있다.
상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매는 분기되어 열교환을 하는데, 일부는 제1 팽창밸브를 통해 팽창되고 나머지는 상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기를 통과하면서 열교환될 수 있다.
상기 제1 팽창밸브에서 팽창된 냉매는 상기 이코노마이저에서 열교환한 후 상기 압축기로 유입되고, 상기 제1 팽창밸브에서 팽창되지 않은 냉매는 상기 내부 열교환기에서 상기 제2 열교환기에서 열교환후 유입된 냉매와 열교환될 수 있다.
상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매의 분배는 상기 제1 팽창밸브의 개도량으로 제어할 수 있다.
상기 압축기의 상부에는 상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기에서 유출되는 냉매가 유입되는 유입 포트 및 베이퍼 인젝션 포트가 구비될 수 있다.
냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 및 후방에 각각 배치될 수 있다.
냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는, 상기 압축기의 전방에 배치되고, 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기; 및 상기 압축기의 후방에 배치되고, 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
냉매와 열교환하는 상기 열교환기는, 상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매가 유입되어 열교환하는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저에서 유출된 냉매가 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 유출되는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 상기 압축기의 전후방으로 적층되게 결합될 수 있다.
상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 적층되게 결합되는데, 상기 이코노마이저는 상기 제1 열교환기와 마주보게 배치되고, 상기 내부 열교환기는 상기 제2 열교환기와 마주부게 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상대적으로 무거운 압축기를 하방에 배치하고 상방에 냉매와 열교환하는 열교환기를 배치함으로써 압축기와 열교환기 간의 냉매 라인을 짧게 함으로써 열손실을 최소화하고, 압축기의 상부 공간을 활용하여 전체적인 차량용 열관리 유체 모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체의 온도, 압력의 차이에 따라 압축기를 중심으로 열교환기를 다르게 배치하기 때문에, 열교환기와 연통되는 유체 유로 간의 열간섭이 최소화될 수 있어 열손실이 줄어들고 열관리 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 팽창밸브의 개도량을 통해 분기되는 냉매의 분배량을 제어하면 전체 열관리 시스템이 성능 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 압축기, 이코노마이저 및 내부 열교환기의 연결 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기가 수평 방향으로 적층된 것을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기의 냉매 유동을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 열교환기 배치를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기가 수직 방향으로 적층된 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기의 냉매 유동을 도시한 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 차량용 열관리 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 차량용 열관리 유체 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 압축기, 이코노마이저 및 내부 열교환기의 연결 구조를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기가 수평 방향으로 적층된 것을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기의 냉매 유동을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈은 차실내 및 전장품 열관리 시스템에 사용되는 복수개의 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기(1)를 포함하고, 냉매와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기(1)의 상방에 배치될 수 있다. 그리고, 냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기(1)의 전방 또는 후방 중 적어도 어느 한 쪽에 배치될 수 있다.
압축기(1)는 차량용 열관리 유체 모듈을 구성하는 부품들 중에 가장 큰 무게를 차지하는 것으로서, 이하에서는 압축기(1)를 중심으로 열교환기의 배치에 대해서 설명하기로 한다. 도 2를 참조하면, 압축기(1)의 상부에는 냉매가 유출되는 유출 포트(2), 냉매가 유입되는 유입 포트(4) 및 베이퍼 인젝션 모드에서 냉매가 유입되는 베이퍼 인젝션 포트(6)가 각각 구비된다. 상기 유출 포트(2), 유입 포트(4) 및 베이퍼 인젝션 포트(6)는 압축기(1)의 상부에 구비되기 때문에 상방에 배치된 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)에서 유입되는 냉매 라인을 최소화할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 열교환기는 냉매와 열교환하는 열교환기와 냉각수와 열교환하는 열교환기를 포함할 수 있다. 여기에서 냉각수와 열교환하는 열교환기란 냉매와 냉각수가 열교환하는 열교환기를 말한다. 냉매와 열교환하는 열교환기는 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50, IHX)를 포함할 수 있다. 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)는 베이퍼 인젝션 모드를 위해 구비되는 열교환기이다.
한편, 냉매와 냉각수가 열교환하는 열교환기는 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기(10) 및 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기(60)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제1 열교환기(10)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 순환유로(미도시)에서 이동하는 냉각수와 열교환되는 장치로서, 칠러에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환유로를 순환하여 배터리와 열교환될 수 있다.
리시버 드라이어(20)는 열관리 유체 모듈에서 발생할 수 있는 잉여 냉매를 저장하는 역할을 한다. 리시버 드라이어(20)에서 유출된 냉매는 제1 열교환기(10)로 다시 유입되고, 제1 열교환기(10)에는 리시버 드라이어(20)에서 유출되는 액상의 냉매의 과냉도를 높이기 위한 서브 냉각부(미도시)가 형성될 수 있다. 이와 같이 서브 냉각부에서 냉매의 과냉도가 높아지면 열관리 시스템의 성능이 향상될 수 있다. 서브 냉각부에서 유출된 냉매는 추가 과냉도 확보를 위해 이코노마이저(40)로 유입될 수 있다.
제1 팽창밸브(30)는 제1 열교환기(10)에서 유출된 냉매 중 일부를 팽창시켜 이코노마이저(40)로 유입시키는 역할을 한다. 이코노마이저(40)로 유입된 냉매는 열교환한 후 압축기(1)로 유입될 수 있다.
냉매와 열교환하는 열교환기인 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)는 압축기(1)의 상방에 배치될 수 있다. 이는 상대적으로 무거운 압축기(1)를 하방에 배치하고 상방에 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)를 배치함으로써 압축기(1)와, 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50) 간의 냉매 라인을 짧게 함으로써 열손실을 최소화하고, 압축기(1)의 상부 공간을 활용하여 전체적인 차량용 열관리 유체 모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 냉매와 냉각수가 열교환하는 열교환기인 제1 열교환기(10) 및 제2 열교환기(60)는 압축기(1)의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다. 제1 열교환기(10) 및 제2 열교환기(60)는 압축기(1)의 전방 및 후방에 각각 배치될 수도 있는데 이는 이하에서 다시 설명하기로 한다. 제1 열교환기(10) 및 제2 열교환기(60)는 압축기(1)의 전방 또는 후방에 배치됨으로써 전체적인 차량용 열관리 유체 모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)는 수평 방향(좌우 방향)으로 적층되게 결합될 수 있다. 이와 같이 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)가 수평 방향으로 적층되면 전체적인 높이를 최소화할 수 있기 때문에 차량용 열관리 유체 모듈을 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다.
제1 열교환기(10)에서 열교환된 냉매는 2개로 분기되어 이코노마이저(40)의 제1 냉매 유입구(42)로 유입될 수 있다. 먼저, 별도의 팽창 과정없이 이코노마이저(40)로 유입된 ①번 냉매는 내부 열교환기(50)에서 다른 상태의 ③번 냉매와 열교환을 하게 되는데 여기에서 ③번 냉매는 제2 열교환기(60)에서 열교환후 유출된 냉매이다. 그리고, ①번 냉매는 내부 열교환기(50)의 제1 냉매 유출구(52)로 유출되고, 제2 팽창밸브(70)에서 팽창된 후 제2 열교환기(60)로 유입되어 열교환된다.
제1 열교환기(10)에서 유출되어 분기된 다른 ②번 냉매는 제1 팽창밸브(30)에서 팽창된 후 이코노마이저(40)의 제2 냉매 유입구(44)로 유입될 수 있다. 이코노마이저(40)로 유입된 ②번 냉매는 열교환한 후 제2 냉매 유출구(46)를 통해 유출되어 압축기(1)의 베이퍼 인젝션 포트(6)로 유입될 수 있다.
또한, 제2 열교환기(60)에서 열교환후 유출된 저온의 ③번 냉매는 내부 열교환기(50)의 제3 냉매 유입구(54)로 유입된 후 제3 냉매 유출구(56)로 유출되면서 ①번 냉매와 열교환된다. 내부 열교환기(50)에서 유출된 ③번 냉매는 압축기(1)의 유입 포트(4)로 유입될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)가 압축기(1)의 상방에 배치되면 냉매가 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)에서 압축기(1)로 바로 유입될 수 있도록 배관이 연결될 수 있어 냉매 라인이 짧아질 수 있다. 이는 결국 냉매 유동에 따른 열손실을 감소할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)에서 제2 열교환기(60)로 유입되는 메인 냉매(①번 냉매)는 냉매 유로가 하측에서 상측으로 형성될 수 있다. 제2 열교환기(60)에서 냉매와 열교환되는 냉각수는 하측에서 상측으로 유동하기 때문에(공기 제거에 유리함), 냉각수의 대향류를 만들기 위해서 냉매는 상부로 유입되어 하부로 유출되는 것이다.
이와 같이 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)를 일체형으로 적층되게 구성하면, 이코노마이저(40)에서 열교환된 냉매가 내부 열교환기(50)에서 열교환하기 위해 별도의 유로를 거치지 않아도 되므로 냉매 유로가 짧아지고 불필요한 열에너지의 낭비를 방지할 수 있다. 또한, 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)가 일체형으로 구성되기 때문에 원가절감 및 중량저감이 가능하다.
제1 열교환기(10)에서 유출된 냉매는 ①번 냉매와 ②번 냉매로 분기가 되는데, 이때 분기되는 양의 분배는 제1 팽창밸브(30)의 개도량으로 제어할 수 있다. 즉, 제1 팽창밸브(30)가 많이 열리면 ②번 냉매의 유동량이 많아지고, 많이 닫히면 저항에 의해 ②번 냉매의 유동량이 줄어들게 된다. 이와 같이 제1 팽창밸브(30)의 개도량을 통해 분기되는 냉매의 분배량을 제어하면 전체 열관리 시스템이 성능 제어가 가능하다.
제2 열교환기(60)는 저온 저압의 냉매가 공급되어 냉각수와 열교환된다. 제2 열교환기(60)에서 열교환된 차가운 냉각수는 냉각수 순환유로를 순환하여 배터리와 열교환될 수 있다. 본 실시예에서 제2 열교환기(60)는 수평 방향으로 2개가 배치되는 것으로 도시하였으나, 이는 일 예를 제시한 것에 불과하고 제2 열교환기(60)는 하나만 배치될 수도 있다. 그리고, 제2 열교환기(60)의 전단에는 냉매의 팽창을 위한 제2 팽창밸브(70)가 각각 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 열교환기 배치를 예시적으로 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기가 수직 방향으로 적층된 것을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈의 이코노마이저 및 내부 열교환기의 냉매 유동을 도시한 도면이다. 본 도면에서 상술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 구체적인 설명은 편의상 생략하기로 한다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리 유체 모듈은 차실내 및 전장품 열관리 시스템에 사용되는 복수개의 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기(1)를 포함하고, 냉매와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기(1)의 상방에 배치되고, 냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기(1)의 전방 및 후방에 각각 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 상술한 실시예와 달리 냉각수와 열교환하는 열교환기가 압축기(1)의 전방 및 후방에 각각 배치된다. 이때, 냉각수와 열교환하는 열교환기는 상기 압축기(1)의 전방에 배치되고, 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기(10), 및 상기 압축기(1)의 후방에 배치되고, 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기(60)를 포함할 수 있다. 여기에서 제1 열교환기(10) 및 제2 열교환기(60)의 위치는 서로 반대로 배치될 수도 있다.
또한, 제1 열교환기(10) 측에는 리시버 드라이어(20), 제1 팽창밸브(30)가 배치되고, 제2 열교환기(60) 측에는 제2 팽창밸브(70)가 각각 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에서 고온 고압의 냉매가 유동하는 제1 열교환기(10)와 저온 저압의 냉매가 유동하는 제2 열교환기(60)는 인접하게 배치되지 않고 압축기(1)를 중심으로 양측에 각각 배치될 수 있다.
이와 같이 유체의 온도, 압력의 차이에 따라 압축기(1)를 중심으로 열교환기를 다르게 배치하면, 열교환기와 연통되는 냉매 유로 간의 온도 차에 따른 열간섭이 최소화될 수 있기 때문에 열손실이 줄어들고 열관리 성능이 향상될 수 있다.
한편, 압축기(1), 제1 열교환기(10) 및 제2 열교환기(60) 등의 부품은 매니폴드 플레이트(100) 상에 결합될 수 있다. 매니폴드 플레이트(100)에는 냉매 유로가 형성될 수 있고, 압축기(1)는 매니폴드 플레이트(100)에 개구된 부분에 결합될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에서 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)는 전후방으로 적층되게 결합될 수 있다. 이와 같이 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)가 전후방으로 적층되면 전체적인 높이를 최소화할 수 있기 때문에 차량용 열관리 유체 모듈을 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기(10)에서 유출되는 냉매는 이코노마이저(40)로 유입되고, 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기(60)에서 유출되는 냉매는 내부 열교환기(50)로 유입되기 때문에, 상술한 바와 같이 이코노마이저(40) 및 내부 열교환기(50)를 전후방으로 적층하였다. 다시 말해, 제1 열교환기(10)와 이코노마이저(40)를 서로 마주보게 배치하고, 제2 열교환기(60)와 내부 열교환기(50)를 서로 마주보게 배치함으로써, 냉매 라인을 짧게 할 수 있고 결국 열손실을 최소화할 수 있다.
본 실시예에서 냉매의 이동경로는 상술한 실시예와 동일하며 다만 이코노마이저(40)의 제1 냉매 유입구(42), 제2 냉매 유입구(44), 제2 냉매 유출구(46)는 이코노마이저(40)의 일면에 모두 구비되고, 내부 열교환기(50)의 제1 냉매 유출구(52), 제3 냉매 유입구(54), 제3 냉매 유출구(56) 또한 내부 열교환기(50)의 일면에 모두 구비되는 점에서 약간의 차이가 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: 압축기 2: 유출 포트
4: 유입 포트 6: 베이퍼 인젝션 포트
10: 제1 열교환기 20: 리시버 드라이어
30: 제1 팽창밸브 40: 이코노마이저
42: 제1 냉매 유입구 44: 제2 냉매 유입구
46: 제2 냉매 유출구 50: 내부 열교환기
52: 제1 냉매 유출구 54: 제3 냉매 유입구
56: 제3 냉매 유출구 60: 제2 열교환기
70: 제2 팽창밸브 100: 매니폴드 플레이트

Claims (15)

  1. 차실내 및 전장품 열관리 시스템에 사용되는 복수개의 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈에 있어서,
    냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기를 포함하고,
    냉매와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 상방에 배치되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 또는 후방 중 적어도 어느 한 쪽에 배치되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 또는 후방에 배치되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는,
    고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기; 및
    저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    냉매와 열교환하는 상기 열교환기는,
    상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매가 유입되어 열교환하는 이코노마이저; 및
    상기 이코노마이저에서 유출된 냉매가 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 유출되는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 수평 방향으로 적층되게 결합되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매는 분기되어 열교환을 하는데, 일부는 제1 팽창밸브를 통해 팽창되고 나머지는 상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기를 통과하면서 열교환되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브에서 팽창된 냉매는 상기 이코노마이저에서 열교환한 후 상기 압축기로 유입되고,
    상기 제1 팽창밸브에서 팽창되지 않은 냉매는 상기 내부 열교환기에서 상기 제2 열교환기에서 열교환후 유입된 냉매와 열교환되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매의 분배는 상기 제1 팽창밸브의 개도량으로 제어하는 차량용 열관리 유체 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 압축기의 상부에는 상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기에서 유출되는 냉매가 유입되는 유입 포트 및 베이퍼 인젝션 포트가 구비되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  11. 제2항에 있어서,
    냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는 상기 압축기의 전방 및 후방에 각각 배치되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    냉각수와 열교환하는 상기 열교환기는,
    상기 압축기의 전방에 배치되고, 고온의 냉매가 유동하는 제1 열교환기; 및
    상기 압축기의 후방에 배치되고, 저온의 냉매가 유동하는 제2 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    냉매와 열교환하는 상기 열교환기는,
    상기 제1 열교환기에서 유출된 냉매가 유입되어 열교환하는 이코노마이저; 및
    상기 이코노마이저에서 유출된 냉매가 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 유출되는 냉매와 열교환하는 내부 열교환기를 포함하는 차량용 열관리 유체 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 상기 압축기의 전후방으로 적층되게 결합되는 차량용 열관리 유체 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 이코노마이저 및 상기 내부 열교환기는 적층되게 결합되는데,
    상기 이코노마이저는 상기 제1 열교환기와 마주보게 배치되고, 상기 내부 열교환기는 상기 제2 열교환기와 마주부게 배치되는 차량용 열관리 유체 모듈.
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