KR100767213B1 - 열펌프 사이클 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열펌프 사이클 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열펌프 사이클을 겨울철에 난방으로 사용하는 경우에 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기에 유입되는 냉매 온도를 적절하게 유지할 수 있는 열펌프 사이클 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 열펌프 사이클 시스템은 실내 팽창밸브(6)와 이중 열교환장치(8) 사이의 이중 열교환장치(8) 앞 단에 제1솔레노이드 밸브(13)가 연결되고, 상기 이중 열교환장치(8)에서 바이패스되어 제1솔레노이드 밸브(13)에 제2솔레노이드 밸브(14)가 병렬로 연결되며, 압축기(1)의 흡입관에 흡입 온도센서(Ss)가 구비되어;

난방 운전시에 흡입 온도센서(Ss)에서 감지되는 온도가 기준온도보다 높은 경우에 제1솔레노이드 밸브(13)를 닫고 제2솔레노이드 밸브(14)를 열어 냉매가 바이패스 되도록 하고, 감지온도가 기준온도보다 낮은 경우에 제2솔레노이드 밸브(14)를 닫고 제1솔레노이드 밸브(13)를 열어 이중 열교환장치(8)를 거쳐 냉매 간에 열교환이 되도록 한 후 냉매가 압축기(1)에 귀환하도록 하는 것을 특징으로 한다.

열펌프, 사이클, 솔레노이드 밸브, 흡입 온도센서

Description

열펌프 사이클 시스템 {Heat Pump Cycle System}

도 1은 종래 열펌프 사이클 시스템의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 열펌프 사이클 시스템의 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 압축기 2: 여과기

3: 사방변 4: 실내 열교환기

5: 실외 열교환기 6: 실내 팽창밸브

7: 실외 팽창밸브 8: 이중 열교환장치

9,10,11: 역지변 12: 어큐뮬레이터

13,14: 솔레노이드 밸브 Sd,Si,So,Ss: 온도센서

본 발명은 열펌프 사이클 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열펌프 사이클을 겨울철에 난방으로 사용하는 경우에 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기에 유입되는 냉매 온도를 적절하게 유지할 수 있는 열펌프 사이클 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열펌프(heat pump)는 열을 저온측에서 고온측으로 이동시킴으로써, 열에 대한 운반 메커니즘을 가역적으로 사용하여 냉방과 난방을 겸하는 장치이다.

그리고 열펌프 사이클(heat pump cycle)은 냉난방 겸용 공기조화시스템에 적용되는 것으로, 여름철과 겨울철에 사방변(4-Way Valve)을 통해 냉매가 흐르는 방향을 전환시켜 하나의 시스템으로 냉방과 난방 양쪽을 할 수 있도록 설계되어 있다.

상기한 종래 열펌프 사이클은 도 1에 도시한 바와 같이, 냉매를 압축하는 압축기(1), 압축기(1)의 토출관에 설치되는 여과기(2), 냉매의 흐름의 방향을 변화시켜주는 사방변(3), 사방변 밸브(3)와 연결되는 실내 열교환기(4)와 실외 열교환기(5), 상기 실내·외 열교환기(4,5)와 연결되는 실내·외 팽창밸브(6,7), 상기 실내 팽창밸브(6)와 실외 팽창밸브(7) 사이에 개재되는 이중 열교환장치(8), 상기 실내·외 열교환기에 각각 병렬로 연결되는 역지변(9,10) 및 압축기(1)의 흡입관에 설치되는 어큐뮬레이터(Accumulator, 12)로 이루어진다.

그리고 실내 열교환기(4)와 실외 열교환기(7)에는 열교환된 공기를 실내측이나 실외측으로 강제로 송풍시키기 위한 팬(미도시) 등이 구비되고, 그 내부에 실내 온도센서(Si)와 실외 온도센서(So)가 설치된다.

상기 실외 열교환기(5)와 실내 열교환기(4)는 냉방 또는 난방 운전에 따라 응축기 또는 증발기 역할을 바꾸어 수행하는데, 이것은 사방변(3)의 방향전환에 따라 결정된다.

즉, 냉방 운전시 실내 열교환기(4)는 증발기 기능을, 실외 열교환기(5)는 응축기 기능을 수행하고, 반면에 난방 운전시 실내 열교환기(4)는 응축기 기능을, 실외 열교환기(5)는 증발기 기능을 수행하게 된다.

따라서 이러한 열펌프 사이클이 냉방 운전(실선 화살표)을 하는 경우, 압축기(1)에서 고온 고압으로 압축 토출되는 냉매는 사방변(3)을 경유하여 응축기 기능을 수행하는 실외 열교환기(5)로 보내지고, 여기에서는 냉매가 지닌 열을 외부로 방출시켜 응축된다.

즉, 외기의 공기와 열교환 작용이 일어나서 상기 냉매는 저온으로 되며 이후 계속하여 응축된 고압 냉매는 역지변(10)과 이중 열교환장치(8)를 통과한 후 실내 팽창밸브(6)를 지나면서 감압되어 적절한 증발압력으로 유지된다.

그리고 증발기 기능을 수행하는 실내 열교환기(4)에서는 감압된 냉매가 유입되며, 이것이 기화되면서 실내공기와 열교환되어 냉방이 이루어진다.

즉, 실내의 공기를 저온으로 변화시켜 실내를 냉방하게 되며, 이 경우 냉매는 고온으로 변화하게 된다.

계속하여 열교환된 냉매는 사방변(3)을 경유하여 이중 열교환장치(8)를 통과한 후 어큐뮬레이터(12)를 지나 압축기(1)로 귀환함으로써, 냉매는 폐회로로 이루어진 열펌프 사이클을 지속적으로 순환한다.

여기서 상기 어큐뮬레이터(12)는 액체 냉매가 압축기(1)로 유입되는 것을 방지한다.

즉, 압축기(1)로 액체 냉매가 유입되면 압축기(1)의 구동모터 등이 손상을 입으며 노크(knock) 현상이 발생하는 데, 증발기인 실내 열교환기(4)에서 미처 기화되지 못한 액체 냉매가 어큐뮬레이터(12)를 지나면서 기화되어 노크 현상이 방지된다.

이와 같은 냉방 운전시 고온 고압의 냉매가 이중 열교환장치(8)에 흐름으로써 주위온도 상승에 따라 압축기(1)가 과열되는 문제점이 있었다.

반면에, 열펌프 사이클이 난방 운전(점선 화살표)을 하는 경우, 압축기(1)에서 고온 고압으로 토출되는 냉매가 사방변(3)을 경유하여 응축기 기능을 수행하는 실내 열교환기(4)로 보내지고, 여기에서는 냉매가 지닌 열을 실내로 방출시킴으로써 난방이 이루어진다.

즉, 실내 공기와 열교환 작용을 통해 실내의 공기를 가열시키게 되며 계속하여 응축된 냉매는 역지변(9)과 이중 열교환장치(8)를 통과하여 실외 팽창밸브(6)를 지나면서 감압된다.

그리고 증발기 기능을 수행하는 실외 열교환기(5)에서는 감압된 냉매가 기화되며, 이것은 다시 사방변(3)을 경유하여 이중 열교환장치(8)를 통해 열교환이 이루어지면서 온도가 적정 온도로 상승한 후 어큐뮬레이터(12)를 지나 압축기(1)로 귀환함으로써, 냉매는 폐회로로 이루어진 열펌프 사이클을 지속적으로 순환한다.

상기 난방 운전으로 열펌프 사이클이 순환하는 경우에 상기 실내 열교환기(4)를 거쳐 이중 열교환장치(8)를 통과하는 냉매의 통과온도는 약 40℃ 내외가 되고, 사방변(3)을 다시 거쳐 이중 열교환장치(8)를 통과하여 어큐뮬레이터(12)로 유입되는 냉매의 통과온도는 약 6~7℃가 되어 냉매 간에 열교환을 하게 되며, 이 냉매 간의 열교환에 의해 어큐뮬레이터(12)로 유입되는 냉매의 온도는 약 13~15℃가 되도록 한다.

그러나 상기한 열펌프 사이클 시스템은 난방 운전시 실외온도가 매우 낮은 한 겨울철에 어큐뮬레이터(12)의 표면에 착상이 생기고, 압축기(1)로 유입되는 냉매 온도가 낮아 압축기(1)가 얼며 난방 능력이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 냉방과 난방 운전시에 압축기(1)의 토출온도에 따른 압축기(1)의 적절한 ON/OFF 제어가 이루어지지 않아 압축기(1)가 과열되거나 압축기(1) 내부의 코일이 소손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래 열펌프 사이클 시스템의 2중 열교환장치에 병렬로 솔레노이드 밸브를 구비하고, 압축기의 흡입관에 온도센서를 구비하여 난방 운전을 하는 겨울철에 압축기에 유입되는 냉매 온도를 적절하게 조절함으로써 압축기가 어는 것을 방지하고, 착상 타이밍을 지연시키며 난방 능력을 배가할 수 있는 열펌프 사이클 시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열펌프 사이클 시스템은, 실내 팽창밸브와 이중 열교환장치 사이의 이중 열교환장치 앞 단에 제1솔레노이드 밸브가 연결되고, 상기 이중 열교환장치에서 바이패스되어 제1솔레노이드 밸브에 제2솔레노이드 밸브 병렬로 연결되며, 압축기의 흡입관에 흡입 온도센서가 구비되어;

난방 운전시에 흡입 온도센서에서 감지되는 온도가 기준온도보다 높은 경우에 제1솔레노이드 밸브를 닫고 제2솔레노이드 밸브를 열어 냉매가 바이패스 되도록 하고, 감지온도가 기준온도보다 낮은 경우에 제2솔레노이드 밸브를 닫고 제1솔레노이드 밸브를 열어 이중 열교환장치를 거쳐 냉매 간에 열교환이 되도록 한 후 압축기에 냉매가 귀환하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 열펌프 사이클 시스템의 개략도로서, 종래와 같은 구성에 대해서는 동일한 도면번호를 부여한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 냉매를 압축하는 압축기(1), 압축기(1)의 토출관에 설치되는 여과기(2), 냉매의 흐름의 방향을 변화시켜주는 사방변(3), 사방변 밸브(3)와 연결되는 실내 열교환기(4)와 실외 열교환기(5), 상기 실내·외 열교환기(4,5)와 연결되는 실내·외 팽창밸브(6,7), 상기 실내 팽창밸브(6)와 실외 팽창밸브(7) 사이에 개재되는 이중 열교환장치(8), 상기 실내·외 열교환기에 각각 병렬로 연결되는 역지변(9,10) 및 상기 압축기(1)의 흡입관에 설치되는 어큐큘레이터(12)로 이루어지는 종래 열펌프 사이클의 구성에,

상기 실내 팽창밸브(6)와 이중 열교환장치(8) 사이의 이중 열교환장치(8) 앞 단에 제1솔레노이드 밸브(13)가 연결되고, 상기 이중 열교환장치(8)에서 바이패스되어 제1솔레노이드 밸브(13)에 제2솔레노이드 밸브(14)가 병렬로 연결되며, 압축 기(1)의 흡입관에 흡입 온도센서(Ss)가 설치되어, 난방 운전시에 흡입 온도센서(Ss)에서 감지되는 온도가 기준온도보다 높은 경우에 제2솔레노이드 밸브(14)를 열어 냉매가 바이패스 되도록 하고, 감지온도가 기준온도보다 낮은 경우에 제1솔레노이드 밸브(13)를 열어 이중 열교환장치(8)를 거쳐 열교환되도록 하여 냉매 온도가 상승하도록 함으로써 적정 냉매 온도가 압축기(1)에 유입되도록 한다.

그리고 상기 이중 열교환장치(8)에서 바이패스되어 제2솔레노이드 밸브(14)에 역지변(11)이 병렬로 연결되어, 냉방 운전시에 고온 고압의 냉매가 이중 열교환장치(8)를 통과하지 않고 역지변(11)을 통해 바이패스 되도록 한다.

또한 상기 압축기(1)의 토출관에 압축기(1)의 토출온도를 감지하는 토출 온도센서(Sd)가 설치되어, 냉방과 난방 운전시에 압축기(1)의 토출온도가 일정온도(예를 들어 127℃) 이상일 경우 압축기(1)를 소정시간동안 OFF시키도록 한다.

상술한 구성의 냉방 사이클과 난방 사이클을 살펴보면, 먼저 여름철에 냉방 운전(실선 화살표)을 하는 경우, 압축기(1)에서 고온 고압으로 압축 토출되는 냉매는 여과기(2)와 토출온도 센서(Sd)와 사방변(3)을 경유하여 응축기 기능을 수행하는 실외 열교환기(5)로 보내지고, 여기에서는 냉매가 지닌 열을 외부로 방출시켜 응축된다.

즉, 외기의 공기와 열교환 작용이 일어나서 상기 냉매는 저온으로 되며 이후 계속하여 응축된 고압 냉매는 역지변(10)과 역지변(11)을 통과한 후 실내 팽창밸브(6)를 지나면서 감압되어 적절한 증발압력으로 유지된다.

그리고 증발기 기능을 수행하는 실내 열교환기(4)에서는 감압된 냉매가 유입 되며, 이것이 기화되면서 실내공기와 열교환되어 냉방이 이루어진다.

즉, 실내의 공기를 저온으로 변화시켜 실내를 냉방하게 되며, 이 경우 냉매는 고온으로 변화하게 된다.

계속하여 열교환된 냉매는 사방변(3)을 경유하여 이중 열교환장치(8)를 통과한 후 어큐뮬레이터(12)와 흡입 온도센서(Ss)를 지나 압축기(1)로 귀환함으로써, 냉매는 폐회로로 이루어진 열펌프 사이클을 지속적으로 순환한다.

여기서 상기 어큐뮬레이터(12)는 액체 냉매가 압축기(1)로 유입되는 것을 방지한다.

즉, 압축기(1)로 액체 냉매가 유입되면 압축기(1)의 구동모터 등이 손상을 입으며 노크(knock) 현상이 발생하는 데, 증발기인 실내 열교환기(4)에서 미처 기화되지 못한 액체 냉매가 어큐뮬레이터(12)를 지나면서 기화되어 노크 현상이 방지된다.

이와 같은 냉방 운전시 고온 고압의 냉매가 이중 열교환장치(8)를 통과하지 않고 역지변(11)에 의해 바이패스되어 흐름으로써 상호 열교환을 억제시켜 주위온도 상승에 따른 압축기(1)의 과열을 억제시킬 수 있다.

열펌프 사이클이 겨울철에 난방 운전(점선 화살표)을 하는 경우, 압축기(1)에서 고온 고압으로 토출되는 냉매가 여과기(2)와 토출온도 센서(Sd)와 사방변(3)을 경유하여 응축기 기능을 수행하는 실내 열교환기(4)로 보내지고, 여기에서는 냉매가 지닌 열을 실내로 방출시킴으로써 난방이 이루어진다.

즉, 실내 공기와 열교환 작용을 통해 실내의 공기를 가열시키게 되며 계속하 여 응축된 냉매는 역지변(9)과 컨트롤러(미도시)에 의해 개방된 제1솔레노이드 밸브(13)(이때 제2솔레노이드 밸브(14)는 닫힌 상태가 됨)와 이중 열교환장치(8)를 통과하여 실외 팽창밸브(6)를 지나면서 감압된다.

그리고 증발기 기능을 수행하는 실외 열교환기(5)에서는 감압된 냉매가 기화되며, 이것은 다시 사방변(3)을 경유하여 이중 열교환장치(8)를 통해 열교환이 이루어지면서 온도가 적정 온도로 상승한 후 어큐뮬레이터(12)와 흡입 온도센서(Ss)를 지나 압축기(1)로 귀환한다.

상기 난방 운전으로 열펌프 사이클이 순환하는 경우에 상기 실내 열교환기(4)를 거쳐 이중 열교환장치(8)를 통과하는 냉매의 통과온도는 약 40℃ 내외가 되고, 사방변(3)을 다시 거쳐 이중 열교환장치(8)를 통과하여 어큐뮬레이터(12)로 유입되는 냉매의 통과온도는 약 6~7℃가 되어 냉매 간에 열교환을 하게 되며, 이 냉매 간의 열교환에 의해 어큐뮬레이터(12)로 유입되는 냉매의 온도는 약 13~15℃가 되도록 한다.

이때 흡입 온도센서(Ss)가 압축기(1)로 유입되는 냉매의 온도를 감지하여 감지한 온도가 기준온도보다 높은 경우에는 제1솔레노이드 밸브(13)를 닫고 제2솔레노이드밸브(14)를 열음으로써, 실내 열교환기(4)와 역지변(9)을 거친 냉매가 바이패스되어 제2솔레노이드 밸브(14)를 통과한 후 실외 팽창밸브(7)와 실외 열교환기(5), 사방변(3), 이중 열교환장치(8), 어큐뮬레이터(12)를 통해 압축기(1)로 귀환한다.

이때 냉매는 이중 열교환장치(8)를 이중으로 통과하지 않기 때문에 이중 열 교환장치(8)에서 냉매 간의 열교환은 일어나지 않게 된다.

그러나 흡입 온도센서(Ss)가 감지한 온도가 기준온도보다 낮은 경우에는 제1솔레노이드 밸브(13)를 열고 제2솔레노이드 밸브(14)를 닫음으로써, 실내 열교환기(4)와 역지변(9)을 거친 냉매가 제1솔레노이드 밸브(13)를 통과한 후, 이중 열교환장치(8), 실외 팽창밸브(7), 실외 열교환기(5), 사방변(3), 이중 열교환장치(8), 어큐뮬레이터(12)를 통해 압축기(1)로 귀환한다.

이때 냉매는 이중 열교환장치(8)를 이중으로 통과하므로 냉매 간의 열교환이 이루어지고, 사방변(3)을 통해 이중 열교환장치(8)를 통과하는 냉매는 열교환에 의해 냉매 온도가 상승하여 압축기(1)로 유입되는 냉매 온도를 겨울철 적정 온도로 할 수 있는 것이다.

또한 냉방과 난방 운전시에 토출 온도센서(Sd)에서 감지한 압축기(1)의 토출온도가 일정온도(예를 들어 127℃) 이상일 경우 압축기(1)를 소정시간동안 OFF시킴으로써 압축기(1)의 과열을 막아 압축기(1) 내부의 코일이 소손을 미연에 방지할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래 열펌프 사이클 시스템의 2중 열교환장치에 병렬로 솔레노이드 밸브를 구비하고, 압축기의 흡입관에 온도센서를 구비하여 난방 운전을 하는 겨울철에 압축기에 유입되는 냉매 온도를 적절하게 조절함으로써 압축기가 어는 것을 방지하고, 착상 타이밍을 지연시키며 난방 능력을 배가할 수 있다.

Claims (3)

1. 냉매를 압축하는 압축기(1), 냉매의 흐름의 방향을 변화시켜주는 사방변(3), 상기 사방변 밸브(3)와 연결되는 실내 열교환기(4)와 실외 열교환기(5), 상기 실내·외 열교환기(4,5)와 연결되는 실내·외 팽창밸브(6,7), 상기 실내 팽창밸브(6)와 실외 팽창밸브(7) 사이에 개재되는 이중 열교환장치(8), 상기 실내·외 열교환기에 각각 병렬로 연결되는 역지변(9,10) 및 압축기(1)의 흡입관에 설치되는 어큐큘레이터(12)로 이루어지는 열펌프 사이클 시스템에 있어서,

   상기 실내 팽창밸브(6)와 이중 열교환장치(8) 사이의 이중 열교환장치(8) 앞 단에 제1솔레노이드 밸브(13)가 연결되고, 상기 이중 열교환장치(8)에서 바이패스되어 제1솔레노이드 밸브(13)에 제2솔레노이드 밸브(14)가 병렬로 연결되며, 압축기(1)의 흡입관에 흡입 온도센서(Ss)가 더 설치되어;

   난방 운전시에 흡입 온도센서(Ss)에서 감지되는 온도가 기준온도보다 높은 경우에 제1솔레노이드 밸브(13)를 닫고 제2솔레노이드 밸브(14)를 열어 냉매가 바이패스 되도록 하고, 감지온도가 기준온도보다 낮은 경우에 제2솔레노이드 밸브(14)를 닫고 제1솔레노이드 밸브(13)를 열어 이중 열교환장치(8)를 거쳐 냉매 간에 열교환이 되도록 한 후 냉매가 압축기(1)에 귀환하도록 하는 것을 특징으로 하는 열펌프 사이클 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중 열교환장치(8)에서 바이패스되어 제2솔레노이드 밸브(14)에 역지변(11)이 병렬로 연결되어, 냉방 운전시에 냉매가 이중 열교환장치(8)를 통과하지 않고 역지변(11)을 통해 바이패스 되도록 하는 것을 특징으로 하는 열펌프 사이클 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 압축기(1)의 토출관에 토출 온도센서(Sd)가 설치되어, 이 토출 온도센서(Sd)에서 감지하는 압축기(1)의 토출온도가 일정온도 이상일 경우 압축기(1)를 OFF시키는 것을 특징으로 하는 열펌프 사이클 시스템.

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