KR102198311B1 - 공기조화시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기조화시스템에 관한 것이다. 공기조화시스템에는, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 공기조화시스템에 있어서, 상기 증발기를 유동하는 적어도 일부 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관를 포함하고, 상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 증발기를 구성하는 복수의 냉매 배관 중 적어도 어느 하나에 결합되고, 상기 바이패스 배관의 타 단은 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 배관에 결합되어, 상기 바이패스 배관은 상기 증발기에서 상변화된 기상 냉매를 상기 압축기 측으로 유동시킨다.

Description

공기조화시스템 {AIR CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 공기조화시스템에 관한 것이다.
공기조화시스템은 소정공간의 공기를 용도, 목적에 따라 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 시스템이다. 일반적으로, 공기조화시스템에는, 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기가 포함되며, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 수행하는 냉매사이클이 구동되어, 상기 소정공간을 냉방 또는 난방할 수 있다.
이때, 상기 소정공간은 상기 공기조화시스템이 사용되는 장소에 따라, 다양하게 제안될 수 있다. 예를 들어, 상기 공기조화시스템이 가정이나 사무실에서 사용되는 경우, 상기 소정공간은 집 또는 건물의 실내 공간일 수 있다. 또한, 상기 공기조화시스템이 자동차에 사용되는 경우, 상기 소정공간은 사람이 탑승하는 탑승 공간일 수 있다.
상기 공기조화시스템에는, 상기 응축기 또는 상기 증발기로 기능하는 실내 열교환기와 실외 열교환기가 포함된다. 상기 실내 열교환기는 상기 소정공간에 배치되는 실내기에 배치되며, 상기 실외 열교환기는 상기 소정공간의 외부에 배치된다.
상기 소정공간을 냉방하는 경우, 상기 실외 열교환기가 응축기 기능을 하며 상기 실내 열교환기가 증발기 기능을 수행하도록, 상기 공기조화시스템이 작동된다. 또한, 상기 소정공간을 난방하는 경우, 상기 실내 열교환기가 응축기 기능을 하며 상기 실외 열교환기가 증발기 기능을 수행하도록, 상기 공기조화시스템이 작동된다.
이때, 상기 실외 열교환기는 상기 소정공간의 외부에 설치되기 때문에 외부온도의 영향을 비교적 많이 받게 된다. 따라서, 실외 온도의 감소에 따라 상기 실외 열교환기를 유동하는 냉매의 비체적이 증가될 수 있고, 그에 따라, 상기 실외 열교환기 내부 압력손실이 과도하게 증가되는 문제점이 있었다.
또한, 건도에 따라 압력손실이 변화되는데, 이하, 건도와 압력손실의 일반적인 관계를 나타내는 그래프인 도 1를 참고하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 건도가 '0'에 가까운 경우, 즉, 냉매가 대부분 액상 냉매인 경우에는 압력손실이 적다. 그러나, 건도가 '1'에 가까운 경우, 즉, 냉매가 대부분 기상 냉매인 경우에는 압력손실이 크다. 이때, 건도가 0.7~0.8정도에서 압력손실이 최대가 된다.
따라서, 상기 실외 열교환기에 건도가 0.7~0.8 정도의 냉매가 유동되는 경우 압력손실이 과도하게 증가될 수 있다. 일반적으로 상기 실외 열교환기가 증발기로 사용되는 경우, 건도가 0.7~0.8 정도의 냉매가 상기 실외 열교환기에 유동될 수 있다.
종래의 공기조화시스템에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 상기 실외 열교환기의 패스 수를 증가시켰다. 하지만, 상기 실외 열교환기의 패스 수를 증가시키면, 상기 실외 열교환기 응축기로 사용되는 경우 질량유량이 작아지고 그에 따라 성능의 저하가 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 실외온도가 낮은 경우에도 실외 열교환기의 운전성능이 보장되는 공기조화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 냉매의 일부를 바이패스시켜 냉매 유동을 원활하게 하고, 열교환 효율을 높인 실외 열교환기가 구비된 공기조화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 공기조화시스템에는, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 공기조화시스템에 있어서, 상기 증발기를 유동하는 적어도 일부 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관를 포함하고, 상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 증발기를 구성하는 복수의 냉매 배관 중 적어도 어느 하나에 결합되고, 상기 바이패스 배관의 타 단은 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 배관에 결합되어, 상기 바이패스 배관은 상기 증발기에서 상변화된 기상 냉매를 상기 압축기 측으로 유동시킨다.
상기 증발기에는, 복수의 절곡부를 갖도록 연장된 냉매배관으로 각각 구성된 복수의 패스가 포함되고, 상기 바이패스 배관에는, 상기 복수의 패스에 마련된 적어도 하나의 절곡부에 각각 결합되는 복수의 결합관이 포함될 수 있다.
상기 복수의 패스에는 냉매 유입부 및 냉매 유출부가 각각 포함되고, 상기 결합관은 상기 냉매 유출부보다 상기 냉매 유입구에 가까운 절곡부에 결합될 수 있다.
상기 결합관은, 상기 냉매 유입구와 열교환에 의해 기상 냉매가 다소 발생할 수 있는 소정의 거리로 이격되어 마련된 절곡부에 결합될 수 있다.
냉매배관의 중심부로 유동되는 기상 냉매가 상기 결합관의 내부로 유동되도록, 상기 결합관은 상기 절곡부의 일 측을 관통하여 냉매배관의 중심부로 연장될 수 있다.
상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기, 냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부 및 상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기;를 더 포함하고, 상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 압축기와 상기 기액분리기를 연결하는 배관에 결합될 수 있다.
상기 바이패스 배관과 상기 실내 열교환기에서 토출된 냉매가 유동되는 배관을 열교환시키는 과냉각 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스 배관에는, 상기 실외 열교환기가 증발기로 기능하는 경우 상기 바이패스 배관으로 냉매의 유동을 개방하는 바이패스 밸브가 설치될 수 있다.
상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기, 냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부 및 상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기를 더 포함하고, 상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 기액분리기에 결합될 수 있다.
상기 기액분리기에서 기상 냉매가 위치되는 부분과 상기 압축기를 연결하는 배관과, 상기 기액분리기에서 액상 냉매가 위치되는 부분과 상기 압축기를 연결하는 배관이 각각 마련될 수 있다.
상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기, 냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부 및 상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기;를 더 포함하고, 상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 기액분리기의 흡입측 배관에 결합될 수 있다.
이러한 본 발명에 의하면, 상기 실외 열교환기에서 상변화된 기상 냉매를 상기 바이패스 배관을 통해 토출시킨다. 상기 바이패스 배관에서 비체적인 큰 기상 냉매를 토출시킴에 따라, 상기 실외 열교환기 내부의 압력손실이 감소하는 효과가 있다.
또한, 냉매의 전체적인 유동량이 줄어들어 압력손실이 더 감소할 수 있다.
또한, 상변화된 기상 냉매가 토출됨에 따라 상기 실외 열교환기를 유동하는 냉매의 건도가 적어지고, 압력손실이 감소됨과 동시에 상기 실외 열교환기의 열교환 효율이 상승될 수 있다.
관의 내벽을 따라 유동되는 액상 냉매와 관의 중심부로 유동되는 기상 냉매의 성질을 이용하여, 상기 실외 열교환기와 결합되는 상기 바이패스 배관의 결합관은 절곡부의 일 측을 관통하여 관의 중심부로 연장되도록 결합됨에 따라 간단하게 기상 냉매만을 상기 바이패스 배관으로 유동시킬 수 있다.
도 1은 건도와 압력손실의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 실외 열교환기를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 실외 열교환기와 바이패스 배관의 결합을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템에 과냉각 열교환기가 설치된 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 공기조화시스템에 과냉각 열교환기가 설치된 구성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 공기조화시스템(10)에는, 실내기에 배치되는 실내 열교환기(20)와, 실외기에 배치되는 실외 열교환기(30)가 포함된다. 상기 실내 열교환기(20) 및 상기 실외 열교환기(30)는 공기와 열교환하며 증발기 또는 응축기로 기능한다.
상기 실내기는 조화된 공기를 제공하도록 소정 공간에 배치되고, 상기 실외기는 상기 소정 공간의 실외에 배치될 수 있다. 또한, 상기 실내기에는, 상기 실내 열교환기(20)가 소정 공간의 공기와 열교환 되도록 공기를 강제대류 시키는 실내 팬(22) 및 실내 팬모터(24)가 설치되고, 상기 실외기에는, 상기 실외 열교환기(30)가 실외의 공기와 열교환 되도록 공기를 강제대류 시키는 실외 팬(32) 및 실외 팬모터(34)가 설치된다.
상기 실내기와 상기 실외기는 냉매배관으로 연결되어 냉매사이클을 형성한다. 도 2에는 편의상, 상기 공기조화시스템(10)을 상기 실내기와 상기 실외기로 구분하여 도시하지 않고, 냉매배관으로 연결된 냉매사이클로 도시하였다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공기조화시스템(10)에는, 압축기(45), 기액분리기(40), 팽창밸브(50) 및 유동전환부(60)가 포함된다.
상기 압축기(45)는 기상 냉매를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 구성이다. 이때, 도 2에서 상기 압축기(45)는 하나로 도시되었으나, 병렬 또는 직렬로 연결된 복수 개로 마련될 수 있다.
상기 기액 분리기(40)는 상기 압축기(45)로 유입되기 전 기상 냉매가 분리되도록 마련된 구성이다. 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(45)로 유입될 수 있다.
상기 팽창밸브(50)는 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시키는 구성이다. 예를 들어, 상기 팽창밸브(50)에는, 전자팽창밸브(EEV, Electric Expansion Valve)가 포함될 수 있다.
상기 유동전환부(60)는 냉매를 상기 실내 열교환기(20) 또는 실외 열교환기(30) 측으로 가이드 하도록 제공된다. 예를 들어, 상기 유동전환부(60)에는, 사방 밸브가 포함될 수 있다.
이러한 상기 공기조화시스템(10)의 구성은 예시적인 것으로 상기와 같은 구성이 생략되거나, 다른 구성이 추가될 수 있다. 예를 들어, 상기 압축기(45)에서 토출된 냉매 중 오일을 분리하기 위한 오일 분리기, 각종 센서 등이 더 포함될 수 있다.
상기 공기조화시스템(10)의 구성들은 냉매배관을 통해 서로 연결된다. 이하, 상기 압축기(45)와 상기 유동전환부(60)를 연결하는 배관을 제 1 배관(70), 상기 유동전환부(60)와 상기 실내 열교환기(20)를 연결하는 배관을 제 2 배관(71), 상기 실내 열교환기(20)와 상기 팽창밸브(50)를 연결하는 배관을 제 3 배관(72), 상기 팽창밸브(50)와 상기 실외 열교환기(30)를 연결하는 배관을 제 4 배관(73), 상기 실외 열교환기(30)와 상기 유동전환부(60)를 연결하는 배관을 제 5 배관(74), 상기 유동전환부(60)와 상기 기액분리기(40)를 연결하는 배관을 제 6 배관(75), 상기 기액분리기(40)와 상기 압축기(45)를 연결하는 배관을 제 7 배관(76)이라 한다. 이때, 각 배관의 이름은 구별을 위해 임의로 작성된 것이다.
도 2를 참고하여 상기 공기조화시스템(10)의 작동에 관하여 간략하게 설명한다.
상기 공기조화시스템(10)이 냉방운전을 하는 경우, 즉, 상기 소정공간을 냉방하는 경우에 대해 설명한다. 이때, 상기 실내 열교환기(20)는 증발기로 기능하고, 상기 실외 열교환기(30)는 응축기로 기능한다.
상기 압축기(45)에서 압축된 기상 냉매는 상기 제 1 배관(70)을 따라 상기 유동전환부(60)로 유동된다. 상기 유동전환부(60)는 상기 제 1 배관(70)과 상기 제 5 배관(74)을 연결하도록 마련되고, 냉매는 상기 제 5 배관(74)을 따라 상기 실외 열교환기(30)로 유동된다.
상기 실외팬(32) 및 상기 실외팬 모터(34)에 의해 강제대류된 공기와 상기 실외 열교환기(30)를 유동하는 냉매가 열교환되며, 기상 냉매가 액상 냉매로 응축된다. 응축과정을 통해 상기 실외 열교환기(30)는 주위로 열을 방출하게 된다.
응축된 액상 냉매는 상기 제 4 배관(73)을 따라 상기 팽창밸브(50)로 유동되고, 상기 팽창밸브(50)는 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상 냉매로 팽창시킨다. 팽창된 냉매는 상기 제 3 배관(72)을 따라 상기 실내 열교환기(20)로 유동된다.
상기 실내팬(22) 및 상기 실내팬 모터(24)에 의해 강제대류된 공기와 상기 실내 열교환기(20)를 유동하는 냉매가 열교환되며, 액상 냉매가 기상 냉매로 증발된다. 증발과정을 통해 상기 실내 열교환기(20)는 상기 소정공간의 열을 빼앗아 냉방효과를 달성할 수 있다.
상기 실내 열교환기(20)에서 토출된 냉매는 상기 제 2 배관(71)을 통해 상기 유동전환부(60)로 유동된다. 상기 유동전환부(60)는 상기 제 2 배관(71)과 상기 제 6 배관(75)을 연결하도록 마련되고, 냉매는 상기 제 6 배관(75)을 따라 상기 기액분리기(40)로 유동된다.
또한, 냉매는 상기 기액분리기(40)에서 상기 제 7 배관(76)을 따라 상기 압축기(45)로 복귀하고, 압축된 냉매는 다시 상기 제 1 배관(70)을 통해 배출된다. 이와 같은 순환과정을 통해 상기 소정공간을 목적으로 하는 온도까지 냉방할 수 있다.
상기 공기조화시스템(10)이 난방운전을 하는 경우, 즉, 상기 소정공간을 난방하는 경우에 대해 설명한다. 이때, 상기 실내 열교환기(20)는 응축기로 기능하고, 상기 실외 열교환기(30)는 증발기로 기능한다.
상기 압축기(45)에서 압축된 기상 냉매는 상기 제 1 배관(70)을 따라 상기 유동전환부(60)로 유동된다. 상기 유동전환부(60)는 상기 제 1 배관(70)과 상기 제 2 배관(71)을 연결하도록 마련되고, 냉매는 상기 제 2 배관(71)을 따라 상기 실내 열교환기(20)로 유동된다.
상기 실내팬(22) 및 상기 실내팬 모터(24)에 의해 강제대류된 공기와 상기 실내 열교환기(20)를 유동하는 냉매가 열교환되며, 기상 냉매가 액상 냉매로 응축된다. 응축과정을 통해 상기 실내 열교환기(20)는 상기 소정공간으로 열을 방출하여 난방효과를 달성할 수 있다.
상기 실내 열교환기(20)에서 토출된 냉매는 상기 제 3 배관(72)을 따라 상기 팽창밸브(50)로 유동되고, 상기 팽창밸브(50)는 고온고압 상태의 액상 냉매를 저압상태의 액상 냉매로 팽창시킨다. 팽창된 냉매는 상기 제 4 배관(73)을 따라 상기 실외 열교환기(30)로 유동된다.
상기 실외팬(32) 및 상기 실외팬 모터(34)에 의해 강제대류된 공기와 상기 실외 열교환기(30)를 유동하는 냉매가 열교환되며, 액상 냉매가 기상 냉매로 증발된다. 증발된 냉매는 상기 제 5 배관(74)을 통해 상기 유동전환부(60)로 유동되고, 상기 유동전환부(60)는 상기 제 5 배관(74)과 상기 제 6 배관(75)을 연결하도록 마련된다.
냉매는 상기 제 6 배관(75)을 따라 상기 기액분리기(40)로 유동되고, 상기 기액분리기(40)에서 상기 제 7 배관(76)을 따라 상기 압축기(45)로 복귀하고, 압축되어 다시 상기 제 1 배관(70)을 통해 배출된다. 이와 같은 순환과정을 통해 상기 소정공간을 목적으로 하는 온도까지 난방할 수 있다.
이와 같이, 상기 공기조화시스템(10)이 난방운전을 하는 경우, 상기 실외 열교환기(30)는 증발기로 기능하며 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킨다. 실외온도가 낮은 경우, 상기 실외 열교환기(30)를 유동하는 냉매의 비체적이 증가할 수 있다. 특히, 실외온도가 매우 낮은 한랭지의 경우, 이러한 현상은 더욱 심화될 수 있다.
또한, 도 1를 참고하면, 액상 냉매가 대부분인 경우에는 압력손실이 적으나 액상냉매와 기상 냉매가 함께 존재하는 하는 경우 압력손실이 커진다. 즉, 상기 실외 열교환기(30)에서 적어도 일부의 액상 냉매가 기상 냉매로 상변화하는 과정에서 압력손실이 점점 커진다.
그에 따라, 본 발명에 사상이 따른 상기 공기조화시스템(10)에는, 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우, 상기 실외 열교환기(30)에서 일부 기상 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관(100)을 포함한다.
또한, 상기 바이패스 배관(100)에는, 상기 바이패스 배관(100)의 냉매 유동을 개폐하는 바이패스 밸브(110)가 설치된다. 상기 바이패스 밸브(110)는 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우 개방되고, 상기 실외 열교환기(30)가 응축기로 기능하는 경우 폐쇄된다. 따라서, 상기 바이패스 밸브(110)는 상기 바이패스 배관(100)이 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 사용되는 경우에만 사용될 수 있도록 마련된다.
또한, 상기 바이패스 밸브(110)는 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우에도 상기 바이패스 배관(100)을 폐쇄할 수 있다. 예를 들어, 냉매의 유량이 적거나, 실외 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 바이패스 배관(100)을 사용하지 않을 수 있다.
상기 실외 열교환기(30)에서 상변화된 기상 냉매를 상기 바이패스 배관(100)을 통해 토출시킨다. 상기 바이패스 배관(100)을 통해 비체적인 큰 기상 냉매를 토출시킴에 따라, 상기 실외 열교환기(30) 내부의 압력손실이 감소한다. 또한, 냉매의 전체적인 유동량이 줄어들어 압력손실이 더 감소될 수 있다.
또한, 상변화된 기상 냉매가 토출됨에 따라 상기 실외 열교환기(30)를 유동하는 냉매의 건도가 적어지고, 압력손실이 감소됨과 동시에 상기 실외 열교환기(30)의 열교환 효율이 상승될 수 있다.
이때, 상기 바이패스 배관(100)의 일 단은 상기 실외 열교환기(30)에 연결되고, 타 단은 상기 실외 열교환기(30)에서 상기 압축기(45)의 사이에 연결된다. 즉, 상기 바이패스 배관(100)은 상변화된 기상 냉매가 더 이상 상기 실외 열교환기(30)의 내부를 유동하지 않도록 바이패스시키는 기능을 한다.
도 2 내지 도 5에서 도시한 상기 공기조화시스템(10)의 제 1 실시 예에서는 상기 바이패스 배관(100)의 타 단이 상기 압축기(45)의 흡입관, 즉, 상기 제 7 배관(76)에 결합된다. 그에 따라, 상기 바이패스 배관(100)에서 토출된 기상 냉매는 상기 압축기(45)로 바로 제공될 수 있다.
이하, 상기 실외 열교환기(30)와 결합되는 상기 바이패스 배관(100)의 일 단에 대해 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 실외 열교환기를 보여주는 도면이다. 도 3에서는, 상기 실외 열교환기(30)를 간략하게 도시하였고, 이는 예시적인 것으로 상기 실외 열교환기(30)는 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실외 열교환기(30)에는, 복수의 단(段)을 이루는 냉매 배관과, 상기 냉매 배관에 결합되는 열교환핀(330)이 포함된다. 이때, 단은 도면상 상하로 이격된 냉매배관을 뜻한다.
또한, 상기 실외 열교환기(30)는 복수의 열(列)로 마련될 수 있다. 이때, 열은 도면상 앞뒤방향으로 이격된 냉매배관을 뜻하나, 도 3에서는 도시되지 않았다.
상기 복수의 냉매 배관은 절곡되어 길게 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 기준으로, 상기 복수의 냉매 배관은 가로방향으로 연장된 후 상방 또는 하방으로 절곡되어 다시 가로방향으로 연장될 수 있다. 이와 같이, 하나로 연장되어 복수의 단을 이루는 냉매 배관을 하나의 패스라 한다.
도 3에서는 3개의 패스를 갖는 냉매 배관을 도시하였고, 편의상, 상방에서 하방으로 제 1 패스(300), 제 2 패스(310) 및 제 3 패스(320)라 한다. 각 패스는 6개의 단으로 마련되어 5개의 절곡부를 갖는다. 이는 예시적인 형상에 불과하며 패스의 수, 패스를 형성하는 냉매 배관의 단은 다르게 형성될 수 있다.
또한, 각 패스의 양 단에는 냉매 유입부 및 냉매 토출부가 각각 마련된다. 냉매 유입부 및 냉매 토출부는 상기 실외 열교환기(30)가 증발기 또는 응축기로 기능하는 경우 서로 변경된다. 이하, 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우, 상기 제 1 패스(300)에 대해 자세히 설명한다.
상기 제 1 패스(300)에는, 제 1 냉매 유입부(301) 및 제 1 냉매 토출부(302)가 포함된다. 또한, 상기 제 1 냉매 유입부(301)에서 상기 제 1 냉매 토출부(302)까지 냉매의 유동방향으로 제 1 절곡부(303), 제 2 절곡부(304), 제 3 절곡부(305), 제 4 절곡부(306) 및 제 5 절곡부(307)가 마련된다.
상기 제 1 냉매 유입부(301)는 상기 팽창밸브(50)와 연결되는 제 4 배관(73)과 결합되고, 상기 제 1 냉매 토출부(302)는 상기 사방밸브(60)와 연결되는 제 5 배관(74)과 결합된다. 또한, 상기 제 1 냉매 유입부(301)로는 액상 냉매가 유입되고, 상기 제 1 냉매 토출부(302)로는 기상 냉매가 토출된다.
그에 따라, 상기 제 1 절곡부(303)에서 상기 제 5 절곡부(307)로 갈수록 상변화가 진행되어, 각 절곡부를 유동하는 냉매 중 기상 냉매의 비율이 증가하게 된다. 예를 들어, 상기 제 1 절곡부(303)에는 대부분 액상 냉매가 유동되며, 상기 제 5 절곡부(307)에는 대부분 기상 냉매가 유동된다.
따라서, 대부분 액상 냉매가 유동되는 상기 제 1 절곡부(303)에는 비교적 압력손실이 발생되지 않는다. 그러나, 상기 제 2 절곡부(304) 및 상기 제 3 절곡부(305)에는 상변화에 따라 기상 냉매가 상당히 존재하여 압력손실이 커지게 된다.
이러한 압력손실을 방지하기 위해, 상기 바이패스 배관(100)의 일 단은 상기 제 2 절곡부(304) 또는 상기 제 3 절곡부(305)에 결합된다. 그에 따라, 상기 제 2 절곡부(304) 또는 상기 제 3 절곡부(305)를 유동하는 기상 냉매를 상기 실외 열교환기(30)에서 바이패스시킨다.
자세하게는, 상기 제 1 절곡부(303)의 경우, 대부분 액상냉매가 유동되어 기상 냉매가 많이 존재하지 않으며 압력손실이 적어 상기 바이패스 배관(100)의 결합이 의미가 없을 수 있다. 또한, 상기 제 4 절곡부(306) 및 상기 제 5 절곡부(307)의 경우, 이미 압력손실이 발생된 상태로 냉매가 유동되었기 때문에, 상기 바이패스 배관(100)의 결합이 의미가 적을 수 있다.
다른 관점에서 설명하면, 하나의 패스를 형성하는 냉매배관을 냉매 유입부를 포함하는 상류배관과 냉매 유출부를 포함하는 하류배관으로 나눌 때, 상기 바이패스 배관(100)은 상류배관에 형성된 절곡부에 결합된다.
또한, 상기 바이패스 배관(100)은 상기 냉매 유입부와 소정의 거리로 이격되어 결합된다. 이때, 소정의 거리는 열교환에 따른 상변화로 기상 냉매가 다소 발생할 수 있을 정도의 거리를 뜻한다.
상기 제 1 패스(300)를 상기 제 1 냉매 유입부(301)를 포함하는 상류배관과 상기 제 1 냉매 유출부(302)를 포함하는 하류배관으로 나눌 때, 상기 제 3 절곡부(305)를 기준으로 나누어진다. 따라서, 상기 제 1 절곡부(303) 및 상기 제 2 절곡부(304)가 상류배관에 포함될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스 배관(100)은 상기 제 1 냉매 유입부(301)와 소정의 거리로 이격된 상기 제 2 절곡부(304)에 결합된다.
다만, 이는 예시적인 것으로 상기 바이패스 배관(100)은 상기 실외 열교환기(30)의 배관 중 기상 냉매가 유동되는 배관 중 어디에나 결합될 수 있다. 또한, 상기 바이패스 배관(300)은 하나의 패스에 복수 개가 결합될 수 있다.
상기 제 2 패스(310) 및 상기 제 3 패스(320)는 상기 제 1 패스(300)와 동일한 구성으로 마련되고, 상기 바이패스 배관(100)은 상기 제 1 패스(300) 내지 상기 제 3 패스(320)에 각각 결합된다. 이때, 상기 제 1 패스(300), 제 2 패스(310) 및 상기 제 3 패스(320)에 결합되는 배관을 제 1 결합관(120), 제 2 결합관(130) 및 제 3 결합관(140)이라 한다.
따라서, 상기 바이패스 배관(100)에는, 상기 실외 열교환기(30)와 각각 결합되는 상기 제 1 결합관(120), 상기 제 2 결합관(130) 및 상기 제 3 결합관(140)이 포함된다. 또한, 상기 바이패스 배관(100)에는, 상기 제 1 결합관(120) 내지 상기 제 3 결합관(140)이 합지되어 상기 압축기(45) 측으로 연장되는 메인 바이패스 배관(150)이 포함된다.
이하, 상기 제 1 결합관(120)과 상기 제 1 패스(300)의 상기 제 2 절곡부(304)의 결합에 대해 자세히 설명한다. 상기 제 2 결합관(130)과 상기 제 2 패스(310) 및 상기 제 3 결합관(140)과 상기 제 3 패스(320)의 결합도 이와 동일하게 적용될 수 있다. 이하, 상기 제 1 결합관(120)을 결합관이라 하고, 상기 제 2 절곡부(304)를 절곡부라 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템의 실외 열교환기와 바이패스 배관의 결합을 보여주는 도면이다. 도 4의 (a)는 일반적인 형태를 도시하였고, 도 4의 (b), (c)는 예시적인 변형 예를 도시하였다.
도 4의 (a)를 참고하면, 상기 절곡부(304)를 유동하는 냉매는 전체적으로 냉매 배관을 따라 회동되며 유동된다. 이때, 액상 냉매의 경우, 중력, 원심력 등의 영향으로 관의 내벽에 인접하게 유동된다. 반면, 기상 냉매의 경우, 비교적 중력, 원심력 등의 영향을 거의 받지 않기 때문에 냉매 배관의 중심부로 유동된다.
도면에서는 예시적으로 소정의 순간 액상 냉매의 위치를 도시하였다. 도면에 도시된 바와 같이, 액상 냉매는 냉매 배관 내벽에 밀착되어 유동된다. 또한, 냉매 배관 내부에서 기상 냉매의 유동은 화살표로 도시하였다.
상기 결합관(120)은 상기 절곡부(304)의 일 측을 관통하여 냉매 배관의 중심부로 연장되도록 결합된다. 그에 따라, 냉매 배관의 중심부로 유동되는 기상 냉매가 상기 결합관(120)의 내부로 유동될 수 있다. 반면, 냉매 배관 내벽에 밀착되어 유동되는 액상 냉매는 상기 결합관(120)의 외벽을 따라 유동되어 상기 결합관(120)의 내부로는 거의 유동되지 않는다.
즉, 상기 절곡부(304)를 유동하는 냉매 중 기상 냉매만이 상기 결합관(120)을 따라 바이패스될 수 있다.
이때, 상기 절곡부 및 상기 결합관은 다양한 형태로 마련될 수 있다.
예를 들어, 도 4의 (b)를 참고하면, 상기 절곡부(304a)는 일 부분의 직경이 넓어지도록 마련될 수 있다. 넓은 직경을 갖는 부분에는 보다 넓은 직경을 갖는 결합관(120a)이 결합될 수 있다.
그에 따라, 상기 결합관(120a)을 통해 바이패스되는 기상 냉매의 유량이 증가될 수 있다. 바이패스되는 기상 냉매의 양이 많아 짐에 따라 상기 실외 열교환기(30)의 압력손실은 더 감소될 수 있다.
또한, 도 4의 (c)와 같이, 상기 절곡부(304b)는 꼬인 형태로 마련될 수 있다. 이와 같이 마련된 절곡부(304b)를 유동하는 냉매는 더 큰 원심력을 받게 된다. 즉, 액상 냉매는 큰 원심력을 받게 되어 관 내벽과 더 밀착되어 유동된다. 그에 따라, 상기 결합관(120b)으로 액상 냉매가 유입되는 것이 방지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 공기조화시스템에 과냉각 열교환기가 설치된 구성을 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 공기조화시스템(10)에는 과냉각 열교환기(80)가 더 포함될 수 있다.
상기 과냉각 열교환기(80)는 상기 바이패스 배관(100)과 상기 제 3 배관(72)을 열교환시킨다. 즉, 상기 바이패스 배관(100)에는 상기 과냉각 열교환기(80)를 통과하는 제 1 과냉각 배관(160)이 포함되고, 상기 제 3 배관(72)에는 상기 과냉각 열교환기(80)를 통과하는 제 2 과냉각 배관(72a)이 포함된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 바이패스 밸브(110)에 의해 상기 바이패스 배관(100)에는 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 사용되는 경우에만 냉매가 유동된다. 따라서, 상기 과냉각 열교환기(80)도 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 사용되는 경우에만 열교환이 발생될 수 있다.
따라서, 상기 제 2 과냉각 배관(72a)에는 응축기로 기능하는 상기 실내 열교환기(20)에서 배출된 응축된 냉매가 유동된다. 상기 제 1 과냉각 배관(160)과 상기 제 2 과냉각 배관(72a)이 열교환됨에 따라, 상기 제 1 과냉각 배관(160)의 냉매는 과열되고, 상기 제 2 과냉각 배관(72a)의 냉매는 과냉될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 바이패스 배관(100)은 상기 실외 열교환기(30)를 유동하는 냉매 중 기상 냉매만을 바이패스시키는 목적으로 설치되나, 소량의 액상 냉매가 포함될 수 있다. 상기 바이패스 배관(100)을 유동하는 냉매에 포함된 소량의 액상 냉매는 상기 과냉각 열교환기(80)에서 과열되어 증발될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 2 내지 도 5에서 도시한 상기 공기조화시스템(10)의 제 1 실시 예에서는 상기 바이패스 배관(100)의 타 단이 상기 압축기(45)의 흡입관, 즉, 상기 제 7 배관(76)에 결합된다.
도 6 및 도 7에서 도시한 상기 공기조화시스템(10a)의 제 2 실시 예에서는 상기 바이패스 배관(100a)의 타 단이 상기 기액분리기(40)에 결합된다. 이하, 제 2 실시 예에서는, 상기 제 1 실시 예와 대응되는 부분은 동일한 도면부호를 사용하고 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 공기조화시스템(10a)에는, 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우, 상기 실외 열교환기(30)에서 일부 기상 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관(100a)을 포함한다.
상기 실외 열교환기(30)에는 액상 냉매 및 기상 냉매가 혼합된 냉매가 유동되고 있기 때문에, 기상 냉매만을 상기 바이패스 배관(100a)으로 유동시키는 것은 불가능하다. 즉, 상기 바이패스 배관(100a)에는 소량의 액상 냉매가 포함될 수 있다.
상기 압축기(45)로는 기상 냉매가 유입되어야 압축효율 및 성능을 확보할 수 있기 때문에, 상기 바이패스 배관(100a)에 포함된 액상 냉매는 제거되어야 한다.
따라서, 상기 바이패스 배관(100a)은, 일 단이 상기 실외 열교환기(30)에 결합되고, 타 단이 상기 기액분리기(40)에 결합되도록 설치된다. 그에 따라, 상기 실외 열교환기(30)에서 추출된 냉매가 상기 기액분리기(40)에서 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되어 상기 압축기(45)에 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 공기조화시스템에 과냉각 열교환기가 설치된 구성을 보여주는 도면이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 공기조화시스템(10a)에는, 과냉각 열교환기(90)와, 상기 기액분리기(40) 및 상기 압축기(45)를 연결하는 제 8 배관(77)이 더 포함된다.
상기 제 7 배관(76) 및 상기 제 8 배관(77)은 모두 상기 기액분리기(40) 및 상기 압축기(45)를 연결하도록 마련된다. 다만, 상기 제 7 배관(76)은 상기 기액분리기(40)에서 기상 냉매가 위치되는 부분과 연결되고, 상기 제 8 배관(77)은 상기 기액분리기(40)에서 액상 냉매가 위치되는 부분과 연결된다. 따라서, 상기 기액분리기(40)에서 상기 제 7 배관(76)으로는 기상 냉매가 토출되고, 상기 제 8 배관(77)으로는 액상 냉매가 토출된다.
도 7에서는, 상기 제 8 배관(77)이 상기 압축기(45)에 직접 연결되지 않고, 상기 제 7 배관(76)과 합지되어 상기 압축기(45)에 결합되도록 도시하였다. 이는 예시적인 것이고, 상기 제 8 배관(77)과 상기 제 7 배관(76)은 각각 상기 압축기(45)에 결합될 수도 있다.
상기 과냉각 열교환기(90)는 상기 제 8 배관(77)과 상기 제 3 배관(72)을 열교환시킨다. 즉, 상기 제 8 배관(77)에는 상기 과냉각 열교환기(90)를 통과하는 제 1 과냉각 배관(77a)이 포함되고, 상기 제 3 배관(72)에는 상기 과냉각 열교환기(90)를 통과하는 제 2 과냉각 배관(72a)이 포함된다.
또한, 상기 제 8 배관(77)에는, 상기 제 8 배관(77)의 냉매 유동을 개폐하거나 유동 냉매를 팽창시키는 배관 밸브(78)가 설치된다. 예를 들어, 상기 배관 밸브(78)는 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우 개방되고, 상기 실외 열교환기(30)가 응축기로 기능하는 경우 폐쇄된다. 또한, 상기 배관 밸브(78)는 상기 제 8 배관(77)을 유동하는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
따라서, 상기 과냉각 열교환기(90)도 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 사용되는 경우에만 열교환이 발생될 수 있다. 그에 따라, 상기 제 3 배관(72)에는 응축기로 기능하는 상기 실내 열교환기(20)에서 배출된 응축된 냉매가 유동된다.
상기 제 1 과냉각 배관(77a)과 상기 제 2 과냉각 배관(72a)이 열교환됨에 따라, 상기 제 1 과냉각 배관(77a)의 냉매는 과열되고, 상기 제 2 과냉각 배관(72a)의 냉매는 과냉될 수 있다.
그에 따라, 상기 제 1 과냉각 배관(77a)을 유동하는 액상 냉매가 증발될 수 있다. 또한, 상기 배관 밸브(78)를 통과하며 액상 냉매가 기상 냉매로 상변화하여 상기 압축기(45)에 제공될 수 있다.
도 8에서 도시한 상기 공기조화시스템(10b)의 제 3 실시 예에서는 상기 바이패스 배관(100b)의 타 단이 상기 기액분리기(40)의 흡입관, 즉, 상기 제 6 배관(75)에 결합된다. 이하, 제 3 실시 예에서는, 상기 제 1 실시 예와 대응되는 부분은 동일한 도면부호를 사용하고 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 공기조화시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 공기조화시스템(10b)에는, 상기 실외 열교환기(30)가 증발기로 기능하는 경우, 상기 실외 열교환기(30)에서 일부 기상 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관(100b)을 포함한다.
상기 실외 열교환기(30)에는 액상 냉매 및 기상 냉매가 혼합된 냉매가 유동되고 있기 때문에, 기상 냉매만을 상기 바이패스 배관(100b)으로 유동시키는 것은 불가능하다. 즉, 상기 바이패스 배관(100b)에는 소량의 액상 냉매가 포함될 수 있다.
따라서, 상기 바이패스 배관(100a)은, 일 단이 상기 실외 열교환기(30)에 결합되고, 타 단이 상기 기액분리기(40)의 흡입측 배관에 결합되도록 설치된다.
도 8에서는, 상기 바이패스 배관(100a)의 타 단이 상기 제 6 배관(75)에 결합된 것으로 도시하였으나, 상기 바이패스 배관(100a)은 상기 제 5 배관(74)에 결합될 수 있다. 즉, 상기 바이패스 배관(100a)은 상기 실외 열교환기(30)를 통과한 냉매가 유동되는 배관과 결합될 수 있다.
그에 따라, 상기 실외 열교환기(30)에서 추출된 냉매가 상기 제 6 배관(75)에서 메인 배관으로 유동된 냉매와 합지되어 상기 기액분리기(40)로 유입될 수 있다. 이때, 메인 배관으로 유동된 냉매는 상기 실외 열교환기(30)를 통과하여, 상기 제 5 배관(74)을 거쳐 상기 제 6 배관(75)으로 유동된 냉매를 뜻한다.
따라서, 상기 기액분리기(40)에서 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되어, 기상 냉매를 상기 압축기(45)에 제공될 수 있다.
10: 공기조화시스템 20 : 실내 열교환기
30 : 실외 열교환기 40 : 기액분리기
45 : 압축기 100 : 바이패스 배관
110 : 바이패스 밸브

Claims (11)

  1. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 공기조화시스템에 있어서,
    상기 증발기를 유동하는 일부 냉매를 바이패스시키는 바이패스 배관를 포함하고,
    상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 증발기를 구성하는 복수의 냉매 배관 중 일부에 결합되고,
    상기 바이패스 배관의 타 단은 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 배관에 결합되어,
    상기 바이패스 배관은 상기 증발기에서 상변화된 기상 냉매를 상기 압축기 측으로 유동시키며,
    상기 증발기에는, 냉매 유입부 및 냉매 유출부가 구비되며 복수의 절곡부를 갖도록 연장된 냉매배관으로 각각 구성된 복수의 패스가 포함되고,
    상기 바이패스 배관에는, 상기 복수의 패스에 마련된 적어도 하나의 절곡부에 각각 결합되는 복수의 결합관이 포함되며,
    상기 결합관은, 복수의 절곡부 중 상기 냉매 유출부보다 상기 냉매 유입부에 가깝게 위치하며 상기 냉매 유입부와 소정의 거리로 이격된 일 절곡부에 결합되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
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  5. 제 1 항에 있어서,
    냉매배관의 중심부로 유동되는 기상 냉매가 상기 결합관의 내부로 유동되도록, 상기 결합관은 상기 절곡부의 일 측을 관통하여 냉매배관의 중심부로 연장되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기;
    냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부; 및
    상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기;를 더 포함하고,
    상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 압축기와 상기 기액분리기를 연결하는 배관에 결합되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이패스 배관과 상기 실내 열교환기에서 토출된 냉매가 유동되는 배관을 열교환시키는 과냉각 열교환기를 더 포함하는 공기조화시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이패스 배관에는,
    상기 실외 열교환기가 증발기로 기능하는 경우 상기 바이패스 배관으로 냉매의 유동을 개방하는 바이패스 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기;
    냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부; 및
    상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기;를 더 포함하고,
    상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 기액분리기에 결합되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 기상 냉매가 위치되는 부분과 상기 압축기를 연결하는 배관과,
    상기 기액분리기에서 액상 냉매가 위치되는 부분과 상기 압축기를 연결하는 배관이 각각 마련되고,
    상기 기액분리기에서 액상 냉매가 위치되는 부분과 상기 압축기를 연결하는 배관에는, 과냉각 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기 또는 상기 응축기로 기능하는 실외 열교환기 및 실내 열교환기;
    냉매를 상기 실내 열교환기 또는 실외 열교환기 측으로 가이드 하도록 제공되는 유동전환부; 및
    상기 압축기로 유입되기 전 기상 냉매가 분리하는 기액분리기;를 더 포함하고,
    상기 바이패스 배관의 일 단은 상기 실외 열교환기에 결합되고, 타 단은 상기 기액분리기의 흡입측 배관에 결합되는 것을 특징으로 하는 공기조화시스템.
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