KR101564971B1 - 히트펌프를 이용한 전기발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히트펌프의 작동사이클 과정에서 발생하는 압력차를 이용하여 발전할 수 있도록 한 히트펌프를 이용한 전기발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 히트펌프를 이용한 전기발전장치는, 어큐뮬레이터, 압축기 및 사방밸브를 포함하는 히트펌프에 있어서, 상기 어큐뮬레이터로는 압축기로 저압가스가 인입되는 인입배관 외 별도로 설치되어 순환된 저압가스가 어큐뮬레이터로 배기되는 리턴배관과; 상기 압축기로는 압축기에서 배출된 고압가스 흐르고, 사방밸브로 연결된 토출배관 상에서 분기되어 고압가스를 공급하는 공급배관과; 상기 순환된 저압가스가 배기되는 리턴배관 및 고압가스를 공급하는 공급배관이 설치되고, 방향제어가 가능한 솔레노이드밸브와; 상기 솔레노이드밸브의 고압가스가 공급되어 피스톤이 왕복으로 작동하고, 피스톤의 작동 후 저압가스를 솔레노이드밸브 및 리턴배관으로 배기하는 복동식 실린더와; 상기 복동식 실린더의 왕복운동을 회전운동으로 변환시켜 발전기를 작동시키는 기어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프를 이용한 전기발전장치{.}

본 발명은 전기발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히트펌프의 작동사이클 과정에서 발생하는 압력차를 이용하여 발전할 수 있도록 한 히트펌프를 이용한 전기발전장치에 관한 것이다.

전기발전장치는 통상적으로 발전기의 회전자로 역학에너지를 전달하여 회전자를 회전시킴으로써 전기를 생산하는 장치이다.

이러한 전기발전장치는 다양하게 변환되는 역학에너지 등을 통해 발전기를 구동시키고 있다.

한편, 근래에 들어 일반화되고 있는 히트펌프를 이용한 전기발전장치 등이 개시되어 있고, 일 예로서 대한민국 등록특허 제10-1311194호 "자연바람과 기계바람을 이용하여 풍력발전이 가능한 히트펌프 실외기"가 개시되어 있다.

상기 등록특허는 히트펌프의 실외기 외부에 발전용 회전날개를 더 설치하여 회전날개의 회전에 따라 작동되는 발전기를 연계시켜 발전하는 장치이나, 히트펌프의 작동유체를 이용하는 것이 아니다.

또한, 히트펌프의 작동유체를 이용하여 발전하는 장치로서 대한민국 공개특허 제10-2006-0066154호 "냉매가스터빈발전기이용 절전형 히트펌프" 등이 개시되 있다.

여기에는 팽창밸브 대신 이를 대체하는 발전기를 설치하는 구성으로 매우 획기적인 발명이라 할 수 있으나, 발전기를 이루는 구성이 명확하지 않아 그 실시가 매우 불명확한 문제점이 발생하였다.

대한민국 등록특허 제10-1311194호 "자연바람과 기계바람을 이용하여 풍력발전이 가능한 히트펌프 실외기" 대한민국 공개특허 제10-2006-0066154호 "냉매가스터빈발전기이용 절전형 히트펌프"

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프의 냉매와 같은 작동유체를 이용하되, 피스톤의 왕복운동 및 회전운동과 같은 기계적 운동으로 변환시켜 최종적으로 발전기를 작동시켜 전기를 발생시킨다.

본 발명의 일면에 따른 히트펌프를 이용한 전기발전장치는,

어큐뮬레이터, 압축기 및 사방밸브를 포함하는 히트펌프에 있어서,

상기 어큐뮬레이터로는 압축기로 저압가스가 인입되는 인입배관 외 별도로 설치되어 순환된 저압가스가 어큐뮬레이터로 배기되는 리턴배관과;

상기 압축기로는 압축기에서 배출된 고압가스 흐르고, 사방밸브로 연결된 토출배관 상에서 분기되어 고압가스를 공급하는 공급배관과;

상기 순환된 저압가스가 배기되는 리턴배관 및 고압가스를 공급하는 공급배관이 설치되고, 방향제어가 가능한 솔레노이드밸브와;

상기 솔레노이드밸브의 고압가스가 공급되어 피스톤이 왕복으로 작동하고, 피스톤의 작동 후 저압가스를 솔레노이드밸브 및 리턴배관으로 배기하는 복동식 실린더와;

상기 복동식 실린더의 왕복운동을 회전운동으로 변환시켜 발전기를 작동시키는 기어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 적용된 기어장치는 상기 피스톤에서 연장된 피스톤로드와 회동가능하게 결합된 커넥팅로드를 포함하고, 상기 커넥팅로드의 왕복운동을 회전운동으로 변환하도록 기어가 형성된 플라이휠의 일측과 결합되며, 상기 플라이휠과 치합되어 회전하는 피니언이 설치되고, 상기 발전기가 피니언의 축과 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복동실린더의 상사점 및 하사점에는 피스톤의 작동위치를 감지하는 센서가 설치되고, 상기 센서는 솔레노이드밸브를 작동시켜 고압가스 및 저압가스를 공급 내지 배기하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발전기와 피니언 사이로는 증속기가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적 및 효과는 이하의 상세한 설명으로부터 명확하게 되고, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 상세한 설명 및 실시예는 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다.

본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기발전장치에 의하면 히트펌프의 압축기 토출 배관을 흐르는 고압의 작동유체인 고압가스를 이용하여 발전을 할 수 있어 복잡한 제어장치가 필요 없고, 히트펌프의 운전시 작동하므로 무비용 전기를 생산할 수 있는 효과가 발생한다.

도 1의 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기발전장치의 계통도이다.
도 2의 a와 b는 본 발명에 적용된 솔레노이드밸브의 작동상태를 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명에 적용된 복동 실린더를 통해 기어장치가 회전하는 상태를 보여주는 작동도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저, 도면에 걸쳐 기능적으로 동일하거나, 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.

도 1의 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 전기발전장치의 계통도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 어큐뮬레이터(50), 압축기(10) 및 사방밸브(60)를 포함하는 히트펌프(100)이다.

본 발명에 적용된 히트펌프(100)는 공지의 히트펌프(100) 구성인 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 증발기(40)를 포함하고 있으며, 압축기(10)를 통해관 작동유체는 냉매로서, 고온, 고압의 기체상태의 고압가스 상태이며, 응축기(20)를 지나면서 저온, 고압의 액체상태가 되고, 팽창밸브(30)를 지나면서 저온, 저압의 액체상태가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 열을 빼앗거나 뺏겨 저압가스가 되어 다시 압축기(10)로 인입된다.

이때, 전기적 신호에 의해 작동하는 사방밸브(60)는 압축기(10)와 응축기(20), 증발기(40)의 배관 상에 설치되어 있으며, 여기에 다시 별도의 배관으로 연결된 에큐뮬레이터(50)가 설치되어 있다. 이러한 사방밸브(60)의 선택적 개폐에 따라 하절기에는 응축기(20) 냉방기로, 동절기에는 증발기(40)가 난방기의 기능으로 사용된다.

특히, 어큐뮬레이터(50)로는 압축기(10)로 저압가스가 인입되는 인입배관 외 별도로 설치되어 순환된 저압가스가 어큐뮬레이터(50)로 배기되는 리턴배관(R)이 설치되어 있다.

이 리턴배관(R)은 후술하는 복동실린더()를 작동시킨 후 순환하여 저압으로 배기되는 저압가스를 어큐뮬레이터(50)를 통해 압축기(10)로 공급하는 역할을 수행한다.

다시, 압축기(10)로는 압축기(10)에서 배출된 고압가스 흐르고, 사방밸브(10)로 연결된 배관 상에서 분기되어 고압가스를 공급하는 공급배관(A)이 설치되어 있고, 이러한 리턴배관(R)과 공급배관(A)은 솔레노이드밸브(70)와 연결되어 있다.

도 2의 a와 b는 본 발명에 적용된 솔레노이드밸브의 작동상태를 보여주는 도면들로서, 도 1과 도 2의 a와 b를 참조하면, 본 발명에 적용된 솔레노이드밸브(70)는 방향제어가 가능한 밸브로서, 솔레노이드가 양단에 설치된 양 솔레노이드밸브가 적용되는 것이 바람직하며, 특히, 도 2의 a와 같이 압축기(10)를 통해 인입되는 고압가스를 복동실린더(80)에 공급하여 피스톤(82)을 상승시키고, 저압가스를 배기시키는 역할을 수행한다.

또한, 도 2의 b와 같이 피스톤(82)을 하강시키기 위해서 다시, 압축기(10)를 통과한 고압가스를 복동실린더(80)에 공급하여 피스톤(82)을 하강시키고, 저압가스를 배기시킨다.

이러한 솔레노이드밸브(70)의 작동은 피스톤(82)의 상사점과 하사점을 감지하도록 복동실린더(80)에는 센서(84)가 설치되어 있으며, 이 센서(84)들에 의해서 감지되며, 감지된 신호를 솔레노이드로 보내 방향제어밸브를 작동시켜 도 2의 a와 b와 같은 작동을 수행한다.

전술한 바와 같이, 배기된 저압가스는 리턴배관(R)으로 이동하며, 고압가스는 공급배관(A)으로 공급된다.

위와 같이, 본 발명은 히트펌프(HP)의 고압가스를 이용하여 복동실린더(80)를 작동시켜 냉매인 작동유체의 운동에너지를 이용할 수 있다.

다시, 복동실린더(80)의 작동을 통해 발전하는 과정을 설명한다.

도 3은 본 발명에 적용된 복동 실린더를 통해 기어장치가 회전하는 상태를 보여주는 작동도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 복동식 실린더(80)의 왕복운동을 회전운동으로 변환시켜 발전기(100)를 작동시키는 기어장치(90)를 포함하고 있다.

본 발명에 적용된 기어장치(90)는 피스톤(82)에서 연장된 피스톤로드(86)와 회동가능하게 결합된 커넥팅로드(92)를 포함하고 있다.

피스톤로드(86)와 커넥팅로드(92)의 결합은 회동가능하게 동요각(動搖角)을 갖고 있다. 이 동요각에 의해서 피스톤로드(86)의 상하 왕복운동시 피스톤로드(86)에서 발생할 수 있는 휨 등에 의한 변형을 방지하나, 그렇다고 이러한 회동결합에만 한정되지 않고, 동요각 없이 결합될 수도 있다.

본 발명은 커넥팅로드(92)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하도록 기어가 형성된 플라이휠(94)의 일측과 결합되어 있다.

다시, 커넥팅로드(92)의 왕복운동을 회전토크로 변환시키기 위하여 커넥팅로드(92)와 플라이휠(94) 사이에는 크랭크축(98)이 결합되어 있다.

플라이휠(92)은 그 외면으로 기어가 형성되어 있으며, 상기 동요각에 의해서 사점(dead point)을 통과하기 쉽게하고, 또 회전력을 평균화한다.

본 발명은 플라이휠(92)과 치합되어 회전하는 피니언(96)이 설치되고, 피니언(96)은 증속기(110)에 의해서 더욱 가속된 후 다시 발전기(100)와 연결되어 최종적으로 발전하게 된다.

본 발명에 있어서 피니언(96)은 플라이휠(92)보다 상대적으로 작은 지름을 가지고 있어 그 회전속도가 가속된다.

이러한 피니언(96)의 축은 증속기(110)와 결합되어 가속된 피니언(96)의 회전을 1:10, 1:20의 비율과 같이 증속하여 발전기에서 필요로 하는 회전력을 발생시킨다.

본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하는 일없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 전술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해서 나타내는 것으로써, 명세서 본문에 의해서는 아무런 구속도 되지 않는다. 다시, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.

10: 압축기 20: 응축기
30: 팽창밸브 40: 증발기
50: 어큐뮬레이터 60: 사방밸브
70: 솔레노이드밸브 80: 복동실린더
90: 기어장치 100: 발전기

Claims (4)

1. 어큐뮬레이터, 압축기 및 사방밸브를 포함하는 히트펌프에 있어서,
   상기 어큐뮬레이터로는 압축기로 저압가스가 인입되는 인입배관 외 별도로 설치되어 순환된 저압가스가 어큐뮬레이터로 배기되는 리턴배관과;
   상기 압축기로는 압축기에서 배출된 고압가스 흐르고, 사방밸브로 연결된 토출배관 상에서 분기되어 고압가스를 공급하는 공급배관과;
   상기 순환된 저압가스가 배기되는 리턴배관 및 고압가스를 공급하는 공급배관이 설치되고, 방향제어가 가능한 솔레노이드밸브와;
   상기 솔레노이드밸브의 고압가스가 공급되어 피스톤이 왕복으로 작동하고, 피스톤의 작동 후 저압가스를 솔레노이드밸브 및 리턴배관으로 배기하는 복동식 실린더와;
   상기 복동식 실린더의 왕복운동을 회전운동으로 변환시켜 발전기를 작동시키는 기어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기발전장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기어장치는 상기 피스톤에서 연장된 피스톤로드와 회동가능하게 결합된 커넥팅로드를 포함하고, 상기 커넥팅로드의 왕복운동을 회전운동으로 변환하도록 기어가 형성된 플라이휠의 일측과 결합되며, 상기 플라이휠과 치합되어 회전하는 피니언이 설치되고, 상기 발전기가 피니언의 축과 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기발전장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 복동식 실린더의 상사점 및 하사점에는 피스톤의 작동위치를 감지하는 센서가 설치되고, 상기 센서는 솔레노이드밸브를 작동시켜 고압가스 및 저압가스를 공급 내지 배기하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기발전장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 발전기와 피니언 사이로는 증속기가 설치된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 전기발전장치.

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