KR830000371Y1 - 열펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열펌프 시스템

제1도는 본 고안의 열교환기를 사용하는 가역 냉각시스템의 개요도.

제2도는 본 고안의 원리를 사용하는 다순환로 열교환기의 부분 사시도.

제3도는 제2도에 도시된 열교환기의 부분 정면도.

제4도는 제3도에 도시된 열교환기의 말단도.

제5도는 제2도내지 제4도에 도시된 열교환기의 유동 순환로의 개요도.

제6도는 제2도내지 제4도에 도시된 열교환기의 유동 순환로 중하나가 삽입된 모세관을 도시한 확대 단면도.

본 고안은 냉, 난방 양기능을 최적으로 수행할 수 있는 가역 냉각 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 고안은 교환기의 기능에 부응해서 각 열교환기에 냉매를 자동적으로 보내, 각 교환기가 응축기 또는 증발기로서 역활을 하도록 요구될때 효율적으로 작동하게 하는 제어장치를 갖는 열펌프에 관한 것이다.

냉각 시스템에 사용된 대부분의 공기축 열교환기는 판형 핀(Fin)구조로 되어 있는데, 여기에는 냉매는 장치내를 통하여 흐르는 유동 순환기를 거쳐 여러개의 열전달 구역으로 안내된다. 교환기가 응축기로서 사용될때 냉매는 그것이 연속적으로 각 구역을 통구하여 흐르도록 순환로들을 경유하여 유동한다. 또 한편으로는, 교환기가 증발기로서 사용될때, 냉매는 순환로를 통하여 평행 유동하도록 동시에 각 순환로로 들어간다. 알수 있듯이, 양호하게 설계된 응축기에서의 기하학적인 유동은 양호 하게 설계된 증발기의 기하학적인 유동과 일치될 수 없다.

열펌프의 계에 있어서, 교환기가 양기능을 수행할 수 있도록 하기위하여 열교환기 설계와 절충을 하는 것이 통상의 관습이었다. 이것은, 반대로, 전체 시스템의 성능을 제한하였다.

그런고로, 본 고안의 목적은 열펌프 시스템을 개량하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 시스템 전반에 걸쳐 냉매 유동을 자동으로 제어하고 이에 의해 시스템이 냉, 난방 양기능을 효과적으로 수행하는 열펌프 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 고안의 목적 및 또 다른 목적은 열교환기가 응축기로서 사용될때 열교환기의 양열전달구역을 통과하는 기하학적인 연속유동과, 교환기가 증발기로서 사용될때 양 열전달 구역을 통과하는 기하학적 평행유동을 일으키기 위해 냉매유동 제어장치를 갖는 열펌프 시스템에 의해 성취된다.

제1도는 가역증기 압축 시스템(10)에 사용된 본 고안의 가장 단순한 형태를 나타내고 있다. 시스템은 적절한 형태의 압축기(11) 및 두개의 냉매 열교환기(12,13)를 포함한다. 상기의 열교환기(12,13)는 전형적인 판형의 핀코일로 되어 있는데, 그것은 판위를 이동하는 공기와 교환기 유동 순환로를 통하여 이동하는 냉매 사이에서 에너지를 교환하도록 특별하게 조립되었다.

본 기술상의 편리를 위해, 여기에서 열교환기(12)는 실내 코일로, 다른 열교환기(13)은 실외코일로서 구별하여 표현했다. 상기 두개의 코일은 4통로 밸브(four-way valve, 15)에 의해 압축기의 연결되는데, 그것은 압축기에서 나온 배출증기가 열교환기중의 어느 하나를 선택하여 인입되도록 한다.

시스템이 냉각기능을 수행할때, 배기는 라인(Line, 16)을 경유하여 실외 코일과 관련된 제1 헤더(17)로 이송된다. 이때, 압축기의 흡입단은 라인(36)에 의해 제1 헤더(33)에 작동 할 수 있게 연결된다. 4통로 밸브(15)를 순환시킴으로써, 시스템을 통하는 냉매의 유동은 역전되며, 따라서 열교환기의 역할 역시 반대로 된다.

시스템의 작동은 초기에는 냉각 기능을 갖는 것으로 설명되는데, 실외코일(13)은 응축기로서의 역할을 하는 것으로서 서술되었다. 제1 헤더 또는 상단 헤더(17)내에 집적된 냉매증기는 실외코일(13)을 통하여 아래로 유동한다. 냉매는 두 열전달 구역, 즉 상부 구역(A)과 하부구역(b)을 통하여 이동이된다. 상기의 두 구역은 한 구역으로부터 다른 구역으로 냉매가 통과하는 중간 헤더로서의 역할을 하는 회귀곡관(14)에 의해 분할되어 있다.

냉매는 두 열전달 구역(A,B)을 통과한 후에 실외 코일(13)과 연결된 하부 제2 헤더(18)로 들어간다. 하부 헤더(18)는 액체 라인(23)에 의해 실내 코일과 연결된 제2 헤더(31)와 상호 유체 유동 교류를 한다. 하부 헤더(18)는 열교환기 순환로를 우회하는 라인(20)에 의해 상부의 제1 헤더(17)과 유체유동 교류를 하게된다. 체크밸브(21)는 우회라인(20)에 위치된다. 밸브는 실외 코일이 교환기 상의 압력변화에 의해 응축기로서 작동될때 닫힌다. 상기의 압력변화는 냉매가 증기 상태에서 액상으로 되기 때문에 발생한다. 결과적으로, 하부 또는 제2 헤더(18)내에 모인 액체 냉매가 교환기가 응축기로서 작용할때 라인(20)을 경유하여 제1 헤더(17)내로 역류되는 것이 방지된다.

헤더(18)내에 모인 액체 냉매는 또 다른 체크 밸브(24)를 통하여 액체라인(23)을 따라 이동한다. 체크 밸브(24)는 시스템이 냉각 방식에 있을때 열려지도록 되어 있는데, 그로 인하여 액체 냉매는 제2 실내코일(12)로 유도된다.

제2체크 밸브(25)역시 실내 코일에 연결된 제2 헤더(31)에 인접한 액체라인에 위치되어 있다. 체크 밸브(25)는 다른 체크 밸브(24)와 반대로 작용 되도록 배열되어 있는데, 그로 인하여 냉매가 액체 라인(23)으로 부터 헤더(31)내로 직접 유동되는 것이 방지된다. 이리하여 냉매는 체크 밸브(25)앞에 설치된 분배기(27)내로 유동의 방향과 관련하여 이동한다.

분배기에서, 유동은 한쌍의 모세관(28,29)에 의하여 분리된 두개의 유동로로 나뉜다. 제1도에서 볼 수 있듯이, 모세관은 실내 코일에 대해 중간 헤더로서 작용하는 중앙에 위치된 회귀 곡관(30)내로 지나간다. 실제로, 모세관은 회귀곡선을 통과하고, 또 그것에 연결된 순환로 속으로 깊게 들어간다. 결과적으로 냉매의 일부분은 상부 열전달구역(C)내로 퍼지고, 일부는 하부 열전달 구역(D)내 로 퍼진다. 주위 압력 때문에, 냉매의 일부분은 유동 순환로를 통하여 제1 헤더(33)속으로 상향 유동하고, 일부는 제2 헤더(31)속으로 하향 유동한다. 알수 있듯이, 냉각 작용을 하는 증발기로서의 기능을 갖는 실내 코일의 유동기하 학적형태는 냉매가 동시에 이동되는 두개의 독특한 유동통로로 구성되어 있는데, 한 통로는 상부열 전달구역(C)을 통하여 냉매를 이송시키고, 다른 통로는 하부 열전달구역(D)를 통하여 이송시킨다.

실외 교환기의 경우에 있어서와 같이, 실내 교환기 역시 제2 헤더(31)와 제1 헤더(33)가 상호 유체 유동관계를 맺도록 하는 우회라인(34)를 갖는다. 체크밸브(35)는 우회 라인에 설치되어 있어서 교환기(12)가 증발기로서 작용할때 열려지도록 되어 있다. 체크 밸브(35)가 열려지면, 두개의 헤더(31,33)는 라인(36)에 의해 압축기의 흡입측에 노출되는데 이로서 싸이클이 완전해진다.

4통로 밸브를 순환시킴은로써 성취되는 시스템 작동의 변경은 시스템을 통하는 냉매의 유동을 역전시킨다. 또 이것은 두개의 교환기의 기능을 반대로 변경시키게 된다. 이때에, 네개의 체크 밸브의 위치도 변경된다. 이리하여 우회라인(20)은 라인(34)이 닫힐때 열린다. 유사하게 체크밸브(25)역시 체크밸브(24)가 닫히면 열리게 된다.

압축기로부터 의배출은 라인(36)과 헤더(33)을 경유하여 응축기로서 작용하는 실내코일(12)을 통해 하부헤더(31)로 들어간다. 실내 코일을 통해 이동함에 따라 냉매는 2개의 열전달 구역(C,D)을 연속으로 통과한다. 헤더(31)로 부터, 냉매는 실외 코일(13)을 향하여 액체라인(23) 아래로 유동한다. 그러나 유동은 닫혀진 체크밸브(24)에 의해 저지되어, 분배기(37)로 냉매가 흘러가게 되는데, 이 분배기에서 유동은 모세관(38,39)에 의해 두개의 경로로 나뉜다.

모세관(38,39)은 중간 헤더나 곡관(14)을 통해 열전달 구역(A,B)에 연결된 순환로내로 들어간다. 다시 여기에서 그 유동은 교환기를 통하여 두 방향, 즉 유동의 일부는 제2 헤더(18)로, 다른 부분은 제1 헤더(17)로 분리된다. 이두 헤더(17,18)은 가열 루우프(loop)를 폐쇄하기 위해 위회라인(20) 및 라인(16)을 경유하여 압축기의 흡입단에 연결된다.

상기에 명기했듯이, 열교환기를 통한 냉매 유동이 자동적으로 제어되어서 각 교환기를 통한 유동의 기하학적인 형태는 교환기가 응축기로서 또는 증발기로서 사용됨에 따라 변경된다. 상술하면, 열교환기가 응축기로 작용할때, 냉매는 교환기의 열구역을 통하여 연속 유동된다. 또 같은 원리로서, 교환기가 증발기로 작용할때, 냉매는 열구역을 통해 동시에 또는 평행하게 유동하게 된다. 이러한 방식에 있어서, 시스템의 성능은 그것이 냉각작용을 하든 또는 가열 작용을 하든 최적상태로 될 수 있으며, 종래에는 설계상의 불가피한 절충으로 인하여, 시스템상의 제한이 수반되었기 때문에 상기와 같은 양호한 결과를 얻지 못했다.

본 고안이 간단한 교환기와 연결되어 실시되었을 때, 시스템이 교환기와 연결된 헤더의 사용으로 제한될 필요가 없다는 것은 전술한 사항을 보면 명백하다. 이 문제에 있어서, 헤더는 냉매가 교환기로 유출입되게 하는 기능을 가진 표준관으로 대체될 수도 있다.

또, 본 고안은 다수의 순환로가 교환기 장치를 전후로 관통하도록 복합 코일과 관련하여 실시될 수도 있다. 대표적인 대형 냉동 시스템에 사용되는 것과 같은 복합코일은 제2도 내지 제4도에 도시되어 있다. 기술상의 목적을 위해, 코일은 제1도에 기술된 것과 유사한 가역 냉각 시스템에 사용될 실외 코일로서 간주될 수도 있다.

다수의 냉각 유동 순환로르 가진 복합 순환로의 코일은 제2도 내지 제4도에 도시되어 있다. 코일은 수직으로 배열된 핀형관의 두열을 포함하는데, 열교환기를 통하여 전후로 연장되어 있는 내부열(40)과 외부열(41)이 그것이다. 상기의 열(row)들은 여러개의 미리 설정된 기하학적 형태의 각 냉매 유동 순환로를 형성하도록 회귀곡관(42)에 의해 상호 연결된다. 대표적으로, 각 순환로의 양 종단은 튜브판(45)과 같은 조립체 튜부판중의 하나를 통하여 코일 조립체 밖으로 이송된다. 그래서, 각 순환로에 대한 입구 및 배출구멍은 교환기의 한 측면을 따라 편리하게 설치된다.

본문에 기술된 복합 코일에 있어서, 코일은 3개의 열전달 구역을 통과하게끔 배열된 7개의 유동 순환로를포함하고 있다. 그런, 열 전달 구역 및 순환로의 수가 대기용량(capacity of the uait) 및 그외의 설계상의 고려사항에 따라 변화될 수 있다는 것은 다음의 기술 사항으로부터 명백해질 것이다.

교환기가 응축기로서 시스템에서 작동할때 상술된 방법으로, 또 증발기가 작동할때 다른 방법으로 열교환기를 통하여 냉매의 유동을 이송하기 위해 2개의 체크 밸브와 함께 작동하도록 장착된 헤더 네트워크(header network)는 튜브관(45)에 인접한 코일 측면을 따라 위치되어 있다. 헤더는 제1 헤더(47), 더미(Dummy) 또는 중간 헤더(48), 제2 헤더(49) 및 액체 헤더(46)를 포함하고 있다. 제1, 제2 헤더(47,49)는 체크밸브(51)에 의해 분할된 각 헤더의 내부실과 축방향으로 정열되어 있다. 제1 헤더(47)의 하부단은 4통로 밸브(도시되지 않았음)에 의해 압축기에 연결된 압축기 라인(50)과 연통되어 유체 유동관계로 연결되어 있다.

코일이 응축기로서 작용할때, 고온 및 고압의 증기는 라인(50)을 경유하여 제1 헤더(47)내로 전달되는데, 이 결과 체크 밸브(51)는 닫히게 된다. 사실상, 밸브의 페쇄는 헤더(49)의 실로부터 헤더(47)의 실을 고립시킨다. 이리하여, 고립된 제1 헤더(47)는 그와 연결하여 작동되는 급송관(52)에 의해 4개의 유동 순환로로 냉매가 공급되도록 한다. 헤더(47)에 의해 냉매가 공급된 4개의 순환로는 제1 열전달 구역(E)을 형성하며, 코일의 하부에 위치되어 있다.

열교환기를 통하는 유동의 단순한 개략도가 제5도에 예시되어 있다. 제2도 내지 제4도와 관련해서 개략도를 사용하면, 교환기를 통하여, 유동의 기하학적 형태를 이해 하는데 많은 도움이 될 것이다. 냉매는 열전달 구역(E)을 형성하는 4개의 유동 순환로를 통과한 후, 다시 배출라인(53)을 경유하여 더미 헤더(48)로 들어 간다. 압력이 변함에 따라, 냉매는 더미 헤더를 통하여 상향으로 이동되고, 급송관(54)에 의해 코일내의 2개의 최상부 순환로로 배출된다. 2개의 상부냉매 유동 순환로는 보다 작은 제2 열전달 지역(F)을 형성하도록 결합된다.

코일 조립체를 통과한 후에, 2개의 상부 순환로로 부터 냉매는 배출라인(56)을 경유하여 제2헤더(49)로 보내진다. 냉매는 헤더(49)내에 집적되어 단일 급송관(58)에 의해 마지막 유동 순환로로 공급된다. 마지막 순환로는 세번째의 마지막 열전달 구역(G)을 통과해서, 액체 헤더(46)내로 배출된다.

양호하게, 마지막 열전달 구역은 코일의 열전달 특성을 높이기 위해 코일의 중앙부에 위치되어 있다. 명확한 투시를 위해, 마지막 열전달 구역은 열교환기 조립체의 상단에 예시되어 있다.

현재, 액상으로 존재하는 냉매는 액체 헤더(46)에 집적되어 열려있는 체크밸브(61)를 거쳐 T형 연결관(62)내로 들어간다. 연결관에서, 냉매는 실내코일(도시되지 않았음)을 향하여 액체라인(60)으로 이동된다.

상기한 바와 같이, 체크밸브와 협력하여 작동하는 헤더 네트워크는 열전달 구역을 통하여 압축기로 부터 냉매를 연속 유동시키도록 작동한다. 또한, 각 구역의 유동 순환로의 수는 유동 방향에 따라 감소된다. 이러한 방법으로 코일을 구획하므로써, 코일의 기하학적 유동은응 축기로서 작동할때 최적의 코일 성능을 얻을 수 있도록 유체 밀도의 증가와 대응하여 조정된다.

시스템의 작동상의 기능이 역전될때, 코일의 기능도 동일하게 역전된다. 난방 형태에 있어서, 액체 냉매는 액체라인(60)을 따라서 체크밸브(61)로 이동되어 간다. 그러나, 밸브는 그위에서 압력변화를 감지하기 때문에 자동적으로 페쇄상태에 놓이게 된다.

이리하여, 냉매는 T형 연결관(62)에 연결된 분배기(63)로 강제로 이동된다. 분배기에서, 유동은 모세관(65)에 의해 7개의 유동로로 분리된다. 모세관의 수는 코일을 통과하는 유동 순환로의 수와 동일한 갯수 이다.

제6도에 잘 예시되었 듯이, 6개의 모세관은 더미헤더(48)를 통과하고 열전달 구역(E)에 내지된 4개의 순환로와 연결된 급송관(54) 및 열전달 구역(F)에 내지된 2개의 순환로와 연결된 배출관(53)내로 들어간다. 모세관은 그 관을 관통하는 냉매가 각 순환로내에서 잘 퍼지도록 하기 위해 여러개의 유동 순환로 관에 깊이 연장되어 있다. 이것은 더미 헤더에 의해 냉매가 순환로 사이를 통과하는 것을 방지한다. 더미 헤더가 비교적 균일한 압력상태를 유지하기 때문에, 냉매는 각 순환로로 균등하게 공급된다.

7번째 모세관은 더미 헤더와 비교적 같은 압력을 지닌 액체헤더(46)로 연결된다. 다음에, 헤더(46)는 열달전 구역(G)과 연합되는 순환로에 연결된다.

이와 동시에, 제1, 제2 헤더(47,49)사이에 위치한 체크밸브(51)는 헤더들이 라인(50)을 경유하여 압축기 까지의 단일 유동로를 형성하게끔 상호 결합되도록 개방상태로 놓인다는 것을 알 것이다. 제5도에 잘 도시되어 있듯이, 7개의 유동 순환로는 코일이 증발기로서 작동될때 헤더(47,49)로 냉매가 흐를 수 있도록 배열되 어있다. 구역(G,F)과 연결된 순환로는 라인(56,58)을 거쳐 헤더(49)로 흐르게 되어 있고, 반면에 구역(E)과 연결된 4개의 순환로는 라인(52)을 경유하여 헤더(47)로 흐를 수 있도록 되어 있다.

따라서 열 교환기가 증발기로서 작동되도록 요구 되었을때, 코일을 통하는 유동의 기하학적 형태는 자동 변화된다. 이리하여, 냉매는 모든 순환로를 통하여, 그리고 모든 열전달 구역을 통해 동시에 평행유동 배열상태로 흐르게 된다. 코일을 통하여 이러한 평해 유동 배열상태를 유지함으로써, 열교환기가 증발기로서 사용될때 최적의 성능이 얻어질 수 있다.

본 고안의 실시예에는 상기에 기술된 내용에만 국한되지 않고 고안의 근본원리를 해하지 않는 범위내에서 여러 실시예로 수행할 수 있다.

Claims (1)

1. 압축기, 한쌍의 열교환기 및 열교환기의 기능이 역전되도록 시스템을 통하 냉매의 유동을 선택적으로 역전시키는 장치로 구성된 공지의 열펌프 시스템에 있어서, 다수의 유동 순환로를 포함하고 있는 다수의 열전달구역(A,B,C,D)으로 각 열교환기(12,13)를 분리해주는 장치와, 압축기(11)로부터 배출된 냉매를 한 열교환기(12 또는 13)의 각 구역(C,D 또는 A,B)을 통해 연속 유동 진행장치(17,18,20 또는 31,33,34)내에 보내고 상기한 열교환기(12 또는 13)로 부터 배출된 냉매를 다른 열교환기(13 또는 12)의 각 구역(A,B 또는 C,D)을 통하여 동시에 상기 다른 열교환기(13 또는 12)내에서 평행 유동하게 보내주는 유동제어 장치와, 시스템을 통한 냉매유동이 역전됨에 따라 열교환기(12,13)를 통하 유동의 기하학적 형태를 자동으로 역전시켜 주기 위해 상기 유동 제어장치와 관련하여 작동하여서 냉매 유동이 한 열교환기(12 또는 13)를 통하여 평행하고 다른 열교환기(13 또는 12)를 통하여 연속하게 되도록 하는 전환장치(23,24,25)로 구성된 것을 특징으로 하는 열펌프 시스템.