KR100704540B1 - 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매 사이클 시스템을 이용한 고온수 보일러에 관한 것으로, 그 목적은 폐열을 교환할 수 있는 냉매의 바이패스 사이클을 더 구성하여 별도의 보조가열기 없이 냉매의 순환만으로 폐열을 이용하여 압축기를 통과한 냉매의 온도를 높임으로써 고온수를 제작함에 있어서 보다 높은 온도의 온수를 얻을 수 있도록 하여 에너지 효율을 극대화할 수 있게 한 냉매 사이클 시스템을 이용한 고온수 보일러를 제공함에 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 순환 싸이클을 나타낸 개략도로, 냉매를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기와 제 1 밸브로 연결되어 있으며 압축기에서 압축된 고온의 냉매의 열을 외부로 방출하는 실외기와, 상기 압축기와 제 2 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 난방을 할 수 있도록 하는 난방열교환기와, 상기 압축기와 제 3 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 고온수를 만들 수 있도록 하는 급탕열교환기와, 상기 실외기, 난방열교환기, 급탕열교환기와 열교환된 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브와, 팽창된 냉매가 증발하면서 열을 방출하는 증발기로 구성된 냉매 사이클 시스템과, 상기 증발기를 통과한 냉매의 방향을 바꾸어 주는 2방향 밸브와, 이중팽창관과, 폐열을 수집하여 냉매와 열교환하는 폐열 수집 열교환기로 구성되되, 상기 2방향 밸브의 한쪽 부분은 이중팽창관을 거치지 않고 지나갈 수 있도록 바이패스되어 있으며,며 상기 2방향 밸브와 압축기 사이 에는 팽창밸브가 설치되어 있는 폐열 수집 시스템으로 구성되어, 버려지는 폐열을 흡수하여 에너지를 온수 및 난방에 추가시킴으로써 보조 가열장치 없이 효율적인 난방을 할 수 있도록 하는 냉매사이클을 이용한 고온수 보일러에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
냉매 사이클, 폐열 수집 열교환기, 고온수, 열교환기, 압축기

Description

냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러{The high-temperature water boiler which uses Refrigerant cycle system}
도 1 은 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러를 나타낸 개략도.
도 2 는 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 열교환기를 실외기만 사용했을 경우를 나타낸 개략도,
도 3 은 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 열교환기를 난방열교환기만 사용했을 경우를 나타낸 개략도,
도 4 는 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 열교환기를 급탕열교환기만 사용했을 경우를 나타낸 개략도,
도 5 는 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 열교환기를 실외기와 난방열교환기를 사용했을 경우를 나타낸 개략도,
도 6 은 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 열교환기를 난방열교환기와 급탕열교환기를 사용했을 경우를 나타낸 개략도,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(10): 압축기 (11): 제 1 밸브
(12): 제 2 밸브 (13): 제 3 밸브
(14): 제 4 밸브 (15): 제 5 밸브
(21): 실외기(응축기) (22): 난방 열교환기
(23): 급탕 열교환기 (30): 팽창밸브
(40): 증발기 (50): 이중팽창관
(60): 폐열 수집 열교환기 (70): 보조 팽창밸브
본 발명은 냉매 사이클 시스템을 이용한 고온수 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐열을 교환할 수 있는 냉매의 바이패스 사이클을 더 구성하여 별도의 보조가열기 없이 냉매의 순환만으로 폐열을 이용하여 압축기를 통과한 냉매의 온도를 높임으로써 고온수를 제작함에 있어서 보다 높은 온도의 온수를 얻을 수 있도록 하여 에너지 효율을 극대화할 수 있게 한 냉매 사이클 시스템을 이용한 고온수 보일러에 관한 것이다.
통상적으로, 상기 축열식 히트펌프유닛은, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기로 구성되는 정,역 순환이 가능한 냉동사이클장치부와, 축열조, 열교환수 순환펌프 및 열교환기(실내, 외기)등으로 구성되는 축열장치부와, 상기 장치부간 냉매유로를 전환시켜주기 위한 밸브장치부 등으로 이루어져 있다.
종래의 축열식 히트펌프유닛의 구성은 압축기, 응축 또는 증발겸용의 열교환기, 냉매 유동방향 제어용 사방밸브, 저압 및 고압스위치, 어큐뮬레이터, 소음기, 분배기 및 스트레이너 등을 포함하는 실와기와, 실내기(휀코일유닛) 및 축열장치부로 이루어져 있다.
상기 축열장치부는, 상기 사방밸브의 냉매 유동방향 전환에 따라 증발 또는 응축겸용의 열교환기로 사용되는 열교환코일이 내장되어 있는, 열교환기의 기능을 병행하는 축열조의 일측에 보조가열기가 장착된 보조탱크를 형성하여 된 것으로서, 필요에 따라 상기 보조탱크 내에서 열교환수를 급탕하여 목욕 등의 온수로 사용할 수 있게 한 것이다. 즉, 상기 축열조와 보조탱크 간의 격벽 상부에는 관통공이 형성되어 있어 이 관통공을 통해 범람한 일부 열교환수를 일시 저장해두었다가 보조 가열기를 사용한 가열조작에 의해 유사시 목욕 등의 온수로 사용할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기 열교환기와 상기 축열장치부의 냉매관은 정,역방향으로의 순환에 따른 냉매의 유동방향을 제어하기 위하여 각각 이중관의 형태로 되어 있고, 각 이중관에는 팽창밸브 및 첵밸브 등이 결합된 구조를 이루고 있다.
그러나, 상기와 같은 축열식 히트펌프유닛은, 겨울철 수축열 방식에 의한 난방시스템을 구현함에 있어서, 우리나라와 같이 실내외 기온차가 극심한 기후특성을 갖는 지역에서는 대기 자체를 히트펌프의 저온측 열교한부(증발부)로 직접 적용하기에는 그 증발효율성이 저조하게 나타나므로 실제로 냉난방겸용의 축열식 히트펌프유닛을 상용화하는데 많은 제약이 있었으며, 더욱이 그 냉매순환관(열교환코일)의 외측에 결빙현상이 심하게 나타나 난방효율을 크게 저하시킬 수 있으므로 이러한 냉매순환관의 결빙현상을 해소하기 위해서는 상기한 바와 같은 난방용의 보조가열기가 반드시 장착되어야 하는 구조적인 제한성이 있었다. 이는 결국 복잡한 구조 를 이뤄 장치의 대형화를 조성할 뿐만 아니라 보조가열기의 구동에 의한 추가적 에너지 소모에 따른 경제적 손실을 의미하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 고온 냉매와 물의 간접 열교환에 의해 온수를 제조하여 난방에 사용하되, 바이패스되는 냉매 사이클을 추가로 구성함으로써 버려지는 폐열을 흡수하여 에너지를 온수 및 난방에 추가시킴으로써 보조 가열장치 없이 효율적인 난방을 할 수 있도록 하는 냉매사이클을 이용한 고온수 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉매가 팽창기, 냉매를 증발시키는 증발기, 냉매를 압축시키는 압축기, 냉매를 응축시키는 응축기를 거쳐 순환되는 냉매 사이클 시스템에 있어서, 상기 냉매 사이클 시스템중 응축기에서 냉매를 응축하며 외부와 열교환하는 특징을 이용하여 밸브로 압축기를 통과한 고온 고압의 냉매와 열교환을 할 수 있도록 하는 실외기 및 난방열교환기 및 급탕열교환기와, 상기 냉매 사이클 시스템의 팽창기와 압축기 사이에 따로 연결되어 폐열을 흡수하여 냉매 사이클에 추가시킬 수 있는 폐열 흡수 바이패스 시스템을 추가함으로써 난방 및 급탕제조 효율을 높일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명인 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러의 순환 싸이클을 나타낸 개략도로, 냉매를 압축시키는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)와 제 1 밸브(11)로 연결되어 있으며 압축기(10)에서 압축된 고온의 냉매의 열을 외부로 방출하는 실외기(21)와, 상기 압축기와 제 2 밸브(12)로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 난방을 할 수 있도록 하는 난방열교환기(22)와, 상기 압축기와 제 3 밸브(13)로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 고온수를 만들 수 있도록 하는 급탕열교환기(23)와, 상기 실외기, 난방열교환기, 급탕열교환기와 열교환된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(30)와, 팽창된 냉매가 증발하면서 열을 방출하는 증발기(40)로 구성된 냉매 사이클 시스템과, 상기 증발기를 통과한 냉매의 방향을 바꾸어 주는 제4 밸브(14)와, 냉매를 다시 팽창시켜주는(?) 이중팽창관(50)과, 폐열을 수집하여 냉매와 열교환하는 폐열 수집 열교환기(60)로 구성되되, 상기 제 4 밸브(14)의 한쪽 부분은 이중팽창관을 거치지 않고 지나갈 수 있도록 바이패스되어 있는 폐열 수집 시스템으로 구성되어 있다.
또한, 상기 제 4 밸브(14)와 압축기 사이에는 압축되기 어려운 고온의 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추어 주는 역할을 하는 보조 팽창밸브(70)를 설치하여 압축기에서의 냉매의 압축을 쉽게 할 수 있도록 도와준다.
한편, 도 2 에서부터 도 6 까지 나타난 바와 같이 압축기와 연결되는 열교환 기의 종류는 실외기(21), 난방열교환기(22), 급탕열교환기(23)중 적어도 한개 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 두개 이상의 열교환기가 사용되었을 경우 밸브를 통하여 열교환기를 선택할 수 있다.
이하, 본 발명의 냉매가 순환하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선 압축기를 통과한 고온고압의 냉매는 제1, 2, 3밸브에 의해 선택적으로 순환되어 실외기, 난방열교환기, 급탕열교환기로 순환되어 냉매가 가지고 있는 열을 각 열교환기의 특성에 맞도록 교환하게 된다.
그 후 열을 교환하여 중온고압이 된 냉매는 팽챙밸브를 통과하면서 팽창되고, 증발기를 통과하면서 증발을 하여 열을 방출하여 저온중압의 냉매가 된다.
상기 저온중압의 냉매는 이중팽창관을 통하여 팽창하면서 폐열 수집 열교환기를 통과하게 된다.
폐열 수집 열교환기는 태양전지를 이용하거나 온도가 높은 곳에 설치하여 남아도는 폐열을 활용할 수 있도록 한다. 상기 폐열 수집 열교환기를 지나가는 냉매는 열을 흡수하게 되고, 이는 다시 이중팽창관으로 순환되어 팽창하고, 다시 증발기를 통하여 압축기로 가게 된다.
한편, 상기 냉매의 온도가 높을 경우 압축기에서 압축이 이루어지지 않으며, 압축이 이루어지지 않을 경우 순환연결 되어 있는 팽창밸브를 거쳐 팽창함으로써 압축이 이루어질 수 있도록 한다.
이렇게 폐열을 가지고 있는 냉매가 압축기를 통해 압축이 됨으로써 난방열교환기와 급탕열교환기를 통과하면 보다 많은 열을 교환할 수 있게 됨으로써 효율적 인 보일러 운용이 가능한 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
우선 다른 곳에서 얻어지는 폐열을 이용함으로써 보다 적은 에너지를 사용하고도 보다 효율적으로 난방 및 급탕을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 냉매 사이클 시스템을 이용한 보일러 장치에 있어서, 압축기와 연결되어 있으며 압축기에서 압축된 고온의 냉매의 열을 외부로 방출하는 응축기의 역할을 하는 실외기와, 상기 실외기, 난방열교환기, 급탕열교환기와 열교환된 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브로 구성된 냉매 사이클 시스템과, 제1팽창밸브를 통과한 저온중압의 냉매가 열을 흡수할 수 있도록 하는 폐열 열교환기와, 상기 폐열 열교환기에서 열을 교환한 냉매의 방향을 바꾸어 주는 2방향 밸브와, 폐열을 수집하여 냉매와 열교환하는 폐열 수집 열교환기로 구성되되, 상기 2방향 밸브의 한쪽 부분은 이중팽창관을 거치지 않고 지나갈 수 있도록 바이패스되어 있으며, 다른 한쪽 부분은 폐열을 흡수하기 위한 시스템을 통과하지 않고 압축기로 연결되어 있는 폐열수집 시스템으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압축기와 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 난방을 할 수 있도록 하는 난방열교환기를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    압축기와 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 고온수를 만들 수 있도록 하는 급탕열교환기를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    압축기와 제 2 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 난방을 할 수 있도록 하는 난방열교환기와, 압축기와 제 3 밸브로 연결되어 있으며, 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 열교환하여 고온수를 만들 수 있도록 하는 급탕열교환기를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기와 압축기 사이에 바이패스되는 제2팽창밸브를 추가로 설치하도록 하는 것을 특징으로 하는 냉매 사이클을 이용한 고온수 보일러.
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