KR101369806B1 - 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프에 관한 것이다. 이는 수용조와; 냉매를 압축하는 압축부와; 수용조의 내부에 매체에 잠기도록 설치되어 매체와 열교환하는 것으로서, 압축부에서 압축된 냉매를 그 내부로 통과시키며 매체와의 열교환을 통해 냉매를 응축시키는 제 1응축부와, 제 1응축부의 응축열을 전달받을 수 있도록 배치되며, 외부로부터 공급된 물을 그 내부로 통과시키며 물에 응축열을 전달하여 가열시킨 후 수용조 외부로 내보내는 가열관을 구비한 익스체인저와; 익스체인저의 제 1응축부에 연결되는 팽창밸브 및 증발부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 하이브리드 히트펌프는, 응축부가 수용조의 내부에 완전히 수용되므로 수용조를 통과하는 매체와 응축부와의 전열면적이 넓어 응축부 내에서의 냉매의 자연 응축 효율이 좋고, 더 나아가 압축기로 들어가는 냉매의 압력을 수용조 내부의 폐열을 이용하여 일정하게 유지할 수 있는 저압배관부가 적용되어 효율적 운전이 가능하며, 특히 전열면적이 기존 2중관보다 현저히 높은 3중관을 이용하여 저온 유체와 냉매를 열교환시켜 고온 유체를 얻을 수 있게 한다.

Description

정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프{Multi-complex heat exchanging type Hybrid-heatpump using waste heat of septic tank}

본 발명은 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 폐열을 포함하고 있는 매체를 수용하는 수용조가 보유하고 있는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프에 관한 것이다.

히트펌프는, 압축기와 응축기와 팽창밸브와 증발기로 구성된 기계장치로서, 냉매가 상기 압축기와 응축기와 팽창밸브와 증발기를 순환하며 액화와 기화를 반복하고 이때 발생하는 응축열과 증발열을 이용하여 냉기와 열기를 발생한다. 상기 과정을 통해 발생된 냉기와 열기는 냉난방이나 급탕 등에 사용된다.

한편, 상기 히트펌프의 동작에 소요되는 에너지를 최대한 절감하고 또한 버려지거나 사용되지 않은 에너지를 활용하기 위하여, 이를테면 생활폐수나 지열 등을 히트펌프에 적용하는 장치가 개발되어 있다. 즉 폐수가 가지고 있는 폐열이나 지열 등을 히트펌프의 열원으로 사용하는 것이다.

상기 장치는, 가령 생활하수의 폐열을 증발기와 열교환하게 하여 증발기를 통과하는 냉매의 응축잠열로 사용되게 한다거나, 또는 압축기로 유입되는 냉매의 압력을 상승시켜 압축기의 효율을 상승시키는 등의 동작을 한다.

가령, 국내공개특허공보 제2004-0106826호의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템은, 급탕장소에서 발생하는 폐수를 폐수조에 일단 저장한 후, 폐수조 내의 물을 열교환기로 이동시켜 열교환기에서 냉매와 열교환 하게 하거나, 지중에 설치된 지열교환파이프를 통해 얻은 열을 증발기와 열교환시키는 등의 구성이 개시되어 있다.

그런데, 상기한 종래의 히트펌프시스템은, 폐열이 원하는 지점까지 이동하는 동안 폐열이 가진 열에너지가 손실될 수밖에 없다는 단점이 있다. 당연히, 폐열의 이동거리가 길어질 수 록 열에너지의 손실량은 커진다. 이에 따라 급탕을 위한 보일러를 추가로 설치해야 하는 경우도 있다.

또한, 지열을 이용하는 시스템에 있어서, 냉방시 응축기에서 발생하는 과다 배열을 지열교환파이프가 충분히 처리할 수 없는 경우, 지열교환파이프의 개수를 늘리거나 아니면 별도의 냉각탑을 추가해야 하는 등의 비경제적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 응축부가 수용조의 내부에 완전히 수용되므로 수용조를 통과하는 매체와 응축부와의 전열면적이 넓어 응축부 내에서의 냉매의 자연 응축 효율이 좋고, 더 나아가 압축기로 들어가는 냉매의 압력을 수용조 내부의 폐열을 이용하여 일정하게 유지할 수 있는 저압배관부가 적용되어 효율적 운전이 가능하며, 특히 전열면적이 기존 2중관 보다 현저히 높은 3중관을 이용하여 저온 유체와 냉매를 열교환시켜 고온 유체를 얻을 수 있는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프는, 폐열을 포함하고 있는 유체 상태의 매체를 그 내부로 받아들여 수용한 후 통과시키는 수용조와; 외부로부터 전력을 공급받아 동작하여 냉매를 압축하는 압축부와; 상기 수용조의 내부에 수용된 상기 매체에 잠기도록 설치되어 상기 매체와 열교환하는 것으로서, 상기 압축부에서 압축된 냉매를 그 내부로 통과시키며 상기 매체와의 열교환을 통해 냉매를 응축시키는 제 1응축부와, 상기 제 1응축부의 응축열을 전달받을 수 있도록 배치되며, 외부로부터 유체를 공급하기 위한 유체관을 통해 공급된 유체를 그 내부로 통과시키며 상기 유체에 응축열을 전달하여 가열시킨 후 수용조 외부로 내보내는 가열관을 구비한 익스체인저와; 상기 익스체인저의 제 1응축부에 연결되어, 응축된 냉매를 받아 팽창시키는 팽창밸브와; 상기 팽창밸브에 연결되며 냉매를 이어받아 증발시켜 상기 압축부로 보내는 증발부를 포함한다.

또한, 상기 익스체인저는; 길이방향으로 연장되며 그 외주면이 상기 매체에 접하며 제 1경로를 제공하는 아우터튜브와, 상기 아우터튜브의 내부에 구비되며 아우터튜브와 격리된 제 2경로를 제공하고, 상기 아우터튜브와 같은 종류의 유체를 통과시키는 인너튜브와, 상기 인너튜브를 그 내부에 포함한 상태로 아우터튜브 내에 설치되고, 상기 아우터튜브 및 인너튜브와 격리된 제 3경로를 제공하며, 아우터튜브 및 인너튜브와 다른 종류의 유체를 통과시키는 중간튜브로 이루어진다.

또한, 상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로와 제 2통로를 통해 냉매를 통과시키는 제 1응축부이고, 상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 유체를 통과시키는 가열관이다.

또한, 상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 냉매를 통과시키는 제 1응축부이고, 상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로 및 제 3통로를 통해 유체를 통과시키는 가열관이다.

또한, 상기 압축부와 팽창밸브사이에 설치되고, 상기 수용조 내에서 상기 매체와 익스체인저간의 열교환이 원활하지 않을시 작동되며, 상기 압축부에서 흐르는 냉매의 응축시 발생되는 열을 상기 유체관을 통해 공급된 유체와 열교환시키는 제 2응축부가 더 구비된다.

또한, 상기 증발부와 압축부를 연결하는 냉매순환관에는, 상기 정화조의 내부에 설치되어 증발부로부터 압축부로 이동하는 냉매를 상기 매체와 열교환시켜 냉매의 압력을 일정하게 유지시키는 저압배관부가 더 구비된다.

또한, 상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로와 제 2통로를 통해 냉매 또는 유체를 통과시킬 수 있고, 상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 냉매 또는 유체를 통과시킬 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프는, 응축부가 수용조의 내부에 완전히 수용되므로 수용조를 통과하는 폐열을 포함하고 있는 매체와 응축부와의 전열면적이 넓어 응축부 내에서의 냉매의 자연 응축 효율이 좋고, 더 나아가 압축기로 들어가는 냉매의 압력을 수용조 내부의 폐열을 이용하여 일정하게 유지할 수 있는 저압배관부가 적용되어 효율적 운전이 가능하며, 특히 전열면적이 기존 2중관보다 현저히 높은 3중관을 이용하여 외부로부터 유입되는 유체와 냉매를 열교환시켜 고온 유체를 얻을 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프의 구조를 나타내 보인 도면이다.
도 3는 상기 도 2에 도시한 익스체인져의 기본 구조 및 특징을 설명하기 위하여 도시한 일부 절제 측단면도이다.
도 4은 상기 도 3의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프의 다른 예를 도시한 구조도이다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프의 개념도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(11)는, 아파트나 오피스빌딩 또는 기타 주거시설에서 발생하는 각종 폐열을 포함하고 있는 유체 상태의 매체를 내부로 수용하여 처리한 후 내보내는 수용조(13)와, 수용조(13)의 내부공간(13c)에 설치되며 수용조(13) 내부의 매체와의 열교환을 수행하는 익스체인져(19)와, 수용조(13)의 외부에 설치되며 냉매를 압축하여 냉매순환관(17a)을 통해 익스체인져(19)로 보내는 압축부(15)와, 익스체인져(19)를 통과한 냉매를 냉매순환관(17b)을 통과시키는 수액기(27)와, 수액기(27)를 통과한 냉매를 받아들여 팽창시키는 팽창밸브(29)와, 팽창밸브(29)에 연결되며 냉매를 이어받아 증발시켜 기체상태로 만드는 증발부(31)와, 증발된 냉매 중에서 액체 성분을 분리하는 기액분리기(33)와, 기액분리기(33)와 압축부(15)를 연결하는 냉매순환관(17d)에 구비되는 것으로서, 수용조(13)의 내부에 배치되는 저압배관부(35)를 포함한다.

먼저, 수용조(13)는, 매체입구(13a) 및 매체출구(13b)가 구비되어 있는 밀폐탱크이며, 지중 또는 수중에 설치되어 폐열을 가진 매체를 수용함으로써, 수용조(13) 외부에서 외기 온도가 급격하게 변화하더라도 수용조(13) 내부는 일정 범위의 온도를 유지하고 있다.

특히, 상기 수용조(13)는 고온유체관(39)을 통해 고온유체탱크(37)에 연결되는데, 고온유체탱크(37)는 고온유체의 수요처로 공급될 고온유체를 저장하는 탱크로서, 익스체인저(19)에 의해 가열된 고온유체를 받아들여 수용하며, 고온유체탱크(37)에 저장되어 있는 고온유체는 별도의 펌프를 통해 수요처로 공급된다.

또한, 익스체인져(19)는 3중관의 형태를 취하며, 그 내부로 냉매와 유체를 통과시킨다.

이때, 냉매는 압축부(15)로부터 유입된 냉매로서, 익스체인져(19)를 통과하며 매체와 열교환하여 응축된다.

즉, 익스체인져(19)가 냉동사이클에서의 응축기의 역할을 하는 것이다.

또한 유체는, 유체관(10)을 통해 외부로부터 공급된 저온 상태의 유체로서, 익스체인저(19)를 통과하며 냉매의 응축열에 의해 가열된 상태로 고온유체관(39)을 통해 고온유체탱크(37)로 이동한다.

결국, 고온유체탱크(37) 내부의 고온유체는 냉매의 응축열에 의해 가열된 유체인 것이다.

여기서, 익스체인져(19)는 3중관의 형태를 취하는 것으로, 익스체인져(19)의 내부에 서로에 대해 격리된 3개의 유동 통로를 갖는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 도 3 내지 도 4의 설명에서 더 상세하게 기술하도록 한다.

한편, 익스체인져(19)와 연결되는 냉매순환관(17b)과 연결되는 수액기(27)는, 냉매순환관(17b)을 통과해 도착한 고온 고압의 냉매액을 일시저장하는 케이스로서 그 구조는 종래의 일반적인 수액기와 동일하다.

또한, 수액기(27)를 거친 액상의 냉매는 팽창밸브(29)를 통과하며 감압된 후 냉매순환관(17c)을 거쳐 증발부(31)로 이동하고, 냉매는 증발부(31)를 통과하며 증발되어 저온 저압의 기체상태가 된다.

또한, 증발부(31)에서 기체상태로 상변화한 냉매는, 기액분리기(33)를 거친 후, 저압배관부(35)를 통과하여 압축부(15)로 귀환한다.

또한, 저압배관부(35)는, 수용조(13)의 내부에 설치되어, 냉매순환관(17d)을 통해 증발부로부터 압축부로 이동하는 냉매를 매체와 열교환시킴으로써, 냉매의 압력을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

즉, 동절기시 차가운 외부 기온에 의해 낮아진 냉매를 수용조(13) 내부의 폐열을 이용하여 가열함으로써 냉매의 압력을 어느 정도 상승시키는 것이다.

또한, 저압배관부(35)를 통과하며 압력이 일정한 상태로 상승된 냉매는, 동계 외부 기온이 낮을시 증발부에서 압축부로 냉매가 이동하며 발생할 수 있는 냉매의 부족현상을 방지함으로써 압축기의 원활한 냉매압축을 유도시켜 압축기의 과부하를 방지하여 압축기가 원활한 압축을 도모할 수 있도록 하며 상기 순환을 반복하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 2 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에서 종래기술로부터 용이하게 확인할 수 있는 압축부, 응축부, 팽창밸브, 증발부와 관련된 기술, 압축부, 응축부, 팽창밸브, 증발부를 결합시키기 위한 히트펌프의 기본 구성 및 사용방법 등 등 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프의 구조를 나타내 보인 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)는, 아파트나 오피스빌딩 또는 기타 주거시설에서 발생하는 각종 오폐수를 그 내부로 받아들여 처리한 후 내보내는 정화조(13')와, 정화조(13')의 내부공간(13c)에 설치되며 정화조(13') 내부의 오폐수와의 열교환을 수행하는 익스체인져(19)와, 정화조(13')의 외부에 설치되며 냉매를 압축하여 냉매순환관(17a)을 통해 익스체인져(19)로 보내는 압축부(15)와, 익스체인져(19)를 통과한 냉매를 냉매순환관(17b)을 통과시키는 수액기(27)와, 수액기(27)를 통과한 냉매를 받아들여 팽창시키는 팽창밸브(29)와, 팽창밸브(29)에 연결되며 냉매를 이어받아 증발시켜 기체상태로 만드는 증발부(31)와, 증발된 냉매 중에서 액체 성분을 분리하는 기액분리기(33)와, 기액분리기(33)와 압축부(15)를 연결하는 냉매순환관(17d)이 구비된다.

먼저, 정화조(13')는, 오폐수입구(13a') 및 오폐수출구(13b')가 구비되어 있는 밀폐탱크로, 정화조(13')는 FRP로 제작할 수 있으며, 일반적인 정화조와 마찬가지로 건물의 지하나 지중에 매립 설치되며, 정화조(13')는 온수관(39')을 통해 온수탱크(37')에 연결된다.

또한, 온수탱크(37')는 건물내 수요처로 공급될 온수를 저장하는 탱크로서, 상기 익스체인저(19)에 의해 가열된 온수를 받아들여 수용하며, 온수탱크(37')에 저장되어 있는 온수는 별도의 펌프를 통해 온수가 필요한 지점으로 공급된다.

또한, 익스체인져(19)는 3중관의 형태를 취하며, 그 내부로 냉매와 물을 통과시키는데, 여기서, 냉매는 압축부(15)로부터 유입된 냉매로서, 익스체인져(19)를 통과하며 주변의 오폐수와 열교환하여 응축되는 것으로, 익스체인져(19)가 냉동사이클에서의 응축기의 역할을 하는 것이고, 물은 냉수관(10')을 통해 외부로부터 공급된 냉수로서, 익스체인저(19)를 통과하며 냉매의 응축열에 의해 가열된 상태로 온수관(39')을 통해 온수탱크(37')로 이동하는 것이다.

결국, 상기 온수탱크(37') 내부의 온수는 냉매의 응축열에 의해 가열된 물인 것이다.

한편, 본 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)에는 온수탱크(37')에서 냉수관(10')으로 연결되어, 온수탱크(37')에 보관된 온수가 일정 온도 이하일 때, 온수탱크(37')에 수용되어 있는 온수를 냉수관(10')으로 이동시켜 익스체인져(19)를 재순환하도록 함으로써, 적정한 온도의 온수를 확보할 수 있도록 하는 온수회수관(100)이 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 익스체인져(19)는 3중관의 형태를 취하는 것이니만큼, 그 내부에, 서로에 대해 격리된 3개의 유동 통로를 갖는 것으로, 도 3 및 도 4를 통해 익스체인져(19)의 세부 구성을 먼저 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 도시한 익스체인져(19)의 기본 구조 및 특징을 설명하기 위하여 도시한 일부 절제 측단면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.

여기서, 익스체인져(19)는 도 2에서와 같이 다수회 벤딩된 형태를 취하지만, 도 3에는 설명의 편의상 직선으로 도시하였다.

도시한 바와 같이, 익스체인져(19)는 그 외주면이 오폐수와 직접 접촉하며 길이방향으로 연장되고 다수회 밴딩되는 일정 직경의 아우터튜브(19a)와, 아우터튜브(19a)의 내부에 설치되며 아우터튜브의 길이방향을 따라 연장되는 인너튜브(19b)와, 인너튜브(19b)를 그 내부에 포함한 상태로 아우터튜브(19a)의 길이방향을 따라 연장된 중간튜브(19c)를 포함한다.

이때, 인너튜브(19b)는 아우터튜브(19a)의 내부 중심축부에 장착된 파이프로서, 그 양단부가 아우터튜브(19a)의 양단부 내에 개방된다.

또한, 중간튜브(19c)의 양단부는 아우터튜브(19a)의 내부에서 밀폐되며 아우터튜브(19a)의 외부로 연장된다.

따라서, 인너튜브(19b)가 제공하는 제 2통로(20b)와 아우터튜브(19a)가 제공하는 제 1통로(20a)는 상호 연통한다. 이에 비해, 중간튜브(19c)의 제 3통로(20c)는, 제 1,2통로(20a,20b)에 대해 완전히 분리되어 있다.

또한, 제 1통로(20a)는, 아우터튜브(19a)의 내주면과 중간튜브(19c)의 외주면 사이의 공간이며, 제 2통로(20b)는 인너튜브(19b)가 제공하는 유동통로이며, 제 3통로(20c)는 인너튜브(19b)의 외주면과 중간튜브(19c)의 내주면 사이의 통로이다.

결국, 아우터튜브(19a)의 일단부로 유입된 유체는, 그 일부가 제 1통로(20a)로 나머지가 제 2통로(20b)로 유입하여 이동하고, 중간튜브(19c)로 유입하는 냉매는 다른 통로의 유체와 섞이지 않은 상태로 제 3통로(20c)를 따라 유동하여 반대편으로 유출된다.

특히 중간튜브(19c)가, 인너튜브(19b)를 수용한 상태로 아우터튜브(19a) 내에 설치되어 있으므로, 제 3통로(20c)는 제 1통로(20a) 및 제 2통로(20b)에 완전히 포위된다.

이를 통해, 제 3통로(20c)를 통과하는 냉매는, 제 1,2통로(20a,20b)를 통과하는 유체와 동시에 접하며 넓은 면적에서 열교환을 할 수 있는 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 압축부(15)는 냉매순환관(17a)을 통해 익스체인져(19)의 중간튜브(19c)측에 연결된다.

따라서, 압축부(15)에서 토출된 고온 고압의 기체상태의 냉매는, 익스체인져(19)의 제 3통로(20c)통과하며 응축되고 응축된 상태로 반대측으로 빠져 수액기(27)로 유동한다.

또한, 냉수관(10')을 통해 유입한 냉수는 익스체인져(19)의 제 1,2통로(20a, 20b)를 거쳐 타단부에 연결되어 있는 온수관(39')으로 빠진다.

이때, 익스체인져(19)로 유입한 고온 고압의 냉매는, 제 3통로(20c)를 통과하면서 주변의 오폐수와 열교환하여 응축되고, 응축된 상태로 익스체인져(19)를 벗어나 냉매순환관(17b)을 통해 수액기(27)로 이동한다.

그리고, 제 1,2통로(20a,20b)를 통과하는 냉수는 냉매의 응축열을 전달받아 가열된다.

즉, 냉수관(10')을 통해 공급된 냉수가 익스체인져(19)를 통과하며 응축열을 전달받아 가열된 후 온수관(39')을 통해 배출되는 것이다.

결국, 중간튜브(19c)는, 제 3 통로(20c)를 통해 냉매를 통과시키며 응축을 유도하는 제 1응축부(21)의 역할을 하는 것이고, 아우터튜브(19a)와 인너튜브(19b)는 제 3통로(20c)를 통해 물을 통과시키며 가열되게 하는 가열관(41)의 역할을 하는 것이다.

또한, 압축부(15)와 팽창밸브(29)의 사이에서 정화조(13')의 외부에 설치되어, 정화조(13') 내부에서 매체와 익스체인저(19)간의 열교환이 원활하지 않을시 작동되며, 압축부(15)에서 흐르는 냉매의 응축시 발생되는 열을 냉수와 열교환시키는 제 2응축부(25)가 더 구비될 수 있다.

여기서, 제 2응축부(25)는, 제 1응축부(21)에 의한 응축이 충분하지 않을 경우 작동하는 응축장치이다.

즉, 상기 익스체인져(19)를 통과해 냉매순환관(17b)으로 들어온 냉매 중, 정화조(13') 내부의 폐열의 온도 변화로 인해 응축되지 않은 기체성분이 있을 경우 동작하여 냉매를 완전히 응축시키는 역할을 수행한다.

이때, 냉수의 공급은 냉수관(10')에서 분기되어 제 2응축기와 연결된 제 2냉수관(25a)을 통하여 수행되고, 냉매의 공급은 냉매순환관(17a)에서 분기된 제 2냉매순환관(25c)을 통하여 수행된다.

아울러, 제 2응축기(25)를 통과하며 열교환에 의해 열을 얻은 온수는 제 2응축기와 온수관(39')을 연결하는 제 3온수관(25b)을 통해 온수관(39')으로 공급되어 온수탱크(37')에 저장되고, 제 2응축기(25)를 통과한 냉매는 제 2응축기(25)와 냉매순환관(17b)을 연결하는 제 3냉매관(25d)을 통해 냉매순환관(17b)으로 보내진다.

또한, 제 2 응축부(25)는 온수탱크(37')에 저장되는 온수의 온도가 일정 범위 이하일 시 작동하여 일정 범위 이상의 온도를 갖는 온수를 신속하게 확보할 수 있도록 하는 것으로, 제 2 응축부(25)와 익스체인져(19)는 냉매의 응축 여부와 그에 따른 온수의 확보상황에 따라 동시에 작동 가능할 수 있다.

다만, 익스체인져(19)로부터 배출되는 냉매가 완전한 응축상태이고, 온수의 온도가 일정범위 이상이라면 제 2응축부(25)가 동작하지 않음은 물론이다.

도면부호 23는 상기 제 2응측부(25)를 공랭시키기 위한 냉각용 팬이다.

또한, 수액기(27)는, 냉매순환관(17b)을 통과해 도착한 고온 고압의 냉매액을 일시저장하는 케이스로서 그 구조는 종래의 일반적인 수액기와 동일하다.

또한, 수액기(27)를 거친 액상의 냉매는 팽창밸브(29)를 통과하며 감압된 후 냉매순환관(17c)을 거쳐 증발부(31)로 이동하고, 냉매는 증발부(31)를 통과하며 증발되어 저온 저압의 기체상태가 된다.

여기서, 증발부(31)에서 기체상태로 상변화한 냉매는, 기액분리기(33)를 거친 후, 저압배관부(35)를 통과하여 압축부(15)로 귀환한다.

이때, 저압배관부(35)는, 정화조(13')의 내부에 설치되어, 냉매순환관(17d)을 통해 증발부로부터 압축부로 이동하는 냉매를 오폐수와 열교환시킴으로써, 냉매의 압력을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

즉, 동절기시 차가운 외부 기온에 의해 압력이 낮아진 냉매를 정화조(13') 내부의 폐열을 이용하여 가열함으로써 냉매의 압력을 어느 정도 상승시키는 것이다.

또한, 저압배관부(35)를 통과하며 압력이 일정한 상태로 상승된 냉매는, 압축부(15)를 통과하며 압축되어 상기한 순환운동을 반복한다.

아울러, 정화조(13')의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)에는, 압축부(15)에서 익스체인져(19)로 흐르는 냉매의 바이패스가 가능하고, 증발부(31)에서 압축부(15)로 흐르는 냉매의 바이패스가 가능하도록 설치되는 정압기(50)가 설치되는 것이 바람직한데, 정압기는 압축부(15)에서 발생하는 냉매의 압력이 익스체인져(19)가 수용할 수 있는 냉매의 압력 범위를 벗어날 때, 압축부(15)에서 익스체인져(19)로 공급되는 냉매의 일부를 저장하고, 증발부에서 압축부로 공급되는 냉매의 압력이 부족할 때 저장된 냉매를 압축부로 보충하여 압축부의 작용에 적합한 압력을 유지시키는 역할을 수행함으로써 정화조(13')의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)의 열효율을 증대시킬 수 있다.

한편, 도 2와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)를 현장에 적용할 시, 익스체인져(19)를 수용해야하는 정화조(13')의 매설 깊이가 일정 깊이 이상으로 깊어, 작업자가 정화조(13')에 익스체인져(19)를 설치할 수 없을 경우가 발생할 수 있는데, 이와 같은 경우에는 정화조(13')의 지면측 상부에 별도의 수용부(미도시)를 정화조(13')와 순환펌프(미도시)를 통해 연결시켜, 상술한 실시예에서의 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)가 정화조(13')의 역할을 수행하는 별도의 수용부(미도시)와 함께 개시될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 폐열을 포함하고 있는 정화조(13')의 매설 깊이가 본 발명을 개시함에 있어서 작업성에 영향을 끼치지 않도록 정화조(13')의 지면측 상부에 별도의 수용부(미도시)를 형성시키고, 순환 펌프(미도시)를 통해 폐열을 별도의 수용부(미도시)로 이동시킴으로써, 별도의 수용부(미도시)가 정화조(13')의 역할을 대체 할 수 있도록 하는 것으로, 별도의 수용부(미도시)를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)를 구현할 수 있도록 할 수 있다는 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프(12)의 다른 예를 도시한 구조도이다.

여기서, 상기한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리킨다.

도 5의 경우, 아우터튜브(19a) 및 인너튜브(19b)가 제 1응축부(21)의 역할을 하고, 중간튜브(19c)가 가열관(41)의 기능을 한다.

즉, 압축부(15)에서 토출된 고온 고압의 기체 상태의 냉매는, 익스체인져(19)의 아우터튜브(19a) 및 인너튜브(19b)를 통과하며 응축된 후 냉매순환관(17b)를 통해 빠져나간다.

이때, 아우터튜브(19a) 및 인너튜브(19b)가 제공하는 제 1,2통로(20a,20b)를 통과하는 냉매는 정화조(13') 내부의 오폐수와 열교환하며 응축되고 주변으로 응축열을 발생한다.

또한, 냉수관(10')을 통해 공급된 냉수는, 익스체인져(19)의 중간튜브(19c)로 유입하여, 제 3통로(20c)를 통과하면서 응축열을 받아 가열된다.

즉, 중간튜브(19c)가, 냉수를 가열하는 가열관의 역할을 하는 것이다.

여기서, 중간튜브(19c)를 통과하며 가열된 온수는 도 2에서 설명한 바와 같이 온수관(39')을 통과해 온수탱크(37')에 모이며 도 2에서 설명한 상기한 경로를 순환한다.

또한, 제 1,2통로(20a,20b)를 통과해 응축된 냉매는 도 2에서 설명한 바와 같이 상기한 경로를 따라 유동하여 압축부(15)로 돌아가 다시 압축되며 도 2에서 설명한 상기한 경로를 순환한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨데, 본 발명의 수용조는 본 발명의 실시예에서와 같이 정화조에만 한정되는 것이 아니고, 폐열을 수용할 수 있는 형태의 용기와 같이 여러 가지 변형이 가능하다.

10 : 유체관 10' : 냉수관
11 : 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프
12 : 정화조의 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프
13 : 수용조 13' : 정화조
13a : 유체입구 13b : 유체출구
13a' : 오폐수입구 13b' : 오폐수출구
13c : 내부공간 15 : 압축부
17a, 17b, 17c, 17d : 냉매순환관
19 : 익스체인져 19a : 아우터튜브
19b : 인너튜브 19c : 중간튜브
20a : 제 1통로 20b : 제 2통로
20c : 제 3통로 21 : 제 1응축부
23 : 팬 25 : 제 2응축부
27 : 수액기 29 : 팽창팰브
31 : 증발부 33 : 기액분리기
35 : 저압배관부 37 : 고온유체탱크
37' : 온수탱크 39 : 고온유체관
39' : 온수관 41 : 가열관
50 : 정압기 100 : 온수회수관

Claims (7)

1. 폐열을 포함하고 있는 유체 상태의 매체를 그 내부로 받아들여 수용한 후 통과시키는 수용조와;
   외부로부터 전력을 공급받아 동작하여 냉매를 압축하는 압축부와;
   상기 수용조의 내부에 수용된 상기 매체에 잠기도록 설치되어 상기 매체와 열교환하는 것으로서, 상기 압축부에서 압축된 냉매를 그 내부로 통과시키며 상기 매체와의 열교환을 통해 냉매를 응축시키는 제 1응축부와, 상기 제 1응축부의 응축열을 전달받을 수 있도록 배치되며, 외부로부터 유체를 공급하기 위한 유체관을 통해 공급된 유체를 그 내부로 통과시키며 상기 유체에 응축열을 전달하여 가열시킨 후 수용조 외부로 내보내는 가열관을 구비한 익스체인저와;
   상기 익스체인저의 제 1응축부에 연결되어, 응축된 냉매를 받아 팽창시키는 팽창밸브와;
   상기 팽창밸브에 연결되며 냉매를 이어받아 증발시켜 상기 압축부로 보내는 증발부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 익스체인저는;
   길이방향으로 연장되며 그 외주면이 상기 매체에 접하며 제 1경로를 제공하는 아우터튜브와,
   상기 아우터튜브의 내부에 구비되며 아우터튜브와 격리된 제 2경로를 제공하고, 상기 아우터튜브와 같은 종류의 유체를 통과시키는 인너튜브와,
   상기 인너튜브를 그 내부에 포함한 상태로 아우터튜브 내에 설치되고, 상기 아우터튜브 및 인너튜브와 격리된 제 3경로를 제공하며, 아우터튜브 및 인너튜브와 다른 종류의 유체를 통과시키는 중간튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로와 제 2통로를 통해 냉매를 통과시키는 제 1응축부이고,
   상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 유체를 통과시키는 가열관인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 냉매를 통과시키는 제 1응축부이고,
   상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로 및 제 3통로를 통해 유체를 통과시키는 가열관인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축부와 팽창밸브사이에 설치되고, 상기 수용조 내에서 상기 매체와 익스체인저간의 열교환이 원활하지 않을시 작동되며, 상기 압축부에서 흐르는 냉매의 응축시 발생되는 열을 상기 유체관을 통해 공급된 유체와 열교환시키는 제 2응축부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 증발부와 압축부를 연결하는 냉매순환관에는, 상기 수용조의 내부에 설치되어 증발부로부터 압축부로 이동하는 냉매를 상기 매체와 열교환시켜 냉매의 압력을 일정하게 유지시키는 저압배관부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
7. 제 2항에 있어서,
   상기 아우터튜브와 인너튜브는, 제 1통로와 제 2통로를 통해 냉매 또는 유체를 통과시킬 수 있고,
   상기 중간튜브는, 제 3통로를 통해 냉매 또는 유체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 다중복합 열교환 방식의 하이브리드 히트펌프.
   

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