KR100528292B1

KR100528292B1 - 히트펌프식 공기조화기

Info

Publication number: KR100528292B1
Application number: KR10-2004-0031440A
Authority: KR
Inventors: 구라치마사오; 김준형
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-11-15
Also published as: KR20050106260A

Abstract

본 발명은 실외 열교환기 측에서 냉매의 흡열량을 증가시켜 난방효율이 높은 히트펌프식 공기조화기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 압축기와, 실내 열교환기와, 팽창밸브와, 실외 열교환기가 냉동사이클을 이루도록 순차로 배열되고, 이들 사이의 냉매순환 방향을 전환하기 위한 4방밸브를 구비하는 히트펌프 사이클과;

상기 실외 열교환기를 우회하는 분기관과;

상기 분기관을 지나는 냉매를 가열하기 위한 CO₂냉동사이클을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프식 공기조화기{HEAT-PUMP TYPE AIR CONDITIONER}

본 발명은 히트펌프식 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 겨울철 난방운전시 실외 온도가 영하 이하의 매우 낮은 온도일 때 발생하는 난방효율 저하를 방지하기 위한 냉매가열장치에 관한 것이다

히트펌프식 공기조화기는 여름철 냉방뿐만 아니라 겨울철의 난방도 겸할 수 있도록 냉동사이클 상에서 냉매의 순환방향을 전환할 수 있도록 구성한 장치이다.

그 일반적인 구조는 도1에 도시된 바와 같이 기체 상태의 냉매를 압축하기 위한 압축기(11)와, 실내측 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기(12)와, 냉매를 감압하기 위한 제1,2팽창밸브(13,14)와, 실외측 공기와 열교환하기 위한 실외 열교환기(15)가 냉매배관에 의해 순차로 연결되어 하나의 폐회로를 이루도록 구성된다. 압축기(11) 측에는 압축기(11)로 흡입되는 냉매 중의 액냉매를 걸러내기 위한 어큐뮬레이터(17)와, 압축기(11)에서 흡입, 토출되는 냉매의 흡입, 토출 방향을 조절하여 냉방모드와 난방모드간의 전환을 위한 4방밸브(16)가 마련된다. 팽창밸브(13,14)는 실내 열교환기(12) 측에 마련되는 제1팽창밸브(13)와 실외 열교환기(15) 측에 마련되는 제2팽창밸브(14)를 개별적으로 마련하여 냉방시에는 제2팽창밸브(14)는 완전 개방하고 제1팽창밸브(13)로 냉매를 감압한다. 반대로 난방시에는 제1팽창밸브(13)를 완전 개방하고 제2팽창밸브(14)로 냉매를 감압하게 된다. 상기 구성에 있어서 실내 열교환기(12)와 제1팽창밸브(13)는 실내기(A)에 설치되며, 나머지는 실외기(B)에 설치된다.

여름철 냉방시의 냉매순환 방향은 점선으로 표시한 화살표 방향과 같다. 즉 압축기(11)로부터 토출되는 냉매가 실외 열교환기(15)로 흡입되도록 4방밸브(16)를 조절하여 실외 열교환기(15)에서 냉매의 응축이 일어나도록 하고, 응축된 냉매는 제2팽창밸브(14)를 지나 제1팽창밸브(13)에서 감압된 후 실내 열교환기(12)에서 증발하면서 실내 공기로부터 열을 빼앗아 냉방을 수행하게 된다. 실내 열교환기(12)를 지난 냉매는 4방밸브(16)를 지나 어큐뮬레이터(17)에 의해 액냉매가 분리된 후 다시 압축기(11)로 흡입되어 압축된다.

한편, 겨울철 난방시에는 냉매순환 방향이 실선으로 표시한 화살표 방향과 같다. 즉 압축기(11)에서 토출되는 냉매가 실내 열교환기(12)로 흡입되도록 4방밸브(16)를 조절하여 실내 열교환기(12)에서 냉매의 응축이 일어나면서 실내공기에 열을 공급하여 난방작용이 수행된다. 실내 열교환기(12)를 지난 냉매는 제1팽창밸브(13)를 지나 제2팽창밸브(14)에서 감압된 후, 실외 열교환기(15)와, 4방밸브(16)와, 어큐뮬레이터(17)를 순차로 지나 다시 압축기(11)로 흡입된다.

이처럼 냉방과 난방 기능을 겸하고 있는 히트펌프식 공기조화기에 있어서, 일반적으로 여름철 냉방시에는 효율상의 큰 문제가 없으나, 겨울철 난방시에 실외온도가 급격히 떨어지면 실외 열교환기(15)에서의 흡열량이 줄어들어 난방효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 또한 실외 열교환기(15)에서의 흡열량이 줄어들면 증발압력과 응축압력에 이상 저하가 발생하여 압축기(11)가 정상운전상태로 운전되지 못하여 압축기(11) 운전에 신뢰성이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적 중 하나는 실외 열교환기 측에서 냉매의 흡열량을 증가시켜 난방효율이 높은 히트펌프식 공기조화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 히트펌프 사이클의 증발압력과 응축압력의 이상 저하를 방지하여 압축기 운전의 신뢰성이 높은 히트펌프식 공기조화기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 압축기와, 실내 열교환기와, 팽창밸브와, 실외 열교환기가 냉동사이클을 이루도록 순차로 배열되고, 이들 사이의 냉매순환 방향을 전환하기 위한 4방밸브를 구비하는 히트펌프 사이클과;

상기 실외 열교환기를 우회하는 분기관과;

또한, 상기 CO₂냉동사이클은 CO₂냉매를 압축하기 위한 보조압축기와, 압축된 CO₂냉매와 상기 분기관을 지나는 냉매가 서로 열교환되어 상기 분기관을 지나는 냉매가 가열되도록 하기 위한 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로부터의 CO₂냉매를 감압하기 위한 보조팽창밸브와, 상기 보조팽창밸브로부터의 CO₂냉매에 열을 공급하기 위한 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다 .

또한, 상기 팽창밸브는 여름철 냉방 시에 상기 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제1팽창밸브와, 겨울철 난방 시에 상기 실외 열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제2팽창밸브를 개별적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분기관에는 상기 제1열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제3팽창밸브가 구비되고, 상기 분기관으로 흐르는 냉매 유량은 상기 제2팽창밸브와 상기 제3팽창밸브의 개도 조절을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1,2,3팽창밸브는 다단계로 개도조절이 가능한 전자팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분기관은 일단이 상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에 연결되고 타단은 상기 실외 열교환기와 상기 4방밸브 사이에 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열장치는 상기 압축기와 상기 실외열교환기가 설치되는 실외기에 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 히트펌프식 공기조화기를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 히트펌프식 공기조화기의 구성을 도시한 개략도이다. 이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 통상의 히트펌프 사이클을 구성하는 실내 열교환기(22), 실외 열교환기(25), 압축기(21) 및 제1,2팽창밸브(23,24)와 이들 사이의 냉매 순환을 위한 주냉매배관(28)을 구비한다. 압축기(21) 측에는 히트펌프 사이클의 냉매순환방향의 전환을 위한 4방밸브(26)와, 압축기(21)로 유입되는 냉매에서 액냉매를 분리하기 위한 어큐뮬레이터(27)가 구비된다. 실내 열교환기(22)와 제1팽창밸브(23)는 실내기(A)에 설치되고, 실외 열교환기(25)와, 압축기(21), 제2팽창밸브(24), 4방밸브(26), 어큐뮬레이터(27) 등은 실외기(B)에 마련된다.

상기한 구성들은 통상의 히트펌프 사이클의 구성과 동일한데, 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기에 있어서는 겨울철 난방시에 실외 열교환기(25)로 유입되는 냉매의 일부 혹은 전부를 우회시켜 냉매를 가열할 수 있도록, 실외 열교환기(25)를 우회하는 분기관(31)과, 이 분기관(31)을 지나는 냉매를 가열하기 위한 냉매가열장치(C)를 구비한다.

분기관(31)은 일단이 제1,2팽창밸브(23,24) 사이에서 분기하도록 마련되고, 타단은 실외 열교환기(25)와 4방밸브(26) 사이에서 합류하도록 마련된다. 분기관(31)에는 유입된 냉매가 감압된 후 가열되도록 하기 위한 제3팽창밸브(32)가 마련된다.

냉매가열장치(C)는 제1,2열교환기(42,44)와, 보조압축기(41)와, 보조팽창밸브(43)가 하나의 냉동사이클을 이루도록 보조냉매배관(45)에 의해 연결된다. 보조압축기(41)에서 압축된 냉매는 제1열교환기(42)에서 냉각된 후 보조팽창밸브(43)에서 감압되어 제2열교환기(44)에서 실외 공기에 의해 가열된 후 다시 압축기(21)로 흡입된다. 이 냉매가열장치(C)를 구성하는 냉동사이클에 있어서의 냉매는 CO₂를 사용하는 것을 특징으로 하는데, CO₂냉동사이클은 난방시의 성적계수(COP, Coefficient Of Performance)가 R-22와 같은 일반적인 냉매를 사용하는 냉동사이클에 비하여 높기 때문에 전체적인 효율 향상에 기여하게 된다. 냉매가열장치(C)에서 분기관(31)을 지나는 냉매의 가열은 제1열교환기(42)에서 일어난다. 즉 제1열교환기(42)에서는 분기관(31)으부터 유입된 저온의 히트펌프 사이클 냉매와, 보조냉매배관(45)에서 유입된 고온의 CO₂냉매가 서로 열교환되면서 분기관(31)의 냉매가 가열된다. 제1열교환기(42)에서 열교환되는 두 냉매는 서로 혼합되는 것이 아니라 단지 열교환을 할 뿐이다.

상기 제1,2,3팽창밸브(23,24,32)와 보조팽창밸브(43)는 필요에 따라 냉매의 유량을 조절할 수 있도록 전자팽창밸브로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 냉매가열장치(C)는 실외기(B)와 별도로 구성할 수도 있겠으나 장치를 콤팩트하게 구성하기 위하여 실외기(B)와 일체화하는 것이 바람직하다.

이하에서는 상기 실시예에 따른 히트펌프식 공기조화기의 동작을 설명한다.

여름철 냉방시에는 주로 히트 펌프 사이클 만을 이용하여 냉방을 수행하게 된다. 즉 압축기(21)에서 압축된 냉매가 실외 열교환기(25)로 보내지도록 4방밸브(26)를 조절하고, 제2팽창밸브(24)는 개방하고 제3팽창밸브(32)는 폐쇄하면 압축된 냉매는 실외 열교환기(25)에서 응축된 후 실내기(A) 측으로 보내진다. 실내기(A) 측에서는 제1팽창밸브(23)를 통해 냉매가 감압된 후 실내 열교환기(22)에서 냉매가 증발하면서 실내 공기를 냉각시키게 된다. 냉매는 다시 실내 열교환기(22)에서 4방밸브(26)를 지나 어큐뮬레이터(27)에서 액냉매가 분리된 후 다시 압축기(21)로 흡입된다. 이러한 냉매의 흐름방향이 점선으로 표시된 화살표로 나타나 있다.

한편 겨울철 난방 시에는 필요에 따라 냉매가열장치(C)를 선택적으로 사용하여 난방을 수행한다. 실외온도가 비교적 높을 경우에는 냉매가열장치(C)를 사용하지 않고 히트펌프 사이클만으로 난방을 수행하게 된다. 즉 제1팽창밸브(23)는 완전 개방하고, 제3팽창밸브(32)는 완전 폐쇄하면 냉매는 분기관(31) 측으로 순환하지 못하고 주냉매 배관을 통해서만 순환하게 된다. 이때 압축기(21)에서 압축된 냉매는 실내 열교환기(22)로 흘러가도록 4방밸브(26)를 조절한다. 실내 열교환기(22)에서는 냉매가 응축되면서 실내공기에 열을 공급하여 난방이 이루어진다. 응축된 냉매는 제2팽창밸브(24)에서 감압된 후 실외 열교환기(25)에서 증발된 후 압축기(21)로 흡입된다.

그런데 실외온도가 영하의 매우 낮은 온도로 떨어질 경우는 실외 열교환기(25)에서의 흡열량이 적기 때문에 냉매에 열을 공급하기 위한 냉매가열장치(C)가 동작하게 된다. 이때는 제3팽창밸브(32)가 개방되어 주냉매배관(28)을 순환하던 냉매가 분기관(31)을 통해서도 흐르게 된다. 즉 실내 열교환기(22)에서 응축된 냉매는 실외 열교환기(25)와 냉매가열장치(C)의 제1열교환기(42)로 흐르게된다. 이때 두 열교환기(25,42)로 보내지는 냉매의 양은 실외 온도 조건에 따라 결정되는데 실외 온도가 낮을수록 제1열교환기(42) 측으로 더 많은 양의 냉매를 보내게 된다. 이러한 냉매 유량의 조절은 제2팽창밸브(24)와 제3팽창밸브(32)의 개도를 조절함으로써 이루어지게 된다. 냉매가열장치(C)에서는 CO₂냉동사이클이 동작하게 된다. 즉 보조압축기(41)에서 압축된 CO₂냉매가 제1열교환기(42)로 유입되어 분기관(31)을 지나는 히트펌프 사이클의 냉매에 열을 공급하고 냉각된 CO₂냉매는 보조팽창밸브(43)에서 감압되어 제2열교환기(44)에서 가열된 후 다시 압축기(21)로 흡입된다. 이러한 히트펌프 사이클에서 냉매 흐름 방향이 실선으로 표시한 화살표로 나타나 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 겨울철 난방시 실외온도가 영하 이하의 매우 낮은 온도로 내려갈 때, 실외 열교환기(25)를 우회하는 분기관(31)에서 별도의 냉매가열장치(C)를 통하여 냉매를 가열하기 때문에 히트펌프 사이클의 냉매에 충분한 열이 전달 된다. 따라서 겨울철 실외 온도가 영하 이하의 낮은 온도일 때 발생하는 난방효율의 저하를 방지할 수 있다. 그리고 히트 펌프 사이클 상의 응축압력 및 증발 압력의 이상 저하가 방지 되어 압축기(21)의 신뢰성이 확보될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉매가열장치(C)의 CO₂냉동사이클은 R-22와 같이 일반적인 냉매를 사용하는 히트펌프 사이클에 비하여 성적계수가 높기 때문에 냉매가열장치(C)가 없는 히트펌프식 공기조화기에 비하여 장치의 전체적인 효율이 향상되는 효과가 있다 .

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 히트펌프 사이클 상에서 실외열교환기를 우회하는 분기관과, 이 분기관을 지나는 냉매를 가열할 수 있는 냉매가열장치를 구비하고 있어서 겨울철 실외온도가 영하로 매우 낮게 떨어지더라도 히트펌프 사이클의 난방효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 냉매가열장치를 통하여 가열된 가열된 냉매가 히트펌프 사이클에 공급되기 때문에 응축압력 및 증발압력의 이상 저하가 방지되어 압축기의 신뢰성이 확보되는 효과가 있다.

또한, 성적계수가 높은 CO₂냉동사이클을 이용하여 냉매를 가열하기 때문에 장치의 전체적인 효율이 향상되는 효과가 있다.

도1은 일반적인 히트펌프식 공기조화기의 구성을 도시한 개략도.

도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 히트펌프식 공기조화기의 구성을 도시한 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

21: 압축기 22: 실내 열교환기

23,24: 제1,2팽창밸브 25: 실외 열교환기

26: 4방밸브 27: 어큐뮬레이터

31: 분기관 32: 제3팽창밸브

41: 보조압축기 42: 제1열교환기

43: 보조팽창밸브 44: 제2열교환기

Claims

압축기와, 실내 열교환기와, 팽창밸브와, 실외 열교환기가 냉동사이클을 이루도록 순차로 배열되고, 이들 사이의 냉매순환 방향을 전환하기 위한 4방밸브를 구비하는 히트펌프 사이클과;

상기 실외 열교환기를 우회하는 분기관과;

상기 분기관을 지나는 냉매를 가열하기 위한 CO₂냉동사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제1항에 있어서,

상기 CO₂냉동사이클은 CO₂냉매를 압축하기 위한 보조압축기와, 압축된 CO₂냉매와 상기 분기관을 지나는 냉매가 서로 열교환되어 상기 분기관을 지나는 냉매가 가열되도록 하기 위한 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로부터의 CO₂냉매를 감압하기 위한 보조팽창밸브와, 상기 보조팽창밸브로부터의 CO₂냉매에 열을 공급하기 위한 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제2항에 있어서,

상기 팽창밸브는 여름철 냉방 시에 상기 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제1팽창밸브와, 겨울철 난방 시에 상기 실외 열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제2팽창밸브를 개별적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제3항에 있어서,

상기 분기관에는 상기 제1열교환기로 유입되는 냉매를 감압하기 위한 제3팽창밸브가 구비되고, 상기 분기관으로 흐르는 냉매 유량은 상기 제2팽창밸브와 상기 제3팽창밸브의 개도 조절을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제4항에 있어서,

상기 제1,2,3팽창밸브는 다단계로 개도조절이 가능한 전자팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제4항에 있어서,

상기 분기관은 일단이 상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에 연결되고 타단은 상기 실외 열교환기와 상기 4방밸브 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기.
제1항에 있어서,

상기 가열장치는 상기 압축기와 상기 실외열교환기가 설치되는 실외기에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 히트 펌프식 공기조화기.