KR100603191B1 - 히트펌프 사이클 - Google Patents

Abstract

개시된 히트펌프 사이클은, 냉매를 압축시켜 고온, 고압의 냉매기체로 변환시키는 압축기와; 이 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름 방향을 냉·난방 모드의 변화에 따라 선택적으로 조정하는 사방밸브와; 실외 공기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실외 팽창밸브와, 냉방 모드시 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되지 않도록 개방되며 난방 모드시 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되도록 폐쇄되는 실외 체크밸브를 포함하는 실외부유닛과; 실내 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실내 팽창밸브와, 난방 모드시 개방되어 냉매가 흐르며 냉방 모드시 폐쇄되어 냉매의 흐름을 차단시키는 실내 체크밸브를 포함하는 실내부유닛을 구비하고, 실내부유닛은 제1, 제2, 및 제3체크밸브를 더 포함하여 실내 열교환기를 통과하는 냉매와 공기의 접촉방법이 대향이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

대향, 체크밸브, 열교환, 히트펌프

Description

히트펌프 사이클{Heat pump cycle}

도 1은 일반적인 히트펌프 사이클의 냉매의 흐름을 개념적으로 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 사이클의 냉방모드시 냉매의 흐름을 개념적으로 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 사이클의 난방모드시 냉매의 흐름을 개념적으로 나타낸 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110... 압축기 120... 사방밸브

130... 실외부유닛 131... 실외 팽창밸브

132... 실외 열교환기 133... 실외 체크밸브

140... 실내부유닛 141... 실내 팽창밸브

142... 실내 열교환기 143,144,146... 제1,2,3체크밸브

145... 실내 체크밸브

본 발명은 히트펌프(Heat pump)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환기를 통한 냉매와 공기의 열교환 효율을 증가시킬 수 있는 히트펌프 사이클에 관한 것이다.

열은 그 자신만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동이 불가능하며, 열의 이동에는 반드시 일(Work)이 소요된다.

펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와 마찬가지로, 히트펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다.

히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며, 일반적으로 압축식 히트펌프가 많이 사용되고 있다.

이와 같은 히트펌프는 에어컨의 냉각 사이클(Cooling cycle)에서 냉매의 흐름을 역전환시킴으로써 냉방과 난방을 겸할 수 있는 공기조절장치의 하나로써 특히 계절에 구애받지 않고 사용할 수 있는 장점에 따라 점차적으로 그 사용영역이 확대되고 있다.

히트펌프의 구조는 냉동기와 마찬가지로 압축기와 증발기와 응축기와 팽창밸브를 포함하여 구성되며, 작동원리는 난방용의 경우에는, 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있다.

냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로서 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다.

도 1은 종래 히트펌프 사이클을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 종래 히트펌프는 압축기(21)와 사방변(Four-way reversing valve,22)과 실내 및 실외 열교환기(10,20)와 실내 및 실외 체크밸브(11,24)와 실내 및 실외 모세관(12,25)과 어큐뮬레이터(Accumulator;23)와 리시버탱크(26)를 포함하여 구성된다.

여기서, 압축기(21)에서 고압의 증기 냉매로 압축된 냉매는 사방변(22)으로 유입되며, 사방변(22)은 냉방 사이클시 압축기(21)에서 유입된 냉매를 실외 열교환기(20)로 분기시키고, 난방 사이클시에는 실내 열교환기(10)로 분기시킨다.

이하, 히트펌프의 냉방 사이클과 난방 사이클에 대해 간략하게 살펴보도록 한다.

먼저, 히트펌프의 냉방 사이클에 있어서, 실내 열교환기(10)로 유입된 냉매는 방열되어 고압의 액체냉매로 변화되고 동시에 실외 체크밸브(24)에 의해 제어되어 실외 모세관(25)으로 유입되지 않고 실내 모세관(12)으로 유입되어 저압의 액체냉매로 변화되며, 이 저압의 액체 냉매는 실내 열교환기(10)에서 기화하여 주위의 열을 흡수하고 사방변(22)으로 유입된다.

이때, 압축기(21)와 사방변(22)의 사이에는 어큐뮬레이터(23)가 설치되어 액 체 냉매가 흡입관과 압축기(21)로 유입되는 것을 방지한다.

또한, 실외 열교환기(20)와 실외 모세관(25) 사이에는 리시버탱크(26)가 설치된다.

이때, 어큐뮬레이터(23)를 통과하는 저온, 저압의 기체 냉매는 리시버탱크(26)를 통과하는 고온, 고압의 액체 냉매의 열에 의해 액체로 상변화하지 않고 기체상태가 유지된다.

다음으로, 난방 사이클시, 실내 열교환기(10)로 유입된 냉매는 방열되어 실내를 난방하고 고압의 액체 냉매로 변화되며, 실내 체크밸브(11)에 의해 제어된 냉매는 실내 모세관(12)으로 유입되지 않고 실외 모세관(25)으로 유입되어 저압의 액체 냉매로 변화되며, 실외 열교환기(20)를 통해 저압의 증기 냉매로 기화된다.

이때, 리시버탱크(26)로 인해 어큐뮬레이터(23)를 통과하는 저온, 저압의 액체 냉매를 리시버탱크(26)를 통과하는 고온, 고압의 액체 냉매의 열에 의해서 기체 상태로 증발시킨다.

그러나, 이와 같은 종래의 히트펌프 사이클에 있어서는, 냉방 및 난방 사이클시 어느 하나의 사이클에 있어서는 공기와 냉매의 열접촉방식이 대향류(Counter flow)가 되지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 열전달 효율이 저하되어 소요되는 동력 손실이 커지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 냉매와 공기가 대향류로 접촉되게 하여 열전달 효율을 극대화할 수 있는 히트펌프 사이클을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 히트펌프 사이클은, 냉매를 압축시켜 고온, 고압의 냉매기체로 변환시키는 압축기와; 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름 방향을 냉·난방 모드의 변화에 따라 선택적으로 조정하는 사방밸브와; 실외 공기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실외 팽창밸브와, 냉방 모드시 상기 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되지 않도록 개방되며 난방 모드시 상기 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되도록 폐쇄되는 실외 체크밸브를 포함하는 실외부유닛과; 실내 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실내 팽창밸브와, 난방 모드시 개방되어 냉매가 흐르며 냉방 모드시 폐쇄되어 냉매의 흐름을 차단시키는 실내 체크밸브를 포함하는 실내부유닛을 구비하고, 상기 실내부유닛은 제1, 제2, 및 제3체크밸브를 더 포함하여 상기 실내 열교환기를 통과하는 냉매와 공기의 접촉방법이 대향이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 히트펌프 사이클은, 냉방시에는 상기 제1체크밸브는 개방되고, 상기 제2 및 제3체크밸브는 폐쇄되어 지는 것이 바람직하다.

또한, 난방시에는 상기 제2 및 제3체크밸브는 개방되고, 상기 제1체크밸브는 폐쇄되어 지는 것이 바람직하다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 사이클의 냉방모드시 냉매의 흐름을 개념적으로 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 사이클의 난방모드시 냉매의 흐름을 개념적으로 나타낸 개략도이다.

먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프(100)는 압축기(110)와 사방밸브(120)와 실외부유닛(130)과 실내부유닛(140)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 실외부유닛(130)은 실외 공기와 냉매(Refrigerant;R)를 열교환 시키는 실외 열교환기(132)와 고온고압의 액상 냉매(R)를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매(R)로 바꾸어 주는 실외 팽창밸브(131)와 냉방 모드시 상기 실외 팽창밸브(131)로 냉매가 유입되지 않도록 개방되며 난방 모드시 상기 실외 팽창밸브(131)로 냉매가 유입되도록 폐쇄되는 실외 체크밸브(133)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 실내부유닛(140)은 실내 공기와 냉매(R)를 열교환시키는 실내 열교환기(142)와 고온고압의 액상 냉매(R)를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매(R)로 바꾸어 주는 실내 팽창밸브(141)와 난방 모드시 개방되어 냉매(R)가 흐르며 냉방 모드시 폐쇄되어 냉매(R)의 흐름을 차단시키는 실내 체크밸브(145)와 상기 실내 열교환기(142)를 통과하는 냉매(R)와 공기의 접촉방법이 대향이 되도록 하는 제1, 제2, 및 제3 체크밸브(143,144,146)를 포함하여 구성된다.

또한, 미도시되어 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프(100)는 열교환되어 응축된 액상의 냉매(R)를 분리시켜 주는 어큐뮬레이터와 리시버 탱크를 구비한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프 사이클에 대해 자세히 살펴보도록 한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 냉방 사이클시 압축기(110)를 통해 토출된 냉매(R)는 사방밸브(120)의 조정에 의해 실외 열교환기(132)로 유입되고, 상기 실외 열교환기(132)를 통과하면서 실외 공기와 열접촉을 하여 액상의 냉매(R)로 변환되고, 실외 체크밸브(133)를 통과하여 실내부유닛(140)으로 유입된다.

이때, 상기 실외 체크밸브(133)에 의해 상기 실외 열교환기(132)를 통과하여 응축된 냉매(R)는 상기 실외 팽창밸브(131)로 유입되지 않는다.

상기 실내부유닛(140)으로 유입된 냉매(R)는 개방된 제2체크밸브(144)를 통과하여 실내 팽창밸브(141)를 거쳐 교축팽창에 의해 저온저압의 액상의 냉매(R)로 실내 열교환기(142)에 유입된다.

이때, 상기 실내 열교환기(142)는 증발기의 역할을 하며, 저온저압의 액상의 냉매(R)가 증발하면서 실내로 유입되는 공기의 온도를 낮추어 줌으로써 실내를 냉방시켜준다.

상기 실내 열교환기(142)를 통과한 냉매(R)는 개방된 제1체크밸브(143)를 통과하여 상기 사방밸브(120)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입된다.

여기서, 실내 체크밸브(145)와 제3체크밸브(146)는 폐쇄되어 상기 실내 체크밸브(145)와 상기 제3체크밸브(146)로는 냉매(R)가 흐르지 않게 된다.

상기 실내부유닛(140)으로 유입되는 냉매(R)는 고압을 유지하고 있기 때문에 상기 실내 열교환기(142)를 통과한 저압의 냉매(R)는 상기 제1체크밸브(143)를 통과하여 흐르게 되고, 상기 실내 체크밸브(145)로는 유입되지 않는다.

왜냐하면, 상기 실내 체크밸브(145)를 통과하여 연결된 도관에는 고압의 냉매(R)가 유입되고 있기 때문이다.

마찬가지로, 제1체크밸브(143)를 통과한 저압의 냉매(R)는 상기 실내 열교환기(142)의 유입부로 상기 실내 팽창밸브(142)를 통과한 냉매가 유입되고 있기 때문에 제3체크밸브(146)를 통하여 흐를 수 없게 된다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 난방 사이클시 압축기(110)를 통해 토출된 냉매 (R)는 사방밸브(120)의 조정에 의해 제3체크밸브(146)를 통과하여 실내 열교환기(142)로 유입된다.

이때, 상기 실내 열교환기(142)는 응축기의 역할을 하며, 고온고압의 기상의 냉매(R)가 응축하면서 실내로 유입되는 공기의 온도를 올려 줌으로써 실내를 난방시켜준다.

상기 실내 열교환기(142)를 통과한 냉매(R)는 실내 체크밸브(145)를 통과하여 실내부유닛(130)으로 유입된다.

이때, 제1 및 제2체크밸브(143,144)는 폐쇄되어 상기 제1 및 제2체크밸브(143,144)로는 냉매가 유입되지 않는다.

왜냐하면, 상기 제1체크밸브(143)를 통과하여 연결된 도관에는 이미 사방밸브(120)를 고온고압의 냉매(R)가 유입되고 있기 때문에 상기 제1체크밸브(143)로는 냉매가 흐르지 못하게 된다.

마찬가지로, 상기 실내 열교환기(142)의 유입부에는 상기 제3체크밸브(146)를 통과한 냉매(R)가 유입되고 있기 때문에 상기 제2체크밸브(144)로는 냉매가 유입되지 못하게 된다.

이와 같은 방법으로, 제1, 제2, 제3체크밸브(143,144,146)가 구비됨으로써 냉방 및 난방 모두에 있어서 냉매(R)와 공기의 접촉 방법이 항상 대향이 되도록 유지시킬 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 실내 열교환기(142)를 통과하는 냉매(R)와 공기가 대향류(Counter flow)로써 접촉됨으로 인해 열효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 히트펌프 사이클은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 냉방 및 난방 모드에 있어서, 항상 냉매와 공기의 접촉이 대향류를 형성하도록 하여 열손실을 방지하고 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 대향류(Counter flow)와 병향류(Paralle flow)의 열전달 효율의 차는 20~30% 차이를 나타내고 있기 때문에 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (3)

1. 냉매를 압축시켜 고온, 고압의 냉매기체로 변환시키는 압축기와; 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름 방향을 냉·난방 모드의 변화에 따라 선택적으로 조정하는 사방밸브와; 실외 공기와 냉매를 열교환시키는 실외 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실외 팽창밸브와, 냉방 모드시 상기 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되지 않도록 개방되며 난방 모드시 상기 실외 팽창밸브로 냉매가 유입되도록 폐쇄되는 실외 체크밸브를 포함하는 실외부유닛과; 실내 공기와 냉매를 열교환시키는 실내 열교환기와, 고온고압의 액상 냉매를 교축팽창에 의해 저온저압 상태의 냉매로 바꾸어 주는 실내 팽창밸브와, 난방 모드시 개방되어 냉매가 흐르며 냉방 모드시 폐쇄되어 냉매의 흐름을 차단시키는 실내 체크밸브를 포함하는 실내부유닛을 구비하는 히트펌프 사이클에 있어서,

   상기 실내부유닛은 제1, 제2, 및 제3체크밸브를 더 포함하여 상기 실내 열교환기를 통과하는 냉매와 공기의 접촉방법이 대향이 되며,

   냉방시에는 상기 제1체크밸브는 개방되고, 상기 제2 및 제3체크밸브는 폐쇄되어 지고,

   난방시에는 상기 제2 및 제3체크밸브는 개방되고, 상기 제1체크밸브는 폐쇄되어 지는 것을 특징으로 하는,

   히트펌프 사이클.
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