KR20130110174A - 축열 장치 및 이것을 이용한 공기 조화기 - Google Patents

축열 장치 및 이것을 이용한 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

액체로 구성되며, 열원으로부터의 열을 축열하는 축열재와, 축열재를 내부에 보지하는 축열조(2)와, 축열조의 외피를 형성하는 벽부이며, 열원과 축열재와의 사이의 전열을 담당하는 전열부(4)를 구비하고, 축열조(2)는, 축열조(2)의 상단이 전열부(4)의 상단보다 높은 위치에 있게 했으므로, 축열재의 용량의 증대를 가능하게 하는 동시에, 대류열 전달에 의해 전열부(4)에 접하지 않는 축열재까지도 효율적으로 승온시키는 것이 가능해진다.

Description

축열 장치 및 이것을 이용한 공기 조화기{HEAT STORAGE DEVICE AND AIR CONDITIONER USING SAME}
본 발명은 열원에 접촉하여 이용되는 축열 장치와 이것을 이용한 공기 조화기에 관한 것이다.
종래, 히트 펌프식 공기 조화기에 의한 난방 운전에서는, 실외 열교환기의 제상(除霜)을 실행하기 위해서, 사방 밸브에 의해 냉매의 흐름을 난방 사이클로부터 냉방 사이클로 전환, 고온 고압의 냉매를 실외 열교환기로 흐르게 하는 것이 일반적이다. 이 제상 방식에서는 실내로 향하게 했던 열량을 실외 열교환기의 제상으로 향하게 하기 때문에 난방 효과를 해친다고 하는 결점이 있다. 또한 난방 운전에서는, 충분히 가열된 실내기로부터의 취출 기류를 확보하기 위해서, 실내기의 배관 온도를 일정 온도까지 승온시킨 후에 실내의 송풍을 개시하므로, 시동시로부터 송풍 개시까지 지연 시간이 있으며, 이 점도 히트 펌프식 공기 조화기의 결점이라고 말할 수 있다.
이들 결점을 보충하기 위해서, 축열 장치를 냉동 사이클에 조합함으로써, 난방 운전 중에, 축열 장치에 비축된 압축기의 폐열을 제상이나 시동 특성의 개선에 이용하는 기술이 잘 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한, 도 7은 종래의 축열 장치의 종단면도이다. 도 7에 있어서, 축열 장치(100)는 압축기(102)의 격벽(104)의 외주면에 고정 설치되어 있다. 또한, 축열 장치(100)는 알루미늄 박판이나 동판 등으로 구성되는 금속 부재(106)를 갖고 있으며, 이 금속 부재(106)는 격벽(104)의 외주면에 접촉하도록 권회되어 있다.
축열 장치(100)의 내부에는, 압축기(102)에서 발생한 열을 격벽(104) 및 금속 부재(106)를 거쳐서 축적하는 축열재(108)가 수용되어 있으며, 이 축열재(108)는 종단면 형상이 ㄷ자 형상의 수용 부재(110)와 상술한 금속 부재(106)로 형성된 공간부에 충전되어 있다. 이 공간부 중에는, 축열재(108)와 함께, 유입한 냉매를 가열하는 가열 배관(112)이 배설되어 있다.
일본 특허 제 2705734 호 공보
상술한 바와 같이, 도 7에 도시되는 종래의 축열 장치에서는, 수용 부재(110)는 압축기(102)의 주위에 권회되어 있지만, 모터부와 압축부 사이에 협지되어 있으므로, 축열재(108)의 용량, 나아가서는 축열 용량이 작아진다고 하는 과제가 있다.
본 발명은 종래 기술이 갖는 이와 같은 문제점에 감안하여 이루어진 것으로서, 열원에 접촉하여 이용되는 축열 장치에 있어서, 축열재의 용량을 증대시켜, 축열 용량을 효율적으로 증대시키는 것이 가능한 축열 장치 및 이 축열 장치를 이용한 공기 조화기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 축열 장치는, 액체로 구성되며, 열원으로부터의 열을 축열하는 축열재와, 축열재를 내부에 보지하는 축열조와, 축열조의 외피를 형성하는 벽부이며, 열원과 축열재와의 사이의 전열을 담당하는 전열부를 구비하고, 축열조는, 축열조의 상단이 전열부의 상단보다 높은 위치에 있게 한 것이다.
이것에 의해, 축열재의 용량의 증대를 가능하게 하는 동시에, 대류열 전달에 의해 전열부에 접하지 않는 축열재까지도 효율적으로 승온시키는 것이 가능해진다. 또한, 전열부보다 축열조의 상단을 높은 위치로 함으로써, 축열을 이용하여 열매(熱媒)를 가열하기 위한 열교환기도 높이 방향으로 대형화한 것을 수용하는 것이 가능해져, 축열재에 비축된 열을 효율적으로 이용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전열부보다 축열조의 상단을 높은 위치로 함으로써, 축열재의 용량의 증대를 가능하게 하는 동시에, 대류열 전달에 의해 전열부에 접하지 않는 축열재까지도 효율적으로 승온시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 축열 장치에 있어서의 축열조의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 축열 장치 및 압축기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 축열 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 축열 장치를 이용한 공기 조화기의 구성도이다.
도 5는 도 4의 공기 조화기의 통상 난방시의 동작 및 냉매의 흐름을 도시하는 모식도이다.
도 6은 도 4의 공기 조화기의 제상·난방시의 동작 및 냉매의 흐름을 도시하는 모식도이다.
도 7은 종래의 축열 장치의 단면도이다.
본 발명은 액체로 구성되며, 열원으로부터의 열을 축열하는 축열재와, 축열재를 내부에 보지하는 축열조와, 축열조의 외피를 형성하는 벽부이며, 열원과 축열재와의 사이의 전열을 담당하는 전열부를 구비하고, 축열조는, 축열조의 상단이 전열부의 상단보다 높은 위치에 있게 한 것이다.
이것에 의해, 축열재의 용량의 증대를 가능하게 하는 동시에, 대류열 전달에 의해 전열부에 접하지 않는 축열재까지도 효율적으로 승온시키는 것이 가능해진다. 또한, 축열을 이용하여 열매를 가열하기 위한 열교환기도 높이 방향으로 대형화한 것을 수용하는 것이 가능해져, 축열재에 비축된 열을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 축열조의 내부에, 축열재와 열교환을 실행시키는 열교환기를 구비하고 열교환기의 상단이 전열부의 상단보다 높은 위치에 있게 한 것이다.
또한, 축열조의 하단이 상기 열원의 하단보다 높은 위치에 있게 했으므로, 겨울철 등에 있어서 축열조가 열원 이외의 저온부와 열적으로 절연되어, 열손실을 저감할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
본 발명의 실시형태 1에 따른 축열 장치의 사시도를 도 1에 도시한다. 본 발명의 실시형태 1에 따른 축열 장치(1)는, 공기 조화 장치의 압축기의 외피에 접촉하여 이용되고, 압축기의 폐열을 축적하여 이용하기 위한 것으로서, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지로 성형된 축열조(2) 및 덮개부(3)와, 그들에 둘러싸이는 공간에 봉입된 축열 열교환기(5)로 이루어지고, 축열조 내에 몰입한 접속 배관(68)에 의해서 공기 조화기의 냉매 배관에 연결되어 있다. 축열재는 액체로 구성되며, 본 실시형태에서는 물을 함유하는 에틸렌글리콜 용액이 충전되어 있다. 축열 열교환기(5)는 축열재로부터 얻어지는 열을 이용하여 냉매의 가열에 이용된다.
도 1에 있어서 편의적으로 빗금으로 표기한 부분은 본 실시형태에 있어서의 전열부(4)를 나타낸다. 전열부(4)는 축열조(2)를 구성하는 외피(격벽)의 일부이며, 축열조(2)와 동일한 재질로 일체적으로 성형되어 있다. 축열 장치(1)에 있어서 열원인 압축기의 외피와 접촉하여, 열원과의 열의 주고받음에 도움이 되게 한다. 전열부(4)의 상단은 도 1에 도시되는 바와 같이 축열 장치(1)의 상단보다 낮은 위치에 놓여져 있다.
도 2는 축열 장치(1)를 전열부(4)에 있어서, 압축기(58)와 접촉시켜 이용하는 경우의 압축기(58)와 축열 장치(1)와의 위치 관계를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2에 있어서는, 본 실시형태에 따르는 축열 장치(1)에 있어서, 축열재의 액면(12)의 위치를 명시하기 위해서, 축열 장치(1)에 있어서, 축열조(2)로부터 덮개부(3)를 분리하고 있다. 또한, 도 3은 본 발명의 축열 장치(1)의 단면도를 도시하고 있다.
여기서, 축열 장치(1)에는, 내부에 충전된 축열재를 교반하기 위한 교반 수단은 마련되어 있지 않으며, 축열재의 온도 분포는 균일하지 않으므로, 본 발명에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 효율적인 열교환을 고려하여, 사행(蛇行)하도록 절곡된 축열 열교환기(5)를 축열조(2)의 상부에 배치하고 있다.
즉, 축열 열교환기(5)의 내부를 통과하는 냉매와, 냉매와 열교환을 실행하는 축열재는 온도차가 클수록 열교환량이 크게 되고, 제상 시간도 짧아지지만, 고온의 축열재는 축열조(2) 내의 상방에 모이고, 저온의 축열재는 축열조(2) 내의 하방에 모이므로, 도 3에 도시되는 바와 같이, 굴곡부(5a)와, 굴곡부(5a)의 양단보다 상방에 직선 형상으로 연장되는 직선부(5b)를 갖는 축열 열교환기(5)는, 굴곡부(5a)의 전체가 축열조(2)의 상부의 소정의 범위에서 축열조(2)의 내벽면을 따르도록 만곡하여 배치되어 있다.
축열조(2)의 저면으로부터의 높이를 H1, 축열조(2)의 저면으로부터의 높이 방향의 중심 위치를 H2(H2=H1/2), 축열조(2)의 저면으로부터의 축열 열교환기(5)의 굴곡부(5a)의 하단의 높이를 H3, 축열조(2)의 상면으로부터의 축열 열교환기(5)의 굴곡부(4a)의 상단까지의 거리를 H4로 하면, 본 실시형태에서는, H3 및 H4를 소정의 높이 또는 거리로 설정하고 있다.
축열 열교환기(5)의 높이 방향의 중심 위치(CoB)는 축열조(2)의 높이 방향의 중심 위치(H2)보다 상방에 설정된다. 또한, 축열 열교환기(5)의 높이 방향의 중심 위치(CoB)는 축열 열교환기(5)의 굴곡부(5a)와 직선부(5b)를 맞춘 부분의 중심 위치이다. 여기서, 축열 장치(1)에 있어서, 압축기(58)로부터의 열은 축열재에 축적되지만, 축열조(2)의 상방의 축열재 쪽이 하방의 축열재보다 고온이 된다. 본 축열 장치(1)에서는, 축열 열교환기(5)의 중심 위치를 축열조(2)의 높이 방향의 중심 위치보다 상방에 설정함으로써, 축열 열교환기(5)는, 주로, 축열재에 있어서 상대적으로 고온 부분과 효율적으로 열교환을 실행한다.
한편, 축열조(2)의 상면으로부터의 축열 열교환기(5)의 굴곡부(5a)의 상단까지의 거리(H4)는 축열조(2)의 경사를 고려하여 결정된다. 즉, 압축기(58)나 축열조(2)는 통상 실외기(56)에 수용되고, 실외기(56)는 경사진 상태로 실외에 설치되는 일이 있다. 이와 같은 경사를 상정하여, 덮개부(3)가 축열재의 액면(12)에 잠기지 않을 정도로, 축열재를 축열조(2)에 넣었을 경우에, 축열조(2)가 소정의 각도(예를 들면, 설치면에 대해 약 7°)까지 경사져도, 축열 열교환기(5)의 굴곡부(5a)가 항상 축열재에 침지하도록, 축열 열교환기(5)의 굴곡부(5a)의 상단이 축열조(2)의 상면으로부터 소정의 거리(H4)만큼 하방에 위치하도록, 축열 열교환기(5)는 축열조(2)의 내부에 설치된다.
본 실시형태에 있어서는, 전열부(4)의 상단은 도 1에 도시되는 바와 같이 축열 장치(1)의 상단보다 낮은 위치에 놓여져 있기 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이 축열재의 액면(12)을 전열부(4)의 상단보다 높은 위치에 보지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 축열재의 액면(12)을 전열부(4)의 상단보다 높은 위치에 보지할 수 있기 때문에, 축열재의 액면(12)에 가까운 위치까지 축열 열교환기(5)를 배치하는 것이 가능하게 된다.
축열재의 액면(12)을 전열부(4)의 상단보다 높은 위치에 보지함으로써, 자연 대류에 의해서 열원의 열이 전달되기 쉬운 영역에 축열재의 용량을 확대시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 그 영역까지 축열 열교환기(5)를 확장하는 것에 의해서, 열원의 열이 전달되기 쉬운 영역에까지 열교환 면적을 보다 증대시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 축열조(2)의 하단에 접하여 마련된 대좌(9)에 의해, 축열조(2)의 하단 및 전열부(4)의 하단이 압축기(58)의 하단보다 높은 위치가 된다. 이것에 의해, 특히 겨울철에 축열조(2)는 열원 이외의 저온부와 열적으로 절연되어, 열손실을 저감할 수 있다.
도 4에, 본 발명에 따른 축열 장치(1)를 구비한 공기 조화기의 구성을 도시한다. 본 발명에 따른 공기 조화기는 실외기(56)와, 실내기(14)와, 이들을 접속하는 냉매 배관으로 구성된다.
실외기(56)는 압축기(58)와, 사방 밸브(25)와, 팽창 밸브(24)와, 실외 열교환기(20)가 배치되고, 또한 압축기(58)의 냉매 토출구와 사방 밸브(25)를 접속하는 제 1 배관(26)과, 압축기(58)의 냉매 흡입구와 사방 밸브(25)를 접속하는 제 2 배관(28)과, 사방 밸브(25)와 실외 열교환기(20)를 접속하는 제 3 배관(66)과, 실외 열교환기(20)와 팽창 밸브(24)를 접속하는 제 4 배관(64)을 구비한다.
실내기(14)는 실내 열교환기(22)와, 송풍 팬(도시하지 않음)과, 송풍 방향을 제어하는 루버(louver)(도시하지 않음)를 구비한다.
제 5 배관(62)은 팽창 밸브(24)와 실내 열교환기(22)와의 사이에 설치되며, 실외기(56)와 실내기(14)를 접속한다. 제 6 배관(60)은 실내 열교환기(22)와 사방 밸브(25)의 사이에 설치되며, 실외기(56)와 실내기(14)를 접속한다.
또한, 실외기(56)에 있어서는, 제 1 배관(26)과 제 4 배관(64)을 접속하는 제 7 배관(40)과, 배관(40)에 설치된 제 1 전자 밸브(42)와, 제 2 배관(28)과 제 5 배관(62)을 접속하는 제 8 배관(68)과, 제 8 배관(68)에 설치된 제 2 전자 밸브(44)를 구비한다.
본 발명에 따른 축열 장치(1)는 제 8 배관(68) 상에 있으며, 제 8 배관(68)은 축열 장치(1) 내부에 몰입하며, 열교환기의 어느 장소의 사관(蛇管)에 접속되어 있다. 또한, 축열 장치(1)는 도 2에 도시한 바와 같이 압축기(58)에 밀착하며, 제 2 배관(28)과 제 2 전자 밸브(44) 사이에 배치되어 있다.
또한, 압축기(58), 송풍 팬, 루버, 사방 밸브(25), 팽창 밸브(24), 제 1 전자 밸브(42), 제 2 전자 밸브(44)는 제어 장치(도시하지 않음, 예를 들면 마이크로 컴퓨터)와 전기적으로 접속되며, 제어 장치에 의해 제어된다.
도 5는 본 발명에 따른 공기 조화기의 통상 난방시의 동작 및 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다. 압축기(58)의 토출구로부터 토출된 냉매는 제 1 배관(26), 사방 밸브(25)를 경유하여 실내 열교환기(22)에 도달한다. 실내 열교환기(22)에 있어서 냉매보다 저온의 실내 공기와 열교환하여 응축된 냉매는, 배관(62)을 거쳐서 팽창 밸브(24)에 도달한다. 팽창 밸브(24)에서 감압한 냉매는 배관(64)을 통과하여 실외 열교환기(20)에 도달한다. 실외 열교환기(20)에 있어서 냉매보다 고온의 실외 공기와 열교환하여 증발한 냉매는 배관(66)과 사방 밸브(25)와 배관(28)을 거쳐서 압축기(58)의 흡입구로 되돌아온다.
본 발명에 따른 축열 장치(1)는 압축기(58)에 밀착하여 설치되며, 압축기(58)에서 발생한 열을 축열재에 축적한다. 축열시, 제 1 전자 밸브(42)와 제 2 전자 밸브(44)는 폐쇄 제어되어 있다.
도 6은 도 4에 도시한 공기 조화기의 구성에 있어서의 제상 난방시의 동작 및 냉매의 흐름을 나타내는 모식도이다. 이하, 도 6을 참조하면서 제상 난방시의 동작을 설명한다. 도면 중 실선 화살표는 난방에 제공하는 냉매의 흐름을, 파선 화살표는 제상에 제공하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다.
상술의 통상 난방 운전시에 실외 열교환기(20)에 착상하고, 착상한 서리가 성장하면, 실외 열교환기(20)의 통풍 저항이 증가하여 풍량이 감소하고, 실외 열교환기(20)에서 증발 온도가 저하한다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 실외 열교환기(20)의 배관 온도를 검출하는 온도 센서(70)가 마련되어 있으며, 비착상시에 비하여 증발 온도가 저하한 것을 온도 센서(70)에서 검출하면, 제어 장치에 의해, 통상 난방 운전으로부터 제상 난방 운전으로 제어 신호가 전환된다. 제상 난방 운전으로 전환되면, 제 1 전자 밸브(42)와 제 2 전자 밸브(44)는 개방 제어되며, 상술한 통상 난방 운전시의 냉매의 흐름에 부가하여, 압축기(58)의 토출구로부터 나온 기상 냉매의 일부는 배관(40)과 제 1 전자 밸브(42)를 통과하고 배관(64)을 통과하는 냉매에 합류하여 실외 열교환기(20)를 가열, 응축한 후, 배관(66), 사방 밸브(25), 배관(28), 어큐뮬레이터(72)를 거쳐서 압축기(58)의 흡입구로 도달한다.
또한, 배관(62)으로부터 분기한 액상 냉매의 일부는, 배관(68)과 제 2 전자 밸브(44)를 거쳐서, 축열 열교환기(5)에서 축열재로부터 흡열하여 증발 기화하고, 배관(68)으로부터 배관(28)에 합류하여 압축기(58)의 흡입구로 되돌아온다.
어큐뮬레이터(72)로 되돌아오는 냉매에는 실외 열교환기(20)로부터 되돌아오는 액상 냉매가 포함되어 있지만, 이것에 축열 열교환기(5)로부터 되돌아오는 고온의 기상 냉매를 혼합하는 것에 의해, 액상 냉매의 증발이 촉진되고, 어큐뮬레이터(72)를 통과하여 액상 냉매가 압축기(58)로 되돌아오는 것이 없어져, 압축기(58)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
제상 난방 개시시에 서리의 부착에 의해 빙점 아래로 된 실외 열교환기(20)의 온도는 압축기(58)의 토출구로부터 나온 기상 냉매에 의해서 가열되고, 영도 부근에서 서리가 융해되고, 제상이 종료되면, 실외 열교환기(20)의 온도는 다시 상승하기 시작한다. 이 실외 열교환기(20)의 온도 상승을 온도 센서(70)에서 검출하면, 제상이 완료되었다고 판단하여, 제어 장치로부터 제상 난방 운전에서 통상 난방 운전으로의 지시가 출력된다.
상술과 같이, 본 발명에 따른 축열 장치는 공조 장치에 있어서 압축기(58)에 밀착하고, 난방 운전시에 압축기(58)에서 발생한 열을 축열재에 축적하여 통상 난방 운전으로부터 제상 난방 운전으로 이행했을 때에, 실내 열교환기(22)를 지나 배관(62)으로부터 분류된 액상 냉매의 일부가 축열 열교환기(5)에서 축열재로부터 흡열하여 증발, 기상화시키는 것을 가능하게 하는 것이다.
본 발명은 물을 포함한 축열재에 비축된 열을 열교환기로 회수하는 축열 장치와 이것을 이용한 공기 조화기에 이용 가능하다.
1 : 축열 장치 2 : 축열조
3 : 덮개부 4 : 전열부
5 : 축열 열교환기 9 : 대좌
12 : 축열재의 액면 14 : 실내기
22 : 실내 열교환기 24 : 팽창 밸브
26, 28, 40, 60, 62, 64, 66, 68 : 배관
42 : 제 1 전자 밸브 44 : 제 2 전자 밸브
56 : 실외기 58 : 압축기
70 : 온도 센서 72 : 어큐뮬레이터
100 : 종래의 기술에 따른 축열 장치
102 : 종래의 기술에 따른 축열 장치 및 압축기
104 : 종래의 기술에 따른 압축기 외피
106 : 종래의 기술에 따른 전열부 108 : 종래의 기술에 따른 축열재
110 : 종래의 기술에 따른 축열조 112 : 종래의 기술에 따른 냉매 배관

Claims (4)

  1. 축열 장치에 있어서,
    액체로 구성되며, 열원으로부터의 열을 축열하는 축열재와,
    상기 축열재를 내부에 보지하는 축열조와,
    상기 축열조의 외피를 형성하는 벽부이며, 상기 열원과 상기 축열재와의 사이의 전열을 담당하는 전열부를 구비하고,
    상기 축열조는, 상기 축열조의 상단이 상기 전열부의 상단보다 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는
    축열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열조의 내부에, 상기 축열재와 열교환을 실행시키는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기의 상단이 상기 전열부의 상단보다 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는
    축열 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축열조의 하단이 상기 열원의 하단보다 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는
    축열 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 축열 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는
    공기 조화기.
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