KR20110128494A - 고효율 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 고비용의 냉난비용을 절감하며 탁월한 냉난방 효율을 구현할 수 있도록 한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 압축기와 연결되는 사방밸브에 의해 제공되는 냉난방 사이클에 따라 냉방 혹은 난방운전을 수행하는 고효율 히트펌프 시스템에 있어서, 사방밸브와 연결관으로 연결되어, 압축기에서 압축된 냉매가 유입되어 냉방운전시 응축 행정을 수행하고, 난방운전시 증발행정을 수행하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 연결관으로 연결된 역지변 밸브 및 수액기를 통해 이송되는 냉매를 냉방운전시에 기화 및 팽창시켜 관외부를 결빙시키는 빙축조; 난방운전시 압축기, 유분리기 및 사방밸브 순으로 연결된 연결관을 통해 이송되어 유입되는 압축된 냉매를 특정 온도이상이 되도록 가열하는 가열기; 난방운전시 응축행정을 수행하여 가열기에 의해 가열된 냉매와 난방수와의 열교환을 수행하는 제2 열교환기; 및 난방운전시 제2 열교환기에 의해 가열된 냉매에 대해 응축 공정을 수행하여 제1 열교환기로 열원을 공급하고, 냉매를 제1 열교환기로 이송하는 제3 열교환기를 포함하되, 냉방운전시에 가열기와 제2, 제3 열교환기측으로 냉매가 이송되지 않도록 하고, 난방운전시에 빙축조로 냉매가 이송되지 않도록 바이패스관과 전자제어밸브를 이용하는 고효율 히트펌프 시스템을 제공한다.

Description

고효율 히트펌프 시스템{HIGH EFFICIENCY HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 고비용의 냉난비용을 절감하며 탁월한 냉난방 효율을 구현할 수 있도록 한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트 펌프는 히트펌프식 공기조화기에 적용되어 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 열을 방출하여 실내를 냉난방시켜 실내 환경을 쾌적하게 유지하여 주는 장치이다.

이러한 히트펌프에 의하면 냉매 사이클을 전환시킴으로 하나의 유닛(또는 시스템)으로 히팅과 쿨링이 모두 가능하므로 별도로 히팅 장치와 쿨링 장치를 각각 설치할 때보다 경제적인 이점을 제공한다.

현재의 냉/온수 히트펌프 시스템은 에너지 절감효과나 기계운행의 안정성을 막론하고 전기 보조 가열식을 채택하는 경우가 많아 동절기 저압장애와 하절기 고압장애를 야기하여 에너지와 효율의 비례(COP)는 일반적으로 2.5 - 3 범위에 불과할 뿐 아니라 에너지원 이용률은 50% 정도밖에 되지 않는다.

최근에 화석에너지의 가격상승과 그에 수반되는 고비용이 우려되는 상황에서 저비용의 냉난방 수단이 점차 부각되고 있는 상황이다.

그러나, 종래 히트 펌프의 경우 생산되는 냉방수의 경우 7℃ - 12℃ 난방수의 경우 45℃ - 50℃ 정도 생산하는 것이 시중에 운용되는 히트펌프 시스템에 대부분이므로, 냉방의 효율은 어느 정도 해결이 가능하나 난방의 경우 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 현재 사용 중인 히트펌프 온수기 유닛은 고유가와 자원고갈로 인한 에너지 절약이 시급한 시대적 요구에 대응하지 못하고 있으며, 특히, 난방수요가 큰 동절기에 효율이 떨어지는 단점이 있어 효율이 높고 고온과 저온에서도 안정적으로 가동되는 고효율 히트펌프 시스템의 보급이 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 고비용의 냉난비용을 절감 및 탁월한 냉난방 효율을 구현할 수 있도록 한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 냉방시 심야전기를 이용해 빙축조에 냉열을 얼음형태로 저장해빙하여 냉방사이클을 수행하고, 난방시 열교환기와 2차 콘덴서를 통해 난방싸이클을 수행하여 기계적 안정성을 개선할 수 있도록 한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 고효율 히트펌프 시스템은, 압축기와 연결되는 사방밸브에 의해 제공되는 냉난방 사이클에 따라 냉방 혹은 난방운전을 수행하는 고효율 히트펌프 시스템에 있어서, 사방밸브와 연결관으로 연결되어, 압축기에서 압축된 냉매가 유입되어 냉방운전시 응축 행정을 수행하고, 난방운전시 증발행정을 수행하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 연결관으로 연결된 역지변 밸브 및 수액기를 통해 이송되는 냉매를 냉방운전시에 기화 및 팽창시켜 관외부를 결빙시키는 빙축조; 난방운전시 압축기, 유분리기 및 사방밸브 순으로 연결된 연결관을 통해 이송되어 유입되는 압축된 냉매를 특정 온도이상이 되도록 가열하는 가열기; 난방운전시 응축행정을 수행하여 가열기에 의해 가열된 냉매와 난방수와의 열교환을 수행하는 제2 열교환기; 및 난방운전시 제2 열교환기에 의해 가열된 냉매에 대해 응축 공정을 수행하여 제1 열교환기로 열원을 공급하고, 냉매를 제1 열교환기로 이송하는 제3 열교환기를 포함하되,

냉방운전시에 가열기와 제2, 제3 열교환기측으로 냉매가 이송되지 않도록 하고, 난방운전시에 빙축조로 냉매가 이송되지 않도록 바이패스관과 전자제어밸브를 이용하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제2 열교환기는, 가열된 냉매와 난방수와의 열교환을 수행하여 60℃의 난방수를 70℃이상의 난방수를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.

전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 기존 히트펌프 보다 더욱 개선된 냉난방 수의 온도를 얻을 수 있으며 시스템의 안정성도 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 탁월한 냉난방 효과가 있으며 냉난방 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 기존의 히트펌프 시스템의 난방수 온도가 45℃ - 50℃(△+5℃)에 비해 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템은 45℃ - 70℃(△+25℃)까지 구현가능하며 겨울철의 -10℃의 사용환경에서도 안정적으로 사용할 수 있어, 사용자의 편의성을 증대시키는 효과가 있다.

또한 기존의 히트펌프 시스템의 냉방수 온도가 7℃ - 12℃에 비해 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템은 별도의 빙축조의 사용으로 0℃ - 12℃(△+12℃)까지 매우 차가운 냉방수의 사용이 가능하여 기존의 히트펌프 시스템의 냉방성능보다 매우 탁월한 성능 구현이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 히트펌프 시스템의 냉방운전을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1에 있어, 역지변 밸브의 상세도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 히트펌프 시스템의 난방운전을 설명하기 위한 구성도.

하기의 설명에서 본 발명의 고효율 히트펌프 시스템의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

하기의 설명에서는 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템의 냉방 운전에 대해서 우선 설명하고, 난방 운전에 대해 설명하도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다. 참고로 본 발명에 첨부된 도면에 도시된 화살표는 냉방, 난방의 냉매 흐름을 나타낸다.

본 발명에 첨부된 도면에서 냉방운전과 관련된 도면은 냉방운전의 동작에 따른 이해를 돕고자 난방운전시에만 동작하는 가열기, 제2 열교환기, 제3 열교환기를 도시하지 않았다. 이를 위해서 난방운전시에 동작하는 구성요소들로 냉매가 유입되지 않도록 바이패스(by pass)관과 전자제어밸브를 이용하여 제어한다.

또한 난방운전과 관련된 도면은 난방운전의 동작에 따른 이해를 돕고자 냉방운전을 설명하기 위한 도면에 추가적으로 난방운전시에 동작하는 가열기, 제2 열교환기, 제3 열교환기를 도시하였다.

이에, 냉방운전의 설명을 위한 도 1에서는 열교환기와 가열기를 도시하지 않고 생략하였음을 인지해야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 히트펌프 시스템의 냉방운전을 설명하기 위한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 냉방운전을 수행하는 고효율 히트펌프 시스템(100)은 압축기(11), 유분리기(13), 사방 밸브(4-way 밸브, 사방변)(a), 제1 열교환기(냉방시: 콘덴서(응축기)로 동작)(15), 역지변 밸브(체크 밸브)(17), 수액기(19), 제1 팽창변(21), 빙축조(23) 및 액분리기(25)를 포함하여 구성된다.

이러한 고효율 히트펌프 시스템(100)의 구성을 통한 냉방운전에 대해서 살펴보면, 우선 냉방 사이클은 압축기(11)-->유분리기(13)-->사방 밸브(a)-->제1 열교환기(15)-->역지변 밸브(17)-->수액기(19)-->역지변 밸브(17)-->제1 팽창변(21)-->빙축조(a)->사방 밸브(a)-->액분리기(25)-->압축기(11) 순으로 순환한다.

압축기(11)는 저온저압의 냉매를 고압고압 가스로 압축하는 기능을 갖는 기체 출입구가 있는 냉매 콤프레서(compressor)이다.

유분리기(13)는 압축기(11)로부터 입력되는 고압고압 가스의 냉매에 포함되어 있는 압축기 오일을 분리하여 회수하고, 오일이 회수되어 획득되는 고압고압 가스를 사방 밸브(a)를 통해 제1 열교환기(15)측으로 제공한다.

여기서 사방 밸브(a)는 냉방 사이클과 난방 사이클에 따라 냉방로와 난방로를 제공할 수 있도록 그에 대응하는 밸브 동작을 수행한다.

제1 열교환기(15)는 유분리기(13)를 통해 고압고압 가스의 냉매를 저온고압의 냉매로 전환시킨다.

역지변 밸브(17)는 콘덴서(15)로부터 유입되는 저온고압의 냉매를 수액기(19)로 이송하여 팽창변(21)과 빙축조(23)로 이송될 수 있도록 연결관(흐름)을 제공한다. 여기서 역지변 밸브(17)의 상세한 구성은 도 2에 도시된 바와 같다.

수액기(19)는 콘덴서(15)에서 식혀진 저온고압의 냉매를 일시저장 후 열교환기를 거쳐 제1 팽창변(21)으로 제공한다.

제1 팽창변(21)은 수액기(19)에서 공급된 냉매를 냉열을 얻기위한 빙축조(증발기)(23) 내부관에 분사한다.

빙축조(증발기)(23)는 빙축조내에 설치된 증발기에서는 제1 팽창변(21)이 분사한 냉매가 기화 및 팽창되어 관외부에 얼음이 결빙되며 냉방에 필요한 얼음이 형성된다.(해빙시 0℃ - 12℃ 사용가능) 이러한 빙축조(23)에 의해 기화 및 팽창된 냉매는 사방밸브(a)를 통해 액분리기(25)측으로 이송된다.

액분리기(25)는 빙축조(23)에 의해 팽창된 냉매에 수분이 포함되어 있을 수 있으므로, 수분을 분리한 냉매를 압축기(11)와 연결된 관을 통해 압축기(11)로 이송한다.

도 1을 참조하여 전술한 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템(100)의 냉방운전에 대한 동작 및 작용을 상세히 설명하도록 한다.

압축기(11)에서 압축한 고온고압의 냉매를 유분리기(13)로 보내어 오일 제거 후 사방 밸브(a)을 통하여 제1 열교환기(15)로 보내어 응축 공정에 의해 저온고압의 냉매 상태로 만들어 역지변 밸브(17)를 통해 수액기(19)로 보내어 일시저장 및 보관한 후 팽창변(21)으로 보낸다. 여기서 수액기(19)는 또한 압축기 오일을 2차적으로 회수하는 기능을 수행한다.

이후 팽창변(21)은 냉매를 빙축조(23)내에 증발 코일 관내에 분사하여 팽창 및 기화시켜 부하측에 필요한 냉열을 만드는 동시에 부하측의 냉방수와 열교환을 하여 냉방을 실현한다. 이때 만들어지는 냉수의 온도는 0℃ - 12℃가 된다.

다음은 전술한 냉방운전의 냉방 사이클과는 역순환되는 난방 사이클의 난방운전에 대해서 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 히트펌프 시스템의 난방운전을 설명하기 위한 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 난방운전을 수행하는 고효율 히트펌프 시스템(100)은 압축기(11), 유분리기(13), 사방 밸브(4-way 밸브, 사방변)(a), 가열기(31), 제2 열교환기(33), 제3 열교환기(35), 역지변 밸브(체크 밸브)(17), 수액기(19), 제2 팽창변(37), 제1 열교환기(15), 빙축조(23) 및 액분리기(25)를 포함하여 구성된다.

우선, 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템은 냉방운전의 냉방 사이클과는 역순환의 난방 사이클을 통해 난방운전을 수행해야 한다.

이를 위해 사방 밸브(a)와 역지변 밸브(17)는 냉방 사이클의 역순환의 난방 사이클을 제공할 수 있도록 이송로를 선택적으로 차단 및 개방하여 제공한다.

이에 난방 사이클은 압축기(11)-->유분리기(13)-->사방 밸브(a)-->가열기(31)-->제2 열교환기(33)-->제3 열교환기(35)-->역지변 밸브(17)-->수액기(19)-->제2 팽창변(37)-->제1 열교환기(15)-->사방 밸브(a)->액분리기(25)-->압축기(11) 순으로 순환한다.

이러한 고효율 히트펌프 시스템(100)의 구성을 통한 난방운전에 대해서 살펴보면, 우선 냉방운전시 기술한 각 구성요소의 동작 및 작용은 난방운전시에도 동일한 기능을 수행한다.

다만, 제1 열교환기(15)(난방시: 증발기로 동작)는 냉방운전시 콘덴서(응축기)로 동작하여 응축 공정을 수행하지만, 난방시 증발기로 동작한다는 차이점을 갖는다.

또한 난방운전시에 동작하는 가열기(31)는 압축기(11)에서 압축된 냉매를 한번 더 가열하는 장치로서, 냉매의 온도를 120℃이상이 되도록 한다.

제2 열교환기(33)는 가열기(31)에서 가열된 냉매와 난방수와의 열교환이 이루어져 일정 온도 이상으로 상승한 난방수를 얻도록 한다. 이에 의해 난방수의 온도를 60℃에서 70℃로 상승시켜 부하측으로 공급할 수 있게 된다.

제3 열교환기(35)는 제1 열교환기(15)에 열을 공급하여 지속적인 난방 운전이 가능하게 함과 동시에 증발기의 동작을 수행하는 제1 열교환기(15)의 주변에 발생한 결빙을 제상하는 기능을 수행한다.

도 3을 참조하여 전술한 본 발명에 따른 고효율 히트펌프 시스템(100)의 난방운전에 대한 동작 및 작용을 상세히 설명하도록 한다.

압축기(11)에서 압축한 고온고압의 냉매를 유분리기(13)로 보내어 오일 제거 후 사방 밸브(a)을 통하여 가열기(31)로 이송한다. 그러면, 가열기(31)는 압축기(11)에서 압축된 냉매의 온도가 일정 온도(예컨대, 120℃) 이상이 되도록 냉매를 한번 더 가열한 후, 제2 열교환기(25)로 보내어 1차적인 응축 공정에 의해 저온고압의 냉매 상태로 만들어 제3 열교환기(35)로 이송한다.

이때 부하측의 난방수를 제2 열교환기(25)에 흘려보내 열교환을 하면 70℃이상의 난방수를 얻을 수 있게 된다.

이후 제3 열교환기(35)는 2차적으로 응축 공정을 수행하여 제1 열교환기(15)측으로 열원을 공급하며 냉매를 역지변 밸브(17)로 이송한다. 이에 제1 열교환기(15)의 결빙이 제상되며 지속적인 난방운전이 가능하게 된다.

역지변 밸브(17)는 냉매가 수액기(19)로 유입되도록 이송로를 제공하며, 드라이어와 중간밸브를 거쳐 다시 역지변 밸브(17)를 통해 제2 팽창변(37)으로 이송되도록 한다.

이에 제2 팽창변(37)에 공급된 냉매는 냉열을 얻기 위해 제1 열교환기(15)의 내부관에 냉매를 분사한다.

그러면 제1 열교환기(15)는 증발 행정을 수행하여 냉매를 기화 팽창시킨다. 이때 제1 열교환기(15)는 제3 열교환기(35)로부터 필요한 열원을 공급받아 냉매의 지속적이며 안정된 팽창이 가능하게 된다.

이후 팽창된 냉매는 사방 밸브(a)에 이송로에 의해 액분리기(25)로 이송되고, 액분리기(25)에 의해 팽창된 냉매에 포함된 수분을 분리하고, 수분이 분리된 냉매를 압축기(11)로 이송한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 압축기와 연결되는 사방밸브에 의해 제공되는 냉난방 사이클에 따라 냉방 혹은 난방운전을 수행하는 고효율 히트펌프 시스템에 있어서,
   사방밸브와 연결관으로 연결되어, 압축기에서 압축된 냉매가 유입되어 냉방운전시 응축 행정을 수행하고, 난방운전시 증발행정을 수행하는 제1 열교환기;
   상기 제1 열교환기와 연결관으로 연결된 역지변 밸브 및 수액기를 통해 이송되는 냉매를 냉방운전시에 기화 및 팽창시켜 관외부를 결빙시키는 빙축조;
   난방운전시 압축기, 유분리기 및 사방밸브 순으로 연결된 연결관을 통해 이송되어 유입되는 압축된 냉매를 특정 온도이상이 되도록 가열하는 가열기;
   난방운전시 응축행정을 수행하여 가열기에 의해 가열된 냉매와 난방수와의 열교환을 수행하는 제2 열교환기; 및
   난방운전시 제2 열교환기에 의해 가열된 냉매에 대해 응축 공정을 수행하여 제1 열교환기로 열원을 공급하고, 냉매를 제1 열교환기로 이송하는 제3 열교환기를 포함하되,
   냉방운전시에 가열기와 제2, 제3 열교환기측으로 냉매가 이송되지 않도록 하고, 난방운전시에 빙축조로 냉매가 이송되지 않도록 바이패스관과 전자제어밸브를 이용하는 것을 특징으로 하는 고효율 히트펌프 시스템.
   
2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 열교환기는,
   가열된 냉매와 난방수와의 열교환을 수행하여 60℃의 난방수를 70℃이상의 난방수를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 고효율 히트펌프 시스템.
   

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