KR100956550B1

KR100956550B1 - 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR100956550B1
Application number: KR1020080126051A
Authority: KR
Inventors: 한상락; 임흥규; 계광택
Original assignee: 에스에이비(주)
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-05-10

Abstract

본 발명은 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 일측 입구가 연결되며 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관을 통해 온수 탱크와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기; 상기 제1 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 일측 입구가 연결되고 일측 출구가 상기 제1 압축기의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기;를 포함하는 제1 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 제2 사이클로서, 제2 압축기; 상기 제2 압축기의 출구와 타측 입구가 연결되며 유입된 제2 냉매의 열을 방출하여 상기 제1 냉매가 흡수토록 하는 상기 제2 판형 열교환기; 상기 제2 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브; 상기 제2 팽창밸브와 입구측이 연결되고 출구측이 제2 압축기에 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하며; 상기 제2 판형 열교환기와 상기 제2 팽창밸브 사이에 분기되어 상기 제2 압축기의 입구측 관로로 연결되며 제 3팽창밸브와 제3 판형 열교환기가 순차적으로 설치된 제1 분기관로를 포함하여, 제2 냉매가 상기 외기 증발기를 향하거나 상기 제1 분기관로를 통해 상기 제3 판형 열교환기를 향하여 선택적으로 유동할 수 있는 제2 사이클과, 상기 제3 판형 열교환기와 타측 입구 및 출구가 연결되어 순환하는 물이 제3 판형 열교환기의 일측 입출력을 통해 유동하는 제2 냉매와 열교환 가능하게, 냉수 탱크와 연결되어 설치되는 냉수 순환관;을 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서, 상기 제2 압축기의 출력을 상기 외 기 증발기로 입력토록 연결하는 분기관로; 상기 외기 증발기의 출력을 상기 제3 판형 열교환기로 입력토록 연결하는 분기관로를 구비하여, 상기 제2 압축기의 제2 냉매 출력이 상기 외기 증발기, 상기 제3 판형 열교환기로 진행하여 다시 상기 제2 압축기로 입력토록 하며, 상기 제3 판형 열교환기는 냉수 순환관을 통해 상기 온수 탱크 내부의 온수에 의해 가열된 온수를 공급받아 온수의 열을 흡입할 수 있도록 하여, 상기 외기 증발기에서 발열이 일어날 수 있도록 한 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템을 제공한다.

히트펌프, 냉난방, 제상

Description

제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR COOLING AND HEATING WITH DEFROSTING FUNCTION}

본 발명은 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 외기 증발기가 저온시 결빙될 때 이러한 결빙을 해소하는 제상을 할 수 있는 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치를 의미한다.

히트 펌프는 냉동사이클과 동일한 구성을 가지는데, 일반적으로, 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어지며, 상기 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축액화 되어 저온고압의 액체상태로 이르게 된다. 상기와 같이 응축된 냉매는 팽창밸브를 통하여 교축(Throttling)팽창되면서 일부 냉매액은 증발을 하고, 이 잠 열의 흡수를 통하여 냉매액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서 배열시키는 즉 열을 이송하는 펌프로 볼 수가 있다.

히트 펌프는 이와 같은 냉동 사이클에서 응축기 및 증발기를 기능이 전환 가능한 열교환기로 구성하여, 예컨대 난방시에 응축기 기능을 열교환기가 냉방시에는 증발기 기능을 하도록 함으로써, 냉난방을 동시에 구현할 수 있도록 하고 있다.

종래의 이러한 히트펌프 냉난방 시스템은 단일 사이클을 이용하였는데, 바닥 난방을 위해서는 고온수가 필요함에도 불구하고 50도 이상의 온수생산이 불가능하여 바닥 난방이 불가능하였으며, 또한 겨울철에는 차가운 외기 온도로 인해 증발기에 증발이 되지 아니하여 냉난방기의 기능이 상실되는 문제점이 있었다.

또한 증발기가 겨울철에 결빙되어 대기와의 열교환이 불가능하게 된 경우 대기 중 열을 흡수할 수 없어 시스템이 기능을 할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 동절기에 낮은 대기 온도로 인하여 외기 증발기에 결빙이 발생할 때, 결빙을 해소하기 위해 제상 모드의 수행이 가능하여 동절기에도 안정적인 운전이 가능한, 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 일측 입구가 연결되며 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관을 통해 온수 탱크와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기; 상기 제1 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 일측 입구가 연결되고 일측 출구가 상기 제1 압축기의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기;를 포함하는 제1 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 제2 사이클로서, 제2 압축기; 상기 제2 압축기의 출구와 타측 입구가 연결되며 유입된 제2 냉매의 열을 방출하여 상기 제1 냉매가 흡수토록 하는 상기 제2 판형 열교환기; 상기 제2 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브; 상기 제2 팽창밸브와 입구측이 연결되고 출구측이 제2 압축기에 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하며; 상기 제2 판형 열교환기와 상기 제2 팽창밸브 사이에 분기되어 상기 제2 압축기의 입구 측 관로로 연결되며 제 3팽창밸브와 제3 판형 열교환기가 순차적으로 설치된 제1 분기관로를 포함하여, 제2 냉매가 상기 외기 증발기를 향하거나 상기 제1 분기관로를 통해 상기 제3 판형 열교환기를 향하여 선택적으로 유동할 수 있는 제2 사이클과, 상기 제3 판형 열교환기와 타측 입구 및 출구가 연결되어 순환하는 물이 제3 판형 열교환기의 일측 입출력을 통해 유동하는 제2 냉매와 열교환 가능하게, 냉수 탱크와 연결되어 설치되는 냉수 순환관;을 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서, 상기 제2 압축기의 출력을 상기 외기 증발기로 입력토록 연결하는 분기관로; 상기 외기 증발기의 출력을 상기 제3 판형 열교환기로 입력토록 연결하는 분기관로를 구비하여, 상기 제2 압축기의 제2 냉매 출력이 상기 외기 증발기, 상기 제3 판형 열교환기로 진행하여 다시 상기 제2 압축기로 입력토록 하며, 상기 제3 판형 열교환기는 냉수 순환관을 통해 상기 온수 탱크 내부의 온수에 의해 가열된 온수를 공급받아 온수의 열을 흡입할 수 있도록 하여, 상기 외기 증발기에서 발열이 일어날 수 있도록 한 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 온수 탱크와 상기 냉수 탱크는 제5 판형 열교환기를 매개로 연결되어, 상기 온수 탱크에 저장된 온수에 의해 상기 냉수 탱크의 물을 가열하여 온수 생산이 가능하게 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 압축기 입구측 관로에는 액 분리기를 추가로 구비하여 제2 냉매의 상기 제2 압축기로의 입력은 상기 액 분리기를 경유하여 이루어지도록 연결된다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 판형 열교환기의 출력측에는 냉매의 보충을 위 한 제1 보충기를 구비하고, 상기 외기 증발기의 출력은 상기 제1 보충기를 경유한 후 상기 제3 판형 열교환기로 입력된다.

본 발명에 따르면, 상기 외기 증발기는 상기 외기 증발기의 내부 냉매 배관을 외부 냉매 배관과 전기적으로 절연시키는 절연접속구를 구비하고, 상기 절연접속구 사이의 외기 증발기 냉매 배관에 전류를 입력토록 연결된 해빙 트랜스 퍼머를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 외기 증발기의 외부에는 발열을 위한 전기히터가 구비되며, 상기 전기히터는 상기 외기 증발기의 냉매 배관에 설치되는 공기 접촉용 확산핀과 접촉하여 설치된다.

본 발명에 따르면, 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템을 내설하는 본체에는 외기와의 순환을 위한 팬과, 상기 본체의 측면으로 외기 순환을 위하여 개구된 개구부를 포함하며, 상기 개구부에는 개구부를 개폐를 조절할 수 있는 개폐창이 구비된다.

본 발명에 의한 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템에 따르면, 냉수 및 온수 생산이 동시에 가능하여 냉난방이 하나의 시스템으로 구현될 수 있을 뿐만 아니라 동절기에 낮은 대기온도로 인하여 외기 증발기에 형성된 결빙을 해소할 수 있어서, 외부 환경의 변화에 관계없이 안정적인 운전이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템에 대하여 자세히 설명한다.

첨부된 도 1 은 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은, 고온 취득을 위한 제1 사이클(100)과 저온 취득을 위한 제2 사이클(300)이 제2 판형 열교환기(200)를 매개로 연결된 시스템을 기본 구조로 한다.

제1 사이클(100)은 제1 사이클 관로(101)를 따라, 제1 압축기(110)와, 제1 압축기(110)의 출구와 일측 입구가 연통되는 제1 판형 열교환기(120)와, 제1 판형 열교환기(120)의 일측 출구와 연통된 제1 팽창밸브(130), 상기 제1 팽창밸브(130)의 출구와 일측 입구와 연통된 제2 판형 열교환기(200)를 포함하고, 상기 제2 판형 열교환기(200)의 일측 출구는 제1 압축기(110)와 입구와 연결되어 있다.

제1 사이클(100)의 관로(101)에는 제1 판형 열교환기(120)와 제1 팽창밸브(130) 사이에 제1 냉매의 순환을 제어하기 위한 제1전자변(150)이 설치되어 있다.

제1 판형 열교환기(120)는 제1 압축기(110)로부터 제1 냉매가 유입되어 열 방출후 배출되는 일측 입구 및 일측 출구를 가지며, 온수 탱크(10) 내부와의 열교환을 위해 온수 냉크(10) 내부와 제1판형 열교환기(120) 사이를 순환하는 물의 입력 및 출력을 위한 온수 순환관(15)과 연결된 타측 입구 및 타측 출구를 가진다.

온수 생산을 위해 제1 압축기(110)가 동작을 시작하면, 압축된 제1 냉매는 제1 사이클(100)에서 응축기로 작용하는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하며, 방출된 열은 온수 순환관(15)을 통해 제1 판형 열교환기(120) 내부로 유입된 물이 흡수한다. 데워진 온수는 온수 순환관(15)을 통해 온수 탱크(10)로 복귀한다.

제4 판형 열교환기(30)는 온수 탱크(10)로부터 입력된 온수와의 열교환을 통해 수도 배관으로부터 유입된 물을 데워 온수관으로 공급한다.

제4 판형 열교환기(30)의 일측 입구 및 출구는 온수 탱크(10)와 관으로 연결되며, 타측 입구 및 출구에는 각각 수도배관 및 온수관이 연결된다.

제1 냉매는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하고 저온 고압의 액으로 변한 후, 제1 팽창밸브(130)로 거치면서 저온 저압의 액으로 변화하고, 제1 사이클(100)에서 증발기로 작용하는 제2 판형 열교환기(200)로 입력되어 열을 흡수한 후 제1 압축기(110)로 입력된다.

제2 판형 열교환기(200)는 제2 사이클(300)에서 취득한 열을 제1 사이클(100)로 전달하여 제1 사이클(100)에서 고온수의 생산이 가능하게 한다.

제2 사이클(300)은 제2 냉매가 순환되면서 저온을 취득하기 위한 사이클로서, 제2 사이클 관로(301)를 따라, 제2 압축기(310)와, 상기 제2 압축기(310)와 타측 입구가 연결된 제2 판형 열교환기(200), 제2 판형 열교환기(200) 타측 출구와 연결된 제2 팽창밸브(320), 상기 제2 팽창밸브(320)의 출구와 연결된 외기 증발기(330), 상기 외기 증발기(330)의 출구와 연결된 액 분리기(340)를 포함하고, 액 분리기(340)의 출구 측은 제2 압축기(310)와 연결되어 있다. 제2 팽창밸브(320)의 입구 측 관로에는 제2 전자변(317)을 설치하여 제2 팽창밸브(320)로의 제2 냉매 입력을 제어한다.

제2 압축기(310)에 의해 압축된 제2 냉매를 제2판형 열교환기(200)에 공급하면, 제2 판형 열교환기(200)에서 제2 냉매가 열을 방출한다. 방출된 열은 제2 판형 열교환기(200)의 일측 입구로부터 유입되어 일측 출구로 배출되는 제1 냉매가 흡수한다. 이와 같이 제2 판형 열교환기(200)는 제1 사이클(100) 입장에서는 증발기, 제2 사이클(300) 입장에서는 응축기 역할을 한다.

제2 판형 열교환기(200)를 통과한 제2 냉매는 제2 팽창밸브(320)를 거친 후 저온 저압의 액으로 변화하고 외기 증발기(330)에 유입되어 외기로부터 열을 흡수하여 고온 저압의 가스로 변한다. 제2 판형 열교환기(200)와 제2 팽창밸브(320) 사이에는 냉매 보충을 위한 제1 보충기(315)를 구비한다. 따라서 제2 냉매는 제2판형 열교환기(200), 제1 보충기(315), 제2 팽창 밸브(320) 순으로 유동한다. 제2압축기(310)와 제2판형 열교환기(200) 사이에도 제2 보충기(312)를 구비한다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은, 제1 보충기(315)와 제2 팽창밸브(315) 사이에 제2사이클의 관로(301)로부터 분기되는 제1 분기관로(350)를 구비한다. 제1 분기관로(350)는 액 분리기(340)의 입구 측에서 관로(301)와 다시 연결된다. 제1 분기관로(350)에는 제3 팽창밸브(357) 및 제3 판형 열교환기(380)가 순차적으로 설치된다. 일측 입구가 제3 팽창밸브(357)에 연결된 제3 판형 열교환기(380)의 일측 출구는 액 분리기(350)의 입구 측 관로와 연결된다. 따라서 제1 분기관로(350)를 따라 유동하는 제2 냉매는 제3 팽창밸브(357) 및 제3 판형 열교환기(380)를 거쳐 액분리기(340)로 유입된다.

한편, 제3 판형 열교환기(380)의 타측 입구 및 타측 출구는 냉수 순환관(25)을 매개로 냉수 탱크(20)와 연결된다. 따라서 제3 판형 열교환기(380) 내부로 입력된 제2 냉매는 냉수 순환관(25)을 따라 유입된 물로부터 열을 흡입하여 고온 저압의 가스로 변화한다. 따라서 냉수 순환관(25)을 따라 제3 판형 열교환기(380)에 입력된 물은 냉수가 되어 냉수 탱크(20)로 복귀한다. 냉수 탱크(20) 내부의 냉수는 공조설비 파이프를 통해 순환하면서 냉방을 하게 된다.

제2 팽창밸브(320) 및 제3 팽창밸브(357)의 입구 측 관로에는 제2 및 제3 전자변(317, 355)을 설치하여, 제2 냉매가 외기 증발기(330) 또는 제3 판형 열교환기(380)를 향하여 유동하도록 제2 냉매의 유동을 선택적으로 제어한다.

외기 증발기(330)를 증발기로 이용하는 제2 냉매의 흐름은 온수만을 생산할 때 사용되며, 제3 판형 열교환기(380)를 증발기로 이용하는 제2 냉매의 흐름은 온수 및 냉수를 동시에 생산할 때 사용한다.

또한, 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템에 의하면, 제1 보충기(315)와 제2 팽창밸브(320)로 연결되는 관로(301) 상에 제2 분기관로(360)가 분기되어 액 분리기(340)의 입구측 관로에 연결된다. 그리고 제2 분기관로(360)에는 제4 팽창밸브(367) 및 제4 전자변(365)이 설치된다.

제2 전자변(317)이 개방되고 제3 전자변(355)이 닫힌 상태에서 제4 전자변(365)이 개방되는 경우, 일부의 제2 냉매는 제2 분기관로(360)를 통해 제4 팽창밸브(367)를 거친 후 액 분리기(340)로 입력되고, 나머지 제2 냉매는 제2 팽창밸 브(320) 및 외기 증발기(330)를 거친 후 액 분리기(340)로 유입된다.

제2 분기관로(360)를 통해 유입되는 일부의 제2 냉매는 외기 증발기(330)를 거친 나머지 제2 냉매 보다 저온 상태이므로, 액 분리기(340)에서 혼합시 외기 증발기(330)를 거치면서 과열된 제2 냉매를 냉각하여 액 분리기(340)에서 출력되는 가스의 온도 및 압력을 낮출 수 있다. 이는 제2 압축기(310)의 과부하를 방지할 수 있게 한다.

온도의 조절은 제4 전자변(365)의 개방 시간에 의해 결정되는 데, 온도 및 압력 감지를 위해 액 분리기(340)의 입구측 관로 상에 온도센서(40)를 구비하고, 제2 압축기(310)의 입구 측 관로 상에 압력센서(45)를 설치한다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 위와 같이 상술된 히트펌프 냉난방 시스템에서 외기에 노출된 외기 증발기(330)에 결빙이 발생하여 증발기(330)로서의 기능이 정지되는 경우, 시스템의 정상화를 위해 외기 증발기(330)의 결빙을 해소하는 제상 모드를 구비한다. 제상 모드는 외기 증발기(330)를 응축기로 동작시켜 발열을 하도록 함으로써 결빙을 해소하게 한다.

도면을 참조하여 제상 모드를 위한 시스템의 구조를 살펴보면, 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은, 제2 보충기(312)로부터 제2 판형 열교환기(200)로 입력되는 관로 사이에서 분기되어 외기 증발기(330)의 입구 측 관로에서 연결되는 제3 분기관로(390)를 포함하여 제2 보충기(312)의 출력이 외기 증발기(330)로 입력될 수 있도록 한다. 제3 분기관로(390) 및 제2 판형 열교환기(200)의 입구 측에서 제5 및 제6 전자변(392, 201)을 설치하여, 제2판형 열교환 기(200)를 향한 유동과 제3분기관로(390)를 통한 유동 중에서 제2 냉매의 유동을 선택할 수 있도록 한다.

또한, 액 분리기(340)의 입구측 관로에 외기 증발기(330)로부터 액 분리기(340)로의 유동을 제어할 수 있도록 제7 전자변(337)을 설치하고, 제7 전자변(337)과 외기 증발기(330) 사이에서 분기하여 제1 보충기(315)의 입구 측 관로에 연결되는 제4 분기관로(395)를 구비한다. 제4 분기관로(395)에는 제8 전자변(396)을 설치하여 제4 분기관로(395)를 향한 제2 냉매의 유동을 제어한다.

또한, 제1 보충기(315)의 출력 측 관로에서 분기하여 제3 판형 열교환기(380)의 입구측 관로에 연결되는 제5 분기관로(398)를 형성하고, 제5 분기관로(398)에는 제9 전자변(399)을 설치한다. 제5 분기관로(398)는 제1 보충기(315)의 출력 냉매가 제3 판형 열교환기(380)로 입력되게 하며, 제3 판형 열교환기(380)를 거친 냉매는 제1 분기관로(350)를 따라 액 분리기(340)에 입력된다.

제상 모드에서 제3 판형 열교환기(380)는 증발기로 동작하여 제2 냉매가 열을 흡수토록 한다. 제3 판형 열교환기(380)에서 흡수되는 열은 냉수 순환관(25)을 통해 공급된다. 이를 위해, 온수 탱크(10)와 냉수 탱크(20) 사이에는 온수 탱크(10) 내부의 온수에 의해 냉수 탱크(20) 내부의 물을 가열하는 것이 가능하도록 제5 판형 열교환기(50)가 설치된다.

제5 판형 열교환기(50)의 일측 입력 및 출력 측은 온수 탱크(10)와 연결되고, 타측 입력 및 출력측은 냉수 탱크(20)와 연결되어 있다. 따라서, 온수 탱크(10) 내부의 온수가 제5 판형 열교환기로 입력되어 냉수 탱크(20)로부터 입력된 물을 데울 수 있도록 구성된다. 즉, 냉수 순환관(25)을 통해 냉수 탱크(20)에서 데워진 온수를 공급하여 제3 판형 열교환기(380)에 열을 공급할 수 있도록 구성한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방시스템을 동작을 설명한다.

첨부된 도 2 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 온수 과정을 도시한 도면이다.

도 2 를 참조하여 설명하면, 시스템의 동작이 시작하면 제1 압축기(110)가 압축운전을 실시하고 제1 전자변(150)이 개방된다. 제1 압축기(110)에서 압축된 제1 냉매는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하며 방출된 열은 온수 탱크(10)로 전달된다. 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출한 제1 냉매는 저온 고압의 액으로 변하고, 제1 팽창밸브(130)를 거쳐 저온 저압의 액으로 변화된 후 제2 판형 열교환기(200)로 입력되어 열을 흡수한 후 고온 저압의 가스로 변한다.

한편, 제1 압축기(110)의 운전 실시 후 몇 분이 경과된 후 제2 압축기(310)의 운전이 시작되고 제2, 6, 7 전자변(317, 201, 337) 개방된다. 여기서 제3, 4, 5, 8, 9 전자변(355, 365, 392, 396, 399)은 닫힌 상태이다. 제2 압축기(310)의 기능은 제1 사이클(100)에서 증발기 역할을 하는 제2 판형 열교환기(200)에 열을 공급하는 것이다. 제2 압축기(310)가 압축운전을 실시하여 압축된 제2냉매를 제2 판형 열교환기(200)에 공급하면 제2 냉매가 열을 방출하고 제1 냉매는 열을 흡수한다. 제2 판형 열교환기(200)를 거치면서 열을 방출한 제2 냉매는 제1보충기(315)를 거쳐 제2 팽창밸브(320)로 입력되어 저온 저압 액으로 변하고 외기 증발기(330)로 거치면서 공기 중의 열을 흡수하여 고온 저압의 가스로 변한 후, 액 분리기(340)를 거쳐 제2 압축기(310)로 입력된다.

이와 같은 과정을 통해 제2 사이클(300)에 의해 취득된 열이 제1 사이클(100)로 전달되어 대기온도가 낮은 경우에도 난방에 필요한 고온의 난방수를 얻는 것이 가능하게 된다. 즉, 제2 압축기(310)에 의해 겨울철을 기준으로 공기 중에서 흡수한 열(대략 40℃ ~ 50℃)을 제1 압축기(110)가 다시 압축하여 난방이 가능한 온도(대략 70℃)로 상승시키는 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉수 및 온수의 동시 생산 과정을 도시한 도면이다. 냉수 및 온수 동시 생산을 위해서는 외기 증발기(330) 대신에 제3 판형 열교환기(380)가 제2 사이클(300)의 증발기로 기능한다.

제1 사이클(100)은 동일하다. 냉수 및 온수 동시 생산을 위해서는 제2 냉매가 외기 증발기(330)가 아닌 제3 판형 열교환기(380)를 거치게 되는 바, 제2, 4, 5, 7, 8, 9 전자변(317, 365, 392, 337, 396, 399)은 닫히고, 제 3 및 6 전자변(355, 201)이 개방되어 제1 보충기(315)에서 제1분기관로(350)를 통해 제3 팽창밸브(357), 제3 판형 열교환기(380), 액 분리기(340)로의 흐름이 형성된다. 제3 판형 열교환기(380)에서 제2 냉매는 냉수 탱크(20)로 부터 냉수 순환로(25)를 따라 입력된 물을 열을 빼앗아 고온 저압의 가스로 변화하고, 냉수 순환로(25)의 물은 열을 빼앗겨 냉수가 되어 냉수 탱크(20)로 복귀한다. 따라서, 온수 탱크(10) 및 냉수 탱크(20) 각각에 온수 및 냉수가 생산된다.

제3 판형 열교환기(380)에는 냉수 순환로(25)를 통한 물을 흐름을 감지할 수 있는 유수센서(미도시)를 추가로 구비하여, 유수센서에 의해 물의 공급이 중단된 것을 확인하면 제3 전자변(355)을 닫고 제2 전자변(317)을 개방하여 냉수 생산이 정지되도록 한다. 제3판형 열교환기(380)에서 열을 흡수한 제2 냉매는 액 분리기(340)를 거쳐 제2 압축기(310)로 입력되어 압축된 후 제2 판형 열교환기(200)로 입력된다.

도 4 는 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템에서 제상 모드에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다.

히트펌프를 사용하는 시스템은 외기 증발기가 대기온도 8℃ 정도에서 고습도가 상태가 되면 외부 증발기의 표면에 결빙이 발생되기 시작한다. 이는 외기 증발기로부터 방출되는 냉기가 주변의 습기를 동결시키기 때문이다.

따라서 겨울철에 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템을 이용하여 온수의 생산 중 외기 습도가 높은 상태에서 대기 온도가 8℃ 이하로 떨어지는 경우 외기 증발기(330)의 결빙으로 인하여 장치의 동작이 정지된다.

외기 증발기(330)에 결빙이 발생하면 온도센서(40)의 온도가 상승하지 않으므로 외기 증발기(330) 표면의 결빙을 감지할 수 있다.

이와 같이 외기 증발기(330)의 표면이 결빙되어 외기로부터 열 흡수가 불가능한 상태로 판단되며 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 결빙 해소를 위한 제상 모드를 수행한다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 제상 모드에서 외기 증발기(330)를 증발기가 아닌 응축기로 동작시켜 발열이 일어나도록 함으로써 외기 증발기(330)의 결빙을 해소한다. 외기 증발기(330)의 발열에 필요한 열은 온수 탱크(10)에 저장된 온수의 열을 이용한다.

제상 모드가 시작되면, 먼저, 제1 전자변(150)이 닫히면서 제1 압축기(110)를 포함하여 제1 사이클(100)의 동작이 정지된다.

그리고 제5 판형 열교환기(50)가 동작하여 온수 탱크(20)의 저장된 온수에 의해 냉수 탱크(30)에 저장된 물을 데우는 과정이 시작된다. 이러한 과정을 통해 냉수 탱크(30)에는 냉수가 아닌 온수가 채워진다. 냉수 탱크(30)에서 채워진 온수는 냉수 순환관(25)을 통해 제3 판형 열교환기(380)로 공급된다.

한편, 제2 사이클(300)에서는, 외기 증발기(330)가 제2 압축기(310)에 의해 압축된 제2 냉매의 열을 방출하는 응축기로 동작하도록 제2 냉매의 유동 경로가 변경되는 바, 제2, 3, 4, 6, 7 전자변(317, 355, 365, 201, 337)은 닫히고, 제5, 8, 9 전자변(392, 396, 399)은 개방된다. 따라서 제2 압축기(310) -> 제2 보충기(312) -> 외기 증발기(330) -> 제2 보충기(315) -> 제3 판형 열교환기(380) -> 액 분리기(340) -> 제2 압축기(310)로의 제2 냉매 유동이 발생한다.

제2 압축기(310)에서 압축된 냉매는 제2 보충기(312)를 거친 후 제3 분기관로(390)를 통해 외기 증발기(330)의 입구 측 관로로 유입되어 외기 증발기(330)에 입력된다.

따라서 외기 증발기(330)에서는 압축된 고온 고압의 가스가 입력되어 외부 결빙과 열교환을 통해 냉각된다. 즉, 외기 증발기(330)에서 발열이 일어나는 응축 동작이 일어나 외기 증발기(330)는 증발기가 아닌 응축기로 동작하게 되는 것이다. 외기 증발기(330)를 거치면서 발열 후 냉각된 제2 냉매는 제4 분기관로(395)를 통해 유동하여 제1 보충기(315)로 입력된다. 제1 보충기(315)에 유입된 제2 냉매는 제5 분기관로(398)를 통해 제3 판형 열교환기(380)로 입력된다. 제3 판형 열교환기(380)로 입력된 제2 냉매는 냉수 순환관(25)을 통해 입력된 온수로부터 열을 흡수하고 제1 분기관로(350)를 따라 액 분리기(340)로 입력된 후 다시 제2 압축기(310)로 입력된다. 제2 냉매는 외기 증발기(330)를 거치면서 급속히 냉각되어 저압 상태로 변한다. 따라서 외기 증발기(330)를 거친 제2 냉매를 팽창밸브를 통한 추가적 압력 저하 없이 제3 판형 열교환기(380)로 입력하여 제3 판형 열교환기(380)에서 온수의 열을 흡수하여 기화될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 제상 모드에서 위와 같은 제2 냉매 순환에 의하여 외기 증발기(330)가 응축기로 동작하면서 외부로 열을 방출하여 이러한 방출열에 의해 외기 증발기(330)의 표면 결빙을 해소하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은, 위에서 설명된 외기 증발기를 응축기로 사용하여 외기 증발기(330)의 결빙을 해소하는 제상 모드와 아울러 외기 증발기(330)에 직접 열을 제공하여 결빙을 해소하는 해빙장치를 이용한 제상 모드를 포함한다.

도 5 는 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 외부 사시도이고, 도 6 은 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 외기 증발기 구조를 보여주는 도면이다.

도 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히터펌프 냉난방 시스템은 내부에 도 1 에 도시된 구조가 내설된 본체(400)를 포함한다. 온수 탱크(20) 및 냉수 탱크(30)는 본체(400)에 일체로 형성되어 있다. 온수 탱크(20) 및 냉수 탱크(30)는 본체(400)와 분리되어 별도로 형성할 수 있다.

본체(400)의 상면에는 그물망(401)으로 보호되는 팬(410)이 설치되어 있으며, 본체(400)의 측면으로 공기의 유동을 가능하게 하는 다수의 개구가 형성된 개구부(420)가 형성되어 있다.

개구부(420)와 팬(410)을 통한 공기 유동에 의하여 외기가 외기 증발기(330)가 접촉한다.

도 6 을 참조하면, 외기 증발기(330)는 공기와의 열교환 확산을 위해 다수의 공기 접촉용 확산핀(335)을 구비한다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 제상 모드를 동작을 위하여 해빙 장치(450)를 포함한다.

해빙 장치(450)는, 외기 증발기(330)에 공기 접촉용 확산핀(335)과 접촉하여 설치되는 막대형 전기 히터(440)를 포함한다. 따라서 공기 접촉용 확산핀(335)을 따라 결빙이 발생한 경우 제상 모드 동작과 더불어 막대형 전기 히터(440)에 전원이 공급되게 함으로써 외기 증발기(330)에 발생한 결빙이 해소되도록 한다.

또한, 해빙 장치(450)는 저압 고전류의 해빙 트랜스 퍼머(470)를 포함한다. 외기 증발기의 냉매 배관 입구측과 출력측에 절연접속구(471, 472)를 구비하여, 외 기 증발기 내부의 냉매 배관과 외부의 냉매 배관을 전기적으로 절연시키고, 해빙 트랜스 퍼머(470)를 이용하여 외기 증발기(330) 내부 냉매 배관을 따라 저압 고전류의 전원을 입력한다.

해빙 트랜스 퍼머(470)는 AC 220V 의 전원을 AC 10V 200A 의 전원으로 변환하여 절연 접속구(471, 472) 사이에서 냉매 배관을 따라 전원이 흐르도록 한다. 냉매 배관을 따라 AC 10V 200A 의 저압 고전류의 전원이 흐르면서 발열이 발생하고, 이때 발생한 열은 외기 증발기(330)에 형성된 결빙을 녹인다.

본 발명의 실시예에 의하면, 저압 고전류의 해빙 트랜스 퍼머(470)는 외기 증발기(330)를 응축기로 사용하는 제상 모드와 별개로 동작하는 것이 가능한 바, 외기의 온도가 일정 수준 이상으로 하강한 것이 판단되면, 외기 증발기(330)의 결빙 발생 전에 간헐적으로 저압 고전류의 전원을 흘려 결빙 발생을 최소화할 수 있으며, 해빙 트랜스 퍼머(470)에 의해 발생된 열은 외기 증발기가 증발기로 작용할 때, 외기 증발기에 의해 흡수되므로 열 손실을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

막대형 전기 히터(440)는 급작스런 환경 변화로 외기 증발기의 결빙 정도가 심하여 해빙 트랜스 퍼머(470)만으로 해동이 완전하지 못할 때 외기 증발기를 직접 가열하여 해동을 실시한다. 막대형 전기히터(440)는 그 표면이 외기 증발기(330)의 표면에 설치된 공기 접촉용 확산핀(335)과 접촉되어 있다. 따라서 막대형 전기히터(440)의 발열은 공기 접촉용 확산핀(335)을 따라 신속하게 전파되면서 공기 접촉용 확삭핀(335) 및 외기 증발기(330)에 형성된 결빙을 해소한다.

막대형 전기 히터(440)의 가열시에는 제1 및 제2 압축기(110, 310) 가동 및 팬(410)의 운전을 일시적으로 정지하여 외기 유입 및 외기 증발기(330)에 의한 열 흡수를 중단함으로써 결빙이 보다 신속하게 해소되도록 하며, 막대형 전기 히터(440)의 운전이 정지된 후에는 팬(410)을 먼저 가동하여 해빙 후 외기 증발기(330)의 공기 접촉용 확산핀(335)에 남아 있는 습기를 우선적으로 제거할 수 있도록 구성한다.

도 7 은 도 5 에 도시된 A-A' 선에 따른 단면에서 개구부(420)의 개폐창(425) 설치상태 및 동작 상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템은 본체(400)의 측면으로 형성된 개구부(420)에 개구부(420)의 개폐를 조절할 수 있도록 부착된 개폐창(425)을 더 포함한다.

도 7 의 (a) 및 (b) 참조하면, 본체(400)의 개구부(420)에 개폐창(425)을 설치한 상태 및 동작상태가 보여진다. 개구부(420)의 개폐창(425)은 주변 환경 변화 및 장치의 운전 상태에 따라 개폐정도가 결정된다. 막대형 전기히터(440)가 동작하여 외기 증발기(330)의 결빙을 해동할 때 열을 분산을 막을 수 있도록 개폐창(425)을 100% 닫는다(도7 의 (b) 참조). 이로 인해 막대형 전기히터(440)의 발열이 외기로 확산되는 것을 방지할 수 있다.

개폐창(425)은 제상 모드와 별개로 주변 환경에 따라 동작하는 것도 가능한바, 예컨대, 눈, 비 등에 의하여 주변의 습도가 높아지면 습기가 외기 증발기(330)의 공기 접촉용 확산핀(335)에 쉽게 착상하여 결빙의 원인이 되는 바, 이런 환경에는 개폐창(425)을 50% 정도 차단하여 주변 습기가 공기 접촉용 확산핀(335)에 착상 하는 것을 최소화 할 수 있다. 또한 여름철 직사광선이 개구부로 직접 입력될 때에는 개폐창을 수평으로 전개하여(도7 의 (a) 참조) 그늘막을 형성하므로써 외기 증발기(330)에 직사광선이 직접 입력되어 외기 증발기를 거치는 냉매가 과열되는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 여름철 폭염 및 겨울철 혹한기의 주변 환경에 따라 개폐창의 개폐율을 조절함으로써 공기의 유입량을 조절하여 주변 환경에 의해 외기 증발기가 영향 받는 것을 최소화 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 구성도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 온수 과정을 도시한 도면이다.

도 3 은 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉수 및 온수의 동시 생산 과정을 도시한 도면이다.

도 5 는 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 외부 사시도이다.

도 6 은 본 발명에 따른 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템의 외기 증발기 구조를 보여주는 도면이다.

도 7 은 도 5 에 도시된 A-A' 선에 따른 단면에서 개구부의 개폐창 설치상태 및 동작 상태를 도시한 도면이다.

Claims

제1 냉매가 순환하는 제1 사이클(100)로서, 제1 압축기(110); 상기 제1 압축기(110)와 일측 입구가 연결되며 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관(15)을 통해 온수 탱크(10)와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기(120); 상기 제1 판형 열교환기(120)의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브(130); 상기 제1 팽창밸브(130)와 일측 입구가 연결되고 일측 출구가 상기 제1 압축기(110)의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기(200);를 포함하는 제1 사이클(100)과,

제2 냉매가 순환하는 제2 사이클(300)로서, 제2 압축기(310); 상기 제2 압축기(310)의 출구와 타측 입구가 연결되며 유입된 제2 냉매의 열을 방출하여 상기 제1 냉매가 흡수토록 하는 상기 제2 판형 열교환기(200); 상기 제2 판형 열교환기(200)의 일측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브(320); 상기 제2 팽창밸브(320)와 입구측이 연결되고 출구측이 제2 압축기(310)에 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기(330)를 포함하며; 상기 제2 판형 열교환기(200)와 상기 제2 팽창밸브(320) 사이에 분기되어 상기 제2 압축기(310)의 입구측 관로로 연결되며 제 3팽창밸브(357)와 제3 판형 열교환기(380)가 순차적으로 설치된 제1 분기관로(350)를 포함하여, 제2 냉매가 상기 외기 증발기(330)를 향하거나 상기 제1 분기관로(350)를 통해 상기 제3 판형 열교환기를 향하여 선택적으로 유동할 수 있는 제2 사이클(300)과,

상기 제3 판형 열교환기(380)와 타측 입구 및 출구가 연결되어 순환하는 물이 제3 판형 열교환기(380)의 일측 입출력을 통해 유동하는 제2 냉매와 열교환 가능하게, 냉수 탱크(20)와 연결되어 설치되는 냉수 순환관(25);을 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서,

상기 제2 압축기(310)의 출력을 상기 외기 증발기(330)로 입력토록 연결하는 분기관로(390);

상기 외기 증발기(330)의 출력을 상기 제3 판형 열교환기(380)로 입력토록 연결하는 분기관로(395, 399)를 구비하여, 상기 제2 압축기(310)의 제2 냉매 출력이 상기 외기 증발기(330), 상기 제3 판형 열교환기(380)로 진행하여 다시 상기 제2 압축기(310)로 입력토록 하며, 상기 제3 판형 열교환기(380)는 냉수 순환관을 통해 상기 온수 탱크 내부의 온수에 의해 가열된 온수를 공급받아 온수의 열을 흡입할 수 있도록 하여, 상기 외기 증발기(330)에서 발열이 일어날 수 있도록 한 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 온수 탱크(10)와 상기 냉수 탱크(20)는 제5 판형 열교환기(50)를 매개로 연결되어, 상기 온수 탱크(10)에 저장된 온수에 의해 상기 냉수 탱크(20)의 물을 가열하여 온수 생산이 가능하게 구성된 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제2 압축기(310) 입구측 관로에는 액 분리기(340)를 추가로 구비하여 제2 냉매의 상기 제2 압축기(310)로의 입력은 상기 액 분리기(340)를 경유하여 이루어지도록 연결된 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 제2 판형 열교환기(200)의 출력측에는 냉매의 보충을 위한 제1 보충기(315)를 구비하고,

상기 외기 증발기(330)의 출력은 상기 제1 보충기(315)를 경유한 후 상기 제3 판형 열교환기(380)로 입력되는 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 외기 증발기(330)는 상기 외기 증발기(330)의 내부 냉매 배관을 외부 냉매 배관과 전기적으로 절연시키는 절연접속구(471, 472)를 구비하고, 상기 절연접속구(471, 472) 사이의 외기 증발기 냉매 배관에 전류를 입력토록 연결된 해빙 트랜스 퍼머(470)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트 펌프 냉난방 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 외기 증발기(330)의 외부에는 발열을 위한 막대향 전기히터(440)가 구비되는 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 막대형 전기히터(440)는 상기 외기 증발기(330)의 냉매 배관에 설치되는 공기 접촉용 확산핀(335)과 접촉하여 설치되는 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템을 내설하는 본체(400)에는 외기와의 순환을 위한 팬(410)과, 상기 본체의 측면으로 외기 순환을 위하여 개구된 개구부(420)를 포함하며,

상기 개구부(420)에는 개구부를 개폐를 조절할 수 있는 개폐창(425)이 구비된 것을 특징으로 하는 제상 기능을 갖는 히트펌프 냉난방 시스템.