KR20040084698A - 폐열 회수식 공기 조화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 높은 서리 제거 능력을 발휘할 수 있는 동시에 엔진으로부터의 폐열을 유효하게 이용하여 높은 성능계수(COP)를 실현할 수 있는 폐열 회수식 공기 조화 장치를 제공하는 것이다.
엔진(90)에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기(11)와 실내측 열교환기(12)와 팽창 밸브(16)와 실외기측 열교환기(13)를 구비하는 냉매 회로(10)와, 엔진(90)으로부터의 폐열을 냉각수로 전달하는 냉각 수단(23)과, 폐열을 외기로 방출하는 라디에이터(21)와, 실외기측 열교환기(13)에 병렬로 접속된 폐열 회수용 열교환기(30)와, 냉각 수단(23)과 제1 냉각수 작동실(30b)과 라디에이터(21) 사이에 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(24)를 구비하는 냉각 회로(20)를 갖는다. 서리 제거는 실외기측 열교환기(13)의 상류에 접속된 냉매 예비 가열용 열교환기(31)를 설치하여 필요에 따라서 실외기측 열교환기(13)에 순환하는 냉매를 가열하여 행한다.

Description

폐열 회수식 공기 조화 장치{WASTE HEAT RECOVERABLE AIR CONDITIONER}
본 발명은, 가스 엔진 등으로 구동되는 히트 펌프를 이용한 폐열 회수식 공기 조화 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율적으로 서리 제거가 가능한 폐열 회수식 공기 조화 장치에 관한 것이다.
히트 펌프를 이용한 공기 조화 장치에서는 외부 기온이 낮을 때에 실외기측의 열교환기에 서리가 맺히는 문제점이 있다. 종래의 공기 조절 장치는 고압 냉매 회로와 저압 냉매 회로를 전자 팽창 밸브와 병렬로 연결하는 바이패스 통로를 설치하고, 이 바이패스 통로의 도중에 감압 밸브로서의 기능을 갖는 개방도 조절 가능한 제어 밸브를 설치한다. 또한, 이 제어 밸브의 상류부와 하류부 사이에서 열교환을 행하게 하는 열교환기를 설치함으로써, 바이패스 통로로 유입하는 고압 냉매의 방열, 응축을 행하게 하는 동시에, 그 열을 저압측에 부여하도록 하는 기술이 개시되어 있다(특허 문헌 1).
또한, 가스 히트 펌프에 있어서 엔진 폐열을 실외기측 열교환기에 내장된 라디에이터에 의해 간접적으로 플레이트 핀의 전열을 통해 냉매의 증발 온도를 올리는 기술이 개시되어 있다(특허 문헌 2 및 3).
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 2001-21229호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 소60-116161호 공보
[특허 문헌 3]
일본 특허 제2815921호 공보
그러나, 전술한 제1 기술에서는 저압측의 냉매의 온도를 상승하는 방법이므로 서리 제거 능력에 한계가 있다. 또한, 제2 기술에서는 실외기측 열교환기의 온도가 엔진의 폐열에 의해 상승되므로 냉매 응축 능력이 저하되어 히트 펌프의 공조 성능 계수(COP)가 저하되는 문제가 있다. 또한, 난방 운전시, 엔진의 폐열로 인해 실외기측 열교환기의 온도가 상승하여 냉매의 저압이 지나치게 상승되어, 결과적으로 필요 이상으로 냉매의 고압이 상승하여 시스템을 연속 운전할 수 없거나, 또는 엔진의 냉각 수온이 지나치게 상승되는 문제점이 있다. 또한, 난방 표준 운전(외부 기온이 5 ℃ 내지 10 ℃ 정도인 경우)시, 엔진의 폐열에 의해 실외기측 열교환기의 온도가 상승하여 외기와의 열교환 능력이 저하되므로, 히트 펌프의 성능계수(COP)가 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 이들 문제점을 해결하려는 목적으로 이루어진 것으로, 높은 서리 제거 능력을 발휘할 수 있는 동시에 엔진으로부터의 폐열을 유효하게 이용하여 높은 성능 계수(COP)를 실현할 수 있는 폐열 회수식 공기 조화 장치를 제공하는 것을 해결하려는 목적을 갖는다.
도1은 제1 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도.
도2는 제1 실시 형태의 변형 형태를 도시한 개략도.
도3은 제2 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도.
도4는 제2 실시 형태의 변형 형태를 도시한 개략도.
도5는 제3 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도.
도6은 제3 실시 형태의 변형 형태를 도시한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 냉매 회로
11 : 압축기
15 : 어큐뮬레이터
12 : 실내측 열교환기
13 : 실외기측 열교환기
16 : 팽창 밸브
17 : 교축기
18 : 4방 절환 밸브
19 : 냉매 관로
20 : 냉각 회로
21 : 라디에이터
23 : 배기 열교환기
24 : 냉각 펌프
29 : 냉각수 관로
30 : 폐열 회수용 열교환기
30a : 제1 냉매 작동실
30b : 제1 냉각수 작동실
31 : 냉매 예비 가열용 열교환기
31a : 제2 냉매 작동실
31b : 제2 냉각수 작동실
40 : 난방부
50 : 바이패스 통로
v1 내지 v5 : 전자 조절 밸브
v6 : 역지 밸브
본 발명이 적용되는 폐열 회수식 공기 조화 장치는 엔진과, 냉매 회로와, 냉각 회로와, 폐열 회수용 열교환기를 갖는다.
냉매 회로는 상기 엔진으로 구동되어 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 접속된 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기에 접속된 팽창 밸브와, 상기 팽창 밸브에 접속되어 상기 냉매를 상기 압축기에 환류시키는 제2 열교환기를 구비한다. 냉각 회로는 상기 엔진으로부터의 폐열을 냉각 유체로 전달하는 냉각 수단과, 상기냉각 수단에 접속되어 상기 냉각 유체로 전달된 폐열을 분위기 속에 방출하는 라디에이터와, 상기 냉각 수단과 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각 유체를 순환시키는 냉각 유체 펌프를 구비한다. 상기 폐열 회수용 열교환기는 상기 냉매 회로에 상기 제2 열교환기와 병렬로 접속된 제1 냉매 작동실과, 상기 냉각 회로에 상기 라디에이터와 병렬로 또는 직렬로 접속된 제1 냉각 유체 작동실과, 상기 제1 냉매 작동실과 상기 제1 냉각 유체 작동실을 구획하는 전열벽을 갖고, 상기 엔진으로부터의 폐열의 일부를 상기 냉매로 전달한다.
냉매 회로의 폐열 회수용 열교환기의 제1 냉매 작동실은 상기 제2 열교환기에 병렬인 위치 대신에 상기 제2 열교환기 및 상기 압축기 사이에 직렬로 접속될 수도 있다(청구항 2).
또한, 상기 냉각 회로에 상기 라디에이터 및/또는 상기 폐열 회수용 열교환기와 직렬로 또는 병렬로 접속된 제2 냉각 유체 작동실과, 상기 냉매 회로의 상기 팽창 밸브 및 상기 제2 열교환기 사이에 접속된 제2 냉매 작동실과, 상기 제2 냉각 유체 작동실 및 제2 냉매 작동실을 구획하는 전열벽을 갖고, 상기 제2 열교환기로 유입되는 상기 냉매에 상기 엔진으로부터의 폐열을 전달하는 냉매 예비 가열용 열교환기를 갖는 것을 특징으로 한다.
즉, 실외기측 열교환기에 상당하는 제2 열교환기로 유입하는 냉매를 냉매 예비 가열용 열교환기에 의해 엔진으로부터의 폐열로 가열함으로써 서리 제거 효과를 발휘할 수 있다. 여기서, 엔진으로부터의 폐열은 냉매 예비 가열용 열교환기로 유입되는 것 외에 라디에이터 및 폐열 회수용 열교환기로도 유입되고 있으므로, 난방과부하 조건에서의 냉매의 고압이나 엔진 냉각수가 지나치게 상승되기 쉽고, 난방 표준 운전 조건에서의 제2 열교환기의 온도가 필요 이상으로 상승되지 않아 외기와의 열교환이 가능해져 성능 계수(COP)의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
여기서, 제1 냉각 유체 작동실은 라디에이터에 병렬로 접속되는 것이 바람직하다. 또한, 제2 냉각 유체 작동실은 라디에이터 및 폐열 회수용 열교환기의 각각에 대해 병렬로 접속되는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 냉각 유체 작동실에 순환시키는 냉각 유체의 양을 라디에이터에 대해 독립적으로 제어하는 것이 가능해지고, 운전 상황(외부 기온, 난방 운전이나 냉방 운전의 상이함, 요구되는 난방 능력, 서리 맺힘의 여부 등)에 따라서 적절하게 제어할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 과제를 해결하는 본 발명의 폐열 회수식 공기 조화 장치는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재한 폐열 회수식 공기 조화 장치에 있어서, 상기 냉매 예비 가열용 열교환기 대신에, 상기 폐열 회수용 열교환기로부터 상기 압축기에 이르는 사이와 상기 팽창 밸브로부터 상기 제2 열교환기에 이르는 사이를 접속하여 유량 조절을 행하는 제1 조절 밸브를 갖는 바이패스 통로를 구비하는 것이다(청구항 3).
폐열 회수용 열교환기에 의해 가열된 냉매를 일부 환류시켜 제2 열교환기로 유입시킴으로써 서리 제거 효과를 발휘할 수 있다. 제1 조절 밸브로 환류시키는 양을 조절할 수 있으므로 성능 계수(COP)의 저하는 최소한으로 억제될 수 있는 동시에, 냉매 예비 가열용 열교환기를 설치할 필요가 없으므로 비용 상승도 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 열회수용 열교환기의 제1 냉매 작동실이 제2 열교환기와 병렬로 접속되는 경우에는, 상기 냉매 회로는 상기 팽창 밸브로부터 상기 제2 열교환기에 이르는 사이에 상기 제2 열교환기로 유입하는 상기 냉매의 양을 조절하는 제2 조절 밸브를 구비하는 것이 바람직하다(청구항 4). 열회수용 열교환기의 제1 냉매 작동실이 제2 열교환기와 병렬로 접속되는 경우에는 직렬로 접속하는 경우에 비해 냉매의 압력 손실이 작다. 제2 조절 밸브를 설치함으로써 외부 기온이 높아짐에 따라 폐열 회수용 열교환기로 흐르게 되는 냉매의 양을 상대적으로 감소시켜서 성능 계수(COP)를 향상시킬 수 있다. 또한, 외부 기온이 낮은 경우에는 제2 열교환기에의 냉매의 유입을 정지함으로써 능력 저하를 방지할 수 있다. 제2 열교환기를 폐열 회수용 열교환기보다도 높은 능력으로 함으로써 제2 조절 밸브만으로 다양한 운전 상태에 대응할 수 있다.
제2 조절 밸브를 완전하게 폐쇄하여 제2 열교환기에의 냉매의 유입을 완전히 정지시키면, 제2 열교환기의 출구측(기체측)으로부터 냉매가 역류하여 제2 열교환기의 내부에서 액화되어 체류될 우려가 있지만, 제1 조절 밸브 또는 제2 조절 밸브로 최소한의 양을 제2 열교환기에 흐르게 함으로써 냉매의 체류를 방지할 수 있다. 제2 열교환기에 순환시키는 냉매는 폐열 회수용 열교환기(제1 조절 밸브를 개방한 경우) 또는 냉매 예비 가열용 열교환기(제2 조절 밸브를 개방한 경우)에서 가열되어 있으므로 제2 열교환기의 표면에 대한 서리 맺힘을 방지할 수 있다.
냉매의 체류가 발생하면, 냉매 회로 중 냉매량이 과소하게 될 뿐만 아니라 냉매와 함께 윤활용 냉동기 오일도 체류되어 시스템에 손상을 입힐 우려가 있다.또한, 냉매 예비 가열용 열교환기를 이용하지 않고 제2 조절 밸브를 약간 개방하여 제2 열교환기에 냉매를 유입시켜도 체류는 방지할 수 있지만, 제2 열교환기에 서리가 맺힐 우려가 있다.
또한, 상기 제2 열교환기의 표면 온도가 상기 제2 열교환기가 갖는 분위기가 서리점 이하인 경우 또는 상기 제2 열교환기의 표면에 서리가 맺힌 경우에는 상기 제2 조절 밸브를 폐쇄 방향으로 조절하고, 그 이외의 경우에는 상기 제2 조절 밸브를 개방 위치로 조절하는 제어 수단을 갖는 것이 바람직하다(청구항 5).
또한, 독립된 냉매 예비 가열용 열교환기를 설치하는 경우에는, 상기 냉매 예비 가열용 열교환기로 유입하는 냉각 유체의 양을 조절하는 제3 조절 밸브를 갖는 것이 바람직하다(청구항 5). 제3 조절 밸브에 의해, 외부 기온에 따른 가열을 실현할 수 있다. 또한, 본 폐열 회수식 공기 조화 장치를 냉방 운전에도 이용하는 경우에는 제3 조절 밸브에 의해 냉매 예비 가열용 열교환기에의 냉매의 유입을 정지함으로써 냉방 능력 및 효율의 저하를 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 열교환기의 표면 온도가 상기 제2 열교환기가 갖는 분위기의 서리점 이하인 경우 또는 상기 제2 열교환기의 표면에 서리가 맺힌 경우에는 상기 제1 조절 밸브 또는 상기 제3 조절 밸브를 개방 방향으로 조절하고, 그 이외의 경우에는 상기 제1 조절 밸브 또는 상기 제3 조절 밸브를 폐쇄 위치로 조절하는 제어 수단을 가질 수 있다(청구항 7).
또한, 상기 냉매 회로의 상기 압축기, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 각각 접속하는 관로의 일부는 난방부 및 냉방부를 갖고, 상기 냉매 회로는상기 난방부와 상기 냉방부를 독립적으로 절환하는 냉난방 절환 밸브를 갖고, 상기 냉매 예비 가열용 열교환기는 상기 난방부에 갖는 것이 바람직하다(청구항 8). 냉매 예비 가열용 열교환기는 냉매의 순환에 있어서의 저항이 되므로 서리 맺힘의 우려가 없는 냉방 운전시에는 난방시와 다른 관로를 이용함으로써 높은 냉방 능력을 발휘할 수 있다.
이하에 본 발명의 폐열 회수식 공기 조화 장치에 대해 도면을 기초로 하여 상세하게 설명한다. 본 장치에 있어서의 엔진으로서 가스 엔진을 예시하여 설명하지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 설명에 이용한 도면은 개략도로, 발명의 본질과 관계가 적은 세부의 부재는 생략한다. 그리고, 도면에서의 부호는 대략 공통적인 기능을 갖는 부재에는 설명의 편의상, 동일한 부호를 붙인 것도 있다.
〔제1 실시 형태〕
(구성)
본 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략을 도1에 도시한다. 본 장치는 가스 엔진(90)(엔진)을 구동원으로 하는 냉매 회로(10)와 가스 엔진(90)으로부터의 폐열을 냉각수(냉각 유체)로 회수하고 또한 가스 엔진(90)을 냉각하는 냉각 회로(20)를 갖는다. 냉매 회로(10)는 압축기(11)와 실내측 열교환기(12)(제1 열교환기)와 팽창 밸브(16)와 개방도 조절 가능한 전자 조절 밸브(v2)(제2 조절 밸브)와 실외측 열교환기(13)(제2 열교환기)와 어큐뮬레이터(15)와 이들을 접속하는 냉매 관로(19)를 갖는다. 실내측 열교환기(12) 및 실외측 열교환기(13)에는 각각 회전수를 조절 가능한 팬(도면 생략)이 근접하여 배치되어 있다.
또한, 냉매 회로(10)는 난방 운전과 냉방 운전을 절환하는 4방 절환 밸브(18)(냉난방 절환 밸브)를 갖는다. 4방 절환 밸브(18)는 제1 포트(18a)가 제2 포트(18b)와 제3 포트(18c) 중 한 쪽에 대해 접속되고, 제4 포트(18d)가 제2 포트(18b)와 제3 포트(18c) 중 다른 쪽에 접속된다. 도1에서는 난방 운전시의 접속 상태를 실선으로 나타내고, 냉방 운전시의 접속 상태를 파선으로 나타낸다.
냉각 회로(20)는 배기 열교환기(23)(냉각 수단)와 가스 엔진(90)의 실린더 블럭에 형성된 냉각 재킷(도시 생략 : 냉각 수단)과 라디에이터(21)와 냉각수 펌프(24)(냉각 유체 펌프)를 갖고, 냉각수 관로(29)에 의해 이 순서로 접속된다.
냉매 회로(10) 및 냉각 회로(20)는 폐열 회수용 열교환기(30)와 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 의해 열에너지의 이동이 이루어진다. 배열 회수용 열교환기(30)는 냉매 회로(10)에 접속되는 제1 냉매 작동실(30a)과 냉각 회로(20)에 접속되는 제1 냉각수 작동실(30b)(제1 냉각 유체 작동실)과 제1 냉매 작동실(30a)과 제1 냉각수 작동실(30b)을 구획하는 전열벽(30c)을 갖는다. 냉매 예비 가열용 열교환기(31)는 냉매 회로(10)에 접속되는 제2 냉매 작동실(31a)과 냉각 회로(20)에 접속되는 제2 냉각수 작동실(31b)(제2 냉각 유체 작동실)과 제2 냉매 작동실(31a)과 제2 냉각수 작동실(31b)을 구획하는 전열벽(31c)을 갖는다.
냉매 관로(19)는 4방 절환 밸브(18)의 제1 포트(18a)와 압축기(11)의 토출구(11a)와, 압축기(11)의 흡입구(11b)와 어큐뮬레이터(15)의 토출구(15a)와, 어큐뮬레이터(15)의 흡입구(15b)와 4방 절환 밸브(18)의 제4 포트(18d)를 각각 접속한다. 또한, 냉매 관로(19)는 4방 절환 밸브(18)의 제2 포트(18b)와 실내측 열교환기(12)와 팽창 밸브(16)와 냉매 예비 가열용 열교환기(31)의 제2 냉매 작동실(31a)과 실외기측 열교환기(13)와 4방 절환 밸브(18)의 제3 포트(18c)를 직렬로 접속한다. 또한, 4방 절환 밸브(18)의 제3 포트(18c)를 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉매 작동실(30a)을 거쳐서 팽창 밸브(16) 및 냉매 예비 가열용 열교환기(31)의 제2 냉매 작동실(31a) 사이에 접속한다.
난방 운전시에는 압축기(11)와 실내측 열교환기(12)와 팽창 밸브(16)와 전자 조절 밸브(v2)와 실외측 열교환기(13)와 어큐뮬레이터(15)와 압축기(11)의 순으로 냉매가 순환하도록 접속되어, 실내측 열교환기(12)에서 방열되고 실외측 열교환기(13)에서 흡열된다. 실외측 열교환기(13)에 병렬로 설치된 폐열 회수용 열교환기(30)에 의해 가스 엔진(90)으로부터의 폐열을 냉매가 흡열한다. 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉매 작동실(30a)에는 역지 밸브(v6)가 직렬로 접속되어 실선으로 나타내는 난방 운전시에만 냉매가 폐열 회수용 열교환기(30)에 흐른다. 또한, 실외측 열교환기(13)에 직렬로 설치된 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 의해 실외측 열교환기(13)로 유입하는 냉매를 가열할 수 있다.
냉방 운전시에는 압축기(11)와 실외측 열교환기(13)와 전자 조절 밸브(v2)와 팽창 밸브(16)와 실내측 열교환기(12)와 어큐뮬레이터(15)의 순으로 접속되어, 실외측 열교환기(13)에서 방열되고 실내측 열교환기(12)에서 흡열된다.
냉각수 관로(29)는 냉각수 펌프(24)와 배기 열교환기(23)와 라디에이터(21)를 냉각수가 이 순서로 순환하도록 직렬로 접속된다. 도중, 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉각수 작동실(30b) 및 냉매 예비 가열용 열교환기(31)의 제2냉각수 작동실(31b)을 각각 라디에이터(21)에 병렬로 접속한다. 제1 냉각수 작동실(30b), 제2 냉각수 작동실(31b) 및 라디에이터(21)는 서로 병렬로 접속된다. 냉각수 회로(20)는 라디에이터(21), 제2 냉각수 작동실(31b) 및 제1 냉각수 작동실(30b)에 대해 각각 독립하여 냉각수의 유량을 조절할 수 있는 전자 조절 밸브(v4), 전자 조절 밸브(v3)(제3 조절 밸브) 및 전자 조절 밸브(v5)를 갖는다. 전자 조절 밸브(v4, v3, v5 및 v2)는 교축 개방도를 조절할 수 있는 전자 밸브가 이용되고 있고, 제어 장치(도면 생략)에서 제어된다.
(작용 효과)
<냉각 회로>
냉각 회로(20)는 가스 엔진(90)으로부터 폐열을 제거하는 작용을 갖는다. 가스 엔진(90)의 작동에 수반하여 냉각 펌프(24)가 작동하여 냉각 회로(20)에 냉각수가 순환된다. 가스 엔진(90)의 온도가 낮은 상태에서는 라디에이터(21)로의 냉각수 관로(29)에 있는 전자 조절 밸브(v4)를 폐쇄하여 라디에이터(21)에 냉각수가 순환되지 않도록 한다. 가스 엔진(90)의 온도가 상승하여 냉각수가 소정 온도 이상으로 오르게 되면 전자 조절 밸브(v4)를 개방하여 라디에이터(21)에 냉각수를 순환시킨다. 냉각 회로(20)를 순환하는 냉각수는 냉각 재킷 및 배기 열교환기(23)에서 가스 엔진(90)으로부터의 폐열을 흡수한다. 그 후, 냉각수는 라디에이터(21)로 흐른다. 냉각수는 라디에이터(21)에서 외부 대기로 방열된다.
난방 운전시에는 폐열 회수용 열교환기(30)에 순환되는 냉각수가 냉매의 일부를 가열한다. 또한, 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에도 필요에 따라서 냉각수가 순환되어 실외기측 열교환기(13)에 순환하는 냉매를 가열한다. 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 순환시키는 냉각수의 양은 실외기측 열교환기(13)의 표면 온도가 외기의 서리점 이하가 되지 않도록 제어된다. 따라서, 외부 기온이 높고 냉매의 온도가 서리점 이하가 되지 않는 경우에는, 난방 효율 향상을 위해 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에는 냉각수를 순환시키지 않는다.
또한, 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 순환시키는 냉각수의 양을 제어하는 것 이외의 방법으로는 실외기측 열교환기(13)의 표면에서의 서리 맺힘을 검출하여 그 서리가 제거될 때까지 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 냉각수를 순환시키는 방법이다. 즉, 제2 열교환기에 순환되는 냉매의 가열에 의해 실외기측 열교환기(13)에 대한 서림 맺힘을 억제 또는 허용할 수 있는 최소한의 양이 되도록 냉매 예비 가열용 열교환기(31)의 제2 냉매 작동실(31a)에 냉각수를 순환시키는 것이 바람직하다.
<냉매 회로 : 난방 운전시>
냉매 회로(10)에 대해 설명한다. 우선, 4방 절환 밸브(18)가 실선 상태가 되어 있는 난방 운전시에 대해 설명한다. 압축기(11)는 가스 엔진(90)으로 구동되어 어큐뮬레이터(15)로부터 흡입된 가스형의 냉매를 압축하여 고온 고압으로서 4방 절환 밸브(18)를 거쳐서 실내측 열교환기(12)로 송입한다. 실내측 열교환기(12)에 있어서 냉매는 실내의 공기로 열을 방출하여 난방 작용을 발휘한다. 냉매는 방열에 의해 일부 내지 전부가 응축 액화된다. 냉매는 팽창 밸브(16)에 의해 더욱 감압되어 일부가 실외기측 열교환기(13)로, 잔량부가 폐열 회수용 열교환기(30)로 유입되어 기화된다. 기화된 냉매는 어큐뮬레이터(15)로 유입되어 액상의 냉매가 분리되어 다시 압축기(11)로 환류됨으로써 난방 운전을 행한다.
폐열 회수용 열교환기(30)에 있어서, 가스 엔진(90)의 폐열을 이용하여 기화됨으로써 난방 능력이 향상된다. 외부 기온이 높은 경우에는 전자 조절 밸브(v2)를 개방하여 실외기측 열교환기(13)에 최대한의 냉매를 순환시킴으로써 성능 계수(COP)를 향상시킬 수 있다. 또한, 가스 엔진(90)의 출력을 교축하는 것도 가능하다.
반대로, 외부 기온이 낮은 경우에는 전자 조절 밸브(v2)를 교축하여 실외기측 열교환기(13)에 순환시키는 냉매의 양을 적게 함으로써 난방 능력의 저하를 억제한다. 실외기측 열교환기(13)에 대해 약간 흐르는 냉매는 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에서 가열함으로써, 실외기측 열교환기(13)의 온도가 서리점 이하로 냉각되는 일이 없어져 서리가 맺히지 않는다.
여기서, 난방 능력 향상을 위해, 외부 기온이 낮은 경우에는 전자 조절 밸브(v2)를 완전히 폐쇄하여 실외기측 열교환기(13)에 냉매를 완전하게 순환시키지 않는 형태도 고려된다. 그러나, 본 실시 형태와 같이 실외기측 열교환기(13)에의 냉매의 순환을 완전하게 정지시키지 않고 약간 순환시킴으로써 실외기측 열교환기(13)에 4방 절환 밸브(18)측으로부터 냉매가 역류되어 내부에서 액화되어 머무름으로써 냉매량 부족 등의 발생을 방지할 수 있다.
<냉매 회로 : 냉방 운전시>
다음에 4방 절환 밸브(18)가 파선 상태가 되어 있는 냉방 운전시에 대해 설명한다. 압축기(11)는 어큐뮬레이터(15)로부터 흡입된 가스형의 냉매를 압축하여 고온 고압으로서 4방 절환 밸브(18)를 거쳐서 실외기측 열교환기(13)로 송입한다. 냉매는 외기에 의해 냉각되어 일부 내지 전부가 응축 액화된다. 냉매는 팽창 밸브(16)에 의해 더욱 감압되고, 실내측 열교환기(12)로 유입하여 기화됨으로써 잠열을 실내의 공기로부터 빼앗아 냉방 작용을 발휘한다. 기화된 냉매는 어큐뮬레이터(15)로 유입하여 액상의 냉매가 분리되어 다시 압축기(11)로 환류된다.
냉방 운전시에는 역지 밸브(v6)에 의해 폐열 회수용 열교환기(30)에는 냉매를 순환시키지 않는 동시에, 전자 조절 밸브(v3) 및 전자 조절 밸브(v5)를 폐쇄함으로써 냉매 예비 가열용 열교환기(31)의 제2 냉각수 작동실(31b) 및 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉각수 작동실(30b)에 냉각수를 순환시키지 않는다. 따라서, 냉각수가 갖는 폐열이 냉매 중에 공급되지 않아 냉방 능력이 향상된다.
(제어 수단)
제어 수단이 행하는 전자 조절 밸브(v4 내지 v2) 및 가스 엔진(90)의 제어 방법을 정리하면 이하와 같다.
전자 조절 밸브(v4)는 가스 엔진(90)의 시동 직후와 같이 냉각수의 온도가 낮고 가스 엔진(90)의 냉각을 요구하지 않는 경우에 폐쇄 방향으로 제어한다. 또한, 전자 조절 밸브(v4)는 난방시에 폐열 회수용 열교환기(30)에 최대한 냉각수를 순환시키기 위해 폐쇄 방향으로 제어한다. 단, 외부 기온이 높고, 폐열 회수용 열교환기(30)만으로는 충분히 냉각수의 온도를 저하할 수 없는 경우에는 그 한도로 개방 방향으로 제어한다. 이 경우에 가스 엔진(90)의 출력을 저하시킬 수도 있다.냉방시에는 개방 위치로 제어하여 주로 라디에이터(21)에 의해 폐열을 외기 중에 방출한다.
전자 조절 밸브(v3)는 통상 폐쇄 위치로 제어함으로써 실외기측 열교환기(13)의 효율을 최대한으로 할 수 있는 동시에, 가스 엔진(90)의 냉각 능력도 향상 시킨다. 특히 냉방 운전시에는 폐쇄 위치로 제어한다. 난방 운전시에 있어서 외부 기온이 낮고 냉매를 그대로 실외기측 열교환기(13)에 순환시키면 실외기측 열교환기(13)의 표면 온도가 외기의 서리점 이하까지 내려가 서리가 맺히는 경우에, 처음으로 전자 조절 밸브(v3)를 개방 방향으로 제어한다. 그 경우에, 실외기측 열교환기(13)의 표면에 서리가 맺히지 않는 최저한의 온도 이상으로 가열하도록 전자 조절 밸브(v3)의 개방도를 제어한다. 바람직한 제어 방법으로는 서리가 맺히지 않는 최저한의 온도가 되도록 전자 조절 밸브(v3)의 개방도를 제어한다.
다른 바람직한 제어 방법으로는 맺혀진 서리가 소정 시간 간격으로 제거될 수 있도록 실외기측 열교환기(13)의 표면 온도가 외기의 서리점 이하가 된 경우에 소정 시간 간격으로 전자 조절 밸브(v3)를 개방함으로써 실외기측 열교환기(13)를 가열하여 서리를 제거하는 방법이 있다.
전자 조절 밸브(v5)는 난방시에는 냉매 속에 폐열을 최대한 회수할 수 있도록 개방 위치로 제어되고, 냉방시에는 냉방 능력을 최대한 발휘할 수 있도록 폐쇄 위치로 제어된다. 냉방시와 같이 폐열 회수용 열교환기(30)를 사용할 필요가 없을 때에 폐쇄 위치로 제어함으로써, 대략 모든 냉각수를 라디에이터(21)에 순환시킬 수 있어서 라디에이터(21)에서의 방열을 증가시킬 수 있다.
전자 조절 밸브(v2)는 통상 개방 위치로 제어한다. 특히 냉방 운전시에는 개방 위치로 제어한다. 난방 운전시에 있어서도 외부 기온이 높은 경우에는 개방 위치로 제어한다. 외부 기온이 낮아지고, 실외기측 열교환기(13)에 순환하는 냉매를 충분히 가열할 수 없게 됨에 따라서 폐쇄 방향으로 제어한다. 외부 기온이 실외기측 열교환기(13)에 순환하는 냉매의 온도 이하가 된 경우에는, 전자 조절 밸브(v2)는 가장 교축된 상태로 한다. 단, 실외기측 열교환기(13) 내로의 냉매 등의 머무름을 방지하기 위해 완전한 폐쇄 위치로는 하지 않는다. 전자 조절 밸브(v2)를 약간 개방하여 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 의해 가열한 냉매를 실외기측 열교환기(13)에 순환시킴으로써 실외기측 열교환기(13) 안으로의 냉매 등의 머무름 및 실외기측 열교환기(13)에의 서리 맺힘을 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 냉매 회로(10)는 실외기측 열교환기(13)에 의해 외기로부터 열을 얻을 뿐만 아니라, 가스 엔진(90)으로부터의 폐열을 유효하게 회수할 수 있다. 또한, 가스 엔진(90)으로부터의 폐열을 이용하여 외부 기온이 낮은 경우에 실외기측 열교환기(13)에 발생하는 서리 맺힘을 방지 또는 제거할 수 있다. 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 의한 냉매의 가열은 직접적이고, 실외기측 열교환기(13)의 표면 온도의 조절은 빠르게 행할 수 있다. 그 결과, 서리의 제거 내지 서리 맺힘의 예방을 신속하게 행할 수 있다. 또한, 서리의 제거는 통상의 난방 운전으로부터 약간 운전 상태를 바꾸는 것만으로 실현할 수 있으므로 난방 품질의 저하를 최소한으로 할 수 있다.
〔제1 실시 형태의 변형 형태〕
본 변형 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도를 도2에 도시한다. 즉, 팽창 밸브(16)와 실외기측 열교환기(13) 사이에 난방 운전시에 냉매가 순환하는 부분[냉매 예비 가열용 열교환기(31), 역지 밸브(v6) 및 전자 조절 밸브(v2) : 난방부]과, 난방부에 병렬로 설치된 냉방 운전시에 냉매가 순환하는 관로(40)(냉방부)를 갖는 것 외에, 제1 실시 형태의 장치와 대략 같은 구성을 갖는다. 관로(40)는 단순히 냉매 예비 가열용 열교환기(31)와 팽창 밸브(16) 사이를 접속하는 것으로, 난방 운전시에 냉매가 순환하지 않도록 역지 밸브(v6)를 갖는다. 난방부도 냉방 운전시에 냉매가 순환하지 않도록 역지 밸브(v6)를 갖는다.
따라서, 본 실시 형태의 장치는 제1 실시 형태의 장치가 갖는 작용 효과와 더불어 냉방 운전에는 기본적으로 필요없는 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 냉매를 순환시키지 않으므로 유로 저항을 작게 할 수 있어 냉방 능력을 향상시킬 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
(구성)
본 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도를 도3에 도시한다. 본 실시 형태의 장치는 냉각 회로(20)가 제1 실시 형태의 장치와 대략 마찬가지이고, 냉매 회로(10)가 실외기측 열교환기(13)와 폐열 회수용 열교환기(30)를 직렬로 접속한 것 외에는 대략 제1 실시 형태의 장치와 동일한 구성을 갖는다. 상세하게는, 냉각 회로(20)는 새롭게 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉각수 작동실(30b)에 순환하는 냉각수를 제어하는 전자 조절 밸브(v5)를 갖는다. 냉매 회로(10)는전자 조절 밸브(v2) 및 역지 밸브(v6)를 이용하지 않고, 4방 절환 밸브(18)의 제3 포트(18c)와 실외기측 열교환기(13) 사이에 폐열 회수용 열교환기(30)를 직렬로 접속되고 있다. 또한, 폐열 회수용 열교환기(30)는 도3에 도시된 위치에 한정되지 않는다. 폐열 회수용 열교환기(30)는 실외기측 열교환기(14)로부터 어큐뮬레이터(15) 사이에 설치할 수 있다.
(작용 효과)
각 회로(10 및 20)의 작용은 기본적으로 제1 실시 형태의 장치와 동일하다. 전자 조절 밸브(v4 v3 및 v5)의 개방도 제어는 제1 실시 형태의 장치와 동일하다.
제1 실시 형태의 장치에서는 실외기측 열교환기(13) 및 폐열 회수용 열교환기(30)를 병렬로 접속하여 전자 조절 밸브(v4 내지 v2)의 개방도 제어를 적절하게 행함으로써 가스 엔진(90)으로부터의 폐열의 회수와 외기로부터의 열에너지의 흡수를 모두 효율적으로 행할 수 있지만, 본 실시 형태의 장치는 양자를 직렬로 접속함으로써 복잡한 제어 및 냉매 회로(10)를 채용하지 않아도 폐열을 회수하여 높은 난방 능력을 발휘할 수 있다.
〔제2 실시 형태의 변형 형태〕
본 변형 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도를 도4에 도시한다. 즉, 팽창 밸브(16)와 실외기측 열교환기(13) 사이에 난방 운전시에 냉매가 순환하는 부분[냉매 예비 가열용 열교환기(31), 역지 밸브(v6) 및 전자 조절 밸브(v2) : 난방부]과, 난방부에 병렬로 설치된 냉방 운전시에 냉매가 순환하는 관로(40)(냉방부)를 갖는 것 외에 제2 실시 형태의 장치와 대략 같은 구성을 갖는다. 관로(40)는 단순히 냉매 예비 가열용 열교환기(31)와 팽창 밸브(16) 사이를 접속함으로써 난방 운전시에 냉매가 순환하지 않도록 역지 밸브(v6)를 갖는다. 난방부도 냉방 운전시에 냉매가 순환하지 않도록 역지 밸브(v6)를 갖는다.
따라서, 본 실시 형태의 장치는 제2 실시 형태의 장치가 갖는 작용 효과와 더불어 냉방 운전에는 기본적으로 필요없는 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에 냉매를 순환시키지 않으므로 유로 저항을 작게 할 수 있어 냉방 능력을 향상시킬 수 있다.
〔제3 실시 형태〕
(구성)
본 실시 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치를 도5에 도시한다. 본 장치는 냉매 예비 가열용 열교환기(31) 및 전자 조절 밸브(v3)를 이용하지 않는 것, 전자 조절 밸브(v1)(제1 조절 밸브)를 갖는 바이패스 통로(50) 및 2개의 교축기(17)를 새롭게 갖는 것 이외에는, 도1에 도시하는 제1 실시 형태에 있어서의 장치와 대략 동일한 구성을 갖는다. 1개의 교축기(17)는 제1 냉매 작동실(30a)의 출구로부터 바이패스 통로(50)가 분기한 부분으로부터, 실외기측 열교환기(13)로부터 순환하는 냉매와 합류하는 부분 사이에 설치된다. 다른 교축기(17)는 팽창 밸브(16)로부터 순환하는 냉매가 실외기측 열교환기(13)에 분기하는 부분으로부터, 바이패스 통로(50)와 합류하는 부분까지의 사이에 설치한다. 바이패스 통로(50)는 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉매 작동실(30a)의 출구(301a)와 실외기측 열교환기(13) 및 전자 조절 밸브(v2) 사이를 전자 조절 밸브(v1)를 거쳐서 접속된다.교축기(17)는 캐필러리 등의 통상의 수단을 채용할 수 있다.
(작용 효과)
각 회로(10 및 20)의 작용은 기본적으로 제1 실시 형태의 장치와 동일하다. 전자 조절 밸브(v4, v2, v5 및 v1)의 개방도 제어는 제1 실시 형태의 장치의 v4, v2, v5 및 v3과 대략 동일하다. 즉, 전자 조절 밸브(v1)의 제어는 통상 폐쇄 위치로 제어됨으로써 실외기측 열교환기(13)의 효율을 최대로 할 수 있다. 특히 냉방 운전시에는 폐쇄 위치로 제어된다. 난방 운전시에 외부 기온이 낮고 냉매를 그대로 실외기측 열교환기(13)에 순환시키면 실외기측 열교환기(13)의 표면 온도가 외기의 서리점 이하까지 내려가 서리가 맺히는 경우에, 처음으로 전자 조절 밸브(v1)를 개방 방향으로 제어한다.
그 경우에, 실외기측 열교환기(13)의 표면은 서리가 맺히지 않는 최저한까지 가열할 수 있도록 전자 조절 밸브(v1)의 개방도를 제어한다. 또한, 본 실시 형태에서는 외부 기온이 낮고, 실외기측 열교환기(13)의 능력을 충분히 발휘할 수 없는 경우에는 전자 조절 밸브(v2)를 완전히 폐쇄할 수 있다. 전자 조절 밸브(v2)를 완전히 폐쇄해도 바이패스 통로(50)로부터 냉매가 실외기측 열교환기(13)로 순환하므로, 실외기측 열교환기(13) 내로의 냉매 등의 저류나 실외기측 열교환기(13)로의 서리 맺힘을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 교축기(17)는 제1 냉매 작동실(30a)의 출구로부터 실외기측 열교환기(13)의 입구로 냉매가 순환할 수 있도록 냉매의 압력 밸런스를 조절하는 작용을 갖는다.
본 장치는 냉매 예비 가열용 열교환기(31) 대신에, 보다 간편한 수단인 바이패스 통로(50)를 이용함으로써 제1 실시 형태의 장치의 효과를 가질 수 있다. 즉, 제1 실시 형태의 장치보다도 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 실외기측 열교환기(13)에 순환하는 냉매 중 일부에 대해서만 폐열 회수용 열교환기(30)에서 가열되고 있을 뿐이므로, 유입하는 모든 냉매를 냉매 예비 가열용 열교환기(31)에서 가열하는 제1 실시 형태의 장치에 비해 유로 저항을 작게 할 수 있다.
〔제3 실시 형태의 변형 형태〕
본 변형 형태의 폐열 회수식 공기 조화 장치의 개략도를 도6에 도시한다. 즉, 바이패스 통로(50)를 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉매 작동실(30a)의 도중에 설치한 출구(302a)로부터 실외기측 열교환기(13)의 입구에 냉매를 순환시키도록 한 것 및 폐열 회수용 열교환기(30)의 제1 냉매 작동실(30a)의 출구로부터 앞서 설치한 교축기(17)를 이용하지 않는 것 이외에는 제3 실시 형태의 장치와 대략 동일한 구성을 갖는다. 출구(302a)로부터 바이패스 통로(50)를 마련함으로써, 제1 냉매 작동실(30a)의 일부가 교축기로서의 효과를 발휘할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태의 장치는 제3 실시 형태의 장치가 갖는 작용 효과를 교축기를 1개 줄여 실현할 수 있다.
〔그 밖의 형태〕
전술한 제1 내지 제3 실시 형태의 장치에 있어서, 전자 조절 밸브(v4) 대신에 라디에이터(21)의 하류와 제1 냉각수 작동실(30b)의 하류가 연통하는 부분에 설치한 서모스탯 밸브 및 제1 냉각수 작동실(30b)의 하류와 서모스탯 밸브의 하류를 연통하는 바이패스 올리피스를 채용할 수 있다.
서모스탯 밸브는 냉각수의 온도가 낮은 경우에는 라디에이터측을 폐쇄하여 제1 냉각수 작동실(30b)측을 개방하고, 냉각수의 온도가 소정 온도 이상이 되면 라디에이터측을 개방하고 제1 냉각수 작동실(30b)측을 폐쇄한다. 바이패스 올리피스는 서모스탯 밸브가 제1 냉각수 작동실(30b)측을 폐쇄 위치로 해도 어느 정도의 냉각수를 제1 냉각수 작동실(30b)에 순환시킬 수 있다. 즉, 고가의 전자 조절 밸브를 이용하지 않아도 같은 제어를 실현하는 것이 가능하다.
또한, 냉각수의 유로가 분기한 부분에 설치된 전자 조절 밸브(v3 내지 v5) 대신에 3방 밸브나 4방 밸브를 이용할 수 있다.
본 발명에 따라, 높은 서리 제거 능력을 발휘할 수 있는 동시에 엔진으로부터의 폐열을 유효하게 이용하여 높은 성능 계수(COP)를 실현할 수 있는 폐열 회수식 공기 조화 장치가 제공된다.

Claims (8)

  1. 엔진과,
    상기 엔진으로 구동되어 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 접속된 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기에 접속된 팽창 밸브와, 상기 팽창 밸브에 접속되어 상기 냉매를 상기 압축기에 환류시키는 제2 열교환기를 구비하는 냉매 회로와,
    상기 엔진으로부터의 폐열을 냉각 유체로 전달하는 냉각 수단과, 상기 냉각 수단에 접속되어 상기 냉각 유체로 전달된 폐열을 분위기 속에 방출하는 라디에이터와, 상기 냉각 수단과 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각 유체를 순환시키는 냉각 유체 펌프를 구비하는 냉각 회로와,
    상기 냉매 회로에 상기 제2 열교환기와 병렬로 접속된 제1 냉매 작동실과, 상기 냉각 회로에 상기 라디에이터와 병렬로 또는 직렬로 접속된 제1 냉각 유체 작동실과, 상기 제1 냉매 작동실과 상기 제1 냉각 유체 작동실을 구획하는 전열벽을 갖고, 상기 엔진으로부터의 폐열의 일부를 상기 냉매로 전달하는 폐열 회수용 열교환기를 갖는 폐열 회수식 공기 조화 장치에 있어서,
    상기 냉각 회로에 상기 라디에이터 및/또는 상기 폐열 회수용 열교환기와 직렬로 또는 병렬로 접속된 제2 냉각 유체 작동실과, 상기 냉매 회로의 상기 팽창 밸브 및 상기 제2 열교환기 사이에 접속된 제2 냉매 작동실과, 상기 제2 냉각 유체 작동실 및 제2 냉매 작동실을 구획하는 전열벽을 갖고, 상기 제2 열교환기로 유입하는 상기 냉매에 상기 엔진으로부터의 폐열을 전달하는 냉매 예비 가열용 열교환기를 갖는 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 냉매 작동실은 상기 제2 열교환기에 병렬인 위치 대신에 상기 제2 열교환기 및 상기 압축기 사이에 직렬로 접속되는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉매 예비 가열용 열교환기 대신에 상기 폐열 회수용 열교환기로부터 상기 압축기에 이르는 사이와 상기 팽창 밸브로부터 상기 제2 열교환기에 이르는 사이를 접속하여 유량 조절을 행하는 제1 조절 밸브를 갖는 바이패스 통로를 구비하는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉매 회로는 상기 팽창 밸브로부터 상기 제2 열교환기에 이르는 사이에 상기 제2 열교환기로 유입하는 상기 냉매의 양을 조절하는 제2 조절 밸브를 구비하는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉매 예비 가열용 열교환기로 유입하는 냉각 유체의 양을 조절하는 제3 조절 밸브를 갖는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 열교환기의 표면 온도가 상기 제2 열교환기가 갖는 분위기에 있어서의 서리점 이하인 경우 또는 상기 제2 열교환기의 표면에 서리가 맺힌 경우에는 상기 제2 조절 밸브를 폐쇄 방향으로 조절되고,
    그 이외의 경우에는 상기 제2 조절 밸브를 폐쇄 위치로 조절하는 제어 수단을 갖는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제2 열교환기의 표면 온도가 상기 제2 열교환기가 갖는 분위기에 있어서의 서리점 이하인 경우 또는 상기 제2 열교환기의 표면에 서리가 맺힌 경우에는 상기 제1 조절 밸브 또는 상기 제3 조절 밸브를 개방 방향으로 조절되고,
    그 이외의 경우에는 상기 제1 조절 밸브 또는 상기 제3 조절 밸브를 폐쇄 위치로 조절하는 제어 수단을 갖는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉매 회로의 상기 압축기, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 각각 접속하는 관로의 일부는 난방부 및 냉방부를 갖고,
    상기 냉매 회로는 상기 난방부와 상기 냉방부를 독립적으로 절환하는 냉난방 절환 밸브를 갖고,
    상기 냉매 예비 가열용 열교환기는 상기 난방부에 있는 폐열 회수식 공기 조화 장치.
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