KR20190105219A - 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 실외 공간에 배치되는 실외 유닛과, 냉기 및 온기를 공급받는 복수의 열부하 유닛들과, 실외 유닛과 복수의 열부하 유닛들 사이에 배치되며 중간 유닛을 포함하며, 중간 유닛은 냉매관을 통해 실외 유닛과 연결되고 복수의 열부하 유닛들과 열매체관을 통해 연결된다.

Description

히트 펌프 시스템
본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열부하 유닛으로 냉각에 사용되는 냉각 유닛과 가열에 사용되는 히팅 유닛을 모두 포함한 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프 시스템은 냉매를 통해 냉기 및 온기를 발생시키기 위한 것으로, 압축기, 응축기, 증발기 및 팽창장치 등의 구성을 포함한다.
히트 펌프 시스템은 실외 공간에 배치되는 실외 유닛과, 냉각을 위해 사용되는 냉각 유닛과 가열을 위해 사용되는 가열 유닛과, 냉매가 냉각 유닛과 가열 유닛에 분산 공급되도록 하는 중간 유닛을 포함한다. 따라서 냉매를 통해 냉각 유닛에는 냉기가 공급되고 가열 유닛에는 온기가 공급된다.
본 발명의 일 측면은 보다 간단한 구성으로 냉기 및 온기 중 어느 하나, 또는 냉기 및 온기를 모두 공급할 수 있는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템은 실외 공간에 배치되는 실외 유닛과, 냉기 및 온기를 공급받는 복수의 열부하 유닛들과, 상기 실외 유닛과 상기 복수의 열부하 유닛들 사이에 배치되는 중간 유닛을 포함하며, 상기 중간 유닛은 냉매가 통과하는 냉매관을 통해 상기 실외 유닛과 연결되고, 열매체가 통과하는 열매체관을 통해 상기 복수의 열부하 유닛들과 연결된다.
또한, 상기 복수의 열부하 유닛들은 냉기를 전달받아 사용하는 쿨링 유닛과, 온기를 전달받아 사용하는 히팅 유닛을 포함한다.
또한, 상기 실외 유닛은 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매가 실외 공기와 열교환하도록 하는 실외 열교환기와, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 실외 열교환기와 상기 중간 유닛 중 어느 하나로 안내하는 사방밸브와, 냉매를 감압 팽창시키는 실외 팽창밸브를 포함한다.
또한, 상기 중간 유닛은 상기 쿨링 유닛에서 전달된 열매체와 냉매가 열교환하도록 하는 냉각 열교환기와, 상기 히팅 유닛에서 전달된 열매체와 냉매가 열교환하도록 하는 가열 열교환기와, 냉매를 감압 팽창시키는 중간 팽창밸브를 포함한다.
또한, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 사방밸브로 안내하는 제 1 냉매관과, 냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 실외 열교환기로 안내하는 제 2 냉매관과, 냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 가열 열교환기로 안내하는 제 3 냉매관과, 냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 압축기의 흡입측으로 제 4 냉매관과, 냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과, 상기 실외 열교환기와 연결되며 둘로 분기되어 그 하나가 상기 냉각 열교환기와 연결되는 냉각 냉매관을 형성하고 다른 하나가 상기 가열 열교환기와 연결되는 가열 냉매관을 형성하는 제 6 냉매관과, 상기 제 2 냉매관과 상기 제 3 냉매관을 연결하는 제 7 냉매관과, 상기 제 7 냉매관에 배치되어 상기 제 7 냉매관을 통해 선택적으로 냉매가 유동하도록 하는 개폐밸브를 더 포함한다.
또한, 냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과, 상기 냉각 열교환기의 냉매 출구측의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 제 5 냉매관에 배치되어 상기 압력센서에 의해 검출된 압력이 설정 범위 내의 값이 되도록 개도가 제어되는 냉매 유량 조절 밸브를 더 포함한다.
또한, 냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과, 상기 냉각 열교환기를 통해 냉각된 열매체의 온도를 검출하는 냉각 온도센서와, 상기 냉각 냉매관으로부터 분기되어 상기 제 5 냉매관에 연결되는 냉매 바이패스관과, 상기 냉매 바이패스관에 배치되어 상기 냉각 온도센서에 의해 검출된 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우에 상기 냉매 바이패스관의 유로를 개방하는 바이패스 팽창밸브를 더 포함한다.
또한, 일단이 냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 가열 열교환기로 냉매를 안내하는 제 3 냉매관에 연결되고 타단이 상기 압축기의 흡입측을 제 5 냉매관에 연결되는 제상 바이패스관과, 상기 제상 바이패스관에 배치되어 상기 실외 열교환기에서의 제상 요구가 발생하면 상기 제상 바이패스관의 유로를 개방하는 냉매 유로 전환 밸브를 더 포함한다.
또한, 상기 냉각 열교환기에서 냉각된 열매체를 상기 쿨링 유닛에 공급하는 냉각 열매체 공급관과, 상기 쿨링 유닛을 통과하며 열을 흡수한 열매체를 상기 냉각 열교환기에 전달하는 냉각 열매체 회수관과, 상기 가열 열교환기에서 냉각된 열매체를 상기 히팅 유닛에 공급하는 가열 열매체 공급관과, 상기 히팅 유닛을 통과하며 열을 방출한 열매체를 상기 가열 열교환기에 전달하는 가열 열매체 회수관을 더 포함한다.
또한, 상기 냉각 열매체 회수관에 배치된 냉각 펌프와, 상기 가열 열매체 회수관에 배치된 가열 펌프를 더 포함한다.
또한, 그 일단이 상기 냉각 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 냉각 열매체 회수관에 연결된 냉각 열매체 바이패스관과, 그 일단이 가열 열매체 공급관에 연결되고 타단이 가열 열매체 회수관에 연결된 가열 열매체 바이패스관과, 상기 냉각 열매체 바이패스관에 배치되어 상기 냉각 열매체 바이패스관의 유로를 개폐하는 냉각 열매체 바이패스 밸브와, 상기 가열 열매체 바이패스관에 배치되어 상기 가열 열매체 바이패스관의 유로를 개폐하는 가열 열매체 바이패스 밸브를 더 포함한다.
또한, 그 일단이 상기 가열 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 냉각 열매체 회수관에 연결되는 제 1 연결 바이패스관과, 그 일단이 상기 냉각 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 가열 열매체 회수관에 연결된 제 2 연결 바이패스관과, 상기 제 1 연결 바이패스관에 배치되어 상기 제 1 연결 바이패스관의 유로를 개폐하는 제 1 연결 바이패스 밸브와, 상기 제 2 연결 바이패스관에 배치되어 상기 제 2 연결 바이패스관의 유로를 개폐하는 제 2 연결 바이패스 밸브를 더 포함한다.
또한, 상기 냉각 열매체 공급관에 배치되어 상기 쿨링 유닛으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 공급 밸브와, 상기 냉각 열매체 회수관에 배치되어 상기 쿨링 유닛으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 회수 밸브와, 상기 가열 열매체 공급관에 배치되어 상기 히팅 유닛으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 공급 밸브와, 상기 가열 열매체 회수관에 배치되어 상기 히팅 유닛으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 회수 밸브를 더 포함한다.
또한, 상기 가열 열교환기의 냉매 토출측에 배치되어 냉매의 온도를 검출하는 가열 냉매 온도센서와, 상기 가열 열교환기의 냉매 토출측에 배치되어 냉매의 압력을 검출하는 가열 냉매 압력센서와, 상기 제 5 냉매관에 배치되어 상기 가열 열교환기의 냉매 출구측 과냉각도에 따라 개도가 조절되는 냉매 유량 조절 밸브를 더 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템은 실외 유닛과 중간 유닛은 냉매관을 통해 연결되고 중간 유닛과 열부하 유닛들은 열매체관을 통해 연결되므로, 냉매관들이 열부하 유닛과 연결되지 않아 냉매관들의 연결 구조가 간단해지며 그에 따라 히트 펌프 시스템의 구성이 용이해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에 있어서 쿨링 모드가 수행될 경우의 냉매 및 열매체의 흐름이 표시된 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에 있어서 히팅 모드 시가 수행될 경우의 냉매 및 열매체의 흐름을 보인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에 있어서 쿨링 중심 모드가 수행될 경우의 냉매 및 열매체의 흐름을 보인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에 있어서 히팅 중심 모드가 수행될 경우의 냉매 및 열매체의 흐름이 표시된 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 저압 압력 유지 제어를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 냉수 온도 저하 방지 제어를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 제상 제어를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 제 1 제상 모드를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 제 2 제상 모드를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 동결 방지 제어를 수행할 경우를 보인 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 워터 바이패스 제상 제어를 수행하는 경우를 보인 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템이 과냉각도 제어를 수행할 경우를 보인 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 실시예이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성 요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "선단", "후단", "상부", "하부", "상단" 및 하단" 등의 용어는 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의하여 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 히트 펌프 시스템(1)은 실외 공간에 배치되는 실외 유닛(10)과, 냉기 또는 온기가 필요한 공간 또는 장치에 배치되는 열부하 유닛(30L, 30H)들과, 실외 유닛(10)과 열부하 유닛(30L, 30H)들 사이에 배치되어 실외 유닛(10)에서 발생한 냉기 및 온기가 열부하 유닛(30L, 30H)들에 분산 공급하도록 하는 중간 유닛(20)을 포함한다.
실외 유닛(10)은 히트 펌프 사이클을 포함하여 냉매를 통해 냉기 및 온기를 발생시키는 열원으로 동작하며, 중간 유닛(20)을 통해 열부하 유닛(30L, 30H)들에 냉기 또는 온기를 공급한다. 실외 유닛(10)은 실외 공간, 즉 건물의 옥상이나 베란다 등에 배치된다.
중간 유닛(20)은 실외 유닛(10)에서 전달된 냉매와 열부하 유닛(30L, 30H)에서 전달된 열매체가 서로 열교환하도록 함으로써 냉기 및 온기가 열부하 유닛(30L, 30H)에 전달되도록 한다.
중간 유닛(20)은 실외 유닛(10)에 인접하게 배치되거나, 실외 유닛(10)과 별도의 공간에 배치될 수 있다. 즉, 중간 유닛(20)은 실외 유닛(10)과 함께 실외 공간에 배치되거나, 건물의 공용 공간 또는 천정의 상부 공간 등에 배치될 수 있다.
실외 유닛(10)과 중간 유닛(20)은 각각 별도의 하우징에 수납되며, 냉매를 전달하는 냉매관(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8)들을 통해 서로 연결된다.
열부하 유닛(30L, 30H)들은 중간 유닛(20)을 통해 실외 유닛(10)에서 발생한 냉기 및 온기를 전달받아 사용한다.
열부하 유닛(30L, 30H)들에는 열매체가 통과하는 열매체관(L1, L2, H1, H2)들을 통해 중간 유닛(20)과 연결되며, 냉기를 전달받아 사용하는 쿨링 유닛(30L)과 온기를 전달받아 사용하는 히팅 유닛(30H)이 포함된다.
쿨링 유닛(30L)과 중간 유닛(20)은 열매체를 전달하는 두 개의 냉각 열매체관(L1, L2)을 통해 서로 연결된다. 냉각 열매체관은 냉각 열교환기(21)에서 냉각된 열매체를 쿨링 유닛(30L)에 공급하는 냉각 열매체 공급관(L1)과, 쿨링 유닛(30L)을 통과하며 열을 흡수한 열매체를 냉각 열교환기(21)에 전달하는 냉각 열매체 회수관(L2)을 포함한다. 냉각 펌프(23)는 냉각 열매체 회수관(L2)에 배치된다. 따라서 열매체가 중간 유닛(20)을 통과하며 냉매와 열교환하며 냉각되고, 냉각된 열매체는 쿨링 유닛(30L)에 공급되어 쿨링 유닛(30L)에서 냉각을 수행한다.
쿨링 유닛(30L)은 실내 공간에 배치되어 실외 유닛(10)에서 전달된 냉기에 의해 실내 공간이 냉방되도록 하는 냉방 장치로 사용되거나, 생산 라인에 배치되어 금형 등을 냉각하는 냉각 장치로 사용될 수 있다. 또한 이외에도 냉수 급수장치 등 냉각이 필요한 다양한 공간 및 장치에 적용되어 사용될 수 있다.
히팅 유닛(30H)은 실내 공간에 배치되어 실외 유닛(10)에서 전달된 온기에 의해 실내 공간이 난방되도록 하는 난방 장치로 사용되거나, 생산 라인에 배치되어 금형 등을 가열하는 가열 장치로 사용될 수 있다. 또한 이외에도 온수 급수장치 등 가열이 필요한 다양한 공간 및 장치에 적용되어 사용될 수 있다.
히팅 유닛(30H)과 중간 유닛(20)은 열매체를 전달하는 두 개의 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 서로 연결된다. 가열 열매체관은 가열 열교환기(22)에서 냉각된 열매체를 히팅 유닛(30H)에 공급하는 가열 열매체 공급관(H1)과, 히팅 유닛(30H)을 통과하며 열을 방출한 열매체를 가열 열교환기(22)에 전달하는 가열 열매체 회수관(H2)을 포함한다. 가열 열매체 회수관(H2)에는 가열 펌프(24)가 배치된다. 따라서 열매체가 중간 유닛(20)을 통과하며 냉매와 열교환하며 가열되고, 가열된 열매체는 쿨링 유닛(30L)에 전달되어 쿨링 유닛(30L)에서 가열을 수행한다.
중간 유닛(20)은 실외 유닛(10)에서 공급된 저온의 냉매가 냉각 열매체관을 통해 전달된 열매체와 열교환하도록 함으로써 냉기를 쿨링 유닛(30L)에 전달하고, 실외 유닛(10)에서 공급된 고온의 냉매가 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 전달된 열매체와 열교환하도록 함으로써 온기를 히팅 유닛(30H)에 전달한다.
히팅 유닛(30H)과 중간 유닛(20)은 열매체가 통과하는 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 히팅 유닛(30H)과 연결된다. 히팅 유닛(30H)과 중간 유닛(20)은 2개의 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 서로 연결된다.
히트 펌프 시스템(1)은 실외 유닛(10)과 중간 유닛(20) 사이에서 냉매가 순환하도록 하는 냉매 회로와, 중간 유닛(20)과 쿨링 유닛(30L) 사이에서 열매체가 순환하도록 하는 냉각 열매체 회로와, 중간 유닛(20)과 히팅 유닛(30H) 사이에서 열매체가 순환하도록 하는 가열 열매체 회로를 포함한다.
냉매 회로는 냉기와 온기를 발생시키며 발생된 냉기와 온기를 중간 유닛(20)에 전달한다. 중간 유닛(20)에 전달된 냉기는 냉각 열매체 회로를 통해 쿨링 유닛(30L)에 전달되고, 중간 유닛(20)에 전달된 온기는 가열 열매체 회로를 통해 히팅 유닛(30H)에 전달된다.
히트 펌프 시스템(1)은 쿨링 모드, 히팅 모드, 쿨링 중심 모드, 히팅 중심 모드의 4개의 운전 모드를 갖는다. 히트 펌프 시스템(1)은 열부하 유닛(30L, 30H)들의 요구에 따라 4개의 운전 모드 중의 어느 하나의 운전 모드가 선택적으로 수행된다.
쿨링 모드는 열부하 유닛(30L, 30H)들 중 쿨링 유닛(30L)만이 동작할 경우에 선택되는 운전 모드이다. 쿨링 모드에서는 쿨링 유닛(30L)에만 냉기가 공급된다.
히팅 모드는 열부하 유닛(30L, 30H)들 중 히팅 유닛(30H)만이 동작할 경우에 선택되는 운전 모드이다. 히팅 모드에서는 히팅 유닛(30H)에만 온기가 공급된다.
쿨링 중심 모드는 열부하 유닛(30L, 30H)들 중 쿨링 유닛(30L)과 히팅 유닛(30H)이 동시에 동작할 경우에 있어서, 쿨링 유닛(30L)측에서 요구되는 부하가 히팅 유닛(30H)측에 요구되는 부하에 비해 클 경우에 선택되는 운전 모드이다.
히팅 중심 모드는 열부하 유닛(30L, 30H)들 중 쿨링 유닛(30L)과 히팅 유닛(30H)이 동시에 동작할 경우에 있어서, 히팅 유닛(30H)측에서 요구되는 부하가 쿨링 유닛(30L)측에 요구되는 부하에 비해 클 경우에 선택되는 운전 모드이다.
상기의 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드의 경우, 쿨링 유닛(30L)에는 냉기가 공급됨과 동시에 히팅 유닛(30H)에는 온기가 공급된다.
이하에서는 도 1을 참조하여 실외 유닛(10)을 보다 상세히 설명한다.
실외 유닛(10)은 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(11)와, 압축기(11)의 출구측에 배치되어 압축기(11)에서 토출된 냉매의 유동 경로를 전환하는 사방 밸브(12)와, 냉매가 순 방향으로만 유동하도록 하는 체크 밸브(13)와, 냉매의 유로를 전환하는 개폐밸브(14)와, 냉매가 실외 유닛(10)을 통과하는 실외 공기와 열교환하도록 하는 실외 열교환기(15)를 포함한다.
또한, 실외 유닛(10)은 실외 공기가 실외 열교환기(15)를 통과하도록 하는 송풍팬(16)와, 압축기(11)의 흡입측에 배치되어 액냉매를 분리하는 어큐뮬레이터(17)와, 냉매를 감압 팽창시키는 실외 팽창밸브(18)를 포함한다.
압축기(11)는 냉매를 고온 고압으로 압축하는 장치로, 용량의 제어가 가능한 인버터 압축기 등으로 구성될 수 있다.
사방 밸브(12)는 유로를 전환하는 전자 밸브로 이루어지며 제 1 냉매관(P1)을 통해 압축기(11)에 연결되고, 제 2 냉매관(P2)을 통해 실외 열교환기(15)와 연결되고, 제 3 냉매관(P3)을 통해 후술할 가열 열교환기(22)와 연결되고, 제 4 냉매관(P4)을 통해 압축기(11)의 흡입측에 연결된다. 압축기(11)의 흡입측에는 어큐뮬레이터(17)가 연결되어 있으므로, 제 4 냉매관(P4)은 어큐뮬레이터(17)에 연결된다.
따라서 압축기(11)에서 토출된 냉매는 제 1 냉매관(P1)을 통해 사방 밸브(12)로 전달되었다가 사방 밸브(12)에 의해 실외 열교환기(15)와 가열 열교환기(22) 중 하나로 안내된다.
사방 밸브(12)는 유로를 전환하여 압축기(11)에서 토출된 냉매가 체크 밸브(13)가 배치된 제 3 냉매관(P3)를 통해 후술할 가열 열교환기(22)로 전달되도록 하거나, 제 2 냉매관(P2)을 통해 실외 열교환기(16)로 전달되도록 한다.
사방 밸브(12)를 통한 유로의 전환은 운전 모드에 따라, 즉, 쿨링 유닛(30L) 및 히팅 유닛(30H)에서 요구하는 부하의 변화에 대응하여 이루어진다.
체크 밸브(13)는 냉매의 역류를 방지하기 위한 것으로, 압축기(11)에서 토출된 냉매를 가열 열교환기(22)로 안내하는 제 2 냉매관(P2)에 배치된다.
제 2 냉매관(P2)과 제 3 냉매관(P3)은 제 3 냉매관(P3)에 있어서 체크 밸브(13)의 순방향의 하류측으로부터 분기된 제 7 냉매관(P7)을 통해 연결된다. 제 7 냉매관(P7)에는 운전 모드에 따라 제 7 냉매관(P7)을 통해 선택적으로 냉매가 유동하도록 하는 개폐밸브(14)가 배치된다.
개폐밸브(14)는 전원 인가에 따라 내부 유로를 개폐하여 선택적으로 냉매가 통과하도록 하는 이방 전자 밸브를 포함한다.
실외 열교환기(15)는 송풍팬(16)에 의해 공급되는 실외 공기가 냉매와 열교환하도록 한다. 실외 열교환기(15)는 후술할 냉각 열교환기(21) 및 가열 열교환기(22)와 각각 연결된다.
실외 열교환기(15)는 냉방 운전인 쿨링 모드 및 쿨링 중심 모드가 수행될 경우에는 냉매를 냉각하는 응축기로 동작한다. 즉, 냉방 운전일 경우 실외 열교환기(15)를 통과하는 냉매는 열을 발산하며 응축된다.
또한, 실외 열교환기(15)는 난방 운전인 히팅 모드 및 히팅 중심 모드가 수행될 경우에는 냉매가 열을 흡수하도록 하는 증발기로 동작한다. 즉, 난방 운전일 경우 실외 열교환기(15)를 통과하는 냉매는 열을 흡수하여 증발한다.
실외 열교환기(15)에는 상술한 제 2 냉매관(P2)와 함께 제 6 냉매관(P6)이 연결된다. 제 6 냉매관(P6)은 둘로 분기되어 둘 중 하나가 냉각 열교환기(21)와 연결되는 냉각 냉매관(P6-1)을 형성하고, 다른 하나가 가열 열교환기(22)와 연결되는 가열 냉매관(P6-2)를 형성한다.
송풍팬(16)는 축 방향으로 공기를 송풍하는 축류팬을 포함한다. 송풍팬은 모터의 회전축이 연결되는 허브부와 허브부로부터 반경 방향으로 연장된 복수의 날개부들을 포함하다. 송풍팬의 회전에 따라 공기가 축방향으로 유동하면서 실외 열교환기(15)를 통과하고, 실외 열교환기(15)를 통과하는 공기가 실외 열교환기(15) 내부를 통과하는 냉매와 열교환한다.
어큐뮬레이터(17)는 압축기(11)의 흡입측에 제 8 냉매관(P8)을 통해 연결된다. 어큐뮬레이터(17)는 난방 운전시와 냉방 운전시 요구되는 냉매량의 차이에 의해 발생하는 잉여 냉매 및 과도한 운전 방식 변화에 따른 잉여 냉매를 저장한다. 또한, 어큐뮬레이터(17)에는 제 8 냉매관(P8) 외에도 제 4 냉매관(P4) 및 제 5 냉매관(P5)이 연결되어, 제 4 냉매관(P4)을 통해 사방 밸브(12)와 연결되고, 제 5 냉매관(P5)을 통해 냉각 열교환기(21)와 연결된다. 제 5 냉매관(P5)은 냉각 열교환기(21)를 통과한 냉매를 압축기(11)의 흡입측으로 안내한다.
실외 팽창밸브(18)는 개도를 조절할 수 있는 전자 팽창 밸브를 포함한다.
실외 팽창밸브(18)는 제 6 냉매관(P6)의 분기되기 전의 구간에 배치된다. 즉, 실외 팽창밸브(18)는 냉매가 실외 열교환기(15)에서 냉각 열교환기(21)로 진행할 경우, 실외 열교환기(15)의 출구측에 설치된다.
실외 열교환기(15)는 실외 팽창밸브(18)를 통해 가열 열교환기(22)의 냉매 출구측(난방 운전시) 및 냉각 열교환기(21)의 냉매 입구측(냉방 운전시)과 연결된다. 또한, 실외 열교환기(15)는 개폐밸브(14)를 통해 가열 열교환기(22)의 입구측(난방 운전시)과 연결된다.
실외 유닛(10)은 압축기(11), 송풍팬(16), 실외 팽창밸브(18)의 동작, 사방 밸브(12)등과 같은 실외 유닛(10)의 구성들을 제어하는 실외 프로세서(C1)를 포함한다. 실외 프로세서(C1)는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory) 및 CPU(Central Processing Unit)를 포함한다. 따라서 실외 프로세서(C1)의 ROM에 기억되어 있는 각종 프로그램이 RAM에 읽혀져 CPU에 의해 실행됨으로써, 실외 유닛(10)의 구성들은 제어된다.
이하에서는 도 1을 참조하여 중간 유닛(20) 을 보다 상세히 설명한다.
중간 유닛(20)은 열매체에 냉기를 전달하는 냉각 열교환기(21)와, 열매체에 온기를 전달하는 가열 열교환기(22)를 포함한다. 여기서 열매체는 물 또는 부동액과 같은 액체가 사용될 수 있다.
냉각 열교환기(21)는 실외 유닛(10)에서 전달된 저온의 냉매와 열매체가 열교환하도록 함으로써 열매체에 냉기를 전달한다. 냉각 열교환기(21)는 쿨링 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드가 수행될 경우에 증발기로 동작한다. 즉, 냉각 열교환기(21)는 쿨링 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드가 수행될 경우에 열매체로부터 열을 흡수하여 열매체가 냉각되도록 한다.
가열 열교환기(22)는 실외 유닛(10)에서 전달된 고온의 냉매와 열매체가 열효관하도록 함으로써 열매체에 온기를 전달한다. 가열 열교환기(22)는 히팅 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드가 수행될 경우에 응축기로 동작한다. 즉, 가열 열교환기(22)는 히팅 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드가 수행될 경우 열매체에 열을 공급하여 열매체가 가열되도록 한다.
중간 유닛(20)은 냉각 열매체관(L1, L2)을 통해 열매체가 순환되도록 하는 냉각 펌프(23)와, 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 열매체가 순환되도록 하는 가열 펌프(24)를 포함한다.
중간 유닛(20)은 냉매를 감압 팽창시키는 중간 팽창밸브(25)를 포함한다. 중간 팽창밸브(25)는 실외 팽창밸브(18)와 마찬가지로 전자 팽창 밸브로 이루어진다. 중간 팽창밸브(25)는 냉각 열교환기(21)의 입구측(냉방 운전시)에 설치된다.
중간 유닛(20)은 중간 팽창밸브(25), 냉각 펌프(23) 및 가열 펌프(24) 등의 중간 유닛(20)의 구성들을 제어하는 중간 프로세서(C2)를 포함한다. 중간 프로세서(C2)는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory) 및 CPU(Central Processing Unit)를 포함한다. 따라서 중간 프로세서(C2)의 ROM에 기억되어 있는 각종 프로그램이 RAM에 읽혀져 CPU에 의해 실행됨으로써, 중간 프로세서(C2)의 구성들은 제어된다.
실외 프로세서(C1)와 중간 프로세서(C2)는 통신 가능하게 구성되어, 서로 신호를 송수신하면서 히트 펌프 시스템(1)의 동작을 제어한다.
중간 유닛(20)은 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 냉매 압력을 검출하는 냉각 냉매 압력센서(PS1)와, 냉각 열교환기(21)의 열매체 출구측에 배치되어 냉각 열교환기(21)를 통해 냉각된 열매체의 온도를 검출하는 냉각 온도센서(T1), 가열 열교환기의 열매체 출구측에 배치되어 가열 열교환기(22)를 통해 가열된 열매체의 온도를 검출하는 가열 온도센서(T2)를 포함한다.
냉각 냉매 압력센서(PS1)에서 검출된 정보 및 냉각 온도센서(T1) 및 가열 온도센서(T2)에서 검출된 정보는 중간 프로세서(C2)에 전달되어 히트 펌프 시스템(1)의 동작을 제어에 사용된다.
상기에서 중간 유닛(20)을 형성하는 구성들은 하나의 하우징에 모두 수용되나, 이는 일례를 보인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 냉각 열교환기(21), 냉각 펌프(23) 및 냉각 온도센서(T1)가 하나의 하우징에 수용되도록 하고, 가열 열교환기(22), 가열 펌프(24) 및 가열 온도센서(T2)가 다른 하나의 하우징에 수용되도록 하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템이 쿨링 모드를 수행할 경우를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시되며, 열매체의 유동은 점선 화살표로 표시된다.
먼저, 쿨링 모드에서의 냉매의 유동을 설명한다.
쿨링 모드에서 사방 밸브(12)는 냉매를 제 2 유로로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A1 방향으로 유동하도록 한다. 이때, 개폐밸브(14)는 유로를 폐쇄하고, 실외 팽창밸브(18)는 유로를 모두 개방한다.
중간 팽창밸브(25)의 개도는 냉각 열교환기(21)의 출구 과열도에 대응하도록 제어된다. 보다 상세히 설명하면, 쿨링 모드에서 중간 팽창밸브(25)의 개도를 크게 하면, 감압 팽창되는 냉매의 양의 증가하여 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 온도는 낮아진다. 반대로 중간 팽창밸브(25)의 개도를 작게 하면, 감압 팽창되는 냉매의 양이 감소하여 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 온도는 높아진다. 따라서, 중간 팽창밸브(25)의 개도를 제어하여 냉각 열교환기(21)의 출구 과열도, 즉, 냉각 열교환기(21)의 냉매 입구측과 출구측의 온도차가 설정된 값으로 제어할 수 있다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12)를 통해 응축기로 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달된다. 냉매는 실외 열교환기(15)에서 실외 공기와 열교환하며 냉각되어 응축된다. 응축된 냉매는 실외 팽창밸브(18)를 통과하여 중간 팽창밸브(25)에 전달되고, 중간 팽창밸브(25)에 의해 감압 팽창된다. 계속해서 냉매는 증발기로 동작하는 냉각 열교환기(21)에 전달된다. 냉각 열교환기(21)에서 냉매는 열매체로부터 열을 흡수하므로 열매체는 냉각된다. 냉각 열교환기(21)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(17)를 통과한 후 다시 압축기(11)로 흡입된다.
쿨링 모드에서는 이와 같이 냉매가 압축기(11), 사방 밸브(12), 실외 열교환기(15), 실외 팽창밸브(18), 중간 팽창밸브(25), 냉각 열교환기(21) 및 어큐뮬레이터(17)를 차례로 순환하도록 하는 냉매 회로가 구성된다.
다음으로 쿨링 모드에서의 열매체의 유동을 설명한다.
냉각 펌프(23)의 구동에 따라 열매체는 쿨링 유닛(30L)에서 냉각 펌프(23)로 유동하고, 다시 냉각 펌프(23)에서 냉각 열교환기(21)로 전달된다. 냉각 열교환기(21)에서 냉매가 열매체의 열을 흡수하므로 열매체는 냉각된다. 냉각된 열매체는 쿨링 유닛(30L)으로 다시 전달되므로, 열매체를 통해 냉기가 쿨링 유닛(30L)에 공급된다.
이와 같이 쿨링 모드에서는 열매체가 쿨링 유닛(30L), 냉각 펌프(23) 및 냉각 열교환기(21)를 차례로 순환하도록 하는 열매체 회로가 구성된다.
이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템이 히팅 모드를 수행할 경우를 도 3를 참조하여 설명한다. 도 3에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시되며, 열매체의 유동은 점선 화살표로 표시된다.
먼저, 히팅 모드에서의 냉매의 유동을 설명한다.
히팅 모드에서, 사방 밸브(12)는 냉매를 제 1 유로로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A2 방향으로 유동하도록 한다. 이때, 개폐밸브(14) 및 중간 팽창밸브(25)는 유로를 폐쇄한다.
또한, 실외 팽창밸브(18)의 개도는 상술한 쿨링 모드에서의 중간 팽창밸브(25)의 개도와 마찬가지로 실외 열교환기(15)의 출구 과열도에 맞게 제어된다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12) 및 체크 밸브(13)를 차례로 통과하여 응축기로 동작하는 가열 열교환기(22)에 전달된다. 가열 열교환기(22)에서 냉매는 열매체와 열교환하며 냉각되며 응축되고, 열매체는 냉매로부터 열을 흡수하여 가열된다.
가열 열교환기(22)에서 응축된 냉매는 실외 팽창밸브(18)에 전달되어 실외 팽창밸브(18)에 의해 감압 팽창된다. 감압 팽창된 냉매는 증발기로 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달되고, 실외 열교환기(15)에서 실외 공기와 열교환하며 열을 흡수하여 증발한다. 계속해서 냉매는 사방 밸브(12) 및 어큐뮬레이터(17)를 통과하여 압축기(11)에 다시 흡입된다.
이와 같이 히팅 모드에서는 냉매가 압축기(11), 사방 밸브(12), 체크 밸브(13), 가열 열교환기(22), 실외 팽창밸브(18), 실외 열교환기(15), 사방 밸브(12) 및 어큐뮬레이터(17)를 차례로 순환하도록 하는 냉매 회로가 구성된다.
다음으로, 히팅 모드에서의 열매체의 유동을 설명한다.
가열 펌프(24)의 구동에 따라 열매체는 히팅 유닛(30H)에서 가열 펌프(24)로 유동하고, 다시 가열 펌프(24)에서 가열 열교환기(22)로 전달된다. 가열 열교환기(22)에서는 열매체가 냉매의 열을 흡수하므로 열매체는 가열된다. 가열된 열매체는 히팅 유닛(30H)으로 다시 전달되므로, 열매체를 통해 온기가 히팅 유닛(30H)에 공급된다.
이와 같이 히팅 모드에서는 열매체가 히팅 유닛(30H), 가열 펌프(24) 및 가열 열교환기(22)를 차례로 순환하도록 하는 열매체 회로가 구성된다.
이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템이 쿨링 중심 모드를 수행할 경우를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시되며, 열매체의 유동은 점선 화살표로 표시된다.
먼저, 쿨링 중심 모드에서의 냉매의 유동을 설명한다.
쿨링 중심 모드에서 사방 밸브(12)는 냉매를 제 2 유로로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A1 방향으로 유동하도록 안내한다. 이때, 중간 팽창밸브(25)의 개도는 상술한 쿨링 모드에서와 마찬가지로 냉각 열교환기(21)의 출구 과열도에 대응하도록 제어된다.
실외 팽창밸브(18)의 개도는 히팅 유닛(30H)에서 요구하는 부하에 대응하도록 제어된다. 보다 상세하게 설명하면, 실외 팽창밸브(18)의 개도를 작게 하면, 개폐밸브(14)를 통해 가열 열교환기(22)로 전달되는 냉매의 양이 증가한다. 따라서, 히팅 유닛(30H)의 요구 부하가 클수록, 실외 팽창밸브(18)의 개도는 작아지도록 제어된다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12)에 의해 실외 열교환기(15) 및 개폐밸브(14)로 안내된다.
압축기에서 토출된 냉매의 일부는 응축기로 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달되고, 실외 열교환기(15)에 전달된 냉매는 실외 열교환기(15)에서 실외 공기와 열교환하며 냉각되어 응축된다. 응축된 냉매는 실외 팽창밸브(18)를 통과하여 중간 팽창밸브(25)에 전달된다.
한편, 나머지 냉매는 개폐밸브(14)로 전달되고, 개폐밸브(14)에 전달된 냉매는 개폐밸브(14)를 통과하여, 응축기로 동작하는 가열 열교환기(22)에 전달된다. 가열 열교환기(22)에서 냉매는 열매체를 가열하며 응축된다. 여기서, 열매체는 냉매로부터 열을 흡수하므로 가열된다. 가열 열교환기(22)를 통과하며 응축된 냉매는 실외 열교환기(15) 및 실외 팽창밸브(18)를 통과한 냉매와 합류된다.
합류된 냉매는 중간 팽창밸브(25)에 의해 감압 팽창되어 저온 저압의 기액 혼합 상태가 된다. 계속해서 냉매는 증발기로 동작하는 냉각 열교환기(21)에 전달된다. 냉각 열교환기(21)에서 냉매는 열매체로부터 열을 흡수하여 저온 저압의 가스 냉매가 된다. 냉각 열교환기(21)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(17)를 통과하여 압축기(11)로 다시 흡입된다.
이와 같이, 쿨링 중심 모드에서는 냉매가 압축기(11) 및 사방 밸브(12)를 통과한 후, 냉매의 일부는 실외 열교환기(15) 및 실외 팽창밸브(18)를 통과하고, 그 나머지는 개폐밸브(14) 및 가열 열교환기(22)를 통과한 후 다시 합류된다. 합류된 냉매는 중간 팽창밸브(25), 냉각 열교환기(21), 어큐뮬레이터(17)를 차례로 통과하여 다시 압축기로 흡입되도록 하는 냉매 회로가 구성된다.
쿨링 중심 모드에 있어서의 열매체의 유동은 쿨링 모드 및 히팅 모드와 동일하다. 즉, 쿨링 유닛(30L)에 냉기를 공급하기 위한 열매체 회로는 열매체가 쿨링 유닛(30L), 냉각 펌프(23) 및 냉각 열교환기(21)를 차례로 순환하도록 함으로써 구성되며, 히팅 유닛(30H)에 온기를 공급하기 위한 열매체 회로는 냉매가 열매체가 히팅 유닛(30H), 가열 펌프(24) 및 가열 열교환기(22)를 차례로 순환하도록 함으로써 구성된다.
이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 히트 펌프 시스템이 히팅 중심 모드를 수행할 경우를 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시되며, 열매체의 유동은 점선 화살표로 표시된다.
먼저, 히팅 중심 모드에서의 냉매의 유동을 설명한다.
히팅 중심 모드에서 사방 밸브(12)는 냉매를 제 1 유로로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A2 방향으로 유동하도록 한다. 개폐밸브(14)은 유로를 폐쇄하고, 중간 팽창밸브(25)의 개도는 상술한 쿨링 모드와 마찬가지로 냉각 열교환기(21)의 출구 과열도에 대응하도록 제어된다. 또한, 실외 팽창밸브(18)의 개도는 쿨링 유닛(30L)이 요구하는 부하에 대응하도록 제어된다. 보다 상세히 설명하면, 실외 팽창밸브(18)의 개도를 작게 하면, 냉각 열교환기(21)에 전달되는 냉매의 양이 증가한다. 따라서 쿨링 유닛(30L)의 요구 부하가 클수록, 실외 팽창밸브(18)의 개도가 작아지도록 제어된다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12), 체크 밸브(13)를 차례로 통과한 후, 응축기로 동작하는 가열 열교환기(22)에 전달된다. 가열 열교환기(22)에서 냉매는 열매체를 가열하며 냉각되어 응축된다.
가열 열교환기(22)에서 응축된 냉매 중 일부는 중간 팽창밸브(25)에 전달되고 그 나머지는 실외 팽창밸브(18)에 전달된다.
중간 팽창밸브(25)에 전달된 냉매는 중간 팽창밸브(25)에 의해 감압 팽창되어 저온 저압의 기액 혼합 냉매가 된 후, 증발기로 동작하는 냉각 열교환기(21)에 전달된다. 냉각 열교환기(21)에서 냉매는 열매체로부터 열을 흡수하면서 저온 저압의 가스 상태가 된다. 이때, 냉매는 열매체로부터 열을 흡수하므로 열매체는 냉각된다. 냉각 열교환기(21)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(17)를 통과한 후 압축기(11)에 다시 흡입된다.
한편, 실외 팽창밸브(18)에 전달된 냉매는 실외 팽창밸브(18)에 의해 감압 팽창되어 저온 저압의 기액 혼합 상태가 된다. 계속해서 냉매는 증발기로 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달된다. 실외 열교환기(15)에서 냉매는 실외 공기와 열교환하며 열을 흡수하여 저온 저압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12), 어큐뮬레이터(17)를 통과한 후 압축기(11)에 다시 흡입된다.
이와 같이, 히팅 중심 모드에서는 냉매가 압축기(11), 사방 밸브(12), 체크 밸브(13), 가열 열교환기(22)를 통과한 후, 냉매의 일부는 중간 팽창밸브(25) 및 냉각 열교환기(21)를 차례로 통과하고, 그 나머지는 실외 팽창밸브(18), 실외 열교환기(15), 사방 밸브(12)를 차례로 통과한 후 합류된다. 계속해서 합류된 냉매는 어큐뮬레이터(17)를 통과한 후 다시 압축기(11)로 흡입되도록 함으로써 냉매 회로가 구성된다.
히팅 중심 모드에 있어서의 열매체의 유동은 쿨링 모드 및 히팅 모드와 동일하다. 즉, 쿨링 유닛(30L)에 냉기를 공급하기 위한 열매체 회로는 열매체가 쿨링 유닛(30L), 냉각 펌프(23) 및 냉각 열교환기(21)를 차례로 순환하도록 함으로써 구성되며, 히팅 유닛(30H)에 온기를 공급하기 위한 열매체 회로는 냉매가 열매체가 히팅 유닛(30H), 가열 펌프(24) 및 가열 열교환기(22)를 차례로 순환하도록 함으로써 구성된다.
이하에서는 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 저압 압력 유지 제어에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 저압 압력 유지 제어는 쿨링 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드일 경우에 수행된다.
도 6에는 도 1에 도시된 중간 유닛(20)에 냉매 유량 조절 밸브(26)가 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
냉매 유량 조절 밸브(26)는 냉각 열교환기(21)와 어큐뮬레이터(17) 사이의 제 5 냉매관(P5), 즉, 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측에 배치된다.
저압 압력 유지 제어는 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측의 압력이 설정 범위 내의 값이 되도록 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 제어함으로써 수행된다. 다시 말하면, 저압 압력 유지 제어는 냉각 열교환기(21)의 내부 냉매 증발 압력이 설정 범위 내의 값이 되도록 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 제어한다. 추가로 설명하면, 냉각 열교환기(21)의 출구측의 냉매 압력으로부터 산출되는 증발 온도가 열매체의 동결 온도 이하가 되지 않도록, 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 제어한다.
보다 상세히 설명하면, 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측의 압력이 냉각 냉매 압력센서(PS1)에 의해 검출된다. 검출된 냉매의 압력이 설정 범위보다 낮을 경우, 냉매 유량 조절 밸브(26)를 제어하여 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 감소시킨다. 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 감소하면, 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 압력은 증가한다. 또한 검출된 냉매의 압력이 설정 범위를 넘을 경우, 냉매 유량 조절 밸브(26)를 제어하여 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 증가시킨다. 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 증가함에 따라 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 압력은 감소한다. 상기와 같이 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도는 냉각 열교환기(21)의 출구측 냉매 압력이 설정 범위 내를 유지하도록 제어된다.
추가로 설명하면, 실외 열교환기(15)의 주위 온도가 낮은 동절기에 히트 펌프 시스템(1)이 히팅 중심 모드로 운전되는 경우, 실외 열교환기(15)의 증발 압력이 낮아짐과 동시에 냉각 열교환기(21)의 증발 압력이 낮아질 수 있다. 여기서 냉각 열교환기(21)의 증발 압력이 비정상적으로 낮아질 경우에는 냉각 열교환기(21)를 통과하는 냉매의 유량이 증가하여 열매체가 적정 수준 이상으로 냉각될 수 있으며, 그 결과로 냉각 열매체관(L1, L2)을 통과하는 열매체가 동결될 수도 있다.
따라서, 저압 압력 유지 제어는 냉각 냉매 압력센서(PS1)에 의해 검출되는 냉매의 압력이 비정상적으로 낮아져 설정 범위에서 벗어날 경우, 냉매 유량 조절 밸브(26)를 제어하여 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 감소되도록 한다. 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도 감소에 따라 냉각 열교환기(21)를 통과하는 냉매의 압력은 증가하므로 냉각 열매체관(L1, L2)의 열매체의 동결을 억제할 수 있다. 또, 쿨링 유닛(30L)에도 냉기가 안정적으로 공급되게 할 수 있다.
다음으로 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 냉수 온도 저하 방지 제어에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 냉수 온도 저하 방지 제어는 쿨링 모드, 쿨링 중심 모드 및 히팅 중심 모드일 경우에 수행된다.
도 7에는 도 1에 도시된 중간 유닛(20)에 냉매 바이패스관(B1)과 바이패스 팽창밸브(27)가 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
냉매 바이패스관(B1)은 실외 팽창밸브(18)에서 중간 팽창밸브(25)로 진행하는 냉각 냉매관(P6-1)으로부터 분기되며, 냉각 열교환기(21)와 어큐뮬레이터(17)를 연결하는 제 5 냉매관(P5)에 연결되어, 냉매가 냉각 열교환기(21)를 우회하여 압축기(11)로 전달될 수 있도록 한다.
바이패스 팽창밸브(27)는 개도를 조절할 수 있는 전자 밸브로 형성되며, 냉매 바이패스관(B1)에 배치되어 냉매 바이패스관(B1)의 유로를 개폐한다. 일반적인 경우, 바이패스 팽창밸브(27)는 냉매 바이패스관(B1)의 유로를 폐쇄하여 냉매 바이패스관(B1)을 통한 냉매의 유동을 막는다.
냉수 온도 저하 방지 제어는 냉각 온도센서(T1)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우, 중간 팽창밸브(25)를 제어하여 냉각 열교환기의 입구측인 냉각 냉매관(P6-1)의 유로를 폐쇄함과 동시에 바이패스 팽창밸브(27)를 제어하여 냉매 바이패스관(B1)의 유로를 개방한다.
중간 팽창밸브(25)를 통해 냉각 열교환기(21)의 입구측 냉매관의 유로를 폐쇄하면 냉각 열교환기(21)로의 냉매 전달은 차단된다. 또한, 바이패스 팽창밸브(27)를 통해 냉매 바이패스관(B1)의 유로를 개방함에 따라 냉매는 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 바이패스 팽창밸브(27)에 전달된다. 이후, 냉각 온도센서(T1)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상이 될 경우, 중간 팽창밸브(25)를 제어하여 냉각 열교환기(21)의 입구측, 즉, 냉각 냉매관(P6-1)의 유로를 개방하고, 바이패스 팽창밸브(27)를 제어하여 냉매 바이패스관(B1)의 유로을 폐쇄하면 냉각 열교환기(21)에는 다시 냉매가 전달된다.
추가로 설명하면, 열매체의 온도가 매우 낮아지면 열매체가 동결될 수 있다. 따라서 냉수 온도 저하 방지 제어는 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우, 중간 팽창밸브(25)를 폐쇄하여 냉각 열교환기(21)로의 냉매의 유입을 차단한다. 냉각 열교환기(21)로의 냉매의 유입이 차단되면 열매체가 냉각되지 않으므로, 냉각 열매체관(L1, L2)을 통과하는 열매체가 동결되는 것은 방지된다. 여기에서 설정된 임계값은 열매체의 동결 온도보다도 조금 높은 온도로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 열매체가 물일 경우, 설정 임계값은 동결 온도인 0℃보다도 조금 높은 2℃ 등으로 설정되는 것이 바람직하다.
또한 중간 팽창밸브(25)에 의해 냉각 냉매관(P6-2)의 유로가 폐쇄될 경우에도 냉매가 순환할 수 있도록 냉매 바이패스관(B1)과 바이패스 팽창밸브(27)가 설치된다. 따라서, 중간 팽창밸브(25)를 폐쇄하고, 바이패스 팽창밸브(27)를 개방함으로써 실외 팽창밸브(18)로부터 전달된 냉매는 냉매 바이패스관(B1)을 통해 압축기(11)측으로 전달된다.
다음으로 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 제상 제어에 대해 도 8을 참조하여 설명한다. 제상 제어에는 제 1 제상 모드, 제 2 제상 모드 및 제 3 제상 모드가 존재한다.
도 8에는 도 7에 개시된 중간 유닛(20)에 제상 바이패스관(B2)과 냉매 유로 전환 밸브(28)가 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
제상 바이패스관(B2)은 그 일단이 사방 밸브(12)와 가열 열교환기(22)를 연결하는 제 3 냉매관(P3)에 연결되고 그 타단이 냉각 열교환기(21)와 어큐뮬레이터(17)를 연결하는 제 5 냉매관(P5)에 연결된다. 즉, 제상 바이패스관(B2)은 가열 열교환기(22)의 냉매 입구측과 냉각 열교환기(21)의 냉매 출구측 유로를 연결한다.
냉매 유로 전환 밸브(28)는 제상 바이패스관(B2)에 배치되어 제상 바이패스관(B2)을 통한 냉매의 유동이 선택적으로 이루지도록 한다. 일반적인 상태에서 냉매 유로 전환 밸브(28)는 유로를 폐쇄한 상태를 유지하여 제상 바이패스관(B2)을 통한 냉매의 유동을 차단한다.
먼저, 제 1 제상 모드를 설명한다.
히팅 모드가 수행되는 있는 상태에서 실외 열교환기(15)에서의 제상 요구가 발생하면, 히팅 모드에서 제 1 제상 모드로 전환된다. 여기서, 실외 열교환기(15)에서의 제상 요구는 실외 열교환기(15)에 전달되는 냉매 또는 실외 열교환기(15)로부터 배출되는 냉매의 온도, 압력 또는 외기 온도 등에 의해 확인된다. 실외 열교환기(15)에서의 제상 요구가 발생한 경우란, 다시 말하면, 실외 열교환기(15)의 제상을 수행하기 위한 설정 조건이 충족된 경우이다. 보다 구체적으로 예를 들면, 히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 출구측 냉매 온도가 설정 온도 보다 낮은 경우가 이에 해당할 수 있다.
추가로 설명하면, 히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 출구측의 냉매 온도가 설정된 임계값 보다 낮으면서 가열 온도센서(T2)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상이라는 것이 확인되면, 히팅 모드에서 제 1 제상 모드로 전환된다.
한편, 히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 출구측 냉매 온도가 설정된 임계값 보다 낮으면서 가열 온도센서(T2)에 의해 검출되는 열매체의 온도도 설정된 임계값 보다 낮다는 것이 확인되면, 히팅 모드에서 후술할 제 2 제상 모드로 전환된다.
도 9는 제 1 제상 모드에서의 냉매 및 열매체의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 9에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시되며, 열매체의 유동은 점선 화살표로 표시된다.
제 1 제상 모드에서 사방 밸브(12)는 냉매를 실외 열교환기(15)로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A1 방향으로 유동하도록 안내한다. 또한, 개폐밸브(14), 중간 팽창밸브(25) 및 바이패스 팽창밸브(27)는 모두 유로를 폐쇄하고, 냉매 유로 전환 밸브(28)는 유로를 개방한다. 한편, 실외 팽창밸브(18)의 개도는 상술한 쿨링 모드에서의 중간 팽창밸브(25)의 개도와 마찬가지로 가열 열교환기(22)의 출구 과열도에 대응하도록 제어된다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12)를 통해 실외 열교환기(15)에 전달된다. 실외 열교환기(15)에서 냉매는 열을 방출하므로 실외 열교환기(15)의 표면에 발생한 성에는 제거된다. 실외 열교환기(15)를 통과한 냉매는 실외 팽창밸브(18)에 의해 감압 팽창되어 저온 저압의 기액 혼합 상태가 되고, 증발기로서 동작하는 가열 열교환기(22)에 전달된다. 가열 열교환기(22)에서 냉매는 열매체로부터 열을 흡수하여 가열된다. 가열 열교환기(22)를 통과한 냉매는 냉매 유로 전환 밸브(28) 및 어큐뮬레이터(17)를 차례로 통과하여 압축기(11)로 다시 흡입된다.
상기와 같이 제 1 제상 모드에서는 냉매가 압축기(11), 사방 밸브(12), 실외 열교환기(15), 실외 팽창밸브(18), 가열 열교환기(22), 냉매 유로 전환 밸브(28), 어큐뮬레이터(17)를 차례로 순환하도록 하는 냉매 회로가 구성된다. 냉매는 열매체에서 흡수된 열에 의해 가열되고, 가열된 냉매가 실외 열교환기(15)에 전달되어 실외 열교환기(15)의 제상이 수행된다.
한편, 제 1 제상 모드에서는 열매체가 히팅 유닛(30H), 가열 펌프(24) 및 가열 열교환기(22)를 차폐로 순환하는 열매체 회로가 구성된다. 제 1 제상 모드에서 열매체는 가열 열매체관(H1, H2)을 따라 순환하므로 히팅 유닛(30H)에는 계속해서 온기가 공급된다.
다만, 가열 열교환기(22)에서 냉매와 열교환하며 냉각된 열매체가 히팅 유닛(30H)으로 전달되므로, 히팅 모드가 수행될 경우에 비해서는 공급하는 온기가 적어질 수 있다.
또한, 가열 열매체관(H1, H2)의 길이가 짧을 경우에는 열매체의 열용량이 충분히 확보되지 않을 수도 있다. 이와 같이 열매체의 열용량이 충분히 확보되지 않을 경우에는 제상에 필요한 열량이 열매체의 열용량을 상회하여, 히팅 유닛(30H)에 온기를 공급할 수 없어지며, 히팅 유닛(30H)으로부터 열을 흡수하여 히팅 유닛(30H)이 냉각을 수행하게 될 수도 있다.
따라서, 히팅 유닛(30H)에서부터 흡열하여 냉각이 이루어지기 전에, 열매체로부터의 열 흡수를 정지하여 히팅 유닛(30H)에서 냉각이 이루어지지 않도록 해야 한다.
보다 구체적으로는 제 1 제상 모드가 수행되고 있는 상태에서 가열 열매체관(H1, H2)을 따라 순환하는 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우에는 제 1 제상 모드에서 제 2 제상 모드로 전환된다. 또한, 상술한 바와 같이, 히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 출구측의 냉매 온도가 설정된 임계값 보다 낮고, 가열 열매체관(H1, H2)을 순환하는 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮으면 히팅 모드에서 제 2 제상 모드로 전환된다.
제 1 제상 모드 또는 히팅 모드에서 제 2 제상 모드로 전환되는 경우의 열매체 온도의 설정된 임계값은 히팅 유닛(30H)이 배치된 실내의 공기 온도에 의해 정해질 수 있다. 즉, 제 1 제상 모드가 수행되고 있는 상태에서 가열 열매체관(H1, H2)을 순환하는 열매체의 온도가 히팅 유닛(30H)의 실내 설정 공기 온도 보다 낮은 경우 경우에 제 1 제상 모드에서 제 2 제상 모드로 전환된다.
도 10은 제 2 제상 모드에서의 냉매 및 열매체의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 10에서 냉매의 유동은 실선 화살표로 표시된다.
제 2 제상 모드에서 사방 밸브(12)는 냉매를 실외 열교환기(15)로 안내한다. 즉, 사방 밸브(12)는 냉매가 화살표 A1 방향으로 유동하도록 한다. 또한, 개폐밸브(14), 냉매 유로 전환 밸브(28) 및 실외 팽창밸브(18)는 유로를 개방하고, 중간 팽창밸브(25)는 유로를 폐쇄한다.
냉매는 압축기(11)에 의해 압축되어 고온 고압의 가스 상태가 되고, 사방 밸브(12)를 통해 실외 열교환기(15)에 전달된다. 실외 열교환기(15)에서 냉매는 열을 방출하므로 실외 열교환기(15)의 표면에 부착된 성에는 제거된다. 실외 열교환기(15)를 통과한 냉매는 실외 팽창밸브(18)를 통과하나, 가열 열교환기(22)에는 전달되지 않고, 바이패스 팽창밸브(27)에 의해 감압 팽창되어 저온 저압의 기액 혼합상태가 된다. 바이패스 팽창밸브(27)에 의해 팽창된 냉매는 제상 바이패스관(B2)을 통해 전달된 고온 고압의 냉매와 혼합되어 과열 가스가 된 후, 어큐뮬레이터(17)를 통하여 압축기(11)로 흡입된다.
이와 같이 하여, 제 2 제상모드에서는 냉매가 압축기(11), 사방 밸브(12), 실외 열교환기(15), 실외 팽창밸브(18), 바이패스 팽창밸브(27) 및 어큐뮬레이터(17)를 차례로 통과하며 순환하도록 하는 냉매 회로가 구성된다.
다음으로, 제 3 제상 모드에 대하여 설명한다.
제 3 제상 모드는 히팅 중심 모드에서 쿨링 중심 모드로 전환하여 실외 열교환기(15)의 제상을 수행하는 모드이다. 즉, 히팅 중심 모드로 동작하고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 제상 요구가 발생한 경우(예를 들면, 실외 열교환기(15)의 출구측의 냉매 온도가 설정된 임계값 보다 낮은 경우)에 히팅 중심 모드에서 쿨링 중심 모드로 전환된다.
히팅 중심 모드에서는 가열 열교환기(22)에서 냉각된 냉매가 실외 팽창밸브(18)를 통해 증발기로서 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달된다. 이에 따라, 실외 열교환기(15)의 온도가 낮아지고, 실외 열교환기(15)의 표면에 성에가 발생할 수 있다.
한편, 쿨링 중심 모드에서는 압축기(11)에 의해 압축된 고온 고압의 가스 상태의 냉매가 사방 밸브(12)를 통해 응축기로서 동작하는 실외 열교환기(15)에 전달된다. 따라서, 히트 펌프 시스템(1)이 히팅 중심 모드에서 쿨링 중심 모드로 전환되도록 함으로써, 냉매가 실외 열교환기(15)에서 열을 방출하도록 하여, 실외 열교환기(15)의 표면에 발생한 성에는 제거된다.
추가로 설명하면, 제 3 제상 모드에서는 히팅 중심 모드에서 쿨링 중심 모드로 전환됨에 따라 난방 부하에 공급되는 온기가 작아질 수 있으나, 쿨링 중심 모드가 수행됨에 따라 히팅 유닛(30H)으로의 온기 공급 및 냉방 유닛으로의 냉기의 공급은 계속 수행된다.
다음으로 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 동결 방지 제어에 대해 도 11을 참조하여 설명한다.
압축기(11)나 냉각 펌프(23), 가열 펌프(24) 등이 정지하여 냉매 및 열매체가 순환하지 않는 경우, 외기 온도의 저하에 따라서 열매체가 동결될 수 있다. 열매체가 동결되면 가열 열교환기(22)나 냉각 열교환기(21), 가열 열매체관(H1, H2), 냉각 열매체관(L1, L2) 등이 파손될 수 있다. 따라서, 열매체의 동결을 방지하기 위해서 동결 방지 제어가 수행된다.
도 11에는 도 1에 개시된 중간 유닛(20)에 동결방지를 위해 열매체 바이패스관(B3, B4)들과 열매체 바이패스 밸브(29L, 29H)들이 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
열매체 바이패스관(B3, B4)들에는 그 일단이 냉각 열매체 공급관(L1)에 연결되고 그 타단이 냉각 열매체 회수관(L2)에 연결된 냉각 열매체 바이패스관(B3)과, 그 일단이 가열 열매체 공급관(H1)에 연결되고 그 타단이 가열 열매체 회수관(H2)에 연결된 가열 열매체 바이패스관(B4)가 포함된다.
열매체 바이패스 밸브(29L, 29H)들에는 냉각 열매체 바이패스관(B3, B4)에 배치되어 냉각 열매체 바이패스관(B3, B4)의 유로를 개폐하는 냉각 열매체 바이패스 밸브(29L)와, 가열 열매체 바이패스관(B3, B4)에 배치되어 가열 열매체 바이패스관(B3, B4)의 유로를 개폐하는 가열 열매체 바이패스 밸브(29H)가 포함된다.
일반적인 상태에서 열매체 바이패스 밸브(29L, 29H)들은 유로를 폐쇄하여 열매체 바이패스관(29L, 29H)들을 통한 열매체의 유동을 차단한다.
동결 방지 제어가 수행될 경우는 압축기(11) 및 가열 펌프(24)들이 정지되어 냉매 및 열매체가 순환하지 않고 있는 상태에서 가열 온도센서(T2)에 의해 검출된 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우에 가열 열매체 바이패스 밸브(29H)의 유로를 개방하고 가열 펌프(24)의 동작시킨다. 가열 열매체 바이패스 밸브(41)를 개방하고 가열 펌프(24)를 동작시키면 도면에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이 가열 열매체관(H1, H2)을 통해 열매체가 가열 펌프(24), 가열 열교환기(22) 및 바이패스 밸브(41)를 차례로 통과하여 순환한다. 이와 같이 열매체를 순환시킴으로써 가열 열매체관(H1, H2)들을 통과하는 열매체의 온도가 균일해진다. 또한 가열 펌프(24)로부터의 유입된 열에 의해 온도가 낮아진 부분의 열매체의 온도가 상승하므로 열매체의 동결은 억제된다. 여기에서 설정 임계값은 열매체의 동결 온도보다도 조금 높은 온도로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 열매체가 물인 경우, 임계값은 동결 온도인 0℃보다도 조금 높은 3℃ 등으로 설정될 수 있다.
또한 열매체가 순환하기 시작한 후, 가열 온도센서(T2)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상일 경우, 가열 펌프(24)의 동작이 정지되도록 하는 것도 가능하다. 또는 열매체가 순환하기 시작한 후, 5분 등과 같이 설정된 시간 경과 후에, 가열 온도센서(T2)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상인 경우에, 가열 펌프(24)의의 동작이 정지되도록 하는 것도 가능하다.
냉각 열매체관(L1, L2)를 통과하는 열매체에 대해서도 동결 방지 제어가 행해진다. 압축기(11) 및 냉각 펌프(23)가 정지되어 냉매 및 열매체가 순환하지 않는 상태에서 냉각 온도센서(T1)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우, 냉각 바이패스 밸브(42)의 유로를 개방하고 냉각 펌프(23)를 동작시킨다. 냉각 바이패스 밸브(42)의 유로를 개방하고 냉각 펌프(23)를 동작시킴에 따라 도면에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 열매체가 냉각 열매체관(L1, L2)을 따라 냉각 펌프(23), 냉각 열교환기(21) 및 동결방지 바이패스 밸브(42)를 차례로 통과하여 순환한다. 이와 같이 열매체를 순환시킴에 따라 냉각 열매체관(L1, L2)을 통과하는 열매체의 동결은 억제된다. 여기에서 설정된 임계값은 가열 열매체관(H1, H2)의 경우와 마찬가지로 열매체의 동결 온도보다도 조금 높은 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
또한 열매체가 순환하기 시작한 후, 냉각 온도센서(T1)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상이 될 경우, 냉각 펌프(23)를 다시 정지시키는 것도 가능하다. 또는 열매체가 순환하기 시작한 후 5분 등의 설정된 시간 경과 후에 냉각 온도센서(T1)에 의해 검출되는 열매체의 온도가 설정된 임계값 이상일 경우 냉각 펌프(23)를 다시 정지시키는 것도 가능하다.
다음으로 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 워터 바이패스 제상 제어에 대해 설명한다. 워터 바이패스 제상 제어는 히팅 모드, 히팅 중심 모드에서 수행된다. 워터 바이패스 제상 제어에서는 가열 열매체관(H1, H2)과 냉각 열매체관(L1, L2)을 바이패스 연결하여 열매체를 순환시킴으로써 실외 열교환기(15)의 제상이 수행된다.
도 12는 히트 펌프 시스템(1)이 워터 바이패스 제상 제어를 수행될 경우의 도면이다. 도 12에는 도 1에 개시된 중간 유닛(20)에 연결 바이패스관(B5, B6)들과 연결 바이패스 밸브(29L1, 29H1)들이 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
연결 바이패스관(B5, B6)들에는 그 일단이 가열 열매체 공급관(H1)에 연결되고 타단이 냉각 열매체 회수관(L2)에 연결되는 제 1 연결 바이패스관(B5)과, 그 일단이 냉각 열매체 공급관(L1)에 연결되고 타단이 가열 열매체 회수관(H2)에 연결된 제 2 연결 바이패스관(B6)이 포함된다.
연결 바이패스관(B5, B6)들에는 제 1 연결 바이패스관(B5)에 배치되어 제 1 연결 바이패스관(B5)의 유로를 개폐하는 제 1 연결 바이패스 밸브(29L1)와, 제 2 연결 바이패스관(B6)에 배치되어 제 2 연결 바이패스관(B6)의 유로를 개폐하는 제 2 연결 바이패스 밸브(29L1, 29H1)가 포함된다.
중간 유닛(20)은 냉각 열매체 공급관(L1)에 배치되어 쿨링 유닛(30L)으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 공급 밸브(29a)와, 냉각 열매체 회수관(L2)에 배치되어 쿨링 유닛(30L)으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 회수 밸브(29b)를 포함한다. 또한, 중간 유닛(20)은 가열 열매체 공급관(H1)에 배치되어 히팅 유닛(30H)으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 공급 밸브(29c)와, 가열 열매체 회수관(H2)에 배치되어 히팅 유닛(30H)으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 회수 밸브(29d)를 포함한다.
여기서, 일반적인 상태에서 제 1 연결 바이패스 밸브(43) 및 제 2 연결 바이패스 밸브(46)의 유로는 모두 닫힌 상태를 유지하고, 냉각 열매체 공급 밸브(29a), 냉각 열매체 회수 밸브(46), 가열 열매체 공급 밸브(29d), 가열 열매체 회수 밸브(29c)는 모두 개방된 상태를 유지한다.
워터 바이패스 제상 제어는 히팅 모드 또는 히팅 중심 모드가 수행되고 있는 상태에서 실외 열교환기(15)의 제상 요구가 발생할 경우(예를 들면, 실외 열교환기(15)의 출구측의 냉매 온도가 설정된 임계값을 밑도는 경우), 쿨링 중심 모드로 전환된다. 즉, 실외 열교환기(15) 및 가열 열교환기(22)가 응축기로 동작하도록 하고, 냉각 열교환기(21)가 증발기로 동작하도록 한다. 또한, 제 1 연결 바이패스 밸브(43) 및 제 2 연결 바이패스 밸브(46)의 유로를 개방하고, 냉각 열매체 공급 밸브(29a), 냉각 열매체 회수 밸브(46), 가열 열매체 공급 밸브(29d), 가열 열매체 회수 밸브(29c)의 유로를 모두 폐쇄한다.
이러한 상태에서 냉각 펌프(23) 및 가열 펌프(24)가 동작하도록 하면, 냉각 열교환기(21)에서 전달된 열매체는 도면에서 점선 화살표로 표시한 바와 같이 제 2 연결 바이패스 밸브(46) 및 가열 펌프(24)를 통과하여, 가열 열교환기(22)에 전달된다. 가열 열교환기(22)에 전달된 열매체는 가열 열교환기(22)를 통과하는 냉매에 의해 가열되어 온도가 상승한다. 온도가 상승된 열매체는 제 1 연결 바이패스 밸브(43) 및 냉각 펌프(23)를 통과하여 냉각 열교환기(21)로 전달되고. 냉각 열교환기(21)에서 냉매에 의해 냉각되어 온도가 낮아진다.
이와 같이 열매체를 순환시킴으로써 냉각 열매체관(L1, L2) 및 가열 열매체관(H1, H2)을 순환하는 열매체의 온도는 설정된 범위 내를 유지하도록 조절된다. 또한, 열매체를 순환시킴으로써 가열 열교환기(22)에서 냉매로부터 열매체에 공급되는 열량과, 냉각 열교환기(21)에서 열매체부터 냉매에 공급되는 열량은 동등하게 유지되도록 제어된다. 이와 같이 열 평형 상태가 되면, 히트 펌프 사이클의 원리에 따라 압축기(11)에 의해 압축되어 냉매에 가해진 열량은 모두 실외 열교환기(15)에 공급된다. 그리고 실외 열교환기(15)의 표면에 발생한 성에는 제거된다. 추가로, 실외 열교환기(15)를 제상할 때에 열매체에 대한 열용량의 제한이 없어 냉각 열매체관(L1, L2)이나 가열 열매체관(H1, H2)의 배관량이 작은 상황에서도 안정적으로 제상이 수행될 수 있다.
또한, 이와 같이 열매체를 순환시킴으로써, 열매체의 양에 관계없이, 실외 열교환기(15)의 제상이 수행될 수 있다. 또한 열매체의 온도 변화가 억제되므로 히팅 유닛(30H) 및 쿨링 유닛(30L)의 온도 변화도 억제된다.
다음으로 본 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(1)의 과냉각도의 제어에 대해 설명한다. 과냉각도 제어는 히팅 모드에서 수행된다.
도 13은 과냉각도 제어를 행하는 경우의 히트 펌프 시스템(1)의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 13에는 도 1에 개시된 중간 유닛(20)에 가열 냉매 온도센서(T3), 가열 냉매 압력센서(PS2), 냉매 유량 조절 밸브(26)가 추가된 히트 펌프 시스템(1)이 도시되어 있다.
가열 냉매 온도센서(T3), 가열 냉매 압력센서(PS2)는 가열 열교환기(22)의 냉매 출구측, 즉 가열 냉매관(P6-2)에 설치된다. 또한 냉매 유량 조절 밸브(26)가 도 6에서와 마찬가지로 냉각 열교환기(21)와 어큐뮬레이터(17) 사이의 제 5 냉매관(P5)에 설치된다.
과냉각도 제어는 가열 열교환기(22)의 출구측의 냉매의 과냉각도가 설정된 범위 내의 값을 유지하도록, 중간 팽창밸브(25) 및 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 제어된다. 즉, 과냉각도 제어에서는 과냉각도가 설정된 목표 과냉각도의 값이 되도록, 중간 팽창밸브(25) 및 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 제어된다.
보다 구체적으로는, 가열 냉매관(P6-2)에 배치된 가열 냉매 온도센서(T3)에 의해 냉매의 온도가 검출되고, 가열 냉매관(P6-2)에 배치된 가열 냉매 압력센서(PS2)에 의해, 냉매의 압력이 검출된다. 또한, 검출된 냉매의 압력은 냉매의 응축 온도에 대응하는 포화 온도로 환산된다. 냉매의 포화 온도와 온도센서(T3)에 의해 검출된 냉매의 온도의 차이를 통해 과냉각도는 계산된다. 계산된 과냉각도가 설정된 범위 내의 값이 되도록, 중간 팽창밸브(25) 및 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 제어된다.
추가로 설명하면, 과냉각도가 설정된 범위 보다 클 경우에는 중간 팽창밸브(25)를 열어서 냉매 유량 조절 밸브(26)의 유로를 폐쇄하도록 제어된다. 다시 말하면 과냉각도가 설정된 범위 보다 클 경우에는 중간 팽창밸브(25)의 개도는 커지도록 하고 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도는 작아지도록 제어된다.
과냉각도(SC)가 설정된 범위 보다 낮을 경우, 중간 팽창밸브(25)의 유로를 폐쇄하고 냉매 유량 조절 밸브(26)는 유로를 개방하도록록 제어된다. 다시 말하면, 과냉각도가 설정된 범위 보다 낮을 경우에는 중간 팽창밸브(25)의 개도는 작아지도록 하고, 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도는 커지도록 제어된다.
히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 냉매 회로에 충전된 냉매량이 과잉일 경우, 가열 열교환기(22)의 출구측 냉매의 과냉각도는 상승한다. 따라서, 과냉각도가 설정된 범위를 넘은 경우, 중간 프로세서(C2)는 냉매 회로 냉매량이 과잉이라고 판단하여, 중간 팽창밸브(25)의 개도가 커지도록 함과 동시에 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 작아지도록 한다. 이와 같은 제어에 따라 냉매 회로의 냉매는 히팅 모드에서 열교환기로서 이용하지 않는 냉각 열교환기(21)에 저장된다. 냉매 회로의 과잉 냉매가 냉각 열교환기(21)에 저류되면, 과냉각도(SC)는 저하되고, 설정된 범위 내로 유지된다.
또한 히팅 모드가 수행되고 있는 상태에서 냉매 회로에 충전된 냉매량이 부족하면, 가열 열교환기(22)의 출구측 냉매의 과냉각도가 낮아진다. 따라서, 과냉각도가 설정된 범위 보다 낮을 경우, 중간 프로세서(C2)는 냉매 회로의 냉매량이 부족하다고 판단하여, 중간 팽창밸브(25)의 개도가 작아지도록 함과 동시에 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도가 커지도록 한다. 이와 같은 제어에 의해 냉각 열교환기(21)에 저장되었던 냉매가 냉매 회로에 공급된다. 냉각 열교환기(21)의 냉매가 냉매 회로에 공급되면 과냉각도는 상승하여 설정된 범위 내로 유지된다.
상기와 같이 히트 펌프 시스템(1)은 가열 열교환기(22)의 출구측 냉매의 과냉각도(SC)를 산출하고, 산출한 과냉각도가 설정된 범위 내로 유지되도록 중간 팽창밸브(25) 및 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 제어한다. 과냉각도를 기초로 중간 팽창밸브(25) 및 냉매 유량 조절 밸브(26)의 개도를 제어함으로써, 냉매 회로의 냉매 유량이 조절되고, 히팅 유닛(30H)에 대하여 온기가 안정되게 공급되게 된다.
상기의 실시예들에서 실외 유닛(10)과 중간 유닛(20)을 별도의 하우징에 수용되나, 실외 유닛(10)과 중간 유닛(20)이 하나의 하우징에 수용되도록 하는 것도 가능하다.
또한 본 발명의 실시예를 실현하는 프로그램은 통신 수단에 의해 제공될 수있을 뿐만 아니라, CD-ROM 등과 같은 각종 기록 매체에 저장되어 제공되는 것도 가능하다.
본 발명의 권리범위는 상기 설명한 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 특허청구범위에 명시된 본 발명의 기술적 사상으로서의 요지를 벗어나지 아니하는 범위 안에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 또는 변형 가능한 다양한 다른 실시예들도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

Claims (14)

  1. 실외 공간에 배치되는 실외 유닛과,
    냉기 및 온기를 공급받는 복수의 열부하 유닛들과,
    상기 실외 유닛과 상기 복수의 열부하 유닛들 사이에 배치되는 중간 유닛을 포함하며,
    상기 중간 유닛은 냉매가 통과하는 냉매관을 통해 상기 실외 유닛과 연결되고, 열매체가 통과하는 열매체관을 통해 상기 복수의 열부하 유닛들과 연결되는 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 열부하 유닛들은 냉기를 전달받아 사용하는 쿨링 유닛과, 온기를 전달받아 사용하는 히팅 유닛을 포함하는 히트 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실외 유닛은 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매가 실외 공기와 열교환하도록 하는 실외 열교환기와, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 실외 열교환기와 상기 중간 유닛 중 어느 하나로 안내하는 사방밸브와, 냉매를 감압 팽창시키는 실외 팽창밸브를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중간 유닛은 상기 쿨링 유닛에서 전달된 열매체와 냉매가 열교환하도록 하는 냉각 열교환기와, 상기 히팅 유닛에서 전달된 열매체와 냉매가 열교환하도록 하는 가열 열교환기와, 냉매를 감압 팽창시키는 중간 팽창밸브를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 사방밸브로 안내하는 제 1 냉매관과,
    냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 실외 열교환기로 안내하는 제 2 냉매관과,
    냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 가열 열교환기로 안내하는 제 3 냉매관과,
    냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 압축기의 흡입측으로 제 4 냉매관과,
    냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과,
    상기 실외 열교환기와 연결되며 둘로 분기되어 그 하나가 상기 냉각 열교환기와 연결되는 냉각 냉매관을 형성하고 다른 하나가 상기 가열 열교환기와 연결되는 가열 냉매관을 형성하는 제 6 냉매관과,
    상기 제 2 냉매관과 상기 제 3 냉매관을 연결하는 제 7 냉매관과,
    상기 제 7 냉매관에 배치되어 상기 제 7 냉매관을 통해 선택적으로 냉매가 유동하도록 하는 개폐밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과,
    상기 냉각 열교환기의 냉매 출구측의 압력을 검출하는 압력센서와,
    상기 제 5 냉매관에 배치되어 상기 압력센서에 의해 검출된 압력이 설정 범위 내의 값이 되도록 개도가 제어되는 냉매 유량 조절 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    냉매를 상기 냉각 열교환기에서 상기 압축기의 흡입측으로 안내하는 제 5 냉매관과,
    상기 냉각 열교환기를 통해 냉각된 열매체의 온도를 검출하는 냉각 온도센서와,
    상기 냉각 냉매관으로부터 분기되어 상기 제 5 냉매관에 연결되는 냉매 바이패스관과,
    상기 냉매 바이패스관에 배치되어 상기 냉각 온도센서에 의해 검출된 열매체의 온도가 설정된 임계값 보다 낮을 경우에 상기 냉매 바이패스관의 유로를 개방하는 바이패스 팽창밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    일단이 냉매를 상기 사방 밸브에서 상기 가열 열교환기로 냉매를 안내하는 제 3 냉매관에 연결되고 타단이 상기 압축기의 흡입측을 제 5 냉매관에 연결되는 제상 바이패스관과,
    상기 제상 바이패스관에 배치되어 상기 실외 열교환기에서의 제상 요구가 발생하면 상기 제상 바이패스관의 유로를 개방하는 냉매 유로 전환 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각 열교환기에서 냉각된 열매체를 상기 쿨링 유닛에 공급하는 냉각 열매체 공급관과,
    상기 쿨링 유닛을 통과하며 열을 흡수한 열매체를 상기 냉각 열교환기에 전달하는 냉각 열매체 회수관과,
    상기 가열 열교환기에서 냉각된 열매체를 상기 히팅 유닛에 공급하는 가열 열매체 공급관과,
    상기 히팅 유닛을 통과하며 열을 방출한 열매체를 상기 가열 열교환기에 전달하는 가열 열매체 회수관을 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 열매체 회수관에 배치된 냉각 펌프와,
    상기 가열 열매체 회수관에 배치된 가열 펌프를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    그 일단이 상기 냉각 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 냉각 열매체 회수관에 연결된 냉각 열매체 바이패스관과,
    그 일단이 가열 열매체 공급관에 연결되고 타단이 가열 열매체 회수관에 연결된 가열 열매체 바이패스관과,
    상기 냉각 열매체 바이패스관에 배치되어 상기 냉각 열매체 바이패스관의 유로를 개폐하는 냉각 열매체 바이패스 밸브와,
    상기 가열 열매체 바이패스관에 배치되어 상기 가열 열매체 바이패스관의 유로를 개폐하는 가열 열매체 바이패스 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    그 일단이 상기 가열 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 냉각 열매체 회수관에 연결되는 제 1 연결 바이패스관과,
    그 일단이 상기 냉각 열매체 공급관에 연결되고 타단이 상기 가열 열매체 회수관에 연결된 제 2 연결 바이패스관과,
    상기 제 1 연결 바이패스관에 배치되어 상기 제 1 연결 바이패스관의 유로를 개폐하는 제 1 연결 바이패스 밸브와,
    상기 제 2 연결 바이패스관에 배치되어 상기 제 2 연결 바이패스관의 유로를 개폐하는 제 2 연결 바이패스 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 열매체 공급관에 배치되어 상기 쿨링 유닛으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 공급 밸브와,
    상기 냉각 열매체 회수관에 배치되어 상기 쿨링 유닛으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 냉각 열매체 회수 밸브와,
    상기 가열 열매체 공급관에 배치되어 상기 히팅 유닛으로 공급되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 공급 밸브와,
    상기 가열 열매체 회수관에 배치되어 상기 히팅 유닛으로부터 회수되는 열매체의 양을 조절하는 가열 열매체 회수 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열 열교환기의 냉매 토출측에 배치되어 냉매의 온도를 검출하는 가열 냉매 온도센서와,
    상기 가열 열교환기의 냉매 토출측에 배치되어 냉매의 압력을 검출하는 가열 냉매 압력센서와,
    상기 제 5 냉매관에 배치되어 상기 가열 열교환기의 냉매 출구측 과냉각도에 따라 개도가 조절되는 냉매 유량 조절 밸브를 더 포함하는 히트 펌프 시스템.
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