KR100517266B1 - 폐열 회수식 열 펌프 - Google Patents

Abstract

폐열 회수식 열 펌프에 있어서, 냉각수 속의 엔진 폐열의 회수를 높은 열교환 효율로 항상 행할 수 있도록 한다.

냉매 관로(19)는 연소 기관(A)에 의해 구동되는 압축기(11)와 제1 및 제2 열교환기(12, 13)와 제1 팽창 밸브(16)를 직렬 접속하고, 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a)과 제2 팽창 밸브(17)를 제2 열교환기(13)에 병렬 접속한다. 냉각수 관로(27)는 냉각수 펌프(24)와 연소 기관의 냉각 재킷과 방열기(21)를 직렬 접속하고, 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실(14b)을 방열기에 병렬 접속한다. 냉각수 관로에는 냉각수의 온도가 상승되면 냉각수 펌프의 연통처를 냉각수 작동실로부터 방열기로 절환하는 서모스탯 밸브(22)를 설치하고, 또한 냉각수 펌프가 방열기에만 연통되어 있는 상태라도 냉각수 작동실에 냉각수의 일부를 유통시키는 바이패스 관로 저항 부재(25)를 설치한다.

Description

폐열 회수식 열 펌프{Waste Heat Recovery Type Heat Pump}

본 발명은, 예를 들어 가스 엔진에 의해 구동되는 열 펌프 장치를 이용한 에어 컨디셔너 등에 사용되는 폐열 회수식 열 펌프에 관한 것이다.

종래의 폐열 회수식 열 펌프에는, 가스 엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기와, 내부가 냉매 작동실과 냉각수 작동실로 구획된 냉각수 - 냉매 열교환기와, 압축기와 실내 열교환기와 팽창 밸브와 실외 열교환기를 직렬 접속하는 동시에 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실을 실외 열교환기에 대해 병렬로 접속하여 냉매를 순환시키는 냉매 관로와, 가스 엔진의 냉각 재킷과 방열기와 냉각수 펌프를 직렬 접속하는 동시에 방열기에 대해 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실을 병렬로 접속하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 관로를 구비하여 이루어지고, 냉각수 관로에는 제어 장치에 의해 작동되는 절환 밸브를 설치하여 저온시에는 냉각수를 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실에 통과시키고, 온도가 상승되면 방열기에 통과시키도록 절환하고, 또한 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실보다 하류측에서 압축기의 흡입구 사이에 설치한 제어 밸브를 개폐함으로써 냉매 작동실로의 냉매의 유입을 제어하는 동시에 기화된 냉매 가스는 압축기의 토출 통로로 복귀시키도록 한 것이 있다(예를 들어 일본 특허 제2836154호 공보의 도1 참조).

또한 종래의 폐열 회수식 열 펌프에는, 온도에 따라서 냉각수를 냉각수 작동실과 방열기로 절환하는 데, 제어 장치에 의해 작동되는 절환 밸브 대신에 서모스탯 밸브를 사용한 것도 있다(일본 특허 제2836154호 공보의 도3 및 도4 참조).

[특허 문헌 1]

일본 특허 제2836154호 공보(명세서의 발명의 상세한 설명, 도1, 도3, 도4)

그러나, 전술한 제1 종래 기술에서는 온도에 따라서 냉각수를 냉각수 작동실과 방열기로 절환하는 데 제어 장치에 의해 작동되는 절환 밸브를 사용하고 있으므로, 구조가 복잡하고 고가인 전동 제어 밸브를 필요로 하여, 제어도 복잡하게 되는 문제가 있다. 또한, 냉매 작동실로의 냉매 유입의 제어를 냉매 작동실보다 하류측에 설치한 제어 밸브의 개폐에 의해 제어하고 있으므로, 냉매 작동실을 흐르는 냉매량을 냉각수 작동실을 흐르는 냉각수의 온도에 따라서 임의로 제어할 수 없고, 또한 기화된 냉매 가스를 압력이 높은 압축기의 토출 통로로 복귀시키고 있으므로, 냉매액의 기화 온도가 높아져 열교환의 효율이 악화된다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하는 수단으로서, 전술한 제2 종래 기술에 기재된 바와 같이, 온도에 따라서 냉각수를 냉각수 작동실과 방열기로 절환하는 데, 제어 장치에 의해 작동되는 절환 밸브 대신에 서모스탯 밸브를 사용하고, 또한 냉각되어 응축된 냉매액을 전자 팽창 밸브로 팽창시켜 열교환기로 송입하여 기화시키는 이미 알려진 기술과 같이, 냉매 작동실을 통과하는 냉매 유량의 제어를 냉매 작동실의 상류측에 설치한 전자 팽창 밸브에 의해 행하는 것을 생각할 수 있다.

그러나 그와 같은 수단만으로는, 냉각수가 고온으로 방열기측으로만 냉각수가 흐르고, 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실측으로는 냉각수가 흐르지 않는 상태에서는 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실로 전자 팽창 밸브를 거쳐서 냉매를 흐르게 하더라도 냉각수가 냉매에 의해 냉각되는 일은 없으므로, 냉각수 속의 엔진 폐열을 냉매를 거쳐서 회수할 수 없다는 문제가 있다. 또한 서모스탯 밸브의 작동에는 어느 정도의 시간적인 차이를 수반하기 때문에, 냉각수 작동실측으로 냉각수가 흐르게 되더라도 냉각수 속의 엔진 폐열을 냉매를 거쳐서 회수할 수 있게 되기까지 다소 시간이 걸리게 되는 문제도 있다. 본 발명은 이러한 각 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

이로 인해, 본 발명에 의한 폐열 회수식 열 펌프는 연소 기관에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기와, 내부가 전열벽에 의해 냉매 작동실과 냉각수 작동실로 구획된 냉각수 - 냉매 열교환기와, 압축기와 제1 열교환기와 제1 팽창 밸브와 제2 열교환기를 직렬 접속하는 동시에 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실을 제2 열교환기에 대해 병렬로 접속하여 냉매를 순환시키는 냉매 관로와, 냉각수 펌프와 연소 기관의 냉각 재킷과 방열기를 직렬 접속하는 동시에 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실을 방열기에 대해 병렬로 접속하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 관로를 구비하여 이루어지는 폐열 회수식 열 펌프에 있어서, 냉매 작동실은 일단부를 교축 개방도가 조절 가능한 제2 팽창 밸브를 거쳐서 제2 열교환기와 제1 팽창 밸브 사이에 접속하는 동시에 타단부는 압축기의 흡입구에 접속하고, 냉각수 관로에는 통과하는 냉각수의 온도가 상승되면 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 냉각수 작동실에 연통되는 통로로부터 방열기에 연통되는 통로로 절환하는 서모스탯 밸브를 설치하고, 냉각수 관로에는 서모스탯 밸브가 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 방열기에 연통되는 통로에만 절환 연통하고 있는 상태에 있어서도 냉각수 작동실에 냉각수의 일부를 유통시키는 바이패스 관로 저항 부재를 더 설치한 것을 특징으로 하는 것이다(청구항 1).

청구항 1에 기재된 폐열 회수식 열 펌프의 서모스탯 밸브는 냉각수 작동실과 방열기와 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부에 설치하고, 바이패스 관로 저항 부재는 서모스탯 밸브로부터 냉각수 작동실로 연장되는 관로와 서모스탯 밸브로부터 냉각수 펌프를 향해 연장되는 관로 사이에 설치하는 것이 바람직하다(청구항 2).

청구항 1에 기재된 폐열 회수식 열 펌프의 서모스탯 밸브는 냉각수 작동실과 방열기와 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부 중 하류측이 되는 쪽에 설치하고, 접속부 중 상류측이 되는 쪽과 방열기 사이에는 관로 저항 부재를 설치하고, 바이패스 관로 저항 부재는 방열기와 관로 저항 부재의 중간부와 냉각수 작동실과 서모스탯 밸브의 중간부를 연통하도록 설치하는 것이 바람직하다(청구항 3).

청구항 1 내지 3에 기재된 폐열 회수식 열 펌프의 냉각수 관로에는, 연소 기관의 배기로부터의 폐열을 회수하는 배기 열교환기를 설치하는 것이 바람직하다(청구항 4).

청구항 1 내지 3에 기재된 폐열 회수식 열 펌프의 냉매 관로에는, 압축기의 토출구를 제1 열교환기와 제2 열교환기에 선택적으로 접속하는 동시에 압축기의 흡입구를 제2 열교환기와 제1 열교환기에 선택적으로 접속하는 사방 절환 밸브를 설치하는 것이 바람직하다(청구항 5).

우선, 본 발명에 의한 폐열 회수식 열 펌프의 제1 실시 형태를, 도1에 의해 설명한다. 본 제1 실시 형태에 의한 폐열 회수식 열 펌프는, 본 발명을 에어 컨디셔너에 적용한 것으로, 가스 엔진(연소 기관)(A)을 동력원으로 하는 냉매 회로(10)와, 가스 엔진(A)을 냉각하는 냉각 회로(20)에 의해 구성되어 있다. 냉각수 - 냉매 열교환기(14)는 이 양 회로(10, 20)의 일부를 구성하고 있고, 그 내부는 전열벽(14c)에 의해 냉매 작동실(14a)과 냉각수 작동실(14b)로 구획되어 있다. 전열벽(14c)은 얇은 판재 및 관재 또는 이들의 조합에 의해 구성되어 있다.

냉매 회로(10)는, 도1에 도시한 바와 같이 도시 가스나 프로판 가스를 연료로 하는 가스 엔진(A)에 의해 구동되는 압축기(11), 실내 열교환기(제1 열교환기)(12), 실외 열교환기(제2 열교환기)(13), 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a), 어큐뮬레이터(15), 제1 전자 팽창 밸브(제1 팽창 밸브)(16), 제2 전자 팽창 밸브(제2 팽창 밸브)(17), 사방 절환 밸브(18) 및 이들을 서로 접속하는 냉매 관로(19)에 의해 구성되어 있다.

사방 절환 밸브(18)는, 도1에 도시한 바와 같이 제1 포트(18a)가 제2 포트(18b)와 제3 포트(18d)에 선택적으로 접속되고, 제4 포트(18d)가 제3 포트(18c)와 제2 포트(18b)에 선택적으로 접속되는 것으로, 그 한 쪽의 접속 상태는 실선으로 나타내고, 다른 쪽의 접속 상태는 파선으로 나타내고 있다. 실선으로 나타낸 상태는 실내 열교환기(12)에서 방열하고 실외 열교환기(13)에서 흡열하는 난방 상태를 나타내고, 파선으로 나타낸 상태는 실외 열교환기(13)에서 방열하고 실내 열교환기(12)에서 흡열하는 냉방 상태를 나타낸다.

냉매 관로(19)는, 도1에 도시한 바와 같이 사방 절환 밸브(18)의 제1 포트(18a)와 제4 포트(18d)를 각각 압축기(11)의 토출구(11a)와 어큐뮬레이터(15)의 유입구(15b)에 접속하고, 압축기(11)의 흡입구(11b)와 어큐뮬레이터(15)의 유출구(15a)를 접속하고 있다. 또한 냉매 관로(19)는, 실내 열교환기(12)와 제1 전자 팽창 밸브(16)와 실외 열교환기(13)를 이 순서로 직렬 접속하여, 이 직렬 접속한 것의 양단부를 사방 절환 밸브(18)의 제2 포트(18b)와 제3 포트(18c)에 접속하고 있다. 또한 냉매 관로(19)는, 냉매 작동실(14a)의 일단부를 교축 개방도가 조절 가능한 제2 전자 팽창 밸브(17)를 거쳐서 실외 열교환기(13)와 제1 전자 팽창 밸브(16)의 중간부에 접속하고, 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a)의 타단부를 사방 절환 밸브(18)의 제4 포트(18d)와 어큐뮬레이터(15)의 유입구(15b)의 중간부에 접속하고 있다.

이에 의해, 압축기(11)와 실내 열교환기(12)와 제1 전자 팽창 밸브(16)와 실외 열교환기(13)와 어큐뮬레이터(15)는 사방 절환 밸브(18)를 거쳐서 직렬 접속되어 냉매가 순환되고, 또한 직렬 접속된 냉매 작동실(14a)과 제2 전자 팽창 밸브(17)는 실외 열교환기(13)에 대해 병렬로 접속되어 냉매가 순환된다.

냉각 회로(20)는, 도1에 도시한 바와 같이 가스 엔진(A)의 실린더부 외주를 둘러싸도록 형성한 냉각 재킷, 방열기(21), 서모스탯 밸브(22), 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉각수 작동실(14b), 냉각수 펌프(24), 바이패스 오리피스(바이패스 관로 저항 부재)(25) 및 이들을 서로 접속하는 냉각수 관로(27)에 의해 구성되어 있다.

냉각수 관로(27)는 냉각수 펌프(24)와 배기 열교환기(23)와 가스 엔진(A)의 냉각 재킷과 방열기(21)를 직렬 접속하는 동시에 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉각수 작동실(14b)을 방열기(21)에 대해 병렬로 접속하여 냉각수를 순환시키는 것이며, 또한 냉각수 작동실(14b)로부터 하류로 연장되는 관로와 방열기(21)로부터 하류로 연장되는 관로와 냉각수 펌프(24)에 연통되는 관로가 서로 접속되는 부분에는 서모스탯 밸브(22)가 설치되어 있다. 서모스탯 밸브(22)는 내부에 왁스 등을 이용한 열응동 부재를 구비하고 있고, 열응동 부재의 온도가 제1 온도에 도달하기까지는 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 하여 방열기(21)에 연통되는 통로를 폐쇄하고, 열응동 부재의 온도가 제1 온도보다도 높은 제2 온도를 초과하면 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄하여 방열기(21)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 하는 것이다. 따라서 서모스탯 밸브(22)는 통과하는 냉각수의 온도가 상승되면 냉각수 펌프(24)에 연통되는 통로를 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로로부터 방열기(21)에 연통되는 통로로 절환하도록 작동하는 것이다. 서모스탯 밸브(22)로부터 냉각수 작동실(14b)을 향해 연장되는 관로와 냉각수 펌프(24)를 향해 연장되는 관로 사이에는, 서모스탯 밸브(22)와 병렬로 바이패스 오리피스(25)가 설치되어 있다.

다음에 상술한 제1 실시 형태의 작동 설명을 한다. 우선, 냉각 회로(20)의 작동 설명을 한다. 가스 엔진(A)이 작동되면, 냉각수 펌프(24)가 작동되어 냉각수는 냉각수 관로(27)를 순환한다. 작동 개시시 또는 가스 엔진(A)의 부하가 적어 순환하는 냉각수의 온도가 낮은 상태에서는 서모스탯 밸브(22)는 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 하여 방열기(21)에 연통되는 통로를 폐쇄하고 있으므로, 가스 엔진(A)의 냉각 재킷으로부터의 냉각수는 모두 냉각수 작동실(14b)을 통해 흐르고, 방열기(21)로는 흐르지 않는다.

냉각수 관로(27)를 순환하는 냉각수는, 가스 엔진(A)의 폐열을 냉각 재킷에 있어서 가스 엔진(A)의 실린더로부터, 또한 배기 열교환기(23)에 있어서 배기 통로로부터 흡수하여 온도가 상승되고, 그 온도가 제1 온도를 초과하면, 서모스탯 밸브(22)는 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 교축하는 동시에 방열기(21)에 연통되는 통로를 개방하기 때문에, 냉각 재킷으로부터의 냉각수량의 일부는 냉각수 - 냉매 열교환기(14)보다도 냉각 능력이 큰 방열기(21)를 통과하게 되어, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수량은 감소한다. 순환하는 냉각수의 온도가 제1 온도보다 높은 제2 온도를 초과하면, 서모스탯 밸브(22)는 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄하여 방열기(21)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 하기 때문에, 방열기(21)를 통과하는 유량은 최대가 되지만, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 유량은 서모스탯 밸브(22)와 병렬로 설치한 바이패스 오리피스(25)에 의해 일정 값 이하가 되는 일은 없다.

다음에 냉매 회로(10)의 작동 설명을 한다. 우선, 사방 절환 밸브(18)가 실선으로 나타내는 상태로 되어 있는 난방 상태의 설명을 한다. 가스 엔진(A)에 의해 구동되는 압축기(11)에 어큐뮬레이터(15)로부터 흡입된 냉매 가스는 압축되어 고온 고압의 냉매 가스가 되어, 사방 절환 밸브(18)를 통해 실내 열교환기(12)로 송입되고, 여기서 냉매 가스는 실내의 공기에 열을 부여함으로써 난방 작용을 행하고, 자신은 냉각되고 응축되어 냉매액이 된다. 이 냉매액은 제1 전자 팽창 밸브(16)에 의해 감압되어 실외 열교환기(13)로 유도되어 기화되고, 외기로부터 기화의 잠열을 빼앗아 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스가 되어, 사방 절환 밸브(18)를 통해 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다. 어큐뮬레이터(15)에서 냉매 가스는 냉매액으로 분리되어 다시 압축기(11)로 흡입되고, 이 사이클을 반복함으로써 난방이 이루어진다.

또한 제1 전자 팽창 밸브(16)에 의해 감압된 냉매액의 일부는 제2 전자 팽창 밸브(17)를 통해 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a) 내로 들어가고, 여기서 기화되어 가스 엔진(A)에 의해 가열되고 온도가 상승되어 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수로부터 기화의 잠열을 빼앗아 이를 냉각하고, 자신은 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스가 되어 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다. 냉매 작동실(14a)을 통과하는 냉매의 유량은, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수의 온도가 소정의 값이 되도록 제어 장치에 의해 교축 개방도가 조절되는 제2 전자 팽창 밸브(17)에 의해 제어된다.

이와 같이 냉매는 실외 열교환기(13)에 있어서 외기로부터 열량을 얻을 뿐만 아니라, 냉각수 - 냉매 열교환기(14)에 있어서도 가스 엔진(A)에 의해 가열된 냉각수로부터 엔진 폐열을 회수하고, 이들에 의해 얻은 열량도 실내 열교환기(12)에 있어서 방출하기 때문에, 이 에어 컨디셔너는 난방 능력이 향상된다.

냉매 작동실(14a)을 통과하는 냉매의 유량은, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수의 온도가 소정의 값이 되도록 교축 개방도가 조절 가능한 제2 전자 팽창 밸브(17)에 의해 임의로 제어되고, 또한 냉매 작동실(14a) 내는 저압의 어큐뮬레이터(15) 내에 연통되어 냉매 작동실(14a) 내의 냉매액의 기화 온도가 저하되므로, 열교환의 효율을 높일 수 있다.

또한, 냉각 회로(20)를 순환하는 냉각수의 온도가 제2 온도 이상이 되어 서모스탯 밸브(22)가 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 완전 폐쇄로 하고 방열기(21)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 한 상태라도, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수의 유량은 서모스탯 밸브(22)와 병렬로 설치한 바이패스 오리피스(25)에 의해 일정 값 이하가 되는 일은 없으므로, 냉매 작동실(14a)을 통과하는 냉매는 이 냉각수 속의 엔진 폐열을 회수하여 난방 능력을 향상시킬 수 있다.

또한, 온도에 따라서 냉각수의 유로를 냉각수 작동실(14b)과 방열기(21)로 절환하는 데 구조가 간단하면서 저렴한 서모스탯 밸브(22)를 사용하였으므로, 제조 비용을 저하시킬 수 있는 동시에 제어도 간략화된다. 서모스탯 밸브의 작동에는 시간적인 차이가 수반되지만, 냉각수 작동실(14b)에는 항상 냉각수가 흐르고 있으므로, 이러한 시간적인 차이에 의해 냉각수 속의 엔진 폐열을 냉매를 거쳐서 회수할 수 있게 되기까지 다소 시간이 걸리게 되는 일도 없어진다.

다음에, 사방 절환 밸브(18)가 파선으로 나타내는 상태로 되어 있는 냉방 상태에서는 어큐뮬레이터(15)로부터 압축기(11)로 흡입되고 압축되어 고온 고압이 된 냉매 가스는, 사방 절환 밸브(18)를 통해 실외 열교환기(13)로 송입되고, 여기서 외기에 의해 냉각되고 응축되어 냉매액이 된다. 이 냉매액은 제1 전자 팽창 밸브(16)에 의해 감압되어 실내 열교환기(12)에 유도되어 기화되고, 이 기화에 필요한 잠열을 실내의 공기로부터 빼앗아 냉방 작용을 행한다. 그리고 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스는 사방 절환 밸브(18)를 통해 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다. 이 냉방의 경우도, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수의 온도가 높을 때는, 실외 열교환기(13)와 제1 전자 팽창 밸브(16)의 중간부에 있는 냉매액은, 전술한 바와 같이 교축 개방도가 조절되는 제2 전자 팽창 밸브(17)를 통해 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a) 내로 도입되고, 여기서 기화되어 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수로부터 기화의 잠열을 빼앗아 이를 냉각하고, 자신은 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스가 되어 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다.

본 제1 실시 형태에서는, 바이패스 오리피스(25)는 서모스탯 밸브(22)로부터 냉각수 작동실(14b)로 연장되는 관로와 냉각수 펌프(24)를 향해 연장되는 관로 사이에, 서모스탯 밸브(22)와 병렬이 되도록 바이패스 오리피스(25)가 설치되어 있으므로, 바이패스 관로 저항 부재(25)의 설치는 매우 용이하다.

또 바이패스 오리피스(바이패스 관로 저항 부재)(25)는, 상술한 제1 실시 형태와 같이 서모스탯 밸브(22)의 외부에 설치해도 좋고, 서모스탯 밸브(22)의 케이싱의 일부에 형성해도 좋다. 서모스탯 밸브(22)의 외부에 설치하는 경우는, 오리피스 대신에 모세관으로 해도 좋다. 또한 서모스탯 밸브(22) 및 바이패스 오리피스(25)는, 상술한 제1 실시 형태와 같이 냉각수 작동실(14b)이 설치되는 관로와 방열기(21)가 설치되는 관로의 접속부 중 하류측이 되는 쪽에 설치하는 대신에, 상류측이 되는 쪽에 설치해도 좋다.

다음에 도2에 도시한 제2 실시 형태의 설명을 한다. 본 제2 실시 형태에 의한 폐열 회수식 열 펌프도, 가스 엔진(A)을 동력원으로 하는 냉매 회로(1O)와, 가스 엔진(A)을 냉각하는 냉각 회로(20A)에 의해 구성되어 있다. 본 제2 실시 형태는, 냉각 회로(20A)의 일부가 제1 실시 형태와 다를 뿐이며, 그 밖의 구성은 동일하므로, 주로 이 차이점에 대해 설명하고, 그 밖의 구성은 설명을 생략한다.

냉각 회로(20A)는, 도2에 도시한 바와 같이 가스 엔진(A)의 실린더부 외주를 둘러싸도록 형성한 냉각 재킷, 방열기(21), 서모스탯 밸브(22), 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉각수 작동실(14b), 냉각수 펌프(24), 바이패스 오리피스(바이패스 관로 저항 부재)(25A), 오리피스(관로 저항 부재)(26) 및 이들을 접속하는 냉각수 관로(27)에 의해 구성되어 있다. 이 냉각 회로(20A)는 오리피스(26)가 추가되어, 바이패스 오리피스(25A)의 위치가 바이패스 오리피스(25)와 다른 점을 제외하고, 제1 실시 형태의 냉각 회로(20)와 동일하다.

본 제2 실시 형태의 오리피스(26)는 냉각수 작동실(14b)로부터 상류로 연장되는 관로와 방열기(21)로부터 상류로 연장되는 관로와 가스 엔진(A)의 냉각 재킷에 연통되는 관로의 접속부와 방열기(21) 사이에 설치되어 있다. 또한 제1 실시 형태의 바이패스 오리피스(25) 대신에 설치되는 바이패스 오리피스(25A)는, 방열기(21)와 오리피스(26)의 중간부와 냉각수 작동실(14b)과 서모스탯 밸브(22)(제1 실시 형태와 동일한 위치)의 중간부 사이에 설치되어 있다. 이 이외의 구성은 제1 실시 형태와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

다음에 상술한 제2 실시 형태의 작동 설명을 한다. 우선, 냉각 회로(20)의 작동 설명을 한다. 가스 엔진(A)이 작동되면, 냉각수 펌프(24)가 작동되어 냉각수는 냉각수 관로(27)를 순환한다. 제1 실시 형태와 같이 냉각수의 온도가 낮은 상태에서는 가스 엔진(A)의 냉각 재킷으로부터의 냉각수는 전부 냉각수 작동실(14b)을 통해 흐르고, 방열기(21)로는 흐르지 않는다. 냉각수의 온도가 상승되어 제1 온도(전술함)를 초과하면, 제1 실시 형태와 같이 냉각 재킷으로부터의 냉각수량의 일부는 냉각수 - 냉매 열교환기(14)보다도 냉각 능력이 큰 방열기(21)를 통과하게 되어, 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수량은 감소한다. 순환하는 냉각수의 온도가 제2 온도를 초과하면, 서모스탯 밸브(22)는 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄하여 방열기(21)에 연통되는 통로를 완전 개방으로 하기 때문에, 방열기(21)를 통과하는 유량은 최대가 되지만, 방열기(21)로 유입하는 유량은 오리피스(26)와 바이패스 오리피스(25A)의 유통 저항의 비율에 의해 분할되고, 냉각수 작동실(14b)에는 바이패스 오리피스(25A)를 통과하는 냉각수가 통과하므로, 일정 값 이하가 되는 일은 없다. 이 상태에서는 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수도 바이패스 오리피스(25A)로부터 방열기(21)로 유입하기 때문에, 방열기(21)에는 냉각수의 전체량이 통과한다.

다음에 냉매 회로(10)의 작동 설명을 한다. 사방 절환 밸브(18)가 실선으로 나타내는 상태로 되어 있는 난방 상태에서는 제1 실시 형태의 경우와 같이 압축기(11)로 흡입된 냉매 가스는 압축되어 고온 고압의 냉매 가스가 되어, 사방 절환 밸브(18)를 통해 실내 열교환기(12)로 송입되고, 여기서 냉매 가스는 실내의 공기에 열을 부여함으로써 난방 작용을 행하고, 자신은 냉각되고 응축되어 냉매액이 된다. 이 냉매액은 제1 전자 팽창 밸브(16)에 의해 감압되어 실외 열교환기(13)로 유도되어 기화되고, 외기로부터 기화의 잠열을 빼앗아 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스가 되어, 사방 절환 밸브(18)를 통해 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다.

또한, 제1 전자 팽창 밸브(16)에 의해 감압된 냉매액의 일부는, 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로 제어되는 제2 전자 팽창 밸브(17)를 통해 냉각수 - 냉매 열교환기(14)의 냉매 작동실(14a) 내로 들어가, 여기서 기화되어 냉각수 작동실(14b)을 통과하는 냉각수로부터 기화의 잠열을 빼앗아 냉매액이 일부 혼재된 냉매 가스가 되어, 어큐뮬레이터(15)로 복귀된다. 또, 사방 절환 밸브(18)가 파선으로 나타내는 상태로 되어 있는 냉방 상태에 있어서의 작용도, 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

따라서 제1 실시 형태의 경우와 같이 엔진 폐열의 회수에 의해 난방 능력이 향상되는 것과, 열교환의 효율을 높일 수 있는 것과, 서모스탯 밸브(22)를 사용하기 때문에 제조 비용을 저하시킬 수 있는 동시에 제어도 간략화되는 것과, 서모스탯 밸브(22)가 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄한 상태라도 엔진 폐열의 회수를 할 수 있는 등의 각 효과를 얻을 수 있다. 또한 제1 실시 형태에서는, 냉각수의 온도가 상승되어 서모스탯 밸브(22)가 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄한 경우에는, 방열기(21)를 통과하는 냉각수량은 바이패스 관로 저항 부재(25)를 통과하는 냉각수량분 만큼 전체 냉각수량보다 감소하기 때문에 방열기(21)의 능력을 완전히 발휘할 수 없지만, 제2 실시 형태에 따르면 서모스탯 밸브(22)가 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로를 폐쇄한 상태라도 방열기(21)에는 냉각수의 전체량이 통과되므로, 방열기(21)의 능력을 완전히 발휘시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

상술한 각 실시 형태에서는 통과하는 냉각수의 온도가 상승되면 냉각수 펌프(24)에 연통되는 통로를 냉각수 작동실(14b)에 연통되는 통로로부터 방열기(21)에 연통되는 통로로 절환하는 서모스탯 밸브(22)는, 일체적인 것으로서 냉각수 작동실(14b)과 방열기(21)와 냉각수 펌프(24)가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부에 설치하였지만, 본 발명은 서모스탯 밸브(22)를 이 3개의 관로의 접속부보다도 냉각수 작동실(14b) 및 방열기(21)측이 되는 각 관로에 설치되어 온도 상승에 대한 개폐 특성이 역방향의 1쌍의 서모스탯 밸브에 의해 구성하도록 하여 실시해도 좋다.

또 상술한 각 실시 형태에서는 압축기(11)의 토출구(11a)를 제1 열교환기(12)와 제2 열교환기(13)에 선택적으로 접속하는 동시에 압축기(11)의 흡입구(11b)를 제2 열교환기(13)와 제1 열교환기(12)에 선택적으로 접속하는 사방 절환 밸브(18)를 냉매 관로(19)에 설치하고 있고, 이와 같이 하면 실내 열교환기(12)와 실외 열교환기(13)의 흡열 및 방열 작용을 절환할 수 있으므로, 냉난방을 행하는 에어 컨디셔너에 적용할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 각 열교환기의 흡열 및 방열 작용이 정해져 있는 폐열 회수식 열 펌프에 적용하는 것도 가능하다.

또한 상술한 각 실시 형태에서는 압축기(11)를 구동하는 엔진으로서 가스 엔진(11)을 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 가솔린 엔진, 디젤 엔진 등의 임의의 연소 기관을 이용하여 실시해도 좋다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 냉매 작동실은 일단부를 교축 개방도가 조절 가능한 제2 팽창 밸브를 거쳐서 제2 열교환기와 제1 팽창 밸브 사이에 접속하는 동시에 타단부는 압축기의 흡입구에 접속하고, 냉각수 관로에는 통과하는 냉각수의 온도가 상승되면 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 냉각수 작동실에 연통되는 통로로부터 방열기에 연통되는 통로로 절환하는 서모스탯 밸브를 설치하고, 냉각수 관로에는 서모스탯 밸브가 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 방열기에 연통되는 통로에만 절환 연통하고 있는 상태에 있어서도 냉각수 작동실에 냉각수의 일부를 유통시키는 바이패스 관로 저항 부재를 더 설치하고 있고, 이에 따르면 교축 개방도가 조절 가능한 제2 팽창 밸브를 거쳐서 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실에 공급되는 응축된 냉매량을 임의로 제어할 수 있는 동시에 냉매 작동실 내의 냉매액의 기화 온도를 저하시켜 열교환의 효율을 높이고, 온도에 따라서 냉각수를 냉각수 작동실과 방열기로 절환하는 데 구조가 간단하면서 저렴한 서모스탯 밸브를 사용하였으므로 제조 비용을 저하시킬 수 있는 동시에 제어도 간략화되는 데다가, 서모스탯 밸브가 냉각수 펌프를 방열기측에만 연통하고 있는 상태라도, 냉각수 작동실에는 바이패스 관로 저항 부재를 거쳐서 냉각수의 일부가 유통되므로 이 냉각수 속의 열량은 냉매 작동실을 통과하는 냉매에 의해 회수되고, 이에 의해 냉각수 속의 엔진 폐열의 회수를 항상 행할 수 있다.

서모스탯 밸브는 냉각수 작동실과 방열기와 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부에 설치하고, 바이패스 관로 저항 부재는 서모스탯 밸브로부터 냉각수 작동실로 연장되는 관로와 서모스탯 밸브로부터 냉각수 펌프를 향해 연장되는 관로 사이에 설치한 폐열 회수식 열 펌프에 따르면, 바이패스 관로 저항 부재의 설치가 매우 용이해진다.

서모스탯 밸브는 냉각수 작동실과 방열기와 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부 중 하류측이 되는 쪽에 설치하고, 접속부 중 상류측이 되는 쪽과 방열기 사이에는 관로 저항 부재를 설치하고, 바이패스 관로 저항 부재는 방열기와 관로 저항 부재의 중간부와 냉각수 작동실과 서모스탯 밸브의 중간부를 연통하도록 설치한 폐열 회수식 열 펌프에 따르면, 냉각수 펌프가 서모스탯 밸브에 의해 냉각수 작동실측에 접속된 상태에 있어서도 방열기에는 냉각수의 전체량이 통과되므로, 방열기의 능력을 완전히 발휘시킬 수 있다.

냉각수 관로에 연소 기관의 배기로부터의 폐열을 회수하는 배기 열교환기를 설치한 폐열 회수식 열 펌프에 따르면, 엔진 폐열의 회수 효율을 한층 향상시킬 수 있다.

냉매 관로에 압축기의 토출구를 제1 열교환기와 제2 열교환기에 선택적으로 접속하는 동시에 압축기의 흡입구를 제2 열교환기와 제1 열교환기에 선택적으로 접속하는 사방 절환 밸브를 설치한 폐열 회수식 열 펌프에 따르면, 사방 절환 밸브에 의해 제1 열교환기와 제2 열교환기의 흡열 및 방열 작용을 절환할 수 있으므로, 이 폐열 회수식 열 펌프를 냉난방을 행하는 에어 컨디셔너 등에 사용할 수 있다.

도1은 본 발명에 의한 폐열 회수식 열 펌프의 제1 실시 형태의 전체 구성을 도시하는 설명도.

도2는 본 발명에 의한 폐열 회수식 열 펌프의 제2 실시 형태의 전체 구성을 도시하는 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 압축기

11a : 토출구

11b : 흡입구

12 : 제1 열교환기(실내 열교환기)

13 : 제2 열교환기(실외 열교환기)

14 : 냉각수 - 냉매 열교환기

14a : 냉매 작동실

14b : 냉각수 작동실

14c : 전열벽

16 : 제1 팽창 밸브(제1 전자 팽창 밸브)

17 : 제2 팽창 밸브(제2 전자 팽창 밸브)

18 : 사방 절환 밸브

19 : 냉매 관로

21 : 방열기

22 : 서모스탯 밸브

23 : 배기 열교환기

24 : 냉각수 펌프

25, 25A : 바이패스 관로 저항 부재(바이패스 오리피스)

26 : 관로 저항 부재(오리피스)

27, 27A : 냉각수 관로

A : 연소 기관(가스 엔진)

Claims (5)

1. 연소 기관에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기와, 내부가 전열벽에 의해 냉매 작동실과 냉각수 작동실로 구획된 냉각수 - 냉매 열교환기와, 상기 압축기와 제1 열교환기와 제1 팽창 밸브와 제2 열교환기를 직렬 접속하는 동시에 상기 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉매 작동실을 상기 제2 열교환기에 대해 병렬로 접속하여 냉매를 순환시키는 냉매 관로와, 냉각수 펌프와 상기 연소 기관의 냉각 재킷과 방열기를 직렬 접속하는 동시에 상기 냉각수 - 냉매 열교환기의 냉각수 작동실을 상기 방열기에 대해 병렬로 접속하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 관로를 구비하여 이루어지는 폐열 회수식 열 펌프에 있어서,

   상기 냉매 작동실은 일단부를 교축 개방도가 조절 가능한 제2 팽창 밸브를 거쳐서 상기 제2 열교환기와 제1 팽창 밸브 사이에 접속하는 동시에 타단부는 상기 압축기의 흡입구에 접속하고, 상기 냉각수 관로에는 통과하는 냉각수의 온도가 상승되면 상기 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 상기 냉각수 작동실에 연통되는 통로로부터 상기 방열기에 연통되는 통로로 절환하는 서모스탯 밸브를 설치하고, 상기 냉각수 관로에는 상기 서모스탯 밸브가 상기 냉각수 펌프에 연통되는 통로를 상기 방열기에 연통되는 통로에만 절환 연통하고 있는 상태에 있어서도 상기 냉각수 작동실에 냉각수의 일부를 유통시키는 바이패스 관로 저항 부재를 더 설치한 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 열 펌프.
2. 제1항에 있어서, 상기 서모스탯 밸브는 상기 냉각수 작동실과 상기 방열기와 상기 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부에 설치하고, 상기 바이패스 관로 저항 부재는 상기 서모스탯 밸브로부터 상기 냉각수 작동실로 연장되는 관로와 상기 서모스탯 밸브로부터 상기 냉각수 펌프를 향해 연장되는 관로 사이에 설치한 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 열 펌프.
3. 제1항에 있어서, 상기 서모스탯 밸브는 상기 냉각수 작동실과 상기 방열기와 상기 냉각수 펌프가 각각 설치되는 3개의 관로의 접속부 중 하류측이 되는 쪽에 설치하고, 상기 접속부 중 상류측이 되는 쪽과 상기 방열기 사이에는 관로 저항 부재를 설치하고, 상기 바이패스 관로 저항 부재는 상기 방열기와 관로 저항 부재의 중간부와 상기 냉각수 작동실과 서모스탯 밸브의 중간부를 연통하도록 설치한 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 열 펌프.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각수 관로에는 상기 연소 기관의 배기로부터의 폐열을 회수하는 배기 열교환기를 설치한 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 열 펌프.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 관로에는 상기 압축기의 토출구를 상기 제1 열교환기와 제2 열교환기에 선택적으로 접속하는 동시에 상기 압축기의 흡입구를 상기 제2 열교환기와 제1 열교환기에 선택적으로 접속하는 사방 절환 밸브를 설치한 것을 특징으로 하는 폐열 회수식 열 펌프.