KR20010031811A - 히트 펌프를 이용한 워터 히터의 열교환기 - Google Patents

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Abstract

워터 히터는 워터 탱크(2)와 히트 펌프 시스템(20)을 가진다. 열 교환기(26)는 압축기(22)에 연결된 인입 매니폴드(27), 증발기(25)에 연결된 배출 매니폴드(28) 및 인입 및 배출 매니폴드(27)및(28)사이에 나란히 연결된 다수개의 열교환 튜브(29)및(30)을 구비한다. 열교환 튜브(29)및(30)는 워터 탱크(21)주위에 나선으로 감기고 탱크(21)와 열전도 관계로 탱크 벽(32)에 고정된다. 히트 펌프 시스템(20)을 통하여 순환하는 냉매 유체의 응축으로부터의 열은 탱크(21)속에 수용된 물에 전달된다. 하나 이상의 열교환 튜브(29)및(30)를 나란히 설치하면 하나의 코일 열 교환기에 비해서 탱크(21)속의 물을 보다 빠르고 효과적으로 가열한다.

Description

히트 펌프를 이용한 워터 히터의 열교환기{Heat exchanger for water heater using heat pump}
수가열 시스템을 보완하는 태양 에너지의 이용은 기술의 발전과 함께 점차로 실용화되고 있다. 호주 특허 제509901호에는, 냉매 열펌프를 사용하여 태양 에너지를 보다 효과적으로 변환시키는 솔라 부스티드 히트 펌프가 소개된다.
유럽 특허 제0336751호에는, 워터 히터가 소개되는데 이것은 한 단부에 인접한 냉수 인입구와 다른 단부에 인접한 온수 배출구를 가지는 워터 탱크와, 열전도 결합부에 의해서 냉매 유체를 나르고 워터 탱크를 둘러싸는 열교환 튜브와, 주위 조건으로부터 열 에너지를 흡수하는 증발기 및 냉매 유체를 열교환 튜브를 통해서 증발기로 순환시키는 압축기를 구비한다. 열교환 튜브는 열전도 결합물질에 의해서워터 탱크의 벽의 외부에 고정되며 튜브는 탱크에 고정될 때 인장하에 있게 되는데 이것은 사용중에 튜브와 탱크의 신장 또는 수축으로 열전도 결합물질이 부서지는 것을 줄이기 위해서 이다.
유럽 특허 제0336751호의 열교환 장치는 워터 탱크속의 물을 가열하는데 매우 효과적으로 작동한다. 예를들면, 340 리터 탱크의 물은 약 4 시간 동안에 약 60℃로 가열될 수 있다. 그러나 유럽 특허 제0336751호의 장치 보다 효과적으로 워터 탱크의 물을 가열할 수 있는 개선된 열교환 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 워터 히터의 개선에 관한 것으로, 특히 워터 탱크의 개선된 열교환장치에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 열전달성질의 물질로 형성된 탱크 벽을 가지는 워터 탱크를 제공하고, 워터 탱크로 열을 전달하는 열교환기와 증발기 및 냉매 유체를 열교환기를 통하여 증발기로 순환시키는 압축기를 구비한 열펌프 시스템을 제공하며, 열교환기는 압축기에 연결된 인입 매니폴드와 인입 및 배출 매니폴드사이에 나란히 연결된 다수개의 열교환 튜브들을 가지고, 상기 다수개의 열교환 튜브들은 워터 탱크 주위에 감싸여지고 탱크 벽과 열전도 관계를 가지게 탱크 벽에 고정되어 튜브속의 냉매 유체의 응축열을 탱크 벽을 통하여 탱크속에 수용된 물에 전달하게 된다.
특히, 열교환 튜브들은 열전도 결합물질에 의해서 탱크 벽에 고정되고 탱크 벽에 고정될 때 인장하에 있게 된다. 이것은 사용중에 튜브와 탱크의 신장 및 수축으로 열전도 결합물질이 부서지는 것을 줄여준다.
또한 한쌍의 열교환기 튜브는 탱크 벽주위에 나선으로 감겨지게 배치된다. 이러한 튜브들은 탱크의 하단에 인접한 위치로부터 탱크 높이의 약 80%를 넘지않는 위치까지 연장되는 것이 좋다.
열교환 튜브의 상단은 하나 이상의 라이저 튜브에 의해서 인입 매니폴드에 편리하게 연결되고 열교환 튜브의 하단은 하나 이상의 라이저 튜브에 의해서 배출 매니폴드에 연결된다.
또한 워터 탱크와 열교환 튜브는 강철로 제조된다. 이것은 탱크와 튜브의 상이한 신장계수로 인하여 열전달 접촉부가 손실되는 것을 줄여 준다.
본 발명의 양호한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 단지 실시예로서 설명된다.
도1은 수가열 솔라 부스티드 히트 펌프 시스템의 개략도이고,
도1a는 열교환 튜브의 부착상태를 도시하는 본 시스템의 워터 탱크의 일부분의 부분 확대 단면도이며,
도2는 본 발명에 따른 개선된 열 교환기를 가지는 워터 탱크에 결합된 히트 펌프 시스템의 개략도이다.
도1을 참조하면, 유럽 특허 제0336751호의 솔라 부스티드 히트 펌프 시스템이 참고로 도시된다. 히트 펌프 시스템은 워터 탱크(1), 워터 탱크(1) 주위에 감싸여져 냉매를 나르는 열교환 튜브(8), 암축기(12), 리시버/필터/드라이어(13) 및 질렬의 솔라 증발기 판들(15)을 구비한다. 각각의 증발기 판(15)은 구불구불한 형상으로 배열된 다수개의 냉매 통로들(16)을 가진다. 워터 탱크(1)와 열교환 튜브(8)는 절연 포옴(11)이 수용된 하우징(10)속에 있고 압축기(12)와 리시버/필터/드라이어(13)는 탱크 하우징(10)의 상부에 위치된 냉동 샤시(14)의 위에 설치된다. 본 시스템은 서모스테트 T 를 가지는 서모스테트 콘트롤 시스템을 구비한다. 또한 본 시스템은 리시버/필터/드라이어(13)와 증발기 판(15)사이의 액체 라인에 Tx 신축 밸브를 구비한다.
워터 탱크(1)는 원통형 벽(2), 하부 벽(3), 볼록한 상부 벽(4), 하부 벽(3)에 인접하고 디퓨저 또는 분배기(6)와 결합된 냉수 인입구(5) 및 상부 벽(4)에 인접한 온수 배출구(7)를 구비한다. 하부 벽(3)이 오목하게 도시되었으나 필요하면 볼록하게 될 수 있다. 냉매 R12 와 같은 냉매 B 를 나르는 열교환 튜브(8)는 탱크 벽(2)의 외부면 주위로 감싸여 진다. 튜브(8)는 도1a에는 평평하게 도시되었으나 단면은 D 형상이고 평평한 부분은 얇은 필름의 납땜(9)에 의해서 탱크(1)의 벽(2)의 외부면과 튜브(8)의 평면사이에서 벽(2)의 표면에 열전도 결합된다. 납땜시 그리고 사용중에 튜브와 탱크 벽(2)의 신장 수축시 최선의 접촉을 기하기 위하여, 튜브(8)는 1,286 N 등급의 인장하에 탱크(1) 주위에 감싸지고 인장하에 탱크(1)에 고정된다. 이것은 유럽 특허 제0336751호에 설명된 방법으로 이루어진다.
냉매를 나르는 튜브(8)를 탱크(1)의 외부면에 부착시켜서 이중벽 효과가 자동적으로 이루어지고 냉매 운반 튜브가 물과 닿는 곳은 이중 벽 튜브를 사용하라는 관련 수 관리부의 요구사항의 보호도 만족하게 됨을 알 수 있다. 튜브(8)와 탱크(1) 모두는 유사한 재료 또는 적어도 열신장 계수가 유사한 재료들로 만들어지는 것이 좋다.
본 발명에서는, 튜브(8)와 탱크(1)는 강철 또는 스텐인레스 스틸로 제조된다. 예를들어, 튜브는 번디웰드 스틸 튜브이고 탱크(1)는 마일드 스틸로 제조될 수 있다. 상기에 언급했듯이, 튜브(8)와 탱크(1)사이의 열접속은 인장하에 튜브(8)를 탱크(1)주위에 감아서 유지될 수 있다. 약간 다른 열신장계수를 가지는 재료들이 사용되면, 재료들의 신장 수축의 차이는 튜브(8)의 와인딩 텐션을 증가시켜서 보상될 수 있다. 어째든, 튜브를 인장하에 감으면 열접속이 사용중에 신장 수축에 의해 야기되는 재료들의 굽힘에도 불구하고 유지된다.
사용중에, 압축기(12)는 압력하의 냉매 가스를 열교환 튜브(8)로 공급하고 냉매 B 가튜브(8)속에 응축되면 열은 탱크 벽(2)을 통해서 탱크(1)속에 수용된 물에 전달된다. 그리고 응축된 냉매는 리시버/필터/드라이어(13)와 Tx 신장 밸브를 통과하여 태양에 노출된 위치로 설치된 증발기 판(15)에 들어가서 판(15)의 통로(16)속의 냉매는 냉매가 공급 라인 12G 를 통하여 압축기(12)로 귀환되기 전에 주위조건으로부터 열을 흡수할 수 있다.
상기의 실시예에 도시된 증발기 판들은 태양에 노출된 위치에 설치되었으나, 이러한 판들은 주위 온도가 높은 곳 또는 탱크가 지붕위에 또는 적어도 일부가 태양에 노출되는 다른 장소에 설치되어 그 부분에 감겨진 형태로 설치될 수 있다. 이러한 상태에서, 히트 펌프는 적어도 일부가 에어 소스 히트 펌프로 작동된다.
도2를 참조하면, 도1과 유사한 워터 탱크(21)의 히트 펌프 시스템(20)이 도시되나, 개선된 열교환 장치가 결합되어 있다. 히트 펌프 시스템(20)은 압축기(22), 리시버/필터/드라이어(23), Tx 신장 밸브(24), 증발기(25) 및 압축기(22)와 리시버/필터/드라이어(23)사이에 연결된 열 교환기(26)를 구비한다. 증발기(25)는 도1에서 언급된 적어도 하나의 솔라 콜렉터 판넬(15)을 가진다. 솔라 판넬(15)의 수는 압축기의 크기와 히트 펌프 시스템이 설계된 기후 조건에 따라 변할 수 있다.
열교환기(26)는 압축기(22)에 연결된 입입 매니폴드(27), 리시버/필터/드라이어(23)에 연결된 배출 매니폴드(28) 및 워터 탱크(21)주위에 감겨지고 인입 및 배출 매니폴드(27)및(28)사이에 나란히 연결된 한쌍의 열교환 튜브(29)및(30)을 구비한다.
워터 탱크(21)는 도1과 유사하여 원통형 벽(32), 하부 벽(33), 볼록한 상부 벽(34), 하부 벽(33)에 인접하고 디퓨저 또는 분배기(36)를 결합한 냉수 인입구(35) 및 상부 벽(34)에 인접한 온수 배출구(37)를 구비한다. 열교환 튜브(29)및(30)는 도1a의 튜브(8)와 유사하게 D 형 단면을 가지게 평평하게 이루어진다. 열교환 튜브(29)및(30)의 평평한 부분은 얇은 필름 납땜과 같은 열전도 결합물질에 의해서 워터 탱크(21)의 원통 벽(32)의 외부면에 고정된다.
납땜시 그리고 사용중에 튜브와 탱크 벽(2)의 신장 수축시 최선의 접촉을 기하기 위하여, 튜브(8)는 1,286N 등급의 인장하에 탱크(1)주위에 감싸여지고 인장하에 탱크(1)에 고정된다. 이것은 유럽 특허 제0336751호에 설명된 방법으로 이루어 질 수 있다.
양호한 실시예에서, 열교환 튜브(29)및(30)는 약 12 mm 의 내경을 가지는 번들웰드 스틸 튜브로 제조되고 튜브(29)및(30)는 탱크의 하부에 인접한 위치로부터 탱크 높이의 약 80% 를 넘지않는 위치까지 탱크(21)주위에 나선으로 감겨진다. 탱크(21)는 튜브(29)및(30)와 유사한 열신장계수를 가지는 마일드 스틸과 같은 재료로 제조된다.
약간 다른 열신장계수를 가지는 재료들이 사용되면, 재료들의 신장 수축의 차이는 튜브(8)의 와인딩 텐션을 증가시켜 보상될 수 있다. 어째든, 튜브를 인장하에 감으면 열접속이 사용중의 신장 수축에 의해서 야기된 재료의 굽힘에도 불구하고 유지될 수 있다.
열교환 튜브(29)및(30)의 상단은 인입 매니폴드(27)에 직접 연결되나, 열교환 튜브(29)및(30)의 하단은 각각의 라이저 튜브(39)및(40)에 의하여 배출 매니폴드(28)에 연결된다. 라이저 튜브(39)및(40)는 3/8 인치(9.5 mm) 직경의 동 튜브로 편리하게 제조될 수 있다. 인입 및 배출 매니폴드(27)및(28)도 동으로 제조될 수 있고, 인입 매니폴드(27)는 약 1/2 인치(12.5 mm) 직경의 압축기(22)에 연결된 상부 튜브 부분(41)을 가지며, 배출 매니폴드(28)는 약 3/8 인치(9.5 mm) 직경의 리시버/필터/드라이어(23)에 연결된 상부 튜브 부분(42)을 가진다. 그러나, 열교환 튜브(29)및(30), 라이저 튜브(39)및(40) 및 매니폴드(27)및(28)의 상부 튜브 부분(41)및(42)의 크기와 그 재료는 여러가지 용도에 따라 변경될 수 있다.
양호한 실시예에서, 340 리터 워터 탱크용으로 열교환 튜브(29)및(30)의 각각의 총 길이는 약 32 미터이고, 각각의 튜브(29)및(30)는 탱크(21)주위로 약 18번 나선으로 감겨지고 각각의 와인딩 피치는 약 54 mm 이다.
적어도 2개의 열교환 튜브가 인입 및 배출 매니폴드사이에 나란히 연결된 열교환 장치는 도1에 도시된 하나의 튜브장치에 비해서 워터 탱크의 물을 빨리 효과적으로 가열할 수 있다는 것을 알 수 있다. 서로에 대해 매우 가깝게 위치한 2개의 나란한 열교환 튜브는 탱크 표면 온도를 증가시키고 근접한 튜브의 온도를 고르고 일정하게 유지시킨다. 이것은 탱크와 물사이의 열전달을 증진시킨다. 예를들면, 340 리터 워터 탱크에서 상기에 언급한 한쌍의 튜브(29)및(30)를 가지는 도2의 장치는 도1과 같은 하나의 튜브로 약 4 시간걸리는 것에 비해 약 2 시간내에 물을 주위 온도로부터 약 60℃로 가열할 수 있다.
여기에는 도1의 열전달 장치에 설치될 수 있는 압축기의 크기에 제한이 있고, 따라서 이루어지는 회수율에 제한이 있다. 높은 회수 용량의 설계는 큰 가정용이나 상업용에서 종종 요구된다. R22 냉매에서, 도1의 압축기를 사용하는 제한은 하나의 12 mm 튜브가 탱크주위에 감겨졌을 때 약 1300W 노미널 압축기 크기이다. 탱크주위에 다수개의 코일들을 감으면, 큰 가스 흐름량이 가능하여 큰 압축기가 큰 가정용이나 상업용에서 요구되는 높은 회수율을 이룰 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 대한 여러가지 변경이나 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어 질 수 있다. 예를들어, 2개 이상의 열교환 튜브가 인입 및 배출 매니폴드사이에 나란히 연결되고 워터 탱크주위에 감겨지는 것이 가능하다.

Claims (15)

  1. 열전달 재료로 형성된 탱크 벽을 가지는 워터 탱크와,
    워터 탱크에 열을 전달하는 열 교환기, 증발기 및 냉매 유체를 열 교환기를 통해서 증발기로 순환시키는 압축기를 구비하고, 열 교환기는 압축기에 연결된 인입 매니폴드와 배출 매니폴드 및 인입 및 배출 매니폴드사이에 나란히 연결된 다수개의 열교환 튜브를 가지며 상기 다수개의 열교환 튜브는 워터 탱크주위에 감싸지고 탱크 벽에 열전도 관계로 고정되어 튜브속의 냉매 유체의 응축으로부터의 열을 탱크 벽을 통하여 탱크속에 수용된 물에 전달하게 구성된 히트 펌프 시스템으로 이루어지는 워터 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    열교환 튜브는 열전도 결합물질에 의해서 탱크 벽에 고정되고 이들이 탱크 벽에 고정될 때 인장하에 있는 워터 히터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수개의 열교환 튜브는 상기 열전도 결합물질에 의해서 탱크 벽에 고정되는 평평한 벽 부분을 가지는 워터 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    열교환 튜브는 거의 D 형 단면인 워터 히터.
  5. 상기 항들중 어느 하나에 있어서,
    열교환 튜브는 워터 탱크주위에 나선으로 감겨진 워터 히터.
  6. 제5항에 있어서,
    열교환 튜브는 탱크의 하단에 인접한 위치로부터 탱크 높이의 약 80% 를 넘지않는 위치까지 연장하는 워터 히터.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    한쌍의 열교환 튜브는 워터 탱크주위에 나선으로 감겨지는 워터 히터.
  8. 제7항에 있어서,
    각각의 열교환 튜브의 와인딩 피치는 약 55 mm 인 워터 히터.
  9. 제8항에 있어서,
    열교환 튜브의 직경은 약 12 mm 인 워터 히터.
  10. 제5항 내지 제9항중 어느 하나의 항에 있어서,
    열교환 튜브의 상단은 인입 매니폴드에 연결되고 열교환 튜브의 하단은 하나 이상의 라이저 튜브에 의해서 연결되는 워터 히터.
  11. 상기 항중 어느 하나의 항에 있어서,
    워터 탱크와 열교환 튜브는 동일하거나 유사한 열신장계수를 가지는 재료로 제조되는 워터 히터.
  12. 제10항에 있어서,
    워터 탱크와 열교환 튜브는 강철로 제조되는 워터 히터.
  13. 상기 항중 어느 하나의 항에 있어서,
    신장 밸브는 배출 매니폴드와 증발기사이에 연결되는 워터 히터.
  14. 상기 항중 어느 하나의 항에 있어서,
    히터 펌프 시스템은 리시버/필터/드라이어를 가지는 워터 히터.
  15. 상기 항중 어느 하나의 항에 있어서,
    증발기는 적어도 하나의 솔라 콜렉터 판넬을 가지며 솔라 콜렉터 판넬은 냉매 유체가 판넬과 열전도 관계로 순환하는 통로들을 가지는 워터 히터.
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