KR100455627B1 - 히트 펌프식 온수 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프식 온수 가열장치에 관한 것으로써, 히트 펌프 사이클의 성적계수를 양호하게 유지하고 압축기의 손상을 방지함과 동시에 다량의 높은 온도의 온수를 가열하여 간편하게 신속히 사용할 수 있고, 외기온이 높을 때에 압축기에 흡입되는 냉매가스의 적정 과열도를 유지하며, 외기온이 낮을 때에는 성적계수를 양호하게 유지할 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 저탕조(11)의 상부에 설치한 보조 가열수단(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, 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 의하여증발시킨 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 발생하고, 또한 온수 가열회로에 공급되는 급수의 온도가 낮을 때에는 응축기의 방열온도와 급수의 온도차가 크기 때문에 응축기에서 고온·고압의 냉매증기의 응축이 양호하지만 저탕조에 저장되는 온수의 온도가 높아지면 높아질수록 응축기의 방열온도와 온수 가열회로를 순환하는 온수의 온도차가 작아짐으로써 응축기에서 냉매증기의 응축이 완전하게 이루어지지 않기 때문에 증발기에 냉매증기가 공급되어 성적계수가 저하되는 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 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 가열장치를 2001년 특허출원 제 9095 호로 제안한 바 있다.

그러나 상기한 선출원은 외기온이 낮을 때 히트 펌프 사이클의 성적계수를 증대하고, 압축기의 손상을 방지할 수 있는 장점은 있으나, 온수 가열 폐회로를 순환하면서 온수가 가열될 때 온수 열교환기의 출구 온도가 높아질수록 응축기에서의 냉매증기의 응축이 상기 출구 온도에 비례하여 불완전하여짐에 따라 예를 들어 냉매로써 R-22를 사용할 경우 온수 열교환기의 출구 온도가 40℃ 이상이 될 경우 성적계수가 급격하게 저하될 뿐아니라 압축기가 손상될 염려를 피할 수 없고 온수의 발생량이 작으며, 상기한 문제점을 시정하기 위하여는 온수의 사용온도를 저하시킬 수 있으나 온수의 사용온도를 저하시키면 적정온도의 온수의 사용이 불가능한 근본 문제점이 발생하는 것이다.

또한 온수의 사용온도를 저하시킬 경우 온수의 사용량이 많아져서 히트 펌프 시스템의 한계 성능을 초과할 경우에는 온수의 사용이 곤란하게 되는 것이다.

그뿐만 아니라 상기 선출원은 증발 촉진수단의 순환펌프를 열교환조를 경유하는 가열용 온수가 설정온도 이상시에 구동하도록 되어 있음으로 외기온이 외기 열교환기에 성애가 부착되지 않는 높은 온도일 경우에도 구동되기 때문에 이 경우에는 외기 열교환기에서 증발된 냉매증기의 과열도가 너무 크게 되어서 압축기가 손상될 염려가 있게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 히트 펌프 사이클의 성적계수를 양호하게 유지하고 압축기의 손상을 방지함과 동시에 다량의 높은 온도의 온수를 가열하여 간편하게 신속히 사용할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 외기온이 높을 때에 압축기에 흡입되는 냉매가스의 적정 과열도를 유지하고, 외기온이 낮을 때에는 성적계수를 양호하게 유지할 수 있는 히트 펌프식 온수 가열장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 응축기, 제 1 팽창밸브, 폐열 증발기를 도관(6a~6c)으로 순서대로 연결한 기본회로와; 상기 도관(6b)(6c)에도관(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 저탕조의 상부에 설치한 보조 가열수단으로 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 : 보조 가열수단 17 : 가열관

20 : 증발 촉진수단 21 : 가열 열교환기 22 : 흡열 열교환기

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도로써, 1은 기본 회로로써, 상기 기본 회로(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)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 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 설치하여 응축기(3)를 흐르는 냉매증기에 의하여 가열용 온수를 가열하면서 냉매증기는 응축되어 냉매액으로 되는 것이다.

14는 보조 가열수단으로써, 상기 보조 가열수단(14)은 저탕조(11)의 상부에 설치한 것으로써, 상기 보조 가열수단(14)은 보일러(15)에서 액체연료, 기체연료 또는 심야전기 등을 열원으로 하여 열매체를 가열하고, 가열된 열매체를 공급관(16) 및 환수관(16')으로 저탕조(11)의 상부에 설치한 가열관(17)에 순환시켜 상기 온수 가열 폐회로(9)에서 가열된 온수를 재가열한 후 저탕조(11)의 상부에 연결한 출탕관(11')을 통하여 이용장소에 공급하는 것이다. 상기 보조 가열수단(14)은 상기 온수 열교환기(10)의 출구측에 온도센서(18)를 설치하여〔저탕조(11)의 하부에 설치할 수도 있음〕그 출구 온수온도가 설정치(예 40℃)이상일 경우에 압축기(2)의 전원을 차단하여 온수 열교환기(10)에 의한 온수 가열을 중단함과 동시에 보조 가열수단(14)의 보일러(15)를 점화하도록 한 것이다.

또한 상기 보조 가열수단(14)은 히트 펌프 사이클이 가동되어도 저탕조(11)의 온수를 다량 출탕하는 경우 등에 온수 열교환기(10) 또는 저탕조(11) 내의 온수 온도가 40℃ 미만일 경우에도 저탕조(11)에 설치한 온도센서(미도시)의 출력신호에 의하여 보일러(15)를 점화하여 가동하는 것이다.

그리고 상기 도관(6b)(6d)에는 솔레노이드 밸브(19)(19')를 설치하여 폐열 증발기(5)의 입구(5') 또는 출구(5")에 설치되는 센서(미도시)의 출력신호에 의하여 선택적으로 개폐되도록 하고, 폐열 증발기(5)에 폐열이 유입될 때 솔레노이드 밸브(19)는 개방되고 솔레노이드 밸브(19')는 폐쇄되며, 폐열의 유입이 없을 경우에는 솔레노이드 밸브(19)(19')는 상기와 반대로 개폐되도록 한 것이다.

또한 본 발명은 외기열 증발기(7)에 증발 촉진수단(20)을 부설하는 바, 상기 증발 촉진수단(20)은 가열 열교환기(21)와 흡열 열교환기(22)를 펌프(24)가 설치된 순환도관(23)으로 연결하여서 열매체를 진공 충전한 후 가열 열교환기(21)는 상기 외기열 증발기(7)에 일체로 형성하거나 별도로 부설하고, 흡열 열교환기(22)는 순환도관(12b)에 열교환조(25)를 형성하여 내장한 것이며, 상기 펌프(24)는 외기 열교환기(7)에 설치한 서리센서(미도시)가 5℃ 이하일 경우 출력하는 출력신호에 의하여 구동토록 한 것이다.

미설명부호 26은 급수관이고, 27는 체크 밸브이며, 상기 급수관(26)에는 솔레노이드 밸브(28)를 설치하여 저탕조(11)에 설치되는 수위 스위치(미도시)의 출력신호에 의하여 개폐되도록 한 것이다.

이상과 같은 본 발명은 저탕조(11)에 일정수위의 급수를 한 후 폐열 증발기 (5)에 목욕탕의 폐온수 등의 폐열이 유입되면 솔레노이드 밸브(19)는 개방되고 솔레노이드 밸브(19')는 폐쇄된 상태를 유지하는 바, 상기한 상태에서 압축기(2)를 구동하면 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 응축기(3)에 유입되어 응축되면서 온수 열교환기(10)를 흐르는 가열용 온수를 가열하고 도관(6b)을 경유하여 제 1 팽창밸브(4)에서 팽창된 다음 폐열 증발기(5)에서 목욕탕의 폐온수 등의 폐열에 의하여 증발되어 저온·저압의 냉매증기로 된 후 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(19)는 폐쇄되고 솔레노이드 밸브(19')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(25), 온수 열교환기(10), 순환도관(12a) 및 저탕조(11)를 순환하면서 응축기(3)의 응축열의 방열에 의하여 온수 열교환기(10)에서 가열됨과 동시에 응축되는 것이다.

상기와 같이 히트 펌프 사이클을 가동하여 온수를 가열할 때 온수 열교환기(10)에서 가열된 온수의 출구온도 또는 저탕조(11) 내의 온수온도가 설정온도(냉매로써 R-22를 사용할 경우 40℃) 이상일 경우에는 응축기(13)에서의 냉매증기의 응축온도와 가열되는 온수의 온도차가 작기 때문에 응축기(3)에서 냉매액의 응축이 불완전하기 때문에 성적계수가 저하되고 압축기(2)에 습증기가 흡입되는 바, 상기와 같이 온수 열교환기(10)의 온수의 출구온도가 설정온도 이상일 경우에는 온수 열교환기(10)의 출구측 도관에 설치한 온도센서(18)의 출력신호에 의하여 압축기(2)의 전원을 차단함으로 히트 펌프 사이클의 가동이 정지됨으로써 성적계수가 저하되지 않고 압축기(2)에 습증기가 아닌 건포화 또는 과열증기가 흡입되어 압축기의 신뢰성을 확보할 수 있고, 상기 히트 펌프 사이클의 가동이 정지됨과 동시에 보조 가열수단(14)이 가동되어 저탕조(11) 상부의 온수를 가열관(17)으로 대류를 억제 재가열시킴으로써 높은 온도의 온수를 출탕관(11')을 통하여 이용장소에 공급할 수 있는 것이며, 온수의 온도가 40℃ 이하로 되면 온도센서(18)의 출력신호는 정지됨으로 압축기(2)는 재구동되는 것이다.

그리고 온수의 사용량이 많을 경우에는 히트 펌프 사이클이 가동되어도 히트펌프 사이클의 한계 성능이 초과되는 바, 상기한 경우에는 저탕조(11)에 설치한 40℃ 미만에 출력하는 온도센서의 출력신호에 의하여 저탕조 내의 저온도의 온수를 상부에서 재가열시킴으로써 항상 높은 온도의 다량의 온수를 가열하여 신속하고 간편하게 사용할 수 있는 것이다.

그리고 본 발명은 상기와 같이 히트 펌프 사이클을 가동하여 온수를 가열할 때 열교환조(25)에 내장된 흡열 열교환기(22)에 진공 충전한 열매체가 가열된 상태로 정체되어 있다가 외기온이 5℃ 이하일 경우에만 외기 열교환기(7)에 설치된 서리센서의 출력신호에 의하여 펌프(24)가 구동됨으로써 흡열 열교환기(22)에서 가열된 열매체가 가열 열교환기(21)를 경유하면서 외기 열교환기(7)에 방열하여 외기 열교환기(7)에 부착된 서리를 제상하거나 서리가 부착되는 것이 방지되어 외기 열교환기(7)에서 냉매액의 증발을 촉진함과 동시에 온수 가열 폐회로(9)를 순환하는 가열되는 온수가 흡열 열교환기(22)에 방열되어 온도가 낮은 상태로 온수 열교환기(10)에 공급됨으로 응축기(3)에서 냉매액의 증발이 양호하기 때문에 압축기에 흡입되는 냉매증기는 건포화 또는 과열 증기화되어서 외기온이 낮을 때에도 성적계수가 증대되고 압축기(2)에서 액백 및 액압축으로 인한 액격의 발생이 방지되는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 히트 펌프 사이클에 설치한 온수 가열 폐회로의 저탕조 상부에 보조 가열수단을 설치하여 온수 열교환기의 출구 또는 저탕조 내의 온수 온도가 높을 때에 압축기의 구동을 정지하고 보조 가열수단을 가동시켜 히트 펌프사이클의 성적계수를 증대함과 동시에 압축기에 건포화 또는 과열 증기가 흡입되어서 압축기의 신뢰성을 확보하며, 다량의 높은 온도의 온수를 편리하게 사용할 수 있는 것이다.

그리고 저탕조 내의 온수 온도가 낮을 때에는 압축기를 구동하면서 보조 가열수단을 구동시킴으로써 높은 온도의 온수를 신속히 다량 생성할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 외기열 증발기에 증발 촉진수단을 부설하여 외기온이 낮을 때 가동시켜 외기열 증발기에서 냉매액의 증발을 촉진하기 때문에 외기온이 높을 때에 압축기에 흡입되는 냉매가스의 적정 과열도를 유지하고, 외기온이 낮을 때에는 성적계수를 증대할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 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 저탕조의 상부에 설치한 보조 가열수단으로 구성한 히트 펌프식 온수 가열장치.
2. 제 1 항에 있어서, 가열 열교환기와 흡열 열교환기를 순환도관으로 연결하여 열매체를 진공 충전한 후 가열 열교환기는 외기열 증발기에 부설하고, 흡열 열교환기는 열교환조에 내장한 증발 촉진수단을 부설한 히트 펌프식 온수 가열장치.
3. 제 1 항에 있어서, 보조 가열수단은 보일러와 가열관을 공급관 및 환수관으로 연결하여 가열관을 저탕조 상부에 설치한 히트 펌프식 온수 가열장치.