KR101139341B1 - Heat pump apparatus - Google Patents

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KR101139341B1
KR101139341B1 KR1020090095751A KR20090095751A KR101139341B1 KR 101139341 B1 KR101139341 B1 KR 101139341B1 KR 1020090095751 A KR1020090095751 A KR 1020090095751A KR 20090095751 A KR20090095751 A KR 20090095751A KR 101139341 B1 KR101139341 B1 KR 101139341B1
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Abstract

본 발명은 저온측과 고온측의 압축기 용량을 1 : 1로 구성하여 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에는 저온측 압축기를 100%로 높게 가동하면 고온수 생산이 가능해지고, 봄, 가을철 영상 10℃의 환절기에는 저온측 압축기를 낮게 50% 이하로 가동하면 저온냉매의 증발온도가 낮아져 압축기에 과부하가 걸리지 않으며, 특히 난방, 냉방, 제상 및 냉난방 동시운전이 순간적으로 빈번하게 전환되더라도 저온측의 냉매 흐름 변위량을 최소화하여 압축기가 안정적으로 가동되도록 함으로써, 원하는 열량의 생산이 가능한 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치에 관한 것이다.According to the present invention, the low-temperature and high-temperature compressors have a capacity of 1: 1. When the low-temperature compressor is operated at 100% high in the cold season below -15 ° C in winter, high temperature water production is possible, When the low temperature side compressor is operated at 50% or less in the transition season, the evaporation temperature of the low temperature refrigerant is lowered so that the compressor is not overloaded. In particular, even if the simultaneous operation of heating, cooling, defrosting and heating is switched frequently, the refrigerant flow displacement on the low temperature side By minimizing the compressor to operate stably, the present invention relates to a heat pump apparatus using a binary refrigeration cycle capable of producing a desired amount of heat.

이를 위하여 본 발명은 저온냉매의 응축과 고온냉매의 증발이 하나의 케스케이드 열교환기에서 이뤄지도록 하되, 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에 70℃ 내외의 고온수 생산이 가능하도록 저온측의 저온 압축기와 고온측의 고온 압축기 용량을 1 : 1의 비율로 구성하여 상기 케스케이드 열교환기에서 응축되는 저온측 저온냉매의 열량을 높이고, 환절기 기온이 영상 10℃ 내외로 변하면 저온측의 저온 압축기 용량을 가변제어하여 저온측의 외부에 설치된 공기 열교환기에서 증발되는 저온냉매의 비등점을 낮춰 저온 압축기의 과압축이 방지되도록 한 특징이 있다.To this end, the present invention allows the condensation of the low temperature refrigerant and the evaporation of the high temperature refrigerant to be performed in one cascade heat exchanger, but the low temperature compressor and the high temperature of the low temperature compressor to enable the production of high temperature water of about 70 ° C in the cold below -15 ° C in winter. The high temperature compressor capacity on the side is set at a ratio of 1: 1 to increase the amount of heat of the low temperature refrigerant at the low temperature side condensed in the cascade heat exchanger. Lowering the boiling point of the low temperature refrigerant evaporated in the air heat exchanger installed on the outside of the side is characterized in that the overcompression of the low temperature compressor is prevented.

저온 압축기, 고온 압축기, 인버터, 축열조, 축냉조 Low temperature compressor, high temperature compressor, inverter, heat storage tank, storage cooling tank

Description

이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치{Heat pump apparatus}Heat pump apparatus using binary refrigeration cycle

본 발명은 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온측과 고온측의 압축기 용량을 1 : 1로 동일하게 구성한 뒤 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에는 저온측 압축기 용량을 100% 가동하여 고온측에 전달하면 고온측 압축기가 혹한기에도 효율저하 없이 일정한 열량을 생산하게 되므로 난방 및 급탕이 원활히 이뤄지고 또한 봄, 가을철 영상 10℃의 환절기에는 저온측 압축기를 50% 이하로 낮게 가동하여 증발열량을 저감시켜 압축기의 과부하 문제를 해결하였으며, 냉방, 난방, 제상 및 냉난방 동시 운전이 순간적으로 전환되더라도 냉매의 변위량을 최대한 줄여 냉매 순환량이 일정하게 유지되도록 함으로써, 냉매의 부족이나 정체로 인한 사이클의 불안정이 해소되도록 한 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pump apparatus using a two-way refrigeration cycle, and more specifically, the compressor capacity on the low temperature side and the high temperature side is configured to be equal to 1: 1, and in the cold season below -15 ° C in winter, the compressor capacity is 100 If the high-temperature compressor delivers a certain amount of heat without degrading efficiency even in cold weather, heating and hot water supply is smoothly performed, and the low-temperature compressor is operated at less than 50% during the spring and fall season at 10 ℃. Overload problem of the compressor has been solved by reducing the amount of evaporation heat, and even if the simultaneous operation of cooling, heating, defrosting and heating / heating is minimized, the refrigerant displacement is kept to a minimum by reducing the displacement of refrigerant. Of heat pump apparatus using two-way refrigeration cycle to eliminate instability The.

일반적으로 이원냉동사이클은 -52℃ 이하에서 비등하는 저온 냉매를 사용하는 저온측과 비교적 -11℃ 이상에서 원활히 비등하는 고온 냉매를 사용하는 고온측으로 구분되며 이들 고온측 냉매의 증발과 저온측 냉매의 응축이 하나의 케스케이드 열교환기에서 일어나도록 하면 겨울철 외기온도가 낮더라도 고온측의 냉매 토출 가스 온도를 100℃ 이상 일정하게 고온으로 유지시킬 수 있으므로 온수생산에 효과적이다.In general, the binary refrigeration cycle is divided into a low temperature side using a low temperature refrigerant boiling below -52 ° C and a high temperature side using a high temperature refrigerant boiling above -11 ° C. If condensation takes place in one cascade heat exchanger, even if the outside air temperature is low in winter, the refrigerant discharge gas temperature at the high temperature side can be maintained at a constant high temperature over 100 ° C, which is effective for producing hot water.

종래 특허 제639104호는 이러한 저온측과 고온측을 이원으로 구성하여 냉난방 및 급탕용으로 활용한 히트펌프이다.Conventional Patent No. 639104 is a heat pump utilized for cooling and heating and hot water by configuring the low temperature side and the high temperature side in binary.

그러나 종래 히트펌프는 저온측과 고온측의 압축기 용량을 달리 구성하여 0.7 : 1의 비율로 고정된 방식이었다. 따라서 저온측의 압축기 용량이 작을 경우 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에는 상기 케스케이드 열교환기에서 증발효율 감소로 고온측 온수생산 효율이 35% 이상 차질이 발생되어 왔다. 예컨데 5RT급 히트 펌프의 경우 12,500Kcal를 생산 하다가 외기 온도가 -15℃ 이하가 되면 7800 ~ 8000Kcal 까지 저감되어 난방에 많은 애로와 COP효율 저감으로 이어져왔다.However, the conventional heat pump was fixed at a ratio of 0.7: 1 by differently configuring the compressor capacity of the low temperature side and the high temperature side. Therefore, when the capacity of the compressor on the low temperature side is small, in the cold season below -15 ° C. in winter, the hot water production efficiency of the high temperature side has been reduced by more than 35% due to the reduced evaporation efficiency in the cascade heat exchanger. For example, a 5RT-class heat pump produces 12,500 Kcal, but when the outside temperature falls below -15 ℃, it has been reduced to 7800 ~ 8000 Kcal, leading to many difficulties in heating and reducing COP efficiency.

반대로 저온측과 고온측의 압축기 용량을 효율저감 대처 방안으로 동일하게 구성할 경우 환절기 영상으로 기온이 오르면 저온측 저온냉매의 높은 팽창온도에 의한 과대한 응축부하 및 압력으로 인해 압축기에 과부하가 걸려 파손될 우려가 있는 등의 기술적인 단점이 있기 때문에 저온측의 압축기 구성비를 고온측 보다 작게 해오고 있었다.On the contrary, if the capacity of the compressor on the low temperature side and the high temperature side is configured in the same way as a countermeasure for efficiency reduction, if the temperature rises in the transitional season image, the compressor may be overloaded due to excessive condensation load and pressure caused by the high expansion temperature of the low temperature side refrigerant. There is a technical disadvantage such as there is a concern that the compressor configuration ratio on the low temperature side has been made smaller than the high temperature side.

종래 특허 제859311호는 저온측과 고온측을 이원으로 구성하여 냉난방 및 급탕용으로 활용한 히트펌프이다. 종래의 히트펌프장치는 냉온수 동시 생산모드에서 고온측 응축기는 온수탱크의 물과 열교환되어 온수를 생산한다. 그리고 고온측 응축기를 통과한 냉매가 보조열교환기를 거치도록 하여 팽창온도를 낮춘 것이다.Conventional Patent No. 859311 is a heat pump utilized for cooling and heating and hot water by configuring the low temperature side and the high temperature side in binary. In the conventional heat pump apparatus, the hot condenser in the simultaneous production mode of hot and cold water exchanges heat with water in a hot water tank to produce hot water. In addition, the refrigerant passing through the high-temperature side condenser passes through the auxiliary heat exchanger, thereby lowering the expansion temperature.

그러나 저온측의 냉매는 저온측 증발기에서 냉수탱크의 물과 열교환되어 냉 수를 생산한 뒤 저온측 증발/응축기(외부 공기열교환기 : 냉방 또는 제상모드에서 응축기 역할)를 거치지 않고 바로 저온 압축기로 회수되기 때문에 냉매의 부족으로 저온측 사이클이 불안정해져 효율이 떨어지는 단점이 있었다.However, the refrigerant on the low temperature side is exchanged with the water in the cold water tank in the low temperature side evaporator to produce cold water and then recovered directly to the low temperature compressor without going through the low temperature side evaporation / condenser (external air heat exchanger: role of condenser in cooling or defrost mode). As a result, the low temperature cycle becomes unstable due to lack of refrigerant, which leads to a decrease in efficiency.

종래의 외부 공기열교환기는 냉방이나 제상모드에서 응축기의 역할을 하기 때문에 냉난방 동시모드에서는 사용하지 않아도 냉동사이클이 형성되는데 반하여, 상기 외부 공기열교환기는 저온냉매의 순환 파이프가 배관되어 있으므로 이곳의 냉매가 저온 압축기로 회수되지 않으면 저온측 냉동사이클 전체의 냉매 순환량이 부족하게 되는 것은 당연하므로 사이클이 불안정해져 과압축이나 과열이 발생되고, 심할경우 냉매 순환관의 용접부위 파손으로 이어져 사용이 불가능하게 되는 등의 기술적인 단점이 있었다.The conventional external air heat exchanger acts as a condenser in the cooling or defrosting mode, and thus a refrigeration cycle is formed even when the external air heat exchanger is not used in the simultaneous heating and cooling mode. If it is not recovered by the compressor, it is natural that the refrigerant circulation amount of the entire low-temperature side refrigeration cycle will be insufficient, and thus the cycle becomes unstable, causing overcompression or overheating. There was a technical drawback.

종래 히트펌프는 한대의 장비로 냉방, 난방, 냉난방동시 및 제상운전을 수행하는 만능장비로 인식되었다. 따라서 업계에서는 운전모드가 순간적으로 변화될 때 장비가 대응할 수 있도록 연구에 힘써왔으나, 잘 되지 않고 난해한 기술이어서 냉방 및 난방의 단순한 시장성에 촛점을 맞추는 기술수준이었다.In the related art, a heat pump is recognized as an all-round equipment that performs cooling, heating, heating and cooling operations, and defrosting operation as a single device. Therefore, the industry has been trying to cope with the equipment when the operation mode is changed momentarily, but it was a difficult and difficult technology, so it focused on the simple marketability of cooling and heating.

본 발명은 종래의 문제점들을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 저온측과 고온측의 압축기 용량을 1 : 1로 동일하게 구성한 뒤 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에는 저온측 압축기를 높게 설정하여 100% 가동하면 저온냉매의 증발량이 부족하지 않아 저온측 압축기의 일정한 열량토출로 고온측과의 열교환이 원활히 이 뤄져 고온수 생산에 차질이 발생되지 않으며, 또한 봄, 가을철 영상 10℃ 내외의 환절기에는 저온측 압축기를 낮게 설정하여 50% 이하로 가동하면 저온냉매의 증발온도가 낮아져 압축기에 과부하가 걸리지 않고 압축기 파손 등의 문제점이 해결되는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치를 제공함에 있다.The present invention was developed in view of the conventional problems, and an object of the present invention is to configure the compressor capacity of the low temperature side and the high temperature side in the same ratio of 1: 1, and then set the low temperature side compressor to a high temperature in the cold season below -15 ℃ in winter. If 100% is operated, the evaporation amount of low temperature refrigerant is not short enough, so the heat exchange with the high temperature side is made smoothly by the constant calorie discharge of the low temperature compressor, so that no problem occurs in the production of high temperature water. When the low temperature side compressor is set to be lower than 50%, the evaporating temperature of the low temperature refrigerant is lowered, thereby providing a heat pump apparatus using a binary refrigeration cycle that does not overload the compressor and solves problems such as damage to the compressor.

본 발명의 다른 목적은 겨울철 저온측의 실외에 설치된 공냉식 열교환기를 제상할 필요가 있을때 저온측 압축기를 높게 100%로 가동하여 저온 냉매의 핫가스가 빠르게 순환되도록 하면 제상시간을 기존의 50%정도를 단축시킬 수 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to operate the low-temperature compressor at a high 100% when the air-cooled heat exchanger installed at the low-temperature side of the winter is defrosted, so that the hot gas of the low-temperature refrigerant is rapidly circulated. The present invention provides a heat pump apparatus using a binary refrigeration cycle that can be shortened.

본 발명의 또 다른 목적은 냉방, 난방, 제상 및 냉난방 동시 운전이 순간적으로 전환되더라도 냉매의 변위량을 최대한 줄여 순환량이 일정하게 유지되도록 한 것이며, 특히 냉난방 동시운전시 저온측의 냉매가 외부 공기열교환기를 거쳐 저온 압축기로 순환되도록 함으로써, 저온측의 냉매 부족이나 정체로 인한 사이클의 불안정이 해소되도록한 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to reduce the displacement of the refrigerant as much as possible even if the simultaneous operation of simultaneous cooling, heating, defrosting and heating and cooling to keep the circulation amount constant, especially during the simultaneous heating and cooling operation, the refrigerant on the low temperature side of the external air heat exchanger The present invention provides a heat pump apparatus using a two-way refrigeration cycle that is circulated to a low temperature compressor, thereby eliminating cycle instability due to lack of refrigerant on the low temperature side or congestion.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되고, 상기 저온측 저온냉매의 응축과 상기 고온측 고온냉매의 증발이 하나의 케스케이드 열교환기에서 이뤄지도록 한 이원냉동사이클에 있어서, 겨울철 -15℃ 이하의 혹한기에 70℃ 이상의 고온수 생산이 가능하도록 상기 저온측의 저온 압축기와 고온측의 고온 압축기 용량을 1 : 1의 비율로 구성하여 상기 케스케이드 열교환기에서 응축되는 저온측 저온냉매의 열량을 높이고, 환절기 기온이 영상 10 ℃ 내외로 변하면 상기 저온측의 저온 압축기와 고온측의 고온 압축기 용량을 0.3 : 1의 비율이 되도록 가변제어하여 상기 저온측의 외부에 설치된 공기 열교환기에서 증발되는 저온냉매의 비등점을 낮춰 상기 저온 압축기의 과압축이 방지되도록 한 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a low temperature side refrigeration cycle and a high temperature side refrigeration cycle, and the condensation of the low temperature side low temperature refrigerant and the evaporation of the high temperature side high temperature refrigerant are performed in one cascade heat exchanger. The low temperature side of the low temperature side of the low temperature compressor and the high temperature side of the low temperature compressor and the high temperature side of the high temperature compressor have a ratio of 1: 1 so that the high temperature water can be produced in the cold weather of -15 ° C or lower in the winter. When the temperature of the low-temperature refrigerant is increased and the temperature of the season is changed to around 10 ° C., the air heat exchanger installed outside the low-temperature side is variably controlled so that the capacity of the low-temperature compressor and the high-temperature compressor is 0.3: 1. By lowering the boiling point of the low-temperature refrigerant evaporated at is characterized in that the over-compression of the low-temperature compressor is prevented.

본 발명은 압축된 저온냉매를 난방운전시 상기 케스케이드 열교환기로 냉방운전시 외부의 공기 열교환기로 각각 보내 응축시키는 4방 밸브, 난방운전시 상기 케스케이드 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변1, 냉방운전시 상기 공기 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변2, 냉방운전시 상기 저온 팽창변2에서 팽창된 냉매를 축냉조의 물과 열교환시키는 축냉 열교환기로 구성되고, 냉난방동시 운전시 상기 저온측 냉매가 상기 케스케이드 열교환기에서 응축되고 상기 축냉 열교환기에서 증발된 뒤 상기 공기 열교환기를 거치면서 냉매를 회수하여 상기 저온 압축기로 순환되도록 한 다른 특징이 있다.The present invention provides a four-way valve for sending the compressed low-temperature refrigerant to the cascade heat exchanger during heating operation and condensing it to an external air heat exchanger during cooling operation, and a low-temperature expansion valve 1 for expanding the refrigerant condensed in the cascade heat exchanger during heating operation. It is composed of a low-temperature expansion valve 2 for expanding the refrigerant condensed in the air heat exchanger during operation, a cold storage heat exchanger for exchanging the refrigerant expanded in the low-temperature expansion valve 2 with the water of the cold storage tank during the cooling operation, the low-temperature refrigerant during operation during air conditioning Is condensed in the cascade heat exchanger and evaporated in the cold storage heat exchanger, and then recovers the refrigerant through the air heat exchanger to circulate to the low temperature compressor.

본 발명의 저온측 에서는 1기압 하에서 -52℃로 비교적 낮은 비등점을 갖는 R-410 냉매를 사용하게 되는데, 이는 혹한기 외부 기온이 -15℃ 이하로 내려갈때 저온냉매가 -25℃이하에서 팽창 및 증발이 일어나 외기와의 온도차 10℃의 공기열을 취득하고 저온측 압축기로 흡입되도록 압축기를 100%까지 최대로 가동시키면 15.5Kg/㎠정도의 압력에서 냉매 Kg당 41Kcal의 열량을 케스케이드 열교환기로 보내 응축된 후 팽창 증발 압축의 안정적인 사이클로 순환되며 이 사이클은 고온측 사이클과 연동되게 작동한다.In the low temperature side of the present invention, the R-410 refrigerant having a relatively low boiling point at -52 ° C. under 1 atm is used. This is because the low-temperature refrigerant expands and evaporates below -25 ° C. when the outside temperature of the cold season falls below -15 ° C. When this happens, the air temperature of 10 ℃ and the temperature difference between the outside air is acquired and the compressor is operated up to 100% so as to be sucked into the low temperature side compressor.Then, the amount of heat of 41Kcal per Kg of refrigerant is condensed after passing the pressure up to 15.5Kg / ㎠. It is circulated in a stable cycle of expansion evaporation compression, which works in conjunction with the hot side cycle.

본 발명의 고온측은 고온수를 생산 하는 사이클 이며 1기압하에서 -11.7℃에 서 비등되는 R-600, R-430 또는 R-134 냉매를 사용하는데, 상기 케스케이드 열교환기에서 저온측 냉매열을 흡열한 후 고온측 압축기에서 최대 22Kg/㎠미만으로 압축되어 냉매 Kg당 64Kcal 열량으로 토출되면 고온측 열교환기에서 응축된 후 팽창 증발 압축으로 이어지는 사이클로 순환되며, 이때 응축열을 축열조의 물과 열교환하여 저장하면 대체로 낮은 압력하에서도 영하 -15℃이하에서 70℃이상의 고온수를 COP 2.3이상 경제적인 효율로 저장할 수 있다.The high temperature side of the present invention is a cycle for producing high temperature water and uses a refrigerant R-600, R-430 or R-134 which is boiled at -11.7 ° C. under 1 atm. The cascade heat exchanger absorbs the low temperature side refrigerant heat. After being compressed to less than 22Kg / ㎠ in the high-temperature compressor and discharged at 64Kcal of heat per Kg of refrigerant, it is condensed in the high-temperature side heat exchanger and then circulated in a cycle leading to expansion evaporative compression. Even under low pressure, hot water above 70 ℃ can be stored economically above COP 2.3 above -15 ℃.

또한 본 발명은 외부 기온이 영상 10℃의 환절기에는 난방부하가 감소되므로 이에 맞게 저온측 압축기를 50% 이하로 가동시켜 저온냉매의 토출가스 온도를 낮추고 외기와의 증발온도차를 낮춰 증발압력이 감소되도록 조절함으로써, 압축기의 과부하가 방지된다.In addition, in the present invention, since the heating load is reduced in the transition season of the image temperature of 10 ° C, the low-temperature compressor is operated at 50% or less so that the discharge gas temperature of the low-temperature refrigerant is lowered and the evaporation pressure is reduced by lowering the evaporation temperature difference between the outside air. By adjusting, the overload of the compressor is prevented.

또한 본 발명은 외부 기온이 영상 10℃의 환절기에는 난방부하가 감소되고 냉난방이 동시에 일어나는 경우가 빈번하게 발생된다. 이때 저온측은 냉매량의 부족으로 사이클이 불안정해질 수 있는데, 이를 해소하기 위하여 저온측의 냉매는 냉난방 동시운전시 사용하지 않던 외부 공기열교환기를 거쳐 저온 압축기로 순환되도록 사이클을 구성하면 냉매의 부족현상이 해소되고 냉매의 변위량이 최소화되어 항상 일정한 냉매량으로 사이클이 작동되어 장치의 신뢰성이 향상된다.In addition, the present invention frequently occurs when the heating load is reduced and the heating and cooling at the same time during the season when the outside temperature is 10 ℃ image. At this time, the low temperature side may be unstable due to lack of refrigerant amount.To solve this problem, if the low temperature side refrigerant is configured to circulate to the low temperature compressor through an external air heat exchanger which was not used during simultaneous cooling and heating operation, the shortage of refrigerant is eliminated. In addition, the displacement amount of the refrigerant is minimized so that the cycle is always operated with a constant amount of refrigerant, thereby improving the reliability of the apparatus.

본 발명은 저온측과 고온측의 압축기 용량을 1 : 1로 동일하게 구성하여 겨울철 혹한기에 외기 온도가 낮아지더라도 저온측 압축기에 인버터를 장착하여 70 ~ 100%로 가변제어하면 저온측의 증발량이 충분하게 유지되므로 상기 케스케이드 열교환기에서 고온측의 냉매와 저온측의 냉매 사이에 충분한 열교환이 이루어지게 되어 상기 축열조를 고온수로 유지시킬 수 있다.According to the present invention, the compressor capacity of the low temperature side and the high temperature side is configured to be equal to 1: 1, and the variable temperature of the low temperature side evaporates when the inverter is mounted at the low temperature side compressor and the variable temperature is controlled to 70 to 100% even in the cold weather in winter. Since sufficient heat is maintained in the cascade heat exchanger, a sufficient heat exchange is performed between the refrigerant on the high temperature side and the refrigerant on the low temperature side, thereby maintaining the heat storage tank as hot water.

환절기 외기온도가 상온으로 유지되면 저온측 압축기를 인버터로 제어하여 50% 이하로 가변 운전하면 저온 냉매의 유동량이 줄어든다. 이렇게 하면 증발에 필요한 온도차가 낮아져 저온측 냉매를 7℃로 팽창시키더라도 저온 냉매량이 상대적으로 줄어 증발저항이 감소되므로 저온 압축기에서의 압축저항 증가에 따른 기기의 파손이 발생되지 않으며, 전력량이 상대적으로 감소되어 효율적으로 동절기 및 환절기에 고효율로 안정적인 난방 시스템을 공급할 수 있다.If the outdoor air temperature is maintained at room temperature, the low temperature refrigerant flow rate is reduced when the low temperature compressor is controlled by an inverter and operated at 50% or less. In this case, the temperature difference required for evaporation is lowered, and even though the low-temperature refrigerant is expanded to 7 ° C, the amount of low-temperature refrigerant decreases relatively and the evaporation resistance is reduced. It is possible to efficiently supply stable heating system with high efficiency in winter and season.

또한 동절기에 저온측의 외부에 설치된 공냉식 열교환기에 제상이 필요할때 저온측 압축기를 인버터로 제어하여 높게 가동하면 저온냉매의 핫가스가 빠르게 순환되므로 제상시간을 단축시킬 수 있어서 난방효율이 상승되는 효과도 있다.In addition, when defrosting is required for an air-cooled heat exchanger installed outside the low temperature side in winter, if the low temperature side compressor is controlled and operated at high temperature, the hot gas of the low temperature refrigerant is rapidly circulated so that the defrosting time can be shortened, thereby increasing the heating efficiency. have.

또한 본 발명은 냉방, 난방, 제상 및 냉난방 동시운전이 순간적으로 빈번하게 변화되더라도 냉매의 부족으로 인한 사이클의 불안정이나 기기의 파손이 방지되도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 저온측 냉동사이클의 냉방 및 제상운전에서 응축기 역할을 하고 난방운전에서 증발기 역할을 하는 공기 열교환기에 남아있는 냉매를 냉난방 동시운전시 저온측 압축기로 회수하여 냉매의 부족원인을 근본적으로 해결함으로써, 냉난방 동시모드에서 안정적인 사이클을 구현하였다.In addition, the present invention is to prevent the instability of the cycle due to the lack of refrigerant or damage to the device even if the simultaneous operation of cooling, heating, defrosting and heating and cooling are changed frequently. To this end, the present invention recovers the refrigerant remaining in the air heat exchanger, which acts as a condenser in cooling and defrosting operation of the low temperature refrigeration cycle, and acts as an evaporator in the heating operation, to the low temperature compressor during simultaneous cooling and heating operation. As a result, a stable cycle was realized in the simultaneous heating and cooling mode.

최근에는 한반도 기후 온난화로 인하여 혹한기 및 혹서기는 짧아지는데 반하여 기온이 영상 10℃의 환절기가 길어지면서 냉난방이 동시에 이뤄지는 경우가 빈번하게 일어남에 따라 난방과 냉방 및 냉난방이 순간적으로 절환되는 일이 빈번하 게 발생되면 저온측의 냉동사이클을 순환하는 냉매량이 부족하게 되는 현상이 발생된다.Recently, due to climate warming on the Korean peninsula, the cold and cold seasons have become shorter, while the air temperature is often changed at the same time as the temperature of 10 ℃ changes, so heating, cooling, and heating are frequently switched. If this occurs, the phenomenon that the amount of refrigerant circulating in the refrigeration cycle on the low temperature side is insufficient.

본 발명은 냉난방 동시운전시 저온측 냉매가 상기 공기 열교환기를 거쳐 저온측 압축기로 회수되도록 냉매순환 라인을 구성함으로써, 냉매의 변위량이 최소화되어 냉매의 부족으로 인한 사이클의 불안정이 해소된 효과가 있다.According to the present invention, the refrigerant circulation line is configured such that the low temperature refrigerant is recovered to the low temperature compressor through the air heat exchanger during the simultaneous heating and cooling operation, thereby minimizing the displacement of the refrigerant, thereby eliminating the instability of the cycle due to the lack of the refrigerant.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명 제1실시예의 이원냉동사이클 히트펌프장치 블록도로써, 저온측 냉동사이클은 겨울철 냉매를 고온고압으로 압축하는 저온 압축기(1), 압축된 냉매의 열기를 고온측 냉동사이클로 방열하는 케스케이드 열교환기(A), 방열과정에서 응축된 냉매가스를 팽창시키는 저온 팽창변1(5) 및 팽창과정에서 액상으로 변한 냉매를 공기열로 증발시키는 공기 열교환기(6)로 구성되는 순환구조를 갖는다. 이때 전자밸브2(B2)는 닫히고 전자밸브1(B1)은 개방시켜 저온냉매가 저온 팽창변1(5)로 향하도록 해준다.1 is a block diagram of a binary refrigeration cycle heat pump device according to a first embodiment of the present invention, wherein the low temperature side refrigeration cycle is a low temperature compressor (1) for compressing a refrigerant at high temperature and high pressure in winter, and heat radiates heat of the compressed refrigerant to a high temperature side refrigeration cycle. Cascade heat exchanger (A) has a circulation structure consisting of a low-temperature expansion valve 1 (5) for expanding the refrigerant gas condensed in the heat dissipation process, and an air heat exchanger (6) for evaporating the refrigerant changed into a liquid phase in the expansion process with air heat. At this time, the solenoid valve 2 (B2) is closed and the solenoid valve 1 (B1) is opened to direct the low temperature refrigerant to the low temperature expansion valve 1 (5).

그리고 저온측 냉동사이클로 축냉조(7)를 냉각시키기 위하여 여름철에는 상기 저온 압축기(1)에서 토출된 냉매가 상기 케스케이드 열교환기(A)로 가지 않고 상기 공기 열교환기(6)로 향하도록 하는 4방밸브(3)가 구비된다. 또한 상기 공기 열교환기(6)에서 나온 냉매는 저온 팽창변2(5a)를 거쳐 상기 축냉조(7)와 연결된 축냉 열교환기(4)로 순환된 뒤 상기 케스케이드 열교환기(A)를 거쳐 저온 압축 기(1)로 순환되는 구조를 갖는다. 이때 전자밸브1(B1)는 닫히고 전자밸브2(B2)은 개방시켜 저온냉매가 저온 팽창변2(5a)로 향하도록 해주며, 상기 케스케이드 열교환기(A)는 여름철 고온측이 작동하지 않으므로 저온냉매가 단순 통과할 뿐이다.And in order to cool the cold storage tank (7) by the low-temperature side refrigeration cycle in the summer, the refrigerant discharged from the low-temperature compressor (1) to the air heat exchanger (6) instead of going to the cascade heat exchanger (A) The valve 3 is provided. In addition, the refrigerant from the air heat exchanger (6) is circulated to the cold storage heat exchanger (4) connected to the cold storage tank (7) via a low temperature expansion valve (2a), and then through the cascade heat exchanger (A), a low temperature compressor. It has a structure circulated to (1). At this time, the solenoid valve 1 (B1) is closed and the solenoid valve 2 (B2) is opened so that the low-temperature refrigerant is directed to the low-temperature expansion valve 2 (5a). The cascade heat exchanger (A) is a low-temperature refrigerant because the high-temperature side of the summer does not operate. Simply passes through.

겨울철 저온측의 외부에 설치된 상기 공기 열교환기(6)의 제상에 필요한 제상운전시 상기 4방밸브(3)에 의해 저온 압축기(1)에서 토출되는 저온냉매의 핫가스는 상기 공기 열교환기(6)에 바로 투입되어 성애를 빠르게 제상시킨다. 이후 상기 저온냉매의 온도가 낮아지는데, 전자밸브1(B1)은 닫히고 전자밸브2(B2)는 개방시켜 저온냉매를 저온 팽창변2(5a)로 팽창시키고 상기 축냉 열교환기(4)로 보내 저온냉매를 증발시킨다. 증발에 필요한 열량은 후술할 축열조(13)의 온수를 이용하는데, 제상밸브(B4)를 개방시켜 축열조(13)의 온수가 상기 축냉 열교환기(4)로 순환되도록 하면 상기 저온냉매가 증발되어 저온 압축기(1)로 순환되는 제상 사이클이 형성된다. The hot gas of the low temperature refrigerant discharged from the low temperature compressor (1) by the four-way valve (3) during the defrosting operation required for the defrost of the air heat exchanger (6) installed outside the low temperature side in winter is the air heat exchanger (6). It is directly put into) and quickly defrosts love. Thereafter, the temperature of the low temperature refrigerant is lowered. The solenoid valve 1 (B1) is closed and the solenoid valve 2 (B2) is opened to expand the low temperature refrigerant to the low temperature expansion valve 2 (5a) and send the low temperature refrigerant to the cold storage heat exchanger (4). Evaporate. The amount of heat required for evaporation is to use hot water of the heat storage tank 13 to be described later, when the defrost valve (B4) is opened to circulate the hot water of the heat storage tank 13 to the cold storage heat exchanger (4) to evaporate the low temperature refrigerant. A defrost cycle is circulated to the compressor 1.

상기 저온측은 상기 저온 압축기(1)를 가변 운전시키기 위한 인버터(2)가 구비된다. 상기 저온 압축기(1)는 후술할 고온 압축기(10)와 압축 용량이 동일한 1 : 1의 비율을 갖는다. 따라서 상기 인버터(2)는 상기 저온 압축기(1)의 모터 회전수를 제어하여 저온냉매의 유동량을 조절하는 것으로서, 겨울철 혹한기에는 상기 저온 압축기(1)를 높게 가동시켜 저온 압축기(1)에서 토출되는 저온냉매의 토출가스 온도를 높이고 상기 케스케이드 열교환기(A)에서 고온측과 높은 열교환이 되도록 하여 고온수 생산에 차질이 발생되지 않도록 한 것이다.The low temperature side is provided with an inverter 2 for variably driving the low temperature compressor 1. The low temperature compressor 1 has a ratio of 1: 1 which is equal in compression capacity to the high temperature compressor 10 to be described later. Accordingly, the inverter 2 controls the motor rotational speed of the low temperature compressor 1 to adjust the flow rate of the low temperature refrigerant. During the cold winter season, the inverter 2 is operated to be high and discharged from the low temperature compressor 1. The discharge gas temperature of the low-temperature refrigerant is increased and high heat exchange is performed with the high-temperature side in the cascade heat exchanger (A) so that no disruption occurs in the production of the hot water.

환절기에 상기 인버터(2)는 상기 저온 압축기(1)를 상기 고온측 보다 상대적 으로 낮은 마력으로 운전시켜 상기 공기 열교환기(6)에서 증발되는 저온냉매의 증발온도를 외기에 맞게 상대적으로 낮춰 상기 저온 압축기(1)의 과부하를 방지시킨 다.In the change season, the inverter 2 operates the low temperature compressor 1 at a lower horsepower than the high temperature side to relatively lower the evaporation temperature of the low temperature refrigerant evaporated in the air heat exchanger 6 to the outside air. Prevent overload of compressor (1).

상기 고온측 냉동사이클은 냉매를 고온고압으로 압축하는 고온 압축기(10), 압축된 냉매의 열기를 축열조(13)로 방열하는 축열 열교환기(11), 방열과정에서 응축된 냉매가스를 팽창시키는 고온 팽창변(12) 및 팽창과정에서 액상으로 변한 냉매를 상기 케스케이드 열교환기(A)에서 저온측 저온냉매의 열기로 증발시켜 재차 고온 압축기(10)로 순환시키는 구성이다. 미설명부호 1a,1b는 저온측의 유분리기 및 액분리기 이고, 10a는 고온측의 액분리기 이다.The high temperature side refrigeration cycle includes a high temperature compressor (10) for compressing a refrigerant at high temperature and high pressure, a heat storage heat exchanger (11) for radiating heat of the compressed refrigerant to a heat storage tank (13), and a high temperature for expanding a refrigerant gas condensed in a heat radiation process. The expansion valve 12 and the refrigerant changed into the liquid phase in the expansion process are evaporated by the heat of the low temperature side low temperature refrigerant in the cascade heat exchanger (A) to circulate the high temperature compressor 10 again. Reference numerals 1a, 1b are oil separators and liquid separators on the low temperature side, and 10a are liquid separators on the high temperature side.

이처럼 구성된 본 발명 제1실시예는 다음과 같은 운전 특성을 갖는다.The first embodiment of the present invention configured as described above has the following operating characteristics.

겨울철 저온 압축기(1)가 가동을 시작하면 저온 냉매는 15.5Kg/㎠정도로 압축되고 50℃ 내외로 토출되며 유분리기(1a) 및 4방밸브(3)를 거쳐 상기 케스케이드 열교환기(A)에서 5℃로 응축된 후 축냉 열교환기(4)와 수액기 및 필터드라이어를 거쳐 교축장치인 저온 팽창변1(5)을 통해 압력이 낮아져 공기 열교환기(6)에서 냉매는 증발되고 저온 압축기(1)로 흡입되어 저온사이클이 형성된다.When the low temperature compressor (1) starts to operate in winter, the low temperature refrigerant is compressed to about 15.5 Kg / cm 2, discharged to around 50 ° C., and is discharged from the cascade heat exchanger (A) via the oil separator (1 a) and the four-way valve (3). After condensation at 占 폚, the pressure is lowered through the cold storage heat exchanger (4), the receiver and the filter drier, through the low temperature expansion valve (1), which is a condensing device, so that the refrigerant is evaporated in the air heat exchanger (6) and the low temperature compressor (1). Inhalation forms a low temperature cycle.

겨울철 외기 온도가 -15℃ 이하의 혹한기일 경우 팽창변1(5)을 통과한 냉매는 외기와의 증발온도차 7℃를 유지하기 위해 -22℃로 토출되는데, -56℃에서 증발하는 저온 냉매이므로 상기 공기 열교환기(6)에서 외기 공기열을 충분히 흡열하여 냉매가 전부 증발된다. 그리고 저온 압축기(1)는 인버터(2)에 의해 100% 가동되어 증발된 냉매를 충분히 압축한 뒤 상기 케스케이드 열교환기(A)로 보내므로 고온측 냉동사이클에서 충분히 흡열하여 상기 축열조(13)의 온도를 높일 수 있다.In winter, when the outside air temperature is cold below -15 ° C, the refrigerant passing through the expansion valve 1 (5) is discharged to -22 ° C to maintain a 7 ° C difference in the evaporation temperature from the outside air. The air heat exchanger 6 absorbs the outside air heat sufficiently to completely evaporate the refrigerant. In addition, since the low-temperature compressor 1 is 100% operated by the inverter 2 and sufficiently compresses the evaporated refrigerant and then sends it to the cascade heat exchanger A, the low temperature compressor 1 absorbs enough heat in the high temperature side refrigeration cycle to obtain the temperature of the heat storage tank 13. Can increase.

겨울철 고온측 냉동사이클 에서의 케스케이드 열교환기(A)는 고온 팽창변(12)을 통과한 냉매가 5℃정도로 증발하게 되는데 이때 증발 온도는 매우 중요하게 제어되며, 증발이 끝난 냉매는 약 10℃정도의 온도로 고온 압축기(10)로 흡입되고 12 ~ 13Kg/㎠로 압축되어 축열 열교환기(11)에서 축열조(13)의 온수와 열교환 되며 응축된 후 수액기 및 필터 드라이어를 거쳐 교축장치인 고온 팽창변(12)을 통해 팽창되면 압력이 낮아져 상기 케스케이드 열교환기(A)에서 증발과정을 거쳐 고온 압축기(10)로 다시 흡입되는 연속 사이클이 형성된다.The cascade heat exchanger (A) in the high temperature side refrigeration cycle in winter evaporates the refrigerant passing through the high temperature expansion valve 12 to about 5 ° C. At this time, the evaporation temperature is very important, and the evaporated refrigerant is about 10 ° C. It is sucked into the high temperature compressor 10 at a temperature, compressed to 12 ~ 13Kg / ㎠ and heat-exchanged with the hot water of the heat storage tank 13 in the heat storage heat exchanger (11) and condensed after passing through the receiver and filter drier high temperature expansion valve ( When expanded through 12) the pressure is lowered to form a continuous cycle that is sucked back into the high temperature compressor 10 through the evaporation process in the cascade heat exchanger (A).

생산 목적인 고온수는 축열조(13) 하단부의 온도가 상부보다 5℃정도 낮은점을 감안하여 하단부에 설치된 온수펌프(13a)를 가동하면 배관 라인은 온수밸브(B3)를 거쳐 축열 열교환기(11)에서 130℃ 이상의 고온 냉매와 열교환하여 델타t 5℃정도로 상승되어 축열조(13)로 다시 들어가는 순환사이클로 운전되어 70℃이상의 고열 난방 및 급탕 온수로 저장되며, 이때 제상밸브(B4)는 닫힌 상태로 되어 온수가 축냉 열교환기(4)로 순환되지 않는다.In consideration of the fact that the temperature of the high temperature water for the production purpose is about 5 ° C lower than the upper end of the heat storage tank 13, when the hot water pump 13a installed at the lower end is operated, the piping line passes through the hot water valve B3 and the heat storage heat exchanger 11 Heat exchanged with a high-temperature refrigerant at 130 ℃ or more, the deltat is raised to 5 ℃ and operated as a circulating cycle that enters the heat storage tank 13 again, and is stored as high temperature heating and hot water of 70 ℃ or more, and the defrost valve B4 is closed. Hot water is not circulated to the cold storage heat exchanger (4).

영상 10℃ 내외의 봄, 가을철 환절기에는 난방부하가 크지 않으므로 저온측 냉동사이클의 저온 압축기(1)를 인버터(2)로 제어하여 50% 이하로 낮게 운전해야 된다. 외기온도가 영상 10℃ 이므로 증발온도 2.7℃차를 유지하기 위해 저온 팽창변1(5)에서 토출되는 냉매를 7.3℃로 팽창시켜 증발부하 및 저온 압축기(1)의 압축부하를 감소시켜야 된다. 만약 저온 압축기(1)를 겨울철과 동일하게 높게 가동시킬 경우 저온냉매의 비등점이 높아지고 고압이 발생되어 상기 공기 열교환기(6)에서의 증발량 증가로 저온 압축기(1)에 무리가 발생된다. 따라서 환절기에는 저온 압축기(1)를 혹한기 대비 약 50% 이하로 가변 운전해야 기기의 파손을 막고 전력소모를 줄일 수 있다.Since the heating load is not large in the spring and autumn seasons around 10 ° C of the image, the low temperature compressor 1 of the low temperature side refrigeration cycle must be controlled by the inverter 2 to operate at a low level of 50% or less. Since the outdoor air temperature is 10 ° C., the refrigerant discharged from the low temperature expansion valve 1 (5) should be expanded to 7.3 ° C. to reduce the evaporation load and the compression load of the low temperature compressor 1 to maintain the difference of 2.7 ° C. in the evaporation temperature. If the low temperature compressor 1 is operated at the same high temperature as in winter, the boiling point of the low temperature refrigerant is increased and a high pressure is generated, causing an increase in the low temperature compressor 1 due to an increase in the amount of evaporation in the air heat exchanger 6. Therefore, when the low-temperature compressor (1) in the change season to about 50% less than the cold operation variable operation to prevent damage to the device and reduce power consumption.

외기온도Outside temperature 증발온도Evaporation temperature 증발열량
(Kw)
Evaporative heat
(Kw)
소요동력
(Kw)
Required power
(Kw)
냉매볼륨(%)
(압축기부하)
Refrigerant volume (%)
(Compressor load)
개선전
가변제어하지 않을때 토출열량
(Kcal/h)
Before improvement
Discharge calorific value when not variable control
(Kcal / h)
개선후
가변제어 했을때
토출열량
(Kcal/h)
After improvement
When variable control
Discharge heat
(Kcal / h)
10℃10 ℃ 7.3℃7.3 ℃ 10.4910.49 0.780.78 32.532.5 65006500 1250012500 5℃5 ℃ 1.5℃1.5 ℃ 10.5110.51 1.211.21 42.542.5 80008000 1250012500 0℃0 ℃ -4.3℃-4.3 ℃ 10.5210.52 1.71.7 5454 90009000 1250012500 -5℃-5 ℃ -9.3℃-9.3 ℃ 10.5210.52 2.22.2 6565 1000010000 1250012500 -10℃-10 ° C -16℃-16 ℃ 10.5310.53 2.882.88 82.582.5 1150011500 1250012500 -15℃-15 ℃ -22℃-22 ℃ 10.510.5 3.523.52 100100 1250012500 1250012500

상기 표는 겨울철 난방사이클의 실제 사용열량을 나타낸 것으로서, 저온측과 고온측의 압축기 용량을 5HP-3.7Kw로 동일하게 구성한 뒤 저온측의 압축기 용량을 외기온도에 따라 32.5% 에서 100%까지 인버터(2)로 가변제어 하였을 때의 운전특성을 나타낸 것이다. 상기 표에서 알수 있듯이 개선전 종래에는 외기온도에 관계없이 압축기 용량을 5HP-3.7Kw로 동일하게 유지시킬 경우 토출열량이 상온으로 갈수록 급격하게 감소되어 효율이 떨어지는데 반하여, 저온측 압축기 용량을 인버터(2)로 가변제어할 경우 외기 온도변화와 관계없이 토출열량이 동일하게 유지되는 것을 알 수 있다.The above table shows the actual calorific value of the heating cycle in winter, and the compressor capacity on the low temperature side and the high temperature side is the same as 5HP-3.7Kw, and the compressor capacity on the low temperature side is 32.5% to 100% depending on the outside temperature. The following shows the operation characteristics when variable control is performed in 2). As can be seen from the above table, before the improvement, conventionally, if the compressor capacity remains the same at 5HP-3.7Kw regardless of the outside temperature, the discharge heat is drastically reduced as it goes to room temperature, whereas the efficiency is lowered. In the case of variable control, the discharge heat is kept the same regardless of the change in the outside temperature.

또한 상온으로 갈수록 소요동력은 낮아지는데 반하여 토출열량은 겨울철과 동일한 열량이 나오므로 환절기에 전력소모를 줄이면서 열량을 높일 수 있는 이점이 있다.In addition, the required power is lowered to room temperature, while the discharge heat is the same heat as in winter, so there is an advantage that the heat can be increased while reducing power consumption during the season.

여름철 냉방운전은 온수 사용량이 줄기 때문에 고온측 냉동사이클은 축열조(13)의 온수가 유지되도록 간헐적으로 가동하거나 또는 가동정지 시키는데 반하여 저온측 냉동사이클은 냉방으로 전환되어 적극적으로 가동된다.In the summer cooling operation, since the amount of hot water decreases, the high temperature side refrigeration cycle is intermittently operated or stopped so that the hot water in the heat storage tank 13 is maintained, while the low temperature side refrigeration cycle is actively switched to cooling.

여름철 저온 압축기(1)가 인버터(2)에 의해 100%로 높게 가동되면 압축된 냉매는 4방밸브(3)에서 공기 열교환기(6)로 보내져 외기 공기열로 응축되며, 중온 고압의 냉매는 20℃ 정도로 응축되어 액상의 냉매 상태로 저온 팽창변2(5a)를 통과하여 팽창 과정을 거쳐 0℃ ~ -5℃정도로 축냉 열교환기(4)로 보내진 뒤 저온 압축기(1)로 순환되는 냉방사이클이 형성된다. 이때 축냉조(7)의 물은 냉수펌프(7a)와 냉수밸브(B5)를 거쳐 축냉 열교환기(4)로 순환되면서 냉각되어 냉수로 만들어지고 이러한 냉수는 실내 팬코일유니트로 순환되면서 냉풍을 발생시키는데 사용된다.When the low temperature compressor (1) is operated at 100% by the inverter (2) during the summer, the compressed refrigerant is sent from the four-way valve (3) to the air heat exchanger (6) and condensed into the outside air heat. It is condensed at about ℃, passes through the low-temperature expansion valve 2 (5a) in the form of a liquid refrigerant, expands and passes through the cold storage heat exchanger (4) from 0 ℃ to -5 ℃ about circulating to the low temperature compressor (1) is formed do. At this time, the water in the cold storage tank (7) is circulated through the cold water pump (7a) and the cold water valve (B5) to the cold storage heat exchanger (4) is cooled and made of cold water, such cold water is circulated to the indoor fan coil unit to generate cold air It is used to

도 2는 본 발명 제2실시예의 이원냉동사이클 히트펌프장치의 블록도로써, 제1실시예와 다른 점은 냉방시 축냉 열교환기(4)와 케스케이드 열교환기(A)를 연결하는 별도의 회수관(8)이 구비되고 이 회수관(8)은 전자밸브(8a)로 개폐되며, 상기 전자밸브(8a)와 축냉 열교환기(4) 사이의 회수관(8)에서 분기되어 상기 공기 열교환기(6)와 직접 연결되는 순환관(9)이 구비된다.FIG. 2 is a block diagram of a dual refrigeration cycle heat pump device according to a second embodiment of the present invention, which is different from the first embodiment, in which a separate recovery pipe connecting the axial cooling heat exchanger 4 and the cascade heat exchanger A is cooled. (8) is provided, the recovery tube (8) is opened and closed by the solenoid valve (8a), branched from the recovery tube (8) between the solenoid valve (8a) and the cold storage heat exchanger (4) to the air heat exchanger ( 6) is provided with a circulation pipe (9) directly connected.

따라서 냉방시 상기 전자밸브(8a)의 개방으로 인하여 저온측 냉매가 상기 축냉 열교환기(4)에서 회수관(8)을 거쳐 케스케이드 열교환기(A)로 순환되고, 냉난방 동시운전시 상기 전자밸브(8a)의 폐쇄로 인하여 저온측 냉매가 상기 축냉 열교환기(4)에서 순환관(9)을 거쳐 상기 공기 열교환기(6)로 순환되면서 냉매를 회수하는 냉매 순환 사이클이 형성된다.Therefore, due to the opening of the solenoid valve 8a during cooling, the low temperature side refrigerant is circulated from the axial cooling heat exchanger 4 to the cascade heat exchanger A through the recovery pipe 8, and the solenoid valve during the simultaneous heating and cooling operation. Due to the closing of 8a), the low temperature side refrigerant is circulated from the cold storage heat exchanger (4) to the air heat exchanger (6) through the circulation pipe (9), thereby forming a refrigerant circulation cycle.

환절기 냉난방 동시운전시 저온측의 저온 압축기(1)에서 토출된 냉매는 4방밸브(3)를 거쳐 케스케이드 열교환기(A)로 순환되고 고온측의 냉매 증발열원으로 사용된다. 따라서 고온측에서는 고온 압축기(10)의 가동으로 축열 열교환기(11)로 고온 냉매가 토출되면서 축열조(13)의 물을 고온으로 만들기 때문에 난방 및 온수 생산이 가능해진다. 그리고 저온측에서 상기 케스케이드 열교환기(A)를 통과한 저온 냉매는 전자밸브(8a)의 폐쇄로 인하여 회수관(8)으로 향하지 않고 저온 팽창변2(5a)으로 향해 팽창한 뒤 축냉 열교환기(4)로 순환되는데, 이때 축냉 열교환기(4)와 연결된 축냉조(7)의 물이 냉각되어 냉방열원으로 사용된다.The refrigerant discharged from the low temperature compressor (1) on the low temperature side during the simultaneous operation of the air conditioners in the season is circulated through the four-way valve (3) to the cascade heat exchanger (A) and used as a refrigerant evaporation heat source on the high temperature side. Therefore, since the high temperature refrigerant is discharged to the heat storage heat exchanger 11 by the operation of the high temperature compressor 10 at the high temperature side, the water in the heat storage tank 13 is heated to high temperature, thereby enabling heating and hot water production. The low temperature refrigerant passing through the cascade heat exchanger (A) on the low temperature side does not face the recovery tube (8) due to the closing of the solenoid valve (8a), but expands toward the low temperature expansion valve (2a) and the cold storage heat exchanger (4). In this case, the water of the cold storage tank 7 connected to the cold storage heat exchanger 4 is cooled and used as a cooling heat source.

상기 축냉 열교환기(4)를 거친 저온측 냉매는 순환관(9)으로 향하고 공기 열교환기(6)를 거치면서 배관 라인에 남아있는 냉매를 회수하여 저온 압축기(1)로 향하므로 냉매의 부족현상이 해소된다. 미설명부호 2a는 저온측의 압력계이다.The low temperature refrigerant passing through the cold storage heat exchanger (4) is directed to the circulation pipe (9), and the refrigerant remaining in the piping line is recovered to the low temperature compressor (1) through the air heat exchanger (6). This is solved. Reference numeral 2a is a pressure gauge on the low temperature side.

이처럼 구성된 본 발명 제2실시예는 환절기에 냉난방이 동시에 일어나는 경우가 빈번하게 발생되는데, 냉난방 동시운전 사이클은 다음과 같다. 도 3에서와 같이 먼저 저온측 저온 압축기(1)에서 토출된 냉매는 4방밸브(3)를 거쳐 케스케이드 열교환기(A)로 순환되면서 고온측 냉매의 증발열원으로 사용된다. 따라서 고온측에서는 고온측 압축기(10)에서 토출된 냉매가 축열 열교환기(11)로 순환되는 축열조(13)의 물을 고온으로 가열시켜 온수 및 난방열원으로 만들어 준다.In the second embodiment of the present invention configured as described above, air-conditioning occurs frequently at the same time during the season, and the simultaneous heating and cooling cycles are as follows. As shown in FIG. 3, the refrigerant discharged from the low temperature side low temperature compressor 1 is circulated to the cascade heat exchanger A through the four-way valve 3 and used as the evaporation heat source of the high temperature side refrigerant. Therefore, on the high temperature side, the refrigerant discharged from the high temperature side compressor 10 heats the water in the heat storage tank 13 circulated to the heat storage heat exchanger 11 to a high temperature to make hot water and a heating heat source.

상기 축열조(13)에서 토출되는 냉매는 고온 팽창변(12)을 통해 팽창된 뒤 상기 케스케이드 열교환기(A)에서 증발되어 고온 압축기(10)로 순환되는 사이클이 형성되며, 상기 케이스케이드 열교환기(A)에서 토출되는 저온측의 냉매는 전자밸 브(8a)의 폐쇄로 인하여 회수관(8)으로 향하지 않고 전자밸브(B1)의 폐쇄 및 전자밸브(B2)의 개방으로 인하여 저온 팽창변(5a)을 거치면서 팽창된 뒤 축냉 열교환기(4)에서 증발되면서 축냉조(7)의 물을 저온으로 냉각시켜 냉방열원으로 만들어 준다.The refrigerant discharged from the heat storage tank 13 is expanded through the high temperature expansion valve 12 and then evaporated in the cascade heat exchanger A to be circulated to the high temperature compressor 10 to form a cycle. The coolant on the low temperature side discharged from the heat sink does not face the recovery pipe 8 due to the closing of the solenoid valve 8a, and closes the low temperature expansion valve 5a due to the closing of the solenoid valve B1 and the opening of the solenoid valve B2. After expanding through the evaporation in the cold storage heat exchanger (4) to cool the water of the cold storage tank (7) to a low temperature to make a cooling heat source.

상기 축냉 열교환기(4)에서 토출되는 저온측 냉매는 전자밸브(8a)의 폐쇄로 인하여 회수관(8)으로 향하지 않고 순환관(9)을 거쳐 공기 열교환기(6)로 순환되면서 배관라인에 남아있는 냉매를 전부 회수하여 4방밸브(3)를 거쳐 저온 압축기(1)로 순환되는 사이클이 형성된다. 따라서 냉난방 동시운전시 저온측의 상기 공기 열교환기(6)로 냉매가 순환되면서 배관라인에 잔존하는 냉매를 전부 회수하는 사이클이 형성되므로 냉매 부족으로 인하여 압축 불균일 내지 열원의 부족현상이 발생되지 않으며, 냉난방 동시 운전과 난방운전 및 냉방운전이 순간적으로 빈번하게 변하더라도 사이클이 안전된다.The low-temperature refrigerant discharged from the cold storage heat exchanger (4) is circulated to the air heat exchanger (6) via the circulation pipe (9) without being directed to the recovery pipe (8) due to the closing of the solenoid valve (8a). A cycle is formed in which all remaining refrigerant is recovered and circulated to the low temperature compressor (1) via the four-way valve (3). Therefore, during the simultaneous heating and cooling operation, the refrigerant is circulated to the air heat exchanger 6 on the low temperature side, thereby forming a cycle for recovering all of the remaining refrigerant in the pipe line, and thus there is no compression unevenness or lack of heat source due to the lack of refrigerant. The cycle is safe even if the simultaneous heating / cooling operation, heating operation and cooling operation change frequently and instantaneously.

상기 전자밸브(8a)는 난방 및 냉난방 동시 운전시 폐쇄되고, 냉방시 개방되는 특성을 갖는다. 따라서 난방시 저온 압축기(1)에서 케스케이드 열교환기(A)를 거친 저온측 냉매는 저온 팽창변1(B1)을 거쳐 공기 열교환기(6)로 향하게 되고, 냉방시 저온 압축기(1)에서 공기 열교환기(6)를 거친 저온측 냉매는 축냉 열교환기(4)와 케스케이드 열교환기(A)를 거쳐 저온 압축기(1)로 회수되는 사이클이 형성된다. 그리고 상기 저온 압축기(1)는 본 발명 제1실시예와 동일하게 인버터(2)로 가변제어되는데, 인버터가 없는 타입에도 적용가능하다.The solenoid valve 8a is closed during heating and heating and heating at the same time, and has a characteristic of opening during cooling. Therefore, the low temperature refrigerant passing through the cascade heat exchanger (A) in the low temperature compressor (1) during heating is directed to the air heat exchanger (6) via the low temperature expansion valve (1), and during cooling, the air heat exchanger in the low temperature compressor (1). The low temperature side refrigerant passing through (6) is cycled through the cold storage heat exchanger (4) and the cascade heat exchanger (A) to the low temperature compressor (1). The low temperature compressor 1 is variably controlled by the inverter 2 in the same manner as the first embodiment of the present invention, and is applicable to a type without an inverter.

도 4는 본 발명 제2실시예의 냉매선도로써, 난방, 냉방, 냉난방 동시운전 및 제상운전이 순간적으로 빈번하게 변화되더라도 저온측의 저온 압축기(1)는 초기 가동시(약 1분 내지 1분 30초) 압력이 0.5bar정도 상승된 뒤 22Kg/㎠의 정상적인 압력으로 사이클이 안정되는 운전특성을 갖는다. 종래에는 운전모드가 순간적으로 변화될 때 초기 가동시 약 28Kg/㎠ 이상 과압축되어 압축기에 무리가 발생되고 압축효율이 떨어지는 단점이 있었다.4 is a refrigerant diagram according to the second embodiment of the present invention, even if the heating, cooling, cooling and heating simultaneous operation and the defrosting operation are frequently changed instantaneously, the low temperature compressor 1 of the low temperature side is initially operated (about 1 minute to 1 minute 30). Second) After the pressure is increased by about 0.5bar, the cycle is stable at the normal pressure of 22Kg / ㎠. In the related art, when the operation mode is changed momentarily, the initial operation is overcompressed at about 28 Kg / cm 2 or more, causing the compressor to have a disadvantage, and the compression efficiency is lowered.

종래에는 압축기의 초기 가동시 압력 상승을 제어하기 위해 기준치 냉매 충전량의 60 ~ 70%만 충전하여 사이클을 돌리다 보니 안정적인 사이클로 가동되는 듯 하지만 효율은 저하되었다. 실제로 15RT의 경우 39,000kcal/hr밖에 생산되지 않았으나, 본 발명 제2실시예는 가동 초기 운전 압력이 상승되지 않으므로 이론상 냉매 충전량에 약 15%를 더 충전하더라도 사이클이 안전되어 효율이 증가되고 15RT의 경우 52,000kcal/hr까지 생산 가능하므로 종래 동급의 장비 대비 약 15 ~ 20%의 소형 장비적용이 가능하여 장비 구입비를 절감할 수 있는 이중의 효과도 있다.Conventionally, in order to control the pressure increase during the initial operation of the compressor, only 60 to 70% of the reference value refrigerant charge was charged to rotate the cycle, which seemed to operate in a stable cycle, but the efficiency was lowered. In fact, in the case of 15RT, only 39,000kcal / hr was produced, but the second embodiment of the present invention does not increase the operating initial operating pressure, so even if about 15% is charged in the refrigerant charge, theoretically, the cycle is safe and the efficiency is increased. Since it can produce up to 52,000kcal / hr, it is possible to apply small equipment of about 15-20% compared to conventional equipment of the same class, and there is a double effect that can reduce equipment purchase cost.

도 1은 본 발명 제1실시예의 이원냉동사이클 히트펌프장치의 블록도1 is a block diagram of a binary refrigeration cycle heat pump apparatus according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명 제2실시예의 이원냉동사이클 히트펌프장치의 블록도2 is a block diagram of a binary refrigeration cycle heat pump apparatus according to a second embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명 제2실시예의 히트펌프장치의 저온측 냉매순환 흐름도3 is a low-temperature refrigerant circulation flow chart of the heat pump device according to the second embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명 제2실시예의 히트펌프장치의 냉매선도4 is a refrigerant diagram of a heat pump device according to a second embodiment of the present invention;

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

1 : 저온 압축기 2 : 인버터1: low temperature compressor 2: inverter

3 : 4방밸브 4 : 축냉 열교환기3: four-way valve 4: cold storage heat exchanger

5 : 저온 팽창변1 5a : 저온 팽창변25: low-temperature expansion valve 1 5a: low-temperature expansion valve 2

6 : 공기 열교환기 7 : 축냉조6: air heat exchanger 7: storage tank

8 : 회수관 8a : 전자밸브8: Recovery tube 8a: Solenoid valve

9 : 순환관 10 : 고온 압축기9: circulating pipe 10: high temperature compressor

11 : 축열 열교환기 12 : 고온 팽창변11: heat storage heat exchanger 12: high temperature expansion valve

13 : 축열조13: heat storage tank

Claims (7)

삭제delete 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되고, 상기 저온측 저온냉매의 응축과 상기 고온측 고온냉매의 증발이 하나의 케스케이드 열교환기에서 이뤄지도록 한 이원냉동사이클에 있어서,In a two-way refrigeration cycle consisting of a low temperature side refrigeration cycle and a high temperature side refrigeration cycle, condensation of the low temperature side low temperature refrigerant and evaporation of the high temperature side high temperature refrigerant in one cascade heat exchanger, 상기 저온측 냉동사이클은 저온냉매를 압축하는 저온 압축기, 상기 압축된 저온냉매를 난방시 상기 케스케이드 열교환기로 냉방시 외부의 공기 열교환기로 보내는 4방 밸브, 난방시 상기 케스케이드 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변1, 냉방시 상기 공기 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변2, 냉방시 상기 저온 팽창변2에서 팽창된 냉매를 축냉조의 물과 열교환시키는 축냉 열교환기, 그리고 상기 저온 압축기를 외기온도 변화에 따라 가변 운전시키는 인버터로 구성되며,The low temperature side refrigeration cycle is a low temperature compressor for compressing low temperature refrigerant, a four-way valve that sends the compressed low temperature refrigerant to the cascade heat exchanger when heating, and expands the refrigerant condensed in the cascade heat exchanger when heating. A low temperature expansion valve 1 for cooling, a low temperature expansion valve 2 for expanding the refrigerant condensed in the air heat exchanger during cooling, a cold storage heat exchanger for exchanging the refrigerant expanded in the low temperature expansion valve 2 with water in a cold storage tank, and an external temperature of the low temperature compressor It is composed of an inverter for variable operation according to the degree change, 상기 저온측 및 고온측 냉동사이클의 저온 압축기 및 고온 압축기 용량이 1 : 1의 비율로 구성되고,The low temperature compressor and the high temperature compressor capacity of the low temperature side and high temperature side refrigeration cycle is configured in a ratio of 1: 1, 상기 인버터는 외기온도가 영상 10℃ 내외에서 상기 저온 압축기와 고온 압축기 용량을 0.3 ~ 0.5 : 1의 비율로 가변제어하여 상기 저온측의 외부에 설치된 공기 열교환기에서 증발되는 저온냉매의 비등점을 낮춰 상기 저온 압축기의 과압축이 방지되도록 한 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.The inverter controls the temperature of the low temperature compressor and the high temperature compressor at a ratio of 0.3 to 0.5: 1 at an ambient temperature of about 10 ° C. to lower the boiling point of the low temperature refrigerant evaporated from the air heat exchanger installed outside the low temperature side. Heat pump device using a two-way refrigeration cycle characterized in that overcompression of the low temperature compressor is prevented. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 고온측 냉동사이클은The high temperature side refrigeration cycle 고온냉매를 압축하는 고온 압축기,High temperature compressor to compress high temperature refrigerant, 상기 고온냉매의 핫가스를 축열조의 물과 열교환시켜 온수를 생산하는 축열 열교환기,A heat storage heat exchanger for producing hot water by heat-exchanging the hot gas of the high temperature refrigerant with the water of the heat storage tank, 상기 축열 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시켜 상기 케스케이드 열교환기에서 증발시키는 고온 팽창변으로 구성한 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.  And a high temperature expansion valve configured to expand the refrigerant condensed in the heat storage heat exchanger and evaporate it in the cascade heat exchanger. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 겨울철 난방시 상기 공기 열교환기의 제상운전을 위해For defrosting of the air heat exchanger during winter heating 상기 4방밸브는 상기 저온 압축기에서 압축된 저온냉매의 핫가스를 상기 공기 열교환기로 보내 제상시키고,The four-way valve to defrost the hot gas of the low temperature refrigerant compressed by the low temperature compressor to the air heat exchanger, 상기 공기 열교환기의 제상과정에서 응축된 저온냉매는 상기 저온 팽창변2에 서 팽창되며,The low temperature refrigerant condensed in the defrosting process of the air heat exchanger is expanded in the low temperature expansion valve 2, 상기 축열조의 온수는 상기 축냉 열교환기로 보내져 상기 저온 팽창변2에서 팽창된 저온냉매를 증발시키도록 한 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.The hot water of the heat storage tank is sent to the heat storage heat exchanger heat pump device using a dual refrigeration cycle characterized in that to evaporate the low temperature refrigerant expanded in the low temperature expansion valve 2. 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되고, 상기 저온측 저온냉매의 응축과 상기 고온측 고온냉매의 증발이 하나의 케스케이드 열교환기에서 이뤄지도록 한 이원냉동사이클에 있어서,In a two-way refrigeration cycle consisting of a low temperature side refrigeration cycle and a high temperature side refrigeration cycle, condensation of the low temperature side low temperature refrigerant and evaporation of the high temperature side high temperature refrigerant in one cascade heat exchanger, 상기 저온측 냉동사이클은The low temperature side refrigeration cycle 저온냉매를 압축하는 저온 압축기, 상기 압축된 저온냉매를 난방운전시 상기 케스케이드 열교환기로 냉방운전시 외부의 공기 열교환기로 각각 보내 응축시키는 4방 밸브, 난방운전시 상기 케스케이드 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변1, 냉방운전시 상기 공기 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 저온 팽창변2, 냉방운전시 상기 저온 팽창변2에서 팽창된 냉매를 축냉조의 물과 열교환시키는 축냉 열교환기로 구성되고,A low temperature compressor that compresses low temperature refrigerant, a four-way valve that condenses the compressed low temperature refrigerant to the cascade heat exchanger during heating operation to an external air heat exchanger during cooling operation, and expands the refrigerant condensed by the cascade heat exchanger during heating operation. Low temperature expansion valve 1 to expand, the low temperature expansion valve 2 to expand the refrigerant condensed in the air heat exchanger during the cooling operation, and the cold storage heat exchanger for heat-exchanging the refrigerant expanded in the low temperature expansion valve 2 during the cooling operation, 냉난방동시 운전시 상기 저온측 냉매가 상기 케스케이드 열교환기에서 응축되고 상기 축냉 열교환기에서 증발된 뒤 상기 공기 열교환기를 거치면서 냉매를 회수하여 상기 저온 압축기로 순환되도록 한 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.During operation during air conditioning, the low temperature side refrigerant is condensed in the cascade heat exchanger, evaporated in the cold storage heat exchanger, and then passed through the air heat exchanger to recover the refrigerant to be circulated to the low temperature compressor. Heat pump device. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 저온측 냉동사이클에서 냉방운전시 상기 축냉 열교환기와 상기 케스케이드 열교환기를 연결하는 회수관이 구비되고, 상기 회수관에는 냉방운전시만 개방되도록 제어하는 전자밸브가 구비되며,When the cooling operation in the low temperature side refrigeration cycle is provided with a recovery tube for connecting the heat storage refrigeration heat exchanger and the cascade heat exchanger, the recovery tube is provided with a solenoid valve for controlling to open only during the cooling operation, 냉난방 동시운전시 상기 저온측 냉매가 상기 축냉 열교환기에서 상기 공기 열교환기로 직접 순환되도록 상기 회수관에서 분기되는 순환관이 구비됨을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.And a circulation pipe branched from the recovery pipe to circulate the low temperature refrigerant at the cold storage heat exchanger directly to the air heat exchanger during simultaneous cooling and heating operation. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 고온측 냉동사이클은The high temperature side refrigeration cycle 고온냉매를 압축하는 고온 압축기, 상기 고온냉매의 핫가스를 축열조의 물과 열교환시켜 온수를 생산하는 축열 열교환기, 상기 축열 열교환기에서 응축된 냉매를 팽창시켜 상기 케스케이드 열교환기에서 증발시키는 고온 팽창변으로 구성한 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치.A high temperature compressor for compressing a high temperature refrigerant, a heat storage heat exchanger for producing hot water by exchanging hot gas of the high temperature refrigerant with water of a heat storage tank, and a high temperature expansion valve for expanding a refrigerant condensed in the heat storage heat exchanger to evaporate the cascade heat exchanger Heat pump device using a binary refrigeration cycle characterized in that the configuration.
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