KR0152852B1 - 공기조화기용 수냉식 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기용 수냉식 열교환기에 관한 것으로, 종래의 공기조화기가 그 설치장소나 환경에 따라 증발기에서 압축기로 액냉매가 전달되는 등의 효율이 떨어지는 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 내부에 물이 채워지는 두개의 쳄버(22,22')를 가지는 하우징(21)과, 상기 하우징(21)을 관통하여 상기 각각의 쳄버(22,22')를 지나도록 각각 설치된 열교환관(23)(23')과, 상기 하우징(21)의 일측에 복수개 설치되어 상기 열교환관(23)(23')과 연결되는 복수개의 4방밸브(30)로 구성되며, 응축기(7)에서 증발기(3)로 전달되는 냉매와 증발기(3)에서 압축기(6)로 전달되는 냉매를 각각 열교환시켜 과냉도 및 과열도를 적절하게 유지하도록 하여 공조기가 설치된 주변환경등에 관계없이 공기조화기가 최적의 상태로 작동되도록 하는 효과가 있다.

Description

공기조화기용 수냉식 열교환기

제1도는 일반적인 공기조화기의 구성을 보인 개략구성도.

제2도는 종래의 일반적인 공기조화기 사이클 구성중 증발기 부분을 상세히 도시한 상세구성도.

제3도는 본 발명에 의한 수냉식 열교환기의 구성을 보인 구성도.

제4도 및 제5도는 본 발명에 의한 열교환기의 4방밸브의 구조 및 작동을 보인 도면으로,

(a)는 단면도이고, (b)는 평면도이며, (c)는 4방밸브의 냉매 안내부재 구동수단의 구성을 보인 구성도.

제6도는 본 발명에 의한 열교환기가 구비된 공조기기의 구성을 보인 개략구성도.

제7도는 본 발명에 의한 열교환기를 구비한 냉동사이클의 구성을 보인 구성도로서,

(a)는 제4도의 경우의 사이클 구성도이고, (b)는 제5도의 경우의 사이클 구성도이다.

제8도는 일반적인 냉동사이클 및 본 발명에 의한 열교환기를 구비하는 냉동사이클의 p-h선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 열교환기 22,22' : 챔버

23,23': 열교환관 24,24' : 온도센서

30 : 4방밸브 32 : 제 1 유로

33 : 제 2 유로 34 : 제 1 분지유로

35 : 제 2분지유로 40 : 냉매 안내부재

42,43,44,45 : 냉매 안내공 51 : 안내부재홀더

53 : 솔레노이드 55 : 벨트

본 발명은 공기조화기에 사용되는 열교환기에 관한 것으로, 특히 공기조화기의 냉동사이클의 구성요소로서 4방밸브를 구비한 소형의 수냉식 열교환기를 추가시켜 냉동사이클의 효율을 향상시킨 공기조화기용 수냉식 열교환기에 관한 것이다.

종래의 일반적인 에어콘은 제1도에 도시된 바와 같이 크게 실내기(1)와 실외기(2)로 구성되며, 실내기(1)는 실내기(1) 내로 흡입된 공기와 에어콘의 냉동사이클의 냉매와의 열교환이 이루어지는 증발기(3)와, 상기 증발기(3)에서 열교환된 찬공기를 냉방을 위한 공간으로 전달하기 위한 팬(4)과, 냉동사이클의 구성요소인 모세관(5)등으로 구성된다.

그리고 상기 실외기(2)는 냉동사이클의 냉매를 압축시키는 압축기(6)와, 냉매를 응축시켜 주는 응축기(7)와, 실외의 공기를 응축기(7)로 전달하여 응축기(7) 내부에서의 냉매응축과정을 도와주는 팬(8)등으로 구성된다. 제1도중 미설명 부호 4', 8'는 팬 구동용 전동기이고, 9는 토출그릴이며, 10은 실외기와 실내기 사이에 냉매를 전달하는 배관이다.

이와 같이 구성된 종래의 일반적인 에어콘의 작동은 상기 실내기(1)와 실외기(2)에 구비되어 있는 냉동사이클의 구성요소들의 작동에 의해 이루어진다. 즉 실내기(1) 하단부로 실내 공기가 유입되어 증발기(3)와 접촉하면서 증발기(3) 내부에 있는 저온 저압의 냉매가 증발되고, 실내기(1)로 유입된 실내 공기는 냉매에 열을 빼앗겨 저온의 공기가 되어 상기 실내기 팬(4)에 의해 실내기(1) 상단부의 토출그릴(9)을 통해 토출되어 냉방을 원하는 공간으로 전달한다.

그리고 냉동사이클에서의 냉매는 상기와 같이 증발기(3)에서 증발되어 압축기(6)로 전달되면, 여기서 냉매는 압축되어 고온 고압의 냉매로 된다. 이와 같은 고온 고압의 냉매는 응축기(7)로 전달되어 응축기(7)에서 응축됐고, 그리고는 배관(10)을 통해 모세관(5)으로 전달되어 저온 저압의 상태로 되어 증발기(3)로 전달된다. 그리하여 증발기(3)에서 상기와 같이 열교환이 이루어지고, 이와 같은 과정을 반복하면서 냉동사이클이 작동되어 계속적인 냉방을 실시하게 된다.

그러나 종래의 일반적인 에어콘에 있어서는, 실제 에어콘이 가동될 때 실내외의 기후조건 및 기타 영향에 의해 증발기(3)로 부터 증발된 냉매가 완전 과열증기가 아닌 액냉매 상태로 주기적으로 압축기(5)로 전달되어 압축기(6)에 과부하를 주게 되어 압축기(6) 고장의 원인이 된다.

또한 제2도에 도시된 바와 같이 일반적으로 증발기(3) 내에 냉매의 통로(12)가 5-6개정도 형성되고, 분배기(11)를 통해 분배되어 이 들 각각의 통로(12)를 거친 냉매는 매니폴드(manifold)(13)에 모여져 압축기(6)로 전달되도륵 되어 있어, 상기 각각의 통로(12)를 거치면서 냉매는 그 온도가 각각 다르게 형성되어 매니폴드(13)에 모여져 압축기(6)로 전달될 수 있다. 즉 상기 각각 다른 통로(12)를 거친 냉매의 증발상태는 각각의 통로(12)에 따라 다르게 형성되어 증발기(3)에서 압축기(6)로 전달되는 냉매가 완전 과열증기가 되지 않고 일부 액냉매 상태인 경우가 발생할 수 있어서 압축기(6)에 과부하를 주게 되는 문제점이 있다.

그리고 응축기(7)의 주된 역할은 냉매를 응축시켜 완전히 액냉매로 만들어 모세관(5)으로 유입시키는 것인데, 실외기(2)가 설치된 외부의 환경조건 및 에어콘 설치조건(설치되는 건물의 구조등)에 의해 실내기(1)와 실외기(2)의 배관(10) 길이 및 상태가 다르게 되어 적정 과냉도를 유지시키기가 어려운 문제가 있다. 일반적으로 이를 위해 응축기(7)의 설계시 과냉도를 어느 정도 늘려서 에어콘의 성능을 향상시키고자 하나 이 역시 한계가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에어콘의 실외기에 있는 응축기에서 실내기에 있는 증발기로 전달되는 냉매를 완전히 액냉매상태로 만들어주고, 또한 증발기로 부터 실외기에 있는 압축기로 전달되는 냉매를 완전히 과열증기로 만들어 주는 열교환기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 내부에 물이 채워지는 두개의 쳄버를 가지는 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 상기 각각의 쳄버를 지나도록 각각 설치된 열교환관과, 상기 하우징의 외측에 복수개 설치되어 상기 열교환관과 연결되는 4방밸브로 구성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기에 의해 달성된다.

상기 하우징 내부의 각각의 챔버에는 각각 쳄버 내부의 물의 온도를 측정하는 온도센서가 구비됨을 특징으로 한다.

상기 하우징은 내부에 단열재가 게재된 동판으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 4방밸브는 각각의 유로가 형성되어 있는 밸브 몸채와, 상기 각각의 유로와 연결되어 냉매가 입출되는 4개의 입출포트와, 상기 밸브 몸체에 삽입 설치되어 상기 각각의 유로를 통한 냉매의 흐름을 제어하는 냉매 안내부재와, 상기 냉매 안내부재를 구동하는 구동수단으로 구성 됨을 특징으로 한다.

상기 밸브 몸체에 형성된 유로는 상기 몸체의 일측에서 타측으로 관통하여 형성된 제 1 및 제 2 유로와, 상기 제 1 및 제 2 유로에서 분지되어 제 2 및 제 1 유로와 연통되는 제 1 및 제 2 분지유로임을 특징으로 한다.

상기 냉매 안내부재에는 상기 밸브 몸체에 삽입되는 부분에 4개의 냉매안내공이 각각 천공되어 있고, 상기 밸브 몸체의 외부에 위치되는 상기 냉매 안내부재의 일측단부에는 다수개의 걸림판이 서로 대향되게 형성됨을 특징으로 한다.

상기 구동수단은 상기 냉매 안내부재가 끼워지도록 밸브 몸체에 체결되어 상기 냉매 안내부재의 일측 단부에 형성된 걸림판과 접촉하는 걸림돌부가 다수개 형성된 안내부재홀더와, 상기 냉매 안내부재와 벨트로 연결되어 냉매 안내부재를 회전시키는 솔레노이드 밸브와, 상기 안내부재 홀더의 내부에 설치되어 냉매 안내부재를 밸브몸체에 체결되도록 탄지하는 탄성부재로 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 공기조화기용 수냉식 열교환기를 첨부된 도면에 도시된 실시례를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명에 의한 열교환기의 구성을 보인 구성도이고, 제4도 및 제5도는 본 발명에 의한 열교환기의 4방밸브의 구조를 보인 도면으로, (a)는 단면도이고, (b)는 평면도이며, (c)는 4방밸브의 냉매 안내부재 구동수단의 구성을 보인 구성도이다. 종래 기술의 것과 동일한 것은 동일 부호를 부여하여 설명한다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열교환기(20)는 내부에 냉매와의 열교환을 위한 물이 채워지는 두개의 챔버(22)(22')를 가지는 하우징(21)과, 상기 하우징(21)을 관통하여 상기 각각의 쳄버(22)(22')를 지나도록 각각 설치되어 냉매가 지나가는 나선형의 열교환관(23)(23')과, 상기 하우징(21)의 외측에 설치되어 상기 열교환관(23)(23')과 연결되어 냉매의 흐름을 제어하는 복수개의 4방밸브(30)로 구성된다.

상기 하우징(31) 내부의 각각의 쳄버(22)(22')에는 각각 쳄버(22)(22') 내부의 물의 온도를 측정하는 온도센서(24)(24')가 구비되어 있고, 상기 하우징(21)을 형성하는 재질은 내부에 단열재가 게재된 동판이다.

또한 상기 하우징(21) 내부에 있는 각각의 쳄버(22)(22')는 단열재를 구비한 동판에 의해 구획되어 있다.

상기 4방밸브(30)는 냉매가 유동되는 유로(32,33,34,35)가 형성되어 있는 밸브 몸체(31)와, 상기 각각의 유로(32-35)와 연결되어 냉매가 입출되는 4개의 입출포트(37)와, 상기 밸브 몸체(31)에 삽입 설치되어 상기 각각의 유로(32-35)를 통한 냉매의 흐름을 안내하는 냉매 안내부재(40)와, 상기 냉매 안내부재(40)를 구동하는 구동수단(50)으로 구성된다.

상기 밸브 몸체(31)에 형성된 유로(32-35)는 상기 몸체(31)의 일측에서 타측으로 관통하여 형성된 제 1 및 제 2 유로(32)(33)와, 상기 제 1 및 제 2 유로(32)(33)에서 분지되어 제 2 및 제 1 유로(33)(32)와 연통되는 제 1 및 제 2 분지유로(34)(35)등을 말한다.

상기 냉매 안내부재(40)에는 상기 밸브 몸체(31)에 삽입되는 부분에 4개의 냉매안내공(42,43,44,45)이 각각 천공되어 있는데, 이들중 제 1 유로(32)와 연통되는 안내공(42) 및 제 2 유로(33)와 연통되는 안내공(43)은 각각 제 1 분지유로(34)와 연통되는 안내공(44) 및 제 2 분지유로(35)와 연통되는 안내공(45)과 서로 90°의 차이를 두고 천공되어 있다. 따라서 안내공(42) 및 안내공(43)가 제 1 유로(32) 및 제 2 유로(33)와 연통되면 제 1 분지유로(34) 및 제 2 분지유로(35)는 폐쇄되고, 반대로 안내공(44) 및 안내공(45)가 제 1 분지유로(34) 및 제 2분지유로(35)와 연통되면 제 1 유로(32)및 제 2 유로(33)는 폐쇄되도록 된다.

그리고 상기 밸브 몸체(31)의 외부에 위치되는 상기 냉매 안내부재(40)의 일측 단부에는 다수개의 걸림판(46,46')이 서로 대향되게 외부로 돌출 형성되어 있어 아래에서 설명할 안내부재홀더(51)의 걸림돌부(52)와 접촉하여 솔레노이드(53)의 작동에 의한 냉매 안내부재(40)의 회전 각도를 제어하게 된다.

상기 구동수단(50)은 밸브 몸체(31)에 체결되어 있어 상기 냉매 안내부재(40)의 일측 단부가 끼워져 안내되는 안내부재홀더(51)와, 상기 냉매 안내부재(40)의 일측 단부와 벨트(55)로 연결되어 냉매 안내부재(40)를 구동시키는 솔레노이드(53)와, 상기 안내부재홀더(51)의 내부에 설치되어 냉매 안내부재(40)가 밸브 몸체(31)에 체결되도록 탄지하는 탄성부재(54)로 구성된다.

상기 안내부재홀더(51) 상에는 상기 냉매 안내부재(40)의 일측 단부에 형성된 걸림판(46,46')과 접촉하여 냉매 안내부재(40)의 회전각도를 제한하는 걸림돌부(52)가 다수개 형성되어 있다. 상기 벨트(55)는 특수 세라믹재질로 제조된 것으로 일측이 솔레노이드(53)와 체결되고 타측이 냉매 안내부재(40)와 체결되어 있어 솔레노이드(53)의 구동에 의해 냉매 안내부재(40)를 일정각도 회전되게 하는 것이다.

상기 탄성부재(54)는 안내부재홀더(51) 내부에 설치되어 냉매 안내부재(40)를 상기 솔레노이드(53)의 구동에 대한 반대방향으로 탄지하는 것이다.

도면중 미설명 부호 56은 솔레노이드의 플런저이고, 57은 전자석이며, 58은 탄성부재이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 수냉식 열교환기는 에어콘의 실내기 내부에 장착되어 사용되는 것으로 그 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명에 의한 열교환기(20)가 구비된 에어콘이 가동되면 가동전에는 동일하던 열교환기(20)의 쳄버(22,22')내에 채워져 있는 물의 온도가 달라지게 된다. 즉, 제7도의 (a)에 도시된 바와 같이, 응축기(7)에서 전달되는 약 45℃-50℃정도의 냉매가 지나가는 쳄버(22) 내 부의 물온도는 초기에 비해 올라가고, 증발기(3)에서 유출되는 8℃-11℃ 정도의 온도를 가지는 냉매가 지나가는 쳄버(22') 내부의 물의 온도는 내려간다. 이와 같이 되면 상기 쳄버(22,22') 내의 온도센서(24,24')가 온도를 감지하여 소정의 온도가 되면 4방밸브(30)의 솔레노이드(53)를 작동시키도록 한다. 따라서 솔레노이드(53)의 작동에 의해 4방밸브(30)의 냉매 안내부재(40)가 회전하여 냉매의 유로를 바꾸게 된다. 즉 제4도의 (a)에서와 같이 제 1 및 제 2 유로(32)(33)를 각각 흐르던 냉매가 제5도의 (a)에서와 같이 그 유로를 바꾸게 된다. (이때 제5도의 (a)에 해당되는 사이클내의 냉매흐름은 제7도의 (b)에 도시되어 있다) 이와 같이 4방밸브(30)가 열교환기(20)의 양측에 설치되어 있으므로 해서 구동 초기에 응축기(7)에서 토출되어 상기 쳄버(22) 내의 열교환관(23)을 흐르던 냉매는 쳄버(22') 내의 열교환관(23') 내를 흐르고, 반대로 증발기(3)에서 토출되어 상기 쳄버(22') 내의 열교환관(23')내를 흐르던 냉매는 상기 쳄버(22)의 열교환관(23) 내를 흐르게 된다.

따라서 응축기(7)를 나온 냉매는 상대적으로 저온의 물과 열교환을 하게 되어 과냉도가 높아지고, 증발기(3)에서 토출되어 압축기(5)로 들어갈 냉매는 상대적으로 고온의 물과 열교환하게 되어 과열도가 높아지게 된다.

그리고 어느 정도 운전을 한 후, 상기 쳄버(22,22') 내의 물의 온도가 소정의 온도가 되면 솔레노이드(53)는 오프되어 4방밸브(30)는 초기의 상태로 돌아가게 되어 다시 냉매의 흐름은 제4도의 (a)와 같이 된다. 즉 응축기(7)에서 나온 냉매와 열교환하여 온도가 올라간 쳄버(22') 내의 물과 증발기(3)를 거쳐나온 냉매와 열교환시켜 냉매의 과열도를 증가시켜 압축기(6)로 전달하고, 또 증발기(3)를 거친 냉매와 열교환하여 온도가 낮아진 쳄버(22)의 물과 응축기(7)에서 나온 냉매 사이에서 열교환시켜 증발기(3)로 전달되는 냉매의 과냉도를 증가시킨다. 그리고 이와 갈이 하여 상기 쳄버(22,22') 내부의 물의 온도가 소정의 온도가 되면 다시 솔레노이드(53)가 작동되어 냉매의 흐름을 다시 제5도의 (a)와 같이 만들어 준다. 이와 같은 과정을 계속하여 반복하게 되면 응축기(7)에서 토출된 냉매는 항상 과냉도가 높은 상태로 증발기(3)로 전달되고, 증발기(3)에서 토출팬 냉매는 과열도가 높아진 상태로 압축기(6)로 전달된다.

그리고 제6도에는 본 발명에 의한 열교환기를 구비한 공조기의 개락구성을 도시하고 있는데, 본 발명에 의한 열교환기(20)는 실내기(1)의 내부 일측에 설치되어 사용된다.

상기와 같은 내용을 p-h 선도를 이용하여 열역학적으로 해석하면 다음과 같다. 제8도에 도시된 실선으로 된 사이틀은 종래의 냉동사이클을 나타내고, 점선으로 된 사이클은 본 발명에 의한 열교환기를 구비한 냉동사이클을 나타낸다. 여기서 Qc 는 응축기(7)의 능럭, Qe는 증발기(3)의 냉방능력, Wc는 압축기(6) 일을 나타낸다.

p-h선도에 도시된 바와 같이 Qe= h2'-h1' 로 되어 냉방능력이 종래(h2-hl)에 비해 증가되어 냉방능력이 향상된다. 그리고 응축기(7)에서 토출되는 냉매를 과냉시킬수록 h1'로 되면서 h1에 비해 건도가 적어져서 증발기(3)에서 공기와 열교환할 수 있는 능력이 커지게 된다. 그리고 압축기(6)로 전달되는 냉매의 과열도를 증가시킨다면 h2 가 h2'로 되어 증발기(3)의 냉방능력이 증가된다기 보다는 최적의 사이클 밸런스유지를 위해 압축기(5) 입구의 액냉매를 유출시키지 않는데에 큰 의미가 있다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 수냉식 열교환기를 구비한 에어콘은 그 설치장소에 구애받지 않고 냉매의 과열도 및 과냉도를 적절하게 유지하여 에어콘을 최적의 상태로 작동되게 한다. 즉 증발기에서 토출되어 압축기로 전달되는 냉매를 과열시켜 압축기로 악냉 매가 전달되지 않게 되므로 압축기에 과부하가 걸리지 않고, 응축기로부터 토출되는 응축액 냉매는 더욱 과냉각되어 증발기로 전달되므로 증발기 입구의 건도가 감소되어 냉방능력이 향상되고, 소요동력이 저감되는 등의 효과가 있다.

Claims (7)

1. 내부에 물이 채워지는 두개의 쳄버를 가지는 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 상기 각각의 쳄버를 지나도록 각각 설치된 열교환관과, 상기 하우징의 외측에 복수개 설치되어 상기 열교환관과 연결되는 4방밸브로 구성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 하우징 내부의 각각의 쳄버에는 각각 쳄버 내부의 물의 온도를 측정하는 온도센서가 구비됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 내부에 단열재가 게재된 동판으로 구성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 상기 4방밸브는 각각의 유로가 형성되어 있는 밸브 몸체와, 상기 각각의 유로와 연결되어 냉매가 입출되는 4개의 입출포트와, 상기 밸브 몸체에 삽입 설치되어 상기 각각의 유로를 통한 냉매의 흐름을 제어하는 냉매 안내부재와, 상기 냉매 안내부재를 구동하는 구동수단으로 구성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 밸브 몸체에 형성된 유로는 상기 몸체의 일측에서 타측으로 관통하여 형성된 제 1 및 제 2 유로와, 상기 제 1 및 제 2 유로에서 분지되어 제 2 및 제 1 유로와 연통되는 제 1 및 제 2 분지유로임을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
6. 제4항에 있어서, 상기 냉매 안내부재에는 상기 밸브 몸채에 삽입되는 부분에 4개의 냉매안내공이 각각 천공되어 있고, 상기 밸브 몸체의 외부에 위치되는 상기 냉매 안내부재의 일측단부에는 다수개의 걸림판이 서로 대향되게 형성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.
7. 제4항에 있어서, 상기 구동수단은 상기 냉매 안내부재가 끼워지도록 밸브몸체에 체결되어 상기 냉매 안내부재의 일측단부에 형성된 걸림판과 접촉하는 걸림돌부가 다수개 형성된 안내부재홀더와, 상기 냉매 안내부재와 벨트로 연결되어 냉매 안내부재를 구동시키는 솔레노이드와, 상기 안내부재홀더의 내부에 설치되어 냉매 안내부재가 밸브몸체에 체결되도록 탄지하는 탄성부재로 구성됨을 특징으로 하는 공기조화기용 수냉식 열교환기.