KR101641248B1

KR101641248B1 - 냉각장치

Info

Publication number: KR101641248B1
Application number: KR1020100011204A
Authority: KR
Inventors: 조남준; 이기섭; 전지훈; 홍종호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2016-07-20
Also published as: KR20110091390A

Abstract

발명은 공랭식 냉각장치에 관한 것이다. 본 발명은 응축기의 응축열을 이용하여 냉매를 예열할 수 있도록 구성함으로써, 동절기 난방운전시 실외에서 증발기 역할을 하는 열교환기의 표면에 성에나 결빙이 발생되더라도 별도의 제빙운전을 위해 냉매의 순환방향을 전환하지 않고도 상기 열교환기의 표면에 발생된 성에나 결빙을 제거할 수 있고, 이에 따라 잦은 운전모드의 전환으로 인해 사용자에게 불쾌감을 유발시키거나 냉각장치의 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

Description

냉각장치{CHILLER}

본 발명은 냉각장치(chiller)에 관한 것으로, 특히 온수 인젝션을 이용하여 제상 운전이 가능한 히트펌프식 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉각장치는 열 매체의 방열방식에 따라 수냉식과 공랭식으로 구분할 수 있다. 수냉식 냉각장치는 냉각탑에서 열 매체를 비산시켜 방열하는 방식이고, 공랭식 냉각장치는 열 매체가 흐르는 열교환기를 공기와 접촉시켜 방열하는 방식이다.

공랭식 냉각장치는 외기의 온도 변화에 대응하여 최소한의 에너지로 열 매체를 거의 실온으로 냉각할 수 있다. 하지만, 밀폐 증발식 냉각탑은 산수조, 집수조, 양수 펌프 등이 필요하며 구조가 복잡하다. 또, 산수용 물의 공급원이 필요하므로 설치 장소가 제한된다. 또, 보급수의 수질이 나쁜 경우나, 분진, 매연, 염분 등을 포함하는 설치환경이 나쁜 장소에서는 배관에 부식이나 스케일이 발생하므로 정기적인 보수 점검이 번거롭다.

반면, 공랭식 냉각장치는 전열관에 물을 뿌리지 않으므로 산수조나 집수조 등이 불필요하다. 이에 따라, 공랭식 냉각장치는 산수에 의한 전열관의 부식이나 스케일이 발생하지 않아 수냉식 냉각 장치보다 보수가 간단하다. 또, 냉각수를 공급하는 펌프가 불필요하여 소비 전력을 절약할 수 있다.

한편, 공랭식 냉각장치는 압축기의 출구에 냉매전환밸브를 설치하여 냉매의 순환방향을 제어하면서 하절기에는 냉수를 제공하고 동절기에는 온수를 공급하는 히트펌프방식의 공랭식 냉각장치(이하, 히트펌프식 칠러로 약칭함)가 알려져 있다.

도 1은 종래의 히트펌프식 칠러를 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 히트펌프식 칠러(10)는, 케이스(11)의 내부에 압축기(12)와 제1 열교환기(13) 그리고 팽창 밸브(14)와 제2 열교환기(15)로 된 냉동사이클이 설치되고, 상기 케이스(11)의 상면 또는 측면에는 외부의 공기를 흡입하여 제1 열교환기(13)와 열교환되도록 하기 위한 복수 개의 흡기팬(16)이 설치되며, 상기 제2 열교환기(15)에는 실내기(20)들로 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 열매체 순환관(30)이 연결되어 있다.

그리고 상기 압축기(12)의 출구에는 그 압축기(12)에서 압축되는 냉매를 운전조건에 따라 제1 열교환기 방향 또는 제2 열교환기 방향으로 전환하기 위한 냉매전환밸브(17)가 설치되어 있다. 상기 냉매전환밸브(17)는 통상 4방밸브로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래의 히트펌프식 칠러(10)는 하절기에는 냉방기로 운전을 하는 반면 동절기에 난방기로 전환하여 운전을 하게 된다. 예를 들어, 하절기에는 압축기(12)에서 고온,고압으로 압축된 냉매를 냉매전환밸브가 제1 열교환기(13)로 안내하여 그 제1 열교환기(13)에서 공기와 열교환되어 방열하고 팽창 밸브(14)에서 저온, 저압으로 만든 후 제2 열교환기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 냉방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급하게 된다.

한편, 동절기에는 상기 냉매전환밸브(17)가 냉매를 제2 열교환기 방향으로 안내하여 고온,고압의 냉매가 제2 열교환기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 난방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급하게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 히트펌프식 칠러(10)는, 동절기에 난방용으로 사용할 때 상기 제1 열교환기(13)가 증발기가 되지만 실외의 온도가 낮아 상기 제1 열교환기(13)의 표면에 얼음이 발생되어 주기적으로 냉매의 순환방향을 전환하여 제상운전을 실시하여야 한다. 하지만, 제상운전을 위해 냉매의 순환방향을 전환하게 되면 실내기와 연결되는 제2 열교환기(15)가 주기적으로 냉수를 제공하여 실내기가 냉방운전을 하게 되므로 사용자는 그만큼 불쾌감을 느끼게 되는 것은 물론 히트펌프식 칠러 역시 불필요한 냉난방운전을 반복함에 따라 냉각장치의 효율도 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 히트펌프식 칠러에서 냉매의 순환방향을 전환하지 않고도 제상운전이 가능하도록 하여 사용자에게 원하지 않는 조건의 공기조화가 제공되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 실내기의 불필요한 운전 전환을 방지하여 효율을 높일 수 있는 냉각장치를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 압축기; 공기와 열교환하는 제1 열교환기;

실내기와 열 매체에 의해 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제1 열교환기와 제2 열교환기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창기; 상기 제2 열교환기와 상기 실내기 사이에 연결되어 열 매체가 순환되는 열매체 순환관; 상기 제1 열교환기와 제2 열교환기 사이에 설치되는 제3 열교환기; 및 상기 열매체 순환관의 중간에서 분관되어 상기 제2 열교환기를 거친 열 매체가 상기 제3 열교환기에서 냉매와 열교환되도록 상기 제3 열교환기와 연결되는 바이패스관;을 포함한 냉각장치가 제공된다.

여기서, 상기 제3 열교환기는 제1 열교환기와 팽창기 사이에 설치될 수 있다.

그리고 상기 열매체 순환관에는 열 매체의 순환방향을 전환할 수 있도록 매체전환밸브가 설치되고, 상기 매체전환밸브는 상기 열매체 순환관과 바이패스관이 분관되는 지점에 설치되는 3방밸브로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 압축기의 출구에는 냉매의 순환방향을 상기 제1 열교환기 방향 또는 제2 열교환기 방향으로 전환하는 냉매전환밸브가 더 구비될 수 있다.

그리고 상기 매체전환밸브는 그 매체전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부는 상기 제1 열교환기의 표면이 결빙이 발생되었는지를 실시간 또는 주기적으로 검출하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 검출된 값에 따라 제빙운전을 실시할 것인지를 판단하는 판단부와, 상기 판단부에 의해 판단된 결과에 따라 제빙운전을 실행하도록 매체전환밸브를 작동시키는 지령부로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의한 냉각장치는, 응축기의 응축열을 이용하여 팽창된 냉매를 예열할 수 있도록 구성함으로써, 동절기 난방운전시 실외에서 증발기 역할을 하는 열교환기의 표면에 성에나 결빙이 발생되더라도 별도의 제빙운전을 위해 냉매의 순환방향을 전환하지 않고도 상기 열교환기의 표면에 발생된 성에나 결빙을 제거할 수 있고, 이에 따라 잦은 운전모드의 전환으로 인해 사용자에게 불쾌감을 유발시키거나 냉각장치의 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 종래 히트펌프식 냉각장치의 일례를 개략적으로 보인 계통도,
도 2는 본 발명 히트펌프식 냉각장치의 일례를 보인 계통도,
도 3은 도 2에 따른 히트펌프식 냉각장치에서 제2 열교환기를 보인 분해사시도,
도 4는 도 2에 따른 히트펌프식 냉각장치의 제어유닛을 개략적으로 보인 블록도,
도 5는 도 2에 따른 히트펌프식 냉각장치의 다른 실시예를 보인 계통도.

이하, 본 발명에 의한 냉각장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 히트펌프식 냉각장치의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 도 2에 따른 히트펌프식 냉각장치에서 제2 열교환기를 보인 분해사시도이며, 도 4는 도 2에 따른 히트펌프식 냉각장치의 제어유닛을 개략적으로 보인 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 히트펌프식 칠러(100)는, 압축기(110)와, 제1 열교환기(120)와, 팽창기(130)와, 제2 열교환기(140)가 폐루프를 이루도록 설치되고, 상기 제1 열교환기(120)의 일측에는 외부의 공기를 흡입하여 제1 열교환기(120)와 열교환되도록 하는 흡기팬(150)이 설치된다. 그리고 상기 압축기(110)의 출구에는 그 압축기(110)에서 압축된 냉매를 제1 열교환기 방향 또는 제2 열교환기 방향으로 전환하기 위해 통상 4방밸브로 된 냉매전환밸브(160)가 설치된다. 그리고 상기 히트펌프식 칠러(100)의 제상운전시 냉매관을 통과하는 냉매를 일정 온도로 예열하여 그 냉매에 의해 제상운전이 실행되도록 하는 제상유닛(170)이 설치된다.

상기 제1 열교환기(120)는 냉매관이 지그재그(meander) 모양으로 형성되고, 그 냉매관의 길이방향으로 소정 간격을 두고 복수의 방열부재가 설치되어 이루어진다.

상기 제2 열교환기(140)는 도 3에서와 같이 스테인레스로판에 헤링본(herringbone)무늬의 복잡한 유로(channel)가 양각형태로 형성된 복수 개의 전열판(131)이 적층되는 판형 열교환기(plate heat exchanger)가 주로 사용될 수 있다. 상기 판형 열교환기는 그 모서리에 냉매가 순환 이동하는 냉매유로와 물과 같은 열 매체가 순환 이동하는 매체유로가 서로 분리되어 흐르도록 각각의 입 출구가 독립적으로 형성된다. 그리고 상기 판형 열교환기는 유로가 복잡하게 형성됨에 따라 유체의 활발한 난류유동을 유도할 수 있어 높은 열전도계수를 갖을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전열판(131)의 각 접점들이 진공상태에서 브레이징 될 때 콤팩트한 열교환기로 제작되어 기존의 쉘 앤드 튜브 방식 열교환기(shell and tube type heat exchanger)에 비해서는 훨씬 가볍고 구조가 단순하면서도 전열면적은 크게 확장될 수 있다.

그리고, 상기 제2 열교환기(130)는 열 매체(예를 들어, 물)가 실내에 설치된 실내에 설치된 공기조화기(Air Handling Unit:AHU) 또는 팬코일유닛(Fan Coil Unit:FCU)과 같은 난방용 열교환기 또는 항온항습기와 같은 냉방용 열교환기 등의 실내기(20)와 열 교환될 수 있도록 상기 열매체 순환관(30)이 연결 설치된다.

상기 제상유닛(170)은 제1 열교환기(120)와 팽창기(130) 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기(140)와 열교환되어 만들어진 온수가 냉매관(101)을 통과하는 냉매와 열교환되도록 하는 제3 열교환기(171)와, 상기 제3 열교환기(171)와 상기 열매체 순환관(30) 사이를 연결되는 바이패스관(172)과, 상기 바이패스관(172)으로 열 매체인 온수가 유입되는 것을 선택적으로 허용하는 매체전환밸브(173)로 이루어진다.

상기 제3 열교환기(171)는 상기 제2 열교환기(140)와 유사한 판형 열교환기로 형성될 수 있다.

상기 바이패스관(172)은 열매체 순환관(30)의 중간에서 분관되어 상기 제3 열교환기(171)와 연결된다. 그리고 상기 바이패스관(172)은 상기 열매체 순환관(30) 중에서 제2 열교환기(140)를 기준으로 한쪽 관, 즉 운전조건에 따라 입구가 되든지 출구가 되는 관에 상기 바이패스관(172)의 입구와 출구가 모두 연결된다.

상기 매체전환밸브(173)는 상기 바이패스관(172)의 입구측과 출구측에 각각 온/오프 밸브를 설치할 수도 있으나, 이 경우 조립공정과 제어가 복잡할 수 있으므로 가급적 상기 바이패스관(172)이 열매체 순환관(30)에서 분관되는 지점에 설치되는 3방밸브로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
즉, 바이패스관(172) 중에서 한쪽 바이패스관은 제3 열교환기(171)의 입구와 열매체 순환관(30)의 일측에 양단을 연결시키고, 다른 쪽 바이패스관은 제3 열교환기(171)의 출구와 열매체 순환관(30)의 타측에 양단을 연결시킬 수 있다. 그리고, 매체전환밸브(173)는 양쪽 바이패스관 중에서 제3 열교환기(171)의 입구에 연결되는 바이패스관(172)이 열매체 순환관(30)과 연결되는 지점에 설치될 수 있다. 이로써, 실내기(30)로부터 유입되는 온수가 매체전환밸브(173)를 통해 제3 열교환기(171)를 가열하고, 이후 다른 쪽 바이패스관(172)을 통해 열매체 순환관(30)을 거쳐 제2 열교환기(140)와 열교환되며, 이후 실내기(20)로 유입될 수 있다.

한편, 상기 매체전환밸브(173)는 히트펌프식 칠러의 운전 전반을 통괄하는 제어모듈에 전기적으로 연결되는 제어유닛(180)에 의해 자동으로 제어되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제어유닛(180)은 도 4에서와 같이 상기 제1 열교환기의 표면이 결빙이 발생되었는지를 온도센서(미도시) 등을 통해 실시간 또는 주기적으로 검출하는 검출부(181)와, 상기 검출부(181)에 의해 검출된 값에 따라 제빙운전을 실시할 것인지를 판단하는 판단부(182)와, 상기 판단부(182)에 의해 판단된 결과에 따라 제빙운전을 실행하도록 매체전환밸브(173)를 작동시키는 지령부(183)로 이루어질 수 있다.

여기서, 도면으로 제시하지는 않았으나 상기 제어유닛은 운전시간에 따라 주기적으로 자동 제빙운전을 할 수 있도록 지령부로만 이루어질 수도 있다.

도면중 미설명 부호인 111은 어큐뮬레이터이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 히트펌프식 칠러는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 히트펌프식 칠러(100)가 하절기에 냉방용으로 사용되는 경우에는 상기 제2 열교환기(140)가 증발기 역할을 하면서 그 제2 열교환기(140)의 표면에 성에나 심하면 결빙이 발생될 수도 있지만 외부의 온도가 높고 상기 제1 열교환기(120)의 상측에 설치되는 흡기팬(150)에 의해 외부의 더운 공기가 제2 열교환기(140)에 접촉하게 되므로 상기 제2 열교환기(140)의 표면에는 성에나 결빙이 발생하지 않게 된다.

하지만 상기 히트펌프식 칠러(100)가 동절기에 난방용으로 사용될 경우에는 상기 제1 열교환기(120)가 증발기 역할을 할 뿐만 아니라 실외에 설치됨에 따라 상기 제1 열교환기(120)의 표면에 성에나 결빙이 발생할 수 있다. 따라서 상기 제어유닛(180)의 검출부(181)가 제1 열교환기(120)의 표면온도 등을 실시간 또는 주기적으로 검출하고, 이 검출된 값에 따라 상기 판단부(182)가 설정값과 비교하여 제빙운전을 실시할 것인지를 판단하며, 이 판단부(182)에 의해 제빙운전이 필요하다고 판단되면 상기 지령부(183)가 매체전환밸브(173)를 바이패스관(172) 방향으로 열어 상기 제2 열교환기(140)를 통과하여 실내기(20)와의 사이를 순환하는 온수를 바이패스관 방향으로 안내한다.

그러면, 상기 바이패스관(172)을 통해 제3 열교환기(171)로 유입되는 온수는 상기 압축기(110)에서 제2 열교환기(140)를 거치고 상기 팽창기(130)를 통과하여 팽창되면서 낮아진 냉매를 예열하여 그 냉매가 일정온도로 상승하도록 함으로써 상기 냉매가 상대적으로 높은 온도를 유지하면서 제1 열교환기(120)로 유입되어 그 제1 열교환기(120)의 표면에 발생된 성에나 결빙을 제거하게 된다.

이렇게 하여, 동절기 난방운전시 실외에서 증발기 역할을 하는 열교환기의 표면에 성에나 결빙이 발생되더라도 별도의 제빙운전을 위해 냉매의 순환방향을 전환하지 않고도 상기 열교환기의 표면에 발생된 성에나 결빙을 제거할 수 있다. 이에 따라 잦은 운전모드의 전환으로 인해 사용자에게 불쾌감을 유발시키거나 냉각장치의 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 냉각장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 압축기의 출구에 냉매전환밸브가 구비된 히트펌프식 냉각장치에 적용된 예를 살펴보았으나, 본 실시예는 냉매전환밸브가 구비되지 않은 일반 난방장치에도 동일하게 적용할 수 있다.

예를 들어, 도 5에서와 같이 상기 압축기(210)의 출구에 응축기(220)와, 팽창기(230)와, 그리고 증발기(240)를 연이어 설치하고 상기 증발기(240)의 출구를 압축기(210)에 입구에 연결하는 냉동사이클을 갖는 냉각장치의 경우, 실외기에 해당하는 증발기(240)의 표면에 성에나 결빙이 발생될 수 있다. 이 경우에도 전술한 바와 같이 응축기(220)와 팽창기(230) 사이에 제빙용 열교환기(251)를 설치하고 그 제빙용 열교환기(251)를 응축기(220)와 열교환되는 열매체 순환관(252)으로 열교환되도록 연결하며 상기 열매체 순환관(252)의 중간에 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프(253)를 설치함으로써 상기 응축기(220)의 응축열로 냉매를 예열하여 상기 증발기(240)에 발생되는 성에나 결빙을 해소할 수 있다. 이에 따른 작용 효과는 전술한 예와 대동소이하므로 구체적인 설명은 생략한다.

110 : 압축기 120 : 제1 열교환기
130 : 팽창기 140 : 제2 열교환기
150 : 흡기팬 160 : 냉매전환밸브
170 : 제상유닛 171 : 제3 열교환기
172 : 바이패스관 173 : 매체전환밸브
180 : 제어유닛

Claims

압축기;
상기 압축기의 출구에 구비되어 냉매의 순환방향을 전환시키는 냉매전환밸브;
상기 냉매전환밸브의 일측 통로에 그 일단이 연결되는 제1 열교환기;
상기 냉매전환밸브의 타측 통로에 연결되며, 실내기와 열 매체에 의해 열교환하는 제2 열교환기;
상기 제1 열교환기와 제2 열교환기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창기;
상기 제2 열교환기와 상기 실내기 사이에 연결되어 열 매체가 순환되는 열매체 순환관;
상기 팽창기와 상기 제1 열교환기 사이에 설치되는 제3 열교환기;
상기 제2 열교환기를 거친 열 매체가 상기 제3 열교환기를 가열시키도록 상기 열매체 순환관의 중간에서 분관되어 상기 제3 열교환기와 연결되는 바이패스관;및
상기 바이패스관 또는 상기 바이패스관과 순환관 사이에 설치되어 상기 바이패스관으로 열매체가 유입되는 것을 선택적으로 제어하기 위한 매체전환밸브;을 포함한 냉각장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 매체전환밸브는 상기 바이패스관의 입구와 출구에 각각 설치되는 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 매체전환밸브는 상기 열매체 순환관과 바이패스관이 분관되는 지점에 설치되는 3방밸브로 이루어지는 냉각장치.
삭제
제1항, 제3항 및 제4항중 어느 한 항에 있어서,
상기 매체전환밸브는 그 매체전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되고,
상기 제어부는 상기 제1 열교환기의 표면이 결빙이 발생되었는지를 실시간 또는 주기적으로 검출하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 검출된 값에 따라 제빙운전을 실시할 것인지를 판단하는 판단부와, 상기 판단부에 의해 판단된 결과에 따라 제빙운전을 실행하도록 매체전환밸브를 작동시키는 지령부로 이루어지는 냉각장치.