KR100212676B1 - 히트펌프의 증발온도 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프의 증발온도 보상장치에 관한 것으로, 종래에는 일반적인 히트펌프의 난방사이클에서 외기의 온도에 따라 실외측의 냉매온도가 소정량만큼 떨어지게 되면, 실내측 냉매온도도 그만큼 하강하게 되어 결국 응축용 열교환기에서 토출되는 온풍의 온도가 적정온도인 40℃를 유지하기 어렵게 되고, 이 때문에 소비자가 제품에 대한 불만감을 유발하게 되는 것은 물론 별도로 보조 난방기구를 사용함에 따른 비용상승이 발생하게 되는 문제점이 있었던 바, 본 발명에서는 상기 증발기의 전방측에 보조열교환기를 설치하고, 그 보조열교환기가 실외측 냉매의 표준증발온도 이하에서만 상기 응축용 열교환기와 연통되어 그 응축용 열교환기의일부 냉매가 기존 모세관보다 짧은 보조 모세관을 통과하도록 함으로써, 압축기로 유입되는 냉매의 비체적을 상승시키는 것과 아울러 증발기내 냉매온도가 지나치게 떨어지는 것을 방지하여 항상 적정한 온풍을 공급할 수 있게 되어 소비자로 하여금 난방에 대해 만족감을 갖게 함은 물론 별도의 보조난방기구 사용을 배제하여 비용상승을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Description

히트펌프의 증발온도 보상장치

본 발명은 냉난방용 히트펌프의 냉동사이클에 관한 것으로, 특히 외기온도가 0℃이하로 떨어질 경우에 증발용 열교환기를 통과하는 냉매의 온도가 지나치게 하강하는 것을 방지하여 응축용 열교환기에서 발생되는 온풍의 온도가 적정온도를 유지하도록 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치에 관한 것이다.

일반적인 냉동사이클은 냉장고나 공기조화기 등에 적용되어 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 열을 방출하여, 식품을 신선하게 보관하기도 하고 실내를 냉/난방시켜 실내환경을 쾌적하게 유지하기도 한다.

이러한 냉동사이클은 저온저압의 기체상태인 냉매를 고온고압의 기체상태 냉매로 변화시키는 압축기와, 그 압축기에서 변화된 고온고압의 기체상태인 냉매를 고온고압의 액체상태의 냉매로 변화시키는 응축기(이하, 응축용 열교환기로 혼용함)와, 그 응축기에서 변화된 고온고압의 액체냉매를 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 모세관과, 그 모세관에서 변화된 저온저압의 액체상태인 냉매를 기체상태로 변화시키면서 외부의 열을 흡수하는 증발기(이하, 증발용 열교환기와 혼용함)로 구성되는데, 이때 상기 각 구성요소들은 냉매관으로 연결되어 있다.

상기의 냉동사이클을 응용하여 냉/난방을 겸할 수 있는 히트펌프의 냉동사이클은 도 1에 도시된 바와 같다.

즉, 히트펌프용 냉동사이클은 상기 압축기(1)의 출구에 4방향밸브(2)의 일측이 결합되고, 그 4방향밸브(2)의 다른 일측에 응축용 열교환기(3)가 연결되며, 그 응축용 열교환기(3)에 이어 모세관(4)으로 통칭되는 팽창기구가 연결되고, 그 모세관(4)에 이어 증발용 열교환기(5)가 연결되며, 그 증발용 열교환기(5)에 이어 상기 4방향밸브(2)의 또다른 일측에 결합되고, 그 4방향밸브(2)의 또다른 일측에는 어큐뮬레이터(1a)가 연결되며, 그 어큐뮬레이터(1a)는 압축기(1)의 입구에 연결되어 이루어진다.

도면중 미설명 부호인 3a는 실내팬(시로코팬), 5a는 실외팬(축류팬)이다.

상기와 같이 구성된 히트펌프용 냉동사이클에 있어서, 상기 4방향밸브(2)의 방향을 변환시키면서 응축용 열교환기(3)와 증발용 열교환기(5)의 역할을 바꿔 냉방용 또는 난방용으로 사용하게 된다.

즉, 상기 히트펌프용 냉동사이클이 냉방중일 경우에는 실내열교환기가 증발기의 역할을 하게 되는 반면에 난방중일 경우에는 상기 실내열교환기는 응축기의 역할을 하게 되는 것이다. 물론, 이때의 실외열교환기는 냉방중일 경우 응축기의 역할을 하게 되는 반면에 난방중일 경우 증발기의 역할을 하게 된다.

여기서, 상기 히트펌프용 냉동사이클이 난방용으로 사용되는 경우에 대한 냉매흐름의 순서는 다음과 같다.

먼저, 압축기의 작동에 따라 냉매가 압축기(1) - 4방향밸브(2) - 응축기(3) - 모세관(4) - 증발기(5) - 4방향밸브(2) - 어큐뮬레이터(1a) - 압축기(1)의 순서를 거치면서 진행되어 응축기(3)에서 열교환되는 더운공기를 실내측 시로코팬(3a)이 실내로 토출시켜 난방상태를 유지하게 되는 것이었다.

이때, 실내로 토출되는 온풍의 온도가 적정온도인 40℃를 유지하기 위하여는 실내측 응축온도(응축기내의 냉매온도)는 45℃정도를 유지하여야 하고, 실외측 증발온도(증발기내의 냉매온도)는 1℃정도를 유지하여야 한다.

그러나, 일반적인 히트펌프의 난방사이클에서 외기의 온도에 따라 실외측의 냉매온도가 소정량만큼 떨어지게 되면, 실내측 냉매온도도 그만큼 하강하게 되어 결국 응축용 열교환기에서 토출되는 온풍의 온도가 적정온도인 40℃를 유지하기 어렵게 되는 문제점이 있었다. 즉, 외기의 온도가 0℃이하로 떨어지게 되면, 상기 증발용 열교환기(5)내 냉매의 증발온도가 -5℃이하로 떨어지게 됨에 따라 응축용 열교환기(3)내 냉매의 응축온도도 41℃정도로 하강하게 되고, 이에 따라 실내로 토출되는 온풍의 온도가 40℃이하가 되어 소비자로 하여금 난방에 대한 불만감을 유발하게 되는 것은 물론 별도로 보조 난방기구를 사용함에 따른 비용상승이 발생하게 되는 것이었다.

따라서, 본 발명은 종래의 난방사이클이 가지는 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 증발기내 냉매의 증발온도가 지나치게 하강하는 것을 방지하여 응축기내 냉매의 응축온도가 항상 적정온도를 유지하도록 함으로써, 소비자로 하여금 난방에 대해 갖는 불만감을 해소함은 물론 별도의 보조 난방기구의 사용을 배제하여 소비자의 비용상승을 제거할 수 있는 히트펌프의 증발온도 보상장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 히트펌프의 난방시 냉동사이클을 보인 개략도.

도 2는 본 발명 히트펌프의 난방시 냉동사이클을 보인 개략도.

도 3은 본 발명 히트펌프에 있어서, 증발용 열교환기에서의 냉매흐름을 보인 개략도.

도 4는 본 발명 히트펌프에 있어서, 증발용 열교환기에서의 공기흐름과 냉매의 온도변화를 설명하기 위해 보인 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 압축기 12 : 4방향밸브

13 : 응축용 열교환기 14 : 모세관

15 : 증발용 열교환기 21 : 바이패스관

21a : 온/오프밸브 21b : 보조 모세관

22 : 증발용 보조 모세관

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축기에 이어 4방향밸브의 일측이 연통되고, 그 4방향밸브의 다른 일측이 응축용 열교환기와 연통되며, 그 응축용 열교환기에 이어 모세관이 연통되고, 그 모세관에 이어 증발용 열교환기가 연통되며, 그 증발용 열교환기에 이어 상기 4방향밸브의 또다른 일측이 연통되고, 그 4방향밸브의 또다른 일측에 이어 어큐뮬레이터를 통해 압축기가 다시 연통되는 냉난방용 히트펌프의 냉동사이클에 있어서, 상기 증발용 열교환기의 입구측에 연통되는 증발용 보조열교환기가 설치되고, 그 증발용 보조열교환기와 응축용 열교환기의 사이에는 외기의 온도가 소정온도 이하에서만 개방되는 바이패스관이 설치되는 한편 그 바이패스관의 중간부에는 냉매의 과팽창을 방지하도록 상기 모세관보다 직경은 작지 않고 길이는 짧은 보조 모세관이 개재됨을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 히트펌프의 증발온도 보상장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2은 본 발명에 의한 히트펌프의 냉동사이클을 보인 개략도로서 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 난방사이클은 압축기(11) 출구에 4방향밸브(12)의 일측이 연통되고, 그 4방향밸브(12)의 다른 일측에는 응축용 열교환기(13) 입구가 연통되며, 그 응축용 열교환기(13)의 출구에는 모세관(14) 입구가 연통되고, 그 모세관(14)의 출구와 증발용 열교환기(15) 입구가 연통되며, 그 증발용 열교환기(이하, 증발용 보조열교환기와 구분하기 용이하도록 기존의 증발용 열교환기는 증발기로 통칭함)(15) 출구와 상기 4방향밸브(12)의 또다른 일측을 통해 압축기(11) 입구가 다시 연통되는데, 여기서 상기 응축용 열교환기(13)의 출구에는 별도의 바이패스관(21)이 연통되고, 그 바이패스관(21)은 상기 증발기(15)의 입구측에 연통되는 증발용 보조열교환기(22)에 연통된다.

또한, 상기 바이패스관(21) 상에는 실외측 증발온도가 0℃이하에서만 개방되는 고온풍용 온/오프 밸브(21a) 및 그 온/오프 밸브(21a)의 개방시 유입되는 냉매의 증발온도를 소정온도로 상승시키기 위한 보조 모세관(21b)이 장착된다.

상기 보조 모세관(21b)은 상기 모세관(14)의 직경보다 작지 않고 길이는 상대적으로 짧게 형성되는 것이 냉매의 과팽창을 방지하므로 바람직하다.

여기서, 상기 증발용 보조열교환기(22)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증발기(15)의 전방측, 즉 실외팬(15a)에 의해 외부공기가 먼저 접촉되는 측면의 일부를 구획하여 설치하는 것으로, 보다 상세하게는 보조 모세관(21b)의 출구와 보조열교환기(22)의 입구를 연통시키고, 그 보조열교환기(22)의 출구를 상기 모세관(14)의 출구와 연통되는 냉매관에 연결하며, 그 냉매관은 상기 보조열교환기(22)와 분리되는 증발기(15)의 입구에 연통시키고, 그 증발기(15)의 출구는 통상의 어큐뮬레이터(11a)를 통해 압축기(11)의 입구에 연통시킨다. 이때, 상기 보조열교환기(22)는 외부공기와 충분히 열교환되도록 증발기(15)와 소정간격을 두고 설치되는 것이 바람직하다.

도면중 미설명 부호인 13a는 실내팬(시로코팬)이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 히트펌프의 냉동사이클이 난방으로 이용되는 경우에 그 일반적인 냉동사이클, 즉 압축기(11)에서 고온고압으로 압축된 기체상의 냉매가 응축용 열교환기(13)로 유입되어 고온고압의 액체상으로 변환되고, 그 고온고압의 냉매가 모세관(14)을 거치면서 팽창되어 증발용 열교환기(15)에서 기체상으로 재변환되며, 그 증발용 열교환기(15)의 출구를 거친 냉매는 어큐뮬레이터(11a)를 통해 다시 압축기(11)로 유입되어 재압축되는데, 이때 상기 응축용 열교환기(13)의 열교환시 실내팬(횡류팬)(13a)에 의해 더운공기가 실내로 토출되는 과정은 종래와 동일하므로 구체적인 동작설명은 생략한다.

다만, 본 발명에 의한 난방사이클은 실외측 온도가 0℃이하로 떨어지게 되면, 상기 온/오프 밸브(21a)가 개방되어 응축용 열교환기(13)의 출구에서 약 45℃의 온도로 분출되는 냉매의 일부가 바이패스관(21)으로 유입되고, 그 바이패스관(21)으로 유입되는 냉매는 모세관(14) 길이보다 짧은 보조 모세관(21b)을 거쳐 약 10℃를 유지하면서 팽창되어 보조열교환기(22)로 유출되며, 그 보조열교환기(22)로 유입되는 냉매는 소정의 증발작용을 거치면서 기체로 변환된 후에 냉매관으로 유츌된다.

이때, 상기 응축용 열교환기(13)에서 냉매관으로 유입된 냉매의 일부는 외기의 온도가 0℃이하가 되면 약 -5℃이하로 급격하게 하강하면서 모세관(14)을 거쳐 팽창되는데, 이 냉매관을 흐르는 냉매가 상기 바이패스관을 통과한 상대적으로 고온인 냉매와 합쳐지면서 증발기(15)를 거쳐 압축기(11)로 흘러들게 되는 것이다.

이로써, 상기 응축용 열교환기(13)와 증발용 열교환기(15)가 기존의 냉매관만으로 연결되었을 때 보다 상대적으로 많은 양의 냉매가 압축기(11)로 재유입되어 압축되므로, 압축되는 냉매의 온도가 상승하게 되어 응축용 열교환기(13)에서 실내로 뿜어지는 온풍의 온도를 적정온도로 유지할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 압축기로 유입되는 냉매의 비체적을 상승시킴으로써 응축용 열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 상승시키는 효과 외에도 다음과 같은 효과가 발생한다.

즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 실외팬(15a)의 작동에 의해 외부의 공기가 도면의 좌측에서 우측으로 흐를 경우에, 보조열교환기(22)를 통과하는 냉매의 온도가 약 10℃가 되므로, 그 냉매가 약 0℃의 공기와 열교환되어 공기를 약 3℃정도로 상승시키게 되고, 그 공기가 증발기(15)의 냉매와 다시 열교환되어 상기 증발기(15)를 흐르는 냉매의 온도를 약 -1℃까지 상승시키게 된다. 이때, 냉동사이클 내에서의 압력차는 거의 변하지 않게 되므로 응축용 열교환기(13)로 유입되는 냉매의 온도가 적정난방 가능온도인 45℃를 근접되게 유지된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 히트펌프의 증발온도 보상장치는, 상기 증발기의 전방측에 보조열교환기를 설치하고, 그 보조열교환기가 실외측 냉매의 표준증발온도 이하에서만 상기 응축용 열교환기와 연통되어 그 응축용 열교환기의일부 냉매가 기존 모세관보다 짧은 보조 모세관을 통과하도록 함으로써, 압축기로 유입되는 냉매의 비체적을 상승시키는 것과 아울러 증발기내 냉매온도가 지나치게 떨어지는 것을 방지하여 항상 적정한 온풍을 공급할 수 있게 되어 소비자로 하여금 난방에 대해 만족감을 갖게 함은 물론 별도의 보조난방기구 사용을 배제하여 비용상승을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 압축기에 이어 4방향밸브의 일측이 연통되고, 그 4방향밸브의 다른 일측이 응축용 열교환기와 연통되며, 그 응축용 열교환기에 이어 모세관이 연통되고, 그 모세관에 이어 증발용 열교환기가 연통되며, 그 증발용 열교환기에 이어 상기 4방향밸브의 또다른 일측이 연통되고, 그 4방향밸브의 또다른 일측에 이어 어큐뮬레이터를 통해 압축기가 다시 연통되는 냉난방용 히트펌프의 냉동사이클에 있어서, 상기 증발용 열교환기의 입구측에 연통되는 증발용 보조열교환기가 설치되고, 그 증발용 보조열교환기와 응축용 열교환기의 사이에는 외기의 온도가 소정온도 이하에서만 개방되는 바이패스관이 설치되는 한편 그 바이패스관의 중간부에는 냉매의 과팽창을 방지하도록 상기 모세관보다 직경은 작지 않고 길이는 짧은 보조 모세관이 개재됨을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 바이패스관의 입구부에는 0℃이하에서만 개방되는 온/오프 밸브가 장착됨을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.

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