KR101912201B1 - 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지중에서 공급된 지열수와, 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환시키는 축열탱크; 상기 축열탱크 내부에 공급된 지열수를 제1방향으로 공급하는 복수개의 스파이럴관; 상기 축열탱크에 공급된 냉매를 복수의 영역으로 분산하는 분배기; 일 단부가 상기 분배기에 연결되고, 상기 스파이럴관의 외부를 감싸도록 배치되어 상기 제1방향으로 냉매를 공급하는 복수개의 열교환 파이프 및 상기 열교환 파이프들의 타 단부에서 배출된 냉매를 모아서 다시 히트펌프로 공급하는 취합기를 포함하는 열교환장치를 제공한다.

Description

열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치{Heatpump Sequential Control Device Having The Heat Exchanger}
본 발명은 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치 에 관한 것으로서, 지중의 지열수를 공급하여 히트펌프에 공급될 열매체를 열교환시키는 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석연료 또는 핵연료 등이 주류를 이루고 있다. 이러한 에너지원은 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 토양을 포함하는 환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지 중에서도 녹색 에너지로 각광받고 있고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구가 지속되고 있으며, 이러한 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위 장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되고 있다.
그런데 대체 에너지의 일원인 지열은 지중의 일정한 범위에 분포되는 지열을 이용하여 냉난방을 제공하는 공기 조화장치에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 가정을 비롯한 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용한 열교환 장치는 지하에 일정 깊이로 매설된 지중 열교환기를 통하여 연중 약 10~20℃로 유지되는 지열을 이용하여 하절기에는 지중으로 냉매의 열을 방출하고, 동절기에는 지중으로부터 냉매가 열을 흡수하여 연내 안정적인 냉난방 운전이 가능하다.
그러나 종래 사용되고 있는 지열을 이용한 열교환 장치는 장시간 연속 운전 시 필요한 열량을 지열로부터 지속적으로 공급받지 못하는 경우가 발생하고 있다.
또한 열교환기의 규모에 따라서 히트펌프의 용량이 설정되기 때문에 용량에 비하여 큰 열교환기를 설치해야만 하는 문제점이 있다.
그리고 지중에서 공급된 지열수가 히트펌프를 순환하는 냉매가 열교환함에 있어서, 열교환이 이루어지는 영역이 한정되어 있어 열교환 성능이 고정될 수 밖에 없고, 또한 이러한 열교환 장치는 지열의 스트레스로 인해 열교환 성능이 저하되는 것을 보완하기 위해 버퍼탱크를 별도로 구비해야만 하는 한계를 가지고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환 장치에서 열원측 또는 부하측에 각각 공급되는 지열수 또는 열매체와, 히트펌프 내부에 순환하는 냉매의 열교환 성능을 증대시킬 수 있고, 동시에 열교환 장치를 축열탱크로 활용하여 지열의 열교환 성능이 저하될 때 선택적으로 버퍼기능을 수반할 수 있으며, 열교환 장치 내부의 동파를 방지하여 지속적인 히트펌프의 운행을 유도할 수 있는 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은 지중에서 공급된 지열수와, 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환시키는 축열탱크; 상기 축열탱크 내부에 공급된 지열수를 제1방향으로 공급하는 복수개의 스파이럴관; 상기 축열탱크에 공급된 냉매를 복수의 영역으로 분산하는 분배기; 일 단부가 상기 분배기에 연결되고, 상기 스파이럴관의 외부를 감싸도록 배치되어 상기 제1방향으로 냉매를 공급하는 복수개의 열교환 파이프 및 상기 열교환 파이프들의 타 단부에서 배출된 냉매를 모아서 다시 히트펌프로 공급하는 취합기;를 포함하는 열교환장치를 제공한다.
상기 분배기는 상기 축열탱크 내부에서 설정된 영역에 배치되는 상기 열교환 파이프의 일 단부에 냉매를 공급하는 제1분기부와, 상기 제1분기부가 배치되는 설정 영역의 나머지 영역에 배치된 열교환 파이프의 일 단부에 냉매를 공급하는 제2분기부를 포함할 수 있다.
상기 분배기는 상기 축열탱크 외부에서 내부로 냉매를 공급하는 냉매 공급파이프와, 상기 냉매 공급파이프를 통해 냉매를 전달받는 메인 분배파이프와, 상기 메인 분배파이프의 측방향으로 복수개 돌출되고, 더 작은 단면적을 가지는 서브 분배파이프를 각각 포함할 수 있다.
상기 취합기는 상기 제1분기부가 연결된 상기 열교환 파이프의 타 단부에 연결되는 제1취합부와, 상기 제2분기부가 연결된 상기 열교환 파이프의 타 단부에 연결되는 제2취합부를 포함할 수 있다.
상기 취합기는 상기 열교환 파이프의 타 단부에서 배출되는 냉매를 취합하는 서브 취합파이프와, 상기 서브 취합파이프보다 더 큰 단면적을 가지고, 복수개의 상기 서브 취합파이프를 각각 연결하는 메인 취합파이프를 포함할 수 있다.
상기 분배기와 취합기는 상기 축열탱크의 열교환 성능에 따라서 상기 제1분기부와 제1취합부를 상기 제1히트펌프에 연결하고 상기 제2분기부와 제2취합부를 상기 제2히트펌프에 연결하거나 또는 상기 제1히트펌프와 제2히트펌프 중 선택된 하나에 연결할 수 있다.
상기 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치는 상기 제1히트펌프 또는 제2히트펌프와 병렬로 연결되는 제3히트펌프 내지 제6히트펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 부하량에 따라서 선택적으로 또는 모두 가동할 수 있다.
상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 어느 하나의 히트펌프를 기준으로 순차적으로 전원을 인가하고, 전원이 먼저 인가된 순서대로 전원을 차폐하도록 순차제어 할 수 있다.
상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프부터 누적 가동시간이 가장 긴 히트펌프 순서대로 전원을 인가하여 평균 가동시간이 같아지도록 평균 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치에 따르면,
첫째, 냉매의 열교환 과정에서 지열수가 지나가는 스파이럴관을 통해서 열교환이 이루어지고, 열교환 파이프 외부에서 열교환이 이루어지는 3단 구조로 이루어져 열교환 성능이 현저히 증대되고,
둘째, 냉매는 한 방향으로 이송되지만 지열수를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하면서 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 장치의 규모를 줄일 수 있으며,
셋째, 지열수의 공급 방향에 따라서 지열수의 공급 속도를 다르게 공급하여 열교환 성능을 증대시킬 수 있고,
넷째, 분배기와 취합기를 구비하여 각각의 열교환 파이프 내부에서 균일하게 열교환이 이루어지는 효과가 있으며,
다섯째, 열교환 장치로 공급되는 냉매 유동 순서를 개선하여 히트펌프 내부에서 순환하는 냉매의 열교환 성능을 증대시킬 수 있고,
여섯째, 복수의 히트펌프들의 가동시간이나 가동순서를 제어하여 전원이 인가되는 히트펌프의 순서를 순차적으로 제어함으로써 히트펌프들의 평균 기대수명을 동일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 히트펌프 시스템의 열교환 장치를 부분적으로 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 열교환 장치 내부 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 하측에서 분배기를 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 상측에서 취합기를 도시하는 평면도이다.
도 6은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 취합기를 도시하는 사시도이다.
도 7은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 스파이럴관과 열교환 파이프를 부분적으로 확대하여 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 히트펌프의 열교환 장치를 부분적으로 도시하는 부분 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 1을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템(10)은 지열을 열원으로 하여 지중에서 열교환되어 공급된 지열수가 공급되는 제1열교환 장치(110)와, 상기 제1열교환 장치(110) 내부에서 지열수와 열교환된 냉매를 공급하도록 냉매(R-22, R-134a 또는 R-410)의 순환을 허용하는 제1냉매 순환라인(121)과, 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에 결합되는 압축기(120) 및 팽창밸브(130)와, 상기 압축기(120)로부터 공급되는 냉매가 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에서 공급되는 경로를 설정하는 4방밸브(140)와, 상기 제1열교환 장치(110)와 동일한 구성으로 부하측에 배치되는 제2열교환 장치(150)를 포함하는 제1히트펌프(100)와, 도면에 도시하지는 않았지만, 히트펌프 순차제어장치(10)를 제어하는 제어부(미도시) 및 지중 열교환기(11)를 포함한다.
그리고 상기 제1냉매 순환라인(121)은 상기 히트펌프(100) 내부에서 폐쇄루프를 이루도록 연결된다.
따라서, 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치 (10)는 냉방 운전시에 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 실내기(12)로 하여금 실내에서 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉동사이클의 가동을 가능케 한다. 또한 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 난방시에 상기 냉방사이클의 역사이클로 냉매를 흐르게 하여 실내기(12)로 하여금 냉매의 응축을 통해 실내를 난방시킨다.
또한, 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 공기 열원식 히트펌프 냉난방시스템과 달리, 지열을 열교환 열원으로 하는 지열수를 이용하여 제1열교환 장치(110)에서 열교환을 행하는 지열 열교환식 히트펌프 시스템이다.
따라서, 상기 히트펌프(100)는 제1열교환 장치(110) 및 제2열교환 장치(150)가 냉난방 기능에 따라 각각 응축기 또는 증발기 기능을 위한 하나의 열교환 순환회로를 구성한다.
그리고 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 지중의 열원을 이용하기 위해 지중에 매설된 별도의 지중 열교환기(11)가 구비된다. 상기 지중 열교환기(11)는 지중에 설정된 깊이로 복수개의 'U'자 형상의 관이 매설되며, 상기 지중 열교환기(11)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 지열수를 상기 제1열교환 장치(110)로 공급한다. 상기 지중 열교환기(11)의 매설 깊이는 그 지역의 연간 평균기온을 항시 유지하는 깊이로 설정되는 것이 바람직하며, 대략 13~18℃의 온도가 유지된다.
따라서 상기 히트펌프(100)는 지중 열원을 이용하여 상기 제2열교환 장치(150) 내부의 열매체와 열교환이 이루어지면서 실내 열매체를 냉난방수로 공급하거나 순환하도록 구성할 수 있다. 이때 상기 히트펌프(100)는 지중 열교환기(11)와 열교환을 통하여 열원을 공급받고, 또한 실내기(12)를 통하여 실내에 열원을 공급한다. 즉 상기 히트펌프(100)는 지중의 지열수로부터 열원을 공급받아 제1열교환 장치(110)로 공급하여 열교환이 이루어지고, 여기서 열교환된 냉매를 다시 응축 또는 증발시켜 고온 또는 저온의 냉매를 상기 제2열교환 장치(150)로 공급하여 열매체와 열교환 하면서 실내 난방 또는 냉방이 이루어질 수 있다.
상기 제1히트펌프(100)의 냉동사이클을 보다 상세하게 설명하면, 난방 시 상기 압축기, 사방밸브, 제2열교환 장치(150), 팽창밸브, 제1열교환 장치, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제1열교환 장치(110)에서 지열수의 열원을 흡수하여 제2열교환 장치(150)의 열매체로 전달하여 난방이 이루어진다.
또한 냉방 시 상기 압축기(120), 사방밸브(140), 제1열교환 장치(110), 팽창밸브(130), 제2열교환 장치(150), 사방밸브(140), 압축기(120)의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제2열교환 장치(150)에서 열매체의 열을 흡수한 냉매를 통하여 제1열교환 장치(110)의 지열수로 전달하여 냉방이 이루어진다.
따라서 난방 시에는 상기 제1열교환 장치(110)가 증발기 역할을 하고, 제2열교환 장치(150)가 응축기 역할을 한다. 또한 상기 압축기에서 냉매를 고온 고압으로 압축하여 기화시켜 제2열교환 장치(150)로 공급한다. 그러면 상기 제2열교환 장치(150)는 기화된 냉매를 액화시켜 열에너지를 방출하면서 온수를 공급하거나 난방이 이루어진다.
그리고 냉방 시에는 상기 제2열교환 장치(150)가 증발기 역할을 하고, 제1열교환 장치(110)가 응축기 열학을 한다. 또한 상기 제2열교환 장치(150)에서 응축된 냉매가 팽창밸브를 통해 제1열교환 장치(110)로 공급된다. 그러면 상기 제2열교환 장치(150)에서 냉매가 기화되면서 열에너지를 흡수하여 제1열교환 장치(110)에 유입된 열매체의 온도를 낮추게 되고, 이렇게 냉각된 열매체는 실내기(12)로 공급되어 냉방이 이루어진다. 여기서 열매체는 물, 공기 또는 냉매를 모두 포함하고, 이중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.
이하에서는 상기 제1열교환 장치(110)와 제2열교환 장치(150)의 상세한 내부 구성에 대하여 설명한다. 상기 제1열교환 장치(110)와 제2열교환 장치(150)는 동일한 구성을 가지며 냉난방에 따라서 서로 역할 또는 기능을 바꿔서 수행할 수 있기 때문에 제1열교환 장치(110)에 대해서만 설명하고 중복 설명은 생략한다.
도 2는 도 1에 나타낸 히트펌프 시스템의 열교환 장치를 부분적으로 확대하여 도시하는 단면도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 열교환 장치 내부 상태를 도시하는 사시도이며, 도 4는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 하측에서 분배기를 도시하는 평면도이고, 도 5는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 상측에서 취합기를 도시하는 평면도이며, 도 6은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 취합기를 도시하는 사시도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치(110)는 축열탱크(111)와, 스파이럴관(112)과, 열교환 파이프(113)와, 분배기(114) 및 취합기(115)를 포함한다.
먼저, 축열탱크(111)는 길이방향을 따라서 길게 형성되고, 일 단면이 원형의 원통 형상으로 형성된다. 물론 일 단면이 타원이나 다각형의 형상을 갖도록 구현될 수 있다.
축열탱크(111)의 내부에는 지열수 공급챔버(111a)와, 리버스 챔버(111b)와, 열교환 챔버(111c)와, 지열수 배출챔버(111d)를 포함한다.
지열수 공급챔버(111a)는 외부에서 축열탱크(111) 내부로 지열수를 공급하여 공급된 지열수가 스파이럴관(112)의 일 측에 형성된 입구로 유입되도록 안내하는 기능을 제공한다. 스파이럴관(112)의 입구측으로 공급된 지열수는 스파이럴관(112)의 타 측에 형성된 출구로 배출되는데, 이때 출구는 리버스 챔버(111b)를 향하도록 배치되어 지열수를 배출한다. 여기서 스파이럴관(112)을 따라서 지열수가 이송되는 방향을 제1방향(D1)으로 정의한다. 물론 스파이럴관(112), 열교환 파이프(113), 축열탱크(111)는 제1방향(D1)을 따라서 나란하게 길게 형성된다.
지열수 공급챔버(111a)로부터 제1방향(D1)으로 인접하게는 지열수 배출챔버(111d)가 배치된다. 지열수 공급챔버(111a)와 지열수 배출챔버(111d) 사이에는 제1차폐판(1111)이 마련되면서 서로 밀폐된 분리 영역을 가진다.
지열수 배출챔버(111d)는 열교환을 마친 지열수가 축열탱크(111) 외부로 배출되는 공간이다. 물론 지열수 배출챔버(111d)에서도 지열수가 외부로 배출되기 전까지는 열교환이 이루어진다.
열교환 챔버(111c)는 스파이럴관(112)의 내부에 제1방향(D1)으로 공급되는 지열수와, 열교환 파이프(113) 외부와 축열탱크(111) 내부 사이에서 제2방향(D2)으로 공급되는 지열수가 스파이럴관(112)과 열교환 파이프(113) 사이의 냉매와 열교환이 이루어진다.
축열탱크(111)가 제1열교환 장치(110)로 사용되는 경우(열원측) 지열수가 공급 및 배출되면서 냉매가 열원측과 열교환하게 되고, 제2열교환 장치(150)로 사용되는 경우(부하측) 열매체가 공급 및 배출되면서 냉매가 부하측과 열교환하게 된다. 또한 축열탱크(111)는 버퍼탱크로서의 기능을 수반하기 때문에 별도의 버퍼탱크와 펌프가 추가적으로 구비될 필요가 없는 이점이 있다. 따라서 지중 열교환기의 열교환 성능이 떨어지는 경우 축열탱크(111) 내부에 저장된 지열수의 열원을 이용하여 일시적으로 열교환이 이루어질 수 있다.
축열탱크(111)는 지열수 공급챔버(111a)에 지열수의 공급량 또는 속도를 조절할 수 있는 밸브가 구비되고, 리버스 챔버(111e)에서 지열수에 포함된 기포를 외부로 배출할 수 있도록 에어벤트(1113)가 구비된다.
또한 축열탱크(111)는 내부의 지열수 온도를 센싱하는 온도센서가 구비된다. 온도센서는 축열탱크(111) 내부에 공급된 지열수가 설정된 온도 범위를 유지할 수 있도록 온도 데이터를 제어부로 공급한다. 이때 축열탱크(111)의 지열수 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나는 경우 축열탱크(111)에 공급되는 또는 배출되는 지열수의 양이나 속도를 조절하여 열교환이 이루어질 수 있는 설정 온도범위를 유지하도록 제어할 수 있다.
또한 축열탱크(111)는 지열수 공급챔버(111a) 상에서 지열수가 공급되는 라인과 별도로 내부에 축적된 이물질을 외부로 배출하거나, 또는 축열탱크(111) 내부를 세척할 때 세척수를 고압으로 공급할 수 있는 청소라인(미도시)이 구비된다.
그리고 축열탱크(111)는 열교환 챔버 내부에서 제2방향(D2)으로 공급되는 지열수의 방향을 변화시키는 제2차폐판(1112)을 포함한다. 여기서 지열수의 방향은 결과적으로 제2방향(D2)으로 이송되지만, 그 과정에서 지그재그 방향으로 방향이 변환되면서 공급된다.
또한 제2차폐판(1112)은 적어도 일 부분이 축열탱크(111) 내주면으로부터 설정 간격 이격되도록 배치된다. 이렇게 설정 간격 이격된 부분으로는 리버스 챔버(111b)로 공급된 지열수가 다시 제2방향(D2)으로 공급되기 위한 유로 역할을 담당한다.
또한 제2차폐판(1112)은 열교환 챔버(111c) 내부에서 복수의 열교환 파이프(113)를 각각 지지하는 기능을 제공한다. 제2차폐판(1112)은 복수개가 설정 간격 이격되도록 배치된다. 이때 제2차폐판(1112)은 제2방향(D2)으로 공급되는 지열수가 지그재그 방향으로 공급될 수 있도록 인접한 설정 간격 이격된 부분이 서로 마주하지 않도록 배치된다. 즉 하나의 제2차폐판(1112)이 축열탱크(111)와 이격된 설정 간격과 인접한 다른 제2차폐판(1112)의 이격된 설정 간격은 축열탱크(111)의 내주면에서 서로 반대 방향 또는 먼 방향에 배치된다. 또는 축열탱크(111) 내부를 적어도 나란히 관통하지 않도록 배치될 수 있다.
이때 냉매는 제1방향(D1)으로 이송되는 지열수에 의해 스파이럴관(112)의 외부면과 접촉하여 1차 열교환이 이루어지고, 제2방향(D2)으로 이송되는 지열수에 의해 열교환 파이프(113)의 내부면과 접촉하여 2차 열교환이 이루어진다. 다시 말해 같은 방향으로만 이송되면서 동일 성능의 열교환이 이루어지기 위해서는 두 배의 길이를 가지는 축열탱크(111)가 필요하지만, 리버스 챔버(111e)에서 지열수의 방향전환을 통해서 냉매의 내부와 외부에서 열교환이 이루어지기 때문에 축열탱크(111)의 크기를 절반으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
그리고 분배기(114)는 축열탱크(111) 내부로 공급된 냉매를 복수의 영역으로 분산하여 열교환 파이프(113)에 공급한다. 이를 위해서 분배기(114)는 외부에서 공급되는 냉매를 하나의 직선유로로 공급하는 메인 분배파이프(1141a)와, 메인 분배파이프(1141a)의 측방향으로 나란히 복수개 돌출되어 메인 분배파이프(1141a)로부터 냉매를 공급받는 서브 분배파이프(1141b)를 포함한다.
이때 분배기(114)는 메인 분배파이프(1141a)에 앞서 배치되어 축열탱크(111) 외부의 냉매를 메인 분배파이프(1141a)로 공급하는 냉매 공급파이프(1141c, 도 5 참조)가 구비될 수 있다. 냉매 공급파이프(1141c)는 축열탱크(111)의 형상이나 위치 또는 냉매가 공급되는 방향에 따라서 선택적으로 구비될 수 있다. 또한 냉매 공급파이프(1141c) 역시 축열탱크(111) 내부에서 메인 분배파이프(1141a)로 냉매를 전달하는 과정에서 지열수와 간접적으로 열교환이 이루어질 수 있다.
이러한 분배기(114)는 축열탱크(111) 내부에서 설정 영역에 배치된 열교환 파이프(113)와 연결되는 제1분기부(1141)와, 제1분기부(1141)가 배치된 설정 영역 이외의 나머지 영역에 배치된 열교환 파이프(113)와 연결되는 제2분기부(1142)를 포함한다. 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)는 서로 연결되는 히트펌프(100)의 규모에 따라서 서로 다른 크기의 영역을 커버할 수 있다. 즉 제1분기부(1141)는 더 많은 수의 열교환 파이프(113)와 연결되도록 제2분기부(1142)보다 더 많은 서브 분배파이프(1141b)를 구비할 수 있다. 또한 하나의 히트펌프(100)에서 열교환 성능에 따른 택일적 구동을 위하여 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)가 동일한 사이즈로 마련될 수도 있다.
그리고 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)는 축열탱크(111)의 열교환 성능에 따라서 제1히트펌프(100)에 연결하거나 또는 독립된 다른 제2히트펌프에 각각 나누어 연결할 수 있다. 이를 위해서 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)의 냉매 유로를 합치거나 분리하는 밸브구조 또는 제어 알고리즘이 마련된다.
그리고 취합기(115)는 분배기(114)에 대향하도록 열교환 파이프(113)의 타 단부에 마련된다. 분배기(114)가 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)로 구성되는 경우 취합기(115)도 제1분기부(1141)에 대응하는 제1취합부(1151)와 제2분기부(1142)에 대응하는 제2취합부(1152)를 포함한다. 취합기(115) 역시 분배기(114)의 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)가 설정된 영역에 따라서 각각 제1취합부(1151)와 제2취합부(1152)의 영역이 설정된다.
취합기(115)는 열교환 파이프(113)의 타 단부에서 배출되는 냉매를 취합하는 서브 취합파이프(1151b)와, 서브 취합파이프(1151b)보다 큰 단면적으로 형성되어 복수개의 서브 취합파이프(1151b)를 각각 연결하는 메인 취합파이프(1151a)를 포함한다.
따라서 메인 분배파이프(1141a)로 공급된 냉매는 서브 분배파이프(1141b)를 거쳐 열교환 파이프(113)의 일 측에 유입되면서 열교환이 이루어지고, 열교환 파이프(113)의 타 측으로 배출되면서 열교환이 완료된 냉매는 서브 취합파이프(1151b)에서 모여 메인 취합파이프(1151a)를 통해 다시 히트펌프의 압축기(120)로 배출되는 일련의 과정이 이루어진다.
이러한 분배기(114)와 취합기(115)를 구비하면, 축열탱크(111)내부에서 냉매가 균일한 속도로 일정한 영역에 공급되고 다시 취합할 수 있기 때문에 특정 영역에서만 열교환이 이루어지고, 다른 특정 영역에서 열교환이 이루어지지 않는 것을 방지할 수 있어 열교환 성능이 증대되고, 또한 각 열교환 파이프(113) 내부에서 균일한 열교환이 이루어지는 효과를 기대할 수 있다.
도 7은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 스파이럴관과 열교환 파이프를 부분적으로 확대하여 도시하는 사시도이다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
열교환 챔버(111c)에서 스파이럴관(112)의 내부에 지열수가 공급되고, 스파이럴관(112)과 열교환 파이프(113) 사이에 냉매가 공급되면서, 냉매는 스파이럴관(112) 외부면에 접촉하면서 열교환이 이루어지고, 또한 열교환 파이프(113) 내부면에 접촉하면서 열교환이 이루어진다. 이때 스파이럴관(112)은 내부에 공급된 지열수에 소용돌이가 발생되도록 내부에 적어도 하나 이상의 나선(1121)이 형성된다. 따라서 스파이럴관(112) 내부에 유입되는 지열수는 나선(1121)을 따라서 소용돌이치기 때문에 스파이럴관(112) 내부에서 지열수가 서로 회전하면서 섞여 열량을 균일하게 유지할 수 있다.
그리고 스파이럴관(112)의 외부에도 나선(1121)이 형성되면서 열교환 파이프(113) 내부로 유입된 냉매 역시 소용돌이가 발생하도록 공급된다. 냉매도 지열수와 마찬가지로 서로 회전하면서 섞이기 때문에 이송 과정에서 균일하게 열교환이 이루어지는 효과가 있다. 물론 스파이럴관(112)의 내부와 외부에 나선이 형성되면서 접촉면적이 증대되어 열교환 성능이 증대되는 효과도 수반한다.
또한 열교환 챔버(111c)와 열교환 파이프(113) 사이 공간에도 제1방향(D1)과 반대방향인 제2방향(D2)으로 지열수가 공급되기 때문에 한 번 더 열교환이 이루어져 냉매의 열교환 성능은 더욱 증대된다. 여기서 제1방향(D1)으로 냉매가 공급될 때와, 제2방향(D2)방향으로 냉매가 공급될 때는 열교환에 따라서 냉매의 온도가 변화하여 각각 냉매의 상태가 액화 또는 기화할 수 있다.
그리고 스파이럴관(112)을 따라 제1방향(D1)으로 이송하는 지열수의 속도는 열교환 챔버(111c) 내부에서 제2방향(D2)으로 이송하는 지열수의 속도보다 빠르게 공급된다. 상대적으로 스파이럴관(112)의 외주면이 열교환 파이프(113)의 외주면에 비해 접촉면적이 넓어 열교환이 빠르게 이루어지기 때문에 제1방향(D1)으로 이송하는 지열수의 속도를 증대시켜 열교환의 성능을 최대한 증대시킬 수 있다.
스파이럴관(112)과 열교환 파이프(113) 사이에 냉매가 지나가는 유로에는 열교환 파이프(113) 내부에서 스파이럴관(112)을 지지하는 지지부재(1122)가 구비된다. 지지부재(1122)는 스파이럴관(112)의 외주면 나선 상에서 등간격 또는 등각으로 배치되며, 냉매가 이송되면서 간섭되어 잘 섞이도록 하는 기능을 수반한다.
여기서 스파이럴관과 열교환 파이프(113) 사이의 공간에는 입구측으로 냉매가 공급되고, 출구측으로 열교환이 완료된 냉매가 배출된다. 이때 입구측에는 냉매를 분산하여 공급하는 분배기가 배치되고, 출구측에는 열교환이 완료된 냉매를 모아서 다시 히트펌프로 공급하는 취합기가 배치된다. 물론 지열수와 냉매는 간접적으로 열교환이 이루어지고, 서로 섞이거나 만나지 않도록 배치되며, 입구측과 출구측은 지열수와 냉매가 유입되거나 배출되는 유로를 제외하고 밀폐된다.
따라서 본 발명의 열교환 장치에 따르면 냉매의 열교환 과정에서 지열수가 지나가는 스파이럴관을 통해서 1차 열교환이 이루어지고, 열교환 파이프(113) 외부에서 2차 열교환이 이루어져 열교환 성능이 증대되고, 냉매는 한 방향으로 이송되지만 지열수를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하면서 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 장치의 규모를 줄일 수 있으며, 지열수의 공급 방향에 따라서 지열수의 공급 속도를 다르게 공급하여 열교환 성능을 증대시킬 수 있고, 분배기와 취합기를 통해서 냉매의 열교환 성능을 높이면서도 균일한 열교환을 유도할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이고, 도 9는 도 8에 나타낸 히트펌프의 열교환 장치를 부분적으로 도시하는 부분 확대도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치(20)는 전기한 제1히트펌프(100)와 병렬로 연결되는 제2히트펌프(200)와, 지열수가 공급되는 지중 열교환기(11)와, 상기 제1히트펌프(100) 또는 제2히트펌프(200)의 냉매와 열교환한 열매체를 통하여 실내에 냉난방 또는 냉난방수를 공급하는 실내기(12)를 포함한다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치(20)는 상기 제2히트펌프(200)가 상기 제1히트펌프(100)와 동일한 구성과 기능을 제공하며, 단지 제2히트펌프(200)는 제1히트펌프(100)와 함께 제1열교환 장치(210) 및 제2열교환 장치(250)를 공유한다. 보다 명확하게는 상기 제1열교환 장치(210) 및 제2열교환 장치(250)를 감싸고 있는 축열탱크(211)를 공유한다.
상기 축열탱크(211) 내부에는 상기 제1히트펌프(100)와 연결되는 제1분기부(1141)와 제2히트펌프(200)와 연결되는 제2분기부(1142)가 구비되고, 앞서 언급한 바와 같이 제1분기부(1141)와 제2분기부(1142)는 선택적으로 어느 하나를 통하여 냉매의 열교환이 이루어질 수 있고, 또는 동시에 열교환이 이루어질 수 있다. 물론 상기 제1히트펌프(100)는 제1냉매 순환라인(121)을 구비하고, 제2히트펌프(200)는 제2냉매 순환라인(221)을 구비하여 별도의 폐쇄루프에서 냉매가 순환하게 된다.
예컨대, 지열 온도와 대기의 온도 차이가 심한 여름이나 겨울철에는 열교환 성능이 증대되기 때문에 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200)가 동시에 상기 제1열교환부(112)와 제2열교환부(212)를 통하여 열교환이 수행될 수 있고, 이를 통하여 냉난방 또는 온수를 보다 효율적으로 공급할 수 있게 된다.
물론 필요에 따라서 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200) 중 어느 하나만 가동하여 전력낭비를 막을 수 있고, 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200)를 교번으로 번갈아 가동하여 기대수명을 증대시키는 효과도 기대할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 10을 참조하면 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치(30)는 제1히트펌프 내지 제6히트펌프와, 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 개별적으로 또는 모두 동시에 제어하는 메인 컨트롤러(390)를 포함한다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치(30)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프(600)가 동일한 구성과 기능을 제공하며, 단지 두 대의 히트펌프가 각각에 구비된 제1열교환 장치(310) 및 제2열교환 장치닛(350)를 공유한다. 이하에서 각 히트펌프들은 전기한 실시예에서 기재한 히트펌프와 동일 구성을 가지기 때문에 중복 설명은 생략한다.
그리고 상기 메인 컨트롤러(390)가 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 제어방법에 관해서 상세하게 설명한다.
상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프(600)를 구비하는데, 이때 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프(600)는 순차적으로 전원이 인가되거나 차단되도록 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 예컨대 상기 제1히트펌프(100)가 가장 먼저 가동되고, 부하량에 따라서 이어서 상기 제2히트펌프(200)와 제3히트펌프(300)와 제4히트펌프(400)가 순차적으로 가동이 이루어지면, 상기 제5히트펌프(500) 및 제6히트펌프(600)는 정지된 상태가 된다. 그리고 순차적으로 상기 제1히트펌프(100)부터 제4히트펌프(400)의 가동이 정지되면, 다시 가동이 시작될 때는 상기 제5히트펌프(500)부터 전원이 인가되어 이어서 상기 제6히트펌프(600)의 가동이 이루어지는 순차제어가 적용된다. 물론 이때 모든 히트펌프들의 가동이 중단된 후에 다음 순번의 히트펌프의 가동이 이루어질 수도 있고, 모든 히트펌프들의 가동이 중단되기 전에 다음 순번의 히트펌프의 가동이 시작될 수도 있다.
이렇게 상기 메인 컨트롤러(390)에 의해서 순차제어가 적용되면, 종래에 기 설정된 히트펌프부터 가동이 이루어지는 것에 비하여 히트펌프로부터 일정한 출력을 얻을 수 있고, 또한 히트펌프들의 기대수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프를 가동함에 있어서, 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프의 평균 가동시간을 고려하여 순차적으로 전원이 인가되거나 차단되도록 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 예컨대 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프(600)가 순차적으로 가동되는 과정에서 순서적으로는 상기 제1히트펌프(100)에서 제6히트펌프(600)까지 순차적으로 가동이 되었지만, 어느 하나 또는 복수개 히트펌프의 누적 가동시간이 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 메인 컨트롤러(390)가 이를 인지하여 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프의 가동을 우선적으로 작동시키도록 제어할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 메인 컨트롤러(390)는 이러한 히트펌프들의 누적 가동시간을 감지할 수 있도록 타이머와 같은 센서(미도시)를 포함한다.
따라서 상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프부터 누적 가동시간이 가장 긴 히트펌프 순서대로 전원을 인가하여 평균 가동시간이 같아지도록 평균제어를 수행한다.
그러면 복수의 히트펌프들의 누적 가동시간이 평균적으로 동일해지도록 히트펌프들의 가동순서를 제어하여 평균 기대수명을 동일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100-600 : 히트펌프
110 : 제1열교환 장치
111 : 축열탱크
112 : 스파이럴관
113 : 열교환 파이프
114 : 분배기
115 : 취합기
111a : 지열수 공급챔버
111b : 리버스 공급챔버
111c : 열교환 챔버
111d : 지열수 배출챔버

Claims (10)

  1. 지중에서 공급된 지열수와 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환시키는 축열탱크;
    상기 축열탱크 내부에 공급된 지열수를 제1방향으로 공급하는 복수개의 스파이럴관;
    상기 축열탱크에 공급된 냉매를 복수의 영역으로 분산하는 분배기;
    일 단부가 상기 분배기에 연결되고, 상기 스파이럴관의 외부를 감싸도록 배치되어 상기 제1방향으로 냉매를 공급하는 복수개의 열교환 파이프;
    상기 열교환 파이프들의 타 단부에서 배출된 냉매를 모아서 다시 히트펌프로 공급하는 취합기 및
    상기 스파이럴관과 열교환 파이프 사이에 개재되어 상기 스파이럴관의 외주면과 열교환 파이프의 내주면 사이를 지지하며, 이송되는 냉매와 간섭되도록 배치되는 지지부재;를 포함하고,
    상기 분배기는 상기 축열탱크 내부에서 설정된 영역에 배치되는 상기 열교환 파이프의 일 단부에 냉매를 공급하는 제1분기부와, 상기 제1분기부가 배치되는 설정 영역의 나머지 영역에 배치된 열교환 파이프의 일 단부에 냉매를 공급하는 제2분기부를 포함하며,
    상기 제1분기부와 제2분기부는 각각 상기 축열탱크 외부에서 내부로 냉매를 공급하는 냉매 공급파이프와,상기 냉매 공급파이프를 통해 냉매를 전달받는 메인 분배파이프와, 상기 메인 분배파이프의 측방향으로 복수개 돌출되고, 더 작은 단면적을 가지는 서브 분배파이프를 포함하고,
    상기 취합기는 상기 제1분기부가 연결된 상기 열교환 파이프의 타 단부에 연결되는 제1취합부와, 상기 제2분기부가 연결된 상기 열교환 파이프의 타 단부에 연결되는 제2취합부를 포함하며,
    상기 제1취합부와 제2취합부는 각각 상기 열교환 파이프의 타 단부에서 배출되는 냉매를 취합하는 서브 취합파이프와, 상기 서브 취합파이프보다 더 큰 단면적을 가지고, 복수개의 상기 서브 취합파이프를 각각 연결하는 메인 취합파이프를 포함하고,
    상기 분배기와 취합기는 상기 축열탱크의 열교환 성능에 따라서 상기 제1분기부와 제1취합부 또는 제2분기부와 제2취합부를 제1히트펌프에 연결하거나 또는 상기 제1히트펌프와 병렬로 연결된 제2히트펌프에 각각 연결할 수 있으며,
    상기 축열탱크는 지중에서 공급된 지열수를 상기 스파이럴관의 일 측을 통하여 상기 제1방향으로 공급하는 지열수 공급챔버와, 상기 스파이럴관의 타 측을 통해 배출된 지열수가 다시 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 이송되도록 지열수의 이송방향을 전환시키는 리버스 챔버와, 상기 리버스 챔버로부터 상기 제2방향으로 지열수를 공급하면서 상기 열교환 파이프를 열교환시키는 열교환 챔버와, 상기 열교환 챔버에서 상기 제2방향으로 이송하는 지열수를 상기 축열탱크 외부로 배출시키는 지열수 배출챔버와, 상기 지열수 공급챔버와 지열수 배출챔버 사이를 차폐하는 제1차폐판과, 상기 열교환 챔버 내부에서 복수개의 상기 열교환 파이프를 지지함과 동시에 상기 리버스 챔버로부터 상기 제2방향으로 회수되는 지열수의 방향을 변화시키는 적어도 하나 이상의 제2차폐판을 포함하고,
    상기 스파이럴관은 상기 제1차폐판 상에서 상기 지열수 공급챔버와 연통하는 입구가 마련되고, 상기 상기 리버스 챔버로 지열수를 배출하도록 연통하는 출구가 마련되며,
    상기 열교환 챔버는 상기 제1방향으로 지열수가 공급되는 상기 스파이럴관의 외부면에 냉매가 접촉하면서 1차 열교환이 이루어지고, 상기 열교환 챔버 내부에서 상기 제2방향으로 지열수가 공급되는 상기 열교환 파이프의 내부면에 냉매가 접촉하여 2차 열교환이 이루어지고,
    상기 제1히트펌프 또는 제2히트펌프와 병렬로 연결되는 제3히트펌프 내지 제6히트펌프를 더 포함하며,
    상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 부하량에 따라 선택적으로 또는 모두 제어하는 메인 컨트롤러를 더 포함하는 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치.
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  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 어느 하나의 히트펌프를 기준으로 순차적으로 전원을 인가하고, 전원이 먼저 인가된 순서대로 전원을 차폐하도록 순차 제어하는 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프부터 누적 가동시간이 가장 긴 히트펌프 순서대로 전원을 인가하여 평균 가동시간이 같아지도록 평균 제어하는 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치.
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