KR101367270B1 - 이원냉동공기열히트펌프시스템 - Google Patents

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Abstract

목욕탕과 모텔, 사우나 및 농업용온실하우스 등 급탕설비나 온수를 필요로 하는 곳에 혹한기나 하계절의 관계없이 항상 고온수를 생산하여 공급하고 초기투자비가 저렴하면서 운전비가 절감됨에 따라 효율이 향상된 이원냉동공기열히트펌프시스템이 개시된다. 이원냉동공기열히트펌프시스템은 고단 압축기로부터 토출된 냉매가 제1 관로를 따라 제1 유분리기를 통과하고, 제2 관로를 따라 고단 응축기에서 온수를 가열하고 응축되어서 제3 관로를 따라 제1 열교환기에서 저단 증발가스와 열교환을 행하며, 팽창변 이전의 온도로 냉각되어서 제4 관로를 따라 제1 휠터드라이어를 통과하고 제5 관로를 따라 제1 사이트그라스를 통과하며, 제6 관로를 따라 제1 팽창변을 통과하고, 제7 관로를 따라 카스케이드 열교환기에서 저단토출가스와 열교환을 하여 증발하며, 제8 관로를 따라 제1 액분리기를 통과하고 제9 관로를 따라 상기 고단 압축기로 흡입된다. 따라서, 고단측응축기의 응축수(온수) 입수온도가 70℃이상으로 높은 온도에서도 팽창변직전의 냉매온도는 30℃이하에서 팽창변을 통과하도록 냉매 사이클이 개선되었다. 또한, 외기온도의 변화에도 저단측 압축기 토출압력은 설정된 일정압력 이하에서 운전이 됨으로써 고온수 생산에 투입되는 동력을 절감할 수 있었다.

Description

이원냉동공기열히트펌프시스템{BINARY REFRIGERATING AIR SOURCE HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 이원냉동공기열히트펌프시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고단측과 저단측 냉매의 상호 열교환과정에서 압력과 온도의 균형적인 사이클이 형성되도록 하는 이원냉동사이클을 개선하여 급탕, 난방 용수 등의 고온수를 생산하고 동력을 절감시키는 이원냉동공기열히트펌프시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 이원냉동사이클에는 고단측(R-134a)과 저단측(R-140A)의 두 사이클로 구성되어 있으며, 온수생산에는 고단측응축기를 사용하고 고단측 토출가스와 물과의 열교환으로 온수를 생산한다. 아울러, 고압고온의 가스는 응축되어서 팽창변을 통과하여 카스케이드 열교환기에서 저단측냉매와 열교환으로 증발되어 압축기로 흡입되는 순환사이클을 형성한다.
저단측(R-140A)의 고압고온가스는 카스케이드 열교환기로 들어가서 고단측냉매의 증발을 돕고, 자신은 응축되어 팽창변을 통과하며 휜튜브증발기를 통과하여 압축기로 흡입되는 순환사이클을 형성한다.
저단측 휜튜브형증발기는 외기온도의 영향을 많이 받기 때문에, 동절기를 제외한 계절에는 외기온도의 영향으로 저단측 압축기의 토출압력이 높은 압력으로 형성된다. 이로 인해, 냉매량을 소량으로 충전하여 운전됨에 따라 고단측냉매가 증발에 필요한 흡수열량이 부족하게 되며, 결국 온수입수온도 60℃이하의 낮은 온도를 생산하게 되어 소비동력의 상승 원인이 되고 있다.
즉, 종래의 이원냉동사이클은 몇 가지 문제점이 있었다. 첫째, 고단측의 토출가스가 응축기에서 물과 열교환되면서 응축수의 온도를 70℃이상 상승시키게 되면, 응축기 출구의 냉매의 온도도 온수온도와 비례해서 고온으로 상승된 채로 팽창변을 통과하게 된다.
둘째, 고단측의 냉매가 고온상태로 팽창변을 통과 카스케이드 열교환기를 통과하면서 증발 과정을 행하며, 저단측 토출가스와 열교환을 행하면서 토출가스는 응축작용을 하는데, 이때 열의 언밸런스가 발생된다. 셋째, 저단측증발기 휜튜브(Fin Tube) 타입은 외기의 영향을 많이 받아서 대략 5월부터 10월의 기간에는 토출압력이 30kg/cm2 이상으로 높아져서 동력의 과대한 소모가 있고 안정적인 운전이 불가능한 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0090980호(2013.08.16)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 목욕탕과 모텔, 사우나 및 농업용온실하우스 등 급탕설비나 온수를 필요로 하는 곳에 혹한기나 하계절의 관계없이 항상 고온수를 생산하여 공급하고 초기투자비가 저렴하면서 운전비가 절감됨에 따라 효율이 향상된 이원냉동공기열히트펌프시스템을 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템은 고단 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 제1 관로(10)를 따라 제2 관로(11)를 지나 고단 응축기(102)에서 온수를 가열하고 응축되어서 제3 관로(12)를 따라 제1 열교환기(500)에서 저단 증발가스와 열교환을 행하며, 팽창변 이전의 온도로 냉각되어서 제4 관로(13)를 따라 제5 관로(14)를 지나 제6 관로(15)를 따라 제1 팽창변(105)을 통과하고, 제7 관로(16)를 따라 카스케이드 열교환기(300)에서 저단토출가스와 열교환을 하여 증발하며, 제8 관로(17)를 따라 제9 관로(18)를 지나 상기 고단 압축기(100)로 흡입되며; 저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 통과하고 제11 관로(21)를 따라 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제12 관로(22)를 따라 카스케이드 열교환기(300)에서 고단측 증발가스에 의해서 응축 작용을 하며, 제13 관로(23)를 따라 체크밸브(203)를 통과하고 제14 관로(24)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어가고, 제16 관로(26)를 따라 제17 관로(27)를 지나 제18 관로(28)를 따라 제2 팽창변(207)을 통과하고 제19 관로(29)를 통과하며 저단측토출압력의 제어에 의해 일부는 제20 관로(31)로 흐르며, 일부는 제1 전자변(208)를 통과하면서 저단측토출압력을 설정압력 이하로 유지시키며 제21 관로(30)를 따라 제1 열교환기(500)에서 고단측고온냉매와 열교환하며 고단측고온냉매의 냉각을 돕고 제20 관로(31)와 혼합되어 제22 관로(32)를 따라 휜튜브증발기(209)를 통과하고, 제23 관로(33)를 따라 상기 사방향 밸브(202)에서 방향 전환되어 제24 관로(40)를 따라 제25 관로(41)를 지나 상기 저단 압축기(200)로 흡입된다.
한편, 본 발명의 다른 양상에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템은 저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 따라 제11 관로(21)를 지나 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제23 관로(33)를 따라 휜튜브증발기(209)에서 제상을 행하며, 제22 관로(32)와 제26 관로(38)를 따라 체크밸브(210)를 통과하고, 제27 관로(39)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어가며, 제16 관로(26)를 따라 제17 관로(27)를 지나 제18 관로(28)와 제28 관로(34)를 따라 제2 전자변(301)을 통과하며, 제29 관로(35)를 따라 제3 팽창변(302)을 통과하고, 제30 관로(36)를 따라 제2 열교환기(303)에서 증발을 하며 제31 관로(37)와 제24 관로(40)를 따라 제25 관로(41)를 지나 상기 저단 압축기(200)로 흡입된다.
본 발명에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템은 고단측(R-134a)응축기의 응축수(온수) 입수온도가 70℃이상으로 높은 온도에서도 팽창변직전의 냉매온도는 30℃이하에서 팽창변을 통과하도록 냉매 사이클이 개선되었다. 아울러, 저단측(R-410A) 압축기의 고압압력을 하절기의 외기온도가 35℃이상에서도 압축기 토출의 고압압력이 20kg/cm2 이하로 운전이 되도록 냉매 사이클이 개선되었다. 또한, 영하 15℃이하에서도 냉동기 응축수(온수)의 입수온도를 70℃이상으로 올릴 수 있었다. 또한, 외기온도의 변화에도 압축기 토출압력은 설정된 일정압력 이하에서 운전이 됨으로써 고온수 생산에 투입되는 동력을 절감할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템을 도시한 구성도이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 이원냉동공기열히트펌프시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템을 도시한 구성도이다.
첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템은 고단사이클, 저단사이클 및 제상사이클을 포함하여 이루어진다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템의 고단 사이클을 설명한다.
고단 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 제1 관로(10)를 따라 제1 유분리기(101)를 통과한다. 냉매는 제2 관로(11)를 따라 고단 응축기(102)에서 온수를 가열하고 응축되어서 제3 관로(12)를 따라 제1 열교환기(500)에서 저단 증발가스와 열교환을 행한다. 냉매는 팽창변 직전의 적절한 온도로 냉각되어서 제4 관로(13)를 따라 제1 휠터드라이어(103)를 통과하고 제5 관로(14)를 따라 제1 사이트그라스(104)를 통과하며, 제6 관로(15)를 따라 제1 팽창변(105)을 통과한다. 냉매는 제7 관로(16)를 따라 카스케이드 열교환기(300)에서 저단토출가스와 열교환을 하여 증발하며, 제8 관로(17)를 따라 제1 액분리기(106)를 통과하고 제9 관로(18)를 따라 상기 고단 압축기(100)로 흡입됨으로써 일련의 순환 사이클을 형성한다.
아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템의 저단 사이클을 설명한다.
저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 따라 제2 유분리기(201)를 통과하고, 제11 관로(21)를 따라 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제12 관로(22)를 따라 카스케이스 열교환기(300)에서 고단측 증발가스에 의해서 응축 작용을 한다. 냉매는 제13 관로(23)를 따라 체크밸브(203)를 통과하고 제14 관로(24)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어가고, 제16 관로(26)를 따라 제2 휠터드라이어(205)를 통과하며 제17 관로(27)를 따라 제2 사이트그라스(206)를 통과한다.
냉매는 제18 관로(28)를 따라 제2 팽창변(207)을 통과하며 제19 관로(29)를 통과하며 저단측토출압력의 제어에 의해 일부는 제20 관로(31)로 흐르며, 일부는 제1 전자변(208)를 통과하면서 저단측토출압력을 설정압력 이하로 조정되면서 제21 관로(30)를 따라 제1 열교환기(500)에서 고단측고온냉매와 열교환하며 제22 관로(32)를 따라 휜튜브증발기(209)를 통과한다. 냉매는 제23 관로(33)를 따라 상기 사방향 밸브(202)에서 방향 전환되어 제24 관로(40)를 따라 제2 액분리기(211)를 통과하며, 제25 관로(41)를 따라 상기 저단 압축기(200)로 흡입됨으로써 일련의 순환 사이클을 형성한다.
즉, 제1 열교환기(500)는 제2 팽창변(207)을 통과한 냉매의 일부가 제1 전자변(208)의 제어에 의해서 고단측 고온액과 열교환하며, 제20 관로(31)와 혼합되어서 제22 관로(32)를 따라 휜튜브증발기(209)로 들어가서 증발 작용을 수행한다. 아울러, 고단 응축기(102)에서 응축된 냉매는 제3 관로(12)를 따라 제1 열교환기(500)에서 저단측 저압 냉매와 열교환을 행하고 제4 관로(13)를 따라 나간다. 제1 전자변(208)은 저단 압축기(200)의 토출 압력을 감지하는 고압압력스위치와 연동되어서, 저단측 토출압력 설정값에 따라 ON/OFF를 수행한다.
결국, 도 1에 도시된 냉매 사이클과 같이, 고단측과 저단측의 열교환 과정을 행하며, 고단측(R-134a) 응축기 출구 고온의 온도는 팽창변 직전에서 냉동 사이클의 적절한 온도로 냉각이 되고, 저단측(R-410A) 토출 압력의 고압은 설정값의 고압압력 이하로 운전이 되도록 적절하게 용량 조정을 수행한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템의 제상 사이클을 설명한다.
저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 따라 제2 유분리기(201)를 통과하고, 제11 관로(21)를 따라 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제23 관로(33)를 따라 휜튜브증발기(209)에서 제상을 행한다. 냉매는 제22 관로(32)와 제26 관로(38)를 따라 체크밸브(210)를 통과하고, 제27 관로(39)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어간다. 냉매는 제16 관로(26)를 따라 제2 휠터드라이어(205)를 통과하고 제17 관로(27)를 따라 제2 사이트그라스(206)를 통과하게 된다.
냉매는 제18 관로(28)와 제28 관로(34)를 따라 제2 전자변(301)을 통과하며, 제29 관로(35)를 따라 제3 팽창변(302)을 통과한다. 냉매는 제30 관로(36)를 따라 제2 열교환기(303)에서 증발을 하며 제31 관로(37)와 제24 관로(40)를 따라 제2 액분리기(211)를 통과한다. 냉매는 제25 관로(41)를 따라 상기 저단 압축기(200)로 흡입됨으로써 일련의 순환 사이클을 형성한다.
결국, 도 1에 도시된 냉매 사이클과 같이 저단측만 제상 사이클이 구성되며, 제상 사이클 운전 중에는 고단 압축기(100)는 정지 상태를 유지한다.
상기 제2 팽창변(207)은 전자식 팽창변으로 구성되고, 제1 팽창변(105) 및 제3 팽창변(302)은 감온식 팽창변으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제20 관로(31)는 제2 팽창변(207)을 통과한 냉매 중 일부가 제1 열교환기(500)를 바이패스 하도록 하는 기능을 하며, 상기 제1 전자변(208)은 고압 스위치에 따라 유량을 조절함으로써 열량을 향상시키는 기능을 수행한다. 이 경우, 상기 제1 전자변(208)은 압력이 기준치 이상일 때 제21 관로(30)와 제20 관로(31) 모두로 냉매를 유동시키며, 압력이 기준이 이하일 때 제20 관로(31)로만 냉매를 유동시키도록 제어된다. 아울러, 상기 제2 전자변(301)은 ON/OFF 기능을 수행하며 제상 조건에서 열리게 된다.
지금까지 본 발명에 따른 이원냉동공기열히트펌프시스템은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 고단 압축기 101 : 제1 유분리기
102 : 고단 응축기 103 : 제1 휠터드라이어
104 : 제1 사이트그라스 105 : 제1 팽창변
106 : 제1 액분리기 500 : 제1 열교환기
200 : 저단 압축기 201 : 제2 유분리기
202 : 사방향 밸브 203 : 체크밸브
204 : 수액기 205 : 제2 휠터드라이어
206 : 제2 사이트그라스 207 : 제2 팽창변
208 : 제1 전자변 209 : 휜튜브증발기
210 : 체크밸브 211 : 제2 액분리기
300 : 카스케이드 열교환기 301 : 제2 전자변
302 : 제3 팽창변 303 : 제2 열교환기
31 : 제20 관로

Claims (3)

  1. 고단 압축기(100)로부터 토출된 냉매가 제1 관로(10)를 따라 제2 관로(11)를 지나 고단 응축기(102)에서 온수를 가열하고 응축되어서 제3 관로(12)를 따라 제1 열교환기(500)에서 저단 증발가스와 열교환을 행하며, 팽창변 이전의 온도로 냉각되어서 제4 관로(13)를 따라 제5 관로(14)를 지나 제6 관로(15)를 따라 제1 팽창변(105)을 통과하고, 제7 관로(16)를 따라 카스케이드 열교환기(300)에서 저단토출가스와 열교환을 하여 증발하며, 제8 관로(17)를 따라 제9 관로(18)를 지나 상기 고단 압축기(100)로 흡입되며;
    저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 통과하고 제11 관로(21)를 따라 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제12 관로(22)를 따라 카스케이드 열교환기(300)에서 고단측 증발가스에 의해서 응축 작용을 하며, 제13 관로(23)를 따라 체크밸브(203)를 통과하고 제14 관로(24)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어가고, 제16 관로(26)를 따라 제17 관로(27)를 지나 제18 관로(28)를 따라 제2 팽창변(207)을 통과하고 제19 관로(29)를 통과하며 저단측토출압력의 제어에 의해 일부는 제20 관로(31)로 흐르며, 일부는 제1 전자변(208)를 통과하면서 저단측토출압력을 설정압력 이하로 유지시키며 제21 관로(30)를 따라 제1 열교환기(500)에서 고단측고온냉매와 열교환하며 고단측고온냉매의 냉각을 돕고 제20 관로(31)와 혼합되어 제22 관로(32)를 따라 휜튜브증발기(209)를 통과하고, 제23 관로(33)를 따라 상기 사방향 밸브(202)에서 방향 전환되어 제24 관로(40)를 따라 제25 관로(41)를 지나 상기 저단 압축기(200)로 흡입되는 것을 특징으로 하는 이원냉동공기열히트펌프시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 관로(10)와 제2 관로(11)의 사이에 구비되는 제1 유분리기(101), 상기 제4 관로(13)와 제5 관로(14)의 사이에 구비되는 제1 휠터드라이어(103)와, 상기 제5 관로(14)와 제6 관로(15)의 사이에 구비되는 제1 사이트그라스(104)와, 상기 제8 관로(17)와 제9 관로(18)의 사이에 구비되는 제1 액분리기(106)와, 상기 제10 관로(20)와 제11 관로(21)의 사이에 구비되는 제2 유분리기(201)와, 상기 제16 관로(26)와 제17 관로(27)의 사이에 구비되는 제2 휠터드라이어(205)와, 상기 제17 관로(27)와 제18 관로(28)의 사이에 구비되는 제2 사이트그라스(206)와, 상기 제24 관로(40)와 제25 관로(41)의 사이에 구비되는 제2 액분리기(211)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원냉동공기열히트펌프시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    저단 압축기(200)로부터 토출된 냉매가 제10 관로(20)를 따라 제11 관로(21)를 지나 사방향 밸브(202)에서 방향전환되어 제23 관로(33)를 따라 휜튜브증발기(209)에서 제상을 행하며, 제22 관로(32)와 제26 관로(38)를 따라 체크밸브(210)를 통과하고, 제27 관로(39)와 제15 관로(25)를 따라 수액기(204)에 들어가며, 제16 관로(26)를 따라 제17 관로(27)를 지나 제18 관로(28)와 제28 관로(34)를 따라 제2 전자변(301)을 통과하며, 제29 관로(35)를 따라 제3 팽창변(302)을 통과하고, 제30 관로(36)를 따라 제2 열교환기(303)에서 증발을 하며 제31 관로(37)와 제24 관로(40)를 따라 제25 관로(41)를 지나 상기 저단 압축기(200)로 흡입되는 것을 특징으로 하는 이원냉동공기열히트펌프시스템.
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