KR101218349B1

KR101218349B1 - 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR101218349B1
Application number: KR1020120134878A
Authority: KR
Inventors: 김재웅; 이기승
Original assignee: 이기승; 김재웅
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-01-03

Abstract

본 발명에 따른 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템은, 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브; 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부로부터 유입된 냉수와 냉매 간 열교환을 행하여 온수를 생성하는 온수 생성 전용 열교환기; 상기 온수 생성 전용 열교환기에 연결되어 온수를 저장하는 온수 저장 탱크; 상기 온수 생성 전용 열교환기로부터 냉매가 토출되는 유로 상에 설치되어 냉매가 상기 온수 생성 열교환기로 역류하지 않도록 하는 제1체크 밸브; 상기 제1체크 밸브를 사이에 두고 상기 온수 생성 전용 열교환기와 마주하는 냉매 유로 상에 배치된 제1삼방 밸브; 상기 제1삼방 밸브를 통과한 냉매가 통과하는 유로 상에 배치되며, 과냉각도 조절용 팬이 구비되며 공기 열원과 냉매 간 열교환이 행해지며, 상기 제1삼방 밸브와 각각 연결된 한 쌍의 열교환 모듈이 일체로 구비된 일체형 열교환기; 상기 일체형 열교환기에서 토출 되는 냉매 유로 상에 배치된 제2삼방 밸브; 상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 리시버 탱크; 상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며; 상기 제2삼방 밸브와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기되어 상기 압축기의 입구에 연결되며; 상기 리시버 탱크에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된 제3삼방 밸브; 상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나는 제1팽창 밸브를 구비하며, 상기 일체형 열교환기에 연결되며; 상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며, 상기 제3삼방 밸브로부터 상기 사방 밸브 방향으로 순차적으로 제2팽창 밸브와, 냉동 냉장용 쿨러가 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for cooling and full time generating hot water}

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서 더 구체적으로는 상시적으로 온수 생산을 하면서 냉동 및 냉장 기능을 겸비한 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온 열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 히트펌프가 되는 것이다.

히트펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 압축기, 고온부 열교환기인 제1열교환기, 팽창밸브, 저온부 열교환기인 제2열교환기의 4개 요소로 구분되며 냉매는 압축, 응축, 팽창, 증발의 변화를 계속하면서 순환한다.

상기의 히트펌프의 원리를 이용하여 목욕탕, 공장, 산업 전반 등에서 사용하는 온수 및 냉수를 생성할 수 있는 냉난방 냉온수 복합 시스템은 상기 고온부 열교환기에 외부로부터 유입된 물과 냉매를 열교환 시켜 온수를 얻을 수 있고 이를 이용하여 난방기능도 수행할 수 있다.

이러한 냉난방 냉온수 복합 시스템은 냉매의 열에너지로 외부로부터 유입된 물을 가열시키고, 외부 공기로부터 열에너지를 공급받아 상기 냉매를 증발시켜 사이클을 순환하도록 되어 있다. 이러한 히트 펌프 시스템의 일 예가 등록특허 제0789436호에 개시되어 있다.

그런데 종래의 히트 펌프 시스템은 냉방이나 난방이 별개의 사이클로 구성되도록 구성되어 있어서, 예컨대 식품 가공 공장이나 대형 식당과 같이 상시적으로 온수의 생산이 필요하고, 식자재의 냉장 보관이 필요한 장소에 설치하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 상시적으로 온수 생산이 가능하며, 동시에 냉동 및 냉장 기능이 하나의 사이클에서 구현되도록 된 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템은, 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;

상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브;

상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부로부터 유입된 냉수와 냉매 간 열교환을 행하여 온수를 생성하는 온수 생성 전용 열교환기;

상기 온수 생성 전용 열교환기에 연결되어 온수를 저장하는 온수 저장 탱크;

상기 온수 생성 전용 열교환기로부터 냉매가 토출되는 유로 상에 설치되어 냉매가 상기 온수 생성 열교환기로 역류하지 않도록 하는 제1체크 밸브;

상기 제1체크 밸브를 사이에 두고 상기 온수 생성 전용 열교환기와 마주하는 냉매 유로 상에 배치된 제1삼방 밸브;

상기 제1삼방 밸브를 통과한 냉매가 통과하는 유로 상에 배치되며, 과냉각도 조절용 팬이 구비되며 공기 열원과 냉매 간 열교환이 행해지며, 상기 제1삼방 밸브와 각각 연결된 한 쌍의 열교환 모듈이 일체로 구비된 일체형 열교환기;

상기 일체형 열교환기에서 토출 되는 냉매 유로 상에 배치된 제2삼방 밸브;

상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 리시버 탱크;

상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며;

상기 제2삼방 밸브와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기 되어 상기 압축기의 입구에 연결되며;

상기 리시버 탱크에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된 제3삼방 밸브;

상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나는 제1팽창 밸브를 구비하며, 상기 일체형 열교환기에 연결되며;

상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며, 상기 제3삼방 밸브로부터 상기 사방 밸브 방향으로 순차적으로 제2팽창 밸브와, 냉동 냉장용 쿨러가 배치된 점에 특징이 있다.

상기 제2팽창 밸브와 상기 냉동 냉장용 쿨러를 연결하는 유로는 분기 되어 상기 일체형 열교환기에 연결되며, 전자 밸브와 체크 밸브를 구비한 것이 바람직하다.

상기 제2삼방 밸브와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기 되어 상기 압축기의 입구에 연결되며, 상기 압축기로 향하는 냉매 유로에는 기액 분리기와 수동 팽창 밸브가 구비된 것이 바람직하다.

상기 제2팽창 밸브와 상기 냉동 냉장용 쿨러를 연결하는 유로가 분기 되어 상기 일체형 열교환기에 연결되는 유로는 분기 되어, 상기 제2삼방 밸브와 상기 리시버 탱크를 연결하는 유로에 연결된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 히트 펌프 시스템은 상시적으로 온수를 생산하므로 온수가 필수적으로 요구되는 시설에서 유용하게 온수를 사용할 수 있으며, 온수를 생산하는 사이클에서 냉동 및 냉장 기능이 가능하므로 식자재의 냉장 및 냉동 보관이 가능한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시 예와 같이 제상 사이클이 가능하도록 구성한 경우에는 실내 공간의 냉방을 위한 쿨러의 표면에 발생하는 성에를 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 온수생성과 냉방을 동시에 하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템에서 온수만 전용으로 생성하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 시스템에서 제상 사이클 작동시 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템(10)은 압축기(101)와, 사방 밸브(103)와, 온수 생성 전용 열교환기(104)와, 온수 저장 탱크(106)와, 제1체크 밸브(111)와, 제1삼방 밸브(107)와, 일체형 열교환기(109)와, 제2삼방 밸브(200)와, 리시버 탱크(201)와, 제3삼방 밸브(204)와, 제1팽창 밸브(108)와, 제2팽창 밸브(205)와, 냉동 냉장용 쿨러(206)와, 제2전자 밸브(400)와, 제2체크 밸브(402)와, 기액 분리기(207)와, 수동 팽창 밸브(208)를 포함한다.

상기 압축기(101)는 기체 상태의 냉매를 고온 고압의 상태로 압축하는 장치이다. 상기 압축기(101)에는 기체 상태의 냉매만 유입되어야 하며, 액체 상태의 냉매가 유입되는 경우 압축기(101)의 구성요소가 손상될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 상기 압축기(101)에서 토출되는 냉매 유로에는 유분리기(102)가 설치된다. 상기 유분리기(102)에서 냉매 가스와 분리된 오일을 상기 압축기(101)로 회수하는 유로에는 제1전자 밸브(110)가 설치된다.

상기 사방 밸브(103)는 상기 압축기(101)에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 사방 밸브(103)는 냉매의 흐름을 3가지 방향으로 분기하는 밸브 장치이다. 상기 사방 밸브(103)는 공지된 구조의 밸브를 채용할 수 있으므로 밸브 자체의 구조에 대한 상세한 서술은 생략한다.

상기 온수 생성 전용 열교환기(104)는 상기 사방 밸브(103)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)는 고온 고압으로 압축된 냉매와 외부로부터 유입된 냉수와 열교환을 행하여 온수를 생성한다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에는 온수 저장 탱크(106)가 연결된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로 냉수를 공급하기 위해 순환 펌프(105)가 파이프 상에 설치된다.

상기 온수 저장 탱크(106)는 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에 연결되어 온수를 저장한다. 상기 온수 저장 탱크(106)의 상부에는 온수를 배출하기 위한 배관이 배치되며, 상기 온수 저장 탱크(106)의 하부에는 외부에서 냉수가 공급될 수 있도록 배관이 배치될 수 있다. 따라서, 상기 온수 저장 탱크(106)에 저장된 온수의 온도는 일정하게 유지될 수 있다.

상기 제1체크 밸브(111)는 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로부터 냉매가 토출되는 유로 상에 설치된다. 상기 제1체크 밸브(111)는 냉매가 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로 역류하지 않도록 마련된 것이다.

상기 제1삼방 밸브(107)는 상기 제1체크 밸브(111)를 사이에 두고 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)와 마주하는 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 제1삼방 밸브(107)는 냉매를 2가지 방향으로 분기한다. 본 발명에서 상기 제1삼방 밸브(107)는 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로부터 토출된 냉매를 후술하는 일체형 열교환기(109)에 유입시킬 때 냉매의 순환 방향을 선택적으로 달리할 수 있도록 마련된 것이다.

상기 일체형 열교환기(109)는 상기 제1삼방 밸브(107)를 통과한 냉매가 통과하는 유로 상에 배치된다. 상기 일체형 열교환기(109)는 과냉각도 조절용 팬(210)을 구비한다. 상기 일체형 열교환기(109)는 외부의 공기 열원과 냉매 간 열교환이 가능함은 물론이고 냉매 간 자체 열교환이 가능하도록 한 쌍의 열교환기가 서로 마주하도록 배치된다. 즉, 상기 일체형 열교환기(109)는 기본적으로 공기 열원과 냉매 간 열교환이 행해지며, 보조적으로 냉매 간 자체 열교환이 가능한 구조이다. 상기 한 쌍의 열교환기는 각각 상기 제1삼방 밸브(107)와 연결되어 있다. 상기 한 쌍의 열교환기는 일체형 모듈을 형성한다. 상기 일체형 열교환기(109)는 토출되는 냉매의 온도를 측정하는 온도 센서(300)를 기초로 냉매의 과냉각도를 정밀하게 제어할 수 있도록 온도 조절기(209)에 의해 상기 과냉각도 조절용 팬(210)의 작동이 제어된다.

상기 제2삼방 밸브(200)는 상기 일체형 열교환기(109)에서 토출 되는 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 제2삼방 밸브(200)의 작용은 상기 제1삼방 밸브(107)와 같이 냉매를 2가지 유로에 선택적으로 유동할 수 있도록 하는 작용을 한다.

상기 제2삼방 밸브(200)에서 분기된 냉매 유로 중 하나는 리시버 탱크(201)에 연결된다. 상기 리시버 탱크(201)는 냉매를 일정량 저장하는 구성요소다. 상기 리시버 탱크(201)의 출구로는 액상의 냉매만 유출되고 기체 상태의 냉매는 용기 상부에 존재하도록 하는 공지된 장치이다.

상기 제2삼방 밸브(200)에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브(103)에 연결된다. 상기 제2삼방 밸브(200)와 상기 사방 밸브(103)를 연결하는 냉매 유로는 분기 되어, 상기 압축기(101)의 입구에 연결된다. 상기 압축기(101)의 입구에 연결된 냉매 유로에는 기액 분리기(207)와 수동 팽창 밸브(208)가 구비된다. 상기 기액 분리기(207)는 상기 압축기(101)로 유입되는 냉매가 액체 성분이 포함되지 않도록 함으로써 상기 압축기(101)를 보호하는 작용을 한다. 상기 수동 팽창 밸브(208)는 상기 기액 분리기(207)에서 분리된 액체 상태의 냉매를 단열 팽창시켜 기체 상태로 변환하는 작용을 한다.

상기 제3삼방 밸브(204)는 상기 리시버 탱크(201)에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 제3삼방 밸브(204)에서 분기된 냉매 유로 중 하나는 제1팽창 밸브(108)를 구비하며, 상기 일체형 열교환기(109)에 연결된다. 상기 제1팽창 밸브(108)는 상기 제3삼방 밸브(204)에서 토출된 냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 상변화시키는 작용을 한다.

한편, 상기 제3삼방 밸브(204)에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브(103)에 연결된다. 상기 제3삼방 밸브(204)로부터 상기 사방 밸브(103) 연결된 유로 상에는 순차적으로 제2팽창 밸브(205)와, 냉동 냉장용 쿨러(206)가 배치된다.

상기 제2팽창 밸브(205)는 상기 제3삼방 밸브(204)에서 토출된 냉매를 단열팽창(교축작용)시켜 습포화 상태의 증기로 상변화시키는 작용을 한다.

상기 냉동 냉장용 쿨러(206)는 냉매와 밀폐된 공간의 공기를 열교환 시켜 공기의 온도를 낮추는 작용을 한다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)는 예컨대 식자재 보관용 냉동 또는 냉장 창고의 온도를 낮추는데 사용된다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)는 히트펌프 사이클 상 증발기에 해당한다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에서 열교환된 냉매는 기체상태로 상기 사방 밸브(103)를 지나 상기 기액 분리기(207)를 거쳐 상기 압축기(101)로 유입된다.

한편, 상기 제2팽창 밸브(205)와 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)를 연결하는 유로는 분기 되어 상기 일체형 열교환기(109)에 연결된다. 이 유로 상에는 제2전자 밸브(400)와 제2체크 밸브(402)가 구비된다. 상기 제2전자 밸브(400)는 제상 사이클에서 상기 사방 밸브(103)로부터 배출된 냉매가 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)의 성에를 제거한 후에 상기 일체형 열교환기(109)로 향하도록 개방하는 밸브이다. 상기 제2체크 밸브(402)는 제상 사이클 이외의 사이클에서 냉매가 상기 제2전자 밸브(400)로부터 상기 일체형 열교환기(109)로 흐르는 것을 차단하는 작용을 한다.

한편, 상기 제2팽창 밸브(205)와 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)를 연결하는 유로가 분기 되어 상기 일체형 열교환기에 연결되는데. 그 유로는 분기 되어, 상기 제2삼방 밸브(200)와 상기 리시버 탱크(201)를 연결하는 유로에 연결된다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 포함한 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템(10)의 사이클을 냉동 냉장 및 온수 생성 사이클, 온수 생성 전용 사이클, 제상 사이클 순으로 서술하고자 한다.

먼저, 도 2를 참조하여 냉동 냉장 및 온수 생성 사이클을 서술한다.

상기 압축기(101)에서 고온 고압의 냉매 가스가 형성되어 상기 유분리기(102)에 유입된다. 상기 유분리기(102)는 고온 고압의 냉매 가스와 냉매 가스 중에 혼합된 오일(oil)을 분리하여 분리된 오일을 상기 제1전자 밸브(110)를 통해 상기 압축기(101)로 회수한다. 상기 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 상기 사방 밸브(103)에서 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동하여 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로 유입된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에서는 상기 순환 펌프(105)에 의해 유입된 냉수와 냉매 간 열교환에 의해 온수가 생성된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에서 생성된 온수는 상기 온수 저장 탱크(106)에 저장된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에서 열교환된 후 배출된 냉매는 상기 제1체크 밸브(111)를 지나 상기 제1삼방 밸브(107)에서 ⓐ->ⓑ 방향으로 유동한다. 상기 제1삼방 밸브(107)를 통과한 냉매는 분기점 ①에서 상기 일체형 열교환기(109)로 유입되어 공기 열원과 열교환을 한다. 이 과정에서 상기 온도 센서(300)는 상기 일체형 열교환기(109)에서 토출 되는 냉매의 온도를 측정한다. 상기 온도 센서(300)에서 측정된 냉매의 온도에 기초하여 상기 온도 조절기(209)가 상기 과냉각도 조절용 팬(210)의 작동 여부를 제어한다. 상기 일체형 열교환기(109)에서 배출된 냉매는 상기 제2삼방 밸브(200)에서 ⓐ->ⓑ 방향으로 유동하여 상기 리시버 탱크(201)에 저장된 후 상기 드라이어(202)와 상기 액면계(203)를 순차적으로 통과한다. 상기 드라이어(202)는 냉매에 포함된 이물질을 걸러 주는 일종의 필터이다. 상기 액면계(203)는 냉매 유로에 흐르는 유체의 흐름을 관찰할 수 있도록 설치하는 구성요소이다.

상기 제3삼방 밸브(204)에서 냉매는 ⓐ->ⓑ 방향으로 유동하여 상기 제2팽창 밸브(205)를 통과한다. 상기 제2팽창 밸브(205)에서 냉매는 단열팽창으로 압력이 강하하여 저온의 습포화 증기로 상변화된다. 그리고 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에서 냉매는 냉동 냉장실의 공기와 열교환을 함으로써 더욱 냉각된다. 그리고 냉동 냉장실의 공기는 차가워져서 그 냉동 냉장실에 보관된 식자재를 저온으로 보관할 수 있다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)를 통과한 냉매는 상기 사방 밸브(103)를 ⓑ->ⓓ 방향으로 통과하여 분기점 ④를 통과하여 상기 기액 분리기(207)를 거쳐 상기 압축기(101)로 유입된다. 상기 기액 분리기(207)에서 분리된 액체 상태의 냉매는 상기 수동 팽창 밸브(208)에서 단열 팽창하여 기체 상태로 상변화된 다음 분기점 ⑥에서 상기 기액 분리기(207)를 통과한 냉매 가스와 혼합되어 상기 압축기(101)로 유입된다. 이와 같이 냉동 냉장 및 온수 생성 사이클을 통해 온수와 냉동 냉장실의 냉각이 동시에 이루어진다. 따라서, 식품 가공 공장이나 대형 식당과 같은 곳에서 본 발명에 따른 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템은 유용하게 사용될 수 있다.

이제, 도 3을 참조하며, 온수 생성 전용 사이클을 설명하기로 한다. 도 3에 도시된 온수 생성 전용 사이클은 냉동 냉장실의 온도가 충분하게 냉각되어 식자재의 보관에 필요한 온도에 도달한 경우에 온수 생성만을 목적으로 운행되는 사이클이다.

상기 압축기(101)에서 고온 고압의 냉매가스가 토출된다. 상기 유분리기(102)에 유입된 고온 고압의 냉매 가스에 혼합된 오일은 분리되어 상기 제1전자 밸브(110)를 통해 상기 압축기(101)로 회수된다. 상기 압축기(101)에서 토출된 냉매 가스는 상기 사방 밸브(103)에서 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동하여 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)로 유입된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에서는 상기 순환 펌프(105)에 의해 공급된 냉수와 냉매 간 열교환이 이루어짐으로써 온수가 생성된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)에서 생성된 온수는 상기 온수 저장 탱크(106)에 저장된다. 상기 온수 생성 전용 열교환기(104)를 통과한 냉매는 상기 제1체크 밸브(111)를 통과하여 상기 제1삼방 밸브(107)에서 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동한다. 상기 일체형 열교환기(109)로 유입된 냉매는 공기와 열교환을 행함으로써 과냉각도가 조절된다. 상기 일체형 열교환기(109)에서 과냉각도가 조절된 냉매는 분기점 ②와 분기점③을 통과하여 상기 리시버 탱크(201)에 도달한다. 상기 리시버 탱크(201)에서 배출된 냉매는 상기 드라이어(202)와 상기 액면계(203)를 통과하여 상기 제3삼방 밸브(204)에 도달한다. 상기 제3삼방 밸브(204)에서 냉매는 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동하여 상기 제1팽창 밸브(108)를 통과한다. 상기 제1팽창 밸브(108)에서 냉매는 단열 팽창하여 저온의 습포화 증기로 상변화 한다. 상기 제1팽창 밸브(108)를 통과하는 냉매는 분기점 ①을 통과하여 상기 일체형 열교환기(109)로 유입된다. 이때 상기 일체형 열교환기(109)에서는 상기 제1삼방 밸브(107)로부터 상기 일체형 열교환기(109)로 유입된 냉매와 냉매 간 자체 열교환이 일어난다. 이 과정에서 필요한 경우 상기 온도 센서(300)와 상기 온도 조절기(209)에 의해 상기 과냉각도 조절용 팬(210)이 작동될 수 있다. 상기 제3삼방 밸브(204)에서 상기 일체형 열교환기(109)로 유입된 냉매는 저온의 과열 증기 상태로 상변화가 이루어지며 상기 제2삼방 밸브(200)에서 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동하여 분기점 ④를 거쳐 상기 기액 분리기(207)에 도달한다. 상기 기액 분리기(207)에서 기체 상태의 냉매는 분기점 ⑥을 지나 상기 압축기(101)로 유입된다. 한편, 상기 기액 분리기(207)에서 액체 상태의 냉매는 분리되어 상기 수동 팽창 밸브(208)에서 단열 팽창하여 기체 상태로 상변화한 다음 분기점 ⑥을 지나 상기 압축기(101)로 유입된다. 이와 같이 온수 생성 전용 사이클에서는 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에 냉매가 공급되지 않으므로 냉동 냉장 작용을 일어나지 않고 온수만 생성된다. 이와 같이 생성된 온수는 식품 가공 공장이나 대형 식당에서 유용하게 사용될 수 있다.

이제, 도 4를 참조하며, 제상 사이클을 설명하기로 한다. 도 4에 도시된 제상 사이클은 냉동 냉장실의 온도가 지나치게 낮아져서 상기 냉동 냉장용 쿨러 표면에 성에가 발생한 경우에 작동시킨다.

상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에 생성된 성에를 제거하기 위해, 상기 압축기(101)에서 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 상기 사방 밸브(103)에서 ⓐ->ⓑ 방향으로 유동한다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에 유입된 고온 고압의 가스는 열전도에 의해 성에(frost)와 열교환하여 성에를 녹임으로써 제상 기능을 수행한다. 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)를 통과한 냉매는 온도가 낮아져 액상이 기상이 혼재된 상태로 분기점 ⑤에서 상기 제2전자 밸브(400)와 상기 제2체크 밸브(402)를 통과하여 분기점 ②와 ③을 통과한다. 상기 리시버 탱크(201)에 도달한 냉매는 일정량 저장된 후 상기 드라이어(202)와 상기 액면계(203)를 통과하여 상기 제3삼방 밸브(204)에서 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동한다. 상기 제1팽창 밸브(108)에 유입된 냉매는 단열 팽창하여 저온의 습포화 증기로 상변화한다. 상기 제1팽창 밸브(108)를 통과한 냉매는 분기점 ①을 지나 상기 일체형 열교환기(109)로 유입되어 외부 공기와 열교환을 행한다. 상기 일체형 열교환기(109)를 통과한 냉매는 저온의 과열 증기 상태가 되어 상기 제2삼방 밸브(200)에 도달한다. 상기 제2삼방 밸브(200)에서 냉매는 ⓐ->ⓒ 방향으로 유동하여 분기점 ④를 지나 상기 기액 분리기(207)에 도달한다. 상기 기액 분리기(207)에서 기체 상태의 냉매는 분기점 ⑥을 지나 상기 압축기(101)로 유입된다. 한편, 상기 기액 분리기(207)에서 액체 상태의 냉매는 분리되어 상기 수동 팽창 밸브(208)에서 단열 팽창하여 기체 상태로 상변화한 다음 분기점 ⑥을 지나 상기 압축기(101)로 유입된다. 이와 같이 제상 사이클에서는 상기 냉동 냉장용 쿨러(206)에 생성된 성에를 제거함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템은 상시적으로 온수를 생성하며 동시에 선택적으로 냉동 냉장 기능을 수행할 수 있으므로 예컨대 식품 가공 공장이나 대형 식당과 같이 상시적으로 온수를 사용하는 시설물에 유용하게 채용될 수 있다. 또한, 필요에 따라 온수만을 생성하는 온수 생성 전용 사이클을 작동시킬 수 있으므로 냉동 냉장이 필요하지 않고 온수만 필요한 경우에도 융통성 있게 대응할 수 있는 장점이 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

10 : 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템
101 : 압축기
102 : 유분리기
103 : 사방 밸브
104 : 온수 생성 전용 열교환기
105 : 순환 펌프
106 : 온수 저장 탱크
107 : 제1삼방 밸브
108 : 제1팽창 밸브
109 : 일체형 열교환기
110 : 제1전자 밸브
200 : 제2삼방 밸브
201 : 리시버 탱크
202 : 드라이어
203 : 액면계
204 : 제3삼방밸브
205 : 제2팽창 밸브
206 : 냉동 냉장용 쿨러
207 : 기액 분리기
208 : 수동 팽창 밸브
209 : 온도 조절기
210 : 과냉각도 조절용 팬
300 : 온도 센서
400 : 제2전자 밸브
402 : 제2체크 밸브

Claims

기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브;
상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부로부터 유입된 냉수와 냉매 간 열교환을 행하여 온수를 생성하는 온수 생성 전용 열교환기;
상기 온수 생성 전용 열교환기에 연결되어 온수를 저장하는 온수 저장 탱크;
상기 온수 생성 전용 열교환기로부터 냉매가 토출되는 유로 상에 설치되어 냉매가 상기 온수 생성 열교환기로 역류하지 않도록 하는 제1체크 밸브;
상기 제1체크 밸브를 사이에 두고 상기 온수 생성 전용 열교환기와 마주하는 냉매 유로 상에 배치된 제1삼방 밸브;
상기 제1삼방 밸브를 통과한 냉매가 통과하는 유로 상에 배치되며, 과냉각도 조절용 팬이 구비되며 공기 열원과 냉매 간 열교환이 행해지며, 상기 제1삼방 밸브와 각각 연결된 한 쌍의 열교환 모듈이 일체로 구비된 일체형 열교환기;
상기 일체형 열교환기에서 토출 되는 냉매 유로 상에 배치된 제2삼방 밸브;
상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 리시버 탱크;
상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며;
상기 제2삼방 밸브와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기되어 상기 압축기의 입구에 연결되며;
상기 리시버 탱크에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된 제3삼방 밸브;
상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나는 제1팽창 밸브를 구비하며, 상기 일체형 열교환기에 연결되며;
상기 제3삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 다른 하나는 상기 사방 밸브에 연결되며, 상기 제3삼방 밸브로부터 상기 사방 밸브 방향으로 순차적으로 제2팽창 밸브와, 냉동 냉장용 쿨러가 배치된 것을 특징으로 하는 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2팽창 밸브와 상기 냉동 냉장용 쿨러를 연결하는 유로는 분기되어 상기 일체형 열교환기에 연결되며, 전자 밸브와 체크 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2삼방 밸브와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기되어 상기 압축기의 입구에 연결되며, 상기 압축기로 향하는 냉매 유로에는 기액 분리기와 수동 팽창 밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2팽창 밸브와 상기 냉동 냉장용 쿨러를 연결하는 유로가 분기되어 상기 일체형 열교환기에 연결되는 유로는 분기 되어, 상기 제2삼방 밸브와 상기 리시버 탱크를 연결하는 유로에 연결된 것을 특징으로 하는 냉동 냉장 및 상시 온수 생산용 히트 펌프 시스템.