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KR101787075B1 - 자동차용 히트펌프 - Google Patents

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KR101787075B1
KR101787075B1 KR1020160183076A KR20160183076A KR101787075B1 KR 101787075 B1 KR101787075 B1 KR 101787075B1 KR 1020160183076 A KR1020160183076 A KR 1020160183076A KR 20160183076 A KR20160183076 A KR 20160183076A KR 101787075 B1 KR101787075 B1 KR 101787075B1
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KR
South Korea
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refrigerant
heat exchanger
expansion means
compressor
switching valve
Prior art date
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Active
Application number
KR1020160183076A
Other languages
English (en)
Inventor
김종원
장호영
최준호
Original Assignee
이래오토모티브시스템 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이래오토모티브시스템 주식회사 filed Critical 이래오토모티브시스템 주식회사
Priority to KR1020160183076A priority Critical patent/KR101787075B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101787075B1 publication Critical patent/KR101787075B1/ko
Priority to PCT/KR2017/015685 priority patent/WO2018124788A1/ko
Priority to US16/474,219 priority patent/US11179994B2/en
Active legal-status Critical Current
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Abstract

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1방향전환밸브, 제2방향전환밸브, 제습라인 등을 구비하여 냉매의 흐름에 따라 냉방/난방/제상/제습운전을 수행하는 자동차용 히트펌프에 대한 발명이다.
일 실시예에 따르면 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기; 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기; 상기 압축기로부터 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 제1방향전환밸브; 상기 내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단; 냉매라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단; 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키는 어큐뮬레이터; 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기; 및 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 상기 제2팽창수단으로 공급하거나 상기 제2팽창수단을 거치지 않고 상기 제3열교환기 측으로 공급하는 제2방향전환밸브를 포함하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.

Description

자동차용 히트펌프{Heat Pump For a Vehicle}
본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1방향전환밸브, 제2방향전환밸브, 제습라인 등을 구비하여 냉매의 흐름에 따라 냉방/난방/제상/제습운전을 수행하는 자동차용 히트펌프에 대한 발명이다.
근래에 지구환경문제와 대기환경의 개선요구에 동반하여 대체에너지를 동력원으로 하는 자동차 또는 저공해차에 대한 도입 욕구가 높아지고 있다.
이에 대체에너지를 사용하는 차량으로는 배터리와 전동모터를 사용하는 전기자동차, 그리고 구동원으로서 전동모터와 엔진을 병용하는 하이브리드 자동차가 주목되고 있다.
가솔린 또는 디젤 등을 원료로 하는 일반적인 내연기관의 경우 내연기관으로부터의 열원을 이용하여 난방운전을 할 수 있으나 전기자동차의 경우에는 가열원으로서 엔진 내지 냉각수가 구비되지 않아 배터리에 의존할 수 밖에 없는데, 현재까지의 기술개발 수준에서는 배터리를 이용한 난방을 할 때, 차량의 주행거리가 급격히 감소하게 되는 기술적인 난점이 존재한다. 하이브리드 자동차에서도 엔진을 정지하여 전동모터만으로 주행하는 모터주행모드가 있는데 이 구간에서는 배터리의 용량으로만 주행해야 하므로 전기자동차에서처럼 난방시에 충분한 열원을 확보하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서, 전기자동차와 하이브리드 자동차에 일반 엔진을 쓰는 자동차에 장착되는 공조장치를 그대로 적용하면, 난방운전시의 열원이나 냉방운전시의 압축기 구동력을 충분히 제공 받지 못하는 문제가 발생한다.
이러한 연유에서 전기자동차나 하이브리드 자동차에 냉난방을 실시하려면 종래의 냉난방장치의 한계를 극복할 필요성이 있는 바, 이 문제를 극복하기 위한 방안의 하나로서, 주로 가정용 냉난방장치로 활용되어오는 히트펌프를 자동차에 적용하는 방법이 제안되었다.
히트펌프란 저온의 열을 흡수하여 흡수된 열을 고온으로 이동시키는 것을 말한다. 일 예로서의 히트펌프는 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하고 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하면서 액화되는 사이클을 가진다. 이를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면, 종래 일반적인 공조장치에 부족한 열원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
그런데 히트펌프 차량의 난방운전 시 외기 온도가 너무 낮은 상태이면 외부열교환기에 서리가 착상되는 현상이 발생하고, 이로 인해 제상운전을 필요로 한다. 이때 대다수의 종래기술에서는 히트펌프의 제상운전 시 난방운전할 때 냉매가 순환방향하는 방향의 역방향으로 냉매 흐름을 전환하는 방식을 채택한다.
그런데 이와 같은 냉매 순환방향의 전환은 내부열교환기의 난방성능을 저하시키는 원인이 되며, 경우에 따라서는 제상운전 시에는 난방을 제공하지 못하는 결과를 초래하는 바, 이는 난방열원 확보를 위한 히트펌프 시스템의 도입 목적에 반한다. 따라서, 이 문제는 히트펌프 시스템을 장착한 차량이 해결해야 할 가장 큰 요인으로 인식된다.
각국의 자동차 제조업체에서 이 문제를 해결하기 위해 여러 연구들이 이어지고 있지만, 아직까지도 히트펌프 제상 운전 시 난방성능 강하 문제를 해결하기 위한 효과적인 방안이 미흡한 실정이다.
차량용 배터리에 한계가 있는 한 종래의 공조장치의 개조 내지 신개념의 공조장치에 대한 개발이 필요한 것은 분명한 사실이다. 시대적 흐름인 대체에너지 개발에 발맞추어 전기자동차 또는 하이브리드차에 적합한 공조장치의 개발의 필요가 있다.
이를 위해 히트펌프를 채택할 필요성이 존재하고, 나아가 히트펌프를 채택함에 앞서 전술한 난방성능 저하문제를 선결적으로 해결해야한다.
구체적으로, 외기 온도가 저온일 때 난방운전을 가동하면 외부열교환기에 서리가 착상되는 현상이 발생하는데, 착상된 서리에 의해 외부열교환기에서의 열교환이 원활하지 않게 되어 난방성능이 저하되는 문제로 이어진다. 따라서 본 발명에서는 외기 온도가 저온일 때, 난방성능을 최대한 유지하면서 외부열교환기에 서리 착상을 방지하는 히트펌프 구성과, 히트펌프 동작방법을 제안하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기; 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기; 상기 압축기로부터 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 제1방향전환밸브; 상기 내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단; 냉매라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단; 상기 제2팽창수단 후단에 마련되는 증발기; 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키는 어큐뮬레이터; 냉매가 상기 증발기를 통과하지 않고 어큐뮬레이터로 유입되도록 형성된 냉매라인 상에서, 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기; 및 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 상기 제2팽창수단으로 공급하거나 상기 제2팽창수단을 거치지 않고 상기 제3열교환기 측으로 공급하는 제2방향전환밸브를 포함하되, 상기 냉매라인 상에 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 축열하고, 제상운전모드 중에서 상기 압축기로부터 상기 외부열교환기로 냉매가 직접적으로 토출되는 경우에 있어서, 공조케이스 내부에 잠열을 방출하는 PCM(Phase Change Material)을 더 포함하며, 상기 히트펌프는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.
삭제
그리고 상기 제3열교환기는 제2방향전환밸브와 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수부는 전장폐열회수부와 캐빈룸폐열회수부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 제1팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 상기 냉매라인 상에 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 축열하는 PCM(Phase Change Material)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 PCM은 상기 내부열교환기와 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 히트펌프의 제1제상운전모드로서, 상기 제1방향전환밸브는 상기 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2방향전환밸브는 상기 제2팽창수단으로 냉매를 공급하는 거동을 통해 제상을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이때 제1팽창수단은 완전 개방시키고, 제2팽창수단은 냉매를 감압 팽창시키는 거동이 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 히트펌프의 제2제상운전모드로서, 상기 제1방향전환밸브는 상기 내부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2방향전환밸브는 상기 제2팽창수단으로 냉매를 공급하는 거동을 통해 제상을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이때도 제1팽창수단은 완전 개방시키고, 제2팽창수단은 냉매를 감압 팽창시키는 거동이 포함될 수 있다.
아울러, 상기 제1팽창수단 후단에서 상기 제2팽창수단 후단으로 냉매를 직접적으로 공급하는 제습라인과 제습라인을 개폐하는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 냉매라인 상에 압축기, 제1방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2방향전환밸브, 제2팽창수단, 상기 제2팽창수단 후단에 마련되는 증발기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 냉매가 상기 증발기를 통과하지 않고 어큐뮬레이터로 유입되도록 형성된 냉매라인 상에 제3열교환기가 배치되며, 상기 내부열교환기의 일 측에 PCM(Phase Change Material)이 구비되는 히트펌프의 동작방법에 있어서, 상기 제1방향전환밸브에 의해 상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기에 공급하며, 상기 제2방향전환밸브에 의해 외부열교환기를 통과한 냉매를 제2팽창수단으로 공급하거나 상기 제2팽창수단을 거치지 않고 상기 제3열교환기 측으로 공급하고, 상기 제1팽창수단 후단에서 상기 제2팽창수단 후단으로 냉매를 직접적으로 공급하는 제습라인과, 제습라인을 개폐하는 개폐밸브를 형성하되, 상기 제1방향전환밸브, 제2방향전환밸브 및 상기 제습라인의 개폐밸브의 거동에 의해 냉방운전, 난방운전, 제1제상운전, 제2제상운전, 제습-난방운전이 수행되도록 하되, 상기 제1제상운전과 제2제상운전시 난방성능을 유지하도록 공조케이스 내부의 도어를 개방하고, 상기 제1제상운전 시에는, 압축기로부터 배출되는 냉매를 내부열교환기를 통과하지 않도록 하여 외부열교환기에 공급하며 상기 PCM을 통해 차량 내 난방열원을 제공하고, 상기 제2제상운전 시에는, 압축기로부터 배출되는 냉매를 내부열교환기를 통과시킨 후 외부열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 냉방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전개방시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제3열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 제1제상운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전 개방시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 제1제상모드에서 상기 PCM이 냉각될 때의 잠열을 이용하여 차실 내를 난방시킬 수도 있다. 여기서의 PCM에 의한 난방은 보조 난방 개념으로서, 히트펌프 냉매의 순환에 따른 주 난방운전모드와는 다른 것을 의미할 수 있다.
또한, 제2제상운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전 개방시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 제습-난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제3열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키고, 상기 제습라인에 냉매의 흐름을 일부 분기시켜 상기 증발기 측에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
종래 기술은 제상 운전시 난방을 제공하지 못하였지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제상운전 동안에도 난방을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 히트펌프 시스템에 의하면 제상운전이 필요한 경우 난방운전할 때의 냉매 순환방향을 그 역방향으로 전환시키지 않고도 제상운전이 가능하므로, 궁극적으로 종래에 비해 제상운전 시의 난방성능을 향상시키는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 외기 온도가 저온일 때 부족한 열원을 전장품, 캐빈룸 등의 폐열을 이용하여 보충함으로써 난방능력을 향상시키는 효과도 가진다.
덧붙여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 냉방운전 시 고온, 고압의 냉매가 내부열교환기를 통과하지 않도록 하므로 히트픽업을 방지하는 효과도 있다.
아울러, 별도의 제습라인을 구비함으로써, 제습-난방시 제습의 효과를 극대화하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 냉방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제1제상운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제2제상운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제상운전모드에 대한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 ‘자동차용 히트펌프’에 대하여 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
도 1 내지 도 6을 참조로 본원발명의 자동차용 히트펌프 시스템 및 히트펌프 동작방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 냉방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제1제상운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제2제상운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 제상운전모드에 대한 블록도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
먼저, 본원발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 구성은 다음과 같다.
본 발명의 히트펌프 시스템은 화석연료를 사용하는 내연기관을 구비하지 않고 배터리만으로 구동하는 전기 자동차 및, 내연기관과 배터리가 동시에 장착된 하이브리드 자동차에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 상기 냉매라인 상에 압축기, 제1방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 제3열교환기와 병렬적으로 배치되는 적어도 하나 이상의 폐열회수부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 일 특징으로서, PCM(Phase Change Material)이 구비될 수 있다. PCM이란 잠열재 또는 축열재 또는 축냉재로 불리는 상변화물질로서 고체에서 액체, 액체에서 기체로 상변화하거나 그 역방향으로 상변화하는 과정에서 발생하는 잠열에너지를 축적 및/또는 방출하는 물질이다.
보다 구체적으로 냉매가 유동하는 냉매라인 상에는, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(COMP); 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기(110); 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기(120); 상기 내부열교환기(110)와 외부열교환기(120) 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단(220); 냉매라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기(120)를 통과한 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단(230); 상기 제2팽창수단(230)을 통과한 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기(COMP)에 유입시키는 어큐뮬레이터(ACC); 상기 제2팽창수단(230)과 상기 어큐뮬레이터(ACC) 사이의 냉매라인 상에 배치된다. 그리고 일 실시예에 따라서, 폐열회수부와 열교환 가능한 제3열교환기(130)가 배치될 수 있다.
아울러, 본 발명의 히트펌프는 상기 압축기(COMP)로부터 토출되는 냉매의 유동방향을 전환하는 제1방향전환밸브(210)를 포함할 수 있다.
제1방향전환밸브(210)에 의해 냉매라인은 line 1-1과 line 1-2로 분기될 수 있다.
냉매라인 상에 구비된 제1방향전환밸브(210)는 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 외부열교환기(120)에 직접적으로 공급하게 된다. 이를 위해 제1방향전환밸브(210)는 3-Way 밸브로 이루어질 수 있다. 제1방향전환밸브(210)가 3-Way 밸브인 경우 냉매를 외부열교환기(120)에 공급하는 동작과, 내부열교환기(110)에 냉매를 공급하는 동작은 선택적으로 이루어질 수 있다.
종래의 히트펌프 시스템에서 냉방운전시, 냉매가 내부열교환기를 거쳐 팽창수단으로 유입되는 경우에는 내부열교환기에 잔류한 열로 인해 히트 픽업(heat pick-up)현상이 발생할 수 있는데, 제1방향전환밸브(210)가 외부열교환기(120) 측으로 고온 고압의 냉매를 바로 배출하게 됨으로써, 히트 픽업 현상에 따른 냉방성능 저하를 방지하게 된다. 본 발명의 제1방향전환밸브(210) 구성과 외부열교환기 측으로 직접 냉매를 유동시키는 경로(line 1-1)를 이용하여 방지할 수 있다.
한편, 상기 압축기(COMP)와 제1방향전환밸브(210)를 연결하는 냉매라인 상에는 압력센서(미도시)가 장착되어 상기 압축기(COMP)로부터 압축된 상태로 배출되는 냉매의 압력을 감지할 수 있다. 감지된 냉매의 압력 정보에 기초하여 제1방향전환밸브(210)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 제1방향전환밸브(210)는, 냉방운전모드와 제1제상운전모드에서, 고온 고압의 냉매가 내부열교환기(110)를 통과하지 않도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 냉매는 완전개방된 제1팽창수단(220)을 그대로 통과하여 외부열교환기(120)에서 증발한다.
반면, 상기 제1방향전환밸브(210)는 난방운전모드, 제2제상운전모드 및 제습-난방운전모드에서 상기 냉매가 내부열교환기(110)를 통과한 이후, 상기 제1팽창수단(220)으로 공급되도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 냉매는 내부열교환기(110)를 통과하면서 응축되므로 온도가 낮아지고, 응축된 이후의 냉매가 제1팽창수단(220)을 거쳐, 외부열교환기(120)측으로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1팽창수단(220)은 선택적으로 냉매라인을 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는 전자식팽창수단일 수 있다. 사용자 또는 제어기의 입력에 따라 냉매라인의 개도량을 자유롭게 조절 가능하다. 배관 형상에 따라 개도량이 정해져, 냉매라인의 압력을 자유롭게 조절할 수 없는 기계식팽창수단과는 다르다.
아울러, 본 발명의 히트펌프는 상기 외부열교환기(120)를 통과한 냉매의 유동방향을 전환하는 제1방향전환밸브(210)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2방향전환밸브(240)는 외부열교환기(120)와 제2팽창수단(230) 사이에 위치한다.
제2방향전환밸브(240)는 외부열교환기(120)를 통과한 냉매를 제3열교환기(130) 측으로 유입시키거나, 제2팽창수단(230)으로 유입시키는 역할을 한다. 제2방향전환밸브(240) 또한 제1방향전환밸브(210)와 마찬가지로 3-Way 밸브에 해당할 수 있으며, 제1방향전환밸브(210)가 3-Way 밸브인 경우 냉매를 어큐뮬레이터(ACC)에 공급하는 동작과, 제2팽창수단(240)에 냉매를 공급하는 동작은 선택적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제3열교환기(130)는 제2방향전환밸브(240)와 어큐뮬레이터(ACC)사이에 위치하여 폐열을 냉매라인 상에 공급하는 역할을 한다.
구체적으로 제2방향전환밸브(240)는 냉방운전모드와 제1제상운전모드, 제2제상운전모드에서, 상기 냉매가 제2팽창수단(230), 즉 증발기(140)를 통과한 후 어큐뮬레이터(ACC)로 공급되도록 한다. 외부열교환기(120)를 지나 응축된 냉매가 제2팽창수단(230)을 통과하면서 감압 팽창되고, 증발기(140)를 지나 어큐뮬레이터(ACC)에 유입된다.
반면, 상기 제2방향전환밸브(240)는 난방운전모드, 제습-난방운전모드에서 상기 냉매가 제2팽창수단(230), 즉 증발기(140)를 통과하지 않고 바로 제3열교환기(130) 측으로 공급되도록 한다. 이때 외부열교환기(120)를 거쳐 증발된 저온 저압의 기상과 액상이 혼합된 냉매가 제3열교환기(130)를 거치며, 폐열을 제공받아 2차 증발할 수 있다. 제3열교환기(130)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(ACC)로 유입된다.
어큐뮬레이터(ACC)는 기상과 액상의 냉매중 기상의 냉매만 압축기(COMP)로 유입될 수 있도록 하는 구조로서, 경우에 따라 액상의 냉매는 저장할 수 있도록 형성된다.
여기서의 제2팽창수단(230)은 기계식 팽창수단일 수 있으며, 배관형상에 따라 제2팽창수단(230) 전후의 압력차가 일정하게 설정된다. 원가절감 측면에서 본 발명에서는 제1팽창수단(220)만이 전동식 팽창수단이면 족하다.
상술한 제1방향전환밸브(210)와 제2방향전환밸브(240)에 의한 냉매의 거동은 히트펌프 동작방법에서 다시한번 상세히 후술하기로 한다.
한편, 내부열교환기(110)의 내부에는 냉매가 유동하는 내부공간이 마련되고, 내부열교환기(110)의 표면과 접촉하면서 유동하는 공기와 보다 넓은 면적에서 열교환하도록 복수 개의 튜브 또는 주름핀이 나란히 배열된 형태로서 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 히트펌프는 PCM을 포함할 수 있다. PCM은 내부열교환기(110)의 열을 이용하여 축열할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에 따르면 내부열교환기(110)를 통해 차실 내부를 충분히 난방하고, 난방목적을 달성한 이후에 잔류한 열에너지를 이용하여 PCM을 축열할 수 있다.
PCM은 도 1 내지 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 내부열교환기(110)와 일체로 형성되는 구성일 수 있다.
PCM이 내부열교환기(110)와 일체로 형성되는 경우는 내부열교환기(110)와 외측 케이스를 공유하며, 내부열교환기(110)에 인접하게 형성되어 내부열교환기(110)로부터 소정의 증발열을 전도 받아 축열 에너지로 사용한다. PCM은 경우에 따라 내부열교환기(110) 또는 냉매라인에 탈착 가능한 형태로 형성될 수 있어, 내부 상변화물질의 기능이 저하된 경우 이를 교체할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 PCM은 상변화 시의 잠열을 이용하여 필요시 차량 내부를 난방하는 역할을 한다. 여기서 잠열이란 상변화물질이 액체상태(녹아 있는 상태)에서 고체상태(언 상태)로 변화할 때 방출되는 에너지 형태이다. 본 발명에서 PCM은 냉매 순환에 따른 차실 내의 난방을 보조하는 역할을 하는데, 특히 외부열교환기(120)에 서리가 착상되어 제상이 필요한 경우에 PCM이 잠열을 방출하도록 구성할 수 있다. 종래기술에서는 히트펌프 구조상 제상운전시 난방성능이 저하되는 문제가 발생하였으나, 본 발명에서는 제상 시 PCM을 이용한 난방을 수행할 수 있게 되어 난방성능 저하를 방지한다.
예시적으로, PCM의 어는 점과 녹는 점은 각각, 대략 50℃, 70℃로 설정될 수 있고, 이 어는 점과 녹는 점 범위 내 PCM이 상변화 함으로써 냉매의 열을 축열하거나, 냉매로 열을 방열할 수 있게 된다.
PCM은 먼저 난방운전 시 내부열교환기(110)로부터 발생된 열 에너지를 축적하고 있다가, 추후 제상이 필요한 경우에는 잠열을 방출한다. 구체적으로 난방운전모드에서 PCM은 상변화물질이 녹으면서 축열이 되고, 외부 열교환기에 서리 착상 발생 시, 다시 말해 제상운전이 필요할 경우에 녹아있던 상변화물질이 다시 냉각되면서(또는 얼려지면서) 열을 방출한다.
본 발명의 제상운전모드는 제1제상운전모드와 제2제상운전모드가 포함될 수 있는데 PCM이 방열하는 운전모드는 제1제상운전모드가 해당될 수 있다. 제1제상운전모드와 제2제상운전모드에서 특이할 점은 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open) 상태로 두고, 제2팽창수단(230)은 냉매를 감압 팽창시키도록 한 다음, 제1방향전환밸브(210)를 이용하여 냉매라인 상의 냉매의 흐름만을 변경시킨다는 점에 있다. 제1제상운전모드, 제2제상운전모드 그리고 이에 따른 PCM의 거동에 대한 상세한 설명은 이하 히트펌프 동작방법에서 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수부는 전장폐열회수부(150)와 캐빈룸폐열회수부(170)로 구분될 수 있다.
전장폐열회수부(150)와 캐빈룸폐열회수부(170)는 본 발명의 냉매라인과 병렬적으로 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면 제3열교환기(130)의 냉매라인과 별개로 형성된 유체라인을 통해 구성될 수 있으며, 이 경우 제3열교환기(130)를 매개로 전장품 및/또는 캐빈룸의 폐열을 냉매라인 상에 제공한다. 냉매라인 상에 제공된 폐열을 이용하여 압축기(COMP)로 유입되는 냉매의 온도를 높일 수 있고, 이로 인해 압축기 구동에 필요한 전력을 절감할 수 있고, 또한 외기온도가 저온 시 난방능력을 향상시킬수도 있다.
본 발명의 제3열교환기(130)는 폐열측 파트(131)와 냉매측 파트(132)로 구분될 수 있다. 제3열교환기(130)는 두 개의 서로 다른 유체가 만나 각각의 유체가 가지는 열에너지를 전달하는데, 여기의 제3열교환기(130)에는 별도의 열 제공수단이 연결되지 않으므로 열역학 제3법칙에 의거하면, 보다 뜨거운 온도를 가진 유체로부터 차가운 온도를 가지는 유체로 열이 전달될 것이다. 제3열교환기(130)에서 만나는 유체는 서로 혼합되지 않도록 구성되고, 이를 위해 제3열교환기(130)의 형상은 냉각기로 널리 쓰이는 칠러(chiller)와 같은 형상으로 형성됨이 바람직하다. 실시예에 따라서, 난방시에는 전장 폐열 또는 캐빈룸 폐열 중 어느 하나만을 회수하여 제3열교환기(130)를 통해 냉매라인으로 열을 전달할 수 있고, 고도난방시에는 전장 폐열 과 캐빈룸 폐열을 함께 회수하여 제3열교환기(130)에 전달할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 전장폐열회수부(150)와 캐빈룸폐열회수부(170) 또한 상호 병렬적 배치되는 구성일 수 있다. 구체적으로, 캐빈룸폐열회수부(170)가 전장폐열회수부(150)의 유체라인과 병렬적으로 배치되고, 제4열교환기(160)를 매개로 캐빈룸의 폐열을 전장폐열회수부(150)의 유체라인에 제공할 수 있다. 참고로, 본 발명의 범주는 도 1에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 1과 달리 전장폐열회수부(150)와 캐빈룸폐열회수부(170)의 배치가 상호 교환되는 경우도 본 발명의 일 실시예에 해당될 수 있으며, 냉매라인 상에 폐열을 제공할 수 있는 구성이면 이외 다른 예시들도 본 발명의 범주에 포함될 수 잇을 것이다.
상기 전장폐열회수부(150) 측에 연결된 전장품은 예컨대 모터(M), 인버터, 컨버터, 배터리 등과 같이 발열이 가능한 제품을 의미할 수 있다. 그리고 캐빈룸폐열회수부(170)에 연결된 캐빈룸의 폐열은 캐빈룸 내부 및 외부에서 제공되는 모든 형태의 폐열을 의미하며, 예컨대 난방을 위해 별도로 마련되는 히팅수단, 캐빈룸 상부 자동차 표면에 설치되어 태양열 에너지를 회수하는 태양열 패널 등이 이에 해당될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프는 PTC 히터(300)를 별개로 구비할 수 있다. PTC 히터(300)는 공조케이스(10, 또는 덕트) 내부에 설치되는 구성으로서, PTC 히터용 배터리(310)와 연결되어 필요에 따라 공조케이스 내부를 차량 탑승자가 원하는 온도로 가열한다. PTCM 히터(300)는 본 발명 히트펌프의 난방운전모드를 보조하여 난방온도를 빠른 시간 내에 원하는 온도로 끌어올리는 데 기여한다.
이하, 본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법을 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 냉방운전모드, 난방운전모드, 제상운전모드 그리고 제습-난방운전모드의 on/off, 공조모드에 따른 차량 내 온도의 조절, 공조모드 간의 전환을 위한 밸브의 거동과은 사용자의 선택 또는 차량의 제어기에 의해 자동적으로 조절 및 작동될 수 있다. 여기서 제어기란 차량에 마련된 통상의 VCU(Vehicle Control Unit)를 의미할 수 있다.
제어기는 압력센서(미도시)를 통해 수신된 냉매의 압력정보와, 온도센서(미도시)를 통해 수신된 냉매의 온도를 감지하여 이하에서 설명하는 각 공조모드에서 밸브를 압축기를 구동시키고, 각 팽창수단의 개도 및 개폐밸브의 개도를 조절하게 된다. 한편 전술한 바와 같이 제1팽창수단(220)은 전자식 팽창수단로 구성되어 제어기의 제어 입력을 본 발명 히트펌프 시스템에 매우 신속하게 반영시킬 수 있다. 또한, 제어기는 개폐 도어 및 송풍팬의 풍량을 제어하는 역할도 할 수 있다. 아울러, 차량에 요구되는 난방부하 또는 차량 공조모드에 따라 상기 폐열회수부 폐열 회수 및 열량 제공 여부, 열량 제공 시간 등을 결정하는 것도 상기 제어기에서 수행한다.
본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법에 따르면 냉매라인 상에 압축기(COMP), 제1방향전환밸브(210), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2방향전환밸브(240), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC)가 배치되고, 상기 내부열교환기(110)의 일 측에 PCM이 배치된 히트펌프의 동작방법에 있어서, 상기 제1방향전환밸브(210)에 의해 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 외부열교환기(120)에 공급하며, 상기 제2방향전환밸브(240)에 의해 외부열교환기(120)를 통과한 냉매를 제2팽창수단(230) 측으로 공급하거나 제2팽창수단(230)을 거치지 않고 제3열교환기(130) 측으로 공급하고, 상기 제1팽창수단 후단에서 상기 제2팽창수단 후단으로 냉매를 직접적으로 공급하는 제습라인과, 제습라인을 개폐하는 개폐밸브를 형성하되, 상기 제1방향전환밸브, 제2방향전환밸브 및 상기 제습라인의 개폐밸브의 거동에 의해 냉방운전, 난방운전, 제1제상운전, 제2제상운전, 제습-난방운전이 수행되는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 냉방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
냉방운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 증발기(140), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방시키는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110) 측으로의 경로(line 1-2)는 폐쇄되고 외부열교환기(120) 측으로 직접적으로 연결되는 경로(line 1-1)만 개방된다. 본 발명에서 외부열교환기(120) 측으로 직접적으로 연결된다는 것은 완전 개방된 상태의 제1팽창수단(220)을 통과하여 외부열교환기(120) 측으로 연결되는 것을 포함한다.
이때, 제1팽창수단(220)은 완전 개방(full open)되어 냉매의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 따라서 압축기(COMP)로부터 토출된 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1팽창수단(220)을 그대로 통과한 다음 외부열교환기(120)에서 비로소 차가운 외기와 만나 열교환하게 되면서 응축되며, 이로 인해 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다.
제2방향전환밸브(240)는 냉매를 제3열교환기(130)로 공급하는 경로(line 1-5)를 폐쇄하고, 제2팽창수단(230) 측 경로(line 1-4)만 개방한다.
계속해서 상기 외부열교환기(120)를 통과한 냉매는, 제2방향전환밸브(240)를 지나, 제2팽창수단(230)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압 액상의 냉매가 된 후, 증발기(140) 측으로 유입된다.
증발기(140) 측으로 유입된 저온 저압의 액상의 냉매는 공조케이스(10) 측으로 공급되어 이곳에서 송풍팬(11)에 의해 공급된 공기를 냉각함으로써 냉방이 이루어지게 된다. 이 과정에서 도어(12)는 내부열교환기(110)측의 공기 유동은 폐쇄하고, 공조케이스(10) 내로 유입된 후 증발기(140)를 만나 차가워진 공기를 곧바로 차실 내로 토출하도록 한다.
이후, 증발기(140)를 통과한 저온, 저압의 기상과 액상이 혼합된 냉매는 어큐뮬레이터(ACC)를 통과하여 압축기(COMP)로 다시 유입된다. 이곳, 어큐뮬레이터(ACC)에서는 상기 압축기(COMP)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(COMP)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다. 분리된 액상의 냉매는 저장할 수 있다.
이와 같은 방법으로 냉방운전 시 냉매가 순환하게 된다.
즉, 상기 냉방운전모드에서 냉매는 압축기로부터의 토출, 완전개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과하며, 외부열교환기(120)에서의 응축, 제2팽창수단(230)에서의 감압 팽창, 증발기(140)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 차가워진 냉매가 공조케이스(10) 내부로 유입된 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.
도 2를 참조하여, 난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
난방운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 구동에 의해 내부열교환기(110) 측으로의 경로(line 1-2)는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 냉매는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.
내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스(10) 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 그리고 내부열교환기(110)를 통과한 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.
그리고 내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 제1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창(suitably open)되어 저압의 냉매가 된다. 그리고 냉매는 외부열교환기(120)로 공급된다. 외부열교환기(120)에서 액상의 냉매는 증발하여, 기상과 액상의 혼합기 상태인 냉매로 변화한 다음 제3열교환기(130)를 통과하고 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다. 이곳 제3열교환기(130)에서 냉매는 제3열교환기(130)에 의해 2차적으로 증발할 수 있다.
이때 제2방향전환밸브(240)는 냉매를 제3열교환기(130) 측으로 공급하는 경로(line 1-5)는 개방하고, 제2팽창수단(230) 측 경로(line 1-4)는 폐쇄한다.
제3열교환기(130) 측으로 유입된 냉매는 폐열회수부 측에 별도로 마련된 유체라인과 열교환할 수 있다. 여기서 열교환은 선택적으로 이루어질 수 있으며, 주로 냉매의 온도를 더 높여 난방성능을 향상시키고자 할 때 냉매가 폐열회수부 측의 유체라인으로부터 열을 제공받는 형태로 열교환한다. 예를 들어, 실외 온도가 소정 온도(예컨대, -10℃)이하의 저온 상태인 경우에는 통상의 냉매의 유동에 의한 난방성능과 더불어, 폐열회수부로부터 적극적으로 폐열을 제공받는 운전모드(고(高)난방운전모드)를 수행하여 차량에 요구되는 난방 부하를 만족시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 폐열회수부는 전장폐열회수부(150)와 캐빈룸폐열회수부(170)를 포함할 수 있고, 나아가 전장폐열회수부(150) 또는 캐빈룸폐열회수부(170) 중 적어도 하나 이상의 폐열원으로부터 폐열을 제공받아 난방성능을 향상시킬 수 있게 된다. 제3열교환기(130)에 유입될 때 상대적으로 저온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 냉매는 제3열교환기(130)를 통과하면서 상대적으로 고온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 냉매가 되어 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다. 이와 같은 작용은 결과적으로 압축기(COMP) 효율을 높여 난방효율을 높이게 된다.
이 과정에서 도어(12)는 내부열교환기(110)측의 공기 유동을 개방하고, 공조케이스(10) 내로 유입된 후 내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하게 함으로써 난방을 수행한다.
상기 난방운전모드를 다시 한번 정리하면, 냉매는 압축기(COMP)로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 제1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 외부열교환기(120)에서의 증발, 제3열교환기(130)에서의 선택적인 열교환 과정을 순차적으로 거친다. 본 실시예에서 내부열교환기(110)의 일측에 마련된 PCM에서는 난방운전 시의 공조케이스(10) 내 잔류 또는 과급된 열을 축열할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 제상운전모드에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에서 제상운전모드는 제1제상운전모드와 제2제상운전모드를 포함한다. 제1제상운전모드는 고온의 냉매를 외부열교환기(120)로 직접적으로 유입시켜 제상속도를 빠르게 한 운전모드를 의미하고, 이때의 제1방향전환밸브(210)와 제2방향전환밸브(240)의 거동은 히트펌프의 냉방운전시와 유사하다. 제2제상운전모드는 난방성능을 떨어뜨리지 않으면서 제상운전을 수행하게 하는 운전모드를 의미하며, 이때의 제1방향전환밸브(210)의 거동은 난방운전시와 유사하고, 제2방향전환밸브(240)의 거동은 히트펌프의 냉방운전시와 유사하다.
먼저, 도 3에 도시된 제1제상운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 증발기(140), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방시키는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110) 측으로의 경로(line 1-2)는 폐쇄되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)만 개방된다.
이때, 제1팽창수단(220)은 완전 개방(full open)되어 냉매의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 따라서 압축기(COMP)로부터 토출된 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1팽창수단(220)을 그대로 통과한 다음 외부열교환기(120)에서 비로소 차가운 외기와 만나 열교환 하게 되면서 응축되며, 이로 인해 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다.
제2방향전환밸브(240)는 냉매를 제3열교환기(130)로 직접적으로 공급하는 경로(line 1-5)를 폐쇄하고, 제2팽창수단(230) 측 경로(line 1-4)만 개방한다.
계속해서 상기 외부열교환기(120)를 통과한 냉매는, 제2방향전환밸브(240)를 지나, 제2팽창수단(230)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온, 저압, 액상의 냉매가 된 후, 증발기(140) 측으로 유입된다.
제1제상운전모드에서는 고온, 고압, 기상의 냉매를 서리가 착상된 외부열교환기(120)에 직접 공급함으로써 제상을 수행한다. 외부열교환기(120)에 유입되는 냉매는 대략 90℃ 정도 고온의 냉매로서, 이 냉매가 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 표면에 착상된 서리를 제거하게 되는 것이다. 외기가 차가울 때 난방운전을 가동하면, 외부열교환기(120)의 흡열작용에 의해 표면에 서리가 착상하는 문제가 발생할 수 있는데, 이때 도 3에 도시된 제상운전모드를 적용함으로써 서리 착상을 미연에 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다.
여기서 주목할 점은 본 실시예에서의 제1제상운전방법의 제1방향전환밸브(210)와 제2방향전환밸브(240)의 거동은 히트펌프의 냉방운전시의 거동과 유사하다는 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 냉매의 실외열교환기(120)에 대한 제상 작용시에 PCM의 잠열을 이용하여 차실 내를 난방할 수 있다.
구체적으로 충분히 축열된 상태의 PCM이 냉각될 때, 즉 상변화물질이 냉각될 때(또는 얼때) 열을 방출하는 현상을 이용하여 차량 내부 온도를 따뜻하게 유지할 수 있다. PCM을 이용하면 제상기능을 수행하면서도 난방성능을 어느 정도 유지할 수 있게 된다.
도 4를 참조하여, 제2제상운전모드에 대해 설명하기로 한다.
제2제상운전모드는 앞서 설명한 바와 같이 난방운전 중 제상운전을 수행하는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제2제상운전모드를 제상-난방운전모드라고 명명할 수도 있다.
제2제상운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 증발기(140), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 여기서 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방시키는 것을 특징으로 한다.
난방운전 중 제상이 필요할 경우에, 난방운전을 중단하지 않고, 제상을 진행하기 때문에 난방열량이 저하되는 현상을 방지하는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 구동에 의해 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2)는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 냉매는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.
내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.
계속해서 냉매가 유동하는 경로상에 위치하는 제1팽창수단(220)은 완전 개방(full open)되어 냉매의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 다시 한번 응축될 수 있다.
이때 냉매는 압축기(COMP)에서 토출될 때의 열을 어느 정도 유지(대략 40℃ 에서 50℃)하고 있으므로, 외부열교환기(120)에서 서리가 착상되는 것을 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다. 다시 말해 내부열교환기(110)를 통과한 냉매를 팽창시키지 않고 중온 고압 상태로 외부열교환기(120)로 순환시킴으로써 향상된 제상 능력을 발휘한다. 난방성능을 유지하면서 간단한 밸브 조작을 통해 제상효과를 발휘하는 장점을 가진다. 다만, 이때 외부열교환기(120)에 제공되는 냉매의 온도는 제1제상운전모드에 비해 낮기 때문에 제2제상운전모드에서 제상속도는 제1제상운전모드에서의 그것보다 다소 느릴 수 있다.
이때 제2방향전환밸브(240)는 냉매를 제3열교환기(130) 측 경로(line 1-5)를 폐쇄하고, 제2팽창수단(230) 측 경로(line 1-4)만 개방한다.
외부열교환기(120)를 통과한 냉매는 제2방향전환밸브(240)를 지나, 제2팽창수단(230)을 통과하면서 감압 팽창되어 저온, 저압, 기상의 상태가 된 뒤, 증발기(140)로 유입된다. 증발기(140)에서는 외부에서 유입된 공기와 만나 증발함으로써 저온, 저압의 기상과 액상의 상태로 변환하여 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다. 공조케이스(11) 내부로 유입되어 증발기(140)에서 차가워진 공기는 내부열교환기(110)를 통과하면서 다시 데워지므로 난방성능은 적절하게 유지할 수 있게 된다.
즉, 상기 제2제상운전모드에서 냉매는 압축기로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 완전 개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과하고, 외부열교환기(120)에서의 재응축, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창, 증발기(140)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거친다. 그리고 본 실시예에서 PCM은 난방운전 시의 공조케이스(10) 내 잔류 또는 과급된 열을 축열할 수 있다.
제상운전모드에 대해 다시 한번 강조하면,
도 5에 도시된 바와 같이 서리 착상을 감지(S110)한 경우, 제1제상운전모드와 제2제상운전모드 중 어느 하나를 선택하여 히트펌프를 작동시킬 수 있다.
외부열교환기(120)에 서리가 착상되는 것을 감지하는 방법은 소정의 촬영장치를 이용해 착상량을 촬영하여 이를 식별하거나, 소정의 전기장을 형성시키는 전극과 전자기계를 형성하여 전극의 변화에 따라 착상량을 감지하거나 적외선 또는 압력 센서를 이용하여 착상을 감지하는 방법 등이 적용될 수 있다. 이외 외부열교환기에 부착된 기타 센서를 이용해 착상을 직접적으로 감지하거나 상기한 정보 이외에 차량의 속도 외기 온도를 함께 고려하여 서리 착상 여부를 판정할 수도 있다.
제상모드의 선택은 사용자의 선택 또는 기 설정된 알고리즘에 따라 자동적으로 선택될 수 있는데, 선택의 기준은 (a)착상된 서리의 양, 또는 (b)PCM의 사용가부 내지 PCM의 축열정도, 또는 (c) 외기의 온도 등이 해당될 수 있다.
제1제상운전모드에서는 고온의 냉매를 외부열교환기(120) 측으로 유입시키게 되므로, 제상운전 속도가 빠르다. 그리고 제1제상운전모드에서는 PCM에서 축열된 열을 방열하여 차량 내부를 난방시키게 된다.
제2제상운전모드에서는 제2제상운전모드보다는 중온의 냉매를 외부열교환기(120) 측으로 유입시키게 되므로 제상운전 속도에서는 제1제상운전모드에 비해 느린 측면이 있으나, 제상운전을 하고자 할 때 난방성능을 떨어뜨리지 않게 할 수 있는 장점이 있다.
예컨대 착상된 서리의 양이 기 설정된 양(A)보다 큰 경우 제상시간이 오래 소요되므로 제2제상운전모드를 실시하고, 기 설정된 양(A)보다 크지 않은 경우는 제1제상운전모드를 가동하도록 설정할 수 있다. 제상운전모드는 착상된 정도에 따라 단계적으로도 수행하도록 설정될 수 있다.
제2제상운전모드는 제상운전을 하고자 할 때 PCM을 사용할 수 없거나, PCM에 열이 충분히 축열되지 않았을 때도 의미가 있다.
또한, 외기의 온도가 예컨대 기 설정된 온도(예컨대, 섭씨 0도) 이하인 경우에도 제상운전모드를 수행하도록 설정할 수 있다. 기 설정된 온도를 영역별로 구분하여, 예컨대 -5℃ 내지 0℃에서는 제1제상운전모드를 -5℃ 미만의 온도에서는 제2제상운전모드를 수행하도록 설정할 수도 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 제습-난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
제습-난방운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제3열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키고, 상기 제습라인(line 1-6)에 냉매의 흐름을 일부 분기시켜 상기 증발기 측에 공급하는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로(line 1-2)는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로(line 1-1)는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 냉매는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.
내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬을 통해 공조케이스 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.
내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 제1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창(suitably open)되어 저압의 액상 냉매가 된 후, 증발기 역할을 하는 외부열교환기(120)로 공급된다. 이때 제2방향전환밸브(240)는 냉매를 제3열교환기(130)로 공급하는 경로(line 1-5)를 개방하고, 제2팽창수단(230) 측 경로(line 1-4)는 폐쇄한다. 외부열교환기(120)로 공급된 냉매는 저온, 저압의 기상과 액상의 혼합기가 되어 제3열교환기(130) 측으로 유입된다. 이때 이곳 제3열교환기(130)에서 냉매는 2차적으로 증발할 수 있다.
제3열교환기(130)에서의 열교환은 선택적으로 이루어질 수 있으며, 주로 냉매의 온도를 더 높여 난방성능을 향상시키고자 할 때 냉매가 폐열회수부 측의 유체라인으로부터 열을 제공받는 형태로 열교환한다. 예를 들어, 실외 온도가 소정 온도(예컨대, -10℃)이하의 저온 상태인 경우에는 통상의 냉매의 유동에 의한 난방성능과 더불어, 폐열회수부로부터 적극적으로 폐열을 제공받는 운전모드(고(高)난방운전모드)를 수행하여 차량에 요구되는 난방 부하를 만족시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제습-난방운전모드에서는 제습라인(line 1-6)과 제습라인을 개폐하는 개폐밸브(250)가 형성되어, 제습-난방운전모드 시 제1팽창수단(220)에 의해 감압 팽창된 냉매 중 일부를 증발기(140) 측으로 바로 유입시킬 수 있다.
증발기(140) 측으로 유입된 고온의 냉매가 증발기 측에 유입됨으로써, 제습작용을 할 수 있다.
구체적으로 공조케이스 내 미도시된 습도센서에 의해 고습한 것으로 판단되면, 송풍 팬에 의해 유입된 습한공기를 증발기(140)의 표면과 접촉하도록 하여 응축시킨 뒤, 도어(12)를 이용하여 증발기(140)와 접촉한 공기를 발열작용중인 내부열교환기(110) 측으로 이송시킴으로써 결과적으로 습기가 제거된 건조한 공기가 차실 내로 배출되도록 한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 시스템에 따르면, 제상 효율 측면에서 종래기술보다 뛰어난 히트펌프 시스템을 제안한다. 본 발명에서는 내부열교환기를 지난 냉매를 팽창시키지 않고 고온 또는 중온 상태로 외부열교환기로 순환시킬 수 있어 제상성능을 발휘한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 효과도 가지며, 제상운전시 난방성능이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만, 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 공조케이스(덕트)
11 : 송풍팬
12 : 도어
110 : 내부열교환기
120 : 외부열교환기
130 : 제3열교환기
140 : 증발기
150 : 전장폐열회수부
160 : 제4열교환기
170 : 캐빈룸폐열회수부
210 : 제1방향전환밸브
220 : 제1팽창수단
230 : 제2팽창수단
240 : 제2방향전환밸브
250 : 개폐밸브
300 : 히트코어

Claims (17)

  1. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
    냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기;
    냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기;
    상기 압축기로부터 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 제1방향전환밸브;
    상기 내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단;
    냉매라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단;
    상기 제2팽창수단 후단에 마련되는 증발기;
    냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키는 어큐뮬레이터;
    냉매가 상기 증발기를 통과하지 않고 어큐뮬레이터로 유입되도록 형성된 냉매라인 상에서, 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기; 및
    상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 상기 제2팽창수단으로 공급하거나 상기 제2팽창수단을 거치지 않고 상기 제3열교환기 측으로 공급하는 제2방향전환밸브를 포함하되,
    상기 냉매라인 상에 상기 내부열교환기로부터 발생된 열을 축열하고,
    제상운전모드 중에서 상기 압축기로부터 상기 외부열교환기로 냉매가 직접적으로 토출되는 경우에 있어서, 공조케이스 내부에 잠열을 방출하는 PCM(Phase Change Material)을 더 포함하며,
    히트펌프는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3열교환기는 제2방향전환밸브와 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐열회수부는 전장폐열회수부와 캐빈룸폐열회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PCM은 상기 내부열교환기와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    제1제상운전모드로서, 상기 제1방향전환밸브는 상기 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2방향전환밸브는 상기 제2팽창수단으로 냉매를 공급하는 거동을 통해 제상을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  9. 제1항에 있어서,
    제2제상운전모드로서, 상기 제1방향전환밸브는 상기 내부열교환기 측으로 냉매를 공급하고, 상기 제2방향전환밸브는 상기 제2팽창수단으로 냉매를 공급하는 거동을 통해 제상을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1팽창수단 후단에서 상기 제2팽창수단 후단으로 냉매를 직접적으로 공급하는 제습라인과, 제습라인을 개폐하는 개폐밸브를 더 포함하는 자동차용 히트펌프.
  11. 냉매라인 상에 압축기, 제1방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2방향전환밸브, 제2팽창수단, 상기 제2팽창수단 후단에 마련되는 증발기, 어큐뮬레이터가 배치되고, 냉매가 상기 증발기를 통과하지 않고 어큐뮬레이터로 유입되도록 형성된 냉매라인 상에 제3열교환기가 배치되며, 상기 내부열교환기의 일 측에 PCM(Phase Change Material)이 구비되는 히트펌프의 동작방법에 있어서,
    상기 제1방향전환밸브에 의해 상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기에 공급하며,
    상기 제2방향전환밸브에 의해 외부열교환기를 통과한 냉매를 제2팽창수단으로 공급하거나 상기 제2팽창수단을 거치지 않고 상기 제3열교환기 측으로 공급하고,
    상기 제1팽창수단 후단에서 상기 제2팽창수단 후단으로 냉매를 직접적으로 공급하는 제습라인과, 제습라인을 개폐하는 개폐밸브를 형성하되,
    상기 제1방향전환밸브, 제2방향전환밸브 및 상기 제습라인의 개폐밸브의 거동에 의해 냉방운전, 난방운전, 제1제상운전, 제2제상운전, 제습-난방운전이 수행되도록 하되,
    상기 제1제상운전과 제2제상운전시 난방성능을 유지하도록 공조케이스 내부의 도어를 개방하고,
    상기 제1제상운전 시에는, 압축기로부터 배출되는 냉매를 내부열교환기를 통과하지 않도록 하여 외부열교환기에 공급하며 상기 PCM을 통해 차량 내 난방열원을 제공하고,
    상기 제2제상운전 시에는, 압축기로부터 배출되는 냉매를 내부열교환기를 통과시킨 후 외부열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  12. 제11항에 있어서,
    냉방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  13. 제11항에 있어서,
    난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제3열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  14. 제11항에 있어서,
    제1제상운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 PCM이 냉각될 때의 잠열을 이용하여 차실 내를 난방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  16. 제11항에 있어서,
    제2제상운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단은 완전개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  17. 제11항에 있어서,
    제습-난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제3열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기 순서대로 통과시키고, 상기 제습라인에 냉매의 흐름을 일부 분기시켜 상기 증발기 측에 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.



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