KR20180017536A - 멀티 히트 펌프형 항온항습 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트펌프 시스템을 응용한 시스템으로서, 더욱 상세히 기술하면 컴퓨터나 전자 기기가 설치된 전산실의 온도와 습도를 일정하게 조절 하는 항온 항습 기기 시스템 및 농수산물 등의 냉풍 건조를 위한 냉각 제습 시스템 등의 에너지 절약형 시스템에 관한 것으로, 히트펌프 사이클을 응용한 시스템으로, 실내 열부하의 가열용 열원 및 제습 공기의 재 가열 열원으로 사용함으로서 추가 적인 에너지의 공급 없이 항온 항습 기능을 수행하며, 건조 시스템에서도 가열 열량 및 노점 온도 이하에서 냉각 제습 되어 나오는 공기를 재 가열 하여서 상대 습도를 낮추어서 연속 적인 제습 작용을 할 수 있도록 한다.
이를 위해, 제1 냉동 사이클, 제2 히트펌프 사이클 및 실외기 시스템으로 구성되어 지는 형태이다.
본 발명은 히트펌프 형태인 제2 히트펌프 사이클은 운전 형태에 따라 히트펌프 운전 및 열 회수 운전(Heat Recovery cycle)을 선택적으로 할 수 있는 특징이 있다.

Description

멀티 히트 펌프형 항온항습 시스템{Multi-type heat pump system with constant temperature and humidity}
본 발명은 히트펌프 시스템을 응용한 것으로서, 더욱 상세히 기술하면 컴퓨터나 전자 기기가 설치된 전산실의 온도와 습도를 일정하게 조절 하는 항온 항습 기기 시스템 및 농수산물 등의 냉풍 건조를 위한 냉각 제습 시스템 등의 에너지 절약형 시스템에 관한 것으로, 히트펌프 사이클과 냉동 사이클중 응축기의 폐열을 실내 부하의 가열용 및 제습 공기의 재 가열 열원으로 사용함으로서 추가 적인 에너지의 공급 없이 항온 항습 기능을 수행하며, 건조 시스템에서는 노점 온도 이하에서 냉각 제습 되어 나오는 공기를 재 가열 하여서 상대 습도를 낮추어서 연속 적인 제습 작용을 할 수 있도록 한 것이다.
종래의 항온 항습 시스템 및 냉풍 건조 시스템으로는 다음과 같은 것 들이 있다.
<실례 1>
도3는 압축기(410), 응축기(420), 팽창변(470), 증발기(430) 및 전기 히팅 코일(425)로 구성된 항온 항습 시스템으로서, 냉방 시에는 일반적인 냉동사이클로 운전되어지고, 난방 및 실내 온도 조절시 에는 전기 히팅 코일(425)을 가동 하여서 운전 되어지는 사이클이다.
그렇지만, 상기 종래의 사이클에 있어서는, 가열 열원으로서 전기 코일(425)을 사용함으로서 에너지 소비 율이 높고, 실내 온도 항온 제어 시에는 냉동 사이클과 전기 히터가 동시에 작동함으로서 전력 소모가 많고, 여름철 외기온도 상승이 응축압력 상승으로 압축기의 소비 동력이 커지는 단점이 있다.
<실례 2>
도4은 종래의 항온 항습 시스템으로 대한민국 특허 출원 번호 10-2001-0032629로 공고 개시된 것이다.
도면4은 상기 공개에 개시된 종래의 항온 항습 사이클을 나타내는 시스템 구성도 이다.
본 사이클은 압축기(101), 실외 응축기(110), 실내 응축기(170), 증발기(160) 및 제어변(190, 201)으로 기본 사이클을 제어 한다.
먼저 냉방 사이클의 경우는 압축기(101), 실외 응축기(110) 및 증발기(160)로 운전 되는 일반적인 냉동 사이클이고, 난방 사이클은 압축기(101), 실내 응축기(170), 실외 응축기(110) 및 증발기(160)로 운전 되어 지는 사이클로서, 주된 원리는 난방시 실내 응축기(330)에 핫 가스를 인입 시켜서 별도의 열원 없이 난방을 할 수 있다는 것이다.
그렇지만, 상기 종래의 사이클에 있어서는, 겨울철 가열 운전시 실내응축기(170)출구의 냉매 액이 실외 응축기(110)에서 과냉각 되어서 증발기(160)에서의 냉각 열량이 증가함으로서 난방열량의 저하가 발생 하고, 하계 가열 및 제습 운전시 실내응축기(170)출구의 냉매 액이 실외 응축기(110)에서 외부의 더운 공기와 열 교환으로 가열됨으로서 플래시 가스등이 발생 할 수 있어서 증발기(160)의 냉각 능력의 저하가 발생 하고, 실내 응축기(170) 및 실외응축기(110)를 통과시 압력강하 증대로 압축기의 동력이 증대 하며, 제습 및 냉방 운전시 실내 응축기(170)를 활용 하지 않으므로 시스템 효율이 저하 하는 단점이 있다.
<실례 3>
도5은 종래의 건조 시스템으로 대한민국 특허 공개 번호 특10-067590호로서, 열회수 사이클 및 효율 향상에 관한 것이다.
도면5에서 압축기(510), 실외 응축기(520), 실내응축기(521), 증발기(531) 및 제어변(570, 571, 574)로 구성되어 운전 되는 형태이다.
상기 특허의 주된 기능은 열회수 사이클로서 실내응축기(521)을 활용하여 실내 가열열원으로 히터를 사용하지 않고 냉동시스템의 응축기의 폐열을 활용함으로서 에너지를 절약하는 것이다.
그렇지만, 상기 종래의 사이클에 있어서는, 동계 등의 난방 부하를 감당 할 수가 없어서 추가적으로 히터를 사용함으로서 동계의 과도한 운전비용을 야기 하는 담점이 있다.
본 발명은 히트펌프 시스템을 응용한 것으로서, 항온 항습 기기 시스템 및 냉각 제습 시스템 등의 에너지 절약형 시스템에 관한 것으로, 히트펌프 사이클과 냉동 사이클의 복합 형태로, 응축기의 폐열(열회수 사이클) 및 히트펌프 사이클을 응용하여 실내 부하의 가열용 및 제습 공기의 재 가열 열원으로 사용함으로서 추가 적인 에너지의 공급 없이 항온 항습 기능을 수행하며, 건조 시스템에서는 노점 온도 이하에서 냉각 제습 되어 나오는 공기를 재 가열 하여서 상대 습도를 낮추어서 연속 적인 제습 작용을 할 수 있으며, 다단 냉각 제습 및 가열로 고제습, 고효율 운전을 특징으로 하는 사이클을 제공 하는 것이다.
또한, 히트펌프 사이클은 히트펌프운전 및 폐열 회수 운전(Heat recovery)을 하나의 사이클에서 선택적으로 하여, 전기 히터에 비하여 3~4배 이상의 운전동력을 절감 시켜주는 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 복합 히트펌프식 항온 항습시스템으로 기존의 항온 항습 시스템인 제1냉동 사이클(100)에 추가로 제2히트펌프 사이클(200) 및 실외기(300)으로 구성되어, 제1증발기(30) 및 제2증발기(31)의 다단 고 제습 성능으로 냉각 제습 성능을 향상시키며, 제1응축기(20) 및 제2 응축기(21)에의한 가열능력 향상을 시키며, 실외기(22)를 선택적으로 응축기 및 증발기로 사용함으로서 실내온도 제어 기능 및 히트펌프 사이클로서 기존 항온 항습기에 비해 3~4배의 가열 능력을 증가 시켜 운전 비용을 대폭적으로 절감 시키며, 고 제습 성능으로 항온 항습기의 운전시간을 단축 시켜 소요 동력을 절감 시켜주는 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 냉동 공조 시스템중 복합 히트펌프 사이클을 응용한 시스템으로서, 항온 항습 기기 시스템, 냉각 제습 시스템 등의 에너지 절약형 시스템 및 고 제습 기능에 관한 것으로, 제1냉동 사이클(100)은 응축기의 폐열을 실내 부하의 가열용 및 제습 공기의 재 가열 열원으로 사용함으로서 추가 적인 에너지의 공급 없이 항온 항습 기능을 수행하며, 제2 히트펌프 사이클(200)은 응축기의 폐열 및 실외기(300)의 증발기로 사용하는 히트펌프 사이클로 실내 열부하의 가열용 열원으로 사용되며, 제1, 2 증발기(30, 31)의 다단 제습 시스템에서는 제1증발기(30)에서 노점 온도 이하에서 냉각 제습 하고, 제2 증발기(31)에서는 제1 증발기(30) 출구의 중온 다습한 공기를 노점이하로 냉각 제습하여 다단 고제습 성능으로 연속 운전 할 수 있다.
도한, 제1응축기(20) 및 제2 응축기(21)에 의한 가열능력 향상을 시키며, 실외기(22)를 선택적으로 응축기 및 증발기로 사용함으로서 실내온도 제어 기능 및 히트펌프 사이클로서 기존 항온 항습기에 비해 3~4배의 가열 능력을 증가 시켜 운전비용을 대폭적으로 절감 시키며, 고 제습 성능으로 항온 항습기의 운전시간을 단축 시켜 시스템의 소요 동력을 절감 시켜주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 항온 항습 시스템의 냉각 모드 계통도를 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 복합 항온 항습 시스템의 난방 모드 계통도를 나타낸 도면
도 3는 종래의 시스템의 실례(1)의 계통도를 나타낸 도면
도 4은 종래의 시스템의 실례(2)의 계통도를 나타낸 도면
도 5은 종래의 시스템의 실례(3)의 계통도를 나타낸 도면
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉동 공조 시스템은, 냉매 가스를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 압축기와, 냉매의 방향을 전환하는 사방변, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상의 냉매 가스를 압축기로 복귀시키는 증발기 및 실외기를 포함하여 이루어지는 히트펌프 시스템 및 냉동 공조 시스템으로 이루어지는 다단 복합항온 항습 시스템에 있어서,
상기 압축기(10), 응축기(20), 팽창변(50) 및 증발기(30)으로 이루어진 제1 냉동 사이클부;
상기 압축기(11), 응축기(21), 팽창변(51,52), 증발기(31), 사방변(60), 실외기(22), 제어변(70) 및 팬(80, 81)으로 구성되어 선택적 조합 운전을 하는 제2 히트펌프 사이클(200) 및 실외기(300)로 구성되어진 히트펌프 사이클 부로 구성되어 지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거하여 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명에 의한 멀티 히트펌프형 항온 항습 시스템의 실시 예를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 멀티 히트펌프형 항온 항습 시스템(항온 항습 또는 제습 시스템 등)의 계통도를 나타낸 사이클 도면 이다.
참조부호 (10, 11)는 압축기로서, 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축하여 배출하기 위한 것으로서, 그 사용목적에 따라 왕복동식, 크랭크식, 사판식, 워블 플레이트식, 로터리식, 스크롤식 등 다양한 형태의 압축기가 적용될 수 있다.
제1 냉동 사이클은 압축기(10)의 토출 라인은 응축기(20)와 연결되며, 이 응축기(20)는 상기 압축기(10)에서 압축되어 배출되는 냉매가스를 방열시킴으로써 고온고압의 액상 냉매로 응축하도록 되어 있다. 여기서는 구체적으로 도시하지 않았으나, 상기 응축기(20)는 인입 헤더 및 출구헤더, 상기 인입/출구 헤더들을 연결하여 이들이 서로 통하도록 함으로써 소정의 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 그리고 상기 튜브들 사이에 적층되는 코르 게이트형 전열 핀을 가진 통상적인 형태의 것이 적용될 수 있다. 따라서 냉각 팬에 의하여 송풍되는 공기는 튜브들 사이의 전열 핀들을 거치게 되고 이 과정에서 응축기(20) 내부를 유동하는 냉매가 송풍 공기에 열량을 빼앗겨 냉매의 응축작용이 수행된다.
한편, 압축기(10)의 입구 라인 쪽에는 후술하는 팽창밸브(50)로부터 유입되는 냉매를 증발시킴으로써 이때의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체 와 냉매를 열 교환시켜 냉동효과를 달성하는 증발기(30)가 연결된다. 상기 증발기(30)는 인입 헤더 및 출구헤더, 상기 인입/출구 헤더들을 연결하여 이들이 서로 통하도록 함으로써 소정의 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 그리고 상기 튜브들 사이에 적층되는 코르게이트형 전열 핀을 가진 통상적인 형태의 것이 적용될 수 있다. 따라서 냉각 팬에 의하여 송풍되는 공기는 튜브들 사이의 전열 핀들을 거치게 되고 이 과정에서 증발기(30) 내부를 유동하는 냉매가 송풍공기의 온도(열량)를 빼앗아 냉매의 증발 작용이 수행된다.
그리고 증발기(30)의 입구 단에는 공급되는 고온고압 상태의 액상 냉매를 교축작용에 의하여 저압상태의 냉매로 팽창시켜 증발작용이 용이하게 수행되도록 증발기(30)로 공급하기 위한 팽창밸브(50)가 설치된다. 이 팽창밸브(50)는, 여기서는 구체적으로 도시되지는 않았으나, 감온실 내부의 온도에 따른 다이어프램의 팽창변위에 의하여 압력전달로드를 통하여 고압냉매유로의 궤도를 조절하는 내부균압식, 캐필러리 튜브를 통한 다이어프램의 팽창변위에 의하여 고압냉매유로의 괘도를 조절하는 외부균압식 등 일반적으로 TEV라하는 감온식 팽창변을 사용하며 다양한 형태의 것이 사용될 수 있다.
제2 히트펌프 사이클은 압축기(11)의 토출 라인은 사방변(60)이 있고, 사방변(60)의 출구측은 실외기(22)에 연결되며, 실외기(22)는 운전 형태에 따라 응축기 및 증발기로 작동되고, 제2 응축기(21) 및 제어변(70)이 추가적으로 부착되어 선택적으로 운전 되어지는 형태로 증발기(31), 응축기(21), 실외기(22), 팽창변(51, 52) 및 압축기의 작동은 제1 냉동사이클의 원리와 동일한 형태로 운전 된다.
이하, 본 발명의 시스템의 구성을 도면을 참조 하여 설명 하겠다.
도1에서 제1 냉동 사이클(100), 제2 히트펌프 사이클(200) 및 실외기 시스템(300)으로 구성되어 지고, 제1 냉동 사이클(100)은 압축기(10)의 출구와 응축기(20)를 냉매 배관으로 연결 되고, 응축기(20)의 출구는 팽창 변(50)에 연결되고, 팽창 변(50)의 출구는 증발기(30)에 연결 되어지고, 증발기(30)의 출구는 압축기(1)의 흡입측에 연결되어지는 형태이다.
제2 히트펌프 사이클(200) 및 실외기 시스템(300)은 압축기(11)의 출구와 사방변(60-a)의 입구측은 냉매 배관으로 연결 되고, 사방변(60-b)의 연결구와 실외기(22)이 냉매 배관으로 연결되어 지고, 실외기(22)와 제3 팽창변(52)와 냉매배관으로 연결되어지고, 제3 팽창변(52)는 제2 응축기(21) 및 제2 팽창변(51)에 냉매 배관으로 연결 되어 지고, 제2 팽창변(51)와 제2 증발기(31)은 냉매 배관으로 연결되어지고, 제2 증발기(31)와 사방변(60-c)는 냉매 배관으로 연결 되어지고, 압축기(11)의 출구와 사방변(60-a)의 연결 냉매 배관상서 분기하여 제2 응축기(21)의 연결 냉매 배관 상에 제어변(70)을 부착된 형태에서, 사방변(60-c)와 압축기(11) 흡입측이 연결된 되고, 사방변(60-d)의 출구측이 막음된 형태 이다.
본 발명의 작동을 설명하면, 제1 냉동 사이클(100)은 압축기(10)의 운전 정지(ON-OFF) 및 비례 제어 운전 형태의 기준 사이클로 기존의 항온 항습기와 동일 한 형태로 운전 되어 진다.
제2 히트펌프 사이클(200) 및 실외기 시스템(300)의 운전 조합 형태에 따라 분류 하면, 1) 냉각 모드 및 2) 난방 모드로 대분류 할 수 있다.
먼저 1) 냉각 모드는 실내 온도가 설정치 이상의 운전 형태로, 압축기(11)의 고온 고압의 냉매 가스를 사방변(60-a -> 60-b)를 거처서 실외기(22)에서 실외의 공기와 열교환후 액체 상태의 냉매로 응축 되고, 팽창변(52)의 열림(OPEN) 운전으로 고압의 액상 냉매는 팽창변(51)을 통과 하면서 감압 되고 증발기(31)에서 실내 공기와 열교환후 액상에서 가스 상으로 변환 하여서 사방변(60-c)를 거처 압축기(11)에 흡입 되며, 제어변(70)는 닫힘(CLOSE) 운전으로 실내 응축기(21)에는 냉매가 인입 되지 않는 형태로 실외기(22)는 응축기로 운전 되어 지는 형태로 기존의 냉동 사이클의 냉각 운전 형태이다.
이때, 실내 온도가 설정치 이하로 저하 하면 팽창변(52)의 닫힘(CLOSE) 운전으로 실외기(22)에는 냉매가 인입 되지 않고, 제어변(70))의 열림(OPEN) 운전으로 제2 응축기(21)에서 실내의 공기와 열교환후 액체 상태의 냉매로 응축 되어 팽창변(51)에 인입 되는 형태로 운전 되어 진다.
먼저 2) 난방 모드는 도2에서 실내 온도가 설정치 이하로 대용량의 난방 열량이 요구 시 운전 형태로, 압축기(11)의 고온 고압의 냉매 가스를 제어변(70)의 열림(OPEN)운전으로, 응축기(21)에서 실내의 공기와 열교환후 액체 상태의 냉매로 응축 되고, 팽창변(51)을 통과 하면서 냉매는 감압 되고 실외기(22)에서 실외 공기와 열교환후 액상에서 가스 상으로 변환 하여서 사방변(60-b)을 거처 압축기(11)에 흡입 되며, 팽창변(51)는 닫힘(CLOSE) 운전으로 실내 증발기(31)에는 냉매가 인입 되지 않는 형태로 실외기(22)는 증발기로 운전 되어 지는 히트펌프 사이클로서 기존의 냉동 사이클의 열회수 사이클 보다 2~4배의 가열 능력으로 운전 되는 형태이다.
이때, 히트펌프 사이클의 제상운전은 사방변의 절환 운전으로 냉방 모드로 운전 되는 형태로, 실외기(22)가 응축기로 운전 되어 지는 형태이다.
이상과 같이 냉각 모드 및 난방 모드는 각각의 단독 모드 운전 또는 복합 운전으로 사용 되어 지며, 실내의 항온 항습을 위해서는 연속적인 가열, 냉각 및 제습이 루어 져야 함으로 복합 사이클로 운전 되어야 하며, 냉풍 건조 시스템에 있어서도 증발기(30, 31)에서의 냉각 제습 후 재 가열이 필요함으로 냉각 모드 및 난방 모드로 운전되어 지고, 항온 항습을 위해서는 복합 사이클로 운전 되어야 한다.
본 발명의 또 다른 실 시예로는 제1 냉동 사이클을 제2 히트펌프 사이클과 동일 한 형태로 구성하여 제1 히트펌프 사이클, 제2 히트펌프 사이클로 구성 할 수 있으며, 제1히트펌프 사이클 및 제2 냉동 사이클의 조합으로 구성되어지며, 증발기(30, 31), 응축기(20, 21)의 배열 및 배치순서는 변경하여 구성 할 수 있다.
10, 11 : 압축기 20, 21 : 증발기
22 : 실외기 30, 31 : 응축기
60 : 사방변 70 : 제어 변
100: 제1 냉동 사이클 200: 제2 히트펌프 사이클
300: 실외기 시스템

Claims (5)

  1. 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기등으로 이루어진 냉동 사이클부, 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기, 사방변, 실외기, 제어변 및 팬 등으로 구성되어 선택적 조합 운전을 하는 히트펌프 사이클 및 실외기로 구성되어진 히트펌프 사이클부로 구성되어 지는 것을 특징으로 하는 복합 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 냉동 사이클은 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 구성되어진 기본 냉동 사이클에서, 필요에 따라 수액기 및 실외기등의 냉동 부품이 추가 된 형태를 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 히트펌프 사이클 및 실외기 시스템에서, 압축기, 사방변, 제어변, 실외기, 응축기, 증발기 및 팽창변으로 구성되어진 형태에서, 운전 형태에 따라 선택적으로 운전 되어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 사방변의 입,출구중 하나는 막음 형태이고, 사방변의 저압측와 증발기 출구의 냉매 배관이 연결된 형태로 압축기의 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 복합 시스템의 제1 및 제2 시스템 결합 형태에서, 제1 시스템을 냉동 시스템 또는 히트펌프 시스템으로 구성되어 지고, 제2 시스템은 냉동 시스템 또는 히트펌프 시스템으로 구성되어 지는 것을 특징으로 하는 복합 시스템.
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