KR200426794Y1 - 열매체 방식의 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열매체 방식의 히트펌프에 관한 것으로서, 실내기와 실외기를 잇는 라인에 장착되어 상기 열매체를 펌핑하는 열매체 펌프와, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 열매체를 열교환하여 외부의 공기 온도와 평형을 이루게 하는 열매체 열교환기를 포함하되, 난방시, 상기 열매체는, 상기 실내기에 연결된 온수라인 측으로부터 분기관을 통해 난방모드용 4방향 전자밸브로 유입되어 분기되고, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 후, 상기 열매체 열교환기에서 외부의 공기 온도와 평형을 이룬 다음, 상기 실외기로 향하여 상기 실외기의 결빙현상을 저지하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 열매체를 이용하여 사이클(cycle)을 순환시킴으로써 실외기의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이라는 문제를 용이하게 해결할 수 있다.

히트펌프, 열매체, 열매체 열교환기

Description

열매체 방식의 히트펌프{HEAT PUMP}

도 1은 본 고안에 따른 열매체 방식의 히트펌프의 대한 개략적인 구조도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 압축기 13 : 3방향 밸브

15 : 전자식 팽창밸브 17 : 팽창밸브

19 : 실외기 21 : 여과기

23 : 오일 분리기 25 : 열매체 펌프

27 : 열매체 열교환기 29 : 실내기

31 : 순환펌프 33 : 온수라인

35 : 냉방모드용 4방향 전자밸브 37 : 난방모드용 4방향 전자밸브

본 고안은, 열매체 방식의 히트펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열매체를 이용하여 사이클(cycle)을 순환시킴으로써 실외기의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이라는 문제를 용이하게 해결할 수 있는 열매체 방식의 히트펌프에 관한 것이다.

히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치이다.

열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올린다 하여 붙여진 이름이다. 처음에는 냉장고, 냉동고, 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었다. 그러나 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다.

구조는 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브 등으로 이루어져 있다. 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있다. 냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다.

현재 대부분의 히트펌프는 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있다. 보통 공기열원식은 외부 온도가 5℃ 이하가 되면 성능이 떨어지고, 기계적 손상도 발생해 작동이 원활하지 않게 되는 단점이 있다. 반면 수열원식이나 지열원식은 혹한 지역에서도 지속적으로 열을 공급할 수 있고, 에너지 효율도 높아 공기열원식을 대체하는 새로운 히트펌프로 주목받고 있다

히트펌프는 구동 방식에 따라 전기식과 엔진식, 열원에 따라 공기열원식, 수열원식(폐열원식), 지열원식 등으로 구분된다. 또 열 공급방식에 따라 온풍식, 냉풍식과 온수식, 냉수식, 펌프의 이용 범위에 따라 난방, 냉방, 제습 및 냉난방 겸용 등으로 분류된다.

이러한 종류들 중에서 태양열이나 지열, 해수를 이용한 히트펌프나 증발기를 두 개로 사용하여 공기흐름을 조절하여 사용하는 히트펌프의 경우, 실제로 과다한 설치비에 비해 그 효율이 매우 낮다. 물론, 인버터 방식의 히트펌프 또한 제상을 위하여 압축기와 팽창밸브를 일시 중단함으로써 효율이 떨어진다.

하지만, 이 외에 종래의 히트펌프가 갖는 가장 큰 문제는 증발기의 결빙현상과 냉매의 한정성이다.

증발기의 결빙현상으로, 증발기에서는 냉매가 팽창함에 따라 증발 잠열에 의하여 급격히 온도가 내려가는데, 실외와의 온도 차이가 4℃ 내지 6℃ 이상 되면 상대 습도 차이에 의하여 증발기에 결빙 현상이 생겨 증발기의 열효율을 급격히 떨어뜨린다.

냉매의 한정성으로, 현재 사용되는 냉매는 소위, R22라는 것으로 미국의 듀퐁사에 의해 거의 결정되고 있다. 그러나 R22라는 냉매의 경우, 오존 파괴뿐만 아니라 지구 온난화지수가 높아 환경문제를 야기한다.

따라서 증발기의 결빙현상과 냉매의 한정성이라는 커다란 두 가지의 문제를 해결하기 위한 노력이 요구된다.

본 고안의 목적은, 열매체를 이용하여 사이클(cycle)을 순환시킴으로써 실외기의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이라는 문제를 용이하게 해결할 수 있는 열매체 방식의 히트펌프를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 고안에 따라, 열매체 방식의 히트펌프에 있어서, 실내기와 실외기를 잇는 라인에 장착되어 상기 열매체를 펌핑하는 열매체 펌프와, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 열매체를 열교환하여 외부의 공기 온도와 평형을 이루게 하는 열매체 열교환기를 포함하되, 난방시, 상기 열매체는, 상기 실내기에 연결된 온수라인 측으로부터 분기관을 통해 난방모드용 4방향 전자밸브로 유입되어 분기되고, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 후, 상기 열매체 열교환기에서 외부의 공기 온도와 평형을 이룬 다음, 상기 실외기로 향하여 상기 실외기의 결빙현상을 저지하는 것을 특징으로 하는 열매체 방식의 히트펌프에 의해 달성된다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 고안에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 열매체 방식의 히트펌프의 대한 개략적인 구조도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 열매체 방식의 히트펌프는 냉매로서 열매체가 순환되는 방식을 가지며, 크게 실내기(29)와 실외기(19)로 구분된다.

실내기(29) 측에는 순환펌프(31)에 의해 열매체가 순환되어 온수를 형성하는 온수라인(33)이 결합되어 있다. 이러한 온수라인(33)은 실내기(29)와 별개로 설치된 것으로서, 필요시, 본 히트펌프에서 제외될 수도 있다.

실내기(29)와 실외기(19) 사이에는 냉매를 고온 고압으로 압축하여 냉매 증기를 만드는 압축기(11)가 마련되어 있다. 압축기(11)의 주변에는 냉매를 여과하는 여과기(21, Strainer)가 마련되어 있다.

압축기(11)를 사이에 두고 여과기(21)의 반대측에는 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매의 오일을 분리하는 오일 분리기(23, Oil Separator)가 배치되어 있으며, 오일 분리기(23)의 주변으로 본 히트펌프를 냉방 혹은 난방 조작하는 3방향 밸브(13, 3 Way Valve)가 갖춰져 있다. 3방향 밸브(13)는 실내기(29)에 인접한 팽창밸브(17) 영역과, 실외기(19)에 인접한 전자식 팽창밸브(15) 영역에도 갖춰져 있다.

실내기(29)와 실외기(19) 사이의 냉매 라인에는 각각 냉매를 팽창하는 팽창밸브(17)와 전자식 팽창밸브(15)가 마련되어 있다. 그리고 이들 사이에는 냉방모드용 4방향 전자밸브(35) 및 난방모드용 4방향 전자밸브(37)가 마련되어 있다.

실내에 배치되는 실내기(29)와는 달리, 실외기(19)는 외부에 장착된다. 이러한 실외기(19)에는 보통, 증발기가 마련되어 있다. 또한 실외기(19) 영역에는 실외기(19)의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있는 아래와 같은 수단이 구비되어 있다.

즉, 열매체인 냉매를 펌핑하는 열매체 펌프(25)와, 열매체 펌프(25)에 의해 펌핑된 열매체를 열교환하여 외부의 공기 온도와 평형을 이루게 하는 열매체 열교 환기(27)가 더 갖춰져 있다.

이 때의 열매체는 실내기(29)나 온수라인(33) 측으로부터 열매체 펌프(25), 열매체 열교환기(27), 실외기(19)를 따라 순환된다. 따라서 실외기(19)의 증발기 영역에 발생가능한 결빙현상을 막는 역할을 한다.

참고로, 냉매의 증발 잠열에 의한 증발기에서 냉매가 얻은 열량을 Q1이라 하고, 열매체가 열전달에 의해 잃은 열량을 Q2라 할 때, Q1 = Q2는 동일하다.

열매체의 비열은 2, 밀도는 1.5, Q1을 15,000 kcal/h, 열매체의 온도변화를 4℃로 가정할 경우,

Q = C × m × t 라는 수식에 대입하면,

15,000 kcal/h = 2 × m ×4

m = 1875 kg/h의 값이 결정된다.

이 때, 열매체의 밀도가 1.5 이므로, m = 20.83 ℓ/min 값이 구해진다.

즉, 열매체가 분당 20.83ℓ로 흐르면 주위와 온도 차이가 4℃ 정도 이루어지므로 실외기(19)의 결빙 현상을 원천적으로 막을 수 있는 이론적인 수치가 구해진다. 다만, 도 1과 같은 경우, 온수라인(33)이나 실내기(29)측의 열을 이용하므로 실제에 있어서는 더 작은 용량으로도 가능할 것으로 본다.

이러한 구성을 갖는 열매체 방식의 히트펌프의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 난방시에는 난방모드용 4방향 전자밸브(37)가 난방모드로 동작한다. 이에, 압축기(11)에서 고온 고압으로 형성된 냉매는 오일 분리기(23)를 통해 분리 된 후, 3방향 밸브(13)로 향한다. 이 때, 3방향 밸브(13)는 난방 방향으로 동작한다.

이에 따라 냉매는 실내기(29)로 공급되고, 실내기(29)에서는 공급된 냉매의 응축 잠열을 이용하여 난방을 형성한다. 이 때, 순환펌프(31)가 동작하여 온수라인(33)을 통해 온수를 순환시킨다.

한편, 실내기(29)를 통과한 냉매는 난방모드용 4방향 전자밸브(37), 전자식 팽창밸브(15)를 통해 실외기(19)를 경유한 후, 3방향 밸브(13a)를 거쳐 다시 압축기(11)로 순환된다.

이러한 난방시, 실외기(19)의 결빙현상을 방지하고자 열매체를 이용하여 외부와의 온도 차이에 의한 결빙현상을 원천적으로 막는다.

즉, 온수라인(33) 측에서 그 온도가 상승한 열매체는 별도의 분기관(40)을 통해 난방모드용 4방향 전자밸브(37)로 유입되고, 이 후, 이 곳에서 분기되어 열매체 펌프(25)에 의해 열매체 열교환기(27)에서 외부의 공기 온도와 평형을 이룬 후, 실외기(19)로 향하게 된다.

이러한 열매체의 순환에 의해 실외기(19)의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이는 문제를 용이하게 해결할 수 있게 되는 것이다.

다음, 냉방시에는 냉방모드용 4방향 전자밸브(35)가 냉방모드로 동작한다. 이에, 압축기(11)에서 고온 고압으로 형성된 냉매는 오일 분리기(23)를 통해 분리된 후, 3방향 밸브(13)로 향한다. 이 때, 3방향 밸브(13)는 냉방 방향으로 동작한 다.

그리고는 3방향 밸브(13a)를 거쳐 실외기(19)로 향한 후, 실외기(19)에서 증발된다. 이후, 팽창밸브(17)를 경유하여 실내기(13)로 유입되어 실내를 냉각시킨 연후에 다시 압축기(11)로 순환된다.

이와 같이, 본 고안에 따르면, 열매체를 이용하여 사이클(cycle)을 순환시킴으로써 실외기(19)의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이는 문제를 용이하게 해결할 수 있게 된다.

이와 같이 본 고안은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 고안의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 열매체를 이용하여 사이클(cycle)을 순환시킴으로써 실외기의 증발기에 결빙현상이 발생하는 것을 저지할 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 한정성이라는 문제를 용이하게 해결할 수 있다.

Claims (1)

1. 열매체 방식의 히트펌프에 있어서,

   실내기와 실외기를 잇는 라인에 장착되어 상기 열매체를 펌핑하는 열매체 펌프와, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 열매체를 열교환하여 외부의 공기 온도와 평형을 이루게 하는 열매체 열교환기를 포함하되,

   난방시, 상기 열매체는, 상기 실내기에 연결된 온수라인 측으로부터 분기관을 통해 난방모드용 4방향 전자밸브로 유입되어 분기되고, 상기 열매체 펌프에 의해 펌핑된 후, 상기 열매체 열교환기에서 외부의 공기 온도와 평형을 이룬 다음, 상기 실외기로 향하여 상기 실외기의 결빙현상을 저지하는 것을 특징으로 하는 열매체 방식의 히트펌프.

Images