KR100816042B1 - 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치 - Google Patents

이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트펌프 환기장치(vantilation system)에 관한 것으로, 하우징(37) 내부에, 2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 전열교환기(23)와, 실내 공기를 흡입하는 실내측배기구(39)와 상기 전열교환기(23)의 일 방향 공기 통로를 연결하는 제1배기통로(51)와, 상기 제1배기통로(51)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 배기용송풍기(21)가 구비되어 제1배기통로(51) 및 전열교환기(23)를 지난 실내 공기를 실외측배기구(43)를 통하여 실외에 배출하는 제2배기통로(33)와, 실외 공기를 흡입하는 실외측흡기구(45)와 상기 전열교환기(23)의 타 방향 공기 통로를 연결하는 제1흡기통로(49)와, 상기 제1흡기통로(49)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 흡기용송풍기(25)가 구비되어 제1흡기통로(49) 및 전열교환기(23)를 지난 실외공기를 실내측흡기구(57)를 통하여 실내에 토출하는 제2흡기통로(35)를 마련하고, 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->제1교환기용 팽창밸브(E1) 및 바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3) 및 바이패스용 제3체크밸브(C3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제1냉매순환회로와, 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->제2교환기용 팽창밸브(E2) 및 바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4) 및 바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매 를 순환시키는 제2냉매순환회로와, 상기 제1열교환기(HE1), 제2열교환기(HE2), 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)와 상기 압축기(CO) 사이의 냉매 흐름 방향을 제어할 수 있는 방향제어밸브를 구비하여, 냉방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->압축기(CO) 순으로 순환시키고, 난방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->바이패스용 제3체크밸브(C3)->제1열교환기용 팽창밸브(E1)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->압축기(CO) 순으로 순환시키며, 제습시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->압축기(CO) 순으로 순환시킴을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면, 냉방 효율 및 난방 효율의 저하 없이 저전력으 로 냉방 운전, 난방 운전 및 제습 운전이 가능하고, 실내 공기의 열기나 냉기의 손실 없이 실내 공기를 환기시킬 수 있을 뿐만 아니라, 아파트, 주택, 사무실 등에 입식(立式)으로 설치하여, 열회수 환기와 항온 항습 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다.
환기장치, 히트 펌프, 열교환기, 압축기, 팽창밸브, 송풍기

Description

이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치{HEAT RECOVERY VANTILATION WITH DUAL CIRCUIT HEAT PUMP}
도 1은 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 냉방 운전시 냉매 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 난방 운전시 냉매 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 제습 운전시 냉매 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 3, 5 , 7 ,9 , 11, 13 15 : 배관 17 : 코일
19 : 모세관 21 : 배기용송풍기
23 : 전열교환기 25 : 흡기용송풍기
31 : 기화식가습 엘레먼트 33 : 제2배기통로
35 : 제2흡기통로 37 : 하우징
39 : 실내측 흡기구 41 : 실내측 배기구
43 : 실외측 배기구 45 : 실외측 흡기구
47 : 실외측 흡기구 댐퍼 49 : 제1흡기통로
51 : 제1배기통로 53, 55 : 통공
AC : 액분리기 C1 ~ C4 : 체크밸브
CO : 압축기 E1, E2, E3, E4 : 팽창밸브
F1 : 필터드라이어 G1 : 고압게이지
G2 : 저압게이지 HE1, HE2, HE3, HE4 : 열교환기
P1 : 고저압스위치 P2, P3 : 고압스위치
S1, S2 : 사방밸브
본 발명은 히트펌프 환기장치(vantilation system)에 관한 것으로, 히트 펌프를 이용하여 실내 공기를 일정한 온도 및 습도로 유지시키면서, 실내 공기와 실외 공기를 열손실 없이 교환하여 실내 공기가 오염되지 않고 항상 청정상태를 유지하게 하는 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치에 관한 것이다.
근래에 건물의 환기장치에 냉난방 장치, 특히 히트펌프를 결합하려는 노력이 다양하게 이루어지고 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.
종래 히트펌프 이용한 냉난방 겸용 환기장치가 제20-396781호 등에 개시되어 있다. 그러나 최근에는 아파트나 사무실 등에 설치되는 환기장치가 냉난방과, 제습 및 가습 기능을 모두 갖추고 동시에 실내 공기가 갖는 열기나 냉기의 외부 손실 없이 실내 공기를 환기해 줄 것이 요구된다. 즉, 환기장치가 항온항습기와 열회수 환기장치의 기능을 모두 수행해 줄 것이 요구되는 것이다. 환기장치가 냉난방과 제습, 가습 및 열회수 환기 기능을 모두 수행할 수 있다면, 1대의 공조기기로 쾌적한 실내 분위기를 조성할 수 있기 때문이다.
그러나, 종래 히트 펌프를 이용하여 환기장치에 항온항습기 기능을 갖게 할 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
히트펌프를 이용한 항온항습기는 일반적으로 실내기에 증발기 및 재열응축기를 구비하고, 실외기에는 응축기를 구비하여, 냉방운전시에는 냉매를 압축기->실외기의 응축기->팽창밸브->실내기의 증발기->압축기 순으로 순환시키면서 실내를 냉방하고, 난방운전시에는 냉매를 압축기->실내기의 증발기 또는 재열응축기->팽창밸브->실외기의 응축기 순으로 순환시키면서 실내를 난방하며, 제습운전시에는 냉매를 압축기->실내기의 재열응축기->팽창밸브->실내기의 증발기->압축기 순으로 순환시키면서 실내 제습을 한다. 히트펌프에서 냉매의 순환 방향을 절환하는 절환 수단으로는 통상 4방변을 사용하며, 각 열교환기(증발기, 재열응축기 또는 응축기)는 냉매 순환 방향에 따라 응축잠열을 방출하는 응축기로 작용하기도 하고 증발잠열을 흡수하는 증발기로 작용하기도 한다. 제습기능이 필요없는 항온항습기와 달리 습도 조절기능을 수행해야 하는 항온항습기에 있어서는, 제습운전시 실내기에서 응축 및 증발이 모두 이루어지는 데 특징이 있다. 제습을 위해서는 실내 공기를 항온항습기의 증발기를 통과시키면서 수분을 응축시키는 데, 이 때 실내 공기가 지나치게 냉각되어 실내에 투입될 경우 실내 공기가 항온 범위를 벗어난 온도까지 떨어질 수 있다. 따라서, 특히 제습으로 지나치게 온도가 떨어지는 것을 막기 위하여는 증발기에서의 제습 중에 냉각된 공기를 재열응축기에서 재가열(이를 통상 "재열(reheating)이라고 함)하여 실내에 투입할 필요가 있는 것이다. 이를 위하여 실내기에서 응축 및 증발을 모두 수행하게 하는 것이다. 이러한 히트펌프를 이용한 종래 항온항습기는 각 운전모드에서 2개의 열교환기와 압축기를 연결하여 냉매 순환 경로를 만들어 주는 데, 이 것은 각 운전모드에서 3개의 열교환기 중 1개의 열교환기가 냉매순환사이클에서 배제됨을 의미한다. 즉, 냉방운전시에는 실내기의 증발기와 실외기의 응축기가 냉매순환사이클에 연결되고 실내기의 재열응축기는 배제 된다. 또한, 난방운전시에는 실내기의 증발기와 실외기의 응축기가 냉매순환사이클에 연결되고 실내기의 재열응축기는 배제되거나, 실내기의 재열응축기와 실외기의 응축기가 냉매순환사이클에 연결되고 실내기의 증발기가 배제된다. 또한, 제습운전시에는 실내기의 증발기와 재열응축기만 사용되고 실외기의 응축기는 배제된다. 이 처럼 각 운전모드에서 사용되는 열교환기가 교체되고 사용되지 않는 열교환기가 냉매순환사이클로 부터 배제될 경우, 각 운전모드의 냉매순환사이클에 이용되는 냉매량이 일정하지 않아 히트펌프의 효율이 크게 떨어진다. 이 것은 각 운전모드에서 냉매순환사이클로 부터 배제되는 열교환기에 냉매가 잔류하게 되고, 배제되는 열교환기마다 그 잔류량이 일정하지 않기 때문이다. 특히 제습운전에서 냉방운전이나 난방운전으로 절환되는 과정에서, 증발기의 냉기에 의하여 응축이 매우 활발하게 일어난 재열응축기 내의 냉매가 냉방운전 또는 난방운전의 냉매순환사이클에 유입되지 못하고 재열응축기에 잔류하게 되면, 냉방운전 또는 난방운전시 냉매의 부족현상을 초래하여 냉방효율 또는 난방효율을 크게 떨어 뜨리고 전력소모를 키우는 요인이 된다.
상술한 종래 히트펌프 환기장치의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 냉방 효율 및 난방 효율의 저하 없이 저전력으로 냉방, 난방 및 제습이 가능하면서도, 실내 공기의 열기나 냉기의 손실 없이 실내 공기를 환기시킬 수 있는 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 아파트, 주택, 사무실 등에 입식(立式)으로 설치하여, 열회수 환기와 항온 항습 기능을 수행할 수 있는 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치는 하우징 내부에, 2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 전열교환기와, 실내 공기를 흡입하는 실내측배기구와 상기 전열교환기의 일 방향 공기 통로를 연결하는 제1배기통로와, 상기 제1배기통로와 상기 전열교환기를 경유하여 연결되고 배기용송풍기가 구비되어 제1배기통로 및 전열교환기를 지난 실내 공기를 실외측배기구를 통하여 실외에 배출하는 제2배기통로와, 실외 공기를 흡입하는 실외측흡기구와 상기 전열교환기의 타 방향 공기 통로를 연결하는 제1흡기통로와, 상기 제1흡기통로와 상기 전열교환기를 경유하여 연결되고 흡기용송풍기가 구비되어 제1흡기통로 및 전열교환기를 지난 실외공기를 실내측흡기구를 통하여 실내에 토출하는 제2흡기통로를 마련하고, 압축기->제2배기통로의 제1열교환기->제1교환기용 팽창밸브 및 바이패스용 제1체크밸브->제3열교환기용 팽창밸브 및 바이패스용 제3체크밸브->제2흡기통로의 제3열교환기->압축기 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제1냉매순환회로와, 압축기->제2배기통로의 제2열교환기-> 제2교환기용 팽창밸브 및 바이패스용 제2체크밸브->제4열교환기용 팽창밸브 및 바이패스용 제4체크밸브->제2흡기통로의 제4열교환기->압축기 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제2냉매순환회로와, 상기 제1열교환기, 제2열교환기, 제3열교환기 및 제4열교환기와 상기 압축기 사이의 냉매 흐름 방향을 제어할 수 있는 방향제어밸브를 구비하여, 냉방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2배기통로의 제1열교환기->바이패스용 제1체크밸브->제3열교환기용 팽창밸브->제2흡기통로의 제3열교환기->압축기 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2배기통로의 제2열교환기->바이패스용 제2체크밸브->제4열교환기용 팽창밸브->제2흡기통로의 제4열교환기->압축기 순으로 순환시키고, 난방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2흡기통로의 제3열교환기->바이패스용 제3체크밸브->제1열교환기용 팽창밸브->제2배기통로의 제1열교환기->압축기 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2흡기통로의 제4열교환기->바이패스용 제4체크밸브->제2열교환기용 팽창밸브->제2배기통로의 제2열교환기->압축기 순으로 순환시키며, 제습시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2배기통로의 제1열교환기->바이패스용 제1체크밸브->제3열교환기용 팽창밸브->제2흡기통로의 제3열교환기->압축기 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기->제2흡기통로의 제4열교환기->바이패스용 제4체크밸브->제2열교환기용 팽창밸브->제2배기통로의 제2열교환기->압축기 순으로 순환시킴을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 구성도를, 도 2는 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 냉방 운전시 냉매 흐름도를, 도 3은 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 난방 운전시 냉매 흐름도를, 도 4는 본 발명에 따른 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치의 제습 운전시 냉매 흐름도를 각각 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 환기장치의 하우징(37)은 건물의 바닥에 입식으로 설치할 수 있는 구조를 갖는다. 환기장치를 입식으로 형성함으로써, 환기 뿐만 아니라, 항온항습에 필요한 부품을 용이하게 하우징 내부에 장치할 수 있고, 실내 공기를 환기를 위하여 외부에 배출하는 실내측배기구(39) 및 실외측배기구(43)와 외부 공기를 환기를 위하여 내부에 흡입하는 실외측흡입구(45) 및 실내측흡입구(41)를 하우징 상부에 설치하여 실내의 각 방실 및 실외로 연결하기 용이하다.
본 발명에 따른 환기장치는 실외 공기를 실내에 유입하기 위한 흡기통로(49, 35) 및 흡기용송풍기(25)와 실내공기를 실외에 배출하기 위한 배기통로(51, 33) 및 배기용송풍기(21)를 포함한다. 상기 흡기용송풍기(25) 및 배기용송풍기(21)의 용량 및 풍속은 히트펌프의 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)에 필요한 풍량이 아닌 환기에 필요한 풍량에 맞추어진다. 따라서, 본원 발명에 사용되는 열교환기의 열교환 능력은 어느 정도 제한적일 수 있다. 환기장치는 실내 온도의 큰 변동 없이 실내 공기의 오염을 해소하는 것이 그 주된 기능이기 때문이다.
또한, 상기 배기통로(51, 33) 및 흡기통로(49, 35)는 그 중심부에 전열교환기(23)를 두고, 서로 교차 배치된다. 전열교환기(23) 내부에서 흡입공기와 배출공기는 그 경로가 분리되어 있으며, 서로 열교환하면서 통과한다. 즉, 상기 전열교환기(23)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 배기통로(51, 33)는 전열교환기(23)를 중심으로 제1배기통로(51)와 제2배기통로(33)로 나누어 지고, 상기 흡기통로(49, 35)는 전열교환기(23)를 중심으로 제1흡기통로(49)와 제2흡기통로(35)로 나누어 진다. 제1배기통로(51)의 실내측 선단에는 실내측배기구(39)가 마련되고, 제2배기통로(33)의 실외측 선단에는 실외측배기구(43)가 마련되며, 제2배기통로(33)에는 배기용송풍기(21)가 설치된다. 제1흡기통로(49)의 실외측 선단에는 실외측흡기구(45)가 마련되고, 제2흡기통로(35)의 실내측 선단에는 실내측흡기구(41)가 마련되며, 제2흡기통로(35)에는 흡기용송풍기(25)가 설치된다.
상기 전열교환기(23)로는 공지 공용의 벌집(honeycomb)형 금속 전열교환기를 사용하거나, 대한민국 특허 제10-655334호에 개시된 전열교환기를 사용하거나, 대한민 국공개특허공보 공개번호 10-2006-56106호에 개시된 전열교환기를 사용할 수 있다. 이 밖에도 다양한 전열교환기가 생산되어 판매되고 있으며, 이러한 공지 공용의 전열교환기를 그대로 사용할 수 있다.
따라서 본원 발명에 따른 환기장치의 하우징(37) 내부에는, 전열교환기(23)와, 실내 공기를 흡입하는 실내측배기구(39)와 상기 전열교환기(23)의 일 방향 공기 통로를 연결하는 제1배기통로(51)와, 상기 제1배기통로(51)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 배기용송풍기(21)가 구비되어 제1배기통로(51) 및 전열교환기(23)를 지난 실내 공기를 실외측배기구(43)를 통하여 실외에 배출하는 제2배기통로(33)와, 실외 공기를 흡입하는 실외측흡기구(45)와 상기 전열교환기(23)의 타 방향 공기 통로를 연결하는 제1흡기통로(49)와, 상기 제1흡기통로(49)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 흡기용송풍기(25)가 구비되어 제1흡기통로(49) 및 전열교환기(23)를 지난 실외공기를 실내측흡기구(57)를 통하여 실내에 토출하는 제2흡기통로(35)가 마련된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 환기장치는 제2흡기통로(35) 및 제2배기통로(33)에 각각 2개씩의 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)가 배치된다. 또한, 제2흡기통로(35)에는 실내 가습을 위하여 직수 또는 펌프에 연결된 호스를 통하여 입수된 물을 분사하여 자연 기화시키는 기화식가습 엘레먼트(31)를 더 구비할 수 있다.
압축기(CO), 액분리기(AC), 사방밸브(S1, S2) 등의 다른 부품은 도 1에 도시된 바와 같이 제1배기통로(51)에 설치될 수도 있고, 제1흡기통로(49)에 설치될 수도 있다. 여기에서 액분리기(AC)는 압축기(CO)에 회수되는 저압 가스 냉매 중에 썩인 액냉매를 분리하는 데 사용된다. 액분리기(AC)의 출력은 필터드라이더(F1)를 더 통과시켜 수분등을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 압축기(CO), 송풍기(21, 25) 및 하기의 사방밸브(S1, S2) 등의 제어는 통상의 항온항습기용 핫가스 콘트롤러(편의상 도면에는 도시하지 않았음)에 의하여 수행된다. 상기 압축기(CO)의 고압관(1)에는 고압스위치(P2, P3)를 구비하여 압축기(CO))의 고압관(1) 압력이 설정 압력 이상이 되면 상기 냉각팬(21, 25) 속도를 일시 가속시키는데 사용할 수 있고, 상기 압축기(CO)의 고압관 및 저압관에는 고압관(1) 및 저압관(15)의 압력을 상기 핫가스 콘트롤러에 전압 신호로 출력하는 고저압스위치(P1)를 구비하고, 상기 핫가스 콘트롤러는 압축기(CO)의 고압관 압력이 설정치 이상으로 올라가거나, 압축기(CO)의 저압관 압력이 설정치 이하로 내려갈 경우 상기 압축기(CO)의 전원을 오프시키게 구성할 수 있다. 또한, 상기 압축기(CO)의 고압관(1) 및 저압관(15)에는 육안으로 고압관 및 저압관의 압력을 확인할 수 있는 고압게이지(G1) 및 저압게이지(G2)를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징은 상기 제2배기통로(33)에 마련된 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)의 2개의 열교환기와, 상기 제2흡기통로(35)에 마련된 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)의 2개의 열교환기를 이용하여, 압축기(CO)와 함께 이중의 냉매순환회로를 구성하고, 이들 이중의 냉매순환회로를 모든 운전모드(냉방운전, 난방운전 및 제습운전)에서 동시에 구동시킴으로써, 냉방 효율 및 난방 효율을 높일 뿐만 아니라, 매우 효과적인 항온 제습 운전(재열이 이루어지는 제습 운전)이 가능하게 한 데 있다. 본 발명의 다른 특징은 모든 운전모드(냉방운전, 난방운전 및 제습운전)에서 모든 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)에 냉매가 순환되게 하여 운전 모드가 절환되더라도 냉매순환회로에 포함된 냉매량이 항상 일정하게 유지되도록 한 데 있다.
이를 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2배기통로(33)의 상기 제1열교환기(HE1)와 제2흡기통로(35)의 제3열교환기(HE3)는 배관(7)에 의하여 연결되고 이 배관(7)에는 제1열교환기(HE1)측으로 흐르는 냉매를 팽창시키고 반대방향의 냉매를 차단하는 제1열교환기용 팽창밸브(E1) 및 상기 제1열교환기용 팽창밸브(E1)와 병렬로 연결되어 상기 제1열교환기(HE1)로부터 토출된 냉매를 상기 제3열교환기(HE3)측으로 바이패스 시키는 바이패스용 제1체크밸브(C1)가 설치된다. 또한, 상기 제1열교환기(HE1)와 제3열교환기(HE3)를 연결하는 배관(7)에는 제3열교환기(HE3)측으로 흐르는 냉매를 팽창시키고 반대방향의 냉매를 차단하는 제3열교환기용 팽창밸브(E3) 및 상기 제3열교환기용 팽창밸브(E3)와 병렬로 연결되어 상기 제3열교환기(HE3)로부터 토출된 냉매를 제1열교환기(HE1)측으로 바이패스 시키는 제3체크밸브(C3)가 설치된다. 또한, 제2배기통로(33)의 상기 제2열교환기(HE2)와 제2흡기통로(35)의 제4열교 환기(HE4)는 배관(9)에 의하여 연결되고 이 배관(9)에는 제2열교환기(HE2)측으로 흐르는 냉매를 팽창시키고 반대방향의 냉매를 차단하는 제2열교환기용 팽창밸브(E2) 및 상기 제2열교환기용 팽창밸브(E2)와 병렬로 연결되어 상기 제2열교환기(HE2)로부터 토출된 냉매를 상기 제4열교환기(HE4)측으로 바이패스 시키는 바이패스용 제2체크밸브(C2)가 설치된다. 또한, 상기 제2열교환기(HE2)와 제4열교환기(HE4)를 연결하는 배관(9)에는 제4열교환기(HE4)측으로 흐르는 냉매를 팽창시키고 반대방향의 냉매를 차단하는 제4열교환기용 팽창밸브(E4) 및 상기 제4열교환기용 팽창밸브(E4)와 병렬로 연결되어 상기 제4열교환기(HE4)로부터 토출된 냉매를 제2열교환기(HE2)측으로 바이패스 시키는 제4체크밸브(C4)가 설치된다.
상기 제1열교환기(HE1), 제2열교환기(HE2), 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)와 상기 압축기(CO) 사이에는 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)와 압축기(CO)사이의 냉매 흐름 방향을 제어할 수 있는 방향제어밸브(S1, S2)가 설치된다. 상기 방향제어밸브로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 사방밸브(S1, S2)를 사용하는 것이 구성을 단순하게 할 뿐만 아니라, 고장이 적고, 제어의 확실성을 보장하여 바람직하다. 이 때, 제1사방밸브(S1)의 제1포트(a)는 상기 제1열교환기(HE1)에, 제2포트(b)는 상기 압축기(CO)의 저압관(15)에, 제3포트(c)는 상기 제3열교환기(HE3)에, 제4포트(d)는 압축기(CO)의 고압관(1)에 연결한다. 또한, 제2사방밸브(S1)의 제1포트(a)는 상기 제2열교환기(HE2)에, 제2포트(b)는 상기 압축기(CO)의 저압관(15)에, 제3포트(c)는 상기 제4열교환기(HE4)에, 제4포트(d)는 압축기(CO)의 고압관(1)에 연결한다.
이렇게 함으로써, 압축기(CO)->제2배기통로의 제1열교환기(HE1)->제1교환기용 팽창밸브(E1) 및 바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3) 및 바이패스용 제3체크밸브(C3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제1냉매순환회로와, 압축기(CO)->제2배기통로의 제2열교환기(HE2)->제2교환기용 팽창밸브(E2) 및 바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4) 및 바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제2냉매순환회로가 형성된다.
통상 환기에 필요한 풍량은 열교환기의 응축이나 증발에 필요한 풍량보다 작다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1배기통로(51)와 제2흡기통로(35) 사이를 연결하는 적절한 면적의 통공(55)과, 제1흡기통로(49)와 제2배기통로(33)를 연결하는 적절한 면적의 통공(53)을 형성하여, 배기용송풍기(21)에 의해서 유입된 실내 공기의 일부가 제1배기통로(51)로 부터 제2흡기통로(35)로 바이패스되게 하고, 흡기용송풍기(25)에 의하여 유입된 실외 공기의 일부가 제1흡기통로(49)로 부터 제2배기통로(33)로 바이패스되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 환기장치는 상술한 이중의 냉매순환회로에 의하여 다음과 같이 냉 방 운전, 난방 운전, 제습 운전 및 환기를 수행하게 된다.
본 발명에 따른 환기 장치의 사용되는 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)의 용량과, 배기용송풍기(21) 및 흡기용송풍기(25)의 용량은 냉방 운전, 난방 운전 및 제습 운전시 각 열교환기의 열평형이 이루어 지도록 선택되며, 배기용송풍기(21) 및 흡기용송풍기(25)의 풍속은 실내 공기가 항온항습 및 일정한 청정도를 유지할 수 있게 제어된다.
도 2를 참조하면, 냉방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제1사방밸브(S1)->실외기의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->실내기의 제3열교환기(HE3)->제1사방밸브(S1)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2사방밸브(S2)->실외기의 제2열교환기(HE2)->바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4)->실내기의 제4열교환기(HE4)->제2사방밸브(S2)->압축기(CO) 순으로 순환시켜, 실외기(33)의 제1열교환기(HE2) 및 제2열교환기(HE2)에서 응축이 일어나고, 실내기(35)의 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)에서 증발이 일어나게 한다. 이 때, 상기 제1사방밸브(S1)의 제1포트(a)는 제4포트(d)에, 제2포트(b)는 제3포트(c)에 각각 연결되고, 제2사방밸브(S2)의 제1포트(a)는 제4포트(d)에, 제2포트(b)는 제3포트(c)에 각각 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같은 이중 냉매순환회로를 이용하여 냉방 운전을 하면, 응축기(도 2에서는 제1열교환기 및 제2열교환기) 및 증발기(도 2에서는 제3열교환기 및 제4열교환기)의 코일 길이를 압축기(CO)의 토출압 상승없이 확장시킬 수 있고, 응축 및 증발 효율을 높일 수 있으므로, 압축기에서의 전력소비량이 일정한 경우에도 증발기(도 2에서는 제3열교환기 및 제4열교환기)에서 많은 열량을 뺏을 수 있게 된다.
이 때 차가워진 실내 공기는 환기를 위하여 외부로 배출되는 데 그 일부는 상기 통공(55)을 통하여 실외공기와 함께 실내로 유입되고, 나머지는 전열교환기(23)에서 1차적으로 실외공기를 냉각시키고, 제2배기통로(33)에서 2차적으로 열교환기(HE1, HE2)를 냉각시킨 후 실외로 배출된다. 또한, 환기를 위하여 실내로 유입되는 실외공기는 그 일부가 상기 통공(53)을 통하여 제2배기통로(33)에 유입되어 열교환기(HE1, HE2)를 냉각시키는 데 사용되고, 나머지는 상기 전열교환기(23)에서 1차적으로 냉각되고, 상기 제2흡기통로(35)에서 2차적으로 열교환기(HE3, HE4)에 의하여 냉각된 후 실내로 유입된다. 이렇게 함으로써, 냉방 효율의 저하 없이 저전력으로 냉방 운전이 가능하고, 실내 공기 중의 냉기를 손실함이 없이 실내 공기를 환기시킬 수 있는 것이다.
도 3을 참조하면, 난방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제1사방밸브(S1)->실내기의 제3열교환기(HE3)->바이패스용 제3체크밸브(C3)->제1열교환 기용 팽창밸브(E1)->실외기의 제1열교환기(HE1)->제1사방밸브(S1)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2사방밸브(S2)->실내기의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->실외기의 제2열교환기(HE2)->제2사방밸브(S2)->압축기(CO) 순으로 순환시켜, 실내기(35)의 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)에서 응축이 일어나고, 실외기(33)의 제1열교환기(HE2) 및 제2열교환기(HE2)에서 증발이 일어나게 한다. 이 때, 상기 제1사방밸브(S1)의 제1포트(a)는 제2포트(b)에, 제3포트(c)는 제4포트(d)에 각각 연결되고, 제2사방밸브(S2)의 제1포트(a)는 제2포트(b)에, 제3포트(c)는 제4포트(d)에 각각 연결된다.
도 3에 도시된 바와 같은 이중 냉매순환회로를 이용하여 난방 운전을 하면, 응축기(도 3에서는 제3열교환기 및 제4열교환기) 및 증발기(도 3에서는 제1열교환기 및 제2열교환기)의 코일 길이를 압축기(CO)의 토출압 상승없이 확장시킬 수 있고, 응축 및 증발 효율을 높일 수 있으므로, 압축기에서의 전력소비량이 일정한 경우에도 응축기(도 3에서는 제3열교환기 및 제4열교환기)에서 많은 열량을 발산할 수 있게 된다.
이 때 더워진 실내 공기는 환기를 위하여 외부로 배출되는 데 그 일부는 상기 통공(55)을 통하여 실외공기와 함께 실내로 유입되고, 나머지는 전열교환기(23)에서 1차적으로 실외공기를 가열시키고, 제2배기통로(33)에서 2차적으로 열교환기(HE1, HE2)에 증발잠열을 제공한 후 실외로 배출된다. 또한, 환기를 위하여 실내로 유입되는 실외공기는 그 일부가 상기 통공(53)을 통하여 제2배기통로(33)에 유입되어 열교환기(HE1, HE2)에 증발잠열을 제공하는 데 사용되고, 나머지는 상기 전열교환기(23)에서 1차적으로 가열되고, 상기 제2흡기통로(35)에서 2차적으로 열교환기(HE3, HE4)에 의하여 가열된 후 실내로 유입된다. 이렇게 함으로써, 난방 효율의 저하 없이 저전력으로 난방 운전이 가능하고, 실내 공기 중의 온기를 손실함이 없이 실내 공기를 환기시킬 수 있는 것이다.
도 4를 참조하면, 제습시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제1사방밸브(S1)->실외기의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->실내기의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순으로 순환시켜 실외기(33)의 제1열교환기(HE1)에서 응축이 일어나고 실내기(35)의 제3열교환기(HE3)에서 증발이 일어나게 함과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2사방밸브(S2)->실내기의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->실외기의 제2열교환기(HE2)->제2사방밸브(S2)->압축기(CO) 순으로 순환시켜 실내기(35)의 제4열교환기(HE4)에서 응축이 일어나고 실외기(33)의 제2열교환기(HE2)에서 증발이 일어나게 한다. 이 때, 상기 제1사방밸브(S1)의 제1포트(a)는 제4포트(d)에, 상기 제2포트(b)는 상기 제3포트(c)에 각각 연결하고, 상기 제2사방밸브(S2)의 제1포트(a)는 제2포트(b)에, 제3포트(c)는 제4포트(d)에 각각 연결된다. 따라서, 제습운전시에는 실내공기가 증발 작용을 하는 제3열교환 기(HE3)를 통과하면서 제습이 되고, 제4열교환기(HE4)를 통과하면서 재열이 되어 실내에 토출된다. 제습운전에서 냉방운전이나 난방운전으로 전환되는 경우에도 모든 열교환기(HE1, HE2, HE3, HE4)가 냉매순환회로에서 차단되지 않고 사용됨으로써, 운전모드 절환에 따른 냉매량의 변화가 없게 되어 효율적인 냉방 및 난방을 할 수 있게 된다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 냉방 효율 및 난방 효율의 저하 없이 저전력으로 냉방 운전, 난방 운전 및 제습 운전이 가능하고, 실내 공기의 열기나 냉기의 손실 없이 실내 공기를 환기시킬 수 있을 뿐만 아니라, 아파트, 주택, 사무실 등에 입식(立式)으로 설치하여, 열회수 환기와 항온 항습 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 하우징(37) 내부에, 2 방향의 공기 통로가 마련되어 각 공기 통로를 통과하는 공기간에 온도차이가 있을 경우 공기 상호간에 현열(顯熱)의 교환이 이루어 지도록 형성된 전열교환기(23)와, 실내 공기를 흡입하는 실내측배기구(39)와 상기 전열교환기(23)의 일 방향 공기 통로를 연결하는 제1배기통로(51)와, 상기 제1배기통로(51)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 배기용송풍기(21)가 구비되어 제1배기통로(51) 및 전열교환기(23)를 지난 실내 공기를 실외측배기구(43)를 통하여 실외에 배출하는 제2배기통로(33)와, 실외 공기를 흡입하는 실외측흡기구(45)와 상기 전열교환기(23)의 타 방향 공기 통로를 연결하는 제1흡기통로(49)와, 상기 제1흡기통로(49)와 상기 전열교환기(23)를 경유하여 연결되고 흡기용송풍기(25)가 구비되어 제1흡기통로(49) 및 전열교환기(23)를 지난 실외공기를 실내측흡기구(57)를 통하여 실내에 토출하는 제2흡기통로(35)를 마련하고,
    압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->제1교환기용 팽창밸브(E1) 및 바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3) 및 바이패스용 제3체크밸브(C3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제1냉매순환회로와, 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->제2교환기용 팽창밸브(E2) 및 바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4) 및 바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->압축기(CO) 순 또는 그 역순으로 냉매를 순환시키는 제2냉매순환회로와, 상기 제1열교환기(HE1), 제2열교환기(HE2), 제3열교환기(HE3) 및 제4열교환기(HE4)와 상기 압축기(CO) 사이의 냉매 흐름 방향을 제어할 수 있는 방향제어밸브를 구비하여,
    냉방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->바이패스용 제2체크밸브(C2)->제4열교환기용 팽창밸브(E4)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->압축기(CO) 순으로 순환시키고,
    난방시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->바이패스용 제3체크밸브(C3)->제1열교환기용 팽창밸브(E1)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->제2배기통로(33)의 제2열교환기(HE2)->압축기(CO) 순으로 순환시키며,
    제습시에는 상기 제1냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2배기통로(33)의 제1열교환기(HE1)->바이패스용 제1체크밸브(C1)->제3열교환기용 팽창밸브(E3)->제2흡기통로의 제3열교환기(HE3)->압축기(CO) 순으로 순환시킴과 동시에, 상기 제2냉매순환회로에서 냉매를 압축기(CO)->제2흡기통로의 제4열교환기(HE4)->바이패스용 제4체크밸브(C4)->제2열교환기용 팽창밸브(E2)->제2배기통로(33)의 제2열교환 기(HE2)->압축기(CO) 순으로 순환시킴을 특징으로 하는 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 그 하단이 바닥에 설치되고 상단에 상기 실내측 배기구(39), 실외측 배기구(43), 실외측흡기구(45) 및 실내측흡기구(41)가 형성되는 입식 하우징인 것을 특징으로 하는 이중 회로 히트펌프를 이용한 열회수 환기장치.
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