KR20210073990A - 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템은, 압축냉매로부터 오일을 분리하는 오일분리부가 내부에 구비되는 압축기; 상기 압축기로부터 토출되는 상기 압축냉매를 실외공기와 열교환하는 실외열교환기 또는 실내공기와 열교환하는 실내열교환기로 가이드하는 사방밸브; 상기 오일분리부에 분리된 오일이 유입되도록 연통되며, 상기 실외열교환기로 연장되는 쿨링유입관; 상기 실외열교환기의 일부를 형성하며, 상기 쿨링유입관에 연통되어 상기 분리된 오일이 상기 실외공기와 열교환하는 오일쿨링관; 및 상기 오일쿨링관을 통과한 오일을 상기 압축기에 유입되도록 가이드하는 쿨링배출관을 포함할 수 있다.

Description

히트펌프시스템{Heat pump system}

본 발명은 히트펌프시스템에 관한 것이다.

종래의 히프펌프시스템은 압축기의 토출측에 오일분리기를 설치할 수 있다. 일례로, 상기 오일분리기는 자중을 이용하여 오일을 분리할 수 있다. 그리고 종래의 히트펌프시스템은 오일분리기에서 분리된 오일을 상기 압축기로 상시 회수하도록 상기 압축기 흡입측으로 연장되는 오일분리회로를 포함할 수 있다.

이와 관련된 선행기술문헌1로 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0108251호 (공개일자: 2004.12.23.)가 있다.

한편, 히트펌프시스템이 운전되는 다양한 운전조건을 고려하면, 상기 오일분리회로에서 회수되는 유체는 실제로 오일과 냉매가 섞인 혼합유체일 수 있다.

이 경우, 외기온도가 높은 운전조건(이하, “냉방 과부하 운전”)과 같이 차압이 크게 형성되는 운전조건에서, 많은 양의 압축냉매와 오일이 압축기의 흡입측으로 바이패스 되기 때문에 증발유량이 감소하는 문제가 있다.

또한, 상기 압축냉매 및 오일은 압축기의 흡입온도를 상승시키고, 이에 기인하여 압축기의 토출온도가 상승할 수 있다. 상기 압축기의 토출온도가 상승하면, 과냉각기로부터 압축기로 바이패스(bypass)되는 냉매 유량이 증대되기 때문에, 시스템 성능을 크게 저하시키는 문제가 있다.

또한, 압축긴의 흡입온도 상승은, 압축과정 중 등엔트로피 효율을 저하시켜 압축기의 토출온도가 추가적으로 상승하는 문제가 있다. 그리고 히트펌프시스템 및 압축기에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 상기 추가적인 온도 상승을 방지하는 경우, 소모되는 에너지 또는 일이 증가하여 시스템 성능의 저하를 더욱 심화시키는 문제가 있다.

또한, 상기 압축기의 흡입온도 상승에 기인한 상기 압축기의 토출온도의 상승으로, 엔탈피 차가 증가하게 되므로, 압축 일의 증가에 따라 시스템 성능 저하를 더욱 심화시키는 문제가 있다.

한편, 종래의 오일분리회로가 압축기로 고온의 오일을 직접 유입시키도록 연장되는 경우, 점도 감소에 따른 실링 및 윤활 성능의 저하가 발생하여 압축기의 성능과 신뢰성 감소시키는 문제가 있다.

또한, 고온의 오일은 압축과정 중인 냉매의 과열을 유발하여 등엔트로피 효율 저감시키는 문제가 있다.

더하여, 친환경 대체냉매가 (예를 들어, 등엔트로피 선의 기울기가 상대적으로 작은 냉매)적용되는 경우, 상기한 문제들은 더욱 심화될 수 있다.

최근 시스템 에어컨, AWHP(air to water heat pump) 제품 등 냉매가 활용되는 기술분야에서 지구온난화 방지를 위해 GWP(Global Warming Potential)가 낮은 친환경 냉매의 적용을 요구 받고 있다. 따라서, R410A와 같은 기존냉매를 대체하기 위한 친환경 대체냉매로 R32 등을 활용하고 있다.

그러나 R32와 같은 대체냉매는, R410A와 같은 기존냉매에 비해 동일한 토출압력에서 압축기의 토출온도를 상대적으로 높게 한다. 이 경우, 상기 냉방 과부하 운전, 외기온도가 낮은 운전조건(이하, "한랭지 운전") 등에서 상기한 높은 토출온도에 기인하여 제품의 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 일례로, 상기 AWHP 제품은 한랭지 운전에서 고온의 출수가 필요할 경우, 상기 높은 토출온도에 기인하여 더욱 심각한 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.

따라서, 대체냉매 R32의 적용과 관련하여, 압축기의 높은 토출온도를 저감시시킬 수 있는 장치 또는 기술이 필요하다.

종래의 압축기 토출온도를 저감시키기 위한 기술로는, 압축기의 인젝션 포트 또는 압축기의 흡입단에 2상(2-phase) 상태의 냉매를 인젝션하는 것이다.

이와 관련된 선행기술문헌2로 일본 공개특허공보 2009-270822A (공개일자: 2009.11.19.)가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 압축기 내부에 축적된 고온의 오일 및 냉매의 온도를 낮추어 압축기의 토출온도의 상승을 최소화할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다. 특히, 친환경 대체냉매인 R32 적용 시 상기 압축기의 토출온도의 상승을 최소화할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 히트펌프시스템의 다양한 운전조건에서 높은 오일 비중으로 냉각(cooling) 및 압축기로 바이패스(bypass)하여 압축냉매의 손실을 최소화 시킬 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 냉방 과부하 운전 또는 한랭지 운전에서 압축기의 신뢰성 확보를 위해 토출온도 감소에 사용되는 에너지(또는 일)를 최소화할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다. 특히, 친환경 대체냉매인 R32 적용 시 상기 에너지(또는 일)을 최소화할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템은, 압축냉매로부터 오일을 분리하는 오일분리부가 내부에 구비되는 압축기; 상기 압축기로부터 토출되는 상기 압축냉매를 실외공기와 열교환하는 실외열교환기 또는 실내공기와 열교환하는 실내열교환기로 가이드하는 사방밸브; 상기 오일분리부에 분리된 오일이 유입되도록 연통되며, 상기 실외열교환기로 연장되는 쿨링유입관; 상기 실외열교환기의 일부를 형성하며, 상기 쿨링유입관에 연통되어 상기 분리된 오일이 상기 실외공기와 열교환하는 오일쿨링관; 및 상기 오일쿨링관을 통과한 오일을 상기 압축기에 유입되도록 가이드하는 쿨링배출관을 포함할 수 있다.

또한, 상기 분리된 오일은 상기 오일쿨링관을 통과하면서 냉각될 수 있다.

또한, 상기 오일쿨링관은 상기 실외열교환기의 하부에 위치할 수 있다.

또한, 상기 실외열교환기는 냉매가 상기 실외공기와 열교환하도록 유동하는 냉매배관을 포함하며, 상기 오일쿨링관은 상기 냉매배관 보다 하측에 위치할 수 있다.

또한, 상기 오일쿨링관은, 상기 냉매배관과 상기 오일쿨링관의 총합의 2% 이하인 수로 구비될 수 있다.

또한, 상기 쿨링유입관에 설치하며, 상기 분리된 오일의 유량을 조절하는 오일밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 쿨링배출관에 설치하며, 상기 오일쿨링관을 통과한 오일의 온도를 감지하는 오일온도센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 오일밸브는, 상기 오일온도센서에서 감지된 온도를 기초로 개도 제어를 수행할 수 있다.

또한, 상기 오일밸브는, 응축온도와 상기 오일온도센서에서 감지된 온도의 차로 규정되는 과냉도가 미리 설정된 값 이상으로 유지되도록 제어될 수 있다.

또한, 상기 쿨링배출관에 설치하며, 실외열교환기를 통과한 오일을 팽창시킬 수 있는 오일캐필러리를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 실내열교환기와 상기 실외열교환기 사이를 응축냉매가 유동하도록 연결하는 액관; 상기 액관의 냉매 중 일부를 분지한 분지냉매와 상기 액관의 나머지 냉매를 열교환시키는 과냉각기; 상기 과냉각기에서 열교환된 분지냉매가 상기 압축기로 인젝션되도록 가이드하며, 상기 과냉각기로부터 상기 압축기의 인젝션포트로 연장되는 인젝션배관; 및 상기 인젝션배관에 설치하는 인젝션밸브을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 쿨링배출관은 상기 실외열교환기에서 상기 인젝션배관의 합지점으로 연장될 수 있다.

또한, 상기 인젝션배관의 합지점은 상기 인젝션밸브의 출구측에 위치할 수 있다.

또한, 상기 압축기의 흡입측에 구비된 흡입배관과 연결되는 어큐뮬레이터를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 사방밸브로부터 상기 어큐뮬레이터로 연장되는 어큠배관; 상기 인젝션배관으로부터 분지되어 상기 어큠배관으로 연장되는 바이패스배관; 및 상기 바이패스배관에 설치되며, 개폐동작에 의하여 상기 인젝션배관의 냉매 유동을 가이드하는 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 바이패스배관은, 상기 인젝션밸브의 입구측에 위치하는 인젝션배관으로부터 분지될 수 있다.

또한, 외기온도가 상대적으로 높은 냉방 과부하 운전시, 상기 바이패스밸브는 개방되며, 상기 인젝션밸브는 폐쇄되는 특징이 있다.

또한, 외기온도가 상대적으로 낮은 한랭지 운전시, 상기 바이패스밸브는 폐쇄되고, 상기 인젝션밸브는 개방되는 특징이 있다.

또한, 상기 쿨링유입관으로부터 분지되어 상기 흡입배관으로 연장되는 균유배관; 및 상기 균유배관에 설치하는 균유밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 균유배관은 상기 오일밸브의 입구측에 위치하는 쿨링유입관에서 분지될 수 있다.

또한, 상기 압축기는 다수의 압축기를 포함할 수 있다. 그리고 상기 쿨링유입관, 상기 오일쿨링관 및 상기 쿨링배출관은, 하나의 오일쿨링 회로를 형성할 수 있다.

또한, 상기 다수의 압축기 중 각각의 압축기 마다 상기 오일쿨링 회로가 독립적으로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 실외열교환기 일부를 이용하여 압축기로 회수되는 고온, 고압의 오일 및 냉매를 과냉 수준으로 냉각할 수 있다. 그리고 과냉 수준의 낮은 엔탈피를 가지는 오일 및 냉매는, 팽창 후 증발온도에 가까운 낮은 온도로 압축기에 흡입 또는 인젝션(중간압) 포트로 주입될 수 있다. 이에 의하면, 압축기 토출온도의 상승을 종래 보다 낮출 수 있고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 모든 운전조건에서 과냉 상태의 냉각을 유지하기 위해, 오일온도센서를 기반으로 유량을 제어할 수 있는 오일밸브(EEV)를 구비할 수 있다. 따라서, 운전 가능한 전 영역에서 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 실외열교환기의 일부를 이용하여 분리된 고온, 고압의 오일 및 냉매를 외기로 냉각시킬 수 있다. 상기 외기에 의해 냉각된 오일 및 냉매는 엔탈피가 상대적으로 낮아지며, 인젝션(중간압)포트로 유입될 수 있다.

상기 인젝션포트로 유입된 오일 및 냉매는, 압축과정 중의 냉매 온도를 감소시킬 수 있으므로 압축기의 토출온도를 저감시킬 수 있다. 따라서, 압축 일을 감소시킬 수 있으며, 특히, 친환경 냉매(예를들어, R32 등)를 적용하는 경우 등엔트로피 효율을 향상시켜서 압축기의 추가적인 온도 상승을 방지할 수 있다.

또한, 2대 이상의 압축기가 구비되는 경우 균유회로를 포함하여, 상기 한랭지 운전시 고압의 오일 및 냉매의 빠른 온도상승 효과를 활용함으로써 압축기 흡입측의 습압축 상태를 최소화시킬 수 있다.

본 발명을 따르면, 압축기 내부에 축적된 고온의 오일을 냉각(Cooling)시킨 후 상기 압축기의 인젝션포트로 유입함으로써 압축되는 냉매의 과도한 과열을 방지할 수 있으며, 이를 통해 등엔트로 효율 향상시킬 수 있다.

본 발명을 따르면, 종래와 달리 압축기의 토출온도 저감에 따른 과냉각기의 과도한 냉매 인젝션을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이에 의하여, 사이클의 성능이 향상되고, 오일의 냉각에 의한 점도 상승으로 압축기에서의 기밀 성능 및 윤활 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 히트펌프시스템의 다양한 운전조건에서 최적의 오일 유량을 제어할 수 있기 때문에, 압축냉매의 손실을 최소화할 수 있으며, 오일 유면의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 외기온도가 상대적으로 낮은 환경에서 히트펌프시스템의 운전종료 상태가 유지될 때, 균유회로를 통하여 압축기의 재기동시 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉방 과부하 운전과 같은 혹서 조건에서도, 압축기의 토출온도 감소에 사용되는 일(또는 에너지)를 최소화할 수 있으므로 효율적인 운전이 가능한 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 다수의 압축기가 구비되는 경우 오일 냉각 기능 외에 압축기 간에 균유 기능도 제공할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 착상을 방지할 수 있으며, 제상운전 이후 실외열교환기의 하부에 결빙을 방지할 수 있다. 따라서, 안정적인 난방 및 제상 성능을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 구성을 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉방 과부하 운전시 냉매 및 오일의 흐름을 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 한랭지 운전(또는 난방저온 운전)시 냉매 및 오일의 흐름을 보여주는 도면
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프시스템의 구성을 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉동사이클과 종래 히트펌프시스템의 냉동사이클의 비교실험결과를 보여주는 P-h선도

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템은, 냉매를 압축하는 압축기(10), 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매의 유동 방향을 전환할 수 있는 사방밸브(20), 실외공기와 냉매를 열교환시키는 실외열교환기(30), 공기유동을 발생시키는 실외팬(미도시) 및 냉매를 팽창시킬 수 있는 실외팽창밸브(73)를 포함할 수 있다.

상기 압축기(10)는 후술할 과냉각기(55)로부터 분리된 냉매가 인젝션(injection)되는 인젝션포트를 포함할 수 있다. 상기 인젝션포트에는 후술할 인젝션배관(58)이 결합할 수 있다.

상기 압축기(10)의 토출측에는 상기 사방밸브(20)로 연장되는 토출배관(7)이 구비될 수 있다. 상기 압축기(10)로부터 토출되는 냉매는 상기 토출배관(7)을 따라 상기 사방밸브(20)로 유동할 수 있다.

그리고 상기 토출배관(7)에는 냉매가 압축기(10)로 역류하는 것을 방지하기 위한 토출밸브(5)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 토출밸브(5)는 체크밸브를 포함할 수 있다.

한편, 상기 압축기(10)는 케이싱 내부에 형성되는 오일분리부(미도시)를 포함할 수 있다.

즉, 종래 압축기의 토출측에 별도로 설치되는 오일분리기와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 압축기(10)는 오일분리기가 압축기(10)의 내부에 일체로 형성될 수 있다.

일례로, 상기 압축기(10)는 구동모터의 하측에 구비되는 프레임, 상기 프레임의 하측에 위치하고 고정랩이 구비되는 고정스크롤, 상기 프레임과 고정스크롤 사이에 위치하고 상기 고정랩과 맞물려 압축실을 형성하는 선회랩이 구비되는 선회스크롤 및 상기 케이싱의 상부공간에 구비되어 압축된 냉매로부터 오일을 분리하는 오일분리부를 포함할 수 있다. 그리고 상기 압축기(10)는 상기 케이싱의 하부공간, 즉, 상기 고정스크롤의 하측에 형성되고, 회수된 오일을 저장하는 저유공간을 더 포함할 수 있다.

따라서, 상기 압축기(10)는 내부에서 오일을 분리한 후 토출배관(7)으로 압축냉매를 토출시킬 수 있다.

또한, 상기 압축기(10)는 내부의 오일 수위 또는 오일의 유무를 감지할 수 있는 오일센서(15)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 상기 오일센서(15)는 상기 저유공간에 설치할 수 있다.

상기 오일센서(15)는 상기 압축기(10)의 내부의 오일이 부족한 경우를 판단할 수 있다.

상기 압축기(10)로부터 토출되는 냉매는, 압축과정을 거쳐 고온, 고압의 기상 상태가 된다. 그리고 상기 냉매는 상기 사방밸브(20)로 유입되어 실외열교환기(30) 또는 실내열교환기(40)로 유동할 수 있다.

일례로, 상기 히트펌프시스템이 냉방운전으로 작동하는 경우, 상기 냉매는 응축기 기능을 수행하는 실외열교환기(30)로 유동할 수 있다. 또한, 상기 히트펌프시스템이 난방운전으로 작동하는 경우, 상기 냉매는 응축기 기능을 수행하는 실내열교환기(40)로 유동할 수 있다.

상기 사방밸브(20)에는 상기 실외열교환기(30)와 연결되는 실외연결배관(23)과, 상기 실내열교환기(40)와 연결되는 실내연결배관(24)과, 어큐뮬레이터(8)로 연장되는 어큠배관(80)이 결합될 수 있다.

상기 사방밸브(20)는 난방 또는 냉방운전에 따라 전환동작을 수행하여, 상기 토출배관(7)으로부터 유입된 냉매의 유동을 가이드할 수 있다.

상기 어큠배관(80)에 의해 상기 어큐뮬레이터(8)로 유입되는 냉매는, 증발과정을 거쳐 저온, 저압 상태인 냉매이다.

그리고 상기 어큐뮬레이터(8)로 유입된 냉매 중 기상냉매는, 흡입배관(9)을 통해 상기 압축기(10)로 유입될 수 있다. 상기 흡입배관(9)은 상기 어큐뮬레이터(8)의 토출측으로부터 상기 압축기(10)의 흡입측으로 연장할 수 있다.

상기 실내연결배관(24)은 기관밸브(25)에 결합할 수 있다. 상기 기관밸브(25)는 실내열교환기(40)로 연장되는 실내기관(27) 및 상기 실내연결배관(24)을 연결할 수 있다.

그리고 상기 기관밸브(25)는 상기 실내연결배관(24) 및 상기 실내기관(27)을 유동하는 기상 냉매를 조절할 수 있다.

상기 실외연결배관(23)은 상기 실외열교환기(30)의 일측으로 연장할 수 있다. 일례로, 상기 실외연결배관(23)은 상기 실외열교환기(30)에서 외기와 열교환되도록 냉매가 유동하는 냉매배관과 연통될 수 있다.

후술하겠으나, 상기 실외열교환기(30)는 냉매가 유동하는 냉매배관과 오일이 유동하는 오일쿨링관으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 실외팬의 송풍에 의하여 상기 냉매배관을 유동하는 냉매 및 상기 오일쿨링관을 유동하는 오일은, 각각 외기(또는 실외공기)와 열교환 할 수 있다.

상기 실외팽창밸브(73)는 상기 실외열교환기(30)의 타측에 구비되는 유동관(70)에 설치될 수 있다. 상기 실외팽창밸브(73)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 유동관(70)은 냉매를 저장할 수 있는 리시버(60)까지 연장될 수 있다. 물론, 상기 리시버(60)가 구비되지 않는 경우, 상기 유동관(70)은 액관(50)으로 연장될 수 있다.

상기 유동관(70)에는, 상기 실외팽창밸브(73) 및 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(75)가 설치될 수 있다. 그리고 상기 실외팽창밸브(73) 및 상기 체크밸브(75)는 병렬로 연결될 수 있다.

상기 체크밸브(75)는 상기 리시버(60)로부터 상기 실외열교환기(30)로 냉매가 유동하지 않도록 할 수 있다.

상기 실외팬(미도시)은 실외공기를 실외기(OU)로 흡입하여 실외열교환기(30)를 통과시킨 후 다시 실외로 토출시키는 송풍력을 제공할 수 있다. 일례로, 상기 실외팬은 상기 실외열교환기(30)의 근처에 배치할 수 있다. 그리고 후술하겠으나, 상기 실외팬은 상기 실외열교환기(30)의 오일쿨링관 보다 냉매배관에 가깝도록 위치할 수 있다.

한편, 상기 히트펌프시스템은, 실내공기와 냉매를 열교환시키는 실내열교환기(40), 공기유동을 발생시키는 실내팬(미도시) 및 냉매를 팽창시킬 수 있는 실내팽창밸브(43)를 더 포함할 수 있다.

상기 실내연결배관(24)과 기관밸브(25)에 의해 연결되는 실내기관(27)은, 상기 실내열교환기(40)의 일측으로 연결할 수 있다. 따라서, 상기 실내기관(27)은 기상 냉매가 유동할 수 있다.

그리고 상기 실내열교환기(40)의 타측에는 액관밸브(45)로 연장되는 실내액관(41)이 구비될 수 있다. 즉, 상기 실내액관(41)은 상기 실내열교환기(40)와 상기 액관밸브(45)를 연결할 수 있다.

상기 실내팽창밸브(43)는 상기 실내액관(41)에 설치할 수 있다. 상기 실내팽창밸브(43)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 실내팬(미도시)은 실내 공기를 실내기(IU)로 흡입하여 실내열교환기(40)를 통과시킨 후 다시 실내로 토출시키는 송풍력을 제공할 수 있다. 일례로, 상기 실내팬은 상기 실내열교환기(40)의 근처에 배치할 수 있다.

한편, 상기 히트펌프시스템은 분리형 공기조화기로 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 압축기(10), 사방밸브(20), 실외열교환기(30), 실외팽창밸브(73) 및 실외팬(미도시)은 실외기(OU)에 설치할 수 있다. 그리고 상기 실내팬(미도시), 실내열교환기(40) 및 실내팽창밸브(43)는 실내기(IU)에 설치될 수 있다.

상기 실외기(OU)는 기상 냉매가 유동하는 배관이 결합하는 기관밸브(25) 및 액상 냉매가 유동하는 배관이 결합하는 액관밸브(45)를 포함할 수 있다.

상기 기관밸브(25) 및 상기 액관밸브(45)는, 개폐동작에 의하여 상기 실내기(IU)와 상기 실외기(OU) 사이의 냉매유동을 조절할 수 있다. 일례로, 상기 기관밸브(25) 및 상기 액관밸브(45)는, 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.

상기 실내연결배관(24)은 상기 기관밸브(25)의 일측에 결합할 수 있다. 여기서, 기관밸브(25)의 일측은 실외기(OU)의 내측으로 이해할 수도 있다. 그리고 상기 기관밸브(25)의 타측에는 상기 실내열교환기(40)로 연장되는 실내기관(27)이 결합할 수 있다.

상기 액관(50)은 상기 액관밸브(45)의 일측에 결합할 수 있다. 여기서, 액관밸브(45)의 일측은 실외기(OU)의 내측으로 이해할 수도 있다. 그리고 상기 액관밸브(45)의 타측에는 상기 실내열교환기(40)로부터 연장되는 실내액관(41)이 결합할 수 있다.

즉, 상기 기관밸브(25) 및 상기 액관밸브(45)는, 실내기(IU)가 상기 실외기(OU)로 접속하기 위한 포트(port) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 상기 히트펌프시스템은 실외팽창밸브(73)와 액관밸브(45)를 연결하는 액관(50), 상기 액관(50)을 유동하는 냉매를 과냉(sub-cooling) 시킬 수 있는 과냉각기(55) 및 상기 과냉각기(55)에 의해 획득한 냉매를 상기 압축기(10)의 인젝션포트로 가이드하는 인젝션배관(58) 더 포함할 수 있다.

상기 과냉각기(55)는 “내부 열교환기” 라고 이름할 수 있다.

상기 액관(50)은 상기 리시버(60)로부터 상기 액관밸브(45)까지 연장될 수 있다. 상기 액관(50)에는 냉방 또는 난방운전에 관계없이 응축 냉매가 유동할 수 있다.

그리고 상기 액관(50)은 상기 액관밸브(45)에 연결되는 제 1 관(51) 및 상기 리시버(60)에 연결되는 제 2 관(52)을 포함할 수 있다.

상기 과냉각기(55)는 상기 제 1 관(51)을 유동하는 냉매 중 일부를 분지하여, 상기 분지된 냉매와 상기 제 1 관(51)의 나머지 냉매를 열교환시킬 수 있다.

상기 과냉각(55)를 통과한 제 2 관(52)의 냉매는, 분지된 냉매와 열교환에 의하여 과냉(sub-cooling)될 수 있다. 그리고 상기 분지된 냉매는 상기 열교환에 의하여 증발하여 기상 냉매가 될 수 있다.

달리 표현하면, 상기 과냉각기(55)는 상기 액관(50)을 유동하는 냉매로부터 기상냉매를 분리할 수 있다. 그리고 상기 분리된 기상냉매는 압축기(10)로 인젝션(injection)될 수 있다.

상기 과냉각기(55)는 상기 제 1 관(51)으로부터 분지되는 분지관(53) 및 상기 분지관(53)에 설치되는 분지밸브(54)를 포함할 수 있다.

상기 분지밸브(54)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 분지관(53)으로 유입된 냉매는, 상기 분지밸브(54)를 통과하면서 팽창할 수 있다. 그리고 팽창된 상기 분지관(53)의 냉매는 상기 과냉각기(55)에서 제 1 관(51)으로부터 유입된 액상 냉매와 열교환할 수 있다.

상기 과냉각기(55)는 액관(50)으로부터 유입되는 냉매와 상기 분지관(53)으로부터 유입되는 냉매가 유동하는 유로를 각각 형성할 수 있다.

상기 분지관(53)에 의해 상기 과냉각기(55)로 유입되어 열교환된 냉매는, 상기 인젝션배관(58)로 유입될 수 있다.

상기 인젝션배관(58)은 상기 과냉각기(55)로부터 상기 압축기(10)의 인젝션포트로 연장될 수 있다.

또한, 상기 히트펌프시스템은 상기 인젝션배관(58)의 냉매 유량을 조절하는 인젝션밸브(59), 상기 인젝션배관(58)으로부터 분지되어 상기 어큠배관(80)으로 연장되는 바이패스배관(90) 및 상기 바이패스배관(90)에 설치되는 바이패스밸브(95)를 더 포함할 수 있다.

상기 인젝션밸브(59)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 인젝션밸브(59)는 상기 인젝션배관(58)에 설치할 수 있다. 상세히, 상기 인젝션밸브(59)는 상기 바이패스배관(90)이 분지되는 바이패스 분지점(58a)과 후술할 쿨링배출관(120)이 합지되는 합지점(58b) 사이에 설치할 수 있다.

상기 합지점(58b)은 상기 인젝션밸브(59)의 출구측에 위치하며, 상기 바이패스 분지점(58a)은 상기 인젝션밸브(59)의 입구측에 위치할 수 있다.

상기 인젝션밸브(59)는 냉방 과부하 운전 또는 한랭지 운전에 따라 개도가 조절될 수 있다. 일례로, 상기 인젝션밸브(59)는 상기 냉방 과부하 운전일 때, 폐쇄(Close)될 수 있다. 또한, 상기 인젝션밸브(59)는 상기 한랭지 운전(난방저온 운전)일 때, 개방(Open)될 수 있다.

상기 바이패스배관(90)은 상기 인젝션배관(58)의 바이패스 분지점(58a)으로부터 분지되어 상기 어큠배관(80)의 일 지점까지 연장될 수 있다.

상기 바이패스배관(90)은 상기 인젝션배관(58)의 냉매가 상기 어큠배관(80)으로 바이패스(bypass)하여 상기 어큐뮬레이터(8)를 통해 압축기(10)로 유입되도록 가이드 할 수 있다.

상기 바이패스밸브(95)는 상기 바이패스배관(90)의 냉매 유동을 조절할 수 있다. 일례로, 상기 바이패스밸브(95)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.

상기 바이패스밸브(95)는, 상기 인젝션배관(58)의 냉매를 상기 어큠배관(80)으로 바이패스 할 필요가 있을 때 개방될 수 있다. 그리고 상기 바이패스밸브(95)는 상기 인젝션배관(58)의 냉매가 상기 인젝션밸브(59)를 통과해야 할 때 폐쇄될 수 있다.

한편, 상기 히트펌프시스템은 상기 압축기(10)로부터 상기 실외열교환기(30)로 연장되는 쿨링유입관(110) 및 상기 쿨링유입관(110)에 설치되는 오일밸브(115)를 더 포함할 수 있다.

상기 쿨링유입관(110)은 상기 실외열교환기(30)와 상기 압축기(10)를 연결할 수 있다. 상세히, 상기 쿨링유입관(110)은 상기 압축기(10)의 오일분리부와 연통될 수 있다. 즉, 상기 쿨링유입관(110)은 상기 압축기(10)의 오일분리부로부터 상기 실외열교환기(30)를 형성하는 다수의 배관 중 일부 배관으로 연장될 수 있다.

여기서, 상기 일부 배관은, 사이클을 순환하는 냉매의 열교환이 아닌 오일의 냉각을 수행하기 위한 배관이며, “오일쿨링관”이라 이름한다.

그리고 상기 쿨링유입관(110), 오일쿨링관 및 쿨링배출관(120)은 오일을 냉각시키기 위한 하나의 유로를 형성하므로, “오일쿨링 회로”라고 이름할 수 있다.

일례로, 외기 온도가 상대적으로 높은 냉방 과부하 운전이 수행되는 경우, 오일밸브(115)가 개방(open)되면, 상기 압축기(10)의 내부에서 분리된 오일은 방열을 위해 상기 실외열교환기(30)로 연장되는 쿨링유입관(110)으로 유입될 수 있다.

즉, 상기 실외열교환기(30)는 냉매가 유동하는 냉매배관 및 상기 오일이 유동하는 오일쿨링관을 포함할 수 있다.

상기 오일은 상기 냉매배관을 유동하는 냉매에 비해 상대적으로 낮은 열교환 효율에도 필요한 냉각이 수행될 수 있다. 따라서, 상기 오일쿨링관은 실외팬(미도시)과 상대적으로 먼 위치에 형성할 수 있다.

상기 오일쿨링관은 상기 냉매배관 보다 아래에 위치할 수 있다. 일례로, 상기 오일쿨링관은 상기 실외열교환기(30)의 하부에 형성할 수 있다. 즉, 상기 냉매배관은 상기 실외팬과 상대적으로 가까운 위치에 위치하여 상대적으로 큰 풍속 또는 풍량을 받게 할 수 있다. 이에 의하면, 상기 냉매배관을 유동하는 냉매의 열교환 효율은 상대적으로 높게 유지될 수 있다.

또한, 상기 오일쿨링관이 상기 실외열교환기(30)의 하부에 위치함으로써, 상대적으로 고온의 오일에 의해 실외열교환기(30)의 착상을 방지할 수 있다.

한편, 제상운전이 수행되는 경우, 상기 실외열교환기(30)의 상부에서 녹아 흘러내리는 물이 상기 실외열교환기(30)의 하부에 누적될 수 있다. 그리고 정상적인 운전으로 다시 돌입하는 경우, 상기 누적된 물은 재결빙되는 문제가 있다. 그러나 상기 오일쿨링관이 상기 실외열교환기(30)의 하부에 위치함으로써 상대적으로 고온의 오일이 계속 상기 실외열교환기(30)의 하부를 유동하기 때문에 상기 재결빙 문제가 해소될 수 있다.

상기 오일쿨링관은 상기 실외열교환기(30)를 형성하는 전체 배관 중 2% 이하의 비율로 형성할 수 있다. 여기서, 전체 배관은 상기 냉매배관과 상기 오일쿨링관을 총합한 배관으로 이해할 수 있다. 일례로, 상기 실외열교환기(30)의 전체배관이 3열 58단으로 구비된다면, 상기 오일쿨링관은 최하단의 각 열의 3개 배관(3EA)으로 형성할 수 있다.

상기 오일밸브(115)는 오일쿨링 회로(110,120) 상의 오일의 유량을 제어할 수 있다.

상기 오일밸브(115)는, 현재 운전 조건에서, 후술할 오일온도센서(125)에서 감지되는 오일온도를 기초로, 2도(℃) 이상의 과냉도(“응축온도 ? 감지되는 오일온도”)가 유지 및 달성되도록 상기 오일의 유량을 제어할 수 있다.

즉, 상기 오일밸브(115)는 상기 오일온도가 상기 과냉도에 맞춰지도록 제어될 수 있다. 상기 과냉도는 냉각효과를 최대화하기 위하여 엔탈피가 충분히 낮은지를 판단하는 기준이 될 수 있다.

한편, 상기 오일센서(15)가 오일 없음을 판단하는 경우, 상기 오일밸브(115)는 폐쇄될 수 있다.

상기 오일밸브(115)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 오일밸브(115)는 상기 쿨링유입관(110)에 설치되므로 상기 압축기(10)와 상기 실외열교환기(30) 사이에 위치할 수 있다. 더하여, 상기 오일밸브(115)는 압축기(10)의 내부에 오일을 모두 배출시킬 수 있어야 하므로 상기 쿨링유입관(110)에서 상대적으로 압축기(10)에 가깝게 설치할 수 있다.

상기 히트펌프시스템은 상기 실외열교환기(30)로부터 상기 인젝션배관(58)으로 연장되는 쿨링배출관(120)을 더 포함할 수 있다.

상세히, 상기 쿨링배출관(120)은 상기 오일쿨링관으로부터 상기 인젝션배관(58)의 합지점(58b)으로 연장될 수 있다.

상기 인젝션배관(58)의 합지점(58b)은 상기 인젝션밸브(59)의 출구측에 위치할 수 있다. 상세히, 상기 합지점(58b)은 상기 인젝션밸브(59)와 상기 압축기(10)의 인젝션포트 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 쿨링배출관(120)은 상기 인젝션밸브(59)와 상기 압축기(10)의 인젝션포트 사이에서 상기 인젝션배관(58)과 연결될 수 있다.

상기 히트펌프시스템은 상기 쿨링배출관(120)에 설치되는 오일온도센서(125) 및 오일캐필러리(128)를 더 포함할 수 있다.

상기 오일캐필러리(128)는 상기 실외열교환기(30)를 통과한 오일을 팽창시킬 수 있다. 이에 의하면, 상기 오일의 방열 효과를 향상시킬 수 있다. 일례로, 상기 오일캐필러리(128)는 캐필러리 튜브를 포함할 수 있다.

상기 오일온도센서(125)는 상기 실외열교환기(30)를 통과한 오일의 온도를 감지할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이, 상기 오일온도센서(125)에 의해 감지된 온도를 기초로, 상기 오일밸브(115)의 개도는 조절될 수 있다.

한편, 외기온도가 상대적으로 낮은 환경에서 상기 히트펌프시스템의 운전이 종료된 상태로 유지되는 경우, 상기 압축기(10)의 재기동 초반에 액상 냉매가 유입될 수 있다. 이에 의하면, 냉동사이클의 저압이 하락하고, 토출유량 증가에 따른 오일이 저감하는 등 신뢰성 문제가 발생할 수 있다.

이와 관련하여, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템은 상기 쿨링유입관(110)으로부터 분지되어 상기 흡입배관(9)으로 연장되는 균유배관(130), 상기 균유배관(130)에 설치되는 균유밸브(135)를 더 포함할 수 있다.

상기 균유배관(130)은 상기 오일밸브(115)의 입구측, 즉, 상기 오일밸브(115)와 상기 압축기(10)의 사이에 위치하는 쿨링유입관(110)으로부터 분지되어 상기 흡입배관(9)으로 연장될 수 있다.

그리고 상기 균유배관(130)에는 팽창 기능을 수행하는 균유 캐필러리(138)가 설치될 수 있다. 상기 균유 캐필러리(138)는 캐필러리 튜브를 포함할 수 있다.

상기 균유캐필러리(138)는 상기 균유밸브(130)의 입구 측에 위치할 수 있다.

상기 균유밸브(135)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 그리고 상기 균유밸브(135)는 개폐(Open/Close) 동작을 수행할 수 있다.

상기 균유밸브(135)는 개방 동작을 통하여 상술한 환경에서 압축기(10)의 재가동시 급격히 증가하는 고압, 고온의 오일을 압축기(10)의 흡입측으로 바이패스 시킬 수 있다. 따라서, 상술한 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.

한편, 상기 균유밸브(135)가 개방(open)되는 경우, 상기 오일밸브(115)는 폐쇄(Close)될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉방 과부하 운전시 냉매 및 오일의 흐름을 보여주는 도면이다.

본 발명의 실시예에서 상기 냉방 과부하 운전시 외기온도는 48도(℃)를 기준으로 한다.

도 2를 참조하면, 외기온도가 상대적으로 높은 냉방 과부하 운전시, 상기 압축기(10)로부터 토출된 압축냉매는 상기 사방밸브(20)를 통과하여 상기 실외열교환기(30)의 냉매배관으로 유입될 수 있다. (실선 화살표 참고)

상기 실외열교환기(30)의 냉매배관을 통과하면서 응축된 냉매는 완전히 개방(Full Open)된 실외팽창장치(73)를 거쳐 과냉각기(55)를 통과할 수 있다.

상기 과냉각기(55)는 상기 액관(50)의 일부 냉매가 분지관(53)의 분지밸브(54)를 거쳐 팽창된 분지냉매와, 상기 액관(50)을 통과하는 냉매가 열교환 할 수 있다.

상기 과냉각기(55)를 통과한 액관(50)의 냉매는 과냉되어 상기 실내팽창장치(43)에서 팽창된 후 상기 실내열교환기(40)를 통과하면서 증발된다.

또한, 상기 과냉각기(55)를 통해 인젝션배관(58)으로 유입된 냉매는, 상기 바이패스배관(90)을 통해 상기 어큠배관(80)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 어큠배관(80)으로 유입된 냉매는 상기 어큐뮬레이터(8)를 거쳐 압축기(10)로 유입될 수 있다. 이때, 상기 인젝션밸브(59)는 폐쇄되고, 상기 바이패스밸브(95)는 개방된다. (1점 쇄선 화살표 참고)

한편, 상기 압축기(10)의 내부에서 분리된 오일은 상기 쿨링유입관(110)을 통해 상기 실외열교환기(30)의 오일쿨링관을 통과할 수 있다. (점선 화살표 참고) 이때, 상기 오일밸브(115)는 개방되고, 상기 균유밸브(135)는 폐쇄된다.

상기 오일은 상기 오일쿨링관에서 외기와 열교환하여 냉각될 수 있다. 상기 냉각된 오일은 상기 쿨링배출관(120)으로 유입될 수 있다. 상기 쿨링배출관(120)의 오일은 상기 오일캐필러리(128)를 통과할 수 있다. 그리고 상기 오일캐필러리(128)를 통과한 오일은, 인젝션 압력(“중간압”)까지 팽창된 후 폐쇄(Close)된 인젝션밸브(59)의 출구 측에 형성된 합지점(58b)으로 유입될 수 있다.

상기 합지점(58b)에서 상기 인젝션배관(58)으로 유입된 오일은 상기 인젝션배관(58)을 따라 상기 압축기(10)의 인젝션포트로 인젝션(injection) 될 수 있다.

이에 의하면, 압축기(10)의 토출온도를 저감시키기 위한 오일쿨링 회로(110,128))는 독립적으로 오일 냉각 기능을 수행함으로써, 압축기 토출온도를 저감시킬 수 있다.

그리고 압축기 토출온도의 저감 효과만큼 종래 보다 상기 인젝션배관(58)으로 인젝션되는 냉매 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 종래 보다 증발과정의 냉매 유량의 증대시켜 냉방능력 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 한랭지 운전(또는 난방저온 운전)시 냉매 및 오일의 흐름을 보여주는 도면이다.

본 발명의 실시예에서 상기 한랭지 운전시 외기온도는 -15도(℃)를 기준으로 한다.

도 3을 참조하면, 외기온도가 상대적으로 낮은 한랭지 운전(또는 난방저온 운전)시, 상기 압축기(10)로부터 토출되는 압축냉매는 상기 유동전환부(20)를 거쳐 실내열교환기(40)로 유동하여 응축될 수 있다. (실선 화살표 참고)

상기 실내열교환기(40)를 통과한 응축냉매는 상기 과냉각기(55)를 통과하면서 분지냉매와 열교환을 통해 과냉(sub-cooling)될 수 있다. 그리고 열교환된 상기 분지냉매는 인젝션배관(58)으로 유입될 수 있다.

그리고 상기 인젝션배관(58)으로 유입된 냉매는 상기 압축기(10)의 인젝션포트로 유동하여 상기 압축기(10)에 인젝션(injection)할 수 있다. 이때, 상기 바이패스밸브(95)는 폐쇄되며, 상기 인젝션밸브(59)는 개방된다. (1점 쇄선 화살표 참고)

한편, 상기 압축기(10)에서 분리된 오일은, 상기 쿨링유입관(110)을 통해 상기 실외열교환기(30)의 오일쿨링관으로 유입될 수 있다. 이때, 상기 오일밸브(115)는 개방되고, 상기 균유밸브(135)는 폐쇄된다.

상기 실외열교환기(30)의 오일쿨링관을 통과하면서 냉각된 오일은, 과냉각기(55)를 통해 상기 압축기(10)로 인젝션되는 인젝션배관(58)의 냉매와 합지점(58b)에서 혼합될 수 있다. 상기 냉방 과부하 운전과 달리, 상기 한랭지 운전(또는 난방저온 운전)에서는 난방능력을 향상시키기 위해 냉매의 인젝션이 요구되며, 증발기 보다 응축기에서 더 많은 냉매 순환량이 요구되기 때문이다.

즉, 상기 인젝션밸브(59)는 개방(open)되어 상기 인젝션배관(58)의 합지점(58b)에서 냉각된 오일과 인젝션 냉매가 혼합될 수 있다. 그리고 혼합된 냉매 및 오일은 상기 압축기(10)의 인젝션포트로 유입될 수 있다.

결국, 상기 냉각된 오일에 의해 상기 압축기(10)의 토출온도가 저감되므로, 종래 압축기의 토출온도를 저감시키기 위해 과냉각기로부터 과도하게 인젝션 냉매 유량을 늘리는 방식에서 파생되는 중간압 상승, 낮은 과냉도 문제를 해결할 수 있다.

즉, 인젝션 유량에 의한 중간압 상승을 최소화할 수 있으므로 과냉각기(55)에서 유도되는 과냉도를 극대화하여 증발열량 증대시킬 수 있다. 결국, 난방성능을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프시스템은 다수의 압축기(10,10a)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시예(“제 2 실시예”)에서 압축기는 2개로 구비되는 경우를 기준으로 설명한다.

상기 제 2 실시예에서 앞선 본 발명의 실시예(“제 1 실시예”)와 동일한 구성은 앞선 본 발명의 실시예의 설명을 원용하도록 한다. 그리고 상기 제 2 실시예에서는 설명의 편의를 위해 상기 제 1 실시예와 동일한 구성을 “제 1“을 붙여 이름하도록 한다.

상기 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예에서 압축용량의 확장을 위한 추가적인 제 2 압축기, 이에 기인한 제 2 균유회로 및 제 2 오일쿨링 회로를 포함할 수 있다.

상세히, 상기 다수의 압축기는, 제 1 압축기(10) 및 제 2 압축기(10a)를 포함할 수 있다.

상기 제 2 압축기(10a)는 내부에 오일의 수위, 부족 또는 유무 등을 감지하기 위한 제 2 오일센서(15a)를 더 포함할 수 있다.

상기 제 2 압축기(10a)의 토출측에는 제 2 토출배관(7a)이 구비되며, 상기 제 2 토출배관(7a)에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 제 2 토출밸브(5a)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 제 2 토출밸브(5a)는 체크밸브를 포함할 수 있다.

상기 제 2 토출배관(7a)은 상기 제 2 압축기(10a)로부터 제 1 토출배관(7)으로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제 2 토출배관(7a)의 냉매는 상기 제 1 토출배관(7)의 냉매와 합지되어 사방밸브(20)로 유동할 수 있다.

상기 제 2 압축기(10a)의 흡입측에는 제 2 흡입배관(9a)이 구비될 수 있다. 상기 제 2 흡입배관(9a)은 제 1 흡입배관(9)으로부터 분지되어 상기 제 2 압축기(10a)의 흡입측으로 연장될 수 있다.

상기 히트펌프시스템은, 각각의 압축기(10,10a)에 대응하는 오일쿨링 회로를 독립적으로 구비할 수 있다. 이에 의하면, 상기 두 압축기(10,10a) 간에 압력 변동을 대응할 수 있다.

상기 오일쿨링 회로는 상기 제 1 압축기(10)를 순환하는 제 1 오일쿨링 회로 및 상기 제 2 압축기(10a)를 순환하는 제 2 오일쿨링 회로를 포함할 수 있다.

상기 제 2 오일쿨링 회로는, 제 2 쿨링유입관(210), 제 2 오일쿨링관 및 제 2 쿨링배출관(220)을 포함할 수 있다.

상기 제 2 쿨링유입관(210)은 상기 제 2 압축기(10a)로부터 상기 실외열교환기(30)의 제 2 오일쿨링관으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 제 2 쿨링유입관(210)은 상기 제 2 압축기(10a)의 오일분리부와 연통될 수 있다.

상기 제 2 쿨링유입관(210)에는 상기 제 2 오일쿨링 회로의 오일 유량을 조절하는 제 2 오일밸브(215)가 설치될 수 있다. 상기 제 2 오일밸브(215)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

한편, 상기 제 2 오일쿨링관과 제 1 오일쿨링관은 상기 실외열교환기(30)의 하부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 제 2 오일쿨링관과 상기 제 1 오일쿨링관은, 상기 실외열교환기(30)의 전체 배관의 2% 이하가 되도록 구비될 수 있다.

상기 제 2 쿨링배출관(220)은 상기 제 2 오일쿨링관과 연통할 수 있다. 즉, 상기 제 2 쿨링배출관(220)은 상기 실외열교환기(30)로부터 제 2 인젝션배관(581)의 제 2 합지점(582)까지 연장될 수 있다.

상기 제 2 인젝션배관(581)은 제 1 인젝션배관(58)의 바이패스 분지점(58a)과 제 1 인젝션밸브(59) 사이에 위치하는 상기 제 1 인젝션배곤(58)의 인젝션 분지점(580)으로부터 분지되어 상기 제 2 압축기(10a)의 인젝션포트로 연장될 수 있다.

상기 제 2 인젝션배관(581)에는 상기 제 2 인젝션배관(581)의 냉매 유량을 조절하는 제 2 인젝션밸브(590)가 설치될 수 있다. 그리고 상기 제 2 합지점(582)은 상기 제 2 인젝션밸브(590)의 출구측에 위치할 수 있다.

상기 제 2 인젝션밸브(590)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 쿨링배출관(220)에는 상기 실외열교환기(30)를 통과한 오일의 온도를 감지하는 제 2 오일온도센서(225)가 설치될 수 있다.

상기 제 2 오일온도센서(225)는 제 1 오일온도센서(125)와 마찬가지로 오일의 온도를 감지하여 상기 제 2 오일밸브(215)의 개도를 제어하기 위한 온도정보를 제공할 수 있다.

즉, 상기 제 2 오일밸브(215)는 상기 제 1 오일밸브(115)와 동일한 과냉도를 유지하도록 개도가 조절될 수 있다. 그리고 상기 제 2 오일밸브(215)는 상기 제 2 오일온도센서(225)로부터 감지된 오일의 온도를 기초로 상기 제 2 오일냉각 회로를 유동하는 오일의 유량을 제어할 수 있다.

한편, 상기 제 2 오일센서(15a)에서 오일 없음을 감지한 경우, 상기 제 2 오일밸브(215)는 폐쇄될 수 있다.

또한, 상기 히트펌프시스템은 상기 두 압축기(10,10a) 간에 오일 밸런스를 조절하기 위한 제 1 균유회로 및 제 2 균유회로를 포함할 수 있다.

상기 제 2 균유회로는 상기 제 2 쿨링유입관(210)으로부터 분지되어 제 1 균유배관(130)이 연결되는 제 1 흡입배관(9)의 일 지점으로 연장되는 제 2 균유배관(230), 상기 제 2 균유배관(230)에 설치되는 제 2 균유밸브(235)를 더 포함할 수 있다.

상기 제 2 균유배관(230)은 상기 제 2 오일밸브(215)의 입구측, 즉, 상기 제 2 오일밸브(215)와 상기 제 2 압축기(10a)의 사이에 위치하는 제 2 쿨링유입관(210)으로부터 분지되어 상기 제 1 흡입배관(9)으로 연장될 수 있다.

즉, 상기 제 1 균유배관(130)과 상기 제 2 균유배관(230)은 상기 제 1 흡입배관(9)으로 연결되기 때문에, 오일 밸런스를 위한 균유제어를 수행할 수 있다.

상기 제 2 균유배관(230)에는 팽창 기능을 수행하는 제 2 균유 캐필러리(238)가 설치될 수 있다. 상기 제 2 균유 캐필러리(238)는 캐필러리 튜브를 포함할 수 있다.

상기 제 2 균유캐필러리(238)는 상기 제 2 균유밸브(230)의 입구 측에 위치할 수 있다.

상기 제 2 균유밸브(235)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제 2 균유밸브(235)는 개폐(Open/Close) 동작을 수행할 수 있다.

상기 제 2 균유밸브(235)는 개방 동작을 통하여, 상술한 바와 같이 외기가 매우 낮은 환경에서 압축기(10,10a)의 재가동시, 급격히 증가하는 고압, 고온의 오일을 제 1 압축기(10) 또는 제 2 압축기(10a)의 흡입측으로 바이패스 시킬 수 있다. 따라서, 균유제어를 통하여 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.

한편, 상기 제 2 균유밸브(235)가 개방(open)되는 경우, 상기 제 2 오일밸브(215)는 폐쇄(Close)될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉동사이클과 종래 히트펌프시스템의 냉동사이클의 비교실험결과를 보여주는 P-h선도이다.

도 5의 비교실험은 상기한 냉방 과부하 운전시, 외기온도 48도(℃), 실내온도 32도(℃), 목표온도 또는 증발온도는 25도(℃)로 공통적일 때 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템과 종래 히트펌프시스템을 비교한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉동사이클(실선)에서 압축기의 흡입온도(cs)는 38(℃)이며, 압축기의 토출온도(cd)는 104도(℃)이고, 응축 출구 온도(co)는 47도(℃)이고, 팽창 전 온도(exi)는 32도(℃)이고, 증발 입구의 엔탈피(ei)는 252(kJ/kg)이며, 증발유량은 0.216(kg/s)이다.

종래 히트펌프시스템의 냉동사이클(점선)에서 압축기의 흡입온도(cs’)는 33도(℃)이며, 압축기의 토출온도(cd’)는 105도(℃)이고, 응축 출구 온도(co’)는 52도(℃)이고, 팽창 전 온도(exi’)는 40도(℃)이고, 증발 입구의 엔탈피(ei’)는 266(kJ/kg)이며, 증발유량은 0.173(kg/s)이다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 냉각된 오일이 상기 압축기(10)로 인젝션(OC)된 경우, 압축기의 토출온도는 낮아지고, 압축 과정에서의 엔탈피 차(cd - cs)가 감소하여 압축 일이 감소하였으며, 등엔트로피 효율이 향상됨을 확인할 수 있다.

또한, 상기 냉각된 오일이 압축기(10)로 인젝션됨에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 인젝션(j) 냉매 유량은 0.072(kg/s)으로, 종래의 히트펌프시스템의 인젝션(j’) 냉매 유량인 0.173(kg/s)의 63% 수준으로 감소되었다.

이에 따라, 상기 인젝션 냉매 유량 감소 및 상기 증발유량의 증대에 기인하여, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템의 냉동능력은 38.55(KW)로 종래의 히트펌프시스템의 28.42(KW) 보다 1.36배 향상되었다.

또한, 성적계수(COP)도 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프시스템은 2.52로, 종래의 히트펌프시스템의 2.10 보다 1.2배 향상되었다.

10: 압축기
20: 사방밸브
30: 실외열교환기
40: 실내열교환기
55: 과냉각기
110: 쿨링유입관
115: 오일밸브
120: 쿨링배출관
130: 균유배관

Claims (20)

1. 압축냉매로부터 오일을 분리하는 오일분리부가 내부에 구비되는 압축기;
   상기 압축기로부터 토출되는 상기 압축냉매를 실외공기와 열교환하는 실외열교환기 또는 실내공기와 열교환하는 실내열교환기로 가이드하는 사방밸브;
   상기 오일분리부에 분리된 오일이 유입되도록 연통되며, 상기 실외열교환기로 연장되는 쿨링유입관;
   상기 실외열교환기의 일부를 형성하며, 상기 쿨링유입관에 연통되어 상기 분리된 오일이 상기 실외공기와 열교환하는 오일쿨링관; 및
   상기 오일쿨링관을 통과한 오일을 상기 압축기에 유입되도록 가이드하는 쿨링배출관을 포함하는 히트펌프시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분리된 오일은 상기 오일쿨링관을 통과하면서 냉각되는 히트펌프시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 오일쿨링관은 상기 실외열교환기의 하부에 위치하는 히트펌프시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 실외열교환기는 냉매가 상기 실외공기와 열교환하도록 유동하는 냉매배관을 포함하며,
   상기 오일쿨링관은 상기 냉매배관 보다 하측에 위치하는 히트펌프시스템.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 오일쿨링관은, 상기 냉매배관과 상기 오일쿨링관의 총합의 2% 이하인 수로 구비되는 히트펌프시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 쿨링유입관에 설치하며, 상기 분리된 오일의 유량을 조절하는 오일밸브를 더 포함하는 히트펌프시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 쿨링배출관에 설치하며, 상기 오일쿨링관을 통과한 오일의 온도를 감지하는 오일온도센서를 더 포함하며,
   상기 오일밸브는, 상기 오일온도센서에서 감지된 온도를 기초로 개도 제어를 수행하는 히트펌프시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 오일밸브는, 응축온도와 상기 오일온도센서에서 감지된 온도의 차로 규정되는 과냉도가 미리 설정된 값 이상으로 유지되도록 제어되는 히트펌프시스템.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 쿨링배출관에 설치하며, 실외열교환기를 통과한 오일을 팽창시킬 수 있는 오일캐필러리를 더 포함하는 히트펌프시스템.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실내열교환기와 상기 실외열교환기 사이를 응축냉매가 유동하도록 연결하는 액관;
    상기 액관의 냉매 중 일부를 분지한 분지냉매와 상기 액관의 나머지 냉매를 열교환시키는 과냉각기;
    상기 과냉각기에서 열교환된 분지냉매가 상기 압축기로 인젝션되도록 가이드하며, 상기 과냉각기로부터 상기 압축기의 인젝션포트로 연장되는 인젝션배관; 및
    상기 인젝션배관에 설치하는 인젝션밸브을 더 포함하는 히트펌프시스템.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 쿨링배출관은 상기 실외열교환기에서 상기 인젝션배관의 합지점으로 연장되는 히트펌프시스템.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 인젝션배관의 합지점은 상기 인젝션밸브의 출구측에 위치하는 히트펌프시스템.
    
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 압축기의 흡입측에 구비된 흡입배관과 연결되는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 히트펌프시스템.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 사방밸브로부터 상기 어큐뮬레이터로 연장되는 어큠배관;
    상기 인젝션배관으로부터 분지되어 상기 어큠배관으로 연장되는 바이패스배관; 및
    상기 바이패스배관에 설치되며, 개폐동작에 의하여 상기 인젝션배관의 냉매 유동을 가이드하는 바이패스밸브를 더 포함하는 히트펌프시스템.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 바이패스배관은, 상기 인젝션밸브의 입구측에 위치하는 인젝션배관으로부터 분지되는 히트펌프시스템.
    
    
16. 제 14 항에 있어서,
    외기온도가 상대적으로 높은 냉방 과부하 운전시, 상기 바이패스밸브는 개방되며, 상기 인젝션밸브는 폐쇄되는 히트펌프시스템.
    
17. 제 14 항에 있어서,
    외기온도가 상대적으로 낮은 한랭지 운전시, 상기 바이패스밸브는 폐쇄되고, 상기 인젝션밸브는 개방되는 히트펌프시스템.
    
18. 제 13 항에 있어서,
    상기 쿨링유입관으로부터 분지되어 상기 흡입배관으로 연장되는 균유배관; 및
    상기 균유배관에 설치하는 균유밸브를 더 포함하는 히트펌프시스템.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 균유배관은 상기 오일밸브의 입구측에 위치하는 쿨링유입관에서 분지되는 히트펌프시스템.
    
20. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는 다수의 압축기를 포함하며,
    상기 쿨링유입관, 상기 오일쿨링관 및 상기 쿨링배출관은, 하나의 오일쿨링 회로를 형성하고,
    상기 다수의 압축기 중 각각의 압축기 마다 상기 오일쿨링 회로가 독립적으로 형성되는 히트펌프시스템.
    

Images