KR101290780B1 - 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 냉난방 시스템은, 압축기, 응축기, 팽창 장치, 및 증발기를 포함한 냉난방 시스템으로서, 상기 팽창 장치는 병렬 연결된 제1 팽창 밸브 및 제2 팽창 밸브를 포함하며, 상기 제1 팽창 밸브는 냉매의 유량을 주기적으로 증감하여 냉매의 유동에 교란을 발생하는 가변 밸브이며, 상기 제2 팽창 밸브는 냉매의 유량을 미리 정해진 유량에 따라 유지하는 유지 밸브인 것을 특징으로 한다.

Description

냉난방 시스템{Heating and cooling system}

본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창 장치를 포함하며 상기 팽창 장치는 복수의 팽창 밸브를 포함하고 상기 팽창 밸브 중 하나 이상의 팽창 밸브는 냉매의 유동에 교란을 줄 수 있는 가변 팽창 밸브로 구성되어 냉난방 성능은 증가하고 압축기의 소요 동력은 감소하며 시스템 전체의 효율이 향상된 냉난방 시스템에 관한 것이다.

과거에는 일정한 공간의 온도를 선택적으로 유지하는 것이 어려웠으나, 과학 기술의 발전에 따라서 상기 목적에 맞는 환경을 제공할 수 있는 다양한 냉난방 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

일반적으로, 공조, 냉동 및 냉난방 장치와 같은 냉난방 시스템에서 사용되는 냉각 사이클(refrigeration cycle)은 크게 압축, 응축, 팽창, 및 증발 과정을 통해서 열을 냉체로부터 흡수하여 열체로 내보내는 열역학적 순환 과정으로서, 다양한 주거 공간이나 상업 공간, 물건 보관 공간, 등 산업 전반에서 사용되고 있다.

이러한 순환은 소정의 관로 내에서 유동하는 냉매를 통해 이루어짐에 따라서, 냉매의 적절한 유동은 냉난방 시스템의 효율성 확보의 측면에서 매우 중요한 문제이다. 그러나, 냉매의 상태는 냉난방 시스템의 각 부위에 따라 상이할 수 있으며 따라서 냉매의 적절한 유동이 확보되지 못하여 냉난방 시스템의 효율성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

공개특허 특1999-003425

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 냉난방 시스템이 팽창 장치를 포함하며 상기 팽창 장치는 복수의 팽창 밸브를 포함하고 상기 팽창 밸브 중 하나 이상의 팽창 밸브는 냉매의 유동에 교란을 줄 수 있는 가변 밸브로 구성되며 하나 이상의 팽창 밸브는 냉매의 유량을 유지하는 유지 밸브로 구성되어 냉난방 성능은 증가하고 압축기의 소요 동력은 감소하며 시스템 전체의 효율이 향상된 냉난방 시스템에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템은,

압축기, 응축기, 팽창 장치, 및 증발기를 포함한 냉난방 시스템으로서,

상기 팽창 장치는 병렬 연결된 제1 팽창 밸브 및 제2 팽창 밸브를 포함하며,

상기 제1 팽창 밸브는 냉매의 유량을 주기적으로 증감하여 냉매의 유동에 교란을 발생하는 가변 밸브이며,

상기 제2 팽창 밸브는 냉매의 유량을 미리 정해진 유량에 따라 유지하는 유지 밸브인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 상기 팽창 장치는, 입구 포트, 및 출구 포트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 팽창 밸브는 상기 입구 포트와 상기 출구 포트를 공유한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 상기 제1 팽창 밸브는 내부에 형성된 냉매 유로를 포함하며, 상기 제1 팽창 밸브는 상기 냉매 유로를 주기적으로 개폐한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 상기 제1 팽창 밸브는, 냉매 통로가 형성되며 소정의 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 축 밸브를 포함하며, 상기 냉매 통로는 상기 축 밸브의 회전에 따라서 주기적으로 개폐된다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 상기 제1 팽창 밸브는, 냉매가 통과할 수 있는 오리피스, 및 상기 오리피스를 개폐할 수 있는 밸브 바디를 포함하며, 상기 오리피스는 상기 밸브 바디가 변위됨에 따라서 주기적으로 개폐된다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 센서 및 제어부를 더 포함하며, 상기 센서는 상기 냉난방 시스템의 하나 이상의 부위의 온도, 압력, 진동, 또는 냉매 유량을 감지하여 감지 결과를 상기 제어부에 전달하고, 상기 제어부는 상기 감지 결과를 통해 상기 제1 팽창 밸브의 동작을 제어한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 입력부 및 제어부를 더 포함하며, 상기 입력부는 외부 신호를 상기 제어부로 인가하며, 상기 제어부는 상기 외부 신호를 통해 상기 제1 팽창 밸브의 동작을 제어한다.

본 발명에 따른 냉난방 시스템의 팽창 장치가 병렬로 연결된 팽창 밸브를 포함하며, 상기 팽창 밸브는 냉매의 유량이 주기적으로 가변하도록 구성된 가변 밸브 및 냉매의 유량을 유지하는 유지 밸브를 포함함에 따라서, 단시간 동안의 열전달 성능 증가 및 평균 열전달 성능의 증가가 달성될 수 있다.

또한, 응축기 및 증발기 내부에서 냉매 유동 특성의 변화가 발생하여 열 교환 성능이 개선되며 따라서 냉난방 시스템의 성능이 향상된다.

아울러, 순간적인 냉매 유량 증가에 따라서 사이클 측면에서 응축압력과 증발압력의 압력차를 순간적으로 감소시킬 수 있으므로 냉난방 시스템의 소비 전력 대비 냉,난방 용량(Capacity) 및 효율(COP)이 동시에 증가할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉난방 시스템은 복수의 팽창 밸브로 구성된 팽창 장치를 포함하며 상기 팽창 밸브는 가변 밸브 및 유지 밸브를 동시에 포함하게 구성됨에 따라서, 냉매의 유동에 교란을 인가하여 효율성을 향상시킴과 동시에, 냉난방 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창 장치를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창 장치를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브를 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브를 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 부재를 뒤집을 경우, 다른 부재의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 부재는 다른 부재의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 부재는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도면에서 각 부재의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)을 나타낸 도면이며, 도 2 는 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)에 포함된 팽창 장치(40)를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)은, 압축기(10), 응축기(20), 팽창 장치(40), 및 증발기(30)를 포함한다.

압축기(10)는 증발기(30)에서 증발한 냉매를 흡입, 압축한다. 이때, 냉매는 기체에서 액체 상태로 액화될 수 있고, 따라서 순환력을 부여받을 수 있다.

한편, 압축기(10) 내에서는 압축으로 인해 분자의 운동에너지가 증가하게 될 뿐 아니라, 냉매를 구성하는 분자 사이의 거리가 매우 좁아져 단위체적당 분자수가 증가함으로써 이러한 분자의 충돌로 인해 에너지를 얻어 냉매의 온도가 올라가고 분자들이 밀집되므로 상온에서 냉매의 액화가 이루어질 수 있다.

응축기(20)는 압축기(10)에서 배출되는 고온, 고압의 냉매를 응축한다. 예컨대, 응축기(20)는 냉매의 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축 액화 동작을 수행할 수 있다.

팽창 장치(40)는 유입된 냉매를 단열 팽창시킴으로써 냉매를 저온, 저압의 상태로 증발기(30)로 분사한다. 팽창 밸브를 통해 냉매의 유량이 조절될 수 있다. 팽창 장치(40)는 복수의 팽창 밸브를 포함하며, 상기 팽창 밸브 중 하나 이상의 팽창 밸브는 냉매의 유동에 교란을 가하는 가변 팽창 밸브 일 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

증발기(30)는 팽창 장치(40)에서 배출된 저온, 저압의 냉매를 통해 실내 공기로부터 증발 잠열을 흡수하여 냉각 효과를 달성하는 열 교환기로 구성된다.

한편, 압축기(10), 응축기(20), 증발기(30), 및 팽창 장치(40)는 냉매의 유동을 안내하는 소정의 관로(50)를 통해서 연결될 수 있다.

한편, 도 1 에서는 하나의 팽창 장치(40)가 응축기(20)와 증발기(30) 사이에 배치되도록 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 수개의 팽창 장치(40) 및 증발기(30)가 구비되고 각각의 팽창 장치(40)와 증발기(30)가 연결된 병렬 구조를 갖게 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.

예컨대 도 2 에 도시된 바와 같이, 팽창 장치(40)는 병렬로 연결된 제1 팽창 밸브(42) 및 제2 팽창 밸브(44)와 같은 복수의 팽창 밸브를 포함하며, 제1 팽창 밸브(42)는 냉매의 유량을 주기적으로 가변할 수 있는 가변 밸브로 구성되며 제2 팽창 밸브(44)는 냉매의 유량을 유지하는 유지 밸브로 구성될 수 있다.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창 밸브는 서로 병렬로 연결된 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)를 포함할 수 있다.

도 2 에서는 팽창 밸브가 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)를 포함하게 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며, 병렬로 연결된 복수의 팽창 밸브를 포함할 수 있고, 그 수는 한정하지 아니한다.

또한, 예컨대 도 3 에 도시된 바와 같이, 팽창 장치(40)는 제1 팽창 밸브(42)와 제3 팽창 밸브(49)가 직렬 연결된 제1 밸브단(A)과 제2 팽창 밸브(44)가 병렬 연결되는 구성을 가질 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 이때, 제3 팽창 밸브(49)는 제2 팽창 밸브(44)와 같이 유지 밸브로 구성됨에 따라서, 제1 팽창 밸브(42)는 소위 컨트롤 밸브(control valve)로 기능할 수 있다.

즉, 수개의 밸브가 직렬 연결된 수개의 밸브단이 마련되고 상기 밸브단이 병렬 연결된 구성을 가질 수 있으며, 상기 밸브단 중 하나 이상의 밸브단은 가변 밸브를 포함하고 하나 이상의 밸브단은 유지 밸브를 포함하게 구성될 수 있다.

제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)는 팽창 장치(40) 내에서 서로 병렬 연결됨에 따라서, 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)는 팽창 장치(40)에 냉매가 유입되는 입구 포트(46) 및 팽창 장치(40)로부터 냉매가 배출되는 출구 포트(48)를 공유하게 구성될 수 있다. 즉, 응축기(20)를 통과한 냉매는 팽창 장치(40)의 입구 포트(46)를 통해서 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)로 각각 유입되며, 이후 상기 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)를 통과한 냉매는 팽창 장치(40)의 출구 포트(48)를 통해서 서로 합류하여 증발기(30)로 공급된다.

상기 복수의 팽창 밸브 중 하나 이상은 팽창 밸브를 통과하는 냉매의 유량을 주기적으로 가변하는 가변 밸브이며, 하나 이상은 냉매의 유량을 일정하게 유지하는 유지 밸브일 수 있다.

따라서, 제1 팽창 밸브(42)는 팽창 밸브를 통과하는 냉매의 유량을 주기적으로 가변하는 가변 밸브일 수 있다.

여기서 가변 밸브라 함은, 주기적으로 밸브 내의 유로를 통과하는 냉매의 유량을 가변하여 냉매의 유동에 교란을 가할 수 있는 밸브로 정의한다. 예컨대 가변 밸브는 주기적으로 개폐되는 유로를 구비하도록 구성되어 밸브를 통과하는 냉매의 유량이 유로의 개폐에 따라서 주기적으로 증감하도록 구성될 수 있다. 또는 예컨대 가변 밸브는 그 개도를 주기적으로 확장시키거나 축소시킴으로써 밸브를 통과하는 유량이 개도의 변화에 따라 주기적으로 증감하도록 구성될 수 있다.

즉, 제1 팽창 밸브(42)는 밸브 내에 구비되어 냉매가 통과할 수 있는 냉매 유로의 개방도를 주기적으로 가변할 수 있도록 구성될 수 있으며, 따라서 제1 팽창 밸브(42)는 냉매의 유량을 주기적으로 가변할 수 있다. 이때, 냉매 유량의 변동 주기 및 냉매 유량의 변동 폭은 임의일 수 있으며, 사용자의 설정, 또는 본 발명에 따른 팽창 밸브가 사용되는 냉각 장치, 또는 난방 장치에 포함된 소정의 센서(60)에서 수신된 신호에 따라서 결정될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

따라서, 제1 팽창 밸브(42) 내에 구비된 냉매 유로가 확장되는 기간 동안 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매 유량은 증가하며, 상기 냉매 유로가 축소되는 기간 동안 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매 유량은 감소할 수 있다. 따라서, 증발기(30)에 공급되는 냉매의 유량이 주기적으로 가변된다. 한편, 상기와 같은 제1 팽창 밸브(42) 내의 유로의 확장 및 축소는 예컨대 사인곡선과 같이 시간에 따라서 순차적인 증감 형태로 이루어지는 경우 외에, 유로의 폐쇄 및 개방과 같은 순간적인 점핑(jumping)의 형태로 이루어질 수도 있으며, 이에 한정하지 않는다.

제1 팽창 밸브(42)가 가변 밸브로 형성되어 냉매 유량을 주기적으로 증감할 수 있게 구성됨에 따라서, 냉매의 유동에 교란을 인가할 수 있으며, 냉난방 시스템(1)의 냉 난방 효율이 증가할 수 있다. 이에 따른 구체적인 효과에 대해서는 후술한다.

제2 팽창 밸브(44)는 냉매의 유량을 소정의 값에 따라서 일정하게 유지하는 유지 밸브일 수 있다. 여기서, 유지 밸브라 함은 상술한 가변 밸브에 대해서 대비되는 개념으로서, 예컨대 가변 밸브와 같이 주기적으로 밸브 내의 유로가 개폐되어 냉매의 유량이 주기적으로 가변하며 냉매의 유동에 교란을 인가함이 없이, 예컨대 밸브 내 유로의 개도가 일정하게 유지되어 밸브 내의 유로를 통과하는 냉매의 유량이 일정하게 유지될 수 있는 밸브를 뜻하는 것으로 정의한다. 한편, 상기 유로의 단면적은 불가변한 것이 아니며, 시스템의 운전조건 및 상황에 따라 조작 또는 교체 등에 의해서 가변될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다. 예컨대, 제2 팽창 밸브(44)는 내부에 형성된 냉매 유로의 개방도를 사용자의 조작, 또는 소정의 신호에 따라서 조절하여 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 제2 팽창 밸브(44)는 시스템의 운전조건 및 상황에 따라 그 개도가 조절될 수 있으나, 제1 팽창 밸브(42)와 같은 일시적이고 주기적인 냉매 유량의 순간적인 변동을 유발시키려는 목적을 갖고 작동되지 않으며, 이로써 제2 팽창 밸브(44)와 구별된다.

팽창 장치(40)가 가변 밸브로 구성된 제1 팽창 밸브(42)를 포함하여 냉매의 유동에 교란을 인가하고 냉난방 시스템(1)의 효율성을 향상시킴과 동시에, 유지 밸브로 구성된 제2 팽창 밸브(44)를 포함함에 따라서 냉난방 시스템(1)의 신뢰성을 확보할 수 있다. 이에 따른 구체적인 효과에 대해서는 후술한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템(1)은 센서(60)를 포함할 수 있다.

상기 센서(60)는 냉난방 시스템(1)의 일 부위, 또는 수개의 부위의 온도, 압력, 냉매의 유동 속도 등과 같은 다양한 데이터를 감지할 수 있다. 상기 센서(60)에서 감지된 데이터는 소정의 제어부(미도시)에 제공되며 상기 제어부(미도시)는 상기 센서(60)에서 제공된 데이터를 통해 팽창 장치(40)의 운전 상태가 최적화 되도록 조절할 수 있다. 예컨대, 센서(60)에 의해서 감지된 데이터를 토대로 판단하여 냉매 유동의 교란을 보다 크게 함으로써 효율성을 더욱 확대시키고자 할 경우 제어부(미도시)는 제1 팽창 밸브(42)의 개도의 변화 정도와 주기를 제어할 수 있다. 예컨대, 제1 팽창 밸브(42)의 개폐 주기 및 냉매 유량의 변동 주기를 더욱 짧게 하여 더욱 큰 교란을 인가할 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 시스템(1)은 입력부(70)를 포함할 수 있다.

상기 입력부(70)를 통해 사용자 또는 소정의 제어부(미도시)의 신호가 입력될 수 있으며, 상기 신호를 통해 팽창 장치(40)의 운전 상태가 가변될 수 있다. 예컨대, 상술한 바와 같이 냉매 유동의 교란을 보다 크게 함으로써 효율성을 더욱 확대시키고자 할 경우 입력부(70)를 통해 소정의 신호를 인가하여 제1 팽창 밸브(42)의 개도의 변화 정도와 주기를 제어할 수 있다. 예컨대, 제1 팽창 밸브(42)의 개폐 주기 및 냉매 유량의 변동 주기를 더욱 짧게 하여 더욱 큰 교란을 인가할 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

한편, 도 1 에 도시된 바와 같이 센서(60) 및 입력부(70)가 함께 구비되는 경우 또한 배제하지 아니함은 자명하며, 이에 한정하지 않는다.

도 4 및 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브(42)를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브(42)는 소정의 회전축(C)을 중심으로 회전할 수 있는 축 밸브(100)를 포함하며, 상기 축 밸브(100)에는 냉매 통로(110)가 형성될 수 있다.

축 밸브(100)가 회전함에 따라서, 도 5 에 도시된 바와 같이 냉매 통로(110)와 입구 포트(46), 및 출구 포트(48) 사이의 연결이 형성되거나, 또는 도 4 에 도시된 바와 같이 냉매 통로(110)와 입구 포트(46), 및 출구 포트(48) 사이의 연결이 해제될 수 있다. 냉매 통로(110)와 입구 포트(46), 및 출구 포트(48)가 연결됨에 따라서 제1 팽창 밸브(42)를 통해 냉매가 L1 방향으로 유동할 수 있으며, 따라서 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매의 유량은 증가할 수 있다. 반대로, 냉매 통로(110)와 입구 포트(46), 및 출구 포트(48) 사이의 연결이 해제됨에 따라서 제1 팽창 밸브(42)를 통한 냉매 유동이 차단되며, 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매의 유량은 감소한다.

이때, 냉매 유량의 증감 주기, 및 증감 폭 등은 축 밸브(100)의 회전 주기, 및 축 밸브(100)에 형성된 냉매 통로(110)의 크기를 조절함에 따라서 가변될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 예컨대, 축 밸브(100)의 회전 주기가 짧을 경우 냉매 유량의 증감 주기가 짧아질 수 있으며, 냉매 통로(110)의 크기가 클 경우 냉매 유량의 증가 구간이 더 길어질 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 축 밸브(100)의 회전 주기 등은 소정의 센서(60)에서 제공된 신호, 또는 입력부(70)에서 입력된 신호에 의해서 결정될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

도 6 및 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 팽창 밸브(42)를 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 7 을 참조하면, 제1 팽창 밸브(42)는 오리피스(210) 및 상기 오리피스(210)의 개방도를 주기적으로 가변함으로써 냉매 유량을 가변하는 밸브 바디(200)를 포함할 수 있다.

밸브 바디(200)는 예컨대 외부 전원의 인가에 따라 변위됨으로써 오리피스(210)의 개방도를 가변할 수 있는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다. 예컨대, 도 6 에 도시된 바와 같이 외부 전원이 차단될 경우 밸브 바디(200)가 하강하여 오리피스(210)가 폐쇄됨으로써 제1 팽창 밸브(42)를 통한 냉매 유동이 차단되며, 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매의 유량은 감소할 수 있다. 반대로, 도 7 에 도시된 바와 같이 외부 전원이 인가될 경우 밸브 바디(200)가 상승하여 오리피스(210)가 개방됨으로써 제1 팽창 밸브(42)를 통해서 L2 방향으로 냉매가 유동할 수 있으며, 팽창 장치(40)를 통과하는 냉매의 유량은 증가할 수 있다.

한편, 냉매 유량의 증감 주기, 및 증감 폭은 밸브 바디(200)의 변위 정도, 밸브 바디(200)의 크기 등을 조절함에 따라서 가변될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 상술한 바와 같이 밸브 바디(200)의 변위 주기 등은 소정의 센서(60)에서 제공된 신호, 또는 입력부(70)에서 입력된 신호에 의해서 결정될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

팽창 장치(40)에 포함된 제1 팽창 밸브(42)는 상술한 바에 한정하지 아니하며, 냉매의 유량을 주기적으로 가변할 수 있는 여하한 팽창 밸브가 포함될 수 있음은 자명하다.

하기에서는, 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)의 팽창 장치(40)가 병렬로 연결된 팽창 밸브를 포함하며, 상기 팽창 밸브는 냉매의 유량이 주기적으로 가변하도록 구성된 가변 밸브 및 냉매의 유량을 유지하는 유지 밸브를 포함하는 것에 따른 효과에 관해 구체적으로 서술한다.

첫번째로, 하나 이상의 팽창 밸브가 가변 밸브로 구성되며 냉매의 유량이 주기적으로 가변됨에 따라서 냉난방 시스템(1) 내의 부분적인 냉매 유량이 순간적으로 증대되어 냉매의 난류 유동이 증폭될 수 있다. 이때 전체적인 캐비테이션(cavitation)의 증가 및 유면의 깨짐 현상의 증가 등이 발생하며, 이는 단시간 동안의 열전달 성능 증가 및 평균 열전달 성능의 증가로 귀결되는 효과를 달성할 수 있다.

두번째로, 상술한 바와 같은 순간적인 냉매 유량의 증가에 의해서 열 전달량이 커질 수 있다. 즉, 예컨대 냉매 유량이 80 g/s 의 안정 상태(steady state)에서 동작하는 냉난방 시스템(1)의 경우 상기 냉매 유량을 증가시킨 상태로 시스템을 유지하기 어려우나, 본 발명에 따라서 냉매 유로의 일부의 차단 및 개방이 반복됨에 따라서 순간적인 냉매 유량의 증가가 반복되며 따라서 평균적인 열전달량 증가 효과가 달성될 수 있다.

세번째로, 열교환기 내의 냉매 유동 특성과 그에 따른 열전달계수의 측면에서 냉난방 시스템(1)의 성능향상이 이루어질 수 있다.

이에 관하여, 우선, 응축기(20) 측면의 냉매 유동 특성의 변화 및 그로 인한 냉난방 시스템(1)의 성능향상에 관해 고찰한다.

본 발명에 따른 가변 팽창 밸브를 사용하지 않은 일반적인 안정 상태의 냉난방 시스템(1)의 경우 응축기(20) 후반부에 액화 상태의 냉매가 밀집할 수 있다. 밀집된 액화 상태의 냉매는 이상 유동(two-phase flow)의 상태의 냉매에 비해서 60 % 내지 80 % 의 낮은 열 전달 계수를 가지며, 따라서 액화 상태의 냉매가 응축기(20) 후반부에 많이 모여 있을수록 열 교환 성능이 저하될 수 있다.

본 발명에 따라서, 가변 팽창 밸브로 구성된 제1 팽창 밸브(42)를 통해서 냉매 유량의 변동이 반복됨에 따라서 응축기(20) 후반부에 모여있는 액냉매의 순간적인 배출(drainage)이 주기적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 응축기(20) 후반부에 액냉매가 모여서 누적되는 것이 방지되며 따라서 응축기(20)의 이상 유동 영역(two-phase flow area) 및 환형 유동 영역(annular flow area)이 증가할 수 있다. 이는 응축기(20)의 전반적인 열 교환 성능 및 열 전달량 증대 효과를 달성할 수 있다.

이어서, 증발기(30) 측면의 측면의 냉매 유동 특성의 변화 및 그로 인한 냉난방 시스템(1)의 성능향상에 관해 고찰한다.

본 발명에 따른 가변 팽창 밸브를 사용하지 않은 일반적인 안정 상태의 냉난방 시스템(1)의 경우, 증발기(30) 후반부에 냉매가 가스 상태로 이루어진 영역이 형성되며 상기 영역 또한 이상 유동 영역보다 30 % 내지 40 % 낮은 열 전달계수를 가지므로 열 교환 성능 저하를 초래할 수 있다.

가변 팽창 밸브를 통해서 냉매 유량의 변동이 반복됨에 의해서 순간적인 유량 증가가 발생한 냉매는 증발기(30)에 일종의 홍수(flooding) 현상을 일으킬 수 있다. 이는 증발기(30) 후반부의 가스 상태의 냉매의 일부 또는 전부를 이상 유동 상태로 전환시킬 수 있으며, 따라서 증발기(30)의 이상 유동 영역이 증가할 수 있다. 이는 증발기(30)의 전반적인 열 전달 성능 및 열 전달량 증대 효과를 달성할 수 있다.

네번째로, 순간적인 냉매 유량 증가에 따라서 사이클 측면에서 응축압력과 증발압력의 압력차를 순간적으로 감소시킬 수 있으므로 냉난방 시스템(1)의 소비 전력 대비 냉, 난방 효율(COP)이 증가할 수 있다.

즉, 냉난방 시스템(1)의 응축 압력과 증발 압력의 차이가 클수록 전력이 많이 소모되는데, 본 발명에 따라서 응축 압력과 증발 압력의 차이의 순간적인 감소가 주기적으로 이루어지므로, 압축기(10)의 소비전력의 주기적인 감소 및 회복현상을 보이며, 따라서 평균적인 압축기(10)의 소비전력 감소 효과가 달성될 수 있다. 이에 따라서, 상술한 바와 같이 냉난방 시스템(1)의 냉, 난방 용량은 증가함에 비해 압축기(10)의 소비전력은 감소하므로, 냉난방 시스템(1)의 소비전력 대비 냉, 난방 용량(COP)이 증가할 수 있다.

다섯째로, 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)은 복수의 팽창 밸브로 구성된 팽창 장치(40)를 포함하며 상기 팽창 밸브는 가변 밸브 및 유지 밸브를 동시에 포함하게 구성됨에 따라서, 냉매의 유동에 교란을 인가하여 효율성을 향상시킴과 동시에, 유지 밸브로 구성된 제2 팽창 밸브(44)를 포함함에 따라서 냉난방 시스템(1)의 신뢰성을 확보할 수 있다.

즉, 예컨대 하나의 가변 팽창 밸브만으로 구성된 팽창 장치(40)의 경우, 냉난방 시스템(1) 전체의 냉매 교란이 심각하게 발생할 수 있으며, 이는 시스템 안정성에 무리를 가하여 냉난방 사이클(refrigeration cycle)의 붕괴를 초래할 수 있다. 또한, 증가하거나 감소된 냉매의 회복 등 냉매의 유량 제어가 용이하지 아니함으로써 냉난방 시스템(1)의 전체적인 성능 감소가 발생할 수 있다.

반면에, 본 발명에 따른 팽창 장치(40)는 상술한 바와 같은 구성을 가짐에 따라서 냉매 교란의 안정적인 유지 및 냉매의 유량 제어가 용이할 수 있다. 즉, 안정 상태로 동작하는 팽창 밸브가 소위 안전망(safety net) 역할을 함으로써 냉난방 시스템(1)의 냉매 유동의 지나친 교란을 방지하고 안정적인 사이클이 유지되는 냉난방 시스템(1)을 확보할 수 있다. 또한, 냉매 유동에 불안요소가 발견될 경우 복수의 팽창 밸브를 통해서 신속하고 유연하며 신뢰성 있는 운전상태의 제어가 가능해질 수 있다.

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

1: 냉난방 시스템 10: 압축기
20: 응축기 30: 증발기
40: 팽창 장치 42: 제1 팽창 밸브
44: 제2 팽창 밸브 46: 입구 포트
48: 출구 포트 49: 제3 팽창 밸브
50: 관로 60: 센서
70: 입력부 100: 축 밸브
110: 냉매 통로 200: 밸브 바디
210: 오리피스

Claims (7)

1. 압축기(10), 응축기(20), 팽창 장치(40), 및 증발기(30)를 포함한 냉난방 시스템(1)에 있어서,
   상기 팽창 장치(40)는 병렬 연결된 제1 팽창 밸브(42) 및 제2 팽창 밸브(44)를 포함하며,
   상기 제1 팽창 밸브(42)는 개도가 주기적으로 변화함에 따라 냉매의 유량을 주기적으로 증감하여 냉매의 유동에 교란을 발생하는 가변 밸브이며,
   상기 제2 팽창 밸브(44)는 설정된 개도가 유지되면서 통과하는 냉매의 유량이 일정한 유지 밸브인 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 팽창 장치(40)는,
   입구 포트(46), 및 출구 포트(48)를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 팽창 밸브(42, 44)는 상기 입구 포트(46)와 상기 출구 포트(48)를 공유하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 팽창 밸브(42)는 내부에 형성된 냉매 유로를 포함하며,
   상기 제1 팽창 밸브(42)는 상기 냉매 유로를 주기적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 팽창 밸브(42)는,
   냉매 통로(110)가 형성되며 소정의 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 축 밸브(100)를 포함하며,
   상기 냉매 통로(110)는 상기 축 밸브(100)의 회전에 따라서 주기적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 팽창 밸브(42)는,
   냉매가 통과할 수 있는 오리피스(210), 및 상기 오리피스(210)를 개폐할 수 있는 밸브 바디(200)를 포함하며,
   상기 오리피스(210)는 상기 밸브 바디(200)가 변위됨에 따라서 주기적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉난방 시스템(1)은,
   센서(60) 및 제어부를 더 포함하며,
   상기 센서(60)는 상기 냉난방 시스템(1)의 하나 이상의 부위의 온도, 압력, 진동, 또는 냉매 유량을 감지하여 감지 결과를 상기 제어부에 전달하고,
   상기 제어부는 상기 감지 결과를 통해 상기 제1 팽창 밸브(42)의 개도의 변화 정도와 주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).
7. 제1항에 있어서,
   상기 냉난방 시스템(1)은,
   입력부(70) 및 제어부를 더 포함하며,
   상기 입력부(70)는 외부 신호를 상기 제어부로 인가하며,
   상기 제어부는 상기 외부 신호를 통해 상기 제1 팽창 밸브(42)의 개도의 변화 정도와 주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템(1).

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