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KR102039173B1 - 자동차용 히트펌프 - Google Patents

자동차용 히트펌프 Download PDF

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KR102039173B1
KR102039173B1 KR1020170120556A KR20170120556A KR102039173B1 KR 102039173 B1 KR102039173 B1 KR 102039173B1 KR 1020170120556 A KR1020170120556 A KR 1020170120556A KR 20170120556 A KR20170120556 A KR 20170120556A KR 102039173 B1 KR102039173 B1 KR 102039173B1
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heat exchanger
gas
compressor
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장호영
최준호
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에스트라오토모티브시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온도가 저온 시 난방능력 보완을 위해 가스 인젝션(Gas Injection) 기술을 사용한 히트펌프 시스템에 대한 것이다.

Description

자동차용 히트펌프{Heat Pump For a Vehicle}
본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온도가 저온 시 난방능력 보완을 위해 가스 인젝션(Gas Injection) 기술을 사용한 히트펌프 시스템에 대한 것이다.
환경 친화적인 산업 발전 및 화석원료를 대체하는 에너지원의 개발 기조아래, 근래 자동차 산업에서 가장 주목 받는 분야는 전기자동차와 하이브리드 자동차가 있다. 이들 전기자동차와 하이브리드 자동차에는 배터리가 장착되어 구동력을 제공하는데, 주행 운전뿐만 아니라 냉난방 시에도 배터리를 이용한다.
냉난방 시 배터리가 열원으로 사용된다는 것은 그만큼 주행거리가 감소된다는 것을 의미하는데, 종래부터 위 문제를 극복하기 위하여 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 차량의 난방운전 시 외기 온도가 너무 낮은 상태이면 난방능력이 현저하게 떨어지는 현상이 발생한다.
또한, 외기 온도가 저온시 난방열원이 부족하여 충분한 온도로 히팅할 수 없는 문제도 발생한다.
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.
대한민국 등록특허공보 제10-0568248 대한민국 등록실용신안공보 제20-0309412
외기 온도가 매우 낮은 온도일 때 난방운전을 가동하면 난방성능이 현저하게 떨어지는 현상이 있는데, 이를 기액분리수단을 이용한 가스 인젝션 기술을 도입하여 해결하고자 한다. 특히, 기액분리수단에서 분리된 기상냉매에 소량의 액상냉매가 압축기로 유입될 때 압축기의 수명이 단축되지 않도록 제2내부열교환기를 포함한 히트펌프 구성과 그에 대한 동작방법을 제공하고자 한다.
앞서 살펴본 바와 같이 종래 히트펌프 시스템에서의 문제였던 난방열원의 부족현상을 해결하기 위해 전장, 배터리, 또는 캐빈룸의 폐열을 회수하는 방식의 히트펌프도 개시하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기; 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기; 상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1-1팽창수단; 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 차실 내의 공기와 열교환 가능하도록 마련되는 증발기; 상기 외부열교환기와 증발기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단; 순환된 냉매가 상기 압축기에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터;를 포함하는 자동차용 히트펌프에 있어서, 상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기로 제공하여 인젝션을 수행하기 위한 기액분리수단;과 상기 제1내부열교환기와 제1-1팽창수단 사이의 냉매라인상에 배치되며, 상기 기액분리수단으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시키는 제2내부열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.
여기서 상기 히트펌프는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 압축기에서 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 제1내부열교환기로 공급하거나, 제1내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 제1방향전환밸브를 더 포함할 수 있다.
아울러, 제1-2팽창수단을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 제1-1팽창수단은 상기 기액분리수단 전단에 위치하며, 상기 1-2팽창수단은 상기 기액분리수단의 후단에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
나아가, 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 상기 기액분리수단으로 공급하게 하거나, 상기 기액분리수단을 통과하지 않고 외부열교환기로 직접적으로 공급하는 제2방향전환밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따라서 상기 제2팽창수단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 배치되어, 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2팽창수단과 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인에 배치되는 제1개폐밸브와, 상기 제2팽창수단과 증발기 사이의 냉매라인에 배치되는 제2개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1-1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 수 있다. 실시예에 따라 제1-2팽창수단도 전자식팽창수단으로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 냉매라인 상에 압축기; 제1내부열교환기; 제1방향전환밸브; 제2내부열교환기; 제1-1팽창수단; 제2방향전환밸브; 외부열교환기; 상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기로 제공하여 인젝션을 수행하기 위한 기액분리수단; 제2팽창수단; 증발기; 순환된 냉매가 상기 압축기에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 압축기에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터;가 배치되는 자동차용 히트펌프의 동작방법에 있어서, 상기 제1방향전환밸브에 의해 상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 제1내부열교환기로 공급하거나, 제1내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측에 공급하고, 상기 제2방향전환밸브에 의해 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 차량의 공조모드에 따라 기액분리수단으로 공급하거나, 상기 기액분리수단을 거치지 않고 외부열교환기에 직접적으로 공급하며, 상기 제2방향전환밸브가 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 기액분리수단으로 공급하는 경우, 상기 제2내부열교환기를 이용하여 상기 기액분리수단으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법을 제공한다.
여기서 상기 제1-1팽창수단은 상기 기액분리수단을 기준으로, 기액분리수단 전단에 위치한 제1-1팽창수단과 기액분리수단 후단에 위치한 제1-2팽창수단으로 구분되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 동작방법 중 냉방운전방법은, 상기 냉매를 압축기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단과 제1-2팽창수단은 완전 개방시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 동작방법 중 난방운전방법은, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제1-1팽창수단 또는 제1-2팽창수단 중 적어도 어느 하나는 감압 팽창시키고, 상기 제2팽창수단은 완전 개방시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 동작방법 중 인젝션-난방운전방법은 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 기액분리수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제2팽창수단은 완전 개방시키고, 상기 기액분리수단에서 분리된 기상 냉매를 상기 제2내부열교환기를 이용해 열교환시키고 압축기 측으로 인젝션함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 동작방법 중 제상운전방법은, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제1-1팽창수단과 제1-2팽창수단은 완전 개방시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 동작방법 중 제습-난방운전방법은, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단 또는 제1-2팽창수단 중 어느 하나는 감압 팽창시키며, 상기 제2팽창수단을 완전 개방시키고, 상기 제2팽창수단을 통과한 냉매의 흐름을 상기 증발기와, 증발기를 통과하지 않도록 하는 냉매라인 상으로 각각 분기시킴으로써 수행될 수 있다.
또한, 상기 제2팽창수단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 배치되는 제3열교환기를 더 포함하여, 폐열을 회수하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 외기온도가 저온시 난방성능의 저하문제를 가스 인젝션 기술의 도입을 통해 해결할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면 기액분리수단에서 분리된 냉매에 포함된 소량의 액상 냉매를 기화시키는 제2내부열교환기를 포함함으로써 압축기의 사용수명이 단축되는 문제도 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따르면 폐열의 회수를 통해 부족열원을 보충할 수도 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성에서, 냉방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성에서, 난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성에서, 인젝션-난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성에서, 제상운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 '자동차용 히트펌프'에 대하여 상세하게 설명한다. 설명하는 실시예들은 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. 특히 '제1-1팽창수단, 제2팽창수단', '제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 제2팽창수단'의 표현은 각 구성을 상호 간에 명확히 구분하기 위한 것 일뿐, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
도 1을 참조로 본원발명의 자동차용 히트펌프에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성을 나타낸다. 그리고 냉방운전모드에서의 냉매의 순환경로를 도시한다.
먼저, 본원발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 상기 냉매라인 상에 압축기(COMP), 제1내부열교환기(110), 외부열교환기(130), 제1-1팽창수단(220), 증발기(140), 제2팽창수단(230), 어큐뮬레이터(ACC)가 배치될 수 있다.
보다 구체적으로 냉매가 유동하는 냉매라인 상에는, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(COMP); 상기 압축기(COMP)에서 토출된 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기(110); 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기(130); 상기 제1내부열교환기(110)와 외부열교환기(130) 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1-1팽창수단(220); 상기 외부열교환기(130)를 통과한 냉매를 차실 내의 공기와 열교환 가능하도록 마련되는 증발기(140); 상기 외부열교환기(130)와 증발기(140) 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단(250); 순환된 냉매가 상기 압축기(COMP)에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기(COMP)에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터(ACC);가 배치되는 것이다.
위와 같은 구성의 본 발명의 자동차용 히트펌프 시스템은 화석연료를 사용하는 내연기관을 구비하지 않고 배터리만으로 구동하는 전기 자동차 또는 내연기관과 배터리가 동시에 장착된 하이브리드 자동차에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 주요 기술적 사상으로서, 상기 제1내부열교환기(110)와 외부열교환기(130) 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기(COMP)로 제공하여 인젝션(Injection)을 수행하기 위한 기액분리수단(300)을 포함하고,
상기 제1내부열교환기(110)와 제1-1팽창수단(220) 사이의 냉매라인상에 배치되며 상기 기액분리수단(300)으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시키는 제2내부열교환기(120)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트펌프는 상기 압축기(COMP)로부터 토출되는 냉매의 유동방향을 전환하는 제1방향전환밸브(210)를 포함할 수 있다. 제1방향전환밸브(210)는 상기 압축기(COMP)에서 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기로 공급하거나, 내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 역할을 한다. 이를 위해 제1방향전환밸브(210)는 3-Way 밸브로 이루어질 수 있다. 제1방향전환밸브(210)가 3-Way 밸브인 경우 냉매를 외부열교환기(130)에 공급하는 동작과, 내부열교환기(110)에 냉매를 공급하는 동작은 선택적으로 이루어질 수 있다.
종래의 히트펌프 시스템에서 냉방 운전시, 냉매가 제1내부열교환기(110)를 거쳐 팽창수단으로 유입되는 경우에는 제1내부열교환기(110)에 잔류한 열로 인해 히트 픽업(heat pick-up)현상이 발생할 수 있는데, 제1방향전환밸브(210)가 외부열교환기(130) 측으로 고온 고압의 냉매를 바로 배출하게 됨으로써, 히트 픽업 현상에 따른 냉방성능 저하를 방지하게 된다.
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.
상기 제1방향전환밸브(210)는, 냉방운전모드에서 고온 고압의 냉매가 제1내부열교환기(110)를 통과하지 않도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 냉매는 완전 개방된 제1-1팽창수단(220)을 그대로 통과한 후 외부열교환기(130)에서 응축된다.
반면, 상기 제1방향전환밸브(210)는 난방운전모드, 인젝션-난방운전모드, 제상운전모드 및 제습-난방운전모드에서는 상기 냉매가 제1내부열교환기(110)를 통과한 이후, 상기 제1-1팽창수단(220)으로 공급되도록 한다. 이때 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압의 냉매는 제1내부열교환기(110)를 통과하면서 응축되므로 온도가 낮아지고, 응축된 이후의 냉매가 제1-1팽창수단(220)을 거쳐, 외부열교환기(130)측으로 유입된다.
한편, 실시예에 따라 본 발명의 자동차 히트펌프는 제1-2팽창수단(240)을 더 포함하고, 이때 상기 제1-1팽창수단(220)은 상기 기액분리수단(300) 전단에 위치하며, 상기 1-2팽창수단(240)은 상기 기액분리수단(300)의 후단에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 제1-1팽창수단(220)이 기액분리수단(300) 전단에 위치한다고 함은 인젝션-난방운전모드에서 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매가 기액분리수단(300)으로 유입되기 이전에 제1-1팽창수단(220)을 통과하도록 하는 것을 의미하고, 제1-1팽창수단(220)이 기액분리수단(300)의 후단에 위치한다고 함은 인젝션-난방운전모드에서 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매가 기액분리수단(300)을 통과한 뒤, 액상의 냉매가 토출되는 경로상에 위치하는 것을 의미할 수 있다. 도 3에 제1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 그리고 기액분리수단(300)에서의 냉매의 흐름이 상세히 도시되어 있다. 이하, 히트펌프 동작방법에서 더욱 상세히 후술한다.
상기 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240)과 제2팽창수단(250)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.
본 발명의 기액분리수단(300)은 필요에 따라(ex 인젝션-난방 시) 냉매가 냉매라인의 전체 경로를 순환하기 전에 제1-1팽창수단(220)을 통과한 냉매 중의 기상냉매를 압축기로 재유입시키도록 마련된 구성을 의미한다. 기액분리수단(300)은 냉매가 냉매라인의 전체 경로를 순환하여 압축기(COMP)로 유입되기 전에 배치되는 구성인 어큐뮬레이터(ACC)처럼 냉매를 기상과 액상으로 구분하는 역할을 한다. 다만, 어큐뮬레이터(ACC)가 압축기에 기상의 냉매를 공급하는데 초점이 맞춰진 구성이라면, 기액분리수단(300)은 분리된 기상 냉매를 압축기로 공급하는 한편, 분리된 액상 냉매가 냉매라인 상에 그대로 흘러갈 수 있도록 하는 구성인 점에서, 세부적인 기능과 형상 등은 상호 간에 다소 상이할 수 있다.
외기온도가 저온 시 난방운전을 할 때, 제1-1팽창수단(220)을 통과한 냉매가 기액분리수단(300)을 통과하여, 액상의 냉매는 외부열교환기(130)로 공급되고, 기상의 냉매는 압축기(COMP)로 유입되도록 한다. 압축기(COMP)에는 어큐뮬레이터(ACC)를 통해 유입되는 냉매에 비해 상대적으로 고온의 기상냉매가 재유입되는 것이므로 난방성능이 향상되는 한편, 외부열교환기(130)에 액상의 냉매만 흐르게 되어 외부열교환기(130)에서의 증발 온도를 상승시켜 착상을 지연하는 효과도 발휘할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 구성요소로서 제2내부열교환기(120)를 더 포함하는데, 제2내부열교환기(120)는 상기 기액분리수단(300)에서 분리된 냉매 중 기상의 냉매에 포함된 소량의 액상냉매를 기화시키는 역할을 한다. 소량일지라도 액상의 냉매가 압축기로 유입시에는 압축기의 성능을 저하시키고, 수명을 단축시키는 문제가 있으나 본 발명의 제2내부열교환기(120) 구성을 이용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제1-1팽창수단(220)을 통과한 냉매를 상기 기액분리수단(300)을 통과하게 하거나, 상기 기액분리수단(300)을 통과하지 않고 외부열교환기(130) 직접적으로 공급하는 제2방향전환밸브(230)를 더 포함할 수 있다. 제2방향전환밸브(230) 역시 제1방향전환밸브(210)와 마찬가지로 3-Way 밸브가 해당될 수 있다.
제2방향전환밸브(230)는 인젝션-난방운전모드에서만 냉매가 기액분리수단(300)으로 공급되도록 하며, 이외 냉방운전모드, 난방운전모드, 제상운전모드, 제습-난방운전모드에서는 냉매가 외부열교환기(130)로 직접적으로 공급되도록한다. 인젝션-난방운전모드에서 제2방향전환밸브(230)는 기액분리수단(300)과 연동할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2팽창수단(250)과 상기 어큐뮬레이터(ACC) 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기(140)와 병렬적으로 배치되어, 폐열회수부(160)와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기(150)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 냉매가 제3열교환기(150)를 거쳐 어큐뮬레이터(ACC)에 유입된다. 외부열교환기(150)를 통과하면서 증발되어 저온 저압의 기상과 액상이 혼재된 냉매는 제3열교환기(150)를 거쳐 어큐뮬레이터(ACC)에 유입된다.
구체적으로, 제3열교환기(150)는 폐열회수부(160)로부터 폐열을 제공받는데, 이 폐열회수부(160)에는 전장폐열회수부 또는 캐빈룸폐열회수부가 포함될 수 있다. 즉, 제3열교환기(150)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 향상시킬 수도 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 제3열교환기(150)는 폐열측 파트(151)와 냉매측 파트(152)로 구분될 수 있다. 제3열교환기(150)는 두 개의 서로 다른 유체가 만나 각각의 유체가 가지는 열에너지를 전달하는데, 여기의 제3열교환기(150)에는 별도의 열 제공수단이 연결되지 않으므로 열역학 제3법칙에 의거하면, 보다 뜨거운 온도를 가진 유체로부터 차가운 온도를 가지는 유체로 열이 전달될 것이다. 제3열교환기(150)에서 만나는 유체는 서로 혼합되지 않도록 구성된다.
실시예에 따라 제3열교환기(150)는 냉각기로 널리 쓰이는 통상의 칠러(chiller)와 유사한 기능과 형상을 갖도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 상기 제2팽창수단(250)과 어큐뮬레이터(ACC) 사이의 냉매라인에 배치되는 제1개폐밸브(260)와, 상기 제2팽창수단(250)과 증발기(140) 사이의 냉매라인에 배치되는 제2개폐밸브(270)를 더 포함할 수 있다.
상술한 제1방향전환밸브(210)와 제2방향전환밸브(240) 및 제1개폐밸브(260), 제2개폐밸브(270)에 의한 냉매의 거동은 히트펌프 동작방법에서 다시 한번 상세히 후술하기로 한다.
본 발명의 다양한 공조모드(냉방운전모드, 난방운전모드, 인젝션-난방운전모드, 제상운전모드 그리고 제습-난방운전모드)의 on/off는 사용자의 선택 또는 차량의 제어기에 의해 자동적으로 조절 및 작동될 수 있다. 공조모드에 따른 차량 내 온도의 조절, 공조모드 간의 전환을 위한 밸브의 거동 역시 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 팽창수단(220, 240, 250)의 개도, 각 방향전환밸브(210, 230)의 방향전환, 각 개폐밸브(250, 260) 의 개도를 조절하게 된다. 한편 전술한 바와 같이 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 제2팽창수단(250)은 전자식 팽창수단으로 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.
이하, 본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법을 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법에 따르면 냉매라인 상에 압축기(COMP); 제1내부열교환기(110); 제1방향전환밸브(210); 제2내부열교환기(120); 제1-1팽창수단(220); 제2방향전환밸브(230); 외부열교환기(130); 상기 제1내부열교환기(110)와 외부열교환기(130) 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기(COMP)로 제공하여 인젝션을 수행하기 위한 기액분리수단(300); 제2팽창수단(250); 증발기(140); 순환된 냉매가 상기 압축기(COMP)에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 압축기(COMP)에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터(ACC);가 배치되는 자동차용 히트펌프의 동작방법에 있어서,
상기 제1방향전환밸브(210)에 의해 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 제1내부열교환기(110)로 공급하거나, 제1내부열교환기(110)를 거치지 않고 외부열교환기(130) 측에 공급하고,
상기 제2방향전환밸브(230)에 의해 상기 제1-1팽창수단(220)을 통과한 냉매를 차량의 공조모드에 따라 기액분리수단(300)으로 공급하거나, 상기 기액분리수단(300)을 거치지 않고 외부열교환기(130)에 직접적으로 공급하며,
상기 제2방향전환밸브(230)가 제1-1팽창수단(220)을 통과한 냉매를 기액분리수단(300)으로 공급하는 경우, 상기 제2내부열교환기(230)를 이용하여 상기 기액분리수단(300)으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시키는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서도 제1-2팽창수단(240)을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 제1-1팽창수단(220)은 상기 기액분리수단(300) 전단에 위치하며, 상기 1-2팽창수단(240)은 상기 기액분리수단(300)의 후단에 위치할 수 있다.
다음으로 도 1을 참조하여, 본 발명의 냉방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
냉방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 외부열교환기(130), 제2팽창수단(250), 증발기(140), 어큐뮬레이터(ACC) 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)은 완전 개방(Full Open)시키는 것을 특징으로 한다.
여기서 제1방향전환밸브(210)의 제1내부열교환기(110) 측으로의 경로는 폐쇄되고 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 연결되는 경로만 개방된다. 본 발명에서 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 연결된다는 것은, 냉매가 제1내부열교환기(110)를 통과하지 않고, 냉매가 제1-1팽창수단(220) 및 제1-2팽창수단(240)을 통과하여 외부열교환기(130) 측으로 연결되는 것을 의미할 수 있다.
제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)은 완전 개방(full open)됨으로써 냉매의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 따라서 압축기(COMP)로부터 토출된 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240)을 그대로 통과한 다음 외부열교환기(130)에서 비로소 차가운 외기와 만나 열교환하게 되면서 응축되며, 이로 인해 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다.
이 과정에서 제2방향전환밸브(230)는 냉매를 기액분리수단(300)으로 공급하는 경로는 차단한다.
계속해서 상기 외부열교환기(130)를 통과한 냉매는, 제2팽창수단(250)을 통과하는 과정에서 감압 팽창(또는 단열 팽창)되어 저온 저압 액상의 냉매가 된 후, 증발기(140) 측으로 유입된다. 이때, 제2팽창수단(250) 후단의 분기된 냉매라인 상에 각각 마련되는 제1개폐밸브(260)와 제2개폐밸브(270)에 대하여, 제1개폐밸브(260)는 OFF 상태이며, 반면 제2개폐밸브(270)는 ON 상태가 될 수 있다.
증발기(140) 측으로 유입된 저온 저압의 액상의 냉매는 공조케이스(10) 내부에서 송풍팬(11)에 의해 공급된 공기를 냉각하게 되며, 이로 인해 차실 내 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 저장하거나, 배수(drain)시킬 수 있다.
냉방운전 시에는 이와 같은 방법으로 냉매가 순환하게 된다.
즉, 상기 냉방운전모드에서 냉매는 압축기(COMP)로부터의 토출, 완전 개방(Full open)된 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)에서 그대로 통과하며, 외부열교환기(130)에서의 응축, 제2팽창수단(250)에서의 감압 팽창, 증발기(140)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거쳐, 차가워진 냉매가 공조케이스(10) 내부로 유입된 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.
도 2를 참조하여, 난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1내부열교환기(110), 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 외부열교환기(130), 제2팽창수단(250), 어큐뮬레이터(ACC) 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기(140)를 통과하지 않도록 하며, 상기 제1-1팽창수단(220) 또는 제1-2팽창수단(240)중 적어도 어느 하나는 감압 팽창되고, 상기 제2팽창수단(250)은 완전 개방하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240) 모두 감압 팽창될 수도 있고, 또는 상기 제1-1팽창수단(220)이 완전 개방될 때, 제1-2팽창수단(240)은 감압 팽창될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 제1-2팽창수단(240)이 완전 개방될 때, 제1-1팽창수단(220)이 감압 팽창될 수 있다. 도 2에서는 제1-1팽창수단(220)이 완전 개방될 때, 제1-2팽창수단(240)에서 감압 팽창되는 실시예가 도시된다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 구동에 의해 제1내부열교환기(110) 측으로의 경로는 개방되고 외부열교환기(130) 측으로 직접 연결되는 경로는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출된 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1내부열교환기(110)측으로 유입된다.
제1내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스(10) 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 그리고 제1내부열교환기(110)를 통과한 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다. 이 과정에서 도어(12)는 제1내부열교환기(110)측의 공기 유동을 개방하고, 공조케이스(10) 내로 유입된 후 제1내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하게 함으로써 난방을 수행한다.
그리고 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 제1-1팽창수단(220) 또는 제1-2팽창수단(240) 중 적어도 어느 하나를 통과하면서 감압 팽창(suitably open)되어 저압의 냉매가 된다. 그리고 냉매는 외부열교환기(130)로 공급된다. 여기서, 제2방향전환밸브(230)는 냉매를 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 공급하는 경로를 개방하고, 기액분리수단(300)으로 공급하는 경로를 폐쇄한다.
외부열교환기(130)에서 액상의 냉매는 증발한다. 증발과정에서 냉매는 기상과 액상의 혼합기 상태가 될 수 있는데 이 상태에서 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다. 이때, 제2팽창수단(250)은 완전 개방(full open)되어 있고, 제2개폐밸브(270)는 Off 상태이며, 반면 제1개폐밸브(260)는 On 상태가 될 수 있다.
실시예에 따라 어큐뮬레이터(ACC)와 제2팽창수단(250) 사이에 제3열교환기(150)가 마련되는 경우, 냉매는 제3열교환기(150)에 의해 2차적으로 증발할 수 있다.
제3열교환기(150) 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, 폐열회수부(160)로부터 적극적으로 폐열을 제공받는 운전모드(고(高)난방운전모드)를 수행하여 차량에 요구되는 난방 부하를 만족시킬 수 있다.
제3열교환기(150)에 유입될 때 상대적으로 저온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 냉매는 제3열교환기(150)를 통과하면서 상대적으로 고온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 냉매가 되어 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입될 수 있다. 이와 같은 작용은 결과적으로 압축기(COMP) 효율을 높여 난방효율을 높이게 된다.
상기 난방운전모드를 다시 한번 정리하면, 냉매는 압축기(COMP)로부터의 토출, 제1내부열교환기(110)에서의 응축, 제1-1팽창수단(220) 또는 제1-2팽창수단(240) 중 적어도 하나에서 감압 팽창되고, 외부열교환기(130)에서의 증발, 어큐뮬레이터(ACC)를 통해 압축기로 다시 유입되는 과정을 순차적으로 거친다.
도 3을 참조하여, 인젝션-난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
인젝션-난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1내부열교환기(110), 제1-1팽창수단(220), 기액분리수단(300), 제1-2팽창수단(240), 외부열교환기(130), 제2팽창수단(250), 어큐뮬레이터(ACC) 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기(140)를 통과하지 않도록 하며, 상기 제2팽창수단(250)은 완전 개방시키고, 상기 기액분리수단(300)에서 분리된 기상 냉매를 상기 제2내부열교환기(120)를 이용해 열교환시키고 압축기(COMP) 측으로 인젝션하는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 구동에 의해 제1내부열교환기(110) 측으로의 경로는 개방되고 외부열교환기(130) 측으로 직접 연결되는 경로는 폐쇄된다. 따라서, 압축기(COMP)에서 토출된 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1내부열교환기(110)측으로 유입된다.
제1내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 전술한 난방운전방법과 마찬가지로, 송풍팬(11)을 통해 공조케이스(10) 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 그리고 제1내부열교환기(110)를 통과한 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다. 이 과정에서 도어(12)는 제1내부열교환기(110)측의 공기 유동을 개방하고, 공조케이스(10) 내로 유입된 후 제1내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하게 함으로써 난방을 수행한다.
그리고 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 제1-1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창(suitably open)되어 저압의 냉매가 된다. 감압 팽창된 냉매는 제2방향전환밸브(230)에 의해 기액분리수단(300)으로 냉매를 공급하며, 기액분리수단(300)에서는 유입된 냉매 중 기상의 냉매와 액상의 냉매를 분리하여, 기상의 냉매는 압축기(COMP) 방향으로 인젝션하고, 액상의 냉매는 히트펌프 시스템에서의 냉매의 순환을 위해 외부열교환기(130) 측으로 공급한다. 이 과정에서 액상의 냉매는 제1-2팽창수단(240)을 지나 추가적으로 감압팽창될 수 있다.
즉, 제2방향전환밸브(230)는 냉매를 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 공급하는 경로를 폐쇄하고, 기액분리수단(300)으로 공급하는 경로를 개방한다. 따라서, 기액분리수단(300)을 통과한 냉매 중 액상의 냉매만이 외부열교환기(130)를 통과하게 되며, 기상의 냉매는 액상의 냉매와 분리되어 외부열교환기(130) 후단측에 공급된다. 이로 인해 외부열교환기(130)에서의 증발작용이 극대화될 수 있다.
한편, 기액분리수단(300)에서 분리된 기상의 냉매는 압축기(COMP)로 인젝션되는 과정에서 제2내부열교환기(120)를 통해 열교환 과정을 거침으로써 기상의 냉매에 포함되어 있던 미량의 액상의 냉매를 다시 한번 기화시킬 수 있게 되며, 이로써 압축기(COMP)에 인젝션되는 냉매에는 기상의 냉매만이 유입된다. 따라서, 가스 인젝션 시 압축기의 수명이 단축될 수 있는 문제점까지 미연에 방지된다.
외부열교환기(130)에서 액상의 냉매는 증발하여, 기상과 액상의 혼합기 상태인 냉매로 변화한 다음 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.
여기서 제2팽창수단(250)은 완전 개방되며, 이때, 제2팽창수단(250) 후단의 분기된 냉매라인 상에 각각 마련되는 제1개폐밸브(260)와 제2개폐밸브(270)에 대하여, 제2개폐밸브(270)는 OFF 상태이며, 반면 제1개폐밸브(260)는 ON 상태가 될 수 있다.
실시예에 따라 어큐뮬레이터(ACC)와 제3방향전환밸브(250) 사이에 제3 제3열교환기(130)가 마련되는 경우, 냉매는 제3열교환기(130)에 의해 2차적으로 증발할 수 있다. 이하, 제3열교환기(130)에 대한 설명은 전술한 난방운전시와 동일하므로 중복되는 범위에서 생략하도록 한다.
상기 인젝션-난방운전모드를 다시 한번 정리하면, 냉매는 압축기(COMP)로부터의 토출, 제1내부열교환기(110)에서의 응축, 제1-1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 기액분리수단(300)에서 기액의 분리, 액상의 냉매만이 제1-2팽창수단(240)을 통과하여 외부열교환기(130)로 공급되며, 외부열교환기(130)에서 증발과정을 거쳐, 어큐뮬레이터(ACC)를 통해 압축기로 다시 유입되는 과정을 순차적으로 거친다. 본 실시예에서는 기액분리수단(300)에 의해 액상의 냉매만이 외부열교환기(130)에 공급되도록 함으로써 증발효율을 높일 수 있는 효과 및 실외 온도가 저온 상태인 경우 외부열교환기(130)에 서리가 착상되는 현상을 지연시킬 수 있는 효과와 함께, 압축기의 수명 단축의 문제점을 해소하는 이점도 가진다.
도 4를 참조하여, 제상운전모드에 대해 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 제상운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1내부열교환기(110), 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 외부열교환기(130), 제2팽창수단(230), 증발기(140), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)은 완전 개방시키는 것을 특징으로 한다.
난방운전 중 제상이 필요할 경우에, 난방운전을 중단하지 않고, 제상을 진행하기 때문에 난방열량이 저하되는 현상이 방지된다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 구동에 의해 제1내부열교환기(110)측으로의 경로는 개방되고 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 연결되는 경로는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1내부열교환기(110)측으로 유입된다.
제1내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 제1내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.
계속해서 냉매가 유동하는 경로상에 위치하는 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)은 완전 개방(full open)되어 냉매의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 이로써 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 외부열교환기(130)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(130)에서 서리가 착상되는 것을 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다. 다시 말해 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매를 팽창시키지 않고 중온 고압 상태로 외부열교환기(130)로 순환시킴으로써 향상된 제상 능력을 발휘한다. 난방성능을 유지하면서 간단한 밸브 조작을 통해 제상효과를 발휘하는 장점을 가진다.
이때 제2방향전환밸브(230)는 냉매를 외부열교환기 측에 직접적으로 공급하는 경로를 개방하고, 기액분리수단(300)에 공급하는 경로는 폐쇄한다.
계속해서 상기 외부열교환기(130)를 통과한 냉매는, 제2팽창수단(250)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압 액상의 냉매가 된 후, 어큐뮬레이터(ACC) 측으로 공급된다. 이때, 제2팽창수단(250) 후단의 분기된 냉매라인 상에 각각 마련되는 제1개폐밸브(260)와 제2개폐밸브(270)에 대하여, 제2개폐밸브(270)는 OFF 상태이며, 반면 제1개폐밸브(260)는 ON 상태가 될 수 있다.
이때 실시예에 따라, 제3열교환기(150)에서 증발작용이 수행될 수 있다.
즉, 상기 제상운전모드에서 냉매는 압축기로부터의 토출, 제1내부열교환기(110)에서의 응축, 완전 개방된 제1-1팽창수단(220)과 제1-2팽창수단(240)에서 그대로 통과하고, 외부열교환기(130)에서의 재응축, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창, 제3열교환기에서에서 증발되는 과정을 순차적으로 거칠 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여, 제습-난방운전모드에 대해 설명하기로 한다.
제습-난방운전방법으로서는, 상기 냉매를 압축기(COMP), 제1내부열교환기(110), 제1-1팽창수단(220), 제1-2팽창수단(240), 외부열교환기(130), 제2팽창수단(250), 어큐뮬레이터(ACC) 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단(220) 또는 제1-2팽창수단(240) 중 적어도 어느 하나는 감압팽창 시키고, 제2팽창수단(250)는 완전 개방시키며, 상기 제2팽창수단(250)을 통과한 냉매의 흐름을 상기 증발기(140)와, 증발기(140)를 통과하지 않도록 하는 냉매라인 상으로 각각 분기시키는 것을 특징으로 한다.
여기서는 제1방향전환밸브(210)의 제1내부열교환기(110)측으로의 경로는 개방되고 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 연결되는 경로는 폐쇄된다. 따라서, 압축기(COMP)에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 냉매는 제1내부열교환기(110)측으로 유입된다.
제1내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 냉매는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 유입된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 냉매가 액상의 냉매로 변환한다. 제1내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다. 이 과정에서 도어(12)는 제1내부열교환기(110)측의 공기 유동을 개방하고, 공조케이스(10) 내로 유입된 후 제1내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하게 함으로써 난방을 수행한다.
그리고 제1내부열교환기(110)를 통과한 냉매는 제1-1팽창수단(220) 또는 제1-2팽창수단(240) 중 적어도 어느 하나를 지나면서 감압 팽창(suitably open)되어 저압의 냉매가 된다. 도 5에서는 제1-2팽창수단(240)이 감압 팽창되고 제1-1팽창수단(220)은 완전 개방된 상태가 도시된다. 그리고 냉매는 외부열교환기(130)로 공급된다.
여기서, 제2방향전환밸브(230)는 냉매를 외부열교환기(130) 측으로 직접적으로 공급하는 경로를 개방하고, 기액분리수단(300)으로 공급하는 경로를 폐쇄한다.
외부열교환기(130)에서 액상의 냉매는 증발하여, 기상과 액상의 혼합기 상태인 냉매로 변화한 다음 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.
여기서 제2팽창수단(250)은 완전 개방된 상태이며, 상기 제2팽창수단(250)을 통과한 냉매의 흐름을 상기 증발기(140)와, 증발기(140)를 통과하지 않도록 하는 냉매라인 상으로 각각 분기할 수 있다. 이때, 제2팽창수단(250) 후단의 분기된 냉매라인 상에 각각 마련되는 제1개폐밸브(260)와 제2개폐밸브(270)에 대하여, 제1개폐밸브(260)와 제2개폐밸브(270)는 모두 ON 상태가 해당될 수 있다.
증발기(140)를 통과하는 냉매의 흐름은 차실 내의 공기와 열교환하여 실내 제습을 수행할 수 있게 되고, 증발기(140)를 통과하지 않도록 하는 냉매의 흐름은 통상의 난방운전에서와 같이 작용할 수 있다. 이때, 제3열교환기(150)로부터 폐열을 회수하여 난방운전을 보충할 수도 있다.
보다 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 제1내부열교환기(110) 측으로 이송시킴으로써 결과적으로 습기가 제거된 건조한 공기가 차실 내로 배출되도록 한다.
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) 210 : 제1방향전환밸브
11 : 송풍팬 220 : 제1-1팽창수단
12 : 도어 240 : 제1-2팽창수단
110 : 제1내부열교환기 230 : 제2방향전환밸브
120 : 제2내부열교환기 250 : 제2팽창수단
130 : 외부열교환기 260 : 제1개폐밸브
140 : 증발기 270 : 제2개폐밸브
150 : 제3열교환기
160 : 폐열회수부

Claims (16)

  1. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 차실 내의 공기와 열교환시키는 제1내부열교환기; 냉매를 외기와 열교환시키는 외부열교환기; 상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제1-1팽창수단; 상기 외부열교환기를 통과한 냉매를 차실 내의 공기와 열교환 가능하도록 마련되는 증발기; 상기 외부열교환기와 증발기 사이의 냉매라인 상에 배치되고, 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단; 순환된 냉매가 상기 압축기에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터를 포함하는 자동차용 히트펌프에 있어서,
    상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기로 제공하여 인젝션을 수행하기 위한 기액분리수단;
    상기 제1내부열교환기와 제1-1팽창수단 사이의 냉매라인상에 배치되며, 상기 기액분리수단으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시킬 수 있도록 마련된 제2내부열교환기; 및
    인젝션-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 상기 기액분리수단으로 공급되게 하고, 냉방운전모드, 난방운전모드, 제상운전모드, 제습-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매가 상기 기액분리수단을 통과하지 않고 외부열교환기로 직접적으로 공급되도록 하는 제2방향전환밸브;
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 제1내부열교환기로 공급하거나, 제1내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측으로 공급하는 제1방향전환밸브;
    제1-2팽창수단을 더 포함하되,
    상기 제1-1팽창수단은 상기 기액분리수단 전단의 제2방향전환밸브로 냉매를 공급하는 곳에 위치하며, 상기 1-2팽창수단은 상기 기액분리수단의 후단 즉, 인젝션-난방운전모드에서 냉매가 기액분리수단(300)을 통과한 뒤, 액상의 냉매가 토출되는 경로상에 위치하여,
    인젝션-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단은 감압팽창되고, 제1-2팽창수단에서 추가적으로 감압팽창될 수 있도록 하고,
    상기 제2팽창수단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 배치되어, 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기를 더 포함하며,
    상기 제2팽창수단 후단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인에 배치되는 제1개폐밸브와, 상기 제2팽창수단 후단과 증발기 사이의 냉매라인에 배치되는 제2 개폐밸브를 더 포함하여,
    제습-난방운전모드에서는 제1 개폐밸브와 제2 개폐밸브를 모두 개방하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트펌프는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1-1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open) 할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
  9. 냉매라인 상에 압축기; 제1내부열교환기; 제1방향전환밸브; 제2내부열교환기; 제1-1팽창수단; 제2방향전환밸브; 외부열교환기; 상기 제1내부열교환기와 외부열교환기 사이의 냉매라인에 포함된 기상 냉매를 압축기로 제공하여 인젝션을 수행하기 위한 기액분리수단; 제2팽창수단; 증발기; 순환된 냉매가 상기 압축기에 유입되기 이전에, 냉매라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 압축기에 유입시키도록 마련된 어큐뮬레이터;가 배치되는 자동차용 히트펌프의 동작방법에 있어서,
    상기 제1방향전환밸브에 의해 상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 차량의 공조모드에 따라 상기 제1내부열교환기로 공급하거나, 제1내부열교환기를 거치지 않고 외부열교환기 측에 공급하고,
    상기 제2방향전환밸브에 의해 인젝션-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 기액분리수단으로 공급하고, 냉방운전모드, 난방운전모드, 제상운전모드, 제습-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 상기 기액분리수단을 거치지 않고 외부열교환기에 직접적으로 공급하며,
    상기 제2방향전환밸브가 제1-1팽창수단을 통과한 냉매를 기액분리수단으로 공급하는 경우, 상기 제2내부열교환기를 이용하여 상기 기액분리수단으로부터 분리된 기상 냉매를 열교환시키며,
    제1-2팽창수단을 더 포함하되,
    상기 제1-1팽창수단은 상기 기액분리수단 전단의 제2방향전환밸브로 냉매를 공급하는 곳에 위치하며, 상기 1-2팽창수단은 상기 기액분리수단의 후단 즉, 인젝션-난방운전모드에서 냉매가 기액분리수단(300)을 통과한 뒤, 액상의 냉매가 토출되는 경로상에 위치하여,
    인젝션-난방운전모드에서는 상기 제1-1팽창수단은 감압팽창되고, 제1-2팽창수단에서 추가적으로 감압팽창될 수 있도록 하고,
    상기 제2팽창수단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인 상에서 상기 증발기와 병렬적으로 배치되어, 폐열회수부와 열교환하도록 마련되는 제3열교환기를 더 포함하여 폐열을 회수하고,
    상기 제2팽창수단 후단과 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매라인에 배치되는 제1개폐밸브와, 상기 제2팽창수단 후단과 증발기 사이의 냉매라인에 배치되는 제2 개폐밸브를 더 포함하여,
    제습-난방운전모드에서는 제1 개폐밸브와 제2 개폐밸브를 모두 개방하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    냉방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 증발기, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단과 제1-2팽창수단은 완전 개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  12. 제9항에 있어서,
    난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제1-1팽창수단 또는 제1-2팽창수단 중 적어도 어느 하나는 감압 팽창시키고, 상기 제2팽창수단은 완전 개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  13. 제9항에 있어서,
    인젝션-난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 기액분리수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제2팽창수단은 완전 개방시키고, 상기 기액분리수단에서 분리된 기상 냉매를 상기 제2내부열교환기를 이용해 열교환시키고 압축기 측으로 인젝션하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  14. 제9항에 있어서,
    제상운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 냉매는 상기 증발기를 통과하지 않도록 하며, 상기 제1-1팽창수단과 제1-2팽창수단은 완전 개방시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  15. 제9항에 있어서,
    제습-난방운전방법으로서, 상기 냉매를 압축기, 제1내부열교환기, 제1-1팽창수단, 제1-2팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 어큐뮬레이터 순서대로 통과시키되, 상기 제1-1팽창수단 또는 제1-2팽창수단 중 적어도 어느 하나는 감압 팽창 시키며, 상기 제2팽창수단은 완전 개방시키고, 상기 제2팽창수단을 통과한 냉매의 흐름을 상기 증발기와, 증발기를 통과하지 않도록 하는 냉매라인 상으로 각각 분기시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.
  16. 삭제
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