KR100728590B1

KR100728590B1 - 절전형 고효율 히트펌프 환기장치

Info

Publication number: KR100728590B1
Application number: KR1020060000599A
Authority: KR
Inventors: 김종남; 조학준
Original assignee: (주) 쁘레
Priority date: 2006-01-03
Filing date: 2006-01-03
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2026-01-03

Abstract

본 발명은 실내 공기와 실외 공기를 교환하여 실내 공기가 오염되지 않고 항상 청정상태를 유지하게 하는 환기 장치와, 여름철 또는 겨울철에 적은 소비 전력 및 고효율로 실내 온도를 적정한 온도로 유지시켜 줄 수 있는 히트펌프를 결합하여 일체형의 장치로 형성한 절전형 고효율 히트펌프 환기장치에 관한 것으로, 2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 현열교환기; 일단에 실내측배기구가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기의 일 방향 공기 통로에 연결된 제1배기덕트; 상기 제1배기덕트와 상기 현열교환기를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 배기용송풍기 및 실외측배기구가 마련되어 제1배기덕트 및 현열교환기를 지난 실내 공기를 실외에 배출하는 제2배기덕트; 일단에 실외측흡기구가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기의 타 방향 공기 통로에 연결된 제1흡기덕트; 상기 제1흡기덕트와 상기 현열교환기를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 흡기용송풍기 및 실내측흡기구가 마련되어 제1흡기덕트 및 현열교환기를 지난 실외공기를 실내에 배출하는 제2흡기덕트; 일부분은 실내공기가 배출되는 제2배기덕트 내에 배치되고, 나머지 부분은 상기 실외공기가 유입되는 제1흡입덕트 내에 배치되며, 압축기, 팽창밸브 및 하기의 제2열교환기와 냉매순환회로를 구성하여, 냉방시에는 냉매를 응축하고 난방시에는 냉매를 증발시키는 제1열교환기; 상기 제1배기덕트에 유입된 실내공기의 일부를 실외공기가 흡입되는 상기 제1흡기덕트에 유입시켜 상기 제1열교환기의 제1흡입덕트 배치 부분에 혼합공기가 통과할 수 있게 하는 공기혼합댐퍼; 상기 제2흡기덕트에 배치되고, 상기 압축기, 팽창밸브 및 제1열교환기와 냉매순환회로를 구성하여 냉방시에는 냉매를 증발시키고 난방시에는 냉매를 응축하는 제2열교환기; 및 난방시 상기 압축기의 고압관에 연결되어 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 추가 가열하여 상기 제2열교환기에 투입하는 보조열원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

환기장치, 히트 펌프, 열교환기, 압축기, 팽창밸브, 송풍기

Description

절전형 고효율 히트펌프 환기장치{POWER SAVING AND HIGH PERFORMANCE HEAT PUMP VANTILATION SYSTEM }

도 1a는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 구성도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 환기장치에 사용된 현열교환기를 구성하는 직사각형 단면 덕트의 사시도이다.

도 1c는 도 1a에 도시된 환기장치에 사용된 현열교환기의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 냉방 운전시 냉매 흐름도이다.

도 3은 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 난방 운전시 냉매 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 제습 운전시 냉매 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 고압관 3 : 고압스위치

5 : 사방밸브 7 : 삼방밸브

8 : 냉매흡입관 9, 11, 12, 23, 26, 27, 28 : 체크밸브

13 : 액분리기 15 : 저압관측필터

17 : 저압스위치 19 : 저압관

21 : 보조열원장치 25 : 전자밸브

31 : 실내측배기구 33 : 제1배기덕트

35 : 현열교환기 37 : 제2배기덕트

39 : 배기용송풍기 41 : 실외측배기구

43 : 실외측흡기구 45 : 실외측흡기구 댐퍼

47 : 공기혼합댐퍼 49 : 제1흡기덕트

51 : 공기흐름감지스위치 53 : 제2흡기덕트

55 : 흡기용 송풍기 57 : 실내측흡기구

59 : 소음기 61 : 실내측흡입구 댐퍼

63 : 콘트롤러 HE1, HE2, HE3: 열교환기

EV1, EV2 : 팽창밸브 CO : 압축기

본 발명은 히트펌프 환기장치(vantilation system)에 관한 것으로, 더 상세하게는 실내 공기와 실외 공기를 교환하여 실내 공기가 오염되지 않고 항상 청정상 태를 유지하게 하는 환기 장치와, 여름철 또는 겨울철에 적은 소비 전력 및 고효율로 실내 온도를 적정한 온도로 유지시켜 줄 수 있는 히트펌프를 결합하여 일체형의 장치로 형성한 절전형 고효율 히트펌프 환기장치에 관한 것이다.

근래에 건물의 환기장치에 냉난방 장치, 특히 히트펌프를 결합하려는 노력이 다양하게 이루어지고 있다. 환기장치 내에 히트펌프를 구비하여 건물의 환기 및 냉난방을 모두 실현할 수 있는 냉난방 겸용환기장치가 한국 실용신안등록 제20-396781호에 기재되어 있다. 그러나, 환기장치와 히트펌프를 결합함에 있어서는 다음과 같은 기술적 애로가 있다.

환기 장치는 배기용송풍기를 이용하여 오염된 실내 공기를 외부로 배출하고,흡기용송풍기를 이용하여 신선한 실외 공기를 실내에 유입시키는 데 사용한다. 환기 장치는 실내 온도에 변화를 가능한 주지 않으면서 실내외 공기를 교환하여 실내 공기의 청정상태를 유지하는 데 목적이 있으므로, 공기 교환 속도나 단위시간당 공기 교환량은 실내 온도에 큰 변화를 주지 않는 범위로 제한되어야 한다. 특히, 실내 냉방이 이루어지는 여름철이나 실내 난방이 이루어지는 겨울철에 더욱 그렇다. 따라서, 환기장치에서 배기덕트의 단면적이나 흡기덕트의 단면적을 크게 하거나 배기용송풍기 또는 흡기용송풍기의 단위시간당 풍량을 크게 하는데는 일정한 한계가 있다. 흡기 덕트 또는 배기 덕트의 단면적이 지나치게 크거나 흡기용 송풍기 또는 배기용 송풍기의 단위시간당 풍량이 지나치게 클 경우, 여름철이나 겨울철에 냉방 또는 난방을 하더라도 실내 공기의 온도가 실외 공기의 온도 가까이 올라가거나 떨어져, 실내 온도를 적정한 온도로 유지할 수 없기 때문이다. 이러한 점을 고려하여 한국 공개특허번호 특1984-0006402호, 한국 등록실용신안 제20-0207468호 등은 흡기덕트 및 배기덕트 사이를 통과하는 공기간에 열교환이 이루어지도록 하는 방법들을 제안하여 왔다.

히트펌프는 배관에 의하여 압축기, 제1열교환기(응축기 또는 증발기), 팽창밸브 및 제2열교환기(증발기 또는 응축기)를 순차적으로 연결하여 폐회로를 구성한 증기압축 냉동사이클(통상 "냉동사이클" 또는 "냉매순환회로"라고 함)에서 냉매의 순환 방향을 절환함으로써 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있게 한 냉난방 시스템이다. 히트펌프에서 냉매의 순환 방향을 절환하는 절환 수단으로는 통상 4방변을 사용하며, 각 열교환기는 냉매 순환 방향에 따라 응축잠열을 방출하는 응축기로 작용하기도 하고 증발잠열을 흡수하는 증발기로 작용하기도 한다. 냉매가 순환하는 배관중, 냉매가 고온고압의 가스냉매 또는 액냉매 상태를 유지하는 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 연결하는 배관을 고압관 또는 고압측이라고 하고, 냉매가 저온저압의 액냉매 또는 가스냉매 상태를 유지하는 팽창밸브, 증발기 및 압축기를 연결하는 배관을 저압관 또는 저압측이라고 한다.

히트펌프에 의한 냉방 운전시 냉매가 응축기에서 응축잠열을 충분히 방출하여야 냉매의 응축이 잘 이루어지고, 응축이 잘 이루어져야 고압냉매의 과냉각도가 높아져 후레시 가스의 발생없이 팽창밸브에서 온도 및 압력이 적절히 떨어지며, 팽창밸브에서 온도 및 압력이 적절히 떨어져야 증발기에서 증발 잠열의 흡수량이 커져 냉동 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 응축기에서 응축이 잘 이루어져야 응축압력 및 압축기의 토출압력이 낮아져 압축일이 줄어들게 되고 결과적으로 소비전력도 적어 진다. 즉, 히트펌프의 증발기에서 흡수되는 증발잠열은 응축기에서의 냉매의 응축에 크게 의존하고 응축기에서의 원활한 응축은 응축시 응축기에서 방열이 원활하게 이루어져야 가능한 것이다.

히트펌프를 구성하기 위해서는 적어도 2개의 열교환기를 설치하여야 하는데, 그 방법으로는 2개의 열교환기 중 1개의 열교환기를 흡기덕트 내에 설치하고, 다른 1개의 열교환기를 실외에 설치하는 방법과, 2개의 열교환기 중 1개의 열교환기를 흡기덕트 내에 설치하고, 다른 1개의 열교환기를 배기덕트 내에 설치하는 방법을 생각할 수 있다.

2개의 열교환기 중 1개의 열교환기를 흡기덕트 내에 설치하고, 다른 1개의 열교환기를 실외에 설치하는 방법은 다음과 같은 이유로 여름철 냉방운전에는 유리하지만, 겨울철 난방운전에는 불리한 단점이 있다. 여름철에는 실외 열교환기에서 응축이 일어나고 흡기덕트 내 열교환기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키게 되는 데, 여름철에는 실외 열교환기에서 응축이 잘 일어나려면 실외 열교환기의 방열면적이 넓고 송풍기의 풍량이 많아야 한다. 히트펌프를 구성하는 2개의 열교환 기 중 1개의 열교환기를 실외에 설치하고, 다른 1개의 열교환기를 흡기덕트 내에 설치할 경우, 실외 열교환기는 환기덕트 외부에 설치되므로 환기덕트 내부의 상술한 단면적이나 내부 공간의 크기 제한 없이 필요한 열량을 방출할 수 있는 방열면적을 갖도록 설계할 수 있고, 방열용 송풍기의 풍량도 손쉽게 크게할 수 있다. 그러나, 겨울철 히트펌프에 의한 난방 운전을 위해서는 흡기덕트 내 열교환기에서 응축이 일어나고 실외 열교환기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키게 되는 데, 겨울철에는 실외 온도가 매우 낮으므로 실외기의 증발기 또는 저압관 주변에 증발 잠열의 열원이 모자라게 되고, 결과적으로 증발불량 및 응축열량 감소를 초래한다. 이는 히트펌프에 의하여 난방 운전을 하더라도 난방 효과를 얻을 수 없음을 의미한다.

2개의 열교환기 중 1개의 열교환기를 흡기덕트 내에 설치하고, 다른 1개의 열교환기를 배기덕트 내에 설치하는 방법은 다음과 같은 이유로 겨울철 난방운전에는 유리하지만, 여름철 냉방운전에는 불리한 단점이 있다. 겨울철 히트펌프에 의한 난방 운전을 위해서는 흡기덕트 내 열교환기에서 응축이 일어나고 배기덕트 내 열교환기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키게 되는 데, 배기덕트로는 실내의 가열된 공기가 배출되므로 배기덕트 내 열교환기에서 증발 잠열의 열원이 충분하게 되어 증발효율 제고 및 응축열량 증가를 가져와 히트펌프만으로도 충분한 실내 난방이 가능해 진다. 그러나, 한국 실용신안등록 제20-396781호에서 처럼 현열교환기에 의하여 배기덕트를 통과하는 공기가 흡기덕트를 통과하는 공기와 현열교환한 후 배기덕트내 열교환기에 통과될 경우, 현열교환 과정에서 실내 공기가 대부분의 열을 실내에 투입되는 외부 공기에 빼앗기게 되므로 배기덕트 내에 열교환기를 설치한 효과가 반감되고, 결과적으로 실내 난방이 효과적으로 이루어지기 어렵다. 여름철에는 배기덕트 내 열교환기에서 응축이 일어나고 흡기덕트 내 열교환기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키게 되는 데, 배기덕트 내 열교환기에서 응축이 잘 일어나려면 배기덕트 내 열교환기의 방열면적이 넓고, 방열용 송풍기의 풍량이 커야 하는데, 환기장치에서 배기덕트 내부 공간과 송풍기 풍량은 상술한 제약이 있으므로, 충분한 방열면적을 갖는 열교환기를 배기덕트 내에 설치하거나 충분한 풍량의 송풍을 하기 어렵다. 배기덕트 내에는 실내 공기가 배출되어 방열에 도움이 될 것으로 생각할 수도 있으나, 배기덕트 내 열교환기의 응축효율 저하로 실내 공기의 냉방이 원활하지 않은 상태에서 실내 공기에 의한 방열이 효과적으로 이루어지기를 기대하는 것은 어려우며, 특히 한국 실용신안등록 제20-396781호에서 처럼 현열교환기에 의하여 실내공기가 실외공기와 현열교환한 후 배기덕트 내 열교환기에 통과될 경우 실내공기에 의한 방열효과는 더욱 미미한 수준에 그치게 된다.

상술한 종래 히트펌프 환기장치의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 공기통로가 좁은 환기덕트 내에 2개의 열교환기와 현열교환기를 동시에 구비하고 송풍기에 의해 적은량의 공기를 통과시켜 환기를 하면서도, 충분한 실내 냉방 및 실내 난방을 수행할 수 있는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치를 제공하는 데 그 목 적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 하나의 냉매순환회로를 이용하여 냉방 및 난방을 선택적으로 할 수 있는 히트펌프의 장점을 그대로 살리면서도, 혹서기의 실내 냉방 및 혹한기의 실내 난방을 효과적으로 수행할 수 있는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 실내 온도를 일정하게 유지하면서 환기와 동시에 제습을 수행할 수 있는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치는

2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 현열교환기; 일단에 실내측배기구가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기의 일 방향 공기 통로에 연결된 제1배기덕트; 상기 제1배기덕트와 상기 현열교환기를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 배기용송풍기 및 실외측배기구가 마련되어 제1배기덕트 및 현열교환기를 지난 실내 공기를 실외에 배출하는 제2배기덕트; 일단에 실외측흡기구가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기의 타 방향 공기 통로에 연결된 제1흡기덕트; 상 기 제1흡기덕트와 상기 현열교환기를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 흡기용송풍기 및 실내측흡기구가 마련되어 제1흡기덕트 및 현열교환기를 지난 실외공기를 실내에 배출하는 제2흡기덕트; 일부분은 실내공기가 배출되는 제2배기덕트 내에 배치되고, 나머지 부분은 상기 실외공기가 유입되는 제1흡입덕트 내에 배치되며, 압축기, 팽창밸브 및 하기의 제2열교환기와 냉매순환회로를 구성하여, 냉방시에는 냉매를 응축하고 난방시에는 냉매를 증발시키는 제1열교환기; 상기 제1배기덕트에 유입된 실내공기의 일부를 실외공기가 흡입되는 상기 제1흡기덕트에 유입시켜 상기 제1열교환기의 제1흡입덕트 배치 부분에 혼합공기가 통과할 수 있게 하는 공기혼합댐퍼; 상기 제2흡기덕트에 배치되고, 상기 압축기, 팽창밸브 및 제1열교환기와 냉매순환회로를 구성하여 냉방시에는 냉매를 증발시키고 난방시에는 냉매를 응축하는 제2열교환기; 및 난방시 상기 압축기의 고압관에 연결되어 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 추가 가열하여 상기 제2열교환기에 투입하는 보조열원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 현열교환기는 직사각형 단면의 공기 통로가 교대로 직교되게 다수 적층되어 열전달 면적을 극대화한 것이 바람직하다.

상기 제2열교환기에서 열교환된 공기가 통과할 수 있는 지점에 제2열교환기와 인접하여 제3열교환기를 마련하고, 압축기, 제2팽창밸브 및 상기 제2열교환기와 냉매순환회로를 구성하여, 제2열교환기에서 냉매를 증발시키고 제3열교환기에서 냉 매를 응축시켜 항온 제습 운전이 가능하게 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 구성도를, 도 1b는 도 1a에 도시된 환기장치에 사용된 현열교환기를 구성하는 직사각형 단면 덕트의 사시도를, 도 1c는 도 1a에 도시된 환기장치에 사용된 현열교환기의 사시도를, 도 2는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 냉방 운전시 냉매 흐름도를, 도 3은 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 난방 운전시 냉매 흐름도를, 도 4는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 제습 운전시 냉매 흐름도를 각각 나타낸다.

도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 환기장치는 건물의 벽을 관통하여 실내로 부터 실외까지 연장 배치된다. 본 발명에 따른 환기장치는 실외 공기를 실내에 유입하기 위한 흡기덕트(49, 53) 및 흡기용송풍기(55)와 실내공기를 실외에 배출하기 위한 배기덕트(33, 37) 및 배기용송풍기(39)를 포함한다. 상기 흡기용송풍기(55) 및 배기용송풍기(39)의 용량 및 풍속은 히트펌프의 열교환기(HE1, HE2, HE3)에 필요한 풍량이 아닌 환기에 필요한 풍량에 맞추어진다. 환기장치는 실내 온도의 큰 변동 없이 실내 공기의 오염을 해소하는 것이 그 주된 기능이기 때문이다.

또한, 상기 배기덕트(33, 37) 및 흡기덕트(49, 53)는 그 중심부에 현열교환기를 두고, 서로 교차 배치된다. 현열교환기 내부에서 흡입공기와 배출공기는 그 경로가 분리되어 있으며, 서로 열교환하면서 통과한다. 즉, 상기 현열교환기(35)는 2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지는 것이다. 따라서, 상기 배기덕트는 일단에 실내측배기구(31)가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기(35)의 일 방향 공기 통로에 연결된 제1배기덕트(33)와, 상기 제1배기덕트(33)와 상기 현열교환기(35)를 경유하여 연결되고 그 후단에는 배기용송풍기(39) 및 실외측배기구(41)가 마련되어 제1배기덕트(33) 및 현열교환기(35)를 지난 실내 공기를 실외에 배출하는 제2배기덕트(37)로 구성되고, 상기 흡기덕트는 일단에 실외측흡기구(43)가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기(35)의 타 방향 공기 통로에 연결된 제1흡기덕트(49)와, 상기 제1흡기덕트(49)와 상기 현열교환기(35)를 경유하여 연결되고 그 후단에는 흡기용송풍기(55) 및 실내측흡기구(57)가 마련되어 제1흡기덕트(49) 및 현열교환기(35)를 지난 실외공기를 실내에 배출하는 제2흡기덕트(53)로 구성된다.

도 1b 및 도 1c를 참조하면, 상기 현열교환기(35)는 직사각형 단면의 공기 통로(35a, 35b)가 교대로 직교되게 다수 적층되어 열전달 면적을 극대화한 것이 바람직하다. 즉, 상기 현열교환기(35)는 편평한 사각관 형상의 공기통로가 배기방향(a)과 흡기방향(b)으로 하나씩 교대로 적층되어 각 공기통로(35a, 35b) 사이마다 열교환면을 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하여, 배출공기와 흡입공기간의 열교환면적이 극대화되어 실내의 냉기 또는 온기의 손실을 최소화할 수 있게 된다.

다시 도 1a를 참조하면, 냉난방을 위한 히트펌프는 압축기(CO), 제1열교환기(HE1), 팽창밸브(EV1, EV2), 제2열교환기(HE2), 냉매 절환수단인 밸브들(5, 7, 9, 11, 12, 23, 25, 26, 27, 28)과 이들을 연결하는 배관으로 구성된다. 상기 냉매 절환수단은 다양한 밸브의 조합으로 구성할 수 있지만, 도 1a 및 도2 내지 도 4에 도시된 실시 예에 있어서는 1개의 사방밸브(5)(본 명세서에서는 4방향 전자밸브를 단순히 "사방밸브"라고 함), 1개의 삼방밸브(7)(본 명세서에서는 3방향 전자밸브를 단순히 "삼방밸브"라고 함, 후술하는 바와 같이 제습운전 후 냉방운전 또는 난방운전으로 전환시 제3열교환기(HE3)내에 잔류하는 냉매를 냉매흡입관(8)을 통하여 압축기에 흡입할 수 있는 잔류냉매 흡입식(suction) 삼방밸브를 사용하는 것이 바람직함), 1개의 전자밸브(25)(본 명세서에서는 양방향전자밸브를 단순히 "전자밸브"라고 함) 및 7개의 체크밸브(9, 11, 12, 23, 26, 27, 28)로 구성한 경우를 예시적으로 도시 하였다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프는 압축기(CO)에 회수되는 저압 가스 냉매 중에 썩인 액냉매를 분리하는 액분리기(13)와 압축기(CO)에 회수되는 냉매의 불순물을 제거하는 저압관측 필터(15)를 더 구비하는 것이 바람직하 다. 또한, 상기 압축기(CO)의 고압관(1)에는 고압스위치(3)를 구비하고 및 압축기(CO)의 저압관(19)에는 저압스위치(17)를 구비하여, 압축기(CO)의 고압관 압력이 설정치 이상으로 올라가거나, 압축기(CO)의 저압관 압력이 설정치 이하로 내려갈 경우 상기 압축기(CO)의 전원을 오프시키는 것이 바람직하다. 이 때 상기 고압스위치(3) 및 저압스위치(17)의 설정압력은 사용되는 압축기의 RT(Refrigeration Tone)에 따라 차이가 있으나 고압설정값은 30Kg/㎠ 전후, 저압설정값은 3Kg/㎠인 것이 바람직하다.

상기 냉매 순환경로 절환용 밸브(5, 7, 9, 11, 12, 23, 25, 26, 27, 28), 압축기(CO)의 온/오프제어, 송풍기(39, 55)의 온/오프 및 풍속제어는 통상의 공기조화기용 콘트롤러(63)에 의하여 수행된다. 환기장치에 있어서 풍속제어는 통상의 공기조화기에서와 달리 열교환기(HE1, HE2, HE3)에서 필요로하는 풍량에 따라 이루어지는 것이 아니라 실내공기의 오염을 해소할 수 있는 풍량으로 이루어지는 것이 특징임은 상술한 바와 같다.

상기 히트펌프 구성요소 가운데 열교환기(HE1, HE2)는 환기덕트(39, 49, 53) 내부에 설치하고 나머지는 구성요소는 환기덕트 외부에 설치한다.

본원 발명의 특징은 상기 압축기(CO), 팽창밸브(EV1, EV2) 및 제2열교환기(HE2)와 냉매순환회로를 구성하여, 냉방시에는 냉매를 응축하고 난방시에는 냉매를 증발시키는 제1열교환기(HE1)의 일부분을 실내공기가 배출되는 제2배기덕트(37) 내에 배치되고, 나머지 부분을 상기 실외공기가 유입되는 제1흡입덕트(49) 내에 배치되게 한 데 있다. 이렇게 구성함으로써, 제1열교환기의 방열면적을 넓힐 수 있고, 배기용송풍기(39)의 바람 뿐만 아니라 흡기용송풍기(55)의 바람에도 노출되게 되어 응축시 응축잠열의 방열량이 매우커지게 되고, 증발시 증발잠열의 흡열량도 커지게 된다.

상기 제2열교환기(HE2)는 상기 제2흡기덕트(53)에 배치되고, 상기 압축기(CO), 팽창밸브(EV1, EV2) 및 제1열교환기(HE1)와 냉매순환회로를 구성하여 냉방시에는 냉매를 증발시키고 난방시에는 냉매를 응축한다.

본 발명의 다른 특징은 상기 제1배기덕트(33)에 유입된 실내공기의 일부를 실외공기가 흡입되는 상기 제1흡기덕트(49)에 유입시켜 상기 제1열교환기(HE1)의 제1흡입덕트(49) 배치 부분에 혼합공기가 통과할 수 있게 하는 공기혼합댐퍼(47)를 구비한데 있다. 또한, 상기 실외측흡기구(43) 및 실내측흡기구(57)에도 흡입 공기량을 조절하기 위한 댐퍼(45, 61)를 마련하는 것이 바람직하다. 상기 공기혼합댐퍼(47) 및 흡기구댐퍼(45, 61)는 규격화된 환기장치를 실내 용적, 적정 온도 및 요구되는 공기 청정도가 각각 다른 건물에 설치하여, 흡기량, 배기량, 각 열교환기(HE1, HE2)에 대한 송풍량 등을 결정하는 데 사용된다. 상기 공기혼합댐퍼(47) 및 흡기구댐퍼(45, 61)를 이용하여 본 발명은 건물 내부 용적, 건물 사용 목적 등에 맞는 적절한 환기 및 냉난방을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.

또한, 상기 실내측흡기구(57)에는 흡기용 송풍기(55)에서 발생하는 소음을 줄이기 위하여 소음기(消音器)(59)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징은 난방시 상기 압축기(CO)의 고압관(1)에 보조열원장치(21)를 연결하여 압축기(CO)에서 압축된 고온고압의 냉매를 추가 가열한 후 상기 제2흡기덕트(53) 내에 제2열교환기(HE2)에 투입하는 데 있다. 난방시 제2열교환기(HE2)에서는 응축이 일어나면서 응축잠열을 방출하게 되는데, 본원 발명의 이러한 구성에 의하여 제2열교환기(HE2)에서 응축잠열 뿐만 아니라 현열도 함께 방출하게 된다. 이 것은 제2열교환기(HE2)가 협소한 제2흡기덕트(53) 내에 설치될 수 있도록 좁은 방열면적을 갖게 설계되고 적은 풍량을 통과시킬 수 밖에 없는 환기장치의 제약을 해결하여 주는 것으로, 냉매의 응축잠열만으로는 모자란 난방 열량을 현열에 의하여 매우 효율적으로 보충해 줌으로써, 혹한기에도 충분한 실내 난방이 가능하게 해준다. 상기 보조열원장치(21)는 냉매가 흐를 수 있는 배관의 외부에 전열코일을 권취하고 전원에 연결함으로써 구현할 수 있다. 그러나 상기 보조열원장치(21)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기(CO)에서 고온고압으로 압축된 냉매에 열을 가할 수 있다면 어떠한 구성이든 무방하다.

다시 도 1a를 참조하면, 상기 제2열교환기(HE2)에서 열교환된 공기가 통과할 수 있는 지점에 제2열교환기(HE2)와 인접하여 제3열교환기(HE3)를 마련하고, 압축기(CO), 제2팽창밸브(EV2) 및 상기 제2열교환기(HE2)와 냉매순환회로를 구성하여, 제2열교환기(HE2)에서 냉매를 증발시키고 제3열교환기(HE3)에서 냉매를 응축시켜 항온 제습 운전이 가능하게 하는 것이 바람직하다. 제습시 냉매를 압축기(CO)->제3열교환기(HE3)->제2팽창밸브(EV2)->제2열교환기(HE2)->압축기(CO)로 절환하여, 제2흡기덕트(53)에 구비된 제3열교환기(HE3)에서 응축이 일어나고, 역시 제2흡기덕트(53)에 구비된 제2열교환기(HE2)에서 증발이 일어나도록 냉매순환회로를 구성함으로써, 상기 공기혼합댐퍼(47)에 의하여 혼합된 실내공기와 실외공기를 제2열교환기(HE2)를 통과시켜 수증기를 빼앗고, 이때 냉각된 공기를 실내에 배출되기 전에 제3열교환기(HE3)에서 재가열하여 실내에 배출하게 되므로 실내 온도의 저하 없이 제습이 가능한 것이다. 이러한 구성에 의하여, 여름철 우기 등에 있어서, 실내 기온을 지나치게 떨어뜨리지 않고 효과적으로 제습을 할 수 있게 된다.

도 1a를 참조하면, 상기 압축기(CO)의 고압관(1)은 상기 사방밸브(5), 삼방밸브(7), 체크밸브(9)를 순차적으로 경유하여 상기 제1열교환기(HE1)에 연결되고, 상기 제1열교환기(HE1)는 체크밸브(11) 및 제2팽창밸브(EV2)를 경유하여 제2열교환기(HE2)에 열결되고, 상기 제2열교환기(HE2)는 체크밸브(12) 및 상기 사방밸브(5)를 경유하여 상기 액분리기(13)에 연결되고, 상기 액분리기(13)는 냉매가스로 부터 이물질을 걸러주는 흡입관측필터(15)를 경유하여 압축기(CO)에 연결된다.

또한, 상기 압축기(CO)의 고압관(1)은 상기 사방밸브(5), 보조열원장치(21) 및 체크밸브(23)를 경유하여 제2열교환기(HE2)에 연결되고, 상기 제2열교환기(HE2)는 전자밸브(25), 체크밸브(26) 및 제1팽창밸브(EV1)을 경유하여 제1열교환기(HE1)에 연결되고, 상기 제1열교환기(HE1)는 체크밸브(27) 및 상기 사방밸브(5)를 경유하여 상기 액분리기(13)에 연결되고, 상기 액분리기(13)는 상기 흡입관측필터(15)를 경유하여 압축기(CO)에 연결된다.

또한, 상기 압축기(CO)의 고압관(1)은 상기 사방밸브(5) 및 상기 삼방밸브(7)을 경유하여 제3열교환기(HE3)에 연결되고, 상기 제3열교환기(HE3)는 체크밸브(28) 및 제2팽창밸브(EV2)를 경유하여 제2열교환기(HE2)에 연결되고, 상기 제2열교환기(HE2)는 체크밸브(12) 및 상기 사방밸브(5)를 경유하여 상기 액분리기(13)에 연결되고, 상기 액분리기(13)는 상기 흡입관측필터(15)를 경유하여 압축기(CO)에 연결된다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 절전형 고효율 히트펌프 환기장치의 냉방 운전, 난방 운전 및 제습 운전 방법을 상세히 설명한다. 도 2 내지 도 4에서 냉매가 흐르지 않는 배관 및 열교환기는 점선으로 표시하고, 냉매가 흐르는 배관 및 열교환기는 실선으로 표시하였다.

본 발명에 따른 환기 장치의 배기용송풍기(39) 및 흡기용송풍기(55)는 냉방 운전, 난방 운전 및 제습 운전과 무관하게, 실내 공기의 청정도를 적정한 수준으로 유지할 수 있는 풍속으로 일정하게 가동된다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 환기장치에 의해 냉방이 필요할 경우, 상기 콘트롤러(63)는 상기 사방밸브(5)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관에 연결된 d포트를 상기 삼방밸브(7)의 a포트에 연결하고, 상기 사방밸브(5)의 포트 중 상기 액분리기(13)에 연결된 b포트를 상기 제2열교환기(HE2)에 연결된 c포트에 연결한다. 또한, 상기 콘트롤러(63)는 상기 삼방밸브(7)의 b포트를 닫고 상기 사방밸브(5)에 연결된 a포트를 상기 제1열교환기(HE1)에 연결된 c포트에 연결한다. 또한, 상기 콘트롤러는 제1팽창밸브(EV1)의 유로상에 구비된 전자밸브(25)를 닫는다.

상술한 밸브(5, 7, 25)의 개폐에 의하여 냉방시에는 냉매가 압축기(CO)->사방밸브(5)->삼방밸브(7)->제1열교환기(HE1)->제2팽창밸브(EV2)->제2열교환기(HE2)->사방밸브(5)->액분리기(13)->압축기(CO)를 순환하면서 제1열교환기(HE1)에서 응축이 일어나고, 제2열교환기(HE2)에서 증발이 일어난다. 이 때, 상기 제1배기덕트(33) 내에 유입된 실내 공기는 그 일부가 현열교환기(35)를 거쳐 제1열교환기(HE1)의 제2배기덕트(37) 배치부분를 경유하면서 증발잠열을 빼앗고, 다른 일부는 제1흡기덕트에 유입된 후 실외 공기와 혼합되어 제1열교환기(HE1)의 제1흡기덕트(49) 배치부분을 경유하면서 증발잠열을 빼앗는다. 제1열교환기(HE1)의 제1흡기덕트(49) 배치부분을 경유한 혼합공기는 현열교환기(35)를 통과한 후 제2열교환기(HE2)에서 냉각되어 실내에 유입된다.

도 3를 참조하면, 난방 운전을 위하여, 상기 콘트롤러(63)는 상기 사방밸브(5)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관(1)에 연결된 d포트를 상기 보조열원장치(HE1)에 연결된 c포트에 연결하고, 상기 사방밸브(5)의 포트 중 상기 액분리기(13)에 연결된 b포트를 상기 제1열교환기(HE1)에 연결된 a포트에 연결한다. 또한, 상기 콘트롤러(63)는 상기 전자밸브(25)를 연다.

상술한 밸브(5, 25)의 개폐에 의하여 난방시에는 냉매가 압축기(CO)->사방밸브(5)->보조열원장치(21)->제2열교환기(HE2)->전자밸브(25)->제1팽창밸브(EV1)->제1열교환기->사방밸브(5)->액분리기(13)->압축기(CO)를 순환하면서, 제2열교환기(HE2)에서 응축이 일어나고, 제1열교환기에서 증발이 일어난다. 이 때, 상기 제2열교환기(HE2)에서는 응축잠열의 교환 뿐만 아니라, 보조열원장치(21)에서 공급된 열의 현열교환이 일어나, 제2열교환기의 방열면적이 좁은 경우에도 충분한 실내 난방이 가능하게 된다. 또한, 제1배기덕트(33)에 유입된 실내 공기가 현열교환기(35)를 거쳐 제1열교환기(HE1)의 제2배기덕트(37) 배치부분을 통과할 뿐만 아니라, 제1흡기덕트(49) 내에 유입되어 외부 공기와 혼합되어 제1열교환기(HE1)의 제1흡기덕트(49) 배치부분에도 공급되므로 제1열교환기에서 필요로하는 증발잠열을 충분히 공급할 수 있게 된다.

도 4를 참조하면, 제습 운전을 위하여, 상기 콘트롤러(63)는 상기 사방밸브(5)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관에 연결된 d포트와 삼방밸브의 a포트에 연결된 a포트를 연결하고, 상기 삼방밸브(7)의 a포트는 제3열교환기(HE3)에 연결된 삼방밸브(7)의 b포트에 연결한다. 또한 삼방밸브(7)의 c포트는 닫아 냉매가 제1열교환기(HE1)에 유입되는 것을 차단한다. 또한, 상기 전자밸브(25)는 닫는다.

상술한 밸브(5, 7, 25)의 개폐에 의하여 제습시에는 냉매를 압축기(CO)->사방밸브(5)->삼방밸브(7)->제3열교환기(HE3)->제2팽창밸브(EV2)->제2열교환기(HE2)->사방밸브(5)->액분리기(13)->압축기(CO)를 순환하면서, 제3열교환기(HE3)에서 응축이 일어나고, 제2열교환기(HE2)에서 증발 및 제습이 일어난다. 이 때, 제1배기덕트(33)에 유입된 공기의 일부는 외부에 배출되고, 일부는 제1흡기덕트(49) 내로 유입된 후 외부 공기와 함께 현열교환기(35)를 거쳐 제2열교환기(HE2) 및 제3열교환기(HE3)를 순차적으로 통과한 후 다시 실내에 유입되어 환기장치에 의한 실내 공기의 제습이 가능하게 된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 공기통로가 좁은 환기덕트 내에 2개의 열교환기와 현열교환기를 동시에 구비하고 송풍기에 의해 적은량의 공기를 통과시켜 환기를 하면서도, 충분한 실내 냉방 및 실내 난방을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 냉매순환회로를 냉난방에 모두 활용하는 히트펌프의 장점을 그대로 살릴 수 있으면서도, 혹서기의 실내 냉방 및 혹한기의 실내 난방을 효과적으로 수행할 수 있고, 실내 온도를 일정하게 유지하면서 환기와 동시에 제습을 수행할 수 있는 장점이 있다.

Claims

2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 현열교환기(35);

일단에 실내측배기구(31)가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기(35)의 일 방향 공기 통로에 연결된 제1배기덕트(33);

상기 제1배기덕트(33)와 상기 현열교환기(35)를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 배기용송풍기(39) 및 실외측배기구(41)가 마련되어 제1배기덕트(33) 및 현열교환기(35)를 지난 실내 공기를 실외에 배출하는 제2배기덕트(37);

일단에 실외측흡기구(43)가 마련되고 타단에는 상기 현열교환기(35)의 타 방향 공기 통로에 연결된 제1흡기덕트(49);

상기 제1흡기덕트(49)와 상기 현열교환기(35)를 경유하여 연결되고, 그 후단에는 흡기용송풍기(55) 및 실내측흡기구(57)가 마련되어 제1흡기덕트(49) 및 현열교환기(35)를 지난 실외공기를 실내에 배출하는 제2흡기덕트(53);

일부분은 실내공기가 배출되는 제2배기덕트(37) 내에 배치되고, 나머지 부분은 상기 실외공기가 유입되는 제1흡입덕트(49) 내에 배치되며, 압축기(CO), 팽창밸브(EV1, EV2) 및 하기의 제2열교환기(HE2)와 냉매순환회로를 구성하여, 냉방시에는 냉매를 응축하고 난방시에는 냉매를 증발시키는 제1열교환기(HE1);

상기 제1배기덕트(33)에 유입된 실내공기의 일부를 실외공기가 흡입되는 상 기 제1흡기덕트(49)에 유입시켜 상기 제1열교환기(HE1)의 제1흡입덕트(49) 배치 부분에 혼합공기가 통과할 수 있게 하는 공기혼합댐퍼(47);

상기 제2흡기덕트(53)에 배치되고, 상기 압축기(CO), 팽창밸브(EV1, EV2) 및 제1열교환기(HE1)와 냉매순환회로를 구성하여 냉방시에는 냉매를 증발시키고 난방시에는 냉매를 응축하는 제2열교환기(HE2); 및

난방시 상기 압축기(CO)의 고압관(1)에 연결되어 압축기(CO)에서 압축된 고온고압의 냉매를 추가 가열하여 상기 제2열교환기(HE2)에 투입하는 보조열원장치(21);를 포함하는 것을 특징으로 하는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치.
제 1 항에 있어서,

상기 현열교환기(35)는 직사각형 단면의 공기 통로(35a)가 교대로 직교되게 다수 적층되어 열전달 면적을 극대화한 것을 특징으로 하는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제2열교환기(HE2)에서 열교환된 공기가 통과할 수 있는 지점에 제2열교환기(HE2)와 인접하여 제3열교환기(HE3)를 마련하고, 압축기(CO), 제2팽창밸브(EV2) 및 상기 제2열교환기(HE2)와 냉매순환회로를 구성하여, 제2열교환기(HE2)에 서 냉매를 증발시키고 제3열교환기(HE3)에서 냉매를 응축시켜 항온 제습 운전이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 절전형 고효율 히트펌프 환기장치.