JP2023515811A - ヒートポンプ - Google Patents
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Abstract
【要約】本開示内容は、第1冷媒が流動する第1パイプ、前記第1パイプの他側に配置され第2冷媒が流動する第2パイプをと含む第1熱交換器と、前記第1パイプに連結されるボイラーと、前記第2パイプに連結されて第2冷媒が循環される第2熱交換器及び圧縮機と、前記第2熱交換器と前記第1冷媒が熱交換されうるよう配置されたバイパス管と、前記第1冷媒が前記バイパス管を通過するように切り替える3方弁とを含む。本開示内容によれば、室外熱交換器の蒸発機作動時に霜の形成を防止できる。
Description
本発明は、ヒートポンプに関し、さらに詳細には、暖房モード時に暖房効率を増大させエネルギーを低減させるヒートポンプに関する。
従来の技術によるヒートポンプは、冷房運転モードにおける冷媒は、圧縮機から吐き出された後、4方弁を経由して室外側熱交換器に移送され、室外側熱交換器から膨張器具を介して室内側熱交換器に移送された後、アキュムレーターを経て圧縮機に吸入される。暖房運転モードに変わると、冷媒の流動方向は、冷房運転時と反対に変わるようになる。
暖房運転モードにおいて、室外側熱交換器に流入する冷媒は、液体状態である。
液体状態の冷媒が気体状態に蒸発するのに必要な熱は、外部の空気から得るようになる。
そのため、外気温度が低くなると、蒸発作用が円滑にならず、これにより室内側熱交換器に流入する冷媒には液体成分が増加するようになって、暖房能力が大きく低下する。
実質的に外気温度が水の氷点である温度0℃以下に下がると、室外側熱交換器に霜が付きながら暖房運転効率が大きく低減する。
上記の問題点を解決するために、最近では、暖房モードから再度冷房モードに一定時間の間に逆稼動させる除霜モードを有するように設計される。このように、除霜モードに転換されると、室外側熱交換器に付着された霜を除去できる。
しかしながら、従来のヒートポンプにおいて室内側熱交換器は、暖房モードで運転する時に単純にヒートポンプサイクルの冷媒循環により暖房を実施するから、最近になって暖房効率の増加とエネルギー低減に対する消費者の期待に大きく応えることができなくなる。
その上、暖房時に蒸発温度が過度に落ちて凍って破裂する問題も伴われる。
そのため、低温環境に露出する空気調和機の室外熱交換器に発生する着霜を防止または遅延することのできる構造が求められる。
本発明が解決しようとする課題は、暖房運転時に室外熱交換器に発生できる着霜を効率的に防止するか、または発生した着霜を効率的に低減することにある。
本発明の課題は、以上言及した課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、以下の記載により当業者にとって明確に理解されるはずである。
前記課題を達成するために、本発明の一実施の形態によるヒートポンプは、第1冷媒が流動する第1パイプと、前記第1パイプの一側に配置され第2冷媒が流動する第2パイプと、前記第1パイプ及び前記第2パイプに連結され、前記第1冷媒が前記第2冷媒と熱交換する第1熱交換器と、前記第1パイプに連結されて前記第1冷媒が流動するボイラーと、前記第2パイプに連結されて前記第2冷媒を圧縮する圧縮機と、前記第2パイプに連結され、前記第2冷媒が外気と熱交換する第2熱交換器と、前記第1パイプから分岐して、前記第2熱交換器と熱交換するバイパス管と、前記第1冷媒がバイパス管を通過するように誘導する3方弁とを含む(備える;構成する;構築する;設定する;包接する;包含する;含有する)。
その他実施の形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本実施の形態によれば、暖房時に蒸発機として使用される第2熱交換器120、220と近い位置に水管を設置するか、または凝縮器から排出した直後に冷媒管を設置し、高温の流体を側方に循環させて、蒸発機の場合、第2熱交換器120、220の表面の結氷が遅延されることができる。
また、ヒートポンプと連通するボイラーBに適用することによって、凝縮器である板形熱交換器に流入する温度を低くして効率を上げることができる。
また、流入温度を低くしてヒートポンプの作動範囲を広げて運営費を低減できる。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付図面と共に詳細に後述されている実施の形態を参照すれば明確になるはずである。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施の形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態により具現化されることができ、但し本実施の形態は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範ちゅうにより定義されるだけである。明細書全般にわたって同じ参照番号で表示された部分は、同じ構成要素を示す。
図1は、本発明の一実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。
図1に示すように、ヒートポンプは、第1冷媒が流動する第1パイプ111及び第1パイプ111の他側に配置され、第2冷媒が流動する第2パイプ112を含む第1熱交換器110、第1パイプ111に連結されるボイラーB及び第2パイプ112に連結されて第2冷媒が循環される第2熱交換器120、及び圧縮機130を含み、第2熱交換器120が蒸発機として機能すると、第1冷媒が第2熱交換器120と熱交換するよう切り替える3方弁140を含むことができる。
第1熱交換器110は、ヒートポンプの冷房または暖房モードにより可変する前記第1冷媒または第2冷媒の流動方向に従って可変的に作用する。
具体的に、第1熱交換器110は、ヒートポンプの暖房運転時に高温高圧気体状態の冷媒を常温高圧液体状態に凝縮させる凝縮器の役割を果たし、空気調和機の冷房運転時に低温低圧液体状態の冷媒を気体状態に蒸発させる蒸発機の役割を果たす。
このように前記第1冷媒または第2冷媒の循環によって第1熱交換器110は、第2熱交換器120と正反対に駆動することによって、ユーザーが望む通りに空気調和がなされるようにする。
なお、第1熱交換器110は、互いに独立的に流動する冷媒を有する板形熱交換器でありうる。
第1熱交換器110は、第1パイプ111及び第2パイプ112が両端に配置されて、第1冷媒及び第2冷媒は、互いに会わないで独自の流れを有するようになる。
第1熱交換器110の内部の流動をさらに詳細に説明すれば、第1冷媒は、左側の一端に形成された第1パイプ111の入口(図示せず)を介して流入し、一側へ移動されながらプレート113の長さ方向へ移動し、第1パイプ111の他側を介して排出する単一パスを有する。
また、第2冷媒は、右側の一端に形成された第2パイプ112の入口(図示せず)を介して流入した第2冷媒は、一側へ移動しながらプレート113の長さ方向(第1熱交換媒体の流動方向と反対)へ移動し、第2パイプ112の出口(図示せず)を介して排出する単一パスを有する。
なお、プレート113は、二種類の第1プレート(図示せず)と第2プレート(図示せず)が接合部(図示せず)の接合により上述した第1流動部(図示せず)と第2流動部(図示せず)を画定することができる。ここで、互いに隣接したプレート113の間は、蝋付け(ろう付け:brazing)で接着されることができる。
第2熱交換器120の一側には、送風ファン121が備えられることができる。送風ファン121は、室外空気を第2熱交換器120に案内する。
送風ファン121により強制流動する空気は、第2熱交換器120の内部を流動する第2冷媒と熱交換するようになる。
ボイラーBは、第1パイプ111に連結され、第1パイプ111の内部において流動する水冷媒が含まれて給湯機能を行うことができる。
前記第2冷媒は、第2熱交換器120と圧縮機130を循環するものであって、R32またはR290冷媒を含むことができる。
換言すれば、第2冷媒は、オゾン破壊指数(OZONE DEPLETION POTENTIAL、ODP)が0.0で、代替冷媒であるジフルオロメタン(Difluoromethane、R32)またはプロパン(Propane、R290)から選択される群のうち、何れか一つまたはそれ以上の混合冷媒を含むことができる。
圧縮機130は、低温低圧の気体冷媒を高温高圧で圧縮して凝縮器に供給する。
そして、圧縮機130は、複数備えられることができ、一例として、圧縮機130が運転周波数の変換が可能なインバータ圧縮機である場合には、固定運転周波数を使用する定速圧縮機を含むことができる。
3方弁140は、第1流路141、第2流路142及び第3流路143を含むことができ、第1流路141は、ボイラーBに連結されて第1冷媒の循環がなされるようにし、第2流路142は、第1パイプ111に連結され、第3流路143は、第1流路141と第2流路142を除いた方向に排出するものの、第2熱交換器120と熱交換されるバイパス管144を経由し第2流路142と合流するよう配置されることができる。
3方弁140は、空気調和機の冷房モードでは、ボイラーBを経由する第1冷媒が第2熱交換器120に供給されないように閉鎖制御され、暖房モードでは、ボイラーBを経由する第1冷媒が第2熱交換器120に供給されるように開放制御するようになる。これと関連した作動は、以後に説明する。
圧縮機130と第2熱交換器120との間にアキュムレーター150がさらに含まれることができる。
アキュムレーター150では、まだ蒸発しない液体状態の冷媒は濾され、気体状態の冷媒だけが選別されて、前記圧縮機130に供給される。
アキュムレーター150は、圧縮機130の吸込側配管の間に備えられることができる。アキュムレーター150は、第1熱交換器110または第2熱交換器120から冷媒を受け、冷媒を気体及び液体状態に分離して、気体状態の冷媒だけを圧縮機130に供給する。
膨脹弁160が第2パイプ112と第2熱交換器120との間にさらに含まれることができる。
膨脹弁160は、凝縮器を通過した常温高圧の液冷媒を膨脹させて、低温低圧の液冷媒で蒸発機に供給する機能を行う。
膨脹弁160は、開度を制御できる電子膨脹弁(Electric Expansion Valve)などが採用されることができる。
4方弁170は、ヒートポンプが暖房モードで作動する場合には、圧縮機130を経由する冷媒が第1熱交換器110に流動するように案内し、第2熱交換器120を経由する冷媒がアキュムレーター150に流動するように案内する。
一方、ヒートポンプが冷房モードで作動する場合には、圧縮機130を経由する冷媒が第2熱交換器120に流動するように案内し、第1熱交換器110を経由する冷媒は、アキュムレーター150に流動するように制御する。
4方弁170と圧縮機130との間にマフラー180がさらに含まれることができる。膨脹弁160は、一般に毛細管が使用されるが、冷凍性能には影響を与えないが、騒音の側面において冷媒の急激な流れの変化によって騒音が発生する。
このときの騒音は、冷媒の状態が相変化、圧変化、速度及び内部エネルギーの複雑な変化によってかなり大きな流動騒音を発生させるようになり、このような騒音を低減するためにマフラー180が含まれることができる。
換言すれば、マフラー180は、圧縮機130から排出する冷媒の振動または騒音を抑制する機能を行うようになる。
以下、本発明の一実施の形態によるヒートポンプの作動を説明する。
本発明の一実施の形態によるヒートポンプが暖房モードで作動すると、4方弁170の制御により圧縮機130から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第1熱交換器110に流動する。
以後、高温高圧状態の第2冷媒は、第1熱交換器110を通過しながら第1冷媒と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。
以後、前記第2冷媒は、膨脹弁160を通過しながら高温低圧の2相冷媒状態で第2熱交換器120を通過するようになる。
これによって、第2熱交換器120は、蒸発機として作用するようになって、第2熱交換器120の表面温度が低温状態となる。
ここで、第2熱交換器120の表面温度が外部温度より低くなるので、表面に凝縮水が結ばれるようになる。
また、外部温度が結氷温度以下の場合には、凝縮水が第2熱交換器120の表面に凍りつくようになる。このような状態が長時間持続しながら第2熱交換器120は、結氷現象によって外部空気との熱交換性能が低下し、終局には、除霜運転を行って表面に凍りついた氷を除去しなければならない。
このために、前記第1冷媒は、ボイラーBから排出して比較的高温状態であり、このような第1冷媒を3方弁140の制御によりバイパス管144にバイパスされるようにする。
したがって、第2冷媒が第2熱交換器120と熱交換される過程により第2熱交換器120の外表面に生成された氷が溶けて除去されるようにする。
バイパス管144は、第2熱交換器120と熱交換されうるよう、最大限隣接して配置され、その配置位置は、設計位置によって多様に適用されることができる。
一方、本発明の一実施の形態によるヒートポンプが冷房モードで作動すると、4方弁170の制御により圧縮機130から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第2熱交換器120に流動する。
以後、高温高圧状態の第2冷媒は、第2熱交換器120を通過しながら送風ファン121により外部空気と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。
以後、前記第2冷媒は、膨脹弁160を通過しながら高温低圧の2相冷媒状態で第1熱交換器110を通過するようになる。
これによって、第1熱交換器110は、蒸発機として作用するようになる。
第1熱交換器110で低温低圧の冷媒に相変化された第2冷媒は、マフラー180を通過しながら騒音及び脈動が低減した後、圧縮機130に流動する。
図2は、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。
図2を参照すると、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプは、図1の空気調和器と比較してみると、3方弁の位置が異なり、その他の構成要素は同一なので、重複する構成要素の説明は省略する。
図2に示す3方弁240は、第1流路241、第2流路242及び第3流路243を含むものの、第1流路241は、第1熱交換器241に連結され、第2流路242は、第2熱交換器242に連結され、第3流路243は、第1流路241と第2流路242を除いた方向に排出した後、第2熱交換器242と熱交換されるバイパス管244を経由し、第1流路241と合流するよう配置されることができる。
図2のヒートポンプが暖房モードで作動すると、図1の場合と同様に、4方弁270の制御により圧縮機230から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第1熱交換器210に流動する。
以後、高温高圧状態の第2冷媒は、第1熱交換器210を通過しながら第1冷媒と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。
以後、前記第2冷媒は、膨脹弁260を通過しながら高温低圧の2相冷媒状態で第2熱交換器220を通過するようになる。
これによって、第2熱交換器220は、蒸発機として作用するようになって、第2熱交換器220の表面温度が低温状態となる。
ここで、第2熱交換器220の表面温度が外部温度より低くなるので、表面に凝縮水が結ばれるようになる。
また、外部温度が結氷温度以下の場合には、凝縮水が第2熱交換器220の表面に凍りつくようになる。このような状態が長時間持続しながら第2熱交換器220は、結氷現象によって外部空気との熱交換性能が低下し、結果的に、除霜運転を行って表面に凍りついた氷を除去しなければならない。
このために、前記第2冷媒が第1熱交換器210から第2熱交換器220に流動する途中に設置された膨脹弁260に流入する前の第2冷媒が3方弁240の制御によって膨脹弁260を通過せずにバイパスされるよう、バイパス管244を介して第2熱交換器220に直に流動できるようにする。
換言すれば、第1熱交換器210を通過した第2冷媒は、常温または低温の高圧状態であり、この状態の第2冷媒は、蒸発機として作用している第2熱交換器220の第2冷媒より相対的に高い温度を形成しているから、第2熱交換器220の外表面に生成された氷が溶けて除去できるようになる。
図2に示したバイパス管244は、第2熱交換器220と熱交換されうるよう最大限隣接して配置され、その配置位置は、設計位置によって多様に適用されることができる。
一方、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプが冷房モードで作動すると、4方弁270の制御により圧縮機230から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第2熱交換器220に流動する。
以後、高温高圧状態の第2冷媒は、第2熱交換器220を通過しながら送風ファン221により外部空気と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。
以後、前記第2冷媒は、膨脹弁260を通過しながら高温低圧の2相冷媒状態で第1熱交換器210を通過するようになる。
これによって、第1熱交換器210は、蒸発機として作用するようになる。
図1の場合と同様に、第1熱交換器210で低温低圧の冷媒に相変化された第2冷媒は、マフラー280を通過しながら騒音及び脈動が低減した後、圧縮機230に流動する。
図3は、図1及び図2によるボイラー-ヒートポンプ連動運転時の温度-性能グラフである。
図3を参照すると、一定温度未満の領域(a+b領域より低い温度の領域)では、ボイラー運転のみが作動されるが、室外温度がa+b領域の範囲である場合には、ボイラーとヒートポンプを同時に運転して効率を増大させることができる。このとき、ヒートポンプに入る温度が低いと、凝縮器の凝縮温度を低くすることができ、これにより、過冷度を確保して効率を向上させることができるようになる。
以上、本発明の好ましい実施の形態に対して図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有した者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんで、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
Claims (11)
- ヒートポンプであって、
第1冷媒が流動する第1パイプと、
前記第1パイプの一側に配置され第2冷媒が流動する第2パイプと、
前記第1パイプ及び前記第2パイプに連結され、前記第1冷媒が前記第2冷媒と熱交換する第1熱交換器と、
前記第1パイプに連結されて前記第1冷媒が流動するボイラーと、
前記第2パイプに連結されて前記第2冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第2パイプに連結され、前記第2冷媒が外気と熱交換する第2熱交換器と、
前記第1パイプから分岐して、前記第2熱交換器と熱交換するバイパス管と、
第1冷媒がバイパス管を通過するように誘導するために、切り替えられた3方弁と、を備える、ヒートポンプ。 - 前記3方弁は、第1流路、第2流路、及び第3流路を備え、
前記第1流路は、前記ボイラーに連結され、
前記第2流路は、前記第1パイプに連結され、
前記第3流路は、前記バイパス管を経由した後に前記第2流路と合流する、請求項1に記載のヒートポンプ。 - 第1冷媒が流動する第1パイプと、
前記第1パイプの一側に配置され第2冷媒が流動する第2パイプと、
前記第1パイプ及び前記第2パイプに連結され、前記第1冷媒が前記第2冷媒と熱交換する第1熱交換器と、
前記第1パイプに連結されて前記第1冷媒が流動するボイラーと、
前記第2パイプに連結されて前記第2冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第2パイプに連結され、前記第2冷媒が外気と熱交換する第2熱交換器と、
前記第2パイプから分岐して前記第2熱交換器と熱交換するバイパス管と、
前記バイパス管を通過する第2冷媒を誘導するための3方弁と、を備える、ヒートポンプ。 - 前記3方弁は、第1流路、第2流路、及び第3流路を備え、
前記第1流路は、前記第1熱交換器に連結され、
前記第2流路は、前記第2熱交換器に連結され、
前記第3流路は、前記バイパス管を経由した後に前記第2流路と合流する、請求項3に記載のヒートポンプ。 - 前記圧縮機と前記第2熱交換器との間に配置されるアキュムレーターを更に備える、請求項2又は4に記載のヒートポンプ。
- 前記第2パイプと前記第2熱交換器との間に配置される膨脹弁を更に備える、請求項5に記載のヒートポンプ。
- 前記圧縮機、前記第1熱交換器、前記アキュムレーター、及び前記第2熱交換器の間に配置され、前記第2冷媒の流動方向を前記圧縮機、前記第1熱交換器、前記アキュムレーター、又は前記第2熱交換器の間において切り替える4方弁を更に備える、請求項6に記載のヒートポンプ。
- 前記第1熱交換器は板形熱交換器を備える、請求項6に記載のヒートポンプ。
- 前記第1冷媒は水を含む、請求項8に記載のヒートポンプ。
- 前記第2冷媒は、R32、R290、又は、R32及びR290の混合物を含む、請求項8に記載のヒートポンプ。
- 前記4方弁と前記圧縮機との間に配置されるマフラーを更に備える、請求項8に記載のヒートポンプ。
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