KR100403017B1 - 히트펌프의 인버터 냉각장치와 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프 사이클에서 그 증발기를 통과한 저온의 일부 냉매가스를 인버터의 냉각이 필요한 부분을 통해 압축기로 바이패스시켜 인버터의 냉각이 이루어지도록 함으로써 즉, 인버터에 비해 상대적으로 매우 저온상태인 증발 냉매가스와 인버터가 열교환하여 그 인버터를 신속히 냉각할 수 있고, 히트 싱크와 냉각팬 등이 제거됨으로써 장치의 소형화와 함께 원가절감에 기여하며, 궁극적으로는 인버터와 함께 히트펌프 사이클의 성능을 최적의 상태로 유지하여 냉난방효율 향상에 기여하고자, 증발기(40)와 압축기(10)의 흡입단 사이에 전자밸브(V₁, V₂)를 연결하고, 이 밸브의 입구와 출구측을 통해 바이패스 라인(L)을 접속하면서 바이패스 라인에 인버터(50)를 경유하는 쿨링 튜브(60)를 포함하여, 저온인 증발기(40) 출구의 냉매가스를 인버터(50)의 내부를 통해 흐르도록 함으로써 냉각이 신속할 뿐만 아니라 통상적인 큰 부피의 히트 싱크와 냉각팬 등이 제거되어 장치를 소형화함과 동시에 제품의 원가절감에 기여하며, 또한 효율적인 냉각에 의해 인버터와 압축기의 성능을 최상으로 유지시켜 히트펌프 사이클의 냉난방효율을 극대화시키는 것은 물론, 증발기를 통과한 냉매가스 중에 혼재한 액상냉매가 인버터의 냉각이후 완전히 증발된 상태에서 압축기에 완전가스의 과열상태로 유입되므로 결과적으로 압축기의 성능 안정성과 과부하 방지에 따른 내구성 향상에 기여하는 효과가 있다.

Description

히트펌프의 인버터 냉각장치와 냉각방법{An inverter cooling device and process of heat pump}

본 발명은 인버터냉각장치 및 냉각방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트펌프의 난방사이클에서 증발을 마치고 압축기에 흡입되기 이전의 저온상태인 냉매가스를 이용하여 고온상태인 인버터와 열교환하여 그 인버터를 신속히 냉각할 뿐만 아니라 보다 광범위한 냉각범위를 제공하고, 히트 싱크와 냉각팬 등이 제거하여 장치를 소형화함과 동시에 제품의 원가절감에 기여하며, 아울러 증발기를 통과한 냉매가스 중에 혼류하는 액상냉매가 인버터의 냉각이후 완전히 증발된 상태에서 압축기에 완전가스의 과열상태로 유입되도록 함에 따라 압축기의 성능 안정성과 과부하 방지에 따른 내구성 향상 및 냉난방효율을 극대화시키도록 된 히트펌프의 인버터 냉각장치와 그 냉각방법에 관한 것이다.

일반적으로 인버터를 채택한 히트펌프는 상용 교류전압을 정류하여 이를 직류로 변환하고 직류전압을 다시 교류로 변환하여 냉방조건 또는 히트펌프 사이클의 부하량이나 외부온도 등의 부하조건에 따라 주파수나 전압을 가변시키는 것으로, 즉 주파수값의 변화에 따라 압축기의 회전수를 가감 변화시켜 냉난방 능력을 가변시킴으로써 이에 따른 소비전력의 절감과 절전 냉난방운전에 기여하게 되는데, 이 과정에서 특히 고전압이 발생하는 인버터의 스위칭부 등에서 열이 많이 나기 때문에 신속한 방열을 필요로 하게 되며, 인버터의 냉각은 통상적으로 히트 싱크와 팬을 이용한 공랭방식으로 송풍에 의해 내부의 열원을 강제로 외부로 배기함으로써 이루어진다.

도 1은 일반적인 히트펌프 시스템의 인버터 냉각구조를 나타낸 것으로, 냉매를 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축하는 압축기(10)와, 이 압축기(10)에 그 구동주파수를 출력하는 인버터(110)가 연결되어 있고, 인버터(110)에는 그 열원을 흡열할 수 있는 알루미늄 재질의 히트 싱크(111)가 부착되면서 이 히트 싱크(111) 로부터의 열량을 외부로 방출할 수 있도록 그 일측에 다수의 냉각팬(112)이 설치되어 있다.

상기 압축기(10)의 출구측은 난방운전시의 실내기로서 과열된 냉매가스와 열교환하여 난방열량을 방출하고 냉매를 고온ㆍ고압으로 액화하는 응축기(20)가 연결되며, 상기 응축기(20)에는 냉매를 중온ㆍ중압으로 교축ㆍ감압시키기 위한 팽창밸브(30)가 연결되고, 또한 팽창밸브(30)는 난방시의 실외기인 증발기(40)에 연결되면서, 증발기(40)는 저온ㆍ저압의 액상냉매를 귀환시키도록 압축기(10)의 흡입단에 연결되어 1회의 난방사이클을 형성하도록 구성되어 있다.

이러한 일반적인 히트펌프 사이클은 압축기(10)가 구동되면 등엔트로피하에서 냉매가 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축되고, 압축된 냉매가스는 과열증기 상태로 응축기(20)에 유입되어 등온-등압하에서 응축기(20)를 흐르는 고온의 냉매가스와 외부공기와의 열교환이 이루어지면서 난방을 행하고, 난방을 마친 고온ㆍ고압의 액상냉매는 팽창밸브(30)를 통해 저온ㆍ저압의 냉매로 교축ㆍ감압된 상태로 압축기(10)의 흡입측으로 회수되어 1회의 난방사이클을 완료하게 되며, 이 과정중에 인버터(110)에서 발생하는 열은 냉각팬(112)과 히트 싱크(111)의 열량의 대류배기에 의해 냉각을 행하게 된다.

그러나 이와 같은 인버터 냉각방식은 인버터 각 부분의 대량의 열량을 흡열시켜야 하므로 히트 싱크(111)의 부피와 중량이 대폭 증가하는 것은 물론, 더욱이이 때문에 히트 싱크의 부피는 인버터 전체의 약 70% 이상을 점유하고 있어 이로 인하여 장치의 대형화와 함께 장치의 제조공정과 제조원가가 상승하는 단점이 있다.

상기와 같은 인버터의 냉각방식은 또한 강제대류방식으로 하절기 냉방운전의 경우에 외기온도가 높은 상태에서 냉각속도와 냉각효율이 떨어질 뿐만 아니라, 결과적으로 인버터의 과부하에 의한 수명단축과 히트펌프 사이클의 정밀한 제어가 불가능하여 전체적인 히트펌프의 성능저하를 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 히트펌프 순환계에서 그 증발기를 통과한 저온의 일부 냉매가스를 인버터의 냉각이 필요한 부분을 통해 압축기로 바이패스시켜 인버터의 냉각이 이루어지도록 함으로써 즉, 인버터에 비해 상대적으로 매우 저온상태인 증발 냉매가스와 인버터가 열교환하여 그 인버터을 신속히 냉각시킬 뿐만 아니라 종래와 같은 히트 싱크와 냉각팬 등이 제거됨으로써 장치의 소형화와 원가절감에 기여하며, 궁극적으로는 인버터와 함께 히트펌프 사이클의 성능을 최적의 상태로 유지하여 냉난방효율 향상에 기여하는 인버터의 냉각장치와 방법을 제공하는데 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 통상의 히트펌프 사이클에 있어서, 증발기와 압축기의 흡입단 사이에 전자밸브를 연결하고, 이 밸브의 입구와 출구측을 통해 바이패스 라인을 접속하면서 바이패스 라인에 인버터를 경유하는 쿨링튜브를 포함시켜, 저온인 증발기 출구의 냉매가스와 고온인 인버터를 상호 열교환하여 인버터의 냉각을 실현하는 특징을 갖는다.

도 1은 일반적인 인버터형 히트펌프 시스템의 구성회로도

도 2는 본 발명 인버터 냉각장치가 구성된 히트펌프 시스템의 회로도

도 3은 본 발명 인버터 냉각에 따른 플로우 챠트

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 압축기 20 : 응축기

30 : 팽창밸브 40 : 증발기

50, 110 : 인버터 60 : 쿨링 튜브

70 : 마이컴 112 : 냉각팬

111 : 히트 싱크 V₁, V₂: 밸브

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 인버터냉각장치가 구성된 히트펌프 시스템의 회로도를 나타낸 것으로, 냉매를 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축하는 압축기(10)와, 이 압축기(10)에 그 구동속도를 가감할 수 있도록 가변주파수를 출력하는 인버터(50)가 연결되고, 상기 압축기(10)의 출구측은 난방운전시의 실내기로서 과열된 냉매가스와 열교환하여 난방열량을 방출하면서 냉매를 고온ㆍ고압으로 액화하는 응축기(20)가 연결되며, 상기 응축기(20)에는 냉매를 중온ㆍ중압으로 교축ㆍ감압시키기 위한 팽창밸브(30)가 연결되고, 또한 팽창밸브(30)는 난방시의 실외기인 증발기(40)에 연결되면서, 증발기(40)는 저온ㆍ저압의 액상냉매를 귀환시키도록 압축기(10)의 흡입단에 연결되어 1회의 난방(냉방)사이클을 형성하도록 구성된다.

상기 냉난방 사이클의 인버터(50)가 압축기(10)의 가감속 구동을 위하여 부하에 따른 지속적인 가변주파수를 출력함에 따라 많은 발열을 수반하게 되는데, 본 발명은 이러한 인버터(50)의 신속하고 효율적인 냉각을 위하여 히트 싱크와 같은 대류방식을 배제하고 냉난방 사이클의 순환계를 이용하였다.

즉, 증발기(40)를 통과한 저온의 냉매와 인버터(50)의 고온의 열량을 열교환하고, 그 열교환된 냉매가스를 압축기(10)로 회수시키도록 하되, 이를 위해증발기(40)와 압축기(10) 사이에 흡입조정밸브(V₁)를 연결하여 압축기(10)에 흡입되는 냉매량을 조절할 수 있도록 하고, 상기 흡입조정밸브(V₁)의 입구와 출구 사이에 바이패스 라인(L)을 연결하여 증발기(40) 출구의 일부의 냉매를 도피시킬 수 있도록 구성된다.

상기 바이패스 라인(L)은 인버터(50)의 내부를 회류하여 열교환하는 쿨링 튜브(60)를 포함하며, 이 쿨링 튜브(60)는 시스템의 필요로 하는 레이 아웃에 따라 인버터(50)내에서의 위치를 설정함과 아울러, 냉각용량에 따라 그 방열면적과 크기 및 수량을 변경할 수 있으며, 본 발명에서 그 적용범위가 한정되는 것은 아니다.

바이패스 라인(L)에는 그 쿨링 튜브(60)의 이전에 바이패스 밸브(V₂)가 연결되어 바이패스 라인(L)을 흐르는 냉매가스의 양을 조절할 수 있도록 하고, 상기의 밸브(V₁)(V₂)들은 마이컴(70)에 의해 그 개폐량이 최적의 상태로 연동 조정되도록 하였다.

따라서 본 발명의 인버터 냉각장치는 도 2와 같이 난방사이클에서, 바이패스 밸브(V₂)가 닫혀진 상태에서 압축기(10)가 구동되면 등엔트로피하에서 냉매가 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축되고, 압축된 냉매가스는 과열증기 상태로 응축기(20)에 유입됨과 아울러 등온-등압하에서 응축기(20)를 흐르는 고온의 냉매가스와 외부공기와의 열교환이 이루어지면서 난방을 행하고, 난방을 마친 고온ㆍ고압의 액상냉매는 팽창밸브(30)를 통해 비가역적으로 교축ㆍ감압되면서 증발기(40)로부터 저온ㆍ저압의 완전한 기상으로 증발이 이루어진 상태로 압축기(10)의 흡입단에 회수되어 1회의 난방사이클을 완료하게 된다.

상기 난방 사이클의 운전직후 인버터(50)의 냉각이 이루어지게 되는데, 인버터(50)의 소정한 위치의 온도값(T₂)과 증발기(40)를 통과한 냉매가스의 온도값(T₁)의 검출신호가 마이컴(70)에 인가되면, 마이컴(70)은 온도값(T₂)과 설정값(T₀)을 비교하고, 온도값(T₁)(T₂)을 비교하여, T₂T₀, T₂T₁이면 바이패스 밸브(V₂)를 개방하여 저온의 일부 냉매가스가 바이패스 라인(L)과 그 쿨링 튜브(60)를 통해 흐름과 동시에 인버터(50)를 냉각하고, 냉각을 마친 냉매는 일부 액화된 상태로 흡입조정밸브(V₁)를 통과한 냉매가스와 합류하여 압축기(10)로 흡입ㆍ회수된다.

증발기(40)의 출구를 통과한 냉매가스 중에는 미세한 액상의 냉매가 혼류하고 있으나, 이러한 액냉매는 인버터(50)의 냉각을 완료함과 동시에 완전히 증발되고 또한 압축기(10)로의 흡입시 완전가스의 과열상태로 유입됨으로써 압축기(10)의 성능 안정성과 과부하 방지에 따른 내구성 향상에 기여하게 된다.

한편, 인버터(50)의 냉각이 충분히 이루어지거나 또는 증발기(40)측의 냉매온도(T₁)가 인버터(50)의 온도(T₂)와 같거나 그보다 높으면 바이패스 밸브(V₂)가 닫혀지면서 냉매가스의 전량이 흡입조정밸브(V₁)를 통해 압축기(10)로 회수된다.

이처럼 본 발명은 증발기(40)를 통과한 저온의 냉매가스 일부를 이용하여 인버터(50)를 냉각함으로써 보다 신속하고 폭넓은 범위에 걸쳐 냉각을 행할 수 있음은 물론, 인버터(50)의 성능을 최적으로 유지하여 궁극적으로 히트펌프 사이클의 성능안정성과 성적계수향상에 기여하게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명은, 증발을 마치고 압축기에 흡입되기 이전의 저온상태인 냉매가스를 이용하여 고온상태인 인버터와 열교환하여 그 인버터의 냉각을 행함으로써 냉각이 신속히 이루어질 뿐만 아니라 보다 광범위한 냉각범위를 제공하며, 별도로 큰 부피를 갖는 히트 싱크와 냉각팬 등이 제거됨으로써 장치를 소형화함과 동시에 제품의 원가절감에 기여하고, 또한 효율적인 냉각으로 최적의 성능을 발휘하는 인버터와 그에 따른 압축기에 의해 히트펌프 사이클의 냉난방효율을 극대화시키며, 아울러 증발기를 통과한 냉매가스 중에 혼재한 액상냉매가 인버터의 냉각이후 완전히 증발된 상태에서 압축기에 완전가스의 과열상태로 유입되어 결과적으로 압축기의 성능 안정성과 과부하 방지에 따른 내구성 향상에 기여하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 인버터-압축기-응축기-팽창기구-증발기의 순환계로 되는 난방 히트펌프에 있어서, 상기 증발기와 압축기 사이에 연결된 바이패스 라인; 상기 인버터를 경유하도록 바이패스 라인에 연결되어 증발기로부터의 냉매와 인버터의 열교환을 행하고 열교환된 냉매가스를 압축기에 흡입시키는 쿨링 튜브, 상기 바이패스 라인의 입구에 설치되어 인버터의 냉각조건에 따라 바이패스 냉매유량을 제어하는 바이패스 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 인버터 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 냉매유량제어를 위해 증발기와 압축기 사이에 바이패스 밸브와 병렬로 흡입조정밸브가 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 인버터 냉각장치.
3. 압축-응축-팽창-증발의 사이클을 갖고 압축과정을 인버터로 제어하는 난방 히트펌프에 있어서, 상기 증발된 냉매온도(T₁)와 인버터의 냉매온도값(T₂)을 비교하는 단계, T₂T₁일 때에 증발된 냉매의 일부를 바이패스시켜 인버터를 통해 열교환하는 단계, 열교환된 냉매가스를 압축기에 흡입시키는 단계로 된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 인버터 냉각방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 히트펌프의 구동초기로부터 T₂T₁의 시점까지 냉매의 바이패스는 차단된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 인버터 냉각방법.