KR101021642B1 - 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

냉난방장치에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 작동유체를 압축시키는 압축부와; 압축된 작동유체를 제1유체와 열교환시키는 제1열교환부를 구비하는 제1유체탱크와; 제1유체탱크에 구비되며, 제1유체의 온도에 따라 상변화하여 제1유체의 열을 흡수하거나 제1유체에 열을 방출하는 제1상변화부와; 제1열교환부에서 열교환된 작동유체를 팽창시키는 팽창부와; 팽창된 작동유체를 제2유체와 열교환시키는 제2열교환부를 구비하는 제2유체탱크; 및 제2유체탱크에 구비되며, 제2유체의 온도에 따라 상변화하여 제2유체의 열을 흡수하거나 제2유체에 열을 방출하는 제2상변화부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 에너지 효율을 높이면서 냉방 및 난방을 원활하게 수행할 수 있을 뿐 아니라, 겨울철 극저온 조건에서 사용되더라도 고가격, 고성능의 압축기를 사용할 필요가 없고, 적은 소비전력으로도 효율적인 난방을 수행할 수 있다.

냉방, 난방, 온수, 냉수

Description

냉난방장치{HEATING AND COOLING APPARATUS}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있는 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로, 대형건물은 냉난방을 위하여 냉방장치인 냉방기(냉동기 또는 에어컨디셔너)와 난방장치인 보일러가 설치되어 있어 하절기엔 냉방기를 가동시켜 냉방을 수행하고 동절기엔 보일러를 가동시켜 난방을 수행하고 있다.

이 중 냉방장치는 냉매를 압축하는 압축기와, 이 압축기에 의해 압축된 가스냉매를 액상의 냉매로 응축시키는 응축기 및 이렇게 응축된 냉매를 팽창밸브를 통해 기화시켜 외부로부터 기화열을 흡수하도록 하는 증발기가 하나의 사이클을 이루어 구성된다.

또한 난방장치는 열원 즉 에너지원인 버너나 히터와, 버너나 히터로부터 열을 공급받아 열교환하여 급수를 소정온도의 온수로 가온하기 위한 열교환기와, 열교환기에 의해 데워진 온수를 저장하는 급탕 및 난방탱크로 구성된다.

이러한 구성의 난방장치는 버너나 히터를 가동시키면 열교환기에서 차가운 냉수가 가열되어 소정온도로 된 온수를 얻게 되며 이렇게 얻은 온수를 급탕 및 난방탱크에 일시 저장하였다가 이를 급수관 상의 공급펌프를 가동시킴으로써 온수를 필요한 장소에 이르기까지 공급하거나 순환시키고 있다. 난방장치는 히터가 가동되거나 버너가 가동될 때 에너지원인 전력 또는 유류를 필요로 한다.

상기한 냉난방장치에 따르면, 냉방장치와 난방장치가 각각 별개로 상호간에 아무런 관련성 없이 가동되고 있기 때문에, 냉방장치 및 난방장치를 동시에 가동시킬 경우 에너지의 소모가 가중되는 문제점이 있다. 즉, 하절기에 냉방을 위한 냉방장치를 가동함과 아울러 온수를 얻기 위한 난방장치 또한 가동시키고 있으며, 이로 인하여 냉방장치 및 난방장치의 가동을 위한 에너지원인 전력 및 유류소모가 가중될 수밖에 없고 결국에는 운영비에도 부담이 가중된다는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 에너지 소모를 가중시키지 않으면서 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있도록 구조를 개선한 냉난방장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 냉난방장치는: 작동유체를 압축시키는 압축부와; 압축된 작동유체를 제1유체와 열교환시키는 제1열교환부를 구비하는 제1유체탱크와; 상기 제1유체탱크에 구비되며, 상기 제1유체의 온도에 따라 상변화하여 상기 제1유체의 열을 흡수하거나 상기 제1유체에 열을 방출하는 제1상변화부와; 상기 제1열교환부에서 열교환된 상기 작동유체를 팽창시키는 팽창부와; 팽창된 상기 작동유체를 제2유체와 열교환시키는 제2열교환부를 구비하는 제2유체탱크; 및 상기 제2유체탱크에 구비되며, 상기 제2유체의 온도에 따라 상변화하여 상기 제2유체의 열을 흡수하거나 상기 제2유체에 열을 방출하는 제2상변화부를 포함한다.

또한, 상기 제1상변화부는 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 상기 제1유체의 열을 흡수하고 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 상기 제1유체에 열을 방출하는 히팅볼을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2상변화부는 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 상기 제2유체의 열을 흡수하고 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 상기 제2유체에 열을 방출하는 쿨링볼을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1열교환부는 상기 제1유체탱크의 하측에 배치되고, 상기 제2열교환부는 상기 제2유체탱크의 상측에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1유체탱크는, 상기 제1유체탱크로 상기 제1유체를 유입시키는 유입부 및 상기 제1유체탱크에서 상기 제1유체를 유출시키는 유출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 제2유체탱크를 감싸는 단열판을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1유체탱크에는 방열부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 방열부와의 사이에 공기유로가 형성되도록 상기 제1유체탱크를 감싸는 단열부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단열부의 상부에는 팬부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 제1유체탱크와 상기 제2유체탱크 사이에 배치되며, 상 기 압축부와 상기 팽창부를 수용하는 챔버를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1유체탱크는 상기 챔버의 상측에 배치되고, 상기 제2유체탱크는 상기 챔버의 하측에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1열교환부 및 상기 열교환부는 상기 챔버와 인접되게 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 냉난방장치에 따르면, 하나의 장치로 냉방과 난방을 모두 구현할 수 있을 뿐 아니라, 작동유체의 유동방향을 변경시킬 필요 없이 작동유체를 일 방향으로 유동시키며 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있으므로, 에너지 소모를 가중시키지 않으면서 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 심야전기를 이용하여 냉난방장치를 구동한 후 이때 얻어진 냉난방수를 전력 수요가 피크일 때 활용할 수 있으므로, 디멘드 컨트롤이 가능하다.

또한, 본 발명은 온수유로와 냉수유로를 통해, 온수와 냉수를 이용하여 냉방과 난방을 구현하므로, 에너지 효율을 상승시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 제1유체탱크와 제2유체탱크 및 이 내부의 제1유체와 제2유체의 급격한 온도 상승 및 하강을 억제함으로써, 에너지 효율을 높이면서 냉방 및 난방을 원활하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 제2상변화부의 상변화를 이용하여 제2유체탱크 및 제2유체 가 지나친 저온으로 과냉되는 것을 억제함으로써, 겨울철 극저온 조건에서 사용되더라도 고가격, 고성능의 압축기를 사용할 필요가 없고, 적은 소비전력으로도 효율적인 난방을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 제1열교환부 및 제2열교환부가 유체에 잠겨지는 형태로 구비되므로, 겨울철 극저온 조건에서 사용되더라도 제1열교환부 및 제2열교환부, 특히 제2열교환부에서 결로가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 제1열교환부와 제2열교환부가 각각 제1유체탱크의 하측과 제2유체탱크의 상측에 배치됨으로써 챔버와 인접되게 배치되므로, 냉방과 난방을 동시에 구현함은 물론, 배관거리가 짧아져 열교환 장치를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 실내 설치가 가능하며, 실내에 설치될 경우 외부 기온과 같은 외부 요인에 영향받지 않고 냉방 및 난방을 효율적으로 수행할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 냉난방장치의 일 실시예를 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방장치(100)는 제1유체탱크(110)와, 제1상변화부(120)와, 제2유체탱크(130)와, 제2상변화부(140)와, 압축부(150) 및 팽창부(160)를 포함한다.

제1유체탱크(110)는 내부에 제1유체(F₁)를 수용한다. 제1유체탱크(110)의 내부에는 제1유체(F₁)를 수용하기 위한 공간이 형성되며, 바람직하게는 내열 및 단열성이 우수한 재질로 형성될 수 있다.

제1유체탱크(110)에는 유입부(112) 및 유출부(114)가 구비된다. 유입부(112)는 외부의 공급원으로부터 제1유체탱크(110)로 제1유체(F₁)를 유입시키기 위한 통로가 되며, 유출부(114)는 제1유체탱크(110)에서 외부로 제1유체(F₁)를 유출시키기 위한 통로가 된다.

본 실시예에서는 제1유체(F₁)가 주변 기온보다 높은 온도로 가열된 온수(溫水)인 것으로 예시되나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1유체탱크(110)는 제1열교환부(115)를 구비한다. 제1열교환부(115)는 제1유체(F₁)와 열교환하며, 후술할 압축부(150) 및 팽창부(160)와 연결된다. 이 제1열교환부(115)는 제1유체(F₁)에 잠겨지도록 구비되되, 바람직하게는 제1유체탱 크(110)의 하측에 배치된다.

제1상변화부(120)는 제1유체탱크(110)의 내부에 구비되며, 제1유체(F₁)에 잠겨져 제1유체(F₁)와 열교환한다. 이러한 제1상변화부(120)는, 제1유체(F₁)와 열교환하여 제1유체(F₁)의 온도에 따라 상변화(相變化)됨으로써, 제1유체(F₁)의 열을 흡수하거나 제1유체(F₁)에 열을 방출하도록 구비된다.

본 실시예에 따르면, 제1상변화부(120)는 히팅볼(부호생략)을 구비한다. 히팅볼은, 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 제1유체(F₁)의 열을 흡수하고, 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 제1유체(F₁)에 열을 방출한다.

바람직하게는, 제1상변화부(120)에 구비되는 히팅볼은 대략 50∼60℃에서 액체가 고체로, 고체가 액체로 상변화되는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 히팅볼에 포함되는 물질의 일례로서, 아세트산 나트륨 삼수화물(Sodium Acetate Trihydrate)과 물의 혼합물이 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제2유체탱크(130)는 내부에 제2유체(F₂)를 수용한다. 이 제2유체탱크(130)의 내부에는 제2유체(F₂)를 수용하기 위한 공간이 형성되며, 제1유체탱크(110)와 마찬가지로 내열 및 단열성이 우수한 재질로 형성됨이 바람직하다.

제2유체(F₂)는 제2유체탱크(130) 내부에서 주변 기온보다 낮은 온도로 냉각된 상태로 유지된다. 바람직하게는 -30∼-40℃에서도 얼지 않을 수 있도록 조성된 유체가 제2유체(F₂)로서 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 제2유체(F₂)가 대략 -40℃에서 얼지 않도록 조성된 부동액인 것으로 예시되나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

제2유체탱크(130)는 제2열교환부(135)를 구비한다. 제2열교환부(135)는 제2유체(F₂)와 열교환하도록 구비되며, 압축부(150) 및 팽창부(160)와 연결된다. 이 제2열교환부(135)는 제2유체(F₂)에 잠겨지도록 배치되되, 바람직하게는 제2유체탱크(130)의 상측에 배치된다.

제2상변화부(140)는 제2유체탱크(130)의 내부에 구비되며, 제2유체(F₂)에 잠겨져 제2유체(F₂)와 열교환한다. 이러한 제2상변화부(140)는, 제2유체(F₂)와 열교환하여 제2유체(F₂)의 온도에 따라 상변화됨으로써, 제2유체(F₂)의 열을 흡수하거나 제2유체(F₂)에 열을 방출하도록 구비된다.

본 실시예에 따르면, 제2상변화부(140)는 쿨링볼(부호생략)을 구비한다. 쿨링볼은, 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 제2유체(F₂)의 열을 흡수하고, 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 제2유체(F₂)에 열을 방출한다.

바람직하게는, 제2상변화부(140)에 구비되는 쿨링볼은 대략 -15∼0℃에서 액체가 고체로, 고체가 액체로 상변화되는 물질로 형성됨이 바람직하다. 이러한 쿨링볼에 포함되는 물질의 일례로서, 물, 물과 공기의 혼합물 등이 있으나 이에 한정되 는 것은 아니다.

압축부(150)는 제1열교환부(115)와 제2열교환부(135) 사이에 배치되며, 배관(155)을 통해 제1열교환부(115)의 일측과 제2열교환부(135)의 일측에 연결된다. 이와 같은 압축부(150)는 배관(155) 내부를 통해 이송된 작동유체(作動流體; 미도시)를 제1열교환부(115) 측으로 압축시키는 역할을 한다. 압축부(150)에 의해, 작동유체는 고온, 고압의 기체 상태로 제1열교환부(115) 측으로 이송된다.

팽창부(160)는 제1열교환부(115)와 제2열교환부(135) 사이에 배치되며, 배관(155)을 통해 제1열교환부(115)의 타측과 제2열교환부(135)의 타측에 연결된다. 이와 같은 팽창부(160)는 배관(155) 내부를 통해 이송된 작동유체를 제2열교환부(135) 측으로 팽창시키는 역할을 한다. 팽창부(160)에 의해, 작동유체는 저온, 저압의 액체 상태로 제2열교환부(135) 측으로 이송된다.

이하, 본 실시예에 따른 냉난방장치의 작동관계에 대하여 설명한다.

본 실시예에 따른 냉난방장치(100)에 따르면, 배관(155) 내부의 작동유체는 압축부(150)에 의해 압축되어 고온, 고압의 기체 상태로 제1열교환부(115) 측으로 이송된다.

이러한 작동유체가 이송되는 제1열교환부(115)에서는 작동유체와 제1유체(F₁) 간에 열교환이 일어나게 된다. 즉, 고온, 고압의 기체상태인 작동유체는 제1열교환부(115)에서 고온의 열에너지를 제1유체(F₁)에 전달하게 되고, 이에 따라 작동유체에 비해 상대적으로 저온인 제1유체(F₁)는 이 열에너지에 의해 가열되는 한편 작동유체는 냉각되어 저온, 고압의 액체상태로 응축된다.

이때, 온도가 높은 부분이 상측으로 유동되는 유체의 특성으로 인해, 제1열교환부(115)에서 가열된 제1유체(F₁)는 제1유체탱크(110)의 상측으로 올라가게 되고, 이에 따라 제1유체탱크(110) 하측의 제1유체(F₁)는 상대적으로 낮은 온도를 유지하게 되므로, 제1열교환부(115)에서의 열교환은 연속적으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이 제1열교환부(115)에서 열교환된 작동유체는 배관(155)을 통해 팽창부(160)로 이송된다. 팽창부(160)로 이송된 작동유체는 저온, 저압의 기체상태로 상변화가 이루어지면서 제2열교환부(135) 측으로 이송된다.

이러한 작동유체가 이송되는 제2열교환부(135)에서는, 작동유체와 제2유체(F₂) 간에 열교환이 일어나게 된다. 즉, 저온, 저압의 기체상태인 작동유체는 제2열교환부(135)에서 증발되면서 제2유체(F₂)로부터 열을 흡수하여 제2유체(F₂)를 냉각시키게 된다.

이때, 온도가 낮은 부분이 하측으로 유동되는 유체의 특성으로 인해, 제2열교환부(135)에서 가열된 제2유체(F₂)는 제2유체탱크(130)의 하측으로 내려가게 되고, 이에 따라 제2유체탱크(130) 상측의 제2유체(F₂)는 상대적으로 높은 온도를 유지하게 되므로, 제2열교환부(135)의 열교환은 연속적으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기와 같이 제2열교환부(135)에서 열교환된 작동유체는 배관(155)을 통해 다시 압축부(150)로 이송되며, 이처럼 이송된 작동유체는 다시 제1열교환 부(115)와 팽창부(160), 제2열교환부(135) 순으로 순환을 반복하게 된다.

이에 따라, 제1유체탱크(110)의 내부에는 제1유체(F₁)가 계속해서 가열되어 고온의 상태를 유지하게 되고, 제2유체탱크(130)의 내부에는 제2유체(F₂)가 계속해서 냉각되어 저온의 상태를 유지하게 된다.

이러한 제1유체탱크(110)의 제1유체(F₁)를 통해서는 난방을 구현하게 되며, 제2유체탱크(130)의 제2유체(F₂)를 통해서는 냉방을 구현할 수 있게 된다.

즉, 본 실시예의 냉난방장치(100)는, 제1유체탱크(110)와 열교환하는 난방코일부(111) 또는 상기 제2유체탱크(130)와 열교환하는 냉방코일부(131) 중 적어도 어느 하나를 구비할 수 있는데, 도시되지는 않았지만, 난방코일부(111)와 냉방코일부(131)를 공조장치와 연결할 경우 냉방 또는 난방을 구현할 수 있으며, 난방코일부(111)와 냉방코일부(131)를 급수계통과 연결할 경우 냉수 또는 온수를 공급할 수 있게 된다.

이러한 구성을 갖는 본 실시예의 냉난방장치(100)는 하나의 장치로 냉방과 난방을 모두 구현할 수 있을 뿐 아니라, 작동유체의 유동방향을 변경시킬 필요 없이 작동유체를 일 방향으로 유동시키며 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있으므로, 에너지 소모를 가중시키지 않으면서 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예의 냉난방장치(100)는, 가열된 제1유체(F₁)와 냉각된 제2유 체(F₂), 다시 말해 온수와 냉수를 이용하여 냉방과 난방을 구현하므로 에너지 효율을 상승시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에 따르면, 제1유체탱크(110)와 제2유체탱크(130)는 제1상변화부(120)와 제2상변화부(140)가 각각 구비되는데, 제1상변화부(120)와 제2상변화부(140)에 의해서는 다음과 같은 작용효과가 발생된다.

먼저, 본 실시예의 냉방장치(100)가 가동되기 전, 즉 제1유체(F₁)가 가열되기 전 상태에서는 제1상변화부(120)의 히팅볼이 고체 상태를 유지한다고 할 때, 제1유체탱크(110) 내부의 제1유체(F₁)가 상기와 같이 가열되면, 히팅볼은 제1유체(F₁)와의 열교환을 통해 함께 가열된다.

제1유체(F₁)의 가열이 계속되어 제1유체(F₁)의 온도가 히팅볼의 녹는점 이상으로 상승되고, 이에 따라 제1상변화부(120)가 히팅볼의 녹는점까지 가열되면, 고체 상태의 히팅볼은 액체 상태로 상변화되기 시작한다.

이처럼 고체 상태에서 액체 상태로 상변화되는 히팅볼은, 그 상변화가 진행되는 동안 고체 상태에서 액체 상태로의 상변화에 필요한 잠열을 흡수하기 위하여 제1유체(F₁)의 열에너지를 흡수하게 된다.

상기와 같은 제1상변화부(120)의 작용에 의해, 제1유체탱크(110) 내부에서 제1유체(F₁)가 가열되는 동안에는, 가열된 제1유체(F₁)가 갖는 열에너지의 일부가 히팅볼의 상변화에 필요한 잠열로서 제1상변화부(120)로 흡수됨으로써 제1유체(F₁) 의 급격한 온도 상승이 억제될 수 있게 된다.

또한, 제1상변화부(120)의 히팅볼이 액체 상태일 때, 제1유체탱크(110) 내부의 제1유체(F₁)의 가열이 중지되어 제1유체(F₁)의 온도가 히팅볼의 어는점 이하로 하강되고, 이에 따라 제1상변화부(120)의 온도가 히팅볼의 어는점까지 하강되면, 액체 상태의 히팅볼은 고체 상태로 상변화되기 시작한다.

이처럼 액체 상태에서 고체 상태로 상변화되는 히팅볼은, 그 상변화가 진행되는 동안 잠열을 방출하며, 이 잠열의 에너지는 제1유체(F₁)로 방출되어 제1유체(F₁)에 흡수된다.

상기와 같은 제1상변화부(120)의 작용에 의해, 가열이 중지되어 제1유체(F₁)의 온도가 하강되는 동안에는, 히팅볼의 상변화에 의해 제1상변화부(120)에서 방출되는 잠열의 에너지가 제1유체(F₁)로 공급됨으로써 제1유체(F₁)의 급격한 온도 하강이 억제될 수 있다.

한편, 본 실시예의 냉방장치(100)가 가동되기 전, 즉 제2유체(F₂)가 가열되기 전 상태에서는 제2상변화부(140)의 쿨링볼이 액체 상태를 유지한다고 할 때, 제2유체탱크(130) 내부의 제2유체(F₂)가 상기와 같이 냉각되면, 쿨링볼은 제2유체(F₂)와의 열교환을 통해 함께 냉각된다.

제2유체(F₂)의 냉각이 계속되어 제2유체(F₂)의 온도가 쿨링볼의 어는점 이하로 냉각되고, 이에 따라 제2상변화부(140)가 쿨링볼의 어는점까지 냉각되면, 액체 상태의 쿨링볼은 고체 상태로 상변화되기 시작한다.

이처럼 액체 상태에서 고체 상태로 상변화되는 쿨링볼은, 그 상변화가 진행되는 동안 잠열을 방출하며, 이 잠열의 에너지는 제2유체(F₂)로 방출되어 제2유체(F₂)에 흡수된다.

상기와 같은 제2상변화부(140)의 작용에 의해, 제2유체탱크(130) 내부에서 제2유체(F₂)가 냉각되는 동안에는, 쿨링볼의 상변화에 의해 제2상변화부(140)에서 방출되는 잠열의 에너지가 제2유체(F₂)로 공급됨으로써 제2유체(F₂)의 급격한 온도 하강이 억제될 수 있다.

또한, 제2상변화부(140)의 쿨링볼이 액체 상태일 때, 제2유체탱크(130) 내부의 제2유체(F₂)의 냉각이 중지되어 제2유체(F₂)의 온도가 쿨링볼의 녹는점 이상으로 상승되고, 이에 따라 제2상변화부(140)의 온도가 쿨링볼의 녹는점까지 상승되면, 액체 상태의 히팅볼은 고체 상태로 상변화되기 시작한다.

이처럼 고체 상태에서 액체 상태로 상변화되는 쿨링볼은, 그 상변화가 진행되는 동안 고체 상태에서 액체 상태로의 상변화에 필요한 잠열을 흡수하기 위하여 제2유체(F₂)의 열에너지를 흡수하게 된다.

상기와 같은 제2상변화부(140)의 작용에 의해, 냉각이 중지되어 제2유체(F₂)의 온도가 하강되는 동안에는, 제2유체(F₂)가 갖는 열에너지의 일부가 쿨링볼의 상 변화에 필요한 잠열로서 제2상변화부(140)로 흡수됨으로써 제2유체(F₂)의 급격한 온도 상승이 억제될 수 있게 된다.

상기와 같은 제1상변화부(120) 및 제2상변화부(140)를 구비하는 본 실시예의 냉난방장치(100)는, 제1유체탱크(110)와 제2유체탱크(130) 및 이 내부의 제1유체(F₁)와 제2유체(F₂)의 급격한 온도 상승 및 하강을 억제함으로써, 에너지 효율을 높이면서 냉방 및 난방을 원활하게 수행할 수 있다.

특히, 본 실시예의 냉난방장치(100)에 따르면, 제2상변화부(140)의 상변화를 이용하여 제2유체탱크(130) 및 제2유체(F₂)가 지나친 저온으로 과냉(Overcooling)되는 것을 억제할 수 있다.

냉난방장치(100) 전체, 또는 제2유체탱크(130)가 옥외에 설치될 경우, 겨울철, 특히 -10℃ 이하의 극저온 상태에서는 제2유체탱크(130) 및 제2유체(F₂)가 지나친 저온으로 과냉될 수 있다.

제2유체탱크(130) 및 제2유체(F₂)가 지나친 저온으로 과냉되면, 제2유체탱크(130)에 구비되는 제2열교환부(135)와 열교환하는 작동유체 또한 지나친 저온으로 과냉되어 압축부(150)로 이송된다.

여기서, 지나친 저온이란 일반적인 냉난방장치에 사용되는 중간 정도의 성능을 갖는 압축기에서 필요한 온도 및 압력으로 작동유체를 압축하기 어려울 정도로 냉각되어 압축기로 이송되는 작동유체의 온도인 것으로 정의된다.

이처럼 작동유체가 지나친 저온으로 과냉된 상태로 압축부(150)로 이송되면, 작동유체를 제1유체탱크(110) 내부의 제1유체(F₁)를 가열하는데 필요한 온도 및 압력으로 압축하기 위해서는 일반적으로 사용되는 중간 정도의 성능을 갖는 압축기로는 필요한 만큼의 압축을 수행하기 어려우므로, 압축부(150)에는 고성능의 압축기가 구비될 것이 요구된다.

본 실시예의 냉난방장치(100)는, 제2상변화부(140)의 상변화를 이용하여 제2유체탱크(130) 및 제2유체(F₂)가 지나친 저온으로 과냉되는 것을 억제함으로써, 겨울철 극저온 조건에서 사용되더라도 고가격, 고성능의 압축기를 사용할 필요가 없고, 적은 소비전력으로도 효율적인 난방을 수행할 수 있다.

또한, 본 실시예의 냉난방장치(100)에 따르면, 제1열교환부(115) 및 제2열교환부(135)가 유체에 잠겨지는 형태로 구비되므로, 겨울철 극저온 조건에서 사용되더라도 제1열교환부(115) 및 제2열교환부(135), 특히 제2열교환부(135)에서 결로가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 제1유체탱크 부분을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도이다. 또한, 도 5는 도 2에 도시된 제2유체탱크 부분을 나타낸 도면이며, 도 6은 도 5의 B-B 선에 따른 단면도이다.

설명의 편의를 위해 상기 실시예와 구성 및 기능이 동일 또는 유사한 구조는 동일한 도면번호로 인용하였으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 냉난방장치(200)는 제1유체탱크(210)와, 제1상변화부(220)와, 제2유체탱크(230) 및 제2상변화부(240)를 포함한다.

도 3 및 도 4을 참조하면, 제1유체탱크(210)는 제1열교환부(215)를 구비한다. 제1열교환부(215)는 본 발명의 제1실시예에 따른 제1열교환부(115; 도 1 참조)와 마찬가지로, 제1유체(F₁)와 열교환하며, 압축부(150; 도 2 참조) 및 팽창부(160; 도 2 참조)와 연결된다. 이러한 제1열교환부(215)는 제1유체(F₁)에 잠겨지도록 구비되되, 제1유체탱크(210)의 중심부에 세로로 배치된다.

제1상변화부(220)는 제1유체탱크(210)의 내부에 구비되며, 제1유체(F₁)에 잠겨져 제1유체(F₁)와 열교환한다. 제1상변화부(220)는, 본 발명의 제1실시예에 따른 제1상변화부(120; 도 1 참조)와 마찬가지로, 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 제1유체(F₁)의 열을 흡수하고, 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 제1유체(F₁)에 열을 방출하는 히팅볼을 구비한다.

이러한 히팅볼을 구비하는 제1상변화부(220)는 제1유체탱크(210)의 내부에 구비되되, 제1열교환부(215)를 중심으로 제1열교환부(215)의 외측에 배치된다.

아울러, 제1열교환부(215)와 제1상변화부(220) 사이에는 그물망(216)이 구비될 수 있다. 그물망(216)은 제1열교환부(215)를 제1상변화부(220)로부터 격리하여 제1상변화부(220)에 의한 제1열교환부(215)의 파손을 방지하며, 제1유체(F₁)가 자유롭게 통과할 수 있도록 구비된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제2유체탱크(230)는 제2열교환부(235)를 구비한다. 제2열교환부(235)는 본 발명의 제1실시예에 따른 제2열교환부(135; 도 1 참조)와 마찬가지로, 제2유체(F₂)와 열교환하며, 압축부(150; 도 2 참조) 및 팽창부(160; 도 2 참조)와 연결된다. 이러한 제2열교환부(235)는 제2유체(F₂)에 잠겨지도록 구비되되, 제2유체탱크(230)의 중심부에 세로로 배치된다.

제2상변화부(240)는 제2유체탱크(230)의 내부에 구비되며, 제2유체(F₂)에 잠겨져 제2유체(F₂)와 열교환한다. 제2상변화부(240)는, 본 발명의 제1실시예에 따른 제2상변화부(140; 도 1 참조)와 마찬가지로, 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 제2유체(F₂)의 열을 흡수하고, 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 제2유체(F₂)에 열을 방출하는 쿨링볼을 구비한다.

이러한 쿨링볼을 구비하는 제2상변화부(240)는 제2유체탱크(230)의 내부에 구비되되, 제2열교환부(235)를 중심으로 제2열교환부(235)의 외측에 배치된다.

아울러, 제2열교환부(235)와 제2상변화부(240) 사이에는 그물망(236)이 구비될 수 있다. 그물망(236)은 제2열교환부(235)를 제2상변화부(240)로부터 격리하여 제2상변화부(240)에 의한 제2열교환부(235)의 파손을 방지하며, 제2유체(F₂)가 자유롭게 통과할 수 있도록 구비된다.

한편, 본 실시예의 냉난방장치(200)는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 방열부(270) 및 단열판(275)을 더 포함할 수 있다.

방열부(270)는 제1유체탱크(210)에 구비된다. 방열부(270)는 제1유체탱크(210)의 열을 외부로 발산할 수 있도록 제1유체탱크(210)의 외부에 돌출되게 구비된다. 이러한 방열부(270)는 제1유체탱크(210)의 열을 외부로 발산하여 제1유체탱크(210)의 온도가 과열되는 것을 방지한다.

단열판(275)은 제2유체탱크(230)를 감싸도록 구비된다. 단열판(275)은 제2유체탱크(230)를 감싸 제2유체(F₂)와 외부 공기와의 직접적인 열교환을 억제하는 역할을 한다. 이러한 단열판(275)은 단열성이 우수한 재질로 형성됨이 바람직하다.

또한, 본 실시예의 냉방장치(200)는 단열부(280,285)를 더 포함할 수 있다. 단열부(280,285)는 제1유체탱크(210)와 제2유체탱크(230)를 각각 감싸도록 구비된다.

이 중, 제1유체탱크(210) 측에 구비되는 단열부(280)는 상하로 관통되게 구비되어 방열부(270)와의 사이에 공기유로가 형성되도록 제1유체탱크(210)를 감싸게 된다.

단열부(280) 내부의 온도는 방열부(270)를 통해 발산된 열에너지에 의해 단열부(280) 외부의 온도보다 높으므로, 굴뚝효과(Stack Effect)에 의해 외부공기가 단열부(280)의 하측에서 공기유로를 통해 단열부(280)의 상측으로 유동하게 된다.

이에 따라 단열부(280)와 방열부(270) 사이의 뜨거운 공기가 외부로 배출되 고 상대적으로 차가운 외부공기가 공기유로로 유입되는 순환이 이루어지게 되면서, 제1유체탱크(210)가 과열(Overheating)되는 것이 방지된다.

제1유체탱크(210)의 내부가 계속해서 가열되도록 하고자 할 경우에는, 단열부(280)의 개방된 상부와 하부 중 적어도 어느 한 부분을 폐쇄하여 공기유로를 통해 외부공기가 유동되지 않도록 한다.

그리고, 제2유체탱크(230) 측에 구비되는 단열부(285)는 상하로 관통되게 구비되어 단열판(275)과의 사이에 공기유로가 형성되도록 제2유체탱크(230)를 감싸게 된다.

단열부(285) 내부의 온도는 제2유체탱크(230)의 냉기에 의해 단열부(285) 외부의 온도보다 낮으므로, 역굴뚝효과에 의해 외부공기가 단열부(285) 상측에서 공기유로를 통해 단열부(285)의 하측으로 유동하게 된다.

이에 따라 단열부(285)와 제2유체탱크(230) 사이의 냉각된 공기가 외부로 배출되고 상대적으로 높은 온도의 외부 공기가 공기유로로 유입되는 순환이 이루어지게 되면서, 제2유체탱크(230)가 과냉(Overcooling)되는 것이 억제된다.

제2유체탱크(230)의 내부가 계속해서 냉각되도록 하고자 할 경우에는, 단열부(285)의 개방된 상부와 하부 중 적어도 어느 한 부분을 폐쇄하여 공기유로를 통해 외부공기가 유동되지 않도록 한다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 냉난방장치(300)는 팬부(390,395)를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 팬부(390,395)는 단열부(280,285)의 상부에 각각 배치되며, 각각의 팬부(390,395)는 외부공기를 공기유로로 유입시키는 팬(부호생략) 및 팬을 구동시키는 구동부(부호생략)을 포함하여 이루어질 수 있다.

이러한 팬부(390,395)는 공기유로를 통한 외부공기의 유동을 촉진함으로써, 제1유체탱크(210)의 과열 및 제2유체탱크(230)의 과냉 억제 성능을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 냉난방장치(400)는 제1유체탱크(410)와, 제1상변화부(120)와, 제2유체탱크(430)와, 제2상변화부(140)와, 챔버(445)와, 압축기(450) 및 팽창기(460)를 포함한다.

제1유체탱크(410)는 내부에 제1유체(F₁)를 수용한다. 이러한 제1유체탱크(410)는 후술할 챔버(445)의 상측, 즉 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방장치(400)의 상부에 배치된다.

제1유체탱크(410)는 제1열교환부(415)를 구비한다. 제1열교환부(415)는 제1유체(F₁)와 열교환하며, 압축기(450) 및 팽창기(460)와 연결된다. 이 제1열교환부(415)는 제1유체(F₁)에 잠겨지도록 배치되되, 바람직하게는 제1유체탱크(410)의 하측에 배치된다. 이러한 제1열교환부(415)는 챔버(445)와 인접되게 배치된다.

제2유체탱크(430)는 내부에 제2유체(F₂)를 수용한다. 이 제2유체탱크(430)는 챔버(445)의 하측, 즉 본 발명의 제4실시예에 따른 냉난방장치(400)의 하부에 배치된다.

제2유체탱크(430)는 제2열교환부(435)를 구비한다. 제2열교환부(435)는 제2유체(F₂)와 열교환하도록 구비되며, 압축기(450) 및 팽창기(460)와 연결된다. 이 제2열교환부(435)는 제2유체(F₂)에 잠겨지도록 배치되되, 바람직하게는 제2유체탱크(430)의 상측에 배치된다. 이러한 제2열교환부(435)는 챔버(445)와 인접되게 배치된다.

챔버(445)는 제1유체탱크(410)와 제2유체탱크(430) 사이에 배치된다. 챔버(445)는, 제1유체탱크(410) 또는 제2유체탱크(430)로부터 제1유체(F₁) 또는 제2유체(F₂)가 스며들지 않게 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 챔버(445)는 압축기(450)와 팽창기(460)를 내부에 수용하며, 제1유체탱크(410) 및 제2유체탱크(430)와 일체로 형성될 수 있다.

압축기(450)는 챔버(445)의 내부에 수용되며, 제1열교환부(415)와 제2열교환부(435) 사이에 배치된다. 이러한 압축기(450)는 배관(455)을 통해 제1열교환부(415)의 일측과 제2열교환부(435)의 일측에 연결된다. 압축기(450)에 의해, 작동유체는 고온, 고압의 기체 상태로 제1열교환부(415) 측으로 이송된다.

팽창기(460)는 압축기(450)와 마찬가지로 챔버(445)의 내부에 수용되며, 제1열교환부(415)와 제2열교환부(435) 사이에 배치된다. 이러한 팽창기(460)는 배관(455)을 통해 제1열교환부(415)의 타측과 제2열교환부(435)의 타측에 연결된다. 팽창기(460)에 의해, 작동유체는 저온, 저압의 액체 상태로 제2열교환부(435) 측으로 이송된다.

상기한 바와 같은 냉난방장치(400)에 따르면, 제1열교환부(415)와 제2열교환부(435)가 각각 제1유체탱크(410)의 하측과 제2유체탱크(430)의 상측에 배치됨으로써 챔버(445)와 인접되게 배치되므로, 냉방과 난방을 동시에 구현함은 물론, 배관거리가 짧아져 열교환 장치를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기와 같은 구조에 따라 소형화된 냉난방장치(400)는 실내 설치가 가능하며, 실내에 설치될 경우 외부 기온과 같은 외부 요인에 영향받지 않고 냉방 및 난방을 효율적으로 수행할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 제1유체탱크 부분을 나타낸 도면이다.

도 4는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도이다.

도 5는 도 2에 도시된 제2유체탱크 부분을 나타낸 도면이다.

도 6은 도 5의 B-B 선에 따른 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100,200 : 냉난방장치 110,210 : 제1유체탱크

115,215 : 제1열교환부 120,220 : 제1상변화부

130,230 : 제2유체탱크 135,235 : 제2열교환부

140,240 : 제2상변화부 150 : 압축부

160 : 팽창부 270 : 방열부

275 : 단열판 280,285 : 단열부

290,295 : 팬부

Claims (12)

1. 작동유체를 압축시키는 압축부;

   압축된 작동유체를 제1유체와 열교환시키는 제1열교환부를 구비하는 제1유체탱크;

   상기 제1유체탱크에 구비되며, 상기 제1유체의 온도에 따라 상변화하여 상기 제1유체의 열을 흡수하거나 상기 제1유체에 열을 방출하는 제1상변화부;

   상기 제1열교환부에서 열교환된 상기 작동유체를 팽창시키는 팽창부;

   팽창된 상기 작동유체를 제2유체와 열교환시키는 제2열교환부를 구비하는 제2유체탱크; 및

   상기 제2유체탱크에 구비되며, 상기 제2유체의 온도에 따라 상변화하여 상기 제2유체의 열을 흡수하거나 상기 제2유체에 열을 방출하는 제2상변화부를 포함하는 것을 특징으로 냉난방장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1상변화부는 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 상기 제1유체의 열을 흡수하고 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 상기 제1유체에 열을 방출하는 히팅볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2상변화부는 액체 상태에서 고체 상태로 상변화시 상기 제2유체의 열을 흡수하고 고체 상태에서 액체 상태로 상변화시 상기 제2유체에 열을 방출하는 쿨링볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1열교환부는 상기 제1유체탱크의 하측에 배치되고, 상기 제2열교환부는 상기 제2유체탱크의 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1유체탱크는, 상기 제1유체탱크로 상기 제1유체를 유입시키는 유입부 및 상기 제1유체탱크에서 상기 제1유체를 유출시키는 유출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2유체탱크를 감싸는 단열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난 방장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1유체탱크에는 방열부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 방열부와의 사이에 공기유로가 형성되도록 상기 제1유체탱크를 감싸는 단열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 단열부의 상부에는 팬부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제1유체탱크와 상기 제2유체탱크 사이에 배치되며, 상기 압축부와 상기 팽창부를 수용하는 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제1유체탱크는 상기 챔버의 상측에 배치되고, 상기 제2유체탱크는 상기 챔버의 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 제1열교환부 및 상기 제2열교환부는 상기 챔버와 인접되게 배치되는 것을 특징으로 하는 냉난방장치.

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