KR101335278B1 - 이원 사이클 히트 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 냉매가 순환하는 사이클로, 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 일측 입구가 연결되고 유입된 제1 냉매가 열을 방출하여 상기 제2 냉매가 흡수토록 하는 저온측 열교환기; 상기 저온측 열교환기와 일측 출구가 연결된 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 저온 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 사이클로, 입구가 상기 저온측 열교환기의 타측 출구와 연결된 제2 압축기; 상기 제2 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구로 유입된 물에 열을 방출하는 고온측 열교환기; 상기 고온측 열교환기의 일측 출구와 입구가 연결되고 출구가 저온측 열교환기의 타측 입구와 연결된 제2 팽창밸브를 포함하는 고온 사이클을 포함하는 히트 펌프 장치; 상하측 각각에 구비되어 상기 고온측 열교환기의 타측 출구 및 타측 입구와 연결되는 배출 순환관 및 유입 순환관, 상측에 연결되어 외부로 온수가 배출되는 경로가 되는 온수관과, 하측에 구비되어 외부로부터 냉수가 유입되는 경로가 되는 냉수관을 포함하는 온수 탱크; 및 상기 배출 순환관에 형성되고, 상기 배출 순환관을 통해 적어도 설정된 일정량의 물이 상기 온수 탱크 내부로 배출되는 것을 허용하며, 상기 설정된 일정량 이상의 물의 유량은 상기 배출 순환관을 통해 배출되는 물의 온도에 비례하여 제어하는 유량조절수단을 포함하는 이원 사이클 히트 펌프 시스템을 제공한다.

Description

이원 사이클 히트 펌프 시스템{DUAL CYCLE HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 이원 사이클 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이원 사이클을 통해 고온수를 생산하는 이원 사이클 히트 펌프 시스템에서 온수 탱크 내에 저장된 고온수의 사용 효율이 향상된 이원 사이클 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프는 냉매를 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 장치이다. 일반적으로 히트 펌프는 냉동사이클과 유사한 구성을 가지는데, 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매 가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어지며, 상기 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축액화 되어 저온고압의 액체 상태로 이르게 된다. 상기와 같이 응축된 냉매는 팽창변을 통하여 교축 팽창되면서 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기로 공급 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가져, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서 배출시키는 열전달 장치이다.

히트 펌프는 이와 같은 냉동 사이클에서 응축기 및 증발기를 열교환기로 구성하여, 열교환기를 순환하는 매체로부터 열을 흡수하거나 배출하도록 구성되어 있다.

종래의 이러한 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템은 단일 사이클을 이용하였는데, 예컨대 바닥 난방을 위해서는 고온수의 생산이 필요함에도 불구하고 50℃ 이상의 온수생산이 불가능하여 바닥 난방이 불가능하였다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 두 개의 냉매 사이클을 중간 열교환기로 연결하여 저온 사이클과 고온 사이클을 가지는 형태로 구성함으로써 고온수의 생산이 가능하고 용량을 증대시킨 이원 사이클 타입의 히트 펌프가 개발되었다.

이원 사이클 히트 펌프는 중간 열교환기를 매개로 제1 냉매가 순환하는 저온 사이클과 제2 냉매가 순환하는 고온 사이클이 연결된 것으로, 이원 사이클을 통해 온수 탱크와의 사이에 고온 열전달이 가능하여 70℃ 이상의 고온수 생산을 가능하게 한다.

그런데, 이러한 종래의 히트 펌프 시스템에서, 온수 탱크 내부에 실제로는 고온수가 저장되어 있음에도 불구하고, 사용자가 고온수를 사용하지 못하고 저온수 또는 냉수를 사용하는 문제점이 발생하고 있다. 그 이유는, 온수 탱크의 온수관을 통해 물이 배출되는 경우 그 위치로 히트 펌프 장치에서 배출된 물이 채워지고, 이 물이 온수관을 통해 바로 배출되므로, 온수 탱크 내부의 중층에 위치하는 고온수는 정체되어 배출되지 못하는 불합리한 현상이 발생하는 것이다.

또한 종래의 히트 펌프 시스템에서는 온수 탱크와 히트 펌프 장치를 연결하는 배관이 겨울철 물의 순환이 없는 상태에서 동결되어 시스템 가동시 물의 순환되지 못하므로, 히트 펌프 장치가 과부하로 인해 손상되는 사고가 자주 발생하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 온수 탱크에서 히트 펌프 장치로 유입되어 승온된 후 배출되는 물의 유량을 물의 온도에 비례하여 조절함으로써, 온수 탱크 내부 중층에 위치한 고온수가 온수관을 통해 배출될 수 있도록 하여 사용자가 온수 탱크에 저장된 고온수를 효율적으로 사용할 수 있도록 한, 이원 사이클 히트 펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해, 제1 냉매가 순환하는 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 일측 입구가 연결되고 유입된 제1 냉매가 열을 방출하여 상기 제2 냉매가 흡수토록 하는 저온측 열교환기; 상기 저온측 열교환기와 일측 출구가 연결된 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 저온 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 사이클로서, 입구가 상기 저온측 열교환기의 타측 출구와 연결된 제2 압축기; 상기 제2 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구로 유입된 물에 열을 방출하는 고온측 열교환기; 상기 고온측 열교환기의 일측 출구와 입구가 연결되고 출구가 저온측 열교환기의 타측 입구와 연결된 제2 팽창밸브를 포함하는 고온 사이클을 포함하는 히트 펌프 장치; 상하측 각각에 구비되어 상기 고온측 열교환기의 타측 출구 및 타측 입구와 연결되는 배출 순환관 및 유입 순환관, 상측에 연결되어 외부로 온수가 배출되는 경로가 되는 온수관과, 하측에 구비되어 외부로부터 냉수가 유입되는 경로가 되는 냉수관을 포함하는 온수 탱크; 및 상기 배출 순환관에 형성되고, 상기 배출 순환관을 통해 적어도 설정된 일정량의 물이 상기 온수 탱크 내부로 배출되는 것을 허용하며, 상기 설정된 일정량 이상의 물의 유량은 상기 배출 순환관을 통해 배출되는 물의 온도에 비례하여 제어하는 유량조절수단을 포함하는 이원 사이클 히트 펌프 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 상기 유량조절수단은, 압력측정관을 통해 입력되는 고온 사이클의 제2 냉매 압력에 반응하여 상기 배출 순환관의 개도를 조절하도록 상기 배출 순환관에 설치되는 압력조절식 밸브와, 상기 배출 순환관에 상기 압력조절식 밸브를 우회하게 형성되고 설정된 일정량의 물이 흐르는 것을 허용하는 바이패스관을 포함한다. 여기서 상기 압력측정관은, 상기 고온 사이클의 제2 압축기와 상기 고온측 열교환기 사이의 냉매 배관에 연결된다.

본 발명에 의하면, 상기 유량조절수단은, 내부에 바이메탈을 구비하여 내부를 흐르는 물의 온도에 따라 변형되어 개도가 조절되는 온도변환식 밸브를 포함한다.

본 발명에 의하면, 온수 탱크에서 히트 펌프 장치로 유입되어 승온된 후 배출되는 물의 유량이 배출 순환관에 구비된 유량조절수단에 의해 제어된다. 유량조절수단은 물의 온도에 비례하여 개도를 조절함으로써, 배출 순환관을 통해 저온수가 배출되는 경우 개도를 작게 개방되므로 온수 탱크 내부에서 온수관을 통해 물이 배출될 때 온수 탱크 내부의 중층의 고온수가 함께 배출되므로 사용자가 고온수를 사용할 수 있다. 한편, 배출 순환관을 통해 고온수가 배출되는 경우 개도가 크게 개방되더라도 사용자는 배출 순환관을 통해 배출된 물이 고온수이므로 사용자는 여전히 고온수를 사용할 수 있다. 즉, 사용자는 히트 펌프 장치 및 온수 탱크에 용량에 맞게 고온수를 효과적으로 사용할 수 있게 되는 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템의 개략적 구성도이다.
도 3 은 번 발명의 다른 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템에서 온도변환식 밸브의 내부의 바이메탈에 의한 유량 제어 원리를 간략히 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템의 개략적 구성도이다.

본 발명에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템은 크게 히트 펌프 장치(10)와, 온수 탱크(20)를 포함한다.

히트 펌프 장치(10)는 제1 냉매가 순환하는 저온 사이클(100)과, 제2 냉매가 순환하는 고온 사이클(200)을 포함한다.

저온 사이클(100)은, 제1 압축기(110)와, 제1 압축기(110)에 일측 입구가 연결되고 유입된 제1 냉매가 열을 방출하여 상기 제2 냉매가 흡수토록 하는 저온측 열교환기(130); 상기 저온측 열교환기(130)와 일측 출구가 연결된 제1 팽창밸브(150); 상기 제1 팽창밸브(150)와 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기(170)를 포함한다.

따라서, 제1 냉매는 외기 증발기(170)에 유입되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수한 후 제1 압축기(110)로 유동하고, 저온측 열교환기(130)는 타측 입구로 유입되어 타측 출구로 배출되는 제2 냉매로 제1 냉매의 열이 전달되도록 한다.

저온측 열교환기(130)는 저온 사이클(100)과 고온 사이클(200)을 서로 연결하는 기능을 하고 있다.

고온 사이클(200)은, 입구가 상기 저온측 열교환기(130)의 타측 출구와 연결된 제2 압축기(210); 상기 제2 압축기(210)와 일측 입구가 연결되고 타측 입구로 유입된 물에 열을 방출하는 고온측 열교환기(230); 상기 고온측 열교환기(230)의 일측 출구와 입구가 연결되고 출구가 저온측 열교환기(130)의 타측 입구와 연결된 제2 팽창밸브(250)를 포함하여, 제2 냉매가 순환하면서 제1 사이클의 열을 온수 탱크에서 유입된 물에 전달하는 기능을 한다.

온수 탱크(20)는 히트 펌프 장치(10)에 생산된 온수가 저장되는 곳으로, 히트 펌프 장치(10)와 유입 순환관(22) 및 배출 순환관(24)으로 연결된다. 구체적으로 온수 탱크(20) 하측 및 상측 각각에 유입 순환관(22) 및 배출 순환관(24)을 구비하여 고온측 열교환기(230)의 타측 입구 및 출구와 연결된다. 따라서 유입 순환관(22)을 통해 고온측 열교환기(230)로 유입된 물이 열교환을 통해 승온된 후 배출 순환관(24)을 통해 배출되는 과정을 통해 온수 탱크(20) 내부의 물은 점차로 승온하여 고온수가 된다. 유입 순환관(22)에는 펌프(23)가 설치되어 히트 펌프 장치(10)와의 사이에 물이 순환이 이루어지도록 하고 있다.

또한 온수 탱크(20)는 상하부측에 각각에는 온수 탱크(20) 내부의 온수가 배출되는 온수관(27)과 온수 탱크(20) 내부로 냉수가 유입되는 냉수관(28)을 포함한다.

따라서 온수 탱크(20) 내부의 온수는 온수관(27)을 통해 외부로 배출되어 소비되며, 물이 소비되는 경우 그 양 만큼 냉수관(28)을 통해 냉수가 유입되어 보충된다. 냉수관(28)을 통해 유입된 냉수는 유입 순환관(22)을 통해 유입된다.

본 발명에 의하면, 배출 순환관(24)에는 배출 순환관(24)을 통해 온수 탱크(20)로 배출되는 물의 온도에 비례하여 개도량을 조절하는 유량조절수단(30)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 유량조절수단은 압력조절식 밸브(32)를 포함한다.

압력조절식 밸브(32)는 압력측정관(33)을 통해 외부에서 입력된 압력에 의해 개도가 조절되는 공지의 밸브이다. 본 발명에 의하면, 배출 순환관(24)에 압력조절식 밸브(32)를 설치하고, 압력측정관(33)을 고온 사이클(200)의 냉매 배관, 구체적으로는 상기 고온 사이클(200)의 제2 압축기(210)와 상기 고온측 열교환기(230) 사이의 냉매 배관과 연결하고 있다. 즉, 고온 사이클(200)의 제2 압축기(210)와 고온측 열교환기(230) 사이의 제2 냉매의 압력 변화에 따라 배출 순환관(24)의 개도를 조절하도록 구성한다.

히트 펌프 장치(10)에서 고온 사이클(200)은 온수 탱크(20)와 고온측 열교환기(230)와 매개로 연결된다. 따라서 온수 탱크(20)의 상태 변화는 고온 사이클(200)에 영향을 준다. 연구에 의하면 고온 사이클(200)에서의 제2 냉매의 압력은 고온측 열교환기(230)에서 제2 냉매와의 열교환을 통해 승온된 후 배출되는 물의 온도에 영향을 받으며, 제2 압축기(210)와 고온측 열교환기(230) 사이의 제2 냉매 압력이 배출되는 물의 온도를 반영하여 변동됨을 확인하였다.

따라서, 유입 순환관(22)을 통해 냉수가 유입되어 배출 순환관(24)을 통해 상대적으로 저온 상태인 온수가 배출되는 경우 압력조절식 밸브(32)는 제2 냉매의 압력 변화를 통해 이를 감지할 수 있고, 그 압력에 반응하여 개도량을 감소시킨다.

개도량이 줄어드는 경우 배출 순환관(24)을 통해 온수 탱크(20)로 배출되는 물의 양이 줄어들기 때문에 온수 탱크(20) 내부에서 온수관(27)을 통해 물이 배출될 때, 배출 순환관(24)에 의해 공급된 물과 중층의 고온수가 함께 배출되므로, 사용자는 중층에 위치한 고온수를 사용할 수 있게 되는 것이다.

배출 순환관(24)을 통해 온수 탱크(20)로 배출되는 물의 온도가 상승하는 경우, 제2 냉매의 압력이 상승하고, 압력조절식 밸브(24)는 그 개도량을 비례하여 증가시킨다. 개도량이 증가되어 증가된 유량의 물이 배출 순환관(24)을 통해 배출된다는 것은 배출 순환관(24)을 통해 배출되는 물의 온도가 높다는 것을 의미하기 때문에, 온수탱크(20)에서 배출 순환관(24)에서 유입된 물이 바로 온수관(27)을 통해 배출되더라도, 사용자는 고온수를 사용할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 의하면, 유량조절수단(30)은 배출 순환관(24)에 압력조절식 밸브(32)를 우회하는 바이패스관(34)을 더 포함한다.

바이패스관(34)은 유입 순환관(22) 및 배출 순환관(24)을 통하여 설정된 일정량의 물이 지속적으로 흐르는 것을 허용한다. 따라서 배출 순환관(24)의 물의 온도가 낮아 압력조절식 밸브(32)의 개도가 완전히 차단된 경우에도 온수 탱크(20) 내부의 물의 상태 변화가 제2 냉매의 압력 변화로 연결되는 것을 허용한다.

또한, 바이패스관(34)은 유입 순환관(22) 및 배출 순환관(24)을 통하여 물이 지속적으로 흐르는 것을 허용하므로 외기의 온도가 하강하는 경우에도 유입 순환관(22) 및 배출 순환관(24)에 동결이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 2 에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 유량조절수단(30)으로 온도변환식 밸브(35)를 포함한다. 도 3 은 온도변환식 밸브(35)의 내부의 바이메탈(36)에 의한 유량 제어 원리를 간략히 도시한 도면이다.

온도변환식 밸브(35)는개도가 내부로 유입되는 유체의 온도에 의해 개도가 조절되도록 바이메탈(36)을 구비한 것으로 공지의 밸브이다. 온도와 개도량의 관계는 내부에 채용된 바이메탈(36)에 의해 결정된다.

본 발명에 의하면, 배출 순환관(24)에 온도변환식 밸브(35)가 설치되어, 배출순환관(24)을 통해 배출되는 물의 온도에 따라 유량이 비례하여 조절되도록 한다. 따라서 배출순환관(24)을 통해 배출되는 물의 온도가 낮은 경우 바이메탈(36)에 의해 개도량이 작게 되고, 배출순환관(24)을 통해 배출되는 물의 온도가 높은 경우에는 바이메탈(36)이 변형되어 개도량이 크게 되면서, 물의 온도에 맞추어 개도량이 조절된다.

특히, 온도변환식 밸브(35)에서는, 별도의 바이스패스관을 구비하지 않더라도 저온에서도 바이메탈(36)이 내부 통로를 일부 개방한 상태를 유지하도록 함으로써 배출 순환관(24)을 통해 설정된 일정량의 물이 지속적으로 흐르는 것을 허용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템에 의하면 배출순환관(24)을 통해 설정된 일정량의 물이 지속적으로 흐르는 것을 허용하면서 유동상태에 있는 물의 온도 변화에 비례하여 배출순환관(24)을 통해 온수 탱크(20)로 배출, 즉 공급되는 물의 유량의 조절하여, 온수 탱크(20) 내부에 기 생산된 고온수가 항상 사용할 수 있도록 한다.

상기에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이원 사이클 히트 펌프 시스템에 대한 실시예를 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 특허청구범위의 범위 내에서 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 실시예를 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10: 히트 펌프 장치 20: 온수 탱크
21: 순환관 22: 유입 순환관
23: 펌프 24: 배출 순환관
27: 온수관 28: 냉수관
30: 유량조절수단 32: 압력조절식 밸브
33: 압력측정관 34: 바이패스관
35: 온도변환식 밸브 36: 바이메탈
100: 저온 사이클 110: 제1 압축기
130: 저온측 열교환기 150: 제1 팽창밸브
170: 외기 증발기
200: 고온 사이클 210: 제2 압축기
230: 고온측 열교환기 250: 제2 팽창밸브

Claims (4)

1. 제1 냉매가 순환하는 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 일측 입구가 연결되고 유입된 제1 냉매가 열을 방출하여 제2 냉매가 흡수토록 하는 저온측 열교환기; 상기 저온측 열교환기와 일측 출구가 연결된 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 연결되어 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 저온 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 사이클로서, 입구가 상기 저온측 열교환기의 타측 출구와 연결된 제2 압축기; 상기 제2 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구로 유입된 물에 열을 방출하는 고온측 열교환기; 상기 고온측 열교환기의 일측 출구와 입구가 연결되고 출구가 저온측 열교환기의 타측 입구와 연결된 제2 팽창밸브를 포함하는 고온 사이클을 포함하는 히트 펌프 장치(10);
   상하측 각각에 구비되어 상기 고온측 열교환기(230)의 타측 출구 및 타측 입구와 연결되는 배출 순환관(24) 및 유입 순환관(22), 상측에 연결되어 외부로 온수가 배출되는 경로가 되는 온수관(27)과, 하측에 구비되어 외부로부터 냉수가 유입되는 경로가 되는 냉수관(28)을 포함하는 온수 탱크(20); 및
   상기 배출 순환관(24)에 형성되고, 상기 배출 순환관(24)을 통해 적어도 설정된 일정량의 물이 상기 온수 탱크(20) 내부로 배출되는 것을 허용하며, 상기 설정된 일정량 이상의 물의 유량은 상기 배출 순환관(24)을 통해 배출되는 물의 온도에 비례하여 제어하는 유량조절수단(30)을 포함하되,
   상기 유량조절수단(30)은,
   압력측정관(33)을 통해 입력되는 고온 사이클(200)의 제2 냉매 압력에 반응하여 상기 배출 순환관(24)의 개도를 조절하도록 상기 배출 순환관(24)에 설치되는 압력조절식 밸브(32)와,
   상기 배출 순환관(24)에 상기 압력조절식 밸브(32)를 우회하게 형성되고 설정된 일정량의 물이 흐르는 것을 허용하는 바이패스관(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 사이클 히트 펌프 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력측정관(33)은, 상기 고온 사이클(200)의 제2 압축기(210)와 상기 고온측 열교환기(230) 사이의 냉매 배관에 연결되는 것을 특징으로 하는 이원 사이클 히트 펌프 시스템.
   
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