KR100389270B1 - 히트 펌프식 온수 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것이며, 상세하게는 증발기의 열원으로 폐열 및 외기열을 선택적으로 이용할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것으로서, 히트 펌프 사이클의 성적계수를 증대하고, 압축기의 손상을 방지할 수 있도록한 것이다.

본 발명은 압축기(2), 응축기(3), 제 1 팽창밸브(4), 폐열 증발기(5)를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본 회로(1)와, 상기 도관(6b)(6c)에 도관(6d) (6e)으로 상기 폐열 증발기(5)와 병열로 제 2 팽창밸브(8)와 함께 연결한 외기열 증발기(7)와, 상기 응축기(3)의 응축열에 의하여 가열되는 온수 열교환기(10)와 저탕조(11)를 순환도관(12a)(12b)으로 연결한 온수 가열 폐회로(9)와, 상기 온수 가열 폐회로(9)에 열교환조(19)를 형성하여 상기 열교환조(19)에 부설되는 흡열 열교환기(16)가 일단에 설치되고 타단에 상기 외기열 증발기(7)에 부설되는 가열 열교환기(15)를 구비한 증발 촉진수단(14)으로 구성한 것이다.

Description

히트 펌프식 온수 가열장치 {HEAT PUMP TYPE HOT WATER HEATING APPARATUS}

본 발명은 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것이며, 상세하게는 증발기의 열원으로 폐열 및 외기열을 선택적으로 이용할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것이다.

히트 펌프 사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 구성하여 압축기에서 압축된 고온·고압의 냉매증기를 응축기(이용측 열교환기)에서 응축하여서 그 응축열을 온수생성 등에 이용하고, 상기 응축기에서 응축된 고온·고압의 냉매액을 팽창밸브에서 팽창시킨 후 증발기(흡열측 열교환기)에서 흡열에 의하여 증발시킨 후 저온·저압의 냉매증기가 압축기에 흡입되는 사이클을 반복하는 것이다.

상기와 같이 증발기에서 흡열에 의하여 고온·고압의 냉매액을 증발시킬 때 그 열원으로서 지하수 또는 폐열 등을 이용하거나 외기열(대기열)을 이용하는 것으로 대별되며, 열원으로서 지하수 등을 이용할 때에는 냉매액의 증발이 양호하나 외기열을 이용할 때에는 외기온이 5℃ 이하일 경우에는 증발기의 표면에 서리가 맺침으로써 열전달이 방해되어 성적계수가 저하되고 심하면 흡열 불능현상이 초래되어 운전 불능현상이 발생되는 것이다.

한편 열원으로서 목욕탕의 폐수열을 이용한 히트 펌프식 온수 공급장치가 1989년 실용신안 출원공고 제 5439 호 공보에 개시되어 있는 바, 상기한 히트 펌프식 온수 공급장치는 히트 펌프 시스템의 응축기에 온수 가열회로를 형성함과 동시에 상기 온수 가열회로에 저탕조를 설치하고, 증발기에 폐수조 및 폐수열 순환수단을 연결하여서 된 것이다.

그러나 상기한 목욕탕의 폐수열을 이용한 온수 공급장치는 목욕탕에 목욕자가 없을 경우에는 폐온수의 발생이 없기 때문에 폐수조의 물이 냉각되어서 증발기에서 냉매액의 증발이 불량하게 됨으로 히트 펌프의 성적계수가 대폭 저하하여 온수 가열효율이 떨어지며, 증발기에서 냉매액의 증발이 불량하게 되면 냉매액이 포함된 습증기가 압축기에 흡입되기 때문에 액백(liquid back)이 발생함으로써 압축기의 밸브를 손상시키는 원인이 됨과 동시에 액압축으로 인한 액격(liquid hammer)이 발생하여 이 액격이 원인이 되어 압축기가 손상될 염려가 발생하고, 또한 온수 가열회로에 공급되는 급수의 온도가 낮을 때에는 응축기의 방열온도와 급수의 온도차가 크기 때문에 응축기에서 고온·고압의 냉매가스의 응축이 양호하지만 저탕조에 저장되는 온수의 온도가 설정온도 부근까지 가열되면 응축기의 방열온도와 온수 가열회로를 순환하는 온수의 온도차가 작음으로써 응축기에서 냉매증기의 응축이 완전하게 이루어지지 않기 때문에 증발기에 냉매증기가 공급되어 성적계수가 저하되는 등의 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점 등을 시정하여, 히트 펌프 사이클의 성적계수를 증대하고, 압축기의 손상을 방지할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 응축기, 제 1 팽창밸브, 폐열 증발기를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본 회로와, 상기 도관(6b)(6c)에 도관(6d)(6e)으로 상기 폐열 증발기와 병열로 제 2 팽창밸브와 함께 연결한 외기열 증발기와, 상기 응축기의 응축열에 의하여 가열되는 온수 열교환기와 저탕조를 순환도관(12a)(12b)으로 연결한 온수 가열 폐회로와, 상기 온수 가열 폐회로에 열교환조를 형성하여 상기 열교환조에 부설되는 흡열 열교환기가 일단에 설치되고 타단에 상기 외기열 증발기에 부설되는 가열 열교환기를 구비한 증발 촉진수단으로 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 구성도.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

2 : 압축기 3 : 응축기 5 : 폐열 증발기

7 : 외기열 증발기 9 : 온수 가열 폐회로 10 : 온수 열교환기

11 : 저탕조 14 : 증발 촉진수단 15 : 가열 열교환기

16 : 흡열 열교환기 32 : 냉매증기 가열 열교환기

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 구성도로서, 1은 기본 회로로서, 상기 기본회로(1)는 압축기(2), 응축기(3), 제 1 팽창밸브(4), 목욕탕의 폐온수, 산업설비의폐열 등의 열원에 의하여 냉매액을 증발시키는 폐열 증발기(5) 및 상기 압축기(2)를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 것이다.

7은 외기열 증발기로서, 상기 외기열 증발기(7)는 상기 도관(6b)(6c)에 도관(6d)(6e)으로 상기 폐열 증발기(5)와 병열로 연결 설치하며, 상기 도관(6d)에는 제 2 팽창밸브(8)를 설치한 것이다.

9는 온수 가열 폐회로로서, 상기 온수 가열 폐회로(9)는 온수 열교환기(10)와 저탕조(11)를 폐회로가 형성되게 순환도관(12a)(12b)으로 연결함과 동시에 순환도관(12b)에 펌프(13)를 설치하여서 상기 온수 열교환기(10)를 상기 응축기(3)의 측면 또는 외부에 설치하여 온수 열교환기(10)를 흐르는 가열용 온수에 의하여 응축기(3)를 흐르는 냉매증기를 냉각함과 동시에 가열용 온수를 가열하도록 한 것이다.

14는 증발 촉진수단으로서, 상기 증발 촉진수단(14)은 가열 열교환기(15)와 흡열 열교환기(16)에 열매체를 충전하여 펌프(17)가 설치된 순환도관(18)에 설치하여서 가열 열교환기(15)는 상기 외기열 증발기(7)에 일체로 형성하거나 별도로 부설하고, 흡열 열교환기(16)는 순환도관(12b)에 열교환조(19)를 형성하여 내장한 것이다. 그리고 상기 도관(6b)(6d)의 팽창밸브(4)(8) 입구측에는 솔레노이드 밸브(20)(21)를 설치하고, 상기 솔레노이드 밸브(20)(21)는 폐열 증발기(5)의 입구 (5') 또는 출구(5")측에 설치하여 열원의 흐름을 감지하는 센서(미도시)의 출력신호를 제어기(미도시)에 입력하여 선택적으로 개폐되도록 한 것이다.

미설명부호 22는 온수 출탕관이고, 23은 급수관이며, 25는 첵크 밸브이다.그리고 상기 급수관(23)에는 솔레노이드 밸브(24)를 설치하여 저탕조(11)에 설치되는 수위 스위치(미도시)의 출력신호를 제어기에 입력하여 개폐되도록 한 것이며, 또한 펌프(17)는 열교환조(19)에 센서(미도시)를 설치하여 가열용 온수의 온도가 설정온도 이상(예컨데 50℃ 이상)시에 그 출력신호에 의하여 구동되도록 한 것이다.

이상과 같은 본 발명의 제 1 실시예는 저탕조(11)에 일정수위의 급수를 한 후 폐열 증발기(5)에 목욕탕의 폐온수 등의 폐열이 유입되면 솔레노이드 밸브(20)는 개방되고 솔레노이드 밸브(21)는 폐쇄된 상태를 유지하는 바, 상기한 상태에서 압축기(2)를 구동하면 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 응축기(3)에 유입되어 온수 열교환기(10)를 흐르는 가열용 온수에 의하여 냉각 응축되고 도관(6b)를 경유하여 제 1 팽창밸브(4)에서 팽창된 다음 폐열 증발기(5)에서 목욕탕의 폐온수 등의 폐열에 의하여 저온·저압의 냉매증기로 증발되어 압축기(2)에 흡입되는 사이클을 반복하는 것이다.

그리고 상기와 같이 폐온수 등의 폐열에 의하여 폐열 증발기(5)에서 냉매액의 증발작용을 하다가 폐열 증발기(5)에 폐열의 유입량이 작아지거나 중단되면 폐열 증발기(5)의 입구(5') 또는 출구(5")에 설치되는 센서의 출력신호가 정지됨으로 솔레노이드 밸브(20)는 폐쇄되고 솔레노이드 밸브(21)는 개방되기 때문에 응축기 (3)에서 응축된 고온·고압의 냉매액은 도관(6d)을 경유하여 제 2 팽창밸브(8)에서 팽창된 다음 외기열 증발기(7)에서 외기열에 의하여 증발되어 압축기(2)에 흡입되는 사이클을 반복함으로써 항상 온수의 가열을 수행할 수 있게 되는 것이다.

한편 상기와 같이 폐열 열교환기(5) 또는 외기열 증발기(7)에서 냉매액이 증발되어 히트 펌프 사이클이 반복될 때 저탕조(11)의 가열용 온수는 순환도관(12b), 열교환조(19), 온수 열교환기(10), 순환도관(12a) 및 저탕조(11)를 순환하면서 응축기(3)의 응축열의 방열에 의하여 온수 열교환기(10)에서 가열됨과 동시에 응축기 (3)에서 고온·고압의 냉매증기가 응축작용을 수행하는 것이다.

그리고 가열용 온수가 열교환조(19)를 경유할 때 열교환조(19)에 내장된 흡열 열교환기(16)의 흡열(가열용 온수의 방열)에 의하여 가열용 온수의 온도는 저하됨과 동시에 증발 촉진수단(14)에 충전된 열매체가 가열된 후 설정온도 이상이 되면 펌프(17)가 구동되어 가열 열교환기(15)에서 외기열 증발기(7)에 방열됨으로써 외기열 증발기(7)에서의 냉매액의 증발을 조장 내지 촉진하게 되는 것이다.

상기와 같이 열교환조(19)에서 가열용 온수의 온도가 저하된 후 온수 열교환기(10)에서 가열하면 냉매증기와 가열용 온수의 온도차를 크게 할 수 있기 때문에 응축기(3)에서 고온·고압의 냉매증기의 냉각이 양호하게 되고 또한 가열 열교환기(15)에서 외기열 증발기(7)에 방열됨으로써 외기온이 높은 계절에는 냉매액의 증발이 더욱더 양호하게 되고 외기온이 낮은 5℃ 이하일 경우에는 외기열 증발기(7)에 서리가 맺치지 않거나 맺친 서리를 제상하기 때문에 냉매액의 증발이 양호하여 압축기(2)에 흡입되는 냉매증기는 건포화 또는 과열증기가 되어 히트 펌프 사이클의 성적계수가 증대되는 것이다. 또한 압축기에 건포화 또는 과열증기가 흡입되면 압축기(2)에서 액백 및 액압축으로 인한 액격의 발생이 방지되는 것이다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 구성도로서, 제 1 실시예와 동일한 구성요소는 동일한 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략하며, 차이되는 점은 순환도관 (12b)에 바이패스도관(30)을 연결하여 제 2 열교환조(31)를 설치하고, 도관(6e)에 냉매증기 가열 열교환기(32)를 설치하여 제 2 열교환조(31)에 내장하며, 바이패스도관(30) 및 순환도관(12b)의 바이패스도관(30) 연결부 후방에 솔레노이드 밸브 (33)(34)를 설치하여 도관(6e)에 설치되는 냉매증기의 온도 센서(미도시)에 의하여 설정온도 이하시에 솔레노이드 밸브(33)를 개방하고 솔레노이드 밸브(34)를 폐쇄하여 가열용 온수를 제 2 열교환조(31)를 경유하도록 한 것이다.

상기와 같은 본 발명의 제 2 실시예는 외기열 증발기(7)에서 냉매액이 증발될 때 응축기(2)의 부하가 감소되어 제 2 팽창밸브(8)에서의 조절유량이 외기열 증발기(7)에서의 최적 냉매량 보다 많은 경우 등에는 외기열 증발기(7)에서 냉매액이 포함된 습증기가 발생하는 바, 이 경우에는 도관(6e)에 설치되는 온도센서에 의하여 검출되는 냉매증기의 온도가 설정온도 이하시에 솔레노이드 밸브(33)는 개방되고 솔레노이드 밸브(34)는 폐쇄됨으로써 가열용 온수가 제 2 열교환조(31)를 경유하게 되고 제 2 열교환조(31)를 경유하는 가열용 온수에 의하여 냉매증기 가열 열교환기(32)를 흐르는 습증기를 가열하여 건포화 또는 과열 증기화하여 압축기에 흡입되도록 함으로써 성적계수를 양호하게 유지하고 압축기의 손상을 방지할 수 있게 한 것이다.

이상과 같이 본 발명은 폐열 증발기를 설치한 기본회로에 외기열 증발기를 설치함으로써 폐열의 발생이 작거나 없을 경우에도 항상 온수를 양호하게 생성할 수 있고, 온수 가열 폐회로에 흡열 열교환기를 설치하여 가열용 온수에 의하여 가열하여서 가열용 온수의 온도를 저하시킨 후 온수 열교환기에서 가열함으로서 응축기에서 응축되는 냉매증기와 가열용 온수의 온도차를 크게 할 수 있기 때문에 냉매증기의 응축이 양호하고, 또한 상기 흡열 열교환기에서 가열된 열매체를 가열 열교환기에서 외기열 증발기에 방열하여서 외기열 증발기에서 냉매액의 증발을 양호하게 하여 건포화 또는 과열 증기화시킴과 동시에 외기열 증발기의 제상을 실시함으로써 성적계수를 증대할 수 있고 또한 압축기에서 액백과 액격의 발생을 방지할 수 있는 것이다.

그리고 본 발명은 외기열 증발기의 출구 도관에 냉매증기 가열 열교환기를 설치하여 외기열 증발기에서 발생되는 습증기를 가열하여 건포화 또는 과열 증기화할 수 있기 때문에 성적계수를 양호하게 유지하고 압축기의 손상을 방지할 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 압축기, 응축기, 제 1 팽창밸브, 폐열 증발기를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본 회로와, 상기 도관(6b)(6c)에 도관(6d)(6e)으로 상기 폐열 증발기와 병열로 제 2 팽창밸브와 함께 연결한 외기열 증발기와, 상기 응축기의 응축열에 의하여 가열되는 온수 열교환기와 저탕조를 순환도관(12a)(12b)으로 연결한 온수 가열 폐회로와, 상기 온수 가열 폐회로에 열교환조를 형성하여 상기 열교환조에 부설되는 흡열 열교환기가 일단에 설치되고 타단에 상기 외기열 증발기에 부설되는 가열 열교환기를 구비한 증발 촉진수단으로 구성한 히트 펌프식 온수 가열장치.
2. 제 1 항에 있어서, 순환도관(12b)에 바이패스도관을 연결하여 제 2 열교환조를 설치하고, 도관(6e)에 상기 제 2 열교환조에 내장되는 냉매증기 가열 열교환기를 설치하여서 된 히트 펌프식 온수 가열장치.