KR100960059B1 - 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 시스템을 이용한 냉방기에 관한 것으로, 본 발명의 냉방기는 그 내부가 진공상태이며, 그 내부에 다수의 온수 분기관(13)이 냉매에 잠긴 상태로 설치되는 가열기(10)가 구비되고; 상기 가열기(10)는 증기관(L1)을 통해 응축기(20)와 연결되며; 상기 가열기(10)와 응축기(20)를 연결하는 증기관(L1)에는 이젝터(50)가 설치되고; 상기 응축기(20)의 출구는 상기 가열기(10)와 유량조절장치(30)에 연결되어 상기 응축기(20)에 의해 응축된 냉매의 일부는 상기 유량조절장치(30)에 공급되고, 나머지 냉매는 상기 가열기(10)로 환수되며; 상기 유량조절장치(30)는 증발기(40)와 연결되고; 상기 증발기(40)의 출구는 상기 이젝터(50)에 연결되는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 여름철에 남는 태양열 에너지를 이용하여 압축기를 구비하지 않고도 냉방할 수 있어 에너지의 효율적인 이용을 달성할 수 있다.

냉동기, 태양열, 응축기, 이젝터

Description

태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기{AIR CONDITIONER USES A SOLAR ENERGY}

본 발명은 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 여름철 온수와 난방을 사용하지 않기 때문에 태양열 집열기를 통해 집열된 에너지를 이용하여 가열된 온수가 사용되지 않고 남게 되는데, 본 발명은 사용되지 않고 남는 온수를 이용하여 냉방함으로써 에너지를 절감할 수 있도록 하는 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기에 관한 것이다.

태양열을 이용하는 것으로 태양열 집열기가 알려져 있다. 이러한 태양열 집열기는 태양열을 집열하여 물을 가열하여 온수를 만들어 난방용이나 온수로 공급하는데, 여름철에는 난방과 온수 수요가 많지 않으므로 여름철에는 집열된 에너지를 사용하지 않고 그냥 버리는 경우가 많다.

이러한 태양열 에너지를 효과적으로 사용하기 위한 방안으로 흡수식 냉동기를 사용하는 방법이 알려져 있는데, 그 하나의 예로서 실용신안등록 제0230604호 (태양열을 이용한 흡수식 냉동기)를 들 수 있다.

상기 문헌에 개시된 냉동기는 도 1에 도시된바와 같이 증발기(100), 흡수기(110), 펌프(120), 열교환기(130), 발생기(140), 분리기(150), 정류기(160), 응축기(170), 수액기(180), 감압밸브(190), 팽창밸브(200)로 구성된 흡수식 냉방기와 태양 추적장치가 구비된 태양열 집열장치(210) 및 태양열 집열장치에서 집열된 에너지를 이용하여 물을 가열하는 태양열 보일러(220)를 포함한다.

그러나 상기 문헌에 개시된 것과 같은 흡수식 냉동기는 대형일 뿐만 아니라 가격도 비싸 농가나 단독 주택의 가정용 냉동기로 사용하는 데에는 많은 제약이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명은 구조가 간단하여 설치 공간의 제약이 적으며 여름철에 남는 태양열 에너지를 이용하여 실내를 냉방시킬 수 있는 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 그 내부가 진공상태이며, 그 내부에 다수의 온수 분기관이 냉매에 잠긴 상태로 설치되는 가열기가 구비되고; 상기 가열기는 증기관을 통해 응축기와 연결되며; 상기 가열기와 응축기를 연결하는 증기관에는 이젝터가 설치되고; 상기 응축기의 출구는 상기 가열기와 유량조절장치에 연결되어 상기 응축기에 의해 응축된 냉매의 일부는 상기 유량조절장치에 공급되고, 나머지 냉매는 상기 가열기로 환수되며; 상기 유량조절장치는 증발기와 연결되고; 상기 증발기의 출구는 상기 이젝터에 연결하는 것에 의해 달성된다.

이때 유량조절장치는 응축기와 증발기를 연결하는 응축액 공급관에 서로 다른 높이로 설치되는 2개의 저장조와; 상기 저장조를 수평으로 연결하는 연결관과; 상기 연결관 양단에 각각 설치되는 수위조절기를 포함하여 실시될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 압축기를 사용하지 않고도 여름철 태양열 집열기를 통해 가열된 남는 온수를 사용하여 실내 냉방을 할 수 있고, 이와 더불어 태양열 집열판을 냉각시키는데 필요한 전기 에너지로 팬을 가동시키므로 에너지를 최대한 절약할 수 있으며, 구조가 간단하여 설치비가 많이 들지 않으며, 아울러 설치 공간의 제약이 적은 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 냉방기의 예를 보인 구성도로서 이 도면에 도시된바와 같이 본 발명은 가열기(10), 응축기(20), 유량조절장치(30) 및 증발기(40)로 이루어지며, 가열기(10)와 응축기(20) 사이에는 이젝터(50)를 포함하는 구조이다.

가열기(10)는 여름철 태양열 집열기(미도시)에서 집열된 열에너지를 이용하여 물을 가열하는 보일러로부터 열원(온수)을 공급받아 그 내부에 수용된 냉매를 가열하여 증기를 발생시키는 장치이다.

이러한 가열기(10)는 도 3과 도 4에 도시된바와 같이 그 내부가 진공상태인 내부로 온수가 흐르도록 양측단에 온수유입관(11)과 온수배출관(12)이 구비되며, 이 온수유입관(11)과 온수배출관(12) 사이에는 다수의 분기관(13)이 구비되어 연결 되며, 이들 분기관(13)은 냉매에 잠긴 상태로 설치된다.

이러한 구조에 의해 본 발명의 가열기(10)는 태양열에 의해 가열된 온수가 온수유입관(11)을 통해 내부로 유입되어 다수의 분기관(13)을 따라 흐르면서 그 내부에 수용된 냉매와 열교환을 이루어 냉각되고, 이 냉각된 온수는 온수배출관(12)을 통해 태양열 보일러로 환수된다.

가열된 분기관(13)과의 열교환에 의해 가열된 냉매는 증기 상태가 되어 가열기(10) 상부에 마련된 증기배출구(14)를 통해 증기관(L1)을 따라 배출되는데, 이때 가열기(10) 내부가 진공상태이므로 증발이 쉽게 일어난다.

한편, 가열기(10)는 후술하는 응축기(20)와 증발기(40)에 공급된 응축액을 환수할 수 있도록 응축액 유입구(15)를 포함하며, 가열기(10) 내부에 있을 수 있는 공기를 취출하기 위한 공기취출구(16)를 포함한다.

상기 가열기(10)에 의해 가열되어 기체 상태로 된 고압의 냉매 증기는 응축기(20)에 공급되고, 이 응축기(20)에는 냉각팬이 구비되어 있어 이 냉각팬에 의해 냉각되어 액체 상태로 응축액 공급관(L2)을 통해 증발기(40)로 흐른다.

일반적으로 태양열 집열판에는 과열을 방지하기 위해 냉각기가 설치되는데 본 발명은 온수를 계속적으로 사용하게 되므로 태양열 집열판을 냉각시키기 위해 굳이 냉각기를 사용하지 않아도 되고, 이에 따라 냉각기에 공급되는 전기 에너지를 응축기(20)의 팬 구동을 위한 동력으로 사용할 수 있으므로 이를 통해 에너지를 절감할 수 있다.

응축기(20)의 출구는 후술하는 증발기(40)에 적정 유량의 냉매 응축액을 공급하는 유량조절장치(30)와 가열기(10)에 연결되어 응축된 냉매의 일부는 유량조절장치(30)로 공급되고, 나머지 냉매는 가열기(10)로 다시 환수되도록 하여 가열기(10)에 항상 냉매를 공급함으로써 가열기(10) 내부에서의 냉매 증발이 계속 일어나도록 한다.

이를 위해 응축기(20) 내에는 가열기(10)에서 증기가 공급되는 증기관(L1)과 응축기(20)를 통해 응축된 응축액이 흐르는 응축액 공급관(L2) 및 과급된 응축액이 가열기(10)로 환수될 수 있도록 응축액 환수라인(60A)이 T-자형 배관을 통해 연결된다.

유량조절장치(30)는 응축액 공급관(L2)에 의해 응축기(20)와 연결되는데, 이러한 유량조절장치(30)는 도 5에 도시된바와 같이 서로 다른 높이로 설치되는 한 쌍의 저장조(31, 32)와 상기 저장조(31, 32)를 수평으로 연결하는 연결관(33) 및 상기 연결관(33) 양단에 각각 설치되는 수위조절기(34)로 이루어지며, 각 저장조(31, 32) 내의 수위조절기(34)는 연결관(33)의 양단을 차폐하는 구조로 이루어져, 각각의 저장조(31, 32) 내로 유입되는 응축액의 액위에 따라 응축액을 공급하거나 차단하게 된다.

즉, 냉매 응축액이 응축액 공급관(L2)을 통해 첫 번째 저장조(31)로 유입되면 첫 번째 수위조절기(34)는 응축액이 일정높이가 될 때까지 두 번째 저장조(32)와 연결되는 연결관(33)을 차단하고 있어 응축액이 저장조(31) 내에 저장되고, 응축액이 일정 액위에 도달하게 되면 첫 번째 수위조절기(34)가 상승하여 연결관(33) 을 개방하고, 이에 의해 응축액이 연결관(33)을 따라 두 번째 저장조(32)로 흐른다.

두 번째 저장조(32)에 설치된 수위조절기(32)는 기본적으로 연결관(33)의 입구를 개방하고 있는데, 응축액이 연결관(33)을 따라 두 번째 저장조(32)로 흘러 두 번째 저장조(32) 내의 응축액의 액위가 일정 높이 이상이 되면 수위조절기(34)가 연결관(33)을 차단하여 첫 번째 저장조(32)로부터의 응축액의 공급이 차단되도록 한다.

두 번째 저장조(32)의 액위가 높아져 응축액의 공급이 차단되면 응축액이 첫 번째 저장조(31)에 머무르게 되고, 이러한 상황이 계속되는 경우 응축액이 유량조절장치(30)로 공급되지 않고 응축기(20) 내부의 T-자형 배관을 통해 응축액 환수라인(60A) 쪽으로 흘러 가열기(10) 내부로 냉매가 다시 환수된다.

이와 같이 유량조절기(30)를 한 쌍의 저장조(32)로 구성하여 첫 번째 저장조(32)에 의해 주로 기액을 분리하는 동시에 응축액의 공급을 조절한 다음, 두 번째 저장조(32)에 의해 응축액의 공급을 다시 조절함으로써 응축액의 공급양을 정교하게 조절할 수 있으며, 이와 동시에 응축액이 증발기(40)에 과급되는 것을 방지한다.

유량조절기(30)의 하류측에는 증발기(40)가 연결되어 공기와의 열교환을 통해 실내를 냉방시키게 되는데, 응축액 공급관(L2)과 연결되는 증발기(40)의 입구 단부에는 오리피스(41)를 설치하여 이에 의해 냉매 응축액이 팽창되면서 증발기(40) 내부를 흐르도록 하여 실내를 냉각시키도록 한다.

본 발명은 가열기(10)에 항상 일정량 이상의 냉매가 공급될 수 있도록 응축기(20)의 용량은 다소 크게 하고, 증발기(40)의 용량은 응축기(20)의 용량에 비해 다소 작게 하는데, 이에 따라 증발기(40)에 필요 이상의 응축액이 공급될 수 있고, 이 경우 액체 상태의 냉매가 증발기(40)에 의해 모두 기화되지 않고 액체 상태로 남아 있을 수 있는데, 이에 따라 본 발명에서는 증발기(40)의 하류측에 기액분리기(64)를 설치하고 이 기액분리기(64)로부터 분리된 액체 상태의 냉매를 응축액 환수라인(60B)을 통해 가열기(10)로 다시 환수되도록 하고, 기체 상태의 냉매는 증기라인(L4)을 통해 후술하는 이젝터(ejector, 50)에 연결되도록 하여 증기관(L1)을 통과하는 냉매 증기에 의해 증기관(L1)을 따라 재순환되도록 한다.

본 발명에서는 냉동 시스템에서 일반적으로 사용되는 압축기를 사용하지 않고 대신에 가열기(10)와 응축기(20)를 연결하는 증기관(L1)에 이젝터(50)를 설치하여 사용한다.

이젝터(50)는 압력이 있는 증기, 공기, 물 등을 좁은 노즐로 통과시켜 주위 보다 낮은 압력을 형성하고, 이 저압상태를 이용하여 노즐의 측면과 연결된 배관을 통해 증기나 물이 흡수될 수 있도록 하는 장치이다.

본 발명은 이러한 기능을 가진 이젝터(50)를 가열기(10)와 응축기(20)를 연결하는 증기관(L1)에 연결하고, 증발기(40)를 빠져 나온 기체 상태의 냉매를 이젝터(50)의 측면에 연결함으로써 가열기(10)를 통해 생성된 고온 고압의 증기가 응축기(20)로 공급되기 이전에 이젝터(50)를 통과하면서 빠르게 이동하게 되고, 이 과정에서 이젝터(50)의 내부가 저압이 되며, 이에 의해 증발기(40)를 빠져 나온 기체 상태의 냉매가 이젝터(50) 내부로 흡입되어 고온고압의 냉매 증기와 함께 응축기(20) 쪽으로 공급된다.

즉, 본 발명은 가열기(10)를 통해 생성된 고온 고압의 증기를 이젝터(50)를 통과시켜 이 과정에서 생기는 추력에 의해 냉매를 순환시키는 것이고, 이에 따라 항상 가열기(10)에는 일정량 이상의 냉매가 공급되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에는 냉매를 가열기(10) 내로 재공급하기 위한 응축액 환수라인(60A, 60B)이 구비되고, 이 응축액 환수라인(60A, 60B)은 가열기(10)의 응축액 유입구(15)와 연결되는데, 이러한 냉매의 환수는 가열기(10) 내에서 증발된 냉매의 압력 변화에 따라 이루어지며, 이를 위해 상기 응축액 환수라인(60A, 60B)의 응축기(20)와 증발기(40)측 각각에 제1, 2밸브(61, 62)를 구비하고, 가열기(10) 측에는 자동밸브(63)를 더 구비한다.

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 응축액 환수라인(60A, 60B)의 작동예를 도 6 및 도 7을 통해 설명한다.

<작동예>

먼저 응축액 환수라인(60A)의 작동시에 대해 설명하면, 도 6에 도시된바와 같이 응축액 환수라인(60A)의 압력이 증기관(L1)의 증기 압력과 같으면 제1밸브(61)를 개방하는 동시에 제2 밸브(62)와 자동밸브(63)를 차단하고, 일정시간이 경과하면 제1 밸브(61)를 차단한 후 자동밸브(63)를 개방하여 응축액을 가열기(10) 내로 환수시킨다.

발생된 증기의 압력이 응축액 환수라인(60A) 내의 압력과 같으면 응축기(20)에서 저압의 응축액을 생성하더라도 냉방에 적절한 저온을 이룰 수 없기 때문에 이를 가열기(10)로 재환수시켜 재증발시키는 과정을 거쳐 적정 이상의 고압이 되도록 한다.

또한 응축기(20)를 거쳐 유량조절장치(30)에 공급된 응축액이 과급되는 경우에도 더 이상의 응축액이 유량조절장치(30)에 공급되지 않고 응축액 환수라인(60A)을 통해 흘러 가열기(10) 내로 환수된다.

이러한 응축액 환수라인(60A)은 냉방기 가동 중에도 수시로 압력을 비교하여 압력이 떨어지면 압력을 상승시키도록 상기 과정을 수행하며, 이를 통해 가열기(10) 내에 증발된 냉매를 수시로 보충하여 이젝터(50)의 작동이 원활하게 이루어질 수 있게 한다.

다음은 응축액 환수라인(60B)의 작동시에 대해 설명하면, 도 7에 도시된바와 같이 응축액 환수라인(60B)의 압력이 증발기(40)의 압력과 같으면 제2 밸브(62)를 개방하며 동시에 제1 밸브(61)와 자동밸브(63)를 차단하고, 일정시간이 경과하면 제2 압력밸브(62)를 차단한 후, 자동밸브(63)를 개방하여 응축액을 가열기(10) 내로 환수한다.

이때, 응축액 환수라인(60B)에는 체크밸브(V)가 구비되어 응축기(20)측에서 응축액 환수라인(60A)을 통해 유입되는 응축액이 기액분리기(64)측으로 역류되지 않도록 한다.

이와 같은 응축액 환수라인(60A, 60B)의 동작은 응축액 환수라인(60A)에 의한 응축액의 환수 동작이 2회 실시된 다음, 응축액 환수라인(60B)의 동작을 1회 실시되는데, 응축액 환수라인(60B)에 압력 내지 기압분리기(64)를 통해 분리된 응축액의 양이 적을 경우에는 동작 수행을 생략할 수 있다.

도 1은 종래의 태양열을 이용한 흡수식 냉방기의 예를 보인 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기의 예를 보인 구성도,

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 가열기를 보인 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 유량조절장치의 예를 보인 구성도,

도 6과 도 7은 본 발명에 따른 제1, 2 밸브의 작동예를 보인 사용상태도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

10: 가열기 11: 온수유입관

12: 온수배출관 13: 분기관

14: 증기배출구 15: 응축액 유입구

16: 공기취출구 20: 응축기

30: 유량조절장치 31, 32: 저장조

33: 연결관 34: 수위조절기

40: 증발기 50: 이젝터

60A, 60B: 응축액 환수라인 61: 제1 밸브

62: 제2 밸브 63: 자동밸브

64: 기액분리기 L1: 증기관

L2: 응축액 공급관 L3: 배관

L4: 증기라인 V: 체크밸브

Claims (5)

1. 그 내부가 진공상태이며, 그 내부에 다수의 온수 분기관(13)이 냉매에 잠긴 상태로 설치되는 가열기(10)가 구비되고;

   상기 가열기(10)는 증기관(L1)을 통해 응축기(20)와 연결되며;

   상기 가열기(10)와 응축기(20)를 연결하는 증기관(L1)에는 이젝터(50)가 설치되고;

   상기 응축기(20)의 출구는 상기 가열기(10)와 유량조절장치(30)에 연결되어 상기 응축기(20)에 의해 응축된 냉매의 일부는 상기 유량조절장치(30)에 공급되고, 나머지 냉매는 상기 가열기(10)로 환수되며;

   상기 유량조절장치(30)는 증발기(40)와 연결되고;

   상기 증발기(40)의 출구는 상기 이젝터(50)에 연결되되;

   상기 유량조절장치(30)는 상기 응축기(20)와 증발기(40)를 연결하는 응축액 공급관(L2)에 서로 다른 높이로 설치되는 한 쌍의 저장조(31, 32)와; 상기 저장조(31, 32)를 수평으로 연결하는 연결관(33)과; 상기 연결관(33) 양단에 각각 설치되는 수위조절기(34)를 포함하며;

   상기 증발기(40)의 하류측에는 기액분리기(64)가 설치되고;

   상기 응축기(20)와 증발기(40)측 각각에 구비되는 제1, 2 밸브(61, 62)를 구비하는 응축액 환수라인(60A, 60B)과, 상기 응축액 환수라인(60A, 60B)의 가열기(10)측에 구비되는 자동밸브(63)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 응축액 환수라인(60B)의 압력이 증발기(40)의 압력과 같으면 제2 밸브(62)를 개방하며 동시에 제1 밸브(61)와 자동밸브(63)를 차단하고, 일정시간이 경과하면 제2 밸브(62)를 차단한 후, 자동밸브(63)를 개방하여 응축액을 가열기(10) 내로 환수시키는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 온수를 이용한 냉방기.

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