KR19990054935A - 태양 및 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

태양 및 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

난방운전시 태양에너지 뿐만아니라 외부 공기로부터 열을 흡수하여 외부 공기 온도가 낮을때에도 별도의 제상운전 없이 난방 운전이 가능하도록 하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

4개의 방향으로 냉매의 흐름을 위한 통로를 제공하는 사방변; 상기 사방변의 제1입출구측에 일측이 연결되며, 냉매 가스를 압축하는 압축기; 상기 사방변의 제2입출구측에 일측이 연결되며, 냉매와 물간의 열교환 기능을 수행하는 축열조; 상기 사방변의 제3 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매로의 흡열 및 외부로의 방열기능을 수행하는 실외 열교환기; 상기 사방변의 제4입출구측에 일측이 연결되며, 흡입된 가스 중 액체를 분리하고, 가스만을 상기 압축기로 제공하는 저압수액기; 및 상기 축열조와 실외 열교환기 사이에 연결되며, 유입된 냉매 중 기체의 냉매는 흐르지 못하도록 하고, 액체상의 냉매만을 흐르도록 하면서 냉매의 압력을 감소시키는 가소트랩을 구비한다.

4. 발명의 중요한 용도.

공기조화장치에 이용됨.

Description

태양 및 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치

본 발명은 태양 및 공기열원 히트펌프식 공기조화장치에 관한 것으로, 특히 난방운전시 태양에너지 뿐만아니라 외부 공기로부터 열을 흡수하여 외부 공기온도가 낮을때에도 제상운전 없이 난방 운전이 가능하도록 한 히트펌프식 공기조화장치에 관한 것이다.

도4 및 도5를 참조하여 종래의 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치에 대해 설명한다.

도4는 종래의 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치의 블럭 구성도로서, 도면에서 11은 압축기, 12는 유분리기, 13은 실외 열교환기, 14는 축열조, 15는 사방변, 16은 고압 수액기, 17은 저압 수액기를 각각 나타낸다.

도4에 도시된 바와 같이 종래의 히트펌프식 공기조화장치는 압축기(11)와 물과 열교환을 이루는 축열조(14), 유분리기(12), 실외 열교환기(13), 고압수액기(16), 저압수액기(17)를 구비하며, 축열조(14)와 고압수액기(16) 사이에는 제2 팽창변과 체크밸브를 갖춘 제1 바이패스회로가 분기되어 있고, 실외 열교환기(13)와 고압 수액기(16)사이에는 제1팽창변과 체크밸브를 갖춘 제2바이패스회로가 분기되어 있다.

이러한 종래의 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치의 난방 운전시의 동작을 살펴본다.

실외 열교환기(13)에 의해 대기로부터 열을 집약해서 증발된 냉매가스는 사방변(15)을 통과하여 저압 수액기(17)로 유입된다. 저압 수액기(17)는 기체상의 냉매만이 압축기(11)로 유입되도록 하며, 압축기(11)로 유입된 기체상의 냉매는 압축된 후 토출된다. 압축기(11)로부터 토출된 고온 고압의 냉매가스는 유분리기(12), 사방변(15)을 통과하여 축열조(14)로 유입된다. 축열조(14)에서 물과의 열교환을 통해 온수를 생성한 후, 축열조(14)로부터 응축된 가스는 제1 바이패스회로를 거쳐 고압 수액기(16)로 유입된다. 이어 제1 팽창변에서 감압되어 저온 저압의 냉매가 실외 열교환기(13)로 유입된다.

냉방시에는 사방변(15)을 절환하여 전술한 바와 같은 통사으이 난방 운전가 반대의 싸이클을 통해 냉방이 이루어진다.

이와 같은 종래의 공기조화장치의 실회 열교환기는 도5에 도시된 바와 같이 그 내부에 냉매가 흐르는 다수개의 전열관(20)과 이 전열관(20)에 수직으로 형성된 다수의 냉각핀(18)과 대기의 공기와 전열관(20)을 흐르는 냉매와의 열교환을 위한 실외 팬(19)을 구비한다.

이러한 종래의 실외 열교환기는 증발기의 역할을 수행함에 있어서, 실외열교환기 팬으로부터 공급되는 공기의 온도가 0℃이하, 상대습도가 75~85% 이상이 되면 실외 열교환기에 착상이 일어나게 된다. 이와 같이 핀에 착상이 일어나면 증발을 위한 충분한 집열을 할 수가 없기 때문에 착상량이 어느정도 이루어지면 제상운전을 해주어야 한다. 이러한 결과로, 종래의 공기조화장치는 난방 운전 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 공기조화장치의 팽창변은 냉동장치가 대용량이 되면, 증발기의 냉매계통의 거리가 매우 길어지기 때문에 열팽창변의 궤환루프에서 지연의 원인이 되어 난조(Hunting)와 같은 불안정한 상태가 유발된다. 즉, 액압축(Lipuid Back)이나 과열증발(Ebaporate Dryout)이 발생되어 계획된 열교환을 수행할 수 없는 문제가 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 액펌프시스템(Liquid Pump System)을 사용하고 있으나, 이 시스템 또한 액체 냉매가 전적으로 펌프에 의해 공급되므로 펌프의 고장은 증발기의 압력저하와 나아가 캐비테이션(Cavitaon)을 발생시키는 문제가 있다.

또한, 고압수액기는 액체냉매의 수조와 고압가스의 장벽으로서 응축기보다 아래에 설치되어 액체냉매를 중력에 의해 고압수액기에 흐를수 있도록 해야하기 때문에 공간적인 제한이 있을 경우에는 이러한 요구조건을 만족킬 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 난방과 온수를 공급하기 위한 열원으로 태양열 뿐만 아니라 공기열, 주변으로부터의 적외선 방사와 착상시의 물의 잠열과 같은 다수의 자연에너지를 이용함으로써, 착상을 일으키는 조건에서도 최대의 착상시보다도 실외기 핀 피치를 크게해서 착상에 의한 성능저하를 방지하고 별도의 제상운전을 해주지 않아도 효과적인 난방운전을 할 수 있으며, 냉방운전시에는 대기로의 야간 방사 냉각을 통한 방열기 역할을 하는 길외 열교환기를 갖는 공기조화장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 팽창변이나 액펌프 대신에 가스트랩을 이용함으로써, 증발기에 냉매를 충분히 공급하여 계획된 열교환을 할 수 있도록 하며, 종래의 시스템 계통에서 고압수액기를 제거함으로써, 공간적인 제한을 해결할 수 있는 공기조화장치를 제공하는데 있다.

또한, 종래 공기조화장치에서 발생된 팬에 의한 소음문제를 해소하고, 팬에 의한 부가적인 동력 소비를 줄일 수 있는 공기조화장치를 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화장치의 블럭 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 태양열원형 실외 열교환기의 개략적인 구조도.

제2b도는 제2a도에 도시된 알루미늄 핀튜브의 단면도.

제3a도는 본 발명에 따른 공기열원형 실외 열교환기의 개략적인 구조도.

제3b도는 제3a도에 도시된 알루미늄 핀튜브의 단면도.

제4도는 종래의 공기열원형 히트펌프식 공기조화장치의 블럭 구성도.

제5도는 제4도에 도시된 실외 열교환기의 개략적인 구조도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기 2 : 축열조

3 : 실외열교환기 4 : 사방변

5 : 저압수액기 6 : 가스트랩(Gas Trap)

7 : 체크밸브 8 : 확대전열핀

9 : 동관 10 : 알루미늄 핀튜브

21 : 일사집열판 22 : 헤더

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 4개의 방향으로 냉매의 흐름을 위한 통로를 제공하는 사방변; 상기 사방변의 제1 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매 가스를 압축하는 압축기; 상기 사방변의 제2입출구측에 일측이 연결되며, 냉매와 물간의 열교환 기능을 수행하는 축열조; 상기 사방변의 제3 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매로의 흡열 및 외부로의 방열 기능을 수행하는 실외 열교환기; 상기 사방변의 제4입출구측에 일측이 연결되며, 흡입된 가스 중 액체를 분리하고, 가스만을 상기 압축기로 제공하는 저압수액기; 및 상기 축열조와 실외 열교환기 사이에 연결되며, 유입된 냉매 중 기체 상의 냉매는 흐르지 못하도록 막고, 액체 상의 냉매만을 흐르도록 하면서 냉매의 압력을 감소시키는 가스트랩을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도1 내지 도3b를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명에 따른 공기조화장치의 블럭 구성도로서, 도면에서 1은 압축기, 2는 축열조, 3은 실외 열교환기, 4는 사방면, 5는 저압수액기, 6은 가스트랩. 7은 체크밸브를 각각 나타낸다.

본 발명은 도1에 도시된 바와 같이 냉매를 압축하는 압축기(1)이 배출구측에 사방변(4)의 제1 입출구가 연결되고, 축열조(2)는 이 사방변(4)의 제2 입출구에 연결된다. 상기 축열조(2)는 난방시에는 공조장치에 공급될 온수를 생성하는 열교환기의 역할과 축열기능을 하며, 냉방시에는 제빙을 통해 공조장치에 공급될 냉수를 생성하는 기능을 한다. 즉, 축열조(2)에는 냉매가 흐르는 코일이 구비되고, 그 코일의 주위에 물이 체워져 있어서 냉매와 물 간의 열교환이 이루어지게 된다.

한편, 상기 사방변(4)이 제3 입출구에는 실외 열교환기(3)가 연결되고, 상기 사방변(4)의 제4입출구에는 저압수액기(5)가 연결된다.

상기 축열조(2)와 실외 열교환기(3) 사이에는 팽창밸브인 가스트랩(6)과 체크밸브(7)가 분기 연결되어 한 쌍을 이루며 두 쌍이 구비된다. 즉, 축열조(2)에서 실외 열교환기(3) 방향으로는 가스트랩(6)에서 체크밸브(7)로의 흐름이 이루어지도록 연결되며, 이와 반대로 실외 열교환기(3)에서 축열조(2) 방향으로도 가스트랩(6)과 체크밸브(7)로의 흐름이 이루어지도록 연결된다.

가스트랩(6)은 팽창변의 역할을 하며, 체크밸브(7)는 종래와 같이 바이패스 기능을 한다. 가스트랩(6)은 기체 상의 냉매는 흐르지 못하도록 막고, 액체상의 냉매만이 흐르도록 하는 역활과 냉매의 압력을 감소시키는 역활을 한다. 또한, 가스트랩(6)은 과열도를 제어하지 않기 때문에 증발기로 냉매를 충분히 공급하여 계획된 열교환 성능을 얻을 수 있다. 이러한 가스트랩은 허용압력, 드레인(Drain) 특성 등을 고려하여 스팀을 위해 만들어진 일반적인 제품을 이용하였다.

저압수액기(5)는 일측이 사방변(4)의 제 4입출구와 연결되고, 타측은 압축기(1)에 연결되어 사방변(4)을 통해 흡입된 가스중에 냉매액을 분리해서 가스만을 압축기(10)로 흡입시켜 액압축을 방지함으로써 압축기(1)를 보호하는 역활을 한다.

실외 열교환기(3)는 도2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 태양열원형 실외열교환기와 도3a와 도3b에 도시된 바와 같은 공기열원형 실외 열교환기가 있다.

먼저, 태양열원형 실외 열교환기는 도2a 및 2b에 도시된 바와 같이 다수의 알루미늄 핀튜브(10)를 포함한다. 알루미늄 핀 튜브(10)는 태양열을 집열하는 일사집열판(21)과 일사집열판 이면에 형성되며, 열을 방출 또는 흡열하는 확대 전열핀(8) 및 집열시 냉매의 증발과 방열시 냉매의 응축을 위한 냉매통로로 이용되는 동관(9)을 포함한다. 알루미늄 핀튜브(10)는 그것의 통관(9)을 통해 헤더(22)와 연결되며, 이 헤더(22)를 통해 다수의 알루미늄 핀튜브(10)가 연결된다. 한편, 헤더(22)는 사방변(4)의 제3입출구와 연결된다.

실외 열교환기는 상기와 같은 구성에 의해 난방운전시에 일사집열판에 의해 집열되는 태양열 집열온도가 외기 온도를 넘지않게 압축기의 능력과 집열판의 집열면적이 설정되도록 함으로써 유리가 없어도 방열손실이 발생되지 않게 된다.

또한, 일사가 없을 때는 태양외 열원형 실외열교환기의 온도가 외기 온도보다 낮게되어 공기에서 열원을 흡수한다. 이외에도 최대 착상후보다도 실외 열교환기의 핀 피치를 크게하여 공기열원의 흐름을 방해하지 않아 착상에 의한 성능저하를 방지하고, 제상운전이 필요없데 된다. 또한, 실외기 표면에 적설이 되더라도 이면의 확대 전열핀에 의한 공기의 열교환 기능은 저하되지 않는다.

한편, 본 발명의 실외 열교환기는 대부분의 열을 일사에서 얻고 있으나, 흐린날이나 비오는 날에는 공기에서 집열하도록 되어 있다. 양적으로는 미량이지만 구름이나 주위의 물체에서 발생되는 적외선도 열원으로 사용할 수 있다. 또한, 구름이 끼었을 때에는 약한 일사에도 유효하게 집열할 수 있다.

본 실시예에서 태양열원형 실외 열교환기의 설치는 태양집열량이 최대가 되도록 설치하는 것이 바람직하며, 예를들어 정남향으로 수평면에서 60℃가 되도록 설치하는 것이 바람직하다.

공기열원형 실외 열교환기는 난방부하보다 냉방부하가 클 경우에 적용되며, 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 태양열의 흡수를 줄이고, 핀의 방열 효과를 높이기 위하여 열을 방출 또는 흡열하는 확대 전열핀(8)을 대칭으로 형성하여 설치하며, 집열시 냉매의 증발과 방열시 냉매의 응축을 위하여 동관(9)을 확관시킨 냉매통로를 갖춘 알루미늄 핀튜브(10)를 병렬로 접속시켜 구성한다. 그리고, 이와 같은 공기열원형 실외 열교환기는 수평면에서 수직이 되도록 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 히트펌프식 공기조화장치의 동작을 아래에서 살펴본다.

먼저, 난방 운전을 하는 경우의 동작을 살펴보면, 도1에 도시된 바와 같이 화살표(나)의 방향으로 냉매가 흐르게 된다. 즉, 압축기(1)에 의해 압축된 고온고압의 냉매가스는 사방변(4)을 거쳐 축열조(2)로 유입되고, 축열조(2)에서는 응축작용으로 물과의 열교환이 이루어져 온수를 생성하게 된다. 축열조(2)를 통과한 가스는 이어 가스트랩(6)을 통해 감압된 다음 체크밸브(7)을 거쳐서 실외 열교환기(3)로 유입된다.

실외 열교환기(3)로 유입된 냉매는 맑은 날의 경우 태양으로부터 일1사에너지를 흡입하여 증발되고, 흐린날의 경우 실외 열교환기의 온도가 외기 온도보다 낮게 되어 대기열과 구름으로부터 방사된 적외선열을 흡열하여 증발되어 다시 사방변(4)을 통하여 저압수액기(5)로 유입된다. 저압수액기(5)에서는 분리된 가스만을 압축기(1)로 유입시킨다.

다음, 냉방운전시에는 사방변(4)의 절환으로 화살표(가)의 방향으로 냉매가 흐르게 된다. 즉, 압축기(1)에서 압축된 냉매는 사방변(4)을 통해 실외 열교환기(3)로 유입되고, 실외 열교환기(3)에서는 대기로 열을 방출한다. 그리고, 실외 열교환기(3)를 통과한 냉매는 가스트랩(6)을 통해 감압된 다음 체크밸브(7)를 거쳐 축열조(2)로 유입된다.

축열조(2)에서는 증발 작용으로 물과 열교환에 의해 코일에 착빙이 이루어지고, 축열조(2)를 통과한 냉매는 사방변(4)을 통해 저압 수액기(5)로 유입된다. 저압 수액기(5)는 마찬가지로 분리된 가스만을 압축기(1)로 유입시킨다.

여기서, 실외 열교환기(3)는 주로 야간에 자연대류로 열을 방출하는 것 이외에 실외 열교환기 표면에서의 장파장 방사도 병용한다. 이 때문에 본 발명은 결과적으로 오프 피크 전력 이용시 축열시 공조설비가 된다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 태양 및 공기열원등 다수의 자연에너지를 이용하는 실외 열교환기를 설치하여 냉매의 증발과 응축이 쉽게 이루어지도록 함으로써, 적은 동력으로도 난방운전 및 냉방운전이 가능하며, 대기의 온도가 매우 낮은 상태에서도 제상운전이 전혀 필요없게 되는 이점이 있다. 또한 가스트랩을 팽창변으로 사용함으로써, 시스템이 대용량이 되더라도 증발기에 충분한 냉매를 공급하여 안정된 운전을 할 수 있으며, 종래의 고압 수액기가 필요없어 공간적인 제한을 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 히트펌프식 공기조화장치에 있어서,

   4개의 방향으로 냉매의 흐름을 위한 통로를 제공하는 사방변;

   상기 사방변의 제1 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매 가스를 압축하는 압축기;

   상기 사방변의 제2 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매와 물간의 열교환 기능을 수행하는 축열조;

   상기 사방변의 제3 입출구측에 일측이 연결되며, 냉매로의 흡열 및 외부로의 방열 기능을 수행하는 실외 열교환기;

   상기 사방변의 제4입출구측에 일측이 연결되며, 흡입된 가스 중 액체를 분리하고, 가스만을 상기 압축기로 제공하는 저압수액기; 및

   상기 축열조와 실외 열교환기 사이에 연결되며, 유입된 냉매 중 기체 상의 냉매는 흐르지 못하도록 막고, 액체 상의 냉매만을 흐르도록 하면서 냉매의 압력을 감소시키는 팽창밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
2. 제1항에 있어서,

   바이패스 기능을 하는 체크밸브를 더 구비하되, 상기 체크밸브와 팽창밸브가 분기 병렬로 연결되어 한 쌍의 부품을 이루되, 상기 두쌍의 부품이 구비되어 상기 축열조와 실외 열교환기 사이에 서로 다른 양방향의 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 팽창밸브는 가스트랩인 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 실외 열교환기는,

   적어도 하나의 알루미늄 핀튜브를 포함하되, 상기 알루미늄 핀튜브가 태양열을 집열하는 일사집열판;

   상기 일사집열판의 이면에 형성되며, 열을 방출 또는 흡열하는 확대 전열핀; 및

   집열시 냉매의 증발과 방열시 냉매의 응축을 위한 냉매통로로 이용되는 동관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 일사집열판이 태양 집열량이 최대가 되도록 정남향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 실외 열교환기(3)는,

   적어도 하나의 알루미늄 핀튜브를 포함하되, 상기 알루미늄 핀튜브가 열을 방출 또는 흡열하는 확대전열핀이 서로 대칭으로 형성되며, 집열시 냉매의 증발과 방열시 냉매의 응축을 위한 냉매통로로 이용되는 동관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 알루미늄 핀튜브가 수평면에서 수직이 되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화장치.