KR102280276B1 - 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체가 축열탱크 내부로 유입되는 과정에서 발생되는 와류를 방지할 수 있고, 상시 정온의 냉난방을 공급 및 유지할 수 있는 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 난방시 응축기로 기능하고 냉방시 증발기로 기능하는 실내기; 난방시 증발기로 기능하고 냉방시 응축기로 기능하는 실외기; 열교환용 열매체; 및 냉/온수의 열매체가 저장되는 축열탱크;를 포함한다.
그리고, 실내기를 경유한 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제1 입수관; 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 축열탱크 외부로 유출되도록 안내하는 제1 출수관; 상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부로 유출된 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제2 입수관; 및 상기 제2 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 실내기 측으로 유출되도록 안내하는 제2 출수관;을 포함한다.

Description

히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템{HEAT PUMP SYSTEM AND COOLING AND HEATING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉난방의 선택에 따라 실내기와 실외기가 응축기와 증발기로 전환되어 동작하는 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
통상의 히트펌프 시스템은 냉매가 응축기, 응축기, 팽창변 및 증발기를 경유하여 다시 압축기로 유입되는 사이클을 반복한다. 압축기를 거친 냉매는 열교환기인 응축기에서 액상으로 전환되며 잠열을 방출하고, 증발기에서 외부의 열을 흡수하여 증발함으로써 냉난방을 제공하도록 구성된다.
종래 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템은 온도 구간에 따라 사용자 부하를 감당하지 못하는 경우가 발생하였고, 특히 항시 정온의 적절한 냉난방 온도를 유지하는 것이 원활하지 못한 문제점이 있었다. 따라서, 다양한 사용자 부하 환경에서 항시 정온을 유지하며 안정적으로 운영될 수 있는 히트펌프 냉난방 시스템의 설계가 필요하다.
일반적으로, 히트펌프 시스템은 잠열 가열에 따른 빠르고 균일한 포화증기 가열이 가능하고, 압력과 온도 관계를 정확히 설정할 수 있으며, 열전율이 높은 장점이 있으나, 배관저항 등의 압력손실로 압력이 떨어지면 온도가 낮아지는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 히트펌프 시스템의 포화증기의 잠열을 냉난방으로 활용하기 위해서는 부하측의 온도 및 압력 등의 제어 조건을 최적화하여야 한다.
이를 위해, 한국등록실용신안 제20-281266호는, 응축기와 팽창밸브 사이에 설치되어 액상 냉매만을 팽창밸브로 공급하도록 하는 수액기; 증발기에서 증발한 냉매 증기를 승압하여 냉매 순환량을 증가시키는 이젝터; 압축기 입구의 냉매의 과열도를 조절하는 과열도 조절장치; 냉매 유량을 제어하여 용량을 조절하는 용량 제어장치; 및 응축 압력을 다단으로 제어하는 다단 응축압력 제어변을 포함하는 히트펌프 시스템을 개시하고 있다.
그러나, 한국등록실용신안 제20-281266호와 같은 히트펌프 시스템은 추가적으로 많은 부가 장치들이 더 설치되어야 하는 바, 히트펌프 시스템 구축 비용이 상당히 증가하고, 유지보수에 더 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
더 나아가, 한국등록실용신안 제20-281266호의 히트펌프 시스템의 과열도 조절장치는 응축기를 통과한 냉매와 압축기 입구의 냉매증기의 열교환을 위한 열교환장치가 추가로 필요한 단점이 있다.
한편, 판형 열교환기는 이종의 열매체가 각 층마다 교대로 유동하며 열교환이 이루어지는 장치이다. 참고로, 상기 열매체는 액상의 유체로 이루어지고, 바람직하게는 부동액, 물 또는 순수로 이루어질 수 있다.
판형 열교환기는 조립이 간편하고 부품 수가 적어서 생산성이 좋으며 부피를 줄일 수 있어 공간 확보에 유리한 장점이 있다. 특히, 판형 열교환기는 플레이트의 형상을 변화시킴으로써 복잡하고 다양화된 유로 설계가 가능하여, 특히 2종의 열매체가 유동하면서 서로 열교환을 일으키는 경우 판형 열교환기를 적용하는 것이 좋다.
이러한 판형 열교환기를 히트펌프 시스템에 적용할 경우, 유체(즉, 열매체) 유동의 배분이 전체 면적에 걸쳐 균일하게 이루어질 수 있어 하며, 이를 위해서는 파이프 내경 및 유속에 대한 설계가 중요하다.
한편, 히트펌프 시스템은 열교환용 열매체가 축열탱크 내부로 유입되고 유출된다. 그런데, 유체인 열매체가 축열탱크 내부로 유입되는 과정에서 열매체의 빠른 유속으로 인해 축열탱크 내부에서 와류가 발생될 수 있다.
이와 같은 와류가 발생하면, 열매체의 회전운동에 의해 주류와 반대방향으로 소용돌이치는 흐름이 발생되어, 열매체의 지속적이고 균일한 공급을 저해되고, 이로 인해 결국 최적의 열교환, 정온의 냉난방 공급 및 시스템의 안정적인 운용이 어려워지는 문제가 발생될 수 있다.
한국등록실용신안 제20-281266호(2002.06.27.등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 유체가 축열탱크 내부로 유입되는 과정에서 발생되는 와류를 방지할 수 있는 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 과열도 조절장치, 다단 응축압력 제어변 등을 포함한 다양한 부가장치를 추가적으로 설치하지 않고도, 난방시에는 13~18℃, 냉방시에는 3~7℃의 열교환을 최적의 효율로 구현할 수 있고, 상시 정온의 냉난방을 공급 및 유지할 수 있는 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 난방시 응축기로 기능하고 냉방시 증발기로 기능하는 실내기; 난방시 증발기로 기능하고 냉방시 응축기로 기능하는 실외기; 상기 실내기를 거치면서 열교환되는 열매체; 및 상기 실내기를 거치면서 냉수 또는 온수가 된 열매체가 유입되는 축열탱크;를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서,
상기 실내기를 경유한 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제1 입수관; 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 축열탱크 외부의 부하 측으로 유출되도록 안내하는 제1 출수관; 상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부의 부하 측으로 유출된 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제2 입수관; 및 상기 제2 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 실내기 측으로 유출되도록 안내하는 제2 출수관;을 포함한다.
상기 제1 입수관은, 상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제1 인입부; 및 상기 제1 인입부 중 상기 축열탱크의 상측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함한다.
상기 제1 출수관은, 상기 축열탱크 내의 상기 열매체가 상기 제1 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제1 유입구를 포함한다.
상기 제1 유입구는, 상기 축열탱크에 있어서 상기 제1 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성된다.
상기 제2 입수관은, 상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제2 인입부; 및 상기 제2 인입부 중 상기 축열탱크의 하측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함한다.
상기 제2 출수관은, 상기 축열탱크 내의 상기 열매체가 상기 제2 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제2 유입구를 포함한다.
상기 제2 유입구는, 상기 축열탱크에 있어서 상기 제2 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 아래쪽 영역에 위치하도록 형성된다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템에 의하면, 축열탱크 내부로 유입되는 유체의 수압을 효과적으로 분산 및 확산시켜 와류 발생을 방지할 수 있고, 열손실 최소화할 수 있게 되었다. 이에 따라, 열매체의 지속적이고 균일한 공급을 보장할 수 있고, 열이 효율적으로 전달 및 교환될 수 있도록 할 수 있으며, 정온의 냉난방 공급 및 시스템의 안정적인 운용을 도모할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템 및 이를 이용한 냉난방 시스템에 의하면, 다양한 사용자 부하 환경에서 항시 정온의 적절한 냉난방 온도를 유지할 수 있어, 히트펌프 시스템을 안정적으로 운용할 수 있는 효과가 있다.
특히, 과열도 조절장치 등을 포함한 다양한 부가장치를 추가적으로 설치하지 않고도, 난방시에는 13~18℃, 냉방시에는 3~7℃의 열교환을 최적의 효율로 구현할 수 있어, 히트펌프 시스템 구축 및 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열교환기의 사시도.
도 3은 도 2의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 열교환기의 사시도.
도 5는 도 4의 분해 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 축열탱크 및 이에 설치된 와류 방지 장치의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 제1 입수관의 제1 인입부의 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 제2 입수관의 제2 인입부의 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도.
도 12는 본 발명의 확장 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도.
도 13은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 난방 동작시 유체 흐름 및 이들의 열교환 동작을 나타낸 도면.
도 14는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 냉방 동작시 유체 흐름 및 이들의 열교환 동작을 나타낸 도면.
도 15는 본 발명의 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 시스템의 구성도.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "갖다" 등의 용어는 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것인데, 이는 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 명세서에서 지칭하는 "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우뿐만 아니라 대상 부분의 앞 또는 뒤에 위치하는 경우도 포함한다.
또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 실내기(10), 실외기(20), 압축기 (30), 팽창변(50), 사방밸브(40), 열매체, 제1 열교환기(100), 축열탱크(90) 및 제2 열교환기(200)를 포함한다.
실내기(10)는 냉난방 모드의 선택에 따라 응축기 또는 증발기로 전환되도록 구성된다. 구체적으로, 실내기(10)는 난방시 응축기로 기능하고, 냉방시 증발기로 기능하도록 구성된다.
실외기(20)는 냉난방 모드의 선택에 따라 증발기 또는 응축기로 전환되도록 구성된다. 구체적으로, 실외기(20)는 난방시 증발기로 기능하고, 냉방시 응축기로 기능하도록 구성된다. 한편, 실외기(20) 측에는 팬(25)이 설치되어 실외기(20) 측으로 송풍하도록 구성될 수 있다.
압축기(30)는 증발기로부터 전달된 냉매를 압축하도록 구성된다. 구체적으로, 압축기(30)는 증발기로부터 전달된 건조포화 상태의 냉매를 압축하여 과열증기 상태로 전환시킨다.
응축기는 압축기(30)로부터 전달된 냉매를 액상으로 상변환하여 응축시키도록 구성된다.
팽창변(50)은 응축기를 거친 냉매를 팽창시키도록 구성된다. 이와 같은 팽창변(50)을 거친 냉매는 습증기 상태로 변환된 후 증발기로 유입된다.
증발기는 팽창변(50)을 경유한 냉매를 증발시켜 건조포화증기 상태로 변환시키도록 구성된다.
사방밸브(40)는 난방과 냉방에 따라 냉매흐름을 전환시킬 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 사방밸브(40)는 실내기(10)와 실외기(20) 사이의 냉매유로의 도중에 설치되어 냉매가 흐르는 경로를 바꾸어줌으로써, 실내기(10)와 실외기(20)가 응축기 또는 증발기로 전환할 수 있도록 기능한다.
열매체는 열매체 라인(81)을 통해 실내기(10) 및 제1 열교환기(100)를 순환하며 열교환을 하도록 구성된다.
열매체는 액상의 유체로 이루어지고, 바람직하게는 부동액, 물 또는 순수로 이루어질 수 있다.
열매체 라인(81)은 실내기(10)를 경유한 후 다시 제1 열교환기(100)를 경유하는 폐회로 형태로 구성되고, 내부에는 열매체로 채워져 있다.
참고로, 도 1에서, 'W1'은 부하(즉, 사용자 장치)에서 열교환에 사용된 후 제2 판열 열교환기(200)로 다시 유입되는 제2 유체를 의미하고, 'W2'는 제2 열교환기(200)에서 제1 유체와 열교환되어 후술할 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 제2 유체를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열교환기의 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이다. 도 1에서 설명한 제1 실시예를 기준으로, 본 발명의 제1 열교환기에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제1 열교환기(100)는 실내기(10)에서 생성되는 열에너지 또는 냉에너지와 축열탱크(90)의 유체 간의 열교환을 위한 장치이다.
제1 열교환기(100)는 열매체 라인(81)을 통해 실내기(10)와 연결되고, 유체 라인(이하, '제1 유체라인(91)'이라 칭함)을 통해 축열탱크(90)와 연결된다.
제1 유체라인(91) 내부에는 축열탱크(90)로부터 유출되어 제1 열교환기(100)를 경유한 후 축열탱크(90)로 회수되는 유체(이하, '제1 유체'라 칭함)가 흐르도록 구성된다. 여기서, 상기 제1 유체는 수도원으로부터 공급되는 물일 수 있다.
열매체 라인(81)은 실내기(10)와 제1 열교환기(100)를 경유하는 폐회로를 형성하고, 제1 유체라인(91)은 제1 열교환기(100)와 축열탱크(90)를 경유하는 폐회로를 형성한다.
따라서, 실내기(10)를 거치면서 열교환된 열매체는 제1 열교환기(100)를 거치면서 제1 유체와 열교환이 이루어진다.
제1 열교환기(100)는 서로 다른 온도의 유체(즉, 열매체, 제1 유체)가 전열판 사이를 서로 반대방향으로 흐르면서 고온유체와 저온유체 간의 열교환이 이루어지도록 구성된다.
바람직하게는, 제1 열교환기는 판형 열교환기로 구성될 수 있다. 상기 경우, 제1 열교환기(100)는 제1 채널(140), 제2 채널(150), 다수의 전열판(110), 제1 파이프 및 제2 파이프를 포함한다.
제1 채널(140)은 열매체가 통과하는 유로로서 한 쌍의 전열판 사이에 형성되고, 제2 채널(150)은 제1 유체가 통과하는 유로로서 또 다른 한 쌍의 전열판 사이에 형성된다.
전열판(110)은 다수 개가 소정 간격으로 배열된 적층 구조를 이룬다. 전열판(110)은 스테인레스 재질로 형성될 수 있고, 열이 효율적으로 전달될 수 있도록 유체가 흐르는 공간이 형성되어 있다.
열매체가 통과하는 유로(즉, 제1 채널(140))와 제1 유체가 통과하는 유로(즉, 제2 채널(150))는 전열판(110)의 적층방향을 따라 번갈아가며 구비되는 구조로 이루어진다.
제1 파이프는 제1 채널(140)과 연결되어 열매체의 제1 채널(140) 유입(D1)/유출(D2)을 안내하는 관체이다.
구체적으로, 제1 파이프는 열매체를 제1 채널(140)로 주입하기 위한 주입구 (Inlet;120)에 연결되는 제1a 파이프와, 제1 채널(140)을 통과한 열매체를 제1 채널(140)로부터 회수하기 위한 배출구(Outlet;121)에 연결되는 제1b 파이프를 포함한다.
제2 파이프는 제2 채널(150)과 연결되어 제1 유체의 제2 채널(150) 유입(K1) /유출(K2)을 안내하는 관체이다.
구체적으로, 제2 파이프는 제1 유체를 제2 채널(150)로 주입하기 위한 주입구(Inlet;131)에 연결되는 제2a 파이프와, 제2 채널(150)을 통과한 제1 유체를 제2 채널(150)로부터 회수하기 위한 배출구(Outlet;130)에 연결되는 제2b 파이프를 포함한다.
축열탱크(90)는 실내기(10)에서 생성되는 축냉 또는 축열 에너지를 저장하는 수조로서, 난방시에는 열원을 저장하고 냉방시에는 냉원을 저장하여, 계절에 따라 선택적으로 냉난방을 제공할 수 있도록 구성된다. 바람직하게는, 축열탱크 (90)에는 와류방지장치가 설치될 수 있다.
축열탱크(90)에는 제1 유체가 저장되고, 제1 유체는 제1 유체라인(91)을 통해 제1 열교환기(100)를 경유함으로써 열매체와 열교환이 이루어지고, 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 경유함으로써 제2 유체와 열교환이 이루어진다. 여기서, 축열탱크(90)에 저장되는 제1 유체는 수도원으로부터 공급되는 물일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 열교환기의 사시도이고, 도 5는 도 4의 분해 사시도이다. 도 1의 제1 실시예를 기준으로, 본 발명의 제1 열교환기에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제2 열교환기(200)는 서로 다른 온도의 유체가 전열판(110) 사이를 서로 반대방향으로 흐르면서 고온유체와 저온유체 간의 열교환이 이루어지도록 구성된다.
바람직하게는, 제2 열교환기는 판형 열교환기로 구성될 수 있다. 상기 경우, 제2 열교환기(200)는 제3 채널(240), 제4 채널(250), 다수의 전열판(210), 제3 파이프 및 제4 파이프를 포함한다.
제3 채널(240)은 제1 유체(제3,4 실시예의 경우 열매체)가 통과하는 유로로서 전열판들 사이에 형성되고, 제4 채널(250)은 제2 유체가 통과하는 유로로서 또 다른 전열판들 사이에 형성된다.
전열판(210)은 다수 개가 소정 간격으로 배열된 적층 구조를 이룬다. 전열판(210)은 스테인레스 재질로 형성될 수 있고, 열이 효율적으로 전달될 수 있도록 유체가 흐르는 공간이 형성되어 있다.
제1 유체(제3,4 실시예의 경우 열매체)가 통과하는 유로(즉, 제3 채널(240))와 제2 유체가 통과하는 유로(즉, 제4 채널(250))는 전열판(210)의 적층방향을 따라 번갈아가며 구비되는 구조로 이루어진다.
제3 파이프는 제3 채널(240)과 연결되어 제1 유체(제3,4 실시예의 경우 열매체)의 제3 채널(240) 유입(D1')/유출(D2')을 안내하는 관체이다.
구체적으로, 제3 파이프는 제1 유체(제3,4 실시예의 경우 열매체)를 제3 채널(240)로 주입하기 위한 주입구(Inlet;220)에 연결되는 제3a 파이프와, 제3 채널(240)을 통과한 제1 유체를 회수하기 위한 배출구(Outlet;221)에 연결되는 제3b 파이프를 포함한다.
제4 파이프는 제4 채널(250)과 연결되어 제2 유체의 제4 채널(250) 유입(K1')/유출(K2')을 안내하는 관체이다.
구체적으로, 제4 파이프는 제2 유체를 제4 채널(250)로 주입하기 위한 주입구(Inlet;231)에 연결되는 제4a 파이프와, 제4 채널(250)을 통과한 제2 유체를 회수하기 위한 배출구(Outlet;230)에 연결되는 제4b 파이프를 포함한다.
이하에서는, 도 1에서 설명한 제1 실시예를 기준으로, 본 발명의 와류 방지 장치에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
제1 유체는 제1 열교환기 또는 제2 열교환기를 경유한 후 축열탱크(90) 내부로 다시 유입되는데, 이때 제1 유체의 빠른 유속으로 인해 축열탱크(90) 내부에서 와류가 발생될 수 있다.
이와 같은 와류가 발생하면, 제1 유체의 회전운동에 의해 주류와 반대방향으로 소용돌이치는 흐름이 발생되어, 제1 유체의 지속적이고 균일한 공급을 저해되고 열 효율이 저하되며, 이로 인해 결국 최적의 열교환 성능, 정온의 냉난방 공급 및 시스템의 안정적인 운용이 어려워지는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 와류 방지 장치는 이와 같이 제1 유체가 축열탱크(90) 내부로 유입되는 과정에서 발생될 수 있는 와류를 방지하는 기능을 한다.
도 6은 본 발명에 따른 축열탱크 및 이에 설치된 와류 방지 장치의 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 제1 입수관의 제1 인입부의 단면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 제2 입수관의 제2 인입부의 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 와류 방지 장치는 제1 입수관(400), 제1 출수관(420), 제2 입수관(430), 제2 출수관(450), 및 와류 방지판(460)을 포함한다.
제1 입수관(400)은 제1 열교환기를 경유한 후 되돌아오는 제1 유체가 축열탱크(90)로 유입되도록 안내하는 구성이다. 제1 입수관(400)은 축열탱크(90) 내부와 연결되는 관체로 구성될 수 있다.
제1 입수관(400)은 축열탱크(90) 내부로 인입된 구조로 형성되는 제1 인입부(410)와, 상기 제1 인입부(410) 중 축열탱크(90)의 상측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공(411)을 포함한다.
여기서, 제1 인입부(410)의 상기 "축열탱크(90)의 상측 방향을 향하는 부위"란, 제1 인입부(410)의 수직 상부에서 제1 인입부(410)를 바라봤을 때 보이는 영역을 지칭한다. 따라서, 도 7의 일 예와 같이 제1 인입부(410)가 원형 단면의 관체라 가정하면, 'B1'영역이 제1 인입부(410)의 수직 상부에서 제1 인입부(410)를 바라봤을 때(A1) 보이는 영역(B1) 즉, 상기 "축열탱크(90)의 상측 방향을 향하는 부위(B1)"에 해당하게 된다.
한편, 제1 인입부(410)의 일단부는 개방구(413) 형태로 개방 형성될 수 있다. 상기 경우, 제1 입수관(400) 내부에서 이동하는 제1 유체의 일부는 통공(411)을 통해 제1 인입부(410)의 상측방향으로 배출되어 축열탱크(90) 내부로 유입되고, 나머지는 개방구(413)를 통해 제1 인입부(410)의 우측방향(도 3 기준)으로 배출되어 축열탱크(90) 내부로 유입된다.
제1 출수관(420)은 제1 입수관(400)을 통해 축열탱크(90)로 유입된 제1 유체가 제2 열교환기 측으로 유출되도록 안내하는 구성이다. 제1 출수관(420)은 축열탱크(90) 내부와 연결되는 관체로 구성될 수 있다.
제1 출수관(420)은 축열탱크(90)에 저장된 제1 유체가 제1 출수관(420) 내부로 유입될 수 있도록, 축열탱크(90) 내부와 연통되게 형성되는 제1 유입구(423)를 포함한다.
그리고, 상기 제1 유입구(423)는 축열탱크(90)에 있어서 제1 입수관(400)의 제1 인입부(410)가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성된다.
제2 입수관(430)은 제2 열교환기를 경유한 후 되돌아오는 제1 유체가 축열탱크(90)로 유입되도록 안내하는 구성이다. 제1 입수관(400)은 축열탱크(90) 내부와 연결되는 관체로 구성될 수 있다.
제2 입수관(430)은 축열탱크(90) 내부로 인입된 구조로 형성되는 제2 인입부(440)와, 상기 제2 인입부(440) 중 축열탱크(90)의 하측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공(441)을 포함한다.
여기서, 제2 인입부(440)의 상기 "축열탱크(90)의 하측 방향을 향하는 부위"란, 제2 인입부(440)의 수직 하부에서 제2 인입부(440)를 바라봤을 때 보이는 영역을 지칭한다. 따라서, 도 8의 일 예와 같이 제2 인입부(440)가 원형 단면의 관체라 가정하면, 'B2'영역이 제2 인입부(440)의 수직 하부에서 제2 인입부(440)를 바라봤을 때(A2) 보이는 영역(B2) 즉, 상기 "축열탱크(90)의 하측 방향을 향하는 부위(B2)"에 해당하게 된다.
한편, 제2 인입부(440)의 일단부는 개방구(443) 형태로 개방 형성될 수 있다. 상기 경우, 제2 입수관(430) 내부에서 이동하는 제1 유체의 일부는 통공(441)을 통해 제2 인입부(440)의 하측방향으로 배출되어 축열탱크(90) 내부로 유입되고, 나머지는 개방구(443)를 통해 제2 인입부(440)의 좌측방향(도 3 기준)으로 배출되어 축열탱크(90) 내부로 유입되게 된다.
제2 출수관(450)은 제2 입수관(430)을 통해 축열탱크(90)로 유입된 제1 유체가 제1 열교환기 측으로 유출되도록 안내하는 구성이다. 제2 출수관(450)은 축열탱크(90) 내부와 관체로 구성될 수 있다.
제2 출수관(450)은 축열탱크(90)에 저장된 제1 유체가 제2 출수관(450) 내부로 유입될 수 있도록, 축열탱크(90) 내부와 연통되게 형성되는 제2 유입구(453)를 포함한다.
그리고, 상기 제2 유입구(453)는 축열탱크(90)에 있어서 제2 입수관(430)의 제2 인입부(440)가 위치하고 있는 영역보다 더 아래쪽 영역에 위치하도록 형성된다.
바람직한 실시예에 따르면, 제1 입수관(400)의 특히 제1 인입부(410)는 축열탱크(90)에 있어서 제2 입수관(430)의 제2 인입부(440)가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성될 수 있다.
와류 방지판(460)은 제1 인입부(410)가 위치하고 있는 영역보다는 더 아래쪽이면서, 제2 인입부(440)가 위치하고 있는 영역보다는 더 위쪽에 해당하는 영역에 배치되는 판체로 이루어질 수 있다.
상기 경우, 와류 방지판(460)은 축열탱크(90) 내부에 누워있는 구조로 배치될 수 있다. 예컨대, 와류 방지판(460)은 그 장축이 축열탱크(90)의 높이방향에 직교하는 구조로 배치될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 와류 방지판(460)은 제1 입수관(400) 또는 제2 입수관(430) 내경의 3 ~ 5배 크기의 직경으로 이루어진 판체로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 와류 방지 장치에 의하면, 축열탱크(90) 내부로 유입되는 제1 유체의 수압을 효과적으로 분산 및 확산시켜 와류 발생을 방지할 수 있고, 열손실 최소화할 수 있어, 결국 열교환 효율 향상, 정온의 냉난방 공급 및 시스템의 안정적인 운용을 도모할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 기본적으로 제1 실시예의 히트펌프 시스템과 동일한 구성으로 이루어지되, 다만 제1 실시예의 제2 열교환기를 포함하고 있지 않은 것이 차이점이다. 이하에서, 제2 열교환기를 포함하고 있지 않음에 따른 차이점 위주로 설명하도록 한다.
제1 실시예의 경우, 축열탱크(90)에 저장된 냉수 또는 온수의 제1 유체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 거치면서 제2 유체와 열교환이 이루어진 후, 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
그런데, 제2 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 제2 열교환기를 포함하고 있지 않은 바, 축열탱크(90)에 저장되어 있는 냉수 또는 온수의 제1 유체는 직접 부하 측으로 공급되어 부하 측에서 열교환에 사용된 후 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
즉, 제1 실시예의 냉/온수의 제1 유체는 부하 측으로 직접 흘러들어가지 않는 반면, 제2 실시예의 냉/온수의 제1 유체는 부하 측까지 흘러들어가 부하 측의 냉난방에 직접 사용되는 점이 차이점이다.
여기서, 상기 '부하'이란 에어컨, 히터, 난방분배, 급탕온수기 등과 같은 사용자 장치를 의미한다.
한편, 도 9의 제2 실시예에 따르더라도, 제1 실시예에서 설명한 바와 동일한 와류 방지 장치가 구비될 수 있는데, 상기 경우 제1 실시예에서 설명한 와류 방지 장치 대비 다음과 같은 차이점이 있다. 이하에서는 그 차이점 위주로 설명하도록 한다.
제2 실시예에 따르면, 와류 방지 장치의 제1 출수관(420)은 제1 입수관(400)을 통해 축열탱크(90)로 유입된 제1 유체가 부하(즉, 사용자 장치) 측으로 유출되도록 안내한다.
제2 실시예에 따르면, 와류 방지 장치의 제2 입수관(430)은 부하(즉, 사용자 장치) 측에서 사용(열교환 등)된 후 되돌아오는 제1 유체가 축열탱크(90)로 유입되도록 안내한다.
참고로, 도 9에서, 'W1'은 부하(사용자 장치) 측에서 열교환에 사용된 후 축열탱크(90)로 재유입되는 제1 유체를 의미하고, 'W2'는 축열탱크(90)로부터 배출되어 후술할 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 냉·온수의 제1 유체를 의미한다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 10을 참조하면, 제3 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 기본적으로 제1 실시예의 히트펌프 시스템과 동일한 구성으로 이루어지되, 다만 제1 실시예의 제1 열교환기를 포함하고 있지 않은 것이 차이점이다. 이하에서, 제1 열교환기를 포함하고 있지 않음에 따른 차이점 위주로 설명하도록 한다.
제1 실시예의 경우, 축열탱크(90)에 담긴 제1 유체는 제1 유체라인(91) 통해 제1 열교환기(100)를 거치면서 열매체와 열교환이 이루어진 후, 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
그런데, 제3 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 제1 열교환기를 포함하고 있지 않은 바, 축열탱크(90)에는 제1 실시예의 제1 유체 대신 열매체가 유입/유출되는 점이 차이점이다.
구체적으로, 제3 실시예의 열매체는 축열탱크(90)에서 실내기(10) 측으로 유출된 후 열매체 라인(81)을 통해 실내기(10)를 경유하게 된다. 그리고, 열매체는 실내기(10)를 거치면서 냉수 또는 온수가 된 후 다시 축열탱크(90)로 유입된다.
축열탱크(90)로 유입된 상기 냉수 또는 온수의 열매체는 제2 열교환기 측으로 배출된다. 그리고, 열매체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 거치면서 제2 유체와 열교환이 이루어진 후, 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
한편, 도 10의 제3 실시예에 따르더라도, 제1 실시예에서 설명한 바와 동일한 와류 방지 장치가 구비될 수 있는데, 상기 경우 제1 실시예에서 설명한 와류 방지 장치 대비 다음과 같은 차이점이 있다.
즉, 제3 실시예에 따르면, 와류 방지 장치의 제1 입수관(400)은 실내기(10)를 경유한 후 되돌아오는 열매체가 축열탱크(90)로 유입되도록 안내하는 점이 차이점이다.
참고로, 도 10에서, 'W1'은 부하(즉, 사용자 장치)에서 열교환에 사용된 후 제2 판열 열교환기(200)로 다시 유입되는 제2 유체를 의미하고, 'W2'는 제2 열교환기(200)에서 열매체와 열교환되어 후술할 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 제2 유체를 의미한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 11을 참조하면, 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 기본적으로 제1 실시예의 히트펌프 시스템과 동일한 구성으로 이루어지되, 다만 제1 실시예의 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하고 있지 않은 것이 차이점이다. 이하에서, 제1,2 열교환기를 포함하고 있지 않음에 따른 차이점 위주로 설명하도록 한다.
제1 실시예의 경우, 축열탱크(90)에 담긴 제1 유체는 제1 유체라인(91) 통해 제1 열교환기(100)를 거치면서 열매체와 열교환이 이루어진 후, 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
그런데, 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 제1 열교환기를 포함하고 있지 않은 바, 축열탱크(90)에는 제1 실시예의 제1 유체 대신 열매체가 유입/유출되는 점이 차이점이다.
구체적으로, 제4 실시예의 열매체는 축열탱크(90)에서 실내기(10) 측으로 유출된 후 열매체 라인(81)을 통해 실내기(10)를 경유하게 된다. 그리고, 열매체는 실내기(10)를 거치면서 냉수 또는 온수가 된 후 다시 축열탱크(90)로 유입된다.
그리고, 제1 실시예의 경우, 축열탱크(90)에 저장된 냉수 또는 온수의 제1 유체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 거치면서 제2 유체와 열교환이 이루어진 후, 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
그런데, 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템은 제2 열교환기를 포함하고 있지 않은 바, 축열탱크(90)에 저장되어 있는 냉수 또는 온수의 열매체는 직접 부하 측으로 공급되어 부하 측에서 열교환에 사용된 후 다시 축열탱크(90)로 되돌아온다.
즉, 제1 실시예의 냉/온수의 제1 유체는 부하 측으로 직접 흘러들어가지 않는 반면, 제4 실시예의 냉/온수의 열매체는 부하 측까지 흘러들어가 부하 측의 냉난방에 직접 사용되는 점이 차이점이다.
참고로, 도 11에서, 'W1'은 부하(사용자 장치) 측에서 열교환에 사용된 후 축열탱크(90)로 재유입되는 열매체를 의미하고, 'W2'는 축열탱크(90)로부터 배출되어 후술할 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 냉·온수의 열매체를 의미한다.
도 12는 본 발명의 확장 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 12를 참조하면, 본 발명의 확장 실시예는 도 1의 제1 실시예에서 설명한 히트펌프 시스템과 동일하되 다만 액열기(60)와 센서(65)를 더 포함하는 것이 차이점이다.
액열기(60)는 응축기의 배출구 측에서 액상냉매의 일부를 인출하여 압축기(30)로 유입되는 건조포화증기에 혼합시키는 기능을 한다.
구체적으로, 액열기(60)는 응축기의 배출구 측에서 냉매를 소량 인출하여 압축기(30)의 유입구측으로 주입시킴으로써, 압축기(30)로 유입되는 저온/저압의 건조포화증기의 온도를 상승시킨다.
일 실시예에 따르면, 액열기(60)는 응축기의 배출구 측에서 전달되는 냉매를 증발시켜 압축기(30)에 유입되는 건조포화증기에 혼합시키도록 구성될 수 있다.
액열기(60)는 필요에 따라 응축기의 배출구 측에서 인출하는 냉매의 양을 조절할 수 있는 밸브 구조로 형성될 수 있다.
액열기(60)의 밸브는 압축기(30)의 배출구 측에 장착된 센서(65)에서 검출되는 냉매의 온도에 따라 개폐 여부 및 그 개폐 정도(즉, 냉매 인출량)가 조절된다.
이와 같은 액열기(60)를 더 구비할 경우, 압축기(30)로 유입되는 냉매의 온도를 적절하게 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 압축기(30)의 부하를 줄여 히트펌프 시스템의 안정성 및 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 히트펌프 시스템은 보조탱크(70)를 더 구비할 수 있다. 상기 경우, 보조탱크(70)는 실내기(10)와 연결되어 실내기(10)로부터 발생되는 난방열 또는 냉방열을 전달받아 온수 또는 냉수 형태로 저장할 수 있다.
한편, 도 12의 확장 실시예는 도 1의 제1 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 기준으로 설명하였으나, 이러한 액열기(60)와 센서(65)는 제2 실시예, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템에도 적용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는, 도 1의 제1 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 기준으로, 히트펌프 시스템의 냉방 또는 난방 모드시 열교환 동작에 대하여 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템이 난방용으로 작동할 때 냉매, 열매체, 제1 유체 및 제2 유체의 흐름 및 이들의 열교환 동작을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 히트펌프 시스템이 난방용으로 작동할 경우, 실내기(10)는 응축기로 작용하고, 실외기(20)는 증발기로 작용하게 된다.
압축기(30)는 증발기로부터 전달된 건조포화 상태의 냉매를 압축하여 과열증기 상태로 전환시킨다.
압축기(30)를 거친 과열증기는 실내기(10)(즉, 응축기)에서 액상으로 전환되며 잠열을 방출한다. 즉, 실내기(10)의 냉매는 응축 과정에서 열을 발산하게 되고, 실내기(10)를 경유하는 열매체와 열교환됨으로써 축열을 할 수 있게 된다.
구체적으로, 응축 과정에서 발산된 열은 실내기(10)를 경유하는 열매체에 전달되고, 이 열매체는 제1 열교환기(100)를 통과하면서 제1 유체와 열교환되어, 결국 축열탱크(90)에 고온의 제1 유체가 채워지게 된다.
그리고, 축열탱크(90)에 저장된 고온의 제1 유체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 경유함으로써 제2 유체와 열교환이 이루어지고, 열을 전달받은 제2 유체는 목적하는 용도 예컨대, 에어컨, 난방기 등의 사용자 장치에 공급된다.
실내기(10)(즉, 응축기)를 거친 냉매는 팽창변(50)으로 유입되어 습증기로 변환된다.
팽창변(50)을 경유한 습증기상태의 냉매는 실외기(20)(즉, 증발기)로 유입된다. 실외기(20)로 유입된 습증기는 순간적으로 -20 ~ -30℃로 온도가 급강하하며 외부와 열교환되며 온도가 상승한다. 순간적인 온도강하를 고려하지 않고 외적인 부분만 살펴보면, 팬에 의한 바람에 의해 증발기로 유입되는 대략 15℃의 저온저압의 습증기는 증발기를 거치면서 0 ~ 5℃의 저온저압의 건조포화증기로 변환된다.
그리고, 실외기(20)(즉, 증발기)를 경유한 저온저압의 건조포화증기는 사방밸브(40)를 통해 압축기(30)로 유입되어 압축된다. 그리고, 압축기(30)를 경유한 냉매는 다시 사방밸브(40)를 거쳐 응축기로 유입되어 새로운 난방 사이클을 형성한다.
한편, 실외기(20)(즉, 증발기)를 경유한 저온저압의 건조포화증기가 압축기(30)로 유입되기 전에, 액열기(60)에 의해 소량의 액상냉매가 혼합될 수 있다.
즉, 액열기(60)는 실내기(10)(즉, 응축기)의 배출구 측에서 액상냉매의 일부를 인출하여 압축기(30)에 유입되는 건조포화증기에 혼합시킨다.
액열기(60)가 실내기(10)의 배출구 측에서 냉매를 소량 인출하여 압축기(30)의 유입구측으로 주입시킴으로써, 압축기(30)로 유입되는 저온/저압의 건조포화증기의 온도를 상승시킨다.
외기의 온도가 5℃이하 또는 영하로 떨어지는 경우, 실외기(20)(즉, 증발기)를 경유한 저온저압의 건조포화증기의 온도는 0~5℃보다 낮게 되며, 온도가 낮은 냉매가 압축기(30)로 유입되면 압축기(30)의 출구 측 온도가 낮아 실내기(10)(즉, 응축기)에서 온수의 온도를 제대로 높일 수 없게 된다. 따라서, 실내기(10)(즉, 응축기)의 배출구 측에서 냉매를 소량 인출하여 압축기(30)의 입구로 주입함으로써, 압축기(30)로 유입되는 저온저압 건조포화증기의 온도를 상승시키도록 구성될 수 있다.
본원 발명자는 전술한 바와 같은 히트펌프 시스템의 난방 동작에 있어서, 특히 난방시 13 ~ 18℃의 열교환을 최적의 효율로 구현할 수 있고, 상시 정온의 난방을 공급할 수 있도록 다음의 같은 조건들을 개발하였다. 여기서, 상기 '정온'이란 13 ~ 18℃의 난방 온도를 의미한다.
이를 위해, 본 발명의 히트펌프 시스템의 냉매는 R407C를 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 시스템의 열매체는 부동액을 사용할 수 있다. 상기 경우, 부동액은 물과 희석하여 사용될 수 있다. 바람직하게는, 부동액에 희석된 물의 비율은 전체 용액 대비 20 ~ 25 부피%로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 냉매와 부동액을 사용하는 환경에서, 본 발명의 히트펌프 시스템은 적어도 다음의 조건 1 및 조건 2를 만족하도록 설계되어야 하고, 바람직하게는 조건 3 내지 조건 5를 더 만족하도록 설계되는 것이 좋다.
(조건 1) 제1 열교환기 설계 조건
제1 열교환기(100)는 판형 열교환기로 구성된다. 상기 경우, 제1 열교환기(100)는 도 2,3에서 설명 및 도시한 바와 같은 판형 열교환기로 구성될 수 있다.
제1 열교환기(100)의 제1 파이프의 내경이 3㎜인 조건에서, 제1 열교환기(100)는 다음과 같은 조건을 만족하도록 구성되어야 한다.
즉, 제1 열교환기(100)의 제1 채널(140)은 전술한 부동액이 제1 채널(140) 내에서 평균유속 0.8 ~ 1.2 m/s로 흐르고, 바람직하게는 평균유속 0.9 ~ 1.1m/s로 흐르도록 구성된다.
바람직하게는, 제1 열교환기(100)의 제2 파이프의 내경이 5㎜인 조건에서, 제1 열교환기(100)는 다음과 같은 조건을 더 만족하도록 구성될 수 있다.
즉, 제1 열교환기(100)의 제2 채널(150)은 전술한 제1 유체가 제2 채널(150) 내에서 평균유속 2.8 ~ 3.2 m/s로 흐르고, 바람직하게는 평균유속 2.9 ~ 3.1 m/s로 흐르도록 구성된다.
(조건 2) 제2 열교환기 설계 조건
제2 열교환기(200)는 판형 열교환기로 구성된다. 상기 경우, 제2 열교환기(200)는 도 4,5에서 설명 및 도시한 바와 같은 판형 열교환기로 구성될 수 있다.
제2 열교환기(200)의 제3 파이프의 내경이 5㎜인 조건에서, 제2 열교환기(200)는 다음과 같은 조건을 만족하도록 구성되어야 한다.
즉, 제2 열교환기(200)의 제1 채널(140)은 전술한 제1 유체가 제3 채널(240) 내에서 평균유속 2.8 ~ 3.2 m/s로 흐르고, 바람직하게는 평균유속 2.9 ~ 3.1 m/s로 흐르도록 구성된다.
(조건 3) 과열증기 조건
본 발명의 압축기(30)는 증발기로부터 전달된 냉매를 압축하여 과열증기로 만든다. 이때, 압축기(30)는 전체 냉매가스 대비 과열증기의 비율이 68 ~ 82%가 되게 압축하도록 구성된다.
(조건 4) 압축기 구동 조건
기존의 히트펌프는 압축시 저압이 6~7kgf/㎠, 고압이 15kgf/㎠이며, 이때 냉매의 압축온도가 54.5℃를 기준으로 설계되어 있었다. 이에 따라 기존의 히트펌프는 외기온도의 변화에 따른 조절 기능이 거의 없어 냉매의 흐름이 계속적으로 일정하게 유지될 수 없었다.
이는, 외기온도 변화에 따른 냉매의 온도조절이 없이 압축기(30)의 압력을 더 높이는 것은 히트펌프 시스템에 급격한 부하를 초래하여 시스템이 견디지 못하기 때문에, 상기와 같이 15kgf/㎠을 임계압력으로 설정하고 있는 것이다.
그런데, 본 발명의 히트펌프 시스템은 압축기(30)로 유입되는 냉매가스의 온도를 액열기(60)를 통해 직접조절할 수 있어, 압축기(30)의 압력을 기존 히트펌프 시스템의 임계압력 이상으로 올릴 수 있게 된다.
이와 같은 환경에서, 본 발명의 압축기(30)는 다음과 같은 조건을 만족하도록 구성된다. 즉, 압축기(30)는 압축시 고압이 26kgf/㎠이고, 압축기(30)로부터 배출되는 냉매의 온도는 128 ~ 132℃(바람직하게는 129 ~ 131℃)를 만족하도록 구성된다.
(조건 5) 전열 조건
본 발명의 히트펌프 시스템은 난방 동작시, 난방열이 실내기(10)(응축기) → 제1 열교환기(100) → 축열탱크(90) → 제2 열교환기(200)로 전열되는 과정에서, 온도가 1℃씩 떨어지도록 구성된다.
한편, 본 발명의 히트펌프 시스템은 냉방 동작시, 냉방열이 실내기(10)(증발기) → 제1 열교환기(100) → 축열탱크(90) → 제2 열교환기(200)로 전열되는 과정에서, 온도가 1℃씩 올라가도록 구성된다.
예컨대, 실내기(10)에서 냉방열이 2℃라면, 제1 열교환기(100)에서 열교환된 냉방열은 3℃이고, 축열탱크(90)에 축냉된 냉방열은 4℃이고, 제2 열교환기(200)에서 열교환된 냉방열은 5℃가 되도록 구성된다.
도 14는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템이 냉방용으로 작동할 때 냉매, 열매체, 제1 유체 및 제2 유체의 흐름 및 이들의 열교환 동작을 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 히트펌프 시스템이 냉방용으로 작동할 경우, 난방용으로 작동할 시 대비 냉매가 흐르는 방향을 포함하여 다음과 같은 차이점이 있다. 이하에서는, 그 차이점 위주로 설명하도록 한다.
본 발명의 히트펌프 시스템이 냉방용으로 작동할 경우, 실내기(10)는 증발기로 작용하고, 실외기(20)는 응축기로 작용하게 된다.
그리고, 히트펌프 시스템의 냉방 작동시, 냉매의 순환 사이클을 간략히 설명하면 다음과 같다.
압축기(30)에서 압축된 고압의 냉매는 실외기(20)(즉, 응축기)로 유입된다. 실외기(20)는 압축기(30)로부터 전달된 냉매를 응축시킨다. 그리고, 냉매는 팽창변(50)을 거친 후 실내기(10)(즉, 증발기)로 유입되어 부동액과 열교환을 하게 된다. 즉, 냉매는 실내기(10)(즉, 증발기)에서 부동액의 열에너지를 흡수하여 증발하고, 이에 의해 실외기(20)(즉, 응축기)를 경유하는 부동액과 열교환됨으로써 축냉을 할 수 있게 된다.
구체적으로, 냉매의 응축 과정에서 열을 빼앗긴 저온의 부동액은 제1 열교환기(100)를 통과하면서 제1 유체와 열교환되어, 결국 축열탱크(90)에 저온의 제1 유체즉, 냉수가 채워지게 된다.
그리고, 축열탱크(90)에 저장된 저온의 제1 유체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 경유함으로써 제2 유체와 열교환이 이루어지고, 이에 의해 저온이 된 제2 유체는 목적하는 용도에 공급 및 사용된다.
증발된 냉매는 다시 압축기(30)로 다시 들어가 냉방 사이클을 형성하게 된다.
사방밸브(40)는 냉매가 흐르는 경로를 변경함으로써, 실내기(10)는 증발기로 작용하고, 실외기(20)는 응축기로 작용할 수 있도록 한다.
실내기(10)(즉, 증발기)를 경유한 저온저압의 건조포화증기가 압축기(30)로 유입되기 전에, 액열기(60)에 의해 소량의 액상냉매가 혼합될 수 있다.
한편, 난방 동작시, 액열기(60)는 제1 냉매인출 라인(62)을 통해 실내기(10) (즉, 응축기)의 배출구 측에서 냉매를 소량 인출하여 제1 냉매주입 라인(66)을 통해 압축기(30)의 유입구측으로 주입하도록 구성된다.
반면, 냉방 동작시, 액열기(60)는 제2 냉매인출 라인(64)을 통해 실외기(20) (즉, 응축기)의 배출구 측에서 냉매를 소량 인출하여 제2 냉매주입 라인(68)을 통해 압축기(30)의 유입구측으로 주입하도록 구성된다.
이와 같이, 냉난방 동작에 따라 제1 냉매인출 라인(62)과 제2 냉매인출 라인(64)가 선택적으로 사용되고, 또한 제1 냉매주입 라인(66)과 제2 냉매주입 라인(68) 역시 선택적으로 사용되어진다.
따라서, 냉난방 동작에 따라, 제1 냉매인출 라인(62)과 제2 냉매인출 라인(64) 간의 절환을 위해 제1 냉매인출 라인(62)과 제2 냉매인출 라인(64) 사이에 제1 절환밸브(61)가 설치될 수 있다.
그리고, 냉난방 동작에 따라, 제1 냉매주입 라인(66)과 제2 냉매주입 라인(68) 간의 절환을 위해 제1 냉매주입 라인(66)과 제2 냉매주입 라인(68) 사이에 제2 절환밸브(63)가 설치될 수 있다.
본원 발명자는 전술한 바와 같은 히트펌프 시스템의 냉방 동작에 있어서, 특히 냉방시 3 ~ 7℃의 열교환을 최적의 효율로 구현할 수 있고, 상시 정온의 냉방을 공급할 수 있도록 다음의 같은 조건들을 개발하였다. 여기서, 상기 '정온'이란 3 ~ 7℃의 냉방 온도를 의미한다.
이를 위해, 본 발명의 히트펌프 시스템의 냉매는 R407C를 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 시스템의 열매체는 부동액을 사용할 수 있다. 상기 경우, 부동액은 물과 희석하여 사용될 수 있다. 바람직하게는, 부동액에 희석된 물의 비율은 전체 용액 대비 20 ~ 25 부피%로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 냉매와 부동액을 사용하는 환경에서, 본 발명의 히트펌프 시스템은 적어도 전술한 조건 1 및 조건 2를 만족하도록 설계되어야 하고, 바람직하게는 조건 3 내지 조건 5를 더 만족하도록 설계되는 것이 좋다. 여기서, 상기 조건 1 내지 조건 5는 도 13의 히트펌프 시스템의 난방 동작 부문에서 설명한 조건들과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 15는 본 발명의 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 시스템의 구성도이다.
참고로, 도 15의 냉난방 시스템은 제1 실시예에 따른 히프펌프 시스템을 기준으로 설명 및 도시하였으나, 이러한 냉난방 시스템은 제2 실시예, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 히트펌프 시스템에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 냉난방 시스템은 히트펌프 시스템, 냉온수 공급헤더(310), 냉온수 환수헤더(320) 및 차압밸브(330)를 포함한다.
축열탱크(90)에 저장된 고온의 제1 유체는 제2 유체라인(93)을 통해 제2 열교환기(200)를 경유함으로써 제2 유체와 열교환이 이루어지고, 열을 전달받은 제2 유체는 목적하는 용도에 공급 및 사용된다.
참고로, 도 12에서, 'W1'은 제2 열교환기(200)로 유입되는 제2 유체를 의미하고, 'W2'는 제2 열교환기(200)에서 제1 유체와 열교환되어 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 제2 유체를 의미한다.
참고로, 도 15에서, 'W1'은 부하(즉, 사용자 장치)에서 열교환에 사용된 후 히트펌프 시스템으로 다시 유입되는 유체를 의미하고, 'W2'는 히트펌프 시스템에서 냉수 또는 온수가 된 유체가 후술할 냉온수 공급헤더(310) 측으로 흐르는 유체를 의미한다.
여기서, 상기 '목적하는 용도'는 에어컨(341), 히터(342), 난방분배기(343), 급탕온수기(344) 등과 같은 사용자 장치(340)일 수 있다.
도 1의 제1 실시예와 도 10의 제3 실시예에 따르면, 냉온수 공급헤더(310)는 히트펌프 시스템의 제2 열교환기(200)에서 열교환된 냉온의 제2 유체를 사용자 장치(340) 측으로 공급하도록 구성된다.
도 9의 제2 실시예에 따르면, 냉온수 공급헤더(310)는 히트펌프 시스템의 축열탱크로부터 배출 공급되는 냉온의 제1 유체를 사용자 장치(340) 측으로 공급하도록 구성된다.
도 11의 제4 실시예에 따르면, 냉온수 공급헤더(310)는 히트펌프 시스템의 축열탱크로부터 배출 공급되는 냉온의 열매체를 사용자 장치(340) 측으로 공급하도록 구성된다.
냉온수 환수헤더(320)는 사용자 장치(340)에서 사용된 제2 유체(제2 실시예의 경우 제1 유체, 제4 실시예의 경우 열매체)를 회수하여 제2 열교환기(200) 측으로 돌려보내는 장치이다.
냉온수 환수헤더(320)에 의해 히트펌프 시스템으로 되돌아온 제2 유체(제2 실시예의 경우 제1 유체, 제4 실시예의 경우 열매체)는 히트펌프 시스템에서 냉수 또는 온수로 열교환되어 다시 사용자 장치(340)로 공급된다.
차압밸브(330)는 냉온수 공급헤더(310)와 환수헤더(320) 사이에 설치되어, 냉온수 공급헤더(310)와 환수헤더(320) 중 어느 하나의 압력이 급격히 상승하는 경우 압력을 조절한다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 실내기 20: 실외기
30: 압축기 40: 사방밸브
50: 팽창변 60: 액열기
65: 센서 70: 보조탱크
81: 열매체 라인 90: 축열탱크
91: 제1 유체라인 93: 제2 유체라인
100: 제1 열교환기 110, 210: 전열판
140: 제1 채널 150: 제2 채널
200: 제2 열교환기 240: 제3 채널
250: 제4 채널 310: 냉온수 공급헤더
320: 냉온수 환수헤더 330: 차압밸브
340: 사용자 장치 400: 제1 입수관
410: 제1 인입부 411: 제1 인입부의 통공
413: 제1 인입부의 개방구 420: 제1 출수관
423: 제1 유입구 430: 제2 입수관
440: 제2 인입부 441: 제2 인입부의 통공
443: 제2 인입부의 개방구 450: 제2 출수관
453: 제2 유입구 460: 와류 방지판

Claims (14)

  1. 난방시 응축기로 기능하고 냉방시 증발기로 기능하는 실내기; 난방시 증발기로 기능하고 냉방시 응축기로 기능하는 실외기; 상기 실내기를 거치면서 열교환되는 열매체; 및 상기 실내기를 거치면서 냉수 또는 온수가 된 상기 열매체가 유입되는 축열탱크;를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 실내기를 경유한 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제1 입수관; 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 축열탱크 외부로 유출되도록 안내하는 제1 출수관; 상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부로 유출된 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제2 입수관; 및 상기 제2 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 실내기 측으로 유출되도록 안내하는 제2 출수관;을 포함하고,
    상기 제1 입수관은,
    상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제1 인입부; 및 상기 제1 인입부 중 상기 축열탱크의 상측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함하고,
    상기 제1 출수관은,
    상기 축열탱크 내의 상기 열매체가 상기 제1 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제1 유입구를 포함하고,
    상기 제1 유입구는,
    상기 축열탱크에 있어서 상기 제1 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성되고,
    상기 제2 입수관은,
    상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제2 인입부; 및 상기 제2 인입부 중 상기 축열탱크의 하측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함하고,
    상기 제2 출수관은,
    상기 축열탱크 내의 상기 열매체가 상기 제2 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제2 유입구를 포함하고,
    상기 제2 유입구는,
    상기 축열탱크에 있어서 상기 제2 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 아래쪽 영역에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부로 유출된 상기 열매체와 제2 유체 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기;를 더 포함하고,
    상기 제1 출수관은, 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 열매체가 상기 제2 열교환기 측으로 유출되도록 안내하며,
    상기 제2 입수관은, 상기 제2 열교환기를 경유한 후 되돌아오는 상기 열매체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  3. 난방시 응축기로 기능하고 냉방시 증발기로 기능하는 실내기; 난방시 증발기로 기능하고 냉방시 응축기로 기능하는 실외기; 상기 실내기를 거치면서 열교환되는 열매체; 상기 열매체와 제1 유체 간의 열교환이 이루어지는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기를 거치면서 냉수 또는 온수가 된 상기 제1 유체가 유입되는 축열탱크;를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 경유한 후 되돌아오는 상기 제1 유체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제1 입수관; 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 제1 유체가 상기 축열탱크 외부로 유출되도록 안내하는 제1 출수관; 상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부로 유출된 후 되돌아오는 상기 제1 유체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 제2 입수관; 및 상기 제2 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 제1 유체가 상기 제1 열교환기 측으로 유출되도록 안내하는 제2 출수관;을 포함하고,
    상기 제1 입수관은,
    상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제1 인입부; 및 상기 제1 인입부 중 상기 축열탱크의 상측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함하고,
    상기 제1 출수관은,
    상기 축열탱크 내의 상기 제1 유체가 상기 제1 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제1 유입구를 포함하고,
    상기 제1 유입구는,
    상기 축열탱크에 있어서 상기 제1 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성되고,
    상기 제2 입수관은,
    상기 축열탱크 내부로 인입된 구조로 형성되는 제2 인입부; 및 상기 제2 인입부 중 상기 축열탱크의 하측 방향을 향하는 부위에 관통 형성되는 다수 개의 통공을 포함하고,
    상기 제2 출수관은,
    상기 축열탱크 내의 상기 제1 유체가 상기 제2 출수관 내부로 유입될 수 있도록, 상기 축열탱크 내부와 연통되게 형성되는 제2 유입구를 포함하고,
    상기 제2 유입구는,
    상기 축열탱크에 있어서 상기 제2 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 아래쪽 영역에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 출수관을 통해 상기 축열탱크 외부로 유출된 상기 제1 유체와 제2 유체 간의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기;를 더 포함하고,
    상기 제1 출수관은, 상기 제1 입수관을 통해 상기 축열탱크로 유입된 상기 제1 유체가 상기 제2 열교환기 측으로 유출되도록 안내하며,
    상기 제2 입수관은, 상기 제2 열교환기를 경유한 후 되돌아오는 상기 제1 유체가 상기 축열탱크로 유입되도록 안내하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인입부는,
    상기 축열탱크에 있어서 상기 제2 인입부가 위치하고 있는 영역보다 더 위쪽 영역에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인입부의 일단부에 개방 형성되는 개방구; 및
    상기 제2 인입부의 일단부에 개방 형성되는 개방구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 축열탱크 내부에 설치되는 와류 방지판을 더 포함하고,
    상기 와류 방지판은,
    상기 제1 인입부가 위치하고 있는 영역보다는 더 아래쪽이면서, 상기 제2 인입부가 위치하고 있는 영역보다는 더 위쪽에 해당하는 영역에 배치되는 판체로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  9. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기로부터 전달된 냉매를 압축하는 압축기; 상기 응축기를 거친 냉매를 팽창시키는 팽창변; 및 난방과 냉방에 따라 냉매흐름을 전환시키기 위한 사방밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 응축기의 배출구 측에서 냉매의 일부를 인출하여 상기 압축기로 유입되는 건조포화증기에 혼합시키는 액열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 액열기는,
    상기 압축기의 배출구 측에 설치된 센서에서 검출되는 냉매의 온도에 따라 상기 냉매의 인출량을 조절하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  12. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 열매체는 부동액을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  13. 냉난방 시스템에 있어서,
    제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항의 히트펌프 시스템;
    상기 히트펌프 시스템에서 열교환 완료된 냉수 또는 온수를 사용자 장치 측으로 공급하는 냉온수 공급헤더; 및
    사용자 장치에서 사용된 상기 냉수 또는 온수를 회수하여 상기 히트펌프 시스템 측으로 돌려보내는 냉온수 환수헤더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 냉온수 공급헤더와 상기 냉온수 환수헤더 사이에 설치되는 차압밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 시스템.
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