KR200401277Y1 - 히트펌프 - Google Patents

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KR200401277Y1
KR200401277Y1 KR20-2005-0024179U KR20050024179U KR200401277Y1 KR 200401277 Y1 KR200401277 Y1 KR 200401277Y1 KR 20050024179 U KR20050024179 U KR 20050024179U KR 200401277 Y1 KR200401277 Y1 KR 200401277Y1
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medium
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변충근
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권이원
변충근
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Abstract

본 고안은 히트펌프에 관한 것으로, 본 고안의 일 측면에 따른 히트펌프는 냉매를 고온 및 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 실내 열교환기와, 상기 실내 열교환기에서 배출된 냉매로부터 열매체로의 열전달이 이루어지는 축열 열교환기와, 상기 냉매가 증발하면서 상기 축열 열교환기에 의해 축열된 상기 열매체로부터 열을 흡수하는 열매체 열교환기와, 상기 열매체를 상기 축열 열교환기 및 상기 열매체 열교환기 사이에서 순환시키는 순환장치와, 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매를 증발시켜 외부로부터 열을 흡수하는 실외 열교환기와, 상기 실내 열교환기 및 상기 실외 열교환기 입구에 설치되어 상기 냉매 또는 상기 열매체를 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 실외 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제2 제어밸브와, 상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 열매체 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제1 제어밸브를 포함하여 열효율이 우수하고 착상이 발생하지 않는다.

Description

히트펌프{HEAT PUMP}
본 고안은 히트펌프에 관한 것이다.
히트펌프(heat pump)는 에어컨디셔너(air conditioner)의 냉각 싸이클(cooling cycle)에서 냉매의 흐름을 역전함으로써 냉방과 난방을 선택적으로 행할 수 있는 공기 조화장치로서, 계절에 상관없이 사용할 수 있을 뿐만 아니라 환경 오염에 대한 부담이 적기 때문에 많이 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 히트펌프의 시스템을 나태는 구성도로서, 그 구성은 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)로부터 압축된 고온 및 고압의 냉매를 액상의 냉매 상태로 응축시키는 실내 열교환기(2) 및 실내팬(3), 상기 실내 열교환기(2)로부터 응축된 액상의 냉매를 팽창시켜 액상 및 기상의 2상 상태의 냉매로 변화시키는 팽창밸브(4), 상기 팽창밸브(4)를 통과하면서 압력과 온도가 떨어져서 2상 상태로 변한 냉매를 기상 상태의 냉매로 증발시키는 실외 열교환기(5) 및 실외팬(6), 냉방 또는 난방 모드의 선택에 따라 냉매의 유로를 변경하는 사방변(7)으로 구성된다. 도 1에서 화살표는 냉매의 흐름 방향을 나타낸다.
이와 같은 구성을 갖는 히트펌프의 난방동작을 설명하면 다음과 같다.
우선, 전원이 히트펌프에 인가되면 상기 압축기(1)로 냉매가 유입되어 압축된 고온 및 고압의 냉매는 상기 실내 열교환기(2)로 유입되어 액상 및 기상의 2상 상태로 변하고, 계속적인 열교환에 의해서 상기 실내 열교환기(2)의 출구측에서는 상기 냉매가 액상으로 변한다. 이때, 실내 공기는 상기 실내팬(3)의 회전에 의해 상기 실내 열교환기(2)로 유입된 후 고온 및 고압의 냉매와 열교환을 하고, 온도가 상승한 상태에서 실내로 토출되어 실내를 난방하게 된다. 그리고 상기 실내 열교환기(2)로부터 응축된 액상의 냉매는 상기 팽창밸브(4)를 통과하면서 압력과 온도가 급격히 하강하여 액체 및 기체의 2상의 냉매로 변화되어 상기 실외 열교환기(5)로 유입된다. 상기 실외 열교환기(5)로 유입된 2상 상태의 냉매는 실외 공기와의 열교환을 실시하면서 기상 상태의 냉매 가스로 증발되고, 다시 상기 압축기(1)로 유입됨으로써 싸이클을 반복한다.
이때, 상기 실외 열교환기(5)에서의 열교환 작용은 흡입된 실외 공기로부터 열을 흡수하는 것이므로 상기 실외 열교환기(5)의 내부와 외부에는 온도차가 발생한다. 예를 들어 실외 공기의 온도가 7℃인 경우 상기 실외 열교환기(5)의 온도는 약 1~2℃인 상태에서 상기 히트펌프의 싸이클이 형성되고, 실외 공기가 더 하강하면 상기 실외 열교환기(5)의 온도가 0℃ 이하로 하강하게 된다.
이렇게 상기 실외 열교환기(5)의 내부와 외부의 온도차가 일정 정도(일반적으로 5~7℃) 이상 발생하면 상기 실외 열교환기(5)의 외벽에는 착상(着霜)이 발생하게 된다. 이러한 착상 현상은 일반적으로 히트펌프의 작동 후 30분이 경과한 후 발생하게 된다. 이러한 서리층은 공기와 냉매 사이에서 열전달을 방해하는 열저항체로 작용할 뿐만 아니라 상기 실외 열교환기(5)를 통과하는 실외 공기의 유로를 가로막아 공기의 시스템 저항을 증가시키므로 실외 열교환기(5) 내로 유입되는 풍량을 감소시켜 실외 열교환기(5)의 공기측 열전달 계수를 감소시키고, 상기 실외 열교환기(5)에서의 열전달량의 감소를 유발한다.
이러한 착상을 제거하기 위해서 종래의 히트펌프는 냉매를 난방운전시의 흐름과 반대로 흐르게 하는 제상운전을 실시하였는데, 이러한 제상운전은 냉매의 흐름이 난방에서 제상운전으로 바뀔 경우 실내측은 저온 및 저압의 냉매에 의해 실내 열교환기의 온도를 강하시켜 난방 복귀 후 실내 열교환기의 온도 강하가 서멀 매스(thermal mass)로 작용하여 난방으로서의 복귀를 그 만큼 지연시킨다. 따라서 종래의 히트펌프는 제상작업으로 인해 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
본 고안은 열효율이 우수하고 착상이 발생하지 않는 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 고안의 일 측면에 따른 히트펌프는, 냉매를 고온 및 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 실내 열교환기와, 상기 실내 열교환기에서 배출된 냉매로부터 열매체로의 열전달이 이루어지는 축열 열교환기와, 상기 냉매가 증발하면서 상기 축열 열교환기에 의해 축열된 상기 열매체로부터 열을 흡수하는 열매체 열교환기와, 상기 열매체를 상기 축열 열교환기 및 상기 열매체 열교환기 사이에서 순환시키는 순환장치와, 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매를 증발시켜 외부로부터 열을 흡수하는 실외 열교환기와, 상기 실내 열교환기 및 상기 실외 열교환기 입구에 설치되어 상기 냉매 또는 상기 열매체를 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 실외 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제2 제어밸브와, 상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 열매체 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제1 제어밸브를 포함한다.
상기 열매체의 온도가 T2 미만인 경우 상기 순환장치는 정지상태에 있고 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매는 상기 열매체에 열을 전달한 후 상기 제2 제어밸브의 개방 및 상기 제1 제어밸브의 폐쇄에 의해 상기 실외 열교환기로 유입되며,상기 열매체가 상기 온도 T2 이상인 경우 상기 순환장치가 작동하고 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매는 상기 제2 제어밸브의 폐쇄 및 상기 제1 제어밸브의 개방에 의해 상기 열매체 열교환기로 유입된 후 증발되어 상기 열매체로부터 열을 전달 받는 것이 바람직하다.
상기 히트펌프는 상기 압축기의 출구측과 상기 축열 열교환기 입구측 사이에 형성된 열매체 밸브와, 상기 압축기의 출구측과 상기 실내 열교환기의 입구측 사이에 형성된 응축기 밸브를 더 포함하고, 상기 열매체의 온도가 T1 미만인 경우 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 밸브의 개방 및 상기 응축기 밸브의 폐쇄에 의해 상기 축열 열교환기로 유입된 후 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 실외 열교환기로 유입되고, 상기 열매체의 온도가 T1 이상인 경우 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 밸브의 폐쇄 및 상기 응축기 밸브의 개방에 의해 상기 실내 열교환기로 유입되는 것이 바람직하다.
실내 온도가 T3 이상인 경우 상기 히트펌프는 대기 상태에 있고, 실내 온도가 T3 미만인 경우, 상기 열매체의 온도가 T2 미만일 때 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 축열 열교환기로 유입된 후 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 실외 열교환기로 유입되고, 상기 열매체의 온도가 T2 이상일 때 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 열교환기로 유입되는 것이 바람직하다.
상기 히트펌프는 상기 열매체의 온도를 측정하는 열매체 측정장치와, 실내 온도를 측정하는 실내 측정장치와, 상기 실내 측정장치로부터 파악된 실내 온도가 T3 이상인 경우 상기 히트펌프를 대기 상태에 있게 하고, 실내 온도가 T3 미만인 경우 상기 열매체 측정장치로부터 파악된 상기 열매체의 온도가 T2 미만일 때 상기 제2 제어밸브를 개방하여 상기 냉매가 상기 실외 열교환기로 흐르게 하고, 상기 열매체의 온도가 T2 이상일 때 상기 순환장치를 작동시키며 상기 제1 제어밸브를 개방하여 상기 냉매가 상기 열매체 열교환기로 흐르게 하는 제어장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열매체는 에틸렌글리콜렌인 것이 바람직하다. 그리고 상기 열매체에는 삼인산나트륨(Na3PO4)이 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 히트펌프는 상기 압축기의 출구측과 상기 실내 열교환기 입구측 사이에 형성된 유분리기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 히트펌프는 상기 압축기의 입구측에 형성된 수액기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 히트펌프는 상기 압축기의 입구측과 상기 수액기 사이에 형성된 사이드 글라스를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 고안에 따른 히트펌프 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2은 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 도시한 구성도이다. 도 2에 도시된 바에 따른 히트펌프는 냉매(도시하지 않음)를 압축하는 압축기(13), 상기 압축기(13)의 출구측에 형성된 유분리기(29), 상기 유분리기(29)의 출구측에 연결되어 있는 열매체 밸브(43) 및 응축기 밸브(41), 상기 응축기 밸브(41)와 연결되어 있는 실내 열교환기(11), 상기 열매체 밸브(43)와 연결된 축열 열교환기(15), 상기 열매체의 온도가 설정치 이상인 경우 상기 냉매가 상기 열매체로부터 열을 공급받는 열매체 열교환기(17), 상기 축열 열교환기(15)와 상기 열매체 열교환기(17) 사이에서 열매체를 순환시키는 순환장치(19), 상기 축열 열교환기(15)의 출구측에 형성된 수액기(25), 상기 열매체 열교환기(17)의 입구측에 형성된 제1 제어밸브(37), 실외에 위치한 실외 열교환기(21) 및 상기 실외 열교환기(21)의 입구측에 위치한 제2 제어밸브(39)를 포함한다. 그리고 도 2에서 화살표는 냉매 또는 열매체의 흐름 방향을 나타낸다.
상기 압축기(13)는 상기 사이드 글라스(27)와 상기 유분리기(29) 사이에 위치하며, 상기 압축기(13)의 입구측과 출구측에는 입구 압력 및 출구 압력을 각각 측정하는 압력계(14)가 장착되어 있다. 상기 압축기(13)에는 상기 열매체 열교환기(17) 또는 상기 실외 열교환기(21)를 통과한 냉매를 압축하여 고온 및 고압의 기체 냉매를 생성한다. 상기 압축기(13)로는 사용 목적에 따라 왕복동식, 사판식, 위블 플레이트식, 로터리식, 스크롤식 등 다양한 형태의 압축기가 사용될 수 있다.
상기 냉매로는 일반적으로 히트펌프에 사용되는 냉매, 예를 들면 R22 등의 냉매가 사용될 수 있다.
상기 사이드 글라스(27)는 상기 수액기(25)로부터 만들어진 냉매 중에 액체가 포함되어 있는지를 검사하는 장치이고, 상기 유분리기(29)는 상기 압축기(13)에 의해 압축된 냉매 중에 포함될 수 있는 오일을 분리하는 장치이다. 또한, 상기 수액기(25)는 상기 압축기(13)로 유입되는 냉매 중에 포함될 수 있는 액상의 냉매를 기상의 냉매로 변환하는 장치이다. 상기 사이드 글라스(27) 및 상기 수액기(25)는 상기 압축기(13)의 성능을 향상시키는 역할을 한다.
상기 열매체 밸브(43)는 상기 유분리기(29)의 출구측과 상기 축열 열교환기(15)의 입구측 사이에 연결되어 있으며, 상기 응축기 밸브(41)는 상기 유분리기(29)의 출구측과 상기 실내 열교환기(11)의 입구측 사이에 연결되어 있다. 히트펌프의 초기 가동시 열매체의 온도가 너무 낮거나 실내가 지정된 난방 온도에 다다른 경우, 상기 열매체 열교환기(43)가 개방되고 상기 응축기 밸브(41)가 폐쇄되어 상기 냉매는 상기 축열 열교환기(15)만으로 흐르게 된다. 그리고 상기 열매체 열교환기(43)가 폐쇄되고 상기 응축기 밸브(41)가 개방되는 경우 상기 냉매는 상기 실내 열교환기(11)만으로 흐른다.
상기 실내 열교환기(11)는 상기 응축기 밸브(41)와 상기 축열 열교환기(15) 사이에 연결되어 있으며, 상기 압축기(13)에 의해 압축된 고온 및 고압의 기상(氣狀) 냉매를 방열시켜 고온 및 고압의 액상 냉매로 응축한다. 따라서 기상의 냉매가 액상(液狀)의 냉매로 변할 때 방출되는 열은 실내의 공기에 전달되어 실내 온도가 상승하게 된다. 상기 실내 열교환기(11)는, 도시하지는 않았지만, 인입 헤더 및 출구 헤더 그리고 이들을 각각 연결하여 서로 통하도록 함으로써 소정의 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 그리고 상기 튜브 사이에 적층되는 코르게이트형 전열 핀을 가진 통상적인 형태의 것이 적용될 수 있다. 그리고 상기 실내 열교환기(11)에는 냉각팬(도시하지 않음)을 별도로 구비할 수 있는데, 상기 냉각팬에 의해서 송풍되는 공기는 튜브들 사이의 전열 핀들을 거치게 되고, 이 과정에서 상기 실내 열교환기(11) 내부를 흐르는 상기 냉매가 송풍되는 공기에 열을 빼앗겨 냉매의 응축 작용이 수행된다.
상기 축열 열교환기(15)는 상기 실내 열교환기(11)의 출구측과 상기 수액기(25) 사이에 위치하며, 상기 축열 열교환기(15) 내부에는 열매체(도시하지 않음)가 순환할 수 있는 파이프 라인이 형성되어 있다. 상기 축열 열교환기(15)의 내부에는 상기 열매체가 상기 실내 열교환기(11)로부터 나온 고온 및 고압의 액상 냉매로부터 열을 전달받음으로써 축열을 한다. 즉, 상기 열매체의 온도가 임의의 설정온도 T2 미만인 경우 상기 열매체의 온도를 T2 이상으로 상승시키기 위해서 상기 실내 열교환기(11)로부터 나오는 고온 및 고압의 냉매를 이용하여 상기 열매체에 축열한다. 그리고 상기 열매체의 온도가 T2 이상인 경우에는 상기 순환장치(19)가 작동하고 상기 제1 제어밸브(37)가 개방되고 제2 제어밸브(39)가 폐쇄되어 상기 열매체 열교환기(17)에서 상기 냉매가 상기 열매체로부터 열을 전달 받는다.
상기 열매체는 상기 실내 열교환기(11)로부터 나오는 고온 및 고압의 냉매로부터 전달받은 열을 저장하기 때문에 비열(specific heat)이 큰 유체, 예를 들면 에틸렌글리콜린인 것이 바람직하다. 그리고 상기 에틸렌글리콜렌에 삼인산나트륨(Na3PO4)을 첨가함으로써 에틸렌글리콜렌의 유동성을 높이는 것이 바람직하다. 상기 열매체는 상기 실내 열교환기(11)로부터 배출된 냉매로부터 나온 열을 저장한 후, 상기 열매체의 온도가 T2 이상이 되면 상기 순환장치(19)에 의해 순환하면서 상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서 상기 냉매에 열을 전달하고 이때, 상기 실외 열교환기(21)는 작동을 중지한다.
따라서 본 고안은 상기 실내 열교환기(11)로부터 나온 냉매의 열을 저장한 후 이를 다시 활용하기 때문에 효율이 우수하다. 그리고 상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서 열교환이 발생하는 동안에는 상기 실외 열교환기(21)의 작동이 정지되고, 이로 인해 상기 실외 열교환기(21)는 착상에 이를 수 있는 시간 동안 작동하지 않기 때문에 (着霜)이 방지된다.
상기 열매체는 온도가 T1 미만인 경우 상기 열매체의 작동을 원활하게 하기 위해서 상기 응축기 밸브(41)를 폐쇄하고 상기 열매체 밸브(43)를 개방하여, 상기 압축기(13)로부터 나온 고온 및 고압의 냉매를 이용하여 상기 열매체를 우선적으로 가열하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 열매체의 온도가 T1 이상인 경우 상기 응축기 밸브(41)를 개방하고 상기 열매체 밸브(43)를 폐쇄하여 정상적인 난방 운전을 한다.
상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서는 T2 이상의 온도를 갖는 상기 열매체와 상기 냉매 사이에 열교환이 이루어진다. 즉, 상기 축열 열교환기(15)에 의해 축열된 상기 열매체로부터 상기 제1 제어밸브(37)를 통해 유입된 냉매로 열이 전달된다. 이때 상기 순환장치(19)는 상기 열매체를 상기 축열 열교환기(15)와 상기 열매체 열교환기(17) 사이에서 순환시킨다. 상기 순환장치(19)는 순환 펌프 등이 사용될 수 있다.
상기 열매체 열교환기(17)의 입구측에는 제1 팽창밸브(31)가 연결되어 있다. 상기 제1 팽창밸브(31)는 상기 제1 제어밸브(37)를 통해 유입된 냉매의 온도 및 압력을 급격하게 떨어뜨려 상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서 냉매의 증발 작용을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 제1 팽창밸브(31)는, 구체적으로 도시하지는 않았지만, 감온실 내부의 온도에 따른 다이어프램의 팽창변위에 의하여 압력전달 로드를 통하여 고압 냉매유로의 궤도를 조절하는 내부 균압식, 캐필러리 튜브를 이용한 다이어프램의 팽창변위에 의하여 고압냉매유로의 궤도를 조절하는 외부 균압식 등 일반적으로 감온식 팽창밸브를 사용할 수 있다.
상기 실외 열교환기(21)에는 상기 냉매가 상기 축열 열교환기(15)에서 상기 열매체에 열을 전달한 후 상기 제2 제어밸브(39)를 통하여 유입된다. 상기 실외 열교환기(21)에서는 상기 축열 열교환기(15)에서 상기 열매체에 열을 전달한 상기 냉매 유입된 후 증발함으로써 증발잠열에 의해 외부로부터 열을 흡수한다. 상기 실외 열교환기(21)는 상기 열매체의 온도가 T2 미만이어서 상기 열매체가 상기 냉매에 열을 전달하는 것이 비효율적인 경우, 외부로부터 열을 흡수하여 상기 냉매에 전달하는 역할을 한다. 그리고 상기 열매체의 온도가 T2 이상인 경우 상기 실외 열교환기(21)는 작동을 멈추게 된다.
상기 실외 열교환기(21)의 전면에는 실외기팬(23)이 위치하고 있으며, 상기 실외기팬(23)은 상기 실외 열교환기(21)에 외부 공기가 유입되게 한다.
상기 실외 열교환기(21)의 내외부 온도차가 일반적인 착상 조건인 7℃ 이상이 되기 위해서는 상기 실외 열교환기(21)의 작동 후 약 30분 정도가 소요된다. 그런데, 상기 실외 열교환기(21)가 작동하는 시간 즉, 상기 열매체 온도가 T2 미만에서 T2 이상으로 축열되는 걸리는 시간이 약 2~3분에 해당하기 때문에 상기 실외 열교환기(21)에서 착상이 발생할 수 없게 된다.
상기 실외 열교환기(21)의 입구측에는 제2 팽창밸브(33)가 연결되어 있다. 상기 제2 팽창밸브(33)는 상기 제2 제어밸브(39)를 통해 유입된 냉매의 온도 및 압력을 급격하게 떨어뜨려 상기 실외 열교환기(21)에서 냉매의 증발 작용을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 제2 팽창밸브(33)는 상기 제1 팽창밸브(31)와 동일한 종류의 밸브가 사용될 수 있다.
상기 제1 팽창밸브(31)의 입구측에는 상기 제1 제어밸브(37)가 연결되어 있고,상기 제2 팽창밸브(33)의 입구측에는 상기 제2 제어밸브(39)가 연결되어 있다. 상기 열매체의 온도가 T2 이상이어서 상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서 열교환이 발생하는 경우 상기 제1 제어밸브(37)가 개방되고 상기 제2 제어밸브(39)가 폐쇄된다. 그리고 상기 열매체의 온도가 T2 미만이어서 상기 열매체 열교환기(17)가 작동하지 않고 상기 실외 열교환기(21)가 작동하는 경우, 상기 제1 제어밸브(37)는 폐쇄되고 상기 제2 제어밸브(39)는 개방된다.
상기 수액기(25)의 출구측에는 과압차단기(35)가 연결되어 있는데, 상기 과압차단기(35)는 상기 실내 열교환기(11)로부터 나온 고온 및 고압의 냉매의 압력을 측정하여 제어장치(도시하지 않음)에 전달하는 역할을 한다.
도 2에 도시하지는 않았지만, 상기 히트펌프 시스템은 상기 열매체의 온도를 측정하는 열매체 측정장치와 실내 온도를 측정하는 실내 측정장치를 추가로 구비할 수 있다. 또한, 상기 히트펌프 시스템은 상기 실내 측정장치로부터 파악된 실내 온도가 T3 이상인 경우 상기 히트펌프의 작동을 중지시키고, 실내 온도가 T3 미만인 경우 상기 열매체 측정장치로부터 파악된 상기 열매체의 온도가 T2 미만일 때 상기 제2 제어밸브(39)를 개방하고 제1 제어밸브(37)를 폐쇄하여 상기 냉매가 상기 실외 열교환기로 흐르게 하고, 상기 열매체의 온도가 T2 이상일 때 상기 순환장치를 작동시키며 상기 제2 제어밸브(39)를 폐쇄하고 제1 제어밸브(37)를 개방하여 상기 냉매가 상기 실내 열교환기로 흐르게 하는 제어장치를 추가로 구비할 수 있다. 이와 같은 제어장치는 실내 온도 및 상기 열매체의 온도를 측정하여 상기 히트펌프의 작동을 전반적으로 제어하는 역할을 한다.
상기 T3는 설정하고자 하는 실내 온도이며, 이는 상기 제어장치에 설정될 수 있다. 실내 온도가 T3 미만인 경우 상기 제어장치가 상기 열매체의 온도를 측정하여 상기 히트펌프의 난방운전을 시작하며, T3 이상인 경우 상기 제어장치는 히트펌를 대기상태에 있게 한다.
상기 T2는 열매체가 상기 축열 열교환기(15)의 내부에서 상기 냉매로부터 열을 전달 받아서 상기 열매체 열교환기(17)의 내부에서 상기 냉매에 열을 전달하기에 적당한 온도를 의미한다. 상기 T1은 상기 히트펌프의 초기 작동 시 또는 장시간 정지된 후 작동하여 상기 열매체의 온도가 너무 내려간 경우 시스템의 작동을 원활하게 하기 위해서 상기 제어장치가 상기 열매체를 우선적으로 가열할 것인지를 판단하는 기준이 되는 온도를 의미한다.
이하에서는 도 3을 참조하면서 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프의 작동을 설명하기로 한다. 도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프의 작동 순서를 도시한 흐름도이다.
우선, 상기 제어장치는 실내 온도가 T3 이상인지를 파악한 후, T3 이상인 경우 상기 히트펌프의 작동을 정지시킨 후 대기 상태에 있게 한다. 실내온도가 T3 미만인 경우 상기 제어장치는 상기 열매체의 온도가 T1 이상인지를 파악한다.
상기 열매체의 온도가 T1 미만인 경우, 상기 제어장치는 상기 열매체 밸브(43) 및 상기 제2 제어밸브(39)를 개방하고 상기 실외 열교환기(21)를 작동시킨다. 따라서 상기 열매체는 상기 압축기(13)로부터 나온 고온 및 고압의 냉매로부터 열을 흡수한다. 그리고 상기 제어장치는 상기 열매체의 온도를 지속적으로 측정하여 열매체의 온도가 T1 이상이 되는지를 파악하고, 상기 열매체의 온도가 T1 이상인 경우 상기 제어장치는 상기 응축기 밸브(41)를 개방하고 상기 열매체 밸브(43)를 폐쇄하며 상기 실내 열교환기(11)를 작동시키고 상기 열매체의 온도가 T2 이상이 되는지를 판단한다.
상기 열매체의 온도가 T2 미만인 경우에는 상기 열매체가 상기 냉매를 가열하기 위한 충분한 열량을 가지지 못한 것이므로, 상기 열매체에 축열하기 위해 상기 제2 제어밸브(39)를 개방하고 상기 제1 제어밸브(37)를 폐쇄함과 동시에 상기 실외 열교환기(21)를 작동시킨다. 그 후 상기 제어장치는 실내온도가 T3 이상인지를 판단하는 단계를 수행한다.
상기 열매체의 온도가 T2 이상인 경우에는 상기 열매체가 상기 냉매에 열을 공급히기 위한 충분한 열량을 가진 것이므로, 상기 열매체에 축열된 열량을 상기 냉매에 전달하기 위해서 제1 제어밸브(37)를 개방하고 상기 제2 제어밸브(39)를 폐쇄함과 동시에 상기 순환장치(19) 및 상기 열매체 열교환기(17)를 작동시킨다. 그리고 상기 제어장치는 상기 실외 증발기(21)의 작동을 정지시킨다. 그 후, 상기 제어장치는 실내 온도가 T3 이상이 되는지를 파악하는 단계를 반복하게 된다.
이때 상기 냉매는 상기 열매체로부터 축열된 열을 전달받기 때문에 상기 실외 열교환기(21)를 정지시키는 것이 가능하게 되고, 상기 실외 열교환기(21)는 상기 열매체가 축열되어 온도가 T2 이상으로 유지되는 경우 정지하고, 상기 열매체에 축열된 열량이 상기 열매체 열교환기(17)에 의해 상기 냉매로 전달되어 온도가 T2 미만인 경우에는 작동하게 된다. 이때, 상기 실외 열교환기(21)의 작동시간은 착상되기 위해 필요한 시간보다 짧기 때문에 상기 실외 열교환기(21)에는 착상이 발생하지 않게 되는 것이다.
이하에서는 실험을 통하여 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프의 구성 및 효과에 대해서 더욱 구체적으로 살펴보기로 한다.
실험조건
상기 압축기(13)로서 5HP 스크롤 압축기를 사용하고 상기 실내 열교환기(11)에는 9,600Kcal/h 급 온수 공급형 팬히터(소비전력 45W) 3대 및 온수 순환형 모터(2,400Kg/h)를 사용하였다. 그리고 상기 순환장치(19)로서 열매체 순환형 모터(6,000Kg/h) 1대를 사용하고, 실외 열교환기(21)로서 5HP급 공냉식 증발기 1대를 사용하였다. 또한, 상기 제어장치로서 요고가와 DA시리즈 데이터 모듈장치를 사용하고, 측정장치로서 R 타입의 온도센서 8 개를 사용하였다. 상기 온도센서는 상기 압축기(13), 상기 실내 열교환기(11), 상기 열매체 열교환기(17) 및 상기 실외 열교환기(21)의 입출구측에 설치하였다.
실외의 온도 조건은 0~3℃이고 상기 제1 팽창밸브(31) 및 제2 팽창밸브(33)는 모세관 타입이다. 실내 온도가 정상화되는 시점을 상기 히트펌프의 1시간 가동 후 즉 온수의 온도가 50℃ 이상되는 점으로 선택했으며, 상기 열매체의 온도는 40~45℃에서 측정하였다. 그리고 상기 실외 열교환기(21)는 실외에 설치하였으며 상기 실내 열교환기(11)와의 거리는 3m이다. 그리고 상기 제2 팽창밸브(33)에서 강하되는 압력 P1, P2, P3 및 P4는 저온에서 고압으로 변경하여 측정하였다.
실험결과
상기 측정장치에 의해 측정된 결과를 상기 제2 팽창밸브(33)에 의해 강하되는 압력의 크기에 따라 아래의 표1 내지 표 4에 나타내었다.
표 1. P1급 팽창밸브 사용시
측정 압축기 실내 열교환기 열매체 열교환기 실외 열교환기 실내 열교환기(물) 비고
출구 입구 입구 출구 공급 배출
1 94.1 -6.2 85.4 51.2 45 -6 51.7 44.2  
2 97.8 26.7 90.1 54 39.9 1.3 54 45.7  
3 95.3 -5.5 88.3 52.3 45 -5.6 52.5 45 실내난방시작
4 98.9 26.1 91.3 55 39.9 1.4 54.5 46.1  
5 96.2 -6.1 88.9 52.5 45.1 -6.2 52.7 45.4  
평균 96.46 7.00 88.80 53.00 42.98 -3.02 53.08 45.28 난방편차 7.8℃
표 2. P2급 모세관 팽창변 사용시
측정 압축기 실내 열교환기 열매체 열교환기 실외 열교환기 실내 열교환기(물) 비고
출구 입구 입구 출구 출구 입구
1 96.2 25.8 89.2 52.9 39.9 2.2 52.2 43.7  
2 94.6 -6.6 87 50.9 49 -6.9 51.5 44  
3 98.1 26.1 91.3 54.6 39.9 2.4 53.7 45.3  
4 97.2 -6.7 90 52 45.5 -7.7 52.1 43.8  
5 100 26.7 92.8 54.9 40 2.4 54.2 45.8  
6 97.7 -6.2 90.2 52 44.9 -3.6 52.6 45  
7 97 26.1 92.6 54.8 39.7 2.0 54.4 45  
평균 97.26 12.17 90.44 53.16 42.70 -1.31 52.96 44.66 난방편차 8.3℃
표 3. P3급 모세관 팽창변 사용시
측정 압축기 실내 열교환기 열매체 열교환기 실외 열교환기 실내 열교환기(물) 비고
 
출구 입구 입구 출구 출구 입구
1 95.3 -6.9 86.7 48.1 45 -7.2 47.2 39.9  
2 98.4 24.9 89.4 51.2 39.8 6.9 50.1 41.7  
3 98.9 -7.2 90.5 49.5 45.1 -6.9 49 41.8  
4 99.7 24.7 90.8 52.3 39.9 10.2 51.3 43.1  
5 101 -7.9 91.7 49.9 45.9 -8.3 49.6 42.5  
6 100.4 24.3 91.4 52.1 40 10.3 51.7 43.7  
7 101.5 -7.4 92.1 50 45 -6.3 49.9 42.8  
평균 98.95 8.65 90.08 50.52 42.62 0.83 49.82 42.12 난방편차 7.62℃
표 4. P4급 모세관 팽창변 사용시
측정 압축기 실내 열교환기 열매체 열교환기 실외 열교환기 실내 열교환기(물) 비고
 
출구 입구 입구 출구 출구 입구
1 94.4 -9.1 85.1 47.2 45 -9.8 44.9 37.8  
2 95 23.6 86.2 50.9 39.8 1.9 48.6 40.2  
3 96.9 -7.8 88 49.8 45.2 -8 49.1 41.8  
4 99 26 90 52.2 39.9 3.8 51.7 43.3  
5 100.3 -8.1 90.9 50.6 45 -8.2 50.5 43.4  
6 101.5 25.8 91.7 53 40 8.0 52.7 44.6  
7 102.6 -9.3 92.6 50 45 -9.2 50.8 43.8  
8 101.2 24.9 92 53 39.9 8.7 52.8 44.6  
평균 98.53 5.87 89.21 50.53 42.84 -3.07 49.76 42.13 난방편차 7.7℃
그리고 상기 실외 열교환기(21)에는 착상이 전혀 발생하지 않았으며 평균 열량 공식인
( m: 상기 실내 열교환기에 공급되는 온수의 양, Cp: 온수의 비열, △T: 온수의 입출구의 온도편차)에서, m = 2400kg/h, Cp = 1kcal/kg·℃, △T = 7.85℃(상기 표1 내지 표4에 나타난 난방편차의 평균값) 이다. 실내 열교환기에 공급되는 열량은 상기 식에 의해18,852kcal/h, 히트펌프의 전력 소모량은 평균 4.6kWh 즉 3,956Kcal/h(사용열량=사용전력ⅹ860Kcal/kwh)이므로
따라서 본 고안에 따른 히트펌프는 시판되는 히트펌프의 일반적인 열효율인 1.2~3.3에 비해 월등히 우수함을 알 수 있다.
본 고안은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 고안의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다. 예를 들면, 상기 냉매의 흐름을 반대로 하면 상기 히트펌프는 냉방의 기능을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 고안에 따른 히트펌프는 열효율이 우수하고 착상이 발생하지 않는 히트펌프를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 히트펌프의 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프의 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 히트펌프의 작동 과정을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 실내 열교환기 13: 압축기
14: 압력계 15: 축열 열교환기
17: 열매체 열교환기 19: 순환장치
21: 실외 열교환기 23: 실외기 팬
25: 수액기 27: 사이드 글라스
29: 유분리기 31: 제1 팽창밸브
33: 제2 팽창밸브 35: 과압 차단기
37: 제1 제어밸브 39: 제2 제어밸브
41: 응축기 밸브 43: 열매체 밸브

Claims (10)

  1. 냉매를 고온 및 고압으로 압축하는 압축기;와
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 실내 열교환기;와
    상기 실내 열교환기에서 배출된 냉매로부터 열매체로의 열전달이 이루어지는 축열 열교환기;와
    상기 냉매가 증발하면서 상기 축열 열교환기에 의해 축열된 상기 열매체로부터 열을 흡수하는 열매체 열교환기;와
    상기 열매체를 상기 축열 열교환기 및 상기 열매체 열교환기 사이에서 순환시키는 순환장치;와
    상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매를 증발시켜 외부로부터 열을 흡수하는 실외 열교환기;와
    상기 실내 열교환기 및 상기 실외 열교환기 입구에 설치되어 상기 냉매 또는 상기 열매체를 팽창시키는 팽창밸브;와
    상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 실외 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제2 제어밸브;와
    상기 축열 열교환기의 출구측과 상기 열매체 열교환기의 입구측 사이에 형성된 제1 제어밸브;를 포함하는 히트펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체의 온도가 T2 미만인 경우 상기 순환장치는 정지상태에 있고 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매는 상기 열매체에 열을 전달한 후 상기 제2 제어밸브의 개방 및 상기 제1 제어밸브의 폐쇄에 의해 상기 실외 열교환기로 유입되며,
    상기 열매체가 상기 온도 T2 이상인 경우 상기 순환장치가 작동하고 상기 실내 열교환기로부터 배출된 상기 냉매는 상기 제2 제어밸브의 폐쇄 및 상기 제1 제어밸브의 개방에 의해 상기 열매체 열교환기로 유입된 후 증발되어 상기 열매체로부터 열을 전달 받는 히트펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 압축기의 출구측과 상기 축열 열교환기 입구측 사이에 형성된 열매체 밸브;와
    상기 압축기의 출구측과 상기 실내 열교환기의 입구측 사이에 형성된 응축기 밸브를 더 포함하고,
    상기 열매체의 온도가 T1 미만인 경우 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 밸브의 개방 및 상기 응축기 밸브의 폐쇄에 의해 상기 축열 열교환기로 유입된 후 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 실외 열교환기로 유입되고,
    상기 열매체의 온도가 T1 이상인 경우 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 밸브의 폐쇄 및 상기 응축기 밸브의 개방에 의해 상기 실내 열교환기로 유입되는 히트펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    실내 온도가 T3 이상인 경우 상기 히트펌프는 대기 상태에 있고,
    실내 온도가 T3 미만인 경우, 상기 열매체의 온도가 T2 미만일 때 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 축열 열교환기로 유입된 후 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 실외 열교환기로 유입되고, 상기 열매체의 온도가 T2 이상일 때 상기 압축기로부터 나온 상기 냉매는 상기 열매체 열교환기로 유입되는 히트펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 열매체의 온도를 측정하는 열매체 측정장치;와
    실내 온도를 측정하는 실내 측정장치;와
    상기 실내 측정장치로부터 파악된 실내 온도가 T3 이상인 경우 상기 히트펌프를 대기 상태에 있게 하고,
    실내 온도가 T3 미만인 경우 상기 열매체 측정장치로부터 파악된 상기 열매체의 온도가 T2 미만일 때 상기 제2 제어밸브를 개방하여 상기 냉매가 상기 실외 열교환기로 흐르게 하고, 상기 열매체의 온도가 T2 이상일 때 상기 순환장치를 작동시키며 상기 제1 제어밸브를 개방하여 상기 냉매가 상기 열매체 열교환기로 흐르게 하는 제어장치를 더 포함하는 히트펌프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체는 에틸렌글리콜렌인 히트펌프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열매체에는 삼인산나트륨(Na3PO4)이 첨가되는 히트펌프.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 압축기의 출구측과 상기 실내 열교환기 입구측 사이에 형성된 유분리기를 더 포함하는 히트펌프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 압축기의 입구측에 형성된 수액기를 더 포함하는 히트펌프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 압축기의 입구측과 상기 수액기 사이에 형성된 사이드 글라스를 더 포함하는 히트펌프.
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