KR101063510B1 - 에너지 절약형 항온 항습기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 실외 온도가 낮은 경우에 실내를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체와 실내공기 사이에 열전달이 일어나도록 하여 실내공기를 냉각시키기 때문에 항온 항습에 필요한 에너지를 절약할 수 있고 히트펌프의 사용수명을 연장시킬 수 있다.

Description

에너지 절약형 항온 항습기{Thermo-hygrostat for energy conservation}
본 발명은 항온 항습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 실외 온도가 낮은 때 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 경우에 히트펌프를 사용하지 않고 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키기 때문에 에너지를 절약할 수 있고 히트펌프의 사용수명을 연장시킬 수 있는, 에너지 절약형 항온 항습기에 관한 것이다.
일반적으로, 항온 항습기는 온도와 습도를 일정하게 유지시켜 주는 장치로서, 온도 및 습도에 민감한 정밀 제어기기가 설치된 공간이나, 고가의 통신기기가 설치된 공간, 실험실 및 전산실 등과 같은 여러 곳에 사용된다.
상기 항온 항습기는 실내의 온도를 조절하기 위한 히트펌프, 실내의 습도를 조절하기 위한 가습기 및, 실내의 온도와 습도에 따라 히트펌프와 가습기의 작동을 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 항온 항습기는 실내공기 및/또는 실외공기를 흡입하여 온도 및 습도를 적절하게 조절한 후 실내로 공급한다. 실내온도가 기준 온도보다 높은 경우에는 히프펌프를 작동시켜서 실내온도를 낮추고, 실내온도가 기준 온도보다 낮은 경우에는 히프펌프를 작동시켜서 실내온도를 높인다.
그런데, 추운 겨울철에 실내온도가 기준 온도보다 높아진 경우, 예를 들어, 추운 겨울철에 실내의 각종 전산기기에서 발생된 열 때문에 실내온도가 기준 온도보다 높아진 경우에도 히트펌프를 작동시켜서 실내온도를 낮추어야 하는데, 이것은 바깥의 차가운 공기를 실내 냉방에 사용할 수 없기 때문에 에너지 효율 측면에서 비경제적이라는 문제점이 있다.
또한, 위와 같이 실내 난방을 위해서 뿐만 아니라 겨울철 실내 냉방을 위해서도 히트펌프를 이용해야 하기 때문에 히트펌프의 사용수명이 짧아진다는 문제점도 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 실외 온도가 낮은 때 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 경우에 히트펌프를 사용하지 않고 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키기 때문에 에너지를 절약할 수 있는, 에너지 절약형 항온 항습기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 추운 겨울철에 실내 냉방을 위해 히트펌프를 사용하지 않아도 되기 때문에 히트펌프의 사용수명을 연장시킬 수 있는, 에너지 절약형 항온 항습기를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 절약형 항온 항습기는, 실내공기를 가열 또는 냉각시키기 위한 히트펌프; 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키는 냉각유니트; 및, 실내공기의 습도를 조절하기 위한 가습기;를 구비한다. 상기 항온 항습기는 실외 온도가 낮은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 히트펌프의 작동을 정지시키고 냉각 유니트를 이용하여 실내공기를 냉각시키고, 실외 온도가 높은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 히트펌프를 이용하여 실내공기를 냉각시킨다.
바람직하게, 냉각유니트의 열전달 매체는 차가운 실외공기에 의해서 냉각된 후 실내로 공급되어 실내공기와 열교환을 하고, 냉각유니트의 열전달 매체와 히트펌프의 열전달 매체는 별도의 배관을 통하여 이동된다.
더욱 바람직하게, 냉각유니트는, 실외에 설치된 제1 열교환부; 실내에 설치된 제2 열교환부; 및 제1 열교환부와 제2 열교환부 사이에 열전달 매체가 순환되도록 하는 순환펌프;를 구비한다. 제1 열교환부는 실외 공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 일어나도록 하여 열전달매체를 냉각시키고, 제2 열교환부는 실내 공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 일어나도록 하여 실내공기를 냉각시킨다.
여기에서, 히트펌프는 두 개 이상이 구비되고, 상기 두 개 이상의 히트펌프는 냉,난방 부하에 따라 한꺼번에 작동되거나 어느 하나만이 작동될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 항온 항습기는 냉각유니트 또는 히트펌프의 증발기로부터 배출되는 공기를 가열하기 위한 히터를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면인 항온 항습기의 작동방법은 실외온도가 낮은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 실내로 공급하여 실내공기를 냉각시키고, 실외온도가 높은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 히트펌프를 이용하여 실내공기를 냉각시킨다.
바람직하게, 상기 항온 항습기의 작동방법은 냉각된 실내공기를 가열한 후 가습기를 이용하여 실내공기에 가습(加濕)한다.
본 발명에 따른 에너지 절약형 항온 항습기는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 실외 온도가 낮은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에 히트펌프를 사용하지 않고 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키기 때문에 에너지를 절약할 수 있다.
둘째, 실외 온도가 낮은 경우(예를 들어, 추운 겨울철)에 실내 냉방을 위해 히트펌프를 사용하지 않아도 되기 때문에 히트펌프의 사용수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 항온 항습기를 보여주는 주요 구성도.
도 2는 실외온도가 높은 경우에 실내 냉방을 위해 도 1의 항온 항습기가 작동되는 것을 보여주는 주요 구성도.
도 3은 실외온도가 낮은 경우에 실내 냉방을 위해 도 1의 항온 항습기가 작동되는 것을 보여주는 주요 구성도.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 추운 겨울철에 실내 냉방이 필요한 경우에, 히트펌프를 작동시키지 않고, 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내를 냉각시킬 수 있다는 특징을 가진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 항온 항습기를 보여주는 주요 구성도이다.
도면을 참조하면, 상기 항온 항습기는 실내공기를 가열 또는 냉각시키기 위한 히트펌프(10)와, 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키는 냉각유니트(30) 및, 실내공기의 습도를 조절하기 위한 가습기(50)를 구비한다.
히트펌프(10)는 압축기(11), 열교환 부재(12)(13)를 구비한다. 열교환 부재(12)(13) 중 어느 하나는 응축기로서 작용하고 나머지 하나는 증발기로서 작용한다. 즉, 히트펌프(10)가 냉방기로서 작동하는 경우에는 열교환부재(12)가 응축기로서 작동하고 열교환부재(13)는 증발기로서 작동한다. 한편, 히트펌프(10)가 난방기로서 작동하는 경우에는 열교환부재(12)가 증발기로서 작동하고 열교환부재(13)가 응축기로서 작동한다. 압축기(11), 응축기, 팽창밸브(14) 및, 증발기는 통상적인 구조를 가지기 때문에 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 열전달 매체는 압축기(11), 응축기(12), 팽창밸브(14), 증발기(13)를 순차적으로 거치면서 실내공기를 냉각시키거나, 압축기(11), 응축기(13), 팽창밸브(14), 증발기(12)를 순차적으로 거치면서 실내공기를 가열한다.
실외온도가 높은 경우, 예를 들어 더운 여름철에 실내를 냉방할 필요가 있으면 히트펌프(10)는 냉방기로서 작동한다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 실내에 설치된 열교환 부재(13)는 증발기로서 작동하고 실외에 설치된 열교환 부재(12)는 응축기로서 작동한다. 도 2에서 열전달 매체가 이동하는 경로는 굵은 실선으로 표시되었다.
한편, 실외온도가 낮은 경우, 예를 들어 추운 겨울철에 실내를 난방할 필요가 있으면 히트펌프(10)는 난방기로서 작동한다. 이 경우에는 실내에 설치된 열교환 부재(13)가 응축기로서 작동하고 실외에 설치된 열교환 부재(12)가 증발기로서 작동한다.
바람직하게, 히트펌프(10)는 두 개 이상이 병렬로 설치되어 냉,난방 부하에 따라 적정한 개수의 히트펌프(10)가 작동된다. 예를 들어, 도 1에 나타난 바와 같이, 두 개의 히트펌프(10)가 구비된 경우에 냉,난방 부하가 작은 경우에는 하나의 히트펌프(10)만이 작동되고 냉,난방 부하가 큰 경우에는 두 개의 히트펌프(10)가 작동된다.
한편, 도 1의 참조부호 중에서 미설명된 15는 디스트리뷰터(distributer), 16은 열전달 매체의 이동을 조절하기 위한 솔레노이드 밸브, 17은 검사 유리창(sight glass), 18은 필터 드라이어(filter dryer)를 나타낸다. 또한, 51은 실내공기를 정화하기 위한 공기필터, 53은 실내공기의 이동을 위한 팬(fan), 55는 실내공기를 정화하기 위한 헤파필터를 나타낸다. 아울러, 19, 31은 열을 외부로 배출하기 위한 팬을 나타낸다. 아울러, R.A.는 실내공기(room air)를 나타내고, S.A.는 실내로 공급되는 공기를 나타낸다.
냉각유니트(30)는 실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시킨다. 냉각유니트(30)는 실외에 설치된 제1 열교환부(32), 실내에 설치된 제2 열교환부(38) 및, 제1 열교환부(32)와 제2 열교환부(38) 사이에 열전달 매체가 순환되도록 하는 순환펌프(33)를 구비한다.
제1 열교환부(32)는 그 내부에서 열전달 매체가 이동하는 관, 예를 들어 열전도성이 우수한 코일관으로서, 외부공기에 노출되어 외부공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 이루어지도록 한다.
제2 열교환부(38)는 실내공기가 이동하는 경로에 설치되어 실내공기와 열교환을 한다. 제2 열교환부(38)는 그 내부에서 열전달 매체가 이동하는 관, 예를 들어 열전도성이 우수한 코일관으로서, 실내공기에 노출되어 실내공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 이루어지도록 한다.
순환펌프(33)는 열전달 매체가 제1 열교환부(32)와 제2 열교환부(38) 사이를 순환하도록 한다.
냉각유니트(30)의 열전달 매체가 이동하는 경로는 히트펌프(10)의 열전달매체가 이동하는 경로와는 분리된 것이 바람직하다. 즉, 냉각유니트(30)의 열전달 매체와 히트펌프(10)의 열전달매체는 별도의 경로를 통해서 이동하고 상기 두 개의 열전달 매체의 경로는 부분적으로라도 공유되지 않는다. 한편, 냉각유니트(30)의 열전달 매체는 물과 에틸렌글리콜이 혼합된 것이 사용될 수 있지만 이에 한정되지는 않고 추운 겨울철에도 얼지 않는 냉매라면 다른 것도 사용될 수 있다. 그리고, 히트펌프(10)의 열전달 매체로는 통상적인 냉매가 사용될 수 있다.
바람직하게, 냉각유니트(30)는 열전달 매체를 저장하는 보조 탱크(34)를 구비한다. 보조 탱크(34)는 열전달 매체가 이동하는 경로(배관) 또는 제1 열교환부(32)와 연통되고, 자연 소실(消失) 등으로 인해 열전달 매체가 부족한 경우에 열전달 매체를 보충한다.
도 3에 나타난 바와 같이, 냉각유니트(30)는 실외온도가 낮은 경우(예를 들어, 추운 겨울철)에 실내 냉방이 필요한 때에 작동된다. 도 3에서 열전달 매체가 이동하는 경로는 굵은 실선으로 표시되었다.
정밀기기, 전산기기 등이 설치된 실내공간은 온도와 습도를 적절하게 조절하는 것이 필요한데, 추운 겨울철에도 각종 기기로부터 배출된 열로 인해서 실내온도가 기준 온도(예를 들어, 각종 기기들이 정상적으로 작동하기 위한 온도)보다 높아지는 경우가 있다. 이러한 경우에 본 발명에 따른 항온 항습기는, 히트펌프(10)를 작동시키지 않고, 제1 열교환부(32)에서 자연 냉각된 열전달 매체를 제2 열교환부(38)로 이동시켜 실내공기를 냉각시킨다. 따라서, 히트펌프(10)를 작동시키기 위해 소요되는 에너지 즉, 압축기(11) 등의 작동을 위해 소요되는 에너지를 크게 절약할 수 있고 히트펌프(10)의 사용 수명을 늘릴 수 있다.
바람직하게, 제2 열교환부(38)와 열교환 부재(13)의 후방에는 제2 열교환부(38) 또는 열교환 부재(13)로부터 배출된 실내공기를 선택적으로 가열하는 히터(60)가 설치된다. 히터(60)를 통과한 실내공기는 가습기(50)에 의해서 가습되어 습도가 조절되는데, 히터(60)는 냉각된 실내공기를 가열함으로써 가습기(50)에 의해서 가습된 실내공기가 실내의 기기, 장치 등에 접촉하여 결로(結露)를 발생시키는 것을 방지한다.
그러면, 본 발명에 따른 항온 항습기의 작동과정을 설명하기로 한다.
(i) 실외온도가 낮은 경우에 실내 냉방이 필요한 경우
실외온도가 낮은 경우(예를 들어, 추운 겨울철)에 실내 냉방이 필요하면 냉각유니트(30)가 작동되고, 히트펌프(10)는 작동되지 않는다(도 3 참조). 실내와 실외에 각각 설치된 온도센서(도면에 미도시)는 온도 신호를 제어부(도면에 미도시)에 전달하고, 제어부는 상기 온도 신호에 따라 냉각유니트(30)와 히트펌프(10)의 작동을 제어한다. 예를 들어, 실외온도가 실내의 기준온도보다 낮고 실내온도가 실내의 기준온도보다 높은 경우에는 냉각유니트(30)가 작동되고 히트펌프(10)는 작동되지 않는다.
실외의 차가운 공기에 의해서 자연 냉각된 열전달매체는 순환펌프(33)에 의해서 제2 열교환부(38)로 이동되고, 제2 열교환부(38)에서 열전달매체와 실내공기가 열교환을 하여 실내공기가 냉각된다. 이 때, 상기 실내공기는 제2 열교환부(38)에 도달하기 전에 공기필터(51)를 거치는 것이 바람직하다.
제2 열교환부(38)를 통과하면서 냉각된 실내공기는 히터(60)에 의해서 가열된 후 가습기(50)에 의해서 가습되고, 이어서, 실내공기는 팬(53)과 헤파필터(55)를 거친 후 실내로 배출된다.
(ii) 실외온도가 낮은 경우에 실내 난방이 필요한 경우
실외온도가 낮은 경우(예를 들어, 추운 겨울철)에 실내 난방이 필요하면 히트펌프(10)가 작동되고 냉각유니트(30)는 작동되지 않는다. 예를 들어, 제어부는 실외온도와 실내온도가 실내 기준온도(예를 들어, 각종 기기들이 정상적으로 작동되는 온도)보다 낮으면 히트펌프(10)가 작동되고 냉각유니트(30)는 작동되지 않도록 한다. 이 때, 실내에 설치된 열교환 부재(13)는 응축기로서 작용한다.
압축기(11)에서 압축된 열전달 매체는 응축기(13)에서 응축하면서 열을 발생시키고, 상기 열에 의해서 실내공기가 가열된다. 응축기(13)를 통과하면서 가열된 실내공기는 가습기(50)에 의해서 가습되고, 이어서 팬(53)과 헤파필터(55)를 거친 후 실내로 배출된다.
(iii) 실외온도가 높은 경우에 실내 냉방이 필요한 경우
실외온도가 높은 경우(예를 들어, 더운 여름철)에 실내 냉방이 필요한 경우에는 히트펌프(10)가 작동되고 냉각유니트(30)는 작동되지 않는다(도 2 참조). 예를 들어, 제어부는 실외온도 및 실내온도가 실내의 기준온도(예를 들어, 각종 기기들이 정상적으로 작동되는 온도)보다 높은 경우에는 히트펌프(10)만이 작동되도록 한다. 이 경우에는 실내에 설치된 열교환부재(13)가 증발기로서 작용한다.
압축기(11)에서 압축되고 응축기(12)에서 응축된 열전달 매체는 증발기(13)에서 증발하면서 주위의 열을 빼앗고, 이에 따라 증발기(13)를 통과하는 실내공기가 냉각된다. 증발기(13)를 통과하면서 냉각된 실내공기는 가습기(50)에 의해서 가습되고, 이어서 팬(53)과 헤파필터(55)를 거친 후 실내로 배출된다.
10 : 히트펌프 11 : 압축기
12, 13 : 열교환 부재 14 : 팽창밸브
30 : 냉각 유니트 50 : 가습기
60 : 히터

Claims (8)

  1. 실내공기를 가열 또는 냉각시키기 위한 히트펌프;
    실외에서 자연 냉각된 열전달 매체를 이용하여 실내공기를 냉각시키는 냉각유니트; 및
    실내공기의 습도를 조절하기 위한 가습기;를 구비하고,
    실외온도가 실내온도 보다 낮고 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 히트펌프의 작동이 정지되고 냉각유니트의 열전달 매체가 차가운 실외공기에 의해서 냉각된 후 실내로 공급되어 실내공기와 열교환을 하여 실내공기를 냉각시키고,
    냉각유니트의 열전달 매체와 히트펌프의 열전달 매체는 각각 별도의 배관을 통하여 이동되고, 냉각유니트의 열전달 매체와 히트펌프의 열전달 매체 사이에는 열전달이 일어나지 않으며,
    냉각유니트는,
    실외에 설치된 제1 열교환부;
    실내에 설치된 제2 열교환부; 및
    제1 열교환부와 제2 열교환부 사이에 냉각유니트의 열전달 매체가 순환되도록 하는 순환펌프;를 구비하고,
    실외온도가 실내온도 보다 낮고 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때, 제1 열교환부는 실외 공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 일어나도록 하여 열전달매체를 냉각시키고 제2 열교환부는 실내 공기와 열전달 매체 사이에 열교환이 일어나도록 하여 실내공기를 냉각시키며,
    히트펌프는,
    실내에 설치된 열교환부재(13);
    실외에 설치된 열교환부재(12); 및,
    압축기(11);를 포함하고, 실외온도 및 실내온도가 실내 기준온도 보다 높은 경우에 실내공기를 냉각시킬 필요가 있을 때에는 냉각유니트의 작동이 정지되고 열교환부재(13)가 실내공기의 열을 흡수하고 상기 열은 열교환부재(12)가 실외공기로 방출하는 것을 특징으로 하는 항온 항습기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히트펌프는 두 개 이상이 구비되고,
    상기 두 개 이상의 히트펌프는 냉,난방 부하에 따라 한꺼번에 작동되거나 어느 하나만이 작동되는 것을 특징으로 하는 항온 항습기.
  5. 제1항에 있어서,
    제2 열교환부 또는 열교환 부재(13)로부터 배출되는 공기를 선택적으로 가열하는 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 항온 항습기.
  6. 제1항에 있어서,
    냉각유니트는 열전달 매체가 저장된 보조탱크를 구비하고,
    보조탱크는 냉각유니트의 열전달 매체가 부족한 경우에 열전달 매체를 냉각유니트에 공급하는 것을 특징으로 하는 항온 항습기.
  7. 삭제
  8. 삭제
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