KR100881328B1 - 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 또는 이원 냉동사이클을 이용한 냉,난방 겸용 히트펌프 장치에 있어서, 부동수조 증발부스에 히트펌프의 증발기를 담가 성애발생을 억제함으로써, 별도의 제상운전 없이도 상기 증발기를 연속해서 운전할 수 있으므로 히트펌프의 운전시 20 ∼ 23 kg/㎠ 정도에서도 65 ∼ 70℃의 고온 수 생산이 고효율로 이뤄져 증발효율이 향상된 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매가스의 열기를 이용하여 응축기에서 축열조와 열교환 시키고, 상기 응축기를 거친 냉매는 팽창밸브를 지나 증발기에서 공기열을 취득하여 증발된 뒤 다시 상기 압축기로 순환되는 히트펌프장치에 있어서, 상기 증발기가 부동액에 잠겨 증발에 필요한 열량을 취득하도록 하는 부동수조 증발부스가 구비되고, 상기 부동수조 증발부스는 상부가 개방되어 공기 흡입구와 공기 배출구로 구획되며, 상기 공기 배출구에는 공기 순환팬이 구비되어 외기가 상기 흡입구로 들어와 배출되는 과정에서 상기 부동액이 공기열을 취득하여 상기 증발기에 성애가 발생되지 않도록 한 특징이 있다.

부동수조 증발부스, 증발기, 순환펌프, 필러, 공기흡입팬, 부동액,

Description

연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치{Heat Pump apparatus}

도 1은 본 발명 한 실시예의 연속 제상이 가능한 히트펌프장치의 블록도

도 2는 본 발명 한 실시예의 활성탱크 열교환기의 단면도

도 3은 본 발명 한 실시예의 부동수조 증발부스의 단면도

<도면의 부호설명>

1 : 보조 압축기 2 : 활성탱크 열교환기 3 : 압축기
4: 응축기 5 : 팽창밸브 6 : 증발기
7 : 부동수조 증발부스 8 : 순환펌프 9 : 충진재
10 : 공기 순환팬 11 : 부동액 12 : 보조증발기
13 : 축열조 14 : 축열조 순환펌프 15 : 축냉조 순환펌프
16 : 축냉조 열교환기 17 : 축냉조 18 : 팽창밸브
19 : 팽창밸브 20 : 실내기 21:삼방변
100 : 수액기 201 : 인입노즐 202 : 배플
203 : 핫가스코일 204 : 배출노즐 205 : 온도센서

삭제

701 : 하부외함 702 : 상부외함 703 : 물탱크
704 : 배관노즐 705 : 액 거름망

본 발명은 냉,난방 사이클을 이용한 단일 또는 이원 히트펌프에 있어서, 부동액 수조(이하 부동수조라 함) 증발부스에 증발기를 담가 성애발생을 억제함으로써, 별도의 제상운전 없이도 상기 증발기를 연속해서 운전가능하므로 히트펌프의 효율이 증가되는 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프 장치에 관한 것이다.

종래에 특허출원 제10-2003-0053324호 및 제10-2003-0066432호에 이원 히트펌프에 관해 소개되었다.
상기 히트펌프 시스템은 특히 제상의 어려운 단점이 있는데 수세식 제상 및 핫가스 제상을 수행하고 있지만, 수세식 제상의 경우 다량의 물 소비 및 열손실의 단점이 있으며, 또한 핫가스 제상 시에도 고온,고압의 가스를 통해 제상 되므로 밸브 등 기기의 고장 및 15％이상 열손실로 이어졌으며, 이들은 제상운전 시 메인 사이클의 정지로 인해 열 생산을 위한 가동 시간의 감소로 이어졌고 이를 보충하기 위하여 기기 용량을 크게 설계해야되므로 제조비용 증가로 이어져 결국엔 전체 효율의 감소로 이어졌으며 온수의 온도가 이론상은 70℃정도 이나 실제가동시 45℃ ∼ 62℃로 낮아서 이론대비 실제 효율이 떨어짐이 현실로 드러났고, 효율, 시스템의 간편화 및 보편화가 이루어지지 않아 종합적인 경쟁력이 취약한 단점이 있었다.

삭제

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 부동수조 증발부스에 증발기를 담가 성애발생을 억제함으로써, 별도의 제상운전 없이도 상기 증발기를 연속해서 운전할 수 있으므로 히트펌프의 운전시 20 ∼ 23kg/㎠ 정도에서도 65 ∼ 70℃의 고온 수 생산이 고효율로 이뤄져 증발효율이 향상된 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매가스의 열기를 이용하여 응축기에서 축열조와 열교환 시키고, 상기 응축기를 거친 냉매는 팽창밸브를 지나 증발기에서 공기열을 취득하여 증발된 뒤 다시 상기 압축기로 순환되는 히트펌프장치에 있어서, 상기 증발기가 부동액에 잠겨 증발에 필요한 열량을 취득하도록 하는 부동수조 증발부스가 구비되고, 상기 부동수조 증발부스는 상부가 개방되어 공기 흡입구와 공기 배출구로 구획되며, 상기 공기 배출구에는 공기 순환팬이 구비되어 외기가 상기 흡입구로 들어와 배출되는 과정에서 상기 부동액이 공기열을 취득하여 상기 증발기에 성애가 발생되지 않도록 한 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 연속 제상이 가능한 히트펌프장치의 블록도 이고, 도 2는 본 발명 한 실시예의 활성탱크 열교환기의 단면도로써, 본 발명 한 실시예는 열을 생산하는 메인사이클 라인(L1), 열을 취득을 보조하는 보조사이클 라인(L2) 그리고 열을 축적하는 축열사이클 라인(L3)으로 구분된다.
상기 메인사이클 라인(L1)은 냉매가스를 고온고압으로 압축하는 압축기(3), 압축열을 축열사이클 라인(L3)의 축열조(13)로 방출하는 응축기(4), 응축 냉매가스의 액성분을 걸러내는 수액기(100), 응축된 냉매가스를 팽창시키는 팽창밸브(5) 및 액체상태의 냉매가스를 기화시키는 증발기(6)로 구성되며, 상기 증발기(6)는 후술할 부동수조 증발부스(7)에 잠겨서 순환되는 부동액(11)과 열교환되어 증발된 뒤 활성탱크 열교환기(2)를 거쳐 상기 압축기(3)로 순환되는 사이클을 구성한다.
상기 보조사이클 라인(L2)은 이미 공기열을 100％흡수한 상기 메인사이클 라인(L1)의 냉매를 완전한 활성화 및 약간의 온도상승을 보조하는 것으로, 보조압축기(1)에서 압축된 고온고압의 냉매가 활성탱크 열교환기(2)를 거치면서 열을 방출하여 응축되고 이 과정에서 상기 메인사이클 라인(L1)을 순환하는 냉매가 완전 활성화되어 압축기(3)로 유입되므로 압축효율의 상승을 이룬다. 그리고 상기 활성화탱크 열교환기(2)를 통과한 냉매는 팽창밸브(18)를 거쳐 보조증발기(12)로 투입되고 이후 삼방밸브(21)에 의해 팽창밸브(19)를 거치지 않고 바로 보조압축기(1)로 순환되는 사이클을 이룬다.
상기 축열사이클 라인(L3)은 상기 메인 냉매사이클 라인(L1)의 응축기(4)와 축열조(13) 사이에서 열교환이 이뤄지도록 상기 축열조(13)에 담긴 물을 축열조 순환펌프(14)로 순환시켜 상기 축열조(13)에 온수가 저장되게 하는 것이다.
또한 냉방열 생산은 부동수조 증발부스(7)내의 부동액(11) 순환시 축냉조 열교환기(16)를 설치하여 축냉조(17)에 축냉조 순환펌프(15)를 이용 저장할 수 있는데 5 ∼ 7℃ 칠라용 냉동수는 이의 생산을 위해 별도의 히트펌프 사이클 가동 없이도 난방사이클 가동시 보너스로 만들어지며 축냉조(17)에 저장 후 냉방,냉각 칠라 용수로 사용된다.
도 3은 본 발명 한 실시예의 부동수조 증발부스의 단면도로써, 상기 증발기(6) 및 보조증발기(12)의 공기 냉각시 표면의 성애를 제거하여 열교환에 지장을 주지 않도록 제상을 해야만 전체 열효율 증대로 이어질 수 있는데, 효율 개선을 위한 연속 제상을 가능케 하기 위하여 부동수조 증발부스(7)가 구비된다.
상기 부동수조 증발부스(7)는 하부외함(701)과 상부외함(702)으로 구성되고 상기 하부외함(701)의 하단 25％용적에는 공기열을 잘 흡수하는 무해한 용제가 희석된 부동액(11)이 채워지며, 여기에 증발기(6) 및 보조증발기(12)가 담겨 설치된다. 그리고 순환펌프(8)를 통해 순환되는 부동액(11)을 배관노즐(704)을 통해 고압으로 필러(pillar)(9) 및 공기 흡입구(702a) 측에 동시에 분사시키면 반대쪽 토출구(702b) 측에선 공기 순환팬(10)이 충분한 공기를 흡입하여 부동액(11)과 장시간 접촉하게 되고 이때 공기열은 분사된 부동액(11)속에 용존되어 수조에 리사이클 되게 되며, 다량의 열량을 함유한 부동액(11)은 증발기(6) 및 보조증발기(12)를 통과하는 냉매의 기화를 고효율로 일어날 수 있게 한다.
상기 부동수조 증발부스(7)는 상부가 개방되어 흡입구(702a) 및 토출구(702b)로 분리되고, 상기 토출구(702b) 측에 공기 순환팬(10)이 장착된 구성이므로 부동액(11)은 필러(9)의 상부에서 하부로 흐르고 외기는 상기 흡입구(702a)를 거쳐 부동수조 증발부스(7) 내부로 유입된 뒤 필러(9)의 하부에서 상부로 배출되면서 부동액(11)과 교차 열교환 되므로 열교환효율이 향상된다.
상기 공기 순환팬(10)과 순환펌프(8)는 증발기(6) 및 보조증발기(12)의 부족 열량을 온도센서(706)로 체크하여 가변자동으로 제어되며 열을 부동액(11)에 빼앗긴 공기만이 액 거름망(705)을 통과하여 대기중으로 방출되는 구성이다.
이처럼 구성된 본 발명의 작용효과는 다음과 같다.

삭제

종래의 단일 혹은 이원사이클 히트펌프장치는 공냉식 증발기에서 공기열을 흡수하여 기화한 냉매 가스가 증발기 토출구측을 빠져나온 후에도 조건이 맞지않으면 기화가 완전히 일어나지 않게 된 이상의 냉매가 공존하게 되므로 압축기로 흡입시 압축기의 부하를 유발할 수 있고 -5℃ ∼ 0℃정도의 낮은 냉매가스의 온도를 압축기가 흡입하므로 20 ∼ 25kg/㎠정도에서의 압축시에도 토출측 가스 온도가 약100℃ 정도여서 50℃이상의 고온 수 생산의 어려운 단점이 있었으며, 특히 증발기의 제상 시엔 장치를 바이패스 시켜 압축된 고온,고압의 핫가스를 이용하거나 저장된 온수 및 물을 열교환 분사시켜 제상에 사용하게 되므로 약 15 ∼ 20％ 열의 낭비와 생산사이클의 가동중단 등 손실이 이어졌고 혹한기엔 전체효율이 50％이상 급감하여 보조히터를 가동시켜왔다.

이를 개선하기 위해 본 발명은 보조압축기(1)를 압축기(3) 용량의 1/2규모로 장착하여 특히 급탕을 수행할 경우와 혹한의 기온으로 외기가 내려갈 때 압축기(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 활성탱크 열교환기(2)에 설치된 온도센서(205)의 운전온도 조건에 의해 가변조절 인버터시스템과 연동되어 자동으로 가동되며, 이의 토출측 핫가스를 이용 활성탱크 열교환기(2)에서 열교환 후 메인사이클 라인(L1)을 지원케하여 불완전 기화된 냉매를 100％ 가스로 활성화시키면서 메인사이클 즉 압축기(3) 흡입구 측 가스의 온도를 0 ∼ 5℃ 정도로 항상 유지시켜 내부의 사이클 밸런스를 흐트러지지 않게 하면서 고온 급탕시 필요한 압축기(3) 토출측 가스 온도를 23kg/㎠이하에서도 대략 95℃ ∼ 105℃로 쉽게 도달할 수 있도록 한 기술을 제공한다.
특히 본 발명은 메인사이클 라인(L1)에서 압축, 토출, 응축 후 수액기(100)를 거쳐 팽창밸브(5)에서 팽창 후, 열을 흡수하는 증발기(6) 및 보조사이클 라인(L2)의 보조증발기(12)는 부동수조 증발부스(7)의 부동액(11)속에서 기화열을 안정적으로 공급받는 특징이 있고, 낮은 온도의 냉매가 압축기(3)로 흡입되기 전단계에서 도 2의 활성탱크 열교환기(2)의 인입노즐(201)을 통해 들어온 -15℃ ∼ 0℃의 냉매는 배플(202)에 의해 보조사이클 라인(L2)의 핫가스 코일(203)위로 분사되어 상호 열교환 되고 승온되어 완전기화 후 100％ 활성화된 기체만 배출노즐(204)을 통해 압축기(3)로 들어가게 되기에 압축 효율 및 기계 내구성 증가와 성능계수(COP)를 개선할 수 있다.

삭제

또한 활성탱크 열교환기(2)에서 활성이 덜된 비중이 무거운 일부 액상의 냉매는 탱크 저면에 남게 되고 완전 활성된 냉매 가스만이 압축기(1)로 흡입 되도록하여 압축시 부하를 덜어주었으며, 압축기(3)에서 압축 토출된 고온, 고압의 핫가스는 응축기(4)로 보내져 축열조(13) 물을 70℃정도의 고온 수로 저장하므로 이를 난방 또는 급탕용 고온 수로 사용할 수 있다.

여기서 증발기(6) 및 보조증발기(12)의 제상 효율 또한 높여 주어야만 전체 열효율 증대로 이어질 수 있는데, 효율개선을 위한 연속제상을 가능케 하기 위하여 부동수조 증발부스(7)가 구비된다. 상기 증발부스(7)에는 부동액(11)이 채워져 있으며, 이 용액속에 증발기(6), 및 보조증발기(12) 2조가 담겨 각각 가동되고 부동액(11)은 공기열을 공급받으므로 항상 증발에 필요한 열량으로 채워지게 되며, 동절기 혹한에도 부동수조의 부동액(11)은 -10℃ 이하로 잘 내려가지 않고 가동시에 결빙되지 않게 되며 혼합 열매체유 특성을 이용하고 있으므로, 부동액(11) 내에 잠겨있는 증발기(6) 및 보조증발기(12)는 결빙되지 않게 되어 연속 제상이 가능해졌다.
그리고 부동액(11)속의 기화열이 부족하지 않도록 순환펌프(8)및 공기 순환팬(10)을 가동시켜 대기중의 공기열을 지속적으로 부동액(11)에 용존 공급시킬 필요가 있다. 또한 더 나아가서 지열 및 수열을 증발부스(7)의 물탱크(703)에 공급하면 안정적인 고열을 취득할 수 있으므로 산간오지의 최악 한랭의 특수 조건에서는 효율을 극대화하기 위하여 지하수가 담긴 물탱크(703)를 부동수조 증발부스(7)하부에 연결하여 병행사용, 응용분야를 넓힐 수 있다.

삭제

증발기(6) 및 보조증발기(12)는 부동액(11)에 잠겨져 있으므로 열전달 성능계수가 공냉식보다 높게 되어 일반 나관코일로 제작하여도 무방하며 재질은 동 및 스테인레스 재질로 내식성이 좋아야하고 제조비용이 3배이상 많이소요되는 핀플레이트 코일을 쓰지않아도 되므로 증발기의 제조단가를 혁신적으로 줄이게되는 기술을 제공한다.

따라서 도 1 에서 본 발명은 효율이 높고 연속적으로 제상되는 부동수조 증발부스(7)를 사용하고, 압축기(1) 및 활성탱크 열교환기(2)가 장착된 것을 특징으로 고효율 급탕 및 냉방일을 원활하게 수행할 수 있기에 압축기(3)의 용량대비 보조압축기(1)는 델타T가 최대 10℃인 열 부하만 감당하면 되므로 10 ∼ 40％까지 작게 설계될 수 있고, 100％ 완전 기화 후 승온된 냉매가스는 압축효율이 높아 압축기(3)에서 23kg/㎠ 이하에서 95℃ ∼ 105℃ 정도의 고온의 가스로 쉽게 토출 가능해져 이를 급탕 및 난방용으로 이용하면 동절기에도 소비전력대비 성능계수 즉 COP의 3.0 이상 고효율이 기대된다.

또한 사이클에서의 난방 및 급탕수는 축열조(13)에서 별도의 펌프를 이용해 바닥난방및 급탕에 이용할 수 있게 되며, 24시간 난방을 자동으로 하고 있는 가정용의 경우 외출시 소량 난방만을 수행할 경우에는 보조압축기(1)를 가동시키지 않고도 가능하며 이는 각 실내의 온도제어에 의해 자동으로 운전된다.

도 1을 참조하여 냉방 및 냉각일을 수행시엔 메인사이클 및 보조사이클 가동으로 인한 증발기(6) 및 보조증발기(12)의 냉매가 기화할 때 열을 뺏앗겨 0℃ ∼ 5℃로 차가워진 부동액(11)을 이용할 수 있는데, 이 부동액(11)을 순환펌프(8) 및 축냉조 순환펌프(15)의 가동에 의해 축냉조 열교환기(16)를 이용 축냉조(17)와 상호 열교환시키면 축냉조(17)에 5 ∼ 7℃의 냉동수가 저장되며 이를 이용 공간냉방 및 공장의 프로세스용 냉각,냉동수로 이용할 수 있다.

또한 대략 난방부하량의 70％정도인 냉방부하를 고려, 냉방만을 할 경우에는 작은용량인 보조압축기(1)와 보조사이클 라인(L2)만을 가동시키며, 이때 팽창밸브(18)의 전,후단에는 삼방변(21)을 설치하여 바이패스 시킨 후, 응축기 즉 실외기 역할은 보조증발기(12)가 담당케 하고, 팽창의 역할은 추가로 설치된 팽창밸브(19)를 이용 냉매를 팽창시킨 뒤 냉매가스를 직접 실내기(20)로 연결하여 냉매가스 순환에 의한 냉방이 가능하도록 설치하는데, 이는 주로 기존의 가스순환 에어컨을 사용하고 있을 때 냉동수를 쓰는 액체용과 가스순환용 실내기가 호환이 되지 못하므로 설치비용과 가스용 실내기(20) 교체 비용 등을 고려하여 저비용으로 구성되는 시스템이다.

삭제

삭제

이상에서와 같이 본 발명은 이원냉동 사이클에 비해 설비비용 저감과 증발효율 개선 및 연속식 제상에 따른 기기의 내구성 증대와 열손실 단점을 개선하여 성능계수가 높은 고효율의 공기열 회수용 냉,난방겸용 기기를 제조, 공급 가능하도록 한 기계적인 효율개선 효과가 있으며, 공기에너지를 이용하여 친환경 고효율 기기를 공급하여 고유가시대의 유류비용 대비 90％에 가까운 비용절감을 가능토록 하여 경제적인 효과를 동시에 얻을 수 있는 기술을 제공한다.

Claims (4)

1. 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매가스의 열기를 이용하여 응축기에서 축열조와 열교환 시키고, 상기 응축기를 거친 냉매는 팽창밸브를 지나 증발기에서 공기열을 취득하여 증발된 뒤 다시 상기 압축기로 순환되는 히트펌프장치에 있어서,

   상기 증발기가 부동액에 잠겨 증발에 필요한 열량을 취득하도록 하는 부동수조 증발부스가 구비되고,

   상기 부동수조 증발부스는 상부가 개방되어 공기 흡입구와 공기 배출구로 구획되며,

   상기 공기 배출구에는 공기 순환팬이 구비되어 외기가 상기 흡입구로 들어와 배출되는 과정에서 상기 부동액이 공기열을 취득하여 상기 증발기에 성애가 발생되지 않도록 한 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부동수조 증발부스 내부의 상기 공기 순환팬 하부에 필러가 구비되고, 상기 부동수조 증발부스의 외부에 구비되는 순환펌프로 펌핑된 부동액이 상기 필러의 상부에서 하부로 흘러내리도록 구성되며,

   외기는 상기 필러의 하부에서 상부쪽으로 상기 부동액과 교차되면서 열교환되도록 한 것을 특징으로 하는 연속 제상이 가능한 냉,난방 히트펌프장치.
3. 삭제
4. 삭제

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