KR100443428B1

KR100443428B1 - 가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기

Info

Publication number: KR100443428B1
Application number: KR10-2002-0022941A
Authority: KR
Inventors: 김용석
Original assignee: 주식회사 세원기연
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2004-08-09
Also published as: KR20030084289A

Abstract

본 발명은 가스엔진 히트펌프(GHP : Gas engine Heat Pump)를 이용한 공기조화기에 관한 것으로, 특히 하나의 실외기로 여러개의 실내기를 작동토록 하는 다중(Multi)기능을 갖는 가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것이다.

본 발명은 하나의 히트펌프를 이용하여 여름철에는 냉방기로 겨울철에는 난방기로 겸용 사용토록 하며, 겨울철 난방효율을 특히 증대토록 한 것으로 크게 다수개의 실내기(A), 실외기(B), 냉각 실외기(C)로 구성되며, 상기 냉각 실외기(C)에는 가스엔진을 냉각하는 엔진 냉각수 방열판 및 냉매방열판을 가지며, 실외기(B)에는 압축기를 구동하는 가스엔진과 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉방모드 또는 난방모드로 각각 절환하는 사방밸브를 가지며, 엔진의 냉각수의 폐열을 회수하는 엔진 냉각수 열교환장치와 냉매의 상태에 따라 냉매를 저장 이송하는 제1, 제2 냉매 저류조 및 냉매탱크를 갖도록 하며, 특히 겨울철 난방모드로 작용시 엔진의 냉각수로 냉매를 가열하여 압축효율을 증대시킨 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것이다.

Description

가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기{air condition system to use of gas engine heat pump}

본 발명은 가스엔진 히트펌프(GHP:Gas engine Heat Pump)를 이용한 공기조화기, 즉 가스엔진을 이용한 히트펌프로 실내를 냉방 또는 난방하는 냉,난방기에 관한 것으로 특히 하나의 실외기로 여러개의 실내기를 작동토록 하는 다중(Multi)기능을 갖는 가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것이다.

히트펌프(heat pump)란 낮은 온도의 열로부터 열을 흡수하고 이를 높은 온도의 열로 열을 전달하는 것을 지칭하며, 보통 저온의 열을 사용하는 것을 냉동기라 불리우며, 고온의 열을 사용하는 것을 일반적으로 히트펌프라 칭하게 된다.

히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 방식에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식등 여러가지 방식이 있으며, 특히 압축식에 있어서, 압축기를 구동하는 동력원을 모타를 사용하는 것을 EHP(Electric Heat Pump)방식이라 약칭하며, 압축기 구동을 가스엔진을 이용하는 것을 GHP방식이라 약칭하게 된다.

본 발명은 가스엔진을 히트펌프의 압축기를 구동하는 방식을 가스엔진을 이용토록 한 것이다.

히트펌프 또는 냉동사이클은 특별한 문헌을 거론할 것 없이 종래부터 주지된 것으로 그 구성은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기등으로 구성되며, 압축기를 이용하여 냉매를 응축기 팽창밸브, 증발기등의 폐회로를 순환시키면 냉매가 액체, 기체, 액체로 상태가 변화되면서 응축기로부터는 열을 외부에 방출하고 증발기에서는 외부의 열을 흡수하여 응축기를 가열원으로 증발기를 냉각원으로 이용하게 된다.

이러한 냉동사이클을 역으로 운전할 때 냉동사이클은 난방사이클로 변화하게 된다. 따라서 냉방사이클을 난방사이클로 전환 운전하고자 할 경우에는 압축기로부터 발생되는 고온 고압의 냉매를 열 교환기, 즉 실내기방향으로 흐르도록 하는 4방향 밸브로 회로를 전환하게 된다.

본 발명은 이와 같이 주지된 히트펌프 또는 냉방사이클에 있어서 열손실을 최소로 하여 열효율이 최대로 증대되도록 하며, 최상의 기계효율을 도모하며, 특히 저온에서 우수한 난방효과를 얻을 수 있도록 하는 가스엔진 히트펌프 공기조화기를 제공토록 하는 것이다.

본 발명은 가스엔진 히트펌프(GHP:Gas engin Heat Pump)를 이용한 공기조화기, 즉 가스엔진을 이용한 히트펌프로 실내를 냉방 또는 난방하는 냉,난방기에 관한 것으로 특히 하나의 실외기로 여러개의 실내기를 작동토록 하는 다중(Multi)기능을 갖는 가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기에 관한 것이다.

히트펌프 또는 냉동사이클 특별한 문헌을 거론할 것 없이 종래부터 주지된 것으로 그 구성은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기등으로 구성되며, 압축기를 이용하여 냉매를 응축기 팽창밸브, 증발기등의 폐회로를 순환시키면 냉매가 액체, 기체, 액체로 상태가 변화되면서 응축기로부터는 열을 외부에 방출하고 증발기에서는 외부의 열을 흡수하여 응축기를 가열원으로 증발기를 냉각원으로 이용하게 된다.

도1 - 본 발명에 있어서, 냉방모드시 냉매의 흐름방향을 나타내는 냉방모드 냉매흐름도.

도2 - 본 발명에 있어서, 냉방모드시 가스엔진의 냉각수 흐름을 나타내는 냉각수 흐름도.

도3 - 본 발명에 있어서, 외기온도가 고온(2℃ 이상)일 경우 난방모드시 냉매의 흐름방향을 도시한 난방모드 냉매흐름도.

도4 - 본 발명에 있어서, 외기온도가 저온(2℃ 이하)일 경우 난방모드시 냉매의 흐름방향을 도시한 난방모드 냉매흐름도.

도5 - 본 발명에 있어서 난방모드시 엔진의 냉각수를 회수하여 냉매를 가열하는 것을 보인 냉각수 흐름도.

도6 - 본 발명에 있어서, 엔진의 냉각수를 냉각방열판을 거치지 않고 엔진으로 바로 복귀시키는 것을 보인 냉각수 흐름도.

보통 히트펌프를 이용한 공기조화기(냉난방기)는 크게 2개의 부분으로 구성된다. 그 하나는 실내에 냉풍이나 온풍을 제공하는 실내기와 다른하나는 실내에 냉풍이나 온풍을 공급하는 냉매를 조성하는 실외기 2개의 부분으로 구성되며, 하나의 실외기에 하나의 실내기만을 구동토록 하는 것을 볼 수 있다.

히트펌프를 이용한 공기조화기에 있어서, 실내로 열풍이나 온풍을 제공하는 다수개의 실내기(A)와 각각의 실내기(A)로 냉풍이나 온풍을 제공하기 위해 냉매를압축 이송하는 실외기(B)와 실내기(A)와 실외기(B)에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각실외기(C) 3개의 구성품으로 구성되며, 상기 실외기(B)는 가스를 연료로 사용하는 가스엔진(11)과 이에 의해 구동하는 압축기(21)를 가지며, 상기 압축기(21) 일측에 냉매속에 포함하는 오일을 여과하는 오일여과기(22)를 가지며, 상기 오일여과기(22)앞에 사방밸브(23)를 가지며, 사방밸브(23)에 연결되는 제1 냉매 순환관(25)은 실내기(A)로 연결되며, 사방밸브(23)에 연결되는 제2 냉매순환관(26)은 제1 저류탱크(27)와 연결되며, 사방밸브(23)와 연결되는 제3 냉매순환관(24)은 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)으로 연결되며, 실내기(A)에 연결되는 제4 냉매순환관(28)은 냉매 저장탱크(29)와 연결된 후, 엔진 냉각수 열교환장치(31)를 통해 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)과 연결되며, 상기 제1 저류탱크(27)는 제5 냉매순환관(30)과 연결되며, 상기 제1 저류탱크(27)는 제5 냉매순환관(32)으로 압축기(21)로 연결되며, 제1 저류탱크(27)와 연결되는 제2 저류탱크(33)는 제6 냉매순환관(34)으로 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)과 연결되며, 상기 가스엔진(11)은 냉각수 급수배관(12)과 냉각수 회수배관(13)으로, 냉각실외기(C)의 엔진 냉각수 방열판(52)과 연결되며, 상기 냉각수 급수배관(12)에는 냉각수를 엔진 냉각수 방열판(52)을 거치지 않고 엔진 냉각수 회수배관(13)으로 연결하는 제1 콘트롤 밸브(14)를 가지며, 상기 냉각수 급수배관(12)에는 냉각수를 엔진 냉각수 방열판(52)을 거치지 않고 엔진 열교환장치(31)로 이송하는 제2 콘트롤 밸브(15)를 갖는 한편, 상기 냉각수 회수배관(13)에는 냉각수 펌프(16)와 냉각수 온도감지기(17)를 가지며, 상기 엔진 냉각수 방열판(52)과 냉각수펌프(16) 사이에는 냉각수 저장탱크(18)를 갖는 제2 냉각수 회수배관(19)을 갖도록 한 것이다.

상기 냉각 실외기(C)는 엔진 냉각수 방열판(52)과 냉매방열판(51)과 송풍팬(53) 및 이를 구동하는 모타로 구성되며, 상기 다수개 실내기(A)는 제1 냉매 순환관(25) 및 제4 냉매순환관(28) 사이에 병렬로 다중설치되며, 각각의 실내기(A)에는 각각의 팽창밸브(61) 및 온도를 설정하는 온도조절 스위치 및 온,오프 스위치 및 각종 콘트롤 스위치를 갖도록 한 것이다.

도면에 있어서 실선화살표는 냉방모드시 냉매의 흐름방향을 표시하며, 점선화살표는 난방모드시 냉매의 흐름방향을 표시하는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 있어서 실외기(B)는 크게 2개의 구성품으로 구성된다.

그 하나는 냉매를 압축 이송하는 압축기(21) 및 그 구성품과 다른하나는 압축기(21)를 구동하는 가스엔진(11) 및 그 구성품이다.

상기 가스엔진(11)은 냉각수 급수배관(12) 및 냉각수 회수배관(13)으로 냉각실외기(C)의 엔진 냉각수 방열판(52)과 연결되며, 상기 냉각수 배수배관(13)에는 냉각수 방열판(52)을 거치지 않고 냉각수 회수배관(13)과 연결토록 하는 제1 콘트롤 밸브(14)를 가지며, 또한 엔진 냉각수를 엔진 냉각수 방열판(52)으로 보내지 않고 엔진 냉각수 열교환장치(31)로 이송하는 제2 콘트롤 밸브(15)를 가지며, 상기 냉각수 회수배관(13)에는 냉각수펌프(16)와 냉각수 온도감지기(17)를 가지며, 상기 엔진 냉각수 방열판(52)과 냉각수펌프(16) 사이에는 냉각수 저장탱크(18)를 갖는 제2 냉각수 회수배관(19)을 갖는다. 또한 가스엔진(11)에 의해 구동하는압축기(21)는 그 연결방식에 의해 2가지 방식이 있다. 그 하나는 가스엔진(11)의 출력축을 압축기축에 직접 연결하는 것이며, 다른하나는 가스엔진의 출력축 및 압축기의 구동축 각각에 풀리를 삽치하고 각각의 풀리에 벨트(V벨트)로 연결하는 간접 연결방식을 취할 수 있다.

이와 같이 가스엔진(11)과 압축기(21)을 연결함에 있어서, 벨트에 의한 간접 연결방식은 벨트마모에 의한 분진발생, 주기적으로 벨트의 교환, 벨트에 의한 회전소음발생등의 이유로 인해 간접연결방식보다 직접연결방식이 보다 바람직하다.

즉 가스엔진(11)의 출력축에 압축기(21)의 구동축을 직접 연결하는 직접연결방식은 엔진에서 발생한 동력을 손실없이 압축기에 전달하는 잇점이 있으며, 기계소음이 적으며, 부품교환이나 분진발생등의 문제점이 없게 된다.

따라서 본 발명에 있어서는 가스엔진(11)과 압축기(21)를 직접 연결토록 하며, 이와 같이 가스엔진(11)에 의해 구동하는 압축기(21) 일측에는 냉매속에 포함된 오일을 분리하는 오일여과기(22)를 갖는다. 오일여과기(22) 일측에는 부착되는 사방밸브(23)는 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)으로 이어지는 제3 냉매 순환관(24) 및 실내기(A)로 이어지는 제1 냉매순환관(25) 및 제1 저류탱크(27)로 연결되는 제2 냉매순환관(26)이 각각 연결되며, 제1 저류탱크(27) 일측에는 냉매를 저장 보관하며, 냉매방열판(51)과 제6 냉매순환관(34)으로 연결되는 제2 저류탱크(33)를 가지며, 실내기(A)와 냉각실외기(C) 사이의 제4 냉매순환관(28)에는 냉매 저장탱크(29)와 상기 엔진 냉각수의 고열을 회수하는 엔진 냉각수 열교환장치(31)를 부착토록 한 것이다.

또한 상기 엔진 냉각수 열교환장치(31)는 냉각수 유입 및 배출구와 냉매유입 및 배출구를 각각 갖는 판형 열교환기를 사용토록 한 것이다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명을 보다 상세히 살펴봄과 동시에 본 발명으로 냉방모드로 운전할 시 또는 난방모드로 운전할 시 각 구성품의 연결관계 및 운전방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명으로 냉방모드로 운전될 경우를 설명하면 다음과 같다.

가스엔진(11)에 의해 구동하는 압축기(21)에 의해 압축된 고온고압의 냉매는 오일여과기(22)를 통해 냉매중의 오일을 분리한 후 사방밸브(23)로 유입되고 제3 냉매순환관(24)을 통해 냉각실외기(C)의 냉매방열관(51)을 거쳐 고압저온의 냉매로 변화된 후 냉매저장탱크(29) 및 제4 냉매순환관(28)을 거쳐 실내기(A)로 유입된 후 팽창밸브(61)가 팽창되면서 냉열을 발산 실내를 냉방하게 된다. 이와 같이 실내기(A)를 거친 냉매는 제1 냉매순환관(25)을 통해 다시 사방밸브(23)로 유입된 후 제2 냉매순환관(26)을 통해 제1 저류탱크(27)로 유입된 후 제5 냉매순환관(32)을 통해 압축기(21)로 순환되는 냉방사이클을 수행하게 된다.(도1 참조)

이와 같이 압축기(21)가 냉방모드로 작동될 시 가스엔진(11)을 냉각한 냉각수는 냉각수 급수배관(12)을 통해 냉각실외기(C)의 엔진 냉각수 방열판(52)을 통해 냉각된 후 냉각수 회수배관(13)을 통해 가스엔진(11)으로 순환되어지게 된다.

본 발명을 난방모드로 운전할 경우를 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 난방모드로 작용할 경우에는 엔진 냉각수 열교환장치(31)로부터 냉각수 열을 회수하는 모드와 엔진 냉각수 열교환장치(31)로부터 냉각수 열을 회수하지 않는 모드 2가지로 본 발명을 운전하게 된다.

즉 대기의 온도가 2℃이상일 경우에는 난방모드는 엔진 냉각수 열교환장치(31)로부터 냉각수 열을 가하지 않고 난방모드를 운전하는 것으로 이를 설명하면 다음과 같다.

압축기(21)에 의해 압축된 냉매는 오일여과기(22)를 거쳐 사방밸브(23)로 유입된 후 제1 냉매순환관(25)을 통해 실내기(A)로 유입되어 고온고압의 냉매열을 방열한 후 제4 냉매순환관(28)을 통해 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51) 또는 엔진 냉각수 열교환장치(31)를 통해 잠열을 방열된 후 제3 냉매순환관(24)을 거쳐 사방밸브(23)로 재차 유입된 후 제2 냉매순환관(26)을 거쳐 제1 저류조(27)로 유입된 후 제5 냉매순환관(32)을 거쳐 압축기(21)로 이송되는 회로를 구성하게 된다.

그러나 대기의 온도가 2℃이하로 저온일 경우 실내기(A)를 거쳐 나온 냉매는 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)을 거치지 않고 엔진 냉각수 열교환장치(31)로부터 엔진 냉각수의 열을 회수한 다음 사방밸브(23)를 거쳐 제1 저류조(27)로 유입된 후 압축기(21)로 이송되는 냉매회로를 구성하게 된다.

다시말해 외기의 온도가 2℃이하의 저온일 경우 압축기(21)의 압축효율을 증대시키기 위하여 순환되는 냉매에 엔진 냉각수의 폐열을 회수토록 하는 것이다.(도4 참조)

이와 같은 엔진 냉각수 폐열을 회수하는 대기온도 2℃이하때의 운전모드를 다시한번 설명하면, 압축기(21)에 의해 고온고압으로 압축된 냉매는 오일여과기(22)를 통해 냉매중에 포함된 오일을 제거한 후 사방밸브(23)로 유입되고, 제1 냉매순환관(25)를 통해 실내기(A)로 유입되어 냉매의 고열을 방열하여 실내를 난방하며, 실내기(A)를 나온 저온의 냉매는 제4 냉매순환관(28)의 냉매저장탱크(29)를 거쳐 엔진 냉각수 열교환장치(31)로 유입되어 엔진 냉각수의 열을 회수한 후 제3 냉매순환관(24)을 통해 사방밸브(23)로 유입된 후, 제2 냉매순환관(26)을 통해 제1 저류조(27)로 유입된 후 압축기(21)로 유입되는 회로를 갖게 된다. 따라서 실내기(A)로부터 열을 방열한 냉매는 엔진 열회수장치(31)로부터 일정상태의 고온으로 가열됨으로 인해 압축기(31)에 무리한 압축비율을 요구하지 않아 기계효율 및 열 효율을 높여주게 되는 것이다.

이와 같이 외기온도가 2℃이하의 저온일 경우 엔진냉각수는 냉각수 급수배관(12) 및 제2 콘트롤밸브(15)를 통해 엔진 냉각수 열교환장치(31)로 유입되어 엔진냉각수의 열을 엔진 냉각수 열교환장치(31)로 방열함과 동시에 엔진 냉각수 열교환장치(31)에 회수된 엔진 냉각수의 열은 냉매를 가열하여 압축기(21)로 고온의 냉매를 유입토록 하여 압축기(21)의 압축효율을 증대시키게 되는 것이다.

본 발명에 있어서 실외기(B)를 한참만에 가동시킬 경우, 즉 엔진의 온도가 아주 낮은 경우 엔진 시동직후 엔진이 단시간내에 엔진의 정상온도로 도달시키기 위하여 엔진 냉각수 급수배관(12)의 제1 콘트롤 밸브(14)를 작동하여 엔진 냉각수 급수배관(12)을 엔진 냉각수 회수배관(13)과 연결되도록 할 때 엔진 냉각수가 단시간에 엔진 정상온도로 상승되어 엔진을 단시간에 정상 운전시킬 수 있게 된다.

또한 엔진(11)과 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51) 사이에 구비한 냉각수 저장탱크(18)에 의해 엔진 냉각수가 부족할 시 자동 또는 수동으로 엔진 냉각수를 보충하게 된다. 이와 같은 본 발명은 겨울철 난방용으로 히트펌프를 운전할 경우 엔진 냉각수의 열을 냉매에 직접 전달토록 하여 냉매를 압축기로 고온 고압으로 압축할 경우 적은 압축비로 순간 고열 고압의 냉매로 압축할 수 있으므로 효과적인 난방시스템을 얻을 수 있게 되는 것이다.

일반적으로 저온의 열원으로부터 열을 흡수하고 이를 고온의 열원으로 열전달을 수행하는 히트펌프를 이용한 냉,난방기는 겨울철 난방보다 여름철 냉방에 비교적 우수한 효과를 갖게 된다.

즉 히트펌프를 이용한 냉,난방기로 겨울철 난방시스템을 운전함에 있어서는 냉각된 저온의 냉매를 고온 고압의 상태로 압축하는데 많은 압축비를 요구하며, 이를 달성하는데 압축기의 성능이 이를 따라가지 못했음으로 인해 겨울철 난방에 효율적으로 시스템을 구동할 수 없었다.

그러나 본 발명은 엔진을 냉각하고 발생한 고온의 냉각수로 압축기로 유입되는 냉매를 일정온도로 가열토록 함으로 말미암아 압축기로 압축하는 냉매를 적은 에너지로 냉매를 고온 고압의 압축할 수 있음으로 인해 겨울철 난방시스템을 효율적으로 운전할 수 있도록 한 아주 유용한 발명인 것이다.

Claims

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히트펌프를 이용한 공기조화기에 있어서,

실내로 열풍이나 온풍을 제공하는 다수개의 실내기(A)와, 각각의 실내기(A)로 냉풍이나 온풍을 제공하기 위해 냉매를 압축이송하는 실외기(B)와, 실내기(A)와 실외기(B)에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각 실외기(C) 3개의 구성품으로 구성되며, 상기 실외기(B)는 가스를 연료로 사용하는 가스엔진(11)과 이에 의해 구동하는 압축기(21)를 가지며, 상기 압축기(21) 일측에 냉매속에 포함하는 오일을 여과하는 오일여과기(22)를 가지며, 상기 오일여과기(22) 앞에 사방밸브(23)를 가지며, 사방밸브(23)에 연결되는 제1 냉매순환관(25)은 실내기(A)로 연결되며, 사방밸브(23)에 연결되는 제2 냉매순환관(26)은 제1 저류탱크(27)와 연결되며, 사방밸브(23)와 연결되는 제3 냉매순환관(24)은 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)으로 연결되며, 실내기(A)에 연결되는 제4 냉매순환관(28)은 냉매 저장탱크(29)와 연결된 후 엔진 냉각수 열교환장치(31)를 통해 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)과 연결되며, 상기 제1 저류탱크(27)는 제5 냉매순환관(32)과 연결되며, 상기 제1 저류탱크(27)는 제5 냉매순환관(32)으로 압축기(21)로 연결되며, 제1 저류탱크(27)와 연결되는 제2 저류탱크(33)는 제6 냉매순환관(34)으로 냉각실외기(C)의 냉매방열판(51)과 연결되며, 상기 가스엔진(11)은 냉각수 급수배관(12)과 냉각수 회수배관(13)으로, 냉각 실외기(C)의 엔진 냉각수 방열판(52)과 연결되며, 상기 냉각수 급수배관(12)에는 냉각수를 엔진냉각수 방열판(52)을 거치지 않고 엔진 냉각수 회수배관(13)으로 연결하는 제1 콘트롤 밸브(14)를 가지며, 상기 냉각수 급수배관(12)에는 냉각수를 엔진 냉각수 방열판(52)을 거치지 않고 엔진 열교환장치(31)로 이송하는 제2 콘트롤밸브(15)를 갖는 한편, 상기 냉각수 회수배관(13)에는 냉각수 펌프(16)와 냉각수 온도감지기(17)를 가지며, 상기 엔진 냉각수 방열판(52)과 냉각수 펌프(16) 사이에는 냉각수 저장탱크(18)를 갖는 제2 냉각수 회수배관(19)을 갖도록 하고, 냉각실외기(C)는 엔진 냉각수 방열판(52)과 냉매 방열판(51)과 송풍팬(53) 및 이를 구동하는 모타를 갖으며, 실내기(A)는 제1 냉매순환관(25)와 제4 냉매순환관(28) 사이에 병렬로 다중설치하며, 각각의 실내기(A)에는 각각의 팽창밸브(61) 및 온도조절 스위치를 갖는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프를 이용한 공기조화기.
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