KR20130020175A - 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프 및 공기열원 열펌프의 제상 방법 - Google Patents

공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프 및 공기열원 열펌프의 제상 방법 Download PDF

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Abstract

공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프는, 작동유체를 이용하는 루프히트파이프에 있어서, 열펌프의 압축기 또는 응축기를 통과한 고온 냉매의 유동경로상에 냉매와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 증발부; 및 열펌프의 증발기로 유입되는 공기와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 응축부;를 포함한다.

Description

공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프 및 공기열원 열펌프의 제상 방법{loop heat pipe for defrost of heat pump using air heat source, heat pump and defrost method using this}
본 발명은 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프 및 공기열원 열펌프의 제상 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기열원 열펌프는 난방 시에는 대기에서 필요한 열량을 흡수하고 냉방 시에는 별도의 냉각탑 없이 대기로 실내열(응축열량)을 배출함으로써 한대의 장비로 냉난방이 가능하도록 하는 시스템을 지칭하며, 지열이나 폐열이 없는 장소에 냉, 난방용으로 적용할 수 있는 경제성으로 인해 그 사용이 증대되고 있다.
그러나 겨울철 난방 시 공기 중의 수분이 응결되어 열교환기 표면에 맺혀 형성되는 서리로 인해 냉매와 공기간 열전달을 감소시켜 성능이 저하되고, 장기적으로는 액-압축(wet compression)으로 인한 압축기 고장이 발생된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 공기열원 열펌프의 제상에 관한 연구는 크게착상지연과 완전제상에 관한 것으로 구분할 수 있다.
착상지연이란 수분이 응결되는 시점을 지연시키는 것을 의미하며 이를 위하여 실외기 휜(fin) 간격의 증가, 전, 후방 휜의 엇갈림 배열 등을 적용하고 있으며, 착상지연 효과를 이용하여 시스템의 일시적인 효율은 증가시킬 수는 있으나 완전 제상을 위해서는 별도의 방안이 필요하다.
완전 제상의 방법으로는 압축기 토출부의 고온가스를 이용하는 고온냉매 제상과, 실외기쪽에 전기히터를 이용하여 직접열을 공급하는 전기적 제상과, 실외기 표면에 물을 분사하는 코일 스프레이 제상과, 난방운전 중 역방향운전을 통한 역사이클 운전 제상이 있다.
상기의 방법들 중 고온 냉매(hot gas)를 이용하는 제상방법은 실내기측의 고온,고압의 냉매를 실외기로 직접 보내는 방법으로, 실외기 표면에 맺힌 수분이나 서리의 두께에 영향을 받게되어 이에 따른 신뢰성에 문제가 발생하며 우회된 냉매량에 해당되는 만큼 난방성능이 저하된다.
전기적 제상방법은 전기 가열을 이용한 방법으로 설치가 어렵고 추가적인 소모동력 필요하며, 코일 스프레이 제상방법은 실외기 표면에 10~20℃의 물을 분사하는 방식으로 시스템에 물을 공급하기 위한 물 공급장치와 가열장치가 추가적으로 필요하다.
가장 널리 이용되고 있는 제상방법은 역싸이클 운전으로 일반적으로 착상발생 조건하에서 60분 정상운전 후 5~10분간 역방향 운전을 하는 방식으로 이루어지고 있으며, 역방향 운전이 이루어지는 동안의 열손실 및 미흡한 실내 난방효과를 감수하여야만 한다.
도 1은 종래기술에 따른 히트 펌프식 공기조화기의 일례를 도시한 개념도이다.
도 1은 한국등록특허 제289751호의 히트 펌프식 공기조화기에 대해 설명하고자 도시한 것으로, 응축기를 통과한 고온냉매와 증발기를 통과한 저온냉매를 열교환시키기 위해 제1열교환기(13), 제2열교환기(14), 보조가열장치(30)를 이용하고, 보조가열장치(30)에 히트파이프(40)가 포함된 구조를 가진다.
전기식 가열장치(39)를 사용하여 히트파이프(40)를 작동시키고, 히트파이프 (40)와 제1열교환기(13), 제2열교환기(14)간에 고온냉매와 저온냉매를 열교환시켜 제상을 구현하므로 전기적 제상방법의 일례에 해당된다고 볼 수 있으며, 제상을 위한 별도의 에너지가 소요된다.
도 2는 종래기술에 따른 히트파이프형 내부열교환기를 갖는 열펌프의 개념도이고, 도 3은 도 2에 따른 열교환 방식의 작동원리를 도시한 개념도이다.
도 2, 3은 한국공개특허 제2004-33083호의 히트파이프형 내부열교환기를 갖는 열펌프 및 열교환 방법에 대해 설명하고자 도시한 것으로, 열펌프의 실외기(22)를 통과한 기체냉매가 통과하는 상부케이스(4)와, 실내기(20)를 통과한 액체냉매가 통과하는 하부케이스(6)를 히트파이프(12)로 연결하여 열교환시키는 구조를 가진다.
내부열교환기(2)에서 실외기(22)를 통과한 저온저압의 냉매와 실내기(20)를 통과한 고온고압 냉매를 히트파이프(12)를 통해 열교환시켜 제상을 구현하고 있으나, 히트파이프(12)의 휜(fin)으로 인해 냉매유동저항이 발생되어 열펌프의 성능이 저하되고, 중력 등을 고려하여 도 2, 3에 도시된 바와 같은 수직/수평 구조로만 히트파이프(12)를 적용할 수 있다는 한계가 있다.
이러한 종래의 제상방법들에 의하면 제상을 수행하는 동안 열손실이 발생되거나 추가적인 소모동력이 필요하므로 열펌프의 성능과 에너지 효율이 저하될 수밖에 없으며, 열펌프, 내부열교환기의 형상, 구조가 수직, 수평적으로 특정되어 그 적용범위가 특정한 구조에 한정적으로 이루어질 수 밖에 없다는 한계가 있었다.
한국등록특허 제671041호
상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은, 자연순환에 의해 무동력으로 내부열교환을 수행하여 열펌프의 완전제상을 구현할 수 있으며, 열펌프의 형상, 구조를 고려하여 다양한 형태의 실시예로 내부열교환을 구현가능하도록 하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프 및 공기열원 열펌프의 제상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 작동유체를 이용하는 루프히트파이프(200)에 있어서, 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)를 통과한 고온 냉매의 유동경로상에 상기 냉매와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 증발부(210); 및 상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되는 공기와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 응축부(230);를 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 열펌프의 증발기(110)는 실외에 설치되어 외부 공기와의 열교환에 의해 열을 흡수하며, 상기 열펌프의 응축기(130)는 실내에 설치되어 내부 공기와의 열교환에 의해 열을 방출할 수 있다.
또한, 상기 증발부(210)를 통과하는 상기 작동유체는 상기 고온 냉매와의 열교환에 의해 열을 흡수하며, 상기 응축부(230)는 상기 열펌프의 증발기(110) 내 공기와의 열교환에 의해 열을 방출할 수 있다.
또한, 상기 증발부(210)는, 상기 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)와, 팽창밸브(150) 사이에 형성되는 상기 고온 냉매의 유동경로상에 상기 냉매의 일부 또는 전부가 통과하게 형성된 열교환챔버(140) 내부에 이중관 구조로 설치될 수 있다.
또한, 상기 루프히트파이프의 증발부(210)는, 상기 열교환챔버(140)의 냉매출구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치되는 작동유체공급로(211); 상기 열교환챔버(140)의 냉매입구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치되는 작동유체배출로(215); 내부에 중공부를 구비하여 상기 열교환챔버(140)내에 설치되며, 상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)에 양단부가 각각 연결되는 증발부케이싱(212); 및 상기 작동유체가 모세관 작용에 의해 통과가능한 다공질체로 구성되어 상기 증발부케이싱(212) 내부에 상기 증발부케이싱(212)을 구획하며 설치되는 윅(213);을 포함할 수 있다.
또한, 상기 증발부케이싱(212) 내 상기 작동유체공급로(211)측에 형성되며 상기 작동유체가 액상으로 존재하는 액상실(212a); 및 상기 증발부케이싱(212) 내부에서 상기 작동유체가 고온 냉매와의 열교환에 의해 증발되어 기체 상태로 존재하며 상기 윅(213)에 의해 상기 보상실과 구분되는 기상실(212b);을 포함할 수 있다.
또한, 상기 윅(213)은, 상기 증발부케이싱(212)에 연결되는 외곽부(213a); 상기 외곽부(213a)의 내주부에 일단부가 연결되며, 원통형상으로 연장되게 형성되는 확장부(213b); 및 상기 확장부(213b)의 타단부에 연결되며, 상기 외곽부(213a), 확장부(213b)와 함께 일정한 두께로 연속된 모세관 격벽을 형성하는 중간부(213c);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 증발부케이싱(212)은, 직육면체와 같이 다각형 단면형상을 가지는 입체형상을 가지며, 상기 윅(213)은, 상기 증발부케이싱(212)의 단면형상에 대응되는 단면을 가지는 판상형으로 형성되고, 상기 액상실(212a)과 기상실(212b)은, 상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)가 각각 서로 다른 위상에서 서로 다른 방향으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 루프히트파이프의 증발부(210)는, 상기 증발부케이싱(212)과 윅(213) 사이에 다수가 상호 이격되게 설치되어, 상기 기상실(212b)로 유입된 상기 작동유체의 유동을 기설정된 일측으로 일괄되게 유도하는 다수의 평행유로를 형성하는 그루브(214);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 루프 히트 파이프는, 상기 증발부(210)에서 기화된 상기 작동유체가 압력차에 의해 상기 응축부(230)측으로 이동되는 경로와, 상기 응축부(230)에서 액화된 상기 작동유체가 상기 증발부(210)로 순환되는 경로에 형성되는 단열부(220);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 루프히트파이프의 응축부(230)는, 휜 튜브(fin tube) 구조를 가지고 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명은, 공기열원 열펌프에 있어서, 상기 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)의 토출구측 냉매의 유동경로상에 냉매 일부 또는 전부가 통과가능하게 형성되는 열교환챔버(140); 및 상기 열교환챔버(140) 내부에 증발부(210)가 설치되며, 상기 열펌프의 증발기(110)의 공기유입로상에 응축부(230)가 설치되는 루프히트파이프(200);를 포함하는 루프히트파이프를 이용한 제상기능을 가지는 공기열원 열펌프를 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 열펌프는, 증발기(110)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기 상태의 상기 냉매를 단열 압축하는 상기 압축기(120); 상기 압축기(120)를 통과한 고온고압의 과열증기 상태의 상기 냉매를 응축잠열 방출에 의해 고온고압의 포화액체 상태로 배출하는 상기 응축기(130); 상기 응축기(130)를 통과한 상기 냉매를 등엔탈피 팽창에 의해 저온저압의 습증기 상태로 배출하는 팽창밸브(150); 및 상기 팽창밸브(150)를 통과한 상기 냉매를 증발잠열 흡수에 의해 건조포화증기 상태로 배출하는 상기 증발기(110);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 루프히트파이프의 증발부(210)는, 상기 열교환챔버(140) 내부에 이중관 구조로 설치될 수 있다.
또한, 본 발명은, 열펌프의 응축기(130) 또는 압축기(120)를 통과한 고온 냉매의 유동경로 내부에 설치된 루프히트파이프의 증발부(210)에 의해 상기 고온 냉매의 열을 작동유체로 흡수, 기화시키는 열회수단계; 상기 증발부(210)에서 기화된 고온의 상기 작동유체를 압력차에 의해 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치된 상기 응축부(230)측으로 이송시키는 열이송단계; 및 상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되거나 유입된 유입공기를 가온시켜 상기 유입공기의 수분을 제거하는 공기가온단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 의하면, 루프히트파이프를 이용하여 자연순환에 의해 무동력으로 내부열교환을 수행하여 열펌프의 완전제상을 구현할 수 있다.
이에 따라, 기존의 열펌프의 제상 시 난방성능 저하, 열손실, 추가적인 소모동력, 신뢰성 저하 등의 문제를 해결하여, 열펌프의 성능계수를 증가시키고 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 작동유체의 순환이 중력과 무관하게 이루어질 수 있는 루프히트파이프 구조를 적용하는 것에 의해, 기존의 히트파이프의 수직, 수평 구조적 구성의 한계를 극복할 수 있어, 다양한 형상, 구조의 열펌프에 맞추어 다양한 실시예로 자유롭게 적용할 수 있다.
또한, 열펌프의 냉매와 루프히트파이프의 작동유체를 직접 열교환시키는 것에 의해 루프히트파이프 작동유체의 열수송 능력을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 내부열교환 시스템의 열교환성능을 안정적으로 확보할 수 있다.
도 1 - 종래기술에 따른 히트 펌프식 공기조화기의 일례를 도시한 개념도
도 2 - 종래기술에 따른 히트파이프형 내부열교환기를 갖는 열펌프의 개념도
도 3 - 도 2에 따른 열교환 방식의 작동원리를 도시한 개념도
도 4 - 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프를 이용한 공기열원 열펌프의 개략도
도 5 - 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프 증발부를 도시한 사시도
도 6 - 도 5의 요부단면도
도 7 - 본 발명의 제2실시예에 따른 루프히트파이프 증발부를 도시한 사시도
도 8 - 도 7의 요부 단면도
도 9 - 도 7의 요부 분해사시도
도 10 - 본 발명의 실시예에 따른 기상실케이싱부의 평면도
도 11 - 도 10의 A-A선 단면도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프를 이용한 공기열원 열펌프의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프를 이용한 제상기능을 가지는 공기열원 열펌프는, 증발기(110), 압축기(120), 응축기(130), 열교환챔버(140), 팽창밸브(150), 루프히트파이프(loop heat pipe)(200)를 구비한 구조를 가진다.
상기 증발기(110), 압축기(120), 응축기(130), 팽창밸브(150)에 의해 상기 응축기(130), 증발기(110)에서의 열방출, 열흡수를 구현하고, 상기 열교환챔버(140)와 루프히트파이프(200)에 의해 상기 증발기(110)의 제상을 위한 내부열교환을 구현하게 된다.
상기 압축기(120)는 상기 증발기(110)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기 상태의 상기 냉매를 단열 압축하며, 상기 응축기(130)는 상기 압축기(120)를 통과한 고온고압의 과열증기 상태의 상기 냉매를 응축잠열 방출에 의해 고온고압의 포화액체 상태로 배출한다.
상기 팽창밸브(150)는 상기 응축기(130)를 통과한 상기 냉매를 등엔탈피 팽창에 의해 저온저압의 습증기 상태로 배출하며, 상기 증발기(110)는 상기 팽창밸브(150)를 통과한 상기 냉매를 증발잠열 흡수에 의해 건조포화증기 상태로 배출한다.
상기 열교환챔버(140)는 상기 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)의 토출구측에서 상기 팽창밸브(150)까지 연속하여 형성된 주요 냉매 유동경로(도 4상의 굵은 실선은 고온 냉매 유동경로, 얇은 실선은 저온 냉매 유동경로)상에 형성되거나, 상기 주요 냉매 유동경로상에서 바이패스(bypass)된 냉매 유동경로상에 설치되어, 상기 압축기(120) 또는 응축기(130)를 통과한 고온 냉매의 일부 또는 전부가 통과하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해 상기 열펌프의 증발기(110)는 실외에 설치되어 외부 공기와의 열교환에 의해 열을 흡수하고, 상기 열펌프의 응축기(130)는 실내에 설치되어 내부 공기와의 열교환에 의해 열을 방출하게 된다.
상기 루프히트파이프(200)는 상기 열교환챔버(140) 내부에 증발부(210)(이하 설명)가 설치되고, 상기 열펌프의 증발기(110)로 외부 공기가 유입되는 공기유입로나 상기 증발기(110) 내부의 공기유동경로(이하, '공기유입로'로 통칭한다)상에 응축부(230)(이라 설명)가 설치된 구조를 가진다.
이에 따라, 상기 증발부(210)를 통과하는 작동유체는 상기 열교환챔버(140) 내에서 상기 고온 냉매와의 직접적인 열교환에 의해 열을 흡수하여 기화되고, 상기 응축부(230)를 통과하는 작동유체는 상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되는 공기와의 열교환에 의해 열을 방출하여 액화된다.(도 4상의 이중 점선은 기상의 작동유체 유동경로, 점선은 액상의 작동유체 유동경로)
상기 증발부(210)에서 기화된 상기 작동유체가 압력차에 의해 상기 응축부(230)측으로 이동되는 경로와, 상기 응축부(230)에서 액화된 상기 작동유체가 상기 증발부(210)로 순환되는 경로상에는, 상기 작동유체와 외부와의 열교환을 차단하는 단열소재로 구성되는 단열부(220)를 형성하여 열손실을 최소화한다.
상기 루프히트파이프(200)는 상기 응축부(230)와 증발부(210)를 기준으로 하여 증기라인과 액체라인이 구분되어 루프를 이루게 되며, 종래의 히트파이프(이하 설명)와 달리 상기 증발부(210)에만 윅(wick)(213)(이하 설명)이 설치된 구조를 가진다.
상기 윅(213)이 삽입된 증발부(210)의 표면이 상기 고온 냉매에 의해 가열되면 상기 윅(213)에 스며들어 있던 작동유체가 포화온도까지 가열되어 기체로 상변화하게 되며, 생성된 기체는 상기 증발부(210) 일측에 연결된 증기라인을 따라 응축부까지로 이동되고, 기체가 상기 응축부(230)를 지나면서 외부로 열을 방출하여 액화되면, 그 액화된 작동유체가 상기 응축부(230) 일측의 액체라인을 따라 다시 상기 증발부(210)로 이동되는 과정을 반복하게 된다.
상기 루프히트파이프의 응축부(230)는 휜 튜브(fin tube) 구조를 가지고 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치되어, 상기 응축부(230)에 위치하는 작동유체 유동관로의 표면적에 비해 보다 확대된 전열면적에 걸쳐 고르게 열전달이 가능하게 한다.
기존의 상변화 열전달 시스템(phase change heat transport system)으로는 열 사이펀(thermosyphon)과 히트파이프(heat pipe)가 널리 이용되고 있는데, 열 사이펀은 작동유체의 기-액(liquid-vapor) 상변화와 비중 차이를 이용함에 따라 응축부가 증발부보다 높은 위치에 위치해야하는 설치상 한계가 있다.
히트파이프는 관 내벽에 설치된 윅(wick)의 모세펌핑력(capillary pumping force)을 이용하여 작동유체를 순환시키기 때문에, 열 사이펀보다는 중력장에 대한 의존성이 낮으나, 응축부가 증발부보다 하측에 위치되는 경우 열전달 능력이 현저하게 저하되는 단점이 있다.
또한, 열 사이펀과 히트파이프는 직선형 관 내부에서 증기와 액체가 서로 반대방향으로 유동하기 때문에, 관 내부의 중간에서 증기와 액체가 혼합되는 일이 발생하게 되므로, 이론상으로 전달할 수 있는 열량보다 실제로 전달되는 열량이 적게 구현되는 문제점이 있다.
상기 루프히트파이프(200)에 의하면, 중력장에 대한 의존성 없이 원하는 지정위치에서의 열흡수, 열방출, 원하는 지정위치로의 열이송이 자유롭게 상변화 열전달을 구현할 수 있어, 상기와 같은 열 사이펀과 히트파이프의 제약조건과 증기와 액체간의 혼합에 따른 문제점을 해결할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프 증발부(210)를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 요부단면도이다.
도 5, 6을 참조하면, 상기 증발부(210)는 작동유체공급로(211), 증발부케이싱(212), 상기 윅(213), 작동유체배출로(215)를 구비하여 상기 열교환챔버(140) 내부에 이중관 구조로 설치된다.
상기 작동유체공급로(211)는 상기 열교환챔버(140)의 냉매출구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치되며, 상기 작동유체배출로(215)는 상기 열교환챔버(140)의 냉매입구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치된다.
상기 증발부케이싱(212)은 내부에 중공부를 구비하여 상기 열교환챔버(140)내에 설치되고 상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)에 양단부가 각각 연결되며, 상기 윅(213)은 상기 작동유체가 모세관 작용에 의해 통과가능한 다공질체로 구성되어 상기 증발부케이싱(212) 내부에 상기 증발부케이싱(212)을 구획하며 설치된다.
상기와 같은 구조에 의해 상기 윅(213)을 기준으로 하여 상기 증발부케이싱(212) 내 상기 작동유체공급로(211)측에는 상기 작동유체가 액상으로 존재하는 액상실(212a)이 형성되며, 상기 작동유체배출로(215)측에는 상기 증발부케이싱(212) 내부에서 상기 작동유체가 고온 냉매와의 열교환에 의해 증발되어 기체 상태로 존재하는 기상실(212b)이 형성된다.
상기 본 발명의 제1실시예에 따른 루프히트파이프 증발부(210)는, 상기 증발부케이싱(212)이 원통 형상을 가지며, 상기 윅(213)은 단순한 평판형상이 아니라, 외곽부(213a), 확장부(213b), 중간부(213c)로 구성된 캡 형상을 이룬다.
상기 외곽부(213a)는 가장자리 둘레가 상기 증발부케이싱(212)에 연결되며, 상기 확장부(213b)는 상기 외곽부(213a)의 내주부에 일단부가 연결되고 원통형상으로 연장되게 형성되며, 상기 중간부(213c)는 상기 확장부(213b)의 타단부에 가장자리 둘레가 연결되어, 상기 외곽부(213a), 확장부(213b)와 함께 일정한 두께로 연속된 모세관 격벽을 형성한다.
상기와 같은 윅 형상에 의해, 단순한 평판형상과 비교하여, 상기 확장부(213b)의 면적에 해당되는 만큼 상기 액상실(212a)과 기상실(212b)간의 접촉면적을 확대시킬 수 있으며, 이에 따라 작동유체가 통과가능한 모세관 경로의 갯수 또한 보다 증가시킬 수 있어 보다 원활한 상변화 및 작동유체 유동을 구현할 수 있다.
상기 작동유체공급로(211)를 통해 상기 액상실(212a)로 유입된 액상의 상기 작동유체는 상기 윅(213)을 통과하는 과정에서 상기 고온 냉매에 의해 가열되어 기화되어 상기 기상실(212b)로 유입되고 상기 작동유체배출로(215)를 통해 상기 응축부(230)측으로 유동된다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 루프히트파이프 증발부(210)를 도시한 사시도이고, 도 8, 9는 각각 도 7의 요부 단면도, 요부 분해사시도이고, 도 10은 도 8, 9에 도시된 기상실케이싱부의 평면도이며, 도 11은 도 10의 A-A선 단면도이다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 루프히트파이프의 증발부(210)는, 상기 제1실시예에 따른 루프히트파이프의 증발부(210)와 비교해, 상기 증발부케이싱(212)이 직육면체와 같이 다각형 단면형상을 가지는 입체형상을 가진다.
상기 윅(213)은 상기 증발부케이싱(212)의 단면형상에 대응되는 단면을 가지는 판상형으로 형성되고, 상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)는 서로 다른 위상에서 서로 다른 방향으로 상기 액상실(212a)과 기상실(212b)에 각각 연결된다.
상기 본 발명의 제1실시예에 의하면, 상기 증발부(210)를 통과하는 과정에서 상기 작동유체의 유동이 방향전환 없이 직선형으로 이루어지게 되고, 원통 형상을 가짐에 따라 판형의 열원 등에 적용할 경우 별도의 형상 변환을 위한 매개물을 요구함에 따라 매개물에 의한 열저항의 증가를 야기할 수 있다.
전자기기에 구비되는 대부분의 열원이 판형을 가짐에 따라, 상기 열펌프를 전자기기 등에 적용하는 경우, 고집적 전자기기의 소형화 및 고집적화 추세를 고려하면, 상기 본 발명의 제2실시예에 의하면, 고집적 열원의 공간제약성을 효과적으로 극복할 수 있다.
상기 증발부케이싱(212)는 상기 액상실(212a)을 형성하는 액상실케이싱부(212a-1)와, 상기 기상실(212b)을 형성하는 기상실케이싱부(212b-1)로 구성되며, 상기 액상실케이싱부(212a-1)는 상기 기상실케이싱부(212b-1)에 인접한 일측부와 측면부 중 일측이 개방된 형상으로 상기 기상실케이싱부(212b-1) 상부에 결합되는 고정프레임(212a-1a)과, 상기 윅(213)의 내부 조립 후 상기 고정프레임(212a-1a)의 측면부 중 개방된 일측면상에 조립되는 조립프레임(212a-1b)으로 이루어진다.
상기 증발부케이싱(212)의 기상실(212b)측에는 상기 증발부케이싱(212)과 윅(213) 사이에 다수의 그루브(214)가 상호 이격되게 설치되어, 상기 기상실(212b)로 유입된 상기 작동유체의 유동을 기설정된 일측(도 8, 9, 10상의 우측), 즉 상기 작동유체배출로(215)측으로 일괄되게 유도하는 다수의 평행유로를 제공한다.
상기 기상실케이싱부(212b-1) 내부에는 상기 윅(213)을 통해 유입된 기체가 상기 그루브(214)에 의해 상기 다수의 그루브(214) 사이에 분산되어 상기 작동유체배출로(215)측으로 일괄적으로 평행하게 유동하게 되는 평행유동실(212b-1a)과, 다수의 공간부로 분산되어 상기 평행유동실(212b-1a)을 통과한 기상의 작동유체가 상기 작동유체배출로(215)를 통해 배출되기 이전에 하나의 공간부상에 통합되는 통합실(212b-1b)이 형성된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프, 이를 이용한 공기열원 열펌프에 의하면, 열회수단계, 열이송단계, 공기가온단계를 순차적으로 거쳐 본 발명의 실시예에 따른 루프히트파이프를 이용한 공기열원 열펌프의 제상 방법을 구현할 수 있다.
상기 열회수단계에서는 상기 열펌프의 응축기(130) 또는 압축기(120)를 통과한 고온 냉매의 유동경로 내부에 설치된 루프히트파이프의 증발부(210)에 의해 상기 고온 냉매의 열을 작동유체로 흡수, 기화시킨다.
상기 열이송단계에서는 상기 증발부(210)에서 기화된 고온의 상기 작동유체를 압력차에 의해 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치된 상기 응축부(230)측으로 이송시키며, 상기 공기가온단계에서는 상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되거나 유입된 유입공기를 가온시켜 상기 유입공기에 포함된 수분을 제거한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
110 : 증발기 120 : 압축기
130 : 응축기 140 : 열교환챔버
150 : 팽창밸브 200 : 루프히트파이프
210 : 증발부 211 : 작동유체공급로
212 : 증발부케이싱 212a : 액상실
212a-1 : 액상실케이싱부 212a-1a : 고정프레임
212a-1b : 조립프레임 212b : 기상실
212b-1 : 기상실케이싱부 212b-1a : 평행유동실
212b-1b : 통합실 213 : 윅
213a : 외곽부 213b : 확장부
213c : 중간부 214 : 그루브
215 : 작동유체배출로 220 : 단열부
230 : 응축부

Claims (15)

  1. 작동유체를 이용하는 루프히트파이프(200)에 있어서,
    열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)를 통과한 고온 냉매의 유동경로상에 상기 냉매와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 증발부(210); 및
    상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되는 공기와 작동유체간 열교환이 가능하게 설치되는 응축부(230);
    를 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열펌프의 증발기(110)는 실외에 설치되어 외부 공기와의 열교환에 의해 열을 흡수하며, 상기 열펌프의 응축기(130)는 실내에 설치되어 내부 공기와의 열교환에 의해 열을 방출하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증발부(210)를 통과하는 상기 작동유체는 상기 고온 냉매와의 열교환에 의해 열을 흡수하며, 상기 응축부(230)는 상기 열펌프의 증발기(110) 내 공기와의 열교환에 의해 열을 방출하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증발부(210)는,
    상기 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)와, 팽창밸브(150) 사이에 형성되는 상기 고온 냉매의 유동경로상에 상기 냉매의 일부 또는 전부가 통과하게 형성된 열교환챔버(140) 내부에 이중관 구조로 설치되는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 루프히트파이프의 증발부(210)는,
    상기 열교환챔버(140)의 냉매출구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치되는 작동유체공급로(211);
    상기 열교환챔버(140)의 냉매입구측에서 상기 열교환챔버(140)를 관통하여 설치되는 작동유체배출로(215);
    내부에 중공부를 구비하여 상기 열교환챔버(140)내에 설치되며, 상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)에 양단부가 각각 연결되는 증발부케이싱(212); 및
    상기 작동유체가 모세관 작용에 의해 통과가능한 다공질체로 구성되어 상기 증발부케이싱(212) 내부에 상기 증발부케이싱(212)을 구획하며 설치되는 윅(213);
    을 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증발부케이싱(212) 내 상기 작동유체공급로(211)측에 형성되며 상기 작동유체가 액상으로 존재하는 액상실(212a); 및
    상기 증발부케이싱(212) 내부에서 상기 작동유체가 고온 냉매와의 열교환에 의해 증발되어 기체 상태로 존재하며 상기 윅(213)에 의해 상기 보상실과 구분되는 기상실(212b);
    을 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 윅(213)은,
    상기 증발부케이싱(212)에 연결되는 외곽부(213a);
    상기 외곽부(213a)의 내주부에 일단부가 연결되며, 원통형상으로 연장되게 형성되는 확장부(213b); 및
    상기 확장부(213b)의 타단부에 연결되며, 상기 외곽부(213a), 확장부(213b)와 함께 일정한 두께로 연속된 모세관 격벽을 형성하는 중간부(213c);
    를 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 증발부케이싱(212)은,
    직육면체와 같이 다각형 단면형상을 가지는 입체형상을 가지며,
    상기 윅(213)은,
    상기 증발부케이싱(212)의 단면형상에 대응되는 단면을 가지는 판상형으로 형성되고,
    상기 액상실(212a)과 기상실(212b)은,
    상기 작동유체공급로(211)와 작동유체배출로(215)가 각각 서로 다른 위상에서 서로 다른 방향으로 연결되는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 루프히트파이프의 증발부(210)는,
    상기 증발부케이싱(212)과 윅(213) 사이에 다수가 상호 이격되게 설치되어, 상기 기상실(212b)로 유입된 상기 작동유체의 유동을 기설정된 일측으로 일괄되게 유도하는 다수의 평행유로를 형성하는 그루브(214);
    를 더 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 루프 히트 파이프는,
    상기 증발부(210)에서 기화된 상기 작동유체가 압력차에 의해 상기 응축부(230)측으로 이동되는 경로와, 상기 응축부(230)에서 액화된 상기 작동유체가 상기 증발부(210)로 순환되는 경로에 형성되는 단열부(220);
    를 더 포함하는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 루프히트파이프의 응축부(230)는,
    휜 튜브(fin tube) 구조를 가지고 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치되는 공기열원 열펌프 제상용 루프히트파이프.
  12. 공기열원 열펌프에 있어서,
    상기 열펌프의 압축기(120) 또는 응축기(130)의 토출구측 냉매의 유동경로상에 냉매 일부 또는 전부가 통과가능하게 형성되는 열교환챔버(140); 및
    상기 열교환챔버(140) 내부에 증발부(210)가 설치되며, 상기 열펌프의 증발기(110)의 공기유입로상에 응축부(230)가 설치되는 루프히트파이프(200);
    를 포함하는 루프히트파이프를 이용한 제상기능을 가지는 공기열원 열펌프.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열펌프는,
    증발기(110)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기 상태의 상기 냉매를 단열 압축하는 상기 압축기(120);
    상기 압축기(120)를 통과한 고온고압의 과열증기 상태의 상기 냉매를 응축잠열 방출에 의해 고온고압의 포화액체 상태로 배출하는 상기 응축기(130);
    상기 응축기(130)를 통과한 상기 냉매를 등엔탈피 팽창에 의해 저온저압의 습증기 상태로 배출하는 팽창밸브(150); 및
    상기 팽창밸브(150)를 통과한 상기 냉매를 증발잠열 흡수에 의해 건조포화증기 상태로 배출하는 상기 증발기(110);
    를 포함하는 루프히트파이프를 이용한 제상기능을 가지는 공기열원 열펌프.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 루프히트파이프의 증발부(210)는,
    상기 열교환챔버(140) 내부에 이중관 구조로 설치되는 루프히트파이프를 이용한 제상기능을 가지는 공기열원 열펌프.
  15. 열펌프의 응축기(130) 또는 압축기(120)를 통과한 고온 냉매의 유동경로 내부에 설치된 루프히트파이프의 증발부(210)에 의해 상기 고온 냉매의 열을 작동유체로 흡수, 기화시키는 열회수단계;
    상기 증발부(210)에서 기화된 고온의 상기 작동유체를 압력차에 의해 상기 열펌프의 증발기(110)의 선단측에 설치된 상기 응축부(230)측으로 이송시키는 열이송단계; 및
    상기 열펌프의 증발기(110)로 유입되거나 유입된 유입공기를 가온시켜 상기 유입공기의 수분을 제거하는 공기가온단계;
    를 포함하는 루프히트파이프를 이용한 공기열원 열펌프의 제상 방법.



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