KR100810870B1 - 급탕장치 - Google Patents

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KR100810870B1 KR1020077002344A KR20077002344A KR100810870B1 KR 100810870 B1 KR100810870 B1 KR 100810870B1 KR 1020077002344 A KR1020077002344 A KR 1020077002344A KR 20077002344 A KR20077002344 A KR 20077002344A KR 100810870 B1 KR100810870 B1 KR 100810870B1
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다카히로 야마구치
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

급탕장치(10)에는, 제 1 냉매회로(20), 중온수 회로(40), 제 2 냉매회로(60), 및 고온수 회로(80)가 구성된다. 제 1 냉매회로(20)는, 실외공기를 열원으로 하는 히트펌프를 구성하며, 중온수 회로(40) 내의 열매체수를 가열한다. 중온수 회로(40)에서는, 바닥난방용 방열기(45)나 제 2 열교환기(50)와 제 1 열교환기(30) 사이에서 열매체수가 순환한다. 제 2 냉매회로(60)는, 중온수 회로(40)의 열매체수를 열원으로 한 히트펌프를 구성하며, 고온수 회로(80) 내의 급탕용수를 가열한다.
Figure R1020077002344
급탕장치, 히트펌프, 공조, 중온수 회로, 고온수 회로

Description

급탕장치{HOT-WATER SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 히트펌프를 이용한 급탕장치에 관한 것이다.
종래, 히트펌프를 이용하여 얻어진 온수를 이용측에 공급하는 급탕장치가 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에 개시된 급탕장치는, 1개의 히트펌프 유닛에서 90℃ 정도의 고온수를 생성하고, 온수저장탱크에 저장한 고온수를 이용측에 공급한다. 이 급탕장치는, 고온수와의 열교환으로 중온수를 생성하고, 얻어진 중온수를 바닥난방용 방열기 등의 온열이용기기로 공급한다.
또 특허문헌 2에 개시된 급탕장치는, 1개의 히트펌프 유닛에서 90℃ 정도의 고온수와 60℃∼80℃ 정도의 중온수를 개별로 생성한다. 이 급탕장치는, 얻어진 고온수를 이용측으로 공급하는 한편, 얻어진 중온수를 바닥난방용 방열기 등의 온열이용기기에 공급한다.
[특허문헌 1 : 일본특허공개공보 2003-056905호]
[특허문헌 2 : 일본특허공개공보 2002-364912호]
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
상기 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 급탕장치, 즉 고온수로부터 중온수를 생성하는 급탕장치에서는, 가령 중온수의 공급만을 필요로 하는 운전상황에서도, 중온수를 생성하기 위해 반드시 고온수를 생성해야 했다. 이 때문에 이러한 종류의 급탕장치에 대해서는, 전력 등의 에너지 소비량이 과대해질 우려가 있다.
또, 상기 특허문헌 2에 개시된 바와 같은 급탕장치, 즉 1개의 히트펌프 유닛에서 고온수와 중온수를 개별로 생성하는 급탕장치에서는, 단일 냉매회로 내를 순환하는 냉매와의 열교환에 의해 온도가 서로 다른 2종류의 온수를 생성할 필요가 있다. 이때문에, 냉매회로에서의 냉동주기조건을, 예를 들어 고온수 생성에 적합한 조건으로 설정하면, 얻어지는 중온수의 온도가 제약되어 이용측 요구에 따라 중온수의 온도를 설정할 수 없어지는 등, 급탕장치의 적절한 운전제어가 어려워질 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 전력 등의 에너지 소비량이 적으며, 더욱이 급탕온도 등의 설정자유도가 높고 운전제어가 용이한 급탕장치를 제공하는 데 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제 1 발명은, 온수를 이용측에 공급하는 동작과 더불어, 이 온수의 온도보다 낮은 중간온도의 열매체를 가열용 유체로서 온열이용기기(45)로 공급하는 동작이 가능한 급탕장치를 대상으로 한다. 그리고 상기 온열이용기기(45) 사이에서 열매체를 순환시키기 위한 열매체통로(40)와, 제 1 냉매를 순환시켜 냉동주기를 실행하고, 상기 열매체통로(40)의 열매체를 제 1 냉매와의 열교환에 의해 중간온도까지 가열하는 제 1 냉매회로(20)와, 제 2 냉매를 순환시켜 냉동주기를 실행하고, 이 제 2 냉매로 물을 가열하여 급탕용 온수를 생성하는 제 2 냉매회로(60)를 구비하는 한편, 상기 제 2 냉매회로(60)는, 제 2 냉매를 상기 열매체통로(40)의 열매체와 열교환시키는 증발기를 구비하며, 이 열매체통로(40)의 열매체를 열원으로 한 히트펌프를 구성한 것이다.
제 2 발명은 상기 제 1 발명에 있어서, 열매체통로(40)는, 온열이용기기(45) 통과 후의 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 공급하는 동작이 가능하게 구성된 것이다.
제 3 발명은 상기 제 1 발명에 있어서, 열매체통로(40)는, 중간온도까지 가열된 열매체를 온열이용기기(45)와 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 분배하는 동작이 가능하게 구성된 것이다.
제 4 발명은 상기 제 2 또는 제 3 발명에 있어서, 열매체통로(40)는, 중간온도까지 가열된 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)에만 공급하는 동작이 가능하게 구성된 것이다.
제 5 발명은 상기 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 제 1 냉매회로(20)는, 제 1 냉매를 실내공기와 열교환시키는 공조용 열교환기(24)를 구비한 것이다.
제 6 발명은 상기 제 5 발명에 있어서, 제 1 냉매회로(20)는, 공조용 열교환기(24)가 증발기가 되는 동작과, 이 공조용 열교환기(24)가 응축기가 되는 동작이 전환 가능하게 구성된 것이다.
제 7 발명은 상기 제 1 발명에 있어서, 제 1 냉매회로(20)와 제 2 냉매회로(60)의 한쪽 또는 양쪽이 복수 구성되는 한편, 열매체통로(40)가 1개만 형성되며, 각 제 1 냉매회로(20)의 제 1 냉매와 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매가 1개의 열매체통로(40) 내를 순환하는 열매체와 열교환하는 것이다.
-작용-
상기 제 1 발명에 있어서, 급탕장치(10)에서는, 온수를 이용측으로 공급하는 동작만이 아닌, 중간온도의 열매체를 온열이용기기(45)로 공급하는 동작이 가능하게 구성된다. 제 1 냉매회로(20)에서는, 제 1 냉매를 순환시킴으로써 냉동주기가 이루어진다. 이때, 제 1 냉매는, 열매체통로(40)의 열매체에 방열하여 응축된다. 열매체통로(40)를 흐르는 열매체는, 제 1 냉매에 의해 가열되어 중간온도로 된 후, 온열이용기기(45)나 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 공급된다. 온열이용기기(45)에서는, 공급된 열매체를 이용하여 실내공기 등의 대상물을 가열한다. 제 2 냉매회로(60)에서는, 제 2 냉매를 순환시킴으로써 냉동주기가 이루어진다. 이때, 제 2 냉매는, 열매체통로(40)의 열매체로부터 흡열하여 증발된다. 즉, 제 2 냉매회로(60)는 열매체를 열원으로 하는 히트펌프를 구성한다. 이 급탕장치(10)에서는, 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매에 의해 물을 가열함으로써 급탕용 온수가 생성된다.
상기 제 2 발명에 있어서, 열매체통로(40)에서는, 온열이용기기(45) 통과 후의 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 공급하는 동작이 가능해진다. 이 동작 중에, 열매체통로(40)에서는, 열매체 순환방향에서의 온열이용기기(45) 하류에 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)가 위치하며, 온열이용기기(45)에서 방열하여 온도가 조금 저하된 열매체가 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)에서 제 2 냉매와 열교환한다. 또, 이 동작 중에, 제 1 냉매회로(20)의 제 1 냉매는, 제 2 냉매로 방열하여 더욱 온도가 저하된 열매체와 열교환한다.
상기 제 3 발명에 있어서, 열매체통로(40)에서는, 제 1 냉매와의 열교환에 의해 가열된 열매체를 온열이용기기(45)와 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 분배하는 동작이 가능해진다. 이 동작 중에, 열매체통로(40)에서는, 온열이용기기(45)만이 아닌 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로도 중간온도의 열매체가 공급되며, 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)에서는 제 2 냉매가 중간온도의 열매체로부터 흡열한다.
상기 제 4 발명에 있어서, 열매체통로(40)에서는, 중간온도까지 가열된 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로만 공급하는 동작이 가능해진다. 이 동작은, 온열이용기기(45)로 대상물을 가열할 필요가 없는 경우에 이루어진다.
상기 제 5 발명에서는, 제 1 냉매회로(20)에 공조용 열교환기(24)가 구성된다. 제 1 냉매회로(20) 내를 순환하는 제 1 냉매는 공조용 열교환기(24)로도 공급된다. 공조용 열교환기(24)는 실내공기를 제 1 냉매와 열교환시켜 실내공기를 냉각 또는 가열한다.
상기 제 6 발명에서 공조용 열교환기(24)가 증발기인 동작 중은, 이 공조용 열교환기(24)에서 실내공기가 냉각된다. 한편, 공조용 열교환기(24)가 응축기인 동작 중은, 이 공조용 열교환기(24)에서 실내공기가 가열된다. 이 발명의 급탕장치(10)에서는, 공조용 열교환기(24)에서 실내공기가 냉각되는 냉방운전과, 공조용 열교환기(24)에서 실내공기가 가열되는 난방운전이 전환 가능해진다.
상기 제 7 발명에서는, 제 1 냉매회로(20)와 제 2 냉매회로(60)의 한쪽 또는 양쪽이 복수 구성되며, 이들 제 1 냉매회로(20) 및 제 2 냉매회로(60)가 1개의 열매체통로(40)에 접속된다. 예를 들어, 제 1 냉매회로(20)가 복수 구성된 상태에서는, 모든 제 1 냉매회로(20)의 제 1 냉매가 열매체통로(40) 내의 열매체와 열교환 가능해진다. 또, 제 2 냉매회로(60)가 복수 구성된 상태에서는, 모든 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매가 열매체통로(40) 내의 열매체와 열교환 가능해진다.
[발명의 효과]
본 발명에서는, 제 1 냉매회로(20)가 냉동주기를 실행함으로써 열매체통로(40)의 열매체를 가열하고, 이 열매체를 열원으로 하여 제 2 냉매회로(60)가 냉동주기를 실행함으로써 급탕용 온수를 생성한다. 이로써, 예를 들어 급탕은 필요 없으나 온열이용기기(45)로 열매체를 공급할 필요가 있는 상태에서는, 제 1 냉매회로(20)만을 운전시키면 되며, 제 2 냉매회로(60)를 운전시켜 급탕용 온수를 생성할 필요는 없다. 따라서, 본 발명에 의하면 종래와 같이 중간온도의 열매체를 얻기 위해 고온의 온수를 생성할 필요가 없어져, 전력 등 에너지의 불필요한 소비를 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 급탕장치(10)에서는, 중간온도의 열매체 수요나 열매체 온도의 요구값이 변화된 경우에는, 제 1 냉매회로(20)의 운전상태를 변경하여 열매체에 대한 가열량을 조절하면 되며, 급탕수요나 급탕온도의 요구값이 변화된 경우에는, 제 2 냉매회로(60)의 운전상태를 변경하여 물에 대한 가열량을 조절하면 된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 제 1 냉매회로(20)와 제 2 냉매회로(60)를 개별로 운전제어함으로써 중간온도의 열매체 수요 등이나 급탕수요 등에 적절한 대응이 가능해져, 부하변동에 따른 운전제어가 용이한 급탕장치(10)를 실현할 수 있다.
상기 제 2 발명에서는, 온열이용기기(45) 통과 후의 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 공급하는 동작이 가능해지며, 이 동작 중에는 제 2 냉매에 방열하여 더욱 온도가 저하된 열매체와 제 1 냉매회로(20)의 제 1 냉매가 열교환한다. 이로써, 열매체와 열교환한 제 1 냉매의 엔탈피를 저하시키고, 이로써, 제 1 냉매가 외부공기 등의 열원으로부터 흡열하는 열량을 증대시킬 수 있어, 제 1 냉매회로(20)에서의 냉동주기 COP(성적계수)를 향상시킬 수 있다.
상기 제 3 발명에서는, 제 1 냉매와의 열교환으로 가열된 열매체를 온열이용기기(45)와 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 분배하는 동작이 가능해지며, 이 동작 중에는 중간온도의 열매체로부터 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매가 흡열한다. 즉, 본 발명에서는, 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매를, 최대한 높은 온도의 열매체와 열교환시킨다. 따라서, 본 발명에 의하면, 제 2 냉매회로(60)에서의 냉동주기 저압을 높게 설정할 수 있어, 제 2 냉매의 압축에 필요한 동력을 삭감함으로써 냉동주기의 COP를 삭감할 수 있다.
상기 제 4 발명에 의하면, 운전이 필요 없는 온열이용기기(45)에 대한 열매체 공급의 차단이 가능해진다. 따라서, 운전이 필요 없는 온열이용기기(45)에서의 열매체 방열손실을 회피할 수 있다.
상기 제 5 및 제 6 발명에 의하면, 급탕장치(10)의 제 1 냉매회로(20)를 이용하여 실내의 공조 실행이 가능해진다. 따라서, 급탕장치(10)와 공기조화장치를 개별로 설치하는 경우에 비해, 기기의 설치면적을 삭감할 수 있다. 특히, 제 6 발명에 의하면, 냉방운전과 난방운전의 전환이 가능해져 급탕장치(10)의 공조기능을 높일 수 있다.
상기 제 7 발명에서는, 급탕장치(10)에 제 1 냉매회로(20)와 제 2 냉매회로(60)의 한쪽 또는 양쪽을 복수 구성하고, 이들을 한 개의 열매체통로(40)에 접속한다. 이로써, 예를 들어 제 1 냉매회로(20)가 복수 구성된 경우, 1개의 제 1 냉매회로(20) 운전만으로는 열매체로의 가열량이 부족한 상태에서는 별도의 제 1 냉매회로(20)를 운전시키는 것도 가능해진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 부하변동에 유연하게 대응 가능한 용도성 좋은 급탕장치(10)를 실현할 수 있다.
도 1은 실시형태에서의 급탕장치 개략구성과 냉방운전 시의 동작을 나타낸 배관계통도이다.
도 2는 실시형태에서의 급탕장치 개략구성과 난방운전 시의 동작을 나타낸 배관계통도이다.
도 3은 실시형태 제 1 변형예에서의 급탕장치 개략구성을 나타낸 배관계통도이다.
도 4는 실시형태 제 2 변형예에서의 급탕장치 개략구성을 나타낸 배관계통도 이다.
[부호의 설명]
10 : 급탕장치 20 : 제 1 냉매회로
24 : 공조용 열교환기 40 : 중온수 회로(열매체통로)
45 : 바닥난방용 방열기(온열이용기기)
50 : 제 2 열교환기(제 2 냉매회로의 증발기)
60 : 제 2 냉매회로
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 급탕장치(10)는 열원유닛(11)과, 공조용 실내유닛(12)과, 고온수 급탕유닛(13)과, 온수저장유닛(14)으로 구성된다. 이 급탕장치(10)는, 제 1 냉매회로(20)와, 중온수 회로(40)와, 제 2 냉매회로(60)와, 고온수 회로(80)를 구비한다.
제 1 냉매회로(20)는, 열원유닛(11)과 실내유닛(12)에 걸쳐 형성된다. 이 제 1 냉매회로(20)에는, 제 1 압축기(21)와, 4방향 선택밸브(22)와, 실외열교환기(23)와, 실내열교환기(24)와, 제 1 열교환기(30)와, 2개의 전동팽창밸브(25, 26)가 설치된다. 이 중, 실내유닛(12)에 수납되는 것은 실내열교환기(24)만이며, 나머지는 열원유닛(11)에 수납된다. 또, 제 1 냉매회로(20)에는 제 1 냉매가 충전된다. 이 제 1 냉매로는 R407C나 R410A 등 이른바 프레온냉매 외에, 메탄이나 프로판 등 탄화수소냉매(HC냉매)를 이용해도 된다.
실외열교환기(23)와 실내열교환기(24)는, 모두 크로스핀형의 핀 튜브 열교환기로 구성된다. 실외열교환기(23)는 제 1 냉매를 실외공기와 열교환시킨다. 실내열교환기(24)는 제 1 냉매를 실내공기와 열교환시킨다. 이 실내열교환기(24)는 공조용 열교환기를 구성한다. 제 1 열교환기(30)는 이른바 플레이트식 열교환기로 구성되며, 서로 구획된 제 1 유로(31)와 제 2 유로(32)를 각기 복수 구비한다.
4방향 선택밸브(22)는, 제 1 포트와 제 3 포트가 서로 연통하고 제 2 포트와 제 4 포트가 서로 연통하는 제 1 상태(도 1에 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 4 포트가 서로 연통하고 제 2 포트와 제 3 포트가 서로 연통하는 제 2 상태(도 2에 나타낸 상태)로 전환 자유롭게 구성된다.
제 1 냉매회로(20)에서 제 1 압축기(21)는, 그 토출측이 4방향 선택밸브(22)의 제 1 포트에, 흡입측이 4방향 선택밸브(22)의 제 2 포트에 각각 접속된다. 실외열교환기(23)는, 그 한끝이 4방향 선택밸브(22)의 제 3 포트에 접속된다. 실외열교환기(23)의 다른 끝은, 제 1 전동팽창밸브(25)의 한끝과 제 2 전동팽창밸브(26) 한끝의, 양쪽에 접속된다. 제 1 전동팽창밸브(25)의 다른 끝은 실내열교환기(24)의 한끝에 접속된다. 실내열교환기(24)의 다른 끝은 4방향 선택밸브(22)의 제 4 포트에 접속된다. 한편, 제 2 전동팽창밸브(26) 다른 끝은, 제 1 열교환기(30)에서 제 1 유로(31)의 한끝에 접속된다. 제 1 열교환기(30)에서 제 1 유로(31)의 다른 끝은, 제 1 압축기(21)의 토출측과 4방향 선택밸브(22) 사이에 접속된다.
중온수 회로(40)는, 열원유닛(11)과 고온수 급탕유닛(13)에 걸쳐 형성된다. 이 중온수 회로(40)에는, 제 1 열교환기(30)와 펌프(41)와 3방향 조절밸브(42) 및 제 2 열교환기(50)가 배치된다. 이 중, 고온수 급탕유닛(13)에 수납되는 것은 제 2 열교환기(50)만이며, 나머지는 열원유닛(11)에 수납된다. 또, 중온수 회로(40)는, 온열이용기기로서의 바닥난방용 방열기(45)에 접속된다. 이 중온수 회로(40)는, 열매체로서 충전된 물(열매체수)을 바닥난방용 방열기(45)와의 사이에서 순환시키는 열매체통로를 구성한다.
여기서, 중온수 회로(40)에 충전하는 열매체는 물에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 에틸렌글리콜 수용액 등의 염류용액(brine)을 열매체로 이용해도 된다. 또, 중온수 회로(40)에 온열이용기기로서 접속되는 것은, 바닥난방용 방열기(45)에 한정되지 않는다. 예를 들어 열매체수에 의해 공기를 가열하는 온수난방기나 욕실건조기 등을 온열이용기기로서 중온수 회로(40)에 접속해도 된다.
3방향 조절밸브(42)는, 제 1 포트로 유입된 유체를 제 2 포트와 제 3 포트의 어느 한쪽으로 보내는 동작과, 제 1 포트로 유입된 유체를 제 2 포트와 제 3 포트 양쪽으로 보내는 동작이 가능하게 구성된다. 또, 3방향 조절밸브(42)에서는, 제 1 포트로 유입된 유체 중, 제 2 포트로 향하는 것과 제 3 포트로 향하는 것의 비율이 가변으로 구성된다. 제 2 열교환기(50)는, 이른바 플레이트식 열교환기로 구성되며, 서로 구획된 제 1 유로(51)와 제 2 유로(52)를 각기 복수 구비한다.
중온수 회로(40)에서 펌프(41)의 토출측은, 3방향 조절밸브(42)의 제 1 포트에 접속된다. 제 2 열교환기(50)의 제 1 유로(51)는, 그 한끝이 3방향 조절밸브(42)의 제 2 포트에, 다른 끝이 제 1 열교환기(30) 제 2 유로(32)의 한 끝에 각각 접속된다. 제 1 열교환기(30)의 제 2 유로(32)는, 그 다른 끝이 펌프(41)의 흡입측에 접속된다. 3방향 조절밸브(42)의 제 3 포트는, 바닥난방용 방열기(45)의 한 끝에 접속된다. 바닥난방용 방열기(45)의 다른 끝은 제 2 열교환기(50)의 제 1 유로(51)와 제 1 열교환기(30) 제 2 유로(32)를 잇는 배관에 접속된다.
제 2 냉매회로(60)는 고온수 급탕유닛(13)에 수납된다. 이 제 2 냉매회로(60)에는, 제 2 압축기(61)와, 제 3 열교환기(70)와, 전동팽창밸브(62)와 제 2 열교환기(50)가 배치된다. 또, 제 2 냉매회로(60)에는 제 2 냉매가 충전된다. 이 제 2 냉매로는 이산화탄소(CO2)가 이용된다.
제 3 열교환기(70)는 이른바 플레이트식 열교환기로 구성되며, 서로 구획된 제 1 유로(71)와 제 2 유로(72)를 각기 복수 구비한다.
제 2 냉매회로(60)에서 제 2 압축기(61)의 토출측은, 제 3 열교환기(70) 제 1 유로(71)의 한 끝에 접속된다. 제 3 열교환기(70)의 제 1 유로(71)는, 그 다른 끝이 전동팽창밸브(62)를 개재하여 제 2 열교환기(50) 제 2 유로(52)의 한 끝에 접속된다. 제 2 열교환기(50)의 제 2 유로(52)는, 그 다른 끝이 제 2 압축기(61)의 흡입측에 접속된다.
고온수 회로(80)는, 고온수 급탕유닛(13)과 온수저장유닛(14)에 걸쳐 형성된다. 이 고온수 회로(80)에는, 온수저장탱크(81)와 펌프(82)와 제 3 열교환기(70)와 혼합밸브(83)가 배치된다.
혼합밸브(83)는, 제 1 포트로 유입된 유체와 제 2 포트로 유입된 유체를 혼합시켜 제 3 포트로부터 유출시키도록 구성된다. 또, 혼합밸브(83)는, 제 1 포트 로 유입된 유체와 제 2 포트로 유입된 유체의 혼합비율의 변경이 가능하게 구성된다. 온수저장탱크(81)는 길이가 긴 원통형 밀폐용기로 형성된다.
고온수 회로(80)에 있어서, 펌프(82)의 토출측은, 제 3 열교환기(70)의 제 2 유로(72) 한 끝에 접속된다. 제 3 열교환기(70)의 제 2 유로(72)는, 그 다른 끝이 혼합밸브(83)의 제 1 포트에 접속된다. 혼합밸브(83)의 제 2 포트는, 펌프(82)의 흡입측에 접속된다. 혼합밸브(83)의 제 3 포트에는, 주방이나 세면대, 욕실 등의 이용측으로 이어지는 급탕관(85)이 접속된다. 온수저장탱크(81)는, 그 저부가 혼합밸브(83)와 급수용 펌프(82)를 잇는 배관에, 정상부가 제 3 열교환기(70)의 제 2 유로(72)와 혼합밸브(83)를 잇는 배관에 각각 접속된다. 이 고온수 회로(80) 내로 외부로부터 공급되는 물은, 펌프(82)의 흡입측 근방으로 도입된다.
-운전동작-
상기 급탕장치(10)의 운전동작에 대해 설명한다. 이 급탕장치(10)에서는, 실내유닛(12)이 실내를 냉방시키는 냉방운전과, 실내유닛(12)이 실내를 난방시키는 난방운전이 전환 가능하게 구성된다.
우선, 제 1 냉매회로(20)의 동작에 대해 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 냉방운전 중의 제 1 냉매회로(20)에서는, 4방향 선택밸브(22)가 제 1 상태로 설정된다. 또, 제 1 냉매회로(20)에서는, 제 1 전동팽창밸브(25)의 개방도가 적절히 조절되고, 제 2 전동팽창밸브(26)의 개방도는 거의 전개방으로 설정된다. 이 상태에서, 제 1 압축기(21)를 운전시키면, 제 1 냉매회로(20) 내를 제 1 냉매가 순환하여 냉동주기가 이루어진다. 이 때, 제 1 냉매회 로(20)에서는, 실외열교환기(23)와 제 1 열교환기(30)가 응축기가 되고, 실내열교환기(24)가 증발기가 된다. 이 냉방운전 중에, 제 1 냉매회로(20)는 실내공기를 열원으로 한 히트펌프를 구성한다.
구체적으로, 제 1 압축기(21)에서 토출된 제 1 냉매는, 그 일부가 4방향 선택밸브(22)를 통해 실외열교환기(23)로 유입되며, 나머지가 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)로 유입된다. 실외열교환기(23)로 유입된 제 1 냉매는 실외공기에 방열하여 응축된다. 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)로 유입된 제 1 냉매는, 중온수 회로(40)의 열매체수로 방열하여 응축된 후, 제 2 팽창밸브(26)를 통과하여 실외열교환기(23)에서 응축된 제 1 냉매와 합류한다. 이어서, 제 1 냉매는 제 1 전동팽창밸브(22)를 통과할 때 감압된 후, 실내열교환기(24)로 유입된다. 실내열교환기(24)에서는, 유입된 제 1 냉매가 실내공기로부터 흡열, 증발하여 실내공기가 냉각된다. 실내열교환기(24)에서 증발된 제 1 냉매는 4방향 선택밸브(22)를 통과한 후, 제 1 압축기(21)로 흡입되어 압축된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 난방운전 중의 제 1 냉매회로(20)에서는, 4방향 선택밸브(22)가 제 2 상태로 설정된다. 또, 제 1 냉매회로(20)에서는, 제 1 전동팽창밸브(25) 및 제 2 전동팽창밸브(26)의 개방도가 적절히 조절된다. 이 상태에서, 제 1 압축기(21)를 운전시키면, 제 1 냉매회로(20) 내를 제 1 냉매가 순환하여 냉동주기가 이루어진다. 이때, 제 1 냉매회로(20)에서는, 실내열교환기(24)와 제 1 열교환기(30)가 응축기가 되고, 실외열교환기(23)가 증발기가 된다. 이 난방운전 중에, 제 1 냉매회로(20)는 실외공기를 열원으로 한 히트펌프를 구성한다.
구체적으로, 제 1 압축기(21)에서 토출된 제 1 냉매는 그 일부가 4방향 선택밸브(22)를 통해 실내열교환기(24)로 유입되며, 나머지가 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)로 유입된다. 실내열교환기(24)에서는, 유입된 냉매가 실내공기에 방열하고 응축되어 실내공기가 가열된다. 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)로 유입된 제 1 냉매는, 중온수 회로(40)의 열매체수로 방열하여 응축된다. 실내열교환기(24)에서 응축된 제 1 냉매는 제 1 전동팽창밸브(25)를 통과할 때 감압된 후, 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)에서 응축된 제 1 냉매는 제 2 전동팽창밸브(26)를 통과할 때 감압된 후, 각각 실외열교환기(23)로 유입된다. 실외열교환기(23)에서는, 유입된 제 1 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발된다. 실외열교환기(23)에서 증발된 제 1 냉매는 4방향 선택밸브(22)를 통과한 후 제 1 압축기(21)로 흡입되어 압축된다.
다음으로, 중온수 회로(40), 제 2 냉매회로(60), 및 고온수 회로(80)의 동작에 대해 설명한다. 이들의 동작은, 냉방운전 중이거나 난방운전 중이거나에 상관없이 마찬가지이다.
중온수 회로(40)의 펌프(42)를 운전하면, 중온수 회로(40) 내를 열매체수가 순환한다. 제 1 열교환기(30)의 제 2 유로(32)로 유입된 열매체수는, 그 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31) 내를 흐르는 제 1 냉매에 의해 가열된다. 이 제 2 유로(32)를 통과하는 사이에 가열되어 30℃∼60℃ 정도의 중간온도로 된 열매체수는, 3방향 조절밸브(42)로 유입된다. 가령, 3방향 조절밸브(42)가 제 1 포트를 제 2 및 제 3 포트로 연통시킨 상태로 설정된 것으로 하면, 중간온도의 열매체수는 그 일부가 바닥난방용 방열기(45)로 유입되고, 나머지가 제 2 열교환기(50)의 제 1 유로(51)로 유입된다. 바닥난방용 방열기(45)에서 실내공기 등에 방열한 열매체수와, 제 2 열교환기(50)에서 제 2 유로(52)의 제 2 냉매로 방열한 열매체수는, 모두 제 1 열교환기(30)의 제 2 유로(32)로 유입되어 가열된다.
여기서, 3방향 조절밸브(42)를 조작하면, 바닥난방용 방열기(45)로 향하는 열매체수의 유량과 제 2 열교환기(50)로 향하는 열매체수 유량의 비율을 변경할 수 있다. 또 3방향 조절밸브(42)를, 제 1 포트가 제 2 포트만이 연통하는 상태로 설정하면, 제 1 열교환기(30)에서 가열된 열매체수가 제 2 열교환기(50)로만 공급된다. 또한, 3방향 조절밸브(42)를, 제 1 포트가 제 3 포트만이 연통하는 상태로 설정하면, 제 1 열교환기(30)에서 가열된 열매체수가 바닥난방용 방열기(45)로만 공급된다.
제 2 냉매회로(60)의 제 2 압축기(61)를 운전하면, 제 2 냉매회로(60) 내를 제 2 냉매가 순환하여 냉동주기가 이루어진다. 이때, 제 2 냉매회로(60)에서는, 제 3 열교환기(70)가 응축기가 되고, 제 2 열교환기(50)가 증발기가 된다. 또, 제 2 냉매회로(60)에서는, 냉동주기의 고압이 제 2 냉매의 임계압력보다 높게 설정된다. 즉, 제 2 냉매회로(60)에서는, 이른바 초임계주기가 이루어진다. 이 제 2 냉매회로(60)는, 중온수 회로(40)의 열매체수를 열원으로 한 히트펌프를 구성한다.
구체적으로, 제 2 압축기(61)에서 토출된 제 2 냉매는, 제 3 열교환기(70)의 제 1 유로(71)로 유입되고, 그 제 3 열교환기(70)의 제 2 유로(72)를 흐르는 급탕용수에 방열하여 응축된다. 제 3 열교환기(70)에서 응축된 제 2 냉매는, 전동팽창 밸브(62)를 통과할 때 감압된 후, 제 2 열교환기(50)의 제 2 유로(52)로 유입된다. 제 2 열교환기(50)의 제 2 유로(52)로 유입된 제 2 냉매는, 그 제 2 열교환기(50)의 제 1 유로(51)를 흐르는 열매체수로부터 흡열하여 증발된다. 제 2 열교환기(50)에서 증발된 냉매는, 제 2 압축기(61)로 흡입되어 압축된다.
고온수 회로(80)의 펌프(82)를 운전하면, 고온수 회로(80) 내를 급탕용수가 유통한다. 펌프(82)로부터 토출된 급탕용수는, 제 3 열교환기(70)의 제 2 유로(72)로 유입되고, 그 제 3 열교환기(70)의 제 1 유로(71)를 흐르는 제 2 냉매에 의해 가열된다. 제 3 열교환기(70)에서 가열되어 60℃∼90℃ 정도의 고온이 된 급탕용수는, 급탕관(85)을 통해 이용측으로 공급되거나, 또는, 온수저장탱크(81) 내에 저장된다. 또 혼합밸브(83)를 조작하면, 제 1 포트로 유입되는 고온의 급탕용수와 제 2 포트로 유입되는 상온수의 유량 비율이 변화되고, 그 결과, 제 3 포트로부터 급탕관(85)으로 유입되는 온수의 온도가 조절된다.
-실시형태의 효과-
본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 제 1 냉매회로(20)가 냉동주기를 실행함으로써 중온수 회로(40)의 열매체수를 가열하고, 이 열매체수를 열원으로 하여 제 2 냉매회로(60)가 냉동주기를 실행함으로써 급탕용수를 60℃∼90℃ 정도의 고온으로까지 가열한다. 이로써, 예를 들어 급탕은 필요 없으나 바닥난방용 방열기(45)로 열매체수를 공급할 필요가 있는 상태에서는, 제 1 냉매회로(20)만으로 냉동주기를 실행시키면 되며, 제 2 냉매회로(60)에서 냉동주기를 실행하여 급탕용수를 고온까지 가열할 필요는 없다. 따라서, 상기 급탕장치(10)에 의하면, 종래와 같이 중 간온도의 열매체를 얻기 위해서만 고온수를 생성시킬 필요가 없어져 전력의 불필요한 소비를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 급탕장치(10)에 있어서, 제 1 압축기(21)의 운전용량을 변경하면, 제 1 열교환기(30)에서의 열매체수에 대한 가열량이 변화한다. 이로써, 중간온도의 열매체수 수요나 열매체수 온도의 요구값이 변화된 경우에는, 이들의 변화에 대응한 운전상태를 제 1 압축기(21)의 운전제어에 의해 실현할 수 있다. 또, 이 급탕장치(10)에 있어서, 제 2 압축기(61)의 운전용량을 변경하면, 제 3 열교환기(70)에서의 급탕용수에 대한 가열량이 변화한다. 이로써, 급탕수요나 급탕온도의 요구값이 변화된 경우에는, 이들의 변화에 대응한 운전상태를 제 2 압축기(61)의 운전제어에 의해 실현할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에 의하면, 제 1 압축기(21)와 제 2 압축기(61)를 개별로 운전 제어함으로써, 중간온도 열매체수의 수요 등이나 급탕수요 등에 적절한 대응이 가능해진다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 부하변동에 따른 운전제어가 용이한 급탕장치(10)를 실현할 수 있다.
또, 본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 제 1 냉매와의 열교환에 의해 가열된 열매체수를 바닥난방용 방열기(45)와 제 2 열교환기(50)로 분배하는 동작이 가능해지며, 이 동작 중에는, 제 1 열교환기(30)로부터 유출된 중간온도의 열매체수로부터 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매가 흡열한다. 즉, 이 급탕장치(10)에서는, 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매를 최대한 높은 온도의 열매체수와 열교환시킨다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 제 2 냉매회로(60)에서의 냉동주기의 저압을 높게 설정할 수 있어, 제 2 압축기(61)의 소비전력을 삭감함으로써 냉동주기의 COP를 삭감할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 급탕장치(10)에 의하면, 운전의 필요가 없는 바닥난방용 방열기(45)에 대한 열매체수 공급의 차단이 가능해진다. 따라서 운전이 필요 없는 바닥난방용 방열기(45)에서의 열매체수 방열손실을 회피할 수 있다.
또, 본 실시형태의 급탕장치(10)에 의하면, 제 1 냉매회로(20)를 이용하여 실내의 난방이나 냉방 실행이 가능해진다. 따라서, 급탕장치(10)와 공조기를 개별로 설치하는 경우에 비해, 기기의 설치면적을 삭감할 수 있다.
여기서, 일반적으로 열교환능력이 같으면, 냉매를 물과 열교환시키는 열교환기는, 냉매를 공기와 열교환시키는 열교환기에 비해 소형이다. 한편, 본 실시형태의 급탕장치(10)에서, 고온수 회로(80) 내의 급탕용수를 가열하기 위한 제 2 냉매회로(60)는, 중온수 회로(40)의 열매체수를 열원으로 하는 히트펌프를 구성하며, 제 2 냉매회로(60)의 증발기가 되는 제 2 열교환기(50)는 제 2 냉매를 열매체수와 열교환시키는 플레이트식 열교환기로 구성된다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 중온수 회로(40)의 열매체수를 가열하기 위한 제 1 냉매회로(20)와, 고온수 회로(80) 내의 급탕용수를 가열하기 위한 제 2 냉매회로(60) 양쪽이 공기를 열원으로 하는 히트펌프인 경우에 비해, 급탕장치(10)를 대폭으로 소형화할 수 있다.
-실시형태의 제 1 변형예-
본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 중온수 회로(40)의 구성을 변경해도 된다.
구체적으로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중온수 회로(40) 중, 3방향 조절밸브(42)와 제 2 열교환기(50)를 잇는 배관에 바닥난방용 방열기(45)의 다른 끝을 접속해도 된다. 이 변형예의 중온수 회로(40)에서, 바닥난방용 방열기(45)에서 방열한 열매체수는, 제 2 열교환기(50)의 제 1 유로(51)를 통과한 후, 제 1 열교환기(30)의 제 2 유로(32)로 유입된다.
이와 같이, 본 변형예의 급탕장치(10)에서는, 바닥난방용 방열기(45)를 통과한 후의 열매체수를 제 2 열교환기(50)로 공급하는 동작이 가능해진다. 이 동작 중에는, 바닥난방용 방열기(45)에서 방열한 열매체수가 제 2 열교환기(50)에서 다시 제 2 냉매에 방열한 후, 제 1 열교환기(30)에서 제 1 냉매와 열교환하게 된다. 이로써, 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31) 출구에서 제 1 냉매의 엔탈피를 저하시키고, 이에 따라, 제 1 냉매가 외부공기 등의 열원으로부터 흡열하는 열량을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 변형예에 의하면, 제 1 냉매회로(20)에서의 냉동주기 COP(성적계수)를 향상시킬 수 있다.
-실시형태의 제 2 변형예-
본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 제 1 냉매회로(20)의 구성을 변경해도 된다.
구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 냉매회로(20)에서 실내열교환기(24)와 4방향 선택밸브(22)를 생략해도 된다. 이 변형예의 제 1 냉매회로(20)에서, 제 1 압축기(21)는, 그 토출측이 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)에, 흡입측이 실외열교환기(23)에 각각 접속된다.
-실시형태의 제 3 변형예-
본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 제 1 냉매회로(20)가 복수 배치되어도 된다. 이 경우, 중온수 회로(40)에는 복수의 제 1 열교환기(30)가 직렬 또는 병렬로 접속되며, 각 제 1 열교환기(30)의 제 1 유로(31)에 제 1 냉매회로(20)가 1개씩 접속된다. 그리고 하나의 제 1 냉매회로(20) 운전만으로는 열매체수로의 가열량이 부족한 상태가 되어도, 별도의 제 1 냉매회로(20)를 운전시킴으로써 가열량의 부족한 양을 보충할 수 있게 된다. 따라서, 이 변형예에 의하면, 부하변동에 유연하게 대응 가능한 사용이 편한 급탕장치(10)를 실현할 수 있다.
마찬가지로, 본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 제 2 냉매회로(60)가 복수 배치되어도 된다. 이 경우, 중온수 회로(40)에는 복수의 제 2 열교환기(50)가 직렬 또는 병렬로 접속되며, 각 제 2 열교환기(50)의 제 2 유로(52)에는 제 2 냉매회로(60)가 1개씩 접속된다.
-실시형태의 제 4 변형예-
본 실시형태의 급탕장치(10)에서는, 고온수 급탕유닛(13)과 온수저장유닛(14)을 일체로 해도 된다. 즉, 제 2 냉매회로(60)와 고온수 회로(80)를 1개의 케이싱 내에 수납해도 된다. 이와 같이 고온수 급탕유닛(13)과 온수저장유닛(14)을 일체로 하면, 급탕장치(10)의 설치면적을 삭감할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 급탕장치에 대해 유용하다.

Claims (7)

  1. 온수를 이용측에 공급하는 동작과 더불어, 이 온수의 온도보다 낮은 중간온도의 열매체를 가열용 유체로서 온열이용기기(45)로 공급하는 동작이 가능한 급탕장치에 있어서,
    상기 온열이용기기(45)와의 사이에서 열매체를 순환시키기 위한 열매체통로(40)와,
    제 1 냉매를 순환시켜 냉동주기를 실행하고, 상기 열매체통로(40)의 열매체를 제 1 냉매와의 열교환에 의해 중간온도까지 가열하는 제 1 냉매회로(20)와,
    제 2 냉매를 순환시켜 냉동주기를 실행하고, 이 제 2 냉매로 물을 가열하여 급탕용 온수를 생성하는 제 2 냉매회로(60)를 구비하는 한편,
    상기 제 2 냉매회로(60)는, 제 2 냉매를 상기 열매체통로(40)의 열매체와 열교환시키는 증발기를 구비하며, 이 열매체통로(40)의 열매체를 열원으로 하는 히트펌프를 구성하는 급탕장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열매체통로(40)는, 온열이용기기(45) 통과 후의 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 공급하는 동작이 가능하게 구성되는, 급탕장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    열매체통로(40)는, 중간온도까지 가열된 열매체를 온열이용기기(45)와 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)로 분배하는 동작이 가능하게 구성되는, 급탕장치.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    열매체통로(40)는, 중간온도까지 가열된 열매체를 제 2 냉매회로(60)의 증발기(50)에만 공급하는 동작이 가능하게 구성되는, 급탕장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제 1 냉매회로(20)는, 제 1 냉매를 실내공기와 열교환시키는 공조용 열교환기(24)를 구비하는, 급탕장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제 1 냉매회로(20)는, 공조용 열교환기(24)가 증발기가 되는 동작과, 이 공조용 열교환기(24)가 응축기가 되는 동작이 전환 가능하게 구성되는, 급탕장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제 1 냉매회로(20)와 제 2 냉매회로(60)의 한쪽 또는 양쪽이 복수 구성되는 한편, 열매체통로(40)가 1개만 형성되며,
    각 제 1 냉매회로(20)의 제 1 냉매와 제 2 냉매회로(60)의 제 2 냉매가 1개의 열매체통로(40) 내를 순환하는 열매체와 열교환하는, 급탕장치.
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