KR100493243B1 - 히트 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 히트 펌프 시스템에 난방 및 급탕용 온수가열수단을 결합한 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서, 난방용 순환수의 생성온도를 높일 수 있고, 압축기의 신뢰성을 확보하며, 성적계수를 양호하게 유지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 압축기(2), 4방밸브(3), 실내 열교환기(4), 냉방용 감압기구(5), 수액기(9), 난방용 감압기구(6), 실외 열교환기(7) 및 상기 4방밸브(3)를 도관(8)으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브(3)와 압축기(2)를 흡입도관(8')으로 연결한 기본 냉동회로(1)와; 상기 압축기(2) 및 4방밸브(3) 사이와 수액기(9)에 바이패스도관(21)을 연결하여 제 1 및 제 2 응축기(22)(23)를 설치한 응축수단(20)과; 상기 제 1 응축기(22)와 열교환 관계를 유지하는 열매체 가열 열교환기(29)와, 가열 열교환기(30) 및 예열 열교환기(31)를 순환도관(32)으로 연결한 난방용 열매체 가열회로(28)와; 상기 예열 열교환기(31)를 내장하고 상기 제 2 응축기(23)에 온수 순환관(35)으로 연결한 저탕조(34)와; 상기 가열 열교환기(30)의 주위에 가열조(36)를 형성하여 이용측 열교환기(37)를 순환도관(38)으로 연결한 방열수단(35)으로 구성한 것이다.

Description

히트 펌프 시스템 {HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 히트 펌프 시스템에 난방 및 급탕용 온수가열수단을 결합한 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프 시스템의 냉동회로(1)는 도 1에서 참조되는 바와 같이, 압축기(2), 4방밸브(3), 실내 열교환기(4), 냉·난방용 감압기구(5)(6), 실외 열교환기(7) 및 상기 4방밸브(3)를 도관(8)으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브(3)와 압축기(2)를 흡입도관(8')으로 연결한 것이다.

미설명부호 9는 수액기이고, 10,10'는 체크 밸브이다.

상기한 히트 펌프 시스템은 난방운전시에는 4방밸브(3)를 냉매를 화살표 실선으로 흐르도록 조작하여, 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기를 응축기로 작용하는 실내 열교환기(4)에서 응축하여서 그 응축열에 의하여 실내를 대류난방하고, 상기 실내 열교환기(4)에서 응축된 고온·고압의 냉매액은 체크 밸브(10), 수액기(9)를 경유하여 난방용 감압기구(6)에서 팽창된 다음 증발기로 작용하는 실외 열교환기(7)에서 열원(물, 외기)에 의하여 증발되어 저온·저압의 냉매증기가 되어서 압축기(2)에 흡입되어 상기 사이클을 반복하는 것이다.

한편 냉방운전시에는 4방밸브(3)를 냉매를 화살표 점선방향으로 흐르도록 조작하여, 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기를 응축기로 작용하는 실외 열교환기(7)에서 물 또는 외기에 의하여 응축하고, 상기 실외 열교환기(7)에서 응축된 고온·고압의 냉매액은 체크 밸브(10'), 수액기(9)를 경유하여 냉방용 감압기구(5)에서 팽창된 다음 증발기로 작용하는 실내 열교환기(4)에서 실내 공기의 열을 흡수하여 증발되면서 실내를 냉방하며, 상기 실내 열교환기(4)에서 증발된 저온·저압의 냉매증기는 압축기(2)에 흡입되어 상기 사이클을 반복하는 것이다.

한편 산업사회의 성숙에 따라 아파트 또는 사무실 등의 집단 건축물의 보급이 일반화됨에 따라 상기 냉·난방 이외에 목욕용 또는 급탕용 온수의 수요의 증가에 따라 상기 히트 펌프 시스템의 실내 열교환기에 병렬로 저탕조를 설치하고, 상기 저탕조에 가열코일을 내장하여 온수를 생성하는 것이 알려져 있으나, 상기 저탕조에서는 온수를 난방운전과 동시에 또는 선택적으로 생성할 수 있고, 냉방운전시에는 생성할 수 없는 불편한 점이 있는 것이다.

본 발명의 발명자는 상기 불편을 해소하기 위하여, 히트 펌프 시스템에서 냉·난방과 동시에 온수를 생성하여 상기 실내의 대류난방과 동시에 복사난방을 할 수 있고, 또한 급탕용 온수로도 사용할 수 있도록 한 히트 펌프식 냉·난방 장치를 미국 특허 제 6,378,318 호로 제안한 바 있으며, 상기 히트 펌프식 냉·난방 장치는 히트 펌프 시스템의 압축기와 4방밸브 사이에 열교환기를 설치한 바이패스도관을 연결하고, 상기 열교환기와 열교환 관계를 이루는 제 2 열교환기를 일측에 설치하고 타측에 실내 열교환기 설치 실내에 부설하는 방열코일 또는 방열기 등의 복사열 발생수단을 설치한 열매체 가열회로를 구비한 것이다.

그러나 본 발명자의 선특허는 현재 주로 사용하고 있는 냉동 사이클인 건압축 사이클로 운전할 경우 온수의 생성온도는 50℃ 내외임으로 급탕용으로 사용하기에는 적합하지만 난방시에 팬 코일 유닛 등을 열교환기로 사용할 경우에는 그 온도가 낮아서 비효율적인 문제점이 있는 것이다.

물론 본 발명자의 선특허를 과열압축 사이클로 운전하여 압축기에서 압축되는 냉매증기의 온도를 높이면 온수의 생성온도를 높일 수 있으나, 냉동 사이클을 과열압축 사이클로 운전하면 압축기와 4방밸브 사이에 연결한 바이패스도관에 설치하는 열교환기의 용량을 증대하여야 하고, 특히 과열도가 높아짐으로 압축기의 수명이 단축되고, 압축기의 냉각수단을 별도로 강구하여야 할뿐 아니라 성적계수가 저하되는 등의 다른 문제점이 발생하는 것은 냉동 사이클에서 주지된 이론이다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 난방용 순환수의 생성온도를 높일 수 있고, 압축기의 신뢰성을 확보하며, 성적계수를 양호하게 유지할 수 있도록 한 히트 펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 냉방용 감압기구, 수액기, 난방용 감압기구, 실외 열교환기 및 상기 4방밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 압축기 및 4방밸브 사이와 수액기에 바이패스도관을 연결하여 제 1 및 제 2 응축기를 설치한 응축수단과; 상기 제 1 응축기와 열교환 관계를 유지하는 열매체 가열 열교환기와, 가열 열교환기 및 예열 열교환기를 순환도관으로 연결한 난방용 열매체 가열회로와; 상기 예열 열교환기를 내장하고 상기 제 2 응축기에 온수 순환관으로 연결한 저탕조와; 상기 가열 열교환기의 주위에 가열조를 형성하여 이용측 열교환기를 순환도관으로 연결한 방열수단으로 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도로서, 본 발명에서 종래기술에 설명한 기본 냉동회로(1)는 동일한 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

20은 응축수단으로서, 상기 응축수단(20)은 압축기(2) 및 4방밸브(3) 사이와 수액기(9)에 바이패스도관(21)을 연결하여 제 1 응축기(22)와 제 2 응축기(23) 순으로 설치하고, 상기 제 2 응축기(23)는 쉘에 바이패스도관(21)을 연결한 제 1차 제 2 응축기(24)와 제 2차 제 2 응축기(25)로 형성한 것으로서, 상기 제 2 응축기(24)(25)는 도에서 2개를 설치하였으나 1개만 설치하여도 무방하다.

상기 응축수단(20)은 도관(8) 및 바이패스도관(21)에 밸브(27)(26)를 설치하여 밸브(26)(27)를 개폐함으로써 기본 냉동회로(1)와 동시에 작용하거나 선택적으로 작용할 수 있는 것이다.

28은 난방용 열매체 가열회로로서, 상기 난방용 열매체 가열회로(28)는 열매체 가열 열교환기(29)와, 가열 열교환기(30) 및 예열 열교환기(31)를 후술하는 가열조(36)에 설치되는 온도센서(미도시)의 검출신호에 의하여 제어되는 순환펌프(33)를 부설한 순환도관(32)으로 폐회로가 형성되게 연결하여서, 열매체 가열 열교환기(29)를 상기 제 1 응축기(21)와 열교환 관계가 유지되게 설치한 것이다.

34는 저탕조로서, 상기 저탕조(34)는 상부에 상기 예열 열교환기(31)를 내장하고, 그 상하에 순환펌프(36)를 설치한 온수 순환관(35)을 연결하여 온수 순환관(35)의 타단을 상기 1차 및 제 2차 제 2 응축기(24)(25)의 튜브에 대향류가 되도록 연결하여 저탕조(34)와 제 2 응축기(23)를 폐회로로 형성하여서 된 것이다.

35는 방열수단으로서, 상기 방열수단(35)은 상기 가열 열교환기(30)의 주위에 가열조(36)를 형성하고, 상기 가열조(36)에 이용측 열교환기(37)를 순환펌프(39)를 부설한 순환도관(38)으로 폐회로가 형성되게 연결하여서 된 것이며, 상기 이용측 열교환기(37)는 상기 실내 열교환기(4)를 설치한 실내에 함께 설치하거나 실내 열교환기(4)와 다른 실내에 단독으로 설치하며, 순환펌프(39)는 이용측 열교환기(37)의 설치 실내에 설치하는 온도센서(미도시)의 검출신호에 의하여 제어하는 것이다.

그리고 상기 도관(8)의 수액기(9) 양측에 솔레노이드 밸브(40)(40')를 설치하여 상기 실내 열교환기(4)를 설치한 실내에 설치되는 온도센서(미도시)의 검출신호에 의하여 제어하는 것이다.

미설명부호 41은 급수관이고, 42는 온수 출탕관이며, 43,44는 밸브이다.

이상과 같은 본 발명은 기본 냉동회로(1)만을 이용하여 냉·난방운전을 할 경우에는 밸브(27)는 개방하고 밸브(26)는 폐쇄한 후, 난방운전시에는 4방밸브(3)를 냉매를 화살표 실선으로 흐르도록 조작하고, 냉방운전시에는 화살표 점선으로 흐르도록 조작하여 실내 열교환기(4)를 난방운전시에는 응축기로 작용하게 하며 냉방운전시는 증발기로 작용하게 하여 실내를 대류난방 또는 대류냉방하는 것이며, 상기 작용은 종래의 것과 동일함으로 구체적인 작용은 생략한다.

상기와 같은 기본 냉동회로(1)의 운전시 온수난방운전과 급탕용 온수를 생성할 때에는 밸브(26)를 추가 개방하여 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기의 일부를 응축수단(20) 즉 제 1 응축기(22) 및 제 2 응축기(23)로 흐르게 하고 난방용 열매체 가열회로(28)의 순환도관(32)에 설치한 순환펌프(33)를 구동하여 열매체 가열 열교환기(29)에 가열용 열매체를 공급하면 상기 제 1 응축기(22)를 흐르는 냉매증기와 열교환에 의하여 냉매증기는 응축됨과 동시에 그 응축열에 의하여 가열용 열매체는 가열되며, 상기 가열된 열매체는 가열조(36)에 내장된 가열 열교환기(36)에서 방열하여 가열조(36)내의 난방용 순환수를 가열함으로써 상기 가열된 난방용 순환수를 이용측 열교환기(37)에 순환시켜서 실내를 난방하는 것이다.

그리고 가열 열교환기(30)에서 방열에 의하여 냉각된 가열용 열매체는 저탕조(34)내의 예열 열교환기(31)를 경유하여 열매체 가열 열교환기(29)에 공급되어 가열되는 사이클을 반복하는 것이다.

한편 저탕조(34)의 온수 순환관(35)에 설치한 순환펌프(36)를 구동하여 저탕조(34) 내에 저장된 급탕용 가열온수를 제 2 응축기(23)의 튜브에 순환시키면 상기 제 1 응축기(22)에서 응축된 냉매액이 급탕용 가열온수와 열교환하여 재응축되면서 그 응축열에 의하여 급탕용 온수를 가열하여 저탕조(34)에 저장되는 사이클을 반복하고, 저탕조(34)에 저장된 가열된 온수는 온수 출탕관(42)으로 인출 사용하는 것이다.

그리고 제 2 응축기(23)에서 응축된 냉매액은 수액기(9)에 유입된 후 기본 냉동회로(1)의 냉매에 합류되는 바, 즉 솔레노이드 밸브(40)(40')는 개방되어 있음으로 대류난방운전시에는 실외 열교환기(4)에서 응축된 냉매액과 함께 실외 열교환기(7) 측으로, 대류냉방운전시에는 실외 열교환기(7)에서 응축된 냉매액과 함께 실내 열교환기(4) 측으로 흘러서 냉방작용을 하는 것이다.

상기와 같이 기본 냉동회로(1)의 운전과 온수난방운전 등을 함께 실시하다가 실내 열교환기(4) 설치 실내의 난방온도가 설정치 이상이 되면 팬(미도시)의 회전 정지에 의하여 실내 열교환기(4)의 기능은 정지되고, 실내 냉방온도가 설정치 이하가 되면 그 실내에 설치한 온도센서의 검출신호에 의하여 솔레노이드 밸브(40')는 폐쇄됨으로 제 2 응축기(23)에서 응축된 냉매액은 실외 열교환기(7) 측으로만 흐름으로서 냉방작용은 중단되며, 이용측 열교환기(37) 설치 실내의 난방온도가 설정치 이상이 되면 그 실내에 설치한 온도센서의 검출신호에 의하여 순환펌프(39)의 구동이 정지됨으로써 온수난방운전은 중지되고, 온수 난방운전이 중지되어 가열조(36)내의 난방용 순환수의 온도가 설정온도 이상이 되면 가열조(36)에 설치한 온도센서의 검출신호에 의하여 순환펌프(33)의 구동도 중지되는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 대류난방운전 또는 대류냉방운전과 함께 온수난방운전을 실시하고 급탕용 온수를 생성할 때 저탕조(34)에는 급탕용으로 적정한 온도(예 50℃)의 온수가 저장되고, 가열 열교환기(30)에서 방열되어 냉각된 가열용 열매체의 온도는 상기 저탕조(34)에 저장된 온수의 온도보다 낮기 때문에 가열 열교환기(30)에서 방열된 가열용 열매체가 저탕조(34)의 상부에 내장된 예열 열교환기(31)를 경유할 때 상부의 고온의 온수에 의하여 예열된 후 열매체 가열 열교환기(29)에 공급되어 제 1 응축기(21)를 흐르는 냉매증기와 열교환함으로써 냉동 사이클을 건압축 사이클로 운전하여도 가열용 열매체의 온도를 고온(예 65℃ 이상)으로 가열할 수 있고, 가열조(36)에는 고온의 열매체에 의하여 가열되는 난방용 순환수가 저장되어 있음으로 이용측 열교환기(37)를 팬 코일 유닛으로 할 경우에도 효율적인 난방을 할 수 있고, 냉동 사이클을 건압축 사이클로 운전함으로써 통상의 열교환기를 사용할 수 있고 과열도를 높이지 않아도 됨으로 압축기의 수명을 연장함과 동시에 신뢰성을 확보할 수 있으며, 압축기에 별도의 냉각수단을 구비하지 않아도 됨으로 구조가 간단하고 비용을 절감할 수 있는 것이다.

또한 기본 냉동회로(1)의 운전과 온수난방운전 등을 함께 실시할 때 이용측 열교환기(37)를 설치한 실내의 온도가 설정온도가 되어 순환펌프(39)의 구동이 정지되고 가열조(36)의 난방용 순환수의 온도가 설정온도 이상이 되어 순환펌프(33)의 구동이 정지되어 제 1 응축기(22)에서 냉매증기의 응축이 불완전할 경우에도 제 2 응축기(22)에서 저탕조(34) 내의 낮은 온도의 온수와 열교환에 의하여 응축되고, 또한 제 2 응축기(23)에서 냉매와 온수는 대향류에 의한 열전달이 실시됨으로써 냉매액의 재응축이 양호하게 되어 성적계수를 양호하게 유지할 수 있고 급탕용 온수의 가열효율이 양호하게 되는 것이다.

한편 상기와 같이 기본 냉동회로(1)의 운전과 온수난방운전 등을 함께 실시하다가 기본 냉동회로(1)의 운전을 중지하려면 밸브(27)를 폐쇄하고 4방밸브(3)는 난방운전시와 같이 즉 냉매를 화살표 실선 방향으로 흐르도록 조작함과 동시에 솔레노이드 밸브(40')를 폐쇄하면 실내 열교환기(4)의 작용은 중단됨으로 압축기(2)에서 압축된 고온·고압의 냉매증기는 응축수단(20)만으로 흘러서 상기와 같이 난방용 열매체와 급탕온수를 가열하거나 급탕온수만을 가열하고, 제 2 응축기(23)에서 응축된 냉매액은 수액기(9)에 유입된 후 증발기로 작용하는 실외 열교환기(7)에 유입되어 외기 등에 의하여 증발한 후 압축기(1)에 흡입되어 재압축되는 사이클을 반복하는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 기본 냉동회로의 압축기와 4방밸브 사이와 수액기에 응축수단을 설치하고, 상기 응축수단에 난방용 열매체 가열회로, 가열조 및 저탕조를 설치하여 급탕용 온수에 의하여 난방용 열매체 가열회로를 순환하는 난방용 열매체를 예열하며, 상기 고온의 난방용 열매체에 의하여 난방용 순환수를 고온으로 가열할 수 있기 때문에 이용측 열교환기를 팬 코일 유닛을 사용할 경우에도 양호한 난방을 할 수 있는 것이다.

또한 난방용 열매체를 고온으로 가열할 때 현재 주로 사용하는 냉동 사이클인 건압축 사이클로 운전할 수 있음으로 성적계수를 양호하게 유지하여 효율을 양호하게 유지할 수 있고, 압축기의 수명을 연장함과 동시에 신뢰성을 확보하며, 구조가 간단하고 비용을 절감할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1 : 기본 냉동회로 20 : 응축수단 22 : 제 1 응축기

23 : 제 2 응축기 28 : 난방용 열매체 가열회로

29 : 열매체 가열 열교환기 30 : 가열 열교환기

31 : 예열 열교환기 34 : 저탕조 35 : 방열수단

36 : 가열조 37 : 이용측 열교환기

Claims (3)

1. 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 냉방용 감압기구, 수액기, 난방용 감압기구, 실외 열교환기 및 상기 4방밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4방밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 압축기 및 4방밸브 사이와 수액기에 바이패스도관을 연결하여 제 1 및 제 2 응축기를 설치한 응축수단과; 상기 제 1 응축기와 열교환 관계를 유지하는 열매체 가열 열교환기와, 가열 열교환기 및 예열 열교환기를 순환도관으로 연결한 난방용 열매체 가열회로와; 상기 예열 열교환기를 내장하고 상기 제 2 응축기에 온수 순환관으로 연결한 저탕조와; 상기 가열 열교환기의 주위에 가열조를 형성하여 이용측 열교환기를 순환도관을 연결한 방열수단으로 구성한 히트 펌프 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 제 2 응축기는 적어도 1개 이상인 히트 펌프 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 2 응축기의 냉매와 급탕용 온수는 대향류인 히트 펌프 시스템.