KR20030041932A

KR20030041932A - 4계절용 다목적 냉난방기

Info

Publication number: KR20030041932A
Application number: KR1020030028366A
Authority: KR
Inventors: 이정호
Original assignee: 이정호
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2003-05-27
Also published as: KR20040094304A

Abstract

본 발명은 냉난방 겸용 장치에 관한 것으로, 동일한 unit에서 동일한 송풍장치 및 콘트롤 장치등을 이용하여 냉난방을 함으로써 두개의 unit를 이용할 때보다 적은공간에서 중복되는 부품을 제거하여 저렴한 비용과 열회수율을 높일 수 있도록 고안하여 에너지 절감형 냉난방기를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 냉난방 겸용 시스템 냉방의 경우에서 물을 매개체로 하여 냉수를 만들어 실내로 열교환하거나 기존의 냉방방식을 이용할 경우는 직접 압축된 냉매를 팽창시켜 열교환기를 통해 실내공기를 냉각할 수 있도록 고안한다.

난방의 경우는 냉방사이클 중 냉매 응축 과정에서 발생되는 응축열을 이용하거나 부족열량에 대하여 전기보조 가열장치를 사용한다. 이때 사용 가능한 전기의 경우 대기압 하에서 전기 1kw당 860kcal정도, oil의 경우 저위발열량 8.550kcal/l의 열량보다 휠씬 높은 효율을 나타낼 수 있도록 고안된 증기발생장치를 장착하여 에너지를 절감한다.

증기발생장치는 가열히터를 따라서 유로를 형성하여 물을 통과시키면 물이 입구에서부터 출구까지 지나면서 포화증기가 발생할 수 있도록 고안하면 적은 전기를 소비하면서 수증기를 얻을 수 있게된다.

또 가열용기 내(증기발생장치(7)-열교환기3(3)-열교환기2(4)-펌프(6))의 압력을 진공으로 유지하면 열매체(순수)는 가열됨과 동시에 비등하여 그 온도에 상응하는 증기가 발생되고 열교환기 표면에 도달했을 때 표면온도가 증기온도보다 낮으면 포화 증기가 가지고 있는 에너지를 빼앗기고 응축하여 물방울이 되어 다시 증기발생장치로 회수된다. 이처럼 응축열에 의한 열에너지량은 물의 자연대류에 비해 30-50배, 강제대류에 의한 열교환보다 10-30배 높은 10000-30000 ㎉/㎡h℃의 엔탈피(열교환능력)을 갖고 있어 동일 면적의 열교환기일 경우 휠씬 높은 열효율의 증대를 기대할 수 있게 된다. 이로서 최소의 전기에너지로 빠른 응답성과 효울성을 갖춘 난방기를 제공할 수 있게 된다.

그리고 열매체로 사용되는 물은 순수를 사용함으로써 가열과정에서 물이끼의 방지와 불순물의 배제로 증발, 응축의 속도를 가속시킬 수 있으며 이는 열효율의 증대시키고 또한 히터 표면과 온수파이프 내의 부식을 방지를 통해 내구성을 높일 수 있는 장점까지 갖추게 할 수 있게 된다.

또 열량의 확산에 따른 제한된 실내공간의 상대습도 감소와 사용공기의 빈번한 회수, 방출은 신선한 공기를 유지하기 어렵게 되기 때문에 가습장치및 전기집진장치, 탄소 또는 부직포필터를 비롯한 공기청정 기능과 음이온 및 산소발생기를 부착하여 높은 품질의 공기를 공급함으로써 기본적인 온도에 대한 만족과 더불어 고청정과 습도를 만족할 수 있는 냉난방 장치를 제공할 수 있게 된다.

Description

4계절용 다목적 냉난방기 {multi function air conditioner - for four seasons}

본 발명은 냉난방 겸용 시스템에 관한 것으로 겨울과 여름이 긴 한국의 경우 에어컨과 히터를 별도로 설치하는 경우가 많고 그에 따라 많은 공간을 차지하며 불필요한 공간을 낭비하게 된다. 따라서 각 유니트에는 동일한 기능의 장치를 많이 포함하게 되어 소비자로서는 2중,3중의 낭비를 감수하게 된다. 그럼에도 불구하고 동일기능의 부품은 호환이 되지 않음으로 유지비용 면에서도 많은 낭비 요인을 안게 된다. 또 기존의 각 유니트는 공기를 매개체로 열교환하기 때문에 열교환 공간으로 확산된 이후에는 설치된 공간의 여건에 따라 차이가 있을 수 있으나 대체적으로 낮은 열회수율을 나타내며 이러한 에너지 낭비요인을 소비자가 감수해야만 한다.

기존 냉난방 겸용으로 사용되어지는 heat-pump의 경우도 외기 온도가 4℃ 이하가 되면 사용이 불가능하게 되는 환경적인 조건 하에 있어서 heat-pump의 겸용 사용은 극히 제한적일 수 밖에 없다.

본 발명의 경우 냉난방기 각유니트에서 공통적으로 필요한 송풍장치와 콘트롤장치, 코일형 열교환기를 공유하여 제작비면에서 중복장치 만큼의 절감은 물론, 공간적으로도 1대의 공간으로 2대를 운전할 수 있는 장점을 갖게된다. 공기를 열전달 매체로 이용하는 경우 동일한 외측 칫수를 가진 냉방기와 난방기가 합쳐졌을 때 난방의 경우 열량의 부족이 발생된다.

왜냐하면 한국의 계절적 특성상 외기보다 5도 정도 낮으면 시원함을 느끼지만 겨울철엔 외기온도를 4℃ 정도로 가정할 때 20도 이상의 온도를 높여야 난방이 가능하기 때문에 난방의 경우 보조히터가 필요하게 되며 전기를 이용하여 공기를 데우는 형태가 주로 사용된다.

본 발명에서는 순수를 열매체로하며 전기히터에 의한 가열과 가열용기 내에 진공을 유지하고 그 내부에 유로를 형성시켜 열매체가 증발, 응축을 용이하게 반복할 수 있도록 하며 그 때 발생되는 응축열량을 열교환시켜 난방을 하게 된다.

또 발열 히터와 순수가 열교환하며 증기를 발생시키고 이때 외부로 발산될 수 있는 열을 재열할 수 있는 PCM물질과 단열재를 이용하여 열효율을 극대화 한다는 것을 특징으로 하는 증기발생장치를 장착하고 기존 일반 냉방장치를 결합하거나 기존의 냉매 팽창시 냉수를 만들어 난방과 동일한 경로를 통하여 냉방하고 콘트롤장치, 송풍장치를 공용 사용함으로써 공간적,비용적인 단점을 제거시킬 수 있도록 한다. 또 공기 순환으로 생길 수 있는 혼탁도를 전기집진기 또는 부직포 필터와 탄소필터, 음이온 발생장치를 비롯한 공기청정기능을 포함하고, 난방 또는 냉방운전시 실내의 상대습도가 떨어지는 문제를 해결하기 위한 전기 가습장치 및 산소발생장치를 부착함으로써 고품질의 4계절용 다목적용 공기조화기을 제공함에 있다.

기존의 히팅장치는 히터 발열부와 공기를 접촉하여 열교환하는 방식으로 발열부는 전기를 이용하거나 oil을 태워서 열원을 공급하기도 한다.

이 경우 기기 내부의 열효율를 고려해볼 때 전기의 경우 대기압 조건에서 kw당 860 kcal, oil의 경우 저위발열량 8.550kcal/l의 열량을 공기와 접촉하여 열교환하고 실내로 확산되고 그 중 일부가 리턴 공기에 의해 회수 된다. 그러나 본 발명의 경우 봄,가을의 난방에는 냉매 압축시 발생되는 열량을 회수하여 온수를 만들면 단순가열보다 2배 이상의 열효율을 낼 수 있는 heat-pump가 되며 이 때 가열되는 열매체로 순수를 이용하여 폐쇄회로를 돌고 재가열하기 때문에 가열 후 실내로 방출되어 리턴 공기로 열회수하는 기존의 방법에 비해 휠씬높은 열회수를 달성할 수 있게 된다.

또 외기 온도가 4℃ 이하가 될 때에는 앞에서 언급한 바 있는 전기에 의한 가열과 순수의 비등, 포화증기의 응축 과정에서 발생되는 응축열로 열교환 한다면 고효율과 빠른 응답성을 갖춘 난방을 실현할 수 있게 된다.

또 증기발생장치(열교환기-증기발생장치) 내부의 압력을 진공상태로 유지하면 물의 끊는점이 낮아져 적은에너지로 열매체(순수)가 비등하여 그 온도에 상당하는 증기가 발생하고 열교환기에 도달한 포화증기의 온도가 열교환기 표면 온도보다 높으면 열량을 열교환기 빼앗기고 응축되어 물방울이 되고 자체 무게에 의해 증기발생장치 내부로 회수되어 재가열, 증발의 반복 과정을 거치며 원하는 열량을 낼 수 있도록 고안한다. 증기발생장치 외부는 PCM 물질을 충진하여 가열되고 남은 열을 흡수하여 장시간 동안 재열하여 보조열원으로 사용케 함으로써 전력을 현저히 줄일 수 있게 된다. 또한 폐쇄된 가열장치 내부에 유로를 형성시켜 그 유로를 따라 마지막 부분에서 증발할 수 있도록 히터의 용량을 산정하면 불필요한 가열을 현저히 줄일 수 있게 된다.

그리고 제한된 공간의 공기 순환으로 인한 공기의 혼탁도를 해결키 위하여 집진장치를 공기가 흡입되는 부분에 부착하고 추가적으로 탄소필터를 장착하여 냄새 및 가스등을 흡착할 수 있도록 한다. 또 음이온발생장치를 토출공기 후단부에 부착하여 음이온을 공급함으로써 보다 양질의 공기를 공급 가능케 한다.

그리고 난방을 할 경우 공기의 가열로 인한 상대적 습도 저하가 생기거나 외기조건자체가 낮은 습도일 때는 적장한 실내 습도를 유지시킬 필요가 있다. 이를 위해 실내 공기 순환단계에서 별도의 가열방법에 의한 가습장치를 부착하고 온도 및 습도 센서를 이용하여 마이콤 제어함으로서 원하는 조건의 쾌적한 실내를 보장할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 개선된 냉난방 장치를 제공하는 데 있다.

첫째, 에너지 절약형 가열장치는 낮은 에너지소비로 높은 열량을 공급할 수 있도록 한다. 그러기 위해 증기발생장치(가열장치-열교환기3) 내부 순환 과정을 폐쇄 사이클로 구성하도록 한다. 이렇게 내부적으로 열회수를 높이고 외부적으로 리턴 공기에 의해 2차 열회수(기존 냉,난방장치와 동일 개념)를 한다면 실내공기를 데우기 위한 목적 이외에 열손실을 최대한 차단할 수 있어 기내, 기외의 열손실을 최소화할 수 있게 된다.

둘째, 용기 내부를 진공으로 유지하여 폐쇄 라인을 순수가 순환하면 대기압 상태에서 가열하는 것보다 휠씬 적은 열량으로 원하는 열매체를 증발시키고 다시 응축될 때 열을 회수하면 높은 열효율을 달성시킬 수 있게 된다. 또한 증기발생장치 주변에 PCM물질을 충진하여 열의 외부 손실을 막고 그 외부에 다시 단열을 함으로써 보다 완벽한 열차단을 실현한다.

셋째, 냉방시 고온, 고압으로 압축된 냉매를 응축하는 과정에서 발생되는 열을 회수하여 1차 가열한 상태에서 증기발생장치로 보내지도록 고안한다. 이때 발생된 냉매라인의 냉방에너지는 증발기가 아닌 실외기 코일로 바이패스시켜 외부로 냉기를 배출시킴으로 냉매를 재압축할 수 저온, 저압 상태로 만들 수 있다. 따라서 난방시 설정온도가 응축기 열회수로 가능한 경우는 증기발생장치의 운전이 필요 없어서 경제적인 운전이 가능하다.

넷째, 가열장치 내의 전기 히터는 봉의 형태를 갖추어 그 외부를 파이프가 감싸는 구조로 만들어 파이프와 히터사이에 형성된 유로를 통해 순환시킬 때 가열장치 입구에서부터 조금씩 온도가 증가하여 출구에서는 증발할 수 있도록 고안하여 열교환기에서 필요로하는 열량이 되도록 히터 길이와 유로 사이즈를 설계하여 미리 데워서 사용함으로써 낭비되어질 수도 있는 열량을 없애도록 한다. 이 때 폐쇄 유로 내부를 순환하는 열매체는 순수를 이용하여 내부부식을 막고 증발 속도를 높인다.

다섯째, 기내로 회수되는 공기의 청정도를 높이도록 고안한다. 이를 위하여 전기집진장치와 탄소필터 또는 부직포 필터를 부착하여 리턴 공기 중에 포함된 먼지입자와 화학적 오염물질을 걸러서 열교환기로 보내고 열교환 시킴으로 보다 깨끗한 난방공기를 만든다. 또 실내로 확산 전단계에서 음이온 및 산소을 방출시켜 토출공기의 품질을 한층 더 높인다.

또 회수되는 공기의 습도를 감지하고 원하는 실내습도를 설정하도록 이룬 장치를 부착하고 그에 따라 가습장치가 작동할 수 있도록 고안한다.

그럼으로써 항온 기능, 항습 기능, 공기정화기능을 모두 제공할 수 있는 4계절용 다목적 공기조화장치가 된다.

도1은 고안의 전체 구성을 보인 냉난방 구성도

도2는 응축열을 이용한 경우의 계통도

도3은 증기 발생장치의 계통도

◆ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 음이온 발생장치 31: 온수 입구

2: fan 또는 펌프 32: 전기히터

3: 냉,온수 열교환기 33: 온수 pipe

4: 냉방용 증발기(난방식 응축기) 34: 재열 물질

5: 가습장치 35: 온수 출구

6: pump 36: sensor

7: 증기발생장치 37: 보온재

8: control box(실내기용) 38: 순수

9: 탄소필터 39: 증기 출구

10: 전기집전장치 또는 부직포 필터

11: 실외기 fan

12: 응축기 코일(난방시 증발기)

13: 냉매용 콤푸레셔

14: 수액기

15: 액분리기

16: control box(실외기용)

17: 산소발생장치

18: UF 살균 장치

본 발명의 상기한 목적 및 특성을 달성키 위한 구성내역을 도면을 통해 설명하면 다음과 같다.

도1은 그 전체 구성도 이며 도2는 난방시 운전 계통도이며 도3은 그 핵심 장치인 증기발생장치의 단면도이다. 증기발생장치(도3)는 온수 PIPE(33) 속에 전기히터(32)가 내장 되 있어서 가열되면서 열교환기3(3), 열교환기2(4)와 폐쇄사이클을 구성하며 열매체로 순수(38)를 충진하고 진공처리하여 가열시 쉽게 비등할 수 있도록 고안하여 입구쪽에서 조금씩 온도가 상승하여 출구에서는 증발하여 열교환기(3)에서 응축될 수 있는 유량과 온도를 맞출 수 있도록 PIPE의 외경과 히터용량을 고안한다.

약한 부하의 난방 시에는 냉매가 도1에서 역방향으로(반시계) 순환하도록 하여 열교환 매체들(냉매와 순수)끼리 역순환(count flow)하며 열교환 할 수 있는 구조로 만들어진 열교환기2(4)에서 고온, 고압의 압축 냉매(액체)를 저온, 고압으로 변하며 열을 빼앗고 이를 펌프(6)로 순환시켜 열교환기3(3)에서 실내로 난방한다. 높은 부하시 증기발생장치를 통해 난방을 하도록 한다.

또 온수PIPE 외부로의 열손실을 막기 위해 PCM물질(34)를 충진하여 외부로 빠져나가는 열을 흡수하도록 하고 그 외부를 단열재(37)로 마감처리한다. 전원이 켜지고 원하는 온도가 현재온도보다 높으면 증기발생장치(6)에서 포화증기를 공급받거나 열교환기2(4)에서 온수를 공급받아서 PUMP(6)가 작동하거나, 순수의 폐쇄 라인 내 압력차에서 의해 열교환기(3)로 순환되여 알미늄 판재와 동관으로 구성된 열교환기3(3) 동관 내부로 온수또는 포화증기가 이동되며 FAN(2)이 돌아 열교환기 알미늄 핀과 핀 사이로 외부 공기가 통과하면서 열교환기3(3) 내 열량을 외부로 토출시킨다. 토출된 공기는 음이온 발생장치(1)에서 발생된 음이온, UF살균장치(18)의 살균등과 산소발생장치(17)의 산소와 함께 실내로 방출되면서 확산되어 실내공기를 데우고 기내의 홴의 흡입력으로 다시 기내로 흡입되며 이 때 실내의 먼지를 집진장치(10)와 탄소필터(9)에의해 공기를 청정하게 만든다. 또한 온도와 습도센서에 의해 흡입공기의 온도, 습도 조건이 마이콤 콘트롤 장치(8)에 전달되고 설정된 온도, 습도 조건과 비교하여 가습장치(5) 또는 가열장치(6)의 운전을 제어하게 된다.

냉방의 경우 음이온 발생장치(1), 가습장치(5), 공기집진(10) 및 탈취필터(9)작용은 동일하게 작동하면서 실외기 냉매압축기(13)의 고온, 고압의 냉매가 응축코일(12)에 의해 저온, 고압으로 바뀌고 팽창밸브(11)를 통과하면서 저온, 저압의 가스로 변한 상태로 열교환기2(4) 내부로 흐르며 역순환되는 순수에게 증발잠열을 빼앗기고 난방에서처럼 PUMP(6)에 의해 열교환기3(3)로 이송되어 동관 사이로 차가워진 순수(38)기 흐르고 FAN(2)이 핀사이로 흡입공기를 불어 열교환하여 실내로 찬공기를 공급하게 된다. 이렇게 함으로서 냉방, 난방을 수행함은 물론 가습 및제습의 효과와 공기청정 기능까지 갖춘 4계절용 공기조화기가 된다.

이상에서와 같이 본 다목적 냉난방 장치에서는 온수를 공급하는 데 있어 증기발생장치 내부를 대기압보다 낮게 만들어 순수를 가열함으로써 적은 열량으로 빨리 난방을 수행하고 열교환기를 통한 열량을 공기 중으로 확산시킴으로서 공기를 히터로 데워 열교환하는 기존의 난방기보다 2중의 열교환 효과를 나타낼 수 있게 된다. 또 이와같은 기내의 열회수와 더불어 토출되어져 공기를 데우고 다시 기내로 들어오는 과정은 기존의 히터와 동일하기 때문에 훨씬 열량을 절약할 수 있게 된다. 또 난방공기에서도 온도를 만족시킴은 물론 온도상승에 따른 상대습도의 조절, 공기청정까지 만족 시킬 수 있게 된다. 냉방의 경우도 냉방의 고유 기능 외에도 앞서 언급한 부가적인 기능을 수행 함은 물론이다.

Claims

난방 수단으로써 순수(38)를 열매체로 사용하며 유로 내에 전기히터(32)가 설치되고 가열 과정을 통해 포화증기를 만들며 이런 과정이 진공상태의 폐쇄 회로 내에서 이뤄지도록 고안하여 열교환기(3)로 이송되도록 하고 PCM물질(34)을 충진하여 재열하고 그 외부를 다시 단열재(37)로 보온하는 구조에 온도 및 압력센서(36)를 부착하여 제어하도록 하는 구조로 만들어진 것을 특징으로 하는 증기발생장치(6)를 내장하고 별도의 강제순환장치인 FAN 또는 펌프로 열교환시킬 수 있도록 고안된 난방장치
제1항에 있어, 열매체를 순환시키는 펌프(6)와 온수열교환기(3)와 송풍 또는 PUMP장치(2)와 가습장치(5) 냉매 직접 팽창식 열교환기(4)를 내장하고 전기집진장치 또는 부직포 필터(10)와 산소발생기(17), UF살균장치(18), 음이온발생장치(1)를 포함하고 냉매압축기(13), 응축기(12).수액기(14), 증발기(4), 액분리기(15)를 이용하는 냉방장치를 포함하는 냉난방기
제2항에 있어, 온수의 라인이 증기발생장치(7)와 PUMP(6),온수열교환기(4),실외기응축열교환기2(4)로 폐쇄라인이 확대되 사용 온도에 따라 냉매사이클을 변경시켜 증발기(4)를 응축기(4)로 사용할 수 있도록 하여 열매체를 1차 가열할 수 있는 것을 특징으로 하는, 또 난방열량의 부족시 제1항의 방법에 따라 2차적인 난방을 수행하고 열교환기2(4)기 증발기로 사용되는 정 사이클시 냉수를 열교환기2(4)에서 냉수를 만들어 PUMP(6)로 순환시키고 열교환기3(3)에서 열교환하여 냉방하도록 하는 것을 특징으로 하는 냉난방장치