KR101212683B1 - 히트펌프 연동 급탕장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트펌프 연동 급탕장치에 관한 것으로서, 특히, 외기 온도 또는 목표 출수 온도에 따른 각 운전 모드별 제1냉매가 순환되는 제1냉매 순환부만을 활성화시킬지 아니면 제2냉매가 순환되는 제2냉매 순환부도 함께 활성화시킬지의 여부를 결정하여 최적의 성능을 발휘하도록 제1압축기 및 제2압축기의 작동을 제어할 수 있어서 제품의 작동성능을 향상시키는 이점을 제공한다.

Description

히트펌프 연동 급탕장치{Hot water supply device associated with heat pump}
본 발명은 히트펌프 연동 급탕장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 외기 온도 또는 목표 출수 온도에 따른 각 운전 모드별 제1냉매가 순환되는 제1냉매 순환부만을 활성화시킬지 아니면 제2냉매가 순환되는 제2냉매 순환부도 함께 활성화시킬지의 여부를 결정하여 최적의 성능을 발휘하도록 제1압축기 및 제2압축기의 작동을 제어하는 히트펌프 연동 급탕장치에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프는 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발시키는 과정을 수행하여, 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 장치를 말한다.
히트펌프는 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화기와, 실외기에 복수개의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화기로 구분될 수 있다. 또한, 히트펌프는 온수를 공급하기 위한 급탕 유닛과, 온수를 공급하여 바닥 난방을 하기 위한 난방 유닛이 포함된다.
도 1은 종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치 중 이원 냉매 사이클을 이용하여 급탕을 수행하는 사이클도를 나타낸 것이다.
종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 난방 모드 운전시 제1냉매를 압축시키는 제1압축기와, 제1압축기에 의하여 압축된 제1냉매를 응축시키는 제1열교환기와, 제1열교환기에 의하여 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창기구 및 제1팽창기구에 의하여 팽창된 제1냉매를 증발시키는 제2열교환기를 포함하고, 제1냉매가 제1압축기에 의하여 유동되는 냉매의 흐름을 제1냉매 순환부라 칭하기로 한다.
그리고, 종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 이원 냉동 사이클을 적용하기 위한 구성으로, 난방 모드 운전시 제2냉매를 압축시키는 제2압축기와, 제2압축기에 의하여 압축된 제2냉매를 응축시키는 제3열교환기와, 제3열교환기에 의하여 응축된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창기구 및 제2팽창기구에 의하여 팽창된 제2냉매를 증발시키는 제4열교환기를 포함하고, 제2냉매가 제2압축기에 의하여 유동되는 냉매의 흐름을 제2냉매 순환부라 칭하기로 한다.
여기서, 제1열교환기와 제4열교환기는 같은 구성을 지칭하는 것으로서, 난방 모드 운전시 제1냉매 순환부의 제1냉매가 응축작용을 하고, 반대로 제2냉매 순환부의 제2냉매가 증발작용을 하는 열교환기이다. 이처럼, 서로 성질이 상이한 제1냉매 및 제2냉매를 상호 교차시키면서 열교환시켜 보다 높은 성능을 내도록 구성된 냉매 사이클을 이원 냉동 사이클이라고 부르는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.
그리고, 종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 제1냉매 순환부의 제2열교환기의 증발잠열은 외기와 열교환함으로써 획득하고, 제2냉매 순환부의 제3열교환기의 응축잠열은 제3열교환기를 통과하면서 제2냉매와 열교환되는 이용수로부터 획득된다.
그러나, 종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 이원 냉동 사이클의 원리를 적용함으로써 보다 고열의 이용수를 획득할 수 있는 장점이 있으나, 소비자가 원하는 온도의 이용수가 아니라 무조건적으로 제1압축기 및 제2압축기를 구동한 후 생성되는 고열의 이용수만이 획득되는 것이고, 외기 온도가 높거나 소비자가 원하는 목표 출수 온도가 낮음에도 불구하고 제2압축기마저 작동되도록 구성되기 때문에 전체적인 히트펌프 연동 급탕장치의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 외기 온도 또는 목표 출수 온도에 따른 각 운전 모드별 제1냉매가 순환되는 제1냉매 순환부만을 활성화시킬지 아니면 제2냉매가 순환되는 제2냉매 순환부도 함께 활성화시킬지의 여부를 결정하여 최적의 성능을 발휘하도록 제1압축기 및 제2압축기의 작동을 제어하는 히트펌프 연동 급탕장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 제1냉매를 압축하는 제1압축기에 의하여 상기 제1냉매가 순환되는 제1냉매 순환 회로와, 제2냉매를 압축하는 제2압축기에 의하여 상기 제2냉매가 순환되는 제2냉매 순환 회로와, 적어도 상기 제1냉매 순환 회로의 제1냉매 및 상기 제1냉매와 열교환된 제2냉매 순환 회로의 제2냉매 중 어느 하나의 냉매 순환 회로의 냉매와 열교환된 이용수가 출수되는 이용수 순환 회로를 포함하고, 외기 온도 또는 상기 이용수의 목표 출수 온도 또는 실내 온도 중 어느 하나에 의해 상기 제1냉매 순환 회로 단독 또는 상기 제1냉매 순환 회로와 상기 제2냉매 순환 회로의 동시 운전 여부가 결정된다.
또한, 상기 제1냉매 순환 회로 및 상기 제2냉매 순환 회로의 일부가 교차하도록 배치되어, 난방 운전시 상기 제1냉매는 상기 이용수 순환 회로에 의하여 1차 응축된 후 제2냉매와 열교환되어 2차 응축되고, 상기 제2냉매는 상기 제1냉매와 열교환되어 증발되는 케스케이드 열교환기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1냉매 순환 회로 상에 배치되고, 난방 운전시 상기 이용수 순환 회로를 유동하는 상기 이용수와 열교환되어 상기 제1냉매가 1차 응축되도록 하는 제1열교환기와, 상기 제2냉매 순환 회로 상에 배치되고, 난방 운전시 상기 이용수 순환 회로를 유동하는 상기 이용수와 열교환되어 상기 제2냉매가 응축되도록 하는 제2열교환기를 더 포함하고, 상기 이용수 순환 회로는, 상기 이용수의 목표 출수 온도에 따라 상기 이용수가 상기 제1열교환기 및 상기 제2열교환기 중 어느 하나 또는 상기 제1열교환기 및 상기 제2열교환기를 통해 상기 제1냉매 및 상기 제2냉매 중 어느 하나 또는 상기 제1냉매 및 상기 제2냉매와 열교환되도록 연결될 수 있다.
또한, 상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 출수온도 범위 및 제2설정 출수온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 출수온도 범위는 상기 제2설정 출수온도 범위보다 낮다고 가정할 때, 상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제1설정 출수온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로 중 상기 이용수가 상기 제1열교환기의 상기 제1냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로만이 운전된다.
또한, 상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 출수온도 범위 및 제2설정 출수온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 출수온도 범위는 상기 제2설정 출수온도 범위보다 낮다고 가정할 때, 상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제2설정 출수온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로는 상기 이용수가 상기 제2열교환기의 상기 제2냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제2냉매 순환회로만이 운전되거나, 상기 제1열교환기의 상기 제1냉매와 열교환된 후 상기 제2열교환기의 상기 제2냉매와 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로가 동시에 운전된다.
또한, 상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 외기온도 범위 및 제2설정 외기온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 외기온도 범위는 상기 제2설정 외기온도 범위보다 높다고 가정할 때, 상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제1설정 외기온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로 중 상기 이용수가 상기 제1열교환기의 상기 제1냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로만이 운전된다.
또한, 상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 외기온도 범위 및 제2설정 외기온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 외기온도 범위는 상기 제2설정 외기온도 범위보다 높다고 가정할 때, 상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제2설정 외기온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로는 상기 이용수가 상기 제2열교환기의 상기 제2냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제2냉매 순환회로만이 운전되거나, 상기 제1열교환기의 상기 제1냉매와 열교환된 후 상기 제2열교환기의 상기 제2냉매와 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로 및 상기 제2냉매 순환회로가 동시에 운전된다.
여기서, 상기 제1냉매 순환회로의 제1냉매를 압축하여 순환시키는 제1압축기 및 상기 제2냉매 순환회로의 제2냉매를 압축하여 순환시키는 제2압축기를 더 포함하고, 상기 제1설정 외기온도 범위 또는 상기 제1설정 출수온도 범위는, 동일한 외기온도 및 동일한 이용수 출수 온도일 때 작동되는 상기 제1압축기 및 상기 제2압축기의 작동 성능을 비교하여 상기 제1압축기의 성능이 높게 나타나는 영역으로 범위가 설정될 수 있다.
또한, 냉방 운전시 및 제상 운전시 상기 제1냉매 순환 회로 및 상기 제2냉매 순환 회로 중 상기 제1냉매 순환 회로만이 운전되도록 상기 제1압축기만을 가동시킬 수 있다.
또한, 상기 이용수 순환 회로는, 상기 제1이용 열교환기를 이용수가 관통되도록 연결된 제1이용수 회로와, 상기 제2이용 열교환기를 이용수가 관통되도록 연결된 제2이용수 회로를 포함하고, 상기 제1이용수 회로 및 상기 제2이용수 회로의 이용수의 흐름을 개폐하는 개폐밸브가 설치될 수 있다.
또한, 난방 모드 운전시, 상기 삼방 밸브는 상기 제1냉매 순환회로의 작동 온(ON)시 상기 제1이용수 회로를 개방하고, 상기 제2냉매 순환회로의 작동 온(ON)시 상기 제2이용수 회로만을 개방하거나 상기 제1이용수 회로 및 상기 제2이용수 회로 모두를 개방하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 외기 온도 또는 목표 출수 온도에 따른 각 운전 모드별 제1냉매가 순환되는 제1냉매 순환부만을 활성화시킬지 아니면 제2냉매가 순환되는 제2냉매 순환부도 함께 활성화시킬지의 여부를 결정되므로, 히트펌프 연동 급탕장치의 최적의 성능을 보장하는 효과를 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 히트펌프 연동 급탕장치 중 이원 냉매 사이클을 이용하여 급탕을 수행하는 사이클도이고,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치 중 이원 냉매 사이클을 이용하여 급탕을 수행하는 사이클도이며,
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예에 따른 냉매 배관 구성도이고,
도 4는 도 3의 난방 모드 운전 중 외기 온도가 높을 때와 이용수의 목표 출수 온도가 낮을 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이며,
도 5는 도 3의 난방 모드 운전 중 외기 온도가 낮을 때와 이용수의 목표 출수 온도가 높을 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이고,
도 6은 도 3의 냉방 모드 운전 및 제상 모드 운전 중일 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이며,
도 7은 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치에 의한 운전시 나타나는 제품의 성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치 중 이원 냉매 사이클을 이용하여 급탕을 수행하는 사이클도이다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 도 2에 참조된 바와 같이, 난방 모드 운전시 제1냉매를 압축시키는 제1압축기(105)와, 제1압축기(105)에 의하여 압축된 제1냉매를 응축시키는 제1열교환기(110)와, 제1열교환기(110)에 의하여 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창기구(130)와, 제1팽창기구(130)에 의하여 팽창된 제1냉매를 증발시키는 제2열교환기(140)를 포함하여 구성된다. 여기서, 제1압축기(105)에 의하여 제1열교환기(110)와 제1팽창기구(130) 및 제2열교환기(140)를 순환하는 제1냉매의 흐름을 편의상 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)라고 칭하기로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 도 2에 참조된 바와 같이, 난방 모드 운전시 제2냉매를 압축시키는 제2압축기(125)와, 제2압축기(125)에 의하여 압축된 제2냉매를 응축시키는 제3열교환기(160)와, 제3열교환기(160)에 의하여 응축된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창기구(135)와, 제2팽창기구(135)에 의하여 팽창된 제2냉매를 증발시키는 제4열교환기(120)를 포함하여 구성된다. 여기서, 제2압축기(125)에 의하여 제3열교환기(160)와 제2팽창기구(135) 및 제4열교환기(120)를 순환하는 제2냉매의 흐름을 편의상 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)라고 칭하기로 한다.
제1냉매 및 제2냉매는 그 제원이 상이한 것으로서, 예를 들면, 제1냉매는 냉매의 많은 종류 중 R-410A일 수 있고, 제2냉매는 제1냉매인 R-410A에 비하여 고온/고압에서 증발/응축작용을 수행하는 R-134a일 수 있다. 이처럼, 제원이 상이한 냉매들을 상호 열교환시키면서, 보다 높은 응축열을 생성하기도 하고 보다 낮은 증발열을 생성함으로써 시스템 전체의 효율을 상승시키는 사이클을 이원냉매 냉동 사이클 또는 케스케이드 사이클이라고도 한다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예에서는, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)의 제1열교환기(105)에 의하여 응축된 제1냉매를 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)의 제4열교환기(120)와 같은 증발작용을 하는 열교환기에서 제2냉매와 교차 순환하도록 배치함으로써 제1냉매는 재응축되고 제2냉매는 증발작용을 하도록 하여 케스케이드 사이클과 같은 효과를 창출하도록 구성되었다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)의 제4열교환기(120)와 같이 케스케이드 사이클의 한 축을 이루는 열교환기를 케스케이드 열교환기(120)라고 칭하기로 한다. 즉, 본 발명에서는, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)와 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는, 제1냉매 및 제2냉매가 서로 열교환되어 응축 또는 증발되는 케스케이드 열교환기(120)를 공통으로 포함하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예는, 적어도 제1냉매 순환 회로의 응축된 제1냉매 및 제2냉매 순환 회로의 응축된 제2냉매의 어느 하나와 열교환되어 출수되는 이용수 순환 회로(150,150a,150b)를 더 포함한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예는, 외기 온도 또는 이용수의 목표 출수 온도에 따라 제1압축기(105) 또는 제2압축기(125)의 작동 여부가 제어되는 것이 특징이다.
다시 말하면, 제1압축기(105)에 의하여 압축되는 제1냉매는 그 제원상 제2냉매에 비하여 상대적으로 낮은 온도 영역 및 낮은 압축비 영역에서 응축되고, 제2냉매에 비하여 상대적으로 낮은 온도 영역 및 낮은 압축비 영역에서 증발되게 된다. 반대로, 제2압축기(125)에 의하여 압축되는 제2냉매는 그 제원상 제1냉매에 비하여 상대적으로 높은 온도 영역 및 높은 압축비 영역에서 응축되고, 제1냉매에 비하여 상대적으로 높은 온도 영역 및 높은 압축비 영역에서 증발되게 된다.
이와 같은 구성에 있어서, 제1냉매는 제1열교환기(110)에서 1차적으로 응축되고, 케스케이드 열교환기(120)를 통과하면서 제2냉매가 증발하는 동안 필요한 증발잠열을 제공하면서 재응축되고, 반대로 제2냉매는 제2팽창기구(135)에서 팽창된 후 케스케이드 열교환기(120)를 통과하면서 제1냉매가 재응축되는 동안 필요한 응축열을 제공하면서 증발되는 것이다.
이때, 이용수 순환 회로(150)는, 도 2에 참조된 바와 같이, 제1열교환기(110)의 제1냉매가 응축되는 과정 동안 응축열을 이용하여 급탕되도록 제1열교환기(110)를 통과되게 배치되고, 제2냉매가 응축되는 과정 동안 응축열을 이용하여 급탕되도록 제3열교환기(160)를 통과하도록 배치된다.
여기서, 설명의 편의를 위하여 이용수 순환 회로(150)의 측면에서는, 제1열교환기(110)는 이용수를 저온의 목표 출수 온도에서 급탕시키는 열교환기인 바 제1이용 열교환기(110)라고 칭하기로 하고, 제3열교환기(160)는 이용수를 고온의 목표 출수 온도에서 급탕시키는 열교환기인 바 제2이용 열교환기(160)라고 칭하기로 한다.
이처럼, 제1이용 열교환기(110)와 제2이용 열교환기(160)를 이용하여 저온의 목표 출수 온도 범위의 영역에서 이용수를 급탕시키거나 고온의 목표 출수 온도 범위의 영역에서 이용수를 급탕시키는 원리를 이용하여 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 다양한 운전 모드 제공이 가능하다.
즉, 도 2를 참조하여 상술한 예에서는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 난방 모드 운전시, 즉 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)와 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)가 정상적으로 모두 난방 모드 운전을 위하여 가동되는 경우로 한정하여 설명하였지만, 외기 온도 또는 이용수의 목표 출수 온도에 따라 다양한 운전 모드의 제공이 가능함은 당연하다.
보다 상세하게는, 외기 온도 범위의 영역을 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 냉방 모드 운전이 필요한 영역과 난방 모드 운전이 필요한 영역 및 제상 모드 운전이 필요한 영역으로 나눌 수 있고, 각 운전 모드 영역의 범위에 해당하는 설정 온도 범위 내로 외기 온도가 감지될 경우 각 운전 모드 영역에 해당하는 운전을 실시할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는 케스케이드 사이클을 이용한 것인 바, 난방 모드 운전이 필요한 영역도 제1압축기(105)만 작동시켜 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)만을 활성화시키는 제1설정 외기 온도 범위의 영역(도 7의 도면부호 "가" 참조)과, 상대적으로 제1설정 외기 온도 범위의 영역(가)보다 낮은 외기 온도 범위여서 제2압축기(125)도 제1압축기(105)와 함께 작동시켜 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)와 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)를 동시에 활성화시키는 제2설정 외기 온도 범위의 영역(도 7의 도면부호 "나" 참조)으로 구분할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예에 따른 냉매 배관 구성도이고, 도 4는 도 3의 난방 모드 운전 중 외기 온도가 높을 때와 이용수의 목표 출수 온도가 낮을 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이며, 도 5는 도 3의 난방 모드 운전 중 외기 온도가 낮을 때와 이용수의 목표 출수 온도가 높을 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이고, 도 6은 도 3의 냉방 모드 운전 및 제상 모드 운전 중일 때의 냉매의 흐름을 나타낸 구성도이며, 도 7은 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치에 의한 운전시 나타나는 제품의 성능을 나타낸 그래프이다.
상술한 바와 같은 원리를 그대로 구체화할 수 있는 바람직한 일실시예로써 도 3 내지 도 6이 표현하고 있다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 도 3에 참조된 바와 같이, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)는, 제1냉매를 압축하는 제1압축기(105)와, 제1압축기(105)에 의하여 압축된 제1냉매를 제1이용 열교환기(110) 또는 실외 열교환기(140) 측으로 절환시키는 제1절환밸브(107)와, 제1절환밸브(107)에 의하여 절환된 제1냉매를 응축시키거나, 제1팽창기구(130)에 의하여 팽창된 제1냉매를 증발시키는 제1이용 열교환기(110) 및 실외 열교환기(140)와, 제1냉매의 응축시 제1이용 열교환기(110)에 의하여 응축된 제1냉매를 전달받아 상기 제2냉매와 열교환하면서 상기 제1냉매를 재응축시키는 케스케이드 열교환기(120)와, 제1이용 열교환기(110) 및 실외 열교환기(140)에 의하여 제1냉매를 증발시키기 전 팽창시키는 상기 제1팽창기구(130)를 포함한다. 여기서, 실외 열교환기(140)는 도 2를 참조하여 설명한 제2열교환기와 같은 구성이다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치에서 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)는, 난방 모드 운전시, 제1절환밸브(107)에 의하여 제1압축기(105)에 의해 압축된 고온/고압의 제1냉매가 제1이용 열교환기(110)로 곧바로 유입되도록 절환되어 순환되고, 냉방 모드 운전시, 제1절환밸브(107)에 의하여 제1압축기(105)에 의해 압축된 고온/고압의 제1냉매가 실외 열교환기(140)로 곧바로 유입되도록 절환되어 순환된다.
그러면, 난방 모드 운전시에 제1이용 열교환기(110)는 응축작용을 하는데 제1이용 열교환기(110)의 응축작용시 발생되는 열은 제1이용 열교환기(110)를 순환하도록 구성된 이용수 순환 회로(150)의 이용수를 급탕시키는 열원이 된다.
또한, 냉방 모드 운전시에 실외 열교환기(140)는 응축작용을 하는데 실외 열교환기(140)의 응축작용시 발생되는 열은 외부 공간으로 배출시키고, 제1이용 열교환기(110)가 공랭식 열교환기일 경우 실내에 배치되어 증발작용시 실내 공기의 열을 흡수함으로써 실내의 공간 냉방이 가능토록 함은 물론, 제1이용 열교환기(110)가 수냉식 열교환기일 경우 이용수의 온도를 하강시켜 별도의 용도로 이용할 수 있는 것이다.
한편, 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는, 상기 제2냉매를 압축하는 제2압축기(125)와, 제2압축기(125)에 의하여 압축된 제2냉매를 제2이용 열교환기(160) 또는 케스케이드 열교환기(120) 측으로 절환시키는 제2절환밸브(127)와, 상기 제2절환밸브(127)에 의하여 절환된 제2냉매를 응축시키거나, 제2팽창기구(135)에 의하여 팽창된 제2냉매를 증발시키는 제2이용 열교환기(160) 및 케스케이드 열교환기(120)와, 제2이용 열교환기(160) 및 케스케이드 열교환기(120)에 의하여 제2냉매를 증발시키기 전 팽창시키는 제2팽창기구(135)를 포함한다.
여기서, 제2이용 열교환기(160)는 도 2의 도면과는 상이한 번호로 지시되었지만, 실질은 이용수를 고온의 영역에서 급탕시키는 도 2의 제3열교환기(160)로써 도 3 이하의 설명에서는 "제2이용 열교환기"로 지칭하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치에서 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는, 난방 모드 운전시, 제2절환밸브(127)에 의하여 제2압축기(125)에 의해 압축된 고온/고압의 제2냉매가 제2이용 열교환기(160)로 곧바로 유입되도록 절환되어 순환되고, 냉방 모드 운전시, 제2절환밸브(127)에 의하여 제2압축기(125)에 의해 압축된 고온/고압의 제2냉매가 케스케이드 열교환기(120)로 곧바로 유입되도록 절환되어 순환된다.
그런데, 제2냉매는 제원상 제1냉매에 비하여 고온/고압의 영역에서 압축/증발하는 성질을 가지므로, 냉방 모드 운전시와 같이 곧바로 케스케이드 열교환기(120)로 유입되도록 하는 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)를 갖는 것은 바람직하지 못하다. 다만, 제2냉매의 제원이 현재 사용되는 제1냉매의 제원으로 대체되고, 제1냉매의 제원이 기존 제1냉매의 제원보다 낮은 온도 영역 및 낮은 압력 영역에서 압축/증발작용 가능한 냉매로 대체된다면 냉방 모드 운전 사이클의 작동도 비교적 유용하다는 것을 미리 밝혀둔다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예의 각 작동 모드별 냉매의 흐름을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4에 참조된 바와 같이, 외기 온도가 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 난방 요구부하치가 그리 크지 않은 제1설정 외기 온도 범위의 영역(도 7의 도면부호 "가" 부분 참조)에 해당하는 경우, 난방 모드 운전 신호가 입력되면, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)만이 활성화되도록 제1압축기(105)만이 작동 온(ON) 되고, 제2압축기(125)는 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)가 활성화되지 않도록 작동 오프(OFF) 된다.
즉, 외기 온도가 난방 모드로 운전하기에는 필요한 난방 요구부하치이긴 하지만, 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)를 활성화시켜야 할 만큼의 난방 요구부하치가 아닌 경우에는 구태여 제2압축기(125)를 작동시킬 필요가 없다.
한편, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 난방 요구부하치는 외기 온도만에 의하여 결정되는 것은 아니다. 즉, 소비자가 이용수 순환 회로를 통하여 이용수가 급탕되어 출수되는 목표 출수 온도에 따라 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 난방 요구부하치가 결정될 수 있다.
예를 들면, 소비자가 필요로 하는 이용수의 목표 출수 온도가 고온의 영역보다 낮은 온도 범위의 영역(제1설정 출수온도(도 7의 도면부호 "가" 부분 참조))에 해당할 경우, 고온의 이용수를 출수시키기 위해 작동되는 제2이용 열교환기(160)의 활성화는 불필요하다. 따라서, 상술한 바와 같이, 제1설정 외기 온도 범위(가)의 영역에서 운전되는 경우와 마찬가지로 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)만이 활성화되고, 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는 활성화되지 않는 소위 싱글 난방 모드 운전으로 운전되도록 제어됨이 바람직하다.
이와 같은 싱글 난방 모드 운전은, 제1압축기(105)의 작동 성능 및 제2압축기(125)의 작동 성능을 동일한 외기 온도 및 동일한 이용수 출수 온도일 때 상호 비교함으로써 성능이 높게 나타나는 측의 압축기를 이용하는 냉매 순환 회로만을 활성화함으로써 전체적인 제품의 운전 효율을 상승시키는 좋은 방안이 된다.
다음으로, 도 5에 참조된 바와 같이, 외기 온도가 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 난방 요구부하치가 큰 경우, 즉 한랭지와 같이 저온의 외기 온도 범위 영역(도 7의 도면부호 "나" 부분 참조)에 해당하는 경우, 난방 모드 운전 신호가 입력되면, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ) 및 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)가 모두 활성화되도록 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)가 작동 온(ON) 된다.
즉, 외기 온도가 제1설정 외기온도 범위 미만의 영역(나)에 해당하는 경우에는 실내에 거주하는 소비자로 하여금 높은 온도의 실내 상태가 유지되도록 보다 높은 온도 범위의 이용수 목표 출수 온도를 가지도록 한다. 이때, 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는 상술한 목적을 달성하기 위한 구성인 바, 본 발명에서는 제1냉매 순환 회로(Ⅲ) 및 제2냉매 순환 회로(Ⅳ) 모두를 활성화시키도록 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)를 작동 온(ON)시키는 소위 케스케이드 난방 운전 모드로 운전하게 되는 것이다.
케스케이드 난방 모드 운전은, 외기 온도가 제1설정 외기온도 범위 미만의 영역(나)에 해당하는 경우에 운전되는 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 운전방법이기는 하지만, 앞서 설명한 바와 같이, 제1설정 출수온도를 초과하는 영역에 해당하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있는 본 발명만의 고유한 운전방법이다.
예를 들면, 외기 온도가 제1설정 외기온도 범위(가) 내에 해당하는 경우라도, 소비자가 보다 높은 온도, 즉 제1설정 출수온도를 초과하는 정도의 온도 범위의 이용수 출수 온도(나)를 바라는 경우 상술한 케스케이드 난방 모드로 운전하는 것이 보다 효과적이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치를 케스케이드 난방 모드로 운전하기 위한 조건으로써 외기온도가 제1설정 외기온도 범위 미만의 영역(나) 및 제1설정 출수온도 범위를 초과하는 영역(나)의 범위인지 여부는, 동일한 외기 온도 및 동일한 이용수 출수 온도일 때 작동되는 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)의 작동 성능을 비교하여 제1압축기(105)만이 작동될 때의 성능보다 제1압축기(105)와 제2압축기(125)를 함께 작동시키는 경우 성능이 높게 나타나는 영역으로 범위가 설정될 수 있다.
다시 말하면, 제1압축기(105)을 작동 온(ON) 시킨 경우 나타나는 제품의 전체 성능이 외기 온도 및 목표 출수 온도 영역에 대하여 리니어(Linear)하게 나타날 경우(즉, 도 7의 도면부호 "A" 참조)와 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)를 동시에 작동 온(ON) 시킨 경우 나타나는 제품의 전체 성능이 외기 온도 및 목표 출수 온도 영역에 대하여 리니어하게 나타날 경우(즉, 도 7의 도면부호 "B" 참조)를 상호 비교하여 전체적으로 제품의 작동 성능(COP)가 높게 나타나는 영역으로 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치가 작동될 수 있도록 제어할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 제어는 도 7의 도면부호 "C"로써 잘 표현되어 있다.
또한, 도 6에 참조된 바와 같이, 외기 온도가 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 냉방 모드 운전을 요하는 경우, 즉 여름철과 같이 실내의 냉방을 요하는 경우, 냉방 모드 운전 신호가 입력되면, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)만이 활성화되도록 제1압축기(105)를 작동 온(ON) 시키고, 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)는 활성화되지 않도록 제2압축기(125)를 작동 오프(OFF) 시킨다.
이처럼, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 냉방 모드 운전시에도 상술한 싱글 모드 운전과 같이 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)를 활성화하지 않도록 제2압축기(125)를 작동 오프(OFF) 제어하는 것은, 제2냉매의 제원상 냉방 모드 운전시에는 적합하지 않기 때문이며, 냉방 모드 운전시에도 작동되면 제품의 전체 작동 효율을 오히려 저하시키기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예에서, 이용수 순환 회로(150)는 이용수의 입구 측에서 분지되어 제1이용 열교환기(110)를 이용수가 순환되도록 연결된 제1이용수 회로(150a)와, 이용수의 입구 측에서 분지되어 제2이용 열교환기(160)를 이용수가 순환되도록 연결된 제2이용수 회로(150b)를 포함한다.
제1이용수 회로(150a) 및 제2이용수 회로(150b)로 분지되는 이용수의 입구 측에는 이용수의 흐름을 개폐하거나, 제1이용수 회로 또는 제2이용수 회로로 전환시키는 삼방밸브(170)가 설치될 수 있다.
삼방밸브(170)는 소비자가 원하는 이용수의 목표 출수 온도에 능동적으로 부합되도록 그 개폐가 제어될 수 있다.
예를 들면, 삼방밸브(170)는, 소비자가 원하는 이용수의 목표 출수 온도가 제1설정 출수 온도의 범위 영역(가)에 해당하는 경우 제2압축기(125)의 작동 여부에 관계없이 제1이용수 회로(150a)만이 활성화되도록 제1이용수 회로(150a)를 통하여 이용수가 순환되도록 개방 제어되되, 제2압축기(125)가 작동 온(ON) 되어 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)가 활성화되어 있는 경우에도 제2이용수 회로(150b)가 활성화되지 않도록 제2이용수 회로(150b)가 폐쇄 제어된다.
또 다른 예를 들면, 삼방밸브(170)는, 소비자가 원하는 이용수의 목표 출수 온도가 제1설정 출수온도의 범위를 초과하는 영역(나)에 해당하는 경우, 즉 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)가 모두 작동 온(ON) 되어 있는 소위 케스케이드 난방 모드일 때, 제1이용수 회로(150a) 및 제2이용수 회로(150b)를 통하여 이용수가 순환되도록 제1이용수 회로(150a) 및 제2이용수 회로(150b)가 활성화되도록 개방 제어된다.
그러나, 이와 같이 제1냉매를 압축하는 제1압축기(105) 및 제2냉매를 압축하는 제2압축기(125)의 작동을 제어하는 운전방법과, 제1이용수 회로(150a) 및 제2이용수 회로(150b)의 개폐하는 삼방밸브(170)를 제어하는 운전방법을 이원화하는 것은 제1이용수와 제2이용수가 별도로 분리되어 제1잉용수는 실내의 바닥 난방 유닛(미도시)과 같은 난방수로 이용되고 제2이용수는 욕실 또는 부엌에서와 같이 뜨거운 이용수를 이용하는 급탕 유닛(미도시)의 급탕수로 이용되는 경우에 실익이 있을 뿐이고, 제1이용수와 제2이용수가 다시 합쳐져서 하나의 이용수로써 이용되는 경우에는 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)의 작동 제어만으로도 충분히 목적을 달성할 수 있으므로 실익이 크지 않다.
이상, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 이를 정리하자면, 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치는, 외기 온도와 소비자가 원하는 이용수의 목표 출수 온도에 따라 다양한 운전방법으로 운전될 수 있다. 즉, 제1냉매 및 제2냉매에 의하여 서로 다른 영역의 증발압력 또는 응축압력에서 증발/응축작용을 수행하는 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)와 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)를 포함하도록 구성된 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치에서는, 제1압축기(105) 및 제2압축기(125)의 성능이 보다 높게 발현되는 방향으로 운전될 필요가 있고, 본 발명은 이와 같이 최적의 성능을 실현할 수 있는 구성을 제안하고 있는 것이다.
본 발명에서는 출원인의 실험결과 위와 같이 본 발명에 따른 히트펌프 연동 급탕장치를 작동시킨 결과 기존보다 약 20%의 작동성능이 상승하는 것을 알 수 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예가 상술한 바람직한 일실시예에 의하여 한정되는 것은 아님에 주의하여야 한다. 즉, 본 발명의 바람직한 일시시예는 제원이 상이한 2가지의 냉매를 예시로 설명하였으나, 반드시 2가지의 냉매로 한정되는 것은 아니고, 3 이상의 냉매를 활용하는 것도 가능하다. 그러므로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형 또는 균등한 범위에서의 실시가 가능하다고 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
105: 제1압축기 107: 제1절환밸브
110: 제1이용 열교환기 120: 케스케이드 열교환기
125: 제2압축기 127: 제2절환밸브
130: 제1팽창기구 135: 제2팽창기구
140: 실외 열교환기 150: 이용수 순환 회로
150a: 제1이용수 회로 150b: 제2이용수 회로
160: 제2이용 열교환기 170: 삼방밸브

Claims (11)

  1. 제1냉매를 압축하는 제1압축기(105)에 의하여 상기 제1냉매가 순차적으로 제1열교환기(110)와 제1팽창기구(130)와 제2열교환기(140) 및 다시 상기 제1압축기(105)를 순환하도록 구성된 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)와;
    제2냉매를 압축하는 제2압축기(125)에 의하여 상기 제2냉매가 순차적으로 제3열교환기(160)와 제2팽창기구(135)와 제4열교환기(120) 및 다시 상기 제2압축기(125)를 순환하도록 구성된 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)와;
    적어도 상기 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)의 제1냉매 및 상기 제2냉매 순환 회로(Ⅳ)의 제2냉매 중 어느 하나의 냉매 순환 회로의 냉매와 열교환된 이용수가 출수되는 이용수 순환 회로(150)를 포함하고,
    상기 제4열교환기(120)는, 상기 제1냉매 순환 회로(Ⅲ)의 상기 제1열교환기(110)에 의하여 응축된 상기 제1냉매를 상기 제2냉매와 열교환하도록 배치된 케스케이드 열교환기이며,
    상기 케스케이드 열교환기(120)는, 난방 운전시 상기 제1냉매를 상기 이용수 순환 회로(150)에 의하여 1차 응축시킨 후 상기 제2냉매와 열교환하여 2차 응축시키고, 상기 제2냉매를 상기 제1냉매와 열교환하여 증발시키고,
    상기 제1열교환기(110)는 난방 운전시 상기 이용수 순환 회로(150)를 유동하는 상기 이용수와 열교환되어 상기 제1냉매가 1차 응축되도록 하는 제1이용 열교환기(110)이고, 상기 제3열교환기(160)는 난방 운전시 상기 이용수 순환 회로(150)를 유동하는 상기 이용수와 열교환되어 상기 제2냉매가 응축되도록 하는 제2이용 열교환기(160)이며,
    상기 이용수 순환 회로(150)는, 외기 온도 또는 상기 이용수의 목표 출수 온도 또는 실내 온도 중 어느 하나에 의해 상기 이용수가 상기 제1이용 열교환기(110) 및 상기 제2이용 열교환기(160) 중 어느 하나와 열교환되도록 연결되되,
    상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 출수온도 범위 및 제2설정 출수온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 출수온도 범위는 상기 제2설정 출수온도 범위보다 낮다고 가정할 때, 상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제1설정 출수온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ) 중 상기 이용수가 상기 제1이용 열교환기(110)의 상기 제1냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ)만이 운전되는 히트펌프 연동 급탕장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 출수온도 범위 및 제2설정 출수온도 범위를 포함하고, 상기 제1설정 출수온도 범위는 상기 제2설정 출수온도 범위보다 낮다고 가정할 때,
    상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제2설정 출수온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)는 상기 이용수가 상기 제2이용 열교환기(160)의 상기 제2냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)만이 운전되거나, 상기 제1이용 열교환기(110)의 상기 제1냉매와 열교환된 후 상기 제2이용 열교환기(160)의 상기 제2냉매와 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)가 동시에 운전되는 히트펌프 연동 급탕장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 외기온도 범위 및 제2설정 외기온도 범위에 따라 상이하고, 상기 제1설정 외기온도 범위는 상기 제2설정 외기온도 범위보다 높다고 가정할 때,
    상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제1설정 외기온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ) 중 상기 이용수가 상기 제1이용 열교환기(110)의 상기 제1냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ)만이 운전되는 히트펌프 연동 급탕장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이용수의 목표 출수 온도는 제1설정 외기온도 범위 및 제2설정 외기온도 범위에 따라 상이하고, 상기 제1설정 외기온도 범위는 상기 제2설정 외기온도 범위보다 높다고 가정할 때,
    상기 이용수의 목표 출수 온도가 상기 제2설정 외기온도 범위인 경우, 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)는 상기 이용수가 상기 제2이용 열교환기(160)의 상기 제2냉매와만 열교환되어 출수되도록 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)만이 운전되거나, 상기 제1이용 열교환기(110)의 상기 제1냉매와 열교환된 후 상기 제2이용 열교환기(160)의 상기 제2냉매와 열교환되어 출수되도록 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)가 동시에 운전되는 히트펌프 연동 급탕장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    청구항 7에 있어서,
    상기 제1설정 외기온도 범위 또는 상기 제1설정 출수온도 범위는, 동일한 외기온도 및 동일한 이용수 출수 온도일 때 작동되는 상기 제1압축기(105) 및 상기 제2압축기(125)의 작동 성능을 비교하여 상기 제1압축기(105)의 성능이 높게 나타나는 영역으로 범위가 설정되는 히트펌프 연동 급탕장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    냉방 운전시 및 제상 운전시 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ) 및 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ) 중 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ)만이 운전되도록 상기 제1압축기(105)만을 가동시키는 히트펌프 연동 급탕장치.
  10. 청구항 1 및 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이용수 순환 회로(150)는, 상기 제1이용 열교환기(110)를 이용수가 관통되도록 연결된 제1이용수 회로(150a)와, 상기 제2이용 열교환기(160)를 이용수가 관통되도록 연결된 제2이용수 회로(150b)를 포함하고,
    상기 제1이용수 회로(150a) 및 제2이용수 회로(150b)로 분지되는 이용수 입구 측에 상기 제1이용수 회로(150a) 또는 제2이용수 회로(150b)로 이용수의 흐름을 전환시키는 삼방밸브(170)가 설치된 히트펌프 연동 급탕장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    난방 모드 운전시,
    상기 삼방밸브(170)는 상기 제1냉매 순환회로(Ⅲ)의 작동 온(ON)시 상기 제1이용수 회로(150a)를 개방하고, 상기 제2냉매 순환회로(Ⅳ)의 작동 온(ON)시 상기 제2이용수 회로(150b)만을 개방하거나 상기 제1이용수 회로(150a) 및 상기 제2이용수 회로(150b) 모두를 개방하는 히트펌프 연동 급탕장치.
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