KR20100133647A - 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치 - Google Patents

히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트펌프식 냉난방시스템에서 사용되는 압축기가 고장 또는 파손되는 것을 예방할 수 있도록 하는 압축기 보호장치에 관한 것으로, 특히 압축기의 유입구측에 유입되는 냉매가스의 온도를 감지하는 온도컨트롤러를 구비하고 상기 온도컨트롤러의 작동에 따라 ON/OFF되는 전자밸브를 액분리기에 연결 설치하여 압축기로 유입되는 냉매가스에 액체냉매가 포함될 경우 전자밸브를 열고 액분리기에 열교환이 이루어지도록 하여 액체냉매를 기화시켜 줌으로써 압축기로 유입되는 냉매가스에 액냉매가 포함되는 것을 완벽하게 차단하여 압축기의 고장/파손을 사전에 예방할 수 있도록 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치에 관한 것이다.
히트펌프, 열펌프, 난방장치, 냉방장치, 카르노싸이클

Description

히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치{A Compressor Protecting Device for the Heatpump}
본 발명은 히트펌프식 냉난방시스템에서 사용되는 압축기가 고장 또는 파손되는 것을 예방할 수 있도록 하는 압축기 보호장치에 관한 것으로, 특히 압축기의 유입구측에 유입되는 냉매가스의 온도를 감지하는 온도컨트롤러를 구비하고 상기 온도컨트롤러의 작동에 따라 ON/OFF되는 전자밸브를 액분리기에 연결 설치하여 압축기로 유입되는 냉매가스에 액체냉매가 포함될 경우 전자밸브를 열고 액분리기에 열교환이 이루어지도록 하여 액체냉매를 기화시켜 줌으로써 압축기로 유입되는 냉매가스에 액냉매가 포함되는 것을 완벽하게 차단하여 압축기의 고장/파손을 사전에 예방할 수 있도록 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 저온 저압의 열에너지를 압축하여 고온 고압으로 끌어 올려 외부에 일을 하도록 함으로써 냉방과 난방을 할 수 있는 장치로 사용되는바, 이와 같은 원리는 열기관 싸이클 즉, 카르노싸이클 또는 역카르노 싸이클이라 하여 통상적인 냉난방 시스템에 적용되는 열역학적 싸이클을 일컫는다.
이와 같은 열역학적 싸이클에 사용되는 종래의 히트펌프에는 열원이 지열이면 지열 히트펌프라 하고, 열원이 공기이면 공기열 히트펌프라 하며, 이와 같이 저열을 고열로 끌어올리는 히트펌핑 원리는 개략적으로 도 5에 도시된 바와 같다.
즉, 종래의 히트펌프 시스템(50)은 고온 고압의 액체냉매가 팽창밸브(51)를 지나면서 팽창되어 저온 저압의 액체냉매와 기체냉매로 바뀌어 증발기(52)로 유입되고, 이어 상기 증발기(52)로 유입된 액체냉매와 기체냉매는 외부로부터 열(저열원)을 받아 다시 저온 저압의 기체냉매로 되어 압축기(53)로 들어 간다. 이어 압축기(53)로 유입된 저온 저압의 기체냉매는 외부로부터 전기에너지 등과 같은 일(Work)을 받아 압축되는데 이때 기체는 압축성가스이기 때문에 상기 압축기(53)에서 압축되면 고온 고압의 냉매가스가 되어 응축기(54)로 들어가게 되고 이어 응축기(54)에서는 고온 고압의 냉매가스가 응축되면서 외부로 열(고열원)을 방출하게된다. 그리고 상기 응축기(54)에서 응축된 고온 고압의 냉매가스는 고온 고압의 액체냉매가 되어 다시 상기 팽창밸브(51)로 유입되어 동일한 싸이클을 진행하게 된다.
상기와 같은 싸이클은 난방목적의 히트펌프 시스템이고 냉방목적으로 시스템을 전환하기 위해서는 상기 흐름을 역으로 돌려주면 된다.
이와 같이 상기 증발기(52)로부터 낮은 열을 받아 상기 응축기(54)를 통해 높은 열을 공급하는 것을 통상 열을 낮은 데서 높은 곳으로 퍼 올린다고 하여 히트펌프라 칭한다.
그러나 상기와 같은 종래의 히트펌프 시스템(50)은 상기 증발기(52)를 지나 는 냉매가스가 상기 압축기(53)로 들어갈때 완전하게 기체 상태인 냉매가스가 들어가야 하나 실제로는 기체 상태인 냉매가스와 액체상태의 냉매가스가 혼합되어 들어가는 경우가 발생된다.
일반적으로 압축기는 압축성 기체를 압축하도록 설계된 장비로써 압축이 가능한 기체가 유입되면 장비의 작동에 아무런 무리가 없이 장기간 사용할 수 있으나, 압축이 되지 않는 비압축성 액체가스가 유입되면 액백(liquid back)현상이 일어난다. 액백은 압축기로 필요이상의 액냉매가 흘러들어오는 것을 말하는데 이경우 다량의 액냉매가 압축기로 흘러 들어가 흡입변이나 토출변이 파괴되고 발브변판의 가스켓이 파손되며 심한 경우 크랑크 샤후드 파손의 원인이 되기도 한다. 그외 리퀴드햄머(liquid hammer) 등과 같은 문제가 발생되어 압축기의 효율이 저하됨은 물론 빈번한 고장 원인으로 작용하고 있다.
따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래에는 도 6에 도시된 바와 같이, 개선된 히트펌프 시스템(60)에서 증발기(61)를 지난 냉매가스가 사방밸브(62)를 거쳐 압축기(63)로 들어가기 전에 액체상태의 냉매가스를 제거할 수 있도록 액분리기(64,어큐물레이터accumulator)를 설치하여 기체상태의 냉매만이 압축기에 유입되도록 함으로써 압축기의 효율을 향상시킬 수 있도록 하고 있다. 압축기(63)에서 나온 냉매는 응축기(65)를 통해 수액기(66)지마면서 하나의 싸이클이 완성된다.
통상적으로 액분리기(어큐물레이터)는 증발기에서 냉매액의 증발이 충분하지 못하여 냉매증기 중에 냉매액이 남아 있는 습증기의 상태로 압축기에 유입되면 액 백현상(리퀴드햄머)이 일어나고 압축기의 실린더 내에서 냉매가 증발하며 팽창되므로 압축기의 효율이 떨어진다. 따라서 냉매액이 압축기로 유입되는 것을 방지하여 압축기를 보호하기 위해 액분리기를 증발기 출구와 압축기 흡입관 사이에 설치한다.
그러나 상기 종래의 액분리기 또한 그 사용환경에 따라 다소 성능에 차이가 발생되어 압축기로 유입되는 액체상태의 냉매가스를 완벽하게 제거하는 액분리가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
이에 이러한 불합리한 상태를 극복하고자 많은 기술이 고안되었으며 그 중에 등록특허 10-0622604호의 '열교환기 일체형 어큐물레이터를 구비한 가스엔진 냉난방장치'가 공지 되었으며 이는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 어큐물레이터(70)의 내부에 보조 열교환기(71)를 설치한 구조로써 상기 어큐물레이터(70)의 토출부(72)를 감싸는 나선형의 상기 보조 열교환기(71)에서 열교환이 이루어져 액체상태의 가스냉매가 기체상태가 되어 상기 토출부(72)를 빠져나가 압축기로 들어가도록 되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 히트펌프 시스템은 압축기로 유입되는 냉매가스 중에 완벽하게 기체로된 냉매가스만 유입되게 한다는 것은 시스템이 운전되는 주변환경의 다변화로 인하여 불가능하다. 따라서 히트펌프 시스템이 운전되는 각 환경에 따라 어느정도 액체상태의 냉매가스가 유입되게 되는데 이로 인해 압축기의 운전효율이 저하되고 또한 잦은 고장이 발생되어 그 내구성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 압축기의 유입구측에 유입되는 냉매가스의 온도를 감지하는 온도컨트롤러를 구비하고 상기 온도컨트롤러의 작동에 따라 ON/OFF되는 전자밸브를 액분리기에 연결 설치하여 압축기로 유입되는 냉매가스에 액체냉매가 포함될 경우 전자밸브를 열고 액분리기에 열교환이 이루어지도록 하여 액체냉매를 기화시켜 줌으로써 압축기로 유입되는 냉매가스에 액냉매가 포함되는 것을 차단하여 압축기의 고장/파손을 사전에 예방할 수 있도록 하면서 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 당성하기 위한 본 발명의 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치(10)는 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압의 냉매가스로 압축하는 압축기(11)와, 냉매가스를 냉방 또는 난방으로 절환시켜 주는 사방밸브(12)와, 상 기 사방밸브(12)와 연결되고 저온 저압의 냉매가스를 증발시켜 주는 증발기(13)와 팽창밸브(14), 액체상태의 냉매가스를 저장하는 수액기(15,receiver tank)와, 냉매가스를 열교환을 통해 응축시켜 주는 응축기(16)와, 상기 사방밸브(12)와 연결되고 기체 상태의 냉매가스를 상기 압축기(11)로 보내주는 액분리기(17)와, 상기 압축기(11)의 유입구에 설치되어 냉매가스의 유입온도를 측정할 수 있도록 하는 온도컨트롤러(18)와, 상기 액분리기(17)에 구비되어 냉매가스가 열전달이 이루어지도록 하는 열교환기(19) 및 상기 열교환기(19)에 연결되고 상기 온도컨트롤러(18)에 의해 작동되어 상기 열교환기(19)를 ON/OFF할 수 있도록 된 전자밸브(20)로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명의 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치는 압축기로 들어오는 흡입구 측에 온도컨트롤러를 설치하여 온도컨트롤러에서 압축기로 유입되는 냉매의 온도를 감지하되 압축기로 유입되는 냉매의 적정온도를 상기 온도컨트롤러에 설정하여 두고 압축기로 유입되는 냉매의 온도가 적정온도 보다 낮을 경우 전자밸브를 ON시켜 열교환기를 가동, 압축기 전에 설치된 액분리기로 들어오는 저온저압의 액체냉매와 열교환이 이루어지도록 하여 저온저압의 액체냉매를 저온저압의 기체냉매로 전환함으로써 압축기로 안정적인 저온 저압의 기체가 유입되도록 하여 압축기의 운전효율과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명을 첨부도면에 의거 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도로써 난방상태의 회로를 나타낸 상태도이고,
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도로써 냉방상태의 회로를 나타낸 상태도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예로 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 병렬로 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도이고,
도 5는 종래의 기본적인 히트펌프 시스템 회로 구성도이고,
도 6과 도 7은 종래의 히트펌프 시스템 회로에 어큐물레이터가 연결된 회로 구성도이다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치(10)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압의 냉매가스로 압축하는 압축기(11)와, 냉매가스를 냉방 또는 난방으로 절환시켜 주는 사방밸브(12)와, 상기 사방밸브(12)와 연결되고 저온 저압의 냉매가스를 증발시켜 주는 증발기(13)와 팽창밸브(14), 액체상태의 냉매가스를 저장하는 수액기(15,receiver tank)와, 냉매가스를 열교환을 통해 응축시켜 주는 응축기(16)와, 상기 사방밸브(12)와 연결되고 기체 상태의 냉매가스를 상기 압축기(11)로 보내주는 액분리기(17)와, 상기 압축 기(11)의 유입구에 설치되어 냉매가스의 유입온도를 측정할 수 있도록 하는 온도컨트롤러(18)와, 상기 액분리기(17)에 구비되어 냉매가스가 열전달이 이루어지도록 하는 열교환기(19) 및 상기 열교환기(19)에 연결되고 상기 온도컨트롤러(18)에 의해 작동되어 상기 열교환기(19)를 ON/OFF할 수 있도록 된 전자밸브(20)로 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치(10)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 난방시스템으로 구동되는 경우 압축기(11)로 유입된 저온 저압의 기체냉매는 외부로부터 전기에너지 등과 같은 일(Work)을 받아 압축되는데 이때 냉매가스는 압축성 가스이기 때문에 상기 압축기(11)에서 압축되면서 고온 고압의 냉매가스가 되고 사방밸브(12)에서 절환되어 증발기(13)로 들어가게 된다. 그러면 실내 열교환기인 상기 증발기(13)는 응축기 역할을 하면서 고온 고압의 냉매가스를 응축하여 높은 열을 실내로 방출하여 난방이 이루어지고, 이어 고온 고압의 응축된 상태의 냉매가스가 팽창밸브(14)를 지나면서 팽창되어 저온 저압으로 감압된 상태의 냉매가스로 전환되어 수액기(15,receiver tank)로 모아지고 다시 저온 저압의 냉매가스는 팽창밸브(14')를 지나 증발기 기능을 하는 실외열교환기인 응축기(16)를 지나면서 증발하게 된다.
그리고 상기 응축기(16)를 지난 냉매가스는 상기 사방밸브(12)를 지나 상기 액분리기(17,어큐물레이터)를 지나면서 기체상태의 냉매가스가 상기 압축기(11)로 유입되어 다시 상기와 같이 일련의 난방싸이클이 진행된다.
그러나 상기와 같은 난방싸이클이 진행될 때 상기 압축기(11)의 유입구에 설 치된 상기 온도컨트롤러(18)에서 유입되는 냉매가스의 온도가 설정온도 이하로 감지되면 이는 상기 압축기(11)로 액체상태의 냉매가스가 유입되는 것으로 그 즉시 상기 전자밸브(20)가 개방되고 이에 따라 상기 열교환기(19)에 보다 높은 냉매가 흐르면서 액분리기(17) 내부로 흐르는 냉매가스에 열전달이 이루어지게 된다.
상기와 같이 상기 액분리기(17) 내부로 흐르는 냉매가스에 열전달이 이루어지면 상기 액분리기(17) 내의 액체상태 냉매가스는 기체상태의 냉매가스로 변화되면서 압축기(11) 내로 기체상태의 냉매가스만 흘러들어가게 된다.
이어 상기 온도컨트롤러(18)가 설정온도 이상으로 상승되면 상기 전자밸브(20)가 닫혀지게 되며 이는 상기 압축기(11) 내부로 액체 상태의 냉매가스가 유입되지 않는다는 의미이다.
여기서 상기 온도컨트롤러(18)의 설정온도는 상기 압축기(11) 내로 유입되는 냉매가스가 기체상태와 액체상태가 혼합되는 경우의 최저온도로서 임계온도라고도 할 수 있으며 이는 히트펌프 설치 환경에 따라 각각 다르게 설정 된다.
또한 본 발명의 다른 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 사방밸브(12)와 상기 압축기(11) 사이에 액분리기(17,17a)를 병렬로 설치하고 상기 온도컨트롤러(18)에 의해 작동되는 전자밸브(20,20a)와 열교환기(19,19a)도 각각 병렬로 연결하여 상기 압축기(110의 효율성을 배가시키는 구조로 구성할 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치(10)는 압축기로 유입되는 냉매가스의 온도가 설정온도 이하로 감지되면 압축기 내부로 유입되는 냉매가스가 액체상태와 기체상태로 혼합되어 유입되는 것으로, 그 즉시 상기 전자밸브를 열어 액분리기에 열을 전달하면 액체상태의 냉매가스가 기체상태의 냉매가스로 변화되어 순수한 기체상태의 냉매가스만 압축기로 들어가게 됨으로써 압축기의 효율성이 좋아지고 내구성 또한 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도로써 난방상태의 회로를 나타낸 상태도이고,
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도로써 냉방상태의 회로를 나타낸 상태도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예로 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치가 병렬로 설치된 개략적인 시스템 회로 구성도이고,
도 5는 종래의 기본적인 히트펌프 시스템 회로 구성도이고,
도 6과 도 7은 종래의 히트펌프 시스템 회로에 어큐물레이터가 연결된 회로 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10:보호장치 11:압축기 12:사방밸브 13:증발기 14,14':팽창밸브
15:수액기 16:응축기 17:액분리기 18:온도컨트롤러 19:열교환기
20:전자밸브

Claims (3)

  1. 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압의 냉매가스로 압축하는 압축기(11)와, 냉매가스를 냉방 또는 난방으로 절환시켜 주는 사방밸브(12)와, 상기 사방밸브(12)와 연결되고 저온 저압의 냉매가스를 증발시켜 주는 증발기(13) 및 팽창밸브(14)와, 액체상태의 냉매가스를 저장하는 수액기(15,receiver tank)와, 냉매가스를 열교환을 통해 응축시켜 주는 응축기(16)로 이루어진 히트펌프식 냉난방시스템에 있어서,
    상기 사방밸브(12)와 연결되어 기체 상태의 냉매가스를 상기 압축기(11)로 보내주는 액분리기(17)와,
    상기 압축기(11)의 유입구에 설치되어 냉매가스의 유입온도를 측정할 수 있도록 하는 온도컨트롤러(18)와,
    상기 액분리기(17)에 구비되는 열교환기(19) 및 상기 온도컨트롤러(18)에 의해 작동되면서 상기 열교환기(19)를 ON/OFF할 수 있도록 된 전자밸브(20)로 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사방밸브(12)와 연결되어 기체 상태의 냉매가스를 상기 압축기(11)로 보내주는 액분리기(17a)와 상기 액분리기(17a)에 구비되는 열교환기(19a) 및 상기 온도컨트롤러(18)에 의해 작동되면서 상기 열교환기(19a)를 ON/OFF할 수 있도록 된 전자밸브(20a)가 더 구비되어 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액분리기(17)와 상기 열교환기(19) 및 상기 전자밸브(20)는 상기 액분리기(17a)와 상기 열교환기(19a) 및 상기 전자밸브(20a)와 병렬로 상기 압축기(11)와 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방시스템의 압축기 보호장치.
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