KR101044616B1 - 태양열을 이용한 히트펌프 증발기의 제상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프의 증발기에 수증기가 얼어붙는 성에(FROST) 착상 현상을 방지하기 위한 장치로서, 태양열 집열장치로부터 열매를 공급받아 순환하는 방열기를 히트펌프의 증발기에 근접하도록 설치하고, 증발기의 냉각핀에는 온도감지센서를 설치함으로써 온도감지센서가 일정한 온도 이하가 됨을 감지하면 일정한 시간 간격으로 열매가 방열기를 순환하도록 하는 것이며, 이러한 방열기로부터 발생되는 열이 송풍팬에 의해 증발기의 성에 방지 및 제거 기능을 하도록 함을 특징으로 하는 것이다.

Description

태양열을 이용한 히트펌프 증발기의 제상방법{Defrosting method for heat pump evaporator}

본 발명은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치인 히트펌프(heat pump)에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 신재생에너지원인 태양열을 이용하여 외기온도 하강시 히트펌프의 증발기에 발생하는 착상현상(수증기가 얼어붙는 현상)을 방지하거나 제거하는 제상(除霜)방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 히트펌프는 압축기·증발기·응축기·팽창밸브 등으로 이루어져 있다. 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있으며, 냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다.

이러한 히트펌프 시스템에서 냉매의 온도를 높이기 위해서 팬으로 공기를 송풍하면서 증발기를 사용하는 경우에는 실외온도가 내려가면서(약 10℃ 미만) 공기 중의 수증기가 증발기 표면에 얼어붙어 성에가 발생하는 문제가 있는데, 증발기에 성에가 착상되면 실외측 공기과 증발기 내부의 냉매 간에 열교환이 원활하게 이루어지지 않아 전체적으로 히트펌프의 성능이 크게 저하되는 문제로 이어지는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에는 도 1에서 볼 수 있듯이 히트펌프를 반대로 구동하여 역 사이클로 냉매가 흐르도록 함으로써 응축기(10a)에서 증발기 작용을 하도록 하고, 증발기(20a)에서는 응축작용이 일어나 열이 발생토록 하여 성에가 제거되도록 하는 방법을 취하고 있는데(도 1에서 13a는 압축기, 14a는 팽창밸브), 이러한 경우에는 히트펌프가 정상적으로 작동하는데 시간이 많이 소요되므로 효율성이 저하되는 문제가 있으며,

실내측 열교환기의 외부가 차가워지므로 난방성능을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

또 정상적인 히트펌프의 작용이 계속되더라도 항상 반복적으로 성에가 발생할 수 있으므로 사용 도중 수시로 역사이클로 작용시켜야 하는 등 매우 비효율적인 열교환이 이루어질 수밖에 없는 것이다.

착상을 방지하기 위한 또 다른 방법으로는 응축기 직전의 고온 과열냉매를 실외기 쪽으로 흘려보내어 성에를 녹이는 핫개스 바이패스 방법과, 증발기에 전기히터를 삽입하여 일정시간 반복적으로 전류를 흘려보내 히터를 가열하여 성에를 제거하는 방법 등이 있으나, 이러한 방법들은 히트펌프의 성능저하를 초래하거나 히터설치와 전력사용에 따르는 비용 증가 등의 문제가 뒤따른다.

상기 문제점을 감안하여 안출한 본 발명은 히트펌프의 증발기에서 성에가 발생하는 것을 원천적으로 차단하고 발생시에도 신속하게 해결하도록 함으로써 증발기의 성에 발생 및 착상으로 인한 효율성의 저하를 효율적으로 방지하면서 히트펌프를 원활하게 구동할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양열 집열장치로부터 열매를 공급받아 순환하는 방열기를 히트펌프의 증발기에 근접하도록 설치하고, 증발기의 냉각핀에는 온도감지센서를 설치함으로써 온도감지센서가 일정한 온도 이하가 됨을 감지하면 일정한 시간 간격으로 열매가 방열기를 순환하도록 하는 것이며, 이러한 방열기로부터 발생되는 열이 송풍팬에 의해 증발기의 성에 방지 및 제거 기능을 하도록 함을 특징으로 하는 것이다.

이러한 본 발명에 의하면, 성에의 발생으로 인해 증발기의 작용이 정상적으로 이루어지지 않고 그에 따라 히트펌프의 효율이 저하되는 문제를 해결할 수 있게 되며, 특히 간단한 구성과 작용으로 성에를 효과적으로 제거할 수 있게 되므로 증발기 등 히트펌프의 각 장치들 수명도 오래 유지하고 에너지의 낭비 없이 성능계수(COP)를 향상시키는 등 원활하고 효율적인 히트펌프의 작용을 기대할 수 있게 되는 등 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

도 1은 종래 일반적인 히트펌프의 구성도
도 2는 본 발명에 의한 장치가 구성된 히트펌프의 구성도

이하 본 발명의 제상방법을 구현하기 위한 바람직한 구성실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명이 적용되는 히트펌프(1)는 도 1과 도 2에서 볼 수 있듯이 각각 송풍수단(11)(12)을 갖는 응축기(10)와 증발기(20)의 사이를 냉매가 순환하고 냉매의 순환라인 일측에는 압축기(13)가 설치되고 반대 측에는 팽창밸브(14)가 설치되는 구성이다.

특히 본 발명은 이러한 증발기(20)와 송풍팬(12)의 사이에 방열기(30)를 설치한 다음, 태양열 집열장치(2)에 의해 가열된 열매가 순환하도록 연결한다.

즉 태양열 집열장치(2)는 집열기(40)에 의해 가열된 열매가 축열탱크(50)와 순환펌프(41)를 통하여 다시 집열기(40)로 순환되도록 열매순환라인(42)이 구성되는데, 상기 집열기(40)와 축열탱크(50)의 사이의 열매순환라인(42)에 3방향밸브(43)를 구성하여 공급라인(31)을 분기하고 이러한 공급라인(31)을 방열기(30)로 연결하여 열매가 방열기(30)로 공급되도록 하며, 방열기(30)의 공급라인(31) 반대 측에는 회수라인(32)을 연결하여 축열탱크(50)와 순환펌프(41) 사이의 열매순환라인(42)에 연결토록 하였다.

그리고 증발기(20)의 표면에 온도감지센서(33)를 설치하고, 이러한 온도감지센서(33)의 신호를 받아 3방향밸브(43)의 개방방향을 변경하여 공급라인(31)으로 열매가 공급되도록 하는 제어부(34)를 구성하는데, 제어부(34)는 3방향밸브(43)를 공급라인(31) 방향으로 개방되게 작동시키는 시간간격과 반복시간, 개방 작동이 이루어지는 온도범위 등을 설정하는 기능을 갖는다.

이러한 구성으로 된 본 발명의 제어방법과 작용에 대하여 살펴본다.

통상적인 히트펌프(1)의 작용으로서, 압축기(13)에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기(10)로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하며, 팽창밸브(14)를 통과하면서 온도와 압력이 저하된 냉매는 증발기(20)를 통하여 찬바람을 불어내면서 기화되도록 하는 작용을 반복한다.

그리고 태양열 집열장치(2)는 집열기(40)에 의해 열매가 가열된 상태로 축열탱크(50)로 유입되어 온수를 가열하는 작용을 한 다음 순환펌프(41)를 통하여 다시 집열기(40)를 순환하는 작용을 연속한다.

상기와 같은 히트펌프(1)의 작용을 하는 중에 증발기(20)의 온도가 일정온도 이상으로 저하되면 증발기(20) 표면의 응축수가 얼어붙는 성에 착상 현상이 생기는데, 증발기(20)의 냉각핀 부분에 설치되어 온도를 제어부(34)로 보내는 온도감지기(33)가 설정된 이하의 낮은 온도(예를 들어 7℃이하)를 감지하여 신호를 보내면, 제어부(34)가 상기 설정된 온도 이하의 온도가 설정된 시간 이상 유지됨을 판단하고, 이에 따라 3방향밸브(43)를 작동시켜 열매순환라인(42)으로 순환시키던 열매를 공급라인(31)으로 보내게 된다.

이러한 열매는 증발기(20)에 근접하여 설치된 방열기(30)를 가열하게 되고, 송풍팬(12)의 작용으로 방열기(30)에 의해 가열된 공기가 증발기(20)에 분사되는 것이다.

따라서 증발기(20)에 성에가 발생하는 것을 미연에 방지할 수도 있고, 이미 착상된 성에도 신속하게 제거할 수 있게 되는 것이다.

상기 방열기(30)를 통과한 열매는 다시 회수라인(32)을 통해 다시 집열기(40)로 순환되어 재가열되는 작용을 반복하게 된다.

이와 같은 제어부(34)에 의해 3방향밸브(43)가 작동하는 것은 제어부(34)에 의해 온도범위나 작동유지 시간 및 반복 시간 등의 설정에 의해 이루어지는 것이며, 상기와 같이 열매를 공급라인(31)으로 보내는 작용이 완료되면, 3방향밸브(43)가 처음의 상태로 원복하여 다시 열매는 열매순환라인(42)을 통해 태양열 집열장치(2)를 순환한다.

1: 히트펌프
2: 태양열 집열장치
10: 응축기
11, 12: 송풍수단
13: 압축기
14: 팽창밸브
20: 증발기
30: 방열기
31: 공급라인
32: 회수라인
33: 온도감지센서
34: 제어부
40: 집열기
41: 순환펌프
42: 열매순환라인
43: 3방향밸브
50: 축열탱크

Claims (1)

1. 송풍수단(11)(12)을 갖는 응축기(10)와 증발기(20)의 사이를 냉매가 순환하고 냉매의 순환라인 일측에는 압축기(13)가 설치되고 반대 측에는 팽창밸브(14)가 설치되는 히트펌프(1)가 구성되어, 압축기(13)에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기(10)로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하며, 팽창밸브(14)를 통과하면서 온도와 압력이 저하된 냉매는 증발기(20)를 통하여 찬바람을 불어내면서 기화되도록 하는 작용을 반복하는 히트펌프 시스템에 있어서,
   집열기(40)에 의해 가열된 열매가 축열탱크(50)와 순환펌프(41)를 통하여 다시 집열기(40)로 순환되도록 열매순환라인(42)이 구성되는 공지된 태양열 집열장치(2)를 구성한 다음, 상기 증발기(20)와 송풍팬(12)의 사이에 방열기(30)를 설치하여 태양열 집열장치(2)에 의해 가열된 열매가 순환하도록 연결하되, 집열기(40)와 축열탱크(50)의 사이의 열매순환라인(42)에 3방향밸브(43)를 구성하여 열매가 방열기(30)로 공급되도록 공급라인(31)을 분기하고,
   방열기(30)의 공급라인(31) 반대 측에는 회수라인(32)을 연결하여 축열탱크(50)와 순환펌프(41) 사이의 열매순환라인(42)에 연결토록 하며,
   증발기(20)의 표면에 온도감지센서(33)를 설치하고, 상기 온도감지센서(33)의 신호를 받아 설정된 온도 이하의 온도에서 설정한 시간 이상으로 작동하면 3방향밸브(43)의 개방방향을 변경하여 공급라인(31)으로 열매가 공급되도록 제어부(34)가 콘트롤하도록 하며,
   제어부(34)는 3방향밸브(43)를 공급라인(31) 방향으로 개방되게 작동시키는 시간간격과 반복시간, 개방 작동이 이루어지는 온도범위를 설정하는 기능을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 히트펌프 증발기의 제상방법.

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