KR101750867B1 - 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 공기열원 급탕기는, 제1압축기 및 제2압축기와, 응축기와, 물과 응축기가 열교환되게 구성되는 수냉매열교환유닛과, 팽창부와, 증발기와, 제1압축기의 토출측과 응축기의 유입측을 연결하는 제1유로와, 제1압축기의 토출측과 제2압축기의 흡입측을 연결하는 제2유로와, 제1압축기의 토출측에 배치되어 토출된 냉매가 제1유로 및 제2유로 중 어느 하나로 유동되게 유로를 절환하는 유로절환밸브를 구비하여 구성된다. 이에 의해, 낮은 외기 온도에서 온수를 공급할 수 있고 압축기의 수명을 연장할 수 있다.

Description

공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법{AIR SOURCE WATER HEATER AND OPERATION CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은, 공기열원 급탕기에 관한 것으로서, 특히 기기의 신뢰성을 제고할 수 있고 낮은 외기 온도에서 온수의 출수가 가능할 수 있도록 한 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 공기열원 급탕기는, 공기의 열을 이용하여 물을 가열하여 사용처에 제공하는 장치이다.

상기 공기열원 급탕기는 히트펌프 급탕기, 공기보일러, 공기보일러급탕기 등 여러 다른 명칭으로 불리기도 한다.

상기 공기열원 급탕기는, 압축기, 응축기, 팽창부 및 증발기로 된 냉동사이클과, 상기 응축기와 물이 열교환할 수 있게 구성된 수-냉매 열교환기를 구비하여 구성될 수 있다.

상기 공기열원 급탕기는 상기 냉동사이클에서 공기의 열을 수집하여 발생한 고열을 이용하여 물을 가열하여 온수(고온수)를 제공하는 장치로서, 전기히터를 이용하는 전기보일러 또는 등유를 연료로 하는 등류보일러 등에 비해 운전비(소비 전력 또는 연료비)가 저렴하여 에너지 절감 효과가 매우 크다. 또한, 공기열원 급탕기는 사용중 이산화탄소의 배출이 없어 일부에서는 신재생에너지로 인정되어 이용이 적극 권장되고 있다.

한편, 공기열원 급탕기는 온수(고온수)가 출수되어야 하므로 응축 압력은 높은 상태에서 일정하게 유지된다.

그런데, 이러한 종래의 공기열원 급탕기에 있어서는, 외기 온도가 낮아지게 될 경우 응축 압력은 일정하게 유지해야하는 반면에 증발압력이 낮아져 압축기의 압축비가 상승하게 될 수 있다. 이에 기인하여 압축기의 강제 열화가 촉진될 수 있다. 또한, 압축기의 토출 온도가 과도하게 상승하여 오일의 탄화가 발생될 수 있고, 이에 기인하여 압축기의 강제 마모가 촉진될 수 있다.

또한, 이러한 종래의 공기열원 급탕기 중 일부 냉매(예를 들면, R410A, R22 등)는 외기온도가 특정 온도 이하(예를 들면 -15℃)로 낮아지게 될 경우 압축기의 운전 자체가 곤란하게 될 수 있다.

따라서, 본 발명은, 낮은 외기온도 조건에서도 온수를 제공할 수 있는 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 온수의 온도 변화 폭을 줄일 수 있고 온수 공급 시간을 연장할 수 있는 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 낮은 외기 온도에서 온수를 공급할 수 있고 압축기의 수명을 연장할 수 있는 공기열원 급탕기 및 그의 운전제어방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 본 발명은, 냉매를 압축하는 제1압축기 및 제2압축기; 압축된 냉매가 응축되는 응축기; 물과 상기 응축기가 상호 열교환되게 구성되는 수냉매열교환유닛; 냉매가 팽창되는 팽창부; 냉매가 증발하는 증발기; 상기 제1압축기의 토출측과 상기 응축기의 유입측을 연결하는 제1유로; 상기 제1압축기의 토출측과 상기 제2압축기의 흡입측을 연결하는 제2유로; 및 상기 제1압축기의 토출측에 배치되어 토출된 냉매가 상기 제1유로 및 제2유로 중 어느 하나로 유동되게 유로를 절환하는 유로절환밸브;를 포함하는 공기열원 급탕기를 제공한다.

여기서, 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 배치되는 중간냉각기;를 더 포함하고, 상기 팽창부는, 상기 중간냉각기와 상기 응축기 사이에 배치되는 제1팽창부; 및 상기 중간냉각기와 상기 증발기 사이에 배치되는 제2팽창부;를 구비하여 구성될 수 있다.

상기 중간냉각기와 상기 제1압축기의 토출측을 연결하는 증기관; 및 상기 증기관에 구비되는 제3팽창부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 외기 온도를 감지하는 외기온도감지부; 및 상기 외기온도감지부의 감지결과에 기초하여 상기 유로절환밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제어부는 상기 외기온도감지부의 감지결과 외기 온도가 설정 온도보다 낮은 경우 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제2유로로 유동되게 상기 유로절환밸브를 제어하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 외기온도감지부의 감지결과 외기 온도가 설정 온도 이상인 경우 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제1유로로 유동되게 상기 유로절환밸브를 제어하게 구성될 수 있다.

상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 저탕조를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 물순환배관을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 저탕조 및 물순환배관 중 적어도 어느 하나를 구비하여 구성될 수 있다.

즉, 상기 공기열원 급탕기는 상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 저탕조를 구비하거나, 상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 물순환배관을 구비하게 구성되거나, 상기 저탕조 및 물순환배관을 동시에 구비하게 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 공기열원 급탕기의 운전제어방법으로서, 외기 온도를 검출하는 단계; 검출된 외기 온도와 설정 온도를 서로 비교하는 단계; 및 비교 결과에 기초하여 상기 제1압축기의 토출 냉매의 유로를 절환하는 단계;를 포함하는 공기열원 급탕기의 운전제어방법이 제공된다.

여기서, 상기 유로를 절환하는 단계에서는, 상기 검출된 외기 온도가 설정 온도 이하인 경우, 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제2유로를 따라 유동할 수 있게 유로를 절환하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 유로를 절환하는 단계에서는, 상기 검출된 외기 온도가 설정 온도보다 높은 경우, 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제1유로를 따라 유동할 수 있게 유로를 절환하게 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 압축기를 구비하므로 온수의 온도가 크게 변화됨이 없이 온수의 공급(지속) 시간을 연장할 수 있다.

냉매를 제1압축기에서 1차 압축하고 제2압축기에서 2차 압축되도록 함으로써 외기 온도가 낮은 경우에도 운전이 가능하여 온수를 제공할 수 있다. 특히, 각 압축기들의 압축비를 낮출 수 있어 압축비 상승에 기인한 압축기들의 강제 열화를 방지할 수 있다.

또한, 압축기의 토출온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있어 과도한 온도 상승에 기인한 오일의 탄화를 방지할 수 있고, 오일 탄화에 기인한 압축기의 강제마모 발생을 줄일 수 있다.

또한, 외기 온도가 상대적으로 높은 경우, 온수의 온도가 크게 저하됨이 없이 다량의 온수를 지속적으로 공급할 수 있고, 외기 온도가 낮은 경우에도 온수의 공급이 가능하게 하면서 압축기의 강제 열화 및/또는 강제 마모를 줄여 압축기의 수명을 연장할 수 있다. 이에 의해, 외기 온도가 낮은(예를 들면 -15℃ 이하) 경우, 운전이 불가한 일부 냉매(예를 들면 R410A, R22 등)를 이용하여도 한랭지에서 운전이 가능(적합)한 공기열원 급탕기 및 그 운전제어방법이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기열원 급탕기의 구성도,
도 2는 도 1의 공기열원 급탕기의 제어블록도,
도 3은 도 1의 공기열원 급탕기의 유로절환시 냉매 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기열원 급통기의 운전제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 공기열원 급탕기는, 냉매를 압축하는 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)와, 압축된 냉매가 응축되는 응축기(120)와, 물과 상기 응축기(120)가 상호 열교환되게 구성되는 수냉매열교환유닛(240)과, 냉매가 팽창되는 팽창부(130)와, 냉매가 증발하는 증발기(140)와, 상기 제1압축기(111)의 토출측과 상기 응축기(120)의 유입측을 연결하는 제1유로(161)와, 상기 제1압축기(111)의 토출측과 상기 제2압축기(112)의 흡입측을 연결하는 제2유로(171) 및 상기 제1압축기(111)의 토출측에 배치되어 토출된 냉매가 상기 제1유로(161) 및 제2유로(171) 중 어느 하나로 유동되게 유로를 절환하는 유로절환밸브(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 공기열원 급탕기는, 냉매가 순환하는 냉매순환회로(100)와, 물이 순환하는 물순환회로(200)와, 물과 냉매가 열교환하는 수냉매열교환유닛을 구비하여 구성될 수 있다.

상기 냉매순환회로(100)는, 냉매를 압축하는 압축기(110), 냉매가 응축되는 응축기(120), 냉매가 팽창하는 팽창부(130) 및 냉매가 증발하는 증발기(140)를 포함하는 증기압축식 냉동사이클로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 냉매는 R410A 또는 R22 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 압축기(110), 응축기(120), 팽창부(130) 및 증발기(140)는 냉매가 순환할 수 있게 연결배관에 의해 상호 연통되게 연결될 수 있다.

상기 압축기(110)는 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)로 구성될 수 있다. 이에 의해, 급탕 부하가 작은 경우 1대의 압축기(110)를 구동함으로써 전력소비를 줄일 수 있다.

상기 제1압축기(111)는 용량을 가변할 수 있게 인버터 압축기로 구성될 수 있다.

상기 제2압축기(112)는 정속형 압축기 또는 인버터 압축기로 구성될 수 있다.

상기 제1압축기(111)에는 압축된 냉매가 토출될 수 있게 토출관(115)이 구비될 수 있다.

상기 제1압축기(111)의 토출측에는 유로절환밸브(150)가 구비될 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)는 상기 제1압축기(111)의 토출관(115)에 설치될 수 있다.

상기 제1압축기(111)의 일 측에는 냉매가 방열하여 응축되는 응축기(120)가 배치될 수 있다.

한편, 상기 유로절환밸브(150)는 복수의 연결포트(151a~151d)를 구비할 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)의 일 연결포트(151a)에는 상기 토출관(115)이 접속될 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)의 연결포트 중 하나(151b)에는 일 단이 상기 응축기(120)에 연결되는 제1유로(161)의 타 단이 연결될 수 있다. 상기 제1유로(161)에는 제1체크밸브(165)가 구비될 수 있다. 이에 의해, 제1유로(161)의 냉매의 역류가 방지될 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)의 다른 연결포트(151d)에는 일 단이 상기 제2압축기(112)의 흡입측에 연결되는 제2유로(171)의 타 단이 연결될 수 있다. 상기 제2유로(171)에는 제2체크밸브(175)가 구비될 수 있다. 이에 의해, 제2유로(171)의 냉매의 역류가 방지될 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)의 또 다른 연결포트(151c)에는 상기 제1압축기(111)의 흡입측에 일 단이 연결되는 연결배관(113)의 타 단이 접속될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 연결배관(113)의 일 단은 상기 제1압축기(111)의 흡입측에서 분기될 수 있다.

상기 유로절환밸브(150)는 전기에 의해 구동되어 유로를 절환할 수 있게 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유로절환밸브(150)는 전기모터, 솔레노이드 등으로 구성될 수 있다.

이러한 구성에 의하여, 상기 제1압축기(111)에서 압축되어 토출된 냉매는 상기 유로절환밸브(150)의 절환에 의해 상기 제1유로(161)를 따라 상기 응축기(120)로 제공되거나, 상기 제2유로(171)를 따라 상기 제2압축기(112)로 제공될 수 있다.

한편, 냉매의 유동방향을 따라 상기 응축기(120)의 유출 측에는 냉매가 주위의 잠열을 흡수하여 증발하는 증발기(140)가 구비될 수 있다.

상기 증발기(140)는 복수 개로 구성될 수 있다.

상기 증발기(140)는 공기와 열교환가능하게 구성될 수 있다.

상기 증발기(140)의 일 측에는 공기와 냉매의 열교환을 촉진할 수 있게 송풍팬(145)이 구비될 수 있다. 상기 송풍팬(145)은 상기 증발기(140)와 접촉되는 공기의 유동이 촉진되게 구성될 수 있다.

상기 증발기(140)는 실외에 배치될 수 있다. 상기 증발기(140) 및 상기 송풍팬(145)은 내부에 수용공간을 형성하는 케이스(미도시)의 내부에 설치되어 실외기(미도시)로 구성될 수 있다. 상기 증발기(140)의 일 측에는 외기 온도를 감지하는 외기온도감지부(251)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 외기온도감지부(251)는 온도센서로 구성될 수 있다.

냉매의 유동방향을 따라 상기 증발기(140)의 유출 측에는 어큐뮬레이터(117)가 구비될 수 있다.

상기 어큐뮬레이터(117)에는 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)의 각 흡입측이 연결될 수 있다. 여기서, 상기 어큐뮬레이터(117)는 복수 개로 구성되어 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)의 각 흡입측에 각각 연결되게 구성될 수도 있다.

상기 증발기(140)를 경유하여 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부로 유입된 냉매는 기체상태의 냉매와 액체상태의 냉매로 분리될 수 있다. 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부의 기체상태의 냉매는 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)로 각각 제공될 수 있다. 이에 의해, 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)로 액체상태의 냉매가 유입되는 것이 억제될 수 있다.

한편, 상기 응축기(120)와 상기 증발기(140) 사이에는 중간냉각기(180)가 구비될 수 있다.

상기 중간냉각기(180)에는 일 단이 상기 제1압축기(111)의 토출관(115)에 연통되게 연결되는 우회유로(181)의 타 단이 연결될 수 있다.

상기 응축기(120)와 상기 중간냉각기(180) 사이에는 응축된 냉매가 팽창할 수 있게 제1팽창부(131)가 구비될 수 있다.

상기 중간냉각기(180)와 상기 증발기(140) 사이에는 상기 중간냉각기(180)에서 유출된 액체 냉매가 2차 팽창할 수 있게 제2팽창부(132)가 구비될 수 있다.

상기 중간냉각기(180)의 내부에서는 냉매가 기체상태의 냉매와 액체상태의 냉매로 분리될 수 있다. 상기 중간냉각기(180)의 내부의 기체상태의 냉매는 상기 우회유로(181)를 통해 상기 제1압축기(111)의 토출측으로 이동될 수 있다. 상기 우회유로(181)는 상기 제1압축기(111)의 토출관(115)에 상호 연통되게 연결될 수 있다.

상기 우회유로(181)에는 제3팽창부(133)가 구비될 수 있다. 이에 의해, 상기 중간냉각기(180)에서 상기 제2압축기(112)의 유입 측으로 이동되는 냉매가 충분히 과냉각되어 상기 제2압축기(112)의 내부로 액냉매가 유입되는 것이 방지될 수 있다. 여기서, 상기 제1팽창부(131), 제2팽창부(132) 및 제3팽창부(133)는 전기적인 신호에 의해 제어가 가능하게 전자팽창밸브(EEV)로 구성될 수 있다.

한편, 상기 응축기(120)는 물과 열교환할 수 있게 물열교환유로(230)와 함께 수냉매열교환유닛(240)을 구성할 수 있다. 이에 의해, 상기 응축기(120)의 내부의 냉매는 방열되어 응축되고, 상기 물열교환유로(230)의 내부의 물은 상기 응축기(120)에서 방열된 열을 흡수하여 온도가 상승할 수 있다.

상기 물열교환유로(230)는 저탕조(210)와 연결되어 물순환회로(200)를 구성할 수 있다. 즉, 상기 물순환회로(200)는, 상기 물열교환유로(230) 및 상기 저탕조(210)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조(210)의 물이 순환하면서 상기 응축기(120)와 열교환될 수 있다.

상기 저탕조(210)는, 내부에 수용공간을 형성하는 저탕조본체(211)와, 상기 저탕조본체(211)에 물을 공급하는 급수관(212)과, 상기 저탕조본체(211)의 내부의 온수가 출수되는 출수관(218)을 구비하여 구성될 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물이 상기 물열교환유로(230)를 경유하면서 연속적으로 열교환되어 상기 저탕조본체(211)의 내부에 일시 저장될 수 있다.

상기 급수관(212)은 상기 저탕조본체(211)의 하부영역에 연결될 수 있다. 상기 급수관(212)은 상수도관일 수 있다. 여기서, 상기 급수관(212)은 개방된 상태를 유지할 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조본체(211)의 내부에는 물이 일정한 수압을 유지하면서 가득 찰 수 있다.

상기 저탕조본체(211)의 하부 일 측에는 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물이 유출되는 유출관(214)이 구비될 수 있다. 상기 유출관(214)은 상기 물열교환유로(230)와 연결될 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물 중 상대적으로 온도가 낮은 물이 상기 물열교환유로(230)로 공급되어 열교환되어 가열될 수 있다.

상기 저탕조본체(211)의 상부 일 측에는 상기 저탕조본체(211)의 내부로 물이 유입될 수 있게 유입관(216)이 연결될 수 있다. 상기 유입관(216)은 상기 물열교환유로(230)의 유출 측에 연결될 수 있다. 이에 의해, 상기 물열교환유로(230)에서 열교환되어 온도가 상승한 물이 상기 저탕조본체(211)의 내부 상부 영역에 저장될 수 있다.

상기 저탕조본체(211)의 상부 영역에는 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물이 유출될 수 있게 출수관(218)이 마련될 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조본체(211)의 내부 상부영역의 온수가 외부로 출수될 수 있다. 상기 출수관(218)에는 상기 출수관(218)의 유로를 개폐하는 출수관밸브(219)가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물이 상기 출수관(218)을 통해 외부로 출수(배출)될 경우 상기 저탕조본체(211)의 내부의 물의 압력이 저하될 수 있다. 이때, 상기 급수관(212)에서 상기 출수관(218)을 통해 배출된 양만큼 자동적으로 급수가 이루어져 상기 저탕조본체(211)의 내부에는 항상 일정한 수압을 이루면 일정한 량의 물이 저장될 수 있다.

상기 물열교환유로(230)는 물순환배관(미도시)과 연결되어 물순환회로(200)를 구성할 수도 있다. 즉, 상기 물순환회로(200)는 상기 물열교환유로(230) 및 상기 물순환배관(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 물순환배관은 실내의 바닥에 매설될 수 있다. 이에 의해, 실내의 바닥을 난방할 수 있다. 상기 물순환배관에는 물을 펌핑하는 펌프(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 물순환배관에는 라디에이터(미도시)가 연결될 수도 있다. 여기서, 상기 물열교환유로(230)는 복수 개로 구성될 수도 있다. 즉, 상기 물열교환유로(230) 중 어느 하나에는 상기 저탕조(210)가 연결되고 다른 하나에는 상기 물순환배관이 연결되게 구성될 수도 있다.

또한, 물순환회로(200)는, 물이 응축기(120)와 열교환되게 배치되는 물열교환유로(230), 상기 물열교환유로(230)와 연결되는 저탕조(210), 및 상기 물열교환유로(230)에 접속되는 물순환배관을 포함하여 구성될 수도 있다.

한편, 본 공기열원 급탕기는 제어프로그램을 구비한 마이크로프로세서로 구현되는 제어부(250)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(250)는 외기 온도를 감지하여 외기 온도의 감지 결과에 기초하여 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)의 운전을 제어하게 구성될 수 있다.

상기 제어부(250)에는, 외기온도를 감지하는 외기온도감지부(251)와, 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)가 각각 제어가능하게 연결될 수 있다.

상기 제어부(250)는 상기 외기온도감지부(251)의 감지 결과에 기초하여 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)로 유동하는 냉매의 유로를 절환할 수 있게 구성될 수 있다.

상기 제어부(250)에는 팽창부(130)가 제어가능하게 연결될 수 있다. 상기 제어부(250)는 상기 외기온도감지부(251)의 감지결과 외기온도가 외기 설정온도 이하인 경우 상기 제3팽창부(133)를 제어하여 상기 우회유로(181)가 개방되게 구성될 수 있다. 이에 의해, 상기 중간냉각기(180)의 내부의 기체상태의 냉매가 상기 우회유로(181)를 따라 상기 제1압축기(111)의 토출측으로 이동되어 상기 제1압축기(111)에서 토출된 냉매가 적절히 냉각된 후 상기 제2압축기(112)로 흡입되게 할 수 있다.

상기 제어부(250)에는 상기 유로절환밸브(150)가 제어가능하게 연결될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제어부(250)는 상기 외기온도감지부(251)에 의해 감지된 외기온도가 설정온도(예를 들면, -15℃)보다 높은 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1압축기(111)에서 토출되는 냉매가 상기 제1유로(161)를 따라 유동하게 제어할 수 있게 구성될 수 있다. 여기서, 상기 설정온도는 적절히 조절될 수 있다. 이에 의하면, 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)는 병렬 연결된 상태이므로, 급탕부하가 작은 경우 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112) 중 어느 하나를 구동하여 대응할 수 있어 사용 소비 전력을 줄일 수 있다. 또한, 급탕부하가 상대적으로 클 경우 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)를 동시에 구동하여 대응할 수 있어 출수 대기 시간을 단축할 수 있다. 또한, 출수되는 온수의 온도가 크게 저하됨이 없이 다량의 물을 연속으로 급수할 수 있다.

또한, 상기 제어부(250)는 상기 외기온도감지부(251)에 의해 감지된 외기온도가 설정온도 이하인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1압축기(111)에서 토출된 냉매가 상기 제2유로(171)를 따라 유동하게 제어할 수 있게 구성될 수 있다. 상기한 바와 같은 유로 절환 시, 상기 제1압축기(111)와 상기 제2압축기(112)는 서로 직렬 연결된 상태이므로, 냉매가 상기 제1압축기(111)에서 1차 압축되고, 상기 제2압축기(112)에서 2차 압축될 수 있다. 이에 의해, 상기 제1압축기(111)의 압축비 및 제2압축기(112)의 압축비를 각각 저감할 수 있다. 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)는 압축비가 저감됨에 따라 높은 압축비에 기인한 기구부의 강제 열화를 억제할 수 있다. 또한, 제1압축기(111)의 냉매 토출온도 및 제2압축기(112)의 냉매 토출온도가 각각 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 각 압축기의 냉매 토출온도의 과도한 상승에 기인한 오일 탄화를 억제할 수 있고, 오일 탄화에 기인한 기구부의 강제 마모를 완화할 수 있다. 본 발명의 공기열원 급탕기는 압축기의 높은 압축비에 기인한 문제점과, 냉매 토출 온도의 과도한 상승에 기인한 문제점을 모두 해결함으로써, 일부 냉매에 있어 외기 온도가 일정 온도(예를 들면 -15℃ 등)이하로 되면 기기의 운전이 곤란하게 되던 종래와는 달리 외기 온도가 낮은 한랭지에서 안정적으로 구동될 수 있고 온수 제공 및/또는 실내 난방을 모두 구현할 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공기열원 급탕기의 운전제어방법에 대해 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 운전이 개시되면, 상기 제어부(250)는 상기 외기온도감지부(251)에 의해 외기온도(Toi)가 감지되도록 한다(S110). 상기 외기온도감지부(251)에 의해 외기온도(Toi)가 감지되면 상기 제어부(250)는 감지된 외기온도(Toi)와 외기 설정온도(Tos)를 서로 비교한다(S120). 여기서, 상기 외기 설정온도(Tos)는 기기의 설치 환경에 따라 적절히 조절될 수 있다.

상기 제어부(250)는, 상기 외기온도(Toi)와 외기 설정온도(Tos)의 비교결과, 상기 외기온도(Toi)가 상기 외기 설정온도(Tos) 이하이면(S120), 상기 유로절환밸브(150)를 제어하여 유로를 절환한다(S130). 이에 의해, 제1압축기(111)와 상기 제2압축기(112)는 서로 직렬로 연결되고, 상기 제1압축기(111)에서 압축되어 토출된 냉매는 상기 제2유로(171)를 따라 상기 제2압축기(112)측으로 이동될 수 있다.

상기 제어부(250)는 유로가 절환되면 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)에 전원이 인가되게 하여 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)를 구동시킨다(S140). 이에 의해, 외기온도가 낮은 경우(예를 들면 한랭지)에도 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)는 소정의 압축비로 안정적으로 운전될 수 있으며, 급탕 및/또는 난방을 수행할 수 있다.

상기 제어부(250)는,상기 외기온도(Toi)와 외기 설정온도(Tos)의 비교결과, 상기 외기온도(Toi)가 상기 외기 설정온도를 초과하면(S120), 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)를 제어하여 정상 운전되도록 한다(S150). 여기서, 정상운전시 상기 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)는 급탕부하에 따라 제1압축기(111) 및 제2압축기(112) 중 어느 하나가 운전되거나, 제1압축기(111) 및 제2압축기(112)가 동시에 운전될 수 있다.

이하, 외기온도가 설정온도 이하인 경우 냉매 및 물의 순환과정에 대해 상세히 설명한다.

상기 제1압축기(111) 및/또는 제2압축기(112)에서 토출된 냉매는 상기 응축기(120)로 이동하고, 상기 응축기(120)에서 방열되어 응축된다. 상기 응축기(120)를 경유한 냉매는 상기 제1팽창부(131)에서 1차 감압 팽창되고, 상기 중간냉각기(180)를 경유하여 상기 제2팽창부(132)에서 2차 감압 팽창된다. 이때, 상기 제어부(250)는 상기 제3팽창부(133)를 제어하여 상기 우회유로(181)가 차단되게 할 수 있다.

한편, 상기 외기온도 감지결과, 외기온도(Toi)가 외기 설정온도(Tos) 이하인 경우, 상기 제1압축기(111)가 회전을 개시하면, 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부의 기체 냉매가 상기 제1압축기(111)의 내부로 흡입된다. 상기 제1압축기(111)의 내부로 흡입된 냉매는 소정의 압축비로 1차 압축되어 중온 중압의 냉매로 되어 상기 토출관(115)을 통해 토출된다.

상기 제1압축기(111)에서 토출된 냉매는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 유로절환밸브(150)를 경유하여 상기 제2유로(171)를 따라 이동하여 상기 제2압축기(112)의 내부로 흡입된다. 상기 제2압축기(112)로 흡입된 중온 중압의 냉매는 2차 압축되어 고온 고압의 냉매로 되어 토출된다.

상기 제2압축기(112)에서 압축되어 토출된 냉매는 상기 수냉매열교환유닛(240)으로 이동되고, 상기 수냉매열교환유닛(240)의 응축기(120)로 유입된다. 상기 응축기(120)로 유입된 냉매는 방열을 통해 응축된다.

한편, 운전이 개시되면 상기 물순환회로(200)에 구비된 펌프(215)가 운전될 수 있다. 이에 의해, 상기 저탕조(210)의 내부의 물이 상기 수냉매열교환유닛(240)으로 이동되어 열교환되면서 가열될 수 있다.

상기 펌프(215)가 회전을 개시하면 상기 유출관(214)을 통해 상기 저탕조(210)의 내부(하부)의 물이 유출된다. 상기 유출관(214)을 통해 유출된 물은 상기 펌프(215)를 경유해 상기 수냉매열교환유닛(240)으로 이동된다.

상기 수냉매열교환유닛(240)측으로 이동된 물은 상기 수냉매열교환유닛(240)의 물열교환유로(230)로 유입되고, 상기 물열교환유로(230)로 유입된 물은 상기 응축기(120)에서 방열된 열을 흡수하여 온도가 상승한다. 상기 물열교환유로(230)에서 열교환되어 온도가 상승한 물(온수)은 상기 유입관(216)을 통해 상기 저탕조(210)의 내부로 유입되어 저장된다.

상기 저탕조(210)의 내부의 물은 상기 유출관(214)을 통해 유출되어 상기 물열교환유로(230)에서 가열되고 다시 상기 유입관(216)을 통해 상기 저탕조(210)의 내부로 유입되는 과정을 반복하면서 온도가 상승하게 된다.

상기 응축기(120)에서 방열되어 응축된 냉매는 상기 제1팽창부(131)를 경유하면서 1차 감압 팽창되고, 상기 중간냉각기(180)의 내부로 유입될 수 있다. 상기 중간냉각기(180)로 유입된 냉매는 기체상태의 냉매와 액체상태의 냉매로 분리될 수 있다. 이때, 상기 제어부(250)는 상기 제3팽창부(133)를 제어하여 상기 우회유로(181)가 개방되도록 한다.

상기 중간냉각기(180)의 내부의 기체상태의 냉매는 상기 우회유로(181)를 따라 이동되고, 상기 제3팽창부(133)를 경유하여 상기 제1압축기(111)의 토출측으로 이동될 수 있다. 상기 우회유로(181)를 따라 이동된 냉매는 상기 제1압축기(111)에서 1차 압축되어 토출된 중온 중압의 냉매와 합류하여 냉매를 냉각시킬 수 있다. 이에 의해, 상기 제2압축기(112)로 흡입되는 냉매의 온도를 낮출 수 있으며, 아울러 제2압축기(112)에서 2차 압축되어 토출되는 냉매의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.

상기 중간냉각기(180)의 내부 액체상태의 냉매는 상기 중간냉각기(180)에서 유출되어 제2팽창부(132)를 통과하면서 2차 감압 팽창되고, 상기 증발기(140)의 내부로 유입될 수 있다. 상기 증발기(140)로 유입된 냉매는 주위의 잠열을 흡수하여 증발된다. 이때, 상기 송풍팬(145)에 의해 상기 증발기(140)와 접촉되는 공기의 유동이 촉진되어 상기 증발기(140)의 내부의 냉매의 증발이 촉진될 수 있다.

상기 증발기(140)를 경유한 냉매는 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부로 유입되고, 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부의 냉매는 기체상태의 냉매와 액체상태의 냉매로 분리될 수 있다. 상기 어큐뮬레이터(117)의 내부 기체상태의 냉매는 상기 제1압축기(111)의 내부로 흡입되어 압축되고 토출되는 과정을 반복적으로 수행하면서 물을 가열할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 위에서 설명된 실시예는 그 상세한 설명의 내용에 의해 제한되지 않아야 한다.

또한, 앞서 기술한 상세한 설명에서 일일이 나열되지 않은 실시예라 하더라도 첨부된 특허청구범위에서 정의된 그 기술 사상의 범위 내에서 넓게 해석되어야 할 것이다. 그리고, 상기 특허청구범위의 기술적 범위와 그 균등범위 내에 포함되는 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포섭되어야 할 것이다.

100 : 냉매순환회로 110 : 압축기
111 : 제1압축기 112 : 제2압축기
117 : 어큐뮬레이터 120 : 응축기
130 : 팽창부 131 : 제1팽창부
132 : 제2팽창부 133 : 제3팽창부
140 : 증발기 150 : 유로절환밸브
161 : 제1유로 171 : 제2유로
180 : 중간냉각기 181 : 우회유로
200 : 물순환회로 210 : 저탕조
211 : 저탕조본체 212 : 급수관
214 : 유출관 215 : 펌프
216 : 유입관 218 : 출수관
230 : 물열교환유로 250 : 제어부
251 : 외기온도감지부

Claims (12)

1. 냉매를 압축하는 제1압축기 및 제2압축기;
   압축된 냉매가 응축되는 응축기;
   물과 상기 응축기가 상호 열교환되게 구성되는 수냉매열교환유닛;
   냉매가 팽창되는 팽창부;
   냉매가 증발하는 증발기;
   상기 제1압축기의 토출측과 상기 응축기의 유입측을 연결하는 제1유로;
   상기 제1압축기의 토출측과 상기 제2압축기의 흡입측을 연결하는 제2유로; 및
   상기 제1압축기의 토출측에 배치되어 유로를 절환하는 유로절환밸브;
   외기 온도를 감지하는 외기온도감지부; 및
   상기 외기온도감지부의 감지결과에 기초하여 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제1유로 및 제2유로 중 어느 하나로 유동되게 상기 유로절환밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 공기열원 급탕기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응축기와 상기 증발기 사이에 배치되는 중간냉각기;를 더 포함하고,
   상기 팽창부는, 상기 중간냉각기와 상기 응축기 사이에 배치되는 제1팽창부; 및 상기 중간냉각기와 상기 증발기 사이에 배치되는 제2팽창부;를 구비하는 공기열원 급탕기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 중간냉각기와 상기 제1압축기의 토출측을 연결하는 증기관; 및 상기 증기관에 구비되는 제3팽창부;를 더 포함하는 공기열원 급탕기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유로절환밸브는 복수의 연결포트를 구비하고,
   상기 복수의 연결포트에서 하나의 연결포트에는 상기 제1압축기의 토출측에 연결되고,
   상기 복수의 연결포트에서 다른 연결포트에는 상기 제1유로가 연결되고,
   상기 복수의 연결포트에서 또 다른 연결포트에는 상기 제2유로가 연결되고,
   상기 복수의 연결포트에서 또 다른 연결포트에는 상기 제1압축기의 흡입측에서 분기된 연결배관이 연결되는 것을 특징으로 하는 공기열원 급탕기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 외기온도감지부의 감지결과 외기 온도가 설정 온도보다 낮은 경우 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제2유로로 유동되게 상기 유로절환밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기열원 급탕기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 외기온도감지부의 감지결과 외기 온도가 설정 온도 이상인 경우 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제1유로로 유동되게 상기 유로절환밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기열원 급탕기.
7. 제5항에 있어서,
   상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 저탕조를 더 포함하는 공기열원 급탕기.
8. 제5항에 있어서,
   상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 물순환배관을 더 포함하는 공기열원 급탕기.
9. 제5항에 있어서,
   상기 수냉매열교환유닛에 연결되는 저탕조 및 물순환배관 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 공기열원 급탕기.
10. 제1항의 공기열원 급탕기의 운전제어방법으로서,
    외기 온도를 검출하는 단계;
    검출된 외기 온도와 설정 온도를 서로 비교하는 단계; 및
    비교 결과에 기초하여 상기 제1압축기의 토출 냉매의 유로를 절환하는 단계;
    를 포함하는 공기열원 급탕기의 운전제어방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 유로를 절환하는 단계에서는, 상기 검출된 외기 온도가 설정 온도 이하인 경우, 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제2유로를 따라 유동할 수 있게 유로를 절환하는 것을 특징으로 하는 공기열원 급탕기의 운전제어방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 유로를 절환하는 단계에서는, 상기 검출된 외기 온도가 설정 온도보다 높은 경우, 상기 제1압축기에서 토출된 냉매가 상기 제1유로를 따라 유동할 수 있게 유로를 절환하는 것을 특징으로 하는 공기열원 급탕기의 운전제어방법.

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