KR101636512B1 - 자동 오일회수 및 개폐회로를 구비한 고효율 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용하여 냉ㅇ난방 운전을 함에 있어서, 오일 회수기를 사용하지 않고도 증발기로 사용되는 히트펌프에 퇴적되는 오일을 자동으로 작동하는 자동 오일회수 개폐회로를 구성하여 회수함으로써 오일 등 유체 흐름에 대한 히트펌프 소비전력을 줄이고 성능계수 (Coefficient of Performance : COP)를 높이도록 하는 자동 오일회수 및 개폐회로를 구비한 고효율 히트펌프에 관한 것이다.
본 발명은 압축기의 냉매가 사방밸브의 절환에 따라 실내기 또는 실외기 및 팽창밸브를 이동한 후 압축기로 회수됨에 있어서, 팽창밸브에서 팽창이 이루어진 냉매에 포함된 오일이 솔레노이드 밸브의 개폐에 따라 압축기로 유입되게 하는 한편 콘트롤러에서 압축기의 흡입구 온도가 배출구 온도와 비교하여 흡입구 온도가 저하될 때 솔레노이드 밸브를 개방되게 함으로써 이루어지게 된다. 또한 오일 유체 흐름을 원활하게 하여 히트펌프의 소음진동이 현저히 적어진다.

Description

자동 오일회수 및 개폐회로를 구비한 고효율 히트펌프{High efficiency heat pump equipped with the opening and closing circuit and automatic oil recovery}

본 발명은 냉난방용 히트펌프를 이용하여 냉방, 난방운전을 함에 있어서, 히트펌프의 증발기에 퇴적되어 소비전력을 증가시키고 성능계수(Coefficient of Performance : COP)를 감소시키는 오일을 공지의 오일 회수기를 사용하지 않고도 자동회수 개폐장치 및 회로를 구축하여 제거함으로써, 히트펌프의 성능계수(COP)를 높이도록 자동 오일회수 및 개폐회로를 구비한 고효율 히트펌프에 관한 것이다.

히트펌프를 이용한 냉,난방 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 오일 분리기(70)를 포함하여 압축기(10)와 사방밸브(20) 및 히트펌프로 구성되어 냉,난방이 이루어지는 실내기(30) 또는 실외기(50) 그리고 팽창밸브(40)로 이루어져 있으며, 난방을 할 때는 압축기(10)의 압축냉매가 사방밸브(20)에서 방향이 전환된 후 실내기(30)로 이동되어 액상의 냉매로 변환시킨 후 팽창밸브(40)에서 팽창이 이루어져 실외기(50)로 이동함으로써 실내 난방이 이루어진 후 압축기(10)로 회수되는 사이클을 반복하게 된다. 한편, 냉방할 때는 압축기(10)의 압축냉매가 사방밸브(20)에서 방향이 전환된 후, 실외기(50)로 이동되어 액상 냉매로 변환되면서 실내 난방이 이루어지게 하고 나서, 팽창밸브(40)에서 팽창이 이루어지고 실내기(30)를 거친 후 압축기(10)로 회수되는 사이클을 반복하게 된다.

이러한 냉매 사이클에는 압축기(10)의 고온 고압냉매가 토출되는 라인에 오일 분리기(70)를 설치하여 오일을 분리하면서 스트레이너(60)를 이용하여 필터링을 하고 있으나, 이같이 오일 분리기(70), 스트레이너를 설치하는 경우 냉매흐름에 저항(방해)이 발생하여, 에너지관리공단 설비심사 기준[KS B ISO 13256-2]의 요구성능(COP)평가에서 과잉전력의 소비가 요구되기 때문에, 요구되는 기준 성능계수를 만족하기 위해서는 장치 및 설비 개선을 위한 투자비용이 크게 들게 된다.

본 발명은 히트펌프의 오일 분리기(70)가 히트펌프 설치운전에서 히트펌프의 오일 등 유체 흐름저항으로 작용하고 또한, 히트펌프의 진동과 소음을 발생시키는 요인이므로 간단한 자동 오일회수 개폐장치 및 이를 적용한 히프펌프를 구성하여 오일 등 유체흐름 저항을 최소화하여 소요전력 낭비개선과 성능을 향상시킨 것이다.

미국특허 5678412호(1997.10.21)의 히트펌프에서는 간접적 오일 분리기를 채택 또는 비채택하고, 오일 종류를 다르게 하여 오일 회수장치와 방법을 제안하고 있으며, 일본공개 특허 특개2010-96440호(2010.04.30. 공개)에서는 오일 분리기를 통한 직,간접 방식으로 오일을 압축기에 회수하는 방식을 제안하고 있다. 한편 국내 특허등록 10-1017035호 (2011.02.16. 등록)는 오일 분리기를 통한 직,간접 방식으로 오일을 압축기에 회수하는 방식이 제안되어 있다.

미국특허 5678412호(1997. 10. 21) 일본공개특허 특개2010-96440호(2010.04.30. 공개) 국내 특허등록 10-1017035호(2011.02.16. 등록)

본 발명은 오일 회수기를 제거하여 압력강하를 최소화하는 냉,난방용 자동 오일 개폐장치를 구비한 히트펌프를 사용함으로 성능을 향상시키는 것은 물론이며 유체흐름의 저항으로 발생하는 진동 및 소음 발생을 해결하기 위한 것으로, 오일 회수기를 사용하지 않고도 증발기 또는 응축기로 사용되는 실외기, 실내기에 쌓인 오일을 압축기로 직접 회수하는 독창적인 자동 오일회수 개폐회로 장치기술로서, 히트펌프의 오일 등 유체흐름 저항을 감소시켜 히트펌프의 소비전력을 감소시키고, 유체 흐름저항을 감소로 인하여 이상적인 성능계수(COP)를 얻음은 물론이고 히트펌프에서 발생되는 소음을 줄여 안정된 히트펌프를 제조하고자 한 것이다.

본 발명은 증발기, 응축기에 쌓인 오일을 자동개폐 회로와 장치를 통해 직접적으로 회수하여 히트 펌프 성능을 개선하는 기술로서 본 발명으로 적용한 히트펌프는 오일분리기의 유체흐름 저항, 열손실 및 소비전력 낭비 등을 방지하는 특징이 있는 것으로, 본 발명은 압축기에서 압축된 냉매를 응축기에서 열교환이 이루어진 후, 팽창밸브를 통과하여 팽창이 이루어진 냉매에 포함되어 증발기로 유입되는 오일을 압축기 흡입관 측에 연결된 솔레노이드 밸브를 통하여 솔레노이드 밸브의 개폐에 따라 압축기로 유입되게 하는 한편, 콘트롤러에서 압축기의 흡입구 온도가 배출구 온도와 비교하여 흡입구 온도가 저하될 때 솔레노이드 밸브를 개방되게 함으로써 증발기로 유입되는 오일을 제거하여 증발기 성능이 향상되고 이로서 냉매회로의 응축기 및 증발기의 엔탈피가 증가되어 성능계수를 높이게 한다.

한편, 오일분리기에서 발생된 압력강하 및 유체흐름 저항이 배제되어 히트펌프 회로장치 내의 진동과 소음이 전체적으로 감소하였다.

본 발명은 태양광, 태양열과 연계되는 히트펌프를 이용하는 냉,난방 장치에서, 오일 분리기를 사용하지 않고, 증발기 및 응축기에 퇴적되어 열교환을 방해하는 오일을 솔레노이드 밸브를 개방하여 직접 압축기로 회수시킴으로써, 압축기 및 증발기로 사용되는 실외기 및 실내기의 열교환 방해 요소를 없애주어 능력 및 성능계수(COP)를 높이는 한편 오일분리기, 즉, 본 발명은 아래 표와 같이 에너지관리공단 설비심사 기준에 따른 성능기준 전에는 난방 COP 3.55, 냉방 COP가 4.48이고, 성능기준 후에는 난방 COP 3.62, 냉방 COP가 4.31의 인증기준을 갖추게 되나, 본 발명에 따르면 난방 COP 3.71, 냉방 COP가 4.78로 현저히 상승됨을 확인 할 수 있다.

도 1은 기존 히트펌프의 냉,난방 회로도
도 2는 본 발명기술을 적용한 히트펌프의 냉,난방 회로도

본 발명은 태양광 또는 태양열과 연계되고, 히트펌프를 이용하여 냉,난방 운전이 이루어지는 장치에 있어서, 오일분리기를 사용하지 않고도 증발기 및 응축기에 정체되는 오일을 압축기로 회수시킴으로써 성능계수를 높이는 한편 소음을 줄이도록 하는 것이다.

본 발명은 압축기의 고압 냉매 배출구에 사방밸브를 설치하고, 상기 사방밸브에는 냉매의 방향에 따라 증발기 또는 응축기로 사용되는 실내기 및 실외기를 연결하며, 상기 실내기와 실외기 사이에는 팽창밸브를 설치하고, 상기 실외기와 실내기의 냉매 출구에는 압축기의 흡입구 쪽에 솔레노이드 밸브로 연결하되 상기 솔레노이드 밸브는 콘트롤러에서 압축기의 흡입구 온도가 배출구 온도와 비교하여 흡입구 온도가 저하될 때 개방되며 개방된 시간을 누적하여 평균 개방시간을 계산하고 이에 따라 주기적으로 개방되는 회로로 구성된다.

본 발명에서 냉방 운전시는 압축기의 냉매가 사방밸브에서 응축기로 사용되는 실외기를 거치고 팽창밸브를 거친 후 증발기로 사용되는 실내기를 거친 후 사방밸브에서 압축기로 회수되고, 난방 운전시는 압축기의 냉매가 사방밸브에서 응축기로 사용되는 실내기를 거치고 팽창밸브를 거친 후 증발기로 사용되는 실외기를 거친 후 사방밸브에서 압축기로 회수되게 운전된다.

본 발명에서 사방밸브의 자동 개폐작동 원리는 설치된 사방밸브의 냉방 또는 난방 운전의 선택에 따라 냉매의 흐름방향이 결정되고, 증발기 또는 응축기로 사용되는 실내기 또는 실외기에 정체되어 있는 오일은 솔레노이드 밸브를 통하여 압축기의 흡입구로 회수되게 된다. 이때 상기 솔레노이드는 배출구 온도와 비교하여 흡입구 온도가 저하될 때 콘트롤러에 의해 개방이 결정된다.

본 발명의 실외기 및 실내기는 히트펌프를 사용하게 되는 것으로, 지열이나 태양열 또는 태양광 등의 에너지를 이용하여 냉방 또는 난방 운전을 하게 되며, 이러한 본 발명을 첨부된 실시예 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 압축기(10)에서 압축된 고온 고압의 냉매가 사방밸브(20)에 의해 흐름이 선택되는 것으로, 냉방 또는 난방 운전에 따라 사방밸브(20)에서 냉매를 실외기(50) 또는 실내기(30)로 흐르게 하며, 상기 실외기(50) 또는 실내기(30)는 히트펌프로 구성되는 것으로, 냉,난방 운전 상태에 따라 증발기 또는 응축기로 사용 된다.

본 발명의 냉방 운전시는 압축기(10)의 배출구(11)에서 배출되는 냉매가 응축기로 사용되는 실외기(50)로 전달되어, 열교환하며, 상기 실외기(50)를 통과한 냉매는 팽창밸브(40)에서 팽창이 이루어지면서 증발기로 사용되는 실내기(30)에서 외기의 변화에 따라 냉매의 온도가 변하게 되며, 상기 실내기(30)를 거친 냉매는 사방밸브(20)에서 압축기(10)의 흡입구(12)로 흡입이 이루어지게 한다.

이러한 본 발명의 냉방 운전시에는 응축기로 사용되는 실외기(50)에서 열을 방출하며, 증발기로 사용되는 실내기(50)에서 열을 흡수하여 실내 냉방을 할 수 있는 것으로, 이러한 동작은 기존의 냉난방 히트펌프기기와 같으나, 단지 본 발명은 기존에 사용하는 오일 회수기를 사용하지 않고 솔레노이드(100)를 이용하여 증발기로 사용되는 실내기(30)에 정체되어 있는 오일 또는 증발기로 유입되는 오일을 압축기(10)의 흡입구(12)로 회수하는 것이다.

여기서, 도면에 도시되지 아니한 콘트롤러는 압축기(10)의 흡입구(12) 온도가 배출구(11) 온도와 비교하여 흡입구(12) 온도가 저하될 때 솔레노이드 밸브(100)를 개방시킴으로써 증발기로 사용되는 실내기(30)에 정체되어 있는 오일이 압력이 낮은 압축기(10)의 흡입구(12)를 통하여 회수되는 것으로, 별도의 오일 분리기를 사용하지 않는 것이다.

본 발명은 오일 분리기를 사용하지 않고, 냉방시 솔레노이드 밸브(100)를 이용하여 오일을 회수함으로써 성능계수(COP)를 높이는 한편 오일 분리기를 사용할 때 발생하였던 소음도 크게 줄일 수 있는 것이다.

<실시예 1> 개선전 히프펌프의 냉방운전 성능계수(한국냉동공조인증센터, 2014년 3월 11일)

<실시예 2> 본발명 자동 오일회수 개폐회를 적용트펌프의 냉방운전 성능계수

(한국냉동공조인증센터, 2014년 7월 2일)

상기와 반대로, 본 발명에서의 난방 운전을 할 때는 압축기(10)의 배출구(11)에서 배출되는 냉매가 응축기로 사용되는 실내기(30)로 전달되어, 냉매의 냉각에 따라 실내온도를 높이도록 하고, 상기 실내기(30)을 통과한 냉매는 팽창밸브(40)에서 팽창이 이루어지면서 증발기로 사용되는 실외기(50)을 거쳐 냉매의 온도를 높이도록 하며, 상기 실외기(50)를 거친 냉매는 사방밸브(20)에서 압축기(10)의 흡입구(12)로 흡입이 이루어지게 한다.

이와 같이, 본 발명을 난방 운전시킬 경우 응축기로 사용되는 실내기(30)에서 더운 바람이 발생하여 실내 난방에 이용하게 되고, 증발기로 사용되는 실외기(50)에서 외부 온도를 흡수하여 냉매 온도를 높이는 것으로, 이러한 동작은 기존의 냉,난방 히트펌프기기와 같지만, 본 발명은 기존에 사용하는 오일 회수기를 사용하지 않고 솔레노이드밸브(110)를 이용하여 증발기로 사용되는 실외기(50)에 정체되어 있는 오일을 압축기(10)의 흡입구(12)로 회수하는 것이다.

여기서, 도면에 도시되지 아니한 콘트롤러는 압축기(10)의 흡입구(12) 온도가 배출구(11) 온도와 비교하여 흡입구(12) 온도가 저하될 때, 솔레노이드 밸브(110)를 개방시킴으로써 증발기로 사용되는 실외기(50)에 정체되어 있는 오일이 압력이 낮은 압축기(10)의 흡입구(12)를 통하여 회수되는 것으로, 별도 오일 분리기를 사용하지 않게 된다.

본 발명은 오일 분리기를 사용하지 않고, 난방시 솔레노이드 밸브(110)를 이용하여 오일을 회수함으로써 성능계수(COP)를 높이는 한편, 오일 분리기를 사용할 때 발생하였던 진동 및 소음도 줄일 수 있다.

<실시예 3> 개선전 히트펌프의 난방운전 성능계수(한국냉동공조인증센터, 2014년3월11일)

<실시예 4> 본발명 자동 오일회수, 개폐회로를 적용한 히트펌프의 냉방운전 성능계수

(한국냉동공조인증센터, 2014년 7월 2일)

이와 같이 본 발명은 오일 자동회수 방법을 고안하여 기존 히트펌프에서 사용하여 온 오일 분리기를 사용하지 않고, 난방시 솔레노이드 밸브(110)를 이용하여 오일을 회수함으로써 지열 히트 펌프의 성능을 향상한 것으로서, 더욱 자세하게는 압축기의 효율적 오일 회수를 통한 응축기 및 증발기의 성능향상을 위한 것이며, 냉난방용 히트펌프 회로에서 응축기 및 증발기에 퇴적되어 열교환을 저해하는 요소를 제거하여 히트 펌프의 성능 및 효율을 증대시키는데 목적이 있는 것으로, 자세하게는 난방 및 냉방 운전에서 팽창 후 증발기에 퇴적되는 오일을 자동제어 회로를 이용하여 회수하는 것으로, 기존 냉매 계통에서 오일 분리기를 통한 압축기 오일회수에 따른 효율저하를 개선하여, 응축기 및 증발기에서 퇴적된 오일을 직접 압축기로 회수가 가능케 함으로써 기존 대비 5~10% 성능 향상을 이루는 것이다.

10 : 압축기 20 : 사방밸브
30 : 실외기 40 : 팽창밸브
50 : 실내기 60 : 스트레이너
70 : 오일 분리기 100,110 : 솔레노이드밸브

Claims (3)

1. 냉방 운전시 압축기(10)의 냉매가 사방밸브(20)의 절환에 따라 히트펌프로 이루어지는 실외기(50)를 거친 후 팽창밸브(40)를 거치고 실내기(30)를 거쳐 압축기(10)로 회수되고, 난방운전시는 압축기(10)의 냉매가 사방밸브(20)의 절환에 따라 히트펌프로 이루어지는 실내기(30)를 거친 후 팽창밸브(40)를 거치고 실외기(50)를 거쳐 압축기(10)로 회수됨에 있어서,
   실내기(30)와 실외기(50) 사이에 연결되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(40)의 전후단에 각각 솔레노이드 밸브(100)(110)를 설치하여 실외기(50) 또는 실내기(30)에 축적되는 오일을 압축기(10)의 흡입구(12)로 회수되게 설치하되 냉방운전시는 응축기로 작용하는 실외기(50)의 냉매가 팽창밸브(40)에서 팽창된 후 증발기로 작용하는 실내기(30)로 유입되기 전에 냉매에 포함된 오일이 솔레노이드 밸브(110)를 통하여 압축기(10)의 흡입구(12)로 회수되게 하는 한편 난방운전시는 응축기로 작용하는 실내기(30)의 냉매가 팽창밸브(40)에서 팽창된 후 증발기로 작용하는 실외기(50)로 유입되기 전에 냉매에 포함된 오일이 솔레노이드 밸브(100)를 통하여 압축기(10)의 흡입구(12)로 회수되게 하고,
   상기 솔레노이드 밸브(100)(110)는 콘트롤러에 의해 제어되게 하되 상기 콘트롤러는 압축기(10)의 흡입구(12) 온도와 배출구(11) 온도를 비교하여 흡입구(12) 온도가 저하될 때 솔레노이드 밸브(100)(110)가 개방되게 하는 한편 개방된 시간을 누적하여 평균 개방시간을 계산하고 이에 따라 주기적으로 개방되게 하는 것을 특징으로 하는 자동 오일회수 및 개폐회로를 구비한 고효율 히트펌프.
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