KR101152397B1 - 히트펌프를 이용한 냉,난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 제 1열교환매체가 저장되는 제 1챔버와 연결되어 제1열교환매체가 순환하면서 열교환이 이루어지도록 하는 제 1열교환 유닛과; 제 2열교환매체가 저장되는 제 2챔버와 연결되어 제2열교환매체가 순환하면서 열교환이 이루어지도록 하는 제 2열교환 유닛과; 상기 제 1챔버에 설치되는 제 1열교환기와, 상기 제 2챔버에 설치되는 제 2열교환기와, 상기 제 1,2열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 팽창밸브 및 압축기와, 상기 순환관에 설치되어 제1열교환기 또는 제2열교환기 측으로 팽창밸브를 통해 열교환 매체가 정역방향으로 순환되면서 하나의 사이클을 이루도록 하는 사방밸브를 구비한 히트펌프와, 상기 1열교환 매체와 제 2열교환 매체에 혼합되어 제 1,2열교환 매체와 외기 또는 제 1,2열교환기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 하는 나노 파티클들을 구비한다.

Description

히트펌프를 이용한 냉,난방장치{heating and cooling system using a heat pump}

본 발명은 히트 펌프를 이용한 냉, 난방장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 히트펌프의 열교환기와 열교환매체의 열교환 효율이 향상된 히트 펌프와 이를 이용한 냉, 난방장치에 관한 것이다.

일반적으로 시설재배단지와 같은 농업용 생산시설에서는 낮에 태양으로부터 방사되는 에너지를 작물이 광합성에 직접 이용하게 되며, 땅속이나 기타 축열이 가능한 물질에 축적하여 난방에 이용하게 된다.

상기와 같이 축열된 열과 지중열을 이용하기 위해서는 상대적으로 열의 회수가 용이한 지하수를 이용하게 된다. 그러나 지하수를 열교환 매체로 이용하는 경우 농작물을 재배를 위한 시설하우스 또는 건축물의 난방에 따른 열량이 상대적으로 부족하다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2000-63299호에는 대지 내에 포함된 지열과 지하수 또는 개방된 수역에 존재하는 일정한 온도의 지열을 순환시키는 지열교환기와, 상기 지열교환기에 의해 지상으로 끌어올려진 지열을 순환시키는 냉방 및 난방 사이클과, 상기 난방 사이클과 연설되어 실내의 온수를 가열하는 장치가 개시되어 있다.

그리고 대한민국 등록특허공보 제10-0628466호에는 지하 공기층을 이용한 냉난방장치가 개시되어 있다. 냉난방장치는 화산회토 지형을 천공, 매설하여 지하공간까지 연장 형성하여 다공상의 암석층으로부터 지하공기를 흡입하기 위한 흡입관과, 이 흡입관을 통해 지하공기를 흡입 송풍할 수 있도록 내측에 송풍기가 내재된 송풍관과, 이 송풍관에 내재된 송풍기로부터 송풍된 지하공기를 시설물내로 유도하기 위한 유도관과, 상기 송풍관 내에 히터를 내장한 기술구성이 개시되어 있다.

그러나 이러한 난방장치는 보조 열원으로 히터를 이용하고 있으므로 상대적으로 유지에 따른 많은 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 시설하우스와 같이 대용량의 냉난방장치에 적용하기 어렵다.

이러한 점을 감안하여 등록특허 제 800328호에는 보조 열원으로 지하공기를 이용하는 히트펌프가 개시되어 있다. 그러나 이러한 지하공기를 이용하는 경우 보조열원으로 사용하고, 응축기를 통과한 공기를 이용하게 되므로 상대적으로 공기를 높은 온도로 가열할 수 없는 문제점이 있다. 또한 히트 펌프를 이용하여 냉방 또는 난방하는 경우, 열교환기와 난방 또는 냉방 영역을 순환하는 열교환매체와 열교환이 이루어지게 되는데, 열교환기와 열교환 매체의 열교환효율이 상대적으로 떨어져 장비의 성능을 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프의 응축기인 제1열교환기와 증발기인 제 2열교환기와 접촉되는 열교환 매체들의 사이의 열교환효율을 향상시킬 수 있는 히트 펌프를 이용한 냉, 난방장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히터펌프를 이용한 냉, 난방장치는

제 1열교환매체가 저장되는 제 1챔버와, 제 1열교환유닛들이 제 1순환관에 의해 연결되어 폐회로를 이루는 제 1열교환부와, 제 2열교환매체가 저장되는 제 2챔버와 제 1열교환유닛들이 제 2순환관에 의해 연결되어 폐회를 구성하는 제 2열교환부와,

상기 제 1챔버에 설치되는 제 1열교환기와, 상기 제 2챔버에 설치되는 제 2열교환기와, 상기 제 1,2열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 제 3순환관과, 상기 제3순환관에 설치되는 팽창밸브 및 압축기와, 상기 제3순환관에 설치되어 제1열교환기 또는 제2열교환기 측으로 팽창밸브를 통해 열교환 매체가 정역방향으로 순환되면서 하나의 사이클을 이루도록 하는 사방밸브를 구비한 히트펌프와,

상기 제1열교환 매체와 제 2열교환 매체에 혼합되어 제 1,2열교환 매체와 외기 또는 제 1,2열교환기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 하는 나노 파티클들을 구비하여된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 나노 파티클은 마이크로 버블 또는 알루미나 나노입자로 이루어질 수 있다. 여기에서 상기 나노 파티클은 물보다 비중이 낮은 물질을 사용함이 바람직하다.

본 발명의 히트 펌프를 이용한 냉, 난방장치는 냉매가 순환하는 제 1,2열교환기와 열교환 매체들의 열교환 효율을 35%이 상 향상시켜 냉방 또는 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 히트 펌프를 이용한 냉, 난방장치는 지하수 외기로부터 열펌핑 속도를 증가시킬 수 있어 냉방 또는 난방 시 에너지를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프를 이용한 냉,난방장치를 도시한 회로도,
도 2는 본 발명에 히트 펌프를 이용한 냉, 난방장치의 다른 실시예를 나타내 보인 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 와류 발생부의 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 냉난방장치의 열교환매체에 알루미나 나노입자의 혼합비에 따른 열전달비 변화를 나타내 보인 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 냉난방장치의 열교환매체에 마이크로 버블의 혼합비에 따른 열전달비 변화를 나타내 보인 그래프.

본 발명에 따른 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 시설하우스 또는 건축물의 내부를 냉난방 할 수 있는 것으로, 그 일 실시예를 도 1에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 제 1열교환매체(21)가 저장되는 제 1챔버(22)와, 제 1열교환유닛(23)들이 제 1순환관(24)에 의해 연결되어 폐회로를 이루는 제 1열교환부(20)와, 제 2열교환매체(31)가 저장되는 제 2챔버(32)와 제 1열교환유닛(34)들이 제 2순환관(35)에 의해 연결되어 폐회를 구성하는 제 2열교환부(30)를 구비한다. 여기에서 상기 제 1, 2열교환유닛(23)(34)은 팬코일 유니트, 팬코일 유니트. 서펜틴타입열교환기. 프레이트 타입열교환기, 관이 코러게이트 형상으로 절곡된 사행형상의 열교환기로 이루어질 수 있는데, 이드에 의해 한정되지는 않는다.

그리고 상기 제1,2열교환부(20)(30)의 제1,2 열교환매체(21)(31)들을 사이에는 이들을 열교환을 위한 히트 펌프(40)가 구비된다. 상기 히트 펌프(40)는 상기 제 1챔버(22)에 설치되는 제 1열교환기(41)와, 상기 제 2챔버(32)에 설치되는 제 2열교환기(42)와, 상기 제 1,2열교환기(41)(42)를 연결하여 폐회로를 구성하는 제 3순환관(43)과, 상기 제3 순환관에 설치되는 팽창밸브(44) 및 압축기(45)와, 상기 제 3순환관에 설치되어 제1열교환기(41) 또는 제2열교환기(42) 측으로 팽창밸브(44)를 통해 열교환 매체가 정역방향으로 순환되면서 하나의 사이클을 이루도록 하는 사방밸브(46)를 구비한다.

상기 제 1,2열교환매체(21)(31)는 제 1,2열교환기(41)(42)와 각각 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 나노 파티클(100)이 포함된다. 상기 나노 파티클(100)은 마이크로버블 또는 알루미나 나노입자, 탄소섬유 나노 입자, 합성수지 나노 입자 또는 이들의 하나가 혼합된 상태로 이루어진다. 여기에서 상기 나노 파티클(100)은 제1열교환 매체 또는 제 2열교환 매체 보다 비중이 같거나 낮은 것을 사용함이 바람직하다. 상기 나노 파티클(100)인 마이크로 버블 또는 알루미나 나노 입자는 단위체적당 농도가 3%를 유지하도록 함이 바람직하다. 그리고 상기 나노 파티클의 입자 직경은 12 내지 14㎛를 유지함이 바람직하며, 상기 입자의 질량유속은 181kg/m2s로 함이 바람직하다.

한편, 나노 파티클(100)로서 마이크로 버블이 이용되는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 제 1,2순환관에는 제1,2마이크로 버블 발생장치(50)(60)가 설치된다. 이 제 1,2 마이크로 버블 발생장치(50)(60)는 실질적으로 동일한 기술적 구성을 가진다.

상기 마이크로 발생장치(50)(60)는 제 1,2순환관(24)(34)을 순환하는 각 제 1,2열교환매체(21)(31)에 마이크로 버블을 편승시키기 위한 것으로, 상기 제 1,2순환관에 각각 설치되는 와류발생기(70)(70)와, 이 와류 발생기(70)(70)와 연결되는 에어 공급관(52)(62)과 상기 에어 공급관(52)(62)과 각각 연결되는 공기 압축기(53)(63)를 구비한다. 상기 에어공급관(52)(62)에는 에어의 공급을 단속하기 위한 밸브가 설치될 수 있다. 상기 에어 공급관(52)(62)은 가스 발생을 위한 탱크(53)(63)와 연결될 수 있는데, 가스는 산소를 이용함이 바람직하다.

상기 와류발생기(70)는 하우징 내부에 산기판, 다공질판 등이 설치되어 이루어질 수 있다.

한편, 상기 와류발생기(70)와 도 3에 도시된 바와 같이 하우징 본체(71)의 일측에 공기 공급관(52)으로부터 공급되는 공기와 제1열교환매체 또는 제 2열교환맨체를 혼합하기 위한 배합조(72)와, 상기 배합조(72)와 하우징본체(71)의 연결부위에 설치되는 타공망(73)과, 상기 하우징 본체(71)의 내부에 초고속 가능하게 설치되어 중심부에 열교환매체의 회전에 따른 선회공동부를 형성하는 임펠러(74)와, 회전하는 선회공동부를 형성하는 열교환매체를 하우징의 출구측에서 선회속도의 차이에 의해 절단하여 배출하는 추수부재(78)를 구비하여 된다. 상기 하우징 본체의 내주면에는 다수개의 돌기(77)들이 형성되는데, 하우징 본체의 내주면을 따라 나선형으로 배열될 수 있다.

상기 마이크로 버블 발생유닛은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 공기 또는 산소를 무화시킬 수 있는 구조이면 가능하다. 예컨대, 내주면에 요철이 형성된 고정자와 이 요철과 대응되는 요철이 형성된 회전자를 상대회전시켜 이들의 사이로 산소 또는 공기가 포함된 물을 공급하여 마이크로 버블을 형성할 수도 있다.

그리고, 상기 제1,2챔버(22)(32)에는 보조 열원을 공급할 수 있는 보조열원 공급유닛인 히터가 설치된다. 그리고 상기 제 2열교환부는 열을 흡수하기 위하여 제 2열교환 유닛이 지중에 설치되거나 각종 기계장비들을 열발생부위에 설치될 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 히트 펌프를 이용한 냉 난방장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 동절기에 히트펌프를 이용한 냉,난방장치는 건물 또는 시설재배단지 등을 난방하기 위한 난방장치로 이용하기 위해서는 히트펌프의 사방밸브(46)의 조작으로 상기 제 1챔버(22)의 내부에 설치된 제 1열교환기(41)가 응축기로 이용되고, 상기 제 2챔버(32)의 내부에 설치된 제 2열교환기(42)가 증발기로 이용된다. 따라서 히트펌프를 순환하는 냉매는 압축기→사방밸브→제1열교환기→팽창밸브→제2열교환기→사방밸브→압축기로 순환되는 사이클을 이룬다.

이 과정에서 상기 제 2열교환유닛(34)으로 통형 흡수된 열을 제 2챔버(32)을통하여 흡수하고 이 열량과 압축기(45)의 일량에 해당하는 열을 제 1열교환기(41)에서 방출하여 상기 제1열교환매체(21)를 가열하게 된다. 이때에서 제1,2열교환매체(21)(31)에는 나노 파티클(100)이 설치되어 있으므로 제 1열교환기(41)와 제 1열교환매체(21), 제 2열교환기(42)와 제 2열교환매체(31) 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 알루마나 나노입자를 단위 체적당 3%를 혼합하였을 경우 도 4에 도시된 바와 같이 펌프의 출력변화 없이 열전달비의 변화가 2배 이상 증가됨을 알 수 있었으며, 도 5에 도시된 바와 같이 마이크로 버블이 혼합된 경우 35%가 증가함을 알 수 있다.

이러한 열전달효율의 향상시키기 위한 나노 파티클(100)인 알루미나 나노 입자는 제 1열교환 매체(21) 또는 제 2열교환매체(31)들이 이동하는 과정에서 제 1순환관 또는 제 2순환관의 벽체에 대전된 전자들에 의해 대전된다. 이와 같이 대전된 입자들은 서로 반발하면서 운동이 활발하여지게 됨으로써 열교환효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 나노 파티클(100)을 마이크로 버블을 이용하는 경우 제 1열교환매체(21)가 제1순환관(24)을 순환하고, 제 2열교환 매체(31)가 제 2순환관(35)을 순환할 때에 마이크로 버블 발생장치(50)(60)의 공기 공급관(52)을 통하여 압축된 공기가 와류발생기의 배합조(72)로 공급된다. 이와 같이 공급된 공기는 도 3에 도시된 바와 같이 배합조(72)로 공급되는 제1열교환매체와 혼합된 후 타공망(73)들을 통과함으로써 분쇄된다. 이와 같이 분쇄된 공기는 하우징본체의 내부로 유입되어 고속으로 회전하는 임펠러(74)에 의해 분쇄됨과 아울러 선회하게 된다. 이 과정에서 상기 타공망(73)을 통과한 버블을 더욱 분쇄됨과 아울러 속으로 선회하는 원심력에 의해 마이크로 버블과 제 1열교환매체가 일시적으로 분리된다. 따라서 원주방향으로 마이크로버블의 밀도 차이가 발생됨과 아울러 하우징 본체의 내주면에 형성된 돌기(77) 및 임펠러(74)에 의한 제 1열교환매체의 선회속도차에 의해 전단력이 발생된다. 이와 같이 마이크로 버블이 편승된 제 1열교환 매체(21)는 출구측의 취수부재(78)를 통하여 배출된다. 이때에서 이와 같이 마이크로 버블이 편승된 제 1열교환 매체(21)는 제 1챔버(22)의 내부에 설치된 제 1열교환기(41)와의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명인의 실험에 의하면, 바이크로 버블의 이동방향으로서는 (+) 전극을 향하기 때문에 마이너스로 대전하고 있다는 것을 알 수 있었다. 이는 기액(氣液)계면에서의 물분자군의 클러스터구조가 본래의 것과 달라지기 때문이라는 견해가 많다. 이러한 마이크로 버블의 대전은 마이크로 버블끼리는 동일한 전하이므로 서로 반발하기 때문에 결합해서 성장할 수 없다. 이러한 마이크로버블과 제 1열교환 매체의 사이에는 표면장력이 작용하고 있는데, 이 표면장력은 표면을 작게 하는 힘으로 작용하게 된다. 마이크로 버블의 경우에는 내부의 기체를 가압하도록 작용한다. 그리고 압력의 상승은 마이크로 버블의 직경에 반비례하기 때문에 마이크로 버블(직경 10마이크로미터의 경우)에서는 약 0.3기압이 상승하게 된다. 이것이 자체 가압효과이다.

마이크로 버블의 자체 가압효과를 이용하여 압괴(壓壞)라고 불리는 현상을 일으킬 수 있다. 압괴는 초음파 공학에 있어 이미 널리 알려져 있는 현상으로, 음압 시에 발생한 캐비테이션 기포가 양압현상으로 급속하게 축소되는 동시에 고온화된다. 아울러 상기 제1열교환기에 의해 압괴에 의해 고온화된 마이크로 버블에 열을 가하면, 단열팽창되어 열교환매체 내부에서의 이동이 원활하여지게 된다. 따라 1열교환 매체와 제 1열교환기 사이에 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 제 1열교환유닛과 외기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 하절기에는 , 냉매가 압축기에서 사방밸브를 통해 제1열교환기로 공급되도록 연결하는 사방밸브를 선택하면 냉방기로 이용할 수 있다. 이 경우, 냉매는 압축기→사방밸브→제2열교환기→팽창밸브→제1열교환기→사방밸브→압축기로 순환되는 사이클을 이룬다.

이 과정에서 상기 제 2열교환기가 지하가열원과 열교환이 이루어져 냉각됨으로서 상기 제 1열교환기에 의한 제 1열교환매체의 열교환 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

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

Claims (4)

1. 제 1열교환매체가 저장되는 제 1챔버와, 제 1열교환유닛들이 제 1순환관에 의해 연결되어 폐회로를 이루는 제 1열교환부와, 제 2열교환매체가 저장되는 제 2챔버와 제 1열교환유닛들이 제 2순환관에 의해 연결되어 폐회를 구성하는 제 2열교환부와,
   상기 제 1챔버에 설치되는 제 1열교환기와, 상기 제 2챔버에 설치되는 제 2열교환기와, 상기 제 1,2열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 제3순환관과, 상기 제3순환관에 설치되는 팽창밸브 및 압축기와, 상기 제3순환관에 설치되어 제1열교환기 또는 제2열교환기 측으로 팽창밸브를 통해 열교환 매체가 정역방향으로 순환되면서 하나의 사이클을 이루도록 하는 사방밸브를 구비한 히트펌프와,
   상기 제1열교환 매체와 제 2열교환 매체에 혼합되어 제 1,2열교환 매체와 외기 또는 제 1,2열교환기와의 열교환이 원활하게 이루어지게 하는 나노 파티클들을 구비하며, 상기 제 1순환관과 제 2순환관에는 마이크로 버블 발생장치가 설치되고,
   상기 마이크로 버블발생장치는 상기 제 1,2순환관에 각각 설치되는 와류발생기와 이 와류발생기와 연결되는 에어 공급관과 상기 에어 공급관과 각각 연결되는 공기 압축기를 구비하며,
   상기 와류발생기는 하우징 본체 일측에 공기 공급관으로부터 공급되는 공기와 제1열교환매체 또는 제 2열교환매체를 혼합하기 위한 배합조와, 상기 배합조와 하우징본체의 연결부위에 설치되는 타공망과, 상기 하우징 본체의 내부에 초고속 가능하게 설치되어 중심부에 열교환매체의 회전에 따른 선회공동부를 형성하는 임펠러와, 회전하는 선회공동부를 형성하는 열교환매체를 하우징의 출구측에서 선회속도의 차이에 의해 절단하여 배출하는 추수부재를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 나노 파티클은 마이크로 버블 또는 알루미나 나노입자중 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
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