KR20200114008A

KR20200114008A - 히트펌프

Info

Publication number: KR20200114008A
Application number: KR1020190035038A
Authority: KR
Inventors: 오승택
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-07

Abstract

본 발명은 실내를 냉방 또는 난방하는 것이 가능한 히트펌프에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프는, 어큐뮬레이터로부터 유입된 냉매를 압축하는 압축기; 냉매를 실외공기와 열교환시키는 실외열교환기; 냉매를 순환수와 열교환시키는 실내열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로 안내하는 절환밸브; 상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로부터 공급받은 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브; 상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 일부를 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 모듈; 및 상기 압축기에서 토출된 냉매의 온도(이하, 압축기 토출온도)가 기설정온도 미만이 되도록 상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 모듈을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

히트펌프{HEAT PUMP}

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기에서 토출되는 냉매의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하고, 냉매 순환량을 증대시킬 수 있는 히트펌프에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 통해 실내를 냉난방시키는 장치를 말한다. 실내를 난방하는 경우에는, 실내열교환기는 고온, 고압의 냉매가 통과하는 응축기로 기능하며, 실외열교환기는 저온, 저압의 냉매가 통과하는 증발기로 기능한다.

외기 온도가 0도 이하인 한랭지 조건에서 히트펌프를 이용해 실내를 난방할 경우, 압축기가 높은 압축비로 동작되어 토출온도가 과도하게 상승됨으로써 내부 부품을 손상시킬 수 있고, 냉매 순환량이 감소되어 난방 성능이 떨어질 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하고자, 일본 공개특허 제28166706호는 응축기 출구측의 액상 냉매 중 일부를 과냉각한 후 압축기로 인젝션하는 기술을 개시하나, 과냉각된 액상 냉매를 압축기로 인젝션하는 것은 압축기 운전에 큰 부담이 될 수 있다.

또한, 일본 공개특허 제21243793호는 압축기로 흡입되는 기상 냉매를 응축기 출구를 지나 1차 팽창된 액상 냉매와 열교환시킴으로써 과냉하는 기술을 개시하나, 증발된 냉매를 재액화하는 과정에서 사이클 성능 하락이 예상되고, 추가적인 구성으로 인해 재료비가 상승하는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는, 압축기에서 토출된 냉매의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있는 히트펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는, 냉매 순환량을 증대시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있는 히트펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 실내를 냉방 또는 난방하는 것이 가능한 히트펌프에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 히트펌프는, 압축기; 실외열교환기; 실내열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로 안내하는 절환밸브; 상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로부터 공급받은 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브; 상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 일부를 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 모듈; 및 상기 압축기에서 토출된 냉매의 온도(이하, 압축기 토출온도)가 기설정온도 미만이 되도록 상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 모듈을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 인젝션 모듈은, 상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 일부(이하, 바이패스 냉매)를 팽창시키는 인젝션 팽창밸브; 및 상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 상기 바이패스 냉매를 제외한 나머지 냉매(이하, 메인 냉매)를, 상기 인젝션 팽창밸브에서 팽창된 바이패스 냉매와 열교환시키는 과냉각기를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 실내를 난방할 시, 플래시 가스 인젝션 조건이 만족되면, 상기 인젝션 모듈을 통해 상기 압축기로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션되도록 제어하고, 상기 플래시 가스 인젝션 조건은, 실외온도가 기준온도 미만일 경우에 만족될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 압축기 토출온도와 상기 실내열교환기에서 응축되는 냉매의 포화온도의 차인 압축기 토출 과열도와, 상기 인젝션 팽창밸브에서 팽창된 바이패스 냉매가 상기 과냉각기를 통과하기 전후의 온도의 차인 과냉각기 출구 과열도에 따라, 상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 팽창밸브의 개도를 조절할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 압축기 토출 과열도가 제1 온도값을 초과하도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 준비 제어)할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 준비 제어 이후에, 상기 인젝션 팽창밸브를 제1 개도로 조절하면서, 상기 압축기 토출온도가 기존 토출온도 미만이 되고, 상기 과냉각기 출구 과열도가 제2 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 개시 제어)할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 개시 제어 이후에, 상기 인젝션 팽창밸브를 상기 제1 개도보다 상대적으로 작은 제2 개도로 조절하면서, 상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 유지 제어)할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 유지 제어 이후에, 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 온도(이하, 압축기 흡입온도)와 상기 실외열교환기에서 증발되는 냉매의 포화온도의 차인 흡입 과열도가 제3 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절할 수 있다.

상기에서 언급되지 않은 과제의 해결수단은 본 발명의 실시예에 관한 설명으로부터 충분히 도출될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 실외온도가 기준온도 미만일 경우, 플래시 가스 상태의 냉매를 압축기로 인젝션함으로써, 압축기에서 토출되는 냉매의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.

둘째, 압축기 토출온도 뿐만 아니라, 압축기 토출 과열도 및 과냉각기 출구 과열도에 따라 메인 팽창밸브 및 인젝션 팽창밸브의 개도를 조절함으로써, 압축기 토출온도를 조절하고, 사이클을 순환하는 냉매 순환량을 증대시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 히트펌프의 구성 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 구성 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어 계통도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법에 관한 순서도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프에서 플래시 가스 인젝션에 따른 효과를 보여주는 실험 결과 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 구성을 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 히트펌프의 구성 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 구성 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.

일반적으로 히트펌프는 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 통해 실내를 냉난방시키는 장치를 말한다. 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)는 열원으로 공기와 물을 이용한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)에서 냉매는 실외열교환기(24)에서 실외공기와 열교환하고, 실내열교환기(34)에서 순환수(W)와 열교환을 한다.

여기서, 냉매는 R32를 포함해 다양한 냉매가 적용될 수 있다.

실내열교환기(34)에서 냉매와 열교환된 순환수(W)는 실내(I)로 유입되어 실내를 냉방 또는 난방하거나, 실내에 냉수 또는 온수를 제공할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)는 공기 대 물 열교환형 히트펌프로서 AWHP(Air to Water Heat Pump)로 부를 수 있고, 이 경우 실내열교환기(34)는 Hydrokit 로 부를 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 히트펌프(10)는 실외기(20) 및 실내기(30)를 포함한다.

실외기(20)는 어큐뮬레이터(21), 압축기(22), 절환밸브(23), 실외열교환기(24), 실외팬(24a) 및 메인 팽창밸브(25)를 포함하고, 실내기(30)는 실내열교환기(34)를 포함할 수 있다. 이때, 실외기(20)의 각 구성과 실내열교환기(34)는 냉매배관(RP)에 의해 서로 연결될 수 있고, 실내열교환기(34)와 실내(I)는 수배관(WP)에 의해 서로 연결될 수 있다.

압축기(22)는 어큐뮬레이터(21)로부터 유입된 냉매를 압축할 수 있고, 압축기용 전동기(미도시)에 의해 구동될 수 있다.

일 예로써, 압축기(22)는 스크롤 압축기로서, 고정 스크롤과 회전 스크롤의 상대적인 위상차에 의하여 냉매가 압축되도록 구성될 수 있다. 다른 예로써, 압축기(22)는 실린더 및 피스톤을 이용한 왕복동 압축기일 수 있고, 실시예에 따라 복수 개로 구비될 수도 있다.

압축기(22)에 의해 압축된 냉매는 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 절환밸브(23)를 거쳐 실외열교환기(24) 또는 실내열교환기(34)로 유입될 수 있다.

실외열교환기(24)는 냉매와 실외공기를 열교환시킬 수 있다. 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 실외열교환기(24)에서 냉매와 실외공기 간의 열전달 방향이 다를 수 있다.

실외팬(24a)은 실외열교환기(24)의 일측에 배치되어 실외열교환기(24)에 제공되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 실외팬(24a)은 실외팬용 전동기(미도시)에 의해 구동될 수 있다.

실내열교환기(34)는 냉매와 순환수(W)를 열교환시킬 수 있다. 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 실내열교환기(34)에서 냉매와 순환수(W) 간의 열전달 방향이 다를 수 있다.

메인 팽창밸브(25)에는 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 실외열교환기(24) 및 실내열교환기(34) 중 어느 하나로부터 응축된 냉매를 공급받을 수 있다. 메인 팽창밸브(25)는 응축된 냉매를 팽창시킬 수 있다. 메인 팽창밸브(25)에 의해 팽창된 냉매는 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 실외열교환기(24) 또는 실내열교환기(34)로 유입될 수 있다.

절환밸브(23)는 히트펌프(10)의 냉, 난방 운전 모드에 따라 압축기(22)에서 토출된 냉매를 실외열교환기(24) 및 실내열교환기(34) 중 어느 하나로 선택적으로 안내할 수 있다. 절환밸브(23)는 4 개의 유로를 절환할 수 있는 다양한 밸브 또는 그 조합으로 구현될 수 있고, 일 예로써 사방밸브일 수 있다.

어큐뮬레이터(21)는 압축기(22)에 기상 냉매를 공급할 수 있다.

도 2의 절환밸브(23) 중 실선으로 도시된 유로를 기준으로, 히트펌프(10)의 난방 운전 모드를 설명하면 다음과 같다.

어큐뮬레이터(21)에서 압축기(22)로 유입되는 저온, 저압의 냉매는 압축기(22)로부터 고온, 고압의 상태로 토출될 수 있다.

압축기(22)에서 토출된 냉매는 절환밸브(23)를 거쳐 실내열교환기(34)로 유입되어, 순환수(W)와 열교환될 수 있다. 이때, 냉매로부터 순환수(W)로 열에너지가 전달되므로, 순환수(W)의 온도는 상승되고, 냉매는 응축되므로, 난방 운전 시에 실내열교환기(34)는 응축기로 이해될 수 있다. 이때, 온도가 상승된 순환수(W)가 실내(I)로 공급됨으로써, 실내 공간은 난방된다. 또는, 실내(I)에 온수를 공급할 수 있다.

실내열교환기(34)를 통과한 냉매는 메인 팽창밸브(25)를 통과하며 저온, 저압으로 팽창될 수 있다.

메인 팽창밸브(25)를 통과한 냉매는 실외열교환기(24)로 유입되어, 실외공기와 열교환될 수 있다. 이때, 냉매로 실외공기의 열에너지가 전달되므로, 실외공기의 온도는 하강되고, 냉매는 증발되므로, 난방 운전 시에 실외열교환기(24)는 증발기로 이해될 수 있다.

실외열교환기(24)를 통과한 냉매는 절환밸브(23)를 거쳐 어큐뮬레이터(21)로 유입될 수 있다.

어큐뮬레이터(21)는 압축기(22)에 기상 냉매를 공급할 수 있고, 이로써 히트펌프(10)의 난방 사이클이 완성될 수 있다.

도 2의 절환밸브(23) 중 점선으로 도시된 유로를 기준으로, 히트펌프(10)의 냉방 운전 모드를 설명하면 다음과 같다.

압축기(22)에서 토출된 냉매는 절환밸브(23)를 거쳐 실외열교환기(24)로 유입되어, 실외공기와 열교환될 수 있다. 이때, 냉매로부터 실외공기로 열에너지가 전달되므로, 실외공기의 온도는 상승되고, 냉매는 응축되므로, 냉방 운전 시에 실외열교환기(24)는 응축기로 이해될 수 있다.

실외열교환기(24)를 통과한 냉매는 메인 팽창밸브(25)를 통과하며 저온, 저압으로 팽창될 수 있다.

메인 팽창밸브(25)를 통과한 냉매는 실내열교환기(34)로 유입되어, 순환수(W)와 열교환될 수 있다. 이때, 냉매로 순환수(W)의 열에너지가 전달되므로, 순환수(W)의 온도는 하강되고, 냉매는 증발되므로, 냉방 운전 시에 실내열교환기(34)는 증발기로 이해될 수 있다. 이때, 온도가 하강된 순환수(W)가 실내(I)로 공급됨으로써, 실내 공간은 냉방된다. 또는, 실내(I)에 냉수를 공급할 수 있다.

실내열교환기(34)를 통과한 냉매는 절환밸브(23)를 거쳐 어큐뮬레이터(21)로 유입될 수 있다.

어큐뮬레이터(21)는 압축기(22)에 기상 냉매를 공급할 수 있고, 이로써 히트펌프(10)의 냉방 사이클이 완성될 수 있다.

후술하는 제어부(80)는 실내(I)를 냉방할 시, 압축기(22)에서 토출된 냉매가 실외열교환기(24)로 안내되도록 절환밸브(23)를 조절하고, 실내(I)를 난방할 시, 압축기(22)에서 토출된 냉매가 실내열교환기(34)로 안내되도록 절환밸브(23)를 조절할 수 있다.

본 발명은 외기온도가 0도 이하인 한랭지 조건에서 히트펌프(10)를 이용하여 실내(I)를 난방할 시, 압축기(22)가 높은 압축비로 동작되어 토출온도가 과도하게 상승되는 문제와, 냉매 순환량이 급감하는 문제를 해결하기 위해 안출되었다.

이를 위해, 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 히트펌프와 달리, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)는 실내열교환기(34)와 메인 팽창밸브(25)를 연결하는 냉매배관(RP)에 인젝션 모듈(40)을 설치하였으며, 보다 상세히는 후술한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 구성 중 인젝션 모듈 및 이와 관련된 구성을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어 계통도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)는 상기한 압축기(22), 실외열교환기(24), 실내열교환기(34), 절환밸브(23), 메인 팽창밸브(25) 뿐만 아니라, 인젝션 모듈(40) 및 제어부(80)를 포함한다.

인젝션 모듈(40)은 실내열교환기(34)에서 메인 팽창밸브(25)로 유동하는 냉매 중 일부를 압축기(22)로 인젝션하고, 여기서 인젝션은 어큐뮬레이터(21)로부터 압축기(22)로 유입되는 냉매의 압력과 압축기(22)로부터 토출되는 냉매의 압력의 사이에 형성된 중간 압력을 갖는 냉매를 압축기(22)의 압축실로 유입시키는 것을 의미한다.

인젝션 모듈(40)은 인젝션 팽창밸브(41) 및 과냉각기(42)를 포함할 수 있다.

인젝션 팽창밸브(41)는 실내열교환기(34)에서 메인 팽창밸브(25)로 유동하는 냉매 중 일부(이하, 바이패스 냉매)를 팽창시킬 수 있다.

상기한 바와 같이, 히트펌프(10)가 난방 운전할 시 실내열교환기(34)가 응축기로서 기능하고, 실내열교환기(34)에서 메인 팽창밸브(25)로 냉매가 유동하므로, 본 발명에서 상기 및 후술하는 인젝션 모듈(40)은 히트펌프(10)의 난방 운전 시에만 동작될 수 있다.

이를 위해, 후술하는 제어부(80)는 히트펌프(10)가 냉방 운전 중일 경우 인젝션 팽창밸브(41)를 폐쇄하여, 실외열교환기(24) 및 메인 팽창밸브(25)를 거쳐 실내열교환기(34)로 유동하는 냉매가 인젝션 팽창밸브(41)를 통과하는 것을 차단할 수 있다.

과냉각기(42)는 실내열교환기(34)에서 메인 팽창밸브(25)로 유동하는 냉매 중 상기 바이패스 냉매를 제외한 나머지 냉매(이하, 메인 냉매)를, 인젝션 팽창밸브(41)에서 팽창된 바이패스 냉매와 열교환시킬 수 있다.

즉, 인젝션 팽창밸브(41)를 통과하며 저온, 저압으로 팽창된 상기 바이패스 냉매가, 상기 메인 냉매와 열교환됨으로써, 상기 바이패스 냉매는 증발되고, 상기 메인 냉매는 과냉될 수 있다.

과냉각기(42)를 통과하며 과냉된 메인 냉매는 메인 팽창밸브(25)를 통과하며 저온, 저압으로 팽창된 후에 실외열교환기(24)로 유입되어 증발되고, 이후 절환밸브(23) 및 어큐뮬레이터(21)를 거쳐 압축기(22)로 유입되어 압축될 수 있다.

과냉각기(42)를 통과하며 증발된 바이패스 냉매는 압축기(22)로 인젝션된 후, 상기 압축기(22)로 유입되어 중간 압력까지 압축된 메인 냉매와 함께 목표 압력까지 압축되어 토출될 수 있다.

상기한 바와 같이, 인젝션 모듈(40)을 통해 실내열교환기(34)를 통과하며 응축된 냉매 중 일부를 압축기(22)로 인젝션함으로써, 압축기(22)에서 토출되는 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 히트펌프(10)를 순환하는 냉매의 순환량을 증대시킬 수 있다.

이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(10)의 제어부(80)는 압축기(22)에서 토출된 냉매의 온도(이하, 압축기 토출온도)가 기설정온도 미만이 되도록 메인 팽창밸브(25) 및 인젝션 모듈(40)을 제어할 수 있다. 일 예로써, 기설정온도는 100도 내지 120도의 값일 수 있다.

제어부(80)는 메인 팽창밸브(25) 및 인젝션 팽창밸브(41)의 개도를 조절할 수 있고, 이를 위해 메인 팽창밸브(25) 및 인젝션 팽창밸브(41)는 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)일 수 있다.

제어부(80)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

제어부(80)는 실내(I)를 난방할 시, 플래시 가스 인젝션 조건이 만족되면, 인젝션 모듈(40)을 통해 압축기(22)로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션되도록 제어할 수 있다.

여기서, 플래시 가스 인젝션 조건은 실외온도가 기준온도 미만일 경우에 만족될 수 있고, 기준온도는 0도 이하일 수 있다. 즉, 한랭지 조건에서 히트펌프(10)가 난방 운전될 시 발생할 수 있는 압축기 토출온도 상승 및/또는 냉매 순환량 감소를 해결하기 위해, 플래시 가스 인젝션이 이루어질 수 있다.

또한, 플래시 가스 상태의 냉매는 2 상(two phase) 상태의 냉매를 일컫는 것으로서, 습증기 상태의 냉매를 말한다.

과냉된 냉매를 압축기(22)로 인젝션할 경우 액적에 의한 압축기(22)의 손상이 우려되고, 과열된 냉매를 압축기(22)로 인젝션할 경우 압축기(22)의 토출온도를 낮추는 데 효과적이지 못할 수 있으므로, 본 발명에서는 압축기(22)에 플래시 가스 상태의 냉매를 인젝션하며, 이 경우 인젝션된 냉매는 압축실에 유입되면서 기화될 것이므로 상기 액적에 의한 압축기 손상의 우려가 없다.

제어부(80)는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 압축기 토출온도와 실내열교환기(34)에서 응축되는 냉매의 포화온도의 차인 압축기 토출 과열도와, 인젝션 팽창밸브(41)에서 팽창된 바이패스 냉매가 과냉각기(42)를 통과하기 전후의 온도의 차인 과냉각기 출구 과열도에 따라, 메인 팽창밸브(25) 및 인젝션 팽창밸브(41)의 개도를 조절할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 압축기 토출 과열도를 측정하기 위해, 본 발명은 압축기 출구 온도센서(62) 및 실내열교환기 압력센서(63)를 구비할 수 있다.

즉, 압축기(22) 출구측에 설치된 압축기 출구 온도센서(62)에 의해 측정된 상기 압축기 토출온도와, 실내열교환기(34)에 설치된 실내열교환기 압력센서(63)에 의해 측정된 실내열교환기(34)에서 응축되는 냉매의 포화압력을 환산해 얻을 수 있는 실내열교환기(34)에서 응축되는 냉매의 포화온도를 토대로, 상기 압축기 토출 과열도를 측정할 수 있다.

다만, 상기 압축기 토출 과열도를 측정하는 방법은 여러가지가 있을 수 있고, 실시예에 따라 실내열교환기(34)에 실내열교환기 온도센서를 설치하여 실내열교환기(34)에서 응축되는 냉매의 포화온도를 직접 측정할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 과냉각기 출구 과열도를 측정하기 위해, 본 발명은 과냉각기 입구 온도센서(65) 및 과냉각기 출구 온도센서(66)를 구비할 수 있다.

즉, 과냉각기(42) 입구측에 설치된 과냉각기 입구 온도센서(65)에 의해 측정된 인젝션 팽창밸브(41)에서 팽창된 바이패스 냉매가 과냉각기(42)를 통과하기 전의 온도와, 과냉각기(42) 출구측에 설치된 과냉각기 출구 온도센서(66)에 의해 측정된 인젝션 팽창밸브(41)에서 팽창된 바이패스 냉매가 과냉각기(42)를 통과한 후의 온도를 토대로, 상기 과냉각기 출구 과열도를 측정할 수 있다.

제어부(80)는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 압축기 토출 과열도가 제1 온도값을 초과하도록, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절(이하, 인젝션 준비 제어)할 수 있다.

이 경우, 상기 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값 이하하면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 증가시켜, 압축기(22)로 인젝션되는 냉매의 양을 줄임으로써 상기 압축기 토출 과열도를 높일 수 있다.

일 예로써, 상기 제1 온도값은 10도 내지 30도의 값일 수 있고, 상기 인젝션 준비 제어는, 상기한 압축기의 토출온도를 하강시키는 냉매 인젝션에 우선하여, 온전한 압축 성능을 확보하기 위해 상기 압축기 토출 과열도의 하한을 정한 것으로 이해될 수 있다.

제어부(80)는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 준비 제어 이후에, 인젝션 팽창밸브(41)를 제1 개도로 조절하면서, 상기 압축기 토출온도가 기존 토출온도 미만이 되고, 상기 과냉각기 출구 과열도가 제2 온도값 미만이 되도록, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절(이하, 인젝션 개시 제어)할 수 있다.

이 경우, 상기 압축기 토출온도가 기존 토출온도 이상이거나, 상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 이상이면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 감소시켜, 압축기(22)로 인젝션되는 냉매의 양을 늘임으로써 상기 압축기 토출온도 및 상기 과냉각기 출구 과열도를 낮출 수 있다.

즉, 상기 인젝션 준비 제어를 거치며, 인젝션 팽창밸브(41)의 상태를 폐쇄에서 상기 제1 개도로 조절하여 냉매 인젝션을 개시하되, 압축기(22)로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션됨으로써 상기 압축기 토출온도가 기존에 비해 낮아지도록 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절하는 것으로 이해될 수 있다.

여기서, 상기 제1 개도는 인젝션 팽창밸브(41)의 최대 개도이고, 상기 제2 온도값은 0도 내지 1도의 값일 수 있다. 즉, 인젝션 팽창밸브(41)에서 팽창된 바이패스 냉매가 과냉각기(42)를 통과한 후에도 2 상 상태이기 위해서 온도 상승이 거의 없도록 제어할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 미만이 되도록 제어함으로써, 압축기(22)로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션되도록 할 수 있다.

제어부(80)는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 개시 제어 이후에, 인젝션 팽창밸브(41)를 상기 제1 개도보다 상대적으로 작은 제2 개도로 조절하면서, 상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 미만이 되도록, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절(이하, 인젝션 유지 제어)할 수 있다.

이 경우, 상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 이상이면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 감소시켜, 압축기(22)로 인젝션되는 냉매의 양을 늘임으로써 상기 과냉각기 출구 과열도를 낮출 수 있다.

즉, 인젝션 팽창밸브(41)를 상기 제1 개도로 최대 개도 상태로 유지시키면, 압축기(22)로 상당한 양의 인젝션 냉매가 유입되어 상기 압축기 토출온도가 필요 이상으로 하강되어 실내 난방에 문제가 생길 수 있으므로, 상기 인젝션 개시 제어를 거치며, 인젝션 팽창밸브(41)의 상태를 상기 제1 개도에서 상기 제2 개도로 조절하여 냉매 인젝션을 유지하되, 이때에도 압축기(22)로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션되도록 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절하는 것으로 이해될 수 있다.

제어부(80)는, 상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시, 상기 인젝션 유지 제어 이후에, 압축기(22)로 흡입되는 냉매의 온도(이하, 압축기 흡입온도)와 실외열교환기(24)에서 증발되는 냉매의 포화온도의 차인 흡입 과열도가 제3 온도값 미만이 되도록, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흡입 과열도를 측정하기 위해, 본 발명은 압축기 입구 온도센서(61) 및 실외열교환기 압력센서(64)를 구비할 수 있다.

즉, 압축기(22) 입구측에 설치된 압축기 입구 온도센서(61)에 의해 측정된 상기 압축기 흡입온도와, 실외열교환기(24)에 설치된 실외열교환기 압력센서(64)에 의해 측정된 실외열교환기(24)에서 증발되는 냉매의 포화압력을 환산해 얻을 수 있는 실외열교환기(24)에서 증발되는 냉매의 포화온도를 토대로, 상기 흡입 과열도를 측정할 수 있다.

다만, 상기 흡입 과열도를 측정하는 방법은 여러가지가 있을 수 있고, 실시예에 따라 실외열교환기(24)에 실외열교환기 온도센서를 설치하여 실외열교환기(24)에서 증발되는 냉매의 포화온도를 직접 측정할 수도 있다.

상기 흡입 과열도가 상기 제3 온도값을 초과하면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 증가시켜, 실외열교환기(24)를 통과하는 냉매의 양을 늘임으로써, 상기 흡입 과열도를 낮출 수 있다.

즉, 상기 흡입 과열도가 상기 제3 온도값보다 높게 측정되어, 압축기(22)에 상대적으로 높은 온도의 냉매가 흡입되면, 압축기의 토출온도가 상승되는 문제가 생길 수 있으므로, 이를 방지하고자 상기 흡입 과열도가 상기 제3 온도값 미만이 되도록 제어하는 것으로 이해될 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법에 관한 순서도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프에서 플래시 가스 인젝션에 따른 효과를 보여주는 실험 결과 그래프이다.

후술하는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법을 구성하는 각각의 단계들은, 상기한 제어부(80)를 통해 수행될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법을 설명함에 있어, 상기에서 이미 설명한 바 있는 부분은 그 중복된 설명을 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 히트펌프의 제어방법은 난방운전 신호 수신 단계(S11) 이후에 플래시 가스 인젝션 조건 만족 판단 단계(S20)가 실행될 수 있다.

S20 단계에서 조건 불만족으로 판단되면, 플래시 가스 인젝션없이 난방운전을 수행하는 단계(S200)가 실행될 수 있고, 이는 인젝션 팽창밸브(41)를 폐쇄함으로써 수행할 수 있다.

S20 단계에서 조건 만족으로 판단되면, 플래시 가스 인젝션되는 난방운전을 수행하는 단계(S100)가 실행될 수 있고, 보다 상세히는 후술한다.

S100 단계 또는 S200 단계 이후에는 난방종료 신호 수신 단계(S30)가 실행될 수 있고, S30 단계에서 난방종료 신호가 수신되면 히트펌프(10)의 운전이 종료되고, S30 단계에서 난방종료 신호가 미수신되면 S20 단계로 리턴될 수 있다.

도 5를 참조하여, 플래시 가스 인젝션되는 난방운전을 수행하는 단계(S100)를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 냉매의 순환을 위해 메인 팽창밸브(25)를 초기 개도로 제어하는 단계(S111)가 실행될 수 있고, S111 단계 이후에 압축기 토출 과열도를 측정하는 단계(S112)가 실행될 수 있다.

S112 이후에, 압축기 토출 과열도와 제1 온도값을 비교하는 단계(S113)가 실행될 수 있다.

S113 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값 이하인 것으로 판단되면 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절하는 단계(S114)가 실행된 후에 S112 단계로 리턴될 수 있다.

S113 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값을 초과하는 것으로 판단되면 인젝션 팽창밸브(41)의 개도를 제1 개도로 조절하는 단계(S121)가 실행될 수 있다.

S121 단계 이후 또는 이와 동시에, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 감소시키는 단계(S122)가 실행될 수 있다.

S122 단계 이후에, 압축기 토출온도 및 과냉각기 출구 과열도를 측정하는 단계(S123)가 실행될 수 있고, S123 단계 이후에, 압축기 토출온도를 기존 토출온도와 비교하는 단계(S124)와, 과냉각기 출구 과열도를 제2 온도값과 비교하는 단계(S125)가 실행될 수 있다.

도 5에서는 S124 단계 및 S125 단계에 선후가 있는 것으로 도시되어 있으나, 이들 단계는 동시에 이루어질 수도 있도 그 선후가 뒤바뀌어 실행될 수도 있다.

S124 단계에서 압축기 토출온도가 기존 토출온도 이상 및/또는 S125 단계에서 과냉각기 출구 과열도가 제2 온도값 이상인 것으로 판단되면, S122 단계로 리턴될 수 있다.

S124 단계에서 압축기 토출온도가 기존 토출온도에 미달하고, S125 단계에서 과냉각기 출구 과열도가 제2 온도값에 미달하는 것으로 판단되면, 압축기 토출 과열도를 측정하는 단계(S126)가 실행될 수 있다.

S126 단계 이후에, 압축기 토출 과열도를 제1 온도값과 비교하는 단계(S127)가 실행될 수 있다.

S127 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값 이하인 것으로 판단되면 메인 팽창밸브(25)의 개도를 증가시키는 단계(S128)가 실행된 후에 S126 단계로 리턴될 수 있다.

S127 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값을 초과하는 것으로 판단되면 인젝션 팽창밸브(41)의 개도를 제2 개도로 조절하는 단계(S131)가 실행될 수 있다. 상기한 바와 같이, S131 단계에서의 상기 제2 개도는, S121 단계에서의 상기 제1 개도보다 상대적으로 작을 수 있다.

S131 단계 이후에, 과냉각기 출구 과열도를 측정하는 단계(S132)가 실행될 수 있고, S132 단계 이후에, 과냉각기 출구 과열도와 제2 온도값을 비교하는 단계(S133)가 실행될 수 있다.

S133 단계에서 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 이상인 것으로 판단되면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 감소시키는 단계(S134)가 실행된 후에 S132 단계로 리턴될 수 있다.

S133 단계에서 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값에 미달하는 것으로 판단되면, 압축기 토출 과열도를 측정하는 단계(135)가 실행될 수 있고, S135 단계 이후에, 압축기 토출 과열도과 제1 온도값을 비교하는 단계(S136)가 실행될 수 있다.

S136 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값 이하인 것으로 판단되면 메인 팽창밸브(25)의 개도를 증가시키는 단계(S137)가 실행된 후에 S135 단계로 리턴될 수 있다.

S136 단계에서 압축기 토출 과열도가 상기 제1 온도값을 초과하는 것으로 판단되면 압축기(22)를 목표 압력으로 제어(S141)하고, 흡입 과열도를 제어(S142)하는 단계가 실행될 수 있다.

S141 단계는 목표한 난방 성능을 발휘하도록 압축기(22)에서 토출된 냉매의 압력이 목표 압력에 도달하도록 제어하는 단계일 수 있다.

S142 단계는 흡입 과열도가 제3 온도값 미만이 되도록 메인 팽창밸브(25)의 개도를 조절하는 단계일 수 있다. 일 예로써, 상기 흡입 과열도가 상기 제3 온도값을 초과하면, 메인 팽창밸브(25)의 개도를 증가시켜, 실외열교환기(24)를 통과하는 냉매의 양을 늘임으로써, 상기 흡입 과열도를 낮출 수 있다.

S141 단계 및 S142 단계 이후에, 난방종료 신호가 수신(S31)되면 히트펌프(10)의 난방 운전이 종료될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 외기온도가 0도 이하인 한랭지 조건에서, 플래시 가스를 인젝션하며 난방하는 경우(FGI)가, 냉매 인젝션없이 난방하는 경우(Non Injection)에 비해, 압축기 토출온도가 낮고, (냉매 순환량이 증대되어) 난방능력은 향상됨을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프를 첨부도면을 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 예측할 수 있는 다양한 변형이나 균등한 범위내에서의 실시가 가능함은 물론이다.

10: 히트펌프 20: 실외기
21: 어큐뮬레이터 22: 압축기
23: 절환밸브 24: 실외열교환기
25: 메인 팽창밸브 30: 실내기
34: 실내열교환기 40: 인젝션 모듈
41: 인젝션 팽창밸브 42: 과냉각기
60: 센서부 80: 제어부

Claims

실내를 냉방 또는 난방하는 것이 가능한 히트펌프에 있어서,
어큐뮬레이터로부터 유입된 냉매를 압축하는 압축기;
냉매를 실외공기와 열교환시키는 실외열교환기;
냉매를 순환수와 열교환시키는 실내열교환기;
상기 압축기에서 토출된 냉매를 상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로 안내하는 절환밸브;
상기 실외열교환기 및 실내열교환기 중 어느 하나로부터 공급받은 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브;
상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 일부를 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 모듈; 및
상기 압축기에서 토출된 냉매의 온도(이하, 압축기 토출온도)가 기설정온도 미만이 되도록 상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 인젝션 모듈은,
상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 일부(이하, 바이패스 냉매)를 팽창시키는 인젝션 팽창밸브; 및
상기 실내열교환기에서 상기 메인 팽창밸브로 유동하는 냉매 중 상기 바이패스 냉매를 제외한 나머지 냉매(이하, 메인 냉매)를, 상기 인젝션 팽창밸브에서 팽창된 바이패스 냉매와 열교환시키는 과냉각기를 포함하는 히트펌프.
제2항에 있어서,
상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 팽창밸브는,
전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)인 히트펌프.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 실내를 냉방할 시, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실외열교환기로 안내되도록 상기 절환밸브를 조절하고,
상기 실내를 난방할 시, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실내열교환기로 안내되도록 상기 절환밸브를 조절하는 히트펌프.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 실내를 난방할 시,
플래시 가스 인젝션 조건이 만족되면, 상기 인젝션 모듈을 통해 상기 압축기로 플래시 가스 상태의 냉매가 인젝션되도록 제어하고,
상기 플래시 가스 인젝션 조건은,
실외온도가 기준온도 미만일 경우에 만족되는 히트펌프.
제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시,
상기 압축기 토출온도와 상기 실내열교환기에서 응축되는 냉매의 포화온도의 차인 압축기 토출 과열도와, 상기 인젝션 팽창밸브에서 팽창된 바이패스 냉매가 상기 과냉각기를 통과하기 전후의 온도의 차인 과냉각기 출구 과열도에 따라, 상기 메인 팽창밸브 및 인젝션 팽창밸브의 개도를 조절하는 히트펌프.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시,
상기 압축기 토출 과열도가 제1 온도값을 초과하도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 준비 제어)하는 히트펌프.
제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시,
상기 인젝션 준비 제어 이후에,
상기 인젝션 팽창밸브를 제1 개도로 조절하면서,
상기 압축기 토출온도가 기존 토출온도 미만이 되고, 상기 과냉각기 출구 과열도가 제2 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 개시 제어)하는 히트펌프.
제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시,
상기 인젝션 개시 제어 이후에,
상기 인젝션 팽창밸브를 상기 제1 개도보다 상대적으로 작은 제2 개도로 조절하면서,
상기 과냉각기 출구 과열도가 상기 제2 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절(이하, 인젝션 유지 제어)하는 히트펌프.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플래시 가스 인젝션 조건이 만족될 시,
상기 인젝션 유지 제어 이후에,
상기 압축기로 흡입되는 냉매의 온도(이하, 압축기 흡입온도)와 상기 실외열교환기에서 증발되는 냉매의 포화온도의 차인 흡입 과열도가 제3 온도값 미만이 되도록, 상기 메인 팽창밸브의 개도를 조절하는 히트펌프.