KR20060061695A - 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기조화 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 난방용 실내기를 구비하지 않고 지역난방 온수를 사용하여 난방을 수행할 수 있는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 압축기(111), 실내 열교환기(112), 팽창장치(113) 및 실외 열교환기(114)가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 난방운전시 유동 냉매를 온수와 열교환시키는 냉난방 시스템을 제공한다.
냉난방 시스템, 가열장치

Description

냉난방 시스템{cooling and heating system}
도 1a는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제1실시예를 나타낸 블럭도.
도 1b는 도 1a의 냉난방 시스템의 변형예를 나타낸 블럭도.
도 2a는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제2실시예를 나타낸 블럭도.
도 2b는 도 2a의 냉난방 시스템의 변형예를 나타낸 블럭도.
도 2c는 도 2a의 냉난방 시스템의 작용을 나타낸 블럭도.
도 3a는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제3실시예를 나타낸 블럭도.
도 3b는 도 3a의 냉난방 시스템의 변형예를 나타낸 블럭도.
도 4a는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제4실시예를 나타낸 블럭도.
도 4b는 도 4a의 냉난방 시스템의 변형예를 나타낸 블럭도.
도 4c는 도 4a의 냉난방 시스템의 작용을 나타낸 블럭도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
111 : 압축기 112 : 실내 열교환기
113 : 팽창장치 114 : 실외 열교환기
121 : 제1병렬관 122 : 제2병렬관
123 : 연결관 124,125 : 냉매관
131 : 제1가열장치 132 : 제2가열장치
133 : 제3가열장치 134 : 제4가열장치
131a,132a,133a,134a : 온도감지수단 131b,132b,133b,134b : 밸브
본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 난방시스템의 구비하지 않고 난방을 수행할 수 있는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화 시스템은 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 수행함에 따라 실내 공간을 냉방 또는/및 난방시키는 장치이다.
공기조화 시스템은 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화 시스템과, 실외기에 다수대의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화 시스템으로 구분된다. 또한, 공기조화 시스템은 냉매사이클을 일방향으로만 가동하여 실내에 냉기만을 공급하도록 냉각 시스템과, 냉매사이클을 양방향으로 선택적으로 가동하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급하는 냉난방 시스템으로 구분된다.
최근에는 아파트 단지와 같이 건물들이 밀집화되고, 또는 다수의 아파트 단지가 인근 지역에 밀집되고 있다. 이러한 밀집 지역에는 에너지 절약 또는 생활의 편의를 위해 중앙에서 온수를 공급하는 방식을 채택하기로 한다. 상기 지역 난방방식에서는 온수를 이용하여 난방을 실시한다.
지역 난방방식을 사용하는 지역에서는 건물 내에 냉난방용 시스템을 모두 갖추는 경우가 있다. 이러한 방식에서는, 냉매배관을 사용하는 냉방전용 시스템을 건 물마다 배치하고, 상기 냉방전용 시스템과는 별도로 온수배관을 사용하는 난방전용 실내기를 내에 배치한다. 따라서, 난방운전시에는 지역난방 온수를 난방전용 실내기로 순환하여 난방을 수행하는 반면, 냉방운전시에는 냉방전용 시스템을 가동하여 냉방을 수행한다.
그러나, 종래의 냉난방 시스템은 다음과 같은 문제가 있었다.
첫째, 종래의 지역 냉난방 시스템은 냉방전용 시스템과는 별도로 난방전용 실내기를 설치하므로, 냉난방 시스템을 모두 갖추기 위해서는 2중의 설치비가 드는 문제점이 있었다.
둘째, 종래의 지역 냉난방 시스템은 난방전용 시스템과 냉방전용 시스템이 별도로 배치되므로, 이들을 유지 및 보수하기 위하여 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
셋째, 종래의 일반적인 냉난방 시스템은 난방운전시 압축기에 의해 냉매를 압축 및 순환시키므로, 상기 압축기에 의한 압축일이 증가되어 소비전력이 증가되는 문제점이 있었다.
넷째, 종래의 일반적인 냉난방 시스템은 난방운전시 실외 열교환기에 서리가 결빙된다. 따라서, 냉매를 냉방모드로 순환시키는 제상운전을 수행하므로, 난방운전을 연속적으로 구현할 수 없는 문제점이 있었다.
상술한 제반 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 별도의 온수 난방용 실내기를 구비할 필요가 없고, 유지 및 보수 비용이 감소되는 냉난방 시스템을 제 공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압축기의 일을 감소시켜 소비전력을 감소시킬 수 있는 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 난방운전을 연속적으로 수행할 수 있는 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일형태에 따르면, 압축기, 실내 열교환기, 팽창장치 및 실외 열교환기가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 난방운전시 유동 냉매를 온수와 열교환시키는 냉난방 시스템을 제공한다.
상기 팽창장치와 압축기 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관으로 이루어지고, 상기 제1병렬관에는 실외 열교환기가 설치된다. 또한, 상기 제2병렬관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제1,2병렬관의 소정 부분에는 냉매 유로를 연통시키는 연결관이 설치되고, 상기 연결관에는 냉매 유로를 개폐시키도록 밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 실외 열교환기와 압축기 사이의 제1병렬관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 압축기와 실내 열교환기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치가 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 팽창장치와 실내 열교환기 사이의 냉매관과, 상기 압축기와 실외 열교환기 사이의 냉매관에는 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관에는 온수 에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 체크밸브는 제4가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것이 보다 바람직하다.
또, 상기 제1,2,3,4가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 다른 형태에 의하면, 상기 팽창장치와 실외 열교환기 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관으로 이루어지고, 상기 제2병렬관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치가 설치된다.
상기 제2병렬관에는 냉매 유로를 개폐하도록 밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 밸브는 제1가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것이 보다 바람직하다.
상기 실외 열교환기와 압축기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 압축기와 실내 열교환기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치가 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 팽창장치와 실내기 사이의 냉매관과, 상기 압축기와 실외 열교환기 사이의 냉매관에는 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 체크밸브는 제4가열장치의 냉매 흡입측에 설치되 는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 상기 제1,2,3,4가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 또 다른 형태는, 압축기, 실내 열교환기, 팽창장치 및 실외 열교환기가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 상기 팽창장치와 실내기 사이의 냉매관과 상기 압축기와 실외 열교환기 사이에는 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관에는 유동 냉매를 온수와 열교환시키도록 가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템을 제공한다.
상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력 이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 체크밸브는 가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 또 다른 형태는, 제상운전시, 제2병렬관의 밸브를 개방시키고, 제1가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 제어방법을 제공한다.
또한, 난방운전시, 바이패스관의 제4가열장치에 온수가 유입된다고 판단되면 상기 제4가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 제어방법을 제공한다.
또한, 난방운전시, 해당 가열장치에 흡입되는 냉매가 제어부에 기 설정된 해당 온도 이하라고 판단되면 상기 해당 가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 제어방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 별도의 난방용 실내기를 구비할 필요가 없고, 유지 및 보수 비용이 감소되며, 소비전력을 감소시킬 수 있고, 난방운전을 연속적으로 수행할 수 있는 것이 가능하다.
이하 상술한 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a를 참조하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제1실시예를 설명하면 다음과 같다.
상기 냉난방 시스템은, 압축기(111), 실내 열교환기(112), 팽창장치(113) 및 실외 열교환기(114)가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 난방운전시 유동 냉매를 온수와 열교환시킨다. 여기서, 상기 온수는 열병합 발전소 또는 폐열발전소 등 냉난방 시스템의 외부로부터 공급되는 지역 난방용 온수를 의미한다. 이러한 온수는 건물에 도달되었을 때에 대략 70~90℃ 정도의 온도를 유지한다. 따라서, 이러한 온수를 냉매 사이클에 효과적으로 적용할 수 있는 것이다. 이하에서는 온수라고 칭하기로 한다.
이때, 상기 팽창장치(113)와 압축기(111) 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관(121,122)으로 이루어지고, 상기 제1병렬관(121)에는 실외 열교환기(114)가 설치된다.
또한, 상기 제2병렬관(122)에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치(131)가 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 제1가열장치(131)는 난방운전시 상기 팽창장치(113)에서 팽창된 냉매를 가열함에 의해 기상 상태의 냉매가 제2병렬관 (122)을 통해 압축기(111)로 유입되도록 한다.
상기 제1,2병렬관(121,122)의 소정 부분에는 냉매 유로를 연통시키는 연결관(123)이 설치되고, 상기 연결관(123)에는 냉매 유로를 개폐시키도록 밸브(135)가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 연결관의 밸브(135)는 냉매 유로를 개폐할 수 있는 온/오프 밸브(ON/OFF valve)를 적용한다. 물론, 냉매 유로의 개도를 조절할 수 있는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 적용할 수 있다. 또한, 상기 연결관의 밸브(135)는 상기 연결관(123)과 제2병렬관(122)의 연결 부분에 설치되어, 상기 제1가열장치(131)를 통과한 냉매를 연결관(123)과 제2병렬관(122)으로 선택적으로 절환시키는 삼방밸브(three way valve)를 적용할 수 있다.
또한, 상기 실외 열교환기(114)와 압축기(111) 사이의 제1병렬관(121)에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치(132)가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 압축기(111)와 실내 열교환기(112) 사이의 냉매관(124)에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치(133)가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1,2,3가열장치(131,132,133)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(131a,132a,133a)이 각각 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1,2,3가열장치 중 어느 하나 또는 둘에만 온도감지수단이 설치될 수도 있다. 가령, 상기 온도감지수단이 제1가열장치(131), 제2가열장치(132) 또는 제3가열장치(133)에만 설치되거나, 제1,2가열장치, 제2,3가열장치, 또는 제1,3가열장치에만 설치될 수 있다.
한편, 상기 제1,2,3가열장치(131,132,133)는 냉매관의 외면에 열전도핀을 형성하고 상기 냉매관의 열전도핀과 열교환하도록 온수가 흐르는 구조로 형성할 수 있다. 또한, 상기 냉매관과 온수관을 이중관 형태로 구현할 수 있다. 이중관 구조에서는 냉매과 온수의 유동방향이 동일하거나 반대일 수 있다. 다만, 열교환 효율측면에서 볼 때에, 냉매와 온수의 유동방향은 반대인 것이 바람직하다. 이러한 가열장치는 냉매와 온수가 열접촉되는 한 다양한 형태로 변경 가능하다.
또한, 상기 제1,2,3가열장치(131,132,133)는 도 1a와 같이 각각 독립적인 온수 유로를 갖도록 한다. 이때, 상기 온수 유로에는 밸브(131b,132b,133b)가 각각 설치된다. 따라서, 각 가열장치의 냉매 온도가 온수보다 필요 이상으로 낮은 경우에는 해당 가열장치에 온수를 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 온수를 차단한다.
또한, 도 1b와 같이 상기 제1,2,3가열장치(131,132,133) 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 갖도록 할 수 있음도 이해 가능하다. 이때, 온수 유로는 난방운전시 냉매를 가열하는 가장 요구되는 가열장치를 가장 먼저 경유하도록 연결되는 것이 바람직하다.
상술한 냉난방 시스템의 작용에 관해 도 1a를 참조하여 설명하기로 한다.
난방운전이 시작되면, 냉매는 도 1a의 점선방향으로 흐른다.
즉, 압축기(111)에서 압축된 냉매는 제3가열장치(133)에 유입된다. 이때, 상기 제3가열장치(133)에서는 냉매의 온도가 제어부에 기 설정된 온도 범위를 벗어난다고 판단되는 경우에만 온수가 유입된다. 이에 따라, 냉매의 온도가 낮은 경우에는 냉매의 온도를 상승시키고, 냉매의 온도가 높은 경우에는 냉매의 온도를 낮춰줌으로써, 상기 압축기(111)에서 토출되는 냉매의 온도를 일정한 범위 내로 유지시킬 수 있도록 한다.
상기 제3가열장치(133)의 냉매는 실내 열교환기(112)로 유입되어 응축된다. 이때, 상기 실내 열교환기(112)는 실내 공기와 열교환됨에 따라 실내 공간을 난방시킨다.
상기 실내 열교환기(112)의 냉매는 팽창장치(113)에서 팽창된 후 제2병렬관(122)으로 유입된다. 상기 제2병렬관(122)의 냉매는 제1가열장치(131)를 통과하면서 가열되어 2상 상태(2 phase)에서 기상 상태(gas phase)로 된다. 상기 제2병렬관(122)의 냉매는 압축기(111)로 다시 유입된다. 이때, 상기 압축기(111)로 유입되는 냉매는 팽창된 냉매보다 고온의 기상 냉매이므로, 압축기의 압축일을 경감시킨다.
이러한 난방운전이 소정 시간동안 계속되는 동안, 상기 실외 열교환기(114)는 외기에 노출된다. 이때, 실외 온도가 매우 낮은 경우(대략 -15℃ 이하), 실외 열교환기(114) 표면에는 서리가 결빙된다. 따라서, 서리를 녹이기 위한 제상운전을 해야한다.
제상운전이 시작되면, 도 1a의 실선방향으로 냉매가 흐른다.
즉, 제어부에서는 연결관의 밸브(135)를 개방시킨다. 상기 제2병렬관(122)으로 유입된 팽창 냉매는 제1가열장치(131)에서 온수와 열교환된 후 상기 연결관(123)과 제2병렬관(122)으로 분지된다. 이때, 일부의 팽창 냉매는 실외 열교환기(114)를 통과하면서 서리를 녹이고, 제2가열장치(132)에서 가열된 후 압축기 유입된다. 또한, 일부의 팽창냉매는 제2병렬관9122)을 통해 압축기에 유입된다. 따라서, 상기 압축기(111)에 상대적으로 고온의 냉매를 공급함으로써 압축기의 압축일을 경감시킨다. 또한, 난방운전과 동시에 제상운전을 수행함으로써, 연속적인 난방 운전을 실행할 수 있다.
한편, 냉방운전의 경우 도시는 되지 않았지만, 상기 압축기(111)에서 압축된 냉매는 제1병렬관(121)으로 유입된다. 상기 제1병렬관(121)의 냉매는 제2가열장치(132)와 실외 열교환기(114)를 순차적으로 통과하여 팽창장치(113)에 유입된다. 상기 팽창장치(113)에서 팽창된 냉매는 실내 열교환기(112)와 제3가열장치(133)를 거쳐 압축기(111)에 유입된다.
도 2a를 참조하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제2실시예를 설명한다.
상기 제2실시예는 제1실시예에 바이패스관(141)이 더 설치되는 점에 특징이 있다.
즉, 상기 냉난방 시스템는 압축기(111), 실내 열교환기(112), 팽창장치(113), 실외 열교환기(114)가 냉매관에 의해 순차적으로 연결된다. 상기 팽창장치(113)와 압축기(111) 사이의 냉매관은 제1,2병렬관(121,122)으로 이루어진다. 이때, 상기 제1병렬관(121)에는 실외 열교환기(114)가 설치되고, 상기 제2병렬관(122)에는 제1가열장치(131)가 설치된다. 또한, 상기 제1,2병렬관(121,122)을 연결하도록 연결관(123)이 설치되고, 상기 연결관(123)에는 밸브(135)가 설치된다. 또한, 상기 압축기(111)와 실내 열교환기(112) 사이의 냉매관(124)에는 제3가열장치(133)가 설치된다. 이때, 상기 제1,2,3가열장치(131,132,133)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(131a,132a,133a)이 설치된다. 이러한 구성 요소는 제1실시예에서 상술한 바와 실질적으로 동일하므로, 이들 구성 요소에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이때, 상기 팽창장치(113)와 실내 열교환기(112) 사이의 냉매관(125)과, 상기 압축기(111)와 실외 열교환기(114) 사이의 냉매관에는 바이패스관(141)이 연결된다. 상기 바이패스관(141)에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치(134)가 설치되는 것이 바람직하다. 여기서, 제4가열장치(134)는 바이패스되는 냉매를 가열하여 상기 압축기(111)에 기상 상태의 냉매를 유입시키는 기능을 수행한다.
또한, 상기 바이패스관(141)에는 냉매의 압력이 소정 압력이상일 때에 개방되는 체크밸브(142)가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 압축기(111)에서 냉매를 2단 압축할 경우, 상기 체크밸브(142)는 1차로 압축된 냉매의 압력에 의해 개방되고, 상기 1차로 압축된 냉매의 일부는 바이패스관(141)을 통해 압축기(111)로 유입되고, 상기 압축기(111)의 냉매는 2차로 압축된다. 이렇게 냉매를 2단 압축하면 압축 효율이 현저히 상승된다.
상기 체크밸브(142)는 제4가열장치(134)의 냉매 흡입측에 설치되는 것이 더욱 바람직하다. 물론, 상기 체크밸브(142)는 제4가열장치(134)의 냉매 토출측에 설치될 수도 있다. 그러나, 상기 체크 밸브가 냉매 토출측에 설치되는 경우, 상기 제4가열장치(134)에는 냉매가 불필요하게 쌓이게 되어 냉매 부족현상을 유발할 수 있다. 이러한 냉매 부족현상을 원천적으로 차단하기 위해, 상기 체크밸브(142)를 냉매 흡입측에 설치하는 것이다.
또한, 상기 제4가열장치(134)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(134a)이 설치되는 것이 바람직하다. 이 온도감지수단(134a)은 제4가열장치(134)에서 토출되는 냉매의 온도를 판단하여 상기 토출 온도에 따라 온수의 유량을 제어한다. 가령, 냉매 온도가 낮으면 상대적으로 많은 양의 온수를 제4가열장치(134)에 공급한다.
또한, 상기 제1,2,3,4가열장치(131,132,133,141)는 도 2a와 같이 각각 독립적인 온수 유로를 갖도록 한다. 이때, 상기 온수 유로에는 밸브(131b,132b,133b,141b)가 각각 설치된다. 따라서, 각 가열장치의 냉매 온도가 온수보다 필요 이상으로 낮은 경우에는 해당 가열장치에 온수를 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 온수를 차단한다.
또한, 도 2b와 같이 상기 제1,2,3,4가열장치(131,132,133,141) 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 갖도록 할 수 있음도 이해 가능하다. 이때, 온수 유로는 난방운전시 냉매를 가열하는 가장 요구되는 가열장치를 가장 먼저 경유하도록 연결되는 것이 바람직하다.
상술한 냉난방 시스템의 제2실시예에 관한 작용을 설명하기로 한다. 상기 제2실시예는 제1실시예에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다. 즉, 난방운전시 냉매의 유동은 도 2a의 점선방향, 제상운전시 냉매의 유동은 도 2a의 실선방향으로 흐른다.다만, 난방운전시, 압축기(111)가 냉매를 2단 압축할 경우, 도 2c와 같이 압축기(111)에서 1차적으로 압축된 냉매의 일부는 바이패스관(141)으로 유입되어 체크밸브(142)에 소정의 압력을 작용한다. 상기 압력은 체크밸브(142)를 개방시킴에 따라, 냉매의 일부는 바이패스관(141)을 통해 제4가열장치(134)에 유입된다. 제4가열장치의 냉매는 온수와 열교환됨에 따라 기상 냉매로 되고, 이 기상 냉매는 압축기(111)로 유입된 후 2차적으로 압축된다. 이렇게 2단 압측된 냉매는 시스템 전체 를 유동하게 된다.
상술한 냉난방 시스템의 제어방법에 관해 설명하기로 한다.
난방운전시, 제4가열장치(134)에 온수가 유입된다고 판단되면, 상기 제4가열장치(134)에 온수를 공급하도록 제어한다.
또한, 난방운전시, 해당 가열장치(제1,2,3,4가열장치)에 흡입되는 냉매가 제어부에 기 설정된 해당 온도 이하라고 판단되면, 상기 해당 가열장치에 온수를 공급하도록 제어한다. 이러한 해당 가열장치의 해당 온도는 난방 용량 및 냉매 용량 등을 감안하여 적절하게 설정되어야 할 것이다.
도 3a를 참조하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제3실시예에 관해 설명하기로 한다.
상기 냉난방 시스템은, 압축기(161), 실내 열교환기(162), 팽창장치(163) 및 실외 열교환기(164)가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 난방운전시 유동 냉매를 온수와 열교환시킨다.
이때, 상기 팽창장치(163)와 실외 열교환기(164) 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관(171,172)으로 이루어지고, 상기 제2병렬관(172)에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치(181)가 설치된다. 상기 제2병렬관에는 냉매 유로를 제어하도록 밸브가 설치된다. 여기서, 상기 밸브는 냉매 유로를 개폐할 수 있는 온/오프 밸브(ON/OFF valve)를 적용한다. 물론, 냉매 유로의 개도를 조절할 수 있는 솔레노이드 밸브를 적용할 수 있다. 또한, 상기 밸브는 상기 제1,2병렬관(171,172)의 분지된 부분에 설치되어, 상기 팽창장치(163)를 통과한 냉매를 제1병 렬관(171)과 제2병렬관(172)으로 선택적으로 절환시키는 삼방밸브(three way valve)를 적용할 수 있다.
또한, 상기 실외 열교환기(164)와 압축기(161) 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치(172)가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 압축기(161)와 실내 열교환기(162) 사이의 냉매관(174)에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치(183)가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(181a,182a,183a)이 각각 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1,2,3가열장치 중 어느 하나 또는 둘에만 온도감지수단이 설치될 수도 있다. 가령, 상기 온도감지수단이 제1가열장치(181), 제2가열장치(182) 또는 제3가열장치(183)에만 설치되거나, 제1,2가열장치, 제2,3가열장치, 또는 제1,3가열장치에만 설치될 수 있다.
한편, 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183)는 냉매관의 외면에 열전도핀을 형성하고 상기 냉매관의 열전도핀과 열교환하도록 온수가 흐르는 구조로 형성할 수 있다. 또한, 상기 냉매관과 온수관을 이중관 형태로 구현할 수 있다. 이중관 구조에서는 냉매과 온수의 유동방향이 동일하거나 반대일 수 있다. 다만, 열교환 효율측면에서 볼 때에, 냉매와 온수의 유동방향은 반대인 것이 바람직하다. 이러한 가열장치는 냉매와 온수가 열접촉되는 한 다양한 형태로 변경 가능하다.
또한, 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183)는 도 3a에 나타난 바와 같이 각각 독립적인 온수 유로를 갖도록 한다. 이때, 상기 각 온수 유로에는 밸브(181b,182b,183b)가 설치된다. 따라서, 상기 각 가열장치의 냉매 온도가 온수보다 필요 이상으로 낮은 경우에는 해당 가열장치에 온수를 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 온수를 차단하는 것이 바람직하다.
또한, 도 3b에 나타난 바와 같이 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183) 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 갖도록 할 수 있음도 이해 가능하다. 이때, 온수 유로는 난방운전시 냉매를 가열하는 가장 요구되는 가열장치를 가장 먼저 경유하도록 연결되는 것이 바람직하다.
상술한 냉난방 시스템의 작용에 관해 설명하기로 한다.
난방운전이 시작되면, 냉매의 유동은 도 3a의 점선방향으로 흐른다.
즉, 압축기(161)에서 압축된 냉매는 제3가열장치(183)에 유입된다. 이때, 상기 제3가열장치(183)에서는 냉매의 온도가 제어부에 기 설정된 온도 범위를 벗어난다고 판단되는 경우에만 온수가 유입된다. 이에 따라, 냉매의 온도가 낮은 경우에는 냉매의 온도를 상승시키고, 냉매의 온도가 높은 경우에는 냉매의 온도를 낮춰줌으로써, 상기 압축기(161)에서 토출되는 냉매의 온도를 일정한 범위 내로 유지시킬 수 있도록 한다.
상기 제3가열장치(183)의 냉매는 실내 열교환기(162)로 유입되어 응축된다. 이때, 상기 실내 열교환기(162)는 실내 공기와 열교환됨에 따라 실내 공간을 난방시킨다.
상기 실내 열교환기(162)의 냉매는 팽창장치(163)에서 팽창된 후 제1병렬관(171)으로 유입된다. 상기 제1병렬관(171)의 냉매는 실외 열교환기(164)를 거치면서 실외 공기와 열교환된다. 이어, 냉매는 제2가열장치(182)를 통과하면서 2상 상 태(2 phase)에서 기상 상태(gas phase)로 되고, 이 냉매는 압축기(161)로 다시 유입된다. 이때, 상기 압축기(161)로 유입되는 냉매는 팽창된 냉매보다 고온의 기상 냉매이므로, 압축기의 압축일을 경감시킨다.
이러한 난방운전이 소정 시간동안 계속되는 동안, 상기 실외 열교환기(164)는 외기에 노출된다. 이때, 실외 온도가 매우 낮은 경우(대략 -15℃ 이하), 실외 열교환기(164)에는 저온 냉매가 계속해서 유입되므로 그 표면에는 서리가 결빙된다. 따라서, 서리를 녹이기 위한 제상운전을 해야한다.
제상운전이 시작되면, 냉매의 유동는 도 3a의 실선방향으로 흐른다.
제어부에서는 제2병렬관(172)의 밸브(185)를 개방시킨다. 제2병렬관(172)으로 유입된 팽창 냉매는 제1가열장치(181)에서 온수와 열교환된 후 실외 열교환기(164)에 유입된다. 이때, 팽창 냉매는 실외 열교환기(164)를 통과하면서 서리를 녹인 후 제2가열장치(182)에 유입된다. 동시에, 제1병렬관(171)의 팽창 냉매는 실외 열교환기(164)를 통해 제2가열장치(182)에 유입된다. 상기 제2가열장치(182)에 유입된 팽창 냉매는 가열된 후 압축기(161)로 유입된다. 따라서, 상기 압축기(161)에 상대적으로 고온의 냉매를 공급함으로써 압축기(161)의 압축일을 경감시킨다.
한편, 냉방운전의 경우, 상기 압축기(161)에서 압축된 냉매는 제2가열장치(182), 실외열교환기, 팽창장치(163), 실내 열교환기(162) 및 제3가열장치(183)를 순차적으로 거쳐 압축기(161)에 유입된다.
도 4a를 참조하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 제4실시예를 설명한다.
상기 제4실시예는 제3실시예에 바이패스관(191)이 더 설치되는 점에 특징이 있다.
즉, 상기 냉난방 시스템는 압축기(161), 실내 열교환기(162), 팽창장치(163), 실외 열교환기(164)가 냉매관에 의해 순차적으로 연결된다. 상기 팽창장치(163)와 실외 열교환기(164) 사이의 냉매관은 제1,2병렬관(171,172)으로 이루어진다. 이때, 상기 제2병렬관(172)에는 제1가열장치(181)가 설치된다. 또한, 상기 제2병렬관(172)에는 밸브가 설치된다. 또한, 상기 압축기(161)와 실내 열교환기(162) 사이의 냉매관(174)에는 제3가열장치(183)가 설치된다. 이때, 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(181a,182a,183a)이 설치된다. 또한, 제1,2,3가열장치(181,182,183)에는 밸브(181b,182b,183b)가 설치된다. 이러한 구성 요소는 제3실시예에서 상술한 바와 실질적으로 동일하므로, 이들 구성 요소에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이때, 상기 팽창장치(163)와 실내 열교환기(163) 사이의 냉매관(175)과, 상기 압축기(161)와 실외 열교환기(164) 사이의 냉매관에는 바이패스관(191)이 연결된다. 상기 바이패스관(191)에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치(184)가 설치되는 것이 바람직하다. 여기서, 제4가열장치(184)는 바이패스되는 냉매를 가열하여 상기 압축기(161)에 기상 상태의 냉매를 유입시키는 기능을 수행한다.
또한, 상기 바이패스관(191)에는 냉매의 압력이 소정 압력 이상일 때에 개방되는 체크밸브(192)가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 압축기(161)에서 냉매를 2단 압축할 경우, 상기 체크밸브(192)는 1차로 압축된 냉매의 압력에 의해 개방되 고, 상기 1차로 압축된 냉매의 일부는 바이패스관(191)을 통해 압축기(161)로 유입되고, 상기 압축기(161)의 냉매는 2차로 압축된다. 이렇게 냉매를 2단 압축하면 압축 효율이 현저히 상승된다.
상기 체크밸브(192)는 제4가열장치(184)의 냉매 흡입측에 설치되는 것이 더욱 바람직하다. 물론, 상기 체크밸브(192)는 제4가열장치(194)의 냉매 토출측에 설치될 수도 있다. 그러나, 상기 체크밸브가 냉매 토출측에 설치되는 경우, 상기 제4가열장치(184)에는 냉매가 불필요하게 쌓이게 되어 냉매 부족현상을 유발할 수 있다. 이러한 냉매 부족현상을 원천적으로 차단하기 위해, 상기 체크밸브(192)를 냉매 흡입측에 설치하는 것이다.
또한, 상기 제4가열장치(184)의 냉매 토출측에는 온도감지수단(184a)이 설치되는 것이 바람직하다. 이 온도감지수단(184a)은 제4가열장치(184)에서 토출되는 냉매의 온도를 판단하여 상기 토출 온도에 따라 온수의 유량을 제어한다. 가령, 냉매 온도가 낮으면 상대적으로 많은 양의 온수를 제4가열장치(184)에 공급한다.
또한, 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183)는 도 4a에 나타난 바와 같이 각각 독립적인 온수 유로를 갖도록 한다. 이때, 상기 각 온수 유로에는 밸브(181b,182b,183b)가 설치된다. 따라서, 상기 각 가열장치의 냉매 온도가 온수보다 필요 이상으로 낮은 경우에는 해당 가열장치에 온수를 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 온수를 차단하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4b와 같이 상기 제1,2,3가열장치(181,182,183) 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 갖도록 할 수 있음도 이해 가능하다. 이때, 온수 유로는 난방운전시 냉매를 가열하는 가장 요구되는 가열장치를 가장 먼저 경유하도록 연결되는 것이 바람직하다.
상술한 냉난방 시스템의 제4실시예에 관한 작용을 설명하기로 한다. 상기 제4실시예는 난방운전시 냉매의 유동은 제3실시예에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다. 즉, 난방운전시 냉매의 유동은 도 4a의 점선방향, 제상운전시 냉매의 유동은 도 4b의 실선방향으로 흐른다. 다만, 난방운전시, 압축기(161)가 냉매를 2단 압축할 경우, 압축기에서 1차적으로 압축된 냉매이 일부는 바이패스관(191)으로 유입되어 체크밸브(192)에 소정의 압력을 작용한다. 상기 압력은 체크밸브를 개방시킴에 따라, 도 4c와 같이 냉매의 일부는 바이패스관(191)을 통해 제4가열장치(184)에 유입된다. 제4가열장치(184)의 냉매는 온수와 열교환됨에 따라 기상 냉매로 되고, 이 기상 냉매는 압축기(161)로 유입된 후 2차적으로 압축된다. 이렇게 2단 압측된 냉매는 시스템 전체를 유동하게 된다.
상술한 냉난방 시스템의 제어방법에 관해 설명하기로 한다.
난방운전시, 제4가열장치(184)에 온수가 유입된다고 판단되면, 상기 제4가열장치에 온수를 공급하도록 제어한다.
또한, 난방운전시, 해당 가열장치(제1,2,3,4가열장치)에 흡입되는 냉매가 제어부에 기 설정된 해당 온도 이하라고 판단되면, 상기 해당 가열장치에 온수를 공급하도록 제어한다. 이러한 해당 가열장치의 해당 온도는 난방 용량 및 냉매 용량 등을 감안하여 적절하게 설정되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, 별도의 온수 난방용 실내기를 구비할 필요가 없고, 유지 및 보수 비용이 감소되는 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 압축기에 유입되는 냉매를 온수에 의해 가열시키므로, 상기 압축기의 일을 감소시키고, 소비전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명에 의하면, 난방운전과 동시에 제상운전을 수행하므로, 연속적인 난방운전을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (44)

  1. 압축기, 실내 열교환기, 팽창장치 및 실외 열교환기가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 난방운전시 유동 냉매를 온수와 열교환시키는 냉난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창장치와 압축기 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관으로 이루어지고,
    상기 제1병렬관에는 실외 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2병렬관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1,2병렬관의 소정 부분에는 냉매 유로를 연통시키는 연결관이 설치되고,
    상기 연결관에는 냉매 유로를 개폐시키도록 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실외 열교환기와 압축기 사이의 제1병렬관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압축기와 실내 열교환기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2가열장치 또는/및 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  9. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2가열장치 또는/및 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  10. 제3항 내지 제6항에 있어서,
    상기 팽창장치와 실내 열교환기 사이의 냉매관과, 상기 압축기와 실외 열교환기 사이의 냉매관에는 바이패스관이 연결되고,
    상기 바이패스관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 체크밸브는 제4가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제4가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2가열장치 및/또는 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2가열장치 및/또는 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 각 가열장치는 독립적인 온수 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 가열장치들 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  19. 제상운전시, 연결관의 밸브를 개방시키고, 제1가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제4항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  20. 난방운전시, 제4가열장치에 온수가 유입된다고 판단되면 상기 제4가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제10항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  21. 난방운전시, 해당 가열장치에 흡입되는 냉매가 제어부에 기 설정된 해당 온도 이하라고 판단되면 상기 해당 가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제10항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 팽창장치와 실외 열교환기 사이의 냉매관은 병렬로 연결된 제1,2병렬관으로 이루어지고,
    상기 제2병렬관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제1가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제2병렬관에는 냉매 유로를 개폐하도록 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 밸브는 제1가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 실외 열교환기와 압축기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제2가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 압축기와 실내 열교환기 사이의 냉매관에는, 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제3가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제2가열장치 또는/및 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  29. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  30. 제22항 내지 제26항에 있어서,
    상기 팽창장치와 실내기 사이의 냉매관과, 상기 압축기와 실외 열교환기 사이의 냉매관에는 바이패스관이 연결되고,
    상기 바이패스관에는 온수에 의해 냉매를 가열하기 위한 제4가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 체크밸브는 제4가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제4가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제1가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 제2가열장치 및/또는 제3가열장치의 냉매 토출측에는 온도감지수단(131a)이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 제2가열장치 및/또는 냉매 토출측에는 온도감지수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  37. 제30항에 있어서,
    상기 각 가열장치는 독립적인 온수 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  38. 제30항에 있어서,
    상기 가열장치들 중에서 적어도 2개 이상의 가열장치는 상호 연결된 온수 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  39. 제상운전시, 제2병렬관의 밸브를 개방시키고, 제1가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제23항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  40. 난방운전시, 바이패스관의 제4가열장치에 온수가 유입된다고 판단되면 상기 제4가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제30항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  41. 난방운전시, 해당 가열장치에 흡입되는 냉매가 제어부에 기 설정된 해당 온도 이하라고 판단되면 상기 해당 가열장치에 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 제30항에 따른 냉난방 시스템의 제어방법.
  42. 압축기, 실내 열교환기, 팽창장치 및 실외 열교환기가 냉매관에 의해 순차적으로 연결되고, 상기 팽창장치와 실내기 사이의 냉매관과 상기 압축기와 실외 열교환기 사이에는 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관에는 유동 냉매를 온수와 열교환시키도록 가열장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 바이패스관에는 냉매의 압력이 소정 압력 이상일 때에 개방되는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 체크밸브는 가열장치의 냉매 흡입측에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
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