KR100947309B1 - 냉온수 히트펌프 - Google Patents

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박인철
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에이치에스지(주)
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Abstract

본 발명은 냉온수 히트펌프에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉수와 온수를 모두 목표치의 온도로 동시에 생산할 수 있는 냉온수 히트펌프에 대한 것이다.
본 발명에 따른 냉온수 히트펌프는 압축기와, 제1열교환기와, 리시버탱크와, 제1교축기와, 제2교축기와, 공기열교환기와, 증발기와, 제1공급수배관과, 제2공급수배관과, 냉매배관과, 제어수단을 포함한다. 상기 압축기는 냉매를 압축시킨다. 상기 제1열교환기는 상기 냉매와 제1공급수를 열교환시킨다. 상기 제1교축기는 상기 냉매를 팽창시킨다. 상기 제2교축기는 상기 냉매를 팽창시킨다. 상기 공기열교환기는 상기 냉매와 외부의 온도와 열교환시킨다. 상기 증발기는 상기 냉매와 제2공급수를 열교환시킨다. 상기 제1공급수배관은 상기 제1공급수가 상기 제1열교환기로 유입되어 나가도록 연결된다. 상기 제2공급수배관은 상기 제2공급수가 상기 증발기로 유입되어 나가도록 연결된다. 상기 냉매배관은 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제1경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제2교축기와 상기 공기열교환기의 제2경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 공기열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제3경로를 따라 순환하도록 연결된다. 상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제1경로의 냉매 배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 냉매가 상기 제2경로의 냉매배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제3경로의 냉매배관을 따라 순환하도록 하는 제어한다.
냉수, 온수, 히트펌프

Description

냉온수 히트펌프{Heat pump for supplying cool and hot water}
본 발명은 냉온수 히트펌프에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉수와 온수를 모두 목표치의 온도로 동시에 생산할 수 있는 냉온수 히트펌프에 대한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 압축기와, 응축기와, 교축기와, 증발기와, 냉매배관과, 공급수배관을 포함한다.
상기 압축기는 냉매배관을 따라 순환하는 냉매를 고온고압으로 압축시킨다. 응축기는 공급수배관을 통하여 유입되는 저온의 공급수를 고온으로 가열하기 위하여 압축기에서 압축된 고온의 냉매와 공급수배관에서 공급되는 저온의 공급수를 열교환 시킨다. 교축기는 응축기에서 응축된 고압의 냉매를 저압의 냉매로 팽창시킨다. 증발기는 교축기에서 팽창된 저압의 냉매를 외부 공기와 열교환시켜서 냉매를 증발시킨다. 그러면 공급수배관을 통하여 공급된 저온의 공급수는 응축기에서 가열되어 온수로 배출된다. 근래에는 이러한 히트펌프를 개선시켜 냉수와 온수를 모두 동시에 생산할 수 있는 히트펌프가 개발되어 사용되고 있다.
종래의 냉수 및 온수를 모두 생산하는 히트펌프는 냉수 및 온수 생산시 냉수 또는 온수가 목표치에 도달하면 더 이상 작동하지 않는다는 문제점이 있었다. 즉 냉수 또는 온수의 온도가 목표치에 도달한 경우 온수 또는 냉수의 온도가 목표치에 도달하지 않더라도 더 이상 작동하지 아니하여 냉수 및 온수를 모두 원하는 온도를 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.
또한 종래의 히트펌프는 증발기에서 저온저압의 액체 및 기체 냉매가 외부 공기로부터 열을 공급받아서 기체 냉매로 상변환 된다. 냉매가 상변환되기 위해서는 증발기에서 냉매는 외부 공기와 원활하게 열교환이 이루어져야 한다. 그러나 동절기와 같이 외부 공기의 온도가 낮을 경우 적상이 발생하므로 외부 공기와 냉매의 열교환이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있었다. 이 경우 제상운전을 해야하므로 사이클이 불안정하고, 성능계수(COP)가 저하된다는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 히트펌프의 경우 압축기로 공급되는 냉매가 적을 경우 압축기에서 냉매가 과열되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 히트펌프의 경우 공급수배관에서 공급되는 공급수의 온도가 낮을 경우 응축기에서 냉매와 열교환이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 냉수 및 온수가 모두 목표치에 도달할 때까지 동작하여 냉수 및 온수를 모두 원하는 온도로 생산할 수 있는 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 증발기에서 적상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압축기에 공급되는 냉매가 적을 경우 이를 보충할 수 있는 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 공급수배관에서 유입되는 공급수의 온도가 낮을 경우 상기 공급수의 온도를 높일 수 있는 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 냉온수 히트펌프는 압축기와, 제1열교환기와, 리시버탱크와, 제1교축기와, 제2교축기와, 공기열교환기와, 증발기와, 제1공급수배관과, 제2공급수배관과, 냉매배관과, 제어수단을 포함한다. 상기 압축기는 냉매를 압축시킨다. 상기 제1열교환기는 상기 냉매와 제1공급수를 열교환시킨다. 상기 제1교축기는 상기 냉매를 팽창시킨다. 상기 제2교축기는 상기 냉매를 팽창시킨다. 상기 공기열교환기는 상기 냉매와 외부의 온도와 열교환시킨다. 상기 증발기는 상기 냉매와 제2공급수를 열교환시킨다. 상기 제1공급수배관은 상기 제1공급수가 상기 제1열교환기로 유입되어 나가도록 연결된다. 상기 제2공급수배관은 상기 제2공급수가 상기 증발기로 유입되어 나가도록 연결된다. 상기 냉매배관은 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제1경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제2교축기와 상기 공기열교환기의 제2경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 공기열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제3경로를 따라 순환하도록 연결된다. 상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제1경로의 냉매배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 냉매가 상기 제2경로의 냉매배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제3경로의 냉매배관을 따라 순환하도록 하는 제어한다.
또한, 상기의 냉온수 히트펌프는 제2열교환기와, 저압보상배관과, 저압보상밸브와, 저압보상교축기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제2열교환기는 상기 제1공급수가 상기 제1열교환기로 유입되기 전의 상기 제1공급수배관에 설치된다. 상기 저압보상배관은 상기 냉매와 상기 제1공급수를 열교환시키기 위하여 상기 제2교축기로 유입되는 냉매배관에서 나와서 상기 제2열교환기로 유입되어 상기 압축기로 유입되는 냉매배관으로 합쳐진다. 상기 저압보상밸브는 상기 외부의 공기가 일정한 온도 이하이거나 상기 압축기로 유입되는 냉매의 압력이 일정한 압력 이하이면 상기 저압보상배관의 유로를 개방시킬 수 있도록 상기 저압보상배관에 설치된다. 상기 저압보상교축기는 상기 제2열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키기 위하여 상기 저압보상배관에 설치된다.
또한, 상기의 냉온수 히트펌프는 바이패스배관과 바이패스밸브를 더 포함하 는 것이 바람직하다. 상기 바이패스배관은 상기 리시버탱크에서 나와서 상기 압축기로 유입되는 냉매배관에 합쳐진다. 상기 바이패스밸브는 상기 압축기에서 유출되는 냉매의 온도가 일정한 온도 이상이면 상기 바이패스배관을 개방시킬 수 있도록 상기 바이패스배관에 설치된다.
또한, 상기의 냉온수 히트펌프는 혼합배관과, 혼합밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 혼합배관은 상기 제1열교환기에서 배출되는 상기 제1공급수가 상기 제2열교환기로 유입되는 공급수와 혼합될 수 있도록 상기 제1공급수배관에 연결된다. 상기 혼합밸브는 상기 제2열교환기로 공급되는 상기 제1공급수의 온도가 일정한 온도 이하인 경우 상기 혼합배관을 통하여 상기 제1공급수가 흐를 수 있도록 상기 혼합배관을 개폐한다.
또한, 상기의 냉온수 히트펌프에 있어서 상기 냉매배관은
상기 냉매배관은 상기 압축기에서 상기 제1열교환기에 연결된 제1배관과, 상기 제1열교환기에서 상기 리시버탱크에 연결된 제2배관과, 상기 리시버탱크에서 상기 제2교축기를 통과하여 상기 공기열교환기에 연결된 제3배관과, 상기 공기열교환기에서 상기 압축기에 연결된 제4배관과, 상기 제3배관에서 분기되어 상기 제1교축기를 통과하여 상기 증발기에 연결된 제5배관과, 상기 증발기에서 상기 제4배관에 합쳐지도록 연결된 제6배관과, 상기 제1배관에서 분기되어 상기 제4배관에 합쳐지도록 연결된 제7배관과, 상기 제2배관에서 분기되어 상기 제3배관에 합쳐지는 제8배관을 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상 기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관을 따라 상기 제1열교환기에 유입되고 상기 제1열교환기에서 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관과 상기 제5배관을 따라 상기 증발기에 유입되고 상기 증발기에서 상기 제6배관과 상기 제4배관을 따라 상기 압축기에 유입되게 한다. 그리고 상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열 교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열 교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관을 따라 상기 제1열교환기에 유입되고 상기 제1열교환기에서 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관을 따라 상기 공기열교환기에 유입되고 상기 공기열교환기에서 상기 제4배관을 따라 상기 압축기에 유입되게 한다. 그리고 상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관과 상기 제7배관을 따라 상기 공기열교환기에 유입되고 상기 공기열교환기에서 상기 제3배관과 상기 제8배관과 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관과 상기 제5배관을 따라 상기 증발기에 유입되고 상기 증발기에서 상기 제6배관과 상기 제4배관을 따라 상기 압축기로 유입되게 한다.
또한, 상기의 냉온수 히트펌프에 있어서, 상기 제어수단은 상기 제7배관이 분기된 후 상기 제1열교환기 사이에 위치한 상기 제1배관에 설치된 제1차폐밸브와, 상기 제7배관에 설치된 제2차폐밸브와, 상기 제1열교환기와 상기 제8배관이 분기되기 사이에 위치한 상기 제2배관에 설치된 제3차폐밸브와, 상기 제5배관에 설치된 제4차폐밸브와, 상기 제8배관에 설치된 제5차폐밸브와, 상기 제5배관이 분기된 후 상기 공기열교환기 사이의 상기 제3배관에 설치된 제6차폐밸브와, 상기 제4배관에 설치된 제7차폐밸브를 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제4차폐밸브는 개방되고 상기 제2차폐밸브와 상기 제5차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브는 폐쇄된다. 그리고 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브는 개방되고 상기 제2차폐밸브와 상기 제4차폐밸브와 상기 제5차폐밸브는 폐쇄된다. 그리고 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 제2차폐밸브와 상기 제4차폐밸브와 상기 제5차폐밸브가 개방되고 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브가 폐쇄된다.
본 발명에 의하면 냉수와 온수를 동시에 모두 원하는 온도로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 외부 공기의 온도가 낮은 경우 제1열교환기로 공급되는 제1공급수를 사용하여 저압보상교축기에서 팽창된 냉매를 가열하는 제2열교환기를 구비한 히트펌프를 제공함으로써 적상현상을 방지할 수 있다. 따라서 제상운전이 필요 없으므로 운전사이클을 안정화시키고 성능계수(COP)를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 압축기에 공급되는 냉매가 적은 경우 제1열교환기에서 배출된 냉매를 리시버탱크에서 바로 압축기로 공급할 수 있는 바이패스배관을 구비한 히트펌프를 제공함으로써 압축기에서 냉매가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 제1공급수배관을 통하여 유입되는 제1공급수의 온도가 낮을 경우 제1공급수배관을 통하여 유출되는 제1공급수의 일부를 제1공급수배관을 통하여 유입되는 제1공급수와 혼합할 수 있는 혼합배관을 구비한 히트펌프를 제공함으로써 제1열교환기로 제공되는 제1공급수의 온도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉온수 히트펌프의 일 실시예의 개념도이다. 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 냉온수 히트펌프의 일 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 냉온수 히트펌프는 압축기(11)와, 제1열교환기(13)와, 리시버탱크(15)와, 제1교축기(18)와, 제2교축기(19)와, 공기열교환기(21)와, 증발기(23)와, 제2열교환기(25)와, 저압보상배관(27)과, 저압보상밸브(29)와, 저압보상교축기(31)와, 바이패스배관(33)과, 바이패스밸브(35)와, 제1공급수배관(37)과, 혼합배관(39)과, 혼합밸브(40)와, 제2공급수배관(41)과, 냉매배관(43)과, 제어수단을 포 함한다.
압축기(11)는 냉매배관(43)에 흐르는 냉매를 압축시킨다. 압축기(11)에서 압축된 냉매는 대략 85℃의 온도와 20kgf/㎠의 압력의 기체가 된다.
제1열교환기(13)는 제1공급수를 가열시키며 응축기 역할을 한다. 이를 위하여 제1열교환기(13)는 압축기(11)에서 가압된 냉매와 제1공급수배관(37)에서 유입되는 제1공급수를 열교환 시킨다. 즉 제1공급수배관(37)을 통하여 유입되는 제1공급수를 대략 85℃의 냉매로 가열시킨다. 제1열교환기(13)에서 제1공급수는 50 내지 55℃ 정도로 가열되며, 냉매는 50 내지 55℃의 온도와 20kgf/㎠의 압력의 액체가 된다.
리시버탱크(15)는 냉매배관(39)에 흐르는 냉매를 수용하여 액체상태의 냉매를 제1교축기(18) 또는 제2교축기(19)로 흘려보낸다.
제1교축기(18)는 증발기(23)로 유입되는 냉매를 팽창시키며, 제2교축기(19)는 공기열교환기(21)로 유입되는 냉매를 팽창시킨다. 제1교축기(18) 또는 제2교축기(19)를 통과한 냉매는 0℃, 4kgf/㎠의 액체가 된다.
공기열교환기(21)는 증발기 또는 응축기 역할을 한다. 외부 공기로 공기열교환기(19) 내부에 흐르는 냉매를 열교환시킨다. 하절기의 경우 외부 공기의 온도가 높으므로 냉매를 원활하게 증발시킬 수 있다. 그러나 동절기의 경우 외부 공기의 온도가 낮으므로 공기열교환기(21) 내부에 적상이 발생할 수 있다.
증발기(23)는 제2공급수를 냉각시키는 역할을 한다. 즉 증발기(23)는 제1교축기(18)를 통과한 0℃ 온도와 4kgf/㎠ 압력의 액체 냉매를 제2공급수와 열교환시 키서 액체 냉매를 기체 냉매로 증발시키고 제2공급수를 냉각시킨다.
제1공급수배관(37)은 제1공급수가 제1열교환기(13)에 유입되어 냉매와 열교환하여 나갈 수 있도록 설치된다. 이때 상온의 제1공급수가 유입되어 제1열교환기(13)를 통하여 고온으로 가열되어 나간다.
제2공급수배관(41)은 제2공급수가 증발기(23)로 유입되어 냉매와 열교환하여 나갈 수 있도록 설치된다. 이때 상온의 제2공급수가 유입되어 증발기(23)를 통하여 저온으로 냉각되어 나간다.
냉매배관(43)은 제1배관(44)과, 제2배관(45)과, 제3배관(46)과, 제4배관(47)과, 제5배관(48)과, 제6배관(49)와, 제7배관(50)과, 제8배관(51)을 구비한다. 제1배관(44)은 압축기(11)에서 제1열교환기(13)로 연결되고, 제2배관(45)는 제1열교환기(13)에서 리시버탱크(15)로 연결된다. 제3배관(46)은 리시버탱크(15)에서 공기열교환기(21)로 연결되고, 제4배관(47)은 공기열교환기(21)에서 압축기(11)로 연결된다. 제5배관(48)은 제3배관(46)에서 분기되어 제1교축기(18)를 통과하여 증발기(23)에 연결되며, 제6배관(49)은 증발기(23)에서 제4배관(47)에 합쳐지도록 연결된다. 제7배관(50)은 제1배관(44)에서 분기되어 제4배관(47)에 합쳐지도록 연결되고, 제8배관(51)은 제2배관(45)에서 분기되어 제3배관(46)에 합쳐지도록 연결된다.
제어수단은 제1열교환기(13)와 열교환한 제1공급수의 온도가 목표치인 설정 온도보다 낮고 증발기(23)와 열교환한 제2공급수의 온도가 목표치인 설정 온도보다 높으면 냉매가 압축기(11)와 제1열교환기(13)와 리시버탱크(15)와 제1교축기(18)와 증발기(23)의 제1경로를 따라 순환하도록 제어한다. 즉 온수가 목표치에 도달하지 않고 냉수가 목표치에 도달하지 아니한 경우 냉매는 압축기(11)에서 제1배관(44)을 따라 제1열교환기(13)에 유입되고, 제1열교환기(13)에서 제2배관(45)을 따라 리시버탱크(15)로 유입되며, 리시버탱크(15)에서 제3배관(46)과 제5배관(48)을 따라 제1교축기(18)를 통과하여 증발기(23)에 유입되며, 증발기(23)에서 제6배관(49)과 제4배관(47)을 따라 압축기(11) 유입되는 제1경로를 따라 순환한다.
또한 제어수단은 제1열교환기(13)와 열교환한 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 증발기(23)와 열교환한 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 냉매가 압축기(11)와 제1열교환기(13)와 리시버탱크(15)와 제2교축기(19)와 공기열교환기(21)의 제2경로를 따라 순환하도록 제어한다. 즉 온수가 목표치에 도달하지 않고 냉수가 목표치에 도달한 경우 냉매는 압축기(11)에서 제1배관(44)을 따라 제1열교환기(13)에 유입되고, 제1열교환기(13)에서 제2배관(45)을 따라 리시버탱크(15)에 유입되며, 리시버탱크(15)에서 제3배관(46)을 따라 공기열교환기(21)에 유입되며, 공기열교환기(21)에서 제4배관(47)을 따라 압축기(11)로 유입되는 제2경로를 따라 순환한다.
또한 제어수단은 제1열교환기(13)와 열교환한 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 증발기(23)와 열교환한 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 냉매가 압축기(11)와 공기열교환기(21)와 리시버탱크(15)와 제1교축기(18)와 증발기(23)의 제3경로를 따라 순환하도록 제어한다. 즉 온수가 목표치에 도달하고 냉수가 목표치에 도달하지 아니한 경우 냉매는 압축기(11)에서 제1배관(44)과 제7배관(50)과 제4배관(47)을 따라 공기열교환기(21)에 유입되고, 공기열교환기(21)에서 제3배관(46)과 제8배관(51)과 제2배관(45) 따라 리시버탱크(15)에 유입되고, 리시버탱크(15)에서 제3배관(46)과 제5배관(48)을 따라 제1교축기(18)를 통과하여 증발기(23)에 유입되고, 증발기(23)에서 제6배관(49)과 제4배관(47)을 따라 압축기(11)로 유입되는 제3경로를 따라 순환한다.
이를 위하여 제어수단은 제1차폐밸브(56)와, 제2차폐밸브(57)와, 제3차폐밸브(58)와, 제4차폐밸브(59)와, 제5차폐밸브(60)와, 제6차폐밸브(61), 제7차폐밸브(62)를 구비한다. 제1차폐밸브(56)는 제1배관(44)에 설치된다. 이때 제1차폐밸브(56)는 제7배관(50)이 분기된 후 제1열교환기(13) 사이에 위치한 제1배관(44)에 설치된다. 제2차폐밸브(57)는 제7배관(50)에 설치된다. 제3차폐밸브(58)는 제2배관(45)에 설치된다. 이때 제3차폐밸브(58)는 제1열교환기(13)에서 제8배관(51)이 분기되는 사이에 위치한 제2배관(45)에 설치된다. 제4차폐밸브(59)는 제5배관(48)에 설치된다. 제5차폐밸브(60)는 제8배관(51)에 설치되고, 제6차폐밸브(61)는 제3배관(46)에 설치된다. 이때 제6차폐밸브(61)는 리시버탱크(15)에서 제8배관(51)이 합쳐지는 사이에 위치한 제3배관(46)에 설치된다. 제7차폐밸브(62)는 제4배관(47)에 설치된다. 이때 제7차폐밸브(62)는 제6배관(49)이 합쳐지고 제7배관(50)이 합쳐지는 사이에 위치한 제4배관(47)에 설치된다.
온수가 목표치에 도달하지 않고 냉수가 목표치에 도달하지 아니한 경우 즉 냉매과 제1경로를 따라 순환할 경우 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제4차폐밸브(59)는 개방되고, 제2차폐밸브(57)와 제5차폐밸브(60)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)는 폐쇄된다. 그리고 온수가 목표치에 도달하지 않고 냉수가 목표치 에 도달한 경우 즉 냉매가 제2경로를 따라 순환할 경우 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)가 개방되고, 제2차폐밸브(57)와 제4차폐밸브(59)와 제5차폐밸브(60)는 폐쇄된다. 그리고 온수가 목표치에 도달하고 냉수가 목표치에 도달하지 아니한 경우 즉 냉매가 제3경로를 따라 순환할 경우 제2차폐밸브(57)와 제4차폐밸브(59)와 제5차폐밸브(60)와 개방되고, 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)가 폐쇄된다. 그리고 제어수단은 냉매의 제어를 원활하게 하기 위하여 제1체크밸브(65)와 제2체크밸브(66)와 제3체크밸브(67)을 더 구비할 수 있다. 제1체크밸브(65)는 화살표 3의 방향으로만 냉매를 유동시키며 제2배관(45)에 설치된다. 이때 제1체크밸브(65)는 제3차폐밸브(58)와 마찬가지로 제1열교환기(13)에서 제8배관(51)이 분기되는 사이에 위치한 제2배관(45)에 설치된다. 제2체크밸브(66)는 화살표 5의 방향으로만 냉매를 유동시키며 제8배관(51)에 설치된다. 제3체크밸브(67)는 화살표 7의 방향으로만 냉매를 유동시키며 제7배관(50)에 설치된다.
제2열교환기(25)와, 저압보상배관(27)과, 저압보상밸브(29)와, 저압보상교축기(31)는 동절기에 온수를 생산할 때 공기열교환기(21)에 적상이 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이를 위하여 제2열교환기(25)는 제1공급수가 제1열교환기(13)로 유입되기 전의 제1공급수배관(37)에 설치된다. 저압보상배관(27)은 제3배관(46)에서 분기되어 냉매가 제2열교환기(25)에서 제1공급수와 열교환을 한 후 제4배관(47)으로 합쳐져서 압축기(11)로 들어갈 수 있도록 설치된다. 저압보상밸브(29)는 저압보상배관(27)에 설치되어 저압보상배관(27)을 개폐시킨다. 이때 저압보상밸 브(29)는 공기열교환기(21)에 설치된 온도센서(74)에서 측정된 외기의 온도가 7℃ 이하로 내려갈 경우 개방되고 그보다 높으면 폐쇄된다. 또는 저압보상밸브(29)는 압축기(11)로 유입되는 냉매의 압력이 3kgf/㎠ 이하로 내려갈 경우 개방되고 그보다 높으면 폐쇄되게 할 수 있다. 저압보상교축기(31)는 제2열교환기(25)로 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있도록 저압보상배관(27)에 설치된다. 외기의 온도가 낮아지면 저압보상밸브(29)가 개방된다. 그러면 제3배관(46)을 통하여 공기열교환기(21)에 유입되는 냉매의 일부는 저압보상배관(27)으로 흘러간다. 저압보상배관(27)으로 흘러들어온 냉매는 저압보상교축기(31)에서 팽창된 후 제2열교환기(25)에서 제1공급수로부터 가열되어 압력이 높아져서 제4배관(47)으로 흘러간다. 그러면 공기열교환기(21)의 냉매의 압력과 온도가 높아져서 공기열교환기(21)에 발생한 적상을 제거할 수 있다. 한편 저압보상밸브(29)는 제7차폐밸브(62)가 폐쇄되면 저압보상밸브(29)는 함께 폐쇄된다.
바이패스배관(33)과, 바이패스밸브(35)는 압축기(11)에서 냉매가 과열되는 것을 방지하는 역할을 한다. 압축기(11)로 유입되는 냉매의 양이 적을 경우 냉매는 과열된다. 이를 방지하기 바이패스배관(33)은 리시버탱크(15)의 응축된 냉매가 압축기(11)로 유입될 수 있도록 리시버탱크(15)에서 제4배관(47)으로 연결된다. 바이패스밸브(33)는 압축기(11)에서 유출되는 냉매의 온도를 측정하는 토출온도센서(73)가 일정한 온도 이상일 경우 바이패스배관(33)을 개방하고 그 온도보다 낮을 경우 바이패스배관(33)을 폐쇄할 수 있도록 바이패스배관(33)에 설치된다. 즉 토출온도센서(73)에서 측정된 냉매가 일정한 온도 이상으로 가열된 경우에만 바이패스 밸브(35)가 개방되어 리시버탱크(15)에서 압축기(11)로 냉매가 유입된다. 이 경우 냉매의 유량이 증가하여 압축기(11)에서 냉매가 과열되는 것이 방지된다.
혼합배관(39)과, 혼합밸브(40)는 제1공급수배관(37)에서 유입되는 제1공급수의 온도가 낮을 경우 제1공급수의 온도를 높여주는 역할을 한다. 제1공급수는 제1공급수배관(37)을 통하여 순환한다. 공급수온도센서(71)는 제1공급수배관(37)을 통하여 유입되는 제1공급수의 온도를 측정한다. 혼합배관(39)은 제1열교환기(13)에 가열된 제1공급수가 제1공급수배관(37)으로 유입되는 제1공급수와 혼합될 수 있도록 제1공급수배관(37)에 연결된다. 혼합밸브(40)는 공급수온도센서(71)에서 측정된 제1공급수의 온도가 일정한 온도 이하일 경우 혼합배관(39)을 개방하고, 그 온도보다 낮을 경우 혼합배관(39)을 폐쇄한다. 혼합밸브(40)가 개방되면 혼합배관(39)을 통하여 제1열교환기(13)에서 가열된 제1공급수가 유입되어 제1공급수배관(37)을 통하여 유입되는 제1공급수와 혼합된다. 초기에 제1공급수배관(37)을 통하여 유입되는 제1공급수는 10 내지 20℃의 낮은 온도이다. 이 경우 혼합밸브(40)가 개방되어 60℃로 가열된 제1공급수의 일부가 혼합된다. 그러면 10 내지 20℃의 제1공급수는 30℃ 정도가 되어 제1열교환기(13)로 흘러들어간다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 제1작동도로서, 냉매가 제1경로를 따라 순환하는 경우이다. 즉 온수 및 냉수가 목표치에 도달하지 아니하여 히트펌프가 지속적으로 제1공급수를 가열하고 제2공급수를 냉각하는 과정이다. 이 경우 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제4차폐밸브(59)는 개방되고, 제2차폐밸브(57)와 제5차폐밸브(60)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)는 폐쇄된다. 그러면 냉매는 압 축기(11)에서 고온 고압의 가스로 가열되어 제1배관(44)을 따라 제1열교환기(13)로 유입된다. 제1열교환기(13)에서 제1공급수는 냉매에 의하여 고온으로 가열된다. 제1공급수를 가열시킨 냉매는 액화되어 제2배관(45)을 통하여 리시버탱크(15)로 유입된다. 리시버탱크(15)에서 냉매는 제3배관(46)과 제5배관(48)을 통하여 제1교축기(18)에서 저온 저압으로 팽창된 후 증발기(23)로 유입된다. 이때 압축기(11)에서 냉매가 과열되면 바이패스밸브(35)가 개방되어 냉매의 일부가 바이패스배관(33)을 통하여 제4배관(47)으로 흘러들어가서 압축기(11)로 유입된다. 증발기(23)에서 저온 저압의 냉매는 제2공급수를 냉각시켜 기화한다. 따라서 제1열교환기(13)에서 제1공급수는 가열되며, 증발기(23)에서 제2공급수는 냉각된다. 증발기(23)를 통과한 냉매는 제6배관(49)과 제4배관(47)을 통하여 압축기(11)로 유입된다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 제2작동도로서, 냉매가 제2경로를 따라 순환하는 경우이다. 즉 냉수가 목표치에 도달하고 온수가 목표치에 도달하지 아니하여 히트펌프가 지속적으로 제1공급수를 가열하는 과정이다. 이 경우 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)가 개방되고, 제2차폐밸브(57)와 제4차폐밸브(59)와 제5차폐밸브(60)는 폐쇄된다. 그러면 냉매는 압축기(11)에서 고온 고압의 가스로 가열되어 제1배관(44)을 따라 제1열교환기(13)로 유입된다. 제1열교환기(13)에서 제1공급수는 냉매에 의하여 고온으로 가열된다. 제1공급수를 가열시킨 냉매는 액화되어 제2배관(45)을 통하여 리시버탱크(15)로 유입된다. 리시버탱크(15)에서 냉매는 제3배관(46)을 통하여 제2교축기(19)에서 저온 저압으로 팽창된 후 공기가열기(21)로 유입된다. 공기가열기(21)에서 공기열교환 기(21)에 유입된 냉매는 외부의 공기로 증발되어 제4배관(47)을 통하여 압축기(11)로 유입된다. 이때 공기열교환기(21)에서 적상이 발생할 정도로 외기의 온도가 일정한 온도보다 낮거나 압축기(11)로 유입되는 냉매의 압력이 일정한 압력보다 낮을 경우 저압보상밸브(29)가 개방된다. 그러면 공기열교환기(21)로 유입되는 냉매의 일부가 저압보상배관(27)을 통하여 제2열교환기(25)로 유입된다. 저압보상교축기(31)를 통하여 팽창하여 제2열교환기(25)로 유입된 냉매는 제2열교환기(25)에서 가열되어 제4배관(47)으로 유입된다. 제7배관(45)으로 유입된 냉매는 압력이 증가되어 있으므로 공기열교환기(21)의 냉매의 압력을 증가시켜서 적상을 해소할 수 있다. 냉매가 도 3에 도시된 제2경로를 따라 순환할 경우 제1공급수는 제1열교환기(13)에서 지속적으로 가열되어 목표치에 도달할 수 있다.
도 4은 도 1에 도시된 실시예의 제3작동도로서, 냉매가 제3경로를 따라 순환하는 경우이다. 즉 온수가 목표치에 도달하고 냉수가 목표치에 도달하지 아니하여 히트펌프가 지속적으로 제2공급수를 냉각하는 과정이다. 이 경우 제2차폐밸브(57)와 제4차폐밸브(59)와 제5차폐밸브(60)와 개방되고, 제1차폐밸브(56)와 제3차폐밸브(58)와 제6차폐밸브(61)와 제7차폐밸브(62)가 폐쇄된다. 그러면 냉매는 압축기(11)에서 고온 고압의 가스로 가열되어 제1배관(44)과 제7배관(50)과 제4배관(47)을 따라 공기가열기(21)로 유입된다. 공기가열기(21)에서 냉매는 외기의 공기와 열교환하여 저온 저압으로 응축된다. 저온 저압으로 응축된 냉매는 제3배관(46)과 제8배관(51)과 제2배관(45)을 따라 리시버탱크(15)로 유입된다. 리시버탱크(15)에서 냉매는 제3배관(46)과 제5배관(48)을 통하여 제1교축기(18)에서 저온 저압으로 팽창된 후 증발기(23)로 유입된다. 증발기(23)에서 저온 저압의 냉매는 제2공급수를 냉각시켜 기화한다. 증발기(23)를 통과한 냉매는 제6배관(49)과 제4배관(47)을 통하여 압축기(11)로 유입된다. 냉매가 도 4에 도시된 제3경로를 따라 순환할 경우 제2공급수는 증발기(23)에서 지속적으로 냉각되어 목표치에 도달할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉온수 히트펌프의 일 실시예의 개념도,
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 제1작동도,
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 제2작동도,
도 4는 도 1에 도시된 실시예의 제3작동도이다.
<도면부호의 간단한 설명>
11 : 압축기 13 : 제1열교환기
15 : 리시버탱크 18 : 제1교축기
19 : 제2교축기 21 : 공기열교환기
23 : 증발기 25 : 제2열교환기
27 : 저압보상배관 29 : 저압보상밸브
31 : 저압보상교축기 33 : 바이패스배관
35 : 바이패스밸브 39 : 혼합배관
40 : 혼합밸브 43 : 냉매배관
44 : 제1배관 45 : 제2배관
46 : 제3배관 47 : 제4배관
48 : 제5배관 49 : 제6배관
50 : 제7배관 51 : 제8배관
56 : 제1차폐밸브 57 : 제2차폐밸브
58 : 제3차폐밸브 59 : 제4차폐밸브
60 : 제5차폐밸브 61 : 제6차폐밸브
62 : 제7차폐밸브 65 : 제1체크밸브
66 : 제2체크밸브 67 : 제3체크밸브

Claims (6)

  1. 냉매를 압축시키기 위한 압축기와,
    상기 냉매와 제1공급수를 열교환시키기 위한 제1열교환기와,
    리시버탱크와,
    상기 냉매를 팽창시키기 위한 제1교축기와,
    상기 냉매를 팽창시키기 위한 제2교축기와,
    상기 냉매와 외부의 온도와 열교환시키기 위한 공기열교환기와,
    상기 냉매와 제2공급수를 열교환시키기 위한 증발기와,
    상기 제1공급수가 상기 제1열교환기로 유입되어 나가도록 연결된 제1공급수배관과,
    상기 제2공급수가 상기 증발기로 유입되어 나가도록 연결된 제2공급수배관과,
    상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제1경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 제1열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제2교축기와 상기 공기열교환기의 제2경로를 따라 순환하거나, 상기 냉매가 상기 압축기와 상기 공기열교환기와 상기 리시버탱크와 상기 제1교축기와 상기 증발기의 제3경로를 따라 순환하도록 연결된 냉매배관과,
    상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제1경로의 냉매배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 냉매가 상기 제2경로의 냉매배관을 따라 순환하고, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 제3경로의 냉매배관을 따라 순환하도록 하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공급수가 상기 제1열교환기로 유입되기 전의 상기 제1공급수배관에 설치된 제2열교환기와,
    상기 냉매와 상기 제1공급수를 열교환시키기 위하여 상기 제2교축기로 유입되는 냉매배관에서 나와서 상기 제2열교환기로 유입되어 상기 압축기로 유입되는 냉매배관으로 합쳐지는 저압보상배관과,
    상기 외부의 공기가 일정한 온도 이하이거나 상기 압축기로 유입되는 냉매의 압력이 일정한 압력 이하이면 상기 저압보상배관의 유로를 개방시킬 수 있도록 상기 저압보상배관에 설치된 저압보상밸브와,
    상기 제2열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키기 위하여 상기 저압보상배관에 설치된 저압보상교축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리시버탱크에서 나와서 상기 압축기로 유입되는 냉매배관에 합쳐지는 바이패스배관과,
    상기 압축기에서 유출되는 냉매의 온도가 일정한 온도 이상이면 상기 바이패스배관을 개방시킬 수 있도록 상기 바이패스배관에 설치된 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1열교환기에서 배출되는 상기 제1공급수가 상기 제2열교환기로 유입되는 공급수와 혼합될 수 있도록 상기 제1공급수배관에 연결된 혼합배관과,
    상기 제2열교환기로 공급되는 상기 제1공급수의 온도가 일정한 온도 이하인 경우 상기 혼합배관을 통하여 상기 제1공급수가 흐를 수 있도록 상기 혼합배관을 개폐하기 위한 혼합밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매배관은 상기 압축기에서 상기 제1열교환기에 연결된 제1배관과, 상기 제1열교환기에서 상기 리시버탱크에 연결된 제2배관과, 상기 리시버탱크에서 상기 제2교축기를 통과하여 상기 공기열교환기에 연결된 제3배관과, 상기 공기열교환기에서 상기 압축기에 연결된 제4배관과, 상기 제3배관에서 분기되어 상기 제1교축 기를 통과하여 상기 증발기에 연결된 제5배관과, 상기 증발기에서 상기 제4배관에 합쳐지도록 연결된 제6배관과, 상기 제1배관에서 분기되어 상기 제4배관에 합쳐지도록 연결된 제7배관과, 상기 제2배관에서 분기되어 상기 제3배관에 합쳐지는 제8배관을 구비하며,
    상기 제어수단은 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관을 따라 상기 제1열교환기에 유입되고 상기 제1열교환기에서 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관과 상기 제5배관을 따라 상기 증발기에 유입되고 상기 증발기에서 상기 제6배관과 상기 제4배관을 따라 상기 압축기에 유입되게하며, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관을 따라 상기 제1열교환기에 유입되고 상기 제1열교환기에서 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관을 따라 상기 공기열교환기에 유입되고 상기 공기열교환기에서 상기 제4배관을 따라 상기 압축기에 유입되게 하며, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 냉매가 상기 압축기에서 상기 제1배관과 상기 제7배관을 따라 상기 공기열교환기에 유입되고 상기 공기열교환기에서 상기 제3배관과 상기 제8배관과 상기 제2배관을 따라 상기 리시버탱크에 유입되고 상기 리시버탱크에서 상기 제3배관과 상기 제5배관을 따라 상기 증발기에 유입되고 상기 증발기에서 상기 제6배관과 상기 제4배관을 따라 상기 압축기로 유입되게 제어하는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 제7배관이 분기된 후 상기 제1열교환기 사이에 위치한 상기 제1배관에 설치된 제1차폐밸브와, 상기 제7배관에 설치된 제2차폐밸브와, 상기 제1열교환기와 상기 제8배관이 분기되기 사이에 위치한 상기 제2배관에 설치된 제3차폐밸브와, 상기 제5배관에 설치된 제4차폐밸브와, 상기 제8배관에 설치된 제5차폐밸브와, 상기 제5배관이 분기된 후 상기 공기열교환기 사이의 상기 제3배관에 설치된 제6차폐밸브와, 상기 제4배관에 설치된 제7차폐밸브를 구비하며,
    상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제4차폐밸브는 개방되고 상기 제2차폐밸브와 상기 제5차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브는 폐쇄되며, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮고 상기 증발기와 열교환한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높지 않으면 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브는 개방되고 상기 제2차폐밸브와 상기 제4차폐밸브와 상기 제5차폐밸브는 폐쇄되며, 상기 제1열교환기와 열교환한 상기 제1공급수의 온도가 설정 온도보다 낮지 않고 상기 증발기와 열교환 한 상기 제2공급수의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 제2차폐밸브와 상기 제4차폐밸브와 상기 제5차폐밸브가 개방되고 상기 제1차폐밸브와 상기 제3차폐밸브와 상기 제6차폐밸브와 상기 제7차폐밸브가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 냉온수 히트펌프.
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KR101225935B1 (ko) 2011-10-04 2013-01-24 김종남 고온수 축열이 가능한 단단 히트펌프
KR102103425B1 (ko) * 2020-03-19 2020-04-22 (주)도우이앤이 온수 제상과 냉수 제상이 가능한 냉온수 동시 생산형 히트펌프 시스템

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