KR101977884B1 - 폐열 및 폐냉기의 효율적인 회수가 가능한 히트 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실내 난방시 버려지는 폐냉기로 냉장고의 냉장을 수행하고, 냉방시 버려지는 폐열로 온수를 생산함으로써 버려지는 폐냉기 및 폐열을 효과적으로 회수하여 에너지 소비 효율을 증대시킬 수 있는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

폐열 및 폐냉기의 효율적인 회수가 가능한 히트 펌프 시스템{Heat pump system for recovery waste heat and coldness}

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실내 난방시 버려지는 폐냉기로 냉장고의 냉장을 수행하고, 냉방시 버려지는 폐열로 온수를 생산함으로써 버려지는 폐냉기 및 폐열을 효과적으로 회수하여 에너지 소비 효율을 증대시킬 수 있는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프 시스템은 에어컨의 냉각 사이클에서 냉매의 흐름을 정방향 및 역방향으로 순환시킴으로써 냉방(冷房)과 난방(煖房)을 겸할 수 있는 공기 조절장치의 하나로써 특히 계절에 구애받지 않고 사용할 수 있는 장점에 따라 점차적으로 그 사용영역이 확대되고 있다.

일반적인 히트 펌프 시스템에 있어서 공냉식 실외측 열교환기가 갖는 열교환 온도범위인 상온 이하로 냉각시킬 수 없는 한계성을 극복하기 위하여 상기 실외측 열교환기의 열교환방식을 수냉식으로 제작하여 사용한 수냉식 히트펌프 시스템이 사용되고 있다.

이와 같은 기술과 관련하여 본 출원인은 실외기가 필요 없어 설치가 용이하고, 냉매에 의해 동파 등의 염려가 없는 히트펌프형 냉난방장치(한국등록특허 제10-1216532호)를 제안한 바 있다.

이러한 종래의 히트 펌프 시스템은 냉매가 관로상을 유동하면서 열교환에 따른 온도편차를 최소화할 수 있고, 실외기를 없애 설치가 용이하면서 실외설치에 의한 동파나 냉매의 유동불량에 따른 문제점을 해결할 수 있으며, 운전조건에 따라 압축기에서 공급되는 냉매의 상태 조절이 가능토록 하고, 컴팩트한 배치가 가능토록 되어 설치면적을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 종래의 히트 펌프 시스템은 실내 난방시 발생하는 폐냉기와 실내 냉방시 발생하는 폐열이 외부로 버려지므로 에너지 소비 효율을 증대시키는데 한계가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 실내 난방시 발생하는 폐냉기와 실내 냉방시 발생하는 폐열을 효과적으로 회수하여 이용함으로써 에너지 효율을 매우 향상시킬 수 있는 히트 펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상용전원을 이용할 수 없는 격오지에서도 사용가능한 히트 펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 본체; 상기 본체의 내부에 구비되며, 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하는 압축기; 상기 본체의 내부에 구비되며, 난방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 공급받아 실내공기와 열교환을 수행하는 제1 열교환기; 상기 본체의 내부에 구비되며, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 액화된 냉매를 감압하는 팽창변; 상기 본체의 내부에 구비되며, 상기 팽창변을 지난 저온 저압의 냉매를 증발시켜 외부의 열과 열교환을 수행하는 제2 열교환기; 및 상기 본체의 외부로 연장되어 실내의 냉장고 내부에 위치하며, 상기 제2 열교환기를 통과한 저온 저압의 냉매를 공급받아 상기 냉장고의 냉장 공간의 열과 열교환을 수행하고, 열교환 수행후 냉매는 상기 압축기로 전달하는 제3 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압축기와 상기 제1 열교환기 사이에는 상기 고온 고압의 기체를 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기로 공급하는 사방변이 더 구비된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 사방변은 냉방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 상기 제2 열교환기로 공급하고, 상기 제2 열교환기는 외부공기와 열교환을 수행하며, 상기 제2 열교환기에서 출력되는 냉매는 상기 팽창변에서 감압되어 상기 제1 열교환기로 공급되고, 상기 제1 열교환기는 저온 저압의 냉매를 증발시켜 실내의 열과 열교환을 수행한 후, 냉매를 상기 압축기로 전달한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압축기와 상기 제2 열교환기 사이에는 난방시 상기 제2 열교환기에서 출력되는 냉매를 상기 제3 열교환기로 전달하고, 냉방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 상기 제3 열교환기를 거치지 않고, 상기 제2 열교환기로 공급되게 하는 바이패스 밸브가 더 구비된다.

바람직한 실시예에 있어서, 일측은 온수조와 연결되고 타측은 상기 제2 열교환기를 순환하여 상기 온수조로 다시 연결되며, 냉방시 상기 제2 열교환기의 열을 이용하여 상기 온수조의 물을 가열하는 제1 온수 가열 라인을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 일측은 상기 온수조와 연결되고 타측은 상기 냉장고의 응축기를 순환하여 상기 온수조로 다시 연결되며, 상기 냉장고의 응축기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 온수조의 물을 가열하는 제2 온수 가열 라인을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 태양광, 태양열, 지열 또는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 생산된 전력을 상기 압축기나 상기 냉장고의 압축기로 공급하는 신재생 발전기를 더 포함한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 히트 펌프 시스템에 의하면, 겨울철 실내 난방시 버려지는 폐냉기를 이용하여 냉장고의 냉장공간을 냉장할 수 있으므로 폐냉기 회수를 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 히트 펌프 시스템에 의하면, 여름철 실내 냉방시 버려지는 폐열을 이용하여 온수를 생산할 수 있으므로 폐열 회수를 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 히트 펌프 시스템에 의하면, 신재생 발전기를 이용하여 전력을 수급할 수 있으므로 상용전원을 사용할 수 없는 격오지에서도 사용가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

[제1 실시예]

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 도면으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(100)은 본체(110), 압축기(111), 제1 열교환기(112), 팽창변(113), 제2 열교환기(114), 제3 열교환기(115)를 포함하여 이루어지며, 사방변(116, 4-ways valve) 및 바이 패스 밸브(117, by-pass valve)를 더 포함할 수 있다.

상기 본체(110)는 타 구성요소들을 내부에 수용하는 케이싱이다.

다만, 상기 제3 열교환기(115)는 상기 사방변(116)과 상기 제2 열교환기(114) 사이에서 연장되어 상기 본체(110)의 외부에 위치한다.

또한, 도시하지는 않았으나 상기 본체(110)에는 실내로 냉풍 또는 온풍을 토출할 수 있는 토출구가 형성된다.

상기 압축기(111)는 상기 본체(110)의 내부에 구비되고 냉매를 고온 고압의 기체 상태로 압축하여 출력한다.

또한, 상기 압축기(111)는 로터리식 또는 왕복운동식의 압축기일 수 있다.

상기 제1 열교환기(112)는 난방시 상기 압축기(111)에서 출력되는 냉매를 전달 받고 실내 공기와 열교환을 수행하여, 실내 공기를 가열한다.

즉, 상기 제1 열교환기(112)는 난방시 응축기(condenser)로 동작하며, 냉매는 상기 제1 열교환기(112)를 통과하면서 응축되어 고온 고압의 액체로 변환된다.

상기 팽창변(113)은 상기 제1 열교환기(112)를 빠져나온 냉매를 교축 작용(wire drawing effect)에 의해 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압해준다.

즉, 상기 팽창변(113)은 일종의 감압 밸브이다.

또한, 상기 팽창변(113)은 본 출원인의 등록특허 제10-1216532호, '히트펌프형 냉, 난방장치'에 구비되는 모세관유니트로 대체될 수 있으며, 상기 모세관유니트는 복수의 단위모세관과 가변모세관들을 포함하여, 냉매를 원하는 압력으로 조절하며 감압할 수 있다.

상기 제2 열교환기(114)는 상기 팽창변(113)을 통과한 저온 저압의 액체 상태의 냉매를 증발시켜 외부의 열과 열교환을 수행한다.

즉, 상기 제2 열교환기(114)는 난방시 증발기(evaporator)로 동작한다.

또한, 상기 제2 열교환기(114)에서 빠져나오는 냉매는 저온 저압의 기체상태로 변환된다.

상기 제3 열교환기(115)는 상기 본체(110)의 외부로 연장되어 실내에 구비되는 냉장고(10) 내부에 위치하며, 상기 제2 열교환기(114)를 통과한 냉매가 순환하고, 상기 압축기(111) 측으로 냉매를 배출한다.

또한, 상기 제3 열교환기(115)에는 저온 저압 상태의 냉매가 흐르며, 냉장고(10)의 냉장 공간(11)의 열과 열교환을 수행한다.

즉, 상기 제3 열교환기(115)는 난방시 외부로 버려지는 폐냉기를 냉장고(10)의 냉장 공간(11)에 공급함으로써 폐냉기를 회수하는 기능을 수행하며, 이 때, 냉장고(10)의 냉장 사이클에서 전력 소모가 감소된다.

상기 사방변(116)은 상기 압축기(111)와 상기 제1 열교환기(112) 사이에 연결되며, 상기 압축기(111)에서 압축된 고온 고압의 냉매를 상기 제1 열교환기(112)로 공급하거나, 상기 제2 열교환기(114)로 공급하는 냉매 이동 방향 전환 밸브이다.

또한, 상기 사방변(116)은 난방시에는 상기 압축기(111)에서 압축된 냉매를 상기 제1 열교환기(112) 방향으로 출력하고, 상기 제3 열교환기(115)를 통과한 냉매를 다시 상기 압축기(111)로 공급하여 압축되게 한다.

그러나, 상기 사방변(116)은 냉방시에는 상기 압축기(111)에서 압축된 냉매를 상기 제2 열교환기(114)로 출력하고, 상기 제2 열교환기(114)에서 응축된 냉매는 상기 팽창변(113)을 지나 상기 제1 열교환기(112)에서 증발된 후, 다시 상기 압축기(111)로 공급하여 압축되게 한다.

즉, 냉방시에 상기 제2 열교환기(114)는 응축기로 기능하고, 상기 제1 열교환기(112)는 증발기로 기능한다.

또한, 냉방시 상기 압축기(111)에서 출력되는 고온 고압의 냉매는 상기 제3 열교환기(115) 측으로 공급되지 않아야 하므로, 상기 바이패스 밸브(117)는 상기 사방변(116)에서 출력되는 냉매가 상기 제3 열교환기(115)로 공급되지 않고 상기 제2 열교환기(114)로 공급되도록 바이패스한다.

또한, 상기 바이패스 밸브(117)는 난방시에 상기 제2 열교환기(114)를 통과한 저온 저압의 냉매를 상기 제3 열교환기(115)를 경유하여 상기 사방변(116)으로 유입되도록 개폐된다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(100)은 겨울철 실내를 난방할 때 외부로 버려지는 폐냉기를 냉장고(10)의 냉장공간(11)으로 회수하여 에너지 절약을 수행할 수 있다.

또한, 상기 냉장고(10)는 일반적인 가정용 냉장고뿐만 아니라 냉장기능을 수행하는 업소용 쇼케이스등을 포함하는 광의의 냉장장치이다.

[제2 실시예]

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 도면으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(100)과 비교하여 제1 온수 가열 라인(210)을 더 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(100)의 구성요소인 본체(110), 압축기(111), 제1 열교환기(112), 팽창변(113), 제2 열교환기(114), 제3 열교환기(115), 사방변(116, 4-ways valve) 및 바이 패스 밸브(117, by-pass valve)가 동일하게 포함된다.

상기 제1 온수 가열 라인(210)은 온수조(30)의 물을 가열하여 실내로 온수가 제공되게 하는 것으로 일단은 상기 제2 열교환기(114)와 열교환을 수행하고 타단은 상기 온수조(30) 내부에 위치하여 물과 열교환을 수행한다.

다만, 상기 제2 온수 가열 라인(210)은 여름철 상기 제2 열교환기(114)가 응축기로 기능할 때만 내부에 물을 순환시켜 온수를 생산한다.

또한, 도 2에서는 상기 제1 온수 가열 라인(210)이 간접적으로 상기 온수조(30)의 물을 가열하는 것으로 도시하였으나, 상기 온수조(30)의 물이 내부로 직접 순환되어 가열될 수 있다.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)은 여름철 외부로 버려지는 폐열을 이용하여 온수를 생산할 수 있으므로 폐열 회수를 효율적으로 수행하여 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)은 상기 제1 온수 가열 라인(210)과는 별도로 제2 온수 가열 라인(220)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 온수 가열 라인(220)는 일단은 상기 냉장고(10)의 냉장 사이클(20)의 증발기와 열교환을 수행하고 타단은 상기 온수조(30) 내부에 위치하여 물과 열교환을 수행한다.

또한, 상기 냉장고(10)는 항상 냉장기능을 수행하므로 상기 제2 온수 가열 라인(220)은 상기 냉장고(10)의 냉장 사이클(20)이 동작하고 있는 한, 항상 상기 온수조(30) 내부의 물을 가열할 수 있다.

따라서, 상기 냉장고(10)에서 버려지는 폐열까지 회수하여 온수 생산의 효율성을 극대화할 수 있다.

[제3 실시예]

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트 펌프 시스템을 보여주는 것으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(300)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)과 비교하여 신재생 발전기(310)를 더 포함하여 이루어진다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(300)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(200)의 구성요소인 본체(110), 압축기(111), 제1 열교환기(112), 팽창변(113), 제2 열교환기(114), 제3 열교환기(115), 사방변(116, 4-ways valve), 바이 패스 밸브(117, by-pass valve), 제1 온수 가열 라인(210), 제2 온수 가열 라인(220)을 동일하게 포함한다.

다만, 상기 신재생 발전기(310)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(100)에 구비될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 온수 가열 라인(210)과 상기 제2 온수 가열 라인(220)의 구성은 생략될 수 있다.

상기 신재생 발전기(310)는 태양광, 태양열, 지열 또는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 히트 펌프 시스템(300) 내부에 전력이 필요한 구성요소로 전력을 공급한다.

특히, 상기 신재생 발전기(310)에서 생산된 전력은 상기 압축기(111)로 공급된다.

또한, 상기 신재생 발전기(310)는 생산된 전력을 상기 냉장고(10)에 더 공급할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트 펌프 시스템(300)에 의하면, 상용전원을 공급받을 수 없는 격오지에서도 이용가능한 장점이 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100,200,300:히트 펌프 시스템
110:본체 111:압축기
112:제1 열교환기 113:팽창변
114:제2 열교환기 115:제3 열교환기
115:사방변 117:바이패스 밸브
210:제1 온수 가열 라인 220:제2 온수 가열 라인
310:신재생 발전기

Claims (7)

1. 본체;
   상기 본체의 내부에 구비되며, 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하는 압축기;
   상기 본체의 내부에 구비되며, 난방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 공급받아 실내공기와 열교환을 수행하는 제1 열교환기;
   상기 본체의 내부에 구비되며, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 액화된 냉매를 감압하는 팽창변;
   상기 본체의 내부에 구비되며, 상기 팽창변을 지난 저온 저압의 냉매를 증발시켜 외부의 열과 열교환을 수행하는 제2 열교환기; 및
   상기 본체의 외부로 연장되어 실내의 냉장고 내부에 위치하며, 상기 제2 열교환기를 통과한 저온 저압의 냉매를 공급받아 상기 냉장고의 냉장 공간의 열과 열교환을 수행하고, 열교환 수행후 냉매는 상기 압축기로 전달하는 제3 열교환기;를 포함하고,
   상기 압축기와 상기 제1 열교환기 사이에는 상기 고온 고압의 기체를 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기로 공급하는 사방변이 더 구비되며,
   상기 사방변은 냉방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 상기 제2 열교환기로 공급하고, 상기 제2 열교환기는 외부공기와 열교환을 수행하며, 상기 제2 열교환기에서 출력되는 냉매는 상기 팽창변에서 감압되어 상기 제1 열교환기로 공급되고, 상기 제1 열교환기는 저온 저압의 냉매를 증발시켜 실내의 열과 열교환을 수행한 후, 냉매를 상기 압축기로 전달하며,
   상기 압축기와 상기 제2 열교환기 사이에는 난방시 상기 제2 열교환기에서 출력되는 냉매를 상기 제3 열교환기로 전달하고, 냉방시 상기 압축기에서 출력되는 냉매를 상기 제3 열교환기를 거치지 않고, 상기 제2 열교환기로 공급되게 하는 바이패스 밸브가 더 구비되며,
   일측은 온수조와 연결되고 타측은 상기 제2 열교환기를 순환하여 상기 온수조로 다시 연결되며, 냉방시 상기 제2 열교환기의 열을 이용하여 상기 온수조의 물을 가열하는 제1 온수 가열 라인을 더 포함하며,
   일측은 상기 온수조와 연결되고 타측은 상기 냉장고의 응축기를 순환하여 상기 온수조로 다시 연결되며, 상기 냉장고의 응축기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 온수조의 물을 가열하는 제2 온수 가열 라인을 더 포함하며,
   태양광, 태양열, 지열 또는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 생산된 전력을 상기 압축기나 상기 냉장고의 압축기로 공급하는 신재생 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
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