KR20180120084A - 차량용 공조장치 - Google Patents

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Abstract

간단한 배관 구조를 가지면서 난방 성능을 향상시켜 패키지의 축소가 가능하고 전기차량 공조장치를 내연기관 엔진용 공조장치와 공용 사용이 가능한 히트펌프 시스템 구조의 차량용 공조장치가 개시된다. 차량용 공조장치는 냉매를 순환시켜 공조케이스 내의 공기와 열교환 함으로써 차량 실내의 냉방 또는 난방을 수행하는 냉매순환 시스템을 구비한 차량용 공조장치에 있어서, 상기 냉매순환 시스템의 냉매와 열교환하는 제1 열교환기를 구비하고, 상기 제1 열교환기를 통해 냉각제의 온도를 상승시켜 차량 실내의 난방 열원으로 사용하고, 공조케이스 내에 마련되는 것으로, 내부에 냉각제가 유동하며 이를 통과하는 공기를 가열하는 제2 열교환기; 상기 제1 열교환기와 제2 열교환기를 연결하며 냉각제가 순환되는 통로인 제1 냉각제 배관; 제1 냉각제 배관에서 분지되어 엔진과 열교환하는 제2 냉각제 배관; 및 상기 제1 냉각제 배관을 유동하는 냉각제를 상기 제2 냉각제 배관으로 선택적으로 유동시키는 제1 밸브 시스템을 구비한다.

Description

차량용 공조장치{AIR CONDITIONER FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 공조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 냉매 사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템 구조의 차량용 공조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 냉방시스템은 냉매 사이클의 증발기 측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기의 내부에서 유동되는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어 차량 실내를 냉방한다. 아울러, 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어 측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어의 내부에서 유동되는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 전술한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매 사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있다. 이러한 히트펌프 시스템은 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기 및 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브 등을 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방 모드가 가동될 경우에 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 기능을 수행하며, 난방 모드가 가동될 경우에는 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 기능을 수행하게 된다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 차량용 히트펌프 시스템은 압축기(30)와, 고압측 열교환기(32)와, 제1 팽창밸브(34) 및 제1 바이패스 밸브(36)와, 실외 열교환기(48)와, 저압측 열교환기(60)와, 어큐뮬레이터(62)와, 제2 팽창밸브(56) 및 제2 바이패스 밸브(58)를 포함한다.
압축기(30)는 냉매를 압축하고 토출하는 기능을 수행하며, 고압측 열교환기(32)는 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시킨다. 제1 팽창밸브(34) 및 제1 바이패스 밸브(36)는 병렬구조로 설치되어 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키며, 실외 열교환기(48)는 제1 팽창밸브(34) 또는 제1 바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시킨다. 아울러, 저압측 열교환기(60)는 실외 실외 열교환기(48)를 통과한 냉매를 증발시키며, 어큐뮬레이터(62)는 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리한다.
제2 팽창밸브(56)는 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키며, 제2 바이패스 밸브(58)는 제2 팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 실외열교환기(48)의 출구 측과 어큐뮬레이터(62)의 입구 측을 선택적으로 연결한다. 공조케이스(10)에는 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되고 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 템프도어(12)가 구비되며, 공조케이스(10)의 입구에 송풍기(20)가 설치된다.
또한, 공조케이스(10) 내에는 고압측 열교환기(32)의 난방 성능을 보조하는 열원인 전기식히터 방식의 PTC히터(70)가 더 구비된다. PTC히터(70)는 히트펌프 시스템의 특성상 고압측 열교환기(32)만으로 충분한 난방 효율을 내지 못하는 문제를 해결하기 위해, 통상 고전압 PTC로 구성된다.
종래의 차량용 공조장치는 공조케이스(10) 내에 실내 응축기인 고압측 열교환기(62)와 고전압 PTC히터(70)를 구성함에 따라 차량 전후 방향(도 1의 "T" 방향)으로 사이즈가 커지는 문제가 있다. 고전압의 PTC일수록 "T" 방향으로의 두께는 더욱 두꺼워지며, 이로 인해 난방 성능의 향상과 사이즈 축소는 동시에 해결할 수 없는 과제이다.
또한, 종래의 차량용 공조장치는 실내 응축기인 고압측 열교환기와 고전압 PTC를 사용함에 따라 기존 내연기관용 공조장치와 공용화가 불가능하므로 생산 단가가 증가하는 문제가 있다.
아울러, 종래의 차량용 공조장치는 제상 모드 및 제습 모드를 위해서는 별도의 제상 라인 및 제습 라인을 요구하므로 전체적인 배관 구성이 복잡해지는 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 간단한 배관 구조를 가지면서 난방 성능을 향상시켜 패키지의 축소가 가능하고 전기차량 공조장치를 내연기관 엔진용 공조장치와 공용 사용이 가능한 히트펌프 시스템 구조의 차량용 공조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 공조장치는 냉매를 순환시켜 공조케이스 내의 공기와 열교환 함으로써 차량 실내의 냉방 또는 난방을 수행하는 냉매순환 시스템을 구비한 차량용 공조장치에 있어서, 상기 냉매순환 시스템의 냉매와 열교환하는 제1 열교환기를 구비하고, 상기 제1 열교환기를 통해 냉각제의 온도를 상승시켜 차량 실내의 난방 열원으로 사용하고, 공조케이스 내에 마련되는 것으로, 내부에 냉각제가 유동하며 이를 통과하는 공기를 가열하는 제2 열교환기; 상기 제1 열교환기와 제2 열교환기를 연결하며 냉각제가 순환되는 통로인 제1 냉각제 배관; 제1 냉각제 배관에서 분지되어 엔진과 열교환하는 제2 냉각제 배관; 및 상기 제1 냉각제 배관을 유동하는 냉각제를 상기 제2 냉각제 배관으로 선택적으로 유동시키는 제1 밸브 시스템을 구비한다.
상기에서, 제1 열교환기는 수냉 컨덴서로 이루어진다.
상기에서, 제2 열교환기는 히터코어로 이루어진다.
상기에서, 제상 모드 또는 제습 모드 시 상기 제1 밸브 시스템은 냉각제가 엔진을 순환하도록 제어된다.
상기에서, 외기온도를 감지하는 센서와, 상기 센서로 감지된 외기온도를 기준온도와 비교하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 외기온도가 기준온도보다 작은 경우 냉각제를 엔진으로 순환시키고 기준온도보다 큰 경우 냉각제가 엔진을 바이패스하도록 제어한다.
상기에서, 냉매순환 시스템은: 압축기, 응축기, 제1 팽창수단 및 증발기가 순차로 구성되는 제1 냉매 배관; 상기 제1 냉매 배관에서 분지되어 상기 증발기를 바이패스하는 제2 냉매 배관; 및 냉매가 증발기를 통과하거나 바이패스하도록 냉매의 흐름을 제어하는 제2 밸브 시스템을 포함한다.
상기에서, 제1 열교환기는 압축기와 응축기의 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환기와 응축기의 사이에 냉매를 선택적으로 교축시키는 제2 팽창수단이 구비된다.
상기에서, 공조케이스 내에 전기식으로 가열되는 저전압 PTC히터가 더 구비될 수 있다.
상기에서, 냉매 유동 방향으로 상기 제2 냉매 배관의 분지 지점의 하류 측 제1 냉매 배관에서 분지되어 상기 증발기를 바이패스하는 제3 냉매 배관; 차량의 배터리와 열교환하는 제3 냉각제 배관; 및 상기 제3 냉매 배관에 순차로 구비되는 제3 팽창수단 및 칠러를 포함하고, 상기 칠러는 제3 냉각제 배관의 냉각제와 제3 냉매 배관의 냉매를 열교환시킨다.
상기에서, 제1 밸브 시스템은, 상기 제2 열교환기를 순환하는 냉각제가 제1 열교환기와 엔진을 선택적으로 통과하도록 구성된다.
본 발명에 따른 차량용 공조장치는 간단한 배관 구조를 가지면서 난방 성능을 향상시켜 패키지의 축소가 가능하고, 전기차량 공조장치를 내연기관 엔진용 공조장치와 공용 사용이 가능하여 제조 원가를 줄일 수 있으며, 제상 라인(배관) 및 제습 라인(배관)을 삭제 가능할 뿐 아니라 밸브의 개수를 줄일 수 있어 전체적인 무게, 부피 및 비용을 모두 줄일 수 있다. 아울러, 실내 고전압 PTC히터를 삭제 가능하여 고전압 부품으로 인한 승객의 안전성 위험 요소를 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 히트펌프 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 냉방 모드를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 난방 히트펌프 모드를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 제상 모드를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 제습 모드를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이며,
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 공조장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 냉매순환 시스템(100)과 냉각제 루프(200)를 포함한다. 냉매순환 시스템(100)은 냉매를 순환시켜 공조케이스(160) 내의 공기와 열교환 함으로써, 차량 실내의 냉방 또는 난방을 수행한다.
냉각제 루프(200)는 제1 열교환기와, 제2 열교환기와, 제1 냉각제 배관(201)과, 제2 냉각제 배관(202) 및 제1 밸브 시스템을 포함한다.
제1 열교환기는 냉매순환 시스템(100)의 냉매와 열교환한다. 차량용 공조장치는 제1 열교환기를 통해 냉각제의 온도를 상승시켜 차량 실내의 난방 열원으로 사용한다. 제2 열교환기는 공조케이스(160) 내에 마련된다. 제2 열교환기의 내부에는 냉각제가 유동하며, 이를 통과하는 공기를 가열한다.
제1 냉각제 배관(201)은 제1 열교환기와 제2 열교환기를 연결하며, 냉각제가 순환되는 통로로 작용한다. 제1 냉각제 배관(201)의 내부에 냉각제를 순환시키기 위한 순환펌프(250)를 구비한다.
제2 냉각제 배관(202)은 제1 냉각제 배관(201)에서 분지되어 엔진(210)과 열교환한다. 제2 냉각제 배관(202)에는 리저버 탱크(Reservoir tank: 225)가 구비될 수 있다.
상기에서, 제1 열교환기는 수냉 컨덴서(220)로 이루어지며, 제2 열교환기는 히터코어(240)로 이루어진다. 이 경우, 히터코어(Heater core: 240)는 내연기관의 차량의 공조장치에서 엔진과 열교환한 따뜻한 냉각수를 난방 열원으로 사용하는 열교환기로서, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 전기차량 공조장치를 내연기관 엔진용 공조장치와 공용 사용이 가능해진다.
제1 밸브 시스템은 제1 냉각제 배관(201)을 유동하는 냉각제를 제2 냉각제 배관(202)으로 선택적으로 유동시킨다. 제1 밸브 시스템은 제1 이방향 밸브(231) 및 제2 이방향 밸브(232)로 구성된다. 제1 이방향 밸브(231)는 냉각제의 유동 방향으로 엔진(210)의 하류 측에 배치되며, 제2 이방향 밸브(232)는 엔진(210)의 상류 측에 배치된다.
제1 이방향 밸브(231)가 유로를 폐쇄하고 제2 이방향 밸브(232)가 유로를 개방한 상태인 경우, 냉각제는 히터코어(240), 수냉 컨덴서(220)를 차례로 순환한다. 아울러, 제1 이방향 밸브(231)가 유로를 개방하고 제2 이방향 밸브(232)가 유로를 폐쇄한 상태인 경우, 냉각제는 히터코어(240), 리저버 탱크(225), 엔진(210), 수냉 컨덴서(220)를 차례로 순환한다.
냉매순환 시스템(100)은 제1 냉매 배관(101)과, 제2 냉매 배관(102)과, 제2 밸브 시스템을 포함한다.
제1 냉매 배관(101)은 압축기(110), 응축기(120), 제1 팽창수단(140) 및 증발기(130)가 순차로 구성되어 이루어진다.
압축기(110)는 전기적인 에너지를 통해 구동되는 전동 압축기(Electro compressor)로 구성된다. 압축기(110)는 증발기(130)를 통과한 저온 저압의 기상 냉매를 흡입하고 압축하여 고온 고압의 기체 상태로 냉매를 응축기(120)를 향해 토출한다. 냉매 유동 방향으로 압축기(110)의 상류 측에는 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(110)로 기상 냉매만 공급하기 위한 어큐뮬레이터(170)가 구비된다.
응축기(120)는 차량의 전방 측에 구비되며 주행풍과 열교환하여 냉매를 응축시키는 공랭식 응축기로 구성된다. 즉, 응축기(120)는 압축기(110)에서 배출되어 유동하는 고온 고압의 기상 냉매를 외기와 열교환시켜 응축시킨다. 응축기(120)의 인근에는 별도의 송풍수단을 더 구비할 수 있다.
제1 팽창수단(140)은 응축기(120)에서 배출되어 유동하는 액상 냉매를 교축작용으로 급속히 팽창시켜 저온 저압의 습포화 상태로 냉매를 증발기(130)로 보낸다. 제1 팽창수단(140)은 EXV, TXV 등의 팽창밸브 또는 오리피스(Orifice) 구조 등으로 구성될 수 있다.
증발기(130)는 공조케이스(160) 내에 구비된다. 증발기(130)는 공기 유동 방향으로 히터코어(240)의 상류에 배치된다. 증발기(130)는 제1 팽창수단(140)에서 배출되어 유동하는 저압의 액상 냉매를 공조케이스(160) 내의 공기와 열교환시켜 증발시킴으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각한다.
공조케이스(160) 내에는 공기유입구 측에 기류를 형성하기 위한 블로어가 구비된다. 또한, 증발기(130)와 히터코어(240)의 사이에 히터코어(240)를 통과하는 공기의 양과 히터코어(240)를 바이패스하는 공기의 양을 조절하여 실내로 토출되는 공조풍의 온도를 조절하는 템프도어(135)가 구비된다.
제2 냉매 배관(102)은 제1 냉매 배관(101)에서 분지되어, 증발기(130)를 바이패스하는 배관이다. 제2 냉매 배관(102)는 응축기(120)와 제1 팽창수단(140) 사이에서 분지되어 어큐뮬레이터(170)와 증발기(130) 사이로 합류한다.
제2 밸브 시스템은 냉매가 증발기(130)를 통과하거나 바이패스하도록 냉매의 흐름을 제어한다. 제2 밸브 시스템은 삼방향 밸브(145)로 구성될 수 있다. 삼방향 밸브(145)는 제1 냉매 배관(101)과 제2 냉매 배관(102)의 분지 지점에 구비되어, 응축기(120)를 지난 냉매를 증발기(130)로 유동시키거나 증발기(130)를 바이패스하도록 냉매의 흐름을 제어한다.
또한, 수냉 컨덴서(220)는 압축기(110)와 응축기(120)의 사이에 구비된다. 그리고, 수냉 컨덴서(220)와 응축기(120)의 사이에 제2 팽창수단(150)이 구비된다. 제2 팽창수단(150)은 이를 통과하는 냉매를 선택적으로 교축시키는 것으로서, 오리피스 일체형 이방향 밸브(2way valve)로 구성될 수 있다.
즉, 제1 냉매 배관(101)에는 압축기(110), 수냉 컨덴서(220), 제2 팽창수단(150), 응축기(120), 제1 팽창수단(140) 및 증발기(130)가 순차로 구성된다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 제어부를 구비한다. 제어부는 냉매의 흐름, 냉각제의 흐름 및 도어 등의 구동을 조작하여 다양한 공조 모드를 수행한다.
제어부는 제상 모드 또는 제습 모드 시, 제1 밸브 시스템을 냉각제가 엔진(210)을 순환하도록 제어한다. 이러한 구성을 통해 엔진(210)의 폐열을 이요하여 제상 및 제습이 가능하다.
차량용 공조장치는 외기온도를 감지하는 센서를 구비한다. 제어부는 센서로 감지된 외기온도를 기준온도와 비교한다. 제어부는 외기온도가 기준온도보다 작은 경우, 냉각제를 엔진으로 순환시킨다. 아울러, 제어부는 외기온도가 기준온도보다 큰 경우, 냉각제가 엔진을 바이패스하도록 제어한다.
예를 들어, 외기온도가 -20℃보다 낮은 경우, 제어부는 실외 열교환기인 응축기(120)가 착상된 것으로 판단하고 냉각제를 엔진(210)과 열교환하도록 순환시켜 엔진(210)의 폐열을 난방 열원으로 하여 실내 난방을 수행한다. 아울러, 외기온도가 -20℃보다 큰 경우, 제어부는 냉각제를 엔진(210)에서 바이패스시켜 순환시키고 냉매순환 시스템(100)을 작동시켜 수냉 컨덴서(220)를 난방 열원으로 사용하는 히트펌프 난방 시스템을 가동시킨다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 냉방 모드를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 냉방 모드 시, 냉매는 압축기(110), 수냉 컨덴서(220), 제2 팽창수단(150), 응축기(120), 제1 팽창수단(140), 증발기(130) 및 어큐뮬레이터(170)를 차례로 순환한다. 이 경우, 냉각제 루프(200)는 작동이 정지되며, 냉매는 수냉 컨덴서(220)에서 열교환하지 않고, 제2 팽창수단(150)에서 교축작용없이 그대로 통과하여 응축기(120)에서 응축되며, 제1 팽창수단(140)에서 교축된 후 증발기(130)에서 증발하여 압축기(110)로 복귀한다.
공조케이스(160) 내의 템프도어(135)는 히터코어(240)로 향하는 유로를 폐쇄하도록 작동하여 증발기(130)와 열교환하여 냉각된 공기는 차량 실내를 냉방한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 난방 히트펌프 모드를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 히트펌프 난방 모드 시, 냉매는 압축기(110), 수냉 컨덴서(220), 제2 팽창수단(150), 응축기(120), 어큐뮬레이터(170)를 차례로 순환한다. 이 경우, 제1 냉각제 배관(201)을 통해 냉각제는 수냉 컨덴서(220), 히터코어(240)를 순환한다. 냉매는 수냉 컨덴서(220)에서 냉각제와 열교환하여 응축되며, 제2 팽창수단(150)에서 교축된 후 응축기(120)에서 증발되어 압축기(110)로 복귀한다.
공조케이스(160) 내의 템프도어(135)는 히터코어(240)로 향하는 유로를 개방하도록 작동한다. 히터코어(240)는 수냉 컨덴서(220)에서 압축기(110)로부터 고온 고압으로 토출된 냉매와 열교환하여 가열된 냉각제를 전달받아 공기와 열교환시키고, 가열된 공기는 차량 실내를 난방한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 제상 모드를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 제상 모드 시, 냉매순환 시스템(100)의 작동은 정지된다. 냉각제 루프(200)의 냉각제는 엔진(210), 수냉 컨덴서(220), 히터코어(240) 및 리저버 탱크(225)를 차례로 순환한다. 냉각제는 엔진(210)과 열교환하면서 엔진(210)의 폐열에 의해 가열되고, 이 열원을 히터코어(240)를 통과하는 공기와 열교환시켜 난방 열원으로 사용한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치의 제습 모드를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 제습 모드 시, 냉각제 루프(200)의 냉각제는 엔진(210), 수냉 컨덴서(220), 히터코어(240) 및 리저버 탱크(225)를 차례로 순환한다. 냉각제는 엔진(210)과 열교환하면서 엔진(210)의 폐열에 의해 가열되고, 이 열원을 히터코어(240)를 통과하는 공기와 열교환시켜 난방 열원으로 사용한다.
이와 동시에, 냉매순환 시스템(100)의 냉매는 압축기(110), 수냉 컨덴서(220), 제2 팽창수단(150), 응축기(120), 제1 팽창수단(140), 증발기(130) 및 어큐뮬레이터(170)를 차례로 순환한다. 냉매는 수냉 컨덴서(220)에서 냉각제와 열교환하여 응축되며 제2 팽창수단(150)에서 교축작용없이 그대로 통과하여 제1 팽창수단(140)에서 교축된 후 증발기(130)에서 증발하여 압축기(110)로 복귀한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 제어부를 구비한다. 제어부는 제1 열교환기의 열원을 이용하여 난방을 수행하는 히트펌프 모드에서 엔진(210)의 열원을 이용하여 난방을 수행하는 엔진 모드로 변경될 경우, 히트펌프 모드를 일정 시간 유지한 후 엔진 냉각제 온도가 제2 열교환기 냉각제 온도에 도달하면 엔진(210) 측으로 냉각제가 순환되도록 제1 밸브 시스템을 제어하여 엔진 모드를 수행하도록 한다.
즉, EV 모드(전기차 모드: Electric Vehicle Mode)로 장시간 주행하는 동안 수냉 컨덴서(220)의 열원을 이용한 히트펌프 난방 모드를 수행하는 상태에서 엔진 주행 모드로 갑작스럽게 변경될 경우, 히트펌프 난방 모드를 일정 시간 유지함으로써 토출온도 변화를 줄일 수 있다. 이후에 엔진 냉각제 온도가 히터코어 냉각제 온도와 동일하게 상승한 후에 엔진 모드를 수행한다.
또한, 제어부는 엔진 냉각제 온도가 기준치 이상으로 상승한 상태에서 전기차(EV 모드) 모드로 변경될 경우, 냉각제 온도가 기준치 이하로 떨어질 때까지 엔진(210)의 잠열을 이용하여 난방을 수행하도록 제어한다.
즉, 제어부는 공조 부하 이외의 다른 이유로 엔진 작동에 의해 냉각제 온도가 과다 상승한 상태에서 전기차 모드로 전환될 경우, 냉각제가 적정 온도로 떨어질 때까지 엔진(210)의 잠열을 통한 냉각제로만 난방을 수행한 후에 히트펌프 난방 모드를 수행한다. 따라서, 연비 측면에서 더욱 효율적인 운행이 가능하다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 공조케이스(160) 내에 전기식으로 가열되는 저전압 PTC히터(270)가 더 구비될 수 있다. 제1 실시 예에서, 수냉 컨덴서(220) 및 엔진(210) 폐열을 난방 열원으로 사용함으로써 PTC히터를 생략할 수 있어 차량 전후 방향 두께를 줄일 수 있었다. 제2 실시 예에서는 공기 유동 방향으로 히터코어(240)의 하류 측에 전기식으로 발열하는 PTC히터를 구성한다. 전술한 바와 같이 수냉 컨덴서(220) 및 엔진(210) 폐열을 난방 열원으로 사용함으로써 비교적 저전압의 PTC 히터(270)를 구성하는 것이 가능하므로, 공조장치의 패키지를 축소할 수 있다는 장점이 여전히 유효하다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 제어부를 구비한다. 제어부는 난방 모드 시, 엔진(210)을 예열하는 동안 제1 열교환기의 열원을 이용하여 난방을 수행한 후 엔진 냉각제 온도가 제2 열교환기 냉각제 온도에 도달하면 엔진(210)의 열원을 이용하여 난방을 수행하도록 제어한다.
즉, 초기 난방 시, 엔진(210)의 웜 업(Warm-up)동안 히트펌프 시스템의 수냉 컨덴서(220)의 열원을 이용하여 히터코어(240)를 가열하고, 히터코어(240) 및 PTC 히터(270)를 통과하는 공기가 가열된다. 이후에, 엔진 냉각제 온도가 히터코어 냉각제 온도와 유사한 수준에 도달하면 냉각제가 엔진(210)을 통과하도록 유동 제어하여 엔진 난방 모드를 수행한다.
또한, 도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 차량용 공조장치는 제3 냉매 배관(183), 제3 냉각제 배관(181), 제3 팽창수단(182) 및 칠러(190)를 더 구비한다.
제3 냉매 배관(183)은 냉매 유동 방향으로 제2 냉매 배관(102)의 분지 지점의 하류 측 제1 냉매 배관(101)에서 분지되며, 증발기(130)를 바이패스하는 통로이다. 제3 냉각제 배관(181)은 차량의 배터리(180)와 열교환하는 통로이다. 제3 냉각제 배관(181)의 내부에 냉각제를 순환시키기 위한 순환펌프(미도시)가 구비될 수 있다.
제3 팽창수단(182) 및 칠러(190)는 제3 냉매 배관(183)에 순차로 구비된다. 칠러(190)는 제3 냉각제 배관(181)의 냉각제와 제3 냉매 배관(183)의 냉매를 열교환시킨다. 이 경우, 배터리(180)는 전기차의 배터리 팩, 배터리 시스템 등을 포함하는 개념의 용어이다. 제3 팽창수단(182)은 도면에 도시된 것처럼 TXV와 솔레노이드 밸브가 일체로 결합된 형태로 구성될 수 있으며, 분리된 형태로도 구성 가능하다.
응축기(120)를 통과한 냉매의 일부는 제1 팽창수단(140), 증발기(130) 및 어큐뮬레이터(170)를 거쳐 압축기(110)로 복귀하며, 다른 일부는 제3 냉매 배관(183)을 따라 제3 팽창수단(182), 칠러(190) 및 어큐뮬레이터(170)를 거쳐 압축기(110)로 복귀한다. 제3 냉각제 배관(181)을 유동하는 냉각제는 배터리(180)를 냉각시키고 가열된 냉각제는 칠러(190)를 통과하는 저온의 냉매와 열교환하여 냉각된다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 제어부를 구비한다. 제어부는 냉방 모드 작동 중 배터리(180) 쿨링 필요 시, 먼저 제3 냉매 배관(183)으로 냉매를 유동시킨 후에 제3 냉각제 배관(181)의 냉각제를 순환시키도록 제어한다.
냉각제가 흐르는 상태에서 제3 팽창수단(182)의 밸브를 오픈할 경우 높은 냉방 부하에 의해 제3 팽창수단(182)의 TXV가 갑자기 열리게 되어 냉매 유동음이 크게 발생할 수 있다. 제어부는 제3 팽창수단(182)의 밸브를 개방한 후에 제3 냉각제 배관(181)의 순환펌프를 작동시킴으로써, 밸브를 먼저 열고 순환펌프의 냉각제 유량을 점차적으로 증가시켜 냉매 유동음을 줄일 수 있다.
또한, 도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 공조장치를 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 제4 실시 예에 따른 차량용 공조장치는 전술한 제1 실시 예와 비교하여 다른 제1 밸브 시스템의 구성을 갖는다. 즉, 제1 밸브 시스템은 제2 열교환기를 순환하는 냉각제가 제1 열교환기와 엔진(210)을 선택적으로 통과하도록 구성된다. 제1 냉각제 배관(201)은 수냉 컨덴서(220)와 히터코어(240)를 연결하며, 제2 냉각제 배관(202)은 제1 냉각제 배관(201)에서 분지되어 엔진(210)과 열교환 한다.
더욱 상세하게는, 제1 냉각제 배관(201)과 제2 냉각제 배관(202)의 분지 지점에는 3방향 밸브(255)가 구비된다. 제1 냉각제 배관(201)은 냉각제 유동 방향으로 순환펌프(250), 3방향 밸브(255), 수냉 컨덴서(220) 및 히터코어(240)를 순차로 통과한다. 제2 냉각제 배관(202)은 히터코어(240)를 통과한 냉각제가 수냉 컨덴서(220)를 바이패스하여 엔진(210)을 통과한 후 히터코어(240)를 순환하도록 이루어진다. 이러한 구성을 통해, 히터코어(240)는 난방 열원으로서 엔진(210)의 폐열 또는 수냉 컨덴서(220)를 통한 냉매 열원을 선택적으로 사용할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 공조장치는 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: 냉매순환 시스템 101: 제1 냉매 배관
102: 제2 냉매 배관 110: 압축기
120: 응축기 130: 증발기
140: 제1 팽창수단 145: 삼방향 밸브
150: 제2 팽창수단 160: 공조케이스
135: 템프도어 170: 어큐뮬레이터
180: 배터리 181: 제3 냉각제 배관
182: 제3 팽창수단 183: 제3 냉매 배관
190: 칠러 200: 냉각제 루프
201: 제1 냉각제 배관 202: 제2 냉각제 배관
210: 엔진 220: 수냉 컨덴서
225: 리저버 탱크 231: 제1 이방향 밸브
232: 제2 이방향 밸브 240: 히터코어
250: 순환펌프 255: 3방향 밸브
270: 저전압 PTC히터

Claims (14)

  1. 냉매를 순환시켜 공조케이스(160) 내의 공기와 열교환 함으로써 차량 실내의 냉방 또는 난방을 수행하는 냉매순환 시스템을 구비한 차량용 공조장치에 있어서,
    상기 냉매순환 시스템의 냉매와 열교환하는 제1 열교환기를 구비하고, 상기 제1 열교환기를 통해 냉각제의 온도를 상승시켜 차량 실내의 난방 열원으로 사용하며,
    상기 공조케이스(160) 내에 마련되는 것으로, 내부에 냉각제가 유동하며 이를 통과하는 공기를 가열하는 제2 열교환기;
    상기 제1 열교환기와 제2 열교환기를 연결하며 냉각제가 순환되는 통로인 제1 냉각제 배관(201);
    상기 제1 냉각제 배관(201)에서 분지되어 엔진(210)과 열교환하는 제2 냉각제 배관(202); 및
    상기 제1 냉각제 배관(201)을 유동하는 냉각제를 상기 제2 냉각제 배관(202)으로 선택적으로 유동시키는 제1 밸브 시스템을 구비하는 차량용 공조장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 수냉 컨덴서로 이루어지는 차량용 공조장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 히터코어로 이루어지는 차량용 공조장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    제상 모드 또는 제습 모드 시 상기 제1 밸브 시스템은 냉각제가 엔진(210)을 순환하도록 제어되는 차량용 공조장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    외기온도를 감지하는 센서와, 상기 센서로 감지된 외기온도를 기준온도와 비교하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는 외기온도가 기준온도보다 작은 경우 냉각제를 엔진으로 순환시키고 기준온도보다 큰 경우 냉각제가 엔진을 바이패스하도록 제어하는 차량용 공조장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 냉매순환 시스템은:
    압축기(110), 응축기(120), 제1 팽창수단(140) 및 증발기(130)가 순차로 구성되는 제1 냉매 배관(101);
    상기 제1 냉매 배관(101)에서 분지되어 상기 증발기(130)를 바이패스하는 제2 냉매 배관(102); 및
    냉매가 증발기(130)를 통과하거나 바이패스하도록 냉매의 흐름을 제어하는 제2 밸브 시스템을 포함하는 차량용 공조장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 압축기(110)와 응축기(120)의 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환기와 응축기(120)의 사이에 냉매를 선택적으로 교축시키는 제2 팽창수단(150)이 구비되는 차량용 공조장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 공조케이스(160) 내에 전기식으로 가열되는 저전압 PTC히터(270)가 더 구비되는 차량용 공조장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    냉매 유동 방향으로 상기 제2 냉매 배관(102)의 분지 지점의 하류 측 제1 냉매 배관(101)에서 분지되어 상기 증발기(130)를 바이패스하는 제3 냉매 배관(183);
    차량의 배터리(180)와 열교환하는 제3 냉각제 배관(181); 및
    상기 제3 냉매 배관(183)에 순차로 구비되는 제3 팽창수단(182) 및 칠러(190)를 포함하고, 상기 칠러(190)는 제3 냉각제 배관(181)의 냉각제와 제3 냉매 배관(183)의 냉매를 열교환시키는 차량용 공조장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    난방 모드 시, 엔진(210)을 예열하는 동안 제1 열교환기의 열원을 이용하여 난방을 수행한 후 엔진 냉각제 온도가 제2 열교환기 냉각제 온도에 도달하면 엔진(210)의 열원을 이용하여 난방을 수행하도록 제어하는 제어부를 구비하는 차량용 공조장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    제1 열교환기의 열원을 이용하여 난방을 수행하는 히트펌프 모드에서 엔진(210)의 열원을 이용하여 난방을 수행하는 엔진 모드로 변경될 경우, 히트펌프 모드를 일정 시간 유지한 후 엔진 냉각제 온도가 제2 열교환기 냉각제 온도에 도달하면 엔진(210) 측으로 냉각제가 순환되도록 제1 밸브 시스템을 제어하여 엔진 모드를 수행하도록 하는 제어부를 구비하는 차량용 공조장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    엔진 냉각제 온도가 기준치 이상으로 상승한 상태에서 전기차(EV:Electric Vehicle) 모드로 변경될 경우, 냉각제 온도가 기준치 이하로 떨어질 때까지 엔진(210)의 잠열을 이용하여 난방을 수행하도록 제어하는 제어부를 구비하는 차량용 공조장치.
  13. 제9 항에 있어서,
    냉방 모드 작동 중 배터리(180) 쿨링 필요 시, 먼저 제3 냉매 배관(183)으로 냉매를 유동시킨 후에 제3 냉각제 배관(181)의 냉각제를 순환시키는 제어부를 구비하는 차량용 공조장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 밸브 시스템은,
    상기 제2 열교환기를 순환하는 냉각제가 제1 열교환기와 엔진(210)을 선택적으로 통과하도록 구성되는 차량용 공조장치.
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