KR100534003B1 - 열매체를 사용하는 냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특히 응축기와 증발기를 포함하는 냉매순환회로에 열매체순환회로를 추가함으로써 히트펌프의 기능으로 사용시에도 증발기에 성에가 발생하지 않도록 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템은 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브가 형성된 냉매순환회로가 하나 이상 구비된 냉매순환시스템; 상기 증발기와 공랭식 열교환기를 경유하는 폐회로인 제1열매체순환회로; 상기 응축기와 실내기를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로; 상기 응축기와 상기 공랭식 열교환기를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로; 상기 증발기와 상기 실내기를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로; 및 상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로상에 설치되는 선택적으로 작동이 가능한 2개 이상의 펌프를 포함하여 구성된다.

Description

열매체를 사용하는 냉난방시스템{HEATING AND COOLING SYSTEM USING BRINE CIRCULATION}

본 발명은 열매체를 사용하는 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증발기와 응축기에 열매체순환회로를 형성하여 냉난방시스템에서 히트펌프의 기능을 사용하는 경우에 성에를 신속히 제거하고 냉방 또는 난방중 어떤 기능을 사용하는 경우에도 냉난방시스템의 효율이 떨어지지 않도록 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템에 관한 것이다.

히트펌프를 이용하여 겨울철에는 난방을 하고 여름철에는 냉방을 할 수 있다. 이 방법은 널리 사용하고 있으며 매우 경제적인 방법이다. 첫째 효율이 높기 때문에 에너지 절약에 매우 효과적이다. 둘째 냉방과 난방을 위해 두 가지 시설을 하지 않기 때문에 초기 시설비 투자가 작다. 이러한 장점에도 불구하고 널리 보급되지 않은 이유는 기후에 크게 좌우 된다.

그 이유를 설명하기 앞서 히트펌프싸이클에 관하여 간단히 기술한다. 히트펌프 싸이클은 증기 압축 냉동 싸이클이다. 증기압축 싸이클은 압축기에서 압축된 기체냉매는 응축기에서 응축되고 팽찰 밸브를 지나며 압력강하가 일어나게 하여 냉매의 일부가 증발하여 냉각된다. 나머지 냉매는 증발기에서 증발할 때 주위에서 열을 흡수하고 주위는 냉각한다. 낮은 압력의 기체냉매는 압축기로 돌아가서 압축된다. 이와 같은 증기 압축 싸이클의 응축기에서 기체냉매가 응축할 때 기화열을 주위에 발산하게 되며 이열을 이용할 때 이 싸이클은 히트펌프 싸이클이 된다. 그와 반면에 증발기에서 액체냉매가 증발할 때 주위에서 기화열을 흡수하고 그 결과 주위는 냉각한다. 이 냉각현상을 이용하면 냉동 싸이클이 된다. 그러므로 증기 압축 싸이클(vapor compression cycle)을 수행 할 수 있는 기계는 난방과 냉방을 할 수 있는 기본구조로 되어 있다.

히트펌프는 운전조건에 따라서 성적계수를 3 내지 5까지 할 수 있으므로 에너지 효율이 아주 뛰어나다. 히트펌프 싸이클에서 성적계수가 높은 이유는 증발기에서 기체냉매가 증발하면서 열을 전달받아 냉매의 에너지가 높아진 상태에서 전기적 에너지인 압축기의 동력이 더해져서 더욱 에너지가 높아진 기체냉매가 응축기에서 열을 내어 놓기 때문이다. 증발기에서 열을 흡수 할 때에는 특별한 열원이 없어서 대기로부터 열을 공급받기 때문에 공기중의 수분이 증발기 표면에 얼어붙게 되어 성에가 생긴다. 따라서 증발기의 성에가 증발기의 열전달 기능을 저하시켜서 히트펌프를 사용할 수 없게 된다.

성에문제는 대기온도가 -5℃에서 5℃일 때 대단히 크다. 그런데 한국과 같은 해양성기후에서는 습기가 많고 온도 역시 이 영역에 속하는 날이 많아서 성에 문제때문에 히트펌프를 사용하기 곤란하였다.

또한, 종래의 히트펌프/에어컨 겸용장치의 경우 에어컨의 기능으로 사용하는 경우에는 증발기가 실내기에 연결되고 응축기가 실외기에 연결되는 구조인데, 히트펌프의 기능으로 사용할 경우에는 증발기가 실외기에 연결되고 응축기가 실내기에 연결되어야 한다. 그러나 실내기와 실외기의 위치를 바꾸기 위해서는 히트펌프/에어컨 겸용장치의 전체의 구조를 변경해야 하므로 현실적으로 어렵고, 따라서 냉매를 역방향으로 순환시켜서 증발기를 응축기로 사용하고 응축기를 증발기로 사용하였는데, 증발기와 응축기는 사용온도 등이 달라서 냉매를 역방향으로 순환시켜서 장치를 사용하는 것은 비효율적이었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 증발기와 응축기에 열매체순환회로를 형성하여 냉난방시스템에서 히트펌프의 기능을 사용하는 경우에 성에를 신속히 제거하고 냉방 또는 난방중 어떤 기능을 사용하는 경우에도 냉난방시스템의 효율이 떨어지지 않도록 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브가 형성된 냉매순환회로가 하나 이상 구비된 냉매순환시스템; 상기 증발기와 공랭식 열교환기를 경유하는 폐회로인 제1열매체순환회로; 상기 응축기와 실내기를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로; 상기 응축기와 상기 공랭식 열교환기를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로; 상기 증발기와 상기 실내기를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로; 및 상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로상에 설치되는 선택적으로 작동이 가능한 2개 이상의 펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템에 의해 달성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 제1열매체순환회로 및 상기 제2열매체순환회로에 설치되는 복수의 제1개폐밸브; 및 상기 제3열매체순환회로 및 상기 제4열매체순환회로에 설치되는 복수의 제2개폐밸브를 더 포함하고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로 각각은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로들의 하나 이상과 공유하는 부분이 있는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해, 열교환기를 내장하고 물이 저장된 빙축조; 상기 증발기와 빙축조를 경유하는 폐회로인 제5열매체순환회로; 및 상기 빙축조와 상기 실내기를 경유하는 폐회로인 제6열매체순환회로를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직한다.

상기 목적을 달성하기 위해 상기 제2열매체순환회로에 설치되며 열매체를 저장하는 제1열매체수집탱크와 제2열매체수집탱크; 상기 제4열매체순환회로에 설치되며 열매체를 저장하는 제3열매체수집탱크와 제4열매체수집탱크; 및 상기 하나 이상의 냉매순환회로의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제1열매체수집탱크 및 제3열매체수집탱크는 온도센서를 구비하고, 상기 제어기는 상기 온도센서에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 냉매순환시스템은, 냉매가 채워지고 상기 냉매의 수위를 제어하는 수위제어장치 및 열교환기가 형성된 인터쿨러를 더 포함하고, 상기 압축기는 저압압축기와 고압압축기로 이루어지고, 상기 팽창밸브는 상기 응축기와 각각 연결되는 저압팽창밸브와 고압팽창밸브로 이루어지며; 상기 저압압축기와 고압압축기는 상기 인터쿨러를 통해 연결되고, 상기 저압팽창밸브와 상기 응축기는 상기 인터쿨러를 통해 연결되는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 인터쿨러 내부의 바닥에는 상기 저압압축기에 연결되고 복수의 구멍이 형성된 기체분산 매니폴드가 더 설치되고, 상기 인터쿨러의 열교환기는 원형의 외부핀이 복수개 형성된 핀튜브가 상기 인터쿨러 내부의 냉매의 수면에 수평하게 설치되어 형성된 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 공랭식 열교환기는 하방이 관통되고 지면으로부터 떨어져서 형성되며, 측방향으로 관통되어 형성된 핀튜브를 구비한 번들이 배치되고, 상기 번들에는 각도조정이 가능한 루버가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 동일한 부재에 대해서는 편의상 동일한 도면부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 개략적인 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템은 증발기(1), 압축기(2), 응축기(3)와 팽창밸브(7)로 이루어지며 냉매가 순환하는 냉매순환회로로 이루어지는 냉매순환시스템과 공랭식 열교환기(40), 실내기(60)를 포함하고, 증발기(1)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하여 열매체가 순환하는 폐회로인 제1열매체순환회로(100), 응축기(3)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로(200), 응축기(3)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로(300) 및 증발기(1)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로(400)를 포함하여 구성된다.

제1열매체순환회로(100)는 증발기(1) 또는 공랭식 열교환기(40)의 양측의 회로상에 회로를 개방 또는 폐쇄하는 솔레노이드 밸브인 제1개폐밸브(V1)가 각각 설치되고, 증발기(1)의 일측의 회로상에 열매체를 순환시키는 제1펌프(P1)가 설치된다.

제2열매체순환회로(200)는 응축기(3) 또는 실내기(60)의 양측의 회로상에 각각 제1개폐밸브(V1)가 형성되고, 응축기(3)의 일측의 회로상에는 보조 전기히터(5)가 설치되고 타측의 회로상에 제2펌프(P2)가 설치된다.

제3열매체순환회로(300)는 공랭식 열교환기(40) 또는 응축기(3)의 양측의 회로상에 각각 제2개폐밸브(V2)가 설치된다.

제4열매체순환회로(400)는 증발기(1) 또는 실내기(60)의 양측의 회로상에 각각 제2개폐밸브(V2)가 설치된다.

제1열매체순환회로(100)는 다른 열매체순환회로(200, 300, 400)와 연결되는 제1, 제2, 제3 및 제4분지부(D1, D2, D3, D4)를 구비하고, 제2열매체순환회로(200)는 제5, 제6, 제7 및 제8분지부(D5, D6, D7, D8)를 구비한다. 제1 및 제4분지부(D1, D4)의 사이의 회로의 부분은 제1열매체순환회로(100)와 제4열매체순환회로(400)가 공유하고, 제2 및 제3분지부(D3)(D2, D3) 사이의 회로를 제1열매체순환회로(100)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하며, 제5 및 제8분지부(D5, D8) 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하고, 제6 및 제7분지부(D6, D7) 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제4열매체순환회로(400)가 공유한다.

사용한 열매체는 물50%와 에칠렌 글라이콜 50%를 섞은 부라인이다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 개략적인 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 증발기(1), 압축기(2), 응축기(3)와 팽창밸브(7)로 이루어지며 냉매가 순환하는 냉매순환회로로 이루어지는 냉매순환시스템과 공랭식 열교환기(40), 복수의 실내기(60), 및 빙축조(70)를 포함하고, 증발기(1)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하여 열매체가 순환하는 폐회로인 제1열매체순환회로(100), 응축기(3)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로(200), 응축기(3)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로(300), 증발기(1)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로(400), 증발기(1)와 빙축조(70)를 경유하는 폐회로인 제5열매체순환회로(500) 및 빙축조(70)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제6열매체순환회로(600)를 포함하여 구성된다.

제1열매체순환회로(100)는 증발기(1) 또는 공랭식 열교환기(40)의 양측의 회로상에 회로를 개방 또는 폐쇄하는 솔레노이드 밸브인 제1개폐밸브(V1)가 각각 설치되고, 증발기(1)의 일측의 회로상에 제2펌프(P2)가 설치된다.

제2열매체순환회로(200)는 응축기(3) 또는 실내기(60)의 양측의 회로상에 각각 제1개폐밸브(V1)가 형성되고, 응축기(3)의 일측의 회로상에는 보조 전기히터(5)가 설치되고 타측의 회로상에 제1펌프(P1)가 설치된다.

제3열매체순환회로(300)는 공랭식 열교환기(40) 또는 응축기(3)의 양측의 회로상에 각각 제2개폐밸브(V2)가 설치된다.

제4열매체순환회로(400)는 증발기(1)와 실내기(60) 사이의 회로상에 제4개폐밸브(V4)가 설치되고, 실내기(60)를 지난 회로상에 제4개폐밸브(V4) 및 제2개폐밸브(V2)가 설치된다.

제5열매체순환회로(500)는 빙축조(70)와 증발기(1) 사이의 회로상에 제3개폐밸브(V3)가 설치된다.

제6열매체순환회로(600)는 제4열매체순환회로(400)와 동일한 경로이지만, 냉매순환시스템이 작동되지 않는 점에서 차이가 있다.

제1열매체순환회로(100)는 다른 열매체순환회로(200, 300, 400, 500, 600)와 연결되는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5분지부(D1, D2, D3, D4, D5)를 구비하고, 제2열매체순환회로(200)는 제6, 제7, 제8 및 제9분지부(D6, D7, D8, D9)를 구비하며, 제4열매체순환회로(400)는 제10분지부(D10)를 구비한다. 제2 및 제3분지부(D2, D3)의 사이의 회로의 부분은 제1열매체순환회로(100)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하고, 제6 및 제9분지부(D6, D9) 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하며, 제7 및 제8분지부(D7, D8) 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제4열매체순환회로(400)가 공유하고, 제1 및 제4분지부(D1, D4) 사이의 회로를 제1열매체순환회로(100)와 제4열매체순환회로(400)가 공유하며, 제1 및 제5분지부(D1, D5) 사이의 회로를 제1열매체순환회로(100)와 제5열매체순환회로(500)가 공유하고, 제5 및 제10분지부(D5, D10) 사이의 회로를 제4열매체순환회로(400)와 제5열매체순환회로(500)가 공유한다. 제6열매체순환회로(600)는 제4열매체순환회로(400)와 모든 부분을 공유한다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 열매체순환을 나타낸 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템은 증발기(1), 압축기(미도시), 응축기(3)와 팽창밸브(미도시)로 이루어지며 냉매가 순환하는 복수의 냉매순환회로로 이루어지는 냉매순환시스템과 공랭식 열교환기(40), 복수의 실내기(60)를 포함하고, 증발기(1)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하여 열매체가 순환하는 폐회로인 제1열매체순환회로(100), 응축기(3)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로(200), 응축기(3)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로(300) 및 증발기(1)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로(400)를 포함하여 구성된다.

제1열매체순환회로(100)는 공랭식 열교환기(40)의 양측의 회로상에 회로를 개방 또는 폐쇄하는 솔레노이드 밸브인 제1개폐밸브(V1)가 각각 설치되고, 증발기(1)의 일측의 회로상에 온도센서(65)가 구비되고 열매체를 저장하는 제1열매체수집탱크(T1) 및 열매체를 순환시키는 제3펌프(P3)가 설치되고, 증발기(1)의 타측의 회로상에 제4펌프(P4)와 제2열매체수집탱크(T2)가 설치된다. 제2열매체수집탱크(T2)는 제1입구(81), 제2입구(82) 및 배출구(83)를 구비한다.

제2열매체순환회로(200)는 실내기(60)의 양측의 회로상에 각각 제1개폐밸브(V1)가 형성되고, 응축기(3)의 일측의 회로상에 온도센서(66) 및 보조히터(88)가 구비되고 열매체를 저장하는 제3열매체수집탱크(T3) 및 제1펌프(P1)가 설치되고, 응축기(3)의 타측의 회로상에 열매체를 순환시키는 제2펌프(P2)와 제4열매체수집탱크(T4)가 설치된다. 제4열매체수집탱크(T4)는 제1입구(84), 제2입구(85) 및 배출구(86)를 구비한다.

제3열매체순환회로(300)는 공랭식 열교환기(40)의 양측의 회로상에 각각 제2개폐밸브(V2)가 설치되고, 제2열매체순환회로(200)와 제3 및 제4열매체수집탱크(T3, T4)와 제1 및 제2펌프(P1, P2)를 공유한다.

제4열매체순환회로(400)는 실내기(60)의 양측의 회로상에 각각 제2개폐밸브(V2)가 설치되고, 제1열매체순환회로(100)와 제1 및 제2열매체수집탱크(T1, T2)와 제3 및 제4펌프(P3, P4)를 공유한다.

제1열매체순환회로(100)는 다른 열매체순환회로와 연결되는 제1, 제2 및 제3분지부(D1, D2, D3)를 구비하고, 제2열매체순환회로(200)는 제4, 제5 및 제6분지부(D4, D5, D6)를 구비한다. 제2 및 제3분지부(D3)(D2, D3)의 사이의 회로의 부분은 제1열매체순환회로(100)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하고, 제4열매체수집탱크(T4) 및 제4분지부(D4) 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제3열매체순환회로(300)가 공유하며, 제2열매체수집탱크(T2) 및 제1분지부(D1) 사이의 회로를 제1열매체순환회로(100)와 제4열매체순환회로(400)가 공유하고, 제5 및 제6분지부 사이의 회로를 제2열매체순환회로(200)와 제4열매체순환회로(400)가 공유한다.

도 4는 본 발명의 제1, 2 및 3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 냉매순환시스템의 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 냉매순환시스템은 증발기(1), 압축기, 응축기(3), 기체냉매저장을 위한 리시버탱크(6), 팽창밸브(7) 및 인터쿨러(20)를 포함하여 구성된다. 압축기는 저압압축기(2a)와 고압압축기(2b)로 이루어지고, 팽창밸브는 저압팽창밸브(7a)와 고압팽창밸브(7b)로 이루어진다.

증발기(1)와 응축기(3) 사이에는 저압압축기(2a), 인터쿨러(20) 및 고압압축기(2b)가 순차적으로 설치된다. 증발기(1)와 저압압축기(2a) 사이의 회로상에는 제1분지부(D1)가 형성되고 인터쿨러(20)와 고압압축기(2b) 사이의 회로상에는 제2분지부(D2)가 형성되며, 제1분지부(D1)와 제2분지부(D2)를 연결하는 회로가 형성된다.

리시버탱크(6)를 지난 회로상에는 제3분지부(D3)가 형성되고, 제3분지부(D3)에서 분지되어 저압팽창밸브(7a)와 연결되는 저압팽창밸브 회로부(11) 및 고압팽창밸브(7b)와 연결되는 고압팽창밸브 회로부(12)가 형성된다. 저압팽창밸브 회로부(11)는 인터쿨러(20)를 경유하여 저압팽창밸브(7a)에 연결되고, 저압팽창밸브 회로부(11)에 제5분지부(D5)에서 분지되어 인터쿨러(20)에 별도로 연결되는 냉매공급부(15)가 형성된다. 저압팽창밸브(7a)와 고압팽창밸브(7b)를 지난 회로부들은 제4분지부(D4)에서 합쳐져서 증발기(1)에 연결된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러를 나타낸 개략적인 정면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러를 나타낸 개략적인 측면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러에 사용된 핀튜브를 나타낸 정면도이다.도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 인터쿨러(20)는 입구(22)와 출구(25)가 형성되고 냉매가 채워진 원통형의 하우징(26), 기체분산 매니폴드(21), 열교환기(30) 및 냉매수위제어장치(19)를 포함하여 구성된다.

하우징(26)의 하단에는 복수의 구멍(23)이 형성된 기체분산 매니폴드(21)가 설치된다.

열교환기(30)는 하우징(26)의 내측의 하부에 설치되고 저압팽창밸브 회로부(11)에 연결되는 핀튜브(31)로 이루어진다. 열교환기의 핀튜브(31)는 인터쿨러(20)에 채워진 냉매의 수면과 수평하게 배치되고, 상부로 갈 수록 핀튜브(31)의 수가 증가하도록 배치된다.

저압팽창밸브 회로부(11)에 연결되는 냉매공급부(15)는 인터쿨러(20)의 하우징(26)의 일측을 관통하여 형성되며, 냉매공급부(15)는 부표를 구비하여 냉매공급부(15)의 유로를 개폐하는 냉매수위제어장치(19)가 설치되고 냉매공급부(15)의 끝에는 내경이 감소한 형상의 감압부(16)가 형성된다.

핀튜브(31)는 관(33)의 외주면에 원형의 외부핀(34)이 형성된 것이고, 복수의 핀튜브(31)는 U자관(36)으로 연결되어 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 공랭식 열교환기를 나타낸 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방시스템에 사용되는 공랭식 열교환기(40)는 하면이 개방된 하우징(41)과 그 양측에 각각 설치되는 복수의 핀튜브(31)가 수용된 번들(45), 번들(45)에 설치되는 송풍팬(50) 및 번들(45)의 외부측에 설치되어 공기소통을 안내하는 루버(55)를 포함하여 구성된다.

하우징(41)은 한 쌍의 측면과 상면이 막혀있고, 하면과 다른 쌍의 측면은 개방되어 있으며, 하우징(41)의 하단에는 지면과 간격을 두기 위해 다리(43)가 설치된다.

번들(45)은 양측에 각각 유입매니폴드(46) 및 배출매니폴드(미도시)를 구비하고, 일면에 2개의 송풍팬(50)이 설치되어 있다. 번들(45)의 핀튜브(31)들은 상기 인터쿨러(20)에 사용된 핀튜브(31)들과 같이 관의 외주면에 외부핀이 형성된 것이고, 핀튜브(31)들은 U자관(36)에 의해 연결된다. 번들(45)의 외부측에는 복수의 루버(55)가 각도조정이 가능하게 설치된다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 작용효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

우선 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 작용효과에 대하여 설명한다. 냉매의 회로와 열매체의 회로는 구분이 되도록 표시하고, 냉매의 회로는 이후 설명되므로 여기서는 간략히 표시한다.

히트펌프기능을 우선 설명한다. 압축기(2)에서 압축된 기체냉매는 응축기(3)에서 응축하면서 응축열을 열매체에 전달한다. 열매체는 제2펌프(P2)에 의하여 실내에 있는 실내기(60)로 흘러가 실내공기와 열 교환을 하여 실내공기를 데우는 난방 역할을 한 후 응축기(3)로 돌아와서 다시 가열된다. 이때 제2개폐밸브(V2)는 닫혀있으며 제1개폐밸브(V1)는 열려 있다(제2열매체순환). 응축기(3)에서 응축된 액체 냉매는 팽창밸브(7)를 지나며 압력이 강하할 때에 일부냉매가 증발하고 동시에 나머지 액체냉매는 냉각되며, 그 액체냉매는 증발기(1)에서 열매체로부터 열을 빼앗고 자신은 증발함으로써 액체냉매에 비해 높은 에너지 상태가 되어 압축기(2)로 되돌아 간다. 이와 반면에 열매체는 증발기(1)를 통과할 때 냉매에 열을 전달하고 온도가 내려간다. 이 저온의 열매체는 공랭식 열교환기(40)로 흘러가 대기로부터 열을 공급받는다. 온도가 상승한 열매체는 제1펌프(P1)에 의하여 다시 증발기(1)로 되돌아간다(제1열매체순환). 이때 제2개폐밸브(V2)는 닫혀 있고 제1개폐밸브(V1)는 열려 있다.

이 경우 3개의 순환이 이루어진다. 첫째는 증기 압축 사이클인 냉매순환이 압축기(2)을 지나며 이루어진다. 둘째는 열매체가 응축기(3)와 실내기(60)사이를 제2펌프(P2)에 의하여 순환한다(제2열매체순환). 마지막으로 열매체가 증발기(1)와 공랭식 열교환기(40)사이를 제1펌프(P1)의 동력으로 순환한다(제1열매체순환). 이 3개의 순환의 결과로서 열매체는 공기중에서 열을 전달받아 냉매에 전달하고, 에너지상태가 높아진 기체냉매는 압축기(2)에서 단열 압축하는 과정에서 에너지가 더욱 높아진 후 응축기(3)로 와서 열매체에 열을 전달하게 되어 열매체의 온도가 상승하게 된다. 온도가 상승한 열매체는 실내기(60)에서 실내공기를 데워주는 기능을 한다.

이때 공기중으로부터 열을 빼앗는 공랭식 열교환기(40)에 생기게 되는 성에를 제거하는 과정은 다음과 같다. 압축기(2)와 제1펌프(P1)의 작동을 정지시키고 제1개폐밸브(V1)는 닫고 제2개폐밸브(V2)는 열어 놓는다. 제2펌프(P2)를 작동하면 응축기(3)에 있는 높은 온도의 열매체가 공랭식 열교환기(40)와 응축기(3)사이를 순환하게 된다(제3열매체순환). 이때 대기온도에 따라 응축기(3) 출구 다음에 있는 보조 전기 히터를 켜서 열매체 온도를 더욱 높여서 짧은 시간에 성에를 효과적으로 제거한다. 이와 같은 작동으로 기후조건이 매우 불리한 경우에도 히트펌프 운전을 가능하게 한다.

상기 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 우선 난방을 위하여 시스템을 히트펌프 모드로 운전할 때를 살펴본다.

응축기(3)와 증발기(1)의 관내부로는 냉매가 흐르며 외부로는 열매체가 흐른다. 열매체는 3kg/s의 유량으로 응축기(3)를 지나면서 50℃로 들어와 55℃로 온도가 상승되어 실내기(60)로 흘러가고 난방을 한 후 온도가 50℃로 내려간 상태에서 응축기(3)로 다시 돌아온다. 이 때 냉매는 111.3℃의 기체로 응축기(3)로 들어와 58.1℃액체가 된다.

증발기(1)의 관내부에서는 액체냉매가 기체냉매로 증발하고 관외부에서는 열매체가 흐른다. 열매체는 -14℃로 들어와서 열을 잃고 -17℃로 되어 공랭식 열교환기(40)로 가서 공기로부터 열을 전달 받는다.

공냉식 열교환기에서 공기는 -9℃로 유입하여 -12℃로 배출되고, 공랭식 열교환기(40)를 흐르는 열매체는 -17℃로 들어와 공기에서 열을 전달받아 온도가 -14℃로 상승되어 증발기(1)로 가서 냉매에 열을 전달한다. 열매체와 냉매의 순환에 관하여 상세하게 설명할 때 기술하였듯이 전체 사이클은 거시적으로 볼 때 -9℃의 대기에서 25,000kcal/h의 열을 공급받아 실내 열교환기로 55℃의 열매체를 보내어 44,700kcal/h을 방열하여 난방한다. 이것은 저온에서 고온으로 열을 펌프해 주는 것이다. 이 열 펌핑에 사용되는 동력은 주로 압축기(2)가 소비하고 나머지 양을 순환펌프와 송풍기가 소비한다.

이하에서는 냉방기능을 사용하는 경우를 설명한다. 본 발명에서는 히트펌프의 기능과 냉방기능을 서로 바꾸는 것이 매우 간편하다. 냉방 모드에서는 제2개폐밸브(V2)를 닫고 제1개폐밸브(V1)를 연다. 히트펌프모드에서는 증발기(1)가 공랭식 열교환기(40)와 연결되어 열을 흡수하고 응축기(3)는 실내기(60)와 연결시켜 응축기(3)에서 발생하는 열이 난방에 사용되지만, 이와 반대로 냉방모드에서는 응축기(3)가 공랭식 열교환기(40)와 연결되어 열을 대기중으로 방열한다(제3열매체순환). 증발기(1)는 실내기(60)와 연결되어 저온의 열매체가 실내기(60)로 흘러가서 실내공기를 냉각시키기 때문에 냉방기능을 한다(제4열매체순환). 이처럼 간편하게 난방과 냉방기능을 할 수 있을 뿐 만 아니라 에너지 사용효율이 높은 것이 장점이다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 작용효과에 대하여 설명한다.

하절기에는 주로 주간에 냉방기능을 사용하기 때문에 전력수급에 어려움이 일어난다. 주간에는 전력사용 피크현상이 일어나고 그와 반대로 밤에는 잉여전력문제가 일어난다. 이런 나쁜 전력사용 패턴을 완화하는 방법으로 심야 유휴전력으로 제빙을 하고 낮에는 해빙을 하며 얻는 냉각방식을 사용한다. 빙축열 방식의 상세한 것은 특허출원 제2002-76796호에 기재하였기 때문에 이곳에서는 본 발명과 관계된 것만 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 빙축조(70)는 히트펌프모드에는 참여하지 않으며 냉방모드에만 참여한다. 심야제빙사이클에서는 제1개폐밸브(V1)와 제4개폐밸브(V4)는 닫혀 있고 제2개폐밸브(V2)와 제3개폐밸브(V3)는 열려 있다. 제1펌프(P1)에 의해 열매체는 응축기(3)와 공랭식 열교환기(40)사이를 순환하며 응축기(3)에서 발생하는 열을 대기중으로 방열한다(제3열매체순환). 제2펌프(P2)에 의해 증발기(1)(칠러 역할을 한다)에서 냉각된 열매체는 빙축조(70)로 흘러가서 관외부에 제빙시키는 과정에서 온도가 상승된 후 다시 증발기(1)로 돌아오는 순환을 하며 제빙한다(제5열매체순환). 해빙 사이클에서는 제1개폐밸브(V1)와 제3개폐밸브(V3)가 닫혀 있고 제2개폐밸브(V2)와 제4개폐밸브(V4)는 열린다. 순환경로는 증발기(1)(칠러),빙축조(70) 그리고 실내기(60)를 순환한다(제4열매체순환, 제6열매체순환). 이때 냉매순환시스템은 작동 할 수도 있고(제4열매체순환), 하지 않을 수도 있다(제6열매체순환). 작동하지 않으면 냉방에 필요한 에너지를 빙축조(70) 혼자 부담하고, 작동시에는 냉매순환시스템과 빙축조(70)가 분담한다.

구체적인 제빙과정은 다음과 같다. 증발기(1)가 칠러 역할을 하여 열매체를 저온으로 만들어 빙축조(70)로 보내서 제빙을 한다. 빙축조(70)에 제빙된 양에 따라 빙축조(70)에서 칠러(증발기(1))로 들어오는 열매체의 온도는 계속 변한다. 그러므로 설계는 가장 나쁜조건에서 보수적으로 한다. 보수적인 그값은 칠러로 들어오는 부라인의 온도가 -3℃이고 칠러에서 -6.7℃로 냉각되어 빙축조(70)로 들어가 제빙하면서 온도가 상승하여 칠러로 되돌아간다. 이때 빙축조(70)에서는 30,000kcal/h로 열을 잃고 매시간 약 380kg의 얼음이 생긴다. 응축기(3)에서는 냉매가 응축할 때 열매체가 열을 얻게 된다. 응축기(3)로 들어오는 열매체의 온도는 40℃이고 온도가 상승 된 후 출구온도 45.4℃로 공랭식 열교환기(40)로가서 대기중으로 열을 방출하고 다시40℃가 되어 응축기(3)로 되돌아간다.

히트펌프 기능으로 사용하는 경우에는 제2, 제3 및 제4개폐밸브(V2, V3, V4)는 닫고, 제1개폐밸브(V1)만 연다. 히트펌프기능으로의 작동은 제1실시예의 경우와 유사하다.

본 발명의 제3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 작용효과에 대해서 설명한다.

냉방과 난방을 할 용량이 큰 대형건물에서는 중앙에서 제어가 가능한 시스템이 필요하다. 이것을 간단하게 그리고 고도의 신뢰성이 있는 시스템을 도 3에 도시하였다. 열매체 순환방식은 상기 설명한 원리적인 면에서는 같지만 구체적인 점에서는 차이가 있다. 도면의 간략화를 위해 냉매순환시스템은 일부를 생략하였다. 냉동기는 압축기(2) 3기(미도시), 증발기(1)역시 3기 그리고 응축기(3)역시 3기로 이루어져 있음을 나타내며 실내기(60)는 6개로 되어 있음을 나타낸다. 그러나 공랭식 열교환기(40)는 1대뿐이다. 이것은 대단히 중요하다. 그 이유는 히트펌프모드로 운전할 때는 성에제거(Defrosting)과정이 필요할 뿐 만 아니라 짧은 시간에 확실히 실행해야 하기 때문이다. 여러 차례 강조 하였듯이 한국의 기후처럼 습기가 많은 겨울날씨에서 히트펌프의 운전은 전적으로 효과적인 제설과정이 성공의 척도가 되기 때문이다. 도시하지 않았지만 압축기(2)는 저압압축기(2a)(Buster)와 고압압축기(2b)가 한 개의 조를 이루어 각각3조가 있고, 이는 이후에 설명된다. 그러나 용량에 따라 다수가 될 수 있다.

히트펌프의 기능을 할 때 열매체는 4개의 펌프에 의하여 순환이 이루어진다. 이때 제2개폐밸브(V2)는 닫혀 있고 제1개폐밸브(V1)는 열려 있다. 응축기(3)에서 기체 냉매가 응축할 때 응축열을 받은 열매체는 가열된다. 각각의 응축기(3)에서 나온 열매체는 제3열매체수집탱크(T3)로 흘러간다. 제1펌프(P1)에 의하여 실내기(60)로 흘러가서 실내의 공기를 데워주고 열매체는 냉각되어 제4열매체수집탱크(T4)로 모인다. 제2펌프(P2)에 의하여 열매체는 응축기(3)로 다시 흘러가게 하는 순환경로를 이룬다(제1열매체순환회로(100)). 지금까지는 방열과정의 열매체 순환화로를 설명하였다. 다음은 공기로부터 열을 흡수하는 회로를 설명한다. 증발기(1)에서 냉매가 증발할 때 열매체는 기화열을 제공하고 냉각한다. 냉매와 열매체는 냉매의 기화열만큼의 열을 서로 교환한다. 냉각된 열매체는 제1열매체수집탱크(T1)로 모이고 제3펌프(P3)에 의하여 저온의 열매체는 공랭식 열교환기(40)로 보내진다. 이때 열매체의 온도가 공기의 온도보다 낮기 때문에 공기로부터 열을 흡수하여 열매체의 온도는 상승한다. 공랭식 열교환기(40)에서 열을 얻은 열매체는 제2열매체수집탱크(T2)로 흘러가고 제4펌프(P4)에 의하여 증발기(1)로 돌아가서 냉매에 열을 전달하게 된다(제2열매체순환). 제1 및 제2열매체순환과정을 함께 보면 공기 중에서 열을 얻어 냉매에 전달하고 냉매는 다시 열매체에 전달하며 열매체는 실내공기를 데워 주는 것이다. 거시적으로 보면 저온에서 고온으로 열을 펌프하는 기능이며 이것을 압축기(2)가 감당한다.

히트펌프사용의 성패는 효율적이고 확실한 성에제거 방법에 있다고 언급하였는데 그 방법에 관하여 설명한다. 성에제거는 공랭식 열교환기(40)의 관내부로 응축기(3)를 통과한 고온의 열매체를 흐르게 함으로서 관외부에 형성된 성에를 제거 하는것이다(제3열매체순환). 이때 제1개폐밸브(V1)는 닫혀 있고 제2개폐밸브(V2)는 열려 있다. 제3열매체수집탱크(T3)에 있는 보조 전기히터(5)에는 전원이 연결된다. 제2펌프(P2)와 제1펌프(P1)만 작동시키고 모든 것은 정지시킨다. 성에가 완전히 제거 될 때까지 이 순환을 계속함으로써 간편하고도 확실하게 성에가 제거된다.

다음은 냉방기능을 할 때 열매체 순환을 설명한다. 히트펌프모드 일때는 공랭식 열교환기(40)가 증발기(1)와 연결되고 응축기(3)가 실내기(60)와 연결되도록 열매체 순환경로가 이루어졌지만 냉방모드 일때는 그와 반대로 증발기(1)가 실내기(60)와 연결되어 실내공기를 냉각시키고(제4열매체순환) 응축기(3)는 공랭식열교환기(40)와 연결되어 열을 대기로 방출한다(제3열매체순환). 이러한 순환을 위해서는 제2개폐밸브(V2)는 닫혀 있고 제1개폐밸브(V1)는 열려있다. 온도제어는 난방기능과 냉방기능에 따라 다르다. 난방 기능일 때는 고온의 열매체를 수집하는 제3열매체수집탱크(T3)에 설치된 온도센서(66)의 온도측정에 따라 제어기가 냉매순환회로 몇 개를 운전하고 몇 개를 정지시킬 것인지 결정한다. 그 반면에 냉방모드일 때는 저온의 열매체를 수집하는 제1열매체수집탱크(T1)에 부착된 온도센서(65)의 지시에 따라 운전할 냉매순환회로의 수를 결정한다. 이처럼 간편하게 그리고 매우 용이하게 온도제어가 가능한 것이 이 시스템의 장점이며 특징이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 냉매순환시스템의 작용효과에 대하여 설명한다.

열매체와 열을 주고 받는 열매체의 상대유체인 냉매의 순환은 증기압축 사이클이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방시스템의 냉매순환시스템은 상기 설명한 실시례 모두에 공통되는 것으로 도 1 및 도 2에서는 간단히 표시되었으며 도 3에는 생략되었다. 우선 히트펌프모드로 운전할때의 냉매순환을 설명한다. 냉매순환시스템은 2개의 압축기(2a, 2b)와 두 압축기(2a, 2b) 사이에서 유체를 냉각시켜주는 인터쿨러(20), 응축기(3), 기체냉매저장을 위한 리시버탱크(6), 두개의 팽창밸브(7a, 7b), 그리고 증발기(1)가 작동한다. 개폐기능만 갖는 제1 및 제2개폐밸브(V1, V2)는 냉매의 증발온도 -20℃에서 5℃에 이르는 광범위한 온도영역에서 효율적으로 냉동 사이클을 운영하기 위하여 저압 압축기(2a)를 동작 시킬때와 그렇지 않을때의 냉매의 우회를 위한 것이며, 저압팽창밸브 회로부(11)와 고압팽창밸브 회로부(12) 중 하나를 선택하는데 사용된다. 인터쿨러(20)는 저압압축기(2a)에서 압축되어 과열된 기체냉매를 냉각시킴과 동시에 저압팽창밸브(7a)를 지나기 전에 액체냉매를 과냉시키는 역할을 한다. 냉난방시스템이 히트펌프모드로 작동 할 때는 증발기(1)에서 증발 포화온도는 -20℃까지 내려 가는 낮은 온도이므로 포화증기압은 대단히 낮아진다. 반면에 응축기(3)에서 응축된 액체냉매의 포화온도는 60℃이상까지 상승할 수 있다. 그러므로 한개의 압축기로는 증발기(1)에서의 포화 증기압력에서 응축기(3)에서의 포화증기압까지 압축 시킬 수 없기 때문에 두개의 압축기(2a, 2b)를 사용하여 2단 압축을 하며 고압 압축을 하기 전에 두 압축기(2a, 2b) 사이에서 냉매를 냉각 시킨 후 최종 압축을 한다. 이때 제1개폐밸브(V1)는 닫혀 있고, 제2개폐밸브(V2)는 열려 있다. 기체 냉매는 고압압축기(2b)에서 압축된후 응축기(3)로 흘러가서 그곳에서 열매체와 열교환을 한 후 응축한다. 액체냉매는 기체냉매 저장을 위한 리시버 탱크(6)를 지나서 인터쿨러(20)로 흘러간다. 인터쿨러(20)는 액체냉매와 기체냉매로 채워져 있으며 열교환기는 액체냉매의 수면 아래에 잠겨있다. 인터쿨러(20)의 액체냉매는 열교환기(30)의 관 내부를 흐르는 액체냉매와 열교환을 하여 관 내부를 흐르는 액체냉매를 과냉시킨다. 이때 인터쿨러(20)안에 있는 액체냉매는 포화상태에 있으므로 열 교환을 하면 액체냉매의 일부가 증발한다. 이처럼 증발하는 액체냉매의 양을 보충하기 위하여 인터쿨러(20)로 들어가는 저압팽창밸브 회로부(11)에서 분지된 냉매공급부(15) 통하여 액체냉매는 관 끝에 있는 감압부(16)를 지나면서 일부가 증발하여 냉각한 상태로 인터쿨러(20)로 들어간다. 액체수위는 냉매수위제어장치(19)에 의하여 냉매공급부(15)의 유로를 개방 또는 폐쇄하여 조절한다. 관내부를 흐르는 액체냉매는 인터쿨러(20)에서 과냉된 후 저압팽창밸브(7a)를 지나 증발기(1)에서 증발한다. 저온저압의 기체냉매는 저온압축기(2)에서 압축되어 과열되고, 이 과열된 기체냉매는 인터쿨러(20)로 흘러가게 되고 인터쿨러(20)의 수면아래에서 주입되어 기포상태로 액체냉매를 통과하여 올라가서 인터쿨러(20)를 나간다. 이때 기체냉매는 액체냉매와 직접 접촉에 의한 열교환을 하게 되고 액체냉매의 일부는 증발하고 기체냉매의 온도는 포화온도까지 냉각한다. 포화온도까지 냉각된 기체냉매는 고압압축기(2b)에서 압축된 후 응축기(3)로 가는 순환을 한다.

이와 같이 인터쿨러(20)를 사용함으로써 3가지의 이득을 얻게 된다. 첫째로 고압압축기(2b) 입구온도가 낮아지면 기체냉매의 부피가 작아지므로 더 많은 양의 냉매를 압축할 수 있어서 압축기의 효율이 높아지고, 둘째로 출구온도가 과열되는 것을 막아서 압축기가 허용온도 이내에서 작동하는 환경을 제공할 수 있다. 셋째로 응축기(3)에서 응축된 액체냉매가 과냉되어 팽창밸브로 흘러가므로 압력이 강하할 때 소량의 액체냉매만이 증발한다. 그결과 더 많은 양의 액체냉매가 증발기(1)에서 증발하게 되므로 적은양의 유체로도 필요한 냉각능력을 얻게 되어 저압압축기(2a)의 동력이 감소한다. 또 인터쿨러(20)의 사용으로 냉매가 증발기(1)에서는 -20℃의 기체에서 고압압축기(2b) 출구에서는 110℃까지 올라갈수 있다. 또 응축기(3)에서 포화온도로 60℃이상까지 상승시킬수 있는 장점을 갖는다. 이처럼 큰 온도차를 유지하면서 작동하므로 높은 성적계수를 얻을 수 있다.

냉방모드로 운영할때는 제2개폐밸브(V2)는 닫고 제1개폐밸브(V1)를 열며, 저압 압축기(2a)는 작동하지 않는다. 이때는 냉매가 인터쿨러(20)를 경유하지 않으며 고압팽창밸브(7b)를 경유한다. 히트펌프모드나 냉방모드에 관계없이 냉매는 항상 같은 응축기(3)에서 응축하고, 같은 증발기(1)에서 증발한다. 기존의 모든 냉.난방을 겸하는 히트펌프들에서는 사방 밸브와 삼방밸브들을 사용하여 증발기(1)와 응축기(3)의 기능을 바꾸어야 했고, 이것은 제어장치를 복잡하게 할 뿐만 아니라 응축기(3)와 증발기(1)의 구조가 다르기 때문에 제어의 신뢰성에 까지 영향을 주었지만, 본 발명에 따른 냉난방시스템은 여러 가지 운전모드로 동작 할 수 있을 뿐만 아니라 제어 방법이 매우 간편하여 제어가 확실하고 또 온도를 광범위한 영역에서 운전할수 있는 장점과 특성을 갖는다.

이하에서는 본 발명에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 냉매순환시스템에 사용되는 인터쿨러의 작용효과를 설명한다.

인터쿨러(20)에 요구되는 기능을 우선 살펴보면, 첫째로, 인터쿨러(20)를 흘러나가는 기체냉매에 액체냉매가 조금도 섞이지 말아야 한다. 액체냉매가 포함된 기체냉매가 압축기(2)로 들어오면 압축기(2)를 손상시킨다. 둘째로, 저압압축기(2a)에서 압축될 때 과열된 기체냉매의 온도를 저압압축기(2a)의 토출압력에서 포화온도가 되거나 가까울 때까지 냉각 시킬 수 있도록 한다. 고압압축기(2b)의 출구온도가 120℃보다 낮게함과 동시에 압축기(2)의 효율을 높이기 위해서다. 셋째로, 인터쿨러(20) 내부에 있는 열교환기의 관 내부를 흐르는 액체냉매의 온도 역시 기체냉매의 온도에 가깝도록 최대한 과냉시킬수 있도록 한다. 과냉이 클수록 사이클의 효율이 높기 때문이다. 마지막으로 그러나 가장 중요한 것은 액체수위를 일정하게 유지시키는 제어장치가 있어야 한다.

본 발명의 냉난방시스템의 인터쿨러(20)에 사용된 기체분산 매니폴드(19)는 여러 개의 구멍이 뚤려 있어 저압 압축기(2a)로부터 인터쿨러(20)로 들어오는 기체 냉매를 기포의 형태로 인터쿨러(20)안에 있는 액체냉매에 분산시키는 역할을 한다. 매니폴드를 맨 하단에 두는 것은 기포가 상승할 때 일어나는 액체의 대류현상을 이용하여 열교환 양을 많게 하기 위해서다. 또 기포의 형태로 유입시키는 것은 신속히 기포내의 기체가 포화온도에 이르게 하는 이유도 있다.

인터쿨러(20)의 핀튜브(31)를 냉매의 수면과 수평되도록 배열한 것은 핀튜브(31) 내부를 흐르는 고온의 액체냉매와 인터쿨러(20)에 채워진 액체냉매가 열교환을 할 때 인터쿨러(20)에 채워진 액체냉매가 증발하면서 기포가 핀튜브(31)표면에서 생기고 기포가 표면을 떠날 때 자연대류와 비슷한 현상이 일어난다. 이 현상으로 열전달이 촉진되는데 이것을 극대화하기 위해서이다. 이새로운 인터쿨러(20)는 위에서 제시한 세 가지 조건들을 모두 만족시킨다. 첫째로 수면의 단면적이 커서 수면을 떠나는 기체의 속도가 낮다. 둘째로 저압 압축기(2a)에서 들어온 기체가 기포형태로 액체를 통과하므로 포화온도로 되어 나간다. 셋째로 고성능 핀튜브(31)를 사용하였을 뿐 만 아니라 액체에 대류현상을 유발시켜 액체사이의 열전달을 극대화 하였다.

실행예로서 히트펌프모드의 난방목적으로 운전하고 냉방모드로 빙축조(70)와 연결하는 경우를 설명한다. 히트펌프모드에서, 냉매는 R-22을 사용하였으며 공기중에서 25,000Kcal/h의 열을 흡수하고 실내에 44,021Kcal/h의 방열을 하는 시스템이다. 전력사용은 각각 저압압축기(2a)에서 4.5kW그리고 고압압축기(2b)에서 17.6kW씩 필요하다. 구체적으로 고압압축기(2b)는 압력432.6kPa 및온도 -4.2℃의 기체 냉매를 압축하여 압력2,379.1kPa 온도 111.5℃의 과열상태로 만든다. 응축기(3)에서 이 과열된 기체냉매가 응축할 때 44,021kcal/h의 열을 열매체에 전달하고 액체냉매가 된다. 이때 포압력은 2379.1kPa이며 포화온도는 59.5℃가 된다. 응축기(3)를 흐르는 액체냉매의 유량은 948.34kg/h다. 포화온도59.5℃의 액체냉매는 인터쿨러(20)에서 8.9℃로 냉각된다. 그러므로 액체냉매는 50.6℃ 과냉 된 것이다. 인터쿨러(20)에서는 59.5℃의 액체냉매를 8.9℃로 냉각시키고 또 저압압축기(2a)에서 33.4℃로 과열된 기체냉매를 -4.2℃로 냉각시킨다. 기체냉매와 액체냉매를 냉각시킬때에 흡수하는 열은 인터쿨러(20)에 있는 액체냉매가 407.76kg/h로 증발하면서 사용된다. 그러므로 팽창밸브(7a)로 흘러가는 액체유량은 948.34kg/h에서 인터쿨러(20)에서 증발한 양인 407.76kg/h를 뺀 나머지양 540.58kg/h 이다. 증발기(1)에서는 냉매가 -20℃에서 증발할 때 열매체에서 기화열에 해당하는 열을 전달받는다. 그 결과 냉매의 엔탈피는 207.1kJ/kg에서 430.3.5kJ/kg으로 증가한다. 저압압축기(2a)에서 기체냉매는 압축되어 압력은 245.3kPa에서 432.6kPa로 증가하고 온도는 33.4℃로 과열된다. 과열된 기체는 인터쿨러(20)에서 -4.2℃로 냉각된 후 고압압축기(2b)로 되돌아가므로 사이클이 완성된다.

다음은 빙축열 냉방모드로 작동할 때의 냉매순환시스템의 사이클을 살펴보면 이 경우 증발기(1)는 증발온도 -9℃로 운전하여 제빙한다. 이 때 저압압축기(2a)는 작동하지 않으며 고압압축기(2b)만 작동하므로 인터쿨러(20)는 사용하지 않는다. 사이클의 작동은 히트펌프모드와 유사하므로 추가적인 설명을 생략한다.

이하에서는 본 발명의 냉난방시스템에 사용되는 공랭식 열교환기(40)의 작용효과에 대하여 상세히 설명한다.

공랭식열교환기는 핀튜브(31)내부를 흐르는 열매체와 핀튜브(31)외부를 흐르는 공기와 열교환을 하는 기능을 갖는다. 히트펌프모드로 씨스템이 작동할 때는 열매체가 공랭식 열교환기(40)에서 공기로부터 열을 전달받고 증발기(1)에서 냉매에 전달한다. 그러므로 열교환기의 표면온도는 공기온도보다 낮다. 공기 중에는 일정량의 수분이 포함되어 있으며 대기온도가 -5℃와 5℃내에 있을 때는 열을 전달하는 표면에 많은 양의 수분이 응축한다. 더욱 불리하게는 수분이 많이 함유된 눈이나 비가 표면과 접촉하는 순간 수분은 얼음으로 변하게 되고 열교환기의 기능은 극히 떨어지거나 사용자체가 불가능하게 된다.

본 발명에서 사용된 공랭식 열교환기(40)는 아래면에서 공기가 유입되어 번들(45)의 안쪽에 설치된 송풍기(50)에 의하여 외부로 배출된다. 열교환기 번들(45)외부에 설치된 루버(55)는 공기의 방향을 사선으로 바닥을 향하도록 안내한다. 루버(55)때문에 강한 비바람 혹은 눈보라에서도 비나 눈이 직접 열교환기 표면에 접촉하는 것이 방지된다.

또한 공랭식 열교환기(40)의 하우징은 네 개의 다리(43)에 의하여 지면으로부터 일정높이만큼 들려져 있어서, 공기가 밑에서 유입 될 때 눈이나 빗방울이 따라 오는 것을 최소화하거나 없앨 수 있다.

본 발명의 냉난방시스템에 사용된 공랭식 열교환기(40)는 첫째, 눈이나 비가 직접 열교환기 표면에 접촉되는 것을 막아준다. 둘째, 공기가 열교환기 내에서 위로 올라와 옆으로 흘러가므로 빗방울이나 눈이 공기를 따라와 열교환기 표면에 접착하는 것을 최소화한다. 셋째 여름철에 냉방모드로 작동할 때 루버(55)의 날개를 위로 향하도록 하여 더운 공기가 신속히 외부로 배출되도록 한다. 새로운 공랭식 열교환기(40)의 사용은 히트펌프운영에서 가장 큰 문제점인 성에가 열교환기 표면에 형성되는 것을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 냉난방시스템은 밸브장치가 열매체의 순환의 방향을 전환할 수 있고, 따라서 히트펌프기능과 냉방기능을 달성하는데 있어서 히트펌프 사이클의 증발기(1)와 응축기(3)를 역할을 전환하지 않으므로 히트펌프 사이클의 효율이 저하되지 않는다.

압축기(2)의 입구온도가 낮아야 압축기(2)의 효율이 높아지는 이유는 PV=nRT에 의해, 압축기(2)가 압력을 높이면 온도가 높아진다. 그러나, 압축기(2)는 한계온도가 있다. 또한, 입구온도가 높게 되면 압축기(2)로 유입하는 유체는 질량에 비해 부피가 크게 되고 압축기(2)는 동일한 에너지로 작은양의 유체를 압축하는 결과가 된다. 따라서 압축기(2)의 효율이 떨어진다고 볼 수 있으므로, 압축기(2)의 입구온도가 낮은 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 공랭식 교환기의 송풍팬(50)을 하우징내의 대향하는 측면에 각각 설치하였으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 송풍팬(50)을 하우징의 하면에 형성하는 것도 가능하다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템에 의하면 냉난방시스템의 히트펌프기능을 사용할 경우에 증발기와 열교환을 하는 공랭식 열교환기에 생기는 성에를 신속하고 간단하게 제거할 수 있으므로 공기중에 수분이 많은 지역에서도 히트펌프를 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명의 냉난방시스템은 열매체를 사용하여 냉매와 열을 교환시키고, 열매체를 통해 실내기나 공랭식 열교환기로 열을 전달하고 흡수하는 것이므로 난방모드 또는 냉방모드 어느 경우에도 냉매순환사이클을 변화시킬 필요가 없어서 효율이 좋게 된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 개략적인 회로도,

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 개략적인 회로도,

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 열매체순환을 나타낸 회로도,

도 4는 본 발명의 제1, 2 및 3실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 냉매순환시스템의 회로도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러를 나타낸 개략적인 정면도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러를 나타낸 개략적인 측면도,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 인터쿨러에 사용된 핀튜브를 나타낸 정면도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열매체를 사용하는 냉난방시스템의 공랭식 열교환기를 나타낸 사시도이다.

* 주요 도면 부호의 설명 *

1: 증발기 2: 압축기

3: 응축기 5: 보조 전기히터

6: 리시버탱크 7: 팽창밸브

20: 인터쿨러 40: 공랭식 열교환기

Claims (7)

1. 증발기(1), 압축기(2), 응축기(3), 팽창밸브(7)가 형성된 냉매순환회로가 하나 이상 구비된 냉매순환시스템;

   상기 증발기(1)와 공랭식 열교환기(40)를 경유하는 폐회로인 제1열매체순환회로(100);

   상기 응축기(3)와 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제2열매체순환회로(200);

   상기 응축기(3)와 상기 공랭식 열교환기(40)를 경유하는 폐회로인 제3열매체순환회로(300);

   상기 증발기(1)와 상기 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제4열매체순환회로(400); 및

   상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로(100, 200, 300, 400)상에 설치되는 선택적으로 작동이 가능한 2개 이상의 펌프(P1, P2, P3, P4)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로(100, 200, 300, 400)에 설치되는 복수의 개폐밸브(V1, V2, V3, V4)를 더 포함하고,

   상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로(400) 각각은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4열매체순환회로(400)들의 하나 이상과 공유하는 부분이 있는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   열교환기를 내장하고 물이 저장된 빙축조(70);

   상기 증발기(1)와 빙축조(70)를 경유하는 폐회로인 제5열매체순환회로(500); 및

   상기 빙축조(70)와 상기 실내기(60)를 경유하는 폐회로인 제6열매체순환회로(600)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2열매체순환회로(200)에 설치되며 열매체를 저장하는 제1열매체수집탱크(T1)와 제2열매체수집탱크(T2);

   상기 제4열매체순환회로(400)에 설치되며 열매체를 저장하는 제3열매체수집탱크(T3)와 제4열매체수집탱크(T4); 및

   상기 하나 이상의 냉매순환회로의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하고,

   상기 제1열매체수집탱크(T1) 및 제3열매체수집탱크(T3)는 온도센서(65, 66)를 구비하고, 상기 제어기는 상기 온도센서(65, 66)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중의 한 항에 있어서,

   상기 냉매순환시스템은,

   냉매가 채워지고 상기 냉매의 수위를 제어하는 수위제어장치(19) 및 열교환기가 형성된 인터쿨러(20)를 더 포함하고,

   상기 압축기(2)는 저압압축기(2a)와 고압압축기(2b)로 이루어지고, 상기 팽창밸브(7)는 상기 응축기(3)와 각각 연결되는 저압팽창밸브(7a)와 고압팽창밸브(7b)로 이루어지며;

   상기 저압압축기(2a)와 고압압축기(2b)는 상기 인터쿨러(20)를 통해 연결되고, 상기 저압팽창밸브(7a)와 상기 응축기(3)는 상기 인터쿨러(20)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 인터쿨러(20) 내부의 바닥에는 상기 저압압축기(2a)에 연결되고 복수의 구멍(23)이 형성된 기체분산 매니폴드(21)가 더 설치되고,

   상기 인터쿨러(20)의 열교환기는 원형의 외부핀(34)이 복수개 형성된 핀튜브(31)가 상기 인터쿨러(20) 내부의 냉매의 수면에 수평하게 설치되어 형성된 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.
7. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중의 한 항에 있어서,

   상기 공랭식 열교환기(40)는 하방이 관통되고 지면으로부터 떨어져서 설치되며, 측방향으로 핀튜브(31)가 구비되고, 상기 핀튜브(31)의 외측으로 각도조정이 가능한 루버(55)가 설치되는 것을 특징으로 하는 열매체를 사용하는 냉난방시스템.