KR101829771B1 - 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템 - Google Patents

내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 및 증발기(40)를 구비하는 히트펌프에 있어서, 응축기(20)에 의하여 냉매를 응축시 응축기(20)와의 직접적인 열교환이 이루어지는 열교환 순환수(W1)가 수용되는 제1 열교환탱크(50)와, 제1 열교환탱크(50)에서 열교환된 열교환 순환수(W1)가 순환되어 난방 열원으로 수용되며, 증발기(40)에 대하여 증발 에너지를 수증기의 잠열로 제공하기 위한 제2 열교환탱크(60)로 이루어지는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템이 제공된다.

Description

내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템{Heat pump system}
본 발명은 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히트펌프의 동작시 소모되는 폐열을 재생하여 에너지 효율을 높일 뿐만 아니라, 이 때, 히트펌프 순환 사이클에 필요한 압축기로 유입되는 냉매의 기체 포화상태를 원활하게 유지하여 압축기의 효율성과 내구성을 향상시킴과 동시에 이 과정에서 필요한 증발기에 대한 열교환을 증발기와 접촉하는 열교환 매질의 액상과 기상 사이의 잠열 변화를 이용함으로써 재생된 열의 이원화를 형성함으로써 안정적인 난방에너지를 제공할 수 있는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지 시장의 다변화로 인하여 히트펌프를 통한 냉난방 시스템이 많이 이용되고 있다. 이와 관련된 냉난방장치는 일반적으로 압축기와 응축기의 역할을 교대로 수행하는 2개의 열교환기에 의해 냉방과 난방을 선택적으로 수행하고 있다.
여기서, 상기 냉난방장치는 구비되는 제 1열교환기와 제 2열교환기가 각각 응측기와 증발기의 역할을 교대로 수행하고, 압축-응축-팽창-증발의 연속적인 과정을 갖는 냉난방 사이클에 따라 냉매가 순환 또는 역순환되면서 냉방 및 난방을 하고 있다. 이와 같은 냉난방장치는 냉방시에는 상기 제 1열교환기를 얼마나 효과적으로 냉각하는가에 따라 냉방성능이 좌우되고, 난방시에는 상기 제 1열교환기를 얼마나 효과적으로 가열하는가에 따라 난방성능이 좌우된다고 할 수 있다. 또한 기본적으로는 압축-응축-팽창-증발의 연속적인 과정을 갖는 냉난방 사이클이 얼마나 제대로 이루어지는가에 따라 냉난방성능이 크게 달라진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 냉난방장치는 압축기(12), 냉방시 응축기 역할을 하고 난방시 증발기 역할을 하는 제1 열교환기(13), 팽창밸브(14), 냉방시 증발기 역할을 하고 난방시 응축기 역할을 하는 제2 열교환기(15)와, 상기 압축기(12)와 제2 열교환기(15) 사이에 설치되는 보조히터(19)를 포함하여 구성되어 압축-응축-팽창-증발의 연속적인 과정을 진행시켜 나가면서 냉방 및 난방을 선택적으로 구현할 수 있었다. 여기서, 상기 보조히터(19)는 난방시 응축기 역할을 하면서 냉매의 상변화에 따른 잠열을 발생시키는 제 2열교환기(15)의 성능을 더욱 높이기 위하여 구비된 것으로, 이에 대해서는 공개실용신안등록 10-2005-0093645에 기술되어 있다
종래 냉난방장치에 의하면, 성능을 향상시키기 위하여 반드시 보조 히터를 요하고 있기 때문에 제조 비용이 높을 뿐만 아니라, 내구성과 열효율이 낮은 문제점이 있다.
한편, 등록 실용신안 제359590호에 의하면, 히트펌프 시스템에 있어서, 냉매의 증발수단으로서 폐열을 회수하는 폐수탱크와 함께 대기열을 회수하는 실외기를 병렬식으로 설치하여, 폐수의 온도가 높게 되는 동절기 뿐만 아니라 폐수의 온도가 비교적 낮게 되는 하절기에도 냉매의 증발열원을 충분히 확보할 수 있도록 하는 기술이 제안되었다. 그러나 이러한 기술에 의하더라도 히트펌프 순환 사이클에 필요한 압축기로 유입되는 냉매의 기체 포화상태를 원활하게 유지할 수 없기 때문에 압축기에 무리한 부하가 발생되는 문제점이 있다. 또한, 순환 사이클 과정에서 발생되는 온수의 열에너지는 공간적으로나 시간적으로 일정하지 않음으로써 난방, 예를 들면 실내 난방에 활용함에 있어서 쾌적한 제어와 환경을 제공하지 못할 뿐만 아니라 에너지를 효율성이 낮은 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 히트펌프의 동작시 소모되는 폐열을 재생하여 에너지 효율을 높일 뿐만 아니라, 이 과정에서 필요한 증발기에 대한 열교환을 증발기와 접촉하는 열교환 매질의 액상과 기상 사이의 잠열 변화를 이용함으로써 재생된 열의 이원화를 형성함으로써 안정적인 난방에너지를 제공할 수 있는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 히트펌프 순환 사이클에 필요한 압축기로 유입되는 냉매의 기체 포화상태를 원활하게 유지하여 압축기의 효율성과 내구성을 향상시킬 수 있는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 및 증발기(40)를 구비하는 히트펌프에 있어서, 응축기(20)에 의하여 냉매를 응축시 응축기(20)와의 직접적인 열교환이 이루어지는 열교환 순환수(W1)가 수용되는 제1 열교환탱크(50)와, 제1 열교환탱크(50)에서 열교환된 열교환 순환수(W1)가 순환되어 난방 열원으로 수용되며, 증발기(40)에 대하여 증발 에너지를 수증기의 잠열로 제공하기 위한 제2 열교환탱크(60)로 이루어지는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템이 제공된다.
여기서, 제1 열교환탱크(50)와 제2 열교환탱크(60) 사이에는 열교환 순환수(W1)가 순환되는 제2 배관(P2)이 구비되며, 제2 열교환탱크(60)의 내부에는 증발기(40)가 내재되어 밀폐되며, 제2 열교환탱크(60)의 열교환순환수 수용부(62)에는 난방관로(P3)가 배관되어 외부 난방기구(H)에 열교환 순환수가 순환되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 열교환탱크(60)는 제2 열교환탱크(60)의 하부 내부에서 제1 열교환탱크(50)로부터 열교환 순환수(W1)가 순환되어 열교환 순환수(W1)가 수용되는 열교환순환수 수용부(62)와, 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 하며 증발기(40)에 대하여 수증기의 상변이를 통한 잠열에 의하여 열교환이 이루어지도록 하기 위한 상변이 열교환부(64)로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 제2 열교환탱크(60)의 상변이 열교환부(64)는 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62)에 수용된 열교환 순환수(W1)가 증발된 수증기(V)가 증발기(40)의 표면에서 응결된 후 응결된 물방울(D)은 열교환순환수 수용부(62)로 포집되는 것이 바람직하다.
또한, 열교환순환수 수용부(62)는 제1 열교환탱크(50) 내부에서 응축기(20)와의 직접적인 열교환에 의하여 고온의 온도(T0)인 제1 온도를 가지는 반면에, 상변이 열교환부(64)는 열교환순환수 수용부(62)내에 수용된 열교환 순환수(W1)와 분리된 상태로 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 공기(A)와 수증기(V)가 혼재되어 증발기(40)가 수증기(V)의 상변이에 따른 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62) 내의 열교환 순환수(W1)의 제1 온도보다 낮지만 제2 열교환탱크(60)의 하우징 외부 온도(T2)보다는 높은 온도(T1)인 제2 온도를 가지는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에 의하면, 겨울철과 같은 동절기의 경우에도 압축기(10)의 압축효율을 향상시킴과 동시에 압축기(10)의 과부하를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열교환순환수 수용부(62)는 상변이 열교환부(64)와 구분되어 충분히 높은 제1 온도를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 외부 난방기구(H)에 대하여 안정적인 열에너지를 공급하여 쾌적한 난방환경을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉난방장치의 구성도이다
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템의 개략적인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템에 의하면, 저온저압의 기상의 냉매를 고온고압의 기체로 압축하기 위한 압축기(10), 압축기(10)에 의하여 고온고압으로 압축된 기상의 냉매를 응축하기 위한 응축기(20), 응축된 냉매를 팽창시키기 위한 팽창밸브(30), 및 팽창밸브(30)에 의하여 팽창된 냉매를 증발시키며 압축기(10)로 냉매가 순환되도록 제1 배관(P1)이 연결된 증발기(40)를 구비하는 히트펌프에 있어서, 응축기(20)에 의하여 냉매를 응축시 응축기(20)와의 직접적인 열교환에 의하여 열에너지를 회수하는 열교환 순환수(W1)가 수용되는 제1 열교환탱크(50)와, 제1 열교환탱크(50)에서 열교환된 열교환 순환수(W1)가 순환되어 난방 열원으로 수용되며 증발기(40)에 대하여 증발 에너지를 수증기의 잠열로 제공하기 위한 제2 열교환탱크(60)로 이루어진다.
제1 열교환탱크(50)와 제2 열교환탱크(60) 사이에는 열교환 순환수(W1)가 순환되는 제2 배관(P2)이 구비되며, 제1 배관(P1)과 제2 배관(P2)에는 각각 냉매와 열교환 순환수(W1)가 원활하게 순환되도록 하기 위한 펌프(PP)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
제2 열교환탱크(60)의 내부에는 증발기(40)가 내재되어 밀폐된다. 한편,제2 열교환탱크(60)는 제2 열교환탱크(60)의 하부 내부에서 제1 열교환탱크(50)로부터 열교환 순환수(W1)가 순환되어 열교환 순환수(W1)가 수용되는 열교환순환수 수용부(62)와, 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 하며 증발기(40)에 대하여 기상의 수증기 상변이를 통한 잠열에 의하여 열교환이 이루어지도록 하기 위한 상변이 열교환부(64)로 이루어진다.
제2 열교환탱크(60)의 열교환순환수 수용부(62)는 제1 열교환탱크(50) 내부에서 응축기(20)와의 직접적인 열교환에 의하여 고온의 온도(T0)를 가진 열교환 순환수(W1)가 제2 배관(P2)를 매개하여 순환되어 수용되도록 하며, 난방관로(P3)가 배관되어 외부 난방기구(H)에 열교환 순환수가 순환되도록 한다.
한편, 제2 열교환탱크(60)의 상변이 열교환부(64)는 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62)에 수용된 열교환 순환수(W1)가 증발된 수증기(V)가 증발기(40)의 표면에서 응결되도록 하며, 이 때 응결된 물방울(D)은 자유낙하에 의하여 열교환순환수 수용부(62)로 포집된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템에 의하면, 열교환순환수 수용부(62)는 제1 열교환탱크(50) 내부에서 응축기(20)와의 직접적인 열교환에 의하여 고온의 온도(T0)인 제1 온도를 가지는 반면에, 상변이 열교환부(64)는 열교환순환수 수용부(62)내에 수용된 열교환 순환수(W1)와 분리된 상태로 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 공기(A)와 수증기(V)가 혼재되어 증발기(40)가 수증기(V)의 상변이에 따른 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62) 내의 열교환 순환수(W1)의 제1 온도보다 낮지만 제2 열교환탱크(60)의 하우징 외부 온도(T2)보다는 높은 온도(T1)인 제2 온도를 가진다. 히트펌프의 동작시에 증발기(40)로부터 압축기(10)로 이송되는 냉매는 충분히 기체상태로 포화되어 압축기(10)에 의하여 압축될 수 있기 때문에, 겨울철과 같은 동절기의 경우에도 압축기(10)의 압축효율을 향상시킴과 동시에 압축기(10)의 과부하를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 열교환순환수 수용부(62)의 상부면으로부터 발생되는 수증기(V)가 상변이 열교환부(64)로 상승하여 증발기(40)에서 응축되어 증발기(40)에 대하여 열교환이 이루어지고 있다. 이와 같이, 증발기(40)의 표면에서 수증기(V)로부터 물방울(D)로 상변이를 가질 때의 잠열을 통하여 증발기(40)에 대하여 열교환이 이루어지기 때문에, 제2 열교환탱크(60)의 열교환순환수 수용부(62)와 상변이 열교환부(64)는 서로 다른 구분된 온도인 제1 온도와 제2 온도를 일정하게 가질 수 있다.
그에 따라 열교환순환수 수용부(62)는 상변이 열교환부(64)와 구분되어 충분히 높은 제1 온도를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 외부 난방기구(H)에 대하여 안정적인 열에너지를 공급하여 쾌적한 난방환경을 제공할 수 있다.
10: 압축기
20: 응축기
30: 팽창밸브
40: 증발기
50: 제1 열교환탱크
60: 제2 열교환탱크
62: 열교환순환수 수용부
64: 상변이 열교환부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 및 증발기(40)를 구비하는 히트펌프에 있어서,
    응축기(20)에 의하여 냉매를 응축시 응축기(20)와의 직접적인 열교환이 이루어지는 열교환 순환수(W1)가 수용되는 제1 열교환탱크(50)와;
    제1 열교환탱크(50)에서 열교환된 열교환 순환수(W1)가 순환되어 난방 열원으로 수용되며, 증발기(40)에 대하여 증발 에너지를 수증기의 잠열로 제공하기 위한 제2 열교환탱크(60)로 이루어지며,
    제1 열교환탱크(50)와 제2 열교환탱크(60) 사이에는 열교환 순환수(W1)가 순환되는 제2 배관(P2)이 구비되며, 제2 열교환탱크(60)의 내부에는 증발기(40)가 내재되어 밀폐되며, 제2 열교환탱크(60)의 열교환순환수 수용부(62)에는 난방관로(P3)가 배관되어 외부 난방기구(H)에 열교환 순환수가 순환되며,
    제2 열교환탱크(60)는 제2 열교환탱크(60)의 하부 내부에서 제1 열교환탱크(50)로부터 열교환 순환수(W1)가 순환되어 열교환 순환수(W1)가 수용되는 열교환순환수 수용부(62)와,
    제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 하며 증발기(40)에 대하여 수증기의 상변이를 통한 잠열에 의하여 열교환이 이루어지도록 하기 위한 상변이 열교환부(64)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제2 열교환탱크(60)의 상변이 열교환부(64)는 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 열교환 순환수(W1)의 표면으로부터 이격되어 증발기(40)가 구비되도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62)에 수용된 열교환 순환수(W1)가 증발된 수증기(V)가 증발기(40)의 표면에서 응결된 후 응결된 물방울(D)은 열교환순환수 수용부(62)로 포집되는 것을 특징으로 하는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 열교환순환수 수용부(62)는 제1 열교환탱크(50) 내부에서 응축기(20)와의 직접적인 열교환에 의하여 고온의 온도(T0)인 제1 온도를 가지는 반면에, 상변이 열교환부(64)는 열교환순환수 수용부(62)내에 수용된 열교환 순환수(W1)와 분리된 상태로 제2 열교환탱크(60)의 상부 내부에서 공기(A)와 수증기(V)가 혼재되어 증발기(40)가 수증기(V)의 상변이에 따른 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열교환순환수 수용부(62) 내의 열교환 순환수(W1)의 제1 온도보다 낮지만 제2 열교환탱크(60)의 하우징 외부 온도(T2)보다는 높은 온도(T1)인 제2 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 내구성과 에너지 효율성이 향상된 히트펌프의 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101450763B1 (ko) * 2013-08-30 2014-10-16 린나이코리아 주식회사 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러

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