KR20080090105A

KR20080090105A - 히트 펌프

Info

Publication number: KR20080090105A
Application number: KR1020070033191A
Authority: KR
Inventors: 장승용; 오세기
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-08

Abstract

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공조공간의 난방과 온수의 공급을 동시에 수행할 수 있는 히트펌프에 관한 것이다.

본 발명에 따른 히트펌프에 의하면, 실외 공기의 온도가 낮아서 히트펌프의 난방효율이 떨어지는 경우에도, 충분한 난방열을 제공할 수 있으며, 공조공간의 난방과 온수의 공급을 별도로 수행할 수 있으므로, 사용자의 편의를 도모할 수 있다.

Description

히트 펌프{HEAT PUMP}

도 1은 종래의 히트펌프의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 구성도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 압축기 12 : 어큐뮬레이터

20 : 실외열교환기 30 : 팽창벨브

40 : 제1가열유닛 42 : 제1열교환기

44 : 제1버너 46 : 제1송풍팬

48 : 제1급기구 49 : 제1배기구

50 : 제2가열유닛 52 : 제2열교환기

54 : 제2버너 53 : 차압계

56 : 제2송풍팬 58 : 제2급기구

59 : 제2배기구 80 : 저탕조

100 : 실내기

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내의 난방과 온수의 공급이 동시에 가능한 히트펌프에 관한 것이다.

저온에서 고온으로의 열의 이동에는 반드시 일(work)이 소요된다. 히트펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는 것으로서, 공기조화장치가 공조공간의 난방용으로 사용되는 경우를 의미한다. 히트펌프의 사이클은 공기조화장치가 공조공간의 냉방에 사용되는 경우와 같으며, 단지 저온부인 실외로부터 열을 흡수하여 고온부인 실내로 방출한다는 점에서 차이가 있다.

따라서, 본 명세서 히트펌프는 단지 공조공간의 난방용으로 사용되는 것에 한정되는 것이 아니라, 사용자의 필요에 따라서 공조공간의 냉방용으로도 사용될 수 있다. 이하에서 히트펌프는 공조공간의 냉방과 난방을 모두 수행가능한 공기조화장치를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며, 그 중 가장 많이 적용되는 형식은 압축식 히트펌프이다.

종래의 히트펌프의 구성 및 작용을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 히트펌프의 구성도이다.

압축식 히트펌프 사이클의 기본적인 구성은 도 1에서 도시된 바와 같이 저온부 실외열교환기(20), 압축기(10), 고온부 열교환기인 실내기(100), 팽창밸브(30)의 4개 요소로 구분되며, 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계 속하면서 순환한다. 실외기 내의 실외열교환기(20)에서 열을 흡수하여 실내열교환기(미도시)를 포함하는 실내기(100)를 통하여 열을 방출시키는 방식으로 공조공간인 실내를 난방한다. 저온저압의 습 증기상태의 냉매가 실외열교환기(20)에서 증발되면서 주변에서 증발잠열을 흡수한다. 실외열교환기(20)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기(10)에서 단열 압축되어 고온고압의 증기상태의 냉매로 되어 실내기(100)로 유입된다.

실내기(100)로 유입된 고온고압의 증기상태의 냉매는 실내기(100) 내의 실내열교환기(미도시)에서 응축되면서, 저온부에서 흡수한 증발잠열을 응축잠열의 형태로 공조공간인 실내에 방출한다.

이러한 공기조화장치가 냉각용으로 사용되는 경우, 공조공간인 실내의 공기온도가 약 15~30℃, 실외의 공기온도는 약 25~40℃에서 운전하게 되므로 시스템의 특성상 기계적인 문제가 발생하지 않는다.

그러나 공기조화장치가 공조공간의 난방을 위하여 히트펌프로서 사용되는 경우에는, 열원공급부인 실외의 공기온도가 약 -15~5℃, 실내의 공기온도가 약 10~20℃이다. 실외열교환기(20)측 공기온도가 낮은 경우 실외열교환기(20)로부터의 흡수열이 감소하면서 난방성능이 급격히 떨어지고, 증발기에 성에가 형성되어 열전달을 방해한다. 형성된 성에 등을 제거하기 위한 별도의 제상운전 등이 필요하다. 또한, 실외열교환기(20)에서 기화되지 못한 액상 냉매가 압축기(10)로 유입되면 과부하가 발생하여 압축기 고장의 원인이 되기도 한다.

이와 같은 효율저하를 방지하기 위하여, 종래의 히트펌프는 별도의 가열유닛 을 사용하여 부족한 공조공간의 난방을 위한 부족한 열을 공급한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 히트펌프는 가열유닛(60)을 포함할 수 있다. 공조공간의 부족한 난방열을 보충하기 위한 가열유닛(60)은 전기에너지 또는 연료의 연소에너지를 사용하는 방식 등이 있다.

히트펌프는 공조공간의 난방을 위한 장치이며, 난방장치로서의 보일러를 대신한다. 종래의 히트펌프는 도 1에 도시된 바와 같이 가열유닛 내에 온수를 공급하는 별도의 구성이 없다. 일반적으로 보일러는 공조공간의 난방과 동시에 사용자에게 온수를 제공할 수 있다. 그러나, 종래의 히트펌프는 부족한 난방열을 공급하는 것 이외에 온수를 제공하기 위해서는 별도의 온수공급수단이 필요하다. 또한, 상기 가열유닛(60) 내의 가열장치가 물을 가열하는데 사용될 수 있다고 하여도, 공조공간의 난방과 온수 공급을 동시에 수행하는 것에는 어려움이 있다. 공조공간의 난방과 온수공급을 선택적으로 수행하는 것은 사용자에게 불편함을 느끼게 하므로 바람직하지 않다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 공조공간의 난방을 위한 부족한 난방열을 공급함과 동시에 사용자에게 온수를 제공할 수 있는 히트펌프를 제공하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프는, 내부를 순환하는 냉매의 기화열 또는 응축열을 이용해 난방 또는 냉방을 수행하는 공기조화장치; 상기 공기조화장치를 순환하는 냉매를 가열시키는 제1가열유닛; 및 상기 제1가열유닛과 별도로, 물을 가열하여 온수를 공급하기 위해 구비되는 제2가열유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 제1가열유닛은, 상기 공기조화장치를 순환하는 냉매 중 액상 냉매를 선택적으로 공급받아 가열하여 증발시키도록 할 수 있다.

또한, 상기 제1가열유닛은, 외부의 공기를 흡입하기 위한 제1급기구와, 흡입된 공기를 외부로 배출하기 위한 제1배기구를 포함하고, 상기 제2가열유닛은, 외부의 공기를 흡입하기 위한 제2급기구와, 흡입된 공기를 외부로 배출하기 위한 제2배기구를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1가열유닛은 상기 제1급기구로부터 공기를 흡입하여 상기 제1배기구로 배출시키는 제1송풍팬을 더 포함하고, 상기 제2가열유닛은 상기 제2급기구로부터 공기를 흡입하여 상기 제2배기구로 배출시키는 제2송풍팬을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1가열유닛은 상기 제1급기구를 통해 흡입된 공기를 가열하기 위한 제1버너를 더 포함하고, 상기 제2가열유닛은 상기 제2급기구를 통해 흡입된 공기를 가열하기 위한 제2버너를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1버너 및 제2버너에 각각 연료를 공급하기 위한 연료공급장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1가열유닛은 상기 공급된 냉매를 상기 제1버너에 의해 가열된 공기와 열교환 시키기 위한 제1열교환기를 더 포함하고, 상기 제2가열유닛은 상기 제2가열유닛 내부로 공급되는 유체를 상기 제2버너에 의해 가열된 공기와 열교환 시키기 위한 제2열교환기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2가열유닛이 옥내에 설치되는 경우, 상기 유체는 담수(淡水)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 담수는 온수로써 사용자에게 직접 공급될 수 있다.

또한, 상기 제2가열유닛이 옥외에 설치되는 경우, 상기 유체는 염수(鹽水)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 열교환된 염수를 이용하여 담수를 가열하기 위한 저탕조를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 구성을 도시하는 구성도이다.

본 발명에 따른 히트펌프는 크게 실내 열교환기(미도시)를 포함하는 실내기(100), 냉매를 팽창시키는 팽창벨브(30), 실외 공기와 냉매의 열교환을 위한 실외열교환기(20), 열교환된 냉매를 압축하는 압축기(10), 히트펌프의 난방열을 보충하는데 사용하는 제1가열유닛(40) 그리고, 물을 가열하여 사용자에게 온수를 제공 하는 제2가열유닛(50)을 포함한다. 여기서, 제1가열유닛(40)과 제2가열유닛(50)은 일체형으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 히트펌프의 실외기는 압축기(10) 실외열교환기(20) 그리고 팽창벨브(30) 등을 포함하여 구성된다. 일체형으로 구성되는 제1가열유닛(40)과 제2가열유닛(50)은 실외기에 내장될 수도 있고, 실외기와 독립되어 별도로 구성될 수도 있다. 그리고, 실외열교환기(20) 증발기와 팬을 포함하는 개념이다.

히트펌프는 공조공간을 난방하기 위한 공기조화장치이다. 따라서, 히트 펌프 내의 냉매는 실외열교환기(20)에서 열을 흡수하여 기체 상태로 증발하며, 실내기(100) 내의 실내열교환기에서 흡수된 증발열을 응축열의 형태로 방출하여, 공조공간인 실내를 난방하게 된다.

이미 기술한 바와 같이, 히트펌프는 저온부 실외에서 열을 흡수하여, 고온부인 실내에 방출하는 공기조화장치이다. 실외 공기의 온도가 일정 온도 이상인 경우에는 실외열교환기(20)에서 냉매의 증발을 통하여 열을 흡수하게 된다.

실내기(100)에서 응축된 액상 냉매는 실외열교환기(20)를 통과하면서 증발되고, 압축기(10)에서 압축된다. 실외열교환기(20)에서 증발된 냉매는 압축기(10)에서 압축되기 전에, 압축기(10)에 액상 냉매가 흡입되는 것을 방지하기 위한 어큐뮬레이터(12)를 통과한다. 어큐뮬레이터(12)를 통과한 기체 상태의 냉매는 압축기(10)에서 압축된 후에 실내기(100) 측으로 공급된다. 이때 공조공간의 냉방과 난방시의 냉매의 방향을 제어하고, 배관을 단순하게 하기 위하여 사방벨브(56)가 사용될 수 있다. 사방벨브(56)를 사용하면, 실내기(100)에서 공급된 액상 냉매는 실 외열교환기(20)→사방벨브(56)→어큐뮬레이터(12)→압축기(10)→사방벨브(56)를 통과하여, 실내기(100) 측으로 공급된다.

냉매가 실외열교환기(20) 측으로 흐르게 하기 위해, 제1벨브(71)와 제2벨브(72)를 열고 제3벨브(73)와 제4벨브(74)를 닫으면, 냉매는 제1가열유닛(40)으로 흐르지 않고 실외열교환기(20) 측으로 흐른다.

그러나, 실외 공기의 온도가 일정 온도 이하이면, 히트펌프의 흡수가능한 열은 감소하고 성에 등이 증발기에 형성되어 열교환이 원활하게 일어나지 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 실외 공기의 온도가 일정 온도 이하로 하강하면, 실외열교환기(20)에서 냉매를 증발시키지 않고 제1가열유닛 내에서 냉매를 증발시켜 증발열을 흡수한다.

이때 냉매가 실외열교환기(20)가 아닌 제1가열유닛(40)으로 흐르도록 하기 위해서 벨브가 사용된다.

실외 공기의 온도가 일정 온도 이하로 하강하면, 제3벨브(73)와 제4벨브(74)를 열고 제1벨브(71)와 제2벨브(72)를 닫으면, 냉매는 실외열교환기(10) 측으로 흐르지 않고 제1가열유닛(40) 측으로 흐르게 된다. 이러한 온도 비교와 벨브의 제어는 히트펌프의 제어부(미도시)에 의한다.

제1가열유닛(40)은 제1열교환기(42), 제1버너(44) 및 제1송풍팬(46)을 포함한다. 상기 제1가열유닛(40)에 유입된 액상 냉매는 제1열교환기(42)에서 증발된다. 증발열을 공급하기 위한 열원으로서, 제1버너(44)의 연소열이 사용된다. 증발기 형태로 구성된 제1열교환기(42)를 제1버너(44)에 의하여 직접 가열할 수 없으므로, 열전달 매개체로서 공기를 사용한다. 즉, 제1버너(44)의 연소열은 제1가열유닛(40) 내의 공기를 가열하고, 가열된 공기는 제1열교환기(42) 내를 흐르는 냉매와 열교환된다. 상기 제1버너(44)의 연료를 공급하기 위한 연료공급장치가 구비된다. 상기 연료공급장치는 후술하는 제1흡기구(48)와 같은 방식으로 제1버너(44)에 연료를 공급할 수 있다.

또한, 상기 제1가열유닛(40) 내의 제1버너(44)의 연소시에 필요한 공기는 제1가열유닛(40)에 구비된 제1흡기구(48)과 제1배기구(49)에서 흡입 토출된다.

또한, 흡입된 공기의 배출이 원활해지고, 제1열교환기(42) 내에서의 냉매와 가열된 공기와의 열교환이 잘 일어날 수 있도록 제1가열유닛(40) 내에는 제1송풍팬(46)이 설치되는 것이 바람직하다. 제1송풍팬(46)이 제1가열유닛(40) 내에서의 열교환 매체인 공기의 배출을 용이하게 하며, 제1가열유닛(40) 내의 공기를 대류시켜 열교환을 빠르게 할 수 있다.

액상 냉매는 제1가열유닛(40)을 통과하면서 기체 상태로 증발하고, 압축기(10)에서 압축된다. 제1가열유닛(40)에서 증발된 냉매는 압축기(10)에서 압축되기 전에, 압축기(10)에 액상 냉매가 흡입되는 것을 방지하기 위하여, 어큐뮬레이터(12)를 통과한다. 어큐뮬레이터(12)를 통과한 기체 상태의 냉매는 압축기(10)를 통과한 후에 실내기(100) 측으로 흐른다. 사방벨브(56)를 사용하면, 실내기(100)에서 공급된 액상 냉매는 제1가열유닛(40)→사방벨브(56)→어큐뮬레이터(12)→압축기(10)→사방벨브(56)를 통과하여, 실내기(100) 측으로 흐르게 된다.

본 발명에 따른 히트펌프는 온수공급을 위한 제2가열유닛(50)을 포함한다. 제2가열유닛(50)의 기본적인 구조는 제1가열유닛(40)과 유사하다. 다만, 제2가열유닛(50)의 제2열교환기(52) 내부를 흐르며, 제2가열유닛(50) 내의 가열된 공기와 열교환되는 유체가 냉매가 아닌 담수 또는 염수인 점에서 차이가 있다.

제2가열유닛(50) 내의 가열된 공기와 열교환되는 유체가 담수인 경우, 가열 즉시 적절한 온도로 가열되지 않은 담수와 혼합되어 사용자에게 제공될 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 경우 실외기 내에 일체형으로 구성된 제1가열유닛(40)과 제2가열유닛(50)이 내장될 수 없다.

실외기의 실외열교환기(20)에서 냉매를 증발시키지 못하고, 제2가열유닛을 사용해야 하는 경우, 실외 공기의 온도는 담수의 어는점 이하가 되는 경우가 많을 것이다. 그러나, 제2가열유닛(50)이 실외에 설치되고, 제2가열유닛(50)가 작동하지 않는 경우, 제2가열유닛(50) 또는 배관 내부의 담수가 결빙되는 문제가 발생한다. 따라서, 제2가열유닛(50)에서 가열된 공기와 열교환하는 유체를 염수(鹽水)로 하면, 어는점도 하강하게 되어, 제2가열유닛(50) 또는 배관 내부에서의 결빙으로 인한 장치의 고장 및 파손 가능성을 줄일 수 있다.

따라서, 실외기에 일체형으로 구성된 제1가열유닛(40)과 제2가열유닛(50)을 내장하는 경우에는 제2열교환기(52)에서 가열된 공기에 의하여 열교환되는 유체는 염수이어야 한다.

제2열교환기(52)에서 가열된 공기에 의하여 열교환되는 유체를 담수로 하기 위해서는 일체형으로 구성된 제1가열유닛(40)과 제2가열유닛(50)은 실내에 설치되는 것이 바람직하다.

이 경우, 사용자가 온수를 사용하면, 제2열교환기(52)에서 가열된 담수가 토출되므로, 제2열교환기(52)의 토출단에 차압계(53)를 설치하여, 측정된 압력차를 이용하면, 사용된 담수의 양을 결정할 수 있게 된다. 사용된 담수의 양에 근거하여 제2버너(52)의 작동 여부를 결정한다. 상기 차압계(53)에서 측정된 압력차 또는 버너의 가동여부는 히트펌프의 제어부(미도시)에서 제어되며, 상기 차압계(53)에서 측정된 압력차의 전기적인 신호는 제2버너(54)의 작동신호로서 사용될 수 있다.

제1버너(44)와 마찬가지로, 제2가열유닛(50)에는 상기 제2버너(54)의 연료를 공급하기 위한 연료공급장치가 구비된다. 상기 연료공급장치는 제2흡기구(58)와 같은 방식으로 제2버너(54)에 연료를 공급할 수 있다.

그러나, 열교환 유체를 염수(鹽水)로 하는 경우, 가열된 염수를 직접 사용자에게 제공할 수 없으므로, 사용자가 사용가능한 담수와 열교환 할 수 있도록 저탕조(80)를 설치해야 한다.

상기 저탕조(80) 내에서는 열교환 매체를 담수로 하여, 저탕조(80) 내의 저탕조열교환기(미도시)에서 저탕조열교환기 내를 흐르는 염수(鹽水)와 열교환 매체로 사용되는 담수가 열교환되고, 열교환에 의하여 가열된 담수가 적절한 온도로 사용자에게 온수로서 공급된다.

이러한, 히트펌프에 제2가열유닛(50)을 추가함에 의하여, 공조공간인 실내의 난방과 동시에 사용자에게 온수를 공급할 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

본 발명에 따른 히트펌프에 의하면, 실외 공기의 온도에 상관없이, 히트펌프의 난방효율이 떨어지는 경우에도, 충분한 난방열을 확보할 수 있다.

또한 실외열교환기에 형성되어 난방효율을 낮추는 성에를 제거하기 위한 제상운전 등이 필요하지 않으므로, 히트펌프의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 히트펌프에 의하면, 공조공간의 난방과 온수의 공급을 별도로 수행할 수 있고, 온수공급을 위한 별도의 보일러의 설치를 필요로 하지 않으므로 사용자의 편의를 도모할 수 있다.

Claims

내부를 순환하는 냉매의 기화열 또는 응축열을 이용해 난방 또는 냉방을 수행하는 공기조화장치;

상기 공기조화장치를 순환하는 냉매를 가열시키는 제1가열유닛; 및

상기 제1가열유닛과 별도로, 물을 가열하여 온수를 공급하기 위해 구비되는 제2가열유닛을 포함하는 히트펌프.
제1항에 있어서,

상기 제1가열유닛은, 상기 공기조화장치를 순환하는 냉매 중 액상 냉매를 선택적으로 공급받아 가열하여 증발시키도록 한 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제2항에 있어서,

상기 제1가열유닛은, 외부의 공기를 흡입하기 위한 제1급기구와, 흡입된 공기를 외부로 배출하기 위한 제1배기구를 포함하고,

상기 제2가열유닛은, 외부의 공기를 흡입하기 위한 제2급기구와, 흡입된 공기를 외부로 배출하기 위한 제2배기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제3항에 있어서,

상기 제1가열유닛은 상기 제1급기구로부터 공기를 흡입하여 상기 제1배기구 로 배출시키는 제1송풍팬을 더 포함하고,

상기 제2가열유닛은 상기 제2급기구로부터 공기를 흡입하여 상기 제2배기구로 배출시키는 제2송풍팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제4항에 있어서,

상기 제1가열유닛은 상기 제1급기구를 통해 흡입된 공기를 가열하기 위한 제1버너를 더 포함하고,

상기 제2가열유닛은 상기 제2급기구를 통해 흡입된 공기를 가열하기 위한 제2버너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제5항에 있어서,

상기 제1버너 및 제2버너에 각각 연료를 공급하기 위한 연료공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제5항에 있어서,

상기 제1가열유닛은 상기 공급된 냉매를 상기 제1버너에 의해 가열된 공기와 열교환 시키기 위한 제1열교환기를 더 포함하고,

상기 제2가열유닛은 상기 제2가열유닛 내부로 공급되는 유체를 상기 제2버너에 의해 가열된 공기와 열교환 시키기 위한 제2열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제7항에 있어서,

상기 제2가열유닛이 옥내에 설치되는 경우, 상기 유체는 담수인 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제8항에 있어서,

상기 담수는 온수로써 사용자에게 직접 공급되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제7항에 있어서,

상기 제2가열유닛이 옥외에 설치되는 경우, 상기 유체는 염수인 것을 특징으로 하는 히트펌프.
제10항에 있어서,

상기 열교환된 염수를 이용하여 담수를 가열하기 위한 저탕조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.