KR100430278B1 - 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기 - Google Patents

Abstract

개시된 히트파이프(heatpipe)를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기는 환기구, 급기구, 흡기구 및 배기구가 마련된 케이싱 본체와, 환기공기와 외부공기와의 열교환을 위한 히트파이프와, 냉매를 압축하는 압축기와, 공기를 냉각시키는 직접팽창코일과, 상기 흡기구와 배기구를 통과하는 공기간의 열교환을 위한 보조히트파이프를 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성의 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기는 냉난방과 제습 및 환기를 모두 할 수 있는 일체형의 시스템이므로 설치공간을 줄일 수 있고, 공기조화를 위한 비용을 절약할 수 있을 뿐 아니라, 히트파이프를 이용한 열교환 및 보조히트파이프를 이용한 배기의 열을 재생시킴으로써 열효율이 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기{Air Conditioner Applying Heatpipes}

본 발명은 히트파이프(heatpipe)를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기에 관한 것으로서, 특히 히트파이프 및 보조히트파이프를 이용한 공기조화기에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화기란 냉동기나 보일러에서 만들어진 차갑거나 더운 공기를 필터로 거르고 습도를 조절해서 적절한 온도로 혼합해 덕트(duct)를 통해서 공급해 주는 장치를 말한다.

공기조화기는 일정한 공간을 인간이 활동하기에 알맞은 온도, 습도 및 기류분포로 조절하고, 동시에 공기 속의 먼지 등을 제거한다.

쾌적한 실내온도는 인간의 감각에 의한 것으로 미묘하나, 여름철에는 외부공기와의 기온 차가 5~6℃ 정도이고, 실내온도 25~29℃, 습도 60~70%, 겨울철에는 실내온도 18~21℃, 습도 55~70% 정도가 적절하다.

이러한 공기조화기의 원리는 냉동기나 냉장고처럼 액체가 증발할 때 주위에서 열을 빼앗는 증발열을 이용한 것으로, 냉매로는 저온에서도 증발하기 쉬운 액체가 사용된다.

기본 구조는 밀봉된 철제용기 속에 전동기와 압축기가 직결되어 있어서, 전동기로 압축기를 회전시키면 냉매가 압축되는 형태로 되어 있으며, 상기 압축기는 왕복운동식과 로터리(rotary)식으로 분류될 수 있다.

응축기는 냉매가 가진 열을 공기 속으로 발산시켜 냉각 액화하는 작용을 하고, 캐필레리 튜브(capillary tube)는 응축기에서 나오는 고압의 액상냉매를 압력을 낮추어 다음 증발기에서 증발하도록 하는 장치이다.

증발기의 구조는 응축기와 거의 같으며, 압축된 냉매는 여기서 증발하여 주위에서 열을 빼앗음에 따라 증발기 표면에 접촉한 공기의 온도는 내려가고, 공기 속의 수분은 증발기의 표면에 물방울이 되어 제거된다.

송풍기 계통은 능률적으로 열교환을 하기 위해 강제적으로 공기를 보내는 것이다.

형식에는 대형 건물에 사용되는, 주요 장치를 중앙에 놓고 그 곳에서 덕트(duct)로 각 실내의 냉난방을 하는 중앙집중식이 있으며, 가정 또는 사무실 등에서 사용되는 소형의 유닛식으로 나누어 볼 수 있다.

종래의 냉난방 겸용 공기조화기로는 냉방용 냉매사이클과 히터(heater)를 겸비한 구조와, 실외측 열교환기와 실내측 열교환기를 구비하고, 방향절환밸브를 이용하여 냉매의 흐름을 전환시켜서 실내측 열교환기를 냉방 시에는 증발기로 사용하고, 난방 시에는 응축기로 사용하여 실내에 열을 방출하도록 한 히트펌프(heat pump)식 공기조화기가 알려져 있다.

종래의 히트펌프식 공기조화기는 도 1에 도시된 바와 같은 구조가 일반적으로 채택되었다.

도면을 참조하면, 케이스(10)에는 실내측 급기토출구(11)와 실내측 공기흡입구(12) 및 실외측 토출구(13)와 실외측 흡입구(14)가 서로 대향하는 위치에 형성되어 있고, 상기 실내측 급기토출구(11)와 실외측 배기토출구(13)는 격벽(25)에 의해 서로 구획되어 있고, 상기 실내측 급기토출구(12)와 실외측 흡입구(14)는 격벽(26)에 의해 상호 구획되어 있다.

그리고, 상기의 토출구(11,13)와 흡입구(12,14) 사이에는 각각 댐퍼(31~38)에 의해 구획되어 있는 열교환실(20)이 형성되어 있으며, 이 열교환실(20)은 다시 수평 배치된 격판(21)에 의해 상하로 구획되어 상부 열교환실(22)에는 증발기(2)가 배치되어 있고, 하부 열교환실(28)에는 응축기(3)가 배치되어 있다.

상부 열교환실(22)의 증발기(2)에서 발생된 응축수는 격판(21)에 형성된 적절한 드레인라인을 따라 하부 열교환실(23)의 응축기(3)로 낙하된다.

또한, 상기 댐퍼(31~38)들은 다수의 블라인드 형태로 이루어져 있으며, 수동으로 조작되도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 냉난방 겸용 공기조화기의 작용을 냉방모드와 난방모드로 구분하여 설명한다.

냉방모드를 설명하면, 실내공기루트와 증발기(2) 사이에 형성된 댐퍼(31,33)와 실외공기루트와 응축기(3) 사이에 형성된 댐퍼(36,38)를 개방하고, 나머지 댐퍼(32,34,35,37)를 닫으면, 증발기(2)를 거쳐서 냉각된 실내공기는 실내공기 토출구(11)를 통해 실내로 흐르고, 실내에서 가온된 공기는 실내공기 흡입구(12)를 통해 증발기(2)로 흐르게 된다.

한편, 실외공기 흡입구(14)를 통해 유입된 외부공기는 응축기(3)를 거치면서 열을 흡수하여 실외공기토출구(13)를 통해 외부로 배출되어 실내의 냉방이 이루어진다.

다음으로, 난방모드를 설명하면, 전술한 냉방모드와 반대로, 실내공기루트와 응축기(3) 사이에 형성된 댐퍼(32,34)와 실외공기루트와 증발기(2) 사이에 형성된 댐퍼(35,37)를 개방하고, 나머지 댐퍼(31,33,36,38)를 닫으면, 응축기(3)를 거쳐서 가온된 실내공기는 실내공기토출구(11)를 통하여 실내로 흐르고, 다시 실내공기흡입구(12)를 통해 응축기(3)로 흐르게 된다.

한편, 실외공기흡입구(14)를 통해 유입된 차가운 외부공기는 증발기(2)를 거치면서 열을 빼앗긴 후, 실외공기토출구(13)를 통해 외부로 배출되어 실내의 난방이 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 공기조화기는 냉방에는 큰 문제없이 사용되고 있으나, 난방시 외기 온도가 영하로 내려갈 경우에는 외기의 차가운 공기로 증발압력을 유지하여야 하는 문제로 인하여 난방열량이 부족한 문제가 있었다.

또한, 이의 해결을 위해 전기보조코일을 사용함으로써, 전력사용비용이 증가되는 문제점이 있었고, 냉동기의 용량이 대용량이나 환기가 전외기 방식에는 사실상 사용이 불가능하다는 문제점이 있었다.

또한, 배기풍량이 많아야 하므로 공기조화실 내에서 덕트가 차지하는 비율이 높고, 영하의 기온에서는 30% 이상의 환기가 불가능하였고, 냉방 시 응축기 부분의 응축온도를 낮추기 위한 풍량의 증가로 소음이 크게 발생되는 문제점도 있었으며, 동절기 영하의 기온으로 증발기 측의 제상으로 난방효율이 저하되는 문제점도 있었다.

또한, 뜨거운 가스를 이용한 제상을 빈번하게 수행하여야 하므로 장비의 잦은 정지로 인해 전력의 낭비와 장비의 수명이 저하되는 문제가 있었으며, 송풍기 2대가 수평으로 설치되므로 설치면적이 증가되는 문제점도 있었다.

한편, 이와 같은 냉난방 겸용 공기조화기의 예는 국내 특허공개 제2000-0032459호와 미국특허 제4065938호에 개시된 바 있다.

먼저, 국내 특허공개 제2000-0032459호에 개시된 열재생사이클을 이용한 냉난방겸용 열펌프시스템은 도 2에 개시되어 있다.

도면을 참조하면, 실내공기덕트(40)와 외부공기덕트(42)의 연통부에 내장되어 있고 상기 연통부 사이를 순환하는 열재생수단(44)과, 상기 덕트(40,42)에 각기 제공된 증발기(45,46)와, 상기 증발기(45,46)와 연통되도록 제공된 압축기(47)와, 상기 압축기(47)에 의해 가압된 냉매를 분기관을 통해 증발기(45,46) 사이에서 순환되도록 하고 분기관을 개폐하도록 하는 다수의 솔레노이드 밸브(51~56)와, 팽창밸브(60,61) 및 냉난방 절환밸브(62)를 포함하여 구성된다.

또한 상기 실내공기덕트(40)의 토출 측과 상기 외부공기덕트(42)의 토출 측에 각기 제공된 송풍기(63,64)를 더 포함하기도 한다.

그러나 이러한 공기조화기 역시, 도 1에서 설명한 구조와 마찬가지로 냉난방시 효율이 떨어지고, 외부공기의 토출 또는 실내공기의 토출의 경우에 남아있는 열을 회수하는데 있어 한계를 가지게 된다는 단점을 가지고 있다.

또한, 미국특허 제4065938호에 개시된 히트파이프를 적용한 공기조화기는 도 3에 개시되어 있다.

도면을 참조하면, 상기 히트파이프를 적용한 공기조화기는 내부 히트파이프(71)와, 외부 히트파이프(72)와, 압축기(70)와, 컨트롤밸브(75)와, 냉난방을 위해 운전되도록 구성되는 파이프(76)를 포함하여 구성된다.

과열히트파이프(73)는 난방모드에서 외부 열교환기(72)로부터 냉매를 공급받고, 과열증기로 만들어 상기 압축기(70)로 들어가는 냉매와 열교환을 하게 된다.

상기에 개시된 히트펌프타입의 공기조화기는, 제상기능을 갖춘 공기조화를 하는 시스템을 개시한 것뿐이며, 상기한 문제점을 해결할 수 있는 구조는 가지고 있지 않다.

따라서 상기한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 냉난방겸용 공기조화기가 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 냉난방 및 제습기능을 갖춘 일체형의 공기조화기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보조히트파이프를 이용하여 배기되는 배기의폐열을 재생시킴으로써, 난방시 외기 온도가 영하로 내려갈 경우에는 외기의 차가운 공기로 증발압력을 유지하여야 하는 문제로 인하여 난방열량이 부족한 문제를 해결하고, 열효율이 높은 냉난방겸용 공기조화기를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 어떤 다른 에너지의 소비 없이 외부공기를 흡입하고 실내공기를 배출함으로써 실내공기를 환기할 수 있는 공기조화기를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 일반적인 냉난방겸용 공기조화기의 사시도.

도 2는 국내 특허공개 제2000-32459호에 개시된 종래의 냉난방겸용 공기조화기의 단면도.

도 3은 미국특허 제4065938호에 개시된 종래의 히트파이프 적용 공기조화기의 계통도.

도 4a는 본 발명에 의한 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기의 난방모드의 단면도.

도 4b는 도 4a에 도시된 공기조화기의 냉방모드의 단면도.

도 4c는 도 4a에 도시된 공기조화기의 냉방 및 제습모드의 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 히트파이프 적용 공기조화기의 다른 실시예에 의한 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 케이싱 본체 110 : 프리필터

120 :열교환코일 130 : 미디엄필터

140 : 송풍팬 150 : 히트파이프

200 : 환기구 210 : 급기구

220 : 흡기구 230 : 배기구

400 : 직접팽창코일 410 : 배출팬

420 : 응축수 배출구 430 : 필터

500 : 압축기 600,610,620,630,640,650,660 : 댐퍼

700 : 보조히트파이프

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉난방 및 제습, 환기를 위한 공기조화기로서, 환기구, 급기구, 흡기구, 배기구가 마련된 케이싱 본체와, 환기공기와 외부공기와의 열교환을 위한 히트파이프와, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 증발시키는 직접팽창코일과, 상기 흡입구와 배기구의 사이에서 열교환을 할 수 있는 보조히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4a, 4b, 4c, 4d는 본 발명에 따른 냉난방겸용 공기조화기의 일 실시예를 도시한 것이다.

본 발명인 냉난방겸용 공기조화기는 냉방, 난방, 제습 또는 환기를 하나의 공기조화기를 통해 할 수 있는 시스템으로서, 환기구, 급기구, 흡기구 및 배기구가 마련된 케이싱 본체와, 환기공기와 외부공기와의 열교환을 위한 히트파이프와, 흡입공기를 압축하는 압축기와, 냉매를 증발시켜 공기를 냉각시키는 직접팽창코일과,상기 흡입구와 압축기의 사이에 보조히트파이프를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 히트파이프를 중심으로 일 방향으로는 실내공기를 토출하는 환기구와, 환기구를 통해 들어오는 실내공기를 필터링하는 프리필터(pre-filter)와, 예열된 환기를 냉각 또는 가열시키는 열교환코일과, 환기를 필터링하는 미디엄필터(medium filter)와, 실내로의 급기를 위한 급기팬과, 환기를 다시 실내로 급기하는 급기구를 포함하고, 상기 히트파이프를 중심으로 다른 방향으로는, 외부공기를 케이싱 본체 내부로 유입시키는 흡입구와, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 증발시키는 직접팽창코일과, 상기 흡입구와 압축기의 사이에 보조히트파이프를 포함한다.

기타 상세한 구조는 이하에 각 모드별 작동을 기술하면서 설명하기로 한다.

도 4a는 실내가 난방부하가 필요할 때, 난방을 위한 난방모드를 도시한 것이다.

실내에 난방이 필요할 때, 환기구(200)를 거쳐 유입되는 환기공기(R/A)는 프리필터(110)를 거친 후 히트파이프(150)의 전단에 설치되는 열교환코일(120)을 경유하여, 미디엄필터(130)를 통과한 후, 급기구(210)로 급기된다.

즉, 환기공기는 상기 열교환코일(120)이 컨덴서코일의 역할을 하게 되고, 따라서 냉매의 응축열을 빼앗아 온도가 상승하게 되고, 송풍팬(140)에 의해 급기구(210)를 통과하여 실내로 들어가게 됨으로써 실내공기의 온도를 높인다.

이때 환기공기의 흐름을 상기 열교환코일(120)로 유도하기 위하여 히트파이프(150) 전단의 댐퍼(600,610)는 닫히게 된다.

한편, 외부공기의 흡기구(220) 앞에 형성된 댐퍼(650)가 열림에 따라, 신선한 외부공기(O/A)는 흡기구(220)를 통하여 케이싱 본체(100)의 내부로 유입된다.

상기의 외부로부터의 도입 공기는 직접팽창코일(400)에서 냉매가 증발하는 과정으로부터 열을 빼앗기고, 배기구(230) 앞에 설치되는 댐퍼(640)가 열려, 배기구(230)를 통해 외부로 배기된다.

한편, 겨울철 난방부하의 발생 시, 상기 직접팽창코일(400)이 외기와 열교환해서 열을 잃으려면 외기온도가 높아야 하는데, 겨울의 외기 온도는 영하의 온도가 되므로 도입되는 외기의 온도를 높이는 것이 필요하다.

상기의 문제를 해결하기 위한 수단으로, 흡기구(220)를 통과한 외부공기는 전기히터나 보조열원에 의해 가열됨으로써 온도가 상승하게 되는 것이 종래의 시스템이었으나, 이에 더하여 흡기구(220)와 압축기(500)의 사이 및 배기구(230)와 배기팬(410) 사이에 걸쳐 위치하는 보조히트파이프(700)를 설치한다.

상기 배기구(230)를 통과하는 배기(E/A)와 흡기구(220)를 통해 유입되는 외부공기(O/A)와의 온도차에 의해 상기 보조히트파이프(700)를 이용한 열교환이 가능하게 함으로써 외부공기를 예열하게 된다.

즉, 유입된 외부의 공기는 보조히트파이프(700)의 고온부를 통과하며 배기의 폐열과의 열교환을 통하여 예열되고, 직접팽창코일(400)을 거치며 열교환을 한 후에, 보조히트파이프(700)의 저온부를 통과하고, 배기팬(410)에 의하여 배기구(230)를 통하여 배기된다.

이에 따라, 외부에서 유입되는 공기가 상기 보조히트파이프를 통해 예열됨으로써 상기 직접팽창코일에서 증발하는 냉매와의 열교환 효율이 높아지게 되고, 상기 직접팽창코일(400)의 필요열량을 외부공기에 의해 취득할 수 있게 되고, 상기 열교환코일(120)의 필요열량을 충당할 수 있게 되어 전체적인 에너지효율을 높일 수 있다.

도 4b는 겨울철 외부공기가 낮은 경우, 실내에 냉방부하가 필요할 때의 전외기 냉방모드를 도시한 것이다.

신선 외기(O/A)를 외부로부터 흡기구(220)에 설치되는 댐퍼(650)가 열리고, 상기 흡기구(220)를 통하여 외부공기가 직접 실내로 공급되고, 송풍팬(140)에 의해 직접 외부공기가 실내로 공급되게 된다.

한편, 환기공기(R/A)는 프리필터(110)를 거친 후, 배출팬(410)에 의해 외부로 배기됨으로써, 실내의 오염이 있는 경우 신선 외기가 필요할 때, 별도의 동력의 투입 없이 냉방이 가능해 진다.

즉, 상기 흡기구(220)로부터 외부공기를 도입하여 급기구(210)를 통하여 동력의 소모 없이 실내를 냉방시킬 수 있으며, 또한 실내의 공기를 외부공기와의 순환을 통해 환기를 시킬 수 있게 된다.

도 4c는 실내에 냉방제습부하가 필요한 때의 냉방제습모드를 도시한 것이다.

여름에 냉각제습부하가 발생하면 환기구(200)를 통해 케이싱 본체(100) 안으로 들어온 환기공기는 프리필터(110)를 거친 후, 히트파이프(150)의 저온부인 하단부에 접하여 공기가 1차 예냉되고, 다시 직접팽창코일(400)에서 제습된 후송풍팬(140)에 의해 급기구(210)를 통하여 실내로 공급된다.

한편, 외부공기는 흡기구(220)를 통과하여 케이싱 본체(100) 내로 급기되고, 히트파이프(150)의 고온부를 경유하며 실내온도에 적당하도록 온도가 상승하고, 실내에 필요한 적정상태의 공기가 되어 실내로 공급된다.

즉, 열교환코일(120)은 난방시에는 컨덴서코일이 되고, 냉방 시에는 직접팽창코일로 변환될 수 있는 히트펌프시스템이므로, 난방시에 컨덴서코일이었던 것이 냉방 시는 직접팽창코일로 바뀌고, 이를 통과한 후 미디엄필터(130)를 거쳐 급기구(210)를 통해 실내로 공급되는 것이다.

상기의 구성으로 히트파이프(150)에서의 열교환을 통해 환기공기가 예냉됨으로써, 증발기의 역할을 하는 직접팽창코일(400)의 용량이 줄고, 이에 따라 재료비 및 에너지 절감의 효과를 얻게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 공기조화기는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 필요에 따라 냉방, 난방 및 제습기능을 선택하여 가동할 수 있는 일체형의 공기조화기이므로, 설치공간을 줄일 수 있고, 공기조화를 위한 비용을 절약할 수 있다.

둘째, 보조히트파이프를 이용하여 배기되는 토출공기의 폐열을 재생시킴으로써 열효율이 높은 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기를 제공하는 데 있다.

셋째, 어떤 다른 에너지의 소비 없이 외부공기를 흡입하고 실내공기를 배출함으로써 실내공기를 환기할 수 있어, 쾌적한 실내환경을 제공할 수 있다.

넷째, 난방용량이 커지고, 전외기 방식의 환기가 가능해지며, 소음이 적고, 영하의 겨울 날씨에서도 환기가 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims (4)

1. 히트파이프를 적용하는 공기조화기에 있어서,

   환기구, 급기구, 흡기구, 배기구가 마련된 케이싱 본체와;

   환기공기를 상기 배기구를 통하여 케이싱 본체의 외부로 배기하기 위한 배기팬(fan)과;

   환기공기와 외부공기와의 열교환을 위한 히트파이프와;

   냉매를 압축하는 압축기와;

   공기를 냉각시키는 직접팽창코일과;

   상기 흡입구와 배기구를 통과하는 공기간의 열교환을 위한 보조히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 히트파이프를 중심으로 일 방향으로는, 실내공기를 토출하는 환기구와, 환기구를 통해 들어오는 실내공기를 필터링하는 프리필터와, 예열된 환기를 냉각 또는 가열시키는 열교환코일과, 환기를 필터링하는 미디엄필터와, 실내로의 급기를 위한 급기팬과, 환기를 다시 실내로 급기하는 급기구를 포함하고;

   상기 히트파이프를 중심으로 다른 방향으로는, 외부공기를 케이싱 본체 내부로 도입하는 흡기구와, 냉매를 압축하는 압축기와, 공기를 냉각시키는 직접팽창코일과, 상기 흡입구와 배기구의 사이에서 열교환을 위한 보조히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   냉난방 및 제습, 환기모드에 따라 케이싱 본체 내부의 공기흐름의 방향을 조절할 수 있도록 설치되는 복수의 댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 보조히트파이프는 상기 배기팬과 배기구 사이 및 흡기구와 압축기 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 에너지 절약형 폐열회수 공기조화기.