KR100663746B1

KR100663746B1 - 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR100663746B1
Application number: KR1020030055151A
Authority: KR
Inventors: 류경륜; 류옥란
Original assignee: 류경륜; 류옥란
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2007-01-02
Also published as: KR20050017427A

Abstract

본 발명은 히트 펌프에 관한 것으로, 그 목적은 고압측 냉매와 저압 측 냉매의 비공비(증발온도 및 응축온도가 다름) 혼합 냉매를 사용하여서 히트 펌프의 증발 압력 저하 및 응축압력 상승시에도 성능향상 및 압축기의 소요동력을 절감시켜 주기 위하여 고압 냉매와 저압 냉매를 선택적으로 혼합하여 주 회로에 공급 해주는 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 냉매 제어 장치(10, 11, 12)에는 냉매 가열 또는 냉각 열 교환기(30) 및 냉매 냉각 열 교환기(31)가 부착되어 있으며, 열 교환기(30, 31)의 내부로는 고압 냉매 또는 저압 냉매 또는 액 냉매를 유입하며, 제어 신호에 의해 개폐 밸브를 동작 시켜, 주 회로의 냉매의 조성을 조절하여 냉동 시스템(히트 펌프 시스템 포함)의 능력을 제어하도록 구성되어 있다.

Description

히트펌프 시스템{Heat pump system}

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 계통도로서, 난방 시를 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 계통도로서, 냉방 시를 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 난방 사이클 도면

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 냉방 사이클 도면

도 5은 종래의 냉매 제어 히트펌프 시스템의 계통도를 나타낸 도면

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 - 압축기 2 - 응축기

3 - 증발기 4 - 사방변

5 - 팽창변 6 - 부 팽창변

10 - 혼합 냉매 제어장치 11 - 고압 냉매 제어장치

12 - 저압 냉매 제어장치

본 발명은 고압 냉매와 저압 냉매의 비공비(증발 온도 다름) 혼합 냉매를 사용하여서 히트펌프의 증발압력 저하 및 응축압력 상승 시에도 성능향상 및 압축기의 소요동력을 절감시켜 줄 수 있고, 겨울철 외기 온도 저하시 및 여름철 외기 온도 상승시 냉방 능력 및 난방능력의 저하를 방지하기 위하여 운전중 냉매 유량의 최적 제어로 응축압력의 상승 및 압축기 입구의 냉매 증기의 과열도를 최적으로 제어하며, 비공비 혼합 냉매를 선택적으로 조절하여 성능 향상 및 압축기의 소손을 방지하여 주도록 한 것이다.

비공비 혼합냉매를 사용하여 히트 펌프의 주 회로를 흐르는 냉매 조성을 변화 시켜 능력을 변화시키는 종래의 히트 펌프로서는, 특허 공개 번호 특2001-0052480호 가 개시된 것이다. 이하, 도면을 참조하여 종래의 히트펌프 시스템에 관해서 설명한다.

도 5 상기 공개에 개시된 종래의 히트펌프 장치에 있어서의 냉동 사이클을 나타내는 시스템 구성도 이다.

도 5 있어서, 종래의 히트 펌프장치에는 비공비 혼합 냉매가 봉입되어 있고, 압축기(110) 사방밸브(113), 실외 열 교환기(1111), 주 팽창 장치(114), 및 실내 열 교환기(112)가 고리형상으로 배관 접속되어 냉동사이클의 주 회로를 구성하고 있다.

히트 펌프장치에는 주 팽창 장치(114)를 바이 패스하는 배관이 설치되어 있고, 그 배관 상에 부 팽창 장치(115)와 부 팽창 장치(117)가 직렬로 접속되어 있다. 부 팽창 장치(115)와 부 팽창 장치(116)를 접속하는 배관에는 개폐밸브(120)를 통해 정류분리기(117)의 바닥부가 접속되어 있다.

정류분리기(117)는 연직 방향으로 긴 직관으로 구성되어 있고, 정류분리기(117)의 정점 부는 냉각기(130)를 통해 저류기(118)의 정점부와 연통하고 있다. 그리고 저류기(118)는 고리형상으로 접속되고 폐회로가 형성되어 있다.

저류기(118)는 그 정점부가 정류분리기(117)의 정점 부보다 높은 위치가 되도록 배치되어 있다. 또한 냉각기(130)는 저류기(118)의 정점 부보다 높은 위치가 되도록 배치되어있다.

냉각기(130)에 있어서 정류분리기(117)의 바닥 부로부터 부 팽창 장치(119)를 거쳐 압축기(110)의 흡입배관에 향하는 냉매와 정류분리기(117의 정점 부의 냉매와가 간접적으로 열 교환하도록 구성되어 있다.

부하의 조건에 따라 개폐 밸브(120)를 개폐하여 정류 분류기(117)에 액냉매 및 혼합(기상 + 액상)을 유입하여 혼합 냉매(고압 냉매 + 저압 냉매) 및 저압 냉매를 저압부로 유입 시키는 구조이다.

그렇지만, 상기 종래의 히트 펌프 장치에 있어서는, 정류 분류기(117)에서 저압 냉매(고비점) 와 고압 냉매(저비점)가 분류되나, 고압 냉매 및 저압 냉매의 단독으로의 유입이 불가능하여서 냉매의 혼합비(고압 냉매 + 저압 냉매)의 제어 폭이 적어 난방 및 냉방 능력의 제어 폭이 적으며, 하계의 응축기(112)의 고압 상승시의 문제점이 있고, 비공비 혼합 냉매의 분류에 의한 단일 냉매 운전이 불가능하고, 저류기(118)가 정류기(117)의 정점 위에 위치해야 하며, 냉각기(130)가 저류기(118) 위쪽에 위치해야 하므로 장치의 높이가 커지는 단점이 있고, 부팽창(115, 116, 119) 장치가 너무 많아 부하 변동 및 외기 온도 변동 시에 사이클 발란스의 문제가 있으며, 정류기(117)의 하부의 저압 냉매(고비점 냉매)만이 냉각기(130)에 인입 되므로 사이클에서 저압 냉매의 제거가 불가능하여서 동계 외기 온도 저하시 압축기(110) 입구의 냉매의 비체적 증가로 냉매 순환 량의 감소로 급격한 난방 능력의 저하를 초래하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 고압 냉매와 저압 냉매의 비공비(증발 온도의 다름) 혼합 냉매의 조성비를 조절하여서 히트펌프의 증발압력 저하 및 응축압력 상승 시에도 성능향상 및 압축기의 소요동력을 절감시켜 주고, 고압 냉매와 저압 냉매를 선택적(0 ～ 100％)으로 주 회로에 공급하여서 고압 냉매 및 저압 냉매의 단일 사이클(cycle) 또는 혼합 냉매 사이클을 형성 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 겨울철 외기 온도 저하시 및 여름철 외기 온도 상승시 냉방 능력 및 난방능력의 저하를 방지하며, 운전중 냉매 유량 및 냉매 조성비의 최적 제어로 응축압력의 상승 및 압축기 입구의 냉매 증기의 과열 도를 최적으로 제어하여 압축기의 과부하를 방지하여 성능 향상 및 압축기의 소손을 방지하여 주며, 냉매 제어 장치로 원활한 냉매의 인입을 위하여 열 교환기를 부착한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉동시스템은, 냉매 가스를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상의 냉매 가스를 압축기로 복귀시키는 증발기를 포함하여 이루어지는 냉동시스템에 있어서,

상기 응축기와 증발기 사이의 액냉매 배관에서 냉매(단일 냉매 또는 혼합 냉매)를 냉매 제어 장치에 유입시켜 냉각시키고 저압 냉매와 고압 냉매를 분류하여 저장하고, 필요시 선택적으로 주회로로의 유입을 제어하는 냉매 제어 장치부;

상기 혼합 냉매 제어 장치 , 고압 냉매 제어 장치(고압 냉매), 저압 냉매 제어 장치(저압 냉매) 또는 응축기와 증발기 사이의 액 냉매를 냉매 제어변을 제어 하여 선택적으로 팽창변 및 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기에 유입 하여, 냉매 제어 장치부의 냉매를 가열 및 냉각시키는 열교 환부;

상기 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압) 및 열교환부 내부로의 냉매의 인입 및 유출을 냉매 제어변으로 제어하는 냉매 유 출 제어부;

상기 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기 및 사방변을 연결 하는 주 회로부를 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거하여 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념 을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명에 의한 히트펌프의 실시 예를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 난방시의 계통도로서 실 내기는 응축기(2), 실 외기는 증발기(3)인 사이클이다.

참조부호 (1)는 압축기로서, 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축하여 배출하기 위한 것으로서, 그 사용목적에 따라 왕복동식, 크랭크식, 사판식, 워블 플레이트식, 로터리식, 스크롤식 등 다양한 형태의 압축기가 적용될 수 있다.

이 압축기(1)의 토출라인은 응축기(2)와 연결되며, 이 응축기(2)는 상기 압축기(1)에서 압축되어 배출되는 냉매가스를 방열 시킴으로써 고온고압의 액상 냉매로 응축하도록 되어 있다. 여기서는 구체적으로 도시하지 않았으나, 상기 응축기(2)는 인입 헤더 및 출구헤더, 상기 인입/출구 헤더들을 연결하여 이들이 서로 통하도록 함으로써 소정의 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 그리고 상기 튜브들 사이에 적층되는 코르게이트형 전열 핀을 가진 통상적인 형태의 것이 적용될 수 있다. 따라서, 냉각 팬에 의하여 송풍되는 공기는 튜브들 사이의 전열 핀들을 거치게 되고 이 과정에서 응축기(2) 내부를 유동하는 냉매가 송풍공기에 열량을 빼앗겨 냉매의 응축작용이 수행된다.

한편, 압축기(1)의 입구 라인 쪽에는 후술하는 팽창밸브(5)로부터 유입되는 냉매를 증발시킴으로써 이 때의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체 와 냉매를 열 교 환시켜 냉동효과를 달성하는 증발기(3)가 연결된다. 상기 증발기(3)는 인입 헤더 및 출구헤더, 상기 인입/출구 헤더들을 연결하여 이들이 서로 통하도록 함으로써 소정의 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 그리고 상기 튜브들 사이에 적층되는 코르게이트형 전열 핀을 가진 통상적인 형태의 것이 적용될 수 있다. 따라서, 냉각 팬에 의하여 송풍되는 공기는 튜브들 사이의 전열 핀들을 거치게 되고 이 과정에서 증발기(3) 내부를 유동하는 냉매가 송풍공기의 온도(열량)를 빼앗아 냉매의 증발 작용이 수행된다.

그리고, 증발기(3)의 입구 단에는 공급되는 고온고압 상태의 액상 냉매를 교축작용에 의하여 저압상태의 냉매로 팽창시켜 증발작용이 용이하게 수행되도록 증발기(3)로 공급하기 위한 팽창밸브(5)가 설치된다. 이 팽창밸브(5)는, 여기서는 구체적으로 도시되지는 않았으나, 감온실 내부의 온도에 따른 다이어프램의 팽창변위에 의하여 압력전달로드를 통하여 고압냉매유로의 궤도를 조절하는 내부 균압식, 캐필러리 튜브를 통한 다이어프램의 팽창변위에 의하여 고압냉매유로의 괘도를 조절하는 외부균압식 등 일반적으로 TEV라하는 감온식 팽창변을 사용하며 다양한 형태의 것이 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 히트펌프의 실시 예를 첨부 도면을 참조하면서 설명 한다.

도1에 따른 냉매의 흐름은 압축기(1)에서 고온 고압의 냉매 가스로 압축되고 사방변(4)을 거처 응축기(2)에서 열교환후 기상에서 액상으로 변환후 팽창변(5)을 지나면서 감압되어서 증발기(3)를 거처 사방변(4)을 지나 압축기(1)의 흡입부로 인 입 된다.

또한, 혼합 냉매 제어 장치(10)는, 응축기(2)와 증발기(3)사이의 액냉매 배관과 혼합 냉매 제어 장치(10)의 연결 배관 상에 냉매 제어 밸브(41, 42)를 포함한 회로와 접속하며, 제1 열교환기(30)는 응축기(2)와 증발기(3)사이의 액냉매 배관에서 제1열 교환기(30)를 연결하는 회로 상에 냉매 제어 밸브(42)또는 냉매 제어 변(42) 및 부 팽창변(6)을 포함하는 회로로 구성되어 있다.

고압 냉매 제어 장치(11)는 혼합 냉매 제어 장치(10)과 상부측 연결 회로(14) 및 하부측 연결 회로(15)로 연결 되어 있고, 고압 냉매 제어 장치(11)의 내부 제2 열교환기(31)는 제1 열교환기(30) 및 부 팽창 장치(6)을 포함 하는 회로와 연결 되어 있다.

또한, 제2 열교환기(31)의 출구 냉매 증기는 제3 열교환기(32)에서 열교환후 저압측으로 인입 된다. 고압 냉매 제어 장치(11)에는 냉매 제어 변(43) 및 제3 열교환기(32)를 지나 저압측으로 인입 되는 회로가 연결되어 있다.

저압 냉매 제어 장치(12)는 혼합 냉매 제어 장치(10)과 연결회로(16) 및 연결회로(20)으로 접속 되어 있고, 저압 냉매 제어 장치(12)는 냉매 제어 변(44)에 의해 제3 열교환기(32)에 연결 되는 회로가 접속 되어 있다.

또한, 열교환기(30, 31, 32)는 압축기(1)의 출구와 열교환기(30)의 입구측을 연결하는 회로상에 냉매 제어변(45)를 포함한 회로와 연결되어 있다.

상기 혼합 냉매 제어 장치(10), 고압 냉매 제어 장치(11), 저압 냉매 제어 장치(12), 열교환기(30, 31, 32) 및 냉매 제어 변(41, 42, 43, 44, 45)의 동작은 고압 냉매와 저압 냉매를 선택적으로 분리하여 저압부에 공급 하고, 응축기(2)와 증발기(3)사이의 고압 냉매액을 인입 및 분리 저장으로 냉매의 정제 과정 뿐만 아니라 냉매의 순환량 제어를 겸하고 있으며, 작동 사이클은 동계 및 하계의 냉매 순환 사이클로 구분되며, 동계의 냉매 순환 사이클은 응축기(2) 와 증발기(3)사이의 고압의 냉매액을 냉매 제어변(41)이 개(OPEN)시 혼합 냉매 제어 장치(10)의 내부로 인입 되고, 저비점(고압 냉매)의 냉매는 낮은 밀도 및 저 비등온도로 상부측에 액상 및 기상으로 존재 한다. 이때, 고압 냉매 제어 장치(11)의 내부의 제2 열교환기(31)에 의해 저 비점의 고압 냉매는 응축되어서 고압 냉매 제어장치(11)의 하부에 액상으로 존재하고, 냉매 제어 변(43)의 개(OPEN)시 고압 냉매액 또는 고압 냉매 가스를 제3 열교환기(32)를 거처 저압측으로 인입 된다. 이때, 혼합 냉매 제어 장치(10)과 고압 냉매 제어 장치(11)의 연결 회로(15)는 고압 냉매 제어 장치(11)의 하부의 고밀도의 저압 냉매를 혼합 냉매 제어 장치(10)으로 순환 시키는 구조 이다.

한편, 하계의 냉매의 순환 사이클은 응축기(2) 와 증발기(3)사이의 고압의 냉매액을 냉매 제어변(41)이 개(OPEN)시 혼합 냉매 제어 장치(10)의 내부로 인입 되고, 저비점(고압 냉매)의 냉매는 낮은 밀도 및 저 비등온도로 상부측에 액상 및 기상으로 존재 하고, 고밀도의 고 비점의 저압 냉매는 하부에 존재 하며, 저압 냉매 제어 장치(12)와 혼합 냉매 제어 장치의 연결 회로(16)에 의해 혼합 냉매 제어 장치(10)의 하부의 저압 냉매가 저압 냉매 제어 장치(12) 내부로 인입 되고, 냉매 제어 변(44)에 의해 제3 열교환기(32)에 인입 후 저압측에 흡입 된다.

이때, 제1, 2열교환기(30, 31)는 냉각 및 가열용으로 사용되어서 혼합 냉매 제어 장치(10), 고압 냉매 제어 장치(11) 및 저압 냉매 제어 장치(12)의 내부를 냉각 감압 시키고, 제1 열교환기(30)는 가열용 또는 냉각용으로 사용 될 수 있으며, 가열용으로 사용시에는 부 팽창변(6)이 제1 열교환기(30)의 후단부 및 제2 열교환기(31)의 전단부에 위치 하고, 제1 열교환기(30)이 냉각용으로 사용시에는 부 팽창변(6)이 냉매 제어변(42)의 후단부 및 제1 열교환기(30)의 전단부에 위치 한다. 냉매 제어변(42)의 개(OPEN)시 냉매 액은 부 팽창변(6)을 통과후 감압 되고 가스상으로 증발하서 고압 냉매 제어 장치(11)의 내부를 냉각 하여서, 상부의 고압 냉매 가스를 응축시킨다. 상기의 사이클을 반복하여서 냉매의 정류 작용을 연속 해서 할 수 있다.

또한, 혼합 냉매 제어 장치(10), 고압 냉매 제어 장치(11) 및 저압 냉매 제어 장치(12)의 내부에는 냉매의 흐름을 제어 하는 제어 판(17, 18, 19)가 삽입 되어 있으며, 사이 제어 판에 의하여 냉매의 흐름은 안정화 되어서 성층화를 이룬다.

또한, 혼합 냉매 제어 장치(10), 고압 냉매 제어 장치(11) 및 저압 냉매 제어 장치(12)는 각각 독립된 구조 또는 하나의 형태에서 분리 사용 될 수 있의며 도1과 같이 고압 냉매 제어 장치(11)와 저압 냉매 제어 장치(12)는 분리판(13)으로 차단형태로 제작 가능하다.

상기 제1 열교환기(30) 및 제2 열교환기는 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압)의 내부 및 외부에 부착된 형태로서, 제1 열교환기(30)이 가열용으로 사용될 때는 전기식 히터 등이 사용 될 수 있으며, 이때에는 전기식히터와 냉매 가열 또는 냉각방식이 동시에 사용 될 수 있고, 제3 열교환기(32)는 전기식 히터 또는 응축기(2)와 증발기(3)의 고온 고압의 액냉매 주회로와 열교환 하는 구조도 가능하다.

또한, 열교환기(30)의 가열열원으로서 압축기(1) 출구의 핫가스를 냉매 제어변(45)를 개(OPEN) 하여서 인입 하여 혼합 냉매제어기(10)을 가열후 냉각 응축된 액은 부 팽창변(6)에서 팽창하여서 열교환기(31)에 인입 시킨다.

상기 냉매 제어 사이클에서 동계에는 고압 냉매와 저압 냉매의 단일 냉매 또는 혼합비 조절 사이클로 운전 되고, 하계에는 저압 냉매의 단일 사이클로서 겨울에서 여름으로의 변경시 선택적으로 정제 사이클을 실행하여서 저압 냉매 단일 사이클로 운전 하고, 하계에서 동계의 사이클에서는 혼합 냉매 또는 고압 냉매 단일 사이클로 운전 한다.

먼저, 외기 온도 저하시 증발기(3)의 증발 압력저하로 비공비 혼합 냉매의 비체적이 증가하여 냉매 순환 량의 감소로 실내 응축기(2)의 난방능력이 감소하면, 실내 온도 센서(55)가 실내 공기 온도의 저하를 감지하여서, 고압측 냉매 제어 밸브(43) 및 저압측 냉매 제어 밸브(44)의 개,.폐비(open&close rate)를 조절하여 고압측 냉매 제어 밸브(43)의 개, 폐비를 증가하여서 난방 사이클 상의 고압 냉매의 순환비를 증가 시켜서 증발기(3)의 증발 압력의 상승 및 비체적의 감소로 냉매 순환 량의 증가 및 난방 능력이 증가를 가져온다.

또한, 냉매 제어변(41)의 개(OPEN)로 혼합 냉매 제어 장치(10)의 내부로 액냉매가 인입 되고, 냉매 제어변(42)의 개(OPEN)로 냉각 또는 가열 및 냉각으로 고 압 냉매 제어 장치(11)의에 고압 냉매를 저장하고, 저압 냉매 제어 장치(12)에는 저압 냉매를 저장 한다.

다음으로, 외기 온도 상승 시에는 증발기(3)의 증발 압력이 상승하여 압축기(1)의 입구의 냉매의 비체적이 감소하여서 냉매 순환 량의 증가로 압축기(1)의 부하가 증가하고, 실내 응축기(2)의 난방능력이 증가하면, 실내 온도 센서(55)가 실내 공기 온도의 상승을 감지하여서, 고압측 냉매 제어 밸브(43) 및 저압측 냉매 제어 밸브(44)의 개,.폐비(open&close rate)를 조절하여 위하여 저압측 냉매 제어 밸브(44)의 개, 폐비를 증가하여서 난방 사이클 상의 저압 냉매의 순환 비를 증가 시켜서 증발기(3)의 증발 압력의 저하 및 비체적의 증가로 냉매 순환량의 감소 및 난방 능력의 감소를 가져온다.

그러므로, 비공비(증발 온도 및 응축온도가 다른 냉매) 혼합 냉매 사용시 겨울철 외기온 저하에 의한 증발기(3)에서의 증발 온도 및 압력 저하에 의한 압축기(1)의 흡입 냉매 가스의 비체적이 커져 급격한 냉방능력 및 난방능력 저하시 혼합 냉매 제어 장치(10), 고압 냉매 제어 장치(11) 및 저압 냉매 제어 장치(12)에 의하여 비공비 혼합 냉매를 분류하여서 고압 냉매 단독 및 혼합 냉매가 냉동 사이클을 순환하도록 하여서 냉방 및 난방 능력을 향상 시켜 주도록 한다.

도 2는 본 발명의 계통도중 냉방 시로서, 이때에는 상기 증발기(3)가 응축기로 사용되며, 상기 응축기(2)는 증발기로 사용되고, 사방변(4)의 접속은 압축기(1)의 토출 라인이 증발기(3)에 연결되고, 상기 응축기(2)는 압축기(1)의 입구 측과 연결되도록 한 상태이다. 상기 냉방 사이클 때는 비공비 혼합 냉매중 저압 냉매위 주의 사이클이다.

외기 온도 상승 또는 실내 부하 증가 시에는 실외기인 응축기(3)의 응축압력이 상승하여 압력 센서(62)의 작동에 의하여 냉매 제어 밸브(42)를 열어서 냉매 액을 부 팽창변(6)을 통해서 감압시켜서 열교환기(31)로 고압 냉매 제어 장치(11)의 내부의 냉매를 냉각 및 감압 시키고, 냉매는 증발하여 저압 측으로 유입되어 진다.

이때, 응축기(3)에서 증발기(2)로 흐르는 냉매는 혼합 냉매 제어 장치(10)의 내부의 압력이 열 교환기(30, 31)에 의해 냉각 감압 되고, 냉매 제어 밸브(41)의 개(open)로 냉매 제어 장치에 인입되어서, 냉방 사이클의 냉매 순환량을 감소 시켜서 응축 압력 및 압축기(1)의 과부하를 방지 한다.

본 발명에서 냉매 제어 장치(4)는 실외기 또는 실내기에 부착 가능하며, 응축기(2) 및 증발기(3)의 열 교환기의 형태는 판형(Plate), 쉘앤튜브(shell and tube) 또는 다통 크로스 핀 튜브(Cross fin and tube)등이 사용 될 수 있다.

또한, 본 발명은 비공비 혼합 냉매 또는 단일 냉매가 사용 될 수 있고, 단일 냉매 사용 시에는 최적의 냉매 순환량 제어 및 압축기(1)의 입구측 냉매의 과열 도를 제어한다.

또한, 열교 환부(30, 31, 32)의 형태로는 튜브형태(tube type) 또는 핀 튜브(fin tube) 형태 또는 판 형태(plate type) 또는 쉘앤드 튜브(shell and tube)형태 등으로 냉매 제어 장치(10, 11, 12)의 내부 또는 외부에 일체형 또는 분리 형태로도 가능하고, 팽창변(5, 6)은 모세관형 또는 온도식 팽창변 또는 전자식 팽창 등으로 이루어진다.

또한, 열 교환기(30, 31)로의 냉매의 인입은 응축기(2)와 증발기(3)의 연결 냉매 배관 주 회로 또는 혼합 냉매 제어 장치(10)에서 이루어지며, 혼합 냉매 제어 장치(10)에서 열 교환기(30, 31)로의 냉매의 인입시에는 혼합 냉매제어장치(10)의 상부 또는 하부에 연결 할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 난방시의 선도로서 단일 냉매 사이클(i1', i2', i3)는 고압(P2') 및 저압(P1')으로 작동하고, 혼합 냉매 사이클(i1, i2, i3)는 고압(P2) 및 저압(P1)으로 작동하는 시스템에서 냉매 순환량은 냉매 비체적 (v1, v1')에 반비례 하므로 v1이 v1'보다 적으므로 냉매 순환량은 혼합 냉매가 더 많고, 토출 온도는 i2'가 i2보다 크므로 i2'가 고온 이 되고, 일량 (i2'-i1')가 일량(i2-i1)보다 크므로 단일 냉매 사이클이 더 많은 일량과 적은 냉매 순환량 높은 토출온도 특성을 보인다.

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 냉방시의 선도로서 단일 냉매 사이클(i1', i2', i3)는 고압(P2') 및 저압(P1')으로 작동하고, 혼합 냉매 사이클(i1, i2, i3)는 고압(P2) 및 저압(P1)으로 작동하는 시스템에서 토출 온도는 i2'가 i2보다 크므로 i2'가 고온 이 되고, 일량 (i2'-i1')가 일량(i2-i1)보다 크므로 단일 냉매 사이클이 더 많은 일량과 높은 토출온도 특성을 보인다.

전술한 기술 내용으로부터 자명하듯이, 본 발명은 고압축 냉매와 저압 측 냉매의 비공비(증발 온도 및 응축온도가 다름) 혼합 냉매를 사용하여서 히트펌프의 증발압력 저하 및 응축압력 상승시에도 성능향상 및 압축기의 소요동력을 절감시켜 줄 수 있고, 겨울철 외기 온도 저하시 및 여름철 외기 온도 상승시 냉방 능력 및 난방능력의 저하를 방지하며, 운전중 냉매 유량의 최적 제어로 응축압력의 상승 및 압축기 입구의 냉매 증기의 과열도를 최적으로 제어하여 압축기의 과부하를 방지하여 성능 향상 및 압축기의 소손을 방지하여 주도록 한 장치로서 기존 냉동기, 에어컨, 히트 펌프 등의 냉동기기에 부착하여 성능 향상 및 동력에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

냉매가스를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상 냉매로 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상의 냉매가스를 압축기로 복귀시키는 증발기를 포함하여 이루어지는 히트 펌프 시스템에 있어서,

상기 응축기와 증발기 사이의 액 냉매 배관에서 냉매를(단일 냉매 또는 혼합 냉매)을 냉매 제어 장치(혼합, 고압 및 저압)에 유입시켜 냉각 또는 가열 시키고 저압 냉매와 고압 냉매를 분류하여 저장하고, 필요시 고압 냉매와 저압 냉매를 선택적으로 주 회로로의 유입을 제어하는 냉매 제어 장치부;

상기 냉매 제어 장치의 하부(저압 냉매) 또는 상부(고압 냉매)의 냉매 또는 응축기와 증발기 사이의 액 냉매 또는 압축기 출구의 핫가스를 냉매 제어 밸브로 선택적으로 팽창변 및 열 교환기에 유입하여, 냉매 제어 장치내의 냉매를 가열 또는 냉각 및 감압 시키는 열교 환부;

상기 열 교환기 및 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압) 내부 및 외부로의 냉매의 유입 및 유출을 제어 하는 냉매 제어변으로 구성 되어진 냉매 유 출입 제어부를 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1항에 있어서, 냉매 제어 장치부는 혼합 냉매 제어 장치, 고압 냉매 제어 장치 및 저압 냉매 제어 장치로 구성되어 있으며, 열 교환부를 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압)의 내부 및 외부에 각각 또는 하나로 부착되어진 형태로서, 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압) 내부 및 외부로의 냉매의 유입 및 유출은 냉매 유 출입 제어부를 통하여 제어되어 지고, 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압)의 내부에는 냉매의 흐름을 제어 하는 제어판 또느 스크린 또는 충진물 또는 제어판 및 충진물등으로 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제 1항에 있어서, 열교환부는 냉매 제어변, 제1 열교환기, 부팽창변, 제2열교환기 및 제3열교환기 순으로 구성된 형태에서, 제1 열교환기는 가열 열원으로 액 냉매 또는 핫가스 또는 전기 히터등으로 구성되어진 형태로서 선택적으로 구성 될 수 있고, 제1열교환기가 냉각용으로 작동시에는 부팽창변을 냉매 제어변과 제1열교환기사이로 이동 한 형태 구성 되어지고, 부 팽창변은 온도식 팽창변 또는 전자식 팽창변 또는 모세관등으로 구성 되어지며, 제2 증발기는 고압 냉매 제어 장치의 내부 및 외부에 부착된 형태로서 제3 열교환기에 연결된 형태이며, 제3 열교환기는 압축기 출구의 고온 고압의 토출가스와 열교환 하는 구조 또는 응축기와 증발기 사이의 주회로의 액냉매와 열교환하는 구조 또는 전기식 가열 장치로 구성된 시스템에서, 냉매 제어변, 제 1 열교환기, 부 팽창 장치, 제2 열교환기 및 제3 열교환기는 냉매 제어변과 열교환기(제1, 제2, 제3)의 조합 형태에 따라 선택적으로 구성되어진 시스템.
제 1항에 있어서, 냉매 유 출입 제어부는 혼합 냉매 제어 장치와 액냉매 배관과의 연결회로에 냉매 제어변을 포함하며, 혼합 냉매 제어장치와 고압 냉매 제어장치와의 연결회로를 상부 및 하부에 접속 되어 있고, 혼합 냉매 제어 장치와 저압 냉매 제어장치와의 연결 회로를 상부 및 하부 또는 하부 또는 상부에 접속 되어 있으며, 고압 냉매 제어 장치와 제3열교환기와의 연결회로에 냉매 제어변을 부착한 형태와 저압 냉매 제어 장치와 제3 열교환기와의 연결회로에 냉매 제어 변을 부착한 형태의 시스템.
제 1항에 있어서, 열 교환부의 형태로는 튜브형태(tube type) 또는 핀 튜브(fin tube) 형태 또는 판 형태(plate type) 또는 쉘앤드 튜브(shell and tube)형태 등으로 냉매 제어 장치(혼합, 고압, 저압)의 내부 또는 외부에 부착하며, 부 팽창변은 모세관형 또는 온도식 팽창변 또는 전자식 팽창 등으로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제 2항에 있어서, 냉매 제어 장치부는 혼합 냉매 제어 장치, 고압 냉매 제어 장치 및 저압 냉매 제어 장치로 구성된 형태에서 냉매 제어 장치부는 혼합 냉매 제어 장치 및 고압 냉매 제어 장치부로 구성되어서 저압 냉매 제어 장치가 생략된 시스템.
제 3항에 있어서, 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3열교환기의 내부에는 냉매의 흐름을 제어 하는 제어판 또느 스크린 또는 충진물 또는 제어판 및 충진물등으로 구성된 형태.