KR101891703B1 - 제어기의 폐열을 이용한 열펌프 장치 및 이를 구비한 냉난방 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기, 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제1 용기로부터 유입된 제1 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제1 용기로 상기 제1 유체를 배출하는 열교환기, 상기 열교환기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 열교환기로부터 유입된 냉매를 저온 저압 상태로 팽창시키는 팽창 밸브, 및 상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 팽창 밸브로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체 간 열교환을 행하게 한 후 상기 제2 용기로 상기 제2 유체를 배출하는 증발기를 포함하고, 상기 증발기는, 제2 유체의 유동경로를 통하여 상기 제2 용기와 연결되고 상기 제2 유체가 채워지는 증발 용기와, 상기 증발 용기 내에 구비되고 상기 증발 용기에 채워진 상기 제2 유체와 냉매가 열교환하도록 상기 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관을 포함하며, 제어기 및 상기 제어기로부터 발생된 폐열을 공급받아 압축 공기를 생성하며, 상기 증발 용기로 상기 압축 공기를 공급하는 에어 컴프레서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프 장치를 제공한다.

Description

제어기의 폐열을 이용한 열펌프 장치 및 이를 구비한 냉난방 장치 {Heat Pump apparatus using waste heat of controller and cooling and heating apparatus having the same}

본 발명의 기술적 사상은 열펌프 장치 및 상기 열펌프 장치를 구비한 냉난방 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로 제어기의 폐열을 이용하여 운전 성능을 개선하는 열펌프 장치 및 냉난방 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열펌프 장치는 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉방기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 열펌프가 된다. 열교환 사이클의 기본적인 구성요소는 압축기, 고온부 열교환기, 팽창 밸브, 저온부 열교환기의 4개 요소로 구성될 수 있으며 냉매는 압축, 응축, 팽창, 및 증발의 변화를 계속하면서 순환하게 된다.

또한, 열펌프 장치는 열원에 따라 수열원 열펌프와 공기열원 열펌프로 분류될 수 있다. 여기서, 수열원 열펌프는 열원으로서 물을 이용하는데 주로 지하수, 하천수, 저수지, 댐 저수물, 바닷물 등을 이용하고 있다. 냉난방 장치는 냉방 또는 난방 부하가 있는 건물 또는 비닐하우스 등에 설치되며, 열펌프 장치와 상기 열펌프 장치와 열원을 연결하는 시설 등은 현장 시공을 통하여 설치된다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 냉난방 장치의 운전 성능을 향상시키면서, 설치가 용이하여 시공 비용을 절감할 수 있는 냉난방 장치를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기, 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제1 용기로부터 유입된 제1 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제1 용기로 상기 제1 유체를 배출하는 열교환기, 상기 열교환기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 열교환기로부터 유입된 냉매를 저온 저압 상태로 팽창시키는 팽창 밸브, 및 상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 팽창 밸브로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체 간 열교환을 행하게 한 후 상기 제2 용기로 상기 제2 유체를 배출하는 증발기를 포함하고, 상기 증발기는, 제2 유체의 유동경로를 통하여 상기 제2 용기와 연결되고 상기 제2 유체가 채워지는 증발 용기와, 상기 증발 용기 내에 구비되고 상기 증발 용기에 채워진 상기 제2 유체와 냉매가 열교환하도록 상기 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관을 포함하며, 제어기 및 상기 제어기로부터 발생된 폐열을 공급받아 압축 공기를 생성하며, 상기 증발 용기로 상기 압축 공기를 공급하는 에어 컴프레서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압축기, 열교환기, 팽창 밸브, 및 증발기 및 에어 컴프레서가 설치되는 프레임, 및 상기 프레임과 상기 열교환기 사이에 설치되어, 상기 프레임의 진동을 증폭시켜 상기 열교환기에 전달하는 진동 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 제1 유체가 채워지는 제1 용기, 제2 유체가 채워지는 제2 용기, 및 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기와, 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 상기 제1 용기로부터 유입된 상기 제1 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제1 용기로 상기 제1 유체를 배출하는 열교환기와, 상기 열교환기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 열교환기로부터 유입된 냉매를 저온 저압 상태로 팽창시키는 팽창 밸브와, 상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 팽창 밸브로부터 유입된 냉매와 상기 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제2 용기로 상기 제2 유체를 배출하는 증발기를 포함하는 열펌프 장치를 포함하고, 상기 증발기는, 제2 유체의 유동경로를 통하여 상기 제2 용기와 연결되고 상기 제2 유체가 채워지는 증발 용기와, 상기 증발 용기 내에 구비되고 상기 증발 용기에 채워진 상기 제2 유체와 냉매가 열교환하도록 상기 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관을 포함하며, 상기 열펌프 장치는, 제어기와, 상기 제어기로부터 발생된 폐열을 공급받아 압축 공기를 생성하며, 상기 증발 용기로 상기 압축 공기를 공급하는 에어 컴프레서를 더 포함하는 냉난방 장치를 제공 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉난방 장치는 냉방 부하 또는 난방 부하가 요구되는 실내 공간에 설치된 실내 열교환기를 더 포함하며, 냉방 시, 상기 제1 용기에 채워진 상기 제1 유체를 상기 실내 열교환기로 공급하여 상기 실내 공간의 공기와 상기 제1 유체 간 열교환이 이루어지도록 하며, 난방 시, 상기 제2 용기에 채워진 상기 제2 유체를 상기 실내 열교환기로 공급하여 상기 실내 공간의 공기와 상기 제2 유체 간 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉난방 장치가 냉방에 이용되는 동안, 상기 제1 용기에 지하수를 공급하는 보조 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉난방 장치가 난방에 이용되는 동안, 상기 제2 용기에 지하수를 공급하는 제1 보조 축열부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉난방 장치가 난방에 이용되는 동안, 상기 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체를 태양열 집열기로 공급하여 상기 태양열 집열기에서 집열된 열을 상기 제2 유체에 전달하고, 상기 태양열 집열기로부터 열을 전달받은 상기 제2 유체를 상기 제2 용기로 배출하는 제2 보조 축열부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 냉난방 장치는 제어기에서 발생하는 열을 이용하여 증발기에서의 열교환 효율을 향상시켜, 냉난방 장치의 운전 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 열교환 사이클 구동 시 필요한 장치들을 일체로 구비한 열펌프 장치를 이용하므로, 현장 시공이 용이하여 설치 비용 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있다. 또한, 냉매의 증발 과정이 외부에 설치된 저온의 용기가 아닌 열펌프 장치 내에서 이루어지므로, 증발 배관 주위에 성애 등이 생기면서 열교환 효율이 저하되는 문제를 개선할 수 있다.

나아가, 열펌프 장치는 냉난방 사이클의 구동 시 열교환기를 진동시킬 수 있는 진동 증폭기를 포함하므로, 열교환기 내에 고형물이 쌓이는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 냉난방 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 냉난방 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 열펌프 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 열펌프 장치의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 열펌프 장치의 측면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 유사하게, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

이하에서 설명하는 열펌프 장치 및 냉난방 장치는 다양한 구성을 가질 수 있고 여기서는 필요한 구성만을 예시적으로 제시하며, 본 발명 내용이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 냉난방 장치(1)의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 냉난방 장치(1)의 개략적인 구성도이다. 도 1 및 도 2는 각각 냉난방 장치(1)가 냉방에 이용되는 경우와 난방에 이용되는 경우를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 냉난방 장치(1)는 냉방 부하 또는 난방 부하를 가지는 실내 공간(R)의 주위에 설치되어, 상기 실내 공간(R)을 냉방 또는 난방하게 된다. 상기 냉난방 장치(1)는 제1 유체가 채워지는 제1 용기(210), 제2 유체가 채워지는 제2 용기(250), 및 열펌프 장치(100)를 포함할 수 있다. 상기 열펌프 장치(100)는 압축기(110), 열교환기(120), 팽창 밸브(130), 증발기(140), 제어기(180) 및 에어 컴프레서(170)를 포함하며, 상기 압축기(110)와, 열교환기(120)와, 팽창 밸브(130)와, 증발기(140)를 차례로 접속시켜 냉매가 순환하여 흐르도록 하는 냉매 유로를 가질 수 있다.

상기 압축기(110)는 기체 상태의 냉매를 압축하여 상대적으로 고온 고압의 기체 상태의 냉매를 배출시킬 수 있다. 상기 압축기(110)의 출구 측 냉매 유로에는 오일 분리기(112)가 설치될 수 있다. 상기 오일 분리기(112)는 상기 압축기(110)로부터 배출된 냉매에 섞여있는 오일을 분리해 압축기(110)로 돌려보내고, 고온 고압의 기체 상태의 냉매를 열교환기(120)에 전달하게 된다.

상기 열교환기(120)는 상기 압축기(110)로부터 유입된 냉매와 상기 제1 용기(210)로부터 유입된 제1 유체 간 열교환을 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 열교환기(120)는 판형 열교환기(120) 일 수 있다. 상기 열교환기(120)와 제1 용기(210)는 제1 유체의 유동경로(212)를 통하여 연결될 수 있으며, 상기 제1 유체의 유동경로(212)에는 상기 제1 용기(210)와 상기 열교환기(120) 사이에서 상기 제1 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(214)가 설치될 수 있다. 상기 열교환기(120)에서 이루어진 열교환 결과, 냉매는 상기 제1 유체로 열을 방출하면서 액화되어 배출되며, 상기 제1 유체는 상기 냉매로부터 열을 얻어 온도가 높아진 상태로 배출될 수 있다. 여기서, 상기 제1 유체는 예를 들어 지하수가 이용될 수 있다.

상기 팽창 밸브(130)는 상기 열교환기(120)를 통과한 고압의 액체 상태의 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 습포화 증기 상태의 냉매를 배출시킬 수 있다. 상기 팽창 밸브(130)의 입구측 냉매 유로에는 상기 팽창 밸브(130)로의 냉매의 유입을 개폐하기 위한 전자 밸브(132)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 팽창 밸브(130)와 상기 열교환기(120)를 연결하는 냉매 유로에는 리시버 탱크(122), 사이트 글라스(124), 및 필터(126)가 설치될 수 있다. 상기 리시버 탱크(122)는 액상의 냉매만을 출구 측으로 토출시키고, 기체 상태의 냉매를 용기 내에 저장시킬 수 있다. 상기 사이트 글라스(124)는 상기 냉매 유로를 흐르는 냉매의 흐름을 관찰하기 위하여 설치될 수 있다. 또한, 상기 필터(126)는 상기 냉매에 포함된 이물질을 걸러주기 위하여 설치될 수 있다.

또한, 열펌프 장치(100)는 상기 팽창 밸브(130)의 입구 측 냉매 유로로부터 분기되어, 냉매의 일부가 팽창 밸브(130)가 아닌 압축기(110)의 입구 측 냉매 유로로 흐르도록 하는 바이패스 경로(150)를 구비할 수 있다. 상기 바이패스 경로(150)에는 상기 바이패스 경로(150)로의 냉매의 유입을 개폐하기 위한 바이패스 용 전자 밸브(132)와, 바이패스 경로(150)를 따라 흐르는 냉매를 팽창시킬 수 있는 바이패스 용 팽창 밸브(154)가 설치될 수 있다.

상기 증발기(140)는 팽창 밸브(130)로부터 유입된 냉매와 상기 제2 용기(250)로부터 유입된 상기 제2 유체 간 열교환을 행할 수 있다. 상기 증발기(140)는 상기 제2 유체가 채워진 증발 용기(142) 및 상기 증발 용기(142) 내에 구비되어 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관(144)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 용기(250)는 제2 유체의 유동경로(252)를 통하여 연결될 수 있으며, 상기 제2 유체의 유동경로(252)에는 상기 제2 용기(250)와 상기 증발기(140) 사이에서 상기 제2 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(254)가 설치될 수 있다. 상기 증발기(140)에서 수행된 열교환 결과, 냉매는 상기 증발 배관(144)을 흐르는 동안 상기 제2 유체로부터 열을 전달받고, 증발 용기(142)에 채워진 상기 제2 유체는 상기 냉매로 열을 방출하게 된다. 여기서, 상기 제2 유체는 예를 들어 지하수가 이용될 수 있다.

상기 증발기(140)와 상기 압축기(110)를 연결하는 냉매 유로에는 기액 분리기(148, accumulator)가 설치될 수 있다. 상기 기액 분리기(148)는 상기 증발기(140)에서 미처 기화되지 않은 액체 상태의 냉매가 상기 압축기(110)로 유입되지 않도록 액체 상태의 냉매를 분리할 수 있다.

상기 에어 컴프레서(170)는 외부로부터 공급된 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고, 상기 압축 공기를 증발 용기(142) 내에 공급하여 증발기(140)에서 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 에어 컴프레서(170)는 상기 에어 컴프레서(170)로부터 증발 용기(142)의 하부로 연장하는 압축 공기의 공급 경로(174)를 가질 수 있으며, 열펌프 장치(100)가 구동하는 동안 증발 용기(142)로 공급된 압축 공기는 버블 형태로 증발 용기(142)의 하부로부터 상부로 이동하게 된다. 상기 버블 형태의 압축 공기가 증발 배관(144)에 접촉되면서 증발 배관(144) 주위의 이물질 등이 제거될 수 있으며, 또한 냉매의 증발을 용이하게 하여 결과적으로 증발기(140)에서의 열교환 효율을 개선할 수 있다.

한편, 상기 에어 컴프레서(170)는 상기 제어기(180)에서 발생된 폐열을 이용하여 상대적으로 고온 고압의 압축 공기를 생성할 수 있다. 제어기(180)와 상기 에어 컴프레서(170)는 폐열 공급 경로(172)를 통하여 연결될 수 있으며, 제어기(180)가 운전되는 동안 그 내부에 포함된 전자 기기 등에서 발생된 열은 상기 폐열 공급 경로(172)를 통하여 에어 컴프레서(170)로 공급되게 된다. 상기 에어 컴프레서(170)는 제어기(180)에서 버려지는 폐열을 활용하여 압축 공기를 생성하므로 에너지가 절감되는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일실시예에 따른 열펌프 장치(100)의 사시도이다. 도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 열펌프 장치(100)의 정면도이다. 도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 열펌프 장치(100)의 측면도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 열펌프 장치(100)는 앞서 설명된 압축기(110), 오일 분리기(112), 열교환기(120), 리시버 탱크(122), 팽창 밸브(130), 증발기(140), 제어기(180) 및 에어 컴프레서(170)와 함께 프레임(190), 및 진동 증폭기(160)를 포함할 수 있다. 여기서, 압축기(110), 오일 분리기(112), 열교환기(120), 리시버 탱크(122), 팽창 밸브(130), 증발기(140), 진동 증폭기(160), 에어 컴프레서(170) 등은 상기 프레임(190)에 설치될 수 있다.

한편, 진동 증폭기(160)는 열교환기(120)를 진동시켜 열교환기(120)에 마련된 제1 유체의 통로에 고형 물질이 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 이때, 진동 증폭기(160)는 프레임(190)의 진동을 증폭시키는 방법으로 열교환기(120)를 진동시킬 수 있으며, 예를 들어 구동 시 비교적 큰 진동을 발생시키는 압축기(110)로 인하여 진동하는 프레임(190)의 진동을 증폭시킬 수 있다. 상기 진동 증폭기(160)는 열교환기(120)와 프레임(190) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 유체로서 지하수가 이용되는 경우 열교환기(120)가 계속적으로 구동됨에 따라 열교환기(120) 내에 석회 성분의 고형물이 쌓이게 될 수 있는데, 진동 증폭기(160)가 열교환기(120)를 진동시킴에 따라 석회 성분 등은 열교환기(120) 내에 쌓이지 않고 배출되므로 열교환기(120) 내에 고형물이 쌓이면서 열교환기(120)의 열교환 효율이 저하되는 문제를 개선할 수 있다.

한편, 이하에서 도 1을 참고하여 냉난방 장치(1)를 이용하여 냉방 부하를 가지는 실내 공간(R)을 냉방하는 방법을 설명하기로 한다.

상기 압축기(110)에서 고온 고압의 냉매 가스가 형성되어 토출된 후, 상기 고온 고압의 냉매 가스는 오일 분리기(112)에 유입된다. 상기 오일 분리기(112)는 고온 고압의 냉매 가스에 혼합된 오일을 분리하여 압축기(110)로 돌려보내며, 상기 냉매 가스를 열교환기(120)로 토출시킨다.

상기 열교환기(120)는 상기 오일 분리기(112)에서 오일과 분리된 고온 고압의 냉매 가스와 제1 용기(210)로부터 공급된 제1 유체 간 열교환을 행하게 한다. 이때, 상기 열교환기(120)는 열펌프 장치(100)의 외부에 설치된 제1 용기(210)와 제1 유체의 유동경로(212)를 통하여 연결될 수 있다. 제1 유체는 상기 제1 유체의 유동경로(212)를 통하여 상기 제1 용기(210)로부터 상기 열교환기(120)로 이동되며, 상기 냉매와 열교환 후 다시 상기 열교환기(120)로부터 상기 제1 용기(210)로 이동하게 된다. 상기 열교환기(120)에서의 열교환 결과, 냉매는 제1 유체에 열을 빼앗겨 액체 상태 또는 액체와 기체가 혼합된 습증기 상태로 응축되어 열교환기(120)로부터 배출되며, 제1 유체는 냉매로부터 열을 전달받아 온도가 높아진 상태로 열교환기(120)로부터 배출될 수 있다. 여기서, 상기 제1 용기(210)를 채우는 제1 유체는 상기 냉매를 응축시키는데 이용되므로, 상기 제1 용기(210)는 응축 용기라고 부를 수도 있다.

또한, 냉난방 장치(1)는 상기 제1 용기(210)에 채워진 제1 유체를 냉각시키는 냉각탑(230)을 포함할 수 있다. 냉각탑(230)은 냉매의 응축에 이용되는 제1 유체를 재사용하기 위하여, 제1 용기(210)로부터 유입된 상기 제1 유체를 실외 공기와 직접 접속시켜 제1 유체를 냉각시킨 후 다시 제1 용기(210)로 배출시키게 된다.

또한, 예시적인 실시예들에서, 상기 냉난방 장치(1)는 상기 제1 용기(210)에 지하수를 공급하는 보조 냉각부(220)를 포함할 수 있다. 상기 보조 냉각부(220)는 상기 제1 용기(210)와 지하수를 연결하는 지하수의 유동경로(222)와, 상기 지하수의 유동경로(222)에 설치되어 상기 지하수를 끌어올리기 위한 펌프(224)를 포함할 수 있다. 여름철과 같이 상기 냉난방 장치(1)가 냉방에 이용되는 동안, 상기 보조 냉각부(220)는 제1 용기(210)에 채워진 제1 유체보다 낮은 온도를 가지는 지하수를 상기 제1 용기(210)에 공급함으로써, 상기 제1 용기(210)의 제1 유체가 소정 온도 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있다.

상기 열교환기(120)에서 토출된 냉매는 리시버 탱크(122)로 유입되며, 리시버 탱크(122)는 냉매에 잔류하는 수분 및 이물질을 제거하고 액상의 냉매만을 토출시키게 된다. 상기 리시버 탱크(122)로부터 토출된 냉매는 전자 밸브(132)를 통과하여 팽창 밸브(130)에서 교축 작용에 의하여 저온 저압의 습포화 증기로 상 변화하게 되고, 이어서 상기 팽창 밸브(130)를 통과한 냉매는 증발기(140)로 유입된다.

상기 증발기(140)는 증발 배관(144)을 따라 유동하는 냉매와 상기 증발 용기(142)에 채워진 제2 유체간 열교환을 행하게 한다. 이때, 상기 증발 용기(142)는 열펌프 장치(100)의 외부에 설치된 제2 용기(250)와 제2 유체의 유동경로(252)를 통하여 연결되며, 제2 유체는 상기 제2 유체의 유동경로(252)를 통하여 상기 제2 용기(250)와 증발 용기(142) 사이를 순환하게 된다. 냉매가 증발기(140) 내에 구비된 증발 배관(144)을 따라 유동하는 동안, 냉매는 제2 유체로부터 열을 전달받아 저압의 기체 상태로 증발기(140)로부터 배출될 수 있으며, 증발 용기(142)의 제2 유체는 상기 냉매에 열을 빼앗기게 된다. 그 결과, 제2 용기(250)는 냉매와의 열교환 후 온도가 낮아진 제2 유체를 증발 용기(142)로부터 공급받게 된다. 한편, 열펌프 장치(100)가 구동되는 동안, 에어 컴프레서(170)는 제어기(180)의 폐열을 이용하여 생성된 압축 공기를 증발 용기(142)에 공급할 수 있으며, 이로써 증발기(140)에서의 열전달이 보다 효율적으로 이루어지게 된다.

실내 공간(R)에 대한 냉방은 증발기(140)에서의 열교환 결과 소정 온도 이하를 갖는 제2 유체를 이용하여 이루어진다. 즉, 실내 공간(R)에 대한 냉방은 상기 제2 용기(250)에 채워진 제2 유체를 실내 공간(R)에 구비된 실내 열교환기(300)로 공급하고, 상기 실내 열교환기(300)에서 상기 제2 유체와 실내 공간(R)의 공기 열원 간 열교환이 이루어지며 수행될 수 있다. 이때, 제2 유체는 냉방 경로(310)를 통하여 유동하는데, 상기 냉방 경로(310)는 제2 용기(250)로부터 유출된 제2 유체가 실내 열교환기(300)를 경유하여 다시 제2 용기(250)로 유입되도록 한다. 상기 냉방 경로(310)에는 제2 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(312)가 설치될 수 있다. 상기 실내 열교환기(300)에서의 열교환 결과, 공기 열원은 상기 제1 유체로부터 열을 빼앗겨 온도가 내려가고, 이로써 실내 공간(R)의 냉방이 이루어지게 된다. 여기서, 상기 실내 열교환기(300)는, 예를 들어, 팬 코일 유닛일 수 있다.

상기 증발기(140)로부터 배출된 냉매는 기액 분리기(148)를 통과하여 상기 압축기(110)로 유입되고, 이로써 열교환 사이클을 완성하게 된다.

한편, 이하에서 도 2를 참고하여 냉난방 장치(1)를 이용하여 난방 부하를 가지는 실내 공간(R)을 난방하는 방법을 설명하기로 한다.

앞서 설명된 냉난방 장치(1)를 이용하여 실내 공간(R)을 냉방하는 경우와 같이, 열펌프 장치(100)는 냉매를 압축기(110), 열교환기(120), 팽창 밸브(130), 증발기(140) 등을 순환시키는 열교환 사이클을 구동하고, 그에 따라 열펌프 장치(100)는 제2 용기(250)를 채우는 제2 유체 및 제1 용기(210)를 채우는 제1 유체와 열교환을 하게 된다. 다만, 냉난방 장치(1)를 이용하여 실내 공간(R)을 난방하는 경우, 냉난방 장치(1)는 제1 용기(210)의 제1 유체를 실내 공간(R)으로 순환시켜 실내 공간(R)을 난방하며, 제2 용기(250)는 제1 보조 축열부(260) 및 제2 보조 축열부(270)와 연결된다는 점에서 냉방 시와 차이가 있다.

먼저, 실내 공간(R)에 대한 난방은 제1 용기(210)에 채워진 제1 유체를 실내 공간(R)에 구비된 실내 열교환기(300)로 공급하고, 상기 실내 열교환기(300)에서 상기 제1 유체와 실내 공간(R)의 공기 열원 간 열교환이 이루어지며 수행될 수 있다. 이때, 제1 유체는 난방 경로(320)를 통하여 유동하는데, 상기 난방 경로(320)는 제1 용기(210)로부터 유출된 제1 유체가 실내 열교환기(300)를 경유하여 다시 제1 용기(210)로 유입되도록 한다. 상기 난방 경로(320)에는 제2 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(322)가 설치될 수 있다. 실내 열교환기(300)에서의 열교환 결과, 공기 열원은 상기 제1 유체로부터 열을 전달받아 온도가 상승하게 되고, 실내 공간(R)의 난방이 이루어지게 된다. 여기서, 상기 실내 열교환기(300)는, 예를 들어, 팬 코일 유닛일 수 있다.

또한, 예시적인 실시예들에서, 냉난방 장치(1)는 제2 용기(250)에 지하수를 공급하는 제1 보조 축열부(260)를 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 축열부(260)는 상기 제2 용기(250)와 지하수를 연결하는 지하수의 유동경로(262)와, 상기 지하수의 유동경로(262)에 설치되어 상기 지하수를 끌어올리기 위한 펌프(264)를 포함할 수 있다. 제1 보조 축열부(260)는 겨울철에도 약 15도 정도의 온도를 유지하는 지하수를 제2 용기(250)에 공급함으로써, 냉난방 장치(1)가 냉방에 이용되는 동안 제2 용기(250)의 제2 유체가 소정 온도 이하로 내려가는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 냉난방 장치(1)는 제2 용기(250)에 채워진 제2 유체의 온도가 소정 온도 이하로 내려가는 것을 방지하기 위하여, 제2 용기(250)에 채워진 제2 유체가 태양열 집열기(276)를 경유하도록 하여 상기 제2 유체를 가열하는 제2 보조 축열부(270)를 포함할 수 있다. 상기 제2 보조 축열부(270)는 제2 용기(250)로부터 유출된 제2 유체가 태양열 집열기(276)를 경유하여 다시 제2 용기(250)로 유입되도록 하는 축열 경로(272), 및 태양열에너지로부터 집열된 열을 상기 제2 유체로 전달하는 태양열 집열기(276)를 가질 수 있다. 상기 축열 경로(272)에는 제2 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(512)가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 태양열 집열기(276)는 히트파이프식 단일진공관 타입의 구조가 채용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 평판 유로 형태(plate with tube type), 진공관 형태(evacuated tube type), 핀 튜브 형태(fin tube) 등의 구조가 채용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들에서, 열펌프 장치(100)는 압축기(110), 열교환기(120), 팽창 밸브(130), 증발기(140), 제어기(180), 에어 컴프레서(170) 등을 일체로 구비하므로, 냉난방 장치(1)의 설치가 용이하고, 현장 공사에 소요되는 시간 및 비용을 줄일 수 있다.

또한, 비교예로서 증발 배관(144)이 외부에 설치된 제2 용기(250)의 내부에 직접 설치되는 경우 증발 배관(144) 주위에 성애 등이 생기면서 열전달 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예들에 따른 냉난방 장치(1)에 구비된 증발 배관(144)은 외부에 설치된 제2 용기(250) 보다 높은 온도를 가지는 증발 용기(142) 내에 설치되므로 증발 배관(144) 주위에 생긴 성애 등으로 인하여 열교환 효율이 저하되는 문제가 발생하지 않게 된다.

나아가, 증발 용기(142)는 설정된 양의 제2 유체를 저장할 수 있는 크기를 가지면 충분하므로, 증발 용기(142) 내에 증발 배관(144)을 설치하기 위해 요구되는 형태적 제약이 요구되지 않는다. 더불어, 제2 유체가 단순히 저장된 용기에 증발 배관이 설치되는 경우 냉매와 제2 유체 간 열교환은 주로 전도에 의하여 이루어지는 것과 비교하여, 본 발명의 실시예들에서는 제2 용기(250)와 증발 용기(142)를 순환하는 제2 유체는 증발 용기(142) 내에서 유동하게 되므로 냉매와 제2 유체 간 열교환은 전도 및 대류에 의하여 이루어져 증발기(140)의 열교환 효율이 상승하게 된다.

지금까지의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 냉난방 장치 100: 열펌프 장치
110: 압축기 112: 오일 분리기
120: 열교환기 122: 리시버 탱크
130: 팽창 밸브 140: 증발기
142: 증발 용기 144: 증발 배관
148: 기액 분리기 160: 진동 증폭기
170: 에어 컴프레서 180: 제어기
190: 프레임 210: 제1 용기
220: 보조 냉각부 230: 냉각탑
250: 제2 용기 260: 제1 보조 축열부
270: 제2 보조 축열부 300: 실내 열교환기

Claims (7)

  1. 기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;
    상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제1 용기로부터 유입된 제1 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제1 용기로 상기 제1 유체를 배출하는 열교환기;
    상기 열교환기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 열교환기로부터 유입된 냉매를 저온 저압 상태로 팽창시키는 팽창 밸브;
    상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 팽창 밸브로부터 유입된 냉매와 외부에 설치된 제2 용기로부터 유입된 제2 유체 간 열교환을 행하게 한 후 상기 제2 용기로 상기 제2 유체를 배출하는 증발기;
    상기 압축기와 상기 열교환기를 연결하는 냉매 유로에 설치되고, 기체 상태의 냉매를 상기 열교환기로 토출하고 상기 압축기로부터 배출된 냉매에 섞인 오일을 분리해 상기 압축기로 돌려보내도록 구성된 오일 분리기;
    상기 열교환기와 상기 팽창 밸브를 연결하는 냉매 유로에 설치되고, 액상의 냉매를 상기 팽창 밸브로 토출하도록 구성된 리시버 탱크; 및
    상기 압축기, 열교환기, 팽창 밸브, 증발기, 오일 분리기 및 리시버 탱크가 설치된 프레임을 포함하고,
    상기 증발기는, 제2 유체의 유동경로를 통하여 상기 제2 용기와 연결되고 상기 제2 유체가 채워지는 증발 용기와, 상기 증발 용기 내에 구비되고 상기 증발 용기에 채워진 상기 제2 유체와 냉매가 열교환하도록 상기 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관을 포함하며,
    제어기; 및
    상기 제어기로부터 발생된 폐열을 공급받고, 상기 폐열을 이용하여 압축 공기를 생성하며, 상기 증발 용기로 상기 압축 공기를 공급하는 에어 컴프레서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임과 상기 열교환기 사이에 설치되어, 상기 프레임의 진동을 증폭시켜 상기 열교환기에 전달하는 진동 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.
  3. 열펌프 장치;
    상기 열펌프 장치의 외부에 설치되고, 제1 유체가 채워지는 제1 용기;
    상기 열펌프 장치의 외부에 설치되고, 제2 유체가 채워지는 제2 용기를 포함하고,
    상기 열펌프 장치는,
    기체 상태의 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기와,
    상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 상기 제1 용기로부터 유입된 상기 제1 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제1 용기로 상기 제1 유체를 배출하는 열교환기와,
    상기 열교환기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 열교환기로부터 유입된 냉매를 저온 저압 상태로 팽창시키는 팽창 밸브와,
    상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 냉매 유로로 연결되며, 상기 팽창 밸브로부터 유입된 냉매와 상기 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체 간 열교환을 행하게 한 후, 상기 제2 용기로 상기 제2 유체를 배출하는 증발기와,
    상기 압축기와 상기 열교환기를 연결하는 냉매 유로에 설치되고, 기체 상태의 냉매를 상기 열교환기로 토출하고 상기 압축기로부터 배출된 냉매에 섞인 오일을 분리해 상기 압축기로 돌려보내도록 구성된 오일 분리기와,
    상기 열교환기와 상기 팽창 밸브를 연결하는 냉매 유로에 설치되고, 액상의 냉매를 상기 팽창 밸브로 토출하도록 구성된 리시버 탱크와,
    상기 압축기, 열교환기, 팽창 밸브, 증발기, 상기 오일 분리기 및 상기 리시버 탱크가 설치된 프레임을 포함하고,
    상기 증발기는, 제2 유체의 유동경로를 통하여 상기 제2 용기와 연결되고 상기 제2 유체가 채워지는 증발 용기와, 상기 증발 용기 내에 구비되고 상기 증발 용기에 채워진 상기 제2 유체와 냉매가 열교환하도록 상기 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 증발 배관을 포함하며,
    상기 열펌프 장치는,
    제어기와,
    상기 제어기로부터 발생된 폐열을 공급받고, 상기 폐열을 이용하여 압축 공기를 생성하며, 상기 증발 용기로 상기 압축 공기를 공급하는 에어 컴프레서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉난방 장치는 냉방 부하 또는 난방 부하가 요구되는 실내 공간에 설치된 실내 열교환기를 더 포함하며,
    냉방 시, 상기 제1 용기에 채워진 상기 제1 유체를 상기 실내 열교환기로 공급하여 상기 실내 공간의 공기와 상기 제1 유체 간 열교환이 이루어지도록 하며,
    난방 시, 상기 제2 용기에 채워진 상기 제2 유체를 상기 실내 열교환기로 공급하여 상기 실내 공간의 공기와 상기 제2 유체 간 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 냉난방 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉난방 장치가 냉방에 이용되는 동안, 상기 제1 용기에 지하수를 공급하는 보조 냉각부를 더 포함하고,
    상기 보조 냉각부는 상기 제1 용기와 지하수를 연결하는 지하수의 유동경로 및 상기 지하수의 유동경로에 설치된 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉난방 장치가 난방에 이용되는 동안, 상기 제2 용기에 지하수를 공급하는 제1 보조 축열부를 더 포함하고,
    상기 제1 보조 축열부는 상기 제2 용기와 지하수를 연결하는 지하수의 유동경로 및 상기 지하수의 유동경로에 설치된 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉난방 장치가 난방에 이용되는 동안, 상기 제2 용기로부터 유입된 상기 제2 유체를 태양열 집열기로 공급하여 상기 태양열 집열기에서 집열된 열을 상기 제2 유체에 전달하고, 상기 태양열 집열기로부터 열을 전달받은 상기 제2 유체를 상기 제2 용기로 배출하는 제2 보조 축열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 장치.
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