KR20190000253A - 히트펌프 제상 시스템 및 제상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제상이 필요한 조건을 확인하고 조건을 충족할 때에 히트펌프를 구성하고 있는 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장시키는 제상 운전을 진행하거나 일정 시간의 난방운전이 진행되면 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장하는 제상 운전을 진행하여 제상 시 난방이 지속되지 않는 문제를 해결하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

Description

히트펌프 제상 시스템 및 제상 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DEFROSTING HEAT PUMP}

본 발명은 제상 시스템에 관한 것이다.

히트펌프/냉동기는 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 그리고 증발기를 흐르도록 구성하여 부하측에 난방 또는 냉방을 제공한다. 냉매가 증발기를 지나가는 동안 물이나 공기 등의 2차 작동유체에 의해 열을 흡수하여 증발기에 유입된 액체와 기체 상태의 냉매가 포화 기체 상태가 되고, 추가적인 열을 흡수하여 과열 상태의 냉매 기체가 된다.

히트펌프(냉동기)의 사이클은 압축기에서 냉매를 고온고압의 기체상태의 냉매로 응축기로 보내면 응축기에서는 냉매의 열을 발산하여 고온고압의 액냉매로 변환되고 팽창밸브를 통과하면서 저온저압의 냉매(가스 + 액체)로 변환이 되고 증발기에서 열을 흡수하여 기체 상태의 냉매로 압축기에 흡입이 되어 냉매가 순환한다.

히트펌프는 냉동사이클의 압축기에서 배출되는 고온고압의 냉매를 4방 밸브를 통해 응축기와 증발기의 방향을 전환하여 필요에 따라 부하측에서 냉방이 되기도 하고 난방이 되기도 하는 기기이다.

여기에서 히트펌프에서 일반적으로 사용되는 팽창밸브는 주로 증발기에서 나오는 냉매의 포화압력과 온도를 비교하여 과열도를 측정하고 팽창밸브에 고정된 과열도를 맞추도록 냉매유량을 조절한다.

냉동기의 과열도는 냉매가 증발기에 유입되어 증발기를 지나가는 동안 2차 작동유체 즉 물 또는 공기 등에 의해 열을 흡수하여 증발기에 유입되었던 냉매 액과 가스가 포화냉매 가스상태가 되고 추가적인 열을 받아 과열상태의 냉매가스가 된다. 이때 포화온도와 과열상태의 냉매의 온도차를 과열도라고 한다. 이러한 과열도를 높이기 위해서 팽창밸브의 통로를 축소시켜 냉매의 흐름량을 적게 하면 응축기에서 발생된 고온 고압의 액 냉매가 팽창밸브의 통로를 축소시키기 전과 비교하여 낮은 압력(낮은 온도)로 증발기에 유입이 되며 증발기를 지나는 2차 작동유체의 열을 흡수하여 축소 전보다 높은 과열도를 갖게 된다. 반대로 팽창밸브의 통로를 확장시키면 증발기의 압력(온도)는 상승하고 과열도는 낮게 된다.

공기를 열원으로 하는 냉동기 및 히트펌프의 가장 큰 문제 중 하나는 난방중 사이클의 증발기에 낮은 온도(압력)의 냉매가 흐를 때 외기의 온도와 습도의 조건에 따라 실외에 설치된 열교환기 표면에 성에(frost)가 발생되어 증발기(열교환기)에 착상되면 성에에 의해 공기와 열교환기 사이의 열저항으로 작용하여 열전달량을 감소시켜 열교환기의 열효율을 하락시켜 난방능력을 저하시켜 전체적으로 히트펌프 등의 공조기의 효율 저하와 함께 공조 불량으로 실내의 쾌적감을 저하시킨다. 이러한 문제의 해결을 위하여 성에제거를 위해 냉동사이클을 역방향으로 운전시키는 제상(defrost) 운전을 하거나 별도의 히터를 열교환기에 설치하여 일정한 간격의 시간을 두고 냉동기 등을 정지하고 히터를 켜서 성에를 제거한다. 그러나 이러한 방법 즉 난방의 반대방향 즉 냉방운전을 하거나 시스템을 정지한 후 히터를 켜는 방법은 시스템의 목적인 난방을 일정한 시간동안 할 수 없도록 하는 것 뿐만 아니라 냉방이 운전될 때에는 부하측 공간에 난방이 공급되지 않고 냉방이 공급되어 사용자가 원하는 온도를 제공하지 못하는 결과를 발생하게 된다. 또한 시스템을 정지한 후 히터를 사용하면 별도의 전력을 소모하게 되어 시스템의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제상이 필요한 조건을 확인하고 조건을 충족할 때에 히트펌프를 구성하고 있는 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장시키는 제상 운전을 진행하거나 일정 시간의 난방운전이 진행되면 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장하는 제상 운전을 진행하여 제상 시 난방이 지속되지 않는 문제를 해결하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제상 시스템은 제상 운전이 필요한 조건을 확인하기 위하여, 난방 중 증발기의 역할을 하는 열교환기 전단(열교환기 외부의 공기측)과 후단(열교환기를 통과한 후)에 온도센서를 설치하여 공기가 증발기에 유입되는 전단에서 측정된 온도를 T1, 공기가 열교환기를 통과한 후의 온도를 T2로 저장되도록 한다.

본 발명의 제상 시스템은 증발기에 성에가 발생하지 않는 정상적인 온도차(δT)를 제어기에 설정하고 증발기 전단과 후단에서 측정된 온도의 차(ΔT=T1-T2)가 제어기에 설정된 온도차보다 클 경우에는 제상 운전을 위하여 전자식 팽창밸브를 점진적으로 오픈하여 팽창밸브를 통과하는 유량을 증가시켜 증발기의 온도를 올려 제상운전을 진행한다. 또는 본 발명의 제상 시스템은 후단(열교환기 밖의 공기가 열교환기를 통과한 후)에 열교환기를 통과하는 공기의 유량을 측정할 수 있는 유량센서를 설치하고 제어기에서 측정할 수 있도록 연결한 후 제어기에 증발기에 성에가 발생하지 않는 정상 운전 범위의 유량값(Q)을 설정한다.

본 발명의 제상 시스템은 유량센서에서 측정된 공기 유량값(Q’)이 설정값 이하로 측정될 경우 제어기에서 제상 운전이 필요하다는 결정을 하여 전자식 팽창밸브를 점진적으로 오픈하여 증발기의 온도를 상승시키는 제상운전을 진행한다.

본 발명에 따르면 난방을 일정한 시 간동안 할 수 없는 문제를 해결하고, 사용자가 원하는 온도를 제공할 수 있으며, 시스템 효율을 높일 수 있다.

도 1은 히트펌프의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제상 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제상 방법의 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

열교환 시스템은 히트펌프와 냉동기 등을 포함할 수 있으나, 본 발명에서는히트펌프를 예로 들어 설명한다. 히트펌프 이외의 열교환 시스템에도 본 발명이 적용될 수 있다.

공기를 열원으로 하는 냉동기 및 히트펌프의 가장 큰 문제 중 하나는 난방중 사이클의 증발기에 낮은 온도(압력)의 냉매가 흐를 때 외기의 온도와 습도의 조건에 따라 실외에 설치된 열교환기 표면에 성에(frost)가 발생되어 증발기(열교환기)에 착상되면 성에에 의해 공기와 열교환기 사이의 열저항으로 작용하여 열전달량을 감소시켜 열교환기의 열효율을 하락시켜 난방능력을 저하시켜 전체적으로 히트펌프 등의 공조기의 효율 저하와 함께 공조 불량으로 실내의 쾌적감을 저하시킨다. 이러한 문제의 해결을 위하여 성에제거를 위해 냉동사이클을 역방향으로 운전시키는 제상(defrost) 운전을 하거나 별도의 히터를 열교환기에 설치하여 일정한 간격의 시간을 두고 냉동기 등을 정지하고 히터를 켜서 성에를 제거한다. 그러나 이러한 방법 즉 난방의 반대방향 즉 냉방운전을 하거나 시스템을 정지한 후 히터를 켜는 방법은 시스템의 목적인 난방을 일정한 시간동안 할 수 없도록 하는 것 뿐만아니라 냉방이 운전될 때에는 부하측 공간에 난방이 공급되지 않고 냉방이 공급되어 사용자가 원하는 온도를 제공하지 못하는 결과를 발생하게 된다. 또한 시스템을 정지한 후 히터를 사용하면 별도의 전력을 소모하게 되어 시스템의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

다음에서, 제상이 필요한 조건을 확인하고 조건을 충족할 때에 히트펌프를 구성하고 있는 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장시키는 제상 운전을 진행하거나 일정 시간의 난방운전이 진행되면 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장하는 제상 운전을 진행하여 제상 시 난방이 지속되지 않는 문제를 해결하는 시스템 및 방법에 대해 설명한다.

도 1은 히트펌프의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제상 시스템 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제상 방법의 흐름도이다.

도 1부터 도 3을 참고하면, 본 특허에서는 제상이 필요한 조건을 확인하고 조건을 충족할 때에 히트펌프를 구성하고 있는 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장시키는 제상 운전을 진행하거나 일정 시간의 난방운전이 진행되면 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장하는 제상 운전을 진행하는 것을 특징으로 한다.

제상 운전이 필요한 조건을 확인하기 위하여, 난방 중 증발기의 역할을 하는 열교환기 전단(열교환기 외부의 공기측)과 후단(열교환기를 통과한 후)에 온도센서를 설치하여 공기가 증발기에 유입되는 전단에서 측정된 온도를 T1, 공기가 열교환기를 통과한 후의 온도를 T2로 저장되도록 한다. 그리고 증발기에 성에가 발생하지 않는 정상적인 온도차(δT)를 제어기에 설정하고 증발기 전단과 후단에서 측정된 온도의 차(ΔT=T1-T2)가 제어기에 설정된 온도차보다 클 경우에는 제상 운전을 위하여 전자식 팽창밸브를 점진적으로 오픈하여 팽창밸브를 통과하는 유량을 증가시켜 증발기의 온도를 올려 제상운전을 진행한다. 또는 후단(열교환기 밖의 공기가 열교환기를 통과한 후)에 열교환기를 통과하는 공기의 유량을 측정할 수 있는 유량센서를 설치하고 제어기에서 측정할 수 있도록 연결한 후 제어기에 증발기에 성에가 발생하지 않는 정상 운전 범위의 유량값(Q)을 설정한다. 그리고 유량센서에서 측정된 공기 유량값(Q’)이 설정값 이하로 측정될 경우 제어기에서 제상 운전이 필요하다는 결정을 하여 전자식 팽창밸브를 점진적으로 오픈하여 증발기의 온도를 상승시키는 제상운전을 진행하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 특허는 전자식 팽창밸브의 개도량의 조절(팽창밸브 open)을 진행하면 팽창밸브를 통과하는 냉매량의 증가로 증발기에서 나오는 냉매가 충분히 열을 흡수하지 못하여 액냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지하기 위하여 4방밸브에서 압축기로 연결되는 배관에 히터를 설치하고 히터와 압축기 사이에 온도센서를 부착하여 측정된 온도가 증발기에서 배출되는 냉매의 압력(Pe)에 상응하는 포화온도(T(Pe))보다 낮거나 같을 경우 히터에 전원을 인가하여 압축기에 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 장치를 포함한다.

이러한 제상운전의 효과는 일반적으로 진행되는 제상운전을 위하여 히트펌프의 난방을 정지시킨 후 냉방운전을 하거나 정지 후 히터를 가동하는 방식에 비하여 난방운전을 진행하면서 증발기의 온도를 높여 제상을 진행하여 부하측에 난방열을 지속적으로 공급할 수 있다는 장점과 함께 증발기와 응축기의 압력차가 줄어들어 압축기 소요동력이 감소하게 된다. 별도의 전력을 필요로 하지 않아 시스템 효율을 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 제상이 필요한 조건을 확인하고, 조건을 충족할 때에 히트펌프를 구성하고 있는 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장시키는 제상 운전을 진행하거나, 일정 시간의 난방운전이 진행되면 전자식 팽창밸브의 개도량을 확장하는 제상 시스템.

Images