KR101903143B1

KR101903143B1 - 자동차용 히트펌프

Info

Publication number: KR101903143B1
Application number: KR1020160183072A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 장호영; 최준호
Original assignee: 이래오토모티브시스템 주식회사
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-10-01
Also published as: KR20180080376A

Abstract

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매루프, 냉각수루프를 포함하는 다중루프(multi-loop)로 구성되고 다중루프로서 상호 연동하여 냉방/난방/제상/제습운전을 수행하는 자동차용 히트펌프에 대한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고, 상기 제2유체라인상에 제2유체가 유동하는 제2유체라인의 제1분기라인에 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가 배치되며, 제2분기라인에 제2개폐밸브 및 제1폐열회수부가 배치되고, 상기 제2유체에 추가 열원을 제공하도록 제2폐열회수부를 마련하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.

Description

자동차용 히트펌프{Heat Pump For a Vehicle}

본 발명은 자동차용 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매루프, 냉각수루프를 포함하는 다중루프(multi-loop)로 구성되고 다중루프로서 상호 연동하여 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.

물론 종래에도 히트펌프를 자동차에 적용하려는 시도들은 있었다.

한국 공개특허공보 제10-2000-0063254를 참조하면, 히트펌프로서 공기순환유니트의 하류측에 설치되어 엔진의 냉각수가 순환하는 온수히터와, 공기순환유니트의 상류측에 설치되어 공기순환유니트의 외부에 설치된 압축기 및 응축기와 함께 냉매사이클을 형성하는 실내열교환기와, 난방운전시에 상기 압축기에서 토출된 냉매를 바이패스시키는 제1바이패스라인과, 공기순환유니트의 외부에 설치되어 상기 온수히터에서 나온 엔진의 냉각수와 상기 실내열교환기에서 나온 냉매를 열교환시키는 이중관 열교환기를 포함하되, 상기 실내열교환기의 냉매입구측에 설치된 제1전자팽창밸브와, 상기 이중관 열교환기의 냉매입구측에 설치된 제2전자팽창밸브와, 상기 제1전자팽창밸브 및 제2전자팽창밸브의 개도를 제어하는 제어수단을 구비한 히트펌프를 개시하였다.

그리고 한국 등록특허공보 제10-1669826을 참조하면, 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기에서 배출된 냉매를 열교환시키는 실내열교환기와, 공조케이스의 내부에 설치되어 공조케이스내 공기와 상기 압축기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 증발기와, 상기 공조케이스의 외부에 설치되어 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매와 외기를 열교환시키는 실외열교환기와, 상기 실내열교환기와 실외열교환기 사이의 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제1팽창수단과, 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인상에 설치되어 냉매를 팽창시키는 제2팽창수단과, 상기 제2팽창수단의 입구측 냉매순환라인과 상기 증발기의 출구측 냉매순환라인을 연결하도록 설치되어 히트펌프 모드시 냉매가 제2팽창수단 및 증발기를 바이패스하도록 하는 바이패스라인을 포함하여 이루어진 차량용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인상에는, 히트펌프 모드시 차실내 제습을 수행할 수 있도록 상기 냉매순환라인을 순환하는 냉매의 일부를 상기 증발기측으로 공급하는 제습라인이 설치되되, 상기 제습라인은, 상기 제1팽창수단의 출구측 냉매순환라인과 상기 증발기의 입구측 냉매순환라인을 연결하도록 설치되어, 상기 제1팽창수단을 통과하고 실외열교환기로 유입되기 전의 냉매 일부를 증발기측으로 공급하도록 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 히트펌프 시스템을 개시하였다.

이들 선행기술의 차량용 히트펌프에 의하면, 냉방 및 난방을 최적으로 제어할 수 있게 되고, 차실 내 원활한 제습작용도 할 수 있는 등의 장점이 있으나, 이들 발명 모두 냉/난방/제습 등의 다양한 모드를 작동하기 위해서 많은 바이패스 라인과 밸브들을 구성하여 매우 복잡한 시스템을 형성하고 있다. 나아가 외기 온도가 극저온인 환경(예컨대 겨울철)에서는 외부 열교환기가 쉽게 착상될 수 있는데 이를 제거하기 위해서도 바이패스라인을 포함한 복잡한 냉매 제상루프를 이용하여 제거하는 방식들이 다수를 이룬다.

종래기술과 같이 많은 바이패스라인과 밸브들을 구성할 경우 그만큼 히트펌프 시스템의 조립과 제조 공정이 복잡하고, 복잡해진 라인을 따라 냉매의 압력 강하량이 커져 결과적으로 효율이 저하되는 문제가 발생하며, 각 운전 모드별 냉매 루프 제어가 복잡해진다는 문제도 발생한다. 이로 인해 히트펌프 시스템을 채용함으로써 얻을 수 있는 장점에 비해 제어의 복잡성, 원가의 상승으로 인한 단점들이 만만치 않아 그 효용성이 있는지에 대한 논란이 있는 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 하이브리드 차에 적합한 새로운 공조장치의 개발의 필요가 있다.

아울러 자동차의 연비 향상을 위해 자동차 설비 및 부품의 컴팩트(compact)화, 다운사이징(downsizing)화의 추세에도 발맞추어 공조장치 구성을 간단하게 구성할 필요성도 존재한다.

이러한 요구에 부응하기 위해, 본 발명에서는 그 일 실시예로서 불필요한 바이패스 라인을 없애 종래 기술의 히트펌프 시스템에 비해 구조적, 제어적 복잡성을 탈피한 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

종래의 히트펌프 시스템은 외기 온도가 저온시에 난방능력이 떨어지는 현상이 발생한다. 히트펌프 시스템 내 주 열원 소스(source)는 외기가 해당하는데, 외기 온도가 저온일 때 충분한 열에너지를 제공받지 못하기 때문이다. 본 발명에서는 부족한 열원을 전장폐열을 통해 보충을 해주고, 전장폐열에 의해서도 충분한 열원이 확보되지 않는 경우에 추가적인 대응 방안을 마련하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고, 상기 제2유체라인상에 제2유체가 유동하는 제2유체라인의 제1분기라인에 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가 배치되며, 제2분기라인에 제2개폐밸브 및 제1폐열회수부가 배치되고, 상기 제2유체에 추가 열원을 제공하도록 제2폐열회수부를 마련하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프를 제공한다.

일 실시예에 따르면 상기 히트펌프는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면 상기 제1유체는 냉매, 제2유체는 냉각수가 해당될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 제1폐열회수부는 전장품으로부터 폐열을 회수하고, 상기 제2폐열회수부는 캐빈으로부터 폐열을 회수하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제2폐열회수부는 제3유체가 유동하는 제3유체라인상에 위치할 수 있다.

아울러, 기 제2유체라인의 제2분기라인과 제3유체라인 상에, 상기 제2유체와 제3유체 간의 열교환이 가능하도록 제4열교환기를 배치할 수 있다.

이와 달리, 상기 제2폐열회수부는 상기 제2유체라인상에 위치할 수도 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1유체가 유동하는 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고, 제2유체가 유동하는 제2유체라인의 제1분기라인에 제1개폐밸브 및 캐빈쿨러가 배치되며, 제2분기라인에 제2개폐밸브 및 제1폐열회수부가 배치되고, 상기 제2유체에 추가 열원을 제공하는 제2폐열회수부가 마련된 다중루프형(Multi-loop type) 자동차용 히트펌프의 동작방법으로서, 상기 제1유체와 제2유체의 유동을 서로 연계하여 냉방, 난방, 제상 또는 제습-난방 동작을 수행하되, 상기 난방 동작에서, 차량에 요구되는 난방부하에 따라 상기 제1폐열회수부와 제2폐열회수부 중 적어도 하나 이상의 폐열회수부로부터 열원을 제공받는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법을 제공한다.

본 발명에서는 히트펌프 시스템의 바이패스라인을 최소화하는 발명을 제안하였다.

종래의 히트펌프 시스템에서는 히트펌프 모드 구동을 위해 조립과 제조 공정이 복잡하고, 냉매의 압력 강하량이 커지는 문제가 발생하며, 각 운전 모드별 냉매 루프 제어가 어려운 문제가 있었다. 특히 외기 온도가 저온시 외부 열교환기에는 서리가 착상되는 문제가 발생하곤 하는데, 종래의 히트펌프 시스템에서는 이를 제거하기 위해 복잡한 냉매 루프를 이용한 제상운전을 통하여 제거를 하였다. 예컨대 기존의 기술은 내부 열교환기를 지난 중온고압의 냉매를 팽창밸브를 지나 외부열교환기를 거치지 않고 칠러(제3열교환기)로 바이패스 라인을 구성하여 유동시킨다.

그러나 본 발명에서는 기존의 히트펌프 시스템보다 간단한 구조로서 냉매 루프 길이가 짧으며, 제상 효율 측면에서도 종래기술보다 뛰어난 히트펌프 시스템을 제안한다. 바이패스라인을 생략하므로 원가를 절감할 수 있는 비용적 이점을 가지고, 냉매 루프 길이가 짧아 압력 강하량이 적어지는 기술적 이점을 가지며, 내부열교환기를 지난 냉매를 팽창시키지 않고 중온고압 상태로 외부열교환기로 순환시킬 수 있어 제상성능이 향상되고 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 부가적으로 제상운전시 난방성능이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.

제어적 측면에서 보면, 본 발명은 이중루프 시스템이므로 각 루프에 대해 온도 제어를 개별적으로 할 수 있게 되어 시스템 안정성 측면에서도 이점을 가지며, 시스템 고장진단 측면에서도, 시스템에 이상 발생시 루프별 개별적인 진단이 가능한 장점이 있다.

아울러, 히트펌프 시스템이 장착된 차량에 요구되는 난방부하에 비해, 난방 열원이 부족한 경우 전장폐열을 통해 열원을 보충해주고, 전장폐열에 의해서도 충분한 열원이 확보되지 않는 경우에 캐빈폐열을 이용해 열원을 보충 해주므로 난방성능이 개선되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 냉방운전모드에서의 제1유체, 제2유체 순환경로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체 순환경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제상운전모드에서의 제1유체, 제2유체 순환경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 제습-난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체 순환경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중루프를 구비한 히트펌프 시스템의 구성에서, 난방운전모드에서의 제1유체, 제2유체 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 5를 참조로 본원발명의 자동차용 히트펌프 시스템 및 히트펌프 동작방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 본원발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프의 구성은 다음과 같다. 본 발명의 자동차용 히트펌프의 구성은 다중루프(multi-loop)로 구성됨을 주요 특징으로 한다. 예컨대 이중루프(secondary-loop)인 경우 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1)상의 구성들과 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)상의 구성들로 이루어진다. 본 발명의 자동차가 전기자동차인 경우 제1유체와 제2유체는 서로 다른 냉매를 의미할 수 있고, 하이브리드 자동차인 경우에 제1유체는 냉매를 제2유체는 제1유체와 다른 냉매 또는 냉각수를 의미할 수 있다. 바람직하게는 상기 제1유체는 차실내의 공조를 위해 마련되는 냉매, 상기 제2유체는 워터펌프를 통해 차량 내부에 유동하는 냉각수라인일 수 있다.

본 발명의 히트펌프 시스템은 화석연료를 사용하는 내연기관을 구비하지 않고 배터리만으로 구동하는 전기 자동차 및, 내연기관과 배터리가 동시에 장착된 하이브리드자동차에 적용될 수 있을 것이다. 일 실시예에 따라 상기 전기 자동차에 본 발명의 히트펌프 시스템이 적용되는 경우라면 엔진의 냉각을 위한 냉각수라인을 별도로 구성하지 않으므로, 상기 제2유체는 냉각수가 아닌 냉매가 적용됨이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 히트펌프는 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1)과 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)을 포함하는 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프로서, 상기 제1유체라인(line 1)상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고, 상기 제2유체라인(line 2)상에 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)의 제1분기라인(line 2-1)에 제1개폐밸브(240) 및 캐빈쿨러(140)가 배치되며, 제2분기라인(line 2-2)에 제2개폐밸브(250) 및 제1폐열회수부(150)가 배치되고, 상기 제2유체에 추가열원을 제공하도록 마련된 제2폐열회수부(170)가 배치될 수 있다.

보다 구체적으로 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1) 상에는, 제1유체를 압축하여 토출하는 압축기(COMP); 상기 제1유체를 차실 내의 공기와 열교환시키는 내부열교환기(110); 상기 제1유체를 외기와 열교환시키는 외부열교환기(120); 상기 내부열교환기(110)와 외부열교환기(120) 사이의 제1유체라인 상에 배치되고, 제1유체를 팽창 가능하도록 마련되는 제1팽창수단(220); 제1유체라인 상에 배치되고, 상기 외부열교환기(120)를 통과한 제1유체를 팽창 가능하도록 마련되는 제2팽창수단(230); 상기 제2팽창수단(230)을 통과한 제1유체라인 상의 액상과 기상의 냉매 중 기상의 냉매를 상기 압축기에 유입시키는 어큐뮬레이터(ACC); 상기 제2팽창수단(230)과 상기 어큐뮬레이터(ACC) 사이의 제1유체라인(line 1) 상에 배치되고, 제2유체와 열교환 가능한 제3열교환기(130)가 배치된다.

또한, 상기 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)은, 차실 내의 공기와 열교환하는 캐빈쿨러(140)와 연결되고, 폐열을 획득하여 제1유체에 제공하기 위해 마련된 제1폐열회수부(150)와 연결될 수 있으며, 상기 제2유체라인(line 2) 상에는, 캐빈쿨러(140)로의 유동을 개폐(또는 단속)하는 제1개폐밸브(240)와 제1폐열회수부(150)로의 유동을 개폐(또는 단속)하는 제2개폐밸브(250)가 구비될 수 있다.

아울러, 본 발명의 히트펌프는 상기 압축기(COMP)로부터 토출되는 제1유체의 유동방향을 전환하는 방향전환밸브(210)를 더 포함할 수 있다.

도 1을 살펴보면 제1유체라인(line 1)상에는 압축기(COMP), 방향전환밸브(210), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130)의 제1유체파트(131), 어큐뮬레이터(ACC)가 구비되며, 제2유체라인(line 2)상에는 제3열교환기(130)의 제2유체파트(132), 펌프(pump), 제1개폐밸브(240), 캐빈쿨러(140), 제2개폐밸브(250), 제1폐열회수부(150)가 구비된다.

제1유체라인(line 1)상에 구비된 방향전환밸브(210)는 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 제1유체를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 외부열교환기(120)에 직접적으로 공급하게 된다. 이를 위해 방향전환밸브(210)는 3-Way 밸브로 이루어질 수 있다. 방향전환밸브(210)가 3-Way 밸브인 경우 제1유체를 외부열교환기(120)에 공급하는 동작과, 내부열교환기(110)에 제1유체를 공급하는 동작은 선택적으로 이루어질 수 있다.

나아가 상기 압축기(COMP)와 방향전환밸브(210)를 연결하는 제1유체라인(line 1)상에는 압력센서(미도시)가 장착되어 상기 압축기(COMP)로부터 압축된 상태로 배출되는 냉매의 압력을 감지할 수 있다. 제1유체라인(line 1)상에 흐르는 제1유체는 방향전환밸브(210)에 의한 유동경로 변경 이외에는 다른 어떠한 경로 변경없이 일 방향으로 흐른다.

제2유체라인(line 2)상에 구비된 캐빈쿨러(140)와 제1폐열회수부(150)는 병렬적으로 구성되며 제1개폐밸브(240), 제2개폐밸브(250)의 선택적인 개폐작동에 의해 제2유체가 캐빈쿨러(140)와 제1폐열회수부(150)측으로 선택적으로 흐를 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 제1개폐밸브(240)와 제2개폐밸브(250)가 동시에 열려 캐빈쿨러(140)와 제1폐열회수부(150)로 제2유체가 동시에 흐를 수도 있다. 즉, 폐열원을 선택적으로 제공하여 제2유체의 온도를 변화시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 주요 특징은 상기 제1폐열회수부(150) 이외에 별도의 제2폐열회수부(170)를 구비한다는 것이다.

실시예에 따라 상기 제1폐열회수부(150)는 전장품으로부터 폐열을 회수하고, 상기 제2폐열회수부(170)는 캐빈으로부터 폐열을 회수하는 것을 의미할 수 있다. 여기서 제1폐열회수부(150)측에 연결된 전장품은 예컨대 모터(M), 인버터, 컨버터, 배터리 등과 같이 발열이 가능한 제품을 의미할 수 있다. 그리고 제2폐열회수부(170)측에 연결된 캐빈의 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.

본 발명의 제3열교환기(130)는 제1유체측 파트(131)와 제2유체측 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 따라 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.

제2유체라인의 역할은, 냉방시 제3열교환기(130)를 통해 뜨거운 제2유체의 열을 상대적으로 차가운 제1유체 측으로 이동시켜 캐빈쿨러(140)측을 차갑게 함으로써 차실 내를 냉방하며, 난방시에는 폐열을 회수하여 제3열교환기(130)를 통해 제1유체측으로 열을 전달하는 역할을 하며, 고도난방시에는 전장 폐열 및/또는 캐빈 측의 열을 함께 회수하여 제3열교환기(130)에 전달하는 역할을 할 수 있다.

실시예에 따라 본 발명 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프에서 제2폐열회수부(170)는 제3유체가 유동하는 제3유체라인(line 3)상에 위치할 수 있다. 여기서 제3유체라 함은 전술한 제1유체 및 제2유체와 구분되는 것으로서, 냉매 또는 냉각수가 해당될 수 있다.

그리고 상기 제2유체라인(line 2)의 제2분기라인(line 2-2)과 제3유체라인 (line 3) 상에, 상기 제2유체와 제3유체 간의 열교환이 가능하도록 제4열교환기(160)를 배치할 수 있다.

제4열교환기(160)는 제2유체측 파트(161)와 제3유체측 파트(162)로 구분될 수 있다. 제4열교환기(160)는 제3열교환기(130)에서와 마찬가지로 두 개의 서로 다른 유체가 만나 각각의 유체가 가지는 열에너지를 전달하며, 제4열교환기(160)에도 별도의 열 제공수단이 연결되지 않으므로 열역학 제3법칙에 따라 보다 뜨거운 온도를 가진 유체로부터 차가운 온도를 가지는 유체로 열이 전달될 것이다. 제4열교환기(160)에서 만나는 유체는 서로 혼합되지 않도록 구성되고, 이를 위해 제4열교환기(160)의 형상은 제3열교환기(130)처럼 냉각기로 널리 쓰이는 칠러(chiller)와 같은 형상으로 형성됨이 바람직하다.

위에서 살펴본 내용은 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프 중에서, 삼중루프의 일 실시양태를 나타낸 것으로서 도 1 내지 4에 도시된 도면이 이에 해당한다.

한편, 도 5를 참조하면, 전술한 실시예와 다른 실시양태로서 이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프가 도시된다.

이중루프(secondary-loop)형 자동차용 히트펌프에서는 제2폐열회수부(170)가 상기 제2유체라인(line 2)상에 위치한다. 구체적으로 제2유체라인(line 2)의 제3분기라인(line 2-3)상에 위치하며, 이때 제3개폐밸브(260)가 추가로 구비되어 라인을 선택적으로 개폐시킨다. 여기서는 별도의 제3유체라인을 구비하지 않고 이에 따라 제4열교환기(160)의 구성도 생략된다.

예컨대 히트펌프 작동시, 난방 운전을 수행할 열원이 부족한 경우 제1폐열회수부(150)로부터 폐열을 회수하고, 회수된 열원을 제1유체에 제공할 수 있으며, 제1폐열회수부(150)로부터 회수된 열원으로도 차량에 교구된 난방부하를 충족하지 못하는 경우, 제2폐열회수부(170)로부터 추가적으로 폐열을 회수하고, 회수된 열원을 제1유체에 제공한다. 다만, 이와 같은 동작은 제1폐열회수부(150)와 제2폐열회수부(170)에 회수되는 열량이 충분할 때만 동작하는 것으로서, 예컨대 제1폐열회수부(150)로부터 회수 가능한 열량(온도센서로부터 열량 추정)이 현저히 적은 상태에서 제2폐열회수부(170)로부터 회수 가능한 열량은 충분한 경우, 제2폐열회수부(170)에서만 폐열을 회수하여 제1유체에 제공하는 동작도 가능하다.

이상의 내용을 종합하면, 본 발명의 자동차용 히트펌프 동작방법은 제1유체가 유동하는 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고,

이하, 본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법을 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 자동차용 히트펌프의 동작방법에 따르면 제1유체가 유동하는 제1유체라인(line 1) 상에 압축기(COMP), 방향전환밸브(210), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC)가 순차적으로 배치되고, 제2유체가 유동하는 제2유체라인(line 2)의 제1분기라인(line 2-1)에 제1개폐밸브(240) 및 캐빈쿨러(140)가 배치되며, 제2분기라인(line 2-2)에 제2개폐밸브(250) 및 제1폐열회수부(150)가 배치되고, 상기 제2유체에 추가 열원을 제공하는 제2폐열회수부(170)가 마련된 다중루프형(multi-loop type) 자동차용 히트펌프의 동작방법으로서, 상기 제1유체와 제2유체의 유동을 서로 연계하여 냉방, 난방, 제상 또는 제습-난방 동작을 수행하되, 상기 난방 동작에서, 차량에 요구되는 난방부하에 따라 상기 제1폐열회수부(150)와 제2폐열회수부(170) 중 적어도 하나 이상의 폐열회수부로부터 열원을 제공받는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 냉방모드, 난방모드, 제상모드, 제습-난방모드 on/off, 전환 및 온도 조절은 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 제1유체의 압력정보와, 제2유체의 압력정보, 온도센서(미도시)를 통해 수신된 제1유체와 제2유체의 온도를 감지하여 이하에서 설명하는 각 공조모드에서 밸브를 압축기를 구동시키고, 각 팽창수단의 개도 및 개폐밸브의 개도를 조절하게 된다.

한편, 본 발명의 제1팽창수단(220)과 제2팽창수단(230)은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 할 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.

또한, 제어기는 차량의 공조모드와 전장품 폐열원의 온도상태에 따라 워터펌프의 유량을 조절하는 역할을 하거나, 개폐 도어 및 송풍팬의 풍량을 제어하는 역할도 할 수 있다. 아울러, 차량에 요구되는 난방부하 또는 차량 공조모드에 따라 상기 제1폐열회수부(150)와 제2폐열회수부(170)의 폐열 회수 및 열량 제공 여부를 결정하는 것도 상기 제어기에서 수행한다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 냉방모드에 대해 설명하기로 한다.

냉방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 캐빈쿨러(140) 다시 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로는 폐쇄되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로만 개방된다. 따라서, 압축기(COMP)에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 제1유체는 제1팽창수단(220)을 통과하여 외부열교환기(120)로 바로 유입된다.

이때, 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 따라서 압축기(COMP)로부터 토출된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 제1팽창수단(220)을 그대로 통과한 다음 외부열교환기(120)에서 비로소 차가운 외기와 만나 열교환하게 되면서 응축되며, 이로 인해 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환한다.

계속해서 상기 외부열교환기(120)를 통과한 제1유체는, 제2팽창수단(230)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상의 제1유체가 된 후, 제3열교환기(130) 측으로 유입된다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 저온 저압의 액상의 제1유체는 제2유체라인상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 이때, 제3열교환기(130)에서의 제1유체는 제2유체와 열교환하면서 증발함과 동시에 증발잠열에 의한 흡열작용으로 제2유체를 냉각하게 되며, 이로써 냉각된 제2유체가 캐빈쿨러(140) 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 내로 유입된 후 캐빈쿨러(140)를 만나 차가워진 공기는 곧바로 차실 내로 토출하도록 한다.

이후, 제3열교환기(130)를 통과한 저온, 저압의 기상과 액상이 혼합된 제1유체는 어큐뮬레이터를 통과하여 압축기(COMP)로 다시 유입됨으로써 사이클을 순환하게 된다. 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.

즉, 상기 냉방모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 완전개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과, 외부열교환기(120)에서의 응축, 제2팽창수단(230)에서의 감압 팽창, 제3열교환기(130)에서의 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 의해 열을 빼앗긴 상태에서 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.

도 2를 참조하여, 난방모드에 대해 설명하기로 한다.

난방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제2팽창수단(230)은 완전개방(Full Open)시킨다. 그리고 상기 제2유체는 제3열교환기(130), 제1폐열회수부(150) 및/또는 제2폐열회수부(170), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

여기서는 방향전환밸브(210)의 내부열교환기(110)측으로의 경로는 개방되고 외부열교환기(120) 측으로 직접 연결되는 경로는 폐쇄된다. 따라서, 압축기에서 토출되는 고온, 고압, 기상의 제1유체는 내부열교환기(110)측으로 유입된다.

내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 송풍된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환한다. 내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.

내부열교환기(110)를 통과한 제1유체는 제1팽창수단(220)을 지나면서 감압 팽창되어 저압의 액상 제1유체가 된 후, 증발기 역할을 하는 외부열교환기(120)급된다. 외부열교환기(120)로 공급된 제1유체는 저온, 저압의 기상과 액상의 혼합기가 되어 제3열교환기를 통해 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

이때, 제2팽창수단(230)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 상태변화에 영향을 주지 않는다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 제1유체는 제2유체라인(line 2)상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 여기서 열교환은 선택적으로 이루어질 수 있으며, 주로 냉매의 온도를 더 높여 난방성능을 향상시키고자 할 때 제1유체가 제2유체로부터 열을 제공받는 형태로 열교환한다. 예를 들어, 실외 온도가 소정 온도(예컨대, -10℃)이하의 저온 상태인 경우에는 제1유체라인(line 1)상의 제1유체 유동에 의한 난방성능과 더불어, 제2유체로부터 적극적으로 폐열을 제공받는 운전모드(고(高)난방모드)를 수행하여 차량에 요구되는 난방 부하를 만족시킬 수 있다.

이때, 제3열교환기(130)에서의 제1유체는 제2유체와 열교환하면서 제2유체로부터 열을 제공받을 수 있다. 도 2를 참조하면, 제2유체는 전장 폐열 및/또는 캐빈 폐열을 회수하여 제3열교환기(130)를 통해 제1유체로 열을 공급하도록 하는 역할을 한다. 이를 위해 제2유체라인(line 2)상의 제1개폐밸브(240)는 폐쇄되어 캐빈쿨러(140)측의 제2유체의 유동을 차단하고, 제2개폐밸브(250)는 개방되어 제1폐열회수부(150)측으로만 제2유체가 유동하도록 할 수 있다. 제1폐열회수부(150)만으로 충분한 열량을 확보할 수 없거나 더욱 신속한 난방을 원하는 경우에는 제2폐열회수부(170)로부터 추가적으로 열량을 제공받는다. 다른 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 것처럼 제2유체라인(line 2)상의 제1개폐밸브(240)는 폐쇄되어 캐빈쿨러(140)측의 제2유체의 유동을 차단하고, 제2개폐밸브(250) 및/또는 제3개폐밸브(260)를 개방하여 제1폐열회수부(150) 또는 제2폐열회수부(150) 중 어느 일방으로부터 열원을 선택적으로 제공받거나, 양 측으로부터 모두 열원을 제공받을 수도 있다.

이로써 제3열교환기(130)에 유입될 때 상대적으로 저온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 제1유체는 상대적으로 고온이고, 저압이며 기상과 액상이 혼합된 제1유체가 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 내로 유입된 후 내부열교환기(110)를 만나 뜨거워진 공기를 차실 내로 토출하도록 한다.

즉, 상기 난방모드에서 제1유체는 압축기(COMP)로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 제1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 외부열교환기(120)에서의 증발, 완전개방된 제2팽창수단(230)에서 그대로 통과, 제3열교환기(130)에서의 선택적인 열교환 과정을 순차적으로 거친다. 그리고 제2유체는 제1유체에 폐열을 제공하는 역할을 한다.

도 3을 참조하여, 제상모드에 대해 설명하기로 한다.

제상운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제1팽창수단(220)은 완전개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 제1폐열회수부(150) 및/또는 제2폐열회수부(170), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

전술한 난방운전모드에서 외기가 매우 차가우면, 외부열교환기(120)의 흡열작용에 의해 표면에 서리가 착상하는 문제가 발생할 수 있는데, 일시적으로 도 3에 도시된 제상모드를 적용하면 서리 착상문제를 미연에 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다.

내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 송풍팬(11)을 통해 공조케이스 내부로 송풍된 공기와 열교환하면서 일부 응축되어 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환될 수 있다.

계속해서 제1유체가 유동하는 경로상에 위치하는 제1팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 압력강하 및 상태변화를 최소화한다. 내부열교환기(110)를 통과한 제1유체는 외부열교환기(120)에서 외기와 만나 열교환하면서 다시 한번 응축될 수 있다.

이때 제1유체는 압축기(COMP)에서 토출될 때의 고온의 열을 어느정도 유지하고 있으므로, 외부열교환기(120)에서의 서리 착상을 방지하거나, 착상된 서리를 제거할 수 있게 된다. 다시 말해 내부열교환기(110)를 통과한 냉매를 팽창시키지 않고 중온고압 상태로 외부열교환기(120)로 순환시킴으로써 향상된 제상 능력을 발휘한다. 제상을 위한 별도의 바이패스 라인을 거치지 않고, 간단한 밸브 조작을 통해 제상효과를 발휘함으로써 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점도 가진다.

외부열교환기(120)를 통과하는 제1유체는 제2팽창수단(230)을 통과하면서 감압 팽창되어 저온, 저압, 액상의 상태가 된 뒤, 제3열교환기(130)측으로 유입된다. 제3열교환기(130)에서는 제2유체와 만나 증발함으로써 저온, 저압의 기상과 액상의 상태로 변환하여 어큐뮬레이터(ACC)측으로 유입된다.

여기서 제2유체는 폐열회수부(150, 170)를 통과하도록 하여 폐열을 제1유체에 전달함으로써 제3열교환기(130)에서의 증발작용이 더욱 활발히 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 상기 제상모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 완전 개방된 제1팽창수단(220)에서 그대로 통과, 외부열교환기(120)에서의 재응축, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창, 제3열교환기(130)에서 증발되는 과정을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 폐열을 제공한다.

본 발명의 제상모드에서는 제1유체의 유동 방향을 전환하는 작용이 수반되지 않는 바, 유동방향을 전환하는 동작에서 소모되는 전원 사용량을 감소할 수 있게 되고, 빈번한 밸브 개폐동작을 줄여, 밸브 개폐동작으로 인한 진동과 소음 등을 저감시키게 되는 장점이 있다. 그리고 무엇보다 히트펌프의 구성 및 제어가 매우 간단하면서도 효과적인 제상을 할 수 있는 장점이 있다.

부가적으로 종래에는 제상운전시 차 실내 난방을 정지한다거나 유체 유동 사이클을 반대로 돌려 난방성능이 일시적으로 감소되는 방식이 주로 사용되었다. 그러나 본 발명에 따르면 난방 도중에 제1팽창수단(220)을 완전 개방(full open) 시키고, 제2팽창수단(230)에서 감압 팽창이 이루어지도록 전환하는 방식을 취하므로 차 실내 난방을 연속적으로 행할 수 있으므로, 난방성능이 일시적으로 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.

도 4를 참조하여, 제습-난방모드에 대해 설명하기로 한다.

제습-난방운전방법으로서는, 상기 제1유체를 압축기(COMP), 내부열교환기(110), 제1팽창수단(220), 외부열교환기(120), 제2팽창수단(230), 제3열교환기(130), 어큐뮬레이터(ACC), 압축기(COMP) 순서대로 통과시키되, 상기 제2팽창수단(230)은 완전개방(Full Open)시키고, 상기 제2유체를 제3열교환기(130), 캐빈쿨러(140), 제3열교환기(130) 순서대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

내부열교환기(110)측으로 유입된 고온, 고압, 기상의 제1유체는 송풍팬을 통해 공조케이스 내부로 송풍된 공기와 열교환하면서 응축되어 기상의 제1유체가 액상의 제1유체로 변환한다. 내부열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실 내를 난방하게 된다.

이때, 제2팽창수단(220)은 완전개방(full open)되어 제1유체의 상태변화에 영향을 주지 않는다.

제3열교환기(130) 측으로 유입된 제1유체는 제2유체라인(line 2)상의 제2유체와 열교환할 수 있다. 이 때, 제3열교환기(130)에서의 제2유체는 제1유체와 열교환하면서 제1유체에 의해 열을 빼앗길 수 있다. 냉각된 제2유체는 캐빈쿨러(140) 측으로 공급되어 송풍팬에 의해 공급된 공기를 냉각시킬 수 있다.

즉, 상기 제습-난방모드에서 제1유체는 압축기로부터의 토출, 내부열교환기(110)에서의 응축, 제1팽창수단(220)에서의 감압 팽창, 외부열교환기(120)에서의 증발, 완전개방된 제2팽창수단(230)에서 그대로 통과, 제3열교환기(130)에서의 열교환을 순차적으로 거치며, 제2유체는 제1유체에 의해 열을 빼앗긴 상태에서 공기와 만나 차실 내를 냉각시키게 된다.

공조케이스 내 미도시된 습도센서에 의해 고습한 것으로 판단되면, 송풍 팬에 의해 유입된 습한공기를 캐빈쿨러(140)의 표면과 접촉하도록 하여 응축시킨 뒤, 도어(12)를 이용하여 캐빈쿨러(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, 기존의 히트펌프 시스템보다 간단한 구조로서 냉매 루프 길이가 짧으며, 제상 효율 측면에서도 종래기술보다 뛰어난 히트펌프 시스템을 제안한다. 종래기술과 달리 바이패스라인을 생략하므로 원가를 절감할 수 있는 비용적 이점을 가지고, 냉매 루프 길이가 짧아 압력 강하량이 적어지는 기술적 이점을 가지며, 내부열교환기를 지난 냉매를 팽창시키지 않고 중온고압 상태로 외부열교환기로 순환시킬 수 있어 제상성능이 향상되고 제상 소요시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 부가적으로 제상운전시 난방성능이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 이점도 갖는다.

제어적 측면에서 보면, 본 발명은 다중루프 시스템이므로 각 루프에 대해 온도 제어를 개별적으로 할 수 있게 되어 시스템 안정성 측면에서도 이점을 가진다. 루프가 이원화되어 있어 시스템 고장진단 발생 시 루프별 개별적인 진단도 가능할 것이다.

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 : 캐빈쿨러
150 : 제1폐열회수부
160 : 제4열교환기
170 : 제2폐열회수부
210 : 방향전환밸브
220 : 제1팽창수단
230 : 제2팽창수단
240 : 제1개폐밸브
250 : 제2개폐밸브
260 : 제3개폐밸브

Claims

제1유체가 유동하는 제1유체라인과 제2유체가 유동하는 제2유체라인을 포함하는 다중루프(multi-loop)형 자동차용 히트펌프로서,
상기 제1유체라인상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고,
상기 제2유체라인상에 제2유체가 유동하는 제2유체라인의 제1분기라인에 제1개폐밸브 및 제2 유체의 유동으로 캐빈룸의 냉방 또는 제습을 수행하는 캐빈쿨러가 배치되고, 제2분기라인에 제2개폐밸브 및 전장품으로부터 폐열을 회수하는 제1폐열회수부가 배치되며, 상기 제2유체에 추가 열원을 제공하도록 캐빈룸으로부터 폐열을 회수하는 제2폐열회수부를 마련하되,
상기 방향전환밸브는 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 제1유체를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 상기 외부열교환기(120)에 직접적으로 공급하게 하는 3방 밸브이며,
상기 제3열교환기는 제1유체측 파트(131)와 제2유체측 파트(132)로 이루어져, 상기 제1유체와 제2유체의 열교환이 이루어지도록 하고,
냉방모드에서는 상기 제1유체를 상기 압축기, 상기 제1팽창수단, 상기 외부열교환기, 상기 제2팽창수단, 상기 제3열교환기의 순으로 통과시키며,
난방, 제상, 제습-난방 모드에서는 상기 제1유체를 상기 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 상기 외부열교환기, 상기 제2팽창수단, 상기 제3열교환기의 순으로 통과시키되,
상기 제2유체는 냉방 모드와 제습-난방 모드에서 캐빈쿨러로 유동되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1유체는 냉매, 상기 제2유체는 냉각수인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
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제1항에 있어서,
상기 제2폐열회수부는 제3유체가 유동하는 제3유체라인 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제5항에 있어서,
상기 제2유체라인의 제2분기라인과 제3유체라인 상에, 상기 제2유체와 제3유체 간의 열교환이 가능하도록 제4열교환기를 배치하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 제2유체라인은,
상기 제2폐열회수부는 상기 제2유체라인상에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1팽창수단, 제2팽창수단은 냉매라인을 선택적으로 완전 개방(full open)할 수 있도록 형성되는, 전자식팽창수단인 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프.
제1유체가 유동하는 제1유체라인 상에 압축기, 방향전환밸브, 내부열교환기, 제1팽창수단, 외부열교환기, 제2팽창수단, 제3열교환기, 어큐뮬레이터가 순차적으로 배치되고,
제2유체가 유동하는 제2유체라인의 제1분기라인에 제1개폐밸브 및 제2 유체의 유동으로 캐빈룸의 냉방 또는 제습을 수행하는 캐빈쿨러가 배치되며, 제2분기라인에 제2개폐밸브 및 전장품으로부터 폐열을 회수하는 제1폐열회수부가 배치되고,
상기 제2유체에 추가 열원을 제공하는 캐빈룸으로부터 폐열을 회수하는 제2폐열회수부가 마련되며,
상기 방향전환밸브는 상기 압축기(COMP)로부터 배출되는 제1유체를 차량의 공조모드에 따라 상기 내부열교환기(110) 측으로 공급하거나 내부열교환기(110)를 거치지 않고 상기 외부열교환기(120)에 직접적으로 공급하게 하는 3방 밸브이며,
상기 제3열교환기는 제1유체측 파트(131)와 제2유체측 파트(132)로 이루어져, 상기 제1유체와 제2유체의 열교환이 이루어지도록 하고,
냉방모드에서는 상기 제1유체를 상기 압축기, 상기 제1팽창수단, 상기 외부열교환기, 상기 제2팽창수단, 상기 제3열교환기의 순으로 통과시키며,
난방, 제상, 제습-난방 모드에서는 상기 제1유체를 상기 압축기, 내부열교환기, 제1팽창수단, 상기 외부열교환기, 상기 제2팽창수단, 상기 제3열교환기의 순으로 통과시키되,
상기 제2유체는 냉방 모드와 제습-난방 모드에서 캐빈쿨러로 유동되는 다중루프형(multi-loop type) 자동차용 히트펌프의 동작방법으로서,
상기 제1유체와 제2유체의 유동을 서로 연계하여 냉방, 난방, 제상 또는 제습-난방 동작을 수행하되,
상기 난방 동작에서, 차량에 요구되는 난방부하에 따라 상기 제1폐열회수부와 제2폐열회수부 중 적어도 하나 이상의 폐열회수부로부터 열원을 제공받는 것을 특징으로 하는 자동차용 히트펌프의 동작방법.