KR20050105130A - 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것으로, 증발기, 증발기용 팽창밸브, 재열응축기 및 기화식가습기를 구비하고, 실내측공기흡입구를 통하여 실내공기를 유입한 후 냉각, 가열, 제습 또는 가습하여 실내에 토출하는 제1열교환실; 제1열교환기, 제1열교환기용 팽창밸브, 상기 제1열교환기와 병렬로 연결된 제2열교환기 및 제2열교환기용 팽창밸브를 구비하고, 실내측공기흡입구와 실외측공기흡입구를 통하여 실내공기와 실외공기의 혼합공기를 유입한 후 냉매를 응축 또는 증발하여 제1열교환실 또는 압축기로 보내는 제2열교환실; 및 배관에 의하여 연결되어 냉매순환회로를 구성하는 상기 증발기, 증발기용 팽창밸브, 재열응축기, 제1열교환기, 제1열교환기용 팽창밸브, 제2열교환기, 제2열교환기용 팽창밸브 및 압축기 사이의 냉매 흐름을 절환할 수 있는 절환수단;을 포함하여 구성하되, 상기 절환수단은 냉방시에는 냉매를 압축기->압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 제1열교환기 또는 제2열교환기 중의 어느 1 열교환기, 압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 제1열교환기 및 제2열교환기->증발기용 팽창밸브 ->증발기->압축기로 절환하고, 난방시에는 냉매를 압축기->재열응축기->압축기의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이상이면 제1열교환기용 팽창밸브 또는 제2열교환기용 팽창밸브 중 어느 1 팽창밸브, 압축기의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 미만이면 제1열교환기용 팽창밸브 및 제2열교환기용 팽창밸브->제1열교환기 또는 제2열교환기 중 냉매가 흐르는 팽창밸브에 연결된 열교환기->압축기로 절환하며, 제습시에는 냉매를 압축기->재열응축기->증발기용 팽창밸브->증발기->압축기로 절환하는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 의하면, 절전형 공기조화기에 사용되는 히트펌프의 응축효율 및 증발 효율을 개선하여 냉방시 냉방 효과 및 난방시 방출열량을 극대화하면서도, 혹서기에 응축기의 응축불량으로 압축기의 냉매 토출압이 과다하게 상승하는 것을 자동으로 차단하고, 혹한기에 증발불량으로 압축기에 유입되는 냉매의 압력이 과다하게 저하되고 냉매가 저온의 습냉매 상태로 유입되는 것을 자동으로 차단하여, 과다한 전력 소모 및 압축기의 과부하로 인한 소손을 예방할 수 있는 효과가 있다.

Description

히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기{POWER-SAVING AIR CONDITIONER USING HEAT PUMP}

본 발명은 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것으로, 더 상세하게는 하나의 하우징 내부를 격막에 의하여 2개의 열교환실로 분리하고 각 열교환실을 실내기 및 실외기로 사용하면서, 외기의 온도와 상관없이 냉방시에는 효율적인 냉동효과를 나타내고, 난방시에는 방출열량을 극대화할 수 있는 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기에 관한 것이다.

히트펌프는 배관에 의하여 압축기, 제1열교환기(응축기 또는 증발기), 팽창밸브 및 제2열교환기(증발기 또는 응축기)를 순차적으로 연결하여 폐회로를 구성한 증기압축 냉동사이클(통상 "냉동사이클" 또는 "냉매순환회로"라고 함)에서 냉매의 순환 방향을 절환함으로써 냉방과 난방을 모두 수행할 수 있게 한 냉난방 시스템이다. 히트펌프에서 냉매의 순환 방향을 절환하는 절환 수단으로는 통상 4방변을 사용하며, 각 열교환기는 냉매 순환 방향에 따라 응축잠열을 방출하는 응축기로 작용하기도 하고 증발잠열을 흡수하는 증발기로 작용하기도 한다.

상기 배관중, 냉매가 고온고압의 가스냉매 또는 액냉매 상태를 유지하는 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 연결하는 배관을 고압관 또는 고압측이라고 하고, 냉매가 저온저압의 액냉매 또는 가스냉매 상태를 유지하는 팽창밸브, 증발기 및 압축기를 연결하는 배관을 저압관 또는 저압측이라고 한다.

히트펌프에 의한 냉방 운전시 냉매가 응축기에서 응축잠열을 충분히 방출하여야 냉매의 응축이 잘 이루어지고, 응축이 잘 이루어져야 고압냉매의 과냉각도가 높아져 후레시 가스의 발생없이 팽창밸브에서 온도 및 압력이 적절히 떨어지며, 팽창밸브에서 온도 및 압력이 적절히 떨어져야 증발기에서 증발 잠열의 흡수량이 커져 냉동 효과를 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 응축기에서 응축이 잘 이루어져야 응축압력 및 압축기의 토출압력이 낮아져 압축일이 줄어들게 되고 결과적으로 소비전력도 적어 진다. 즉, 히트펌프의 증발기에서 흡수되는 증발잠열은 응축기에서의 냉매의 응축에 크게 의존하고 응축기에서의 원활한 응축은 응축시 응축기에서 방열이 원활하게 이루어져야 가능한 것이다.

그러나, 히트펌프에 의한 냉방 운전은 주로 여름철에 이루어진다. 따라서, 여름철에는 실외기에서 응축이 일어나고 실내기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키게 되는 데, 여름철에는 실외기의 응축기 주변 온도가 높아 방열이 충분히 일어나지 못하고, 결과적으로 응축불량 및 증발잠열 감소를 초래한다. 이는 히트펌프에 의하여 냉방 운전을 하더라도 냉방 효과를 충분히 얻을 수 없음을 의미한다. 뿐만 아니라, 혹서기에는 응축기의 응축불량으로 압축기의 토출압이 지나치게 높게 상승할 수 있는 데, 이 것은 과다한 전력 소모를 야기할 뿐만 아니라, 압축기의 과부하로 인한 소손을 초래할 수가 있다. 따라서, 혹서기에 압축기의 토출압이 한계치에 이르렀을 때에는 자동으로 압축기의 토출압을 급격히 떨어 뜨려 줄 수 있는 장치가 필요한 것이다.

종래, 공기조화기에서 응축기의 방열이 원활히 일어나게 하기 위하여 다양한 방법이 시도 되고 있는데, 그 예로 실외공기에 냉각된 실내공기를 일부 혼합하여 전체적으로 온도를 낮춘 혼합공기를 응축기에 통과시킴으로써 응축 효율을 높이는 공냉식 방법이나, 공냉식 응축기와 수냉식 응축기를 모두 구비하고 선택적으로 사용하는 방법 등을 들 수 있다. 특히, 한국 등록특허공보 등록번호 제10-354132호 발명에는 냉방시 실외공기와 냉각된 실내공기를 혼합한 혼합공기를 이용하여 응축기를 냉각시킬 뿐만 아니라, 응축기의 전방측에 냉각수분무기를 설치하고, 증발기 드레인판의 일측변부에 증발기 드레인판으로 낙하되는 응축수가 일정한 수위가 되면 이를 상기 냉각수분무기로 강제 순환시킬 수 있는 응축수 펌프를 설치한 후, 증발기의 응축수에 의하여 응축기를 냉각시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 실외공기에 냉각된 실내공기를 일부 혼합하여 전체적으로 온도를 낮춘 혼합공기를 이용하는 응축기 냉각 방법은 응축기에서의 방출 열량을 어느 정도 많게 할 수 있지만, 냉기의 일부를 빼앗음으로써 실내 냉방을 그 만큼 희생시켜야 하고, 따라서 냉각된 실내공기의 혼합량을 크게 할 수 없는 한계가 있으며, 특히 혹서기에는 실외공기에 실내공기를 일부 혼합하여도 충분한 냉매 응축을 가져 올 수 없는 문제점이 있다. 상기 제10-354132호 발명은 이러한 점을 해결하고자 증발기 드레인판에 모인 응축수를 펌프로 응축기에 공급하여 분무기로 분사함으로써 응축 효율을 높이는 방법을 제안하고 있지만, 이를 위해서는 펌프, 냉각수분무기 및 배관을 별도로 더 구비하여야 하므로 공기조화기의 구조가 복잡해지고, 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다. 더구나, 일정한 냉매 수용 용량을 갖는 응축기에서, 응축기의 용량의 변화 없이, 응축수를 응축기에 분사하는 것 만으로는 압축기의 토출압이 한계치에 이르렀을 때 압축기의 토출압을 급속히 떨어 뜨려 압축기의 소손을 막을 수 없는 것이다.

히트펌프에 의한 난방 운전시에는 냉매가 증발잠열을 충분히 흡수하여야 증발이 잘 이루어지고, 증발이 잘 이루어져야 저압냉매의 건포화도 또는 과열도가 높아져 압축기에서의 압축이 잘 이루어지며, 압축기에서 압축이 잘 이루어 져야 압축부하가 떨어져 전력 소모량이 적고, 응축기에서 흡입냉매의 비체적이 작아지며, 결과적으로 난방에 사용되는 응축열 발생량이 많아진다. 즉, 히트펌프의 응축기에서 방출되는 방출 열량은 증발기 또는 저압관에서의 냉매의 증발에 크게 의존하고 증발기 또는 저압관에서의 원활한 증발은 증발기 또는 저압관 주변에서 냉매가 증발하는데 필요한 증발잠열을 충분히 공급할 수 있어야 가능한 것이다.

그러나, 히트펌프에 의한 난방 운전은 주로 겨울철에 필요한 데, 겨울철에는 실내기에서 응축이 일어나고 실외기에서 증발이 이루어지도록 냉매를 순환시키기 때문에 실외기의 증발기 또는 저압관 주변에 증발 잠열의 열원이 모자라게 되고, 결과적으로 증발불량 및 응축열량 감소를 초래한다. 이는 히트펌프에 의하여 난방 운전을 하더라도 난방 효과를 얻을 수 없음을 의미한다.

히트펌프에 의한 난방 운전시, 증발기 또는 저압관 주변에 증발잠열을 충분히 공급하는 방법은 2가지가 있을 수 있다. 그 방법 중의 하나는 증발기 또는 저압관 주변의 온도가 지나치게 낮은 온도가 되지 않게 증발기 또는 저압관 주변에 일정한 열량을 공급하여 주는 방법이다. 증발기 또는 저압관 주변에 증발잠열을 공급하는 방법으로 한국 등록특허공보 등록번호 제10-496376호 발명은 보조 열교환유닛을 구비하여 고압관과 저압관간에 열교환이 이루어지게 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 등록번호 제10-496376호 발명에 의하면 히트펌프에 의한 난방 운전시 응축기에서의 방출열량이 지나치게 감소하여 혹한기에 있어서는 난방 효과를 거의 기대할 수 없는 단점이 있다. 또한, 등록번호 제10-496376호 발명에 의하더라도, 혹한기에 있어, 외기 온도가 지나치게 떨어지면, 냉매가 증발잠열을 충분히 흡수하지 못하여 증발기가 결빙되고, 냉매도 증발하지 못하여 습냉매 상태로 압축기에 유입되므로 압축기에 과부하를 야기하고 이로 인하여 압축기의 소손을 초래하는 문제점이 있다.

상술한 종래 히트펌프를 이용한 공기조화기의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 응축효율 및 증발 효율을 개선하여 냉방시 냉방 효과 및 난방시 방출열량을 극대화할 수 있는 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 혹서기에 응축기의 응축불량으로 압축기의 냉매 토출압이 과다하게 상승하는 것을 자동으로 차단하고, 혹한기에 증발불량으로 압축기에 유입되는 냉매의 압력이 과다하게 저하되고 냉매가 저온의 습냉매 상태로 유입되는 것을 자동으로 차단하여, 과다한 전력 소모 및 압축기의 과부하로 인한 소손을 예방할 수 있는 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기는

증발기, 증발기용 팽창밸브, 재열응축기 및 기화식가습기를 구비하고, 실내측공기흡입구를 통하여 실내공기를 유입한 후 냉각, 가열, 제습 또는 가습하여 실내에 토출하는 제1열교환실;

제1열교환기, 제1열교환기용 팽창밸브, 상기 제1열교환기와 병렬로 연결된 제2열교환기 및 제2열교환기용 팽창밸브를 구비하고, 실내측공기흡입구와 실외측공기흡입구를 통하여 실내공기와 실외공기의 혼합공기를 유입한 후 냉매를 응축 또는 증발하여 제1열교환실 또는 압축기로 보내는 제2열교환실; 및

배관에 의하여 연결되어 냉매순환회로를 구성하는 상기 증발기, 증발기용 팽창밸브, 재열응축기, 제1열교환기, 제1열교환기용 팽창밸브, 제2열교환기, 제2열교환기용 팽창밸브 및 압축기 사이의 냉매 흐름을 절환할 수 있는 절환수단;을 포함하여 구성하되, 상기 절환수단은

냉방시에는 냉매를 압축기->압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 제1열교환기 또는 제2열교환기 중의 어느 1 열교환기, 압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 제1열교환기 및 제2열교환기->증발기용 팽창밸브 ->증발기->압축기로 절환하고,

난방시에는 냉매를 압축기->재열응축기->압축기의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이상이면 제1열교환기용 팽창밸브 또는 제2열교환기용 팽창밸브 중 어느 1 팽창밸브, 압축기의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 미만이면 제1열교환기용 팽창밸브 및 제2열교환기용 팽창밸브->제1열교환기 또는 제2열교환기 중 냉매가 흐르는 팽창밸브에 연결된 열교환기->압축기로 절환하며,

제습시에는 냉매를 압축기->재열응축기->증발기용 팽창밸브->증발기->압축기로 절환하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 구성도를, 도 2는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 냉방 운전시 냉매 흐름도를, 도 3은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 난방 운전시 냉매 흐름도를, 도 4는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 제습 운전시 냉매 흐름도를 각각 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기는 단일의 하우징을 격벽(12)에 의하여 분리하여 실내기의 기능을 수행하는 제1열교환실(5)과 실외기의 기능을 수행하는 제2열교환실(21)을 형성한다.

상기 제1열교환실(5)에는 실내공기를 유입할 수 있는 실내측공기흡입구(7a), 실외공기를 유입할 수 있는 실외측공기흡입구(13a), 유입된 공기 중의 악취성분, 부유물 또는 세균 등을 제거할 수 있는 항균에어필터(23), 열교환된 공기를 실내에 토출할 수 있는 실내측공기배출구(3) 및 상기 공기흡입구(7a, 13a)와 공기배출구(3)간에 공기의 흐름을 형성하는 제1송풍기(F1)를 구비한다. 상기 실내측공기흡입구(7a) 및 실외측공기흡입구(13a)에는 흡입 공기량을 조절하기 위한 댐퍼(9, 15)가 마련된다. 또한, 상기 제1열교환실(5)에는 가습 운전을 위해, 직수 또는 펌프에 연결되는 물호스(25)와, 상기 물호스(25)를 통과하는 물을 정수하는 프리카본필터(27)와, 상기 물호스(25)를 통과하는 물을 살균하는 자외선램프관(29)과, 상기 물호스(25)의 선단에 구비되어 물을 분사하는 노즐(31)과, 상기 노즐(31) 하방에 배치되고 상기 노즐(31)에서 분사되는 물을 보유하면서 통과하는 공기에 의하여 물이 자연 기화하도록 하는 기화식가습 엘레먼트(33)와, 상기 물호스(25)를 개폐하는 전자밸브 S7로 구성되는 기화식 가습기가 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제2열교환실(21)에는 실내공기를 유입할 수 있는 실내측공기흡입구(7b), 실외공기를 유입할 수 있는 실외측공기흡입구(13b), 열교환된 공기를 실내에 토출할 수 있는 실내측공기배출구(19) 및 상기 공기흡입구(7b, 13b)와 공기배출구(19)간에 공기의 흐름을 형성하는 제2송풍기(F2)를 구비한다. 상기 제2열교환실(21)의 실내측공기흡입구(7b) 및 실외측공기흡입구(13a)에도 흡입 공기량을 조절하기 위한 댐퍼(11, 17)가 마련된다.

도 1에는 제1열교환실(5)의 실내측공기흡입구(7a)와 제2열교환실(21)의 실내측공기흡입구(7b)가 격막(12)을 사이에 두고 서로 인접한 경우를 예시적으로 도시하였으나, 이들 실내측공기흡입구(7a, 7b)는 덕트에 의하여 실내까지 연결되기 때문에 반드시 인접하여 배치할 필요는 없다. 또한 도 1에는 제1열교환실(5)의 실외측공기흡입구(13a)와 제2열교환실(21)의 실외측공기흡입구(13b)가 격막(12)을 사이에 두고 서로 인접한 경우를 예시적으로 도시하였으나, 이들 실외측공기흡이구(13a, 13b)는 덕트에 의하여 실외까지 연결되기 때문에 반드시 인접하여 비치할 필요가 없다. 다만, 제1열교환실(5)의 실내측공기흡입구(7a)와 실외측공기흡입구(13a)는 실내 및 실외에서 제1열교환실(5)로 유입된 공기가 서로 혼합될 수 있게 배치되어야 하고, 제2열교환실(21)의 실내측공기흡입구(7a)와 실외측공기흡입구(13a)도 실내 및 실외에서 제2열교환실(21)로 유입된 공기가 서로 혼합될 수 있게 배치되어야 한다.

상기 실내측공기배출구(3) 및 실외측공기배출구(21)도 덕트에 의하여 각각 실내 및 실외에 연결된다.

본 발명의 특징 중 하나는 상기 제1열교환실(5)에 증발기(E)와 재열응축기(RC)를 구비하고, 상기 제2열교환실(21)에는 2개의 열교환기(HE1, HE2)를 구비하여, 냉방, 난방 및 제습 운전시 이들 간에 적절한 냉매 순환 회로가 구성되게 함과 아울러 상기 실내측공기흡입구(7a, 7b) 및 실외측공기흡입구(13a, 13b)로 부터 유입되는 공기를 적절히 혼합하여 활용함으로써, 응축효율 및 증발 효율을 극대화하고, 혹서기 또는 혹한기에 있어서 압축기 등의 부품을 보호할 수 있게 한 데 있다.

따라서, 상기 제1열교환실(5)에는 상기한 기화식가습기(33) 뿐만 아니라, 증발기(E), 증발기용 팽창밸브(EV), 재열응축기(RC)를 구비하고, 상기 제2열교환실(21)에는 제1열교환기(HE1), 제1열교환기용 팽창밸브(EV1), 상기 제1열교환기(HE1)와 병렬로 연결된 제2열교환기(HE2) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)를 구비한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 증발기(E), 증발기용 팽창밸브(EV), 재열응축기(RC), 제1열교환기(HE1), 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 및 제2열교환기(HE2), 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)를 압축기(CO) 및 냉매 순환경로 절환수단인 밸브들(S1 ~ S6, C1~C9)과 배관에 의하여 연결하여 냉매순환회로를 구성한다. 또한, 상기 냉매순환회로 내에는 응축된 냉매를 일시적으로 수용하여 팽창밸브(EV, EV1, EV2)에 공급하는 수액기(LR)와 압축기(CO)에 회수되는 저압 가스 냉매 중에 썩인 액냉매를 분리하는 액분리기(AC)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 냉매 순환경로 절환용 밸브(S1 ~ S6) 및 물호스 개폐용 밸브(S7)의 개폐 제어, 상기 압축기(CO)와 송풍기(F1, F2)의 온/오프 제어, 상기 댐퍼(9, 11, 15, 17)의 개폐 제어 또는 상기 송풍기(F1, F2)의 풍속제어는 통상의 공기조화기용 콘트롤러(편의상 도면에는 도시하지 않았음)에 의하여 수행된다.

본 발명의 다른 특징은 냉방시 압축기(CO)의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중의 어느 1 열교환기에서만 응축이 일어 나도록 냉매를 순환시키고, 압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2) 모두에서 응축이 일어 나도록 냉매를 순환시키는 데 있다. 이렇게 함으로써, 응축 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 혹서기 응축기에서의 응축불량에 의한 압축기의 과부하와 이로 인한 소손을 예방할 수 있는 것이다.

이를 위해, 상기 압축기(CO)의 고압관에는 제1고압스위치(45)를 구비한다. 상기 제1고압스위치(45)는 압축기(CO) 고압관의 압력이 응축기(HE1 또는 HE2)에서의 응축불량으로 설정치 이상으로 상승할 경우 상응하는 전력 신호를 상기 콘트롤러에 출력하고, 상기 콘트롤러는 밸브(S3)의 개폐 제어에 의하여 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2) 모두를 동시에 압축기(C)의 고압측에 연결하여, 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2) 모두에 냉매를 투입한다. 이 결과, 순간적으로 방열 면적이 넓어 지므로 응축이 활발해 지고 압축기(CO)의 고압관 압력도 짧은 시간 내에 낮아지게 된다. 상기 제1고압스위치(45)의 설정압력은 사용되는 압축기의 RT(Refrigeration Tone)에 따라 차이가 있으나 통상적으로 17Kg/㎠ 전후인 것이 바람직하다.

상기 압축기(CO)의 고압관에는 제2고압스위치(47)를 더 구비하고, 상기 제2고압스위치(47)는 압축기(C))의 고압관 압력이 설정 압력 이상이 되면 상기 제2송풍기(F2)의 회전속도(풍속)를 가속하는 데 필요한 전압 신호를 상기 콘트롤러에 출력하게 하고, 상기 콘트롤러는 상기 제2고압스위치(47)의 전압 신호에 따라 상기 제2송풍기(F2)를 가속하여 응축기(HE1, HE2)에서의 방출열량이 크게 하는 것이 바람직하다. 이 때 상기 제2고압스위치(47)의 설정압력도 사용되는 압축기의 RT(Refrigeration Tone)에 따라 차이가 있으나 통상적으로 25Kg/㎠ 전후인 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축기(CO)의 고압관 및 저압관에는 고압관 및 저압관의 압력을 상기 콘트롤러에 전압 신호로 출력하는 고저압스위치(43)를 구비하고, 상기 콘트롤러는 압축기(CO)의 고압관 압력이 설정치 이상으로 올라가거나, 압축기(CO)의 저압관 압력이 설정치 이하로 내려갈 경우 상기 압축기(CO)의 전원을 오프시키는 것이 바람직하다. 이 때 상기 고저압스위치(43)의 설정압력도 사용되는 압축기의 RT(Refrigeration Tone)에 따라 차이가 있으나 고압설정값은 30Kg/㎠ 전후, 저압설정값은 3Kg/㎠인 것이 바람직하다.

상기 압축기(CO)의 고압관 및 저압관에는 육안으로 고압관 및 저압관의 압력을 확인할 수 있는 고압게이지(51) 및 저압게이지(49)를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징은 난방시 압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이상이면 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중의 어느 1 열교환기에서만 증발이 일어 나도록 냉매를 순환시키고, 압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이하이면 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2) 모두에서 증발이 일어나도록 냉매를 순환시키는 데 있다.

이를 위해, 상기 압축기(CO)의 저압관에는 온도센서(53)를 구비한다. 상기 온도센서(53)는 압축기(CO) 저압관의 압력이 증발기(HE1 또는 HE2)에서의 증발불량으로 설정치 이하로 하락할 경우 상응하는 전력 신호를 상기 콘트롤러에 출력하고, 상기 콘트롤러는 제1열교환기용 팽창밸브(EV1)의 전단에 구비된 전자밸브 S5와 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)의 전단에 구비된 전자밸브 S4 모두를 개방하여, 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2) 모두에서 동시에 증발이 일어나도록 한다.이 결과, 순간적으로 증발 면적이 넓어 지므로 증발이 활발해 지고 압축기(CO)의 저압관 온도도 짧은 시간 내에 정상적인 증발 온도로 올라간다. 상기 온도센서(53)의 설정온도는 사용되는 압축기의 RT(Refrigeration Tone)에 따라 차이가 있으나 통상적으로 -5℃ 전후인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징은 제습시에는 냉매를 압축기(CO)->재열응축기(RC)->증발기용 팽창밸브(EV)->증발기(E)->압축기(CO)로 절환함으로써, 실내 온도의 저하 없이 제습을 수행하는 데 있다. 즉, 제습시에는 제1열교환실(5)에 구비된 재열응축기(RC)에서 응축이 일어나고, 역시 제1열교환실(5)에 구비된 증발기(E)에서 증발이 일어나도록 냉매순환회로를 구성함으로써, 증발기(E)에서 수증기를 빼앗기면서 냉각된 공기가 실내에 배출되기 전에 재열응축기(RC)에서 재가열되어 배출되므로 실내 온도의 저하 없이 제습이 가능한 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 제2열교환실(21)에 구비된 2개의 열교환기(HE1, HE2)는 냉방시에는 응축기로 난방시에 증발기로 교대하여 사용함에 반하여, 제1열교환실(5)에 구비된 2개의 열교환기(RC,E) 중의 하나인 재열응축기(RC)에서는 언제나 응축이 일어나도록 구성하여 난방 및 제습시 응축기 전용으로 사용하고, 다른 하나인 증발기(E)는 언제나 증발이 일어나도록 구성하여 냉방 전용으로 사용한 데 있다. 이러한 구성은 특히, 공기조화기에 의하여 온도 변화에 민감한 장비가 설치된 실내의 항온기능을 수행하는 데 장점이 있다. 즉, 항온 운전에서는 냉방시 과냉각에 의하여 실내 공기가 지나치게 냉각된 경우, 일시적인 난방 운전에 의하여 실내 온도를 즉시 높일 필요가 있는 데, 이 때 냉방에 사용된 증발기가 즉시 응축기로 전환되어 사용될 경우 열효율이 크게 떨어지게 된다. 난방시에도 실내공기가 과열된 경우, 일시적인 냉방 운전에 의하여 실내 온도를 낮출 필요가 있는 데, 이 때 난방에 사용된 응축기가 즉시 증발기로 전환되어 사용될 경우 냉각 효과가 크게 떨어지게 된다. 따라서, 실내기로 사용되는 제1열교환실(5)에는 응축 전용 또는 증발 전용의 열교환기가 구비되는 것이 바람직한 것이다.

상기 냉매 절환수단은 다양한 밸브의 조합으로 구성할 수 있지만, 도 1 내지 도 4에 도시된 실시 예에 있어서는 1개의 사방밸브(S1)(본 명세서에서는 4방향 전자밸브를 단순히 "사방밸브"라고 함), 2개의 삼방밸브(S2, S3)(본 명세서에서는 3방향 전자밸브를 단순히 "삼방밸브"라고 함), 3개의 전자밸브(S4 ~ S6)(본 명세서에서는 양방향전자밸브를 단순히 "전자밸브"라고 함) 및 9개의 체크밸브(C1 ~ C9)로 구성한 경우를 예시적으로 도시 하였다.

도 1을 참조하면, 상기 압축기(CO)의 고압관은 상기 사방밸브(S1), 제1삼방밸브(S2), 제2삼방밸브(S3) 및 체크밸브(C2, C3)를 경유하여 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)에 연결되고, 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)는 체크밸브(C4, C5)를 경유하여 수액기(LR)에 열결되고, 상기 수액기(LR)는 전자밸브 S6 및 필터드라이어(35)를 경유하여 증발기용 팽창밸브(EV)에 연결되고, 상기 팽창밸브는 상기 증발기(E)에 연결되고, 상기 증발기(E)는 체크밸브(C9) 및 상기 사방밸브(S1)를 경유하여 상기 액분리기(AC)에 연결되고, 상기 액분리기(AC)는 냉매가스로 부터 이물질을 걸러주는 흡입관측필터(41)를 경유하여 압축기(CO)에 연결된다.

또한, 상기 압축기(CO)의 고압관은 상기 사방밸브(S1) 및 체크밸브(C8)를 경유하여 재열응축기(RC)에 연결되고, 상기 재열응축기(RC)는 체크밸브(C6)을 경유하여 수액기(LR)에 연결되고, 상기 수액기(LR)는 상기 체크밸브(C5) 또는 체크밸브(C4)와 병렬로 연결된 전자밸브 S5, 필터드라이어(39) 및 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 또는 전자밸브 S4, 필터드라이어(37) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)를 경유하여 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)에 연결되고, 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)는 체크밸브(C1)을 경유하여 상기 사방밸브(S1)에 연결되고, 상기 사방밸브(S1)는 상기 액분리기(AC) 및 흡입관측필터(41)를 경유하여 압축기에 연결된다.

또한, 상기 압축기(CO)의 고압관은 상기 사방밸브(S1), 상기 제1삼방밸브 및 체크밸브(C7)을 경유하여 재열응축기(RC)에 연결되고, 상기 재열응축기(RC)는 체크밸브(C6)을 경유하여 수액기(LR)에 열결되고, 상기 수액기는 상기 전자밸브 S6과 필터드라이어(35)를 경유하여 상기 증발기용 팽창밸브(EV)에 연결되고, 상기 증발기용 팽창밸브(EV)는 상기 증발기(E)에 연결되고, 상기 증발기(E)는 상기 체크밸브(C9), 사방밸브(S1), 액분리기(AC) 및 흡입관측필터(41)를 경유하여 압축기(CO)에 연결된다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 냉방 운전, 난방 운전, 가습 운전 및 제습 운전 방법을 상세히 설명한다. 도 2 내지 도 4에서 냉매가 흐르지 않는 배관 및 열교환기는 점선으로 표시하고, 냉매가 흐르는 배관 및 열교환기는 실선으로 표시하였다.

도 2를 참조하면, 냉방 운전을 위하여, 상기 콘트롤러는 상기 사방밸브(S1)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관에 연결된 b포트를 상기 제1삼방밸브(S2)의 a포트에 연결하고, 상기 사방밸브(S1)의 포트 중 상기 액분리기(AC)에 연결된 d포트를 상기 증발기(E)에 연결된 c포트에 연결한다. 또한, 상기 콘트롤러는 상기 제1삼방밸브(S2)의 b포트를 닫고 상기 사방밸브(S1)에 연결된 a포트를 상기 제2삼방밸브(S3)에 연결된 c포트에 연결한다.

상기 콘트롤러에 의한 상기 제2삼방밸브(S3)의 개폐 제어는 제1압력스위치(45)에서 감지한 압축기(CO)의 고압단 압력에 따라 달라진다. 즉, 압축기(CO)의 고압단 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 상기 제2삼방밸브(S3)의 포트 중 제2열교환기(HE2)에 연결된 b포트를 닫고, 제1삼방밸브(S2)에 연결된 c포트를 제1열교환기(HE1)에 연결된 a포트에 연결하거나, 상기 a포트를 닫고, 상기 c포트를 상기 b포트에 연결한다. 또한, 압축기(CO)으 고압단 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 상기 c포트를 상기 a포트 및 b포트 모두에 연결한다.

또한, 상기 콘트롤러는 제1열교환기용 팽창밸브(EV1)의 유로상에 구비된 전자밸브 S5와 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)의 유로상에 구비된 전자밸브 S4를 닫고, 수액기(LR)와 증발기(E)측 필터드라이어(35) 사이에 구비된 전자밸브 S6을 연다.

상술한 밸브(S1~S6)의 개폐에 의하여 냉방시에는 냉매가 압축기(CO)->압축기(CO)의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중의 어느 1 열교환기, 압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)->증발기용 팽창밸브(EV)->증발기(E)->압축기(CO)를 순환하면서 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2)에서 응축이 일어나고, 증발기(E)에서는 증발이 일어난다. 이 때, 상기 제1열교환실(5) 및 제2열교환실(21)의 실내측공기흡입구 댐퍼(9, 11)을 열고, 제1열교환실(5)의 실외측공기흡입구 댐퍼(15)는 닫으며, 제2열교환실(21)의 실외측공기흡입구 댐퍼(17)는 연다. 이렇게 함으로써, 제1열교환실(5)에서는 실내공기가 순환되면서 냉각되고, 제2열교환실(21)에서는 냉각된 실내공기가 실외공기에 혼합된 채 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2)를 통과하면서 냉매를 응축시킨다. 냉방시에도 상기 제1열교환실(21)의 실외측공기흡입구 댐퍼(15)를 주기적으로 열어 실외 공기가 주기적으로 실내에 유입되게 하는 것이 바람직하다.

도 3를 참조하면, 난방 운전을 위하여, 상기 콘트롤러는 상기 사방밸브(S1)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관에 연결된 b포트를 상기 재열응축기(RC)에 연결된 c포트에 연결하고, 상기 사방밸브(S1)의 포트 중 상기 액분리기(AC)에 연결된 d포트를 상기 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)에 연결된 d포트에 연결한다. 또한, 상기 콘트롤러는 상기 제1삼방밸브(S2), 제2삼방밸브(S3) 및 전자밸브 S6을 닫는다.

상기 콘트롤러에 의한 상기 전자밸브 S4 및 S5의 개폐 제어는 온도센서(53)에서 감지한 압축기(CO)의 저압단 온도에 따라 달라진다. 즉, 압축기(CO)의 저압단 온도가 미리 설정된 온도 이상이면, 전자밸브 S4 또는 S5 중 어느 하나의 전자밸브를 열어 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 또는 제2열교환기용 팽창밸브(EV2) 중 어느 한 팽창밸브에서 냉매의 팽창이 일어나게 하고, 압축기(CO)의 저압단 온도가 미리 설정된 온도 미만이면, 전자밸브 S4 및 S5를 동시에 열어 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2) 모두에서 냉매의 팽창이 일어나게 한다.

상술한 밸브(S1~S6)의 개폐에 의하여 난방시에는 냉매가 압축기(CO)->재열응축기(RC)->압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이상이면 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 또는 제2열교환기용 팽창밸브(EV2) 중 어느 1 팽창밸브, 압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 미만이면 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)->제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중 냉매가 흐르는 팽창밸브에 연결된 열교환기->압축기(CO)를 순환하면서 재열응축기(RC)에서 응축이 일어나고, 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2)에서 증발이 일어난다. 이 때, 상기 제1열교환실(5) 및 제2열교환실(21)의 실내측공기흡입구 댐퍼(9, 11)을 열고, 제1열교환실(5)의 실외측공기흡입구 댐퍼(15)는 닫으며, 제2열교환실(21)의 실외측공기흡입구 댐퍼(17)는 연다. 이렇게 함으로써, 제1열교환실(5)에서는 실내공기가 순환되면서 난방되고, 제2열교환실(21)에서는 가열된 실내공기가 실외공기에 혼합된 채 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2)를 통과하면서 냉매에 증발 잠열을 제공하게 된다. 난방시에도 상기 제1열교환실(21)의 실외측공기흡입구 댐퍼(15)를 주기적으로 열어 실외 공기가 주기적으로 실내에 유입되게 하는 것이 바람직하다.

도 4를 참조하면, 제습 운전을 위하여, 상기 콘트롤러는 상기 사방밸브(S1)의 포트 중 압축기(CO)의 고압관에 연결된 b포트와 a포를 연결하고, 상기 사방밸브(S1)의 a포트에 연결된 제1삼방밸브(S2)의 a포트는 재열응축기(RC)에 연결된 제1삼방밸브(S2)의 b포트에 연결한다. 또한 제1삼방밸브(S2)의 c포트는 닫아 냉매가 제1열교환기(HE1)나 제2열교환기(HE2)에 유입되는 것을 차단한다. 또한, 상기 전자밸브 S6는 열고, 상기 제2삼방밸브(S3), 전자밸브 S4 및 전자밸브 S5는 닫는다.

상술한 밸브(S1~S6)의 개폐에 의하여 제습시에는 냉매를 압축기(CO)->재열응축기(RC)->증발기용 팽창밸브(EV)->증발기(E)->압축기(CO)를 순환하면서 재열응축기(RC)에서 응축이 일어나고, 증발기(E)에서 증발 및 제습이 일어난다. 이 때, 상기 제1열교환실(5)의 실내측공기흡입구 댐퍼(9)를 제외한 나머지 댐퍼(11, 15, 17)를 모두 닫는다. 이렇게 함으로써, 제1열교환실(5)에서는 실내공기가 순환되면서 제습이 이루어지고, 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2)는 냉매 순환이 차단된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 절전형 공기조화기에 사용되는 히트펌프의 응축효율 및 증발 효율을 개선하여 냉방시 냉방 효과 및 난방시 방출열량을 극대화하면서도, 혹서기에 응축기의 응축불량으로 압축기의 냉매 토출압이 과다하게 상승하는 것을 자동으로 차단하고, 혹한기에 증발불량으로 압축기에 유입되는 냉매의 압력이 과다하게 저하되고 냉매가 저온의 습냉매 상태로 유입되는 것을 자동으로 차단하여, 과다한 전력 소모 및 압축기의 과부하로 인한 소손을 예방할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 냉방 운전시 냉매 흐름도이다.

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 난방 운전시 냉매 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기의 제습 운전시 냉매 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

3 : 실내측공기배출구 5 : 제1열교환실

7a, 7b : 실내측공기흡입구 9, 11, 15, 17 : 댐퍼

12 : 격벽 13a, 13b : 실외측공기흡입구

19 : 실외측공기배출구 21 : 제2열교환실

23 : 항균에어필터 25 : 물호스

27 : 프리카본필터 29 : 자외선램프

31 : 노즐 33 : 기화식가습 엘레먼트

35, 37, 39 : 필터드라이어 41 : 저압관측 필터

43 : 고저압스위치 45, 47 : 고압스위치

49 : 저압게이지 51 : 고압게이지

53 : 온도센서 CO : 압축기

HE1, HE2 : 열교환기 EV, EV1, EV2 : 팽창밸브

E : 증발기 RC : 재열응축기

LR : 수액기 AC : 액분리기

S1 : 사방밸브 S2, S3 : 삼방밸브

S4 ~ S7 : 전자밸브 C1 ~ C9 : 체크밸브

Claims (1)

1. 증발기(E), 증발기용 팽창밸브(EV), 재열응축기(RC) 및 기화식가습 엘레먼트(33)를 구비하고, 실내측공기흡입구(7a)를 통하여 실내공기를 유입한 후 냉각, 가열, 제습 또는 가습하여 실내에 토출하는 제1열교환실(5);

   제1열교환기(HE1), 제1열교환기용 팽창밸브(EV1), 상기 제1열교환기(HE1)와 병렬로 연결된 제2열교환기(HE2) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)를 구비하고, 실내측공기흡입구(7b)와 실외측공기흡입구(13b)를 통하여 실내공기와 실외공기의 혼합공기를 유입한 후 냉매를 응축 또는 증발하여 제1열교환실(5) 또는 압축기(CO)로 보내는 제2열교환실(21);

   배관에 의하여 연결되어 냉매순환회로를 구성하는 상기 증발기(E), 증발기용 팽창밸브(EV), 재열응축기(RC), 제1열교환기(HE1), 제1열교환기용 팽창밸브(EV1), 제2열교환기(HE2), 제2열교환기용 팽창밸브(EV2) 및 압축기(CO) 사이의 냉매 흐름을 절환할 수 있는 절환수단;을 포함하여 구성하되,

   상기 절환수단은

   냉방시에는 냉매를 압축기(CO)->압축기(CO)의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 미만이면 제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중의 어느 1 열교환기, 압축기의 고압관 압력이 미리 설정된 압력 이상이면 제1열교환기(HE1) 및 제2열교환기(HE2)->증발기용 팽창밸브(EV)->증발기(E)->압축기(CO)로 절환하고,

   난방시에는 냉매를 압축기(CO)->재열응축기(RC)->압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 이상이면 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 또는 제2열교환기용 팽창밸브(EV2) 중 어느 1 팽창밸브, 압축기(CO)의 저압관 온도가 미리 설정된 온도 미만이면 제1열교환기용 팽창밸브(EV1) 및 제2열교환기용 팽창밸브(EV2)->제1열교환기(HE1) 또는 제2열교환기(HE2) 중 냉매가 흐르는 팽창밸브에 연결된 열교환기->압축기(CO)로 절환하며,

   제습시에는 냉매를 압축기(CO)->재열응축기(RC)->증발기용 팽창밸브(EV)->증발기(E)->압축기(CO)로 절환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 절전형 공기조화기.