KR101538451B1 - 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관을 통해 온수 탱크와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기; 상기 제1 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 일측 입구가 연결되며 일측 출구가 상기 제1 압축기의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기;를 포함하는 제1 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 제2 사이클로서, 제2 압축기; 상기 제2 압축기의 출구와 타측 입구가 연결되고 제2 냉매로부터 방출된 열을 상기 제1 냉매가 흡수하도록 하는 상기 제2 판형 열교환기, 상기 제2 판형 열교환기의 타측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브, 상기 제2 팽창밸브와 연결되고 외기와의 열교환을 통해 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 제2 사이클를 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서, 상기 제2 사이클에서 상기 외기 증발기와 상기 제2 압축기 사이에 설치되는 액 분리기와, 상기 제 2 팽창밸브의 입구측 관로에서 분기되어, 상기 액 분리기의 입구측 관로에 연결되며, 제4 팽창밸브를 포함하는 제2 분기관로를 포함하여, 상기 제2 판형 열교환기를 거친 제2 냉매 중의 일부는 상기 외기 증발기를 경유함이 없이 상기 액 분리기로 입력될 수 있도록 압력기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 시스템에 대하여 개시한다.

Description

압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템{ENVIRONMENTAL ADAPTIVE HEAT PUMP SYSTEM FOR COOLING AND HEATING CAPABLE OF PROTECTING COMPRESSOR FROM OVERLOAD}

본 발명은 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 냉매의 과열 또는 저온에 따라 압축기에 과부하가 걸리는 것이 방지 가능한 압축기 과부하 방지가 가능한 환경 대응형 히프펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.

히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치를 의미한다.

히트펌프는 냉동사이클과 동일한 구성을 가지는데, 일반적으로, 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어지며, 상기 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축액화 되어 저온고압의 액체상태로 이르게 된다. 상기와 같이 응축된 냉매는 팽창밸브를 통하여 교축(Throttling)팽창되면서 일부 냉매액은 증발을 하고, 이 잠열의 흡수를 통하여 냉매액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서 배열시키는 즉 열을 이송하는 펌프로 볼 수가 있다.

히트펌프는 이와 같은 냉동 사이클에서 응축기 및 증발기를 기능이 전환 가능한 열교환기로 구성하여, 예컨대 난방시에 응축기 기능을 열교환기가 냉방시에는 증발기 기능을 하도록 함으로써, 냉난방을 동시에 구현할 수 있도록 하고 있다.

종래의 이러한 히트펌프 냉난방 시스템은 단일 사이클을 이용하였는데, 바닥 난방을 위해서는 고온수가 필요함에도 불구하고 50 ℃ 이상의 온수 생산이 불가능하여 바닥 난방이 불가능하였으며, 또한 겨울철에는 차가운 외기 온도로 인해 증발기에 증발이 되지 아니하여 냉난방기의 기능이 상실되는 문제점이 있었다.

특히 히트펌프 냉난방 시스템은 한국과 같이 더운 여름철과 추운 겨울철이 반복되는 환경에서는 냉매가 과열되거나 낮아서 안정적인 운전이 이루어지지 못하고 잦은 고장이 일어나는 단점이 있었다. 즉, 여름철 폭염이나 복사열이 매우 높은 경우에 냉매의 온도가 지나치게 높거나 압력이 높아 장치의 고장 또는 운전정지가 자주 발생하며, 동절기에는 증발가의 냉매온도가 너무 낮아 압축의 초기 운전시 운전부하가 증가하여 장치의 고장 및 운전 정지가 일어나고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 여름철에 냉매가 과열되는 경우에는 냉매의 온도를 냉각하여 냉매의 과열에 따른 압축기의 과부하 및 이로 인한 고장 및 운전정지를 예방할 수 있도록 한, 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 겨울철에 저온의 냉매를 일정한 온도로 승온할 수 있도록 예열을 하여 냉매의 저온에 따른 압축기의 과부하 및 이로 인한 고장 및 운전정지를 예방할 수 있도록 한, 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은 상기 목적을 달성하기 위해, 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관을 통해 온수 탱크와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기; 상기 제1 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 일측 입구가 연결되며 일측 출구가 상기 제1 압축기의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기;를 포함하는 제1 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 제2 사이클로서, 제2 압축기; 상기 제2 압축기의 출구와 타측 입구가 연결되고 제2 냉매로부터 방출된 열을 상기 제1 냉매가 흡수하도록 하는 상기 제2 판형 열교환기, 상기 제2 판형 열교환기의 타측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브, 상기 제2 팽창밸브와 연결되고 외기와의 열교환을 통해 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 제2 사이클를 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서, 상기 제2 사이클에서 상기 외기 증발기와 상기 제2 압축기 사이에 설치되는 액 분리기와, 상기 제 2 팽창밸브의 입구측 관로에서 분기되어, 상기 액 분리기의 입구측 관로에 연결되며, 제4 팽창밸브를 포함하는 제2 분기관로를 포함하여, 상기 제2 판형 열교환기를 거친 제2 냉매 중의 일부는 상기 외기 증발기를 경유함이 없이 상기 액 분리기로 입력될 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 사이클은, 제1 판형 열교환기와 상기 제1 팽창밸브를 연결하는 관로 사이에서 분기되어, 제1 냉매가 상기 액 분리기 내부를 경유하면서 열교환을 한 후 다시 관로로 복귀한 후 상기 제1 팽창밸브에 입력되도록 연결된 예열순환관로를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 판형 열교환기를 거친 제1 냉매가 상기 제1 팽창밸브로 바로 입력되거나 또는 상기 예열순환관로를 거친 후 상기 제1 팽창밸브로 입력되는 것을 선택적으로 제어하기 위한 전자변이 설치된다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 분기관로에는, 제2 분기관로를 향해 제2 냉매 중 일부가 유입되는 것을 제어하기 위한 전자변이 설치된다.

본 발명에 따르면, 상기 액 분리기의 입구 측 관로에는 상기 외기 증발기를 거친 제2 냉매의 온도를 감지할 수 있는 온도센서가 설치되고, 상기 제2 압축기의 입구 측 관로에는 상기 제2 압축기로 입력되는 제2 냉매의 압력을 감지할 수 있는 압력센서를 설치한다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 판형 열교환기(200)를 거친 냉매가 상기 제2 팽창밸브로 입력되는 관로에서 분기되어 상기 액 분리기(340)의 입구측 관로로 연결되는 제1 분기관로를 포함하고, 상기 제1 분기관로에 설치되는 제3 팽창밸브; 상기 제1 분기관로에 상기 제3 팽창밸브와 일측 입구가 연결되고 일측 출구가 상기 액 분리기(340)에 연결되게 설치되는 제 3 판형 열교환기; 상기 제3 판형 열교환기의 타측 입구 및 타측 출구가 연결되며 냉수 탱크의 물이 순환하는 냉수 순환관; 및 상기 제2 냉매의 유동을 상기 외기 증발기 또는 상기 제 3 판형 열교환기를 향한 유동 중에서 선택적으로 제어할 수 있게 하기 위해 설치되는 전자변;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클로서, 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 일측 입구가 연결되고 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관을 통해 온수 탱크와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기; 상기 제1 판형 열교환기의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브와 일측 입구가 연결되며 일측 출구가 상기 제1 압축기의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기; 를 포함하는 제1 사이클과, 제2 냉매가 순환하는 제2 사이클로서, 제2 압축기; 상기 제2 압축기의 출구와 타측 입구가 연결되고 제2 냉매로부터 방출된 열을 상기 제1 냉매가 흡수하도록 하는 상기 제2 판형 열교환기, 상기 제2 판형 열교환기의 타측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브, 상기 제2 팽창밸브와 연결되고 외기와의 열교환을 통해 열을 흡수하는 외기 증발기를 포함하는 제2 사이클를 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서, 상기 제2 사이클에서 상기 외기 증발기와 상기 제2 압축기 사이에 설치되는 액 분리기와, 제1 판형 열교환기와 상기 제1 팽창밸브를 연결하는 관로 사이에서 분기되어 제1 냉매가 상기 액 분리기 내부를 경유하면서 열교환을 한 후 다시 관로로 복귀한 후 상기 제1 팽창밸브에 입력되도록 연결된 예열순환관로를 포함하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템가 개시된다.

본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에 의하면, 여름철에 냉매가 과열되는 경우에는 냉매의 온도를 냉각하여 냉매의 과열에 따른 압축기의 과부하 및 이로 인한 고장 및 운전정지를 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 겨울철에 저온의 냉매를 일정한 온도로 승온할 수 있도록 예열을 하여 냉매의 저온에 따른 압축기의 과부하 및 이로 인한 고장 및 운전정지를 예방할 수 있다. 따라서 외부 환경의 변화에 관계없이 안정적인 동작이 가능하다.

도 1 은 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템의 장치 구성도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 온수 과정을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉수 및 온수의 동시 생산 과정을 도시한 도면이다
도 4 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 여름철 과열 냉매에 의한 압축기 과부하 방지 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 겨울철 저온 냉매에 의한 압축기 과부하 방지 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에 대하여 자세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템의 장치 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은, 고온 취득을 위한 제1 사이클(100)과 저온 취득을 위한 제2 사이클(300)이 제2 판형 열교환기(200)를 매개로 연결된 시스템이다.

제1 사이클(100)은 제1 사이클의 관로(101)를 따라, 제1 압축기(110)와, 제1 압축기(110)의 출구와 일측 입구가 연결된 제1 판형 열교환기(120)와, 제1 판형 열교환기(120)의 일측 출구와 연통된 제1 팽창밸브(130), 상기 제1 팽창밸브(130)의 출구와 일측 입구와 연결된 제2 판형 열교환기(200)를 포함한다. 상기 제2 판형 열교환기(200)의 일측 출구는 제1 압축기(110)의 입구와 연결되어 있다.

제1 사이클(100)의 관로(101)에는 제1 냉매의 순환을 제어하기 위해, 제1 판형 열교환기(120)와 제1 팽창밸브(130) 사이에 제1 전자변(150)이 설치된다.

제1 판형 열교환기(120)는 제1 압축기(110)로부터 압축된 제1 냉매가 유입되어 열 방출후 배출되는 일측 입구 및 일측 출구를 가지며, 온수 탱크(10)와의 열교환을 위해 온수 냉크(10) 내부와 제1 판형 열교환기(120) 사이를 순환하는 물의 입력 및 출력을 위한 온수 순환관(15)과 연결된 타측 입구 및 타측 출구를 가진다.

온수 생산을 위해 제1 압축기(110)가 동작을 시작하면, 압축된 제1 냉매는 제1 사이클(100)에서 응축기로 작용하는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하며, 방출된 열은 온수 순환관(15)을 통해 제1 판형 열교환기(120)로 유입된 물이 흡수한다. 데워진 온수는 온수 탱크(10)로 복귀하여 난방 및 온수 생산을 위해 사용된다.

제4 판형 열교환기(30)는 온수 탱크(10)로부터 입력된 온수와의 열교환을 통해 수도배관으로부터 유입된 물을 데워 온수관으로 공급한다.

제1 압축기(110)에서 압축된 제1 냉매는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하고 저온 고압의 액으로 변한 후, 제1 팽창밸브(130)로 거치면서 저온 저압의 액으로 변화하고, 제1 사이클(100)에서 증발기로 작용하는 제2 판형 열교환기(200)로 입력되어 제2 냉매의 열을 흡수한 후, 다시 제1 압축기(110)로 입력된다.

제2 사이클(300)은 제2 냉매가 순환하면서 저온을 취득하기 위한 사이클로서, 제2 사이클 관로(301)를 따라 제2 압축기(310)와 상기 제2 압축기(310)와 타측 입구가 연결된 제2 판형 열교환기(200), 제2 판형 열교환기(200)의 타측 출구와 연통된 제2 팽창밸브(320), 상기 제2 팽창밸브(320)의 출구와 연결된 외기 증발기(330)와, 상기 외기 증발기(330)의 출구와 연결된 액 분리기(340)를 포함하고, 액 분리기(340)의 출구는 제2 압축기(310)의 입구측 관로와 연결된다. 액 분리기(340)는 액화 상태의 잔류 냉매를 제거한다.

제2 압축기(310)가 압축을 시작하여 압축된 제2 냉매를 제2 판형 열교환기(200)에 공급하면, 제2 판형 열교환기(200)에서 제 2 냉매가 열을 방출하여 일측 입구로 입력되어 일측 출구로 배출되는 제1 사이클(100)의 제1 냉매가 열을 흡수토록 한다. 제 2 판형 열교환기(200)는 제1 사이클(100) 입장에서는 증발기, 제 2 사이클(300) 입장에서는 응축기 역할을 하면서 제2 사이클(300)에서 취득한 열을 제1 사이클(100)로 전달하여 제1 사이클(100)에서 고온수의 생산을 가능하게 한다.

제2 판형 열교환기(200)를 통과한 제2 냉매는 제2 팽창밸브(320)를 거친 후 저온 저압의 액으로 변환 후 외기 증발기(330)에 입력되어 외기로부터 열을 흡수한 후 고온 저압의 가스로 변한 후 액 분리기(340)를 거쳐 제2 압축기(310)로 입력된다.

제2 판형 열교환기(200)와 제2 팽창밸브(320) 사이 관로에는 냉매 보충을 위한 제1 보충기(315)를 설치하고, 외기 증발기(330)는 팬(335) 등에 의해 외기와 방열 효율을 향상시키도록 구성된다. 제2 압축기(310)와 제2 판형 열교환기(200) 사이에는 제2 보충기(312)를 구비된다.

고온 취득을 위한 제1 사이클(100)의 제1 냉매로는 R-134a 가 사용되고, 저온 취득을 위한 제2 사이클(300)의 제 2 냉매로는 R-410a 가 사용된다. R-134a 냉매는 응축온도가 높아 고온수를 생산하면서도 쉽게 응축이 되는 장점이 있으며, R-410a는 증발온도가 낮아서 추운 겨울철에도 증발이 원활한 장점이 있다.

본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은 증발기로서 외기 증발기(330)가 아닌 제3 판형 열교환기(380)가 이용가능하도록 제1 분기관로(350)를 포함한다. 제3 판형 열교환기(380)는 냉수의 생산을 가능하게 한다.

도면을 참조하면, 제1 보충기(315)와 제2 팽창밸브(320) 사이에서 분기되어 액 분리기(340)의 입력측에 연결되는 제1 분기관로(350)를 포함한다. 제1 분기관로(350)에는 제3 팽창밸브(357) 및 제3 판형 열교환기(380)가 설치된다.

제3 판형 열교환기(380)의 일측 입구 및 일측 출구는 제1 분기관로(350)를 따라 제3 팽창밸브(357) 및 액 분리기(340)로 연결되고, 타측 입구 및 출구는 냉수 순환관(25)과 연결된다.

제2 냉매의 유동 경로를 제어하기 위해 제2 팽창밸브(320)의 입구측 관로 및 제1 분기관로에 각각 제2 및 제3 전자변(317, 355)을 설치한다. 따라서, 제2 냉매가 외기 증발기(330)를 향하여 또는 제1 분기관로(350)를 통해 제3 판형 열교환기(380)를 향하여 선택적으로 유동하도록 제어한다.

냉수 순환관(25)은 냉수 탱크(20)와 연결되며, 냉수 순환관(25)을 따라 제3 판형 열교환기(380)로 입력된 물은 제3판형 열교환기(380)에 입력된 제2 냉매에 열을 빼앗기고 냉각된 후, 냉각 탱크(20)로 입력된다. 이와 같이 생산된 냉수는 공조설비 파이프를 통해 순환하면서 냉방을 하게 된다.

본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은, 액 분리기(340)에서 제2 냉매가 냉각(과열시)되거나 예열(저온시)될 수 있도록 구성하여 제2 압축기(310)의 과부하를 방지할 수 있도록 구성된다.

이를 위해, 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은, 제1 보충기(315)와 제2 팽창밸브(320) 사이의 관로에서 분기하여 액 분리기(340)의 입구 측 관로에 연결되는 제2 분기관로(360)를 포함한다. 제2 분기관로(360)에는 제4 팽창밸브(367) 및 제4 전자변(365)이 설치된다. 따라서, 제3 전자변(355)이 닫힌 상태에서, 제2 및 제 4 전자변(317, 365)가 함께 개방되는 경우, 제1 보충기(315)를 거친 제2 냉매 중 일부는 제2 분기관로(360)를 통해 유동하여 제4 팽창밸브(367)를 거친 후 외기와의 열교환을 통한 열 흡수 없이 액 분리기(340)로 유입된다. 나머지 제2 냉매는 제2 팽창밸브(320) 및 외기 증발기(330)를 거친 후 액 분리기(340)로 유입된다.

제2 분기관로(360)를 통해 유입되는 일부의 제2 냉매는 외기로부터의 열 흡수 없이 액 분리기(340)로 입력되어 외기 증발기(330)를 거치면서 외기의 열을 흡수한 고온 가스 상의 제2 냉매와 만난다. 제2 분기관로(360)를 통해 유입된 제2 냉매는 외기의 열을 흡수하지 아니한 상태이므로 외기 증발기(330)를 거친 나머지 제 2 냉매 보다 저온 상태이므로, 액 분리기(340) 내부에서는 냉각이 이루어지고, 이에 의해 액 분리기(340)에서 출력되는 고온 저압의 가스는 외기 증발기(330)에서 출력된 고온 저압의 가스보다 온도 및 압력이 낮아진 상태로 제2 압축기(310)를 향해 출력될 수 있다.

온도의 조절은 제4 전자변(365)의 개방 시간에 의해 결정된다. 외기 증발기(330)를 지나 액 분리기(340)로 입력되는 관로 상에 온도센서(40)가 설치되고, 제 2 압축기(310)로 입력되는 관로 상에 압력센서(45)가 설치되고, 이를 통해 제어부(미도시)는 제2 냉매가 과열 및/또는 과압 상태에 있는지를 판단하고, 과열 및/또는 과압 상태가 있는 것으로 판단되며 제4 전자변(365)을 개방하여 일부의 제 2 냉매를 제2 분기관로(360)를 통해 유동되도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지 가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템은, 제1 사이클(100)의 제1 냉매의 관로(101) 상에서 제1 판형 열교환기(120)를 거친 제1 냉매가 분기되어 액 분리기(340) 내부로 순환하면서 제2 냉매를 예열할 수 있도록 하는 예열순환관로(180)를 구비한다.

예열순환관로(180)는 제1 판형 열교환기(320)와 제1 팽창밸브(130) 사이에 분기되어 액 분리기(340) 내부로 연장하고, 액 분리기(340) 내부를 나선형으로 경유한 후, 제1 팽창밸브(130) 입구측 관로로 연결된다. 예열순환관로(180)에는 제5 전자변(182)을 설치하고, 제1 전자변(150)은 예열순환관로의 분기점(102) 및 복귀점(103) 사이에 위치시켜, 제1 및 제5 전자변(182) 제어에 의해 제1 냉매의 유동 방향을 선택적으로 제어한다.

제2 사이클(300) 동작을 위해 제2 압축기(210)의 동작이 시작할 때, 온도센서(40)에 의해 제2 냉매의 온도가 설정 온도 보다 낮아 제2 압축기(310)에 과부하를 줄 우려가 있는 경우, 제어부는 제1 전자변(150)을 닫고 제5 전자변(182)을 개방하여 제1 냉매가 예열순환관로(180)를 통해 유동하여, 제1 냉매의 잔열에 의해 액 분리기(340) 내부의 제2 냉매를 예열한 후, 제1 팽창밸브(130)로 입력되도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템을 동작을 설명한다.

도2 는 본 발명에 따른 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 온수 과정을 도시한 도면이다.

온수만을 생산하는 모드에서는 외기 증발기(330)가 증발기로 사용된다.

시스템의 동작이 시작하면 제1 압축기(110)가 압축운전을 실시하고 제1 전자변(150)이 개방된다. 이 때 제5 전자변(182)은 닫혀진 상태를 유지한다. 제1 압축기(110)에서 압축된 제1 냉매는 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출하며 방출된 열은 온수 순환관(15)을 통해 제1 판형 열교환기(120)에 입력되어 출력되는 물에 의하여 온수 탱크(10)로 전달된다. 제1 판형 열교환기(120)에서 열을 방출한 제 1 냉매는 저온 고압의 액으로 변하고, 제1 팽창밸브(130)를 거쳐 저온 저압의 액으로 변환된 후 제2 판형 열교환기(200)로 입력된다.

한편, 제1 압축기(110)의 운전실시 후 몇 분이 경과된 후 제2 압축기(310)의 운전이 시작되고 제2 전자변(317)이 개방된다. 여기서 제3 및 제4 전자변(355, 365)은 닫힌 상태이다. 제2 압축기(310)의 기능은 제1 사이클(100)에서 증발기 역할을 하는 제2 판형 열교환기(200)에 열을 공급하는 것이다. 제2 압축기(310)가 압축 운전을 실시하여 압축된 제2 냉매를 제2 판형 열교환기(200)에 공급하면 제2 냉매가 열을 방출하고 제1 냉매는 열을 흡수한다.

제2 판형 열교환기(200)를 거치면서 열을 방출한 제2 냉매는 제1 보충기(315) 및 제 2 팽창밸브(320)를 거쳐 외기 증발기(330)로 입력된다. 외기 증발기(330)에서 제2 냉매는 외기와의 열교환을 통해 공기 중의 열을 흡수한 후, 액 분리기(340)를 거쳐 다시 제 2 압축기(310)로 입력된다.

이와 같은 과정을 통해 제2 사이클(300)에 의해 취득된 열이 제1 사이클(100)로 전달되어 대기온도가 낮은 경우에도 난방에 필요한 고온의 난방수를 얻는 것이 가능하게 된다. 즉, 제2 압축기(310)에 의해 겨울철을 기준으로 공기 중에서 흡수한 열(대략 40℃ ~ 50℃)을 제1 압축기(110)가 다시 압축하여 난방이 가능한 온도(대략 70℃)로 상승시키는 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉수 및 온수의 동시 생산 과정을 도시한 도면이다.

제1 사이클(100)은 운전 과정은 동일하다. 냉수 및 온수 동시 생산을 위해서는 제2 사이클(300)에서 제2 냉매의 유동 경로가 일부 변경된다. 제2 전자변(317)이 닫히고, 제3 전자변(355)이 개방되어 제1 분기관로(350)를 통해 제2 냉매가 유동되도록 한다. 따라서 제3 판형 열교환기(380)가 제2 사이클(300)의 증발기 역할을 하게 된다. 제4 전자변(365)은 닫힌 상태이다.

제1 보충기(315)를 통과한 제2 냉매는 제3 전자변(355), 제3 팽창밸브(357)를 거쳐 제3 판형 열교환기(380)로 입력되어 냉수 순환관(25)을 통해 입력되는 물로부터 열을 흡수함으로써, 제2 냉매는 열을 흡입하여 고온 저압의 가스로 변화고, 물은 냉각된다.

제3 판형 열교환기(380)에는 냉수 순환관(25)을 통한 물을 흐름을 감지할 수 있는 유수센서(미도시)를 추가로 구비하여, 유수센서에 의해 물의 공급이 중단된 것을 확인하면 제3 전자변(355)을 닫고 제2 전자변(317)을 개방하여 냉수 생산이 정지되도록 한다.

제3 판형 열교환기(380)에서 열을 흡수한 제2 냉매는 액 분리기(340)를 거쳐 제2 압축기(310)로 입력된다.

도 4 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 여름철 과열 냉매에 따른 압축기의 과부하 방지 과정을 설명하기 위한 도면이다.

과열 냉매 온도 조절 기능은 폭염 등으로 대기온도가 높은 여름철에 사용된다. 제2 사이클(300)의 외기 증발기(330)는 기화현상을 통해 대기 중의 열을 흡수하는데 대기온도가 대략 35℃ 이상이면 외기 증발기(330)를 통과한 기체 냉매의 온도가 지나치게 높아지고, 이로 인해 내부 압력이 급상승하여 제2 압축기(310)에 과부하로 작용한다.

온도센서(40) 및/또는 압력센서(45)는 외기 증발기(330)를 통과한 제2 냉매의 온도가 설정치 이상으로 높거나 냉매 압력이 설정된 압력 이상인 경우에, 제2 분기관로(360)를 통해 일부의 제2 냉매를 외기 증발기(340)의 경유 없이 액 분리기(340)로 유입되도록 함으로써 과열 냉매를 냉각시킨다.

제2 전자변(317)은 개방된 상태를 유지하면서 닫혀있던 제4 전자변(365)이 개방되면, 제1 보충기(315)를 거친 제2 냉매 중 일부가 분기되어 외기 증발기(330)를 향한 경로가 아닌 제2 분기관로(360)로 유입하여 외기 증발기(330)을 거치지 않고 액 분리기(340)로 입력된다. 제2 분기관로(360)를 거친 제 2 냉매는 저온 상태으므로 외기 증발기(330)를 거친 고온의 제 2 냉매를 냉각시키는 것이 가능하다. 액 분리기(340)의 온도가 낮아지는 것에 의하여 냉매의 압력 또한 낮아진다. 이로 인해, 액 분리기(340)를 거쳐 제2 압축기(310)에 유입되는 제2 냉매의 과열, 과압을 해소할 수 있게 된다. 따라서 제2 압축기(310)의 과부하 및 이로 인한 고장 및 운전정지를 막을 수 있다.

온도의 조절은 제4 전자변(365)의 개방시간에 의해 결정되는 데, 온도센서(40)에서 측정되는 온도와 압력센서(45)에서 측정되는 압력에 따라 결정된다.

도 5 는 본 발명에 따른 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템에서 동절기 저온 냉매에 의한 압축기 과부하 방지 과정을 설명하기 위한 도면이다.

동절기 외부에 노출되어 설치된 외기 증발기(330)에 의하여 초기 운전시 제2 압축기(310)로 유입되는 제2 냉매의 온도가 지나치게 낮은 경우 운전부하를 상승시켜 고장 및 운전고장을 초래한다. 이러한 동절기에는 액 분리기(340)에 잔열을 가지고 있는 제1 사이클(100)의 제1 냉매를 경유시켜 제2 압축기(310)에 유입되는 냉매를 예열하는 과정을 수행한다.

제1 판형 열교환기(120)를 통과한 냉매는 저온 고압의 액상이지만, 열교환 후에도 잔열을 가지고 있다. 즉, 동절기 액 분리기(340) 내부의 제2 냉매보다 높은 온도를 유지한다. 따라서 온도센서(40)에 의해 측정된 제2 냉매의 온도가 예열이 필요한 것으로 판단되는 경우, 제1 판형 열교환기(120)에서 열교환후 잔열을 가지고 있는 제1 냉매가 예열순환관로(180)를 통해 유동하도록 한다. 이를 위해 제1 전자변(150)은 닫히고 제5 전자변(182)이 개방된다. 이때 제 2 사이클(300)에서는 제 3및 제 4 전자변(355, 365)은 닫혀있는 상태이고, 제 2 전자변(317)이 개방되어 있는 상태이다. 잔열을 가지고 있는 제1 냉매가 액 분리기(340) 내부를 예열순환관로(180)를 따라 유동하면서 액 분리기(340) 내부에서 제2 냉매와 열교환을 한다. 따라서 제2 압축기(310)에 유입되는 제2 냉매는 일정한 온도로 예열된 상태로 입력될 수 있다.

이로 인해 동절기 저온 냉매에 따른 제2 압축기(310)의 과부하 및 이로 인한 정지 및 운전고장의 가능성을 예방하고 시스템을 안정적으로 구동할 수 있게 된다.

100: 제1 사이클 110: 제1 압축기
120: 제1 판형 열교환기 130: 제1 팽창밸브
150: 제1 전자변 180: 예열순환관로
200: 제2 판형 열교환기 300: 제2 사이클
310: 제2 압축기 315: 제1 보충기
312: 제2 보충기 317: 제2 전자변
320: 제2 팽창밸브 330: 외기 증발기
340: 액 분리기 350: 제1 분기관로
355: 제3 전자변 357: 제3 팽창밸브
360: 제2 분기관로 365: 제4 전자변
367: 제4 팽창밸브 380: 제3 판형 열교환기

Claims (6)

1. 제1 냉매가 순환하는 제1 사이클(100)로서, 제1 압축기(110); 상기 제1 압축기(110)와 일측 입구가 연결되고 타측 입구 및 출구로 연결된 온수 순환관(15)을 통해 온수 탱크(10)와의 사이에서 순환하는 물로 상기 제1 냉매의 열을 방출하는 제1 판형 열교환기(120); 상기 제1 판형 열교환기(120)의 일측 출구와 연결되는 제1 팽창밸브(130); 상기 제1 팽창밸브(130)와 일측 입구가 연결되며 일측 출구가 상기 제1 압축기(110)의 입구와 연결되는 제2 판형 열교환기(200); 를 포함하는 제1 사이클(100)과,
   제2 냉매가 순환하는 제2 사이클(300)로서, 제2 압축기(310); 상기 제2 압축기(310)의 출구와 타측 입구가 연결되고 제2 냉매로부터 방출된 열을 상기 제1 냉매가 흡수하도록 하는 상기 제2 판형 열교환기(200), 상기 제2 판형 열교환기(200)의 타측 출구와 연결되는 제2 팽창밸브(320), 상기 제2 팽창밸브(320)와 연결되고 외기와의 열교환을 통해 열을 흡수하는 외기 증발기(330)를 포함하는 제2 사이클(300)를 포함하는 히트펌프 냉난방 시스템으로서,
   상기 제2 사이클(300)에서 상기 외기 증발기(330)와 상기 제2 압축기(310) 사이에 설치되는 액 분리기(340)와,
   상기 제 2 팽창밸브(320)의 입구측 관로에서 분기되어 상기 액 분리기(340)의 입구측 관로에 연결되는 제2 분기관로(360)와,
   상기 제2 분기관로(360)에 설치되는 제4 팽창밸브(367)와,
   상기 제2 분기관로(360)를 통한 냉매의 유동을 제어하기 위해 설치되는 전자변(365)을 포함하여,
   상기 전자변(365)의 개방시 상기 제2 판형 열교환기(200)를 거친 제2 냉매 중의 적어도 일부는 상기 외기 증발기(330)를 경유함이 없이 상기 액 분리기(340)로 입력 가능한 것을 특징으로 하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 사이클(100)은, 제1 판형 열교환기(120)와 상기 제1 팽창밸브(130)를 연결하는 관로 사이에서 분기되어, 제1 냉매가 상기 액 분리기(340) 내부를 경유하면서 열교환을 한 후 다시 관로로 복귀한 후 상기 제1 팽창밸브(130)에 입력되도록 연결된 예열순환관로(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 판형 열교환기(120)를 거친 제1 냉매가, 상기 제1 팽창밸브(130)로 바로 입력되거나 또는 상기 예열순환관로(180)를 거친 후 제1 팽창밸브(130)로 입력되는 것을 선택적으로 제어하기 위한 전자변(150, 182)이 설치되는 것을 특징으로 하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 분기관로(360)에는, 제2 분기관로를 향해 제2 냉매 중 일부가 유입되는 것을 제어하기 위한 전자변(365)이 설치되는 것을 특징으로 하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 액 분리기(340)의 입구 측 관로에는 상기 외기 증발기(330)를 거친 제2 냉매의 온도를 감지할 수 있는 온도센서(40)가 설치되는 것을 특징으로 하는 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제2 압축기(310)의 입구 측 관로에는 상기 제2 압축기(310)로 입력되는 제2 냉매의 압력을 감지할 수 있는 압력센서(45)가 설치되는 것을 특징으로 압축기 과부하가 방지가능한 환경 대응형 히트펌프 냉난방 시스템.

Images