KR0157693B1 - 공기조화장치 - Google Patents

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고이치 후루하마
데츠오 사노
마사오 오즈
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사토 후미오
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Abstract

본 발명은 공기조화장치에 관한 것으로서, 오존층 파괴의 가능성이 있는 HCFC22냉매에 대신하는 각종의 대체냉매의 특징을 살리는 것으로 HCFC22의 경우에 뒤떨어지지 않는 실기에서의 성능계수를 갖고, 또한 동작냉매로서 아전하게 사용할 수 있는 공기조화장치를 실현하고, 가역펌프인 유체구동기(3) 및 실내열교환기(1)가 배관(7)에 의해 접속되고, 냉매(a)가 봉입된 유로(A)와 압축기(15), 실외열교환기(11) 및 팽창밸브(17)가 배관(19)에 의해 접속되고, 냉매(b)가 봉입된 유로(B)를 갖고, 이들 각 냉매(a,b) 상호가 열교환하는 중간열교환기(5)를 상기 각 배관(7,19) 도중에 설치했으며, 냉매(a)는 배관(7)내의 압력손실이 HFC134a 이하로서 HFC32와 HFC125를 각각 50%의 비율로 혼합한 냉매이고, 냉매(b)는 열물성값으로부터 정해지는 이론성능계수가 HFC32와 HFC125를 각각 50%의 비율로 혼합한 냉매 이상으로서 HFC134a 냉매인 것을 특징으로 한다.

Description

공기조화장치
제1도는 본 발명의 제1실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
제2도는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
제3도는 본 발명의 제3실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
제4도는 본 발명의 제4실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
제5도는 본 발명의 제5실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
제6도는 본 발명의 제6실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실내열교환기 3 : 유체구동기
5 : 중간열교환기 7,19 : 배관
11 : 실외열교환기 15 : 압축기
17 : 팽창기구(팽창밸브) 29 : 4방향밸브(전환밸브)
31 : 냉매가열기 37 : 바이패스유로
39,41 : 역류방지밸브(제어밸브) A : 유로(제1냉매회로)
B : 유로(제2냉매회로)
본 발명은 오존층 파괴의 가능성이 있는 HCFC22냉매에 대신하는 대체냉매를 사용한 공기조화장치에 관한 것이다.
지구환경오염에 대한 대책의 일환으로 오존층 파괴의 가능성이 있는 CFC, HCFC냉매의 사용을 억제하자는 취지에서 공기조화장치에 사용되고 있는 HCFC22도 HFC냉매나 자연냉매로의 전환이 필요하게 되었다.
종래의 공기조화장치에 이들 대체냉매를 사용한 경우, HFC134a의 경우는 열물성 값으로부터 정해지는 이론성능계수(이하 이론COP라 한다)가 HCFC22의 이론COP 보다 높지만 실내기와 실외기를 연결하는 접속배관(이하 연결배관이라 한다)내의 압력 손실이 크기때문에 실제 기계에서의 성능계수(이하, 실COP라 한다)는 HCFC22의 경우보다 상당히 낮아진다. 또 암모니아나 프로판을 냉매로서 사용하면 HCFC22의 경우와 대략 동일한 실COP를 기대할 수 있지만 전자는 독성, 후자는 가연성을 지니기 때문에 이들 냉매를 이용한 실내기를 일반가정에 설치사용하는 것은 문제가 있다.
한편, HFC32와 HFC125를 각각 50%의 중량비로 혼합한 냉매(이하 HFC32/125(50/50)라 한다)나 CO2는 연결배관에서의 압력손실이 HCFC22보다도 작지만 이론COP가 HCFC22보다도 상당히 작고 공기조화장치 전체의 실COP는 HCFC22에 미치지 않는다.
이와같이 공기조화장치에 종래부터 사용하고 있는 HCFC22에 대신하는, 이른바 대체냉매는 HCFC22에 비하여 실COP가 작거나 또는 실COP가 일정수준 이상인 경우에도 독성과 가연성이 있으므로 대체냉매로 사용하는데는 문제점이 있었다.
그래서 본 발명은 상기 각종 냉매의 특징을 살려서 HCFC22의 경우와 대략 동일한 실COP를 갖고 작동냉매로서 안전하게 사용할 수 있는 공기조화장치를 실현하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 공기조화장치는 유체구동기 및 중간열교환기를 실외기에 설치하여, 실내기인 실내열교환기와의 사이를 연결배관으로서 순차적으로 접속하여 제1냉매가 들어있는 밀폐유로를 형성하고, 유체구동기에 의해 제1냉매를 밀폐유로내에 순환시키는 제1냉매회로와; 상기 실외기내에 설치되며, 압축기, 실외열교환기, 팽창기구 및 상기 중간열교환기를 순차적으로 접속하여 제2냉매가 들어있는 밀폐유로를 형성하고, 압축기 및 압축시킨 제2냉매를 밀폐유로내에 순환시켜 제2냉매의 열을 중간열교환기에 의해 제1냉매로 부여하는 제2냉매회로를 구비하고, 상기 제1냉매는 HFC32/125(50/50), HFC32/125(25/75), HFC125, HFC23, CO2및 HFC32/134a(25/75)중의 하나이며, 상기 제2냉매는 HFC134a, HFC32/125(75/25), HFC32, 암모니아, 프로판 및 HFC32/134a(10/90)중의 하나미여, 상기 제1냉매와 상기 제2냉매는 제1냉매의 압력손실이 제2냉매의 압력손실보다도 작고, 또한 제2냉매의 열물성값으로부터 정해지는 이론성능계수(이론COP)가 제1냉매의 이론성능계수보다 큰 조합인 것을 특징으로 한다.
이와같은 구성의 공기조화장치에 따르면 실내열교환기를 구비한 제1냉매회로에 들어가는 제1냉매는 압력손실이 소정값 이하이기 때문에 제1냉매회로에 있어서의 COP에 대한 압력손실의 영향은 종래의 공기조화장치에 비하면 상당히 작은 것이 된다. 한편 실외열교환기를 구비한 제2냉매회로에 들어가는 제2냉매는 열물성값으로부터 정해지는 이론성능계수가 소정값 이상이기 때문에 제2냉매회로에 있어서의 성능계수가 높아진다. 이와 같이 본원 발명은 냉매의 특성중 장점만을 살린 사이클을 구성할 수 있어서 안전하며 고효율의 운전이 가능하게 된다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 이 냉매회로는 두개의 폐유로, 즉 제1냉매회로인 유로(A)와 제2냉매회로인 유로(B)를 구비하고 있다. 유로(A)는 실내열교환기(1), 유체구동기(3), 중간열교환기(5)를 배관(7)에 의해 결합하고 있으며, 내부를 흐르는 냉매(a)로서 HFC32/125(50/50)를 사용하고 있다. 실내열교환기(1)는 냉매(a)와 외부의 실내공기를 열교환시킨다. 유체구동기(3)는 정역방향회전 가능한 가역펌프이며, 냉매(a)의 토출방향을 실내열교환기(1)측과 중간열교환기(5)측으로 전환할 수 있다. 중간열교환기(5)에서는 냉매(a)의 통로와 냉매(b)의 통로가 간막이벽(9)에 의하여 나누어지고 냉매(a)와 냉매(b)를 간막이벽(9)을 통하여 열교환시킨다.
유로(B)는 실내열교환기(11), 4방향밸브(13), 압축기(15), 상기 중간열교환기(5), 팽창밸브(17)를 배관(19)에 의해 결합하고 있으며, 내부를 흐르는 냉매(b)로는 HFC134a를 사용하고 있다. 실내열교환기(11)는 냉매(b)와 외부의 실내공기를 열교환시키고 4방향밸브(13)는 냉매(b)의 유로를 실선상태 또는 파선상태로 전환할 수 있다. 압축기(15)는 냉매(b)를 고온고압의 가스냉매로서 토출하고 팽창밸브(17)는 냉매(b)를 팽창시킨다.
유로(B)의 전체 요소 및 중간열교환기(5), 유체구동기(3)는 실외기(21)내에 수납되고, 실내열교환기(1)는 실내기(23)내에 수납된다. 유로(A)의 배관(7)에는 실외기(21)와 실내기(23)를 연결하는 연결배관(25,27)이 포함되어 있다.
다음으로 이와같은 구성의 공기조화장치의 동작을 설명한다.
냉방운전시에는 유로(A)의 냉매(a)는 IA의 방향으로 흐르고, 유로(B)의 냉매(b)는 IB방향으로 흐른다. 이때 유체구동기(3)로부터 액체상태로 토출된 냉매(a)는 연결배관(27)을 통하여 실내열교환기(1)에 유입되고, 여기에서 공기를 냉각함으로써 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상(相)으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 통하여 중간열교환기(5)에 유입한다. 중간열교환기(5)내에서는 냉매(a)는 유로(B)측에서 저온상태에 있는 냉매(b)에 의해 냉각되고 액체상태가 되어 유체구동기(3)로 되돌아간다.
한편, 냉방운전시에 있어서, 유로(B)에서는 압축기(15)에서 압축되어 토출된 증기상태의 냉매(b)는 전환유로가 파선상태로 되어 있는 4방향밸브(13)를 지나서 실외열교환기(11)에 유입된다. 실외열교환기(11)내에서 냉매(b)는 공기에 의해 냉각되고 일부 또는 전부가 응축한다. 액체 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(b)는 팽창밸브(17)를 통하여 팽창하고 기체·액체의 2상으로 되어 중간열교환기(5)에 유입된다. 이 중간열교환기(5)내에 있어서, 냉매(b)는 상기한 바와 같이 냉매(a)를 냉각하여 증기상태가 된다. 증기상태가 된 냉매(b)는 4방향밸브(13)를 거쳐서 압축기(15)로 되돌아간다.
난방운전시에는 유로(A)의 냉매(a)는 IIA의 방향으로 흐르고, 유로(B)의 냉매(b)는 IIB의 방향으로 흐른다. 이때 유체구동기(3)에 의해 토출된 액체상태의 냉매(a)는 중간열교환기(5)에 유입되고, 유로(B)측에서 고온상태에 있는 냉매(b)에 의해 가열되어 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 통하여 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)를 공기를 가열함으로써 응축한다. 액체상태가 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 통하여 유체구동기(3)로 되돌아간다. 이와같이 냉매(a)는 냉방 및 난방운전시에도 액체상태로 유체구동기(3)에 흐르기 때문에 액체펌프인 유체구동기(3)를 효율있게 운전할 수 있다.
한편, 난방운전시에 있어서, 유로(B)에서 압축기(15)에서 압축되어 토출된 증기상태의 냉매(b)는 전환유로가 실선상태가 되어 있는 4방향밸브(13)를 지나서 중간열교환기(5)에 유입된다. 중간열교환기(5)에 있어서는 상기한 바와 같이 냉매(b)는 냉매(a)를 가열하고 일부 또는 전부가 응축한다. 액체 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(b)는 팽창밸브(17)를 통하여 팽창하고 기체·액체의 2상으로 되어 실외열교환기(11)에 유입된다. 실외열교환기(11)에서는 냉매(b)는 공기에 의해 가열되어 증기상태가 되고 4방향밸브(13)를 통하여 압축기(15)로 되돌아간다.
그런데 유로(A)에 있어서는 유체구동기(3)에 의해 냉매(a)를 순환시키는 것이고 열을 실내열교환기(1)로부터 중간열교환기(5)로 반송하는(냉방운전시), 또는 중간열교환기(5)로부터 실내열교환기(1)로 반입하는(난방운전시) 작용이 있으며, 유로(A)의 유체구동기(3)의 출구로부터 입구까지의 배관내에서의 냉매의 압력손실이 작을수록 유체구동기(3)의 부하가 줄어든다. 특히 유로(A)에 있어서의 배관(7)은 실외기(21)와 실내기(23)를 접속하는 긴 연결배관(25,27)을 포함하고 있기 때문에 압력손실을 작게 하는 것이 가능하다.
표1은 각 HFC냉매 및 자연냉매의 압력손실을 나타내고 있다.
5℃포화증기에 의한 연결배관부분(각 10m)
이 표에서 명백한 바와같이 유로(A)에 이용된 냉매(a)인 HFC32/125(50/50)의 압력손실은 12.1[kPa]이며, 유로(B)에 이용된 냉매(b)인 HFC134a의 압력손실인 29.3[kPa]보다도 매우 작다. 따라서 본 실시예와 같이 냉매(a)로서 HFC32/125 (50/50)를 이용하면 HFC134a를 이용한 경우에 비하여 유체구동기(3)의 부하가 상당히 줄어든다.
또 표1에 있어서, HFC23의 압력손실은 8.3[kPa]로 매우 작기 때문에 HFC23을 유로(A)의 냉매(a)로서 이용함으로써 유체구동기(3)에 대한 입력을 더욱 줄일 수 있다.
한편, 유로(B)는 실외기(21)내에 수납되기 때문에 배관(19)의 길이는 짧고, 이 때문에 유로(B)의 실COP에 대한 압력손실의 영향은 종래의 공기조화장치에 비하면 매우 작다. 따라서 냉매(b)로서 압력손실에 대해서는 특별히 고려하지 않고 이론COP가 높은 냉매를 선택하면 유로(B)의 실COP도 높아진다.
표2에는 HFC냉매 및 자연냉매의 이론COP의 비교가 나타내어져 있다.
증발온도 5℃, 응축온도 45℃
이 표에서 명백한 바와같이 HFC134a의 이론COP는 5.25로서 HFC32/125(50/50)의 이론COP인 4.92보다도 매우 크며, 따라서 본 실시예와 같이 유로(B)의 냉매(b)로서 HFC134a를 이용하면 HFC32/125(50/50)를 이용한 경우에 비하여 유로(B)의 실COP는 대폭 향상된다.
이상과 같이 본 실시예에서는 공기조화장치의 냉매유로를 유로(A)와 유로(B)로 구성하고, 유로(A)를 흐르는 냉매(a)로서 배관이 압력손실이 HFC134a 보다 상당히 작은 냉매 HFC32/125(50/50)을 이용하고, 유로(B)를 흐르는 냉매(b)로서 이론COP가 HFC32/125(50/50) 보다도 상당히 높은 냉매 HFC134a를 이용함으로써 종래의 공기조화장치에 HFC134a 및 HFC32/125(50/50)을 단독으로 이용한 어느쪽의 경우보다도 높은 실COP를 얻을 수 있다.
또한 표1에 열거한 CO, HFC125, HFC32의 중량비가 50% 이하인 HFC32/125(25/75), HFC32의 중량비가 10% 이상 25%이하인 HFC32/134a(25/75)등도 배관부분의 압력손실은 HFC134a보다 작기 때문에 이들을 냉매(a)로서 이용하면 정도의 차는 있지만 본 실시예와 동일한 효과가 얻어진다. 또 이들 냉매 이외의 배관부분의 압력손실이 HFC134a 보다도 작은 냉매이면 냉매(a)로서 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 덧붙여서 HFC32/125나 HFC32/134a에 있어서의 HFC32의 중량비의 상한값은 혼합냉매의 가연성 한계에 따라서 정해지기 때문에 현재로서는 HFC32/125의 경우 50%, HFC32/134a의 경우 25%로 되어 있지만 장래의 조사결과에 의해 상승할 수도 있으며, 그 경우에는 새로운 가연성 상한값이 본 발명의 HFC32의 상한값이 된다.
표2에 열거한 암모니아, 프로판, HFC32, HFC32의 중량비가 50% 이상인 HFC32/125, HFC32의 중량비가 25% 이하인 HFC32/134a도 이론COP가 HFC32/125(50/50) 보다 크기 때문에 이들을 냉매(b)로서 이용하면 정도의 차는 있지만 본 실시예와 똑같은 효과가 얻어진다. 또 이들 냉매 이외의 이론COP가 HFC32/125(50/50)보다 큰 것이라면 냉매(b)로서 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.
상기 제1도에 나타낸 제1실시예의 효과를 보다 명확하게 하기 위해 제1실시예에 의한 공기조화장치의 운전시에 있어서의 성능계수(COP)를 계산한 값이 표3에 나타내어져 있다.
상기한 바와 같이 HCFC22의 대체냉매로서 유력한 냉매인 HFC134a는 열물성값만에 의하여 계산한 COP가 5.86으로 HCFC22의 값과 동일한데, 압력손실이 크기 때문에 10m의 연결배관에서의 압력손실을 고려한 COP가 HCFC22의 5.48에 비하여 4.26으로 상당히 낮으며, 이는 동일조건하에서의 HCFC22의 COP의 78%에 해당한다. 한편 HFC32/125(50/50)의 경우 열물성값만에 의하여 계산한 COP는 HCFC22의 88%에 해당하는 5.18로 압력손실이 HFC134a에 비하여 작기 때문에 10m의 연결배관을 고려하여 계산한 경우의 COP는 5.01이며, HFC134a에 비하여 저하량은 작다. 그러나 이 경우에도 동일조건하에서의 HCFC22의 COP에 대해 91%값에 지나지 않는다.
그런데 본 제1실시예에서는 이론COP가 높은 HFC134a의 장점과 압력손실이 작은 HFC32/125(50/50)의 장점을 양쪽 모두 이용하고 있기 때문에 중간열교환기(5)에서의 1℃의 온도차에 의한 손실분을 포함하여 계산한 경우에도 10m의 연결배관을 고려하여 계산하면 COP는 5.61이며, HFC134a 및 HFC32/125(50/50)의 COP보다도 훨씬 높아질뿐만 아니라 HCFC22의 COP보다도 2% 상회하는 매우 높은 COP가 얻어지고 있다.
제2도는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 여기에서는 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 제1실시예와 다른점은,
(1) 유체구동기(3)가 한방향만으로 유체를 구동하는 펌프이며, 유로(A)에는 유로구동기(3)로부터 토출된 유체의 유로를 실선상태와 파선상태로 전환하는 전환밸브로서의 4방향밸브(29)가 설치되어 있다.
(2) 실내열교환기(1)가 2대 있으며, 실내기(23)와 실외기(21)를 연결하는 연결배관(25,27)이 2대의 실내열교환기(1)에 대응하여 왕복로, 복수로로 함께 2개로 분기한 멀티시스템 공기조화장치를 형성하고 있다.
(3) 유로(B)를 흐르는 냉매(b)로서 암모니아를 사용하고 있다.
상기와 같이 구성된 공기조화장치에 있어서의 유로(B)의 동작은 상기 제1도의 제1실시예와 똑같다.
한편 유로(A)에는 냉방운전시에는 냉매(a)는 I의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)를 액체상태로 유출한 냉매(a)는 실선상태로 전환된 4방향밸브(29)를 지나서 2개의 연결배관(27)으로 분기하여 흐르고, 각각 2대의 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)내에서 냉매(a)는 공기를 냉각함으로써 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 지난 후 합류하고 중간열교환기(5)에 유입된다. 중간열교환기(5)내에서는 냉매(a)는 유로(B)에서 저온화된 상태에서 I방향으로 흐르는 냉매(b)에 의해 냉각되어 응축하고 액체상태가 된 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 거쳐 유체구동기(3)로 되돌아간다.
난방운전시에는 4방행밸브(29)를 유로가 파선상태가 되도록 전환하고 냉매(a)는 II의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)로부터 토출된 액체상태의 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 통하여 중간열교환기(5)에 유입되고, 유로(B)에서 고온화된 상태에서 II방향으로 흐르는 냉매(b)에 의해 가열되고, 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 2개의 연결배관(25)으로 분기하여 흐르고, 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)는 공기를 가열함으로써 응축한다. 응축하여 액체상태가 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지난후 합류하고 4방향밸브(29)를 거쳐 액체구동기(3)로 되돌아간다.
이와같이 냉매(a)는 냉방·난방운전에도 액체상태로 유체구동기(3)에 유입되기 때문에 액체펌프인 유체구동기(3)를 효율있게 운전할 수 있다.
상기 제2실시예에 있어서는 유로(A)의 냉매(a)로서 제1실시예와 동일한 압력손실이 작은 HFC32/125(50/50)을, 유로(B)의 냉매(b)로서 이론COP가 HFC32/125(50/50) 보다 높은 암모니아를 이용하고 있기 때문에 제1실시예와 똑같은 효과가 얻어진다. 실내열교환기를 2대 이상 갖는 멀티시스템 공기조화장치, 특히 빌딩용의 멀티시스템 공기조화장치에서는 실내기와 실외기를 연결하는 배관이 특히 길어지기 때문에 본 실시예의 효과도 커진다.
또 냉매(b)로서 독성이 있는 암모니아를 이용하고 있는데 유로(B)는 옥외에 설치되는 실외기(21)내에 수납되기 때문에 누출이 발생한 경우의 위험성도 작다. 특히 빌딩용의 멀티시스템 공기조화장치에서는 실외기를 옥상등에 설치하는 일이 많기 때문에 위험성은 더욱 작아진다.
그런데 공기조화장치에서는 압축기에서 사용하는 윤활유의 일부가 유로내에 토출되기 때문에 그 윤활유의 복귀 성능이 압축기의 신뢰성에 크게 관여한다. 본 실시예에서는 압축기(15)가 유로(B)만에 설치되고, 따라서 윤활유는 배관길이가 짧은 유로(B)만을 순환하기 때문에 윤활유의 복귀 성능이 향상되어, 신뢰성을 높일 수 있다. 특히 멀티시스템 공기조화장치와 같은 연결배관이 긴 공기조화장치에서는 이 효과가 크다.
제3도는 본발명의 제3실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 여기에서는 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 제1실시예와 다른 점은,
(1) 유로구동기(3)가 압축기이며, 유로(A)에는 유로구동기(3)로부터 토출된 유체의 유로를 실선상태와 파선상태로 전환하는 4방향밸브(29)가 설치되어 있다.
(2) 냉매(a)로서 HFC32/134a(25/75)를 이용하고, 냉매(b)로서 HFC32/134a(10/90)을 이용하고 있으며, 어느쪽도 비공비 혼합냉매가 아니다.
(3) 중간열교환기(5)내에서 냉매(a)와 냉매(b)가 완전 대향류를 형성하는 유로를 설치하고 있다.
상기와 같이 구성된 공기조화장치에 있어서의 유로(B)의 동작은 상기 제1도의 제1실시예와 똑같다.
한편 유로(A)에서는 냉방운전시에는 냉매(a)는 I의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)를 증기상태로 유출한 냉매(a)는 유로가 파선상태가 되어 있는 4방향밸브(29)를 지나서 중간열교환기(5)에 유입된다. 중간열교환기(5)내에서 냉매(a)는 유로(B)에서 I방향으로 흐르는 냉매(a)와 서로 대향류를 형성하는 냉매(b)에 의해 냉각되고, 일부 또는 전부가 응축한다. 액체 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 지나서 실내열교환기(1)에 유입되고, 여기에서 공기를 냉각함으로써 증발한다. 증기상태가 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지난 후 4방향밸브(29)를 거쳐서 유체구동기(3)로 되돌아간다.
난방운전시에는 4방향밸브(29)를 실선상태로 전환하고, 냉매(a)는 II의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)로부터 토출된 증기상태의 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 거쳐 연결배관(27)을 지나 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)는 공기를 가열함으로써 일부 또는 전부가 응축한다. 액체 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 지나서 중간열교환기(5)에 유입되고, 유로(B)에서 II방향으로 흘러서 냉매(a)와 대향류를 형성하는 냉매(b)에 의해 가열되어 증발한다. 증기상태가 된 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 지나서 유체구동기(3)로 되돌아간다.
이와같이 냉매(a)는 냉난방 양운전시에도 증기상태로 유체구동기(3)에 유입되기 때문에 압축기인 유체구동기(3)를 효율있게 운전할 수 있다.
상기한 바와 같은 공기조화장치에 있어서는 냉매(a)로서 배관부분의 압력손실이 HFC134a 보다도 작은 HFC32/134a(25/75)를, 냉매(b)로서 이론COP가 HFC32/125(50/50) 보다 높은 HFC32/134a(10/90)을 이용하고 있기 때문에 상기 제1실시예와 똑같은 효과가 얻어진다.
또한 상기한 바와 같은 냉매(a)와 냉매(b)의 선택을 실시한 경우 냉매(a), 냉매(b) 모두 혼합냉매가 아니기 때문에 상(相)변화중에 온도구배(gradient)가 발생한다. 한편 냉방 및 난방운전시 모두 중간열교환기(5)내에서는 냉매(a)와 냉매(b)가 서로 완전 대향류를 형성하고 있기 때문에, 상변화중에 온도구배가 발생해도 중간열교환기(5)내에서는 냉매(a)와 냉매(b)의 효율이 높은 열교환을 실현할 수 있다.
또한 제1, 제2의 각 실시예에서도 냉매(a) 및 냉매(b)로서 비공비 혼합냉매를 선택하는 경우에는 상기 제3실시예와 똑같이 중간열교환기(5)에 있어서 냉방·난방운전으로 완전대향류를 형성하도록 구성하면 좋다.
제4도는 본 발명의 제4실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 여기에서는 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 제1실시예와 다른 점은,
(1) 유체구동기(3)가 한방향만으로 유체를 구동하는 가스펌프이다.
(2) 유로(A)에 냉매가열기(31)가 설치되어 있다. 냉매가열기(31)는 도시가스, 프로판, 석유 등을 연료로 하여 냉매(a)를 가열하는 연소기이다.
(3) 유로(B)의 4방향밸브(13)를 설치하고 있지 않다.
(4) 냉매(a)로서 CO를 이용하고, 냉매(b)로서 프로판을 이용하고 있다.
냉방운전시의 동작은 유로(A) 및 유로(B) 모두 제1실시예와 똑같으며, 유로(A)이 냉매가열기(31)는 정지상태로 한다.
한편 난방운전시에는 유로(B)의 압축기(15)는 정지하고, 유로(B)내에서의 냉매(b)의 순환은 실시하지 않는다. 즉 유로(A)만 동작시키게 된다. 유로(A)에 있어서의 냉매(a)인 CO는 32℃ 이상에서는 초임계상태(압력이 입계압 이상으로 되는 상태가되고, 냉매(a)는 가스상태에서 유로(A)를 II방향(냉방운전시의 I와 동일방향)으로 순환한다. 가스펌프인 유체구동기(3)로부터 토출된 냉매(a)는 냉매 가열기(31)에 의해 가열되고 100℃ 정도의 고온이 된다. 고온이 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지나서 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)는 공기를 가열하여 온도가 20℃ 정도까지 저하한다. 저온이 된 냉매(a)는 연결배관(25), 중간열교환기(5)를 지나서 유체구동기(3)로 되돌아간다. 유로(B)측의 냉매(b)의 순환이 정지하고 있기 때문에 중간열교환기(5)는 열교환기로서 작용하고 있지 않다.
이와 같은 공기조화장치에서는 냉매(a)로서 배관부분의 압력손실이 HFC134a 보다도 작은 CO를, 냉매(b)로서 이론COP가 HFC32/125(50/50) 보다 높은 프로판을 이용하고 있기 때문에 제1실시예와 똑같은 효과가 얻어진다.
한편 난방운전시는 냉매(a)만이 순환하기 때문에 냉매가열기(31)로부터의 열이 실내열교환기(1)를 거쳐 공기에 전달된다. 종래의 공기조화장치에 냉매가열기를 설치한 경우에는 냉매가열기내에서의 냉매의 누설을 고려하여 이론COP가 높은 가연성 있는 냉매를 이용할 수 없고, 이때문에 냉방운전시에서의 COP향상이 곤란하다. 그런데 본 실시예에서의 실외열교환기에만 냉매로서의 프로판이 순환되기 때문에 안전면에는 지장이 없고, 또한 이론COP가 높기 때문에 냉방운전시의 COP 향상을 실현할 수 있다.
또한 상기 제4실시예에서는 한방향 회전의 펌프에 4방향밸브를 구비하는 일없이 냉매(a)로서 CO와 같은 난방운전시에 상변화하는 냉매를 이용할 수 있다. 그 경우에는 액체상태의 냉매(a)가 유체구동기(3)를 유출하고, 냉매가열기(31)에서 가열되어 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지나서 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)내에서는 냉매(a)는 공기를 가열함으로 응축한다. 액체상태가 된 냉매(a)는 연결배관(25), 열교환기로서 작용하지 않는 중간열교환기(5)를 지나서 액체상태인 채 유체구동기에 유입된다.
제5도는 본 발명의 제5실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 여기에서는 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 제1실시예와 다른점은,
(1) 유체구동기(3)와 중간열교환기(5)를 연결하는 배관(33)과 중간열교환기(5)와 연결배관(25)에 있어서의 실외기(21)내의 배관(35)을 결합하는 바이패스로(37)를 설치하고, 바이패스로(37)에 배관(33)측으로부터 배관(35)측으로의 유통만을 허용하는 역류방지밸브(41)를 설치하고 있다.
(2) 역류방지밸브(39)에서 배관(33)측의 바이패스로(37)에 냉매가열기(31)가 설치되어 있다. 냉매가열기(31)는 도시가스, 프로판, 석유등을 연료로 하여 냉매를 가열하는 연소기이다.
(3) 유로(B)의 4방향밸브(13)를 설치하고 있지 않다.
(4) 냉매(a)로서 HFC32/125(25/75)를 이용하고, 냉매(b)로서 HFC32/125(75/25)를 이용하고 있다.
유로(B)의 작용은 냉방운전시에는 제1실시예와 똑같다. 한편 난방운전시는 상기 제4도의 제4실시예와 똑같이 압축기(15)를 정지하고 냉매(b)의 순환을 실시하지 않는다.
유로(A)에서는 냉방운전시에 있어서 냉매(a)는 I의 방향으로 흐른다. 이때 유체구동기(3)로부터 토출되어 실내열교환기(1)를 거쳐 연결배관(25)에 유출된 냉매(a)는 역류방지밸브(39)의 작용에 의해 바이패스로(37)에는 유입되지 않고 중간열교환기(5)에 유입된다. 따라서 냉방운전시의 유로(A)의 동작은 제1실시예와 동일하다. 한편 난방운전시에는 가역펌프인 유체구동기(3)를 냉방운전시와 반대방향으로 회전시킨다. 이에 따라 유체구동기(3)로부터 토출된 냉매(a)는 배관(33)측으로 흐르는데, 역류방지밸브(41)의 작용에 의해 중간열교환기(5)에는 유입되지 않고, II로 나타내는 바와 같이 바이패스로(37)를 흐른다. 이 운전시에는 냉매가열기(31)가 작동하기 때문에 냉매(a)는 가열되어 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 통하여 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)내에서 냉매(a)는 공기를 가열하고 응축하고 액체상태가 되며 연결배관(17)을 통하여 유체구동기(3)에 유입된다.
상기한 역류방지밸브(39,41)는 냉매(a)를 냉방운전시에는 중간열교환기(5)로, 난방운전시에는 바이패스유로(37)로 흘리도록 작용하기 때문에 중간열교환기(5)와 바이패스유로(37)의 어느쪽인가에 냉매(a)를 흘리도록 기능하는 제어밸브를 구성하게 된다.
상기와 같은 공기조화장치에 있어서는 냉매(a)로서 배관부분의 압력손실이 HFC134a보다도 작은 HFC32/125(25/75)를, 냉매(b)로서 이론COP가 HFC32/125(50/50)보다 높은 HFC32/125(75/25)를 이용하고 있기 때문에 냉방운전시에는 제1실시예와 똑같은 효과가 얻어진다.
한편 난방운전시에는 냉매가열에 의한 난방운전을 실시하고, 또한 냉매(a)는 중간열교환기(5)를 바이패스하기 때문에 냉매가열기(31)에 의하여 얻어진 열을 유효하게 실내열교환기(1)에 반송하고 쾌적성과 효율이 높은 난방운전을 실현할 수 있다.
또, 본 실시예에서는 냉매가열기(31)에 의해 가열되는 냉매(a)로서 가연성이 매우 낮은 HFC32/125(25/75)를, 냉매(b)로서 이론COP가 높은 HFC32/125(75/25)를 이용하고 있기 때문에 냉방운전시에서의 COP를 희생하지 않고 안전한 냉매가열식의 공기조화장치를 실현할 수 있다.
제6도는 본 발명의 제6실시예를 나타내는 공기조화장치의 냉매회로도이다. 여기에서는 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 제1실시예와 다른점은,
(1) 유체구동기(3)가 한방향만으로 유체를 토출하는 펌프이며, 유로(A)에는 유체구동기(3)로부터 토출되는 유체의 유로를 실선상태와 파선상태로 전환하는 4방향밸브(29)를 설치하고 있다.
(2) 유로(A)의 실외기(21)내에 있어서의 연결배관(25)에 냉매가열기(31)를 설치하고 있다. 냉매가열기(31)는 도시가스, 프로판, 석유등을 연료로 하여 냉매(a)를 가열하는 연소기이다.
(3) 냉매(a)로서 HFC125를 이용하고, 냉매(B)로서 HFC32를 이용하고 있다.
유로(B)의 동작은 제1실시예와 동일하다.
유로(A)에서는 냉방운전시에는 냉매(a)는 I의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)를 액체상태에서 토출된 냉매(a)는 실선상태가 되어 있는 4방향밸브(29)를 거쳐 연결배관(27)을 지나 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서 냉매(a)는 공기를 냉각함으로써 일부 또는 전부가 증발한다. 증기 또는 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 지난 후 중간열교환기(5)에 유입된다. 중간열교환기(5)내에서는 냉매(a)는 유로(B)에서 I방향으로 흐르는 냉매(b)에 의해 냉각되어 응축된다. 액체상태가 된 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 지나서 유체구동기(3)로 되돌아간다.
난방운전시에는 4방향밸브(29)를 파선상태로 전환하고, 냉매(a)는 II의 방향으로 흐른다. 유체구동기(3)로부터 토출된 액체상태의 냉매(a)는 4방향밸브(29)를 거쳐 중간열교환기(5)에 유입되고, 유로(B)에서 II방향으로 흐르는 냉매(b)에 의해 가열되고 일부 또는 전부가 증발한다.
이때 냉매(a)가 증기 또는 건조도가 큰 기체·액체의 2상으로 된 경우, 즉 난방부하가 작은 경우에는 냉매가열기(31)는 작동하지 않고, 중간열교환기(5)를 유출한 냉매(a)는 연결배관(25)을 지나서 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)는 공기를 가열함으로써 응축한다. 액체상태가 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지난 후 4방향밸브(29)를 거쳐 유체구동기(3)로 되돌아간다.
한편 외부공기온도가 낮은 경우와, 기동시에 실내온도가 낮은 경우와 같은 난방부하가 큰 경우 압출기(15)의 입력을 크게 하지 않은 채 운전하면 중간열교환기(5)로부터 유출된 냉매(a)는 건조도가 작은 기체·액체의 2상으로 된다. 이 경우에는 냉매가열기(31)를 작동하여 냉매(a)를 가열하여 전부 또는 대부분을 증발시킨다. 이에 따라 증기 또는 건조도가 큰 기체·액체의 2상으로 된 냉매(a)는 연결배관(25)을 지나서 실내열교환기(1)에 유입된다. 실내열교환기(1)에서는 냉매(a)는 공기를 가열함으로써 응축한다. 액체상태가 된 냉매(a)는 연결배관(27)을 지난 후 4방향밸브(29)를 거쳐 유체구동기(3)로 되돌아간다.
냉매가열기(31)의 작동, 비작동은, 예를 들면 실내온도가 설정온도에 비하여 소정값 이상 낮은 경우에는 냉매가열기(31)를 작동시키고, 그렇지 않은 경우에는 비작동으로 한다.
상기한 바와 같은 공기조화장치에 있어서는 냉매(a)로서 배관부분의 압력손실이 HFC134a보다도 작은 HFC125를, 냉매(b)로서 이론COP가 HFC31/125(50/50), HFC125(이론COP 4.66) 보다 높은 HFC32를 이용하고 있기 때문에 제1실시예와 똑같은 효과가 얻어진다. 한편 난방부하가 큰 난방운전시는 유로(B)의 냉매(b)로부터의열에 냉매가열기(31)로부터의 열이 가산되기 때문에 유로(B)의 압축기(15)에 대한 입력을 증가하지 않고 높은 난방능력을 얻을 수 있다.
또, 종래의 공기조화장치에 냉매가열기를 설치한 경우 냉매가열기내에서의 냉매의 누설을 고려하여 가연성 있는 냉매를 이용할 수없고, 냉방운전시의 COP향상이 곤란하다. 그런데 본 실시예에서는 냉매(b)로서 상기 제4실시예와 똑같이 가연성 높은 HFC32를 냉매로서 사용할 수 있기 때문에 냉방운전시의 COP향상을 실현할 수 있다.
또한 상기한 제1∼제6의 각 실시예에 있어서는 공기조화장치의 주요 요소만을 도시, 설명해 왔지만 그 밖의 보조적인 요소가 추가되어도 본 발명의 요지에 어긋나는 것은 아니다. 보조적 요소로서는 유로(A)에 있어서 순환하는 냉매의 양을 조절하기 위한 냉매탱크, 증발·응축온도를 조절하기 위한 압력제어기구, 펌프에 대한 증기유입을 방지하기 위한 증기액체분리기, 압축기로의 액체유입을 방지하기 위한 어큐뮬레이터등이 그 한 예이다. 또한 제어용기나 센서도 보조적요소에 포함된다. 한편 유로(B)에 있어서, 종래의 공기조화장치에 있는 바와 같은 어큐뮬레이터, 냉매탱크, 제반 밸브, 제어용센서·기기등도 보조적요소로서 들 수 있다.
또 제1∼제6실시예에서 설명한 각종의 유체구동기, 각종의 냉매(a), 각종의 냉매(b), 실내열교환기의 대수, 냉매가열의 유무 등의 조합은 제1∼제6실시예에서 설명한 조합에 한정되는 것은 아니고, 다른 조합에 의해서도 본 발명의 주 요지는 실현할 수 있다. 예를들면 유체구동기로서 압축기를 이용하여 복수의 실내열교환기를 갖는 멀티시스템 공기조화장치나, 냉매(b)로서 HFC134a를 이용하고 또한 냉매가열기를 구비한 공기조화장치이어도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 유체구동기, 실내열교환기를 구비한 제1냉매회로에는 압력손실이 작은 제1냉매를 이용하고, 또한 압축기, 실외열교환기, 팽창기구를 구비한 제2냉매회로에는 열물성값으로부터 정해지는 이론성능계수가 큰 제2냉매를 이용하고, 제1, 제2의 각 냉매회로에 중간열교환기를 설치하는 것으로 제1, 제2의 각 냉매 서로간에 열교환을 실시하도록 했기 때문에 냉매의 특성중 장점만을 살린 사이클을 구성할 수 있고, 안전하며 고효율의 운전이 가능하게 된다.

Claims (13)

  1. 유체구동기 및 중간열교환기를 실외기에 설치하여, 실내기인 실내열교환기와의 사이를 연결배관으로서 순차적으로 접속하여 제1냉매가 들어 있는 밀폐유로를 형성하고, 유체구동기에 의해 제1냉매를 밀폐유로내에 순환시키는 제1냉매회로와; 상기 실외기내에 설치되며, 압축기, 실외열교환기, 팽창기구 및 상기 중간열교환기를 순차적으로 접속하여 제2냉매가 들어있는 밀폐유로를 형성하고, 압축기에 의해 압축시킨 제2냉매를 밀폐유로내에 순환시켜 제2냉매의 열을 중간열교환기에 의해 제1냉매로 부여하는 제2냉매회로를 구비하고, 상기 제1냉매는 HFC32/125(50/50), HFC32/125(25/75), HFC125, HFC23, CO2및 HFC32/134a(25/75)중의 하나이며, 상기 제2냉매는 HFC134a, HFC32/125(75/25), HFC32, 암모니아, 프로판 및 HFC32/134a(10/90) 중의 하나이며, 상기 제1냉매와 상기 제2냉매는 제1냉매의 압력손실이 제2냉매의 압력 손실보다도 작고, 또한 제2냉매의 열물성값으로부터 정해지는 이론성능계수(이론COP)가 제1냉매의 이론성능계수보다 큰 조합인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 HF125이며, 제2냉매는 HFC32인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 CO2이며, 제2냉매는 프로판인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 HFC32/125(50/50)이며, 제2냉매는 HFC134a인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체구동기는 토출구와 흡입구의 역전이 가능한 가역펌프인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유체구동기가 한 방향으로만 유체를 구동하는 펌프이며, 제1냉매회로는 이 펌프로부터 토출된 유체의 유로를 전환하는 4방향 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유체구동기는 압축기이며, 제1냉매회로는 이 압축기로부터 토출된 유체의 유로를 전환하는 4방향 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유체구동기가 한 방향으로만 유체를 구동하는 가스펌프이며, 제1냉매회로는 이 가스펌프로부터 토출된 유체를 가열하는 냉매가열기를 실외기에 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  9. 제1항에 있어서, 실외기의 제1냉매회로에 중간열교환기를 바이패스하는 바이패스유로를 접속하고, 이 바이패스유로에 제1냉매를 가열하는 냉매가열기를 설치하고, 유체구동기의 유체 구동방향에 있어서 제1냉매를 바이패스유로 및 중간열교환기 중 어느 한쪽으로 흐르게 하는 역류방지밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  10. 제1항에 있어서, 중간열교환기를 흐르는 제1냉매와 제2냉매의 흐름방향이 대향하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 HFC32/125(50/50)이며, 제2냉매는 암모니아인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 HFC32/134a(25/75)이며, 제2냉매는 HFC32/134a(10/90)인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1냉매는 HFC32/125(25/75)이며, 제2냉매는 HFC32/125(75/25)인 것을 특징으로 하는 공기조화장치.
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