KR20020072101A - 히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법에 관한 것으로, 압축기, 4방향밸브, 응축기, 팽창밸브, 어큐뮬레이터, 증발기를 순환하는 히트펌프에 있어서, 어큐뮬레이터(50)의 상부와 압축기(10)의 2단 흡입측 사이에 증발기(70)를 경유하는 플래시 라인(71)을 연결하되, 증발기의 튜브와는 별도로 그 증발기에 경로를 달리 하면서 근접하는 이중관형의 매니폴드 튜브(71a)를 설치하고, 이 매니폴드 튜브를 플래시 라인과 연결하여, 동절기의 난방시 증발기의 튜브를 흐르는 주냉매의 온도가 설정값 이하로 떨어질 경우 플래시 라인을 개방하여 매니폴드 튜브에서 1차 팽창된 중온, 중압의 플래시 냉매가스와 2차 팽창된 저온, 저압의 주냉매가스가 열교환되도록 함으로써 증발기의 기능마비와 성애형성을 방지하고, 또한 상기 열교환을 한 후 주냉매는 압축기의 1단 흡입측으로 연결되어 압축기의 1단 흡입측의 과열도를 제어할 수 있고, 플래시 냉매가스는 2단 흡입측으로 공급하여 압축냉매의 질량증가와 비체적 감소에 따른 압축효율을 향상시키도록 된 것이다.

Description

히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법{An evaporative temperature compensation device and process of heat pump}

본 발명은 히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 어큐뮬레이터와 압축기의 2단 흡입측 사이에 증발기를 경유하는 플래시 가스 라인을 연결하되, 동절기 난방 사이클에서 증발기의 튜브를 흐르는 주냉매의 온도가 설정값 이하로 떨어질 경우 플래시 라인을 개방하여, 어큐뮬레이터와 플래시 라인으로부터의 플래시 냉매가스와 증발기의 튜브를 흐르는 주냉매를를 열교환시켜 증발기의 과냉과 동결방지 및 증발효율을 증대시키고, 또한 증발기를 통과한 플래시 라인의 등압ㆍ감온된 냉매가스를 압축기의 2단 흡입측에 공급하여 압축냉매의 질량증가와 비체적 감소에 따른 압축효율 향상과 아울러, 압축기의 1단 흡입냉매의 과열도 제어에 의한 과부하발생 억제와 내구성 향상에 기여하며, 궁극적으로 외부장치의 사용없이 난방 사이클을 효율적으로 구성함으로써 장치의 원가와 운전비용을 대폭 절감할 수 있도록 된 히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프의 냉/난방 사이클은 압축기의 출구에 4방향밸브의 일측이 연결되고, 그 4방향밸브의 타측에 응축기가 연결되며, 응축기에는 모세관인 팽창기구와 어큐뮬레이터가 연결된다.

또한 팽창기구에는 증발기가 연결되고, 증발기는 상기의 4방향밸브의 다른 일측에 연결된다.

이러한 통상적인 히트펌프 사이클은 4방향밸브의 유로를 변환시키면서 응축기와 증발기의 역할을 전환시켜 냉방용 또는 난방용으로 사용하게 되는데 즉, 히트펌프 사이클이 냉방중일 경우 실내 열교환기는 증발기의 역할을 하고 난방중일 경우에는 응축기의 역할을 하며, 반대로 실외 열교환기는 냉방중일 경우 응축기의 역할을 하고 난방중일 경우 증발기의 역할을 하게 된다.

히트펌프의 난방사이클 구동시 냉매는 압축기 - 4방향밸브 - 응축기 - 팽창기구 - 증발기 - 4방향밸브 - 압축기의 순으로 진행하며, 응축기로부터 열교환되는 열기를 실내에 송풍시켜 난방을 행하고, 여기서 실내로 토출되는 온풍의 온도가 적정온도를 유지하기 위하여 응축기의 냉매온도는 실내온도보다 일정값 이상 높은 상태를 유지해야 하고, 실외기측 증발온도(증발기내의 냉매온도)는 설정범위 이내에서 실외온도보다 낮은 값을 유지해야만 한다.

그러나, 일반적인 히트펌프의 난방사이클에서 외기의 온도에 따라 증발기의 냉매온도가 일정량 떨어지게 되면, 응축기의 냉매 역시 그만큼 온도가 하강하여 결국 응축기의 송풍온도가 적정상태를 유지하기 어렵게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에 증발기에 별도의 보조 히터를 장착하거나 보조 열교환기를 설치하여 증발기의 과냉을 방지하는 경우가 있었다.

그러나 종래의 경우 보조적인 히터나 열교환기 등과 같이 별도의 장치를 사용함에 따라 장치의 구조와 제어계통이 복잡화되는 것은 물론 장치의 원가가 대폭 상승하며, 이로 인한 동력원의 부가적인 사용으로 운전비용과 유지관리비용이 상승하는 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 히트펌프 난방사이클이 갖고 있는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 주된 목적은 직접적으로 실외온도의 지나친 저하에 따른 증발기의 동결이나 결로 또는 성애형성을 방지함과 동시에 전체적으로는 응축온도와 증발온도 및 압축효율을 최적의 상태로 유지하여 시스템의 난방효율과 내구성을 대폭 증대시키는데 있으며, 다른 목적으로는 별도의 보조적인 히터나 열원을 사용하지 않고 간단한 장치로 난방사이클을 구동함으로써 장치의 제조원가와 유지관리 및 운전비용을 대폭 절감하는데 있다.

도 1은 본 발명 히트펌프의 구성회로도

도 2는 본 발명 증발기의 냉매와 어큐뮬레이터의 플래시 가스와의 열교환 장치를 보인 요부 사시도

도 3은 본 발명 증발기의 냉매와 어큐뮬레이터의 플래시 가스와의 열교환 장치를 보인 요부 정면도

도 4는 본 발명 증발온도 보상을 위한 플로우 챠트

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 압축기 20 : 4방향밸브

30 : 응축기 40 : 1차 팽창밸브

50 : 어큐뮬레이터 60 : 2차 팽창밸브

70 : 증발기 70a : 튜브

71 : 플래시 라인 71a : 매니폴드 튜브

72 : 밸브

본 발명은 이와 같은 제반 목적을 달성하기 위하여, 어큐뮬레이터의 상부와 압축기의 2단 흡입측 사이에 증발기를 경유하는 플래시 라인을 연결하되, 증발기의 튜브와는 별도로 그 증발기에 경로를 달리 하면서 근접하는 이중관형의 매니폴드 튜브를 설치하고, 이 매니폴드 튜브를 플래시 라인과 연결하여, 동절기의 난방시 증발기의 튜브를 흐르는 주냉매의 온도가 설정값 이하로 떨어질 경우 플래시 라인을 개방하여 매니폴드 튜브에서 1차 팽창된 중온, 중압의 플래시 냉매가스와 2차 팽창된 저온, 저압의 주냉매가스가 열교환되도록 함으로써 증발기의 기능마비와 성애형성을 방지하고, 또한 상기 열교환을 한 후 주냉매는 압축기의 1단 흡입측으로 연결되어 압축기의 1단 흡입측의 과열도를 제어할 수 있고, 플래시 냉매가스는 2단 흡입측으로 공급하여 압축냉매의 질량증가와 비체적 감소에 따른 2단 압축의 효율을 향상 시키도록 된 것이다.

특히 어큐뮬레이터의 플래시 냉매가스를 플래시 라인을 통해 도피시킴으로써 어큐뮬레이터의 완전한 상분리를 꾀하고, 일정한 수위의 액상영역을 보장함으로써 2차 팽창밸브에서의 교축손실을 크게 저감할 수 있으며, 압축기의 1단 흡입측의 과열도를 최적의 상태로 제어할 수 있다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명 난방장치의 구성회로도이고, 도 2는 본 발명 증발기의 요부확대 사시도로서, 냉매를 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축하되 난방부하에 따른 압축비를 용이하게 가변시킴과 아울러 최적의 압축효율을 갖도록 2단 이상의 다단 원심압축방식으로 된 압축기(10)와, 상기 압축기(10)의 1단 출구 및 2단 출구에 연결되어 냉매의 유로를 개폐 및 전환하여 냉/난방운전을 선택적으로 행할 수 있는 4방향밸브(20)와, 4방향밸브(20)의 출구측에 연결되어 압축기(10)의 1단 또는 2단측으로부터의 과열된 냉매가스와 열교환하여 난방열량을 방출하고 고온ㆍ고압의 냉매로 액화하기 시작하는 응축기(30)가 구비된다.

상기 응축기(30)는 난방운전시 실내기로서 그 출구에는 냉매를 중온ㆍ중압으로 교축ㆍ감압시키기 위한 1차 팽창밸브(40)가 연결되고, 1차 팽창밸브(40)에는 냉매의 상분리를 행하면서 액상의 냉매를 일시 저장하는 어큐뮬레이터(50)가 연결되며, 또한 어큐뮬레이터(50)의 출구측에는 냉매를 다시 중온ㆍ중압으로 교축ㆍ감압시키는 2차 팽창밸브(60)가 연결된다.

2차 팽창밸브(60)는 난방시의 실외기인 증발기(70)에 연결되며, 증발기(70)는 다시 4방향밸브(20)에 연결되어 압축기(10)의 1단 흡입측으로 저온ㆍ저압의 액상냉매를 귀환시키도록 함으로써 1회의 난방사이클을 형성하도록 구성된다.

한편 상기 어큐뮬레이터(50)의 상부와 압축기(10)의 2단 흡입측에는 증발기(70)를 경유하는 플래시 라인(71)이 연결되어 히트펌프의 증발기(70)의 외기온도가 설정값 이하로 떨어질 경우 어큐뮬레이터(50)의 플래시 냉매가스를 이용하여 증발기(70)의 마비와 성애발생으로 인한 동결을 방지토록 하고, 또한 증발기(70)로부터 주냉매와 열교환시킨 플래시 냉매가스는 압축기(10)의 2단 흡입측에 공급하고, 증발기(70)로부터 플래시 냉매가스와 열교환시킨 주냉매는 압축기(10)의 1단 흡입측에 공급하여 압축기의 과열도 제어와 함께 압축효율을 증대시킬 수 있도록 구성한다.

즉, 증발기(70)의 일부분에는 이중관형의 매니폴드 튜브(71a)를 통과하도록 설치하고, 이 매니폴드 튜브(71a)의 입/출구를 플래시 라인(71)에 연결하되, 매니폴드 튜브(71a)와 증발기(70)의 튜브(70a)는 그 경로를 상호 달리하는 것으로, 증발기(70)의 튜브(70a)는 저온ㆍ저압의 주냉매를 4방향밸브(20)를 통해 압축기(10)의 1단 흡입측으로 유도하고, 플래시 라인(71)의 매니폴드 튜브(71a)는 중온ㆍ중압의 플래시 냉매가스를 어큐뮬레이터(50)로부터 증발기(70)를 통해 열교환한 다음 압축기(10)의 2단 흡입측으로 유도하도록 구성된다.

여기서 플래시 라인(71)에는 플래시 냉매가스의 유량을 제어하기 위한 밸브(72)가 연결되면서, 플래시 라인(71)과 매니폴드 튜브(71a)는 증발기(70)측의 온도가 설정값보다 낮을 경우 개방되도록 하여, 동절기에 증발기(70)의 외기온도가설정값(일예로 약 －5℃ 이하)으로 떨어질 경우 증발기(70)의 튜브(70a)를 흐르는 저온의 냉매와 매니폴드 튜브(71a)를 흐르는 중온ㆍ중압의 플래시냉매가스와의 열교환이 이루어지도록 구성된 것이다.

따라서 본 발명의 히트펌프를 이용한 난방장치는 도 1, 도 2 및 도 3에서와 같이, 압축기(10)가 구동되면 등엔트로피하에서 1단 및 2단에 걸쳐 냉매가 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축되고, 압축된 냉매가스는 과열증기 상태로 4방향밸브(20)를 통해 응축기(30)에 유입된다.

등온-등압하에서 응축기(30)를 흐르는 고온의 냉매가스와 외부공기와의 열교환이 이루어지면서 난방을 행하고, 난방을 마친 고온ㆍ고압의 액상냉매는 1차 팽창밸브(40)를 통해 비가역적으로 교축ㆍ감압되면서 어큐뮬레이터(50)에 도입되며, 어큐뮬레이터(50)로부터 기체상의 냉매(플래시 냉매가스)와 액체상의 냉매가 상분리되면서 중온ㆍ중압까지 감압된 직후에 이 감압된 액체상의 냉매는 다시 2차 팽창밸브(60)를 통해 저온ㆍ저압의 기/액상의 냉매로 교축된다.

2차 팽창밸브(60)를 통해 교축된 저온ㆍ저압의 기/액상의 냉매는 증발기(70)로부터 저온ㆍ저압의 완전한 기상으로 증발이 이루어진 상태로 4방향밸브(20)를 통해 압축기(10)의 1단 흡입측으로 회수되어 1회의 난방사이클을 완료하게 된다.

상기 난방운전중 증발기(70)의 외기온도가 일예로 설정온도(T)인 －5℃ 정도로 떨어지거나 또는 증발기(70)의 튜브(70a)를 흐르는 주냉매의 온도(T)가 플래시 라인(71)의 플래시 냉매가스의 온도값(t) 즉, 그 설정값보다 작아지면, 이때 플래시 라인(71)의 밸브(72)가 개방되면서 어큐뮬레이터(50)의 상부의 냉매가스가 그내부에 형성되는 압력차에 의해 플래시 라인(71)과 밸브(72)를 통해 증발기(70)를 경유하는 매니폴드 튜브(71a)를 거쳐 압축기(10)의 2단 흡입측으로 유도되는데, 이 과정중에 매니폴드 튜브(71a)를 흐르는 중온ㆍ중압의 플래시 냉매가스는 증발기(70)의 튜브(70a)를 흐르는 저온ㆍ저압의 주냉매가스와 열교환을 행하여 증발기(70)로부터 압축기(10)의 2단 흡입측에 연결됨으로 1단 토출된 냉매가스와 플래시 냉매가스의 혼합으로 비체적이 현저히 감소되어 2단측의 압축효율은 물론, 전체 압축기의 효율에 기여하고 최적의 증발온도를 유지함으로써 히트펌프의 성능향상에 기여하게 된다.

상기 어큐뮬레이터(50)에서 일부의 냉매가스를 플래시 라인(71)과 증발기(70)를 통해 압축기(10)에 바이패스시키더라도 기본적인 히트펌프 사이클의 성능에 영향을 미치지는 않으며, 이때의 바이패스되는 냉매가스량은 난방사이클에서 잉여된 것으로 해석되어도 전혀 무관한 것이다.

오히려 어큐뮬레이터(50)의 냉매가스를 플래시 라인(71)을 통해 회피시킴에 따라 어큐뮬레이터(50)내에서 완전한 상분리가 형성되고 일정한 수위의 액상영역이 보장되어 2차 팽창밸브(60)에서의 교축손실을 저감하게 된다.

아울러 증발기(70)에서는 냉매를 저온ㆍ저압의 기체냉매로 증발시켜야만 외부열원을 흡수할 수 있는데 대하여, 어큐뮬레이터(50)의 냉매는 비교적 고온ㆍ고압의 상태를 유지하고 있으므로 여기서의 냉매가스를 일부 바이패스함에 따른 난방사이클의 성능저하는 전혀 발생하지 않으며, 오히려 동절기 증발기(70)의 과냉(외기흡입온도의 하강)을 방지함에 따라 응축기(30)의 응축온도(응축냉매의 온도)가 하강하는 것을 억제하여 적정의 난방온도를 유지할 수 있는 것은 물론, 증발기(70)와 응축기(30)의 증발 및 응축온도를 항시 최적의 상태로 연동적으로 유지시킴으로써 동절기 히트펌프의 가동에 따른 난방효율의 증대를 꾀할 수 있게 된다.

이후 증발기(70)로부터 플래시 냉매가스와 열교환된 주냉매는 일정한 과열도를 보장받아 4방향밸브(20)를 통해 압축기(10)의 1단 흡입측으로 유입되고, 증발기(70)로부터 주냉매와 열교환된 플래시 냉매가스는 압축기(10)의 2단 흡입측으로 유입되어 압축기(10)의 1단 토출된 냉매가스와 혼합되므로, 압축기(10)의 2단 흡입냉매온도가 상대적으로 감소하고 흡입냉매의 비체적 감소와 함께 질량을 증가시켜 압축기(10)의 압축효율 또한 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 동시에 단위시간당의 냉매순환량이 증가하여 난방 사이클의 효율증대에 기여한다.

이처럼 별도의 보조 히터나 외부 열원 등을 부가적으로 이용하지 않고 플래시 라인의 간단한 적용만으로 히트펌프 난방시스템을 효율적으로 구성함으로써, 특히 시스템의 작동이 불가능할 정도로 외기온도가 낮을 경우에도 최적의 난방사이클을 유지할 수 있으며, 이와 같은 난방사이클은 저온 냉동사이클이나 또는 저온 및 중온 압축장치를 채택하는 히트펌프 사이클에도 용이하게 적용된다.

이상과 같이 본 발명 히트펌프의 증발온도 보상장치 및 그 보상방법은, 어큐뮬레이터(50)의 상부와 압축기(10)의 2단 흡입측 사이에 증발기(70)를 경유하는 플래시 라인(71)을 연결하되, 플래시 라인(71)에 밸브(72)를 연결하고 증발기(70)에그 일부분을 점유하도록 이중관형의 매니폴드 튜브(71a)를 설치하면서 이 매니폴드 튜브(71a)를 플래시 라인(71)에 접속하여, 어큐뮬레이터(50)로부터 2차 팽차밸브(60)를 통해 증발기(70)로 유입되는 주냉매의 온도가 어큐뮬레이터(50)로부터 플래시 라인(71), 밸브(72), 매니폴드 튜브와 쉘 앤 튜브(71a)를 지나는 플래시가스의 온도보다 설정값 이하일 경우 또는 증발기(70)의 실외온도가 설정값 이하일 경우 플래시 라인(71)의 밸브(72)를 개방하여 증발기(70)의 주냉매와 플래시 라인의 플래시 냉매가스가 열교환되도록 함으로써, 증발기의 과냉각 방지와 함께 증발기와 압축기의 효율을 최적의 상태로 유지할 수 있고, 압축기의 압축효율 향상에 따른 동절기 히트펌프의 난방효율 증대에 기여하며, 아울러 별도의 보조적인 외부장치 사용을 배제함으로써 시스템의 구성을 단순화함과 동시에 장치의 원가와 운전비용을 대폭 절감하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 압축기, 4방향밸브, 응축기, 팽창밸브, 어큐뮬레이터, 증발기를 순환하는 히트펌프에 있어서, 상기 어큐뮬레이터의 플래시 가스를 증발기를 통해 바이패스시켜 그 증발기의 냉매와 열교환하도록 어큐뮬레이터의 상부와 증발기를 통해 플래시 라인이 연결되고, 압축냉매의 비체적을 감소시키기 위하여 상기 플래시 라인의 출구가 압축기의 흡입단에 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 증발기의 냉매와 경로를 달리하도록 그 증발기에 매니폴드 튜브가 설치되고, 매니폴드 튜브의 입ㆍ출구가 상기 플래시 라인에 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 플래시 라인은 압축기의 2차 흡입단에 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창밸브는 히트펌프의 교축ㆍ감압효율을 증대시키기 위해 응축기와 어큐뮬레이터, 어큐뮬레이터와 증발기 사이에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상장치.
5. 압축, 응축, 팽창, 증발단계로 되는 히트펌프의 난방 사이클에 있어서, 상기증발기의 냉매온도를 설정값으로 유지하기 위하여 어큐뮬레이터의 플래시 가스를 증발기의 냉매와 열교환하는 단계와, 열교환된 플래시 가스를 압축기의 흡입 냉매와 결합시켜 냉매의 비체적을 감소시키는 단계가 구비된 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 증발기의 냉매 온도값은 설정값보다 적을 경우 플래시 가스와 열교환되는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 플래시 가스는 압축기의 2차 흡입단에 도입되는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 증발온도 보상방법.