KR100486099B1 - 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기를 열원으로 하는 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서, 냉각운전시 외기온이 높을 경우에도 실외 열교환기에서 냉매액의 증발을 양호하게 하여 성적계수를 증대할 수 있도록 하고, 압축기에 흡입되는 습냉매증기를 건포화 또는 과열 증기화하여 성적계수를 추가 증대할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 압축기(2), 4방밸브(3), 실내 열교환기(4), 냉각용 팽창밸브(5), 가열용 팽창밸브(6), 실외 열교환기(7) 및 상기 4방밸브(3)를 도관(8)으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브(3)와 압축기(2)를 흡입도관(9)으로 연결한 기본 냉동회로(1)와; 상기 도관(8)의 냉각용 팽창밸브(5)와 가열용 팽창밸브(6) 사이에 설치하여 열매체(12)를 충전하고, 잠열 축열재(13)와, 상기 도관(8)의 냉각용 팽창밸브(5)와 가열용 팽창밸브(6) 사이에 설치한 재응축 열교환기(11)를 내장한 축열조(10)와; 상기 축열조(10)에 공급관(21) 및 순환펌프(23)가 설치된 귀환관(22)으로 연결되고 상기 실외 열교환기(7)의 흡입측에 설치한 열교환기(20)와; 상기 재응축 열교환기(11)의 외주에 증발부(31)가 설치되고 상기 증발부(31)에 연결관(33)으로 연결된 방열부(32)를 축열조(10)의 외부에 위치시킨 히트 파이프(30)와; 상기 흡입도관(9)에 병렬설치되고 상기 방열부(32) 및 축열조(10)에 내장하여 압축기에 흡입되는 냉매증기의 온도에 따라 선택적으로 작용하는 제 1 및 제 2 흡열 열교환기(40)(41)로 구성한 것이다.

Description

히트 펌프 시스템 {HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 공기를 열원으로 이용하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 히트 펌프 시스템은 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 냉각용 및 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4방밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결하여서, 가열운전시에는 4방밸브를 압축기에서 압축된 고온·고압의 냉매증기가 실내 열교환기 측으로 흐르도록 조작하여 고온·고압의 냉매증기를 응축기로 작용하는 실내 열교환기에서 응축 하여 그 응축열을 유체와 열교환시킴으로써 온수를 생성하거나 실내공기를 가열하여서 난방 또는 건조기능을 수행하고, 상기 실내 열교환기에서 응축된 고온·고압의 냉매액을 가열용 팽창밸브에서 팽창시킨 후 증발기로 작용하는 실외 열교환기에서 증발시켜 저온·저압의 냉매증기가 되게 한 후 압축기에 흡입되어 상기한 사이클을 반복하는 것이다.
그리고 냉각운전시에는 4방밸브를 압축기에서 압축된 고온·고압의 냉매증기가 실외 열교환기 측으로 흐르도록 조작하여서 고온·고압의 냉매증기를 응축기로 작용하는 실외 열교환기에서 응축시키고, 실외 열교환기에서 응축된 고온·고압의 냉매액을 냉각용 팽창밸브에서 팽창시킨 후 증발기로 작용하는 실내 열교환기에서 냉매액을 증발시켜 유체에서 증발열을 흡수시킴으로써 냉수를 생성하거나 실내공기를 냉각하여 냉방 등을 하며, 상기 실내 열교환기에서 증발된 저온·저압의 냉매증기는 압축기에 흡입되어 상기한 사이클을 반복하는 것이다.
그리고 상기한 히트 펌프 시스템은 실외 열교환기에서 냉매액을 증발시키거나 냉매증기를 응축시킬 때 수냉식 열교환기를 채용할 경우에는 냉각수로 냉각시킴으로써 4계절 모두 냉매액의 증발이나 냉매증기의 응축이 양호하게 되지만, 상기 수냉식 열교환기는 구조가 복잡하고, 설치면적을 많이 차지하며, 운전비용 등이 소요되기 때문에 그 결점을 해결하기 위하여 공냉식 열교환기를 많이 사용하고 있고, 특히 소용량은 거의 공냉식 열교환기를 사용하고 있다.
한편 상기한 공냉식 실외 열교환기의 용량은 방출열량에 의하여 결정되며, 통상 실내 열교환기의 열전달 면적의 1.2 ~ 1.4배로 설계하는 것은 당업계에서 주 지된 사실이다.
그러나 상기한 바와 같이 히트 펌프 시스템에서 공냉식 실외 열교환기를 채용하여 냉각운전을 할 경우 혹서기에는 냉매증기와 외기와의 온도차가 작기 때문에 그 응축이 불충분하여 포화액이 되지 못하거나, 실외 열교환기와 냉각용 팽창밸브 사이의 도관이 외기 또는 실내의 고온 분위기에 노출된 경우에는 그 도관에서 냉매액의 일부가 증발하여 즉 플래쉬 가스가 발생하고 이로 인하여 도관의 저항이 증가하여서 냉각용 팽창밸브의 능력이 감소됨으로써 냉각용 팽창밸브에서 팽창이 양호하지 못한 상태로 실내 열교환기에 유입되는 것이다.
상기와 같이 실내 열교환기에 유입되는 냉매액의 팽창이 양호하지 못하면 그 냉매액의 온도는 포화온도 이상이 되고, 특히 냉각용 팽창밸브에서 조절하는 유량이 실내 열교환기에서의 최적 냉매량보다 많아지거나 냉동부하가 감소될 경우 등에는 실내 열교환기에서 냉매액의 증발효율이 더욱 더 저조하여짐으로써 냉각효율이 낮아지고, 습냉매증기가 압축기에 흡입됨으로써 압축기에 액백(liquid back)이 발생하여 압축기의 밸브를 손상시키는 원인이 되며, 또한 액압축으로 인하여 액격(liquid hammer)이 발생하는 경우가 있기 때문에 압축기의 결정적 손상원인이 되어 압축기의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 발생하는 것이다.
상기한 문제점을 시정하기 위하여, 실외 열교환기의 용량을 통상의 설계용량보다 크게 하는 것을 고려할 수 있으나, 실외 열교환기의 용량을 더욱 더 크게 할 경우에는 재료비가 고가로 되고 중량이 증가하며 설치 면적을 크게 차지하는 등의 다른 문제점이 발생하는 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 냉각운전시 외기온이 높을 경우에도 실외 열교환기에서 냉매증기의 응축을 양호하게 하여 성적계수를 증대할 수 있도록 하고, 압축기에 흡입되는 습냉매증기를 건포화 또는 과열 증기화하여 성적계수를 추가 증대할 수 있도록 한 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 냉각용 팽창밸브, 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4방밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 도관의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 설치하여 열매체를 충전하고, 잠열 축열재와, 상기 도관의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 설치한 재응축 열교환기를 내장한 축열조와; 상기 축열조에 공급관 및 순환펌프가 설치된 귀환관으로 연결되고 상기 실외 열교환기의 흡입측에 설치한 열교환기와; 상기 재응축 열교환기의 외주에 증발부를 설치하고 상기 증발부에 연결관으로 연결된 방열부를 축열조의 외부에 위치시킨 히트 파이프와; 상기 흡입도관에 병렬설치되고 상기 방열부 및 축열조에 내장하여 압축기에 흡입되는 냉매증기의 온도에 따라 선택적으로 작용하는 제 1 및 제 2 흡열 열교환기로 구성한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 구성도로서, 1은 기본 냉동회로로서, 상기 기본 냉동회로(1)는 압축기(2)의 토출구, 4방밸브(3), 실내 열교환기(4), 냉각용 팽창밸브(5), 가열용 팽창밸브(6), 실외 열교환기(7) 및 상기 4방밸브(3)를 도관(8)으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브(3)와 압축기(2)의 흡입구를 흡입도관(9)으로 연결하여서, 가열운전시에는 실내 열교환기(4)를 응축기로, 실외 열교환기(7)를 증발기로 작용하게 하고, 냉각운전시에는 실외 열교환기(7)를 응축기로, 실내 열교환기(4)를 증발기로 작용하게 한 것이다.
10은 축열조로서, 상기 축열조(10)는 상기 도관(8)의 상기 냉각용 팽창밸브(5)와 가열용 팽창밸브(6) 사이에 설치하여 열매체(12)를 충전함과 동시에 잠열 축열재(13)와, 상기 도관(8)을 관통시켜 상기 도관(8)에 설치한 재응축 열교환기(11)를 내장하여서 된 것이다. 그리고 상기 축열조(10)에 잠열 축열재(13)를 내장하여 열매체(12)의 온도를 일정하게 유지하고, 축열조(10)의 측벽에는 히터(14)를 설치하여 냉각운전 초기시 등에 열매체를 가열하는 것이다.
상기한 잠열 축열재(13)는 황산염, 질산염, 인산염, 탄산염 등 공지한 것을 1종 이상 혼합 사용하여 27 ~ 30℃에서 전이(상변화)를 일으키도록 한 것이다.
20은 열교환기로서, 상기 열교환기(20)는 상기 축열조(10)와 공급관(21) 및 귀환관(22)으로 연결하여 상기 실외 열교환기(7)의 흡입측에 일체로 형성하거나 근접되게 설치하고, 상기 귀환관(22)에는 순환펌프(23)를 설치한 것으로서, 상기 열교환기(20)는 냉각운전시 외기온이 30℃ 이상일 경우에 실외 열교환기(7) 부근에 설치한 온도센서(미도시)의 출력 신호에 의하여 순환펌프(23)를 구동하여서 축열조(10)에 내장된 재응축 열교환기(11)에서 냉매액이 재응축될 때의 응축열에 의하여 열매체(12)를 가열함과 동시에 잠열 축열재(13)의 전이에 의하여 일정온도를 유지하고 일정온도(27 ~ 30℃)로 가열된 열매체(12)를 순환시켜 실외 열교환기(7)에 흡입되는 외기를 냉각하여 실외 열교환기(7)에 공급함으로써 실외 열교환기(7)에서 냉매증기의 응축을 양호하게 한 것이다.
30은 히트 파이프로서, 상기 히트 파이프(30)는 증발부(31)와 방열부(32)를 연결관(33)으로 연결하여 증발부(31)는 상기 재응축 열교환기(11)의 외주에 설치하고, 방열부(32)는 상기 축열조(10)의 외부에 위치시킴과 동시에 내부에 증류수, 알콜 등과 같은 작동유체를 진공 충전하여서 된 것이다.
40은 제 1 흡열 열교환기이고, 41은 제 2 흡열 열교환기로서, 상기 제 1 흡열 열교환기(40) 및 제 2 흡열 열교환기(41)는 상기 흡입도관(9)에 병렬설치하여 제 1 흡열 열교환기(40)는 상기 방열부(32)에 내장하고, 제 2 흡열 열교환기(41)는 상기 축열조(10)에 내장함과 동시에 상기 제 1 및 제 2 흡열 열교환기(40)(41)의 입구측에는 흡입도관(9)의 압축기(2)의 흡입측에 설치한 온도센서(44)의 출력 신호에 의하여 선택적으로 개방되는 솔레노이드 밸브(42)(43)를 설치하여 압축기(2)에 흡입되는 냉매증기의 온도가 적정온도(예 12℃) 이상일 경우에는 솔레노이드 밸브(42)를 개방하여 압축기(2)에 흡입되는 냉매증기를 방열부(32)에서 작동유체의 응축열에 의하여 가열하여 작은 온도만을 승온시키고, 적정온도 이하일 때에는 솔레노이드 밸브(43)를 개방하여 제 2 흡열 열교환기(41)에서 열매체의 보유열로 가열하여 큰 온도를 승온시킴으로써 압축기(2)에 흡입되는 습냉매증기를 건포화 또는 과열 증기화 하는 것이다.
미설명부호 45는 팬이고, 46, 47은 체크 밸브이다.
이상과 같은 본 발명은 가열운전시에는 4방밸브(3)를 냉매가 화살표 실선으 로 흐르도록 조작한 후 압축기(2)를 구동하면, 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 응축기로 작용하는 실내 열교환기(4)에 유입되어 응축되면서 그 응축열에 의하여 유체를 가열시킴으로써, 온수를 생성하거나 공기조화(난방) 기능 등을 수행하고, 상기 실내 열교환기(4)에서 응축된 고온·고압의 냉매액은 체크 밸브(46)를 경유하여 축열조(10)에 내장된 재응축 열교환기(11)에서 히트 파이프(30)의 증발부(31) 내의 작동유체를 증발시킴과 동시에 열매체(12)를 가열하고 그 냉매액은 과냉각되는 것이다. 상기 과냉각된 냉매액은 가열용 팽창밸브(6)에서 팽창된 후 증발기로 작용하는 실외 열교환기(7)에서 외기를 열원으로 하여 증발되며, 상기 실외 열교환기(7)에서 증발된 저온·저압의 냉매증기는 4방밸브(3)를 경유한 후 흡입도관(9)에 병렬설치하여 히트 파이프(30)의 방열부(32) 및 축열조(10)에 내장된 제 1 흡열 열교환기(40) 또는 제 2 흡열 열교환기(41)를 선택적으로 경유하면서 압축기(2)에 흡입되어 상기 사이클을 반복하는 것이다.
그리고 냉각운전시에는 4방밸브(3)를 냉매가 화살표 점선으로 흐르도록 조작한 후 압축기(2)를 구동하면, 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 응축기로 작용하는 실외 열교환기(7)에서 유입되어 응축되고, 상기 실외 열교환기(7)에서 응축된 고온·고압의 냉매액은 체크밸브(47)를 경유하여 냉각용 팽창밸브(5)에서 팽창된 후 증발기로 작용하는 실내 열교환기(4)에 유입되어 증발하면서 유체에서 증발열을 흡수함으로써 냉수를 생성하거나 공기조화(냉방) 기능 등을 수행하고, 상기 실내 열교환기(4)에서 증발된 저온·저압의 냉매 증기는 4방밸브(3) 및 흡입도관(9)을 경유하여 압축기(2)에 흡입되어 상기 사이클을 반복하는 것이며, 상기한 냉각 사이클을 반복한 때 재응축 열교환기(11), 제 1 흡열 열교환기(40) 및 제 2 흡열 열교환기(41)는 상기 가열운전과 동일한 기능을 수행하는 것이다.
한편 상기와 같이 가열 또는 냉각운전시에 재응축 열교환기(11)에서 냉매액이 과냉각될 때 그 응축열을 방열하여 히트 파이프(30)의 증발부(31)에 충전된 작동유체를 증발시킴과 동시에 열매체(12)가 가열되며, 상기 열매체(12)의 온도가 잠열 축열재(13)의 전이 온도인 27 ~ 30℃ 이상이 되면 잠열 축열재(13)가 액체로 되면서 열매체(12)에서 융해열을 흡수 저장하고, 전이 온도 이하가 되면 고체로 되면서 열매체(12)에 응고열을 방출함으로써 열매체는 거의 일정한 온도를 유지하는 것이다.
상기한 상태에서 냉각운전시에 외기온이 30℃ 이상이 되면 실외 열교환기(7)의 부근에 설치한 온도센서의 출력 신호에 의하여 순환펌프(23)가 구동되어 축열조(10)에 저장된 열매체를 열교환기(20)에 공급하여서 실외 열교환기(7) 주위의 외기를 냉각시킨 후 실외 열교환기(7)에 흡입되게 하였기 때문에 냉매증기의 응축 온도와 외기의 온도차를 크게 함으로써 냉매증기의 응축이 양호하게 되며, 외기온이 30℃ 미만이 되면 순환펌프(23)는 정지하는 것이다.
상기한 냉각운전시 온도센서의 출력 신호 온도는 30℃를 예로 들었으나, 실외 열교환기(7)의 열전달 면적 또는 외기 기후조건 등에 따라 상승 또는 하강시킬 수 있고, 이 경우 잠열 축열재(13)의 전이 온도도 변경하는 것이다.
그리고 상기한 가열 또는 냉각운전시에 실외 열교환기(7) 또는 실내 열교환기(4)에서 증발된 습냉매 증기의 온도가 12℃ 이하일 경우에는 흡입도관(9)의 압축 기(2)의 흡입측에 설치한 온도센서(44)의 출력 신호에 의하여 솔레노이드 밸브(43)가 개방됨으로 그 습냉매증기는 제 2 흡열 열교환기(41)를 경유하면서 열매체에 의하여 가열되어 큰 온도로 승온되고, 12℃ 이상일 경우에는 솔레노이드 밸브(42)가 개방됨으로 그 습냉매증기는 히트 파이프(30)의 방열부(32)에서 작동유체가 응축될 때의 응축열에 의하여 가열되어 작은 온도만 승온되어서 건포화 또는 과열증기화 되기 때문에 압축기의 액백 및 액격이 발생되지 않게 되는 것이다.
본 발명은 상기와 같이 외기온이 높은 냉각운전시에 실외 열교환기에서 냉매증기의 응축을 양호하게 함과 동시에 압축기에 흡입되는 습냉매증기를 건포화 또는 과열증기화 함으로써 압축기의 액백 및 액격이 발생되지 않아 압축기의 신뢰성을 확보할 수 있는 것이다.
상기한 실시예에서는 가열운전 또는 냉각운전을 할 수 있도록 한 것에 대하여 설명하였으나, 냉각운전 즉 협의의 냉동사이클에만 실시할 수 있으며, 협의의 냉동사이클에만 실시할 경우에는 4방밸브(3), 가열용 팽창밸브(6), 체크 밸브(46) (47)를 설치하지 않고 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 화살표 점선으로 흐르도록하며, 흡입도관(9)은 압축기(2)의 흡입부에 직접 연결하는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 기본 냉동회로의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 축열조를 설치하여 열매체를 충전하고, 잠열 축열재, 재응축 열교환기, 히트 파이프 및 가열 열교환기를 내장하여서 응축기로 작용하는 실내 또는 실외 열교환기에서 배출되는 냉매액으로 열매체를 일정온도로 가열하여, 상기 열매체를 실외 열교환기의 흡입부에 설치한 열교환기에 공급하여서 실외 열교환기에 흡입되는 외기를 냉각하도록 하였기 때문에 외기온이 높은 냉각운전시에 실외 열교환기에서 냉매증기의 응축을 양호하게 하여 성적계수를 증대하고, 상기 열매체 및 히트 파이프의 작동유체에 의하여 압축기에 흡입되는 습냉매증기를 건포화 또는 과열증기화 함으로써 압축기의 액백 및 액격의 발생을 방지하였기 때문에 성적계수가 추가 증대됨으로써 계절에 불구하고 효율을 양호하게 유지할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
1 : 기본 냉동회로 4 : 실내 열교환기 7 : 실외 열교환기
10 : 축열조 11 : 재응축 열교환기 13 : 잠열 축열재
20 : 열교환기 30 : 히트 파이프 31 : 증발부
32 : 방열부 40, 41 : 제 1 및 제 2 흡열 열교환기

Claims (3)

  1. 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 냉각용 팽창밸브, 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4방밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 도관의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 설치하여 열매체를 충전하고, 잠열 축열재와, 상기 도관의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 설치한 재응축 열교환기를 내장한 축열조와; 상기 축열조에 공급관 및 순환펌프가 설치된 귀환관으로 연결되고 상기 실외 열교환기의 흡입측에 설치한 열교환기와; 상기 가열 열교환기의 외주에 증발부가 설치되고, 상기 증발부에 연결관으로 연결된 방열부를 축열조의 외부에 위치시킨 히트 파이프와; 상기 흡입도관에 병렬설치되고 상기 방열부 및 축열조에 내장하여 압축기에 흡입되는 냉매증기의 온도에 따라 선택적으로 작용하는 제 1 및 제 2 흡열 열교환기로 구성한 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 축열조에 히터를 부설한 히트 펌프 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 흡열 열교환기 및 제 2 흡열 열교환기의 입구측에 솔레노이드 밸브를 설치하여 흡입도관의 압축기의 흡입측에 설치한 온도센서에 의하여 선택적으로 개방하는 히트 펌프 시스템.
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