KR100707470B1 - 냉난방겸용 공기조화기 - Google Patents

냉난방겸용 공기조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉난방겸용 공기조화기에 관한 것으로서, 냉방 또는 난방모드에 따라 냉매의 유동 방향이 변하는 순환유로와; 상기 순환유로상에 구비되고, 냉방 또는 난방모드에 따라 전열 면적이 변화하도록 작동되어, 냉매가 응축 또는 증발되는 열교환기를 포함함으로써, 공기조화기의 효율이 상승되는 이점이 있다.
공기조화기, 히트 펌프, 증발기, 응축기, 실외기, 전열 면적, 전환 밸브

Description

냉난방겸용 공기조화기{Air-conditioner for both heating and cooling}
도 1 내지 도 3는 종래 기술에 따른 냉난방겸용 공기조화기가 도시된 도로서,
도 1은 냉방모드의 구성도,
도 2는 난방모드에서 방향전환밸브의 작동 상태도,
도 3은 난방모드에서 난방 및 제상 운전의 작동 시간이 도시된 그래프이고,
도 4 내지 도 8는 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기의 실시예가 도시된 도로서,
도 4는 공기조화기의 구성도,
도 5는 방향전환밸브의 작동 상태도,
도 6은 확장전환밸브의 작동 상태도,
도 7은 난방모드에서 난방 및 제상 운전의 작동 시간이 도시된 그래프,
도 8은 방향전환밸브 및 확장전환밸브의 제어 알고리즘이 도시된 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
52, 69: 전환밸브 54: 압축기
56: 열교환기 56a: 기본채널
56b: 확장채널 58: 팽창밸브
61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75: 유로
본 발명은 냉난방겸용 공기조화기에 관한 것으로서, 특히 냉방, 난방, 정격, 저온모드 등의 작동모드에 따라 열교환기의 전열 면적이 다르게 작동되도록 유로 및 밸브를 구성한 냉난방겸용 공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 냉난방겸용 공기조화기는 실내와 실외가 열교환하도록 순환로 작동되어 실내의 온도나 습도를 적정하게 설정하고 유지시키는 장치이다.
도 1 내지 도 3는 종래 기술에 따른 냉난방겸용 공기조화기가 도시된 도로서, 도 1은 냉방모드의 구성도이고, 도 2는 난방모드에서 방향전환밸브의 작동 상태도이고, 도 3은 난방모드에서 난방 및 제상 운전의 작동 시간이 도시된 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 냉난방겸용 공기조화기는 냉매의 양방향 유동이 가능하도록 순환로 순환되어 구성된 순환유로(11, 15, 17, 19) 와; 그 순환유로(11, 15)상에 구비되어, 냉매가 일방향으로 유동되도록 구성되고, 냉매가 압축되도록 압축기(4)가 구비된 압축유로(13)와; 상기 순환유로(11, 15)와 상기 압축유로(13)의 교차 지점에 구비되어, 냉매의 유동을 상기 순환유로(11, 15)상의 양방향에서 상기 압축유로(13)상의 일방향으로 전환시키는 전환밸브(2a, 2b)와; 상기 순환유로(15, 17)상에 구비되어, 냉매의 열을 배출시키는 열교환기(6)와; 상기 순환유로(17, 19)상에 구비되어, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(8)를 포함하여 구성된다.
상기 냉난방겸용 공기조화기는 냉방모드일 때에는 전환밸브(2a), 압축기(4), 전환밸브(2a), 열교환기(6), 팽창밸브(8)의 순서로 냉매가 유동되고, 난방모드일 때에는, 도 2에 도시된 바와 같이 전환밸브(2b)가 난방모드로 작동되고, 상기 순환유로(11, 15, 17, 19)상의 냉매 유동 방향이 반대로 전환되어, 팽창밸브(8), 열교환기(6), 전환밸브(2b), 압축기(4), 전환밸브(2b)의 순서로 냉매가 유동된다.
그러나, 종래 기술에 따른 냉난방겸용 공기조화기는 냉방모드인 경우와 난방모드인 경우 상기 열교환기(6)에서 냉매의 유동 방향만이 전환될 뿐 전열면적은 동일하게 되는 바, 상기 열교환기(6)는 냉방모드에서 응축기로 작동되고 난방모드에서 증발기로 작동되는데 최적의 성능을 나타내기 위하여 요구되는 응축기와 증발기의 전열면적은 응축과 증발의 물리적 과정이 다르듯이 서로 상이하며, 상기한 바와 같이 동일한 전열면적이 사용되면 공기조화기의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
특히, 난방모드 중 정격 조건에서의 운전시에는 동일한 전열 면적이 사용되어도 난방 효율이 그다지 떨어지지 않지만, 난방모드 중 저온 조건에서의 운전시에 는 동일한 전열 면적이 사용되면 난방 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 난방모드시 실외기에서의 착상을 방지하기 위하여, 난방 운전을 45분 정도 실행하면 제상 운전을 15분 정도 실행해야 하므로, 전체 운전 시간 중 실제 난방 운전이 실행되는 시간 비율이 적어서 특히 상기한 저온 조건에서의 운전시에는 난방 효율이 급격하게 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환기의 전열 면적이 가변되도록 열교환기를 구성하여 공기조화기의 효율을 제고하고, 특히 난방모드 중 저온 조건에서의 운전시 전체 운전 시간 중 제상 운전 시간의 비율이 축소될 때 공기조화기의 효율 저하가 방지되도록 전열 면적을 다르게 작동시킨 냉난방겸용 공기조화기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기는, 냉방 또는 난방모드에 따라 냉매의 유동 방향이 변하는 순환유로와; 상기 순환유로상에 구비되고, 전열 면적이 가변되도록 기본채널과 확장채널로 구성되어, 냉매가 응축 또는 증발되는 열교환기와; 상기 순환유로상에 구비되어, 상기 확장채널에 연결된 유로를 개폐하여 냉매의 유동을 제어하는 밸브수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 밸브수단은 상기 순환유로와 상기 기본채널 및 상기 확장채널에 연결된 각 유로가 교차하는 지점에 구비되어, 상기 확장채널과의 유로 연결이 개폐되도록 확장모드 또는 기본모드로 작동되는 확장전환밸브인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉난방겸용 공기조화기는 상기 기본채널과 상기 확장전환밸브를 연결하는 유로상에 구비되어, 냉매가 팽창되는 팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉난방겸용 공기조화기는 양단이 상기 순환유로와 연결되어, 냉매가 일방향으로 순환 유동되는 압축유로와; 상기 압축유로상에 구비되어, 냉매를 압축하는 압축기와; 상기 순환유로와 상기 압축유로의 연결부에 구비되어, 상기 압축유로상에서 냉매가 일방향으로 유동되도록 상기 순환유로와 상기 압축유로의 연결 상태를 변경시키는 방향전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 8는 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기의 실시예가 도시된 도로서, 도 4는 공기조화기의 구성도이고, 도 5는 제 1 밸브 즉 방향전환밸브의 작동 상태도이고, 도 6은 제 2 밸브 즉 확장전환밸브의 작동 상태도이고, 도 7은 난방모드에서 난방 및 제상 운전의 작동 시간이 도시된 그래프이고, 도 8은 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 제어 알고리즘이 도시된 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉난방겸용 공기조 화기는 냉방 또는 난방모드에 따라 냉매의 유동 방향이 변하는 순환유로(61, 65, 75)와; 양단이 상기 순환유로(61, 65)와 연결되어, 냉매가 일방향으로 순환 유동되는 압축유로(63)와; 상기 압축유로(63)상에 구비되어, 냉매를 압축하는 압축기(54)와; 상기 순환유로(61, 65)와 상기 압축유로(63)의 연결부에 구비되어, 상기 압축유로(63)상에서 냉매가 일방향으로 유동되도록 상기 순환유로(61, 65)와 상기 압축유로(63)의 연결 상태를 변경시키는 제 1 밸브(52)와; 상기 순환유로(65, 75)상에 구비되고, 전열 면적이 가변되도록 기본채널(56a)과 확장채널(56b)로 구성되어, 냉매가 응축 또는 증발되는 열교환기(56)와; 상기 순환유로(65, 75)상에 구비되어, 상기 확장채널(56b)에 연결된 유로(67, 73)를 개폐하여 냉매의 유동을 제어하는 제 2 밸브(60)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1 밸브(52)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉방모드와 난방모드시 서로 반대 방향으로 유동되는 냉매를 상기 압축기(54)의 입구와 연결된 유로로 향하도록 작동된다.
상기 열교환기(56)는 실외 공기와의 열교환이 이루어지도록 실외측에 배치된 실외기에 포함되는 것이 바람직하며, 상기 순환유로(61, 65, 75)상에는 별도로 실내측 열교환기(미도시)가 설치된다.
다음 표 1에는 상기 열교환기(56)에서 냉매의 이동 거리에 해당하는 스텝(step)을 단위로 하여 냉방 운전과 난방 운전시 효율(성능계수, COP)이 제시되고 있다.
능력 (냉방/난방) 요구 동력 (냉방/난방) 효율 (냉방/난방)
26 step 2800 / 3500 [W] 530 / 700 [W] 5.28 / 5.00
24 step 2750 / 3600 [W] 540 / 680 [W] 5.10 / 5.14
표 1에 제시된 바와 같이, 냉방 운전시에는 26 스텝을 거치는 경우의 효율이 높고, 난방 운전시에는 24 스텝을 거치는 경우의 효율이 높으므로, 상기 기본채널(56a)을 24 스텝으로 구성하고, 상기 확장채널(56b)을 2 스텝으로 구성하여, 냉방 운전시에는 상기 기본채널(56a)과 상기 확장채널(56b)을 모두 냉매 유동 통로로 이용하여 전열 면적을 늘리고, 난방 운전시에는 상기 기본채널(56a)만 냉매 유동 통로로 이용하여 전열 면적을 줄이면, 최적의 효율이 달성된다.
표 2에는 냉방 운전시 응축기와 증발기의 전열 면적 비율에 따른 냉방 효율이 제시되고, 표 3에는 난방 운전시 응축기와 증발기의 전열 면적 비율에 따른 난방 효율이 제시되고 있다.
냉방 운전시:
비율(응축기:증발기) 능력[W] Power[W] 효율(COP)
112% 2700 540 5.10
122% 2800 530 5.28
135% 2850 535 5.32
145% 2800 540 5.19
난방 운전시:
비율(증발기:응축기) 능력[W] Power[W] 효율(COP)
100% 3400 690 4.90
112% 3600 680 5.14
122% 3500 700 5.00
130% 3400 710 4.80
표 2 및 표 3에 제시된 바와 같이, 냉방 운전시와 난방 운전시의 효율은 응축기와 전열기의 전열 면적 비율에 따라 다르게 나타나는데, 공기조화기를 구성하는 두 개의 열교환기 중 일측의 전열 면적을 고정시킨다면 타측의 전열 면적을 냉방 및 난방모드에 따라 변화시켜 적정한 효율을 달성할 수 있는 바, 실내측 열교환기(미도시)의 전열 면적을 고정시키고, 실외측 열교환기를 상기 열교환기(56)와 같이 전열 면적이 변화되도록 구성한다.
이때, 상기 열교환기(56)의 전열 면적은, 최적의 효율이 나타나도록, 냉방모드시에 상기한 실내측 열교환기의 전열 면적의 115 내지 135 퍼센트에 해당되게, 난방모드시 상기한 실내측 열교환기의 전열 면적의 105 내지 125 퍼센트에 해당되게 구성하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 밸브(60)는 상기 순환유로(75)와 상기 기본채널(56a) 및 상기 확장채널(56b)에 연결된 각 유로(69, 71, 73)가 교차하는 지점에 구비되어, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 확장채널(56b)과의 유로 연결이 개폐되도록 정격 운전시에는 확장모드 즉 정격모드로, 저온 운전시에는 기본모드 즉 저온모드로 작동된다.
상기 기본채널(56a)과 상기 제 2 밸브(60)를 연결하는 유로(69)상에는 냉매가 팽창되는 팽창밸브가 설치된다.
상기 냉난방겸용 공기조화기는 냉방모드 또는 난방모드로 작동되도록 상기 제 2 밸브(60)를 제어하고, 정격모드 또는 저온모드로 작동되도록 상기 제 1 밸브(52)를 제어하는 제어장치(미도시)를 포함하여 구성된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제어장치는 냉방모드인지 난방모드인지 판단하는 제 1 단계(S1)와; 상기 제 1 단계(S1)에서 냉방모드인 경우 상기 제 1 밸브(52)를 냉방모드, 상기 제 2 밸브(60)를 확장모드 즉 정격모드로 설정하는 제 2 단계(S2)와; 상기 제 2 단계(S2)에서 난방모드인 경우 정격모드인지 저온모드인지 판단하는 제 3 단계(S3)와; 상기 제 3 단계(S3)에서 정격모드인 경우 상기 제 1 밸브(52)를 난방모드, 상기 제 2 밸브(60)를 정격모드로 설정하는 제 4 단계(S4)와; 상기 제 4 단계(S4)에서 저온모드인 경우 상기 제 1 밸브(52)를 난방모드, 상기 제 2 밸브(60)를 저온모드로 설정하는 제 4 단계(S4)로 구성된 밸브제어 알고리즘을 실행한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기의 제 1 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기 열교환기(56) 내에서 냉매의 유동 거리가 달라지면 전열 면적이 달라지고 그만큼 열을 교환할 기회의 증감이 나타나게 되며, 이에 따라 열교환량이 달라지게 된다.
즉, 냉매는 상기 열교환기(56) 내부를 유동하면서 외부와 열교환을 하는데, 냉매의 유동 거리가 길어 전열 면적이 클수록 더 많은 열을 교환하게 된다.
냉방모드일 때에는, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 밸브(52)가 난방모드로 작동되고, 제 2 밸브(60)가 정격모드로 작동되어, 상기 순환유로(61, 65, 75)에서 냉매는 제 1 밸브(52), 압축기(54), 제 1 밸브(52), 열교환기(56)의 기본채널(56a), 팽창밸브(58), 제 2 밸브(60), 열교환기(56)의 확장채널(56b), 제 2 밸브(60)의 순서로 유동된다.
난방모드 중 정격모드일 때에는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 밸브(52)가 난방모드로 작동되고, 제 2 밸브(60)가 저온모드로 작동되어, 냉매는 상기 순환유로(61, 65, 75)상의 냉매 유동 방향이 반대로 전환되어, 제 2 밸브(60), 팽창밸브(58), 열교환기(56)의 기본채널(56a), 제 1 밸브(52), 압축기(54), 제 1 밸브(52)의 순서로 유동된다.
난방모드 중 저온모드일 때에는, 도 4 및 도 5(a) 와 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제 1 밸브(52)가 난방모드로 작동되고, 제 2 밸브(60)가 정격모드로 작동되어, 냉매는 상기 순환유로(61, 65, 75)상의 냉매 유동 방향이 반대로 전환되어, 제 2 밸브(60), 열교환기(56)의 확장채널(56b), 제 2 밸브(60), 팽창밸브(58), 열교환기(56)의 기본채널(56a), 제 1 밸브(52), 압축기(54), 제 1 밸브(52)의 순서로 유동된다.
즉, 냉방모드일 때가 난방모드 중 정격모드일 때보다 더 큰 전열 면적으로 작동된다.
상기한 표 1 내지 표 3에 제시된 바와 같이, 냉방모드일 때가 난방모드일 때보다 큰 전열 면적을 통하여 더 많은 열을 교환함으로써, 냉난방겸용 공기조화기는 보다 최적의 효율을 나타낼 수 있게 된다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 난방모드 중 저온모드에서의 운전은 상기 확장채널(56b)을 보조 응축기 즉 보조 히터로 사용하여, 난방 효율은 다소 떨어지지만 충분한 열이 공급되어 착상이 지연되므로, 전체 운전 시간 중 난방 운전 시간의 비율을 늘리고 제상 운전 시간의 비율을 줄일 수 있다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기는, 냉방 운전와 난방 운전시 열교환기의 전열 면적이 다르게 작동되므로, 공기조화기의 효율이 상승되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기는, 난방 운전시 열교환기의 전열 면적을 가변되도록 제 2 밸브가 작동되므로, 정상적인 조건에서는 증발기의 전열 면적을 감소시켜 직접적으로 공기조화기의 효율이 높아지고, 저온 조건에서는 증발기의 전열 면적을 증가시켜 제상 운전 시간을 줄임으로써 난방 효율이 높아지는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 냉방 또는 난방모드에 따라 냉매의 유동 방향이 변하는 순환유로와;
    상기 순환유로상에 구비되고, 전열 면적이 가변되도록 기본채널과 확장채널로 구성되어, 냉매가 응축 또는 증발되는 열교환기와;
    상기 순환유로상에 구비되어, 상기 확장채널에 연결된 유로를 개폐하여 냉매의 유동을 제어하는 밸브수단을 포함하고,
    상기 열교환기는 실외기에 장착되어, 실외 공기와 열을 교환하며, 상기 확장채널의 전열 면적이 상기 기본채널의 전열 면적의 8 내지 9 퍼센트에 해당되도록 구성된 냉난방겸용 공기조화기.
  2. 냉방 또는 난방모드에 따라 냉매의 유동 방향이 변하는 순환유로와;
    상기 순환유로상에 구비되고, 전열 면적이 가변되도록 기본채널과 확장채널로 구성되어, 냉매가 응축 또는 증발되는 열교환기와;
    상기 순환유로상에 구비되어, 상기 확장채널에 연결된 유로를 개폐하여 냉매의 유동을 제어하는 밸브수단을 포함하고,
    상기 밸브수단은, 상기 순환유로와 상기 기본채널 및 상기 확장채널에 연결된 각 유로가 교차하는 지점에 구비되어, 상기 확장채널과의 유로 연결이 개폐되도록 정격모드 또는 축소모드로 작동되는 확장전환밸브를 구비하는 냉난방겸용 공기조화기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환기는 실외기에 장착되어, 실외 공기와 열을 교환하는 것을 특징으로 하는 냉난방겸용 공기조화기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 확장채널의 전열 면적이 상기 기본채널의 전열 면적의 8 내지 9 퍼센트에 해당되도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방겸용 공기조화기.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항 에 있어서,
    상기 냉난방겸용 공기조화기는 상기 기본채널과 상기 확장전환밸브를 연결하는 유로상에 구비되어, 냉매가 팽창되는 팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방겸용 공기조화기.
  6. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항 에 있어서,
    상기 냉난방겸용 공기조화기는 양단이 상기 순환유로와 연결되어, 냉매가 일방향으로 순환 유동되는 압축유로와;
    상기 압축유로상에 구비되어, 냉매를 압축하는 압축기와;
    상기 순환유로와 상기 압축유로의 연결부에 구비되어, 상기 압축유로상에서 냉매가 일방향으로 유동되도록 상기 순환유로와 상기 압축유로의 연결 상태를 변경시키는 방향전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방겸용 공기조화기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉난방겸용 공기조화기는 냉방모드 또는 난방모드로 작동되도록 상기 방향전환밸브를 제어하고, 확장모드 또는 기본모드로 작동되도록 상기 축소전환밸브를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방겸용 공기조화기.
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