KR101027134B1 - 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트펌프를 이용하여 물을 가열 또는 냉각시켜서 냉/난방 및 온/냉수를 사용하는 방법에 있어서 동절기의 영하의 외부온도에서도 높은 효율을 유지함으로써 기존의 히트펌프에서 발생되는 다양한 문제점을 보안하고 일반 가정의 보일러는 물론, 70℃이상의 고온수를 많이 사용하는 목욕탕이나 농업용 하우스 등 다양한 환경에서 우수한 효율을 유지할 수 있는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템{The high efficiency heat pump system using vortex heat generator}

본 발명은 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트펌프 시스템을 이용하여 온수를 가열 또는 냉각시키는 방법과 필요시 공기를 가열 또는 냉각시켜서 냉.난방의 목적을 달성하는 기능도 동시에 만족시켜는 방법에 관한 것으로 외기 온도의 조건과 상관없이 항상 일정하게 고효율로 온수를 생산할 수 있도록 열교환 장치나 이를 보조 할 수 있는 보조 열교환 장치와 농사용 비닐하우스나 축사, 돈사, 민물장어 양식장 등 단열상태가 취약한 곳이나 70℃이상 고온수를 필요로 하는 목욕탕, 찜질방 등에서는 볼텍스 발열장치와 병합하여 고온수를 보다 효율적으로 생산할 수 있는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 주택과 같은 주거공간 또는 사무실이나 공장과 같은 작업공간에서는 하절기의 냉방과 동절기의 난방이 생활환경의 주된 개선요인으로 부각되고 있으며, 최근에는 인구의 증가에 따른 주거공간의 확산과 산업개발에 따른 공장부지 및 사무실의 증가로 인하여 냉.난방에 소요되는 에너지의 수요 또한 급격히 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 에너지 수요의 증가에 비하여 에너지의 공급은 석유나 천연가스와 같은 화석연료의 가격상승과, 화석연료의 연소과정에서 발생하는 매연 등에 의한 환경오염으로 그 수요를 충분히 따라가지 못하고 있으며, 특히 농.축산업 및 수산업의 분야에서는 시설농가와 양식업의 경영자들이 화석연료의 사용에 따른 냉,난방비의 상승으로 경영압박을 받고 있는 실정이고, 제조업의 분야에서도 마찬가지로 에너지의 조달에 소요되는 비용의 상승으로 많은 어려움을 겪고 있다.

이러한 요인을 극복하기 위하여, 최근에 들어서는 공해를 발생시키지 않으면서도 화석연료와 거의 동등한 수준의 에너지를 얻을 수 있도록, 냉매의 압축과 응축 및 증발의 순환과정에서 발생 및 회수되는 잡열을 이용하여 냉.난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화 되었으며, 그 중에서도 온수의 공급 및 냉.난방을 동시에 수행할 수 있도록 한 하이브리드식 히트펌프 온수장치가 대표적으로 보급되고 있다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프 온수장치에 있어서도 동절기와 같이 실외의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우, 히트펌프의 증발부를 15 ~ 20℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게 되므로, 콤프레셔의 작동이 중지되는 등 히트펌프 온수장치의 원활한 사용이 어렵게 되며, 이로 인하여 화석연료에 의한 별도의 가열을 통하여 히트펌프의 증발부 열원을 보충토록 함으로써, 화석연료의 사용에 따른 에너지 조달비용의 상승과 공해의 문제점을 완전히 해소하지는 못하였다.

또한, 상기와 같이 동절기에 발생하는 히트펌프 온수장치의 증발부 열원부족을 태양열에 의하여 보충토록 한 것으로서 태양열 집열기를 사용하여 흡수한 태양열을 물과 같은 잠열축열재에 저장하여 두었다가 필요시 히트펌프 온수장치의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있으나, 야간시 또는 태양열이 없는 기상조건에는 사용이 불가능하므로 히트펌프 온수장치의 증발부 열원을 충분히 확보하기는 어렵다.

한편, 이러한 단점을 보완할 수 있도록, 대기나 지표면에 산재하는 열을 태양열과 함께 히트펌프 온수장치의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있는 바, 대부분의 경우 주간에는 태양열에 의하여 히트펌프 온수장치의 증발열원이 보충되도록 하고, 야간에는 대기열이나 지열에 의하여 히트펌프 온수장치의 증발열원이 보충되도록 한 것이다.

그러나 상기와 같은 히트펌프 온수장치의 경우에도 태양열과 대기열 및 지열과 같은 각각의 증발열원을 개별적으로 운용함에 따라 태양열과 대기열 및 지열과 같은 증발열원의 유기적인 적용을 이루어내지 못함으로써 증발열원의 효율적인 관리가 어려운 문제점이 있으며, 야간시나 우천시 또는 흐린 날씨와 같이 증발열원의 확보가 용이하지 못한 상황에서는 히트펌프 온수장치를 고효율로 가동시킬 수 없는 문제점이 발생하였다.

뿐만 아니라, 동절기시 증발열원의 확보를 위하여 실외에 설치되는 태양열 집열기나 대기열 회수기 등의 대형장치에만 주로 의존하게 됨으로써, 증발열원의 확보를 위한 설비투자비용을 고려할 경우 태양열 히트펌프 온수장치의 가동에 따른 경제성이 저하됨은 물론이고, 장소적인 여건으로 말미암아 태양열과 대기열 등의 회수장치를 설치하기 어려운 상황이 발생할 경우에는, 동절기시의 증발열원을 확보할 수 있는 대안이 전혀 마련되어 있지 못한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 히트펌프 시스템에 의하여 난방을 목적으로 형성된 온수를 난방의 목적을 달성 한 후 증발부의 부족한 열원으로 사용함으로서 버려지는 열을 이용해서 제상운전을 실행하지 않고서도 계속하여 시스템을 구동함으로써 동일한 온도의 온수를 연속하여 배출할 수 있는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 버려지는 열을 이용함으로써 에너지 절약과 제상운전시 낭비되는 에너지를 획기적으로 절감해 고효율과 기존 증발부의 열원을 보충하기 위하여 사용되던 화석에너지를 완전차단함으로써 환경에 나쁜 영향을 끼치지 않는 친환경 고효율 에너지원을 사용함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로는 우수한 열효율을 갖는 볼텍스 발열장치를 히트펌프에 연결/설치함으로써 기존 히트펌프 시스템에만 의존하던 온수발생을 보조할 수 있는 보조 열원공급원을 설치함으로써 평상시 사용하는 히트펌프의 운전영역과 목욕탕과 같이 70도 이상의 고온수를 필요로 하는 상황에서는 고효율 발열장치의 운전영역으로 분리해서 사용할 수 있어 효율은 최대한 상승시키고 에너지는 절약하면서도 고온수를 생산할 수 있는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로는 히트펌프 시스템을 냉매가 순환하는 구조에서 냉매가 냉매와 기름으로 분리되는 현상과 압력과 온도가 자주 변동됨으로써 콤프레셔에 무리한 운동이 요구되어 콤프레셔에 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 태양열 히트펌프 시스템은 콤프레셔와 사방변 및 응축기가 연결된 고온사이클과, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와 증발기, 흡입필터 및 드라이어가 연결된 저온사이클이 냉매가 순환되도록 연결된 태양열 히트펌프 시스템에 있어서,

상기 응축기와 연결되어 내부의 물이 열교환되며 순환구조를 갖는 온수탱크와, 상기 증발기와 연결되어 내부의 물이 열교환되며 순환구조를 갖는 냉수탱크와, 상기 온수탱크와 냉수탱크의 온수와 냉수가 서로 열교환되도록 설치되는 열교환기와, 냉매가 순환되는 과정에서 냉매와 오일이 분리됨을 방지하며 일정한 온도로 유지시켜 콤프레셔의 무리한 구동을 방지하는 축열기와, 냉매가 순환되는 과정에서 열과 압을 일정하게 유지하기 위한 비례제어부와, 응축기에서 배출되는 물의 온도를 상승시키기 위하여 온수라인에 설치되는 발열장치를 포함하여 이루어진 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 제공함에 특징이 있다.

또한, 상기에서 비례제어부는 고온사이클 또는 저온사이클 중 하나에 설치하며 모세관을 통해 이동하는 냉매의 압력이나 온도를 콤프레셔가 안정적으로 압축할 수 있는 상태로 형성함에 특징이 있다.

또한, 상기 축열기는 윗판과 밑판 사이에 원통형상의 측판이 형성되어 통상 원통형상을 갖는 몸체와, 상기 몸체 내부에는 상판에서 밑판으로 수직으로 내려가는 수직부분과 밑판의 바로 위에서 수평으로 뻗어나가는 수평부분으로 구성되며 수평부분의 끝부분에 망을 용접하여 형성된 "L"자형의 유입관과, 상기 몸체의 상판에서 밑판으로 수직으로 내려간 1차 수직부분과 밑판 바로 위부터 상판측으로 뻗어올라간 2차수직부분 및 양 수직부분을 밑판 부분에서 연결한 "U"자형태의 곡선부가 일체로 형성되며 밑판부분과 중앙부분에 여러 개의 짧은 모세관이 형성되는 "U"자형의 배출관을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 발열장치는 모터와, 상기 모터의 회전축이 삽입되는 관통공을 갖으며 내면에 여러 개의 홈이 형성되고 외면에 내면과 연통되는 토출파이프가 형성된 보디와, 중앙에 흡입파이프가 조립되는 관통공을 갖으며 내면에 여러 개의 홈이 형성되고 상기 보디와 조립되는 커버와, 상기 모터의 회전축의 단부에 형성되는 임펠러 형상의 유체가속부와, 상기 보디와 커버의 내면에 일정간격 이격된 상태로 조립되며 중앙부분에 상기 모터의 회전축이 삽입되는 구멍과 외측으로 여러 개의 홈을 갖는 디스크형상의 와류활성부를 포함하여 구성됨에 특징이 있다.

한편, 상기 증발기의 결로현상을 방지할 수 있도록 알루미늄으로 형성된 케이스의 내부에 동관으로 형성된 제1냉매증발기판과 열전도판, 제2증발기판, 열전도판 및 집열유리판을 적층식으로 구성한 보조증발기를 더 포함하여 외부의 온도변화에 대응할 수 있도록 형성된 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 태양열 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템은 와류를 이용한 고효율 발열장치와 히트펌프 시스템이 병합설치함으로써 외기온도와 상관없이 어떠한 악조건에서도 항상 필요한 용량과 효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 히트펌프와 와류를 이용한 고효율 발열장치의 운전영역을 구별하여 최적의 운전 상태와 각각의 장점만을 이용하여 온수온도 기준으로 55℃ 까지는 태양열 히트펌프의 운전영역으로 55℃이상의 고온수를 필요시는 와류를 이용한 고효율 발열장치의 운전영역으로 설정함으로써 각각의 장점을 살리고 단점을 보완함으로서 에너지 절약형 무공해 친환경 히트펌프 냉.난방과 냉.온수 시스템을 제공함에 효과가 있다.

또한, 히트펌프의 단점인 외기온도 하강 시 증발기의 착상으로 하루에도 수없이 제상운전이 필요하게 되고 제상운전 시간만큼 효율이 떨어지는 단점을 별도의 태양열을 이용할 수 있는 보조증발기를 설치함으로써 완벽히 보완해 제상운전이 전혀 필요없는 효과가 있다.

또한, 많은 양의 냉수나 온수를 필요로 하는 목욕탕이나 수영장과 같은 곳에도 사용이 가능하고 지열이나 공기열을 사용하지 않아 설치비가 상당히 절약되는 효과가 있다.

도 1는 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 나타낸 흐름도.
도 2 내지 3은 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 중 축열기 부분의 측단면도 및 평단면도.
도 4는 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 중 보조증발기 부분의 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 중 볼텍스 발열장치 부분의 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 중 볼텍스 발열장치의 내부 구성을 보인 분해 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템 중 볼텍스 발열장치 부분의 유체 흐름을 나타낸 단면도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1는 본 발명에 따른 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템을 나타낸 흐름도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 크게 콤프레셔(A10)와 사방변(A11) 및 응축기(A12)가 연결된 고온사이클(A)과, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(A16)와 증발기(A17, A18, A19), 흡입필터(A15) 및 드라이어(A14)가 연결된 저온사이클(B)이 냉매가 순환되도록 연결된다.

또한, 상기 고온사이클(A)의 응축기(A12)에서는 응축열과 열교환에 의하여 가열된 온수를 난방기(A3)로 순환시키는 순환펌프(A102)에 의하여 실내를 난방하며 이후 온수는 온수탱크(A1)로 유입되는 온수의 순환구조를 갖는다.

또한, 상기 저온사이클(B)의 증발기(A17)에서는 저온의 냉매를 이용하여 실내를 냉방한 후 증발기(A17)를 통하는 냉매와 열교환시켜 냉수를 형성하고 냉수탱크(A2)로 유입되는 냉수의 순환구조를 갖는다.

한편, 상기에서 온수탱크(A1)와 냉수탱크(A2)는 충분한 압력에 견딜 수 있는 압력용기의 구조로서 단열효과가 뛰어난 충분한 밀도를 갖는 폴리우레탄 재질의 단열재로 보온하여 형성하며 온수탱크(A1)와 냉수탱크(A2)사이에 열교환장치(A23)를 형성하고 냉수와 온수가 서로 순환된 수 있도록 순환펌프(A107,A105)를 설치함으로써 온수의 온도는 내려가고 냉수의 온도는 상승시켜 온수의 열원을 증발열원으로 사용할 수 있도록 형성한다.

상기와 같이 온수와 냉수가 열교환될 수 있도록 형성함으로써 온수탱크(A1)의 온도가 30도이상 상승 될 경우 콤프레셔(A10)의 소요 동력이 증가되고 냉수의 온도가 내려갈수록 히트펌프의 효율이 떨어지는 단점을 해결함으로써 히트펌프가 최대의 효율을 발휘할 수 있는 온수의 온도와 냉수의 온도로 유지시킴으로 소요동력을 최대한 절약할 수 있다.

또한, 증발기(A17)로 순환되는 냉수의 온도가 온수와의 열교환에 의하여 상승됨으로써 외기온도가 영하의 상태에서도 제상운전이 필요 없다.

즉, 상기에서 설명한 히트펌프 시스템은 하나의 히트펌프 시스템을 이용하여 실내의 냉/난방은 물론, 난방의 목적을 달성한 온수의 열원을 냉수와 열교환시켜 증발부의 부족한 열원으로 사용함으로써 냉/온수의 사용을 가능케하고 히트펌프의 효율을 극대화하고 제상운전이 불필요하며 외부온도에 따른 효율을 변화가 없는 고효율의 에너지 절약형 히트펌프이다.

한편, 냉매가 고온사이클(A)와 저온사이클(B)을 순환하는 과정에서 냉매와 오일이 분리되는 현상 및 냉매의 온도가 수시로 변화되어 콤프레셔에 무리를 주는 것을 방지하기 위하여 냉매이동라인에 축열기(A20)를 장착함으로써 콤프레셔의 무리한 구동을 방지할 수 있으며 이로서 소비전력의 감소 및 히트펌프 시스템 전체에 안정적인 운용을 가능케 한다.

상기 축열기의 구성을 도 2 내지 도 3은 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도시한 바와 같이 상기 축열기(A20)는 윗판(A21)과 밑판(A22)이 형성되고 그 사이를 원통형상의 측판(A23)이 형성되어 통상 원통형상의 몸체(A20)로 형성된다.

또한, 상기 몸체(A20) 내부에는 상판(A21)에서 밑판(A22)으로 수직으로 내려가는 수직부분(A24a)과 밑판(A22)의 바로 위에서 수평으로 뻗어나가는 수평부분(A24b)으로 구성된 "L"자형의 유입관(A24)과, 상판(A21)에서 밑판(A22)으로 수직으로 내려간 1차 수직부분(A25a)과 밑판(A22) 바로 위부터 상판(A21)측으로 뻗어올라간 2차수직부분(A25b) 및 양 수직부분(A25a, A25b)을 밑판(A22) 부분에서 연결한 "U"자형태의 곡선부(A25c)가 일체로 형성되며 밑판(A22)부분과 중앙부분에 여러 개의 짧은 모세관(A25d)이 형성되는 "U"자형의 배출관(A25)이 구성된다.

또한, 상기 유입관(A24)의 수평부분(A24b)의 단부에는 45도로 절단한 상태에서 황동재질의 망(A24c)을 용접하여 형성함으로써 축열기 몸체(A20) 내부로 유입되는 냉매가 흔들리거나 소용돌이치게 유도한다.

또한, 상기 배출관(A25)의 1차 수직부분(A25a)과 곡선부(A25c)에는 여러 개의 모세관(A25d)이 형성되어 배출관(A25)에서 발생되는 진동에 의하여 진동하게 함으로써 축열기 몸체(A20) 내부로 유입된 냉매가 냉매와 오일이 분리된상태에서 서로 혼합되게하여 배출관(A25)으로 끌어들여 포화액 상태의 냉매를 콤프레셔 측으로 이동시킴으로써 콤프레셔가 과열되는 것을 방지한다.

이러한 축열기의 기능에 의하여 증발기 내부의 냉매가 과열된 부분이 없도록 함으로써 증발기의 불균형 구역을 제거한다.

따라서, 과열된 부분이 제거된 포화액 상태의 냉매는 유익한 증발영역을 늘이게 되고 이러한 효과로 흡입압력을 증가시킨다.

또한, 콤프레셔가 포화액 상태의 냉매를 흡입하면 압축기의 토출온도를 관리하기 쉬운 상태로 온도를 유지할 수 있는 효과를 갖음으로 콤프레셔의 고장을 방지할 수 있는 것이다.

한편, 상기 축열기의 기능과 더불어 콤프레셔로 유입되는 냉매의 온도와 압력을 동일하게 유지되도록 함으로써 콤프레셔의 급속한 동작이나 과도한 구동에 따른 고장을 방지하기 위하여 냉매의 순환구조의 일부분에 비례제어부(A33)를 설치함으로써 콤프레셔가 안정적으로 정지없이 계속하여 미세하게 동작하도록 함으로써 과도한 구동에 따른 콤프레셔의 고장을 방지하고 과도한 동작으로 인한 전기의 고도한 사용의 방지 및 히트펌프 시스템 전체의 안정적은 운용을 가능하게 한다.

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한편, 상기에서 증발기(A18)는 겨울철 펜형 증발기(A18)에서 발생되는 결로현상을 방지하기 위하여 증발기(A18)과 직열연결되는 판형 보조증발기(A19)를 설치하여 겨울철 펜형 증발기에서 쉽게 발생되는 결로현상을 방지할 수 있도록 한다.

도 4에 도시한 바와 같이 상기 보조 증발기(A19)는 집열가능하며 겨울철에도 안정적인 집열이 가능한 소재인 알루미늄으로 형성된 케이스(A19a)의 내부에 동관으로 형성된 제1냉매증발기판(A19b)과 열전도판(A19c), 제2증발기판(A19d), 열전도판(A19e) 및 집열유리판(A19g)을 적층식으로 삽입하며 집열유리판(A19g)와 열전도판(A19e)사이에는 열과 빛에 강한 단일구조의 이중합성고무(EPDM)(A19f)를 더 포함하여 구성함이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 보조 증발기(A19)를 형성함으로써 겨울철에 펜형 증발기에서 문제시 되는 결로현상을 방지할 수 있으며 증발부의 열원을 15 ~ 20℃의 온도로 유지할 수 있다.

또한, 상기와 같이 기존의 펜형 증발기(A18)와 판형 보조증발기(A19)를 직열연결하여 설치함으로써 극단적인 기후조건에서 건물을 냉.난방 하는데 적합한데, 그 기후조건이란 여름철 고온으로는 30℃ 이상, 겨울철 저온으로는 0℃부터 -15℃까지를 말한다.

여름철에 실내를 냉방시키는데 필요한 것은 주위에서 모인 열을 방출시켜 주는 것이다.

판형의 보조증발기(A19)는 외부 주위온도가 30℃이상일때 태양열을 효과적으로 방출시킬 수 없으나 휀이 조작하는 핀코일형 증발기(A18)는 열 방출용으로 훨씬 효과적이다.

또한, 겨울철 실내를 난방시키려면 주위 열을 끌어모아야 하는데, 이럴 경우 증발기 표면에 대주 중의 습기가 얼어붙어 공기유통경로를 막아서 문제가 발생되는데 이러한 경우 판형 보조증발기(A19)는 위와 같은 조건에서도 주위의 열을 끌어 모을 수 있다.

따라서, 판형 보조증발기(A19)와 펜이 조작하는 핀형 증발기(A18) 두 대를 옥외에 직렬로 설치한 본 발명의 히트펌프 시스템은 계절에 상관없이 효율적으로 작동할 수 있다.

한편, 많은량의 냉수나 온수를 필요로 하는 목욕탕이나 수영장과 같은 공간에서는 응축기(A12)에 형성된 온수의 순환라인에 볼텍스 발열장치(A22)를 추가구성함으로써 많은량의 온수생산을 가능케 한다.

즉, 응축기(A12)에서 배출된 고온수는 난방기(A3)로 유입되는 과정에서 볼텍스 발열장치(100)를 거처 유입됨으로써 응축기(A12)에서 배출된 약 55도의 온수가 발열장치를 거치면서 80도 이상의 고온수로 빠르고 쉽게 온수의 온도를 상승시킬 수 있다.

이렇게 형성된 고온수는 난방기(A3)를 거쳐 온수탱크(A1)로 유입되거나 분기된 라인에 의하여 온수탱크(A1)또는 중간탱크(A4)로 이동시켜 온수를 사용할 수 있도록 한다.

상기 볼텍스 발열장치의 구체적인 구성은 도52 내지 도 7에 도시한 바와 같이 볼 텍스 발열장치(이하, '발열장치'라 한다.)(100)는 모터(200)의 회전축(210)에 연결되며 하부의 거치대(300)에 조립되어 이동가능하게 형성된다.

상기 발열장치(100)는 크게 보디(10)와 이 보디(10)에 조립되며 외측에 흡입파이프(40)이 조립된 커버(30) 및 보디(10)와 커버(30)의 내부에 형성되어 모터(200)의 회전축(210)에 조립되어 회전가능하게 형성되는 와류활성부(50)로 구성된다.

상기 보디(10)는 내면에 계단형 단턱(12)이 형성되며 이 단턱(12)에는 여러 개의 홈(13)이 형성되며 외주면에는 커버(30)가 조립되는 여러 개의 암나사공(14)이 형성된다.

상기 커버(30)는 중앙부분에 흡입파이프(40)가 조립되는 관통공(31)이 형성되며 그 내부 외주면으로 계단형의 단턱(32)과 이 단턱(32)에 여러 개의 홈(33)이 형성된다.

또한, 상기 흡입파이프(40)와 커버(30) 및 커버(30)와 보디(10)는 볼트와 같은 결합수단으로 견고하게 조립되며 커버(30)와 보디(10)의 밀착면에는 수밀을 유지하기 위하여 별도의 씰(미도시)을 형성함이 바람직하다.

상기 와류활성부(50)는 디스크 형성의 외형을 갖으며 중앙부분에 회전축(210)이 삽입되는 구멍(51)이 형성되며 계단형의 단턱(52)으로 이루어진 표면의 양면에 여러 개의 홈(53)이 형성된다.

또한, 와류활성부(50)의 표면에는 전방으로부터 유입되는 물을 빠르게 후면으로 전달하기 위하여 여러 개의 관통공(54)을 형성함으로써 순간적으로 물을 가열장치 내부에 채운다.

한편, 상기 보디(10)의 내면에 와류활성부(50)가 근접되게 조립된 상태에서 커버(30)는 보디(10)와 밀착/조립된다.

한편, 상기 모터(200)의 회전축(210)에는 보디(10)에 이어서 디스크 형상의 와류활성부(50)가 끼움되며 키(미도시)등을 이용하여 회전축(210)에 고정한다.

한편, 상기 회전축(210)의 끝부분에는 임펠러 형상의 유체가속부(60)가 형성된다.

상기 유체가속부(60)는 흡입파이프(40)를 통하여 유입되는 물을 와류활성부(50)의 주위로 퍼지게 형성함은 물론, 물의 순환을 돕는다.

한편, 커버(30)와 보디(10) 및 와류발생부(50)에 형성된 홈(33, 13, 53)은 와류발생부(50)가 회전하면서 서로 동일선상에 위치되고 빗겨나감이 반복되며, 물이 동일선상에 위치되었을때 뭉쳐지고 빗겨나가면서 잘려짐과 또 다른 물의 와류(소용돌이)가 홈(33, 13, 53)의 내부에서 발생되며 이때 물은 고속으로 진행되는 상기 과정에 의하여 분자분해되며 이때 열에너지가 발생되는 것이다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이 물은 회전축(210)과 연결된 유체가속부(60)의 회전에 의해 흡입파이프(40)를 통하여 유입되며 물은 와류활성부(50)와 커버(30) 및 보디(10)의 이격된 공간으로 이동되고 다시 토출파이프(20)를 통하여 배출된다.

이때, 이격된 공간에서 이동하는 물은 각각의 홈(33, 13, 53)이 형성된 위치에서 물의 분자가 분해되며 열에너지를 발생시키게 된다.

즉, 홈(33, 13, 53)은 와류활성부(50)가 회전함에 따라 각각의 홈(33, 13, 53)이 동일선상에 위치하고 다시 동일선상에서 빗겨나가는 동작을 계속하게 되고 이때 물은 동일선상 일때 뭉치고 빗겨나갈 때 찢어짐과 같은 강한 충격에 의하여 분자분해 되며 또한, 물은 홈(33, 13, 53)내부에서 또다시 소용돌이치며 열에너지를 방출하는 것이다.

상기와 같이 온수의 온도상승을 지열이나 태양열과 같이 대형의 별도장치를 설치하지 않고 단순한 소형 구조의 볼텍스 발열장치를 설치하여 온수의 온도상승을 가능하게 함으로써 태양열 히트펌프 시스템 전체의 생산비용을 절감할 수 있으며 설치시에도 설치환경에 제약이 없는 특징이 있다.

상기와 같이 형성된 발열장치(100)를 태양열 히트펌프 시스템에 설치함으로써 목욕탕이나 수영장 등의 대용량의 온수를 필요로 하는 곳에서도 원활한 공급이 가능하며 이로써 냉/난방은 물론 냉/난방의 작동을 원활히 할 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 태양열 히트펌프 시스템의 운용에 있어서 고온수 발생에 따른 히트펌프 시스템에 발열장치를 부가장착하여 운용할때의 물의 온도상승 효율을 측정한다.

< 시험환경 >

◆ 3.2톤의 물탱크에 물을 가득 채운 후 본 발명의 히트펌프 시스템과 연결하여 탱크의 물 전체가 한번 순환하는데 15분의 시간이 걸리도록 설치하고 15분 간격으로 탱크에서 배출되는 물의 온도(T2)와 시스템을 순환 후 탱크로 유입되는 물의 온도(T1)의 온도를 측정하였다.

- 시험 측정표 -

순 서	시 간	펌프 유량	T1	T2	시 간
1	11 : 55	3,200	21.5	21.6	1 시간
2	12 : 10	3,200	29.5	54.6
3	12 : 25	3,200	25.2	61.0
4	12 : 40	3,200	42.4	67.6
5	12 : 55	3,200	48.4	73.7	1 시간
6	13 : 10	3,200	54.6	79.3
7	13 : 15	3,200	60.6	86.7
8	13 : 40	3,200	66.4	91.5
9	13 : 55	3,200	72.3	99.1	30 분
10	14 : 10	3,200	76.4	100.9

<시험결과>

1) 3.2톤의 물을 2시간 순환시켜 평균 70도의 물의 온도상승을 확인하였다.

따라서, 3200 * 70 = 224,000㎉ 가 사용되었음을 알 수 있다.

한편, 110㎾ 모터를 1시간 이용시 113.2 * 860㎉ = 97,352㎉가 사용됨으로

(224,000㎉ / 2) / 97,352㎉ = 1.15(COP)의 식으로 효율을 계산할 수 있으며,

상기의 시험결과에 따라서 평균 효율 값은 1.15이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다.

A ... 고온시스템 B ... 저온시스템
A10 ... 콤프레셔 A11 ... 사방변
A15 ... 흡입필터 A12 ... 응축기
A17 ... 증발기 A18 ... 펜형증발기
A19 ... 조보증발기 A19a ... 케이스
A19b ... 제1냉매증발기판 A19c ... 열전도판
A19d ... 제2증발기판 A19e ... 열전도판
A19f ... 실링 A19g ... 집열유리판
A1 ... 온수탱크 A2 ... 냉수탱크
A23 ... 열교환기 100 ... 발열장치

Claims (5)

1. 콤프레셔(A10)와 사방변(A11) 및 응축기(A12)가 연결된 고온사이클(A)과, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(A16)와 증발기(A17, A18), 흡입필터(A15) 및 드라이어(A14)가 연결된 저온사이클(B)이 냉매가 순환되도록 연결된 태양열 히트펌프 시스템에 있어서,
   상기 응축기(A12)와 연결되어 내부의 물이 열교환되며 순환구조를 갖는 온수탱크(A1)와, 상기 증발기(A17)와 연결되어 내부의 물이 열교환되며 순환구조를 갖는 냉수탱크(A2);
   상기 온수탱크(A1)와 냉수탱크(A2)의 온수와 냉수가 서로 열교환되도록 설치되는 열교환기(A23);
   냉매가 순환되는 과정에서 냉매와 오일이 분리됨을 방지하며 일정한 온도로 유지시켜 콤프레셔의 무리한 구동을 방지하는 축열기(A20);
   냉매가 순환되는 과정에서 열과 압을 일정하게 유지하기 위한 비례제어부(A33);
   응축기(A12)에서 배출되는 물의 온도를 상승시키기 위하여 온수라인에 설치되는 발열장치(100);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 축열기(A20)는 윗판(A21)과 밑판(A22) 사이에 원통형상의 측판(A23)이 형성되어 통상 원통형상을 갖는 몸체(A20);
   상기 몸체(A20) 내부에는 상판(A21)에서 밑판(A22)으로 수직으로 내려가는 수직부분(A24a)과 밑판(A22)의 바로 위에서 수평으로 뻗어나가는 수평부분(A24b)으로 구성되며 수평부분의 끝부분에 망(A24c)을 용접하여 형성된 "L"자형의 유입관(A24);
   상기 몸체(A20)의 상판(A21)에서 밑판(A22)으로 수직으로 내려간 1차 수직부분(A25a)과 밑판(A22) 바로 위부터 상판(A21)측으로 뻗어올라간 2차수직부분(A25b) 및 양 수직부분(A25a, A25b)을 밑판(A22) 부분에서 연결한 "U"자형태의 곡선부(A25c)가 일체로 형성되며 밑판(A22)부분과 중앙부분에 여러 개의 짧은 모세관(A25d)이 형성되는 "U"자형의 배출관(A25);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 발열장치(100)는 모터(200)와;
   상기 모터(200)의 회전축(210)이 삽입되는 관통공(11)을 갖으며 내면에 여러 개의 홈(13)이 형성되고 외면에 내면과 연통되는 토출파이프(20)가 형성된 보디(10)와;
   중앙에 흡입파이프(40)가 조립되는 관통공(31)을 갖으며 내면에 여러 개의 홈(33)이 형성되고 상기 보디(10)와 조립되는 커버(30)와;
   상기 모터(200)의 회전축(210)의 단부에 형성되는 임펠러 형상의 유체가속부(60)와;
   상기 보디(10)와 커버(30)의 내면에 일정간격 이격된 상태로 조립되며 중앙부분에 상기 모터(200)의 회전축(210)이 삽입되는 구멍(51)과 외측으로 여러 개의 홈(53)을 갖는 디스크형상의 와류활성부(50);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 히트펌프 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 증발기(A18)의 결로현상을 방지할 수 있도록 알루미늄으로 형성된 케이스(A19a)의 내부에 동관으로 형성된 제1냉매증발기판(A19b)과 열전도판(A19c), 제2증발기판(A19d), 열전도판(A19e) 및 집열유리판(A19g)을 적층식으로 구성한 보조증발기(A19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 발열장치를 이용한 고효율 태양열 히트펌프 시스템.

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