KR100862277B1 - 히트펌프식 난방기용 복합증발장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매를 사용하는 히트펌프식 난방장치에 관한 것으로서, 특히 혹한시 작동 중에 실외기에서 발생하는 얼음이나 성에를 제거하기 위한 보조가열수단이 없이도 작동이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 복합증발장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 고열을 발생시키며 고온고압으로 압축된 기체상태의 냉매가 방열기에서 난방목적으로 열교환이 이루어진 후에 냉매에 남아 있는 잠열로 증발기 내부에서 온도가 급강하된 냉매가스의 냉열을 흡수하게 하여 냉매가스가 과냉상태로 압축기로 회수되는 것을 방지하고, 그 과정에서 잠열을 보유하고 있던 냉매는 스스로 냉각됨으로써 냉매의 압축, 팽창조건인 저온의 액상으로 변하게 되어 일련의 팽창, 증발, 냉열흡수과정이 완성된 후 냉매가 압축기로 회수되는 복합증발장치 형태로 구성되어, 실외기를 사용하지 않고도 난방사이클이 원활하게 지속될 수 있고, 따라서 별도의 실외기나 보조가열장치, 추가적인 냉매압축기 등의 설치를 생략할 수 있고, 장비의 간소화, 원가절감, 운용의 간편화 및 에너지 절약에 크게 기여할 수 있음에 그 특징이 있다.

히트펌프, 난방, 냉매, 가열, 잠열냉매관, 냉매기화관, 복합증발기

Description

히트펌프식 난방기용 복합증발장치{Multi Functional Evaporator for Heat Pump Type Heating System}

도 1은 본 발명인 난방장치의 바람직한 일례를 보여주는 계통도,

도 2는 본 발명에 있어서 사용되는 복합증발기의 바람직한 일례를 예시한 일부 생략 절결 확대도,

도 3은 본 발명에 있어서 사용되는 복합증발기의 다른 바람직한 일례를 예시한 일부 생략 절결 확대도,

도 4는 본 발명에 있어서 사용되는 복합증발기의 다른 바람직한 일례를 예시한 일부 생략 절결 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 압축기, 2: 팬,

3: 방열기, 4: 팽창변 역할을 하는 모세관,

5: 복합증발기, 40: 수분리기를 겸한 모세관 분지기,

50: 복합증발기 몸체, 52: 잠열냉매관,

54: 냉매기화관, 56: 냉매출구

본 발명은 냉매를 사용하는 히트펌프식 난방장치에 관한 것으로서, 특히 압축, 방열, 팽창 및 증발로 이루어지는 난방사이클이 혹한시 실외기에 발생하는 얼음이나 성에의 제거에 필요한 추가적인 가열에너지 없이 원활하게 작동이 이루어지도록 한 복합증발장치에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프식 냉난방기는 냉매를 순환 및 역순환시켜 외부로 열을 방출하거나 흡수시키면서 냉방작동 또는 난방작동을 수행하도록 되어 있다.

그리하여 냉방작동시에는 압축-응축-팽창-증발과정의 사이클이 이루어지면서 증발흡수열을 냉방에 이용하고, 난방작동시에는 압축-방열-팽창-증발의 난방사이클이 이루어지면서 방열기에서 발생하는 열을 난방에 활용하고 있는 것이다.

그러나, 난방작동시에는 증발기에서 발생하는 냉기를 얼마나 효과적으로 제거하느냐에 따라 난방성능을 좌우하게 되므로 이러한 냉열의 제거방법이 필연적으로 대두되게 되고, 겨울철 외기온도가 매우 낮은 경우에는 주변 공기로부터 열을 충분히 흡수할 수 없으므로 증발기 역할을 하는 실외기가 얼음이나 성에로 뒤덮게 되어 열교환을 방해하게 되고 압축기로 회수되는 냉매가 과냉되거나 불완전 상태오 기화되어 결국 압축기를 파손시키거나 난방효과를 급감시키게 되는 요인이 되고 있다.

이러한 문제를 해소하기 위하여 종래에는 보조적인 가열장치로서 전기히터 등을 활용하여 증발기의 얼음이나 성에를 녹이는 방안, 일시적으로 역방향의 냉방사이클을 가동시켜 실외기의 성에를 제거하는 제상사이클을 운용하는 방안, 제상전 용의 보조압축기를 별도로 설치하여 운용하는 방안, 냉매회수라인에 별도의 보조가열장치를 설치하는 방안 등이 알려져 있다.

그러나 이러한 방안들 모두가 많은 양의 추가 에너지를 요하게 되므로 소비전력이 대폭 증가에 따른 난방비용의 증대를 가져오거나 난방효율의 저하와 제조원가 및 사후관리 문제 등 경제적인 부담이 가중되고 있는 것이다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 다음과 같은 목적을 가지고 연구 개발이 이루어졌다.

본 발명의 목적은 냉매압축기에서 고온고압의 상태로 압축된 냉매가 방열기를 경유하면서 난방목적으로 열교환이 이루어지며 액상으로 변한 다음 팽창변 역할을 하는 모세관을 통과하여 기화되어 증발기로 들어가게 되는 과정 중에 모세관을 통과하기 전의 방열기 냉매라인의 끝부분인 잠열냉매관에 남아 있던 잠열을 이용하여 증발기 내부에서 과냉상태로 기화증발된 냉매가스의 냉열을 흡수하게 하여 냉매가스가 과냉상태 또는 불완전 기화상태로 압축기로 회수되는 것을 방지하여 압축기의 파손방지는 물론 고열생산에 도움을 주는 한편, 잠열을 가지고 있어 불완전 액화상태에 있던 잠열냉매관의 냉매는 스스로 냉각되어 냉매의 팽창조건인 저온 액상으로 응축되게 하여 응축, 팽창 및 증발과정이 냉열처리와 함께 하나의 장치에서 이루어질 수 있게 하여 별도의 실외기, 냉매가열기 등의 보조수단을 강구하지 않아도 난방사이클이 원활하게 이루어져 추가적인 전력소비나 효율저하 및 원가상승, 운영의 복잡성 등을 최대한 배제할 수 있도록 한 히트펌프식 난방기용 복합증발장 치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 저온저압의 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 급송하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 고온고압의 냉매에서 난방에 필요한 열을 열교환시킬 수 있는 방열기와, 상기 방열기로부터 냉매회수라인 중에 설치되는 냉매의 팽창변을 포함하도록 이루어지는 통상의 히트펌프식 난방장치에 있어서, 상기 방열기로부터 냉매회수라인 중에 설치되는 냉매의 팽창변을 포함하는 복합증발기를 구성하되, 상기 복합증발기는 밀폐된 몸체의 내부에 상기 방열기의 연결 냉매라인의 끝부분인 잠열냉매관이 경유하도록 내장 설치하여 과냉상태인 증발냉매가스의 냉열을 흡수하게 하고, 다시 몸체 외부로 통과되어 나온 잠열냉매관의 끝부분에는 팽창변 역할 수행하는 모세관을 연결 설치하며 상기 모세관의 끝부분에는 상기 몸체의 내측에 길게 연장된 냉매기화관을 끝부분이 개방된 상태로 결합 설치하고, 상기 몸체의 상부에는 냉열처리된 증발냉매가스가 압축기로 회수될 수 있도록 냉매출구를 설치하여 구성되는 복합증발장치를 제공한다.

또한, 상기 모세관은 모세관분지기로부터 복수개로 분지하여 구성하고 상기 냉매기화관도 상기 모세관과 대응되게 연결 구성하여 이루어지는 복합증발장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일례에 의하면 냉 매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 냉매를 급송시키는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)로부터 고온고압의 기체상태로 공급된 냉매를 저온고압의 액상으로 전환하면서 난방에 필요한 열을 팬(2)으로 발산시키는 방열기(3)와, 상기 방열기(3)에서 상기 압축기(1)로 되돌아가는 회수냉매라인 중에 냉매의 팽창변 역할을 수행하는 모세관(4)을 포함하는 복합증발기(5)를 설치하여 이루어진다.

이때, 상기 복합증발기(5)는 밀폐된 몸체(50)의 내부에 상기 방열기(3)의 연결 냉매라인의 끝부분인 잠열냉매관(52)이 경유하도록 내장 설치하고 상기 몸체(50) 외부로 관통되어 나온 잠열냉매관(52)의 끝부분에는 팽창변 역할을 수행하는 모세관(4)을 설치하며 상기 모세관(4)의 끝부분에는 상기 몸체(50)의 내측으로 길게 연장된 냉매기화관(54)을 끝부분이 개방된 상태로 결합 설치하여 기화된 냉매가스가 큰 체적의 증발기 상부로 급속히 확산 증발되도록 하여 흡수 냉열 발생을 최대한 억제하며 상부에 설치된 냉매출구(56)를 통하여 압축기(1)로 회수되도록 구성한다.

또한, 상기 복합증발기(5)의 상기 잠열냉매관(52)은 다양한 형태로 구성할 수 있는데, 예를 들면 도 2 또는 도 3에 예시한 바와 같이 U형, W형, 코일형 등의 다양한 형태로 필요한 전열량을 고려하여 구성할 수 있다.

또한, 상기 냉매기화관(54)의 경우 몸체(50)의 내측으로 길게 연장하되 아래 끝부분이 개방된 상태로 구성한 형태로서 전체적으로 직선형을 중심으로 도시하여 설명하였으나, 필요에 따라 전열면적을 크게 갖도록 전체적으로 곡선형, 코일형 등 다양하게 구성하여 활용할 수 있다.

더욱이, 상기 냉매출구(56)의 경우 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 끝부분이 몸체(50)의 내측 상부로서 상기 냉매기화관(54)의 끝부분보다 높게 위치하도록 설치하거나 도 3 및 도 4에 예시한 바와 같이 U자 형태로 구성하고 끝부분이 상기 냉매기화관(54)의 끝부분보다 높게 위치하도록 설치하여 별도의 액분리장치를 설치하지 않고 활용할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

또한, 팽창변 역할을 수행하는 모세관(4)은 도 4에 예시한 바와 같이 상기 잠열냉매관(52) 끝부분에서 단수 또는 복수개로 분지하여 수분리기의 겸용으로 활용할 수 있는 모세관분지기(40)로 연결 구성하고 상기복합증발기(5)의 냉매기화관(54)도 상기 모세관(4)의 수와 대응되게 연결 구성하거나 도 3에 예시한 바와 같이 단일의 형태로 구성하여도 관계없다.

물론, 전술한 본 발명은 도 1에 예시한 바와 같이 난방을 기본목적으로 하는 난방사이클에 적용할 수 있으나, 난방 및 냉방을 겸용으로 활용하는 히트펌프식 냉난방기에도 적용이 가능하다.

다음은 전술한 장치에 대하여 작동이 이루어지는 과정을 살펴보기로 한다.

우선, 압축기(1)에서 저온 저압의 냉매가스가 가압되어 고온 고압의 상태로 변화되어 방열기(3)에 이르게 되는데 이때 팬(2)(온수보일러에 있어서는 온수순환펌프에 해당함)이 가동하면서 열교환이 이루어져 실내 난방 작동을 수행하게 되고, 이때 냉매가스는 온도가 하강하여 액상으로 변화하면서 복합증발기(5)의 몸체(50) 내부로 연결 설치된 잠열냉매관(52)을 경유하게 된다.

다시 잠열냉매관(52)을 통과하면서 냉열을 흡수하여 완전히 액화된 저온 고압의 냉매는 복합증발기(5)의 몸체(50) 외부로 연결 설치된 잠열냉매관(52)의 끝부분에 설치된 모세관(4)을 통과한 후 다시 몸체(50) 내부로 연결 설치된 냉매기화관(54)에서 팽창 기화하여 복합증발기(5) 저변에서 확산 증발하게 된다. 이때 냉열이 발생하게 되는데 냉열발생을 억제하기 위하여 증발기 몸체(50)는 기화관에 비하여 훨씬 큰 체적을 갖도록 하여 냉매가스가 급속 확산되도록 하며 발생된 냉열의 일부를 잠열냉매관(52)이 흡수하여 압축기(1)로 회수되는 냉매가스의 온도가 과냉상태를 벗어나게 함으로써 별도의 보조열원이나 다른 보조장치가 없이도 난방사이클이 원활하게 이루어지게 된다.

즉, 상기 방열기(3)로부터 잔열이 남아 있는 냉매는 복합증발기(5)의 잠열냉매관(52)을 경유한 후 상기 모세관(4)을 통과한 후 몸체(50) 저변에서 증발 확산하며 냉열이 발생하게 되는데, 잠열냉매관(52)이 이 냉열을 흡수하면서 복합증발기(5) 내부를 과냉상태에서 벗어나게 하고 스스로는 냉각되어 저온 고압의 액체냉매상태로 만들어 냉매의 팽창조건에 부합되게 하는 것이다.

또한, 상기복합증발기(5) 저변에 액체 상태로 남아 있을 수 있는 냉매는 상기 냉매기화관(54)의 끝부분에서 증발되는 냉매가스에 의하여 함께 증발하게 되고 그 이외의 잔여 냉매액은 냉매출구(56)를 통하여 압축기(1)로 회수되므로 별도의 액분리장치를 설치할 필요가 없게 된다.

이와 같이 냉매를 사용하는 히트펌프식 난방기에서 응축, 팽창, 기화, 증발, 냉열처리 과정이 하나의 장치 안에서 원활하게 이루어지도록 하여 주변의 외기온도에 관계없이 안정적인 난방사이클이 이루어지는 것이다.

물론, 도 2 및 도 4에 예시한 바와 같이 잠열냉매관(52)은 용량에 따라 형태를 변형시킬 수 있고 모세관이나 팽창변의 수량을 단수 또는 복수개로 구성하여 이와 대응되게 냉매기화관(54)을 형성하는 것은 그 효율을 향상시킬 수 있는 방편이 될 수 있게 된다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 냉매를 사용하는 히트펌프식 난방기의 냉매압축기(1)에서 고열을 발생하며 압축된 기체상태의 냉매가 방열기(3)를 경유하며 난방목적으로 열교환이 이루어진 후에 남아 있는 잠열을 증발기 내부의 과냉 상태인 냉매가스의 냉열을 흡수하게 하여 냉열을 처리하는데 이용하고 스스로는 잠열이 제거되며 냉각되어 냉매의 팽창조건인 저온 고압의 액체 상태로 변하게 하는 것이다. 이렇게 냉매를 사용하는 히트펌프식 난방기에서 응축, 팽창, 기화, 증발 및 냉열제거 과정을 보조열원이 없이 하나의 자치에서 이루어지게 한 후에 냉매가스가 다시 압축기(1)로 회수되어 난방사이클이 주변 외기에 영향을 받지 않고 원활하게 이루어지게 하여 기존처럼 별도의 증발기, 액분리기, 별도의 냉매가열장치 등 보조수단을 강구하지 않아도 되므로 관련장비의 간소화, 원가절감, 사후관리축소 및 에너지 절약에 크게 기여할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 냉매를 급송하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)로부터 1차냉매라인을 경유 고온고압상태로 공급된 냉매를 고압의 액상으로 전환하면서 난방에 필요한 열을 팬(2)으로 발산시키는 방열기(3)와, 상기 방열기(3)로부터 상기 압축기(1)에 이르는 회수냉매라인 중에 냉매의 팽창변(4)을 포함하여 이루어지는 통상의 히트펌프식 난방장치에 있어서,

   상기 방열기(3)로부터 상기 압축기(1)에 이르는 회수냉매라인 중에 냉매의 팽창변(4)을 포함하는 복합증발기(5)를 설치하여 이루어지되,

   상기 복합증발기(5)는 밀폐된 몸체(50)의 내부에 상기 방열기(3)의 연결 냉매라인의 끝부분인 잠열냉매관(52)이 경유하도록 내장 설치하고 상기 몸체(50) 외부로 관통되어 나온 잠열냉매관(52)의 끝부분에는 팽창변 역할을 수행하는 모세관(4)을 설치하며 상기 모세관(4)의 끝부분에는 상기 몸체(50)의 내측으로 길게 연장된 냉매기화관(54)을 아래 끝부분이 개방된 상태로 결합 설치하여 기화된 냉매가스가 큰 체적의 증발기 상부로 급속히 확산 증발되도록 하여 흡수 냉열 발생을 최대한 억제하며 냉매출구(56)를 통하여 압축기(1)로 회수되도록 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 난방기용 복합증발장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉매출구(56)는 끝부분이 몸체(50)의 내측 상부로서 상기 냉매기화관(54)의 끝부분보다 높게 위치하도록 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 난방기용 복합증발장치.

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