KR101029323B1 - 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프 - Google Patents

Abstract

낮은 외기 온도로 인하여 증발기 외면에 발생할 수 있는 성에 또는 결빙의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 히트 펌프를 제공한다. 상기 히트펌프 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 배출된 상기 작동 유체를 1차 응축하여 고온의 열원에 제1 열을 방출하는 제1 응축기와, 그리고 상기 제1 응축기로부터 배출되는 작동 유체를 2차 응축하여 제2 열을 방출한 후, 상기 작동 유체를 교축시키고, 그리고 난 후 상기 2차 응축에 위해 방출된 제2 열을 이용하여 상기 작동 유체를 가열하여 증발 시키는 복합 열 재생기를 포함하며, 상기 복합 열 재생기로부터 배출되는 상기 작동 유체는 상기 압축기에 공급 된다.

히트 펌프, 히트펌프 시스템, 증발기, 응축기, 열 재생기.

Description

복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프{HEAT PUMP INCLUDING SYNTHETIC HEAT REGENERATOR}

본 발명은 히트 펌프에 관한 것이며, 특히 낮은 외기 온도로 인하여 증발기 외면에 발생할 수 있는 서리 발생 또는 결빙으로 인한 문제의 발생을 원천적으로 방지하여, 열 효율을 개선할 수 있는 히트 펌프에 관한 것이다.

히트 펌프는 저온의 열원에서 열을 흡수하여 고온의 수열체로 열을 운송하는 장치로서, 냉동기와 마찬가지로 열 기관의 역 싸이클로 작동하며, 겨울철에는 소정의 장소에 열을 보내어 난방 작용을 하고, 여름에는 그 장소로부터 열을 흡수하여 냉방 작용을 하는 장치이다.

도 1은 종래의 히트 펌프 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템의 온도-엔트로피(T-S) 선도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 종래의 히트 펌프 장치가 난방 장치로서 기능하는 경우 작동 유체의 유동은 실선으로 표시되고, 종래의 히트 펌프 장치가 냉방 장치로서 기능하는 경우 작동 유체의 유동은 파선으로 표시되어 있다. 우선 종래의 히트 펌프 장치가 난방 장치로서 기능하는 경우, 작동 유체는 증발기(E)를 통 과하면서 저온 열원으로부터 Q2 의 열을 흡수하면서 증발을 한 후(지점 11 에서 지점 14의 과정), 압축기(W)에 의해 압축된다(지점 11에서 지점 12의 과정). 압축기(W)에서 배출된 작동 유체는 응축기(C) 내에서 액화 된다(지점 12에서 지점 13의 과정). 이때, 작동 유체는 장소(B)에 Q1 의 열을 방출하여 장소(B)를 데우게 된다. 이후, 작동 유체는 팽창 밸브(V)를 통과하면서 교축 냉각 된다(지점 13에서 지점 14의 과정).

반면, 종래의 히트 펌프 장치가 냉방 장치로서 기능하는 경우, 작동 유체는 점선과 같은 경로로 유동을 하면서, 장소(B)로부터 Q1 의 1 열을 흡수하여 냉방을 제공하고 응축기(E)를 통해 Q2 의 열을 방출하게 된다. 이때에는, C가 증발기로서 그리고 E가 응축기로서 기능하게 된다. 이 경우, 삼방 밸브와 추가적인 구성요소들을 이용하여 유동 방향을 변환시키게 되나, 본 명세서에서는 이 점에 대한 논의를 생략한다.

이상과 같은 구성을 가진 히트 펌프에 있어서, 구성요소 E는 난방 장치의 증발기로서 그리고 냉방장치의 응축기로서 기능하며, 실제의 장치에 있어서는 실외기라는 이름으로 실외에 설치되어 실외의 저온 열원으로부터 열을 흡수하거나 실외의 고온 열원에 열을 방출한다. 특히, 구성요소 E가 실외기로서 그리고 난방 장치의 증발기로서 기능하는 경우, 겨울철 실외의 대기 온도가 영하로 내려가면, 실외기의 외면에 접촉하는 공기 중의 수분이 실외기의 표면에 얼어붙어 서리가 발생하게 된다.

증발기 표면에 서리가 쌓이면, 난방 능력이 저하될 뿐 아니라, 불충분한 증 발로 인해 압축기에 액체 냉매의 유입이 유발되어 시스템의 효율을 떨어뜨리고 부품의 부식을 초래하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 제상 싸이클을 이용하여 실외기를 제상시키는 기술로서, 미합중국 특허 제 4,550,770 호, 제 4,627,484 호, 및 제 5,052,191 호와 같은 다수의 특허가 공지된 바 있다.

그러나, 이상과 같은 종래의 기술들은 제상을 위하여, 역 싸이클 운전을 실행하여야 하는 문제점이 있으며, 발생한 서리의 제거를 위해 또는 서리의 발생을 방지하기 위해 유량 제어 수단이나 보조 가열 수단 기타의 별도의 장치를 필요로 하는 단점이 있다.

나아가, 전술한 바와 같은 종래의 기술들은 제상의 문제를 근본적으로 해결하지 못하고, 일단 발생한 서리를 사후에 별도의 수단에 의해 제거할 뿐이다.

또한, 종래의 히트 펌프의 경우, 장시간 운전하는 경우 압축기 모터가 과열되어 동작이 중단되거나 또는 열 효율이 떨어지는 경우가 발생하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 낮은 외기 온도로 인하여 증발기 외면에 발생할 수 있는 성에 또는 결빙의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 히트 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 증발기 작동 불능의 가능성을 사전에 방지할 수 있으며, 그 결과 크게 개선된 열 효율을 가지는 히트 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 압축기의 과열로 인한 동작 중단이나 고장을 방지하고, 개선된 압축력을 가진 압축기를 구비한 히트 펌프를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 히트펌프 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 배출된 상기 작동 유체를 1차 응축하여 고온의 열원에 제1 열을 방출하는 제1 응축기와, 그리고 상기 제1 응축기로부터 배출되는 작동 유체를 2차 응축하여 제2 열을 방출한 후, 상기 작동 유체를 교축시키고, 그리고 난 후 상기 2차 응축에 위해 방출된 제2 열을 이용하여 상기 작동 유체를 가열하여 증발시키는 복합 열 재생기를 포함하며, 상기 복합 열 재생기로부터 배출되는 상기 작동 유체는 상기 압축기에 공급된다.

본 발명에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프는, 난방 과정의 저온 증발 과정에서, 저온 열원으로부터 열을 흡수하는 대신 고온 방열 과정의 일부에서 방출되는 열을 이용하여 저온의 작동 유체를 증발시킨다. 따라서, 보통 실외에 설치되는 증발기에 외기의 온도가 영하로 내려갈 때 성에가 발생하거나 결빙하는 현상을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐 아니라, 증발기 작동 불능의 가능성을 사전에 방지할 수 있으며, 그 결과 히트 펌프의 열 효율을 크게 개선하는 효과를 가진다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프에 채택된 압축기는, 종래의 압축기와는 달리 압축전의 상대적으로 저온의 작동 유체가 모터를 거쳐서 압축실에 유입되므로서, 압축기에 냉각 효과를 제공함으로써, 압축기의 과열로 인한 동작 중단이나 고장을 방지하고, 압축 효율을 개선한다. 아울러, 압축기에 채택된 감속기는 압축력을 높여 압축효율, 나아가 히트 펌프의 열 효율을 크게 개선시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프(1000)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프(1000)는, 난방 싸이클 회로(301), 냉방 싸이클 회로(303), 제1 전열 회로(305), 및 제2 전열 회로(307)을 포함한다.

상기 난방 싸이클 회로(301)는 목적 공간에 난방 효과를 제공하기 위한 회로로서, 압축기(101), 제1 응축기(103), 그리고 복합 열 재생기(203)로 구성된다. 상기 복합 열 재생기(203)는 제2 응축기(105), 제1 팽창 밸브(107), 및 제1 증발기(109)를 포함한다.

상기 냉방 싸이클 회로(303)는 목적 공간에 냉방 효과를 제공하기 위한 회로로서, 압축기(101), 제1 응축기(103), 제1 삼방 밸브(111), 제3 응축기(117), 제2 팽창 밸브(119), 제2 증발기(121), 그리고 제2 삼방 밸브(113)으로 구성된다.

상기 제1 전열 회로(305)는 상기 제1 응축기(103)에서 방출되는 열을 축열 탱크(125)에 전달하기 위한 회로로서, 제1 전열 부재(115)와 상기 축열 탱크(125)로 구성된다. 상기 제1 전열 부재(115)와 상기 제1 응축기(103)는 열 교환기(201) 내에 설치되어, 상기 제1 응축기(103)로부터 방출되는 열(Q1)이 상기 제1 전열 부재(115)를 통하여 상기 축열 탱크(125)에 전달, 축적되게 된다.

상기 제2 전열 회로(307)는 상기 축열 탱크(125)로부터 방열 부재(123)에 열을 전달하기 위한 회로로서, 상기 축열 탱크(125), 순환 펌프(127), 그리고 상기 방열 부재(123)로 구성된다. 상기 순환 펌프(127)는, 상기 히트 펌프(1000)가 난방 작동 시에만 상기 제2 전열 회로(307)를 통한 전열을 허용하고, 상기 히트 펌프(1000)가 냉방 작동 시에는 상기 제2 전열 회로(307)를 통한 전열을 허용하지 않는다. 상기 제2 증발기(121)와 상기 방열 부재(123)는 냉난방 제공 유니트(205) 내에 설치된다.

도 4는 도 3에 도시된 난방 싸이클 회로(301)의 개략적인 구성도이며, 도 5는 상기 난방 싸이클 회로(301)의 이론 싸이클을 나타낸 선도이다.

전술한 바와 같이, 상기 난방 싸이클 회로(301)는 압축기(101), 제1 응축 기(103), 제2 응축기(105), 제1 팽창 밸브(107), 및 제1 증발기(109)를 포함한다. 여기서, 상기 제2 응축기(105), 제1 팽창 밸브(107), 및 제1 증발기(109)는 복합 열 재생기(203)를 구성한다.

도 6은 복합 열 재생기(203)를 더욱 상세히 나타낸 측 단면도이다.

상기 복합 열 재생기(203)는 재생기 하우징(204)과, 상기 재생기 하우징(204) 내에 담겨진 전열 매체(206), 그리고 상기 재생기 하우징(204) 내부 상단에 설치된 회수 탱크(208)를 추가로 포함한다. 즉, 상기 제2 응축기(105), 상기 제1 팽창 밸브(107), 상기 제1 증발기(109), 상기 전열 매체(206), 그리고 상기 회수 탱크(208)는 상기 재생기 하우징(204) 내에 수납되어 있다.

상기 전열 매체(206)는 상기 재생기 하우징(204) 내에 담겨진 유체이며, 본 실시예의 경우, 물과 부동액의 혼합 유체이다. 이 혼합 유체는, 필요에 따라, 상기 재생기 하우징(204)으로부터 비워 지고 다시 채워 질 수 있다. 즉, 지나치게 고온이 되어 버리는 등, 그 전열 기능을 상실하게 되는 경우, 상기 전열 매체(206)는 교체될 수 있다.

상기 제2 응축기(105)는 상기 재생기 하우징(204)의 내측으로 관통 연장하여 상기 전열 매체(206)내에 잠겨 있으며, 상기 제1 팽창 밸브(107)에 연결된다. 상기 제1 증발기(109)는 상기 전열 매체(206)내에 잠겨 있으며, 상기 제1 팽창 밸브(107)로부터 상기 회수 탱크(208)까지 연장한다.

따라서, 상기 복합 열 재생기(203) 내에서의 작동 유체의 유동은, 상기 제2 응축기(105), 상기 제1 팽창 밸브(107), 상기 제1 증발기(109), 상기 전열 매 체(206), 그리고 상기 회수 탱크(208)의 순서로 유동하게 된다. 만약 상기 제1 증발기(109)에서의 증발이 불충분하여 작동 유체가 상기 회수 탱크(208)로 유입될 때 작동 유체가 완전히 기화되지 못한 경우, 작동 유체 중의 액체 성분은 상기 회수 탱크(208) 내에 포집됨과 동시에 오직 기체 성분의 작동 유체 만이 압축기(101)로 유입되게 된다.

상기 제2 응축기(105)와 상기 제1 증발기(109)는 상기 유체 속에 잠겨 있어서, 상기 제2 응축기(105)에서 방출되는 열(Q2)이 상기 유체(206)를 통하여 상기 제1 증발기(109)로 전달된다. 따라서 상기 제1 증발기(109)에서의 작동 유체의 증발 과정은 외기 온도의 영향을 받지 않으며, 외기 온도가 영하로 내려가거나 결빙이 생기더라도 난방 회로의 증발 과정에는 전혀 영향이 없다. 또한, 상기 회수 탱크(208)로 인해 액체 상태의 작동 유체가 상기 압축기(101)에 유입되는 일이 원천적으로 방지될 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 히트 펌프(1000)는 대단히 개선된 열 효율을 보인다.

상기 제2 응축기(105)와 상기 제1 증발기(109)는 상기 유체(206) 속에서 평행하게 연장하는 나선형 관의 형태를 가진다.

또한, 복합 열 재생기(203)는, 재생기 하우징(206) 내의 전열 매체(206)을 가열하기 위한 별도의 보조 가열 수단(209)를 추가로 구비한다. 상기 보조 가열 수단(209)은, 상기 제2 응축기(105)로부터 상기 전열 매체(206)를 통한 상기 제1 증발기(109)로의 전열이 충분하지 않아서 상기 제1 증발기(109)에서의 작동 유체의 충분한 증발이 이루어 지지 않는 경우, 상기 전열 매체(206)를 가열함으로써, 상기 제1 증발기(109)에서의 작동 유체의 증발을 보조한다. 본 실시예에서, 상기 보조 가열 수단(209)은, 상기 재생기 하우징(204)를 관통 연장하며 내부에 섭씨 80 도의 온수가 흐르는 온수관의 형태를 가지지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 재생기 하우징(204)의 내면 또는 외면에 부착된 전기 히터 등이 될 수도 있다.

본 실시예에서는 상기 제1 팽창 밸브(107)가 상기 재생기 하우징(204) 내에 수납되어 있지만, 다른 실시예의 경우 상기 제1 팽창 밸브(107)가 상기 재생기 하우징(204)의 외부에 설치되는 경우도 고려할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(1000)에 채택되는 압축기(101)의 단면도이다.

상기 압축기(101)는, 흡입구(402)와 토출구(404), 그리고 상기 토출구(404)와 연결된 압축실(406)을 구비하는 압축기 하우징(401), 상기 압축기 하우징(401) 내에 수납된 모터(408), 상기 압축기 하우징(401)내에 수납되고 상기 모터(408)에 연결된 감속기(410), 및 상기 감속기(410)에 연결되고 압축실(406) 내에 설치된 송풍기(blower; 412)를 포함한다.

상기 압축기(101)는 모터 회전축(414)과 송풍기 회전축(416)을 추가로 포함한다. 상기 모터 회전축(414)과 상기 송풍기 회전축(416)은, 상기 압축기 하우징(401)의 내벽에 고정된 베어링(426)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 서로 동심을 이루도록 배치된다. 상기 송풍기(412)는 상기 송풍기 회전축(416)과, 상기 송풍기 회전축(416)을 중심으로 회전하는 베인(418)을 포함한다.

상기 모터(408)는 회전자(422)와 고정자(420)를 포함하며, 상기 작동 유체는 상기 회전자(422)와 상기 고정자(420) 사이의 간극(424)을 통해 유동하면서 상기 모터(408)로부터 열을 흡수함과 동시에 상기 간극(424)을 윤활시키게 된다.

상기 복합 열 재생기(203)로부터 상기 압축기(101)에 공급되는 상기 작동 유체는 상기 흡입구(402)를 통하여 상기 압축기(101) 내에 유입되고, 상기 모터(408)와 상기 감속기(410)를 관통 유동한 후, 상기 압축실(406) 내에 유입된다. 상기 압축실(406) 내에서, 상기 작동 유체는 상기 송풍기(412)에 의해 압축된 후 상기 토출구(404)를 통해 토출되어, 상기 제1 응축기(103)으로 공급된다.

이하에서는, 이상과 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프(1000)의 작동에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프(1000)가 난방 기능을 수행하는 경우에는 작동 유체는 상기 난방 싸이클 회로(301)를 통하여 유동한다. 즉, 먼저 상기 압축기(101)에 의해 압축된 고온 고압의 작동 유체는 상기 열 교환기(201) 내의 상기 제1 응축기(103)을 통과하면서 응축되고, 이때 상기 제1 응축기(103)로부터 방열되는 제1 열(Q1)은 제1 전열부재(115)로 전달된다. 이 제1 열(Q1)은 제1 전열 회로(305)에 의해 제1 전열부재(115)로부터 축열 탱크(125)로 전달된 후, 다시 제2 전열 회로(307)에 의해 축열 탱크(125)로부터 방열 부재(123)로 전달된다. 이때, 순환 펌프(127)은 축열 탱크(125)로부터 방열 부재(123)로의 열 전달을 돕는다. 상기 방열 부재(123)는 냉난방 제공 유니트(205) 내에 설치되어 있으며, 상기 축열 탱크(125)로부터 전달된 열을 방출하여, 상기 냉난방 제공 유니트(205)가 설치된 목적 공간에 난방 효과를 제공하게 된다.

한편, 상기 제1 응축기(103)에 의해 응축된 작동 유체는 제1 삼방밸브(111)에 의해 상기 복합 열 재생기(203)로 유입된다. 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 작동 유체는, 상기 복합 열 재생기(203) 내의 상기 제2 응축기(105), 제1 팽창 밸브(107), 및 제1 증발기(109)를 차례로 통과한 후 상기 회수 탱크(208)내로 유입된다. 상기 작동 유체는 먼저 상기 제2 응축기(105)를 통과하면서 응축되어 제2 열(Q2)를 방열하고, 이 제2 열(Q2)은 전열 매체(206)에 전달된다. 다음에, 상기 작동 유체는 제1 팽창 밸브(107)를 통과하면서, 교축 팽창한다. 그리고 나서, 상기 작동 유체는 제1 증발기(109)를 통과하면서 증발한다. 이때, 상기 제2 열(Q2)은 전열 매체(206)로부터 상기 증발기(109)에 전달되어 상기 작동 매체의 증발을 돕는다. 즉, 상기 제2 응축기(105)에서 방출된 제2 열(Q2)이 상기 증발기(109)에서의 작동 유체의 증발에 이용된다.

그리고 나서, 상기 작동 유체는 상기 증발기(109)로부터 상기 회수 탱크(208)로 유입된다. 이때, 상기 작동 유체 내에 액체 성분이 있는 경우 그 액체 성분은 회수 탱크(208)의 바닥에 고이게 되며, 기체 성분은 회수 탱크(208)을 거쳐 압축기(101)로 다시 유입되게 된다. 회수 탱크(208)의 바닥에 고인 액체 성분 작동 유체는 계속 가열되어 기화된 후 압축기(101)로 다시 유입되게 된다. 이 경우, 가열은 기본적으로 전열 매체(206)에 의해 이루어 지지만, 필요한 경우 상기 보조 가열 수단(209)에 의해 상기 전열 매체(206)가 추가로 가열될 수도 있다.

이상과 같은 상기 난방 싸이클 회로(301)의 개략적인 구성이 도 4에 도시되 었으며, 그의 이상적이 온도-엔트로피(T-S) 선도가 도 5에 도시되었다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 난방 싸이클 회로(301)는 저온 열원으로부터 별도의 수열 없이 제2 응축기(105)로부터의 제2 열(Q2)을 이용하여 저온 상태의 작동 유체의 증발에 이용하고, 압축 과정에서의 일(W)를 사용하여 고온 열원에 (Q1)의 열을 제공하게 된다. 따라서, 상기 난방 싸이클 회로(301)의 이론적인 성적 계수는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

물론, 이상과 같은 성적 계수와 도 5의 온도-엔트로피(T-S) 선도는 이상적인 싸이클에 해당하며, 실제의 경우 각종 열 손실로 인해 달라질 수 있다.

다음에, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프(1000)가 냉방 기능을 수행하는 경우에는 작동 유체는 상기 냉방 싸이클 회로(303)를 통하여 유동한다. 즉, 먼저 상기 압축기(101)에 의해 압축된 고온 고압의 작동 유체는 상기 열 교환기(201) 내의 상기 제1 응축기(103)을 통과하면서 응축되고, 이때 상기 제1 응축기(103)로부터 방열되는 제1 열(Q1)은 제1 전열부재(115)로 전달된다. 이 제1 열(Q1)은 제1 전열 회로(305)에 의해 제1 전열부재(115)로부터 축열 탱크(125)로 전달된다. 이 제1 열(Q1)은 물을 데워서 온수의 제공을 위해 이용되거나 기타의 용도로 이용될 수도 있고, 또는 외부로 방출될 수도 있다.

이때, 순환 펌프(127)는 작동을 중지하여, 축열 탱크(125)로부터 방열 부재(123)로의 열 전달을 방지한다. 따라서, 냉난방 제공 유니트(205) 내에 설치된 상기 방열 부재(123)는 전혀 가열되지 않으며, 따라서 상기 냉난방 제공 유니트(205) 또한 가열되지 않는다.

한편, 상기 제1 응축기(103)에 의해 응축된 작동 유체는 제1 삼방밸브(111)에 의해 상기 복합 열 재생기(203)로의 유동이 차단됨과 동시에 상기 제3 응축기(117)로 보내진다. 상기 제3 응축기(117)를 통과하면서 상기 작동 유체는 제2 열(Q2)을 방출하며, 이 제2 열(Q2)은 회수 되지 않고 그냥 폐기된다. 그 이후, 상기 작동 유체는 제2 팽창 밸브(119)를 통과하면서 교축 팽창한 후, 상기 냉난방 제공 유니트(205) 내에 설치된 제2 증발기(121)를 통과하면서 증발한다. 이때, 제2 증발기(121)는 목적 공간으로부터 제3 열(Q3)을 흡수하여 목적 공간에 냉방 효과를 제공하게 된다.

상기 냉방 싸이클 회로(303)의 이론적인 성적 계수는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

한편, 상기 복합 열 재생기(203)로부터 상기 압축기(101)에 공급되는 상기 작동 유체는, 상기 흡입구(402)를 통하여 상기 압축기(101) 내에 유입된 후, 상기 모터(408)를 관통하여 유동한다. 즉, 상기 모터(408)의 고정자(420)와 회전 자(422) 사이에 형성된 간극(424)을 통하여 유동하면서, 회전자(422)의 고속 회전에 의해 가열된 고정자(420)와 회전자(422)를 냉각시키게 된다. 작동 유체 중에 액체 성분이 잔류하는 경우 고정자(420)와 회전자(422) 사이의 윤활 작용도 수행하게 된다.

그리고 나서, 상기 작동 유체는 상기 감속기(410)를 관통 유동하며, 이때에도 마찬가지로 감속기(410)의 냉각 및 윤활 작용을 하게 된다. 감속기(410)은 회전자(422)의 회전수를 줄여 송풍기 회전축(416)의 토크를 증가시켜 압축력을 증가시킨다.

감속기(410)을 통과한 작동 유체는 상기 압축실(406) 내에 유입된다. 상기 압축실(406) 내에서, 상기 작동 유체는 상기 송풍기(412)에 의해 압축된 후 상기 토출구(404)를 통해 토출되어, 상기 제1 응축기(103)로 공급된다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 열 재생기(203)의 구성이 도시되었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 열 재생기(203)는 제1 하우징(351), 제2 하우징(353), 그리고 연결관(355)을 포함하며, 상기 제1 하우징(351)과 상기 제2 하우징(353) 내에는 각각 전열 유체(359)가 수납된다. 상기 제1 증발기(109)는 상기 제1 하우징(351) 내의 상기 전열 유체(359) 내에 잠겨 있고, 상기 제2 응축기(105)는 상기 제2 하우징(353) 내의 상기 전열 유체(359) 내에 잠겨 있으며, 상기 연결관(355)은 상기 제1 하우징(351)과 상기 제2 하우징(353)을 서로 연결시키며, 상기 전열 유체(359)는 상기 연결관(355)을 통하 여 상기 제1 하우징(351)과 상기 제2 하우징(353) 사이를 유동한다. 또한, 상기 복합 열 재생기(203)는 상기 전열 유체(359)를 순환시키기 위한 순환 모터(357)를 추가로 포함한다.

이상과 같은 구성을 구비한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 열 재생기(203)에서는, 제2 응축기(105)로부터 방출되는 제2 열(Q2)이 전열 유체(359)로 전달되고, 이 전열 유체는(359)는 제1 하우징(351)과 상기 제2 하우징(353) 사이를 순환하여 상기 제1 증발기(109)에 제2 열(Q2)을 전달하게 된다. 이때, 상기 순환 모터(357)이 상기 전열 유체(359)의 순환을 돕게 된다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예들을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적, 구성, 기타 특징들은 첨부된 도면을 참조한 하기의 설명으로부터 명확해 질 것이다. 첨부된 도면은:

도 1은 종래의 히트 펌프 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며,

도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템의 온도-엔트로피(T-S) 선도이며,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열 재생기를 포함하는 히트 펌프의 개략적인 구성을 도시한 도면이고,

도 4는 도 3에 도시된 난방 싸이클 회로의 개략적인 구성도이며,

도 5는 상기 난방 싸이클 회로의 이론 싸이클을 나타낸 선도이고,

도 6은 복합 열 재생기를 더욱 상세히 나타낸 측 단면도이며,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프에 채택되는 압축기의 단면도이며, 그리고

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 열 재생기를 보여주는 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1000: 히트 펌프 101: 압축기

103: 제1 응축기 105: 제2 응축기

107: 제1 팽창 밸브 109: 제1 증발기

201: 열 교환기 203: 복합 열 재생기

301: 난방 사이클 회로 303: 냉방 사이클 회로

305: 제1 전열 회로 307: 제2 전열 회로

402: 흡입구 404: 토출구

406: 압축실 408: 모터

410: 감속기 412: 송풍기

Claims (20)

1. 작동 유체를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 배출된 상기 작동 유체를 1차 응축하여 고온의 열원에 제1 열을 방출하는 제1 응축기와, 상기 제1 응축기로부터 배출되는 작동 유체를 2차 응축하여 제2 열을 방출한 후, 상기 작동 유체를 교축시키고, 그리고 난 후 상기 2차 응축에 위해 방출된 제2 열을 이용하여 상기 작동 유체를 가열하여 증발시키는 복합 열 재생기를 포함하며, 상기 복합 열 재생기로부터 배출되는 상기 작동 유체는 상기 압축기에 공급되는 히트펌프 시스템에 있어서,

   상기 압축기는, 흡입구와 토출구, 그리고 상기 토출구와 연결된 압축실을 구비하는 압축기 하우징과; 상기 압축기 하우징 내에 수납된 모터와; 상기 압축기 하우징내에 수납되고 상기 모터에 연결된 감속기와; 상기 감속기에 연결되고 압축실 내에 설치된 송풍기(blower)를 포함하며, 상기 복합 열 재생기로부터 상기 압축기에 공급되는 상기 작동 유체는 상기 흡입구를 통하여 상기 압축기 내에 유입되고, 상기 모터와 상기 감속기를 관통 유동한 후, 상기 압축실 내에 유입되어 상기 송풍기에 의해 압축된 후 상기 토출구를 통해 토출되며,

   상기 복합 열 재생기는, 상기 제1 응축기로부터 배출되는 상기 작동 유체를 2차 응축하여 상기 제2 열을 방출하는 제2 응축기와; 상기 제2 응축기로부터 배출되는 상기 작동 유체를 교축시킴으로써 상기 작동 유체를 단열 팽창시키는 제1 팽창 밸브와; 상기 2차 응축에 위해 방출된 상기 제2 열을 이용하여, 상기 제1 팽창 밸브로부터 배출되는 상기 작동 유체를 가열하여 증발시키는 제1 증발기를 포함하되, 상기 제2 열을 상기 제2 응축기로부터 상기 제1 증발기에 전달하는 유체의 전열 매체와; 상기 제2 응축기, 제1 증발기, 전열 매체를 수납하는 재생기 하우징이 포함하고, 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기는 재생기 하우징 내에 담겨진 유체의 전열 매체 속에 잠겨지며,

   상기 재생기 하우징 내부에는 회수 탱크가 더 설치하고, 상기 제1 증발기는 상기 제1 팽창 밸브로부터 상기 회수 탱크까지 연장하며, 상기 회수 탱크는 상기 압축기에 연결되며,

   제1 삼방 밸브, 제3 응축기, 제2 팽창 밸브, 제2 증발기 및 제2 삼방 밸브를 더 포함하되, 제1 삼방 밸브는 제1 응축기와 복합 열 재생기 사이에 설치되고, 제2 삼방 밸브는 복합 열 재생기와 압축기 사이에 설치되어 히트펌프 시스템이 에어컨으로서 작동시, 상기 제1 응축기로부터 배출되는 작동 유체는 상기 제1 삼방 밸브에 의해 상기 제2 응축기로의 유동이 차단됨과 동시에 상기 제3 응축기로 유동하여, 이후 상기 제2 팽창 밸브 및 상기 제2 증발기를 통하여 유동한 후, 상기 제2 삼방 밸브를 거쳐 상기 압축기에 공급되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
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7. 제1 항에 있어서, 상기 복합 열 재생기는 상기 전열 매체를 가열하기 위한 별도의 보조 가열 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
8. 제7 항에 있어서, 상기 보조 가열 수단은 상기 재생기 하우징을 관통 연장하며 내부에 섭씨 80 도의 온수가 흐르는 온수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
9. 제8 항에 있어서, 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기는 상기 유체 속에서 평행하게 연장하는 나선형 관의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
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11. 제1 항, 제7 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 팽창 밸브는 상기 재생기 하우징 내의 상기 전열 매체 내에 잠겨있는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
12. 제1 항, 제7 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 매체는 물과 부동액을 포함하는 유체인 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
13. 제1 항에 있어서, 상기 복합 열 재생기는 제1 하우징, 제2 하우징, 그리고 연결관을 포함하며, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 내에는 각각 전열 유체가 수납되고, 상기 제1 증발기는 상기 제1 하우징 내의 상기 전열 유체 내에 잠겨 있고, 상기 제2 응축기는 상기 제2 하우징 내의 상기 전열 유체 내에 잠겨 있으며, 상기 연결관은 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 연결시키며, 상기 전열 유체는 상기 연결관을 통하여 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 사이를 유동하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
14. 제13 항에 있어서, 상기 복합 열 재생기는 상기 전열 유체를 순환시키기 위한 순환 모터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
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16. 제1 항에 있어서, 상기 압축기는 모터 회전축과 송풍기 회전축을 추가로 포함하며, 상기 모터 회전축과 상기 송풍기 회전축은 동심을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
17. 제16 항에 있어서, 상기 송풍기는 상기 송풍기 회전축과, 상기 송풍기 회전축을 중심으로 회전하는 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
18. 제16 항에 있어서, 상기 모터 회전축과 상기 송풍기 회전축은 상기 압축기 하우징의 내벽에 고정된 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
19. 제16 항에 있어서, 상기 모터는 회전자와 고정자를 포함하며, 상기 작동 유 체는 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 간극을 통해 유동하면서 상기 모터로부터 열을 흡수함과 동시에 상기 간극을 윤활시키는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
20. 삭제

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