JP6163257B2 - ２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムに関するものであって、より詳細には、ヒートポンプサイクルにおいて、外部に排出される廃熱を、蒸発器を用いて回収した後、その回収された熱によって過熱蒸気状態となった冷媒は熱交換器を経ながら放熱し、最初に流入された空気を予熱した状態で凝縮機に供給する機能を提供することにより、凝縮機で再使用する熱エネルギーに比例して圧縮機の過負荷および作動エネルギーを節約するための２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムに関するものである。

一般的に、ヒートポンプは、冷媒の発熱または、凝縮熱を利用し、低温の熱源を高温に伝達したり、高温の熱源を低温に伝達する冷暖房装置で、その駆動方式によって電気式とエンジン式とに区分されるが、現在、その大半は冷房と暖房を兼用する構造を備えている。

このようなヒートポンプは、冷媒が高温および高圧に圧縮される圧縮機と、圧縮機に連結され定められた経路に沿う冷媒の流動を誘導し、空気調和機能を遂行する冷媒循環構成と、を有し、この冷媒循環構成は、凝縮機と、蒸発器と、膨張バルブとからなる。

一方、本発明の背景となる従来技術として、「特許文献‐韓国登録特許公報第１０‐１３５３１８５号（登録日：２０１４．０１．１３）」が開示されているが、これは、蒸発器で完全に蒸発されなかった冷媒を、完全に蒸発させアキュムレータ（accumulator）に送ることにより、冷媒循環量増大による冷房または暖房能力を増加させることができるヒートポンプに関するものであって、冷暖房が可能なヒートポンプに使用される室外熱交換機は、第１冷媒が流動する内部管と第１冷媒より温度および圧力が低い第２冷媒が流動する外部管とを含む内部熱交換機と、内部熱交換機の内部管に連結される配管に設置される膨張バルブおよび膨張バルブが設置された配管に連結され、配管から第１冷媒が流入される場合には蒸発器として作動し、圧縮機から高温高圧の第３冷媒が流入される場合には凝縮機として作動する室外冷媒流動管と、を含むヒートポンプが提示されている。

このように、従来には、圧縮機の場合、高圧用圧縮機を除いては、圧縮機に入力される冷媒の温度と圧力に対する限界が規定されているので、このような限界により、温水、暖房および乾燥などの高温、高圧のヒートポンプを構成するにあたり、高圧用冷媒とヒートポンプシステムとを備える必要があるので、このシステムを構成するのに所要される費用と維持管理費用とが高価であることから、持続的な開発が要求される実情である。

したがって、従来には、冷暖房を並行するシステムでの高温の供給に多くの問題点を有し、すなわち、温度を高温に上げるためには、高温、高圧用圧縮機を備えるか、一般圧縮機を長時間稼働させなければならないため、効率的な側面とともに、圧縮機に過負荷が発生することにより、圧縮機に対する作動不能状態を引き起こしたり、圧縮機と蒸発器との間の配管に霜が生じる結氷現象が発生するなど高温の熱を供給するためには、別途のヒーター装置を設置するなど費用および構造的な側面で多くの問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためのものであって、ヒートポンプサイクルにおいて、蒸発器から供給される過熱蒸気冷媒によって熱交換器が放熱作用し、最初に流入される空気に対して予熱する役割をするように構成することにより、これを通じて、ヒートポンプサイクルで加熱空気を提供する凝縮機が予熱空気を利用して放熱することにより、凝縮機で再使用する熱エネルギーに比例して圧縮機の過負荷および作動エネルギーを節約できるようにする２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムを提供することにその目的がある。

このような目的を解決するための本発明は、ヒートポンプサイクルにおいて、低圧の気体冷媒を高温、高圧の気体に圧縮した状態で凝縮機に供給する圧縮機と、上記圧縮機に連結され、高温、高圧の気体冷媒が供給されると、これを放熱作用によって液化した後、膨張バルブに液化された冷媒を供給する凝縮機と、上記凝縮機に連結され、液化された冷媒が供給されると、これをスロットリング（throttling）作用によって蒸発が生じ得る圧力にまで減圧し、低温、低圧の湿蒸気状態にした後、蒸発器に湿蒸気冷媒を供給する膨張バルブと、上記膨張バルブに連結され、低温、低圧の湿蒸気冷媒が供給されると、これを蒸発させ、周囲から熱を吸収する熱交換をするが、上記凝縮機で発生する廃熱を回収して冷媒を過熱蒸気状態にした後、熱交換器に過熱蒸気冷媒を供給する蒸発器と、上記蒸発器に連結され、過熱蒸気冷媒が供給されると、過熱蒸気冷媒によって放熱作用をしながら、低温、低圧の飽和蒸気状態にした冷媒を上記圧縮機に供給、循環されるようにする熱交換器とを含み構成され、上記凝縮機は加熱空気を提供する役割をし、上記熱交換器は、凝縮機の前段に位置し、最初に流入される空気に対しての予熱と、冷媒の圧力および温度を下げる役割とを行い、上記蒸発器と上記熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有することを特徴とする、ヒートポンプシステムを提供する。

このような本願発明によれば、ヒートポンプサイクルにおいて、熱交換器を介して外部から吸入される空気の温度は、熱交換器を通過することによって放熱されることにより、その空気の温度が上昇し、凝縮機の負荷を軽減させ、作動エネルギーを節約し、生産原価を節減させるとともに、熱交換器の放熱で圧縮機に引き入れされる冷媒の圧力と温度を下降させ、圧縮機の過負荷を防止して耐久性を向上させる効果がある。

本発明による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムの構成図である。 本発明による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムが適用された乾燥手段を概略的に図示した図である。 他の実施例による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムの構成図である。

本発明による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムは、添付された図面を参照にし、以下で詳細に記述される実施例によって、その特徴が理解できるであろう。

一方、実施例を説明するにおいて、本発明が属するまたは、属しない技術分野で、広範囲に広く知られて使用されている構成要素については、これに関する詳細な説明は省略することにするが、これは、不必要な説明を省略するとともに、これにより本発明の要旨をより明確に伝達するためである。

図１は、本発明の実施例による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムを説明するために図示した図である。

これによる、蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムを概略的に説明すると、低圧の気体冷媒を高温、高圧の気体に圧縮した状態で凝縮機（１２０）に供給する圧縮機（１１０）と、上記圧縮機（１１０）に連結され、高温、高圧の気体冷媒が供給されると、これを放熱作用によって液化した後、膨張バルブ（１３０）に液化された冷媒を供給する凝縮機（１２０）と、上記凝縮機（１２０）に連結され、液化された冷媒が供給されると、これをスロットリング（throttling）作用によって蒸発が生じ得る圧力にまで減圧し、低温、低圧の湿蒸気状態にした後、蒸発器（１４０）に湿蒸気冷媒を供給する膨張バルブ（１３０）と、上記膨張バルブ（１３０）に連結され、低温、低圧の湿蒸気冷媒が供給されると、これを蒸発させ、周囲から熱を吸収する熱交換をするが、上記凝縮機（１２０）で発生する廃熱を回収して冷媒を過熱蒸気状態にした後、熱交換器（１５０）に過熱蒸気冷媒を供給する蒸発器（１４０）と、上記蒸発器（１４０）に連結され、過熱蒸気冷媒が供給されると、過熱蒸気冷媒によって放熱作用をしながら、低温、低圧の飽和蒸気状態にした冷媒を上記圧縮機（１１０）に供給、循環されるようにする熱交換器（１５０）とを含み構成されたヒートポンプ（１００）を備え、
上記凝縮機（１２０）は、ヒートポンプ（１００）による加熱空気を提供する役割をし、上記熱交換器（１５０）は、最初に流入される空気に対しての予熱と、冷媒の圧力および温度を下げる役割とを行う。

以下、本発明の各部構成を具体的に説明する。

先ず、上記圧縮機（１１０）は、低圧の気体冷媒を高温、高圧の気体に圧縮した状態で凝縮機（１２０）に供給するためのものである。

一方、上記圧縮機（１１０）は、冷媒を吸入した後、圧縮し、高温、高圧の気体状態で冷媒を吐出するためのものであり、上記圧縮機は、スクロール圧縮機で構成することが好ましい。

そして、上記凝縮機（１２０）は、上記圧縮機（１１０）に連結され、高温、高圧の気体冷媒が供給されると、これを放熱作用によって液化した後、後述する膨張バルブ（１３０）に液化された冷媒を供給するためのものである。

一方、上記凝縮機（１２０）は、引き入れヘッダーおよび排出ヘッダーと、上記引き入れ/排出ヘッダーらを連結し、これらが互いに通じるようにすることにより、所定の流路を形成する多数のチューブと、上記チューブの間に積層される多数の伝熱ピンとで構成される。

この際、上記凝縮機（１２０）は、引き入れ側が上記圧縮機（１１０）に管連結されることにより、高温、高圧の気体冷媒が供給され、上記凝縮機（１２０）の排出側は、後述する膨張バルブ（１３０）に連結され、放熱作用によって液化された冷媒が供給されるようになる。

これによって、別途、送風機器によって流入された空気は、上記凝縮機（１２０）側に流入され、チューブの間の伝熱ピン間を経由することになり、この過程で上記凝縮機（１２０）内部に流動する高温、高圧の気体冷媒が、送風する空気と熱交換するので、放熱作用によって空気を加熱するとともに、送風空気との熱交換による凝縮作用で、高温、高圧の気体冷媒が液化された状態で膨張バルブ（１３０）に供給されるようになる。

したがって、上記のように、凝縮機（１２０）は、放熱作用によってヒートポンプ（１００）による加熱空気を提供する役割をするようになる。

そして、上記膨張バルブ（１３０）は、上記凝縮機（１２０）に連結され、液化された冷媒が供給されると、これをスロットリング（throttling）作用によって蒸発が生じ得る圧力にまで減圧し、低温、低圧の湿蒸気状態にした後、蒸発器（１４０）に湿蒸気冷媒を供給するためのものである。

一方、上記膨張バルブ（１３０）は、冷媒の蒸発による熱吸収作用が容易に起こるようにするための機器であり、上記凝縮機（１２０）から供給される高温、高圧の冷媒を、スロットリング（throttling）作用によって蒸発が生じ得る圧力にまで減圧しながら、十分な熱を吸収できる適正な温度に下げ、冷媒を湿蒸気状態にするものである。

この際、上記膨張バルブ（１３０）は、電子式膨張バルブ（EEV: Electric Expansion Valves）、感温式膨張バルブ（TEV: Thermostatic Expansion Valves）、定圧式膨張バルブ（AXV: Automatic Expansion Valve）など多様な膨張バルブの構造を適用し、使用することができる。

そして、上記蒸発器（１４０）は、上記膨張バルブ（１３０）に連結され、低温、低圧の湿蒸気冷媒が供給されると、これを蒸発させ、周囲から熱を吸収する熱交換をするが、上記凝縮機（１２０）で発生する廃熱を回収して冷媒を過熱蒸気状態にした後、熱交換器（１５０）に過熱蒸気冷媒を供給するためのものである。

一方、上記蒸発器（１４０）は、引き入れヘッダーおよび排出ヘッダーと、上記引き入れ/排出ヘッダーらを連結し、これらが互いに通じるようにすることにより、所定の流路を形成する多数のチューブと、上記チューブの間に積層される多数の伝熱ピンとで構成される。

この際、上記蒸発器（１４０）は、凝縮機（１２０）から発生する加熱空気の使用が完了したら、これに対する廃熱空気が外部に排出される側に位置して、設置されることが好ましく、上記蒸発器（１４０）は、引き入れ側が上記膨張バルブ（１３０）に連結され、低温、低圧の湿蒸気冷媒が供給され、上記蒸発器（１４０）の排出側は、後述する熱交換器（１５０）に連結される。

これによって、上記凝縮機（１２０）から発生した加熱空気の廃熱は、送風過程で上記蒸発器（１４０）側に流入され、チューブの間の伝熱ピン間を経由することになり、この過程で、上記蒸発器（１４０）の内部にチューブの流路に沿って流動する低温、低圧の湿蒸気冷媒が、伝熱ピン間を経由する廃熱を回収することにより、冷媒を過熱蒸気状態にした後、熱交換器（１５０）に供給されることになる。

そして、上記熱交換器（１５０）は、上記蒸発器（１４０）に連結され、過熱蒸気冷媒が供給されると、過熱蒸気冷媒によって放熱作用をしながら、低温、低圧の飽和蒸気状態にした冷媒を上記圧縮機（１１０）に供給、循環されるようにするものである。

一方、上記熱交換器（１５０）は、引き入れヘッダーおよび排出ヘッダーと、上記引き入れ/排出ヘッダーらを連結し、これらが互いに通じるようにすることにより、所定の流路を形成する多数のチューブと、上記チューブの間に積層される多数の伝熱ピンとで構成される。

この際、上記熱交換器（１５０）は、最初に外部空気が流入される部分で、上記凝縮機（１２０）と隣接する位置に設置することが好ましく、上記熱交換器（１５０）の引き入れ側が上記蒸発器（１４０）に連結され、過熱蒸気冷媒が供給され、上記熱交換器（１５０）の排出側は上記圧縮機（１１０）に連結される。

これによって、最初に流入される外部空気は、送風過程で、上記熱交換器（１５０）側に流入され、チューブの間の伝熱ピン間を経由することになり、この過程で、上記熱交換器（１５０）の内部にチューブの流路に沿って流動する過熱蒸気冷媒が、伝熱ピン間を経由する外部空気と熱交換によって放熱作用をすることにより、外部空気を加熱しながら、冷媒を低温、低圧の飽和蒸気状態にした後、上記圧縮機（１１０）に供給、循環されるようにする。

したがって、上記のように、熱交換器（１５０）は、蒸発器（１４０）から供給される過熱蒸気冷媒によって放熱作用をすることにより、最初に流入される空気に対して予熱する役割をするようになり、上記熱交換器（１５０）によって予熱された空気は、上記熱交換器（１５０）と隣接するように位置された凝縮機（１２０）に流入されることにより、これを通じて、上記凝縮機（１２０）で予熱された空気を利用し、放熱することにより、凝縮機（１２０）で再使用する熱エネルギーに比例して圧縮機（１１０）の過負荷および作動エネルギーを節約できるようになる。

また、ヒートポンプ（１００）は、上記熱交換器（１５０）と圧縮機（１１０）との間に連結され、上記圧縮機（１１０）に復帰する冷媒の不純物の除去のためのフィルターリング役割をするフィルター（１６０）をさらに含む。

この際、上記フィルター（１６０）は、流体冷媒が管に沿って流動する過程で、管またはヒートポンプ（１００）の各構成要素内部に残留した異物質または水分を吸収した後、冷媒のみ通過できるように製作され、これによるフィルターリング作用によって、流動管の凍結および冷媒の流れが詰まることを防止することになる。

また、ヒートポンプ（１００）は、上記凝縮機（１２０）の後続および熱交換器（１５０）の後続側に引き入れ/排出ラインがそれぞれ管連結された状態で、ヒートポンプ（１００）で循環する冷媒に対して、補充/貯蔵する冷媒タンク（２１０）をさらに含む。

この際、上記冷媒タンク（２１０）は、内部に冷媒を受容できる受容空間が備えられた構造に製作された状態で、管連結によって冷媒が冷媒タンク（２１０）の内外部に流動し、ヒートポンプ（１００）で循環する冷媒に対しての定量調節役割をするようになる。

そして、図２は、本発明による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムが適用された乾燥手段を概略的に図示した図である。

これによれば、図２の場合、前述したヒートポンプシステムが適用された乾燥手段（３００）を概略的に説明したものであり、上記ヒートポンプシステムは、室内外から空気が流入され、上記ヒートポンプシステムが適用されて加熱空気が提供されると、上記加熱空気を乾燥部（３２０）側に循環されるようにした後、排出させる乾燥手段（３００）をさらに含む。

一方、上記乾燥手段（３００）は、全体的な構造が空気が流動できる管路またはケイス形態で製作され、ヒートポンプシステムが適用されると、上記ヒートポンプシステムに外部空気を流入/循環/排出されるようにし、空気加熱作用を誘導するためのものである。

また、上記乾燥手段（３００）は、吸入ファン（３１１）によって外部空気が最初に流入され、内側に熱交換器（１５０）および凝縮機（１２０）が順次的に設置される流入部（３１０）をさらに含む。

この際、上記流入部（３１０）は、内側に、上記熱交換器（１５０）が空気が流入される側に設置されると、上記熱交換器（１５０）後側に上記凝縮機（１２０）が設置され、上記流入部（３１０）の外側には、上記熱交換器（１５０）と凝縮機（１２０）との間に連結される圧縮機（１１０）が結合される。

この際、上記熱交換器（１５０）の前側には、上記流入部（３１０）の内部に外部空気を流入されるようにする吸入ファン（３１１）が設置される。

また、上記乾燥手段（３００）は、上記流入部（３１０）と連通され、上記凝縮機（１２０）から発生する加熱空気が流入され、被対象物に対する熱風乾燥空間を提供する乾燥部（３２０）をさらに含む。

この際、上記乾燥部（３２０）は、ヒートポンプシステムを利用し発生する加熱空気を利用して、乾燥するための対象物が受容される空間である。

また、上記乾燥手段（３００）は、上記乾燥部（３２０）と連通され、上記加熱空気が流入され、内側に蒸発器（１４０）が設置された状態で、加熱空気が上記蒸発器（１４０）を介して外部に排出されるようにする排出部（３３０）をさらに含む。

この際、上記排出部（３３０）は、内側に蒸発器（１４０）が設置されると、上記蒸発器（１４０）側に凝縮機（１２０）から発生する加熱空気（乾燥が完了された廃熱空気）が通り、廃熱空気を上記蒸発器（１４０）によって回収した後、外部に排出させるものである。

そして、図３は、他の実施例による蒸発器と熱交換器との２段階構成を含む廃熱回収構造を有するヒートポンプシステムの構成を示す図である。

これによれば、図３の場合、前述した構造のヒートポンプ（１００）の他の実施状態を概略的に説明したものであり、上記ヒートポンプ（１００）は、高圧センサバルブ（２２０）と低圧センサバルブ（２３０）とを利用して、ヒートポンプサイクルで循環する冷媒が、任意の圧力から超過および低下されるのを測定し、冷媒を補充/排出させる冷媒調節手段（２００）をさらに含み構成される。

また、上記冷媒調節手段（２００）は、冷媒タンク（２１０）に連結された状態で、任意に設定された高圧を超過した場合、ヒートポンプ（１００）で循環する冷媒を上記冷媒タンク（２１０）に流入されるようにして、圧力を下降させる高圧センサバルブ（２２０）をさらに含む。

この際、上記高圧センサバルブ（２２０）は、内部に圧力を測定するためのセンサが備えられたソレノイドバルブ形態で製作され、測定するための高圧を任意に設定することが可能であり、上記高圧センサバルブ（２２０）の一方側は、上記冷媒タンク（２１０）が管連結され、他方側は、ヒートポンプ（１００）中、凝縮機（１２０）と膨張バルブ（１３０）との間に管連結される構造を有する。

また、上記冷媒調節手段（２００）は、冷媒タンク（２１０）に連結された状態で、任意に設定された低圧以下の場合、上記冷媒タンク（２１０）に貯蔵された高圧の冷媒をヒートポンプ（１００）に供給し、圧力を上昇させる低圧センサバルブ（２３０）をさらに含む。

この際、上記低圧センサバルブ（２３０）は、内部に圧力を測定するためのセンサが備えられたソレノイドバルブ形態で製作され、測定するための低圧を任意に設定することが可能であり、上記低圧センサバルブ（２３０）の一方側は、後述するチェックバルブ（２４０）を介して冷媒タンク（２１０）が管連結され、他方側は、ヒートポンプ（１００）中、熱交換器（１５０）と圧縮機（１１０）との間に管連結される構造を有する。

また、上記冷媒調節手段（２００）は、上記高圧センサバルブ（２２０）と低圧センサバルブ（２３０）との間に連結された状態で、上記低圧センサバルブ（２３０）が開放されると、上記高圧センサバルブ（２２０）へ冷媒タンク（２１０）に受容された冷媒が逆流することを防止するチェックバルブ（２４０）をさらに含む。

以上、説明したように、本発明は、特定の好ましい実施例を例示した説明と図面とで表現したが、本発明は、上記した実施例による特許請求範囲によって示された発明の思想および領域を逸脱しない範囲内で、当該発明が属する技術分野において、通常の知識を有する者によって多様な変更および改造、修正などが可能であることは誰でも容易にわかるであろう。

Claims (3)

1. ヒートポンプシステムにおいて、
   低圧の気体冷媒を高温、高圧の気体に圧縮した状態で凝縮機（１２０）に供給する圧縮機（１１０）と、
   上記圧縮機（１１０）に連結され、高温、高圧の気体冷媒が供給されると、これを放熱作用によって液化した後、膨張バルブ（１３０）に液化された冷媒を供給する凝縮機（１２０）と、
   上記凝縮機（１２０）に連結され、液化された冷媒が供給されると、これをスロットリング（throttling）作用によって蒸発が生じ得る圧力にまで減圧し、低温、低圧の湿蒸気状態にした後、蒸発器（１４０）に湿蒸気冷媒を供給する膨張バルブ（１３０）と、
   上記膨張バルブ（１３０）に連結され、低温、低圧の湿蒸気冷媒が供給されると、これを蒸発させ、周囲から熱を吸収する熱交換をするが、上記凝縮機（１２０）で発生する廃熱を回収して冷媒を過熱蒸気状態にした後、熱交換器（１５０）に過熱蒸気冷媒を供給する蒸発器（１４０）と、
   上記蒸発器（１４０）に連結され、過熱蒸気冷媒が供給されると、過熱蒸気冷媒によって放熱作用をしながら、低温、低圧の飽和蒸気状態にした冷媒を上記圧縮機（１１０）に供給、循環されるようにする熱交換器（１５０）とを含み構成され、
   上記凝縮機（１２０）は、加熱空気を提供する役割をし、
   上記熱交換器（１５０）は、凝縮機（１２０）の前段に位置し、最初に流入される空気に対しての予熱と、冷媒の圧力および温度を下げる役割とを行い、
   上記蒸発器（１４０）と上記熱交換器（１５０）との２段階構成を含む廃熱回収構造を有することを特徴とする、ヒートポンプシステム。
2. 上記ヒートポンプシステムは、外部から空気が流入され、上記ヒートポンプシステムが適用され加熱空気が提供されると、上記加熱空気を乾燥部（３２０）側に循環されるようにした後、排出させる乾燥手段（３００）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 上記乾燥手段（３００）は、
   吸入ファン（３１１）によって外部空気が最初に流入され、内側に熱交換器（１５０）および凝縮機（１２０）が順次的に設置される流入部（３１０）と、
   上記流入部（３１０）と連通され、上記凝縮機（１２０）から発生する加熱空気が流入され、被対象物に対する熱風乾燥空間を提供する乾燥部（３２０）と、
   上記乾燥部（３２０）と連通され、上記加熱空気が流入され、内側に蒸発器（１４０）が設置された状態で、加熱空気が上記蒸発器（１４０）を介して外部に排出されるようにする排出部（３３０）とをさらに含み構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のヒートポンプシステム。
   

Images