KR100897131B1 - 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템 - Google Patents

한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 난방 및 냉방시 안정성과 효율성을 동시에 극복할 수 있도록 하기 위한 장치에 관한 것으로, 저온의 냉매순환 사이클을 유도하는 저온냉매수단(100)과; 상기 저온냉매수단(100) 측에 마련되되, 저온의 외부공기를 이용하여 액냉매를 증발시키며, 외측에는 송풍팬(111)이 장착되는 실외측 증발기(110)와; 상기 저온냉매수단(100)과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 유도하는 고온냉매수단(200)과; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 응축기로 전환되어 고온고압 가스의 응축열을 흡수한 다음 급탕탱크(미도시)의 온수를 가열하여 고온수를 공급하며, 냉방시에는 증발기로 전환되어 냉수를 공급하게 되는 판형 열교환기(210)와; 상기 저온냉매수단(100) 및 상기 고온냉매수단(200)과 연결되어, 저온측과 고온측이 상호 열교환이 가능하도록 하는 가스케이드 콘덴서(300)와; 상기 저온냉매수단(100)을 통해 형성되는 저온저압의 냉매와 상기 고온냉매수단(200)을 통해 발생되는 상기 판형 열교환기(210) 출구 배관 현열로부터 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크(400)와; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 증발기로 전환되어 외부의 저온공기를 재열하며, 냉방시에는 응축기로 전환되어 고온고압의 냉매를 응축시키게 되는 실외측 열교환기(220)와; 상기 실외측 증발기(110)와 상기 후레쉬탱크(400)에서 증발되어 증발압력이 서로 다른 저압측과 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하는 저온측 다효압축 기(120)로 구성되어, 저온의 한냉지에서는 실외측 증발기의 냉매액 증발이 원활하지 못해 고압측으로 전송되는 냉매순환량이 감소됨에 따라 응축기의 방열량이 낮아져 난방효율이 감소되는 현상을 방지하기 위해 저온냉매수단에 공기열원방식의 중압냉동사이클을 적용시켜 중압 2원사이클로 작동함에 따라, 실외측 증발기의 성애 발생률을 감소시켜 성능계수를 높이는 동시에 효율성을 향상시켜 냉방 및 난방효율은 증대시키고 비용은 저감시킬 수 있도록 하는 것이다.
히트펌프, 다효압축기, 응축기, 증발기, 후레쉬탱크, 열교환기, 송풍량 감지센서, 사방밸브, 가스케이드 콘덴서

Description

한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템{System of heat pump for cooling and heating of middle pressure binary cycle for cold areas}
본 발명은 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 외부의 온도가 영하 15℃ 정도의 낮은 한냉지에서도 시스템 내부의 온수 온도를 70℃ 이상의 고온수로 유지시키며, 오랜 작동시간 동안에도 온수의 온도를 고온으로 유지시키도록 함으로써 난방 및 냉방시 안정성과 효율성을 동시에 극복할 수 있도록 하기 위한 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 관한 발명이다.
일반적으로 냉난방 히트펌프 시스템은 냉매의 선택적 양방향 흐름을 통해 난방계절 동안은 고압측(응축기)에서의 방출열을 활용하여 난방 및 온수를 제공하고 냉방계절 동안은 저압측(증발기)에서의 주변열 흡수를 활용하여 냉기를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같은 냉난방 히트펌프 시스템은 그 적용환경에 따라 다양한 구조로 응 용되어 사용되고 있으나 기본적으로 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기 등 4개의 기본요소로 이루어져 시스템 내부의 냉매가 압축기에서 응축기로, 응축기에서 팽창변으로, 팽창변에서 증발기로, 증발기에서 다시 압축기로 순환되도록 하는 사이클을 형성하게 되는데, 이러한 사이클은 열역학 제2법칙을 이용하여 압축기로 하여금 소정의 일을 수행시킴으로써 저열원(低熱源)에서 열을 흡수하여 온도가 높은 고열원(高熱源)으로 열을 이동하는 것을 목적으로 한다.
이때, 냉매는 증발기에서 저온 증발하여 주위의 열을 흡수하게 되며, 압축기에서는 상기 증발기로부터 유입된 저온의 저압가스를 압축하여 고온의 고압가스로 승온시켜 응축기로 보내고, 상기 응축기는 상기 압축기로부터 유입되는 고온의 고압가스와 온수탱크에서 유입되는 온수를 열교환시켜 승온시키며 고온의 고압가스는 중온의 액냉매로 상변환되어 팽창변으로 보내게 된다.
그리고, 팽창변은 응축기로부터 유입되는 중온의 액냉매를 팽창시켜 저온의 냉매로 변환시킨 다음 증발기로 공급하게 되며, 상기 증발기에서는 상기 응축기에서 팽창변을 거쳐 유입되는 저온냉매로 냉수탱크와 순환되는 물배관과 열교환시켜 저온냉수를 생산하게 되는 것이다.
한편, 상기와 같은 순환 사이클의 조합에 냉매의 유동방향을 전환하여 냉방 또는 난방기기로의 선택적 활용이 가능하도록 사방밸브를 포함시켜, 상기 증발기가 고온부의 열을 흡수하도록 활용하면 에어컨 또는 냉장고와 같은 냉방운전을 실시할 수 있는 냉방기기로 이용할 수 있고, 상기 응축기가 저온부로 열을 방출하도록 활용하면 난방운전을 실시할 수 있는 난방기기로 이용될 수도 있다.
이처럼, 증발기와 응축기는 일종의 열교환기이므로 압축기, 증발기, 응축기 및 팽창변을 구성하고, 냉매의 흐름을 선택적으로 바꾸어주면 냉방운전과 난방운전을 하나의 장치로 결합한 냉난방 히트펌프 시스템을 구현할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 히트펌프는 냉방 및 난방이 선택적으로 이루어짐이 가능하도록 한 공기조화기로서, 상기 냉방모드나 난방모드를 선택함에 따라 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택된 모드에 따라 냉방이 실행되거나 난방이 실행되도록 하는 것이다.
한편, 현재까지 냉매를 직접 이용한 냉난방기기에 있어 기존의 냉난방 히트펌프 방식에는 전기 이용 압축기 구동방식과 가스, 유류 등을 연료로 하는 엔진구동형 압축방식이 출시되어 사용되고 있다.
그러나 이러한 종래의 제품들과 현재 출시된 제품들은 난방운전시 외기온도가 점점 낮아지면 난방부하가 커져 에너지(전기, 가스, 유류 등) 소모가 많아지고 제품 성능 차이에 따라서 외기온도가 영하 5℃ ∼ 영하 15℃ 부근에서부터는 실외측 증발기가 냉매액의 증발이 원활하게 일어나지 않게 되어 외기로부터 냉매의 상변화에 따른 증발잠열을 충분히 흡수하기 못하기 때문에 고압측으로 가는 냉매순환량의 감소로 응축기의 발열량이 낮아져 급격한 난방효율저하 현상이 발생하며, 과부하 운전으로 인한 소음발생이 크고, 실외기 압축기에서의 압축비가 커져 투입되는 운전에너지에 비해 실내에서 얻는 열량이 상대적으로 적은 비효율적 현상인 한계치 운전에 이르게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 외부의 온도가 영하 15℃의 낮은 한냉지에서도 시스템 내부의 온수 온도를 70℃ 이상의 고온수로 유지시키며, 오랜 작동시간 동안에도 온수의 온도를 고온으로 유지시키도록 함으로써 난방 및 냉방시 안정성과 효율성을 동시에 극복할 수 있도록 하기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 저온의 냉매순환 사이클을 유도하는 저온냉매수단과; 상기 저온냉매수단 측에 마련되되, 저온의 외부공기를 이용하여 액냉매를 증발시키며, 외측에는 송풍팬이 장착되는 실외측 증발기와; 상기 저온냉매수단과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 유도하는 고온냉매수단과; 상기 고온냉매수단 측에 마련되되, 난방시 응축기로 전환되어 고온고압 가스의 응축열을 흡수한 다음 급탕탱크의 온수를 가열하여 고온수를 공급하며, 냉방시에는 증발기로 전환되어 냉수를 공급하게 되는 판형 열교환기와; 상기 저온냉매수단 및 상기 고온냉매수단과 연결되어, 저온측과 고온측이 상호 열교환이 가능하도록 하는 가스케이드 콘덴서와; 상기 저온냉매수단을 통해 형성되는 저온저압의 냉매와 상기 고온냉매수단을 통해 발생되는 상기 판형 열교환기 출구 배관 현열로부터 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크와; 상기 고온냉매수단 측에 마련되되, 난방시 증발기로 전환되어 외부의 저온공기를 재열하며, 냉방시에는 응축기로 전환되어 고온고압의 냉매를 응축시키게 되는 실외측 열교환기와; 상기 실외측 증발기와 상기 후레쉬탱크에서 증발되어 증발압력이 서로 다른 저압측과 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하는 저온측 다효압축기로 구성함으로써 달성된다.
이상과 같은 본 발명은 저온의 한냉지에서는 실외측 증발기의 냉매액 증발이 원활하지 못해 고압측으로 전송되는 냉매순환량이 감소됨에 따라 응축기의 방열량이 낮아져 난방효율이 감소되는 현상을 방지하기 위해 저온냉매수단에 공기열원방식의 중압냉동사이클을 적용시켜 중압 2원사이클로 작동함에 따라, 실외측 증발기의 성애 발생률을 감소시켜 성능계수를 향상시킬 수 있으며, 또한 난방시에는 외기온도가 높아지면 저온냉매수단의 다효압축기는 자동으로 정지되며 외기온도가 낮아지면 상기 저온냉매수단의 다효압축기는 자동운전을 시작하게 하되, 고온냉매수단의 압축기는 항상 가동되도록 한다. 이때, 냉방시에는 저온냉매수단의 다효압축기는 완전하게 정지되고 고온냉매수단의 압축기가 가동되도록 함으로써, 결과적으로 효율성을 향상시켜 난방 및 냉방효율을 증대시키고 비용은 저감시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템 에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템의 난방모드를 도시하는 도이며, 도 2는 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템의 냉방모드를 도시하는 도이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 저온의 냉매순환 사이클을 유도하는 저온냉매수단(100)과; 상기 저온냉매수단(100) 측에 마련되되, 저온의 외부공기를 이용하여 액냉매를 증발시키며, 외측에는 송풍팬(111)이 장착되는 실외측 증발기(110)와; 상기 저온냉매수단(100)과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 유도하는 고온냉매수단(200)과; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 응축기로 전환되어 고온고압 가스의 응축열을 흡수한 다음 급탕탱크(미도시)의 온수를 가열하여 고온수를 공급하며, 냉방시에는 증발기로 전환되어 냉수를 공급하게 되는 판형 열교환기(210)와; 상기 저온냉매수단(100) 및 상기 고온냉매수단(200)과 연결되어, 저온측과 고온측이 상호 열교환이 가능하도록 하는 가스케이드 콘덴서(300)와; 상기 저온냉매수단(100)을 통해 형성되는 저온저압의 냉매와 상기 고온냉매수단(200)을 통해 발생되는 상기 판형 열교환기(210) 출구 배관 현열로부터 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크(400)와; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 증발기로 전환되어 외부의 저온공기를 재열하며, 냉방시에는 응축기로 전환되어 고온고압의 냉매를 응축시키게 되는 실외측 열교환기(220)와; 상 기 실외측 증발기(110)와 상기 후레쉬탱크(400)에서 증발되어 증발압력이 서로 다른 저압측과 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하는 저온측 다효압축기(120)로 이루어져, 저온냉매수단에 공기열원방식의 중압냉동사이클을 적용시켜 중압 2원사이클로 작동함에 따라, 실외측 증발기의 성애 발생률을 감소시켜 성능계수를 높이는 동시에 효율성을 향상시켜 냉방 및 난방효율은 증대시키고 비용은 저감시키게 되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.
이하 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 대한 각 구성요소를 첨부한 도면을 참조하여 하나씩 살펴보면 다음과 같다.
우선 본 발명은 저온의 냉매순환을 형성하는 저온냉매수단(100)과, 고온의 냉매순환을 형성하는 고온냉매수단(200)과, 저온의 외부공기를 이용하여 액냉매를 증발시키는 실외측 증발기(110)와, 난방시 응축기로 전환되며 냉방시에는 증발기로 전환되는 판형 열교환기(210)와, 저온측과 고온측의 열교환을 유도하는 가스케이드 콘덴서(300)와, 상기 저온냉매수단(100)과 고온냉매수단(200)의 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크(400)와, 난방시 증발기로 전환되며 냉방시에는 응축기로 전환되는 실외측 열교환기(220)와, 냉매증기를 흡입하여 압축하는 저온측 다효압축기(120)로 이루어진다.
이때, 가스케이드 콘덴서(300)는 저온냉매수단(110) 및 고온냉매수단(200)과 연계되어, 저온측과 고온측이 상호 열교환이 가능하도록 한다.
또한, 후레쉬탱크(400)는 저온냉매수단(100)을 통해 형성되는 저온저압의 냉 매와 고온냉매수단(200)을 통해 발생되는 판형 열교환기(210) 출구 배관 현열로부터 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키도록 한다.
한편, 후레쉬탱크(400) 내부에는 코일 열교환기(410)가 내장 설치되되, 상기 코일 열교환기(410)의 입구측은 고온냉매수단(200)의 판형 열교환기(210) 출구측 배관과 연결되며, 상기 코일 열교환기(410)의 출구측은 이하 기술하게 될 난방 팽창변(260)으로 이어지는 액관과 연결되어 상기 고온냉매수단(200)의 판형 열교환기(210) 출구 배관 현열로부터 열방출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 좋다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 저온냉매수단(100)은 저온의 냉매순환 사이클을 유도하는 것으로, 실외측 증발기(110)와, 저온측 다효압축기(120)와, 제1팽창변(130)과, 제2팽창변(140)과, 제상 전자변(150)과, 제1액분리기(160)로 이루어진다.
실외측 증발기(110)는 예를 들어 영하 15℃ 정도인 저온의 외부공기를 고온냉매수단(200)의 실외측 열교환기(도면부호 220, 냉매 증발온도 18℃)를 이용하여 재열한 후 액냉매를 증발시키도록 한다.
이때, 실외측 열교환기(220)와 실외측 증발기(110) 일측에는 송풍팬(111)이 마련되어 열교환을 촉진시킬 수 있도록 한다.
저온측 다효압축기(120)에는 2개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되며, 상기 흡입부는 압력에 따라 저압측(증발압력 1.5kg/cm2, 증발온도 -20℃)과 중압측(증발 압력 5kg/cm2, 증발온도 5℃)으로 나뉘어지며, 상기 토출부는 고압측(응축압력 14kg/cm2, 응축온도 38℃)으로만 이루어진다. 한편 상기 저온측 다효압축기(120)의 저압측 증발온도와, 중압측 증발온도와, 고압측 응축온도는 외기온도가 영하 15℃일 때의 경우를 일례로 들어 설명한 것이다.
이때, 저온측 다효압축기(120)의 흡입부중 저압측은 실외측 증발기(110)와 연결되며, 중압측은 후레쉬탱크(400)와 연결되고, 상기 저온측 다효압축기(120)의 토출부중 고압측은 가스케이드 콘덴서(300)와 연결된다.
그 결과, 저온측 다효압축기(120)는 실외측 증발기(110)와 후레쉬탱크(400)에서 증발되어 증발압력이 서로 다른 저압측과 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하게 된다.
한편, 저온측 다효압축기(120)는 프레온계열 R-22용 압축기로써, 상기 R-22는 냉매종류 중 중온용에 해당하는 것으로, 가정용 또는 산업용 냉매로 사용되고, R-12는 자동차 에어컨, 냉장고 및 소형 대형 냉동기용 냉매이다. 또한 이하 기술하게 될 R-134a는 자동차 에어컨, 상업용 냉장/냉동용 냉매로써 상기 R-12를 대체하는 신냉매이다.
제1팽창변(130)은 저온측 다효압축기(120)로부터 가스케이드 콘덴서(300)를 통과한 중온고압(응축압력 14kg/cm2, 과냉각온도 25℃)의 과냉각액을 감압시켜 저온중압으로(증발압력 5kg/cm2, 증발온도 5℃) 변환시킨다.
제2팽창변(140)은 후레쉬탱크(400)의 하부 액냉매를 저온저압으로 감압(증발압력 1.5kg/cm2, 증발온도 -20℃)하여 실외측 증발기(110)로 전송하게 된다.
제상 전자변(150)은 실외측 증발기(110)와 근접하여 마련되어 상기 실외측 증발기(110)에서 성애 발생시 제상을 실시하게 된다.
이때, 실외측 증발기(110)와 송풍팬(111) 사이에는 송풍량 감지센서(112)가 내장 설치되도록 하여 적상과대로 인해 통풍량의 감소로 부압이 걸리면 상기 송풍량 감지센서(112)가 성애 발생 여부를 감지하여 제상 전자변(150)이 열려 상기 실외측 증발기(110)의 제상이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 실외측 증발기(110)의 표면에 누적된 성애 착상량 증가로 인해 적상과대가 되면 공기유동의 저항이 증가하게 되어 상기 송풍팬(111)의 송풍량이 감소하게 되는데 감소된 풍량을 송풍량 감지센서(112)가 검출하여 상기 송풍팬(111)과 고온냉매수단(200)이 자동으로 정지상태가 되도록 하는 동시에 제상 전자변(150)을 열어 상기 실외측 증발기(110)의 제상을 실시하도록 하는 것이다.
또한, 실외측 증발기(110)의 제상이 완료되어 송풍팬(111)의 송풍량이 증가하게 되면 증가된 풍량을 송풍량 감지센서(112)가 검출하여 원상태로 복원되도록 제상 전자변(150)을 닫는 동시에 상기 송풍팬(11)과 고온냉매수단(200)은 다시 자동으로 운전상태가 될 수 있도록 하는 것이다.
제1액분리기(160)는 저온측 다효압축기(120)에 근접하게 마련되어 실외측 증발기(110)로부터 냉매를 분리하여 기체 냉매만을 적출하여 상기 저온측 다효압축 기(120)로 흡입될 수 있도록 한다.
한편, 고온냉매수단(200)은 고온의 냉매순환 사이클을 유도하는 것으로, 판형 열교환기(210)와, 실외측 열교환기(220)와, 고온측 압축기(230), 사방밸브(240), 냉방 팽창변(250), 난방 팽창변(260), 제2액분리기(270)로 이루어진다.
판형 열교환기(210)는 외기의 온도 및 운전조건에 따라 냉수 또는 온수의 생산이 가능하도록 마련되어, 난방시에는 응축기로 전환되어 고온고압 가스의 응축열을 흡수한 다음 급탕탱크(미도시)의 온수를 65℃에서 70℃로 가열하여 고온수를 공급하게 되며, 냉방시에는 증발기로 전환되어 냉수를 공급할 수 있도록 한다.
이때, 고온냉매수단(200) 측에 마련되는 판형 열교환기(210)와 후레쉬탱크(400) 사이의 흡입관에는 역지변(211)이 마련되어 냉매의 흐름이 변하지 않고 일측 방향으로만 진행될 수 있도록 하는 것이 좋다.
한편, 후레쉬탱크(400)의 상부는 중압관(MP)을 통해 저온측 다효압축기(120)와 연결되며, 하부는 실외측 증발기(110)와 연결되되, 상기 후레쉬탱크(400)의 일측은 판형 열교환기(210)와 연결되고, 타측은 가스케이드 콘덴서(300)와 연결된다.
이때, 후레쉬탱크(400) 내부의 상부 흡입부측에는 여과망(420)이 마련되어 증발된 냉매증기를 중압관(MP)을 통해 저온측 다효압축기(120)로 흡입할 수 있도록 하는 것이 좋다.
실외측 열교환기(220)는 저온냉매수단(100)의 실외측 증발기(110)와 근접하게 마련되어, 난방시에는 상기 실외측 열교환기(220)가 증발기(증발온도 18℃)로 전환되어 저온(-15℃)의 외부공기를 재열하여 상기 실외측 증발기(110)로 공급하게 되며, 냉방시에는 응축기로 전환되어 고온고압의 냉매를 응축시키게 된다.
이때, 난방 및 냉방에 따라 판형 열교환기(210)가 응축기 또는 증발기로 전환되거나, 실외측 열교환기(220)가 증발기 또는 응축기로 전환되는 것은 이미 공지된 기술로써, 상기와 같은 전환작동은 사용자가 외부에 마련되는 냉난방 전환용 셀렉터 스위치(미도시) 동작을 통해 실시된다.
또한, 실외측 열교환기(220)에는 실외측 증발기(110)와 송풍팬(111)이 마련되되, 상기 실외측 열교환기(220) 일측은 이하 기술하게 될 고온측 압축기(230)와 연결되며, 타측은 가스케이드 콘덴서(300)와 연결된다.
고온측 압축기(230)에는 1개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되며, 상기 흡입부와 토출부는 압력에 따라 저압측(증발압력 4.5kg/cm2, 증발온도 18℃)과 토출측(응축압력 23kg/cm2, 응축온도 75℃)으로 구분된다.
이때, 고온측 압축기(230)의 흡입부는 저압측의 실외측 열교환기(220)와 연결되고, 토출부는 고압측의 판형 열교환기(210)와 연결된다.
한편, 고온측 압축기(230)는 프레온계열 R-134a용 압축기이며, 상기 R-134a는 이전에 기술한 바와 같이 자동차 에어컨, 상업용 냉장/냉동용 냉매로써 상기 R-12를 대체하는 신냉매이다.
사방밸브(240)는 고온측 압축기(230)로부터 토출된 고온고압 가스가 판형 열교환기(210)로 흡입되는 중단에 마련되어 냉방 및 난방에 따라 냉매의 유로 흐름을 전환시킬 수 있게 된다.
냉방 팽창변(250)은 냉방시 고온측 압축기(230)로부터 토출된 고온고압의 가스가 응축기로 전환된 상기 실외측 열교환기(220)로 전송되어 응축 실행 후 저온저압으로 감압하여 증발기로 전환된 판형 열교환기(210)로 공급하도록 한다.
난방 팽창변(260)은 난방시 판형 열교환기(210)로부터 후레쉬탱크(400)를 통과한 중온고압의 과냉각액을 감압하여 가스케이드 콘덴서(300)로 전송하도록 한다.
제2액분리기(270)는 고온측 압축기(230)에 근접하게 마련되어 실외측 열교환기(220)로부터 냉매를 분리하여 기체 냉매만을 적출하여 상기 고온측 압축기(230)로 흡입될 수 있도록 한다.
한편, 저온냉매수단(100)의 저온측 다효압축기(120)에는 상기 저온측 다효압축기(120)의 흡입압력(1.5kg/cm2)을 확인하는 저압측 압력계(GL1)와, 상기 저온측 다효압축기(120)의 응축압력(14kg/cm2)을 확인하는 고압측 압력계(GH1)와, 후레쉬탱크(400) 내의 증발압력(5kg/cm2)을 확인하는 중압측 압력계(GM1)가 마련되도록 하는 것이 좋다.
또한, 고온냉매수단(200)의 고온측 압축기(230)에는 상기 고온측 압축기(230)의 흡입압력(4.5kg/cm2)을 확인하는 저압측 압력계(GL2)와, 상기 고온측 압축기(230)의 응축압력(23kg/cm2)을 확인하는 고압측 압력계(GH2)가 마련되도록 하는 것이 좋다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 저온의 냉매순환 사이클을 형성하는 저온냉매수단(100)과, 상기 저온냉매수단(100)과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 형성하는 고온냉매수단(200)과, 난방시 응축기로 전환되며 냉방시에는 증발기로 전환되는 판형 열교환기(210)와, 저온측과 고온측의 열교환을 유도하는 가스케이드 콘덴서(300)와, 상기 저온냉매수단(100)과 고온냉매수단(200)의 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크(400)와, 난방시 증발기로 전환되며 냉방시에는 응축기로 전환되는 실외측 열교환기(220)로 이루어진다.
이와 같이 본 발명은 저온측의 중압냉동 사이클과 고온측의 히트펌프 사이클로 대분되어, 냉방 및 난방 작동시 사용자가 원하는 모드로 전환하여 작동하게 되며, 외기온도가 영하 15℃ 정도의 한냉지에서도 난방효과가 저감되지 않도록 하는 것으로, 본 발명인 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템의 난방모드 작동시 저온측 사이클 작용과 난방모드 작동시 고온측 사이클 작용과, 냉방모드 작동에 대한 실시예를 설명하면 아래와 같다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템의 난방모드 작동 중 저온측 중압냉동 사이클에 대한 작용을 살펴보면, 저온냉매수단(100)에 장착되는 저온측 다효압축기(120)에는 2개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되며, 상기 2개의 흡입부 중 저압측은 실외측 증발기(110)와 연결되고, 중압측은 후레쉬탱크(400)와 연 결되고, 토출부는 고압측의 가스케이드 콘덴서(300)와 연결된다.
이때, 가스케이드 콘덴서(300)는 난방모드에서 저온측의 응축기 역할을 하게 되는데, 상기 가스케이드 콘덴서(300)의 출구 배관을 통과한 중온고압(응축압력 14kg/cm2, 과냉각온도 25℃)의 냉매액은 후레쉬탱크(400)와 연결되는 제1팽창변(130)을 통과하면서 저온중압(증발압력 5kg/cm2, 증발온도 5℃)의 냉매액으로 감압된다.
한편, 제1팽창변(130)을 통과한 냉매액은, 난방시 고온측의 응축기로 전환되는 판형 열교환기(210)의 출구를 통과한 고온의 배관 현열(70℃)과 후레쉬탱크(400) 내에서 열교환이 일어나 저온측 중압냉동 사이클 내의 전체 냉매순환량의 43%의 액냉매가 1차 증발이 발생하게 되면서 5kg/cm2 (R-22 증발온도 : 5℃)의 중압을 후레쉬탱크(400) 내에서 발생시켜 상기 후레쉬탱크(400)의 상부와 연결된 중압배관을 통해 저온측 다효압축기(120)의 중압포트로 저온중압(증발압력 5kg/cm2, 증발온도 5℃)의 가스로 흡입되고, 실외측 증발기(110)에서 2차 증발되는 저온저압(증발압력 1.5kg/cm2, 증발온도 -20℃)의 가스는 저압 압축기의 저압포트로 흡입되어 상기 저온측 다효압축기(120)에서 압축이 실행된 후에 토출부를 통해 저온측 응축기 역할을 하는 상기 가스케이드 콘덴서(300)로 보내지게 되는데, 압력이 서로 다른 저압과 중압을 동시에 압축하는 다효압축에 의해 냉매의 순환량이 증가하여 응축기의 방열량이 증가하게 되는 것이다.
이때, 후레쉬탱크(400)에서 열교환을 통한 1차 냉매증발로 인해 저온냉매수단(100)의 제2팽창변(140)으로 이어지는 고압액관의 온도가 5℃까지 과냉각 되는데, 과냉각이 된 57%의 액냉매는 상기 제2팽창변(140)에서 1.5kg/cm2 (증발온도 -20℃)로 2차 감압을 실시한 후 실외측 증발기(110)로 전송되며, 상기 실외측 증발기(110)로 전송된 액냉매는 저온의 외기공기(영하 15℃)를 고온냉매수단(200)의 실외측 열교환기(220)에서 재열되어 상기 실외측 증발기(110)에서 2차 증발시킨 후 제1액분리기(160)를 거쳐 저압측 압축기에 기체상태로 흡입된다.
이처럼, 저온측 중압냉동 사이클 내의 전체 냉매순환량의 43%에 해당하는 액냉매가 후레쉬탱크(400)에서 1차적으로 증발이 되고, 그 후에 실외측 증발기(110)로 유입되는 과냉각액은 전체 냉매순환량의 57%이므로 상기 실외측 증발기(110)에서 2차적으로 증발시켜야 할 액냉매량이 크게 감소되기 때문에 성애 발생률을 감소시켜, 성능계수를 높이고 난방효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이때, 실외측 증발기(110)와 송풍팬(111) 사이에는 송풍량 감지센서(112)가 내장 설치되도록 하여 적상과대로 인해 통풍량의 감소로 부압이 걸리면 상기 송풍량 감지센서(112)가 성애 발생 여부를 감지하여 제상 전자변(150)이 열려 상기 실외측 증발기(110)의 제상을 실시하도록 함으로써, 성애 발생률을 감소시키게 한다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템의 난방모드 작동 중 고온측 사이클에 대한 작용을 살펴보면, 고온냉매수단(200)에 장착되는 고온측 압축 기(230)에는 1개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되며, 상기 흡입부는 저압측의 실외측 열교환기(220)와 연결되고, 상기 토출부는 고압측의 판형 열교환기(210)와 연결된다.
이때, 고온측 압축기(230)에서 토출되는 고온고압(응축압력 23kg/cm2, 응축온도 75℃)의 가스는 사방밸브(240)의 유로를 따라 난방시 응축기로 전환되는 판형 열교환기(210)를 통과하면서 온수 입구온도 65℃에서 온수 출구온도 70℃로 상승하게 된다.
그리고, 상기 판형 열교환기(또는 응축기)(210)의 온도는 75℃이고, 상기 판형 열교환기(또는 응축기)(210)의 출구배관의 온도는 70℃이므로, 상기 열을 활용하기 위해 상기 판형 열교환기(또는 응축기)(210)와 난방 팽창변(260) 사이에 후레쉬탱크(400)를 설치하여 상기 판형 열교환기(또는 응축기)(210) 출구의 고온 액냉매(70℃)와 저온측의 제1팽창변(130)을 통과한 저온 액냉매(5℃)가 상호 열교환하여 고온측 고압액관이 70℃에서 25℃로 과냉각이 이루어진다.
한편, 과냉각된 냉매액은 난방 팽창변(260)을 통해 (증발압력 4.5kg/cm2, 증발온도 18℃) 감압이 된 후에 가스케이드 콘덴서(300)에서 저온측 다효압축기(120)의 응축열(응축압력 14kg/cm2, 응축온도 38℃)과 열교환이 된 후, 실외측 열교환기(220)에서 외기(-15℃)를 재열한 다음 제2액분리기(270)를 통해 고온측 압축기(230)에 저온저압(증발압력 4.5kg/cm2, 증발온도 18℃)의 가스로 흡입되는데, 이 때 열출입의 엔탈피는 응축열이 40kcal/kg이고, 증발열은 42kcal/kg이 된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템의 냉방모드 작동에 대한 작용을 살펴보면, 고온측 압축기(230)에서 토출된 고온고압의 가스는 사방밸브(240)의 전환으로 난방모드일 때와는 다른 방향의 유로를 따라 이동하게 되어 냉방시 응축기로 전환되는 실외측 열교환기(220)로 전송된다.
이에 따라, 실외측 열교환기(220)에서 응축이 일어나게 된 후에는 냉방 팽창변(250)에서 고온고압의 가스가 저온저압으로 감압되어 냉방시 증발기로 전환되는 판형 열교환기(210)에서 냉수와 열교환이 된 후 고온측 압축기(230)로 다시 흡입되어 재차 고압으로 압축하는 사이클이 순환되도록 유지하게 되며, 저온냉매수단(100)은 정지상태가 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템은 저온의 냉매순환 사이클을 형성하는 저온냉매수단과, 상기 저온냉매수단과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 형성하는 고온냉매수단과, 난방시 응축기로 전환되며 냉방시에는 증발기로 전환되는 판형 열교환기와, 저온측과 고온측의 열교환을 유도하는 가스케이드 콘덴서와, 상기 저온냉매수단과 고온냉매수단의 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크와, 난방시 증발기로 전환되며 냉방시에는 응축기로 전환되는 실외측 열교환기로 이루어져, 저온의 한냉지에서는 실외측 증발기의 냉매액 증발이 발생되지 못해 고압측으로 전송되는 냉매순환량이 감소됨에 따라 응축기의 방열량이 낮아져 난방효율이 감소되는 현상을 방지하기 위해 저온냉매수단에 공기열원방식의 중압냉동 사이클을 적용시켜 중압 2원사이클로 작동함에 따라, 실외측 증발기의 성애 발생률을 감소시켜 성능계수를 높이는 동시에 효율성을 향상시켜 난방효율은 증대시키고 난방비용은 저감시키는데 탁월한 이점을 가진 발명인 것이다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템의
난방모드를 도시하는 도,
도 2는 본 발명의 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템의
냉방모드를 도시하는 도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 저온냉매수단 110 : 실외측 증발기
111 : 송풍팬 112 : 송풍량 감지센서
120 : 저온측 다효압축기 130 : 제1팽창변
140 : 제2팽창변 150 : 제상 전자변
160 : 제1액분리기 200 : 고온냉매수단
210 : 판형 열교환기 211 : 역지변
220 : 실외측 열교환기 230 : 고온측 압축기
240 : 사방밸브 250 : 냉방 팽창변
260 : 난방 팽창변 270 : 제2액분리기
300 : 가스케이드 콘덴서 400 : 후레쉬탱크
410 : 코일 열교환기 420 : 여과망
MP : 중압관

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 저온의 냉매순환 사이클을 유도하는 저온냉매수단(100)과; 상기 저온냉매수단(100) 측에 마련되되, 저온의 외부공기를 이용하여 액냉매를 증발시키며, 외측에는 송풍팬(111)이 장착되는 실외측 증발기(110)와; 상기 저온냉매수단(100)과 상호 작용을 하며, 고온의 냉매순환 사이클을 유도하는 고온냉매수단(200)과; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 응축기로 전환되어 고온고압 가스의 응축열을 흡수한 다음 급탕탱크(미도시)의 온수를 가열하여 고온수를 공급하며, 냉방시에는 증발기로 전환되어 냉수를 공급하게 되는 판형 열교환기(210)와; 상기 저온냉매수단(100) 및 상기 고온냉매수단(200)과 연결되어, 저온측과 고온측이 상호 열교환이 가능하도록 하는 가스케이드 콘덴서(300)와; 상기 저온냉매수단(100)을 통해 형성되는 저온저압의 냉매와 상기 고온냉매수단(200)을 통해 발생되는 상기 판형 열교환기(210) 출구 배관 현열로부터 열교환에 의한 증발과 과냉각으로 중압을 발생시키는 후레쉬탱크(400)와; 상기 고온냉매수단(200) 측에 마련되되, 난방시 증발기로 전환되어 외부의 저온공기를 재열하며, 냉방시에는 응축기로 전환되어 고온고압의 냉매를 응축시키게 되는 실외측 열교환기(220)와; 상기 실외측 증발기(110)와 상기 후레쉬탱크(400)에서 증발되어 증발압력이 서로 다른 저압측과 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하는 저온측 다효압축기(120)로 구성되는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 저온측 다효압축기(120)는 2개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되되, 상기 흡입부의 저압측은 상기 실외측 증발기(110)와 연결되고, 상기 흡입부의 중압측은 상기 후레쉬탱크(400)의 상부와 중압관(MP)을 통해 연결되고, 상기 토출부의 고압측은 상기 가스케이드 콘덴서(300)와 연결되며 증발압력이 서로 다른 상기 저압측과 상기 중압측의 냉매증기를 흡입하여 동시에 압축하는 중압포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 저온냉매수단(100)은
    상기 저온측 다효압축기(120)로부터 상기 가스케이드 콘덴서(300)를 통과한 중온고압의 과냉각액을 감압시켜 저온저압으로 변환시키는 제1팽창변(130)과;
    상기 후레쉬탱크(400)의 하부 냉매액을 감압하여 실외측 증발기(110)로 전송하는 제2팽창변(140)과;
    상기 실외측 증발기(110)에서 성애 발생시 제상을 실시하도록 하는 제상 전자변(150)과;
    상기 실외측 증발기(110)로부터 냉매를 분리하여 기체 냉매만을 적출하여 상기 저온측 다효압축기(120)로 흡입하도록 하는 제1액분리기(160)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 실외측 증발기(110)와 상기 송풍팬(111) 사이에는 송풍량 감지센서(112)가 내장 설치되도록 하여 적상과대로 인해 통풍량의 감소로 부압이 걸리면 상기 송풍량 감지센서(112)가 성애 발생 여부를 검출하여 제상 전자변(150)이 열려 상기 실외측 증발기(110)의 제상이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 고온냉매수단(200)은
    1개의 흡입부와 1개의 토출부가 구비되며, 상기 흡입부는 저압측의 실외측 열교환기(220)와 연결되고, 상기 토출부는 고압측의 판형 열교환기(210)와 연결되는 고온측 압축기(230)와;
    상기 고온측 압축기(230)로부터 토출된 고온고압 가스가 상기 판형 열교환기(210)로 흡입되는 중단에 마련되어 냉방 및 난방에 따라 냉매의 유로를 전환시킬 수 있는 사방밸브(240)와;
    냉방시 상기 고온측 압축기(230)로부터 토출된 고온고압의 가스가 응축기로 전환된 상기 실외측 열교환기(220)로 전송되어 응축 실행 후 저온저압으로 감압하여 증발기로 전환된 상기 판형 열교환기(210)로 공급되도록 하는 냉방 팽창변(250)과;
    난방시 상기 판형 열교환기로(210)부터 상기 후레쉬탱크(400)를 통과한 중온고압의 과냉각액을 감압하여 상기 가스케이드 콘덴서(300)로 전송하는 난방 팽창변(260)과;
    상기 실외측 열교환기(220)로부터 냉매를 분리하여 기체 냉매만을 적출하여 상기 고온측 압축기(230)로 흡입하도록 하는 제2액분리기(270)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 후레쉬탱크(400)의 상부는 중압관(MP)을 통해 상기 저온측 다효압축기(120)와 연결되며, 하부는 상기 실외측 증발기(110)와 연결되되, 상기 후레쉬탱크(400)의 일측은 상기 판형 열교환기(210)와 연결되고, 타측은 상기 가스케이드 콘덴서(300)와 연결되는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 실외측 열교환기(220)에는 상기 실외측 증발기(110)와 송풍팬(111)이 마련되되, 상기 실외측 열교환기(220) 일측은 상기 고온측 압축기(230)와 연결되며, 타측은 가스케이드 콘덴서(300)와 연결되는 것을 특징으로 하는 한냉지용 중압 2원사이클 냉난방 히트펌프 시스템.
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