KR100876356B1 - 히트펌프 시스템의 열교환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기에서 발생하는 고온의 열기를 포집하는 캡에 열교환관을 삽입하여 난방 운전시에 응축역할을 하는 실내 열교환기에서 토출된 냉매를 이 열교환관을 거친 후 팽창변으로 유동되도록 함으로써 압축기의 과부하를 방지하고자 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치에 관한 것이다.

히트펌프, 압축기, 캡, 열교환관

Description

히트펌프 시스템의 열교환 장치{heat pump system having heat exchanger}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기의 둘레면에 캡을 형성하여 압축기에서 발생하는 고온의 열기를 포집하며, 이 캡에 열교환관을 삽입하여 일단을 실내 열교환기에 연결함과 동시에 타단을 팽창변에 연결함으로써 난방 운전시 냉매를 열교환관으로 안내함에 따라 압축기의 과부하를 방지하고자 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치에 관한 것이다.

히트펌프는 에어컨의 냉각 사이클(cooling cycle)에서 냉매의 흐름을 역전환(逆轉換)시킴으로써 냉방(冷房)과 난방(煖房)을 겸할 수 있는 공기 조절장치의 하나로써 특히 계절에 구애받지 않고 사용할 수 있는 장점에 따라 점차적으로 그 사용영역이 확대되고 있다.

일반적으로 히트펌프 사이클은 냉매를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기와 배관으로 연결되어 냉방시에는 응축기로 작용하고 난방시에는 증발기로 작용하는 실외 열교환기와, 상기 압축기와 배관으로 연결되어 냉방시에는 증발기로 작용하고 난방시에는 응축기로 작용하는 실내 열교환기와, 상기 압축기에서 나오는 고온고압의 냉매를 냉방시에는 실외 열교환기로 공급하고 난방시에는 실내 열교환기로 공급하는 사방밸브와, 상기 실외 열교환기의 하측에 설치되어 난방시 실외 열교환기의 응축수가 결빙되는 것을 방지하는 과냉각기와, 실외측에 설치되어 응축된 냉매를 팽창시킴으로서 2상냉매로 만드는 팽창밸브로 구성되어 있다.

여기서, 상기 팽창밸브는 실외 열교환기와 과냉각기를 연결하는 배관에 설치되며, 과냉각기와 실내 열교환기를 연결하는 배관에는 과냉각기로부터의 냉매흐름을 차단하는 체크밸브가 설치되어 있다.

따라서, 상기 팽창밸브를 통과한 냉매가 체크밸브를 거치지 않고 실내 열교환기측으로 공급될 수 있도록 두 배관 사이에는 바이패스관이 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 히트펌프 사이클은 냉방 또는 난방의 선택에 따라 사방밸브가 압축기에서 나온 고온, 고압의 냉매를 실내 열교환기 또는 실외 열교환기로 보냄으로써 실내를 냉방하거나 난방하게 된다.

즉, 냉방시에 냉매는 압축기→사방밸브→실외 열교환기→팽창밸브→실내 열교환기→압축기의 순환경로를 거치면서 냉방을 이루게 된다.

그리고, 난방시에 냉매는 압축기→사방밸브→실내 열교환기→체크밸브→과냉각기, 팽창밸브→실외 열교환기→압축기의 순환경로를 거치면서 난방을 이루게 된다.

상기와 같이 구성된 종래의 히트펌프 사이클은 난방시 외기온도가 낮아지면 난방부하가 커져 압축기에 과부하가 걸리고, 압축기의 과부하 운전으로 인한 소음이 발생되는 문제점이 있었다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 열교환 장치는 압축기의 둘레면에 일체적으로 형성되어 상기 압축기에서 발생되는 열기를 포집하는 캡과, 상기 캡 내부에 삽입되고 일단을 실내 열교환기에 연결함과 동시에 타단을 팽창변에 연결함으로써 내부를 유동하는 냉매를 가열시키는 열교환관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 열교환 장치는 압축기의 둘레면에 형성되어 상기 압축기에서 발생되는 열기를 포집하는 캡과, 상기 캡을 상기 압축기에 분리 가능하게 결합하기 위해 상기 캡과 상기 압축기의 접촉부위에 형성된 결합부와, 상기 캡 내부에 삽입되고 일단을 실내 열교환기에 연결함과 동시에 타단을 팽창변에 연결함으로써 내부를 유동하는 냉매를 가열시키는 열교환관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 열교환 장치에 의하면, 저온 상태의 냉매를 압축기의 고온 상태인 열기 내부에서 열교환하여 유동하는 냉매의 온도를 상승시켜 난방 운전시 압축기의 과부하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 난방 운전시 냉매의 흐름을 보인 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 냉매의 흐름을 보인 흐름도이며, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉매 열교환 구조를 보인 평단면도임과 아울러 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉매 열교환 구조를 보인 종단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 압축기(10), 사방밸브(20), 실내 열교환기(30), 팽창변(40) 및 실외 열교환기(50)로 이루어져 냉매의 흐름을 안내하며 실내 열교환기(30)를 통해 냉기 또는 열기를 토출하도록 한다.

이때, 상기 압축기(10)는 냉매를 압축하여 고온 고압 상태로 변환하는 기능을 수행한다.

그리고, 상기 사방밸브(20)는 압축기(10)의 냉매 출구측에 형성되어 냉매를 난방 운전시 실내 열교환기(30) 방향으로, 냉방 운전시 실외 열교환기(50) 방향으로 흐름을 전환시킨다.

상기 실내 열교환기(30)는 난방 운전시 냉매를 응축시키는 응축기 역할을 하고, 냉방 운전시 냉매를 증발시키는 증발기 역할을 하며 방출 또는 흡수에 의하여 열교환을 수행한다.

또한, 상기 팽창변(40)은 난방 운전시 열교환된 냉매를 실외 열교환기(50) 방향으로 안내하고, 냉방 운전시 열교환된 냉매를 팽창한 후 실내 열교환기(30)로 안내한다.

그리고, 상기 실외 열교환기(50)는 난방 운전시 냉매를 증발시켜 저온 저압의 기체 냉매로 변환하며, 냉방 운전시 냉매를 응축시킨다.

한편, 상기 압축기(10)의 둘레면에는 캡(100)을 형성한다.

상기 캡(100)은 압축기(10)의 구동시 발생하는 고온의 열기를 포집하는 역할을 한다.

이때, 상기 캡(100)은 압축기(10)에 일체로 금형 제작될 수도 있고, 둘레면에 용접되어 내부가 밀봉 처리될 수도 있다.

또한, 상기 캡(100)은 압축기(10)의 상부에 분리 가능하게 씌워질 수도 있다.

그리고, 상기 캡(100)에는 열교환관(60)이 삽입된다.

상기 열교환관(60)은 캡(100)에 포집된 압축기(10)의 열기를 통해 내부를 흐르는 냉매를 가열시키는 역할을 한다.

특히, 상기 열교환관(60)은 동일 직경의 나선 코일 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으나, 압축기(10)에서 상부 방향으로 전달되는 열기와의 접촉면적을 증가시키기 위해 상협하광의 나선코일 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열교환관(60)은 나선코일 형상으로 감길시 열기가 측방향으로 유동되는 것을 방지하기 위해 서로 인접한 부분끼리 접하게 형성됨이 바람직하다.

이는, 상기 열교환관(60)을 유동하는 냉매와 압축기(10)에서 발생되는 열기의 열교환을 극대화하기 위함이다.

아울러, 상기 열교환관(60)은 단면으로 볼 때 원형관, 납작관 및 다각관 등으로 형성될 수 있다.

이때, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 열교환 장치를 도시한 것이다.

즉, 상기 열교환관(60)은 각 단부를 캡(100)의 외부로 소정 노출되게 구비되고, 난방 운전시 일단을 실내 열교환기(30)의 냉매 토출측에 연결함과 동시에 타단을 팽창변(40)의 냉매 유입측에 연결한다.

따라서, 난방 운전시 실내 열교환기(30)를 통과하면서 열교환되며 응축되어 저온 상태인 냉매가 열교환관(60)을 지나면서 소정의 열기를 얻어 가열된 후 팽창변(40)으로 유입된다.

그리고 나서, 상기 열교환관(60)에서 열교환되며 가열된 냉매가 팽창변(40)을 통과하면서 종래에 비해 온도의 하강 정도를 줄임으로써 냉매를 고온 고압으로 압축시 압축기(10)의 과부하를 방지할 수 있게 된다.

특히, 상기 열교환관(60)은 캡(100) 내부에서 온기(溫氣)와의 접촉 면적을 증가시키기 위해 원뿔 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 냉방 운전시 냉매가 팽창변(40)과 실내 열교환기(30) 사이에서 열교환관(60)을 통과하게 되면, 냉매가 데워져서 실내에 충분히 온도가 낮은 냉기(冷氣)를 토출할 수 없게 된다.

따라서, 상기 실외 열교환기(50)와 열교환관(60)의 연결부위에는 제 1체크밸브(5)가 구비되고, 상기 실외 열교환기(50)와 실내 열교환기(30)의 연결부위에는 제 2체크밸브(6)가 구비된다. 여기서, 제 1냉매배관(1)은 압축기(10), 스트레이너(70a), 사방밸브(20), 실내 열교환기(30), 열교환관(60), 제 1체크밸브(5), 팽창변(40), 실외 열교환기(50), 제 3체크밸브(106), 사방밸브(20) 및 스트레이너(70b)를 폐곡선 형상으로 순서대로 연결하고, 제 2냉매배관(2)은 일측을 냉방 운전시 실내 열교환기(30)의 냉매 유입측에 해당되는 제 1냉매배관(1)에 연결함과 동시에 타측을 제 1체크밸브(5)와 팽창변(40) 사이에 해당되는 제 1냉매배관(1)에 연결하며, 제 3냉매배관(3)은 유입구(102)에서 연장되어 제 3체크밸브(106)의 우측(도 1,도 2에서 봤을 때)에 해당되는 제 1냉매배관(1)에 연결됨과 더불어 제 4냉매배관(4)은 배출구(104)에서 연장되어 제 3체크밸브(106)의 좌측(도 1, 도 2에서 봤을 때)에 해당되는 제 1냉매배관(1)에 연결된다. 이때, 제 1체크밸브(5)는 제 1냉매배관(1)에 형성되어 난방 운전시 냉매를 열교환관(60)에서 실외 열교환기(50)로만 유도 안내한다. 특히, 제 2냉매배관(2)에는 제 2체크밸브(6)가 구비되어 냉방 운전시 팽창변(40)을 통과한 냉매를 실내 열교환기(30)로 흐름 안내한다. 이때, 냉방 운전시 팽창변(40)을 통과한 냉매는 제 1체크밸브(5)에 의해 열교환관(60)으로 유동하지 않게 된다. 그래서, 냉매는 냉방 운전시 실외 열교환기(50)와 팽창변(40)을 통과한 후 제 1체크밸브(5)에 의해 열교환관(60)으로 유동하지 않고, 팽창변(40)을 거친 후 제 2냉매배관(2)의 통과하면서 제 2체크밸브(6)와 실내 열교환기(30)로만 일방향으로 유동한다. 물론, 냉매는 난방 운전시 제 1냉매배관(1)의 열교환관(60)을 통과 후 제 1체크밸브(5)에 의해 팽창변(40) 및 실외 열교환기(50)로만 일방향 유동하고, 제 2체크밸브(6)에 의해 제 2냉매배관(2)을 거치면서 팽창변(40)으로 직접적으로 유동하지 않는다.

더욱 상세하게, 난방 운전시 실내 열교환기(30)에서 토출된 냉매는 제 2체크밸브(6)에 의해 제 2냉매배관(2)을 거쳐 직접적으로 팽창변(40)으로 흐르지 않고 제 1냉매배관(1) 상의 열교환관(60)을 거치게 되고, 냉방 운전시 실외 열교환기(50)에서 토출된 후 팽창변(40)을 거친 냉매는 제 1체크밸브(5)에 의해 열교환관(60)을 거치지 않고, 제 2냉매배관(2)을 거쳐 직접적으로 실내 열교환기(30) 방향으로 흐르게 된다.

한편, 냉방 운전시 및 난방 운전시 상기 압축기(10)의 냉매 유입측과 냉매 토출측은 동일하고, 상기 압축기(10)의 냉매 유입측과 냉매 토출측에는 스트레이너(70a,70b)가 구비된다.

상기 스트레이너(70a,70b)는 냉매에 포함된 이물질을 걸러내는 역할을 한다.

또한, 난방 운전시 제 1냉매배관(1)은 열교환관(60)의 냉매 유입측과 상기 압축기(10)의 냉매 유입측 사이에 해당되는 위치에 바이패스관(80)을 연결한다.

즉, 상기 바이패스관(80)은 실내 열교환기(30)에서 토출되는 상대적으로 고압 상태인 냉매를 압축기(10)의 냉매 유입측에 연결함으로써 압축기(10)로 유입되는 냉매의 압력을 소정 상승시키게 되고, 이에 따라 압축기(10)의 과부하를 방지하는 역할을 한다.

특히, 난방 운전시 상기 열교환관(60)의 냉매 유입측에 연결된 상기 바이패스관(80)에는 압력표시계(90)가 구비되어 실시간으로 냉매의 압력 확인 및 압력을 유지할 수 있도록 조절함이 바람직하다.

그리고, 상기 캡(100)은 내부와 연결되어 난방 운전시에만 실외 열교환기(50)를 통과한 냉매를 캡(100)의 내부로 유도하기 위한 유입구(102) 및 캡(100) 내부를 유동하며 압축기(10)로부터 전달되는 열기에 의해 가열된 냉매를 사방밸브(20)로 유도하기 위한 배출구(104)를 갖는다. 이때, 유입구(102)와 제 3체크밸브(106)의 우측(도 1,2에서 봤을 때)에 해당되는 제 1냉매배관(1)은 제 3냉매배관(3)으로 연결되고, 배출구(104)와 제 3체크밸브(106)의 좌측(도 1,2에서 봤을 때)에 해당되는 제 1냉매배관(1)은 제 4냉매배관(4)으로 연결된다.

이에 따라, 난방 운전시 실외 열교환기(50)를 통과한 저압 액상인 냉매가 캡(100) 내부로 유입되면서 기화된다.

이때, 제 1냉매배관(1) 중 제 3냉매배관(3)과 제 4냉매배관(4) 각각의 연결부위 사이에 해당되는 위치에는 제 3체크밸브(106)가 형성되고, 제 4냉매배관(4)에는 제 4체크밸브(107)가 형성된다. 제 3체크밸브(106)는 냉매를 냉방 운전시 사방밸브(20)에서 실외 열교환기(50)의 냉매 유입측으로만 유동 가능하게 함과 동시에 제 4체크밸브(107)는 냉매를 난방 운전시 배출구(104)에서 사방밸브(20) 방향으로만 유동 가능하게 한다. 그래서, 난방 운전시 실외 열교환기(50)에서 배출된 냉매는 제 3체크밸브(106)에 의해 직접적으로 사방밸브(20) 방향으로 유동되지 않고, 제 3냉매배관(3)과 캡(100) 내부 및 제 4냉매배관(4)의 제 4체크밸브(107)를 거쳐 사방밸브(20)로 유동한다. 그리고, 냉방 운전시 사방밸브(20)를 통과한 냉매는 제 4체크밸브(107)에 의해 제 4냉매배관(4)으로 유동하지 않고, 직접적으로 제 3체크밸브(106)를 거쳐 실외 열교환기(50)로 유동한다.

상술한 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 냉매 흐름을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 난방 운전시에는 냉매가 압축기(10)→스트레이너(70a)→사방밸브(20)→실내 열교환기(30)→열교환관(60)→제 1체크밸브(5)→팽창변(40)→실외 열교환기(50)→유입구(102)→배출구(104)→제 4체크밸브(107)→사방밸브(20)→스트레이너(70b)→압축기(10)의 순환경로를 거치게 된다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉방 운전시에는 냉매가 압축기(10)→스트레이너(70a)→사방밸브(20)→제 3체크밸브(106)→실외 열교환기(50)→팽창변(40)→제 2체크밸브(6)→실내 열교환기(30)→사방밸브(20)→스트레이너(70b)→압축기(10)의 순환경로를 거치면서 냉방을 이루게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 난방 운전시 냉매의 흐름을 보인 흐름도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 냉매의 흐름을 보인 흐름도.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉매 열교환 구조를 보인 평단면도.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉매 열교환 구조를 보인 종단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 압축기 20: 사방밸브

30: 실내 열교환기 40: 팽창변

50: 실외 열교환기 60: 열교환관

70a,70b: 스트레이너 80: 바이패스관

90: 압력표시계 100: 캡

Claims (8)

1. 압축기의 둘레면에 형성되어 상기 압축기에서 발생되는 열기를 포집하는 캡과;

   상기 캡 내부에 삽입되고, 일단을 실내 열교환기에 연결함과 동시에 타단을 팽창변에 연결함으로써 내부를 유동하는 냉매를 가열시키는 열교환관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
2. 냉매를 압축시키는 압축기와;

   상기 압축기의 냉매 토출측에 연결되어 냉매의 흐름을 전환시켜 주는 사방밸브와;

   난방 운전시 상기 압축기에서 토출된 냉매를 유입 후 응축시켜 고온의 열을 배출하고, 냉방 운전시 냉매를 유입 후 증발시킴에 따라 냉기를 배출하여 열교환을 수행하는 실내 열교환기와;

   냉방 운전시 상기 압축기에서 압축된 냉매를 유입하여 응축시키며 열을 배출하고, 난방 운전시 팽창변에서 팽창된 냉매를 유입하여 증발시키며 열을 흡수하는 실외 열교환기와;

   난방 운전시 상기 실내 열교환기를 지나면서 저하된 냉매를 유입하여 온도를 보상하고, 냉방 운전시 상기 실외 열교환기에서 열교환되어 증발을 위해 상기 실내 열교환기로 유입되려는 냉매를 통과시키며 팽창시키는 팽창변과;

   상기 압축기의 둘레면에 형성되어 상기 압축기에서 발생되는 열기를 포집하는 캡과;

   상기 캡 내부에 삽입되고, 난방 운전시 일단을 상기 실내 열교환기의 냉매 토출측에 연결함과 동시에 타단을 상기 팽창변의 냉매 유입측에 연결함으로써 내부를 유동하는 냉매를 가열시키는 열교환관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 압축기의 냉매 토출측 및 냉매 유입측에는 냉매에 포함된 이물질을 걸러내기 위해 스트레이너가 연결되고;

   난방 운전시 상기 열교환관의 냉매 유입측과 상기 압축기의 냉매 유입측 사이에는 바이패스관이 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   난방 운전시 상기 열교환관의 냉매 유입측에 연결된 상기 바이패스관에는 압력표시계가 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
5. 제 2항에 있어서,

   난방 운전시 상기 열교환관의 냉매 토출측과 상기 팽창변의 냉매 유입측을 연결하는 냉매배관은 냉방 운전시 상기 실외 열교환기에서 상기 열교환관으로 유동하려는 냉매를 차단하기 위해 제 1체크밸브를 구비하며;

   상기 제 1체크밸브와 상기 팽창변 사이에 해당되는 냉매배관은 다른 냉매배관을 분기하여 냉방 운전시 상기 실내 열교환기의 냉매 유입측에 직접적으로 연결함으로써 상기 제 1체크밸브에 의해 유동 차단되는 냉매를 상기 실내 열교환기로 유동 안내하고;

   분기되는 냉매배관은 난방 운전시 상기 실내 열교환기의 냉매 토출측에서 상기 팽창변의 냉매 유입측으로 유동하려는 냉매를 차단하기 위해 제 2체크밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 캡은 상기 압축기의 상부에 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 열교환관은 상기 압축기에서 상부 방향으로 전달되는 열기와의 접촉면적을 증가시키기 위해 상협하광의 나선코일 형상으로 형성되고, 나선코일 형상에서 서로 인접한 부분끼리 접하게 형성되어 열기의 측방향 유동을 방지하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.
8. 제 2항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 캡은 유입구와 배출구를 형성하고;

   상기 유입구와 상기 배출구는 각각 냉매배관을 통해 상기 실외 열교환기와 상기 사방밸브를 연결하는 냉매배관에 접속되며;

   상기 실외 열교환기와 상기 사방밸브를 연결하는 냉매배관은 제 3체크밸브를 형성하여 난방 운전시 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매를 상기 유입구로 유동 안내하고;

   상기 실외 열교환기와 상기 사방밸브를 연결하는 냉매배관에서 상기 배출구로 분기하는 냉매배관은 제 4체크밸브를 형성하여 냉방 운전시 냉매를 상기 사방밸브에서 상기 실외 열교환기로 직접적으로 유동 안내하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 열교환 장치.

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