KR102587577B1

KR102587577B1 - 공조 시스템

Info

Publication number: KR102587577B1
Application number: KR1020190078625A
Authority: KR
Inventors: 김성훈; 이성제; 이해준
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: KR20210002848A

Abstract

본 발명의 공조 시스템은 압축기, 수랭식 응축기, 실외기, 제1팽창밸브, 제2팽창밸브, 제3팽창밸브, 제4팽창밸브, 제5팽창밸브, 제1내부 열교환기와 제2내부 열교환기를 포함하는 통합형 내부 열교환기, 증발기 및 폐열회수기를 포함하며, 통합형 내부 열교환기에서는 수랭식 응축기 또는 실외기에서 토출된 냉매가 분기된 후 분기된 냉매들을 서로 열교환시키고 열교환에 의해 기화된 중압 및 기상 냉매를 압축기로 전달하고, 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로 제4팽창밸브 및 제5팽창밸브 중 어느 하나 이상에서 팽창된 후 토출된 저압의 기상 냉매를 압축기로 전달하여, 저압의 냉매가 유입되는 압축기의 냉매 입구와 고압으로 토출되는 압축기의 냉매 출구 사이인 중압이 형성되는 영역으로 통합형 내부 열교환기에서 기화된 중압의 기상 냉매를 추가로 주입시켜주는 가스 인젝션을 이용해 냉방 성능 및 난방 성능을 모두 향상시킬 수 있는 공조 시스템에 관한 것이다.

Description

공조 시스템 {Air conditioning system}

본 발명은 공조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실내의 냉방과 난방을 전환하여 사용할 수 있으며, 냉방 성능 및 난방 성능을 모두 향상시킬 수 있는 공조 시스템에 관한 것이다.

최근 자동차 분야에서 환경 친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제 해결책으로서 각광받고 있는 것이 전기 자동차이다.

전기 자동차는 배터리 또는 연료전지로부터 전력을 공급받아 구동되는 모터를 이용해 주행하기 때문에 탄소 배출이 적고 소음이 작다. 또한, 전기 자동차는 기존의 엔진보다 에너지 효율이 우수한 모터를 사용하기 때문에 친환경적이다.

이러한 전기 자동차는 배터리 및 구동 모터의 작동 시 많은 열이 발생하기 때문에 열관리가 중요하다. 그리고 배터리를 재충전하는데 시간이 오래 소요되므로 효율적인 배터리 사용 시간의 관리가 중요하다. 특히, 전기 자동차는 실내의 냉난방을 위해 구동되는 냉매 압축기도 전기로 구동되는바 더욱 효율적인 에너지 관리가 필요하다.

그런데 종래의 전기자동차용 공조 시스템은 실내의 냉방 시 배터리의 냉각이 필요한 경우 칠러를 이용해 배터리 및 전장부품에서 발생하는 폐열을 회수하는데, 칠러와 증발기가 병렬로 연결되므로 증발기 측으로 유입되는 냉매의 유량이 감소하고 압축기의 입구측으로 유입되는 전체 유량이 증가되어 냉매의 증발 압력이 상승함에 따라 냉방 성능이 악화된다. 또한, 실내의 난방 시 실외기와 폐열 회수용 칠러가 실외기와 직렬로 연결되므로 폐열 회수 시 흡열량 증대로 인해 저압측의 온도가 상승함에 따라 외기의 온도와 실외기를 통과하는 냉매의 온도차가 줄어들어 흡열량이 감소되며, 폐열 회수 흡열량이 특정한 수준 이상이 되면 외기의 온도보다 실외기를 통과하는 냉매의 온도가 높아져 오히려 방열이 일어나 난방 성능에 악영향을 미치는 경우가 발생하는 문제점이 있다.

KR 1637755 B1 (2016.07.01.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실내의 냉방과 난방을 전환하여 사용할 수 있으며, 아울러 가스 인젝션을 이용해 압축기로 기상 냉매를 공급하여 냉방 성능 및 난방 성능을 모두 향상시킬 수 있는 공조 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공조 시스템은, 상대적으로 저압 및 중압의 냉매가 유입되며, 유입된 냉매를 압축하여 상대적으로 고압으로 토출하는 압축기(100); 상기 압축기(100)에서 토출된 고압의 냉매를 냉각수와 열교환시키는 수랭식 응축기(200); 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매를 중압으로 팽창시키는 제1팽창밸브(410) 및 제2팽창밸브(420); 상기 제2팽창밸브(420)에서 토출된 중압의 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 실외기(300); 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 실외기(300)에서 토출된 냉매를 중압으로 팽창시키는 제3팽창밸브(430); 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 수랭식 응축기(200) 또는 실외기(300)에서 토출된 냉매가 분기된 후 분기된 냉매들을 서로 열교환시키고, 열교환에 의해 기화된 중압 및 기상 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 통합형 내부 열교환기(500); 상기 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 통합형 내부 열교환기(500)에서 토출된 중압 및 액상의 냉매를 저압으로 팽창시키는 제4팽창밸브(440) 및 제5팽창밸브(450); 상기 제4팽창밸브(440)에서 토출된 저압의 냉매를 흡열시켜 차량의 실내를 냉방하고, 상기 제4팽창밸브(440)에서 토출된 저압의 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 증발기(600); 및 상기 제5팽창밸브(450)에서 토출된 저압의 냉매를 흡열시켜 차량의 전장부품을 냉각 또는 폐열을 회수하는 폐열회수기(800); 를 포함할 수 있다.

또한, 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매가 상기 제2팽창밸브(420)를 바이패스하여 실외기(300)를 거친 후 분기되어 분기된 냉매들 중 일부는 상기 제3팽창밸브(430)를 통과하며 팽창된 후 상기 통합형 열교환기(500)로 유입되거나, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매가 분기되어 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 통합형 열교환기(500)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 통합형 열교환기(500)는 분기된 냉매들을 서로 열교환시키는 냉매 유동 경로가 각각 형성된 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 통합형 열교환기(500)는 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)의 사이에 개재된 단열재(530)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분에 일단이 연결되고, 상기 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520) 각각의 기상 냉매 출구측들에 타단이 연결된 가스 인젝션 라인(L3)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 인젝션 라인(L3)은, 제4조인트(550)에 의해 상기 압축기(100)에 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)가 병렬로 연결될 수 있다.

또한, 상기 가스 인젝션 라인(L3)은, 상기 압축기(100)와 제4조인트(550)의 사이에 설치된 셧오프 밸브(570)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 수랭식 응축기(200)의 출구측에 제1조인트(210)로 일단이 연결되며, 상기 제1내부 열교환기(510)의 입구측에 타단이 연결되되 상기 가스 인젝션 라인(L3)이 연결된 냉매 유로에 연결된 입구측에 연결된 제1연결라인(L1)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 실외기(300)의 출구측에 제2조인트(310)로 일단이 연결되며, 상기 제2내부 열교환기(520)의 입구측에 타단이 연결되되 상기 가스 인젝션 라인(L3)이 연결된 냉매 유로에 연결된 입구측에 연결된 제2연결라인(L2)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 증발기(600)와 폐열회수기(800)는 제2내부 열교환기(520)의 출구측에 병렬로 연결될 수 있다.

또한, 상기 제2내부 열교환기(520)를 통과한 후 제3조인트(540)에서 냉매가 분기되어 증발기(600) 및 폐열회수기(800)와 연결되며, 상기 제3조인트(540)와 증발기(600)의 사이에 제4팽창밸브(440)가 설치되고 상기 제3조인트(540)와 폐열회수기(800)의 사이에 제5팽창밸브(450)가 설치될 수 있다.

또한, 일측이 상기 증발기(600)의 출구측 및 폐열회수기(800)의 출구측에 연결되며, 타측이 상기 압축기(100)의 입구측에 연결된 어큐뮬레이터(700)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 수랭식 응축기(200)는 라디에이터(910) 및 히터코어(920) 중 어느 하나에 선택적으로 연결되어 냉각수가 순환될 수 있다.

또한, 냉방 모드 시, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 제1내부 열교환기(510) 및 제2팽창밸브(420)를 바이패스하여 실외기(300)를 거친 후 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제3팽창밸브(430)를 통과하며 팽창된 후 상기 제2내부 열교환기(520)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제2내부 열교환기(520)로 유입되며, 상기 제2내부 열교환기(520)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제3팽창밸브(430)를 통과한 냉매는 제2내부 열교환기(520)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제3팽창밸브(430)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제2내부 열교환기(520)에서 냉각되어 액상 냉매가 상기 증발기(600) 및 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 제2내부 열교환기(520)를 통과한 액상 냉매는 분기되어 분기된 일부의 냉매가 제4팽창밸브(440)를 거치며 팽창된 후 증발기(600)로 유입되며, 분기된 나머지 냉매가 제5팽창밸브(450)를 거치며 팽창된 후 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

또한, 난방 모드 시, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 제1내부 열교환기(510)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제1내부 열교환기(510)로 유입되며, 상기 제1내부 열교환기(510)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제1팽창밸브(410)를 통과한 냉매는 제1내부 열교환기(410)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제1내부 열교환기(510)에서 냉각되어 액상 냉매가 제2팽창밸브(420)를 통과하며 팽창된 후 실외기(300)를 거쳐 제2내부 열교환기(520)를 바이패스한 다음 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 제3팽창밸브(430)는 닫혀있고, 상기 증발기(600)의 입구측에 설치된 제4팽창밸브(440)는 닫혀있어 증발기(600)로 냉매가 흐르지 않으며, 상기 폐열회수기(800)의 입구측에 설치된 제5팽창밸브(450)는 개방되어 냉매가 제5팽창밸브(450)를 바이패스한 후 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

또한, 제습 모드 시, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 제1내부 열교환기(510)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제1내부 열교환기(510)로 유입되며, 상기 제1내부 열교환기(510)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제1팽창밸브(410)를 통과한 냉매는 제1내부 열교환기(410)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제1내부 열교환기(510)에서 냉각되어 액상 냉매가 제2팽창밸브(420)를 통과하며 팽창된 후 실외기(300)를 거쳐 제2내부 열교환기(520)를 바이패스한 다음 분기되어 증발기(600) 및 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 제3팽창밸브(430)는 닫혀있고, 상기 증발기(600)의 입구측에 설치된 제4팽창밸브(440)는 개방되어 냉매가 제4팽창밸브(440)를 바이패스한 후 증발기(600)로 유입되며, 상기 폐열회수기(800)의 입구측에 설치된 제5팽창밸브(450)는 개방되어 냉매가 제5팽창밸브(450)를 바이패스한 후 폐열회수기(800)로 유입될 수 있다.

본 발명의 공조 시스템은, 실내의 냉방 시 가스 인젝션을 이용해 압축기로 기상 냉매를 공급하여 압축기의 입구측으로 유입되는 기상 냉매의 유량이 줄어들어 압축기의 흡입 압력이 감소되므로 증발기 측에서의 냉방 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 실내의 난방 시 실외기측 냉매의 압력 상승이 최소화되어 실외기에서의 흡열량이 증가하며, 폐열 회수 흡열량이 증가하더라도 실외기 측에서 지속적인 흡열이 가능하여 난방 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 냉방 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 통합 내부 열교환기에서의 냉매 흐름에 대한 하나의 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 난방 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 제습 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 공조 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 냉방 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 통합형 내부 열교환기에서의 냉매 흐름에 대한 하나의 실시예를 나타낸 개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 공조 시스템은 압축기(100), 수랭식 응축기(200), 실외기(300), 제1팽창밸브(410), 제2팽창밸브(420), 제3팽창밸브(430), 제4팽창밸브(440), 제5팽창밸브(450), 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)를 포함하는 통합형 내부 열교환기(500), 증발기(600) 및 폐열회수기(800)로 구성될 수 있으며, 어큐뮬레이터(700)를 더 포함할 수 있다. 그리고 수랭식 응축기(200)의 출구측과 제1내부 열교환기(510)의 입구측을 연결하는 제1연결라인(L1)이 형성되고, 실외기(300)의 출구측과 제2내부 열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결라인(L2)이 형성되며, 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)를 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분에 병렬로 연결하는 가스 인젝션 라인(L3)이 형성될 수 있다. 그리고 증발기(600)와 폐열회수기(800)는 제2내부 열교환기(520)의 출구측에 병렬로 연결된다.

우선, 압축기(100)는 전력을 공급받아 구동되는 전동 압축기일 수 있으며, 냉매를 흡입 및 압축하여 수랭식 응축기(200)쪽으로 토출하는 역할을 한다. 그리고 압축기(100)는 입구측과 출구측 사이의 중간부분으로도 냉매가 유입되어 압축될 수 있는 구조의 가스 인젝션 압축기가 될 수 있다. 즉, 압축기(100)는 상대적으로 저압의 냉매가 입구측으로 유입되고, 압축기(100)를 통과하면서 냉매가 압축되어 출구측으로 상대적으로 고압의 냉매가 토출되며, 저압의 냉매가 고압으로 압축되는 과정에서 냉매의 압력이 점차 증가되는데 저압측인 냉매 입구와 고압측인 냉매 출구의 사이에 중압을 형성하는 영역인 중간부분으로도 냉매가 유입될 수 있도록 구성된다. 그리하여 압축기(100)는 입구측으로 저압의 냉매가 유입되고 중간부분으로 중압의 냉매가 유입되며, 상대적으로 저압 및 중압의 냉매가 압축기(100)로 유입되어 압축된 후 상대적인 고압으로 냉매를 토출할 수 있다.

수랭식 응축기(200)는 차량의 실외에 구비될 수 있으며, 수랭식 응축기(200)는 압축기(100)에서 토출된 냉매를 순환되는 냉각수를 이용해 열교환시킨다. 여기에서 수랭식 응축기(200)는 차량의 전장부품 등의 냉각을 위한 라디에이터(910)에 연결되어 수랭식 응축기(200)를 통과하는 냉매가 냉각수에 의해 응축되거나, 차량의 실내에 배치되어 차량의 난방에 이용되는 히터코어에 연결되어 수랭식 응축기(200)를 통과하는 냉매가 냉각수에 의해 가열될 수 있다. 그리고 수랭식 응축기(200)는 입구측이 압축기(100)에 연결되고 출구측에서 두 개의 냉매 라인으로 분기되어, 분기된 냉매 라인들이 제1내부 열교환기(510)의 입구측에 각각 연결된다.

실외기(300)는 차량의 실외에 구비될 수 있으며, 실외기(300)는 통과되는 냉매를 외부 공기 등과 열교환시켜 냉매를 응축시키거나 외부의 열을 흡열하여 냉매를 가열시키는 공랭식 응축기가 될 수 있다. 그리고 실외기(300)는 입구측이 제1내부 열교환기(510)의 출구측에 연결되며, 실외기(300)는 출구측에서 두 개의 냉매 라인으로 분기되어, 분기된 냉매 라인들이 제2내부 열교환기(520)의 입구측에 연결된다.

제1팽창밸브(410), 제2팽창밸브(420), 제3팽창밸브(430), 제4팽창밸브(440) 및 제5팽창밸브(450)는 통과되는 냉매를 교축하여 팽창시키거나 개방되어 냉매를 바이패스시키거나 폐쇄되어 냉매의 흐름을 차단하는 역할을 한다.

그리고 제1팽창밸브(410), 제2팽창밸브(420) 및 제3팽창밸브(430)의 작동 상태에 따라 제1내부 열교환기(510) 또는 제2내부 열교환기(520)에서 분기된 냉매들 간의 열교환이 일어나도록 제어될 수 있다.

통합형 내부 열교환기(500)는 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)를 포함하며, 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)는 각각 냉매가 통과되는 두 개의 냉매 유동 경로가 형성되며 각각 냉매들이 통과하면서 서로 열교환되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)는 각각 냉매가 유입되는 2개의 입구 및 냉매가 배출되는 2개의 출구가 형성될 수 있다. 이때, 도 2에서는 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)에서 각각 냉매가 대향되는 방향으로 흐르는 것을 나타내었으나, 서로 동일한 방향으로 흐를 수도 있다. 그리고 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)는 냉매의 유동 방향이 서로 같거나 다르게 형성될 수도 있으며, 열교환기의 형태도 같거나 다르게 형성될 수 있다. 또한, 통합형 내부 열교환기(500)는 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520) 사이에 열전달을 차단하는 단열재(530)가 개재된 상태로 결합되어, 하나의 일체형으로 형성된 통합형 내부 열교환기(500)로 구성될 수 있다.

증발기(600)는 차량의 실내에 배치된 공조장치 내에 구비될 수 있으며, 증발기(600)는 유입되는 냉매를 송풍되는 공기와 열교환시켜 실내를 냉방하는 역할을 한다. 그리고 증발기(600)의 입구측은 통합형 내부 열교환기(500)의 제1내부 열교환기(510)에 연결되며, 증발기(600)의 출구측은 어큐뮬레이터(700)에 연결될 수 있다.

폐열회수기(800)는 난방 모드에서만 배터리, 구동모터, 인버터 등의 전장부품에서 발생되는 폐열을 회수하고, 냉방 모드에서는 전장부품을 냉각시키는 수단이다. 일례로 폐열회수기(800)는 배터리 칠러일 수 있고, 폐열회수기(800)에서는 냉매와 냉각수가 서로 열교환될 수 있으며, 열교환된 냉각수를 이용해 전장부품을 냉각시키거나 폐열을 회수하는 역할을 수행할 수 있다. 그리고 폐열회수기(800)의 입구측은 통합형 내부 열교환기(500)의 제2내부 열교환기(520)에 연결되며, 폐열회수기(800)의 출구측은 어큐뮬레이터(700)에 연결될 수 있다.

어큐뮬레이터(700)는 일측이 증발기(600)의 출구측 및 폐열회수기(800)의 출구측에 연결되고, 어큐뮬레이터(700)의 타측이 압축기(100)의 입구측에 연결되어, 어큐뮬레이터(700)는 유입되는 냉매를 저장하였다가 압축기(100)의 입구측으로 기상 냉매를 보내는 역할을 한다.

여기에서 통합형 내부 열교환기(500)는 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)가 병렬로 압축기(100)의 입구측과 출구측 사이인 중간부분에 연결된다. 즉, 제1내부 열교환기(510)의 하나의 냉매 유동 경로의 출구측과 제2내부 열교환기(520)의 하나의 냉매 유동 경로의 출구측이 제4조인트(550)를 통해 압축기(100)의 중간부분과 연결되는 가스 인젝션 라인(L3)이 형성된다. 그리고 제4조인트(550)와 압축기(100)의 중간부분 사이에는 셧오프 밸브(570)가 설치되어, 냉매가 흐르게 하거나 냉매의 흐름을 차단할 수 있다. 또한, 수랭식 응축기(200)의 출구측에 제1조인트(210)로 일단이 연결되며, 제1내부 열교환기(510)의 하나의 냉매 유동 경로의 입구측에 연결된 제1연결라인(L1)이 형성된다. 이때, 제1조인트(210)와 제1내부 열교환기(510) 사이의 제1연결라인(L1) 상에 제1팽창밸브(410)가 설치된다. 또한, 실외기(300)의 출구측에 제2조인트(310)로 일단이 연결되며, 제2내부 열교환기(520)의 하나의 냉매 유동 경로의 입구측에 연결된 제2연결라인(L2)이 형성된다. 이때, 제2조인트(310)와 제2내부 열교환기(520) 사이의 제2연결라인(L2) 상에 제3팽창밸브(430)가 설치된다.

그리고 제1내부 열교환기(510)는 다른 하나의 냉매 유동 경로의 입구측이 제1조인트(210)를 통해 수랭식 응축기(200)의 출구측에 연결되며, 다른 하나의 냉매 유동 경로의 출구측이 실외기(300)의 입구측에 연결된다. 이때, 제1내부 열교환기(510)와 실외기(300) 사이의 냉매 라인 상에 제2팽창밸브(420)가 설치된다. 또한, 제2내부 열교환기(520)는 다른 하나의 냉매 유동 경로의 입구측이 제2조인트(310)를 통해 실외기(300)의 출구측에 연결되며, 다른 하나의 냉매 유동 경로의 출구측이 제3조인트(540)를 통해 증발기(600) 및 폐열회수기(800)에 연결된다. 이때, 제2내부 열교환기(520)의 다른 하나의 냉매 유동 경로의 출구측은 제3조인트(540)에 연결되며, 제3조인트(540)에서 분기되어 제3조인트(540)에 증발기(600) 및 폐열회수기(800)가 병렬로 연결된다. 그리고 증발기(600)의 출구측과 폐열회수기(800)의 출구측은 제5조인트(560)를 통해 어큐뮬레이터(700)의 입구측에 연결된다. 또한, 제3조인트(540)와 증발기(600)의 사이의 냉매 라인 상에는 제4팽창밸브(440)가 설치되며, 제3조인트(540)와 폐열회수기(800)의 사이의 냉매 라인 상에는 제5팽창밸브(440)가 설치된다.

그리하여 제1팽창밸브(410), 제2팽창밸브(420) 및 제3팽창밸브(430)의 작동에 따라 통합형 내부 열교환기(500)를 통과하는 냉매의 유동이 제어될 수 있다. 그리고 제4팽창밸브(440) 및 제5팽창밸브(450)의 작동에 따라 증발기(600) 및 폐열회수기(800)를 통과하는 냉매의 유동이 제어될 수 있다.

또한, 도시하지 않았으나 공조장치는 공기를 송풍시킬 수 있도록 일측에 송풍기가 설치되어 있으며, 공조장치의 내부에는 온도조절도어가 설치될 수 있다. 또한, 공조장치 내에 배치된 증발기 및 히터코어는 온도조절도어의 작동에 따라 송풍기에서 토출된 공기가 증발기만을 거친 후 실내로 유입되도록 하거나, 증발기를 거친 후 히터코어를 통과하여 실내로 유입될 수 있도록 배치 및 구성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 작동 모드에 따른 동작에 대해 설명한다.

1. 냉방 모드 시

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 냉방 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 압축기(100)가 작동하여 압축기(100)에서 고온 및 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(100)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(200)를 통과한다. 이때, 수랭식 응축기(200)는 라디에이터(910)에 연결되어 냉각수가 순환되며, 냉각수에 의해 수랭식 응축기(200)를 통과하는 냉매가 응축된다. 이후 수랭식 응축기(200)를 통과한 냉매는 제1조인트(210), 제1내부 열교환기(510) 및 제2팽창밸브(420)를 차례대로 통과한 후 실외기(300)로 유입된다. 이때, 제2팽창밸브(420)는 완전히 개방된 상태로 작동되어 냉매가 교축되지 않고 바이패스된다. 그리고 제1팽창밸브(410)는 닫혀있어 제1조인트(210)에서부터 제1팽창밸브(410), 제1내부 열교환기(510), 제4조인트(550)까지를 연결하는 냉매 라인에는 냉매가 흐르지 않는다.

실외기(300)로 유입된 냉매는 외부의 공기 등에 의해 냉각되어 응축되고, 응축된 냉매는 제2조인트(310)에서 분기되며, 분기된 일부의 냉매는 제3팽창밸브(430)를 통과하며 교축되어 중압으로 팽창된 후 제2내부 열교환기(520)로 유입된다. 그리고 분기된 나머지의 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제2내부 열교환기(520)로 유입된다. 그리하여 제2내부 열교환기(520)에서 팽창된 냉매와 팽창되지 않는 냉매가 서로 열교환되어, 팽창된 냉매는 기화되어 중압의 기상 냉매가 된 후 제4조인트(550) 및 셧오프 밸브(570)를 거쳐 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 팽창되지 않은 냉매는 냉각된 후 액상 냉매가 제3조인트(540)로 유입된다. 그리고 제3조인트(540)에서 분기되어 분기된 일부 냉매는 제4팽창밸브(440)를 통과하며 교축되어 저압으로 팽창된 후 증발기(600)로 유입되며, 분기된 나머지 냉매는 제5팽창밸브(450)를 통과하며 교축되어 저압으로 팽창된 후 폐열회수기(800)로 유입된다. 또한, 제4팽창밸브(440)에 의해 팽창된 냉매는 증발기(600)를 거치면서 공조장치의 송풍기에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기가 차량의 실내로 공급되어 실내의 냉방이 이루어진다. 또한, 제5팽창밸브(450)에 의해 팽창된 냉매는 폐열회수기(800)를 거치면서 배터리를 냉각시켜 냉매가 증발될 수 있다.

그리고 증발기(600)에서 증발된 저압의 기상 냉매와 폐열회수기(800)에서 증발된 저압의 기상 냉매는 제5조인트(560)에서 합류된 후 어큐뮬레이터(700)를 거쳐 압축기(100)의 입구측으로 유입된다. 그리하여 압축기(100)에서는 입구측으로 유입되는 기상 냉매와 중간부분으로 유입되는 기상 냉매를 압축하여 다시 출구측으로 토출하게 되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환되어 실내의 냉방이 이루어진다.

이에 따라 본 발명의 공조 시스템은 실내의 냉방 시 가스 인젝션을 이용해 압축기로 기상 냉매를 공급하여 압축기의 입구측으로 유입되는 기상 냉매의 유량이 줄어들어 압축기의 흡입 압력이 감소되므로 증발기 측에서의 냉방 성능을 향상시킬 수 있다.

2. 난방 모드 시

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 난방 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.

도 3을 참조하면, 압축기(100)가 작동하여 압축기(100)에서 고온 및 고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(100)에서 토출된 냉매는 수랭식 응축기(200)를 통과한다. 이때, 수랭식 응축기(200)는 히터코어(920)에 연결되어 냉각수가 순환되며, 냉각수에 의해 수랭식 응축기(200)를 통과하는 냉매가 가열된다. 그리고 히터코어(920)는 차량의 실내에 구비된 공조장치 내에 배치될 수 있고, 공조장치의 송풍기에 의해 송풍되는 공기가 히터코어(920)를 통과하면서 열교환되어 공기가 가열될 수 있으며, 가열된 공기가 차량의 실내로 공급되어 실내의 난방이 이루어진다.

이후 수랭식 응축기(200)를 통과한 냉매는 제1조인트(210)에서 분기되고, 분기된 일부의 냉매는 제1팽창밸브(410)를 통과하며 교축되어 중압으로 팽창된 후 제1내부 열교환기(510)로 유입된다. 그리고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제1내부 열교환기(510)로 유입된다. 그리하여 제1내부 열교환기(510)에서 팽창된 냉매와 팽창되지 않은 냉매가 서로 열교환되어, 팽창된 냉매는 기화되어 중압의 기상 냉매가 된 후 제4조인트(550) 및 셧오프 밸브(570)를 거쳐 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 팽창되지 않은 냉매는 냉각된 후 액상 냉매가 제2팽창밸브(420)로 유입된다.

제2팽창밸브(420)로 유입된 냉매는 교축에 의해 저압으로 팽창된 후 실외기(300)로 유입되며, 실외기(300)로 유입된 냉매는 외부의 공기 등에 의해 냉각되어 응축되고, 응축된 냉매는 제2조인트(310)를 거쳐 제2내부 열교환기(520)로 유입된다. 이때, 제3팽창밸브(430)는 닫혀있어 제2조인트(310)에서부터 제3팽창밸브(430), 제2내부 열교환기(520), 제4조인트(550) 까지를 연결하는 냉매 라인에는 냉매가 흐르지 않는다.

제2내부 열교환기(520)로 유입된 냉매는 제2내부 열교환기(520)를 바이패스한 후 제3조인트(540)를 거쳐 제5팽창밸브(450)로 유입되고, 냉매는 개방된 상태의 제5팽창밸브(450)를 통과한 후 폐열회수기(800)로 유입되며, 폐열회수기(800)로 유입된 냉매는 전장부품이나 배터리의 폐열을 흡수하여 증발된다. 이때, 제4팽창밸브(440)는 닫혀있어, 제3조인트(540)에서부터 제4팽창밸브(440), 증발기(600), 제5조인트(560) 까지를 연결하는 냉매 라인에는 냉매가 흐르지 않는다.

폐열회수기(800)에서 증발된 저압의 냉매는 제5조인트(560)를 통과한 후 어큐뮬레이터(700)를 거쳐 압축기(100)의 입구측으로 유입된다.

그리하여 압축기(100)에서는 입구측으로 유입되는 기상 냉매와 중간부분으로 유입되는 기상 냉매를 압축하여 다시 출구측으로 토출하게 되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환되어 실내의 난방이 이루어진다.

이에 따라 본 발명의 공조 시스템은 실내의 난방 시 실외기측 냉매의 압력 상승이 최소화되어 실외기에서의 흡열량이 증가하며, 폐열 회수 흡열량이 증가하더라도 실외기 측에서 지속적인 흡열이 가능하여 난방 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

3. 제습 모드 시

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템의 제습 모드 시 작동상태를 나타낸 구성도이다.

도 4를 참조하면, 제습 모드에서는 난방 모드에서 추가로 제4팽창밸브(440)가 열려있는 상태가 되어, 제3조인트(540)에서부터 제4팽창밸브(440), 증발기(600), 제5조인트(560) 까지를 연결하는 냉매 라인에는 냉매가 흐른다. 즉, 제3조인트(540)에서 냉매가 분기되어, 분기된 일부의 냉매는 증발기(600)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 폐열회수기(800)로 유입된다. 여기에서 제4팽창밸브(440) 및 제5팽창밸브(450)의 개방된 정도를 조절하여 증발기(600)와 폐열회수기(800)로 유입되는 냉매의 유량을 조절할 수 있다.

그리고 증발기(600)를 통과하면서 증발된 저압의 기상 냉매와 폐열회수기(800)에서 증발된 저압의 기상 냉매가 제5조인트(560)에서 합류된 후 압축기(100)의 입구측으로 유입되며, 압축기(100)에서는 입구측으로 유입되는 기상 냉매와 중간부분으로 유입되는 기상 냉매를 압축하여 다시 출구측으로 토출하게 되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다.

그리하여 공조장치의 송풍기에 의해 송풍된 공기는 증발기(600)를 통과하면서 수분이 제거된 후 히터코어(920)를 통과하면서 가열되며, 제습 및 가열된 공기가 차량의 실내로 공급되어 실내 공기의 제습 및 난방이 이루어진다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 압축기
200 : 수랭식 응축기 210 : 제1조인트
300 : 실외기 310 : 제2조인트
410 : 제1팽창밸브 420 : 제2팽창밸브
430 : 제3팽창밸브 440 : 제4팽창밸브
450 : 제5팽창밸브
500 : 통합형 내부 열교환기 510 : 제1내부 열교환기
520 : 제2내부 열교환기 530 : 단열재
540 : 제3조인트 550 : 제4조인트
560 : 제5조인트 570 : 셧오프 밸브
600 : 증발기
700 : 어큐뮬레이터
800 : 폐열회수기
910 : 라디에이터 920 : 히터코어

Claims

상대적으로 저압 및 중압의 냉매가 유입되며, 유입된 냉매를 압축하여 상대적으로 고압으로 토출하는 압축기(100);
상기 압축기(100)에서 토출된 고압의 냉매를 냉각수와 열교환시키는 수랭식 응축기(200);
냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매를 중압으로 팽창시키는 제1팽창밸브(410) 및 제2팽창밸브(420);
상기 제2팽창밸브(420)에서 토출된 중압의 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 실외기(300);
냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 실외기(300)에서 토출된 냉매를 중압으로 팽창시키는 제3팽창밸브(430);
냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 수랭식 응축기(200) 또는 실외기(300)에서 토출된 냉매가 분기된 후 분기된 냉매들을 서로 열교환시키고, 열교환에 의해 기화된 중압 및 기상 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 통합형 내부 열교환기(500);
상기 냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로, 상기 통합형 내부 열교환기(500)에서 토출된 중압 및 액상의 냉매를 저압으로 팽창시키는 제4팽창밸브(440) 및 제5팽창밸브(450);
상기 제4팽창밸브(440)에서 토출된 저압의 냉매를 흡열시켜 차량의 실내를 냉방하고, 상기 제4팽창밸브(440)에서 토출된 저압의 냉매를 상기 압축기(100)로 전달하는 증발기(600); 및
상기 제5팽창밸브(450)에서 토출된 저압의 냉매를 흡열시켜 차량의 전장부품을 냉각 또는 폐열을 회수하는 폐열회수기(800);
를 포함하는 공조 시스템.
제1항에 있어서,
냉방 모드 및 난방 모드에 따라 선택적으로,
상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매가 상기 제2팽창밸브(420)를 바이패스하여 실외기(300)를 거친 후 분기되어, 분기된 냉매들 중 일부는 상기 제3팽창밸브(430)를 통과하며 팽창된 후 상기 통합형 내부 열교환기(500)로 유입되거나,
상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매가 분기되어 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 통합형 내부 열교환기(500)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제2항에 있어서,
상기 통합형 내부 열교환기(500)는 분기된 냉매들을 서로 열교환시키는 냉매 유동 경로가 각각 형성된 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)를 포함하는 공조 시스템.
제3항에 있어서,
상기 통합형 내부 열교환기(500)는 제1내부 열교환기(510)와 제2내부 열교환기(520)의 사이에 개재된 단열재(530)를 더 포함하는 공조 시스템.
제3항에 있어서,
상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분에 일단이 연결되고, 상기 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520) 각각의 기상 냉매 출구측들에 타단이 연결된 가스 인젝션 라인(L3)을 더 포함하는 공조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 가스 인젝션 라인(L3)은,
제4조인트(550)에 의해 상기 압축기(100)에 제1내부 열교환기(510) 및 제2내부 열교환기(520)가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제6항에 있어서,
상기 가스 인젝션 라인(L3)은,
상기 압축기(100)와 제4조인트(550)의 사이에 설치된 셧오프 밸브(570)를 더 포함하는 공조 시스템.
제6항에 있어서,
상기 수랭식 응축기(200)의 출구측에 제1조인트(210)로 일단이 연결되며, 상기 제1내부 열교환기(510)의 입구측에 타단이 연결되되 상기 가스 인젝션 라인(L3)이 연결된 냉매 유로에 연결된 입구측에 연결된 제1연결라인(L1)을 더 포함하는 공조 시스템.
제6항에 있어서,
상기 실외기(300)의 출구측에 제2조인트(310)로 일단이 연결되며, 상기 제2내부 열교환기(520)의 입구측에 타단이 연결되되 상기 가스 인젝션 라인(L3)이 연결된 냉매 유로에 연결된 입구측에 연결된 제2연결라인(L2)을 더 포함하는 공조 시스템.
제9항에 있어서,
상기 증발기(600)와 폐열회수기(800)는 제2내부 열교환기(520)의 출구측에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2내부 열교환기(520)를 통과한 후 제3조인트(540)에서 냉매가 분기되어 증발기(600) 및 폐열회수기(800)와 연결되며, 상기 제3조인트(540)와 증발기(600)의 사이에 제4팽창밸브(440)가 설치되고 상기 제3조인트(540)와 폐열회수기(800)의 사이에 제5팽창밸브(450)가 설치된 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제1항에 있어서,
일측이 상기 증발기(600)의 출구측 및 폐열회수기(800)의 출구측에 연결되며, 타측이 상기 압축기(100)의 입구측에 연결된 어큐뮬레이터(700)를 더 포함하는 공조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수랭식 응축기(200)는 라디에이터(910) 및 히터코어(920) 중 어느 하나에 선택적으로 연결되어 냉각수가 순환되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제3항에 있어서,
냉방 모드 시,
상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 제1내부 열교환기(510) 및 제2팽창밸브(420)를 바이패스하여 실외기(300)를 거친 후 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제3팽창밸브(430)를 통과하며 팽창된 후 상기 제2내부 열교환기(520)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제2내부 열교환기(520)로 유입되며, 상기 제2내부 열교환기(520)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제3팽창밸브(430)를 통과한 냉매는 제2내부 열교환기(520)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제3팽창밸브(430)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제2내부 열교환기(520)에서 냉각되어 액상 냉매가 상기 증발기(600) 및 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제14항에 있어서,
상기 제2내부 열교환기(520)를 통과한 액상 냉매는 분기되어 분기된 일부의 냉매가 제4팽창밸브(440)를 거치며 팽창된 후 증발기(600)로 유입되며, 분기된 나머지 냉매가 제5팽창밸브(450)를 거치며 팽창된 후 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제3항에 있어서,
난방 모드 시,
상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 제1내부 열교환기(510)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제1내부 열교환기(510)로 유입되며, 상기 제1내부 열교환기(510)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제1팽창밸브(410)를 통과한 냉매는 제1내부 열교환기(410)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제1내부 열교환기(510)에서 냉각되어 액상 냉매가 제2팽창밸브(420)를 통과하며 팽창된 후 실외기(300)를 거쳐 제2내부 열교환기(520)를 바이패스한 다음 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제3팽창밸브(430)는 닫혀있고,
상기 증발기(600)의 입구측에 설치된 제4팽창밸브(440)는 닫혀있어 증발기(600)로 냉매가 흐르지 않으며,
상기 폐열회수기(800)의 입구측에 설치된 제5팽창밸브(450)는 개방되어 냉매가 제5팽창밸브(450)를 바이패스한 후 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제3항에 있어서,
제습 모드 시,
상기 수랭식 응축기(200)에서 토출된 냉매는 분기되고, 분기된 일부 냉매는 제1팽창밸브(410)를 통과하며 팽창된 후 상기 제1내부 열교환기(510)로 유입되고 분기된 나머지 냉매는 팽창되지 않은 상태로 제1내부 열교환기(510)로 유입되며, 상기 제1내부 열교환기(510)에서 냉매들이 서로 열교환되어 제1팽창밸브(410)를 통과한 냉매는 제1내부 열교환기(410)에서 기화되어 중압 및 기상 냉매가 상기 압축기(100)의 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 상대적으로 중압이 형성되는 영역인 압축기(100)의 중간부분으로 유입되며, 상기 제1팽창밸브(410)를 통과하지 않은 나머지 냉매는 제1내부 열교환기(510)에서 냉각되어 액상 냉매가 제2팽창밸브(420)를 통과하며 팽창된 후 실외기(300)를 거쳐 제2내부 열교환기(520)를 바이패스한 다음 분기되어 증발기(600) 및 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.
제18항에 있어서,
상기 제3팽창밸브(430)는 닫혀있고,
상기 증발기(600)의 입구측에 설치된 제4팽창밸브(440)는 개방되어 냉매가 제4팽창밸브(440)를 바이패스한 후 증발기(600)로 유입되며,
상기 폐열회수기(800)의 입구측에 설치된 제5팽창밸브(450)는 개방되어 냉매가 제5팽창밸브(450)를 바이패스한 후 폐열회수기(800)로 유입되는 것을 특징으로 하는 공조 시스템.