KR101269843B1 - 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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이기승
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Abstract

본 발명에 따른 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 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 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제1열교환기; 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제2열교환기; 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 제1팽창 밸브; 상기 제1열교환기와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 리시버 탱크; 및 상기 리시버 탱크와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로 상에 배치되는 삼방 밸브; 상기 제1팽창 밸브와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 제1열교환기와 상기 리시버 탱크를 연결하는 유로로 연결된 유로 상에 배치된 제2팽창 밸브; 및 상기 리시버 탱크와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 압축기에 연결되는 유로 상에 배치된 제3팽창 밸브를 구비하며, 상기 삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나는 상기 제2열교환기에서 냉매 간 열 교환을 행한 후 상기 삼방 밸브와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로에 합류 되도록 구성되며, 상기 사방 밸브를 통과하여 상기 압축기로 냉매가 유입되는 회수 유로를 구비하는 히트 펌프 시스템이 있어서, 상기 제1팽창 밸브로부터 상기 제2열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 측정하는 증발 온도 센서; 상기 제1열교환기에서 열 교환 되는 외부 열원의 유동량을 조절하는 응축 온도 조절 밸브; 및 상기 증발 온도 센서에서 측정된 온도를 전달받아 미리 설정된 온도 조건에 따라 상기 응축 온도 조절 밸브를 비례 제어하도록 신호를 발생하는 응축 온도 제어기;를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템{Refrigerant condensing temperature adjustable heat pump system based on ambient temperature and evaporating temperature}
본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서 더 구체적으로는 압축기의 운전 범위에 따른 용량에 무리가 가지 않도록 함으로써 내구성이 현저하게 향상된 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 열 교환시켜 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.
이러한 히트 펌프 시스템은 계절의 변화에 따라 냉매와 열 교환 되는 외부의 공기 열원의 온도가 변함에 따라 압축기의 성능 범위를 넘어서는 운전 조건이 형성되는 경우에 종종 직면한다.
그런데 종래의 히트 펌프 시스템은 외기의 온도를 고려하지 않고 냉매의 응축 온도를 특정한 온도에 고정하도록 구성함으로써 압축기의 성능 범위를 벗어난 운전 조건에 직면할 경우 압축기에 과부하가 걸려 심각한 고장을 초래함으로써 많은 수리 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 히트 펌프 시스템이 직면하는 외기 온도에 따른 증발 온도 변화에 따라 응축 온도를 비례 제어하므로 압축기에 과부하가 걸리지 않도록 함으로써 안정적인 운전이 가능하도록 구조가 개선된 히트 펌프 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 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 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제1열교환기;
상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제2열교환기;
상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 제1팽창 밸브;
상기 제1열교환기와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 리시버 탱크; 및
상기 리시버 탱크와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로 상에 배치되는 삼방 밸브;
상기 제1팽창 밸브와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 제1열교환기와 상기 리시버 탱크를 연결하는 유로로 연결된 유로 상에 배치된 제2팽창 밸브; 및
상기 리시버 탱크와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 압축기에 연결되는 유로 상에 배치된 제3팽창 밸브를 구비하며,
상기 삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나는 상기 제2열교환기에서 냉매 간 열 교환을 행한 후 상기 삼방 밸브와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로에 합류되도록 구성되며,
상기 사방 밸브를 통과하여 상기 압축기로 냉매가 유입되는 회수 유로를 구비하는 히트 펌프 시스템이 있어서,
상기 제1팽창 밸브로부터 상기 제2열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 측정하는 증발 온도 센서;
상기 제1열교환기에서 열 교환 되는 외부 열원의 유동량을 조절하는 응축 온도 조절 밸브; 및
상기 증발 온도 센서에서 측정된 온도를 전달받아 미리 설정된 온도 조건에 따라 상기 응축 온도 조절 밸브를 비례 제어하도록 신호를 발생하는 응축 온도 제어기;를 포함한 점에 특징이 있다.
상기 회수 유로에서 분기하여 상기 제1팽창 밸브와 상기 제2열교환기를 연결하는 유로에 연결되는 제1보상 유로를 구비하며,
상기 제1보상 유로가 상기 제1팽창 밸브와 상기 제2열교환기를 연결하는 유로에 합류하는 위치에 냉매 혼합기가 설치되며,
상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 사방 밸브로 이동하는 유로에서 분기 되어 상기 제1보상 유로에 연결되는 제2보상 유로를 구비하며,
상기 제1보상 유로와 상기 제2보상 유로가 연결되는 위치에 배치되며, 상기 제1보상 유로를 유동하는 냉매의 압력이 미리 설정된 값 이하로 내려갈 경우 상기 제2보상 유로로부터 상기 제1보상 유로로 고압 냉매 가스가 유입되도록 개방되는 보상 밸브;를 구비한 것이 바람직하다.
상기 제2열교환기 표면에 물을 분사할 수 있도록 급수관에 의해 연결된 냉각수 분사 노즐; 및
상기 제2열교환기 주변의 외기 온도를 감지하는 외기 온도 센서로부터 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 제2열교환기에 물을 분사할 수 있도록 상기 급수관을 개방하는 스위치; 를 구비한 가압 스프레이 유닛을 포함한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 히트 펌프 시스템은 외기의 온도가 변하여 압축기의 능력을 벗어나는 운전 조건이 발생하더라도 냉매와 열 교환 되는 외부 열원의 유동량을 조절함으로써 압축기에 과부하가 걸리지 않도록 구조가 개선되어 시스템의 내구성이 현저하게 향상된 히트펌프 시스템을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템에서 난방을 하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 히트 시스템에서 냉방을 하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템에서 제상 및 난방 사이클 형성시 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 개략적 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템에서 난방을 하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 히트 시스템에서 냉방을 하는 경우 냉매의 흐름을 표시한 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 히트 펌프 시스템에서 제상 및 난방 사이클 형성시 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템(10, 이하 "히트 펌프 시스템"이라 함)은 압축기(20)와, 사방 밸브(30)와, 제1열교환기(40)와, 응축 온도 조절 밸브(43)와, 제2열교환기(50)와, 증발 온도 센서(52)와, 응축 온도 제어기(53)와, 제1팽창 밸브(60)와, 제2팽창 밸브(70)와, 제3팽창 밸브(80)와, 리시버 탱크(120)와, 삼방 밸브(130)와, 제1보상 유로(100)와, 냉매 혼합기(103)와, 제2보상 유로(102)와, 보상 밸브(104)와, 냉각수 분사 노즐(111)과, 고압 스위치(112)를 포함한다.
상기 압축기(20)는 기체 상태의 냉매를 고온 고압의 상태로 압축하는 장치이다. 상기 압축기(20)에는 기체 상태의 냉매만 유입되어야 하며, 액체 상태의 냉매가 유입되는 경우 압축기(20)의 구성요소가 손상될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 상기 압축기(20)에서 토출되는 냉매 유로에는 오일 분리기(21)가 설치된다. 상기 오일 분리기(21)에서 냉매 가스와 분리된 오일을 상기 압축기(20)로 회수하는 유로에는 제4전자 밸브(22)가 설치된다. 상기 압축기(20)에 사용될 수 있는 냉매는 프레온계, 탄화수소계, 이산화탄소 등 공지된 냉매가 채용될 수 있다.
상기 사방 밸브(30)는 상기 압축기(20)에서 토출된 냉매가 통과하는 유로 상에 배치된다. 상기 사방 밸브(30)는 냉매의 흐름을 3가지 방향으로 분기하는 밸브 장치이다. 상기 사방 밸브(30)는 공지된 구조를 채용할 수 있으므로 사방 밸브 자체의 구체에 대한 상세한 서술은 생략하기로 한다.
상기 제1열교환기(40)는 상기 사방 밸브(30)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 제1열교환기(40)는 외부로부터 유입된 열원, 예컨대 물 또는 공기와 냉매 간 열 교환을 행하는 장치이다. 상기 제1열교환기(40)로 유입되는 물의 유입을 개폐하기 위해 상기 제1열교환기(40)로 유입되는 물의 통로에는 순환 펌프(42)가 설치된다. 상기 제1열교환기(40)로 유입되는 물은 냉온수 탱크(41)에 일시 저장된다. 상기 냉온수 탱크(41)는 온수 및 냉수가 밀도차에 의해 동시에 저장되는 탱크이다. 상기 냉온수 탱크(41)의 상부에는 온수가 저장되고, 상기 냉온수 탱크(41)의 하부에는 냉수가 저장된다. 상기 제1열교환기(40)로 유입되는 외부 열원, 즉 본 실시 예에서는 물의 유동량을 비례 제어하기 위한 응축 온도 조절 밸브(43)를 구비한다. 상기 응축 온도 조절 밸브(43)는 후술하는 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매의 온도에 연동하여 비례 개폐된다. 상기 제1열교환기(40)는 난방 사이클에서 응축기 역할을 수행한다.
상기 제2열교환기(50)는 상기 사방 밸브(30)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 제2열교환기(50)는 외부 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 장치다. 상기 제2열교환기(50)에서 사용되는 외부 열원은 예컨대 공기 열원과 물이 혼합적으로 사용될 수 있다. 상기 제2열교환기(50)는 다중관 구조로 이루어져 있다. 상기 제2열교환기(50)는 외부 열원과 냉매 간 열 교환이 가능할 뿐 아니라, 상기 히트 펌프 시스템(10) 내부의 유로를 유동하는 냉매 간에 자가 열 교환이 가능하도록 구성된다.
상기 제2열교환기(50)에 냉각수를 분사할 수 있도록, 외부에서 냉수가 공급될 수 있는 급수관(110)에 연결되어 상기 제2열교환기(50) 표면에 냉각수를 분사할 있는 냉각수 분사 노즐(111)이 설치된다. 상기 제2열교환기(50)는 난방 사이클에서 증발기 역할을 수행한다.
상기 제1팽창 밸브(60)는 상기 제1열교환기(40)와 상기 제2열교환기(50)를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 제1팽창 밸브(60)는 기체 상태 또는 기체와 액체 상태의 냉매를 단열 팽창하여 저온의 액체와 기체 상태의 혼합액으로 변환하는 장치다. 상기 제1팽창 밸브(60)의 상류에는 냉매의 흐름을 개폐하기 위한 제1전자 밸브(62)가 설치된다. 또한, 상기 제1팽창 밸브(60)와 상기 제1전자 밸브(62) 사이의 냉매 유로 상에는 냉매가 역방향으로 흐르는 것을 방지하도록 제1체크 밸브(61)가 구비된다.
상기 리시버 탱크(120)는 상기 제1열교환기(40)와 상기 제1팽창 밸브(60)를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 제1열교환기(40)와 상기 리시버 탱크(120)를 연결하는 유로 상에는 체크 밸브(118)가 설치되어, 냉매가 상기 리시버 탱크(120)로부터 상기 제1열교환기(40)로 역류하는 것을 방지한다. 상기 리시버 탱크(120)는 냉매를 일정량 저장하는 구성요소로써 출구로는 액상의 냉매만 유출되고 기체 상태의 냉매는 용기 상부에 존재하도록 하는 공지된 장치다.
상기 삼방 밸브(130)는 상기 리시버 탱크(120)와 상기 제1팽창 밸브(60)를 연결하는 유로 상에 배치된다. 상기 리시버 탱크(120)와 상기 삼방 밸브(130)를 연결하는 냉매 유로에는 드라이어(121)와 사이트 글라스(122)와 같은 부대 장치가 설치될 수 있다. 상기 드라이어(121)는 냉매에 포함된 이물질을 걸러 주는 일종의 필터이다. 상기 사이트 글라스(122)는 냉매 유로에 흐르는 유체의 흐름을 관찰할 수 있도록 설치하는 구성요소이다.
상기 삼방 밸브(130)는 상기 리시버 탱크(120)로부터 유입된 냉매 유로를 분기하여 상기 제1열교환기(40)와 유로로 연결된다. 상기 삼방 밸브(130)로부터 상기 제2열교환기(50)로 직접 유입된 냉매는 상기 제1팽창 밸브(60)에서 상기 제2열교환기(50)로 유입된 냉매와 냉매 간 열 교환이 가능하다. 상기 제2열교환기(50)에서는 외부 열원(예: 공기 열원)과 열 교환이 기초적으로 발생하며, 부가적으로 상기 제1팽창 밸브(60)로 유입되는 냉매의 과냉각도를 조절하기 위해 상기 삼방 밸브(130)로부터 일부의 냉매를 상기 제2열교환기(50)에서 열 교환하여 냉각한 후 상기 제1팽창 밸브(60)로 유입시킬 수 있다. 또한, 상기 삼방 밸브(130)는 상기 제1팽창 밸브(60)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 삼방 밸브(130)의 개폐를 조절하도록 상기 제1전자 밸브(60)로 유입되는 냉매의 온도를 측정하여 상기 삼방 밸브(130)의 개폐 신호를 발생하는 과냉각도 제어기(131)가 설치된다.
상기 제2팽창 밸브(70)는 삼방 밸브(130)와 상기 제1팽창 밸브(60)를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 제1열교환기(40)와 상기 리시버 탱크(120)를 연결하는 유로로 연결된 유로 상에 배치된다. 상기 제2팽창 밸브(70)로 유입된 냉매의 유동 방향과 유동량을 제한하도록 제2체크 밸브(71)와 제2전자 밸브(72)가 구비된다.
상기 제3팽창 밸브(80)는 상기 리시버 탱크(120)와 상기 삼방 밸브(130)를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 압축기(20)에 연결되는 유로 상에 배치된다. 상기 제3팽창 밸브(80)를 통해 상기 압축기(20)로 유입되는 냉매는 제3전자 밸브(82)에 의해 개폐된다. 상기 제3팽창 밸브(80)는 상기 압축기(20)에서 토출되는 냉매 가스가 미리 설정된 온도 이상으로 과열되는 경우에, 상기 압축기(20)에서 토출되는 냉매 가스의 온도를 낮추기 위해 상기 리시버 탱크(120)에서 유출된 냉매의 일부를 기화시켜 상기 압축기(20)로 주입하기 위해 마련된 것이다.
상기 삼방 밸브(130)에서 분기된 유로 중 하나는 상기 제2열교환기(50)에서 냉매 간 열 교환을 행한 후 상기 삼방 밸브(130)와 상기 제1팽창 밸브(60)를 연결하는 유로에 합류되도록 구성된다. 상기 제2열교환기(50)에서 이루어지는 냉매 간 열 교환은, 상기 삼방 밸브(130)에서 분기된 냉매와 상기 제1팽창 밸브(60)를 통과하여 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매 간에 열 교환이 일어난다.
상기 사방 밸브(30)를 통과하여 상기 압축기(20)로 냉매가 유입되는 회수 유로(90)가 구비된다. 상기 회수 유로(90)는 상기 압축기(20)로부터 토출된 냉매가 응축기, 팽창 밸브, 증발기와 같은 구성 요소를 거쳐 상기 압축기(20)로 순환되는 하나의 냉동 사이클을 완성하는 최종 유로에 해당한다. 상기 회수 유로(90)에는 기액 분리기(91)와 제4팽창 밸브(92)가 설치된다. 상기 기액 분리기(91)는 상기 압축기(20)로 유입되는 냉매가 비압축성인 액상이 포함되지 않도록 필터링 하는 장치이다. 상기 제4팽창 밸브(92)는 상기 기액 분리기(91)에서 분리된 액상의 냉매를 교축 작용에 의해 기화시켜 상기 압축기(20)로 기체 상태의 냉매가 유입되도록 하는 역할을 한다.
상기 증발 온도 센서(52)는 상기 제1팽창 밸브(60)로부터 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매의 온도를 측정하는 센서이다.
상기 응축 온도 조절 밸브(43)는 상기 제1열교환기(40)에서 열 교환 되는 외부 열원의 유동량을 조절하는 밸브이다. 상기 응축 온도 조절 밸브(43)는 상기 냉온수 탱크(41)로 유입되는 물의 유동량을 비례 개폐하는 작용을 한다.
상기 응축 온도 제어기(53)는 상기 증발 온도 센서(52)에서 측정된 온도를 전달받아 미리 설정된 온도 조건에 따라 상기 응축 온도 조절 밸브(43)를 비례 제어하도록 신호를 발생한다. 상기 응축 온도 제어기(53)는 상기 제2열교환기(50)에서 원활한 열 교환이 이루어지지 못하여 상기 압축기(20)에 과부하가 발생할 경우에는 상기 제1열교환기(40)에서 열 교환되는 외부 열원의 유동량을 제어함으로써 상기 압축기(20)의 성능 범위를 벗어나는 과부하가 발생하지 않도록 하는 역할을 한다. 즉, 상기 증발 온도 센서(52)와 상기 응축 온도 제어기(53)는, 상기 제2열교환기(50)에서 열 교환되는 외부 열원(예: 공기)의 온도가 지나치게 낮아 상기 제2열교환기(50)에서 열 교환이 원활하게 이루어지지 않을 경우, 상기 압축기(20)로 유입되는 냉매의 온도가 지나치게 낮아져서 압축기(20)에 과부하가 걸리게 되는 문제점을 해소한다. 즉, 상기 응축 온도 조절 밸브(43)가 적게 개방되어 상기 압축기(20)로부터 토출된 냉매가 상기 제1열교환기(40)에서 열 교환되는 열량을 줄임으로써 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매의 과열도를 증가시켜 상기 제2열교환기(50)를 통과한 냉매의 온도가 지나치게 낮아지는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상기 히트 펌프 시스템(10)은 상기 회수 유로(90)에서 분기하여 상기 제1팽창 밸브(60)와 상기 제2열교환기(50)를 연결하는 유로에 연결되는 제1보상 유로(100)를 구비한다.
상기 제1보상 유로(100)가 상기 제1팽창 밸브(60)와 상기 제2열교환기(50)를 연결하는 유로에 합류하는 위치에 냉매 혼합기(103)가 설치된다.
상기 제2보상 유로(102)는 상기 압축기(20)에서 토출된 고온 고압의 기체 상태의 냉매가 상기 사방 밸브(30)로 이동하는 유로에서 분기 되어 상기 제1보상 유로(100)에 연결되는 유로이다.
상기 보상 밸브(104)는 상기 제1보상 유로(100)와 상기 제2보상 유로(102)가 연결되는 위치에 배치된다. 상기 보상 밸브(104)는 상기 제1보상 유로(100)를 유동하는 냉매의 압력이 미리 설정된 값 이하로 내려갈 경우 상기 제2보상 유로(102)로부터 상기 제1보상 유로(100)로 고온 고압 냉매 가스가 유입되도록 자동으로 개방되는 밸브이다. 상기 보상 밸브(104)는 공지된 밸브를 채용할 수 있으므로 밸브 구조에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 보상 밸브(104)는 상기 제1팽창 밸브(60)에서 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매의 압력이 지나치게 낮을 경우 냉매의 과열도를 높이기 위해 마련된 것이다. 상기 보상 밸브(104)를 통해 유입된 고온 고압의 냉매 가스는 상기 냉매 혼합기(103)에서 상기 제1팽창 밸브(60)를 통과한 저온 저압의 냉매와 혼합된다.
한편, 상기 제2열교환기(50) 주변의 외기 온도가 지나치게 높아지는 경우에 상기 제2열교환기(50)에서 열 교환이 원활하게 이루어지도록 마련된 것이 가압 스프레이 유닛이다. 상기 가압 스프레이 유닛은 급수관(110)과, 냉각수 분사 노즐(111)과, 고압 스위치(112)를 구비한다.
상기 급수관(110)은 외부에 연결된 급수원으로부터 물을 이동하는 관이다. 상기 급수관(110)에는 밸브가 구비되어 상기 고압 스위치(112)에 의해 제어된다.
상기 냉각수 분사 노즐(111)은 상기 제2열교환기(50) 표면에 물을 분사할 수 있도록 상기 급수관에 의해 연결된 노즐이다.
상기 고압 스위치(112)는 상기 급수관(110)에 흐르는 물을 개폐하는 스위치이다. 상기 고압 스위치(112)는 상기 제2열교환기(50) 주변의 외기 온도를 감지하는 외기 온도 센서(113)로부터 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 제2열교환기(50)에 물을 분사할 수 있도록 상기 급수관(110)을 개방하는 스위치이다. 상기 가압 스프레이 유닛은 여름철과 같이 외기의 온도가 지나치게 상승하여 상기 제2열교환기(50)에서 원활한 열 교환이 이루어지지 못하는 경우에도 상기 압축기(20)에 과부하가 걸리지 않도록 마련된 것이다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 포함한 히트 펌프 시스템(10)의 사이클을 난방(급탕) 사이클, 냉방 사이클, 제상 사이클 순으로 서술하고자 한다.
먼저, 도 2를 참조하면서 난방(급당) 사이클을 서술하기로 한다.
상기 압축기(20)에서 고온 고압의 냉매 가스가 형성되어 오일 분리기(21)에 유입된다. 상기 오일 분리기(21)에서는 고온 고압의 냉매 가스와 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 제4전자 밸브(22)를 통해 상기 압축기(20)로 회수한다. 상기 압축기(20)에서 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 분기점 I를 지나 상기 사방 밸브(30)를 통해 ⓐ-->ⓒ 방향으로 유동하여 상기 제1열교환기(40)에 유입된다. 상기 제1열교환기(40)에서는 고온 고압의 냉매 가스와 외부에서 순환 펌프(42)에 의해 유입된 물과 열 교환이 이루어져서 온수가 생성된다. 생성된 온수는 상기 냉온수 탱크(41)로 유입된다. 상기 제1열교환기(40)에서 생성된 온수는 급탕 또는 실내 난방용으로 사용될 수 있다. 이때 상기 냉온수 탱크(41)에 저장되는 온수생성 온도 설정 값은 상기 히트 펌프 시스템(10)을 가동하고 있는 상태에서 상기 제2열교환기(50)에 유입되는 냉매의 증발 온도 값에 연동하여 결정한다. 즉, 상기 증발 온도 센서(52)에서 감지한 온도가 미리 설정된 온도 값보다 낮을 경우 상기 응축 온도 제어기(53)가 상기 응축 온도 조절 밸브(43)를 적게 개방함으로써 상기 냉온수 탱크(41)에 생성되는 온수의 온도를 낮출 수 있다. 이와 같이 함으로써 상기 압축기(20)의 성능 범위를 벗어나지 않도록 하여 상기 압축기(20)를 보호한다. 상기 제1열교환기(40)에사 열 교환이 끝난 냉매 가스는 분기점 C를 지나 체크 밸브(118)를 통과하여 분기점 K를 지나 상기 리시버 탱크(120)에 도달한다. 상기 리시버 탱크(120)에서 유출된 냉매 가스는 상기 드라이어(121)에서 수분이 제거되고 상기 사이트 글라스(122)를 통과하여 분기점 D를 지나 상기 삼방 밸브(130)에 도달한다. 상기 삼방 밸브(130)는 상기 과냉각도 제어기(131)에 의해 미리 설정된 온도 값에 따라 비례 제어된다. 상기 삼방 밸브(130)에서 냉매의 일부는 ⓐ-->ⓑ 방향으로 순환하여 상기 제2열교환기(50)로 유입된다. 상기 제2열교환기(50)에서 냉매는 외부 열원 및 상기 제1팽창 밸브(60)를 통과한 냉매와 열 교환을 하여 과냉각도를 조절한 후 분기점 E에 도달한다. 상기 삼방 밸브(130)에서 냉매의 나머지는 ⓐ-->ⓒ 방향으로 순환하여 분기점 E에서 과냉각도가 조절된 냉매와 혼합된다. 따라서, 바람직한 냉매 가스의 과냉각도를 유지할 수 있으며 냉동 효과를 향상시킬 수 있다.
이때 과냉각도 조절이 끝난 냉매 가스는 상기 제1전자 밸브(62)와 상기 제1체크 밸브(61)를 통과하여 상기 제1팽창 밸브(60)에서 교축작용으로 인하여 저온의 습포화 증기로 변한다. 상기 제1팽창 밸브(60)를 통과한 냉매는 상기 냉매 혼합기(103)를 지나 상기 제2열교환기(50)로 유입된다. 상기 제2열교환기(50)에서 냉매는 외부 열원 및 상기 삼방 밸브(130)에서 유입된 일부 냉매와 열 교환하여 기체 상태로 된다. 이때 제2열교환기(50)는 팬(fan)에 의해 외부 공기와 냉매 간 열교환을 촉진할 수 있다.
이 과정에서 겨울철 이상 저온 환경에서 상기 제2열교환기(50)를 통과하여 상기 압축기(20)로 유입되는 냉매의 증발 압력이 설정치 이하로 내려가는 경우, 상기 압축기(20)로부터 토출되는 냉매의 일부를 분기점 I에서 상기 제2보상 유로(102)와 상기 보상 밸브(104) 및 상기 냉매 혼합기(103)를 통해 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매와 혼합함으로써 냉매의 과열도를 조절할 수 있다. 상기 보상 밸브(104)는 상기 액 분리기(91) 전 분기점 J에 연결된 상기 제1보상 유로(100)와 상기 제2보상 유로(102)를 연결하여 증발 압력이 설정치 이하인 경우에 상기 보상 밸브(104)가 개방되어 냉매의 증발 압력을 일정치 이상으로 유지함으로써 상기 제2열교환기(50)로 유입되는 냉매의 과열도를 조절할 수 있다. 상기 보상 밸브(104)를 통해 상기 냉매 혼합기(103)에 유입된 고온 고압의 냉매는 상기 제2열교환기(50)를 통과하는 냉매의 속도를 증가시킨다.
상기 제2열교환기(50)에서 외부 공기 열원과의 열 교환이 끝난 냉매 가스는 분기점 L을 통과하여 상기 사방 밸브(30)의 ⓑ-->ⓓ 방향으로 순환하여 분기점 J를 지나 상기 액 분리기(91)를 통과하여, 저온의 습증기와 과열 증기를 분류하여 1차 과열 증기는 분기점 H를 지나 상기 압축기(20)로 유입된다. 한편, 상기 액 분리기(91)에서 분리된 습증기는 수동 팽창 밸브인 상기 제4팽창 밸브(92)에서 재증발되어 분기점 H로 유입된다. 이와 같은 과정에 의해 난방(급탕) 사이클이 완성된다. 또한, 상기 과냉각도 제어기(131)는 상기 삼방 밸브(130)로부터 상기 제1팽창 밸브(60)로 유입되는 냉매의 온도를 측정하여 상기 삼방 밸브(130)의 개폐를 제어함으로써 냉매의 과냉각도를 조절할 수 있다.
이제, 도 3을 참조하여 냉방 사이클을 서술하기로 한다.
상기 압축기(20)에서 고온 고압의 냉매 가스가 토출되어 상기 오일 분리기(21)에 유입된다. 상기 오일 분리기(21)에서 냉매 가스 중에 포함된 오일을 분리하여 제4전자 밸브(22)를 통해 상기 압축기(20)로 회수한다. 고온 고압의 냉매 가스는 분기점 I를 지나 상기 사방 밸브(30)의 ⓐ-->ⓑ 방향으로 순환하여 분기점 L을 지나 상기 제2열교환기(50)에 도달한다. 상기 사방 밸브(30)에서 상기 제2열교환기(50)로 유입된 냉매는 팬(fan)에 의해 강제 순환되는 외부 공기와 열 교환하여 액상으로 응축된다. 이때 외기 온도가 고온 현상으로 인하여 상기 제2열교환기(50)를 통과한 냉매가 이상 고압이 형성할 경우에는, 상기 고압 스위치(112)의 세팅 값에 의해 상기 급수관(110)을 통해 상기 냉각수 분사 노즐(111)에 유입된 냉각수가 상기 제2열교환기(50)에 분사됨으로써 외부 공기 열원과 물의 증발 잠열을 이용한 하이브리드 콘덴싱(hybrid condensing) 방식으로 냉매의 압력을 낮출 수 있다. 이와 같이 상기 제2열교환기(50)에 물을 분사함으로써 냉방능력을 향상시킬 수 있다. 상기 제2열교환기(50)를 통과한 냉매는 상기 냉매 혼합기(103)를 통과하여 분기점 G에서 분기점 K로 유동하여 상기 리시버 탱크(120)에 도달한다. 상기 리시버 탱크(120)에서 유출된 냉매는 상기 드라이어(121)와 상기 사이트 글라스(122)를 통과하여 분기점 D를 지나 상기 삼방 밸브(130)의 ⓐ-->ⓒ 방향으로 순환하여 분기점 E 및 분기점 F를 순차적으로 통과하고 상기 제2전자 밸브(72) 및 상기 제2체크 밸브(71)를 통해 상기 제2팽창 밸브(70)에 유입된다. 상기 제2팽창 밸브(70)에서 냉매는 단열팽창(교축작용)하여 저온의 습포화 증기로 상 변화한다. 상기 제2팽창 밸브(70)에서 토출된 냉매는 상기 제1열교환기(40)로 유입된다. 상기 제1열교환기(40)에서는 상기 순환 펌프(42)에 의해 공급된 물과 냉매 간 열 교환이 발생하여 냉수가 형성된다. 상기 제1열교환기(40)에서 생성된 냉수는 상기 냉온수 탱크(41)에 일시 저장된다. 상기 냉온수 탱크(41)에 저장된 냉수는 냉방을 위한 매체로 사용된다.
이때 상기 제1열교환기(40)에서 열 교환이 끝난 저온의 과열 증기 냉매는 상기 사방 밸브(30)의 ⓒ-->ⓓ 방향으로 순환하여 분기점 J를 지나 상기 액 분리기(91) 및 분기점 H를 지나 상기 압축기(20)로 유입된다. 상기 액 분리기(91)에서 분리된 액상의 냉매는 상기 제4팽창 밸브(92)에서 기화되어 분기점 H를 통해 상기 압축기(20)로 유입된다. 이와 같은 과정에 의해 냉방 사이클이 완성된다. 이 과정에서 상기 과냉각도 제어기(131)는 상기 제2팽창 밸브(70)로 유입되는 냉매의 온도를 측정하여 상기 삼방 밸브(130)를 제어함으로써 상기 제2팽창 밸브(70)로 유입되는 냉매의 과냉각도를 조절한다.
이제, 도 4를 참조하여 제상 사이클을 설명하기로 한다.
상기 압축기(20)에서 고온 고압의 냉매 가스가 토출되어 상기 오일 분리기(21)에서 오일이 회수되고, 냉매는 분기점 I를 지나 상기 사방 밸브(30)의 ⓐ-->ⓑ 방향으로 순환한다. 상기 사방 밸브(30)에서 토출된 냉매는 분기점 L을 지나 상기 제2열교환기(50)에 도달한다. 냉매는 상기 제2열교환기(50)를 통과하면서 상기 제2열교환기 표면에 형성된 성에와 열교환 함으로써 제상작업을 수행한다. 상기 제2열교환기(50)를 통과한 냉매는 액상으로 응축되어 상기 냉매 혼합기(103)와 분기점 G를 지나 상기 제1팽창 밸브(60)를 우회하여 분기점 K를 지나 상기 리시버 탱크(120)에 도달한다. 상기 리시버 탱크(120)를 통과한 냉매는 상기 드라이어(121)와 상기 사이트 글라스(122)를 지나 상기 삼방 밸브(130)의 ⓐ-->ⓒ 방향으로 순환한다. 상기 삼방 밸브(130)를 지난 냉매는 분기점 F를 지나 상기 제2전자 밸브(72)와 상기 제2체크 밸브(71)를 거쳐 상기 제2팽창 밸브(70)에 유입된다. 상기 제2팽창 밸브(70)에 유입된 냉매는 단열팽창(교축작용)에 의해 저온의 습포화 증기로 상 변화한다. 상기 제2팽창 밸브(70)를 통과한 냉매는 분기점 C를 지나 상기 제1열교환기(40)에 도달한다. 상기 제1열교환기(40)에서는 냉매와 외부의 열원인 물과의 열교환에 의해, 물은 열을 빼앗겨 냉수가 생성되고 냉매는 열을 전달받아 과열도가 증가한다. 상기 제1열교환기(40)를 통과한 냉매는 상기 사방 밸브(30)의 ⓒ-->ⓓ 방향으로 순환하여 분기점 J를 지나 상기 기액 분리기(91)에 유입되고 분기점 H를 지나 상기 압축기(20)로 유입된다. 이와 같은 과정을 통해 제상 사이클이 완성된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 외기의 온도에 따른 냉매의 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템은 증발기 역할을 하는 제2열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 측정하여, 냉매의 증발 온도를 설정하고 그 증발 온도에 대응하는 응축 온도를 압축기의 성능 범위를 벗어나지 않도록 응축기에서 생성되는 온수의 온도를 가변 제어할 수 있도록 함으로써 외기의 급격한 온도 변화에도 압축기에 과부하가 걸리지 않도록 히트 펌프 시스템의 운전을 조절할 수 있다. 이에 따라 압축기의 고장 원인이 되는 문제를 현저하게 감소시킴으로써 히트 펌프 시스템의 내구성을 현저하게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서와 같이 증발기(제2열교환기)로 유입되는 냉매의 과열도를 조절할 수 있도록 압축기에서 토출되는 냉매의 일부를 바이패스(by-pass)하여 상기 증발기로 유입되는 냉매와 혼합되도록 함으로써 압축기에 과부하가 걸리는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서와 같이 상기 제2열교환기가 응축기 역할을 하는 냉방 사이클에서 외기의 이상 고온으로 인하여 충분한 열 교환이 이루어지지 않을 경우에 상기 압축기로부터 상기 제2열교환기로 공급되는 냉매의 압력을 측정하여 그 압력이 미리 설정된 압력보다 높은 경우 냉각수를 상기 제2열교환기에 분사하도록 함으로써 물의 증발 잠열과 외기 열원과 협동 작용으로 제2열교환기의 열교환 효율을 높임으로써 상기 압축기에 과부하가 걸리는 것을 더욱 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
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 : 히트 펌프 시스템 20 : 압축기
21 : 오일 분리기 22 : 제4전자 밸브
30 : 사방 밸브 40 : 제1열교환기
41 : 냉온수 탱크 42 : 순환 펌프
43 : 응축 온도 조절 밸브 50 : 제2열교환기
52 : 증발 온도 센서 53 : 응축 온도 조절기
60 : 제1팽창 밸브 61 : 제1체크 밸브
62 : 제1전자 밸브 70 : 제2팽창 밸브
71 : 제1체크 밸브 72 : 제1전자 밸브
80 : 제3팽창 밸브 82 : 제3전자 밸브
90 : 회수 유로 91 : 기액 분리기
92 : 제4팽창 밸브 100 : 제1보상 유로
102 : 제2보상 유로 103 : 냉매 혼합기
104 : 보상 밸브 110 : 급수관
111 : 냉각수 분사 노즐 112 : 고압 스위치
113 : 외기 온도 센서 118, 119 : 체크 밸브
120 : 리시버 탱크 121 : 드라이어
122 : 사이트 글라스 130 : 삼방 밸브
131 : 과냉각도 제어기

Claims (3)

  1. 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 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제1열교환기;
    상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 외부 열원과 냉매 간 열 교환을 행하는 제2열교환기;
    상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 제1팽창 밸브;
    상기 제1열교환기와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 냉매 유로 상에 배치된 리시버 탱크; 및
    상기 리시버 탱크와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로 상에 배치되는 삼방 밸브;
    상기 제1팽창 밸브와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 제1열교환기와 상기 리시버 탱크를 연결하는 유로로 연결된 유로 상에 배치된 제2팽창 밸브; 및
    상기 리시버 탱크와 상기 삼방 밸브를 연결하는 유로에서 분기 되어 상기 압축기에 연결되는 유로 상에 배치된 제3팽창 밸브를 구비하며,
    상기 삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나는 상기 제2열교환기에서 냉매 간 열 교환을 행한 후 상기 삼방 밸브와 상기 제1팽창 밸브를 연결하는 유로에 합류되도록 구성되며,
    상기 사방 밸브를 통과하여 상기 압축기로 냉매가 유입되는 회수 유로를 구비하는 히트 펌프 시스템이 있어서,
    상기 제1팽창 밸브로부터 상기 제2열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 측정하는 증발 온도 센서;
    상기 제1열교환기에서 열 교환 되는 외부 열원의 유동량을 조절하는 응축 온도 조절 밸브; 및
    상기 증발 온도 센서에서 측정된 온도를 전달받아 미리 설정된 온도 조건에 따라 상기 응축 온도 조절 밸브를 비례 제어하도록 신호를 발생하는 응축 온도 제어기;를 포함한 것을 특징으로 하는 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회수 유로에서 분기하여 상기 제1팽창 밸브와 상기 제2열교환기를 연결하는 유로에 연결되는 제1보상 유로를 구비하며,
    상기 제1보상 유로가 상기 제1팽창 밸브와 상기 제2열교환기를 연결하는 유로에 합류하는 위치에 냉매 혼합기가 설치되며,
    상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 사방 밸브로 이동하는 유로에서 분기 되어 상기 제1보상 유로에 연결되는 제2보상 유로를 구비하며,
    상기 제1보상 유로와 상기 제2보상 유로가 연결되는 위치에 배치되며, 상기 제1보상 유로를 유동하는 냉매의 압력이 미리 설정된 값 이하로 내려갈 경우 상기 제2보상 유로로부터 상기 제1보상 유로로 고압 냉매 가스가 유입되도록 개방되는 보상 밸브;를 구비한 것을 특징으로 하는 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2열교환기 표면에 물을 분사할 수 있도록 급수관에 의해 연결된 냉각수 분사 노즐; 및
    상기 제2열교환기 주변의 외기 온도를 감지하는 외기 온도 센서로부터 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 제2열교환기에 물을 분사할 수 있도록 상기 급수관을 개방하는 스위치; 를 구비한 가압 스프레이 유닛을 포함한 것을 특징으로 하는 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템.
KR1020130037652A 2013-04-05 2013-04-05 외기의 온도와 증발 온도에 연동하여 냉매의 응축 온도 조절이 가능한 히트 펌프 시스템 KR101269843B1 (ko)

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CN113494824A (zh) * 2021-07-15 2021-10-12 珠海格力电器股份有限公司 一种制冷系统、冷凝机组及控制方法
KR102551875B1 (ko) * 2022-12-29 2023-07-05 한장원 하이브리드 이산화탄소 히트펌프

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JP2003106615A (ja) 2001-09-28 2003-04-09 Daikin Ind Ltd 空気調和装置

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