KR100685459B1

KR100685459B1 - 2사이클 히트펌프

Info

Publication number: KR100685459B1
Application number: KR1020050104697A
Authority: KR
Inventors: 이영제
Original assignee: 이영제
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2007-02-26

Abstract

본 발명에 의한 2사이클 히트펌프는 저온 저압의 기상냉매(B)를 고온 고압의 상태로 압축하는 압축기(10)와; 상기 압축기(10)에서 압축된 고온 고압의 기상냉매를 응축하여 저온 고압의 액상냉매로 변환시키는 응축기(20)와; 상기 응축기(20)에서 압축된 저온 고압의 액상의 냉매를 저온 고압의 기상냉매 - 저온 고압의 액상냉매 - 오일의 순서로 원심분리하고, 저온 고압의 기상냉매만을 냉매배출구(31)를 통해 상부로 배출하는 싸이클론탱크(30)와; 상기 싸이클론 탱크(30)로부터 공급된 저온 고압의 기상냉매를 저압으로 변환하여 압축기(10)로 순환시키는 기압자동조절기(40)로 구성된다.

따라서, 원심분리방식의 싸이클론 탱크(30)와 밸로우즈판을 이용한 기압자동조절기(40)의 사용으로 팽창 및 증발 사이클이 생략되고, 압축기(10) 및 응축기(20)에 의한 2사이클 히트펌프를 설계함으로써 적은 비용으로 고효율의 난방장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 싸이클론 탱크(30)의 하부에 별도의 오일배출구(34)를 구비하고, 침전된 오일을 오일배출구(34), 오일회수모세관(35)을 통해 압축기(10)로 이송함으로써, 피막현상을 방지하여 시스템의 열손실을 경감하는 효과가 있다.

히트펌프, 냉각, 난방, 공조기

Description

2사이클 히트펌프{ 2 CYCLE HEAT PUMP}

도 1은 종래의 일반적인 히트펌프를 개략적으로 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 2사이클 히트펌프의 기본원리를 나타내는 구성도,

도 3a은 도 2의 싸이클론 탱크의 일 실시례를 개략적으로 나타내는 동작단면도,

도 3b는 도 2의 싸이클록 탱크 내부에서 유입된 액상냉매가 회전하는 것을 개략적으로 나타낸 모식도,

도 4는 도 2의 기압자동조절의 일 실시례를 개략적으로 나타내는 동작단면도,

도 5는 본 발명에 의한 2사이클 히트펌프가 적용된 시스템냉각장치를 개략적으로 나타낸 모식도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10: 압축기 20: 응축기

30: 싸이클론 탱크 31: 냉매유입구

32: 냉매배출구 33: 제2냉매배출구

34: 오일배출구 35: 오일회수모세관
36: 제3냉매배출구

40: 기압자동조절기 41: 조절입구

42: 연결구 43: 냉매차단부

44: 감압모세관 45: 압력실

46: 밸로우즈판 47: 제1스프링

48: 제2스프링 49: 조절출구

50: 전동밸브 51: 증발장치 액압전동밸브

60, 61: 팽창밸브

70: 온도감지센서 80: 팽창 열교환기

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 특히 원심분리방식의 싸이클론 탱크와 밸로우즈판을 이용한 기압자동조절기의 사용으로 팽창 및 증발 사이클이 생략되고, 압축기 및 응축기에 의한 2사이클 히트펌프에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프란, 히트펌프식 공기조화기 등에 적용되어 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 열을 방출하여 실내를 냉난방시켜 실내환경을 쾌적하게 유지하는 장치로서, 히트펌프을 이용한 냉난방장치는 냉매 사이클을 전환시킴으 로써 하나의 유닛(또는 시스템)으로 히팅과 쿨링이 모두 가증하므로 쿨링/히팅 장치를 각각 설치하는 것 보다 설비비용이 절약된다

이러한 일반적인 히트펌프의 공조사이클에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 저온 저압의 기체냉매는 압축기(10)에서 압축되면서, 고온 고압의 기체냉매가 되어 4방변(2)을 통하여 실내기 코일(5)로 이송되고, 실내기 코일(5)에서는 이러한 고온 고압의 기체냉매가 고온고압의 액체냉매로 전환된다.

이때, 실내기 코일(5)로부터 이송되는 고온 고압의 액체냉매는 팽창밸브(4)를 통과하면서 팽창되고 저온 저압의 액체냉매로 전환되어 증발기로 유입되고 실외기 코일(3)로 유입되는 저온 저압의 액체냉매는 주위의 열을 흡수하여 증발함으로써 실내공간을 냉각시킨다.

상기 압축기(10)의 흡입측에 흡입된 저온 저압의 냉매가스는 압축시 발생하는 열 및 모터부의 발열에 의해 온도가 상승하게 되며, 흡입냉매가스의 초기온도 t_s1이 과열되어 t_s2가 되면 비체적은 V_s1에서 V_s2가 되고, 엔트로피의 변화는 S1에서 S2로 변화된다.

또한, 엔트로피의 변화에 의해 토출가스온도는 각각 단열압축을 한다고 가정할 경우 t_d1와 t_d2가 되므로, 엔탈피 변화는 Δh2= hd2-hd1가 되며, 일반적으로 Δh2 는 Δh1보다 커지게 되어 압축일은 증가하게 된다.

그러나, 종래의 압축기에서는 흡입가스가 과열되어 비체적이 증가함으로써 단위시간당 압축기의 저압측 흡입실 내로 유입되는 냉매의 질량이 감소하게 되어 냉동능력이 감소하게 되고, 단위 냉매유량당 압축일이 증대하여 압축기의 소요동력이 증가하며, 토출가스 온도가 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원심분리방식의 싸이클론 탱크와 밸로우즈판을 이용한 기압자동조절기의 사용으로 팽창 및 증발 사이클이 생략되고, 압축기 및 응축기에 의한 2사이클 히트펌프 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 싸이클론 탱크의 하부에 별도의 오일배출구를 구비하고, 침전된 오일을 오일배출구, 오일회수모세관을 통해 압축기로 이송함으로써, 피막현상을 방지하기 위한 2사이클 히트펌프를 제공함에 다른 목적이 있다.

이하에서 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 2사이클 히트펌프의 기본원리를 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 2의 기압자동조절의 일 실시례를 개략적으로 나타내는 동작단면도이 고, 도 4는 도 2의 싸이클론 탱크의 일 실시례를 개략적으로 나타내는 동작단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 2사이클 히트펌프가 적용된 시스템냉각장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

본 발명에 의한 2사이클 히트펌프는 도 2에 도시된 바와 같이, 저온 저압의 기상냉매(B)를 고온 고압의 상태로 압축하는 압축기(10)와; 상기 압축기(10)에서 압축된 고온 고압의 기상냉매를 응축하여 저온 고압의 액상냉매로 변환시키는 응축기(20)와; 상기 응축기(20)에서 압축된 저온 고압의 액상냉매를 저온 고압의 기상냉매 - 저온 고압의 액상냉매 - 오일의 순서로 원심분리하고, 저온 고압의 기상냉매만을 냉매배출구(31)를 통해 상부로 배출하는 싸이클론탱크(30)와; 상기 싸이클론 탱크(30)로부터 공급된 저온 고압의 기상냉매를 저압으로 변환하여 압축기(10)로 순환시키는 기압자동조절기(40)로 구성된다.

상기 압축기(10)는 저온 저압의 기상(氣狀)냉매(B)를 고온 고압 기상냉매(이하에서는 냉매가스와 혼용하여 사용함)로 변환하여 응축기(20)로 전달하며, 상기 응축기(20)에서는 전달된 고온 고압의 냉매가스에서 열을 회수하고, 저온 고압의 액상(液狀)냉매로 변환한 후, 싸이클론 탱크(30)로 유입시킨다.

이때, 상기 응축기(20)는 송풍기(도시되지 않음) 또는 온수저장탱크(도시되지 않음)와 연결되어 있으므로, 회수된 열을 이용하여 온풍 또는 온수를 생산할 수 있게 되며, 종래의 히트펌프와 달리 별도의 냉각장치가 필요치 않게 된다.

한편, 상기 싸이클론 탱크(30)는 도 3a에 도시된 바와 같이 응축기(20)에서 공급된 냉매를 저장할 수 있도록 원통 형상으로 이루어지되, 응축기(20)에서 유입된 저온 고압의 액상냉매가 탱크(30) 내부에서 원심회전될 수 있도록 냉매의 입사방향이 측방으로 형성되는 냉매유입구(31)와; 내부에서 기화된 기상냉매를 상부로 배출하는 냉매토출구(32)와; 냉매에 포함되어 있던 오일을 침전시키고, 오일회수모세관(35)를 통해 다시 압축기(10)로 순환시키는 오일배출구(34)를 포함한다.

이때, 상기 냉매는 원칙적으로 순수한 냉매만으로 이루어져야 하나, 기계적인 한계로 인해 일반적으로 오일과 냉매가 혼합되고 있으나, 상기 오일이 혼합된 냉매는 오일함량에 따라 열교환기에 피막현상이 발생되어 열효율을 30% 이상 저하시키는 원인이 되었다.

따라서, 본 발명에서는 싸이클론 탱크(30)를 원심분리방식으로 구현하여, 하부에 침전되는 오일을 오일배출구(34) 및 나선형의 오일회수모세관(35)을 통해 직접 압축기(10)로 이송하도록 설계하였다.

즉, 상기 싸이클론 탱크(30)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 응축기(20)에서 전달된 저온 고압의 액상냉매가 탱크(30)의 측방에 구비된 냉매유입구(31)로 유입되고, 탱크(30)의 내주면을 따라 회전하면서 원심분리된다.

따라서, 비중이 무거운 오일은 하부에 침전되고, 비중이 가벼운 액상냉매는 그 상부에, 기화된 기상냉매는 최상층부에 위치하며, 상기 기상냉매는 냉매배출구(32)를 통해 기압자동조절기(40)로 이송된다.

한편, 상기 기압자동조절기(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 싸이클론 탱크(30)로부터의 저온 고압의 기상냉매가 유입되는 조절입구(41)와; 상기 조절입구(41)로 유입된 저온 고압의 기상냉매를 연결구(42)를 통해 전달받고, 나선형의 관로를 통과하면서 그 압력을 강하시키는 감압모세관(44)과; 밸로우즈판(46)에 의해 상실과 하실로 구획되고, 상기 하실의 일측에는 감압모세관(44)에서 전달된 기상냉매가 유입되며, 상실의 중앙부에 밸로우즈판(46)을 탄성지지하는 제1스프링(47)을 구비하고, 하실의 중앙부에는 연결구(42)를 차단하기 위한 냉매차단부(43)를 탄성지지하는 제2스프링(43)을 구비한 압력실(45)과; 압력이 강하된 저온 저압의 기상냉매를 압축기(10)로 다시 순환시키는 조절출구(49)로 구성된다.

즉, 조절출구(41)로 유입된 저온 고압의 기상냉매는 연결구(42)를 통해 나선형 감압모세관(44)으로 전달된 후, 다시 압력실(45)의 하실로 유입된다.

만일, 감압모세관(44)을 통해 하실로 유입되는 기상냉매가 고압인 경우, 하실의 압력이 상실보다 높아지므로, 하실의 제2스프링(48)이 밸로우즈판(46)을 상방으로 밀어올려 상실의 제1스프링(47)이 압축되고, 따라서 냉매차단부(43)가 연결구 (42)에 밀착하여 저온 고압의 기상냉매가 기압자동조절기(40)로 유입되는 것을 차단한다.

또한, 상기 나선형 감압모세관(44)을 통과하면서 저압으로 변환된 후 하실로 유입되면, 상실의 압력이 하실보다 낮아지므로, 상실의 제1스프링(47)은 밸로우즈판(46)을 하방으로 가압하여 하실의 제2스프링(48)이 압축되고, 따라서 냉매차단부가 연결구에서 이탈되며, 연결구(42)를 통해 저온 고압의 기상냉매가 다시 나선형 감압모세관(44)으로 재유입되는 순환과정이 반복된다.

이와 같은 순환과정에 의해 저온 고압의 기상냉매는 기압자동조절기(40)를 통해, 저온 저압의 기상냉매로 변화되어, 조절출구(49)를 통해 압축기(10)로 이송된다.

한편, 냉각장치를 사용할 경우, 상기 싸이클론 탱크(30)의 측면에는 액상냉매를 외부로 배출할 수 있도록 별도의 제2냉매배출구(33)를 구비하고, 상기 액상냉매를 전동밸브(50)의 구동력에 의해 팽창밸브(60)로 이송하며, 상기 팽창밸브(60)에서 저압으로 변환된 액상냉매를 다시 압축기(10)로 순환하도록 구성하면 된다.

이때, 상기 액상냉매의 온도에 따라 팽창밸브(60)를 개폐할 수 있도록 별도의 온도감지센서가 구비되는 것이 바람직하다.

시스템 냉각장치를 구현하기 위해서는 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 히트펌프에 복수의 팽창밸브(61), 팽창열교환기(80)를 병렬연결하면 된다.

즉, 상기 싸이클론 탱크(30)의 측면에는 저온 고압의 액상냉매를 외부로 배출할 수 있도록 별도의 제3냉매배출구(36)를 구비하고, 상기 저온 고압의 액상냉매를 증발장치 액압전동밸브(51)를 통해 팽창밸브(61)로 유입하여 저온 저압의 액상냉매로 변환시킨 후, 팽창 열교환기(80)를 통해 압축기(10)로 다시 순환시킴으로써 시스템 냉각장치를 구현할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시례에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

본 발명에 의한 2사이클 히트펌프는 원심분리방식의 싸이클론 탱크(30)와 밸로우즈판을 이용한 기압자동조절기(40)의 사용으로 팽창 및 증발 사이클이 생략되고, 압축기(10) 및 응축기(20)에 의한 2사이클 히트펌프를 설계함으로써 적은 비용으로 고효율의 난방장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

히트펌프에 있어서,

저온 저압의 기상냉매를 고온 고압의 상태로 압축하는 압축기(10)와;

상기 압축기(10)에서 압축된 고온 고압의 기상냉매를 응축하여 저온 고압의 액상냉매로 변환시키는 응축기(20)와;

상기 응축기(20)에서 압축된 저온 고압의 액상냉매를 "저온 고압의 기상냉매 - 저온 고압의 액상냉매 - 오일"의 순서로 원심분리하고, 저온 고압의 기상냉매만을 냉매배출구(32)를 통해 상부로 배출하는 싸이클론 탱크(30)와;

상기 싸이클론 탱크(30)로부터 공급된 저온 고압의 기상냉매를 저온 저압으로 변환하여 압축기(10)로 순환시키는 기압자동조절기(40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 2사이클 히트펌프.
제 1항에 있어서,

상기 싸이클론탱크(30)는 응축기(20)에서 공급된 액상냉매를 저장할 수 있도록 원통 형상으로 이루어지되,

응축기(20)에서 유입된 액상냉매가 탱크(30) 내부에서 원심회전될 수 있도록 냉매의 입사방향이 측방으로 형성되는 냉매유입구(31)와;

내부에서 기화된 기상냉매를 상부로 배출하는 냉매배출구(32)와;

냉매에 포함되어 있던 오일을 침전시키고, 오일회수모세관(35)를 통해 다시 압축기(10)로 순환시키는 오일배출구(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2사이클 히트펌프.
제 2항에 있어서,

상기 싸이클론 탱크(30)의 측면에는 저온 고압의 액상냉매를 외부로 배출할 수 있도록 별도의 제2냉매배출구(33)를 구비하고,

상기 액상냉매를 전동밸브(50)의 구동력에 의해 팽창밸브(60)로 이송하며, 상기 팽창밸브(60)에서 저압으로 변환된 액상냉매를 다시 압축기(10)로 순환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 2사이클 히트펌프.
제 1항에 있어서,

상기 싸이클론 탱크(30)의 측면에는 저온 고압의 액상냉매를 외부로 배출할 수 있도록 별도의 제3냉매배출구(36)를 구비하고,

상기 저온 고압의 액상냉매를 증발장치 액압 전동밸브(51)를 통해 팽창밸브(61)로 유입하여 저온 저압의 액상냉매로 변환시킨 후, 팽창 열교환기(80)를 통해 압축기(10)로 다시 순환시키는 것을 특징으로 하는 2사이클 히트펌프.
제 1항에 있어서,

상기 기압자동조절기(40)는 응축기(20)로부터의 저온 고압의 기상냉매가 유입되는 조절입구(41)와;

상기 조절입구(41)로 유입된 저온 고압의 기상냉매를 연결구(42)를 통해 전달받고, 나선형의 관로를 통과하면서 그 압력을 강하시키는 감압모세관(44)과;

밸로우즈판(46)에 의해 상실과 하실로 구획되고, 상기 하실의 일측에는 감압모세관(44)에서 전달된 기상냉매가 유입되며, 상실의 중앙부에 밸로우즈판(46)을 탄성지지하는 제1스프링(47)을 구비하고, 하실의 중앙부에는 연결구를 차단하기 위한 냉매차단부(43)를 탄성지지하는 제2스프링(48)을 구비한 압력실(45)과;

압력이 강하된 저온 저압의 기상냉매를 압축기(10)로 다시 순환시키는 조절출구(49);

로 구성되는 것을 특징으로 하는 2사이클 히트펌프.