KR19990029909A - 히트 펌프식 공기조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 있어서, 단일냉매 또는 공비냉매를 사용하였을 경우와 동등한 냉방·난방성능을 확보하고, 또한 값싸고 냉방시 및 난방시의 각각에 적합한 냉방 및 난방성능을 얻는 것을 과제로 한다.

본 발명에 있어서는, 압축기, 공기쪽 열교환기, 물쪽 열교환기, 팽창밸브, 전환밸브를 배관으로 접속하여 냉동사이클을 구성하고, 냉매로서 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 있어서, 세 개의 사방전환밸브의 전환에 의하여, 공기쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 냉방시와 난방시 모두 한 방향으로 함으로써 공기의 흐름과 냉매의 흐름을 항상 대향흐름으로 함과 동시에, 상기 팽창밸브에 대하여 냉방시와 난방시에 반대방향으로부터 냉매가 흐르는 구성으로 하고, 상기 팽창밸브는 냉매의 흐름 방향에 의하여 냉방시와 난방시의 냉동사이클에 각각 적합한 밸브특성을 가지는 구성으로 하였다.

Description

히트 펌프식 공기조화기

본 발명은, 냉매로서 비공비(非共沸) 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 관한 것이다.

종래의 히트 펌프식 공기조화기는, 압축기, 공기쪽 열교환기, 물쪽 열교환기, 팽창밸브, 사방전환밸브 등을 배관으로 접속하여 냉동사이클을 구성하고, 사방전환밸브를 전환함으로써, 냉매가 흐르는 공기쪽 열교환기, 팽창밸브, 물쪽 열교환기의 순서를 반대로 하여 냉방 및 난방을 행할 수 있도록 구성된 것이 있다. 이 냉동사이클에서는, 냉방과 난방을 전환하였을 경우, 공기쪽 열교환기를 흐르는 냉매 방향이 반대로 된다. 여기서, 피냉각유체 또는 피가열유체가 되는 공기의 흐름은, 열교환기의 구조상 항상 한 방향이다. 따라서, 냉방 또는 난방 중의 어느 쪽의 운전시에 냉매와 공기의 흐름이 서로 동일 방향으로 흐르는 병행흐름이 된다.

이와 같은 히트 펌프식 공기조화기에 있어서, 냉매로서 비공비 혼합냉매를 사용하면, 비공비 혼합냉매는 냉동사이클 응축공정의 기액혼합영역(2상 영역)에서 동일응축압력시, 포화증기선 상의 응축온도가 가장 높고, 포화액선 상의 응축온도가 가장 낮은 성질을 갖는 온도구배가 있는 냉매이기 때문에, 공기쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향과 공기의 흐름이 병행흐름이 되는 경우에는, 단일냉매 또는 공비냉매와 비교하여, 열교환기의 전열성능 저하, 또한 히트 펌프식 공기조화기로서의 냉방·난방능력 저하가 현저해진다는 문제가 있었다.

이 때문에, 비공비 혼합냉매를 사용할 경우, 단일냉매 또는 공비냉매와 동등 정도의 성능을 확보하기 위해서는, 냉방시와 난방시 모두, 비공비 혼합냉매의 온도구배특성을 고려하여 냉매와 공기의 흐름을 대향흐름화로 하는 것이 생각되나, 이것에 관한 것으로서 일본국 특개 평9-196489호 공보에 기재된 것이 있다. 이 히트 펌프식 공기조화기는, 압축기, 실내열교환기, 실외열교환기, 감압기구, 사방전환밸브 등을 배관으로 접속하여 냉동사이클을 구성하고, 사방전환밸브를 전환함으로써, 실내열교환기를 흐르는 냉매의 방향이 냉방시, 난방시 모두 공기흐름과 대향흐름이 되도록 구성되어 있다. 그러나, 이 히트 펌프식 공기조화기는, 감압기구로서 2개의 냉방용 모세관, 1개의 난방용 모세관 및 1개의 역류방지밸브를 사용하고 있어, 구조가 복잡하고 비싼 것으로 되어 있었다. 또, 실외열교환기는, 공기와 열 교환하는 것이며, 물과 열 교환하는 것이 아니어서, 물쪽 열교환기에 있어서 비공비 혼합냉매를 사용하는 것에 관하여 충분한 배려가 이루어져 있지 않았다.

본 발명은, 비점이 다른 적어도 두 종류 이상의 물질을 혼합하여 이루어지는 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 있어서, 값싸고 또 소형으로, 냉방시 및 난방시의 각각에 알맞은 냉방 및 난방성능을 얻는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 히트 펌프식 공기조화기의 냉동사이클 계통도,

도 2는 동 냉동사이클에 사용하는 물쪽 열교환기의 분해 사시도,

도 3은 동 냉동사이클에 사용하는 팽창밸브의 단면 개략도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기 2 : 공기쪽 열교환기

3 : 물쪽 열교환기 4 : 팽창밸브

5, 6, 7 : 사방전환밸브

본 발명의 히트 펌프식 공기조화기는, 압축기, 공기쪽 열교환기, 물쪽 열교환기, 팽창밸브 및 사방전환밸브를 배관으로 접속하여 냉동사이클을 구성하고, 상기 냉동사이클을 흐르는 냉매로서 비점이 다른 적어도 두 종류 이상의 물질을 혼합하여 이루어지는 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식공기조화기에 있어서, 상기한 물쪽 열교환기는 복수 매의 플레이트로 칸막이된 공간에 냉매와 물을 번갈아 흐르게 하여 열 교환하는 구성으로 하며, 상기한 물쪽 열교환기의 냉매의 유통구는 상하에 설치하고, 상기 팽창밸브는 냉매의 흐름 방향에 따라 밸브특성이 다른 구성으로 하며, 상기한 사방전환밸브의 전환에 의하여, 상기한 공기쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 냉방시와 난방시 모두 한 방향으로 하여 공기의 흐름과 냉매의 흐름을 항상 대향흐름으로 하고, 상기 팽창밸브를 흐르는 냉매 방향을 냉방시와 난방시에 반대 방향으로 되는 구성으로 하며, 상기한 물쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 냉방시에는 하부에서 상부로, 난방시에는 상부에서 하부로 흐르는 방향으로 구성한 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 히트 펌프식 공기조화기의 냉동사이클 계통도이다. 그 냉동사이클은, 압축기(1), 공기쪽 열교환기(2), 물쪽 열교환기(3), 팽창밸브(4), 사방전환밸브(5, 6, 7)가 배관으로 접속되어 구성되어 있다. 공기쪽 열교환기(2)는, 송풍기에 의하여 유도되는 공기의 방향과 냉매의 흐름이 대향하도록 복수개의 냉매배관이 병렬로 설치되어 있다. 물쪽 열교환기(3)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수 매의 세로가 긴 플레이트(3a)를 횡으로 서로 중첩시켜 구성되고, 각 플레이트(3a)로 칸막이된 방 사이에 냉매와 물을 번갈아 병렬로 흐르도록 유로가 형성되어 있다. 물쪽 열교환기(3)의 냉매의 유통구(3b) 및 물의 유통구(3c)는, 열교환기쪽면을 구성하는 플레이트의 상하 끝단부에 각각 나란히 배치하여 설치되어 있다. 팽창밸브(4)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 냉매의 냉방시의 흐름 방향과 난방시의 흐름 방향에서는 유통저항이 다른 구성이며, 냉방시와 난방시의 냉동사이클에 각각 알맞은 밸브특성을 가지고 있다. 여기에서, 사방전환밸브(5, 6, 7)의 실선과 점선은, 각각 냉방시와 난방시의 상태를 나타낸다. 또, 도 1 중의 실선 화살표와 점선 화살표는, 각각 냉방시와 난방시의 냉매의 흐름 방향을 나타낸다. 냉동사이클 중을 흐르는 냉매는, 비점이 다른 적어도 두 종류 이상의 물질을 혼합하여 이루어지는 비공비 혼합냉매가 사용된다.

냉방시의 경우, 압축기(1)에 의해 압축된 고온고압의 가스냉매는, 사방전환밸브(5, 7)의 실선경로를 통하여, 공기쪽 열교환기(2)에 유입한다. 이 때, 냉매가스는, 송풍기에 의하여 유도된 공기와 대향흐름으로 흘러 열 교환하고, 고온고압 액냉매로 된다. 고온고압 액냉매는, 사방전환밸브(6)의 실선 경로를 통하여, 팽창밸브(4)에 실선으로 나타내는 방향으로 흘러 감압되고, 물쪽 열교환기(3)의 하단부 유통구(3b)로부터 유입된다. 그리고, 물쪽 열교환기(3)를 지나는 물과 열 교환하여, 저온저압 냉매로 되어 상단부 유통구(3b)로부터 유출된다. 이 물쪽 열교환기(3)에 있어서, 냉매는, 하부에서 상부로 상승하고, 인접하여 흐르는 물과 열 교환하여 기액 2상 상태에서 기상상태가 된다. 물쪽 열교환기(3)에서 나간 저온저압 냉매는, 사방전환밸브(5)의 실선 경로를 통하여, 압축기(1)로 복귀하는 냉동사이클이다.

난방시의 경우, 사방전환밸브(5, 6, 7)를 점선으로 나타내는 위치로 전환한다. 이것으로부터, 압축기(1)에 의해 압축된 고온고압의 가스냉매는, 사방전환밸브(5)의 점선경로를 통하여, 물쪽 열교환기(3)의 상단부 유통구(3b)로부터 유입된다. 이 때, 냉매가스는, 물쪽 열교환기(3)를 지나는 물과 열 교환하여, 고온고압 액냉매로 되어 상단부 유통구(3b)로부터 유출된다. 이 물쪽 열교환기에 있어서, 냉매는 상부로부터 하부로 흘러내리고, 인접하여 흐르는 물과 열 교환하여 기상상태에서 액상상태가 된다. 그 후, 고온고압 액냉매는, 팽창밸브(4)에 점선으로 나타낸 바와 같이 냉방시와는 반대 방향으로 흘러 감압되고, 사방전환밸브(6, 7)의 점선경로를 통하여 공기쪽 열교환기(2)로 유입된다. 그리고, 송풍기에 의하여 유도된 공기와 냉방시와 동일하게 대향흐름으로 흘러 열 교환하여, 저온저압 냉매로 되어, 사방전환밸브(6)의 점선경로를 통하여, 압축기(1)로 복귀하는 냉동사이클이다.

본 실시예에서는, 도 1의 실선 화살표와 점선 화살표로 나타낸 바와 같이, 세 개의 사방전환밸브(5, 6, 7)의 전환에 의하여, 공기쪽 열교환기(2)를 흐르는 냉매의 방향을, 냉방시와 난방시 모두 한 방향으로 할 수 있다. 이 때, 공기의 흐름과 냉매의 흐름을 항상 대향흐름으로 하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 냉매와 열 교환되는 공기와 냉매의 온도차를 확대할 수 있고, 비공비 혼합냉매를 사용하였을 경우에 있어서도, 단일냉매 또는 공비냉매를 사용하였을 경우와 동등한 충분한 냉방·난방성능을 확보할 수 있다. 또, 대향흐름화를 실현함에 있어서, 팽창밸브(4)에 대하여 냉방시와 난방시에 반대 방향으로부터 냉매를 흐르게 하고, 냉매의 흐름 방향에 의하여 냉방시와 난방시의 냉동사이클에 각각 알맞은 밸브특성을 가지는 팽창밸브(4)로 하였으므로, 값싸고, 냉방시 및 난방시의 각각에 알맞은 냉방 및 난방성능을 얻을 수 있다. 또한, 물쪽 열교환기(3)로서, 복수 매의 플레이트(3a)로 칸막이된 공간에 냉매와 물을 번갈아 흐르게 하여 열 교환하는 구성으로 하였으므로, 열교환성능이 좋고 소형화를 도모할 수 있다. 이 플레이트식 열교환기(3)를 실현함에 있어서, 냉매는, 물쪽 열교환기(3) 중을 냉방시에는 하부로부터 상부로 흐르고, 난방시에는 상부로부터 하부로 흐르도록 구성하였으므로, 냉방시의 기액 2상 상태에서 기상상태로의 변화 및 난방시의 기상상태로부터 액상태로의 변화를 원활하게 행할 수 있어, 냉방시 및 난방시의 각각에 알맞은 냉방 및 난방성능을 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 냉동사이클을 흐르는 냉매로서 비점이 다른 적어도 두 종류 이상의 물질을 혼합하여 이루어지는 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 있어서, 값싸고 또한 소형으로, 냉방시 및 난방시의 각각에 알맞은 냉방 및 난방성능을 가지는 히트 펌프식 공기조화기가 얻어진다.

Claims (3)

1. 압축기, 공기쪽 열교환기, 물쪽 열교환기, 팽창밸브 및 사방전환밸브를 배관으로 접속하여 냉동사이클을 구성하고, 상기 냉동사이클을 흐르는 냉매로서 비점이 다른 적어도 두 종류 이상의 물질을 혼합하여 이루어지는 비공비 혼합냉매를 사용한 히트 펌프식 공기조화기에 있어서,

   상기한 물쪽 열교환기는 복수 매의 플레이트로 칸막이된 공간에 냉매와 물을 번갈아 흐르게 하여 열 교환하는 구성으로 하며, 상기한 물쪽 열교환기의 냉매의 유통구는 상하에 설치하고, 상기 팽창밸브는 냉매의 흐름 방향에 따라 밸브특성이 다른 구성으로 하며, 상기 사방전환밸브의 전환에 의하여, 상기한 공기쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 냉방시와 난방시 모두 한 방향으로 하여 공기의 흐름과 냉매의 흐름을 항상 대향흐름으로 하고, 상기 팽창밸브를 흐르는 냉매 방향을 냉방시와 난방시에 반대 방향으로 되는 구성으로 하며, 상기한 물쪽 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 냉방시에는 하부에서 상부로, 난방시에는 상부에서 하부로 흐르는 방향으로 구성한 것을 특징으로 하는 히트 펌프식 공기조화기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 물쪽 열교환기는 다수매의 세로가 긴 플레이트로 칸막이된 공간에 냉매와 물을 번갈아 병렬로 흐르게 하여 열 교환하는 구성으로 하고, 상기한 물쪽 열교환기의 냉매 및 물의 유통구는 열교환기쪽면을 구성하는 플레이트의 상하 끝단부에 각각 나란히 배치하여 설치하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프식 공기조화기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 사방전환밸브를 냉동사이클에 세 개 접속하고, 이 세 개의 사방전환밸브의 전환에 의하여 냉방과 난방을 전환하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프식 공기조화기.