KR100818544B1 - 축열형 히트펌프 냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열형 히트펌프 냉난방시스템에 관한 것으로, 그 목적은 축열탱크와 작동유체의 다양한 열교환을 통해 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있도록 축열형 히트펌프 냉난방시스템을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 축열식 히트펌프 시스템으로서, 열교환되어 온수 및 난방 원수를 공급하는 축열탱크와, 압축펌프, 제1, 2응축기, 제1, 2팽창밸브, 제1, 2증발기로 이루어진 축열식 히트펌프 시스템으로서, 상기 압축펌프는 모터 측으로부터 작동유체가 인입되고, 모터의 회전을 감속하는 감속기어가 치합되어 있으며, 감속기어의 출력 측으로는 베인익이 설치되어 작동유체를 고온, 고압의 상태로 압축하여 토출하고, 상기 압축펌프와 제1응축기 사이에는 제1열교환기가 설치되어 상기 고온, 고압의 작동유체가 방출하는 고온의 열과 축열탱크의 원수가 열교환되어 원수를 일정한 온도로 가온시키고, 상기 제1응축기와 제1증발기는 물이 수용된 열평형탱크 내에 병설되어 제1응축기를 통과하는 작동유체가 방출한 고온의 열과 열평형탱크 내의 물이 서로 열교환 되도록 하여 작동유체를 상기 압축펌프로 재인입시키는 과정을 반복하여 온수의 제공과 난방을 수행한다.

히트펌프, 압축펌프, 열교환, 삼방밸브, 작동유체

Description

축열형 히트펌프 냉난방시스템{.}

본 발명은 냉, 온 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축열탱크와 작동유체의 다양한 열교환을 통해 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 축열형 히트펌프 냉난방시스템에 관한 것이다.

대한민국 특허등록번호 제10-046135호

대한민국 특허등록번호 제10-0391007호

대한민국 특허등록번호 제10-0187395호

열펌프 즉, 히트펌프는 직접사용이 어려운 저온·저밀도의 열에너지를 사용가능 한 고온·고밀도의 열에너지 상태로 끌어 올린다는 의미로서, 저온을 고온으로 전환하거나 고온을 저온으로 전환하여 냉방이나 난방을 수행하는 장치를 의미한 다.

열은 그 자신만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동이 불가능하며, 열의 이동에는 반드시 일(Work)이 소요된다.

펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와 마찬가지로, 히트펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다.

현실적으로 적용되는 히트펌프의 원리는 에어콘이라 불리우는 냉방장치의 역사이클로 적용된다. 보다 상세하게, 냉방전용의 에어콘은 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 방열시키는 원리다.

그러나, 히트펌프의 특성상 겨울철 에어컨을 거꾸로 돌리다 보면 실내에는 더운바람이 나가고 실외기 쪽으로는 찬바람이 나가므로, 외기온도가 영하권으로 근처에 머무는 겨울엔 실외기에 있는 열교환기 및 압축펌프에 착상, 서리 등으로 동파가 일어나며, 나아가 실외의 온도가 영하 5도 정도만 되면 효율이 40% 정도이고, 아예 작동을 멈추는 경우가 종종 발생하였다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위한 공지의 예로서, 통상의 회로구성에 응축과 증발 과정을 한번 씩 더하여 간헐적으로 제상운전을 수행하나 잦은 제상은 압축기에 무리를 주어 수명 단축을 초래하는 문제점이 발생되었다.

하나의 바람직한 실시 양태에 있어서 본 발명에 따른 축열형 히트펌프 냉난방시스템은, 전술한 문제를 모두 해소하도록 난방운전시 실외기가 필요하지 않으며 배관을 따라 이송되는 작동유체를 다양하게 열교환시켜 고효율의 냉난방을 수행할 수 있는 축열형 히트펌프 냉난방시스템을 제공한다.

이를 위한 본 발명은,

축열식 히트펌프 시스템으로서,

열교환되어 온수 및 난방 원수를 공급하는 축열탱크와,

압축펌프, 제1, 2응축기, 제1, 2팽창밸브, 제1, 2증발기로 이루어진 축열식 히트펌프 시스템으로서,

상기 압축펌프는 모터 측으로부터 작동유체가 인입되고, 모터의 회전을 감속하는 감속기어가 치합되어 있으며, 감속기어의 출력 측으로는 베인익이 설치되어 작동유체를 고온, 고압의 상태로 압축하여 토출하고,

상기 압축펌프와 제1응축기 사이에는 제1열교환기가 설치되어 상기 고온, 고압의 작동유체가 방출하는 고온의 열과 축열탱크의 원수가 열교환되어 원수를 일정한 온도로 가온시키고,

상기 제1응축기와 제1증발기는 물이 수용된 열평형탱크 내에 병설되어 제1응축기를 통과하는 작동유체가 방출한 고온의 열과 열평형탱크 내의 물이 서로 열교환 되도록 하고, 제1증발기를 통과하는 작동유체가 방출하는 저온의 열은 상기 열교환된 열평형탱크의 물과 다시 열교환되어 작동유체를 저온, 저압의 상태로 유지 시키며,

저온, 저압의 상태가 유지된 작동유체는 상기 압축펌프로 인입되는 과정을 반복하여 온수를 공급하고, 난방을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축열탱크는 보조탱크를 더 포함하여 원수를 직수로 공급하고, 상기 보조탱크는 원수공급펌프를 통해 제1열교환기에 원수를 공급하며, 열교환된 원수를 다시 수용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환기와 열평형탱크 내의 제1응축기와 제1증발기와 압축모터 사이에는 제1, 2삼방밸브가 설치되어 선택적으로 개폐시켜 작동유체의 이동을 제어하고, 상기 제1삼방밸브는 제1응축기로 이동하는 작동유체의 이동을 제어하여 제2응축기로 이동시키고, 이동된 작동유체는 제2팽창밸브를 통해 기화되어 제2증발기로 이동되어 냉방을 수행하며,

상기 제2증발기를 통과한 작동유체는 축열탱크에서 분기된 배관과 제2열교환기를 통해 열교환된 후 제2삼방밸브를 통하여 압축펌프로 인입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축펌프는 모터와 감속기어와 펌프의 역할을 수행하는 베인익으로 이루어져 있고, 상기 작동유체는 모터와 감속기어를 통과한 후 베인익에 의해서 압축되어 고온, 고압의 상태에 도달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1열교환기를 빠져나온 작동유체는 제1응축기와 제1증발기가 병행되어있는 열평형탱크를 지나면서 고온, 고압에서 저온, 저압으로 열평형이 이루어지는 장치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적 및 효과는 이하의 상세한 설명으로부터 명확하게 되고, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 상세한 설명 및 실시예는 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 축열형 히트펌프 냉난방시스템에 의하면, 난방 운전시 실내에 설치되는 열평형탱크에 의해서 제상의 문제가 해결되고, 팬 등의 미설치로 인해 정숙한 운전을 수행할 수 있으며, 선택적으로 냉난방을 수행할 수 있는 작용효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 걸쳐 기능적으로 동일하거나, 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.

먼저, 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리로서 통상 에어콘이라 불리우는 냉방장치의 역사이클로 생각하면 된다.

즉, 냉방전용의 에어콘은 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 방열시키는 원리다.

구체적으로 히트펌프의 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기, 압축기, 고온부 열교환기인 응축기, 팽창밸브의 4개 요소로 구분되며 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다.

위와 같은 기본적인 히트펌프의 원리를 응용한 본 발명은 도 1에 의해서 구체화된다.

도 1은 본 발명에 적용된 축열형 히트펌프 냉난방시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 적용된 압축펌프의 개략적인 설치 상태를 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 적용된 압축펌프의 작동상태를 보여주는 측단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 본 발명은 축열식 히트펌프 시스템으로서, 열교환되어 온수 및 난방 원수를 공급하는 축열탱크(10)와, 압축펌프(20), 제1, 2응축기(30,40), 제1, 2팽창밸브(50,60), 제1, 2증발기(70,80)를 기본적인 구성으로 하고 있다.

본 발명에 적용된 축열탱크(10)는 급탕과 난방을 수행하기 위하여 축열된 원수가 배출될 수 있는 난방공급배관(2)이 설치되어 있고, 이를 위해 축열탱크(10)의 원수는 후술하는 제1, 2열교환기(90,100)을 통해 열교환되어 평균 70℃ ~ 80℃를 유지하게 된다.

압축펌프(20)는 전술한 작동유체를 상온에서도 쉽게 액화될 수 있도록 고온, 고압의 상태로 압축시키는 역할을 수행한다.

이를 위한 압축펌프(20)는 회전축(22a)이 축설된 모터(22) 측으로부터 작동유체가 저온, 저압 상태로 인입된다.

위와 같이 인입된 작동유체는 모터(22) 주위를 통과하면서 모터(22)로부터 발생되는 발열량을 흡수하면서 이동한다. 이때, 이동되는 작동유체는 모터(22)의 발열을 흡수하므로 모터(22)에 무리를 주지 않으며, 이는 장시간 운전시 유효하다.

모터(22)의 회전축(22a)은 일방향으로 연장된 후 감속기어(24)에 의해 감속되어 적절한 회전을 이루고 있다.

감속기어(24)의 출력축(24a)으로는 베인익(26)이 설치되어 있으며, 베인익(26)은 캠링(28)의 내부에서 회전한다.

캠링(28)의 내부로는 작동유체가 유입되고, 다시 베인익(26)의 회전에 의해서 압축되어 토출된다.

이때 베인익(26)의 회전은 작동유체를 고온, 고압으로 압축시키고, 최대 200℃ 이상으로 작동유체를 가온시킨다.

고온, 고압으로 압축된 작동유체는 적절한 압력을 유지시키기 위하여 차단밸브(S)가 설치되어 있으며, 제1열교환기(90)를 통과한다.

제1열교환기(90)는 전술한 축열탱크(10)의 원수가 평균 70℃ ~ 80℃의 상태로 열교환되도록 하고, 바람직하게 축열탱크(10)는 보조탱크(12)를 더 포함하고 있으며, 이 보조탱크(12)는 축열탱크(10)로부터 원수를 공급받는다.

더욱 바람직하게 보조탱크(12)는 원수공급펌프(12a)를 통해 제1열교환기(90)에 원수를 직수로 공급하고, 상기 고온, 고압의 작동유체와 열교환 된 후 다시 축열탱크(10) 또는 보조탱크(12)로 재순환된다.

이렇게 후술하는 제1응축기(30), 제1팽창밸브(50), 제1증발기(70)를 통과하여 재순환을 반복하는 작동유체를 통해 열교환된 원수는 보조탱크(12) 또는 축열탱크(10)로 모여 난방공급배관(2)을 통해 난방수로 공급된다.

다시, 전술한 바와 같이 제1열교환기(90)를 통해 열교환된 작동유체는 제1응축기(30)로 이동하고, 이동된 작동유체는 외기에 의해서 액화된다.

본 발명에서 상기 외기는 본 발명만의 방법에 의해서 공급된다. 즉, 본 발명은 제1응축기(30)와 제1증발기(70)를 열평형탱크(110)에 병설되어 있고, 그 내부로는 물이 수납되어 있다.

본 발명에 따라 적용된 물은 상기 외기와 동일한 의미로 사용되며, 제1응축기(30)를 통과하는 고압, 고온의 작동유체를 액화시킨다.

이때, 제1응축기(30)를 통해 방출되는 응축열은 물과 열교환되고, 이는 작동유체를 평균 30℃ ~ 40℃의 상태로 유지시키게 된다.

통상의 방법과 같이 작동유체는 증발되기 쉬운 상태까지 압력을 저하시켜야 하고, 이를 위해 본 발명에서도 제1팽창밸브(50)가 설치되어 있으며, 제1팽창밸브(50)는 위와 같은 감압작용 외에 작동유체의 유량도 조절하는 역할을 수행한다.

제1팽창밸브(50)를 통과한 작동유체는 열평형탱크(110)에 병설되어 있는 제1증발기(70)로 이동하고, 이 제1증발기(70)를 통과한 작동유체는 저온, 저압이 되므로 먼저 열교환된 물의 열을 10℃ ~ 15℃ 상태를 유지하도록 흡수한다.

이때, 상기 제1응축기(30)와 제1증발기(70)를 통해 열교환된 물은 일정한 온도에 이르면 물을 외부로 배출하고, 외부로부터 급수를 받아 순환시켜 열교환의 효 율을 극대화시킬 수 있다. 이를 위해 열평형탱크(110)에는 내부에 수납된 물의 온도를 감지하여 순환시키는 순환모터가 외부의 급수배관과 연결될 수 있다.

위와 같이 저온, 저압의 상태로 제1증발기(70)를 통과한 작동유체는 다시 상기 압축펌프(20)로 인입되어 전술한 과정을 반복하게 된다.

따라서, 온수 및 난방을 공급하는 상기 과정은 통상적으로 실외에 설치되는 제1응축기(30)를 실내에 설치할 수 있어 동절기 제상의 문제를 원천적으로 방지할 수 있으며, 동시에 히트펌프의 단점이 동절기 온도저하로 인한 작동불능을 일시에 해소한다.

본 발명은 위와 같이 온수 및 난방을 공급함과 동시에 하절기 냉방을 수행하기 위하여 작동유체의 이동을 변환시킨다.

이를 위하여 본 발명은 상기 제1열교환기(90)와 열평형탱크(110) 내의 제1응축기(30) 사이의 배관상으로는 제1삼방밸브(120)와 열평형탱크(110) 내의 제1증발기(70)와 압축모터(20) 사이의 배관상으로 제2삼방밸브(130)가 설치되어 있다.

이러한 제1, 2삼방밸브(120, 130)는 선택적으로 개폐되어 작동유체의 이동을 제어하게 된다.

구체적으로 제1삼방밸브(120)를 통하여 이동이 전환된 작동유체는 제2응축기(40)로 이동된다.

본 발명에서 제2응축기(40)는 하절기에만 사용되는 특성상 실외에 설치된다. 따라서, 제상의 문제 역시 원천적으로 방지된다.

제2응축기(40)를 통과하는 작동유체는 실외의 외기와 열교환되어 응축열을 방출하고, 제2팽창밸브(60)를 통과하면서 저온, 저압의 상태로 제2증발기(80)로 이동한다.

제2증발기(80)는 통상적으로 외부의 열을 흡수하여 작동유체를 기화되면서 주변의 온도를 저하시키게 된다.

이때, 제2열교환기(100)에 설치된 축열탱크(10)의 난방예열배관(200)의 순환펌프(210)는 냉방을 수행하게 되면 정지하고 있다.

위와 같이 제2열교환기(100)를 통해 열교환된 작동유체는 제2삼방밸브(130)를 통하여 압축펌프(20)로 인입되고, 이러한 과정을 반복하여 냉방을 수행한다

그리고 본 발명은 위와 같은 제1, 2삼방밸브(120, 130)을 통해 작동유체를 전환시켜 냉, 난방을 완전하게 수행한다.

즉, 전기 설명으로부터 명확해지듯이, 이 발명은 냉, 난방을 선택적으로 수행하는 축열형 히트펌프 냉난방시스템를 제공하여 외부의 온도에 관계없이 지속적인 난방을 수행할 수 있으며, 동시에 선택적으로 냉방을 수행할 수 있다.

본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하는 일없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 전술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해서 나타내는 것으로써, 명세서 본문에 의해서는 아무런 구속도 되지 않는다. 다시, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.

도 1은 본 발명에 적용된 축열형 히트펌프 냉난방시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 적용된 압축펌프의 개략적인 설치 상태를 보여주는 단면도.

도 3은 본 발명에 적용된 압축펌프의 작동상태를 보여주는 측단면도.

*도면의 부호에 대한 간략한 설명*

10: 축열탱크 20: 압축펌프

30, 40: 제1, 2응축기 50, 60: 제1, 2팽창밸브

70, 80: 제1, 2증발기 90, 100: 제1, 2열교환기

120, 130: 제1, 2삼방밸브 200: 난방예열배관

Claims (5)

1. 축열식 히트펌프 시스템으로서, 열교환되어 온수 및 난방 원수를 공급하는 축열탱크와, 압축펌프, 제1, 2응축기, 제1, 2팽창밸브, 제1, 2증발기로 이루어진 축열식 히트펌프 시스템에 있어서,

   상기 압축펌프는 모터 측으로부터 작동유체가 인입되고, 모터의 회전을 감속하는 감속기어가 치합되어 있으며, 감속기어의 출력 측으로는 베인익이 설치되어 작동유체를 고온, 고압의 상태로 압축하여 토출하고,

   상기 압축펌프와 제1응축기 사이에는 제1열교환기가 설치되어 상기 고온, 고압의 작동유체가 방출하는 고온의 열과 축열탱크의 원수가 열교환되어 원수를 일정한 온도로 가온시키고,

   상기 제1응축기와 제1증발기는 물이 수용된 열평형탱크 내에 병설되어 제1응축기를 통과하는 작동유체가 방출한 고온의 열과 열평형탱크 내의 물이 서로 열교환 되도록 하고, 제1증발기를 통과하는 작동유체가 방출하는 저온의 열은 상기 열교환된 열평형탱크의 물과 다시 열교환되어 작동유체를 저온, 저압의 상태로 유지시키며,

   저온, 저압의 상태가 유지된 작동유체는 상기 압축펌프로 인입되는 과정을 반복하여 온수의 제공과 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는 축열형 히트펌프 냉난방시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 축열탱크는 보조탱크를 더 포함하여 이루어지고, 상기 보조탱크는 원수공급펌프를 통해 제1열교환기에 원수를 공급하며, 열교환된 원수를 다시 수용하는 것을 특징으로 하는 축열형 히트펌프 냉난방시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1열교환기와 열평형탱크 내의 제1응축기 사이에는 제1삼방밸브가 설치되고 제1증발기와 압축모터 사이에는 제2삼방밸브가 설치되어 선택적으로 개폐됨에 따라 작동유체의 이동을 제어하고, 상기 제1삼방밸브는 제1응축기로 이동하는 작동유체의 이동을 제어하여 제2응축기로 이동시키고, 이동된 작동유체는 제2팽창밸브를 통해 기화되어 제2증발기로 이동되어 냉방을 수행하며,

   상기 제2증발기를 통과한 작동유체는 축열탱크에서 분기된 배관과 제2열교환기를 통해 열교환된 후 제2삼방밸브를 통하여 압축펌프로 인입되는 것을 특징으로 하는 축열형 히트펌프 냉난방시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 압축펌프는 모터와 감속기어와 펌프의 역할을 수행하는 베인익으로 이루어져 있고, 상기 작동유체는 모터와 감속기어를 통과한 후 베인익에 의해서 압축되어 고온, 고압의 상태에 도달하는 것을 특징으로 하는 축열형 히트펌프 냉난방시스템.
5. 삭제

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