KR101970477B1 - 히트펌프를 이용한 온수 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 히트펌프를 이용한 온수 시스템에 관한 것으로, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 히트펌프를 이용한 온수 시스템에서, 상기 압축기와 상기 응축기 사이에 위치하며 상기 압축기에서 압축된 고온/고압의 냉매가 수용될 수 있는 고압탱크, 상기 고압탱크와 상기 응축기 사이에 위치하고 상기 고압탱크 내의 고온/고압 냉매의 유동을 제어하는 조절밸브 및 상기 응축기와 연결되어 있고 유체가 유동할 수 있는 유체 공급관을 포함하며, 상기 고압탱크의 고온/고압 냉매는 상기 조절밸브 제어로 상기 응축기 방향으로 유동하고, 상기 유체는 상기 응축기의 냉매와 열 교환한다.
Description
본 발명은 히트펌프를 이용한 온수 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
히트펌프(heat pump) 시스템을 이용한 급탕장치는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되며, 압축기에서 압축된 고온/고압의 냉매를 응축기에서 응축하면서 그 응축열을 온수생성에 이용하고, 응축기에서 응축된 냉매를 팽창밸브에서 팽창시키고 증발기에서 증발시킨 후 증발된 저온/저압의 냉매가 압축기로 다시 공급되는 사이클이 반복된다.
압축기와 응축기가 바로 연결되어 있어 응축기로 유동하는 냉매는 압축기에 의해 발생한 고온/고압 상태만 유지하므로 냉매가 압축기의 성능 보다 높은 고온/고압을 유지할 수 없었다. 이에 응축열을 이용하여 생성하는 온수의 온도를 높게 할 수 없었다.
본 발명은 히트펌프 시스템을 이용하여 압축기의 성능 보다 높은 고온/고압의 냉매를 생성하여 고 온수를 생산할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템은, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 히트펌프를 이용한 온수 시스템에서, 상기 압축기와 상기 응축기 사이에 위치하며 상기 압축기에서 압축된 고온/고압의 냉매가 수용될 수 있는 고압탱크, 상기 고압탱크와 상기 응축기 사이에 위치하고 상기 고압탱크 내의 고온/고압 냉매의 유동을 제어하는 조절밸브 및 상기 응축기와 연결되어 있고 유체가 유동할 수 있는 유체 공급관을 포함하며, 상기 고압탱크의 고온/고압 냉매는 상기 조절밸브 제어로 상기 응축기 방향으로 유동하고, 상기 유체는 상기 응축기의 냉매와 열 교환한다.
상기 히트펌프를 이용한 온수 시스템은, 상기 고압탱크의 압력과 냉매의 온도를 감지하는 감지부를 더 포함할 수 있으며, 상기 감지부가 감지한 압력과 온도가 설정 값을 초과하면 상기 조절밸브는 열릴 수 있다.
상기 응축기는 판형 열 교환기일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템 제어방법은, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 정의 되어 있는 히트펌프를 이용한 온수 시스템을 이용하는 것으로, 압축기에서 토출된 고온/고압의 냉매가 고압탱크로 들어가면 고압탱크 토출단에 위치한 조절밸브는 잠그는 단계 및 상기 고압탱크의 압력과 온도가 설정 값을 초과하면 상기 조절밸브를 개방하는 단계 및 상기 고압탱크에서 토출된 냉매는 응축기로 유입되고 상기 응축기를 유동하는 유체는 유입된 상기 냉매와 열 교환하는 단계를 포함하며, 상기 유체의 온도는 상기 냉매의 열을 흡수할 수 있다.
상기 고압탱크에서 토출되는 냉매의 온도는 75℃ 내지 85℃인 히트펌프를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축기와 응축기 사이에 고압탱크와 조절밸브가 배치되어 조절밸브가 닫힌 상태를 유지하면 압축기에서 고압탱크로 토출되는 냉매의 온도와 압력은 조절밸브가 없는 종래보다 더욱 높아질 수 있다. 조절밸브가 개방되면 온도와 압력이 높아진 냉매는 응축기 방향으로 유동하여 응축기를 유동하는 유체와 열 교환될 수 있다. 이에 고압탱크와 조절밸브의 배치로 조절밸브와 고압탱크가 없는 종래보다 높은 온도의 온수를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템 시스템 구성도.
도 2는 도 1의 히트펌프 사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 3은 도 1의 히트펌프 사이클 온도분포를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1의 히트펌프 사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 3은 도 1의 히트펌프 사이클 온도분포를 나타낸 개략도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
그러면 본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템 시스템 구성도이다.
[도 1]을 참고하면, 본 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템은 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 증발기(40), 고압탱크(50), 조절밸브(60) 및 유체 공급관(70)을 포함하며 히트펌프 시스템을 이용하여 고 온수를 생산한다.
압축기(10)는 냉매를 고온/고압으로 압축하여 토출하고, 응축기(20)는 공지의 판형 열 교환기 또는 관형 열 교환기로 형성되어 압축기(10)에서 토출된 냉매 열을 외부 공기와 열 교환시켜 방출하며, 팽창밸브(30)는 응축기(20)에서 토출된 냉매를 팽창시켜 상온/저압으로 전환하여 토출하고, 증발기(40)는 팽창밸브(30)에서 토출된 냉매를 실내공기와 열 교환시켜 실내 공기 중의 열을 흡수한다. 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30) 및 증발기(40)는 냉매가 유동하는 냉매관으로 서로 연결되어 있다.
한편, 도면 [도 1]에서는 도시하지 않았지만 응축기(20)와 팽창밸브(30) 사이에 수액기(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 수액기는 응축기를 통과한 냉매를 일시 저장할 수 있는 용기로 구성되어 있다.
이와 같은 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 증발기(40) 및 수액기의 세부적인 구성은 공지된 히트펌프의 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 수액기와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
고압탱크(50) 및 조절밸브(60)는 압축기(10)와 응축기(20)를 연결하는 냉매관 상에 배치되어 있다. 고압탱크(50)는 압축기(10)의 토출단과 이웃하며, 조절밸브(60)는 고압탱크(50)와 응축기(20) 사이에 위치하여 응축기(20)의 입력단과 이웃하게 배치되어 있다.
고압탱크(50)는 기 설정된 체적을 가지며 압축기(10)의 토출단과 연결된 유입구및 조절밸브(60)와 연결된 토출구를 갖는다. 고압탱크(50)의 내부 바닥을 기준으로 토출구는 유입구보다 높은 곳에 위치한다. 압축기(10)에서 토출되는 고온/고압의 냉매는 유입구를 통해 고압탱크(50) 내부로 유입되어 토출구를 통해 토출될 수 있다.
조절밸브(60)는 고압탱크(50)의 토출구에서 토출되는 냉매의 유동을 제어한다. 조절밸브(60)가 닫힌 상태를 유지하면 고압탱크(50)로 유입된 고온/고압의 냉매는 증발기(40) 방향으로 유동하지 못하고 갇힌 상태를 유지한다. 그러나 조절밸브(60)가 개방되면 고압탱크(50)의 냉매는 응축기(20) 방향으로 유동할 수 있다.
도면 [도 1]에서 조절밸브(60)가 고압탱크(50)와 이격되어 냉매관 상에 배치된 것으로 도시하였으나, 조절밸브(60)는 고압탱크(50)의 토출구에 배치될 수 있다. 조절밸브(60)의 위치는 히트펌프를 이용한 온수 시스템의 설계에 따라 달라질 수 있다.
유체 공급관(70)은 물과 같은 유체가 유동할 수 있으며 응축기(20)와 연결되어 있다. 유체 공급관(70)의 유체와 응축기(20)로 유입된 냉매는 열 교환할 수 있다. 이에 냉매의 열은 유체로 전달되어 물 온도는 상승할 수 있다. 응축기(20)에서 냉매의 열을 흡수한 물은 온수, 난방수 등으로 제공될 수 있다. 냉매의 열을 흡수한 물은 별도의 저장탱크(도시하지 않음)에 저장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템은 감지부(80)를 더 포함할 수 있다.
감지부(80)는 고압탱크(50)에 배치되어 있으며 압축기(10)와 조절밸브(60) 사이 냉매의 압력 및 온도를 감지할 수 있다. 감지부(80)에서 감지된 냉매의 압력 및 온도가 설정 값을 초과하면 조절밸브(60)는 개방될 수 있다. 이와 반대로, 감지부(80)에서 감지된 냉매의 압력 및 온도가 설정 값 미만인 경우 조절밸브(60)는 닫힐 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 온수 시스템은 제어부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 감지부와 전기적으로 연결되어 있으며 히트펌프를 이용한 온수 시스템을 제어한다.
다음은 위에서 설명한 히트펌프를 이용한 온수 시스템 제어방법에 대하여 설명한다.
조절밸브를 잠그는 단계, 조절밸브를 개방하는 단계 및 유체와 냉매가 열 교환하는 단계를 포함한다.
히트펌프를 이용한 온수 시스템 제어방법은 히트펌프를 이용하여 고 온수를 생산할 수 있는 것이다.
고압탱크(50)와 조절밸브(60)가 압축기(10)와 응축기(20)를 연결하는 냉매관 상에 배치되어있다. 즉, 고압탱크(50)와 조절밸브(60)가 압축기(10)의 토출단에 배치되어 있다.
압축기(10)에서 토출된 고온/고압의 냉매가 고압탱크(50)로 들어가면 고압탱크(50) 토출단에 설치된 조절밸브(60)를 잠근다. 이때 압축기(10)에서는 펌프다운과 같은 현상이 발생되어 더 고온, 고압의 냉매가 발생되게 되고 이런 현상에 의해서 고압탱크(50) 내에 더 높은 온도 및 압력의 냉매가 들어가게 된다. 즉, 조절밸브(60)의 잠김으로 고압탱크(50)의 냉매가 배출되지 못한 상태에서 압축기(10)가 계속 작동할 경우 고온/고압의 냉매가 고압탱크(50)로 지속적으로 유입되므로 압축기(10)의 토출단과 조절밸브(60) 사이의 냉매 온도와 압력은 [도 2] 및 [도 3]의 사이클선도 및 온도분포도에서 나타낸 바와 같이 점진적으로 높아질 수 있다.
펌프다운 현상 전에 고압탱크(50) 내의 냉매 온도는 30℃ 내지 50℃일 수 있다. 그러나 압축기(10)의 펌프다운 현상에 의해 고압탱크(50) 내의 냉매 온도는 70℃ 내지 90℃일 수 있다. 고압탱크(50) 내의 냉매 온도 및 압력은 조절밸브(60)의 제어에 따라 달라질 수 있다.
이러한 운전에 의해 냉매가 고압탱크(50)가 고온/고압으로 충전되고 감지부에 감지된 고압탱크(50)의 냉매 압력과 온도가 설정 값을 초과하면 조절밸브(60)는 제어부 제어로 개방될 수 있다.
조절밸브(60) 개방으로 고압탱크(50) 내의 냉매는 응축기(20) 방향으로 유동하여 유체 공급관(70)의 유체와 열 교환할 수 있다. 이때 냉매의 온도가 유체의 온도 보다 높으므로 냉매의 열이 유체로 이동하게 되어 유체의 온도가 상승할 수 있다. 즉, 응축기(20) 내에서 고온의 냉매와 유체가 열 교환을 하게 되면서 고 온수를 생산하게 된다.
따라서, 기존의 히트펌프 시스템은 최대 40℃이하의 온수만을 생산할 수 있으나 조절밸브(60)의 설정에 따라 70℃ 내지 90℃의 고온수를 생산하여 온수, 난방수 등으로 공급할 수 있다.
한편, 조절밸브(60)가 개방되면 조절밸브(60)와 압축기(10) 사이의 냉매 온도와 압력은 [도 2] 및 [도 3] 사이클선도 및 온도분포도에서 나타낸 바와 같이 점진적으로 낮아질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 압축기 20: 응축기
30: 팽창밸브 40: 증발기
50: 고압탱크 60: 조절밸브
70: 유체 공급관 80: 감지부
30: 팽창밸브 40: 증발기
50: 고압탱크 60: 조절밸브
70: 유체 공급관 80: 감지부
Claims (5)
- 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된 히트펌프를 이용한 온수 시스템에서,
상기 압축기와 상기 응축기 사이에 위치하며 상기 압축기에서 압축된 고온/고압의 냉매가 수용될 수 있는 고압탱크,
상기 고압탱크와 상기 응축기 사이에 위치하고 상기 고압탱크 내의 고온/고압 냉매의 유동을 제어하는 조절밸브,
상기 응축기와 연결되어 있고 유체가 유동할 수 있는 유체 공급관 및
상기 고압탱크의 압력과 냉매의 온도를 감지하는 감지부
를 포함하며,
상기 고압탱크와 상기 조절밸브는, 상기 압축기와 상기 응축기를 연결하는 냉매관에 위치하여 상기 고압탱크는 상기 압축기의 토출단과 이웃하게 배치되어 있고 상기 조절밸브는 상기 응축기의 입력단과 이웃하게 배치되어 있으며, 상기 감지부가 감지한 압력과 온도가 설정 값을 초과하면 상기 조절밸브가 열리어 상기 고압탱크의 고온/고압 냉매는 상기 응축기 방향으로 유동하여 상기 응축기에서 상기 유체와 열 교환하며, 상기 냉매의 열을 흡수한 유체는 저장탱크에 저장되는
히트펌프를 이용한 온수 시스템. - 삭제
- 제1항에서,
상기 응축기는 판형 열 교환기인 히트펌프를 이용한 온수 시스템. - 제1항 또는 제3항에 정의 되어 있는 히트펌프를 이용한 온수 시스템을 이용하는 것으로,
압축기에서 토출된 고온/고압의 냉매가 고압탱크로 들어가면 고압탱크 토출단에 위치한 조절밸브를 잠그는 단계 및
상기 고압탱크의 압력과 온도가 설정 값을 초과하면 상기 조절밸브를 개방하는 단계 및
상기 고압탱크에서 토출된 냉매는 응축기로 유입되고 상기 응축기를 유동하는 유체는 유입된 상기 냉매와 열 교환하는 단계
를 포함하는
히트펌프를 이용한 온수 시스템 제어방법. - 제4항에서,
상기 고압탱크에서 토출되는 냉매의 온도는 75℃ 내지 85℃인 히트펌프를 이용한 온수 시스템 제어방법.
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