KR102203436B1 - 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매를 압축하는 압축기; 실외에 설치되어 냉매를 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기; 실내에 설치되어 냉매를 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 냉방운전시 상기 실외 열교환기로 안내하고, 난방운전시 상기 실내 열교환기로 안내하는 절환밸브; 상기 압축기와 절환밸브 사이에 구비되어 냉매를 액상 냉매와 기상냉매로 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기 표면에 배치되고, 내부에 상기 기액분리기와 열교환하여 냉각되는 브라인이 유동하는 기액분리기 재킷; 및 상기 기액분리기 재킷과 연결되어 냉각된 브라인을 저장하고, 상기 실외 열교환기 및 상기 실내 열교환기 사이에 유동하는 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환 허브를 포함하는 공기조화기로서 냉방운전시 기액분리기의 냉열을 이용하여 냉매를 과냉각시켜 효율을 증대시키는 공기조화기에 관한 것이다.

Description

공기조화기{Air Conditioner}
본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉방운전시 기액분리기의 냉열을 이용하여 냉매를 과냉각시켜 효율을 증대시키는 공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기는 압축기, 실외 열교환기, 팽창밸브 및 실내 열교환기를 포함하는 냉동 사이클을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이다. 즉 실내를 냉방시키는 냉방기, 실내를 난방시키는 난방기로 구성될 수 있다. 그리고, 실내를 냉방 또는 난방시키는 냉난방 겸용 공기조화기로 구성될 수도 있다.
상기 공기조화기가 냉난방 겸용 공기조화기로 구성되는 경우, 냉방운전과 난방운전에 따라 압축기에서 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 사방밸브를 포함하여 구성된다. 즉 냉방운전시 압축기에서 압축된 냉매는 사방밸브를 통과하여 실외 열교환기로 유동을 하고 실외 열교환기는 응축기 역할을 한다. 그리고, 실외 열교환기에서 응축된 냉매는 팽창밸브에서 팽창된 후, 실내 열교환기로 유입된다. 이 때, 실내 열교환기는 증발기로 작용을 하게 되고, 실내 열교환기에서 증발된 냉매는 다시 사방밸브를 통과하여 압축기로 유입된다.
이러한 공기조화기는 냉방운전시 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 과냉각하면 효율이 향상된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 냉방운전시 기액분리기의 냉열을 이용하여 냉매를 과냉각시켜 효율을 증대시키는 공기조화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 공기조화기는 냉매를 압축하는 압축기; 실외에 설치되어 냉매를 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기; 실내에 설치되어 냉매를 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 냉방운전시 상기 실외 열교환기로 안내하고, 난방운전시 상기 실내 열교환기로 안내하는 절환밸브; 상기 압축기와 절환밸브 사이에 구비되어 냉매를 액상 냉매와 기상냉매로 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기 표면에 배치되고, 내부에 상기 기액분리기와 열교환하여 냉각되는 브라인이 유동하는 기액분리기 재킷; 및 상기 기액분리기 재킷과 연결되어 냉각된 브라인을 저장하고, 상기 실외 열교환기 및 상기 실내 열교환기 사이에 유동하는 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환 허브를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 공기조화기는 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기와 연결되어 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기; 상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브와 연결되어 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발하는 증발기; 상기 증발기와 연결되어 상기 증발기에서 증발된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기와 연결되어 내부에 유동하는 브라인을 기액분리기와 열교환하여 냉각시키는 기액분리기 재킷; 및 상기 기액분리기 재킷과 연결되어 냉각된 브라인을 저장하고, 상기 응축기에서 상기 팽창밸브로 유동하는 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환 허브를 포함한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 공기조화기에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째,　냉방운전시 기액분리기의 냉열을 회수하여 냉매를 과냉각함으로써 효율을 증대시키는 장점이 있다.
둘째,　냉방운전시 기액분리기의 냉열을 회수하여 냉매를 과냉각함으로써 실내 열교환기로 향하는 냉매의 질량 유량 저하를 방지하는 장점도 있다.
셋째, 냉매 종류에 관계없이 기액분리기를 포함한 모든 시스템에 채택 가능한 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 냉매사이클 회로도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 실외기 일부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 기액분리기에 기액분리기 재킷이 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 냉방운전시 냉매 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5은 도 4에 도시된 공기조화기의 냉방운전시 압력-엔탈피 선도(Pressure-Enthalpy Diagram, 이하 P-h 선도)를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 난방운전시 냉매 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 공기조화기의 난방운전시 압력-엔탈피 선도(Pressure-Enthalpy Diagram, 이하 P-h 선도)를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉방운전시 공기조화기에 대한 블럭도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉방운전시 공기조화기의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 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.
이하, 본 발명의 실시 예들에 의하여 공기조화기(100)를 설명하기 위해 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 냉매사이클 회로도를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 실외기 일부를 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 기액분리기에 기액분리기 재킷이 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 1내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)는 냉매를 압축하는 압축기(110); 실외에 설치되어 냉매를 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기(120); 실내에 설치되어 냉매를 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기(130); 상기 압축기(110)에서 토출된 냉매를 냉방운전시 상기 실외 열교환기(120)로 안내하고, 난방운전시 상기 실내 열교환기(130)로 안내하는 절환밸브(180); 상기 압축기(110)와 절환밸브(180) 사이에 구비되어 냉매를 액상 냉매와 기상냉매로 분리하는 기액분리기(140); 상기 기액분리기(140) 표면에 배치되고, 내부에 상기 기액분리기(140)에서 발생되는 냉열을 흡수하는 브라인이 유동하는 기액분리기 재킷(200); 상기 기액분리기 재킷(200)과 연결되어 상기 기액분리기(140)의 냉열을 흡수한 브라인을 저장하고, 상기 실외 열교환기(120) 및 상기 실내 열교환기(130) 사이에 구비되어 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환 허브(190); 상기 과냉각 열교환 허브(190) 및 상기 기액분리기 재킷(200)을 유동하는 브라인을 순환시키는 순환펌프(191); 및 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(130) 사이에 구비되고, 실외 열교환기(120)와 실내 열교환기(130) 사이를 유동하는 냉매의 일부를 압축기(110)로 인젝션하는 인젝션 모듈(170)을 포함한다.
공기조화기(100)는 실외에 배치되는 실외기와 실내에 배치되는 실내기를 포함하며, 실내기와 실외기는 서로 연결된다. 실외기는 압축기(110), 실외 열교환기(120), 실외 팽창밸브(150), 인젝션 모듈(170), 기액분리기(140), 과냉각 열교환 허브(190), 순환펌프(191) 및 기액분리기 재킷(200)을 포함한다. 실내기는 실내 열교환기(130) 및 실내 팽창밸브(160)가 구비된다.
압축기(110)는 실외기에 설치되며 유입되는 저온, 저압의 냉매를 고온, 고압의 냉매로 압축시킨다. 압축기(110)는 다양한 구조가 적용될 수 있으며, 실린더 및 피스톤을 이용한 왕복운동 압축기, 선회 스크롤 및 고정스크롤을 이용한 스크롤 압축기, 운전주파수에 따라 냉매의 압축량을 조절하는 인버터 압축기 등이 될 수 있다.
압축기(110)는 실시예에 따라 하나 또는 복수로 구비될 수 있으며, 본 실시예에서는 2개의 압축기가 구비된다.
압축기(110)는 절환밸브(180), 기액분리기(140), 인젝션 모듈(170)과 연결된다. 압축기(110)는 냉방운전시 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매가 유입되거나 난방운전시 실외 열교환기(120)에서 증발된 냉매가 유입되는 유입포트(111)와 인젝션 모듈(170)에서 열교환되어 증발된 비교적 저압의 냉매가 인젝션 되는 인젝션포트(112)와 압축된 냉매가 토출되는 토출포트(113)를 포함한다. 즉, 압축기(110)는 증발기(120, 130)에서 증발된 냉매가 유입되는 유입포트(111)와 인젝션 모듈(170)에서 열교환되어 증발된 비교적 저압의 냉매가 인젝션 되는 인젝션포트(112)와 압축된 냉매가 절환밸브(180)를 통과하여 응축기(120, 130)로 토출되는 토출포트(113)를 포함한다.
압축기(110)는 유입포트(111)로 유입된 냉매를 압축실로 압축하고, 유입포트(111)로 유입된 냉매를 압축하는 중간에 인젝션포트(112)로 유입되는 냉매와 합류시켜 압축시킨다. 압축기(110)는 합류된 냉매를 압축하여 토출포트(113)로 토출시킨다. 토출포트(113)에서 토출된 냉매는 절환밸브(180)로 유동한다.
절환밸브(180)는 냉난방 절환을 위한 유로 절환밸브(180)로서, 압축기(110)에서 압축된 냉매를 냉방운전시 실외 열교환기(120)로 안내하고, 난방운전시 실내 열교환기(130)로 안내한다.
절환밸브(180)는 압축기(110)의 토출포트(113) 및 기액분리기(140)와 연결되고, 실내 열교환기(130) 및 실외 열교환기(120)와 연결된다. 절환밸브(180)는 냉방운전시 압축기(110)의 토출포트(113)와 실외 열교환기(120)를 연결하고, 실내 열교환기(130)와 기액분리기(140) 또는 실내 열교환기(130)와 압축기(110)의 유입포트(111)를 연결한다. 절환밸브(180)는 난방운전시 압축기(110)의 토출포트(113)와 실내 열교환기(130)를 연결하고, 실외 열교환기(120)와 기액분리기(140) 또는 실외 열교환기(120)와 압축기(110)의 유입포트(111)를 연결한다.
절환밸브(180)는 서로 다른 유로를 연결할 수 있는 다양한 모듈로 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 사방밸브로 이루어진다. 다만, 실시예에 따라 절환밸브(180)는 삼방밸브 2개의 조합 등 다양한 밸브 또는 그 조합으로 구현될 수 있다.
실외 열교환기(120)는 실외 공간에 배치된 실외기 내에 배치되며, 실외 열교환기(120)를 통과하는 냉매를 실외 공기와 열교환시킨다. 실외 열교환기(120)는 냉방운전시 냉매를 응축하는 응축기로 작용하고, 난방운전시 냉매를 증발하는 증발기로 작용한다.
실외 열교환기(120)는 절환밸브(180) 및 실외 팽창밸브(150)와 연결된다. 냉방운전시 압축기(110)에서 압축되어 압축기(110)의 토출포트(113) 및 절환밸브(180)를 통과한 냉매는 실외 열교환기(120)로 유입된 후 응축되어 실외 팽창밸브(150)로 유동된다. 난방운전시 실외 팽창밸브(150)에서 팽창된 냉매는 실외 열교환기(120)로 유동된 후 증발되어 절환밸브(180)로 유동된다.
실외 팽창밸브(150)는 냉방운전시 완전 개방되어 냉매를 통과시키고, 난방운전시 개도가 조절되어 냉매를 팽창시킨다. 실외 팽창밸브(150)는 실외 열교환기(120) 및 과냉각 열교환 허브(190) 사이에 구비된다. 다만, 실시예에 따라 실외 팽창밸브(150)는 실외 열교환기(120) 및 인젝션 열교환기(172) 사이에 구비될 수 있다.
실외 팽창밸브(150)는 냉방운전시 실외 열교환기(120)로부터 유입되는 냉매를 통과시켜 과냉각 열교환 허브(190)로 안내한다. 실외 팽창밸브(150)는 난방운전시 인젝션 모듈(170)에서 열교환되어 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매를 팽창시켜 실외 열교환기(120)로 안내한다.
실내 열교환기(130)는 실내 공간에 배치된 실내기 내에 배치되고, 실내 열교환기(130)를 통과한 냉매를 실내공기와 열교환시킨다. 실내 열교환기(130)는 냉방운전시 냉매를 증발하는 증발기로 작용하고, 난방운전시 냉매를 응축하는 응축기로 작용한다.
실내 열교환기(130)는 절환밸브(180) 및 실내 팽창밸브(160)와 연결된다. 냉방운전시 실내 팽창밸브(160)에서 팽창된 냉매는 실내 열교환기(130)로 유입된 후 증발되어 절환밸브(180)로 유동된다. 난방운전시 압축기(110)에서 압축되어 압축기(110)의 토출포트(113) 및 절환밸브(180)를 통과한 냉매는 실내 열교환기(130)로 유입된 후 응축되어 실내 팽창밸브(160)로 유동된다.
실내 팽창밸브(160)는 냉방운전시 개도가 조절되어 냉매를 팽창하고, 난방운전시 완전 개방되어 냉매를 통과시킨다. 실내 팽창밸브(160)는 실내 열교환기(130) 및 인젝션 모듈(170) 사이에 구비된다. 다만 실시예에 따라 실내 팽창밸브(160)는 실내 열교환기(130) 및 과냉각 열교환 허브(190) 사이에 구비될 수 있다.
실내 팽창밸브(160)는 냉방운전시 과냉각 열교환 허브(190)에서 과냉각되어 실내 열교환기(130)로 유동되는 냉매를 팽창시킨다. 실내 팽창밸브(160)는 난방운전시 실내 열교환기(130)로부터 유입되는 냉매를 통과시켜 인젝션 모듈(170)로 안내한다.
인젝션 모듈(170)은 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(130) 사이에 구비되고, 실외 열교환기(120)와 실내 열교환기(130) 사이를 유동하는 냉매의 일부를 압축기(110)로 인젝션한다. 인젝션 모듈(170)은 과냉각 열교환 허브(190)와 실내 팽창밸브(160)와 연결된다. 다만 실시예에 따라 인젝션 모듈(170)은 과냉각 열교환 허브(190)와 실외 팽창밸브(150) 사이에 구비될 수 있다.
인젝션 모듈(170)은 실외 열교환기(120)와 실내 열교환기(130) 사이를 유동하는 냉매의 일부를 팽창하는 인젝션 팽창밸브(171); 및 실내 열교환기(130)와 실외 열교환기(120) 사이를 유동하는 냉매의 다른 일부를 인젝션 팽창밸브(171)에서 팽창된 냉매와 열교환하는 인젝션 열교환기(172)를 포함한다. 이하 후술할 브라인은 기액분리기 재킷(200)을 통해 기액분리기(140)의 표면을 순환하여 기액분리기(140)와 열교환하는 매개체이다. 브라인은 기액분리기(140)와 열교환하여 냉각되어 과냉각 열교환 허브(190)에 저장된다. 브라인의 종류에는 NaCl, CaCl₂MgCl₂등의 무기질 매개체, 유기질 매개체 등이 있다.
냉방운전시 실외 열교환기(120)에서 실내 열교환기(130)로 유동되는 냉매는 과냉각 열교환 허브(190)에서 브라인과 열교환하여 과냉각된다. 따라서 인젝션 모듈(170)은 냉방운전시 인젝션 팽창밸브(171)가 폐쇄되기에 과냉각 열교환 허브(190)에서 과냉각되어 실내 열교환기(130)로 유동하는 냉매의 일부가 인젝션 열교환기(172)로 유입되지 않도록 할 수 있다. 즉, 인젝션 모듈(170)은 냉방운전시 실외 열교환기(120)에서 실내 열교환기(130)로 유동하는 냉매를 열교환하지 않을 수 있다.
인젝션 모듈(170)은 난방운전시 실내 열교환기(130)에서 실외 열교환기(120)로 유동되는 냉매의 일부를 실외 열교환기(120)로 유동되는 냉매의 다른 일부와 열교환을 한 후 압축기(110)의 인젝션포트(112)로 안내할 수 있다.
따라서, 냉방운전시 냉매가 압축기(110)로 인젝션되지 않을 수 있고, 난방운전시 냉매가 압축기(110)로 인젝션될 수 있다. 이하 난방운전시를 중심으로 인젝션 팽창밸브(171)와 인젝션 열교환기(172)를 설명한다.
인젝션 팽창밸브(171)는 실내 팽창밸브(160), 인젝션 열교환기(172) 및 과냉각 열교환 허브(190)와 연결될 수 있다. 인젝션 팽창밸브(171)는 난방운전시 실내 열교환기(130)에서 토출되어 실내 팽창밸브(160)를 통과한 냉매의 일부를 팽창하여 인젝션 열교환기(172)로 안내한다.
인젝션 열교환기(172)는 인젝션 팽창밸브(171), 과냉각 열교환 허브(190), 압축기(110) 및 실내 팽창밸브(160)와 연결될 수 있다. 인젝션 열교환기(172)는 난방운전시 인젝션 팽창밸브(171)에서 팽창된 냉매와 실내 열교환기(130)에서 실외 열교환기(120)로 유동하는 냉매와 열교환한다. 인젝션 열교환기(172)는 열교환된 냉매를 압축기(110)로 안내한다. 즉, 인젝션 열교환기(172)에서 열교환된 냉매는 증발되어 압축기(110)의 인젝션포트(112)로 유입된다.
기액분리기(140)는 절환밸브(180)와 압축기(110)의 유입포트(111) 사이에 구비된다. 기액분리기(140)는 절환밸브(180) 및 압축기(110)의 유입포트(111)와 연결된다. 기액분리기(140)는 냉방운전시 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매 또는 난방운전시 실외 열교환기(120)에서 증발된 냉매에서 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하여 기상 냉매를 압축기(110)의 유입포트(111)로 안내한다. 즉 기액분리기(140)는 증발기(120, 130)에서 증발된 냉매에서 기상냉매와 액상냉매를 분리하여 기상 냉매를 압축기(110)의 유입포트(111)로 안내한다.
기액분리기(140)는 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매가 절환밸브(180)를 통해 유입된다. 따라서 기액분리기(140)는 대략 0~5도 정도의 온도를 유지하며, 외부로 냉열이 방열될 수 있다. 기액분리기(140)의 표면온도는 냉방운전시 실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매의 온도보다 낮다. 기액분리기(140)는 길이방향으로 긴 원통형상으로 이루어질 수 있다.
기액분리기 재킷(200)은 기액분리기(140)의 표면을 감싸도록 배치된다. 기액분리기 재킷(200)은 기액분리기(140)의 표면과 열적 접촉을 한다. 기액분리기 재킷(200)은 기액분리기(140)와 브라인간의 열교환이 시켜야 하기에 열전도도가 큰 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상세히 설명하면, 기액분리기 재킷(200)은 내주면에 기액분리기(140)의 외주면이 접촉되도록 배치된다. 기액분리기 재킷(200)은 기액분리기(140)와 브라인간에 열교환이 잘 발생할 수 있도록 기액분리기(140)의 길이와 대응되도록 형성될 수 있다.
기액분리기 재킷(200)은 과냉각 열교환 허브(190), 순환펌프(191) 및 기액분리기(140)와 연결된다. 기액분리기 재킷(200)은 내부에 기액분리기(140)와 열교환하는 브라인이 유동된다. 기액분리기 재킷(200)은 브라인을 기액분리기(140)의 표면을 따라 유동시키는 플로우 유로(210)를 구비한다. 따라서, 순환펌프(191)의 구동에 의해 과냉각 열교환 허브(190)에서 기액분리기 재킷(200)으로 유입된 브라인이 플로우 유로(210)를 따라 기액분리기(140) 표면을 유동하면서 기액분리기(140)와 열교환이 발생하고, 기액분리기(140)와 열교환된 브라인은 과냉각 열교환 허브(190)로 유입된다.
기액분리기 재킷(200)의 플로우 유로(210)는 기액분리기(140) 하측에 브라인이 유입되는 유입구가 형성되고, 상측에 기액분리기(140)의 냉열을 흡수한 브라인이 배출되는 배출구가 형성될 수 있다. 따라서, 과냉각 열교환 허브(190)에서 유입된 브라인은 플로우 유로(210)를 따라 기액분리기(140)의 둘레 표면을 순환하면서 기액분리기(140)의 냉열을 흡수한 뒤 토출구를 통해 과냉각 열교환 허브(190)로 토출될 수 있다.
과냉각 열교환 허브(190)는 실내 열교환기(130)와 실외 열교환기(120) 사이에 구비된다. 과냉각 열교환 허브(190)는 기액분리기 재킷(200), 인젝션 모듈(170), 순환펌프(191) 및 실외 팽창밸브(150)와 연결된다. 과냉각 열교환 허브(190)는 기액분리기 재킷(200)과 연결되기에 기액분리기(140)에서 발산하는 냉열을 흡수한 브라인이 내부에 저장된다. 과냉각 열교환 허브(190)는 순환펌프(191)와 연결되기에 과냉각 열교환 허브(190)에 저장된 브라인이 기액분리기 재킷(200)으로 강제 유동될 수 있다.
과냉각 열교환 허브(190)는 냉방운전시 실외 열교환기(120)에서 응축되어 실외 팽창밸브(150)를 통과한 냉매가 흐르는 배관이 내부에 배치된다. 따라서 과냉각 열교환 허브(190)는 냉방운전시 내부에서 실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매와 브라인간의 열교환이 발생한다. 이때 실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매의 온도보다 브라인의 온도가 더 낮다, 따라서 브라인의 온도는 상승하고, 응축된 냉매의 온도는 하강하기에 과냉각이 발생한다.
과냉각 열교환 허브(190)의 내부에 배치되어 냉매가 흐르는 배관은 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 따라서, 과냉각 열교환 허브(190) 내의 브라인과 냉매간의 열교환이 오랫동안 발생할 수 있다. 과냉각 열교환 허브(190)는 브라인이 최대한 많이 저장되도록 최대한 크게 형성되는 것이 바람직할 것 이다.
순환펌프(191)는 도 2에서와 같이 실외기에 설치되며, 과냉각 열교환 허브(190)의 상측에 배치될 수 있다. 순환펌프(191)는 과냉각 열교환 허브(190) 및 기액분리기 재킷(200)을 유동하는 브라인을 강제 순환시킨다. 순환펌프(191)는 냉방운전시 구동하여 브라인을 강제 순환시켜 기액분리기(140)에서 열교환된 브라인을 과냉각 열교환 허브(190)에 저장할 수 있도록 한다. 순환펌프(191)는 난방운전시 구동하지 않아 브라인을 강제 순환시키지 못한다. 난방운전시 순환펌프(191)가 구동하지 않더라도 대류현상에 의해 자연적 순환이 발생할 수 있고, 자연적 순환에 의해 브라인이 기액분리기 재킷(200)으로 유동하여 기액분리기(140)와 열교환될 수 있다.
순환펌프(191)는 과냉각 열교환 허브(190) 및 기액분리기 재킷(200) 사이에 구비된다. 순환펌프(191)는 일반적인 펌프로 이루어지며 복수개로 구비되어 강제 순환력을 증대시킬 수도 있다. 또한, 기액분리기 재킷(200)과 과냉각 열교환 허브(190) 사이에 브라인이 유동을 차단하는 차단밸브(미도시)가 설치될 수도 있다. 차단밸브(미도시)는 난방운전시 폐쇄되어 자연 순환에 의한 브라인의 유동을 방지할 수 있다. 차단밸브(미도시)는 냉방운전시 순환펌프(191)가 구동되기에 개방되어야 할 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 공기조화기의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 냉방운전시 냉매 흐름을 나타낸 도면이다. 도 5은 도 4에 도시된 공기조화기의 냉방운전시 압력-엔탈피 선도(Pressure-Enthalpy Diagram, 이하 P-h 선도)를 나타낸 도면이다.
이하 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)의 냉방운전시 작용을 설명한다.
압축기(110)에서 압축된 냉매는 토출포트(113)에서 토출되어 절환밸브(180)로 유동된다. 토출포트(113)에서 토출되어 절환밸브(180)로 유동되는 냉매는 b지점을 통과하며, 이때의 b지점에서의 냉매는 도 5와 같이 고온, 고압의 상태이다.
냉방운전시 절환밸브(180)는 압축기(110)의 토출포트(113)와 실외 열교환기(120)를 연결하므로 절환밸브(180)로 유동된 냉매는 h지점을 통과하여 실외 열교환기(120)로 유동된다. h지점을 통과하는 냉매는 b지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지되나 온도는 약간 낮아지게 된다.
절환밸브(180)에서 실외 열교환기(120)로 유동되는 냉매는 실외 열교환기(120)에서 실외공기와 열교환을 하여 응축된다. 실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매는 g지점을 통과하여 실외 팽창밸브(150)로 유동된다. 응축된 g지점에서의 냉매는 h지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지한 채 온도가 크게 낮아지게 된다.
실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매는 실외 팽창밸브(150)로 유동된다. 냉방운전시 실외 팽창밸브(150)는 완전 개방되어 냉매를 통과시켜 과냉각 열교환 허브(190)로 안내한다.
냉방운전시 순환펌프(191)가 구동으로 인해 과냉각 열교환 허브(190)에 저장된 브라인은 기액분리기 재킷(200)으로 강제 유동된다. 과냉각 열교환 허브(190)에서 기액분리기 재킷(200)으로 유동되는 브라인은 기액분리기(140)와 열교환하여 온도가 낮아지게 된다. 기액분리기(140)와 열교환된 저온의 브라인은 순환펌프(191)에 의해 과냉각 열교환 허브(190)에 저장된다.
실외 팽창밸브(150)에서 과냉각 열교환 허브(190)로 유동되는 냉매는 과냉각 열교환 허브(190) 내부에 배치된 배관을 통과한다. 과냉각 열교환 허브(190) 내부에 배치된 배관을 통과하는 동안 냉매는 브라인과 열교환을 한다. 과냉각 열교환 허브(190)에서 열교환된 냉매는 j지점을 통과하여 인젝션 모듈(170)로 유동된다. g지점에서의 냉매는 h지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지한 채 온도가 낮아지게 된다.
냉방운전시 인젝션 모듈(170)의 인젝션 팽창밸브(171)가 폐쇄되기에 냉매는 인젝션 모듈(170)로 유입되지 않은 채 e지점을 통과하여 실내 팽창밸브(160)로 유동된다. e지점에서의 냉매는 j지점의 냉매와 비교하여 압력과 온도의 변화는 거의 없게 된다.
실내 팽창밸브(160)로 유동된 냉매는 팽창되어 d지점을 통과하여 실내 열교환기(130)로 유동된다. d지점을 통과하는 냉매는 e지점의 냉매와 비교하여 온도는 유지한 채 압력은 크게 낮아지게 된다. 다만, 실시예에 따라 d지점을 통과하는 냉매는 e지점의 냉매와 비교하여 온도는 약간 낮아지고 압력은 크게 낮아질 수도 있다.
실내 열교환기(130)로 유동된 냉매는 실내 열교환기(130)에서 실내공기와 열교환하여 증발된다. 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매는 c지점을 통과하여 절환밸브(180)로 유동한다. c지점을 통과한 냉매는 d지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지된 채 온도가 크게 높아지게 된다.
절환밸브(180)는 냉방운전시 실내 열교환기(130)와 기액분리기(140)를 연결하므로, 실내 열교환기(130)에서 절환밸브(180)로 유동된 냉매는 기액분리기(140)로 유입된다. 기액분리기(140)로 유입된 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되며, 기상 냉매는 a지점을 통과하여 압축기(110)의 유입포트(111)로 유동한다. a지점을 통과한 냉매는 c지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지되나 온도가 약간 높아지게 된다. 이는 기액분리기(140)로 유입된 냉매 중 비교적 온도가 높은 기상 냉매만이 압축기(110)의 유입포트(111)로 유동하기 때문이다.
유입포트(111)로 유동된 냉매는 압축기(110)에서 압축된 후 토출포트(113)로 토출된다. 즉, 압축기(110)로 유입된 냉매는 압축되고, 도 5의 b지점까지의 고온, 고압의 냉매가 된다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 난방운전시 냉매 흐름을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 공기조화기의 난방운전시 압력-엔탈피 선도(Pressure-Enthalpy Diagram, 이하 P-h 선도)를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)의 난방운전시 작용을 설명한다.
압축기(110)에서 압축된 냉매는 토출포트(113)에서 토출되어 절환밸브(180)로 유동된다. 토출포트(113)에서 토출되어 절환밸브(180)로 유동되는 냉매는 b지점을 통과한다. 이때 b지점에서의 냉매는 도 7과 같이 고온, 고압의 상태이다.
난방운전시 절환밸브(180)는 압축기(110)의 토출포트(113)와 실내 열교환기(130)를 연결하므로, 절환밸브(180)로 유동된 냉매는 c지점을 통과하여 실내 열교환기(130)로 유동된다. c지점을 통과하는 냉매는 b지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지되나 온도는 약간 낮아지게 된다.
절환밸브(180)에서 실내 열교환기(130)로 유동된 냉매는 실내 열교환기(130)에서 실내공기와 열교환하여 응축된다. 실내 열교환기(130)에서 응축된 냉매는 d지점을 통과하여 실내 팽창밸브(160)로 유동된다. d지점에서의 냉매는 c지점의 냉매와 비교하여 실내 열교환기(130)에서 응축으로 인해 압력은 유지된 채 온도가 크게 낮아지게 된다.
실내 열교환기(130)에서 응축된 냉매는 실내 팽창밸브(160)로 유동된다. 난방운전시 실내 팽창밸브(160)는 완전 개방되어 냉매를 통과시켜 인젝션 모듈(170)로 안내한다.
인젝션 모듈(170)은 난방운전시 인젝션 팽창밸브(171)가 개방되므로, 실내 팽창밸브(160)를 통과한 냉매의 일부가 e지점을 통과하여 인젝션 팽창밸브(171)로 유동된다. e지점을 통과한 냉매는 d지점을 통과한 냉매와 비교하여 압력은 유지된 채 온도는 약간 낮아지게 된다.
난방운전시 개방된 인젝션 팽창밸브(171)는 개도를 조절하여 냉매를 팽창시킨다. 따라서 인젝션 팽창밸브(171)로 유동된 냉매는 팽창되어 f지점을 통과하여 인젝션 열교환기(172)로 유동한다. f지점을 통과하는 냉매는 e지점의 냉매와 비교하여 온도는 유지된 채 압력이 낮아지게 된다.
인젝션 팽창밸브(171)에서 팽창된 냉매는 인젝션 열교환기(172)로 안내되어 실내 팽창밸브(160)를 통과하여 실외 열교환기(120)로 유동하는 냉매와 열교환되어 증발된다. 증발된 냉매는 i지점을 통과하여 압축기(110)의 인젝션포트(112)로 유동된다. i지점을 통과하는 냉매는 f지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지된 채 온도는 높아지게 된다. i지점을 통과하는 냉매는 후술할 a지점을 통과하는 냉매와 비교하여 압력 및 온도가 높다.
실내 팽창밸브(160)에서 실외 열교환기(120)로 유동하는 냉매 중 인젝션 팽창밸브(171)로 유입되지 않은 냉매는 인젝션 팽창밸브(171)에서 팽창된 냉매와 열교환되어 과냉각된다. 과냉각된 냉매는 j지점을 통과하여 과냉각 열교환 허브(190)로 유동된다. j지점을 통과한 냉매는 e지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지된 채 온도가 낮아지게 된다.
순환펌프(191)는 난방운전시 구동하지 않아, 브라인은 강제 순환하지 않는다. 따라서 브라인은 기액분리기(140)와 열교환 되지 않을 수 있다. 따라서 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매는 j지점의 냉매와 비교하여 압력과 온도는 거의 변화되지 않을 수 있다. 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매는 실외 팽창밸브(150)로 유동된다.
다만, 실시예에 따라 순환펌프(191)가 구동하지 않더라도 자연 순환으로 인해 브라인이 기액분리기 재킷(200)으로 순환할 수도 있다. 브라인이 자연 순환으로 인해 기액분리기(140)의 냉열을 흡수하여 과냉각 열교환 허브(190)에 저장될 수도 있다. 따라서, 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매는 j지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지한 채 온도는 약간 낮아질 수도 있다.
실외 팽창밸브(150)로 유동된 냉매는 팽창되어 g지점을 통과하여 실외 열교환기(120)로 유동된다. g지점을 통과하는 냉매는 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매 또는 j지점의 냉매와 비교하여 온도는 유지된 채 압력이 크게 낮아지게 된다. 다만, 실시예에 따라 g지점을 통과하는 냉매는 과냉각 열교환 허브(190)를 통과한 냉매 또는 j지점의 냉매와 비교하여 온도는 약간 낮아지고, 압력은 크게 낮아질 수도 있다.
실외 팽창밸브(150)에서 팽창된 냉매는 실외 열교환기(120)로 유동되고, 실외 열교환기(120)로 유동된 냉매는 실외 공기와 열교환하여 증발된다. 실외 열교환기(120)에서 증발된 냉매는 h지점을 통과하여 절환밸브(180)로 유동된다. h지점을 통과하는 냉매는 g지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지된 채 온도가 크게 높아지게 된다.
절환밸브(180)는 난방운전시 실외 열교환기(120)와 기액분리기(140)를 연결하므로, 실외 열교환기(120)에서 절환밸브(180)로 유동된 냉매는 기액분리기(140)로 유동된다. 기액분리기(140)로 유입된 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되며, 기상 냉매는 a지점을 통과하여 압축기(110)의 유입포트(111)로 유동한다. a지점을 통과한 냉매는 c지점의 냉매와 비교하여 압력은 유지되나 온도가 약간 높아지게 된다. 이는 기액분리기(140)로 유입된 냉매 중 비교적 온도가 높은 기상 냉매만이 압축기(110)의 유입포트(111)로 유동하기 때문이다.
유입포트(111)로 유동된 냉매는 압축기(110)에서 압축되며, 압축되는 과정에서 인젝션포트(112)를 통해 인젝션 모듈(170)에서 증발된 냉매가 합류된다. 이에 압축 중인 냉매의 온도와 압력이 i지점까지 낮아지게 된다. 인젝션 모듈(170)에서 증발된 냉매가 합류된 후에 합류된 냉매는 다시 압축되며, b지점까지의 고온, 고압의 냉매가 되어 토출포트(113)를 통해 토출된다. i지점을 통과한 냉매가 압축기(110)로 인젝션됨으로써, 압축기(110)의 토출포트(113)를 통해 토출되는 냉매의 온도는 인젝션되지 않을 때에 비하여 낮아지게 된다. 따라서 압축기(110)의 과부하를 방지할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 냉방운전시 냉매 흐름을 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉방운전시 공기조화기에 대한 블럭도이다. 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉방운전시 공기조화기의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 4, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉방운전시 공기조화기(100)의 작용 단계를 설명하면 다음과 같다.
제어부(10)가 냉방운전을 개시한다(S210). 냉방운전 개시 시 제어부(10)는 절환밸브(180)를 절환하면, 절환밸브(180)가 압축기(110)의 토출포트(113)와 실외 열교환기(120)를 연결하여 압축기(110)에서 토출된 냉매를 실외 열교환기(120)로 안내한다.
냉방운전 개시 시 제어부(10)는 순환펌프(191)를 구동하여 과냉각 열교환 허브(190)에 저장된 브라인을 기액분리기 재킷(200)으로 강제 순환시키고, 기액분리기 재킷(200)으로 강제 순환된 브라인은 기액분리기(140)와 열교환하여 냉각된다(S220). 냉각된 브라인은 과냉각 열교환 허브(190)로 유동하여 저장된다.
압축기(110)의 토출포트(113) 및 절환밸브(180)를 통과하여 실외 열교환기(120)로 유동하는 냉매는 실외 열교환기(120)에서 실외 공기와 열교환된다. 따라서, 실외 열교환기(120)를 통과하는 냉매는 응축된다(S220).
냉방운전 개시 시 제어부(10)는 실외 팽창밸브(150)를 완전 개방하여 실외 열교환기(120)에서 응축된 냉매를 과냉각 열교환 허브(190)로 안내하고, 과냉각 열교환 허브(190)의 브라인과 냉매를 열교환하여 냉매를 과냉각시킨다(S230). 과냉각된 냉매는 인젝션 모듈(170)로 유동한다.
제어부(10)는 인젝션 팽창밸브(171)를 폐쇄하여 인젝션 열교환기(172)로의 냉매의 유동을 차단한다. 인젝션 모듈(170)로 유동된 과냉각 냉매는 인젝션 팽창밸브(171)가 폐쇄되었기에 실내 팽창밸브(160)로 유동한다.
제어부(10)는 실내 팽창밸브(160)의 개도를 조절하여 실내 팽창밸브(160)로 유입된 냉매를 팽창시킨다(S240). 실내 팽창밸브(160)에서 팽창된 냉매는 실내 열교환기(130)로 유동한다. 실내 열교환기(130)로 유동된 냉매는 실내 공기와 열교환되어 증발된다(S240). 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매는 절환밸브(180)로 유동한다.
냉방운전 개시 시 제어부(10)는 실내 열교환기(130)와 기액분리기(140)를 연결한다. 따라서, 실내 열교환기(130)에서 증발된 냉매는 기액분리기(140)로 유동한다. 기액분리기(140)로 유동된 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되고, 기상 냉매만 압축기(110)의 유입포트(111)로 유동한다.
제어부(10)는 냉방운전의 제어로직에 따라 압축기(110)의 운전속도를 조절하여 냉매를 압축한다. 압축기(110)에서 고온, 고압의 냉매는 토출포트(113)를 통해 절환밸브(180)로 토출시킨다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 공기조화기 110: 압축기
111: 유입포트 112: 인젝션포트
113: 토출포트 120: 실외 열교환기
130: 실내 열교환기 140: 기액분리기
150: 실외 팽창밸브 160: 실내 팽창밸브
170: 인젝션 모듈 171: 인젝션 팽창밸브
172: 인젝션 열교환기 180: 절환밸브
190: 과냉각 열교환 허브 191: 순환펌프
200: 기액분리기 재킷 210: 플로우 유로

Claims (13)

  1. 냉매를 압축하는 압축기;
    실외에 설치되어 냉매를 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기;
    실내에 설치되어 냉매를 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기;
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 냉방운전시 상기 실외 열교환기로 안내하고, 난방운전시 상기 실내 열교환기로 안내하는 절환밸브;
    상기 압축기와 절환밸브 사이에 구비되어 냉매를 액상 냉매와 기상냉매로 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기 표면에 배치되고, 내부에 상기 기액분리기와 열교환하여 냉각되는 브라인이 유동하는 기액분리기 재킷;
    상기 기액분리기 재킷과 연결되어 냉각된 브라인을 저장하고, 상기 실외 열교환기 및 상기 실내 열교환기 사이에 유동하는 냉매를 과냉각시키는 과냉각 열교환 허브; 및
    상기 과냉각 열교환 허브 및 상기 기액분리기 재킷을 유동하는 브라인을 강제 순환시키는 순환펌프를 포함하고,
    상기 순환펌프는, 냉방운전시 작동하고, 난방운전시 작동하지 않는 공기조화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기 재킷은 브라인을 상기 기액분리기의 표면을 따라 유동시키는 플로우 유로를 구비하는 공기조화기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 과냉각 열교환 허브는, 냉방운전시 상기 실외 열교환기에서 토출되어 상기 실내 열교환기로 유동하는 냉매를 과냉각시키는 공기조화기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실외 열교환기 및 상기 실내 열교환기 사이에 구비되고, 상기 실외 열교환기와 상기 실내 열교환기 사이를 유동하는 냉매의 일부를 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 모듈을 더 포함하는 공기조화기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인젝션 모듈은,
    상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 사이를 유동하는 냉매의 일부를 팽창하는 인젝션 팽창밸브; 및
    상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 사이를 유동하는 냉매의 다른 일부를 상기 인젝션 팽창밸브에서 팽창된 냉매와 열교환하는 인젝션 열교환기를 포함하는 공기조화기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인젝션 팽창밸브는 난방운전시 개방되고, 냉방운전시 폐쇄되는 공기조화기.
  9. 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축기와 연결되어 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기;
    상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브와 연결되어 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발하는 증발기;
    상기 증발기와 연결되어 상기 증발기에서 증발된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기와 연결되어 내부에 유동하는 브라인을 기액분리기와 열교환하여 냉각시키는 기액분리기 재킷;
    상기 기액분리기 재킷과 연결되어 냉각된 브라인을 저장하는 과냉각 열교환 허브; 및
    상기 과냉각 열교환 허브 및 상기 기액분리기 재킷을 유동하는 브라인을 강제 순환시키는 순환펌프를 포함하고,
    상기 순환펌프는, 냉방운전시 작동하고, 난방운전시 작동하지 않는 공기조화기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 과냉각 열교환 허브는, 냉방운전시 상기 응축기에서 토출되어 상기 팽창밸브로 유동하는 냉매를 과냉각시키는 공기조화기.
  13. 제9항에 있어서,
    난방운전시 상기 응축기에서 상기 팽창밸브로 유동하는 냉매의 일부를 증발시켜 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 모듈을 더 포함하는 공기조화기.
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