KR100222625B1 - 공기 조화 시스템용 고 잠열 냉매 제어 회로 - Google Patents

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Abstract

압축-팽창 공기 조화 시스템용 고 잠열 냉각 제어 조립체는 실내 공기 증발기 코일의 빠져나가는 공기 쪽에 배치된 보조 냉각기 코일을 채택한다. 액체 라인 분기관은 응축기로부터 보조 냉각기 코일로 응축된 액체를 공급하며, TXV일 수 있는 유동 제한기는 냉매가 증발기 코일과 결합된 팽창 장치에 도달하기 전에 보조 냉각된 액체 압력을 강하시킨다. 바이패스 라인은 응축기를 팽창 장치에 연결하며, 자동 습도 조절기에 의해 작동되는 액체 라인 솔레노이드 밸브를 갖는다. 제습이 요구될 때, 솔레노이드 밸브는 폐쇄되고 냉매는 보조 냉각기 코일을 통해 유동한다. 자동 습도 조절기가 만족된 때, 솔레노이드 밸브는 개방되고 냉매 경로는 보조 냉각기 코일을 바이패스한다. 고 잠열 보조 냉각기 조립체는 특정 부지에 설치되거나 기존의 공기 조화기에 개장될 수 있다.

Description

공기 조화 시스템용 고 잠열 냉매 제어 회로
본 발명은 압축/팽창 냉동에 관한 것으로, 특히 상대 습도를 감소시키기 위해, 즉 실내 공기 증발기를 떠나는 공기에서 잠열 냉각량을 증가시키기 위해 보조 냉각기(sub-cooler)가 채택된 공기 조화 시스템에 관한 것이다.
1유체 2상(single-fluid two-phase) 공기 조화 및 냉동 시스템은 통상적으로 2상 작동 유체를 저온 저압 증기로서 수용하고 이를 고온 고압 증기로서 토출하는 압축기를 채택한다. 그리고 나서, 작동 유체는 실외 응축기 코일 또는 열교환기에 이르고, 여기에서 작동 유체로부터 압축열이 실외 공기로 방출되어 작동 유체가 증기로부터 액체로 응축된다. 그리고 나서, 고압 액체는 팽창 장치, 예컨대 고정형 또는 조절형 팽창 밸브 또는 감압 오리피스를 통과하여 저압 상태로 실내 증발기 코일 내로 들어간다. 이러한 상태에서, 작동 유체는 [액상(liquid phase) 및 기상(vapor-phase)을 모두 포함하는] 2상 유체이며, 실내 쾌적 공간의 공기로부터 열을 흡수하여 액상이 기상으로 변환되게 한다. 이러한 것은 사이클을 완성하며, 증기는 압축기의 흡입측으로 귀환한다.
더운 실내 공기가 증발기 코일을 통과할 때, 실내 공기는 차가운 증발기 코일에 열을 빼앗기게 되므로 온도가 하강한다. 공기 온도가 노점(dewpoint)으로 또는 그 이하로 감소될 때, 습기는 증발기 코일에서 응축되어 실내 공기로부터 제거된다. 증발기 코일을 떠나는 공기의 실제 온도는 감소되고[즉, 감열 냉각(sensible cooling)], 공기는 습기가 제거된다[즉, 잠열 냉각(latent cooling)]. 잠열 냉각량 또는 제습량(amount of dehumidification)은 실내 공기 내의 습기가 공기로부터 분리되어 증발기 코일 상에서 응축되는가의 여부에 의존한다.
실내 공기 내의 수증기의 응축은 증발기 코일 온도가 증발기 코일을 통과하는 공기의 노점 이하인 경우에만 발생하며, 노점은 수분이 공기 내에서 응축하는 온도이다.
실내 공기의 질에 대한 현재의 표준은 점유 공간 내에서의 습도 제어의 필요성을 강조한다. 높은 습도는 병원성 유기체 또는 알레르기성 유기체의 성장에 있어서 주요 영향 인자로서 여겨져 왔다. 양호하게는, 점유 공간 내의 상대 습도는 30% 내지 60 %에서 유지되어야 한다. 인간의 안락성 및 건강에 대한 역효과 외에도, 높은 습도는 많은 제조 공정에서 제품 품질을 불량하게 할 수 있으며, 슈퍼마켓의 개방된 냉동기에서처럼 많은 냉동 시스템이 비효율적 이게 할 수도 있다. 또한, 높은 습도는 귀중한 예술 작품, 도서관 서적 또는 기록 문서를 파괴할 수도 있다.
고온 다습 조건에서, 전술한 바와 같은 종래의 공기 조화기는 공기를 노점으로 냉각시키기 위해(감열 냉각) 공기 조화기의 냉각 용량의 대부분을 사용하여야 하고, 극히 적은 나머지 용량만이 제습(잠열 냉각)을 위해 사용된다.
고온 다습 환경에서 대량의 습기를 제거하려는 이러한 문제점에 대한 종래의 시도는 자동 온도 조절기(thermostat) 설정치를 낮추고 공기를 과냉각하는 것에 의해 공기 조화기를 장시간 운전시켰다. 물론, 이러한 것은 공기 조화기가 보다 오랫동안 운전되어야 하며, 보다 많은 에너지를 소비할 것이라는 것을 의미한다. 게다가, 이러한 실제적 사용은 실내 쾌적 공간 내의 사람에게 불쾌할 정도로 차가운 공기를 송풍하게 한다. 필연적으로, 과냉각은 증발기 코일의 온도를 낮춰 코일에 더욱 많은 응축수가 생성되게 한다. 그러나, 이는 인간이 안락감을 느끼기에는 너무 차가운 공기를 공급한다. 실내 공기를 안락한 온도로 복원시키기 위하여, 때때로 실내 공기가 쾌적 공간 내로 귀환하기 전에, 떠나는 공급 공기를 재가열하는 것이 일상적이다. 실내 공기 온도는, 과냉각된 공기의 온도를 상승시키도록(그리고 상대 습도를 감소시키도록), 압축기로부터의 고온 압축 증기를 운반하는 코일 또는 가열 요소를 사용하여 안락한 레벨로 상승된다. 가열 요소 또는 고온 증기 코일의 경우에, 보다 많은 에너지가 요구된다.
저렴한 에너지 비용으로 공기 조화 시스템의 잠열 냉각을 증가시키는 최근의 한 가지 제안은 열파이프(heat pipe)였다. 열파이프는 열전달제(통상적으로는 R-22등의 냉매)를 포함하는 상호 연결된 열교환기 코일의 간단한 수동 배열(passive arrangement)의 것이다. 열파이프 시스템은 공기 조화 시스템의 제습 용량을 증가시키고, 전술한 과냉/재가열 실제예에 비하여 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 열파이프 시스템은 에너지 입력을 요구하지 않고도 일 지점으로부터 다른 지점으로 열을 전달할 수 있기 때문에 관심을 끈다. 열파이프의 하나의 열교환기는 증발기로 유입되는 따뜻한 공기 내에 배치되고, 다른 열교환기는 증발기를 떠나는 차가운 공기 내에 배치된다. 유입되는 공기는 열파이프 시스템의 공기 유입측 열교환기 내의 냉매를 데우며, 냉매 증기는 공기 유출측 열교환기로 이동하며, 공기 유출측 열교환기에서 냉매 증기는 공기 유출측 열교환기를 떠나는 유출 공기에 열을 전달하고 응축된다. 그리고 나서, 응축된 냉매는 중력 또는 모세관 작용에 의해 공기 유입측 열교환기로 다시 재순환하여 사이클을 계속한다.
공기 조화기 내에 설비된 열파이프 시스템은 양호하고 쾌적한 자동 온도 조절 설정 치에서 감열 냉각을 유지하면서 잠열 냉각량을 증가시킬 수 있다. 습기 제거의 필요성이 크거나 상대 습도를 어떤 값 이하로 유지하는 것이 중요한 환경에서, 표준형 공기 조화 시스템은 고온 다습 부하를 효과적으로 처리할 수 없다. 그러나, 열파이프식 개량형 공기 조화 시스템은 유입 공기가 공기 조화기의 증발기 코일에 도달하기 전에 유입 공기를 냉각시킨다. 공기 유입측 열파이프 열교환기는 유입 공기를 예비 냉각시켜, 증발기 코일에 대해 요구되는 감열 냉각이 감소되도록 하여서 잠열 냉각 또는 제습용으로 큰 용량을 남겨 두게 한다. 요구 온도보다 더욱 냉각되어 증발기를 떠나는 실내 공급 공기는 공기 유출측 열파이프 열교환기 내에서 증기를 응축시키며, 이는 공급 공기 온도를 요구되는 쾌적 온도로 다시 복귀시킨다.
열파이프 설비는 수동성(passivity) 및 간단함 등의 어떠한 이점을 갖기는 하지만 단점도 갖는다. 예컨대, 제습이 없이 감열 냉각의 증가가 요구되는 경우에도, 열파이프는 항상 회로 내에 존재하며 간단하게 오프될 수 없다. 게다가, 증발기 코일 이외에도 2개의 열파이프 열교환기 코일이 실내 공기 경로에 있기 때문에, 실내 공기 유동이 상당히 제한될 수 있다. 또한, 증발기와 동일한 캐비닛 내에 2개의 추가 코일을 수용시키기 위하여 기존의 공기 조화기를 새롭게 개장하기가 곤란할 수 있으며, 열파이프를 수용시키기 위하여 종종 상당량의 장비가 재배치되어야 하고 캐비닛이 커져야 한다.
본 발명의 목적은 공기 조화기의 잠열 냉각 용량을 증가시키기 위하여 제어 가능 기구를 갖는 공기 조화 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허 청구의 범위의 전제부에 따른 장치에 있어서, 특허 청구의 범위의 특징부에 기재된 특징에 의해 성취된다.
제1도는 종래 기술에 따른 열파이프식 개량을 채택한 공기 조화 시스템의 개략도.
제2도는 본 발명의 실시예에 따라 보조 냉각기를 채택한 공기 조화 시스템의 개략도.
제3도는 본 발명의 실시예와 관련하여 채택된 자동 온도 조절 제어 회로의 선도.
제4도는 상기 실시예의 작동을 설명하는 압력-엔탈피 선도.
제5도는 본 발명의 다른 실시예와 관련하여 채택된 자동 온도 조절 제어 회로의 선도.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 보조 냉각기를 채택한 공기 조화 시스템의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 압축기 16 : 응축기 열교환기
20 : 팽창 장치 22 : 증발기 코일 또는 열교환기
30 : 연료 분사 장치 40 : 보조 냉각기 조립체
44 : 보조 냉각기 열교환기 코일 48 : 유동 제한기
52 : 액체 라인 솔레노이드 밸브 54 : 저압 스위치
본 발명의 일 태양에 따르면, 보조 냉각기 열교환기가 실내 증발기 코일의 공기 유출측에 배치된다. 보조 냉각기 열교환기는 응축기 열교환기의 출구측에 연결된 입구를 가져, 고압 액체 냉매가 보조 냉각기 열교환기로 유동하도록 한다. 보조 냉각기 열교환기는 유동 제한 장치를 통해 그리고 팽창 장치를 통해 증발기 코일에 연결된 출구도 갖는다. 바이패스 액체 라인은 팽창 장치에 의해 응축기를 증발기 코일에 직접 연결하며, 바이패스 액체 라인 내에 액체 라인 솔레노이드 밸브가 개재된다. 정상적인 냉각이 요구될 때(즉, 제습이 불필요한 때), 액체 라인 솔레노이드 밸브는 개방되고, 냉매는 보조 냉각기를 우회하게 된다. 그러나, 냉각 및 제습이 모두 요구될 때, 예컨대 자동 습도 조절기가 상대 습도가 높다는 신호를 발신할때, 솔레노이드 밸브는 폐쇄되고 액체 냉매는 보조 냉각기를 경유하게 된다. 이러한 경우에, 이러한 것은 차가운 유출 공기에서 액체 냉매를 보조적으로 냉각시키는 효과를 가지며, 이는 냉매 냉각 용량을 증가시킨다. 그리고 나서, 보조 냉각된 냉매는 증발기로 공급되고, 증발기는 실내 공기를 요구되는 습구 온도로 냉각하고 상기 온도에서 수분을 응축시킨다. 그리고 나서, 유출 공기는 보조 냉각기를 통과하며, 보조 냉각기는 유출 실내 공기 또는 공급 공기가 요구되는 실내 쾌적 온도로 되게 한다.
보조 냉각기가 회로 내에 있을 때, 보조 냉각기를 빠져나가는 보조 냉각된 액체용의 유동 제한 장치를 가로질러 제1압력 강하가 있으며, 증발기 코일로 들어 가는 액체용의 팽창 장치를 가로질러 제2압력 강하가 있다. 솔레노이드 밸브가 액체 냉매를 보조 냉각기 주위에서 바이패스시키도록 작동될 때, 유동 제한 장치는 보조 냉각된 액체에 대해 훨씬 큰 유동 저항 경로를 생성하여, 대부분의 액체 냉매가 응축기로부터 팽창 장치를 통해 증발기 코일로 직접 유동하게 한다. 양호하게는, 솔레노이드 밸브는 고장의 경우에 유체 유동이 바이패스 모드에 있도록 구성된다. 솔레노이드 밸브는 라인 전력이 공급(예컨대, 120 V.A.C.)되거나 자동 온도 조절기에 의해 전력이 공급(예컨대, 24 V.A.C.)된다.
공기 조화 장치는 냉각 설정 온도가 도달되거나 초과된 때에는 언제나 압축기를 작동시키도록 신호를 공급하는 냉각 도선을 갖는 자동 온도 조절기에 의해 제어된다. 본 발명의 실시예에서, 습도 제어 라인은 자동 온도 조절기 냉각 도선에 연결되고, 액체 라인 솔레노이드 밸브와 직렬 연결된 또는 솔레노이드 밸브를 작동시키는 제어 릴레이와 직렬 연결된 자동 습도 조절기를 포함한다. 습도 제어 도선은 증발기에서의 서리 또는 얼음의 생성을 나타내는 압축기 흡입측에서 의 저압 조건을 검출하도록 압축기의 흡입측과 유체 연통되어 있는 저압 스위치를 가질 수 있다.
공기 조화기는 더욱 높은 제2설정치에 도달된 때 제2냉각 도선에 통전되는 2단계 자동 온도 조절기를 가질 수 있다. 가능한 실시예에서, 습도 감소를 위한 제어는 습도 제어 라인과 직렬로 연결된 전력선을 갖고 제2냉각 도선에 연결된 제어 릴레이를 포함할 수 있다. 다른 가능한 실시예에서, 공기 조화기는 2개의 별개의 공기 조화 시스템을 포함할 수 있는데, 각각의 공기 조화 시스템은 압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기 및 보조 냉각기를 가지며, 하나의 공기 조화 시스템은 제1냉각 도선에 의해 작동되고 다른 하나의 공기 조화 시스템은 제2냉각 도선에 의해 작동된다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 많은 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 선택된 양호한 실시예의 이하의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
먼저, 제1도를 참조하면, 공기 조화 시스템(10)은 실내 쾌적 공간에 공기 조화 및 제습을 제공하도록 구성된다. 당해 기술 분야에서 당업자에게 공지된 몇몇 수정에 의해, 공기 조화 시스템(10)은 실내 쾌적 공간을 난방하고 온수를 제공하는 열파이프로서 구성될 수도 있다. 이러한 공기 조화 시스템(10)에서, 압축기(12)는 흡입 포트(S)에서 저압의 냉매 증기를 받아들여 토출 포트 또는 압력 포트(D)로부터 고압의 냉매 증기를 토출한다. 압축된 냉매 증기는 압축기로부터 압력 라인(14)을 따라 실외 응축기 열교환기(16)로 진행한다. 응축기에서, 냉매 증기는 열을 실외 공기로 방출하고, 액체로 응축된다. 응축기 열교환기(16)로부터, 고압의 액체 냉매는 액체 라인(18)을 따라 팽창 장치(20)로 이동하고 나서 실내 공기 냉각 코일 또는 증발기 열교환기(22)로 이동한다. 팽창 장치는 냉매를 저압의 2상(액체 및 증기) 유체로서 증발기(22)로 전달하는 임의의 적당한 교축 장치일 수 있다. 하나의 양호한 실시예에서, 팽창 장치(20)는 증발기(22)로의 입구 내로 끼워진 한 쌍의 이격된 오리피스 판[예컨대, 소위 "딕시 컵(Dixie cups)"]일 수 있다. 증발기 열교환기는, 코일을 지나 건물의 실내 쾌적 공간으로 귀환되는 실내 공기 기류(24)로부터 냉매가 열을 흡수하는 코일이다. 증기 라인(26)은 증발기 열교환기(22)로부터 압축기의 흡입 포트(S)로 다시 증기를 운반하고, 이때 압축-응축-팽창-증발 사이클이 반복된다.
제1도의 공기 조화 시스템에서, 제습은 종래 기술에 따른 열파이프 설비(30)를 사용하여 성취된다. 열파이프 설비는 냉각 코일 또는 증발기 열교환기(22)와 결합되고, 한 쌍의 열교환기 코일 및 상호 연결 배관을 포함하며, 유입 공기 코일(32)은 증발기 코일(22)의 유입측 또는 귀환측에서 실내 공기 기류(24)에 배치되고, 유출 공기 코일(34)은 코일(22)의 유출 공기측 또는 공급측에 배치된다. 상호 연결 배관(36)은 2개의 코일(32, 34) 사이에서 작동 유체(통상적으로, 냉매)를 전달한다. 열파이프 설비(30)는 비교적 습도가 높은 유입 실내 공기로부터 열을 흡수하여 증발기 코일(22)로부터 냉각 부하 일부를 제거하며, 열을 유출 공기에 전달한다. 예컨대, 공기 기류(24) 내의 유입 실내 공기는 온도가 25.6℃(78℉)일 수 있고 열파이프 코일(32)은 유입 공기의 감열 온도를 약 20.6℃(69℉)로 감소시킨다. 이는 유입 공기 건구 온도를 낮추고, 유입 공기가 노점에 더욱 근접하게 되도록 한다. 증발기 열교환기(22)는 공기 기류를 9.4℃(49℉)까지 냉각시켜 수분을 응축시키며, 응축수를(도시되지 않은) 물받이 내에서 수집한다. 그리고 나서, 과냉각된 유출 공기는 열파이프 코일(34)을 통과하고, 공기의 감열 온도는 더욱 쾌적한 레벨, 예컨대 15℃(59℉)로 복원된다. 습구 온도는 9.4℃(49℉)에서 유지되어, 실내 공기 상대 습도가 열파이프 설비(30) 없이 성취되었던 것 이하로 감소되게 한다.
본 명세서에서 설명된 열파이프 설비(30)는 간단함, 이동 부품이 불필요함, 저렴함, 보수 필요성이 낮음 등의 유리한 특징을 갖는다. 열파이프 조립체는 기존의 장비에 개장될 수 있지만, 대부분의 경우에 있어서 코일(32, 34)을 제공된 기존 장비 공간 내로 맞춰 넣기 위하여 몇몇 장비 수정이 필요하다. 한편, 열파이프 설비는 항상 라인 내에 존재하며, 예컨대 추가의 감열 냉각이 요구되지만 제습이 필요치 않거나 중요하지 않은 경우에 오프 상태로 절환될 수 없다. 열파이프 설비와 관련된 전기식 또는 기계식 제어가 존재하지 않는다. 또한, 몇몇 조건에서, 수분 응축은 실제적으로 유입 공기 열파이프 코일(32)에서 발생하여 응축수가 장비 캐비닛 내로 떨어지게 한다. 실내 공기 기류가 3개의 코일, 즉 증발기 코일(22) 외에도 열파이프 코일(32, 34)을 통과하여야 하므로 실내 공기 팬 부하를 증가시킨다는 것은 명백하다.
본 발명은 열파이프 시스템에 수반하는 문제점을 다루며, 공기 조화 시스템이 필요시 추가적으로 습기를 제거할 수 있게 할뿐만 아니라 습도 제어가 덜 중요한 경우에 표준 잠열 냉각량, 즉 더욱 많은 감열 냉각을 성취할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템이 제2도에 도시되어 있으며, 제1도와 관련하여 앞서 설명된 요소 또는 부품은 동일한 참조 부호로 나타나 있다. 따라서, 기본적인 공기 조화 시스템의 상세한 설명을 반복할 필요는 없을 것이다. 본 실시예에서, 열파이프 설비라기 보다는, 공기 조화 시스템은 증발기(22)로부터의 유출 실내 공기에서 액체 냉매를 보조 냉각하는 보조 냉각기 조립체(40)를 포함한다. 증발기 코일(22)의 유출측에서 의 실내 공기 기류(24) 내에 위치되는 보조 냉각기 열교환기 코일(44)에 냉매를 공급하는 보조 냉각기 분기 라인(42)은 고압 액체 라인(18)에 연결된다. 보조 냉각기 열교환기 코일(44)은 응축된 액체 냉매를 냉각하고 보조 냉각된 액체를 보조 냉각기 액체 라인(46)을 통해 증발기로 공급한다. 보조 냉각기 액체 라인(46)은 본 경우에서는 고정형 유동 제한기인 유동 제한기(48)를 포함한다. 보조 냉각된 액체는 유동 제한기(48) 및 팽창 장치(20)를 직렬로 통과하여 2상 유체로서 증발기 코일(22)로 들어간다. 유동 제한기의 하나의 가능한 예가 혼놀드, 주니어(Honnold, Jr.)의 미국 특허 제3,877,248호에 기재되어 있지만, 많은 다른 유동 제한 장치가 이러한 목적을 위하여 채택될 수 있다. 이러한 고정형 유동 제한기는 소위 작동기(actuator)일 수 있으며, 작동기는 소정 직경의 관통 구멍을 갖고 대략 길이가 1.2cm(1/2in)인 기계 가공된 황동 슬러그(slug)이다. 구멍 직경은 주어진 작동 조건에 대응하는 압력 강하 및 주어진 냉매와 부합하도록 선택된다. 작동기 본체는 주어진 공기 조화 설치를 위한 통상의 작동 조건과 부합하도록 상호 교환될 수 있다. 작동기는 팽창 장치(20)에 도달한 냉매가 2상 유체가 아닌 액체가 되게 하기에 충분한 잔류 압력을 갖도록 하여야 한다. 액체 바이패스 라인(50)은 액체 라인(18)을 팽창 장치(20) 및 증발기 코일(22)에 연결하여, 보조 냉각기 열교환기 코일(44) 및 유동 제한기(48)를 바이패스시킨다. 바이패스 라인(50) 내에는 액체 라인 솔레노이드 밸브(52)가 있으며, 솔레노이드 밸브(52)는 제습(부가적인 잠열 냉각)이 요구될 때 바이패스 라인을 폐쇄하고 정상적인 냉각이 요구될 때 바이패스 라인을 개방하도록 제어된다. 고정형 유동 제한기는 순수한 압력 강하를 일으켜, 냉매 액체가 기존의 팽창 장치(20)에 대해 허용될 수 있는 압력으로 하강하게 한다. 이는 보조 냉각기 조립체(40)가 기존의 시스템(10)에 물리적인 영향을 적게 주면서 "필요시 통과되는(drop-in)" 개량부 또는 부속품으로서 제공될 수 있게 한다. 바이패스 라인(50) 및 솔레노이드 밸브(52)는 보조 냉각기 둘레에서 냉매 액체의 경로를 만들기 위해 사용되어 보조 냉각기 조립체(40)가 회로의 "내부" 또는 "외부"에 있을 수 있게 한다. 액체 라인 솔레노이드 밸브(52)가 개방된다면, 보조 냉각기 코일(44)은 효과적으로 회로 외부에 있게 된다. 냉매 유동은 바이패스 라인(50)을 따른 최소 저항 경로를 취하며, 유동 제한기(48)는 보조 냉각기 코일(44)을 통한 유동을 문제시되지 않는 레벨로 유지하는 저항을 생성한다. 한편, 솔레노이드 밸브(52)가 폐쇄된 때, 모든 액체 냉매는 보조 냉각기 코일(44)을 통한 경로를 따른다. 보조 냉각기 코일이 회로의 외부에 있도록 바이패스 솔레노이드 밸브(52)를 개방시키는 것은 잠열 냉각 효과가 부가됨이 없이 시스템이 완전한 감열 냉각 효과에 도달할 수 있게 한다. 그리고 나서, 바이패스 액체 라인 솔레노이드 밸브(52)가 폐쇄되고, 냉매는 보조 냉각기 코일(1)을 통해 유동하며, 증발기 코일(22) 및 보조 냉각기 코일(44)은 완전한 제습 효과를 제공한다.
보조 냉각기 조립체(40)가 회로 내에 있을 때, 보조 냉각기 코일(1)은 증발기 코일(22)을 떠나는 공기를 데우며, 응축기 코일(16)로부터 공급되는 액체 냉매를 보조 냉각시킨다. 보조 냉각된 냉매 액체는 유동 제한기(48)에 의해 강하된 압력을 가지고 나서 교축 장치 또는 팽창 장치(20)를 통과하고, 증발기 또는 냉각 코일(22)로 들어간다. 실내 공기 기류는 적당히 낮은 온도, 예컨대 앞서 설명된 9.4℃(49℉)로 냉각되고, 수분은 실내 공기로부터 응축된다. 그리고 나서, 보조 냉각기 코일(44)은 유출되는 공기를 데워서 감열 온도가 쾌적 레벨, 예컨대 15℃(59℉)로 다시 되도록 한다.
공기 조화 시스템(10)은 증발기가 동결되는 것을 방지하기 위하여 증기 귀환 라인(26)에 작동 연결되고 압축기 흡입 압력이 너무 낮은 경우에 이를 감지하는 압축기 저압 스위치(54)도 채택한다.
고 잠열(high latent) 냉매 제어를 위한 자동 온도 조절기 제어 설비를 제3도를 참조하여 설명하기로 한다. 건물 쾌적 공간 내에 위치된 자동 온도 조절기 장치(60)는 24 V.A.C. 변압기 전압을 제공하는 변압기(62)와 관련하여 사용된다. 120 V.A.C.의 라인 전압도 이용될 수 있으며, 이는 변압기(62)에 전력을 공급한다. 자동 온도 조절기는 변압기(62)로의 귀환 도선(R)과, (도시되지 않은) 실내 팬 릴레이로의 팬 도선(G)과, 압축기 및(도시되지 않은) 실외 팬 접촉자를 제어하는 냉각 도선(Y1)을 구비하며, 냉각 도선(Y1)은 설정된 냉각 설정치에 도달되거나 초과되어 냉각이 요구되는 경우에 압축기(12)를 작동시킨다. 습도 제어 라인(64)은 냉각 도선(Y1)에 접속되고, 저압 스위치(LPS, 54) 및 쾌적 공간 내에 배치된 벽 장착식 자동 습도 조절기(HU, 66)를 직렬로 연결한다. 본 실시 예에서, 제어 릴레이(68)는 습도 제어 라인(64) 내에서 직렬로 배치되고, 출력 도선은 라인 전압을 액체 라인 솔레노이드 밸브(LLSV, 52)에 공급한다. 그러나, 24V 변압기(62)가 충분한 전력을 갖는다면, 습도 제어 라인은 솔레노이드 밸브(52)에 직접 전력을 공급한다.
벽 장착식 자동 습도 조절기(66)는 바이패스 액체 라인 솔레노이드 밸브(52)에 직접 전압을 인가하거나 인가하지 않아 보조 냉각기 코일(44)을 냉매 회로 내부 및 외부에 있게 한다. 압축기 흡입 압력이 매우 낮을 때, 저압 스위치는 이러한 조건을 검출하고 보조 냉각기 코일(44)을 회로 외부에 있게 하여 증발기 코일이 동결되는 것을 방지하는 데 조력한다.
제4도는 일반적인 시스템 손실은 무시하고 시스템에서의 냉매 열유동을 설명하는 시스템 압력-엔탈피 선도이다. 여기에서 압력은 수직축 또는 종좌표이고, 엔탈피는 수평축 또는 횡좌표이다. 본 실시 예에서, 냉매 작동 유체는 R22이며, 액체 구역, 증기 구역 및 2상 구역이 표기되어 있다. 실선 그래프는 보조 냉각기 코일(44)이 회로 내에 있는 상태에서의 공기 조화기 모드(고 잠열 냉각)를 나타내고, 점선 그래프는 바이패스 모드(정상적인 냉각)를 나타낸다. 점 A는 증발기 코일(22)을 떠나 압축기(12)로 들어가는 냉매의 상태를 나타낸다. 점 B는 압축기를 떠나 응축기 열교환기(16)로 들어가는 냉매의 상태를 나타낸다. 응축기 열교환기에서, 열을 외부 공기로 방출하면서 액체 상태로 응축함으로써 엔탈피는 크게 감소한다. 점 C에서, 응축된 냉매는 응축기 열교환기(16)를 떠나 보조 냉각기 코일(44)로 들어간다. 보조 냉각기에서, 냉매의 엔탈피는 액체 온도를 액체 포화선의 좌측으로 감소시킴으로써 감소된다. 점 D에서, 보조 냉각된 냉매 액체는 압력 제한기(48)로 통과하고, 액체가 교축 장치 또는 팽창 장치(20)로 들어가는 점 E까지 압력이 강하한다. 점 F에서, 냉매는 저압의 액체 및 증기의 혼합물로서 증발기 코일(22)로 들어간다. 냉매가 증발기 코일(22)을 통과함에 따라, 액체 냉매는 증기만이 코일을 떠나 압축기의 흡입측(점 A)으로 귀환할 때까지 증발한다.
바이패스 솔레노이드 밸브(52)가 개방되고 보조 냉각기 코일(44)이 회로의 외부에 배치된 때, 냉매는 제4도의 파선으로 도시된 압력-엔탈피 그래프를 따른다. 냉매 증기는 점 A'에서 압축기(12)의 흡입 포트로 들어가고, 점 B'에서 압축기 토출포트(P)를 빠져나가 응축기 열교환기(16)로 들어간다. 이때 회로는 보조 냉각기 코일(44) 및 유동 제한기(48)를 바이패스시키기 때문에, 액체 냉매는 점 E'에서 팽창 장치(20)로 들어가고, 점 F'에서 감압되어 증발기 코일(22)로 들어간다. 여기에서, 보조 냉각(고 잠열 냉각) 모드(E 내지 F) 및 바이패스(정상적인 냉각) 모드(E' 내지 F')에서 팽창 장치(20)를 가로질러 대략 동일한 압력 강하가 있다는 것을 알아야 한다. 보조 냉각 모드에 있어서, 증발기 내부 및 압축기의 흡입 포트의 냉매 유체는 바이패스 모드에서보다 다소 낮은 압력 상태에 있다. 이는 증발기 코일이 정상 냉각 모드에서보다 고 잠열 냉각 모드에서 몇 도 정도 낮아, 보다 많은 수분을 응축시키며, 떠나는 공기의 습구 온도를 바이패스 모드에서 성취되는 것 이하로 감소시킨다는 것을 의미한다.
2단계 시스템용 자동 온도 조절기 제어가 제5도에 도시되어 있다. 제3도와 관련하여 설명된 요소에 대응하는 요소들은 동일한 참조 부호로 나타나 있으며, 이들의 상세한 설명은 반복하지 않기로 한다. 본 실시예에서, 2단계 자동 온도 조절기(160)는 자동 온도 조절기 변압기와 결합되며, 전술한 바와 같은 귀환 도선(R), 팬 도선(G) 및 냉각 도선(Y1)을 갖는다. 게다가, 냉각 도선(Y1)용 설정 치보다 높은 제2온도 설정치에 도달되거나 이를 초과한 때 작동되는 제2냉각 도선(Y2)이 있다. 저압 스위치(LPS, 54), 자동 습도 조절기(HU, 66) 및 제어 릴레이(68)는 냉각 도선(Y1)에 접속된 습도 제어 라인(64)에 전술한 바와 같이 연결된다. 게다가, 제2제어 릴레이(170)는 제2냉각 도선(Y2)에 연결된 작동기와, 습도 제어 라인(64) 내에서 직렬로 연결된 출력 도선을 갖는다.
본 실시예에서, 점유 쾌적 공간 내의 온도가 높은 제2설정치를 지나 계속 상승한다면, 제2냉각 단계가 고 잠열 보조 냉각기를 대신하게 되고 이를 작동시키지 않게 한다. 이는 공기 조화 시스템(10)이 완전 감열 냉각 효과를 성취하도록 한다. 그리고 나서, 공기 조화되는 공간이 상부 설정치 이하인 허용 가능 온도로 일단 복귀되면, 제2냉각 단계가 만족되며, 보조 냉각기는 자동 습도 조절기(66)가 제습을 요구하는 경우에는 언제나 회로 내로 다시 돌아오게 된다.
개선된 고 잠열 냉각 시스템의 다른 실시예가 제6도에 도시되어 있다. 여기에서, 제1도 및 제2도의 공기 조화 시스템과 공통인 요소들은 동일한 참조 부호로 나타나 있으며, 이들의 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서, 제2도의 실시예와 다른 작동 차이점은 고정 유동 제한기(48)가 자동 온도 조절 팽창 밸브(148)로 대체된다는 것이다. 자동 온도 조절 팽창 밸브 또는 TXV 는 증발기로의 입구에서 팽창 밸브로서 종종 채택되는 공지의 장치이지만, 본 실시 예에서는 TXV(148)는 보조 냉각기 코일을 빠져나가는 응축된 액체가 증발기 코일(22)과 연결된 팽창 장치(20)에 도달하기 전에 상기 응축된 액체의 압력을 감소시키기 위해 사용된다. TXV(148)는 저압 증기 라인(26)에 연결된 평형화 라인(150)과, 증발기 코일(22)의 하류측에서 압축기(12)의 흡입 포트(5) 이전인 라인(26)에 위치된 온도 검출구(152)를 갖는다. TXV는 보조 냉각된 냉매 액체의 유동을 냉매 온도 및 흡입 압력과 관련하여 조절한다. 이러한 배열은 압축기 흡입에 일정한 과열 상태가 있게 하여 압축기 범람이 없도록 한다. TXV(148)는 냉매 압력을 강하시키지만, 압력을 2상(액체 및 증기)이 존재하는 점, 즉 제4도의 점 E 이상에서 유지한다. 이때, 하류측 팽창 장치(20)는 증발기 코일로 들어가는 냉매 유체의 압력을 2상 유동 또는 폐색 유동(choked flow)점으로 강하시키는 역할을 한다. 이러한 것은 보조 냉각 설비가 허용 가능 작동 조건을 유지하면서 광범위한 공기 조화 및 제습 부하를 수용할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들 중 어느 하나에 따른 보조 냉각기 조립체(40)는 설치시 매우 적은 노력이 요구되며 기존의 공기 조화 시스템에서 이용할 수 있는 공간 내로 용이하게 설치될 수 있는 "필요시 통과되는" 시스템 변경 예로서 마련될 수 있다. 수분 응축이 기존의 증발기 코일에서만 발생할 때, 응축수를 수집하기 위한 어떠한 추가 장치도 요구되지 않는다. 보조 냉각기 조립체는 보조 냉각기 코일(44)의 볼트 체결, 분기관(42, 50, 46)으로 나타낸 배관의 설치, 그리고 제3도 및 제5도에 도시된 바와 같은 자동 온도 조절기에 대한 간단한 전기 연결만을 필요로 한다.
단 하나의 추가 코일(44)이 실내 공기 유동 경로(24) 내에 배치되므로, 실내팬 부하는 별로 증가하지 않는다.

Claims (8)

  1. 잠열 냉각이 제어되는 공기 조화 장치에 있어서, 상기 공기 조화 장치는, 작동 유체가 저온 증기로서 공급되는 흡입측과 작동 유체가 고압 고온의 증기로서 토출되는 토출측을 갖는 압축기와; 고압의 상기 증기가 공급되어 작동 유체로부터 실외 공기로 열을 배출시키고 작동 유체를 고압의 액체로서 방출하는 실외 응축기 열교환기와; 상기 응축기 열교환기로부터 액체 라인에 의해 고압의 작동 유체가 공급되며, 상기 작동 유체의 압력을 상기 저압 액체의 압력으로 강하시키는 팽창 밸브 수단과, 상기 작동 유체를 저압 증기로 변환시키고 상기 저압 증기를 상기 압축기의 흡입측으로 통과시키도록 내부에서 실내 공기 기류의 열을 상기 저압 액체에 의해 흡수하는 열교환기 수단을 구비하는 실내 증발기 코일과; 상기 실내 증발기 코일을 빠져나가는 실내 공기의 상대 습도를 감소시키는 상대 습도 감소 수단을 포함하며, 상기 상대 습도 감소 수단은, 상기 고압 액체를 수용하도록 상기 응축기 열교환기에 연결된 입구와 상기 실내 증발기 코일의 팽창 밸브 수단에 연결된 출구를 가지며, 상기 작동 유체를 보조 냉각시키도록 그리고 상기 실내 증발기 코일을 빠져나가는 실내 공기 기류의 온도를 상승시키도록 상기 빠져나가는 실내 공기 기류 내에 배치되는 보조 냉각기 열교환기와; 냉각 및 제습이 요구될 때 고압 액체인 작동 유체를 상기 보조 냉각기 열교환기를 지나 상기 실내 증발기 코일로 경유시키도록 작동하고, 냉각만이 요구될 때 보조 냉각기 열교환기를 바이패스시키고 고압 액체인 작동 유체를 상기 응축기 열교환기로부터 상기 증발기 코일로 직접 경유시키도록 작동하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 라인은 상기 증발기 코일의 팽창 밸브 수단에 연결된 제1분기관과, 상기 보조 냉각기 열교환기의 입구에 연결된 제2분기관을 구비하며, 상기 보조 냉각기 열교환기의 출구를 제2액체 라인이 상기 증발기 코일의 팽창 밸브 수단에 연결하고, 상기 제2액체 라인은 유동 제한 장치를 포함하며, 상기 제어 수단은 상기 제1분기관에 개재된 액체 라인 솔레노이드 밸브와, 냉각만이 요구될 때 상기 솔레노이드 밸브를 개방하고 냉각 및 제습이 요구될 때 상기 솔레노이드 밸브를 폐쇄하도록 상기 솔레노이드 밸브에 연결된 제어 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 회로 수단은 냉각 설정치 온도에 도달된 때 상기 압축기를 작동시키는 신호를 공급하는 냉각 도선을 갖는 자동 온도 조절기와, 상기 액체 라인 솔레노이드 밸브를 작동시키는 제어 도선 수단과 직렬로 연결된 자동 습도 조절기를 구비하고 상기 냉각 도선에 연결된 습도 제어 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어 회로 수단은 상기 습도 제어 라인과 직렬로 연결되고 상기 압축기의 흡입측에서 의 저압 조건을 검출하도록 상기 압축기의 흡입측과 유체 연통하는 저압 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 솔레노이드 밸브는 통상 상태에서 폐쇄되며 작동될 때 개방되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 솔레노이드 밸브는 통상 상태에서 개방되며 작동될 때 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 자동 온도 조절기는 높은 제2설정치에 도달된 때 통전되는 제2냉각 도선을 갖는 2단계 자동 온도 조절기이며, 상기 제어 회로 수단은 상기 제2냉각 도선에 연결되어 제2냉각 도선에 의해 작동되며 상기 습도 제어 라인과 직렬로 연결된 전력 도선을 갖는 제어 릴레이도 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 액체 라인 솔레노이드 밸브는 라인 전력 공급식 장치이며, 상기 제어 도선 수단은 상기 습도 제어 라인 내에서 직렬로 연결된 작동기와, 라인 전원 및 상기 액체 라인 솔레노이드 밸브에 연결된 전력 도선을 갖는 제어 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 장치.
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