::: IUCHEM :::
 


총 게시물 145건, 최근 0 건 안내 글쓰기
이전글  다음글  목록 글쓰기

히트펌프 사이클을 이용한 난방장치

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2015-05-31 (일) 15:39 조회 : 3526
 개요

히트펌프 사이클을 이용한 난방장치가 개시된다.


본 발명은 압축기, 상기 압축기에 연결된 응축기, 상기 응축기에 연결된 팽창밸브, 상기 팽창밸브에 연결된 실외 열교환기 및 냉매의 흐름방향을 선택하는 사방밸브를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 실외 열교 환기에는 냉매가 순환되도록 인입측 냉매관 및 인출측 냉매관이 연결되고, 상기 인출측 냉매관에 형성되어 기체상태 냉매와 액체상태 냉매를 분리하는 기화액체분리기; 일단부가 상기 기화액체분리기의 하부에 연결되며 상기 실외 열교환기의 인입측 냉매관에 타단부가 연결된 바이패스관; 상기 바이패스관에 형성되어 상기 기화액체분리기의 액체상태 냉매를 회수하여 상기 인입측 냉매관으로 이송하도 록장착된 냉매순환펌프를 포함하여 구성된다.


이에 따르면 실외 열교환기의 냉매 인출측 배관에 설치된 기화액체분리기에 의해 배관 내의 기체상태 냉매와 액체상태 냉매를 분리시켜 기체상태 냉매의 흐름을 촉진할 수 있고, 흐름이 저하된 액체상태 냉매는 특히 저온 상태일때 더욱 흐름이 나빠지므로 냉매순환펌프에 의해 흐름 상태를 촉진시킬 수 있도록 하여 전열능력이 향상될 수 있는 효과가 있다.

 

기술분야


본 발명은 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난방 운전 사이클에 따라 증발작동을 하는 실외열교환기에 냉매순환펌프를 설치하여 저온상태의 액냉매를 순환시킴으로써 전열능력을 향상시킬 수 있는 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치에 관한 것이다.

 

배경기술


일반적으로 히트펌프 시스템은 기본적으로 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환시켜 난방 및 급탕을 수행하는 시스템이다.

종래 기술에 의한 히트펌프 시스템은 냉매가스를 고온고압으로 압축시키는 압축기와, 공기와 열교환 하기 위한 공기측 열교환기와, 실내 냉, 난방 공간을 순환하는 물과 열교환하기 위한 냉온수열교환기와, 순환하는 물을 급탕하는 급탕열교환기와, 냉, 난방 모드별로 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 공기측열교환기 또는 냉온수열교환기, 급탕열교환기로 전환시키는 전자사방밸브와, 각 열교환기로부터 토출된 냉매액을 저온 저압으로 팽창시키며 냉, 난방 모드에 따라 선택적으로 작동하는 냉난방팽창밸브와, 기체상태의 냉매를 압축기로 송출하고, 액체 상태의 냉매는 증발시킨 후, 압축기로 보내지는 액분리기, 그리고 냉매를 일시 저장함과 아울러 냉매액에 함유된 미응축 냉매나 불응축 가스를 분리하여 액체상태의 냉매를 냉난방 팽창밸브측으로 보내는 수액기로 이루어진다.


여기서 냉온수열교환기에서 증발된 냉매 가스는, 전자사방밸브를 통해 액분리기로 유입되어 기, 액분리된 후 기체상태로 압축기로 귀환됨으로써 냉방사이클이 완료된다.
그리고 종래의 난방 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 전자사방밸브를 통해 냉온수열 교환기로 보내져서 냉온수열교환기를 흐르는 입구 수온을 대략 45℃의 온수를 만들어 실내 난방에 사용된다.


이 과정에서 냉매 가스는 응축되어 냉매액으로 상변화되고, 냉온수열교환기를 나온 냉매액은 전자사방밸브를 통하여 수액기로 유입된 후 액체 상태로 냉난방팽창밸브로 유입되어 저온 저압으로 팽창된다. 냉난방팽창밸브를 지난 냉매액은 공기측열교환기로 유입되어서 외부 공기의 열원을 흡수하면서 증발하게 되고, 증발된 냉매 가스는 전자사방밸브를 통해 액분리기를 거쳐 압축기로 귀환됨으로써 난방 사이클이 완료된다.


한편, 급탕은, 난방의 운전 사이클에서 고온 고압의 냉매가스가 전자사방밸브를 통해 냉온수열교환기가 아닌 급탕 열교환기로 보내짐으로써, 20℃ 내외의 입구 수온을 승온시켜 대략 70℃ 이하의 급탕이 이루어지게 된다.
이에 관한 선행기술은 국내등록특허 제373733호가 개시된 바 있다.


상기 선행기술은 냉동기에 관한 것으로서, 특히 증발기에서 발생된 기체상태의 냉매를 팽창기에서 단열팽창시켜 응축시킴으로서 응축기의 크기를 대폭적으로 감소시키거나 없앨 수 있는 응축기능을 갖는 팽창기를 이용하는 냉동기에 관한 것이다.
그러나 종래 히트펌프 시스템은 냉매의 온도가 낮아지면 흐름이 저하됨에 따라 특히 실외열교환기에서 흐름이 나빠짐으로써 전열능력이 낮아지는 문제점이 있었다.
또한 냉매는 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매(이하 액냉매)가 배관내에 함께 존재하므로 기체 상태 냉매가 증가되면 순환 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.


한편 실외 열교환기에서의 열교환 작용은 흡입된 공기로 부터 열을 흡수하는 것이므로 실외 열교환기의 내부와 외부에는 온도차가 발생한다.


실외 열교환기의 내부와 외부의 온도차가 일정 정도이상 발생되면 실외 열교환기의 외벽에는 착상(着霜)이 발생하게 된다.
이러한 서리층은 공기와 냉매 사이에서 열전달을 방해하는 열저항체로 작용할 뿐만 아니라 실외 열교환기를 통과하는 공기의 유로를 가로막아 공기의 시스템 저항을 증가시키므로 실외 열교환기 내로 유입되는 풍량을 감소시켜 실외 열교환기의 공기측 열전달 계수를 감소시키고, 실외 열교환기에서의 열전달량의 감소를 유발한다.


이러한 문제를 방지하기 위해 종래에는, 냉매를 정상 운전시의 흐름과 반대로 흐르게 하는 제상 운전을 실시하기도 하고, 착상된 강제송풍식 실외 열교환기 주변에 설치된 별도의 전기히터를 동작시켜서 제상시키기도 하였다.


이러한 종래 강제송풍식 실외 열교환기의 제상방법은, 일정 시간마다 제상 운전이 동작되도록 하거나, 일정 시간마다 제상히터가 작동되도록 하여서 강제송풍식 실외 열교환기에 착상된 서리를 제거하였다.
그런데 이러한 종래 제상 방법은 효과적이지 못하였다.
즉, 실외 열교환기의 제상에 있어서 중요한 점은, 실외열교환기에 착상 상태가 점차 증가하여 팬의 송풍압이 증가되고 송풍 효율이 저하되는 시점이다.


따라서 일정시간마다 제상하는 종래 제상장치로는 최적의 제상 시점을 찾지 못하였으며, 불필요하게 제상 운전이 빈번하게 작동되거나 최적의 제상 시점을 지난 후 제상 운전되므로 열손실을 상대적으로 증가시키게 되는 문제점이 있었다.

 

해결하려는 과정


본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 실외열교환기의 인입 및 인출측 냉매 배관을 연결하는 냉매순환펌프를 설치하여 순환률이 낮은 저온액냉매를 강제 순환시키도록 하고, 기체 및 액체냉매를 분리시켜 냉매 흐름을 촉진할수 있으며, 실외열교환기의 냉매 흐름이 막히게 되어 발생되는 압력 차이를 감지하여 제상운전을 수행할 수 있어 전열능력을 향상시킬 수 있도록 한 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

 

과제의 해결 수단


상기한 본 발명의 목적은, 압축기, 상기 압축기에 연결된 응축기, 상기 응축기에 연결된 팽창밸브, 상기 팽창밸브에 연결된 실외 열교환기 및 냉매의 흐름방향을 선택하는 사방밸브를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 실외열교환기에는 냉매가 순환되도록 인입측 냉매관 및 인출측냉매관이 연결되고, 상기 인출측 냉매관에 형성되어 기체상태 냉매와 액체상태 냉매를 분리하는 기화액체분리기; 일단부가 상기 기화액체분리기의 하부에 연결되며 상기 실외 열교환기의 인입측 냉매관에 타단부가 연결된 바이패스관; 상기 바이패스관에 형성되어 상기 기화액체분리기의 액체상태 냉매를 회수하여 상기 인입측 냉매관으로 이송하도록 장착된 냉매순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치에 의해 달성될 수 있다.


상기 실외 열교환기의 내부의 냉매 유속과 외부의 대기압을 감지하는 차압감지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 차압감지수단은 상기 실외 열교환기의 내부에 설치되는 일단의 제1감지기; 상기 실외 열교환기의 외부에 설치되는 타단의 제2감지기; 상기 제1 및 제2감지기에 연결되어 입력된 내,외부의 압력값을 연산하여 압력차를 검출하는 본체; 상기 본체에서 전송된 신호를 받아 제상 운전 시점을 판단하여 제상 운전 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

 

발명의 효과


본 발명에 따르면 실외 열교환기의 냉매 인출측 배관에 설치된 기화액체분리기에 의해 배관 내의 기체상태 냉매와 액체상태 냉매를 분리시켜 기체상태 냉매의 흐름을 촉진할 수 있고, 흐름이 저하된 액체상태 냉매는 특히 저온 상태일 때 더욱 흐름이 나빠지므로 냉매순환펌프에 의해 흐름 상태를 촉진시킬 수 있도록 하여 전열능력이 향상될 수 있는 효과가 있다.


또한 실외 열교환기의 제상 운전 시점을 냉매 흐름에 따른 압력 변화에 의해 판단하여 제상 운전을 실시함으로써 제상효율이 향상될 수 있어 전열능력을 향증대될 수 있는 효과가 있다.

 

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용


이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.


첨부된 도면 중에서 도 1은 본 발명에 따른 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치의 구성을 나타낸 도면, 도 2는 본발명에 따른 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치의 냉매순환펌프의 구동 프로세스를 나타낸 흐름도, 도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치의 제상운전시 구동 프로세스를 나타낸 흐름도이다.

t-1.jpg

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 사이클을 이용한 난방장치(A)는 압축기(1), 압축기(1)에 연결된 응축기(2), 응축기(2)에 연결된 팽창밸브(3), 팽창밸브(3)에 연결된 실외 열교환기(4), 실외 열교환기에 연결되는 냉온수 열교환기(10), 상기 압축기(1), 응축기(2), 실외 열교환기(4), 냉온수 열교환기(10)에 연결되어 냉매의 흐름 방향을 선택적으로 제어하는 사방밸브(5)를 포함하여 구성된다.


히트펌프 시스템은 사이클을 이용하여 외부의 대기나 지하수, 지열 등으로부터 열원을 흡입하도록 휀을 사용하여 흡입하고, 흡입된 열원을 냉매가 흐르는 관로 사이로 통과시켜 열을 수집함으로써 대용량 온수를 효율적으로 제공하게 된다.
이러한 히트펌프 시스템은 압축기(1), 실외 열교환기(4)(이는 냉방일 경우 응축기, 난방일 경우 증발기로 사용 됨), 팽창밸브(3), 실내기를 기본구성으로 한다. 히트펌프 시스템의 사용이 난방일 경우, 압축기(1)에서 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(2)에서 응축되고(물을 데우는 등의 일을 한다) 그 응축열을 이용하여 냉온수 열교환기(10)에서 열교환되어 온수를 생성하게 한다.


한편 응축기(2)에서 응축된 저온, 저압의 냉매는 다시 팽창밸브(3)를 통해 실외 열교환기(4)로 유입된 후 외기열을 흡수하고 다시 압축기(1)로 유입됨으로써 히트펌프의 사이클은 반복된다.


또한 실외 열교환기(4)에는 냉매가 순환되도록 인입측 냉매관(L1) 및 인출측 냉매관(L2)이 연결된다.
즉 도시된 바와 같이, 실외 열교환기(4)의 하부에 인입측 냉매관(L1)이 연결되고, 상부에는 인출측 냉매관(L2)이 연결된다.
인출측 냉매관(L2)은 사방밸브(5)와 연결되며, 그 도중에는 기체상태 냉매와 액체상태 냉매를 분리하기 위해 기화액체분리기(6)가 장착된다.


기화액체분리기(6)는 일정 공간을 갖는 챔버가 내부에 형성되며, 실외 열교환기에 연결된 인출측 냉매관(L2)은 기화액체분리기(6)의 하부에 형성된 인입구에 연결되고, 상부에 형성된 인출구에는 사방밸브(5)에 연결되는 냉매관(L3)이 연결된다.


또한 실외 열교환기(4)의 인입측 냉매관(L1)과 인출측 냉매관(L2)을 연결하도록 바이패스관(L5)이 형성된다.
바람직하게는 바이패스관(L5)의 일측은 기화액체분리기(6)의 하부에 연결되고, 타측은 실외 열교환기(4)의 인입측냉매관(L1)에 연결된다. 따라서 기화액체분리기(6)의 내측하부에 저장된 액냉매가 바이패스관(L5)을 통해 다시 실외열교환기(4)의 인입측 냉매관(L1)으로 회수될 수 있다.


보다 더 액냉매의 회수를 촉진시키기 위해 바이패스관(L5)에 냉매순환펌프(7)가 장착된다.
외부 기온이 낮은 겨울철에는 냉매의 온도가 너무 낮아 질 경우 순환이 저하된다. 특히 액냉매의 경우에는 더욱 순환이 저하되고 이로 인해 압축기(1)에 과부하가 발생되므로 파손될 우려가 있다.
따라서 실외 열교환기(4)의 인입측 냉매관(L1) 또는 인출 측 냉매관(L2)에는 냉매 흐름 속도를 감지하는 센서(도시하지 않음)가 형성되어 냉매 흐름의 저하 여부를 감지토록 한다.

 

냉매 흐름이 저하되는 경우 냉매순환펌프(7)를 구동시켜 액냉매를 강제 순환시켜 줌으로써 기화액체분리기(6)에 수집된 액냉매를 회수하여 재사용할 수 있고, 아울러 저온 상태의 액냉매의 순환을 촉진시켜 압축기에 가해지는 과부하를 해소할 수 있게 된다.


따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 실외 열교환기(4)의 인입측 냉매관(L1) 또는 인출측 냉매관(L2)에 형성된 센서가 냉매 흐름 속도를 감지한다(S1).
즉 냉매 온도가 낮아져 흐름 속도가 저하되면 이를 센서에서 감지하게 된다.
이에 냉매 흐름 속도가 설정된 값보다 저하되는지를 판단한다(S2).
냉매 흐름 속도가 저하된 것으로 판단되면 냉매순환펌프를 구동시킨다(S3). 실외 열교환기(4)의 인출측 냉매관(L2) 및 기화액체분리기의 액냉매를 회수하여 실외 열교환기(4)의 인입측 냉매관(L1)으로 강제 순환시킨다(S4).
한편 실외 열교환기(4)에서의 열교환 작용은 흡입된 공기로부터 열을 흡수하는 것이므로 실외 열교환기(4)의 내부와 외부에는 온도차가 발생한다.


실외 열교환기(4)의 내부와 외부의 온도차가 일정 정도 이상 발생되면 실외 열교환기의 외벽에는 착상(着霜)이 발생하게 된다.
이러한 서리층은 공기와 냉매 사이에서 열전달을 방해하는 열저항체로 작용할 뿐만 아니라 실외 열교환기(4)를 통과하는 공기의 유로를 가로막아 공기의 시스템 저항을 증가시키므로 실외 열교환기(4) 내로 유입되는 풍량을 감소시켜 실외 열교환기(4)의 공기측 열전달 계수를 감소시키고, 실외 열교환기(4)에서의 열전달량의 감소를 유발한다.
따라서 서리층을 제거하기 위해 제상 운전이 필요하다.
특히 제상운전은 은, 실외 열교환기(4)에 착상 상태가 점차 증가하여 팬의 송풍압이 증가되고 송풍 효율이 저하되는 시점에 이루어져야 한다.


이에 최상의 제상 시점을 찾기 위해서 본 발명은 실외 열교환기(4)의 내부의 냉매 유속과 외부의 대기압을 감지하여 제상 운전이 실시되도록 차압감지수단(8)을 마련하였다.


차압감지수단(8)은, 실외 열교환기(4)의 내부에 설치되는 일단의 제1감지기(81); 실외 열교환기(4)의 외부에 설치되는 타단의 제2감지기(82); 제1 및 제2감지기(81,82)에 연결되어 입력된 내,외부의 압력값을 연산하여 압력차를 검출하는 본체(83); 본체(83)에서 전송된 신호를 받아 제상운전 시점을 판단하여 제상 운전 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.


제1 및 제2감지기(81,82)는 압력을 감지하도록 센서가 적용된다. 실외 열교환기(4)의 내부의 공기 흐름이 정상적인 경우에는 외부와 압력차이가 거의 없으므로 정상 상태로 간주한다.
그러나 실외 열교환기(4)를 구성하는 휜들 사이에 결빙에 의한 서리층이 생기면 공기의 흐름이 저하된다. 즉 실외열교환기(4)의 상부에 장착된 휀(85)의 구동에 의해 상부로 배출되는 공기압에 비해 인입되는 공기압이 현저히 저하되므로 증발작용이 제대로 이루어지지 않게 되어 압축기(1)에 부하를 주게 되므로 고장을 유발하게된다.
따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 제1감지기(81)는 실외 열교환기(4)의 내부 [0055] 공기의 압력을 감지하고, 제2감지기(82)는 외부 공기 압력을 감지하여 본체(83)에서 압력차를 연산하여 압력차를 계산한다.


본체(83)에서 연산된 압력차에 대한 데이터를 제어부로 전송하면, 제어부는 제상 운전 시점을 판단한다(S-1).
즉 설정치를 넘는 압력차가 발생되었는가를 판단한다(S-2).
이후 설정치를 넘는 압력차가 발생되면 결빙이 생긴 것으로 판단하여 제상 운전을 실시하게 된다(S-3).
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

 

부호의 설명


1 : 압축기 2 : 응축기 3 : 팽창밸브 4 : 실외 열교환기 5 : 사방밸브 6 : 기화액체분리기 7 : 냉매순환펌프 8 : 차압감지수단 81 : 제1감지기 82 : 제2감지기 83 : 본체 L1 : 인입측 냉매관 L2 : 인출측 냉매관


hi
이전글  다음글  목록 글쓰기