KR102597140B1

KR102597140B1 - 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기

Info

Publication number: KR102597140B1
Application number: KR1020230087136A
Authority: KR
Inventors: 이경욱
Original assignee: 한국공조기술개발(주)
Priority date: 2023-07-05
Filing date: 2023-07-05
Publication date: 2023-11-02

Abstract

본 발명은, 실외기에 제상열교환기(defrost coil)를 설치하고 인버터 압축기와 연동시키며, 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 인버터 압축기를 인버팅운전 함으로써 고온의 냉매에서 추가로 얻어지게 되는 열원을 제상열교환기로 보내서 열교환된 열기로 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상(積霜)된 성에를 제거하도록 하여, 성에를 제거하는 동안에도 지속적인 실내 난방운전이 가능하여 난방효율을 높일 수 있고, 겨울철 온도가 낮은 한냉지역에서도 난방효과를 높이기 위하여 실내 증발기 주위에 전기히터를 연결하지 않고 압축기를 상시 인버팅운전을 하도록 함으로써 실외응축기에서 증발부하를 높여 실내 난방효과를 높일 수 있는, 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기를 제공하기 위한 것이다.

Description

인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기{High-efficiency thermo-hygrostat using inverter compressor}

본 발명은 히트펌프 사이클을 적용한 항온항습기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실외기에 제상열교환기(Defrost coil)를 추가로 설치하고 인버터 압축기와 연동시켜, 인버터 압축기가 인버팅운전하면서 고온의 냉매 열원으로부터 추가로 얻어지는 열원을 제상운전에 사용하도록 하여 제상운전을 하는 동안에도 지속적인 실내 난방운전이 가능하여 한냉지역에서도 현저한 난방효과를 낼 수 있도록 한, 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기에 관한 것이다.

항온항습기는 실내의 온도와 습도를 설정범위 내에서 일정하게 유지하기 위해 사용되는 장치를 말하는데, 항온항습기는 실내 또는 실외로부터 외부공기를 흡입하여 가열 또는 냉각하고, 설정된 습도를 유지하도록 제습 또는 가습을 실시한 후 대상 공간으로 배출함으로써 대상 공간의 항온항습 조건이 유지되도록 하기 위한 장치이다.

히트펌프(heat pump)는 압축기에서 토출되는 고온 고압의 응축열을 실내 난방 열원으로 사용하고, 실내증발기에서 냉매의 흡수 열원을 실내 냉방에 활용한다. 여기에서 압축기에서 토출되어 응축하기 위하여 방열되어 버려지는 열은 실내습도를 제어하는 제습운전에 활용하는 등 하나의 장치로 냉방과 제습운전 및 난방과 제상운전을 동시에 할 수 있도록 하기 위하여 히트펌프의 기본 기능에 제습과 제상, 가습기능을 더한 것이 항온항습기이다.

히트펌프 시스템의 구성에 대하여 간략히 설명하면, 압축기는 저온 저압의 기체 냉매를 압축하여 고온 고압의 냉매로 만들어 응축기로 이송하는 역할을 하고, 응축기에서는 송풍기를 이용하여 외기와 열교환함으로써 냉매가 응축되어 냉각되면서 주위에 열을 방출하며, 증발기는 실내 주변의 열을 흡수하여 고압의 액체 냉매가 기체 냉매로 바뀌면서 열교환되어 실내공기의 온도를 낮게 조절하게 되며, 증발기를 지나면서 저온 저압의 기체가 된 냉매는 다시 압축기로 이송되게 된다.

압축기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브 등을 순환하는 냉매가 유체(기체, 액체 등)와 열교환하여 난방과 냉방이 이루어지도록 하는 히트펌프 시스템의 냉방 작동원리를 보면, 증발기를 통과하는 액체 냉매가 실내공기로부터 열을 빼앗아 증발하는 동시에 열을 빼앗긴 실내공기가 차가운 상태로 되어 순환되도록 함으로써 실내 냉방이 이루어진다. 또, 히트펌프 시스템의 난방 작동원리를 보면, 압축기에서 토출된 고온 고압의 가스 상태 냉매가 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)로 이송되어 실내측 공기와 열교환을 함으로써 실내 난방이 이루어지게 된다.

이와 같은 히트펌프 시스템을 사용한 항온항습기에 대하여는 특허등록 제1988495호 "냉방, 급탕 및 항온항습 성능이 증대되는 히트펌프 시스템", 특허등록 제2032090호 "에너지 절약형 히트펌프 항온항습 공조기", 특허등록 제2524302호 "히트펌프 항온항습 공조기" 등 많은 기술이 출현하였다.

그런데, 히트펌프 시스템에서 겨울철 난방운전시 실외온도가 낮고 눈이 오는 등 습도가 높은 환경에서는 실외응축기에서 낮은 온도로 열교환되기 때문에 실외응축기에서 제거해야 할 냉방부하가 적어 압력과 온도가 낮아 성에가 발생되어 적상(積霜)된다. 특히 한냉지역(영하 15℃ 이하)에서는 이러한 적상으로 인하여 난방효과가 더욱 저하되고, 성에를 제거하기 위한 제상(除霜)운전을 하게 되면 기존 히트펌프 시스템의 냉·난방 사이클에서는 냉방사이클로 전환하여 응축열로 성에를 제거하기 때문에 그동안 실내의 난방효과가 떨어지고, 제상을 하는 동안 난방을 할 수 없기 때문에 많은 불편을 유발한다는 문제가 있다.

이와 같이 히트펌프 시스템에서 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 성에가 발생하여 난방효과가 저하되는 문제를 해결하기 위하여 시스템을 보완하는 등 다양한 방식의 많은 기술개발이 이루어지고 있는데, 일단 성에가 발생하게 되면 성에를 제거(제상)하기 위하여 냉방사이클로 전환하여 응축열로 성에를 제거한 뒤 난방을 하도록 시스템을 구성하고 있는 것이 일반적인 방식이다.

겨울철 난방운전을 하면서 성에가 발생하게 되면 실내 난방효과가 떨어지고 COP(coefficient of performance, 성능계수)가 저하하게 된다. 따라서 겨울철 실외온도가 낮아지면서 눈이 오는 등 외기에 습도가 높아지면 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에서 성에가 자주 발생되어 난방효과가 더욱 떨어지게 되는 문제를 해결하고 제상운전을 하는 동안에도 지속적인 실내 난방운전이 가능한 시스템 개발이 절실하다고 하겠다.

또한, 겨울철 온도가 낮은 한냉지역에서는 실외응축기에 성에가 많이 적상되어 난방효과가 더욱 떨어지는데, 기존 히트펌프 시스템에서는 한냉지역의 난방효과를 보상하기 위하여 실내증발기 주위에 전기히터를 설치하여 난방을 하기 때문에 소비전력이 많이 소요되고 있다는 현실적인 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 실외기에 제상열교환기(defrost coil)를 설치하고 인버터 압축기와 연동시키며, 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 인버터 압축기를 인버팅운전 함으로써 고온의 냉매에서 추가로 얻어지게 되는 열원을 제상열교환기로 보내서 열교환된 열기로 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상(積霜)된 성에를 제거하도록 하여, 성에를 제거하는 동안에도 지속적인 실내 난방운전이 가능하여 난방효율을 높일 수 있는, 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 겨울철 온도가 낮은 한냉지역에서도 난방효과를 높이기 위하여 실내증발기(난방운전시 응축기 역할) 주위에 전기히터를 연결하지 않고 압축기를 인버팅운전을 하도록 함으로써 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에서 증발부하를 높여 실내 난방효과를 높일 수 있는, 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기는, 인버터 압축기와, 인버터 압축기와 연결된 사방변(4-way valve), 사방변과 연결된 실외열교환기 및 실외응축기, 실외응축기와 연결된 제1팽창밸브, 실외열교환기와 실외응축기 및 제1팽창밸브와 연결된 실외측 수액기를 포함하여 구성된 실외기; 상기 사방변과 연결된 실내열교환기 및 실내증발기, 사방변과 실내열교환기 사이에 설치된 재열솔레노이드밸브(RH-SV), 실내증발기와 연결된 제2팽창밸브, 실외측 수액기와 연결되면서 실내열교환기와 실내증발기 및 제2팽창밸브와 연결된 실내측 수액기를 포함하여 구성된 실내기를 구비하여 구성되어, 각 구성을 연결하는 냉매배관을 유동하는 냉매의 유동을 제어하여 냉방사이클, 냉방 및 제습사이클, 난방사이클, 난방 및 제상사이클 기능을 구현하게 되며, 상기 실외측 및 실내측 수액기는 4-웨이(4-way) 수액기이며, 각 수액기는 냉매배관을 흐르는 냉매가 합류하게 되는 지점에 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 냉방사이클은, 실외기에 설치된 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실외응축기 및 실외열교환기로 이송된 후 열교환되어 냉각된 냉매가 실외측 수액기로 이송되고, 상기 실외측 수액기의 냉매가 실내측 수액기로 이송된 후 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

바람직하게는, 냉방 및 제습(re-heating)사이클은 냉방사이클과 제습사이클이 동시에 이루어지게 되며, 상기 냉방사이클은, 실외기에 설치된 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실외응축기와 실외열교환기로 이송된 후 열교환되어 냉각된 냉매가 실외측 수액기로 이송되고, 상기 실외측 수액기의 냉매가 실내측 수액기로 이송된 후 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되고, 상기 제습사이클은, 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내기의 실내열교환기로 이송되어 열교환되면서 습공기의 온도를 높이고 건조시켜 실내습도를 낮춰 주고 실내측 수액기로 이송되며, 실외측 수액기에서 이송되어 온 실외응축기에서 응축된 냉매와 실내측 수액기에서 합류하여, 실내측 수액기에서 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

바람직하게는, 난방사이클은, 실외기의 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내증발기로 이송된 후 열교환되어 따뜻한 공기를 실내로 유입시킨 후 실내측 수액기로 이송되고, 상기 실내측 수액기의 냉매가 실외측 수액기로 이송된 후 제1팽창밸브를 거쳐 실외응축기로 이송되고, 실외응축기에서 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

바람직하게는, 난방 및 제상사이클은 실내난방을 하다가 실외응축기에 성에가 적상되면 난방사이클과 제상사이클이 동시에 이루어지게 되며, 상기 난방사이클은, 실외기의 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내증발기로 이송된 후 열교환되어 따뜻한 공기를 실내로 유입시킨 후 실내측 수액기로 이송되고, 실내측 수액기의 냉매가 실외측 수액기로 이송된 후 제1팽창밸브를 거쳐 실외응축기로 이송되고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되고; 제상사이클은, 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 실외기의 실외열교환기로 이송되어 열교환된 열원으로 실외응축기에 적상된 성에를 제거한 후 응축된 냉매는 실외측 수액기로 이송되며, 실외측 수액기에서 실내측 수액기로부터 이송된 냉매와 합쳐져서 제1팽창밸브와 실외응축기를 거쳐 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

바람직하게는, 실외기의 실외응축기에 적상(積霜)된 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 센싱된 결과에 따라 인버터 압축기의 회전수를 정상운전보다 회전수를 높여서 인버팅운전하도록 제어되며, 인버터 압축기의 정상운전에 따른 고온 고압의 냉매는 실내기의 실내증발기로 이송되어 실내 난방을 하고, 인버팅운전으로 인해 추가로 얻어지는 고온 고압의 냉매는 실외기의 실외열교환기로 이송되어 열교환되면서 발생한 열원으로 제상을 하도록 제어된다.

바람직하게는, 실외측 및 실내측 수액기는 4-웨이(4-way) 수액기이며, 수액기 탱크에서 냉매를 배출시키는 배관은 수액기 탱크의 바닥면 부근까지 설치되어 순수한 액 냉매만 배출시키게 된다.

본 발명에 따른 항온항습기는, 실외기의 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상된 성에를 제거하기 위한 실외열교환기(Defrost coil)를 설치하고 인버터 압축기와 연동하도록 제어되며, 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상된 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 인버터 압축기의 회전수를 높이는 인버팅운전을 하도록 제어되기 때문에, 인버터 압축기를 정상운전(60㎐)하면서 냉매로부터 얻어지는 열원은 실내 난방운전에 사용하고, 제상을 위하여 인버팅운전(61∼80㎐)을 하면서 고온 고압의 냉매에서 추가로 얻어지게 되는 열원은 실외열교환기로 보내서 열교환하여 얻어지는 열원을 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상(積霜)된 성에를 제거하는데 사용하게 되므로, 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 성에가 제거되고, 성에를 제거하는 동안에도 정상적인 실내 난방운전이 가능하게 된다. 실외열교환기에서 열교환된 열원으로 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상된 성에가 제상되면서 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)의 증발부하를 상승시켜 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)에서 난방효과가 상승되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 난방운전시 한냉지역(영하 15℃ 이하)에서도 난방시스템의 효과를 높일 수 있는 메인 콘트롤러의 제어프로그램으로 압축기의 회전수를 제어(인버팅운전)하여 열악한 환경에서도 난방효과를 유지할 수 있고 여름철 냉방과 제습, 겨울철 난방과 제상운전에 있어서 실내 부분부하와 계절 부하에 대응하여 에너지 절감과 효율을 현저하게 높일 수 있다.

또한, 제습운전시 재열(re-heating) 열원으로 전기히터를 사용하지 않고, 실내기에 재열코일(re-heating coil)이 구비된 실내열교환기를 설치하여 방열되어 버려지는 실외기의 응축열을 기존 제습기의 전기히터 대용으로 활용하여 실내증발기에서 열교환 된 온도가 낮고 포화습공기의 온도를 높이고 건조시켜 실내로 유입되는 실내공기의 상대습도를 낮게 하는 제습(除濕)에 활용함으로써 소비전력과 운전비용을 현저하게 줄일 수 있다.

도 1은 히트펌프 사이클을 적용하여 냉방운전시의 항온항습기의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 2는 히트펌프 사이클을 적용하여 냉방 및 제습운전시의 항온항습기의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 3은 히트펌프 사이클을 적용하여 난방운전시의 항온항습기의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 4는 히트펌프 사이클을 적용하여 난방 및 제습운전시의 항온항습기의 작동상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 항온항습기의 기술적 특징은, 실외기 유닛에 제상코일(defrost coil)이 구비된 실외열교환기를 설치하여 인버터 압축기와 연동시키고, 인버터 압축기를 인버팅운전하면서 추가로 얻어지게 되는 열원을 실외열교환기로 보내서 열교환하면서 얻어지는 열기를 실외응축기(난방시 증발기 역할)에 적상(積霜)된 성에를 제거하는 열원으로 사용하도록 함으로써, 성에를 제거하는 동안에도 정상적인 실내 난방운전이 가능하게 했다는 점이다.

본 발명의 명세서에서 '인버팅운전'이란 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 적상된 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 센싱된 결과에 따라 인버터 압축기의 정상운전(60㎐)보다 회전수를 높여서 61∼80㎐의 회전수로 운전하도록 제어되는 상태를 말한다. 또, 실외응축기 및 실내증발기는 공조기에서 사용되는 통상의 열교환기인데, 그 기능에 따라 명칭을 구분하였으며, 실외응축기와 실내증발기는 냉방사이클에서 응축기와 증발기의 역할을 하고, 난방사이클에서 실외응축기와 실내증발기는 시스템 구성에 따라 증발기와 응축기의 역할을 하게 된다. 그리고 실내열교환기(re-heating coil)는 제습운전시 재열(re-heating) 열교환기로 활용되고, 실외열교환기(defrost coil)는 난방운전시 실외응축기(난방시 증발기 역할)에 성에가 적상되면 성에를 제거하기 위하여 제상을 위한 열교환기의 역할을 하게 된다.

본 발명의 항온항습기는 실외기(10)와 실내기(20)로 구분되는데, 실외기(10)에는 어큐뮬레이터(112)가 구비된 인버터 압축기(11)와, 인버터 압축기(11)와 연결된 사방변(4-way valve)(12), 사방변(12)과 연결된 실외열교환기(13) 및 실외응축기(14), 실외응축기(14)와 연결된 제1팽창밸브(15), 실외열교환기(13)와 실외응축기(14) 및 제1팽창밸브(15)와 연결된 실외측 수액기(16)를 포함하여 구성된다.

실내기(20)는 사방변(12)과 연결된 실내열교환기(23) 및 실내증발기(24), 실내증발기(24)와 연결된 제2팽창밸브(25), 실외측 수액기(16)와 연결되면서 실내열교환기(23)와 실내증발기(24) 및 제2팽창밸브(25)와 연결된 실내측 수액기(26)를 포함하여 구성된다. 각 구성을 연결하는 냉매배관에는 다수의 솔레노이드밸브를 설치하여 냉매배관을 유동하는 냉매의 유동을 제어하여 냉방사이클, 냉방 및 제습사이클, 난방사이클, 난방 및 제상사이클 기능을 구현하게 된다.

도 1을 참조하여 냉방사이클을 설명한다. 냉방사이클은, 실외기에 설치된 인버터 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변(12)을 거쳐 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14) 및 실외열교환기(13)로 이송된 후 각각 열교환되어 냉각된 냉매가 실외측 수액기(16)로 이송되고, 실외측 수액기(16)의 냉매가 실내측 수액기(26)로 이송된 후 제2팽창밸브(25)를 거치면서 저온 저압의 냉매로 된 상태에서 실내증발기(24)로 이송되어 송풍팬(미도시)에 의해 열교환된 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 증발기에서 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변(12)으로 이송된 다음 어큐뮬레이터(112)를 거쳐 인버터 압축기(11)로 이송되는 사이클을 순환하게 된다. 미설명부호 111은 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가스에 포함되어 있는 오일 등을 분리해 주는 유분리기(oil separator)이다.

사방변(4-way valve)(12)은 밸브 내부에 설치되어 있는 솔레노이드를 이용하여 블록을 움직여서 냉매의 방향을 실외기 또는 실내기로 방향전환을 하여 냉방과 난방을 할 수 있도록 해 주는데, 냉방사이클의 경우 인버터 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매를 실외기의 응축기 쪽으로 유동하도록 해주고, 난방사이클의 경우 실내기의 증발기(난방운전시 응축기 역할) 쪽으로 유동하도록 해준다(각 사이클에서 사방변(12)의 유로 개폐방향은 첨부된 도면에 기재한 valve control 참조).

실외측 수액기(16) 및 실내측 수액기(26)는 4-웨이 수액기(4-way receiver tank)이며, 4-웨이 수액기를 적용하고 수액기 탱크에서 냉매를 유출시키는 배관은 수액기 탱크의 바닥면 부근까지 깊게 설치해 주는 것이 바람직하다. 배관을 지속적으로 순환하는 냉매에서는 버블이 발생하고 후레쉬가스가 발생하여 수액기 탱크에 모이게 되고, 이러한 버블과 후레쉬가스가 수액기 탱크의 상부에 뜨면서 액 냉매는 탱크의 하부에 모이게 되므로, 냉매를 수액기 탱크에서 외부로 유출시키는 배관을 수액기 탱크의 바닥면 부근까지 깊게 설치해 줌으로써 순수한 액 냉매만 팽창밸브로 이송시켜 냉방운전과 난방운전의 효율을 높이고 안정적인 사이클을 유지할 수 있게 해준다. 또한, 수액기에 유출 및 유입구가 4군데인 4-웨이 수액기를 사용하지 않으면 냉매배관 설비가 훨씬 복잡하게 배관되어야 하지만, 4-웨이 수액기를 사용함으로써 냉매배관을 간단하고 단순하게 할 수 있으며, 설비비용을 훨씬 줄일 수 있게 된다. 미설명부호 161, 261은 냉매에 포함된 이물질 등을 필터링해 주기 위한 필터드라이어(filter dryer)이다.

실외열교환기(13)에는 제상코일(Defrost Coil)이 구비되어 있는데, 냉방운전시 제상코일은 응축 전열 면적(응축기 + 제상코일)을 크게 하여 응축냉매의 온도를 낮게 해줌으로써 냉방효과를 높일 수 있도록 사이클을 구성해 주게 된다. 이는 냉방사이클에서, 인버터 압축기(11)에서 토출되는 고온 고압의 냉매가스가 실외응축기(14) 쪽으로 유입되고, 실외응축기(14) 쪽으로 설치된 배관에서 분기된 배관에 설치된 냉방보조솔레노이드밸브(Cooling Help Solenoid valve, CH-SV)(1)를 개방하여 제상코일이 구비된 실외열교환기(13)에 고온 고압의 핫가스(Hot gas) 냉매를 동시에 유입시켜 응축기에서 방열되어 버려야 되는 열교환 전열면적을 증대시켜 실질적으로 실외응축기(14) 면적 + 실외열교환기(13)로 열교환 면적이 확대되어 응축냉매의 온도가 더 낮아져서 냉각효과를 높이게 되므로 냉방효과를 더 상승시킬 수 있게 된다.

도 2를 참조하여 냉방 및 제습사이클을 설명한다. 일반적으로 냉방운전을 하다가 실내습도가 설정습도보다 높아지게 되면 제습효과를 높이기 위해서는 냉방운전과 제습운전을 동시에 시행하는 것이 바람직하며, 냉방사이클은 앞에서 설명한 것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

제습사이클은, 냉방운전 + 재열(re-heating) 운전으로 냉방사이클로 운전을 하면서 인버터 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변(12)을 거쳐 재열솔레노이드밸브(Reheat Solenoid Valve, RH-SV)(4)가 개방되면서 실내기의 실내열교환기(23)로 이송되어, 실내증발기(24)에서 열교환된 온도가 낮은 포화습공기의 온도를 높이고 건조시켜 실내로 유입되는 공기의 상대습도를 낮게 하여 실내습도를 낮춰 주고, 응축된 액냉매는 실내측 수액기(26)로 이송되며, 실외응축기(14)에서 응축된 냉매가 실외측 수액기(16)로부터 이송되어 실내측 수액기(26)에서 합류하여 실내측 수액기(26)와 제2팽창밸브(25) 사이의 배관에 설치된 냉방솔레노이드밸브(Cooling Solenoid Valve, CL-SV)(3)가 개방되면서 실내측 수액기(26)에서 제2 팽창밸브(25)를 거쳐 실내증발기(24)로 이송되어 송풍팬(미도시)에 의해 증발기에서 열교환된 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변(12)으로 이송된 다음 인버터 압축기(11)로 이송되는 사이클을 순환하게 된다. 미설명 부호 231은 가습기이다.

냉방운전을 하면서 인버터 압축기(11)에서 토출되는 고온 고압의 핫가스(Hot gas)는 재열솔레노이드밸브(RH-SV)(4)를 개방하여 재열코일(Re-heating Coil)이 구비된 실내열교환기(23)로 이송되고 열교환되어, 실내증발기(24)에서 열교환된 온도가 낮은 습공기를 온도를 높이고 실내습도를 낮게 하는 제습 목적의 재열(Re-heating) 열원으로 활용되어 냉방운전을 하면서 제습 목적을 동시에 달성할 수 있어서 소비전력을 줄이고 제습효과를 높일 수 있게 된다. 재열솔레노이드밸브(RH-SV)(4)는 실내의 습공기를 제거하여 상대습도를 낮게 관리 유지하기 위한 밸브로서 실내의 제습부하에 맞추어 재열(re-hrating)열원으로 사용하는 핫가스 냉매량을 실내 제습부하에 따라 비례제어 또는 on/off 제어하는 밸브이다.

기존의 상업용 제습기에서는 재열(Re-heating) 열원으로 전기히터를 사용하여 제습운전을 하기 때문에 소비전력과 운전비용이 많이 발생되며 제습효과도 낮다. 하지만, 본 발명에서는 제습운전시 재열 열원으로 전기히터를 사용하지 않고 냉매가 응축하기 위하여 방열되어 버려지는 응축열 핫가스의 열원을 활용함으로써 소비전력과 운전비용을 기존 상업용 제습기와 비교하여 50% 이상 줄일 수 있으며, 인화점 및 발화점 이하의 응축열을 열원으로 사용하기 때문에 화재로부터 안전하여 인명피해와 재산피해의 우려가 거의 없으며, 지구온난화의 주범인 온실가스 발생량도 기성 제품과 비교하여 50% 이상 줄일 수 있어서 국가 탈탄소정책에도 부합된다.

도 3을 참조하여 난방사이클을 설명한다. 난방사이클은, 실외기의 인버터 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변(12)을 거쳐 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)(24)로 이송된 후 열교환되어 송풍팬(미도시)에 의해 따뜻한 공기를 실내로 유입시킨 후, 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)(24)에서 실내공기와 열교환하여 응축된 냉매는 실내측 수액기(26) 사이에 설치된 제2난방솔레노이드밸브(Heating Solenoid Valve, HT-SV2)(5)가 개방되면서 실내측 수액기(26)로 이송되고, 실내측 수액기(26)의 냉매가 실외측 수액기(16)로 이송된 후 실외측 수액기(16)와 제1팽창밸브(15) 사이에 설치된 제1난방솔레노이드밸브(Heating Solenoid Valve, HT-SV1)(6)가 개방되면서 제1팽창밸브(15)를 거쳐 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)로 이송된 후 외기와 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변(12)으로 이송된 다음 인버터 압축기(11)로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

도 4를 참조하여 난방 및 제상사이클을 설명한다. 난방운전시 외기온도가 낮고 외기습도가 높으면 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에서 낮은 온도로 열교환되기 때문에 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에서 제거해야 할 냉방부하가 적어 압력과 온도가 낮아 주변의 공기중 수증기가 응결되어 성에가 발생되어 적상(積霜)되게 된다. 이와 같은 적상으로 인하여 난방효율이 더욱 저하되기 때문에 성에를 제거하기 위한 제상운전을 해줘야 한다. 이와 같은 제상운전을 위해 기존 히트펌프 냉·난방 사이클에서는 냉방사이클로 전환하여 응축열로 성에를 제거하기 때문에 실내에서 난방효과가 낮아지고 제상을 하는 동안 난방을 할 수 없다는 문제가 있었으나, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결했다는 것이 가장 큰 기술적 특징이다.

난방 및 제상사이클에서는 난방사이클과 제상사이클이 동시에 이루어지게 되는데, 난방사이클은 도 3에서 설명한 것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략하고 제상사이클에 대하여만 설명한다. 제상사이클은 난방운전 중 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)에 성에가 적상되면 난방효과가 낮아지는 것을 방지하기 위하여 제상운전을 하게 되는 사이클이다,

제상사이클은, 인버터 압축기(11)와 실외열교환기(defrost coil)(13) 사이에 설치된 제상솔레노이드밸브(Defrost Solenoid Valve, DF-SV)(7)가 개방되면서 인버터 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가스가 실외기의 실외열교환기(13)로 이송되어 열교환된 열원으로 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상된 성에를 제거하고, 응축냉매는 실외측 수액기(16)로 이송되며, 실외측 수액기(16)에서 난방운전을 하면서 실내측 수액기(26)로부터 이송된 냉매와 합쳐져서 제1팽창밸브(15)와 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)를 거치고 사방변(12)으로 이송된 다음 인버터 압축기(11)로 이송되는 사이클을 순환하게 된다.

제상솔레노이드밸브(DF-SV)(7)는 겨울철 난방운전시 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상되어 있는 성에를 제거하기 위하여 밸브의 개도를 비례제어 또는 on/off 제어하는 구성이다. 제상솔레노이드밸브(DF-SV)(7)는 난방운전시 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에서 성에가 발생되어 적상 정도에 따라 열교환기 내에 차압이 발생되는 것을 차압센서에 의해 감지하고, 성에가 발생되면 냉매의 증발온도가 낮아지는 것을 온도센서에 의해 감지하여, 차압과 온도 감지에 의해 성에의 적상 상태를 입력 받아 실내기 내의 컨트롤러 메인보드에서 인버터 압축기의 기동성 부하를 제어할 수 있도록 시스템이 구성된다. 인버터 압축기(11)에서 토출되는 고온 고압의 핫가스 열원을 실외열교환기(13)로 유입시켜 제상코일(Defrost coil)에서 열교환된 온도가 높은 공기 열원으로 실외열교환기(13)와 근접하여 설치된 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상된 성에를 제상(除霜)하면서, 실외열교환기(13)에서 응축 액화된 냉매가 실외측 수액기(16)로 보내지면서 사이클을 구성하여 운전하게 된다.

이와 같이 제상운전에서 실외기의 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상(積霜)된 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 센싱된 결과에 따라 인버터 압축기(11)의 회전수를 정상운전보다 회전수를 높여서 인버팅운전하도록 제어되며, 인버터 압축기(11)의 정상운전에 따른 고온 고압의 냉매는 실내기의 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)(24)로 이송되어 실내 난방을 하고, 인버팅운전으로 인해 추가로 얻어지는 고온 고압의 냉매는 실외기의 실외열교환기(13)로 이송되어 열교환되면서 발생한 열원으로 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상된 성에를 제상하도록 제어된다. 따라서 제상을 하는 동안에도 실내 난방은 정상적으로 계속 이루어지게 된다는 것이 본 발명의 가장 큰 기술적 특징이다.

부연하여 설명하면, 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에서 성에가 발생하게 되면 열교환기 내부에 차압이 발생되고 저온 저압의 냉매온도가 낮아지게 되는데, 성에 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 제상이 필요할 경우 인버터 압축기(11)를 인버팅(회전수를 상승시킴)하여 60㎐(정상운전시의 주파수)에서 61∼80㎐로 기동하게 되며, 60㎐에 해당하는 핫가스 냉매는 실내증발기(난방운전시 응축기 역할)(24)로 보내져서 실내 난방용으로 사용하고, 61∼80㎐로 주파수를 높여서 얻어지는 15∼25%의 핫가스 냉매 열원을 성에를 제거하는 제상운전을 할 수 있도록 제상솔레노이드밸브(DF-SV)(7)를 통해 실외열교환기(13)로 보내 열교환된 뜨거운 열원은 실외응축기(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상된 성에를 제거하는데 사용된다. 즉 인버터 압축기(11)에서 인버팅운전으로 추가로 얻어지는 15∼25%의 토출되는 핫가스 열원은 제상을 하기 위하여 실외열교환기(13)의 제상코일(Defrost Coil)에서 뜨거운 공기로 열교환되며, 열교환된 뜨거운 공기가 실외응축(난방운전시 증발기 역할)(14)에 적상된 성에를 제거하면서 증발부하를 상승시키고 응축온도가 높아져 실내에서 난방효과를 상승시키는 역할을 하게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 냉방보조솔레노이드밸브(Coooling Help Solenoid Valve, CH-SV)
2 : 리퀴드솔레노이드밸브(Liquid Solenoid Valve, LQ-SV)
3 : 냉방솔레노이드밸브(Cooling Solenoid Valve, CL-SV)
4 : 재열솔레노이드밸브(Reheat Solenoid Valve, RH-SV)
5 : 제2난방솔레노이드밸브(Heating Solenoid Valve, HT-SV2)
6 : 제1난방솔레노이드밸브(Heating Solenoid Valve, HT-SV1)
7 : 제상솔레노이드밸브(Defrost Solenoid Valve, DF-SV)
10 : 실외기 11 : 인버터 압축기
111 : 오일세퍼레이터 112 : 어큐뮬레이터
12 : 사방변(4-way valve) 13 : 실외열교환기(defrost coil)
14 : 실외응축기 15 : 제1팽창밸브
16 : 실외측 수액기 161 : 필터드라이어
20 : 실내기 23 : 실내열교환기(re-heating coil)
231 : 가습기 24 : 실내증발기
25 : 제2팽창밸브 26 : 실내측 수액기
261 : 필터드라이어

Claims

인버터 압축기와, 인버터 압축기와 연결된 사방변(4-way valve), 사방변과 연결된 실외열교환기 및 실외응축기, 실외응축기와 연결된 제1팽창밸브, 실외열교환기와 실외응축기 및 제1팽창밸브와 연결된 실외측 수액기를 포함하여 구성된 실외기;
상기 사방변과 연결된 실내열교환기 및 실내증발기, 사방변과 실내열교환기 사이에 설치된 재열솔레노이드밸브(RH-SV), 실내증발기와 연결된 제2팽창밸브, 실외측 수액기와 연결되면서 실내열교환기와 실내증발기 및 제2팽창밸브와 연결된 실내측 수액기를 포함하여 구성된 실내기;
를 구비하여 구성되어,
각 구성을 연결하는 냉매배관을 유동하는 냉매의 유동을 제어하여 냉방사이클, 냉방 및 제습사이클, 난방사이클, 난방 및 제상사이클 기능을 구현하게 되며,
상기 실외측 및 실내측 수액기는 4-웨이(4-way) 수액기이며, 각 수액기는 냉매배관을 흐르는 냉매가 합류하게 되는 지점에 설치된 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제1항에 있어서,
상기 냉방사이클은, 실외기에 설치된 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실외응축기 및 실외열교환기로 이송된 후 열교환되어 냉각된 냉매가 실외측 수액기로 이송되고,
상기 실외측 수액기의 냉매가 실내측 수액기로 이송된 후 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제1항에 있어서,
상기 냉방 및 제습(re-heating)사이클은 냉방사이클과 제습사이클이 동시에 이루어지게 되며,
상기 냉방사이클은, 실외기에 설치된 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실외응축기와 실외열교환기로 이송된 후 열교환되어 냉각된 냉매가 실외측 수액기로 이송되고, 상기 실외측 수액기의 냉매가 실내측 수액기로 이송된 후 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되고,
상기 제습사이클은, 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내기의 실내열교환기로 이송되어 열교환되면서 습공기의 온도를 높이고 건조시켜 실내습도를 낮춰 주고 실내측 수액기로 이송되며, 실외측 수액기에서 이송되어 온 실외응축기에서 응축된 냉매와 실내측 수액기에서 합류하여, 실내측 수액기에서 제2팽창밸브를 거쳐 실내증발기로 이송되어 차가운 공기를 실내로 유입시키고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제1항에 있어서,
상기 난방사이클은, 실외기의 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내증발기로 이송된 후 열교환되어 따뜻한 공기를 실내로 유입시킨 후 실내측 수액기로 이송되고,
상기 실내측 수액기의 냉매가 실외측 수액기로 이송된 후 제1팽창밸브를 거쳐 실외응축기로 이송되고, 실외응축기에서 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제1항에 있어서,
상기 난방 및 제상사이클은 실내난방을 하다가 실외응축기에 성에가 적상되면 난방사이클과 제상사이클이 동시에 이루어지게 되며,
상기 난방사이클은, 실외기의 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 사방변을 거쳐 실내증발기로 이송된 후 열교환되어 따뜻한 공기를 실내로 유입시킨 후 실내측 수액기로 이송되고, 실내측 수액기의 냉매가 실외측 수액기로 이송된 후 제1팽창밸브를 거쳐 실외응축기로 이송되고, 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되고,
제상사이클은, 인버터 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가 실외기의 실외열교환기로 이송되어 열교환된 열원으로 실외응축기에 적상된 성에를 제거한 후 응축된 냉매는 실외측 수액기로 이송되며, 실외측 수액기에서 실내측 수액기로부터 이송된 냉매와 합쳐져서 제1팽창밸브와 실외응축기를 거쳐 열교환된 저온 저압의 냉매는 사방변으로 이송된 다음 인버터 압축기로 이송되는 사이클을 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제5항에 있어서,
실외기의 실외응축기에 적상(積霜)된 성에의 정도와 냉매의 온도를 센싱하여 센싱된 결과에 따라 인버터 압축기의 회전수를 정상운전보다 회전수를 높여서 인버팅운전하도록 제어되며,
상기 인버터 압축기의 정상운전에 따른 고온 고압의 냉매는 실내기의 실내증발기로 이송되어 실내 난방을 하고, 인버팅운전으로 인해 추가로 얻어지는 고온 고압의 냉매는 실외기의 실외열교환기로 이송되어 열교환되면서 발생한 열원으로 제상을 하도록 제어되어 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.
제1항에 있어서,
상기 실외측 및 실내측 수액기는 4-웨이(4-way) 수액기이며, 수액기 탱크에서 냉매를 배출시키는 배관은 수액기 탱크의 바닥면 부근까지 설치되어 순수한 액 냉매만 배출시키게 되는 것을 특징으로 하는 인버터 압축기를 이용한 고효율 항온항습기.