KR20130092249A - 히트 펌프 - Google Patents

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heat exchange
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이상열
김홍성
김주혁
이한춘
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 히트 펌프는 냉방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 응축되고 난방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 증발되는 실외 열교환기와; 실외 열교환기로 실외 공기를 유동시키는 실외 팬을 포함하고, 실외 열교환기는 실외 팬에 의해 유동된 실외 공기가 먼저 통과하는 전열 열교환유닛과 전열 열교환유닛을 통과한 실외 공기가 통과하는 후열 열교환유닛을 포함하며, 전열 열교환유닛은 발수 코팅되고, 상기 후열 열교환유닛은 친수 코팅되어, 친수 2열 열교환기 보다 착상 시간을 길게 하면서, 발수 2열 열교환기 보다 열교환성능을 높게 하면서 압력손실을 낮게 할 수 있는 이점이 있다.

Description

히트 펌프{Heat pump}
본 발명은 히트 펌프에 관한 것으로서, 특히 실외 공기와 냉매가 열교환되는 실외 열교환기에 코팅이 행해진 히트 펌프에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프는 압축기와 실외 열교환기와 팽창기구와 실내 열교환기를 포함하여 실내를 냉방 또는 난방하거나 급탕에 이용되는 기기이다.
히트 펌프는 냉방 운전시 실외 열교환기가 응축기로 기능하고 실내 열교환기가 증발기로 기능하고, 난방 운전시 실내 열교환기가 응축기로 기능하고 실외 열교환기가 증발기로 기능한다.
히트 펌프는 난방 운전시 실외 열교환기 표면에 서리가 착상될 수 있고, 서리 착상을 위해 실외 열교환기로 열을 가하는 제상 히터를 설치하거나 난방 운전의 도중에 히트 펌프를 냉방 운전으로 전환하여 실외 열교환기 표면의 서리를 제거한다.
최근에는 실외 열교환기 또는 실내 열교환기에 발수 코팅이나 친수 코팅을 하는 기술이 개발되고 있다.
등록특허공보 10-0349944(2002년08월12일)
본 발명은 실외 열교환기의 착상 시간을 최대한 지연시키면서 난방능력을 향상시킬 수 있는 히트 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 히트 펌프는 냉방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 응축되고 난방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 증발되는 실외 열교환기와; 상기 실외 열교환기로 실외 공기를 유동시키는 실외 팬을 포함하고, 상기 실외 열교환기는 상기 실외 팬에 의해 유동된 실외 공기가 통과하는 전열 열교환유닛과 상기 전열 열교환유닛을 통과한 실외 공기가 통과하는 후열 열교환유닛을 포함하며, 상기 전열 열교환유닛은 발수 코팅되고, 상기 후열 열교환유닛은 친수 코팅된다.
상기 전열 열교환유닛과 후열 열교환유닛 각각은 냉매 튜브와, 상기 냉매 튜브에 결합된 핀을 포함할 수 있고, 상기 전열 열교환유닛의 핀은 발수 코팅될 수 있으며, 상기 후열 열교환유닛의 핀은 친수 코팅될 수 있다.
본 발명은 친수 2열 열교환기 보다 착상 시간을 길게 하면서, 발수 2열 열교환기 보다 열교환성능을 높게 하면서 압력손실을 낮게 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기와 실외 팬이 도시된 도,
도 3은 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 열교환성능을 친수 2열 열교환기의 열교환성능 및 발수 2열 열교환기의 열교환성능과 비교한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 압력손실을 친수 2열 열교환기의 압력손실 및 발수 2열 열교환기의 압력손실과 비교한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 착상시간을 친수 2열 열교환기의 착상시간 및 발수 2열 열교환기의 착상시간과 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 히트 펌프는 냉매를 압축하는 압축기(2)와, 냉매가 실외 공기와 열교환되는 실외 열교환기(4)를 포함한다.
실외 열교환기(4)는 냉매가 실외팬(5)에 의해 유동되는 실외 공기와 열교환되게 하여 냉매를 응축시키거나 증발시킬 수 있다. 실외 팬(5)은 실외 열교환기(4)와 함께 실외에 위치되어 실외 열교환기(4)로 실외 공기를 유동시킬 수 있다.
히트 펌프는 냉매가 실내 공기와 열교환되거나 부동액이나 물 등의 액상 열매체와 열교환되는 실내 열교환기(6)를 포함할 수 있다.
히트 펌프는 히트 펌프식 공기조화기 또는 히트 펌프식 급탕장치로 구성될 수 있다. 히트 펌프식 공기조화기의 경우, 실내 공기는 실내 열교환기(6)에서 냉매와 열교환된 후 실내로 토출되어 실내 온도를 변화시킬 수 있다. 히트 펌프식 급탕장치의 경우, 물이나 부동액 등의 액상 열매체는 실내 열교환기(6)에서 냉매와 열교환된 후 급탕에 이용될 수 있다.
실내 열교환기(6)는 히트 펌프식 공기조화기의 경우 냉매가 통과하는 냉매 튜브와, 냉매 튜브에 결합된 적어도 하나의 핀을 포함하는 핀-튜브 열교환기로 이루어져, 실내 공기가 핀-튜브 열교환기와 접촉되어 냉매와 열교환될 수 있다.
실내 열교환기(6)는 실내팬(7)에 의해 유동되는 실내 공기와 그 내부를 통과하는 냉매를 열교환시켜 냉매를 응축시키거나 증발시킨다.
실내 열교환기(6)는 히트 펌프식 급탕장치의 경우 냉매가 통과하는 제 1 유로와, 액상 열매체가 통과하는 제 2 유로가 형성될 수 있고, 제 1 유로의 냉매와 제 2 유로의 액상 열매체가 열전달부재를 사이에 두고 열교환되는 이중관 열교환기나 판형 열교환기나 쉘-튜브형 열교환기로 이루어질 수 있으며, 액 상 열매체가 제 2 유로를 통과하면서 열전달부재를 통해 냉매와 열교환될 수 있다.
실내 열교환기(6)는 액상 열매체가 담겨지는 저수조(또는 급탕조, 미도시)와 액상 열매체 순환 유로로 연결될 수 있고, 저수조(또는 급탕조)에서 유동된 액상 열매체가 실내 열교환기(6)의 제 2 유로를 통과하면서 냉매를 증발시키거나 응축시킬 수 있다.
히트 펌프는 실내 열교환기(6)와 실외 열교환기(4)의 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창기구(8)를 포함할 수 있다.
히트 펌프는 유로 절환부(10)를 더 포함할 수 있다. 유로 절환부(10)는 냉매가 압축기(2)와 실외 열교환기(4)와 팽창기구(8)와 실내 열교환기(6) 순서로 순환되게 할 수 있다. 유로 절환부(10)는 압축기(2)와 실내 열교환기(6)와 팽창기구(8)와 실외 열교환기(4) 순서로 순환되게 할 수 있다.
유로 절환부(10)는 하나의 사방밸브가 냉매의 유동 방향을 전환시키는 것이 가능하고, 복수개의 개폐밸브가 냉매의 유동 방향을 전환시키는 것도 가능하며, 이하 하나의 사방밸브가 냉매의 유동 방향을 전환시키는 것으로 설명한다.
히트 펌프는 압축기(2)와 실외 열교환기(4)와 실외팬(5)과 팽창기구(8)와 유로 절환부(10)가 실외기(O)에 설치될 수 있고, 실내 열교환기(6)와 실내팬(7)이 실내기(I)에 설치될 수 있다.
히트 펌프는 냉방운전과 난방운전을 포함하거나, 냉방운전과 난방운전과 제상운전을 포함하거나, 난방운전과 제상운전을 포함할 수 있다.
냉방운전은 실내 열교환기(6)가 액상 열매체나 실내 공기를 냉각시키는 운전으로서, 압축기(2)에서 압축된 냉매가 실외 열교환기(4)로 유동되고, 이후 팽창기구(8)와 실내 열교환기(6)를 순차적으로 통과한 후 압축기(2)로 회수되는 운전이다. 실외 열교환기(4)는 냉방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 응축될 수 있다. 실내 열교환기(6)는 냉방 운전시 냉매가 실내 공기 또는 액상 열매체와 열교환되어 증발될 수 있다.
난방운전은 실내 열교환기(6)가 액상 열매체나 실내 공기를 가열시키는 운전으로서, 압축기(2)에서 압축된 냉매가 실내 열교환기(6)로 유동되고, 이후 팽창기구(8)와 실외 열교환기(4)를 순차적으로 통과한 후 압축기(2)로 회수되는 운전이다. 실내 열교환기(6)는 난방 운전시 냉매가 실내 공기 또는 액상 열매체와 열교환되어 응축될 수 있다. 실외 열교환기(4)는 난방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 증발될 수 있다.
제상운전은 압축기(2)에서 압축된 냉매가 실외 열교환기(4)로 유동되어 실외 열교환기(4)에 생성된 서리를 제상시키는 운전으로서, 냉방운전시와 같이 압축기(2)에서 압축된 냉매가 실외 열교환기(4)로 유동되고, 이후 팽창기구(8)와 실내 열교환기(6)를 순차적으로 통과한 후 압축기(2)로 회수되는 것이 가능하다.
제상운전은 압축기(2)에서 압축된 냉매의 일부가 실외 열교환기(4)의 일부 유로를 통과하면서 실외 열교환기(4)를 부분적으로 제상시키고, 압축기(2)에서 압축된 냉매의 나머지가 실내 열교환기(6)와 팽창기구(8)를 순차적으로 통과한 후 실외 열교환기(4)의 나머지 유로를 통과한 후 압축기(2)로 회수되는 것도 가능하다.
히트 펌프는 난방 운전의 도중에 제상 조건이 되면, 제상 운전을 실시하고, 이후 제상 완료 조건이 되면, 다시 난방 운전으로 복귀될 수 있다.
제상 조건은 히트 펌프가 난방 운전으로 운전된 시간의 적산 시간과, 실외 온도나 흡입 과열도 등의 각종 조건이 제상 설정조건에 도달되는 조건이 될 수 있고, 제상 완료 조건은 제상 운전으로 운전된 시간과, 실외 온도나 흡입 과열도 등의 각종 조건이 제상완료 설정조건에 도달되는 조건이 될 수 있다.
히트 펌프는 난방 운전시 유로절환부(10)가 압축기(2)에서 압축된 냉매를 실외 열교환기(4)로 유동시키고, 제상 조건이 되면 유로절환부(10)가 압축기(2)에서 압축된 냉매를 실내 열교환기(6)로 유동시키며, 이후 난방 운전으로 복귀될 때 유로절환부(10)가 압축기(2)에서 압축된 냉매를 실외 열교환기(4)로 유동시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기와 실외 팬이 도시된 도이다.
실외기(O)는 실외공기 흡입구(11)와 실외공기 토출구(12)가 형성된 실외기 케이싱(13)을 포함할 수 있다.
실외 열교환기(4)는 복수개의 열교환유닛(16)(18)을 포함할 수 있고, 복수개의 열교환유닛(16)(18)은 실외 공기의 유동방향으로 전후 배치될 수 있다.
실외 팬(5)은 실외기 케이싱(13)에 설치되어 실외 공기가 실외공기 흡입구(11)로 흡입되어 복수개의 열교환유닛(16)(18)을 순차적으로 통과한 후 실외공기 토출구(12)로 토출되게 실외 공기를 송풍시킬 수 있다.
실외기(O)는 실외기 케이싱(13) 내부를 실외 공기가 통과하는 송풍실과, 압축기(2)가 설치되는 기계실로 구획하는 베리어(14)를 포함할 수 있다.
복수개의 열교환유닛(16)(18)은 실외 팬(5)에 의해 유동된 실외 공기가 먼저 통과하는 전열 열교환유닛(16)과, 전열 열교환유닛(16)을 통과한 실외 공기가 통과하는 후열 열교환유닛(18)을 포함할 수 있다.
전열 열교환유닛(16)은 후열 열교환유닛(18) 보다 실외 공기 흡입구(11)에 가깝게 설치될 수 있다.
실외 공기는 실외 팬(5)의 회전시, 실외공기 흡입구(11)를 통과한 후 전열 열교환유닛(16)을 통과하고 이후 후열 열교환유닛(18)을 통과한 후 실외공기 토출구(12)를 통과할 수 있다.
전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18) 각각은 냉매 튜브와, 냉매 튜브에 결합된 핀을 포함할 수 있다. 전열 열교환유닛(16)은 전열 냉매 튜브(22)와, 전열 냉매 튜브(22)에 결합된 전열 핀(24)을 포함할 수 있다. 후열 열교환유닛(18)는 후열 냉매 튜브(32)와 후열 냉매 튜브(32)에 결합된 후열 핀(34)을 포함할 수 있다.
전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18)은 모두 친수 코팅되거나 모두 발수 코팅될 수 있는데, 열교환성능과 압력손실과 착상시간을 함께 고려할 때, 둘(16)(18) 모두가 발수 코팅되거나 둘(16)(18) 모두가 친수 코팅되는 경우 보다, 둘(16)(18) 중 어느 하나(16)가 발수 코팅되고, 다른 하나(18)가 친수 코팅되는 것이 바람직하다. 실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18) 중 실외 공기가 먼저 통과하는 전열 열교환유닛(16)에 서리가 더 많이 생성될 수 있고 후열 열교환유닛(18)의 열전달량 상대적으로 전열 열교환유닛(16)의 열전달량이 보다 적기 때문에 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고, 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅되는 것이 가장 바람직하다.
전열 열교환유닛(16)은 냉매 튜브(22,전열 냉매 튜브)와 핀(24,전열 핀) 중에서 핀(24)이 발수 코팅될 수 있고, 후열 열교환유닛(18)은 냉매 튜브(32, 후열 냉매 튜브)와 핀(34,후열 핀) 중 핀(24)이 친수 코팅될 수 있다.
전열 열교환유닛(16)은 핀(24)의 외면이 발수 코팅층(X)에 의해 덮혀지도록 발수 코팅층(X)이 코팅될 수 있다.
전열 열교환유닛(18)은 핀(34)의 외면이 친수 코팅층(Y)에 의해 덮혀지도록 친수 코팅층(Y)이 코팅될 수 있다.
전,후열 열교환유닛(16)(18)은 모두 발수 코팅될 경우, 그 각각의 표면에 생성되는 응축수가 물방울 형태로 맺히면서 실외 열교환기(4) 전체의 압력손실이 증대되고, 실외 팬(5)의 부하가 증가될 수 있으며, 풍량 감소와 성능 저하를 야기할 수 있다.
반면에, 전,후열 열교환유닛(16)(18)은 모두 친수 코팅될 경우, 그 각각의 표면에 응축수에 의한 서리가 쉽게 착상되어 착상 시간이 짧게 되고, 잦은 제상 운전이 필요하게 된다.
실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고, 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅되는 경우, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 발수 코팅되는 경우 보다 열전달성능이 높고, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 친수 코팅되는 경우 보다 열전달성능이 낮게 된다.
실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고, 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅되는 경우, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 발수 코팅되는 경우 보다 압력손실이 낮고, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 친수 코팅되는 경우 보다 압력손실이 높게 된다.
실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고, 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅되는 경우, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 발수 코팅되는 경우 보다 착상 시간이 짧고, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 친수 코팅되는 경우 보다 착상 시간이 길게 된다.
이하, 설명의 편의를 위해, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 발수 코팅되는 실외 열교환기를 발수 2열 열교환기로 칭하여 설명하고, 전,후열 열교환유닛(16)(18)의 모두가 친수 코팅되는 실외 열교환기를 친수 2열 열교환기로 칭하여 설명한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 냉방 운전시, 냉매는 압축기(2)와 실외 열교환기(4)와 팽창기구(8)와 실내 열교환기(6)와 압축기(2)의 순서로 순환된다. 압축기(2)에서 압축된 냉매는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18)을 통과하면서 응축된다. 응축된 냉매는 팽창기구(8)에서 팽창된다. 팽창된 냉매는 실내 열교환기(6)를 통과하면서 증발되고, 압축기(2)로 유입된다.
난방 운전시, 냉매는 압축기(2)와 실내 열교환기(6)와 팽창기구(8)와 실내 열교환기(4)와 압축기(2)의 순서로 순환된다. 압축기(2)에서 압축된 냉매는 실내 열교환기(6)를 통과하면서 응축된다. 응축된 냉매는 팽창기구(8)에서 팽창된다. 팽창된 냉매는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18)을 통과하면서 증발되고, 압축기(2)로 유입된다.
한편, 실외 공기는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18)을 순차적으로 통과하면서 전열 열교환유닛(16)의 냉매 및 후열 열교환유닛(18)의 냉매와 열교환된다.
실외 공기는 전열 열교환유닛(16)을 통과할 때, 발수 코팅층(X)이 코팅된 핀(24)들 사이를 통과한다. 이후, 실외 공기는 후열 열교환유닛(18)을 통과할 때, 친수 코팅층(Y)이 코팅된 핀(34)들 사이를 통과한다.
난방 운전시, 전열 열교환유닛(16)의 발수 코팅층(X)에는 응축수가 물방울 형태로 맺히면서 전열 열교환유닛(16)의 압력 손실이 크지만, 후열 열교환유닛(18)의 친수 코팅층(Y)에는 응축수가 넓게 퍼지면서 후열 열교환유닛(18)의 압력손실이 작고, 실외 공기는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18) 모두가 발수 코팅되는 경우 보다, 실외 열교환기(4) 전체의 압력손실이 작게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 열교환성능을 친수 2열 열교환기의 열교환성능 및 발수 2열 열교환기의 열교환성능과 비교한 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 압력손실을 친수 2열 열교환기의 압력손실 및 발수 2열 열교환기의 압력손실과 비교한 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프 일실시예의 실외 열교환기 착상시간을 친수 2열 열교환기의 착상시간 및 발수 2열 열교환기의 착상시간과 비교한 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 전열 열교환유닛(16)과 후열 열교환유닛(18)이 동일 조건이고, 실외 공기를 동일 풍량으로 유동시킬 때, 둘(16)(18) 모두가 친수 코팅될 경우와 둘(16)(18) 모두가 발수 코팅될 경우와 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅될 경우 각각의 열교환성능, 압력손실, 착상시간을 실험한 결과이다.
도 3를 참조하면, 실외 열교환기(4)는 발수 2열 열교환기로 구성될 경우 친수 2열 열교환기로 구성될 경우의 열교환성능(100%)을 기준으로, 친수 2열 열교환기 보다 열교환성능이 1.8% 낮게 된다. 반면에, 실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅될 경우 발수 2열 열교환기의 경우 보다 열교환성능이 0.5% 높게 된다.
도 4를 참조하면, 실외 열교환기(4)는 발수 2열 열교환기로 구성될 경우 친수 2열 열교환기로 구성될 경우의 압력손실(100%)을 기준으로, 친수 2열 열교환기 보다 압력손실이 37% 높게 된다. 반면에, 실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅될 경우 발수 2열 열교환기의 경우 보다 압력손실이 16% 낮게 되다.
도 5을 참조하면, 실외 열교환기(4)는 발수 2열 열교환기로 구성될 경우 친수 2열 열교환기로 구성될 경우의 착상시간(100%)을 기준으로, 친수 2열 열교환기 보다 착상시간이 68% 높게 된다. 반면에, 실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅될 경우 발수 2열 열교환기의 경우 보다 착상시간이 23% 짧게 되나, 친수 2열 열교환기의 경우 보다 착상시간이 45% 길게 된다. 즉, 실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅될 경우, 발수 2열 열교환기 보다 착상 지연 효과가 감소하나, 친수 2열 열교환기에 비해 월등히 높은 착상 지연 효과를 얻게 된다.
실외 열교환기(4)는 전열 열교환유닛(16)이 발수 코팅되고 후열 열교환유닛(18)이 친수 코팅되는 경우, 친수 2열 열교환기 보다 착상 지연 효과가 월등히 높고, 열교환성능과 압력손실을 함께 고려할 경우, 발수 2열 열교환기나 친수 2열 열교환기 보다 전체적인 성능이 높게 된다.
4: 실외 열교환기 5: 실외 팬
16: 전열 열교환유닛 18: 후열 열교환유닛
22: 냉매 튜브 24: 핀
32: 냉매 튜브 34: 핀
X: 발수 코팅층 Y: 친수 코팅층

Claims (2)

  1. 냉방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 응축되고 난방 운전시 냉매가 실외 공기와 열교환되어 증발되는 실외 열교환기와;
    상기 실외 열교환기로 실외 공기를 유동시키는 실외 팬을 포함하고,
    상기 실외 열교환기는 상기 실외 팬에 의해 유동된 실외 공기가 통과하는 전열 열교환유닛과, 상기 전열 열교환유닛을 통과한 실외 공기가 통과하는 후열 열교환유닛을 포함하며,
    상기 전열 열교환유닛은 발수 코팅되고,
    상기 후열 열교환유닛은 친수 코팅된 히트 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열 열교환유닛과 후열 열교환유닛 각각은 냉매 튜브와, 상기 냉매 튜브에 결합된 핀을 포함하고,
    상기 전열 열교환유닛의 핀은 발수 코팅되고,
    상기 후열 열교환유닛의 핀은 친수 코팅되는 히트 펌프.
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