KR101378598B1 - 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 관한 것으로,
복수의 저수조 중 제1 저수조에는 급수관이 연결되어 있고, 제4 저수조에는 배수관이 연결되어 있으며,
상기 제1 저수조 내지 제4 저수조 각각의 사이사이에 형성되는 복수의 격벽에는 각각 연결통로가 하나씩 형성되어 있고, 급수관으로부터 제1 저수조로 급수된 물이 복수의 격벽 각각에 형성된 연결통로를 통해 제2 내지 제4 저수조를 향해 순차적으로 흘러서 제4 저수조에 형성되어 있는 배수관을 통해 배출되도록 구성되어 있으며,
상기 제1 내지 제4 저수조 각각에 하나씩 수중 설치되는 복수의 냉매순환으로 구성되어 있되, 상기 제1 저수조에 설치된 제1 냉매순환관에는 상기 제3 냉매이송라인이 연결되고, 상기 제 4 저수조에 설치된 제4 냉매순환관에는 상기 제4 냉매이송라인이 연결되며, 상기 제1 냉매순환관에서부터 제4 냉매순환관 각각은 제1 내지 제3 연결라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 발명이다.

Description

히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치{Cold and hot water producing device using heat pump}

본 발명은 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 서로 연결된 구조로 분리 형성된 복수의 저수조 각각에 저장된 물속에 복수의 냉매순환장치를 하나씩 설치하며, 상기 복수의 저수조 각각에 한대씩 수중 설치된 복수의 냉매순환장치로 저온저압의 기체냉매를 순환시키거나 또는 고온고압의 액상냉매를 순환시키는 방법으로 냉수 또는 온수를 생산할 수 있도록 구성된 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 증발기에 공급된 안개상태의 냉매가 상기 증발기 주위의 열을 빼앗아 증발하여 기체가 되며, 증발된 냉매를 압축기에서 고온고압으로 압축하여 응축기로 보내어 외부의 열원(공기, 물 등)과 열교환작용으로 열을 방출하여 액화하는 냉동 사이클로서, 증발기에서 열을 빼앗아 냉방이나 냉각에 이용하거나 응축기에서 방출되는 열을 난방이나 가열에 이용하는 냉동기를 말한다.

종래 기술의 히트펌프를 이용한 냉수 및 온수 생산시스템은, 냉수탱크 및 온수탱크가 각각 분리 구성되어 있으며, 냉수 생산시스템의 경우는 냉수탱크에 증발기를 내설하는 구조로 냉수를 생산하도록 구성되어 있으며, 온수 생산시스템의 경우은 온수탱크에 응축기를 내설하는 구조로 온수를 생산하도록 구성되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래 기술은 단일구조로 된 냉수탱크 및 온수탱크 각각에 설치된 증발기 및 응축기에 냉매를 순환시켜서 냉수 및 온수를 생산하게 되므로 냉수의 경우는 10°이하의 냉수를 생산하기가 어려웠고, 온수의 경우는 60°이상의 온수를 생산하기 어렵다는 것이 단점으로 지적되어 왔으며, 또한 냉수 및 온수를 생산하기 위해서는 냉동 시스템 및 온수 시스템 각각에 냉동 사이클을 2중으로 구성해야 하므로 냉동설비가 비싸지게 되는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 나타나는 제반 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 물이 저장되는 복수의 저수조를 각각 독립된 구조로 분리하여 형성하며, 상기 복수의 저수조들 중 일측 저수조를 통해 급수되는 물이 타측 저수조 측으로 흘러서 배수되도록 구성하는 한편, 상기 복수의 저수조 각각에 수중 설치된 복수의 냉매순환관으로 순환하게 되는 냉매의 경우, 냉수 생산시에는 냉매가 물이 급수되는 일측 저수조에 수중 설치된 냉매순환관으로 공급되어 타측 저수조 측에 수중 설치된 냉매순환관을 향해 순차적으로 이동 공급되도록 하는 방법으로 냉수를 생산하도록 하며, 온수 생산시에는 물이 배수되는 타측 저수조에 수중 설치된 냉매순환관으로 공급되어 물이 급수되는 일측 저수조를 향해 순차적으로 이동 공급되도록 하는 방법으로 온수를 생산하도록 함으로써 냉수의 경우는 7℃ 이하의 냉수를 생산할 수 있도록 하며, 온수의 경우는 70℃ 이상의 온수를 생산할 수 있도록 하는데 목적이 있으며, 또한 한 대의 냉동시이클을 이용하여 냉수 및 온수를 생산할 수 있도록 함으로써 냉동사이클의 설치비를 절감할 수 있도록 하는데 다른 목적을 두고 발명한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 구현하기 위한 수단으로서,

제1 내지 제4 접속구가 형성되어 있는 사방전자밸브와, 압축기와, 응축기 겸 증발기와, 2중관 구조로 구성되는 수액기 및 액분리기와, 냉매순환관이 수중 설치되는 저수조와, 상기 사방전자밸브와 응축기 겸 증발기를 연결하는 제1 냉매이송라인과, 상기 응축기 겸 증발기와 수액기를 연결하는 제2 냉매이송라인과, 상기 수액기와 저수조에 수중 설치된 냉매순환관을 연결하는 제3 냉매이송라인과, 상기 냉매순환관과 사방전자밸브를 연결하는 제4 냉매이송라인과, 상기 사방전자밸브와 액분리기를 연결하는 제5 냉매이송라인과, 상기 액분리기와 압축기를 연결하는 제6 냉매이송라인으로 구성되는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 있어서,

상기 저수조는 복수의 저수조로 분리 형성되어 있되, 상기 복수의 저수조 중 제1 저수조에는 급수관이 연결되어 있고, 제4 저수조에는 배수관이 연결되어 있으며,

상기 제1 저수조 내지 제4 저수조 각각의 사이사이에 형성되는 복수의 격벽에는 각각 연결통로가 하나씩 형성되어 있고, 상기 급수관에서 제1 저수조로 급수된 물이 복수의 격벽 각각에 형성된 연결통로를 통해 제2 내지 제4 저수조를 향해 순차적으로 흘러서 상기 제4 저수조에 형성되어 있는 배수관을 통해 배출되도록 구성되어 있으며,

상기 냉매순환관은 제1 내지 제4 저수조 각각에 하나씩 수중 설치되는 복수의 냉매순환관으로 구성되어 있되, 상기 제1 저수조에 설치된 제1 냉매순환관에는 상기 제3 냉매이송라인이 연결되고, 상기 제 4 저수조에 설치된 제4 냉매순환관에는 상기 제4 냉매이송라인이 연결되며, 상기 제1 냉매순환관에서부터 제4 냉매순환관 각각은 제1 내지 제3 연결라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 저수조에 형성된 급수관으로 급수되는 물의 경우는 냉수를 생산할 때나 온수를 생산할 때 공통으로 제1 저수조에서부터 제4 저수조를 향해 순차적으로 흘러서 상기 제4 저수조에 형성된 배수관을 통해 배출되도록 구성되어 있는 한편, 냉매의 경우 냉수생산시에는 물의 흐름방향과 같이 제1 냉매순환관에서부터 제4 냉매순환을 향해 순차적으로 이송되도록 구성하고, 온수생산시에는 물의 흐름방향과 반대로 제4 냉매순환에서부터 제1 냉매순환을 향해 역순으로 이송되도록 구성하여서 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 냉매이송라인에는 보조 냉동기 유닛의 압축기로부터 압축된 고온고압의 기체냉매의 열교환작용으로 상기 응축기 겸 증발기에서 제1 냉매이송라인으로 이송되는 냉매에 포함되어 있는 안개상태의 냉매를 증발시키는 열교환기가 장설되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 냉매이송라인에는 체크밸브가 장설되어 있으며, 상기 체크밸브의 양측에는 제1 전자밸브와 제1 팽창밸브가 장설된 제1 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 제3 냉매이송라인에는 압력조절밸브가 장설되어 있으며, 상기 압력조절밸브의 양측에는 제2 전자밸브와 제2 팽창밸브가 장설된 제2 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3 냉매이송라인과 제 6 냉매이송라인에는 제3 전자벨브와 제3 팽창밸브가 장성된 제3 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 냉매이송라인에는 제6 냉매이송라인으로 이송되는 냉매의 온도가 120℃ 이상일 때 제3 바이패스라인의 제3 전자밸브를 개방작동시켜서 제3 냉매이송라인으로 이송되는 냉매의 일부를 제3 팽창밸브에서 급속 팽창시켜서 상기 제6 냉매이송라인으로 이송되는 냉매와 혼합되어 압축기로 공급되게 하는 온도감지센서가 장설되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응축기 겸 증발기에는 온수생산시 응측기 겸 증발기에 적상이 형성될 때에는 압축기에서 압축된 고온고압의 기체냉매가 제1 냉매이송라인으로 흐르도록 상기 사방전자밸브를 작동시키는 적상감지센서가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 저수조의 제4 저수조에는 연결통로로 연결된 채 배수관이 형성되어 있는 제5 저수조가 추가로 연결 설치되어 있으며, 상기 제5 저수조의 수중에는 물을 가열하기 위한 히터와 물을 순환시키기 위한 순환펌프 및 물순환관을 형성하여 제5 저수조에 저장되는 물을 순환펌프로 순환시키면서 히터로 가열하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 상기 복수의 저수조 각각에 저장되는 물은 제1 저수조에 급수되어 제2, 제3 저수조를 순차적으로 거쳐 제4 저수조에서 배수되도록 하는 한편, 상기 각 저수조에 수중 설치된 복수의 냉매순환관으로 순환하는 냉매 경우는, 냉수를 생산할 때에는 냉매가 급수관으로 급수되어 배수관으로 배출되는 물의 흐름방향과 같이 제1 저수조에 설치된 제1 냉매순환관에서부터 제4 저수조에 설치된 제4 냉매순환관을 향해 순차적으로 순환하면서 상기 제1 내지 제 냉매순환관은 제1 내지 제4 저수조 각각에 저장되는 물을 개별적으로 냉각하도록 함으로써 상기 배수관을 통해서는 7℃ 이하로 냉각된 냉수를 배출시킬 수 있도록 하는 효과가 있으며, 온수를 생산할 때에는 냉매가 급수관으로 급수되어 배수관으로 배출되는 물의 흐름방향과는 반대방향인 제4 저수조에 설치된 제4 냉매순환관에서부터 제1 저수조에 설치된 제1 냉매순환관을 향해 역순으로 순환토록 함으로써 상기 제1 저수조에 저장된 물은 제1 냉매순환관을 순환하는 기체냉매에 의해 예열되고 이어서 제2 및 제3 저수조 각각에 저장되는 물은 제3 및 제2 냉매순환관을 역순으로 순환하는 기체냉매에 의해 순차적으로 점점 높아지는 온도로 예열된 후 상기 압축기에서 압축된 고온고압의 기체냉매가 순환하는 제4 냉매순환관에 의해 제4 저수조에 저장되는 물이 가장 뜨겁게 가열되어 배수관으로 배수되도록 함으로써 상기 배수관을 통해서는 60℃ 이상으로 가열된 온수를 얻을 수 있도록 하는 효과가 있는 것이다.

또한 본 발명은 상기 제4 저수조에 추가로 연결 설치되는 제5 저수조에는 저장된 물을 물순환관에 장설된 순환펌프로 순환시키면서 히터로 가열할 수 있으므로 70℃ 이상으로 가열된 온수를 얻을 수 있게 하는 장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 냉·온수 생산장치의 히트펌프를 냉수생산시스템으로 운전될 때의 냉매 흐름도
도 2는 본 발명의 냉·온수 생산장치의 히트펌프를 온수생산시스템으로 운전될 때의 냉매 흐름도
도 3은 본 발명의 복수의 저수조에 추가로 연결 설치된 제5 저수조의 구성도

본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 대한 구체적인 실시 예를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1의 도시는 냉·온수 생산장치의 히트펌프를 냉수생산시스템으로 운전될 때의 냉매 흐름도를 도시한 것으로, 냉수생산시스템으로 운전될 때에는 사방전자밸브(1)의 제1 접속구(11)에는 압축기(2)의 출구라인(21)이 연결되며, 상기 사방전자밸브(1)의 제2 접속구(12)에는 제1 냉매이송라인(3a)이 연결되는 구성으로 작동하게 된다.

따라서 상기와 같이 히트펌프가 냉수생산시스템으로 운전될 때에는 압축기(2)에서 고온고압으로 압축된 기체냉매가 사방전자밸브(1)의 제1 접속구(11)와 제2 접속구(12)를 거쳐 제1 냉매이송라인(3a)을 통해 응축기 겸 증발기(4)로 흐르게 되는데, 이때 상기 응축기 겸 증발기(4)는 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되는 고온고압의 기체냉매를 외기와의 열교환작용으로 고온고압의 액상냉매로 응축시켜주는 응축기의 기능으로 작동하게 된다.

상기 응축기 겸 증발기(4)와 수액기(5a)의 일측(도면상 우측부분)은 제2 냉매이송라인(3b)으로 연결되어 있으며, 상기 제2 냉매이송라인(3b)에는 냉매가 응축기 겸 증발기(4) 측에서 수액기(5a)를 향하는 일방향으로 흐르게 하는 체크밸브(31)가 장설되어 있으며, 또한 상기 체크밸브(31)의 양측에는 제1 팽창밸브(6a)와 제1 전자밸브(61)가 장설되어 있는 제1 바이패스라인(7a)이 연결되어 있다.

상기 수액기(5a)의 타측(도면상 좌측부분)에는 제3 냉매이송라인(3c)의 일단이 연결되어 있으며, 상기 제3 냉매이송라인(3c)의 타단은 복수의 저수조(8) 중 제1 저수조(8a)에 수중 설치된 제1 냉매순환관(9a)에 연결되어 있는데, 상기 제3 냉매이송라인(3c)이 제1 냉매순환관(9a)에 연결되는 구체적인 구조는 후술한다.

상기 복수의 저수조(8)는 독립된 구조의 제1 내지 제4 저수조(8a,8b,8c,8d)가 독립된 구조로 분리 형성되어 있으며, 상기 제1 내지 제4 저수조 각각에는 제1 내지 제4 냉매순환관(9a,9b,9c,9d)이 하나씩 수중 설치되어 있다.

상기 제1 내지 제 저수조(8a,8b,8c,8d) 각각은 복수의 격벽(81,82,83)에 의하여 분리되어 있는 한편, 상기 복수의 격벽 각각에 형성된 복수의 연결통로(84,85,86)에 의하여 제1 저수조(8a)에서 제4 저수조(8d)로 흐르도록 구성되어 있는 것이다.

따라서 상기 제1 저수조(8a)에 연결된 급수관(100)으로 급수되는 물은 제1 저수조(8a)에 저장되면서 격벽(81)의 연결통로(84)를 통해 제2 저수조(8b)로 흐르게 되며, 제2 저수조(8b)에 저장되는 물은 격벽(82)의 연결통로(85)를 통해 제3 저수조(8c)로 흐르게 되고, 제3 저수조(8c)에 저장되는 물은 격벽(83)의 연결통로(86)을 통해 제4 저수조(8d)로 흐르게 되며, 제4 저수조(8d)에 저장되는 물은 배수관(200)을 통해 배출되어 냉수를 사용하고자 하는 사용처로 공급되는 것이다.

한편, 상기한 제1 내지 제4 저수조(8a,8b,8c,8d)에는 제1 내지 제4 냉매순환관(9a,9b,9c,9d)이 각각 독립된 구조로 수중 설치되어 있으며, 상기 제1 내지 제4 냉매순환관(9a,9b,9c,9d) 각각은 칸막이(91)에 의하여 분리된 상,하부 분리관(92,93), 상기 상,하부 분리관(92,93) 각각에 연결된 상,하부 헤더(94,95), 상기 상,하부 분리관(92,93) 각각에 연결되는 복수의 상,하부 연결관(96,97), 상기 복수의 상,하부 연결관(96,97)을 연결시키는 통합관(98)으로 구성되어 있다.

또한 상기 제1 냉매순환관(9a)의 상부 헤더(94)와 제2 냉매순환관(9b)의 하부 헤더(95)는 제1 연결라인(99a)으로 연결되며, 상기 제2 냉매순환관(9b)의 상부 헤더(94)와 제3 냉매순환관(9c)의 하부 헤더(95)는 제2 연결라인(99b)으로 연결되고, 제3 냉매순환관(9c)의 상부 헤더(94)와 제4 냉매순환관(9d)의 하부 헤더(95)는 제3 연결라인(99c)으로 연결되어 있다.

그리고 상기 수액기(5a)의 타측(도면상 좌측부분)에 일단이 연결되어 있는 상기 제3 냉매이송라인(3c)의 타단은 상기 제1 냉매순환관(9a)의 하부 헤더(95)에 연결되어 있으며, 상기 제4 냉매순환관(9d)의 상부 헤더(94)와 상기 사방전자밸브(1)의 제4 접속구(14)는 제4 냉매이송라인(3d)으로 연결되어 있다.

상기 사방전자밸브(1)의 제3 접속구(13)는 제5 냉매이송라인(3e)에 의해 수액기(5a) 속에 이중관 구조로 형성되어 있는 액분리기(5b)의 일측(도면상 좌측부분)에 연결되어 있으며, 상기 액분리기(5b)의 타측(도면상 우측부분)은 제6 냉매이송라인(3f)에 의해 압축기(2)에 연결되어 있다.

한편, 상기 제3 냉매이송라인(3c)에는 압력조절밸브(32)가 장설되어 있으며, 상기 압력조절밸브(32)의 양측에는 제2 팽창밸브(6b)와 제2 전자밸브(62)가 장설되어 있는 제2 바이패스라인(7b)의 양단이 연결되어 있으며, 또한 제3 냉매이송라인(3c)과 제6 냉매이송라인(3f)에는 제2 팽창밸브(6c)와 제3 전자밸브(63)가 장설되어 있는 제3 바이패스라인(7c)이 연결되어 있다.

상기한 압력조절밸브(32)는 히트펌프가 냉수생산시스템으로 운전될 때에는 냉매의 이송을 차단하도록 제어하는 한편, 온수생산시스템으로 운전될 때에는 냉매가 설정된 압력으로만 이송되도록 하는 조절기능을 가지고 있다.

도 2의 도시는 냉·온수 생산장치의 히트펌프를 온수생산시스템으로 운전될 때의 냉매 흐름도를 도시한 것으로, 온수생산시스템으로 운전될 때에는 사방전자밸브(1)가 냉수생산시스템으로 운전될 때와는 냉매의 흐름이 반대방향으로 흐르도록 조절되어 있을 뿐 히트펌프의 냉동사이클을 형성하는 구성요소는 그대로 유지하고 있다. 즉, 상기 사방전자밸브(1)는 제1 접속구(11)와 제4 접속구(14)가 압축기(2)의 출구라인(21) 및 제4 냉매이송라인(3d) 각각에 연결되도록 구성되어 있고, 제2 접속구(12)와 제3 접속구(13)가 제1 냉매이송라인(3a) 및 제5 냉매이송라인(3e) 각각에 연결되도록 구성되어 있는 것이다.

그리고 상기 제1 냉매이송라인(3a)에는 온도감지센서(TC)가 장설되어 있는데, 상기 온도감지센서(TC)는 온수생산시 응축기 겸 증발기(4)에서 액분리기(5b)로 이송되는 냉매가 설정된 온도(대략 120℃ 정도) 보다 높을 때에는 제3 바이패스라인(7c)에 장설되어 있는 제3 전자밸브(63)를 개방작동시켜서 수액기(5a)에서 응축기 겸 증발기(4)로 이송되는 냉매가 제3 팽창밸브(6c)에서 급속히 팽창되어 제6 냉매이송라인(3f)에 공급되게 하여 액분리기(5b)에서 압축기(2)로 이송되는 냉매와 제3 팽창밸브(6c)에서 급속 팽창된 냉매가 상기 제6 냉매이송라인(3f)에서 혼합되어 압축기(2)에는 설정된 온도(대략 120℃ 이하)로 공급되도록 하는 것이다.

또한, 히트펌프가 온수생산시스템으로 운전될 때에는 외기 온도가 영하 10℃ 이하로 낮아져 증발기의 기능으로 작동되는 응축기 겸 증발기(4)에서 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되는 기체냉매에 증발되지 아니한 안개상태 냉매가 혼입된 상태일 때에는 별도로 구성되어 있는 보조 냉동기 유닛(300)이 작동하여 제1 냉매이송라인(3a)에 장설되어 있는 열교환기(310)에 고온고압의 기체냉매를 공급하도록 함으로써 상기 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되는 기체냉매에 혼입되어 있는 안개상태의 냉매를 증발시켜서 액분리기(5b)로 이송되게 하는 것이다.

한편, 히트펌프를 온수생산시스템으로 사용할 경우에는 도 3의 도시와 같이 제4 저수조(8d)에 제5 저수조(8e)를 추가로 연결 형성하는 구조로 복수의 저수조(8)를 구성할 수 있으며, 이 실시 예는 상기 제5 저수조(8e)에는 제4 저수조(8d)에서 제4 냉매순환관(9d)을 순환하는 고온고압의 기체냉매에 의해 가열된 온수를 더 높은 온도로 가열하기 위하여 별도의 히터(400)와 물을 순환시키는 순환펌프(410) 및 상기 순환펌프(410)에서 펌핑된 온수를 제5 저수조(8e)에 배출시키는 물순환관(420)을 구비하여 70℃ 이상의 온수를 생산할 수 있도록 하였다.

이와 같이 구성된 본 발명의 히트펌프가 냉수생산시스템으로 운전될 때 및 온수생산시스템으로 운전될 때의 작용을 설명하면 다음과 같다,

먼저, 히트펌프를 냉수생산시스템으로 운전할 때의 냉매 흐름방향 및 작용을 설명하기로 한다.

히트펌프를 냉수생산시스템으로 운전할 때에는 1의 도시와 같이 사방전자밸브(1)의 제1 접속구(11)와 제2 접속구(12) 각각은 압축기(2)의 출구라인(21) 및 제1 냉매이송라인(3a)에 연결되고, 제3 접속구(13)와 제4 접속구(14) 각각은 제5 및 제4 냉매이송라인(3e)(3d)에 연결되도록 작동되어 있다.

따라서 상기 압축기(2)에서 압축되어 출구라인(21)으로 이송되는 고온고압의 기체냉매는 제1 냉매이송라인(3a)을 통해서 응축기 겸 증발기(4)로 이송되는데, 이때 상기 응축기 겸 증발기(4)는 고온고압의 기체냉매를 액화시키는 응축기의 기능으로 작동되는 것이며, 보조 냉동기 유닛(300)은 작동하지 아니하는 상태이다.

상기와 같이 응축기의 기능으로 작동하는 응축기 겸 증발기(4)에서 액화된 고온고압의 액상냉매는 제2 냉매이송라인(3b)으로 이송되는데, 이때 상기 제2 냉매이송라인(3b)에 장설되어 있는 체크밸브(31)는 액상냉매를 수액기(5a)로 흐르는 것을 허용하는 상태이며, 제1 바이패스라인(7a)에 장설되어 있는 제1 전자밸브(61)는 오프(off : 폐쇄)된 상태이다. 따라서 상기 응축기 겸 증발기(4)에서 응축되는 고온고안의 액상냉매는 체크밸브(31)를 통과하여 수액기(5a)로 이송되는 것이다.

상기 수액기(5a)로 이송된 고온고압의 액상냉매는 액분리기(5b)에 저장되는 기체냉매에 포함되어 있는 안개상태의 냉매를 증발시키는 열교환작용을 한 후 제3 냉매이송라인(3c)으로 이송된다.

상기 수액기(5a)에서 액분리기(5b)에 저장되는 기체냉매와의 열교환작용을 한 냉매가 제3 냉매이송라인(3c)으로 이송될 때에는 압력조절밸브(32)는 닫혀 있는 상태인 반면, 제2 바이패스라인(7b)에 장설되어 있는 제2 전자밸브(62)는 개방된 상태이다. 따라서 상기 수액기(5a)에서 제3 냉매이송라인(3c)으로 이송되는 액상냉매는 제2 바이패스라인(7b)에 장설되어 있는 제2 팽창밸브(6b)에서 급속 팽창되어 안개상태의 냉매로 제1 저수조(8a)에 수중 설치된 제1 냉매순환관(9a)의 하부 헤더(95)로 이송 공급되는 것이다.

상기 제1 냉매순환관(9a)의 하부 헤더(95)로 공급되는 안개상태의 냉매는 하부 분리관(93)에 연결된 복수의 하부 연결관(97)을 통해 통합관(98)으로 이송되고, 상기 통합관(98)으로 이송되는 냉매는 복수의 상부 연결관(96)이 연결된 상부 분리관(92)을 통해 상부 헤더(94)로 이송되며, 상기 상부 헤더(94)로 이송되는 냉매는 제1 연결라인(99a)을 통해 제2 냉매순환(9b)으로 이송되고, 상기 제2 냉매순환관(9b)로 이송되는 냉매 역시 제2 냉매순환관(9b)의 하부 헤더(95)→하부 분리관(93)→복수의 하부 연결관(97)→통합관(98)→복수의 상부 연결관(96)→상부 분리관(94)→상부 헤더(94)를 거쳐 제2 연결라인(9b)을 통해 제3 저수조(8c)에 수중 설치된 제3 냉매순환관(9c)으로 이송 공급되며, 상기 제3 냉매순환관(9c)으로 이송 공급되는 냉매 역시 제3 냉매순환관(9c)의 하부 헤더(95)→하부 분리관(93)→복수의 하부 연결관(97)→통합관(98)→복수의 상부 연결관(96)→상부 분리관(94)→상부 헤더(94)를 거쳐 제3 연결라인(9c)을 통해 제4 저수조(8d)에 수중 설치된 제4 냉매순환관(9d)의 하부 헤더(95)로 이송 공급되고 상부 헤더(94)를 통해 제4 냉매이송라인(3d)으로 이송되는 것인데, 이와 같이 상기 제1 냉매순환관(9a)에서부터 제4 냉매순환(9d)을 향해 순차적으로 이송되는 안개상태의 냉매는 제1 저수조(8a) 내지 제4 저수조(8d) 각각에 저장되어 있는 물에서 열을 빼앗는 열교환작용으로 물을 냉각시키는 작용을 반복하게 된다.

따라서 상기 제1 저수조(8a)에 저장되는 물은 제1 냉매순환관(9a)을 순환하는 냉매에 의해 1차적으로 냉각되며, 제2 저수조(8b)에 저장되는 물은 제2 냉매순환관(9b)을 순환하는 냉매에 의하여 2차적으로 냉각되고, 제3 저수조(8c) 및 제4 저수조(8d) 각각에 저장되는 물은 제3 냉매순환관(9c) 및 제4 냉매순환관(9d) 각각을 순환하는 냉매에 의해 3차 및 4차적으로 냉각되므로, 이에 따라 상기 제1 내지 제4 저수조에 저장되는 물은 순차적으로 낮아지는 온도로 냉각되는 것이다. 예를 들어, 제1 저수조(8a)에 저장되는 물이 20∼15℃ 정도로 냉각된다고 가정할 경우, 제2 저수조(8b)의 물은 14∼11℃ 정도로 냉각되며, 제3 저수조(8c)의 물은 10∼7℃로 냉각되고, 제4 저수조(8d)의 물은 6∼4℃ 정도로 점차 낮아지는 온도로 냉각되는 것이다.

상기와 같이 히트펌프를 냉수생산시스템으로 운전할 경우에는 급수관(100)에서 급수되어 제1 저수조(8a)에서부터 제4 저수조(8d) 각각에 순차적으로 저장되는 물을 제1 냉매순환관(9a) 내지 제4 냉매순환관(9d)이 순차적으로 냉각하게 되므로 상기 제4 저수조(9d)의 배수관(200)으로는 가장 낮은 온도로 냉각된 냉수를 생산할 수 있게 되는 것이다.

다음, 히트펌프를 온수생산시스템으로 운전할 때의 냉매 흐름방향 및 작용을 설명하기로 한다.

히트펌프를 온수생산시스템으로 운전할 때에는 사방전자밸브(1)가 도 2의 도시와 같이 시계방향(화살표 참조)으로 회전작동된 상태이며, 이에 따라 제1 접속구(11)는 제4 냉매이송라인(3d)에 연결되고 제2 접속구(12)는 압축기(2)의 출구라인(21)에 연결되며, 제3 접속구(13)는 제1 냉매이송라인(3a)에 연결되고 제4 접속구(14)는 제5 냉매이송라인(3e)에 연결되도록 작동된 상태이다.

따라서 상기 압축기(2)에서 압축되어 출구라인(21)으로 이송되는 고온고압의 기체냉매는 제4 냉매이송라인(3d)을 통해 제4 저수조(8d)에 수중 설치된 제4 냉매순환관(9d)으로 이송되는데, 이때 제4 냉매순환관(3d)에서 이송되는 고온고압의 기체냉매는 제4 냉매순환관(9d)의 상부 헤더(94)→상부 분리관(92)→복수의 상부 연결관(96)→통합관(98)→복수의 하부 연결관(97)→하부 분리관(93)→하부 헤더(95)를 순차적으로 순환하는 과정에서 제4 저수조(8d)에 저장되는 물을 가열하는 열교환작용을 한 후 제3 연결라인(99c)을 통해 제3 저수조(8c)에 설치된 제3 냉매순환관(9c)으로 이송 공급되며, 상기 제3 냉매순환관(9c)으로 공급되는 기체냉매 역시 제3 저수조(8c)에 저장되는 물을 가열하는 열교환작용을 수행한 다음 제2 연결라인(99b)을 통해 제2 냉매순환관(9b)으로 이송 공급되어 제2 저수조(8b)에 저장되는 물을 가열하게 되고, 상기 제2 냉매순환관(9b)을 순환한 냉매는 제1 연결라인(99a)을 통해 제1 저수조(8a)에 저장되는 물을 가열한 후 제3 냉매이송라인(3c)을 통해 수액기(5a)측으로 이송되는데, 이와 같이 압축기(2)에서 압축된 고온고압의 기체냉매가 제4 냉매순환관(9d)을 순환하는 동안 제4 저수조(8d)에 저장되는 물을 첫번째로 가열하게 되므로 상기 제4 저수조(8d)에 저장되는 물이 가장 뜨겁게 가열되는 것이며, 두번째로 제3 냉매순환관(9c)을 순환하는 기체냉매가 제3 저수조(8c)에 저장되는 물을 가열하게 되며, 세번째로 제2 냉매순환관(9b)을 순환하는 기체냉매가 제3 저수조(8b)에 저장되는 물을 가열하게 되고, 네번째로 제1 냉매순환관(9a)을 순환하는 기체냉매가 제1 저수조(8a)에 저장되는 물을 가열하게 되는 것이다.

상기와 같이 압축기(2)에서 고온고압으로 압축된 기체냉매가 제4 냉매순환관(9d)으로 이송 공급되어 제4 저수조(8d)에 저장되는 물을 가열하고, 이어서 제3 저수조(8c)→제2 저수조(8b)→제1 저수조(8a)의 순서로 물을 가열하면서 이송되는 반면에, 급수관(100)으로 급수되는 물은 제1 저수조(8a)에 공급 저장되면서 제2 저수조(8b)→제3 저수조(8c)→제4 저수조(8d)의 순서로 저장되면서 배수관(200)으로 배출되는 것이다.

따라서 급수관(100)에서 급수되는 물은 제1 저수조(8a)에 설치된 제1 냉매순환관(9a)을 순환하는 기체냉매에 의해 1차적으로 가열되며, 다음으로 상기 제2 저수조(8b)에 저장되는 물은 제2 냉매순환관(9b)을 순환하는 기체냉매에 의해 2차적으로 가열되고, 그 다음으로 제3 저수조(8c)에 저장되는 물은 제3 냉매순환관(9c)을 순환하는 기체냉매에 의해 3차적으로 가열되며, 마지막으로 제4 저수조(8d)에 저장되는 물은 제4 냉매순환관(9d)을 순환하는 기체냉매에 의해 가열되는 것이므로 상기 복수의 저수조(8)에 저장되는 물은 제1 저수조(8a)에서부터 제4 저수조(8d)로 갈수록 점점 더 높아지는 온도로 가열되는 것이다.

예를 들어, 제1 저수조(8a)에 저장되는 물이 25∼35℃ 정도로 가열된다고 가정할 경우, 제2 저수조(8b)에 저장되는 물은 36∼45℃ 정도로 가열되며, 제3 저수조(8c)에 저장되는 물은 46∼55℃ 정도로 가열되며, 제4 저수조(8d)에 저장되는 물은 56∼65℃ 정도로 가열되는 것이므로 상기 제4 저수조(8d)에는 가장 뜨거운 온수가 저장되는 것이다.

상기와 같이 히트펌프를 온수생산시스템으로 사용할 경우 제1 냉매순환관(9a)의 하부 헤더(95)에서 제3 냉매이송라인(3c)으로 이송되는 액상냉매는 압력조절밸브(32)를 통과하게 되는데, 상기 압력조절밸브(32)는 액상냉매의 압력을 설정된 압력으로 조절하여 흐르게 하는 기능을 가지고 있으므로, 상기 제3 냉매이송라인(3c)으로 흐르는 액상냉매는 설정된 압력으로 이송되어 수액기(5a)에 공급되는 것이며, 상기 수액기(5a)에 유입된 액상냉매는 액분리기(5b)에 저장되는 기체냉매와 열교환작용을 하면서 제2 냉매이송라인(3b)으로 이송되는데, 이때 상기 제2 냉매이송라인(3b)에 장설되는 있는 체크밸브(31)는 액상냉매의 흐름을 차단하는 반면, 제1 바이패스라인(7a)에 장설되어 있는 제1 전자밸브(61)는 온(on : 개방)작동된 상태이다.

따라서 상기 수액기(5a)에서 제2 냉매이송라인(3b)으로 이송되는 액상냉매는 제1 팽창밸브(6a)에 의해 안개상태로 급속 팽창되어 증발기로 작동하는 응축기 겸 증발기(4)로 공급되는 것이며, 이에 따라 상기 응축기 겸 증발기(4)로 공급되는 안개상태의 냉매는 외부로부터 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발하여 제1 냉매이송라인(3a)을 따라 액분리기(5b)로 이송되는 것이며, 외기 온도가 낮은 동절기에는 증발기의 기능으로 작동하는 응축기 겸 증발기(4)에 공급되는 안개상태의 냉매가 외기로부터 빼앗는 열량이 부족한 상태가 될 수도 있는데, 이때에는 보조 냉동기 유닛(300)이 작동하여 증발기의 기능으로 작동하는 응축기 겸 증발기(4)에서 외기에서 얻지 못하는 부족한 열량만큼 열원을 보충해 준다. 즉, 상기 보조 냉동기 유닛(300)은 그의 압축기에서 압축된 고온고압의 기체냉매를 열교환기(310)로 공급하게 되므로 상기 응축기 겸 증발기(4)에서 증발되지 못하고 안개상태로 이송되는 냉매는 보조 냉동기 유닛(300)에서 열교환기(310)로 공급되는 기체냉매와의 열교환작용으로 증발하게 되는 것이다.

따라서 상기 응축기 겸 증발기(4)에서 이송되는 안개상태의 냉매가 보조 냉기 유닛(300)의 작동에 의해 증발되면서 제1 냉매이송라인(3a)을 따라 액분리기(5b)로 공급되며, 상기 액분리기(5b)로 공급되는 기체냉매는 수액기(5a)에 저장되는 액상냉매와 열교환한 후 제6 냉매이송라인(3f)를 통해 압축기(2)로 공급되는 순환작동을 반복하게 되는 것이다.

한편, 히트펌프를 온수생산시스템으로 사용함에 있어 동절기에 외기온도가 영하 10℃ 이하일 때에는 증발기로 사용되는 응축기 겸 증발기(4)에는 서리에 의한 적상(성에)이 생성되어 외부 열원과의 열교환효율이 떨어지게 되므로, 상기 응축기 겸 증발기(4)에 생성되는 성에를 제거해야 하는데, 이때에는 상기 응축기 겸 증발기(4)에 설치되어 있는 적상감지센서(41)가 성에의 적상상태를 감지하여 상기 사방전자밸브(1)를 작동시켜서 히트펌프가 냉수생산시스템으로 작동될 때의 상태(도 1 참조)와 같이 제1 접속구(11)는 압축기의 출구라인(21)에 접속되고 제2 접속구(12)는 제1 냉매이송라인(3a)에 접속되게 하므로 상기 압축기(2)에서 압축된 고온고압의 기체냉매가 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되어 증발기의 기능으로 작동하는 응축기 겸 증발기(4)로 공급되도록 함으로써 성에를 제거하게 되는 것이며, 이와 같이 성에를 제거하는데 소요되는 시간을 대략 5∼10초 정도로 매우 짧은 시간 동안 이루어진 후 원래의 작동상태 즉, 온수생산시스템(도 2 참조)으로 작동하게 되는 것이다.

또한, 히트펌프가 온수생산스스템으로 사용함에 있어 하절기에는 외기온도가 높기 때문에 증발기의 기능으로 사용되는 응축기 겸 증발기(4)에서 외부 열원과의 열교환작용하는 냉매가스가 과열될 수 있으며, 이 경우 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되는 냉매의 온도가 120℃ 보다 높을 때에는 이를 온도감지센거(TC)가 감지하여 제3 바이패스라인(7c)에 장설되어 있는 제3 전자밸브(63)를 온(on : 개방)작동시키게 되며, 이에 따라 제3 냉매이송라인(3c)으로 이송되는 액상냉매의 일부가 제3 바이패스라인(7c)으로 이송되어 제3 팽창밸브(6c)에 의해 안개상태로 급속 팽창되어 제6 냉매이송라인(3f)으로 공급된다.

따라서 상기 제1 냉매이송라인(3a)으로 이송되는 고온의 기체냉매는 액분리기(5b)를 거쳐 제6 냉매이송라인(3f)으로 이송될 때 제3 팽창밸브(6c)에서 안개상태로 급속 팽창된 저온저압의 냉매와 혼합되어 낮아지게 되므로 상기 압축기(2)에서 압축되는 기체냉매를 120℃ 이하의 온도로 유지시킬 수 있게 되므로 하절기에도 히트펌프를 온수생산시스템으로 작동시켜서 온수를 생산할 수 있게 되는 것이다.

그리고 도 3의 도시와 같이 제4 저수조(8d) 일측에 추가 형성된 제5 저수조(8e)에는 상기 제4 저수조(8d)에서 가열된 온수가 연결통로(87)을 통해 저장되며, 또한 상기 제5 저수조(8e)에 저장되는 온수는 순환펌프(410)에 의해 흡입 펌핑되어 물순환관(420)으로 배출되어 제5 저수조(8e) 내부에서 대류 순환하면서 히터(400)에 의해 가열되는 것이며, 이때 상기 히터(400)에 의해 가열되는 제5 저수조(8e)의 온수는 대략 70℃ 이상으로 가열되어 배수관(200)을 통해 온수 사용처로 공급할 수 있는 것이다.

1 : 사방전자밸브 11,12,13,14 : 제1 내지 제4 접속구
2 : 압축기 21 : 출구라인
3a,3b,3c,3d,3e,3f : 제1 내지 제6 냉매이송라인
31 : 체크밸브 32 : 압력조절밸브
4 : 응축기 겸 증발기 41 : 적상감지센서
5a : 수액기 5b :액분리기
6a,6b,6c : 제1 내지 제3 팽창밸브
61,62.63 : 제1 내지 제3 전자밸브
7a,7b,7c : 제1 내지 제3 바이패스라인
8a,8b,8c,8d,8e : 제1 내지 제5 저수조
81,82,83 : 격벽 84,85,86,87 : 연결통로
9a,9b,9c,9d : 제1 내지 제4 냉매순환관
91 : 칸막기 92 : 상부 분리관
93 : 하부 분리관 94 : 상부 헤더
95 : 하부 헤더 96 : 상부 연결관
97 : 하부 연결관 98 : 통합관
99a,99b,99c : 제1 내지 제3 연결라인
100 : 급수관 200 : 배수관
300 : 보조 냉동기 유닛 310 : 열교환기
400 : 히터 410 : 순환펌프
420 : 물순환관

Claims (9)

1. 제1 내지 제4 접속구가 형성되어 있는 사방전자밸브와, 압축기와, 응축기 겸 증발기와, 2중관 구조로 구성되는 수액기 및 액분리기와, 냉매순환관이 수중 설치되는 저수조와, 상기 사방전자밸브와 응축기 겸 증발기를 연결하는 제1 냉매이송라인과, 상기 응축기 겸 증발기와 수액기를 연결하는 제2 냉매이송라인과, 상기 수액기와 저수조에 수중 설치된 냉매순환관을 연결하는 제3 냉매이송라인과, 상기 냉매순환관과 사방전자밸브를 연결하는 제4 냉매이송라인과, 상기 사방전자밸브와 액분리기를 연결하는 제5 냉매이송라인과, 상기 액분리기와 압축기를 연결하는 제6 냉매이송라인으로 구성되는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치에 있어서,
   상기 저수조는 복수의 저수조로 분리 형성되어 있되, 상기 복수의 저수조 중 제1 저수조에는 급수관이 연결되어 있고, 제4 저수조에는 배수관이 연결되어 있으며,
   상기 제1 저수조 내지 제4 저수조 각각의 사이사이에 형성되는 복수의 격벽에는 각각 연결통로가 하나씩 형성되어 있고, 상기 급수관에서 제1 저수조로 급수된 물이 복수의 격벽 각각에 형성된 연결통로를 통해 제2 내지 제4 저수조를 향해 순차적으로 흘러서 상기 제4 저수조에 형성되어 있는 배수관을 통해 배출되도록 구성되어 있으며,
   상기 냉매순환관은 제1 내지 제4 저수조 각각에 하나씩 수중 설치되는 복수의 냉매순환관으로 구성되어 있되, 상기 제1 저수조에 설치된 제1 냉매순환관에는 상기 제3 냉매이송라인이 연결되고, 상기 제 4 저수조에 설치된 제4 냉매순환관에는 상기 제4 냉매이송라인이 연결되며, 상기 제1 냉매순환관에서부터 제4 냉매순환관 각각은 제1 내지 제3 연결라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 저수조에 형성된 급수관으로 급수되는 물의 경우는 냉수를 생산할 때나 온수를 생산할 때 공통으로 제1 저수조에서부터 제4 저수조를 향해 순차적으로 흘러서 상기 제4 저수조에 형성된 배수관을 통해 배출되도록 구성되어 있는 한편, 냉매의 경우 냉수생산시에는 물의 흐름방향과 같이 제1 냉매순환관에서부터 제4 냉매순환을 향해 순차적으로 이송되도록 구성하고, 온수생산시에는 물의 흐름방향과 반대로 제4 냉매순환에서부터 제1 냉매순환을 향해 역순으로 이송되도록 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 냉매이송라인에는 보조 냉동기 유닛의 압축기로부터 압축된 고온고압의 기체냉매의 열교환작용으로 상기 응축기 겸 증발기에서 제1 냉매이송라인으로 이송되는 냉매에 포함되어 있는 안개상태의 냉매를 증발시키는 열교환기가 장설되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 냉매이송라인에는 체크밸브가 장설되어 있으며, 상기 체크밸브의 양측에는 제1 전자밸브와 제1 팽창밸브가 장설된 제1 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3 냉매이송라인에는 압력조절밸브가 장설되어 있으며, 상기 압력조절밸브의 양측에는 제2 전자밸브와 제2 팽창밸브가 장설된 제2 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3 냉매이송라인과 제 6 냉매이송라인 사이에는 제3 전자밸브와 제3 팽창밸브가 장설된 제3 바이패스라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 냉매이송라인에는 온수생산시 응축기 겸 증발기에서 액분리기로 이송되는 냉매의 온도를 감지하여 제3 바이패스라인의 제3 전자밸브를 개방작동시켜서 제3 냉매이송라인을 통해서 수액기로 이송되는 냉매의 일부가 상기 액분리기에서 제6 냉매이송라인으로 이송되는 냉매와 혼합되어 압축기로 공급되도록 하는 온도감지센서가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 응축기 겸 증발기에는 온수생산시 응측기 겸 증발기에 적상이 형성될 때에는 압축기에서 압축된 고온고압의 기체냉매가 제1 냉매이송라인으로 흐르도록 상기 사방전자밸브를 작동시키는 적상감지센서가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 저수조의 제4 저수조에는 연결통로로 연결되는 제5 저수조가 추가로 연결 설치되어 있으며, 상기 제5 저수조의 수중에는 물을 가열하기 위한 히터와 물을 순환시키기 위한 순환펌프 및 물순환관을 형성하여 제5 저수조에 저장되는 물을 순환펌프로 순환시키면서 히터로 가열하여 배수관으로 배출시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉·온수 생산장치.

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