KR100677934B1 - 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치에 관한 것으로서, 특히 증발기와, 제 1, 2압축기와, 제 1, 2응축기와, 제1, 2 4웨이밸브와, 제 1, 2수액기와, 제 1, 2난방용 팽창밸브와, 제 1, 2냉방용 팽창밸브를 포함하는 2중 히트 펌프 시스템에 있어서; 상기 제 1응축기의 출구 배관과 상기 제 2난방용 팽창밸브의 출구 배관에 입구가 각각 연결되고, 제 1냉방용 팽창밸브와 제2 4웨이밸브에 출구가 각각 연결되는 과냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 증발기를 통과한 저온의 냉매와 응축기를 통과한 고온의 냉매를 열교환시켜 팽창밸브에서 냉매의 응축이 효과적으로 이루어지도록 하고, 압축기로 유입되는 냉매량을 상승시켜 압축기가 고압 및 토출가스의 상승으로 인해 정지되는 것을 방지하여 고온수를 생산할 수 있다.
히트 펌프, 냉매, 열교환, 고온수, 응축

Description

수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치{Hot water production apparatus of heat pump}
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 구성을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 구성을 나타낸 구성도,
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110 : 증발기 120 : 압축기
130 : 응축기 140 : 4웨이밸브
150 : 수액기 160 : 팽창밸브
170 : 과냉각 장치
본 발명은 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 증발기를 통과한 저온의 냉매와 응축기를 통과한 고온의 냉매를 열교환시켜 팽창밸브에서 냉매의 응축이 효과적으로 이루어지도록 하는 수축열 히트 펌프의 고온 수 생산 장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 열을 온도가 낮은곳에서 온도가 높은곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 히트펌프가 되는 것이다.
히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식등으로 분류되며, 그중 가정용으로 많이 적용되는 형식은 압축식 히트펌프이다. 예컨데, 냉방전용의 에어콘의 경우 실내에 설치된 실내기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며, 히트펌프는 반대로 실외기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키게 된다.
상기 히트펌프의 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기 및 압축기와, 고온부 열교환기인 응축기 및 팽창밸브의 4개 요소로 구분된다.
즉, 상기 히트펌프는 열을 운반하는 냉매가 주입된 것으로, 냉매 흐름을 조절하는 사방밸브의 제어에 따라 냉매는 증발기(Fin coil)에서 외부로부터의 열을 흡수(열원)하면서 증발(액체→기체)하고 저온저압의 가스 상태가 되어 압축기로 흡입된다. 이후 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온고압의 상태가 되어 응축기(판형 열교환기)로 전달되며, 응축기에서는 열을 방출(온풍, 온수로 이용)하면서 냉매는 액화된다. 이때 고압 액화된 냉매는 팽창변에서 감압되고, 저압저온 액화상태의 냉매는 증발기로 유입된다. 이와 같이 히트펌프는 이러한 사이클을 반복하면서 저 온의 열을 회수하고 압축기 동력을 부가하여 필요한 고온의 열을 발생시키는 것이다.
한편, 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다.
또한, 저온저압의 습증기상태의 냉매는 증발기에서 증발되면서 주변으로부터 증발열을 흡수하여 저온저압의 건포화증기상태의 냉매로 배출된다. 증발기에서 배출된 저온저압의 건포화증기상태의 냉매는 압축기에서 단열압축하여 고온 고압의 과열증기상태의 냉매로 되어 응축기로 유입된다.
그리고, 응축기로 유입된 고온 고압의 과열증기상태의 냉매는 응축열을 방출시키며 고온 고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창밸브로 유입된다. 또한, 고온 고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창밸브에서 단열 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 증발기로 유입된다.
더하여, 저온부 열교환기인 증발기는 실외에 설치되어 주변에서 열을 흡수하게 되며, 고온부 응축기는 실내에 설치되어 주변으로 열을 방출하여 난방에 사용하게 된다.
한편, 목욕탕이나 공장등지에서는 사용하고 남은 30-40℃ 정도의 폐온수를 그대로 유출시켜 막대한 열에너지를 소비하고 있을 뿐만 아니라, 고온의 폐온수가 그대로 유출되는 경우에는 물을 정화시키는 미생물의 증식이 불가능하여 폐수처리비용이 증가하는 요인이 되고 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위해 생활배수의 폐열을 열원으로 사용한 폐열 이용하거나 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프 를 사용하여 냉난방을 수행하게 한 히트펌프가 사용되고 있는데, 이 폐수를 열원으로 한 히트펌프는 폐열을 갖는 대중 목욕탕이나 공장 등으로부터 배수되는 생활배 수의 그 폐열을 그 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 응축기를 통해 온열을 생산하게 하여 급탕 등을 공급하도록 구성된다.
그러나, 이러한 종래의 히터 펌프는 고온수 생산시 냉매 순환량의 감소로 인해 고압 및 토출가스 온도의 상승으로 인해 압축기 가동이 정지되는 현상, 즉 응축기를 통하여 온수와 열교환되는 냉매의 양이 감소하게 되고, 냉매 순환량이 감소하게 되어 압축기의 고압 및 토출가스 온도의 상승으로 인한 가동이 정지되고, 고온수 생산이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 증발기를 통과한 저온의 냉매와 응축기를 통과한 고온의 냉매를 열교환시켜 팽창밸브에서 냉매의 응축이 효과적으로 이루어지도록 하고, 압축기로 유입되는 냉매량을 상승시켜 압축기가 고압 및 토출가스의 상승으로 인해 정지되는 것을 방지하여 고온수를 생산할 수 있도록 하는 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
유입된 냉매와 유입된 외부 공기와 열교환시켜 열을 회수하는 증발기와, 상기 증발기를 통과한 저온, 저압 기체 상태의 냉매를 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출하는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 고온 고압의 냉매를 냉수와 열교환 시켜 온수를 배출하는 응축기와, 상기 압축기와 상기 응축기로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환되는 4웨이밸브와, 상기 응축기를 통과한 액체 상태의 냉매를 일시 저장하기 위한 수액기와, 상기 수액기로부터 공급되는 냉매가 공기와 열교환이 용이하도록 감온, 감압시키는 팽창밸브를 포함하는 히트 펌프 시스템에 있어서; 상기 응축기의 출구 배관과 상기 증발기의 출구 배관에 입구가 연결되고, 상기 수액기와 상기 압축기에 출구가 각각 연결되는 과냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 과냉각 장치는 상기 응축기로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 상기 증발기로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 상기 수액기로 공급하고, 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 상기 압축기로 공급한다.
본 발명의 다른 특징은,
증발기와, 제 1, 2압축기와, 제 1, 2응축기와, 제1, 2 4웨이밸브와, 제 1, 2수액기와, 제 1, 2난방용 팽창밸브와, 제 1, 2냉방용 팽창밸브를 포함하는 2중 히트 펌프 시스템에 있어서; 상기 제 1응축기의 출구 배관과 상기 제 2난방용 팽창밸브의 출구 배관에 입구가 각각 연결되고, 제 1냉방용 팽창밸브와 제2 4웨이밸브에 출구가 각각 연결되는 과냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 과냉각 장치는 상기 제 1응축기로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 상기 제 2난방용 팽창밸브로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 상기 제 1냉방용 팽창밸브로 공급하고, 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 상기 제2 4웨이밸브로 공급한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
《제 1실시예》
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 본 발명에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치(100)는, 증발기(110)와, 압축기(120)와, 응축기(130)와, 4웨이밸브(140)와, 수액기(150)와, 팽창밸브(160)와, 과냉각 장치(170)로 구성된다.
먼저, 증발기(110)는 열교환 효율이 증대토록 외부 공기를 냉매와 열교환시켜 열을 회수한다.
그리고, 압축기(120)는 증발기(110)에서 열을 흡수하여 기체가 된 저온, 저압의 냉매를 흡입한 후 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출하는 장치로 증발 기(110)의 출구측에 연결되어 열매체를 고온 고압으로 압축토록 다수개가 설치된다.
또한, 응축기(130)는 압축기(120)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가 통과하면서 급수펌프(도시 생략) 등을 통하여 유입된 냉수와 열교환함으로서 온수를 배출하게 된다. 여기에서, 응축기(130)에서 배출된 온수는 축열탱크(도시 생략)에 저장될 수도 있다.
또, 4웨이밸브(140)는 압축기(120)와 응축기(130)로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환한다.
그리고, 수액기(150)는 응축기(130)에서 액화된 냉매를 일시 저장하고, 정지시에는 냉매를 회수하여 저장하게 된다.
또한, 팽창밸브(160)는 액체상태의 냉매를 유입받아 교축작용에 의해 저온 저압으로 변환시키는 감압장치로서 수액기(150)와 증발기(110) 사이에 설치된다.
또, 과냉각 장치(170)는 응축기(130)의 출구 배관과 증발기(110)의 출구 배관에 입구가 연결되고, 수액기(150)와 압축기(120)에 출구가 각각 연결되어 응축기(130)로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 증발기(110)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 수액기(150)로 공급하고, 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 압축기(120)로 공급한다. 즉, 수액기(150)로 공급되는 냉매의 온도를 낮춰 냉매의 팽창밸브(160)로의 이동후 불응축가스예방과 팽창밸브(160)의 팽창 효율을 증대시키고, 압축기(120)로 공급되는 냉매의 온도를 높여 압축기(120)의 토출 냉매의 온도를 상승시켜 상대적으로 온도가 높은 고온 수를 생산할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 1실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 작용을 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 다수의 압축기(120)에서 열매체가 고온 고압의 상태로 변화된 후 고온 고압의 열매체는 4웨이밸브(140)를 통과하여 응축기(130)로 유입되게 된다.
그러면, 응축기(130)에서 급수 펌프 등을 통해 유입된 냉수가 고온 고압의 냉매와 열교환이 이루어져 축열탱크에 축열되거나 온수가 실내로 공급된다.
그리고, 응축기(130)에서 배출된 냉매는 수액기(150)에 유입되게 되는데, 축열탱크에 의해 온수의 온도가 높을 경우 팽창밸브(160)에서의 열매체 응축이 제대로 이루어지지 않게 되는 것을 방지하도록 과냉각 장치(170)를 냉매가 통과하면서 증발기(110)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 수액기(150)로 공급되도록 한다.
계속하여, 응축기(130)를 통해 냉수와 열교환되어 액체상태로 변화된 냉매는 수액기(150)에 일시 저장된 후 팽창밸브(160)를 통과하여 폐열원에 의해 열교환이 이루어 지도록 증발기(110)로 유입된다. 이때, 증발기(110)에서는 펌프에 의해 목욕탕이나 공장등에서 배출되는 30~35℃ 정도의 고온 폐수가 유입되고, 이 고온 폐수와 순환하는 냉매가 열교환되어 액상의 저온 저압의 상태의 열매체는 저온 저압의 건포화증기 상태로 변화된 후, 다시 압축기(120)로 이동하게 된다.
이때, 증발기(110)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매는 응축기(130)로부터 공급되는 고온 고압의 냉매와 상호 열교환시켜 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 압 축기(120)로 공급한다.
그러면, 압축기(120)로 공급되는 냉매의 온도가 높아져서 압축기(120)의 토출 냉매의 온도가 상승되고, 이로 인해 압축기(120)에서 배출되는 냉매의 온도가 상대적으로 높아 고온수를 생산할 수 있다.
따라서, 장치 내에서 발생되는 고온, 고압의 냉매와 저온, 저압의 냉매를 이용하여 상호 열교환시켜 고온, 고압의 냉매의 온도를 낮춰 팽창밸브에서의 열매체 응축이 제대로 이루어지지 않게 되는 것을 방지하고, 저온, 저압의 냉매의 온도를 높여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도를 높여 보다 높은 고온의 온수를 생산할 수 있다.
《제 2실시예》
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 본 발명에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치(100)는, 증발기(110)와, 제 1압축기(120)와, 제 1응축기(130)와, 제1 4웨이밸브(140)와, 제 1수액기(150)와, 제 1난방용 팽창밸브(160)와, 제 1냉방용 팽창밸브(161)와, 과냉각 장치(170)와, 제 2압축기(120-1)와, 제 2응축기(130-1)와, 제2 4웨이밸브(140-1)와, 제 2수액기(150-1)와, 제 2난방용 팽창밸브(160-1)와, 제 2냉방용 팽창밸브(161-1)로 구성된다.
먼저, 증발기(110)는 열교환 효율이 증대토록 외부 공기를 냉매와 열교환시켜 열을 회수한다.
그리고, 제 1압축기(120)는 증발기(110)에서 열을 흡수하여 기체가 된 저온, 저압의 냉매를 흡입한 후 압축하여 고온, 고압의 기체상태로 토출하는 장치로 증발기(110)의 출구측에 연결되어 열매체를 고온 고압으로 압축토록 다수개가 설치된다.
또한, 제 1응축기(130)는 제 1압축기(120)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가 통과하면서 급수펌프(도시 생략) 등을 통하여 유입된 냉수와 열교환함으로서 온수를 배출하게 된다. 여기에서, 제 1응축기(130)에서 배출된 온수는 축열탱크(도시 생략)에 저장될 수도 있다.
또, 제1 4웨이밸브(140)는 제 1압축기(120)와 제 1응축기(130)로 각각 연결시키는 통로를 가지며 냉난방시 냉매의 흐름을 바꾸도록 절환한다.
그리고, 제 1수액기(150)는 제 1응축기(130)에서 액화된 냉매를 일시 저장하고, 정지시에는 냉매를 회수하여 저장하게 된다.
또한, 제 1난방용 팽창밸브(160)는 액체상태의 냉매를 유입받아 교축작용에 의해 저온 저압으로 변환시키는 감압장치로서 제 1수액기(150)와 증발기(110) 사이에 설치된다.
또, 제 1냉방용 팽창밸브(161)는 액체상태의 냉매를 유입받아 교축작용에 의해 저온 저압으로 변환시키는 감압장치로서 제 1응축기(130)와 제 1수액기(150) 사이에 설치된다.
또, 과냉각 장치(170)는 제 1응축기(130)의 출구 배관과 하기에서 설명할 제 2난방용 팽창밸브(160-1)의 출구 배관에 입구가 각각 연결되고, 제 1냉방용 팽창밸 브(161-1)와 제2 4웨이밸브(140-1)에 출구가 각각 연결되어 제 1응축기(130)로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 제 2난방용 팽창밸브(160-1)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 제 1냉방용 팽창밸브(161-1)로 공급하고, 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 제2 4웨이밸브(140-1)로 공급한다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치의 작용을 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 2실시예에 따른 수축열 히트 펌프는 2중으로 이루어지고, 각각의 동작은 상기와 동일하게 이루어져 그 설명은 생략한다.
한편, 과냉각 장치(170)는 제 1압축기(120)로 이루어지는 사이클에서는 과냉각 장치로 사용되는 데, 제 1응축기(130)로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 제 2난방용 팽창밸브(160-1)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 제 1냉방용 팽창밸브(161-1)로 공급하여 고온수 생산시 문제가 되는 고압으로 인한 정지를 해결한다.
그리고, 과냉각 장치(170)는 제 2압축기(120-1)로 이루어지는 사이클에서는 증발기로 사용되는 데, 제 1응축기(130)로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 제 2난방용 팽창밸브(160-1)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 제2 4웨이밸브(140-1)로 공급하여 제 2압축기(120-1)로 흡입되는 냉매의 온도를 높여 제 2압축기(120-1)의 토출가스 온도를 상승시켜 고온수 생산을 가능하게 한다.
따라서, 장치 내에서 발생되는 고온, 고압의 냉매와 저온, 저압의 냉매를 이용하여 상호 열교환시켜 고온, 고압의 냉매의 온도를 낮춰 팽창밸브에서의 열매체 응축이 제대로 이루어지지 않게 되는 것을 방지하고, 저온, 저압의 냉매의 온도를 높여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도를 높여 보다 높은 고온의 온수를 생산할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치에 따르면, 증발기를 통과한 저온의 냉매와 응축기를 통과한 고온의 냉매를 열교환시켜 팽창밸브에서 냉매의 응축이 효과적으로 이루어지도록 하고, 압축기로 유입되는 냉매량을 상승시켜 압축기가 고압 및 토출가스의 상승으로 인해 정지되는 것을 방지하여 고온수를 생산할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 증발기와, 제 1, 2압축기와, 제 1, 2응축기와, 제1, 2 4웨이밸브와, 제 1, 2수액기와, 제 1, 2난방용 팽창밸브와, 제 1, 2냉방용 팽창밸브를 포함하는 2중 히트 펌프 시스템에 있어서;
    상기 제 1응축기의 출구 배관과 상기 제 2난방용 팽창밸브의 출구 배관에 입구가 각각 연결되고, 제 1냉방용 팽창밸브와 제2 4웨이밸브에 출구가 각각 연결되는 과냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 과냉각 장치는,
    상기 제 1응축기로부터 배출되는 고온 고압의 냉매와 상기 제 2난방용 팽창밸브로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상호 열교환시켜 고온 고압의 냉매의 온도를 낮춰 상기 제 1냉방용 팽창밸브로 공급하고, 저온 저압의 냉매의 온도를 높여 상기 제2 4웨이밸브로 공급하는 것을 특징으로 하는 수축열 히트 펌프의 고온수 생산 장치.
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