KR100390413B1 - 히트 펌프의 팽창장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프에 대한 것으로서, 특히 히트 펌프의 팽창장치로 쇼트 튜브를 사용하여 제조원가 및 설치공간이 감소되고, 소음이 저감되며, 냉방 및 난방운전시 효율이 향상되는 히트 펌프가 제공되도록 한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 냉매를 압축하는 압축기와, 냉방 및 난방가동에 따라 압축된 냉매를 등온 응축 또는 등온 증발시키는 실외 열교환기와, 냉방 및 난방가동에 따라 냉매를 등온 증발 또는 등온 응축시키는 실내 열교환기로 구성된 히트펌프에 있어서, 상기 실외 열교환기와 실내 열교환기의 사이에 단일한 쇼트 튜브가 설치되는 히트 펌프의 팽창장치가 제공되도록 한 것이다.

Description

히트 펌프의 팽창장치{The short tube for heat pump}

본 발명은 히트 펌프에 대한 것으로서, 특히 냉매의 과열과 유량을 제어하도록 설치되는 히트 펌프의 팽창장치에 관한 것이다.

일반적으로 히트 펌프는 냉방 사이클을 역사이클로 구동하면 난방 사이클로 변환이 가능한 장치로써, 냉매의 상변화를 이용하여 저온부에서 고온부로 열을 전달하여 실내의 온도를 조절하는 장치이다.

종래 히트 펌프는 도 1에서 도시된 것과 같이, 전기 에너지로 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 압축된 냉매를 등온 응축 또는 등온 증발시키는 실외 열교환기(3)와, 응축된 냉매를 단열팽창시키는 팽창장치인 모세관(5)과, 냉매를 등온 증발 또는 등온 응축시키는 실내 열교환기(4)로 구성된다.

이 때, 실내 열교환기(4)는 송풍팬과 함께 실내에 설치되고, 압축기(1)와, 어큐뮬레이터(6)와, 실외 열교환기(3)와 실외 열교환기에 외부 공기를 송풍하는 송풍팬과, 냉방 및 난방가동에 따라 유로를 조절하는 사방변(2) 및 모세관(5)은 실외에 설치된다.

특히, 상기 히트 펌프에서 팽창장치인 모세관(5)은 도 2에서 도시된 것과 같이, 실외 열교환기(3)와 실내 열교환기(4)을 잇는 연결 배관(31,42)에 연결된 내경보다 20배 정도의 긴 길이를 가진 관이다.

이와 같은 구성을 가진 히트 펌프를 냉방가동 할 경우, 압축기(1)에서 압축된 냉매는 사방변을 통해 실외 열교환기(3)로 이동되어 실외 열교환기에서 등온 응축되고, 모세관(5)에서 단열 팽창된 후, 실내 열교환기(4)에서 등온 증발되어 어큐뮬레어터(6)를 통과하여 압축기로 재유입되는 사이클을 구성한다.

또, 히트 펌프를 실내 공기의 온도를 높일수 있도록 난방가동할 경우, 사방변을 통해 압축된 냉매는 실내 열교환기(4)를 통해 냉방사이클과 반대의 사이클을 구성한다.

그러나, 냉방 및 난방가동시 실내측과 실외측의 열교환기의 크기가 다르고 계절에 따라 실내 공기와 주변 공기의 온도차가 다르게 나타나기 때문에 냉방 및 난방 사이클 내부의 냉매 유량이 다르다.

이에 따라, 도 1에서 도시된 것과 같이, 두개의 모세관(5,7)을 사용하여, 하나는 팽창장치(5)로 이용하고, 상기 모세관의 중단에 다른 하나의 모세관을 연결하여 체크 밸브(7)로 사용함으로써, 난방가동시와 냉방가동시의 유량 차이를 조절한다.

즉, 부하가 큰 난방가동시에는 체크 밸브(7)를 통하여 냉매가 흐르도록 않도록 하고, 냉매의 흐름이 반대되는 히트 펌프의 냉방가동시에는 냉매가 바이패스되도록 모세관을 체크 밸브로 이용하는 한편, 상기 모세관의 길이를 다르게 조절하여 냉매의 유량을 조절한다.

그러나, 모세관을 이용하여 팽창장치를 구성하는 경우, 모세관의 길이가 길어지기 때문에 나선형으로 형성하여 설치하여야 되고, 이와 같이 설치되는 공간이크기 때문에 설치 공간의 제약을 받게된다.

그리고, 상기와 같은 모세관은 내부 공간이 협소한 실내기에는 장착하기 어렵고, 실외기에 일반적으로 장착되므로 단열 팽창되어 비체적이 커진 냉매가 실내기로 유동하기 위해서는 긴 길이를 이동하여야 하므로 압력 강하가 발생하여 유량이 저감되므로 효율이 감소되고 압축기의 소요 동력이 증가한다.

또한, 냉방 및 난방 사이클의 효율을 향상시키기 위하여, 두개의 모세관을 사용하기 때문에 제작비용이 증가한다.

한편, 도 3에서 도시된 것과 같이, 팽창장치로 모세관대신 길이가 내경의 20배보다 작은 쇼트 튜브(6)를 열교환기 사이에 설치하는 경우, 상기 쇼트튜브의 내경은 실내 열교환기와 연결된 일단만이 라운딩(8) 또는 챔퍼(chamfer)형성되어 있기 때문에 타단에서 냉매의 와류가 발생하고, 압력강하가 발생하여 팽창장치로서의 역할을 기대할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 가진 히트 펌프를 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 1개의 쇼트 튜브만을 팽창 장치로 사용하여 소음의 증가없이 효율적으로 냉방 및 난방 제어가 이루어지도록 하는 한편, 제작 비용 및 설치공간이 감소되도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 팽창 장치로 모세관이 설치된 종래 히트 펌프의 개략 구성도

도 2는 모세관의 확대단면도

도 3은 종래 쇼트 튜브의 단면도

도 4는 본 발명에 따른 팽창장치로 쇼트 튜브가 사용된 히트 펌프의 개략 구성도

도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프의 냉방가동시 팽창장치의 냉매 유동을 나타내는 단면도

도 6은 본 발명에 따른 히트 펌프의 난방가동시 팽창장치의 냉매 유동을 나타내는 단면도

도 7은 다른 실시예의 본 발명에 따른 쇼트 튜브를 나타내는 단면도

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압축기 2 : 사방변

3 : 실외 열교환기 4 : 실내 열교환기

5 : 모세관 6 : 어큐뮬레이터

7 : 체크 밸브 11 : 실내측

12 : 실외측 31 : 실외 열교환기측 연결배관

6: 쇼트 튜브 42 : 실내 열교환기측 연결배관

상기한 목적을 위하여 본 발명은 냉매를 압축하는 압축기와, 냉방 및 난방가동에 따라 압축된 냉매를 등온 응축 또는 등온 증발시키는 실외 열교환기와, 냉방및 난방가동에 따라 냉매를 등온 증발 또는 등온 응축시키는 실내 열교환기로 구성된 히트펌프에 있어서, 상기 실외 열교환기와 실내 열교환기의 사이에 단일한 쇼트 튜브가 설치되는 히트 펌프의 팽창장치가 제공되도록 한 것이다.

본 발명의 구성과 작동 과정을 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 하기와 같다.

도 4는 본 발명에 따른 팽창장치로 쇼트 튜브가 사용된 히트 펌프의 개략 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프의 냉방가동시 팽창장치의 냉매 유동을 나타내는 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 히트 펌프의 난방가동시 팽창장치의 냉매 유동을 나타내는 단면도이고, 도 7은 다른 실시예의 본 발명에 따른 쇼트 튜브를 나타내는 단면도이다.

도 4에서 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 히트 펌프는 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 튜브를 통과시켜 등온 응축 또는 등온 증발시키는 실외 열교환기(3)와, 응축된 냉매를 단열 팽창시키는 쇼트 튜브(6)와, 실내 공기를 이용하여 냉매를 등온 증발 또는 등온 응축시키는 실내 열교환기(4)로 구성된다.

그리고, 상기 압축기의 흡입구측에 연결되어 액냉매를 저장하는 어큐뮬레이터(6)와, 상기 압축기의 토출구 및 상기 어큐뮬레이터의 흡입구와 실외 열교환기 및 실외 열교환기가 연결되어 유로를 제어하는 유로 제어밸브인 사방변(2)으로 구성된다.

이 때, 팽창 장치로 사용되는 단일 쇼트튜브(short tube, 6)는 그 길이가 내경의 20배 이하이며, 상기 쇼트 튜브의 내경 양끝단에는 챔퍼(chamfer, 모따기)또는 라운딩(rounding, 81,82)이 형성된다.

그리고, 상기 이러한 쇼트 튜브의 일단은 상기 실외 열교환기의 배출구와 연결된 연결배관(31)과 용접되고, 타단은 실내 열교환기의 유입구와 연결되는 연결배관(42)과 용접된다.

이 때, 본 발명에 따른 상기 쇼트 튜브(6)는 면적을 많이 차지 하지 않기 때문에 협소한 실내기에 실내 열교환기와 함께 설치되고, 압축기와 사방변 및 실외 열교환기와 어큐뮬레이터는 실외기에 설치된다.

그리고, 도 5 내지 도 7에서 보여지는 것과 같이, 상기 쇼트 튜브의 양단중 실내 열교환기에 연결되는 부분의 챔퍼 또는 라운딩 정도(82)가 반대편 실외 열교환기와 연결되어 있는 끝단의 챔퍼 또는 라운딩(81)정도보다 작게 형성된다.

또한, 상기 쇼트 튜브의 양단은 소정의 각도로 기울어진 테이퍼가공이 대칭적으로 형성되어 양단으로 갈수록 그 내경이 확대되어 일단은 상기 실내 열교환기측 연결 배관과 연결되고, 타단은 실외 열교환기측 연결 배관과 연결된다.

일반적으로 난방시 실내 열교환기의 응축압력을 증가시켜 실내 공기의 온도를 높이기 때문에 냉방시보다 냉매의 팽창정도를 크게 하여야 하므로 히프 펌프에 요구되는 난방 부하가 냉방 부하보다 1.4배 정도 높다.

이와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 히트 펌프가 냉방 가동되는 경우에 쇼트 튜브에 나타나는 냉매의 흐름이 도 5에서 도시된다.

압축기에서 고온 및 고압으로 형성된 냉매는 사방변을 통하여 실외 열교환기로 이송되고, 송풍팬의 회전에 따라 송풍되는 실외 공기와 열교환되어 등온 응축된 후, 도 5와 같이, 쇼트 튜브를 통과하면서 단열 팽창되어, 실내 열교환기에서 등온 증발되어 압축기로 재회수된다.

이 때, 상기 쇼트 튜브를 통과하는 상기 냉매는 라운딩(81)이 크게 형성된 쇼트 튜브의 일단을 통하여 라운딩(82)이 비교적 작게 형성된 실내 열교환기측으로 흐르면서, 끝단에서 와류가 형성되므로 증발압과 응축압의 차이가 커져 유량차가 증가한다.

즉, 상기 쇼트 튜브에 형성되어 있는 챔퍼 또는 라운딩의 값이 클 경우 냉매가 원활하게 상기 쇼트 튜브를 유동하게 되기 때문에 팽창정도가 줄어들어 동일사이클내에서 증발압과 응축압의 차이가 줄어들고 이에 따라 냉매의 유량이 감소되는 것이 방지된다.

이와 달리, 상기 쇼트 튜브에 형성된 양단의 챔퍼의 값이 작거나 라운딩의 값이 작아 거의 직선형을 이룰경우에는 좁은 관내를 냉매가 원활하게 유동하지 못하기 때문에 팽창정도가 커져서, 증발압과 응축압의 차이가 커지게 된다.

따라서, 실내 열교환기와 연결된 일단의 챔퍼의 값이 실외 열교환기와 연결된 일단의 챔퍼값보다 작게 형성된 쇼트 튜브를 통과하면서 상기 냉매는 증발압과 응축압의 차이가 커지면서 냉매의 유량이 감소되므로 압축기 동력이 적게 소모되어 난방효율이 향상된다.

한편, 본발명에 따른 히트 펌프의 냉방가동시, 압축기에서 고압으로 형성된 냉매는 사방변을 통하여 실내 열교환기로 이송되고, 상기 열교환기의 유로를 통과하면서 송풍팬의 회전에 따라 송풍되는 공기와의 열교환으로 등온 응축된다.

이에 따라, 응축된 냉매는 도 6에서 보여지는 난방가동시 쇼트 튜브를 흐르는 유로의 경로를 따라 유동하게된다.

이 때, 상기 쇼트 튜브에 형성되어 있는 실내 열교환기측의 챔퍼값(82)보다 실외 열교환기측의 챔퍼값(81)이 더 크기때문에 냉매가 원활하게 상기 쇼트 튜브내를 유동하여 팽창정도가 줄어들어 증발압과 응축압의 차이가 감소된다.

즉, 난방가동시의 응축압력을 높이기 위해서 실내 열교환기측의 쇼트 튜브의 일단을 챔퍼 또는 라운딩(82)을 형성하되, 실내 열교환기의 응축압력을 높이기 위하여 실외 열교환기와 연결되는 챔퍼 또는 라운딩(81)의 곡률보다 작게 형성한다.

따라서, 쇼트 튜브의 양단이 챔퍼가 형성되나, 상기 실외 열교환기와 연결되는 쇼트 튜브의 일단은 거의 직각에 가까워진다.

또한, 일반적으로 상기 쇼트 튜브의 길이는 10mm ~ 20mm정도이고, 상기 쇼트 튜브의 챔퍼값은 냉매의 유량과 외기 조건을 고려하여 최적으로 도출된 값이므로 각 조건에 따라 틀리게 형성된다.

이에 따라, 양단에 챔퍼가 형성되기 때문에 본 발명에 따른 쇼트 튜브는 기존 실외기 측에 구성된 체크밸브가 달리 두 개의 모세관 대신에 실내측에 하나만 장착되면 되므로, 비용 절감 및 설치공간을 줄일 수 있게 된다.또한, 쇼트 튜브를 실내기측에 구성함으로써, 주로 냉방 운전을 하는 지역용인 경우, 종래와 같이 단열 팽창된 냉매가 연결배관을 통하여 실내 열교환기로 빠르게 유입되기 때문에 발생하는 압력강하가 감소된다.

즉, 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 히트펌프는 냉방운전을 주로하는 경우 쇼트 튜브를 팽창장치로 사용함에 따라 압력 강하가 줄어들어 압축기 동력이 적어져 효율이 좋아지게 된다.그러나, 이경우 쇼트 튜브 출구끝에서 냉매의 속도가 급격하게 빨라지고 팽창하기 때문에 초킹(choking)소음이 발생된다.

즉, 냉매가 쇼트 튜브 출구 끝에서 속도가 급격이 증가되고, 팽창하기 때문에 압력비가 증가됨에 따라 유로최소단면에서의 유속이 증가하지만 음속에 도달하면 그 이상 증가 되지않는 초킹(choking)에 의하여 소음이 발생된다.

이러한, 소음을 방지하기 위하여, 도 7에서 도시된 것과 같이, 쇼트 튜브(6)의 외경 양측 끝단에, 상기 쇼트 튜브(6)와의 연결부로부터 멀어지는 방향으로 소정의 각도를 가지고 팽창하는 연결부를 갖는 형상의 실내 열교환기측 연결배관(42) 및 실외 열교환기측 연결배관(31)을 대칭적으로 연결한다.즉, 쇼트 튜브(6)의 외경 양쪽 끝단이 일정 각도를 가지고 상기 쇼트 튜브와 멀어지는 방향으로 팽창하는 연결부를 갖는 형상의 배관, 즉 실내 열교환기측 연결배관(42) 및 실외 열교환기측 연결배관(31)에 용접에 의해 연결되에 초킹 소음이 저감된다.이와 같이 냉방을 주로하는 히트펌프에 있어서 제7도와 같은 구성의 연결배관에 쇼트 튜브(6)를 연결하게 되면, 종래 팽창장치인 모세관에 비해 팽창장치의 크기가 작아서 실내측에 설치가 가능하며, 소음의 증가없이 효율도 증가시킬 수 있게 되는 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 내경 양단이 라운딩 또는 챔퍼가공된 1개의 쇼트 튜브망을 설치하기 때문에 히트 펌프의 냉방 및 난방부하를 조절하기 용이하며, 구조가 단순해지고, 설치가 용이하며, 제작 비용이 감소된다.

그리고, 쇼트 튜브를 실내에 설치하기 때문에 냉방운전시 압력 강하로 인한 히트 펌프의 효율 저하를 방지할 수 있다.

또한, 쇼트 튜브의 외경 양단부에 상기 튜브로 부터 멀어지는 방향으로 소정의 기울기를 가지며 확장되는 형상의 연결부를 갖는 연결 배관이 용접되기 때문에 초킹 소음이 감소된다.

Claims (6)

1. 냉매를 압축하는 압축기와,

   냉방 및 난방가동에 따라 압축된 냉매를 등온 응축 또는 등온 증발시키는 실외 열교환기와,

   냉방 및 난방가동에 따라 냉매를 등온 증발 또는 등온 응축시키는 실내 열교환기로 구성된 히트펌프에 있어서,

   상기 히트펌프의 실내측에 길이가 내경의 20배 이하이면서 내경의 양끝단이 챔퍼(chamfer) 또는 라운딩 가공된 쇼트 튜브가 설치되되,

   상기 쇼트 튜브의 내경 양단중 실내 열교환기에 연결되는 일단의 챔퍼 또는 라운딩 정도가 반대편 실외 열교환기와 연결되어 있는 타단의 챔퍼 또는 라운딩정도보다 작게 형성되고,

   상기 쇼트 튜브의 외경 양측 끝단에는 상기 쇼트 튜브와의 연결부로부터 멀어지는 방향으로 소정의 각도를 가지고 팽창하는 형상의 연결부를 갖는 실내 열교환기측 연결배관 및 실외 열교환기측 연결배관이 각각 대칭적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프의 팽창장치.
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