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KR102563521B1 - 차량용 열관리 시스템 - Google Patents

차량용 열관리 시스템 Download PDF

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KR102563521B1
KR102563521B1 KR1020170009708A KR20170009708A KR102563521B1 KR 102563521 B1 KR102563521 B1 KR 102563521B1 KR 1020170009708 A KR1020170009708 A KR 1020170009708A KR 20170009708 A KR20170009708 A KR 20170009708A KR 102563521 B1 KR102563521 B1 KR 102563521B1
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KR
South Korea
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refrigerant
cooling water
cycle
thermal management
low
Prior art date
Application number
KR1020170009708A
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KR20180085958A (ko
Inventor
진형규
김성훈
이성제
이해준
Original Assignee
한온시스템 주식회사
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Publication date
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Abstract

차량의 자율주행에 필요한 전장부품 또는 배터리를 효율적으로 냉각하며 장치들의 모듈화를 최적화하여 패키지의 축소를 도모하고 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 열관리 시스템이 개시된다. 차량용 열관리 시스템은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 냉매를 응축하는 컨덴서와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 냉매를 냉각수와 열교환시키는 칠러가 냉매라인에 순차로 구비되는 냉매 사이클; 및 전장부품과 열교환하며 상기 칠러를 통과하는 제1 냉각수라인이 구비되는 냉각수 사이클을 포함하며, 상기 냉매 사이클 및 냉각수 사이클은 하나의 모듈에 일체로 구성된다.

Description

차량용 열관리 시스템{VEHICLE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 차량용 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율주행 시스템의 전자장치를 냉각 또는 가열하기 위한 차량용 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 자율주행 시스템(Autonomous system)에는 컴퓨터, 라이더(Lidar), 레이더(Radar), 센서 등의 전자장치(Electronics)가 구비된다. 차량의 자율주행을 위해서는 전술한 전자장치를 포함한 전장부품을 냉각 또는 가열하는 일련의 열관리가 필수적으로 요구된다.
한편, 선 출원된 미국등록특허 제7841431호(2010.11.30)에는 동력전달 냉각 서브시스템(Power train cooling subsystem)과, 냉장 서브시스템(Refrigeration subsystem)과, 배터리 냉각 서브시스템(Battery cooling subsystem)과, HVAC 서브시스템(Heating, ventilation and cooling subsystem)으로 구성되는 차량 열관리 시스템이 개시된바 있다.
종래의 차량용 열관리 시스템은 냉각제와 열교환기를 포함하는 냉각 서브시스템과, 가열 수단과 냉각 수단을 갖는 제1 냉각제 루프를 갖는 HVAC 서브시스템과, 라디에이터를 갖고 제2 냉각제 루프를 갖는 동력전달 냉각 서브시스템과, 제1 냉각제 루프와 제2 냉각제 루프를 제어 가능하게 연결하도록 하는 수단을 포함하여 이루어진다.
이러한 제1 냉각제 루프에는 냉매가 유동하며, 전동 압축기와, 컨덴서와, 팽창 밸브 및 칠러가 냉매의 유동 방향으로 순차로 구비된다. 전동 압축기는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 컨덴서는 블로워에서 송풍되는 공기와 냉매를 열교환시킨다. 팽창 밸브는 컨덴서와 칠러의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다. 칠러는 팽창 밸브에서 팽창된 저온저압의 냉매를 냉각수 라인의 냉각수와 열교환시킨다.
또한, 제2 냉각제 루프에는 내부에 냉각수가 유동하며, 모터와 같은 동력전달수단을 냉각 또는 가열한다. 모터와 열교환되고 순환되어 유입된 냉각수는 저온 라디에이터(LTR)를 지나 열저장부로 흐르거나 칠러를 통과하면서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 열저장부로 흐른다. 냉각수 라인에는 냉각수를 순환시키는 워터 펌프가 구비된다.
종래의 차량용 열관리 시스템은 자율주행차량의 단계가 높아지면서 라이더, 레이더 등의 센서와 CPU, GPU 등의 프로세서에 대한 냉각부하가 커지고, 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 패키지의 크기가 불가피하게 커지며, 외기를 흡입하여 배출하는 구조에 있어 배출된 공기가 다시 재흡입되는 문제점 등이 있었다.
특허문헌 : 미국등록특허 제7841431호(2010.11.30)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 차량의 자율주행에 필요한 전장부품 또는 배터리를 효율적으로 냉각하며 장치들의 모듈화를 최적화하여 패키지의 축소를 도모하고 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 냉매를 응축하는 컨덴서와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 냉매를 냉각수와 열교환시키는 칠러가 냉매라인에 순차로 구비되는 냉매 사이클; 및 전장부품과 열교환하며 상기 칠러를 통과하는 제1 냉각수라인이 구비되는 냉각수 사이클을 포함하며, 상기 냉매 사이클 및 냉각수 사이클은 하나의 모듈에 일체로 구성된다.
본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템은 냉매 라인과 냉각수 라인을 최소화할 수 있고, 컨덴서 방열부를 냉각수 라인과 최대한 멀리 위치시킬 수 있어 냉각수 온도에 주는 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 저온 라디에이터가 위치한 흡기 측 상부 영역에 냉각수 사이클의 장치들을 구성하고, 컨덴서가 위치한 배기 측 하부 영역에 냉매 사이클의 장치들을 구성하여 열관리 모듈의 배치를 효율적으로 하고 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 도시한 사시도이며,
도 3은 도 2의 측면도이고,
도 4는 도 2의 정면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 칠러 냉각 모드를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 히팅 모드를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 LTR 냉각 모드를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 열관리 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 측면도이고, 도 4는 도 2의 정면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템은 자율주행 시스템의 컨트롤 박스, 컴퓨터, 라이더(Lidar), 레이더(Radar), 센서 등의 전자장치 또는 배터리를 냉각 또는 가열하는 일련의 열관리를 수행하는 것으로서, 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)을 포함하여 이루어진다.
냉매 사이클(710)은 냉매라인(415)에 순차로 구비되는 압축기(411), 컨덴서(412), 팽창밸브(413) 및 칠러(414)로 이루어진다. 압축기(411)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 압축기(411)는 전동 압축기로 구성되는 것이 바람직하다.
컨덴서(412)는 압축기(411)의 하류측 냉매라인(415)에 구비되며, 냉매와 공기를 열교환시켜 방열함으로써 냉매를 응축한다. 팽창밸브(413)는 컨덴서(412)의 하류측 냉매라인(415)에 구비되고, 냉매를 팽창시킨다. 칠러(414)는 팽창밸브(413)의 하류측 냉매라인(415)에 구비되며, 냉매를 냉각수와 열교환시켜 흡열한다.
냉각수 사이클(720)은 제1 냉각수라인(424) 및 제2 냉각수라인(603)을 구비한다. 제1 냉각수라인(424)을 유동하는 냉각수는 전장부품(110)과 열교환하며, 칠러(414)를 통과한다. 제1 냉각수라인(424)은 전장부품(110)과 열교환된 냉각수의 유동 통로이며, 칠러(414)를 통과하면서 냉매라인(415)의 냉매와 열교환 되도록 구성된다.
냉각수 사이클(720)은 저온 라디에이터(600)를 구비한다. 저온 라디에이터(600)는 냉각수와 공기를 열교환시킨다. 제2 냉각수라인(603)은 제1 냉각수라인(424)에서 분지되며, 저온 라디에이터(600)를 통과한다.
차량용 열관리 시스템은 에어 덕트(450)를 구비한다. 에어 덕트(450)에는 공기를 흡입하는 흡기구와 공기를 배출하는 배기구가 형성된다. 흡기구 측에는 저온 라디에이터(600)가 구비되며, 배기구 측에는 컨덴서(412)가 구비된다. 에어 덕트(450)는 "ㄱ"자 형상으로 굴곡 형성되며, 수평 방향 일 측에 흡기구가 수직 방향 하부에 배기구가 형성된다.
에어 덕트(450)에는 블로워(620)가 구비된다. 블로워(620)는 수평 방향으로 공기를 유입시켜 수직 방향으로 공기를 배출한다. 블로워(620)는 블로어 휠과 이를 회전시키는 블로워 모터로 구성된다. 블로워 모터의 회전축은 수평 방향, 즉, 에어 덕트(450)의 흡기구 측으로 나란하게 연장 형성된다. 흡기구를 통해 흡입된 공기는 블로워 휠의 회전에 의해 수직 방향으로 방향 전환되어 하부의 배기구를 통해 배출된다.
하나의 블로워(620)를 이용하여 저온 라디에이터(600) 또는 컨덴서(412)에 공기를 공급하여 냉각수 또는 냉매와 열교환한다. 흡기구와 배기구는 다른면에 배치된다. 또한, 블로워(620)로 흡입된 공기는 냉방부하에 따라 저온 라디에이터(600)의 냉각수와 열교환하는 경우 컨덴서(412)는 열교환없이 통과하고, 컨덴서(412)의 냉매와 열교환하는 경우에는 저온 라디에이터(600)를 열교환없이 통과한다.
블로워(620)는 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412)의 사이에 구비된다. 에어 덕트(450)로 수평으로 흡기된 공기는 저온 라디에이터(600), 블로워(620), 컨덴서(412)를 순차로 지나 에어 덕트(450)에서 수직으로 배기된다. 저온 라디에이터(600)를 통과하는 공기 방향과 컨덴서(412)를 통과하는 공기 방향이 직각을 이루도록 배치된다.
이와 같이, 흡기와 배기 방향을 직각(90°)으로 구성함으로써 흡기와 배기 방향이 수평(180°)인 구성과 비교하여 배출된 공기를 재흡입하는 문제를 해결할 수 있다.
아울러, 블로워(620)를 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412)의 사이에 배치하여 공기를 저온 라디에이터(600), 블로워(620), 컨덴서(412)의 순서로 유동하게 함으로써, 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412) 사이의 에어 플로우 트랩(Air flow trap) 현상과 압력강하를 줄일 수 있다.
또한, 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412)의 배치를 수직으로 배치함으로써 다른 열교환기 또는 기타 다른 장치들이 차지하는 공간의 낭비없이 집약적인 배치를 수행할 수 있어 효율적인 설치가 가능하다. 그리고, 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412)를 수직으로 배치한 구성을 통해, 방열 효과를 향상시킴으로써 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
제1 냉각수라인(424)과 제2 냉각수라인(603)의 분지 지점에는, 냉각수를 칠러(414)와 저온 라디에이터(600)로 선택적으로 유동시키는 밸브(420)를 구비한다. 즉, 제1 냉각수라인(424)과 제2 냉각수라인(603)은 선택적으로 연통 가능하게 구성된다. 제2 냉각수라인(603)은 칠러(414)의 상류측 제1 냉각수라인(424)에서 분지되어, 칠러(414)의 하류측 제1 냉각수라인(424)에 연결된다. 제2 냉각수라인(603)은 칠러(414)를 바이패스한다.
밸브(420)는 제1 냉각수라인(424)과 제2 냉각수라인(603)의 분지 지점에 구비되어, 냉각수를 칠러(414)와 저온 라디에이터(600) 중 적어도 하나로 선택적으로 유동하도록 냉각수의 흐름을 조절한다. 밸브(420)는 삼방향 밸브(3Way valve)의 형태로 구성될 수 있다.
제1 냉각수라인(424)에는 냉각수를 순환시키는 워터펌프(419)와, 냉방 열원 또는 난방 열원을 저장하는 열저장부(418)와, 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온 센서와, 냉각수를 가열하는 히터(422)가 구비될 수 있다.
차량용 열관리 시스템은 전장부품(110)의 냉각 열부하에 따라, 제2 냉각수라인(603)과 제1 냉각수라인(424)을 연결하는 밸브(420)를 제어한다. 즉, 전장부품(110)의 냉각 열부하가 기준치보다 낮으면, 밸브(420)를 작동하여 저온 라디에이터(600)를 냉각 열원으로 이용한다. 아울러, 열부하가 기준치보다 높으면, 밸브(420)를 작동하여 칠러(414)를 냉각 열원으로 이용함으로써 전장부품(110)을 냉각하도록 제어한다.
상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 하나의 모듈에 일체로 구성된다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 단일의 베이스(101)에 압축기(411), 컨덴서(412), 팽창밸브(413), 칠러(414), 냉매라인(415), 열저장부(418), 워터펌프(419), 밸브(420), 제1 냉각수라인(424), 저온 라디에이터(600), 블로워(620), 제2 냉각수라인(603) 및 에어 덕트(450)가 모두 설치되어 하나의 열관리 모듈(100)을 구성한다.
상기 열관리 모듈(100)은 차량의 전방 또는 그 밖의 적소에 설치될 수 있다. 열관리 모듈(100)은 차량의 외기 입구 및 출구를 연결하며, 냉매 사이클(710)과 냉각수 사이클(720)을 하나의 모듈에 구성한 것이다. 열관리 모듈(100)은 냉각수를 유입하기 위한 냉각수 유입구(4241)와 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출구(4242)를 구비하여, 자율주행 시스템의 컨트롤 박스, 컴퓨터, 라이더(Lidar), 레이더(Radar), 센서 등의 전자장치 또는 배터리를 순환하는 냉각수 라인과 연결되도록 구성된다.
상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 각각 그룹화되어, 냉매 사이클(710)은 하부에 설치되고 냉각수 사이클(720)은 상부에 설치된다. 냉각수 사이클(720)은 냉매 사이클(710)의 상부에 위치한다.
즉, 압축기(411), 컨덴서(412), 팽창밸브(413), 칠러(414), 냉매라인(415)으로 이루어진 냉매 사이클(710)은 하나의 그룹을 이루어 집약적으로 설치되고, 열관리 모듈(100)의 상하 방향으로 하부 측에 배치된다. 아울러, 워터펌프(419), 밸브(420), 제1 냉각수라인(424), 제2 냉각수라인(603) 및 저온 라디에이터(600)는 하나의 그룹을 이루어 집약적으로 설치되고, 열관리 모듈(100)의 상하 방향으로 상부 측에 배치된다.
이러한 구성을 통해, 냉매 라인과 냉각수 라인을 최소화할 수 있고, 컨덴서 방열부를 냉각수 라인과 최대한 멀리 위치시킬 수 있어 냉각수 온도에 주는 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 저온 라디에이터(600)가 위치한 흡기 측 상부 영역에 냉각수 사이클의 장치들을 구성하고, 컨덴서(412)가 위치한 배기 측 하부 영역에 냉매 사이클의 장치들을 구성하여 열관리 모듈(100)의 배치를 효율적으로 하고 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 칠러 냉각 모드를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 히팅 모드를 도시한 것이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템의 LTR 냉각 모드를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 칠러 냉각 모드 시, 압축기(411)에서 토출된 냉매는 컨덴서(412)에서 응축하고 팽창밸브(413)를 지나 저온 저압의 상태로 팽창한 후 칠러(414)에서 증발하여 압축기(411)를 순환한다. 전장부품(110)과 열교환된 냉각수는 칠러(414)에서 냉매와 열교환하여 냉각된 후 제1 냉각수라인(424)을 따라 순환된다.
도 6을 참조하면, 히팅 모드 시, 압축기(411)는 구동 정지되어 냉매 사이클은 작동하지 않는다. 전장부품(110)과 열교환된 냉각수는 히터(422)에서 가열된 후 제1 냉각수라인(424)을 따라 순환된다.
도 7을 참조하면, LTR 냉각 모드 시, 압축기(411)는 구동 정지되어 냉매 사이클은 작동하지 않는다. 전장부품(110)과 열교환된 냉각수는 밸브(420)에 의해 제2 냉각수라인(603)을 따라 저온 라디에이터(600)를 통과하여 냉각된 후 제1 냉각수라인(424)에 합류하여 순환된다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 열관리 모듈 110: 전장부품
411: 압축기 412: 컨덴서
413: 팽창밸브 414: 칠러
415: 냉매라인 418: 열저장부
419: 워터펌프 420: 밸브
422: 히터 600: 저온 라디에이터
603: 제2 냉각수라인 620: 블로워
450: 에어 덕트
710: 냉매 사이클 720: 냉각수 사이클

Claims (13)

  1. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(411)와, 냉매를 응축하는 컨덴서(412)와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(413)와, 냉매를 냉각수와 열교환시키는 칠러(414)가 냉매라인(415)에 순차로 구비되는 냉매 사이클(710); 및
    상기 칠러(414)를 통과하는 냉각수라인이 구비되는 냉각수 사이클(720)을 포함하며,
    상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 하나의 모듈에 일체로 구성되고,
    상기 냉각수 사이클(720)은 냉각수와 공기를 열교환시키는 저온 라디에이터(600)를 통과하며,
    공기를 흡입하는 흡기구와 공기를 배출하는 배기구가 형성되고, 상기 흡기구 측에 상기 저온 라디에이터(600)가 구비되며 상기 배기구 측에 상기 컨덴서(412)가 구비되는 에어 덕트(450)를 포함하며,
    상기 에어 덕트(450)에 수평 방향으로 공기를 유입시켜 수직 방향으로 공기를 배출하는 블로워(620)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 저온 라디에이터(600)를 통과하는 공기 방향과 상기 컨덴서(412)를 통과하는 공기 방향이 직각을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 각각 그룹화되어, 상기 냉매 사이클(710)은 하부에 설치되고 상기 냉각수 사이클(720)은 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 블로워(620)는 상기 저온 라디에이터(600)와 컨덴서(412)의 사이에 구비되어, 에어 덕트(450)로 수평으로 흡기된 공기가 저온 라디에이터(600), 블로워(620), 컨덴서(412)를 순차로 지나 에어 덕트(450)에서 수직으로 배기되는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  8. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(411)와, 냉매를 응축하는 컨덴서(412)와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(413)와, 냉매를 냉각수와 열교환시키는 칠러(414)가 냉매라인(415)에 순차로 구비되는 냉매 사이클(710); 및
    상기 칠러(414)를 통과하는 냉각수라인이 구비되는 냉각수 사이클(720)을 포함하며,
    상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 하나의 모듈에 일체로 구성되고,
    상기 냉각수 사이클(720)은 냉각수와 공기를 열교환시키는 저온 라디에이터(600)를 통과하며,
    상기 냉각수 사이클(720)은, 전장부품(110)과 열교환하며 상기 칠러(414)를 통과하는 제1 냉각수라인(424)과, 상기 저온 라디에이터(600)를 통과하고 상기 제1 냉각수라인(424)에서 분지되는 제2 냉각수라인(603)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    냉각수를 상기 칠러(414)와 상기 저온 라디에이터(600)로 선택적으로 유동시키는 밸브(420)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 사이클(720)은 전장부품(110)과 열교환하며,
    상기 전장부품(110)은,
    자율주행 시스템의 컨트롤 박스, 컴퓨터, 라이더(Lidar), 레이더(Radar), 센서 중 적어도 하나의 전자장치이거나, 배터리인 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 흡기구와 배기구는 다른면에 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
  13. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(411)와, 냉매를 응축하는 컨덴서(412)와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(413)와, 냉매를 냉각수와 열교환시키는 칠러(414)가 냉매라인(415)에 순차로 구비되는 냉매 사이클(710); 및
    상기 칠러(414)를 통과하는 냉각수라인이 구비되는 냉각수 사이클(720)을 포함하며,
    상기 냉매 사이클(710) 및 냉각수 사이클(720)은 하나의 모듈에 일체로 구성되고,
    상기 냉각수 사이클(720)은 냉각수와 공기를 열교환시키는 저온 라디에이터(600)를 통과하며,
    하나의 블로워(620)를 이용하여 저온 라디에이터(600) 또는 컨덴서(412)에 공기를 공급하여 냉각수 또는 냉매와 열교환하고,
    상기 블로워(620)로 흡입된 공기는 냉방부하에 따라 저온 라디에이터(600)의 냉각수와 열교환하는 경우 컨덴서(412)는 열교환없이 통과하고 컨덴서(412)의 냉매와 열교환하는 경우에는 저온 라디에이터(600)를 열교환없이 통과하는 것을 특징으로 하는 차량용 열관리 시스템.
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