KR200304217Y1 - 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치 - Google Patents

매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 열펌프식 공기조화 장치에 관한 것으로, 미리 설정된 경로를 따라 순환되는 냉매의 상변화를 이용하여 실내 공기의 온도를 조절하도록 구성된 열펌프식 공기조화 장치에 있어서, 실내 공기와 물이 서로 열교환되도록 물의 이동 경로를 제공하는 실내측 열교환기(10)와, 실외 공기와 냉매가 서로 열교환되도록 냉매의 이동 경로를 제공하는 실외측 열교환기(30)와, 상기 물과 냉매가 서로 열교환되도록 물과 냉매의 이동 경로를 제공하는 매개 열교환기(80)와, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 저온저압의 냉매를 고온고압으로 압축시키는 압축기(20) 및, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 고온고압의 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브(40)를 포함함을 특징으로 하여, 냉풍 및 온풍의 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치{Heat pump type air conditioning apparatus with a medium heat exchanger}
본 고안은 열펌프식 공기조화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매가 순환되는 실외측 열교환기와 물이 순환되는 실내측 열교환기 사이에 매개 열교환기가 설치되어 냉풍 및 온풍의 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있도록 된 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열펌프(Heat Pump)식 냉난방장치는 냉매계통의 절환에 의해 여름에는 실내의 열을 실외로 배출시키고 겨울에는 실외의 열을 실내로 배출시킴으로써 실내의 온도를 낮추거나 높이는 장치이다.
종래 기술에 따른 냉난방장치의 일례를 도1을 참조하여 설명한다.
종래의 냉난방장치(100)는, 실내에 배치되는 실내측 열교환기(110)와, 실외에 배치되는 실외측 열교환기(130)와, 저압으로 유입된 냉매를 압축하여 고압으로 토출시키는 압축기(120)와, 고압의 냉매를 팽창시켜 저압으로 변화시키는 팽창밸브(140)와, 냉매의 흐름에 대하여 압축기(120)보다 더 전방에 설치되어 냉매의 기체 성분만을 압축기(120)로 유입시키는 기액분리기(150) 및, 냉매의 흐름에 대하여 압축기(120)보다 더 후방에 설치되어 압축기(120)에서 토출된 고압 냉매의 방향을 전환시키는 사방밸브(160)를 포함한다. 또한, 상기한 구성부품들을 연결시켜 냉매가 설정된 소정 경로를 따라 순환시키기 위한 배관(171)(172)(173)(174)(175)과, 이들 배관의 필요 개소에 장착되어 냉매의 흐름을 개폐시키는 밸브류와, 배관이나 그 이외의 소정 개소에 장착되어 냉매와 공기의 온도 및 압력 등을 감지하기 위한 센서류 및, 여러 구성부품들에 전원을 공급하고 센서류로부터 제공받은 신호에 의해 이들 구성부품들을 제어하기 위한 제어부를 더 포함한다.
이러한 냉난방장치는 실내에 구비되어 조작 가능하게 구성된 상기 제어부에서 냉방 또는 난방을 선택하고, 이 선택에 의해 상기 제어부는 밸브류를 제어하여 냉방 또는 난방에 적합한 냉매 경로를 확보하게 된다.
우선, 냉방을 선택한 경우, 실내측 열교환기(110)와 사방밸브(160)를 연결시키는 배관(171)이 압축기 인입측 배관(172)과 연결되고 실외측 열교환기(130)와 사방밸브(160)를 연결시키는 배관(174)이 압축기 토출측 배관(173)과 연결되도록 사방밸브(160)가 냉매 경로를 확보함으로써, 저온저압의 냉매가 실내측 열교환기(110)로 유입되어 증발하면서 실내에서 열을 빼앗고, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 기액분리기(150)를 통해 압축기(120)로 유입되어 고온고압으로 압축되며, 상기 압축기(120)에서 토출된 냉매는 실외측 열교환기(130)로 유입되어 응축되면서 열을 실외에 방출시키고, 상기 실외측 열교환기(130)에서 배출된 냉매는 팽창밸브(140)에서 팽창된 후 실내측 열교환기(110)로 유입되는 사이클을 이룬다.
다음에, 난방을 선택한 경우, 실외측 열교환기(130)와 사방밸브(160)를 연결시키는 배관(174)이 압축기 인입측 배관(172)과 연결되고 실내측 열교환기(110)와 사방밸브(160)를 연결시키는 배관(171)이 압축기 토출측 배관(173)과 연결되도록 사방밸브(160)가 냉매 경로를 확보함으로써, 고온고압의 냉매가 실내측 열교환기(110)로 유입되어 응축되면서 실내에 열을 방출하고, 상기 실내측 열교환기(110)에서 배출된 냉매는 팽창밸브(140)에서 저온저압으로 팽창된 후 실외측 열교환기(130)로 공급되며, 상기 실외측 열교환기(130)에서는 저온저압의 냉매가 증발되면서 실외의 열을 빼앗으며, 상기 실외측 열교환기(130)에서 배출된 냉매는 압축기(120)에서 고온고압으로 압축된 후 실내측 열교환기(110)로 유입되는 사이클을 이룬다.
그리고, 제어부는 사용자에 의해 설정된 냉난방 온도와 실제로 측정된 실내 온도를 비교하여 실내가 적정한 온도를 갖는 경우 압축기(120)를 정지시킴으로써 압축기(120)가 불필요하게 가동되는 것을 방지한다. 물론, 이렇게 압축기(120)가 정지된 경우에도 실내측 송풍팬(미도시됨)은 실내 공기의 순환 등을 이유로 그 가동이 계속되는 것이 일반적이다.
그러나, 종래의 냉난방 장치(100)는 다음과 같은 문제점을 갖는다.
첫째, 난방 운전이 수행되는 경우, 실외측 온도가 영하로 내려가면 냉매의 온도도 전반적으로 하강함으로써 실외측 열교환기에서 냉매가 충분히 기화되지 못하여 난방 효율이 저하되는 것은 물론 실외측 열교환기(130)의 표면이 어는 문제점을 갖는 것이며, 압축기(120)로 유입되는 냉매의 온도가 설정 범위 이하로 내려가면서 압축기(120)를 강제로 정지시킴으로써 난방이 제대로 수행되지 않는 문제점을 갖는다.
둘째, 냉방 운전이 수행되는 경우, 실외측 온도가 과도하게 상승하면 냉매의 온도도 전반적으로 상승함으로써 실외측 열교환기에서 냉매가 충분히 액화되지 못하여 냉방 효율이 저하되는 문제점을 갖는 것이며, 압축기(120)로 유입되는 냉매의 온도가 설정 범위 이상으로 올라가면서 압축기의 내부 부품들을 열화시켜 압축기의 수명을 저하시키는 문제점을 갖는다.
셋째, 실내측 열교환기(110)를 통과하여 배출되는 냉풍 또는 온풍의 온도가 일정하게 유지되어야만 쾌적한 냉, 난방에 효과적인 것이지만, 압축기(120)의 가동 여부에 의해 실내측 열교환기(110)에서 배출되는 냉풍 또는 온풍의 온도가 급격하게 올라가거나 떨어지면서 쾌적한 냉, 난방을 곤란하게 하는 문제점을 갖는다.
본 고안은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실외측 열교환기를 순환하는 냉매와 실내측 열교환기를 순환하는 물 사이의 열교환이 매개 열교환기에서 이루어져 실내측 열교환기를 통과하여 배출되는 냉풍 또는 온풍의 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지하여 쾌적한 냉난방이 이루어질 수 있도록 된 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도1은 종래 기술에 따른 열펌프식 공기조화 장치가 전체적으로 도시된 개략 구성도;
도2는 본 고안에 따른 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치가 전체적으로 도시된 개략 구성도;
도3은 본 고안의 요부를 나타낸 상세도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
10 : 실내측 열교환기 12, 14, 16 : 물 배관
18 : 물 순환펌프 20 : 압축기
30 : 실외측 열교환기 40 : 팽창밸브
50 : 기액분리기 60 : 사방밸브
71, 72, 73, 74, 75 : 냉매 배관 92 : 온도감지센서
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 고안은, 미리 설정된 경로를 따라 순환되는 냉매의 상변화를 이용하여 실내 공기의 온도를 조절하도록 구성된 열펌프식 공기조화 장치에 있어서, 실내 공기와 물이 서로 열교환되도록 물의 이동 경로를 제공하는 실내측 열교환기와, 실외 공기와 냉매가 서로 열교환되도록 냉매의 이동 경로를 제공하는 실외측 열교환기와, 상기 물과 냉매가 서로 열교환되도록 물과 냉매의 이동 경로를 제공하는 매개 열교환기와, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 저온저압의 냉매를 고온고압으로 압축시키는 압축기 및, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 고온고압의 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브를 포함함을 특징으로 하는 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치를 를 마련함에 의한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도2는 본 고안에 따른 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치를 전체적으로 나타낸 개략 구성도이고, 도3은 본 고안의 요부 상세도로서, 본 고안의 냉난방장치(1)는, 실내에 배치되는 실내측 열교환기(10)와, 실외에 배치되는 실외측 열교환기(30)와, 저압으로 유입된 냉매를 압축하여 고압으로 토출시키는 압축기(20)와, 고압의 냉매를 팽창시켜 저압으로 변화시키는 팽창밸브(40)와, 냉매의 흐름에 대하여 압축기(20)보다 더 전방에 설치되어 냉매의 기체 성분만을 압축기(20)로 유입시키는 기액분리기(50) 및, 냉매의 흐름에 대하여 압축기(20)보다 더 후방에 설치되어 압축기(20)에서 토출된 고압 냉매의 방향을 전환시키는 사방밸브(60)를 포함한다.
또한, 상기 실내측 열교환기(10)에서는 물(여기에서는, 물로 하여 설명하지만 R22, R132a 등과 같은 통상적인 냉매에 비하여 비열이 큰 다른 물질을 사용하여도 좋다)이 흐르면서 실내 공기와의 열교환에 의해 실내 온도를 냉각시키거나 가열시키는 동작을 수행하고, 상기 실외측 열교환기(30)에서는 통상적인 냉매(R22, R132a 등)가 흐르면서 실외 공기와의 열교환에 의해 응축 또는 증발되며, 상기 물과 냉매는 별도로 마련된 매개 열교환기(80)에서 서로 열교환되는 구성을 갖는다.
상기 실내측 열교환기(10)에서 배출된 물은 제1 물 배관(12)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급되고, 상기 매개 열교환기(80)에서 배출된 물은 제2 물 배관(16)을 통해 물 저장탱크(90)로 공급되며, 상기 물 저장탱크(90)에서 배출된 물은 제3 물 배관(14)을 통해 실내측 열교환기(10)로 공급되는 경로를 순환하도록 구성된다. 또한, 상기 제3 물 배관(14)에는 물을 순환시키기 위한 물 순환펌프(18)가 장착되며, 상기 물 저장탱크(90)에는 온도감지센서(92)가 장착되어 물 저장탱크(90)의 물 온도를 감지하여 후술하는 제어부에 전송하도록 구성된다. 물론, 미도시된 송풍기에 의해 실내 공기가 강제로 순환되는바, 실내 공기는 실내측 열교환기(10)로 유입되어 그 열교환기(10)를 흐르는 물과 열교환된 후 다시 배출되는 경로로 순환된다.
그리고, 상기 사방밸브(60)에 형성된 포트(port)의 하나는 제1 냉매 배관(71)을 통해 상기 매개 열교환기(80)와 연결되고, 다른 하나는 제2 냉매 배관(72)을 통해 압축기(20)의 인입구와 연결되며, 또 다른 하나는 제3 냉매 배관(73)을 통해 압축기(20)의 토출구와 연결되며, 나머지 하나는 제4 냉매 배관(74)을 통해 실외측 열교환기(30)와 연결된다. 또한, 상기 실외측 열교환기(30)는 제5 냉매 배관(75)을 통해 매개 열교환기(80)와 연결된다. 즉, 냉방이 수행될 때, 팽창밸브(40)에서 저온저압으로 팽창된 냉매가 제5 냉매 배관(75)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급됨으로써 제1 물 배관(12)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급된 물을 냉각시킨 후 제1 냉매 배관(71)을 통해 배출되며, 난방이 수행될 때, 압축기(20)에서 토출된 고온고압의 냉매가 제1 냉매 배관(71)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급됨으로써 제1 물 배관(12)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급된 물을 가열시킨 후 제5 냉매 배관(75)을 통해 배출되도록 구성된다.
또한, 본 고안은 상기 물 및 냉매 배관의 필요 개소에 물 및 냉매의 흐름을 개폐시키는 밸브류와, 이들 물 및 냉매 배관이나 그 이외의 소정 개소에 장착되어 물, 냉매 및 공기의 온도와 압력 등을 감지하기 위한 센서류 및, 여러 구성부품들에 전원을 공급하고 센서류로부터 제공받은 신호에 의해 이들 구성부품들을 제어하기 위한 제어부(미도시됨)를 더 포함한다.
특히, 상기 제어부는 온도감지센서(92)에서 측정되어 전송된 물의 온도에 의해 압축기(20)의 운전 여부를 판단하고 그 판단에 의존하여 압축기(20)를 작동시키거나 압축기(20)의 운전을 정지시키도록 미리 프로그래밍된다. 물론, 압축기(20)의 압력을 검지하도록 구비되는 압력스위치(미도시됨)에서 전송된 압축기(20)의 고압측 압력에 의해 제어부에서 압축기(20)의 운전 여부를 판단하고 그 판단에 의존하여 압축기(20)를 작동시키거나 압축기(20)의 운전을 정지시키도록 미리 프로그래밍될 수 있다.
여기에서, 본 고안의 장치는 실내 열교환기(10)측 물 경로가 일 방향으로만 설정되어 있으나, 필요에 의해 그 물의 경로를 변경시켜도 좋다.
또한, 본 고안에서는 냉난방을 위하여 사방밸브(60)를 채택한 구성으로 설명하고 있으나, 냉방만이 가능하거나 난방만이 가능한 냉방 또는 난방장치와, 여기에서 설명하는 구조와 다른 구조를 갖는 냉난방 장치에도 본 고안의 매개 열교환기(80)를 사용 가능함은 당연하다.
상기한 구성으로 된 본 고안의 작용을 설명한다.
통상적으로 실내에 구비되어 조작 가능하게 구성된 제어부에서 냉방 또는 난방을 선택하고, 이 선택에 의해 상기 제어부는 밸브류를 제어하여 냉방 또는 난방에 적합한 냉매 경로를 확보하게 된다.
우선, 냉방을 선택한 경우, 사방밸브(60)는, 제1 냉매 배관(71)과 제2 냉매 배관(72)을 연결시키고 제3 냉매 배관(73)과 제4 냉매 배관(74)을 연결시키도록 냉매 경로를 제공하고, 이에 의하여 저온저압의 냉매가 제5 냉매 배관(75)을 통해 매개 열교환기(80)로 유입되어 증발하면서 매개 열교환기(80)를 통과하는 물로부터 열을 빼앗고, 상기 매개 열교환기(80)에서 배출된 냉매는 제1 냉매 배관(71)과 사방밸브(60)를 통해 제2 냉매 배관(72)의 기액분리기(50)로 유입되어 기체 성분만이 압축기(20)로 유입되어 고온고압으로 압축되며, 상기 압축기(20)에서 토출된 냉매는 제3 냉매 배관(73), 사방밸브(60) 및 제4 냉매 배관(74)을 통해 실외측 열교환기(30)로 유입되어 응축되면서 열을 실외에 방출시키고, 상기 실외측 열교환기(30)에서 배출된 냉매는 제5 냉매 배관(75)을 통해 팽창밸브(140)로 공급되며, 이 팽창밸브(140)에서 저온저압으로 팽창된 냉매는 매개 열교환기(80)로 유입되는 냉매 사이클을 이룬다.
그리고, 실내측 열교환기(10)를 흐르는 물은 물 순환펌프(18)에 의해 제1 물 배관(12), 매개 열교환기(80), 제2 물 배관(16), 물 저장탱크(90), 제3 물 배관(14), 실내측 열교환기(10) 및 제1 물 배관(12)의 경로로 물 사이클을 이룬다. 이때, 상기 매개 열교환기(80)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 물은 물 저장탱크(90)에 일시적으로 저장되며, 이러한 물의 온도는 온도감지센서(92)에 의해 감지되어 제어부로 전송되고, 제어부는 이 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮은 경우 압축기(20)의 가동을 중단시킨다. 반면에, 상기 온도감지센서(92)에서 감지된 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우 압축기(20)가 다시 가동된다. 물론, 이렇게 압축기(20)의 가동을 중단시킨 후에도 물 순환펌프(18)는 계속 가동되며, 이에 의하여 차가운 물은 실내측 열교환기(10)를 계속 순환하면서 실내에 냉풍을 공급한다. 이때, 물은 그 비열이 냉매에 비하여 상대적으로 크므로 온도가 급격하게 증가하지 않는바, 실내에 공급되는 냉풍은 그 온도가 서서히 증가하는 것이다.
다음에, 난방을 선택한 경우, 사방밸브(60)는, 제1 냉매 배관(71)과 제3 냉매 배관(73)을 연결시키고 제2 냉매 배관(72)과 제4 냉매 배관(74)을 연결시키도록 냉매 경로를 제공하고, 이에 의하여 고온고압의 냉매가 제1 냉매 배관(71)을 통해 매개 열교환기(80)로 유입되어 응축되면서 매개 열교환기(80)를 통과하는 물에 열을 공급하고, 상기 매개 열교환기(80)에서 배출된 냉매는 제5 냉매 배관(71) 및 그에 장착된 팽창밸브(40)를 통해 저온저압으로 팽창된 후 실외측 열교환기(30)로 공급되며, 이렇게 실외측 열교환기(30)로 공급된 냉매는 증발하면서 실외의 열을 빼앗고, 계속하여 제4 냉매 배관(74), 사방 밸브(60) 및 제2 냉매 배관(72)을 통해 기액분리기(50)로 공급되며, 상기 기액분리기(50)는 기체 성분의 냉매만을 압축기(20)로 공급하며, 상기 압축기(20)는 냉매를 고온고압으로 압축시켜 제3 냉매 배관(73), 사방 밸브(60) 및 제1 냉매 배관(71)을 통해 매개 열교환기(80)로 공급하는 냉매 사이클을 이룬다.
그리고, 실내측 열교환기(10)를 흐르는 물은 상기 냉방시와 마찬가지로 물 순환펌프(18)에 의해 제1 물 배관(12), 매개 열교환기(80), 제2 물 배관(16), 물저장탱크(90), 제3 물 배관(14), 실내측 열교환기(10) 및 제1 물 배관(12)의 경로로 물 사이클을 이룬다. 이때, 상기 매개 열교환기(80)에서 냉매와의 열교환에 의해 가열된 물은 물 저장탱크(90)에 일시적으로 저장되며, 이러한 물의 온도는 온도감지센서(92)에 의해 감지되어 제어부로 전송되고, 제어부는 이 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우 압축기(20)의 가동을 중단시킨다. 반면에, 상기 온도감지센서(92)에서 감지된 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮은 경우 압축기(20)가 다시 가동된다. 물론, 이렇게 압축기(20)의 가동을 중단시킨 후에도 물 순환펌프(18)는 계속 가동되며, 이에 의하여 뜨거운 물은 실내측 열교환기(10)를 계속 순환하면서 실내에 온풍을 공급한다. 이때, 물은 그 비열이 냉매에 비하여 상대적으로 크므로 온도가 급격하게 증가하지 않는바, 실내에 공급되는 온풍은 그 온도가 서서히 낮아지는 것이다.
상술한 바와 같이 본 고안에 따른 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치에 의하면, 별도로 구비된 매개 열교환기에서 실내측 열교환기를 흐르는 물과, 실외측 열교환기를 흐르는 냉매 사이의 열교환이 수행되고, 실내측 열교환기를 통과하는 공기와 물의 열교환에 의해 공기가 냉, 온풍으로 변화되어 실내로 배출됨으로써, 압축기가 가동되고 있는지에 관계없이 냉, 온풍의 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지하여 쾌적한 냉, 난방이 수행되는 효과를 갖는다.
게다가, 압축기의 가동이 중단된 경우에도 매개 열교환기를 통과하는 물과 냉매의 열교환에 의해 냉매의 온도가 급상승 또는 급하강되는 것을 방지하여 공기조화 장치의 안정적인 운용이 가능한 효과를 갖는다.

Claims (4)

  1. 미리 설정된 경로를 따라 순환되는 냉매의 상변화를 이용하여 실내 공기의 온도를 조절하도록 구성된 열펌프식 공기조화 장치에 있어서,
    실내 공기와 물이 서로 열교환되도록 물의 이동 경로를 제공하는 실내측 열교환기(10)와, 실외 공기와 냉매가 서로 열교환되도록 냉매의 이동 경로를 제공하는 실외측 열교환기(30)와, 상기 물과 냉매가 서로 열교환되도록 물과 냉매의 이동 경로를 제공하는 매개 열교환기(80)와, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 저온저압의 냉매를 고온고압으로 압축시키는 압축기(20) 및, 상기 냉매의 순환 경로에 설치되어 고온고압의 냉매를 저온저압으로 팽창시키는 팽창밸브(40)를 포함함을 특징으로 하는 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실내측 열교환기(10)로 공급되는 물의 온도를 측정하는 온도감지센서(92)와, 상기 온도감지센서(92)에서 측정된 물의 온도값과 설정된 온도값을 비교한 후 미리 입력된 프로그램에 의해 상기 압축기(20)를 가동시키거나 압축기(20)의 가동을 중단시키는 제어부를 더 포함함을 특징으로 하는 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축기(20)에서 배출되는 냉매의 압력을 측정하는 압력스위치와, 상기 압력스위치에서 측정된 냉매의 압력값과 설정된 압력값을 비교한후 미리 입력된 프로그램에 의해 상기 압축기(20)를 가동시키거나 압축기(20)의 가동을 중단시키는 제어부를 더 포함함을 특징으로 하는 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 매개 열교환기(80)에서 배출되어 실내측 열교환기(10)로 공급되는 물의 이동 경로에 설치되어 물을 저장하도록 구비된 물 저장탱크(90)를 더 포함함을 특징으로 하는 매개 열교환기를 갖는 열펌프식 공기조화 장치.
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