KR100681464B1 - 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법 - Google Patents

인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법에 관한 것으로서, 흡입구로부터 흡입되는 저온, 저압의 기체 상태 냉매를 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출구를 통해 토출하는 압축기; 상기 압축기와 배관으로 연결되어 외부 공기와 열교환하는 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기; 상기 실내측 열교환기와 실외측 열교환기 사이에 연결되어 상온·고압의 액체상태 냉매를 저온·저압의 액체상태로 감압하는 메인 팽창밸브; 상기 압축기의 토출구 및 흡입구를 상기 실내측 열교환기와 상기 실외측 열교환기로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환되는 사방밸브; 및 상기 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기와 메인 팽창밸브 사이에서 냉매를 분기하여 분기된 냉매가 압축기의 중간압실에 형성한 인젝션 포트로 분사되도록 하는 인젝션부를 포함하며, 상기 인젝션부는 분기된 냉매와 분기되지 않은 냉매를 열교환하는 과냉각 열교환기와, 상기 분기된 냉매가 유입되는 제 1서브 팽창밸브, 및 제 2서브 팽창밸브를 포함하여, 냉매의 순환방향에 따라 상기 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 개폐하여 분기된 냉매가 압축기에 분사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
히트펌프, 인젝션, 팽창밸브

Description

인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법{Heat pump air-conditioner of injection type and defrosting method thereof}
도 1은 종래의 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 구조를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 구조를 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프의 제상운전 방법을 나타내는 플로우 차트.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
110: 압축기 111: 흡입구
112: 토출구 113: 인젝션 포트
120: 실내측 열교환기 130: 실외측 열교환기
140: 메인 팽창밸브 150: 사방 밸브
160: 과냉각 열교환기 170: 제 1서브 팽창밸브
180: 제 2서브 팽창밸브
본 발명은 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 구비하여 난방운전시에는 제 1서브 팽창밸브만을 개방하고, 제상운전시에는 제 2서브 팽창밸브만을 개방하여 난방운전시 뿐만 아니라 제상운전시에도 실외측 열교환기 또는 실내측 열교환기를 통과하여 분기된 냉매가 압축기로 분사되도록 하여 난방능력 향상과 더불어 제상효율을 향상시켜 제상시간을 단축할 수 있는 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 공기조화기는 냉매의 압축-응축-감압-증발로 이루어지는 냉동사이클로 이행되는 열에 대한 운반 메커니즘(mechanism)을 가역적으로 사용하여 냉방과 난방을 겸하는 것이다.
종래의 냉난방 겸용 히트펌프 공기조화기 구성은 도 1과 같이, 압축기(10), 사방밸브(20), 실내측 열교환기(30) 및 그의 송풍기(35), 실외측 열교환기(40) 및 그의 송풍기(45), 어큐믈레이터(50), 메인 팽창밸브(60)를 포함하여 구성된다.
압축기(10)는 흡입구(11)와 토출구(12)를 가지며 흡입구(11)로부터 흡입되는 저온저압의 기체상태 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출구(12)를 통해 토출해 낸다.
사방밸브(20)는 압축기(10)의 토출구(12)와 흡입구(11)를 실외측 열교환기(40)와 실내측 열교환기(30)로 각각 연결시키는 두 개의 독립된 통로를 가지며 사용자의 선택에 따른 냉방운전과 난방운전의 모드(mode)에 따라 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환 조작된다.
실내측 열교환기(30)는 실내에 위치되며, 냉방운전 모드에서는 저온저압 액체상태의 냉매를 기체상태로 증발시키는 증발기의 역할을 하고, 난방운전 모드에서는 고온고압 기체상태의 냉매를 상온(常溫)고압 액체상태로 응축시키는 응축기의 역할을 하여, 냉매의 엔탈피(enthalpy) 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환하는 작용을 한다.
실내측 송풍기(35)는 실내측 열교환기(30)의 증발기 또는 응축기로서의 열교환 작용을 촉진시키는 동시에 실내에 필요한 냉풍 또는 온풍을 발생시키도록 작동된다.
메인 팽창밸브(60)는 실내측 열교환기(30)와 실외측 열교환기(40) 사이에 연결되어 어느 일측에서 이송되어 오는 상온고압 액체상태 냉매를 저온저압의 액체상태로 감압하는 모세관(capillary)이다.
실외측 열교환기(40)는 상기 실내측 열교환기(30)와는 반대로 실외측에 위치되며, 냉방운전시는 응축기로서, 난방운전시는 증발기로서 주변공기와의 열교환 작용을 한다.
다음으로 실외측 송풍기(45)는 실외측 열교환기(40)의 열교환(응축기 또는 증발기로서의) 작용을 촉진시키도록 작동된다.
어큐뮬레이터(50)는 사방밸브(20)로부터 유입되는 냉매 중에서 액체상태로 남아있는 냉매를 걸러줌과 동시에 오일을 압축기(10) 측으로 공급하는 역할을 한다.
냉방운전과 난방운전 모드는 사용자의 선택에 따른 사방밸브(20)의 절환으로 바뀌며 그때 냉매의 흐름도 바뀌게 된다.
최근에는, 상기와 같은 종래의 히트펌프 공기조화기의 냉방 또는 난방 능력을 향상시키기 위하여 압축기의 인젝션(injection) 방식을 도입하고 있는바, 도 1에 도시된 바와 같이, 실내측 열교환기(30)와 메인 팽창밸브(60) 사이의 일부를 분기하여 서브 팽창밸브(70), 과냉각 열교환기(80)를 더 포함하는 구성으로 이루어진다.
이와 같은 인젝션 타입의 히트펌프 공기조화기는 실내측 열교환기(30)를 통과한 냉매 중 일부는 서브 팽창밸브(70)를 경유하여 온도가 낮아지며, 나머지 냉매는 과냉각 열교환기(80)를 거쳐 메인 팽창밸브(60) 측으로 유동한다. 즉, 서브 팽창밸브(70)를 경유하여 온도가 낮아진 냉매가 분기되지 않고 실내측 열교환기(30)로부터 메인 팽창밸브(60) 측으로 유동하는 냉매와 열교환을 함으로써, 메인 팽창밸브(60)로 유입되는 냉매의 온도를 떨어뜨려 열교환 효율을 증가시키게 된다.
또한, 서브 팽창밸브(70)를 경유하여 분기된 냉매는 과냉각 열교환기(80)를 경유한 후, 압축기(10)의 인젝션 포트(13)로 분사되는데, 이때, 압축기는 스크롤 타입의 압축기이며, 압축기 내의 중간압보다 낮은 압력이 발생하는 부분에 인젝션 포트(13)를 형성하고, 상기 분기된 냉매가 인젝션 포트(13)로 분사되어 압축기(10) 의 압축능력을 향상시켜, 결과적으로 난방 능력을 향상시키게 된다.
하지만, 상기와 같은 인젝션 타입의 히트펌프 공기조화기는 겨울철 난방운전시, 외기와의 온도차이에 의하여 열교환기 표면에 착상이 진행되어 제상운전을 수행하게 되는 경우, 즉, 난방싸이클에서 냉방싸이클로 전환이 되면, 메인 팽창밸브를 통과한 후의 냉매를 압축기에 분사해야 하지만, 실제 압축기의 중간압보다 메인 팽창밸브를 통과한 냉매의 압력이 더 낮은 상태이다.
따라서, 서브 팽창밸브를 폐쇄하여 압축기로 냉매를 인젝션시키지 않고 제상운전을 해야했기 때문에, 압축기 인젝션에 의한 난방 성능은 향상시킬 수 있지만, 제상능력은 종래의 히트펌프 공기조화기와 별 차이가 없었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 구비하여 난방운전시에는 제 1서브 팽창밸브만을 개방하고, 제상운전시에는 제 2서브 팽창밸브만을 개방하여 난방운전시 뿐 아니라 제상운전시에도 실외측 열교환기 또는 실내측 열교환기를 통과하여 분기된 냉매가 압축기로 분사될 수 있도록 하는 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 흡입구로부터 흡입 되는 저온, 저압의 기체 상태 냉매를 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출구를 통해 토출하는 압축기; 상기 압축기와 배관으로 연결되어 외부 공기와 열교환하는 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기; 상기 실내측 열교환기와 실외측 열교환기 사이에 연결되어 상온·고압의 액체상태 냉매를 저온·저압의 액체상태로 감압하는 메인 팽창밸브; 상기 압축기의 토출구 및 흡입구를 상기 실내측 열교환기와 상기 실외측 열교환기로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환되는 사방밸브; 및 상기 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기와 메인 팽창밸브 사이에서 냉매를 분기하여 분기된 냉매가 압축기의 중간압실에 형성한 인젝션 포트로 분사되도록 하는 인젝션부를 포함하며, 상기 인젝션부는 분기된 냉매와 분기되지 않은 냉매를 열교환하는 과냉각 열교환기와, 상기 분기된 냉매가 유입되는 제 1서브 팽창밸브, 및 제 2서브 팽창밸브를 포함하여, 냉매의 순환방향에 따라 상기 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 개폐하여 분기된 냉매가 압축기에 분사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 난방운전시에는 상기 제 1서브 팽창밸브를 개방하고 제 2서브 팽창밸브를 폐쇄하며, 제상운전시에는 상기 제 2서브 팽창밸브를 개방하고 제 1서브 팽창밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 제상운전 방법으로서, a) 실외온도가 3 ~ -5℃ 영역인지를 판단하는 단계; b) 실외온도가 3 ~ -5℃에 도달한 후, 기 설정시간이 경과하였는지를 판단하는 단계; c) 상기 판단결과, 실외온도가 3 ~ -5℃인 영역에서 기 설정시간이 경과하였으면, 압축기로부터 토출되는 냉 매가 실외측 열교환기로 유입되도록 사방밸브를 절환하는 단계; d) 제 1서브 팽창밸브를 폐쇄하고, 제 2서브 팽창밸브를 개방하는 단계; e) 제상운전 시간이 기 설정시간이 경과하였는지를 판단하는 단계; f) 상기 판단결과, 기 설정시간이 경과하였으면, 압축기로부터 토출되는 냉매가 실내측 열교환기로 유입되도록 사방밸브를 절환하는 단계; 및 g) 제 1서브 팽창밸브를 개방하고, 제 2서브 팽창밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 난방운전시 뿐만 아니라 제상운전시에도 실외측 열교환기 또는 실내측 열교환기를 통과하여 분기된 냉매가 압축기로 분사되도록 하여 난방능력 향상과 더불어 제상효율을 향상시켜 제상시간을 단축할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 구조를 개략적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기는 압축기(110), 실내측 열교환기(120), 실외측 열교환기(130), 메인 팽창밸브(140), 사방 밸브(150), 및 인젝션부를 포함하여 구성된다.
압축기(110)는 흡입구(111)로부터 흡입되는 저온, 저압의 기체 상태 냉매를 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출구(112)를 통해 토출하고, 실내측 열교환기(120) 및 실외측 열교환기(130)는 상기 압축기(110)와 배관으로 연결되어 외부 공기와 열교환하며, 메인 팽창밸브(140)는 상기 실내측 열교환기(120)와 실외측 열교 환기(130) 사이에 연결되어 상온·고압의 액체상태 냉매를 저온·저압의 액체상태로 감압하는 역할을 수행한다.
사방밸브(150)는 상기 압축기(110)의 토출구(112) 및 흡입구(111)를 상기 실내측 열교환기(120)와 상기 실외측 열교환기(130)로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환된다.
또한, 인젝션부는 상기 실내측 열교환기(120) 및 실외측 열교환기(130)와 메인 팽창밸브(140) 사이에서 냉매를 분기하여 분기된 냉매가 압축기(110)의 중간압실에 형성한 인젝션 포트(114)로 분사되도록 한다.
구체적으로, 상기 인젝션부는 분기된 냉매와 분기되지 않은 냉매를 열교환하는 과냉각 열교환기(160)와, 상기 분기된 냉매가 유입되는 제 1서브 팽창밸브(170), 및 제 2서브 팽창밸브(180)를 포함하여, 냉매의 순환방향에 따라 상기 제 1서브 팽창밸브(170) 및 제 2서브 팽창밸브(180)를 개폐하여 분기된 냉매가 압축기(110)에 분사되도록 한다.
즉, 난방운전시에 실내측 열교환기(120)를 통과한 냉매 중 일부는 분기되어 제 2서브 팽창밸브(180)를 경유하여 과냉각 열교환기(160)를 통과한 후 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 분사되며, 분기되지 않은 냉매는 과냉각 열교환기(160)에서 상기 분기된 냉매와 열교환 한 후, 메인 팽창밸브(140)로 유입되는 것이다. 이때, 상기 제 2서브 팽창밸브(180)는 폐쇄된 상태이다.
반면, 제상운전시에는 실외측 열교환기(130)를 통과한 냉매 중 일부는 메인 팽창밸브(140)를 지나기 전에 분기되어 제 2서브 팽창밸브(180)를 거쳐 과냉각 열 교환기(160)로 유입된 후, 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 분사되며, 분기되지 않은 냉매는 메인 팽창밸브(140)를 통과하여 과냉각 열교환기(160)에서 상기 분기된 냉매와 열교환 한 후, 실내측 열교환기(120)로 유입된다. 이때, 상기 제 1 서브 팽창밸브(170)는 폐쇄된 상태이다.
즉, 난방운전을 하는 경우, 제 1서브 팽창밸브(170)는 개방하고 제 2서브 팽창밸브(180)는 폐쇄하여 압축기(110)로 실내측 열교환기(120)와 메인 팽창밸브(140) 사이에서 분기된 냉매를 분사하여 압축기(110)로 상기 냉매가 유입되도록 함으로써, 히트펌프의 난방능력을 향상시키고, 제상운전을 하는 경우, 제 1서브 팽창밸브(170)는 폐쇄하고, 제 2서브 팽창밸브(180)는 개방하여 실외측 열교환기(130)와 메인 팽창밸브(140) 사이에서 분기된 냉매를 분사하여 압축기(110)로 상기 냉매가 유입되도록 함으로써, 압축기의 성능을 향상시켜 히트펌프의 제상운전시간을 단축할 수 있는 것이다.
이때, 제상운전 여부는 실외온도가 3 ~ -5℃ 영역인 경우 실시되는데, 이에 대한 상세한 설명은 이하 설명되는 제상운전 방법을 통해 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 제상운전방법을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프의 제상운전 방법을 나타내는 플로우 차트로서, 도시된 바와 같이, 먼저 실외온도가 3 ~ -5℃ 영역인지를 판단하고(S100), 실외온도가 3 ~ -5℃에 도달한 후, 실외측 열교환기(130)에 착상이 되었 는지를 판단하기 위하여 기 설정시간이 경과하였는지를 판단한다(S200).
상기 판단결과, 실외온도가 3 ~ -5℃인 영역에서 기 설정 시간이 경과하였으면, 실외측 열교환기(130)에 착상이 진행되었다고 판단하여 사방밸브(150)가 절환되도록 하여 압축기(110)로부터 토출되는 냉매가 실외측 열교환기(130)로 유입되도록 한다(S300).
그리고, 제 1서브 팽창밸브(170)를 폐쇄하고, 제 2서브 팽창밸브(180)를 개방하여 실외측 열교환기(130)를 통과한 냉매 중 일부가 분기되어 제 2서브 팽찰밸브(180) 및 과냉각 열교환기(160)를 경유하여 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 분사되도록 한다(S400).
이후, 제상이 완료되었는지를 판단하기 위하여 제상운전 시간이 기 설정시간을 경과하였는지를 판단하고(S500), 기 설정시간이 경과하였으면, 난방운전을 수행하기 위하여 사방밸브(150)가 절환되도록 하여 압축기(110)로부터 토출되는 냉매가 실내측 열교환기(120)로 유입되도록 한다.(S600)
또한, 제 1서브 팽창밸브(170)를 개방하고, 제 2서브 팽창밸브(180)를 폐쇄하여 실내측 열교환기(120)를 통과한 냉매 중 일부가 분기되어 제 1서브 팽창밸브(170) 및 과냉각 열교환기(160)를 경유하여 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 분사되도록 하여(S700), 제상운전을 종료하고, 난방운전을 시작한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 인젝션부에 제 1서브 팽창밸브(170)와 제 2서브 팽창밸브(180)를 구비하여 난방운전시 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 실내측 열교환기(120)를 통과한 냉매 중 일부를 분사하여 난방능력을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 제상운전시 압축기(110)의 인젝션 포트(113)로 실외측 열교환기(130)를 통과한 냉매 중 일부를 분사하여 제상효율을 향상시킬 수 있다.
다시 말하면, 기존의 인젝션부에 구비된 하나의 서브 팽창밸브로는 제상운전시 압축기의 중간압실의 압력보다 실내측 열교환기를 통과한 후 메인 팽창밸브를 통해 감압된 냉매의 압력이 낮기 때문에 이러한 냉매를 압축기로 분사할 수 없었지만, 본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기는 두 개의 서브 팽창밸브를 구비하여 제상운전시에도 분기된 냉매가 메인 팽창밸브를 통과하지 않기 때문에 상기 압축기로 분사 가능한 것이다.
본 발명에 따른 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기 및 그 제상운전 방법은 상술한 바와 같이, 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 구비하여 난방운전시에는 제 1서브 팽창밸브만을 개방하고, 제상운전시에는 제 2서브 팽창밸브만을 개방하여 난방운전시 뿐만 아니라 제상운전시에도 실외측 열교환기 또는 실내측 열교환기를 통과하여 분기된 냉매가 압축기로 분사되도록 하여 난방능력 향상과 더불어 제상효율을 향상시켜 제상시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 흡입구로부터 흡입되는 저온, 저압의 기체 상태 냉매를 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출구를 통해 토출하는 압축기;
    상기 압축기와 배관으로 연결되어 외부 공기와 열교환하는 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기;
    상기 실내측 열교환기와 실외측 열교환기 사이에 연결되어 상온·고압의 액체상태 냉매를 저온·저압의 액체상태로 감압하는 메인 팽창밸브;
    상기 압축기의 토출구 및 흡입구를 상기 실내측 열교환기와 상기 실외측 열교환기로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환되는 사방밸브; 및
    상기 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기와 메인 팽창밸브 사이에서 냉매를 분기하여 분기된 냉매가 압축기의 중간압실에 형성한 인젝션 포트로 분사되도록 하는 인젝션부를 포함하며,
    상기 인젝션부는 분기된 냉매와 분기되지 않은 냉매를 열교환하는 과냉각 열교환기와, 상기 분기된 냉매가 유입되는 제 1서브 팽창밸브, 및 제 2서브 팽창밸브를 포함하여, 냉매의 순환방향에 따라 상기 제 1서브 팽창밸브 및 제 2서브 팽창밸브를 개폐하여 분기된 냉매가 압축기에 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기.
  2. 제 1항에 있어서,
    난방운전시에는 상기 제 1서브 팽창밸브를 개방하고 제 2서브 팽창밸브를 폐쇄하며, 제상운전시에는 상기 제 2서브 팽창밸브를 개방하고 제 1서브 팽창밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기.
  3. 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 제상운전 방법으로서,
    a) 실외온도가 3 ~ -5℃ 영역인지를 판단하는 단계;
    b) 실외온도가 3 ~ -5℃에 도달한 후, 기 설정시간이 경과하였는지를 판단하는 단계;
    c) 상기 판단결과, 실외온도가 3 ~ -5℃인 영역에서 기 설정시간이 경과하였으면, 압축기로부터 토출되는 냉매가 실외측 열교환기로 유입되도록 사방밸브를 절환하는 단계;
    d) 제 1서브 팽창밸브를 폐쇄하고, 제 2서브 팽창밸브를 개방하는 단계;
    e) 제상운전 시간이 기 설정시간이 경과하였는지를 판단하는 단계;
    f) 상기 판단결과, 기 설정시간이 경과하였으면, 압축기로부터 토출되는 냉매가 실내측 열교환기로 유입되도록 사방밸브를 절환하는 단계; 및
    g) 제 1서브 팽창밸브를 개방하고, 제 2서브 팽창밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝션 타입 히트펌프 공기조화기의 제상운전 방법.
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