KR101581395B1

KR101581395B1 - 부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법

Info

Publication number: KR101581395B1
Application number: KR1020140058958A
Authority: KR
Inventors: 임관호; 정병훈
Original assignee: 우양에이치씨(주); 임관호
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-12-30
Also published as: KR20150131758A

Abstract

본 발명은 부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 압축기; 실내에 구비되며 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 외부로 열을 방출시키는 인터쿨러와, 상기 인터쿨러에서 토출된 일부 냉매가 유입되어 상기 냉매를 응축시키는 실내열교환기를 갖는 실내기; 상기 실내열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 고압팽창밸브; 상기 고압팽창밸브에서 토출된 냉매 일부를 기화시키는 플래쉬 용기; 상기 플래쉬 용기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 저압팽창밸브; 상기 저압팽창밸브에서 토출된 냉매가 외기열원에 의해 증발되는 실외기; 및 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되고, 상기 인터쿨러에서 토출된 나머지 냉매가 기동유체로서 유입되어 토출되는 부스터;를 포함하고, 상기 부스터에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 용기에서 기화된 냉매가 상기 압축기로 유입되는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법{Heatpump system using Booster and Method for operating the Heatpump system}

본 발명은 부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 증발기와 압축기 사이에 부스터(압력과 온도를 높여주는 장치)를 설치하여 압축기 입구의 압력과 온도를 높여 줄 수 있는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

공간난방(Space Heating)을 하기 위해서는 화석연료(천연가스, 석유)를 사용하거나 전기를 사용한다. 에너지 등가(Energy Equivalent Value)에서 볼 때 어느 것을 사용하는 것이 가장 효율적인지를 비교하여 최적의 것을 사용하는 것이 탄산가스를 최소로 배출할 것이다. 천연가스 혹은 석유가스의 경우 이 연료를 사용하여 발전을 하면 발전효율이 60%일 때(복합화력발전일 경우) 송전손실을 4% 정도로 보면 연료가 가지고 있는 에너지의 56%만이 우리가 사용할 수 있는 에너지에 해당한다.

그러므로 전기로 공간을 난방시킬 때 1kW의 전력으로 1kW의 열을 얻는 전기 난방 기구(COP가 1인 난방기구)를 사용한다면 가스를 직접 연소시켜 사용할 때에 비해 약 두 배의 에너지를 더 사용하는 것으로 탄산가스 배출 측면에서도 두 배 더 배출하는 것이다. 그러나 전기 1kW로 3kW의 열을 얻는 방법으로 전기를 사용한다면 (0.56(발전효율)*3(COP)*1kW=1.68kW)가스로 직접 난방하는 것에 비해 무려 68%나 더 효율적으로 에너지를 사용하는 것이며 따라서 탄산가스 배출도 68% 감소시키는 것이다.

위의 예에서는 성적계수(COP)가 3일 때이지만 COP가 3.5인 난방기구 일 때는 무려 96%나 더 효과적이다. 이런 이유 때문에 난방기구를 설계하는 연구자들은 성적계수(COP)가 높은 난방기구를 얻기 위하여 끊임없이 노력하여 왔다.

전력을 이용하여 난방을 할 때 단순하게 전기저항을 이용하여 (IR Heating) 생기는 열을 이용하는 방법은 COP가 1을 초과할 수 없다. 그러나 열역학적 시스템(열역학사이클)을 이용한다면 COP가 1을 초과할 수 있다.

그 이유는 열역학적 시스템에서는 반드시 열을 흡수하고 또 반드시 열을 방출해야만 한다. 우리가 잘 알고 있는 이런 열역학 시스템은 냉동 사이클이다. 냉동사이클을 거꾸로 돌리는 것이 히트펌프(Heat Pump) 사이클이다. 히트펌프 사이클에서 냉매가 증발할 때 주위(대기)에서 열을 흡수하고 냉매가 응축할 때 주위(실내)에 열을 방열한다.

도 1a는 통상의 난방모드에서의 냉매흐름을 모식적 나타낸 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이고, 도 1b는 통상의 냉방모드에서의 냉매흐름을 모식적 나타낸 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템은 냉매를 압축시켜 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 압축기(10), 열교환기로 구성된 실내기(20), 팽창변(60), 열교환기로 구성된 실외기(70), 방향전환밸브(2) 등을 포함하여 구성된다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 난방모드에서는 압축기(10)에서 토출된 고온, 고압의 냉매가 방향전환밸브(2)를 거쳐 실내기(20)를 통과하며 냉매가 열을 방출(실내 난방)하면서 냉각되어 응축되며, 응축된 냉매는 팽창변(60)을 거쳐 실외기(70)를 통과하면서 외부의 열을 흡수하여 증발되고, 다시 압축기(10)로 유입되게 된다. 반면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 냉방모드에서는 압축기(10)에서 토출된 고온, 고압의 냉매가 방향전환밸브(2)를 거쳐 실외기(70)를 통과하며 냉매가 열을 방출하면서 냉각되어 응축되며, 응축된 냉매는 팽창변(60)을 거쳐 실내기(20)를 통과하면서 외부의 열을 흡수(실내 냉방)하여 증발되고, 다시 압축기(10)로 유입되게 된다.

난방모드에서 실외기(70)는 증발기 역할을 하고 실내기(20)는 응축기 역할을 한다. 이때 냉매를 증발시켜 대기에서 열을 흡수하려면 증발기의 운전온도는 대기의 온도보다 적어도 3°C 더 낮아야 한다. 예로 대기온도가 영하 20°C일 때는 증발기의 운전온도는 적어도 영하 23°C보다 낮아야 한다.

이와 반대로 실내기의 평균 운전온도는 적어도 35°C이상이어야 한다. 이런 이유 때문에 증발기(실외기(70))의 운전압력은 낮아야 하고 응축기(실내기(20))의 운전압력은 높아야 한다. 증발기에서 증발한 낮은 압력의 기체를 응축기의 고압으로 가압시켜주는 것이 압축기이며 이때 스크롤 타이프(Scroll Type)압축기가 사용된다.

이때 일어나는 문제는 요구되는 압축비가 스크롤 타이프 압축(10)기가 감당할 수 있는 값에 비해 너무 크다는 것이다. 기후변화현상 때문에 짧은 기간일 수 있지만 대기온도가 영하 20°C이하로 내려갈 수 있고 이때는 압축기(10)가 흡입하는 냉매의 압력과 온도가 너무 낮아져서 (영하 23°C이하) 그 결과 압축기(10)의 출구온도가 낮아지고 응축기의 온도가 너무 낮아져서 추운 날씨에 필요한 난방을 할 수 없다.

대한민국 등록특허 제1321549호 대한민국 등록특허 제549536호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 증발기와 압축기 사이에 부스터(압력과 온도를 높여주는 장치)를 설치하여 압축기 입구의 압력과 온도를 높여줄 수 있는, 구체적으로 증발기에서 온도가 영하 25°C인 기체를 압축기 입구에서 부스터를 이용하여 35°C높여줌으로써 압축기 흡입온도를 영하 25°C에서 영상 10°C로 상승시키고, 동시에 부스터 압력도 높여줄 수 있어, COP가 3 ~ 5에 도달할 수 있는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법을 제공하게 된다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 제1목적은, 히트펌프시스템에 있어서, 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 압축기; 실내에 구비되며 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 외부로 열을 방출시키는 인터쿨러와, 상기 인터쿨러에서 토출된 일부 냉매가 유입되어 상기 냉매를 응축시키는 실내열교환기를 갖는 실내기; 상기 실내열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 고압팽창밸브; 상기 고압팽창밸브에서 토출된 냉매 일부를 기화시키는 플래쉬 용기; 상기 플래쉬 용기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 저압팽창밸브; 상기 저압팽창밸브에서 토출된 냉매가 외기열원에 의해 증발되는 실외기; 및 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되고, 상기 인터쿨러에서 토출된 나머지 냉매가 기동유체로서 유입되어 토출되는 부스터;를 포함하고, 상기 부스터에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 용기에서 기화된 냉매가 상기 압축기로 유입되는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 부스터는 입구측에 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되는 흡입기체유입구와, 상기 흡입기체와 상기 기동유체가 혼합되는 믹싱섹션과, 혼합된 기체가 토출되는 토출구를 갖는 디퓨져; 및 상기 디퓨져의 내부에 장착되며, 상기 기동유체가 유입되는 기동유체유입관과 기동유체가 토출되는 토출단을 갖는 축소확대노즐을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 실외기는, 1단실외열교환기와, 상기 1단실외열교환기와 연결된 2단실외열교환기로 구성되고, 송풍기에 의해 외부공기가 2단실외열교환기 측에서 1단실외열교환기 측으로 흐르는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 난방모드로 작동시키는 방법에 있어서, 압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계; 실내에 구비된 실내기의 인터쿨러로 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 외부로 열을 방출시키는 단계; 상기 인터쿨러에서 토출된 일부 냉매가 실내기의 실내열교환기로 유입되어 상기 냉매가 응축되는 단계; 고압팽창밸브가 상기 실내열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 단계; 플래쉬 용기에서, 상기 고압팽창밸브에서 토출된 냉매 일부를 기화시키는 단계; 저압팽창밸브가 상기 플래쉬 용기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 단계; 상기 저압팽창밸브에서 토출된 냉매가 실외기로 유입되어 외기열원에 의해 증발되는 단계; 부스터로, 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되고, 상기 인터쿨러에서 토출된 나머지 냉매가 기동유체로서 유입되어 토출되는 단계; 및 상기 부스터에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 용기에서 기화된 냉매가 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 제1목적의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 제상모드로 작동시키는 방법에 있어서, 압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실외기의 2단실외열교환기를 통과하며 외부로 열을 방출시키고 응축되는 단계; 상기 2단실외열교환기에서 토출된 냉매가 저압팽창밸브를 통해 팽창되는 단계; 및 저압팽창밸브에서 팽창된 냉매가 1단실외열교환기를 통과하여 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 제1목적의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 냉방모드로 작동시키는 방법에 있어서, 압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실외기를 통과하며 외부로 열을 방출시키고 응축되는 단계; 상기 실외기에서 토출된 냉매가 팽창변을 통해 팽창되는 단계; 및 팽창변에서 팽창된 냉매가 실내기를 통과하며 실내의 열을 흡수하여 증발되어 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 증발기와 압축기 사이에 부스터(압력과 온도를 높여주는 장치)를 설치하여 압축기 입구의 압력과 온도를 높여줄 수 있는, 구체적으로 증발기에서 온도가 영하 25°C인 기체를 압축기 입구에서 부스터를 이용하여 35°C높여줌으로써 압축기 흡입온도를 영하 25°C에서 영상 10°C로 상승시키고, 동시에 부스터 압력도 높여줄 수 있어, COP가 3 ~ 5에 도달할 수 있는 효과를 갖는다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다.

도 1a는 통상의 난방모드에서의 냉매흐름을 모식적 나타낸 히트펌프 시스템의 구성도,
도 1b는 통상의 냉방모드에서의 냉매흐름을 모식적 나타낸 히트펌프 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템에 적용되는 부스터의 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따는 난방모드의 냉매흐름을 모식적으로 도시한 히트펌프 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따는 난방모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따는 제상모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따는 냉방모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도,
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축기의 구성도,
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 플래쉬 용기의 구성도,
도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 부스터의 구성도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

<부스터>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 부스터를 갖는 히트펌프 시스템 및 작동방법을 설명하기에 앞서, 본 발명의 핵심적인 구성인 부스터의 일반적인 기능 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템에 적용되는 부스터의 단면도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 부스터는 입구측 일측에 흡입기체가 유입되는 흡입기체유입구와 토출구를 갖는 디퓨져와, 디퓨져 내부에 구비되며 기동유체 유입관과 토출단을 갖는 축소확대노즐(converging-diverging nozzle)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

이러한 부스터는 일반적으로 압축기를 보강하기 위하여 사용되는 보조압축기를 말한다. 본 발명의 일실시예에서는 저압용 압축기 대신에 이젝터(Ejector)를 부스터로 사용하는 것이 특징이다. 이젝터 기술은 널리 알려진 것이며 통상적으로는 진공펌프용으로 사용되고 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에서는 기체펌프로 작동하도록 설계를 변경하여 사용하게 된다.

일반펌프는 액체를 펌프 하는 것이며 기체를 펌프 하려면 불라워나 압축기만이 가능하다. 이젝터 펌프는 고압의 기동유체(Motive Fluid)를 이용하여 보다 낮은 압력의 유체를 펌핑하는데 사용될 수 있도록 하는 것으로 어떠한 동력을 제공받지 않고, 유체역학의 원리만을 이용하여 펌핑하는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기동유체는 축소확대노즐(84)을 통과하는 동안 계속하여 가속되며 쓰로트(throat)에서 음속에 도달한 후 노즐 토출단(86)에서 기체의 속도는 초음속이 된다.

그 결과 토출단(86) 지점에서는 압력이 가장 낮은 지점이 된다. 따라서 토출단(86)지점의 압력은 흡입기체의 압력보다 낮아지게 되어 흡입기체는 이젝터로 흘러 들어가게 된다. 두 유체(기동유체와 흡입유체)는 믹싱섹션(Mixing Section, 87)을 통과하여 다음의 두 가지 현상을 일으키게 된다. 첫째로, 두 유체는 완전히 혼합되어 한 유체가 된다. 둘째로, 혼합된 유체는 초음속(Supersonic)이기 때문에 수직 충격(normal Shock)이 일어나고 그 결과 압력은 급격히 증가하고 속도는 음속보다 낮은 속도(Subsonic)가 된다.

이때 기체의 속도는 음속의 약 60%되는 값이 된다. 즉 마하수(Mach Number)가 약 0.6이 된다. 유체는 디퓨져(81, Diffuser)에서 기체의 운동에너지는 정압으로 바뀌며 기체의 속도는 감속되고 압력은 증가한다. 이젝터는 이젝터 원리를 어떤 용도로 사용하느냐에 따라 특성이 바뀐다. 이젝터를 진공펌프로 사용할 때는 기동유체의 유량은 흡입유체의 유량보다 훨씬 많으며 흡입유체의 압축비는 2~2.5배 커지는 것에 비해 이젝터를 펌프용으로 변경시키면 기동유체의 유량은 흡입유체와 같거나 작으며(비슷한 값) 압축비는 진공펌프의 경우 보다 많이 낮은 것이 특징이다. 본 발명의 일실시예에 따른 부스터는 기체펌프의 특성을 이용하게 된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따는 난방모드의 냉매흐름을 모식적으로 도시한 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 부스터를 갖는 히트펌프 시스템은 고온, 고압의 기체 냉매를 토출시키는 압축기, 난방모드에서는 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 냉매를 응축시키는 실내를 난방하는 인터쿨러와 실내열교환기로 구성된 실내기, 고압팽창밸브와 저압팽창밸브, 플래쉬 탱크, 1단열교환기와 2단열교환기로 구성된 실외기, 인터쿨러에서 토출된 일부냉매가 기동유체와 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로 유입되는 부스터 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

<난방모드(Heat Pump Mode)>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 부스터를 갖는 히트펌프 시스템이 난방모드로 운전되는 경우의 작동방법에 대해 설명하도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 부스터를 갖는 히트펌프 시스템은 3개의 닫혀진 루프(Closed Loop)로 구성되어 짐을 알 수 있다. 제1루프는 압축기(10)→실내기(20, 인터쿨러(21)→실내열교환기(22))→고압팽창발브(30)→플래쉬(Flash)용기(40)→저압팽창발브(50)→실외기(70, 1단열교환기(71)→2단열교환기(72)),→부스터(80)→압축기(10)로 이루어진 기본 루프(Base Loop)에 해당한다.

또한, 제2루프는 압축기(10)→인터쿨러(21, 현열(Sensible Heat)만을 교환하는 실내기의 일부)→부스터(80)(인터쿨러(21)에서 토출된 일부 냉매가 부스터(80) 기동유체로서 유입)→압축기(10)로 이루어진 것으로 압축기를 보조하는 부스터를 위한 루프에 해당한다.

마지막으로 제3루프는 압축기(10)→실내기(20, 인터쿨러(21)→실내열교환기(22))→고압팽창발브(30)→플래쉬 용기(40)→압축기(10)로 이루어진 것으로 사이클의 효율을 높이기 위하여 고압팽창밸브(30)에서 고온고압의 액체 냉매를 팽창시켜 부스터(80)의 출구압력까지 낮추어줄 때 플래쉬 된 기체냉매를 회수하기 위한 것이다. 이하에서는 각 루프의 기능과 역할을 좀더 상세히 설명하도록 한다.

제1루프의 기능은 증발기로서 작동되는 실외기(70)에서, 액체냉매는 대기에서 열을 흡수하고 증발하게 된다. 본 발명의 일실시예에 따른 실외기(70)는 제1단열교환기(71)와 2단열교환기(72) 두 개의 파트로 쪼개어져 있다. 이는 후에 설명하게 될 제상모드(Defrost Mode)를 위해서이다.

제1루프에서의 본 발명의 핵심인 기술적 특징은 부스터(80)의 역할이 있다. 부스터(80)는 실외기(80, 시스템에서 최저온도)에서 발생한 저온저압의 기체냉매를 흡입기체로 하고, 인터쿨러(21)에서 흘러오는 냉매를 기동유체로 하여 부스터(80)에서 온도가 상승하고 동시에 압력도 상승되어 압축기(10)로 흘러가게 된다. 따라서 압축기(10)의 흡입구에서 기체온도는 부스터가 없을 때에 비해 온도가 높기 때문에 압축기(10)에서 인터쿨러(21)로 유입되는 기체의 온도(압축기의 도출온도) 역시 높아지게 된다.

또한, 인터쿨러(21)에서 토출되는 일부 냉매인 기동유체의 유량과 실외기(70) 토출되는 냉매인 흡입유체의 유량이 비슷하기 때문에 인터쿨러(21)에서 냉각되는 유량은 실내기(20)로 흘러 들어가는 유량(압축기 토출 냉매유량)의 약 두 배가 되며 온도는 실내기(20)보다 약 40°C정도(과열된 상태의 기체냉매)가 더 높기 때문에 인터쿨러(21)에서 실내공기와 열교환할 수 있는 열량(현열(Sensible Heat))은 응축기(10)에서 교환할 수 있는 열량(응축열)의 약 50%~70%에 이르게 된다.

실내기(20)는 인터쿨러(21)와 실내열교환기(22, 응축기로서 작동)로 구성되어있기 때문에 실내로 방출하는 열의 온도가 부스터가 없을 때에 비해 높아지게 된다(실내난방온도가 높아진다.). 이점은 대기온도가 영하 15°C이하일 때 매우 중요한 역할을 하는 것으로 본 발명의 기술적 특징이다.

제2루프는 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 대기온도가 영하 약 15°이하로 될 때 증발기로서 작동되는 실외기의 운전온도는 약 영하 20°C정도로 운전되어야 대기에서 열을 흡수할 수 있게 된다. 따라서 압축기(10)의 흡입온도가 너무 낮기 때문에 부스터(80)를 이용하여 압축기(10)로 흡입되는 기체냉매의 온도를 30°C ~ 40°C 더 높이고 압축기(10)의 흡입압력도 동시에 높임으로써 최대 압축비가 작은 스크롤타이프 압축기(10)의 압축비 요구조건을 완화시켜주게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 실내기(20)는 인터쿨러(21)와 실내열교환기(22)로 구성되어있다. 인터쿨러(21)는 과열된 기체냉매를 포화온도까지 낮추는 냉각기이고 실내열교환기(22)는 응축기로서 포화된 기체냉매를 응축시킨다. 이때 인터쿨러(21)의 유입 냉매유량은 실내열교환기(22)의 유입냉매유량의 약 2배다. 이때 인터쿨러(21)에서의 평균온도는 응축기로서 작동되는 실내열교환기(22)의 온도보다 높다. 그 결과 실내기(20)의 평균온도가 높아지게 된다.

제3루프는 응축기로 작동되는 실내열교환기(22)에서 응축된 액체 냉매는 응축기 운전압력에서 포화된 온도에 해당한다. 또한, 액체 냉매가 실외기(70)에서 증발하여 열을 흡수하게 된다. 실외기(70)에서 열을 흡수하기 위하여 증발하는 과정은 먼저 실내열교환기(22)의 압력에서 포화된 액체는 증발기로 작동되는 실외기(70) 압력에서 포화된 액체가 된 후 증발하는 열량만큼만 열을 흡수하게 된다.

따라서 응축기로 작동되는 실내열교환기(22)와 증발기로 작동되는 실외기(70)의 온도 차만큼 액체 냉매를 냉각시켜주어야 한다. 이를 위하여 고압팽창밸브(30)를 통과시킨 후 플래쉬 용기(40)에서 플래쉬 과정으로 액체냉매를 냉각시키게 된다. 이러한 제3루프는 기화(Flash)된 냉매를 회수하기 위한 것이다.

이때 플래쉬 용기(40) 압력은 증발기로 작동되는 실외기(70)의 압력보다 높으며 부스터(80)의 출구압력과 같다. 기화되는 양은 실내기(20) 유량의 대략 25%~30%가 된다. 따라서 부스터(80)는 이 유량만큼 펌핑하지 않기 때문에 전체사이클의 효율이 증가하게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따는 난방모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 4는 세가지 모드를 모두 수행할 수 있는 종합다이어그램에 해당한다. 이러한 다이아그램에는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1밸브에서 제11밸브까지 11개의 밸브가 구비되며, 운전모드에 따라 밸브를 열거나 닫게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템이 난방모드로 운전될 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2밸브(89), 제4밸브(91), 제6밸브(93), 제8밸브(95) 및 제10밸브(97)들은 열려있고, 제1밸브(88), 제3밸브(90), 제5밸브(92), 제7밸브(94), 제9밸브(96) 및 제11밸브(98)는 닫혀있다. 그러므로 기본루프인 제1루프에서의 냉매흐름은 압축기(10)(제1밸브(88)와 제11밸브(98)은 닫혀있음) → 인터쿨러(21)(제4밸브(91) 열려있음) → 실내열교환기(22)(제6밸브(93) 열려있음) → 고압팽창밸브(30)(제7밸브(94) 닫혀있음) → 플래쉬 용기(40, 제8밸브(95) 열려있음)→저압팽창밸브(50)(제9밸브(96) 닫혀있음) → 1단실외열교환기(71)(제3밸브(90) 닫혀있음)→2단실외열교환기(제2밸브(89) 열려있음)→부스터(제10밸브(97) 열려있음, 제11밸브(98) 닫혀있음)→압축기(10)(제5밸브(92) 닫혀있음)로 기본루프에서의 흐름이다.

제2루프에서의 냉매 흐름은 압축기(10)(제4밸브(91)는 열려있고 제5밸브(92)는 닫혀있음)→인터쿨러(21)→부스터(80)(기동유체로서 유입)→압축기(10)(제5밸브(92) 닫혀있음)로 순환된다. 또한, 제3루프에서의 냉매흐름은 압축기(10)(제4밸브(91)는 열려있고 제5밸브(92)는 닫혀있음)→인터쿨러(21)→실내열교환기(22)(제6밸브(93) 열려있음)→고압팽창밸브(30)(제7밸브(94) 닫혀있음)→플래쉬 용기(제5밸브(92) 닫혀있음)→압축기(10)로서 순환된다.

<제상 모드(Defrost Mode)>

도 5는 본 발명의 일실시예에 따는 제상모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 제상모드(성에제거모드)로 운전하려면 밸브 제1밸브(88), 제3밸브(90) 및 제9밸브(96)는 열고, 나머지 제2, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제10, 제11밸브(89, 91, 92, 93, 94, 95, 97, 98)를 닫으면 된다. 사이클은 압축기(10)(제4밸브(91), 제5밸브(92), 제11밸브(97), 제2밸브(89)는 닫혀있고 제1밸브는 열려있음) → 2단실외열교환기(72)(제9밸브(96)는 열려있고, 제8밸브(95)는 닫혀있음)→저압팽창밸브(50)(제7밸브는 닫혀있음)→1단실외열교환기(71)(제2밸브(89), 제5밸브(92)는 닫혀있고 제3밸브(90)는 열려있음)→압축기(10)로 순환되면서 실외기에 형성된 착상(성애)을 제거하게 된다.

히트펌프 기술에서 대단히 중요한 과정은 바로 성에제거 과정이다. 성에제거방법의 성공여부가 히트펌프 작동여부까지 결정 짖게 된다. 성에가 많이 생성되는 대기온도는 영하 5°C에서 영상 5°C이고, 이러한 온도 영역에서 대기에 습도가 높을 수 있기 때문이다. 특히 이러한 영역에서 비가 올 수도 있고 눈이 내릴 때가 많기 때문이다. 실외기의 표면에 성에가 생기면 열전달 저항이 급격히 증가하여 설계대로 기능을 수행하지 못하기 때문에 필요한 양의 열을 흡수할 수 없다.

본 발명의 일실시예에서는 실외기(70)는, 두 개의 열교환기 즉 1단실외열교환기(71)와 2단실외열교환기(72)로 구성되고, 송풍기가 송풍할 때 공기가 2단실외열교환기(72)에서 1단실외열교환기(71) 측으로 흐르도록 설치한다. 그 결과 성에가 생길 때는 항상 2단실외열교환기(72) 표면에 생기게 된다. 그 이유는 실외열교환기(71,72)를 흐르는 공기에는 수분이 이미 제거되어 습도가 낮기 때문이다.

따라서 성에제거를 위하여 압축기(10)에서 가열된 고온의 기체냉매가 2단실외열교환기(72)에서 응축될 때의 열로 성에를 제거하게 된다. 응축된 액체 냉매는 도 5에 도시된 바와 같이, 저압팽창밸브(50)를 지나며 압력이 강화되어 1단실외열교환기(71)(공기가 흘러 나가는쪽의 열교환기)에서 증발한 후 압축기(10)로 되돌아오는 사이클이 완성된다. 그러므로 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템은 성에제거를 어느 순간에도 빠르고 쉽게 할 수 있게 된다.

<냉방모드>

마지막으로 본 발명의 일실시예에 따른 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 냉방모드로 운전시키는 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따는 냉방모드의 냉매흐름을 도시한 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템을 냉방모드로 전환하려면 제2밸브(89), 제5밸브(92), 제7밸브(94) 및 제11밸브(98)는 열고 나머지 밸브(제1밸브(88), 제3밸브(90), 제4밸브(91), 제6밸브(93), 제8밸브(95), 제9밸브(96), 제10밸브(97)를 닫게 된다.

냉매의 흐름은 도 6에 도시된 바와 같이, 압축기(10) → 2단실외열교환기(72) → 1단실외열교환기(제2밸브 열림) → 팽창변(60)(제7밸브 열림) → 실내기(20)(실내기의 압력이 낮기 때문에 부스터로는 흐름이 없음)→압축기(10)로 흐름이 완성된다.

냉방모드는 이미 널리 사용하는 냉동사이클에 해당한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 실내기(20)를 구성하는 열교환기는 증발기로서 작동되어 실내의 열을 흡수하여 냉방하게 되고, 실외기(70)를 구성하는 열교환기는 응축기로서 작동되어 기체냉매를 응축하고 실내기(20)에서는 증발하게 된다. 그러므로 실내기(20)에서 열을 흡수하고 실외기(70)에서 열을 방출함으로써 실내를 냉방 시키게 된다.

이때 실외기(70)는 고압으로 운전되어 온도가 높은 대기로 열이 방출될 수 있고 실내기(20)는 낮은 압력으로 운전되어 실내에서 열을 흡수할 수 있다. 팽창변(60) 에서 압력이 강화되고 압축기(10)에서 압력이 상승되므로 사이클이 완성된다.

<실험예>

이하에서는 앞서 언급한 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 난방모드로 작동될 때의 난방용량이 시간당 육만킬로칼로리 (60,000kcal/h)인 난방기를 실험예로 제시한다.

[부스터 데이터 규격(도 1 참조)]

축소확대노즐의 쓰로트 내경(DE) = 7mm

축소확대노즐의 토출단 내경(Dext) = 9mm

믹싱섹션의 내경(Dm) = 16mm

믹싱섹션의 길이(Lm) = 128mm;

디퓨져 토출구의 내경(Da) = 39mm

디퓨져의 길이(Ld) = 192mm

데이터에서 제시된 바와 같이, 본 발명의 실험예에서 부스터는 비교적 작은 기기로 외견으로 보이는 크기가 길이 38cm, 외경 4.2cm의 원주처럼 보인다.

이 실험에서 사용하는 냉매는 R410이다. 따라서 시스템 전체가 비교적 높은 압력에서 운전된 히트펌프의 성적표(Performance data)를 표1에 수록하였다.

No	T_eva (℃)	T_suc (℃)	T_dis (℃)	T_con (℃)	Q_con (Kw)	Q_in (Kw)	Q_eva (Kw)	Pd/Ps	m_eva (kg/h)	m_con (kg/h)	COP	Power (Kw)
1	-30	15.2	86.5	38.4	35.19	25.73	50.76	3.87	500.5	715.9	2.27	21.26
2	-25	13	80.7	36.8	44.95	26.42	63.52	3.62	648	914.6	3.20	22.29
3	-20	15.2	76.3	36.0	43.75	23.75	60.50	3.17	648	890.3	3.46	19.50
4	-15	17.3	72.3	35.3	42.63	21.33	57.60	2.81	648	867.4	3.76	17.01
5	-10	20.3	70.3	35.8	41.45	19.92	55.22	2.54	648	851.8	4.02	15.25
6	-5	24.0	70.3	37.5	40.17	19.41	59.59	2.34	648	843.0	4.22	14.11
7	0	25.9	67.3	37.0	39.25	17.55	56.79	2.13	648	823.8	4.62	12.29
8	5	27.8	64.6	36.6	38.35	15.58	54.2	1.95	648	805.0	5.11	10.61

표 1에서, T_eva는 증발기로 작동되는 실외기(70)의 운전온도이고, T_suc는 압축기(10) 입구 온도이고, T_dis는 압축기(10) 출구 온도이며, T_con는 실내기(20) 평균온도이고, Q_con는 응축기로 작동되는 실내열교환기(22)의 방출열량이며, Q_in은 인터쿨러(21)의 방출열량, Q_eva는 증발기로 작동되는 실외기(70)가 대기에서 흡수하는 열량, Pd/Ps는 압축비, m_eva는 실외기(70)에서 증발되는 냉매유량이고, m_con는 실내열교환기(22)에서 응축되는 냉매유량이며, COP는 성적계수이고, Power는 사용전력에 해당한다.

T_eva에서 증발기 운전 온도를 수록하였으며 대기에서 열을 흡수하기 위해서는 대기온도가 적어도 증발기 운전온도보다 3°C이상 높아야 한다. 그러므로 첫째 행 (No 1)을 가로지르는 데이터는 증발기 운전도(T_eva) -30°C이므로 대기온도가 -27°C인 경우이고, 압축기의 입구온도(T_suc)는 15.2°C다.

즉, 부스터(80)에서 온도를 40°C 상승(Boosting)된 것이다. 그 다음은 압축기 출구온도(T_dis)가 86.5°C이고 이 값은 부스터가 없을 때에 비해 적어도 40°C이상 높다. 그 다음은 실내기 평균온도(T_con)(인터쿨러(21)와 응축기로 작동되는 실내열교환기(22)의 평균온도)이며 38.4°C이다.

그 다음 3개의 데이터는 열전달율에 대한 것들이다. 실내기(20)는 두 부분으로 되어있고 실내열교환기(Qcon)가 35.19kw, 인터쿨러(Qin)에서 25.73kw 합계 60.9kw(52,449 kcal/h)로 난방을 한다. 이때 대기에서 흡수하는 열(Qeva)은 50.76kw(43,716 kcal/h)다. 이 성적표가 의미하는 것은 대기온도 -25°C인 대기에서도 시간당 43,716kcal의 열을 흡수하여 실내에 시간당 52,449kcal의 열을 방열하며 이때 방출하는 열원의 온도는 38.4°C임을 나타내고 있다.

이때 사용되는 전력(Power)는 21.26kw다. 그 다음 데이터는 압축기의 압축비(Pd/Ps)로서 3.87이고 그 다음 증발기에서 증발하는 냉매 유량으로 500.5kg/h이며 그 다음은 응축기에서 응축하는 유량(m)으로 715.9kg/h다. 그 다음은 열역학적 사이클의 성적계수(COP)의 값으로 2.87이고 성적계수는 전력1kw를 사용하여 방열할 수 있는 열(kW)을 나타내는 값이다.

마지막 데이터는 압축기에서 소모되는 전력(Power)을 표시하는 것으로 21.26 kW다. 나머지 데이터들은 증발기 운전온도(혹은 대기온도)변화에 따른 것들이다. 여기서 눈 여겨 볼 것은 COP의 변화다. 증발기 운전온도(T_eva)(혹은 대기온도 + 5°C)가 -30°C에서 5°C까지 변할 때 COP는 2.87에서 무려 5.11까지 상승한다.

이때 대기온도가 -25°C에서 10°C까지 상승하면 필요로 하는 전력은 21.26kW에서 10.61kW까지 줄어든다. 이처럼 압축기가 필요한 전력은 대기온도에 따라 변하고 변화하는 전력은 인버터를 이용하여 조절한다. 인버터는 압축기의 출구압력이 일정하게 유지되도록 컨트롤한다. 이러한 실험예로 보듯이 한국의 겨울 평균 온도인 -10°C에서 -5°C의 영역에서 COP가 4 이상임을 알 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 일실시예에 따른 부스터의 기능에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축기의 구성도를 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 플래쉬 용기의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 부스터의 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 부스터의 기능은 앞서 언급한 바와 같이 압력과 온도를 상승시켜 압축기 출구 온도와 압력을 높여주는 것이다. 실제로 얼마나 상승시키는가를 구체적으로 알아본다. 도 7a,b,c는 압력상승과 압력강화에 관하여 설명하기 위한 것이다.

도 7a도 7b에 도시된 바와 같이, 압축기(10)가 상승시키는 압력(△Pc)은 액체냉매가 고압팽창밸브(30)을 통과할 때 일어나는 압력강하(-△P_e1)와 서로 상쇄된다(△Pc-△P_e1=0). 또한 도 7b,c에 도시된 바와 같이, 부스터(80)가 상승시키는 압력(△Pb)은 저압팽창밸브(50)에서 일어나는 압력강화(-△Pe2)와 상쇄된다(△Pb-△Pe2=0).

온도상승에 관한 것은 표 1로 주어진 히트펌프 성적표에서 알아볼 수 있다. 첫째 열에 증발기 운전온도(T_eva)가 기재되어있고 둘째 열에 압축기(10)의 입구온도(T_suc)가 기재되어있다. 온도 차(T_suc-T_eva)가 바로 부스터(80)에 의해 일어난 온도 차다. 증발기인 실외기(70) 온도가 -30°C일 때는 45.2°C상승시켰고 증발기인 실외기(70) 온도가 -25°C때는 35°C상승시켰다. 이러한 표 1에서 보듯이 전 영역에서 30°C이상 상승시킨다.

온도 상승효과(온도 Boosting)는 셋째 열에 실린 압축기의 출구온도(T_dis)를 높이는 것이다. 또한 압축기(10)의 출구압력을 높이지 않고도 출구온도를 높일 수 있고 더하여 압력상승효과 때문에 요구되는 압축비(Pd/Ps)를 작게 할 수 있다. 이것은 바로 전력사용량을 감소시켜서 COP를 증가시킨 것이다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10:압축기
12:방향전환밸브
20:실내기
21:인터쿨러
22:실내열교환기
30:고압팽창밸브
40:플래쉬 용기
50:저압팽창밸브
60:팽창변
70:실외기
71:1단실외열교환기
72:2단실외열교환기
80:부스터
81:디퓨져
82:디퓨져 토출구
83:흡입기체 유입구
84:축소확대노즐
85:기동유체 유입관
86:토출단
87:믹싱섹션
88:제1밸브
89:제2밸브
90:제3밸브
91:제4밸브
92:제5밸브
93:제6밸브
94:제7밸브
95:제8밸브
96:제9밸브
97:제10밸브
98:제11밸브
100:부스터를 갖는 히트펌프 시스템

Claims

히트펌프시스템에 있어서,
냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 압축기;
실내에 구비되며 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 외부로 열을 방출시키는 인터쿨러와, 상기 인터쿨러에서 토출된 일부 냉매가 유입되어 상기 냉매를 응축시키는 실내열교환기를 갖는 실내기;
상기 실내열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 고압팽창밸브;
상기 고압팽창밸브에서 토출된 냉매 일부를 기화시키는 플래쉬 용기;
상기 플래쉬 용기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 저압팽창밸브;
상기 저압팽창밸브에서 토출된 냉매가 외기열원에 의해 증발되는 실외기; 및
상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되고, 상기 인터쿨러에서 토출된 나머지 냉매가 기동유체로서 유입되어 토출되는 부스터;를 포함하고,
상기 부스터에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 용기에서 기화된 냉매가 상기 압축기로 유입되는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 부스터는
입구측에 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되는 흡입기체유입구와, 상기 흡입기체와 상기 기동유체가 혼합되는 믹싱섹션과, 혼합된 기체가 토출되는 토출구를 갖는 디퓨져; 및
상기 디퓨져의 내부에 장착되며, 상기 기동유체가 유입되는 기동유체유입관과 기동유체가 토출되는 토출단을 갖는 축소확대노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 실외기는,
1단실외열교환기와, 상기 1단실외열교환기와 연결된 2단실외열교환기로 구성되고, 송풍기에 의해 외부공기가 2단실외열교환기 측에서 1단실외열교환기 측으로 흐르는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템.
제1항의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 난방모드로 작동시키는 방법에 있어서,
압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계;
실내에 구비된 실내기의 인터쿨러로 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 외부로 열을 방출시키는 단계;
상기 인터쿨러에서 토출된 일부 냉매가 실내기의 실내열교환기로 유입되어 상기 냉매가 응축되는 단계;
고압팽창밸브가 상기 실내열교환기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 단계;
플래쉬 용기에서, 상기 고압팽창밸브에서 토출된 냉매 일부를 기화시키는 단계;
저압팽창밸브가 상기 플래쉬 용기에서 토출된 냉매를 팽창시키는 단계;
상기 저압팽창밸브에서 토출된 냉매가 실외기로 유입되어 외기열원에 의해 증발되는 단계;
부스터로, 상기 실외기에서 토출된 냉매가 흡입기체로서 유입되고, 상기 인터쿨러에서 토출된 나머지 냉매가 기동유체로서 유입되어 토출되는 단계; 및
상기 부스터에서 토출된 냉매와 상기 플래쉬 용기에서 기화된 냉매가 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법.
제1항의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 제상모드로 작동시키는 방법에 있어서,
압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계;
상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실외기의 2단실외열교환기를 통과하며 외부로 열을 방출시키고 응축되는 단계;
상기 2단실외열교환기에서 토출된 냉매가 저압팽창밸브를 통해 팽창되는 단계; 및
저압팽창밸브에서 팽창된 냉매가 1단실외열교환기를 통과하여 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법.
제 1항의 부스터를 갖는 히트펌프 시스템을 냉방모드로 작동시키는 방법에 있어서,
압축기가 냉매를 압축하여 고온, 고압의 냉매를 토출시키는 단계;
상기 압축기에서 토출된 냉매가 상기 실외기를 통과하며 외부로 열을 방출시키고 응축되는 단계;
상기 실외기에서 토출된 냉매가 팽창변을 통해 팽창되는 단계; 및
팽창변에서 팽창된 냉매가 실내기를 통과하며 실내의 열을 흡수하여 증발되어 상기 압축기로 유입되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터를 갖는 히트펌프 시스템의 작동방법.