KR100709060B1 - 히트파이프형 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실내온도를 적절하게 유지하기 위한 냉난방히트펌프시스템에 있어서, 압축기에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더와; 상기 응축기헤더의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬에 의하여 열을 방출하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프와; 상기 응축기헤더로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더와; 상기 증발기헤더의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬에 의하여 열을 흡수하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프로 이루어진 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이며, 다른 실시예로 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프와, 진동세관형 히트파이프를 적용하는 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이다.

이는 작동유체가 유동하며, 히트파이프의 우수한 열전달 특성 및 온도균일성에 의하여 기존의 열교환기의 직접 접촉 열교환에 비교하여 성능저하를 최소화하며, 작동유체의 유로가 기존 시스템에 비해 감소하여 압력손실저감에 따른 소요동력 감소 및 온도강하를 감소하여 전체적인 시스템 효율을 상승시키고자 하는 히트파이프형 히트펌프시스템을 제공하고자 하는 것이다.

히트펌프, 히트파이프

Description

히트파이프형 히트펌프시스템 {HEAT PUMP SYSTEM WITH HEAT PIPE TYPE}

도 1은 일반적인 히트펌프시스템 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템.

도 5는 히트파이프의 작동원리를 나타낸 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 진동형 히트파이프 내의 평형상태를 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 진동형 히트파이프 내의 작동상태를 나타낸 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 압축기 2: 사방변

3: 증발기 코일 4: 팽창밸브

5: 응축기 코일 11: 응축기 헤더

12: 개별 히트파이프 13: 서펜타인형 히트파이프

14: 진동세관형 히트파이프 15: 실외공기용 팬

21:증발기 헤더 25: 실내공기용 팬

본 발명은 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 압축기에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더와; 상기 응축기헤더의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬에 의하여 열을 방출하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프와; 상기 응축기헤더로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더와; 상기 증발기헤더의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬에 의하여 열을 흡수하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프로 이루어진 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이며, 다른 실시예로 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프와, 진동세관형 히트파이프를 적용하는 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 히트펌프를 나타낸 개략도로서, 일반적으로 히트펌프식 공기조화기등에 적용되어 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 열을 방출하여 실내를 냉난방시켜 실내환경을 쾌적하게 유지하기도 한다.

이러한 일반적인 히트펌프의 공조사이클을 살펴보면 먼저, 저온저압의 기체냉매는 압축기(1)에서 압축되면서, 고온고압의 기체냉매가 되어 4방변(2)을 통하여 응축기 코일(5)로 이송되고 응축기 코일(5) 에서는 이러한 고온고압의 기체냉매 가 고온고압의 액체냉매로 전환된다. 다음, 응축기 코일(5)로부터 이송되는 고온고압의 액체냉매는 팽창밸브(4)를 통과하면서 팽창되어 저온저압의 액체냉매로 전환되어 증발기로 유입되고 증발기 코일(3)로 유입되는 저온저압의 액체냉매는 주위의 열을 흡수하여 증발함으로써 실내공간을 냉각시킨다.

이러한 공기조화기의 응축기와 증발기는 냉매 파이프 내부에는 작동냉매유체가 유동하며, 냉매 파이프 외부에는 공기측 열교환핀이 장착되도록 형성된다.

이러한 핀튜브형 열교환기는 작동유체의 유로증가하여 압력손실이 증가하며, 소요동력이 증가하며, 온도강하가 증가하여 전체적인 시스템 효율이 감소하는 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 작동유체가 유동하며, 히트파이프의 우수한 열전달 특성 및 온도균일성에 의하여 기존의 열교환기의 직접 접촉 열교환에 비교하여 성능저하를 최소화하며, 작동유체의 유로가 기존 시스템에 비해 감소하여 압력손실저감에 따른 소요동력 감소 및 온도강하를 감소하여 전체적인 시스템 효율을 상승시키고자 하는 히트파이프형 히트펌프시스템을 제공하고자 하는 것이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템으로서, 이를 상세히 설명하면, 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11) 와;

상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프(12)와;

상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프(12);로 이루어진 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이다.

본 발명에 사용된 히트파이프(12)의 작동원리와 구조를 도 5에 의해 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시한 바와 같이 히트파이프의 작동원리를 보면, 증발부, 단열부, 응축부는 반경 방향으로 열이 흡수 또는 방출되는 부분을 나타내며, 각각의 길이는 작동조건에 따라 달라질 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이 상기 히트파이프의 구조는 안쪽으로 열이 흡수 또는 방출되는 통로와, 상기 통로를 감싸고 있는 모세관내에는 압력에 따라 액체상태의 작동유체를 응축부에서 증발부로 귀환시키는 구동력으로 작용하므로 작동유체의 순환이 이루어지게 되고, 상기 모세관의 외부는 튜브로 둘러싸여 있다.

이와 같은 구성상태에서 열이 상기 증발부에 가해지면, 열전도에 의해 외벽을 통해 내부에 있는 액체상태의 작동유체로 전달된다.

그러면, 평형상태에 있던 작동유체의 액체-증기 경계면에서 증발이 일어나, 경계면이 오목하게 낮아지면서 반달의 곡률반경이 낮아진다.

이 때, 상기 증발부 내부의 증기영역은 새로 발생한 증기량에 의해 국부적인 밀도와 압력이 증가한다.

즉, 온도차에 의해 압력구배가 유발되며 이에 의해 증기는 응축부쪽으로 이동한다.

한편, 상기 응축부의 액체와 벽 외부에 냉각원(HEAT SINK)이 존재하는데, 증발부에서 이동된 증기의 온도가 응축부의 액체와 벽의 온도보다 높은 상태에 있으므로 증기는 열을 방출한 후 액체 상태로 응축된다.

이 때, 상기 응축부의 액체-증기면이 높아지면서 반달의 곡률반경이 커진다.

상기 증발부와 응축부간 액체-증기 경계면에서의 곡률 반경차이가 액체의 표면 장력에 의해 모세관 압력을 유발하는데 이는 라플레스 영(Laplace-Young)의 식으로 다음과 같이 표현된다.

ΔPcap = σ(1/R1 + 1/R2)여기서, ΔPcap 는 모세관 압력, σ는 액체의 표면장력, 그리고 R1 및 R2는 반달면에서 서로 직각 방향으로 잰 곡률반경이다.

이 모세관 압력은 액체 상태의 작동유체를 응축부에서 증발부로 귀환시키는 구동력으로 작용하므로 작동유체의 순환이 이루어지게 된다.

상기 증발부로 귀환된 액체는 다시 위의 과정을 반복하여 그 기능을 수행하게 된다.

상기와 같은 히트파이프의 원리를 이용하여, 이를 응축기 헤더(11)의 내부에 각각 독립적으로 구성된 개별 히트파이프(12)의 일측을 다수개 삽입장착하며, 타측은 개방하며, 실내공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 하는 것이다.

상기 응축기 헤더(11)에 삽입된 히트파이프(12) 부분은 히트 파이프 증발부를 형성하며, 실내공기용 팬(15)에 노출된 히트파이프 부분은 응축부를 형성하는 것이며, 상기 증발기 헤더(21)에 삽입된 히트파이프(12) 부분은 히트 파이프 응축부를 형성하며, 실내공기용 팬(25)에 노출된 히트파이프 부분은 증발부를 형성하도록 하는 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템으로서, 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11)와;

상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프(13)와;

상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프(13);으로 이루어진 히트파이프형 히 트펌프시스템에 관한 것이다.

본 발명의 제1실시예에서는 냉매헤더에 히트파이프를 삽입장착하되, 각각 개별적인 히트파이프를 적용하며, 제2실시예에서는 일체형의 히트파이프를 장착하며, 다수회로 굴곡형성된 히트파이프 형상인 서펜타인(Serpentine)형의 히트파이프를 장착하는 것이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트파이프형 히트펌프시스템으로서, 이를 설명하면, 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11)와;

상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 주어진 체적에 작동유체가 충진되며, 나머지 체적은 진공상태로 이루어진 진동세관형 히트파이프(14)와;

상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 주어진 체적에 작동유체가 충진되며, 나머지 체적은 진공상태로 이루어진 진동세관형 히트파이프(14);로 이루어진 히트파이프형 히트펌프시스템에 관한 것이다.

제1실시예와 제2실시예에 삽입 장착된 히트파이프는 헤더와 히트파이프와의 징착위치가 매우 중요하며, 제3실시예에서는 필요에 의하여 수평, 수직 또는 경사진 형태등 설치위치에 관계없이 원활한 작동상태를 발생할 수 있는 것이다.

이에 대하여 도 6 및 도 7에서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 진동형 히트파이프 내의 평형상태를 나타낸 개략도이며, 도 7은 본 발명에 따른 진동형 히트파이프 내의 작동상태를 나타낸 개략도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

진동세관형 히트파이프의 작동원리는 세관으로 폐루프를 형성하고 온열 또는 냉열에 의해 액상플러그의 증발 또는 기상플러그의 응축으로 미소한 압력차가 발생하여 평형상태가 깨어지면서 축방향으로 이동하여 방열 또는 흡열하여 냉난방이 이루어진다. 온열이 접촉하는 증발부에서 발생하는 고온고압의 증기포가 냉열이 접촉하는 응축부에서 응축됨에 따라 증기포의 체적이 축소하여 액상의 작동액으로 순차적으로 이동하면서 작동하게 된다.

이러한 작동원리에 의해 작동액 및 기체가 진동하면서 잠열에 의하여 열을 고속으로 이동시키는 것이다.

도 6은 진동형 히트 파이프의 평형상태의 모습으로 세관내의 작동유체는 표면장력에 의해 히트파이프의 세관내에 플러그(plug)형상의 액상부분과 진공상태로 유지상태에서 작동유체는 증기포로 된 기상부분이 형성되어 포화증기압에서 평형상태를 유지한다.

정지상태에서 일측부를 가열(난방) 또는 냉각(냉각)하고 타측부를 난방 또는 냉방을 목적으로 공기를 유동시키면 기포가 발생하면서 체적팽창 또는 수축에 의하 여 도 7과 같이 평형상태가 붕괴되어 기상 플럭그(vapor plug) 또는 액상 플러그(liquid plug)가 이동하면서 난방 또는 냉방이 이루어지게 된다.

본 발명에 진동세관형 히트파이프의 원리를 히트펌프 시스템에 응용하는 것으로 진동형 히트파이프(Oscillating Heat Pipe)는 세관내를 진공으로 하고 작동유체를 주입하여 작동유체의 증발 및 응축에 의해 잠열의 형태로 열을 대량 수송하는 열전달장치로서 도 7과 같이 증발부와 응축부의 설치방향에 상관없이 일반적인 히트파이프내 설치된 윅(wick)이 필요하지 않아 증발부가 상부에 위치하는 경우의 윅식 히트파이프보다 제작이 용이하고 증발부가 항시 하부에 위치하여야 하는 써모싸이폰식보다 설치 및 용도가 광범위한 장점을 갖고 있다.

또한 증발부와 응축부를 멀리 위치시킬 수 있고, 물 또는 공기를 열원으로 하여도 전열면적의 확대가 용이하여 장치의 고성능화가 가능한 장치이다. 또한 전열면확대에 박판의 알루미늄 핀사용이 가능하므로 경량화 및 구조가 간단한 특징을 가지고 있다.

제1실시예 내지 제3실시예에 장착된 히트파이프(12,13,14)의 외주연에는 공기측 핀이 장착되도록 이루어지며, 이는 히트파이프의 효율을 증가시키기 위한 것이다.

본 발명은 히트펌프시스템의 열교환기를 냉매헤더와 상기 냉매헤더의 히트파이프를 삽입장착하여, 열교환 효율이 우수하며, 열성능이 증가하는 히트펌프 시스템을 제 공하고자 하는 것이며, 이는 기존에 비하여 냉매측의 압력손실효과가 증가하며, 시스템의 효율이 증가하는 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

Claims (6)

1. 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

   압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11)와;

   상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프(12)와;

   상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

   상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 수평, 수직 또는 경사지도록 설치된 중에서 어느 하나를 선택하며, 외주연에는 공기측 핀이 장착되고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 형성된 다수개의 개별 히트파이프(12);로

   이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프형 히트펌프시스템.
2. 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

   압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11)와;

   상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 수평, 수직 또는 경사지도록 설치된 중에서 어느 하나를 선택하고, 외주연에는 공기측 핀이 장착되며, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프(13)와;

   상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

   상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 다수회로 굴곡되어 형성된 서펜타인형 히트파이프(13);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프형 히트펌프시스템.
3. 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,

   압축기(1)에서 토출된 고온고압의 냉매를 유도하도록 형성된 응축기헤더(11)와;

   상기 응축기헤더(11)의 내부에 일측의 하단은 삽입장착되어 고온냉매로부터 열을 흡수하고, 타측의 상단은 실외공기용 팬(15)에 의하여 열을 방출하도록 주어진 체적에 작동유체가 충진되며, 수직 또는 경사지도록 설치된 중에서 어느 하나를 선택하고, 외주연에는 공기측 핀이 장착되며, 나머지 체적은 진공상태로 이루어진 진동세관형 히트파이프(14)와;

   상기 응축기헤더(11)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 팽창밸브(4)를 통하고, 저온저압의 냉매를 유도하도록 형성된 증발기 헤더(21)와;

   상기 증발기헤더(21)의 내부에 일측의 상단은 삽입장착되어 저온냉매로부터 열을 방출하고, 타측의 하단은 실내공기용 팬(25)에 의하여 열을 흡수하도록 주어진 체적에 작동유체가 충진되며, 나머지 체적은 진공상태로 이루어진 진동세관형 히트파이프(14);로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프형 히트펌프시스템.
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