KR20190009666A - 냉매 저장수단을 구비한 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명의 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매 저장수단을 구비하여, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있는 히트펌프에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉매를 사용하는 히트펌프는, 최소한 하나의 고압 냉매배관; 최소한 하나의 저압 냉매배관; 최소한 하나의 열교환기; 최소한 하나의 냉매저장수단;을 포함하고, 상기 냉매저장수단은 상기 열교환기와 병렬로 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉매 저장수단을 구비한 히트펌프{ A heat pump having refrigerant storage means}

본 발명은 히트펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있는 히트펌프에 관한 것이다.

히트펌프는 열원으로부터 "히터싱크"라 불리는 목적지로 열을 전달하는 장치이다. 히트펌프는 차가운 공간에서 열을 흡수하고, 따뜻한 공간에서 열을 방출한다. 즉, 히트펌프에서는 자연적인 열전달 방향의 반대방향으로 열에너지 전달이 이루어진다. 이를 위해 히트펌프는 소량의 외부에너지를 사용하여, 열원에서 히트싱크로 에너지를 전송하는 작업을 수행한다.

에어컨과 냉장고가 히트펌프의 대표적인 예이다. 그리고, 일정 공간을 난방 또는 냉방 하는 공조장치 (HVAC : Heating Ventialating and Air Conditioning)도 히트펌프이다. 그리고 히트펌프를 사용하는 기기로는 냉수/온수를 제공하는 정수기, 건조기, 세탁기, 자판기 등이 있다.

이하, 도1 및 도2 를 참고하여 ( 도1 에서 냉매가 시계 반대방향으로 순환하는 ) 냉방 모드로 동작하는 (증기 압축식) 히트펌프에 대하여 설명한다.

증기 압축 냉동사이클을 수행하기 위하여, 압축기(C)는 기체상태의 냉매를 압축한다.

압축된 고온고압의 냉매 증기는 응축기 구실을 하는 외부 열교환기 (HXO)에서 상대적으로 온도가 낮은 외부에다가 열을 버린다. 이때, 기체 상태의 냉매는 잠열을 방출하여 액체상태로 상전이를 하며, 이상적인 히트펌프의 경우 응축기에서는 상전이만 이루어지므로 냉매의 온도와 압력은 변하지 않는다.

외부 열교환기(HXO)를 나온 액체 냉매는 팽창밸브(EV)를 통과하면서 감압 된다. 이상적인 히트펌프에서 팽창밸브(EV) 입구 엔탈피와 출구 엔탈피는 같으며, 같은 엔탈피를 가지기 위해서 감압 된 냉매의 온도는 감소한다.

저온상태가 된 액체 냉매는 증발기 역할을 수행하는 내부 열교환기(HXI)를 통과하면서 열을 흡수하여 기체로 된다.

증발기를 통과한 기체 냉매는 다시 압축기(C)로 들어가 위의 사이클을 반복한다.

도2 는 p-h 선도로 응축기는 60 ℃, 증발기는 0 ℃ 로 설계한 차량용 에어컨 예이다. 외기 온도는 30 ℃, 냉방 설정 온도는 20 ℃ 라고 가정하면, 응축기인 외부 열교환기(HXO)에서 60 ℃ 의 기체 냉매는 30 ℃ 인 실외로 열을 방출하여 60 ℃ 의 액체 냉매가 된다. 그리고 증발기인 내부 열교환기(HXI) 에서 0 ℃ 액체 냉매는 ( 상기 설정 온도 보다 높은 실내 공기로부터 열을 흡수하여 ) 0 ℃ 의 기체 냉매가 된다. 이상적인 히트펌프의 경우 응축기, 증발기 및 배관에서 압력의 변화는 없다고 가정한다. 따라서 압축기 입구압력 및 출구압력은 냉매온도라고 보아도 된다.

이하 종래기술의 문제점을 설명한다.

문제점 1) 압축기(C)의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 압축기나 팽창밸브를 조정하여 압축기(C)의 입구압력을 낮추면 출구압력이 높아진다. 반대로 압축기(C) 입구압력을 높이면 출구압력이 낮아진다. 따라서 외기 온도가 바뀌면, 열교환기에서 열교환이 적절히 잘 이루어지는, 외기 보다 소정의 값이 높은 압축기 출구압력(냉매온도) 및 내기 보다 소정의 값이 낮은 압축기 입구압력(냉매온도)을 개별적으로 동시에 조절할 수 없으므로 에너지 소비가 큰 문제점이 있다.

문제점 2) 일반적으로 자동차는 설정 온도를 맞추기 위하여, 엔진 열 또는 별도의 히터를 사용하여 높은 온도의 공기를 만들고, 증발기에서 열교환 된 낮은 온도의 공기와 혼합하여 설정된 냉방온도를 달성한다. 따라서, 공기를 혼합하지 않을 때보다 에너지 낭비가 많은 문제점이 있다.

출원번호 KR 10-2016-7026740 (US 2016/0370044 A1) DE 102013003015 A1 US 7,010,927 B2

본 발명의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것이다. 즉, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있는 히트펌프를 제공하는 데 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 냉매를 사용하는 히트펌프는, 최소한 하나의 고압 냉매배관; 최소한 하나의 저압 냉매배관; 최소한 하나의 열교환기; 최소한 하나의 냉매저장수단;을 포함하고, 상기 냉매저장수단은 상기 열교환기와 병렬로 설치되는 것; 을 특징으로 한다.

이때, 상기 냉매 저장수단은, 상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 및 상기 내부공간으로 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 냉매 저장수단은, 상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 상기 내부공간의 일측과 타측을 분할하는 내벽; 및 상기 내부공간에서 상기 내벽을 왕복 운동시키는 운동수단을 포함하고, 일측 내부공간에는 타측보다 고밀도의 냉매가 저장되고, 타측 내부공간에는 일측보다 저밀도의 냉매가 저장되는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 운동수단은, 상기 내부공간의 일측으로 상기 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 운동수단은, 상기 내벽을 왕복운동 시키는 피스톤을 포함하는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 압축기의 입구압력은, 상기 팽창밸브에 의해 조절되며, 상기 압축기의 입구압력 및 출구압력이 개별적으로 조절되는 것; 이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 히트펌퍼 제어방법은, 압축기, 응축기 ( 이하, 일반화 하여서 "열교환기" 라고도 칭함 ), 팽창밸브 및 증발기 ( 이하, 일반화 하여서 "열교환기" 라고도 칭함 ) 가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 상기 냉매라인에 연결되어 냉매의 순환량을 조절하는 냉매 저장수단을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 있어서, 상기 응축기의 목표온도를 설정하는 단계; 상기 팽창밸브와 상기 증발기를 조절하여, 상기 압축기의 입구압력을 제어하는 단계; 및 상기 냉매 저장수단이 저장하는 상기 냉매의 양을 조절하여, 상기 압축기의 출구압력을 제어하는 단계를 포함하는는 것; 을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉매 저장수단은, 상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 및 상기 내부공간으로 냉매를 이송하는 펌프를 포함하고, 상기 냉매 저장수단은 열교환기와 병렬로 설치된 것; 을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉매 저장수단은, 상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 상기 내부공간의 일측과 타측을 분할하는 내벽; 및 상기 내부공간에서 상기 내벽을 왕복 운동시키는 운동수단을 포함하고, 일측 내부공간에는 타측보다 고밀도의 냉매가 저장되고, 타측 내부공간에는 일측보다 저밀도의 냉매가 저장되는 것; 을 특징으로 한다.

또한, 상기 운동수단은, 상기 내부공간의 일측으로 상기 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 것; 을 특징으로 한다.

또한, 상기 운동수단은, 또한, 상기 내벽을 왕복운동 시키는 피스톤을 포함하는 것; 을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축기의 입구압력은, 상기 팽창밸브에 의해 조절되며, 상기 압축기의 입구압력 및 출구압력이 개별적으로 조절되는 것; 을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 가변용량 냉매 저장수단을 구비한 히트펌프에 의하면, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있는 히트펌프 제공되는 효과가 있다.

도1 은 종래기술에 의한 히트펌프의 일 예이다.
도2 는 종래기술에 의한 p-h 선도의 일 예이다.
도3 은 본 발명에 의한 히트펌프의 일 예이다.
도4 는 본 발명에 의한 p-h 선도의 일 예이다.
도5 는 본 발명에 의한 또 다른 p-h 선도의 일 예이다.
도6 은 본 발명에 의한 히트펌프의 또 다른 일 예이다.
도7 은 본 발명에 의한 히트펌프의 또 다른 일 예이다.
도8 은 본 발명에 의한 히트펌프의 또 다른 일 예이다.
도9 는 본 발명에 의한 히트펌프의 또 다른 일 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석해서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.

이하 설명의 편의상, 특별한 언급이 없는 한 이상적인 히트펌프를 사용하여 설명한다.

본 발명의 핵심 개념은 히트펌프에서, 가변용량 냉매 저장수단을 구비하고, 순환되는 냉매의 양을 조절하여, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있게 하는 것이다.

이하, 도3 을 참고하여 본 발명에 따른 히트펌프(100)의 바람직한 일 실시예 (에어컨 냉방 모드) 를 설명한다.

도3a 및 도3b 에서 히트펌프 구성을 살펴보면, 기체상태의 냉매를 압축하는 압축기(C1); 고온고압의 기체 냉매를 열교환 시켜 액체로 만드는 응축기(HXO, 외부 열교환기); 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(EV); 팽창된 냉매를 열교환 시켜 기체로 만드는 증발기(HXI, 내부 열교환기); 및 고압의 냉매를 저장하는 가변용량 냉매 저장수단(RS)을 포함하여 구성된다. 도3 에서 가변용량 냉매 저장장치(RS)는 응축기(HXO) 출구와 팽창밸브(EX) 입구 사이에 배치되어 있다.

도3a 와 도3b 에서 압축기(C1)는 단위 시간당 동일한 량의 냉매를 압축하고, 팽창밸브(EV)의 개도는 같다고 가정하면, 상기 압축기(C1)의 출구압력은 상기 냉매 저장수단(RS)에 저장된 냉매량에 의하여 결정된다. 즉, 상기 가변용량 냉매 저장수단(RS)에, 도3a 와 같이 적은 양의 냉매를 저장하면 압축기(C1)의 출구압력은 높아지고, 도3b 와 같이 많은 양의 냉매를 저장하면 압축기(C1)의 출구압력은 낮아진다.

이상의 설명을 요약하면, 압축기(C1)의 출구압력은 고압의 냉매를 저장하는 가변용량 냉매 저장수단(RS)에 저장된 냉매량에 의하여 조절된다. 이때, 냉매 저장수단(RS)은 고압 라인, 즉 압축기(C1) 출구와 팽창밸브(EX) 입구 사이, 임의의 위치에 배치될 수 있음은 당연하다. 그리고, 상기 냉매 저장수단(RS)은 압축기 내부에 배치되거나, 열교환기인 응축기에 부착되어 한 몸체를 형성할 수 있음은 당연하다.

이하, 압축기(C1)의 입구압력은 조절하는 방법에 대하여 설명한다.

압축기(C1)의 입구압력은 팽창밸브(EX) 또는 압축기(C1)의 동작에 의하여 조절된다. 더욱 상세하게는, 팽창밸브(EX)의 개도를 줄이면 팽창밸브를 통과하는 냉매량이 줄기 때문에 압축기(C1)의 입구압력은 낮아진다. 반대도 개도를 늘리면 압축기(C1)의 입구압력은 높아진다.

그리고, 압축기(C1)가 단위 시간당 압축하는 냉매량이 많아지면, 압축기(C1)의 입구압력은 낮아지고, 반대로 단위 시간당 압축하는 냉매량이 적어지면 압축기(C1)의 입구압력은 높아진다.

이상, 히트펌프(100)에서, 가변용량 냉매 저장수단을 구비하고, 순환되는 냉매의 양을 조절하여, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절하는 방법에 대하여 상세히 설명하였다.

이하 도4 를 참조하여 본 발명의 일 실시예(에어컨 냉방 모드)를 설명한다.

냉동사이클 (1) - (2) - (3) -(4) 는 종래의 기술에 의한 p-h 선도이고, 냉동사이클 (1a)-(2)-(3)-(4a) 는 본 발명에 의한 p-h 선도이다.

종래의 히트펌프에서 팽창밸브의 개도를 늘리면, 압축기의 입구압력은 높아진다. 즉 냉동사이클 (4)-(1) 이 냉동사이클(4a)-(1a)로 된다. 도4 에서는, 증발기 온도가 0 ℃ 에서 10 ℃ 로 높아진다. 여기 까지는 종래의 기술과 같다.

종래기술에서는, 팽창밸브(EX)의 개도를 늘리면 압축기 출구압력이 낮아지기 때문에 냉동사이클 (2)-(3) 을 유지하지 못한다. (이하에서 더욱 상세히 설명하겠지만, 압축기 출구압력이 소정의 값보다 낮아지면, 응축기와 외기의 온도 차가 낮아져서 열교환 효율이 낮아지고, 액체로 압축된 냉매에서 기체 냉매가 포함될 수도 있으므로 히트펌프 의 성능계수가 낮아진다.)

반면에 본 발명에서는 가변용량 냉매 저장수단(RS)에 저장된 냉매량을 줄여서, 냉동사이클에서 순환되는 냉매량을 증가시킬 수 있다. 즉, 냉매가 순환하는 고압 라인의 냉매량을 증가시켜면 압축기(C1)의 출구압력이 높아지고, 이로써 냉동사이클 (2)-(3) 을 유지할 수 있다. 결론적으로, ( 고압 라인에 배치된 ) 가변용량 냉매 저장수단(RS)에 저장되는 냉매량을 변경하면, 압축기 출구압력을 조절할 수 있다.

이상, 압축기 입구압력과 압축기 출구압력을 개별적으로 동시에 조절하는 방법에 대하여 설명하였다. 도4 에서 냉동사이클 (2)-(3) 은 압축기(C1) 출구압력으로 결정되고, 냉동사이클 (4a)-(1a) 는 압축기(C1) 입구압력으로 결정된다.

냉매의 압력과 냉매의 포화증기 온도는 비례하기 때문에, p-h 선도에서 압축기(C1)의 출구압력은 응축기 온도를 대표한다. (실제 히트펌프의 응축기에서는 등온등압 상전이가 아니고, 감온감압 상전이를 하기 때문에 "대표"라고 표현함.) 따라서, 응축기 온도가 외기 온도보다 소정의 높은 값 (예, 15 ℃ ) 이 되도록 압축기(C1)의 출구압력을 조절한다면, 압축기에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.

도5 에서 본 발명에 의한 냉동사이클 (1b)-(2b)-(3b)-(4b) 는 외기 온도가 35 ℃ 일때, 냉방 설정 온도를 25 ℃, 그리고 열교환에 적합한 온도 차를 15 ℃ 로 설정하고, 과열도 및 과냉도가 적절히 제어된다고 가정한 경우의 p-h 선도이다.

종래의 냉동사이클 (1)-(2)-(3)-(4) 와 비교해 보면, 압축기가 수행한 일(열에너지)은 (1)-(2) 에서 (1b)-(2b)로 감소하였고, 증발기에서 교환한 열에너지는 (4)-(1) 에서 (4b)-(1b)로 증가하였다. 반면에, 응축기에서 교환한 열에너지는 (2)-(3) 에서 (2b)-(3b)로 증가하였다.

도5 에서 종래보다, 압축기에서 감소한 엔탈피와 응축기에서 증가한 엔탈피가 같다고 보면, 증발기에서 엔탈피가 증가하므로 본 발명에 따른 히트펌프의 성능계수는 개선된다(차량인 경우는 연비가 개선됨). 특히, 차량에서 히트펌프를 냉방 모드로 운전하는 경우는, 별도의 난방장치를 사용하지 않고도 냉방설정 온도를 달성할 수 있으므로 차량의 연비가 더욱 개선된다.

구제적인 수치를 사용하여서 설명하면, 도5 에서 냉매는 R134a 이고, 과열도 및 과냉도가 각각 5 ℃ 인 경우, 종래의 냉동사이클 (1)-(2)-(3)-(4) 는 성능계수가 2.25 이고, 본 발명에 의한 냉동사이클 (1b)-(2b)-(3b)-(4b) 는 성능계수가 3.97 이다. 따라서, 성능계수는 종래보다 76 % ( = 3.97 / 2.25 * 100) 개선된다.

이하 도6 를 참조하여 본 발명의 일 실시예(에어컨 냉방 모드)를 설명한다.

도6 을 참조하여, 히트펌프(200) 구성을 살펴보면, 기체상태의 냉매를 압축하는 압축기(C1); 냉매의 순환 방향을 변경하여 사방변(V4c); 고온고압의 기체 냉매를 열교환 시켜 액체로 만드는 응축기(HXO, 외부 열교환기); 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(EV); 팽창된 냉매를 열교환 시켜 기체로 만드는 증발기(HXI, 내부 열교환기); 및 고압 냉매가 흐르는 고압 라인에 설치된 가변용량 냉매 저장수단(RS1) 및 가변용량 냉매 저장수단(RS2)을 포함하여 구성된다.

가변용량 냉매 저장수단(RS1)은 냉매를 저장하는 공간(Ra) 내지 공간(Rb) 및 [ 상기 냉매를 저장하는 공간(Ra) 및 공간 (Rb)의 체적을 조절하는 ] 피스톤 (PR1)을 포함하여 구성된다. 도6 에서 상기 공간(Ra)은 상기 응축기(HXO)의 출구와 연결되어 고밀도인 액체상태의 냉매가 저장되고, 상기 공간(Rb)은 상기 응축기(HXO)의 입구와 연결되어 저밀도인 기체상태의 냉매가 저장된다. 다르게 표현하면, 가변용량 냉매 저장수단(RS1)는 열교환기(HXO)와 병열로 연결된다.

이상적인 히트펌프 응축기에서는 등온등압 상변환이 일어나므로, 냉매를 저장하는 공간 (Ra) 및 공간(Rb)의 압력이 같다. 상기 두 공간에 같은 냉매가 저장되지만, 한쪽은 고밀도인 액체이고 다른 한쪽은 저밀도인 기체이므로 피스톤(PR1)을 움직여서 상기 두 공간의 체적비를 변경하면 냉매 저장수단(RS1)에 저장되는 냉매량도 변경되므로 가변용량을 구현 할 수 있다. 그리고, 상기 두 공간(Ra)(Rb)의 체적비를 변경하면, 실제 냉매 이동경로의 체적은 변동이 없지만, 상기 체적내에 존재하는 냉매량이 달라지기 때문에, 압축기(C1)의 출구압력이 변동된다.

장점으로는, 상기 두 공간(Ra)(Rb)의 압력이 같으므로 매우 적은 에너지로 피스톤(PR1) 을 이동시켜서 냉매저장량을 변경시킬 수 있다. 이때, 피스톤은 고밀도인 액체 냉매가 저장된 공간(Ra)에 배치하는 것이 냉매 누설 방지 측면에서 바람직하다. 만약, 상기 냉매저장수단(RS1)이 고압 냉매배관과 저압 냉매배관에 걸쳐서 설치되면, 상기 피스톤(PR1)을 압축기(C1)이 생성한 압력를 거슬러서 이동시킬 때도 있으므로 이는 비효율 적이다.

도6 에서, 압축기(C1) 출구에 배치된 가변용량 냉매 저장수단(RS2)은 냉매를 저장하는 공간(Rc) 및 상기 공간 (Rc)의 체적을 조절하는 피스톤 (PR2)를 포함하여 구성된다. 상기 냉매 저장수단(RS2)에는 기체상태의 냉매가 저장되고, 피스톤(PR2)을 이동시켜 냉매 저장량을 변경시킬 수 있다. 이때, 공간(Rc)과 외기 사이에는 고압이 존재하기 때문에, 저장되는 냉매량을 줄이는 데는 상기 냉매 저장수단(RS1) 보다 상대적으로 많은 에너지가 소비된다. 한편, 상기 가변용량 냉매 저장수단(RS2)을 상기 압축기(C1) 내부에 배치하여 일체형 제품으로 만들 수 있음은 당연하다.

본 실시예에서는 ( 2 개의 냉매 저장 공간을 가지는 ) 가변용량 냉매 저장수단(RS1)이 응축기(HXO)의 입구와 출구에 연결되어 한쪽 저장 공간(Ra)에는 액체 냉매가 저장되고, 다른 저장 공간(Rb)에는 기체 냉매가 저장되었다. 한편, 한쪽 저장 공간(Ra)에는 상대적으로 습도가 높은 기체 냉매가 저장되고, 다른 저장 공간(Rb)에는 상대적으로 습도가 낮은 기체 냉매가 저장되어도 가변용량으로 냉매를 저장할 수 있음은 당연하다. 이때에도, 상기 두 공간(Ra)(Rb)의 체적비를 변경하면, 실제 냉매 이동경로의 체적은 변동이 없지만, 상기 체적내에 존재하는 냉매량이 달라지기 때문에, 압축기(C1) 출구압력이 변동된다. 한편 상기 가변용량 냉매 저장수단을 응축기와 일체형으로 제작할 수 있음은 당연하다.

도6 에서, 가변용량 냉매 저장수단(RS1) 내지 (RS2)는 고압으로 압축된 냉매가 흐르는 고압 라인에 배치되었다. 한편, 팽창밸브를 통과한 저압 냉매가 흐르는 저압 라인에 본 발명에 따른 가변용량 냉매 저장수단이 배치되어도, 본 발명이 추구하는 압축기의 출구압력과 입구압력을 개별적으로 동시에 제어할 수 있음은 당연하다.

도7 은 히트펌프(300)은 냉매저장량을 피스톤이 아닌 냉매 이송펌프로 조절하는 일예이다. 여기서, 가변용량 냉매 저장수단(RS3)는 열교환기(HXO)와 병열로 연결되어 있다. 가변용량 냉매 저장수단(RS3)은 냉매를 저장하는 2 개의 공간, 즉 공간(Ra) 내지 공간(Rb), 냉매 이송펌프(P1) 및 냉매 유로 변경 수단인 사방변(V4p)을 포함하여 구성된다. 일측 냉매저장공간 체적이 증가하면, 타측 냉매저장공간 체적은 감소하는 것이 특징이다.

도7 과 같이 사방변(V4p)이 설정 [ 즉 냉매 이송펌프(P1)의 출구가 냉매 저장 공간(Ra) 에 연결되고, 냉매 이송펌프(P1)의 입구가 응축기(HXO) 출구와 연결 ] 되고, 냉매 이송펌프(P1)가 냉매를 이송하면 냉매 저장 공간(Ra)에 냉매 저장량이 늘어나고, 압축기(C1)의 출구압력은 낮아진다.

반면에, 도7 에서 사방변(V4p)이 90도 회전하여 설정 [ 즉 냉매 이송펌프(P1)의 출구가 응축기(HXO) 출구와 연결되고, 냉매 이송펌프(P1)의 입구가 냉매 저장 공간(Ra) 에 연결 ] 되고, 냉매 이송펌프(P1)가 냉매를 이송하면 냉매 저장 공간(Ra)에 냉매 저장량이 줄어들고, 압축기(C1)의 출구압력은 높아진다.

이하 도8 을 참조하여 본 발명의 일 실시예(에어컨 냉방 모드)를 설명한다.

도8 은 도7 의 냉매 저장수단을 더욱 개량한 것이다. 먼저, 히트펌프(400) 구성을 살펴보면, 기체상태의 냉매를 압축하여 고온고압의 기체로 만드는 압축기(C1); 상기 고온고압의 기체냉매를 열교환 시켜 액체로 만드는 응축기(HXO, 외부 열교환기); 상기 액체냉매를 팽창시키는 팽창밸브(EV); 상기 팽창된 냉매를 열교환 시켜 기체로 만드는 증발기(HXI, 내부 열교환기); 및 고압의 냉매를 저장하는 냉매 저장수단(RS4) 과 상기 냉매 저장수단(RS4)으로 냉매를 유입 또는 유출 시키는 냉매 이송펌프(P2), 상기 냉매 저장수단(RS4)에 저장된 냉매의 유출을 차단하는 차단밸브(V1) 및 차단밸브(V2)을 포함하여 구성된다. 여기서, 가변용량 냉매 저장수단(RS4)는 열교환기(HXO)와 병열로 연결된다.

히트펌프(400)은 압축기(C1) 출구와 팽창밸브(EV) 입구 사이에 고압 냉매배관을 가지고 있다. 그리고 팽창밸브(EV) 출구와 압축기(C1) 입구 사이에는 저압 냉매배관을 가지고 있다.

상기 냉매 저장수단(RS4)의 일측 출입구 ( 이하, "저밀도 냉매 출입구" 라고도 칭함 ) 는 저밀도인 가스상태의 냉매가 출입 되도록 응축기(HXO) 입구 쪽으로 연결되고, 상기 냉매 저장수단(RS4)의 타측 출입구 ( 이하, "고밀도 냉매 출입구" 라고도 칭함 ) 는 고밀도인 액체상태의 냉매가 출입 되도록 응축기(HXO) 출구 쪽으로 연결되고, 상기 냉매 이송펌프(P2) 및 차단밸브(V1)은 상기 응축기(HXO)의 출구와 상기 고밀도 냉매 출입구 사이에 설치되어 있다. 그리고 차단밸브(V2)은 상기 응축기 (HXO)의 입구와 상기 저밀도 냉매 출입구 사이에 설치되어 있다. [ 본 명세서에서, 별도의 부가적인 설명이 없는 한 차단밸브(V2) 는 항상 완전히 열려 있음. ]

여기서 냉매 이송펌프(P2) 는 정/역회전이 가능하고, 회전방향에 의해 냉매 이송방향이 결정되는 펌프인 것이 바람직하다. 그리고 차단밸브(V1)이 완전히 개방되어 있을 때, 냉매 저장수단(RS4)에는 소정 최소값 이상의 액체냉매가 저장되도록 하여서, 냉매 이송펌프(P2) 내부에는 항상 액체냉매가 존재하도록 하는 것이 바람직하다. 이것은 압축기(C1)의 출구에서 저밀도 냉매 출입구로 들어오려는 기체의 압력과, 응축기(HXO) 출구에서 고밀도 냉매 출입구로 들어오려는 액체의 압력을 조정하는 것으로 달성될 수 있다.

더욱 상세하게는, 도8 에서 냉매 저장수단(RS4)의 수직 높이를 더 낮추면, 고밀도 냉매 출입구의 압력은 더 높아지고, 상기 냉매 저장수단(RS4)에는 액체 냉매가 더 많이 저장될 것이다. 반대로, 냉매 저장수단(RS4)의 수직 높이를 더 높이면, 고밀도 냉매 출입구의 압력은 더 낮아지고, 액체 냉매가 더 적게 상기 냉매 저장수단(RS4)에 저장될 것이다.

그리고, 냉매가 배관을 통과할 때 압력강하 ( 이하, "배관저항" 이라고 칭함 ) 가 발생한다. 이에, 상기 고압 냉매배관(phgas)의 배관저항을 응축기(HXO)의 배관저항과 비슷하게 또는 더 높게 설정하고, 상기 냉매 저장수단(RS4)의 수직 높이를 적절히 조절하면 차단밸브(V1)이 완전히 개방되어 있을 때, 상기 냉매저장수단(RS4)에는 소정 최소값 이상의 액체냉매가 저장될 수 있고, 냉매 이송펌프(P2) 내부에는 액체냉매가 존재하게 된다.

냉매 이송펌프(P2)가 냉매 저장수단(RS4)으로 냉매를 유입하게 동작하면, 상기 냉매 저장수단(RS4)에는 액체상태의 냉매가 더 많이 저장된다. 반대로, 냉매 이송펌프(P2)가 냉매 저장수단(RS4)에서 냉매를 유출하게 동작하면, 상기 냉매 저장수단(RS4)에는 액체상태의 냉매가 더 적게 저장된다. 고압 냉매배관에 동일한 개수의 냉매입자가 있지만, 액체상태의 냉매입자가 많으면 액채상태의 냉매입자가 적을 때 보다 고압 냉매배관의 압력이 상대적으로 낮음은 당연하다. 이를 이용하여, 냉매저장수단(RS4) 및 냉매 이송펌프(P2)로 압축기(C1)의 출구압력 및 응축기(HXO)의 대표온도를 조절하는 히트펌프(400)이 개시된다.

냉매 저장장치(RS4)에 저장되는 액체냉매의 저장량은 조금씩 변하는 것이 바람직하다. 그것은, 액체냉매의 저장량이 변하면, 압축기 출구에서 냉매의 압력과 온도가 변하고, 응축기 온도도 같이 변하고, 이에는 시간이 필요하기 때문이다.

장시간 동일량의 냉매를 냉매 저장수단(RS4)에 저장해야 하는 경우에는, 차단밸브(V1) 그리고/또는 차단밸브(V2)을 모두 완전히 닫고, 냉매 이송펌프(P2)의 동작을 정지하는 것이 바람직하다.

히트펌프(400)이 동작을 종료하면, 압축기(C1)이 작동을 멈추고, 상기 압축기 내부의 미세한 틈으로 고압 냉매배관과 저압 냉매배관이 연결되고, 최종적으로 두 라인의 압력이 같게된다. 이것은 압축기(C1)이 한 일을 그냥 버리는 것이다. 압축기(C1)이 작동을 멈추기 이전에, 냉매 이송펌프(P2)를 작동시켜 냉매저장수단(RS4)에 액체냉매를 더 채우고, 차단밸브(V1)(V2)를 완전히 잠그면, 상기 저장된 냉매의 열 에너지는 히트펌프(400)이 다시 동작을 개시하면 바로 사용할 수 있다. 따라서, 종래보다 고효율 히트펌프(400)이 개시된다. 또한, [ 압축기(C1)을 단시간 작동을 멈추었다가 작동시키는 경우 ] 압축기 입구측과 출구측의 냉매 압력차에 의한 압축기 손상을 방지하는 효과도 있다. 또한, 초기 구동할때 압축기(C1)에 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 효과도 있다.

냉매 이송펌프(P2)의 동작은 특정 상황의 요구에 의하여 결정된다. 본 명세서에서는 외기온도와 응축기의 온도 차가 큰 경우에 그 차를 적정수준으로 설정하는 요구에 의하여 냉매 저장수단에 저장되는 냉매량을 조절하였다. 다른 요구의 예로는, 압축기가 고정용량인 경우, 압축기에 공급되는 전원 전압이 낮으면 압축기 출구압력이 필요한 만큼 나오지 않을 수도 있다. 이때, 냉매 저장수단에 저장된 액체냉매량을 줄이면 압축기 출구압력이 올라가게 할 수 있다.

그리고 또 다른 요구의 예로는, 히트펌프 (400) 내부의 특정 지점에서 압력센서 및 온도센서로 측정된 값을 사용하여 냉매 정보를 파악하고, 상기 파악된 정보에 의하여 냉매 이송펌프(P2)을 동작시키는 것이다. 예를 든다면, 히트펌프의 고압 냉매배관 ( 예, 과냉도 제어목적 ), 저압 냉매배관 (예, 모세관 팽창밸브에서 과열도 제어목적 ) 또는 중간라인 ( 예, 2개의 압축기를 사용하는 경우와 같이 중간 압력라인이 존재하는 경우) 에 온도센서 와 압력센서를 설치하고, 상기 센서들로 파악한 냉매 정보로 냉매 저장수단에 저장된 냉매량을 조절하는 것이다. 당업자는 적정 냉매저장량을 결정하는것에 다수의 온도센서 와 압력센서를 사용할 수 있고, 그 설치 지점은 그들의 특정 요구에 의하여 결정할 수 있음은 당연하다.

앞서 설명한 고압 냉매배관(phgas)의 "배관저항"은 밸브(V2)의 개도로 조절할 수 있음은 당연하다. 그리고, 히트펌프(400)에서는 냉매 저장수단(RS4)가 고압 냉매배관에 설치된 응축기(HXO)와 연계하여 동작하였다. 상기 냉매 저장수단(RS4)가 저압 냉매배관에 설치되고, 증발기(HXI)와 연계하여 동작하여도 본 발명의 사상을 벗어나지 않음은 당연하다.

도9의 히트펌프(500)은 도8의 히트펌프(400)에서 냉매 이송펌프의 위치를 바꾸고, 차단밸브(V2)를 제거한 것이다. 더욱 상세하게는, 히트펌프(500)에서, 냉매 이송펌프(P3)는 응축기(HXO, 실외열교환기)와 팽창밸브(EV) 사이에 배치된다. 냉매 저장수단(RS5)의 일측 출입구 ( 이하, "저밀도 냉매 출입구" 라고도 칭함 ) 는 저밀도인 기체상태의 냉매가 출입 되도록 응축기(HXO) 입구 쪽으로 연결되고, 상기 냉매 저장수단(RS5)의 타측 출입구( 이하, "고밀도 냉매 출입구" 라고도 칭함 ) 는 고밀도인 액체상태의 냉매가 출입 되도록 냉매 이송펌프(P3) 출구 쪽으로 연결되고, 차단밸브(V1)은 상기 냉매 이송펌프(P3)의 출구와 상기 고밀도 냉매 출입구 사이에 설치된다. 다르게 표현하면, 가변용량 냉매 저장수단(RS5)는 열교환기(HXO)와 병열로 연결된다.

히프 펌프(500)에서 저밀도 냉매 출입구 쪽 냉매 배관(phgas)의 굵기는 응축기(HXO) 내부배관보다 더 굵고 길이가 짧아서, 저밀도 냉매 출입구 쪽 배관저항이 응축기(HXO, 외부열교환기) 내부의 배관저항보다 낮은 것이 바람직하다.

그리고, 냉매 이송펌프(P3)가 동작하지 않아도 상기 냉매 이송펌프(P3)를 통과하여 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 냉매 이송펌프(P3) 임펠러의 크기는 냉매관로의 내경보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉매 이송펌프(P3)는 한 방향으로만 냉매를 이송하는 펌프인 것이 바람직하다.

이하 히트펌프(500)의 바람직한 동작방법에 대하여 설명한다.

먼저 압축기(C1)이 동작을 개시하면, 냉매 이송펌프(P3)는 정지상태이고, 차단밸브(V1)은 완전 개방상태 ( 이하, "저장냉매량 감소조건" ) 인 것이 바람직하다. 그러면, 상기 냉매저장수단의 저밀도 냉매 출입구 쪽 배관저항이 고밀도 냉매 출입구 쪽 배관저항보다 낮으므로, 상기 압축기(C1)의 출구 압력에 의하여, 상기 냉매저장수단(RS5)에는 기체상태의 냉매는 증가하고 액체상태의 냉매는 감소한다. 그리고 소정의 시간 후 차단밸브(V1)을 완전히 닫는다. 이때, 상기 냉매저장수단(RS5)에는 기체냉매만 있는 것이 바람직하다. ( 냉매 저장수단 초기화 완료 )

히트펌프(500)가 동작하는 상태에서, 압축기(C1)의 출구압력 및 응축기 대표온도를 낮추어야 할 필요가 있을 때는, 냉매 이송펌프(P3)를 작동시키고, 차단밸브(V1)을 개방 ( 이하, "저장냉매량 증가조건" ) 한다. 그러면, 상기 냉매 이송펌프(P3)에 의하여 액체냉매가 강제로 냉매저장수단(RS5)로 이송되어, 상기 냉매저장수단(RS5)에는 액체상태의 냉매는 증가하고, 기체상태의 냉매는 감소한다.

그리고, 냉매저장수단(RS5)에 저장냉매량을 조절할 필요가 없을 때는 차단밸브(V1)을 완전히 닫고, 냉매이송펌프(P3)는 정지(이하, "저장냉매량 조절금지 조건") 하는 것이 바람직하다.

도9의 히트펌프(500)에서 차단밸브를 하나 더 추가하여, 히트펌프가 작동을 멈출 때 냉매저장수단(RS5)에 고압의 냉매를 보관하고, 히트펌프(500)이 동작을 개시하면 상기 저장된 냉매를 사용하도록 하면 고효율 히트펌프가 개시된다. 또한, [ 압축기(C1)을 단시간 작동을 멈추었다가 작동시키는 경우 ] 압축기 입구측과 출구측의 냉매 압력차에 의한 압축기 손상을 방지하는 효과가 있다. 또한, 초기 구동할때 압축기(C1)에 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 효과도 있다.

히트펌프(500)에서는 냉매 저장수단(RS5)가 고압 냉매배관에 설치된 응축기(HXO)와 연계하여 동작하였다. 하지만 상기 냉매 저장수단(RS5)가 저압 냉매배관에 설치되고, 증발기(HXI)와 연계하여 동작하여도 본 발명의 사상을 벗어나지 않음은 당연하다.

본 실시예는 ( 냉매를 사용하는 ) 히트펌프를 냉방(냉동 포함) 모드로 작동시키는 방법의 일 실시예이다.

이하 도6 을 참조하여 설명한다. 도6 에 도시된 히트펌프의 구성은 실시예 3에서 상세히 설명하였으므로 생략한다.

본 발명에 따른 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 냉매라인에 연결되어 냉매의 순환량을 조절하는 냉매 저장수단을 포함한다.

상기의 히트펌프에 대한 제어방법은, 증발기의 목표온도를 설정하는 단계, 팽창밸브와 증발기를 조절하여, 압축기의 입구압력을 제어하는 단계, 응축기의 목표온도를 설정하는 단계 및 냉매 저장수단이 저장하는 냉매의 양을 조절하여, 압축기의 출구압력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 여기에, 증발기의 과열도를 제어하는 단계 및/또는 응축기의 과냉도를 제어하는 단계가 추가로 포함될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 히트펌프의 제어방법을 예시적으로 설명한다

1) 증발기 목표온도는 공식(1) 또는 공식(2)로 구하는 것이 바람직하다.

증발기 목표온도 = 내기온도 - Td ----- (수식1)

증발기 목표온도 = 냉방(냉동)설정온도 - Td ----- (수식2)

여기서, Td 는 0 보다 큰 소정의 상수임 ( 예, 15.0 )

상기 (수식1)로 구한 증발기 목표온도는 내기온도에 따라서 가변되고, 상기 (수식2)로 구한 증발기 목표온도는 고정된 값을 가진다.

압축기 입구압력 목표값은, 상기 목표온도를 사용하여 냉매 압력-온도 차트에서 찾는다. 그리고, 현재 냉방부하 크기는 온도차(=내기온도 - 증발기 목표온도) 와 냉방공간의 크기를 사용하여 구하는 것이 바람직하다.

이 때, 내기온도는 냉방 하고자 하는 공간의 온도로서, 히트펌프가 건물에 설치되는 경우에는 실내온도를 의미하고, 히트펌프가 차량에 설치되는 경우에는 차량 내부온도를 의미할 수 있다.

2) 압축기(C1) 입구압력은 팽창밸브(EV)와 압축기(C1)를 조절하여 제어한다.

이하에서 구체적 수치를 사용하여 이해하기 쉽게 설명하기 위하여, (가정1) 증발기(HXI) 목표온도는 16 ℃ 이고, (가정2) 증발기(HXI) 내부 [ 보다 엄밀하게는 팽장밸브(EV) 출구에서 압축기(C1) 입구 사이 ] 에 냉매입자( "질량" 또는 "분자" 등으로 설명할 수 있으나, 설명의 편의상 "입자"라고 표기함 ) 가 400 개 존재하면, 증발기(HXI) 내부 압력 [ 즉, 압축기(C1) 입구압력 ] 은 4 기압 이고, (가정3) 사용하는 냉매의 압력-온도 차트에서 4 기압에 대응하는 온도는 16 ℃ 라고 가정한다.

여기서, 상기 압축기(C1) 입구압력을 4 기압이 되도록 하는 팽창밸브(EV) 및 압축기(C1)의 구동조건은 많이 존재한다. 현재 증발기(HXI) 내부에 냉매입자가 400 개 존재하는 상태에서, [ 팽창밸브(EV)를 통하여 ] 증발기(HXI)로 유입되는 냉매량과 [ 압축기(C1)를 통하여 ] 증발기(HXI)에서 유출되는 냉매량이 같아지도록 한다면, 증발기(HXI) 내부 압력은 항상 4 기압이 된다. 즉 증발기(HXI) 온도는 항상 16 ℃ 가 된다.

그러므로 상기 (가정1) 내지 (가정3)에 따르면, 증발기(HXI) 내부에 400 개의 냉매입자가 존재하게 하면서, 냉방부하가 크면 단위 시간당 증발기를 통과하는 냉매량을 많게 하고, 냉방부하가 작으면 단위 시간당 증발기를 통과하는 냉매량을 적게 하는 방법으로 히트펌프를 구동하는 것이 바람직하다. 이것은 특히, 히트펌프의 냉방풍량이 자동조정 모드인 경우 바람직하다.

전기자동차와는 달리 엔진자동차는 보통 압축기가 자동차 엔진으로 구동된다. 그리고 차량 운행중에 엔진 회전속도(RPM)는 수시로 변하기 때문에, 압축기의 압축속도도 같이 수시로 변한다. 본 발명에 따르면 단위시간당 압축기를 통과하는 냉매량이 일정한 것이 바람직하므로, 엔진 회전속도가 높아지면 일회 압축 냉매량은 작아지고, 엔진 회전속도가 낮아지면 일회 압축 냉매량은 많아지는 것이 바람직하다.

3) 과열도는 수식(3)으로 구하는 것이 특히 바람직하다.

과열도 = 실측온도 - 이론온도 ----- (수식3)

여기서, 실측온도는 증발기(HXI) 출구에서 측정된 냉매온도이다. 그리고, 이론온도는 사용 냉매의 압력-온도 차트에서 구한 것이다. 이때, 압력은 실측온도 측정부위에서 획득된 것을 사용한다.

3-1) 냉방풍량이 자동조정 모드인 경우: 단위 시간당 증발기(HXI)를 통과하는 냉매량은 냉동부하에 의하여 결정 [ 스텝2) 참조 ] 하고, 과열도는 증발기 팬(FNI)의 속도로 결정하는 것이 바람직하다.

더욱 상세하게 설명하면, 과열도가 높으면 내기에서 증발기(HXI)로 공급되는 열을 줄여서 [ 즉, 증발기 팬(FXI) 속도를 낮추어서 ] 과열도를 낮추고, 과열도가 낮으면 내기에서 증발기(HXI)로 공급되는 열을 증가시켜 [ 즉, 증발기 팬(FXI) 속도를 높여서 ] 과열도를 높이는 것이다. 본 방법을 실물로 구현하는데 있어서, 과열도가 목표로 하는 과열도와 차가 작고, 각 부속품의 한계로 인하여 팽창밸브(EV) 개도 또는 압축기(C1) 조절로 증발기 팬(FXI) 보다 더욱 미세하게 또는 쉽게 과열도를 조절할 수 있다면, 과열도는 팽창밸브 또는 압축기로 제어하는 것이 바람직하다. 이때 압축기(C1) 입구압력은 목표압력과 대략 같을 것이다.

3-2) 냉방풍량이 수동조정 모드인 경우: 풍량 즉 증발기 팬(FXI) 속도는 이미 수동으로 설정되어 있다. 그르므로, 과열도는 순환 냉매량으로 제어하는 것이 바람직하다.

더욱 상세하게 설명하면, 이는 단위 시간당 증발기(HXI)를 통과하는 냉매량이 적절한 수준보다 낮으면 냉기가 적게 공급되어서 과열도는 증가하고, 적절한 수준보다 높으면 냉기가 많이 공급되어서 과열도는 감소한다. 따라서 단위 시간당 증발기(HXI)를 통과하는 냉매량 조절로 과열도를 제어하는 것이 바람직하다.

여기서, 단위 시간당 증발기(HXI)를 통과하는 냉매량은 팽창밸브(EV)와 압축기(C1)로 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 증발기(HXI) 내부에 존재하는 냉매입자 수에 의하여 증발기(HXI) 온도 및 압축기(C1) 입구압력이 결정됨은 당연하다. 그리고, 압축기(C1) 입구압력 변동없이 과열도 제어가 이루어짐은 당연하다.

본 방법을 실물로 구현하는데 있어서, 과열도가 목표로 하는 과열도와 차가 작고, 각 부속품의 한계로 인하여 증발기 팬(FXI)이 팽창밸브(EV) 개도 또는 압축기(C1) 보다 더욱 미세하게 또는 쉽게 과열도를 조절할 수 있다면, 과열도는 증발기 팬(FXI)으로 제어하는 것이 바람직하다. 이때 압축기(C1) 입구압력은 목표압력과 대략 같을 것이다.

4) 압축기(C1) 출구압력은 가변용량 냉매저장수단으로 조절한다. 앞선 실시예들에서 출구압력 조절하는 방법에 대하여 상세히 설명하였으므로, 출구압력 조절방법에 대한 설명은 생략한다.

기본적으로, 응축기(HXO)의 온도는 외기로 열 방출이 쉽도록, 외기온도보다 소정의 값만큼 높은 것이 바람직하다. ( 응축기 목표온도 설정 - 케이스 1 ) 그리고 과냉도는 응축기 팬(FNO)의 속도로 조정하는 것이 바람직하다.

[ 스텝 2) 및 스텝 3) 에 의하여 ] 단위 시간당 히트펌프를 순환하는 냉매량이 결정되므로, 압축기(C1) 출구압력을 선정하면 응축기(HXO)에서 방열하여야 할 열량을 계산할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 단위 시간당 순환 냉매량과 압축기(C1) 출구압력을 사용하여, 사용냉매의 압력-온도 차트에서 구한 온도로부터 냉매를 기체에서 액체로 상전이 시키기 위한 방열부하량을 구할 수 있다.

전술된 본 발명의 실시예들에 의하면, 압축기(C1) 출구압력은 입구압력 변동 없이 조절이 가능하다. 그리고, 압축기(C1) 입구압력 및 출구압력, 상기 계산된 방열부하량, [ 상기 방열부하량을 열교환 하기 위한 ] 응축기 팬(FNO) 풍량 [ 자동차의 경우, 차량속도를 고려한 응축기 팬(FNO) 풍량 ] 으로부터, 상기 방열부하량을 처리하는 데 소비되는 에너지가 계산할 수 있다. 따라서, 압축기(C1) 출구압력을 다양하게 적용하여 소비되는 에너지를 계산하고, 그 중에 가장 에너지 소비가 작은 압축기(C1) 출구압력 [ 즉, 응축기(HXO) 온도 ] 을 선정하는 것이 바람직하다. ( 응축기 목표온도 설정 -케이스 2 )

5) 과냉도는 (수식4)로 구하는 것이 특히 바람직하다.

과냉도 = 실측온도 - 이론온도 ----- (수식4)

여기서, 실측온도는 응축기(HXO) 출구에서 측정된 냉매온도이다. 그리고, 이론온도는 사용하는 냉매의 압력-온도 차트에서 구한 것이다. 이때, 압력은 실측온도 측정부위에서 획득된 것을 사용한다.

히트펌프 성능계수를 높이기 위하여 과냉도는 적절한 값으로 제어되는 것이 바람직하다. 외기 습도, 자연 바람의 풍속 등의 원인으로 과냉도가 변동할 수 있다. 이때 과냉도는 응축기 팬(FNO)의 속도로 조절되는 바람직하다. 즉, 압축기(C1) 출구압력 변동없이 과열도 제어가 가능하다. 그리고, 응축기 팬(FNO)의 속도가 한계값 근처에 있을 경우는, 상기 과냉도를 압축기(C1) 출구압력으로 조절할 수 있음은 당연하다.

이상의 설명한 히트펌프 제어절차는 다수의 경우를 포함하는 절차이기 때문에, 실제 히트펌프 구현에서는 선택적으로 몇몇 스텝을 선택할 수 있다. 그리고, 앞서 설명한 제어 절차는 고정된 순서가 아니고, 다른 순서로 구현하여도 구동 가능함은 당연하다.

이상 본 발명의 히트펌프 구동 방법에 대한 일 실시예를 상세히 설명하였다.

본 발명에서는, 히트펌프를 냉방 모드로 운전하는 경우에 대하여 상세히 설명하였으나, 난방 모드에서도 본 발명의 개념을 응용하여 사용할 수 있음은 당연하다. 즉, 압축기 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 각각 조절하여서, 열교환기인 응축기 및 기화기의 온도를 열교환에 사용되는 공기(수조인 경우는 "액체", 넓은 개념의 용어로는 "매질") 보다 소정의 값만큼 높게 또는 낮게 설정하는 것이 가능하다. 이로써, 열교환 매질과 최적 온도차로 열교환이 가능하므로 에너지 절약형 히트펌프가 개시된다.

본 발명의 실시예에서는 각각 하나의 압축기, 실외 열교환기, 실내 열교환기 및 팽창밸브로 설명하였으나 복수개로 본 발명이 구현될 수 있음은 당업자에게는 당연하다.

이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 살펴보았으나 이는 예시에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형된 실시예가 가능함을 이해하여야 할 것이다. 그러므로, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

이상과 같은 본 발명에 따른 가변용량 냉매 저장수단을 구비한 히트펌프에 의하면, 압축기의 입구압력 및 출구압력을 개별적으로 동시에 조절할 수 있어서, 열교환 매질과 최적 온도차로 열교환이 가능하므로 에너지 절약형 히트펌프가 제공되는 효과가 있으므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

특히 전기 자동차를 포함하는 자동차 산업에서, 외기 온도가 낮은데도 냉방부하가 높은 경우(예, 고속으로 이동하기 때문에, 창문은 닫고 있는 상태) 가 많으므로, 본 발명을 적용하면, 차량의 연비가 개선되고, 에너지 소비가 감소하므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

HXO 외부 열교환기
HXI 내부 열교환기
EV, EV1, EV2 팽창밸브
C, C1 압축기
RS, RS1, RS2, RS3 ,RS4, RS5 냉매 저장수단
PR1, PR2 피스톤
Ra, Rb, Rc 냉매 저장 방
V4c, V4c 사방변
P1, P2, P3 냉매 이송펌프
FNI, FNO 열교환기 팬
V1, V2 차단밸브
100, 200, 300, 400, 500 히트펌프

Claims (12)

1. 히트펌프에 있어서,
   최소한 하나의 고압 냉매배관;
   최소한 하나의 저압 냉매배관;
   최소한 하나의 열교환기;
   최소한 하나의 냉매저장수단;을 포함하고,
   상기 냉매저장수단은 상기 열교환기와 병렬로 설치되는 히트펌프.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉매 저장수단은,
   상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 및
   상기 내부공간으로 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 히트펌프.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉매 저장수단은,
   상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더;
   상기 내부공간의 일측과 타측을 분할하는 내벽; 및
   상기 내부공간에서 상기 내벽을 왕복 운동시키는 운동수단을 포함하고,
   일측 내부공간에는 타측보다 고밀도의 냉매가 저장되고, 타측 내부공간에는 일측보다 저밀도의 냉매가 저장되는 히트펌프.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 운동수단은,
   상기 내부공간의 일측으로 상기 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 히트펌프.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 운동수단은,
   상기 내벽을 왕복운동 시키는 피스톤을 포함하는 히트펌프.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 압축기의 입구압력은,
   상기 팽창밸브에 의해 조절되며,
   상기 압축기의 입구압력 및 출구압력이 개별적으로 조절되는 히트펌프.
7. 압축기, 응축기 ( 이하, 일반화 하여서 "열교환기" 라고도 칭함 ), 팽창밸브 및 증발기 ( 이하, 일반화 하여서 "열교환기" 라고도 칭함 ) 가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 상기 냉매라인에 연결되어 냉매의 순환량을 조절하는 냉매 저장수단을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 있어서,
   상기 응축기의 목표온도를 설정하는 단계;
   상기 팽창밸브와 상기 증발기를 조절하여, 상기 압축기의 입구압력을 제어하는 단계; 및
   상기 냉매 저장수단이 저장하는 상기 냉매의 양을 조절하여, 상기 압축기의 출구압력을 제어하는 단계를 포함하는 히트펌프 제어방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 냉매 저장수단은,
   상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더; 및
   상기 내부공간으로 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 것; 을 특징으로하는 히트펌프 제어방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 냉매 저장수단은,
   상기 냉매를 저장하는 내부공간이 형성된 실린더;
   상기 내부공간의 일측과 타측을 분할하는 내벽; 및
   상기 내부공간에서 상기 내벽을 왕복 운동시키는 운동수단을 포함하고,
   일측 내부공간에는 타측보다 고밀도의 냉매가 저장되고, 타측 내부공간에는 일측보다 저밀도의 냉매가 저장되는 것; 을 특징으로하는 히트펌프 제어방법.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 운동수단은,
    상기 내부공간의 일측으로 상기 냉매를 이송하는 펌프를 포함하는 것; 을 특징으로하는 히트펌프 제어방법.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 운동수단은,
    상기 내벽을 왕복운동 시키는 피스톤을 포함하는 것; 을 특징으로하는 히트펌프 제어방법.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 압축기의 입구압력은, 상기 팽창밸브에 의해 조절되며,
    상기 압축기의 입구압력 및 출구압력이 개별적으로 조절되는 것; 을 특징으로하는 히트펌프 제어방법.
    

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