KR100556200B1

KR100556200B1 - 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치

Info

Publication number: KR100556200B1
Application number: KR1020050114590A
Authority: KR
Inventors: 윤정열
Original assignee: (주)유일멀티하이테크
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2006-03-03

Abstract

본 발명은 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치에 관한 것으로, 기본 증발기를 통한 공냉 방식으로 열원을 흡수함은 물론, 일측에 폐수열탱크를 병설하여 수냉 방식의 열원을 동시에 흡수하여 열효율을 높이고, 인버터를 이용하여 응축기와 증발기의 냉매 압력과 온도를 유기적으로 조율함으로써 장치의 원할한 흐름을 제공하며, 특히 액열기(판상열교환기) 일측에 장치의 상태나 계절에 따른 외기온도에 대응하며 개폐되도록 제3바이패스도관을 형성하여 최적의 열효율상태를 유지할 수 있는 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 압축기(110), 응축기(120), 액열기(130), 제1전자변(140)과, 제1팽창밸브(150)와, 증발기(160)를 도관(170a,170b,170c,170d)을 이용하여 순서대로 연결한 히트펌프(100)와; 상기 응축기(120)에 병열로 부설되어 외부급수조(220)에서 공급된 물을 가열하여 온수탱크(230)로 공급하도록 형성된 폐회로(200)와; 상기 히트펌프(100)의 도관 중 일 도관(170c)에 병열로 형성되어 일측에 제2전자변(310)과 제2팽창밸브(320), 폐수열탱크(330)가 차례로 부설되도록 폐회로도관(340a,340b)을 형성하는 제1바이패스도관(300)과; 상기 제1바이패스도관(300)의 입구와 출구 사이에 설치되어 리사이클 냉매를 압축기(110)로 강제 순환시키며 전체 냉매의 압력과 온도의 편차를 고르게 유지하도록 일측에 제3전자변(410)과 제3팽창밸브(420)을 차례로 형성한 제2바이패스도관(400)과; 상기 응축기(120)와 증 발기(160)의 냉매 압력과 온도를 체크하여 응축량을 제어하거나 증발량을 제어하도록 형성된 인버터(500)가 구성되어 이루어진다.

공냉, 수냉, 액열기, 응축기, 증발기, 바이패스도관

Description

공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치{HEAT PUMP TYPE HOT WATER SUPPLY COMBINED USE AIR AND WATER REFRIRANT}

도 1은 본 발명에 따른 온수공급장치의 사이클 계통도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

100 ... 히트펌프 110 ... 압축기

120 ... 응축기 130 ... 액열기

131 ... 제3바이패스도관 131a ... 제4전자변

140 ... 제1전자변 150 ... 제1팽창밸브

160 ... 증발기 170a,170b,170c,170d ... 도관

200 ... 폐회로 220 ... 외부급수조

230 ... 온수탱크 300 ... 제1바이패스도관

310 ... 제2전자변 320 ... 제2팽창밸브

330 ... 폐수열탱크 340a,340b ... 폐회로도관

400 ... 제2바이패스도관 410 ... 제3전자변

420 ... 제3팽창밸브 500 ... 인버터

본 발명은 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치에 관한 것으 로, 기본 증발기를 통한 공냉 방식으로 열원을 흡수함은 물론, 일측에 폐수열탱크를 병설하여 수냉 방식의 열원을 동시에 흡수하여 열효율을 높이고, 인버터를 이용하여 응축기와 증발기의 냉매 압력과 온도를 유기적으로 조율함으로써 장치의 원할한 흐름을 제공하며, 특히 액열기(판상열교환기) 일측에 장치의 상태나 계절에 따른 외기온도에 대응하며 개폐되도록 제3바이패스도관을 형성하여 최적의 열효율상태를 유지할 수 있는 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 온수공급장치는 히트펌프 사이클을 이용하여 외부의 대기나 지하수, 지열 등으로부터 열원을 흡입하도록 팬을 사용하여 흡입하고, 흡입된 열원을 냉매가 흐르는 관로 사이로 통과시켜 열을 수집함으로써 학교, 병원, 호텔 등과 같은 대형 또는 공공건물 등의 대용량 온수를 효율적으로 제공하게 된다.

상기 히트펌프 사이클은 압축기, 열교환기(이는 냉방일 경우 응축기, 난방일 경우 증발기로 사용됨), 팽창밸브, 실내기를 기본구성으로 한다.

상기 히트펌프의 사용이 난방일 경우, 압축기에서 압축된 고온, 고압의 냉매 는 응축기에서 응축되고(물을 데우는 등의 일을 한다), 그 응축열을 이용하여 온수를 생성하는 한편, 상기 응축기에서 응축된 저온, 저압의 냉매는 다시 팽창밸브를 통해 증발기로 유입된 후 외기열을 흡수하고 다시 압축기로 순환됨으로써 히트펌프의 사이클은 반복된다.

이때, 상기한 사이클을 반대로 하여 응축기를 증발기로, 증발기를 응축기로 하여 형성하면 냉방사이클이 된다.

이러한 종래의 히트펌프식 온수공급장치는 외기의 온도가 높거나 압축기의 압력이 클 경우 증발기에 과부하가 걸려 열효율이 크게 떨어지는 한편, 과도하게 전기가 소모되는 문제가 발생된다.

또한, 압축기 입구측의 온도가 상대적으로 낮은 경우나 외기의 온도가 빙점 이하로 내려가면 응축기에 필요한 열원의 부족으로 열효율이 저하되는 문제가 발생된다.

이와 같이, 종래의 히트펌프식 온수공급장치는 단독적인 수냉 방식을 사용하거나 공냉 방식을 사용함으로써, 순환 냉매와 외기온도의 변화에 신속하게 대응하지 못하여 사용자로 하여금 일정온도의 온수공급이 어려웠으며 장치의 과부하로 인해 히트펌프가 오작동하는 등 적지 않은 문제가 발생되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 기본 증발기를 통한 공냉 방식으로 열원을 흡수함은 물론, 일측에 폐수열탱크를 병설하여 수냉 방식의 열원을 동시에 흡수하여 열효율을 높이고, 인버터를 이용하여 응축기와 증발기의 냉매 압력과 온도를 유기적으로 조율함으로써 장치의 원할한 흐름을 제공하며, 특히 액열기 일측에 장치의 상태나 계절에 따른 외기온도에 대응하며 개폐되도록 제3바이패스도관을 형성하여 최적의 열효율상태를 유지할 수 있는 공냉 및 수냉을 겸용 하는 히트펌프식 온수공급장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 압축기(110), 응축기(120), 액열기 (130), 제1전자변(140), 제1팽창밸브(150), 증발기(160)를 도관(170a,170b,170c, 170d)을 이용하여 순서대로 연결한 히트펌프(100)와; 상기 응축기(120)에 병열로 부설되어 외부급수조(220)에서 공급된 물을 가열하여 온수탱크(230)로 공급하도록 형성된 폐회로(200)와; 상기 히트펌프(100)의 도관 중 일 도관(170c)에 병열로 형성되어 일측에 제2전자변(310)과 제2팽창밸브(320), 폐수열탱크(330)가 차례로 부설되도록 폐회로도관(340a,340b)을 형성하는 제1바이패스도관(300)과; 상기 제1바이패스도관(300)의 입구와 출구 사이에 설치되어 리사이클 냉매를 압축기(110)로 강제 순환시키며 전체 냉매의 압력과 온도의 편차를 고르게 유지하도록 일측에 제3전자변(410)과 제3팽창밸브(420)을 차례로 형성한 제2바이패스도관(400)과; 상기 응축기(120)와 증발기(160)의 냉매 압력과 온도를 체크하여 응축량을 제어하거나 증발량을 제어하도록 형성된 인버터(500)가 구성되어 이루어진다.

이때, 상기 히트펌프의 액열기(130)는 판형열교환기로 형성하되, 응축기(120)의 저온 출수구 측과 증발기(160)의 입구 사이에 제4전자변(131a)을 형성한 별도의 제3바이패스도관(131)을 부설함으로써, 동절기의 저온,저압시 폐쇄되고, 하절기의 고온,고압시 개폐되도록 냉매 증발량을 유기적으로 조절하도록 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 인버터(500)는 응축기(120)와 증발기(160)의 냉매 증발량 제어를 비례제어방식 또는 PID방식으로 조절하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 비례제어방식은 응축기(120)에서 응축된 응축열을 체크하여 상기 응축열이 너무 높으면 증발기(160)의 회전량을 줄이고, 상기 응축열이 너무 낮으면 증발기(160)의 회전량을 높이는 방식을 의미한다.

이때, 상기 PID방식은 설정된 값을 정해놓고, 상기 설정된 값 이하가 되면 증발기(160)의 팬 회전량을 높이고, 상기 설정된 값 이상이 되면 증발기(160)의 팬 회전량을 줄이는 방식을 의미한다.

상술한 비례제어방식과 PID방식은 일 인버터(500)를 통해 전기적 제어로 통제된다.

다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 공냉과 수냉을 겸용하는 온수공급장치를 형성하기 위해 제1전자변(140)이 부설된 히트펌프(100)의 기본 사이클과, 상기 히트펌프(100)를 통해 온수를 가열하는 폐회로(200)와, 상기 히트펌프(100)의 일측에 형성되어 보조열원을 흡수하여 열효율을 높이는 제1바이패스도관(300)과, 상기 제1바이패스도관(300)의 입구와 출구 사이에 형성되는 한편, 압축기(110)로 순환되며, 냉매 압력 및 온도 편차를 해소하도록 형성된 제2바이패스도관(400)과, 상기 제1,2바이배스도관(300,400) 및 히트펌프(100)에 형성된 제1,2,3전자변(140,310, 410)들을 컨트롤하며 냉매의 적정압력과 온도를 제어하는 인버터(500)로 크게 구성된다.

상기 히트펌프(100)는 압축기(110), 응축기(120), 액열기(130), 제1전자변(140), 제1팽창밸브(150), 증발기(160)를 도관(170a,170b,170c,170d)을 이용하여 순서대로 연결하여 형성된다.

이때, 상기 압축기(110)는 일측에 오일분리기(111)를 병설하는 것이 바람직한 것으로, 이는 압축기(110)가 작동될 때, 크랭크 케이스나 HOUSING으로부터 순환되는 냉동유에 의해서 윤활작용이 되는데, 상기 냉동유는 뜨거운 압축 냉매가스와 혼합되어서 압축기(110)를 떠나게 된다.

이때, 시스템에 순환되는 소량의 오일은 시스템 성능에는 영향을 끼치지 않으나 많은 양의 오일은 증발기(160), 응축기(120) 및 FILTER- DRIER의 작동을 방해하게 된다.

또한, 저온에 적용 설치할 경우, 냉동유는 둔탁해져서 증발기(160)에서 빠져나오기가 어렵게 되며, 상기 증발기(160)에서의 냉동유의 축적은 증발기(160)의 효율에 영향을 끼치며 압축기의 작동에 이상을 일으킬 수도 있다.

이와 같이, 오일분리기(111)는 압축기(110) 출구와 응축기(120) 사이에 부설함으로써 압축기(110)에 오일을 적정 수준으로 유지시켜 주고 오일 슬러지를 감소시켜 주며, 증발기(160)의 효율을 증가시켜 주게 된다.

이때, 상기 응축기(120)는 고온, 고압의 냉매를 응축시킴으로써, 그 응축열로 인해 상기 응축기(120)와 병열로 연결된 폐회로(200)의 온수관을 가열하여 온수탱크(230)에 온수를 공급하게 된다.

이때, 상기 액열기(130)는 저온, 저압의 응축된 냉매가 타측 증발기(160)를 통해 흡열된 도관(170d)으로부터 열을 흡수하여 열교환되도록 형성되는 바, 이는 판상열교환기로 형성되는 것이 바람직하고, 일측에 동절기 등의 기온변화에 따라 회로가 개폐되는 제3바이패스관(131)이 병설되는 것이 바람직하다.

이때, 제1팽창밸브(130)는 응축기(120)에서 일을 한 냉매의 응축열을 팽창시키게 되는데, 이러한 제1팽창밸브(130)의 입구측에는 제1전자변(180)이 형성되어 인버터(500)를 통해 설정된 압력값에 따라 증발기(160)의 팬 회전량을 조절하게 된다.

이때, 증발기(160)는 저온, 저압의 냉매가 증발하면서 외기열로부터 열을 흡수하게 되고 이때, 흡수된 외기열은 액열기(130)를 거쳐 다시 압축기(110)로 순환되도록 유도한다.

이때, 상기 증발기(160)는 응축기(120)에 형성된 온도센서(미도시)와 연동되어 개폐되는 것이 바람직한 것으로, 이는 비례제어방식 또는 PID방식으로 제어되는 것이 바람직하다.

다시말해, 응축기(120)에서 응축된 냉매의 온도가 동절기나 하절기에 따라 일정한 설정값을 다르게 형성하게 되는데, 응축기(120)의 설정값이 저온일 경우 증발기(160)의 열흡열량을 높이기 위해 팬 회전량을 높이게 되고, 이와 반대로 응축기(120)의 설정값이 고온일 경우 증발기(160)의 열흡열량을 현저하게 낮추어 열교환 편차를 일정하게 유지함으로써 압축기(110)의 과부하와 인버터(500)의 에러를 미연에 방지하게 되다.

상기 폐회로(200)는 응축기(120)에 찬물을 공급하는 외부급수조(210)와, 외부급수조(210)로부터 공급된 물을 가열한 뒤 이를 다시 저장하는 온수탱크(230)와, 상기 온수탱크(230)의 온수 유입구 측에 온도센서(220)를 구비하여 형성된다.

이때, 상기 온도센서(220)는 온수탱크(230)로 유입되는 온수의 온도가 저온일 경우 증발기(160)의 팬 회전수를 고속으로 유지하고, 고온일 경우에는 증발기(160)의 팬 회전수를 저속으로 형성하는 비례제어방식에 의한 인버터(500) 제어가 설정된다.

한편, 상기 제1바이패스도관(300)은 히트펌프(100)의 도관 중 일 도관(170c)에 병열로 형성되어 일측에 제2팽창밸브(320)와 제2전자변(310)을 차례대로 구비하는 한편, 타측에 폐수열탱크(330)가 부설되도록 폐회로도관(340a,340b)을 형성하여 구성된다.

이는 폐열증기를 흡수한 폐수열탱크(330)에 저온, 저압의 냉매를 통과시켜 열교환을 일으키는 것으로 특히, 이러한 제1바이패스도관(300)은 PID방식에 의한 인버터 제어로 형성되는 것이 바람직하다.

다시말해, 상기 제1바이패스도관(300)은 겨울철 등의 0℃ 이하 기온저하시 증발기(160)를 이용한 공냉식 외기열 흡수가 곤란할 경우, 수냉식 열교환 방식으로 열을 동시에 흡수하여 온수공급이 원활하도록 형성된다.

이러한 인버터(500) 제어방식은 동절기 등의 기온저하시 제2팽창밸브(320)는 제2전자변(310)에 의해 개폐되고, 상기 개폐에 의해 유입된 냉매는 폐열증기를 통한 폐수열탱크(330)에 의해 냉매 압력과 온도가 상승하여 히트펌프(100)의 원활한 흐름과 과부하를 조절하게 된다.

한편, 상기 제2바이패스도관(400)은 제1바이패스도관(300)의 입구와 출구 사이인 도관(170c)에 설치되어 상승된 압력과 온도를 압축기(110)로 재순환시키도록 제3팽창밸브(420)와 제3전자변(410)을 형성하여 구성된다.

이때, 상기 제3팽창밸브(420)는 제3전자변(410)에 의해 개폐되는 것으로, 상기 제3전자변(410)은 다시 제1전자변(140)에 의해 연동되는 PID방식의 인버터(500) 제어로 이루어진다.

이는 응축기(120)를 거친 냉매의 압력과 온도가 감소됨에 따라 동절기 등의 혹한기에는 제 성능을 다하지 못하거나 기온은 높은 여름철에는 열량을 제대로 흡수하지 못하여 과부하가 걸리는 바, 이러한 냉매의 일정한 편차를 유지하기 위해 압축기(110)로 보조열원을 재공급하여 보상하게 한다.

한편, 상기 히트펌프(100)의 액열기(130)에는 판형열교환기로 형성하는 한편, 일측에 제3바이패스도관(131)을 형성하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제3바이패스도관(131)은 응축기(120)의 저온 출수구 측과 증발기(160)의 입구 사이에 별도의 제4전자변(131a)을 형성하여 구성된다.

이때, 상기 제4전자변(131a)은 PID방식의 인버터(500)로 작동되는 것으로 증발기(160)의 증발량과 연동되어 상기 액열기(130)로부터 열교환을 단속하게 된다.

이는 하절기의 냉매가 저온,저압시 상기 액열기(130)로 흐르는 냉매를 차단하고, 상기 제3바이패스도관(131) 측으로 흐르게 함으로써 압축기(110)측 도관(170d)으로부터 열을 흡수하는 것을 막아, 냉매가 이상압력과 이상온도로 올라 압축기(110)에 과부하를 일으키는 것을 미연에 방지하는 한편, 반대로 동절기에는 제3바이패스도관(131)을 폐쇄하고 액열기(130)를 개폐함으로써 압축기(110)측 도관(170d)과 충분한 열교환을 일으켜 적절한 온수를 발생시키게 하기 위함이다.

이와 같이, 본 발명은 기본 증발기를 통한 공냉 방식으로 열원을 흡수함은 물론, 일측에 폐수열탱크를 병설하여 수냉 방식의 열원을 동시에 흡수하여 열효율을 높이는 한편, 인버터를 이용하여 응축기와 증발기의 냉매 압력과 온도를 유기적으로 조율함으로써 장치의 원할한 흐름을 제공하며, 특히 액열기(판상열교환기) 일측에 장치의 상태나 계절에 따른 외기온도에 대응하며 개폐되도록 제3바이패스도관을 형성하여 최적의 열효율상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

압축기(110), 응축기(120), 액열기(130), 제1전자변(140)과, 제1팽창밸브(150)와, 증발기(160)를 도관(170a,170b,170c,170d)을 이용하여 순서대로 연결한 히트펌프(100)와;

상기 응축기(120)에 병열로 부설되어 외부급수조(220)에서 공급된 물을 가열하여 온수탱크(230)로 공급하도록 형성된 폐회로(200)와;

상기 히트펌프(100)의 도관 중 일 도관(170c)에 병열로 형성되어 일측에 제2전자변(310)과 제2팽창밸브(320), 폐수열탱크(330)가 차례로 부설되도록 폐회로도관(340a,340b)을 형성하는 제1바이패스도관(300)과;

상기 제1바이패스도관(300)의 입구와 출구 사이에 설치되어 리사이클 냉매를 압축기(110)로 강제 순환시키며 전체 냉매의 압력과 온도의 편차를 고르게 유지하도록 일측에 제3전자변(410)과 제3팽창밸브(420)을 차례로 형성한 제2바이패스도관(400)과;

상기 응축기(120)와 증발기(160)의 냉매 압력과 온도를 체크하여 응축량을 제어하거나 증발량을 제어하도록 형성된 인버터(500)가 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 히트펌프의 액열기(130)는

판형열교환기로 형성하되, 응축기(120)의 저온 출수구 측과 증발기(160)의 입구 사이에 제4전자변(131a)을 형성한 별도의 제3바이패스도관(131)을 부설함으로써, 동절기의 저온,저압시 폐쇄되고, 하절기의 고온,고압시 개폐되도록 냉매 증발량을 유기적으로 조절하도록 형성된 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 인버터(500)는

응축기(120)와 증발기(160)의 냉매 증발량 제어를 비례제어방식 또는 PID방식으로 조절하는 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉을 겸용하는 히트펌프식 온수공급장치.