KR101746154B1 - 공기조화 시스템 - Google Patents

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Abstract

공기조화 시스템은 통로들을 구비하는 케이싱과, 통로들의 입구와 출구에 배치되며 개방하거나 폐쇄하는 복수 개의 댐퍼들과, 흡습소재를 포함하며 통로들을 가로지르며 회전하도록 배치된 열물질교환기와, 열물질교환기를 회전시키는 구동부와, 통로들의 적어도 하나에 배치되며 내부에 열매체가 흐르는 열교환부와, 복수 개의 작동모드들에 따라 댐퍼들을 제어하여 통로들의 입구와 출구를 개방하거나 폐쇄하며 구동부를 제어하여 열물질교환기의 회전 속도를 변화시키는 제어부를 구비한다.

Description

공기조화 시스템{Air conditioning system}
실시예들은 공기조화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열물질교환기의 회전 속도를 변화시킴으로써 하나의 부품에 의해 제습로터와 전열 교환기의 두 가지 기능을 모두 수행하게 하여 여러 가지 작동모드를 선택하여 실행할 수 있는 공기조화 시스템에 관한 것이다.
공기조화 시스템은 구획된 공간의 온도와 습도를 조절하는 냉방운전 또는 난방운전을 수행하거나 실내외의 공기를 교환하는 환기운전 등을 수행하는 시스템이다.
대형 빌딩이나 공공장소의 넓은 공간에서부터 개인이 생활하고 일하는 좁은 공간에 이르기까지 다양한 영역에서 공기조화 시스템이 사용되고 있으나, 여름철에 전기 공급량이 부족하여 전기를 주동력원으로 사용하는 공기조화 시스템을 대체하거나 단점을 극복하기 위한 기술 개발 노력이 지속되고 있다.
예를 들어, 주택이나 상업용 건물 중에는 환기를 위하여 실내외를 통하는 공기로부터 에너지를 회수하는 에너지 회수형 환기장치가 설치되기도 한다. 일반적으로 에너지 회수형 환기장치에는 공기로부터 열을 회수하거나 공기에 열을 전달할 수 있는 전열 교환기가 사용된다.
또한 일반적인 환기운전 기능을 넘어서 미국 등록특허 US 6,918,263나 US 8,943,848와 같이 히트 펌프를 환기장치에 삽입함으로써 냉난방 기능을 추가한 기술도 나타난다. 미국 등록특허 US 6,918,263의 경우 제습 로터를 환기장치의 내부에 삽입하여 제습운전 기능을 추가하였으나, 부품을 추가함으로 인하여 전체 시스템의 구성이 복잡해지고 제조비용이 증가한다.
전열 교환기는 공기로부터 열을 회수하기 위한 목적으로 사용되는 부품이고, 제습로터는 공기에서 습기를 회수하기 위한 목적으로 사용된다. 전열 교환기와 제습로터는 모두 공기와 공기의 사이에서 열과 습기를 교환하도록 한 방식(공기-공기 열교환기)을 사용하므로, 액체와 액체의 사이에서 열교환을 하는 액체-액체 열교환기나 액체와 공기의 사이에서 열교환을 하는 액체-공기 열교환기에 비하여 부피가 매우 크다. 따라서 전열 교환기와 제습로터의 두 가지 상이한 부품을 하나의 공기조화 시스템에 채택하는 것은 용이하지 않다.
한국 등록특허 제1061944호에서는 전열 교환기의 설치를 생략하고 제습로터와 히트 펌프를 이용한 환기 장치 기술을 소개하지만, 이러한 기술에 의하면 환기운전 시 환기에너지를 회수하는 기능을 실행시킬 수 없다.
또한 산업현장, 공공기관 및 가정에서 쾌적한 실내공기를 유지하려는 수요가 계속 증가하고 있으며, 하절기에는 제습기를 설치하고 동절기에는 제습기와 별도의 장치인 가습기를 설치한다. 그러나 소비자의 입장에서는 제습 기능과 가습 기능을 위해 별도의 장치를 구입, 설치, 및 관리해야 하는 부담이 있으며, 가습기에는 물통을 설치해야 하는 등의 불편함이 존재한다.
한국 등록특허 제1061944호(2011.08.29.) 미국 등록특허 제8943848호(2015.02.03) 미국 등록특허 제6918263호(2005.07.19)
실시예들의 목적은 제습모드, 가습모드, 에너지회수환기모드, 환기냉방모드, 및 환기난방모드 등의 여러 가지 작동모드들을 선택하여 실행할 수 있는 공기조화 시스템 및 제어 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 열물질교환기와 열교환부와 같이 최소한의 구성 요소들을 이용하므로 심플하고 컴팩트한 구성을 가지면서도 다양한 작동모드를 실행할 수 있는 공기조화 시스템 및 제어 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 수분을 흡수하는 흡습소재를 포함하는 열물질교환기의 회전 속도를 변화시킴으로써, 하나의 부품(열물질교환기)을 이용하여 제습로터와 전열 교환기의 기능을 모두 실행할 수 있게 한 공기조화 시스템 및 제어 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 열물질교환기와 열교환부(히트펌프의 구성요소)를 포함한 공기조화 시스템을 구현하여, 열물질교환기의 동작에 의해 히트펌프의 효율이 향상되게 하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 열물질교환기를 중심으로 히트펌프의 구성요소인 열교환부의 설치 위치와 개수를 변경함으로써 열물질교환기에 의해 수행되는 환기냉방모드와 환기난방모드 등의 작동모드들의 에너지효율을 향상시키는 데 있다.
일 실시예에 관한 공기조화 시스템은, 공기가 통과하는 복수 개의 통로들을 구비하는 케이싱과, 통로들의 각각의 입구와 출구에 배치되며 제어신호에 의해 작동하여 입구와 출구를 개방하거나 폐쇄하는 복수 개의 댐퍼들과, 수분을 흡수하는 흡습소재를 포함하며 통로들을 가로지르며 케이싱에 대해 회전하도록 배치된 열물질교환기와, 열물질교환기를 회전시키는 구동부와, 통로들의 적어도 하나에 배치되며 내부에 열교환을 위한 열매체가 흐르는 열교환부와, 복수 개의 작동모드들에 따라 댐퍼들에 제어신호를 인가하여 통로들의 입구와 출구를 개방하거나 폐쇄하며 구동부에 제어신호를 인가하여 열물질교환기의 회전 속도를 변화시키는 제어부를 구비한다.
케이싱의 통로들은 제1통로와 제2통로를 구비할 수 있다.
댐퍼들은 제1통로와 제2통로의 각각의 출구를 실외 배출 통로나 실내 배출 통로로 연결하는 배출 댐퍼들과, 제1통로와 제2통로의 각각의 입구를 실외 유입 통로나 실내 유입 통로로 연결하는 유입 댐퍼들을 구비할 수 있다.
열교환부는 제1통로에서 열물질교환기의 상류측에 배치되는 증발기와 제2통로에서 열물질교환기의 상류측에 배치되는 응축기를 구비할 수 있다.
제어부는 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실내의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실내로 공급하고 실외의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실외로 배출하는 제습모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 중속으로 제어하여 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 열을 회수하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 회수된 열에 의해 가열된 공기를 실내로 공급하는 에너지회수환기모드의 하나를 선택하여 실행할 수 있다.
제습모드에서 열물질교환기는 0.1 내지 1 rpm의 범위에서 회전할 수 있고, 에너지회수환기모드에서 열물질교환기는 1 rpm 내지 2 rpm의 범위에서 회전할 수 있다.
제습모드에서는 증발기와 응축기가 작동할 수 있고, 에너지회수환기모드에서는 증발기와 응축기가 작동을 정지할 수 있다.
열교환부는 제1통로에서 열물질교환기의 하류측에 배치되는 하류 증발기를 더 구비할 수 있다.
제어부는 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실내의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실내로 공급하고 실외의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실외로 배출하는 제습모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실외의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실외로 배출하고 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실내로 배출하는 가습모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 중속으로 제어하며 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 열을 회수하거나 가열하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 회수된 열에 의해 가열되거나 열이 회수되어 냉각된 공기를 실내로 공급하는 에너지회수환기모드의 하나를 선택하여 실행할 수 있다.
제습모드와 가습모드에서 열물질교환기는 0.1 내지 1 rpm의 범위의 속도로 회전할 수 있고, 에너지회수환기모드에서 열물질교환기는 1 rpm 내지 2 rpm의 범위의 속도로 회전할 수 있다.
제습모드에서는 증발기와 응축기가 작동하고 하류 증발기는 작동을 정지할 수 있고, 가습모드에서는 증발기가 작동을 정지하고 응축기와 하류 증발기가 작동할 수 있으며, 에너지회수환기모드에서는 증발기와 응축기와 하류 증발기가 작동을 정지할 수 있다.
열교환부는 제2통로에서 열물질교환기의 하류측에 배치되는 하류 응축기를 더 구비할 수 있다.
제어부는 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실내의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실내로 공급하고 실외의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실외로 배출하는 제습모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실외의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실외로 배출하고 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실내로 배출하는 가습모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 열을 회수하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 제1통로로 통과시킴으로써 열물질교환기에 의해 회수된 열에 의해 가열된 공기를 실내로 공급하는 에너지회수환기모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실내의 공기를 제2통로로 통과시킴으로서 열물질교환기에 의해 가열하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 제1통로로 통과시키면서 열물질교환기에 의해 냉각하여 실내로 공급하는 환기냉방모드와, 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실외의 공기를 제2통로로 통과시킴으로서 열물질교환기에 의해 가열하여 실내로 공급하고 실내의 공기를 제1통로로 통과시키면서 열물질교환기에 의해 냉각하여 실외로 배출하는 환기난방모드의 하나를 선택하여 실행할 수 있다.
제습모드와 가습모드에서 열물질교환기는 0.1 내지 1 rpm의 범위의 속도로 회전할 수 있고, 에너지회수환기모드에서 열물질교환기는 1 rpm 내지 2 rpm의 범위의 속도로 회전할 수 있으며, 환기냉방모드와 환기난방모드에서 열물질교환기는 2 rpm의 이상의 범위의 속도로 회전할 수 있다.
제습모드에서는 증발기와 응축기가 작동할 수 있고 하류 증발기와 하류 응축기는 작동을 정지할 수 있으며, 가습모드에서는 증발기와 하류 응축기가 작동을 정지할 수 있고 응축기와 하류 증발기가 작동할 수 있으며, 에너지회수환기모드에서는 증발기와 응축기와 하류 증발기와 하류 응축기가 작동을 정지할 수 있고, 환기냉방모드 및 환기난방모드에서는 증발기와 응축기가 작동을 정지할 수 있고 하류 증발기와 하류 응축기가 작동할 수 있다.
다른 실시예에 관한 공기조화 시스템의 제어 방법은, 공기조화 시스템의 작동모드를 설정하는 단계와, 설정된 작동모드에 따라 케이싱에 형성된 공기가 통과하는 복수 개의 통로들의 각각의 입구와 출구를 개방하거나 폐쇄하도록 입구와 출구에 배치된 복수 개의 댐퍼들의 작동을 제어하는 단계와, 설정된 작동모드에 따라 내부에 열교환을 위한 열매체가 흐르며 통로들의 적어도 하나에 배치된 열교환부의 작동여부를 설정하는 단계와, 설정된 작동모드에 따라 수분을 흡수하는 흡습소재를 포함하며 통로들을 가로지르며 케이싱에 대해 회전하도록 배치된 열물질교환기의 회전 속도를 설정하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 공기조화 시스템 및 제어 방법에 의하면 열물질교환기의 회전 속도를 변화시킴으로써 제습로터와 전열 교환기의 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있다.
공기조화 시스템 및 제어 방법에 의하면 열물질교환기의 회전 속도를 변화시킴과 아울러 댐퍼들에 의한 통로들의 입구와 출구의 개방 및 폐쇄를 제어하고 열교환부에 의한 열교환 작용을 이용하여 제습모드와 가습모드와 냉방모드와 난방모드와 에너지회수환기모드와 같은 여러 가지 작동모드들을 복합적으로 선택하여 실행할 수 있다.
또한 공기조화 시스템 및 제어 방법에 의해 실행되는 에너지회수환기모드에서는 실내의 공기를 실외로 배출하고 실외의 공기를 실내로 도입하는 환기 운전을 실행하면서도 동절기에는 실내의 공기의 열을 다시 회수하여 실외로 배출할 수 있고 하절기에는 실외의 공기의 열을 회수하여 냉각된 공기를 실내로 공급할 수 있으므로 에너지 측면에서 효율적이다.
또한 공기조화 시스템 및 제어 방법에 의해 에너지회수환기모드와 함께 동절기에는 제습모드가 실행될 수 있고 하절기에는 가습모드가 실행될 수 있으므로 사용자가 제습기와 가습기를 별도로 구입하여 관리해야 하는 불편함을 해소할 수 있다.
또한 공기조화 시스템 및 제어 방법에 의해 실행되는 가습모드에서는 가습 기능의 구현을 위하여 물통을 설치할 필요가 없으므로 세균 번식의 우려가 없고 가습기의 물통을 관리해야 하는 불편함을 해소할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 공기조화 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 공기조화 시스템의 구성 요소들과 제어부의 사이의 연결 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1의 공기조화 시스템의 열물질교환기의 회전수 변화에 대한 제습효율 및 전열교환효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 공기조화 시스템에서 제습모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제습모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 공기조화 시스템에서 에너지회수환기모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다.
도 7은 도 6에 도시된 에너지회수환기모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 관한 공기조화 시스템에서 가습모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다.
도 9는 도 8에 도시된 가습모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 또 다른 실시예에 관한 공기조화 시스템에서 환기냉방모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다.
도 11은 도 10에 도시된 환기냉방모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 10의 공기조화 시스템에서 환기난방모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다.
도 13은 도 12에 도시된 환기난방모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 1 내지 도 13에 도시된 실시예들에 관한 공기조화 시스템을 제어하는 제어 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 공기조화 시스템 및 제어 방법의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 관한 공기조화 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1에 나타난 실시예에 관한 공기조화 시스템은 공기가 통과하는 복수 개의 통로들인 제1통로(11)와 제2통로(12)를 구비하는 케이싱(10)과, 제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각의 입구(11a, 12a)와 출구(11b, 12b)를 개방하거나 폐쇄하는 복수 개의 댐퍼들(13, 14, 15, 16)과, 케이싱(10)에 대해 회전하도록 배치된 열물질교환기(20)와, 열물질교환기(20)를 회전시키는 구동부(30)와, 통로들의 적어도 하나에 배치된 열교환부(40)와, 열물질교환기(20)의 회전 속도를 변화시키거나 댐퍼들(13, 14, 15, 16)의 작동을 제어하는 제어부(50)를 구비한다.
케이싱(10)은 내부가 비어 있으며 사각형 또는 원형형의 단면 형상을 갖는다. 케이싱(10)의 내측에는 공기가 통과할 수 있는 통로들인 제1통로(11)와 제2통로(12)가 서로 대략 평행하게 형성된다. 제1통로(11)와 제2통로(12)는 도 1에서 케이싱(10)의 내측을 수평한 방향으로 가로지르며 연장하는 격벽(19)에 의해 분할된다.
도 1에서 케이싱(10)의 내부에는 제1통로(11)와 제2통로(12)가 각각 하나씩 형성되는 것으로 도시되었으나, 실시예는 이러한 구성에 의해 한정되는 것은 아니다. 케이싱(10)에는 제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각이 복수 개가 형성될 수 있다.
제1통로(11)는 도 1에서 좌측에 형성된 입구(11a)와 우측에 형성된 출구(11b)를 구비한다. 또한 제2통로(12)는 도 1에서 우측에 형성된 입구(12a)와 좌측에 형성된 출구(12b)를 구비한다.
도 1에서는 제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각의 입구(11a, 12a)와 출구(11b, 12b)는 좌우 방향으로 서로 반대되게 배치되지만, 이러한 실시예를 다양하게 변형할 수 있다. 예를 들어 도 1에서 제1통로(11)의 입구(11a)와 제2통로(12)의 입구(12a)를 모두 좌측에 배치하고, 제1통로(11)의 출구(11b)와 제2통로(12)의 출구(12b)를 모두 우측에 배치할 수 있다.
제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각의 입구(11a, 12a)와 출구(11b, 12b)에는 제어신호에 의해 작동함으로써 입구(11a, 12a)와 출구(11b, 12b)를 개방하거나 폐쇄하는 복수 개의 댐퍼들(13, 14, 15, 16)을 구비한다.
제1통로(11)의 출구(11b)에 배치된 댐퍼(14)는 제1통로(11)의 출구(11b)를 실외 배출 통로로 연결하는 배출 댐퍼(14a)와 제1통로(11)의 출구(11b)를 실내 배출 통로로 연결하는 배출 댐퍼(14b)를 구비한다.
제2통로(12)의 출구(12b)에 배치된 댐퍼(16)는 제2통로(12)의 출구(12b)를 실외 배출 통로로 연결하는 배출 댐퍼(16a)와 제2통로(12)의 출구(12b)를 실내 배출 통로로 연결하는 배출 댐퍼(16b)를 구비한다.
실외 배출 통로는 제1통로(11)나 제2통로(12)의 출구(11b, 12b)에서 배출된 공기를 실외로 전달하는 통로이다. 실내 배출 통로는 제1통로(11)나 제2통로(12)의 출구(11b, 12b)에서 배출된 공기를 실내로 전달하는 통로이다.
제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 댐퍼(13)는 제1통로(11)의 입구(11a)를 실외 유입 통로로 연결하는 유입 댐퍼(13a)와 제1통로(11)의 입구(11a)를 실내 유입 통로로 연결하는 유입 댐퍼(13b)를 구비한다.
제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 댐퍼(15)는 제2통로(12)의 입구(12a)를 실외 유입 통로로 연결하는 유입 댐퍼(15a)와 제2통로(12)의 입구(12a)를 실내 유입 통로로 연결하는 유입 댐퍼(15b)를 구비한다.
실내 유입 통로는 실내의 공기(실내 리턴 공기)를 제1통로(11)나 제2통로(12)의 입구(11a, 12a)로 전달하는 통로이다. 실외 유입 통로는 실외의 공기(실외 흡입)를 제1통로(11)나 제2통로(12)의 입구(11a, 12a)로 전달하는 통로이다.
도 1에서는 구성 요소들의 도시가 지나치게 복잡해지는 것을 피하기 위하여 실내 유입 통로와 실외 유입 통로와 실내 배출 통로와 실외 배출 통로가 도시되지 않았으나, 도 4, 도 6, 도 8, 도 10, 및 도 12 등에서 화살표를 이용하여 실내 유입 통로와 실외 유입 통로와 실내 배출 통로와 실외 배출 통로가 도시되었다.
케이싱(10)의 내측에는 열물질교환기(20)가 제1통로(11)와 제2통로(12)를 가로지르는 방향, 즉 도 1에서 세로 방향으로 회전할 수 있게 배치된다. 열물질교환기(20)가 케이싱(10)에 대하여 회전함으로써 제1통로(11) 및 제2통로(12)를 통과하는 공기와 열물질교환기(20)가 접촉함으로써 공기와 열물질교환기(20)의 사이에 수분과 열의 교환 작용이 이루어질 수 있다.
열물질교환기(20)는 수분을 흡수할 수 있는 흡습소재를 포함한다. 예를 들어, 열물질교환기(20)는 실리카 겔(silica gel)을 이용하거나, 고분자 재료로 제조된 다공성의 고분자 제습재료를 이용하여 제조될 수 있다. 고분자 제습재료는 실리카겔에 비하여 흡습성능이 4배 이상에 달하며 열물질교환기(20)의 무게를 4분의 1의 수준으로 줄일 수 있으므로, 고속으로 회전해야 하는 열물질교환기(20)의 구현에 적합한 소재이다.
열물질교환기(20)는 외측 가장자리가 원형을 이루는 원판 또는 원통 형상으로 제조될 수 있다. 열물질교환기(20)의 외측 가장자리가 케이싱(10)의 내측 벽면에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 따라서 열물질교환기(20)의 외측 가장자리를 지지하는 케이싱(10)의 내측 벽면(10b)은 원형의 단면을 가질 수 있다.
열물질교환기(20)는 회전축(26)에 의해 격벽(19)에 회전 가능하게 설치된다. 구동부(30)가 회전축(26)과 열물질교환기(20)를 회전시킬 수 있다.
도 1에서 구동부(30)가 회전축(26)에 직접 결합되는 것으로 도시되었으나, 실시예는 이와 같은 구동부(30)의 구현예에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 열물질교환기(20)의 외측면에 기어를 형성하고, 케이싱(10)의 외벽면의 일부를 절개하여 케이싱(10)의 외벽면을 통과하여 열물질교환기(20)의 외측면의 기어와 맞물리는 구동기어를 구동하는 구동부를 설치할 수도 있다.
제1통로(11)와 제2통로(12)에는 열교환부(40)가 배치된다. 열교환부(40)는 내부에 열교환을 위한 열매체(냉매)가 흐르는 증발기(41)와 응축기(42)를 구비한다. 증발기(41)는 제1통로(11)에서 열물질교환기(20)의 상류측, 즉 입구(11a)에 가까운 위치에 배치된다. 응축기(42)는 제2통로(12)에서 열물질교환기(20)의 상류측, 즉 입구(12a)에 가까운 위치에 배치된다.
제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각에 배치되는 증발기(41)와 응축기(42)는 공기조화제어 시스템에 연결되는 히트펌프의 일 예이다. 도 1에 나타난 실시예에 관한 공기조화제어 시스템에 연결되는 히트펌프는 증발기(41)와, 응축기(42)와, 압축기(49)와 팽창밸브(48)와, 히트펌프의 각 구성요소들를 연결하여 냉매를 전달하는 냉매관(40a, 40b, 40c)을 구비한다.
도 1에서는 히트펌프의 구성요소 중 증발기(41)와 응축기(42)가 케이싱(10)의 내부에 배치되고, 팽창밸브(48)와 압축기(49)가 케이싱(10)의 외측에 배치되었다. 그러나 공기조화 시스템에 연결되는 히트펌프의 구성은 도 1에 도시된 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 케이싱(10)의 내부에 배치되는 히트펌프의 구성요소의 개수나 종류를 변경할 수 있다.
예를 들어, 공기조화제어 시스템에서 구현하고자 하는 작동모드에 따라 증발기(41)와 응축기(42)의 어느 하나만을 케이싱(10)의 외측에 배치할 수도 있고, 케이싱(10)의 내측에 배치되는 증발기(41)와 응축기(42)의 개수나 위치를 변형할 수 있다.
또한 히트펌프는 제어부(50)로부터 인가되는 전기신호에 의해 증발기(41)와 응축기(42)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어 히트펌프는 증발기(41)와 응축기(42)의 각각에 연결되는 바이패스용 밸브와 바이패스용 관을 구비할 수 있다. 제어부(50)로부터 바이패스용 밸브에 전기신호가 인가되면 바이패스용 밸브가 작동하여 증발기(41)나 응축기(42)로 흐르던 냉매의 흐름을 바이패스용 관으로 변경함으로서 증발기(41)나 응축기(42)의 열교환 동작을 정지시킬 수 있다.
제어부(50)는 공기조화 시스템의 작동모드들에 따라 댐퍼들(13, 14, 15, 16)에 제어신호(C2, C3, C4, C5)를 인가하여 댐퍼들(13, 14, 15, 16)의 작동을 제어함으로써 제1통로(11)와 제2통로(12)의 입구(11a, 12a) 및 출구(11b, 12b)를 개방 또는 폐쇄하거나, 개방의 정도를 조정할 수 있다.
또한 제어부(50)는 구동부(30)에 제어신호(C0)를 인가하여 열물질교환기(20)의 회전 속도를 변화시킬 수 있다.
또한 제어부(50)는 히트펌프의 압축기(49)에 제어신호(C1)를 인가하여 히트펌프의 동작을 제어할 수 있다.
또한 제어부(50)는 센서들(81, 82, 83)과 전기적으로 연결됨으로써 센서들(81, 82, 83)의 신호(S1, S2, S3)를 수신할 수 있다. 센서들(81, 82, 83)은 예를 들어 실내의 온도나 실내의 습도나 히트펌프의 냉매관(40a, 40b, 40c)을 통과하는 냉매의 온도를 측정하거나, 실내의 공기의 오염도를 측정하는 등의 기능을 수행할 수 있다.
제1통로(11)와 제2통로(12)의 각각에는 제1통로(11)와 제2통로(12)의 공기의 유동을 발생하는 송풍기(34, 35)가 배치될 수 있다. 송풍기(34, 35)도 제어부(50)에서 인가되는 제어신호에 의해 작동함으로써 송풍량을 변화시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 공기조화 시스템의 구성 요소들과 제어부의 사이의 연결 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
제어부(50)는 도 1의 공기조화 시스템의 구동부(30)와 센서들(81, 82, 83)과 전기적으로 연결된다. 제어부(50)는 센서들(81, 82, 83)의 신호를 수신하는 센서 수신부(52)와, 열물질교환기(20)의 회전축(26)을 회전시키는 구동부(30)에 제어신호를 인가하는 구동 제어부(53)를 구비한다.
도 1에 도시되지 않았으나, 도 2를 참조하면 공기조화 시스템은 댐퍼(16f)를 구동하기 위한 댐퍼 구동부(54b)와, 사용자의 입력을 수신하여 신호를 발생하는 사용자 입력부(88)를 구비할 수 있다.
댐퍼 구동부(54b)는 전기신호에 의해 작동하는 전기모터로 구현될 수 있으며, 댐퍼(16f)를 회전시킴으로써 도 1에 도시된 제1통로(11)과 제2통로(12)의 각각의 입구(11a, 12a)와 출구(11b, 12b)를 개방하거나 폐쇄하거나 개방의 정도를 조절할 수 있다.
사용자 입력부(88)는 공기조화 시스템을 작동시키기 위한 작동모드를 선택할 수 있게 하는 기능을 수행한다. 예를 들어 사용자 입력부(88)는 적외선 신호 등을 이용한 무선통신이나 유선통신에 의해 제어부(50)와 연결되는 원격 컨트롤러(리모트 컨트롤러)로 구현될 수 있다.
제어부(50)는 상술한 댐퍼 구동부(54b)를 제어하는 댐퍼 제어부(54)와 사용자 입력부(88)로부터 전달되는 사용자의 입력 신호를 수신하는 사용자 입력 수신부(55)를 구비할 수 있다.
제어부(50)는 작동모드 설정부(51)를 구비할 수 있다. 작동모드 설정부(51)는 데이터 버스(59)를 통해 제어부(50)의 내부의 각 구성요소들과 전기적으로 연결되며, 사용자 입력부(88)에 의해 수신된 사용자의 입력 신호에 기초하여 공기조화 시스템의 작동모드를 설정하거나 센서 수신부(52)에 의해 수신된 센서 신호에 기초하여 작동모드를 설정할 수 있다.
제어부(50)는 히트펌프의 압축기(49)나 바이패스용 밸브(43, 44) 등과 같은 구성요소에 제어신호를 인가하는 히트펌프 제어부(56)를 구비한다. 예를 들어, 히트펌프 제어부(56)로부터 바이패스용 밸브(43, 44)에 제어신호가 인가되면, 바이패스용 밸브(43, 44)가 작동함으로써 도 1의 증발기(41)와 응축기(42)에 연결된 냉매관(40a, 40b)의 냉매를 바이패스용 유로(40f, 40g)로 바이패스 시켜, 증발기(41)와 응축기(42)의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(50)는 컴퓨터나, 반도체 칩과 회로기판 등을 포함하는 제어보드(control board)나, 소프트웨어를 내장하는 반도체 칩 등으로 구현될 수 있다. 또한 제어부(50)의 각 구성요소는 별도의 제어보드로 구현될 수도 있고, 컴퓨터나 제어보드나 반도체 칩 등에 내장되는 소프트웨어 등으로 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 제어부(50)의 구동 제어부(53)로부터 구동부(30)에 제어신호가 인가됨으로써 열물질교환기(20)의 회전속도가 변경될 수 있다. 열물질교환기(20)의 회전속도가 변경됨에 따라 열물질교환기(20)의 다공성 흡습소재를 포함하는 기공부(25)를 통과하는 공기(A, B)와 열물질교환기(20)의 사이에 발생하는 물리적 현상의 특성이 변화할 수 있다.
도 3은 도 1의 공기조화 시스템의 열물질교환기의 회전수 변화에 대한 제습효율 및 전열교환효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3에서 열물질교환기(20)의 제습효율을 나타내는 좌측 그래프를 참조하면 제습효율은 열물질교환기(20)의 회전속도가 0.1 내지 내지 1 rpm(분당회전수)에서 최대가 된다. 즉 열물질교환기(20)가 0.1 내지 1 rpm의 저속으로 회전할 때에 열물질교환기(20)와 공기의 사이에 습기의 전달이 주로 이루어지므로 열물질교환기(20)는 제습로터의 기능을 수행할 수 있다. 열물질교환기(20)가 제습로터의 기능을 할 때에는 열물질교환기(20)가 공기의 습기를 제거하거나 공기 습기를 전달하는 기능을 주로 수행한다.
도 3에서 열물질교환기(20)의 전열교환효율을 나타내는 우측 그래프를 참조하면 전열교환효율은 열물질교환기(20)의 회전속도가 대략 2 rpm을 초과하는 범위에서 최대가 된다. 즉 열물질교환기(20)가 대략 2 rpm을 초과하는 고속으로 회전할 때에 열물질교환기(20)와 공기의 사이에 교환되는 열용량이 증가하므로 열물질교환기(20)는 전열 교환기의 기능을 수행할 수 있다. 열물질교환기(20)가 전열 교환기의 기능을 수행할 때에는 열물질교환기(20)가 공기에 열을 전달하거나 공기의 열을 빼앗는 기능을 효과적으로 수행한다.
종래에는 공기 중의 습기를 제거하기 위한 제습모드를 구현하기 위해서 제습로터를 사용하고, 공기 중의 에너지(열)을 회수하며 환기 작용을 일으키는 에너지회수환기모드를 구현하기 위해서 공기와 열교환 작용을 할 수 있는 전열 교환기를 사용하였다.
제습로터의 경우, 우수한 제습효율을 구현하기 위하여 열용량이 작고 흡습용량이 큰 소재를 사용하여 제습로터를 제작한다. 또한 전열 교환기의 경우, 우수한 전열교환효율을 구현하기 위하여 열용량과 흡습용량이 모두 큰 소재를 사용하여 전열 교환기를 제작한다. 그러므로 제습로터와 전열 교환기의 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있는 하나의 장치를 제작하는 것은 불가능하였다.
상술한 바와 같은 실시예에 나타나는 공기조화 시스템에서는 열물질교환기(20)의 회전 속도를 변화시킴으로써 제습로터와 전열 교환기의 두 가지 기능을 모두 실행할 수 있다. 공기조화 시스템에서는 열물질교환기(20)의 회전 속도를 변화시켜 에너지회수환기모드와 냉방모드와 난방모드와 제습모드와 가습모드 등의 여러 가지 작동모드들을 복합적으로 선택하여 실행할 수 있다.
도 4는 도 1의 공기조화 시스템에서 제습모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다. 도 4에서는 복잡함을 피하기 위하여 도 1에 도시된 일부 구성 요소들의 도시를 생략하였다.
도 4에는 제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 유입 댐퍼(13b)에 실내의 공기를 제1통로(11)로 전달하는 기능을 하는 실내 유입 통로(71a)가 연결되고 출구(11b)에 배치된 배출 댐퍼(14b)에 제1통로(11)의 공기를 실내로 전달하는 실내 배출 통로(71b)가 연결된 것이 도시된다.
실내 유입 통로(71a)를 통해 실내의 공기(실내 리턴 공기)가 제1통로(11)에 전달된다. 제1통로(11)로 유입된 실내 리턴 공기는 증발기(41)와 열물질교환기(20)를 거치면서 제습된 후에 실내 배출 통로(71b)를 통해 다시 실내로 공급된다(실내 공급 공기).
또한 제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 유입 댐퍼(15a)에 실외로부터 유입되는 공기를 제2통로(12)에 전달하는 기능을 하는 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 출구(12b)에 배치된 배출 댐퍼(16a)에는 실외로 공기를 배출하는 기능을 하는 실외 배출 통로(72b)가 연결된다.
실외 유입 통로(72a)를 통해 제2통로(12)로 유입된 실외의 공기(실외 흡기)는 응축기(42)와 열물질교환기(20)를 거치면서 가습된 후에 실외 배출 통로(72b)로 통해 실외로 배출된다(실외 배기).
도 4에 도시된 나머지 유입 댐퍼들(13a, 15b)에도 실내 유입 통로(71a)나 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)에도 실외 배출 통로(72b)나 실내 배출 통로(71b)가 연결된다. 그러나 나머지 유입 댐퍼들(13a, 15b)과 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)은 폐쇄 위치로 작동하고 있어서 통로들에 대한 공기의 흐름을 차단하므로, 도 4에서는 실제 공기의 흐름을 중심으로 설명하기 위하여 공기의 흐름이 차단된 통로들의 도시를 생략하였다.
도 4에 도시된 바와 같은 제습모드에서는 제1통로(11)을 통과하는 공기에 대한 제습 작용이 이루어지고, 제2통로(12)를 통과하는 공기에 대한 가습 작용이 이루어진다. 제습모드 실행 중 제1통로(11)에서는 열물질교환기(20)가 공기로부터 습기를 흡수하고, 제2통로(12)에서는 열물질교환기(20)가 공기를 가습하는 기능을 수행한다.
도 4에 도시된 제습모드의 실행을 위하여 공기조화 시스템은 열물질교환기(20)를 미리 정해진 범위의 이하에 해당하는 속도(저속)로 회전시킨다. 예를 들어 열물질교환기(20)가 0.1 내지 1 rpm의 범위의 저속으로 회전하면, 열물질교환기(20)가 제1통로(11)에서 공기의 습기를 흡수하고 제2통로(12)에서 공기에 가습하는 작용을 원활하게 수행할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 제습모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프(습공기선도)이다. 도 5에는 실내 리턴 공기 및 실내로 공급되는 공기와 실외에서 흡입된 공기 및 실외로 배기되는 공기의 온도 및 습도의 변화가 모두 나타난다.
실내 리턴 공기는 증발기(41)를 통과하며 냉각된 후에 열물질교환기(20)에서 제습됨으로써 실내로 공급된다. 실외로부터 흡입된 실외 흡입 공기는 응축기(42)를 통과하며 가열된 이후에 열물질교환기(20)에서 가습된 후에 실외로 배기된다.
열물질교환기(20)의 상류측에 증발기(41)를 배치함으로써 제1통로(11)의 공기로부터 열물질교환기(20)가 흡수하는 습기의 양(제습량)을 증가시킬 수 있다. 따라서 실내에는 제습된 냉각 공기가 공급되므로 쾌적한 실내 분위기를 조성할 수 있다.
도 6은 도 1의 공기조화 시스템에서 에너지회수환기모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다. 도 6에서도 복잡함을 피하기 위하여 도 1에 도시된 일부 구성 요소들의 도시를 생략하였다.
도 6에는 제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 유입 댐퍼(13a)에 실외로부터 흡입된 공기를 전달하는 기능을 하는 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 출구(11b)에 배치된 배출 댐퍼(14b)에는 제1통로(11)의 공기를 실내로 전달하는 실내 배출 통로(71b)가 연결된 것이 도시된다.
도 6에 도시된 에너지회수환기모드에서는 증발기(41)와 응축기(42)의 작동이 정지된다. 즉 에너지회수환기모드에서는 증발기(41)와 응축기(42)와 공기의 사이에 열교환 작용이 이루어지지 않는다.
실외 유입 통로(72a)를 통해 실외에서 흡입된 공기가 제1통로(11)에 전달된다. 제1통로(11)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때 열물질교환기(20)가 실외 흡입 공기의 엔탈피(현열과 잠열)를 회수한다. 열물질교환기(20)를 통과하며 열을 빼앗긴 공기는 실내 배출 통로(71b)를 통해 실내로 공급된다(실내 공급 공기).
제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 유입 댐퍼(15b)에 실내의 공기를 제2통로(12)에 전달하는 기능을 하는 실내 유입 통로(71a)가 연결되고 출구(12b)에 배치된 배출 댐퍼(16a)에는 실외로 공기를 배출하는 기능을 하는 실외 배출 통로(72b)가 연결된다.
실내 유입 통로(71a)를 통해 제2통로(12)로 유입된 실내의 공기(실내 리턴 공기)는 열물질교환기(20)를 거치면서 가열된 후에 실외 배출 통로(72b)를 통해 실외로 배출된다(실외 배기).
상기 설명에서는 제1통로(11)에서 공기의 열을 회수하고 제2통로(12)에서 공기가 가열되는 것으로 설명되었는데 이는 여름에 실행되는 작동에 해당한다. 공기의 가열 및 냉각 작용이 이루어지는 위치가 계절에 따라 반대가 될 수 있다. 즉 겨울에는 제2통로(12)에서 공기의 열을 회수하고 제1통로(11)에서 공기를 가열할 수 있다.
도 6에 도시된 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)에도 실내 유입 통로(71a)나 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)에도 실외 배출 통로(72b)나 실내 배출 통로(71b)가 연결된다. 그러나 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)과 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)은 폐쇄 위치로 작동하고 있어서 통로들에 대한 공기의 흐름을 차단하므로, 도 6에서는 실제 공기의 흐름을 중심으로 설명하기 위하여 공기의 흐름이 차단된 통로들의 도시를 생략하였다.
도 7은 도 6에 도시된 에너지회수환기모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프(습공기 선도)이다. 도 7에는 동절기와 하절기의 각각의 경우에 대해 실내 리턴 공기 및 실내로 공급되는 공기와 실외에서 흡입된 공기 및 실외로 배기되는 공기의 온도 및 습도의 변화가 모두 나타난다.
도 6 및 도 7에 도시된 에너지회수환기모드의 실행을 위하여 공기조화 시스템은 열물질교환기(20)를 미리 정해진 범위의 이상에 해당하는 속도(중속)로 회전시킨다. 예를 들어 열물질교환기(20)가 1 rpm 내지 2 rpm의 중속으로 회전하면, 열물질교환기(20)가 공기로부터 열을 회수하거나 공기에 열을 전달하는 전열 교환기의 기능을 수행한다.
하절기의 경우, 실외에서 실내로 도입되는 실외 흡입 공기가 상대적으로 높은 온도의 열을 갖는다. 실내에서 제1통로(11)로 흡입된 실내 리턴 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때에는 열물질교환기(20)로부터 열을 공급받아 온도가 상승한 후에 실외로 배출된다. 열물질교환기(20)는 제1통로(11)를 통과하는 실외 흡입 공기로부터 열을 회수한다. 따라서 제1통로(11)에서 실내로 공급되는 공기는 실외에서 흡입된 공기보다 낮은 온도로 냉각된 상태로 공급된다.
동절기의 경우, 실내에서 실외로 배출되는 실내 리턴 공기는 상대적으로 높은 온도의 열을 갖는데 열물질교환기(20)가 제2통로(12)를 통과하는 실내 리턴 공기에서 열을 회수한다. 또한 실외에서 제1통로(11)로 흡입된 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때에는 열물질교환기(20)로부터 열을 공급받아 온도가 상승한 후에 실외로 배출된다.
상술한 바와 같은 에너지회수환기모드는 실내의 공기를 실외로 배출하고 실외의 공기를 실내로 도입하는 환기 운전을 실행하면서도 동절기에는 실내의 공기의 열을 다시 회수하여 실외로 배출할 수 있고 하절기에는 실외의 공기의 열을 회수하여 냉각된 공기를 실내로 공급할 수 있으므로 에너지 측면에서 효율적이다.
도 8은 다른 실시예에 관한 공기조화 시스템에서 가습모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다. 도 8에서도 복잡함을 피하기 위하여 일부 구성 요소들의 도시를 생략하였다.
도 8에 나타난 실시예에 관한 공기조화 시스템은 도 1에 나타난 실시예에 관한 공기조화 시스템의 구성과 전체적으로 동일하며, 제1통로(11)에서 열물질교환기(20)의 하류측, 즉 제1통로(11)의 출구(11b)에 가까운 위치에 하류 증발기(43)가 설치된 점이 변형되었다.
도 8에 도시된 공기조화 시스템의 가습모드에서는 증발기(41)의 작동이 정지된다. 즉 가습모드에서는 증발기(41)와 공기의 사이에 열교환 작용이 이루어지지 않는다.
도 8에는 제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 유입 댐퍼(13a)에 실외로부터 흡입된 공기를 전달하는 기능을 하는 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 출구(11b)에 배치된 배출 댐퍼(14a)에는 제1통로(11)의 공기를 실외로 배출하는 실외 배출 통로(72b)가 연결된 것이 도시된다.
제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 유입 댐퍼(15b)에 실내의 공기를 제2통로(12)에 전달하는 실내 유입 통로(71a)가 연결되고 출구(12b)에 배치된 배출 댐퍼(16b)에는 실내로 공기를 공급하는 실내 배출 통로(71b)가 연결된다.
실내 유입 통로(71a)를 통해 제2통로(12)로 유입된 실내의 공기(실내 리턴 공기)는 응축기(42)를 통과하며 온도가 상승한 후 열물질교환기(20)를 거치면서 가습된 후에 실내 배출 통로(71b)를 통해 실내로 공급된다(실내 공급).
실외 유입 통로(72a)를 통해 실외에서 흡입된 공기가 제1통로(11)에 전달된다. 제1통로(11)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때 제습된다. 열물질교환기(20)를 통과하며 제습된 공기는 하류 증발기(43)를 통과하며 냉각된 뒤 실외 배출 통로(72b)를 통해 실외로 배기된다.
도 8에 도시된 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)에도 실내 유입 통로(71a)나 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 나머지 배출 댐퍼들(14b, 16a)에도 실외 배출 통로(72b)나 실내 배출 통로(71b)가 연결된다. 그러나 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)과 나머지 배출 댐퍼들(14b, 16a)은 폐쇄 위치로 작동하고 있어서 통로들에 대한 공기의 흐름을 차단하므로, 도 8에서는 실제 공기의 흐름을 중심으로 설명하기 위하여 공기의 흐름이 차단된 통로들의 도시를 생략하였다.
도 8에 도시된 바와 같은 가습모드에서는 제1통로(11)을 통과하는 공기에 대한 제습 작용이 이루어지고, 제2통로(12)를 통과하는 공기에 대한 가습 작용이 이루어진다. 가습모드 실행 중 제1통로(11)에서는 열물질교환기(20)가 공기로부터 습기를 흡수하고, 제2통로(12)에서는 열물질교환기(20)가 공기를 가습하는 기능을 수행한다.
도 8에 도시된 가습모드의 실행을 위하여 공기조화 시스템은 열물질교환기(20)를 미리 정해진 범위의 이하에 해당하는 속도(저속)로 회전시킨다. 예를 들어 열물질교환기(20)가 0.1 내지 1 rpm의 범위의 저속으로 회전하면, 열물질교환기(20)가 제1통로(11)에서 공기의 습기를 흡수하고 제2통로(12)에서 공기에 가습하는 작용을 원활하게 수행할 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 가습모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프(습공기선도)이다. 도 9에는 실내 리턴 공기 및 실내로 공급되는 공기와 실외에서 흡입된 공기 및 실외로 배기되는 공기의 온도 및 습도의 변화가 모두 나타난다.
실내 리턴 공기는 응축기(42)를 통과하며 가열된 후에 열물질교환기(20)에서 가습됨으로써 실내로 공급된다. 실외로부터 흡입된 실외 흡입 공기는 열물질교환기(20)에서 가습된 후에 하류 증발기(43)에 의해 냉각된 후에 실외로 배기된다.
하류 증발기(43)를 열물질교환기(20)의 하류측에 배치하면 열물질교환기(20)에 의해 먼저 공기의 온도를 상승시키고 습도를 낮출 수 있다. 따라서 상승한 온도와 낮아진 습도를 갖는 공기를 하류 증발기(43)로 통과시킬 수 있으므로, 하류 증발기(43)의 성에 생성을 방지함과 동시에 히트펌프의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 관한 공기조화 시스템에서 환기냉방모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다. 도 10에서도 복잡함을 피하기 위하여 일부 구성 요소들의 도시를 생략하였다.
도 10에 나타난 실시예에 관한 공기조화 시스템은 도 8에 나타난 실시예에 관한 공기조화 시스템의 구성과 전체적으로 동일하며, 제2통로(12)에서 열물질교환기(20)의 하류측, 즉 제2통로(12)의 출구(12b)에 가까운 위치에 하류 응축기(44)가 추가로 설치된 점이 변형되었다.
도 10에 도시된 공기조화 시스템의 환기냉방모드에서는 증발기(41)와 응축기(42)의 작동이 정지되고, 하류 증발기(43)와 하류 응축기(44)가 작동한다. 즉 환기냉방모드에서는 증발기(41) 및 응축기(42)가 공기와 열교환 작용을 하지 않는다.
도 10에 도시된 환기냉방모드의 실행을 위하여 공기조화 시스템은 열물질교환기(20)를 미리 정해진 범위의 이상에 해당하는 속도(고속)로 회전시킨다. 예를 들어 열물질교환기(20)가 2 rpm의 이상의 고속으로 회전하면, 열물질교환기(20)가 공기로부터 열을 회수하거나 공기에 열을 전달하는 전열 교환기의 기능을 수행한다.
도 10에는 제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 유입 댐퍼(13a)에 실외로부터 흡입된 공기를 전달하는 기능을 하는 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 출구(11b)에 배치된 배출 댐퍼(14b)에는 제1통로(11)의 공기를 실내로 공급하는 실내 배출 통로(71b)가 연결된 것이 도시된다.
실외 유입 통로(72a)를 통해 실외에서 흡입된 공기가 제1통로(11)에 전달된다. 제1통로(11)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때 열물질교환기(20)가 실외 흡입 공기의 엔탈피(현열과 잠열)를 회수한다. 열물질교환기(20)를 통과하며 열을 빼앗긴 공기는 하류 증발기(43)를 통과하며 냉각된 뒤 실내 배출 통로(71b)를 통해 실내로 공급된다(실내 공급 공기).
제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 유입 댐퍼(15b)에 실내의 공기를 제2통로(12)에 전달하는 실내 유입 통로(71a)가 연결되고 출구(12b)에 배치된 배출 댐퍼(16a)에는 실외로 공기를 배출하는 실외 배출 통로(72b)가 연결된다.
실내 유입 통로(71a)를 통해 제2통로(12)로 유입된 실내의 공기(실내 리턴 공기)는 열물질교환기(20)를 거치면서 열물질교환기(20)가 제1통로(11)의 공기에서 회수한 열에 의해 가열된 후 하류 응축기(44)에 의해 추가로 가열되어 실외 배출 통로(72b)를 통해 실외로 배출된다(실외 배기).
도 10에 도시된 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)에도 실내 유입 통로(71a)나 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)에도 실외 배출 통로(72b)나 실내 배출 통로(71b)가 연결된다. 그러나 나머지 유입 댐퍼들(13b, 15a)과 나머지 배출 댐퍼들(14a, 16b)은 폐쇄 위치로 작동하고 있어서 통로들에 대한 공기의 흐름을 차단하므로, 도 10에서는 실제 공기의 흐름을 중심으로 설명하기 위하여 공기의 흐름이 차단된 통로들의 도시를 생략하였다.
도 11은 도 10에 도시된 환기냉방모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프(습공기선도)이다. 도 11에는 실내 리턴 공기 및 실내로 공급되는 공기와 실외에서 흡입된 공기 및 실외로 배기되는 공기의 온도 및 습도의 변화가 모두 나타난다.
실외에서 제1통로(11)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때에는 열물질교환기(20)가 실외 흡입 공기로부터 엔탈피(현열과 잠열)를 회수한다. 열물질교환기(20)를 통과하며 열을 빼앗긴 공기는 하류 증발기(43)에 의해 추가로 냉각된 후에 실내로 공급된다.
실내 리턴 공기가 제2통로(12)로 유입되어 열물질교환기(20)를 통과할 때에 열물질교환기(20)가 제1통로(11)의 공기로부터 회수한 열에 의해 실내 리턴 공기가 가열된다. 열물질교환기(20)를 통과하며 가열된 공기는 하류 응축기(44)에 의해 추가로 가열된 후 실외로 배기된다.
상술한 바와 같은 환기냉방모드는 실외에서 제1통로(11)로 유입된 공기에서 열을 회수한 후 실내에서 제2통로(12)로 유입되는 실내 리턴 공기를 가열하여 실외로 배출하므로, 실외의 공기를 실내로 도입하는 환기 운전을 실행하면서도 실내에 냉각된 공기를 공급하는 냉방 운전을 함께 실행할 수 있다.
도 12는 도 10의 공기조화 시스템에서 환기난방모드가 실행되는 예를 도시한 설명도이다. 도 12에서도 복잡함을 피하기 위하여 일부 구성 요소들의 도시를 생략하였다.
도 12에 도시된 공기조화 시스템의 환기난방모드에서는 증발기(41)와 응축기(42)의 작동이 정지되고, 하류 증발기(43)와 하류 응축기(44)가 작동한다. 즉 환기난방모드에서는 증발기(41) 및 응축기(42)가 공기와 열교환 작용을 하지 않는다.
도 12에 도시된 환기난방모드의 실행을 위하여 공기조화 시스템은 열물질교환기(20)를 미리 정해진 범위의 이상에 해당하는 속도(고속)로 회전시킨다. 예를 들어 열물질교환기(20)가 2 rpm의 이상의 고속으로 회전하면, 열물질교환기(20)가 공기로부터 열을 회수하거나 공기에 열을 전달하는 전열 교환기의 기능을 수행한다.
도 12에는 제1통로(11)의 입구(11a)에 배치된 유입 댐퍼(13b)에 실내의 공기를 제1통로(11)에 공급하는 실내 유입 통로(71a)가 연결되고 출구(11b)에 배치된 배출 댐퍼(14a)에는 제1통로(11)의 공기를 실외로 배출하는 실외 배출 통로(72b)가 연결된 것이 도시된다.
실내 유입 통로(71a)를 통해 제1통로(11)로 유입된 실내 리턴 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때 열물질교환기(20)가 실내 리턴 공기의 엔탈피(현열과 잠열)를 회수한다. 열물질교환기(20)를 통과하며 열을 빼앗긴 공기는 하류 증발기(43)를 통과하며 추가로 냉각된 뒤 실외 배출 통로(72b)를 통해 실외로 배기된다.
제2통로(12)의 입구(12a)에 배치된 유입 댐퍼(15a)에 실외의 공기를 제2통로(12)에 전달하는 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 출구(12b)에 배치된 배출 댐퍼(16b)에는 실내로 공기를 공급하는 실내 배출 통로(71b)가 연결된다.
실외 유입 통로(72a)를 통해 제2통로(12)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 거치면서 열물질교환기(20)가 제1통로(11)의 공기에서 회수한 열에 의해 가열되며 온도와 습도가 높아진다. 열물질교환기(20)에 의해 가열된 공기는 하류 응축기(44)에 의해 추가로 가열되어 실내 배출 통로(71b)를 통해 실내로 공급된다.
도 12에 도시된 나머지 유입 댐퍼들(13a, 15b)에도 실내 유입 통로(71a)나 실외 유입 통로(72a)가 연결되고 나머지 배출 댐퍼들(14b, 16a)에도 실외 배출 통로(72b)나 실내 배출 통로(71b)가 연결된다. 그러나 나머지 유입 댐퍼들(13a, 15b)과 나머지 배출 댐퍼들(14b, 16a)은 폐쇄 위치로 작동하고 있어서 통로들에 대한 공기의 흐름을 차단하므로, 도 12에서는 실제 공기의 흐름을 중심으로 설명하기 위하여 공기의 흐름이 차단된 통로들의 도시를 생략하였다.
도 13은 도 12에 도시된 환기난방모드에 의한 공기의 온도와 습도의 변화를 나타낸 그래프(습공기선도)이다. 도 13에는 실내 리턴 공기 및 실내로 공급되는 공기와 실외에서 흡입된 공기 및 실외로 배기되는 공기의 온도 및 습도의 변화가 모두 나타난다.
실내에서 제1통로(11)로 유입된 실내 리턴 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때에는 열물질교환기(20)가 실내 리턴 공기로부터 엔탈피(현열과 잠열)를 회수한다. 열물질교환기(20)를 통과하며 열을 빼앗긴 공기는 하류 증발기(43)에 의해 추가로 냉각된 후에 실외로 배기된다.
실외에서 제2통로(12)로 유입된 실외 흡입 공기가 열물질교환기(20)를 통과할 때에 열물질교환기(20)가 제1통로(11)의 공기로부터 회수한 열에 의해 실외 흡입 공기가 가열된다. 열물질교환기(20)를 통과하며 가열된 공기는 하류 응축기(44)에 의해 추가로 가열된 후 실내로 공급된다.
상술한 바와 같은 환기난방모드는 실내에서 제1통로(11)로 유입된 공기에서 열을 회수한 후 실외에서 제2통로(12)로 유입되는 실외 흡입 공기를 가열하여 실내로 공급하므로, 실외의 공기를 실내로 도입하는 환기 운전을 실행하면서도 실내에 가열된 공기를 공급하는 난방 운전을 함께 실행할 수 있다.
도 14는 도 1 내지 도 13에 도시된 실시예들에 관한 공기조화 시스템을 제어하는 제어 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 1 내지 도 13에 도시된 실시예들에 관한 공기조화 시스템은 도 14에 도시된 것과 같은 순서도의 단계들에 의해 제어될 수 있다.
공기조화 시스템을 제어하는 방법은, 공기조화 시스템을 작동시키기 위한 작동모드를 설정하는 단계(S110)와, 설정된 작동모드들에 따라 댐퍼의 개폐 동작을 제어하는 단계(S120)와, 설정된 작동모드들에 따라 열교환부의 작동 여부를 설정하는 열교환부 작동 설정 단계(S130)와, 설정된 작동모드들에 따라 열물질교환기의 회전속도를 설정하는 단계(S140)를 포함한다. 만일 작동모드가 변경되는 경우(S150)에는 작동모드를 설정하는 단계(S110)로부터 열물질교환기의 회전속도를 설정하는 단계(S140)를 반복하여 실행할 수 있다.
작동모드를 설정하는 단계(S110)에서는 제습모드와 가습모드와 에너지회수환기모드와 환기냉방모드와 환기난방모드의 어느 하나가 선택될 수 있다. 작동모드의 선택은 공기조화 시스템이 제어하기 위한 실내 공간의 온도와 습도의 상태와 실외의 온도와 습도의 상태 등을 고려하여 자동적으로 실행될 수 있고, 사용자의 선택에 의해 실행될 수 있다.
예를 들어 센서에 의해 감지된 습도 조건으로부터 실내의 공간이 지나치게 습도가 높은 경우에는 제습모드가 실행되도록 설정될 수 있고 습도가 낮은 경우에는 가습모드가 실행되도록 설정될 수 있다.
또한 센서에 의해 감지된 온도 조건과 공기의 오염도 조건으로부터 에너지회수운전과 환기운전이 모두 필요한 경우에는 에너지회수환기모드가 실행되도록 설정될 수 있다.
또한 온도 조건과 공기의 오염도 조건으로부터 냉방운전이나 난방운전이 필요한 경우에 냉방운전과 환기운전을 모두 실행할 수 있는 환기냉방모드나 난방운전과 환기운전을 모두 실행할 수 있는 환기난방모드가 실행되도록 설정될 수 있다.
설정된 작동모드들에 따라 댐퍼의 개폐 동작을 제어하는 단계(S120)와, 설정된 작동모드들에 따라 열교환부의 작동 여부를 설정하는 열교환부 작동 설정 단계(S130)에서는 작동모드를 설정하는 단계(S110)에서 설정된 작동모드에 최적화된 댐퍼 개폐 동작 제어와 열교환부 작동 설정이 이루어진다.
즉 댐퍼의 개폐 동작을 제어하는 단계(S120)에서는 설정된 작동모드들에 따라 도 4, 도 6, 도 8, 도 10, 도 12에 도시된 것과 같이 제1통로(11) 및 제2통로(12)의 입구(11a, 12a)와 출구들(11b, 12b)을 실외 배출 통로(72b), 실내 배출 통로(71b), 실외 유입 통로(72a), 실내 유입 통로(71a)의 어느 하나에 연결하기 위하여 입구(11a, 12a)와 출구들(11b, 12b)에 배치된 댐퍼를 개방하거나 폐쇄하도록 제어한다. 댐퍼를 개방할 때에는 입구(11a, 12a)와 출구들(11b, 12b)을 완전히 개방할 수도 있지만, 개방의 정도를 조정하여 풍량을 변화시킬 수 있다.
열교환부 작동 설정 단계(S130)에서는 설정된 작동모드들에 따라 도 4, 도 6, 도 8, 도 10, 도 12에 도시된 것과 같이 히트 펌프의 각 구성요소를 동작시키거나 정지시킬 수 있다.
열물질교환기의 회전속도를 설정하는 단계(S140)에서는 설정된 작동모드들에 적합하도록 열물질교환기를 회전시키기 위한 회전속도를 설정한다. 즉 제습모드나 가습모드가 설정되었을 때에는 열물질교환기의 회전속도를 대략 0.1 내지 1 rpm의 범위의 저속으로 설정한다. 에너지회수환기모드가 설정되었을 때에는 열물질교환기의 회전속도를 대략 1 rpm의 이상의 중속으로 설정한다. 환기냉방모드나 환기난방모드가 설정되었을 때에는 열물질교환기의 회전속도를 대략 2 rpm 이상의 고속으로 설정한다.
종래에는 제습로터와 전열 교환기와 같은 복수 개의 구성 요소들을 복합적으로 설치해야 여러 작동모드(운전모드)를 구현할 수 있었다. 그러나 상술한 바와 같은 실시예들에 관한 공기조화 시스템에 의하면, 최소한의 구성 요소들을 이용하여 다양한 기능의 공기조화 작동모드(운전모드)를 구현할 수 있다.
수분을 흡수하는 흡습소재를 포함하여 통로들을 가로지르며 회전하도록 배치된 열물질교환기의 회전 속도를 변화시킴으로써 열물질교환기가 제습로터의 기능이나 전열 교환기의 기능을 선택적으로 수행할 수 있다. 또한 열물질교환기의 회전 속도와 연동하여 통로들의 입구와 출구를 개방하거나 폐쇄하는 댐퍼들을 제어함과 동시에 통로들의 적어도 하나에 배치된 열교환부를 이용함으로써 제습모드, 가습모드, 에너지회수환기모드, 환기냉방모드, 환기난방모드와 같은 여러 가지 작동모드(운전모드)를 선택하여 실행할 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10b: 내측 벽면 51: 작동모드 설정부
10: 케이싱 52: 센서 수신부
11: 제1통로 53: 구동 제어부
12: 제2통로 54b: 댐퍼 구동부
12a: 입구 54: 댐퍼 제어부
12b: 출구 55: 사용자 입력 수신부
19: 격벽 56: 히트펌프 제어부
20: 열물질교환기 59: 데이터 버스
11a, 12a: 입구 34, 35: 송풍기
11b, 12b: 출구 71b: 실내 배출 통로
25: 기공부 71a: 실내 유입 통로
26: 회전축 72b: 실외 배출 통로
30: 구동부 72a: 실외 유입 통로
40: 열교환부 40f, 40g: 바이패스용 유로
41: 증발기 43, 44: 바이패스용 밸브
42: 응축기 88: 사용자 입력부
43: 하류 증발기 40a, 40b, 40c: 냉매관
44: 하류 응축기 81, 82, 83: 센서들
48: 팽창밸브 13a, 13b, 15a, 15b: 유입 댐퍼
49: 압축기 14a, 14b, 16a, 16b: 배출 댐퍼
50: 제어부 13, 14, 15, 16, 16f: 댐퍼

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  12. 공기가 통과하는 복수 개의 통로들을 구비하는 케이싱;
    상기 통로들의 각각의 입구와 출구에 배치되며 제어신호에 의해 작동하여 상기 입구와 상기 출구를 개방하거나 폐쇄하는 복수 개의 댐퍼들;
    수분을 흡수하는 흡습소재를 포함하며 상기 통로들을 가로지르며 상기 케이싱에 대해 회전하도록 배치된 열물질교환기;
    상기 열물질교환기를 회전시키는 구동부;
    상기 통로들의 적어도 하나에 배치되며 내부에 열교환을 위한 열매체가 흐르는 열교환부; 및
    복수 개의 작동모드들에 따라 상기 댐퍼들에 제어신호를 인가하여 상기 통로들의 상기 입구와 상기 출구를 개방하거나 폐쇄하며, 상기 구동부에 제어신호를 인가하여 상기 열물질교환기의 회전 속도를 변화시키는 제어부;를 구비하고,
    상기 케이싱의 상기 통로들은 제1통로와 제2통로를 구비하며,
    상기 열교환부는 상기 제1통로에서 상기 열물질교환기의 상류측에 배치되는 증발기와 상기 제2통로에서 상기 열물질교환기의 상류측에 배치되는 응축기와 상기 제1통로에서 상기 열물질교환기의 하류측에 배치되는 하류 증발기와 상기 제2통로에서 상기 열물질교환기의 하류측에 배치되는 하류 응축기를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실내의 공기를 상기 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실내로 공급하고 실외의 공기를 상기 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실외로 배출하는 제습모드와, 상기 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 저속으로 제어하며 실외의 공기를 상기 제1통로로 통과시킴으로써 제습된 공기를 실외로 배출하고 실내의 공기를 상기 제2통로로 통과시킴으로써 가습된 공기를 실내로 배출하는 가습모드와, 상기 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실내의 공기를 상기 제2통로로 통과시킴으로써 상기 열물질교환기에 의해 열을 회수하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 상기 제1통로로 통과시킴으로써 상기 열물질교환기에 의해 회수된 열에 의해 가열된 공기를 실내로 공급하는 에너지회수환기모드와, 상기 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실내의 공기를 상기 제2통로로 통과시킴으로서 상기 열물질교환기에 의해 가열하여 실외로 배출하고 실외의 공기를 상기 제1통로로 통과시키면서 상기 열물질교환기에 의해 냉각하여 실내로 공급하는 환기냉방모드와, 상기 열물질교환기의 회전속도를 미리 정해진 범위의 고속으로 제어하며 실외의 공기를 상기 제2통로로 통과시킴으로서 상기 열물질교환기에 의해 가열하여 실내로 공급하고 실내의 공기를 상기 제1통로로 통과시키면서 상기 열물질교환기에 의해 냉각하여 실외로 배출하는 환기난방모드의 하나를 선택하여 실행하는, 공기조화 시스템.
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  14. 제12항에 있어서,
    상기 제습모드와 상기 가습모드에서 상기 열물질교환기는 0.1 내지 1 rpm의 범위의 속도로 회전하고, 상기 에너지회수환기모드에서 상기 열물질교환기는 1 rpm 내지 2 rpm의 범위의 속도로 회전하며, 상기 환기냉방모드와 상기 환기난방모드에서 상기 열물질교환기는 2 rpm의 이상의 범위의 속도로 회전하는, 공기조화 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제습모드에서는 상기 증발기와 상기 응축기가 작동하고 상기 하류 증발기와 상기 하류 응축기는 작동을 정지하며, 상기 가습모드에서는 상기 증발기와 상기 하류 응축기가 작동을 정지하고 상기 응축기와 상기 하류 증발기가 작동하며, 상기 에너지회수환기모드에서는 상기 증발기와 상기 응축기와 상기 하류 증발기와 상기 하류 응축기가 작동을 정지하고, 상기 환기냉방모드 및 환기난방모드에서는 상기 증발기와 상기 응축기가 작동을 정지하고 상기 하류 증발기와 상기 하류 응축기가 작동하는, 공기조화 시스템.
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