KR102243833B1 - 히트펌프 급탕장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트펌프 급탕장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치에는, 제 1 냉매가 순환하며, 제 1 압축기, 실외열교환기 및 제 1 팽창장치가 포함되는 제 1 냉매 사이클; 제 2 냉매가 순환하며, 제 2 압축기 및 제 2 팽창장치가 포함되는 제 2 냉매 사이클; 상기 제 1 압축기에서 압축된 제 1 냉매 및 상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매가 유입되는 수냉매 열교환기; 및 상기 수냉매 열교환기의 일측에 결합되며, 급수된 물이 유입되는 입수유로; 및 상기 수냉매 열교환기의 타측에 결합되며, 상기 냉매 열교환기에서 열교환 된 물이 배출되는 출수유로가 포함된다.

Description

히트펌프 급탕장치 및 그 제어방법{Hot water supply device using heat pump and a method for controlling the same}
본 발명은 히트펌프 급탕장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프 급탕장치는 히트펌프를 이용하여 급탕을 수행하여, 고온의 출수를 공급하거나 실내 바닥난방을 할 수 있는 장치로서 이해된다. 상기 히트펌프는 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발의 냉동 사이클이 구동될 수 있다.
한편, 상기 히트펌프 급탕장치는 외기온도가 상대적으로 낮을 때 많이 이용될 수 있다. 그리고, 외기온도의 범위에 따라, 요구되는 출수온도가 달라질 수 있다.
일례로, 겨울과 같이 외기온도가 많이 낮은 계절에는, 사용자는 높은 출수온도를 요구할 수 있는 반면, 봄 또는 가을과 같이 외기온도가 상대적으로 높은 계절에는, 사용자는 낮은 출수온도를 요구할 수 있다. 즉, 외기온도에 따라 히트펌프 급탕장치에 요구되는 부하가 달라질 수 있다.
그러나, 종래의 히트펌프 급탕장치에 의하면, 외기온도에 관계없이 항상 동일한 냉동 사이클이 운전됨으로써 히트펌프 급탕장치의 운전효율이 저하되는 문제점이 있었다.
히트펌프 급탕장치와 관련된 선행문헌은 아래와 같다.
1. 출원번호 (출원일) : 10-2010-0010583 (2010년 2월 4일)
2. 발명의 명칭 : 히트펌프 급탕장치
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 운전효율이 개선된 히트펌프 급탕장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치에는, 제 1 냉매가 순환하며, 제 1 압축기, 실외열교환기 및 제 1 팽창장치가 포함되는 제 1 냉매 사이클; 제 2 냉매가 순환하며, 제 2 압축기 및 제 2 팽창장치가 포함되는 제 2 냉매 사이클; 상기 제 1 압축기에서 압축된 제 1 냉매 및 상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매가 유입되는 수냉매 열교환기; 및 상기 수냉매 열교환기의 일측에 결합되며, 급수된 물이 유입되는 입수유로; 및 상기 수냉매 열교환기의 타측에 결합되며, 상기 냉매 열교환기에서 열교환 된 물이 배출되는 출수유로가 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기에는, 상기 제 1 냉매의 유입을 가이드 하는 제 1 유입부; 및 상기 수냉매 열교환기에서 열교환 된 제 1 냉매가 배출되는 제 1 유출부가 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기에는, 상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 유입을 가이드 하는 제 2 유입부; 및 상기 제 2 유입부를 통하여 유입된 제 2 냉매가 열교환 된 후, 배출되는 제 2 유출부가 더 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기에는, 상기 제 2 팽창장치에서 팽창된 제 2 냉매가 유입되는 제 3 유입부; 및 상기 제 3 유입부를 통하여 유입된 제 3 냉매가 열교환 된 후, 배출되는 제 3 유출부가 더 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기에는, 상기 입수유로에 연결되며, 상기 급수된 물의 유입을 가이드 하는 제 4 유입부; 및 상기 출수유로에 연결되며, 상기 제 4 유입부를 통하여 유입된 물이 열교환 된 후, 배출되는 제 4 유출부가 더 포함된다.
또한, 상기 제 1 유출부를 통하여 유출된 제 1 냉매 중 적어도 일부를 상기 실외 열교환기측으로 가이드 하는 바이패스 배관; 및 상기 바이패스 배관에 설치되는 바이패스 밸브가 더 포함된다.
또한, 외기온도를 감지하는 외기온도 감지부가 더 포함되며, 상기 외기온도 감지부에서 감지된 외기온도가 설정온도보다 높은지 여부에 기초하여, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독운전 또는 제 1,2 냉매 사이클의 동시운전이 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 냉매 사이클의 운전압력 범위는, 상기 제 2 냉매 사이클의 운전압력 범위보다 더 낮게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 냉매에는 R410a가 포함되며, 상기 제 2 냉매에는 R134a가 포함되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 히트펌프 급탕장치의 제어방법에는, 제 1 압축기가 구비되는 제 1 냉매 사이클 및 제 2 압축기가 구비되는 제 2 냉매 사이클이 포함되는 히트펌프 급탕장치를 제어하는 방법에 있어서, 히트펌프 급탕장치가 온 되고, 설정 출수온도가 입력되는 단계; 및 외기온도가 설정온도 이상인지 여부가 인식되는 단계가 포함되며, 상기 외기온도가 설정온도 이상이면 상기 제 1 압축기만 구동하며, 상기 외기온도가 설정온도 미만이면 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기를 함께 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 압축기만 구동하는 과정에서, 수냉매 열교환기에서 출수되는 물의 온도와 상기 제 1 냉매 사이클의 응축온도에 기초하여, 상기 제 2 압축기의 추가 구동을 결정하는 단계가 더 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기에서 출수되는 물의 온도와, 설정된 출수온도에 기초하여, 상기 제 1 압축기 또는 제 2 압축기의 주파수를 제어하는 단계가 더 포함된다.
또 다른 측면에 따른 히트펌프 급탕장치에는, 제 1 냉매가 압축되는 제 1 압축기; 제 2 냉매가 압축되는 제 2 압축기; 상기 제 1 압축기에서 압축된 냉매와 제 2 압축기에서 압축된 냉매가 유입되며, 급수된 물과 제 1,2 냉매간에 열교환이 이루어지는 수냉매 열교환기; 및 상기 수냉매 열교환기의 출구측에 설치되며, 상기 수냉매 열교환기에서 응축된 제 2 냉매를 감압시키는 팽창장치가 포함되며, 상기 수냉매 열교환기에는, 상기 팽창장치에서 감압된 제 2 냉매가 유입되는 유입부가 더 포함된다.
또한, 상기 수냉매 열교환기의 내부에는, 상기 제 1 냉매가 유동하는 제 1 응축유로; 상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매가 유동하는 제 2 응축유로; 상기 팽창장치에서 감압된 제 2 냉매가 유동하는 증발유로; 및 상기 급수된 물이 유동하는 물 유로가 포함된다.
본 실시예에 따르면, 외기온도에 따라 히트펌프 급탕장치의 중온운전 또는 고온운전이 선택적으로 수행될 수 있으므로, 운전효율이 개선될 수 있다.
상세히, 외기온도가 설정온도 이상일 때에는, 요구되는 출수온도가 낮고 장치의 운전부하가 크지 않으므로, 제 1 압축기만 구동하여 제 1 냉매와 급수된 물의 열교환을 수행할 수 있다(중온 운전).
반면에, 외기온도가 설정온도 미만일 때에는, 요구되는 출수온도가 높고 장치의 운전부하가 크므로 제 1,2 압축기를 모두 구동하여 제 1,2 냉매와 급수된 물의 열교환을 수행할 수 있다(고온 운전).
또한, 중온 운전시, 제 1 압축기만 기동하여 사이클이 운전될 수 있으므로, 제 1,2 압축기가 함께 기동되는 경우에 비하여, 사이클의 안정화가 더 신속하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
또한, 고온운전시 제 2 냉매 사이클에서 응축된 냉매가 제 1 냉매 사이클의 실외 열교환기에 공급될 수 있으므로, 상기 실외 열교환기에서의 착상이 지연될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 수냉매 열교환기에는 판형 열교환기가 사용될 수 있으므로, 제 1,2 냉매와 급수된 물간의 열교환 효율이 개선될 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 구성을 보여주는 시스템 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수냉매 열교환기의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수냉매 열교환기의 내부 유로의 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 제어방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 중온운전 및 고온운전시 냉매의 P-H 선도를 보여주는 그래프이다.
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 히트펌프 급탕장치의 구성을 보여주는 시스템 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수냉매 열교환기의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수냉매 열교환기의 내부 유로의 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치(10)에는, 제 1 냉매가 순환하는 제 1 냉매 사이클 및 제 2 냉매가 순환하는 제 2 냉매 사이클이 포함된다.
상기 제 1 냉매 사이클에는, 제 1 냉매의 압축을 위한 제 1 압축기(110)와, 실외 열교환기(130) 및 상기 압축기(21)에서 압축된 냉매를 실외 열교환기(130) 또는 수냉매 열교환기(300)로 가이드 하는 유동 전환부(120)가 포함된다.
상기 제 1 압축기(110)에는, 주파수 조절이 가능한 인버터 압축기가 포함될 수 있다.
상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 냉매는, 상기 유동 전환부(120)의 제어상태에 따라 상기 실외 열교환기(130) 또는 수냉매 열교환기(300)로 유동될 수 있다. 상기 수냉매 열교환기(300)는 상기 제 1 냉매 사이클의 일 구성요소로 이해된다.
상기 제 1 냉매 사이클에는, 상기 실외 열교환기(130) 또는 수냉매 열교환기(300)에서 응축된 냉매를 팽창시킬 수 있는 제 1 팽창장치(140) 및 상기 제 1 압축기(110)의 흡입측에 제공되어 냉매 중 기상냉매를 분리하는 제 1 기액분리기(105)가 더 포함된다. 상기 제 1 기액분리기(105)에서 분리된 기상냉매는 상기 제 1 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
일례로, 상기 제 1 팽창장치(140)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 포함될 수 있다.
본 실시예에서는 급탕을 위하여, 히트펌프 사이클이 구동되므로, 상기 제 1 냉매 사이클은, 상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 냉매가 상기 수냉매 열교환기(300)에서 응축되고 상기 제 1 팽창장치(140)에서 팽창된 후, 상기 실외 열교환기(130)에서 증발되도록 구성될 수 있다. 상기 실외 열교환기(130)에서 증발된 냉매는 상기 제 1 기액분기기(105)를 거쳐 상기 제 1 압축기(110)로 다시 흡입될 수 있다.
상기 제 2 냉매 사이클에는, 제 2 냉매의 압축을 위한 제 2 압축기(210)와, 상기 제 2 압축기(210)에서 압축된 냉매를 응축 및 증발시키는 수냉매 열교환기(300) 및 상기 수냉매 열교환기(300)에서 응축된 냉매를 팽창시키기 위한 제 2 팽창장치(240)가 포함된다. 일례로, 상기 제 2 팽창장치(240)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 포함될 수 있다.
상기 제 2 팽창장치(240)에서 팽창된 냉매는 상기 수냉매 열교환기(300)로 다시 유입되어, 상기 제 1,2 냉매 및 급수된 물과 열교환 될 수 있다.
상기 히트펌프 급탕장치(10)에는, 상기 수냉매 열교환기(300)와 연결되어 급수된 물을 공급하는 입수유로(410) 및 상기 수냉매 열교환기(300)에서 열교환된 물이 출수되는 출수유로(420)가 더 포함된다. 일례로, 상기 입수유로(410)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)로 유입된 물은 상기 제 1 냉매 및 제 2 냉매에 의하여 가열되며, 상기 출수유로(420)를 통하여 배출될 수 있다.
상기 히트펌프 급탕장치(10)에는, 응축된 제 2 냉매가 상기 제 1 냉매 사이클의 실외 열교환기(130)측으로 공급되도록 가이드 하는 바이패스 배관(250)이 더 포함된다. 상기 바이패스 배관(250)은, 상기 수냉매 열교환기(300)에서 응축된 냉매가 배출되는 출구측 배관으로부터 상기 실외 열교환기(130)측으로 연장된다.
상기 실외 열교환기(130)에는, 제 1 냉매가 유동하는 냉매 배관 및 상기 냉매 배관에 결합되어 열교환 면적을 증대시키는 열교환 핀이 포함된다. 상기 바이패스 배관(250)은 상기 실외 열교환기(130)의 적어도 일부의 냉매 배관, 일례로 가장 하단의 냉매 배관에 접촉 가능하게 설치될 수 있다.
따라서, 상기 바이패스 배관(250)을 유동하는 고온의 제 2 냉매는 실외 열교환기(130)에 열을 제공하여, 상기 실외 열교환기(130)의 착상을 지연 또는 방지시키는 기능을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 배관(250)에는, 상기 바이패스 배관(250)을 선택적으로 개폐하기 위한 바이패스 밸브(255)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 바이패스 밸브(255)에는, 온/오프 제어가 가능한 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)가 포함될 수 있다.
히트펌프 급탕장치(10)가 고온운전을 수행할 때, 즉, 제 1,2 냉매 사이클이 함께 운전될 때, 상기 제 1 냉매 사이클의 운전압력 범위는, 상기 제 2 냉매 사이클의 운전압력 범위보다 더 낮을 수 있다. 일례로, 상기 제 1 냉매 사이클의 저압은 상기 제 2 냉매 사이클의 저압보다 낮고, 상기 제 1 냉매 사이클의 고압은 상기 제 2 냉매 사이클의 고압보다 낮을 수 있다 (도 6 참조).
따라서, 상기 제 1 냉매 사이클은 "저단 사이클"이라 이름할 수 있고, 상기 제 2 냉매 사이클은 "고단 사이클"이라 이름할 수 있다.
이러한 제 1,2 냉매 사이클의 운전압력의 차이는, 제 1 냉매와 제 2 냉매가 이종의 냉매로 구성되는 것에 기인할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 냉매에는, R410a가 포함되며, 상기 제 2 냉매에는 R134a가 포함될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 수냉매 열교환기(300)에는, 판형 열교환기(Plate heat exchanger)가 포함될 수 있다.
상세히, 상기 수냉매 열교환기(300)에는, 열교환기 본체(301) 및 상기 열교환기 본체(301)에 결합되는 다수의 유입부(321,331,341,351) 및 다수의 유출부(325,335,345,355)가 포함된다.
상기 열교환기 본체(301)에는, 서로 이격되어 적층되는 다수의 플레이트(310)가 포함된다. 상기 플레이트(310)는 박판으로 구성되며, 상기 다수의 플레이트(310) 사이의 이격된 공간은 상기 제 1 냉매, 제 2 냉매 또는 물이 유동하는 유로를 형성한다.
상기 다수의 유입부(321,331,341,351)에는, 상기 제 1 냉매 사이클의 제 1 냉매가 유입(Ain)되는 제 1 유입부(321) 및 상기 제 2 냉매 사이클의 제 2 냉매가 유입되는 다수의 제 2 냉매유입부(331,341)가 포함된다.
상기 다수의 제 2 냉매유입부(331,341)에는, 상기 제 2 압축기(210)에서 압축된 냉매가 유입(Bin)되는 제 2 유입부(331) 및 상기 제 2 팽창장치(240)에서 감압된 냉매가 유입(Cin)되는 제 3 유입부(341)가 포함된다.
상기 다수의 유입부(321,331,341,351)에는, 상기 입수유로(410)에 연결되어 급수된 물의 유입(Din)을 가이드 하는 제 4 유입부(351)가 더 포함된다.
상기 다수의 유출부(325,335,345,355)에는, 상기 제 1 유입부(321)를 통하여 유입된 제 1 냉매가 열교환 된 후 배출(Aout)되는 제 1 유출부(325) 및 상기 제 2 냉매가 배출되는 다수의 제 2 냉매배출부(335,345)가 포함된다.
상기 다수의 제 2 냉매배출부(335,345)에는, 상기 제 2 유입부(331)를 통하여 유입된 제 2 냉매가 열교환 된 후 배출(Bout)되는 제 2 유출부(335) 및 상기 제 3 유입부(341)를 통하여 유입된 제 2 냉매가 열교환 된 후 배출(Cout)되는 제 3 유출부(345)가 포함된다.
상기 다수의 유출부(325,335,345,355)에는, 상기 출수유로(420)에 연결되며 상기 수냉매 열교환기(300)에서 열교환 된 물이 상기 출수유로(420)로 배출(Dout)되도록 가이드 하는 제 4 유출부(355)가 더 포함된다.
상기 수냉매 열교환기(300)에는, 서로 열교환 되는 4개의 유로가 포함된다. 상기 4개의 유로는, 서로 이격되는 다수의 플레이트(310)의 사이 공간에 형성될 수 있다.
상세히, 상기 4개의 유로에는, 상기 제 1 유입부(321)로부터 상기 제 1 유출부(325)로 연장되며 제 1 냉매가 유동하는 제 1 유로(361)가 포함된다.
그리고, 상기 4개의 유로에는, 상기 제 2 유입부(331)로부터 상기 제 2 유출부(335)로 연장되며 상기 제 2 압축기(210)에서 압축된 제 2 냉매가 유동하는 제 2 유로(362) 및 상기 제 3 유입부(341)로부터 상기 제 3 유출부(345)로 연장되며 상기 제 2 팽창장치(240)에서 감압된 제 2 냉매가 유동하는 제 3 유로(363)가 더 포함된다.
상기 4개의 유로에는, 상기 제 4 유입부(351)로부터 상기 제 4 유출부(355)로 연장되며 물이 유동하는 제 4 유로(364)가 더 포함된다.
상기 제 1 유로(361)를 유동하는 제 1 냉매는 제 2 냉매 및 물에 의하여 응축될 수 있으므로, "제 1 응축유로"라 이름할 수 있다. 그리고, 상기 제 2 유로(362)를 유동하는 제 2 냉매는 상기 제 1,2 냉매 및 물에 의하여 응축될 수 있으므로 "제 2 응축유로"라 이름할 수 있다.
상기 제 3 유로(363)를 유동하는 제 2 냉매는 상기 제 1,2 냉매 및 물에 의하여 증발될 수 있으므로 "증발유로"라 이름하며, 상기 제 4 유로(364)는 "물 유로"라 이름할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 유로(361,362,363,364)는 각각, 다수의 유로로 분지되거나 합지되도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치(10)의 작용을 설명한다.
먼저, 제 1 냉매 사이클의 경우, 제 1 압축기(110)에서 압축된 제 1 냉매는 제 1 유입부(321)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300) 내부의 제 1 유로(361)로 유입되며, 상기 수냉매 열교환기(300)를 유동하는 제 2 냉매 및 물과 열교환, 즉 제 2 내지 제 4 유로(362,363,364)와 열교환 하여 응축될 수 있다.
상기 응축된 제 1 냉매는 상기 제 1 유출부(325)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)에서 배출되며, 상기 제 1 팽창장치(140)에서 감압된 후 상기 실외 열교환기(130)에서 증발된다. 그리고, 증발된 제 1 냉매는 상기 제 1 압축기(110)로 다시 흡입된다. 이러한 사이클이 반복될 수 있다.
한편, 제 2 냉매 사이클의 경우, 제 2 압축기(210)에서 압축된 제 2 냉매는 제 2 유입부(331)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300) 내부의 제 2 유로(362)로 유입되며, 상기 수냉매 열교환기(300)를 유동하는 제 1,2 냉매 및 물과 열교환, 즉 제 1,3,4 유로(361,363,364)와 열교환 하여 응축될 수 있다.
상기 응축된 제 2 냉매는 상기 제 2 유출부(335)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)에서 배출되며, 상기 제 2 팽창장치(240)에서 감압된 후 상기 제 3 유입부(341)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)로 다시 유입된다. 상기 유입된 제 2 냉매는 상기 제 3 유로(363)를 유동하며, 상기 제 1,2,4 유로(361,362,364)를 유동하는 제 1,2 냉매 및 물과 열교환 하여 증발될 수 있다.
상기 증발된 제 2 냉매는 상기 제 2 압축기(210)로 흡입된다. 이러한 사이클이 반복될 수 있다.
한편, 외기온도가 설정온도 이하인 경우 상기 제 1 냉매 사이클의 실외 열교환기(130)는 착상될 가능성이 높아진다. 따라서, 이 경우에는 상기 바이패스 밸브(255)가 개방된다. 일례로, 설정된 주기에 따라 상기 바이패스 밸브(255)의 개폐가 제어될 수 있다. 상기 바이패스 밸브(255)의 개방에 따라, 상기 제 2 유출부(335)에서 배출된 제 2 냉매 중 적어도 일부의 냉매는 상기 바이패스 배관(250)으로 유동할 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 배관(250)은 상기 실외 열교환기(130)를 구성하는 냉매 배관에 접촉되므로, 상기 바이패스 배관(250)의 열은 상기 실외 열교환기(130)로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 실외 열교환기(130)의 착상을 지연 또는 방지할 수 있다.
한편, 급탕을 위하여 급수되는 물은 상기 입수유로(410) 및 제 4 유입부(351)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)로 유입된다. 상기 유입된 물은 상기 제 1 내지 제 3 유로(361,362,363)를 유동하는 제 1,2 냉매와 열교환 되어 가열될 수 있다. 상기 가열된 물은 상기 제 4 유출부(355) 및 출수유로(420)를 통하여 배출될 수 있다. 그리고, 상기 배출된 물은, 일례로 저탕조등에 저장될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치(10)에는, 외기온도를 감지하는 외기온도 감지부(510) 및 상기 외기온도 감지부(510)에서 인식된 외기온도에 기초하여, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독운전(중온 운전)을 수행할 지 상기 제 1,2 냉매 사이클의 동시운전(고온 운전)을 수행할 지 결정하는 제어부(500)가 포함된다.
상기 히트펌프 급탕장치(10)에는, 원하는 출수온도를 설정할 수 있는 출수온도 입력부(520) 및 실제 출수되는 물의 온도를 감지하는 출수온도 감지부(530)가 더 포함된다. 상기 출수온도 감지부(530)는 상기 제 4 유출부(355) 또는 출수유로(420)에 설치될 수 있다.
상기 출수온도 입력부(520)를 통하여 입력된 설정 출수온도 및 상기 출수온도 감지부(530)에서 인식된 실제 출수온도 정보에 기초하여, 상기 제어부(500)는 상기 제 1 압축기(110) 또는 제 2 압축기(210)의 주파수를 제어할 수 있다.
일례로, 상기 실제 출수온도가 상기 설정 출수온도보다 낮은 경우, 상기 제어부(500)는 상기 제 1 압축기(110) 또는 제 2 압축기(210)의 주파수를 증가시킬 수 있다. 반면에, 상기 실제 출수온도가 상기 설정 출수온도에 도달하거나 그 이상이 되는 경우, 상기 제어부(500)는 상기 제 1 압축기(110) 또는 제 2 압축기(210)의 주파수를 유지 또는 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기 히트펌프 급탕장치(10)에는, 제 1 냉매 사이클의 응축온도를 감지할 수 있는 응축온도 감지부(540)가 더 포함된다. 상기 응축온도 감지부(540)에는, 온도센서 또는 압력센서가 포함될 수 있다.
일례로, 상기 온도센서는 상기 제 1 유로(361) 또는 제 1 유출부(325)측에 설치되어 상기 수냉매 열교환기(300)를 통과하는 제 1 냉매의 온도를 감지하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 압력센서는 상기 수냉매 열교환기(300)의 출구측 배관에 설치되어 제 1 냉매 사이클의 고압을 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부(500)는, 상기 응축온도 감지부(540)에서 감지된 제 1 온도값과, 상기 출수온도 감지부(530)에서 감지된 실제 출수되는 제 2 온도값에 기초하여, 상기 제 1 냉매 사이클의 능력을 판단할 수 있다.
일례로, 상기 설정 출수온도와 실제 출수온도 정보에 기초하여, 제 1 냉매 사이클이 운전되는 과정에서, 상기 제 1 온도값이 상기 제 2 온도값보다 설정값 이상 큰 것으로 감지되면, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독운전으로도 출수온도를 충분히 상승시킬 수 있는 것으로 인식되므로, 상기 제어부(500)는 상기 제 2 냉매 사이클의 동시 운전을 명령하지 않게 된다.
반면에, 상기 제 1 온도값이 상기 제 2 온도값보다 설정값 이상으로 크지 않은 것으로 감지되면, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독운전으로는 출수온도를 충분히 상승시킬 수 없는 것으로 인식되므로, 상기 제어부(500)는 상기 제 2 냉매 사이클의 동시 운전을 명령하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 제어방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
도 5를 참조하면, 히트펌프 급탕장치(10)가 ON 되고, 출수온도 입력부(520)를 통하여 설정 출수온도가 입력될 수 있다. 그리고, 외기온도가 감지될 수 있다(S11,S12).
상기 외기온도가 설정온도 이상인지 여부가 인식된다(S13). 상기 외기온도가 설정온도 이상이면, 즉 상기 외기온도가 상대적으로 높은 온도를 형성하면, 고온의 출수를 생성할 필요성이 낮아지므로 상기 제어부(500)는 상기 급탕장치(10)가 중온운전을 수행하도록 제어한다.
상기 급탕장치(10)의 중온운전이 수행되면, 제 1 냉매 사이클만 운전될 수 있다. 상세히, 상기 제 1 압축기(110)가 구동하며, 상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 제 1 냉매는 상기 수냉매 열교환기(300)의 제 1 유입부(321)로 유입된다.
상기 제 1 유입부(321)로 유입된 제 1 냉매는 상기 제 1 유로(361)를 유동하며, 상기 제 4 유로(364)를 유동하는 물과 열교환 된다. 여기서, 상기 물은 상기 입수유로(410) 및 제 4 유입부(351)를 통하여 공급되어 상기 수냉매 열교환기(300)를 유동하는 매체일 수 있다.
상기 제 1 냉매와 물의 열교환 과정에서, 상기 제 1 냉매는 응축되며 상기 물은 가열될 수 있다. 그리고, 가열된 물은 상기 제 4 유출부(355) 및 출수유로(420)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
그리고, 상기 응축된 제 1 냉매는 상기 제 1 유출부(325)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)에서 배출되며, 상기 제 1 팽창장치(140)에서 감압된 후 상기 실외 열교환기(130)에서 증발된다. 그리고, 상기 증발된 제 1 냉매는 상기 제 1 기액분리기(105)를 거쳐, 상기 제 1 압축기(110)로 흡입된다. 이러한 제 1 냉매 사이클이 반복될 수 있다(S14).
그리고, 상기 제 1 냉매 사이클이 운전되는 과정에서, 상기 응축온도 감지부(540)에서 응축온도 감지되고, 상기 출수온도 감지부(530)를 통하여 출수온도가 감지될 수 있다. 그리고, 상기 응축온도와 출수온도의 차이값이 인식될 수 있다. 물론, 상기 응축온도는 상기 출수온도보다 크게 형성될 수 있다(S15).
상기 차이값이 설정값 이상이면, 상기 제 1 냉매 사이클의 운전만으로도 급수된 물의 가열이 가능한 것으로 인식될 수 있으므로, 상기 제 1 냉매 사이클의 운전을 계속 수행한다.
그리고, 이러한 제 1 냉매 사이클의 운전은, 상기 출수온도 감지부(530)에서 감지된 출수온도가 상기 설정 출수온도에 도달할 때까지 수행될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(500)는 상기 감지된 출수온도와 상기 설정 출수온도의 차이값에 기초하여, 상기 제 1 압축기(110)의 운전 주파수를 제어할 수 있다.
일례로, 상기 차이값이 설정 차이값 이상이 되면, 상기 제 1 압축기(110)의 운전 주파수를 기준 주파수 이상으로 증가할 수 있다. 반면에, 상기 차이값이 설정 차이값 미만이 되면, 상기 제 1 압축기(110)의 운전 주파수를 기준 주파수로 유지하거나 상기 기준 주파수 이하로 낮출 수 있다. 여기서, 상기 기준 주파수는 상기 제 1 압축기(110)의 최대 주파수보다 작은 주파수로서, 미리 설정된 주파수 일 수 있다(S16,S17).
한편, S13 단계에서, 상기 외기온도가 설정온도 미만이 되면, 즉 상기 외기온도가 상대적으로 낮은 온도를 형성하면, 고온의 출수를 생성할 필요성이 높아지므로 상기 제어부(500)는 상기 급탕장치(10)가 고온운전을 수행하도록 제어한다.
상기 급탕장치(10)의 고온운전이 수행되면, 제 1 냉매 사이클 및 제 2 냉매 사이클이 함께 운전될 수 있다. 상세히, 상기 제 1 압축기(110) 및 제 2 압축기(210)가 구동한다. 그리고, 상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 제 1 냉매는 상기 수냉매 열교환기(300)의 제 1 유입부(321)로 유입되며, 상기 제 2 압축기(210)에서 압축된 제 2 냉매는 상기 수냉매 열교환기(300)의 제 2 유입부(331)로 유입된다.
상기 제 1 유입부(321)로 유입된 제 1 냉매는 상기 제 1 유로(361)를 유동하며, 상기 제 2 내지 제 4 유로(362,363,364)를 유동하는 제 2 냉매 및 물과 열교환 된다. 그리고, 상기 제 2 유입부(331)로 유입된 제 2 냉매는 상기 제 2 유로(362)를 유동하며, 상기 제 1,3,4 유로(361,363,364)를 유동하는 제 1,2 냉매 및 물과 열교환 된다.
상기 제 2 유로(362)를 유동한 제 2 냉매는 상기 제 2 유출부(335)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)에서 배출되며, 상기 제 2 팽창장치(240)에서 팽창된다. 그리고, 상기 팽창된 제 2 냉매는 상기 제 3 유입부(341)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)로 유입된다.
상기 제 3 유입부(341)를 통하여 유입된 제 2 냉매는 제 3 유로(363)를 유동하며, 상기 제 1,2,4 유로(361,362,364)를 유동하는 제 1,2 냉매 및 물과 열교환 된다.
상기 수냉매 열교환기(300) 내부에서, 제 1 내지 제 4 유로(361,362,363,364)의 열교환 과정에서, 상기 제 1 냉매와 상기 제 2 유로(362)의 제 2 냉매는 응축되며, 상기 제 3 유로(363)의 제 2 냉매는 증발될 수 있다. 그리고, 물은 가열되어, 상기 제 4 유출부(355) 및 출수유로(420)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 응축된 제 1 냉매는 상기 제 1 유출부(325)를 통하여 상기 수냉매 열교환기(300)에서 배출되며, 상기 제 1 팽창장치(140)에서 감압된 후 상기 실외 열교환기(130)에서 증발된다. 그리고, 상기 증발된 제 1 냉매는 상기 제 1 기액분리기(105)를 거쳐, 상기 제 1 압축기(110)로 흡입된다. 이러한 제 1 냉매 사이클이 반복될 수 있다.
그리고, 상기 증발된 제 2 냉매는 상기 제 2 기액분리기(205)를 거쳐, 상기 제 2 압축기(210)로 흡입될 수 있다. 이러한 제 2 냉매 사이클이 반복될 수 있다(S18,S19).
그리고, 이러한 제 1,2 냉매 사이클의 운전은, 상기 출수온도 감지부(530)에서 감지된 출수온도가 상기 설정 출수온도에 도달할 때까지 수행될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(500)는 상기 감지된 출수온도와 상기 설정 출수온도의 차이값에 기초하여, 상기 제 1 압축기(110) 및 제 2 압축기(210)의 운전 주파수를 제어할 수 있다.
일례로, 상기 차이값이 설정 차이값 이상이 되면, 상기 제 1 압축기(110) 및 제 2 압축기(210) 중 적어도 어느 하나의 압축기의 운전 주파수를 기준 주파수 이상으로 증가할 수 있다.
반면에, 상기 차이값이 설정 차이값 미만이 되면, 상기 제 1 압축기(110) 및 제 2 압축기(210) 중 적어도 어느 하나의 압축기의 운전 주파수를 기준 주파수로 유지하거나 상기 기준 주파수 이하로 낮출 수 있다. 여기서, 상기 기준 주파수는 상기 제 1 압축기(110) 또는 제 2 압축기(210)의 최대 주파수보다 작은 주파수로서, 미리 설정된 주파수 일 수 있다.
또한, 설정주기에 따라, 상기 바이패스 밸브(255)는 개방될 수 있다. 상기 바이패스 밸브(255)의 개방에 따라, 상기 제 2 유출부(335)에서 배출된 제 2 냉매 중 적어도 일부의 냉매는 상기 바이패스 배관(250)으로 유동할 수 있으며, 상기 바이패스 배관(250)의 냉매는 상기 실외 열교환기(130)에 열을 공급하여 착상을 지연하거나 방지할 수 있다(S20).
한편, S16 단계에서, 응축온도와 출수온도의 차이가 설정값 미만이 되면, 상기 제 1 냉매 사이클의 운전만으로는 급수된 물의 가열이 불가한 것으로 인식될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 냉매 사이클의 추가운전, 즉 S18 단계 이하의 급탕장치(10)의 고온운전을 수행하게 된다.
이와 같이, 외기온도에 기초하여 급탕장치의 중온운전 또는 고온운전을 결정하고, 중온운전을 수행중이라도 응축온도와 출수온도의 차이값에 기초하여 고온운전으로 전환할 수 있으므로, 급탕장치 운전의 효율성이 개선될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 급탕장치의 중온운전 및 고온운전시 냉매의 P-H 선도를 보여주는 그래프이다.
도 6A는 히트펌프 급탕장치(10)의 중온운전시 제 1 냉매 사이클의 P-H 선도를 보여준다. 일례로, 상기 제 1 냉매 사이클을 순환하는 제 1 냉매는 R410a이며, 상기 제 1 냉매 사이클의 저압과 고압간의 압력 차이는 Pds1을 형성한다.
상기 제 1 냉매 사이클의 저압은 제 1 압축기(110)의 흡입압력(Ps1)을 의미하며, 상기 제 1 냉매 사이클의 고압은 제 1 압축기(110)의 토출압력(Pd1)을 의미할 수 있다.
R410a의 물성을 고려할 때, 상기 Pd1은 충분히 높은 압력을 형성하기 힘들며, 제 1 압축기(110)의 압축비를 고려할 때 상기 Pds1은 충분히 큰 값을 가지기 쉽지 않다. 따라서, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독 운전시에는 히트펌프 급탕장치(10)의 중온운전을 수행한다.
상기 급탕장치(10)의 중온운전시, 상기 제 1 냉매 사이클의 저압을 형성하는 제 1 냉매는 실외 열교환기(130)를 통과하는 외기로부터 열(Q1in)을 흡수하고, 고압을 형성하는 제 1 냉매는 물을 향하여 열(Q1out)을 방출하는 것으로 이해될 수 있다.
반면에, 도 6B는 히트펌프 급탕장치(10)의 고온운전시 제 1,2 냉매 사이클의 P-H 선도를 보여준다. 일례로, 상기 제 1 냉매 사이클을 순환하는 제 1 냉매는 R410a이며, 상기 제 2 냉매 사이클을 순환하는 제 2 냉매는 R134a일 수 있다.
2개의 냉매 사이클의 조합에 의하여, 상기 히트펌프 급탕장치(10)는 캐스캐이드 시스템을 구성할 수 있으며, 상기 제 1,2 냉매 사이클의 저압과 고압간의 압력 차이는 Pds2를 형성한다.
상기 제 1,2 냉매 사이클의 저압은 제 1 압축기(110)의 흡입압력(Ps2)을 의미하며, 상기 제 1,2 냉매 사이클의 고압은 제 2 압축기(210)의 토출압력(Pds)을 의미할 수 있다.
R134a의 물성을 고려할 때, 상기 Pd2는 상기 Pd1에 비하여 높은 압력을 형성할 수 있으며, 상기 제 1,2 압축기(110,210)의 조합된 압축비를 고려할 때 상기 Pds2는 상기 Pds1에 비하여 큰 값을 가질 수 있다. 따라서, 상기 제 1,2 냉매 사이클의 동시 운전시에는 히트펌프 급탕장치(10)의 고온운전을 수행할 수 있다.
상기 급탕장치(10)의 고온운전시, 상기 제 1,2 냉매 사이클의 저압을 형성하는 제 1 냉매는 실외 열교환기(130)를 통과하는 외기로부터 열(Q2in)을 흡수하고, 고압을 형성하는 제 2 냉매는 물을 향하여 열(Q2out)을 방출하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같은 히트펌프 급탕장치(10)의 구성 및 작용에 의하여, 시스템 효율이 개선될 수 있다.
10 : 히트펌프 급탕장치 110 : 제 1 압축기
120 : 유동전환부 130 : 실외 열교환기
140 : 제 1 팽창장치 210 : 제 2 압축기
240 : 제 2 팽창장치 250 : 바이패스 배관
255 : 바이패스 밸브 300 : 수냉매 열교환기
321 : 제 1 유입부 325 : 제 1 유출부
331 : 제 2 유입부 335 : 제 2 유출부
341 : 제 3 유입부 345 : 제 3 유출부
351 : 제 4 유입부 355 : 제 4 유출부
361~364 : 제 1~4 유로 500 : 제어부
510 : 외기온도 감지부 520 : 출수온도 입력부
530 : 출수온도 감지부 540 : 응축온도 감지부

Claims (14)

  1. 제 1 냉매가 순환하며, 제 1 압축기, 실외열교환기 및 제 1 팽창장치가 포함되는 제 1 냉매 사이클;
    제 2 냉매가 순환하며, 제 2 압축기 및 제 2 팽창장치가 포함되는 제 2 냉매 사이클;
    상기 제 1 압축기에서 압축된 제 1 냉매 및 상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매가 유입되는 수냉매 열교환기;
    상기 수냉매 열교환기의 일측에 결합되며, 급수된 물이 유입되는 입수유로;
    상기 수냉매 열교환기의 타측에 결합되며, 상기 냉매 열교환기에서 열교환 된 물이 배출되는 출수유로;
    외기온도를 감지하는 외기온도 감지부; 및
    상기 외기온도 감지부에서 감지된 외기온도가 설정온도보다 높은지 여부에 기초하여, 상기 제 1 냉매 사이클의 단독운전 또는 제 1,2 냉매 사이클의 동시운전을 결정하는 제어부가 포함되고,
    상기 제어부는,
    상기 수냉매 열교환기에서 출수되는 물의 온도와, 설정된 출수온도에 기초하여, 상기 제 1 압축기 또는 제 2 압축기의 주파수를 제어하는 히트펌프 급탕장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기에는,
    상기 제 1 냉매의 유입을 가이드 하는 제 1 유입부; 및
    상기 수냉매 열교환기에서 열교환 된 제 1 냉매가 배출되는 제 1 유출부가 포함되는 히트펌프 급탕장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기에는,
    상기 제 2 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 유입을 가이드 하는 제 2 유입부; 및
    상기 제 2 유입부를 통하여 유입된 제 2 냉매가 열교환 된 후, 배출되는 제 2 유출부가 더 포함되는 히트펌프 급탕장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기에는,
    상기 제 2 팽창장치에서 팽창된 제 2 냉매가 유입되는 제 3 유입부; 및
    상기 제 3 유입부를 통하여 유입된 제 3 냉매가 열교환 된 후, 배출되는 제 3 유출부가 더 포함되는 히트펌프 급탕장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기에는,
    상기 입수유로에 연결되며, 상기 급수된 물의 유입을 가이드 하는 제 4 유입부; 및
    상기 출수유로에 연결되며, 상기 제 4 유입부를 통하여 유입된 물이 열교환 된 후, 배출되는 제 4 유출부가 더 포함되는 히트펌프 급탕장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유출부를 통하여 유출된 제 1 냉매 중 적어도 일부를 상기 실외 열교환기측으로 가이드 하는 바이패스 배관; 및
    상기 바이패스 배관에 설치되는 바이패스 밸브가 더 포함되는 히트펌프 급탕장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매 사이클의 운전압력 범위는, 상기 제 2 냉매 사이클의 운전압력 범위보다 더 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 급탕장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매에는 R410a가 포함되며, 상기 제 2 냉매에는 R134a가 포함되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 급탕장치.
  10. 제 1 압축기가 구비되는 제 1 냉매 사이클 및 제 2 압축기가 구비되는 제 2 냉매 사이클이 포함되는 히트펌프 급탕장치를 제어하는 방법에 있어서,
    히트펌프 급탕장치가 온 되고, 설정 출수온도가 입력되는 단계; 및
    외기온도가 설정온도 이상인지 여부가 인식되는 단계가 포함되며,
    상기 외기온도가 설정온도 이상이면 상기 제 1 압축기만 구동하며,
    상기 외기온도가 설정온도 미만이면 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기를 함께 구동하고,
    상기 제 1 압축기만 구동하는 과정에서,
    수냉매 열교환기에서 출수되는 물의 온도와 상기 제 1 냉매 사이클의 응축온도에 기초하여, 상기 제 2 압축기의 추가 구동을 결정하는 단계가 더 포함되는 히트펌프 급탕장치의 제어방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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