KR100455625B1

KR100455625B1 - 히트 펌프식 온수 가열장치

Info

Publication number: KR100455625B1
Application number: KR10-2002-0013727A
Authority: KR
Inventors: 진금수
Original assignee: 진금수
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2004-11-06
Also published as: KR20030073941A

Abstract

본 발명은 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것으로써, 폐온수의 보유열을 폐열 열교환기와 간접 열교환시켜 폐열 열교환기의 성능을 양호하게 유지함과 동시에 폐온수 방열 열교환기에 퇴적된 스케일을 히트 펌프 사이클의 가동을 중단하지 않고 신속히 청소하며, 폐온수의 발생량이 적거나 없고 외기온이 낮을 경우에도 성적계수를 증대하고 압축기의 손상을 방지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 압축기(2), 응축기(3), 제 1 팽창밸브(4), 폐열 증발기(5)를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본회로(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 설치한 온수 가열 폐회로(9)와; 상기 폐열 증발기(5)에 폐온수 방열 열교환기(17)와 열교환 관계를 유지하도록 폐회로가 형성되게 설치한 폐온수 흡열 열교환기(14)와; 상기 외기열 증발기(7)의 출구측과 폐열 증발기(5)의 입구측에 연결한 바이패스 도관(18)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, 증발기를 기본구성으로 하여 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 상기 증발기에서 증발된 저온·저압의 냉매증기가 압축기에 흡입되는 사이클을 반복하는 것이다.

상기와 같이 증발기에서 흡열에 의하여 고온·고압의 냉매액을 증발시킬 때 그 열원으로써 지하수 또는 폐열 등을 이용하거나 외기열(대기열)을 이용하는 것으로 대별되며, 열원으로써 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 열원으로써 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 발생하는 등의 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명자는 상기한 문제점 등을 시정하기 위하여, 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 설치한 온수 가열 폐회로를 기본 구성으로한 히트 펌프식 온수 가열장치를 2001년 특허출원 제 9095 호로 제안한 바 있다.

그러나 상기한 선출원은 폐온수의 발생량이 적거나 없고 외기온이 5℃ 이상일 경우에 외기열 증발기에서 냉매액을 증발시킴으로써 성적계수가 저하되지 않음으로 온수 가열 효율이 저하되지 않고, 증발기에서 냉매액의 증발이 양호하여 압축기가 손상되지 않는 장점은 있으나, 폐열 증발기에 목욕탕의 폐온수를 직접 도입하기 때문에 폐온수 증에 포함된 때 등의 스케일이 폐열 증발기에 퇴적되어서 폐열 증발기의 성능이 저하될 때 스케일을 청소하기 위하여서는 냉매도관을 분리하여야 함으로써 스케일의 청소시에 가동을 중단하여야 할 뿐아니라 청소비용이 많이 소요되고, 또한 폐온수의 발생량이 적거나 없을 경우에 외기열 증발기에서 냉매액을 증발시킬 때 외기온이 5℃ 이하일 경우에는 외기열 증발기에서 냉매액의 증발이 저조하기 때문에 성적계수가 저하되는 문제점을 발견하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 폐온수의 보유열을 폐열 열교환기와 간접 열교환시켜 폐열 열교환기의 성능을 양호하게 유지함과 동시에 폐온수 방열 열교환기에 퇴적된 스케일을 히트 펌프 사이클의 가동을 중단하지 않고 신속히 청소하며, 폐온수의 발생량이 적거나 없고 외기온이 낮을 경우에도 성적계수를 증대하고 압축기의 손상을 방지할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치를 제공하는 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 응축기, 제 1 팽창밸브, 폐열 증발기를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본회로와; 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 설치한 온수 가열 폐회로와; 상기 폐열 증발기에 폐온수 방열 열교환기와 열교환 관계를 유지하도록 폐회로가 형성되게 연결한 폐온수 흡열 열교환기와; 상기 외기열 증발기의 출구측과 폐열 증발기의 입구측에 연결한 바이패스 도관으로 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 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 : 폐온수 흡열 열교환기

17 : 폐온수 방열 열교환기 18 : 바이패스 도관

23 : 증발 촉진수단 24 : 가열 열교환기 25 : 흡열 열교환기

28 : 열교환조

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

7은 외기열 증발기로써, 상기 외기열 증발기(7)는 상기 도관(6b)(6c)에도관(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 폐회로로써, 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 응축기(3)를 흐르는 냉매증기의 응축열에 의하여 온수 열교환기(10)를 흐르는 가열용 온수를 가열하면서 냉매증기는 응축되어 냉매액으로 되는 것이다.

14는 폐온수 흡열 열교환기로써, 상기 폐온수 흡열 열교환기(14)는 상기 폐열 증발기(5)의 입구(5') 및 출구(5")에 펌프(16)가 설치된 순환도관(15)으로 폐회로가 형성되게 연결함과 동시에 내부에 증류수, 에틸렌 글리콜 등의 열매체를 진공 충전하고, 상기 폐온수 흡열 열교환기(14)에는 별도의 폐온수 방열 열교환기(17)를 설치하여 목욕탕의 폐온수 배출관(17')에 연결하여 폐온수를 직접 폐온수 방열 열교환기(17)에 공급시키거나 폐온수 배출관(17')에 저수조를 설치하여 상기 저수조에 저장된 폐온수를 펌프부설 도관(미도시)으로 폐온수 방열 열교환기(17)로 순환공급되게 하여서 폐온수의 보유열에 의하여 폐온수 흡열 열교환기(14)를 흐르는 열매체를 가열하여서 폐열 증발기(5)에 순환시킴으로써 폐열 증발기(5)를 흐르는 냉매액을 증발시키도록 한 것이다.

18은 바이패스 도관으로써, 상기 바이패스 도관(18)은 상기 외기열 증발기(7)의 출구측과 폐열 증발기(5)의 입구측〔제 1 팽창밸브(4)의 후방측〕에연결한 것이며, 상기 바이패스 도관(18)의 입구측과 상기 도관(6e)의 상기 바이패스 도관(18)의 분기부 후방에 솔레노이드 밸브(19)(19')를 설치하여 도관(6c)의 압축기(2)의 흡입부에 설치한 온도센서(미도시)에 의하여 일정온도 이하시에 솔레노이드 밸브(19)를 개방함과 동시에 도관 부설 펌프를 구동토록 하고 솔레노이드 밸브(19')는 폐쇄하도록 한 것이다.

그리고 상기 도관(6b)(6d)의 팽창밸브(4)(8) 입구측에는 솔레노이드 밸브 (20)(20')를 설치하여, 폐온수 방열 열교환기(17)의 입구 또는 출구에 설치한 폐온수의 흐름을 감지하는 센서(미도시)의 출력신호를 제어기(미도시)에 입력하고 제어기의 출력신호에 의하여 선택적으로 개폐되도록 한 것이며, 솔레노이드 밸브(20)가 개방될 때 펌프(16)도 구동되도록 한 것이다.

또한 상기 순환도관(12b)에는 급수관(21)을 연결하고, 상기 급수관(21)에 솔레노이드 밸브(22)를 설치하여 저탕조(11)에 설치되는 수위 스위치(미도시)의 출력신호를 제어기에 입력하여 제어기의 출력신호에 의하여 개폐되도록 한 것이다.

그리고 본 발명은 외기열 증발기(7)에 증발 촉진수단(23)을 부설하는 바, 상기 증발 촉진수단(23)은 가열 열교환기(24)와 흡열 열교환기(25)를 펌프(21)가 설치된 순환도관(26)으로 폐회로를 형성하여 열매체를 진공 충전한 후 상기 가열 열교환기(24)는 상기 외기열 증발기(7)에 일체로 형성하거나 별도로 부설하고, 흡열 열교환기(25)는 순환도관(12b)에 열교환조(28)를 형성하여 내장한 것이며, 상기 펌프(27)는 열교환조(28)에 센서(미도시)를 설치하여 가열용 온수의 온도가 설정온도 (예 냉매로써 R-22를 사용할 경우 40℃) 이상 시에 그 출력 신호에 의하여 구동되도록 한 것이다.

미설명부호 29는 온수 출탕관이고, 30은 체크 밸브이다.

이상과 같은 본 발명은 저탕조(11)에 일정수위의 급수를 한 후 목욕탕의 폐온수가 폐온수 배출관(17')을 통하여 폐온수 방열 열교환기(17)에 유입되면 펌프(16)가 구동됨과 동시에 솔레노이드 밸브(20)는 개방되고 솔레노이드 밸브(20')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 폐온수 흡열 열교환기(14)에서 가열되는 열매체에 의하여 저온·저압의 냉매증기로 증발되어 압축기(2)에 흡입되는 사이클을 반복하는 것이다.

그리고 상기와 같이 폐온수의 폐열에 의하여 폐열 증발기(5)에서 냉매액의 증발작용을 하다가 폐온수 방열 열교환기(17)에 폐온수의 유입량이 작아지거나 중단되면 폐온수 방열 열교환기(17)에 설치된 센서의 출력신호가 정지됨으로 펌프(16)의 구동이 정지되고 솔레노이드 밸브(20)는 폐쇄되어 폐열 증발기(5)의 기능은 정지되며, 솔레노이드 밸브(20')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(28), 온수 열교환기(10), 순환도관(12a) 및 저탕조(11)를 순환하면서 응축기(3)의 응축열의 방열에 의하여 온수 열교환기(10)를 순환할 때 가열됨과 동시에 응축기 (3)에서 고온·고압의 냉매증기가 응축되는 것이다.

또한 상기와 같이 외기열 증발기(7)에서 냉매액을 증발시킬 때 외기온이 낮을 경우 등에는 외기열 증발기(7)에서 냉매액의 증발이 저조하여 압축기(2)에 냉매액이 포함된 습증기가 흡입되고 그 습증기의 온도는 낮으므로 이 경우에는 도관(6c)의 압축기(2)의 흡입부에 설치한 온도센서가 그 온도를 검지하여 그 출력신호에 의하여 솔레노이드 밸브(19')는 폐쇄되고, 솔레노이드 밸브(19)는 개방되며 펌프(16) 및 도관에 부설한 펌프(미도시)도 구동됨으로 저수조에 저장된 폐온수가 폐온수 방열 열교환기(17)에 순환 공급되어서 폐온수 흡열 열교환기(14)의 열매체를 가열함으로써 외기열 증발기(7)에서 증발되지 못한 냉매액이 바이패스 도관(18)을 경유하면서 폐열 증발기(5)에서 재증발하여 건포화 또는 과열 증기화 되기 때문에 히트 펌프 사이클의 성적계수가 증대되고, 압축기(2)에서 액백 및 액압축으로 인한 액격의 발생이 방지되는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 폐온수의 보유열을 폐온수 방열 열교환기(17)에서 폐온수 흡열 열교환기(14)에 방열하여 열매체를 가열하고 가열된 열매체가 폐열 증발기(5)에서 냉매액을 증발시키는 간접 가열방법을 채용함으로써 폐온수 중에 포함된 스케일은 폐온수 방열 열교환기(17)에만 퇴적되기 때문에 스케일이 퇴적된 폐온수 방열 열교환기(17)를 외기열 증발기(7)의 작동시에 분리한 후 청소할 수 있음으로 히트 펌프 사이클을 연속 운전할 수 있고 청소가 간편하고 신속한 것이다.

또한 본 발명은 가열용 온수가 열교환조(28)를 경유할 때 열교환조(28)에 내장된 흡열 열교환기(25)의 흡열(가열용 온수의 방열)에 의하여 가열용 온수의 온도는 저하됨과 동시에 증발 촉진수단(23)에 충전된 열매체가 정체 가열된 후 가열용 온수의 온도가 설정온도 이상이 되면 펌프(27)가 구동되어 가열 열교환기(24)에서 외기열 증발기(7)에 방열됨으로써 외기열 증발기(7)에서의 냉매액의 증발을 조장 내지 촉진하게 되는 것이다.

상기와 같이 열교환조(28)에서 가열용 온수의 온도를 저하시킨 후 온수 열교환기(10)에서 가열하면 응축기(3)에서 냉매증기와 가열용 온수의 온도차를 크게 할 수 있기 때문에 응축기(3)에서 고온·고압의 냉매증기의 응축이 양호하게 되고, 또한 가열 열교환기(24)에서 외기열 증발기(7)에 방열됨으로써 외기온이 높은 계절에는 냉매액의 증발이 더욱더 양호하게 되고 외기온이 5℃ 이하일 경우에는 외기 열교환기(7)에 서리가 맺치지 않거나 맺친 서리를 제상하기 때문에 냉매액의 증발이 양호하여 압축기(2)에 흡입되는 냉매증기는 건포화 또는 과열증기화 되어 히트 펌프 사이클의 성적계수가 더욱더 증대되는 것이다. 또한 압축기에 건포화 또는 과열증기가 흡입되면 압축기(2)에서 액백 및 액압축으로 인한 액격의 발생이 더욱더 방지되는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 폐온수의 보유열을 폐열 열교환기와 간접 열교환시킴으로써 폐열 열교환기의 성능을 양호하게 유지할 수 있고 폐온수 방열 열교환기에퇴적된 스케일을 히트 펌프 사이클의 가동을 중단하지 않고 연속 운전하면서 간편하고 신속하게 청소할 수 있으며, 폐열 증발기를 설치한 기본회로에 외기열 증발기를 설치함으로써 폐열의 발생이 작거나 없을 경우에도 항상 온수를 양호하게 생성할 수 있고, 폐온수의 발생량이 적거나 없고 외기온이 낮을 경우 외기열 증발기에서 냉매액의 증발이 저조할 때 그 냉매액을 바이패스 도관으로 폐열 증발기를 경유시켜서 냉매액을 재증발하여서 그 증발을 양호하게 하였음으로 압축기에 흡입되는 냉매증기는 건포화 또는 과열 증기화되기 때문에 성적계수를 증대할 수 있고, 또한 압축기에서 액백과 액격의 발생을 방지할 수 있는 것이다.

그리고 본 발명은 외기 열교환기에 증발 촉진수단을 부설하여 외기온이 낮을 때에도 외기 열교환기에서 냉매액의 증발을 조장하여서 건포화 또는 과열 증기화할 수 있기 때문에 성적계수를 더욱더 양호하게 유지하고 압축기의 손상을 방지할 수 있는 것이다.

Claims

압축기, 응축기, 제 1 팽창밸브, 폐열 증발기를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본회로와; 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 설치한 온수 가열 폐회로와; 상기 폐열 증발기에 폐온수 방열 열교환기와 열교환 관계를 유지하도록 폐회로가 형성되게 설치한 폐온수 흡열 열교환기와; 상기 외기열 증발기의 출구측과 폐열 증발기의 입구측에 연결한 바이패스 도관으로 구성한 히트 펌프식 온수 가열장치.
제 1 항에 있어서, 온수 가열 폐회로에 열교환조를 형성하여 상기 열교환조에 내장되는 흡열 열교환기가 일측에 설치되고 타측에 외기열 증발기에 부설되는 가열 열교환기로 구성한 증발 촉진수단을 부설한 히트 펌프식 온수 가열장치.