WO2021118153A1 - 냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치 및 이를 이용하여 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프 - Google Patents

냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치 및 이를 이용하여 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프 Download PDF

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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • Refrigerant circuit that absorbs heat from the atmosphere and evaporates refrigerant in spite of wide climate change from very low sub-zero temperature to zero temperature, cools with evaporation heat, and heats with condensation heat obtained by compressing and condensing evaporated refrigerant vapor It's about heat pumps.
  • electric vehicles that operate with electric motors do not have waste heat from combustion reaction, so they must be heated in winter with the condensation heat of the refrigerant and must have a refrigerant circuit heat pump that cools them with the evaporation heat of the refrigerant in the summer.
  • the refrigerant vapor flowing inside the evaporator pipe flows into the compressor sealing case in a saturated evaporation state and is generated due to the current flowing in the rotor and stator windings of the driving motor provided inside the compressor sealing case Absorbs all heat generated by the operation of the compressor inside the compressor sealing case, such as heat generated by the compressor and friction heat generated by the operation of the compressor, and evaporates, and the evaporated refrigerant vapor maintains a temperature lower than the atmospheric temperature, so there is no heat lost to the atmosphere, and the specific volume is When it is sucked into the compressor in the lowest complete gaseous state, the heat pump efficiency of the refrigerant circuit heat pump can be maintained at its best. From this point of view, it is about the technology to control the flow rate of the refrigerant circulating in the refrigerant circuit.
  • the conventional refrigerant circuit heat pump has an outdoor unit and an indoor unit, and the flow direction of the refrigerant between the outdoor unit and the indoor unit is opposite according to heating and cooling.
  • the refrigerant condensed in the outdoor unit 103 passes through the check valve 104 and the refrigerant vapor sucked into the compressor from the “constant temperature expansion valve 106” becomes overheated. to regulate
  • the refrigerant condensed in the indoor unit 108 passes through the check valve 107 and flows into the outdoor unit 103 to maintain the refrigerant vapor sucked into the compressor from the “constant temperature expansion valve 105” in an overheated state. Adjust the flow.
  • the temperature of the indoor space where people reside is maintained at 20-25°C, but the climate temperature of the atmosphere varies greatly depending on the season and region, from -40°C or less to 40°C or more.
  • the space 201 (referred to as a temperature-sensitive space) acting by temperature is separated and partitioned by a diaphragm 202, and the same evaporation pressure as the refrigerant used is applied to the space acting by the temperature of the refrigerant suction vapor of the compressor.
  • the saturated vapor pressure of the internal material expanded inside the temperature-sensitive bulb 211 by receiving the heat of the refrigerant vapor sucked into the compressor is conducted to maintain the saturated vapor state by filling the to the direction in which the air gap with the toilet seat 206 increases (the direction in which the valve opens), and the refrigerant gas pressure in the exhaust gas space 203 or the pressure of the refrigerant flowing inside the compressor suction pipe that is applied through the equalization pipe.
  • the pressure added with the elastic force of the spring 208 moves the body 207 of the expansion valve upward and acts in the direction in which the air gap of the toilet seat 206 decreases (the direction in which the valve is closed).
  • the adiabatic expansion refrigerant absorbs the heat of evaporation from the outside as it passes through the evaporation pipe, and the evaporated refrigerant vapor passes through the compressor suction line and conducts heat from the refrigerant vapor sucked into the compressor and evaporates.
  • the evaporation pressure (1) of the material inside a temperature-sensitive bulb acts as a force to open the valve.
  • the force (2+3) which is the pressure of the refrigerant vapor (2) plus the elastic force of the spring (3), acts as a force to close the valve.
  • the opening degree of the valve is determined according to the balance between the force to open the valve and the force to close the valve.
  • the refrigerant vapor pressure sucked into the compressor flows into the pressure2 by subtracting the elastic force3 of the spring from the saturated evaporation pressure corresponding to the temperature of the refrigerant vapor sucked into the compressor sealing case.
  • the pressure corresponding to the elastic force of the spring becomes the pressure obtained by superheating the refrigerant vapor.
  • the evaporation pressure of the refrigerant which changes according to the temperature, does not increase in proportion to the temperature.
  • the pressure change is low, and when the temperature rises, the pressure change is high.
  • the overheating temperature is obtained by the constant elastic force of the spring, so the overheating temperature 1 of the refrigerant vapor sucked into the compressor at temperature 1 is less than the overheating temperature 2 of the refrigerant steam sucked into the compressor at temperature 2.
  • the isothermal section of the saturated steam inside the evaporator increases when the atmospheric temperature increases and decreases when the atmospheric temperature decreases.
  • the specific volume of refrigerant vapor sucked into the compressor increases as the ambient temperature decreases.
  • the specific volume of the refrigerant vapor sucked into the compressor is minimal due to minimal overheating, the compression efficiency of the compressor is maximized, and as the specific volume increases, the compression efficiency decreases.
  • the heat pump efficiency is lowered accordingly.
  • the refrigerant vapor sucked into the compressor is always changed by the constant elastic force of the spring 208 to change the expansion valve. This is because the number of gas molecules in a certain volume of gaseous refrigerant vapor sucked into the compressor does not decrease in proportion to the increase in temperature, but decreases as the temperature decreases and increases as the temperature increases. .
  • the "constant temperature expansion valve" of the conventional refrigerant circuit heat pump does not take into account the change in atmospheric temperature and always sets the pressure as low as the elastic force of the constant spring, so the overheating temperature of the evaporator is reduced to 3
  • the elastic force of the spring In order to set the temperature to °C, the elastic force of the spring must be set to 0.6 atm. At this time, the change in the overheating temperature that changes according to the outside air temperature is
  • ⁇ Atmospheric temperature is -40°C ⁇ -30°C, 8°C
  • the liquid refrigerant inside the evaporator needs to be evaporated at a temperature lower than the atmospheric temperature in order to receive heat from the atmosphere around the evaporator, and the refrigerant vapor flowing inside the conduit of the evaporator is in a saturated evaporation state. Maximum heat is conducted from the outside air when maintaining the isothermal temperature of
  • the means to solve the technical problem of the present invention is not using the elastic force of the spring to obtain the superheat of the refrigerant vapor sucked into the compressor as in the conventional constant temperature expansion valve, but according to the outside temperature according to FIG.
  • the circulating refrigerant of the refrigerant circuit heat pump which controls the current flowing through the solenoid coil 520 manufactured as shown in FIG. 6 to always keep the superheat of the refrigerant vapor sucked into the compressor to a minimum despite the high and low outdoor temperature. It is to provide a flow control device, and also to propose a heat pump capable of efficiently controlling the flow rate of circulating refrigerant by using the circulating refrigerant flow control device of the refrigerant circuit heat pump.
  • the latent heat contained in the refrigerant vapor flowing into the compressor sealing case is the same as all heat generated by the operation of the compressor inside the compressor sealing case, such as electrical resistance heat and frictional heat of the winding of the compressor driving motor.
  • the refrigerant temperature inside the compressor sealing case is heated to a temperature lower than the ambient temperature around the compressor sealing case, eliminating heat lost to the outside air, and controlling the flow rate of liquid refrigerant flowing into the evaporator to be sucked into the compressor with a minimum specific volume. It is a means to solve the technical problem of the present invention.
  • the power energy supplied for the operation of the compressor is absorbed into the circulating refrigerant without being lost to the atmosphere through the compressor sealing case, and is converted into heating heat, and the refrigerant that is sucked into the compressor As the vapor is sucked into the compressor with the minimum specific volume, the compression efficiency has the effect of improving the compression efficiency from the conventional compression curve 1 to the compression curve 2 as shown in FIG.
  • FIG. 1 Schematic diagram of a conventional refrigerant circuit heat pump
  • Figure 2 Configuration diagram of a conventional constant temperature expansion valve
  • FIG. 3 Schematic diagram of the principle of operation of a conventional constant temperature expansion valve
  • Figure 4 Superheat temperature distribution diagram of a conventional evaporator in which the degree of superheat of refrigerant vapor sucked into the compressor is changed according to the atmospheric temperature.
  • FIG. 5 Configuration diagram according to an embodiment of the flow control device according to the invention
  • Figure 6 Cross-sectional view of the flow control device for controlling the flow rate of the circulating refrigerant according to the invention
  • Figure 7 Standard diagram of the valve body and the valve seat in which the opening degree of the flow path is proportional to the displacement of the valve body of the flow control device according to the invention
  • FIG. 9 schematic diagram showing the operating principle of the flow control device according to the invention
  • compression curve 1 Compression curve 1
  • compression curve 2 Compression curve 2
  • refrigerant outlet 206 toilet seat (Valve seat)
  • valve body 531 valve seat
  • the present invention provides a refrigerant flow during heating and cooling by 'one electronic flow control device' having four check valves (check valves 1 to 4) as shown in FIG. 5 .
  • check valves 1 to 4 check valves 1 to 4
  • the flow control device includes a temperature-sensitive bulb 510 that responds to the temperature of refrigerant vapor flowing inside the compressor suction pipe, and a pressure equalization space 516 connected to the compressor suction pipe by an equalizing pipe 517 and , a lower portion of the pressure equalization space 516 is partitioned by a diaphragm 515 and connected to the temperature-sensitive bulb 510 by a connecting capillary 512.
  • a diaphragm lower space 514 (referred to as a temperature-sensitive space);
  • the first inlet and outlet 532 are the inlet of the refrigerant during heating and the outlet of the refrigerant during cooling, the second inlet 533 which is the inlet of the refrigerant during cooling and the outlet of the refrigerant during heating, and the first inlet and outlet 532 ) or a fluid space 534 in which the refrigerant introduced into the second inlet and outlet 533 stays, a flow rate control space 540 connected to the lower part of the fluid space through a flow path, and the elevating and descending force of the diaphragm 515 and A variable body 530 that opens and closes the flow path by the magnetic force of a solenoid coil, a first check valve CV1 that enables a refrigerant flow from the first inlet and outlet 532 to the infusion space 534, and the flow rate control A second check valve (CV2) that enables a refrigerant flow from the space (540) to the first
  • the "one electronic flow control device” configured in this way includes a pressure equalization space 516 that responds to the pressure of refrigerant vapor flowing inside the compressor suction pipe path, and a temperature sensitive space 514 that responds to the temperature of refrigerant vapor flowing inside the compressor suction pipe path.
  • a solenoid coil 520 that generates a force in proportion to the strength of the flowing current
  • the flow control device is opened to increase the flow rate, and the inside of the compressor suction pipe path
  • the flow rate control device is closed.
  • the temperature-sensitive material of the temperature-sensitive bulb 510 which is in contact with the compressor suction pipe surface and responds to the temperature of refrigerant vapor sucked into the compressor sealing case, is converted into a refrigerant in the refrigerant circuit heat pump. It is the same refrigerant used,
  • the temperature sensitive bulb 510 is connected to the inlet 511, the diaphragm lower space 513, the connecting capillary 512, and the outlet 513 to form one temperature sensitive space, and the outlet 513 is a valve (Fig. is connected to a vacuum pump (not shown in the drawing) through a vacuum pump (not shown in the drawing), and the inlet 511 is connected to a refrigerant storage container (not shown in the drawing) through another valve (not shown). do.
  • the refrigerant inside the temperature sensitive bulb 510 installed in close contact with the external surface of the compressor suction pipe path is evaporated by receiving heat from the refrigerant vapor temperature flowing inside the suction pipe path, and saturated evaporation of the refrigerant inside the evaporated temperature sensitive bulb 510 .
  • the pressure pushes the diaphragm 515 upward from the lower part of the diaphragm 515 to act in a direction to open the variable body 530 connected to the diaphragm 515,
  • the pressure equalization space 516 above the diaphragm 515 is connected to the compressor suction line in which the temperature sensitive bulb 510 is located through the pressure equalization tube 517, the pressure of the refrigerant vapor sucked into the compressor is the pressure equalization tube ( 517) to push the diaphragm down from the upper part of the diaphragm 515 and act in a direction to close the variable body 530 connected to the diaphragm,
  • the magnetic force generated as the current flows in the solenoid coil 520 attracts the armature 521 connected to the variable body 530 of the flow control device according to the present invention to the center of the solenoid coil 520, so by this force It acts in a direction to close the flow path of the circulating refrigerant by pushing the variable body 530 downward.
  • the force to close the body of the flow control device and the force to open the body by the saturated evaporation pressure of the refrigerant evaporated inside the temperature-sensitive bulb 510 are balanced with each other.
  • the variable body 530 is stopped at a position forming
  • the refrigerant vapor flowing into the "first inlet/outlet 532 which is an inlet in the case of heating and an outlet in the case of cooling," passes through the check valve 1 (CV1), and is a liquid refrigerant having a large specific gravity in the receiving space 534. is pooled downward, and the accumulated liquid refrigerant flows through the flow path (gap) between the valve body 530 and the valve seat 531 to the flow rate control space 540 .
  • the refrigerant vapor that has passed through the flow control space 540 passes through the check valve CV4, passes through the "second inlet and outlet 533", flows into the evaporator, absorbs heat from the atmosphere, evaporates, and is in an atomized state that has not yet evaporated. It flows into the compressor sealing case together with the refrigerant vapor.
  • the second inlet and outlet 533 corresponds to an inlet in the case of cooling and an outlet in the case of heating.
  • the latent heat contained in the refrigerant vapor in the atomized state flowing into the compressor sealing case causes the electric current to flow in the stator winding and the rotor winding as the motor driving the compressor is operated inside the case sealing the compressor, thereby reducing the electrical resistance heat and the compressor.
  • the flow rate of the liquid refrigerant flowing into the evaporator so that it absorbs all the mechanical frictional heat generated during operation and evaporates to a temperature lower than the ambient temperature and slightly overheated, and the current flowing through the solenoid coil 520 of the flow control device.
  • the flow path (gap) cross-sectional area between the body 530 and the toilet seat 531 is that of the body.
  • the opening degree of the flow path increases or decreases in proportion to the vertical movement distance of the body.
  • the flow control device configured in this way is placed between the outdoor unit and the indoor unit, and temperatures are sensed at six locations as follows.
  • T3 surface temperature of the refrigerant suction pipe between the "four sides" and the temperature sensitive bulb 510
  • T4 Pipe surface temperature at the point where the compressor suction pipe and the compressor sealing case meet
  • T5 Surface temperature of the refrigerant pipe at the outlet of the outdoor unit
  • T6 Surface temperature of the refrigerant pipe at the outlet of the indoor unit
  • the temperature signal detected by the six temperature sensors (T1 to T6) is input to the main controller 800 of the refrigerant circuit heat pump, and the driving power of the motor driving the compressor is the inverter (INV1) and the outdoor unit cooling blower (FM1). )
  • the driving power is supplied through the inverter INV2, and the driving power of the indoor unit cooling blower FM2 is supplied through the inverter INV3, respectively.
  • each inverter INV and the current value supplied to the solenoid coil 520 are calculated according to the temperature signals sensed by the six temperature sensors T1 to T6. 800) is provided.
  • the main controller 800 of the refrigerant circuit heat pump is
  • the physical properties of the refrigerant including the temperature, pressure, specific volume, state heat, and latent heat of the refrigerant, are stored in the form of software and receive the temperature signals from the six
  • the operating frequency of the inverter (INV1) that supplies power to the motor driving the compressor is set and commanded to the inverter (INV1).
  • ⁇ Controls the current flowing in the solenoid coil 520 of the flow control device that controls the flow rate of the refrigerant flowing into the evaporator.
  • Both the cooling load ( ⁇ ) and the heating load ( ⁇ ) increase or decrease in proportion to the difference between the outdoor temperature (T1) and the indoor temperature (T2).
  • the "latent heat of evaporation per unit mass" of the refrigerant increases as the temperature decreases and decreases as the temperature increases according to the change of the outside temperature.
  • the saturated evaporation pressure inside the temperature sensitive space 514 by heat conducted from the temperature of the refrigerant vapor sucked into the compressor acts as a force to open the flow path of the flow control device
  • the magnetic force acting on the armature 521 is added by controlling the current flowing through the solenoid coil 520 to compensate for the change in the force caused by the evaporation pressure of the refrigerant sucked into the compressor and the “latent heat of evaporation per unit mass” of the refrigerant. 'Resultant force' acts as a force to close the flow path of the flow control device,
  • the displacement of the body 530 of the flow control device according to the present invention is determined, and the opening degree of the flow path is adjusted according to the displacement of the body 530, so that the refrigerant flowing into the evaporator volume is automatically controlled.
  • Refrigerant vapor in a saturated state has a constant temperature when the pressure is constant. Therefore, since it is not possible to know the evaporation state (dry humidity) of the refrigerant vapor only by measuring the temperature in one place of the compressor suction pipe, the temperature sensitive bulb 510 attached to the middle of the compressor suction pipe connected from all sides to the compressor sealing case 110. Based on the position, temperature sensors T3 and T4 are attached to the front and rear ends of the compressor suction pipe, respectively, the difference between the two temperature values is measured, and the solenoid coil 520 according to the difference between the set temperature values.
  • the current flowing in the solenoid coil 520 is reduced to increase the refrigerant flow flowing through the flow control device, and when the difference in the temperature value between the two places is small, the solenoid coil By increasing the current flowing through the 520, the flow rate of the refrigerant flowing through the flow control device is decreased.
  • the increase or decrease of the current flowing through the solenoid coil 520 is determined by the difference between the temperature values T3 and T4 at the two places, and the difference between the temperature values T3 and T4 at the two places.
  • the evaporator absorbs heat from the outside air and changes depending on the evaporation state (dry humidity) of the evaporated refrigerant vapor.
  • T3 when the temperature of T3 receives the heat of evaporation from outside air and absorbs the latent heat of evaporation of the refrigerant vapor flowing inside the evaporator pipe, a constant saturated evaporation temperature is always maintained, while the compressor sealing case 110 and the refrigerant vapor are introduced into the suction pipe.
  • the temperature (T4) at the junction of the compressor is the resistance heat caused by the current generated by the flow of current in the armature winding and the stator winding of the motor driving the compressor, mechanical friction heat generated by the operation of the compressor, and heat conducted from outside air, the compressor It is the temperature that is changed by the heat conducted by the refrigerant vapor flowing into the sealing case.
  • the temperature T3 is the saturated evaporation temperature of the refrigerant vapor evaporated by conducting heat from the outside air in the evaporator
  • the temperature T4 is the heat generated by the operation of the compressor in the compressor sealing case, which is conducted from the compressor sealing case 110. is the temperature
  • the refrigerant flow rate is adjusted according to the value of the temperature difference (T4-T3) between the two places, the amount of refrigerant particles in the liquid phase that has not evaporated contained in the refrigerant vapor flowing into the compressor sealing case 110 is controlled. It is possible to control the degree of superheat of the refrigerant vapor sucked into the compressor from the inside.
  • the noise generated when the compressor is operating is caused by particles of incompressible liquid contained in the refrigerant vapor, and the power supplied to the compressor driving motor changes according to the specific volume of the refrigerant vapor. Therefore, if the value of the temperature difference (T4-T3) between the two places is changed during operation, the noise and the power supplied to the compressor change at the same time.
  • the refrigerant vapor sucked into the compressor is the refrigerant vapor in an ideal gas state without latent heat, and the specific volume is the minimum.
  • the value of the temperature difference (T4-T3) between the two places at this moment is approximately 2°C or less, and the superheated temperature of the refrigerant vapor sucked into the compressor is 2°C or more. Since the temperature (T3, T4) of the two places is simultaneously changed as the outside air temperature is changed after being sucked in, the value of the temperature difference (T4-T3) between the two places does not change.
  • the current flowing through the solenoid coil 520 is controlled according to the change of the outside temperature to control the refrigerant flow rate flowing into the evaporator.
  • the changed refrigerant flow rate is always absorbed by the compressor by absorbing all the heat generated by the operation of the compressor inside the compressor sealing case.
  • the temperature of the refrigerant sucked into the furnace is lower than the outside temperature, and the refrigerant vapor is a superheated gas with no latent heat and is sucked into the compressor with the smallest specific volume, so that the compression efficiency of the compressor can be maintained at its best.
  • temperature sensors T3 and T4 are attached to the front and rear ends of the compressor suction line, respectively, to measure the temperature of the two places, respectively, and By controlling the current flowing in the solenoid coil 520 of the flow control device according to the value of the temperature difference (T4-T3) of the two places, the value of the temperature difference (T4-T3) of the two places can be kept constant,
  • the flow rate of the refrigerant flowing into the compressor sealing case is controlled despite the change in the latent heat of the refrigerant that is changed according to the change in the outside temperature to control the compressor sealing case.
  • T4-T3 the temperature difference between the two places

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Abstract

종래의 열펌프는 난방과 냉방 시 실외기와 실내기 사이의 냉매 흐름방향이 각각 상반되었다. 그래서 각각 두 개의 수액 공간 두 개의 체크밸브, 두 개의 정온식 팽창밸브를 두어 냉매의 증발압력을 제어하고 이때 정온식 팽창밸브는 과열온도를 제어하기 위하여 나사(209)를 돌려 스프링(208)의 탄성력을 조절함으로 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열 온도를 제어하였다. 그러나 모든 냉매는 온도변화에 따른 압력변화는 일정하지 않고 온도가 낮으면 온도변화에 따른 압력변화는 낮아지고 온도가 높아지면 온도변화에 따른 압력변화는 증가하는 특성을 가진다. 이러한 냉매의 물성을 극복하여 외기온도의 변화에도 불구하고 항상 일정한 과열온도를 유지함으로 압축기로 흡입되는 냉매증기의 비체적을 최소화하여 압축기의 압축효율을 최대로 하는 수단과 이 수단을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치 및 이를 이용하여 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프
아주 낮은 영하의 온도에서부터 영상의 온도에 이르기까지 넓은 기후 변화에도 불구하고 대기로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발하는 증발열로 냉방을 하고 증발한 냉매증기를 압축하여 응축하므로 얻어지는 응축열로 난방을 하는 냉매회로열펌프에 관한 기술입니다.
인류는 주로 연소에 의한 반응열로 난방을 하였습니다. 특히 교통수단인 차량의 경우 겨울에는 연소반응에 의한 열로 동력을 얻어 차량을 운행하고 대기 중으로 배출되는 폐열로 난방을 하고 여름에는 연소반응에 의해 얻어지는 동력으로 압축기를 구동하여 냉방을 합니다.
이로 인한 탄산가스 배출 증가는 지구온난화를 유발하여 지구환경에 심각한 해악을 끼칩니다.
그래서 전력으로 전동기를 가동하여 운행하는 전기자동차는 연소반응으로 인한 폐열이 없으므로 겨울에는 냉매의 응축열로 난방을 하여야하고 여름철에는 냉매의 증발열로 냉방을 하는 냉매회로 열펌프가 필연적으로 있어야 합니다.
난방 시 대기로부터 최대의 열을 흡수하려면 증발기 관로 내부를 흐르는 냉매증기는 포화증발상태로 압축기 밀봉케이스에 유입되어 상기 압축기 밀봉케이스 내부에 구비된 구동 전동기의 회전자와 고정자권선에 흐르는 전류로 인해 발생하는 열과 압축기 가동으로 인해 발생한 마찰열 등 상기 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기 가동으로 발생한 모든 열을 흡수하여 모두 증발하고 증발한 냉매증기는 대기온도보다 낮은 온도를 유지하여 대기로 유실되는 열이 없고, 비체적이 가장 낮은 완전한 기체상태로 압축기에 흡입될 때 냉매회로 열펌프의 열펌프 효율을 최상으로 유지할 수 있습니다. 이러한 관점에서 냉매회로를 순환하는 냉매의 유량을 제어하는 기술에 관한 것입니다.
선행문헌
KR 10-0332778 B
KR 10-1837954 B
종래의 냉매회로열펌프는 실외기와 실내기를 두고 난방과 냉방에 따라 실외기와 실내기 사이의 냉매의 흐름방향이 상반 됩니다.
그래서 도1에서와 같이 두 개의 정온식 팽창밸브(105,106)와 두 개의 체크밸브(104,107)를 각각 두고
냉방의 경우 실외기(103)에서 응축된 냉매는 체크밸브(104)를 거쳐 "정온식 팽창밸브(106)"에서 압축기로 흡입되는 냉매증기를 과열상태가 되게 실내기(108)에 유입되는 냉매 량을 조절하고
난방의 경우는 실내기(108)에서 응축된 냉매는 체크밸브(107)를 거쳐 "정온식 팽창밸브(105)"에서 압축기로 흡입되는 냉매증기를 과열상태로 유지하게 실외기(103)에 유입되는 냉매 유량을 조절합니다.
사람이 상주하는 실내공간의 온도는 20-25℃를 유지하나, 대기의 기후온도(climate temperature)는 -40℃이하에서 40℃이상으로 계절과 지역에 따라 크게 변합니다.
종래의 냉매회로 열펌프에 사용하는 "정온식 팽창밸브"의 작동원리를 살펴보면 도2에서와 같이 정온식 팽창밸브 내부의 냉매 배출공간(201) 혹은 균압관(212)을 통해 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매의 압력이 작용하는 공간(203)(균압공간 또는 압력감응공간이라 한다)과, 압축기 흡입관로 외부표면에 접촉하여 온도를 감지하는 온도감응벌브(Thermal Bulb)(211)와 연결되어 냉매의 온도에 의해 작용하는 공간(201)(온도감응공간이라 한다)을 격막(Diaphragm)(202)으로 분리 구획하고, 압축기 흡입 냉매증기의 온도에 의해 작용하는 공간에는 사용하는 냉매와 꼭 같은 증발압력을 갖는 물질을 채워서 포화증기상태를 유지하고, 압축기로 흡입되는 냉매증기의 열을 전도받아 온도감응벌브(211) 내부에서 팽창한 내부물질의 포화증기 압력은 정온식 팽창밸브의 변체(207)가 아래로 이동하여 변좌(206)와의 공극이 증가하는 방향(밸브가 열리는 방향)으로 작용하고 그리고 배출가스 공간(203)의 냉매가스 압력 혹은 균압관을 통해 인가되는 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매의 압력에 스프링(208)의 탄성력이 더해진 압력은 팽창밸브의 변체(207)를 위로 이동하여 변좌(206)의 공극이 감소하는 방향(밸브가 닫히는 방향)으로 작용한다.
이를 도3에 도시하고 작동에 대하여 자세히 살펴보면
"정온식 팽창밸브(도2)"에서 단열 팽창한 냉매가 증발관로를 통과 하면서 외부로부터 증발열을 흡수하고 증발한 냉매증기가 압축기 흡입관로를 통과하여 압축기로 흡입되는 냉매증기로부터 열을 전도받아 증발한 온도감응벌브 내부 물질의 증발압력(①)은 밸브를 열려는 힘으로 작용하고
냉매증기의 압력(②)에 스프링의 탄성력(③)이 더해진 힘(②+③)은 밸브를 닫으려는 힘으로 작용합니다.
즉 밸브를 열려는 힘과 밸브를 닫으려는 힘, 두 힘이 격막(Diaphragm)을 사이에 두고 균형을 잡음에 따라 밸브의 열림 정도가 정해집니다.
그래서 압축기로 흡입되는 냉매증기 압력은 압축기 밀봉케이스로 흡입되는 냉매증기 온도에 해당되는 포화증발압력에 스프링의 탄성력③을 감한 압력②로 유입합니다.
즉 설정된 스프링의 탄성력에 해당하는 압력만큼의 낮은 압력으로 증발기에서 증발을 합니다. 그래서 스프링의 탄성력에 해당되는 압력은 냉매증기를 과열(Super Heat)함으로 얻어지는 압력이 됩니다.
그런데 온도에 따라 변하는 냉매의 증발압력은 온도에 비례하여 증가 하지 않고 온도가 낮으면 압력의 변화가 낮고 온도가 올라가면 압력변화가 높아집니다.
그래서 스프링의 일정한 탄성력으로 과열온도를 얻으므로 온도1에서 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열온도1은 온도2에서 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열온도2보다 적다.
그래서 도 4에서와 같이 증발기 내부에서의 포화증기의 등온 구간이 대기온도가 높아지면 증가하고 낮아지면 감소합니다.
압축기로 흡입되는 냉매증기의 비체적은 대기온도가 낮을수록 증가합니다. 압축기로 흡입되는 냉매증기는 최소의 과열로 비체적이 최소일 때 압축기의 압축효율이 최대가 되고 비체적이 증가함에 따라 압축효율은 낮아집니다.
이와 같이 종래의 냉매회로 열펌프에서 대기온도가 낮아지면 이에 따라 열펌프 효율이 낮아지는 것은 압축기로 흡입되는 냉매증기가 과열증기 상태를 유지하기위하여 항상 스프링(208)의 일정한 탄성력으로 팽창밸브의 변체를 밸브가 닫히는 방향으로 밀어주므로 압축기로 흡입되는 기체상태의 냉매증기의 일정한 체적내의 기체의 분자 수는 온도증가에 따라 비례하여 감소하지 않고 온도가 낮아지면 더욱 낮아지고 온도가 올라가면 더욱 증가하기 때문입니다.
실 예로 냉매 R22의 온도에 따른 압력변화를 10℃간격으로 살펴보면
○-50℃에서 -40℃로 증가할 때 증발압력 변화는 약 0.4기압
○-40℃에서 -30℃로 증가할 때 0.62기압
○-30℃에서 -20℃로 증가할 때 0.9기압
○-20℃에서 -10℃증가 할 때 약 1.1기압
○-10℃에서 0℃로 증가할 때 1.43기압
○0℃에서 10℃로 증가 할 때 약 1.83기압 증가합니다.
그러나 종래의 냉매회로열펌프의 "정온식 팽창밸브"는 대기온도의 변화를 고려하지 않고 항상 일정한 스프링의 탄성력 만큼의 압력을 낮게 정하므로 대기온도가 0-10℃일 때 증발기의 과열온도를 3℃로 하려면 스프링의 탄성력을 0.6기압으로 설정하여야 하므로, 이때 외기온도에 따라 변하는 과열온도의 변화는
○대기온도가 -10℃ ~ 0℃ 에서는 4℃
○대기온도가 -20℃ ~ -10℃에서는 5℃
○대기온도가 -30℃ ~ -20℃에서는 6.1℃
○대기온도가 -40℃ ~ -30℃에서는 8℃
○대기온도가 -50℃ ~ -40℃에서는 12℃의 과열 온도가 증가합니다.
그래서 대기의 온도가 낮아짐에 따라 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열온도가 증가하므로 비체적이 증가하여 압축기의 압축효율이 낮아집니다.
이러한 종래의 냉매회로 열펌프의 문제점을 해결하기 위하여 증발기 내부의 액상의 냉매가 증발기 주위로부터 대기의 열을 전도 받으려면 대기온도 보다 낮은 온도에서 증발하여야 하고 증발기의 관로 내부를 흐르는 냉매증기는 포화증발상태의 등온을 유지할 때 외기로부터 최대의 열이 전도됩니다.
대기온도와 냉매증발온도의 차가 증가하면 과열도가 증가하고 온도차가 감소하면 과열도가 감소합니다. 증발기 관로 내부를 흐르는 모든 냉매는 외기로부터 증발열을 흡수하여 증발을 할 때 모두 증발하지 않고 잠열이 포함된 냉매증기가 "압축기 밀봉케이스 내부"로 유입되어 압축기 밀봉케이스 내부에 장치된 압축기 구동 전동기 권선에 인가된 전압으로 발생하는 철손과 흐르는 전류로 인해 발생하는 동손 그리고 압축기 가동에 의해 발생한 기계적 손실 열을 모두 흡수하여 이상기체상태로 증발한 냉매증기가 압축기 밀봉케이스 내부에서 대기온도보다 낮은 온도이면 압축기 밀봉케이스를 통해 대기 중으로 유실되는 열이 없어지고, 비체적이 가장 적은 기체상태로 압축기에 흡입되므로 압축기가 압축하는 냉매질량은 최대가 되어 압축기의 압축효율이 최대가 됩니다.
이에 따라 본 발명의 기술적인 과제를 해결하는 수단은, 종래의 정온식 팽창밸브에서와 같이 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도를 얻기 위해 스프링의 탄성력을 이용하지 않고, 외기온도에 따라 도 5와 도 6에서와 같이 제작된 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어하여 외기온도의 높고 낮음에도 불구하고 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도를 항상 최소로 유지하게 하는, 냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치를 제공하는 것이며, 또한 상기한 냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치를 이용하여 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프를 제안하는 것입니다.
즉 압축기 밀봉케이스 내부로 유입되는 냉매증기에 포함된 잠열량이 압축기 구동 전동기 권선의 전기적인 저항 열, 마찰열량 등 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기 가동에 의해 발생되는 모든 열량과 같아져서
압축기 밀봉케이스 내부의 냉매온도는 압축기 밀봉케이스 주위의 대기온도보다 낮은 온도로 가열되어 외기로 유실되는 열을 없애고 비체적이 최소인 상태로 압축기로 흡입되게 증발기로 유입되는 액상의 냉매유량을 제어하는 것이 본 발명의 기술적인 과제를 해결하는 수단입니다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하는 수단으로 제작된 냉매회로는 압축기 가동을 위해 공급되는 전력에너지가 압축기 밀봉케이스를 통해 대기 중으로 유실되지 않고 순환하는 냉매에 모두 흡수되어 난방열로 변하고 또한 압축기로 흡입되는 냉매증기의 비체적이 최소인 상태로 압축기에 흡입되어 압축효율은 도 10에 도시한 바와 같이 종래의 압축곡선1에서 압축곡선2로 압축효율을 향상하는 효과가 있습니다.
도1 : 기존 냉매회로 열펌프의 개략도
도2 : 종래의 정온식 팽창밸브의 구성도
도3 : 종래의 정온식 팽창밸브의 작동 원리 계략도
도4 : 대기 온도에 따라 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도가 변하는 종래 증발기의 과열온도 분포도
도5 : 발명에 의한 유량조절장치의 일 실시예에 따른 구성도
도6 : 발명에 의한 순환냉매 유량을 제어하는 유량조절장치의 단면도
도7 : 발명에 의한 유량조절장치의 변체(Valve Body)의 변위에 따라 유로의 개도(開度)가 비례하는 변체(Valve body)와 변좌(Valve seat)의 규격도
도8 : 본 발명을 실시하기 위한 자동제어장치 구성도
도9 : 발명에 의한 유량조절장치의 작동원리를 나타낸 계략도
도10 : 종래의 압축기 압축곡선(압축곡선1)와 발명에 의한 압축기의 압축곡선(압축곡선2)을 나타낸 압축기의 압축 곡선도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
101 : 압축기 102 : 사방변
103 : 실외기 104, 107 : 체크밸브
105, 106 : 균압관 108 : 실내기
110 : 압축기 밀봉케이스
201 : 온도 감응 공간 202 : 격막(Diaphragm)
203 : 압력 감응 공간 204 : 냉매 입구
205 : 냉매 출구 206 : 변좌(Valve seat)
207 : 변체(Valve Body) 208 : 스프링
209 : 과열 온도조절나사 210 : 베어링
211 : 온도감응 벌브(Bulb) 212 : 균압관
510 : 온도감응 벌브(Bulb)
511 : 주입구 512 : 연결 모세관
513 : 배출구 514 : 온도 감응 공간
515 : 격막(Diaphragm) 516 : 압력 감응 공간
517 : 균압관
520 : 솔레노이드코일
521 : 전기자 522 : 전기자위치 조절나사
523 : 밀봉 캡
530 : 변체(Valve Body) 531 : 변좌(Valve Seat)
532 : 제1입출구 533 : 제2입출구
534 : 수액 공간 540: 유량조절공간
800 : 주 제어장치
901 : 온도감응벌브(510)의 온도에 따라 유량 조절 변을 열려는 압력곡선
902 : 종래의 온도감응 팽창밸브의 냉매압력과 스프링의 탄성력으로 팽창밸브를 닫으려는 압력곡선
903 : 발명에 의한 유량조절장치에서 솔레노이드코일(520)로의 인가 전류를 제어하여 일정한 과열온도를 유지하며 유량조절장치의 유로를 닫으려는 압력곡선
발명의 기술적인 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 도 5에서와 같이 4개의 체크밸브(체크밸브1 내지 4)를 구비한 '하나의 전자식 유량조절장치'에 의해, 난방 시와 냉방 시 냉매흐름이 상반되지 않고, 항상 같은 방향으로 흐르도록 하여, 유로에 의해 연통되는 "수액공간(534)"에서 "유량조절공간(540)"으로 흐르는 순환냉매의 유량을 제어하게 된다.
본 발명에 따른 유량조절장치는, 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 온도에 감응하는 온도감응벌브(510)와, 균압관(517)에 의해 상기 압축기 흡입관로에 연결되는 균압공간(516)과, 상기 균압공간(516)의 하부에는 격막(515)에 의해 구획되고 연결모세관(512)에 의해 상기 온도감응벌브(510)와 연결되는 격막 하부공간(514)(온도감응공간이라 한다)과, 난방시에는 냉매의 유입구이고 냉방시에는 냉매의 유출구인 제1입출구(532)와, 냉방시에는 냉매의 유입구이고 난방시에는 냉매의 유출구인 제2입출구(533)와, 상기 제1입출구(532) 또는 제2입출구(533)로 유입된 냉매가 체류하는 수액공간(534)과, 상기 수액공간의 하부로 유로를 통해 연결되는 유량조절공간(540)과, 상기 격막(515)의 승하강력과 솔레노이드코일의 자력에 의해 상기 유로를 개폐하는 변체(530)와, 상기 제1입출구(532)로부터 수액공간(534)으로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제1체크밸브(CV1)와, 상기 유량조절공간(540)으로부터 제1입출구(532)로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제2체크밸브(CV2)와, 상기 제2입출구(533)로부터 수액공간(534)으로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제3체크밸브(CV3)와, 상기 유량조절공간(540)으로부터 제2입출구(533)로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제4체크밸브(CV4)를 구비한 것을 특징으로 한다.
이렇게 구성된 "하나의 전자식 유량조절장치"는, 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 압력에 감응하는 균압공간(516), 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 온도에 감응하는 온도감응공간(514), 흐르는 전류의 세기에 비례하여 힘을 발생하는 솔레노이드코일(520)을 구비하여, 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 온도가 증가함에 따라 유량조절장치를 열어 유량을 증가하게 하고, 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 압력이 커짐에 따라, 그리고 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류의 세기에 따라 발생하는 자력이 커짐에 따라 유량조절장치를 닫게 한다.
이를 보다 더 구체적으로 살피기 위해 도 6에 이를 도시하고 살펴보면 압축기 흡입관로 표면에 접하여 압축기 밀봉케이스로 흡입되는 냉매증기 온도에 감응하는 온도감응벌브(510)의 온도감응 물질은 냉매회로 열펌프에서 냉매로 사용하는 같은 냉매이고,
온도감응벌브(510)는 주입구(511), 격막 하부공간(513), 연결모세관(512), 배출구(513)로 연결되어 하나의 온도감응공간을 형성하고, 상기 배출구(513)는 밸브(도면에 도시하지 않음)를 거쳐 진공펌프(도면에 도시하지 않음)에 연결되고, 상기 주입구(511)는 또다른 밸브(도면에 도시하지 않음)를 거쳐 냉매 저장용기(도면에 도시하지 않음)에 연결한다.
그리고 진공펌프를 가동하여 온도감응공간 내부의 공기를 모두 배출하고 연결된 밸브를 닫고 온도감응물질이 저장된 용기와 연결된 밸브를 열어 액상과 기상이 공존하는 포화상태로 그 양을 조절하여 충진하고 상기 주입구(511)와 배출구(513)를 압착하고 말단은 영구적으로 밀봉되게 용접으로 마감을 한다.
그리고 압축기 흡입관로 외부표면에 밀착 설치된 온도감응벌브(510) 내부의 냉매는, 상기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기 온도로부터 열을 전도받아 증발하고, 증발한 온도감응벌브(510) 내부 냉매의 포화증발압력은 격막(515) 하부에서 상기 격막(515)을 위로 밀어, 상기 격막(515)에 연결된 상기 변체(530)를 개방하는 방향으로 작용하게 하고,
상기 격막(515) 상부의 균압공간(516)은 균압관(517)을 통해 상기 온도감응벌브(510)가 위치한 압축기 흡입관로에 연결되어 구성되므로, 압축기로 흡입되는 냉매증기의 압력은 균압관(517)을 통해 상기 격막(515) 상부에서 격막을 아래로 밀어 상기 격막에 연결된 상기 변체(530)를 닫는 방향으로 작용하고,
솔레노이드코일(520)에 전류가 흐름에 따라 발생하는 자력은, 본 발명에 따른 유량조절장치의 변체(530)에 연결된 전기자(521)를 상기 솔레노이드코일(520) 중심부로 흡인하므로, 이 힘에 의해 상기 변체(530)를 아래로 밀어 순환냉매의 유로를 닫는 방향으로 작용을 하는데,
상기 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 조절함에 따라 유량조절장치의 변체를 닫으려는 힘과, 상기 온도감응벌브(510) 내부에서 증발한 냉매의 포화증발압력에 의해 변체를 열려는 힘이 서로 균형을 이루는 위치에서 상기 변체(530)가 정지하고
이에 따라 "난방의 경우에는 유입구이고, 냉방의 경우에는 유출구인 제1입출구(532)"로 유입된 냉매증기는 체크밸브1(CV1)을 거쳐, 수액공간(534)에서 비중이 큰 액상의 냉매가 아래로 고여지게 되고, 고여진 액상의 냉매는 변체(Valve body)(530)와 변좌(Valve seat)(531) 사이의 유로(공극)를 통과하여 유량조절공간(540)으로 흐르게 된다. 상기 유량조절공간(540)을 통과한 냉매증기는 체크밸브(CV4)를 지나 "제2입출구(533)"를 통과하여 증발기로 유입되어 대기로부터 열을 흡수하여 증발하고 미처 증발하지 못한 무화상태의 냉매증기와 함께 압축기 밀봉케이스 내부로 유입된다. 상기 제2입출구(533)는, 냉방의 경우에는 유입구에 해당하고, 난방의 경우에는 유출구에 해당한다.
압축기 밀봉케이스 내부로 유입되는 무화상태의 냉매증기에 포함된 잠열이 압축기를 밀봉한 케이스 내부에서 압축기를 구동하는 전동기가 가동됨에 따라 고정자권선과 회전자권선에 전류가 흐르므로 발생한 전기적 저항 열과 압축기가 가동함에 따라 발생한 기계적인 마찰열을 모두 흡수하여 증발을 하여도 대기온도보다 낮은 온도로 약간의 과열상태가 되도록 증발기로 유입되는 액상의 냉매 유량을, 유량조절장치의 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어함으로써, 조절한다.
이와 같이 솔레노이드코일(520)에 흘리는 전류를 제어하여 정밀한 유량을 조절하려면 도 7에서 변체(530)가 상하로 변위함에 따라 변체(530)와 변좌(531) 사이의 유로(공극) 단면적이 변체의 변위에 비례적으로 변하게 하여 변체의 상하 변위에 따라 유로를 통해 흐르는 냉매의 유량이 1차 함수적으로 증감되게 한다.
즉 변체의 상하이동을 8단계로 구분하여 살펴보면 변체(530)가 최 하부 "0"의 위치에 있을 때는 변좌(531)와 변체(530)의 공극이 없고 변체가 1의 위치로 올라가면 변체 직경은 변좌 직경의 98.71%로 변좌 직경보다 1.29% 감소하여 공극(유로)이 생기고, 그리고 중앙부위 4의 위치에는 변체 직경은 변좌(531) 직경의 94.14%로 공극이 변좌(531) 직경의 5.86%로 증가하여 유로의 개도(開度)가 증가한다. 그래서 본 발명에 따른 유량조절장치는 변체의 상하 이동 거리에 비례하여 유로의 개도(開度)가 증감한다.
이렇게 구성된 유량조절장치를 도 8에서와 같이 실외기와 실내기 사이에 두고 다음과 같이 6개소의 온도를 감지한다.
T1 : 외기온도
T2 : 실내온도
T3 : "4방변"과 온도감응벌브(510) 사이의 냉매흡입관로 표면온도
T4 : 압축기 흡입관로와 압축기 밀봉케이스가 만나는 점의 관로 표면온도
T5 : 실외기 출구 냉매관로의 표면온도
T6 : 실내기 출구 냉매관로의 표면온도
상기한 6개의 온도감지기(T1 ~ T6)로 감지한 온도 신호가 냉매회로열펌프의 주제어장치(800)에 입력되고, 압축기를 구동하는 전동기의 구동전력은 인버터(INV1), 실외기 냉각 송풍기(FM1) 구동전력은 인버터(INV2), 실내기 냉각 송풍기(FM2) 구동전력은 인버터(INV3)을 통해 각각 공급된다.
각 인버터(INV)의 가동 주파수와 솔레노이드코일(520)에 공급되는 전류 값은 상기 6개의 온도감지기(T1~T6)로 감지된 온도신호에 따라 산정하기 위하여 마이크로 프로세스로 구성된 주제어장치(도 8의 800)를 구비한다.
냉매회로열펌프의 주제어장치(800)는
냉매의 온도, 압력, 비체적, 상태열량, 과 잠열 량을 포함하는 냉매의 물성이 소프트웨어 형태로 저장되어있고 상기6개소의 온도신호를 입력받아
○ 외기온도에 따라 냉방과 난방을 자동으로 설정하고
○ 외기온도에 따라 압축기를 구동 전동기에 전력을 공급하는 인버터(INV1)의 가동주파수를 설정하여 인버터(INV1)에 지령하고
○ 실외기 와 실내기의 송풍기 속도를 제어하는 인버터에 가동 주파수를 설정하여 지령하고
○ 증발기에 유입되는 냉매유량을 제어하는 유량조절장치의 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어한다.
냉방부하(冷房負荷)와 난방부하(煖房負荷)는 모두 외기온도(T1)과 실내온도(T2)의 차에 비례하여 증감하는데 이에 따라 열펌프로부터 공급되는 냉방열량(증발열량)과 난방열량(응축열량)인 냉매의 "단위 질량 당 증발 잠열 량"은 외기온도의 변화에 따라 온도가 낮아지면 증가하고 온도가 높아지면 감소한다.
그래서 압축기로 흡입되는 냉매증기의 온도로부터 전도된 열에 의하여 상기 온도감응공간(514) 내부의 포화증발압력은 유량조절장치의 유로를 열려는 힘으로 작용하고,
압축기로 흡입되는 냉매의 증발압력에 의한 힘과, 냉매의 "단위 질량 당 증발 잠열 량"이 변하는 것을 보상하기 위해 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어하여 전기자(521)에 작용하는 자력이 더해진 '합력'은 유량조절장치의 유로를 닫으려는 힘으로 작용하고,
이 두 힘이 평형을 이루는 위치에서 본 발명에 따른 유량조절장치의 변체(530) 변위가 정해지고, 상기 변체(530) 변위에 따라 유로의 개도(開度)가 조절되므로, 증발기로 유입되는 냉매 량이 자동으로 제어된다.
포화상태의 냉매증기는 압력이 일정할 때 온도가 일정하다. 그래서 압축기 흡입관로 한곳의 온도측정만으로는 냉매증기의 증발상태(건습도)를 알 수 없으므로, 사방 변에서부터 압축기 밀봉케이스(110)까지 연결되는 압축기 흡입관로의 중간에 부착된 온도감응벌브(510)의 위치를 기준으로 상기 압축기 흡입관로의 전단과 후단에 각각 온도감지기(T3,T4)를 부착하고, 상기한 두 곳의 온도 값의 차를 측정하고 설정된 온도 값의 차에 따라 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 조절하는데 온도 값의 차가 많이 발생하면 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 감소시켜 유량조절 장치를 통해 흐르는 냉매유량이 증가하게 하고, 상기한 두 곳의 온도 값의 차가 적게 발생하면 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 증가하여 유량조절장치를 통해 흐르는 냉매유량을 감소하게 한다.
솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류의 증감은 상기한 두 곳의 온도값(T3)(T4)의 값의 차에 의해 결정되는데, 상기한 두 곳의 온도값(T3)(T4)의 값의 차이는 증발기가 외기로부터 열을 흡수하여 증발한 냉매증기의 증발상태(건습도)에 따라 달라지게 된다.
즉 T3의 온도는 외기로부터 증발열을 전도 받아 증발기 관로 내부를 흐르는 냉매증기의 증발잠열을 흡수할 때는 항상 일정한 포화증발온도가 유지되는 반면에, 압축기 밀봉케이스(110)와 냉매증기가 유입되는 흡입관로의 접합 부위의 온도(T4)는 압축기를 구동하는 전동기의 전기자권선과 고정자권선에 전류가 흐름으로 발생한 전류에 의한 저항 열, 압축기가 가동함으로 발생하는 기계적인 마찰열, 그리고 외기로부터 전도되는 열, 압축기 밀봉케이스 내부로 유입되는 냉매증기에 의해 전도되는 열에 의하여 변하는 온도이다.
다시 말하면 온도 T3는 증발기에서 외기로부터 열을 전도 받아 증발한 냉매증기의 포화증발온도이고, 온도 T4은 압축기 밀봉케이스 내부의 압축기가 가동함에 의해 발생되는 열로 가열된 압축기 밀봉케이스(110)로부터 전도된 온도이다.
그러므로 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3) 값이 적으면 냉매증기에 포함된 증발하지 못한 액상의 냉매 미립자는 많아지고, 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값이 커지면 냉매증기에 포함된 증발하지 못한 액상의 냉매 미립자는 적어진다.
그래서 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값에 따라 냉매유량을 조절하면 압축기 밀봉케이스(110)로 유입되는 냉매증기에 포함된 증발하지 못한 액상의 냉매미립자의 양이 조절되므로 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도를 조절할 수가 있다.
압축기가 가동될 때 발생하는 소음은 냉매증기에 포함된 비압축성 액상의 미립자에 의해 발생하고 그리고 압축기 구동 전동기에 공급되는 전력은 냉매증기의 비체적에 따라 변한다. 그래서 가동 중 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값을 가변하면 소음과 압축기에 공급되는 전력이 동시에 변한다.
이때 소음이 최저이고 공급전력이 최대일 때 압축기로 흡입되는 냉매증기는 잠열이 없는 이상기체상태의 냉매증기로 비체적이 최소가 되는 순간이다.
실험에 의하면 이 순간에 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값이 대략 2℃이하이고 이때 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열온도는 2℃이상으로 과열된 기체상태의 냉매증기가 압축기로 흡입되고 외기온도가 변함에 따라 상기한 두 곳의 온도(T3,T4)가 동시에 변하므로 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값은 변하지 않는다.
그래서 외기온도의 변화에 따라 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어하여 증발기에 유입되는 냉매유량을 조절하는데, 변하는 냉매유량은 항상 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기가 가동함에 의해 발생한 열을 모두 흡수하여 압축기로 흡입되는 냉매온도는 외기온도보다 낮은 온도이고 이때 냉매증기는 잠열이 없는 과열된 기체로 비체적이 가장적은 상태로 압축기에 흡입되므로 압축기의 압축효율을 최상으로 유지할 수 있다.
이를 요약하면
압축기 흡입관로의 중간에 부착된 온도감응벌브(510)의 위치를 기준으로 상기 압축기 흡입관로의 전단과 후단에 각각 온도감지기(T3,T4)를 부착하여 두 곳의 온도를 각각 측정하고, 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값에 따라 유량조절장치의 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어함으로써 상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값을 일정하게 유지할 수 있고,
상기한 두 곳의 온도차(T4-T3)의 값을 일정하게 유지함으로써, 외기온도의 변화에 따라 변하는 냉매의 잠열의 변화에도 불구하고 압축기 밀봉케이스 내부로 유입되는 냉매의 유량을 제어하여 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열 온도를 일정하게 유지하여 압축기의 압축효율을 최상으로 유지하는 것을 실시할 수 있다.

Claims (4)

  1. 압축기 흡입관로 내부를 흐르는 냉매증기의 온도에 감응하는 온도감응벌브(510)와, 균압관(512)에 의해 상기 압축기 흡입관로에 연결되는 균압공간(516)과, 상기 균압공간(516)의 하부에는 격막(515)에 의해 구획되고 연결모세관(512)에 의해 상기 온도감응벌브(510)와 연결되는 격막 하부공간(514)과, 난방시에는 냉매의 유입구이고 냉방시에는 냉매의 유출구인 제1입출구(532)와, 냉방시에는 냉매의 유입구이고 난방시에는 냉매의 유출구인 제2입출구(533)와, 상기 제1입출구(532) 또는 제2입출구(533)로 유입된 냉매가 체류하는 수액공간(534)과, 상기 수액공간의 하부로 유로를 통해 연결되는 유량조절공간(540)과, 상기 격막(515)의 승하강력과 솔레노이드코일의 자력에 의해 상기 유로를 개폐하는 변체(530)와, 상기 제1입출구(532)로부터 수액공간(534)으로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제1체크밸브(CV1)와, 상기 유량조절공간(540)으로부터 제1입출구(532)로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제2체크밸브(CV2)와, 상기 제2입출구(533)로부터 수액공간(534)으로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제3체크밸브(CV3)와, 상기 유량조절공간(540)으로부터 제2입출구(533)로의 냉매흐름을 가능하게 하는 제4체크밸브(CV4)를 구비함으로써,
    순환냉매가 항상 동일한 방향으로 흐르는 유로를 형성하고, 상기 유로를 개폐하는 하나의 변체(530)에 의해 냉매의 온도와 압력에 대응하여 개도(開度)를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉매회로 열펌프의 순환냉매 유량조절장치.
  2. 위치와 계절에 따라 변하는 기후의 온도로 부터 사람이 주거하는 공간의 온도를 생활하기에 최적의 온도를 유지하기 위해 냉매회로를 이용하여 열을 이동하는 모든 히트펌프에 있어서,
    냉매회로를 순환하는 냉매유량을 "하나의 전자식 유량조절장치"로 조절하되, 난방동작과 냉방동작시에 실외기와 실내기 사이의 냉매 흐름이 서로 반대방향으로 이루어지더라도 상기 유량조절장치 내부에서의 냉매흐름은 항상 동일한 방향으로 흐르도록 구성되고,
    압축기로 흡입되는 냉매증기의 온도로부터의 전도열에 의한 온도감응공간(514) 내부의 포화증발압력에 의해 발생되는 "유로를 열려는 힘"과, 압축기로 흡입되는 냉매의 증발압력과 솔레노이드코일(520)에 의한 자력의 합에 의해 발생되는 "유로를 닫으려는 힘"이 서로 평형을 이루는 위치에서 변체(530) 변위가 정해져 유로의 개도(開度)가 조절되도록 구성되고,
    사방 변에서부터 압축기 밀봉케이스(110)까지 연결되는 압축기 흡입관로의 중간에 부착된 온도감응벌브(510)의 위치를 기준으로 상기 압축기 흡입관로의 전단과 후단에 각각 온도감지기(T3,T4)를 구비하고, 상기한 두 곳의 온도 값의 차에 따라 상기 유량조절장치의 솔레노이드코일(520)에 인가되는 전류를 조절함으로써,
    증발기로 유입되는 냉매량이 자동으로 제어되는 것을 특징으로 하는 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프.
  3. 제1항에 따른 유량조절장치를 구비하여 순환냉매의 유량제어가 가능한 히트펌프로서,
    사방 변에서부터 압축기 밀봉케이스(110)까지 연결되는 압축기 흡입관로의 중간에 부착된 온도감응벌브(510)의 위치를 기준으로 상기 압축기 흡입관로의 전단과 후단에 각각 온도감지기(T3,T4)를 구비하고, 상기한 두 곳의 온도 값의 차에 따라 제1항에 따른 유량조절장치의 솔레노이드코일(520)에 인가 전류를 조절함으로써,
    순환냉매의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    증발기에 유입되는 냉매유량을 유량조절밸브의 솔레노이드코일(520)에 흐르는 전류를 제어하여 압축기 밀봉케이스 내부로 유입되는 냉매유량이 압축기 밀봉케이스 내부에서 압축기 가동에 의해 발생되는 모든 열을 흡수하여 증발하여도 증발한 냉매증기온도가 외기온도보다 낮은 온도가 되게 조절하는 것을 특징으로 하는 순환냉매의 효율적 유량제어가 가능한 히트펌프.
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