KR20190120936A - 차량의 열관리 시스템 - Google Patents

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KR20190120936A
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안경주
한중만
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 차량의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 엔진 냉각수와 히트펌프를 차실내의 난방열원으로 사용하되, 이들의 제어구조와 사용시점 등을 개선함으로써, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 냉매의 흐름 방향에 따라 열기 또는 냉기를 발생하여 차실내를 냉,난방하는 냉매순환라인과, 엔진의 냉각수를 히터코어에 순환시켜 엔진의 폐열로 차실내를 난방하는 냉각수순환라인을 포함하는 차량의 열관리 시스템에 있어서, 냉각수순환라인에는, 냉매와 냉각수를 열교환하는 냉매-냉각수 열교환기가 배치되고, 엔진을 통과한 냉각수가 히터코어 및 냉매-냉각수 열교환기를 바이패스하여 엔진 냉각수 독립 순환부를 형성한다.

Description

차량의 열관리 시스템{HEAT MANAGEMENT SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 엔진 냉각수와 히트펌프를 차실내의 난방열원으로 사용하되, 이들의 제어구조와 사용시점 등을 개선함으로써, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있는 차량의 열관리 시스템에 관한 것이다.
하이브리드(Hybrid) 차량은, 전기모터와 내연기관(엔진)을 병행하여 사용하는 차량으로서, 차량의 주행부하가 클 경우, 예를 들면, 고속주행시나 오르막길 주행시에는 "엔진 구동모드"로 전환되면서 엔진을 사용한다.
반대로, 차량의 주행부하가 작을 경우, 예를 들면, 저속주행이나 정차시에는 "모터 구동모드"로 전환되면서 전기모터를 사용한다.
이러한 하이브리드 차량(이하, "차량"이라 통칭함)은, 차실내를 냉,난방하는 공조장치를 갖추고 있다.
공조장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1)와 응축기(3)와 팽창밸브(5)와 증발기(6) 및 히터코어(7)를 갖추고 있는 것으로, 차실내의 "냉방모드" 시에는, 압축기(1)의 냉매를 응축기(3)와 팽창밸브(5)와 증발기(6)로 순환시킴으로써, 증발기(6)에서 냉기를 발생시키고, 발생된 냉기를 차실내 공급하여 차실내를 냉방한다.
그리고 차실내의 "난방모드" 시에는, 엔진(8)의 냉각수를 히터코어(7)에 순환시킴으로써, 엔진(8)의 폐열을 히터코어(7)에 전달하여 열기를 발생시키고, 발생된 열기를 차실내에 공급하여 차실내를 난방한다.
한편, 공조장치는, 차량이 "모터 구동모드"로 제어되고 있는 상태에서 "난방모드"로 진입할 경우가 종종 발생하는데, 이러한 경우, "모터 구동모드"에서 "엔진 구동모드"로 전환되면서 엔진(8)을 재작동시킨다.
따라서, 엔진(8)의 폐열을 이용한 차실내 난방이 가능하게 하고, 이로써, 차실내의 난방성능을 높인다.
그런데, 이러한 종래의 공조장치는, "모터 구동모드" 상태에서 "난방모드"의 "진입과 해제"가 빈번하게 발생되는 경우가 있는데, 이럴때 마다 엔진(8)이 빈번하게 온(ON), 오프(OFF)된다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 에너지 소모가 증가되고, 차실내로 송풍되는 온도가 변화되어 차실내의 쾌적성이 떨어진다는 문제점이 있다.
특히, 엔진(8)이 빈번하게 온(ON), 오프(OFF)되므로, 에너지 소모가 급격하게 증가되고, 이로써, 차량의 연비가 현저하게 저하된다는 결점이 있다.
한편, 이를 감안하여, 공조장치를 "히트펌프식(Heat Pump Type)"으로 개선하고(도시하지 않음), 이를 통해, 차실내의 "난방모드" 시, 엔진(8)을 재작동시키지 않고서도 차실내를 난방하여 차량의 연비를 개선시키기도 한다.
그러나, 히트펌프식 공조장치는, 발열효율이 낮아 높은 온도의 공기를 차실내에 공급할 수 없다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 차실내의 난방성능이 떨어진다는 문제점이 있다.
특히, 기온이 매우 낮은 경우, 예를 들면, 외기온이 -5℃ 이하인 경우, 차실내를 난방하기에 충분한 온도의 공기를 공급할 수 없다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 차실내의 난방효과를 떨어뜨려 차실내의 쾌적성을 저하시킨다는 문제점이 있다.
한편, 이를 감안하여, 전기를 사용하는 전열히터(9)를 더 설치하고, 이를 통해, 차실내로 공급되는 공기를 가열하여 차실내 난방성능을 보충하기도 한다.
그러나, 전열히터(9)를 사용할 경우, 배터리(도시하지 않음)의 전력소비량이 증가되어, 차량의 연비를 오히려 더 저감시킨다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 엔진 냉각수와 히트펌프를 차실내의 난방열원으로 사용하되, 이들의 제어구조와 사용시점 등을 개선함으로써, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 엔진 냉각수와 히트펌프의 제어구조와 사용시점 등을 개선하여, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있도록 구성함으로써, 차량의 연비를 개선시킬 수 있으면서 동시에 차실내의 쾌적성도 개선시킬 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템은, 냉매의 흐름 방향에 따라 열기 또는 냉기를 발생하여 차실내를 냉,난방하는 냉매순환라인과, 엔진의 냉각수를 히터코어에 순환시켜 상기 엔진의 폐열로 차실내를 난방하는 냉각수순환라인을 포함하는 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 냉각수순환라인에는, 냉매와 냉각수를 열교환하는 냉매-냉각수 열교환기가 배치되고, 상기 엔진을 통과한 냉각수가 상기 히터코어 및 상기 냉매-냉각수 열교환기를 바이패스하여 상기 엔진 냉각수 독립 순환부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔진 냉각수 독립 순환부는, 상기 엔진측 냉각수의 독립적인 순환루프가 형성될 수 있도록 상기 엔진의 출구측의 냉각수를 상기 엔진(24)의 입구측으로 바이패스하는 바이패스 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 수냉식 열교환기와 엔진은, 상기 히터코어에 대해 순차적으로 병렬 연결되며; 상기 바이패스 라인은, 병렬로 연결되는 상기 수냉식 열교환기와 엔진 사이의 히터코어측 냉각수순환라인 부분에서, 상기 엔진의 출구측과 입구측을 연결하는 구조인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 바이패스 라인은, 상기 히터코어에 대해 병렬로 연결되는 상기 수냉식 열교환기와 엔진 사이의 히터코어측 냉각수순환라인 부분 중, 일단이 상기 엔진의 출구측과 상기 수냉식 열교환기의 분지점 사이에 연결되고, 타단이 상기 엔진의 입구측과 상기 수냉식 열교환기의 분지점 사이에 연결되어, 상기 엔진의 출구측 냉각수를 상기 엔진의 입구측으로 직접 순환시키는 냉각수 순환루프를 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 엔진과 바이패스 라인 사이에 형성되는 냉각수 순환루프는, 상기 엔진과 히터코어 사이에 형성되는 냉각수 순환루프 내에 포함되어, 상기 엔진의 냉각수가 상기 히터코어측으로 순환될 시에, 상기 엔진과 바이패스 라인 사이의 냉각수가, 상기 엔진과 히터코어 사이의 냉각수 순환루프에 섞일 수 있게 하는 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템에 의하면, 차실내의 "난방모드" 시에, 엔진의 폐열과, 히트펌프측 냉매순환라인의 열을 차실내의 난방열원으로 사용하되, 차량의 모드 상태와 난방 부하에 따라, 어느 하나를 선택하여 차실내 난방열원으로 사용하는 구조이므로, 에너지 소비를 최소화하면서 동시에 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 엔진의 폐열과, 히트펌프측 냉매순환라인의 열 중, 어느 하나를 난방열원으로 사용하되, 차실내의 난방효과를 저하시키지 않는 한도내에서 열효율이 높은 난방열원을 우선적으로 사용하는 구조이므로, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있으므로, 차량의 연비를 개선시킬 수 있으면서 동시에 차실내의 쾌적성도 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 차량용 공조장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템의 구성을 상세하게 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 차량의 열관리 시스템을 구성하는 냉각수순환라인 흐름제어밸브의 다른 설치예를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템의 작동예를 나타내는 작동도로서, 히트펌프측 열을 이용하여 차실내를 난방하는 사례를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템의 작동예를 나타내는 작동도로서, 엔진 폐열을 이용하여 차실내를 난방하는 사례를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 차량의 열관리 시스템을 구성하는 냉각수순환라인 전기워터펌프의 다른 설치예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 열관리 시스템은, 공조장치를 구비하며, 상기 공조장치는 히트펌프식(Heat Pump Type)으로서, 히트펌프측 냉매순환라인(10)과 히터코어측 냉각수순환라인(20)을 구비한다.
히트펌프측 냉매순환라인(10)은, 압축기(12)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히트펌프모드용 팽창밸브(15)와 실외열교환기(16)와 에어컨모드용 팽창밸브(17)와 실내열교환기(19)를 갖추고 있다.
이러한 히트펌프측 냉매순환라인(10)은, 차실내의 "냉방모드" 시에, "에어컨 모드"로 제어되면서, 압축기(12)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 실외열교환기(16)와 에어컨모드용 팽창밸브(17)와 실내열교환기(19)로 구성되는 "냉매 순환루프"를 형성하고, 이러한 "냉매 순환루프"를 통해 실내열교환기(19)에 저온의 "냉기"를 발생시키며, 발생된 "냉기"를 통해 차실내를 냉방한다.
그리고 차실내의 "난방모드" 시에는, "히트펌프 모드"로 제어되면서, 압축기(12)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히트펌프모드용 팽창밸브(15)와 실외열교환기(16)로 구성되는 "냉매 순환루프"를 형성하고, 이러한 "냉매 순환루프"를 통해 냉매-냉각수 열교환기(14)에 고온의 "열"을 발생시키며, 발생된 "열"을 히터코어측 냉각수순환라인(20)에 전달한다. 이로써, 히터코어측 냉각수순환라인(20)으로 전달된 고온의 "열"이 히터코어(22)를 통해 차실내로 방출되어 차실내를 난방할 수 있게 한다.
여기서, 냉매-냉각수 열교환기(14)는, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매가 순환되는 냉매유로(14a)와, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수가 순환되는 냉각수유로(14b)를 갖추고 있다.
이들 냉매유로(14a)로 냉각수유로(14b)는, 서로 대응되게 형성되어 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매와, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 상호 열교환시킨다.
특히, 차량이 "모터 구동모드" 상태로 제어되고 있는 상태에서, "난방모드"로 진입할 경우, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)측 고온 냉매와, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수가 상호 열교환되게 한다.
따라서, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)측 "열"이 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수로 전달되고, "열"이 전달된 냉각수가 히터코어(22)로 순환되면서 차실내를 난방할 수 있게 한다.
한편, 히터코어측 냉각수순환라인(20)은, 히터코어(22)와 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24)을 서로 연결한다. 특히, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24)을 서로 병렬로 연결하며, 병렬로 연결된 이들 사이에서 냉각수를 순환시킨다.
이러한 히터코어측 냉각수순환라인(20)은, 히터코어(22)측과 엔진(24)측을 서로 연통시키거나, 또는 히터코어(22)측과 냉매-냉각수 열교환기(14)측을 서로 연통시키는 흐름제어밸브(26)를 포함한다.
흐름제어밸브(26)는 삼방향 제어밸브로서, 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점에 설치된다.
특히, 흐름제어밸브(26)는, 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 중, 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 상류측 분지점에 설치된다.
이러한 삼방향 흐름제어밸브(26)는, 차실내의 "난방모드" 시에, 히터코어(22)측과 엔진(24)측을 서로 연통시킴으로써, 히터코어(22)와 엔진(24) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성되게 하거나, 또는 히터코어(22)측과 냉매-냉각수 열교환기(14)측을 서로 연통시킴으로써, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성될 수 있게 한다.
따라서, 차실내의 "난방모드" 시에, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이에서 냉각수를 순환시켜, 엔진(24)의 폐열을 통해 차실내를 난방하거나, 또는 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히터코어(22) 사이에서 냉각수를 순환시켜, 냉매-냉각수 열교환기(14)에서 발생된 열을 통해 차실내를 난방하도록 구성된다.
여기서, 흐름제어밸브(26)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 경우에 따라, 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 중, 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 하류측 분지점에 설치될 수도 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 열관리 시스템은, 차실내의 "난방모드" 시에, 차량의 "모드 상태"와 "엔진 냉각수 온도"와 "냉매 온도"에 따라, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 흐름제어밸브(26)를 제어하고, 이를 통해, 차실내의 "난방모드" 시에, 차량의 "모드 상태"와 "엔진 냉각수 온도"와 "냉매 온도"에 따라, 엔진(24)의 폐열과, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열 중, 어느 하나를 차실내의 난방열원으로 선택하는 난방열원 선택부(30)를 더 포함한다.
난방열원 선택부(30)는, 엔진(24)의 출구측 냉각수온도를 감지하는 엔진측 냉각수온도 감지센서(32)와, 히터코어(22)의 입구측 냉각수온도를 감지하는 히터코어측 냉각수온도 감지센서(34)와, 압축기(12)의 출구측 냉매온도를 감지하는 압축기측 냉매온도 감지센서(36) 및, 이들 감지센서(32, 34, 36)들로부터 입력된 온도 데이터에 따라 상기 흐름제어밸브(26)를 제어하는 제어부(38)를 포함한다.
제어부(38)는, 차실내의 "난방모드" 상태에서, 차량이 "엔진 구동모드"로 진입할 시에, 엔진측 냉각수온도 감지센서(32)에서 입력된 엔진(24)의 출구측 냉각수온도와, 히터코어측 냉각수온도 감지센서(34)에서 입력된 히터코어(22)의 입구측 냉각수온도를 비교한다.
비교 결과, 엔진(24)의 출구측 냉각수온도가, 히터코어(22)의 입구측 냉각수온도를 초과하면, 상기 제어부(38)는, 엔진(24)의 냉각수 온도가 차실내의 난방열원으로 사용하기에 충분한 것으로 판단하고, 이러한 판단에 따라 "제 1난방모드"로 진입하면서 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 흐름제어밸브(26)를 제어하여, 엔진(24)과 히터코어(22)를 연통시킨다.
따라서, 히터코어(22)와 엔진(24) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성될 수 있게 하고, 형성된 "냉각수 순환루프"를 통해 상기 엔진(24)의 폐열이 히터코어(22)로 전달되면서 차실내를 난방할 수 있게 한다.
한편, 비교 결과, 엔진(24)의 출구측 냉각수온도가, 히터코어(22)의 입구측 냉각수온도 이하이면, 상기 제어부(38)는, 엔진(24)의 냉각수 온도가 차실내의 난방열원으로 사용하기에 부족한 것으로 판단하고, 이러한 판단에 따라, "제 2난방모드"로 진입하면서 히트펌프측 냉매순환라인(10)을 작동(ON)시킴과 동시에, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 흐름제어밸브(26)를 제어하여, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히터코어(22)를 연통시킨다.
따라서, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성될 수 있게 하고, 형성된 "냉각수 순환루프"를 통해 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)측 "열"이 히터코어(22)로 전달되면서 차실내를 난방할 수 있게 한다.
다시, 도 2를 참조하면, 상기 제어부(38)는, 차실내의 "난방모드" 상태에서, 차량이 "모터 구동모드"로 진입할 시에, 엔진측 냉각수온도 감지센서(32)에서 입력된 엔진(24)의 출구측 냉각수온도와, 압축기측 냉매온도 감지센서(36)에서 입력된 압축기(12)의 출구측 냉매온도를 비교한다.
비교 결과, 엔진(24)의 출구측 냉각수온도가, 압축기(12)의 출구측 냉매온도 미만이면, 상기 제어부(38)는, 엔진(24)이 정지되어 엔진 냉각수를 차실내 난방열원으로 사용할 수 없는 것으로 판단하고, 이러한 판단에 따라 "제 2난방모드"로 진입하면서 히트펌프측 냉매순환라인(10)을 작동(ON)시킴과 동시에, 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 흐름제어밸브(26)를 제어하여, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히터코어(22)를 연통시킨다.
따라서, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성될 수 있게 하고, 형성된 "냉각수 순환루프"를 통해 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14)측 "열"이 히터코어(22)로 전달되면서 차실내를 난방할 수 있게 한다.
한편, 비교 결과, 엔진(24)의 출구측 냉각수온도가, 압축기(12)의 출구측 냉매온도 이상이면, 상기 제어부(38)는, 엔진(24)이 정지되었지만, 엔진 냉각수 온도가 엔진(24)의 잔존 폐열로 인해 여전히 높고, 이로써, 차실내의 난방열원으로 사용하기에 충분한 것으로 판단한다.
그리고 이러한 판단에 따라, 상기 제어부(38)는, "제 1난방모드"로 진입하면서 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 흐름제어밸브(26)를 제어하여, 엔진(24)과 히터코어(22)를 연통시킨다.
따라서, 히터코어(22)와 엔진(24)으로 구성된 "냉각수 순환루프"를 형성하고, 형성된 "냉각수 순환루프"를 통해 엔진(24)의 잔존 폐열이 히터코어(22)로 전달되면서 차실내를 난방할 수 있게 한다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 열관리 시스템은, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14) 열로 차실내를 난방할 시에, 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 히터코어(22) 사이에 형성된 "냉각수 순환루프"와 관계없이, 엔진(24)측의 냉각수를 독립적인 경로로 순환시키는 엔진 냉각수 독립 순환부(40)를 더 구비한다.
엔진 냉각수 독립 순환부(40)는, 병렬로 연결되는 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 히터코어측 냉각수순환라인(20) 부분 중, 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이에 병렬로 설치되는 바이패스 라인(Bypass Line)(42)을 포함한다.
바이패스 라인(42)은, 병렬로 연결되는 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 히터코어측 냉각수순환라인(20) 부분에서, 상기 엔진(24)의 출구측과 입구측을 서로 연결한다.
특히, 바이패스 라인(42)은, 병렬로 연결되는 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 히터코어측 냉각수순환라인(20) 부분 중, 일단이 엔진(24)의 출구측과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 사이에 연결되고, 타단이 엔진(24)의 입구측과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 사이에 연결된다.
이러한 바이패스 라인(42)은, 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이에 "냉각수 순환루프"가 형성될 수 있게 한다. 특히, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이에 형성되는 "냉각수 순환루프"와 관계없는, 별개의 "냉각수 순환루프"가 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이에 형성될 수 있게 한다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이의 "냉각수 순환루프"를 통해서 차실내를 난방할 경우, 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이에서도 냉각수가 독립적으로 순환될 수 있게 한다.
특히, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이의 "냉각수 순환루프"를 통해서 차실내를 난방하는 상태에서, 엔진(24)이 작동될 경우, 상기 엔진(24)측의 냉각수가, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이의 "냉각수 순환루프"와 관계없이, 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이의 "냉각수 순환루프"를 통해 독립적으로 순환될 수 있게 한다.
그 결과, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 냉매-냉각수 열교환기(14) 열을 통한 차실내 난방과, 엔진(24)의 작동이 각각 독립적으로 이루어질 수 있게 한다.
특히, 엔진(24)의 작동에도 불구하고 엔진 냉각수 온도가 낮아 엔진 냉각수를 차실내의 난방열원으로 사용할 수 없는 경우에는, 엔진(24)의 작동과, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 통한 차실내 난방이 동시에 이루어지는 데, 이러한 경우, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 통한 차실내 난방에 관계없이, 엔진(24)의 작동이 독립적으로 이루어질 수 있게 한다(이하, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 통한 차실내 난방과, 엔진(24)의 작동이 각각 동시에 독립적으로 이루어지는 모드를 "제 3난방모드" 상태라 칭한다).
이 밖에도, 상기 바이패스 라인(42)은, 엔진(24)과 히터코어(22)측 사이에 병렬로 설치된다. 따라서, 상기 바이패스 라인(42)과 엔진(24) 사이에 형성되는 "냉각수 순환루프"가, 상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이에 형성되는 "냉각수 순환루프"에 포함될 수 있게 한다.
이로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 바이패스 라인(42)과 엔진(24) 사이의 냉각수가, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"에 포함될 수 있게 한다.
그 결과, 엔진(24)의 냉각수 온도가, 차실내의 난방열원으로 사용할 수 있을 정도로 높아져서, 차실내의 난방열원이 엔진(24)의 폐열로 전환될 경우, 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이를 순환하는 높은 온도의 엔진 냉각수가, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"에 그대로 포함될 수 있게 한다.
이에 따라, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"를 따라 순환하는 냉각수의 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있고, 그 결과, 차실내의 난방효율을 개선시킬 수 있게 된다.
한편, 이러한 바이패스 라인(42)은, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"를 구성하는 냉각수 라인(20a)에 비해 작은 직경을 갖도록 구성된다.
이는, 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"측 냉각수 라인(20a)에 비해 바이패스 라인(42)의 냉각수 통기 저항을 상대적으로 크게 구성하기 위함이다.
그리고 이렇게 구성한 이유는, 차실내의 난방열원이 엔진(24)의 폐열로 전환되면, 엔진(24)의 냉각수가 상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 "냉각수 순환루프"를 따라 순환되는데, 이때, 엔진(24)의 냉각수가 통기 저항이 상대적으로 높은 바이패스 라인(42)으로 도입되지 않도록 하기 위함이다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 열관리 시스템은, 히터코어측 냉각수순환라인(20)에 설치되는 전기워터펌프(50)를 더 구비한다.
전기워터펌프(50)는, 병렬로 연결되는 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 히터코어측 냉각수순환라인(20) 부분에 설치된다.
특히, 전기워터펌프(50)는, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 히터코어측 냉각수순환라인(20) 부분 중, 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 히터코어(22)로 순환시키기 위한 "냉각수 순환루프"의 냉각수와, 엔진(24)의 폐열을 히터코어(22)로 순환시키기 위한 "냉각수 순환루프"의 냉각수를 모두 순환시킬 수 있는 위치에 설치되도록 구성된다.
예를 들면, 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 히터코어(22)로 순환시키기 위한 "냉각수 순환루프"와, 엔진(24)의 폐열을 히터코어(22)로 순환시키기 위한 냉각수 순환루프가 서로 겹쳐지는 부분, 즉, 도 2와 도 6에 도시된 바와 같이, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)의 양쪽 분지점 사이부분들 중, 어느 한쪽 부분에 설치되도록 구성된다.
이러한 전기워터펌프(50)는, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 사이에 설치되는 구조이므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 히터코어(22)와 냉매-냉각수 열교환기(14) 사이의 "냉각수 순환루프" 냉각수와, 도 5에 도시된 바와 같이, 히터코어(22)와 엔진(24) 사이의 "냉각수 순환루프" 냉각수를 모두 다 순환시킬 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 히트펌프측 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 통한 차실내 난방 시에도 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 순환시킬 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(24)의 폐열을 통한 차실내 난방 시에도 히터코어측 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 순환시킬 수 있다.
특히, 엔진(24)이 정지되었을 시에는, 엔진(24)에 부설된 기계식 워터펌프(24a)가 동시에 오프(OFF)되는데, 이렇게 기계식 워터펌프(24a)가 오프(OFF)된 상태임에도 불구하고, 엔진(24)의 잔존 폐열로 차실내를 난방할 시에 상기 엔진(24)의 냉각수를 히터코어(22)측으로 원활하게 순환시킬 수 있게 된다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 열관리 시스템은, 히트펌프측 냉매순환라인(10)상에 에어컨모드용 팽창밸브(17)와 병렬로 배치되게 설치되는 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)와, 상기 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)의 하류측에 설치되는 칠러(Chiller)(62)를 더 포함한다.
배터리냉각모드용 팽창밸브(60)는, 차실내의 "냉방모드" 시에, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 실외열교환기(16)측 냉매를 도입하여 팽창,감압시킨다.
칠러(62)는, 감압,팽창된 냉매를 도입하여 냉기를 발생시키고, 발생된 냉기를 배터리측 냉각수순환라인(64)으로 전달한다. 따라서, 배터리측 냉각수순환라인(64)의 배터리(66)를 냉각시킨다.
여기서, 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)는, 냉매의 온도에 따라 개도량이 자동제어되는 기계식 밸브로서, 외부제어식 온오프 밸브(60a)를 일체로 갖춘 통합형 밸브이다.
이러한 외부제어식 온오프 밸브 통합형 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)는, 외부에서 입력된 제어신호에 따라 온(ON) 또는 오프(OFF)되면서, 냉매의 팽창,감압 작용을 시행 또는 정지시킨다.
따라서, 칠러(62)의 냉기발생을 온(ON) 또는 오프(OFF)시킨다. 이로써, 배터리(66)의 냉각을 시행 또는 정지시킨다.
그 결과, 배터리(66)의 냉각이 필요할 때만 상기 칠러(62)를 선택적으로 작동시킬 수 있게 한다.
한편, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 에어컨모드용 팽창밸브(17)는, 냉매의 온도에 따라 개도량이 자동제어되는 기계식 밸브이다. 특히, 실내열교환기(19)의 출구측 냉매의 온도에 따라 개도량이 자동제어되는 내부제어식 밸브이다.
이러한 내부제어식 에어컨모드용 팽창밸브(17)는, 실내열교환기(19)의 출구측 냉매의 온도에 따라 개도량이 자동제어됨으로써, 실내열교환기(19)의 열부하, 즉, 냉,난방 부하에 따라 상기 실내열교환기(19)의 냉각성능이 자동 조절될 수 있게 한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 열관리 시스템에 의하면, 차실내의 "난방모드" 시에, 엔진(24)의 폐열과, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 열을 차실내의 난방열원으로 사용하되, 차량의 모드 상태와 난방 부하에 따라, 어느 하나를 선택하여 차실내 난방열원으로 사용하는 구조이므로, 에너지 소비를 최소화하면서 동시에 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있다.
특히, 엔진(24)의 폐열과, 히트펌프측 냉매순환라인(10)의 열 중, 어느 하나를 난방열원으로 사용하되, 차실내의 난방효과를 저하시키지 않는 한도내에서 열효율이 높은 난방열원을 우선적으로 사용하는 구조이므로, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 에너지 소비를 최소화하고서도 차실내의 난방효율을 증가시킬 수 있으므로, 차량의 연비를 개선시킬 수 있으면서 동시에 차실내의 쾌적성도 개선시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
10: 냉매순환라인 12: 압축기
14: 냉매-냉각수 열교환기 15: 히트펌프모드용 팽창밸브(Valve)
16: 실외열교환기 17: 에어컨모드용 팽창밸브
19: 실내열교환기 20: 냉각수순환라인
22: 히터코어(Heater Core) 24: 엔진(Engine)
26: 흐름제어밸브 30: 난방열원 선택부
32: 엔진측 냉각수온도 감지센서(Sensor)
34: 히터코어측 냉각수온도 감지센서 36: 압축기측 냉매온도 감지센서
38: 제어부 40: 엔진 냉각수 독립 순환부
42: 바이패스 라인(Bypass Line) 50: 전기워터펌프(Water Pump)
60: 배터리냉각모드용 팽창밸브 60a: 외부제어식 온오프 밸브
62: 칠러(Chiller) 64: 배터리측 냉각수순환라인
66: 배터리(Battery)

Claims (16)

  1. 냉매의 흐름 방향에 따라 열기 또는 냉기를 발생하여 차실내를 냉,난방하는 냉매순환라인(10)과, 엔진(24)의 냉각수를 히터코어(22)에 순환시켜 상기 엔진(24)의 폐열로 차실내를 난방하는 냉각수순환라인(20)을 포함하는 차량의 열관리 시스템에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(20)에는, 냉매와 냉각수를 열교환하는 냉매-냉각수 열교환기(14)가 배치되고,
    상기 엔진(24)을 통과한 냉각수가 상기 히터코어(22) 및 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)를 바이패스하여 상기 엔진 냉각수 독립 순환부(40)를 형성하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진 냉각수 독립 순환부(40)는,
    상기 엔진(24)측 냉각수의 독립적인 순환루프가 형성될 수 있도록 상기 엔진(24)의 출구측의 냉각수를 상기 엔진(24)의 입구측으로 바이패스하는 바이패스 라인(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24)은, 상기 히터코어(22)에 대해 순차적으로 병렬 연결되며;
    상기 바이패스 라인(42)은, 병렬로 연결되는 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 냉각수순환라인(20) 부분에서, 상기 엔진(24)의 출구측과 입구측을 연결하는 구조인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바이패스 라인(42)은,
    상기 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 엔진(24) 사이의 냉각수순환라인(20) 부분 중, 일단이 상기 엔진(24)의 출구측과 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 사이에 연결되고,
    타단이 상기 엔진(24)의 입구측과 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)의 분지점 사이에 연결되어, 상기 엔진(24)의 출구측 냉각수를 상기 엔진(24)의 입구측으로 직접 순환시키는 냉각수 순환루프를 구성하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이에 형성되는 냉각수 순환루프는, 상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이에 형성되는 냉각수 순환루프 내에 포함되어,
    상기 엔진(24)의 냉각수가 상기 히터코어(22)측으로 순환될 시에, 상기 엔진(24)과 바이패스 라인(42) 사이의 냉각수가, 상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 냉각수 순환루프에 섞일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 바이패스 라인(42)은,
    상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각수 라인(20a)에 비해 작은 직경을 갖도록 구성되어,
    상기 엔진(24)측 냉각수가 상기 엔진(24)과 히터코어(22) 사이의 냉각수 라인(20a)을 따라 순환될 시에, 상기 엔진(24)측 냉각수가 상대적으로 작은 직경의 바이패스 라인(42)으로 도입되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 엔진(24)과 상기 히터코어(22) 사이에서 냉각수를 순환시켜 상기 엔진(24)의 폐열을 상기 히터코어(22)에 전달하거나, 또는 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 상기 히터코어(22) 사이에서 냉각수를 순환시켜 상기 냉매순환라인(10)측 열을 상기 히터코어(22)에 전달할 수 있도록, 상기 냉각수순환라인(20)의 냉각수 흐름방향을 제어하는 흐름제어밸브(26)를 포함하고;
    상기 흐름제어밸브(26)는,
    상기 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 상기 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 양쪽 분지점 중, 어느 한 분지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흐름제어밸브(26)는,
    상기 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 상기 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 양쪽 분지점 중, 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 상류측 분지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 흐름제어밸브(26)는,
    상기 히터코어(22)에 대해 병렬로 연결되는 상기 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 양쪽 분지점 중, 엔진(24)과 냉매-냉각수 열교환기(14)의 하류측 분지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 엔진(24)측의 냉각수 온도를 감지하는 엔진측 냉각수온도 감지센서(32)와;
    상기 히터코어(22)측의 냉각수 온도를 감지하는 히터코어측 냉각수온도 감지센서(34)와;
    상기 압축기(12)측의 냉매온도를 감지하는 압축기측 냉매온도 감지센서(36) 및;
    상기 감지센서(32, 34, 36)들로부터 입력된 냉각수와 냉매의 온도 데이터에 따라 상기 흐름제어밸브(26)를 제어하는 제어부(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 엔진측 냉각수온도 감지센서(32)는, 상기 엔진(24)의 출구측 냉각수온도를 감지할 수 있도록, 상기 엔진(24)의 출구측에 설치되고;
    상기 히터코어측 냉각수온도 감지센서(34)는, 상기 히터코어(22)의 입구측 냉각수온도를 감지할 수 있도록, 상기 히터코어(22)의 입구측에 설치되며;
    상기 압축기측 냉매온도 감지센서(36)는, 상기 압축기(12)의 출구측 냉매온도를 감지할 수 있도록, 상기 압축기(12)의 출구측에 설치되는 구조인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(20)에 설치되는 전기워터펌프(50)를 더 포함하며;
    상기 전기워터펌프(50)는,
    상기 냉각수순환라인(20) 부분 중, 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 상기 히터코어(22)로 순환시키기 위한 냉각수 순환루프의 냉각수와, 상기 엔진(24)의 폐열을 상기 히터코어(22)로 순환시키기 위한 냉각수 순환루프의 냉각수를 모두 순환시킬 수 있는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전기워터펌프(50)는,
    상기 냉각수순환라인(20) 부분 중, 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)의 열을 상기 히터코어(22)로 순환시키기 위한 냉각수 순환루프와, 상기 엔진(24)의 폐열을 상기 히터코어(22)로 순환시키기 위한 냉각수 순환루프가 서로 겹쳐지는 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매순환라인(10)은,
    차실내의 냉방모드 시에 냉매를 감압,팽창시켜 실내열교환기(19)로 이송시키는 에어컨모드용 팽창밸브(17)와;
    배터리 냉각모드 시에 냉매를 감압,팽창시켜 배터리 냉각용 칠러(Chiller)(62)로 이송시키는 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)를 더 포함하며;
    상기 에어컨모드용 팽창밸브(17)는, 냉,난방 부하에 의해 변동하는 냉매의 온도에 따라 개도량이 자동제어되는 내부제어식 밸브이고;
    상기 배터리냉각모드용 팽창밸브(60)는, 외부에서 입력된 제어신호에 따라 온(ON) 또는 오프(OFF)되면서, 배터리(66) 냉각 여부에 따라 냉매의 팽창,감압 작용을 시행 또는 정지하는 외부제어식 온오프 밸브(60a)를 일체로 갖춘 통합형 밸브인 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  15. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1난방모드 시에, 상기 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 상기 엔진(24)과 상기 히터코어(22) 사이에서 순환시키고;
    제 2난방모드 시에, 상기 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 상기 히터코어(22) 사이에서 순환시키며;
    제 3난방모드 시에, 상기 엔진(24)을 통과한 냉각수가 상기 히터코어(22)를 바이패스하여 상기 엔진(24)으로 재순환되게 함과 동시에, 상기 냉각수순환라인(20)의 냉각수를 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)와 상기 히터코어(22) 사이에서 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 엔진(24)측의 냉각수 온도와, 상기 히터코어(22)측의 냉각수 온도와, 상기 냉매-냉각수 열교환기(14)측의 냉매 온도에 따라 상기 제 1 내지 제 3난방모드 중 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
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