Studies on the performance characteristics of the vapor injection heat pump system in electric vehicle

Abstract

최근 기존의 연료를 대체하기 위한 새로운 동력의 자동차에 대한 관심이 급증하고 있으며 이러한 관심의 일환으로 전기차에 대한 연구가 진행되고 있다. 전기차에는 전기를 사용하는 히트펌프 시스템이 요구되고 있는데 히트펌프를 이용함에 있어 연비 등의 감소로 인한 동력사용의 제한이 발생하고 이러한 문제로 인해 새로운 히트펌프 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다. 그 중 기상 냉매 주입을 이용하는 새로운 차량용 히트펌프 시스템이 부각되고 있으며 한랭지역에서 이 시스템을 이용하는 경우 히트펌프 시스템의 성능과 난방부하 등에 향상이 있을 것으로 예상된다. 기상 냉매 주입은 한랭지역에서 낮은 외기온도로 인해 증발기에서의 열량 확보가 충분히 이루어 지지 않을 경우 응축기를 지난 냉매의 이동 경로를 분리시켜 한 경로는 바로 내부열교환기로 보내고 또 다른 한 경로는 팽창밸브를 거쳐 내부열교환기로 보내 다른 경로의 냉매와 열교환을 시켜 압축기 중간압에 분사시켜주는 시스템이다. 이렇게 중간압에서 내부열교환기를 통해 압축기에 분사되는 시스템은 증발기로 보내는 냉매유량을 감소시켜 증발기에서 저온시 저밀도 냉매 특성으로 축소된 냉매유량을 증대시킬 수 있고 충분히 확보되지 못한 열교환량을 보완할 수 있다. 주입 위치에 따라 축적기 주입 방식 이나 압축기 주입 방식 등으로 시스템이 구분될 수 있는데 이 논문에서는 압축기에 냉매를 분사시켜주는 시스템에 대하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 시스템의 성능 향상을 해석적 및 실험적인 방법을 통하여 알아보고자 한다. 해석적 연구에서는 압축기에 분사되는 중간 압력을 시스템 해석을 바탕으로 찾고 이에 따른 조건을 Vapor Injection을 이용하는 Scroll 압축기와 전체 시스템 해석에 적용하여 최적 주입 위치와 전체 시스템의 성능향상을 확인하고자 한다. 외기 조건에 따라 중간압력을 변화시키면서 시스템의 성능을 해석적인 방법을 통하여 확인하고 최적의 중간압력을 찾아 이에 해당하는 중간압력에서 최적의 주입위치를 찾는다. 실험적 연구에서는 해석적인 방법과 마찬가지로 기상 냉매 주입 방식 시스템의 성능향상을 확인하며 이를 통해 최적의 운전 조건을 도출한다. 또한 최적 운전 조건을 해석적인 방식에 적용하여 결론적으로 압축기 내의 최적 주입 위치를 찾아낸다.

In recently, the vehicle using the new power sources has gained a lot of attention and has been investigated. Electric vehicle is a sort of the new generation vehicle, which needs the heat pump system using electric power sources. However the heat pump system is restrictive on account of power efficiency, the new heat pump system is demanded to solve this problem. Vapor injection heat pump system among the various heat pump systems becomes the alternative system for the electric vehicle and it is expected that this system makes better heating performance and heat capacity. Vapor injection system is used when outdoor temperature is extremely cold because the heat obtained on evaporator is insufficient. Vapor injection system makes refrigerant passing route divide into two paths after the refrigerant passed condenser. One route is sent to internal heat exchanger through expansion valve, another route is sent to internal heat exchanger directly and then refrigerants of the two paths exchange the heat each other. This refrigerant which is gained the heat is sent to the middle of compressor chamber. This way of the vapor injection system makes reduce the mass flow of refrigerant passing to evaporator and increase the mass flow of refrigerant which gain the heat in the intermediate pressure. Therefore the overall mass flow of refrigerant increase and heat exchange is supplemented in the intermediate pressure. The mass flow of refrigerant will reduce because of the low density characteristics in extremely cold weather unless the refrigerant is divided into the two paths and use the internal heat exchanger. The vapor injection system is classified by the injection position and the injection position is investigated in this paper. The optimal intermediate pressure is investigated and verified in the improvement of the heating performance compared with the non-vapor injection system in an analytical and an experimental way because the optimal intermediate pressure is able to maximize the heating performance. The analytical study is conducted to find the optimal intermediate pressure in the several conditions and the conditions are applied in the overall system analysis to verify the improvement of the system performance. In addition, the vapor injection scroll compressor modeling is used in the overall system analysis. Similarly, the experiment study is performed to verify the improvement of performance in vapor injection heat pump system and the optimal operating condition is induced by the experimental results. Finally, using these conditions, the optimal port position is investigated with application in the analytical study.