KR101200897B1 - 열펌프의 성능시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 유체가 채워지는 제1 및 제2항온수조와, 상기 제1항온수조에서 열펌프의 제1열교환기로 제1온도의 유체를 공급하는 제1공급유로와, 상기 제1열교환기에서 배출된 유체를 제1항온수조로 회수하기 위한 제1회수유로와, 상기 제2항온수조에서 열펌프의 제2열교환기로 제2온도의 유체를 공급하는 제2공급유로와, 상기 제2열교환기에서 배출된 유체를 상기 제2항온수조로 회수하기 위한 제2회수유로와, 상기 제1 및 제2항온수조에 각각 설치되며 상기 제1 및 제2항온수조 내부의 유체 온도를 상기 제1 및 제2온도로 각각 유지시키는 제1 및 제2온도조절유닛, 및 상기 제1 및 제2회수유로에 설치되며 상기 제1 및 제2 회수유로의 유체를 열교환시키는 열교환 유닛을 포함하는 열펌프의 성능시험장치에 관한 것으로서, 성능시험시 제1 및 제2온도조절유닛에서 소요되는 전력을 절약할 수 있는 구조를 제공한다.

Description

열펌프의 성능시험장치{PERFORMANCE TESTING DEVICE OF HEAT PUMP}
본 발명은 열원측 및 부하측 온도조건을 열펌프에 투입하여 열펌프의 성능을 시험하기 위한 열펌프의 성능시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열펌프는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치를 말한다. 열펌프는 냉동 사이클을 이용한 것으로서, 냉방 및 난방 중 어느 것이나 작동 가능하다.
열펌프 또는 냉동기 등에 적용되는 냉동 사이클은 일반적으로 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함한다. 전동기로 압축기를 운전하여 기체 상태인 냉매를 압축하여 응축기로 보내고, 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각하여 액화한다. 액체 상태로 상변화된 냉매가 팽창밸브를 지나 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화되고 증발기 주위로부터 열을 흡수한다. 이 과정에서 기화된 냉매는 다시 압축기로 돌아가서 액화되며 이와 같은 압축, 응축, 팽창, 기화의 4단계가 반복되게 된다. 응축기에서 냉매가 방출하는 열을 이용하면 난방이 가능하며, 증발기에서의 냉매가 열을 흡수하는 것을 이용하면 냉방이 가능한 것이다.
이와 같은 열펌프의 성능 및 효율을 증대시킬 수 있도록 다양한 연구가 지속적으로 수행되고 있으며, 이를 위해서는 열펌프의 성능을 시험할 수 있는 장치가 필요하며, 현재까지 다양한 형태의 성능시험장치가 제안되고 있다.
본 발명은 열원측 및 부하측 온도조건을 열펌프에 투입하여 열펌프의 성능을 평가할 수 있는 시험장치에 있어서, 성능 시험시 소요되는 전력을 최소화할 수 있는 시험 장치의 구조를 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 내부에 유체가 채워지는 제1 및 제2항온수조와, 상기 제1항온수조에서 열펌프의 제1열교환기로 제1온도의 유체를 공급하는 제1공급유로와, 상기 제1열교환기에서 배출된 유체를 제1항온수조로 회수하기 위한 제1회수유로와, 상기 제2항온수조에서 열펌프의 제2열교환기로 제2온도의 유체를 공급하는 제2공급유로와, 상기 제2열교환기에서 배출된 유체를 상기 제2항온수조로 회수하기 위한 제2회수유로와, 상기 제1 및 제2항온수조에 각각 설치되며 상기 제1 및 제2항온수조 내부의 유체 온도를 상기 제1 및 제2온도로 각각 유지시키는 제1 및 제2온도조절유닛, 및 상기 제1 및 제2회수유로에 설치되며 상기 제1 및 제2 회수유로의 유체를 열교환시키는 열교환 유닛을 포함하는 열펌프의 성능시험장치를 개시한다.
상기 제1 및 제2회수유로는 상기 열교환 유닛의 설치가 가능하도록 서로 마주하게 설치될 수 있다.
상기 제1 및 제2공급유로에는 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 유체의 유량을 측정하기 위한 유량계와, 유체 이동을 위한 압력을 발생시키는 펌프가 설치될 수 있다.
상기 제1 및 제2온도조절유닛은 상기 제1 및 제2항온수조의 유체를 각각 냉각 및 가열시키는 냉동기 및 히터, 및 상기 냉동기를 온/오프 제어하고 상기 히터를 가변 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2회수유로 상에는 상기 열교환 유닛으로 공급되는 유체 중 일정량을 바이패스시키기 위한 제1 및 제2우회유로가 각각 형성될 수 있으며, 제1 및 제2우회유로의 분기점 상에는 상기 열교환 유닛으로 공급되는 유량을 조절하기 위한 제1 및 제2밸브가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2밸브는 전기 신호에 의해 개도를 조절하는 전동식 밸브의 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2회수유로 상에는 상기 제1 및 제2항온수조로 회수되는 유체의 온도를 측정하는 온도센서가 설치될 수 있으며, 상기 온도센서에는 제1 및 제2항온수조로 회수되는 유체의 온도가 기설정된 온도로 유지되도록 상기 제1 및 제2밸브를 제어하는 제어부가 연결될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 제1 및 제2회수유로에 열교환 유닛을 설치하여 제1 및 제2회수유로의 유체를 열교환시킴으로써 제1 및 제2온도조절유닛에서 소요되는 전력을 절약할 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 및 제2회수유로에 우회유로를 설치하고, 전동식 밸브의 개도를 제어함으로써 열펌프의 용량에 상관없이 제1 및 제2항온수조로 회수되는 유체의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 성능시험장치를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열펌프의 성능시험장치를 나타낸 개념도.
이하, 본 발명과 관련된 열펌프의 성능시험장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 성능시험장치를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 시험 대상인 열펌프(10)는 압축기(11), 제1열교환기(12), 제2열교환기(13), 및 팽창밸브(14)를 포함한다. 제1열교환기(12)는 부하측 열교환기로 사용되고, 제2열교환기(13)는 열원측 열교환기로 사용된다.
본 실시예에서는 열펌프(10)가 냉방 모드로 작동하는 경우에서의 냉방 성능을 시험하는 것을 기초로 설명한다. 이러한 경우, 제1열교환기(12)는 증발기로 사용되고, 제2열교환기(13)는 응축기로 사용된다. 냉매는 압축기(11), 제2열교환기(13), 팽창밸브(14), 제1열교환기(12) 순으로 이동한다.
압축기(11)에는 4방 밸브(15)가 연결되어 냉난방 모드에 따라 압축기(11)에서 나온 냉매의 이동 방향을 변경할 수 있도록 한다. 열펌프(10)가 난방 모드로 작동하는 경우 제1 및 제2열교환기(12,13)는 각각 응축기와 증발기로 사용되며, 냉매의 이동 방향 또한 압축기(11), 제1열교환기(12), 팽창밸브(14), 제2열교환기(13) 순으로 이동하게 될 것이다.
열펌프(10)의 성능시험장치는 제1 및 제2열교환기(12,13)에 각각 부하측 온도조건과 열원측 온도조건을 인가하여 열펌프(10)의 성능을 시험한다.
열펌프(10)의 성능시험장치는 제1 및 제2항온수조(110,120), 제1공급유로(130), 제1회수유로(140), 제2공급유로(150), 제2회수유로(160), 제1 및 제2온도조절유닛(170,180), 및 열교환 유닛(190)을 포함한다.
제1 및 제2항온수조(110,120)에는 제1 및 제2열교환기(12,13)로 투입하기 위한 유체가 채워진다. 본 실시예에서 사용된 열펌프(10)는 부하측과 열원측의 열교환이 각각 냉매와 물의 열교환에 의해 이루어지며, 이러한 측면에서 열펌프(10)는 물-물 열펌프로 지칭될 수 있다. 실제 조건에 대응될 수 있도록 제1 및 제2항온수조(110,120)에 채워진 유체 또한 물이 사용되었다.
제1 및 제2항온수조(110,120)의 유체는 제1 및 제2온도조절유닛(170,180)에 의해 각각 제1 및 제2온도(T1,T2)로 유지된다. 여기서, 제1온도(T1)와 제2온도(T2)는 각각 저온 및 고온이 된다. 제1 및 제2항온수조(110,120)에는 교반기(111,121)가 각각 설치되어 유체가 고르게 섞이도록 한다.
제1공급유로(130)는 제1항온수조(110)에서 제1열교환기(12)로 제1온도(T1)의 유체를 공급하기 위한 유로이며, 제1회수유로(140)는 제1열교환기(12)에서 배출된 유체를 제1항온수조(110)로 회수하기 위한 유로이다. 제1공급유로(130)와 제1회수유로(140)의 양단은 제1항온수조(110)와 제1열교환기(12)에 각각 연결되며, 제1공급유로(130)를 통해 제1열교환기(12)로 공급된 유체는 냉매와 열교환된 후 제1회수유로(140)를 거쳐 제1항온수조(110)로 회수된다.
제2공급유로(150)는 제2항온수조(120)에서 제2열교환기(13)로 제2온도(T2)의 유체를 공급하기 위한 유로이며, 제2회수유로(160)는 제2열교환기(13)에서 배출된 유체를 제2항온수조(120)로 회수하기 위한 유로이다. 제2공급유로(150)와 제2회수유로(160)의 양단은 제2항온수조(120)와 제2열교환기(13)에 각각 연결되며, 제2공급유로(150)를 통해 제2열교환기(13)로 공급된 유체는 냉매와 열교환된 후 제2회수유로(160)를 거쳐 제2항온수조(120)로 회수된다.
제1 및 제2공급유로(130,150)에는 유체 이동을 위한 압력을 발생시키는 펌프(131,151)와, 제1 및 제2열교환기(12,13)로 공급되는 유체의 유량을 측정하기 위한 유량계(132,152)와, 제1 및 제2열교환기(12,13)로 공급되는 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(134,154)가 설치될 수 있다.
제1 및 제2회수유로(140,160)에는 제1 및 제2열교환기(12,13)에서 배출되는 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(144,164)가 설치될 수 있다.
제1 및 제2공급유로(130,150)와 제1 및 제2회수유로(140,160)는 각각 복수의 파이프가 조립된 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우, 제1 및 제2공급유로(130,150)에 파이프 연결을 위한 커플링(133,153)이 설치되고, 마찬가지로 제1 및 제2회수유로(140,160)에도 파이프 연결을 위한 커플링(143,163)이 설치될 수 있다.
제1 및 제2온도조절유닛(170,180)은 제1 및 제2항온수조(110,120)에 각각 설치되며, 제1 및 제2항온수조(110,120) 내부의 유체 온도를 일정하게 유지시키는 기능을 한다. 제1 및 제2회수유로(140,160)를 통해 회수되는 유체의 온도는 제1 및 제2온도(T1,T2)와 각각 상이하기 때문에, 제1 및 제2온도조절유닛(170,180)은 유체를 가열 또는 냉각시켜 제1 및 제2항온수조(110,120) 내부의 유체 온도를 항상 일정하게 유지시킨다.
제1 및 제2온도조절유닛(170,180)은 제1 및 제2항온수조(110,120)의 유체를 냉각시키기 위한 냉동기(171,181)와, 제1 및 제2항온수조(110,120)의 유체를 가열시키기 위한 히터(172,182)를 포함할 수 있다.
냉동기(171,181)와 히터(172,182)는 제어부에 전기적으로 연결되어 제어부에 의해 제어된다. 냉동기(171,181)는 온/오프(ON/OFF) 제어에 의해 제어되고, 히터(172,182)는 가열 열량을 변화시킬 수 있도록 가변 제어된다. 냉동기(171,181)는 복수의 개수로 구비될 수 있으며, 이들을 선택적으로 작동시켜 유체를 원하는 온도의 근처까지 냉각시킨 후, 히터(172,182)를 가변 제어하여 원하는 온도를 맞추게 된다.
제1 및 제2온도조절유닛(170,180)은 상기와 같은 구성에 한정되는 것은 아니며, 유체의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 구성이라면 다른 구성도 가능하다.
열교환 유닛(190)은 제1 및 제2회수유로(140,160)에 설치되며, 제1 및 제2회수유로(140,160)의 유체를 열교환시키는 기능을 한다. 제1 및 제2회수유로(140,160)는 열교환 유닛(190)의 설치가 가능하도록 서로 마주하게 설치되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 의하면, 제1회수유로(140)의 유체 온도가 제2회수유로(160)의 유체 온도보다 저온이기 때문에, 열교환에 의해 제1회수유로(140)의 유체 온도는 상승하고 제2회수유로(160)의 유체 온도는 하강하게 된다. 그에 따라, 제1 및 제2항온수조(110,120)로 회수되는 유체 온도는 열교환 유닛(190)을 통과하기 전의 온도와 대비하여 제1 및 제2온도(T1,T2)로 근접한 상태로 회수되게 된다. 따라서, 제1 및 제2온도(T1,T2)와 회수되는 유체의 온도차를 줄일 수 있는 바, 제1 및 제2온도조절유닛(170,180)의 소요 전력을 감소시킬 수 있다.
상기와 같은 구성의 성능시험장치를 이용하여 열펌프(10)의 성능을 시험 방법을 살펴본다.
제1 및 제2항온수조(110,120)의 유체를 제1 및 제2열교환기(12,13)로 각각 투입한 후, 제1및 제2열교환기(13)에서 열교환된 후 배출된 유체를 제1항온수조(110)로 회수한다. 이 과정에서 제1 및 제2항온수조(110,120)의 온도가 일정하게 유지되도록 한다.
유량계(132,152)를 이용하여 제1 및 제2열교환기(12,13)로 공급되는 유체의 유량을 측정한다.
아울러, 온도센서(134,144,154,164)를 이용하여 제1 및 제2열교환기(12,13)로 공급되는 유체의 온도와 제1 및 제2열교환기(12,13)에서 배출되는 유체의 온도를 측정한다. 이로부터 제1 및 제2열교환기의 입출구의 온도차를 계산할 수 있다.
이상에서 구해진 유량 및 입출구 온도차로부터 열펌프(10)의 냉방 성능(Kcal/h)을 산출할 수 있다. 아울러, 압축기(11)의 소요 전력과 열펌프(10)의 냉방 성능으로부터 열펌프(10)의 성능 계수(COP) 또한 산출 가능하다.
유량계(132,152)와 온도센서(134,144,154,164) 및 압축기(11)는 데이터 처리부에 연결될 수 있으며, 상기의 성능 산출 과정은 데이터 처리부에서 수행될 수 있다.
한편, 열교환 유닛(190)의 작동에 대하여 제1 및 제2공급유로(130,150)와 제1 및 제2회수유로(140,160)의 유체 온도를 예를 들어 살펴보면 다음과 같다.
제1항온수조(110)의 물 온도(제1온도)가 12℃이고, 제2항온수조(120)의 물 온도(제2온도)가 25℃라고 가정한다.
제1열교환기(12)의 냉매는 제1공급유로(130)로부터 공급된 물로부터 열을 흡수한다. 따라서, 제1공급유로(130)를 이동하는 12℃의 물은 제1열교환기(12)를 통과함에 따라 그 온도가 5℃만큼 하강하여 7℃의 온도로 제1회수유로(140)를 이동하게 된다.
그리고, 제2열교환기(13)의 냉매는 제2공급유로(150)로부터 공급된 물로 열을 방출한다. 따라서, 제2공급유로(150)를 이동하는 25℃의 유체는 제2열교환기(13)를 통과함에 따라 그 온도가 5℃만큼 상승하여 30℃의 온도로 제2회수유로(160)를 이동하게 된다.
제1 및 제2회수유로(140,160)를 이동하는 물은 열교환 유닛(190)에서 열교환되어 그 온도가 상승 및 하강한다. 제1회수유로(140)의 물은 그 온도가 4℃만큼 상승하여 11℃의 온도로 제1항온수조(110)로 회수되며, 제2회수유로(160)의 물은 그 온도가 4℃만큼 하강하여 26℃의 온도로 제2항온수조(120)로 회수된다.
제1 및 제2항온수조(110,120)에서는 회수되는 물의 온도를 1℃만큼 올려주거나 내려주면 된다. 그러나, 열교환 유닛(190)을 사용하지 않는 경우 회수되는 물의 온도를 5℃만큼 올려주거나 내려주어야 하므로, 제1 및 제2온도조절유닛(170,180)에서 소모되는 전력이 증가하게 된다. 본 발명에 의하면, 열교환 유닛(190)을 이용하여 제1 및 제2회수유로(140,160)의 유체를 열교환시킴으로써 제1 및 제2온도조절유닛(170,180)의 소모전력을 절약할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열펌프의 성능시험장치를 나타낸 개념도이다. 본 도면에서는 앞선 실시예의 주요 구성들을 생략하고, 제1 및 제2회수유로(140,160) 부분만 도시하였다.
본 실시예에 의하면, 성능시험장치를 각기 다른 용량의 열펌프(10)에 각각 적용할 수 있도록 앞선 실시예의 구성들에 추가적인 구성들이 부가된다. 본 실시예에 따르면. 열펌프(10)의 용량 변화에도 불구하고 제1 및 제2항온수조(110,120)로 회수되는 유체의 온도를 일정하게 유지시킴으로써 다양한 용량의 열펌프(10)에 대한 성능 시험을 용이하게 수행할 수 있다.
이를 위한 구성으로서, 제1 및 제2회수유로(140,160) 상에 각각 형성되는 제1 및 제2우회유로(141,161)와, 제1 및 제2우회유로(141,161)의 분기점 상에 각각 설치되는 제1 및 제2밸브(145,165)를 들 수 있다.
제1 및 제2우회유로(141,161)는 열교환 유닛(190)으로 공급되는 유체 중 일정량을 바이패스(bypass)시켜 열교환 유닛(190)의 출구 쪽으로 바로 이동시킨다.
제1 및 제2밸브(145,165)는 열교환 유닛(190)과 우회 유로(141,161)로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 구성된다. 본 실시예에 의하면, 제1 및 제2밸브(145,165)는 삼방 밸브의 형태를 가진다. 제1 및 제2밸브(145,165)는 모터(146,166)가 장착된 전동식 밸브의 형태를 가질 수 있으며, 이는 제어부에 연결된다. 제어부는 제1 및 제2밸브(145,165)에 전기 신호를 인가하여 제1 및 제2밸브(145,165)의 개도를 조절하며, 그에 따라 제1 및 제2우회유로(141,161)로 공급되는 유량이 조절된다.
제1 및 제2회수유로(140,160) 상에는 제1 및 제2항온수조(110,120)로 회수되는 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(142,162)가 설치된다. 온도센서(142,162)는 제1 및 제2우회유로(141,161)의 합류점 후방에 설치된다. 온도센서(142,162)에는 제어부가 연결되며, 제어부는 제1 및 제2항온수조(110,120)로 회수되는 유체의 온도가 기설정된 온도로 유지되도록 온도센서(142,162)에서 센싱된 온도를 근거로 제1 및 제2밸브(145,165)를 제어한다.
예를 들어, 제1항온수조(110)로 회수되는 유체 온도가 기설정된 온도보다 낮은 경우, 제어부는 열교환 유닛(190)으로 공급되는 제1회수유로(140)의 유량을 줄이도록 제1밸브(145)를 제어하거나, 열교환 유닛(190)으로 공급되는 제2회수유로(160)의 유량을 늘이도록 제2밸브(165)를 제어한다.
이와 같은 방식에 의해 열펌프(10)의 용량이 달라지더라도 제1 및 제2항온수조(110,120)로 회수되는 유체의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 한편, 본 실시예는 제1 및 제2밸브(145,165)가 모두 적용된 것을 예시하고 있으나, 이들 중 하나만 적용하는 것도 가능하다. 제1 및 제2밸브(145,165) 중 하나만 설치한 경우라도 제1 및 제2우회유로(141,161) 중 어느 하나의 유량을 조절함으로써 제1 및 제2회수유로(140,160)의 유체 온도 조절이 가능하다.
이상에서는 본 발명에 따른 열펌프의 성능시험장치를 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (7)

  1. 내부에 유체가 채워지는 제1 및 제2항온수조;
    상기 제1항온수조에서 열펌프의 제1열교환기로 제1온도의 유체를 공급하는 제1공급유로;
    상기 제1열교환기에서 배출된 유체를 제1항온수조로 회수하기 위한 제1회수유로;
    상기 제2항온수조에서 열펌프의 제2열교환기로 제2온도의 유체를 공급하는 제2공급유로;
    상기 제2열교환기에서 배출된 유체를 상기 제2항온수조로 회수하기 위한 제2회수유로;
    상기 제1 및 제2항온수조에 각각 설치되며, 상기 제1 및 제2항온수조 내부의 유체 온도를 상기 제1 및 제2온도로 각각 유지시키는 제1 및 제2온도조절유닛;
    상기 제1 및 제2회수유로에 설치되며, 상기 제1 및 제2 회수유로의 유체를 열교환시키는 열교환 유닛;
    상기 제1 및 제2회수유로 상에 각각 형성되며, 상기 열교환 유닛으로 공급되는 유체 중 일정량을 바이패스시키기 위한 제1 및 제2우회유로; 및
    제1 및 제2우회유로의 분기점 상에 각각 설치되며, 상기 열교환 유닛으로 공급되는 유량을 조절하기 위한 제1 및 제2밸브를 포함하는 열펌프의 성능시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2회수유로는 상기 열교환 유닛의 설치가 가능하도록 서로 마주하게 설치되는 것을 특징으로 하는 열펌프의 성능시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2공급유로에는 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 유체의 유량을 측정하기 위한 유량계와, 유체 이동을 위한 압력을 발생시키는 펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 열펌프의 성능시험장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2온도조절유닛은,
    상기 제1 및 제2항온수조의 유체를 각각 냉각 및 가열시키는 냉동기 및 히터; 및
    상기 냉동기를 온/오프 제어하고, 상기 히터를 가변 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프의 성능시험장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2밸브는 전기 신호에 의해 개도를 조절하는 전동식 밸브의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열펌프의 성능시험장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2회수유로 상에 설치되며, 상기 제1 및 제2항온수조로 회수되는 유체의 온도를 센싱하는 온도센서; 및,
    상기 제1 및 제2항온수조로 회수되는 유체의 온도가 기설정된 온도로 유지되도록 상기 센싱된 온도를 근거로 상기 제1 및 제2밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프의 성능시험장치.
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