KR200376554Y1 - 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터 - Google Patents

히트펌프식 냉난방설비의 보조히터 Download PDF

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홍종희
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Abstract

본 고안 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터는 외부로부터 밀폐되며 내부에 열전달유체가 충진되는 히터몸체와, 히터몸체 내부에 설치되며 열전달유체를 가열하는 발열수단과, 열전달유체에 침수되도록 히터몸체의 내부로 유입된 후 히터몸체의 외부로 빠져나오는 냉매흐름관 및, 히터몸체 내부의 냉매흐름관에 결합되며 냉매흐름관의 열과 열전달유체의 열을 상호 교환시키는 열교환부재를 포함한다. 따라서, 본 고안에 따르면, 겨울철 등에 있어서 완전히 기화되지 못한 액체 상태의 냉매는 본 고안 보조히터의 열교환부재를 통해 기화된 다음 액분리기를 경유하여 압축기로 제공되기 때문에 종래와 같이 액체 상태의 냉매가 유입됨에 따라 압축기가 고장나게 되는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

Description

히트펌프식 냉난방설비의 보조히터{Sub heater of heat pump type air conditioning equipment}
본 고안은 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 완전히 기화되지 못한 냉매가 기화되도록 냉매에 열을 가할수 있는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다.
이와 같은 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되는데, 이 중 가장 많이 사용되는 형식은 압축식 히트펌프이다.
구체적으로, 압축식 히트펌프는 통상 에어콘이라 불리우는 냉방장치의 역사이클로 구성된다. 즉, 냉방전용의 에어콘은 실내에 설치된 실내기의 열교환장치에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외기의 열교환장치를 이용하여 열을 방열시키는 원리인데 반해 히트펌프는 에어콘과는 반대로 실외기의 열교환장치에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내기의 열교환장치를 이용하여 열을 방열시키는 원리이다.
도 1에는 종래 히트펌프식 냉난방설비의 난방사이클이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래 히트펌프식 냉난방설비(10)는 크게 저온부 열교환장치인 증발기(16)와 압축기(11) 및, 고온부 열교환장치인 응축기(13)와 팽창밸브(14)의 4개요소로 구성되며, 작동유체인 냉매는 이들 요소들을 따라 증발, 압축, 응축, 팽창 등의 변화를 계속하면서 순환한다.
구체적으로, 저온저압의 습증기상태인 냉매는 증발기(16)에서 기화되면서 그 주변에서 증발잠열을 흡수하여 증발된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매로 배출된다.
이후, 증발기(16)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기(11)에서 단열압축하여 고온고압의 과열증기상태의 냉매로 되어 응축기(13)로 유입된다.
계속해서, 응축기(13)로 유입된 고온고압의 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창밸브(15)로 유입된다.
이후, 고온고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창밸브(15)에서 등엔탈피 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 되어 다시 증발기(16)로 유입되는 것이다.
이때, 저온부 열교환장치인 증발기(16)는 실외에 설치되며, 고온부 열교환장치인 응축기(13)는 실내에 설치된다. 따라서, 증발기(16)는 실외 곧, 증발기(16)의 주변공기 등으로부터 열을 흡수하게 되며, 응축기(13)는 실내 곧, 응축기(13)의 주변으로 열을 방출하여 실내를 따뜻하게 하는 것이다.
그러나, 이와 같은 히트펌프식 냉난방설비(10)는 실외의 주변공기 등으로부터 열을 흡수하여 실내를 따뜻하게 하기 때문에 겨울철과 같이 실외온도가 비교적 낮은 경우에는 증발기(16)가 그 주변공기 등으로부터 열을 제대로 흡수하지 못하게 되는 단점이 있다. 이와 같은 이유는 실외의 낮은 온도로 인하여 증발기(16)에 성에가 형성되어 증발기(16)의 열전달을 방해하기 때문인데, 이 경우 증발기(16)에서 완전히 기화되지 못한 액체 냉매는 종종 압축기(11)로 유입되기도 한다. 이에, 종래 히트펌프식 냉난방설비(10)의 압축기(11)는 이러한 액체 냉매의 유입으로 인하여 과부하에 걸려 작동되지 않거나 파손되어지는 문제가 발생된다.
따라서, 종래에는 이와 같은 문제점을 해소하고자 증발기(16)와 압축기(11)의 사이에 액체 냉매의 회수가 가능한 액분리기(17)를 설치하였다. 하지만, 이와 같은 액분리기(17)는 압축기로 유입되는 액체 냉매를 전부 회수하지 못하기 때문에 상기와 같은 압축기(11)의 과부하 문제나 파손되어지는 문제는 계속 발생되어지게 된다.
따라서, 본 고안은 이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로써, 본 고안의 목적은 액체 냉매의 유입으로 인하여 압축기가 고장나는 것을 미연에 방지할 수 있는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 구현하기 위한 본 고안 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터는 외부로부터 밀폐되며 내부에 열전달유체가 충진되는 히터몸체와, 히터몸체 내부에 설치되며 열전달유체를 가열하는 발열수단과, 열전달유체에 침수되도록 히터몸체의 내부로 유입된 후 히터몸체의 외부로 빠져나오는 냉매흐름관 및, 히터몸체 내부의 냉매흐름관에 결합되며 냉매흐름관의 열과 열전달유체의 열을 상호 교환시키는 열교환부재를 포함한다.
이때, 상기 열교환부재는 열전도성 재질인 다수의 방열판으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 방열판은 알루미늄 재질로 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 냉매흐름관은 히터몸체의 상부로 유입된 다음 다수회 '∪'형과 '∩'형으로 교번되면서 굴절된 후 다시 히터몸체의 상부로 빠져나오도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 냉매흐름관의 하단부는 히터몸체의 밑면까지 연장형성됨이 바람직하고, 상기 방열판은 냉매흐름관의 상부로부터 하부까지 상하로 적층되게 배치됨이 바람직하다.
한편, 상기 냉매흐름관은 냉매가 유입 및 배출되는 냉매유입구와 냉매배출구를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 냉매유입구는 증발기로부터 냉매를 공급받도록 증발기의 냉매배출구 측에 연결됨이 바람직하고, 상기 냉매배출구는 압축기로 냉매를 공급하도록 압축기의 냉매유입구 측에 연결됨이 바람직하다.
이하, 도 2와 도 3을 참조하여 본 고안에 따른 보조히터의 일실시예 및 이 보조히터가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비의 난방사이클을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 고안에 따른 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터의 일실시예를 도시한 일부절개 사시도이고, 도 3은 도 2의 보조히터가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비의 난방사이클의 일실시예를 도시한 흐름도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 고안에 따른 보조히터(100)는 내부에 소정 열전달유체(117)가 충진되는 히터몸체(110)와, 히터몸체(110)의 열전달유체(117)를 가열하는 발열수단(120)과, 열전달유체(117)에 침수되도록 히터몸체(110)의 내부로 유입된 후 히터몸체(110)의 외부로 빠져나오는 냉매흐름관(115)과, 냉매흐름관(115)의 열과 열전달유체(117)의 열을 상호 교환시키는 열교환부재(140) 및, 열전달유체(117)의 온도를 검출하도록 히터몸체(110)에 설치된 온도센서(130)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, 히터몸체(110)는 내부에 열전달유체(117)가 충진되도록 중공의 원통 타입으로 형성되며, 외부로부터 밀폐되도록 형성된다. 이때, 열전달유체(117)는 열전달성이 높은 유체이면 다양한 액체나 다양한 기체 등이 사용가능하다. 예를 들면, 열전달유체(117)는 증류수나 부동액 또는 증류수와 부동액이 상호 일정비율로 혼합된 혼합액 등이 사용될 수 있다.
발열수단(120)은 소정 열을 발산하여 히터몸체(110)에 충진된 열전달유체(117)를 가열하는 역할을 한다. 따라서, 발열수단(120)은 외부로부터 전원 등이 공급될 시, 이 공급되는 전원 등을 이용하여 열전달유체(117)를 가열할 수 있는 수단이면 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들면, 발열수단(120)은 할로겐 램프나 발열 코일 등으로 구현될 수 있다. 한편, 발열수단(120)은 히터몸체(110)의 내부에 복수개로 설치될 수 있다. 이 경우, 히터몸체(110)의 열전달유체(117)는 보다 빨리 가열된다.
냉매흐름관(115)은 외부로부터 공급되는 냉매를 히터몸체(110)의 내부로 흐르도록 하는 역할을 한다. 따라서, 외부로부터 공급되는 냉매 중 액체상태의 냉매가 있을 경우, 이 액체상태의 냉매는 히터몸체(110)의 내부를 흐르면서 기체상태로 변화되는 것이다.
구체적으로, 냉매흐름관(115)은 히터몸체(110)의 상부로 유입된 다음 다수회 '∪'형과 '∩'형타입으로 교번되면서 굴절된 후 다시 히터몸체(110)의 상부로 빠져나오도록 형성되며, 냉매가 유입되는 냉매유입구(111)와 냉매가 배출되는 냉매배출구(114)를 포함한다. 이에, 냉매흐름관(115) 내부의 냉매는 이 냉매흐름관(115)의 형태에 따라서 매우 오랜시간동안 히터몸체(110)의 내부를 경유하게 된다. 따라서, 액체상태의 냉매는 이 경유되는 시간동안 발열수단(120)과 열전달유체(117) 등의 열을 전달받아 기체상태로 변화되는 것이다. 이때, 냉매흐름관(115)의 하단부는 히터몸체(110)의 밑면까지 연장형성될 수 있다. 이 경우, 냉매흐름관(115) 내부의 냉매는 보다 오랜시간동안 히터몸체(110)의 내부를 경유하게 된다. 한편, 냉매유입구(111)는 증발기로부터 냉매를 공급받도록 증발기의 냉매배출구 측에 연결됨이 바람직하고, 냉매배출구는 압축기로 냉매를 공급하도록 압축기의 냉매유입구 측에 연결됨이 바람직하다.
열교환부재(140)는 히터몸체(110) 내부의 냉매흐름관(115)에 결합되어 냉매흐름관(115)의 열과 열전달유체(117)의 열을 상호 교환시키는 역할을 한다. 따라서, 열교환부재(140)는 두 열을 상호 빠르게 교환 및 전달할 수 있는 수단이면 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들면, 열교환부재(140)는 알루미늄 재질 등의 열전도성 재질로 형성되되 매우 얇은 두께로 형성되는 다수의 방열판으로 구현될 수 있다. 따라서, 냉매흐름관(115)의 열은 이 다수의 방열판을 통하여 열전달유체(117)의 열과 빠르게 교환되는 것이다. 한편, 이와 같은 방열판은 냉매흐름관(115)의 열이 열전달유체(117)의 열과 보다 빠르게 교환될 수 있도록 냉매흐름관(115)의 상부로부터 냉매흐름관(115)의 하부까지 상하로 적층되게 배치됨이 바람직하다.
온도센서(130)는 히터몸체(110)에 충진된 열전달유체(117)의 온도를 검출하는 역할을 한다. 따라서, 히트펌프식 냉난방설비의 제어부는 이 온도센서(130) 및 발열수단(120)을 이용하여 열전달유체(117)의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 것이다.
이하, 상술한 보조히터(100)가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비(200)의 난방사이클을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3을 참조하여 구성을 설명하면, 본 고안 보조히터(100)가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비(200)의 난방사이클은 크게 냉매를 고온고압으로 단열압축시켜 강제순환시키는 압축기(210)와, 압축기(210)에서 압축된 냉매가 실내 열교환장치인 응축기(230)로 보내지도록 선택적으로 개폐되는 사방밸브(220)와, 사방밸브(220)를 빠져나온 고온고압의 압축냉매(137)를 실내공기와 서로 열교환시키는 응축기(230)와, 응축기(230)를 빠져나온 냉매(136)를 단열팽창시키는 팽창밸브(240)와, 팽창밸브(240)를 거친 저온저압의 냉매(136)를 실외공기와 서로 열교환시켜 증발시키는 실외 열교환장치 곧, 증발기(250)와, 증발기(250)에서 증발되어 사방밸브(220)를 거쳐 유입되는 저온저압의 냉매를 발열수단(120)과 열전달유체(117)와 열교환부재(140) 등을 통하여 기화시켜 압축기(210)로 제공하는 본 고안 보조히터(100)와, 압축기(210)와 보조히터(100)의 사이에 설치되며 보조히터(100)에서 압축기(210)로 제공하는 냉매 중 액체 냉매만을 걸러주는 액분리기(270) 및, 히트펌프식 냉난방설비(200)를 전반적으로 제어하는 제어부(260)로 구성된다. 이때, 응축기(230)와 증발기(250) 사이에는 냉매의 흐름을 제어하거나 냉매를 필터링해주는 필터 드라이어(245) 등이 더 포함될 수 있다.
이하, 본 고안 보조히터(100)가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비(200)의 난방사이클 흐름을 구체적으로 설명하기로 한다.
우선, 압축기(210)에 의해 단열압축된 고온고압의 과열증기상태인 기체 냉매는 사방밸브(220)를 거쳐 실내 열교환장치인 응축기(230)로 유입된다.
이후, 응축기(230)로 유입된 고온고압의 과열증기상태인 냉매는 응축잠열을 방출시키며 실내를 따뜻하게 함과 동시에 고온고압의 포화액체상태인 냉매로 응축된다.
이후, 응축된 고온고압의 포화액체상태인 냉매는 체크밸브(235)를 거쳐 냉매 내에 함유된 불순물 및 수분을 제거하는 필터 드라이어(245)를 통과한 다음 팽창밸브(240)로 유입된다.
계속해서, 팽창밸브(240)로 유입된 냉매는 팽창밸브(240)에서 단열팽창을 하여 습증기상태(액체)로 과냉된 후 실외 열교환장치인 증발기(250)로 유입된다.
이후, 증발기(250)로 유입된 액체 냉매는 증발기(250)에서 기화되면서 그 주변의 실외공기로부터 증발잠열을 흡수하여 저온저압의 기체 또는 액체와 기체가 혼합된 형태로 된 다음 사방밸브(220)를 거쳐 본 고안 보조히터(100)의 냉매유입구(111)으로 유입된다.
이후, 냉매유입구(111)으로 유입된 냉매는 히터몸체(110)의 내부에 설치된 냉매흐름관(115)의 형태를 따라 히터몸체(110)의 내부로 경유하게 되며, 경유한 후에는 냉매배출구(114)를 통해 액분리기(270)로 유입된다. 이때, 제어부(260)는 열전달유체(117)의 온도를 검출한 다음 열전달유체(117)의 온도가 미리 정해진 기준온도 보다 낮을 경우, 발열수단(120)을 구동하여 열전달유체(117)를 가열한다. 이에, 열전달유체(117)는 기준온도에 까지 가열되는 바, 히터몸체(110)의 내부에 설치된 열교환부재(140)는 이와 같은 열전달유체(117)의 열을 냉매흐름관(115)에 빠르게 전달하여 두 부분 사이에서 열교환이 이루어지도록 하게 된다. 따라서, 냉매흐름관(115) 내부를 흐르는 냉매 중 액체상태의 냉매는 이 냉매흐름관(115)과 열전달유체(117)와의 상호 열교환에 의해 기체상태로 기화된다. 이에 따라 액분리기(270)에는 기화된 냉매가 유입되는 것이다.
이후, 액분리기(270)는 보조히터(100)에서 기화된 냉매 중 혹시 다시 액체상태로 변환되는 냉매만을 걸러주게 되고, 이후에는 걸러진 냉매 즉, 기체상태의 냉매만을 압축기(210)로 제공하게 된다. 따라서, 압축기(210)는 종래와 같이 액체상태의 냉매로 인한 고장없이 액분리기(270)로부터 유입된 냉매를 다시 단열압축하여 응축기(230)로 제공하게 되며, 히트펌프를 이용한 난방의 제 1사이클은 완료된다.
상술한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 겨울철 등에 있어서 완전히 기화되지 못한 액체 상태의 냉매는 본 고안의 보조히터에서 기화된 다음 액분리기를 경유하여 압축기로 제공되기 때문에 종래와 같이 액체 상태의 냉매가 유입됨에 따라 압축기가 고장나게 되는 문제를 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 압축기의 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 히트펌프식 냉난방설비의 일예를 도시한 난방사이클 흐름도,
도 2는 본 고안에 따른 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터의 일실시예를 도시한 일부절개 사시도,
도 3은 도 2의 보조히터가 사용되는 히트펌프식 냉난방설비의 난방사이클의 일실시예를 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 보조히터 110 : 히터몸체
111 : 냉매유입구 114 : 냉매배출구
115 : 냉매흐름관 117 : 열전달유체
120 : 발열수단 140 : 열교환부재

Claims (6)

  1. 외부로부터 밀폐되며 내부에 열전달유체가 충진되는 히터몸체;
    상기 히터몸체 내부에 설치되며, 상기 열전달유체를 가열하는 발열수단;
    상기 열전달유체에 침수되도록 상기 히터몸체의 내부로 유입된 후 상기 히터몸체의 외부로 빠져나오는 냉매흐름관; 및,
    상기 히터몸체 내부의 냉매흐름관에 결합되며, 상기 냉매흐름관의 열과 상기 열전달유체의 열을 상호 교환시키는 열교환부재를 포함한 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환부재는 열전도성 재질인 다수의 방열판으로 형성된 것을 특징으로 하는 히터펌프식 냉난방설비의 보조히터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 방열판은 알루미늄 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 냉매흐름관은 상기 히터몸체의 상부로 유입된 다음 다수회 '∪'형과 '∩'형타입으로 교번되면서 굴절된 후 다시 상기 히터몸체의 상부로 빠져나오도록 형성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 냉매흐름관의 하단부는 상기 히터몸체의 밑면까지 연장형성되며,
    상기 방열판은 상기 냉매흐름관의 상부로부터 하부까지 상하로 적층되게 배치된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매흐름관은 냉매가 유입 및 배출되는 냉매유입구와 냉매배출구를 포함하고,
    상기 냉매유입구는 증발기로부터 냉매를 공급받도록 상기 증발기의 냉매배출구 측에 연결되며, 상기 냉매배출구는 압축기로 냉매를 공급하도록 상기 압축기의 냉매유입구 측에 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방설비의 보조히터.
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