KR100921211B1

KR100921211B1 - 증기 분사 시스템을 갖춘 압축기

Info

Publication number: KR100921211B1
Application number: KR1020060058066A
Authority: KR
Inventors: 그나나쿠마 로버터선 아벨; 만 와이 우; 카 유 라우
Original assignee: 에머슨 클리메이트 테크놀로지즈 인코퍼레이티드
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2009-10-13
Also published as: KR20070022585A

Abstract

히트 펌프 시스템은 제 1 열 교환기, 제 1 열 교환기와 유체 연통된 제 2 열 교환기, 제 1 및 제 2 열 교환기의 각각과 유체 연통된 스크롤 압축기, 및 제 1 및 제 2 열 교환기 및 스크롤 압축기의 각각과 유체 연통된 플래시 탱크를 포함한다. 플래시 탱크는 제 1 및 제 2 열 교환기에 유체식으로 결합된 입구를 포함하고 제 1 및 제 2 열 교환기로부터 액체 냉매를 수용한다. 플래시 탱크는 또한 제 1 및 제 2 열 교환기에 유체식으로 결합되어 제 2 열 교환기에 차냉각 액체 냉매를 급송하는 제 1 출구 및 스크롤 압축기에 유체식으로 결합되어 가열 모드에서 기화 냉매를 스크롤 압축기에 급송하는 제 2 출구를 포함한다.

히트 펌프, 열 교환기, 스크롤 압축기, 플래시 탱크, 기화 냉매

Description

증기 분사 시스템을 갖춘 압축기{COMPRESSOR WITH VAPOR INJECTION SYSTEM}

도 1은 본 발명의 원리에 따른 히트 펌프 시스템의 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템의 개략도로서, 냉각 모드를 도시한 개략도이다.

도 3은 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템의 개략도로서, 가열 모드를 도시한 개략도이다.

본 발명은 증기 분사에 관한 것으로, 보다 상세하게는 향상된 증기 분사 시스템을 가지는 가열 시스템에 관한 것이다.

공기조화, 칠러(chiller), 냉동 및 히트 펌프 시스템을 포함하는 가열 및/또는 냉각 시스템은 시스템 용량 및 효율을 향상시키는 데에 사용하기 위해 열 교환기와 압축기 사이에 배치된 플래시 탱크를 포함할 수 있다. 플래시 탱크는 열 교환기로부터 액체 냉매를 수용하고, 액체 냉매 일부를 압축기에서 사용하기 위한 증기로 변화시킨다. 플래시 탱크는 그 입구의 액체 냉매에 비해 낮은 압력으로 유지되므로, 액체 냉매의 일부가 증기화하고, 플래시 탱크 내의 나머지 액체 냉매는 열을 잃고 차냉각(sub-cool)된다. 플래시 탱크 내부에 생긴 증기는 증가된 압력 상태에 있고 압축기 내로 분사되어 시스템의 가열 및/또는 냉각 용량을 증가시킬 수 있다.

플래시 탱크로부터의 기화 냉매는 중간 압력의 압축기 입력으로 분배된다. 이 기화 냉매는 증발기를 떠나는 기화 냉매보다 대체로 높은 압력상태이지만, 압축기를 떠나는 냉매의 출류보다는 낮은 압력 상태이므로, 플래시 탱크로부터의 가압 냉매는 압축기의 일부만을 통과하는 동안에 압축기가 그것의 통상의 출력 압력으로 이 가압 냉매를 압축시키도록 해준다.

플래시 탱크 내에 배치된 차냉각 냉매가 마찬가지로 열 교환기의 용량 및 효율을 증가시킨다. 차냉각 액체는 플래시 탱크로부터 배출되어 원하는 모드(즉, 가열 모드 또는 냉각 모드)에 따라 열 교환기들 중 하나에 보내진다. 이 액체는 차냉각 상태이기 때문에, 더 많은 열이 열 교환기에 의해 주위로부터 흡수될 수 있고, 그에 의해 가열 또는 냉각 사이클의 전체 성능을 향상시킨다.

플래시 탱크로부터 압축기까지의 가압 냉매 유동은, 기화 냉매가 압축기에 의해 수용되는 것을 보장하도록 조절된다. 유사하게, 플래시 탱크로부터 열 교환기까지의 차냉각 액체 냉매의 유동은 플래시 탱크로부터 열 교환기까지의 기화 냉매의 유동을 방지하도록 조절된다. 전술한 두 조건은 플래시 탱크 내로의 액체 냉매의 유동을 조정함으로써 제어될 수도 있다. 한편, 플래시 탱크 내로 흐르는 액체 냉매의 유동을 조절함으로써, 기화 냉매 및 차냉각 액체 냉매의 양이 제어될 수 있고, 그에 의해 압축기의 기화 냉매 및 열 교환기의 차냉각 액체 냉매의 유동을 제어할 수 있다.

본 발명의 목적은 냉각 모드와 가열 모드 중 하나에서 증기 분사 시스템을 사용하고 다른 하나의 모드에서는 바이패스하여, 냉각 모드와 가열 모드 양자 모두에서 시스템의 용량 및 효율을 향상시키는데에 있다.

본 발명의 적용 분야가 이하 제공된 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 상세한 설명과 특정예는 단지 예시의 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아님을 이해해야 한다.

본 발명은 이하 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

아래의 설명은 본질적으로 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명, 그 적용예 또 는 용도를 제한하기 위한 것은 아니다.

증기 분사는 공기조화, 칠러, 냉동 및 히트 펌프 시스템에 사용되어 시스템 용량과 효율을 향상시킬 수 있다. 증기 분사시스템은 압축기로 공급되는 냉매를 증기화시키고 열 교환기로 공급되는 차냉매를 냉각시키기 위한 플래시 탱크를 포함할 수 있다. 증기 분사는 가열 및 냉각의 용량과 효율 중 하나 또는 양자 모두를 향상시키기 위해 상업용 및 주거용 건물에 가열과 냉각 양자 모두 제공할 수 있는 히트 펌프 시스템에 사용될 수 있다.

동일한 이유로, 플래시 탱크는 칠러 장치에 사용되어 물에 냉각 효과를 제공하고, 냉동 시스템에 사용되어 디스플레이 케이스 또는 냉동기의 내부 공간을 냉각시키고, 그리고 공기조화 시스템에 사용되어 룸 및 건물의 온도를 조절할 수 있다. 히트 펌프 시스템은 냉각 사이클 및 가열 사이클을 포함할 수 있는 반면, 칠러, 냉동 및 공기조화 시스템은 대개 냉각 사이클만을 포함한다. 하지만, 세계에 걸쳐 일부에서는 가열 및 냉각 사이클을 제공하는 히트 펌프 칠러가 일반적이다. 각각의 시스템은 냉각 사이클을 통해 바람직한 냉각 또는 가열 효율을 발생시키는 냉매를 사용한다.

공기조화의 경우에는, 냉동 사이클은 냉각될 새로운 공간, 전형적으로 룸 또는 건물의 온도를 낮추기 위해 사용한다. 이러한 경우, 팬 또는 블로워가 열 전달을 증가시키고 주변을 냉각시키기 위해 주변 공기를 증발기와 보다 신속하게 접촉시키는데 사용된다.

칠러의 경우에는, 냉동 사이클은 워터 스트림을 냉각시킨다. 히트 펌프 칠러 는 가열 모드로 작동할 때에는 워터 스트림을 가열하도록 냉동 사이클을 이용한다. 팬 또는 블로워를 이용하는 대신에, 열 교환기의 한 쪽에 냉매가 남아있는 동시에 순환하는 물 또는 염수가 증기화를 위한 열 원을 제공한다. 히트 펌프 칠러는 대개는 가열 모드 동안 증기화를 위한 열원으로서 주변 공기를 이용하지만, 땅으로부터 열을 흡수하는 열 교환기 또는 지하수 등의 다른 열원들을 또한 이용할 수도 있다. 따라서, 열 교환기는 냉각 모드시 열이 물로부터 냉매로 전달되고 가열 모드시 열이 냉매로부터 물로 전달됨에 따라 열 교환기를 통과하는 물을 냉각 또는 가열한다.

냉동기 또는 냉동식 디스플레이 케이스 등의 냉동 시스템에서는, 열 교환기는 장치의 내부 공간을 냉각시키고 응축기가 흡수된 열을 방출한다. 대개는 팬 또는 블로워가 열 전달을 증가시켜 장치의 내부 공간을 냉각시키기 위해 장치의 내부 공간 내의 공기를 증발기와 보다 신속하게 접촉시키는데 사용된다.

히트 펌프 시스템에 있어서는, 냉동 사이클은 가열 및 냉각 양자 모두에 이용된다. 히트 펌프 시스템은 실내기와 실외기를 포함할 수 있고, 실내기는 상업용 또는 주거용 건물의 내부 공간 또는 룸을 냉각 및 가열 양자 모두를 행한다. 히트 펌프는 또한 하나의 프레임으로 결합된 "실외" 부분과 "실내" 부분을 가진 모노블럭(monobloc) 구조로 이루어질 수도 있다.

전술한 바와 같이, 냉동 사이클은 공기조화, 칠러, 히트 펌프 칠러, 냉동 및 히트 펌프 시스템에 적용될 수 있다. 각각의 시스템은 고유한 특징들을 가지고 있지만, 증기 분사가 시스템의 용량과 효율을 향상시키는데 이용될 수 있다. 즉, 각각의 시스템에서, 열 교환기로부터 액체 냉매를 수용하고 그 액체 냉매의 일부를 증기로 변환시키는 플래시탱크로부터의 기화 냉매는, 중간 압력의 압축기 입력으로 공급될 수 있다. 이 기화 냉매는 증발기를 떠나는 기화 냉매보다 높은 압력 상태이지만, 압축기를 떠나는 냉매의 출류보다는 낮은 압력상태이다. 따라서, 플래시 탱크로부터의 압축 냉매는 압축기의 일부만을 통과하는 동안에 압축기가 이 압축 냉매를 그것의 통상의 출력 압력으로 압축시키도록 해준다. 또한, 플래시 탱크 내의 차냉각된 냉매는 열 교환기의 용량과 효율을 증가시키는 데에 유용하다

플래시탱크로부터 배출되는 액체는 차냉각되기 때문에, 열 교환기에 공급될 때, 주위로부터 보다 많은 열이 흡수될 수 있어 가열 또는 냉각 사이클의 전체 성능을 증가시킨다. 좀더 특정한 예가 도면을 참조하여 다음에 제공될 것이지만, 당업자는 본 출원에 설명되는 예가 공기조화 및 가열기를 포함하여 이루어지지만, 본 발명은 다른 시스템에 적용될 수 있으며 특정 타입의 시스템관 관련하여 설명되는 일정 특징은 다른 타입의 시스템에 동등하게 적용될 수 있음을 알아야한다.

도 1 내지 3을 참조하여, 히트 펌프 시스템(10)의 작동이 상세하게 설명될 것이다. 히트 펌프 시스템(10)은 가열 모드 동안 중간 압력의 증기 및 차냉각 액체 냉매를 제공하고 냉각 모드에서는 바이패스되는 증기 분사시스템(20)을 가지고서 가열 모드 및 냉각 모드를 포함하는 것으로서 설명될 것이다. 증기 분사시스템(20)이 냉각 모드에서 바이패스되는 것으로 이하에서 설명되고 도면에 도시되지만, 증기 분사시스템(20)은 선택적으로 시스템(10)의 배열을 단순히 반대로 함으로써 가열 모드가 바이패스될 수 있음을 알아야한다.

도 1을 참조하면, 히트 펌프 시스템(10)은 실외기(12), 실내기(14), 스크롤 압축기(16), 어큐뮬레이터 탱크(18) 및 증기 분사 시스템(20)을 포함하여 제공된다. 실내기 및 실외기(12, 14)는 스크롤 압축기(16), 어큐뮬레이터 탱크(18) 및 증기 분사 시스템(20)과 유체 연통되어 있어 냉매가 그들 사이를 순환할 수 있다. 냉매는 스크롤 압축기(16)로부터의 압력하에 시스템(10)을 통해 사이클을 이루어 실외기 및 실내기(12, 14) 사이를 순환하여 열을 방출하고 흡수한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 실외기 또는 실내기(12, 14)가 열을 방출할지 또는 수용할 지의 여부는 히트 펌프 시스템(10)이 냉각 모드로 설정되는지 또는 가열 모드로 설정되는지에 따라 좌우될 것이며, 아래에 논의될 것이다. 시스템은 또한 하나의 단일 작동 모드를 가지는 단일 가열 또는 단일 냉각 시스템이 될 수도 있다.

실외기(12)는 실외 코일 즉 열 교환기(22) 및 모터(26)에 의해 구동된 실외 팬(24)을 포함한다. 실외기(12)는 실외 코일(22) 및 실외 팬(24)을 수납하는 보호 하우징을 포함하여, 열 전달을 향상시키도록 팬(24)은 주변의 실외 공기를 유입하여 실외 코일(22)을 횡단시킨다. 또한, 실외기(12)는 일반적으로 스크롤 압축기(16) 및 어큐뮬레이터 탱크(18)를 수납한다. 실외기(12)는 주변 공기를 유입하여 코일(22)을 횡단시키기 위해 팬(24)을 포함하는 것으로 설명되었지만, 지면 아래에 코일(22)을 매립하는 방법 또는 코일(22) 주위로 워터 스트림을 통과시키는 방법과 같은, 코일(22)로부터 열을 전달하는 임의의 방법이 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다는 것을 알아야한다.

실내기(14)는 실내 코일 즉 열 교환기(28) 및 모터(32)에 의해 구동되는 실내 팬(30)을 포함하는데, 모터(32)는 단일 속도, 2단 속도 또는 가변속도 모터가 될 수 있다. 실내 팬(30) 및 코일(28)은 캐비닛 내에 수납되어, 팬(30)은 가변 속도 모터(32)의 속도에 의해 결정되는 유속으로 주변 실내 공기를 강제로 내부 코일(28)을 횡단시킨다. 이해할 수 있는 바와 같이, 코일(28)을 횡단하는 이러한 공기 흐름에 의해 주변의 실내 공간과 실내 코일(28) 사이에서 열 전달이 일어난다. 이와 관련하여, 실내 팬(30)과 관련한 실내 코일(28)은 실내 주위의 온도를 선택적으로 상승시키거나 하강시킨다. 또한, 팬(30)이 개시되었으나, 칠러를 사용하면, 열이 워터 스트림으로부터 냉매에 직접 전달되고, 그 자체로는, 팬(30)이 필요하지 않을 수 있다는 것은 자명하다.

히트 펌프 시스템(10)은 도시된 바와 같이 실내 코일(28) 및 실외 코일(22)의 기능을 단순히 반대로 함으로써 냉각 및 가열 양자 모두를 제공하기 위해 4-웨이 가역 밸브(34)를 포함한다. 시스템은 선택적으로 단일의 작동 모드를 가지는 단일 가열 또는 단일 냉각 시스템이 될 수 있고, 이 경우 4-웨이 가역 밸브(34)는 불필요할 수 있다. 가열 및 냉각 양자 모두를 제공하는 시스템에 대해서는, 4-웨이 밸브(34)가 냉각 모드로 설정되는 경우, 실내 코일(28)은 증발기 코일로서 기능하고 실외 코일(22)은 응축기 코일로서 기능한다. 반대로, 4-웨이 밸브(34)가 가열 모드(교체 위치)로 전환될 때에는, 코일(22, 28)의 기능은 반대로 된다. 즉, 실내 코일(28)은 응축기로서 기능하고 실외 코일(22)은 증발기로서 기능한다

실내 코일(28)이 증발기로서 작동할 때, 주변의 실내 주위로부터의 열은 실내 코일(28)을 통해 이동하는 액체 냉매에 의해 흡수된다. 실내 코일(28)과 액체 냉매 사이의 이러한 열 전달은 주위의 실내 공기를 냉각한다. 반대로, 실내 코일(28)이 응축기로서 작동할 시, 기화 냉매로부터의 열은 실내 코일(28)에 의해 방출되어, 주위의 실내 공기를 가열한다.

스크롤 압축기(16)가 실외기(12) 내부에 수납될 수 있고 히트 펌프 시스템(10)을 가압하여, 냉매가 시스템(10) 전체에 걸쳐 순환된다. 스크롤 압축기(16)는 흡입 포트(36), 배출 포트(38), 및 증기 분사 포트(40)를 포함한다. 배출 포트(38)는 도관(42)에 의해 4-웨이 밸브(34)에 유체식으로 결합되어, 압축 냉매는 4-웨이 밸브(34)를 통해 실외기 및 실내기(12, 14)에 분배될 수 있다. 흡입 포트(36)는 도관(44)을 거쳐 어큐뮬레이터 탱크(18)에 유체식으로 결합되어, 스크롤 압축기(16)는 압축을 위해 어큐뮬레이터 탱크(18)로부터 냉매를 유입시킨다.

스크롤 압축기(16)는 어큐뮬레이터 탱크(18)로부터 흡입 포트(36)에서 냉매를 수용하고, 어큐뮬레이터 탱크(18)는 도관(46)을 통해 4-웨이 밸브(34)에 유체식으로 결합된다. 또한, 어큐뮬레이터 탱크(18)는 스크롤 압축기(16)에 의한 압축을 위해 실외기 및 실내기(12, 14)로부터 냉매를 수용한다. 어큐뮬레이터 탱크(18)는 실외기 및 실내기(12, 14)로부터 수용된 저압 냉매를 저장하고 압축기(16)가 액체 상태의 냉매를 수용하는 것을 방지한다.

증기 분사 포트(40)는 도관(58)을 통해 증기 분사 시스템(20)에 유체식으로 결합되고 증기 분사 시스템(20)으로부터 압축 냉매를 수용한다. 체크 밸브(60)가 대략 증기 분사 포트(40)와 증기 분사 시스템(20) 사이의 도관(58) 상에 제공될 수 있어 냉매가 증기 분사 포트(40)로부터 증기 분사 시스템(20)에 흐르는 것을 막는 다.

증기 분사 시스템(20)은 어큐뮬레이터 탱크(18)에 의해 공급되는 압력보다 높은 압력 레벨이지만, 스크롤 압축기(16)에 의해 생성되는 압력보다 낮은 압력 상태인 가압 증기를 생성한다. 가압 증기가 고압력 레벨에 도달한 후에, 증기 분사 시스템(20)은 가압 냉매를 증기 분사 포트(40)를 통해 스크롤 압축기(16)에 급송할 수 있다. 가압 기화 냉매를 스크롤 압축기(16)에 급송함으로써, 시스템의 용량과 효율이 향상될 수 있다. 효율에 있어서의 이러한 증가는 실외 온도와 소정의 실내 온도와의 차이가 비교적 클 경우(즉, 덥거나 추운 날씨 동안) 보다 더 현저해질 수 있다.

도 1을 참조하면, 분사 증기 시스템(20)은 플래시 탱크(62), 입구 팽창 장치(64), 출구 팽창 장치(66), 및 냉각 팽창 장치(68)를 포함하여 도시되어 있다. 각각의 팽창 장치(64, 66, 68)가 모세관으로 설명될 것이고, 도면에 도시되어 있지만, 팽창 장치(64, 66, 68)는 선택적으로 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브 또는 전자 팽창 밸브일 수 있다는 것을 알아야 한다.

플래시 탱크(62)는 내부 볼륨(76)에 각각 유체식으로 결합된 입구 포트(70), 증기 출구(72), 및 차냉각 액체 출구(74)를 포함한다. 입구 포트(70)는 도관(78, 80)을 통해 실외기 및 실내기(12, 14)에 유체식으로 결합된다. 증기 출구(72)는 도관(58)을 통해 스크롤 압축기(16)의 증기 분사 포트(40)에 유체식으로 결합되는 한편, 차냉각 액체 출구(74)는 도관(82, 80)을 통해 실외기 및 실내기(12, 14)에 유체식으로 결합된다.

히트 펌프 시스템(10)이 냉각 모드로 설정되는 경우(도 2), 증기 분사 시스템(20)이 바이패스되어, 증기가 압축기(16)의 증기 분사 포트(40)에 분사되지 않고 차냉각 액체 냉매가 실내 열 교환기(28)에 공급되지 않는다.

냉각 모드에서는, 스크롤 압축기(16)는 어큐뮬레이터 탱크(18) 상에 흡입력을 가하여 스크롤 압축기(16) 내로 기화 냉매를 유입시킨다. 증기가 충분히 가압되면, 고압 냉매가 배출 포트(38) 및 도관(42)을 통해 스크롤 압축기(16)로부터 배출된다. 4-웨이 밸브(34)가 가압 냉매를 도관(84)을 통해 실외기(12)로 안내한다. 실외 코일(22)에 도달했을 때, 냉매는 외부 공기, 코일(22), 및 스크롤 압축기(16)에 의해 가해진 압력 사이의 상호작용으로 인해 축적된 열을 방출한다. 냉매가 충분한 양의 열을 방출한 후, 냉매는 기체 즉 기화 상태에서 액체 상태로 상 변화한다.

냉매가 기체에서 액체로 상 변화한 후, 냉매는 실외 코일(22)에서 도관(80)을 통해 실내 코일(28)로 이동한다. 체크 밸브(86)가 도관(82)을 따라 위치되어 액체 냉매가 출구(74)에서 플래시 탱크(62) 내로 들어가는 것을 막는다. 실외 코일(22)로부터의 액체 냉매는 플래시 탱크(62)로부터의 차냉각 액체 냉매보다 높은 압력 상태이므로 플래시 탱크(62)로부터의 차냉각 액체 냉매는 실외 코일(22)로부터의 액체 냉매와 혼합되지 않는다.

모세관(68)이 대략 도관(80)을 따라 실외기(12)와 실내기(14) 사이에 배치된다. 모세관(68)은 이동하는 액체 냉매와 모세관(68)의 내벽 사이의 상호작용으로 인해 액체 냉매의 압력을 낮춘다. 액체 냉매의 낮은 압력은 냉매가 실내기(14)에 도달하기 전에 냉매를 팽창시키고, 액체 냉매는 다시 기체 상태로 전이하기 시작한다.

시스템(10)이 초기에 시동될 때 모세관(68)을 빠져나오는 저압 냉매의 일부는 도관(78)을 통해 플래시 탱크(62)의 입구(70)로 들어간다. 저압 냉매는 플래시 탱크(62) 내부 압력이 모세관(68)의 출구 압력과 동일해질 때까지 플래시 탱크(62)를 계속 충전시킨다. 증기 분사 포트(40)의 냉매의 압력은 모세관(68)의 출구 압력보다 높으므로 저압 냉매는 압축기(16)의 증기 분사 포트(40)에 유입되지 않는다. 그러므로, 냉각 모드 동안, 플래시 탱크(62)의 내부 볼륨(76)은 저장 용기 역할을 한다. 플래시 탱크(62)로부터 압축기(16)의 증기 분사 포트(40)로의 증기의 유동은 연속적 유동이 없기 때문에, 차냉각 액체 냉매가 플래시 탱크(62) 내부에서 발생되지 않는다. 전술한 바와 같이, 저장된 저압 냉매(즉, 차냉각 액체 냉매)는 냉각 모드 동안 플래시 탱크(62)의 출구(74)를 통해 도관(80)에 흐르는 냉매와 혼합되지 않는다.

실내기(14)에 도달했을 때, 액체 냉매는 실내 코일(28)에 들어가 액체 상태에서 기체 상태로의 전이를 완료한다. 액체 냉매는 저압 상태(전술한 바와 같이, 모세관(68)의 상호 작용으로 인한)로 실내 코일(28)에 들어가고 주위로부터 열을 흡수한다. 팬(30)이 공기를 코일(28)에 통과시킴으로써, 냉매가 열을 흡수하고 상 변화를 완료하여, 실내 코일(28)을 통과하는 공기를 냉각하고, 따라서 주위를 냉각한다. 냉매가 실내 코일(28)의 말단에 도달하면, 냉매는 저압의 기체 상태에 있다. 이 시점에서, 스크롤 압축기(16)로부터의 흡입은 냉매가 도관(88) 및 4-웨이 밸브(34)를 통해 어큐뮬레이터 탱크(18)에 복귀하는 것을 야기한다.

히트 펌프 시스템(10)이 가열 모드(도 3)로 설정되는 경우, 증기 분사 시스템(20)은 중간 압력의 증기를 스크롤 압축기(16)의 증기 분사 포트(40)에 제공하고 차냉각 액체 냉매를 실외 열 교환기(22)에 제공한다.

가열 모드에서, 스크롤 압축기(16)는 어큐뮬레이터 탱크(18) 상에 흡입력을 가하여 기화 냉매를 스크롤 압축기(16) 내로 유입시킨다. 증기가 충분히 가압되면, 고압 냉매는 배출 포트(38) 및 도관(42)을 통해 스크롤 압축기(16)로부터 배출된다. 4-웨이 밸브(34)가 가압 냉매를 도관(88)을 통해 실내기(14)로 안내한다. 실내 코일(28)에 도달했을 때, 냉매는 내부 공기, 코일(28), 및 스크롤 압축기(16)에 의해 가해진 압력 사이의 상호 작용으로 인해 축적된 열을 방출하고, 그로써 주변 영역을 가열한다. 냉매가 충분한 양의 열을 방출하면, 냉매는 기체 즉 기화 상태에서 액체 상태로 상 변화한다.

냉매가 기체에서 액체로 상 변화하면, 냉매는 실내 코일(28)에서 도관(80, 78)을 통해 실외 코일(22)로 이동한다. 액체 냉매는 먼저 체크 밸브(90)에 도달할 때까지 도관(80)을 따라 이동한다. 체크 밸브(90)는 실내 코일(28)에서 실외 코일(22)로의 도관(80)을 따른 액체 냉매의 이후의 이동을 제한한다. 그럼으로써, 체크 밸브(90)는 액체 냉매가 도관(78) 내로 흐르고 모세관(64)과 만나는 것을 야기한다.

냉매가 입구(70)에서 플래시 탱크(62)에 들어가기 전에, 모세관(68)은 실내 코일(28)로부터의 냉매를 팽창시킨다. 냉매의 팽창은 냉매가 액체 상태에서 기체 상태로의 전이를 시작하는 것을 야기한다. 액체 냉매가 입구(70)를 통해 유동함으로써, 플래시 탱크(62)의 내부 볼륨(76)이 채워지기 시작한다. 플래시 탱크(62)의 볼륨이 충전됨에 따라 유입되는 액체 냉매는 정해진 내부 볼륨(76)이 가압되는 것을 야기한다.

액체 냉매가 플래시 탱크(62)에 도달하면, 액체 냉매는 열을 방출하여 액체 냉매의 일부는 증기화하고 일부는 차냉각 액체 상태로 되는 것을 야기한다. 이 시점에서, 플래시 탱크(62)는 기화 냉매와 차냉각 액체 냉매 양자의 혼합물을 갖는다. 이 기화 냉매는 코일(22, 28)을 떠나는 기화 냉매의 압력보다는 높은 압력 상태이지만 스크롤 압축기(16)의 배출 포트(38)를 떠나는 기화 냉매보다는 낮은 압력 상태이다.

기화 냉매가 증기 출구(72)를 통해 플래시 탱크(62)를 나와 스크롤 압축기(16)의 증기 분사 포트(40) 내부로 이송된다. 가압 기화 냉매는 스크롤 압축기(16)가 소정의 출구 압력을 가진 출구 냉매 스트림을 급송하는 것을 야기하여, 그에 의해 시스템(10)의 전체 효율을 향상시킨다.

차냉각 액체 냉매는 출구(74)를 통해 플래시 탱크(62)를 나오고 도관(82, 80)을 통해 실외기(12)에 도달한다. 차냉각 액체 냉매는 출구(74)를 떠나 모세관(66)과 만나며, 이 모세관(66)은 실외 코일(22)에 도달하기 전에 액체 냉매를 팽창시켜 외부로부터 열을 추출하는 냉매의 성능을 향상시킨다. 냉매가 실외 코일(22)을 통해 외부로부터 열을 흡수하면, 냉매는 다시 한번 기체 상태로 되돌아가고 도관(84) 및 4-웨이 밸브(34)를 통해 어큐뮬레이터 탱크(18)로 복귀하여 사이클을 다시 시작한다.

상술한 바와 같이, 히트 펌프 시스템(10)은 가열 모드 동안 사용하는 증기 분사 시스템(20)을 제공한다. 증기 분사 시스템(20)은 시스템(10)의 냉각 모드 동안에는 바이패스되어, 냉각시 차냉각 액체 냉매는 실내기에 의해 수용되지 않는다. 하지만, 히트 펌프 시스템(10)은 차냉각 모드 동안 사용하는 증기 분사 시스템(20)을 선택적으로 포함할 수 있고, 이럴 경우 증기 분사 시스템(20)이 시스템의 배열을 단순히 반대로 함에 의해 가열 모드에서 바이패스될 수 있다.

본 발명의 설명은 사실상 단지 예시일 뿐이며, 따라서, 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변경이 본 발명의 범위 내에서 도모될 수 있다. 이러한 변경은 본 발명의 정신 및 원리로부터 벗어나지 않는 것으로 간주되어야 한다.

본 발명에 의하면, 냉각 모드와 가열 모드 중 하나에서 증기 분사 시스템을 사용하고 다른 하나의 모드에서는 바이패스하여, 냉각 모드와 가열 모드 양자 모두에서 시스템의 용량 및 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

히트 펌프 시스템에 있어서:

제 1 유동 방향 및 제 2 유동 방향으로 냉매를 통과시키도록 작동가능한 제 1 열 교환기;

상기 제 1 열 교환기와 유체 연통되고 상기 제 1 유동 방향 및 상기 제 2 유동 방향으로 냉매를 통과시키도록 작동가능한 제 2 열 교환기;

상기 제 1 및 제 2 열 교환기의 각각과 유체 연통되고 상기 제 1 유동 방향 및 상기 제 2 유동 방향으로 냉매를 압축시키도록 작동가능한 스크롤 압축기; 및

플래시 탱크와 바이패스 관을 포함하는 유체 회로로서,

상기 플래시 탱크는 상기 제 1 열 교환기 및 제 2 열 교환기와 각각 유체 연결되는 흡입관 및 제 1 출구관을 가지고, 상기 제 1 유동 방향을 따라 차냉각 액체 냉매를 상기 제 2 열 교환기로 급송되도록 작동되며,

상기 바이패스 관은 상기 흡입관과 상기 제 1 출구관 사이에 배치되고, 상기 바이패스 관 및 상기 플래시 탱크 사이에 압력 차이를 형성하여, 상기 제 2 유동 방향을 따라 차냉각 액체 냉매가 상기 제 1 열 교환기로 흐르는 것을 방지하도록 작동하는 유체 회로;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 관내에 배치되고 상기 제 2 유동 방향에서 냉매의 압력을 감소시키도록 작동가능한 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 스크롤 압축기는 상기 플래시 탱크와 유체 연통되고 상기 제 1 유동 방향으로 기화 냉매를 수용하도록 작동가능한 증기 분사 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 증기 분사 포트와 상기 플래시 탱크 사이에 배치되어 상기 증기 분사 포트로부터 상기 플래시 탱크로의 냉매 유동을 방지하는 체크 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 스크롤 압축기의 출구에 배치되고 상기 제 1 유동 방향 및 상기 제 2 유동 방향으로 냉매를 안내하도록 작동가능하여 가열 기능과 냉각 기능 사이에서 히트 펌프를 선택적으로 변경할 수 있는 4-웨이 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유동 방향은 가열 모드와 냉각 모드 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 7 항에 있어서, 상기 제 2 유동 방향은 상기 가열 모드와 상기 냉각 모드 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기와 상기 플래시 탱크 사이에 배치된 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중의 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기는 응축기 및 증발기 중의 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기는 상기 응축기 및 상기 증발기 중의 다른 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 플래시 탱크의 상기 출구관에 인접하게 배치된 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 13 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 플래시 탱크는 상기 스크롤 압축기에 유체식으로 결합되고 상기 제 1 유동 방향으로 기화 냉매를 상기 스크롤 압축기에 급송하도록 작동가능한 증기 분사 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 1 열 교환기와 제 2 열 교환기 사이의 유체 회로를 통해 냉매를 재순환시키고, 상기 유체 회로에 결합된 스크롤 압축기를 포함하는 타입의 히트 펌프 시스템 내의 증기 분사 시스템에 있어서:

상기 제 1 및 제 2 열 교환기와 유체 연통된 흡입관 및 제 1 출구관을 가지고 제 1 유동 방향으로 차냉각 액체 냉매를 상기 제 2 열 교환기에 급송하도록 작동가능한 플래시 탱크; 및

상기 흡입관과 상기 제 1 출구관 사이에 배치되는 바이패스 관으로서, 상기 바이패스 관과 상기 플래시 탱크 사이에 압력 차를 형성하여 제 2 유동 방향으로 차냉각 액체 냉매가 상기 제 1 열 교환기로 유동하는 것을 방지하도록 작동가능하게 되어있는 바이패스 관;을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 바이패스 관내에 배치되고 상기 제 2 유동 방향으로 냉매의 압력을 감소시키도록 작동가능한 팽창 장치를 더 포함하고 있 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 17 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 열 팽창 밸브, 전기 팰창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 스크롤 압축기는 상기 플래시 탱크와 유체 연연통되고 상기 제 1 유동 방향으로 기화 냉매를 수용하도록 작동가능한 증기 분사 포트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 19 항에 있어서, 상기 증기 분사 포트와 상기 플래시 탱크 사이에 배치되어 상기 증기 분사 포트로부터 상기 플래시 탱크로의 냉매 유동을 방지하는 체크 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 스크롤 압축기의 출구에 배치되고 상기 제 1 유동 방향 및 상기 제 2 유동 방향으로 냉매를 안내하도록 작동가능하여 가열 기능 및 냉각 기능 사이에서 증기 분사를 선택적으로 변경할 수 있는 4-웨이 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 제 1 유동 방향은 가열 모드와 냉각 모드 중 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 22 항에 있어서, 상기 제 2 유동 방향은 상기 가열 모드와 상기 냉각 모 드 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기와 상기 플래시 탱크 사이에 배치된 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 24 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기는 응축기 및 증발기 중의 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 26 항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기는 상기 응축기 및 상기 증발기 중의 다른 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 플래시 탱크의 상기 출구관에 인접하게 배치된 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 28 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 플래시 탱크는 상기 스크롤 압축기에 유체식으로 결합되고 상기 제 1 유동 방향으로 기화 냉매를 상기 스크롤 압축기에 급송하도록 작동가능한 증기 분사 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 분사 시스템.
가열 모드와 냉각 모드 사이에서 작동가능한 히트 펌프 시스템에 있어서:

제 1 열 교환기;

상기 제 1 열 교환기와 유체 연통된 제 2 열 교환기;

상기 제 1 및 제 2 열 교환기의 각각과 유체 연통된 스크롤 압축기;

상기 제 1 및 제 2 열 교환기 및 상기 스크롤 압축기의 각각과 유체 연통되고, 상기 제 1 및 제 2 열 교환기에 유체식으로 결합된 입구, 상기 제 1 및 제 2 열 교환기에 유체식으로 결합된 제 1 출구, 및 상기 스크롤 압축기에 유체식으로 결합되고 제 1 모드에서 기화 냉매를 상기 스크롤 압축기에 급송하도록 작동가능한 제 2 출구를 포함하는 플래시 탱크; 및

상기 제 2 열 교환기와 제 1 열 교환기 사이에 배치되는 팽창 장치로서, 상기 플래시 탱크로의 냉매를 감소시켜 상기 플래시 탱크가 제 2 모드에서 기화 냉매를 상기 스크롤 압축기에 공급하는 것을 방지하도록 작동가능하게 되어있는 팽창 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 플래시 탱크의 상기 제 1 출구에 인접하게 배치되어 냉매가 상기 제 1 출구 내로 유동하는 것을 방지하는 체크 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 제 1 출구에 인접하게 배치된 팽창 장치를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 34 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 모세관, 솔레노이드 밸브, 열 팽창 밸브, 전기 팽창 밸브 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 제 1 모드는 냉각 모드 및 가열 모드 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제 36 항에 있어서, 상기 제 2 모드는 상기 냉각 모드 및 상기 가열 모드 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.