KR101152435B1 - Hot Air Heat Pump System of Air Cycle - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템에 관한 것으로서, 쿨링모드에서는 에어사이클을 순환하는 공기를 팽창기로 통과시켜 냉방효과를 얻고, 히팅모드에서는 팽창변을 통과시켜 난방효과를 얻음으로써, 하나의 시스템에서 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a hot air pump pump system of an air cycle, in the cooling mode, the air circulating through the air cycle is passed through the expander to obtain a cooling effect, and in the heating mode through the expansion valve to obtain a heating effect, It is an object of the present invention to provide an air cycle hot air pump system capable of simultaneously cooling and heating the system.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 압축기(11)와 고온 열교환기(12)와 팽창기(13)와 재생기(17)를 포함하는 에어사이클(Air Cycle)에 있어서, 상기 압축기(11)와 상기 고온 열교환기(12)와의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기의 일부가 순환 도중에 분기되어 상기 공조공간(15)으로 직접 공급되는 분기점(19)이 구비되고, 상기 분기점(19)과 상기 공조공간(15)과의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기를 등엔탈피로 팽창시키는 팽창변(18)이 구비되며, 분기량 조절수단에 의하여 상기 분기점(19)에서 분기되는 공기의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the air cycle including a compressor (11), a high temperature heat exchanger (12), an expander (13) and a regenerator (17), the compressor (11) and the On the circulation path of the air between the high temperature heat exchanger 12, a branch point 19 is provided, in which a part of the air branches in the circulation and is directly supplied to the air conditioning space 15, and the branch point 19 and the air conditioning space are provided. On the circulation path of the air between the (15) and the expansion valve (18) is provided for expanding the air in isoenthalpy, characterized in that for controlling the amount of air branching at the branch point (19) by the branch amount adjusting means. It is done.

에어사이클, 핫에어 힛펌프 시스템, 팽창변, 분기량 조절수단 Air cycle, hot air pump system, expansion valve, divergence control

Description

에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템{Hot Air Heat Pump System of Air Cycle}Hot Air Heat Pump System of Air Cycle

도 1은, 종래의 냉동사이클의 개념도이고,1 is a conceptual diagram of a conventional refrigeration cycle,

도 2는, 밀폐시스템으로서의 에어사이클의 개략적인 구성도이고,2 is a schematic configuration diagram of an air cycle as a closed system,

도 3은, 도 2의 에어사이클의 TS 선도이고,3 is a TS diagram of the air cycle of FIG.

도 4는, 개방시스템으로서의 에어사이클의 개략적인 구성도이고,4 is a schematic configuration diagram of an air cycle as an open system,

도 5는, 재생기가 장착된 개방시스템으로서의 에어사이클의 개략적인 구성도이며,5 is a schematic configuration diagram of an air cycle as an open system equipped with a regenerator;

도 6은, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템의 일실시예를 개략적으로 도시한 구성도이고,Figure 6 is a schematic diagram showing an embodiment of a hot air pump system according to the present invention,

도 7은, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이고,Figure 7 is a schematic diagram showing another embodiment of a hot air pump system according to the present invention,

도 8는, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템에 있어서의 TS 선도이다.8 is a TS diagram in the hot air pump system according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

11...압축기 12...고온 열교환기11 ... compressor 12 ... high temperature heat exchanger

13...팽창기 15...공조공간13 ... Inflator 15 ... HVAC

17...재생기 18...팽창변17 Regenerator 18 Expansion valve

19...분기점 20...제1 밸브19 ... Junction 20 ... First valve

21...제2 밸브 22...삼방밸브21 ... 2nd valve 22 ... 3 way valve

본 발명은, 에어사이클(Air Cycle)의 핫에어 힛펌프 시스템(Hot air heat pump system)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 쿨링모드에서는 에어사이클을 순환하는 공기를 팽창기로 통과시켜 냉방효과를 얻고, 히팅모드에서는 팽창변을 통과시켜 난방효과를 얻음으로써, 하나의 시스템에서 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hot air heat pump system of an air cycle, and more particularly, in a cooling mode, air is circulated through an air cycle to an expander to obtain a cooling effect. In the heating mode, an expansion valve is passed to obtain a heating effect, and the present invention relates to an air cycle hot air pump system capable of simultaneously cooling and heating in one system.

일반적으로 식품의 냉장 또는 냉동 등에 사용되는 냉동기계에는, 냉매를 기체상 및 액체상으로 상변화시키고, 이때에 수반되는 잠열의 흡수 및 방출에 의하여 공조공간으로 송풍되는 공기의 냉방을 수행하는 냉동사이클이 적용된다.Generally, a refrigerating machine used for refrigerating or freezing foods includes a refrigeration cycle in which a refrigerant is phase-changed into a gas phase and a liquid phase, and air cooling of the air blown into the air-conditioning space is carried out by absorption and release of latent heat. Apply.

도 1에는, 종래의 냉동사이클의 개념도가 도시되어 있다.1, a conceptual diagram of a conventional refrigeration cycle is shown.

종래의 냉동사이클은, 냉매로서 R-134a를 사용하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 냉매를 압축기(1)에서 고온, 고압으로 압축시킨 후 응축기(2)에서 액체상태로 응축시키고, 이 응축된 냉매를 팽창밸브(3)를 통과시켜 기화되기 쉽게 팽창시킨 다음, 상기 팽창된 냉매를 증발기(4)에서 증발시킴으로써, 상기 증발기(4)를 통과하는 냉매와 상기 증발기(4)를 경유하여 공조공간으로 공급되는 공기와의 열교환에 의하여 냉동효과를 얻는다.In a conventional refrigeration cycle, R-134a is used as a refrigerant, and as shown in FIG. 1, the refrigerant is compressed at a high temperature and a high pressure in the compressor 1, and then condensed in a liquid state in the condenser 2. The condensed refrigerant is passed through the expansion valve (3) to expand easily to vaporize, and then the expanded refrigerant is evaporated in the evaporator (4), through the refrigerant passing through the evaporator (4) and the evaporator (4) The freezing effect is obtained by heat exchange with air supplied to the air conditioning space.

상기와 같은 종래의 냉동사이클에 사용되는 냉매인 R-134a는, 지구 온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라, 그 사용이 억제되고 점차적으로 사용이 금지될 것으로 예상되고 있다.R-134a, which is a refrigerant used in the conventional refrigeration cycle as described above, is known to be the main culprit of environmental degradation such as global warming, and therefore, its use is expected to be suppressed and gradually banned.

따라서, 상기 R-134a를 대체할 대체냉매의 개발에 대한 관심이 커지고 있으며, 이에 따라 차세대 대체냉매로서 CO2와 R-152a가 거론되고 있다.Therefore, interest in the development of alternative refrigerants to replace the R-134a is increasing, and accordingly CO 2 and R-152a have been discussed as the next-generation alternative refrigerants.

그러나, CO2는, 고압의 작동압력이 필요하므로, 냉동사이클에 적용되는 모든 부품이 고압용으로 새로 개발되어야 하며, 따라서 내압성을 향상시키기 위한 소재의 두께의 변화 및 사양의 변화에 의하여 부품의 가격이 상승한다는 문제점이 있다.However, since CO 2 requires a high operating pressure, all parts applied to the refrigeration cycle must be newly developed for high pressure, and thus the cost of the parts can be changed by changing the thickness of the material and changing the specifications to improve the pressure resistance. There is a problem that this rises.

한편, R-152a는, 기존의 R-134a을 사용하는 냉동사이클에 적용되었던 부품을 그대로 사용할 수 있다는 장점은 있으나, R-152a 자체가 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers)가 규정하고 있는 냉매그룹 중 A2 그룹(약간의 화염성을 갖는 냉매그룹)에 속해 있으므로, 일반적인 냉매로 사용하기에는 다소 불안정하다는 문제점이 있다.On the other hand, the R-152a has the advantage that the parts used in the existing refrigeration cycle using the R-134a can be used as it is, but R-152a itself is ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) Since it belongs to the A2 group (refrigerant group having a slightly flammable) among the prescribed refrigerant groups, there is a problem that it is somewhat unstable to use as a general refrigerant.

따라서, 이상과 같이 냉매 자체를 대체하기 보다는 종래의 냉동사이클을 대체하는 새로운 사이클을 이용함으로써, 환경친화적이며 안전하고 효율이 높은 새로운 시스템을 개발하려는 노력이 계속되었다.Therefore, by using a new cycle that replaces the conventional refrigeration cycle rather than replacing the refrigerant itself as described above, efforts to develop a new system that is environmentally friendly, safe and efficient.

이러한 대체 사이클로서 가장 유력하게 거론되고 있는 것이 바로 역-브래이튼 사이클을 이용한 에어사이클이다.The most promising one of these alternative cycles is the air cycle using the reverse-Brighton cycle.

에어사이클이란, 기체상태의 유체, 특히 공기를 냉매로 사용하는 시스템으로서, 가스동력 사이클의 일종인 브래이튼 사이클을 역으로 가동함으로써 냉동효과를 얻는 사이클이다.An air cycle is a system that uses a gaseous fluid, in particular air, as a refrigerant, and is a cycle in which a refrigeration effect is obtained by operating a Brayton cycle, which is a kind of gas power cycle, in reverse.

에어사이클의 가장 큰 장점은, 냉매로서 공기를 사용하므로 기존 냉매들의 문제점이었던 오존층 파괴 및 지구 온난화 등과 같은 환경파괴의 문제가 전혀 없다는 것이다.The biggest advantage of the air cycle is that there is no problem of environmental destruction such as ozone layer destruction and global warming, which were problems of the existing refrigerants because air is used as the refrigerant.

도 2에는, 에어사이클의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 3에는, 에어사이클의 TS 선도가 도시되어 있다.2 shows a schematic configuration diagram of the air cycle, and FIG. 3 shows a TS diagram of the air cycle.

도 2 및 도 3을 참조하여, 에어사이클의 기본원리를 설명하면 다음과 같다.2 and 3, the basic principle of the air cycle is as follows.

에어사이클의 전체적인 순환과정은, ⅰ) 공기가 압축기(11)에서 압축됨으로써 그 압력과 온도가 상승하는 압축과정(a→b)과, ⅱ) 압축된 고압, 고온의 공기가 고온 열교환기(12)에서 외부열원(15)으로 열을 전달하며 등압조건에서 그 온도가 감소하는 온도하강과정(b→c)과, ⅲ) 온도가 하강한 공기가 팽창기(13)에서 팽창됨으로써 그 압력과 온도가 하강하는 팽창과정(c→d)과, Ⅳ) 온도와 압력이 하강된 공기가 저온 열교환기(14)에서 외부열원(16)으로부터 열을 전달받아 등압조건에서 그 온도가 상승하는 온도상승과정(d→a)으로 이루어진다.The overall circulation of the air cycle includes: (i) a compression process (a → b) in which the air is compressed in the compressor (11) to increase its pressure and temperature, and ii) the compressed high pressure and high temperature air is a high temperature heat exchanger (12). ) Is transferred to the external heat source 15 and the temperature decrease process (b → c) in which the temperature decreases under isostatic conditions, and iii) the air having a lowered temperature is expanded in the expander 13 so that the pressure and temperature are increased. Descending expansion process (c → d), and Ⅳ) Temperature rising process in which the temperature and pressure lowered air receives heat from the external heat source 16 in the low temperature heat exchanger 14 and the temperature rises under isostatic conditions. d → a).

이때에, 압축과정(a→b)에서는 압축기를 구동시키기 위한 압축일이 요구되며, 팽창과정(c→d)에서는 팽창기로부터 팽창일이 발생되므로, 이를 압축기로 되돌림으로써 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있다.At this time, a compression work for driving the compressor is required in the compression process (a → b), and an expansion work is generated from the expander in the expansion process (c → d), thereby reducing the required power of the compressor by returning it to the compressor. Can be.

또한, 온도하강과정(b→c) 또는 온도상승과정(d→a)에서는 외부열원(15, 16) 이 공조공간에 해당하며, 따라서 이 과정에서 공조공간으로 열을 방출하거나 열을 흡수하여 공조공간을 난방 또는 냉방하는 역할을 수행하게 된다.In addition, in the temperature lowering process (b → c) or the temperature raising process (d → a), the external heat sources 15 and 16 correspond to air conditioning spaces. It serves to heat or cool the space.

전체 에어사이클의 냉방용량(Q) 및 성적계수(COP: Coefficient of Performance)는 다음과 같이 표현될 수 있다.Cooling capacity (Q) and Coefficient of Performance (COP) of the entire air cycle can be expressed as follows.

<식 1><Equation 1>

Figure 112005027403229-pat00001
Figure 112005027403229-pat00001

지금까지는 밀폐시스템에 대한 설명이었으나, 에어사이클에서는 공기 자체가 냉매가 되므로 사이클을 거친 공기를 직접 냉방에 사용하는 개방시스템을 생각할 수 있다.Until now, the description has been made of the sealed system, but in the air cycle, since the air itself becomes a refrigerant, an open system that directly uses the cycled air for cooling can be considered.

도 4에는, 개방시스템으로서의 에어사이클의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.4 shows a schematic configuration diagram of an air cycle as an open system.

개방시스템으로서의 에어사이클은, 도 4에 도시된 바와 같이, 저온 열교환기(14)가 없는 형태이며, 팽창기(13)에서 유출되는 차가운 공기를 직접 공조공간(15)에 공급함으로써 냉방을 실현할 수 있다.As shown in FIG. 4, the air cycle as an open system has no low-temperature heat exchanger 14, and cooling can be realized by directly supplying cool air flowing out of the expander 13 directly to the air conditioning space 15. .

한편, 시스템의 효율향상을 위하여 재생기를 장착한 개방시스템으로서의 에어사이클을 생각할 수 있다.On the other hand, in order to improve the efficiency of the system, an air cycle as an open system equipped with a regenerator can be considered.

도 5에는, 재생기가 장착된 개방시스템으로서의 에어사이클의 개략적인 구성 도가 도시되어 있다.5 shows a schematic diagram of an air cycle as an open system equipped with a regenerator.

이 경우에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 고온 열교환기(12)에서 온도가 하강된 공기는, 공조공간(15)으로부터 순환되어 돌아오는 차가운 공기와 재생기(17)에서 열교환한 후, 온도가 더욱 감소하여 팽창기(13)로 유입되고, 팽창기(13)를 거치면서 팽창된 공기는 재생기(17)가 없을 때보다 더욱 감소하게 된다.In this case, as shown in FIG. 5, the air whose temperature is lowered in the high temperature heat exchanger 12 is heat-exchanged in the regenerator 17 and the cold air that is circulated from the air conditioning space 15 and returns. Further reduced and introduced into the inflator 13, the air expanded through the inflator 13 is further reduced than without the regenerator 17.

따라서, 재생기(17)가 있는 경우가 없는 경우에 비하여 팽창기(13)를 나오는 공기의 온도가 더욱 감소되므로, 보다 높은 냉방 또는 냉동효과를 얻을 수 있다.Therefore, since the temperature of the air exiting the expander 13 is further reduced as compared with the case where there is no regenerator 17, a higher cooling or freezing effect can be obtained.

그러나, 상기와 같은 종래의 에어사이클에는 냉방과 난방을 동시에 실현할 수 있는 구조가 없었으므로, 보다 간단한 구성에 의하여 하나의 시스템으로 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 에어사이클이 요구되었다.However, since the conventional air cycle does not have a structure capable of simultaneously cooling and heating, there is a demand for an air cycle capable of simultaneously cooling and heating in one system by a simpler configuration.

본 발명은, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 쿨링모드에서는 에어사이클을 순환하는 공기를 팽창기로 통과시켜 냉방효과를 얻고, 히팅모드에서는 팽창변을 통과시켜 난방효과를 얻음으로써, 보다 간단한 구성에 의하여 하나의 시스템에서 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-described problems, in the cooling mode to pass the air circulating the air cycle to the expander to obtain a cooling effect, in the heating mode to pass the expansion valve to obtain a heating effect, It is an object of the present invention to provide a hot air pump system of an air cycle capable of simultaneously cooling and heating in one system by a simpler configuration.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 사이클 내부를 순환하는 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기를 외부열원과 열교환시키는 고온 열교환기와, 상기 고온 열교환기로부터 나온 공기를 팽창시킨 후 공조공간으로 공급하는 팽창기와, 상기 공조공간으로부터 압축기로 유입되는 공기와 상기 고온 열교환기로부터 상기 팽창기로 이동하는 공기와의 사이의 열교환을 위한 재생기를 포함하는 에어사이클에 있어서, 상기 압축기와 상기 고온 열교환기와의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기의 일부가 순환 도중에 분기되어 상기 공조공간으로 직접 공급되는 분기점이 구비되고, 상기 분기점과 상기 공조공간과의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기를 등엔탈피로 팽창시키는 팽창변이 구비되며, 분기량 조절수단에 의하여 상기 분기점에서 분기되는 공기의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a compressor for compressing air circulating in a cycle, a high temperature heat exchanger for exchanging air compressed by the compressor with an external heat source, and inflating air from the high temperature heat exchanger. An air cycle comprising an expander for supplying a space, and a regenerator for heat exchange between air flowing into the compressor from the air conditioning space and air moving from the high temperature heat exchanger to the expander. On the circulation path of the air between the tiles, a branching point is provided in which part of the air branches in the middle of the circulation and is directly supplied to the air conditioning space. On the circulation path of the air between the branch point and the air conditioning space, the air is enthalpy. Expansion valve is provided to expand to, by the branch amount adjusting means Characterized by controlling the amount of air to be branched from the starting point.

여기에서, 상기 분리량 조절수단은, 상기 분기점으로부터 상기 고온 열교환기로 이동하는 공기의 양을 조절하는 제1 밸브와, 상기 분기점으로부터 상기 팽창변으로 이동하는 공기의 양을 조절하는 제2 밸브를 포함하여 구성되거나; 상기 분기점에 위치하여, 상기 분기점으로부터 상기 고온 열교환기로 이동하는 공기의 양 및 상기 분기점으로부터 상기 팽창변으로 이동하는 공기의 양을 동시에 조절하는 삼방밸브를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.Here, the separation amount adjusting means includes a first valve for adjusting the amount of air moving from the branch point to the high temperature heat exchanger, and a second valve for adjusting the amount of air moving from the branch point to the expansion valve. Configured; Located at the branch point, preferably comprises a three-way valve for controlling the amount of air moving from the branch point to the high temperature heat exchanger and the amount of air moving from the branch point to the expansion valve at the same time.

이하, 본 발명에 따른 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Best Mode for Carrying Out the Invention An embodiment of an air cycle hot air pump system according to the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

도 6에는, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 7에는, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템의 또 다른 실시예에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있으며, 도 8에는, 본 발명에 의한 핫에어 힛펌프 시스템의 TS 선도가 도시되어 있다.FIG. 6 is a schematic configuration diagram of one embodiment of a hot air pump system according to the present invention, and FIG. 7 is a schematic diagram of another embodiment of a hot air pump system according to the present invention. A block diagram is shown, and in FIG. 8, a TS diagram of a hot air pump system according to the present invention is shown.

도 6에 도시된 실시예는, 압축기와 고온 열교환기와의 사이의 분기점에서 공 기를 분기하고, 상기 분기점에서 분기되는 공기의 양을 조절하는 분기량 조절수단으로서 2개의 밸브를 사용하여, 쿨링모드에서는 공기를 팽창기로 통과시켜 냉방효과를 얻고, 히팅모드에서는 팽창변을 통과시켜 난방효과를 얻음으로써, 하나의 시스템에서 냉방과 난방을 동시에 수행하는 것이다.In the cooling mode, the embodiment shown in Fig. 6 uses two valves as branch amount adjusting means for branching air at a branch point between the compressor and the high temperature heat exchanger and adjusting the amount of air branched at the branch point. The air is passed through the expander to obtain a cooling effect, and in the heating mode, the expansion valve is passed to obtain a heating effect, thereby simultaneously cooling and heating in one system.

전체적인 에어사이클의 작동원리는 이미 설명하였으므로 생략하고, 본 발명의 특징부에 해당하는 공기의 분기, 분기량 조절수단 및 팽창변에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Since the principle of operation of the entire air cycle has already been described, it will be omitted and the branching of the air, the branch amount adjusting means and the expansion valve corresponding to the features of the present invention will be described in detail.

도 6에 도시된 바와 같이, 압축기(11)에서 압축된 공기가 고온 열교환기(12)로 이동하는 도중에 분기점(19)을 만난다.As shown in FIG. 6, the compressed air in the compressor 11 encounters the branch point 19 on the way to the high temperature heat exchanger 12.

상기 분기점(19)에서 공기의 일부는 상기 고온 열교환기(12)로 계속 진행될 수 있으며, 다른 일부는 공조공간(15)으로 직접 공급될 수 있다.Some of the air at the branch point 19 may continue to the high temperature heat exchanger 12, and some may be supplied directly to the air conditioning space 15.

상기 분기점(19)으로부터 상기 공조공간(15)으로의 공기의 이동경로상에는, 공기의 등엔탈피 팽창을 위한 팽창변(18)이 설치된다.On the moving path of air from the branch point 19 to the air conditioning space 15, an expansion valve 18 for isoenthalpy expansion of air is provided.

상기 분기점(19)에서의 공기의 분기량은 분기량 조절수단에 의하여 조절될 수 있으며, 도 6에는 이러한 분기량 조절수단으로서 두 개의 밸브를 사용하고 있다.The branching amount of air at the branch point 19 can be adjusted by the branching amount adjusting means, and in FIG. 6, two valves are used as the branching amount adjusting means.

상기 두 개의 밸브는, 상기 분기점(19)으로부터 상기 고온 열교환기(12)로의 이동경로상에 위치한 제1 밸브(20)와, 상기 분기점(19)으로부터 상기 팽창변(18)으로의 이동경로상에 위치한 제2 밸브(21)를 구성함으로써, 공기의 분기량 조절이 가능하게 된다.The two valves are provided on a first valve 20 located on a moving path from the branch point 19 to the high temperature heat exchanger 12 and on a moving path from the branch point 19 to the expansion valve 18. By configuring the located second valve 21, it is possible to adjust the branching amount of air.

상기와 같이 구성된 본 실시예에 있어서의 각 구성요소의 작동관계를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation relationship of each component in this embodiment configured as described above are as follows.

냉방 또는 냉장효과를 얻기 위한 쿨링모드에서는, 분기점(19)을 중심으로 하여, 제1 밸브(20)는 열어두고 제2 밸브(21)는 닫는다.In the cooling mode for achieving the cooling or refrigerating effect, the first valve 20 is opened and the second valve 21 is closed, centering on the branch point 19.

따라서, 공기의 흐름은, 종래의 에어사이클과 같이 공조공간(15)→재생기(17)→압축기(11)→제1 밸브(20)→고온 열교환기(12)→재생기(17)→팽창기(13)→공조공간(15)의 순서가 되므로, 공조공간(15)에 있어서 냉방 또는 냉장효과를 얻을 수 있게 된다.Therefore, the air flow is controlled by the air conditioning space 15 → regenerator 17 → compressor 11 → first valve 20 → high temperature heat exchanger 12 → regenerator 17 → expander as in the conventional air cycle. 13) → Since the air conditioning space 15 is in the order, the cooling or refrigeration effect can be obtained in the air conditioning space 15.

한편, 난방 또는 온장효과를 얻기 위한 히팅모드에서는, 상기 분기점(19)을 중심으로 하여, 상기 제1 밸브(20)는 닫고 상기 제2 밸브(21)는 열어 둔다.On the other hand, in the heating mode for obtaining the heating or warming effect, the first valve 20 is closed and the second valve 21 is opened, centering on the branch point 19.

따라서, 공기의 흐름은, 공조공간(15)→재생기(17)→압축기(11)→제2 밸브(20)→팽창변(18)→공조공간(15)의 순서가 되므로, 공조공간(15)에 있어서 난방 또는 온장효과를 얻을 수 있게 된다.Therefore, the air flows in the order of the air conditioning space 15 → regenerator 17 → compressor 11 → second valve 20 → expansion valve 18 → air conditioning space 15, and thus the air conditioning space 15 In the heating or heating effect can be obtained.

이때, 재생기(17)는, 재생의 역할을 수행하지 않고 단지 공기의 통로에 지나지 않는다.At this time, the regenerator 17 does not play a role of regeneration and is merely an air passage.

한편, 도 7에 도시된 실시예는, 분기량 조절수단으로서 분기점(19)상에 위치한 삼방밸브(22)를 사용하고 있다.On the other hand, in the embodiment shown in Fig. 7, the three-way valve 22 located on the branch point 19 is used as the branch amount adjusting means.

상기 삼방밸브(22)는, 상기 분기점(19)으로부터 고온 열교환기(12)로 이동하는 공기의 양 및 상기 분기점(19)으로부터 팽창변(18)으로 이동하는 공기의 양을 동시에 조절한다.The three-way valve 22 simultaneously adjusts the amount of air moving from the branch point 19 to the high temperature heat exchanger 12 and the amount of air moving from the branch point 19 to the expansion valve 18.

따라서, 냉방 또는 냉장효과를 얻기 위한 쿨링모드에서는, 압축기(11)를 나온 공기를 상기 삼방밸브(22)를 경유하여 고온 열교환기(12)로 이동시킨다.Therefore, in the cooling mode for achieving the cooling or refrigerating effect, the air exiting the compressor 11 is moved to the high temperature heat exchanger 12 via the three-way valve 22.

이 경우 공기의 흐름은, 공조공간(15)→재생기(11)→압축기(11)→삼방밸브(22)→고온 열교환기(12)→재생기(17)→팽창기(13)→공조공간(15)의 순서가 되므로, 공조공간(15)에 있어서 냉방 또는 냉장효과를 얻을 수 있게 된다.In this case, the air flows from the air conditioning space 15 to the regenerator 11 to the compressor 11 to the three-way valve 22 to the high temperature heat exchanger 12 to the regenerator 17 to the expander 13 to the air conditioning space 15. ), The cooling or refrigeration effect can be obtained in the air conditioning space 15.

한편, 난방 또는 온장효과를 얻기 위한 히팅모드에서는, 압축기(11)를 나온 공기를 상기 삼방밸브(22)를 경유하여 팽창변(18)로 이동시킨다.On the other hand, in the heating mode for obtaining the heating or warming effect, the air exiting the compressor 11 is moved to the expansion valve 18 via the three-way valve 22.

따라서, 공기의 흐름은, 공조공간(15)→재생기(11)→압축기(11)→삼방밸브(22)→팽창변(18)→공조공간(15)의 순서가 되므로, 공조공간(15)에 있어서 난방 또는 온장효과를 얻을 수 있게 된다.Therefore, the air flows in the order of the air conditioning space 15 → regenerator 11 → compressor 11 → three-way valve 22 → expansion valve 18 → air conditioning space 15. Thus, heating or warming effect can be obtained.

도 8에는, 본 발명에 있어서의 TS 선도가 도시되어 있다.8 shows a TS diagram in the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명에 있어서 냉방과 난방을 하나의 시스템에서 동시에 수행하는 원리를 보다 쉽게 이해할 수 있다.Referring to FIG. 8, in the present invention, the principle of simultaneously performing cooling and heating in one system may be more easily understood.

쿨링모드에서는, 기존의 에어사이클에서와 같이, (f→a→b→e→c→d)의 과정을 거치면서 냉방 또는 냉장효과를 얻게 된다.In the cooling mode, as in the conventional air cycle, the cooling or refrigeration effect is obtained through the process of (f → a → b → e → c → d).

이에 반하여, 히팅모드에서는 (a→b→c')의 과정을 거치게 된다.In contrast, the heating mode undergoes a process of (a → b → c ').

여기에서, (b→c')의 과정은 팽창변(18)에서의 등엔탈피 팽창과정에 해당하며, 이러한 등엔탈피 팽창과정에서는 온도가 크게 하강하지 않으므로, 팽창변(18) 출구(c')측의 온도는 압축기(11) 입구(a)측의 온도보다 높게 된다.Here, the process of (b → c ') corresponds to an isenthalpy expansion process in the expansion valve 18. In this isenthalpy expansion process, since the temperature does not decrease greatly, the exit c' side of the expansion valve 18 is The temperature becomes higher than the temperature at the inlet a side of the compressor 11.

따라서, 상기 팽창변(18)을 나온 공기를 공조공간(15)으로 공급함으로써, 공 조공간(15)의 난방 또는 온장효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.Therefore, by supplying the air from the expansion valve 18 to the air conditioning space 15, it is possible to obtain the heating or warming effect of the air conditioning space (15).

이때의 난방성능은 다음의 식과 같이 표현될 수 있다.The heating performance at this time can be expressed by the following equation.

<식 2><Equation 2>

Figure 112005027403229-pat00002
Figure 112005027403229-pat00002

난방효율은, 공기가 팽창변(18)을 통하여 팽창할 때에 발생하는 엔탈피 손실(Δh3)로 인하여 다음의 식과 같이 표현되므로, 항상 1.0보다 작은 값을 가진다.The heating efficiency is always expressed as the following equation due to the enthalpy loss Δh 3 generated when the air expands through the expansion valve 18, and therefore always has a value less than 1.0.

<식 3><Formula 3>

Figure 112005027403229-pat00003
Figure 112005027403229-pat00003

쿨링모드와 히팅모드에 있어서, 팽창기(13)와 팽창변(18)의 차이점은, 팽창기(13)에서는 일이 발생되므로 팽창시의 변화가 등엔트로피 변화를 하는 반면에, 팽창변(18)에서는 일이 발생되지 않으므로 팽창시의 변화가 등엔탈피 변화를 한다는 것이다.In the cooling mode and the heating mode, the difference between the inflator 13 and the inflation valve 18 is that the work occurs in the inflator 13 so that the change in inflation causes an isentropic change while in the inflation valve 18 Since it does not occur, the change in expansion causes isoenthalpy change.

따라서, 팽창변(18)에서의 팽창에서는 온도가 크게 하강하지 않으므로, 이를 열원으로서 활용할 수 있다.Therefore, since the temperature does not drop greatly in the expansion at the expansion valve 18, it can be utilized as a heat source.

즉, 쿨링모드에서는 고압의 공기를 등엔트로피로 팽창시켜 온도를 충분히 감소시킴으로써 냉방 또는 냉장효과를 얻고, 히팅모드에서는, 고압의 공기를 등엔탈피로 팽창시켜 온도를 크게 떨어뜨리지 않고 압력만 하강시킴으로써 난방 또는 온장효과를 얻는 것이다.That is, in the cooling mode, the high-pressure air is expanded with isentropy to sufficiently reduce the temperature to obtain a cooling or refrigeration effect. In the heating mode, the high-pressure air is expanded with isoenthalpy to lower the temperature without significantly reducing the temperature. Or warming effect.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템에 의하면, 쿨링모드에서는 에어사이클을 순환하는 공기를 팽창기로 통과시켜 냉방효과를 얻고, 히팅모드에서는 팽창변을 통과시켜 난방효과를 얻음으로써, 보다 간단한 구성에 의하여 하나의 시스템에서 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the hot air pump system of the air cycle according to the present invention, in the cooling mode, the air circulating through the air cycle is passed through the expander to obtain a cooling effect, and in the heating mode, the expansion valve is passed to obtain a heating effect. Therefore, the simpler configuration can provide an air cycle hot air pump system that can simultaneously perform cooling and heating in one system.

또한, 본 발명은, 상업용의 냉장고 또는 온장고로도 사용이 가능하며, 가정용 또는 차량용으로서 여름철과 겨울철에 동시에 사용할 수 있는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can be used as a commercial refrigerator or warmer, there is an effect that can provide a hot air pump system of the air cycle that can be used at the same time in the summer and winter for home or vehicle use.

Claims (3)

사이클 내부를 순환하는 공기를 압축하는 압축기(11)와, 상기 압축기(11)에서 압축된 공기를 외부열원과 열교환시키는 고온 열교환기(12)와, 상기 고온 열교환기로부터 나온 공기를 팽창시킨 후 공조공간(15)으로 공급하는 팽창기(13)와, 상기 공조공간(15)으로부터 압축기(11)로 유입되는 공기와 상기 고온 열교환기(12)로부터 상기 팽창기(13)로 이동하는 공기와의 사이의 열교환을 위한 재생기(17)를 포함하는 에어사이클(Air Cycle)에 있어서,A compressor 11 for compressing air circulating in the cycle, a high temperature heat exchanger 12 for exchanging air compressed by the compressor 11 with an external heat source, and an air conditioner after expanding the air from the high temperature heat exchanger Between the inflator 13 supplied to the space 15 and the air flowing from the air conditioning space 15 into the compressor 11 and the air moving from the high temperature heat exchanger 12 to the expander 13. In an air cycle comprising a regenerator 17 for heat exchange, 상기 압축기(11)와 상기 고온 열교환기(12)와의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기의 일부가 순환 도중에 분기되어 상기 공조공간(15)으로 직접 공급되는 분기점(19)이 구비되고,On the circulation path of the air between the compressor 11 and the high temperature heat exchanger 12, a branch point 19 is provided in which part of the air branches in the middle of circulation and is directly supplied to the air conditioning space 15. 상기 분기점(19)과 상기 공조공간(15)과의 사이의 공기의 순환경로상에는, 공기를 등엔탈피로 팽창시키는 팽창변(18)이 구비되며,On the circulation path of the air between the branch point 19 and the air conditioning space 15, there is provided an expansion valve 18 for expanding the air by isenthalpy, 분기량 조절수단에 의하여 상기 분기점(19)에서 분기되는 공기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템(Hot Air Heat Pump System).Hot air heat pump system of the air cycle, characterized in that for controlling the amount of air branched from the branch point (19) by the branch amount adjusting means. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 분기량 조절수단은, 상기 분기점(19)으로부터 상기 고온 열교환기(12)로 이동하는 공기의 양을 조절하는 제1 밸브(20)와, 상기 분기점(19)으로부터 상기 팽창변(18)으로 이동하는 공기의 양을 조절하는 제2 밸브(21)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템.The branch amount adjusting means includes a first valve 20 for adjusting an amount of air moving from the branch point 19 to the high temperature heat exchanger 12, and a branch valve 19 moving from the branch point 19 to the expansion valve 18. Hot air pump pump system of the air cycle characterized in that it comprises a second valve (21) for adjusting the amount of air. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 분기량 조절수단은, 상기 분기점(19)에 위치하여, 상기 분기점(19)으로부터 상기 고온 열교환기(12)로 이동하는 공기의 양 및 상기 분기점(19)으로부터 상기 팽창변(18)으로 이동하는 공기의 양을 동시에 조절하는 삼방밸브(22)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에어사이클의 핫에어 힛펌프 시스템.The branch amount adjusting means is located at the branch point 19 to move the amount of air moving from the branch point 19 to the high temperature heat exchanger 12 and to the expansion valve 18 from the branch point 19. Hot air pump system of the air cycle comprising a three-way valve (22) for controlling the amount of air at the same time.
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