KR20010041038A - Heat pump having improved defrost system - Google Patents
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Abstract
히트 펌프 시스템은, 유체 냉매를 매개하여 외부 대기와 내부 대기 사이에 열을 전달하기 위한 작동가능한 관계에서, 압축기(10); 내부 열교환기(12); 외부 열교환기(14); 어큐뮬레이터(16); 상기 외부 열교환기(14)를 제상하기 위해 상기 어큐뮬레이터(16) 및/또는 배관 라인(25, 26, 27)을 가열하기 위한 가열수단(18, 18', 18'', 18''')을 포함한다.The heat pump system includes a compressor (10) in an operable relationship for transferring heat between an external atmosphere and an internal atmosphere via a fluid refrigerant; Internal heat exchanger 12; External heat exchanger 14; Accumulator 16; Heating means 18, 18 ′, 18 ″, 18 ′ ″ for heating the accumulator 16 and / or piping lines 25, 26, 27 to defrost the external heat exchanger 14. Include.
Description
히트 펌프들은 널리 공지되어 있고, 빌딩들 등과 같은 폐쇄공간을 가열 및/또는 냉각시키기 위해 이용된다. 히트 펌프는 일반적으로 폐쇄공간 내측의 내부 열교환기와 폐쇄공간 외측의 외부 열교환기 사이에서 순환되는 열교환 유체(냉매로 통상 불리워짐)를 포함한다.Heat pumps are well known and are used to heat and / or cool enclosed spaces, such as buildings. Heat pumps generally comprise a heat exchange fluid (commonly called a refrigerant) circulated between an internal heat exchanger inside the closed space and an external heat exchanger outside the closed space.
히트 펌프가 정상적인 가열 모드로 작동하는 동안, 외부 열교환기는 외부 환경 보다 더 차가워져서 외부 환경으로부터 열을 흡수하고, 내부 열교환기는 내부 환경 보다 더 따뜻해져서 내부 환경으로 열을 전달한다. 따라서, 열은 냉각된 외부 환경에서 내부 환경으로 "펌핑"된다.While the heat pump is operating in the normal heating mode, the external heat exchanger is cooler than the external environment to absorb heat from the external environment, and the internal heat exchanger is warmer than the internal environment to transfer heat to the internal environment. Thus, heat is “pumped” from the cooled external environment to the internal environment.
외부 온도가 물의 응고점 근처 또는 이하인 경우에, 얼음(서리)은 대개 외부 열교환기 상에 형성되고, 히트 펌프 성능을 크게 저하시킨다. 따라서, 제상 수단이 일반적으로 히트 펌프 시스템들에 채용된다.When the external temperature is near or below the freezing point of the water, ice (frost) is usually formed on the external heat exchanger, which greatly degrades the heat pump performance. Thus, defrost means are generally employed in heat pump systems.
히트 펌프들에 있어서 히트 펌프의 역전 제상 시스템들의 이용은 널리 공지되어 있다. 그러한 제상 시스템들은 일반적으로 열교환 과정에서 얼음의 악영향을 최소화하기 위해 얼음 형성물을 녹여서 외부 열교환기로부터 물을 증발시키도록 설계된다. 그러한 제상 시스템들은 일반적으로 한 주기의 히트 펌프 운전 시간 후에 작동되고, 일반적으로 외부 열교환기가 모든 또는 적어도 대부분의 얼음 및 물의 제거를 보장하는 임의의 온도까지 도달될 때까지 작동한다.The use of reversing defrost systems of heat pumps in heat pumps is well known. Such defrosting systems are generally designed to melt ice formation and evaporate water from an external heat exchanger to minimize the adverse effects of ice during the heat exchange process. Such defrost systems are generally operated after one cycle of heat pump operating time, and generally until the external heat exchanger reaches a temperature which ensures the removal of all or at least most of the ice and water.
제상 사이클 동안에는, 히트 펌트들은 일반적으로 역전된다. 외부 열교환기는 따뜻하게 되며, 내부 열교환기는 차갑게 된다. 보조의 내부 히터(대개 전기 저항 히터 또는 연소 히터)는 제상 사이클 동안 내부 열교환기에 의해 흡수된 열을 보상하기 위해 가동된다.During the defrost cycle, the heat pumps are generally reversed. The external heat exchanger is warmed and the internal heat exchanger is cold. A secondary internal heater (usually an electrical resistance heater or combustion heater) is activated to compensate for the heat absorbed by the internal heat exchanger during the defrost cycle.
히트 펌프의 가열 용량이 건물의 가열 부하 요구조건을 충족시키지 못하는 경우에, 통상의 히트 펌프들은 그 요구된 부하를 충족시키기 위해 보조 저항 가열 코일을 가동시킨다. 이것은 내부 온도의 변동을 크게 하는 원인이 될 수 있고, 작동 효율을 저하시킬 수 있다.If the heat capacity of the heat pump does not meet the building's heating load requirements, conventional heat pumps run auxiliary resistance heating coils to meet the required load. This may cause the variation of the internal temperature to be large, and may lower the operating efficiency.
미국 자원부와 록히드 마틴 에너지 시스템스사 사이의 DE-AC05-84OR21400의 계약에 의하여, 또한 미국 자원부와 록히드 마틴 에너지 시스템스사 사이의 DE-AC05-96OR22464의 계약에 의하여 미국 정부는 본 발명에 대한 권리를 가지고 있다.Under the agreement of DE-AC05-84OR21400 between the United States Department of Resources and Lockheed Martin Energy Systems, and also under the agreement of DE-AC05-96OR22464 between the United States Department of Resources and Lockheed Martin Energy Systems, the United States Government has the right to the invention. have.
본 발명은 순환 제상 시스템들을 구비한 히트 펌프들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제상 사이클들의 빈도수, 지속시간, 그리고 에너지 소비를 감소시키기 위한 수단을 채용한 반면에, 내부(내실)의 열적인 안정성(thermal comfort)을 증가시키는 그런 히트 펌프들에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to heat pumps with circulating defrost systems, more particularly employing means for reducing the frequency, duration and energy consumption of defrost cycles, while internally (internal) thermal stability to such heat pumps that increase thermal comfort.
도 1은 본 발명에 따라 어큐뮬레이터에 부가된 개별의 가열 수단을 구비하되, 냉각 모드/제 2 제상 사이클에서 순환을 보여주는 히트 펌프의 개략도이다.1 is a schematic illustration of a heat pump with separate heating means added to the accumulator in accordance with the invention, showing circulation in the cooling mode / second defrost cycle.
도 2는 본 발명에 따라 어큐뮬레이터에 부가된 개별의 가열 수단을 구비하되, 가열 모드/제 1 제상 사이클에서 순환을 보여주는 히트 펌프의 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram of a heat pump with separate heating means added to the accumulator in accordance with the present invention, showing circulation in the heating mode / first defrost cycle.
본 발명에 대한 다른 추가의 목적들, 장점 및 가능성과 더불어, 본 발명의 더 나은 이해를 위해서, 전술한 도면과 관련하여 첨부된 청구범위 및 이하의 개시사항에 대하여 언급된다.In addition to other additional objects, advantages and possibilities for the present invention, reference is made to the appended claims and the following disclosure, taken in conjunction with the foregoing drawings, in order to provide a better understanding of the invention.
따라서, 본 발명의 목적은 신규하면서도 개량된 제상 사이클 시스템을 가진 히트 펌프를 제공하는 것에 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a heat pump having a novel and improved defrost cycle system.
본 발명의 다른 목적은 히트 펌프의 역전 주기를 현저하게 감소시키는 히트 펌프 제상 사이클 시스템을 제공하는 것에 있다.It is another object of the present invention to provide a heat pump defrost cycle system that significantly reduces the reversal cycle of a heat pump.
본 발명의 또 다른 목적은 히트 펌프의 신뢰성을 현저하게 향상시키는 히트 펌프 제상 사이클 시스템을 제공하는 것에 있다.It is still another object of the present invention to provide a heat pump defrost cycle system that significantly improves the reliability of the heat pump.
본 발명의 또 다른 목적은 제상 사이클 동안에 에너지의 양을 현저하게 절감시키는 히트 펌프 제상 사이클 시스템을 제공하는 것에 있다.It is a further object of the present invention to provide a heat pump defrost cycle system which significantly reduces the amount of energy during the defrost cycle.
본 발명의 추가의 다른 목적은 여기에 기재된 명세서로부터 명백하게 될 것이다.Further objects of the present invention will become apparent from the specification described herein.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전술한 다른 목적들은, 유체 냉매를 매개하여 외부 대기와 내부 대기 사이에 열을 전달하기 위한 작동관계에서, 압축기; 내부 열교환기; 외부 열교환기; 어큐뮬레이터(accumulator); 및 외부 열교환기를 제상하기 위해 상기 유체 냉매를 가열하기 위한 개별의 가열수단을 포함하는 히트 펌프 시스템에 의해 달성되며, 상기 히트 펌프는 외부 대기에서 내부 대기로 열을 전달하기 위한 가열 모드로 작동될 수 있다.According to one aspect of the present invention, another object described above is a compressor in an operating relationship for transferring heat between an external atmosphere and an internal atmosphere via a fluid refrigerant; Internal heat exchanger; External heat exchanger; Accumulators; And individual heating means for heating the fluid refrigerant to defrost an external heat exchanger, wherein the heat pump can be operated in a heating mode for transferring heat from an external atmosphere to an internal atmosphere. have.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 폐쇄공간의 가열 방법은, a. 유체 냉매를 매개하여 외부 대기와 내부 대기 사이에 열을 전달하기 위한 작동관계에서, 압축기; 내부 열교환기; 외부 열교환기; 어큐뮬레이터; 및 외부 열교환기를 제상하기 위해 상기 유체 냉매를 가열하기 위한 개별의 가열수단을 포함하는 히트 펌프 시스템을 구비하되, 상기 히트 펌프는 외부 대기에서 내부 대기로 열을 전달하기 위한 가열 모드로 작동될 수 있는 그러한 히트 펌프 시스템을 제공하는 단계; b. 상기 히트 펌프를 상기 가열 모드로 작동시키는 단계; 및 c. 제상 사이클에서 상기 외부 열교환기를 제상하기 위해 상기 개별의 가열 수단을 가동시키는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of heating a closed space comprises: a. In an operating relationship for transferring heat between an external atmosphere and an internal atmosphere via a fluid refrigerant, a compressor; Internal heat exchanger; External heat exchanger; Accumulators; And a separate heating means for heating said fluidic refrigerant to defrost an external heat exchanger, said heat pump being operable in a heating mode for transferring heat from an external atmosphere to an internal atmosphere. Providing such a heat pump system; b. Operating the heat pump in the heating mode; And c. Operating said individual heating means to defrost said external heat exchanger in a defrost cycle.
본 발명은 대개 어큐뮬레이터를 통해 유체 냉매를 가열하기 위한 개별의 가열수단을 부가함으로써 히트 펌프의 제상 사이클 동안에 (제상 사이클에 요구되는 시간을 감소시키면서) 차가운 내부 통풍(air draft)을 제거한다. 그러한 수단은 히트 펌프 회로와 분리되어 개별적으로 제어되고, 전기 저항 히터, 어떠한 타입의 연소 히터, 또는 상기 어큐뮬레이터에 열을 인가하기에 적합한 어떠한 구조라도 될 수 있다.The present invention usually removes cold air draft (reducing the time required for the defrost cycle) during the defrost cycle of the heat pump by adding separate heating means for heating the fluid refrigerant through the accumulator. Such means may be separate from the heat pump circuit and individually controlled, and may be any structure suitable for applying heat to an electrical resistance heater, any type of combustion heater, or the accumulator.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프 시스템의 기본적인 열교환 회로를 각각 냉각 및 가열 모드로서 보여준다. 이 도면에서는, 압축기(10), 내부 열교환기(12), 외부 열교환기(14), 유체 냉매(17)를 수용한 어큐뮬레이터(16), 이 어큐뮬레이터(16) 및/또는 배관 라인들(25, 26, 및/또는 27)을 가열하기 위한 개별의 가열 수단들(18, 18', 18'', 및/또는 18''') 각각, 제 1 및 제 2 팽창 장치들(20, 22), 제 1 및 제 2 체크 밸브들(21, 23) 각각, 그리고 히트 펌프의 역전 밸브(24)가 도시되어 있다. 당업자라면, 완전한 히트 펌프들은 일반적으로 통상의 동력 공급원, 여러 가지의 제어 시스템들, 및 여러 가지의 다른 시스템들 및 하부 시스템들(sub-systems)을 더 구비한다는 것을 이해할 것이다.1 and 2 show the basic heat exchange circuit of the heat pump system according to the invention in cooling and heating mode, respectively. In this figure, the accumulator 16 containing the compressor 10, the internal heat exchanger 12, the external heat exchanger 14, the fluid refrigerant 17, the accumulator 16 and / or the piping lines 25, Separate heating means 18, 18 ′, 18 ″, and / or 18 ′ ″, respectively, for heating 26, and / or 27, first and second expansion devices 20, 22, Shown are first and second check valves 21 and 23, respectively, and a reversing valve 24 of the heat pump. Those skilled in the art will appreciate that complete heat pumps generally further comprise a conventional power source, various control systems, and various other systems and sub-systems.
냉각 모드의 히트 펌프 작동:Heat Pump Operation in Cooling Mode:
이제 도 1을 참조하면, 히트 펌프의 역전 밸브(24)는 냉각 모드 위치에 있고, 그 결과 내부 열교환기(12)는 증발기로서의 역할을 하고, 외부 열교환기(14)는 응축기로서의 역할을 한다. 냉각 증기 냉매는 압축기(10)에서 외부 열교환기(14)로 유동하여 고온의 고압 액체로 응축된다. 이 액체는 제 2 체크 밸브(23), 이어서 제 1 팽창 장치(20)를 통과하여 내부 열교환기(12)에서 증발된다. 이 증기 냉매는 상기 어큐뮬레이터를 통과해서 압축기(10)로 복귀하면 사이클을 종료시킨다.Referring now to FIG. 1, the reversing valve 24 of the heat pump is in the cooling mode position, with the result that the internal heat exchanger 12 serves as an evaporator and the external heat exchanger 14 serves as a condenser. The cooling vapor refrigerant flows from the compressor 10 to the external heat exchanger 14 to condense into a high temperature, high pressure liquid. This liquid is evaporated in the internal heat exchanger 12 through the second check valve 23 and then the first expansion device 20. This steam refrigerant passes through the accumulator and returns to the compressor 10 to end the cycle.
가열 모드의 히트 펌프 작동:Heat pump operation in heating mode:
이제 도 2를 참조하면, 히트 펌프의 역전 밸브(24)는 가열 모드 위치에 있고, 그 결과 외부 열교환기(14)는 증발기로서의 역할을 하고, 내부 열교환기(12)는 응축기로서의 역할을 한다. 냉각 증기 냉매는 압축기(10)에서 내부 열교환기(12)로 유동하여 고온의 고압 액체로 응축된다. 이 액체는 제 1 체크 밸브(21), 이어서 제 2 팽창 장치(22)를 통과하여 외부 열교환기(14)에서 증발된다. 이 증기 냉매는 어큐뮬레이터를 통과해서 압축기(10)로 복귀하여 사이클을 종료시킨다.Referring now to FIG. 2, the reversing valve 24 of the heat pump is in the heating mode position, with the result that the external heat exchanger 14 serves as an evaporator and the internal heat exchanger 12 serves as a condenser. The cooling vapor refrigerant flows from the compressor 10 to the internal heat exchanger 12 to condense into a high temperature, high pressure liquid. This liquid is evaporated in the external heat exchanger 14 through the first check valve 21 and then the second expansion device 22. This vapor refrigerant passes through the accumulator and returns to the compressor 10 to end the cycle.
가열 모드/제 1 제상 사이클(도 2)Heating Mode / First Defrost Cycle (FIG. 2)
본 발명은 제상을 위한 히트 펌프의 역전 회수를 현저하게 감소시킨다. 외부 열교환기(14)가 제상될 필요가 있고, 외부 환경 온도가 적어도 약 32℉ ∼ 36℉인 경우에, 원하는 제상 효과가 상기 히트 펌프의 역전없이 본 발명에 의해 달성된다.The present invention significantly reduces the number of reversals of the heat pump for defrosting. If the external heat exchanger 14 needs to be defrosted and the external environmental temperature is at least about 32 ° to 36 ° F, the desired defrost effect is achieved by the present invention without reversing the heat pump.
그와 같은 제상 사이클의 실제 작동 능력을 위한 최소의 외부 환경 온도는 적어도 두 개의 요소, 즉 1) 상기 히트 펌프의 용량에 관하여 상기 개별의 가열 수단에 의해 인가되는 열량, 그리고 2) 상기 히트 펌프가 작동하게 되는 기후 상태에 의존한다. 약 32℉ ∼ 36℉의 범위에서 미리 선택된 최소의 외부 환경 온도가 정상 조건들 하에서 주거용 및 상업용 히트 펌프들에 대하여 제안된다. 바람직한 미리 선택된 최소 온도는 대개 정상적인 온도 기후 조건들 하에서 약 34℉ ∼ 35℉의 범위 내에 존재한다. 외부 환경 온도가 미리 선택된 최소 외부 환경 온도이거나 이상인 경우에, 예컨대 외부 온도 센서(35)를 포함하여 히트 펌프 제어 시스템(30)과 같은 히트 펌프 작동을 제어하기 위한 수단이 제 1 제상 사이클을 히트 펌프 역전없이 작동하도록 유발한다. 환언하면, 상기 히트 펌프 제어 시스템은 제 1 제상 사이클 동안에 히트 펌프를 가열 모드 상태로 유지시킨다.The minimum external environmental temperature for the actual operating capacity of such a defrost cycle is at least two factors, i.e. 1) the amount of heat applied by the respective heating means with respect to the capacity of the heat pump, and 2) the heat pump It depends on the climatic state in which it works. A minimum external environmental temperature preselected in the range of about 32 ° F. to 36 ° F. is proposed for residential and commercial heat pumps under normal conditions. The preferred preselected minimum temperature is usually in the range of about 34 ° F. to 35 ° F. under normal temperature climatic conditions. If the external environmental temperature is at or above a preselected minimum external environmental temperature, the means for controlling the heat pump operation, such as the heat pump control system 30, including, for example, the external temperature sensor 35, may be used to heat the first defrost cycle. Cause it to work without reversal. In other words, the heat pump control system keeps the heat pump in heating mode during the first defrost cycle.
열은 바람직하게는 가열 수단(18)에 의해 어큐뮬레이터(16)에 인가된다. 열은, 가열 수단(18')으로서 도시된, 어큐뮬레이터(16)와 히트 펌프 역전 밸브(24) 사이의 연도 라인의 섹션(26)에, 및/또는 가열 수단(18'')으로서 도시된, 히트 펌프 역전 밸브(24)와 외부 열교환기(14) 사이의 연도 라인의 섹션(27)에, 선택적으로 또는 추가적으로 인가될 수 있다. 가열 수단(18)은 전술한 바와 같이 상기 시스템에 열을 인가하는 데에 적합하게 될 수 있는 다른 통상의 장치 또는 전기 저항 히터가 될 수 있다.Heat is preferably applied to the accumulator 16 by heating means 18. Heat is shown in section 26 of the flue line between accumulator 16 and heat pump reversing valve 24, shown as heating means 18 ′, and / or as heating means 18 ″, It may be selectively or additionally applied to the section 27 of the flue line between the heat pump reversing valve 24 and the external heat exchanger 14. The heating means 18 may be another conventional device or an electrical resistance heater that may be suitable for applying heat to the system as described above.
전술한 바와 같이 충분한 열의 인가시, 제 2 팽창 장치(22)의 압력 강하(흡입 압력)이 발생하고, 이에 따라 외부 열교환기(14)의 온도가 일반적으로 미리 선택된 32℉ 이상의 온도까지 상승해서 그 외부 열교환기의 제상을 수행한다. 따라서, 제상은 히트 펌프가 여전히 가열 모드 작동중일 때도 달성된다.Upon application of sufficient heat as described above, a pressure drop (suction pressure) of the second expansion device 22 occurs, whereby the temperature of the external heat exchanger 14 generally rises to a temperature above 32 ° F. Defrost the external heat exchanger. Thus, defrost is also achieved when the heat pump is still in heating mode of operation.
서리는 외부 환경 온도가 약 32℉ ∼ 40℉의 범위에 있을 때 외부 열교환기(14) 상에 형성될 가능성이 가장 높기 때문에, 전술한 바와 같이 최소의 미리 선택된 온도에서 전술한 본 발명을 이용하게 되면, 히트 펌프 시스템의 전체 효율이 현저하게 상승된다.Since frost is most likely to form on the external heat exchanger 14 when the external environmental temperature is in the range of about 32 ° F. to 40 ° F., use the invention described above at the minimum preselected temperature as described above. As a result, the overall efficiency of the heat pump system is significantly increased.
실시예 ⅠExample I
R-22 냉매로 충전된 전술한 바와 같은 2톤 용량의 공기 조화기가 전술한 바와 같이 본 발명을 시험하기 위해 이용되었다. 이 시험 결과는 어큐뮬레이터(16)에 대해 1200BTU/Hr의 입열이 약 6℉ 만큼 증가된 외부 열교환기(14) 온도를 표시하면서, 8 psi 만큼 흡입 압력을 상승시켰다는 것을 나타냈다.A two-ton capacity air conditioner as described above, charged with R-22 refrigerant, was used to test the present invention as described above. The test results indicated that the suction pressure was increased by 8 psi, indicating that the heat exchanger 14 temperature increased 1200 BTU / Hr for the accumulator 16 by about 6 degrees Fahrenheit.
개별의 가열 수단을 통한 추가의 열의 인가에 의해 외부 열교환기(14) 온도가 더 상승한다. 전술한 바와 같이 인가된 열은 압축기(10)를 통해 주택으로 공급될 때 충분하게 이용된다. 상승된 압축기의 흡입 압력 및 온도로 인하여, 압축기(10)의 가열 용량은 상승한다. 증가된 히트 펌프의 가열 용량, 히트 펌프 역전과 관련된 내부 냉기 항력의 제거에 의해, 내부 열 안정성이 향상된다. 제상 사이클의 히트 펌프 역전 회수가 감소되기 때문에, 히트 펌프 신뢰성이 향상된다.The application of additional heat through separate heating means further raises the temperature of the external heat exchanger 14. As described above, the applied heat is fully utilized when supplied to the house through the compressor 10. Due to the suction pressure and temperature of the elevated compressor, the heating capacity of the compressor 10 rises. By increasing the heating capacity of the heat pump, elimination of internal cold air drag associated with heat pump reversal, internal thermal stability is improved. Since the number of heat pump reversals in the defrost cycle is reduced, the heat pump reliability is improved.
역전 모드/제 2 제상 사이클(도 1)Reversing mode / second defrost cycle (FIG. 1)
외부 환경 온도가 전술한 바와 같이 미리 선택된 온도 이하로 떨어지는 경우에, 가열 수단의 가열 용량은 외부 열교환기(14)의 온도를 32℉ 이상으로 효율적으로 상승시키기에는 더 이상 충분하지 않다. 이 상태에서, 히트 펌프 제어 시스템(30)은 제상 사이클 동안에 통상의 히트 펌프 역전을 유발시킨다. 냉매 흐름 밸브(24)는 일시적으로 냉각 모드 위치로 바뀌고, 그 결과 히트 펌프는 전술한 바와 같이 역전 모드에서 작동한다. 그러나, 본 발명은 후술하는 바와 같이 통상의 히트 펌프 역전 제상 사이클들과는 구별된다.When the external environmental temperature falls below the preselected temperature as described above, the heating capacity of the heating means is no longer sufficient to effectively raise the temperature of the external heat exchanger 14 to above 32 ° F. In this state, the heat pump control system 30 causes a normal heat pump reversal during the defrost cycle. The refrigerant flow valve 24 is temporarily switched to the cooling mode position, as a result of which the heat pump operates in the reverse mode as described above. However, the present invention is distinguished from conventional heat pump reversal defrost cycles as described below.
히트 펌프 역전은 가열 수단들(18, 18', 18'', 및/또는 18''')의 가동에 의해 동시에 될 수 있거나, 단시간 동안 지연될 수 있으며, 어느 경우에도 특정 응용분야에 보다 효율적이다.The heat pump reversal can be simultaneous by the activation of the heating means 18, 18 ′, 18 ″, and / or 18 ′ ″ or delayed for a short time, which in any case is more efficient for a particular application. to be.
냉매의 증발에 요구되는 열이 바람직하게는 가열수단(18)에 의해 어큐뮬레이터(16)로 인가된다. 열은, 가열 수단(18')으로서 도시된, 어큐뮬레이터(16)와 히트 펌프 역전 밸브(24) 사이의 배관 라인의 섹션(26)에, 및/또는 가열 수단(18''')으로서 도시된, 히트 펌프 역전 밸브(24)와 내부 열교환기(12) 사이의 배관 라인의 섹션(25)에, 선택적으로 또는 추가적으로 인가될 수 있다. 내부 송풍기(40)는 이러한 타입의 제상 사이클 동안에는 작동되지 않는(꺼져 있는) 것이 바람직하다.The heat required for evaporation of the refrigerant is preferably applied to the accumulator 16 by the heating means 18. Heat is shown in the section 26 of the piping line between the accumulator 16 and the heat pump reversing valve 24, shown as heating means 18 ′, and / or as heating means 18 ′ ″. May be selectively or additionally applied to the section 25 of the piping line between the heat pump reversing valve 24 and the internal heat exchanger 12. The internal blower 40 is preferably not operated (off) during this type of defrost cycle.
어큐뮬레이터(16)에서 (및/또는 배관 라인들(25, 26)에서) 냉매 비등은 흡입 온도 및 압력을 상승시키게 된다. 따라서, 압축기 가열 용량은 즉시 상승한다. 이것은 매우 차가운 외부 환경 온도의 조건들 하에서를 제외하고 편재하는 통상의 저항 타입의 보조 히터(도시 생략)의 사용에 대한 필요성을 제거한다.Refrigerant boiling in the accumulator 16 (and / or in the piping lines 25, 26) will raise the suction temperature and pressure. Thus, the compressor heating capacity rises immediately. This eliminates the need for the use of an auxiliary heater of a conventional resistance type (not shown) which is ubiquitous except under conditions of very cold external environmental temperatures.
최초의 2분간의 제상 사이클 동안에, 통상의 히트 펌프들은 히트 펌프의 역전으로 인하여 일반적으로 거의 모든 냉매를 압축시켜 어큐뮬레이터로 들어가며, 이는 "냉매 부족" 압축기에 이른다. 이에 의해, 제상 사이클의 효과는 지연된다. 대조적으로, 본 발명은 어큐뮬레이터에서 (및/또는 배관 라인(25, 26)에서) 액체 냉매를 거의 즉각적으로 비등시키며, 이것은 압축기의 "냉매 부족"을 회피하고, 이에 따라 제상 과정을 가속시킨다.During the first two minutes of defrost cycles, conventional heat pumps generally compress almost all refrigerant into the accumulator due to the reversal of the heat pump, which leads to a "low refrigerant" compressor. This delays the effect of the defrost cycle. In contrast, the present invention boils the liquid refrigerant almost instantaneously in the accumulator (and / or in the piping lines 25, 26), which avoids the "lack of refrigerant" of the compressor, thus accelerating the defrost process.
공기 조화 시스템에 과잉 공급하는 새로운 액체는 냉각 용량 및 성능 계수를 증가시키는 것으로 증명되었다. 이 시스템은 "공기 조화 시스템에 과잉 공급하는 액체 및 그 방법"이라는 명칭으로 1993년 9월 21일 자로 허여된 미국 특허 제5,245,833호에 개시되어 있으며, 그 개시사항 전부는 본 명세서에서는 참조로서 포함되어 있다. 상기 문헌에 교시된 액체의 과잉 공급 원리는 본 발명에서 설명된 히트 펌프의 바람직한 실시예에 응용될 수 있다. 이 시스템에서 냉매는 액체 과잉 공급 원리를 이용하기 위해서 액체 냉매가 어큐뮬레이터 열교환기에 존재하도록 충전되어야 한다.New liquids that overfeed air conditioning systems have been demonstrated to increase cooling capacity and coefficient of performance. This system is disclosed in U.S. Patent No. 5,245,833, issued Sep. 21, 1993, entitled "Liquid Oversupply to Air Conditioning Systems," the disclosures of which are incorporated herein by reference in their entirety. have. The principle of overfeeding liquids taught in that document can be applied to the preferred embodiment of the heat pump described in the present invention. In this system, the refrigerant must be charged so that the liquid refrigerant is present in the accumulator heat exchanger in order to take advantage of the liquid overfeed principle.
전술한 본 발명은 액체 과잉 공급의 특징부와 더불어 또는 특징부없이 히트 펌프들에 이용될 수 있다. 바람직한 액체 과잉 공급 히트 펌프에서는, 어큐뮬레이터 열교환기(16)는 일반적으로 액체 냉매를 항상 수용하고 있다. 열을 어큐뮬레이터 열교환기(16)로 가하면, 그 속의 냉매가 비등하면서 흡입 압력을 상승시키게 된다.The invention described above can be used in heat pumps with or without the feature of liquid oversupply. In a preferred liquid oversupply heat pump, the accumulator heat exchanger 16 generally contains a liquid refrigerant at all times. When heat is applied to the accumulator heat exchanger 16, the refrigerant therein boils and raises the suction pressure.
통상의 (비 액체 과잉 공급) 히트 펌프들의 경우, 서리가 외부 코일 상에 형성되기 시작하면, 냉매는 일반적으로 어큐뮬레이터에 축적되기 시작한다. 제상 사이클 동안에, 본 발명에 따른 어큐뮬레이터에 대한 입열은 이 어큐뮬레이터의 냉매를 비등시켜서, 흡입 압력 및 온도를 증가시키게 되고, 액체 과잉 공급 히트 펌프의 경우에서와 같은 실질적으로 동일한 결과에 이른다.In conventional (non-liquid excess supply) heat pumps, when frost begins to form on the outer coil, the refrigerant generally begins to accumulate in the accumulator. During the defrost cycle, the heat input to the accumulator according to the present invention boils the refrigerant in the accumulator, increasing the suction pressure and temperature, leading to substantially the same results as in the case of a liquid oversupply heat pump.
본 발명의 장점들중 일부는 다음과 같다.Some of the advantages of the present invention are as follows.
1. 내부 열 안정성이 향상된다. 통상의 히트 펌프 시스템들의 경우 제상 사이클 동안에, 비록 내부 전기 저항 가열 코일이 작동중일지라도, 내부 공기 처리 시스템(도시 생략)을 통해 순환하는 공기의 온도는 여전히 단지 약 65 ∼ 70℉인 것이 일반적이다. 그러한 통풍(air draft)이 사람들에 송풍되면 사람들은 일반적으로 차갑게 느낀다. 본 발명의 경우, 외부 환경이 적어도 미리 선택된 온도인 동안은 히트 펌프의 역전은 없다. 이 히트 펌프는 외부 열교환기(14) 코일 상의 서리가 녹는 동안에도 가열 모드로 계속해서 작동한다. 이와 동시에, 히트 펌프의 가열 용량은 상승하고, 압축기 효율은 향상된다.1. Internal thermal stability is improved. In the case of conventional heat pump systems, during the defrost cycle, although the internal electrical resistance heating coil is in operation, the temperature of the air circulating through the internal air treatment system (not shown) is still only about 65-70 ° F. When such an air draft is blown on people, people generally feel cold. In the case of the present invention, there is no reversal of the heat pump while the external environment is at least a preselected temperature. This heat pump continues to operate in the heating mode while the frost on the external heat exchanger 14 coil is melting. At the same time, the heating capacity of the heat pump is increased, and the compressor efficiency is improved.
낮은 온도의 외부 환경의 경우에는, 상기 히트 펌프는 제상을 위해 통상의 시스템에서와 같이 역전된다. 그러나, 내부 열교환기(12) 상의 전기 송풍기(도시 생략)는 대개 작동하지 않고, 내부의 차가운 통풍을 제거한다.In the case of a low temperature external environment, the heat pump is reversed as in a conventional system for defrosting. However, the electric blower (not shown) on the internal heat exchanger 12 usually does not work and eliminates internal cold ventilation.
게다가, 예컨대, 외부 환경 온도가 매우 낮은 경우와 같이, 히트 펌프의 가열 용량이 요구되는 가열 부하보다 작은 경우에, 통상의 히트 펌프 시스템은 필요한 가열 용량을 보충하기 위해 내부의 보조 저항 가열 코일(도시 생략)을 가동시킨다. 일반적으로 사람들은 이 전기 저항 코일이 가동될 때에는 따뜻하게 느끼지만, 그 저항 코일이 가동하지 않을 때에는 차갑게 느낀다. 본 발명의 경우, 가열 수단(18)은 어큐뮬레이터(16)에 충분한 열을 공급하며, 그 결과 압축기(10) 효율이 즉각 상승되고, 더 많은 열이 내부로 공급된다. 이것은 대부분의 내부 온도의 큰 변동을 제거하며, 이에 따라 내부의 열적인 안정성을 향상시킨다.In addition, in the case where the heat capacity of the heat pump is smaller than the required heating load, for example, when the external environmental temperature is very low, a typical heat pump system may use an internal auxiliary resistance heating coil (not shown) to compensate for the required heating capacity. Omit). In general, people feel warm when the electrical resistance coil is in operation, but cold when the resistance coil is not in operation. In the case of the present invention, the heating means 18 supplies sufficient heat to the accumulator 16, as a result of which the compressor 10 efficiency is immediately raised and more heat is supplied into the interior. This eliminates large variations in most internal temperatures, thus improving internal thermal stability.
2. 히트 펌프 신뢰성이 증가된다. 제상 사이클 동안에 히트 펌프의 역전은 히트 펌프 시스템에 기계적 및 전기적 스트레스를 크게 제공한다는 것이 공지되어 있다. 제상 사이클의 히트 펌프 역전 회수는 급격하게 감소되기 때문에, 그 히트 펌프, 특히 압축기의 신뢰성이 향상된다.2. Heat pump reliability is increased. It is known that reversal of the heat pump during the defrost cycle provides a significant mechanical and electrical stress to the heat pump system. Since the number of heat pump reversals in the defrost cycle is drastically reduced, the reliability of the heat pump, in particular the compressor, is improved.
하나의 실시예가 1989년 판 ASHRAE 핸드북 기초의 28장 28.11면(노쓰 이스트 애틀란타 조지아 30329 툴리 서클 1971에(1971 Tullie Circle, N.E., Atlanta Georgia 30329) 소재하는 American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers, 회사)에 있는 데이타에 따라 제공될 수 있다. 테네시 녹스빌 지역에서는, 외부 환경 온도가 37℉ ∼ 42℉의 범위인 경우가 연중 평균 1238시간이고, 32℉ 이하인 경우가 평균 845시간이다. 1회에 90분간 제상하는 히트 펌프의 경우에, 총 1388회 사이클의 히프 펌프 역전이 통상의 히트 펌프에 요구된다. 본 발명은 825회의 히트 펌프 역전(약 60%)을 제거한다. 그러한 히트 펌프 역전의 급격한 감소는 히트 펌프 신뢰성을 향상시킨다.One example is the American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers, chapter 28, 28.11 (North East Atlanta Georgia 30329 197129 Tullie Circle, NE, Atlanta Georgia 30329), based on the 1989 edition of the ASHRAE Handbook Foundation. Can be provided according to data in the company). In the Knoxville area of Tennessee, the average external environment temperature is in the range of 37 ° F. to 42 ° F., averaged 1238 hours per year, and below 32 ° F. on average. In the case of a heat pump that defrosts for 90 minutes at a time, a total of 1388 cycles of hip pump reversal are required for a conventional heat pump. The present invention eliminates 825 heat pump inversions (about 60%). Such a sharp reduction in heat pump reversal improves heat pump reliability.
3. 에너지 소비가 감소된다. 통상의 저항 타입의 보조 히터(도시 생략)는 그 기능이 가열 수단(18)에 의해 대체되지 않기 때문에 제상 사이클 동안에는 가동되지 않는다. 이 가열수단(18)은 어큐뮬레이터(16)에 직접 부착되기 때문에, 냉매와 가열 코일 사이의 열전달이 직접적이고, 내부 코일, 공기 및 통상의 저항 타입의 보조 히터의 열전달 보다 훨씬 더 효율적이다. 게다가, 내부 휀(fan)은 제 2 제상 사이클 동안에는 비작동인 것이 바람직하기 때문에, 송풍기(40) 동력이 마찬가지로 절감된다.3. Energy consumption is reduced. A conventional resistance type auxiliary heater (not shown) does not operate during the defrost cycle because its function is not replaced by the heating means 18. Since this heating means 18 is directly attached to the accumulator 16, the heat transfer between the refrigerant and the heating coil is direct and much more efficient than the heat transfer of the internal coil, air and auxiliary heaters of conventional resistance type. In addition, since the internal fan is preferably inactive during the second defrost cycle, the blower 40 power is likewise saved.
4. 제상 사이클에 필요한 시간이 현저하게 단축된다. 통상의 히트 펌프의 제상 사이클 동안에는, 이 히트 펌프는 역전되고, 액체 냉매가 어큐뮬레이터로 밀려 전술한 바와 같은 "냉매 부족"을 유발시킨다. 이러한 단점을 본 발명은 열을 직접 어큐뮬레이터로 인가해서 그 어큐뮬레이터(16)의 냉매를 즉각 비등시킴으로써 극복한다. 따라서, 제상 사이클은 단축된다.4. The time required for the defrost cycle is significantly shortened. During the defrost cycle of a conventional heat pump, the heat pump is reversed and the liquid refrigerant is pushed into the accumulator causing a "lack of refrigerant" as described above. The present invention overcomes this drawback by applying heat directly to the accumulator and immediately boiling the refrigerant in the accumulator 16. Thus, the defrost cycle is shortened.
본 발명은 특정의 응용분야에 쉽게 응용될 수 있고, 그 분야에서 당업자에 의해 설치될 수 있는 히트 펌프 제어부(도시 생략)와 가열 수단(18)의 설치를 포함하여, 새로운 히프 펌프들에 실시될 수 있고, 최소의 투자비로 기존의 히트 펌프들에도 재장착될 수 있다.The present invention can be applied to new hip pumps, including the installation of a heat pump control unit (not shown) and heating means 18, which can be easily applied to a particular application and can be installed by those skilled in the art. And can be retrofitted into existing heat pumps with minimal investment.
본 발명은 또한 보다 빠르면서도 더욱 에너지 효율적인 제상을 위한 제상 사이클을 채용하는 냉동 시스템에도 이용될 수 있다.The invention may also be used in refrigeration systems employing defrost cycles for faster and more energy efficient defrosting.
본 발명은 또한 전기 차량들에도 유용하다. 전기 차량들중에 소형차에 열을 공급하기 위한 히프 펌프의 이용은 바람직하지만, 효율적인 제상이 주된 문제점이었다. 본 발명을 이용하면, 소형차는 차가운 통풍이 없고, 이에 의해 제공되는 에너지 절감은 운전 영역의 확장에 이른다.The present invention is also useful for electric vehicles. The use of hip pumps to supply heat to compact cars among electric vehicles is desirable, but efficient defrosting has been a major problem. With the present invention, compact cars do not have cold ventilation, and the energy savings provided thereby lead to an extension of the operating area.
현재 본 발명의 바람직한 실시예로 고려된 것이 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 첨부된 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범위를 이탈하지 않고 다양한 변화 및 개량이 본 발명 내에서 이루어질 수 있다는 것이 자명할 것이다.While what has been considered and described as presently preferred embodiments of the invention, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the invention without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
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