KR20050120394A - 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨에 관한 것으로, 히트 펌프형 에어컨에 제2관로와 제3관로, 그리고 따뜻한 냉매를 실외 열교환기에 공급할 것인지를 제어하는 솔레노이드 밸브와, 실외 열교환기의 내부를 가로지르도록 형성된 열배출 관로로 구성된 제상 기구를 구비함으로써, 실외 열교환기의 관로에 과도하게 서리가 형성된 경우가 아니라면, 솔레노이드 밸브를 조정하여 압축기로부터 제2관로와, 열배출 관로와, 솔레노이드 밸브를 지나 제3관로에 이르는 경로로 따뜻한 냉매를 간헐적으로 흘려줌으로써, 실외 열교환기의 관로에 착상된 서리를 보다 용이하게 제거할 수 있는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨을 제공한다.

Description

향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨 {HEAT PUMP TYPE AIR-CONDITIONER WITH IMPROVED DEFROSTING STRUCTURE}

본 발명은 히트 펌프식 에어컨에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 난방 운전시 실외 열교환기에 착상되는 서리를 사용자의 불쾌감을 최소화하면서 제상할 수 있도록 하는 저온 외기 상태의 난방 조건에서 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨에 관한 것이다.

도1은 종래의 히트펌프 에어컨의 구성을 도시한 블록도로서, 도1에 도시된 바와 같이, 종래의 히트 펌프식 에어컨은 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기(11)와, 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환시키는 사방 밸브(12)와, 냉방시에는 응축기로 난방시에는 증발기로 사용되는 실외 열교환기(13)와, 실외의 공기를 흡입하는 실외팬(14)과, 실외 열교환기(13)와는 반대로 냉방시에는 증발기로 사용되고 난방시에는 응축기로 사용되는 실내 열교환기(15)와, 실내의 공기를 흡입하는 실외팬(16)과, 실외 열교환기(13)와 실내 열교환기(15) 사이에 설치되어 저온 저압의 냉매 가스로 변환시키는 팽창 밸브(17)를 포함하여 구성된다.

여기서, 응축기의 역할이란 고온 고압의 냉매를 방열시켜 기체에서 액체로 냉각·액화하는 작용을 하는 것이며, 증발기의 역할이란 증발기의 표면에 접촉된 공기의 온도를 하강시키고, 공기중의 수분은 이슬점 이하가 되고 물방울이 되어 제거되도록 하는 것이다.

그리고, 상기 사방 밸브(12)는 압축기(11)로부터 토출된 냉매가 냉방시에는 실외 열교환기(13)쪽으로 순환할 수 있도록 전환시키고, 난방시에는 실내 열교환기(15)쪽으로 순환할 수 있도록 전환시키는 역할을 한다.

이하, 상기와 같은 구성의 히트 펌프형 에어컨의 작동 원리를 상술한다.

사용자가 히트펌프형 에어컨을 냉방 운전하고자 할 경우에, 압축기(11)가 냉매를 압축시킨 후 실외 열교환기(13)로 압축된 냉매를 공급한다. 그리고 나서, 실외 열교환기(13)에서는 실외팬(14)에 의해 흡입된 공기와 냉매 사이에 열교환이 일어나 상온 고압의 액체 상태로 냉매를 응축시키고 공기의 온도를 상승시킨다. 온도 상승된 공기는 실외팬(16)에 의하여 외부로 배출된다. 그리고, 실외 열교환기(13)에 의해 응축된 냉매는 모세관을 통과하면서 저온 저압의 액체상태로 변환되며, 실내 열교환기(15)에서는 실내팬(16)에 의하여 흡입된 공기와 냉매 사이에 열교환이 일어나 냉매가 저온 저압의 증기상태로 변환됨과 동시에 흡입된 공기의 온도가 낮아진다. 그리고, 실내 열교환기(15)를 통해 저온 저압의 증기상태로 변환된 냉매는 냉매 배관을 통해 압축기(11)로 전달되고, 온도가 감소된 공기는 실내팬(15)을 통해 실내로 배출되어 냉방 작동을 할 수 있게 된다.

사용자가 히트펌프형 에어컨을 난방 운전하고자 할 경우에, 사방 밸브(12)는 냉매의 흐름 방향을 압축기(11)로부터 실내 열교환기(15)를 향하도록 전환시킨다. 그리고, 실외 열교환기(13)는 증발기의 역할을 하며, 실내 열교환기(15)는 응축기 역할을 함으로써 난방 작동을 할 수 있게 된다.

이 때, 실외 온도가 5℃ 내지 6℃정도(상대습도 80%)로 낮아지면, 실외 열교환기(13)의 표면 온도가 영하로 떨어지게 되며, 실외 공기의 수분이 실외 열교환기(13)의 표면에 착상되어, 실외팬(14)에 의한 공기의 유로가 차단되어 실외 열교환기(13)의 열효율이 떨어지고, 히트 펌프의 난방 효율도 현저히 떨어지게 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 실외 열교환기(13)의 표면에 착상된 서리를 제거하는 제상 운전을 실시한다. 보다 구체적으로는, 도2에 도시된 바와 같이, 난방 30분 가동후 실내 열교환기 센서(18)에 의하여 측정된 온도(Te)와 실내 룸 온도 센서(19)에 의하여 측정된 온도(Tr)차로 실외기의 제상 진입 여부를 판단(S1)한다. 그리고, 제상 진입되었다고 판단되면 3분정도 압력 평형 구간을 거친후 제상운전(S2)을 가동한다. 제상시 제상 운전의 시간은 실내 열교환기 온도(Te)와 실내 방 온도(Tr)의 차이에 따라 정해지며, 약 9분간 운전된다(S3). 그리고나서, 난방 운전 진입을 위해 3분정도 압력 평형 구간을 거친 후, 난방이 작동(S4)된다. 따라서, 제상 진입 조건에 소요되는 시간은 압력 평형의 난방 휴지 기간인 3분이 소요된다. 따라서, 제상 운전중에는 난방 운전이 불가능할 뿐만 아니라 실외 열교환기의 차가운 냉기가 실내에 전달됨에 따라 실내 온도가 내려가므로 사용자가 불편함이나 불쾌감을 느끼게 하는 문제점이 있었으며, 실외의 온도를 실내 열교환기의 배관 온도(Te)와 실내 룸 온도(Tr)차이로부터 추론함으로써 정확한 제상 작동 시간을 얻기 어려워 원활한 제상 작동이 곤란한 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 난방 운전시 실외 열교환기에 착상되는 서리를 사용자의 불쾌감을 최소화하면서 제상할 수 있도록 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨을 제공함을 그 목적으로 한다.

이를 위해, 실외 열교환기의 관로에 과도하게 착상된 경우가 아닌 경우라면 역사이클로 냉방 작동시키지 않고 실외 열교환기를 제상하는 제상 기구를 구성하여, 제상기구를 통해 압축기로부터의 따뜻한 냉매를 상기 실외 열교환기에 간헐적으로 흘려줌으로써, 실외 열교환기의 관로에 착상된 서리를 보다 용이하게 제거할 수 있도록 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 냉매를 압축하는 압축기와, 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기와, 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기와, 이들을 폐루프로 연결하는 제1관로를 포함하는 히트 펌프식 에어컨에 있어서, 상기 실외 열교환기 내에 형성된 열배출 관로와; 상기 열배출 관로의 입구단과 상기 압축기를 연결하는 제2관로와; 상기 열배출 관로의 출구단과 상기 제1관로를 연결하는 제3관로와; 상기 제2관로와 상기 제3관로 중 어느 한 곳에 설치된 밸브를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨을 제공한다.

이는, 실외 열교환기의 관로의 온도가 -15℃ 내지 0℃의 범위와 같이, 실외 열교환기의 관로에 서리가 착상되지만 그 양이 그다지 많지 않을 때에는 상기 압축기로부터 상대적으로 따뜻한 바람을 상기 열배출관로에 짧은 시간동안만 불어넣어 실외 열교환기의 관로에 형성된 서리를 제상할 수 있도록 하기 위함이다. 이를 통해, 난방 작동 상태에서 냉방 작동 상태로 역사이클이 되도록 전환하지 않고도, 수시로 열배출관로에 따뜻한 바람을 불어줌으로써 실외 열교환기의 관로에 서리가 착상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

여기서, 상기 제1관로에는 상기 냉매의 유동 방향을 변경할 수 있는 사방 밸브와, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 사이에는 설치된 체크 밸브를 더 포함하여 구성된 것이 효과적이다.

그리고, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다. 이는 실외 열교환기의 관로 온도에 따라 열배출 관로에 따뜻한 냉매를 공급하는 것을 전자적으로 제어할 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 열배출 관로는 상기 실외 열교환기의 전면(前面)으로 바이패스 되도록 형성된 것이 실외 열교환기의 관로에 형성된 서리의 제상을 효율적으로 행할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 대하여 상술한다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프식 에어컨은, 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기(110)와, 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환시키는 사방 밸브(120)와, 냉방시에는 응축기로 난방시에는 증발기로 사용되는 실외 열교환기(130)와, 실외의 공기를 흡입하는 실외팬(140)과, 실외 열교환기(130)와 반대로 냉방시에는 증발기로 사용되고 난방시에는 응축기로 사용되는 실내 열교환기(150)와, 실내의 공기를 흡입하는 실외팬(160)과, 실외 열교환기(130)와 실내 열교환기(150) 사이에 설치되어 저온 저압의 냉매 가스로 변환시키는 체크 밸브(170)와, 실외 열교환기(130)로부터의 냉매를 저온 저압의 액체 상태로 변환시키는 모세관(171)과, 실외 공기의 온도가 0℃이하가 되어 실외 열교환기(130)의 관로에 서리가 착상된 경우 이를 제거하기 위한 별도의 제상 기구를 포함하여 구성된다.

여기서, 실내 열교환기(150)와 실내팬(160)은 실내기 유닛을 구성하여 실내에 설치되며, 소음이 상대적으로 큰 압축기(110), 사방 밸브(120), 실외 열교환기(130), 실외팬(140), 체크 밸브(170)는 실외기 유닛을 구성하여 실외에 설치된다.

상기 사방 밸브(120)는 압축기(110)로부터 토출된 냉매가 냉방시에는 실외 열교환기(130)쪽으로 순환할 수 있도록 전환시키고, 난방시에는 실내 열교환기(150)쪽으로 순환할 수 있도록 전환시키는 역할을 한다.

상기 실외 열교환기(130)는 외부 공기와 열교환을 효과적으로 할 수 있도록 가는 관이 여러번 굽어져 형성된다. 그리고, 실외 열교환기(150)의 배관의 온도(Tc)를 측정하기 위한 센서(134)가 장착된다.

상기 실내 열교환기(150)에는 실내 룸 온도(Tr)를 측정하기 위한 센서(151)와, 실내 열교환기(150)를 빠져나온 냉매의 온도(Te)를 측정하기 위한 센서(152)를 구비한다.

그리고, 체크 밸브(170)는 관로안의 흐름을 일방향으로만 허용하는 목적으로 사용된다. 도면부호 171은 모세관이다.

상기 제상 기구는 실외 열교환기(130)내에 형성된 열배출관로(131)와, 열배출 관로(131)의 입구와 압축기(110)를 연결하는 제2관로(182)와, 열배출 관로(131)의 출구와 제1관로(181)를 연결하는 제3관로(183)와, 제3관로(183)에 설치된 솔레노이드 밸브(180)로 구성된다. 여기서, 솔레노이드 밸브(180)는 전자석의 작용에 의하여 개폐하는 밸브로서, 전기 신호에 의하여 자동적으로 개폐를 하고자 하는 경우에 사용된다.

상기와 같이 구성된 히트 펌프식 에어컨은 사용자가 히트펌프형 에어컨을 냉방 운전하고자 할 경우에, 실선(c1-c7)으로 표시된 화살표의 방향을 따라 냉매가 진행한다. 보다 구체적으로는, 냉매는 압축기(110)에서 압축되어 c1의 제1관로(180)를 지나 반시계 방향으로 c2 내지 c5에 이르기 까지 순환한다. 이 과정에서 냉매는 실외 열교환기(130)에서 상온 고압의 액체 상태가 되었다가, 실내 열교환기(150)에서 냉매가 저온 저압의 증기 상태로 변환되고 공기의 온도가 낮아진다. 그리고 실내 열교환기(150)을 통해, 저온 저압의 증기 상태로 변환된 냉매는 제1배관(181)을 통해 압축기(110)로 전달되고, 온도가 낮아진 공기는 실내팬(150)을 통해 실내로 배출되어 냉방작용을 할 수 있게 된다.

그리고, 사용자가 히트펌프형 에어컨을 난방 운전하고자 할 경우에는 은선(b1-b9)으로 표시된 화살표의 방향을 따라 냉매가 진행한다. 보다 구체적으로는, 압축기(110)로부터의 냉매는 압축되어 b1을 지나 사방 밸브(120)을 지나 시계 방향으로 순환하게 된다.

이 때, 외부 공기의 온도가 0℃이하인 경우에, 실외 열교환기(150)의 관로에 착상되는 서리를 제거하기 위하여, 압축기(110)로부터 따뜻한 냉매를 공급하는 제2관로(182)가 형성된다. 제2관로(182)에서는 a1 내지 a2의 방향으로 냉매가 진행하며, 따뜻한 냉매가 실외 열교환기(130)내의 열배출관로(131)를 통과하면서 열교환하여 실외 열교환기(130)의 제관에 형성된 서리를 제거하는 데 기여하게 된다. 그리고, 열배출관로(131)의 출구로부터 제1관로(181)를 연결하는 제3관로(183)를 통해 차가워진 냉매는 제1관로(181)의 냉매와 합류하게 된다.

여기서, 솔레노이드 밸브(180)는 제2관로(182) 또는 제3관로(183) 중 어느 한 곳에 있어도 무방하며, 실외 열교환기(130) 내부를 가로지르도록 형성된 열배출 관로(131)에 따뜻한 냉매의 유동을 개폐하는 제어 수단이 된다.

이하, 도4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프식 에어컨의 저온 외기 조건에서의 제상 제어 방법에 대하여 상술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프식 에어컨의 저온 외기 조건에서의 제상 제어 방법은, 압축기가 30분정도 운전 한 후에, 실외 열교환기의 제관 온도(Tc)가 0℃이상인 제A경우와, -15℃ 이상 0℃ 이하인 제B경우와, -15℃ 이하인 제C경우인지 여부를 실내기의 마이콤에서 판단하는 단계(S11)를 포함하여, 이들에 대하여 각각 적합한 제상 방법으로 제어한다.

상기 제A경우에는 제상의 필요성이 없으므로 진입없이 바로 난방 운전을 행한다.

상기 제B경우에는 제상 진입 지연을 위하여 간헐적으로 솔레노이드 밸브를 작동(S21)시켜 제상한다. 보다 구체적으로는, 실외 열교환기(15)에 설치된 제상용 솔레노이드 밸브를 실외 열교환기(15)의 제관 온도(Tc)가 0℃보다 높게 되거나 10초간 작동시키고, 10분 내지 15분간 솔레노이드 밸브의 작동을 중지(S22)시키는 것으로 제상 작업을 한다. 이 때, 솔레노이드 밸브를 ON시키는 시간은 10초로 하고, OFF시간은 10분 내지 15분으로 하는 것은, 제상 진입 지연 구역인 제B경우에 대해서는 난방 성능 저하를 최소화하기 위함이다. 그리고나서, 난방 운전을 행한다.

상기 제C경우에는 실외 열교환기(15)의 제관 온도(Tc)가 -15℃이하로 매우 낮으므로, 보다 적극적으로 제상 작업을 행할 필요가 있다. 즉, 일정시간동안 역사이클을 돌리는 방법으로 일정시간 동안 냉방 운전을 실시하여 실외 열교환기(13)가 응축기로 사용되도록 함으로써 응축열에 의해 실외 열교환기(13)의 제관에 착상된 서리를 녹이도록 한다.

보다 구체적으로는, 20초간 솔레노이드 밸브를 OFF시키고(S31), 냉풍이 나오는 것을 방지하기 위하여 실내팬(16)과 실외팬(14)을 OFF시키고(S32), 40초간 상기 사방 밸브를 OFF시키고 솔레노이드 밸브를 ON시키고(S33), 9분간 압축기를 작동시키고(S34), 20초간 상기 사방 밸브를 ON시키고 상기 솔레노이드 밸브를 OFF시켜 역사이클로 돌리고(S35), 상기 압축기와 실외팬을 ON시켜(S36) 정상적으로 난방 운전을 행한다.

이를 통해, 실외 열교환기(130)의 하단에 열배출관로(131)를 연결시킴으로써, 실외 열교환기(130)의 하단을 먼저 녹이고, 전면으로 바이패스되는 냉매 회로에 의하여 실외 열교환기(130)의 전체 배관(130)을 녹일 수 있게 된다. 또한, 난방 가동중에 실외 열교환기(130)의 하단에 압축기의 토출가스가 잔류하여, 실외 열교환기(130)의 상단으로부터 뚝뚝 떨어지는 낙수로 인하여 열교환 불완전 영역에서도 제상할 수 있게 된다.

또한, 상기 제C경우에는 압력 평형을 빠르게 이루기 위하여 사방 밸브(120)와 솔레노이드 밸브에 취부된 두개의 냉매 라인이 동시에 열리므로 난방 휴지 기간을 종래의 3분에서 1분으로 줄일 수 있으며, 제상 운전은 9분동안 작동하며, 난방 진입을 위한 압력 평형 구간도 3분에서 1분으로 줄일 수 있게 된다.

따라서, 상기와 같은 제어 공정으로 실외 열교환기(130)에 착상된 서리를 착상된 서리의 양에 따라 신속하게 제거할 수 있게 되고, 서리 제거에 소요되는 비운전 시간을 단축함으로써 사용자에게 보다 안락하고 편안한 난방 기능을 제공할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 히트 펌프형 에어컨에 제2관로와 제3관로, 그리고 따뜻한 냉매를 실외 열교환기에 공급할 것인지를 제어하는 솔레노이드 밸브와, 실외 열교환기의 내부를 가로지르도록 형성된 열배출 관로로 구성된 제상 기구를 구비함으로써, 실외 열교환기의 관로에 과도하게 서리가 형성된 경우가 아니라면, 솔레노이드 밸브를 조정하여 압축기로부터 제2관로와, 열배출 관로와, 솔레노이드 밸브를 지나 제3관로에 이르는 경로로 따뜻한 냉매를 간헐적으로 흘려줌으로써, 실외 열교환기의 관로에 착상된 서리를 보다 용이하게 제거할 수 있는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨을 제공한다.

도1은 종래의 히트펌프 에어컨의 구성을 도시한 블록도

도2는 도1의 제상 제어 방법이 도시된 흐름도

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 에어컨의 구성을 도시한 블록도

도4는 도3의 제상 제어 방법의 흐름도

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110: 압축기 120: 사방 밸브

130: 실외 열교환기 140: 실외팬

150: 실내 열교환기 160: 실내팬

170: 체크 밸브 171: 모세관

180: 솔레노이드 밸브 181: 제1배관

182: 제2배관 183: 제3배관

a1-a5: 난방시 제상냉매 경로 b1-b9: 난방시 냉매 경로

c1-c7: 냉방시 냉매 경로 X: 설정 온도

Claims (5)

1. 냉매를 압축하는 압축기와, 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기와, 실외 공기와 열교환하는 실외 열교환기와, 이들을 폐루프로 연결하는 제1관로를 포함하는 히트 펌프식 에어컨에 있어서,

   상기 실외 열교환기 내에 형성된 열배출 관로와;

   상기 열배출 관로의 입구단과 상기 압축기를 연결하는 제2관로와;

   상기 열배출 관로의 출구단과 상기 제1관로를 연결하는 제3관로와;

   상기 제2관로와 상기 제3관로 중 어느 한 곳에 설치된 밸브를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1관로에는 상기 냉매의 유동 방향을 변경할 수 있는 사방 밸브를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 사이에는 설치된 체크 밸브를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 밸브는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 열배출 관로는 상기 실외 열교환기의 전면(前面)으로 바이패스 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 향상된 제상 구조를 갖는 히트 펌프식 에어컨.