KR102075459B1 - 가스 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템에는, 엔진; 상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 강제하는 냉각수 펌프; 상기 냉각수 펌프에 연결되어 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관; 상기 압축기로 흡입되는 냉매와 상기 냉각수간에 열교환이 수행되는 슈퍼 히터; 및 상기 냉각수 배관에 연결되며 냉각수를 상기 슈퍼 히터로 공급하는 바이패스 배관이 포함되어, 압축기의 흡입냉매를 가열할 수 있다는 이점이 있다.

Description

가스 히트펌프 시스템 {A gas heat-pump system}
본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
히트펌프 시스템은 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있는 냉동 사이클이 구비되는 시스템으로서, 온수 공급장치 또는 냉난방 장치와 연동될 수 있다. 즉, 냉동 사이클의 냉매와 소정의 축열 매체가 열교환 하여 얻어진 열원을 이용하여 온수를 생산하거나, 냉난방을 위한 공기 조화를 수행할 수 있다.
상기 냉동 사이클에는, 냉매의 압축을 위한 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압하는 팽창장치 및 상기 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함된다.
상기 히트펌프 시스템에는, 가스 히트펌프 시스템(Gas Heatpump System, GHP)이 포함된다. 가정용이 아닌, 산업용이나 큰 빌딩의 공기조화를 위하여 대용량의 압축기가 요구된다. 즉, 많은 양의 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하기 위한 압축기를 구동하기 위하여 전기 모터가 아닌 가스 엔진을 이용하는 시스템으로서 가스 히트펌프 시스템이 사용될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템에는, 연료와 공기의 혼합물(이하, 혼합연료)을 이용하여 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진에 혼합연료를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 공급장치 및 공기와 연료를 혼합하기 위한 믹서(mixer)가 포함된다.
상기 엔진에는, 상기 혼합연료가 공급되는 실린더와, 상기 실린더 내에서 운동 가능하게 제공되는 피스톤이 포함될 수 있다. 상기 공기 공급장치에는, 공기를 정화하기 위한 공기 여과기가 포함될 수 있다. 그리고, 상기 연료 공급장치에는 일정한 압력의 연료를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor)가 포함된다. 이 포함된다.
상기 가스 히트펌프 시스템에는, 상기 엔진을 순환하면서 엔진을 냉각하는 냉각수가 포함된다. 상기 냉각수는 엔진의 폐열을 흡수할 수 있으며, 흡수된 폐열은 상기 가스 히트펌프 시스템을 순환하는 냉매에 공급되어 시스템의 성능 향상에 도움을 줄 수 있다. 특히, 외기온도가 낮아 난방운전이 수행될 때, 냉동사이클의 증발성능이 개선될 수 있다.
다만, 엔진의 폐열은 상기 냉동사이클에 도움을 주고도 남을 정도로 지속적으로 생산될 수 있다. 그러나, 종래의 가스 히트펌프 시스템의 경우, 남은 엔진의 폐열을 추가적으로 활용할 수 있도록 구성되지 않아, 상기 남은 엔진의 폐열은 외부로 버려지는 문제점이 있었다.
그리고, 외기온도가 낮을 때, 압축기로 흡입되는 흡입배관이나 기액분리기에는 기화되지 않은 액 냉매가 존재하는 현상이 나타난다. 이러한 액 냉매가 압축기로 흡입되면, 압축기의 성능이 저하되고 압축기에 고장이 발생할 수 있는 우려가 존재한다.
종래의 가스 히트펌프 시스템에 관한 선행문헌은 아래와 같다.
1. 등록번호 (등록일자) : 10-1341533 (2013년 12월 9일)
2. 발명의 명칭 : 가스히트펌프 시스템 및 이의 제어방법
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 엔진의 폐열을 활용하여, 압축기로 흡입되는 냉매를 가열할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 엔진을 통과하는 냉각수와, 압축기로 흡입되는 냉매가 슈퍼 히터에서의 열교환을 통하여, 흡입냉매의 과열도를 개선할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 냉각수를 상기 슈퍼 히터로 바이패스 하는 구조를 간단하게 구현할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템에는, 엔진; 상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 강제하는 냉각수 펌프; 상기 냉각수 펌프에 연결되어 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관; 상기 압축기로 흡입되는 냉매와 상기 냉각수간에 열교환이 수행되는 슈퍼 히터; 및 상기 냉각수 배관에 연결되며 냉각수를 상기 슈퍼 히터로 공급하는 바이패스 배관이 포함되어, 압축기의 흡입냉매를 가열하고 흡입냉매의 과열도를 개선할 수 있다.
상기 냉각수 배관에는, 상기 바이패스 배관의 제 1 단부가 연결되며 상기 냉각수 배관의 냉각수를 상기 바이패스 배관으로 가이드 하는 제 1 분지부가 포함된다. 그리고, 상기 제 1 분지부는, 상기 엔진의 출구측 냉각수 배관에 형성되어, 상기 엔진을 냉각한 고온의 냉각수가 압축기의 흡입냉매를 가열할 수 있으므로, 액냉매를 용이하게 기화할 수 있다.
상기 냉각수 배관에는, 상기 바이패스 배관의 제 2 단부가 연결되며 상기 바이패스 배관의 냉각수를 상기 냉각수 배관으로 가이드 하는 제 2 분지부가 더 포함된다. 그리고, 상기 제 2 분지부는, 배기가스 열교환기의 입구측 냉각수 배관에 형성된다.
상기 바이패스 배관에는, 상기 제 1 분지부로부터 상기 슈퍼 히터로 연장되는 제 1 배관부 및 상기 슈퍼 히터로부터 상기 제 2 분지부로 연장되는 제 2 배관부가 포함된다.
상기 슈퍼 히터에는, 상기 냉매가 유동하며, 상기 압축기의 흡입배관이 연결되는 냉매 유로 및 상기 제 1,2 배관부에 연결되며, 냉각수가 유동하는 냉각수 유로가 포함된다.
상기 슈퍼 히터에는, 이중관 열교환기가 포함된다.
상기 슈퍼 히터에는, 상기 냉각수의 유동공간이 형성되는 히터 케이스 및 상기 히터 케이스의 내부에 구비되며 상기 압축기의 흡입배관에 연결되는 내부 배관이 포함된다.
상기 냉각수 배관에 설치되며 상기 엔진에서 배출된 냉각수와 상기 실내기에서 응축된 냉매간에 열교환이 이루어지는 보조 열교환기 및 상기 공기조화 시스템에 구비되는 실외 팬의 일측에 설치되는 방열기가 더 포함된다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템에 의하면, 엔진의 폐열을 슈퍼 히터에 공급하여, 압축기로 흡입되는 냉매(이하, 흡입냉매)를 가열할 수 있으므로, 상기 흡입냉매의 과열도를 개선하고 상기 압축기로 액냉매가 흡입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 엔진 및 배기가스 열교환기을 통과하면서 온도 상승된 냉각수를 이용하여 상기 흡입냉매를 가열할 수 있으므로, 상기 흡입냉매의 기화가 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 냉각수 유로에 제 1,2 분지부를 마련하여, 엔진 및 배기가스 열교환기를 통과하는 냉각수 중 적어도 일부의 냉각수를 바이패스 하여 상기 슈퍼 히터에 공급할 수 있으므로, 간단한 구조의 냉각수 유로를 실현할 수 있다.
또한, 상기 슈퍼 히터는 이중관 열교환기로 구성되어, 냉각수 유로와 냉매 유로간에 열교환이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 상기 흡입냉매를 가열하기 위한 별도의 열원이 필요없이 냉각수를 이용할 수 있으므로, 시스템을 구성하는 부품의 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 히터의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 "A"를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 히터펌프 시스템의 난방운전시 냉매 및 냉각수의 순환모습을 보여주는 사이클 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 공기조화 시스템으로서 냉매 사이클을 구성하는 다수의 부품이 포함된다. 상세히, 상기 냉매 사이클에는, 냉매를 압축하는 압축기(110) 및 상기 압축기(110)에서 압축된 냉매의 방향을 전환하여 주는 사방변(117)이 포함된다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 실외 열교환기(120) 및 실내기(20)가 더 포함된다. 상기 실내기(20)에는, 실내 열교환기 및 실내 팽창장치가 포함될 수 있다. 상기 실외 열교환기(120)는 실외측에 배치되는 실외기의 내부에 배치되고, 상기 실내 열교환기는 실내측에 배치되는 실내기의 내부에 배치될 수 있다. 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는, 운전모드에 따라 상기 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기로 유동할 수 있다.
상세히, 상기 시스템(10)이 냉방운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실외 열교환기(120)를 거쳐 상기 실내기(20) 측으로 유동한다. 반면에, 상기 시스템(10)이 난방운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실내기(20)를 거쳐 상기 실외 열교환기(120) 측으로 유동한다.
상기 시스템(10)에는, 상기 압축기(110), 실외 열교환기(120) 및 실내기(20)등을 연결하여 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매배관(170)이 더 포함된다.
상기 시스템(10)의 구성에 대하여, 냉방운전 모드를 기준으로 설명한다.
상기 실외 열교환기(120)로 유동한 냉매는 외기와 열교환 하여 응축될 수 있다. 상기 실외 열교환기(120)의 일측에는 외기를 불어주는 실외 팬(122)이 포함된다.
상기 실외 열교환기(120)의 출구측에는, 냉매를 감압하기 위한 메인 팽창장치(125)가 제공된다. 일례로, 상기 메인 팽창장치(125)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic expansion valve, EEV)가 포함된다. 냉방운전시, 상기 메인 팽창장치(125)는 풀 오픈(full open) 되어 냉매의 감압작용을 수행하지 않는다.
상기 메인 팽창장치(125)의 출구측에는, 냉매를 추가 냉각하기 위한 과냉각 열교환기(130)가 제공된다. 그리고, 상기 과냉각 열교환기(130)에는, 과냉각 유로(132)가 연결된다. 상기 과냉각 유로(132)는 상기 냉매 배관(170)으로부터 분지되어 상기 과냉각 열교환기(130)에 연결된다.
그리고, 상기 과냉각 유로(132)에는, 과냉각 팽창장치(135)가 설치된다. 상기 과냉각 유로(132)를 유동하는 냉매는 상기 과냉각 팽창장치(135)를 통과하면서 감압될 수 있다. 상기 과냉각 팽창장치(135)가 닫혀지면, 상기 과냉각 유로(132)에서의 냉매 유동은 제한될 수 있다. 일례로, 상기 메인 팽창장치(125)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic expansion valve, EEV)가 포함된다.
상기 과냉각 열교환기(130)에서는, 상기 냉매 배관(170)의 냉매(이하, 메인 냉매)와 상기 과냉각 유로(132)의 냉매(이하, 분지냉매)간에 열교환이 이루어질 수 있다. 열교환 과정에서, 상기 냉매 배관(170)의 냉매는 과냉되며, 상기 과냉각 유로(132)의 냉매는 흡열한다.
상기 과냉각 유로(132)는 기액분리기(167)에 연결된다. 상세히, 상기 과냉각 유로(132)는 제 2 연장배관(172)의 일 지점에 연결될 수 있다. 상기 과냉각 열교환기(130)에서 열교환 된 과냉각 유로(132)의 냉매는 저장 탱크(160)의 기액분리기(167)로 유입될 수 있다.
상기 과냉각 열교환기(130)를 통과한 냉매 배관(170)의 냉매는 실내기(20) 측으로 유동하며, 실내 팽창장치에서 감압된 후 상기 실내 열교환기에서 증발된다. 상기 실내 팽창장치는 실내기(20)의 내부에 설치되며, 전자 팽창밸브(EEV)로 구성될 수 있다.
상기 실내 열교환기에서 증발된 냉매는 상기 사방변(117)을 통과하며, 제 1,2 연장배관(171,172)을 거쳐 상기 기액분리기(167)로 유입될 수 있다. 상세히, 상기 사방변(117)을 거친 냉매는 상기 제 1 연장배관(171)을 유동하며, 제 3 분지부(171a)에서 상기 제 2 연장배관(172)을 유동하며 상기 기액분리기(167)로 유입될 수 있다.
상기 제 1 연장배관(171)은 상기 사방변(117)으로부터 보조 열교환기(150)로 연장되는 냉매배관(170)의 일부분으로서 이해되며, 제 3 분지부(171a)를 가진다. 그리고, 상기 제 2 연장배관(172)은 상기 제 3 분지부(171a)로부터 상기 기액분리기(167)로 연장되는 냉매배관(170)의 일부분으로서 이해될 수 있다.
상기 보조 열교환기(150)는 저압의 냉매와 고온의 냉각수간에 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기로서, 일례로 판형 열교환기가 포함될 수 있다. 즉, 상기 보조 열교환기(150)에는, 냉매 유로와 냉각수 유로가 서로 열교환 가능하게 구비될 수 있다.
상기 냉매배관(170)에는, 상기 보조 열교환기(150)로부터 상기 과냉각 열교환기(130)로 연장되는 제 3 연장배관(173)이 더 포함된다. 상기 제 3 연장배관(173)에는, 제 4 분지부(173a)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 냉매배관(170)에는, 상기 제 4 분지부(173a)로부터 상기 실외 열교환기(120)로 연장되는 제 4 연장배관(174)이 더 포함된다. 상기 제 4 연장배관(174)에는, 상기 메인 팽창장치(125)가 설치될 수 있다.
상기 제 1 연장배관(171)에는, 보조열교환기 밸브(155)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 보조열교환기 밸브(155)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic expansion valve, EEV)가 포함된다. 냉방운전시, 상기 보조열교환기 밸브(155)는 닫혀지도록 제어되어 상기 보조 열교환기(150)로의 냉매 유동은 제한될 수 있다. 따라서, 실내기(20)에서 증발된 냉매는 사방변(117), 제 1 연장배관(171)의 제 3 분지부(171a) 및 제 2 연장배관(172)을 경유하여 상기 기액분리기(167)로 유동할 수 있다.
냉매가 상기 기액분리기(167)로 유입되면, 상기 냉매 중 기상냉매가 분리되며, 분리된 기상 냉매는 흡입 배관(175)을 경유하여 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다. 상기 흡입배관(175)은 상기 기액분리기(167)로부터 상기 압축기(110)로 연장되는 냉매배관으로서 이해될 수 있다. 일례로, 상기 흡입배관(175)은 상기 기액분리기(167)의 상면으로부터 상방으로 연장되며, 적어도 2회 절곡하여 하방으로 연장될 수 있다.
그리고, 상기 흡입배관(175)에는, 슈퍼 히터(450)가 설치될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술한다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 냉매가 저장되는 저장탱크(160)가 더 포함된다. 상기 저장탱크(160)에는, 외관을 형성하는 케이스(161) 및 상기 케이스(161)의 내부에 구비되며 상기 케이스(161)의 내부공간을 상하로 구획하는 격벽(163)이 포함된다.
상기 격벽(163)에 의하여 구획된, 케이스(161)의 상부공간은 저압 냉매가 저장되는 기액분리기(167)를 형성한다. 그리고, 상기 격벽(163)에 의하여 구획된, 케이스(161)의 하부공간은 고압 냉매가 저장되는 리시버(165)를 형성한다. 즉, 상기 저장탱크(160)는, 기액분리기 및 리시버가 하나의 케이스(161)에 일체로 형성되는 구조를 가질 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 응축된 냉매를 상기 리시버(165)로 전달하는 리시버 입구유로(136)가 더 포함된다. 상기 리시버 입구유로(136)는, 상기 과냉각 열교환기(130)와 실내기(20)를 연결하는 배관으로부터 분지되어 상기 리시버(165)로 연장될 수 있다. 즉, 상기 리시버 입구유로(136)는 상기 케이스(161)의 하부에 연결될 수 있다.
상기 리시버 입구유로(136)에는, 상기 리시버 입구유로(136)에서의 냉매 유동을 선택적으로 허용하는 리시버 입구밸브(137)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 리시버 입구밸브(137)에는, 온/오프 제어가 가능한 솔레노이드 밸브가 포함될 수 있다. 상기 리시버 입구밸브(137)가 개방되면, 상기 과냉각 열교환기(130)로부터 상기 실내기(20)로 유동하는 냉매 또는 상기 실내기(20)로부터 상기 과냉각 열교환기(130)로 유동하는 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 상기 리시버 입구유로(136)를 통하여 상기 리시버(165)로 유입될 수 있다. 이러한 냉매 유동에 의하여, 시스템을 순환하는 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 리시버(165)에 저장된다.
상기 리시버 입구유로(136)에는, 상기 리시버 입구유로(136)를 유동하는 냉매량을 조절하기 위한 캐필러리 튜브(138)가 설치될 수 있다. 상기 캐필러리 튜브(138)의 직경은 상기 냉매배관(170)의 직경보다 작게 형성되어, 냉매의 유속을 감소시킬 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 리시버(165)에 저장된 냉매를 상기 기액분리기(167)로 전달하는 리시버 출구유로(139)가 더 포함된다. 상기 리시버 출구유로(139)는 상기 리시버(165)로부터 상방으로 연장하여 상기 기액분리기(167)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 리시버 출구유로(139)는 상기 케이스(161)의 상부, 일례로 상기 케이스(161)의 상면에 연결될 수 있다.
상기 리시버 출구유로(136)에는, 상기 리시버 출구유로(139)에서의 냉매 유동을 선택적으로 허용하는 리시버 출구밸브(139a)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 리시버 출구밸브(139a)에는, 온/오프 제어가 가능한 솔레노이드 밸브가 포함될 수 있다. 상기 리시버 출구밸브(139a)가 개방되면, 상기 리시버(165)에 저장된 고압의 냉매는 저압을 형성하는 기액분리기(167)로 유동할 수 있다.
상기 기액분리기(167)로 유입된 냉매는 시스템으로 재유입되어 순환될 수 있다. 상기 리시버(165)에 저장된 냉매는 상대적으로 고온 고압이며, 상기 기액분리기(167)에 저장된 냉매는 상대적으로 저온 저압을 형성한다. 상기 기액분리기(167)에 저장된 냉매는 상기 격벽(163)을 통하여 상기 리시버(165)에 저장된 냉매와 열교환 하여, 기화될 수 있다. 그리고, 상기 기화된 냉매는 상기 기액분리기(167)로부터 배출되어 시스템을 순환할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 연료와 공기의 혼합물을 연소하여 동력을 발생시키는 엔진(200) 및 상기 엔진(200)에서 발생된 동력을 상기 압축기(110)에 전달하는 동력전달 장치(205)가 더 포함된다. 일례로, 상기 동력전달 장치(205)에는, 풀리 및 벨트가 포함될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 엔진(200)의 냉각을 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 배관(360)이 더 포함된다. 상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수의 유동력을 발생시키는 냉각수 펌프(300)와, 냉각수의 유동방향을 전환하여 주는 복수의 유동 전환부(310,320) 및 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(330, radiator)가 설치될 수 있다.
상기 복수의 유동 전환부(310,320)에는, 엔진(200)의 출구측에 배치되는 제 1 유동전환부(310) 및 상기 제 1 유동전환부(310)에 연결되는 제 2 유동전환부(320)가 포함된다. 일례로, 상기 제 1 유동전환부(310) 및 제 2 유동전환부(320)에는, 삼방 밸브(3way valve)가 포함될 수 있다.
상기 방열기(330)는 상기 실외 열교환기(120)의 일측에 설치될 수 있으며, 상기 방열기(330)를 통과하는 냉각수는 상기 실외 팬(122)의 구동에 의하여 외기와 열교환 되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다. 일례로, 냉방운전시, 냉각수는 상기 방열기(330)를 통과하여 냉각될 수 있다.
상기 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 냉각수는 후술할 엔진(200) 및 배기가스 열교환기(240)를 통과하며, 상기 제 1 유동전환부(310) 및 제 2 유동전환부(320)를 거쳐 상기 방열기(330) 또는 상기 보조 열교환기(150)로 선택적으로 유동될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 압축기(110)의 구동을 위한 동력을 발생시키는 엔진(200) 및 상기 엔진(200)의 출구측에 제공되며 혼합연료가 연소된 후 발생되는 배기가스가 유입되는 배기가스 열교환기(240)가 더 포함된다. 상기 배기가스 열교환기(240)에서는, 냉각수와 배기가스 간에 열교환이 이루어질 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 상기 방열기(330)로부터 상기 엔진(200)을 향하여 연장되는 제 1 배관(361)이 포함된다. 상세히, 상기 제 1 배관(361)은 상기 방열기(330)로부터 상기 배기가스 열교환기(240)로 연장되는 제 1 배관부 및 상기 배기가스 열교환기(240)로부터 상기 엔진(200)으로 연장되는 제 2 배관부가 포함된다. 상기 제 1 배관부에는, 냉각수의 유동을 강제하는 상기 냉각수 펌프(300)가 설치될 수 있다. 상기 제 1 배관(361)을 유동하는 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240)를 거치면서 배기가스와 열교환 되고, 상기 엔진(200)에 유입되어 상기 엔진(200)의 폐열을 회수한다. 이 과정에서, 상기 냉각수는 흡열할 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로 가이드 하는 제 2 배관(362)이 더 포함된다. 상기 제 2 배관(362)은 상기 엔진(200)의 출구측으로부터 상기 제 1 유동전환부(310)의 제 1 포트로 연장되는 배관으로서 이해된다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 제 2 유동전환부(320)로 가이드 하는 제 3 배관(363)이 더 포함된다. 상기 제 3 배관(363)은 상기 제 1 유동전환부(310)의 제 2 포트로부터 상기 제 2 유동전환부(320)의 제 1 포트로 연장되는 배관으로서 이해된다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 보조 열교환기(150)로 가이드 하는 제 4 배관(364)이 더 포함된다. 상기 제 4 배관(364)은 상기 제 2 유동전환부(320)의 제 2 포트로부터 상기 보조 열교환기(150)로 연장되며, 상기 보조 열교환기(150)를 통과한 후 상기 제 1 배관(361)의 제 1 지점으로 연장되어 결합된다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 방열기(150)로 가이드 하는 제 5 배관(365)이 더 포함된다. 상기 제 5 배관(365)은 상기 제 2 유동전환부(320)의 제 3 포트로부터 상기 방열기(150)로 연장될 수 있다. 상기 제 5 배관(365)은 상기 제 1 배관(361)에 연결된다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 제 1 배관(361)으로 가이드 하는 제 6 배관(366)이 더 포함된다. 상기 제 6 배관(366)은 상기 제 1 유동전환부(310)의 제 3 포트로부터 연장되어 상기 제 1 배관(361)의 제 2 지점에 결합되는 배관으로서 이해될 수 있다.
일례로, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수의 온도가 설정온도 미만으로 형성될 때, 상기 냉각수를 상기 보조 열교환기(150) 또는 방열기(330)로 유동시켜 냉매와 열교환 시킬 효과가 미미해지므로 상기 제 1 유동전환부(310)의 제 1 포트로 유입된 냉각수를 상기 제 6 배관(366)을 통하여 상기 제 1 배관(361)으로 바이패스 시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 히터의 구성을 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2의 "A"를 확대한 도면이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)에는, 상기 냉각수 배관(360)으로부터 분지된 냉매와, 상기 흡입배관(175)을 유동하는 냉매간에 열교환이 이루어지는 슈퍼 히터(450)가 더 포함된다. 상기 슈퍼 히터(450)는, 압축기로 흡입되는 냉매를 가열하는 열교환기라는 점에서, "흡입측 열교환기"라 이름할 수 있다.
상기 슈퍼 히터(450)에는, 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(453) 및 냉매가 유동하는 냉매 유로(454)가 포함될 수 있다. 상기 냉각수 유로(453)와 상기 냉매 유로(454)간에 열교환될 수 있다. 일례로, 상기 슈퍼 히터(450)는 이중관 열교환기로 구성될 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 바이패스 배관(400)이 분지되는 제 1 분지부(410)가 포함될 수 있다. 상기 제 1 분지부(410)는 상기 냉각수 배관(360)의 일 지점을 형성하며, 냉각수 유동을 기준으로 상기 엔진(200)의 출구측에 배치될 수 있다. 상기 제 1 분지부(410)에는, 상기 바이패스 배관(400)의 제 1 단부가 연결될 수 있다.
상기 바이패스 배관(400)은 상기 제 1 분지부(410)로부터 상기 슈퍼 히터(450)로 연장될 수 있다. 그리고, 상기 바이패스 배관(400)은 상기 냉각수 유로(453)에 연결될 수 있다.
상기 냉각수 배관(300)에는, 상기 바이패스 배관(400)이 합지되는 제 2 분지부(420)가 더 포함될 수 있다. 상기 제 2 분지부(420)는 상기 냉각수 배관(360)의 타 지점을 형성하며, 냉각수 유동을 기준으로 상기 배기가스 열교환기(240)의 입구측에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제 2 분지부(420)는 상기 냉각수 펌프(300)의 유입측에 배치될 수 있다.
상기 제 2 분지부(420)는, 상기 슈퍼 히터(450)를 통과한 바이패스 배관(400)의 냉각수를 상기 냉각수 배관(360)으로 합지시키는 구성으로서 이해될 수 있다. 상기 제 2 분지부(420)에는, 상기 바이패스 배관(400)의 제 2 단부가 연결될 수 있다.
상기 바이패스 배관(400)에는, 상기 제 1 분지부(410)로부터 상기 슈퍼 히터(450)의 냉각수 유로(453)로 연장되는 제 1 배관부(401) 및 상기 슈퍼 히터(450)의 냉각수 유로(453)로부터 상기 제 2 분지부(420)로 연장되는 제 2 배관부(402)가 포함된다.
이와 같은 구성에 의하면, 상기 냉각수 배관(360)을 유동하는 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240) 및 상기 엔진(200)을 통과하면서 흡열하여 고온으로 형성되고, 상기 고온의 냉각수는 상기 제 1 분지부(410)에서 제 1 배관부(401)을 경유하여 상기 슈퍼 히터(450)의 냉각수 유로(453)로 유동한다. 그리고, 냉매는 상기 냉매 유로(454)의 냉매를 가열하며, 가열된 냉매는 기화되어 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.,
상기 슈퍼 히터(450)의 냉각수 유로(453)를 거친 냉각수는 상기 제 2 배관부(402)를 경유하여 상기 제 2 분지부(420)에서 상기 냉각수 배관(360)으로 합지된다.
도 3을 참조하면, 상기 슈퍼 히터(450)는 이중관 열교환기로 구성될 수 있다. 상세히, 상기 슈퍼 히터(450)에는, 냉각수가 유입되는 유입부(411) 및 냉각수가 배출되는 유출부(421)를 가지는 히터케이스(451)가 포함된다. 일례로, 상기 히터 케이스(451)는 대략 원기둥의 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 히터케이스(451)의 내부에는, 냉각수가 유동할 수 있는 유동공간부(451a)가 형성될 수 있다. 상기 유동공간부(451a)는 상기 냉각수 유로(453)를 형성할 수 있다.
상기 유입부(411)에는, 상기 바이패스 배관(400)의 제 1 배관부(401)가 연결될 수 있다. 그리고, 상기 유출부(421)에는 상기 바이패스 배관(400)의 제 2 배관부(402)가 연결될 수 있다. 상기 유입부(411)를 통하여 상기 히터케이스(451)로 유입된 냉각수는 상기 유동공간부(451a)을 유동하며, 상기 유출부(421)를 통하여 상기 제 2 배관(402)로 배출될 수 있다.
상기 히터케이스(451)의 내부에는, 냉매유로(454)가 구비될 수 있다. 상기 냉매유로(454)는 상기 흡입배관(175)에 연결되는 내부 배관을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 상기 내부 배관은 상기 흡입배관(175)의 적어도 일부를 구성할 수 있다.
일례로, 상기 내부 배관은 원형의 파이프로 구성될 수 있다. 상기 유동공간부를 유동하는 냉각수는 상기 내부 배관과 접촉하여 상기 냉매와 열교환 될 수 있다. 이 과정에서, 냉매는 흡열하며 이에 따라 냉매 중 액냉매는 기화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 히터펌프 시스템의 난방운전시 냉매 및 냉각수의 순환모습을 보여주는 사이클 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 난방운전을 수행하는 경우, 냉매는 상기 압축기(110)에서 압축되고 상기 사방변(117)을 거쳐 상기 실내기(20)로 유입된다. 냉매는 상기 실내기(20)에 구비되는 실내 열교환기에서 응축되어 상기 실내기(20)로부터 배출되며, 상기 과냉각 열교환기(130)를 경유한다.
이 때, 상기 과냉각 팽창장치(135)가 개방되면, 상기 과냉각 열교환기(130)로 유입될 냉매 중 적어도 일부의 냉매는 상기 과냉각 유로(132)를 유동하며 감압될 수 있다. 그리고, 상기 냉매배관(170)을 유동하는 메인 냉매와, 상기 과냉각 유로(132)를 유동하는 분지냉매간에 열교환이 이루어질 수 있다. 상기 열교환 된 분지냉매는 상기 기액분리기(167)로 유입될 수 있다.
상기 열교환 된 메인 냉매는 상기 제 4 분지부(173a)에서 상기 제 3 연장배관(173) 및 상기 제 4 연장배관(174)으로 분지하여 유동할 수 있다.
상기 제 3 연장배관(173)으로 분지된 냉매는 상기 보조열교환기 밸브(155)에서 감압된 후 상기 보조 열교환기(150)로 유입된다. 그리고, 냉매는 상기 보조 열교환기(150)에서 고온의 냉각수와 열교환 하여 증발될 수 있다. 상기 증발된 냉매는 상기 제 1 연장배관(171)의 제 3 분지부(171a)를 거쳐 상기 제 2 연장배관(172)을 유동할 수 있다.
한편, 상기 제 4 연장배관(174)으로 분지된 냉매는 상기 메인 팽창장치(125)에서 감압된 후 상기 실외 열교환기(120)에서 증발된다. 상기 실외 열교환기(120)에서 증발된 냉매는 상기 사방변(117)을 통과하며, 상기 제 1 연장배관(171)의 제 3 분지부(171a)를 거쳐 상기 제 2 연장배관(172)을 유동할 수 있다. 즉, 상기 보조 열교환기(150) 및 상기 실외 열교환기(120)에서 각각 증발된 냉매는, 상기 제 3 분지부(171a)에서 합지되어 상기 제 2 연장배관(172)으로 유입되며, 상기 기액분리기(167)로 유입될 수 있다.
상기 기액 분리기(167)로 유입되어 상분리된 냉매는 상기 슈퍼 히터(450)로 유입될 수 있다. 상기 슈퍼 히터(450)로 유입된 냉매는 상기 냉매유로(454)를 유동하며, 상기 냉각수 유로(453)를 유동하는 냉각수와 열교환 될 수 있다. 이 과정에서, 냉매 중 액냉매는 상기 냉각수로부터 흡열하여 기화되며, 상기 기화된 냉매는 상기 슈퍼 히터(450)로부터 배출하여 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다. 이와 같이, 냉매는 상기 슈퍼 히터(450)를 통과하면서 흡열할 수 있으므로, 상기 압축기(110)로 액냉매가 흡입되는 현상을 방지할 수 있다. 냉매는 상기한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.
한편, 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수는 상기 제 1 배관(361)을 따라 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어, 배기가스와 열교환 된다. 이 과정에서, 상기 냉각수의 온도는 상승될 수 있다. 그리고, 상기 배기가스 열교환기(240)에서 토출된 냉각수는 상기 엔진(200)으로 유입되어 엔진(200)을 냉각시키고, 상기 제 2 배관(362)을 경유하여 상기 제 1 유동전환부(310)의 제 1 포트(311)로 유입된다. 상기 냉각수는 상기 엔진(200)을 통과하는 과정에서 온도 상승될 수 있다.
상기 제 1 유동전환부(310)의 제어에 의하여, 상기 제 1 유동전환부(310)를 거친 냉각수는 상기 제 3 배관(363)을 따라 상기 제 2 유동전환부(320)를 향한다. 그리고, 상기 제 2 유동전환부(320)를 거친 냉각수는 상기 제 4 배관(364)을 경유하여 상기 보조 열교환기(150)로 유입되어, 냉매와 열교환될 수 있다. 그리고, 상기 보조 열교환기(150)를 거친 냉각수는 상기 냉각수 펌프(300)로 유입된다. 냉각수는 이러한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.
한편, 난방운전시 냉각수는 상기 방열기(330)로의 유동이 제한될 수 있다. 일반적으로, 난방운전은 외기의 온도가 낮을 때 수행되므로, 냉각수가 상기 방열기(330)에서 냉각되지 않더라도 냉각수 배관(360)을 유동하는 과정에서 냉각될 가능성이 높게 된다. 따라서, 난방운전시 냉각수는 상기 방열기(330)를 통과하지 않도록, 상기 제 1,2 유동전환부(310,320)가 제어될 수 있다.
다만, 상기 보조 열교환기(150)에서의 열교환이 필요로 하지 않을 때에는, 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 제 5 배관(365)을 경유하여 상기 방열기(330)로 유입될 수도 있다.
한편, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수 중 적어도 일부의 냉각수는 상기 제 1 분지부(410)에서 바이패스 되어 상기 슈퍼 히터(450)로 유입될 수 있다. 상기 슈퍼 히터(450)로 유입된 냉각수는 상기 냉각수 유로(453)를 유동하며 이 과정에서 상기 냉매 유로(454)의 냉매와 열교환 될 수 있다.
상기 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240) 및 상기 엔진(200)을 거치면서 흡열하여 온도 상승되므로, 상기 냉매 유로(454)의 냉매에 충분한 열을 제공할 수 있다. 따라서, 냉각수는 상기 냉매 유로(454)를 유동하는 냉매 중 액냉매를 기화시킬 수 있다. 상기 기화된 냉매는 상기 슈퍼 히터(450)에서 배출되어 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
상기 슈퍼 히터(450)에서 배출된 냉각수는 상기 제 2 분지부(420)에서 상기 제 1 배관(361)으로 유동하며, 상기 냉각수 펌프(300)로 유입하게 된다. 이러한 냉각수의 흐름이 반복될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 압축기(110)의 흡입측에 슈퍼 히터(450)가 구비되어 냉각수가 상기 압축기(110)로 흡입되는 냉매를 가열할 수 있으므로, 상기 압축기(110)에 액냉매가 흡입되는 현상이 방지될 수 있다. 그리고, 압축기(110)로의 흡입냉매를 가열하기 위한 별도의 열원없이 상기 엔진(200)의 폐열을 활용할 수 있다는 이점이 있다.
10 : 가스 히트펌프 시스템 110 : 압축기
120 : 실외 열교환기 140 : 실내 열교환기
150 : 보조 열교환기 200 : 엔진
240 : 배기가스 열교환기 300 : 냉각수 펌프
310 : 제 1 유동전환부 320 : 제 2 유동전환부
330 : 방열기 360 : 냉각수 배관
361~366 : 제 1~6 배관 400 : 바이패스 배관
410 : 제 1 분지부 420 : 제 2 분지부
450 : 슈퍼히터 453 : 냉각수 유로
454 : 냉매 유로

Claims (14)

  1. 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매배관을 포함하는 공기조화 시스템;
    상기 압축기의 운전을 위하여 동력을 제공하며, 연료와 공기가 혼합되는 혼합연료가 연소되는 엔진;
    상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수의 유동을 강제하는 냉각수 펌프;
    상기 냉각수 펌프에 연결되어 냉각수의 유동을 가이드 하며, 상기 엔진을 냉각하는 냉각수 배관;
    상기 압축기의 흡입측에 제공되며, 상기 압축기로 흡입되는 냉매와 상기 냉각수간에 열교환이 수행되는 슈퍼 히터;
    상기 냉각수 배관에 설치되며, 상기 엔진에서 배출된 냉각수와 상기 실내 열교환기에서 응축된 냉매간에 열교환이 이루어지는 보조 열교환기;
    상기 공기조화 시스템에 구비되는 실외 팬의 일측에 설치되는 방열기; 및
    상기 냉각수 배관에 연결되며, 상기 냉각수 배관을 유동하는 냉각수의 적어도 일부를 상기 슈퍼 히터로 공급하는 바이패스 배관이 포함되며,
    상기 냉각수 배관에는,
    상기 엔진의 출구측에 배치되는 제 1 유동전환부;
    상기 제 1 유동전환부에 연결되는 제 2 유동전환부;
    상기 방열기로부터 상기 엔진으로 연장되는 제 1 배관;
    상기 엔진으로부터 상기 제 1 유동전환부로 연장되는 제 2 배관;
    상기 제 2 배관에 구비되어 상기 바이패스 배관의 제 1 단부가 연결되며, 상기 엔진으로부터 토출된 냉각수의 일부는 상기 제 1 유동전환부로 유동되고, 나머지는 상기 슈퍼 히터로 유동되도록 가이드 하는 제 1 분지부; 및
    상기 바이패스 배관의 제 2 단부가 연결되며, 상기 바이패스 배관의 냉각수를 상기 제 1 배관으로 가이드 하는 제 2 분지부가 포함되고,
    상기 제 1 유동전환부는 상기 엔진으로부터 상기 제 1 분지부를 통과하여 유입된 냉각수를 상기 제 1 배관 및 상기 제 2 유동전환부 중 적어도 하나로 가이드하고,
    상기 제 2 유동전환부는 상기 제 1 유동전환부로부터 유입된 냉각수를 상기 보조 열교환기 및 상기 방열기 중 적어도 하나로 가이드하는 가스 히트펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 입구측에 배치되며, 상기 엔진에서 발생되는 배기가스와 열교환 하는 배기가스 열교환기가 더 포함되고,
    상기 제 2 분지부는, 상기 배기가스 열교환기의 입구측 냉각수 배관에 형성되는 가스 히트펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 배관에는,
    상기 제 1 분지부로부터 상기 슈퍼 히터로 연장되는 제 1 배관부; 및
    상기 슈퍼 히터로부터 상기 제 2 분지부로 연장되는 제 2 배관부가 포함되는 가스 히트펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 슈퍼 히터에는,
    상기 냉매가 유동하며, 상기 압축기의 흡입배관이 연결되는 냉매 유로; 및
    상기 제 1,2 배관부에 연결되며, 냉각수가 유동하는 냉각수 유로가 포함되는 가스 히트펌프 시스템
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈퍼 히터에는, 이중관 열교환기가 포함되는 가스 히트펌프 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 슈퍼 히터에는,
    상기 냉각수의 유동공간이 형성되는 히터 케이스; 및
    상기 히터 케이스의 내부에 구비되며, 상기 압축기의 흡입배관에 연결되는 내부 배관이 포함되는 가스 히트펌프 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 배관에는,
    상기 제 1 유동전환부로부터 상기 제 2 유동전환부로 연장되는 제 3 배관; 및
    상기 제 2 유동전환부로부터 상기 보조 열교환기로 연장되는 제 4 배관이 포함되는 가스 히트펌프 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉각수 배관에는,
    상기 제 2 유동전환부로부터 상기 방열기로 연장되는 제 5 배관; 및
    상기 제 1 유동전환부로부터 상기 제 1 배관의 제 1 지점으로 연장되는 제 6 배관이 포함되는 가스 히트펌프 시스템.


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