KR101166135B1 - 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프에 관한 것으로서, 냉매를 고온, 고압으로 압축시키는 압축기, 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 받아 액화시키는 응축기, 상기 응축기로부터 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압으로 만드는 팽창밸브, 상기 팽창밸브로부터 저온, 저압의 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압의 가스상태로 만드는 증발기, 상기 응축기 및 증발기와 연결되어 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급받는 열교환기, 상기 열교환기로 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 선택적으로 공급하도록 방향을 전환해주는 4웨이밸브로 이루어진 냉, 난방겸용 히트펌프에 있어서, 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매가 공급되는 냉매공급관과 원수가 공급되는 관로가 내부에서 서로 맞대고 있는 상기 열교환기의 표면을 방수제로 1차 도포하고, 그 위에 세라믹도료로 2차 도포하며, 상기 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 마그네슘합금 형상체가 내부에 삽입된 황동관으로 된 스케일 제거장치를 연결하여 설치한 히트펌프로써, 상기 방수제와 세라믹도료에 의해 상기 열교환기의 결로현상 및 동파를 방지하며 단열 및 단냉의 기능을 발휘하는 효과가 있고, 상기 스케일 제거장치에 의해 열교환기로 원수를 공급하는 관로의 스케일을 적절하게 제거해주는 효과가 있다.

Description

단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프{HEAT PUMP WITH INSULATION, NOT CHILL, WATERPROOF AND ELIMINATION OF SCALE}

본 발명은 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프에 관한 것으로서, 상세히는 히트펌프의 구성 중 열교환을 담당하는 열교환기의 결로 및 동파방지를 위해 상기 열교환기의 표면을 방수제와 세라믹도료로 도포하고, 상기 열교환기에 원수를 공급하는 관로 상에 마그네슘합금 형상체가 삽입된 황동관으로 된 스케일 제거장치를 연결하여 상기 마그네슘합금에서 발생하는 마그네슘이온에 의해 상기 관로 내의 스케일을 제거하도록 한 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프에 관한 것이다.

우리가 흔히 에어컨이라고 일컫는 가전제품은 여름철에만 사용하는 냉방기를 말한다. 그러나 여름에는 냉방용으로, 봄, 가을의 환절기는 물론 겨울에는 난방용으로 사용할 수 있는 에어컨도 개발되어 상품화 된지 오래다. 이처럼 냉난방 겸용 에어컨을 히트펌프 또는 4계절용 에어컨이라고 한다.

상기 히트펌프의 원리를 보면, 일반적으로 실내기에서 냉기가 나오고 실외기에서 열기가 나오는 냉방사이클과 핵심장치의 역할을 정반대로 역전시켜 실내기에서는 따뜻한 열기가, 실외기에서는 냉기가 나오게 하는 방식이다. 히트펌프를 구성하기 위해서는 압축기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브로 이루어지는 기존 냉방기에 냉매 흐름을 자유자재로 제어시킬 수 있는 4웨이밸브와, 상기 4웨이밸브에 의해 흐름이 제어된 냉매를 선택적으로 공급받아 난방 또는 냉방을 위해 원수와 열교환 작용을 하는 열교환기가 별도로 필요하다.

즉, 히트펌프에는 열을 운반하는 냉매가 사용되는데, 상기 압축기로는 냉매를 압축시켜 고온, 고압으로 만들고, 상기 응축기로는 압축기로부터 고온, 고압의 압축된 냉매를 공급받아 액화시키며, 상기 팽창밸브로는 응축기로부터 공급받는 고압의 액화상태 냉매를 감압하여 저온, 저압의 액화상태로 만들고, 상기 증발기로는 팽창밸브로부터 저온, 저압의 액화상태의 냉매를 공급받아 저온, 저압의 가스상태로 만들게 된다.

여기서, 상기 열교환기는 상기 응축기 및 증발기와 연결되어 냉매의 흐름을 제어하여 방향을 전환해주는 4웨이밸브에 의해 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급받게 되며, 상기 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급하는 냉매공급관이 열교환기 내를 통과하면, 상기 열교환기의 내부에서 냉매공급관과 맞대면서 통과되는 관로 내로 공급되는 원수가 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매에 의한 열교환에 의해 고온으로 되거나 저온으로 되어 난방과 온수 또는 냉방에 이용하게 된다.

그런데 히트펌프는 4계절 모두 사용할 수 있다고 말할 수 있으나 현재 기술로는 겨울철에 실외온도가 5도 이하로 내려가면 사실상 사용이 어렵다. 왜냐하면, 실외 열교환기에 성에가 끼어 동파의 우려가 있고, 이로 인해 냉매, 윤활작용에 무리가 따라 응축기의 효율이 크게 저하되기 때문이다.

또한, 열교환기는 항상 열교환이 일어나는 장소이기 때문에 주변과의 온도 차이에 의해 상기 열교환기에 결로현상이 발생할 수밖에 없고 이로 인해 열교환기가 쉽게 부식될 수 있는 환경에 놓이게 된다.

따라서, 우리나라와 같이 실외 온도가 5도 이하로 내려가는 겨울철에도 히트펌프를 사용하기 위해서는 열교환기를 동파로부터 방지하면서 겨울철에는 열기를 여름철에는 냉기를 열교환기의 주변으로 뺏기지 않도록 보호하는 단열과 단냉이 필요하고, 부식을 일으키는 결로현상으로부터 상기 열교환기를 보호해줄 필요가 있다.

한편, 상기 열교환기로는 난방 또는 냉방을 위해 열교환을 위한 원수를 수시로 공급해주게 되는데, 상기 열교환기로 원수를 공급해주는 관로 내에는 오랜 시간에 걸쳐 공급되는 원수에 의해 물때를 포함하는 스케일이 발생하여 원수의 품질저하 및 원활한 원수공급에 장애를 일으키게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 히트펌프의 구성요소 중 하나인 열교환기의 표면을 방수제로 1차 도포하고 세라믹도료로 2차 도포함으로써 상기 열교환기의 결로현상을 방지하고 단열 및 단냉을 통해 동파를 방지하여 상기 열교환기의 원활한 기능을 유지하도록 하며, 상기 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 스케일 제거장치로 마그네슘합금 형상체가 삽입된 황동관을 연결함으로써 구리와 마그네슘의 전위차에 의한 갈바닉효과에 의해 마그네슘합금 형상체로부터 발생하는 마그네슘이온이 관로의 내벽면에 발생하는 스케일과 반응하여 상기 스케일을 제거하도록 한 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프는, 냉매를 고온, 고압으로 압축시키는 압축기, 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 받아 액화시키는 응축기, 상기 응축기로부터 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압으로 만드는 팽창밸브, 상기 팽창밸브로부터 저온, 저압의 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압의 가스상태로 만드는 증발기, 상기 응축기 및 증발기와 연결되어 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급받는 열교환기, 상기 열교환기로 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 선택적으로 공급하도록 방향을 전환해주는 4웨이밸브로 이루어진 냉, 난방겸용 히트펌프에 있어서, 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매가 공급되는 냉매공급관과 원수가 공급되는 관로가 내부에서 서로 맞대고 있는 상기 열교환기의 표면을 방수제로 1차 도포하고, 그 위에 세라믹도료로 2차 도포하며, 상기 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 마그네슘합금 형상체가 내부에 삽입된 황동관으로 된 스케일 제거장치를 연결하여 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

또, 상기 방수제는 0.1～0.2㎜의 두께로 도포되고, 상기 세라믹도료는 1.2～2㎜의 두께로 도포되는 것이 바람직하다.

또, 상기 방수제는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 및 물의 혼합물이고, 상기 세라믹도료는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 3차원가교결합된 폴리머계화합물(_OH_COOH) 및 물의 혼합물인 것이 바람직하다.

또, 상기 마그네슘합금 형상체는 봉형상의 바깥둘레면에 방사상으로 길이방향을 따라 날개가 달린 형상으로 양쪽 끝단부가 은나노 고정링에 의해 황동관에 고정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프에 의하면, 열교환기에 도포된 방수제에 의해 주변과의 온도차이에 의해 상기 열교환기에 발생하는 결로현상을 방지하여 항상 청결하게 유지할 수 있고 부식의 위험도 피할 수 있는 효과가 있다.

또, 열교환기에 도포된 세라믹도료에 의해 단열과 단냉이 이루어져 겨울철에는 열기를 여름철에는 냉기를 주변으로 뺏기지 않고 안정적으로 보호할 수 있는 효과가 있다.

또한, 열교환기에 연결되어 원수를 공급하는 관로 상에 스케일 제거장치가 설치되어 항상 스케일이 없는 깨끗한 원수를 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프의 계통도에서 냉매와 원수가 통과하는 열교환기 부분의 계통도
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 설치되는 스케일 제거장치의 분리 사시도
도 3a는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 설치되는 스케일 제거장치로 스케일을 제거하는 과정을 보여주는 개념도
도 3b는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 설치되는 스케일 제거장치로 물때를 제거하는 과정을 보여주는 개념도

이하, 본 발명에 따른 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프의 계통도에서 냉매와 원수가 통과하는 열교환기 부분의 계통도를 도시한 것이다.

본 발명의 히트펌프는 일반적인 히트펌프와 같이 기본적으로 냉매를 압축시켜 고온, 고압으로 만드는 압축기, 상기 압축기로부터 고온, 고압의 압축된 냉매를 공급받아 액화시키는 응축기, 상기 응축기로부터 고압의 액화상태 냉매를 감압하여 저온, 저압의 액화상태로 만드는 팽창밸브, 상기 팽창밸브로부터 저온, 저압의 액화상태의 냉매를 공급받아 저온, 저압의 가스상태로 만드는 증발기, 상기 응축기 및 증발기와 연결되어 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급받는 열교환기, 상기 열교환기로 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 선택적으로 공급하도록 냉매의 흐름을 제어하여 방향을 전환해주는 4웨이밸브로 이루어진다.

그런데 본 발명에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 히트펌프의 열교환기(1)에서 겨울철에는 상기 응축기를 통해 열교환기(1)를 거쳐 통과하는 냉매공급관(2)으로 고온, 고압의 기체냉매가 공급되면, 상기 열교환기(1)를 거쳐 통과하여 상기 냉매공급관(2)과 맞대고 있는 관로(3)에 공급되는 원수가 상기 고온, 고압의 기체냉매에 의해 데워져 난방수 또는 온수로 사용하고, 여름철에는 4웨이밸브에 의해 방향이 전환되어 상기 증발기를 통해 저온, 저압의 기체냉매가 냉매공급관(2)을 통해 상기 열교환기(1)로 공급되어 통과되면, 상기 열교환기(1)를 거쳐 통과하는 관로(3)에 공급되는 원수가 상기 저온, 저압의 기체냉매에 의해 차가워져 냉방용으로 사용하게 된다.

이때, 상기 열교환기(1)가 고온, 고압의 액화상태 냉매 또는 저온, 저압의 기체냉매에 의해 주변온도와 차이가 생겨 표면에 결로현상이 발생하므로 이를 방지하기 위해 상기 열교환기(1)의 표면을 방수제로 1차 도포하며, 겨울철에는 주변으로 열을 빼앗기지 않아 단열이 되고 여름철에는 주변으로 냉기를 빼앗기지 않아 단냉이 되도록 방수제가 도포된 상기 열교환기의 표면을 세라믹도료로 2차 도포한다.

상기 방수제는 방수의 역할만 충분히 하면 되므로 0.1～0.2㎜의 두께로 최대한 얇게 도포하는 것이 바람직하지만, 0.1㎜ 미만으로 도포하면 너무 얇게 도포되어 방수의 기능을 제대로 할 수 없을 우려가 있고, 0.2㎜를 초과하는 두께로 도포하는 것은 실익이 없다.

상기 세라믹도료는 단열 및 단냉의 확실한 효과를 위해 1.2～2㎜의 두께로 최대한 두껍게 도포하는 것이 바람직하지만, 1.2㎜ 미만으로 도포하면 일정한 두께를 확보하지 못해 단열 및 단냉 기능을 제대로 발휘할 수 없을 우려가 있고, 2㎜를 초과하는 두께로 도포하는 것은 너무 두꺼워지기만 할 뿐 별로 실익이 없다.

또한, 상기 방수제는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂)를 주요성분으로 하여 상기 성분들과 물을 혼합한 액상의 물질이고, 상기 세라믹도료는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 3차원가교결합된 폴리머계화합물(_OH_COOH)을 주요성분으로 하여 상기 성분들과 물을 혼합한 액상의 물질이며, 주요 성분들과 물의 상세한 함량은 방수제나 세라믹도료가 일반적인 제품에 속하는 것이므로 생략하기로 한다.

상기 열교환기(1)에 원수를 공급하는 관로(3) 상에는 스케일 제거장치(4)가 연결되는데 이에 대해서는 다음과 같이 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 설치되는 스케일 제거장치의 분리 사시도를 도시한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 히트펌프의 열교환기(1)로 원수를 공급하는 관로(3) 상에는 스케일 제거장치(4)가 설치되는데, 상기 스케일 제거장치(4)는 황동관(5)과 마그네슘합금 형상체(6) 및 은나노 고정링(7)으로 구성된다.

상기 황동관(5)은 구리와 아연의 합금재질로 되어 양쪽 끝단부에 플랜지(5a)가 일체로 된 관이며 상기 플랜지(5a)에는 관로(3)와 연결하여 결합하기 위한 볼트공(B)이 다수개 뚫려 있고, 상기 열교환기(1)로 원수를 공급하기 위한 토출펌프 주변의 관로(3) 상에 연결되어 설치된다.

상기 마그네슘합금 형상체(6)는 원통 형상의 바깥둘레면을 따라 일정한 간격을 두고 길이방향을 따라 일직선으로 날개(6a)가 형성된 것으로서, 종단면의 형태를 보면 원의 바깥쪽에 방사상으로 상기 날개(6a)에 해당하는 돌출부가 형성된 형상으로 되어 있으며, 마그네슘합금의 대표적인 재질로는 Mg-Al-Zn계 합금(AZ31B, AZ61A, AZ80A)을 들 수 있으며, 이와 같은 마그네슘합금 형상체(6)가 상기 황동관(5) 내에 삽입된다.

이와 같이 마그네슘합금 형상체(6)가 황동관(5) 내에 삽입된 상태에서 상기 황동관(5) 내로 원수가 통과하면서 관로(3)로 공급되면, 상기 황동관(5)의 구리와 마그네슘합금 형상체(6)의 마그네슘 사이의 전위차에 의한 갈바닉효과에 의해 상기 마그네슘합금 형상체(6)로부터 마그네슘이온(Mg²⁺)이 생성됨으로써 마그네슘합금 형상체는 희생양극으로 작용하게 된다.

상기 은나노 고정링(7)은 황동관(5) 내에 양쪽 끝단부에 끼워져 상기 황동관(5) 내에 삽입된 마그네슘합금 형상체(6)가 앞뒤로 빠지지 않도록 고정하는 역할을 하면서 은나노 성분에 의해 상기 은나노 고정링(7)을 통과하는 원수의 살균효과를 발휘하게 된다.

이와 같은 구성으로 된 스케일 제거장치를 이용하여 스케일 및 물때를 제거하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로상에 설치되는 스케일 제거장치로 스케일을 제거하는 과정을 보여주는 개념도를 도시한 것이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 상기한 갈바닉효과에 의해 마그네슘합금 형상체(6)로부터 생성되는 마그네슘이온(Mg²⁺)이 관로(3)의 내벽면에 붙어 있는 스케일 성분 중 탄산염(예컨대, CaCo₃), 규산염 광물 등과 치환되어 용해도를 증가시켜 스케일을 제거하게 된다.

즉, 상기 마그네슘이온(Mg²⁺)이 다음의 반응식과 같이 스케일의 구성성분인 무기광물질의 물에 대한 용해도를 높여 스케일의 생성을 억제하거나 제거하게 된다.

Mg → Mg^{2 +} ＋ 2e CaCO₃(방해석) + Mg^{2 +} → MgO₂ + Ca^{2 +} +CO₂

이는 철수산화물을 단단하게 결합시켜주는 방해석이 용해되어 스케일의 결합력을 약해지게 되며, 결합력이 약해진 스케일은 유속에 의해 서서히 제거된다.

도 3b는 본 발명에 따른 히트펌프의 열교환기로 원수를 공급하는 관로상에 설치되는 스케일 제거장치로 물때를 제거하는 과정을 보여주는 개념도를 도시한 것이다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 마그네슘합금 형상체(6)로부터 생성되는 마그네슘이온(Mg²⁺)에 의해 관로(3)의 내벽면에 붙어 있는 침상(針狀)형태의 물때가 구상화(球狀化)되면서 침상조직을 이완 분리시키고 경질의 물때를 연질화함으로써 제거하게 된다.

또한, 상기 마그네슘합금 형상체로(6)부터 생성된 마그네슘이온(Mg²⁺)은 철이온에 비해 이온화 경향이 높기 때문에 다음의 반응식과 같이 관로(3) 내의 철 이온이 산화되는 것을 방지하여 부식방지효과를 발휘하게 된다.

Mg → Mg^{2 +}＋ 2e Fe^{2 +} ＋ 2e → Fe

이상과 같이 본 발명에 따른 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 열교환기 2 : 냉매공급관
3 : 관로 4 : 스케일 제거장치
5 : 황동관 5a : 플랜지
6 : 마그네슘합금 형상체 6a : 날개
7 : 은나노 고정링 B : 볼트공

Claims (4)

1. 냉매를 고온, 고압으로 압축시키는 압축기, 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 받아 액화시키는 응축기, 상기 응축기로부터 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압으로 만드는 팽창밸브, 상기 팽창밸브로부터 저온, 저압의 액화상태 냉매를 받아 저온, 저압의 가스상태로 만드는 증발기, 상기 응축기 및 증발기와 연결되어 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 공급받는 열교환기, 상기 열교환기로 고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 선택적으로 공급하도록 방향을 전환해주는 4웨이밸브로 이루어진 냉, 난방겸용 히트펌프에 있어서,
   고온, 고압의 액화된 냉매 또는 저온, 저압의 기체상태 냉매가 공급되는 냉매공급관과 원수가 공급되는 관로가 내부에서 서로 맞대고 있는 상기 열교환기의 표면을 방수제로 1차 도포하고, 그 위에 세라믹도료로 2차 도포하며,
   상기 열교환기로 원수를 공급하는 관로 상에 봉형상의 바깥둘레면에 방사상으로 길이방향을 따라 날개가 달린 형상으로 양쪽 끝단부가 은나노 고정링에 의해 황동관에 고정된 마그네슘합금 형상체가 내부에 삽입된 황동관으로 된 스케일 제거장치를 연결하여 설치한 것을 특징으로 하는 단열, 단냉, 방수 및 스케일제거 기능을 갖는 히트펌프.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방수제는 0.1～0.2㎜의 두께로 도포되고, 상기 세라믹도료는 1.2～2㎜의 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 단열, 단냉, 방수기능 및 스케일 제거기능을 갖는 히트펌프.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 방수제는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 및 물의 혼합물이고, 상기 세라믹도료는 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 3차원가교결합된 폴리머계화합물(_OH_COOH) 및 물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 단열, 단냉, 방수기능 및 스케일 제거기능을 갖는 히트펌프.
   
4. 삭제

Images