KR101152472B1 - 지열을 이용한 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지열을 이용하여 열교환을 수행하며 다수의 보조열원이 선택적으로 사용 가능한 공기조화기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기는, 실내 공간의 공기를 조화하는 하나 이상의 실내기; 상기 실내기와 다수의 배관에 의해 연통되며, 열교환이 일어나는 실외열교환기가 구비되는 하나 이상의 실외기; 상기 실외기의 실외열교환기와 연결 설치되며, 지하에 매설되어 지중의 열과 내부를 순환하는 순환매체 사이에 열교환이 일어나도록 하는 지중열교환기; 상기 실외열교환기 및 지중열교환기를 순환하는 순환매체가 통과되는 순환배관; 상기 순환배관에 연결 설치되며, 상기 순환매체가 교환수와 열교환되도록 하는 급탕용히트펌프; 및 상기 실외열교환기를 거친 순환매체가 상기 지중열교환기를 바이패스 하여 상기 급탕용히트펌프로 유입되도록 하는 급탕공급밸브가 포함되며, 상기 급탕용히트펌프 및 지중열교환기는 함께 사용되거나 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 안정된 냉난방이 가능하며 냉난방 효율이 향상되는 이점이 있다.
공기조화, 열원, 보조, 수냉식, 실외기, 지열

Description

지열을 이용한 공기조화기 {Air Conditioner using of the subterranean heat}
도 1은 종래 멀티형 공기조화기의 설치상태도.
도 2은 종래 멀티형 공기조화기의 구성 및 냉매 흐름을 보인 블럭구성도.
도 3은 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기의 설치상태도.
도 4는 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기의 구성 및 냉매 흐름을 보인 블럭구성도.
도 5는 본 발명 실시예의 요부인 실외기의 구성도.
도 6은 본 발명 실시예를 구성하는 보조열원의 연결상태를 보인 블럭 구성도.
도 7은 본 발명 실시예를 구성하는 순환배관을 따라 순환매체가 순환하는 상태를 보인 작동 상태도.
도 8은 본 발명 실시예를 구성하는 급탕용히트펌프가 작동되는 경우의 순환매체 유동 상태를 보인 작동 상태도.
도 9는 본 발명 실시예를 구성하는 보일러가 작동되는 경우의 순환매체 유동 상태를 보인 작동 상태도.
도 10은 본 발명 실시예를 구성하는 냉각탑이 작동되는 경우의 순환매체 유 동 상태를 보인 작동 상태도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. 실외기 102. 실외전자밸브
120. 정속압축기 120'. 인버터압축기
120a. 냉매분사기 121. 균유관
121'. 균유관온도센서 122. 오일분리기
123. 오일회수관 124. 4방향밸브
130. 과냉각기 130'. 역이송관
130'a. 과냉각팽창밸브 132. 어큐뮬레이터
140. 실외열교환기 200. 실내기
202. 실내열교환기 204. 팽창밸브
210. 공통액관 210'. 분지액관
210". 실외액관 212. 공통기관
212'. 분지기관 212". 실외기관
214. 고저압공통관 300. 지중열교환기
310. 순환배관 312. 공급배관
314. 복귀배관 320. 순환펌프
330. 보충탱크 332. 보충관
334. 보충밸브 340. 보존탱크
400. 급탕용히트펌프 402. 급탕공급관
404. 급탕공급밸브 410. 급탕열교환기
420. 급탕순환배관 430. 급탕탱크
450. 보일러 452. 보일러공급관
454. 보일러공급밸브 456. 보일러온도센서
460. 냉각탑 462. 냉각탑공급관
464. 냉각탑공급밸브 466. 냉각온도센서
468. 냉각펌프
본 발명은 지열을 이용한 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 이용하여 열교환을 수행하며 다수의 보조열원이 선택적으로 사용 가능한 공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기는, 실내의 더운 공기를 흡입하여 저온의 냉매로 열교환한 후 이를 실내로 토출하는 반복작용에 의해 실내를 냉방시키거나 또는 반대작용에 의해 실내를 난방시키는 냉/난방 시스템으로서, 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어져 일련의 사이클을 형성한다.
그리고 근래에는 냉난방 외에 실내의 오염된 공기를 흡입하여 필터링한 후 청정공기로 만들어 실내로 재투입하는 공기정화기능과, 다습한 공기를 건습공기로 만들어 실내로 재투입하는 제습기능 등 여러 가지 부가적인 기능을 겸하고 있다.
한편 주지된 바와 같이 공기조화기는 실외기와 실내기가 각각 분리되어 설치되는 분리형 공기조화기와, 실외기와 실내기가 일체로 설치되는 일체형 공기조화기로 크게 구분할 수 있다.
또한 최근에는 가정에 2대 이상의 공기조화기를 설치하고자 할 때나 여러개의 사무실을 구비한 건물에서 각 사무실마다 공기조화기를 설치하고자 할 때 효과적으로 적용할 수 있는 멀티형 공기조화기가 출시되고 있다. 이러한 멀티형 공기조화기는 하나의 실외기에 복수개의 실내기를 연결하여, 분리형 공기조화기를 여러대 설치한 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다.
도 1에는 종래 멀티형 공기조화기의 설치상태가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 2에는 종래의 멀티형 공기조화기의 구성 및 냉매의 흐름을 나타낸 블록구성도가 도시되어 있다. 이를 참조하면 실외기(1)는 압축기(10), 어큐뮬레이터(20) 및 실외열교환기(30) 등으로 이루어지고, 실내기(50)는 실내열교환기(60) 및 팽창밸브(70)로 이루어진다.
그리고 이러한 멀티형 공기조화기에서는 하나의 실외기(1)에 다수의 실내기(50)가 연결되어 있는데, 실외기(1)와 실내기(50) 사이에는 높은 압력을 가지는 고압관(80)과 상대적으로 낮은 압력의 저압관(90)이 각각 연결된다.
상기와 같은 구성의 공기조화기가 냉방작용을 할 경우, 상기 실외기(1)의 실외열교환기(30)는 압축기(10)로부터 압송된 고온/고압의 기체상태의 냉매를 응축시키는 응축기 역할을 한다. 이와 같이 응축된 냉매는 팽창밸브(70)를 통과하면서 저 온/저압의 기체상태로 팽창되어 실내열교환기(60)에 보내진다.
상기 실내열교환기(60)로 유입된 냉매는 실내 공기와 열교환됨에 따라 저온/저압의 기체상태 및 액체상태가 섞여지는 2상의 냉매로 바뀐다. 이러한 냉매는 어큐뮬레이터(20)를 통과한 후에 다시 압축기(10)에 보내져 냉매의 1싸이클(cycle)을 이룬다.
다음으로, 상기와 같은 공기조화기가 난방작용을 하는 경우에는 냉매의 흐름 및 열교환기의 작용이 반대이다. 즉, 압축기(10)에서 압축된 냉매는 어큐뮬레이터(20) -> 실내열교환기(60) -> 팽창밸브(70) -> 실외열교환기(30)의 순서로 흐른다.
이때, 상기 실내열교환기(60)는 그 내부를 통과하는 고온고압의 냉매와 실내공기를 열교환시키는 응축기 역할을 하고, 상기 실외열교환기(30)는 그 내부의 저온저압 냉매와 실외공기를 열교환시키는 증발기 역할을 한다.
이와 같이 종래의 공기조화기에서는 실외열교환기(30)의 열원으로 외기(외부의 공기)를 이용하는 방식이 주로 이용되어 왔다. 즉, 열원으로 외기(외부의 공기)를 이용하는 공기 열교환식 히트펌프(EHP, GHP)라고도 불리는 실외기(1)가 구비되는 공기조화기가 사용되어 왔다.
그러나, 이러한 공기를 이용한 열교환 시스템에서는, 외기의 온도가 난방 중에는 너무 낮고, 반대로 냉방 중에는 너무 높다. 따라서, 냉매의 열 흡수 및 배출에 많은 에너지가 소비되는 문제점이 있다. 이와 같이, 외기의 온도가 일정치 않을 경우에는 냉,난방에 필요한 열원의 이상 현상으로 인하여, 안정된 냉,난방 운전이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 상기와 같은 외기(외부의 공기)를 이용한 열교환 시스템의 문제점을 해결하기 위해, 근래에는 지열을 열원으로 하여 실외 열교환을 행하는 기본적인 공기조화기가 출현하고 있다. 따라서, 이러한 지열을 이용한 공기조화기는 외기온도에 의한 영향을 받지 않고 지중의 열을 열원으로 하여 열교환하므로, 공기를 이용한 공기조화기보다는 일반적으로 높은 열효율(COP, EER)을 나타낸다.
그러나, 이러한 지열을 이용한 종래의 공기조화기에서도 많은 문제점이 나타나고 있다. 즉, 열효율 향상과 같은 장점에도 불구하고, 냉,난방 운전시 실내에서 열교환 된 후, 실외의 수 열교환기로 흐른 냉매가 지중으로 충분히 열을 흡,방출하지 못한 경우에는 냉,난방 운전의 안정성과 신뢰성이 떨어지는 문제점을 여전히 가지고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지중의 열을 이용하여 열교환이 이루어지는 지열을 이용한 공기조화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 실외의 열교환기에서 열교환이 충분히 일어나도록 하는 다수의 보조열원이 구비되는 지열을 이용한 공기조화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다수의 보조열원이 선택적 또는 동시에 사용 가능한 지열을 이용한 공기조화기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기는, 실내 공간의 공기를 조화하는 하나 이상의 실내기; 상기 실내기와 다수의 배관에 의해 연통되며, 열교환이 일어나는 실외열교환기가 구비되는 하나 이상의 실외기; 상기 실외기의 실외열교환기와 연결 설치되며, 지하에 매설되어 지중의 열과 내부를 순환하는 순환매체 사이에 열교환이 일어나도록 하는 지중열교환기; 상기 실외열교환기 및 지중열교환기를 순환하는 순환매체가 통과되는 순환배관; 상기 순환배관에 연결 설치되며, 상기 순환매체가 교환수와 열교환되도록 하는 급탕용히트펌프; 및 상기 실외열교환기를 거친 순환매체가 상기 지중열교환기를 바이패스 하여 상기 급탕용히트펌프로 유입되도록 하는 급탕공급밸브가 포함되며, 상기 급탕용히트펌프 및 지중열교환기는 함께 사용되거나 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 실외열교환기 및 지중열교환기에 연결되어, 상기 실외열교환기 및 지중열교환기를 유동하는 순환매체를 가열 또는 냉각시키는 다수의 보조열원을 더 포함하고, 상기 다수의 보조열원은, 둘 이상이 동시에 또는 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 보조열원은, 상기 실외기와 상기 지중열교환기 사이에 설치되어, 상기 지중열교환기를 순환하는 순환매체를 가열하는 보일러와; 상기 실외기와 상기 지중열교환기 사이에 설치되어, 상기 지중열교환기를 순환하는 순환매체를 냉각시키는 냉각탑; 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상기 순환매체는 물(H2O)임을 특징으로 한다.
상기 실외기의 실외열교환기와 상기 지중열교환기 사이에는 순환배관이 구비 되어, 상기 순환매체의 순환을 안내함을 특징으로 한다.
상기 순환배관에는 상기 순환매체의 유동을 강제하는 순환펌프가 설치됨을 특징으로 한다.
상기 순환배관에는, 순환배관 내부를 유동하는 순환매체의 부족분을 보충하기 위한 보충탱크가 더 구비됨을 특징으로 한다.
상기 순환배관에는, 순환배관 내부를 유동하는 상기 순환매체의 압력을 조절하는 보존탱크가 설치됨을 특징으로 한다.
상기 급탕용히트펌프의 일측에는 물이 가열되어 저장되는 급탕탱크가 더 구비됨을 특징으로 한다.
상기 급탕용히트펌프와 상기 급탕탱크 사이에는 교환수가 유동되는 급탕순환배관이 연결 설치됨을 특징으로 한다.
상기 급탕용히트펌프에는 상기 순환매체와 교환수가 서로 열교환 하도록 하는 급탕열교환기가 구비됨을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 안정된 냉난방이 가능하며 냉난방 효율이 향상되는 이점이 있다.
본 발명은, 지열원 히트펌프(GSHPs; Ground Source Heat Pumps)라고도 불리는 실외기가 사용되는 공기조화기에 관한 것으로, 실외 열교환기의 열원으로는 지열을 이용하고 그 지열에 의해 소정의 온도가 된 물(열교환수)을 이용하여 실외기에서 열교환을 수행하는 시스템이다.
이하 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하 여 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기의 설치상태가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기의 블록구성도가 개략적으로 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 공기조화기는, 실내 공간의 공기를 조화하는 하나 이상의 실내기(200)와, 상기 실내기(200)와 다수의 배관에 의해 연통되는 하나 이상의 실외기(100)와, 지하에 매설되어 지중의 열과 내부를 순환하는 순환매체 사이에 열교환이 일어나도록 하는 지중열교환기(300)와, 상기 실외기(100)에 구비되는 실외열교환기에서의 열교환을 보조하는 다수의 보조열원(400,450,460) 등으로 구성된다.
상기 실외기(100)는 정속압축기(120) 및 인버터압축기(120'), 어큐뮬레이터(132) 그리고 실외열교환기(140)와 실외전자밸브(102, LEV:linear expansion valve, 이하 '실외LEV'라 한다.) 등으로 이루어지고, 실내기(200)는 실내열교환기(202), 팽창밸브(204) 등으로 이루어진다.
멀티형 공기조화기에서는 하나 또는 둘 이상의 실외기(100)에 다수의 실내기(200)가 연결되어 있는데, 실외기(100)와 실내기(200) 사이에는 액체냉매가 흐르는 단일배관인 공통액관(210)과, 기체냉매가 흐르는 단일배관인 공통기관(212)이 연통되게 형성된다. 그리고 둘 이상의 실외기(100) 사이에는 냉매의 균형을 유지시키기 위한 고저압공통관(214)이 연통되게 설치된다.
상기 고저압공통관(214)은 다수의 실외기(100)에 구비되는 상기 실외열교환 기(140)의 입구측이 서로 연통되도록 설치되어 실외기(100) 상호간에 냉매의 균형이 유지되도록 한다. 한편 다수의 실외기(100) 중 사용되지 않는 실외기(100)의 실외열교환기(140)에도 냉매가 유입되도록 하므로서 전체적으로 열교환효율이 향상되는 효과를 가져오게 된다. 그리고 상기 고저압공통관(214)에는 냉방 또는 난방 작용에 따라 고압 또는 저압의 냉매가 흐르게 된다.
상기 실내기(200)에는 액체냉매가 흐르는 분지액관(210')과, 기체냉매가 흐르는 분지기관(212')이 각각 형성되며, 이러한 분지액관(210')과 분지기관(212')은 상기 공통액관(210)과 공통기관(212)과 연통된다.
그리고 상기와 같은 다수의 분지액관(210')과 분지기관(212')은 연결되는 실내기(200)의 용량에 따라 그 직경이 각각 상이하게 된다.
한편 상기 실외기(100)에는 액체냉매가 흐르는 실외액관(210")과, 기체냉매가 흐르는 실외기관(212")이 각각 형성되며, 이러한 실외액관(210")과 실외기관(212")은 상기 공통액관(210)과 공통기관(212)과 연통된다.
상기 다수의 보조열원(400,450,460)은 상기 지중열교환기(300) 내부를 유동하는 순환매체를 가열 또는 냉각시키는 장치이며, 이러한 다수의 보조열원(400,450,460)은 2 이상이 동시에 작동되거나, 어느 하나가 선택적으로 사용된다.
상기 다수의 보조열원(400,450,460)은 도시된 바와 같이, 급탕용히트펌프(400)와 보일러(450) 그리고 냉각탑(460) 등으로 구성된다. 물론, 상기 보조열원(400,450,460)으로는 상기 급탕용히트펌프(400)와 보일러(450), 냉각 탑(460) 중 어느 하나가 구비되거나, 더 이상의 다른 장치가 구비될 수도 있을 것이다.
상기 급탕용히트펌프(400)는 상기 실외기(100)와 지중열교환기(300) 사이에 설치되어, 상기 지중열교환기(300)를 순환하는 순환매체가 타 교환수와의 열교환에 의해 열기를 발산하도록 하는 장치이다.
그리고, 상기 보일러(450)는 상기 실외기(100)와 상기 지중열교환기(300) 사이에 설치되어 상기 지중열교환기(300)를 순환하는 순환매체를 가열하는 장치이다.
상기 냉각탑(460)은 상기 실외기(100)와 상기 지중열교환기(300) 사이에 설치되어 상기 지중열교환기(300)를 순환하는 순환매체를 냉각시키는 장치이다. 그리고, 이러한 냉각탑(460)의 내부 또는 외부에는 냉각탑(460)을 경유한 순환매체(물)의 유동을 강제하는 냉각펌프(468)가 더 설치된다.
상기 실외기(100)의 실외열교환기(140)와 상기 지중열교환기(300) 사이에는 도시된 바와 같은 순환배관(310)이 구비되어 순환매체의 순환을 안내하게 되며, 이러한 순환매체는 적어도 공기보다는 비열이 높은 물질로 이루어는데, 바람직하게는 물(H2O)로 구성된다.
상기 순환배관(310)에는 순환매체의 유동을 강제하는 순환펌프(320)가 설치된다. 상기 순환펌프(320)는 외부로부터 인가되는 전원에 의해 상기 순환배관(310) 내부의 순환매체가 일 방향으로 유동하도록 하는 작용을 한다.
또한, 상기 순환배관(310)에는, 순환배관(310) 내부를 유동하는 순환매체의 부족분을 보충하기 위한 보충탱크(330)가 더 구비된다. 그리고, 이러한 보충탱크(330)의 일측에는 상기 순환배관(310) 내부를 유동하는 순환매체의 압력을 조절하는 보존탱크(340)가 설치된다.
상기 급탕용히트펌프(400)의 일측에는, 급탕용히트펌프(400)와의 열교환에 의해 물이 가열되어 저장되는 급탕탱크(430)가 더 구비되며, 상기 급탕용히트펌프(400)와 급탕탱크(430) 사이에는 순환되는 물을 강제 유동시키는 급탕펌프(432)가 설치된다.
상기와 같은 보조열원(400,450,460)의 구성과 연결 상태는 아래에서 상세히 설명한다.
도 5에는 본 발명에 의한 공기조화기를 구성하는 상기 실외기의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.
이에 도시된 바에 따르면, 상기 실외기(100) 내부에는 복수의 압축기(120,120')가 설치된다. 상기 압축기(120,120')는 냉매를 압축하여 고온고압이 되도록 하는 것이다. 즉 정속운전을 하는 정속압축기(120)와 가변속 열펌프(Variable Speed Heat Pump)인 인버터압축기(120')가 설치된다.
상기 압축기(120,120')의 입구측에는 냉매분사기(120a)가 설치된다. 상기 냉매분사기(120a)는 상기 압축기(120,120')가 운전상황에 따라 과열되는 경우에 냉매를 공급하여 압축기의 소손을 방지하는 것으로, 여기에 사용되는 냉매는 아래에서 설명할 실외열교환기(140)로부터 배출되는 냉매가 사용되도록 구성됨이 바람직하다.
그리고 상기 정속압축기(120)와 인버터압축기(120') 사이에는 균유관(121)이 설치되어 정속압축기(120)와 인버터압축기(120')가 서로 연통되도록 한다. 따라서 어느 일측의 압축기에서 급유부족이 발생하면, 다른 압축기로부터 보충되도록 하여 유량부족에 의한 압축기(120,120')의 소손을 방지한다.
상기 압축기(120,120')로는 소음이 작고 효율이 뛰어난 스크롤압축기가 사용되며, 특히 상기 인버터압축기(120')는 부하용량에 따라 회전수가 조절되는 인버터 스크롤 압축기이다. 따라서 소수의 실내기(200)가 사용되어 부하용량이 적은 경우에는 먼저 상기 인버터압축기(120')가 가동되며, 점차 부하용량이 증가하여 인버터압축기(120')만으로 감당할 수 없는 경우에 비로소 상기 정속압축기(120)가 가동된다.
상기 정속압축기(120)와 인버터압축기(120')의 출구측에는 압축기(120,120')로부터 토출되는 냉매의 온도를 측정하는 압축기토출온도센서(120b,120'b) 및 오일분리기(122)가 각각 구비된다. 상기 오일분리기(122)는 상기 압축기(120,120')로부터 배출되는 냉매속에 섞여있는 오일을 걸러내어 압축기(120,120')로 회수되도록 한다.
즉 상기 압축기(120,120')의 구동시 발생되는 마찰열을 냉각시키기 위해 사용되는 오일(oil)이 냉매와 더불어 상기 압축기(120,120')의 출구로 배출되는데, 이러한 냉매속의 오일을 상기 오일분리기(122)에서 분리하여 오일회수관(123)을 통해 압축기(120,120')로 되돌려 보내는 것이다.
그리고 상기 오일분리기(122)의 출구측에는 체크밸브(122')가 더 설치되어 냉매의 역류를 방지한다. 즉 상기 정속압축기(120)나 인버터압축기(120') 중 어느 하나만 가동되는 경우에 정지중인 압축기(120,120') 내부로 압축냉매가 역류되지 않도록 하는 것이다.
상기 오일분리기(122)는 배관에 의해 4방향밸브(124)와 연통되도록 구성된다. 상기 4방향밸브(124)는 냉,난방 운전에 따라 냉매의 흐름방향을 바꾸어 주도록 배설되는 것으로, 각각의 포트는 압축기(120,120')의 출구(또는 오일분리기), 압축기(120,120')의 입구(또는 어큐뮬레이터), 실외열교환기(140) 및 실내기(200)와 연결된다.
따라서 상기 정속압축기(120)와 인버터압축기(120')로부터 토출된 냉매는 한 곳으로 모아진 다음, 상기 4방향밸브(124)로 유입되는데, 이러한 4방향밸브(124)의 입구에는 압축기(120,120')에서 토출되는 냉매의 압력을 체크하는 고압센서(124')가 설치된다.
한편 상기 오일분리기(122)에서 상기 4방향밸브(124)로 유입되는 냉매의 일부가 아래에서 설명할 어큐뮬레이터(132)로 바로 투입될 수 있도록 하는 핫가스(hot gas)관(125)이 상기 4방향밸브(124)를 가로질러 설치된다.
상기 핫가스관(125)은 공기조화기의 운전중에 어큐뮬레이터(132)로 유입되는 저압의 냉매 압력을 높일 필요가 있는 경우에 압축기(120,120') 토출구측의 고압 냉매가 압축기(120,120') 입구측으로 직접 공급될 수 있도록 하는 것으로, 이러한 핫가스관(125)에는 바이패스밸브인 핫가스밸브(125')가 설치되어 배관을 개폐한다.
또한, 상기 실외기(100) 내부에는 과냉각기(130)가 구비된다. 상기 과냉각기(130)는 아래에서 설명할 실외열교환기(140)에서 열교환된 냉매를 더욱 냉각되도록 하는 과냉각수단으로, 실외열교환기(140)의 출구측에 연결되는 상기 실외액관(210")의 임의 위치에 형성된다.
상기 과냉각기(130)는 이중관으로 형성된다. 즉 상기 실외액관(210")이 내측에 구비되고, 외측에는 역이송관(130')이 형성된다. 따라서 상기 과냉각기(130)의 출구로부터 역이송관(130')이 분지되고, 이러한 역이송관(130')에는 냉매를 팽창에 의해 냉각시키는 과냉각팽창밸브(130'a)가 설치된다.
이렇게 되면, 상기 과냉각기(130)로부터 배출되는 냉매의 일부가 상기 역이송관(130')으로 유입되어 상기 과냉각팽창밸브(130'a)를 거치면서 냉각되고, 냉각된 냉매가 상기 과냉각기(130)를 역류하면서 내측의 냉매가 더욱 냉각되게 한다. 상기 과냉각기(130)를 빠져나온 역류냉매는 아래에서 설명할 어큐뮬레이터(132)로 다시 공급되어 순환된다.
한편 상기 과냉각기(130)의 출구에는 실외기(100)로부터 토출되는 냉매의 온도를 측정하는 액관온도센서(130a)가 설치되고, 상기 과냉각팽창밸브(130'a)의 출구에는 과냉각입구센서(130'b)가 구비되어 과냉각기(130)로 유입되는 역류냉매의 온도를 측정하며, 상기 과냉각기(130)로부터 배출되는 역류냉매가 흐르는 역이송관(130')에는 과냉각출구센서(130'c)가 구비된다.
따라서 실외열교환기(140)를 통과한 냉매는 중앙부를 통해 흐르고 외부에는 팽창밸브(도시되지 않음)에 의해 팽창된 저온의 냉매가 반대 방향으로 흐르도록 구성되어 냉매의 온도가 더 낮아지도록 한다.
상기 과냉각기(130)의 일측 즉, 아래에서 설명할 실외열교환기(140)로부터 토출된 냉매가 실내기(200)로 안내되는 실외액관(210")의 일측에는 드라이어(131,Drier)가 설치된다. 상기 드라이어(131)는 상기 실외액관(210")을 흐르는 냉매속에 함유된 수분을 제거하는 역할을 한다.
상기 정속압축기(120)와 인버터압축기(120') 사이에는 어큐뮬레이터(132)가 설치된다. 상기 어큐뮬레이터(132)는 액냉매를 걸러내어 기체상태의 냉매만 상기 압축기(120,120')로 유입되도록 한다.
즉 상기 실내기(200)로부터 유입되는 냉매 중 기체로 증발되지 못하고 액상으로 남아있는 냉매가 상기 압축기(120,120')에 직접적으로 유입되면, 냉매를 고온,고압의 기체상태 냉매로 형성시키는 압축기(120,120')에 부하가 증가되어 압축기(120,120')의 손상을 가져오게 된다.
따라서 상기 어큐뮬레이터(132) 내부로 유입된 냉매 중 미처 증발되지 못하고 액상으로 남아있는 냉매는 기상의 냉매보다 상대적으로 무겁기 때문에 어큐뮬레이터(132)의 하부에 저장되고, 상부의 기체상태 냉매만 상기 압축기(120,120')로 유입된다. 한편 상기 어큐뮬레이터(132)의 입구측에는 흡입되는 냉매의 온도를 측정하는 흡입배관온도센서(132')와 냉매의 압력을 체크하는 저압센서(132")가 각각 구비된다.
상기 실외기(100) 내부에는 실외열교환기(140)가 구비된다. 상기 실외열교환기(140)는 내부를 흐르는 냉매와 상기 순환배관(310)을 따라 유동하는 순환매체와의 사이에 열교환이 일어나도록 하는 것으로 수냉식 열교환기로 이루어진다.
도시되지는 않았지만, 수냉식 열교환기로 이루어지는 상기 실외열교환기(140)는 다수개의 박판이 교대로 적층되어 구성된 판형 열교환기 타입으로 이루어짐이 바람직하다. 따라서, 이러한 박판 중 일부는 내부에 냉매가 통과되고 나머지 일부는 내부에 순환매체(물)가 통과되도록 구성된다. 즉, 냉매와 순환매체가 통과하는 박판이 교대로 적층되게 구성됨으로써 냉매와 순환매체가 각 박판의 내부에서 서로 교차되는 방향으로 흐르면서 열교환하게 된다
도 6에는 상기 보조열원(400,450,460)의 구성과 연결상태가 보다 구체적으로 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 실외기(100)의 실외열교환기(140)에는 상기 실내열교환기(202)와 연통되는 냉매 배관 및 상기 순환배관(310)이 연결 설치되어 있다. 즉, 상기 실외열교환기(140)에는 상기 실외액관(210")과 실외기관(212") 그리고, 상기 순환배관(310)이 각각 연결 설치된다.
따라서, 상기 실외액관(210")과 실외기관(212")의 내부를 유동하는 냉매와 상기 순환배관(310) 내부를 유동하는 순환매체(물) 사이에 열교환이 일어나게 된다. 상기 순환배관(310)은 전체적으로 폐회로를 이루도록 형성되어, 내부의 순환매체가 외부와 차단된 채 계속적으로 순환하도록 한다.
상기 지중열교환기(300)는 상기 지중의 열과 상기 순환배관(310) 내부를 유동하는 순환매체 사이에 열교환이 일어나도록 하는 것으로, 지하의 깊은 곳에 매설된다. 즉, 통상 지하 1m 이상 200m까지 매설됨이 바람직한데, 이러한 지중열교환기(300)의 매설 깊이는 해당 설치 지역의 기후에 따라 달라지며, 해당 지역의 연간평균기온을 항시 유지 가능한 깊이로 매설됨이 바람직하다.
상기 지중열교환기(300)는 다수개로 구비될 수 있으며, 도시된 바와 같이 다수 회 절곡 된 지그재그 형상으로 이루어짐이 바람직하다.
상기 지중열교환기(300)와 실외열교환기(140) 사이에는 상기에서 설명한 바와 같이 상기 순환배관(310)이 연결 설치되어, 순환매체(물)가 유동 가능하도록 안내하게 된다. 상기 순환배관(310)은 순환매체가 상기 지중열교환기(300)로 유입되도록 안내하는 공급배관(312)과, 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체가 다시 상기 실외열교환기(140)로 되돌아오도록 안내하는 복귀배관(314) 등으로 구성된다.
상기 복귀배관(314)에는 순환온도센서(316)가 구비된다. 보다 구체적으로는 상기 지중열교환기(300)의 출구측에는 순환온도센서(316)가 설치되는데, 이러한 순환온도센서(316)는 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체의 온도를 측정하는 기능을 하며, 상기 순환온도센서(316)에 의해 측정된 값은 전체적인 시스템을 제어하는 제어부(도시되지 않음)로 전달된다.
상기 급탕용히트펌프(400)는 상기 지중열교환기(300)와 함께 사용되거나 선택적으로 사용된다. 즉, 상기 지중열교환기(300)를 사용하지 않고 상기 실외열교환기(140)의 열교환을 위해 상기 급탕용히트펌프(400)만을 사용하는 것도 가능하다.
상기 순환배관(310)과 상기 급탕용히트펌프(400) 사이에는 급탕공급관(402)과 급탕복귀관(402')이 각각 연결 설치되어, 순환매체(물)의 유동을 안내한다. 보다 상세하게 살펴보면, 상기 공급배관(312)으로부터는 상기 급탕용히트펌프(400)로 순환매체를 안내하는 급탕공급관(402)이 분지되고, 상기 복귀배관(314)으로부터는 상기 급탕용히트펌프(400)를 경유한 다음 상기 복귀배관(314)으로 되돌아오는 순환매체를 안내하는 급탕복귀관(402')이 분지된다.
상기 공급배관(312)과 급탕공급관(402)의 연결부에는 급탕공급밸브(404)가 구비되고, 상기 복귀배관(314)과 급탕복귀관(402')의 연결부에는 급탕복귀밸브(404')가 구비된다. 상기 급탕공급밸브(404)와 급탕복귀밸브(404')는 3방향의 유체 흐름을 제어 가능한 삼방변 밸브(3방향 밸브)로 이루어진다.
따라서, 상기 급탕공급밸브(404)는 상기 실외열교환기(140)로부터 나와 상기 공급배관(312)을 따라 흐르는 순환매체가 상기 지중열교환기(300)와 급탕용히트펌프(400) 양측으로 동시에 공급되도록 하거나, 상기 지중열교환기(300)와 급탕용히트펌프(400) 중 어느 일측으로 공급되도록 제어하게 된다.
상기 급탕복귀관(402')에는 급탕온도센서(406)가 설치된다. 즉 상기 급탕용히트펌프(400)의 출구측에 급탕온도센서(406)가 설치되며, 이러한 급탕온도센서(406)는 상기 급탕복귀관(402')을 통해 급탕용히트펌프(400)로부터 배출되는 순환매체의 온도를 측정하는 역할을 한다. 상기 급탕온도센서(406)는 제어부(도시되지 않음)와 연결되어 측정된 온도를 제어부로 제공하게 된다.
상기 급탕용히트펌프(400)의 내부에는 열교환이 일어나는 급탕열교환기(410)가 더 구비된다. 상기 급탕열교환기(410)는 상기 급탕용히트펌프(400) 내부를 경유하는 순환매체가 상기 급탕탱크(430)를 순환하는 교환수와 열교환이 일어나도록 한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 급탕용히트펌프(400)의 일측(도 6에서는 우측)에는 상기 급탕탱크(430)가 연결 설치된다. 그리고, 상기 급탕열교환기(410)와 상기 급탕탱크(430) 사이에는 폐회로를 이루는 급탕순환배관(420)이 연결 설치되고, 이러한 급탕순환배관(420) 내부에는 교환수(물)가 순환하게 된다. 따라서, 상기 급탕순환배관(420) 내부를 유동하는 교환수(물)가 상기 급탕열교환기(410)를 경유하면서 상기 순환매체와 열교환이 일어나는 것이다.
물론, 상기에서는 상기 급탕용히트펌프(400)의 내부에는 열교환이 일어나는 급탕열교환기(410) 하나만 구비되는 것을 예로 들어 간략히 설명하고 있으나, 실질적으로는 상기 급탕용히트펌프(400)의 내부에는 상기 실외기(100)의 내부와 같이 응축기 및 증발기 역할을 하는 2개의 열교환기와 압축기 등이 구비되어 냉매가 순환되는 하나의 냉매사이클이 형성된다. 그리고, 이러한 응측기와 증발기 역할을 하는 열교환기에서 교환수 및 순환매체와 열교환을 하게 되는 것이다.
그리고, 상기 급탕열교환기(410)에서 순환매체와의 열교환에 의해 뜨거워진 교환수가 상기 급탕순환배관(420)을 따라 상기 급탕탱크(430) 내부로 유입되어 급탕탱크(430)에 저장된 물과 열교환을 하게 된다. 이렇게 되면, 상기 급탕탱크(430) 내부에 저장된 물이 가열되는 것이다.
상기 급탕순환배관(420)에는 급탕펌프(432)가 설치된다. 상기 급탕펌프(432)는 상기 급탕순환배관(420) 내부를 유동하는 교환수(물)가 일 방향으로 계속적으로 유동하도록 하는 펌프로, 외부로부터 공급되는 전원에 의해 작동된다.
상기 보일러(450)는 상기 순환매체를 가열하기 위한 것으로, 상기 순환배관(310)에 연결 설치된다. 즉 상기 순환배관(310) 중 복귀배관(314)에 각각 연결 설치된다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 보일러(450)는 외부로부터 공급되는 에너지에 의해 상기 순환매체를 가열하는 것으로, 이러한 보일러(450)와 상기 복귀배관(314) 사이에는 보일러공급관(452) 및 보일러복귀관(452')이 각각 연통 형성된다.
상기 보일러공급관(452)은 상기 복귀배관(314) 내부를 흐르는 순환매체가 상기 보일러(450)로 유입되도록 안내하는 유로이며, 상기 보일러복귀관(452')은 상기 보일러(450)를 경유한 순환매체가 상기 복귀배관(314)으로 되돌아가도록 안내하는 유로이다.
상기 복귀배관(314)과 상기 보일러공급관(452) 및 보일러복귀관(452')의 연결부에는 보일러공급밸브(454) 및 보일러복귀밸브(454')가 각각 설치된다. 상기 보일러공급밸브(454) 및 보일러복귀밸브(454')도 상기에서 설명한 급탕공급밸브(404) 및 급탕복귀밸브(404')와 마찬가지로 3방향의 유체 흐름을 제어 가능한 삼방변 밸브로 이루어진다. 따라서, 이러한 보일러공급밸브(454) 및 보일러복귀밸브(454')의 개폐에 따라 상기 보일러(450)로의 순환매체 공급이 제어된다.
상기 보일러복귀관(452')에는 보일러온도센서(456)가 설치된다. 즉 상기 보일러온도센서(456)는 상기 보일러(450)를 경유한 순환매체의 온도를 측정하는 센서이며, 이러한 보일러온도센서(456)에 의해 측정된 값(측정 온도)은 제어부로 전달된다.
상기 복귀배관(314)에는 상기 냉각탑(460)이 연결 설치된다. 상기 냉각탑(460)은 공기와의 접촉에 의해 상기 순환매체를 냉각시키기 위한 장치이며, 이러한 냉각탑(460)은 공장 등에서 냉각수의 냉각을 위해 사용되는 장치이므로, 그 상세한 구성과 원리는 생략한다.
상기 복귀배관(314)과 상기 냉각탑(460) 사이에는 냉각탑공급관(462) 및 냉각탑복귀관(462')이 각각 연통 형성된다. 상기 냉각탑공급관(462)은 상기 복귀배관(314) 내부를 흐르는 순환매체가 상기 냉각탑(460)으로 유입되도록 안내하는 유로이며, 상기 냉각탑복귀관(462')은 상기 냉각탑(460)을 경유한 순환매체가 상기 복귀배관(314)으로 되돌아가도록 안내하는 유로이다.
상기 복귀배관(314)과 상기 냉각탑공급관(462) 및 냉각탑복귀관(462')의 연결부에는 냉각탑공급밸브(464) 및 냉각탑복귀밸브(464')가 각각 설치된다. 상기 냉각탑공급밸브(464) 및 냉각탑복귀밸브(464')도 상기에서 설명한 급탕공급밸브(404) 및 급탕복귀밸브(404')와 마찬가지로 3방향의 유체 흐름을 제어 가능한 삼방변 밸브로 이루어진다. 따라서, 이러한 냉각탑공급밸브(464) 및 냉각탑복귀밸브(464')의 개폐에 따라 상기 냉각탑(460)으로의 순환매체 공급이 제어된다.
상기 냉각탑복귀관(462')에는 냉각온도센서(466)가 설치된다. 즉 상기 냉각온도센서(466)는 상기 냉각탑(460)을 경유한 순환매체의 온도를 측정하는 센서이며, 이러한 냉각온도센서(466)에 의해 측정된 값(온도)은 제어부로 전달된다.
한편, 상기 냉각탑복귀관(462')에는 냉각펌프(468)가 더 설치된다. 상기 냉 각펌프(468)는 상기 냉각탑(460)을 경유한 순환매체가 상기 복귀배관(314)을 통해 상기 실외열교환기(140)로 유동되도록 일 방향(도 6에서는 우측)압력을 가하는 것이다. 즉, 상기 냉각탑(460)으로 유입된 순환매체는 공기와의 열교환을 위해 공기 중에 노출된 다음, 다시 집수되어 상기 냉각탑복귀관(462')을 통해 유동가능하도록 하는 것이다. 이와 같이 상기 냉각펌프(468)는 상기 냉각탑복귀관(462')을 유동하는 순환매체의 유동을 강제하는 한편, 순환매체의 역류를 방지하는 역할을 하게 된다.
상기 순환펌프(320)는 상기 순환배관(310)을 유동하는 순환매체의 유동을 강제하는 것으로, 상기 복귀배관(314)에 설치됨이 바람직하다. 보다 상세하게는 도시된 바와 같이 상기 순환펌프(320)는 상기 보존탱크(340)와 보일러(450) 사이에 설치되어 일 방향(도 6에서는 우측)의 순환매체 유동을 강제하게 된다.
상기 보충탱크(330)는 상기 순환배관(310)으로 순환매체를 공급하기 위한 순환매체 저장장치이다. 즉 상기 보충탱크(330)는 상기 순환배관(310)을 경유하다가 증발하거나 누설에 의해 부족해진 순환매체를 보충하기 위한 것이다.
상기 보충탱크(330)는 상기 복귀배관(314)과 보충관(332)에 의해 연통되도록 구성된다. 그리고 상기 보충관(332)에는 보충밸브(334)가 설치되어 상기 보충관(332)을 개폐함으로서, 상기 복귀배관(314)으로 공급되는 순환매체를 제어하게 된다.
상기 보충밸브(334)는 사용자에 의해 수동으로 개폐되거나, 제어부(도시되지 않음)의 제어에 의해 자동으로 개폐되도록 구성된다.
상기 보존탱크(340)는 상기 순환배관(310) 내부를 유동하는 순환매체의 압력을 조절하기 위한 것으로, 상기 복귀배관(314)과 보존관(342)에 의해 연통되도록 형성된다. 즉 상기 보존탱크(340)는 순간적으로 변화하는 상기 순환배관(310) 내부의 순환매체 압력을 조절하는 완충영역이 되는 것으로, 도시된 바와 같이 상기 복귀배관(314)과 이격 설치되거나 상기 복귀배관(314)의 중간에 일체로 형성된다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기의 작용을 살펴본다.
먼저 도 4를 참조하여 전체적인 냉매와 순환매체의 흐름을 살펴본다.
상기 실내기(200)와 실외기(100) 사이에는 냉매가 흐르는 폐회로가 형성되어 있으므로, 화살표로 도시된 바와 같이 냉매가 실외기(100) 및 실내기(200)를 순환하면서 열교환을 한다.
이때 상기 실외열교환기(140)는 수냉식 열교환기로 이루어져 있다. 따라서, 상기 실외열교환기(140)에서는 상기 실내기(200)와 실외기(100) 사이를 순환하는 냉매와, 상기 실외기(100)와 지중열교환기(300) 사이를 순환하는 순환매체(물) 상호간에 열교환이 일어나게 된다.
한편, 상기 실내기(200)와 실외기(100) 사이를 유동하는 냉매의 흐름은 실내공간의 냉방 또는 난방에 따라 그 흐름의 방향이 서로 반대가 된다. 반면, 상기 순환배관(310)을 따라 유동하는 순환매체(물)의 방향은 항상 일정하며 역방향으로 전환될 필요가 없다. 즉, 도 4에 화살표로 도시된 방향으로 계속적으로 유동하게 된다.
다음으로는 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 실외기(100)와 실내기(200) 사이를 유동하는 냉매의 흐름과 각 작용에 대해 보다 상세하게 살펴본다.
상기와 같이 본 발명에 의한 공기조화기에서는 하나의 실외기(100)에 다수의 실내기(200)가 연결되어 있으며, 사용자의 선택에 따라 일부분 또는 모든 실내기(200)가 작동된다.
공기조화기가 작동(냉방운전)되면, 상기 실외LEV(102)가 개방되어 냉매가 실외기(100)와 실내기(200) 사이를 유동한다.
우선, 실외기(100)에서의 냉매유동을 살펴보면, 실내기(200)로부터 유입되는 기체냉매는 상기 4방향밸브(124)를 거친 다음 상기 어큐뮬레이터(132)로 들어간다. 상기 어큐뮬레이터(132)를 나온 기체 냉매는 압축기(120,120')로 유입된다. 한편 상기 압축기(120,120')에 공급되는 냉매가 부족하거나, 압축기(120,120')가 과열되는 경우에는 상기 냉매분사기(120a)로부터 냉매가 공급된다.
상기 압축기(120,120')에서 압축된 냉매는 토출구로 토출되어 오일분리기(122)를 통과한다. 상기 오일분리기(122)에서는 냉매 중에 함유된 오일(oil)이 분리되어 상기 오일회수관(123)을 통해 상기 압축기(120,120')로 회수된다.
즉 상기 압축기(120,120')에서 냉매가 압축되면서 오일(oil)이 냉매속에 섞이게 되는데, 이러한 오일은 액체상태이고 냉매는 기체상태이므로 기액분리기인 오일분리기(122)에서 분리된다.
한편 상기 정속압축기(120)와 인버터압축기(120')를 연결하고 있는 균유관(121)에 의해 양 측의 압축기(120,120') 내부 오일은 균형을 유지하게 된다.
상기 오일분리기(122)를 통과한 냉매는 상기 4방향밸브(124)를 거쳐 상기 실외열교환기(140)로 유입된다. 상기 실외열교환기(140)는 응축기(냉방 모드일때)로 작용하므로 냉매는 순환매체와의 열교환을 통해 냉각되어 액냉매가 된다. 상기 실외열교환기(140)를 통과한 냉매는 상기 과냉각기(130)를 통과하면서 더욱 냉각된다.
상기 과냉각기(130)를 통과한 냉매는 냉매중에 포함된 수분을 제거하는 드라이어(131)를 거친 다음, 상기 공통액관(210)을 통해 실내기(200)로 유입된다. 한편 상기 압축기(120,120')를 통과한 냉매 중 일부는 상기 고저압공통관(214)을 통해 다른 실외기(100)로 유입되기도 한다.
상기 고저압공통관(214)을 통해 다른 실외기(100)로 공급되는 냉매는 정지중인 실외기(100)의 실외열교환기(140)로 유입되어 전체적으로 냉매압력이 균형을 이루도록 하는 한편, 정지중인 실외기(100)의 실외열교환기(140)를 통해서도 소정의 열교환이 일어나도록 한다.
상기 공통액관(210)을 통해 실내기(200)로 냉매가 공급되면, 공통액관(210)으로부터 분지된 분지액관(210')을 통하여 가동중인 각각의 실내기(200)로 냉매가 공급된다. 그리고 이러한 냉매는 상기 팽창밸브(204)에서 감압되고 실내열교환기(202)에서 열교환을 하게 된다. 이때 상기 실내열교환기(202)는 증발기의 역할을 하므로, 냉매는 열교환을 통해 저압가스가 된다.
상기 실내열교환기(202)로부터 배출되는 냉매는 상기 분지기관(212')을 거쳐 상기 공통기관(212)으로 모아진 다음, 상기 실외기(100)로 유입된다. 상기 공통기 관(212)과 실외기관(212")을 통해 실외기(100)로 유입된 냉매는 4방향밸브(124)를 거쳐 상기 어큐뮬레이터(132)로 들어간다.
상기 어큐뮬레이터(132)에서는 미처 증발되지 못한 액체상태의 냉매는 걸러지고, 기체상태의 냉매만 선별되어 상기 압축기(120,120')로 공급된다. 이와 같은 과정을 거쳐 하나의 사이클(cycle)이 완성된다.
한편 난방운전으로 작동되는 경우에는 상기와는 반대 방향으로 냉매가 유동되며, 상기 실외LEV(102)에서 냉매량이 조절된다.
도 7 내지 도 10에는 상기 순환배관(310)을 통해 순환매체(물)가 유동하는 상태가 각각 도시되어 있다.
먼저 도 7에는 상기 지중열교환기(300)가 단독으로 사용되는 경우의 기본적인 순환회로가 도시되어 있다. 즉 상기 다수의 보조열원(400,450,460)이 사용되지 않고, 순환매체(물)가 상기 실외열교환기(140)와 상기 지중열교환기(300) 사이를 화살표와 같이 순환하는 상태가 도시되어 있다.
이때에는 상기 급탕공급관(402) 및 급탕복귀관(402')와 상기 보일러공급밸브(454) 및 보일러복귀밸브(454') 그리고, 상기 냉각탑공급밸브(464) 및 냉각탑복귀밸브(464')에 의해 상기 급탕용히트펌프(400)와 보일러(450) 및 냉각탑(460)으로의 순환매체 흐름은 차단된다.
따라서, 상기 순환배관(310)을 따라 유동하는 순환매체는 도 7에 화살표로 도시된 바와 같이 반시계방향으로 계속적으로 순환하게 되며, 이러한 유동 방향은 공기조화기에 의한 냉방 또는 난방 여부에 관계없이 일정한 방향을 유지한다. 즉, 상기 실외열교환기(140)가 응축기 또는 증발기로 사용되는지의 여부에 관계없이 일정한 방향으로 순환하게 되는 것이다.
다만, 상기 실외열교환기(140)가 응축기로 사용되는 경우(냉방 모드일때)에는 상기 순환배관(310)을 유동하는 순환매체는 상기 실외열교환기(140)에서 냉매를 냉각시키는 역할을 하게 되고, 반대로 상기 실외열교환기(140)가 증발기로 사용되는 경우(난방 모드일때)에는 상기 순환배관(310)을 유동하는 순환매체는 상기 실외열교환기(140)에서 냉매를 가열하는 역할을 하게 될 것이다.
그리고, 상기 순환배관(310)을 흐르는 순환매체가 부족하게 되는 경우에는 제어부(도시되지 않음)의 신호에 따라 사용자가 수동으로 상기 보충밸브(334)를 개방하여 순환매체를 보충하거나, 제어부의 제어에 따라 상기 보충밸브(334)가 자동으로 개폐된다.
또한, 상기 순환펌프(320)는 상기 순환배관(310)을 흐르는 순환매체가 역류하지 않고 일방향(도 7에서는 반시계 방향)으로 계속적으로 유동하도록 하게 되며, 이러한 순환펌프(320)는 외부로부터 인가되는 전원에 의해 구동하게 된다.
이와 같은 순환 메카니즘은 본 발명에 의한 공기조화기에서 지열을 이용하는 가장 단순한 사용 메카니즘이며, 이러한 상태에서 상기 순환온도센서(316)에 의해 측정된 순환매체의 온도가 필요한 온도에 미치지 못하는 경우에는 상기에서 설명한 보조열원(400,450,460)이 가동된다. 즉, 상기 지중열교환기(300)를 거쳐 나오는 상기 복귀배관(314)에서의 순환매체 온도가 상기 실외열교환기(140)에서 냉매를 냉각하거나 가열하기에 충분한 온도가 되지 않는 경우에는 상기 보조열원(400,450,460) 중 적어도 하나가 작동되어 순환매체를 냉각 또는 가열하게 되는 것이다.
도 8에는 상기 급탕용히트펌프(400)가 작동되는 경우의 순환매체 흐름이 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 급탕용히트펌프(400)가 작동되는 경우는 주로 본 발명에 의한 공기조화기가 냉방모드로 동작되는 경우이다.
먼저 화살표가 실선으로 나타낸 것은, 순환매체가 상기 지중열교환기(300)와 급탕용히트펌프(400) 양측으로 동시에 공급되는 경우이다. 따라서 이때에는 상기 급탕공급밸브(404)는 모두 개방되어, 상기 실외열교환기(140)에서 나오는 순환매체가 상기 지중열교환기(300)와 급탕용히트펌프(400) 양측으로 모두 유입되도록 안내하게 된다.
또한, 이때에는 상기 급탕탱크(430)도 작동되므로, 상기 급탕순환배관(420) 내부에는 교환수가 유동하게 된다. 따라서, 상기 급탕열교환기(410)에서 열교환이 일어난다. 즉, 상기 급탕열교환기(410)에서 순환매체는 상기 급탕순환배관(420) 내부의 교환수와 열교환하여 냉각된다. 이렇게 되면, 상기 급탕탱크(430)에서는 물이 가열되어 고온의 물이 생성되는 것이다.
한편, 상기 지중열교환기(300)와 상기 급탕용히트펌프(400)를 경유하면서 냉각된 순환매체는 다시 합쳐져서 상기 실외열교환기(140)로 유입된다. 그리고, 이러한 실외열교환기(140)에서는 냉각된 순환매체와 고온의 냉매가 서로 열교환하게 되어, 냉매는 냉각되고 순환매체는 가열된다.
다음으로, 화살표가 점선으로 도시된 흐름은 순환매체가 급탕용히트펌 프(400)만 경유하는 경우이다. 즉, 상기 지중열교환기(300)로는 순환매체가 유동하지 않는 경우를 도시하고 있다.
이때에는 상기 급탕공급밸브(404)는 상기 지중열교환기(300)로의 유로는 차단하고, 상기 급탕용히트펌프(400)로의 유로만을 개방하여 상기 실외열교환기(140)로부터 나오는 순환매체가 상기 급탕용히트펌프(400)만을 경유하도록 제어한다.
그리고 이때에는 상기에서 설명한 바와 같이 상기 급탕탱크(430)도 작동하게 되므로, 상기 급탕열교환기(410)에서는 순환매체와 교환수 사이에 열교환이 일어나게 되어 순환매체는 냉각된다.
상기 급탕용히트펌프(400)를 경유한 다음 배출되는 순환매체는 상기 급탕온도센서(406)에 의해 온도값이 측정되고 이러한 측정된 온도값은 제어부(도시되지 않음)로 전달된다. 따라서 제어부에서는 상기 급탕용히트펌프(400)에서 나오는 순환매체의 온도가 상기 실외열교환기(140)에서 냉매를 냉각시키기에 충분한 온도인지를 판단하여 타 보조열원(냉각탑)의 작동 여부를 판단하게 된다.
예를 들어, 상기 급탕용히트펌프(400)로부터 나오는 순환매체의 온도가 상기 실외열교환기(140)에서 냉각되어야 하는 냉매의 냉각임계온도보다 높은 경우에는 상기 냉각탑(460)을 경유하도록 하여 순환매체를 더 냉각시켜야 한다. 여기서 냉각임계온도는 공기조화기의 냉방 운전시에 상기 실외열교환기(140)에서 기상 냉매의 응축에 필요한 온도의 상한치로 설정된 값이다.
그리고, 상기 실외열교환기(140)로 유입된 순환매체가 냉매와 열교환하는 과정을 상기에서 설명한 바와 같다.
도 9에는 상기 보일러(450)가 작동되는 경우가 예시되어 있다. 즉, 상기 지중열교환기(300)에서 나오는 순환매체의 온도를 더 높이기 위해 보일러(450)가 가동되는 경우이며, 이때는 본 발명에 의한 공기조화기가 난방을 위해 작동(난방모드)되는 경우에 해당한다.
도 9와 같이 상기 보일러(450)가 작동되는 경우는 상기 순환온도센서(316)에 의해 측정되는 온도가 상기 실외열교환기(140)에서 냉매를 가열하기에 충분한 온도가 되지 못하는 경우나, 공기조화기의 난방 능력을 배가시키고자 하는 경우에 사용된다. 즉, 상기 지중열교환기(300)를 거친 순환매체의 온도가 상기 실외열교환기(140)로 유입되는 냉매의 난방임계온도보다 낮은 경우에 사용되거나, 난방을 보다 강하게 하고자 하는 경우에 사용된다. 여기서 난방임계온도는 공기조화기의 난방 운전시에 상기 실외열교환기(140)에서 액상 냉매의 증발에 필요한 온도의 하한치로 설정된 값이다.
도시된 바와 같이 이 경우에는 상기 보일러공급밸브(454)는 상기 보일러(450)로의 유로를 개방시켜, 상기 지중열교환기(300)로부터 나오는 순환매체가 상기 보일러(450)를 경유하도록 한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 제어부(도시되지 않음)는 상기 순환온도센서(316)에서 측정된 순환매체의 온도가 상기 난방임계온도보다 낮은 경우에는 상기 보일러공급밸브(454)의 우측유로를 차단함과 동시에 하측유로를 개방시켜 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체가 상기 보일러(450)로 유입되도록 한다. 그리고, 이와 동시에 상기 보일러복귀밸브(454')의 하측유로가 개방된다.
그리고 이때에는 상기 급탕공급관(402) 및 급탕복귀관(402')와 상기 냉각탑공급밸브(464) 및 냉각탑복귀밸브(464')에 의해 상기 급탕용히트펌프(400) 및 냉각탑(460)으로의 순환매체 흐름은 차단된다.
상기 보일러(450)는 외부로부터의 전원이나 에너지에 의해 가열되어 순환매체를 온도를 증가시키게 되며, 이러한 보일러(450)를 경유한 순환매체의 온도는 상기 보일러온도센서(456)에 의해 측정되어 제어부로 전달된다. 따라서 제어부에서는 상기 보일러온도센서(456)로부터 전달되는 온도값에 따라 상기 보일러(450)에서의 순환매체 가열 수위를 조절하게 된다. 따라서, 상기 보일러온도센서(456)에서 측정되는 순환매체의 온도는 난방임계온도보다 높아야 한다.
상기 보일러(450)를 통과하면서 충분히 가열(난방임계온도 이상으로 가열)된 순환매체는 상기 실외열교환기(140)로 유입되어 상기 실내기(200)로 유입될 냉매와 열교환을 한다. 따라서, 순환매체는 냉각되고 냉매는 가열된다.
도 10에는 상기 냉각탑(460)이 보조열원으로 사용되는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이 순환매체가 상기 냉각탑(460)을 경유하면서 냉각되는 경우는 주로 본 발명에 의한 공기조화기가 냉방모드로 동작되는 경우가 될 것이다. 즉, 상기 지중열교환기(300)에서 열교환 된 순환매체의 온도가 상기 실외열교환기(140)에서 열교환 될 냉매의 냉방임계온도보다 높은 경우이거나, 공기조화기의 냉방능력을 보다 더 향상시키고자 하는 경우에 사용되는 예이다.
보다 구체적으로 살펴보면, 제어부에서는 상기 순환온도센서(316)에 의해 감지된 순환매체의 온도가 냉방임계온도에 미치지 못하는 경우에는 상기 냉각탑공급 밸브(464)의 상방유로를 개방하고 우측유로는 차단되도록 제어하고, 이와 동시에 상기 냉각탑복귀밸브(464')의 상방유로가 개방되도록 한다.
이렇게 되면, 상기 냉각탑(460)으로의 유로가 개방되어 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체는 상기 냉각탑공급관(462)을 통해 냉각탑(460)으로 유입되어 냉각된다. 그리고, 상기 냉각탑(460)에서 냉각된 순환매체는 상기 냉각펌프(468)에 의해 상기 냉각탑복귀관(462')으로 유동하게 되고, 연이어 상기 실외열교환기(140)로 유입된다. 이때 상기 냉각온도센서(466)에서 측정되는 순환매체의 온도는 냉방임계온도보다 낮게 유지되어야 한다.
상기 실외열교환기(140)로 유입된 저온의 순환매체는 고온의 냉매와 열교환을 하게된다. 따라서, 순환매체는 열교환에 의해 고온으로 되고, 냉매는 열교환에 의해 저온으로 되어 상기 실내기(200)로 유입되어 실내공간(공기조화를 위한 공간)을 냉방하게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기에서는, 제어부에서 상기 순환온도센서(316)에서 측정된 온도값을 기초로 하여 상기 다수의 보조열원(400,450,460)을 작동시키게 된다. 즉, 냉방모드 인 경우에 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체를 더 냉각시킬 필요가 있으면, 상기 급탕용히트펌프(400)나 냉각탑(460)을 선택적으로 또는 동시에 가동시키게 된다. 그리고, 난방모드인 경우에 상기 지중열교환기(300)를 경유한 순환매체를 더 가열시킬 필요가 있는 경우에는 순환매체가 상기 보일러(450)를 더 경유하도록 한다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
그리고, 상기의 실시예에서는 상기 압축기(120,120')와 순환펌프(320) 및 냉각펌프(468) 등이 외부로부터 인가되는 전원에 의해 작동되는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이러한 압축기(120,120')와 펌프에 필요한 에너지를 자체적으로 생산하여 사용하도록 구성되는 것도 가능하다.
예를 들어, 축전장치를 부가하여 사용하거나, 태양열이나 풍력 또는 열병합 발전 장치를 부가하여 자체적으로 전기를 생산하여 사용하도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 지열을 이용한 공기조화기에에서는, 실외기에 구비되는 실외열교환기에서 냉매가 물과 같은 순환매체에 의해 열교환을 하게 되며, 이러한 순환매체는 땅속 깊은 곳에 설치되는 지중열교환기에서 지중의 열과 열교환된다. 이와 같이, 본 발명에서의 실외열교환기는 지중의 열을 이용하는 순환매체(물)와 열교환이 일어나는 수냉식 열교환기로 이루어지므로, 종래에 사용되는 공기에 의한 열교환기보다 상대적으로 높은 열효율(COP, EER)을 나타낸다. 따라서 공기조화기의 공기 조화 성능이 향상되는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명은 지열을 이용하는 지중열교환기 외에 다수의 보조열원이 선택적으로 사용되어 순환매체를 가열 또는 냉각시키는 시스템으로 이루어진다. 따라서, 지열이 실외열교환기에서 냉매를 응축 또는 증발시키기에 부족한 경우에는 보 조열원이 가동되어 순환매체의 가열 또는 냉각을 보조하게 된다.
따라서, 지열이 실외열교환기에서 냉매를 증발 또는 응축시키기에 불충분한 환경에서도 보조열원에 의해 냉매의 증발 또는 응축이 가능해지는 이점이 있다. 즉, 본 발명에 의한 공기조화기에서는 지열에 영향을 받지않고 안정된 공기조화 성능을 발휘하게 되는 것이다.

Claims (12)

  1. 실내 공간의 공기를 조화하는 하나 이상의 실내기;
    상기 실내기와 다수의 배관에 의해 연통되며, 열교환이 일어나는 실외열교환기가 구비되는 하나 이상의 실외기;
    상기 실외기의 실외열교환기와 연결 설치되며, 지하에 매설되어 지중의 열과 내부를 순환하는 순환매체 사이에 열교환이 일어나도록 하는 지중열교환기;
    상기 실외열교환기 및 지중열교환기를 순환하는 순환매체가 통과되는 순환배관;
    상기 순환배관에 연결 설치되며, 상기 순환매체가 교환수와 열교환되도록 하는 급탕용히트펌프; 및
    상기 실외열교환기를 거친 순환매체가 상기 지중열교환기를 바이패스 하여 상기 급탕용히트펌프로 유입되도록 하는 급탕공급밸브가 포함되며,
    상기 급탕용히트펌프 및 지중열교환기는 함께 사용되거나 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실외열교환기 및 지중열교환기에 연결되어, 상기 실외열교환기 및 지중열교환기를 유동하는 순환매체를 가열 또는 냉각시키는 다수의 보조열원을 더 포함하고,
    상기 다수의 보조열원은, 둘 이상이 동시에 또는 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 보조열원은,
    상기 실외기와 상기 지중열교환기 사이에 설치되어, 상기 지중열교환기를 순환하는 순환매체를 가열하는 보일러; 및
    상기 실외기와 상기 지중열교환기 사이에 설치되어, 상기 지중열교환기를 순환하는 순환매체를 냉각시키는 냉각탑; 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 순환매체의 온도를 감지하는 순환온도센서를 포함하고,
    상기 순환온도센서에 의하여 감지된 순환매체의 온도가 기준온도에 해당하지 않는 경우에는, 상기 다수의 보조열원 중 적어도 하나가 선택적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    냉방 모드로 작동 중 순환매체의 온도가 기준온도보다 높은 경우에는, 상기 급탕용히트펌프 및 냉각탑 중 적어도 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    난방 모드로 작동 중 순환매체의 온도가 기준온도보다 낮은 경우에는, 상기 보일러가 작동되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환배관에는 상기 순환매체의 유동을 강제하는 순환펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 순환배관에는, 순환배관 내부를 유동하는 순환매체의 부족분을 보충하기 위한 보충탱크가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 순환배관에는, 순환배관 내부를 유동하는 상기 순환매체의 압력을 조절하는 보존탱크가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    물이 가열되고, 상기 급탕용히트펌프의 일측에 구비되는 급탕탱크;
    상기 급탕용히트펌프 및 급탕탱크 사이에 교환수가 유동하도록 안내하는 급탕순환배관; 및
    상기 순환매체와 교환수의 열교환이 이루어지는 급탕용열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 순환배관으로부터 상기 급탕용히트펌프로 순환매체를 안내하는 급탕공급관;
    상기 급탕용히트펌프를 경유한 순환매체를 상기 순환배관으로 안내하는 급탕복귀관을 더 포함하고,
    상기 급탕공급밸브는,
    상기 급탕공급관 및 급탕복귀관에 위치하며, 3방향으로 순환매체의 흐름을 제어하는 삼방변 밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조열원의 입구 및 출구측에 위치하며,
    상기 실외열교환기를 통과한 순환매체가 상기 보조열원을 향하여 선택적으로 공급되도록 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 공기조화기.
KR1020060045353A 2006-05-19 2006-05-19 지열을 이용한 공기조화기 KR101152472B1 (ko)

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