KR100970870B1 - 히트 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 히트 펌프 시스템에서 실외 열교환기의 제상 및 냉각 촉진 구조에 관한 것으로서, 무비용 열원과 냉매액의 과냉각 응축열을 이용하여 실외 열교환기를 가열 또는 냉각하여서 냉매액의 적정 과냉각도를 유지하고, 별도의 유료 열원을 사용하지 않으면서 성적계수를 증대한 것이다.

본 발명은 압축기(11), 4 웨이 밸브(12), 실내 열교환기(13), 냉각용 팽창밸브(14), 가열용 팽창밸브(15), 실외 열교환기(16) 및 상기 4 웨이 밸브(12)를 냉매도관(17)으로 순서대로 연결하고, 상기 4 웨이 밸브(12)와 압축기(11)를 냉매 흡입도관(18)으로 연결한 기본 냉동회로(10)와; 상기 냉매도관(17)의 양 팽창밸브(14)(15) 사이에 바이패스 냉매도관(21)의 양단을 연결하여 상기 바이패스 냉매도관(21)에 가열용 열교환기(22)를 설치함과 아울러 상기 가열용 열교환기(22)를 포위하여 설치하고, 내부에 열매체(23)를 주입한 축열조(20)와; 상기 축열조(20)에 열매체 순환 펌프(32) 부설 열매체 공급관(31)과 열매체 복귀관(33)으로 연결하여 상기 실외 열교환기(16)에 설치한 보조 열교환기(30)와; 상기 열매체 공급관(31) 및 열매체 복귀관(33)에 브라인 순환 펌프(43) 부설 브라인 공급관(42)과 브라인 복귀관(44)으로 열교환기(41)를 설치하고, 상기 열교환기(44)의 주위에 무비용 열원 저장조(45)를 설치한 실외 열교환기 제상 및 냉각수단(40)을 포함하여 구성한 것이다.

기본 냉동회로, 축열조, 바이패스 냉매도관, 가열용 열교환기, 보조 열교환기, 실외 열교환기, 제상 및 냉각수단, 열교환기, 무비용 열원 저장조

Description

히트 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 히트 펌프 시스템에서 실외 열교환기의 제상 및 냉각 촉진 구조에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 히트 펌프는 증기 압축식 냉동 사이클을 냉각 운전시와 반대로 운전하여 즉 가열 운전시는 실내 열교환기를 응축기로, 실외 열교환기를 증발기로 작용하게 하고, 냉각 운전시는 실외 열교환기를 응축기로, 실내 열교환기를 증발기로 작용하게 하는 것임으로 성적계수를 증대하기 위하여서는 실외 열교환기에서 냉매의 증발 또는 응축이 양호하여야 한다.

그런데 공기 열원형 히트 펌프는 상기 실외 열교환기를 외기에 노출되게 설치하여 외기에 의하여 냉매를 증발시키거나 응축시킴으로 특히 가열 운전시 외기온도가 노점 온도 이하로 하강하면 증발기로 작용하는 실외 열교환기의 표면에 서리가 맺힘으로 냉매가스의 증발 저하 내지 불가능 현상이 발생하여 성적계수가 대폭 저하되거나, 운전불능 현상을 초래하고, 한편 냉각 운전시 외기온도가 높을 때에는 응축기로 작용하는 실외 열교환기에서 냉매액의 응축이 불량하여 성적계수가 저하되고 있는바, 상기한 문제점의 해결이 히트 펌프의 기술개발의 핵심주제의 하나가 되고 있다.

상기한 문제점 중 가열 운전시의 성적계수의 저하 또는 운전불능을 해결하기 위하여 히트 펌프 사이클을 냉각 사이클로 변환 운전하여 즉 증발기로 작용시키던 실외 열교환기를 응축기로 작용시켜 그 표면에 맺힌 서리를 제상하거나, 실내 열교환기에 전열 히터를 부설하여 성적계수의 저하를 방지하는 것이 알려졌으나, 전자는 가열운전 중단 상태를 초래하고, 후자는 성적계수의 개선이 미미할 뿐 아니라 별도의 에너지가 필요하게 되는 것이다.

본 발명의 발명자 및 출원인은 히트 펌프의 상기한 핵심주제를 해결하기 위한 히트 펌프 시스템을 제안하여 특허문헌 1에 개시되어 있는바, 상기 히트 펌프 시스템은 압축기, 4 웨이 밸브, 실내 열교환기, 냉각용 팽창밸브, 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4 웨이 밸브를 도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4 웨이 밸브와 압축기를 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 도관의 냉각용 팽창밸브와 가열용 팽창밸브 사이에 설치하여 열매체를 충전하고 잠열축열재를 내장한 축열조와; 상기 도관을 축열조에 관통시켜 그 도관에 설치한 가열 열교환기와; 상기 축열조에 공급관 및 순환펌프가 설치된 귀환관으로 연결되고 상기 실외 열교환기의 흡입측에 설치한 열교환기와; 상기 흡입도관에 병렬설치되고 상기 축열조에 내장하여 압축기에 흡입되는 냉매증기의 온도에 따라 선택적으로 작용하는 제 1 및 제 2 흡열 열교환기로 구성하여서, 상기 가열 열교환기를 과냉 응축기로 작용시켜 그 응축열을 축열조에 내장한 열매체에 일정온도가 유지되게 저장하였다가 외기온도가 노점 이하로 하강할 때와 설정온도 이상시에 상기 열매체를 실외 열교환에 설 치한 열교환기에 순환시켜서 실외 열교환기에 흡입되는 외기를 가열 또는 냉각시킴으로써 외기온도가 낮은 가열운전시에는 실외 열교환기에 서리가 맺히는 것을 방지하거나 맺힌 서리를 제상하고, 외기온도가 높은 냉각운전시에 냉매증기의 응축을 양호하게 하여 외기온이 낮거나 높을 때에도 성적계수를 증대할 수 있고, 또한 압축기에 건포화 또는 과열증기가 흡입됨으로 이 또한 성적계수를 증대하도록 한 것이다.

특허문헌 1; 특허 제 402366 호(KR, B1)

그러나 상기한 특허문헌 1의 히트 펌프 시스템은 냉매액을 과냉각하고, 실외 열교환기에 흡입되는 외기를 가열 또는 냉각함으로써 외기온도의 고·저시에도 운전의 중단없이 성적계수를 향상할 수 있는 획기적인 장점은 있으나, 외기온도의 고·저 상태가 오랫동안 계속될 경우 냉매액의 과냉각이 심하게 되는 현상이 발생하며, 상기와 같이 냉매액의 과냉각이 적정도를 초과하여도 성적계수는 향상되지만 냉매액의 비체적이 작아짐으로 외기온도가 낮을 때 실외 열교환기에 공급되는 냉매액의 증발이 더욱더 불량하여짐에 따라 압축기에 습포화 증기가 흡입되는 것이다.

상기와 같이 압축기에 습포화 증기가 흡입되면 압축기에서 냉매가스의 압축시에 그 온도의 상승이 어렵기 때문에 성적계수가 저하되는 것이다.

또한 상기와 같이 외기온도의 낮은 현상이 오랫동안 계속될 경우에는 축열조에 설치한 전열 히터를 가동하여야 함으로 추가 열원이 소요됨으로써 운전비용이 상승하는 문제점도 발생하는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 무비용 열원과 냉매액의 과냉각 응축열을 이용하여 실외 열교환기를 가열 또는 냉각하여서 냉매액의 적정 과냉각도를 유지하고, 별도의 유료 열원을 사용하지 않으면서 성적계수를 증대한 히트 펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기, 4 웨이 밸브, 실내 열교 환기, 냉각용 팽창밸브, 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4 웨이 밸브를 냉매도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4 웨이 밸브와 압축기를 냉매 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 냉매도관의 양 팽창밸브 사이에 바이패스 냉매도관의 양단을 연결하여 상기 바이패스 냉매도관에 가열용 열교환기를 설치함과 아울러 상기 가열용 열교환기를 포위하여 설치하고, 내부에 열매체를 주입한 축열조와; 상기 축열조에 열매체 순환 펌프 부설 열매체 공급관과 열매체 복귀관으로 연결하여 상기 실외 열교환기에 설치한 보조 열교환기와; 상기 열매체 공급관 및 열매체 복귀관에 브라인 순환 펌프 부설 브라인 공급관과 브라인 복귀관으로 열교환기를 설치하고, 상기 열교환기의 주위에 무비용 열원 저장조를 설치한 실외 열교환기 제상 및 냉각수단을 포함하여 구성한 것이다.

이상과 같이 본 발명은 외기온도가 일정온도 이하(예 5℃) 또는 일정온도 이상(예 30℃)일 때는 저장조에 흐르는 무비용 열원에 의하여 열교환기를 일정온도를 유지하고, 상기 일정온도를 유지한 브라인을 실외 열교환기에 설치한 열교환기에 순환 시킴으로써 가열 운전시 외기온도가 낮을 경우에는 실외 열교환기를 제상하거나 서리가 맺히는 것을 방지하고, 또한 냉각 운전시 외기온도가 높은 혹서기 등에는 실외 열교환기에서의 냉매액의 응축을 양호하게 함으로써 무비용 열원으로써 성저계수를 양호하게 유지할 수 있고, 한편 상기 축열조에서는 가열 운전시 실내 열교환기의 부하 감소등에 의하여 응축이 불충분한 냉매액을 과냉각 함으로써 성적계수를 증대함과 아울러 가열운전시 비가 오거나 폐수 발생이 없는 등의 이유로 무비 용 열원의 부족현상이 발생하면 축열조에서 가열된 열매체를 실외 열교환기에 설치된 열교환기에 순환 시킴으로써 가열 운전시 성적계수를 양호하게 유지할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도로서, 10은 기본 냉동회로로서, 상기 기본 냉동회로(10)는 압축기(11), 4 웨이 밸브(12), 실내 열교환기(13), 냉각용 및 가열용 팽창밸브(14)(15), 실외 열교환기(16), 상기 4 웨이 밸브(12)를 냉매도관(17)으로 순서대로 연결하고, 상기 4 웨이 밸브(12)와 압축기(11)를 냉매 흡입도관(18)으로 연결한 것이다.

20은 축열조로서, 상기 축열조(20)는 상기 냉각용 및 가열용 팽창밸브(14)(15) 사이에 바이패스 냉매도관(21)의 양단을 일정 간격으로 연결함과 아울러 상기 바이패스 냉매도관(21)에 가열용 열교환기(22)를 상기 축열조(20)에 포위시켜 설치하고, 내부에 열매체(23)를 주입한 것이다.

30은 보조 열교환기로서, 상기 보조 열교환기(30)는 상기 실외 열교환기(16)에, 상기 실외 열교환기(16)의 전열관 사이 사이에 보조 열교환기의 전열관을 설치하거나 실외 열교환기(16)의 측면에 일체로 또는 별도로 설치하여서, 상기 축열조(20)와 열매체 순환 펌프(32) 부설 열매체 공급관(31)과 열매체 복귀관(33)으로 연결한 것이다.

40은 실외 열교환기 제상 및 냉각수단으로서, 상기 실외 열교환기 제상 및 냉각수단(40)은 상기 열매체 공급관(31)과 열매체 복귀관(33)에, 브라인 순환펌 프(43) 부설 브라인 공급관(42)과 브라인 복귀관(44)으로 열교환기(41)를 설치하고, 상기 열교환기(41)의 주위에 무비용 열원 저장조(45)를 설치하여 무비용 열원을 저장조(45)에 순환시켜 무비용 열원과 열교환기(41)를 열교환 관계를 유지토록 하여 일정온도(예 20℃ 내외)의 브라인을 보조 열교환기(30)에 순환시키는 것이다.

상기 무비용 열원은 강물, 바닷물, 채수된 지하수, 태양열 집열장치로서 집열한 유체(공기 또는 온수), 우수, 폐수 등의 재생 에너지를 사용함으로써 환경 파괴를 방지한 것이며, 상기 무비용 열원의 온도는 가열 운전시 특히 혹한기에는 높을수록 좋고 냉각 운전시는 25℃ 를 넘지 않는 것이 바람직하다.

그리고 상기 냉매 흡입도관(18)에는 상기 축열조(20)를 관통하는 냉매흡입 바이패스 도관(50)을 설치하여 그 관통 부위에 흡열 열교환기(51)를 설치하여 압축기(11)에 흡입되는 냉매가스를 가열하여 건포화 또는 과열증기화 함으로써 압축기(11)의 액백 및 액격을 방지할 수 있는 것이다.

한편 상기 냉매도관(17)의 상기 바이패스 냉매도관(21)의 양단 연결부 사이와 상기 바이패스 도관(21)의 냉매도관(17) 연결부 근처에 솔레노이드 밸브(S1)와 솔레노이드 밸브(S2)를 설치하여 냉매도관(17)의 실내·실외 열교환기(13)(14) 사이에 설치한 온도센서(60)의 검출신호에 의하여 일정온도(예 35℃) 이상일 때 솔레노이드 밸브(S1)는 폐쇄하고, 솔레노이드 밸브(S2)를 개방하여 냉매액을 과냉각하는 것이다.

그리고 상기 열매체 공급관(31)과 브라인 공급관(42)의 각 순환 펌프 (32)(43)의 토출구 측에 솔레노이드 밸브(S3)와 솔레노이드 밸브(S4)를 각각 설치 하여 실외 열교환기(16)에 설치한 온도센서(61)의 검출신호에 의하여 일정온도(예: 가열 운전시는 10℃ 이하, 냉각 운전시는 30℃ 이상)에 도달할 때 솔레노이드 밸브(S3)는 폐쇄하고 솔레노이드 밸브(S4)를 개방하여 무비용 열원에 의하여 열교환기(41)에서 가열된 브라인을 보조 열교환기(30)에 순환시키는 것이다.

또한 상기 무비용 열원 저장조(45)에는 온도센서(63)를 설치하여 무비용 열원의 온도가 저하할 경우 그 검출신호에 의하여 상기 반대로 솔레노이드 밸브(S3)(S4)를 개폐하여 축열조(20)에 가열 저장된 열매체를 보조 열교환기(30)에 순환하여 실외 열교환기(16)를 제상 또는 냉각하는 것이다.

또한 상기 냉매 흡입도관(18)의 냉매흡입 바이패스 도관(50)의 연결 입구 인접위치와 냉매흡입 바이패스 도관(50)의 연결입구 위치에 각 솔레노이드 밸브(S5)(S6)를 설치하여 냉매흡입 도관(18)에 설치한 온도센서(64)의 검출신호에 의하여 설정온도(예 5℃) 이하시에 솔레노이드 밸브(S5)는 폐쇄하고 솔레노이드 밸브(S6)는 개방하여 압축기(11)에 흡입되는 냉매가스를 축열조(20)에서 가열하여 과열증기화 하는 것이다.

미 설명부호 66, 67은 체크 밸브이다.

이상과 같은 본 발명은 가열 운전시는 냉매를 화살표 실선으로, 냉각 운전시는 화살표 가상선으로 흐르도록 4 웨이 밸브(12)를 조작하면 실내 열교환기(13)는 가열 운전시에는 응축기로, 냉각 운전시는 증발기로 작용하여 가열 기능 또는 냉각 기능을 하는 것은 종래의 것과 동일하다.

상기와 같이 가열 운전 또는 냉각 운전을 할 때 무비용 열원에 의하여 일정 온도를 유지한 브라인을 실외 열교환기(16)에 설치한 보조 열교환기(30)에 순환하면 가열 운전시 외기온도가 낮을 때에는 실외 열교환기(16)의 제상을 하거나 서리가 맺히는 것을 방지하고, 냉각 운전시 외기온도가 높을 때에는 실외 열교환기(16)를 냉각함으로써 냉매가스의 증발을 촉진함으로써 성적계수를 양호하게 유지할 수 있는 것이다.

그리고 상기와 같이 운전될 때 실내 열교환기(13) 또는 실외 열교환기(16)에서 냉매액의 응축이 불완전할 경우 온도센서(60)의 검출신호에 의하여 솔레노이드 밸브(S2)가 개방되어 축열조(20)에서 냉매액이 과냉됨으로 성적계수가 향상되고, 또한 그 응축열에 의하여 열매체가 가열 저장되며, 상기와 같이 저장된 열매체는 비가 오거나 폐수 발생이 없는 등의 이유로 무비용 열원이 무비용 열원 저장조(45)에 유입되는 양이 적을 경우 보조 열교환기(30)에 순환 시킴으로써 가열 운전시 항상 성적계수를 양호하게 유지할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도

<도면 중 주요 부호에 대한 설명>

10: 기본 냉동회로 20: 축열조 21: 바이패스 냉매도관

22: 가열용 열교환기 30: 보조 열교환기 40: 실외 열교환기

40: 제상 및 냉각수단 41: 열교환기 45: 무비용 열원 저장조

Claims (4)

1. 압축기, 4 웨이 밸브, 실내 열교환기, 냉각용 팽창밸브, 가열용 팽창밸브, 실외 열교환기 및 상기 4 웨이 밸브를 냉매도관으로 순서대로 연결하고, 상기 4 웨이 밸브와 압축기를 냉매 흡입도관으로 연결한 기본 냉동회로와; 상기 냉매도관의 양 팽창밸브 사이에 바이패스 냉매도관의 양단을 연결하여 상기 바이패스 냉매도관에 가열용 열교환기를 설치함과 아울러 상기 가열용 열교환기를 포위하여 설치하고, 내부에 열매체를 주입한 축열조와; 상기 축열조에 열매체 순환 펌프 부설 열매체 공급관과 열매체 복귀관으로 연결하여 상기 실외 열교환기에 설치한 보조 열교환기와; 상기 열매체 공급관 및 열매체 복귀관에 브라인 순환 펌프 부설 브라인 공급관과 브라인 복귀관으로 열교환기를 설치하고, 상기 열교환기의 주위에 무비용 열원 저장조를 설치한 실외 열교환기 제상 및 냉각수단을 포함하여 구성한 히트 펌프 시스템
2. 제 1항에 있어서, 무비용 열원은 강물, 바닷물, 채수된 지하수, 태양열 집열장치로서 집열한 유체, 우수, 폐수 중에서 선택되는 히트 펌프 시스템
3. 제 1항에 있어서, 냉매 흡입도관에는 축열조를 관통하는 냉매흡입 바이패스 도관을 설치하여 그 관통 부위에 흡열 열교환기를 설치하여 압축기에 흡입되는 냉매가스를 가열하는 히트 펌프 시스템
4. 제 1항에 있어서, 보조 열교환기는 그 전열관을 실외 열교환기의 전열관 사이 사이에 설치한 히트 펌프 시스템

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