KR100953766B1

KR100953766B1 - 히트 펌프

Info

Publication number: KR100953766B1
Application number: KR1020090072690A
Authority: KR
Inventors: 전창덕
Original assignee: 충주대학교 산학협력단; (주)헤스코
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2010-05-03

Abstract

히트 펌프가 개시된다. 냉매를 압축하는 압축기; 고온의 냉매와 열교환을 통해 급수를 온수로 변환시키는 수랭식 열교환기; 실외공기와 냉매와의 열교환을 통해 냉매를 증발 또는 응축시키는 실외기 코일; 실내 공기와 냉매의 열교환을 통해 냉매를 응축 또는 증발시키는 실내기 코일; 상기 압축기, 상기 실외기 코일, 상기 실내기 코일 및 상기 열교환기의 유출입을 제어하기 위한 복수의 개폐 밸브; 상기 실외기 코일로부터 상기 실내기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 냉방 팽창 밸브 및 상기 실내기 코일로부터 상기 실외기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 난방 팽창 밸브를 포함하되, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 상기 열교환기, 상기 실외기 코일 및 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 실외기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 실내기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실외기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 열교환기로부터 유출된 냉매는 상기 실외기 코일의 유출구 또는 상기 실내기 코일의 유출구 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있는 히트 펌프는, 실내 냉방 및 난방 부하와 급탕 부하를 병렬로 연결하여 난방 및 급탕 부하를 사용자 조건에 따라 자유롭게 분배할 수 있어 부하에 대응하는 응답특성이 뛰어나다.

히트 펌프, 냉매, 실외기, 실내기, 열교환기

Description

히트 펌프{Heat pump}

본 발명은 히트 펌프에 관한 것으로, 보다 상세히, 사방변 밸브를 사용하지 않으면서도 용이하게 냉난방 및 온수 급탕 기능을 수행할 수 있는 히트 펌프에 관한 것이다.

히트 펌프는, 냉방 및 난방을 수행하기 위한 시스템으로서, 압축기 및 열교환기 등을 포함한다. 도 1은 종래 발명(등록특허 10-0448542)에 의한 히트 펌프식 급탕시스템의 구성도이다. 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 히트 펌프식 급탕 시스템은 냉매를 압축하는 압축기(10), 압축기를 통과한 냉매를 이용해 급탕을 하는 제1 급탕열교환기(11), 난방운전 시 제1 급탕열교환기를 통과한 냉매가 흐르는 냉온수 제조 열교환기(13), 냉방운전 시 제1 급탕열교환기를 통과한 냉매가 흐르는 실외열교환기(14), 냉매의 흐름방향을 냉방 및 난방 운전에 따라 선택 전환시킬 수 있는 사방밸브(12), 냉온수 제조 열교환기나 실외열교환기를 통과한 냉매를 이용해 급탕을 하는 제2 급탕열교환기(15), 냉매를 저온, 저압으로 변환하는 팽창밸 브(16), 고온의 냉매가 제2 급탕열교환기 쪽으로 흐르도록 하는 제1 유로전환밸브(17), 저압의 냉매가 냉온수 제조 열교환기나 실외 열교환기 중 하나로 흐르도록 하는 제2 유로전환밸브(18), 냉온수 제조 열교환기를 통해 제조되는 냉수나 온수를 이용해 실내 공간의 냉방 또는 난방을 수행하는 실내 열교환기(20), 냉온수 제조 열교환기와 실내 열교환기 사이에서 물의 순환이 이루어지도록 하는 냉온수 순환배관(21)과 순환펌프(22), 외부의 물이 제2 급탕열교환기로 공급되도록 연결되는 제1 급수관(31), 제2 급탕열교환기를 거쳐 제조된 온수가 제1 급탕열교환기로 쪽으로 흐르도록 연결되는 제2 급수관(32), 제1 급탕열교환기를 거쳐 제조된 온수가 외부로 공급되도록 하는 제3 급수관(33)을 구비한다.

그러나 이러한 종래의 히트펌프식 급탕시스템은 히트펌프 시스템에서 가장 고장 빈도가 높은 부품 중의 하나인 사방변을 사용하고 있으며, 냉온수를 얻기 위하여 3개(냉온수 제조 열교환기, 제1 급탕열교환기, 제2 급탕열교환기)의 열교환기를 사용하기 때문에 시스템이 복잡함을 물론 생산비용이 상승하고, 실내 냉방 또는 난방을 위해 냉온수 제조 열교환기에서 제조된 냉수 또는 온수를 순환배관과 순환펌프를 사용하여 실내기 코일로 이송시켜 공기와 열교환을 통해 실내 공간을 냉방 또는 난방하기 때문에 냉매가 직접 실내기 코일로 보내져 공기와 열교환을 통해 실내 공간을 냉방 또는 난방 하는 직접팽창방식에 비해 성능이 좋지 않으며, 동절기에 급수/급탕 시스템뿐 만아니라 실내기 코일에 대해서도 동파에 대한 주의를 기우려야 하는 번거로움이 있으며, 하나의 시스템을 냉방 및 난방에 사용하는 경우 냉방 및 난방 능력이 계절 요인에 따라 달라짐에도 불구하고 냉방 및 난방 운전에 동 일한 팽창밸브를 사용하기 때문에 냉방 및 난방 모두에서 최상의 운전 조건을 만족시킬 수 없으며, 실외기 냉매의 유출입 방향이 냉방과 난방 운전 시 서로 반대 방향이 되기 때문에 운전 모드에 따라 실외기 코일 냉매 분배 특성이 달라져 궁극적으로 시스템 효율을 저하시키는 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 사방변을 사용하지 않고도 냉방 운전과 난방 운전의 전환이 가능한 히트 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉방과 난방 운전 모두 온수의 제조가 가능할 뿐 아니라 실내 난방과 급탕 부하의 분배를 신속하고 정확하게 할 수 있는 히트 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉매 입출구가 운전 모드에 따라 변하지 않는 열교환기의 성능 향상을 통해 시스템 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 냉난방 및 급탕기능을 갖는 히트 펌프를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉매를 압축하는 압축기; 고온의 냉매와 열교환하는 열교환기; 실외공기와 냉매와의 열교환을 통해 냉매를 증발 또는 응축시키는 실외기 코일; 실내 공기와 냉매의 열교환을 통해 냉매를 응축 또는 증발시키는 실내기 코일; 상기 압축기, 상기 실외기 코일, 상기 실내기 코일 및 상기 열교환기의 유출입을 제어하기 위한 복수의 개폐 밸브; 상기 실외기 코일로부터 상기 실내기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 냉방 팽창 밸브 및 상기 실내기 코일로부터 상기 실외기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 난방 팽창 밸브를 포함하되, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 상 기 열교환기, 상기 실외기 코일 및 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 실외기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 실내기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실외기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며, 상기 열교환기로부터 유출된 냉매는 상기 실외기 코일의 유출구 또는 상기 실내기 코일의 유출구 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있는 히트 펌프가 제공된다.

상기 열교환기는 급수를 온수로 변환시키는 수랭식 열교환기인 것이 바람직하다.

이 때, 상기 수랭식 열교환기는 상기 실내기 코일 및 상기 실외기 코일과 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 복수의 개폐 밸브는, 상기 압축기의 토출구와 상기 실외기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 1 밸브; 상기 실내기 코일의 유출구와 상기 실외기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 2 밸브; 상기 압축기의 토출구와 상기 실내기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 3 밸브; 상기 실외기 코일의 유출구와 상기 실내기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 4 밸브; 상기 열교환기의 유출구와 상기 실내기 코일의 유출구 사이에 설치되는 제 5 밸브; 상기 열교환기의 유출구와 상기 실내기 코일의 유출구 사이에 설치되는 제 6 밸브; 상기 실외기 코일의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 설치되는 제 7 밸브 및 상기 실내기 코일의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 설치되는 제 8 밸브를 포함한다.

이 때, 상기 제 1 내지 제 4 밸브가 내부에 설치되는 밸브 블록을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 실내 냉방 전용 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서, 상기 제 1, 제 4, 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 실외기 코일 및 상기 실내기 코일을 차례로 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 실내 난방 전용 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서, 상기 제 2, 제 3, 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 실내기 코일 및 상기 실외기 코일을 차례로 지난 후 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 냉방 및 급탕 전부하 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서, 상기 제 4, 제 6 및 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기 및 상기 실내기를 차례로 지난 후 상기 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 냉방 및 급탕 부분 부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서, 상기 제 1, 제 4, 제 6 및 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기를 지나고, 나머지 일부가 상기 실외기 코일을 지난 후, 상기 열 교환기 및 실외기 코일을 지난 전체 냉매가 상기 실내기 코일을 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 난방 및 급탕 부분 부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서, 상기 제 2, 제 3, 제 5 및 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여,상기 압축기로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기를 지나고, 나머지 일부가 상기 실내기 코일을 지난 후, 상기 열교환기 및 실내기 코일을 지난 전체 냉매가 상기 실외기 코일을 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 히트 펌프를 급탕 전부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서, 상기 제 2, 제 5 및 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기 및 상기 실외기 코일을 차례로 지난 후 상기 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 히트 펌프는, 냉방 운전과 난방운전이 가능하고, 냉방과 난방 운전 시 모두 온수 제조가 가능하다.

또한, 실내 냉방 및 난방 부하와 급탕 부하를 병렬로 연결하여 난방 및 급탕 부하를 사용자 조건에 따라 자유롭게 분배할 수 있어 부하에 대응하는 응답특성이 뛰어나다.

또한, 기존의 사방밸브를 사용하지 않아 시스템의 내구성이 우수하고, 실외기 코일과 실내기 코일의 냉매 입출구 방향이 냉방 및 난방 운전에 관계없이 항상 일정하여 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프의 구성도로서 히트 펌프를 오직 실내 냉방으로만 운전하는 경우에 대한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)는, 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 수랭식 열교환기(500)를 포함한다.

상기 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 수랭식 열교환기(500)는 상호 유체 소통가능하도록 복수의 배관에 의하여 연결되며, 상기 복수의 배관(700,710,720,730,740,750, 760,770,780)에는 상기 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 수랭식 열교환기(500)로 유입되거나, 혹은 그로부터 유출되는 냉매의 유출입을 조절하기 위하여 복수의 개폐 밸브(610,620,630,640,650,660,670,680)가 설치된다.

보다 상세히, 압축기(100)는 냉매를 압축하여 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프에 사용되는 냉매를 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 수랭식 열교환기(500) 중 어느 하나 이상으로 토출하기 위한 구성이다. 이 때, 압축기(100)로 유입되는 냉매는 실외기 코일(200)또는 실내기 코일(300)로부터 유출된 냉매이다.

상기 실외기 코일(200)은, 실외공기와 냉매와의 열교환을 통해 냉매를 증발 또는 응축시킨다. 이 때, 실외기 코일(200)로 유입되는 냉매는 압축기(100)로부터 토출된 냉매이거나 혹은 실내기 코일(300)로부터 유출된 냉매일 수 있으며, 상기 실외기 코일(200)로부터 유출된 냉매는 상기 압축기(100), 상기 실내기 코일(300) 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있다. 이 때, 실외기 코일로부터 유출된 냉매가 압축기 및 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있다는 것은 실외기 코일과 압축기 및 실내기 코일이 유체 소통가능하게 연결되되, 실외기 코일과 압축기 사이에, 그리고 실외기 코일 및 실내기 코일 사이에 개폐 밸브가 설치되어 실외기 코일로부터 나온 냉매가 압축기로 들어가거나, 혹은 실내기 코일로 들어갈 수 있거나, 혹은 개폐 밸브의 개방 방법에 따라 압축기 및 실내기 코일 모두로 들어갈 수 있음을 의미한다. 이 때, 개폐 밸브를 모두 닫을 경우 냉매는 실외기로부터 압축기 혹은 실내기 코일 어느쪽으로도 유동하지 않을 수 있을 것이다. 이하 냉매의 유동을 설명함에 있어, "냉매가 두 구성요소 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있다"는 의미는 이와 같이, 일구성요소로부터 서로 다른 두개의 구성요소로 냉매가 유동하는 구성에 있어서, 일 구성요소와 서로 다른 두개의 구성 요소 사이에 각각 개폐 밸브가 설치되어 유동을 조절할 수 있음을 의미하는 것으로 규정한다. 다만, 이와 같은 냉매의 유동을 위한 개폐 밸브의 개폐는 히트 펌프가 달성하고자 하는 모드에 따라 달라질 수 있으며, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.

한편, 실내기 코일(300)은, 실내 공기와 냉매의 열교환을 통해 냉매를 응축 또는 증발시킨다. 이 때, 실내기 코일(300)로 유입되는 냉매는 압축기(100)로부터 토출된 냉매이거나 혹은 실외기 코일(200)로부터 유출된 냉매일 수 있으며, 상기 실내기 코일(300)로부터 유출된 냉매는 상기 압축기(100), 상기 실외기 코일(200) 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있다.

수랭식 열교환기(500)는 고온의 냉매와 열교환을 통해 급수를 온수로 변환시킨다. 수랭식 열교환기(500)로 유입되는 냉매는, 상기 압축기(100)로부터 유출된 냉매이며, 상기 열교환기(500)로부터 유출된 냉매는 상기 실외기 코일(200)의 유출구 또는 상기 실내기 코일(300)의 유출구 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있다. 이 때, 수랭식 열교환기(500)는 상기 실내기 코일(300) 및 실외기 코일(200)과 병렬로 연결된다. 이 때, 병렬로 연결된다는 것은 실외기 코일(200) 및 실내기 코일(300)로 유입되는 냉매가 수랭식 열교환기(500)로 유입될 수 없으며, 실외기 코일(200) 혹은 실내기 코일(300) 중 어느 하나와 수랭식 열교환기(500)로 냉매가 유입되기 위하여는 반드시 분기되어야 한다는 것을 의미한다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서는 수랭식 열교환기를 사용하여 압축기로부터 압축된 냉매를 이용하여 급수를 온수로 가열하는 구성을 제시하였으나, 상기 열교환기는 다른 기능을 갖는 다양한 종류의 열교환기로 대체될 수 있으며, 이와 같은 경우, 온수를 제공하는 것 이외의 기능들이 열교환기에 의하여 제공될 수 있을 것이다.

한편, 상기 실외기 코일(200)로부터 상기 실내기 코일(300)로 냉매가 유입되는 배관에는 냉방 팽창 밸브(400-1)가 설치된다. 냉방 팽창 밸브(400-1)는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프가 냉방 및 급탕 시 전용으로 사용된다.

한편, 상기 실내기 코일(300)로부터 상기 실외기 코일(200)로 냉매가 유입되는 배관에는 난방 팽창 밸브(400-2)가 설치된다. 난방 팽창 밸브(400-2)는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프가 난방 및 급탕 시 전용으로 사용된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프에 있어서, 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 열교환기(500)로 유출입되는 냉매를 조절하기 위하여 8개의 밸브가 사용된다. 이하 설명의 편의를 위하여, 상기 압축기(100)의 토출구와 상기 실외기 코일(200)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 1 밸브(610), 상기 실내기 코일(300)의 유출구와 상기 실외기 코일(200)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 2 밸브(620), 상기 압축기(100)의 토출구와 상기 실내기 코일(300)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 3 밸브(630) 및 상기 실외기 코일(200)의 유출구와 상기 실내기 코일(300)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 4 밸브(640)로 규정한다. 이 때, 밸브가 일 구성요소와 타 구성요소 사이에 설치된다는 것은 유체 흐름 방향으로 볼 때 일 구성요소에서 타 구성요소로 유동하는 유체의 흐름을 조절할 수 있도록 일 구성요소로부터 타 구성요소로 연결된 배관에 설치되는 것을 의미하는 것으로 이해되어져야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 내지 제 4 밸브는 하나의 밸브 블록(600) 내부에 설치된 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같은 4개의 밸브가 하나의 밸브 블록(600) 안에 설치되어 있는 경우 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 열교환기(500)를 설치하고자 하는 밸브에 결합시키기만 하면 밸브 조립이 이루어지므로 간단하게 밸브를 조립할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 내지 제 4 밸브 이외에, 상기 열교환기(500)의 유출구와 상기 실내기 코일(300)의 유출구 사이에 설치되는 밸브를 제 5 밸브(650), 상기 열교환기(500)의 유출구와 상기 실내기 코일(300)의 유출구 사이에 설치되는 밸브를 제 6 밸브(660), 상기 실외기 코일(200)의 유출구와 상기 압축기(100)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 7 밸브(670) 및 상기 실내기 코일(300)의 유출구와 상기 압축기(100)의 유입구 사이에 설치되는 밸브를 제 8 밸브(680)로 규정한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 내지 제 4 밸브(610,620,630,640)를 포함하는 밸브 블록 및 제 5 내지 제 8 밸브(650,660,670,680)를 이용하여 압축기(100), 실외기 코일(200), 실내기 코일(300) 및 수랭식 열교환기(500)로 유출입되는 냉매를 조절함으로써, 일반적으로 히트 펌프의 냉난방 조절시 사용되는 사방변 밸브를 사용함이 없이 히트 펌프를 구성할 수 있다.

이와 같이 사방변 밸브가 없이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)는, 밸브의 개폐 방식에 따라, 실내 냉방 전용 모드, 실내 난방 전용 모드, 냉방 및 급탕 전부하 모드, 냉방 및 급탕 부분 부하 모드, 난방 및 급탕 부분 부하 모드, 급탕 전부하 모드로 사용될 수 있다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프를 다양한 모드로 사용하는 히트 펌프의 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프를 실내 냉방 전용으로 사용하는 모드를 도시한 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 제 1, 제 4, 제 8 밸브(610, 640,680)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 상기 실외기 코일(200) 및 상기 실내기 코일(300)을 차례로 지나 다시 압축기(100)로 유입되도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 실내 냉방 전용으로 사용할 수 있다. 이와 같은 경우에는 열교환기(500)로 냉매가 유동하지 않으므로 급탕이 이루어지지 않으며, 냉매가 온전하게 실내 냉방을 위하여 사용될 수 있다.

보다 상세히, 상기 압축기(100)와 실외기 코일(200)을 연결하는 제1 연결배관(700)이 설치되고, 상기 제1 연결배관(700)과 실외기 코일(200) 사이에 설치된 제1 밸브(610)가 개방되어 상기 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매가 상기 실외기 코일(200)로 흐르도록 한다. 냉방 전용으로 시스템을 운전하는 경우에는 상기 제5 밸브(650)와 제6 밸브(660)가 닫혀 있어 냉매가 상기 수랭식 열교환기(500)로 흘러갈 수 없기 때문에 상기 압축기(100)에서 토출된 모든 냉매는 상기 실외기 코일(200)과 제2 연결배관(710) 그리고 냉방 팽창밸브(400-1), 제4 밸브(640)를 거쳐 실내기 코일(300)로 흘러가므로 실내 공간에 최대 냉방 능력을 부여할 수 있다. 또한 도시된 바와 같이 제1 밸브(610), 제2 밸브(620), 제3 밸브(630), 제 4밸브(640)를 포함하여 구성된 밸브 블록(600)은 냉매의 흐름 방향 전환에 사용되는데 냉방 전용으로 운전 시에는 상기 제1 밸브(610)와 상기 제4 밸브(640)는 개방되고 상기 제2 밸브(620)와 상기 제3 밸브(630)는 닫힌다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 실내 난방 전용으로 사용하는 모드를 도시한 구성도이다. 도 3을 참조하면, 상기 제 2, 제 3, 제 7 밸 브(620,630,670)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 상기 실내기 코일(300) 및 상기 실외기 코일(200)을 차례로 지난 후 다시 압축기(100)로 유입되도록 함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 실내 난방 전용으로 사용할 수 있다. 이와 같은 경우에도 앞선 실내 냉방 전용의 경우와 마찬가지로, 냉매가 열교환기(500)를 지나지 않아 급탕이 이루어지지 않기 때문에 냉매가 온전하게 실내 난방을 위하여 사용될 수 있다.

보다 상세히, 도 3을 참조하면, 시스템의 모든 능력을 난방에만 사용하는 경우 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매는 제1 연결배관(700)과 제4 연결배관(730), 제3 밸브(63)를 따라 실내기 코일(300)로 흘러간다. 이 때 제5 밸브, 제 6밸브는 닫혀 있어 급탕 기능을 수행할 수 없다. 또한 밸브블록(600)의 제1 밸브(610)와 제4 밸브(640) 역시 닫힌 상태를 유지한다. 상기 실내기 코일(300)을 통과한 냉매는 제3 연결배관(720) 상에 위치한 제8 밸브(680)가 닫힌 상태이기 때문에 제3 연결배관(720)을 따라 압축기(100)로 흘러갈 수 없으며 제5 연결배관(740)과 난방 팽창밸브(400-2), 제2 밸브(620)를 실외기 코일(200)로 유입되어 증발과정을 거친 후 제2 연결배관과 제7 밸브(670)를 거쳐 압축기(100)로 보내짐으로 실내 난방 전용 운전을 완성한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 냉방 및 급탕 전부하 모드로 사용하는 구성도이다. 도 4을 참조하면, 상기 제 4, 제 6 및 제 8 밸브(640,660,680)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기(500) 및 상기 실내기 코일을 차례로 지난 후 상기 압축 기(100)로 유입되도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 냉방 및 급탕 전부하 모드로 사용할 수 있다. 이 때, 냉방 및 급탕 전부하 모드란 본 발명에 따른 히트펌프를 이용하여 냉난방 및 급탕을 수행하는 경우, 냉방으로 운전 시 실외기 코일을 사용하여 냉매를 응축하지 않고 수랭식 열교환기(500)만을 응축기로 사용함으로써 모든 응축열량을 급탕으로 전용하여 사용하는 경우를 의미한다.

도 4를 참조하면, 냉방 운전 시 시스템의 모든 능력을 급탕에만 사용하는 경우 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매는 차례로 제1 연결배관(700), 제7 연결배관(760), 수랭식 열교환기(500), 제9 연결배관(780), 제6 밸브(660), 그리고 냉방 팽창밸브(400-1)와 제4 밸브를 거쳐 실내기 코일(300)로 유입된 후 증발과정을 거치면서 실내의 열을 흡수한 후 제3 연결배관(720)과 제8 밸브(680)를 거쳐 압축기(100) 입구로 들어가며 사이클을 완성한다. 이 때 제1 밸브(610), 제2 밸브(620), 그리고 제3 밸브(630), 제5 밸브(650), 제7 밸브(670)는 닫힌 상태를 유지하며 제4 밸브(640), 제6 밸브(660), 그리고 제8 밸브(680)는 열린 상태를 유지한다. 그러므로 실외기 코일(200)로는 어떠한 냉매도 유입될 수 없으며 오직 수랭식 열교환기(500)에서만 냉매가 응축되므로 최대 급탕 능력을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 냉방 및 급탕 부분 부하 모드로 사용하는 구성도이다. 도 5를 참조하면, 상기 제 1, 제 4, 제 6 및 제 8 밸브(610,640,660,680)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기(100)로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기(500)를 지나고, 나머지 일부가 상기 실외기 코일(200)을 지난 후, 상기 열교환기(500) 및 실외기 코일(200)을 지난 전체 냉매가 상기 실내기 코일을 지나 다시 압축기로 유입되도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 냉방 및 급탕 부분 부하 모드로 사용할 수 있다. 이 때, 냉방 및 급탕 부분 부하 모드란 냉방 및 급탕 기능을 수행할 때 실외기를 함께 사용하는 모드를 의미한다. 도 5를 참조하면, 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매는 제1 밸브(610)와 제6 밸브(660)가 열려있어 제1 연결배관(700)을 거쳐 일부 냉매는 실외기 코일(200)로 유입되고 일부 냉매는 제7 연결배관(760)을 거쳐 수랭식 열교환기(500)로 유입된다. 수랭식 열교환기(500)로 유입된 냉매는 급수와 열교환을 통해 온수를 생산한 후 차례로 제9 연결배관(780), 냉방 팽창밸브(400-1), 제4 밸브(640)를 거쳐 실내기 코일(300)로 유입되어 증발과정을 겪은 후 제3 연결배관(720)과 제8 밸브(680)를 거쳐 압축기(100)로 유입된다, 실외기 코일(200)로 유입된 일부 냉매는 실외기 코일(200)에서 응축과정을 겪은 후 제2 연결배관(710)을 따라 흐르다 제9 연결배관(780)을 만나 수랭식 열교환기(500)로 흘러간 일부 냉매와 합류하여 앞서 기술한 바와 같이 냉방 팽창밸브(400-1), 제4 밸브(640)를 거쳐 실내기 코일(300)로 유입되어 증발과정을 겪은 후 제3 연결배관(720)과 제8 밸브(680)를 거쳐 압축기(100)로 유입된다.

실외기 코일(200)과 수랭식 열교환기(500)로 분할되는 냉매의 양은 제1 밸브 또는 제6 밸브(660)의 개도를 조절함으로서 컨트롤할 수 있다. 이러한 난방 부하의 병렬운전은 매우 유익하고 효율적으로 시스템을 사용할 수 있도록 허용한다. 즉, 최적의 실내 냉방을 얻기 위해서는 그에 상응하는 열량만큼 응축기(실외기 코일 또는 수랭식 열교환기)를 통해 방열해야 한다. 그러므로 실외기 코일 없이 수랭식 응 축기만을 사용하여 방열하는 시스템의 경우에는 온수 사용량이 적으면 냉매를 응축할 수 없으므로 원하는 냉방능력을 얻을 수 없다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 급탕부하와 연동하여 제6 밸브(660) 개도를 제어할 수 있는 제어장치(미도시)를 통해 최적의 냉방 능력을 달성할 수 있는 조건을 항상 유지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 난방 및 급탕 부분 부하 모드로 사용하는 구성도이다. 도 6를 참조하면, 상기 제 2, 제 3, 제 5 및 제 7 밸브(620,630,650,670)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여,상기 압축기로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기(500)를 지나고, 나머지 일부가 상기 실내기 코일(300)을 지난 후, 상기 열교환기(500) 및 실내기 코일(300)을 지난 전체 냉매가 상기 실외기 코일(200)을 지나 다시 압축기(100)로 유입되도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 난방 및 급탕 부분 부하 모드로 사용할 수 있다. 이 때, 난방 및 급탕 부분 부하 모드란, 난방과 급탕을 수행할 때 실내기 코일 및 열교환기로 부하가 분리되도록 구성되는 모드이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)의 난방 및 급탕 부분 부하 모드에서, 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매는 제3 밸브(630)와 제5 밸브(650)는 열려 있고, 제1 밸브(610)와 제6 밸브(660)는 닫혀 있기 때문에 일부 냉매는 제4 연결배관(730)과 제3 밸브(630)를 거쳐 실내기 코일(300)로 유입되고 일부 냉매는 제7 연결배관(760)을 거쳐 수랭식 열교환기(500)로 유입된다. 수랭식 열교환기(500)로 유입된 냉매는 급수와 열교환을 통해 온수를 생산한 후 제8 연결배관(770)을 거쳐 제3 연결배관(720)에서 실내기 코일(300)을 통과한 냉매와 합류한다. 합류된 냉매는 제8 밸브(680)가 닫힌 상태이기 때문에 제5 연결배관(740)과 난방 팽창밸브(400-2) 그리고 제2 밸브(620)를 거쳐 실외기 코일(200)로 유입된 후 증발과정을 겪은 후 제2 연결배관(710)과 제7 밸브(670)를 거쳐 압축기(100)로 유입되므로 사이클을 완성한다. 도 5의 실내 냉방 및 급탕 운전의 경우와 유사하게 제5 밸브(650)의 개도를 급탕부하와 연동하여 조절함으로서 난방 부하와 급탕 부하의 배분을 수요에 따라 신속하게 정확하게 제어할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)를 급탕 전부하 모드로 사용하는 구성도이다. 도 7를 참조하면, 상기 제 2, 제 5 및 제 7 밸브(620,650,670)를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기(500) 및 상기 실외기 코일(200)을 차례로 지난 후 상기 압축기(100)로 유입되도록 함으로써, 급탕 전부하 모드를 달성한다. 이 때, 급탕 전부하 모드는 냉매가 실내기 코일을 지나지 않도록 하고, 실외기 코일(200)만을 수냉식 열교환기(500)와 열교환하도록 하여, 급수를 데우는 모드이다. 보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1)의 급탕 전부하 모드에서는, 압축기(100)에서 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 냉매가 제1 연결배관(700)을 따라 흐르다가 제5 밸브(650)가 열린 상태이기 때문에 제7 연결배관(760)을 따라 수랭식 열교환기(500)에 유입되어 고온수를 생성한 후 제8 연결배관(770)을 따라 흐른다. 제8 연결배관(770)과 제3 연결배관(720)의 합류로 냉매는 제3 연결배관(720)을 따라 흐르다가 제8 밸브(680)가 닫힌 상태이기 때문에 제5 연결배관(740)을 따라 흐른다. 난방 팽창밸브(400-2)와 제2 밸브(620)를 거친 후 실외기 코일(200)로 들어가 증발과 정을 겪은 후 제2 연결배관(710)과 제7 밸브(670)를 거쳐 압축기(100)로 유입되므로 사이클을 완성한다.

실내 난방의 필요 없이 오직 급탕 부하만을 최대로 요구하는 경우 이러한 운전은 히트펌프 시스템이 가지고 있는 최대의 응축열량을 급탕에 사용할 수 있다. 또한 이러한 운전 상태에서 제3 밸브(630)만 열면 즉시 실내 공간을 난방할 수 있어 운전모드에 따른 응답특성이 매우 우수하다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

도 1은 종래 발명에 의한 히트펌프식 급탕시스템의 구성도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 급탕부하가 없는 냉방 운전 시 사이클 구성도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 급탕부하가 없는 난방 운전 시 사이클 구성도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 냉방 및 급탕 전 부하 운전 시 사이클 구성도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 냉방 및 급탕 부분 부하 운전 시 사이클 구성도,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 난방 및 급탕 부분 부하 운전 시 사이클 구성도 및

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프의 동절기 급탕 전 부하 운전 시 사이클 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 압축기 200 : 실외기 코일

300 : 실내기 코일 400-1 : 냉방 팽창밸브

400-2 : 난방 팽창밸브 500 : 수랭식 열교환기

600 : 밸브 블록 610 : 제 1 밸브

620 : 제 2 밸브 630 : 제 3 밸브

640 : 제 4 밸브 650 : 제 5 밸브

660 : 제 6 밸브 670 : 제 7 밸브

680 : 제 8 밸브 700 : 제 1 연결배관

710 : 제 2 연결배관 720 : 제 3 연결배관

730 : 제 4 연결배관 740 : 제 5 연결배관

750 : 제 6 연결배관 760 : 제 7 연결배관

770 : 제 8 연결배관 780 : 제 9 연결배관

Claims

냉매를 압축하는 압축기;

고온의 냉매와 열교환하는 열교환기;

실외공기와 냉매와의 열교환을 통해 냉매를 증발 또는 응축시키는 실외기 코일;

실내 공기와 냉매의 열교환을 통해 냉매를 응축 또는 증발시키는 실내기 코일;

상기 압축기, 상기 실외기 코일, 상기 실내기 코일 및 상기 열교환기의 유출입을 제어하기 위한 복수의 개폐 밸브;

상기 실외기 코일로부터 상기 실내기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 냉방 팽창 밸브 및

상기 실내기 코일로부터 상기 실외기 코일로 냉매가 유입되는 배관에 설치되는 난방 팽창 밸브를 포함하되,

상기 압축기로부터 토출된 냉매는 상기 열교환기, 상기 실외기 코일 및 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며,

상기 실외기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실내기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며,

상기 실내기 코일로부터 유출된 냉매는 상기 압축기, 상기 실외기 코일 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며,

상기 열교환기로부터 유출된 냉매는 상기 실외기 코일의 유출구 또는 상기 실내기 코일의 유출구 중 어느 하나 이상으로 유입될 수 있으며,

냉방 운전 및 난방 운전 시에 상기 실외기 코일과 상기 실내기 코일로 유입되는 냉매의 흐름 방향이 동일하게 유지되는 히트 펌프.
제 1항에 있어서,

상기 열교환기는 급수를 온수로 변환시키는 수랭식 열교환기인, 히트 펌프.
제 1항에 있어서,

상기 열교환기는 상기 실내기 코일 및 상기 실외기 코일과 병렬로 연결되는, 히트 펌프.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 개폐 밸브는,

상기 압축기의 토출구와 상기 실외기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 1 밸브;

상기 실내기 코일의 유출구와 상기 실외기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 2 밸브;

상기 압축기의 토출구와 상기 실내기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 3 밸브;

상기 실외기 코일의 유출구와 상기 실내기 코일의 유입구 사이에 설치되는 제 4 밸브;

상기 열교환기의 유출구와 상기 실내기 코일의 유출구 사이에 설치되는 제 5 밸브;

상기 열교환기의 유출구와 상기 실내기 코일의 유출구 사이에 설치되는 제 6 밸브;

상기 실외기 코일의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 설치되는 제 7 밸브 및

상기 실내기 코일의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 설치되는 제 8 밸브를 포함하는, 히트 펌프.
제 4항에 있어서,

상기 제 1 내지 제 4 밸브가 내부에 설치되는 밸브 블록을 더 포함하는, 히트 펌프.
제 4항에 따른 히트 펌프를 실내 냉방 전용 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서,

상기 제 1, 제 4, 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압 축기로부터 토출된 냉매가 상기 실외기 코일 및 상기 실내기 코일을 차례로 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프 제어 방법.
제 4항에 따른 히트 펌프를 실내 난방 전용 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서,

상기 제 2, 제 3, 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 실내기 코일 및 상기 실외기 코일을 차례로 지난 후 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프 제어 방법.
제 4항에 따른 히트 펌프를 냉방 및 급탕 전부하 모드로 제어하는 히트 펌프 제어 방법으로서,

상기 제 4, 제 6 및 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기 및 상기 실내기를 차례로 지난 후 상기 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법.
제 4항에 따른 히트 펌프를 냉방 및 급탕 부분 부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서,

상기 제 1, 제 4, 제 6 및 제 8 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기를 지나고, 나머지 일부가 상기 실외기 코일을 지난 후, 상기 열교환기 및 실외기 코일을 지난 전체 냉매가 상기 실내기 코일을 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법.
제 4항에 따른 히트 펌프를 난방 및 급탕 부분 부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서,

상기 제 2, 제 3, 제 5 및 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여,상기 압축기로부터 토출된 냉매 중 일부가 상기 열교환기를 지나고, 나머지 일부가 상기 실내기 코일을 지난 후, 상기 열교환기 및 실내기 코일을 지난 전체 냉매가 상기 실외기 코일을 지나 다시 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법.
제 4항에 따른 히트 펌프를 급탕 전부하 모드로 제어하는 히트 펌프의 제어 방법으로서,

상기 제 2, 제 5 및 제 7 밸브를 개방하고, 나머지 밸브를 폐쇄하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 열교환기 및 상기 실외기 코일을 차례로 지난 후 상기 압축기로 유입되도록 하는, 히트 펌프의 제어 방법.