KR101862762B1 - 수관 변압기를 이용한 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기에서 발생되는 주기유도 열을 이용하여 유체를 가열 및 그 유체를 히트펌프 구동에 필요한 열원으로 적용이 가능하게 함으로써, 계절적 변화에 상관없이 항시 충분한 열원의 공급이 가능하게 하는 등 열효율의 향상에 따른 히트펌프 성능을 향상시키며, 또한 복수의 변압기 및 열교환기를 이용하여 히트펌프의 성능 향상으로 인한 고온의 온수 및 저온의 냉수 생성이 가능하게 하기 위한 수관 변압기를 이용한 히트펌프에 관한 것이다.

Description

수관 변압기를 이용한 히트펌프{Heat pump using water tube transformer}

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기의 열원을 이용하여 유체를 가열 및 그 가열된 유체를 열원으로 하여 히트펌프의 구동이 가능하게 하는 등 열효율의 향상 및 이에 따른 히트펌프의 성능 향상을 가져오게 하는 수관 변압기를 이용한 히트펌프에 관한 것이다.

온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 열량을 이동시키는 것을 히트펌프라고 한다. CFC계 냉매 또는 HFC계 냉매를 압축하여 순환시키면서 열교환하게 하는 압축냉매순환회로는 냉매의 상변화를 통해 간단하게 온도가 낮은곳의 열량을 높은 곳으로 이동시킬 수 있으므로 히트펌프로 널리 사용되고 있다.

히트펌프를 이용하면 압축기에 의한 압축열(압축기에서 전력 소모에 따른 열)뿐만 아니라 건물 외부 공기 중에 포함된 열량(공기열원)을 건물 내부 난방이나 온수의 열원으로 사용할 수 있기 때문에 압축기에서 소모되는 전력 이상의 열량을 얻게 되며, 이러한 점에서 히트펌프는 전열 히터보다 훨씬 효율적임은 잘 알려져 있다.

이러한 히트펌프 (heat pump)는, 파이프를 따라 순환하는 냉매에 열을 가하여 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 열을 이동시키는 구조를 말하는 것으로, 냉매로부터 열이 방출되는 과정을 적극적으로 이용하면 난방기, 온수기로 이용될 수 있고, 냉매가 열을 흡수하는 과정을 적극적으로 이용하면 냉방기, 에어컨, 냉동기 등으로 이용될 수 있다.

일반적인 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창기(또는 팽창변), 및 증발기의 구조를 포함하고, 냉매는 이들 4개의 구성 요소를 순환하며 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정을 순환 반복한다.

압축기는 기체 상태의 냉매를 고온 고압으로 압축하고, 응축기는 열교환 작용을 통해 냉매의 고열을 외부로 방출하고, 냉매를 액화한다. 이 때 별도의 유체가 응축기에 접근하면, 냉매의 응축 과정에서 발생한 열이 유체를 가열하는 데 이용될 수 있다. 이러한 응축 과정을 적극 활용하면 유체를 가열하는 난방기의 동작을 끌어낼 수 있다.

응축기에서 응축된 냉매는 팽창기에서 팽창하며 압력 및 온도가 감소한다. 팽창기는 팽창밸브 또는 팽창변이라 고도 불리며 모세관 형태의 구조를 가질 수 있다. 팽창기를 거친 냉매는 저온 저압의 포화 상태의 액체 상태를 유지하게 된다.

증발기는 외부로부터 열을 흡수하여 액체 상태의 냉매를 기화하는 장치이다. 이 때 냉매는 외부의 열을 흡수하므로 냉매 주변의 온도를 낮추는 효과가 있다.

히트펌프의 응축기 부분을 결과물로 이용하고 증발기 부분을 실외 열교환기로 이용하는 경우 히트펌프를 난방기 또는 온수기로 활용할 수 있고, 반대로 히트펌프의 증발기 부분을 결과물로 이용하고 응축기 부분을 실외 열교환기로 이용하는 경우 히트펌프는 냉방기, 냉장고, 에어컨 등으로 이용될 수 있다.

그러나, 일반적인 히트펌프는 동절기와 같이 저온 상태에서는 열교환 흡열이 제대로 이루어지지 못하게 되는 것인바, 히트펌프효율(COP)가 제대로되 성능을 발휘하지 못하였으며, 이러한 상태에서 구동시 가열온도가 난방 및 온수가열에 충분하지 못한 문제점이 있었다.

이에, 동절기 히트펌프의 효율을 증대시키기 위해 히트펌프의 용량을 증대시켜야 하는 등 실비에 투자되는 비용이 상당히 증대되는 문제점이 있었다.

대한민국특허등록공보 제10-0812316호.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 변압기에서 발생되는 주기유도 열을 이용하여 유체를 가열 및 그 유체를 히트펌프 구동에 필요한 열원으로 적용이 가능하게 함으로써, 계절적 변화에 상관없이 항시 충분한 열원의 공급이 가능하게 하는 등 열효율의 향상에 따른 히트펌프 성능을 향상시키기 위한 수관 변압기를 이용한 히트펌프를 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

또한, 복수의 변압기 및 열교환기를 이용하여 히트펌프의 성능 향상으로 인한 고온의 온수 및 저온의 냉수 생성이 가능하게 하기 위한 수관 변압기를 이용한 히트펌프를 제공함에 본 발명의 다른 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로는, 냉매관을 흐르는 냉매를 이용하여 압축-응축-팽창-증발 4과정 작동하는 히트펌프에 있어서,

냉매를 압축시키는 압축기;

압축기와 냉매관으로 연결되어 냉매의 흐름 방향을 단속하는 사방변;

사방변의 일측과 냉매관으로 연결되는 제1 열교환부;

사방변의 타측과 냉매관으로 연결되는 제2 열교환부;

제1 열교환부와 제2 열교환부를 냉매관으로 연결하는 팽창변; 및

제1 열교환부 팽창변의 사이에서 냉매관으로 연결되는 제3 열교환부를 포함하여 구성하며,

제1 열교환부는,

사방변의 일측 냉매관이 통과하며, 내부에는 열매체가 충전된 제1 열교환기;

온수가 저장되는 온수탱크;

일단이 온수탱크에 연결되고 타단이 다시 온수탱크에 연결되게 구성되어 제1 펌프 작동에 의해 온수가 순환되며, 제1 열교환기를 통과하면서 열매체를 통해 냉매관과 열교환 하는 개폐밸브를 갖는 제1 온수관; 및

제1 열교환기를 통과한 제1 온수관에 형성되며, 열교환된 온수를 한번 더 가열하는 제1 수관 변압기를 포함하여 구성하며,

제3 열교환부는,

사방변의 일측 냉매관이 통과하며, 내부에는 열매체가 충전된 제3 열교환기;

일단이 온수탱크에 연결되고 타단이 다시 온수탱크에 연결되게 구성되어 제3 펌프 작동에 의해 온수가 순환되며, 제3 열교환기를 통과하면서 열매체를 통해 냉매관과 열교환 하는 제2 온수관; 및

제3 열교환기를 통과한 제2 온수관에 형성되며, 열교환된 온수를 한번 더 가열하는 제2 수관 변압기를 포함하여 구성함으로 달성할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프는, 변압기의 코일부 주변에 수관이 감싸게 구성된 수관 변압기를 이용하되, 그 수관 변압기 구동 과정에서 수관에 유도전류가 흘러 유체의 가열이 가능하게 되고, 그 가열된 유체를 히트펌프의 열원으로 사용이 가능하게 되는 것인바, 가열 및 그 유체를 히트펌프 구동에 필요한 열원으로 적용이 가능하게 되는 등 계절적 변화에 상관없이 항시 충분한 열원의 공급이 가능하게 되는 등 열효율의 향상에 따른 히트펌프 성능이 한층 향상되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 복수의 수관 변압기 및 열교환기가 구성된 것인바, 유체의 가열 성능의 향상 및 히트펌프의 성능 향상되며, 이에 따른 한층 높은 온도의 온수 및 낮은 온도의 냉수의 생성이 가능한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 전체 사시도.
도 2는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 요부도.
도 3은 본 발명 수관 변압기를 이용 한 히트펌프의 간략도.
도 4는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 제1 수관 변압기 사시도.
도 5는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 제1 수관 변압기 요부도.
도 6은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 제2 수관 변압기 사시도.
도 7은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 제2 수관 변압기 요부도.
도 8은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 냉방 상태도.
도 9는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 난방 상태도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 내부 요부도이며, 도 3은 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 간략도이다.

도 1 내지 도 3의 도시와 같이 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프(1)는, 통상의 히트펌프와 같이 냉매관(10)을 흐르는 냉매를 이용하여 압축-응축-팽창-증발 4과정 작동하게 구성된 것으로, 압축기(200)와, 사방변(300)과, 제1 열교환부(400)와, 제2 열교환부(500)와, 팽창변(600)으로 구성된다.

상기 압축기(200)는, 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매를 고온 고압의 냉매로 압축하게 구성된다.

상기 사방변(300)은, 상기 압축기(200)와 냉매관(10)으로 연결되어 그 냉매관(10)에서 압축된 냉매를 하기하는 제1 열교환부(400) 또는 제2 열교환부(500)로의 흐름을 단속하게 구성된다.

상기 제1 열교환부(400)는, 상기 사방변(300)의 일측과 냉매관(10)으로 연결되어 그 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

이때, 제1 열교환부(400)는 먼저, 상기 사방변(300)의 일측 냉매관(10)이 통과하는 내부에는 열매체가 충전되는 제1 열교환기(410)가 구성된다.

즉, 제1 열교환기(410)는 내부에 충전된 열매체를 통해 상기 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

그리고, 제1 열교환부(400)에는 온수탱크(420)가 구성된다.

그리고, 제1 열교환부(400)에는 제1 온수관(430)이 구성된 것으로, 제1 온수관(430)은 그 일단이 온수탱크(420)에 연결되고 타단이 상기 제1 열교환기(410)의 내부를 통과하여 다시 온수탱크(420)로 연결되며, 유체의 흐름을 단속하는 개폐밸브(432)가 구성된다.

즉, 제1 온수관(430)은 제1 펌프(431) 작동에 의해 온수탱크(420)에 충전된 온수를 배출 및 제1 열교환기(410)를 통과시켜 다시 온수탱크(420)로 공급하게 구성된 것으로, 이러한 과정에서 그 제1 열교환기(410) 내부에서 열매체를 통해 냉매관(10)을 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

그리고, 제1 열교환부(400)에는 제1 수관 변압기(440)가 구성된 것으로, 제1 수관 변압기(440)는, 제1 열교환기(410)와 온수탱크(420)의 사이에서 제1 온수관(430)을 연결하게 구성된다.

이때, 제1 수관 변압기(440)는, 도 4 및 도 5의 도시와 같이 먼저 제1 변압기 본체(441)가 구성된 것으로, 제1 변압기 본체(441)는 통상의 투자율이 높고 전도성이 낮은 특성을 갖도록 페라이트로 만들어진 자기 철심 등으로 된 "E"형 코어에 1차코일(도면중 미도시함)이 3상 병렬 방식으로 전기 배선되어 3상 전압을 인가받을 수 있게 권선된 3개의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)를 이루는 3상 전압형으로 구성된다.

한편, 각각의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)에 권선되는 코일은 이웃하는 부분이 코일 서로 다른 자극을 갖도록 권선되는 것으로, 복수의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c) 중 서로 인접하는 부분이 N극과 S극으로 서로 교대로 배치되게 권선되게 구성함이 바람직할 것이다.

즉, 코일은 일 예로, 양단에 배치된 제1,3 코일부(441a)(441c)는 베이스판(100)을 기준으로 상부가 N극, 하부가 S극을 갖도록 권선된다. 또한, 중간에 배치된 제2 코일부(441b)는 상부가 S극, 하부가 N극을 갖도록 권선된다.

이에 따라, 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)의 인접한 부분 사이에 형성되는 자기장의 세기가 더 강해지므로, 강해진 교번자속 속에 배치되는 하기하는 제1 수관(444)이 가열되므로 유체를 가열시키게 된다.

그리고, 제1 수관 변압기(440)에는 제1 동판(442)이 구성된 것으로, 제1 동판(442)은 상기 제1 수관 변압기(440)의 배면에서 소정 이격되게 배치 구성되며, 동 재질의 도체로 된 수직 판체 형태로 구성된다.

그리고, 제1 수관 변압기(440)에는 상기 제1 동판(442)의 후방에 면접되게 제1 물통(443)이 구성된 것으로, 그 제1 물통(443)은 입수공간(441a)과 제1 순환공간(441b)과 제2 순환공간(443c)과 출수공간(443d)을 이루게 구획 구성된다.

그리고, 제1 수관 변압기(440)에는 제1 수관(444)이 구성된 것으로, 제1 수관(444)은 내부에 유체가 흐르게 구성되며, 각각의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)를 감싸도록 배치되며, 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)의 전자기 유도에 의해 전류가 유도되는 2차 코일의 역할을 수행하며, 유도 가열이 될 수 있는 전기의 도체로 이루어지며, 도체 중에서도 비철금속에 비해 가열이 용이하며 가열효율이 좋은 자성체일 수 있다.

이때, 제1 수관(444)은 제1 입수관(444a)과, 제1 순환관(444b)과, 제1 출수관(444c)으로 구성된다.

먼저, 제1 입수관(444a)은 제1 수관 변압기(440) 측으로 물의 입수가 가능하게 구성된 것으로, 상기 제1 물통(443)의 입수공간(443a)과 연결되게 구성되며, 상기 제1 열교환부(400)를 통과한 제1 온수관(430)이 연결되어 제1 열교환기(410)를 통과한 유체가 입수공간(443a)으로 입수되게 한다.

이때, 상기 제1 입수관(444a)에는 동절기 동파를 방지하기 위해 온도의 측정이 가능한 동파방지센서(445)가 더 포함되게 구성된다.

상기 제1 순환관(444b)은 유체의 순환을 안내하게 구성된 것으로, 그 일단이 상기 제1 물통(443)의 입수공간(443a)과 연결되게 구성되며, 그 타단이 제1 물통(443)의 출수공간(443d)과 연결되게 구성된다.

그리고, 제1 순환관(444b)은 상기와 같이 입수공간(443a)과 출수공간(443d)을 연결하는 과정에서 상기 제1 변압기 본체(441)의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c) 주변을 순환하게 구성되며, 그 순환 과정에서 제1 물통(443)의 제1,2 순환공간(443b)(443c)을 경유하게 구성된다.

상기 제1 출수관(444c)은 상기 제1 물통(443)의 출수공간(443d)과 연결되게 구성되며, 상기 온수탱크(420)로 연결되는 제1 온수관(430)이 연결되게 구성된다.

즉, 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)를 경유하는 제1 순환관(444b)은 1차 코일에 인가되는 교류에 의해 교류가 흐르게 되는 것으로, 그 제1 순환관(444b)은 내부를 통과하는 유체를 가열시킨다.

이때, 제1 순환관(444b)은 각각의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)를 경유시 일부는 N극을 갖는 코일에 근접하게 배치되고, 또 다른 일부는 S극을 갖는 코일에 근접하게 배치된다.

즉, 제1 순환관(444b)은 교번자속의 세기가 가장 큰 영역에 위치되므로 제1 순환관(444b)에 흐르는 유도전류의 세기는 강해지고, 나아가 제1 순환관(444b)에 더 많은 열이 발생하게 되어 물을 보다 효율적으로 가열시킬 수 있다.

한편, 상기와 같이 제1 수관(444)이 제1 동판(442)을 관통시 그 제1 동판(442)과 제1 수관(444)은 서로 용접을 통해 긴밀하게 연결함으로 단락을 방지하게 되는 등 내구성의 향상 및 열전도성을 증대시킬 수 있게 된다.

즉, 제1 동판(442)과 제1 수관(444)은 서로 연결되어, 제1 수관(444)에 흐르는 전류를 공유하고, 이에 따라 제1 동판(442)과 함께 여러 개의 폐회로를 구성시킬 수 있도록 하며, 제1 수관(444)과 제1 동판(442)이 여러 개의 폐회로를 구성하는 경우, 물을 가열시키는 가열 효율을 더 높일 수 있다.

상기 제2 열교환부(500)는, 상기 사방변(300)의 타측과 냉매관(10)으로 연결되어 그 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

이때, 제2 열교환부(500)는 먼저, 상기 사방변(300)의 타측 냉매관(10)이 통과하는 내부에는 열매체가 충전되는 제2 열교환기(510)가 구성된다.

즉, 제2 열교환기(510)는 내부에 충전된 열매체를 통해 상기 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

그리고, 제2 열교환부(500)에는 냉수탱크(520)가 구성된다.

그리고, 제2 열교환부(500)에는 냉수관(530)이 구성된 것으로, 냉수관(530)은 그 일단이 냉수탱크(520)에 연결되고 타단이 상기 제2 열교환기(510)의 내부를 통과하여 다시 냉수탱크(520)로 연결되며 유체의 흐름을 단속하는 개폐밸브(523)가 구성된다.

즉, 냉수관(530)은 제2 펌프(531) 작동에 의해 냉수탱크(520)에 충전된 냉수를 배출 및 제2 열교환기(510)를 통과시켜 다시 냉수탱크(520)로 공급하게 구성된 것으로, 이러한 과정에서 그 제2 열교환기(510) 내부에서 열매체를 통해 냉매관(10)을 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

한편, 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프(1)에는 제3 열교환부(700)가 더 포함되게 구성된다.

이때, 제3 열교환부(700)는, 상기 사방변(300)의 일측 즉, 제1 열교환부(400)와 동일한 냉매관(10)으로 연결되어 그 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

이때, 제3 열교환부(700)는 먼저, 상기 사방변(300)의 일측 냉매관(10)이 통과하는 내부에는 열매체가 충전되는 제3 열교환기(710)가 구성된다.

즉, 제3 열교환기(710)는 내부에 충전된 열매체를 통해 상기 냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

그리고, 제3 열교환부(700)에는 제2 온수관(720)이 구성된 것으로, 제2 온수관(720)은 그 일단이 온수탱크(420)에 연결되고 타단이 상기 제3 열교환기(710)의 내부를 통과하여 다시 온수탱크(420)로 연결되며, 유체의 흐름을 단속하는 개폐밸브(722)가 구성된다.

즉, 제2 온수관(720)은 제3 펌프(721) 작동에 의해 온수탱크(420)에 충전된 온수를 배출 및 제3 열교환기(710)를 통과시켜 다시 온수탱크(420)로 공급하게 구성된 것으로, 이러한 과정에서 그 제3 열교환기(710) 내부에서 열매체를 통해 냉매관(10)을 흐르는 냉매와 열교환하게 구성된다.

그리고, 제3 열교환부(700)에는 제2 수관 변압기(730)가 구성된 것으로, 제2 수관 변압기(730)는 제3 열교환기(710)와 온수탱크(420)의 사이에서 제2 온수관(720)을 연결하게 구성된다.

이때, 제2 수관 변압기(730)는, 도 7 및 도 8의 도시와 같이 먼저 제2 변압기 본체(731)가 구성된 것으로, 제2 변압기 본체(731)는 통상의 투자율이 높고 전도성이 낮은 특성을 갖도록 페라이트로 만들어진 자기 철심 등으로 된 "E"형 코어에 1차코일(도면중 미도시함)이 3상 병렬 방식으로 전기 배선되어 3상 전압을 인가받을 수 있게 권선된 3개의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)를 이루는 3상 전압형으로 구성된다.

한편, 각각의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)에 권선되는 코일은 이웃하는 부분이 코일 서로 다른 자극을 갖도록 권선되는 것으로, 복수의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c) 중 서로 인접하는 부분이 N극과 S극으로 서로 교대로 배치되게 권선되게 구성함이 바람직할 것이다.

즉, 코일은 일 예로, 양단에 배치된 제1,3 코일부(731a)(731c)는 베이스판(100)을 기준으로 상부가 N극, 하부가 S극을 갖도록 권선된다. 또한, 중간에 배치된 제2 코일부(731b)는 상부가 S극, 하부가 N극을 갖도록 권선된다.

이에 따라, 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)의 인접한 부분 사이에 형성되는 자기장의 세기가 더 강해지므로, 강해진 교번자속 속에 배치되는 하기하는 제1 수관(444)이 가열되므로 유체를 가열시키게 된다.

그리고, 제2 수관 변압기(730)에는 제2 동판(732)이 구성된 것으로, 제2 동판(732)은 상기 제2 수관 변압기(730)의 배면에서 소정 이격되게 배치 구성되며, 동 재질의 도체로 된 수직 판체 형태로 구성된다.

그리고, 제2 수관 변압기(730)에는 상기 제2 동판(732)의 후방에 면접되게 제2 물통(733)이 구성된 것으로, 그 제2 물통(733)은 입수공간(733a)과 제1 순환공간(733b)과 제2 순환공간(733c)과 출수공간(733d)을 이루게 구획 구성된다.

그리고, 제2 수관 변압기(730)에는 제2 수관(734)이 구성된 것으로, 제2 수관(734)은 내부에 유체가 흐르게 구성되며, 각각의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)를 감싸도록 배치되며, 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)의 전자기 유도에 의해 전류가 유도되는 2차 코일의 역할을 수행하며, 유도 가열이 될 수 있는 전기의 도체로 이루어지며, 도체 중에서도 비철금속에 비해 가열이 용이하며 가열효율이 좋은 자성체일 수 있다.

이때, 제2 수관(734)은 제2 입수관(734a)과, 제2 순환관(734b)과, 제2 출수관(734c)으로 구성된다.

먼저, 제2 입수관(734a)은 제2 수관 변압기(730) 측으로 물의 입수가 가능하게 구성된 것으로, 상기 제2 물통(733)의 입수공간(733a)과 연결되게 구성되며, 상기 제3 열교환부(700)를 통과한 제2 온수관(720)이 연결되어 제3 열교환기(710)를 통과한 유체가 입수공간(733a)으로 입수되게 한다.

이때, 상기 제1 입수관(734a)에는 동절기 동파를 방지하기 위해 온도의 측정이 가능한 동파방지센서(735)가 더 포함되게 구성된다.

상기 제2 순환관(734b)은 유체의 순환을 안내하게 구성된 것으로, 그 일단이 상기 제2 물통(733)의 입수공간(733a)과 연결되게 구성되며, 그 타단이 제2 물통(733)의 출수공간(733d)과 연결되게 구성된다.

그리고, 제2 순환관(734b)은 상기와 같이 입수공간(733a)과 출수공간(733d)을 연결하는 과정에서 상기 제2 변압기 본체(731)의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c) 주변을 순환하게 구성되며, 그 순환 과정에서 제2 물통(733)의 제1,2 순환공간(733b)(733c)을 경유하게 구성된다.

상기 제2 출수관(734c)은 상기 제2 물통(733)의 출수공간(733d)과 연결되게 구성되며, 상기 온수탱크(420)로 연결되는 제2 온수관(720)이 연결되게 구성된다.

즉, 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)를 경유하는 제2 순환관(734b)은 1차 코일에 인가되는 교류에 의해 교류가 흐르게 되는 것으로, 그 제2 순환관(734b)은 내부를 통과하는 유체를 가열시킨다.

이때, 제2 순환관(734b)은 각각의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)를 경유시 일부는 N극을 갖는 코일에 근접하게 배치되고, 또 다른 일부는 S극을 갖는 코일에 근접하게 배치된다.

즉, 제1 순환관(444b)은 교번자속의 세기가 가장 큰 영역에 위치되므로 제1 순환관(444b)에 흐르는 유도전류의 세기는 강해지고, 나아가 제1 순환관(444b)에 더 많은 열이 발생하게 되어 물을 보다 효율적으로 가열시킬 수 있다.

한편, 상기와 같이 제1 수관(444)이 제1 동판(442)을 관통시 그 제1 동판(442)과 제1 수관(444)은 서로 용접을 통해 긴밀하게 연결함으로 단락을 방지하게 되는 등 내구성의 향상 및 열전도성을 증대시킬 수 있게 된다.

즉, 제1 동판(442)과 제1 수관(444)은 서로 연결되어, 제1 수관(444)에 흐르는 전류를 공유하고, 이에 따라 제1 동판(442)과 함께 여러 개의 폐회로를 구성시킬 수 있도록 하며, 제1 수관(444)과 제1 동판(442)이 여러 개의 폐회로를 구성하는 경우, 물을 가열시키는 가열 효율을 더 높일 수 있다.

상기 팽창변(600)은, 상기 제1 열교환부(400)와 제2 열교환부(500)를 냉매관(10)을 연결되게 구성된 것으로, 바람직하게는 상기 제1 열교환기(410)와 제2 열교환기(510)를 통과하는 냉매관(10)의 중간부에 구성되어 저온 고압의 액체상태의 냉매를 저온 저압으로 변화시키게 구성된다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 냉방 작동시에는

도 1 내지 도 3을 참조하여 도 8의 도시와 같이 먼저 온수탱크(420)의 유체는 제1 온수관(430)의 개폐밸브(432) 차단으로 차단된 상태를 이룬다.

그리고, 냉수탱크(520)의 유체는 제2 펌프(531) 작동에 의해 냉수관(530)을 통해 제2 열교환기(510)를 통과하여 다시 냉수탱크(520)로 순환되게 된다.

또한, 최초 압축기(200)에는 냉매관(10)을 흐르는 냉매가 저온기체 상태로 공급되게 되는 것으로, 이렇게 공급된 기체 냉매는 고온고압의 기체로 변화되게 되고, 그 고온고압의 기체는 사방변(300)을 통해 제1 열교환부(400)로 이동하게 된다.

한편, 제1 열교환기(410) 내부에서는 열매체를 통해 고온고압의 냉매와 온수가 열교환이 이루어지게 되는 것으로, 압축기(200)를 통한 고온고압의 기체 냉매는 차가운 공기와 만났으므로 식혀진 액체로 액화(응축작용)되게 된다.

이후, 액체 상태의 냉매는 팽창변(600)을 지나면서 기화되어 차가운 기체가 되고 이 차가운 기체가 제2 열교환부(500)의 제2 열교환기(510)내부를 통과하는 과정에서 열매체와 열교환하여 차갑게 식혀(증발작용)주게 된다.

이에, 냉수탱크(520)로부터 제2 펌프(531)의 작동으로 냉수관(530)을 통해 제2 열교환기(510)를 통과하는 유수는 상대적으로 낮은 온도의 기체 상태의 냉매와 열매체를 통한 열교환이 이루어져 보다 낮은 온도로 냉각되게 되며, 반대로 온도가 상승된 기체 상태의 냉매는 다시 사방변(300)을 통해 압축기(200)로 유입되어 리사이클 작동하게 된다.

또한, 난방 작동시에는,

도 1 내지 도 3을 참조하여 도 9의 도시와 같이 먼저 냉수탱크(520)의 유체는 냉수관(530)의 개폐밸브(532) 차단으로 차단된 상태를 이룬다.

그리고, 냉수탱크(520)의 유체는 제2 펌프(531) 작동에 의해 냉수관(530)을 통해 제2 열교환기(510)을 통과하여 다시 냉수탱크(520)으로 순환되게 된다.

또한, 최초 압축기(200)에는 냉매관(10)을 흐르는 냉매가 저온기체 상태로 공급되게 되는 것으로, 이렇게 공급된 기체 냉매는 고온고압의 기체로 변화되게 되고, 그 고온고압의 기체는 사방변(300)을 통해 제1 열교환부(400)로 이동하게 된다.

한편, 제1 열교환기(410) 내부에서는 열매체를 통해 고온고압의 냉매와 온수가 열교환이 이루어지게 되는 것으로, 압축기(200)를 통한 고온고압의 기체 냉매는 차가운 공기와 만났으므로 식혀진 액체로 액화(응축작용)되게 된다.

이후, 액체 상태의 냉매는 팽창변(600)을 지나면서 기화되어 차가운 기체가 되고 이 차가운 기체가 제2 열교환부(500)의 제2 열교환기(510)내부를 통과하는 과정에서 열매체와 열교환하여 차갑게 식혀(증발작용)주게 된다.

이에, 온수탱크(420)로부터 제1 펌프(431)의 작동으로 제1 온수관(430)을 통해 제1 열교환기(410)를 통과하는 유체는 상대적으로 높은 온도의 기체 상태의 냉매와 열매체를 통한 열교환이 이루어져 보다 높은 온도로 냉각되게 되며, 반대로 온도가 상승된 기체 상태의 냉매는 다시 사방변(300)을 통해 압축기(200)로 유입되어 리사이클 작동하게 된다.

한편, 상기와 같이 온수탱크(420)의 유체를 가열하는 과정에서는 제1 열교환기(410)를 통해 가열된 유체는 한번 더 가열하여 보다 그 온도를 더욱 상승시킬 수 있는 것인데, 이는 도 4 및 도 5를 참조하여 제1 수관 변압기(440)에 의해 가능하게 된다.

즉, 제1 온수관(430)을 통해 제1 열교환부(400)로부터 배출된 가열 유체는 제1 수관 변압기(440)를 거치게 되는 것인데, 이때 제1 수관(444)을 흐르는 유체는 제1 입수관(444a)을 통해 제1 물통(443)으로 입수 및 제1 순환관(444b)을 따라 제1 변압기 본체(441)의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)의 주변을 순환하여 제1 출수관(444c)으로 출수되는 것으로, 이때 제1 변압기 본체(441)에서는 통상의 변압기와 같이 전압을 인가하게 되면 전류가 흐르게 되는 것인바, 이에 전류의 변화가 발생하게 되면 자장이 발생하고, 이에 그 자장은 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)에 대응하는 제1 순환관(444b)에 가하여 그 제1 순환관(444b)의 전기적 고유 저항에 의해 와전류가 유도 및 와전류가 열로 변환되어 제1 순환관(444b)을 가열 및 내부로 순환되는 물을 가열하게 된다.

즉, 제1 순환관(444b)을 흐르는 유체는 교번자속 속에 배치되어 열기가 가해지게 되는 것인바, 이러한 열기는 제1 순환관(444b) 내부를 흐르는 유체의 열교환을 통해 가열되게 되며, 이렇게 가열된 유체는 제1 출수관(444c)을 통해 제1 온수관(430)으로 배출 및 온수탱크(420)에 저장되게 된다.

한편, 상기와 같이 물이 순환 가열되는 과정에서 제1 동판(442)은 제1 수관(444) 및 제1 물통(443)과 연결되게 구성된 것인바, 제1 수관(444)의 열기는 제1 동판(442)으로 전달되고, 또한 제1 동판(442)의 열기는 제1 물통(443)으로 전달 및 제1 물통(443) 내부의 유체를 가열하며, 이에 제1 순환관(444b)을 흐르는 유체를 가열함에 있어 제1 물통(443)의 제1,2 순환공간(443b)(443c)을 경유시 그 가열 효율이 한층 향상되게 된다.

또한, 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프(1)는, 상기와 같이 온수를 생성하는 과정에서 보다 상승된 온도의 생성이 가능한 것으로, 이는 도 6 및 도 7을 참조하여 제3 열교환부(700)에 의해 가능하게 된다.

즉, 난방 과정에서 제2 온수관(720)을 통해 흐르는 유체는 전술한 제1 온수관(430)을 통해 흐르는 유체와 같이 가열상태로 배출되게 되는 것으로, 제3 열교환부(700)로부터 배출된 가열 유체는 제2 수관 변압기(730)를 거치게 되는 것인데, 이때 제2 수관(734)을 흐르는 유체는 제2 입수관(734a)을 통해 제2 물통(733)으로 입수 및 제2 순환관(734b)을 따라 제2 변압기 본체(731)의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)의 주변을 순환하여 제2 출수관(734c)으로 출수되는 것으로, 이때 제2 변압기 본체(731)에서는 통상의 변압기와 같이 전압을 인가하게 되면 전류가 흐르게 되는 것인바, 이에 전류의 변화가 발생하게 되면 자장이 발생하고, 이에 그 자장은 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)에 대응하는 제2 순환관(734b)에 가하여 그 제2 순환관(734b)의 전기적 고유 저항에 의해 와전류가 유도 및 와전류가 열로 변환되어 제2 순환관(734b)을 가열 및 내부로 순환되는 물을 가열하게 된다.

즉, 제2 순환관(734b)을 흐르는 유체는 교번자속 속에 배치되어 열기가 가해지게 되는 것인바, 이러한 열기는 제2 순환관(734b) 내부를 흐르는 유체의 열교환을 통해 가열되게 되며, 이렇게 가열된 유체는 제2 출수관(734c)을 통해 제2 온수관(720)으로 배출 및 온수탱크(420)에 저장되게 된다.

한편, 상기와 같이 물이 순환 가열되는 과정에서 제2 동판(732)은 제2 수관(734) 및 제2 물통(733)과 연결되게 구성된 것인바, 제2 수관(734)의 열기는 제2 동판(732)으로 전달되고, 또한 제2 동판(732)의 열기는 제2 물통(733)으로 전달 및 제2 물통(733) 내부의 유체를 가열하며, 이에 제2 순환관(734b)을 흐르는 유체를 가열함에 있어 제2 물통(733)의 제1,2 순환공간(733b)(733c)을 경유시 그 가열 효율이 한층 향상되게 된다.

이상에서와 같이 본 발명 수관 변압기를 이용한 히트펌프는, 그 작동과정에서 열원으로 사용되는 온수의 공급이 원활하게 되는 등 이에 따른 냉매와의 열교환 효율이 한층 향상되는 등 히트펌프의 성능 향상 및 효율적인 고온의 온수 및 저온의 냉수 생성이 가능하게 된다.

200 : 압축기 300 : 사방변
400 : 제1 열교환부 410 : 제1 열교환기
420 : 온수탱크 430 : 제1 온수관
440 : 제1 수관 변압기 441 : 제1 변압기 본체
441a,441b,441c : 제1,2,3 코일부 442 : 제1 동판
443 : 제1 물통 443a : 입수공간
443b : 제1 순환공간 443c : 제2 순환공간
443d : 출수공간 444 : 제1 수관
444a : 제1 입수관 444b : 제1 순환관
444c : 제1 출수관
500 : 제2 열교환부 510 : 제2 열교환기
520 : 냉수탱크 530 : 냉수관
600 : 팽창변
700 : 제3 열교환부
710 : 제3 열교환기 720 : 제2 온수관
730 : 제2 수관 변압기 731 : 제2 변압기 본체
731a,731b,731c : 제1,2,3 코일부 732 : 제2 동판
733 : 제2 물통 733a : 입수공간
733b : 제1 순환공간 733c : 제2 순환공간
733d : 출수공간 734 : 제2 수관
734a : 제2 입수관 734b : 제2 순환관
734c : 제2 출수관

Claims (5)

1. 냉매관(10)을 흐르는 냉매를 이용하여 압축-응축-팽창-증발 4과정으로 작동하는 히트펌프에 있어서,
   냉매관(10)을 따라 흐르는 냉매를 고온 고압의 냉매로 압축시키는 압축기(200);
   압축기(200)와 냉매관(10)으로 연결되어 냉매의 흐름 방향을 단속하는 사방변(300);
   사방변(300)의 일측과 냉매관(10)으로 연결되는 제1 열교환부(400);
   사방변(300)의 타측과 냉매관(10)으로 연결되는 제2 열교환부(500);
   제1 열교환부(400)와 제2 열교환부(500)를 냉매관(10)으로 연결하는 팽창변(600); 및
   제1 열교환부(400) 팽창변(600)의 사이에서 냉매관(10)으로 연결되는 제3 열교환부(700)를 포함하여 구성하며,
   제1 열교환부(400)는,
   사방변(300)의 일측 냉매관(10)이 통과하며, 내부에는 열매체가 충전된 제1 열교환기(410);
   온수가 저장되는 온수탱크(420);
   일단이 온수탱크(420)에 연결되고 타단이 다시 온수탱크(420)에 연결되게 구성되어 제1 펌프(431) 작동에 의해 유체가 순환되며, 제1 열교환기(410)를 통과하면서 열매체를 통해 냉매관(10)과 열교환 하는 개폐밸브(432)를 갖는 제1 온수관(430); 및
   제1 열교환기(410)를 통과한 제1 온수관(430)에 형성되며, 열교환된 온수를 한번 더 가열하는 제1 수관 변압기(440)를 포함하되,
   제1 수관 변압기(440)는,
   코어에 각각 코일이 권선되는 3개의 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)를 이루는 3상 전압형 제1 변압기 본체(441);
   제1 변압기 본체(441)의 배면에서 이격되게 배치되는 수직판 형태의 제1 동판(442);
   제1 동판(442)의 후방에 면접되게 형성되며, 입수공간(443a)과 제1 순환공간(443b)과 제2 순환공간(443c)과 출수공간(443d)으로 구획된 제1 물통(443); 및
   제1 온수관(430)의 일단과 연결되어 제1 물통(443)의 입수공간(443a)으로 유체를 인입시키며 제1 동파방지센서(445)를 갖는 제1 입수관(444a)과, 입수공간(443a)으로 유입된 유체를 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)의 주변을 순환 및 제1,2 순환공간(443b)(443c)을 경유하여 출수공간(443d)에 연결되는 제1 순환관(444b)과, 제1 물통(443)의 출수공간(443d)에 연결 및 제1 온수관(430)의 타측과 연결되어 유체를 배출하는 제1 출수관(444c)으로 된 제1 수관(444)을 포함하여 구성하되,
   제1 열교환기(410)를 통과한 유체가 제1 입수관(444a)을 통해 제1 물통(443)으로 유입 및 제1 순환관(444b)을 순환 하면서 제1,2,3 코일부(441a)(441b)(441c)에 의해 유도전류가 흘러 가열 및 제1 출수관(444c)을 통해 제1 온수관(430)으로 배출되게 구성함을 특징으로 하는 수관 변압기를 이용한 히트펌프.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   제2 열교환부(500)는,
   사방변(300)의 타측 냉매관(10)이 통과하며, 내부에는 열매체가 충전된 제2 열교환기(510);
   냉수가 저장되는 냉수탱크(520); 및
   일단이 냉수탱크(520)에 연결되고 타단이 다시 냉수탱크(520)에 연결되게 구성되어 제2 펌프(531) 작동에 의해 냉수가 순환되며, 제2 열교환기(510)를 통과하면서 열매체를 통해 냉매관(10)과 열교환 하는 개폐밸브(532)를 갖는 냉수관(530); 을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 수관 변압기를 이용한 히트펌프.
   
4. 제1항에 있어서,
   제3 열교환부(700)는,
   사방변(300)의 일측 냉매관(10)이 통과하며, 내부에는 열매체가 충전된 제3 열교환기(710);
   일단이 온수탱크(420)에 연결되고 타단이 다시 온수탱크(420)에 연결되게 구성되어 제3 펌프(721) 작동에 의해 온수가 순환되며, 제3 열교환기(710)를 통과하면서 열매체를 통해 냉매관(10)과 열교환 하는 개폐밸브(722)를 갖는 제2 온수관(720); 및
   제3 열교환기(710)를 통과한 제2 온수관(720)에 형성되며, 열교환된 온수를 한번 더 가열하는 제2 수관 변압기(730)를 포함하되,
   제2 수관 변압기(730)는,
   코어에 각각 코일이 권선되는 3개의 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)를 이루는 3상 전압형 제2 변압기 본체(731);
   제2 변압기 본체(731)의 배면에서 이격되게 배치되는 수직판 형태의 제2 동판(732);
   제2 동판(732)의 후방에 면접되게 형성되며, 입수공간(733a)과 제1 순환공간(733b)과 제2 순환공간(733c)과 출수공간(733d)으로 구획된 제2 물통(733); 및
   제2 온수관(720)의 일단과 연결되어 제2 물통(733)의 입수공간(733a)으로 유체를 인입시키며 제2 동파방지센서(735)를 갖는 제2 입수관(734a)과, 입수공간(733a)으로 유입된 유체를 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)의 주변을 순환 및 제1,2 순환공간(733b)(733c)을 경유하여 출수공간(733d)에 연결되는 제2 순환관(734b)과, 제2 물통(733)의 출수공간(733d)에 연결 및 제2 온수관(720)의 타측과 연결되어 유체를 배출하는 제2 출수관(734c)으로 된 제2 수관(734)을 포함하여 구성하되,
   제2 열교환기(510)를 통과한 유체가 제2 입수관(734a)을 통해 제2 물통(733)으로 유입 및 제2 순환관(734b)을 순환 하면서 제1,2,3 코일부(731a)(731b)(731c)에 의해 유도전류가 흘러 유가열 및 제2 출수관(734c)을 통해 제1 온수관(430)으로 배출되게 구성함을 특징으로 하는 수관 변압기를 이용한 히트펌프.
   
5. 삭제

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