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KR100727126B1 - 축열식 공기조화 장치 - Google Patents

축열식 공기조화 장치 Download PDF

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KR100727126B1
KR100727126B1 KR1020050074065A KR20050074065A KR100727126B1 KR 100727126 B1 KR100727126 B1 KR 100727126B1 KR 1020050074065 A KR1020050074065 A KR 1020050074065A KR 20050074065 A KR20050074065 A KR 20050074065A KR 100727126 B1 KR100727126 B1 KR 100727126B1
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고재윤
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 하나의 장치(set)로 냉방은 물론 냉장과 냉동기능을 동시에 구현 가능한 축열식 공기조화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치는, 열교환이 일어나는 실외열교환기(120)와, 냉매를 압축하는 하나 이상의 압축기(110)가 구비되는 실외유니트(100)와; 열교환이 일어나는 실내열교환기(420)가 구비되는 실내유니트(400)와; 열교환이 일어나는 축열교환기(320)가 구비되어 에너지를 저장하는 하나 이상의 축열유니트(300)와; 운전조건에 따라 냉매의 흐름을 제어하는 하나 이상의 기능유니트(200)를 포함하는 구성을 가지며; 상기 실내유니트(400)의 실내열교환기(420)는 다수개가 구비되며, 서로 다른 증발온도를 가진다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 냉방은 물론 냉장 및 냉동이 동시에 수행 가능하게 되는 이점이 있다.
공기조화, 축열, 냉방, 냉장, 냉동

Description

축열식 공기조화 장치{Thermal storage airconditioner}
도 1은 종래 축열식 공기조화 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치의 바람직한 실시예의 사용 상태를 보인 건물 조감도.
도 3은 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치의 바람직한 실시예의 구성도.
도 4a는 본 발명 실시예가 '축열모드'로 사용되는 경우의 냉매 흐름을 보인 구성도.
도 4b는 본 발명 실시예가 '축열냉방모드'로 사용되는 경우의 냉매 흐름을 보인 구성도.
도 4c는 본 발명 실시예가 '직접냉방모드'로 사용되는 경우의 냉매 흐름을 보인 구성도.
도 5는 본 발명 실시예가 '냉방모드'로 사용되는 경우의 p-h선도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예인 다단압축의 경우를 보인 p-h선도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. 실외유니트 110. 압축기
120. 실외열교환기 130. 어큐뮬레이터
140. 사방밸브 150. 실외팽창장치
200. 기능유니트 210. 보조유로
212. 보조열교환기 214. 보조펌프
216. 제1밸브 218. 제2밸브
220. 기능저압연결부 222. 기능고압연결부
240. 액유로 244. 드라이어
246. 액펌프 248. 리시버
250. 고압축열연결부 252. 제5밸브
300. 축열유니트 310. 축열조
320. 축열교환기 322. 제1축열교환기
324. 제2축열교환기 330. 제1축열팽창장치
332. 제2축열팽창장치 400. 실내유니트
410. 실내고압유로 412. 실내저압유로
420. 실내열교환기 420a. 제1실내열교환기
420b. 제2실내열교환기 420c. 제3실내열교환기
430. 실내팽창장치 430a. 제1실내팽창장치
430b. 제2실내팽창장치 430c. 제3실내팽창장치
450. 분배헤드
본 발명은 공기조화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 장치(set)로 냉방은 물론 냉장과 냉동기능을 동시에 구현 가능한 축열식 공기조화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기조화 장치로는 실내의 더운 공기를 흡입하여 저온의 냉매로 열교환한 후 이를 실내로 토출하는 반복작용에 의해 실내를 냉방시키거나, 반대작용에 의해 실내를 난방시키는 냉/난방 시스템이 주로 사용되며, 이러한 공기조화 장치는 압축기-응축기-팽창장치-증발기로 이루어져 일련의 사이클을 형성한다.
그리고 근래에는 전기료 절감 등을 위하여, 야간(전력 사용이 적을 때)에 제빙한 얼음을 주간(전력 사용이 많을 때)에 응축열원으로 이용하여 실내를 냉방하는 축열식 공기조화 장치가 사용되기도 한다.
도 1에는 종래의 축열식 공기조화 장치의 일례가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 압축기(1)에 의해 압축되어 유동하는 냉매가 열교환을 일으키는 실외열교환기(2) 등이 구비되는 실외유니트(3)가 일측에 구비된다.
그리고 상기 실외유니트(3)의 일측에는 에너지를 일시적으로 저장하는 축열유니트(10)가 구비된다. 상기 축열유니트(10)는 축열물질이 내부에 저장되는 축열조(11)와, 상기 축열조(11) 내부의 물을 순환시키는 물펌프(12), 그리고 상기 물과 냉매의 열교환이 일어나는 열교환기(13) 및 액냉매의 유동을 강제하는 냉매액펌프(14) 등이 구비된다.
한편, 상기 축열유니트(10)의 일측에는 하나 이상의 실내유니트(20)가 설치 되는데, 이러한 실내유니트(20)에는 열교환이 일어나는 실내열교환기(21)와, 상기 실내열교환기(21)로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내팽창장치(22)가 구비된다.
상기와 같은 구성을 가지는 종래의 축열식 공기조화 장치는, 야간에는 상기 축열유니트(10)의 축열조(11) 내부에 얼음이 얼도록 한 다음, 전력 소모가 많은 주간(예로, 13:00 ~ 16:00시)에 상기 축열조(11)에 제빙된 얼음을 이용하여 실내 냉방을 수행한다.
이때에는 상기 압축기(1)는 정지하고, 상기 냉매액펌프(14)를 이용하여 냉매를 순환시킨다. 따라서 이때의 냉동사이클은, 상기 냉매액펌프(14)에 의해 냉매가 공급되어, 상기 실내팽창장치(22)를 거쳐 증발기 역할을 하는 상기 실내열교환기(21)에서 열교환이 일어난다. 즉 상기 실내열교환기(21)에서는 실내공간의 열을 흡수하게 되므로, 실내는 냉방이 된다.
상기 실내열교환기(21)에서 열을 흡수한 냉매는 상기 열교환기(13)로 유동하여, 상기 축열조(11) 내부에 결빙된 얼음과 열교환을 하여 다시 차거운 냉매로 된다. 그리고 이러한 차가운 냉매가 상기 냉매액펌프(14)로 이동되어 사이클을 완성하게 된다.
한편, 상기 열교환기(13)에는 상기 축열조(11)의 일단이 연결되어 있으며, 이러한 열교환기(13)에는 상기 물펌프(12)에 의해 상기 축열조(11) 내부의 냉수가 공급되어 순환된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
종래와 같은 구성에서는 하나의 축열식 공기조화 장치에서는 냉방과 난방만 이 구현 가능하므로, 다수의 실내공간에 냉장과 냉동기능을 각각 개별적으로 구현할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 장치로 냉방과 냉장 그리고 냉동기능이 구현 가능한 축열식 공기조화 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치는, 열교환이 일어나는 실외열교환기와, 냉매를 압축하는 하나 이상의 압축기가 구비되는 실외유니트와; 열교환이 일어나는 실내열교환기가 구비되는 실내유니트와; 열교환이 일어나는 축열교환기가 구비되어 에너지를 저장하는 하나 이상의 축열유니트와; 운전조건에 따라 냉매의 흐름을 제어하는 하나 이상의 기능유니트를 포함하는 구성을 가지며; 상기 실내유니트의 실내열교환기는 다수개가 구비되며, 서로 다른 증발온도를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 실내유니트에 구비되는 다수의 실내열교환기는, 냉방을 위한 실내열교환기, 냉장을 위한 실내열교환기 또는 냉동을 위한 실내열교환기를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 실내열교환기 일측에는 상기 실내열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내팽창장치가 각각 구비됨을 특징으로 한다.
상기 실내팽창장치는 상기 실내열교환기의 일측에 하나 또는 2 이상이 각각 설치됨을 특징으로 한다.
상기 냉장을 위한 실내열교환기로 유입되는 냉매는 2 이상의 실내팽창장치를 경유하며, 상기 냉동을 위한 실내열교환기로 유입되는 냉매는 3 이상의 실내팽창장치를 경유하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치에 의하면, 냉방은 물론 냉장 및 냉동이 동시에 수행 가능하게 되는 이점이 있다.
이하 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치가 건물에 설치된 개략적인 상태가 조감도로 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 건물의 외측에는 본 발명을 구성하는 실외유니트(100) 및 기능유니트(200) 그리고 축열유니트(300)가 각각 별개로 설치되며, 이러한 각각의 유니트는 건물의 내부에 설치되는 실내유니트(400)와 연결된다.
상기 실내유니트(400)에는 아래에서 설명할 하나 또는 다수개의 실내열교환기(420)가 설치된다. 따라서, 실내의 각 공간마다 다양한 형태의 실내열교환기(420)가 각각 설치되어 개별적으로 또는 일체로 작동한다. 따라서, 건물 내부에는 이러한 다수의 실내열교환기(420)로 냉매를 분배하는 분배헤드(450)가 내장되기도 한다.
도 3에는 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치의 구성도가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 실외유니트(100)에는 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 냉매와 주위 공기와 열교환이 일어나도록 하는 실외열교환기(120) 등이 구비된다.
상기 압축기(110)는 냉매를 압축하여 고온고압이 되도록 하는 것으로, 하나 또는 다수개가 구비된다. 즉, 하나의 압축기(110)가 설치되어 냉매를 압축하는 외에, 정속운전을 하는 정속압축기와 가변속 열펌프(Variable Speed Heat Pump)인 인버터압축기가 쌍으로 설치되어 부하에 따라 작동되도록 설치되기도 한다.
상기 압축기(110)의 일측에는 어큐뮬레이터(130)가 설치된다. 상기 어큐뮬레이터(130)는 상기 압축기(110)로 유입되는 냉매 중 액체 냉매를 축적하여 기체 냉매만이 상기 압축기(110)로 유입되도록 한다.
보다 상세하게는 상기 어큐뮬레이터(130) 내부로 유입된 냉매 중 미처 증발되지 못하고 액상으로 남아있는 냉매는 기상의 냉매보다 상대적으로 무겁기 때문에 어큐뮬레이터(130)의 하부에 저장되고, 상부의 기체상태 냉매만 상기 압축기(110)로 유입된다.
이와 같이, 상기 어큐뮬레이터(130)에 의해 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 이유는, 냉매 중 기체로 증발되지 못하고 액상으로 남아있는 냉매가 상기 압축기(110)에 직접적으로 유입되면, 냉매를 고온,고압의 기체상태 냉매로 압축시키는 압축기(110)에 부하가 증가되어 압축기(110)의 손상을 가져오기 때문이다.
상기 실외유니트(100)에는 사방밸브(140)가 구비된다. 상기 사방밸브(140)에는 다수의 배관이 연통되게 연결 설치된다. 상기 사방밸브(140)는 냉,난방 운전에 따라 냉매의 흐름 방향을 바꾸어 주도록 배설되는 것으로, 각각의 포트는 압축기(110)의 출구, 어큐뮬레이터(130)의 입구, 실외열교환기(120) 그리고 기능유니트(200) 또는 실내유니트(400)에 각각 연결 설치된다.
상기 실외열교환기(120)의 출구측에는 상기 실외열교환기(120)를 통과한 냉매의 이동량을 제어하는 실외팽창장치(150)가 더 구비된다.
그리고 상기 실외유니트(100)는 상기 기능유니트(200)와 결합된다. 따라서 상기 사방밸브(140)와 연결되는 배관에는 실외저압연결부(160)가 형성되고, 상기 실외팽창장치(150)의 일측에는 실외고압연결부(162)가 형성된다.
물론 상기 실외유니트(100)가 상기 실내유니트(400)에 직접 연결되는 것도 가능하다. 즉, 상기 실외저압연결부(160)는 아래에서 설명할 실내저압유로(412)와 연결되고, 상기 실외고압연결부(162)는 아래에서 설명할 실내고압유로(410)와 연결되도록 하는 것도 가능하다.
상기 기능유니트(200)는 상기 실외유니트(100)의 일측에 설치되며, 운전조건에 따라 냉매의 흐름을 제어하게 된다.
상기 기능유니트(200)에는 냉매를 안내하는 보조유로(210)가 형성되며, 이러한 보조유로(210)에는 열교환이 일어나는 보조열교환기(212)와, 상기 보조열교환기(212)의 일측에 설치되어 냉매의 유동을 강제하는 보조펌프(214)가 구비된다.
상기 보조열교환기(212)는 상기 실외열교환기(120)와 같이 냉매와 외부 공기와의 사이에서 열교환이 일어나도록 하는 것으로, 상기 축열유니트(300)가 사용되는 경우에 선택적으로 작동된다. 즉, 상기 축열유니트(300)에 저장된 에너지를 사 용하는 경우에 상기 실내유니트(400)의 용량 또는 요구온도에 따라 필요한 경우에만 사용된다.
상기 보조펌프(214)는 상기 보조유로(210) 및 보조열교환기(212)로 냉매가 유입되도록 냉매의 흐름을 강제하고, 냉매를 압축하는 역할을 한다. 그리고 상기 보조열교환기(212)와 보조펌프(214) 사이에는 제1사방밸브(215)가 설치된다.
상기 보조유로(210)의 양단에는 제1밸브(216)와 제2밸브(218)가 각각 설치되어, 상기 보조유로(210)를 개폐한다.
상기 기능유니트(200)의 일단은 상기 실외유니트(100)와 서로 연통되게 연결된다. 보다 상세하게는 상기 기능유니트(200)의 일단에 형성되는 기능저압연결부(220)는 상기 실외유니트(100)의 실외저압연결부(160)와 연결되고, 상기 기능유니트(200)의 기능고압연결부(222)는 상기 실외유니트(100)의 실외고압연결부(162)와 각각 연결된다.
상기 기능유니트(200)에는 제3밸브(224)와 제4밸브(226)가 각각 설치된다. 상기 제3밸브(224)와 제4밸브(226) 사이에는 액유로(240)가 분지되어 형성된다. 즉, 상기 액유로(240)의 양단에 상기 제3밸브(224)와 제4밸브(226)가 각각 구비되어 냉매의 흐름을 제어하게 된다. 상기 제3밸브(224)는 상기 기능고압연결부(222)에 연결 설치된다.
상기 액유로(240)는 상기 축열유니트(300)를 이용하여 공기조화 장치가 가동되는 경우에 상기 축열유니트(300)로부터 유동되는 냉매를 안내하는 통로가 된다. 그리고 이러한 액유로(240)의 입구와 출구측은 제2사방밸브(242)에 의해 유로가 제 어되도록 구성된다.
상기 액유로(240)에는 드라이어(244)가 설치된다. 상기 드라이어(244)는 상기 액유로(240)를 유동하는 냉매중의 수분을 제거하기 위한 것이다.
상기 드라이어(244)의 일측에는 액펌프(246)가 설치된다. 상기 액펌프(246)는 상기 액유로(240)를 유동하는 냉매의 흐름을 강제하는 것으로, 특히 상기 축열유니트(300)에 의해 공기조화 장치가 가동되는 경우에 냉매의 유동을 강제하게 된다.
상기 액펌프(246)의 일측에는 리시버(248)가 설치된다. 상기 리시버(248)는 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 것이다.
보다 상세하게는, 상기 리시버(248)는 상기 실외유니트(100)로부터 유동되어 오는 냉매 중 잉여냉매를 저장함과 동시에 액체 냉매만이 유동되도록 한다. 즉 '축열모드'시에는 상기 축열유니트(300)로 액체 냉매만이 전달되도록 한다.
상기 제4밸브(226)의 일측에는 고압축열연결부(250)가 형성된다. 따라서, 이러한 고압축열연결부(250)에는 상기 축열유니트(300)의 배관 일단이 연결 설치된다.
한편, 상기 기능유니트(200)에는 제5밸브(252)가 더 설치되며, 이러한 제5밸브(252)에서는 아래에서 설명할 실내유니트(400)의 실내고압유로(410)가 분지되어 연결된다.
상기 기능유니트(200)는 상기 실내유니트(400)와도 연결된다. 따라서 이러한 기능유니트(200)의 일단에는 실내저압연결부(260)와 실내고압연결부(262)가 각각 형성된다.
상기 실내저압연결부(260)는 냉방운전시 상대적으로 저압 냉매가 유동되는 실내유니트(400)의 배관과 연결되는 부분이며, 상기 실내고압연결부(262)는 냉방운전시 상대적으로 고압 냉매가 유동되는 실내유니트(400)의 배관과 연결되는 부분이다.
상기 실내저압연결부(260)의 일측에는 상기 실내유니트(400)와 상기 기능유니트(200) 사이를 유동하는 냉매를 선택적으로 차단하기 위한 차폐밸브(270)가 더 설치된다.
그리고 상기 기능유니트(200)에는 상기 축열유니트(300)로부터 냉매가 유입되는데, 이러한 축열유니트(300)로부터 유입되는 냉매는 상기 제2밸브(218)와 연결되어 있는 저압축열연결부(272)를 통해 기능유니트(200)로 유동하게 된다.
상기 축열유니트(300)는 상기 기능유니트(200)에 연결 설치되며, 상기 축열유니트(300)와 기능유니트(200) 사이의 냉매 흐름은 상기 제2밸브(218)와 상기 제4밸브(226)에 의해 제어된다.
상기 축열유니트(300)에는 내부에 축열물질이 저장되는 축열조(310)가 구비된다. 따라서 상기 축열조(310) 내부에 저장되는 축열물질이 가열되거나 냉각되어 열량을 저장하게 된다. 상기 축열조(310) 내부에 저장되는 축열물질은 (열)에너지를 축적하는 것으로, 비중이 높은 물(H2O) 등으로 이루어짐이 바람직하다.
상기 축열조(310)에는 축열교환기(320)가 설치된다. 상기 축열교환기(320)는 2개가 구비되며, 내부를 유동하는 냉매와 외부의 축열물질 사이에서 열교환이 일어나도록 한다. 즉 상기 축열교환기(320)는 제1축열교환기(322)와 제2축열교환기(324)로 이루어지며, 이러한 축열교환기(320) 내부의 냉매 온도에 따라 상기 축열조(310)에 저장된 축열물질이 데워지거나 차가워지게 된다.
상기 제1축열교환기(322)의 일측에는 제1축열팽창장치(330)가 설치되고, 상기 제2축열교환기(324) 일측에는 제2축열팽창장치(332)가 설치된다. 상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)는 상기 축열유니트(300)로 유입되는 냉매량을 조절하고, 냉매가 팽창에 의해 저온저압으로 되도록 한다.
상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)로는 엘이브이(LEV:linear expansion valve)라고도 불리는 전자팽창밸브나 솔레노이드밸브 등 다양한 밸브가 사용될 수 있다.
따라서 이러한 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)는 '축열모드'시 상기 실외열교환기(120)에서 응축된 냉매를 단열적으로 팽창하여 냉매의 온도와 압력을 떨어뜨리거나, 부하에 알맞은 냉매량을 축열교환기(320)로 보내주는 역할을 하게 된다.
상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)는 밸브의 개도를 조정하여 감압된 냉매 토출량을 능동적으로 조절할 수 있도록 구성됨이 보다 바람직하다.
상기 실내유니트(400)는 상기 기능유니트(200)에 연결된다. 보다 상세하게는 상기 기능유니트(200)의 실내고압연결부(262)는 실내유니트(400)의 실내고압유로(410)와 연결되고, 상기 기능유니트(200)의 실내저압연결부(260)는 실내유니트 (400)의 실내저압유로(412)와 연결된다.
상기 실내유니트(400)는 열교환이 일어나는 실내열교환기(420)와, 냉매를 팽창시키고 냉매량을 조절하는 실내팽창장치(430) 등으로 이루어진다.
상기 실내유니트(400)에는 하나 또는 2 이상의 실내열교환기(420)가 구비되며, 각각 실내공간의 냉방과 난방은 물론 냉장이나 냉동에 적합한 용량을 가진다. 즉, 상기 실내유니트(400)의 실내열교환기(420)는 다수개가 구비되며, 서로 다른 증발온도를 가진다. 따라서 이러한 서로 다른 실내열교환기(420)의 증발온도에 의해 냉방과 냉장 또는 냉동이 이루어진다.
보다 상세하게 살펴보면, 도 3 등에 도시된 바와 같이 상기 실내유니트(400)에 구비되는 다수의 실내열교환기(420)는, 냉방을 위한 제1실내열교환기(420a)와 냉장을 위한 제2실내열교환기(420b) 그리고 냉동을 위한 제3실내열교환기(420c) 등으로 이루어진다.
그리고, 상기 실내팽창장치(430)는 상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)와 같은 전자팽창장치(LEV)로 이루어진다. 따라서, 이러한 실내팽창장치(430)는 '직접냉방모드'시 상기 실외열교환기(120)에서 응축된 냉매를 단열적으로 팽창하여 냉매의 온도와 압력을 떨어뜨리며, 부하에 알맞은 냉매량을 상기 실내열교환기(420)로 보내주는 역할을 하게 된다.
상기 실내팽창장치(430)는 상기 다수의 실내열교환기(420) 일측(입구측) 각각 구비되어, 상기 실내열교환기(420)로 유입되는 냉매를 팽창시키게 되는데, 이러한 실내팽창장치(430)는 상기 실내열교환기(420)의 일측(입구측)에 하나 또는 2 이상이 각각 설치된다.
즉 도시된 바와 같이, 상기 실내열교환기(420)가 냉방을 위한 제1실내열교환기(420a), 냉장을 위한 제2실내열교환기 그리고 냉동을 위한 제3실내열교환기(420c)로 구성되는 경우에는 상기 실내팽창장치(430)는 제1실내팽창장치(430a), 제2실내팽창장치(430b) 그리고 제3실내팽창장치(430c)로 이루어진다.
따라서, 상기 제1실내열교환기(420a)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)만을 경유하게 되며, 상기 제2실내열교환기(420b)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)와 제2실내팽창장치(430b)를 경유하게 되고, 상기 제3실내열교환기(420c)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)와 제2실내팽창장치(430b)는 물론 제3실내팽창장치(430c)도 경유하게 된다.
이렇게 되면, 상기 제2실내열교환기(420b)에서는 적어도 제1실내열교환기(420a)보다는 낮은 증발온도를 유지하게 되고, 상기 제3실내열교환기(420c)에서는 적어도 제2실내열교환기(420b)보다는 낮은 증발온도를 유지하게 된다. 따라서 상기 제1실내열교환기(420a)와 제2실내열교환기(420b) 그리고 제3실내열교환기(420c)가 설치되는 각각의 실내공간에서는 냉방과 냉장 그리고 냉동을 각각 실현할 수 있게 된다.
이하 상기와 같은 구성을 가지는 축열식 공기조화 장치의 작용을 냉방을 위한 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저 도 4a를 참조하여 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치가 '축열모드'로 동작하는 경우를 살펴본다.
'축열모드'는 야간에, 즉 전력사용량이 적은 시간대에 미리 상기 축열유니트(300)에 에너지를 저장하고자 하는 것으로, 구체적으로는 상기 축열유니트(300)의 축열조(310) 내부에 저장되는 축열물질을 상변화(축열물질이 물인 경우에는 제빙)시키고자 하는 것이다.
이때에는 상기 실외유니트(100)와 기능유니트(200) 및 축열유니트(300)가 작동된다. 즉 이때에는 상기 기능유니트(200)에는 상기 실외유니트(100)와 상기 축열유니트(300)가 서로 연통되고, 상기 실내유니트(400)로는 냉매의 유동이 차단된다.
보다 상세하게는 상기 차폐밸브(270)와 상기 제5밸브(252)에 의해 냉매의 유동이 차단되어 상기 실내유니트(400)와 상기 기능유니트(200) 사이에는 냉매 유동이 중단된다.
따라서 상기 압축기(110)의 작용에 의해 냉매는 고압으로 압축되어 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 사방밸브(140)를 거쳐 상기 실외열교환기(120)로 유입된다.
상기 실외열교환기(120)는 일반적으로 실외에 설치되어 있으므로, 이러한 실외열교환기(120) 내부를 유동하는 냉매는 건물 외부의 공기와 열교환을 일으킨다.
이때에는 '축열모드'이므로 상기 실외열교환기(120) 내부의 냉매는 외부로 열을 빼앗기게 된다. 즉 상기 실외열교환기(120)는 응축기로 작용하므로, 냉매는 외부공기와의 열교환을 통해 냉각되어 액냉매(물론, 완전한 액냉매는 아님)가 된다.
상기 실외열교환기(120)로부터 배출되는 냉매는 상기 실외팽창장치(150)를 통과하여, 상기 기능유니트(200)로 유입된다.
상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 다시 상기 축열유니트(300)로 유입된다. 즉, 상기 제3밸브(224)와 제4밸브(226)에 의해 상기 액유로(240)는 차단되어 있으므로, 상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 고압축열연결부(250)를 통해 바로 상기 축열유니트(300)로 흘러가게 된다.
상기 축열유니트(300)로 유입된 냉매는 2갈래로 나뉘어져, 상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)를 통과한다. 상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)를 통과하는 냉매는 팽창에 의해 상대적으로 저온 저압의 냉매가 되며, 보다 바람직하게는 냉매의 온도는 영하의 온도가 된다.
상기 제1축열팽창장치(330)와 제2축열팽창장치(332)를 통과한 냉매는 상기 제1축열교환기(322)와 제2축열교환기(324)를 거치면서 열교환을 하게 된다. 이때 상기 제1축열교환기(322)와 제2축열교환기(324)는 증발기의 역할을 하여, 상기 축열조(310) 내부에 저장되어 있는 축열물질의 온도를 낮추게 되어 결국, 상기 축열조(310) 내부의 축열물질이 상변화(제빙)된다. 즉 상기 축열조(310) 내부의 축열물질은 온도가 저하되어 축열교환기(320) 주변부터 점차 상변화(결빙)된다.
상기 축열교환기(320)를 통과하면서 열을 빼앗긴 냉매는 증발에 의해 기체상태가 되고, 이러한 냉매는 상기 저압축열연결부(272)를 통해 상기 기능유니트(200)로 유입된다. 이때 상기 제2밸브(218)는 상기 보조유로(210)로 냉매가 유동하지 않도록 차단한다.
상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 기능저압연결부(220)와 실외저 압연결부(160)를 통해 상기 실외유니트(100)로 유입된다. 상기 실외유니트(100)로 유입된 냉매는 상기 사방밸브(140)를 거쳐 상기 어큐뮬레이터(130)로 안내된다.
상기 어큐뮬레이터(130)에서는 액체 상태의 냉매가 걸러진다. 따라서 상기 압축기(110)로는 기체 상태의 냉매만이 유입된다.
이와 같은 과정에 의해 '축열모드'의 사이클이 완성되며, 이러한 '축열모드'에 의해 상기 축열유니트(300) 내부의 축열조(310)에는 상변화가 진행된다(축열물질이 물인 경우에는 얼음이 얼게 된다).
도 4b에는 '축열냉방모드'일 때의 냉매 유동 상태가 도시되어 있다. 즉 상기와 같은 '축열모드'에 의해 저장된 에너지를 이용하여 실내를 냉방하는 과정이 도시되어 있다.
'축열냉방모드'는 주간, 즉 전력사용량이 많은 낮시간대에 주로 사용되는 방법으로, 야간에 저장된 에너지를 이용하여 냉방을 실시하는 것이다.
이때 상기 기능유니트(200)와 축열유니트(300) 및 실내유니트(400)를 통해서는 냉매가 유동하게 되며, 상기 실외유니트(100)에서의 냉매 유동은 정지된다. 즉 상기 제1밸브(216)와 제3밸브(224)에 의해 상기 실외유니트(100)로의 냉매 유동은 차단된다.
먼저, 상기 고압축열연결부(250)를 통해 상기 기능유니트(200)로 유입되는 냉매부터 살펴본다.
이때, 상기 제3밸브(224)와 제4밸브(226)에 의해 상기 액유로(240)가 개방된다. 따라서, 상기 축열유니트(300)로부터 상기 기능유니트(200)로 유입되는 냉매는 상기 액유로(240)를 통해 유동하게 된다.
상기 액유로(240) 내부를 유동하는 냉매는 상기 액펌프(246)에 의해 흐름이 강제된다. 따라서 상기 액유로(240)를 흐르는 냉매는 상기 리시버(248)와 액펌프(246)를 통과하면서 수분과 기체 냉매가 제거된다.
보다 상세히 살펴보면, 상기 리시버(248)에서는 기체 냉매가 걸러지고, 상기 드라이어(244)에서는 냉매속의 수분이 제거된다.
따라서, 상기 액유로(240)를 통과한 액체 냉매는 상기 제2사방밸브(242)와 제3밸브(224) 그리고 제5밸브(252)를 차례로 거친 다음, 상기 실내고압연결부(262)를 통해 상기 실내유니트(400)로 유입된다.
상기 실내유니트(400)에는 다수개의 실내열교환기(420)가 구비되어 있으므로, 상기 기능유니트(200)로부터 공급되는 냉매는 각각의 실내열교환기(420)로 분배된다. 그리고, 상기 실내열교환기(420)로 유입되는 냉매는 상기 다수의 실내팽창장치(430)를 통과한다.
상기 실내팽창장치(430)를 통과하는 냉매는 저압으로 되어 상기 실내열교환기(420)로 유입되며, 이러한 실내열교환기(420)에서는 열교환이 일어난다. 즉 상기 실내열교환기(420) 내부를 유동하는 냉매와 실내공간의 공기 사이에 열교환이 일어나게 되며, 이때 상기 실내열교환기(420)는 증발기의 역할을 하게 되므로, 상기 냉매는 실내 공기의 열을 빼앗게 된다.
이때, 상기 제1실내열교환기(420a)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)만을 경유하게 되며, 상기 제2실내열교환기(420b)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)와 제2실내팽창장치(430b)를 경유하게 되고, 상기 제3실내열교환기(420c)로 유입되는 냉매는 상기 제1실내팽창장치(430a)와 제2실내팽창장치(430b)는 물론 제3실내팽창장치(430c)도 경유하게 된다.
이렇게 되면, 상기 제1실내열교환기(420a)는 상기 제1실내팽창장치(430a)만을 경유하므로 상대적으로 높은 증발온도를 유지하게 된다. 따라서 이러한 제1실내열교환기(420a)가 설치된 실내공간에서는 냉방이 실현된다.
반면, 상기 제2실내열교환기(420b)에서는 적어도 제1실내열교환기(420a)보다는 낮은 증발온도를 유지하게 된다. 따라서, 이러한 제2실내열교환기(420b)가 설치되는 실내공간에서는 냉장 상태를 유지할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 제3실내열교환기(420c)에서는 제2실내열교환기(420b)보다도 더 낮은 증발온도를 유지하게 된다. 따라서 이러한 제3실내열교환기(420c)가 설치되는 실내공간에서는 냉동 상태를 유지할 수 있게 된다.
이와 같이 상기의 실내열교환기(420)를 통과하면서 냉매는 증발하여 기체 상태로 되고, 실내공간은 열을 빼앗겨 냉방이나 냉장 또는 냉동된다.
상기 실내열교환기(420)에서 토출되는 냉매는 상기 실내저압유로(412)에 의해 안내되어 상기 실내저압연결부(260)를 통해 상기 기능유니트(200)로 유입된다. 이때 상기 차폐밸브(270)는 개방되어 있으며, 상기 제1밸브(216)는 냉매가 상기 실외유니트(100)로 유입되지 않도록 차단한다.
따라서 상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 보조유로(210)를 통해 유동된다. 상기 보조유로(210)로 유입되는 냉매는 상기 보조펌프(214)에 의해 흐름 이 강제되고, 상기 보조열교환기(212)로 유입된다.
상기 보조열교환기(212)는 소형의 열교환기로 이루어져, 응축기의 역할을 한다. 따라서 상기 보조열교환기(212)를 통과하는 냉매는 상기 보조열교환기(212)에 의해 온도가 떨어지게 된다.
상기 보조열교환기(212)를 통과한 냉매는 상기 저압축열연결부(272)를 통해 상기 축열유니트(300)로 유입된다. 상기 축열유니트(300)로 유입된 냉매는 상기 축열교환기(320)를 통과한다.
상기 축열교환기(320)에서는 열교환이 일어난다. 즉 상기 축열교환기(320) 내부의 냉매와 상기 축열조(310) 내부의 축열물질(얼음) 사이에서 열교환이 일어난다. 따라서 상기 축열조(310) 내부의 축열물질(얼음)은 상기 축열교환기(320) 내부의 냉매로부터 열을 빼앗아 녹게 되며, 이러한 과정에 의해 상기 축열교환기(320) 내부를 통과한 냉매는 저온이 된다.
상기 축열교환기(320)에서 토출되는 냉매는 상기 고압축열연결부(250)를 통해 상기 기능유니트(200)로 유입된다.
상기와 같은 과정에 의해 '축열 냉방모드'의 사이클이 완료되며, 실내의 냉방이 이루어진다.
도 4c는 일반적인 냉방모드가 도시되어 있다. 즉 상기 축열유니트(300)가 사용되지 않는 일반적인 공기조화 장치에 의해 실내의 냉방이 이루어지는 '직접냉방모드'가 도시되어 있다.
상기 압축기(110)의 작동에 의해 고압의 냉매가 상기 사방밸브(140)를 거쳐 상기 실외열교환기(120)로 유입된다. 상기 실외열교환기(120)는 응축기의 역할을 하게 되므로, 실외의 공기에 열을 빼앗겨 냉매는 저온의 액냉매가 된다.
상기 실외열교환기(120)를 통과한 냉매는 상기 실외팽창장치(150)를 거쳐, 상기 기능유니트(200)로 유입된다.
상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 실내유니트(400)로 바로 흘러가게 된다. 즉, 상기 제3밸브(224)와 제5밸브(252)에 의해 상기 축열유니트(300)로의 냉매 유입은 차단된다. 따라서, 상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 제5밸브(252)를 거쳐 상기 실내고압연결부(262)를 통해 상기 실내유니트(400)로 유입된다.
상기 실내유니트(400)에는 다수개의 실내열교환기(420)가 구비되어 있으므로, 상기 기능유니트(200)로부터 공급되는 냉매는 각각의 실내열교환기(420)로 분배된다. 그리고, 상기 실내열교환기(420)로 유입되는 냉매는 상기 다수의 실내팽창장치(430)를 통과한다.
상기 실내팽창장치(430)를 통과하는 냉매는 저압으로 되어 상기 실내열교환기(420)로 유입되며, 이러한 실내열교환기(420)에서는 열교환이 일어난다. 즉 상기 실내열교환기(420) 내부를 유동하는 냉매와 실내공간의 공기 사이에 열교환이 일어나게 되며, 이때 상기 실내열교환기(420)는 증발기의 역할을 하게 되므로, 상기 냉매는 실내 공기의 열을 빼앗게 된다.
이와 같이 상기 실내열교환기(420)를 통과하면서 냉매는 증발하여 기체 상태로 되고, 실내공간은 열을 빼앗겨 냉방된다. 이는 상기에서 설명한 '축열냉방모드' 시의 실내유니트(400)에서의 작용과 동일하다. 따라서, 이때에도 상기 각각의 실내공간에서는 냉방과 냉장 그리고 냉동이 가능하게 된다.
상기 실내열교환기(420)에서 토출되는 냉매는 상기 실내저압유로(412)에 의해 안내되어 상기 실내저압연결부(260)를 통해 상기 기능유니트(200)로 유입된다.
이때 상기 차폐밸브(270)는 개방되어 있으며, 상기 제1밸브(216)는 냉매가 상기 보조유로(210)로 흘러가지 않도록 차단한다. 따라서 상기 기능유니트(200)로 유입된 냉매는 상기 기능저압연결부(220)와 실외저압연결부(160)를 통해 상기 실외유니트(100)로 유입된다.
상기 실외유니트(100)로 유입된 냉매는 상기 사방밸브(140)를 거쳐 상기 어큐뮬레이터(130)로 안내된다. 상기 어큐뮬레이터(130)에서는 액체 상태의 냉매가 걸러진다. 따라서 상기 압축기(110)로는 기체 상태의 냉매만이 유입된다.
이와 같은 과정에 의해 '직접냉방모드'의 사이클이 완성된다.
도 5에는 도 4c를 참조하여 설명한 바와 같은 냉방모드에서의 p-h선도가 개략적으로 도시되어 있다. 즉 이상적인 상태에서의 p-h선도가 개략적으로 도시되어 있다.
여기서 '1'과 '2'는 상기 압축기(110) 전후의 상태를 나타내고 있으며, '2'와 '3'은 응축기 역할을 하는 상기 실외열교환기(120)의 입구와 출구의 상태를 나타낸다. 즉 상기 압축기(110)에서는 냉매의 압력이 상승하게 되며, 상기 실외열교환기(120)에서는 열교환이 일어나는 동안 압력의 변화는 없으며, 온도 변화에 의해 엔탈피(h)가 변화된다.
그리고, '3'부터 '4c' 사이는 상기 실내팽창장치(430)에 의해 냉매가 팽창되는 상태를 보여주고 있다. 즉 여기서 '4a'는 상기 제1실내팽창장치(430a)를 통과한 냉매의 상태이며, '4b'는 상기 제2실내팽창장치(430b)를 통과한 냉매의 상태이고, '4c'는 상기 제3실내팽창장치(430c)를 통과한 냉매의 상태이다. 상기와 같이 실내팽창장치(430)를 통과하면서 냉매는 압력이 저하된다.
한편, 상기 '5a'와 '5b' 그리고 '5c'는 상기 제1실내열교환기(420a)와 제2실내열교환기(420b) 그리고 제3실내열교환기(420c)의 출구에서의 냉매의 상태이다. 이와 같이, 증발기의 역할을 하는 상기 실내열교환기(420)를 통과하는 과정에서는 냉매의 압력 변화는 일어나지 않게 되며, 이 과정에서는 냉매의 온도 증가에 의해 엔탈피(h)가 증가한다.
한편, 상기의 설명에서는 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치가 냉방을 위해 사용되는 경우를 예로 설명하였으나, 이러한 냉방을 위한 경우 외에 난방을 위해서도 사용 가능하다.
즉 상기의 예에서는 냉방을 위해 야간에 상기 축열유니트(300)의 축열조(310)를 냉방축열조로 사용하여 축열물질을 상변화(제빙)하는 경우를 예시하고 있으나, 냉매의 흐름을 반대로 하여 상기 축열조(310)가 난방축열조로 이용되도록 할 수 있다.
이렇게 되면, 상기 축열조(310) 내부의 축열물질은 야간에는 고온으로 온도가 상승되어 열에너지를 축적하고, 주간에는 이러한 열에너지를 사용하여 실내공간을 난방하게 된다.
또한 상기 축열조(310)를 냉방용과 난방용으로 구분하여 각각 설치한 다음, 냉방시에는 냉방용축열조를 사용하고 난방시에는 난방용축열조를 사용하도록 구성할 수도 있다.
이와 같은, 냉방 및 난방 시스템의 작동원리는 일반적인 냉난방 에어콘의 사용원리와 동일하므로 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어, 상기의 실시예에서는 상기 단일 압축기(110)에 의해 냉매가 압축되는 경우를 예시하고 있으나, 이와 같이 압축기(110)를 하나만 사용하지 않고 2 이상의 압축기를 사용하여 다단압축을 수행하도록 구성할 수도 있다. 즉 3개의 압축기를 사용하여 제1실내열교환기(420a)나 제2실내열교환기(420b) 그리고 제3실내열교환기(420c)를 통과한 냉매를 각각 압축하도록 구성하는 것도 가능할 것이며, 도 6은 이와 같이 3개의 압축기를 사용하는 경우의 p-h선도를 개략적으로 보인 것이다.
여기서, '1c'와 '2c', '1b'와 '2b', 그리고 '3a'와 '3c'는 각각의 압축기 입구와 출구의 상태가 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 축열식 공기조화 장치에서는, 실외유니트와, 실내유니트, 축열유니트 그리고 기능유니트가 각각 별개로 구성되어 서로 연결 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 각 유니트의 분리와 결합이 용이하므로, 결국 사용편의성이 증대되는 효과가 있다. 즉, 기능유니트와 축열유니트의 분리와 결합이 용이하므로, 기존의 공기조화 장치에도 기능유니트와 축열유니트를 연결하여 사용할 수 있게 되는 이점이 있다.
또한, 본 발명 실시예의 냉방모드에서는 다수의 실내열교환기가 각각 다른 증발온도를 가지도록 구성되어 있다. 따라서 하나의 축열식 공기조화 장치에서 냉방은 물론 냉장 및 냉동이 동시에 수행 가능하게 되는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 열교환이 일어나는 실외열교환기와, 냉매를 압축하는 하나 이상의 압축기가 구비되는 실외유니트와;
    서로 다른 증발온도를 가지는 다수의 실내열교환기가 구비되는 실내유니트와;
    열교환이 일어나는 축열교환기가 구비되어, 에너지를 저장하는 하나 이상의 축열유니트와;
    운전조건에 따라 냉매의 흐름을 제어하는 하나 이상의 기능유니트를 포함하는 구성을 가지며;
    상기 실내유니트에 구비되는 다수의 실내열교환기는,
    냉방을 위한 실내열교환기, 냉장을 위한 실내열교환기 또는 냉동을 위한 실내열교환기를 포함하는 구성을 가지고;
    상기 다수의 실내열교환기 일측에는, 상기 실내열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내팽창장치가 2 이상이 구비됨을 특징으로 하는 축열식 공기조화 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉장을 위한 실내열교환기로 유입되는 냉매는 2 이상의 실내팽창장치를 경유하며,
    상기 냉동을 위한 실내열교환기로 유입되는 냉매는 3 이상의 실내팽창장치를 경유하는 것을 특징으로 하는 축열식 공기조화 장치.
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