KR20000018135A

KR20000018135A - 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그능동제어방법

Info

Publication number: KR20000018135A
Application number: KR1020000001597A
Authority: KR
Inventors: 왕광수; 김진상; 서운종
Original assignee: 왕광수; 김진상; 서운종
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2000-04-06

Abstract

본 발명은 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어 방법에 관한 것으로, 인버터(20)로부터 2단 원심 압축기(10)의 구동주파수를 가변시켜 압축율을 변화시킴으로써 구동에너지를 절감할 수 있고, 응축기(100)의 냉매 출구라인에 압력센서(PS₂)와 복수의 팽창밸브(200, 210) 및 이들 밸브 사이에 수액기(220)를 연결하고, 응축기의 응축수 순환라인에 정압펌프(540)와 전자팽창밸브(550)를 연결하여 응축냉매의 압력에 따라 응축수의 유량을 조정하고 응축수온에 따라 모터(11)의 회전수를 제어함으로써 열손실없이 난방부하에 따른 최적의 응축수를 얻을 수 있으며, 또한 복수의 증발기(300, 310)와 그 일측 증발기에 팬모터(301)를 구비하여 압축기의 흡입냉매의 온도와 압력에 따라 증발기의 증발속도 및 증발용량을 가변화시킴으로써 냉매의 과열온도와 증발압력 및 응축압을 연동적으로 제어할 수 있는 것은 물론 압축효율 향상과 다양한 조건에 따른 대응운전이 원활하고 서지현상을 방지할 수 있고, 뿐만 아니라 수액기의 일부 팽창냉매를 증발기에 유입되기 이전에 압축기의 2단측으로 회수시킴에 따라 냉매의 중간냉각이 원활하고 냉매의 밀도가 증가되는 것은 물론 동일한 압축율로 난방열량을 증가시킬 수 있으며, 아울러 수액기의 완전한 상분리로 교축손실감소와 증발잠열증가 및 팽창효율을 향상시키도록 된 것이다.

Description

폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법{A combined driving unit and the active controlling method of compression heat pump using waste heat}

본 발명은 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어 방법에 관한 것으로, 특히 다단 원심압축기의 구동주파수 가변으로 압축율을 변화시킴으로써 구동에너지를 절감할 수 있고, 응축냉매의 압력에 따라 응축수의 유량을 조정하고 응축수온에 따라 모터의 회전수를 제어함으로써 열손실없이 난방부하에 따른 최적의 응축수를 얻을 수 있으며, 또한 압축기의 흡입냉매의 온도와 압력에 따라 증발기의 증발속도 및 증발용량을 가변화시킴으로써 냉매의 과열온도와 증발압력 및 응축압을 연동적으로 제어할 수 있는 것은 물론 압축효율 향상과 다양한 조건에 따른 대응운전이 원활하고 서지현상을 방지할 수 있으며, 뿐만 아니라 수액기의 일부 팽창냉매를 증발기에 유입되기 이전에 압축기의 2단측으로 회수시킴에 따라 냉매의 중간냉각이 원활하고 냉매의 밀도가 증가되는 것은 물론 동일한 압축율로 난방열량을 증가시킬 수 있으며, 수액기의 완전한 상분리로 교축손실감소와 증발잠열증가 및 팽창효율을 향상시키도록 된 히트펌프의 복합구동장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 난방이나 급탕을 위한 열원을 얻기 위한 수단으로 화석연료를 사용하거나 또는 히터와 같은 전기적인 가열방법을 이용한다.

화석 에너지의 단순한 사용은 대기오염을 발생시키고, 전기를 이용한 가열방식은 그 전력소비량에 비하여 열효율이 떨어지며, 또한 물을 가열하여 사용하는 개방회로의 경우에는 물의 현열온도만을 이용한 후 버려지므로 물이 가지고 있는 잠열에너지를 충분히 이용하지 못하고 폐열로 낭비되는 단점이 있다.

이로부터 개선된 것으로 폐열원으로부터 잠열에너지를 획득하는 히트펌프 사이클을 이용하는 방식이 있다.

히트펌프에는 압축식과 흡수식 그리고 화학식이 있으며, 압축식에는 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형 히트펌프는 프레온 등과 같은 중간 열매체를 사용하는 것으로, 냉방전용과 난방전용, 냉난방겸용과 산업용 등이 있으며, 개방형 히트펌프는 중간 열매체를 사용하지 않고 열원을 직접 압축하여 승온시키는 방식이다.

또한 흡수식 히트펌프는 1종 흡수식과 2종 흡수식이 있는데, 전자는 구동에너지로써 증기나 폐가스를 사용하여 20∼60℃의 저열원으로부터 열을 회수하여 60∼90℃의 온수를 획득하는 방식이고, 후자는 구동에너지는 별도로 필요치 않고 이 대신 냉각수를 필요로 하는 것으로 중간 온도의 폐열을 재생기와 증발기에 공급한 후 60∼100℃ 가량의 고온수를 흡수기로부터 얻는 방식이다.

화학 히트펌프는 반응물질에 열을 가하여 만든 생성물질(축열)이 발열반응을 거쳐 본래의 상태로 환원(방열)되는 과정을 반복적으로 이용하는 것이다.

히트펌프의 공급열원으로는 온ㆍ배수나 냉각수 등의 폐열과, 공기, 흙, 지하수, 하천수 등이 이용된다.

통상적으로 압축식 히트펌프는 증발기로부터 증발한 냉매증기를 압축기로부터 압축하여 고온ㆍ고압의 상태로 만들고, 응축기에서 열교환을 통하여 응축시킴과 동시에 증발기의 온도수준의 열을 응축기의 온도수준까지 승온시키는 과정에 그 바탕을 두고 있다.

이러한 히트펌프를 구성하기 위해서는 등온조건에서 열전달이 이루어져야 하므로 요구하는 온도와 압력에서 상변화를 수행하는 작동유체(냉매)를 선정해야 한다.

이 작동유체는 증발에 의해 열을 흡수하고 응축에 의해 열을 방출한다.

일반적인 작동유체로는 밀폐형의 경우 프레온 등을 이용하고, 개방형인 경우에는 물이나 유기매체를 이용한다.

증기압축 사이클의 기본적인 구성요소는 저온부의 열교환기인 증발기와, 압축기와, 고온부의 열교환기인 응축기 및 팽창밸브의 4개 부분이며, 작동유체는 증발 ⇒ 압축 ⇒ 응축 ⇒ 팽창 ⇒ 증발의 변화를 연속적으로 행하면서 순환하는 열역학적인 역 랭킨사이클로서, 등엔트로피의 압축과정과, 등온 - 등압하의 응축과정과, 팽창밸브를 통한 등엔트로피하에서의 비가역 팽창과정과, 등온 - 등압하에서의 증발과정으로 구분된다.

압축식 히트펌프의 최대성적계수는 역 카르노사이클의 효율로서, 그 성적계수는 승온의 폭에 반비례하고 냉매의 과냉과 과열에 의해 증가한다.

즉, 응축온도와 증발온도의 차이가 클수록 성적계수는 현저히 작아지므로 이 차이값을 감소시키는 것이 유리하며, 압축기 입구에서의 냉매흡입가스를 과열시킴으로써 성적계수는 향상된다.

히트펌프 사이클에는 왕복동식, 로터리식, 스크류식, 스크롤식 등의 압축기들을 사용하나, 이들은 온ㆍ오프 운전이 반복됨에 따라 성능저하와 함께 전기에너지의 소모량을 증가시켜 비효율적일 뿐만 아니라, 또한 외기온도와 사이클 조건의 변화에 따른 정밀제어가 불가능하며 현실적으로 적용에 많은 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 제반 단점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프 사이클의 정밀한 제어와 함께 가변적인 운전으로 장치의 효율성을 극대화하는 것은 물론 난방능력을 대폭적으로 향상시켰다.

본 발명의 제 1 목적은, 다단식 원심압축기로써 폐열원의 열량이나 난방능력 등 내ㆍ외부조건의 변화에 따라 사이클을 능동적으로 제어하여 압축률과 난방능력을 효율적으로 조정할 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 냉매의 과열온도와 증발압력을 자동 제어하여 압축기의 효율을 최대로 발휘할 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 3 목적은, 연동적인 응축압과 증발압 제어를 통해 다양한 조건 변화에 따른 광범위한 대응운전을 만족하고 아울러 서지현상을 방지할 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 4 목적은, 압축기의 고단측에 팽창냉매의 일부를 증발과정 이전에 회수시켜 중간냉각을 원활하게 하고 냉매의 밀도를 증가시킴으로써 동일한 압축율로 난방열량을 증가시키는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 5 목적은, 난방부하에 따른 압축률 가변방식으로 압축기의 구동력과 전력소모량을 감소시킬 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 6 목적은, 냉매의 팽창과정시 수액기의 완전한 상분리를 실현하여 교축손실감소와 증발잠열증가 및 팽창효율을 향상시킬 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제 7 목적은, 증발기의 가변제어로 하절기 냉방열원으로 용이하게 사용할 수 있는, 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 다단 압축수단과 압축율 가변수단을 구비하고, 압축기의 흡입냉매의 온도와 압력에 따른 증발기의 증발속도와 증발용량을 가변화하고, 응축기의 냉매응축온도에 따라 응축수의 순환량을 조절하며, 응축수의 응축온도에 따라 압축모터의 회전수를 가변시키는 수단과, 또한 수액기의 일부 냉매를 증발기에 유입되기 이전에 압축기의 2단측으로 회수시키도록 구성된 특징이 있다.

도 1은 본 발명 히트펌프 사이클의 구성회로도

도 2는 본 발명 응축기의 요부확대도

도 3은 본 발명 증발기의 요부확대도

도 4는 본 발명의 블록 다이어그램

도 5는 본 발명의 플로우 챠트

도 6는 본 발명의 히트펌프 사이클을 보인 압력(p)-엔트로피(h) 선도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 압축기 11 : 모터

20 : 인버터 21 : 입력센서

22 : 인버터 드라이버 23 : 과전류차단기

24 : 서지경고장치 100 : 응축기

101, 311 : 튜브 102 : 핀코일

200, 210 : 팽창밸브 220 : 수액기

221 : 레벨게이지 222 : 냉매부족지시계

300, 310 : 증발기 301 : 팬모터

302 : 온도콘트롤러 312 : 주름관

400 : 플래시 라인 500, 530 : 수조

501, 531 : 플로트 밸브 502 : 응축수경보기

510, 571 : 밸브 520, 540 : 정압펌프

550 : 전자팽창밸브 551 : 밸브콘트롤러

560 : 급수관 570 : 급탕관

600 : E.C.U 601 : 장치보호기

602 : 운전상태지시계 HL : 난방부하

PS₁, PS₂: 압력센서 TS₁, TS₂: 온도센서

본 발명은 상기의 제반 목적을 달성하기 위하여, 2단의 원심 압축기와, 압축기의 구동주파수를 가변ㆍ출력하는 인버터와, 응축기의 출구에 연결되고 수액기를 사이에 두는 복수의 팽창밸브와, 복수의 증발기 및 일측의 증발기에 구비된 팬모터와, 응축기를 통해 응축수가 순환되는 복수의 수조와, 응축수가 유입되는 응축기의 출구에 연결된 정압펌프 및 전자팽창밸브와, 수조에 구비된 플로트 밸브와, 응축기의 응축수 출구라인과 냉매 출구라인에 각각 연결된 온도센서 및 압력센서와, 압축기의 흡입측에 연결된 온도센서 및 압력센서가 구비된 것이다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명 히트펌프 사이클의 구성회로도이고, 도 2는 본 발명 응축기의 요부확대도이며, 도 3은 본 발명 증발기의 요부확대도를 나타낸 것으로, 냉매를 고온ㆍ고압의 과열증기로 압축하는 사이클의 구동원인 압축기(10)와, 과열증기와 열교환하여 난방 또는 급탕열량을 획득케 하도록 열원을 방출하는 응축기(100)와, 응축기(100)로부터의 냉매를 교축ㆍ감압하는 팽창밸브(200, 210)와, 팽창밸브(200, 210)로부터 감압된 액상의 냉매로부터 외부의 흡열을 행하는 증발기(300, 310)로 구성된다.

압축기(10)는 가감속이 용이하고 난방부하에 따른 압축률을 원활하게 가변시킴과 동시에 최적의 효율을 발생시킬 수 있도록 비접촉식인 원심압축기인 것이 바람직하고, 고압의 압축력과 큰 압력비를 얻기 위하여 또한 압축일을 저감하고 체적 효율을 증대시킬 수 있도록 2단 혹은 그 이상의 다단 압축기(10)인 것이 더욱 바람직하다.

다단 압축을 위하여 1단측과 2단측 사이에는 중간냉각기(intercooler)를 사용하여 압축과정을 등온과정에 접근시킴으로써 압축일을 감소시키도록 하며, 냉각기는 냉각수를 이용한 수냉방식이거나 팬(fan) 또는 핀(fin)을 이용한 공냉식일 수 있다.

압축기(10)는 10,000∼60,000(rpm)의 출력을 갖는 AC 인덕션 모터(11)에 의해 구동되며, 사용목적에 따라 그 용량을 10∼50(HP)의 범위까지 선택할 수 있고, 난방능력이나 난방조건에 따라 압축기(10)의 구동속도를 가변적으로 가감 제어시키기 위하여 그 구동 모터(11)에 인버터(20)가 연결되어 60Hz의 상용 입력 주파수를 변조시키도록 구성된다.

인버터(20)는 또한 응축기의 출구측 온도와 그 설정값에 따라 제어되도록 한다.

압축기(10)에서 과열증기로 압축된 냉매로부터 난방 또는 급탕열원을 방출하도록 압축기(10)의 토출구에 응축기(100)의 통체 상부를 연통시키되, 응축기(100)는 그 내부에 수평으로 위치하면서 상, 하 방향으로 연속되도록 열전달 특성이 양호한 합성수지재의 튜브(101)와, 이 튜브(101)의 둘레에 결합된 구리재질의 핀 코일(102)로 된 쉘앤튜브형의 열교환장치를 포함하고, 응축기(100)의 하부에는 1차 팽창밸브(200)를 연결하여 응축기(100)를 통과한 냉매를 교축ㆍ감압시키도록 하며, 1차 팽창밸브(200)의 출구측에 냉매를 액상과 기상으로 상분리시켜 중간압까지 감압시키는 수액기(220)를 연결한다.

수액기(220)의 상부와 압축기(10)의 2단측에 플래시 라인(400)을 연결하고 응축기(100)와 1차 팽창밸브(200)를 통과한 냉매유량의 약 9∼15% 정도가 수액기(220)내에 형성되는 자연압에 의해 드레인되도록 하여, 이 냉매가 압축기(10)의 1단 압축후 모터(11)로부터의 열을 흡수한 과열증기와 결합하여 중간 냉각을 일으키도록 함과 동시에 압축기(10)의 2단측에 유입되는 냉매의 밀도를 증가시킴으로써 압축기(10)의 효율과 난방능력의 향상을 유도하기 위한 것이다.

상기 수액기(220)의 출구측에는 냉매를 2차적으로 교축ㆍ감압시키기 위한 2차 팽창밸브(210)를 연결하고, 이 팽창밸브(210)를 증발기에 연결하여 기화에 따른 흡열이 행하여지도록 하되, 증발기는 1차 증발기(300)와 2차 증발기(310)로써 이들을 직렬로 순차 연결하여 증발효율의 극대화를 꾀하도록 하였다.

즉, 1차 증발기(300)와 2차 증발기(310)는 그 증발용량비가 1:3∼1:5 정도의 면적비가 되도록 하고, 1차 증발기(300)는 압축기(10)의 흡입측의 냉매온도와 압력에 따라 회전수가 제어되는 팬모터(301)로써 공냉되도록 하고, 궁극적으로는 압축기(10)의 흡입측의 과열온도와 증발압력을 제어하기 위한 것이다.

2차 증발기(310)는 수평방향으로 설치되도록 다중 연결된 구리 재질의 튜브(311)와, 튜브(311)의 둘레에 연속적으로 압착된 주름관(312)으로 구성하되, 튜브(311)는 압력손실을 감소시키도록 병열연결하고 주름관(312)은 부식이나 스케일로부터 보호되도록 스테인레스 스틸로 사용하는 것이 바람직하다.

2차 증발기(310)는 폐열원내에 완전히 잠겨지도록 하는 것이 바람직하며, 주름관(312)은 주기적으로 또는 비정기적으로 청소가 용이하도록 상, 하부로 착탈가능케 하는 것이 바람직하다.

2차 증발기(310)의 출구측은 압축기(10)의 흡입측에 연결하여 이상의 히트펌프 사이클을 구성한다.

상기 응축기(100)로부터 얻어지는 열원을 난방 또는 급탕용으로 이용하기 위하여, 응축기(100)의 내부 상측에 위치하는 튜브(101)의 일단을 출구측으로써 제 1 수조(500)의 상측에 연결하고, 제 1 수조(500)의 하부를 출구측으로써 이 출구측에 밸브(510)와 정압펌프(520)를 순차적으로 연결하여 응축수를 일정한 압력으로 배출할 수 있도록 하되, 응축기(100)를 통해 일정온도로 열교환된 응축수를 난방 또는 급탕용으로 강제순환시켜 사용할 수 있도록 정압펌프(520)를 난방부하(HL)에 연결한다.

상기 난방부하(HL)를 통해 외기와 열교환을 마치고 냉각된 응축수를 회수하기 위하여 그 난방부하(HL)에 제 2 수조(530)의 상부를 연결하고, 제 2 수조(530)의 하부에 정압펌프(540)와 전자팽창밸브(550)를 순차적으로 연결함과 동시에 전자팽창밸브(550)를 응축기(100)의 하부에 위치하는 튜브(101)의 타단에 연결하여 응축수가 다시 제 1 수조(500)를 통해 상기와 같이 연속 순환되도록 하며, 전자팽창밸브(550)는 응축기(100)의 출구를 통과하는 냉매의 압력에 따라 응축수의 유량을 제어하도록 구성한다.

아울러 제 2 수조(530)의 상부에는 외부에서 응축수를 보충하기 위한 급수관(560)이 연결되고, 제 1, 2 수조(500, 530)내에 플로트 밸브(501, 531)가 각각 장착되어 수조내의 수위를 일정한 상태로 유지케 한다.

한편, 제 1 수조(500)의 하부에는 밸브(510)의 하방에 위치하도록 급탕관(570)을 연결하고, 이 급탕관(570)에 밸브(571)를 연결하여 히트펌프 사이클이 폐회로로 작동할 경우 이 밸브(571)와 밸브(510)가 각각 오프 및 온 상태를 유지케 하고, 개방회로일 경우에는 각각 온 및 오프 상태를 유지하도록 구성한다.

히트펌프 사이클의 제어수단으로서, 제 1 수조(500)로 연결되는 응축기(100)의 출구측에 온도센서(TS₁)를 연결하여 응축기(100)의 출구를 통한 응축수의 온도값에 따라 이를 설정온도에 비교하여 모터(11)의 구동속도를 가속 또는 감속하도록 하고, 압축기(10)의 흡입측 냉매의 과열온도와 증발압력을 제어하기 위하여 그 압축기(10)의 흡입측에 온도센서(TS₂)와 압력센서(PS₁)를 장착하여 압축기(10)의 흡입 냉매의 온도와 압력을 설정값에 비교하여 1차 증발기(300)의 팬모터(301)의 구동속도를 제어시키도록 하며, 또한 수액기(220)에 연결되는 응축기(100)의 출구측에 압력센서(PS₂)를 장착하여 응축기(100)의 출구 냉매압력을 설정값에 비교하여 전자팽창밸브(550)를 제어함으로써 응축수의 유량을 조정하도록 구성된다.

전체적인 히트펌프 사이클의 제어를 위하여 온도센서(TS₁, TS₂)와 압력센서(PS₁, PS₂)들이 전자제어유니트인 E.C.U(600)의 입력단에 신호를 인가하도록 연결되고, 이외에 인버터(20)의 전단입력을 검출하는 입력센서(21)와, 수액기(220)의 레벨을 검지하는 레벨게이지(221)와, 제 1, 2 수조(500, 530)의 플로트 밸브(501, 531)들이 E.C.U(600)의 입력단에 전기적으로 연결된다.

아울러 E.C.U(600)의 출력단에는 온도센서(TS₁)의 입력신호에 의해 일정한 전압 및 전류가 인가되어 인버터(20), 모터(11), 압축기(10)를 순차 제어시키는 인버터 드라이버(22)와, 온도센서(TS₂) 및 압력센서(PS₁)의 입력신호에 의해 동작하여 팬모터(301)를 제어하는 온도콘트롤러(302)와, 압력센서(PS₂)로부터의 신호에 따라 전자팽창밸브(550)를 제어하는 밸브콘트롤러(551)들이 연결되고, 상기 입력센서(21), 압력센서(PS₁, PS₂), 레벨게이지(221), 플로트밸브(501, 531), 온도센서(TS₁, TS₂)들의 입력신호에 따라 사이클 진행상태를 점검, 표시 또는 경고하는 과전류차단기(23), 서지경고장치(24), 냉매부족지시계(222), 응축수경보기(502), 운전상태지시계(602)들이 장치보호기(601)와 함께 연결된 것이다.

따라서 본 발명은 도 1 내지 도 6과 같이, E.C.U(600)로부터 인버터 드라이버(22)에 전원이 공급되고 인버터 드라이버(22)는 사전에 설정된 값에 따라 적정한 주파수를 출력하여 모터(11)를 구동시킨다.

(압축 = a - b)

모터(11)는 AC 인덕션 모터로써 10,000∼60,000rpm의 범위내에서 속도변환이 이루어지며, 인버터(20)는 60Hz의 입력주파수를 변조하여 모터(11)를 구동하고, 모터(11)는 압축기(10)를 작동시켜 압축기(10)로부터 1단 및 2단에 걸쳐 등엔트로피하에서의 냉매의 압축을 행하게 된다.

인버터(20)는 응축기(100) 출구의 온도센서(TS₁)로부터 응축수의 온도신호를 인가받아 이를 설정온도값과 비교하여 출력 주파수를 결정함과 동시에 요구되는 난방능력이나 압축률에 따라 모터(11)의 구동속도를 가속 또는 감속으로 가변시킨다.

2차 증발기(310)를 통과한 냉매가 압축기(10)의 흡입측에 유입되면서 등엔트로피하에서 1단 압축이 이루어지고, 모터(11)의 냉각을 행한 다음 1단압축된 냉매는 플래시 라인(400)으로부터 도입된 냉매와 결합하여 2단압축됨과 동시에 고온ㆍ고압의 과열증기상태로 응축기(100)로 유입된다.

(응축 = b - c)

등온-등압하에서 응축기(100)의 본체내에 상방으로부터 유입된 고온의 냉매 가스에 의해 응축기(100)내에 수평으로 연속된 튜브(101)를 흐르는 응축수가 열교환에 의해 가열되고, 가열된 고온의 응축수는 하방으로 유입되어 상방으로 유출되는 형태로 충분한 열교환이 행하여지며, 튜브(101)의 둘레에 연속 형성된 핀코일(102)은 응축기(100)내의 고온의 냉매로부터 튜브(101)내에 열원을 신속히 흡수시키도록 한다.

튜브(101)는 열전달이 양호한 합성수지재로 되어 있어 응축수의 가온이 원할하게 이루어지도록 한다.

(팽창 = c - d)

냉매는 응축기(100)의 하방으로부터 1차적으로 팽창밸브(200)를 통해 비가역적으로 교축ㆍ감압되어 수액기(220)로 유입되고, 수액기(220)에서는 냉매의 기상과 액상의 분리가 일어나 중간압까지 감압이 이루어진다.

또한 수액기(220)의 하부를 통과한 냉매는 팽창밸브(210)를 통해 2차적으로 교축ㆍ감압된다.

여기서 수액기(220)에 유입되는 냉매의 약 9∼15% 가량은 수액기(220)에 형성되는 자연적 압력에 의해 그 상방으로부터 플래시라인(400)을 통해 압축기(10)의 2단측으로 도입되어 냉매의 밀도를 증가시킴과 동시에 압축기(10)의 압축률을 향상시킨다.

즉, 압축기(10)에서 1단압축후의 냉매는 모터(11)로부터의 열원을 흡수하여 과열증기 형태로 상변화되는데, 이때 플래시라인(400)을 통해 압축기(10)의 2단측에 유입된 저온의 냉매가 1단압축된 과열증기의 냉매와 결합하여 중간냉각을 발생시킴과 동시에 2단측에 유입되는 냉매의 밀도를 증가시킴으로써 궁극적으로 압축기(10)의 효율향상과 난방능력 증대에 기여하게 된다.

난방능력(Q) = 응축엔탈피 ×시간당 냉매유량으로 도 6에서 보는 바와같이 압축기(10)의 토출(b)과 과냉상태의 엔탈피(d)의 차이로 구해진다.

따라서 본 발명에서는 플래시라인(400)을 통해 2단측에 유도된 유량만큼 난방능력을 향상시킬 수 있는 것이다.

뿐만 아니라 수액기(220)로부터 플래시라인(400)을 통해 압축기(10)로 도입되는 냉매는 증발상태이므로 수액기(220)를 통과하는 냉매는 완전한 액상을 유지하는 것은 물론, 다음의 팽창밸브(210)로부터의 교축손실을 저감할 수 있고 증발잠열을 크게 증가시키는 잇점을 갖게 된다.

(증발 = d - a)

상기 팽창밸브(210)를 통해 완전히 감압된 냉매는 증발기(300, 310)를 통해 등온-등압하에서 완전한 증발이 행하여지는데, 증발기(300)와 증발기(310)의 증발 면적비는 1:3∼1:5로 분배되어 있어 증발효율을 향상시킬 수 있으며, 증발기(300)는 팬모터(301)에 의해 공냉되는 방식으로 그 팬모터(301)의 속도를 가변시킴에 따라 증발속도와 증발용량을 제어할 수 있다.

증발기(300, 310)는 횡방향으로 배열된 다수의 튜브(311)가 병열로 연결되어 있어 냉매의 유동이 원활하고, 1차 증발기(300)는 증발기능 뿐만 아니라 압축기(10)의 흡입측 과열온도와 증발압력을 동시에 제어하는 기능을 갖고 있다.

본 발명의 압축기(10)는 비접촉식인 원심압축방식으로 그 특성상 과열온도에 의해 압축효율에 큰 영향을 미치므로, 압축기(10)가 최적의 효율을 발휘하도록 과열온도를 제어할 필요성이 있다.

이러한 제어는 압축기(10)의 흡입측에 위치한 온도센서(TS₂)와 압력센서(PS₁)로부터 냉매의 온도와 압력신호가 검출되어 온도콘트롤러(302)에 인가되고, 온도콘트롤러(302)는 설정된 흡입측의 온도와 압력값에 따라 증발기(300)의 팬모터(301)의 속도를 가변적으로 제어한다.

이와같이 증발기(300)의 증발용량과 증발속도를 제어함에 따라 압축기(10)내에 액상의 냉매가 흡입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 이는 동일한 압축율에서 냉매유량을 증감시키거나 회수 냉매의 온도변화에 따라 증발조건에 달라지는 경우 증발기의 증발용량을 변화시키는 것과 같으며, 또한 하절기에는 냉방열원으로 사용할 수 있게 된다.

1차 증발기(300)를 통과한 냉매는 2차 증발기(310)를 통해 다시 증발되는데, 2차 증발기(310)는 폐열원중에 완전히 잠겨져 있고 튜브(311)가 병열로 연결되어 있어, 냉매는 유동저항과 압력손실없이 압축기(10)로 회수되면서 1회의 히트펌프 사이클을 형성한다.

튜브(311)에는 스텐레스 스틸로 된 주름관(312)이 형성되어 있어 폐열원의 흡수가 원활함과 동시에 부식을 방지할 수 있으며, 주름관(312)을 상, 하측으로 탈착가능케 함으로써 증발기(310)를 용이하게 청소할 수 있다.

한편, 고온으로 가열된 응축수는 응축기(100)의 튜브(101) 상단으로부터 제 1 수조(500)로 유입되고, 제 1 수조(500)의 응축수는 밸브(510)와 정압펌프(520)를 통해 난방부하(HL)로 공급되어 난방을 행한 다음 제 2 수조(530)로 유도되며, 제 2 수조(530)의 응축수는 다시 정압펌프(540)와 전자팽창밸브(550)를 통해 응축기(100)의 튜브(101) 하단으로 회수ㆍ순환된다.

여기서 전자팽창밸브(550)는 응축압력을 제어하는 것으로, 응축기(100)의 하부에 위치한 압력센서(PS₂)로부터 응축을 마친 냉매의 압력신호가 검출되고, 이 압력신호가 E.C.U(600)에 인가되면서 그 설정값과 검출된 압력신호값에 따라 밸브 콘트롤러(551)에 구동신호가 인가되어 전자팽창밸브(550)의 개폐량을 조정함으로써 응축수의 유량과 응축압력을 최적의 상태로 조정한다.

아울러 응축기(100)의 출구측에는 온도센서(TS₁)가 위치하고 있어 응축기(100)로부터 열교환된 응축수의 온도를 검출하고, 이 검출신호를 E.C.U(600)에 인가하여 설정된 최적의 온도값에 따라 인버터 드라이버(22)에 의해 인버터(20)의 주파수변조를 행한다.

인버터(20)의 주파수값을 증가시켜 변조할 경우 이에 따른 모터(11)의 회전수와 함께 냉매의 유량이 증가하게 되나, E.C.U(600)의 설정조건에 따라 피드백 제어를 반복하여 일정한 압축율을 유지하면서 응축수량과 난방능력을 증가시킬 뿐만 아니라 응축수의 온도를 정밀하게 제어할 수 있다.

난방부하가 적을 경우에는 모터(11)가 감속 구동됨에 따라 전력소모를 감소시킬 수 있으며, 난방부하가 클 경우에는 모터(11)의 회전수가 증가하나 설정온도에 도달하면 그 회전수가 감소ㆍ제어되므로 궁극적으로 사이클의 성능계수가 향상된다.

응축수를 개방회로에서 사용할 경우에는 제 1 수조(500)의 하부에 연통된 급탕관(570)의 밸브(571)를 열어 급탕수를 사용할 수 있고, 이때 제 2 수조(530)에는 급수관(560)을 통해 외부로부터 응축수를 보충할 수 있다.

수조(500, 530)는 항상 일정한 수위를 유지하는데, 급탕수 등의 사용으로 수조(500, 530)의 수위가 낮아지면 플로트 밸브(501, 531)가 개방되어 급수관(560)을 통해 응축수가 공급되고, 수위가 정상상태로 되면 플로트 밸브(501, 531)가 폐쇄된다.

다른 한편 E.C.U(600)에는 장치보호기(601)가 연결되어 있고, 장치보호기(601)에는 과전류차단기(23), 서지경고장치(24), 냉매부족지시계(222), 응축수경보기(502), 운전상태지시계(602)가 부착되어 있어, 히트펌프 사이클의 운전상태를 표시함과 아울러 응축수의 온도와 압력, 냉매의 압력, 압축기의 흡입온도 등을 최적의 상태로 연동ㆍ제어하게 된다.

이상과 같이 본 발명 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치 및 그 능동제어방법은, 인버터로부터 2단 원심 압축기의 구동주파수를 가변시켜 압축율을 변화시킴으로써 구동에너지를 절감할 수 있고, 응축기의 냉매출구라인에 압력센서와 복수의 팽창밸브 및 이들 밸브 사이에 수액기를 연결하고, 응축기의 응축수 순환라인에 정압펌프와 전자팽창밸브를 연결하여 응축냉매의 압력에 따라 응축수의 유량을 조정하고 응축수온에 따라 모터의 회전수를 제어함으로써 열손실없이 난방 부하에 따른 최적의 응축수를 얻을 수 있으며, 또한 복수의 증발기와 그 일측 증발기에 팬모터를 구비하여 압축기의 흡입냉매의 온도와 압력에 따라 증발기의 증발속도 및 증발용량을 가변화시킴으로써 냉매의 과열온도와 증발압력 및 응축압을 연동적으로 제어할 수 있는 것은 물론 압축효율 향상과 다양한 조건에 따른 대응운전이 원활하고 서지현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라 수액기의 일부 팽창냉매를 증발기에 유입되기 이전에 압축기의 2단측으로 회수시킴에 따라 냉매의 중간냉각이 원활하고 냉매의 밀도가 증가되는 것은 물론 동일한 압축율로 난방열량을 증가시킬 수 있으며, 또한 수액기의 완전한 상분리로 교축손실감소와 증발잠열증가 및 팽창효율을 향상시키는 효과가 있다.

아울러 이러한 증발기의 가변제어는 또한 하절기 냉방열원으로 용이하게 사용할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

압축기 - 응축기 - 팽창밸브 - 증발기로 되는 통상의 히트펌프에 있어서, 상기 압축기는 인버터에 연결되어 속도가변되는 2단 원심 압축기로 되고, 팽창밸브는 복수개로 그 사이에 수액기가 연결되고, 증발기는 복수개로 출구측 팽창밸브에 연결되고, 일측 증발기는 팬모터를 포함하고, 상기 압축기의 흡입측에 연결되어 그로부터 검출된 신호에 따라 팬모터가 설정치까지 가감속 구동되도록 하는 온도센서 및 압력센서와, 상기 수액기와 압축기의 2단 흡입측에 연결되어 일정량의 기상 냉매를 증발기의 이전에 회수하는 플래시라인이 구비된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 1 항에 있어서, 상기 응축기의 응축수 순환라인에 연결된 복수의 수조와, 각 수조의 출구에 각각 연결된 밸브 및 펌프가 구비되고, 일측 수조의 출구에 난방 부하가 연결된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인버터의 주파수제어를 위해 응축수 출구에 온도센서가 연결된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 응축기의 응축수 입구의 밸브개폐량을 제어하기 위해 응축기의 냉매출구에 압력센서가 연결된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.1
제 1 항에 있어서, 상기 폐열원에 몰입되는 증발기 튜브에 착탈가능한 스텐레스 주름관이 결합된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 2 항에 있어서, 상기 적정수위를 유지하도록 수조에 플로트 밸브가 연결된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 2 항에 있어서, 상기 펌프는 일정한 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 2 항에 있어서, 상기 일측 수조에 급수관이 연결되고, 타측 수조에 밸브를 갖는 급탕관이 연결된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
제 2 항에 있어서, 상기 펌프는 일정한 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 복합구동장치.
압축 - 응축 - 팽창 - 증발로 되는 통상의 히트펌프 사이클에 있어서, 상기 원심구동에 의한 냉매의 1차 압축, 냉각, 2차 압축단계와, 응축냉매의 1차 팽창단계와, 팽창냉매를 수액기로부터 상분리하는 단계와, 수액기의 일부 기상냉매를 자연압에 의해 압축기의 2단측으로 흡입시키는 단계와, 압축기 흡입측의 온도와 압력에 따라 설정값이 되도록 수액기로부터의 액상냉매를 증발하는 단계와, 냉매의 2차 증발단계가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 능동제어방법.
제 10 항에 있어서, 상기 냉매의 응축시 응축수를 순환ㆍ열교환하는 단계와, 순환 응축수의 압력과 유량을 일정하게 유지하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 능동제어방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 응축수의 출구온도값에 따라 냉매의 압축속도를 가변하는 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 능동제어방법.
제 10 항에 있어서, 상기 응축냉매의 압력값에 따라 냉매의 증발속도와 증발량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 압축식 히트펌프의 능동제어방법.