KR100623515B1 - 추기열교환기를 장착한 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온저압의 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축시켜 토출시키는 압축기; 상기 압축기에서 밀려나온 고압의 냉매가스로부터 통과하는 공기가 열을 빼앗아 액화시키는 응축기; 내부의 냉매가 실내공기로부터 열을 빼앗아 기화되면서 공기를 냉각시키는 증발기; 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결되며 상기 응축기에서 액화된 고압의 액냉매를 감압하여 증발기에서 증발하기 쉬운상태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 하는 메인 전자팽창밸브; 및 상기 응축기의 출구의 고온고압의 과냉액 중 일부를 분기시켜 상기 응축기와 상기 메인 전자팽창밸브 사이의 열교환 냉매관을 통과하는 고온고압의 냉매와 열교환시킨 후 어큐뮬레이터로 바이패스시키는 추기열교환기를 포함한다.

히트펌프, 압축기, 증발기, 전자팽창밸브, 과열, 과냉

Description

추기열교환기를 장착한 히트펌프{Heat pump having extraction heat exchanger}

도 1은 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 제1실시예를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 P-h선도를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 제2실시예를 도시한 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 압축기 11: 어큐뮬레이터

20: 응축기 30: 증발기

40: 메인 전자팽창밸브 51: 이코노마이져

52: 열교환 냉매관 53: 제1분기관

54: 제2분기관 55: 인젝션 전자팽창밸브

본 발명은 냉방시의 과열도 제어와 난방시의 저열원 열량확보 및 증발효율의 상승을 유도하는 두개의 전자식 팽창밸브와 추기열교환기의 사이클 제어방식을 통하여 냉방시의 구동안정성의 확보와 절전효율, 난방시는 열원의 보충과 이로인한 성적계수의 향상 및 한랭지에서의 성능을 개선시킨 추기열교환기를 장착한 히트펌프에 관한 것이다.

종래 한랭지에서의 히트펌프의 구동은 저온측에서의 열원의 확보가 매우 힘들기 때문에 높은 압축비와 적상으로 인한 구동손실, 냉매의 플래싱에 의한 건도의 증가 등으로 열펌프의 구동이 힘들며, 일반적으로 이를 극복하기 위해 인버터에 의한 용량제어나 전기가열기를 장착하며, 부족열량을 보충하거나 높은 압축비를 극복하기 위하여 2단압축방식의 적용이나, 압축기의 특수가공을 통하여 압축기 내부의 중간압력이 형성되는 곳으로 과냉액을 분사하는 등의 다양한 방식이 취해지고 있으며, 여러 형태의 열교환기가 과냉회로에 적용되는 등 여러방식이 한랭지의 특성을 개선하려고 하였으나 원가의 상승과 구조의 복잡성으로 인해 근래에는 인버터와 전자식 팽창밸브의 적용으로 정확한 과열도의 설정과 용량의 증가방식이 취해지고 있다.

또한, 인버터를 채용한 경우, 난방시의 저열원에서의 열취득 부족분을 인버터의 주파수를 증가시켜 부족한 난방능력을 보충하지만, 한랭지에서의 시스템 효율은 떨어진다.

그리고, 난방운전시에 전기가열기에 의한 부족난방열량의 보충과 인버터에 의한 과부하 운전의 경우 효율저하와 인버터와 같은 용량가변장치가 적용되어 제작 비용이 증가되며, 일반적인 이코노마이져의 경우, 용량조절이 불균일하여 습압축의 위험과 과열도의 지나친 상승으로 압축기 소손의 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 응축기 출구의 과냉액의 일부를 분기시켜 추출함과 동시에 별도의 추기열교환기를 통하여 증발열량의 일부를 취득하며 이로서 증발열량의 부하를 경감시키며 냉매의 질량유량을 증가시켜 정속형 압축기나 다단압축을 시행하면서도 한랭지 난방성능이 우수한 고효율 히트펌프의 운전이 가능하며, 외기온도의 변화에 대하여 추기질량분율을 적절히 조절할 수 있는 전자식 팽창밸브의 연동제어를 통해 최적의 운전조건을 유지할 수 있는 추기열교환기를 장착한 히트펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저온저압의 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축시켜 토출시키는 압축기; 상기 압축기에서 밀려나온 고압의 냉매가스로부터 통과하는 공기가 열을 빼앗아 액화시키는 응축기; 내부의 냉매가 실내공기로부터 열을 빼앗아 기화되면서 공기를 냉각시키는 증발기; 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결되며 상기 응축기에서 액화된 고압의 액냉매를 감압하여 증발기에서 증발하기 쉬운상태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 하는 메인 전자팽창밸브; 및 상기 응축기의 출구의 고온고압의 과냉액 중 일부를 분기시켜 상기 응축기와 상기 메인 전자팽창밸브 사이의 열교환 냉매관을 통과하는 고온고압의 냉매와 열교환시킨 후 어큐뮬레이터로 바이패스시키는 추기열교환기를 포함한 다.

상기 추기열교환기는 상기 열교환 냉매관이 관통하여 설치되고 내부에 고온고압의 과냉액이 지나도록 형성된 이코노마이져와, 상기 이코노마이져의 일측에 연결되어 상기 열교환 냉매관에서 분기되는 제1분기관과, 상기 이코노마이져의 타측에 연결되어 상기 증발기와 상기 어큐뮬레이터 사이의 냉매관에 합체되는 제2분기관과, 제1분기관에 설치되어 분기된 고온고압의 과냉액 일부를 저압으로 팽창시키는 인젝션 전자팽창밸브를 포함한다.

상기 열교환 냉매관은 상기 이코노마이져 내부에서 열교환 접촉면이 증대되도록 지그재그로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 제1실시예를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 P-h선도를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 히트펌프의 사이클 중 난방시의 사이클을 실시예로서 설명하고자 한다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 압축기(10), 응축기(20), 증발기(30), 메인 전자팽창밸브(40), 추기열교환기를 포함한다.

압축기(10)는 저온저압의 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축시켜 토출시킨다.

응축기(20)는 상기 압축기(10)에서 밀려나온 고압의 냉매가스로부터 통과하는 공기가 열을 빼앗아 액화시킨다.

증발기(30)는 내부의 냉매가 실내공기로부터 열을 빼앗아 기화되면서 공기를 냉각시킨다.

메인 전자팽창밸브(40)는 상기 응축기(20)와 상기 증발기(30) 사이에 연결되며 상기 응축기(20)에서 액화된 고압의 액냉매를 감압하여 증발기(30)에서 증발하기 쉬운상태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 한다.

추기열교환기는 상기 응축기(20)의 출구의 고온고압의 과냉액 중 일부를 분기시켜 상기 응축기(20)와 상기 메인 전자팽창밸브(40) 사이의 열교환 냉매관(51)을 통과하는 고온고압의 냉매와 열교환시킨 후 어큐뮬레이터(11)로 바이패스시킨다.

그리고, 상기 추기열교환기는 상기 열교환 냉매관(52)이 관통하여 설치되고 내부에 분기된 고온고압의 과냉액이 지나도록 형성된 이코노마이져(51)와, 상기 이코노마이져(51)의 일측에 소통가능하게 연결되어 상기 열교환 냉매관(51)에서 분기되는 제1분기관(53)과, 상기 이코노마이져(51)의 타측에 소통가능하게 연결되어 상기 증발기(30)와 상기 어큐뮬레이터(11) 사이의 냉매관에 합체되는 제2분기관(54)과, 제1분기관(53)에 설치되어 분기된 고온고압의 과냉액 일부를 저압으로 팽창시키는 인젝션 전자팽창밸브(55)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 열교환 냉매관(52)은 상기 이코노마이져(51) 내부에서 열교환 접촉면이 증대되도록 지그재그형태의 캐필러리 튜브로 형성된다.

이러한 구성의 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

우선, 압축기(10)는 증발기(30)에서 기화된 냉매가스를 흡입하여 증발기(30)내의 압력을 저압으로 유지시키면서 흡입된 냉매가스를 압축하여 고압냉매가스를 응축기(20)로 밀어낸다. 이후, 압축기(10)에서 밀려나온 고압의 냉매가스로부터 응축기(20)를 통하는 공기가 열을 빼앗아 액화시킨다. 한편, 응축기(20)에서 제거되는 열은 증발기(30)에서 흡수한 열과 압축과정에서 생긴 열의 합과 같다.

이때, 응축기(20) 출구의 고온고압의 과냉액 중의 일부를 제1분기관(53)으로 분기시키고, 상기 제1분기관(53)에 설치된 인젝션 전자팽창밸브(55)를 이용하여 응축기(20)에서 액화된 고온고압의 액냉매를 감압하여 이코노마이져(51) 내부를 통과하도록 한다. 따라서, 인젝션 전자팽창밸브(55)를 지나면서 저압으로 감압된 과냉액이 상대적으로 고온고압인 열교환 냉매관(52)의 내부의 냉매와 열교환한 후 제2분기관(54)을 통해 어큐뮬레이터(11)로 보낸다. 이때, 열교환 냉매관(52)을 흐르는 대부분의 응축액은 이코노마이져(51)를 통과하면서 과냉의 정도가 커지면서 압력강하가 일어나지만, 메인 전자팽창밸브(40)에 의해 증발압력까지 팽창된다.

또한, 증발기(30)로 유입되는 냉매의 질량유량은 제1분기관(53), 이코노마이져(51), 제2분기관(54)을 통해 어큐뮬레이터(11)로 일부가 분기되었기 때문에, 증발기(30)로 유입되는 냉매의 질량유량이 추기를 통해 감소하므로 증발기(30)의 열취득 부하가 줄어들며, 건분의 감소는 증발기(30)의 크기를 대략 30%이상 확장한 효과를 가져오게 된다.

부연설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 P-h선도(실선으로 표시)는 종래 P-h선도(점선으로 표시)에 비해 과냉구간(C)을 가지게 되는데, 이는 추기열교환기의 장착으로 인해 증발기(30)로 유입되는 냉매의 과냉을 유도하고, 증발기(30) 내부로 유입되는 냉매의 건도를 감소시켜 증발효율을 향상시키게 된다.

결과적으로, 본 발명은 제1,2분기관(53, 54), 인젝션 전자팽창밸브(55), 이코노마이져(51) 등의 추기열교환기로 인해 분기된 냉매를 인젝션 전자팽창밸브(55)를 통해 제어하여 외기의 온도조건의 변화에 능동적으로 대처하며, 메인 전자팽창밸브(40)와도 연동제어함으로써 정속형 일단압축으로도 한랭지에서의 난방성능이 매우 우수하다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 추기열교환기를 장착한 히트펌프의 제2실시예를 도시한 구성도로서, 도 1의 구성과 동일하고 응축기(20)에서 토출되는 과냉액의 분기 위치, 즉 제1분기관(53)의 분기 위치만이 변경 설계되어 있다.

즉, 제1실시예의 경우 응축기(20) 출구의 고온고압의 과냉액 중의 일부를 바로 분기시키는 반면, 제2실시예의 경우 응축기(20) 출구에서 나와 열교환 냉매관(52)을 통과한 후 분기되는 것으로 그 작용 및 효과는 제1실시예의 경우와 거의 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기된 바와 같은 본 발명은 응축기 출구의 과냉액이 추출과 인젝션 전자팽창밸브에 의한 추기냉매유량의 능동적 제어를 통해 냉방시의 과열도 제어와 난방시의 저열원 열량확보 및 증발효율의 상승을 유도하여 냉방시의 구동안정성의 확보와 절전효율, 난방시는 열원의 보충과 이로인한 성적계수의 향상 및 한랭지에서의 성능을 개선시키는 효과가 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 저온저압의 냉매가스를 흡입하여 고온고압으로 압축시켜 토출시키는 압축기;

   상기 압축기에서 밀려나온 고압의 냉매가스로부터 통과하는 공기가 열을 빼앗아 액화시키는 응축기;

   내부의 냉매가 실내공기로부터 열을 빼앗아 기화되면서 공기를 냉각시키는 증발기;

   상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결되며 상기 응축기에서 액화된 고압의 액냉매를 감압하여 증발기에서 증발하기 쉬운상태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 하는 메인 전자팽창밸브; 및

   내부에 고온 고압의 과냉액이 지나는 공간이 형성되고 상기 공간을 관통하고 상기 응축기와 상기 메인 전자팽창밸브를 연결하는 열교환 냉매관이 설치되는 이코노마이져와, 상기 이코노마이져의 일측에 연결되고 상기 열교환 냉매관과 합체되는 제1분기관과, 상기 이코노마이져의 타측에 연결되고 상기 증발기와 상기 어큐뮬레이터를 연결하는 냉매관에 합체되는 제2분기관과, 상기 제1분기관에 설치되어 상기 열교환 냉매관을 소통하는 냉매의 일부를 저압으로 팽창시키는 인젝션 전자팽창밸브로 구성되는 추기열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 추기열교환기를 장착한 히트펌프.
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