KR101502378B1

KR101502378B1 - 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러 및 제상 방법

Info

Publication number: KR101502378B1
Application number: KR1020120117112A
Authority: KR
Inventors: 김영식
Original assignee: 김영식
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2015-03-13
Also published as: KR20140050825A

Abstract

본 발명은 증발기의 역할을 하며 복수의 제상보온탱크를 포함하고 있는 워터캔(400), 온도감지센서(470)로부터 측정된 온도에 따라서 워터캔(400)내로 온수가 자동으로 공급되도록 자동전자밸브를 제어하기 위한 온도컨트롤부(410), 온수를 보관하기 위한 온수탱크(420), 온수탱크(420)와 워터캔(400)으로부터의 온수를 순환시키기 위한 순환 펌프(430), 액화된 냉매 가스를 압축하기 위한 압축기(440), 압축기(440)로부터의 고온 고압 냉매를 응축시키기 위한 응축기(450), 고압 액화된 냉매를 감압하기 위한 팽창 밸브(460), 워터캔(400)의 성에 생성 여부를 감지하기 위한 온도감지센서(470)로 구성된 냉난방 히트펌프 전기보일러 및 자동 제상 방법에 관한 것이다.

Description

자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러 및 제상 방법{HEAT PUMP ELECTRIC BOILER FOR AIR CONDITIONING AND HEATING SYSTEM HAVING AUTOMATIC DEFROSTING FUNCTION AND METHOD FOR DEFROSTING}

본 발명은 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성에가 발생하게 되는 경우 워터캔내 제상보온탱크에 온수를 자동공급함으로써 히터를 이용하지 않고도 자동으로 제상이 이루어지도록 하는 냉난방 히트펌프 전기보일러 및 제상 방법에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 열을 운반하는 냉매가 주입되어 있다. 이러한 히트펌프는 크게 압축기, 증발기, 응축기 그리고 팽창밸브로 구성되어 있다. 히트펌프에 주입되어 있는 냉매는 증발기를 통과하면서 냉매의 특성상 외부로부터 열(예를 들어, 지하수열, 하천수열, 공기열 등)을 흡수하면서 증발(액체에서 기체로 기화)하여 저온저압의 가스 상태가 되어 압축기로 흡입된다. 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온고압상태가 되어 응축기로 전달되며, 응축기에서는 열을 방출(온풍, 온수 이용)하면서 냉매는 액화된다. 액화된 냉매는 팽창밸브를 통해 감압되어 저압 저온 액화 상태의 냉매로 증발기로 들어간다. 이와 같이 히트 펌프는 상기 사이클을 반복하면서 저온의 열을 흡수하고 압축기 동력에 의하여 필요한 고온의 열을 발생시키게 된다.

이러한 히트펌프의 장점으로는 히트펌프 자체가 열을 만들어내는 장치가 아니라 운반하는 기능을 가지고 있으며, 히트펌프의 특성상 냉매가스의 증발열과 압축열을 이용하며 외부열을 흡수하는 시스템으로 전기 1KW를 사용하여 3~7KW(COP3~7)의 효율을 생산해내는 고효율의 에너지 절약기라는 점이다.

아울러, 히트펌프는 전기와 자연열, 또는 폐열을 이용하기 때문에 CO₂ 등 유해 가스의 배출이 전혀 없으며 폭발 화재 등 위험이 없는 녹색 친환경 시스템이다.

이와 같은 히트펌프를 이용한 냉난방기는 냉동사이클을 이용하여 냉방 및 난방 기능을 수행하는 장치로서, 실내 열교환기를 갖는 실내기와 실외 열교환기 및 압축기 등이 설치된 실외기로 구성된다.

이러한 냉난방기는 여름철에는 실내 열교환기 쪽으로 저온 저압의 냉매가 순화되어 공기를 냉각시킴으로써 실내에 시원한 바람을 공급함으로써 냉방 기능을 하고, 겨울철에는 여름철과 반대로 냉동 사이클을 수행함으로써 실내 열교환기 쪽으로 고온고압의 냉매를 순환시킴으로써 실내에 따뜻한 공기를 제공하여 난방기능을 수행하게 된다.

도 1은 일반적인 냉난방기의 구조를 도시한 개략적인 도면으로서, 고온고압으로 압축된 냉매가스를 상온으로 응축시키며 열을 발생하는 실내 열교환기(110), 바람을 송풍하여 실내 열교환기(110)에서 발생되는 열을 실내 공기와 열교환하여 강제 방열시키는 팬(120)이 실내에 설치된다.

이에 대해 실외에는 실내 열교환기(110)를 통과한 냉매를 저압으로 감압시키는 모세관(150), 모세관(150)을 거쳐 유입된 저온 저압의 냉매가스가 증발하여 외부의 열을 흡수하는 실외 열교환기(140), 실외 열교환기(140)쪽으로 바람을 일으켜 저온으로 냉각된 공기를 외부로 송풍하는 팬(130), 그리고 실외 열교환기(140)를 거친 냉매를 고온고압으로 압축하여 실내 열교환기(110)로 재순환시키는 압축기(100) 설치된다.

이러한 구조에 있어서 난방은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다.

압축기(100)에서 냉매를 고온고압으로 압축하여 실내 열교환기(110)로 순환시키며, 이어 실내 열교환기(110)는 압축기로부터 유입된 냉매를 실내 공기와 열 교환한 후 고온고압의 냉매를 저온의 냉매로 응축시킨다. 즉, 팬(120)으로부터 강한 바람이 실내 열교환기(110) 쪽으로 송풍되고, 이후 상기 바람에 의해 실내 열교환기(110) 내부를 통과하는 냉매의 열이 실내로 방열되어 실온의 액체상태로 응축되게 된다. 이때, 실내 열교환기(110)로부터 방열된 고열이 실내 공기를 가열시키고 실내에 송풍됨으로써 실내의 난방이 이루어지게 된다.

이어, 냉매는 모세관(150)을 통과하면서 감압되며, 따라서, 저온저압으로 변환 액체 상태의 냉매가스는 실외 열교환기(140)를 거친 냉매는 다시 압축기(100)로 재순환되어 고온고압의 냉매로 압축된다. 이처럼, 냉난방기는 냉동사이클을 반복 수행하여 실내 열교환기(110)로부터 가열된 공기를 실내로 계속하여 토출함으로써 실내의 난방이 이루어지게 된다.

그러나, 이와 같은 난방은 대부분 외기 온도가 낮은 겨울철에 수행되게 되며, 따라서 난방기능 수행 중 냉매의 증발작용을 하는 실외 열교환기(140)의 표면온도가 낮아져 실외 열교환기(140) 표면에 성에가 발생하게 되어 효율이 저하되는 문제가 발생되며, 이를 제거하기 위해 종래의 냉난방기의 경우 냉동사이클을 역 순환시킴으로써 실외 열교환기(140) 자체에서 발생하는 열로서 제상이 이루어질 수 있도록 하였다.

그러나, 이러한 제상 동작 기능의 경우 제상 동작 기간동안 실내의 난방이 이루어지지 않으며 냉동사이클의 역 순환으로 인해 불필요한 열손실이 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점에 대한 인식에 기초하여 종래의 경우에도 여러 해결 방안들이 제안되었으며, 다음은 이러한 여러 방안의 예에 대한 설명이다.

우선 공개실용신안공보 실1998-028855에 기술되어 있는 방안에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 공개실용신안공보 실1998-028855의 핵심도면으로서 앞서 설명한 바와 같이 난방동작시 발생하는 실외기의 성에를 제거하기 위한 장치의 구조를 도시하고 있다. 도 2에 도시되어 있는 제상 장치의 구조를 살펴보면 압축기(200)의 외주면에 형성된 온수를 가열시키는 가열관(210), 그리고 가열관(210)에 저장된 온수를 제상 수단(240)으로 펌핑하는 펌핑 수단(250)이 실외 열교환기(220)의 일측에 구비되어 있다.

가열관(210)은 압축기 외주면에 나선형으로 감겨져 내부에 순환되는 온수를 압축기(200)의 열로 가열시키며, 펌핑 수단(250)은 가열관(210)으로부터 가열된 온수를 호스를 통하여 제상 수단(240)으로 순환시키도록 구성된다.

도 3은 등록실용신안공보 20-0159702의 핵심도면으로서 발명의 목적에서는 실외기의 성에를 제거하기 위한 장치라는 점에서 유사한 측면이 있다. 도 3에 도시되어 있는 제상 장치의 구조를 살펴보면 실외 열교환기(310) 일측에 형성되어 온수를 저장하는 수조(330), 수조(330) 내부에 형성되어 온수를 일정온도로 가열하기 위한 히터(370), 수조(330)의 온수 온도를 감지하기 위한 수온감지센서(340), 그리고 수온감지센서(340)로부터 입력을 받아 히터(370)에 전원을 인가하여 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤부(350)로 구성된다.

이에 대한 기능을 간단히 설명하면 난방 동작중에 실외의 온도가 낮아지면 기온차에 의해 실외 열교환기(310) 표면에 성에가 발생하며, 이때 수조(330)에 저장되어 있는 온수를 펌핑부(380)를 통하여 제상부(320)로 펌핑하면 제상부(320) 내부로 온수가 순환되어 실외 열교환기(310) 표면의 성에가 제거된다.

보다 더 상세히 설명하면, 수조(330)에는 일정량의 물이 저장되어 있으며, 일정 온도를 유지하도록 히터(370)에 의해 주기적으로 가열된다.

히터(370)는 컨트롤부(350)에 의해 동작 제어되며, 수조(330)에 설치된 수온감지센서(340)로부터 현재의 수온이 컨트롤부(350)에 입력되며, 컨트롤부(350)는 수온감지센서(340)의 입력을 받아 현재 수온이 설정온도보다 낮을 경우 히터(370)에 전원을 인가한다.

수조(330)의 수온이 설정된 온도에 도달하게 되면 컨트롤부(350)는 히터(370)에 인가되는 전원을 오프하여 히터(370)에 의한 가열을 중지시킴으로써 항상 일정한 수온을 유지하도록 한다.

본 발명의 목적은 냉동사이클의 역 순환이 없이 그리고 역 순환으로 인한 불필요한 열 손실의 발생이 없이 실외 열교환기의 성에를 제거할 수 있는 제상 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기히트코일을 이용하지 않고도 성에를 제거할 수 있는 제상 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수조내의 물을 히터를 통해 가열하지 않고도 온수를 이용하여 성에를 제거할 수 있는 제상 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발은 상기 목적을 달성하기 위해 종래의 제상 장치와는 다른 구조를 가지며, 이러한 구조의 핵심 구성요소는 다음과 같다.

본 발명의 제상 장치는 증발기의 역할을 하며 복수의 제상보온탱크를 포함하고 있는 워터캔(400), 온도감지센서(470)로부터 측정된 온도에 따라서 워터캔(400)내로 온수가 자동으로 공급되도록 자동전자밸브를 제어하기 위한 온도컨트롤부(410), 온수를 보관하기 위한 온수탱크(420), 온수탱크(420)와 워터캔(400)으로부터의 온수를 순환시키기 위한 순환 펌프(430), 액화된 냉매 가스를 압축하기 위한 압축기(440), 압축기(440)로부터의 고온 고압 냉매를 응축시키기 위한 응축기(450), 고압 액화된 냉매를 감압하기 위한 팽창 밸브(460), 워터캔(400)의 성에 생성 여부를 감지하기 위한 온도감지센서(470)로 구성되어 있다.

본 발명의 경우 실외 열교환기의 성에를 제거하기 위해 냉동사이클을 역 순환시킬 필요가 없어 전력소모를 줄이는 동시에 불필요한 열 손실을 줄이는 한편, 별도의 히터를 구비함이 없이 온수를 이용하여 실외 열교환기에 생성된 성에를 제거함으로써 히터의 가열을 위해 소모되는 전기를 절약할 수 있게 되어 사용자로 하여금 전기 소모에 따른 전기세를 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.

아울러, 제상을 완료한 후 원래의 상태로 복귀가 빠르며, 이에 따라서 성능 계수(COP)가 높다.

도 1은 일반적인 종래 기술의 냉난방기의 개략도이다.
도 2는 제상 기능을 갖는 종래 기술의 냉난방기를 도시한다.
도 3은 제상 기능을 갖는 종래 기술의 다른 냉난방기를 도시한다.
도 4는 본 발명의 자동 제상기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 냉난방 히트펌프 전기보일러의 제상 과정을 도시하는 흐름도이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 종래 기술의 냉난방기가 갖고 있는 문제점, 즉, 실외 열교환기에 발생되는 성에를 제거하기 위한 방법으로 사용되는 냉동사이클의 역 순환으로 인한 전기소모 및 불필요한 열 손실 및 냉동사이클의 역 순환을 통해 제상을 하지 않지만 물을 가열하기 위해 히터를 사용함으로써 과도하게 전기를 소모하게 되는 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

아울러, 종래의 냉난방기의 경우 냉난방기의 히트 펌프가 작동되면 한쪽은 더운 공기가 발생하고 다른 한쪽은 차가운 공기가 발생하게 된다.

냉방의 경우 히트 펌프가 작동되면 차가운 쪽의 공기를 팬으로 불어 실내를 냉방하며 더운 공기는 실외기 밖으로 내보낸다.

난방의 경우 히트 펌프가 작동되면 더운 쪽의 가스를 열교환기를 이용하여 물을 끓이고 차가운 공기는 실외기 밖으로 내보낸다. 이 경우 실외기도 차가운 공기를 내보내고 외부의 기온이 급격히 떨어지게 되는 경우 실외기에 성에가 생성되며 이 경우 히트 펌프가 작동하지 않을 수도 있다. 따라서, 히트 펌프를 작동시키기 위해서는 실외기의 성에를 녹이는 작업이 이루어져야 하는데 종래의 경우 대부분 열선을 이용하여 제상이 이루어졌다. 그러나, 이러한 열선을 이용한 제상의 경우 과도한 전기 소모로 인한 전기 누진세의 발생 가능성이 높고 제상이 이루어진 후 원래의 상태로 복귀하는 속도가 느림으로써 성능 계수(COP)가 낮은 단점이 있다.

도 4는 이러한 본 발명의 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러를 도시한 도면이다.

도 4의 도면을 참조하면 본 발명의 제상 장치는 증발기의 역할을 하며 복수의 제상보온탱크를 포함하고 있는 워터캔(400), 온도감지센서(470)로부터 측정된 온도에 따라서 워터캔(400)내로 온수가 자동으로 공급되도록 자동전자밸브를 제어하기 위한 온도컨트롤부(410), 온수를 보관하기 위한 온수탱크(420), 온수탱크(420)와 워터캔(400)으로부터의 온수를 순환시키기 위한 순환 펌프(430), 액화된 냉매 가스를 압축하기 위한 압축기(440), 압축기(440)로부터의 고온 고압 냉매를 응축시키기 위한 응축기(450), 고압 액화된 냉매를 감압하기 위한 팽창 밸브(460), 워터캔(400)의 성에 생성 여부를 감지하기 위한 온도감지센서(470)로 구성되어 있다.

상기 구성요소 중 본원 발명의 핵심 구성요소인 워터캔(400)의 경우 워터캔내에 (도시되지 않은)복수 개의 제상보온탱크를 포함하고 있으며 제상보온탱크의 수는 히트펌프의 용량에 따라 결정된다. 이러한 워터캔(400)에는 성에의 생성 여부를 감지하기 위한 온도감지센서(470)가 설치되어 주기적으로 성에의 생성 여부를 감지하게 된다.

온도컨트롤부(410)는 온도감지센서(470)로부터 측정된 신호 값을 분석하여 워터캔(400)에 성에가 발생하였다고 판단하면 자동전자밸브를 개방시켜 워터캔(400)의 제상보온탱크내로 온수가 자동으로 공급되도록 함으로써 제상보온탱크의 온도가 높아지도록 함으로써 워터캔(400)에 생성된 성에가 제거되도록 한다.

상기 자동전자밸브는 온도컨트롤부(410)로부터의 명령에 따라서 워터캔(400)의 제상보온탱크내로 온수를 공급하거나 온수의 공급을 중단하기 위해 자동으로 개폐되는 밸브이다.

이와 같은 본 발명의 핵심 구성요소에 기초하여 본 발명의 냉난방 힌트펌프 전기보일러의 난방 및 냉방 모드의 경우 각각의 동작에 대한 상태는 아래의 표와 같다.

난방	1 OFF	2 ON	4 ON	5 OFF	6 OFF	7 OFF
냉방	1 ON	2 OFF	4 OFF	5 ON	AUTO	AUTO

상기 표에서 알 수 있는 바와 같이 난방 모드의 경우 1번 밸브가 OFF 되고 압축기(440)와 응축기(450) 사이에 위치하는 2번 밸브는 ON 되며 워터캔(400)으로 향하는 차가운 냉매가스가 통과하는 4번 밸브 역시 ON 되고, 그외 5번 밸브, 6,7번 팬이 OFF 된다. 이러한 동작 모드에 의해 압축기(440)를 통해 나온 액화가스가 ON 상태의 2번 밸브를 통해 응축기(450)로 유입되어 워터캔(400)내 제상보온탱크로부터 환수된 난방수를 가열하여 온수탱크(420)에 저장하게 된다. 이렇게 저장된 온수는 실내의 바닥을 난방하거나 온수 공급을 위해 이용되게 된다.

또한, 압축기(440)를 통해 응축기(450)에서 냉각된 가스가 팽창 밸브를 통해 차가운 냉매가스로 변환된 후 ON 상태의 4번 밸브를 통해 워터캔(400)을 거쳐 증발된 후 압축기로 보내지게 된다. 난방 모드의 경우 이러한 과정이 반복적으로 발생하게 되며 이때 4번 밸브를 통해 유입되는 차가운 냉매가스에 의해 워터캔(400)에 성에가 발생되는 경우 온도감지센서(470)에 의해 성에의 발생이 감지되어 온도 컨트롤러부(410)는 자동전자밸브(3)를 개방하여 따듯한 온수를 워터캔(400)으로 흘려보냄으로써 성에가 제거되도록 한다.

냉방 모드의 경우에는 1번 밸브가 ON 되고 압축기(440)와 응축기(450) 사이에 위치하는 2번 밸브가 OFF 되며 워터캔(400)으로 차가운 냉매가 유입되지 않도록 4번 밸브가 OFF 되는 대신에 5번 밸브가 ON 되어 차가운 냉매가 5번 밸브를 통해 7번의 열교환기로 이동하여 팬(7)에 의해 차가워진 공기가 실내에 송풍함으로써 실내를 냉방하게 된다. 열교환기를 거친 냉매는 액화가스로 응축되어 압축기(440)로 보내지게 된다. 이때, 2번 밸브가 OFF 상태이므로 압축된 액화가스는 응축기(450)가 아닌 6번 실외기의 열교환기를 통해 더운 바람을 배출한 후 다시 냉각되어 팽창 밸브(460)를 통해 차가운 냉매가스로 변환되어 앞서 설명한 과정을 반복하게 된다.

도 5는 본 발명의 냉난방 히프펌프 전기보일러의 자동 제상 방법을 도시하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 자동 제상 방법은 다음과 같은 단계에 따라서 수행된다. 단계(500)에서, 온도감지센서(470)는 워터캔(400)의 온도를 감지하게 되며, 감지된 측정값은 온도컨트롤부(410)로 전송되게 된다. 온도컨트롤부(410)에서는 측정된 온도와 사전에 설정된 임계치를 비교하여 측정된 온도가 설정된 임계치 낮은지를 판단하게 된다(520). 여기서 설정된 임계치는 온수공급이 필요없는, 즉 성에가 발생하지 않는 온도를 의미한다. 즉, 설정된 임계치보다 온도가 낮은 경우 성에가 생성되게 된다. 따라서, 비교 판단 결과, 측정된 온도가 설정된 임계치보다 낮지 않으면 다시 단계(500)로 리턴하여 워터캔의 온도감지를 수행하게 된다. 이와 반대로 측정된 온도가 설정된 임계치 보다 낮으면 단계(530)로 진행된다. 단계(530)에서 자동전자밸브는 온도컨트롤부(410)로부터의 개방 신호에 따라서 밸브를 개방하게 된다. 밸브의 개방으로 인해 온수탱크(420)내 온수가 워터캔(400)내의 제상보온탱크로 온수를 공급하게 된다(단계 540). 따라서, 이러한 온수의 공급으로 인해 워터캔(400)에 생성된 성에가 제거되게 된다(550).

상기 설명한 바와 같이 제상 기능은 난방 모드의 경우에만 수행된다는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 경우 워터캔(400)내 제상보온탱크의 물을 가열하기 위한 별도의 히터 없이도 제상 기능을 수행할 수 있다는 점에서 종래의 기술과 구분된다고 할 수 있다.

이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 설명되었으며, 이러한 실시예 및 첨부도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한된다.

400 : 워터캔
410 : 온도컨트롤부
420 : 온수탱크
430 : 순환펌프
440 : 압축기
450 : 응축기
460 : 팽창 밸브

Claims

실외기의 역할을 대체하는 워터캔;
온수를 보관하기 위한 온수탱크;
온수탱크와 워터캔으로부터의 온수를 순환시키기 위한 순환 펌프;
액화된 냉매 가스를 압축하기 위한 압축기;
압축기로부터의 고온 고압 냉매를 응축시키기 위한 응축기;
고압 액화된 냉매를 감압하기 위한 팽창 밸브;
워터캔의 성에 생성 여부를 감지하기 위한 온도감지센서; 그리고
온도감지센서로부터 측정된 온도에 따라서 워터캔내로 온수가 자동으로 공급되도록 자동전자밸브를 제어하기 위한 온도컨트롤부
를 포함하는, 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러.
제 1 항에 있어서,
워터캔 내부에는 온수를 보관하기 위한 제상보온탱크가 포함되어 있는, 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러.
제 1 항에 있어서,
워터캔내에 포함되는 제상보온탱크의 수는 히트펌프의 용량에 따라서 달라지는, 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러.
제 1 항에 있어서,
워터캔 자체가 증발기 역할을 수행하는, 자동 제상 기능을 갖는 냉난방 히트펌프 전기보일러.
실외기의 역할을 대체하는 워터캔의 온도를 감지하고 측정하는 단계;
측정된 온도 값을 온도컨트롤부로 전송하는 단계;
측정된 온도와 사전에 설정된 임계치를 비교 판단하는 단계;
비교 판단 결과에 따라서 자동전자밸브를 개방하는 단계; 그리고
개방된 자동전자밸브를 통해 워터캔내 제상보온탱크로 온수를 공급하는 단계
를 포함하는, 자동 제상 방법.
제 5 항에 있어서,
자동전자밸브 개방은 측정된 온도가 사전에 설정된 임계치보다 낮은 경우에 이루어지는, 자동 제상 방법.