WO2025075481A1 - 히트펌프 장치 - Google Patents

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WO2025075481A1
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refrigerant
heat exchanger
outdoor heat
pump device
compressor
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박정민
김병수
박한샘
서호진
최준영
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LG Electronics Inc
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LG Electronics Inc
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    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2501—Bypass valves

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump device, and more specifically, to a heat pump device using a vapor-liquid separator capable of separating a liquid refrigerant and a vapor refrigerant by utilizing the flow characteristics of the refrigerant.
  • a heat pump device incorporates cooling and heating cycles into the same unit, so that cooling and heating are performed simultaneously. In the summer, a single unit performs cooling through the cooling cycle, and in the winter, it switches to the reverse cycle to perform heating and hot water supply.
  • the compressor and the indoor fan and the outdoor fan are operated, the refrigerant introduced from the evaporator is compressed and supplied as a high-temperature and high-pressure refrigerant to the condenser, the refrigerant condensed into a liquid phase in the condenser is expanded through the expansion valve and reintroduced into the evaporator as a two-phase refrigerant of liquid and gas phases, and the refrigerant in the gas phase that has been phase-changed into a gas phase in the evaporator is circulated to the compressor to form a refrigerant cycle.
  • the heat pump device when a conventional heat pump device requires defrosting, the heat pump device is operated as a cooling circuit by switching the switching valve, so that the outdoor unit is operated as a condenser and the indoor unit is operated as an evaporator. Accordingly, the high-temperature and high-pressure liquid refrigerant flows to the outdoor unit, thereby removing the frost formed on the outdoor heat exchanger.
  • conventional heat pump devices have problems in that, when in heating operation mode in low-temperature cold regions, they operate at a high compression ratio of the compressor, which excessively increases the discharge temperature and may damage internal components, the density of the refrigerant is lower than at room temperature, which reduces the flow rate of the refrigerant, and the specific volume increases, which increases the pressure loss of the refrigerant, thereby lowering the heating performance.
  • the purpose of the present invention is to provide a heat pump device capable of maximizing heating performance by applying a plurality of vapor-liquid separators to an outdoor heat exchanger to increase the bypass flow rate of vapor-liquid refrigerant and bypassing the vapor-liquid refrigerant to a compressor without pressure loss of the refrigerant during heating operation mode.
  • an object of the present invention is to provide a heat pump device capable of shortening the defrosting operation time and improving the defrosting efficiency by applying a refrigerant guide path having a plurality of paths in the defrosting operation mode to supply high-temperature refrigerant discharged from the compressor to the entire internal path of the outdoor heat exchanger.
  • the heat pump device is characterized in that it maximizes heating performance by increasing the bypass flow rate of the gaseous refrigerant in the outdoor heat exchanger, thereby bypassing the gaseous refrigerant to the compressor without pressure loss of the refrigerant.
  • the present invention is characterized in that it can shorten the defrosting operation time by applying a refrigerant guide path having a plurality of paths to an outdoor heat exchanger to supply high-temperature refrigerant discharged from a compressor to the entire internal path of the outdoor heat exchanger.
  • a heat pump device may include: a compressor for compressing a refrigerant; a switching valve for switching an operation mode; an outdoor heat exchanger for performing heat exchange between outdoor air and the refrigerant; an indoor heat exchanger for performing heat exchange between indoor air and the refrigerant; an expansion valve for expanding the refrigerant; and a vapor-liquid separator installed inside the outdoor heat exchanger and separating a vapor-phase refrigerant among two-phase refrigerants depending on the operation mode or guiding the refrigerant to the outdoor heat exchanger for defrosting the outdoor heat exchanger.
  • the vapor-liquid separator may include a refrigerant guide passage that separates a vapor-phase refrigerant from the two-phase refrigerant supplied to the outdoor heat exchanger in a heating operation mode and guides it to the compressor, or guides high-temperature refrigerant discharged from the compressor into the interior of the outdoor heat exchanger in a defrosting operation mode.
  • the refrigerant guide path may include a first path connected to a refrigerant path between the switching valve and the outdoor heat exchanger, and a plurality of second paths branched from the first path and connected in parallel with the internal paths of the outdoor heat exchanger.
  • the second flow path can be connected to refrigerant pipes inside the outdoor heat exchanger so as to enable gas-liquid separation at the inlet and outlet sides of the outdoor heat exchanger, respectively, in a heating operation mode.
  • a portion of the refrigerant can be distributed.
  • the two-phase refrigerant flowing in the refrigerant pipe inside the outdoor heat exchanger can flow in an annular flow pattern.
  • the refrigerant guide channel can be installed at a position corresponding to a dryness range of 0.4 to 0.6 of the two-phase refrigerant flowing inside the outdoor heat exchanger.
  • the outdoor heat exchanger may include a plurality of refrigerant pipes and a plurality of fins connected to the plurality of refrigerant pipes.
  • the system may further include a bypass passage for guiding the refrigerant flowing through the outdoor heat exchanger or the indoor heat exchanger functioning as an evaporator to the compressor; a flow control valve installed in the bypass passage for controlling the flow rate of the refrigerant; and a supercooler for superheating the refrigerant flowing through the bypass passage.
  • the heating performance can be maximized by increasing the bypass flow rate of the gaseous refrigerant in the outdoor heat exchanger and bypassing the gaseous refrigerant to the compressor without pressure loss of the refrigerant.
  • the defrosting operation time can be shortened, and there is an effect of enabling continuous heating operation without time delay when switching to heating operation mode after defrosting operation.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing a heat pump device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cycle diagram showing a heating operation mode of a heat pump device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cycle diagram showing the defrosting operation mode of a heat pump device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an experimental result graph showing the defrosting performance of a heat pump device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a heat pump device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cycle diagram showing a heating operation mode of a heat pump device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cycle diagram showing a defrosting operation mode of a heat pump device according to an embodiment of the present invention.
  • the heat pump device (100) includes an indoor unit and an outdoor unit.
  • the indoor unit may be a stand-alone type, a wall-mounted type, or a ceiling type.
  • the indoor unit is not limited to a stand-alone type, a wall-mounted type, or a ceiling type, and may be adopted in various shapes and installed indoors.
  • the outdoor unit is connected to the indoor unit and can transfer the refrigerant required to condition the air in the indoor unit to the indoor unit.
  • the indoor unit can perform heat exchange between the transferred refrigerant and the air, and discharge the heat-exchanged air into the room.
  • the indoor and outdoor units are connected to a refrigerant passage (200), so that the refrigerant can circulate between the indoor and outdoor units through the refrigerant passage (200).
  • high temperature or low temperature air can be discharged indoors from the indoor unit in heating or cooling operation.
  • the outdoor unit can be connected to at least one indoor unit.
  • a heat pump device (100) including an indoor unit and an outdoor unit may include a compressor (110), a switching valve (120), an indoor heat exchanger (130), an outdoor heat exchanger (140), an expansion mechanism (150), a flow control valve (160), a supercooler (170), and an accumulator (180).
  • a working fluid may be fluidly connected to a heat pump device (100) according to an embodiment of the present invention.
  • the working fluid may include a refrigerant.
  • the refrigerant may flow so as to pass through each component and circulate through a refrigerant passage (200).
  • the refrigerant can be used as R410A, which has low condensing temperature and evaporation temperature and high efficiency in relatively low temperature ranges.
  • the compressor (110) can compress the refrigerant to high temperature and high pressure.
  • a compressor (110) it may be a scroll compressor configured to compress the refrigerant by the relative phase difference between a fixed scroll and a rotating scroll, or a reciprocating compressor configured to compress the refrigerant using a cylinder and a piston.
  • the indoor heat exchanger (130) can function as a condenser that condenses the refrigerant that has passed through the compressor (110) or as an evaporator that evaporates the refrigerant.
  • the outdoor heat exchanger (140) can function as an evaporator that evaporates the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (130) and the expansion device, or as a condenser that condenses the refrigerant.
  • the outdoor heat exchanger (140) may be configured as a fin-tube type heat exchanger.
  • the outdoor heat exchanger (140) may include a refrigerant pipe (141) formed of a plurality of tubes, and a plurality of fins connected to the plurality of refrigerant pipes (141).
  • the refrigerant pipe (141) is formed of a zigzag-shaped tube.
  • the expansion device (150) may be an expansion valve that reduces the pressure of the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger (140) to a pressure that can cause evaporation by expanding it, and at the same time, controls and supplies an appropriate amount of refrigerant that can absorb sufficient heat in the evaporator.
  • first expansion valve (151) may be installed in the refrigerant passage (200) between the supercooler (170) and the outdoor heat exchanger (140).
  • the second expansion valve (152) may be installed in the refrigerant passage (200) between the supercooler (170) and the indoor heat exchanger (130).
  • the first expansion valve (151) and the second expansion valve (152) can be opened in a controlled manner to expand or not expand the refrigerant flowing through the refrigerant path (200). For example, when the heat pump device (100) is operated in a heating operation mode, the second expansion valve (152) is fully opened so as not to expand the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (130), and the first expansion valve (151) is opened only partially so as to expand the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger (130).
  • the outdoor heat exchanger (140) can function as a condenser and the indoor heat exchanger (130) can function as an evaporator.
  • the refrigerant can circulate in the order of the compressor (110), the outdoor heat exchanger (140), the expansion device (150), the indoor heat exchanger (130), the accumulator (180), and the compressor (110).
  • the outdoor heat exchanger (140) can function as an evaporator and the indoor heat exchanger (130) can function as a condenser.
  • the refrigerant can circulate in the order of the compressor (110), indoor heat exchanger (130), expansion device (150), outdoor heat exchanger (140), accumulator (180), and compressor (110).
  • the heat pump device (100) may be a device capable of both cooling and heating operation.
  • FIG. 2 illustrates a case where a heat pump device (100) is operated in a heating operation mode.
  • the indoor heat exchanger (130) can function as a condenser and the outdoor heat exchanger (140) can function as an evaporator.
  • the outdoor unit can include a compressor (110), a switching valve (120), a supercooler (170), and an accumulator (180).
  • the switching valve (120) can cause the flow of refrigerant discharged from the compressor (110) to flow to either the indoor heat exchanger (130) or the outdoor heat exchanger (140).
  • the switching valve (120) can be a four-way valve having four paths formed.
  • the switching valve (120) can have three outlets for one inlet, or can have two inlets and two outlets. For example, when one inlet and outlet are selected and the refrigerant flows, the refrigerant can be caused to flow to the remaining inlets and outlets, or the refrigerant can be prevented from flowing.
  • the refrigerant flow path is changed, and the refrigerant paths of the remaining inlets and outlets can also be converted. In other words, the refrigerant flow path can be switched.
  • the switching valve (120) in the indoor heating operation mode, can be adjusted so that the refrigerant discharged from the compressor (110) is guided to the indoor heat exchanger (130), and in the indoor cooling operation mode, the switching valve (120) can be adjusted so that the refrigerant discharged from the compressor (110) is guided to the outdoor heat exchanger (140).
  • the accumulator (180) is a gas-liquid separator that can separate gaseous refrigerant from a two-phase refrigerant including a liquid refrigerant and a gaseous refrigerant.
  • the separated gaseous refrigerant can be supplied to the compressor (110).
  • the accumulator (180) can prevent efficiency reduction due to liquid intrusion into the compressor (110).
  • the liquid refrigerant separated from the accumulator (180) can be accommodated in the lower portion of the accumulator (180), and the gaseous refrigerant can be placed above the separated liquid refrigerant.
  • the gaseous refrigerant separated from the accumulator (180) can flow to the compressor (110), and the liquid refrigerant separated from the accumulator (180) can remain in the accumulator (180).
  • the refrigerant passes through the compressor (110) and the indoor heat exchanger (130), is expanded in the first expansion valve (151), and can exchange heat with the outdoor air in the outdoor heat exchanger (140).
  • the second expansion valve (152) is fully open, and the opening amount of the first expansion valve (151) can be adjusted to expand the refrigerant.
  • the refrigerant discharged from the compressor (110) can flow to the indoor heat exchanger (130) by the switching valve (120).
  • the refrigerant condensed in the indoor heat exchanger (130) can flow to the outdoor heat exchanger (140) after being supercooled in the supercooler (170).
  • the refrigerant condensed in the indoor heat exchanger (130) may flow through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant may flow to the supercooler (170) through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant that has passed through the supercooler (170) may flow to the outdoor heat exchanger (140) that functions as an evaporator through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant flowing through the refrigerant passage (200) is called the primary refrigerant.
  • some refrigerant may be branched from the primary refrigerant through the bypass path (210).
  • Some refrigerant branched from the primary refrigerant is called secondary refrigerant. That is, the secondary refrigerant may be refrigerant flowing along the bypass path (210).
  • a flow control valve (160) can be installed in a bypass path (210), and the amount of secondary refrigerant flowing in the bypass path (210) can be determined by adjusting the opening amount of the flow control valve (160).
  • the secondary refrigerant can flow to the supercooler (170) through the bypass path (210) and can be discharged from the supercooler (170) and flow to the compressor (110). At this time, the secondary refrigerant discharged from the supercooler (170) can be introduced into the compressor (110).
  • the primary refrigerant flowing in the refrigerant path (200) can flow through a plurality of internal pipes inside the supercooler (170), and the secondary refrigerant can flow through the external pipe.
  • the internal pipes are arranged in the inner space of the supercooler (170), and the primary refrigerant flowing in the internal pipes can exchange heat with the secondary refrigerant flowing in the external pipes.
  • the secondary refrigerant can be expanded by the flow control valve (160) to have a lower temperature and lower pressure than the primary refrigerant, and the secondary refrigerant changed to a lower temperature and lower pressure can exchange heat with the primary refrigerant flowing in the internal pipes while flowing in the external pipes.
  • the primary refrigerant can be supercooled, and the secondary refrigerant can be superheated.
  • the supercooled primary refrigerant can flow to the outdoor heat exchanger (140) through the refrigerant path (200).
  • the outdoor heat exchanger (140) can evaporate the liquid refrigerant into a gaseous refrigerant through heat exchange with the outdoor air. That is, the outdoor heat exchanger (140) can function as an evaporator.
  • the heat pump device (100) may include a vapor-liquid separator (300).
  • the vapor-liquid separator (300) is installed inside an outdoor heat exchanger (140), and may separate the vapor-liquid refrigerant from the liquid-liquid refrigerant and guide it to a compressor (110) in the outdoor heat exchanger (140).
  • the vapor-liquid separator (300) may include a refrigerant guide passage (310) that guides the vapor-liquid refrigerant to the compressor (110).
  • the refrigerant guide path (310) in the heating operation mode can be connected to the refrigerant path (200) that guides the gaseous refrigerant of the outdoor heat exchanger (140) to the compressor (110).
  • the liquid refrigerant and the gaseous refrigerant can be separated from the two-phase refrigerant by the gas-liquid separator (300), and the separated gaseous refrigerant can be guided to the compressor (110).
  • the flow pattern of the two-phase refrigerant can vary depending on the dryness and flow rate.
  • the vapor-liquid separator (300) can separate the liquid refrigerant and the vapor refrigerant by allowing the liquid refrigerant to flow along the wall surface of the refrigerant passage (200) and the vapor refrigerant to flow in the center of the inside of the liquid refrigerant, respectively, when a constant dryness and constant flow rate are secured.
  • the flow pattern in which the liquid refrigerant and the vapor refrigerant are separated and flow inside the refrigerant passage (200) is called annular flow.
  • the liquid refrigerant in the refrigerant path (200) can flow toward the wall surface of the path, and the gaseous refrigerant can flow toward the inner center of the liquid refrigerant flowing through the refrigerant path (200).
  • the gaseous refrigerant can be separated from the two-phase refrigerant flowing inside the outdoor heat exchanger (140) and flow into the connecting path (not shown) and the header (not shown).
  • the connecting path not shown
  • a small amount of the liquid refrigerant can flow into the connecting path and the header.
  • the refrigerant guide channel (310) connected to the vapor-liquid separator (300) includes a first channel (311) connected to the refrigerant channel (200) between the switching valve (120) and the outdoor heat exchanger (140), and a second channel (312) branched from the first channel (311) and connected to the refrigerant channel (200) of the vapor-liquid separator (300) inside the outdoor heat exchanger (140).
  • the second channel (312) of the refrigerant guide channel (310) is connected to the inlet side (lower part) and the outlet side (upper part) of the outdoor heat exchanger (140), respectively, so that when a multi-stage (2-stage) vapor-liquid separation technology is applied, the flow rate of the vapor-liquid refrigerant is increased compared to the past, thereby preventing performance degradation or compressor failure due to liquid intrusion and improving cold region performance.
  • These refrigerant guide channels (310) are installed at positions corresponding to a dryness range of 0.4 to 0.6 of the two-phase refrigerant flowing inside the outdoor heat exchanger (140), and the above-mentioned dryness range can be understood as a dryness point at which annular flow is formed.
  • the refrigerant guide path (310) is composed of a plurality of second paths (312), when the gaseous refrigerant separated by the gas-liquid separator (300) inside the outdoor heat exchanger (140) is discharged from the outdoor heat exchanger (140), some of it can be distributed and discharged through the second path (312) on the inlet side, and the remainder can be distributed and discharged through the second path (312) on the outlet side.
  • all gaseous refrigerant except for the gaseous refrigerant discharged through the refrigerant guide channel (310) can be discharged through the refrigerant path (200) connected to the refrigerant pipe (141) inside the outdoor heat exchanger (140) and guided to the compressor (110).
  • the total refrigerant flow rate flowing through the refrigerant guide channel (310) connected in parallel from the refrigerant path (200) and the refrigerant pipe (141) of the outdoor heat exchanger (140) increases, so the outlet pressure of the refrigerant guide channel (310) and the suction pressure and suction density of the compressor (110) decrease. Accordingly, by bypassing the vapor refrigerant to the compressor (110) without any pressure loss of the refrigerant, the heating performance can be maximized in the heating operation mode.
  • FIG. 3 illustrates a case where the heat pump device (100) is operated in a defrosting operation mode.
  • the outdoor heat exchanger (140) can function as a condenser and the indoor heat exchanger (130) can function as an evaporator.
  • the switching valve (120) can direct the flow of refrigerant discharged from the compressor (110) to the outdoor heat exchanger.
  • the accumulator (180) can separate the gaseous refrigerant from the two-phase refrigerant including the liquid refrigerant and the gaseous refrigerant.
  • the refrigerant passes through the compressor (110) and the outdoor heat exchanger (140), expands in the second expansion valve (152), and can exchange heat with indoor air in the indoor heat exchanger (130).
  • the first expansion valve (151) is fully open, and the opening amount of the second expansion valve (152) can be adjusted to expand the refrigerant.
  • the refrigerant discharged from the compressor (110) can flow to the outdoor heat exchanger (140) by the switching valve (120).
  • the refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger (140) can flow to the indoor heat exchanger (130) after being supercooled in the supercooler (170).
  • the refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger (140) can flow through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant can flow to the supercooler (170) through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant that has passed through the supercooler (170) can flow to the indoor heat exchanger (130) that functions as an evaporator through the refrigerant passage (200).
  • the refrigerant flowing through the refrigerant passage (200) is called the primary refrigerant.
  • some refrigerant may be branched from the primary refrigerant by the bypass path (210).
  • Some refrigerant branched from the primary refrigerant is called secondary refrigerant. That is, the secondary refrigerant may be refrigerant flowing along the bypass path (210).
  • a flow control valve (160) can be installed in a bypass path (210), and the amount of secondary refrigerant flowing in the bypass path (210) can be determined by adjusting the opening amount of the flow control valve (160).
  • the secondary refrigerant can flow to the supercooler (170) through the bypass path (210) and can be discharged from the supercooler (170) and flow to the compressor (110). At this time, the secondary refrigerant discharged from the supercooler (170) can be introduced into the compressor (110).
  • the primary refrigerant flowing in the refrigerant path (200) can flow through a plurality of internal pipes inside the supercooler (170), and the secondary refrigerant can flow through the external pipe.
  • the internal pipes are arranged in the inner space of the supercooler (170), and the primary refrigerant flowing in the internal pipes can exchange heat with the secondary refrigerant flowing in the external pipes.
  • the secondary refrigerant can be expanded by the flow control valve (160) to have a lower temperature and lower pressure than the primary refrigerant, and the secondary refrigerant changed to a lower temperature and lower pressure can exchange heat with the primary refrigerant flowing in the internal pipes while flowing in the external pipes.
  • the primary refrigerant can be supercooled, and the secondary refrigerant can be superheated.
  • the supercooled primary refrigerant can flow to the indoor heat exchanger (130) through the refrigerant path (200).
  • the indoor heat exchanger (130) can evaporate the liquid refrigerant into a gaseous refrigerant through heat exchange with indoor air. That is, the indoor heat exchanger (130) can function as an evaporator.
  • the heat pump device of the present invention when the outdoor temperature is low and the heating operation mode is performed, moisture in the air passing through the outdoor heat exchanger (140) used as an evaporator condenses and freezes, causing frost to form on the outdoor heat exchanger (140), thereby lowering the heat exchange performance of the outdoor heat exchanger (140) and significantly reducing the heating efficiency of the heat pump device (100).
  • the present invention aims to solve the problem of reduced heating efficiency by performing a defrosting operation mode for an outdoor heat exchanger (140) to remove frost that has formed on the outdoor heat exchanger (140).
  • the heat pump device (100) may include a vapor-liquid separator (300).
  • the vapor-liquid separator (300) is installed inside an outdoor heat exchanger (140) and guides a high-temperature gaseous refrigerant (hot gas) discharged from a compressor (110) to the outdoor heat exchanger (140) to remove frost formed inside the outdoor heat exchanger (140).
  • the vapor-liquid separator (300) does not apply a vapor-liquid separation technology for separating a gaseous refrigerant among two-phase refrigerants in the defrost operation mode, but only exhibits the performance of a path that guides the high-temperature refrigerant of the compressor (110) into the inside of the outdoor heat exchanger (140).
  • the vapor-liquid separator (300) may include a refrigerant guide passage (310). Meanwhile, the refrigerant guide passage (310) in the defrost operation mode may be connected to a refrigerant passage (200) that guides the refrigerant discharged from the compressor (110) to the outdoor heat exchanger (140). At this time, the refrigerant that passes through the refrigerant guide passage (310) and flows into the vapor-liquid separator (300) may be connected to and guided by a plurality of refrigerant pipes (141) inside the outdoor heat exchanger (140).
  • the refrigerant guide path (310) connected to the gas-liquid separator (300) includes a first path (311) connected to the refrigerant path (200) between the switching valve (120) and the outdoor heat exchanger (140), and a second path (312) branched from the first path (311) and connected in parallel to the refrigerant pipe (141) inside the outdoor heat exchanger (140).
  • This refrigerant guide path (310) is composed of a second path (312) and a plurality of paths. Accordingly, when high-temperature gaseous refrigerant is guided into the outdoor heat exchanger (140), it can be configured to be guided through the refrigerant pipe (141) connected to the inlet side (upper part) and the outlet side (lower part) of the outdoor heat exchanger (140) connected to the second path (312).
  • the refrigerant flowing along the refrigerant guide passage (310) can easily perform defrosting and shorten the defrosting operation time because the refrigerant flows while the flow rate increases throughout the refrigerant pipe (141) of the outdoor heat exchanger (140).
  • the frost formed inside the outdoor heat exchanger (140) changes into water and remains in the lower part of the inside of the outdoor heat exchanger (140)
  • the refrigerant flowing through the second passage (312) of the refrigerant guide passage (310) provided on the outlet side of the outdoor heat exchanger (140) can dry the water remaining inside the outdoor heat exchanger (140). Accordingly, there is an effect of completely removing not only the frost that impedes the performance of the heat exchanger inside the outdoor heat exchanger (140), but also the water.
  • FIG. 4 is an experimental result graph showing the refrigerant performance of a heat pump device (100) according to an embodiment of the present invention, showing the evaporation temperature of the refrigerant with respect to the operating time of the heat pump device (100).
  • both the present invention and the prior art have the same evaporation temperature of the heat pump device (100) of about 14°C and the same heating capacity of about 17.5 kW.
  • the defrosting operation starts at about 33 minutes of the operation time of the heat pump device (100)
  • the prior art completes the defrosting operation in about 41 minutes.
  • the present invention completes the defrosting operation in about 39 minutes.
  • the present invention can shorten the defrosting operation time by several minutes, thereby enabling continuous heating without time delay when switching from the defrosting operation to the heating operation mode.
  • the embodiment of the present invention can maximize heating performance by increasing the bypass flow rate of the gaseous refrigerant in the outdoor heat exchanger (140) in the heating operation mode, thereby bypassing the gaseous refrigerant to the compressor (110) without pressure loss of the refrigerant.
  • the defrosting operation mode by applying a refrigerant guide path (310) having multiple paths to the outdoor heat exchanger (140), the high temperature refrigerant discharged from the compressor (110) is supplied to the entire internal path of the outdoor heat exchanger (140), thereby shortening the defrosting operation time and enabling continuous heating operation without time delay when switching to the heating operation mode after the defrosting operation.

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Abstract

본 발명은 히트펌프 장치에 관한 것으로서, 냉매를 압축하는 압축기; 동작 모드의 전환을 위한 절환밸브; 실외 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실외 열교환기; 실내 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실내 열교환기; 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및 상기 실외 열교환기의 내부에 설치되며, 운전 모드에 따라 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하거나, 상기 냉매를 상기 실외 열교환기의 제상을 위해 상기 실외 열교환기로 가이드하는 기액분리장치를 포함하는 히트펌프 장치를 제공한다.

Description

히트펌프 장치
본 발명은 히트펌프 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매의 유동 특성을 이용하여 액상 냉매와 기상 냉매를 분리시킬 수 있는 기액분리장치를 적용한 히트펌프 장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 장치는 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방 사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환하여 난방 및 급탕을 수행하는 장치이다.
특히, 히트펌프 장치는 전원을 인가하면 압축기 및 실내팬 및 실외팬이 구동되고, 증발기로부터 유입된 냉매가 압축되어 고온 고압의 냉매가 응축기로 공급되며, 응축기에서 액상으로 응축된 냉매는 팽창밸브를 통해 팽창되어 액상 및 기상의 2상 냉매로 증발기로 재유입되며, 증발기에서 기상으로 상변화된 기상의 냉매는 압축기로 순환하는 냉매 사이클을 이루게 된다.
종래의 히트펌프 장치는 낭방 운전 수행 시 증발기로 사용되는 실외 열교환기를 통과하는 공기 중의 수분이 응축 및 동결됨에 따라 실외 열교환기에 성에가 착상되어 실외 열교환기의 열교환 성능이 저하될 수 있다. 결국, 히트펌프 장치의 난방 효율을 현저히 저하시키는 문제를 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래의 히트펌프 장치는 제상 운전이 필요할 경우, 절환밸브의 전환에 의해 히트펌프 장치를 냉방 회로로 가동하여 실외기를 응축기로 운전하고 실내기를 증발기로 운전하게 된다. 이에 따라 고온 고압의 액체 냉매가 실외기로 유동하면서 실외 열교환기에 착상된 성에를 제거하게 된다.
그런데, 착상이 된 증발기를 제상하는 냉방 운전의 제상 운전 모드에서 다시 난방 운전을 실시하게 되므로, 더 이상의 난방 공급이 용이하지 않아 난방 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 실외 열교환기에 바로 공급하여 난방 운전시 입구단 및 냉방 운전시 출구단으로 갈수록 냉매의 온도가 감소함에 따라 실외 열교환기의 끝단에서는 제상 운전 모드가 정상적으로 동작하지 않게 되어 제상 운전 시간이 길어지는 문제점이 있었다.
그리고 종래의 히트펌프 장치는, 저온 한랭지 조건에서 난방 운전 모드 시, 압축기의 높은 압축비로 동작되어 토출 온도가 과도하게 상승되어 내부 부품을 손상시킬 수 있고, 냉매 밀도가 상온 대비 작아 냉매의 유량이 감소하게 되며, 비체적이 증가하여 냉매의 압력 손실 증가로 난방 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 실외 열교환기에 복수의 기액분리장치를 적용하여 기상 냉매의 바이패스 유량을 증가시켜 난방 운전 모드 시, 냉매의 압력 손실 없이 압축기로 기상 냉매를 바이패스함에 따라 난방 성능을 극대화할 수 있는 히트펌프 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 제상 운전 모드 시, 복수의 유로를 가진 냉매안내유로를 적용하여 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 실외 열교환기 내부 유로 전체에 걸쳐 공급하게 됨으로써 제상 운전 시간을 단축할 수 있고, 제상 효율을 향상시킬 수 있는 히트펌프 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 히트펌프 장치는, 실외 열교환기에서 기상 냉매의 바이패스 유량을 증가시켜, 냉매의 압력 손실 없이 압축기로 기상 냉매를 바이패스하여 난방 성능을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 실외 열교환기에 복수의 유로를 가진 냉매안내유로를 적용하여 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 실외 열교환기 내부 유로 전체에 걸쳐 공급하여 제상 운전 시간을 단축할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치는, 냉매를 압축하는 압축기; 동작 모드의 전환을 위한 절환밸브; 실외 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실외 열교환기; 실내 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실내 열교환기; 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및 상기 실외 열교환기의 내부에 설치되며, 운전 모드에 따라 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하거나, 상기 냉매를 상기 실외 열교환기의 제상을 위해 상기 실외 열교환기로 가이드하는 기액분리장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 기액분리장치는, 난방 운전 모드 시, 상기 실외 열교환기에 공급되는 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하여 상기 압축기로 가이드하거나, 제상 운전 모드 시, 상기 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 상기 실외 열교환기 내부로 가이드하는 냉매안내유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉매안내유로는, 상기 절환밸브와 상기 실외 열교환기 사이의 냉매 유로와 연결되는 하나의 제1 유로와, 상기 제1 유로로부터 분지되어 상기 실외 열교환기 내부 유로와 병렬 연결되는 복수의 제2 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2 유로는, 난방 운전 모드시 상기 실외 열교환기의 입구측과 출구측에서 각각 기액 분리할 수 있도록 상기 실외 열교환기 내부의 냉매 배관에 각각 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2 유로에는, 난방 운전 모드시 상기 실외 열교환기 내부의 상기 냉매 배관을 유동하는 냉매가 상기 냉매 유로로 유동할 때 상기 냉매의 일부가 분배될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실외 열교환기 내부의 상기 냉매 배관을 유동하는 2상 냉매는 환형 유동(annular flow) 패턴으로 유동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉매안내유로는 상기 실외 열교환기의 내부를 유동하는 2상 냉매의 건도가 0.4 내지 0.6의 건도 범위에 대응하는 위치에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실외 열교환기는 복수개의 냉매 배관과, 상기 복수개의 냉매 배관에 연결된 복수개의 핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 증발기로 기능하는 상기 실외 열교환기 또는 상기 실내 열교환기로 유동하는 상기 냉매를 상기 압축기로 가이드하는 바이패스 유로; 상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브; 및 상기 바이패스 유로를 유동하는 상기 냉매가 과열되는 과냉각기를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 히트펌프 장치에 의하면, 실외 열교환기에서 기상 냉매의 바이패스 유량을 증가시켜, 냉매의 압력 손실 없이 압축기로 기상 냉매를 바이패스함에 따라 난방 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 실외 열교환기에 복수의 유로를 가진 냉매안내유로를 적용하여 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 실외 열교환기 내부 유로 전체에 걸쳐 공급함으로써, 제상 운전 시간을 단축할 수 있으며, 제상 운전 후 난방 운전 모드로의 전환 시 시간 지연 없이 연속적인 난방 운전을 가능하게 하는 효과가 있다.
종래의 실외 열교환기와 압축기 사이에 설치된 흡입배관 및 밸브의 설치가 배제됨으로써, 압축기의 고장 리스크가 없으며, 부품 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치를 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치의 난방 운전 모드를 나타내는 사이클 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치의 제상 운전 모드를 나타내는 사이클 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치의 제상 성능을 나타내는 실험 결과 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 삭제, 변경 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
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 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 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 히트펌프 장치를 나타내는 계통도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치의 난방 운전 모드를 나타내는 사이클 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치의 제상 운전 모드를 나타내는 사이클 도면이다.
본 발명의 도면을 참조하여 설명하기에 앞서 공기 조화 현상이 발생하는 실외기 및 실내기를 포함하는 히트펌프 장치에 대해 설명하기로 한다.
[히트펌프 장치의 구성]
히트펌프 장치(100)는 실내기와 실외기를 포함한다. 히트펌프 장치(100)에서 실내기는 스탠드형, 벽걸이 형 또는 천장 형 등일 수 있다. 그러나 실내기는 스탠드 형, 벽걸이 형 또는 천장 형에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 채택되어 실내에 설치될 수 있다.
실외기는, 실내기와 연결되어 실내기에서 공기를 조화하는데 필요한 냉매를 실내기로 전달할 수 있다. 실내기는 전달된 냉매와 공기 간의 열 교환을 수행할 수 있고, 열 교환된 공기를 실내로 토출할 수 있다.
이와 같은 실내기와 실외기는 냉매 유로(200)로 연결되어, 냉매가 냉매 유로(200)를 통해 실내기와 실외기를 순환할 수 있다.
냉매의 순환에 따라 난방 운전 또는 냉방 운전하는 실내기로부터 고온 또는 저온의 공기가 실내로 토출될 수 있다. 이때, 실외기는 적어도 하나의 실내기와 연결될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 실내기와 실외기를 포함하는 히트펌프 장치(100)는, 압축기(110), 절환밸브(120), 실내 열교환기(130), 실외 열교환기(140), 팽창기구(150), 유량제어밸브(160), 과냉각기(170) 및 어큐뮬레이터(180)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치(100)에는 작동 유체가 유동적으로 연결될 수 있다. 일례로, 작동 유체는 냉매를 포함할 수 있다. 여기서, 냉매는 각 구성부품을 통과하고 냉매 유로(200)를 순환하도록 유동할 수 있다.
여기서, 냉매는 응축 온도 및 증발 온도가 낮고, 상대적으로 저온 영역에서 효율이 높은 R410A를 채택하여 이용할 수 있다.
압축기(110)는 냉매를 고온 고압으로 압축할 수 있다. 이러한 압축기(110)의 일 예로서, 고정 스크롤과 회전 스크롤의 상대적인 위상차에 의해 냉매가 압축되도록 구성된 스크롤 압축기 또는 실린더 및 피스톤을 이용하여 냉매가 압축되도록 구성된 왕복동 압축기일 수 있다.
실내 열교환기(130)는 압축기(110)를 통과한 냉매를 응축하는 응축기 또는 냉매를 증발시키는 증발기로서 기능할 수 있다.
실외 열교환기(140)는 실내 열교환기(130)와 팽창 기구를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기 또는 냉매를 응축하는 응축기로서 기능할 수 있다.
실외 열교환기(140)는 핀 튜브형 열교환기로 구성될 수 있다. 실외 열교환기(140)는 복수개의 튜브로 이루어진 냉매 배관(141)과, 복수개의 냉매 배관(141)에 연결된 복수개의 핀을 포함할 수 있다. 냉매 배관(141)은 지그재그 형상의 튜브로 이루어져 있다.
팽창기구(150)는 실외 열교환기(140)를 통과한 냉매를 팽창시켜 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압시키는 것과 동시에 증발기에서 충분한 열을 흡수할 수 있는 적정한 냉매량을 조절하여 공급할 수 있는 팽창밸브일 수 있다.
여기서, 제1 팽창밸브(151)는 과냉각기(170)와 실외 열교환기(140) 사이의 냉매 유로(200)에 설치될 수 있다. 제2 팽창밸브(152)는 과냉각기(170)와 실내 열교환기(130) 사이의 냉매 유로(200)에 설치될 수 있다.
제1 팽창밸브(151)와 제2 팽창밸브(152)는 개도량이 조절되어 냉매 유로(200)를 유동하는 냉매를 팽창시키거나 팽창시키지 않을 수 있다. 예를 들면, 히트펌프 장치(100)의 난방 운전 모드로 작동할 시 제2 팽창밸브(152)는 완전 개방(full-open)되어 실내 열교환기(130)를 통과한 냉매를 팽창시키지 않고 제1 팽창밸브(151)는 일부만 개방되도록 개도량을 조절하여 실내 열교환기(130)를 통과한 냉매를 팽창시킬 수 있다.
또한 히트펌프 장치(100)의 냉방 운전 모드 및 제상 운전 모드로 작동할 시, 실외 열교환기(140)는 응축기로 기능할 수 있고, 실내 열교환기(130)는 증발기로 기능할 수 있다.
히트펌프 장치(100)의 냉방 운전 모드 및 제상 운전 모드로 작동할 시, 냉매는 압축기(110), 실외 열교환기(140), 팽창기구(150), 실내 열교환기(130), 어큐뮬레이터(180) 및 압축기(110)의 순서대로 순환할 수 있다.
반면, 히트펌프 장치(100)의 난방 운전 모드로 작동할 시, 실외 열교환기(140)는 증발기로 기능할 수 있고, 실내 열교환기(130)는 응축기로 기능할 수 있다.
히트펌프 장치(100)의 난방 운전 모드로 작동할 시, 냉매는 압축기(110), 실내 열교환기(130), 팽창기구(150), 실외 열교환기(140), 어큐뮬레이터(180) 및 압축기(110)의 순서대로 순환할 수 있다.
이와 같이, 히트펌프 장치(100)는 냉방 운전 및 난방 운전이 모두 가능한 장치일 수 있다.
[히트펌프 장치의 난방 운전 모드]
도 2는 히트펌프 장치(100)를 난방 운전 모드로 운전하는 경우를 도시한 것으로서, 도 2를 참조하면, 히트펌프 장치(100)가 난방 운전 모드로 동작할 때 실내 열교환기(130)는 응축기로 기능할 수 있고, 실외 열교환기(140)는 증발기로 기능할 수 있다. 또한, 실외기는 압축기(110), 절환밸브(120), 과냉각기(170) 및 어큐뮬레이터(180)를 포함할 수 있다.
절환밸브(120)는 압축기(110)에서 토출된 냉매의 흐름을 실내 열교환기(130) 또는 실외 열교환기(140) 중 하나로 유동시킬 수 있다. 일례로서, 절환밸브(120)는 4개의 유로가 형성된 사방 밸브일 수 있다. 절환밸브(120)는 하나의 유입구에 대해 3개의 유출구를 가지는 형태일 수 있고, 2개의 유입구와 2개의 유출구를 가지는 형태일 수 있다. 예를 들어 어느 하나의 유입구와 유출구가 선택되어 냉매가 흐르면, 나머지 유입구 및 유출구에도 냉매가 유동하도록 할 수 있고, 냉매가 유동하지 않게 할 수도 있다.
또한 어느 하나의 유입구에 대해서 유출구가 변경되면 냉매의 유로가 변경되고, 그 나머지 유입구 및 유출구의 냉매 경로 또한 변환될 수 있다. 즉, 냉매의 유로가 절환될 수 있다.
첨부 도면을 참조하면, 실내의 난방 운전 모드 시, 압축기(110)에서 토출된 냉매가 실내 열교환기(130)로 안내되도록 절환밸브(120)를 조절하고, 실내의 냉방 운전 모드 시, 압축기(110)에서 토출된 냉매가 실외 열교환기(140)로 안내되도록 절환밸브(120)를 조절할 수 있다.
어큐뮬레이터(180)는 액상 냉매 및 기상 냉매를 포함하는 2상 냉매로부터 기상 냉매를 분리할 수 있는 기액분리기이다. 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 공급할 수 있다. 어큐뮬레이터(180)는 압축기(110)의 액 침입에 의한 효율 감소를 방지할 수 있다.
어큐뮬레이터(180)에서 분리된 액상 냉매는 어큐뮬레이터(180) 내의 하측에 수용될 수 있고, 기상 냉매는 분리된 액상 냉매의 상측에 배치될 수 있다. 어큐뮬레이터(180)에서 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 유동될 수 있고, 어큐뮬레이터(180)에서 분리된 액상 냉매는 어큐뮬레이터(180) 내에 그대로 남아 있을 수 있다.
히트펌프 장치(100)가 난방 운전 모드로 동작할 때, 냉매는 압축기(110) 및 실내 열교환기(130)를 통과하고 제1 팽창밸브(151)에서 팽창되고, 실외 열교환기(140)에서 실외 공기와 열교환할 수 있다. 이때, 제2 팽창밸브(152)는 완전 개방(full-open)되고, 제1 팽창밸브(151)는 냉매를 팽창시키기 위해 개도량이 조절될 수 있다.
구체적으로, 히트펌프 장치(100)가 난방 운전 모드로 동작할 때, 압축기(110)에서 토출된 냉매는 절환밸브(120)에 의해 실내 열교환기(130)로 유동될 수 있다. 실내 열교환기(130)에서 응축된 냉매는 과냉각기(170)에서 과냉각된 후 실외 열교환기(140)로 유동될 수 있다.
일 예로서, 실내 열교환기(130)에서 응축된 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 유동할 수 있다. 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 과냉각기(170)로 유동될 수 있다. 또한, 과냉각기(170)를 통과한 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 증발기로 기능하는 실외 열교환기(140)로 유동될 수 있다. 여기서, 냉매 유로(200)를 유동하는 냉매를 1차 냉매라 한다.
압축기(110)로 냉매를 공급하기 위해 바이패스 유로(210)에 의해 1차 냉매에서 일부 냉매가 분지될 수 있다. 1차 냉매에서 분지된 일부 냉매를 2차 냉매라 한다. 즉, 2차 냉매는 바이패스 유로(210)를 따라 유동하는 냉매일 수 있다.
유량제어밸브(160)는 바이패스 유로(210)에 설치될 수 있고, 유량제어밸브(160)의 개도량 조절에 의해 바이패스 유로(210)를 유동하는 2차 냉매의 양이 결정될 수 있다.
유량제어밸브(160)가 개방된 경우, 2차 냉매는 바이패스 유로(210)를 통해 과냉각기(170)로 유동할 수 있고, 과냉각기(170)에서 토출되어 압축기(110)로 유동할 수 있다. 이때, 과냉각기(170)에서 토출된 2차 냉매는 압축기(110)로 유입될 수 있다.
냉매 유로(200)를 유동하는 1차 냉매는 과냉각기(170) 내부의 복수의 내부 파이프를 통해 유동할 수 있고, 2차 냉매는 외부 파이프를 통해 유동할 수 있다. 이때, 내부 파이프는 과냉각기(170)의 내측 공간에 배치되고, 내부 파이프를 유동하는 1차 냉매는 외부 파이프를 유동하는 2차 냉매와 열교환될 수 있다. 구체적으로, 2차 냉매는 유량제어밸브(160)에 의해 팽창되어 1차 냉매보다 저온 저압일 수 있고, 저온 저압으로 변화된 2차 냉매는 외부 파이프를 유동하면서 내부 파이프를 유동하는 1차 냉매와 열교환할 수 있다. 이때, 1차 냉매는 과냉되고, 2차 냉매는 과열될 수 있다. 과냉된 1차 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 실외 열교환기(140)로 유동할 수 있다. 실외 열교환기(140)는 실외 공기와 열교환을 통해 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킬 수 있다. 즉, 실외 열교환기(140)는 증발기로서 기능할 수 있다.
본 발명에 따른 히트펌프 장치(100)는 기액분리장치(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 기액분리장치(300)는 실외 열교환기(140)의 내부에 설치되며, 실외 열교환기(140)에서 액상 냉매와 기상 냉매 중 기상 냉매를 분리하여 압축기(110)로 가이드할 수 있다. 기액분리장치(300)는 기상 냉매를 압축기(110)로 가이드하는 냉매안내유로(310)를 포함할 수 있다.
한편, 난방 운전 모드 시의 냉매안내유로(310)는 실외 열교환기(140)의 기상 냉매를 압축기(110)로 가이드하는 냉매 유로(200)에 연결될 수 있다. 이때, 기액분리장치(300)에 의해 2상 냉매로부터 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하고, 분리된 기상 냉매를 압축기(110)로 가이드할 수 있다.
이와 같은 기액분리장치(300)에서 2상 냉매는 건도와 유속에 따라 유동 패턴이 달라질 수 있다.
기액분리장치(300)는, 일정한 건도와 일정한 유속이 확보된 경우, 액상 냉매가 냉매 유로(200)의 벽면으로 유동하고, 기상 냉매는 액상 냉매의 내부 중앙에서 각각 유동하여, 액상 냉매와 기상 냉매를 분리할 수 있다. 이와 같이 액상 냉매와 기상 냉매가 분리되어 냉매 유로(200) 내부를 유동하는 경우의 유동 패턴을 환형 유동(annular flow)이라 한다.
환형 유동이 발생한 경우, 냉매 유로(200)에서 액상 냉매는 유로의 벽면으로 유동하고 기상 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 유동하는 액상 냉매의 내부 중앙으로 유동될 수 있다. 이를 통해, 실외 열교환기(140) 내부를 유동하는 2상 냉매로부터 기상 냉매가 분리되어 연결 유로(미도시)와 헤더(미도시)로 유동될 수 있다. 이때, 기상 냉매뿐만 아니라 소량의 액상 냉매도 함께 연결 유로와 헤더로 유동될 수 있다.
실외 열교환기(140) 내부를 유동하는 2상 냉매로부터 분리된 기상 냉매는 냉매안내유로(310)를 통해 압축기(110)로 유동되고, 분리되지 않은 액상 냉매는 바이패스될 수 있다.
종래에 실외 열교환기와 압축기의 흡입단에 흡입배관을 연결하고, 배관에 밸브를 추가로 설치한 히트펌프 장치가 제안된 바 있는데, 종래의 방식은 밸브의 고장이 발생할 경우 냉매를 단속하는 구성이 존재하지 않아 압축기로 액상 냉매가 침투하여 액 침입으로 인해 성능이 저하되거나 압축기의 고장까지 유발하는 단점이 있었다.
기액분리장치(300)에 연결된 냉매안내유로(310)는 절환밸브(120)와 실외 열교환기(140) 사이의 냉매 유로(200)와 연결되는 하나의 제1 유로(311)와, 제1 유로(311)로부터 분지되어 실외 열교환기(140) 내부의 기액분리장치(300)의 냉매 유로(200)와 연결되는 제2 유로(312)를 포함한다. 즉, 냉매안내유로(310)의 제2 유로(312)는 실외 열교환기(140)의 입구측(하부)과 출구측(상부)에 각각 연결되어 다단(2단) 기액 분리 기술을 적용할 경우 기상 냉매의 유량을 종래 대비 증가시켜 액 침입으로 인한 성능 저하나 압축기의 고장을 방지할 뿐만 아니라 한랭지 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 냉매안내유로(310)는 실외 열교환기(140)의 내부를 유동하는 2상 냉매의 건도가 0.4 내지 0.6의 건도 범위에 대응하는 위치에 설치되며, 상기한 건도 범위는 환형 유동이 형성되는 건도 지점으로 이해될 수 있다.
이러한 냉매안내유로(310)는 제2 유로(312)가 복수의 유로로 이루어져 있으므로, 실외 열교환기(140) 내부에서 기액분리장치(300)에 의해 분리된 기상 냉매는 실외 열교환기(140)로부터 배출될 때, 일부는 입구측 제2 유로(312)로 분배되어 배출되고, 나머지는 출구측 제2 유로(312)로 분배되어 배출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 실외 열교환기(140)의 내부의 냉매 배관(141)과 연결되어 압축기(110)로 안내되는 냉매 유로(200)로는 냉매안내유로(310)로 배출되는 기상 냉매를 제외한 나머지 모든 기상 냉매가 배출될 수 있다.
유동하는 냉매 유량이 기액분리장치(300)에서 기액분리할 때마다 냉매 유로(200)와, 실외 열교환기(140)의 냉매 배관(141)으로부터 병렬 연결된 냉매안내유로(310)를 유동하는 전체 냉매 유량은 증가하게 되므로 냉매안내유로(310)의 출구 압력 및 압축기(110)의 흡입 압력과 흡입 밀도가 낮아지게 된다. 이에 따라 냉매의 압력 손실 없이 압축기(110)로 기상 냉매를 바이패스함에 따라 난방 운전 모드에서 난방 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 실외 열교환기(140)를 유동하는 전체 냉매 유량이 증가되므로 한랭지 성능을 개선할 수 있다.
[히트펌프 장치의 제상 운전 모드]
도 3은 히트펌프 장치(100)를 제상 운전 모드로 운전하는 경우를 도시한 것으로서, 도 3을 참조하면, 히트펌프 장치(100)가 제상 운전 모드, 즉 냉방 운전 모드로 동작할 때 실외 열교환기(140)는 응축기로 기능할 수 있고, 실내 열교환기(130)는 증발기로 기능할 수 있다.
절환밸브(120)는 압축기(110)에서 토출된 냉매의 흐름을 실외 열 교환기로 유동시킬 수 있다. 또한, 어큐뮬레이터(180)는 액상 냉매 및 기상 냉매를 포함하는 2상 냉매로부터 기상 냉매를 분리할 수 있다.
히트펌프 장치(100)가 제상 운전 모드로 동작할 때, 냉매는 압축기(110) 및 실외 열교환기(140)를 통과하고 제2 팽창밸브(152)에서 팽창되고, 실내 열교환기(130)에서 실내 공기와 열교환할 수 있다. 이때, 제1 팽창밸브(151)는 완전 개방(full-open)되고, 제2 팽창밸브(152)는 냉매를 팽창시키기 위해 개도량이 조절될 수 있다.
구체적으로, 히트펌프 장치(100)가 제상 운전 모드로 동작할 때, 압축기(110)에서 토출된 냉매는 절환밸브(120)에 의해 실외 열교환기(140)로 유동될 수 있다. 실외 열교환기(140)에서 응축된 냉매는 과냉각기(170)에서 과냉각된 후 실내 열교환기(130)로 유동될 수 있다.
실외 열교환기(140)에서 응축된 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 유동할 수 있다. 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 과냉각기(170)로 유동될 수 있다. 또한, 과냉각기(170)을 통과한 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 증발기로 기능하는 실내 열교환기(130)로 유동될 수 있다. 여기서, 냉매 유로(200)를 유동하는 냉매를 1차 냉매라 한다.
압축기(110)로 냉매를 공급하기 위해 바이패스 유로(210)에 의해 1차 냉매에서 일부 냉매는 분지될 수 있다. 1차 냉매에서 분지된 일부 냉매를 2차 냉매라 한다. 즉, 2차 냉매는 바이패스 유로(210)를 따라 유동하는 냉매일 수 있다.
유량제어밸브(160)는 바이패스 유로(210)에 설치될 수 있고, 유량제어밸브(160)의 개도량 조절에 의해 바이패스 유로(210)를 유동하는 2차 냉매의 양이 결정될 수 있다.
유량제어밸브(160)가 개방된 경우, 2차 냉매는 바이패스 유로(210)를 통해 과냉각기(170)로 유동할 수 있고, 과냉각기(170)에서 토출되어 압축기(110)로 유동할 수 있다. 이때, 과냉각기(170)에서 토출된 2차 냉매는 압축기(110)로 유입될 수 있다.
냉매 유로(200)를 유동하는 1차 냉매는 과냉각기(170) 내부의 복수의 내부 파이프를 통해 유동할 수 있고, 2차 냉매는 외부 파이프를 통해 유동할 수 있다. 이때, 내부 파이프는 과냉각기(170)의 내측 공간에 배치되고, 내부 파이프를 유동하는 1차 냉매는 외부 파이프를 유동하는 2차 냉매와 열교환될 수 있다. 구체적으로, 유량제어밸브(160)에 의해 2차 냉매는 팽창되어 1차 냉매보다 저온 저압일 수 있고, 저온 저압으로 변화된 2차 냉매는 외부 파이프를 유동하면서 내부 파이프를 유동하는 1차 냉매와 열교환할 수 있다. 이때, 1차 냉매는 과냉되고, 2차 냉매는 과열될 수 있다. 과냉된 1차 냉매는 냉매 유로(200)를 통해 실내 열교환기(130)로 유동할 수 있다. 실내 열교환기(130)는 실내 공기와 열교환을 통해 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킬 수 있다. 즉, 실내 열교환기(130)는 증발기로 기능할 수 있다.
본 발명의 히트펌프 장치에 따르면, 실외 온도가 낮은 경우, 난방 운전 모드의 수행 시, 증발기로 사용되는 실외 열교환기(140)를 통과하는 공기 중의 수분이 응축, 동결됨에 따라 실외 열교환기(140)에 성에가 착상되어 실외 열교환기(140)의 열교환 성능이 저하되고, 히트펌프 장치(100)의 난방 효율을 현저히 저하시키게 된다.
본 발명은 이와 같은 난방 효율 저하를 해결할 목적으로, 실외 열교환기(140)에 착상되는 성에를 제거하기 위해 실외 열교환기(140)에 대한 제상 운전 모드를 수행하게 된다.
본 발명에 따른 히트펌프 장치(100)는 기액분리장치(300)를 포함할 수 있다. 기액분리장치(300)는 실외 열교환기(140)의 내부에 설치되며, 압축기(110)에서 토출되는 고온의 기상 냉매(핫가스)를 실외 열교환기(140)로 가이드하여 실외 열교환기(140) 내부에 착상된 성에를 제거할 수 있다. 여기서, 기액분리장치(300)는, 제상 운전 모드 시, 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하는 기액 분리 기술이 적용되지 않고, 단지 압축기(110)의 고온의 냉매를 실외 열교환기(140) 내부로 가이드하는 유로의 성능을 발휘하게 된다.
기액분리장치(300)는 냉매안내유로(310)를 포함할 수 있다. 한편, 제상 운전 모드 시의 냉매안내유로(310)는 압축기(110)에서 토출되는 냉매를 실외 열교환기(140)로 가이드하는 냉매 유로(200)에 연결될 수 있다. 이때, 냉매안내유로(310)를 통과하여 기액분리장치(300)로 유입된 냉매는 실외 열교환기(140) 내부의 복수의 냉매 배관(141)에 연결되어 가이드할 수 있다.
기액분리장치(300)에 연결된 냉매안내유로(310)는 절환밸브(120)와 실외 열교환기(140) 사이의 냉매 유로(200)와 연결되는 하나의 제1 유로(311)와, 제1 유로(311)로부터 분지되어 실외 열교환기(140) 내부의 냉매 배관(141)과 병렬 연결되는 제2 유로(312)를 포함한다.
이러한 냉매안내유로(310)는 제2 유로(312)가 복수의 유로로 이루어져 있다. 이에 고온의 기상 냉매가 실외 열교환기(140) 내부로 가이드될 때, 제2 유로(312)와 연결된 실외 열교환기(140)의 입구측(상부)과 출구측(하부)에 연결된 냉매 배관(141)을 지나서 가이드되도록 구성될 수 있다.
냉매안내유로(310)를 따라 유동하는 냉매는 실외 열교환기(140)의 냉매 배관(141) 전체에 걸쳐 유량이 증대되면서 냉매가 유동하게 되므로 쉽게 제상을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 제상 운전 시간을 단축할 수 있다. 이때, 실외 열교환기(140) 내에 착상된 성에가 물로 상변화하여 실외 열교환기(140) 내부의 하측에 잔류하게 되는데, 실외 열교환기(140)의 출구측에 구비된 냉매안내유로(310)의 제2 유로(312)로 흐르는 냉매는 실외 열교환기(140) 내부에 잔류하는 물을 건조할 수 있다. 이에 실외 열교환기(140) 내에서 열교환기 성능을 저해하는 성에뿐만 아니라 물까지 완벽하게 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 장치(100)의 제상 성능을 나타내는 실험 결과 그래프로서, 히트펌프 장치(100)의 운전 시간에 대한 냉매의 증발 온도를 나타내고 있다.
첨부도면을 참조하면, 본 발명과 종래 기술 모두, 히트펌프 장치(100)의 증발온도는 약 14℃로 동일하고, 난방능력은 약 17.5kW로 동일하다.
다만, 본 발명과 종래 기술 모두, 히트펌프 장치(100)의 운전 시간 약 33분 정도에서 제상 운전이 시작되기는 하나, 종래 기술은 약 41분 정도에 제상 운전이 완료된다. 반면에 본 발명은 약 39분 정도에 제상 운전이 완료된다.
종래 기술 대비, 본 발명에서는, 제상 운전 시간을 수 분 정도 단축할 수 있어, 제상 운전 후 난방 운전 모드로의 전환 시 시간 지연 없이 연속적인 난방이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예는, 난방 운전 모드 시, 실외 열교환기(140)에서 기상 냉매의 바이패스 유량을 증가시켜, 냉매의 압력 손실 없이 압축기(110)로 기상 냉매를 바이패스함에 따라 난방 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 제상 운전 모드 시, 실외 열교환기(140)에 복수의 유로를 가진 냉매안내유로(310)를 적용하여 압축기(110)에서 토출되는 고온의 냉매를 실외 열교환기(140) 내부 유로 전체에 걸쳐 공급함으로써, 제상 운전 시간을 단축할 수 있으며, 제상 운전 후 난방 운전 모드로의 전환 시 시간 지연 없이 연속적인 난방 운전을 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 종래의 실외 열교환기와 압축기 사이에 설치된 흡입배관 및 밸브의 설치가 배제됨으로써, 압축기의 고장 리스크가 없으며, 부품 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 냉매를 압축하는 압축기;
    동작 모드의 전환을 위한 절환밸브;
    실외 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실외 열교환기;
    실내 공기와 냉매의 열교환을 수행하는 실내 열교환기;
    냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및
    상기 실외 열교환기의 내부에 설치되며, 운전 모드에 따라 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하거나, 상기 냉매를 상기 실외 열교환기의 제상을 위해 상기 실외 열교환기로 가이드하는 기액분리장치를 포함하는 히트펌프 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리장치는,
    난방 운전 모드 시, 상기 실외 열교환기에 공급되는 2상 냉매 중 기상 냉매를 분리하여 상기 압축기로 가이드하거나,
    제상 운전 모드 시, 상기 압축기에서 토출되는 고온의 냉매를 상기 실외 열교환기 내부로 가이드하는 냉매안내유로를 포함하는 히트펌프 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉매안내유로는, 상기 절환밸브와 상기 실외 열교환기 사이의 냉매 유로와 연결되는 하나의 제1 유로와, 상기 제1 유로로부터 분지되어 상기 실외 열교환기 내부 유로와 병렬 연결되는 복수의 제2 유로를 포함하는 히트펌프 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 유로는, 난방 운전 모드시 상기 실외 열교환기의 입구측과 출구측에서 각각 기액 분리할 수 있도록 상기 실외 열교환기 내부의 냉매 배관에 각각 연결된 히트펌프 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 유로에는, 난방 운전 모드시 상기 실외 열교환기 내부의 상기 냉매 배관을 유동하는 냉매가 상기 냉매 유로로 유동할 때 상기 냉매의 일부가 분배되는 히트펌프 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실외 열교환기 내부의 상기 냉매 배관을 유동하는 2상 냉매는 환형 유동(annular flow) 패턴으로 유동하는 히트펌프 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매안내유로는 상기 실외 열교환기의 내부를 유동하는 2상 냉매의 건도가 0.4 내지 0.6의 건도 범위에 대응하는 위치에 설치된 히트펌프 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 실외 열교환기는 복수개의 냉매 배관과, 상기 복수개의 냉매 배관에 연결된 복수개의 핀을 포함하는 히트펌프 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    증발기로 기능하는 상기 실외 열교환기 또는 상기 실내 열교환기로 유동하는 상기 냉매를 상기 압축기로 가이드하는 바이패스 유로;
    상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브; 및
    상기 바이패스 유로를 유동하는 상기 냉매가 과열되는 과냉각기를 더 포함하는 히트펌프 장치.
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