KR200240141Y1 - 물접촉식 히트펌프 냉난방기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 크게 실외측기기와 실내측기기로 구분, 구성되어 있으며, 냉난방시 주요 구성 기기로, 실외측기기는 중온고압의 액체냉매를 단열 팽창시켜 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창밸브(D1)와, 상기 팽창밸브(D1)와 압축기(B)에서 이송된 냉매를 물을 이용하여 증발 또는 응축시켜, 흡수 또는 방출되는 잠열로 냉매를 기체 또는 액체로 상변화시키는 물접촉식 실외열교환부(A)와 열교환부(A, C)를 통과한 냉매 기체를 압축시켜 고온고압의 기체로 변화시키는 압축기(B)로 구성되어 있으며, 실내측기기는 디지털회로의 드라이브제어기(1)와, 팽창밸브(D2)와, 상기 팽창밸브(D2) 또는 상기 압축기(B)에서 이송된 냉매를 증발 또는 응축시켜 잠열을 실내에 제공 또는 빼앗는 실내열교환부(C)로 구성되었으며, 상기 물접촉식 실외 열교환부(A)는 증발(응축)부(A'), 냉동기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20), 물탱크(24)로 구성한 물접촉식 히트펌프 냉난방기에 관한 것이다.

Description

물접촉식 히트펌프 냉난방기{The apparatus for heating and unheated system}

본 고안은 난방기와 냉방기가 혼합된 물접촉식 히트펌프 냉난방기에 관한 것으로서, 간단히 설명하면, 냉난방운전 중 순환되는 냉매의 압력과 온도를 최적의 상태로 변화시켜 정상적인 냉난방운전을 가능케 하기 위한 난방기와 냉방기가 혼합된 물접촉식 히트펌프 냉난방기에 관한 것이다.

현재까지 냉매를 직접 이용한 물접촉식 냉난방기는 없으며, 공기접촉식 냉난방기에 있어 기존(국내ㆍ외)의 히트펌프 냉난방 방식에 전기 이용 압축기 구동방식(정속형, pole change형, 인버터형)과 가스, 경유 및 등유 등을 연료로 하는 엔진구동형 압축방식이 출시되어 사용되고 있다.

국내등록특허공보 등록번호 제248719호에는 냉매를 압축하여 실내측 열교환기를 포함하는 냉매싸이클에 냉매를 강제 순환시키는 압축기와, 사방변과, 팽창변과, 수액기와, 액 분리기와, 상기 수액기와 액 분리기를 연결하는 바이패스 배관과, 상기 바이패스 배관에 설치된 냉매제어수단과 히터로 구성된 냉난방기 싸이클이 공개되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제99-14403호에는 제1실린더의 흡기구가 어배퍼레이터에 연결되고 제1실린더의 배기구는 제2실린더의 흡기구에 연결되며 제2실린더의 배기구는 컨덴서에 연결되는 방식으로 서로 연통되면서 점진적으로 감소되는 압축실 체적을 갖게되어 냉매를 다단계적으로 압축시키는 냉방기 또는 냉동기용 컴프레서가 기재되어 있고,

동 공보 공개번호 제98-24625호에는 요지온도경사형 다단냉각기에 있어서, 연직상방으로 개구를 가지고, 한제를 수납하며, 소정공간을 가지는 2중벽에 의하여 구성되고 외부냉각통에서 제1의 냉각공정이 이루어지며, 상기 외부냉각통 내의 실질적인 동축상에 설치된 수직관로에서 제2의 냉각공정이 이루어지고, 상기 수직관로에 관통된 내부냉각통에서 제3의 냉각공정이 이루어지는 온도경사형 다단냉각기가 공개되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제2000-24793호에는 실외기가 없는 냉난방기의 경우 (일명: 창문형이며,정속형 ON/OFF착탈식)모세관을 통과하여 압축기로 흡입되는 저압축 라인에 전기가열선 또는 응축기에서 응축기 팬에 의하여 발생한 응측열풍, 또는 응축기를 구성하는 고압측 라인에서 분기되어 연장되는 고압라인을 압축기에 연결되는 저압축라인의 외주를 회류하여 열교환이 이루어지도록 하여 냉매가스의 과냉각을 방지하는 실외기가 없는 냉난방기의 저압 냉매 온도상승장치가 기재되어 있고,

국내등록실용신안공보 등록번호 제130652호에는 열파이프의 냉난방기 내부측 외부에 흡수액 및 응축냉매를 접촉시킨 증발부와, 반대측을 냉난방기 밖으로 연결하여 공기를 이용하여 흡수열 및 응축열을 냉각시키는 작동매체가 봉입된 열파이프를 냉난방기 측면으로부터 삽입하고 냉난방기에 삽입되지 않은 열파이프 외측에 접촉 면적이 넓도록 냉각핀을 배설하고, 상기 냉각핀과 옆파이프를 흡입되는 냉각 공기로 냉각시키는 열 파이프를 이용한 소형 흡수식 냉난방기가 공개되어 있으며,

동 공보 공개번호 제2000-32356호에는 하나의 콤프레서를 사용하고, 제1, 제2, 3냉매를 포함하는 혼합냉매를 순차적으로 증발시켜 증발기에서 제3냉매의 증발에 의해 초저온을 발생시키며, 증발된 기화가스는 다시 콤프레서로 회수하는 초저온 다단 냉동장치가 기재되어 있으나,

상기와 같은 종래의 공기접촉식 히트펌프 냉난방기 기술들과 출시된 제품은 난방 운전시 외기 온도가 점점 낮아지면 외기로부터 흡수하는 열량이 적어져 주로 압축기의 압축열에 의존하게 되고, 결국 난방부하(주로 압축기)가 커져(압축기의 고통전담) 에너지(전기, 가스, 유류 등)소모가 많아지고, 전기구동압축방식의 경우 정속형은(220V, 1Φ,60HZ) 0℃~-3℃부근에서, pole change(220V, 1Φ,60HZ)형은 -2℃ ~ -4℃부근에서, 인버터형 (220V 또는 380V, 3Φ, 30HZ~130HZ)은 -10℃ 부근에서 압축기에 과부하 [일부 액체 상태의 냉매(저온저압의 기체와 액체)가 압축기에 유입]가 걸려 효율이 급격히 떨어지고, 외기 온도가 점점 더 하강하면 압축기가 위험상태에 이르며, 가스 및 유류 엔진구동 압축방식의 경우 외기 온도 -15℃부근에서 압축기에 과부하가 걸리고 -20℃부근에서는 위험한 상태(외기온도 저하 시 전기 인버터형과 동일상태)에 도달한다.

또한 난방 운전시 외기온도가 0℃ ~ -5℃ 부근에서 빈번히 실외기 열교환기 증발부에 서리가 발생(저온의 냉매 증발부와 외기의 접촉으로 인한 결로현상으로 발생하는 수증기가 얼어 붙음)하며, 흡수되는 잠열을 막아, 이를 제거하는 제상운전이 별도 필요하다.

이를 위해, 전기구동 압축방식의 경우, 압축기를 나온 고온고압 상태의 기체 냉매관 일부를 바이패스(By-pass) 하여 실외기 열교환기 증발부 밑을 통과하여 방출되는 응축잠열로 서리를 제거한 후, 액분리기(Accumulator)에 연결하였으나, 액분리기쪽과의 냉매압력 및 온도차이 때문에 제상운전목적을 달성 후 본(main) 운전을 위해 제상운전을 중단하여야 하며, 본(main)운전과 제상운전을 동시에 병행하여 운전을 할 수 없고, 착 운전시 또는 본(main)운전 중 빈번이 반복하여 5-10분 정도 별도로 본(main)운전을 중단하고 제상운전을 행하여야하는 단점이 있어 왔으며,

가스 엔진구동 압축방식의 경우는 고온의 가스엔진배열(배기가스, 냉각수열)을 By-pass하여 실외기 열교환기 증발부를 통과시켜 서리도 제거하고, 흡수잠열도 공급하며, 훌륭히 사용하고 있으나 -15℃ 부근에서부터는 효율이 급격히 저하되는 문제점(외기온도 저하시 냉매의 상변화가 확실하게 되지 않아 불안전하기 때문에)이 있어 왔다.

또한 최근에는 디지털 회로를 이용한 Drive Control unit를 채택한 전기인버터형 냉난방기와 가스엔진 구동형 냉난방기는 외기온도 및 실내온도 변화에 따른운전부하 증감의 조절을 자동제어기술로 전기, 가스 등 에너지 소모를 최소화하면서 냉난방 운전하여 냉난방효과도 높이고, 기기의 수명을 연장시켜 왔으나, 난방시 위의 한계를 극복하지 못하여 겨울철 외기온도가 낮과 밤 영하(0℃)를 지나 -10℃ 밑으로 빈번이 떨어지는 (2000년 12월, 2001년 1~2월의 경우 서울 최저온도 -23℃)우리 나라의 경우, 난방운전이 중단되는 등 결함이 노출되어 사용에 곤란한 문제점이 있어 왔다.

냉방 운전시에는 저온측인 실내온도가 영상(대부분 18℃이상)에서 작동되므로 대기압 상태(1Kg/㎠)에서 온도 -40℃~-44℃ 부근에서 기화되는 냉매(R22, R407C 기준)특성상 저온측에서 열을 빼앗아 고온측에 버리는 데 있어서, 저온측 온도가 냉매의 상변화 한계치 위에 항상 있으므로, 저온측으로부터 열을 많이 흡수하여 압축기에서 전담하는 압축 부하가 적어 종래의 기술들은 큰 문제점 없이 발전되어 현재까지 운용되고 있다.

그러나 실제 냉방시 실내의 설정온도에 도달하는 냉방속도에는 한계가 있고 실내 최저저온 설정온도에도 냉방부하가 커지는 문제로 인한 한계가 있으며, 실내온도 과냉각시 압축기에 부하가 증가하고, 운전 소비에너지도 크게 증가하는 등 운전효율과 냉방속도에 있어 한계가 있는 단점이 있어왔다.

상기와 같은 공기접촉식 히트펌프 냉난방기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 고안은 물접촉식 히트펌프 냉난방방법을 고안하여, 난방운전시 외기 온도 -30℃ 이하에서도 정상운전 되며, 전기인버형 Type의 경우 저주파(30HZ~90HZ)범위 에서, 가스 및 유류엔진 type의 경우 낮은 회전수(rpm) 범위에서 경제 운전하며, 냉방시에도 경제운전과 동시에 실내의 설정온도 도달속도를 빠르게 하고 최저 설정온도 한계 범위도 넓혀, 냉난방시 모두 빠른 속도로 실내 설정온도에 도달 후 곧바로 기존의 인버터(디지털)회로를 이용한 저속운전으로 전환케하여 냉, 난방 동시 에너지를 대폭 절약하고, 쾌속 냉난방하는 냉방기와 난방기가 혼합된 물접촉식 히트펌프 냉난방기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

도1 종래의 공기접촉식냉난방기 난방싸이클 흐름도

도2 종래의 공기접촉식냉난방기 냉방싸이클 흐름도

도3 본 고안의 물접촉식 히트펌프 난방싸이클 흐름도

도4 본 고안의 물접촉식 히트펌프 냉방싸이클 흐름도

도5 본 고안의 물접촉식 냉난방기 전기이용 인버터 히트펌프 싸이클 구성도

도6 본 고안의 물접촉식 냉난방기 가스 및 경유, 등유엔진 히트

펌프싸이클 구성도

도7 물접촉식 실외 열교환부 구성도

도8 본 고안의 팽창밸브 배관 상세 구성도

도9 냉난방시의 랭킨싸이클 기본선도

도10 본 고안의 난방시 랭킨싸이클 T-S 선도

도11 본 고안의 난방시의 랭킨싸이클 P-h 선도

도12 본 고안의 냉방시 랭킨싸이클 T-S 선도

도13 본 고안의 냉방시 랭킨싸이클 P-h 선도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

드라이브제어 기(1), 전자팽창밸브(2,2'), 냉매보충리시버탱크 (3), 과냉각기(4), 물접촉식 실외열교환기(5), 액분리기(6), 온도센서(8,13,15,16), 사방밸브 (7), 인버터압축기 (9), 실내열교환기(10), 실내온도센서(11), 실외온도센서 (12), 소음기(14), 압축기구동엔진(17), 냉동기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20), 전극봉식 플로트레스(21), 자동개폐밸브(22), 급수관(23), 물탱크(24), 드레인관(25),

제1 및 제2 분기관(26,27), 물접촉식 실외열교환부(A), 압축기(B), 실내열교환부 (C), 팽창변(D1,D2), 삼방밸브(a,b,c,d)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 모두 실외측기기와 실내측기기로 구분 구성되어 있으며, 냉난방겸용시의 주요구성은,

1. 상기 실외측기기는 중온고압의 액체냉매를 단열팽창시켜 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 도8의 팽창밸브(D1) 및 삼방밸브(a,b)와, 상기 팽창밸브(D1)와 압축기(B)에서 이송된 냉매를 물을 이용하여 증발 또는 응축시켜, 흡수 또는 방출되는 잠열로 냉매를 기체 또는 액체로 상변화시키는 물접촉식 실외열교환부(A)와, 상기 물접촉식 실외열교환부(A) 및 실내열교환부(C)를 통과한 냉매기체를 압축하여 고온고압의 기체로 변화시키는 압축기(B)와 상기 압축기(B)를 나온 고온고압의 냉매기체를 냉방 또는 난방운전으로 운전방향을 전환케 하는 사방밸브(7)로 구성되었으며, 상기 물접촉식 실외열교환부(A)는 증발(응축)부(A'), 냉온수기(18), 냉각탑 (19), 온수가열기(20), 물탱크(24)등으로 구성되었고,

상기 실내측기기는 디지털회로를 이용한 드라이브제어기(1)와, 도8의 삼방밸브(c,d)를 이용한 팽창밸브(D2)와, 상기 압축기(B)와 2단저압팽창밸브(D2)에서 이송된 냉매를 응축 또는 증발시켜 잠열을 실내에 제공 또는 흡수하는 실내열교환부 (C)로 구성되어 있으며, 상기 팽창밸브 (D2)는 하나(One)의 냉난방싸이클에서 실내기가 2대 이상의 멀티형 type이면 각각의 실내기 또는 실내기 입구에 설치 구성되고,

상기 물접촉식 실외열교환부(A)에서 냉매가 공기보다 훨씬 열량이 높은 물의잠열 및 현열을 교환케하여 냉난방능력 향상은 물론 제상작용도 겸하도록 구성된 물접촉식 히트펌프 냉난방기에 관한 것이다.

본 고안은 사방밸브(7)를 이용한 냉난방시 실외측기기는 중온고압의 액체 냉매를 팽창시켜 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창밸브(D1)와, 상기 팽창밸브 (D1)와 압축기(B)에서 이송된 냉매를 물을 이용하여 증발 또는 응축시켜 흡수 또는 방출되는 잠열로 냉매를 상변화 시키는 물접촉식 실외열교환부(A)와, 물접촉식실외열교환부(A)와, 실내열교환부(C)에서 이송된 저온저압의 기체를 압축시켜 고온 고압의 기체로 변화시키는 압축기(B)로 구성되어 있으며, 상기 물접촉식 실외열교환부(A)는 증발(응축)부(A'), 냉온수기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20), 물탱크 (24)등으로 구성되었고, 실내측기기는 디지털회로를 이용한 드라이브제어기(1)와, 팽창밸브(D2)와, 상기 압축기(B) 및 팽창밸브(D2)에서 이송된 냉매를 응축 또는 증발시켜 응축잠열을 실내에 제공 또는 흡수하는 실내열교환부(C)로 구성[상기 팽창밸브(D2)는 실내기가 2대 이상의 멀티형 Type이면 각각의 실내기 또는 실내기 입구에 설치〕된 난방기와 냉방기가 혼합된 물접촉식 히트펌프냉난방기 및 그를 이용한 냉, 난방방법에 관한 것이다.

2. 냉방전용시의 주요구성은

상기 실외측기기는 냉방 시 압축기(B)와, 상기 압축기(B)에서 나온 고온고압의 기체냉매를 물을 이용하여 응축시키는 물접촉식 실외열교환부(A)로 구성되며, 실내기는 상기 드라이브 제어기(1)와, 팽창밸브(D2)와, 저압팽창밸브(D2)에서 나온 저온저압의 냉매액을 증발시켜 기체로 만드는 실내열교환부(C)로 구성되어 있으며,

도면의 사방밸브(7)와, 삼방밸브(a,b,c,d), 팽창밸브(D1) 및 분기관(26,27), 온수가열기(20)는 불필요하며, 그 외의 구성은 상기 1과 동일하다. 그리고, 드라이브제어기(1)는 기존의 디지털 회로를 이용한 인버터 제어로 한다.

3. 난방전용시의 주요구성은,

상기 실외측기기는 난방시 중온고압의 액체냉매를 단열팽창시켜 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창밸브(D1)와 팽창밸브(D1)에서 이송된 저온저압의 액체냉매를 물을 이용하여 증발시켜 저온저압의 기체냉매로 상변화시키는 물접촉식 실외열교환부(A)와, 저온저압의 기체냉매를 압축시켜 고온고압의 기체냉매로 만드는 압축기(B)로 구성되며, 실내기는 상기 드라이브제어기(1)와, 상기 압축기(B)를 나온 고온고압의 기체냉매를 응축시켜 실내에 열을 방출하는 실내열교환부(C)로 구성되어 있으며, 도면의 사방밸브(7)와, 팽창밸브(D2) 및 분기관(26,27), 삼방밸브(a,b,c,d), 냉동기(18), 냉각탑(19)은 불필요하며, 그 외의 구성은 상기 1과 동일하고, 제어기(1)는 기존의 디지털 회로를 이용한 인버터 제어로 한다.

본 고안에서 사용되는 냉매는 프레온가스 R22, R407C는 표준상태(대기압)의 기압 하에서는 온도 -40℃ ~ -44℃부근에서, 압력 15㎏f/㎠ 정도에서는 40℃~44℃ 부근에서 약 56kcal의 잠열을 흡수(액체→기체로)또는 방출(기체→액체로)한다. 따라서 외기 온도가 아무리 떨어진다 하더라도 냉매의 각 운전싸이클 위치에서 민감한 냉매의 상 변화를 최적의 상태(100% 상 변화)로 유지시켜주기만 하면 된다.

이러한 냉매의 특성을 이용하여 지금까지 공기접촉식 히트펌프 냉방기의

경우는 기술의 발달로 정상적으로 사용되고 있으나, 히트펌프를 이용한 난방 시에는 종래의 제품들은 상기 앞부분에서 기술한 바와 같이 영하의 한계온도에 도달하면 결함이 노출되어 사용에 곤란한 문제점이 있다.

본 고안은 실외기열교환부(A)에 잠열 및 현열 량이 많은 물을 접촉시켜 난방뿐만 아니라 냉방시스템을 동시에 개선한 것이며, 기존의 공기접촉식 히트펌프 냉난방기는 난방운전시 외기온도가 영하 10℃이하로 내려가면, 실외기의 팽창부(D)를 통과한 저온저압의 액체 냉매가 외기온도가 낮아 증발부(A)에서 냉매를 증발시켜 액체를 모두 기체화하는 과정에서 충분한 증발잠열을 얻는 증발공정을 수행 할 수 없었고, 냉매가 증발되어 기화되었다 하더라도 기체 중 액체가 함유되어 있어 비록 액 분리기에서 일부 냉매액체를 분리한다 해도 액체를 전부 회수하지 못한 관계로 압축부(B)의 압축기가 정상작업을 수행 할 수 없었으며, 액체가 과잉이 되면 압축기가 파손되는 등의 단점이 있어, 이를 해결하기 위해 고안한 것이다.

본 고안의 주요 내용인 물접촉식 실외열교환부(A)에 대하여 설명하면

첫째, 실외기 열교환부에 냉매의 상변화에 소요되는 열량 높은 물을 접촉(물은 응고잠열이 약 80Kcal/1Kg이고, 증발잠열이 약 539Kcal/1Kg임)시켜, 상대적으로 상변화에 필요한 열량이 적은 냉매(R-22는 증발잠열이 약 56Kcal/1Kg임)에 흡수열량 및 방출열량을 충분히 공급하거나, 받아들여 기존의 공기접촉식 냉난방기 보다 냉난방효과를 훨씬 높였고, 난방운전 중 빈번히 실시하는 제상운전도 필요 없게 하였다.

둘째, 냉난방시에 있어, 난방시에는 냉매(R-22, R407C)보다 온도가 높은 급수관(23)의 물을 열교환기 증발(응축)부가 내장된 물탱크(24)에 유입토록 하여, 유입된 물에서 증발잠열을 냉매에 공급하고 난방운전 중 물의 온도가 떨어지면 소형 온수가열기(20)를 작동하여 물의 온도를 적정온도(10℃∼15℃)로 유지시키고 냉방시에도 급수관(23)의 물을 이용하여 운전하며 냉방운전중 물의 온도 상승 시 냉각탑 만을 이용하여 물탱크(24)의 물을 순환시켜 냉각하다가 계속되는 운전으로 물의 온도가 상승하면 물의 냉각효과를 높이기 위해 소형 냉동기를 작동시킨다.

특히 냉동기를 이용하여 심야전력으로 물을 빙축하여 놓았다가 낮에 사용하면 냉방효과를 크게 상승시키며, 운전경비도 절감된다.

본 고안은 사방밸브(7)를 이용한 냉난방시에 있어 난방시의 경우, 외기온도하강에 따른 상기 기존 제품들의 한계치에 따른 문제를 해결하고 상기 물접촉식 실외열교환부(A)에서 액체 냉매가 상 변화에 필요한 증발잠열(약 56kcal)을 흡수하고 모두 기화되면서 적정한 과포화기체로 만들어 난방효과를 극대화하고 또한 상기 압축기(B)에서 소비되는 에너지(전기, 가스, 경유, 등유)를 절약도 하고, 외기온도 하강으로 증가하는 압축기의 압축부하가 없도록 하여 압축기(B)의 수명을 연장시켰다.

한편, 외기 온도 변화에 따라 물접촉식 실외열교환부(A)의 구성기기 들은 디지털(인버터) control 제어기(1)에서 연동케 하여 쾌속난방과 동시에 저속운전으로 에너지를 크게 절약할 수 있도록 하였다.

냉방시에는 물접촉식 실외열교환부(A)에서 종래의 기술보다 냉매의 온도와 압력을 떨어뜨려 상기 실내 열교환부(C)에서 실내의 열량을 더욱 많이 흡수하여, 짧은 시간 내 실내 온도가 설정온도에 도달케 하여 쾌속냉방과 동시에 저속 경제운전을 하게 하여 고효율 운전과 동시에 에너지를 크게 절약할 수 있도록 하였다.

본 고안의 적용 범위는 Digital회로 제어기를 채택하는 전기인버터형 압축기 Type의 냉난방기, 냉방기, 난방기와 가스, 경유 및 등유 엔진구동형 압축기 Type의 냉난방기, 냉방기, 난방기 모두에 적용한다.

본 고안은 냉난방, 냉방, 난방전용 싸이클에서 압축기(B)나 실내기를 병렬로 구성하는 멀티형 싸이클에 이용 시 유리하며 중,대형 냉난방 시스템에 이용 시 유리하다.

본 고안은 디지털 회로를 채택한 Controller를 이용한 것으로 냉난방, 냉방, 난방시 각 라인의 필요지점에 온도 및 압력 센서를 설치하고 연동하며, 실내온도센서, 실외온도센서와도 연동되며, 냉동기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20) 및 각종밸브(팽창밸브, 사방밸브, 삼방밸브, 자동 개폐밸브 등)들을 냉매의 온도, 압력과 적정하게 연동시켜 정상적으로 작동 및 유지되도록 세팅하여 비정상적인 냉매의 온도 및 압력에 관한 신호가 Controller에 수신되면, 그 부근의 에러체크가 되도록 한 것이다.

상기와 같은 원리는 디지털기술의 발달로 당 분야에서는 통상의 기술이므로 구체적인 원리와 작동상태는 본 고안에서는 생략하기로 하였다.

본 고안은 압축기가 전담하는 고통(압축부하)을 줄여주어 압축기의 수명을 오래가게 하고, 고급 재질의 압축기를 이용하지 않고도, 기존 재질의 압축기로 정상운전이 되도록 기존의 실외열교환기를 개량한 고안인 것이다.

이하 도면을 참고하여 본 고안을 설명하면 다음과 같다.

도1 종래의 공기접촉식 냉난방기 난방싸이클 흐름도, 도2 종래의 공기접촉식 냉난방기 냉방싸이클 흐름도, 도3 본 고안의 물접촉식히트펌프 난방싸이클 흐름도, 도4 본 고안의 물접촉식히트펌프 냉방싸이클 흐름도, 도5 본 고안의 물접촉식 냉난방기 전기이용 인버터 히트펌프 싸이클 구성도, 도6 본 고안의 물접촉식 냉난방기 가스 및 경유, 등유엔진 히트펌프 싸이클 구성도, 도7 물접촉식 실외열교환부 구성도, 도8 본 고안의 팽창밸브 배관 상세 구성도, 도9 냉난방시의 랭킨싸이클 기본선도, 도10 본 고안의 난방시 랭킨싸이클 T-S 선도, 도11 본 고안의 난방시의 랭킨싸이클 P-h 선도, 도12 본 고안의 냉방시 랭킨싸이클 T-S 선도, 도13 본 고안의 냉방시 랭킨싸이클 P-h 선도를 도시한 것이며, 주요 구성기기는 드라이브제어기(1), 전자팽창밸브 (2,2'), 냉매보충리시버탱크(3), 과냉각기(4), 물접촉식실외열교환기 (5), 액분리기(6), 온도센서(8,13,15,16), 사방밸브(7), 인버터압축기 (9), 실내열교환기(10), 실내온도센서(11), 실외온도센서(12), 소음기(14), 압축기구동엔진 (17), 냉동기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20), 전극봉식 플로트레스(21), 자동개폐밸브(22), 급수관(23), 물탱크(24), 드레인관(25), 제1및 제2분기관(26,27), 물접촉식실외열교환부(A), 압축기(B), 실내열교환부(C), 팽창변(D1,D2), 삼방밸브 (a,b,c,d)를 나타낸 것임을 알 수 있다.

상기에서 도3, 도4는 본 고안의 물접촉식히트펌프 냉난방싸이클 흐름도이며 열교환에 따른 냉매의 온도와 압력을 도시한 것이다.

도5는 본 고안의 물접촉식 냉난방기 전기이용 인버터 히트펌프 싸이클 구성도로서, 냉난방겸용 싸이클이며, 냉난방 운전전환은 사방밸브(7)를 통한 냉매의 방향전환으로 이루어지며, 냉난방 시 냉매의 흐름은, 냉방시 전기인버터 압축기(9)를 나온 냉매가 사방밸브(7)를 거쳐 물접촉식 실외열교환부(A)로 들어가 물을 이용한열교환이 된 다음 팽창밸브로 이동하며 삼방밸브(a,b,c,d)를 이용하여 팽창밸브(2)의 직관을 거쳐 팽창밸브 (2')에서 단열팽창 후 실내열교환기(10)로 들어가 열교환이 된 다음, 사방밸브(7)를 거쳐 압축기(9)로 들어가 한 싸이클이 완성되며, 난방시는 상기 싸이클의 역순으로 진행되어 난방되는 것이다. 도5의 부호 (8,11,12,13,15,16)는 온도센서이고, 18은 냉동기, 19는 냉각탑, 20은 온수가열기이며, 제어기(드라이브제어유니트)(1)에서 콘트롤 된다. 한편, 냉방전용일 경우는 사방밸브(7)와 팽창밸브(2) 및 삼방밸브(a,b)와 온수가열기(20)가 불필요하며, 난방전용일 경우는 사방밸브(7)와 팽창밸브(2') 및 삼방밸브(c,d)와 냉동기(18), 냉각탑(19)이 불필요하다.

상기 도5는 인버터제어 전기모터를 이용하여 압축기(9)를 압축시키는 것이며, 상기 도6은 가스나, 경유등 유류를 사용하는 가스 및 유류엔진을 이용하여 압축기(9)를 구동시키는 것으로서 도6에서는 압축기(9)에 가스 및 유류엔진(17)을 이용한 압축기 구동장치를 나타낸 것이며, 이하 냉난방싸이클은 상기 도5의 냉난방싸이클과 동일한 것이다.

상기 도7은 물접촉식 실외 열교환부(A)의 구성도를 나타낸 것으로 열교환 증발(응축)기(A')를 내장한 물탱크(24)와, 상기 물탱크(24) 일측에 형성되어 있으며, 물을 항시 유입할 수 있는 급수관(23)과, 상기 물탱크(24)의 상부 일측에 형성되어 있으며 유입된 물의 양을 감지하는 전극봉식 플로트레스(21)과, 상기 급수관(23)의 말단부에 형성되어 있으며, 상기 전극봉식 플로트레스(21)에서 감지된 신호와 연동하여 작동하는 자동개폐밸브(22)와,

물탱크(24)의 하부 일측에 형성되어 있으며 물을 배수시키는 드레인관(25)과, 상기 물탱크(24)의 일측에 형성되어 있으며, 물의 온도를 감지하는 온도센서(13)과, 상기 물탱크(24)의 일측에 각각 연결되어 있으며 물탱크(24)의 외부에 설치된 냉방시에 사용되는 냉각탑(19) 및 냉동기(18)와, 상기 물탱크(24)에 파이프로 연결되어 있으며 물탱크(24)의 물을 순환시켜 적정한 물의 온도를 유지하는 난방시에 사용되는 온수가열기(20)로 구성되어 있는 것이다.

상기 도8은 팽창밸브 배관구성도로서 냉매 메인(Main)관에 간격을 두고 형성된 두 개의 실외측(가), 실내측(나)의 제1,제2분기관(26,27)과, 상기 두 개의 (가),(나)측 제1,제2분기관(26,27)은 직경이 메인(Main)관과 동일하고, 난방용 팽창밸브 D1, 냉매의 방향을 바꿔주는 삼방 밸브(a,b,c,d), 냉방용 팽창밸브 D2로 구성되어 있음을 알 수 있다.

한편, 팽창밸브 D1은 실외기 Box에 내장하고, 팽창밸브 D2는 실내기 멀티형 싸이클인 경우는 각각의 실내기에 내장하거나 각각의 실내기 입구에 설치 구성한다.

도9는 냉난방시의 랭킨싸이클 기본선도를 도시한 것이며, 도10, 도12는 본 고안의 냉난방 시 랭킨싸이클 T-S 선도를, 도11, 도13은 본 고안의 냉난방 시 랭킨싸이클 P-h를 도시한 것이며, 선도에 나타난 바와 같이 종래 기술에 비해 강조된 부분만큼의 냉난방면적 증대를 도시한 것이다.

보다 구체적으로 설명하면 도10은 난방시의 랭킨싸이클 T-S 선도로서 QL의 낮은 온도(실외)에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도(실내)에 방출하며, 4-1'구간은 증발, 1'-2'구간은 압축, 2'-3구간은 응축, 3-4구간은 팽창을 나타낸 것이며, 상기 그래프의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며, 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1,2,3,4범위 내의 난방면적을 본 고안에서는 1',2',3,4 만큼 난방면적을 넓혔다.

도11은 난방시의 랭킨싸이클 P-h 선도로서 QL의 낮은 온도(실외)에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도(실내)에 방출하며, 4-1'구간은 증발, 1'-2'구간은 압축, 2'-3구간은 응축, 3-4구간은 팽창을 나타낸 것이며, 상기 그래프의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며, 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1,2,3,4범위 내의 난방면적을 본 고안에서는 1',2',3,4 만큼 난방면적을 넓혔다.

도12는 냉방시의 랭킨싸이클 T-S 선도로서 QL의 낮은 온도(실내)에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도(실외)에 방출하며, 4-1'구간은 증발, 1'-2'구간은 압축, 2'-3구간은 응축, 3-4구간은 팽창을 나타낸 것이며, 상기 그래프의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며, 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1,2,3,4범위 내의 냉방면적을 본 고안에서는 1',2',3,4 만큼 난방면적을 넓혔다.

도13은 냉방시의 랭킨싸이클 P-h 선도로서 QL의 낮은 온도(실내)에서 열을 흡수하여 QH의 높은 온도(실외)에 방출하며, 4-1'구간은 증발, 1'-2'구간은 압축, 2'-3구간은 응축, 3-4구간은 팽창을 나타낸 것이며, 상기 그래프의 곡선 외측은 과냉액체 또는 과포화기체이며, 내부는 액체와 기체가 혼합된 상태로서 종래의 1,2,3,4범위 내의 냉방면적을 본 고안에서는 1',2',3,4 만큼 냉방면적을 넓혔다.

본 고안의 작동방법을 설명하면, 냉난방 시, 냉방 또는 난방운전 방향전환은 상기 사방밸브(7)를 통하여 전환되며, 상기 물접촉식 실외열교환부(A)와, 도8의 팽창밸브 배관 구성부분을 제외한 그 외의 기기는 기존의 공기접촉식 히트펌프 냉난방기와 동일하게 구성하여 작동한다. 그리고, 팽창밸브(D1,D2)는 전동식선형팽창 전자밸브(LEV: Linear Expansion Valve)를 사용하여 작동한다.

본 고안을 물접촉식 히트펌프 냉난방기 전체구성과 관련하여 작동방법을 설명함에 있어 설치장소의 기후환경 등으로 필요에 따라,

1, 냉난방 동시 겸용의 물접촉식 히트펌프 냉난방기 작동 방법을,

2, 냉방전용 싸이클(냉방기)에서 물 접촉방법을 사용한 경우의 작동방법을,

3, 난방전용 싸이클(난방기)에서 물 접촉방법을 사용한 경우의 작동방법을 구분하여 설명하겠다.

1, 냉난방 동시 겸용의 물접촉식 히트펌프 냉난방기 작동 방법은:

물접촉식 히트펌프 냉난방기 작동방법에 있어서, 냉난방시 상기 압축기(B)는 전기를 이용한 모터구동 압축기(정속형, Pole change형, 인버터형)와 유류(가스, 경유, 등유)를 이용한 엔진구동 압축기를 사용하여 저온저압의 기체냉매를 고온고압의 기체로 변화시켜 상기의 사방밸브(7)로 보내며, 사방밸브(7)는 냉매의 방향을 전환시켜 상기의 물접촉식 실외열교환부(A)와 실내열교환부(C)로 냉매가 이송되도록 하여 냉방, 난방운전 가능케 하며, 상기 물접촉식 실외열교환부(A)에서는 냉동기(18), 냉각탑(19), 온수가열기(20), 증발(응축)부(A'), 전극봉식 플로트레스 (21), 자동개폐밸브(22), 급수관(23), 물탱크(24), 드레인관(25), 온도센서(13)등의 기기를 작동한 물을 이용하여, 냉방시는 사방밸브(7)에서 이송된 냉매를 난방시는 상기 팽창밸브(D1)에서 이송된 냉매를 상 변화시켜, 냉매에 많은 증발잠열을 공급하거나 냉매에서 많은 응축열을 흡수하여, 냉방시는 팽창밸브(D1,D2)로, 난방시는 사방밸브(7)로 이송되도록 하며, 상기팽창밸브(D1,D2)에서는 냉매를 단열팽창하여 저온저압의 액체냉매로 상 변화시키며, 삼방밸브(a,b,c,d)와 분기관(26,27)을 이용,냉방시는 팽창밸브 D2를 작동하여 상기의 실내열교환부(C)로, 난방시는 팽창밸브 D1을 작동하여 상기의 물접촉식 실외열교환부(A)로 냉매를 이송케 하며, 상기 실내열교환부(C)에서는 실내기에 내장된 기존의 휀을 작동하여 상기팽창밸브(D2)와 사방밸브(7)를 통과한 냉매를 증발 또는 응축시켜 실내에서 열을 흡수하거나 방출하여 냉난방 후 상 변화된 냉매를 냉방운전 시는사방밸브(7)로 난방운전 시는 팽창밸브(D1)로 이송케 하여 하나의 냉,난방싸이클이 완료되며, 상기에서 여름철 냉방시 도8의 팽창밸브장치는, (가)쪽은 삼방밸브(a,b)를 이용하여 항시 직관으로 냉매가 흐르도록 하고, (나)쪽은 삼방밸브(c,d)를 이용하여 항시 팽창밸브(D2)로 냉매가 흐르도록 한다. 그리고 도7의 물접촉식 실외열교환부(A)는 냉동기(18), 냉각탑(19)을 이용, 물탱크(24)의 물을 냉각시켜 냉매로부터 방출 열을 흡수하며,

난방시 도8의 팽창밸브장치는, (가)쪽은 삼방밸브(a,b)를 이용하여 항시 팽창밸브(D1)로 냉매가 흐르도록 하고, (나)쪽은 삼방밸브(c,d)를 이용하여 항시 직관으로 냉매가 흐르도록 하며, 그리고 도7의 물접촉식 실외열교환부(A)는 온수가열기 (20)를 이용, 물탱크(24)의 물을 가열시켜 냉매에 증발열을 공급한다.

상기의 장치들은 기존의 온도센서(8,11,12,13,15,16) 및 밸브장치 등과 디지털회로를 이용한 제어기인 Drive Control Unit(1)에 서로 연동시켜 작동하게 하여 난방시는 외기온도 -30℃ 이하에서도 정상운전 되면서 난방효과를 극대화 시켰으며, 빈번한 제상운전이 필요없게 되었고, 냉방시에도 냉방효과를 증대시켜, 냉난방시 모두 쾌속 냉난방운전으로 실내의 설정온도에 도달 후 Drive Control Unit(1)에서 저속 경제운전으로 변환케 하여 운전에너지(전기, 가스, 유류)를 크게 절약함을 특징으로 하는 물접촉식 히트펌프 냉난방기의 작동방법인 것이다.

2. 냉방전용싸이클(냉방기)에서 물접촉 방법을 사용하는 경우:

냉방전용싸이클에 있어서, 상기 팽창부(D1,D2)는 냉매의 흐름이 항시 한 방향이므로 Main(직관)관 만을 사용하며, 상기 삼방밸브(a,b,c,d)와 팽창변(D1) 및 분기관(26,27)이 불필요하며, 냉매 Main(직관)관에 팽창밸브(D2)를 설치하고 작동하며, 그리고 상기의 물접촉식 실외열교환부(A)는 냉동기(18), 냉각탑(19)을 이용, 물탱크(24)의 물을 냉각시켜 냉매로부터 방출 열을 흡수하여 쾌속 냉방 후 실내온도가 설정온도에 도달하면 곧 바로 인버터(디지탈)제어기(1)로 저속경제운전에 들어간다. 그리고, 도면의 사방밸브(7)와, 온수가열기(20)는 불필요하며 그 외의 작동방법은 상기1과 동일하다.

3. 난방전용싸이클(난방기)에서 물접촉 방법을 사용하는 경우 :

난방전용 싸이클에 있어서, 상기 팽창부(D1,D2)는 냉매의 흐름이 항시 한 방향이므로 Main(직관)관 만을 사용하고 상기 삼방밸브(a,b,c,d)와, 팽창밸브(D2) 및분기관(26,27), 사방밸브(7)가 불필요하고, 냉매 Main관에 팽창밸브(D1)를 설치하고 작동하며, 그리고 상기의 물접촉식 실외열교환부(A)는 온수가열기(20)를 이용, 물탱크(24)의 물을 가열시켜 냉매에 증발열을 공급하여 쾌속 난방 후 실내온도가 설정온도에 도달하면 기존의 디지탈(인버터)회로를 이용한 제어기(1)로 제어하여 곧바로 저속 경제운전에 들어간다. 그리고 상기의 냉동기(18), 냉각탑(19)은 불필요하며, 그 외의 작동방법은 상기1과 동일하다.

본 고안의 물접촉식 실외열교환부(A)의 장비들은 물탱크(24)는 보온처리하고, 실외 열교환탱크(24)와 온수가열기(20), 냉동기(18)는 건물내부에 설치하고, 냉각탑(19)은 옥탑 등의 건물외부에 설치하고 작동케 하는것이 효과적이다.

본 고안의 물접촉식 히트펌프 냉난방기를 이용한 냉, 난방방법을 설명하면,

냉난방시 또는 냉방전용시 또는 난방전용시 압축기의 압축부하를 상승시키지 않으며, 실외열교환부 및 실내열교환부(A,C)에서 보다 많은 열량을 흡, 방출하기 위해,

압축기(B)또는 팽창밸브(D1)를 나온 냉매관에, 냉매의 상변화에 필요한 열량 (약56Kcal/1Kg)보다 훨씬 많은 물의 열량(빙점온도 : 80Kcal/1Kg, 기화온도 : 539Kcal/1Kg)을 이용, 물을 접촉시켜 열교환 효과를 극대화시킨 것이다.

여기에 이용한 물접촉식 실외열교환부(A)는 구성 기기인 냉동기(18), 냉각탑(19),온수가열기(20), 전극봉식 플로트레스(21), 자동개폐밸브(22), 물탱크(24), 급수관 (23), 드레인관(25), 온도센서(13)를 사용하여 냉,난방한다.

이와 같은 냉난방싸이클 개선은 냉난방시의 효율증대는 물론 실내의 설정온도까지 쾌속 냉난방 됨과 동시에 싸이클 작동 소비에너지(전기, 가스, 유류)를 크게 절약함을 특징으로 하는 물접촉식 히트펌프 냉난방기를 이용한 냉난방, 냉방, 난방방법인 것이다.

상기와 같은 본 고안은 냉난방시 실외열교환부에 물을 이용하여 열교환시켜 난방운전시는 외기온도 -30℃에서도 정상운전되며 난방효과를 증대시켰고, 냉방운전시도 더욱 크게 냉방효과를 늘렸으며,

냉난방 동시 또는 냉방시 또는 난방시에 도면 도10, 도12 랭킨싸이클 T-S 선도 및 도 11, 도 13 랭킨 싸이클 P-h 선도에 강조된 냉난방증대 면적상승의 효과를 도시하였다.

이와 같은 본 고안은 특히 난방시 외기온도 -30℃이하에서도 기존의 압축기를 개량하지 않고도 사용할 수 있으며, 냉,난방동시 압축기에 압축부하를 증가시키지 않고 정상운전되고, 실내의 설정온도까지 쾌속냉난방 후, 곧바로 인버터(Digital)회로를 이용한 저속경제운전으로 전환하여 압축기의 수명연장은 물론, 흡방출 열량을 크게 증대하여 냉난방효과를 극대화함과 동시에 운전에너지(전기, 가스, 유류)를 크게 절약하는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 물접촉식 히트펌프 냉난방기에 있어서, 실외측기기와 실내측기기로 구분되며, 상기 실외측기기는 중온고압의 액체냉매를 단열팽창시켜 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창밸브(D1)와, 상기 팽창밸브(D1)와 압축기(B)에서 이송된 냉매를 물을 이용하여 증발 또는 응축시켜, 흡수 또는 방출되는 잠열로 냉매를 기체 또는 액체로 상변화시키는 물접촉식 실외열교환부(A)와, 상기 물접촉식 실외열교환부(A) 및 실내열교환부(C)를 통과한 냉매기체를 압축하여 고온고압의 기체로 변화시키는 압축기(B)와, 상기 압축기(B)를 나온 고온고압의 냉매기체를 냉방 또는 난방운전방향 전환케 하는 사방밸브(7)로 구성되었으며, 상기 실내측기기는 디지털회로를 이용한 드라이브제어기(1)와, 팽창밸브(D2)와, 상기 압축기(B) 또는 팽창밸브(D2)에서 이송된 냉매를 응축 또는 증발시켜 잠열을 실내에 제공 또는 흡수하는 실내열교환부(C)로 구성되어 있고, 상기 팽창밸브(D1,D2)장치는 팽창밸브(D1,D2)와 삼방밸브(a,b,c,d) 및 분기관(26,27)으로 구성됨을 특징으로 하는 물접촉식 히트펌프 냉난방기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 물접촉식 실외열교환부(A)는 열교환 증발(응축)기 (A')를 내장한 물탱크(24)와, 상기 물탱크(24) 일측에 형성되어 있으며, 물을 항시 유입할 수 있는 급수관(23)과, 상기 물탱크(24)의 상부 일측에 형성되어 있으며 유입된 물의 양을 감지하는 전극봉식 플로트레스(21)과, 상기 급수관(23)의 말단부에 형성되어 있으며, 상기 전극봉식 플로트레스(21)에서 감지된 신호와 연동하여 작동하는 자동개폐밸브(22)와,

   물탱크(24)의 하부 일측에 형성되어 있으며 물을 배수시키는 드레인관(25)과, 상기 물탱크(24)의 일측에 형성되어 있으며, 물의 온도를 감지하는 온도센서 (13)과, 상기 물탱크(24)의 일측에 각각 연결되어 있으며 물탱크(24)의 외부에 설치된 냉방시에 사용되는 냉각탑(19) 및 냉동기(18)와, 상기 물탱크(24)에 파이프로 연결되어 있으며 물탱크(24)의 물을 순환시켜 적정한 물의 온도를 유지하는 난방시에 사용되는 온수가열기(20)로 구성되어 있음을 특징으로 하는 물접촉식 히트펌프 냉난방기.