KR102401747B1 - 공조 시스템 - Google Patents

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KR102401747B1 KR1020200030556A KR20200030556A KR102401747B1 KR 102401747 B1 KR102401747 B1 KR 102401747B1 KR 1020200030556 A KR1020200030556 A KR 1020200030556A KR 20200030556 A KR20200030556 A KR 20200030556A KR 102401747 B1 KR102401747 B1 KR 102401747B1
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정재원
임한솔
이수진
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 공조 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 압축기(11), 제1 열교환기(12), 팽창밸브(13), 및 제2 열교환기(14)를 포함하고, 그 순서인 제1 사이클에 따라 냉매가 유동되는 냉매 사이클 장치(10), 내부로 외기, 및 조습 용액이 공급되고, 외기와 조습 용액 사이에 열 및 수분을 교환시킨 후에, 열 및 수분 교환된 외기 및 조습 용액을 배출하는 제1 열수분교환기(20), 및 제1 열수분교환기(20)를 관류하면서 순환하도록 조습 용액의 유동을 안내하는 조습 용액 관로부(30)를 포함하고, 제1 사이클 동안에, 제1 열교환기(12)는 냉매와의 열교환을 통해 조습 용액을 가열하고, 제1 열수분교환기(20)는 가열된 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 외기를 가열 및 가습한다.

Description

공조 시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 공조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여름철 제습/냉방 및 겨울철 가습/난방 모드로 작동 가능한 전외기 공조 시스템에 관한 것이다.
쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 다양한 종류의 공조 시스템이 개발되고 있다. 일반적으로 공조 시스템은 냉매 증발을 유도하는 압축식 냉동 사이클을 이용하여 처리공기를 냉각함으로써 건물 실내를 냉방한다. 또한, 여름철 제습을 위해서 제습 사이클이 적용된 공조 시스템이 개발되기도 하고, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이 압축식 냉동 시스템과 액체식 제습 시스템이 결합된 복합식 제습 냉방시스템도 제안되고 있다.
그러나 복합식 제습 냉방시스템은 공기의 제습을 주목적으로 운용된다. 압축식 냉동 시스템은 제습의 효율을 높이기 위한 용도로 사용되고 있기 때문에 냉방에는 한계가 있다. 또한, 압축식 냉방 시스템의 냉매가 한 방향으로만 흐르므로 냉열원과 온열원의 공급 위치가 고정되며 공기조화를 목적으로 사용하기가 어렵다. 나아가, 공기 제습을 목적으로 하기 때문에 사계절이 뚜렷한 우리나라의 경우 겨울철과 같이 제습이 필요하지 않은 기간에는 사용되지 않고, 기존 액체식 제습 시스템의 특성상 낮은 온도의 외기에서는 제습 수용액의 결정화 등과 같은 문제가 발생할 수 있다.
이에 종래 제습 냉방시스템의 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
KR 10-2004-0101635 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 외기의 제습 및 냉각뿐 아니라, 외기의 가습 및 가열을 통해 실내 제습/냉방 및 가습/난방을 수행할 수 있는 공조 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 압축기, 제1 열교환기, 팽창밸브, 및 제2 열교환기를 포함하고, 그 순서인 제1 사이클에 따라 냉매가 유동되는 냉매 사이클 장치; 내부로 외기, 및 조습 용액이 공급되고, 상기 외기와 상기 조습 용액 사이에 열 및 수분을 교환시킨 후에, 열 및 수분 교환된 상기 외기 및 상기 조습 용액을 배출하는 제1 열수분교환기; 및 상기 제1 열수분교환기를 관류하면서 순환하도록 상기 조습 용액의 유동을 안내하는 조습 용액 관로부;를 포함하고, 상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열교환기는 상기 냉매와의 열교환을 통해 상기 조습 용액을 가열하고, 상기 제1 열수분교환기는 가열된 상기 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 상기 외기를 가열 및 가습한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클 동안에, 상기 제2 열교환기는 실내에서 배기된 실내 공기와의 열교환을 통해 상기 냉매를 기화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제2 열교환기로 공급되는 상기 실내 공기와, 상기 제1 열수분교환기에서 가열 및 가습된 상기 외기 사이에 열을 교환시키는 간접식 증발 냉각기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 간접식 증발 냉각기로 공급되는 상기 실내 공기를 가열하는 가열부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 열수분교환기는, 상기 외기와 상기 조습 용액 사이에 열 및 수분이 교환되는 다공성 여재; 상기 조습 용액 관로부로부터 상기 조습 용액을 공급받아, 상기 여재를 향해 하방으로 분사하는 조습 용액 분사노즐; 및 내부에 상기 여재가 충전되고, 내하부에 상기 여재를 통과한 상기 조습 용액을 일시 수용하는 조습 용액 수용부를 구비하며, 상기 여재를 향해 상기 외기를 유입시키는 외기 유입구, 및 상기 여재를 통과한 상기 외기를 배출하는 외기 배출구를 포함하는 본체;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클 동안에, 열 및 수분 교환된 상기 조습 용액에 용매를 추가 공급하는 용매 공급부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 조습 용액은, 염화리튬(LiCl) 수용액, 염화칼슘(CaCl2) 수용액, 및 브롬화리튬(LiBr) 수용액으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 냉매 사이클 장치는, 사방밸브, 및 제3 열교환기를 더 포함하고, 상기 사방밸브에 의해, 상기 압축기, 상기 제3 열교환기, 상기 팽창밸브, 및 상기 제1 열교환기 순서인 제2 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되며, 상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열교환기는 상기 냉매와의 열교환을 통해 상기 조습 용액을 냉각하고, 상기 제1 열수분교환기는 냉각된 상기 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 상기 외기를 냉각 및 제습할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 냉매 사이클 장치는, 상기 사방밸브에서부터 상기 압축기를 거쳐 다시 상기 사방밸브로 연결되는 냉매 유출입관로; 상기 제1 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되도록, 상기 사방밸브에서부터 상기 제1 열교환기, 상기 팽창밸브, 및 상기 제2 열교환기를 거쳐 다시 상기 사방밸브로 연결되는 냉매 순환관로; 및 상기 제2 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되도록, 상기 냉매 순환관로에서 분기되어 상기 제2 열교환기를 우회하고, 상기 제3 열교환기를 거쳐 다시 상기 냉매 순환관로에 재연결되는 냉매 우회관로;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류한 상기 조습 용액, 및 재생 공기를 공급받고, 상기 재생 공기와의 열 및 수분 교환을 통해, 상기 조습 용액을 재생하는 제2 열수분교환기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 열수분교환기를 관류하고 상기 제2 열수분교환기로 공급되는 상기 조습 용액은, 상기 제3 열교환기에서 상기 냉매와의 열교환을 통해 가열될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제2 사이클 동안에, 상기 제2 열수분교환기에서 재생된 상기 조습 용액은, 상기 제1 열교환기에서 열교환을 통해 냉각된 후에 상기 제1 열수분교환기로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 조습 용액 관로부는, 상기 제1 열교환기, 및 상기 제1 열수분교환기를 관류하면서 순환하도록, 상기 조습 용액을 안내하는 조습 용액 순환관로; 및 상기 제2 사이클 동안에, 상기 조습 용액이 상기 제3 열교환기, 및 상기 제2 열수분교환기를 순차적으로 관류한 후에 상기 제1 열교환기로 유입되도록, 상기 제1 열수분교환기와 상기 제1 열교환기를 연결하는 상기 조습 용액 순환관로의 우회 영역에서 분기되어, 재연결되는 조습 용액 우회관로;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류하고 상기 제3 열교환기로 유입되기 전의 상기 조습 용액과, 상기 제2 열수분교환기를 관류하고 상기 제1 열교환기로 유입되기 전의 상기 조습 용액 사이에 열을 교환시키는 조습 용액 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제2 사이클 동안에, 냉각 및 제습된 상기 외기를 공급받아 증발 냉각하는 직접식 증발 냉각기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기로 유입되는 상기 조습 용액의 온도는 40 ~ 60℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기로 유입되는 상기 조습 용액의 농도는 15 ~ 30%일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류하여 순환하는 상기 조습 용액의 유량을 조절하는 유량조절부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 외기를 이용한 실내 환기, 냉난방, 제습 및 가습이 가능하도록 운용되므로, 실내에 추가적인 냉난방 기기의 설치 없이 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 가습/난방 모드 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 제습/냉방 모드 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 구성도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 가습/난방 모드 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 압축기(11), 제1 열교환기(12), 팽창밸브(13), 및 제2 열교환기(14)를 포함하고, 그 순서인 제1 사이클에 따라 냉매가 유동되는 냉매 사이클 장치(10), 내부로 외기, 및 조습 용액이 공급되고, 외기와 조습 용액 사이에 열 및 수분을 교환시킨 후에, 열 및 수분 교환된 외기 및 조습 용액을 배출하는 제1 열수분교환기(20), 및 제1 열수분교환기(20)를 관류하면서 순환하도록 조습 용액의 유동을 안내하는 조습 용액 관로부(30)를 포함하고, 제1 사이클 동안에, 제1 열교환기(12)는 냉매와의 열교환을 통해 조습 용액을 가열하고, 제1 열수분교환기(20)는 가열된 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 외기를 가열 및 가습한다.
본 발명은 공조 시스템에 관한 것이다. 압축식 냉동 사이클과 액체식 제습 사이클이 적용된 종래 제습 냉방시스템은 공기의 제습을 목적으로 하기 때문에 냉방 효율이 떨어지고, 겨울철에는 가습 및 난방이 불가능하여 계절에 따른 사용이 제한되는 문제 등이 있는바, 이에 대한 해결방안으로서 본 발명이 안출되었다.
본 발명에 따른 공조 시스템은 제습/냉방 모드와 가습/난방 모드로 전환하여 사용 가능한 공조 시스템으로서, 냉매 사이클 장치(10), 제1 열수분교환기(20), 조습 용액 관로부(30)를 포함하는데, 이하에서는 먼저 가습/난방 모드로 작동하는 실시예를 들어 본 발명을 설명한다.
여기서, 냉매 사이클 장치(10)는 냉매의 상태 변화를 유발하여 열을 방출 및 흡수하는 장치로서, 압축기(11), 제1 열교환기(12), 팽창밸브(13), 및 제2 열교환기(14)를 포함한다. 여기서, 냉매 사이클 장치(10)의 냉매는 압축기(11), 제1 열교환기(12), 팽창밸브(13), 및 제2 열교환기(14) 순서로 순환할 수 있는데, 이러한 일련의 순환 과정을 이하에서 제1 사이클로 정의한다.
제1 열수분교환기(20)는 외기와 조습 용액 사이에 열 및 수분을 교환시킨다. 여기서, 외기는 송풍기, 댐퍼 등에 의해 유량이 제어되어 제1 열수분교환기(20)로 공급될 수 있다. 조습 용액은 조습 용액 관로부(30)를 통해 제1 열수분교환기(20)로 공급될 수 있다. 조습 용액은 용매에 조습제가 용해된 혼합물로서, 외기와의 수증기 분압 차이에 의해 외기에 열, 수분을 공급하거나 외기로부터 열, 수분을 흡수한다. 조습 용액의 수증기 분압은 농도가 낮아질수록, 온도가 높아질수록 높아지고, 조습 용액의 수증기 분압이 외기의 수증기 분압보다 높아지면, 수분이 외기로 공급되어 외기는 가습된다. 반대로, 조습 용액의 수증기 분압이 외기의 수증기 분압보다 낮아지면, 수분이 조습 용액으로 공급되어 외기는 제습된다. 이렇게 외기의 습도를 조절하는 조습 용액은 염화리튬(LiCl) 수용액, 염화칼슘(CaCl2) 수용액, 및 브롬화리튬(LiBr) 수용액으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 외기와의 사이에 열 및 수분이 교환되는 용액이기만 하면 특별한 제한이 없다.
열 및 수분이 교환된 후에, 외기 및 조습 용액은 제1 열수분교환기(20)로부터 배출된다. 배출된 외기는 급기관을 통해 난방하고자 하는 실내로 공급될 수 있다. 한편, 배출된 조습 용액은 조습 용액 관로부(30)를 따라 유동하게 된다. 여기서, 열 및 수분 교환된 조습 용액은 제1 열수분교환기(20)의 내하부에 일시 저장되었다가 배출될 수 있다.
조습 용액 관로부(30)는 조습 용액의 유동을 안내하는 통로를 제공한다. 여기서, 조습 용액은 제1 열수분교환기(20)로 유입되어 열 및 수분 교환 후에 배출되는바, 조습 용액 관로부(30)는 조습 용액이 제1 열수분교환기(20)를 관류하여 순환하도록 형성될 수 있다. 한편, 제1 열수분교환기(20)로 유입되기 전의 조습 용액은 외기를 가습 또는 제습하고 가열 또는 냉각하기 위해서 가열되거나 냉각되는데, 조습 용액의 가열 또는 냉각은 냉매 사이클 장치(10)를 유동하는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다.
냉매 사이클 장치(10)에서 냉매가 제1 사이클을 따라 유동하는 경우에, 외기는 가열 및 가습된다. 제1 사이클 동안, 냉매는 압축기(11)에서 고압 고온으로 압축되어 제1 열교환기(12)로 공급된다. 제1 열교환기(12)에서 기체 상태인 냉매는 응축 액화되고, 팽창밸브(13)를 거친 후에, 제2 열교환기(14)에서 열을 흡수하여 기화되며, 기화된 냉매는 다시 압축기(11)로 공급된다. 여기서, 조습 용액 관로부(30)는 제1 열교환기(12)를 거쳐 제1 열수분교환기(20)로 유동하도록 조습 용액을 안내한다. 따라서, 제1 열교환기(12)에서 냉매와의 열교환을 통해 조습 용액은 가열되고, 이로 인해 수증기 분압이 높아진 고온의 조습 용액이 제1 열수분교환기(20)로 공급된다. 외기를 이용해 실내를 가습 및 난방하는 본 발명에 있어서, 가습/난방 모드로 작동하는 경우에는 겨울철과 같이 외기의 온도가 낮다. 따라서, 제1 열수분교환기(20)에서, 조습 용액의 온도 및 수증기 분압이 외기에 비해 상대적으로 높기 때문에 외기는 가열되고 가습된다. 이렇게 가열되고 가습된 외기를 실내로 급기함으로써, 실내 가습 및 난방을 수행할 수 있다.
제1 사이클 동안에 냉매를 응축하는 제1 열교환기(12)가 안정적으로 작동하기 위해서는 제2 열교환기(14)에 고열원이 공급되어야 하는데, 이때 고열원은 실내에서 배기된 실내 공기를 사용할 수 있다.
이하에서는, 제1 열수분교환기(20)의 일실시예에 대해서 설명한다. 본 발명의 일실시예에 따른 제1 열수분교환기(20)는, 여재(21), 조습 용액 분사노즐(23), 및 본체(25)를 포함할 수 있다.
여재(21)는 본체(25)의 내부에 충전되는 충전물로서 다수의 기공을 구비한다. 이러한 다공성 여재(21)에 외기와 조습 용액이 침투되어 그 사이에서 열 및 수분이 교환된다.
조습 용액 분사노즐(23)은 조습 용액 관로부(30)와 연결되어 조습 용액을 공급받고, 여재(21)를 향해 조습 용액을 분사한다. 이때, 조습 용액 분사노즐(23)은 여재(21)의 상부와 마주보게 배치되어, 하방으로 조습 용액을 분사할 수 있다.
본체(25)는 내부 중공을 구비하는 케이스 형태로 형성된다. 내부 중공에 여재(21)가 충전되고, 내하부에는 여재(21)를 통과한 조습 용액을 일시 수용하는 조습 용액 수용부(25a)가 마련될 수 있다. 여기서, 조습 용액 수용부(25a)는 조습 용액 관로부(30)와 연통되어, 일시 수용된 조습 용액이 조습 용액 관로부(30)로 유입될 수 있다. 또한, 여재(21)를 향해 외기를 유입시키는 외기 유입구(25b)와, 여재(21)를 통과한 외기를 배출하는 외기 배출구(25c)가 형성될 수 있다. 여기서, 외기는 본체(25)의 측방, 즉 조습 용액이 흐르는 상하방향과 교차하는 방향으로 유입되고 배출될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은, 가습/난방 모드에서 실내로 급기되는 외기의 온도를 조절하기 위한 수단으로서, 간접식 증발 냉각기(40)를 더 포함할 수 있다. 도 3을 참고로, 간접식 증발 냉각기(40)는 배기측에 물을 분사하지 않고 사용할 때, 가열 및 가습된 외기(실내로 급기되는 외기)와 실내에서 배기된 실내 공기 사이에 열을 교환시킨다. 이러한 간접식 증발 냉각기(40)는 실내로 급기되는 외기의 온도를 조절한다. 급기되는 외기의 온도가 실내 공기보다 상대적으로 높은 경우에는 열교환을 통해 급기되는 외기의 온도를 낮추고, 외기의 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 열교환을 통해 그 온도를 높일 수 있다. 여기서, 간접식 증발 냉각기(40)를 통과한 실내 공기는 냉매 사이클 장치(10)의 제2 열교환기(14)로 공급될 수 있다. 다만, 실내 공기가 반드시 간접식 증발 냉각기(40)를 거친 후에 제2 열교환기(14)로 공급되어야 하는 것은 아니고, 실내 공기 중 일부는 간접식 증발 냉각기(40)로, 다른 일부는 제2 열교환기(14)로 공급될 수도 있다.
또한, 도 4를 참고로, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 가열부(50)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 가열부(50)는 간접식 증발 냉각기(40)로 유입되는 실내 공기를 가열하기 위해 마련될 수 있다. 가열 및 가습된 외기의 온도가 실내 공기보다 낮은 경우, 간접식 증발 냉각기(40)에서 실내 공기와의 열교환을 통해 급기되는 외기의 온도가 어느 정도 상승하지만, 그럼에도 불구하고 그 외기의 온도가 실내에 급기되기에 부적합할 수 있다. 이때, 가열부(50)를 통해 간접식 증발 냉각기(40)로 유입되는 실내 공기를 가열함으로써, 간접식 증발 냉각기(40)를 통과하여 급기되는 외기의 온도를 상승시킬 수 있다. 이러한 가열부(50)의 일례로 가열코일을 사용할 수 있는데, 반드시 가열코일에 한정되는 것은 아니고, 배기된 실내 공기를 가열할 수 있는 가열 수단이기만 하면 족하다.
본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 가습/난방 모드에서 외기의 가습은 제1 열수분교환기(20)로 유입되는 조습 용액의 온도와 농도, 그리고 유량에 의존적이다.
제1 사이클 동안에, 제1 열수분교환기(20)로 유입되는 조습 용액은 40 ~ 60℃로 유지되는 것이 적합하다. 그 온도가 40℃ 미만에서는 가습량이 충분하지 않고, 60℃를 초과하는 경우에는 과가습이 발생할 수 있다. 조습 용액은 전술한 바와 같이 냉매 사이클 장치(10)의 제1 열교환기(12)에서 상기 온도 범위로 가열될 수 있다. 여기서, 조습 용액의 온도 제어를 위해, 도시되지는 않았지만 제1 열교환기(12)에서의 교환되는 열량을 제어하는 수단, 조습 용액의 온도를 측정하는 온도센서, 조습 용액을 가열하는 추가적인 가열 수단 등이 마련될 수도 있다.
제1 사이클 동안에, 제1 열수분교환기(20)를 관류하는 조습 용액의 농도는 15 ~ 30%로 유지될 수 있다. 왜냐하면, 그 농도가 15% 미만에서는 과가습의 가능성이 있고, 30%를 초과하는 경우에는 가습량이 부족할 수 있기 때문이다. 한편, 제1 열수분교환기(20)에서 수분은 조습 용액에서 외기로 이동하는바, 열 및 수분이 교환된 조습 용액의 농도가 상승하게 되고, 농도가 상승한 조습 용액이 조습 용액 관로부(30)를 따라 순환되어 다시 제1 열수분교환기(20)로 공급되면 가습량이 부족할 수도 있다. 이에, 도 5와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 용매 공급부(60)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 용매 공급부(60)는 제1 사이클 동안에 열 및 수분 교환된 조습 용액에 용매를 추가 공급함으로써, 조습 용액의 농도를 조절한다. 용매 공급부(60)는 용매 공급관, 밸브 등과 같은 배관설비에 의해 구현될 수 있다. 여기서, 용매 공급부(60)는 제1 열수분교환기(20)의 조습 용액 수용부(25a)에 용매를 추가 공급할 수 있다. 다만, 반드시 조습 용액 수용부(25a)에 용매를 추가해야 하는 것은 아니다. 또한, 도시되지는 않았지만 조습 용액의 농도를 모니터링할 수 있는 설비를 구축할 수도 있다.
외기의 가습량은 상기 조습 용액의 온도와 농도뿐만 아니라, 액기비(Liquid to Gas ratio, L/G ratio)에도 비례한다. 액기비는 조습 용액의 유량 대 외기 풍량 비로서, 액기비가 너무 낮으면 가습량이 충분하지 않고, 너무 높으면 과가습이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 액기비는 1 ~ 3으로 유지될 수 있다. 여기서, 액기비는 제1 열수분교환기(20)를 관류하면서 순환하는 조습 용액의 유량을 조절하여 제어될 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 유량조절부(100)를 더 포함할 수 있다. 유량조절부(100)는 조습 용액 관로부(30)에 장착되는 유량펌프로 구현될 수 있다.
이하에서는 제습/냉방 모드로 작동하는 실시예를 들어 본 발명을 설명한다. 도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 제습/냉방 모드 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템의 냉매 사이클 장치(10)는 사방밸브(15), 및 제3 열교환기(16)를 더 포함한다. 여기서, 냉매 사이클 장치(10)의 냉매는 사방밸브(15)에 의해, 전술한 제1 사이클과 역방향인 제2 사이클을 따라 유동할 수 있다. 제2 사이클에 따르면, 냉매는 압축기(11), 제3 열교환기(16), 팽창밸브(13), 및 제1 열교환기(12) 순서로 순환하게 된다. 즉, 제1 사이클은 가습/난방 모드에서의 냉매 순환 방향이고, 제2 사이클은 제습/냉방 모드에서의 냉매 순환 방향이다. 여기서, 제2 사이클 동안에, 냉매는, 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 다음, 제3 열교환기(16)에서 응축되어 액화되고, 팽창밸브(13)를 거쳐 제1 열교환기(12)에서 기화된 후 압축기(11)로 유입된다.
이때, 조습 용액 관로부(30)를 따라 흐르는 조습 용액은 제1 열교환기(12)로 유입되어 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 후, 제1 열수분교환기(20)로 공급된다. 이때, 냉각된 조습 용액의 온도 및 수증기 분압이 외기보다 상대적으로 낮기 때문에, 제1 열수분교환기(20)에서 외기는 열 및 수분 교환을 통해 냉각되고 제습된다. 이렇게 냉각 및 제습된 외기를 실내로 급기하여 실내 제습 및 냉방을 수행할 수 있다.
상기 제1 사이클 및 제2 사이클에 따른 냉매 유동을 구현하기 위한 일실시예로서, 냉매 사이클 장치(10)는 냉매 유출입관로(17), 냉매 순환관로(18), 및 냉매 우회관로(19)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 냉매 유출입관로(17)는 사방밸브(15)에서부터 압축기(11)를 거쳐 다시 사방밸브(15)로 연결되는 관로이다. 냉매 순환관로(18)는 제1 사이클에 따라 냉매의 유동을 안내하는 관로로서, 사방밸브(15)에서부터 제1 열교환기(12), 팽창밸브(13), 및 제2 열교환기(14)를 거쳐 다시 사방밸브(15)로 연결된다. 냉매 우회관로(19)는 제2 사이클에 따라 냉매가 유동되도록, 냉매 순환관로(18)에서 분기되어 제2 열교환기(14)를 우회하면서, 제3 열교환기(16)를 거쳐 다시 냉매 순환관로(18)에 재연결된다. 여기서, 냉매 순환관로(18)에서 냉매 우회관로(19)가 분기되는 지점과, 냉매 우회관로(19)가 냉매 순환관로(18)에 재연결되는 지점 각각에 삼방밸브가 장착되어 냉매 유동 방향을 제어할 수 있다. 다만, 제1 내지 제2 사이클에 따라 냉매의 유동을 안내하는 상기 관로의 구현은 일례에 불과하고, 이와 다른 배관설비를 통해서도 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은, 제2 사이클 동안에 제1 열수분교환기(20)를 관류한 제습 용액을 재생하기 위한 수단으로서, 제2 열수분교환기(70)를 더 포함할 수 있다. 제2 사이클 동안에 제1 열수분교환기(20)를 통과한 제습 용액의 온도는 상승하게 되고 농도는 낮아지게 되므로, 제습 용액의 수증기 분압이 상승하게 된다. 따라서, 그 제습 용액의 온도, 및 농도를 회복시킨 후에 다시 제1 열수분교환기(20)로 공급해야 하는바, 제2 열수분교환기(70)는 제1 열수분교환기(20)를 관류한 제습 용액과 별도의 재생 공기를 공급받아, 재생 공기와의 열 및 수분 교환을 통해 제습 용액을 재생할 수 있다. 여기서, 재생 공기는 일실시예로 외기를 사용할 수 있고, 송풍기, 댐퍼 등에 의해 유량이 제어되어 제2 열수분교환기(70)로 공급될 수 있다. 일실시예에 따른 제2 열수분교환기(70)는 전술한 제1 열수분교환기(20)와 동일하게 구현될 수 있다.
한편, 제1 열수분교환기(20)를 관류하고 제2 열수분교환기(70)로 공급되는 조습 용액은, 제2 열수분교환기(70)로 유입되기 전에, 제3 열교환기(16)에서 냉매와의 열교환을 통해 가열될 수 있다.
또한, 제2 열수분교환기(70)에서 재생된 제습 용액은 제1 열교환기(12)로 유입되고, 제1 열교환기(12)에서 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 후 제1 열수분교환기(20)로 공급될 수 있다.
이때, 제2 열수분교환기(70)를 관류하여 제1 열교환기(12)로 유입되는 제습 용액은, 제1 열수분교환기(20)에서 배출되어 제3 열교환기(16)로 유입되기 전의 제습 용액과 열교환을 통해 냉각될 수 있다. 이를 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 조습 용액 열교환기(80)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 사이클 동안에 제1 열수분교환기(20)를 관류한 조습 용액은, 제2 열수분교환기(70)를 관류한 조습 용액에 비해 상대적으로 저온이므로, 조습 용액 열교환기(80)에서 열교환을 통해 가열되고, 제1 열교환기(12)로 유입되는 조습 용액은 냉각되어, 제1 열교환기(12) 및 제3 열교환기(16)의 부하를 줄일 수 있다.
가습/난방 모드, 및 제습/냉방 모드에서의 조습 용액의 유동을 구현하기 위한 일실시예로서, 조습 용액 관로부(30)는, 조습 용액 순환관로(31), 및 조습 용액 우회관로(33)를 포함할 수 있다.
여기서, 조습 용액 순환관로(31)는 제1 열교환기(12), 및 제1 열수분교환기(20)를 관류하면서 순환하도록, 조습 용액을 안내한다. 도 1 내지 도 5를 참고로, 제1 사이클 동안, 즉 가습/난방 모드에서 조습 용액은 조습 용액 순환관로(31)를 따라 유동한다.
조습 용액 우회관로(33)는 제2 사이클 동안, 즉 제습/냉방 모드에서 조습 용액의 유동을 안내하는 관로이다. 이러한 조습 용액 우회관로(33)는, 조습 용액 순환관로(31)의 영역중, 제1 열수분교환기(20)와 제1 열교환기(12)를 연결하는 우회영역에서 분기되어, 제3 열교환기(16), 및 제2 열수분교환기(70)를 순차적으로 연결하고, 상기 우회영역에 재연결된다. 따라서, 제1 열수분교환기(20)를 통과하여 조습 용액 순환관로(31)를 따라 유동하는 조습 용액은 조습 용액 우회관로(33)에 의해 제3 열교환기(16), 및 제2 열수분교환기(70)를 순차적으로 관류한 후에, 다시 조습 용액 순환관로(31)를 따라 제1 열교환기(12)로 유입된다.
여기서, 조습 용액 순환관로(31)에서 조습 용액 우회관로(33)가 분기되는 지점과, 조습 용액 우회관로(33)가 조습 용액 순환관로(31)에 재연결되는 지점 각각에 삼방밸브가 장착되어 조습 용액의 유동 방향을 제어할 수 있다. 다만, 가습/난방 내지 제습/냉방 모드에 따라 조습 용액의 유동을 안내하는 상기 관로의 구현은 일례에 불과하고, 이와 다른 배관설비를 통해서도 구현될 수 있다.
한편, 제습/냉방 모드에서, 제1 열수분교환기(20)를 통과하여 제습되고 냉각된 외기가 실내로 급기될 때에, 추가적으로 그 외기의 온도를 제어할 수도 있다. 이를 위해서, 급기되는 외기는 전술한 간접식 증발 냉각기(40)를 통과하도록 안내되고, 배기된 실내 공기와의 현열 교환을 통해 냉각될 수 있다.
또한, 급기되는 외기를 냉각하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템은 직접식 증발 냉각기(90)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 급기되는 외기는 상기 간접식 증발 냉각기(40)에서 현열 냉각된 후에, 직접식 증발 냉각기(90)에서 증발 냉각되거나, 또는 간접식 증발 냉각기(40)를 거치지 않고 직접식 증발 냉각기(90)에 냉각될 수 있다. 또한, 외기를 나누어 각각 간접식 증발 냉각기(40), 및 직접식 증발 냉각기(90) 중 어느 하나 이상을 통과하도록 하여 외기의 온도를 제어할 수도 있다.
종합적으로, 본 발명에 따르면, 외기를 이용한 실내 환기, 냉난방, 제습 및 가습이 가능하도록 운용되므로, 실내에 추가적인 냉난방 기기의 설치 없이 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 냉매 사이클 장치 11: 압축기
12: 제1 열교환기 13: 팽창밸브
14: 제2 열교환기 15: 사방밸브
16: 제3 열교환기 17: 냉매 유출입관로
18: 냉매 순환관로 19: 냉매 우회관로
20: 제1 열수분교환기 21: 여재
23: 조습 용액 분사노즐 25: 본체
25a: 조습 용액 수용부 25b: 외기 유입구
25c: 외기 배출구 30: 조습 용액 관로부
31: 조습 용액 순환관로 33: 조습 용액 우회관로
40: 간접식 증발 냉각기 50: 가열부
60: 용매 공급부 70: 제2 열수분교환기
80: 조습 용액 열교환기 90: 직접식 증발 냉각기
100: 유량조절부

Claims (18)

  1. 압축기, 제1 열교환기, 팽창밸브, 및 제2 열교환기를 포함하고, 그 순서인 제1 사이클에 따라 냉매가 유동되는 냉매 사이클 장치;
    내부로 외기, 및 조습 용액이 공급되고, 상기 외기와 상기 조습 용액 사이에 열 및 수분을 교환시킨 후에, 열 및 수분 교환된 상기 외기 및 상기 조습 용액을 배출하는 제1 열수분교환기; 및
    상기 제1 열수분교환기를 관류하면서 순환하도록 상기 조습 용액의 유동을 안내하는 조습 용액 관로부;를 포함하고,
    상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열교환기는 상기 냉매와의 열교환을 통해 상기 조습 용액을 가열하고, 상기 제1 열수분교환기는 가열된 상기 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 상기 외기를 가열 및 가습하고,
    상기 제1 사이클 동안에, 상기 제2 열교환기는 실내에서 배기된 실내 공기와의 열교환을 통해 상기 냉매를 기화하는 공조 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환기로 공급되는 상기 실내 공기와, 상기 제1 열수분교환기에서 가열 및 가습된 상기 외기 사이에 열을 교환시키는 간접식 증발 냉각기;를 더 포함하는 공조 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 간접식 증발 냉각기로 공급되는 상기 실내 공기를 가열하는 가열부;를 더 포함하는 공조 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열수분교환기는,
    상기 외기와 상기 조습 용액 사이에 열 및 수분이 교환되는 다공성 여재;
    상기 조습 용액 관로부로부터 상기 조습 용액을 공급받아, 상기 여재를 향해 하방으로 분사하는 조습 용액 분사노즐; 및
    내부에 상기 여재가 충전되고, 내하부에 상기 여재를 통과한 상기 조습 용액을 일시 수용하는 조습 용액 수용부를 구비하며, 상기 여재를 향해 상기 외기를 유입시키는 외기 유입구, 및 상기 여재를 통과한 상기 외기를 배출하는 외기 배출구를 포함하는 본체;를 포함하는 공조 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 사이클 동안에, 열 및 수분 교환된 상기 조습 용액에 용매를 추가 공급하는 용매 공급부;를 더 포함하는 공조 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 조습 용액은, 염화리튬(LiCl) 수용액, 염화칼슘(CaCl2) 수용액, 및 브롬화리튬(LiBr) 수용액으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 공조 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매 사이클 장치는, 사방밸브, 및 제3 열교환기를 더 포함하고, 상기 사방밸브에 의해, 상기 압축기, 상기 제3 열교환기, 상기 팽창밸브, 및 상기 제1 열교환기 순서인 제2 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되며,
    상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열교환기는 상기 냉매와의 열교환을 통해 상기 조습 용액을 냉각하고, 상기 제1 열수분교환기는 냉각된 상기 조습 용액과의 열 및 수분 교환을 통해 상기 외기를 냉각 및 제습하는 공조 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉매 사이클 장치는,
    상기 사방밸브에서부터 상기 압축기를 거쳐 다시 상기 사방밸브로 연결되는 냉매 유출입관로;
    상기 제1 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되도록, 상기 사방밸브에서부터 상기 제1 열교환기, 상기 팽창밸브, 및 상기 제2 열교환기를 거쳐 다시 상기 사방밸브로 연결되는 냉매 순환관로; 및
    상기 제2 사이클에 따라 상기 냉매가 유동되도록, 상기 냉매 순환관로에서 분기되어 상기 제2 열교환기를 우회하고, 상기 제3 열교환기를 거쳐 다시 상기 냉매 순환관로에 재연결되는 냉매 우회관로;를 더 포함하는 공조 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류한 상기 조습 용액, 및 재생 공기를 공급받고, 상기 재생 공기와의 열 및 수분 교환을 통해, 상기 조습 용액을 재생하는 제2 열수분교환기;를 더 포함하는 공조 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 열수분교환기를 관류하고 상기 제2 열수분교환기로 공급되는 상기 조습 용액은, 상기 제3 열교환기에서 상기 냉매와의 열교환을 통해 가열되는 공조 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 사이클 동안에, 상기 제2 열수분교환기에서 재생된 상기 조습 용액은, 상기 제1 열교환기에서 열교환을 통해 냉각된 후에 상기 제1 열수분교환기로 공급되는 공조 시스템.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 조습 용액 관로부는,
    상기 제1 열교환기, 및 상기 제1 열수분교환기를 관류하면서 순환하도록, 상기 조습 용액을 안내하는 조습 용액 순환관로; 및
    상기 제2 사이클 동안에, 상기 조습 용액이 상기 제3 열교환기, 및 상기 제2 열수분교환기를 순차적으로 관류한 후에 상기 제1 열교환기로 유입되도록, 상기 제1 열수분교환기와 상기 제1 열교환기를 연결하는 상기 조습 용액 순환관로의 우회 영역에서 분기되어, 재연결되는 조습 용액 우회관로;를 포함하는 공조 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류하고 상기 제3 열교환기로 유입되기 전의 상기 조습 용액과, 상기 제2 열수분교환기를 관류하고 상기 제1 열교환기로 유입되기 전의 상기 조습 용액 사이에 열을 교환시키는 조습 용액 열교환기;를 더 포함하는 공조 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 사이클 동안에, 냉각 및 제습된 상기 외기를 공급받아 증발 냉각하는 직접식 증발 냉각기;를 더 포함하는 공조 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기로 유입되는 상기 조습 용액의 온도는 40 ~ 60℃인 공조 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기로 유입되는 상기 조습 용액의 농도는 15 ~ 30%인 공조 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 사이클 동안에, 상기 제1 열수분교환기를 관류하여 순환하는 상기 조습 용액의 유량을 조절하는 유량조절부;를 더 포함하는 공조 시스템.
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