KR101196505B1 - 2단 압축기를 이용한 히트펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프는 제1압축기(가스분사식 압축기) 및 제2압축기 (가스분사식 압축기)를 이용하여 주변의 온도조건에 따라 일반 1단압축방식 난방운전, 가스분사식 1단압축방식의 난방운전, 가스분사식 2단 압축 난방 작동이 가능하도록 구성되므로써, 겨울철 저온(한랭) 상황에서의 난방 효율을 높일 수 있음은 물론, 제상 운전 시 제1압축 시스템을 통해 별도의 제상 운전이 가능하여 난방 운전에 필요한 충분한 열량을 확보할 수 있고, 이에 따라 난방 효율을 높임과 동시에 전력소비를 줄일 수 있다.

Description

2단 압축기를 이용한 히트펌프{Heat pump using two stage compressors}
본 발명은 역사이클을 이용하여 냉난방을 구현할 수 있는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프는 냉매의 흡열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치를 말한다.
히트 펌프는 냉동사이클과 동일한 구성을 가지는데, 일반적으로, 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내지며, 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축 액화되어 고온고압의 액체 상태로 이르게 된다. 응축된 냉매는 팽창밸브를 통하여 팽창되면서 일부 냉매액은 증발하고, 이때 잠열의 흡수를 통하여 냉매액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서 배열시키는 즉 열을 이송하는 펌프로 볼 수 있다.
히트 펌프는 이와 같은 냉동 사이클에서 응축기 및 증발기를 기능이 전환 가능한 열교환기로 구성하여, 예컨대 난방시에 응축기 기능을 하는 열교환기가 냉방시에는 증발기 기능을 하도록 함으로써, 냉난방을 동시에 구현할 수 있도록 구성된다.
이러한 히트펌프 중에서 본 발명과 대비될 수 있는 선행 기술들을 살펴보면 다음과 같다.
한국등록특허 제956,550호에는 고온 취득을 위한 제1 사이클 및 저온 취득을 위한 제2 사이클에 각각 압축기를 구비하여 냉수 및 온수 생산을 수행하고, 외기 증발기가 저온 시 결빙되는 경우, 제1 사이클의 동작을 정지시키고, 제2 사이클의 가동을 통해 제상 모드를 수행함으로써, 동절기에도 안정적인 운전이 가능한 제상 기능을 갖도록 하는 기술이 개시되어 있다.
한국공개특허 제2010-0064751호에는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 이루어지는 저단 및 고단 압축 시스템부를 각각 구성하고 저단 및 고단 압축 시스템부의 순환라인에 바이패스 라인을 연결함으로써, 제상 시에도 고온수의 온도가 일정하게 유지될 수 있는 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2012-007825호에는 2단 압축기를 포함하고, 중간압 수화기로 분리되는 중간압의 냉매 가스가 2단 압축기의 고단측 압축 기구에 흡입되는 것을 방지함으로써 압축기의 신뢰성을 높일 수 있는 히트 펌프 급탕 장치 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2011-208841호에는 2단 압축식의 압축장치를 포함하고, 열교환 대상 유체를 냉각하는 냉각 운전 모드와 열교환 대상 유체를 가열하는 가열 운전 모드를 변경 가능하도록 구성되는 히트 펌프 사이클 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 선행 기술의 히트펌프를 포함한 종래 기술의 히트펌프는, 겨울철 저온에서는 난방 능력(열량)이 계속 떨어지기(대략 -15℃에서는 약 50%의 능력 밖에 안 됨) 때문에 별도의 보조열원으로 히터를 장착하여 보완하는 시스템을 구성하고 있거나, 가스분사식 1단 압축기를 사용하여 저온 난방 운전시 약간의 난방 능력을 향상(예를 들면, -15℃에서 약 60%능력)시킬 수는 있으나, 이 또한 보조히터를 장착하여야 정상적인 난방 구현이 가능해지는 문제점이 발생되고 있다.
이러한 종래 기술의 히트펌프는, 제상 모드 운전시에 핫가스방식 또는 역사이클 방식으로 운전하게 되는데, 이때 난방(온수) 제공 능력이 크게 떨어지기 때문에 전체적으로 난방 효율은 물론 전력 소비과다로 에너지 소비효율도 크게 떨어지는 문제점도 있다.
이상 설명한 배경기술의 내용은 이 건 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제1압축기 및 제2압축기를 이용하여 저온(예를 들면 -5℃ 또는 -15℃ 정도) 난방시에 보다 높은 열량 확보가 가능하도록 하여, 난방 효율을 높임과 동시에 전력소비를 줄일 수 있도록 하는 2단 압축기를 이용한 히트펌프를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 제상 운전시에 별도의 1단 압축 시스템에서 별도의 제상 운전이 가능하도록 하여, 난방 효율이 떨어지지 않도록 하면서 제상 운전이 가능하도록 하여 전력소비를 줄일 수 있고, 이에 따라 에너지 소비효율 향상에 기여할 수 있는 2단 압축기를 이용한 히트펌프를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프는, 냉매를 압축하는 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기와 연결된 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 냉방 사이클과; 상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제1난방 사이클과; 상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제2팽창밸브, 제2팽창밸브와 연결되어 냉매를 과냉시키는 제5열교환기, 제5열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하는 한편, 제1열교환기를 경유하여 제5열교환기에서 과냉각된 나머지 냉매가 유입되는 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제2난방 사이클과; 제1압축기, 제1압축기와 연결되어 중간 냉각 기능을 갖는 제4열교환기, 제4열교환기와 연결되는 상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 상기 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제2팽창밸브, 제2팽창밸브와 연결되어 냉매를 과냉시키는 제5열교환기, 제5열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하는 한편, 상기 제1열교환기를 경유하여 제5열교환기를 거치면서 과냉각된 나머지 냉매가 유입되는 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제3난방 사이클과;
상기 제1압축기, 제1압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기와 연결된 제4팽창밸브, 제4팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제3열교환기, 이 제3열교환기와 연결된 상기 제4열교환기, 제4열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제상 사이클을 포함한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1압축기 및 제2압축기 중 적어도 어느 하나의 압축기는 EVI(Enhanced Vapour Injection) 스크롤 압축기인 것이 바람직하다.
상기 제2난방 사이클에서, 제5열교환기는 제2팽창밸브에서 제2압축기로 유동하는 냉매와 상기 제1열교환기에서 제3팽창밸브로 유동하는 냉매 사이에 열교환이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제3난방 사이클에서, 제5열교환기는 제2팽창밸브에서 제1압축기로 유동하는 냉매와 상기 제1열교환기에서 제3팽창밸브로 유동하는 냉매 사이에 열교환이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프는, 제1압축기(가스분사식 압축기) 및 제2압축기(가스분사식 압축기)를 이용하여, 주변의 온도조건에 따라 일반 1단압축방식 난방운전, 가스분사식 1단압축방식의 난방운전, 가스분사식 2단 압축 난방 작동이 가능하도록 구성되기 때문에 겨울철 저온(한랭) 상황에서의 난방 효율을 높일 수 있음은 물론, 제상 운전 시 제1압축 시스템을 통해 제상 운전이 가능하여 난방 운전에 필요한 충분한 열량을 확보할 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명은 보조 열원이 없이도 난방에 필요한 충분한 열원을 확보할 수 있고, 전력 소비도 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프의 사이클 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프의 몰리에르선도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 냉방 작동시의 사이클 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1난방 사이클(일반 상온(0℃) 난방 작동시) 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2난방 사이클(일반 영하(-5℃) 작동시) 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제3난방 사이클(-15℃ 정도의 한랭 저온 난방 작동시) 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제상 작동시의 사이클 구성도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프를 보여주는 구성도면이다.
이를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프를 설명한다.
본 발명의 2단 압축기를 이용한 히트펌프는, 냉매의 유동 방향 등을 제어하여 냉방 사이클, 제1난방 사이클, 제2난방 사이클, 제3난방 사이클, 제상 사이클을 구현할 수 있도록 구성된다. 여기서 제3난방 사이클은 한랭 상황(예를 들면 -15℃ 정도)에서 운전하는 사이클 모드로서, 2단 압축기를 이용하여 제1난방 및 제2난방 사이클 보다 더 높은 난방 열량을 제공할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이를 위해 2단 압축기를 이용한 히트펌프는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1송풍팬(11), 제1열교환기(13), 제1팽창밸브(15), 제1체크밸브(17), 제1사방밸브(19), 제2압축기(21), 제2어큐물레이터(22), 제5열교환기(23), 제4삼방밸브(24), 제2팽창밸브(25), 개폐밸브(27), 제1삼방밸브(29), 제2사방밸브(31), 제2체크밸브(33), 제1압축기(35), 제1어큐물레이터(37), 제2열교환기(39), 제2삼방밸브(41), 제3팽창밸브(43), 제3체크밸브(45), 제4팽창밸브(47), 제3열교환기(49), 제3삼방밸브(51), 제4열교환기(53), 제2송풍팬(55) 등으로 구성된다.
여기서, 상기 제1압축기(35)와 제2압축기(21)는 공지의 가스 분사식 1단 및 2단 압축기로서, 2개의 흡입부와 1개의 토출구로 이루어진 EVI(Enhanced Vapour Injection) 스크롤 압축기로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 히트펌프 시스템은 공랭식과 수냉식으로 구분될 수 있는데, 공랭식인 경우는 제1열교환기(13)는 핀튜브 방식의 공랭식 열교환기를 사용하고 제1송풍팬(11)과 함께 작동하여 열교환하도록 구성되는 것이 바람직하고, 수냉식인 경우는 판형 열교환기, 이중관식 열교환기 등으로 사용하고, 열매체는 액체(물, 오일 등)를 사용하여 열교환하도록 구성되는 것이 바람직하다.
제2열교환기(39), 제3열교환기(49), 제4열교환기(53)는 제2송풍팬(55)에 의해 함께 열교환될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제5열교환기(23)는 제1열교환기(13)를 거치면서 응축된 냉매의 일부를 제2팽창밸브(25)를 통해 증발시켜 제3팽창밸브(43)로 가는 주(主)냉매와 열교환되게 하여 과냉각시키고, 증발된 일부의 냉매는 제1압축기로 유입시킬 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
이와 같은 2단 압축기를 이용한 히트펌프는 상기 구성 요소들이 냉매배관으로 상호 연결되어 냉방 또는 냉수(이하 '냉방'으로 통칭하여 표현함) 및 난방 또는 온수(이하 '난방'으로 통칭하여 표현함) 제공 운전이 가능하도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 여러 운전 사이클은 운전 모드 및 주위 온도에 따라 온도, 압력, 전류 등을 센싱하여 인버터 팬 모터 등을 이용하여 실내 풍량 또는 실외 풍량을 가변시켜 운전하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프에서 제1압축기(35) 및 제2압축기(21)를 이용한 2단 압축 상태를 보여주는 몰리에르선도를 나타낸 것이다.
이제, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프의 냉방 사이클, 제1난방 사이클, 제2난방 사이클, 제3난방 사이클, 제상 사이클을 구현할 수 있는 구성 및 냉매 흐름에 대해 설명한다.
먼저, 냉방 사이클 작동을 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 냉방 사이클은, 제2압축기(21), 제1사방밸브(19), 제1삼방밸브(29), 제2열교환기(39), 제2삼방밸브(41), 제3체크밸브(45), 제5열교환기(23), 제1팽창밸브(15), 제1열교환기(13), 제1사방밸브(19), 제2어큐물레이터(22), 제2압축기(21) 순으로 냉매가 순환하는 구성으로 이루어진다. 이때, 개폐밸브(27) 및 제2팽창밸브(25)는 닫힌 상태로 제어되어 가스분사 사이클 운전은 정지된다.
또한, 상기 제2열교환기(39)는 응축기 기능을 수행하고, 제1열교환기(13)는 냉방을 위한 증발기 기능을 수행하게 된다.
그리고, 제1사방밸브(19), 제1삼방밸브(29), 제2삼방밸브(41), 제1팽창밸브(15) 등은 상기한 바와 같은 냉방 사이클 작동이 가능한 방향으로 냉매가 유동할 수 있도록 제어된다.
이와 같은 냉방 사이클을 통해 상기 제1열교환기(13)로부터 냉방(또는 냉수 제공)을 위한 열원을 얻을 수 있게 된다.
다음, 제1난방 사이클 작동을 도 4를 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 제1난방 사이클은 대략 0℃ 정도의 온도일 때 구현 가능한 사이클 모드로서, 제2압축기(21), 제1사방밸브(19), 제1열교환기(13), 제1체크밸브(17), 제5열교환기(23), 제3팽창밸브(43), 제2삼방밸브(41), 제2열교환기(39), 제1삼방밸브(29), 제1사방밸브(19), 제2어큐물레이터(22), 제2압축기(21) 순으로 냉매가 순환하는 구성으로 이루어진다.
여기서, 제1열교환기(13)는 난방을 위한 응축기 기능을 수행하고, 제2열교환기(39)는 증발기 기능을 수행하게 된다.
그리고, 제1사방밸브(19)를 포함한 냉매 유동 경로 상의 밸브들은 상기한 바와 같은 제1난방 사이클 작동이 가능한 방향으로 냉매가 유동할 수 있도록 제어된다.
이와 같은 제1난방 사이클을 통해 상기 제1열교환기(13)로부터 난방(또는 온수 제공)을 위한 열원을 제공할 수 있게 된다.
다음, 제2난방 사이클 작동을 도 5를 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 제2난방 사이클은, 상기 제1난방 사이클 운전시보다도 낮은 온도(예를 들면 외기 온도 -5℃ 정도)에서 난방을 실현하기 위한 난방 사이클로서, 제2압축기(21), 제1사방밸브(19), 제1열교환기(13), 제1체크밸브(17), 제5열교환기(23), 제3팽창밸브(43), 제2삼방밸브(41), 제2열교환기(39), 제1삼방밸브(29), 제1사방밸브(19), 제2어큐물레이터(22), 제2압축기(21) 순으로 냉매가 순환하는 한편, 제1열교환기(13)를 거친 냉매의 일부는 개폐밸브(27), 제2팽창밸브(25), 제5열교환기(23), 제4삼방밸브(24), 제2압축기(21)의 중간 압축실로도 냉매가 순환하는 구성으로 이루어진다.
여기서, 제1열교환기(13)는 난방을 위한 응축기 기능을 수행하고, 제2열교환기(39)는 증발기 기능을 수행하게 된다.
그리고, 제1사방밸브(19)를 포함한 냉매 유동 경로 상의 밸브들은 상기한 바와 같은 제1난방 사이클 작동이 가능한 방향으로 냉매가 유동할 수 있도록 제어된다. 이때, 제5열교환기(23)는 앞서 설명한 바와 같이 일부 냉매를 증발시켜 열교환되게 하는 과정을 통해 주(主)냉매를 과냉시키고 자신은 비등되어 제2압축기(21) 쪽에 공급하는 기능을 수행하게 된다. 즉, 제1열교환기(13)를 거친 응축 냉매가 가스분사용 팽창밸브인 제2팽창밸브(25)를 통과한 후에 가스분사 제5열교환기(23)를 거치는 과정에서 주(主)액냉매는 과냉되고 비등된 냉매는 제2압축기(21)의 중간 압축실로 보내진다.
이때 제2압축기(21)는 EVI 스크롤 압축기로 구성되는 것이 바람직한 바, 스크롤의 중간 정도에 구성된 흡입구를 통해 가스를 분사하여 제공할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
제2난방 사이클에서도, 제1사방밸브(19)를 포함한 냉매 유동 경로 상의 밸브들은 상기한 바와 같은 제2난방 사이클 작동이 가능한 방향으로 냉매가 유동할 수 있도록 제어된다.
이와 같은 제1열교환기(13)를 경유한 응축 냉매 중 일부는 제2팽창밸브(25) 및 제5열교환기(23)를 통해 나머지 응축냉매를 과냉각시키고, 자신은 비등되어 제1압축기(21)로 유입시키는 한편, 나머지 과냉각된 응축 냉매는 제3팽창밸브(43) 및 제2열교환기(39)를 거쳐 제2압축기(21)로 유입시켜 압축하여 제1열교환기(13)의 응축 발열량을 증가시킴으로써 외기 온도가 -5℃ 정도로 낮은 상태에서도 제1열교환기(13)를 통해 고온의 난방(또는 온수 제공) 열원을 제공할 수 있게 된다.
다음, 제3난방 사이클 작동을 도 6을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 제3난방 사이클은, 상기 제2난방 사이클 운전시보다도 낮은 온도(예를 들면 외기 온도 -15℃ 정도)에서 난방을 실현하기 위한 난방 사이클로서, 일부 밸브류를 제외한 주요 구성 요소의 냉매 순환 경로는 제1압축기(35), 제4열교환기(53), 제2어큐물레이터(22), 제2압축기(21), 제1열교환기(13), 제2팽창밸브(25), 제5열교환기(23), 제1압축기(35) 순으로 냉매가 순환하는 동시에, 상기 제1열교환기(13)를 경유한 일부의 냉매는 제3팽창밸브(43), 제2열교환기(39), 제1어큐물레이터(37), 제1압축기(35) 순으로 순환하는 구성으로 이루어진다.
상기 제1열교환기(13)는 저온 난방을 위한 응축기 기능을 수행하고, 제2열교환기(39)는 증발기 기능을 수행하게 된다.
특히, 제4열교환기(53)는 중간 냉각 기능을 수행하고, 제5열교환기(23)는 앞서 설명한 바와 같이 일부 냉매를 증발시켜 열교환되게 하는 과정을 통해 냉매를 과냉시키고 비등된 냉매는 제1압축기(35)쪽에 공급하는 기능을 수행하게 된다. 즉, 제1열교환기(13)를 거친 응축 냉매가 가스분사용 팽창밸브인 제2팽창밸브(25)를 통과한 후에 가스분사 제5열교환기(23)를 거치는 과정에서 제3팽창밸브(43)까지의 액냉매를 과냉각 시키고 자신은 비등하여 제1압축기(35)의 중간 압축실로 보내진다.
이때 제1압축기는 EVI 스크롤 압축기로서, 스크롤의 중간 정도에 구성된 흡입구를 통해 가스를 분사하여 제공할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
제3난방 사이클에서도, 제1사방밸브(19)를 포함한 냉매 유동 경로 상의 밸브들은 상기한 바와 같은 제3난방 사이클 작동이 가능한 방향으로 냉매가 유동할 수 있도록 제어된다.
이와 같은 제1열교환기(13)를 경유한 응축 냉매 중 일부는 제2팽창밸브(25) 및 제5열교환기(23)를 통해 주(主)냉매를 과냉각 시키고, 비등된 냉매가스는 제1압축기(35)로 유입시키는 한편, 나머지 과냉각된 응축 냉매는 제3팽창밸브(43) 및 제2열교환기(39)를 거쳐 제1압축기(35)로 유입시켜 1단 압축하고, 이후 제2압축기(21)에서 2단 압축하는 방식으로 제1열교환기(13)의 응축 발열량을 증가시킴으로써 외기 온도가 상당히 낮은 상태에서도 제1열교환기(13)를 통해 고온의 난방(또는 온수 제공) 열원을 제공할 수 있게 된다.
다음, 제상 사이클 작동을 도 7을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 제상 사이클은 제1압축기(35), 제2사방밸브(31), 제1삼방밸브(29), 제2열교환기(39), 제2삼방밸브(41), 제4팽창밸브(47), 제3열교환기(49), 제3삼방밸브(51), 제4열교환기(53), 제2사방밸브(31), 제1어큐물레이터(37), 제1압축기(35) 순으로 냉매가 순환하는 구성으로 이루어진다.
제2열교환기(39)는 응축기 기능을 수행하여 제2열교환기(39)의 제상이 가능하게 되고, 직렬로 연결된 제3열교환기(49)와 제4열교환기(53)는 증발기 기능을 수행한다.
이와 같은 제상 사이클은 난방을 위한 제1열교환기(13) 쪽에는 전혀 영향을 미치지 않게 되므로, 제상 사이클 운전 모드로 인한 제1열교환기(13) 쪽의 온도 저하(열량감소)를 최소화할 수 있게 된다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따른 2단 압축기를 이용한 히트펌프는 외기 온도가 매우 낮은 한랭 상황에서 2단 압축 모드로 난방을 실현하고, 제상 운전시에는 별도의 제상 사이클을 통해 제상 운전이 가능하도록 구성됨으로써, 한랭지형 히트펌프를 실현할 수 있고, 냉방은 물론 보조열원 없는 난방 및 고온수(예를 들면 70℃ 이상)를 얻어 실제 필요한 충분한 열원 확보 및 고효율로 에너지 절약을 동시에 얻을 수 있는 시스템이다.
세계적으로 신.재생에너지에 몰두하고 있는 상황에서 냉난방(냉온수)시스템으로 현재까지 히트펌프 기술이 가장 에너지를 적게 쓰는 시스템으로 검증되었으며, 지구온난화에 따라 특히 겨울철 난방기간이 길어지고 혹한으로 점점 난방비가 상승하고 있는 추세에 있다. 이것은 히트펌프+보조히터 시스템에서 보조히터를 운전해야하는 기간이 길어지고 이것은 연간 사용하는 에너지 효율이 떨어지는데, 이러한 문제를 본 발명의 가스분사식 압축기를 이용한 2단 압축 공랭식 히트펌프를 통해 해결할 수 있다.
본 발명의 히트펌프 시스템은 냉난방(냉온수)이 필요한 곳에 전부 쓰일 수 있으며 다음과 같다.
1. 70 ℃ 고온수가 필요한 목욕탕, 수영장, 사우나, 펜션, 산후조리원
2. 시설원예, 양어장, 전원주택
3. 공공기관, 교육시설, 병원, 공장, 어린이집, 골프장 등등
대한민국 전체 난방 및 온수 시장(가스 및 기름, 전기보일러, 전기온수기, 히트펌프)은 약 6000억 시장으로 현재 약10%를 히트펌프가 차지하고 있으며 보일러시장이 히트펌프로 계속적으로 대체되고 있는 실정이다. 또한 해외 수출시장까지 합하면 약 1000억대이상의 시장으로 예측할 수 있으며 본 발명의 히트펌프 시스템은 공기 냉난방, 냉수, 고온수, 중온수를 만들 수 있어 히트펌프 전 영역은 물론 한랭지형 히트펌프에 우수하게 적용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 냉매를 압축하는 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기와 연결된 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 냉방 사이클과;
    상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제1난방 사이클과;
    상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제2팽창밸브, 제2팽창밸브와 연결되어 냉매를 과냉시키는 제5열교환기, 제5열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하는 한편, 제1열교환기를 경유하여 제5열교환기에서 과냉각된 나머지 냉매가 유입되는 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 압축하는 제2압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제2난방 사이클과;
    제1압축기, 제1압축기와 연결되어 중간 냉각 기능을 갖는 제4열교환기, 제4열교환기와 연결되는 상기 제2압축기, 제2압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 상기 제1열교환기, 제1열교환기와 연결된 제2팽창밸브, 제2팽창밸브와 연결되어 냉매를 과냉시키는 제5열교환기, 제5열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하는 한편, 상기 제1열교환기를 경유하여 제5열교환기를 거치면서 과냉각된 나머지 냉매가 유입되는 제3팽창밸브, 제3팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제3난방 사이클과;
    상기 제1압축기, 제1압축기와 연결되어 응축기 기능을 수행하는 제2열교환기, 제2열교환기와 연결된 제4팽창밸브, 제4팽창밸브와 연결되어 증발기 기능을 수행하는 제3열교환기, 이 제3열교환기와 연결된 상기 제4열교환기, 제4열교환기를 경유한 냉매를 다시 압축하는 제1압축기 순으로 냉매가 순환하도록 구성된 제상 사이클을 포함한 것을 특징으로 하는 2단 압축기를 이용한 히트펌프.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 제1압축기와 제2압축기 중 적어도 어느 하나의 압축기는 EVI(Enhanced Vapour Injection) 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 2단 압축기를 이용한 히트펌프.
  3. 청구항1 또는 청구항2에 있어서,
    상기 제2난방 사이클에서, 제5열교환기는 제2팽창밸브에서 제2압축기로 유동하는 냉매와 상기 제1열교환기에서 제3팽창밸브로 유동하는 냉매 사이에 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 2단 압축기를 이용한 히트펌프.
  4. 청구항1 또는 청구항2에 있어서,
    상기 제3난방 사이클에서, 제5열교환기는 제2팽창밸브에서 제1압축기로 유동하는 냉매와 상기 제1열교환기에서 제3팽창밸브로 유동하는 냉매 사이에 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 2단 압축기를 이용한 히트펌프.
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