KR100459045B1 - 히트펌프 시스템 냉난방기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실외기와 실내기로 구분 구성되며 실외기는 압축기(1)와, 사방밸브(2), 팽창밸브(5), 과냉각기(sub-cooler)(4), 실외기 열교환기(6), 액분리기(7)등과 이를 연결하는 냉매관으로 구성되며, 실내기는 실내기 열교환기(3), 시스템을 제어하는 콘트롤러(8), 응축수배수장치 등과 이를 연결하는 냉매관으로 구성되어 있는 기존의 냉난방시스템 장치에 도1, 도2, 도4의 냉매관로 위치에 도3, 도4의 재질 및 자재와 방법으로 냉매의 유동저항 없이 열교환 되도록 형성한 냉매관 직접 접촉식 제1열량회수장치(9), 제2열량회수장치(9'), 제3열량회수장치(10), 콘트롤러 (8)의 외기온도 감지 난방운전 및 제상, 예열, 냉방운전 신호 명령에 따라 작동하며, 분기점에 설치하여 과냉각기(4)쪽의 분기관 만 개폐하는 3방밸브(11), 제1 및 제2열량회수장치(9,9')쪽의 분기관과 바이패스관을 개폐하는 체크밸브(12,13)를 비교적 간단히 기존장치에 추가 구성하여 성능개선과 투입운전에너지 절감을 하였고, 상기 밸브장치(11,12,13)의 보완을 위한 대체 밸브장치로 상기 밸브장치(12,13)를 제거하고 상기밸브(11)와 동일역할을 하는 3방밸브(14), 제1 및 제2열량회수장치 (9,9') 전후의 분기관 분기점에 설치한 3방밸브(15,16)를 추가 접목시켜 구성한 히트펌프시스템 냉난방기에 관한 것이다.

Description

히트펌프 시스템 냉난방기{The heating and cooling system device use for heat pump}
본 발명은 히트펌프 시스템 냉난방기 및 그를 이용한 성능향상과 에너지절약방법에 관한 것으로, 상세히 설명하면, 냉난방운전 중 순환되는 냉매를 최적의 상태로 유지시켜 정상적인 냉난방운전을 가능케 하기 위한 히트펌프 시스템 냉난방기 및 그를 이용한 성능향상과 에너지절약방법에 관한 것이다.
현재까지 냉매를 직접 이용한 냉난방기에 있어 기존(국내·외)의 히트펌프 냉난방 방식에는 전기 이용 압축기 구동방식과 가스, 경유 및 등유 등을 연료로 하는 엔진구동형 압축방식이 출시되어 사용되고 있다.
이러한 상기 종래의 제품들과 현재 출시된 제품들은 난방운전시 외기온도가 점점 낮아지면 난방부하가 커져 에너지(전기,가스,유류 등) 소모가 많아지고 제품 성능 차이에 따라서 외기온도 -5℃ ∼ -10℃ 부근에서부터는 외기로부터 냉매의 상변화에 따른 증발잠열을 충분히 흡수하지 못하여 급격한 효율저하현상이 발생하며, 과부하 운전으로 인한 소음발생이 크고, 실외기 압축기에서의 압축비가 커져 투입되는 운전에너지에 비해 실내에서 얻는 열량이 상대적으로 적은 비효율적 현상인 한계치 운전에 이른다. 이를 극복하기 위해 다음과 같은 발명들이나 연구가들이 많은 노력을 경주하고 있다.
국내등록특허공보 등록번호 제248719호에는 냉매를 압축하여 실내측 열교환기를 포함하는 냉매사이클에 냉매를 강제 순환시키는 압축기와, 사방변과, 팽창변과, 수액기와, 액 분리기와, 상기 수액기와 액 분리기를 연결하는 바이패스 배관과, 상기 바이패스 배관에 설치된 냉매제어수단과 히터로 구성된 냉난방기 사이클이 공개되어 있으며,
국내등록실용신안공보 등록번호 제189287호에는 공기를 유도하는 팬과, 고온부와, 상기 고온부를 거친 냉매가 유동하는 저온부와, 냉매유로관으로 구성된 냉난방기의 실외기에 있어서 실외측 열교환기는 고온부 상단에 저온부를 위치시켜 고정하고, 고온부 전방 또는 후방에 공기 유동을 차단하는 차단막이 형성된 냉난방의 실외기가 기술되어 있고,
국내공개특허공보 공개번호 제2000-24793호에는 실외기가 없는 냉난방기의 경우(일명: 창문형이며, 정속형 ON/OFF 착탈식)모세관을 통과하여 압축기로 흡입되는 저압측 라인에 전기가열선 또는 응축기에서 응축기 팬에 의하여 발생한 응측열풍, 또는 응축기를 구성하는 고압측 라인에서 분기되어 연장되는 고압라인을 압축기에 연결되는 저압축라인의 외주를 회류하여 열교환이 이루어지도록 하여 냉매가스의 과냉각을 방지하는 실외기가 없는 냉난방기의 저압 냉매 온도상승장치가 기재되어 있으며,
국내등록실용신안공보 등록번호 제130652호에는 열파이프의 냉난방기 내부측 외부에 흡수액 및 응축냉매를 접촉시킨 증발부와, 반대측을 냉난방기 밖으로 연결하여 공기를 이용하여 흡수열 및 응축열을 냉각시키는 작동매체가 봉입된 열파이프를 냉난방기 측면으로부터 삽입하고 냉난방기에 삽입되지 않은 열파이프 외측에 접촉 면적이 넓도록 냉각핀을 배설하고, 상기 냉각핀과 옆파이프를 흡입되는 냉각 공기로 냉각시키는 열 파이프를 이용한 소형 흡수식 냉난방기가 공개되어 있고,
그외, 난방성능 향상과 에너지절감을 위한 각종 타입의 히트펌프 냉난방 장치와, 외기로 버려지는 냉동싸이클 내의 열원을 실외기 열 교환기에 보조열원으로 접목시키는 기술, 별도의 냉동싸이클 외부열원을 실외기 열 교환기 및 실외기 열 교환기에서 압축기 사이의 저온저압의 냉매가스관에 접목시켜 열교환시키는 기술, 냉동싸이클내의 저압냉매액관과 고압냉매가스관을 공기, 송풍, 작동유체등을 매개로 또는 작동냉매를 이용하여 직.간접열교환 시키는 별도의 열교환장치를 부착한 훌륭한 기술들이 소개되고 있으며, 그 이용분야에 따라서는 훌륭히 성능을 발휘하고 있다. 그러나 이러한 기술들은 이용목적에 따라 장점이 있는 반면 기존의 제품에 접목시키기에는 많은 단점을 안고 있다.
제품성능향상을 위해 기존의 제품에 추가하여 부착한 장치의 과다한 비용상승, 개선장치 부착시 필연적으로 발생하는 복잡한 냉매관로 및 밸브장치 추가, 또는 이로 인한 냉매의 유동저항 증가, 냉동싸이클 외부의 별도 열원 접목시 투입장치와 에너지 비용 추가 발생 등, 특히 난방성능 향상에만 노력한 나머지 개선된 장치가 냉매의 유동저항을 크게 증가시키며, 실외기 열교환기에서 온도범위 7℃ ∼ -5℃ 부근의 외기와 저온의 냉매관과의 온도차를 크게 벌려 응축수 및 서리발생으로 인한 효율저하를 간과한 점이 없지 않으며, 이점의 난제는 아무리 훌륭한 장치나 새로운 대체 냉매가 개발된다 하더라도 가장 큰 걸림돌로 작용할 것이다.
상기와 같은 문제점을 최소화하거나 해결하는 방안으로, 본 발명은 냉난방시 히트펌프 싸이클 내를 순환하는 냉매의 상태를 최적화시키기 위해, 냉매의 유동성을 해치는 다른 직.간접 열교환방법과 달리 열량회수장치(9,9',10)를 이용하여, 뜨겁게 달군 쇠가 공기중의 송풍냉각 보다는 잠열이 큰 물에 접촉하면 빨리 식듯이, 도2와 도3의 방법으로 냉매관을 직접 접촉시켜, 두 관의 온도차가 크며 관내에 흐르는 냉매의 질량밀도(m)가 큰 고온관(24)에서 질량밀도(m)가 작은 저온관(25)으로 냉매의 증발 및 응축잠열(약 56Kcal/Kg)을 빠르게 열전도케 하여, 외기로 버려지는 열량을 다량 회수하고 동시에 압축기의 압축비를 개선하여 투입되는 운전에너지를 크게 절감하며 냉매의 유동저항을 최소화한 간단한 밸브장치를 이용하여 난방시는 외기온도 7℃ ∼ -5℃ 부근에서 발생하는 응축수 및 서리발생 문제를 해결하며 냉방시인 역운전시 발생하는 냉방효율 저하를 차단하며, 특히 난방시 외기온도가 점점 하락하여도 기존의 기기들과 병행사용하여 운전에너지를 절감함과 동시에 외기온도 -20℃이하에서도 경제운전하며, 기존 제품들이 정상적으로 난방운전을 하는 외기온도 한계를 극복하였고, 냉방성능도 향상시킨 히트펌프 시스템 냉난방기 및 에너지 절약방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
도1 종래의 냉난방기 싸이클 흐름도
도2 본 발명의 시스템 냉난방기 싸이클 흐름도
도3 본 발명의 열량회수장치 단면 및 측면상세도
도4 본 발명의 밸브장치 및 냉매배관 상세도
도5 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 T-S선도(Ⅰ)
도6 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 T-S선도(Ⅱ)
도7 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 P-h선도
도8 본 발명의 시스템 냉난방기 냉방시 냉동사이클 T-S선도
도9 본 발명의 시스템 냉난방기 냉방시 냉동사이클 P-h선도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
압축기(1), 사방밸브(2), 실내기 열교환기(3), 과냉각기(Sub-cooler)(4), 팽창밸브(5), 실외기 열교환기(6), 액분리기(7), 콘트롤러(8), 제1열량회수장치(9), 제2열량회수장치(9'), 제3열량회수장치(10), 3방밸브(11,14,15,16), 체크밸브(12, 13), 열전도체(17), 단열재(18), 원형동파이프(19), 내면원형외면4각 동파이프 (20), 4각 동파이프(21), 원형직관(22), 코일관(23), 고온관(냉매액,냉매가스관)(24), 저온관(냉매액,냉매가스관)(25).
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 실외기와 실내기로 구분 구성되며 실외기는 압축기(1)와, 사방밸브(2), 팽창밸브(5), 과냉각기(sub-cooler)(4), 실외기 열교환기(6), 액분리기(7)등과 이를 연결하는 냉매관으로 구성되며, 실내기는 실내기 열교환기(3), 시스템을 제어하는 콘트롤러(8), 응축수배수장치 등과 이를 연결하는 냉매관으로 구성되어 있는 기존의 냉난방시스템 장치에 도1, 도2, 도4의 냉매관로 위치에 도3, 도4의 재질 및 자재와 방법으로 냉매의 유동저항 없이 열교환 되도록 형성한 냉매관 직접 접촉식 제1열량회수장치(9), 제2열량회수장치(9'), 제3열량회수장치(10), 콘트롤러(8)의 외기온도 감지 난방운전 및 제상, 예열, 냉방운전 신호 명령에 따라 작동하며, 분기점에 설치하여 과냉각기(4)쪽의 분기관 만 개폐하는 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)(11), 제1 및 제2열량회수장치(9,9')쪽의 분기관과 바이패스관을 개폐하는 체크밸브(12,13)를 비교적 간단히 기존장치에 추가 구성하여 성능개선과 투입운전에너지 절감을 하였고, 상기 밸브장치(11,12,13)의 보완을 위한 대체 밸브장치로 상기 밸브장치 12,13을 제거하고 상기 밸브(11)와 동종인 3방밸브(14), 제1 및 제2열량회수장치(9,9') 전후의 분기관 분기점에 설치한 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)(15,16)를 추가 접목시켜 구성한 히트펌프시스템 냉난방기에 관한 것이다.
본 발명에서 사용하는 장치의 작용 및 작동방법을 설명하면 다음과 같다.
1) 제3열량회수장치(10)는
냉난방시 도2의 사방밸브(2)와 실외기 내부의 실내기 열 교환기(3)와 연결되는 관(냉매가스)과, 제1열량회수장치(9)와 사방밸브(2)를 연결하는 관(냉매가스)을 도2와 도3의 방법으로 직접 접촉시켜 냉매의 유동저항이 없이 냉매의 증발 및 응축잠열(약56Kcal/Kg)을 고온의 냉매에서 저온의 냉매로 열전도하여 냉난방시 외기로 버려지는 다량의 열량을 회수, 운전에너지를 절약하고 압축기(1)로 유입되는 저온의 냉매가스를 더욱 포화시키며,
특히, 난방시는 실외기 열 교환기(6)에서 상변화(증발)되지 않고 압축기(1)로 이동하는 액상의 냉매를 증발시켜, 압축기(1)에서의 압축비 개선을 통한 압축일을 적게하고, 냉방시는 압축기(1)에서 실외기 열 교환기로 이동하는 고온의 냉매가스에 응축효과를 줌과 동시에 실내기열교환기(3)를 나온 저온의 냉매가스를 포화시키는 작용을 한다.
2) 제1 및 제2열량회수장치(9,9')는 실외기 내부의 도2의 과냉각기(4)와 실내기 열 교환기(3)와 연결되는 고온관(중온의 냉매액관)(24)과, 실외기열교환기(6)와 압축기(1)를 연결하는 저온관(냉매가스관)(25)을 도2와, 도3의 방법으로 직접 접촉시키며, 상기 제3열량회수장치(10)에서 하는 역할 중 냉방시 밸브장치를 이용하여 제1 및 제2열량회수장치(9,9')로의 냉매 유입을 차단하므로 압축기(1)에 유입되는 저온냉매가스를 과포화 시키는 작동은 제외되며 그 밖의 역할은 동일하다.
특히 난방시 실외기 열 교환기(6)에서 저온의 외기로부터 보다 많은 증발잠열을 흡수토록 하며, 도2의 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)(11)의 조절을 통하여 과냉각기(4)와 병행작동하여 냉매액의 유량 및 방향을 조절하면 실외기 열 교환기(6)에서 냉매의 증발작용시 냉매관과 외기온도와의 차가 큼으로 인한 이슬맺힘과 서리발생을 차단하거나 최소화 할 수 있으며, 또한 난방성능 향상의 최대걸림돌인7℃ ∼ -5℃ 사이의 응축수 및 서리발생 문제도 해결된다.
아울러 기존의 장치인 과냉각기(4)에서 난방 성능 개선을 위해 필요악처럼 외기로 버리는 열량을 최대한 줄이고 일정 외기온도 이상에서는 과냉각기(4)의 난방운전성능 향상 및 유지를 하는 역할을 축소하여, 제상운전과 예열운전시의 역할이 주요 임무가 되게하며, 일정온도 이하에서는 3방밸브(11,14)을 이용한 냉매량을 조절하여 과냉각기(4)와 병행작동하면 난방성능이 크게 향상될 뿐만아니라 기존 제품들이 정상적으로 난방운전을 하는 외기온도 한계를 가볍게 극복할 수 있다.
3) 밸브장치 작동방법을 보다 상세히 설명하면
(1) 도3의 밸브장치(11,12,13)을 적용시
a) 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)(11)는
- 분기점에 설치하여 과냉각기(4) 쪽 분기관만을 개폐하며 On-Off 타입 또는 스텝제어 타입, 비례제어식타입 모두 적용가능하다.
- 제상운전과 예열운전시 100% 오픈한다.
- 냉방운전시는 과냉각기(4) 쪽 분기관을 차단한다.
- 난방운전시는 닫혀(Off)있다가 외기온도 하락에 따라 일정온도 이하에서 콘트롤러(8)의 신호명령에 따라 100% 오픈 또는 스텝제어 오픈 또는 비례제어 오픈한다.
- 특히 외기온도 7℃ ∼ -5℃ 범위에서 실외기열교환기(6)에 응축수 발생 및 서리가 발생되지 않도록 과냉각기(4) 쪽으로 흐르는 냉매량을 콘트롤러(8)의 명령에 따라 조절한다.
- 밸브장치(11,12,13) 중 냉매 유동저항을 없애기 위해 밸브장치(11)번 밸브만 사용하여도 냉방시는 열회수장치(9,9')에서의 냉매 온도 상승이 크지 않으므로 난방시 효과는 다소 적어지나 손쉽게 적용할 수 있는 방법이기도 하다.
- 밸브 개폐 제어는 상기 도2의 콘트롤러(8)에서 제어한다.
b) 체크밸브(12,13)
- 체크밸브(12)는 난방시에 오픈하고 냉방시는 차단(off)한다.
- 채크밸브(13)은 난방시에 차단(off)하고 냉방시는 오픈한다.
(2) 도3의 밸브장치(11,14,15,16)를 적용시
상기 (1)의 밸브장치(11,12,13)를 적용할 때보다 관내에 흐르는 냉매의 유동저항을 없앨 수 있고 보다 세밀한 냉매량을 제어할 수 있는 장점이 있으나 약간의 추가 비용 상승이 따른다.
밸브 개폐제어는 상기 도2의 콘트롤러(8)에서 제어한다.
a) 분기점에 설치한 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)(11,14)는
- 작용 및 작동방법은 상기(1)의 a)와 같으며 냉방운전시는 닫는다(off)
b) 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)(15,16)는
- 제1 및 제2열량회수장치 전후의 냉매관 분기점에 설치한다.
- on-off식 개폐 밸브이다.
- 난방시는 열량회수장치(9,9') 쪽 분기관을 항상 오픈(on)하고 바이패스관 쪽 분기관을 닫는다(off).
- 냉방시는 열량회수장치(9,9') 쪽 분기관을 닫고(off) 바이패스관 쪽 분기관을 항상 오픈(on)한다.
(3) 도3의 밸브장치(11) 만을 적용시
- 상기 3)(1)a)와 같다.
(4) 도3의 밸브장치(11,14,15,16)를 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)로 모두 적용시
- 작동방법은 상기 (2)와 같으나 On-Off 타입 또는 스텝제어 타입, 비례제어 식 타입이다.
(5) 도3의 밸브장치(11,14,15,16)를 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)(15,16)로 모두 적용시
- 작동방법은 상기 (2)와 같으나 on-off타입이다.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 구성 및 작동방법을 다시 한번 설명하면 다음과 같다.
도1 종래의 냉난방기 싸이클 흐름도, 도2 본 발명의 시스템 냉난방기 싸이클 흐름도, 도3 본 발명의 열량회수장치 단면 및 측면상세도, 도4 본 발명의 밸브장치 및 냉매배관 상세도, 도5 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 T-S선도(Ⅰ), 도6 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 T-S선도(Ⅱ), 도7 본 발명의 시스템 냉난방기 난방시 냉동사이클 P-h선도, 도8 본 발명의 시스템 냉난방기 냉방시냉동사이클 T-S선도, 도9 본 발명의 시스템 냉난방기 냉방시 냉동사이클 P-h선도를 도시한 것이며, 압축기(1), 사방밸브(2), 실내기열교환기(3), 과냉각기(Sub-cooler
)(4), 팽창밸브(5), 실외기열교환기(6), 액분리기(7), 콘트롤러(8), 제1열량회수장치(9), 제2열량회수장치(9'),제3열량회수장치(10), 전동3방밸브(11,14,15,16), 체크밸브(12,13), 열전도체(17), 단열재(18), 원형동파이프(19), 내면원형외면4각파이프(20), 4각동파이프(21), 원형직관(22), 코일관(23), 고온관(냉매액,냉매가스관)(24),저온관(냉매액,냉매가스관)(25))을 나타낸 것임을 알 수 있다.
도면의 구성을 살펴보면, 도2에 도시된 바와 같이 실외기에 두개의 관(냉매 액이 흐르는 관과 냉매가스가 흐르는 관)으로 연결된 실내기로 되어 있으며,
실외기는 압축기(1)와, 상기 압축기에 관으로 연결된 사방밸브(2)와, 사방밸브(2)와 압축기(1) 입구 사이의 관에 설치한 제2열량회수장치(9'), 상기 사방밸브(2)의 일측과 실내기열교환기(3)의 연결관 및 제1열량회수장치(9)에 연결된 제3열량회수장치(10)와 제3열량회수장치(10)에 연결되고 실외기열교환기(6)에 연결되며, 실내기에서 실외기로 장거리 배관으로 연결된 관의 일측 분기관에 위치한 제2열량회수장치(9')와 연결되고 과냉각기(4)쪽 분기관에 연결된 제1열량회수장치(9)와 실외기열교환기(6), 실외기열교환기(6)의 일측에 설치한 팽창밸브(5), 실외기열교환기(6) 하단에 설치한 과냉각기(4), 상기 압축기(1)입구와 제2열량회수장치(9')사이의 관에 설치한 액분리기(7)로 구성되었고,
밸브장치는 도4에 도시된 바와 같이, 난방시 실내기열교환기(3)에서 오는 냉매를 열량회수장치 9 및 9'로 유입되게 하거나 냉방시 바이패스 관으로 통과하도록 제2열량회수장치(9') 일측의 바이패스 분기관에 체크밸브(13)을 제1열량회수장치(9) 일측의 분기관에 체크밸브(12)를 설치하고 과냉각기(4)와 팽창밸브(5) 사이의 분기관 분기점에 설치하여 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 콘트롤러(8)의 신호명령에 따라 개폐하는 3방밸브(11)를 설치 구성하였으며,
상기 밸브(11,12,13)의 냉매 유동저항 및 냉매 유동량 조절등의 보완을 위한 대체 밸브장치로 과냉각기(4) 전후의 분기관 분기점에 상기 3방밸브(11)와 동일품인 3방밸브(14)와, 제1 및 제2열량회수장치(9,9') 전후의 분기관 분기점에 콘트롤러(8)의 신호명령에 따라 제1 및 제2열량회수장치(9,9')쪽 분기관과 바이패스 분기관을 개폐하는 3방밸브(15,16)로 대체하여 설치 구성하며,
상기 밸브(11,12,13,14) 대신에 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 과냉각기(4) 전후의 분기관 분기점에 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)로 모두 구성하거나, 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)(15,16)로 모두 구성하거나, 상기 밸브(11,12,13,14,15,16)중의 일부만을 설치하여 구성하며,
상기 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 제3열량회수장치(10)는 도3에 도시된 바와 같이, 직접접촉 열교환을 위해 단열재(18)의 안쪽에 원형동파이프(19),내면원형외면4각동파이프(20), 사각동파이프(21) 모양의 고온관(24)과 저온관(25)으로 설치하여 형성시켰으며, 상기 원형동파이프(19) 모양의 관 사이에는 열전도체(17)가 삽입되어 있으며,
상기 단열재(18)는 사각, 원형, 마름모등 다양한 형태의 형상으로 할 수 있으며, 고온관(24) 및 저온관(25)은 원형동파이프(19), 내면원형외면4각 동파이프(20),4각 동파이프(21)등 다양한 형상으로 할 수 있고,
상기 단열재(18)와 원형동파이프(19)사이에 삽입되는 열전도체(17)는 고온관(24)과 저온관(25)의 직접접촉 열교환을 위해 원형파이프(19)의 접촉면적을 최대한 넓게 하는 구조로 구리(Cu),알미늄(Al),Cu+Al합금 등의 열전도율이 높은 열전도체(17) 물질을 파이프와 파이프 사이의 공간에 삽입하여 형성하였으며,
상기 동(Cu)재질의 내면원형외면4각 파이프(20)와 동(Cu)재질의 4각파이프(21)는 열전도체(17)를 이용하지 않고 직접 밀착 접촉하여 형성하며,
또한 고온관(24)과 저온관(25)은 직관으로 접촉하여 형성하거나, 상기 고온관(24) 이거나 저온관(25)이며 직경이 큰 원형직관(22)에 직경이 작은 코일관(23)을 감아 접촉 형성하며 고온측 냉매에서 저온측 냉매로 잠열을 열전도를 통해 직접전달 열교환시켜 냉매의 유동저항이 없이 외기로 버려지는 열량을 최대한 회수하는 구조이며,
상기 제1및제2, 제3열량회수장치의 외부에는 고온관(24)과 저온관(25)의 온도차로 인한 이슬맺힘을 차단하는 단열재(18)로 구성되었으며, 실내기는 실내기열교환기(3), 본 시스템의 기기를 제어하는 콘트롤러(8), 응축수 배수장치 등과 이를 연결하는 냉매 배관으로 구성된 히트펌프 시스템 냉난방기인 것이다.
상기에서 고온관(24) 및 저온관(25)은 단열재(18) 안쪽에 형성되며 그 모양은 원형동파이프(19),내면원형외면4각동파이프(20), 사각동파이프(21)형상이므로 고온관(24) 및 저온관(25)은 원형동파이프(19), 내면원형외면4각동파이프(20), 사각동파이프(21), 원형직관(22), 코일관(23)과 동일한 것을 다른 형태로 표현한 것이다.
본 발명이 적용된 시스템 냉난방기 작동방법은 도2의 화살표 방향을 따라 난방시 압축기(1)를 출발한 고온고압의 냉매가스가 냉매관을 따라 사방밸브(2)를 거쳐 제3열량회수장치(10)를 통과하면서 제1열량 회수장치(9)를 거쳐온 저온저압의 냉매가스에 열량을 공급하고 실내기 열 교환기(3)로 유입되면,
실내기 열 교환기(3)에서는 냉각 휀을 이용하여 고온고압의 냉매가스를 중온의 냉매액으로 응축시키며 실내에 열을 공급하고, 실내기를 떠난 중온의 액 냉매는 체크밸브(13) 또는 3방밸브(15,16)의 작동으로 제2열량회수장치(9')와 제1열량회수장치(9)로 유입되어 실외기열교환기(6)에서 증발되고 사방밸브(2)를 거쳐 압축기(1)로 향하는 저온저압의 냉매가스에 열량을 공급하고 과냉각기(4) 이전의 분기관 분기점으로 향하며, 콘트롤러(8)의 외기온도 감지 난방운전 및 제상, 예열, 냉방운전 신호에 따라 작동하며, 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 개폐하는 3방밸브 (11,14)를 이용하여 과냉각기(4)로의 냉매유입을 차단 또는 조절하여 바이패스관과 분기되어 이동케하며, 상기 과냉각기(4)는 외기를 이용하여 이동된 냉매액을 더욱 과냉시키는 역할을 하며, 냉매는 팽창밸브(5)로 이동된 다음,
상기 팽창밸브(5)는 과냉된 냉매액을 단열팽창시켜 외기온도 이하로 냉매액을 더욱 과냉시키며, 실외기열교환기(6)에서 휀을 사용하여 외기열을 흡수 과냉액체 냉매를 저온저압의 냉매가스로 상변화시키는 역할을 하며, 실외기열교환기(6)을나온 저온 저압의 냉매가스는 다시 제1열량회수장치(9)를 통과하면서 열을 공급받고 제3열량회수장치(10)로 이동된 후에,
상기 제3열량회수장치(10)에서 재 가열된 냉매가스는 사방밸브(2)를 거쳐 제2열량회수장치(9')로 들어가 다시 가열된 뒤에 액분리기(7)를 지나 압축기(1)에 돌아와 난방 1사이클이 완성되며,
냉방시는 냉매이동방향이 역방향으로 작동하면서 압축기(1)을 떠난 고온고압의 냉매가스가 사방밸브(2)를 거쳐 제3열량회수장치(10)에서 응축을, 실외기열교환기 (6)에서 응축을, 과냉각기(4)에서는 전동3방밸브(11,14)를 이용, 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 개폐하여 과냉각기로의 냉매유입을 차단, 또는 조절하여 바이패스관과 분기되어 이동케 하며, 제1열량회수장치(9)와 제2열량회수장치(9')에서는 체크밸브 (12) 또는 삼방밸브(15,16)를 이용하여 냉매 유입을 차단, 바이패스관으로 이동시킨 후에, 실내기열교환기(3)에서는 실내의 열을 흡수하여 액냉매가 증발하고 다시 제3열량회수장치(10)으로 이동시킨 다음, 제3열량회수장치(10)에서 저온저압의 냉매가스가 열을 공급받아 사방밸브(2)를 거쳐 열교환이 없는 제2열량회수장치(9')를 통과하고 압축기(1)로 들어가 냉방 1사이클이 완성된다.
상기 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 제3열량회수장치(10)의 접촉방법에 있어서, 고온의 냉매관(24)과 저온의 냉매관(25)을 직접 접촉케하여 보다 많은 증발 및 응축잠열을 열전도 시키기 위해, 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 제3열량회수장치 (10)는 고온의 냉매관(24)과 저온의 냉매관(25)을 도2와 도3에 도시한 바와 같이관접촉 면적을 최대한 넓히는 방법으로
고온관(24)과 저온관(25)이 원형동파이프(19) 형상의 경우는 구리(Cu), 알미늄(Al), Cu+Al합금 등의 열전도율이 높은 열전도체(17) 물질을 고온관(24)과 저온관(25) 사이의 공간에 삽입하여 형성하는 방법을 사용하였고,
동(Cu)재질의 내면원형외면4각 파이프(20)와 동(Cu)재질의 4각파이프(21)는 열전도체(17) 물질을 이용하지 않고 직접 밀착접촉 시키는 방법을,
또한 고온관(24)과 저온관(25)을 직관으로 접촉시키거나, 상기 고온관(24) 이거나 저온관(25)인 직경이 큰 원형직관(22)에 직경이 작은 코일관(23)을 감는 방법을 사용하여 열교환이 되도록하고, 고온관(24)과 저온관(25)의 접촉으로 인해 발생하는 이슬맺힘을 차단하기 위해 단열재(18)를 사용 완전 단열이 되도록 한다.
상기에서 냉매 유동저항 및 냉매 유동량 조절등의 보완을 위해 대체 밸브장치로체크밸브(12,13)를 제거하고, 콘트롤러(8)의 작동명령에 따라 과냉각기(4) 전후의 냉매 분기관 분기점에 과냉각기(4)쪽 분기관 만을 개폐하는 상기 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)(11,14)와, 제1 및 제2열량회수장치(9,9')쪽 분기관과 바이패스 분기관을 개폐하는 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)(15,16)를 설치하여 작동하거나, 과냉각기(4)와 제1 및 제2열량회수장치(9,9')전후의 분기관 분기점에 상기 밸브(11,14)와 동일한 3방밸브(전동식3방향 자동유량조절밸브)로 모두 설치하여 작동하거나, 상기 밸브(15,16)과 동일한 3방밸브(on-off 전자식 또는 3방향 전환식)로 모두 설치하여 작동하거나, 상기밸브(11,12,13,14,15,16)중의 일부만을 설치하여 작동하거나, 어떤 경우의 밸브장치 조합이든 냉매의 유동저항 및 압력손실을 최소화 하고 유동량을 적절히 조절할 수 있도록 설치하여 작동하여야 한다.
이하 도5∼도9의 도시에 대하여 설명하고자 한다.
도5는 난방시의 냉동사이클 T-S선도로서 QL의 낮은 온도에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도로 방출하며 5-1구간과 5'-1'-1"-1"'-1""구간은 증발, 1-2구간과 1""-2"
구간은 압축, 2-3-4구간과 2"-2'-3'-3"-3"'-4'구간은 응축, 4-5구간과 4'-5'구간은 팽창을 나타낸 것이며, 1'-1"구간은 제1열량회수장치(9)구간, 1"-1"'구간은 제3열량회수장치(10)구간, 1"'-1""구간은 제2열량회수장치(9')구간, 2"-2'구간은 제3열량회수장치(10)구간, 3'-3"구간은 제2열량회수장치(9')구간, 3"-3"'구간은 제1열량회수장치(9)구간, 3-4와 3"'-4'구간은 과냉각기(4)구간으로서, 상기 선도의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1-2-3-4-5-1 범위내의 난방열량 면적을 1'-1"-1"'-1""-2"-2'-3'-3"-3"'-4'-5'-
1' 범위내의 난방열량면적 중 빗금 친 범위 면적만큼의 난방증대를 나타낸 것이며,
도6은 압축기에서 종래보다 적은 압축일량으로 빗금친 부분 만큼의 난방증대를 나타낸 것으로, 1-2구간은 종래의 압축일량을, 1""-2"구간은 본 발명의 압축일량을 비교하였다. 그리고 기타의 구간 설명은 도5와 같다.
도8은 냉방시의 냉동사이클 T-S선도로서 QL의 낮은 온도에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도로 방출하며 4-5-1구간과 4'-1'-1"구간은 증발, 1-2구간과 1"-2"구간은 압축, 2-3구간과 2"-2'-3'구간은 응축, 3-4구간과 3'-4'구간은 팽창을 나타낸 것이며, 4-5구간은 과냉각기(4)구간, 1'-1"구간과 2"-2'구간은 제3열량회수장치(10)구간으로서, 상기 선도의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1-2-3-4-5-1 범위내의 냉방열량 면적을 1'-1"-2"-
2'-3'-4'-1' 범위내의 냉방열량면적 중 빗금친 범위 면적만큼의 냉방증대를 나타낸 것이다.
도7은 난방시의 냉동사이클 P-h선도로서 QL의 낮은 온도에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도로 방출하며 5-1°-1구간과 5'-1'-1"-1"'-1""구간은 증발, 1-2구간과 1""-2"구간은 압축, 2-3-4구간과 2"-2'-3'-3"-3"'-4'구간은 응축, 4-5구간과 4'-5'구간은 팽창을 나타낸 것이며, 1°-1구간은 액분리기(7)구간, 1'-1"구간은 제1열량회수장치(9)구간, 1"-1"'구간은 제3열량회수장치(10)구간, 1"'-1""구간은 제2열량회수장치(9')구간, 2"-2'구간은 제3열량회수장치(10)구간, 3'-3"구간은 제2열량회수장치(9')구간, 3"-3"'구간은 제1열량회수장치(9)구간, 3-4와 3"'-4'구간은 과냉각기(4)구간으로서, 상기 선도의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1-2-3-4-5-1°-1 범위내의 난방열량 면적을 1'-1"-1"'-1""-2"-2'-3'-3"-3"'-4'-5'-1' 범위내의 난방열량면적 중 빗금친 범위 면적만큼의 난방증대를 나타낸 것이며,
도9는 냉방시의 냉동사이클 P-h선도로서 QL의 낮은 온도에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도로 방출하며 4-5-1구간과 4'-1'-1"구간은 증발, 1-2구간과 1"-2"구간은 압축, 2-3구간과 2"-2'-3'구간은 응축, 3-4구간과 3'-4'구간은 팽창을 나타낸 것이며, 4-5구간은 과냉각기(4)구간, 1'-1"구간과 2"-2'구간은 제3열량회수장치(10)구간으로서, 상기 선도의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며 내부는 액체와기체가 혼합된 상태로서 종래의 1-2-3-4-5-1 범위내의 냉방열량 면적을 1'-1"-2"-
2'-3'-4'-1' 범위내의 냉방열량면적 중 빗금친 범위 면적만큼의 냉방증대를 나타낸 것이다.
상기와 같은 본 발명은 냉매의 유동성 해치지 않고 열교환시키는 구조로, 구조가 간단한 제1 및 제2열량회수장치와 제3열량회수장치에서 열전도율이 높은 전도체를 삽입하여 이용하거나 접촉부의 관을 4각 모양의 관으로 대체하여 접촉하는 관의 면적을 최대한 넓혀 고온의 냉매와 저온 냉매의 잠열교환을 통해 외부로 버리는 열에너지를 상당부분 회수하고 저온 냉매가스의 건포화 또는 과포화를 촉진하여 압축기에서의 압축비를 줄여 투입되는 운전에너지(전기,가스,유류등)를 적게하는 경제운전을 할 수 있도록 하였으며, 저온의 냉매액을 과냉하여 실외기 열교환기에서 저온의 외기로부터 조금이나마 더 많은 증발잠열을 흡수하여 냉난방효율 및 성능을 크게 높혔고, 밸브장치는 냉매의 유동저항 증가와 열량 누출을 방지하면서 냉매 유동방향과 유동량을 조절토록 하며, 추가 설치에 따르는 소요비용증가가 최소화 되도록 하였다. 아울러 냉난방 효율 및 성능향상은 도면(도5∼도9)의 냉동사이클 선도를 통하여 도시하였다.

Claims (5)

  1. 실외기에 두 개의 관(냉매액이 흐르는 관과 냉매가스가 흐르는 관)으로 연결된 실내기로 구성된 히트펌프 시스템 냉난방기를 이용한 에너지 절약 방법에 있어서,
    난방시 압축기(1)를 출발한 고온고압의 냉매가스가 냉매관을 따라 사방밸브 (2)를 거쳐 제3열량회수장치(10)를 통과하면서 제1열량 회수장치(9)를 거쳐온 저온저압의 냉매가스에 열량을 공급하고 실내기 열 교환기(3)로 유입되면,
    실내기 열 교환기(3)에서는 냉각 휀을 이용하여 고온고압의 냉매가스를 중온의 냉매액으로 응축시키며 실내에 열을 공급하고, 실내기를 떠난 중온의 액 냉매는 체크밸브(13) 또는 삼방밸브(15,16)의 작동으로 제2열량회수장치(9')와 제1열량회수장치(9)로 유입되어 실외기열교환기(6)에서 증발되어 사방밸브(2)를 거쳐 압축기 (1)로 향하는 저온저압의 냉매가스에 열량을 공급하고 과냉각기(4) 이전의 분기관 분기점으로 향하며, 콘트롤러(8)의 외기온도 감지 난방운전 및 제상, 예열, 냉방운전 신호에 따라 작동하며, 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 개폐하는 3방밸브(11,14)를 이용하여 과냉각기(4)로의 냉매유입을 차단 또는 조절하여 바이패스관과 분기되어 이동케하며, 상기 과냉각기(4)는 외기를 이용하여 이동된 냉매액을 더욱 과냉시키는 역할을 하며, 냉매는 팽창밸브(5)로 이동된 다음,
    상기 팽창밸브(5)는 과냉된 냉매액을 단열팽창시켜 외기온도 이하로 냉매액을 더욱 과냉시키며, 실외기열교환기(6)에서 휀을 사용하여 외기열을 흡수 과냉액체 냉매를 저온저압의 냉매가스로 상변화시키는 역할을 하며, 실외기열교환기(6)을 나온 저온 저압의 냉매가스는 다시 제1열량회수장치(9)를 통과하면서 열을 공급받고 제3열량회수장치(10)로 이동된 후에,
    상기 제3열량회수장치(10)에서 재 가열된 냉매가스는 사방밸브(2)를 거쳐 제2열량회수장치(9')로 들어가 다시 가열된 뒤에 액분리기(7)를 지나 압축기(1)에 돌아와 난방 1사이클이 완성되며,
    냉방시는 냉매이동방향이 역방향으로 작동하면서 압축기(1)을 떠난 고온고압의 냉매가스가 사방밸브(2)를 거쳐 제3열량회수장치(10)에서 응축을, 실외기열교환기 (6)에서 응축을, 과냉각기(4)에서는 3방밸브(11,14)를 이용, 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 개폐하여 과냉각기로의 냉매유입을 차단, 또는 조절하여 바이패스관과 분기되어 이동케 하며, 제1열량회수장치(9)와 제2열량회수장치(9')에서는 체크밸브 (12) 또는 삼방밸브(15,16)를 이용하여 냉매 유입을 차단, 바이패스관으로 이동시킨 후에, 실내기열교환기(3)에서는 실내의 열을 흡수하여 액냉매가 증발하고 다시 제3열량회수장치(10)으로 이동시킨 다음, 제3열량회수장치(10)에서 저온저압의 냉매가스가 열을 공급받아 사방밸브(2)를 거쳐 열교환이 없는 제2열량회수장치(9')를 통과하고 압축기(1)로 들어가 냉방시킴을 특징으로 하는 히트펌프 시스템 냉난방기를 이용한 에너지 절약 방법.
  2. 실외기에 두개의 관(냉매액이 흐르는 관과 냉매가스가 흐르는 관)으로 연결된 실내기로 구성된 히트펌프 시스템 냉난방기에 있어서,
    실외기는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)에 관으로 연결된 사방밸브(2)와, 사방밸브(2)와 압축기(1) 입구 사이의 관에 설치한 제2열량회수장치(9'), 상기 사방밸브(2)의 일측과 실내기열교환기(3)의 연결관 및 제1열량회수장치(9)에 연결된 제3열량회수장치(10)와 제3열량회수장치(10)에 연결되고 실외기열교환기(6)에 연결되며, 실내기에서 실외기로 장거리 배관으로 연결된 관의 일측 분기관에 위치한 제2열량회수장치(9')와 연결되고 과냉각기(4)쪽 분기관에 연결된 제1열량회수장치 (9)와 실외기열교환기(6), 실외기열교환기(6)의 일측에 설치한 팽창밸브(5), 실외기열교환기(6) 하단에 설치한 과냉각기(4), 상기 압축기(1)입구와 제2열량회수장치 (9')사이의 관에 설치한 액분리기(7)로 구성되어 있고,
    상기 관에는 밸브(11,12,13,14,15,16)로 구성된 밸브장치가 형성되어 있으며,
    상기 제1및제2, 제3열량회수장치의 외부에 형성하여 이슬맺힘을 차단하는 단열재(18)로 구성되어 있고,
    실내기는 실내기열교환기(3), 본 시스템의 기기를 제어하는 콘트롤러(8), 응축수 배수장치 등과 이를 연결하는 냉매 배관으로 구성되어 있음을 특징으로 하는 히트펌프 시스템 냉난방기.
  3. 청구항2에 있어서, 상기 밸브장치는 난방시 실내기열교환기(3)에서 오는 냉매를 제1,제2열량회수장치 (9,9')로 유입되게 하거나 냉방시 바이패스 관으로 통과하도록 제2열량회수장치(9') 일측의 바이패스 분기관에 체크밸브(13)을, 제1열량회수장치(9) 일측의 분기관에 체크밸브(12)를 설치하고, 과냉각기(4)와 팽창밸브(5)사이의 분기관 분기점에 설치하여 과냉각기(4)쪽의 분기관 만을 콘트롤러(8)의 신호명령에 따라 개폐하는 3방밸브(11)를 설치 구성하였으며,
    상기 밸브(11,12,13)의 냉매 유동저항 및 냉매 유동량 조절등의 보완을 위한 대체 밸브로 과냉각기(4) 전후의 분기관 분기점에 형성된 3방밸브(11,14)와, 제1 및 제2열량회수장치(9,9') 전후의 분기관 분기점에 콘트롤러(8)의 신호명령에 따라 제1 및 제2열량회수장치(9,9')쪽 분기관과 바이패스 분기관을 개폐하는 3방밸브(15,16)로 설치 구성되어 있음을 특징으로 하는 히트펌프 시스템 냉난방기.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 제3열량회수장치 (10)는 직접접촉 열교환을 위해 단열재(18)의 안쪽에 원형동파이프(19),내면원형외면4각동파이프(20), 사각동파이프(21) 모양의 고온관(24)과 저온관(25)으로 설치하여 형성시켰으며, 상기 원형동파이프(19) 모양의 관 사이에는 열전도체(17)가 삽입되어 있음을 특징으로 하는 히트펌프 시스템 냉난방기.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 및 제2열량회수장치(9,9')와 제3열량회수장치 (10)는 직접접촉 열교환을 위해 고온관(24)과 저온관(25)을 직관으로 접촉시키거나, 직경이 큰 원형직관(22)에 직경이 작은 코일관(23)을 감아 접촉시키는 구조임을 특징으로 하는 히트펌프 시스템 냉난방기.
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