KR102145378B1 - 열교환 장치 - Google Patents

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KR102145378B1
KR102145378B1 KR1020200028426A KR20200028426A KR102145378B1 KR 102145378 B1 KR102145378 B1 KR 102145378B1 KR 1020200028426 A KR1020200028426 A KR 1020200028426A KR 20200028426 A KR20200028426 A KR 20200028426A KR 102145378 B1 KR102145378 B1 KR 102145378B1
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박두열
이장원
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주식회사 에너솔라
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Abstract

본 발명은 히트펌프의 열원측 또는 부하측에 배치되어 열 교환하는 열교환 장치에 있어서, 복수개의 스파이럴관과, 상기 스파이럴관을 감싸도록 배치된 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프의 일 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 일 측과 분리시키는 분기부와, 상기 열교환 파이프의 타 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 타 측과 분리시키는 취합부를 포함하는 열교환부; 및 상기 열교환부가 내부에 장착되고 열원수 배출관이 마련되는 하우징과, 상기 하우징 일 측에서 상기 열원수가 공급되는 열원수 유입관이 마련되는 공급부와, 상기 하우징 타 측을 커버하는 커버부를 포함하는 열교환탱크;를 포함하고, 상기 열교환부는 수열원으로부터 공급받은 열원수와 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환하되, 히트펌프에서 배출된 냉매를 상기 분기부로 공급한 후 상기 스파이럴관과 열교환 파이프 사이를 통해 제1방향으로 이송하면서 상기 취합부를 거쳐 다시 상기 히트펌프로 공급하고, 상기 열원수 유입관으로부터 열원수를 공급받아 상기 스파이럴관 내부를 통해 제1방향으로 열원수를 이송하고, 상기 스파이럴관의 타 측에서 상기 열교환 파이프 외주연에 접촉하도록 상기 하우징의 내부 공간을 통해 제2방향으로 열원수를 다시 이송하여 열교환 시키는 것을 특징으로 하는 열교환 장치를 제공한다.

Description

열교환 장치{Heat Exchanger}
본 발명은 열교환 장치에 관한 것으로서, 지열, 폐열원, 수열원 등을 히트펌프에 공급될 열매체를 열교환 시키는 쉘 앤 튜브(Shall and Tube) 방식의 열교환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수열원 히트펌프의 경우 대부분 판형타입의 열교환기를 사용하고 있다. 판과 판 사이로 냉매와 열원수가 교차 열교환하는 구조로 성능이 높고 고압대체 냉매사용이 가능하기 때문이다.
하지만 열교환하는 판과 판 사이가 조밀하여 이물질. 스케일에 의한 막힘 현상이 발생하고 막힘으로 동파 사고 시에는 열원수가 냉매사이클 배관에 유입되어 히트펌프 자체 시스템이 사용 불가한 치명적인 문제가 있다.
또한 용접형으로 분해청소가 불가하여 장기간 사용시 스케일 고착에 의해 효율이 지속적으로 감소한다.
그래서 판형 열교환기의 경우 히트펌프의 이물질 유입을 막기 위해 막힘 방지용 중간 열교환기, 순환펌프 및 배관 등이 추가로 설치된다.
이는 기계실 면적, 비용이 추가되며 순환펌프 추가 동력, 배관 저항 등으로 시스템 전체 효율저하에 상당한 영향을 미치게 된다.
그리고 열원이 중간 열교환기를 통과하면서 열원의 온도가 저하되어 히트펌프의 성능저하가 추가적으로 일어나게 된다.
그래서 막힘 방지설비가 필요 없어 경제적이며 효율은 증대시키는 이물질 유입에 강한 열교환기가 필요하게 되었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환 장치에서 열원측 또는 부하측에 각각 공급되는 수열원 또는 열매체와, 히트펌프 내부에 순환하는 냉매의 열교환 성능을 증대시킬 수 있고, 열교환 장치 내부의 동파를 방지하여 지속적인 히트펌프의 운행을 유도할 수 있는 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 이물질에 강한 쉘 앤 튜브(Shall and Tube) 방식으로 적용함으로써, 제작이 자유로워 대용량 /대용량 장비제작이 가능하고 유지보수가 용이해서 분해청소가 가능하고 스케일 제거가 쉬워 이물질 유입이 많은 수열원(하천/바다), 폐열원(건물/공장)에 적합한 열교환 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 히트펌프에는 저압용, 저효율이라 적용하기 어렵고, 외압에 약한 파이프 및 운전압력이 낮은 저압구조로 대체고압냉매(R410A, R32) 사용이 불가하고, 일반관의 층류 흐름 및 낮은 전열효과로 성능도 낮을뿐더러 열교환기 크기가 커서 히트펌프에 적용이 어렵고, 또한 전용 응축 증발 구조로 양 방향 운전시 효율이 낮아져 냉난방이 가능한 히트펌프로 적용하기에 어려움을 극복하도록 쉘 앤 튜브 구조를 고압운전으로 대체 냉매사용이 가능하고, 열교환 성능 증대 및 동일한 응축증발 구조로 냉난방 전환 운전이 가능하며, 히트펌프 시스템 적용 시 막힘 방지 설비가 필요 없고, 분해 및 청소가 가능해 장기간 사용하더라도 효율이 초기 열교환 성능을 유지할 수 있는 열교환 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은 히트펌프의 열원측 또는 부하측에 배치되어 열 교환하는 열교환 장치에 있어서, 복수개의 스파이럴관과, 상기 스파이럴관을 감싸도록 배치된 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프의 일 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 일 측과 분리시키는 분기부와, 상기 열교환 파이프의 타 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 타 측과 분리시키는 취합부를 포함하는 열교환부; 및 상기 열교환부가 내부에 장착되고 열원수 배출관이 마련되는 하우징과, 상기 하우징 일 측에서 상기 열원수가 공급되는 열원수 유입관이 마련되는 공급부와, 상기 하우징 타 측을 커버하는 커버부를 포함하는 열교환탱크;를 포함하고, 상기 열교환부는 수열원으로부터 공급받은 열원수와 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환하되, 히트펌프에서 배출된 냉매를 상기 분기부로 공급한 후 상기 스파이럴관과 열교환 파이프 사이를 통해 제1방향으로 이송하면서 상기 취합부를 거쳐 다시 상기 히트펌프로 공급하고, 상기 열원수 유입관으로부터 열원수를 공급받아 상기 스파이럴관 내부를 통해 제1방향으로 열원수를 이송하고, 상기 스파이럴관의 타 측에서 상기 열교환 파이프 외주연에 접촉하도록 상기 하우징의 내부 공간을 통해 제2방향으로 열원수를 다시 이송하여 열교환 시키는 것을 특징으로 하는 열교환 장치를 제공한다.
상기 공급부는 상기 하우징과 인접한 외주면 상에 제1플랜지가 구비되고, 상기 하우징은 상기 제1플랜지와 마주하여 탈착 가능하도록 결합되는 제2플랜지를 구비하며, 상기 열교환부는 상기 분기부 상에서 상기 열교환 파이프와 접촉하도록 수평방향으로 돌출되어 상기 제1플랜지와 제2플랜지 사이에 게재되는 제1기밀판을 구비하고, 상기 제1플랜지와 제2플랜지 분리 시 상기 제1기밀판과 함께 상기 열교환부가 동시 탈거될 수 있다.
상기 하우징은 타 측 단부에 제3플랜지가 구비되고, 상기 커버부는 상기 제3플랜지와 탈착 가능하도록 결합되며, 상기 취합부로부터 냉매가 배출되는 냉매 배출관 상에서 수평방향으로 돌출되어 상기 제3플랜지와 커버부 사이에 게재되는 제2기밀판을 포함할 수 있다.
상기 공급부는 측면 방향에서 열원수 공급관의 높이보다 낮게 배치되어 상기 공급부 내부에 포집된 이물질 또는 상기 공급부 내부의 열원수를 배출하는 드레인 라인을 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 상기 열교환 챔버 내부에서 상기 제2방향으로 공급되는 열원수의 방향을 변화시키는 배플을 포함할 수 있다.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 기재된 열교환 장치는 동일 구조의 제1열교환 장치와 제2열교환 장치로 이루어지고,
상기 제1열교환 장치의 열원수 배출관과 상기 제2열교환 장치의 열원수 유입관이 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 장치에 따르면,
첫째, 내부에 열원수가 지나가는 스파이럴관의 외주면을 통해서 열교환 파이프 내부의 냉매가 1차 열교환이 이루어지고, 열교환 파이프 외부에서 다시 열원수에 의해 냉매가 2차 열교환이 이루어져 열교환 성능이 현저히 증대되고,
둘째, 냉매는 한 방향으로 이송되지만 열원수를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하면서 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 장치의 규모를 줄일 수 있으며,
셋째, 열교환부의 분기부와 취합부를 통하여 전 영역에서 냉매의 열교환 효과를 균일하게 유지할 수 있고,
넷째, 열교환탱크를 조립식으로 구성하여 유지보수 및 청소가 가능하며,
다섯째, 판형 열교환기의 단점인 막힘, 동파 문제 및 이로 인한 추가 설비가 필요 없어 기계실 면적 및 제조비용이 절감될 수 있고,
여섯째, 판형 열교환기는 막힘 방지설비가 필요한데, 순환펌프 추가동력, 중간 열교환기, 배관 저항 등으로 시스템 전체 효율 저하에 상당한 영향을 미치는데 반해 막힘 방지시설이 없어 효율 저하가 없으며 유지비가 절감될 수 있으며,
일곱째, 판형 열교환기 대비 흐름저항이 감소하여 순환팜프의 소요 동력이 낮아지므로 시스템 효율이 증대될 수 있고,
여덟째, 다수의 냉매 사이클 열교환기로 적용이 가능하고, 열원측의 흐름을 직렬로 연결하여 유량, 유속의 증대로 열교환 성능이 현저히 증대되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 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 내부에서 열원수와 냉매가 유동하는 상태를 도시하는 참고도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 열교환 장치를 분해하여 도시하는 분해도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 스파이럴관과 열교환 파이프를 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 분기부를 확대하여 도시하는 부분 확대도이다.
도 7은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 열교환부에서 열원수가 공급 및 배출되는 과정을 도시하는 참고도이다.
도 8은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 열교환부에서 냉매가 공급 및 배출되는 과정을 도시하는 참고도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치를 직렬로 연결한 상태를 도시하는 참고도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 열교환 장치를 적용한 다른 히트펌프 시스템을 도시하는 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 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 1을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템(10)은 지열을 열원으로 하여 지중에서 열교환된 열원수가 공급되는 제1열교환 장치(110)와, 상기 제1열교환 장치(110) 내부에서 열원수와 열교환된 열매체(이하, 냉매로 지칭함)를 공급하도록 냉매(R-22, R-134a 또는 R-410)가 순환하는 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 히트펌프(100)와, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 히트펌프 시스템(10)을 제어하는 제어부(미도시) 및 지중 열교환기(11)를 포함한다. 여기서 전기한 열매체는 물, 공기 또는 냉매를 모두 포함하고, 이중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 냉매를 이용한 것을 일 예로 설명한다.
그리고 상기 제1냉매 순환라인(121)은 상기 히트펌프(100) 내부에서 폐쇄루프를 이루도록 연결된다.
따라서, 상기 히트펌프 시스템(10)은 냉방 운전시에 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 실내기(12)로 하여금 실내에서 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉동사이클의 가동을 가능케 한다. 또한 상기 히트펌프 시스템(10)은 난방 시 상기 냉방사이클의 역사이클로 냉매를 흐르게 하여 실내기(12)로 하여금 냉매의 응축을 통해 실내를 난방할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템(10)은 공기 열원식 히트펌프 냉난방시스템과 달리, 지열을 열원으로 가지는 열원수를 이용하여 제1열교환 장치(110)에서 열교환을 행하는 지열 열교환식 히트펌프 시스템(10)이다.
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 상기 히트펌프 시스템(10)은 지중의 열원을 이용하기 위해 지중에 매설된 별도의 지중 열교환기(11)가 구비된다. 상기 지중 열교환기(11)는 상기 지중 열교환기(11)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 열원수를 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 냉매와 열교환이 이루어지면서 사용처로 공급하거나 순환하도록 구성할 수 있다. 이때 상기 히트펌프(100)는 지중 열교환기(11)와 열교환을 통하여 열원을 공급받고, 또한 열원으로부터 열교환된 냉매를 이용하여 실내기(12)를 통해 실내에 냉난방을 공급할 수 있다. 즉 상기 히트펌프(100)는 지중의 열원수로부터 열원을 공급받아 제1열교환 장치(110)로 공급하여 히트펌프(100)의 냉매와 열교환이 이루어지고, 여기서 열교환된 냉매를 다시 응축 또는 증발시켜 고온 또는 저온의 냉매를 상기 제2열교환 장치(150)로 공급하여 냉매와 열교환 하면서 실내 난방 또는 냉방이 이루어질 수 있다.
상기 히트펌프(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 열원수의 열원을 흡수하여 제2열교환 장치(150)의 냉매로 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 냉매의 열을 흡수한 냉매를 통하여 제1열교환 장치(110)의 열원수로 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 냉매의 온도를 낮추게 되고, 이렇게 냉각된 냉매는 실내기(12)로 공급되어 냉방이 이루어진다.
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 내부에서 열원수와 냉매가 유동하는 상태를 도시하는 참고도이며, 도 4는 도 2에 나타낸 열교환 장치를 분해하여 도시하는 분해도이고, 도 5는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 스파이럴관과 열교환 파이프를 확대하여 도시하는 단면도이며, 도 6은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 분기부를 확대하여 도시하는 부분 확대도이고, 도 7은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 열교환부에서 열원수가 공급 및 배출되는 과정을 도시하는 참고도이며, 도 8은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 열교환부에서 냉매가 공급 및 배출되는 과정을 도시하는 참고도이다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치(110)는 열교환탱크(110a)와, 열교환부를 포함한다.
먼저, 열교환탱크(110a)는 길이방향을 따라서 길게 형성되고, 일 단면이 원형인 중공의 원통 형상으로 형성된다. 물론 일 단면이 타원이나 다각형의 형상을 갖도록 구현될 수 있다.
열교환탱크(110a)는 하부에 배치되는 공급부(111)와, 공급부 상에 결합되는 하우징(112)과, 하우징(112)의 상부를 커버하는 커버부(113)를 포함한다.
공급부(111)는 열원수 또는 냉매가 공급되는 부분으로 하우징(112)과 인접한 외주면에 제1플랜지(111e)가 구비된다. 그리고 공급부(111)의 하부에는 열원수가 공급되면서 포함된 이물질이 포집되는 드레인부(114)가 구비된다. 드레인부(114)는 별도의 드레인 라인을 통하여 공급부 내부의 열원수와 이물질을 배출할 수 있고, 또한 공급부(111)와 하우징(112)을 분리하여 이물질 배출이 이루어질 수도 있다. 이때 드레인부(114) 또는 드레인 라인은 열원수 유입관 보다 낮은 위치에 배치될 수 있다. 이는 열원수 유입관(111f)을 통해 이물질이 역류하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
하우징(112)은 열교환부(110b) 대부분을 커버하며, 내부에 열원수가 채워진다. 또한 열원수가 배출되는 열원수 배출관(111g)이 구비될 수 있다.
열교환탱크(110a)는 내부에 열원수 공급챔버(111a)와, 리버스 챔버(111b)와, 열교환 챔버(111c)와, 열원수 배출챔버(111d)를 포함한다.
열원수 공급챔버(111a)는 공급부에 대응되며, 외부에서 열원수 유입관(111f)으로 열원수를 공급하여 열원수가 스파이럴관(116)의 일 측에 형성된 입구로 유입되도록 안내하는 기능을 제공한다. 스파이럴관(116)의 입구측으로 공급된 열원수는 스파이럴관(116)의 타 측에 형성된 출구로 배출되는데, 이때 출구는 리버스 챔버(111b)를 향하도록 배치되어 열원수를 배출한다. 여기서 스파이럴관(116)을 따라서 열원수가 이송되는 방향을 제1방향(D1)으로 정의한다. 물론 스파이럴관(116), 열교환 파이프(117), 열교환탱크(110a)는 제1방향(D1)을 따라서 나란하게 배치된다.
열원수 공급챔버(111a)로부터 제1방향(D1)으로 인접하게는 열원수 배출챔버(111d)가 배치된다. 열원수 배출챔버(111d)는 하우징(112)의 내부 일부 영역에 대응된다.
열원수 배출챔버(111d)는 열교환을 마친 열원수가 열원수 배출관(111g)을 통하여 열교환탱크(110a) 외부로 배출되는 공간이다. 물론 열원수 배출챔버(111d)에서도 열원수가 외부로 배출되기 전까지는 열교환이 이루어질 수 있다.
열교환 챔버(111c)는 스파이럴관(116)의 내부에 제1방향(D1)으로 공급되는 열원수와, 열교환 파이프(117) 외부와 열교환탱크(110a) 내부 사이에서 제2방향(D2)으로 공급되는 열원수가 스파이럴관(116)과 열교환 파이프(117) 사이에서 제1방향(D1)으로 유동하는 냉매와 열교환이 이루어진다.
열교환탱크(110a)가 제1열교환 장치(110)로 사용되는 경우(열원측) 열원수가 공급 및 배출되면서 냉매를 열원측과 열교환 하고, 제2열교환 장치(150)로 사용되는 경우(부하측) 냉매가 공급 및 배출되면서 냉매를 부하측과 열교환 한다. 또한 열교환탱크(110a)는 버퍼탱크로서의 기능을 수반하기 때문에 별도의 버퍼탱크와 펌프가 추가적으로 구비될 필요가 없는 이점이 있다. 따라서 지중 열교환기(11)의 열교환 성능이 떨어지는 경우 열교환탱크(110a) 내부에 저장된 열원수의 열원을 이용하여 일시적으로 열교환이 이루어질 수 있다.
열교환탱크(110a)는 공급부(111)에 열원수의 공급량 또는 속도를 조절할 수 있는 밸브가 구비되고, 리버스 챔버(111e)에서 열원수에 포함되었다가 배출된 기포를 열교환탱크(110a)외부로 배출할 수 있도록 에어벤트(1113)가 구비된다. 에어벤트(1113)는 커버부(113) 상에 배치될 수 있다.
또한 열교환탱크(110a)는 내부의 열원수 온도를 센싱하는 온도센서(미도시)가 구비된다. 온도센서는 열교환탱크(110a) 내부에 공급된 열원수가 설정된 온도 범위를 유지할 수 있도록 온도 데이터를 제어부로 공급한다. 이때 열교환탱크(110a)의 열원수 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나는 경우 열교환탱크(110a)에 공급되는 또는 배출되는 열원수의 양이나 속도를 조절하여 열교환이 이루어질 수 있는 설정 온도범위를 유지하도록 제어할 수 있다.
그리고 열교환부는 열교환탱크(110a) 또는 열교환 챔버(111c) 내부에서 제2방향(D2)으로 공급되는 열원수의 방향을 변화시키는 배플(Baffle, 117a)을 포함한다. 여기서 열원수의 방향은 결과적으로 제2방향(D2)으로 이송되지만, 그 과정에서 배플(117a)에 의해 지그재그 방향으로 방향이 변환되면서 공급된다. 배플(117a)은 복수의 열교환 파이프(117)를 연결하면서 일정 영역을 수평방향으로 차단하며, 열원수가 이동하는 방향을 가이드 할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 배플(117a)은 열원수가 원활하게 공급되도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한 배플(117a)은 적어도 일 부분이 열교환탱크(110a) 내주면으로부터 설정 간격 이격되도록 배치된다. 이렇게 설정 간격 이격된 부분은 인접한 다른 배플(117a)의 이격된 설정 간격과 서로 다른 방향으로 배치되면서 리버스 챔버(111b)로 공급된 열원수가 다시 제2방향(D2)으로 공급됨과 동시에 전 영역의 열교환 파이프(117)와 균일하게 접촉하도록 열원수를 우회시키는 유로 역할을 제공한다.
또한 배플(117a)은 열교환 챔버(111c) 내부에서 복수의 열교환 파이프(117)를 각각 지지하는 기능을 제공한다. 배플(117a)은 복수개가 설정 간격 이격되도록 배치된다. 이때 배플(117a)은 제2방향(D2)으로 공급되는 열원수가 지그재그 방향으로 공급될 수 있도록 인접한 설정 간격 이격된 부분이 서로 마주하지 않도록 배치된다. 즉 하나의 배플(117a)이 열교환탱크(110a)와 이격된 설정 간격과 인접한 다른 배플(117a)의 이격된 설정 간격은 열교환탱크(110a)의 내주면에서 서로 반대 방향 또는 먼 방향에 배치된다. 또는 열교환탱크(110a) 내부에서 제2방향(D2)을 향하여 최소한으로 중첩되거나, 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
이때 냉매는 제1방향(D1)으로 이송되는 열원수에 의해 스파이럴관(116)의 외부면과 접촉하여 1차 열교환이 이루어지고, 제2방향(D2)으로 이송되는 열원수에 의해 열교환 파이프(117)의 내부면과 접촉하여 2차 열교환이 이루어진다. 다시 말해, 같은 방향으로만 이송되면서 동일 성능의 열교환이 이루어지기 위해서는 두 배의 길이를 가지는 열교환탱크(110a)가 필요하지만, 리버스 챔버(111e)에서 열원수의 방향전환을 통해서 냉매의 내부와 외부에서 열교환이 이루어지기 때문에 열교환탱크(110a)의 크기를 절반으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
그리고 열교환부(110b)는 스파이럴관(116)과, 열교환 파이프(117)와 분기부(118) 및 취합부(119)를 포함한다.
먼저, 스파이럴관(116)은 공급부(111)에 유입된 열원수가 공급되어 리버스 챔버(111b)로 공급한다. 스파이럴관(116)은 도 5에 도시된 바와 같이, 관형 파이프 외주연을 가압하여 나선 형상의 스파이럴을 형성할 수 있다. 따라서 스파이럴관(116) 내부 또는 외부에서 유동하는 유체는 스파이럴관(116)의 나선 형상에 대응하도록 회전 또는 난류를 형성함으로써 균일하게 섞이면서 이동할 수 있다. 이로써 스파이럴관(116) 주변에서 열원수와 냉매 사이의 열교환량이 증가하고, 열교환 성능이 증가할 수 있다. 이때, 스파이럴관(116)은 외주연이 가장 돌출된 산과, 외주연 지름이 가장 작은 골이 형성되고, 스파이럴관(116)의 산은 열교환 파이프(117) 내주연에 밀착 접촉하게 배치될 수 있다. 따라서 스파이럴관(116)과 열교환 파이프(117) 사이에서는 스파이럴관(116)의 골의 깊이에 따라서 냉매 유동량이 설정될 수 있고, 골을 따라서 냉매가 이송되기 때문에 난류를 형성하기 용이하여 열교환 효율이 증대될 수 있다.
예컨대, 기존 쉘앤튜브 방식의 열교환기(나관(단일관))와 본원발명의 스파이럴 이중관이 적용된 쉘앤튜브 방식의 열교환량 비교 결과 약 2.6배의 열교환량이 증대되는 효과를 확인할 수 있다. 이에 따른 비교표는 아래와 같다.
구분 유량
(LPM)		 온수입구 온도
(℃)		 온수출구 온도
(℃)		 온도차
(℃)		 열교환량
(kW)
나관(단일관)열교환기 100.2 55.18 48.5 6.67 46.59
스파이럴 이중관열교환기 99.3 55.18 37.07 18.11 125.24
그리고 스파이럴관(116)을 따라 제1방향(D1)으로 이송하는 열원수의 속도는 열교환 챔버(111c) 내부에서 제2방향(D2)으로 이송하는 열원수의 속도보다 빠르게 공급된다. 상대적으로 스파이럴관(116)의 외주면이 열교환 파이프(117)의 외주면에 비해 접촉면적이 넓어 열교환이 빠르게 이루어지기 때문에 제1방향(D1)으로 이송하는 열원수의 속도를 증대시켜 열교환의 성능을 최대한 증대시킬 수 있다.
열교환 파이프(117)는 일반적인 중공의 파이프를 적용하며, 물론 스파이럴관으로 대체될 수도 있다. 열교환 파이프(117)와 스파이럴관(116) 사이에는 제1방향(D1)을 따라서 냉매가 공급된다. 냉매는 공급되는 과정에서 열교환에 의해 상변화(액체
Figure 112020024183666-pat00001
기체 또는 기체
Figure 112020024183666-pat00002
액체)가 이루어질 수도 있다.
스파이럴관(116)과 열교환 파이프(117) 사이의 공간에는 입구측으로 냉매가 공급되고, 출구측으로 열교환이 완료된 냉매가 배출된다. 이때 입구측에는 냉매 유입관을 통해 공급된 냉매를 분산하여 공급하는 분기부(118)가 마련되고, 출구측에는 열교환이 완료된 냉매를 모아서 다시 히트펌프(100)로 공급하는 취합부(119)가 마련된다. 물론 열원수와 냉매는 간접적으로 열교환이 이루어지고, 서로 섞이거나 만나지 않도록 배치되며, 입구측과 출구측은 열원수와 냉매가 유입되거나 배출되는 유로를 제외하고 밀폐된다.
분기부(118)는 냉매 유입관을 통하여 공급된 냉매가 각각의 열교환 파이프(117)와 스파이럴관(116) 사이 공간으로 균일하게 공급되도록 각 열교환 파이프(117)의 입구측을 모두 연결하며, 설정된 크기의 챔버를 가질 수 있다. 이때 분기부(118) 내부에는 열교환 파이프(117)와 스파이럴관(116) 사이의 공간만이 개방되고, 스파이럴관(116)의 입구는 분기부(118) 외부에서 공급부(111) 상에 노출된다. 그리고 분기부(118)는 분기부(118)와 취합부(119) 사이의 열교환부(110b) 영역으로부터 차폐되도록 제1기밀판(118a)이 마련된다. 제1기밀판(118a)은 제1플랜지(111e)와 하우징(112)의 일 측 단부에 형성된 제2플랜지(112a) 사이에 개재되어 결합될 수 있다. 따라서 제1기밀판(118a)은 제1플랜지(111e)와 제2플랜지(112a) 사이에서 개스킷(Gasket) 기능을 제공할 수도 있다. 즉, 제1기밀판(118a)은 열교환탱크(110a)의 하우징(112) 내부에 채워진 열원수와 분기부 내부의 냉매 사이를 차폐함과 동시에, 하우징(112)과 공급부(111) 사이의 열원수가 혼합되는 것을 차폐할 수 있다. 제1기밀판(118a)은 각 열교환 파이프(117)의 입구측이 모두 결합(연결)되어 있기 때문에 제1플랜지(111e)와 제2플랜지(112a)를 분리하게 되면, 열교환부(110b)를 각 열교환 파이프(117)와 함께 일체로 분리할 수 있다.
그리고, 하우징(112)의 타 측 단부에 형성된 제3플랜지(112b)에는 하우징(112)의 타 측을 커버하는 커버부(113)가 결합될 수 있다. 물론, 제3플랜지(112b)와 커버부(113) 사이에는 제2기밀판(119a)이 게재될 수 있고, 제2기밀판(119a)은 취합부(119)와 연결되어 냉매를 배출하는 냉매 배출관과 결합될 수 있다.
또한 취합부(119)는 열교환 파이프(117)를 통하여 냉매가 열교환 된 후 배출되고, 각 열교환 파이프(117)의 출구측을 모두 연결하여 취합된 냉매를 다시 히트펌프(100)로 배출한다. 취합부(119)는 설정된 크기의 챔버를 가질 수 있고, 분기부(118)와 대향하는 위치에 동일한 구조로 구성될 수 있다. 분기부(118)와 커버부(113) 사이 공간은 리버스 챔버(111b)에 해당되며, 스파이럴관(116)을 통해 배출된 열원수가 리버스 챔버(111b)에서 방향을 바꿔 분기부(118)와 하우징(112) 사이 공간으로 이동하면서 제2방향(D2)으로 유동하게 된다. 이때 취합부(119)의 외주연은 하우징(112)의 내부에서 설정 간격 이격된 상태를 유지하며 이러한 설정 간격을 통하여 열원수를 제2방향(D2)으로 공급할 수 있다. 물론, 취합부(119)의 외주연에 형성된 설정 간격은 그 형상이나 크기를 변경할 수 있다.
이렇게 분기부(118)와 취합부(119)를 구비하면, 열교환탱크(110a)내부에서 냉매가 균일한 속도로 일정한 영역에 공급됨과 동시에 다시 취합할 수 있기 때문에 특정 영역에서만 열교환이 이루어지고, 나머지 다른 특정 영역에서 열교환이 이루어지지 않는 것을 방지할 수 있어 열교환 성능이 증대되는 효과를 기대할 수 있다.
따라서 본 발명의 열교환 장치에 따르면 내부에 열원수가 지나가는 스파이럴관(116)의 외주면을 통해서 열교환 파이프(117) 내부의 냉매가 1차 열교환이 이루어지고, 열교환 파이프(117) 외부에서 다시 열원수에 의해 냉매가 2차 열교환이 이루어져 열교환 성능이 현저히 증대되고, 냉매는 한 방향으로 이송되지만 열원수를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하면서 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 장치(110)의 규모를 줄일 수 있으며, 열교환부(110b)의 분기부(118)와 취합부(119)를 통하여 전 영역에서 냉매의 열교환 효과를 균일하게 유지할 수 있고, 열교환탱크(110a)를 조립식으로 구성하여 하우징(112)과 열교환부(110b)를 분리하여 유지보수 및 청소가 가능한 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치를 직렬로 연결한 상태를 도시하는 참고도이고, 도 10은 도 9에 나타낸 열교환 장치를 적용한 다른 히트펌프 시스템을 도시하는 참고도이다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 히트펌프 시스템(20)은 열원측 및 부하측에 각각 듀얼(Dual) 열교환 장치가 적용된다. 즉, 열원측에 두 개의 열교환 장치가 직렬 연결되고, 부하측에도 두 개의 열교환 장치가 직렬 연결된다. 이하에서는 열원측과 부하측에 각각 동일한 구조의 열교환 장치가 직렬 연결되기 때문에 열원측의 구조에 대해서만 상세하게 설명한다.
열원측에 배치된 열교환 장치는 하나의 열교환 장치(110)의 열원수 배출구에 다른 하나의 열교환 장치(110')의 열원수 유입구가 결합된다. 여기서 각각의 열교환 장치는 전기한 열교환 장치와 동일한 구조로 구성된다. 이렇게 직렬로 연결된 두 개의 열교환 장치는 하나의 열교환 장치로 구성된 싱글 타입에 비하여 열원수의 속도가 증가하면서 열교환부(110b, 도 4 참조) 내부에서 와류 및 형성이 더 강하게 나타나므로 열교환 효과를 증대시킬 수 있다. 즉, 하나의 열교환 장치(110)와 다른 하나의 열교환 장치(110')는 각각의 압축기(120, 120')를 통하여 서로 다른 경로의 냉매 사이클을 제공하지만, 직렬로 연결된 두 개의 각 열교환 장치(110, 110')는 하나의 경로롤 통해 열원수를 공급하기 때문에 같은 시간에 대하여 하나의 열교환 장치만을 적용한 구조에 비하여 두 배의 열교환 효율을 제공할 수 있다. 물론, 열교환 장치의 수는 이에 한정되지 않는다. 또한 동일한 구조를 통하여 냉난방 운전을 전환할 수 있는 이점이 있다. 물론, 도면에 도시하지는 않았지만, 듀얼 열교환 장치는 바이패스 배관을 설치하여 선택적으로 하나의 열교환 장치만을 가동하도록 제어될 수 있고, 또한 복수의 열교환 장치가 부하량에 따라서 선택적으로 일부 또는 모두 작동하도록 제어할 수도 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 : 히트펌프
110 : 열교환 장치
111 : 공급부
111a : 열원수 공급챔버
111b : 리버스 공급챔버
111c : 열교환 챔버
111d : 열원수 배출챔버
112 : 하우징
113 : 커버부
114 : 드레인부
116 : 스파이럴관
117 : 열교환 파이프
118 : 분기부
119 : 취합부

Claims (6)

  1. 히트펌프의 열원측 또는 부하측에 배치되어 열 교환하는 열교환 장치에 있어서,
    복수개의 스파이럴관과, 상기 스파이럴관을 감싸도록 배치된 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프의 일 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 일 측과 분리시키는 분기부와, 상기 열교환 파이프의 타 측에 배치되어 상기 스파이럴관의 타 측과 분리시키는 취합부를 포함하는 열교환부;
    상기 열교환부가 내부에 장착되고 열원수 배출관이 마련되는 하우징과, 상기 하우징 일 측에서 상기 열원수가 공급되는 열원수 유입관이 마련되는 공급부와, 상기 하우징 타 측을 커버하는 커버부를 포함하는 열교환탱크;를 포함하고,
    상기 열교환부는 수열원으로부터 공급받은 열원수와 히트펌프에서 공급된 냉매를 열교환하되, 히트펌프에서 배출된 냉매를 상기 분기부로 공급한 후 상기 스파이럴관과 열교환 파이프 사이를 통해 제1방향으로 이송하면서 상기 취합부를 거쳐 다시 상기 히트펌프로 공급하고, 상기 열원수 유입관으로부터 열원수를 공급받아 상기 스파이럴관 내부를 통해 제1방향으로 열원수를 이송하고, 상기 스파이럴관의 타 측에서 상기 열교환 파이프 외주연에 접촉하도록 상기 하우징의 내부 공간을 통해 제2방향으로 열원수를 다시 이송하여 열교환 시키고,
    상기 공급부는 상기 하우징과 인접한 외주면 상에 제1플랜지가 구비되고,
    상기 하우징은 상기 제1플랜지와 마주하여 탈착 가능하도록 결합되는 제2플랜지를 구비하며,
    상기 열교환부는 상기 분기부 상에서 상기 열교환 파이프와 접촉하도록 수평방향으로 돌출되어 상기 제1플랜지와 제2플랜지 사이에 게재되는 제1기밀판을 구비하고,
    상기 제1플랜지와 제2플랜지 분리 시, 상기 열교환 파이프의 입구측이 상기 제1기밀판에 결합된 상태를 통하여 상기 열교환부에서 각 상기 열교환 파이프가 일체로 탈거되며,
    상기 분기부 내부에는 상기 열교환 파이프와 스파이럴관 사이의 공간만이 개방되고,
    상기 스파이럴관의 입구측 일 단부는 상기 공급부 상에 노출되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은 타 측 단부에 제3플랜지가 구비되고,
    상기 커버부는 상기 제3플랜지와 탈착 가능하도록 결합되며,
    상기 취합부로부터 냉매가 배출되는 냉매 배출관 상에서 수평방향으로 돌출되어 상기 제3플랜지와 커버부 사이에 게재되는 제2기밀판을 포함하는 열교환 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급부는,
    측면 방향에서 열원수 공급관의 높이보다 낮게 배치되어 상기 공급부 내부에 포집된 이물질 또는 상기 공급부 내부의 열원수를 배출하는 드레인 라인을 포함하는 열교환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 열교환 탱크 내부에서 상기 제2방향으로 공급되는 열원수의 방향을 변화시키는 배플을 포함하는 열교환 장치.
  6. 청구항 1에 기재된 열교환 장치는 동일 구조의 제1열교환 장치와 제2열교환 장치로 이루어지고,
    상기 제1열교환 장치의 열원수 배출관과 상기 제2열교환 장치의 열원수 유입관이 직렬로 연결되는 열교환 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101912201B1 (ko) * 2018-03-14 2018-10-26 주식회사 에너솔라 열교환 장치를 구비한 히트펌프 순차제어장치
KR20190006822A (ko) * 2017-07-11 2019-01-21 최명헌 핀리스타입 다관식 이중관 모듈형 열교환장치

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