KR101110694B1 - 히트펌프를 이용한 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용하여 냉온수를 만들어서 양어장의 수온조절이나 비닐하우스에 냉난방을 하기 위한 장치에 관한 것으로 혹한기에 급격히 떨어지는 히트펌프의 효율을 외기온도와 가장 상대적인 관계를 가지는 냉매계통 중에서 증발압력을 정상압력으로 올리기 위하여 본 발명으로 특수고안된 구조의 보조열원과 그외의 보조열원인 태양열 지열 등과 같이 사용할 수 있게 하며 고효율 에너지를 생성할 수 있게 특수고안된 열교환기와 그 보조장치에 관한 것이다.

본 발명의 히트펌프식 냉온수기에 있어서 가장 핵심적인 본 발명에서 에너지절감을 위해서 복합기능을 가지는 열교환기를 이용하여 청정 에너지인 태양열과 지열 그리고 날씨가 흐린 날과 영하의 혹한기에도 냉매 사이클 중에서 저압을 정상으로 유지시켜서 효율을 증대시키기고 효율의 일관성을 유지하기 위해 보조열원이 내장되어있는 열교환기를 시작으로 압축기와 냉온수를 결정하는 사방밸브를 비롯하여 팽창밸브와 응축기겸용 증발기를 구성하고 열교환기들을 필요에 따라 선택할 수 있게 하는 전동밸브도 있으며 전체 시스템을 효율적으로 장치를 제어하는 중앙제어부분과 기타 부품으로 고효율의 냉온수기를 구성하고 있다.

사방밸브.전동밸브.증발압력.성적계수.온풍난방기.마이컴 제어기.발열체.

Description

히트펌프를 이용한 냉난방 장치{a heat pump to produce a high efficiency energy by adjusting the inspination pressure in the severe cold}

본 발명은 히트펌프를 이용하여 냉온수기를 만드는 장치에 관한 것으로 혹한기에 급격히 떨어지는 증발압력으로 인하여 효율이 급감하는 현상을 보안 하기 위해서 발명 고안된 복합형 열교환기에 특수하게 장치되어 있는 보조열원이 있어서 영하의 날씨와 흐린 날에 태양열 및 지열을 이용하지 못해도 증발압력을 유지시켜서 뜨거운 난방 수를 적은 동력으로 만들기 때문에 최소의 전력소비량으로 최대의 효율을 가지게 하는 히트펌프식 냉온수기와 복합형 열교환기에 대한 것이다.

고 유가시대에 비닐하우스나 온실 양어장 축사 등 농축산업용 생산시설에 있어서 고가의 시설비가 투자되어야하는 냉 난방시설은 현재로서는 겨울철 저온에서 또는 태양열을 이용할 때 흐린 날에는 히트펌프의 성적계수가 현저하게 감소하여 투자한 만큼의 경제성을 상쇄할 수가 없기 때문에 시설비가 저렴한 온풍난방기를 주요수단으로 사용되며 국내 온실 난방면적의 95%이상을 차지하는 게 현실인데 유가의 폭등으로 이마저 생산단가를 맞추지못해서 매우 어려운 실정이다.

각 분야에서 난방의 목적은 겨울철에 농작물 재배단지에서는 작물의 동해를 방지하고 생산성을 높이기 위하여 실내온도를 적정치 이상으로 유지해야하며 온실바닥도 작물생육에 큰 영향을 미치므로 바닥난방을 하는 곳도 많이 있다.

축사에서도 마찬가지로 동물들의 동사를 방지하고 원활한 먹이활동으로 건강하게 키울 수 있는 환경 조건을 유지하기 위해서는 냉 난방이 필수적으로 필요하다

온풍기의 경우 사용연료에 따라 등유 중유 가스 화목 보일러 전기온풍기 등으로 분리되는데 화석연료를 연소열로 변환시켜 난방으로 사용하는데 이때에도 버려지는 열이 많은데 폐열회수가 쉽지는 않아 많은 연구와 개발이 이루어지고 있으나 최소 15%정도는 버려지고 있는 실정이다.

또한 고유가 시대에 접어든 세계의 경제는 우리나라의 농 축산농가들을 더욱더 힘들게 하였고 일정한 온도와 환경을 유지하기 위해서는 계속해서 유류가 소모되어야하는 실정이라 유류 소모량이 많으므로 그 또한 경제적인 부담이 커서 농사를 포기하는 경우까지 발생하는 것이 현실이다.

급변하는 지구 생태계의 변화로 이상기온의 발생 빈도가 현저하게 증가하면서 냉난방기를 이용한 환경설정이 필수적으로 요구되고 있으나 겨울철 혹한기에는 우리나라 특성상 일조량이 적어 태양열 한가지 만으로는 난방열량이 현저하게 부족하여 태양열을 설치했던 농가들은 제대로 사용해 보지도 빛 만지게 되면서 경제적으로 손실만 초래했다.

또한 이러한 문제들을 해결하려고 많은 기업에서 히트펌프를 이용한 냉난방기를 개발하고 있으나 혹한기에 현저하게 떨어지는 효율이 문제가 되어 현재까지 제데로 작동되는 히트펌프를 출시하지 못하고 방열기 부분에 직접 발열체를 장착하여 방열을 실행하여 겉으로는 정상으로 작동되는 것 같이 보이지만 전기 소비량이 많아 생산비에도 못 미치는 결과에 경제적 부담을 많이 받고 있는 것이다.

그리하여 요즘에는 유류가격이 비싸므로 그나마 농사용으로 보급되는 전기는 일반 전기보다 적은 비용으로 사용할 수가 있기 때문에 전기를 이용한 전기 온풍기가 조금은 팔리고 있으나 전기 온풍기도 효율에 못 미치는 제품이 많고 에너지 제1법칙을 벗어날 수는 없기 때문에 소비자들은 애로 사항이 많은 실정이다.

본 발명은 위에 상술한 바와 같이 문제점을 해결하기 위하여 히트펌프에 순환 되고 있는 열교환매체를 본 발명인이 발명 고안한 복합형 열교환기는 태양열이나 지열을 이용한 보조열원과 혹한기에 증발압력을 제어할 수 있는 복합형 열교환기 내부에 부착되어있는 보조 장치의 열원을 비례제어로 상계시킴으로써 증발압력을 일정하게 유지시키고 효율을 극대화시켜서 적은 비용으로 뜨거운 물을 생성하여 적은 동력으로 최상의 효과를 달성하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트펌프와, 냉난방 부하와 연결되어 있는 냉난방부와 열 매체를 순환시키는 펌프와 순환 관를 포함하는 냉난방 방열부를 포함하는 냉난방 장치에 있어서, 상기 히트펌프는 제1 열교환기와, 제1 열교환기를 통과한 냉매를 통해서 축열되고 상기 냉난방부와 연결된 축열조와, 고온 고압의 냉매 가스를 생성하는 압축기와, 상기 압축기 내부 온도를 감지하기 위한 감지기와, 대기 중에 열을 흡수 또는 방출하는 제2 열교환기와, 내부에 혹한기에 보조열원으로 쓸 수 있도록 외부 전원에 연결된 보조발열체가 구비된 제3 열교환기와, 상기 제3 열교환기에 연결되어 증발 압력을 고르게 유지하여 고효율을 얻기 위한 방법으로 제3열교환기에 연결되어 있고 흡입압력 감지에 의해서 증발압력을 비례제어 할 수 있는 전자팽창밸브와, 상기 전자팽창밸브를 통해서 증발 압력을 비례제어하는 중앙제어기와, 상기 제2 열교환기에서 설치되는 팽창밸브를 통하고 냉매를 정역 방향으로 순환 시키면서 하나의 사이클을 이루는 사방밸브를 포함하고, 상기 제1열교환기에서 온수 또는 냉수를 만들기 위해 열 교환이 이루어질 때 폐열을 회수하기 위한 보조 열 교환기를 구비하고, 상기 제3열교환기에 장치되어있는 보조발열체에 열원을 공급하기 위한 보조열원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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상기 보조 열원 공급수단은 제3 열교환기의 보조발열체와 연결되어 열 매체가 순환하면서 태양열을 흡수하는 집열판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 보조 열원 공급수단은 상기 축열조와 연결되어 태양열이 풍부할 때는 축열조에 직접 열 매체를 이송하여 축열을 시킬 수 있는 연결부와, 펌프와, 삼 방 밸브와, 이를 원활하게 제어하기 위해 장치한 감지기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보조 열원 공급수단은 상기 제3열교환기의 보조발열체와 연결된 순환 관이 지하수 또는 지중에 매설되어 있는 공기 공급 관과 연결되어 순환하여 보조열원을 공급하는 것을 특징으로 한다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명의 취지는 히트펌프의 성적계수가 혹한기와 흐린 날씨가 계속되는 겨울철에 냉매 사이클 중 일부인 흡열부에서 증발압력이 영하의 추운 날씨로 인하여 낮아지므로 히트펌프의 성적계수가 떨어지는 것을 보안 하려면 일정한 증발압력을 유지시켜주어야 하는데 본 발명인이 고안한 특수 고안된 복합 열교환기(3)를 이용하여 태양열 및 지열을 손쉽게 이용하여 성적계수를 낮아지게 하는 증발압력의 저하를 막고 일정한 증발압력을 유지시킴으로써 고효율의 에너지를 적은 동력으로 만들 수 있는 것이다.

지금부터는 이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시의 예에 따른 히트펌프를 이용한 냉온수기와 축열조 그리고 휀 코일로 방열부를 구성하는 냉 난방 장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 히트펌프구성과 보조열원으로 사용되는 태양열과 지열 그리고 복합 열교환기의 구성 및 방열부를 나타내는 축열조와 휀 코일 또한 중앙제어부분을 도시한 것이며, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시의 예에 따른 히트펌프식 냉온수기 및 방열부와 냉난방 장치를 나타내는 구성도이고, 도 5는 본 발명의 실시의 예에 따른 냉온수기의 요부 즉 본 발명에서 대표적인 특징을 가진 복합 열교환기를 발췌한 분리 사시도 이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시의 예에 따른 냉온수기의 냉난방 장치는 크게 히트펌프(200)와 냉난방 방열부(88) 또한 보조열원 공급수단(100)을 구성 요소로 가지고 있다.

다시 도 1에서 실시의 예를 들어 설명을 시작하면 고온 고압의 냉매가스를 생성하는 압축기(20)를 시작으로 곧 이어 냉방을 할 것인가 난방을 할 것인가를 결정하는 사방밸브(73)와 연결되어 마이컴을 이용한 중앙 제어기(110)의 조작에 의하여 난방이 결정되면 고온 고압의 냉매 가스는 곧바로 보조 열교환기(66)로 통과하는데 이 보조 열교환기(66)의 기능은 제1열교환기(11)를 통과한 열 매체가 축열조(7)에 축열 되기 전에 한번 더 고온 부를 통과시킴으로써 높은 고온의 온수를 얻을 수 있는 보조장치이다.

다음으로 고온 고압의 냉매 가스는 열교환기(11)를 지나면서 축열용 열매 펌프(74) 에 의해 순환하는 열매는 고온을 얻고 축열조(7)에 저장되며 고온고압의 냉매는 응축되어 액으로 변화되면서 다음 팽창밸브(35)를 지나 팽창되면서 제2열교환 기(60)에서 대기 열을 흡수 또는 방열이 이루어지게 순환 시키면서 하나의 사이클을 형성하는 것이며 이 과정에서 대기의 공기 열을 흡수하는데 특히 중요한 것은 외기온도 및 환경조건에 따른 아주 큰 변화가 있다.

이 변화가 현재 히트펌프가 혹한기에 증발 압력이 낮아져서 성적계수가 떨어지는 현상을 가지고 오는 것이므로 기후가 온화한 지역에서는 증발 압력이 안정되게 유지되어 고효율의 에너지를 확보할 수 있는 히트펌프장치도 사계절이 뚜렷한 우리나라 같은 지역에서는 혹한기에는 효율이 나오지 않아 우리보다 많이 앞선 기술을 보유하고 있는 선진국에서 개발된 히트펌프를 이용한 냉온수기도 기온이 온화한 유럽 지역에서는 호환성이 좋아서 많은 인기를 얻고 있으나 우리나라 같이 영하의 날씨가 지속 되는 시기가 있는 지역에서는 무용지물이 되는 것이다.

이에 본 발명인은 제2열교환기(60)가 대기 열을 흡수하는 과정 중에 낮은 외기온도로 발생 되는 증발압력 감소로 성적계수가 현저하게 떨어지는 현상을 보상해주기 위하여 제3 열교환기(3) 내부에 보조열원을 가지게 하고 제3 열교환기(3) 앞에 위치한 전자 팽창밸브(35)를 장착하여 제2 열교환기(60)에서 증발하지 못하여 증발압력이 낮아진 만큼만 제3열교환기(3)에 흡입압력을 감지하는 감지기(101)에서 발생하는 전류를 감지하여 중앙제어기(110)에서 비례제어되어 전자팽창밸브(34)에 전달하여 낮아진 증발압력만 보상되게 냉매량을 제어하면 다음으로 제3 열교환기에 내장되어있는 보조 열원(2)은 전자팽창밸브(35)에서 보내온 냉매를 증발시킬 수 있는 열량만 보상해주어서 증발 압력을 유지시키는 것이다.

위에서 증발한 냉매는 다시 압축기(20)로 회수되어 고온고압의 냉매 가스로 반복되는 기능을 수행하여 뜨거운 온수를 혹한기에도 변함없이 생산하는 것이다.

본 발명인은 도 2에서 도시한 바와 같이 실시의 예를 들어 더욱더 에너지를 절감하기 위하여 실시한 것으로 태양열(55)을 보조 열원으로 이용하여 온수를 만드는 과정 중에 에너지 절감을 위한 방법으로 제3 열교환기(3)에 보조열원으로 장치되어 있는 발열체를 사용하지 않고 혹한기에 태양열(55)을 이용하여 제3열교환기 (3)에 태양열(55)로 데워진 열매를 이용하여 증발압력을 유지하여 성적계수가 떨어지는 것을 방지하며 효율을 증대하였다.

또 도 3에 도시한 것은 위에서 설명한 대로 압축기(20) 사방밸브(73) 열교환기(66) 제1열교환기(11) 팽창밸브(35) 제2열교환기(60) 이어서 다시 사방밸브(73)액분리기(13) 흡입압력 감지기(101)에 이어 압축기(20)로 사이클이 형성된다.

여기서 또 한가지 본 발명의 특색은 높은 온도의 온수를 생산할 때는 고온 고압의 냉매 가스가 생성되는데 이때 압축기(20)는 고온고압의 냉매가스영향으로 압축 부위가 높은 온도에 도달하는데 압축기(20) 내부에서 순환되고 있는 오일이 높은 온도로 탄화하는 현상이 일어나는데 이 현상은 압축기 내구성은 물론 소손까지 온다

본 발명인은 실시의 예를 들어 설명하면 이런 현실을 방지하기 위하여 압축기(20) 내부의 온도를 감지하는 감지기(21)를 장치하여 중앙 제어기로 보내서 액 냉매가 팽창밸브(22)를 통해서 압축기(20)의 오일을 냉각시키는 장치를 부착하여 높은 온도의 온수를 만들 때 생기는 이상 현상을 방지하기 위한 장치로 압축기(20)의 보호장치를 구성을 특징으로 한다.

그리고 냉난방을 수행하기 위한 열매펌프는 냉매가 순환하는 열교환기(11)와 열교환을 하기 위한 열매펌프(74)와 냉난방을 실행하기 위해 순환하는 순환 관에는 열매펌프(75)가 있다.

또한 본 발명에 실시의 예를 들어 도 4에서 태양열(55)을 대신하여 지열(87)을 이용하고 지열(87)을 이용할 시에는 통상적으로 지하수를 이용할 수도 있고 지하에 매립한 지중 관(9)을 통해 공기를 열교환 시켜서 공기를 사용하여도 가능한 일일 것이다.

위와 같이 냉수 또는 온수를 만든 다음에는 축열조(7)에 저장된 온수 또는 냉수는 냉 난 방부(88)에 열매펌프(75)에 의해서 열매는 축열조(7)를 벗어나 순환 관(69)을 지나고 다시 또 각 분배 관(62)을 지나 휀 코일(5)에 도달하는데 휀 코일(5)의 수는 면적 및 보온과 수용하는 종류에 따라 방열량이 달라질 수 있으므로 설치 수량은 현장의 조건에 따라 정해지며 이로써 냉방 또는 난방의 목적을 달성하는 것이다.

다음은 도 2에서 에너지를 절약하는 방법으로 실시의 예를 들어 태양열(55) 집열판에서 집 열이 많이 되는 날에는 열매 펌프(74) 와 연결된 순환 관에 도시된 삼 방 밸브(91)와 삼 방 밸브(92)는 집열판 내부에 있는 온도감지기(56)와 중앙 제어기에 의해서 히트펌프(200)는 정지되고 태양열(55) 에 의해 집 열 된 태양열(55)을 축열조(7)에 직접 축열 시키는 기능도 있는 것을 특징으로 한다.

도 5는 복합형 열교환기로 도시한 바와 같이 실시의 예를 들자면 열교환기 (127) 내부에는 태양열(55) 및 지열(9)을 사용하지 않아도 된다.

만약 태양열(55)이나 지열(9)을 사용하지 않을 때는 열교환기(127) 내부에는 열매체만 넣어주고 사용하면 보조 발열체(128)에서 발생 되는 열을 모두 회수할 수 있으므로 에너지 절감효과가 있다.

위에서 설명한 바와 같이 대기 열이 낮은 온도로 흡 열량이 충당되지않아 증발 압력이 떨어질 때 혹한기나 흐린 날에는 겨울철에는 따듯한 지하수를 사용하면 공기의 비열보다 4배가 큰 물이 효율이 좋아 고효율을 얻을 수 있는 것이다.

한편도 2 내지도 4에 도시된 실시의 예 중에서 위에서 설명되지않은 구성요소는 도 1에 도시된 실시의 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시의 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시의 예에 따른 혹한기에도 증발압력을 보상하여 고효율을 얻을 수 있는 냉온수용 히트펌프 장치 및 냉난방 장치를 나타내는 구성도이고.

도 2에서 도 4는 태양열을 및 지열 압축기 보호 장치 등과 이를 이용하는 실시의 예에 따른 냉온수용 히트펌프 장치 및 냉난방 장치를 나타내었고.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 냉온수용 히트펌프 장치의 요부를 발췌한 분리 사시도 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200. 히트펌프 100.보조열원공급수단.

11. 제1열교환기 20. 압축기.

60. 제2열교환기. 3. 제3열교환기.(복합형 열교환기)

88. 냉 난 방부. 5. 휀 코일

55. 태양열 집열판 110. 중앙 마이컴 제어기

7. 축열조. 9. 지중 관

73. 사방밸브. 66. 보조 열교환기
110: 중앙 제어기 2: 보조 발열체

Claims (8)

1. 히트펌프와, 냉난방 부하와 연결되어 있는 냉난방부와 열 매체를 순환시키는 펌프와 순환 관를 포함하는 냉난방 방열부를 포함하는 냉난방 장치에 있어서,

   상기 히트펌프는,

   제1 열교환기와, 제1 열교환기를 통과한 냉매를 통해서 축열되고 상기 냉난방부와 연결된 축열조와, 고온 고압의 냉매 가스를 생성하는 압축기와, 상기 압축기 내부 온도를 감지하기 위한 감지기와, 대기 중에 열을 흡수 또는 방출하는 제2 열교환기와, 내부에 혹한기에 보조열원으로 쓸 수 있도록 외부 전원에 연결된 보조발열체가 구비된 제3 열교환기와, 상기 제3 열교환기에 연결되어 증발 압력을 고르게 유지하여 고효율을 얻기 위한 방법으로 제3열교환기에 연결되어 있고 흡입압력 감지에 의해서 증발압력을 비례제어 할 수 있는 전자팽창밸브와, 상기 전자팽창밸브를 통해서 증발 압력을 비례제어하는 중앙 제어기와, 상기 제2 열교환기에서 설치되는 팽창밸브를 통하고 냉매를 정역 방향으로 순환 시키면서 하나의 사이클을 이루는 사방밸브를 포함하고,

   상기 제1열교환기에서 온수 또는 냉수를 만들기 위해 열 교환이 이루어질 때 폐열을 회수하기 위한 보조 열 교환기를 구비하고,

   상기 제3열교환기에 장치되어있는 보조발열체에 열원을 공급하기 위한 보조열원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보조 열원 공급수단은,

   제3 열교환기의 보조발열체와 연결되어 열 매체가 순환하면서 태양열을 흡수하는 집열판을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 한 냉난방 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 보조 열원 공급수단은

   상기 축열조와 연결되어 태양열이 풍부할 때는 축열조에 직접 열 매체를 이송하여 축열을 시킬 수 있는 연결부와, 펌프와, 삼 방 밸브와, 이를 원활하게 제어하기 위해 장치한 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 한 냉난방 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 보조 열원공급수단은,

   상기 제3열교환기의 보조발열체와 연결된 순환 관이 지하수 또는 지중에 매설되어 있는 공기 공급 관과 연결되어 순환하여 보조열원을 공급하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 한 냉난방 장치.
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