KR20090024214A

KR20090024214A - 열펌프 액체 히터

Info

Publication number: KR20090024214A
Application number: KR1020087031993A
Authority: KR
Inventors: 수닐 쿠마르 신냐; 아소케 데이사르카
Original assignee: 에어제너레이트 엘엘시
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-03-06
Also published as: US20100012293A1; US20080000247A1; EP2035759A2; US7543456B2; AU2007269796A1; WO2008005320A2; WO2008005320A3; CN101535740A; CA2658746A1

Abstract

액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터는, 열펌프; 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크; 및 상기 액체에 담그어지고 적어도 하나의 코일을 형성하는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관(metal conderser tube)를 포함한다. 상기 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조(flattened double-tube configuration) 및 동심의 타원들(concentric ovals)에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화하한다. 상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기(tube-in-tube heat exchanger) 및 압축기(compressor)를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다.

Description

열펌프 액체 히터{HEAT PUMP LIQUID HEATER}

본 발명은 액체를 가열하는 열펌프 액체 가열 시스템 및 방법에 관한 것이다.

열펌프 액체 히터("HPLH")는 주위의 환경으로부터 열을 추출하여 액체를 가열하기 위해 냉각 시스템을 사용한다. HPLH 시스템은 통상적으로 종래의 전기-저항 또는 가스 버너 액체 히터와 관련된 에너지의 절반보다도 낮은 에너지를 소모한다. HPLH 시스템은 냉각제를 고온 고압 상태에 있는 액체 상태로 압축하도록 HPLH 시스템이 전기 압축기를 사용하는 역냉각 사이클에 기초하고 있다. 고온 고압 상태의 냉각제는 열을 액체에 전달한 다음 냉각제의 온도 및 압력이 축소되는 팽창 프로세스를 수행하여 저온 냉각제를 형성하게 된다. 저온 냉각제는 주위의 공기로부터 열을 흡수하고 가스 상태로 변환시키는 증발기를 통과하게 된다. 가스 냉각제는 압축기에서 다시 압축되고 전술한 프로세스가 계속 수행된다. 주위의 공기로부터 전달된 열과, 압축기를 가동하기 위해 사용되는 전기 모두에 의해 액체가 가열되어 HPLH의 효율성 100% 이상이 된다.

참고로 말하면 HPLH 시스템에는 기본적인 두 가지 유형이 있다: (ⅰ) 액체 탱크와의 일체식 및 (ⅱ) 액체 탱크가 없는 독립식. 두 가지 유형의 시스템에서, 펌프가 필요하지 않은 탱크 내의 액체에 콘덴서 코일이 침지되거나 탱크로부터 열펌프 콘덴서 코일로 액체가 펌핑된다. HPLH 시스템은 전기 요소와 같은 백업(backup) 가열 시스템과 함께 부착되거나, 또는 HPLH 시스템이 실패하는 경우 또는 핫 액체에 대한 수요가 HPLH 시스템의 용량을 넘어서는 경우 가스 히터는 성능 레벨이 감소된다.

액체 펌프를 가지는 HPLH 시스템은 비용, 복잡성 및 유지보수가 증가한다. 또한 운용하는데 추가의 전기 에너지를 펌프가 필요로 하기 때문에 효율성이 떨어진다. 탱크가 있는 일체형의 HPLH 시스템은 새로운 구성의 역할만 하는 것으로 또는 이전의 온수 히터 탱크를 대체하는 것으로 제한된다. 액체 펌프를 사용하지 않는 독립식 HPLH 시스템이 있다(예를 들어, 미국특허 제5,946,927호 및 제6,233,958호를 참조하라). 미국특허 제5,946,927호에는 탱크 내의 액체로 열을 전달하기 위해 외부에서 물탱크를 에워싸는 콘덴서 코일에 대해 개시되어 있다. 이러한 시스템은 제조 비용이 높고, 콘덴서 코일이 액체와 직접 접촉하지 않기 때문에 콘덴서 코일로부터 액체로의 열 전달 효율성이 떨어진다.

미국특허 제6,233,958호에는 콘덴서 어셈블리가 이중 튜브식 실린더 구조(tube-in-tube cylinder configuration)를 가지는 독립식 열펌프 온수 히터에 대해 개시되어 있으며, 상기 이중 튜브식 실린더 구조에서는 외부 실린더가 과열된 냉각제를 운반하고 내부 실린더가 냉각제를 팽창 프로세스로 복귀시킨다. 콘덴서 어셈블리는 탱크의 상부에 있는 기존의 개구를 통해 물 탱크에 삽입된다. 냉각제가 외부 실린더의 내부 표면을 따라 응축될 때, 냉각제로부터의 열은 물에 전달된 다. 이 열펌프 온수 히터는 물에 노출된 원형의 콘덴서에 의해 제공되는 제한된 표면 영역 때문에 물로의 열 전달에 제한을 가진다. 제한된 열 전달은 시스템의 효율을 떨어뜨린다. 외부 실린더의 직경은 탱크의 개구의 크기보다 작아야 한다. 가정용 물 탱크의 개구의 통상적인 크기는 약 3/4 인치이고 탱크의 높이는 통상적으로 약 3-5 ft이다. 그러므로 최대 열 전달 영역은 이 치수로 제한된다. 열 펌프 온수 히터의 다른 제한은 핫 냉각제가 들어옴으로써 복귀하는 냉각제를 가열하는 것으로 인한 효율성의 감소이다. 복귀 냉각제에서 얻어진 열은 쓸모가 없다. 이러한 열펌프 온수 히터는 통상적으로 낮은 용량의 압축기에 적절하지만 통상적인 가정용 열펌프 온수 히터의 효율성을 상당히 떨어뜨릴 것이다.

그러므로 물과 같은 액체를 단시간 내에 가열하는 동시에 이 액체를 가열하는 데 사용되는 에너지의 양을 줄일 수 있는 효과적인 PHLH 시스템이 필요하다. 또한, 쉽게 설치될 수 있거나 기존의 액체 탱크에 쉽게 개장될 수 있는 동시에 가열 시간을 줄이면서 소비 전력이 감소될 수 있는 HPLH 시스템이 필요하다. 또한 HPLH 시스템의 재료 및 설치에 드는 비용이 더 감소되는 효율성이 향상된 HPLH 시스템이 필요하다.

전술한 목적에 따라, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터가 제공되며, 상기 히터는, 열펌프; 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크; 및 상기 액체에 담그어지고 적어도 하나의 코일을 형성하는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관(metal conderser tube)를 포함한다.

제2 실시예에서, 제2 가열 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은, 열펌프 액체 히터로부터 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 통해 핫 냉각제(hot refrigerant)를 공급하는 단계; 및 상기 액체가 서모스탯에 의해 제어된 미리 결정된 온도로 가열되도록 상기 핫 냉각제로부터 열을 액체 탱크 내의 액체로 전달하는 단계를 포함하며, 상기 금속 콘덴서 관은 적어도 하나의 코일을 형성한다.

제3 실시예에서, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터가 개시되어 있다. HPLH는, 열펌프; 및 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결된 액체 탱크를 포함하며, 상기 액체 탱크는, 액체; 및 상기 액체에 담그어지는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 포함하며, 상기 금속 콘덴서 관은 냉각제를 포함하고 상기 열펌프에 연결되어 있으며, 상기 금속 콘덴서 관은 어댑터 어셈블리를 통해 상기 액체에 담그어지며, 상기 어댑터 어셈블리는, 액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관(metal nipple); 상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관(metal union); 및 상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관을 포함하며, 상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도록 구성되어 있다.

다른 실시예에서, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터가 개시되어 있다. HPLH는 열펌프; 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크; 상기 액체에 담그어지고 냉각제를 포함하는 금속 콘덴서 관; 및 압축기와 액체가 흐르도록 연결되어 있는 이중 튜브식 열교환기를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는, 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다.

다른 실시예에서, 어댑터 어셈블리가 개시되어 있다. 어댑터 어셈블리는, 액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관; 상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관; 및 상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관을 포함하며, 상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도록 구성되어 있다.

대부분의 바람직한 실시예에서, 열펌프 액체 히터의 에너지 소스는 태양열 에너지이다.

본 발명의 실시예의 이하의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 특성 및 범주에 대한 더 완전한 이해를 제공한다.

본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징, 및 이것들을 얻는 방법은 더욱 분명하게 될 것이며, 본 발명 자체는 첨부된 도면과 결합하여 본 발명의 실시예의 이하의 상세한 설명에 의해 더 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 어댑터 및 열펌프를 포함하는 HPLH의 개략도이다.

도 2는 도 1에 개략 도시된 어댑터 개략도의 확대도이다.

도 3은 금속 가열관의 개략도이다.

도 4는 도 1에 개략 도시된 열펌프의 확대도이다.

도 5는 태양열 전원을 포함하는 HPLH의 개략도이다.

도 6a는 HPLH에 태양열 에너지를 종래의 방식으로 공급하는 흐름도이고, 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따라 HPLH에 태양열 에너지를 공급하는 흐름도이다.

다른 설명이 없다면, 명세서 및 청구의 범위에 사용된 이하의 용어는 다음과 같은 뜻을 지닌다.

여기서 사용된 바와 같이, "액체"는 모든 등급 및 유형의 물, 오일, 연료, 가스, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 것을 의미한다. 양호한 실시예에서, 액체는 물이며, 이 물은 수돗물, 경수(hard water), 연수(soft water), 광천수(mineral water), 비물질화된 물(demateralized water), 여과수(filtered water), 수증기 증류수(steam-distilled water), 담수(salt water), 민물(fresh water), 증류수 등이 될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

여기서 사용된 바와 같이, "금속" 또는 "금속의"는 임의의 열 전도 금속 및/또는 합금을 포함하는 것을 의미하며, 알루미늄, 구리, 금, 철, 납, 은, 티타늄, 마그네슘, 아연, 및 이것들의 다양한 합금이 될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 발명에서 "금속" 또는 "금속의" 성분은 구리 또는 구리의 합금이 가장 바람직하다.

여시서 사용된 바와 같이, "압축기(compressor)"는 냉각제 압축 장치를 구동하는 어떠한 유형의 모터라도 포함하는 것을 의미한다.

본 발명의 다양한 실시예

전술한 종래 기술의 단점은 본 발명에 의해 극복되며, HPLH는 액체 순환 펌프를 갖지 않는 독립식 시스템 또는 개장된 시스템이고 콘덴서는 액체 탱크 내에 담그어진 단일의 관 루프 또는 복수의 관 루프이다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 대해 개시한다. HPLH는 열펌프; 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고, 액체를 포함하는 액체 탱크; 상기 액체에 담그어지고 적어도 하나의 코일을 형성하는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 포함한다.

양호한 실시예에서, 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조(flattened double-tube configuration) 및 동심의 타원들(concentric ovals)에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화한다.

상기 금속 콘덴서 관은 상기 열펌프에 연결되어 있고 어댑터 어셈블리를 통해 상기 액체에 담그어진다. 상기 어댑터 어셈블리는 상기 액체 탱크에 부착되어 고정된다. 상기 어댑터 어셈블리는 상기 열펌프와 상기 액체 탱크를 연결한다.

상기 금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관이다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 구리로 만들어진다.

상기 금속 콘덴서 관은 유연성이 있다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가 열하기 위한 표면 영역을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조(whisk configuration)를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성한다.

다른 양호한 실시예에서, 열펌프는 이중 튜브식 열교환기(tube-in-tube heat exchanger) 및 압축기(compressor)를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다. 상기 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는다.

HPLH는 노브(knob)를 가지는 서모스탯(thermostat)을 더 포함하며, 상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절된다. 상기 액체는 물이다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 액체를 가열하기 위한 방법이 개시된다. 액체를 가열하기 위한 방법은, 열펌프 액체 히터로부터 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 통해 핫 냉각제(hot refrigerant)를 공급하는 단계; 및 상기 액체가 서모스탯에 의해 제어된 미리 결정된 온도로 가열되도록 상기 핫 냉각제로부터 열을 액체 탱크 내의 액체로 전달하는 단계를 포함하며, 상기 금속 콘덴서 관은 적어도 하나의 코일을 형성한다.

양호한 실시예에서, 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조 및 동심의 타원들에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화한다. 상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다. 상기 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는다. 상기 열펌프는 노브를 가지는 서모스탯을 더 포함하며, 상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절된다.

금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관이다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 유연성이 있다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 표면 영역을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성한다. 상기 금속 콘덴서 관은 구리 또는 구리 합금으로 만들어진다. 상기 냉각제는 이산화탄소(carbon dioxide), 수소화불화탄소(hydrofluorocarbons), 및 수소염화불화탄소(hydrochlorofluorocarbons)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 상기 액체는 물이다.

제3 실시예에 따르면, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 대해 개시한다. HPLH는, 열펌프; 및 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결된 액체 탱크를 포함하며, 상기 액체 탱크는, 액체; 및 상기 액체에 담그어지는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 포함하며, 상기 금속 콘덴서 관은 냉각제를 포함하고 상기 열펌프에 연결되어 있으며, 상기 금속 콘덴서 관은 어댑터 어셈블리를 통해 상기 액체에 담그어지며, 상기 어댑터 어셈블리는, 액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관(metal nipple); 상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관(metal union); 및 상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관을 포함하며, 상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도록 구성되어 있다.

양호한 실시예에서, 상기 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조 및 동심의 타원들에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화한다. 상기 어댑터 어셈블리는 이전의 액체 탱크 및/또는 공기 조절 장치(air conditioner unit)로 개장되어(retrofitted), 상기 열펌프와 상기 이전의 액체 탱크 사이 및/또는 상기 공기 조절 장치 사이에서 실질적으로 밀폐 및 방수 연결을 형성한다.

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다.

또다른 양호한 실시예에서, 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는다. 태양 광전기 집열판에 의해 수집된 전력은 전 하 제어기를 통해 적어도 하나의 재충전 가능한 배터리에 저장되는 DC 전기이며, 상기 DC 전기는 수요에 따라 상기 적어도 하나의 배터리로부터 열펌프 액체 히터로 공급된다.

또다른 양호한 실시예에서, 상기 태양 광전기 집열판에 의해 수집된 전력은 전하 제어기를 통해 적어도 하나의 재충전 가능한 배터리에 저장되는 DC 전기이며, 상기 DC 전기는 변환기를 통해 AC 전기로 변환되고, 상기 AC 전기는 수요에 따라 상기 열펌프 액체 히터로 공급된다. 상기 열펌프는 노브를 가지는 서모스탯을 더 포함하며, 상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절된다.

금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관이다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지며, 보다 바람직하게는, 상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 양호하게 구리로 만들어진다. 상기 금속 콘덴서 관은 유연성이 있다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 표면 영역을 가진다. 상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성한다.

냉각제는 종래의 공기 조절 장치 및/또는 열펌프 시스템에서 사용되는 임의의 냉각제일 수 있다. 예시적 냉각제로는 이산화탄소, 수소화불화탄소, 및 수소염화불화탄소를 들 수 있다. 다른 냉각제의 예로는, 클로로디플루오로메탄(chlorodifluoromethane)(R-22로 판매), 클로로펜타플루오로메탄(chloropentafluoromethane)(R-502로 판매), 디클로로디플루오로메탄(dichlorodifluoromethane)(R-12로 판매), 트리클로로플루오로메탄(trichlorofluoromethane)(R-11로 판매), 트리클로로트리플루오로에탄(trichlorotrifluoroethane)(R-113으로 판매), 테트라플루오로에탄(tetrafluoroethane)(R-134a로 판매), 및 디클로로트리플루오로에탄(dichlorotrifluoroethane)(R-123으로 판매)를 들 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 냉각제는 이산화탄소이다. 액체 탱크 내의 액체는 바람직하게 물이다.

본 발명의 제4 실시예에 따르면, 액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 대해 개시한다. HPLH는, 열펌프; 및 상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크; 상기 액체에 담그어지고 냉각제를 포함하는 금속 콘덴서 관; 및 압축기와 액체가 흐르도록 연결되어 있는 이중 튜브식 열교환기를 포함하며, 상기 이중 튜브식 열교환기는, 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다.

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며, 상기 이중 튜브 식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시킨다.

본 발명의 제5 실시예에 따르면, 어댑터 어셈블리에 대해 개시한다. 상기 어댑터 어셈블리는, 액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관; 상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관; 및 상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관을 포함하며, 상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도록 구성되어 있다. 상기 액체 탱크 내에서의 상기 금속 접관과 상기 개구 사이의 부착(attachemnt)은 실질적으로 밀폐이다. 상업적 소형 크기 또는 대형 크기의 온도 조절 장치는 액체 탱크를 포함하고, 이에 따라 상기 액체 탱크 내에서의 상기 금속 접관과 상기 개구 사이의 개장된 부착을 형성한다.

도면으로 돌아가서, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열펌프 물 가열 시스템의 개략도를 도시한다. 열펌프 물 가열 시스템은 열펌프(5)를 포함하며, 이 열펌프(5)는 압축기(1), 팬(3)을 구비한 증발기(2), 팽창 디바이스(4), 서모스탯 제어기(6), 및 서보스탯 노브(7)를 가진다.

사용자가 서모스탯 노브(7)를 조절하면 서모스탯 제어기(6)를 통해 제어된 온도에서 압축된 냉각제(9)가 압축기(1)에서 나간다. 상기 압축된 냉각제는 압력이 높고 엔탈비(enthalpy)가 높은 상태로 압축기(1)에 나간다. 그런 다음 냉각제는 단일의 코일 콘덴서 관(16)을 통해 높은 압력으로 액체 탱크(10)로 흐른다. 물(11)과 같은 액체가 액체 탱크(10)로 흘러 상기 단일의 코일 콘덴서 관(16)을 통해 흐르는 압축된 냉각제(9)와 열을 교환하며, 상기 단일의 코일 콘덴서 관(16)은 액체 탱크(10) 내의 액체에 담그어져 있다. 액체 탱크(10)에서, 압축된 냉각제(9)는 열을 액체에 전달하고, 냉각제는 복귀하는 단일의 코일 콘덴서 관(16)을 통해 냉각된 냉각제(8)로서 액체 탱크(10)에서 나간다. 상기 냉각된 냉각제(8)는 엔탈피가 낮고 압력이 높다. 코일 콘덴서 관(15 및 16)은 액체에 담그어진 채 코일 번들(17)을 형성한다.

냉 액체(11)가 액체 탱크(10)로 들어오면, 도 1에서 도면 부호 15, 16, 17로 표시된 코일 콘덴서 관에서 과열된 냉각제에 의해 가열된다. 접합관(19)에 의해 액체 탱크(10) 내의 개구에 부착되어 고정된 어댑터 어셈블리(13)를 통해 온수(hot water)가 액체 탱크(10)에서 나간다(도 2에 어댑터 어셈블리(13)에 대해 자세히 도시되어 있음). 단일의 코일 콘덴서 관으로부터의 대부분의 열 전달은 액체 탱크(10)의 저부 쪽에서 발생하며, 유사한 종래의 HPLH 시스템에 비해 액체 탱크(10) 내에서 보다 균일화된 액체 온도를 제공하는 액체 탱크(10)의 상부 쪽으로 가열된 액체가 올라가려는 경향이 있기 때문에 냉 액체는 저부 쪽으로 가라앉으려는 경향이 있다. 이 균일화 프로세스에 의해 HPLH의 가열 효율성이 향상된다.

냉각제(8)는 탱크 내의 온도보다 더 높은 온도를 가지며, 그 열은 보다 나은 효율성을 위해 팽창 디바이스(4)에서의 팽창 프로세스를 거치기 전에 복귀될 수 있다. 냉각제(8)는 이중 튜브식 열교환기(절약 장치(ecomonmizer)라고도 칭함)(47)(도 4에 도시됨)를 통과하며, 복귀 냉각제(8)로부터의 열이 냉각제(43)(도 4에 도시됨)에 전달되어 압축기로 통과된다.

도 2는 도 1에 도시된 어댑터 어셈블리(13)의 확대도를 도시한다. 어댑터 어셈블리(13)는 열펌프(5)와 액체 탱크를 연결하는 파이프 피팅(pipi fitting)이다. 어댑터 어셈블리(13)는 또한 액체 탱크(10)에서 나가는 액체(12)의 흐름을 촉진한다. 어댑터 어셈블리(13) 또한 코일 콘덴서 관(15 및 16)을 통과하는 냉각제의 흐름을 촉진한다. 또한, 어댑터 어셈블리(13)는 서보스탯 침지 벌브(thermostat immersion bulb)(14)(도 1에도 도시되어 있음)의 부착을 촉진하며, 이 벌브는 액체 온도에 대한 정확하고 효율적인 모니터링을 위해 액체 탱크910) 내의 액체에 담그어질 수 있다.

어댑터 어셈블리(13)는 금속 접관(metal nipple)(23)을 액체 탱크(10) 내의 쓰레디드 홀에 쓰레드 피팅함으로써 부착되어 고정된다. 상기 금속 접관에 금속 접합관(19)이 쓰레드 피팅된다. 금속관(13)은 결합의 유형에 따라 접합관(19)에 쓰레드 피팅되거나 압축 피팅된다. 금속관(13)에는 코일 콘덴서 관(15 및 16)이 관통할 수 있는 2개의 홀(22)이 있다. 2개의 홀(22)에는 기밀 용접이 형성되어 어댑터 어셈블리를 실질적으로 밀폐한다. 금속관(13)은 한 단부에 개방 노치(open notch)(21)를 가진다.

서모스탯 벌브(14)를 갖는 열전쌍 모세관(20)이 노치(21)를 통해 삽입된다. 서모스탯 벌브(14)는 일반적으로 상당히 크고 구부려지지 않기 때문에, 서모스탯 벌브가 액체 탱크(10)에 삽입될 때 노치(21)가 이용된다. 암 솔더 섭 및 수 쓰레드(female solder sup and male thread)(24)를 가지는 금속 파이프 피팅(metal pipe fitting)은 금속관(13)에 연결된다. 피팅(24)의 컵(cup)이 금속관(13)에 용접되어, 노치(21)가 밀봉된다. 어댑터 어셈블리(13)는 코일 콘덴서 관 및 서모스 탯 벌브(14)를 수용함으로써 HPLH 시스템의 효율성을 향상시킨다. 또한, 코일 콘덴서 관(15, 16, 17)과 서모스탯 벌브(14)를 포함하는 어댑터 어셈블리는 열펌프(5)를 이동시키지 않고서 액체 탱크 내의 쓰레디드 홀에 삽입될 수 있다.

다른 실시예에서는, 서모스탯이 종래의 전기 온수 히터 탱크의 경우에서와 같이 액체 탱크(10)의 벽에 외부적으로 장착된 비침지형(non-immersion type) 서모스탯일 수 있다.

코일 콘덴서 관(15, 16, 17)은 임의의 금속으로 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 코일 콘덴서 관(15, 16, 17)은 구리 또는 구리의 합금으로 만들어질 수 있다. 상기 코일 콘덴서 관들은 단일의 관 형성 코일 또는 복수의 관 형성 코일로 만들어질 수 있다. 코일 콘덴서 관들은 단일의 벽 또는 복수의 벽으로 만들어질 수 있어서, 단일의 관 구조에서의 파열로 인한, 액체 탱크(10) 내에서 냉각제를 함유한 어떠한 액체 오염도 방지할 수 있다.

도 3은 이중 벽 구조에 대한 코일 콘덴서 관(15, 16, 17)의 개략도를 도시한다. 이중 벽 콘덴서 관(15, 16, 17)은 몇몇 빌딩 코드를 필요로 할 수 있다. 양호한 실시예에서, 금속관(15 및 16)은 동심의 금속관을 만들어져서 냉각제를 함유한 액체의 오염을 회피할 수 있다. 동심의 금속관의 단면이 도 3a에 도시되어 있다. 도 3a는 동심의 금속관의 단면을 도시하며, 외부 관(32)이 내부 관(33)을 감싸고 있다. 외부 관(32)과 내부 관(33) 사이에는 갭(35)이 형성되어 있어서 이 갭(35)이 공기를 가둔다. 갭(35)에 가둬진 공기는 내부 관(33)으로부터 외부 관(32)으로 열을 전달한다. 내부 관(33)과 외부 관(32) 사이의 열전도를 위한 매 개로서 갭(32) 내에 공기가 있음으로 인해, 갭 내의 공기를 가열할 때 상당한 열을 잃게 된다. 또한, 공기는 금속만큼 우수한 열도체가 아니므로 액체를 가열하는 효율성이 감소된다.

더욱 양호한 실시예에서, 금속관(15 및 16) 각각은 동심의 금속관으로 만들어지며, 도 3b 및 도 3c에 동심의 금속관이 도시되어 있다. 도 3b는 평평한 관을 도시하고 있고, 도 3c는 도 3b에 도시된 평평한 관의 단면을 도시하고 있다. 도 3a에 도시된 단면은 2개의 동심원을 도시하고 있고 이 2개의 동심원 사이의 갭은 실질적으로 2개의 동심원의 주변에서 완전하게 동일하다. 그렇지만, 도 3c의 단면은 2개의 동심의 타원을 도시하고 있고, 이 2개의 타원 사이의 갭은 실질적으로 최소가 되며 그럼에도 이중관 구조를 제공한다. 도 3c에 예시된 타원 이중관 구조는 임의의 누설된 냉각제를 갖는 액체의 오염을 방지할 뿐만 아니라 도 3b 및 도 3c의 동심의 관들 사이의 갭 내의 공기의 양이 최소로 될 때 도 3a에 도시된 이중관 구조보다 더 효율적으로 열을 전도한다.

HPLH의 콘덴서는 본 발명의 어댑터를 사용하는 액체 탱크에 부착되어 있다. 어댑터 어셈블리는 핫 액체 출구 상의 탱크 커버의 이전의 홀에 맞춰진다. 어댑터 어셈블리도 또한 액체 탱크의 측벽이나 임의의 다른 개구의 홀에 맞춰질 수 있다. 어댑터 어셈블리의 저부는 액체 탱크의 홀에 나사로 조여지고 어댑터 어셈블리의 상부는 핫 액체 출구 파이프에 부착되어 고정된다.

전술한 바와 같이, 콘덴서는 단일의 연속적인 관 또는 복수의 루프이고, 루프를 구성하는 중간부에서 예리하게 구부려진다. 콘덴서 관의 길이 및 직경에 의 해 결정되는, 콘덴서의 표면 영역은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도에서 액체 탱크 내의 액체를 가열하도록 설계될 수 있다. 침지 열전쌍 관과 함께 루프 콘덴서 관의 양단부는 어댑터 어셈블리를 통과하고 어댑터 벽 밖으로 돌출한다.

또한, 콘덴서 관 길이는 압축기의 용량에 따라 임의의 미리 결정된 길이가 되도록 설계될 수 있다. 압축기의 용량이 클수록 콘덴서 관의 길이가 길어지는 것은 과열된 냉각제로부터 액체 탱크 내의 액체로의 열이 최소가 되도록 하기 위해서일 것이다. 콘덴서 관의 직경은 충분한 유연성을 가지도록 설계되기 때문에 탱크에 쉽게 삽입될 수 있다. 금속 콘덴서 관은 임의의 치수의 길이, 직경 및 벽 두께를 가진다. 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도에서 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가진다. 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도에서 액체를 가열하기 위한 표면을 영역을 가진다.

콘덴서 관은 액체 탱크의 저부 쪽으로 둥글게 감고, 낮은 온도에서의 액체가 가열되어 핫 액체를 형성할 때, 핫 액체는 액체 탱크의 상부 쪽으로 올라간다. 이 프로세스에 의해 액체 탱크 내의 액체 온도가 균일화되어 HPLH의 효율성이 향상된다.

콘덴서 관은 코일화되어 번들을 형성한다. 콘덴서 관을 번들링하는 주목적은 액체 탱크로부터 콘덴싱 관의 제거를 손쉽게 하기 위한 것이며 이에 의해 열펌프가 액체 탱크와 손쉽게 단절될 수 있다. 콘덴서 관 번들은 상부에서 묶여져서 탱크 커버의 홀로부터 쉽게 당겨나올 수 있다. 콘덴서 관 번들은 콘덴서를 액체 탱크 내의 액체의 큰 표면 영역에 노출시킴으로써 액체 탱크의 저부 쪽으로 산재되 어 열 전달이 향상된다.

종래의 일직선의 짧은 길이 또는 코일화되지 않은 콘덴서 관은 HPLH를 유지하면서 홀을 통해 액체 탱크로 삽입하기가 어렵다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 콘덴서 관들의 긴 번들은 홀을 통해 액체 탱크로 삽입하기가 쉬운 것과 마찬가지로, 번들 콘덴서 관을 액체 탱크에 삽입하면서 HPLH를 임의의 종래의 표면 상에 위치시킬 수 있다. 일단 번들 콘덴서 관이 액체 탱크에 삽입되면, HPLH는 액체 탱크의 상부 위와 같이 임의의 원하는 위치에 위치할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 열펌프의 확대도를 도시한다. 복귀 냉각제(8)는 액체 탱크(10)로부터 팽창 디바이스(4)로 옮겨진다. 복귀 냉각제(8)는 이중 튜브식 열교환기(47)를 나온 후 팽창 디바이스(4)를 통과한다. 팽창 디바이스(4)는 냉각제의 압력을 팽창시키고 감소시킨다. 팽창 디바이스(4)는 모세관 튜브 또는 자동 팽창 밸브("AEV") 또는 서모스탯 팽창 밸브("TEV") 또는 전기 또는 전자 팽창 밸브("EXV") 또는 다른 알려진 팽창 디바이스의 유형일 수 있다.

팽창 후, 냉각제는 팬(3)을 구비한 증발기(2)로 흐르고 높은 엔탈피 및 낮은 압력에서 나오게 된다. 증발기(2)에서, 냉각제는 주위의 온도로부터 열을 흡수하고 이에 따라 냉각제가 가열된다. 주위의 공기의 흐름은 팬(3)에 의해 이루어지고 이 주위의 공기는 증발기(2)를 통과하는 냉각제와 열을 교환한다. 냉각제가 증발기(2)를 통해 흐를 때 주위의 온도와 증발기(2) 내의 냉각제 사이의 온도차에 의해 주위의 공기로부터 냉각제로 열에너지가 전달된다. 팬(3)은 주위의 공기를 증발기(2) 전체에 이동시켜, 온도차를 유지하고 냉각제를 증발시킨다. 냉각제(44 및 45)는 이중 튜브식 열교환기(47) 내에서 과열된 다음 압축기(1)로 다시 들어가서 사이클이 완료된다.

압축기(1)의 가열 용량은 액체 탱크(10) 내의 액체(11)를 가열하기 위한 압축기(1)의 용량으로서 규정된다. 다른 실시예에서 열펌프(5)는 보조 전기 히터를 포함할 수 있고 이 보조 전기 히터는 액체 탱크(10)에서 나가는 액체(12)를 더 가열하여 열펌프(5)의 가열 용량을 증가시킬 수 있다. 보조 전기 히터는 액체 탱크(10)를 나가는 액체 상의 어느 곳에라도 위치할 수 있다. 보조 전기 히터는 또한 통상적인 전기 액체 탱크를 구비한 기존의 것일 수 있고 또는 탱크의 본체 내의 어느 곳에라도 새로운 것이 부착될 수 있다. 보조 전기 히터는 열펌프(5)의 가열 용량이 수요에 미치지 못할 때 액체 탱크(10)를 나가는 액체(12)를 더 가열하도록 활성화될 수 있다. 보조 전기 히터는 또한 공기 조건을 결빙하기 위한 냉온(cold-temperature) 서모스탯을 이용해서 활성화될 수도 있고 핫 액체의 수요가 과도할 때 활성화될 수도 있다.

도 1과 관련해서 열펌프(5)에 대한 설명에 부가해서, 열 복구 열교환기(47)(절약 장치라고도 함)를 본 발명의 HPLH의 효율성을 높이기 위해 추가한다. 그 이유는 복귀 냉각제(8)의 잠재적인 열의 대부분이 정상적으로 팽창 프로세서에서 손실되기 때문인데, 그렇지만 본 발명의 일실시예에 따르면, 냉각제의 잠재적인 열의 상당한 양이 복구되고 "과열(superheat)"로서 냉각제(41)에 전달된다. 상기 복구 및 이러한 추가의 열의 사용으로 본 발명의 HPLH의 효율성이 높아진다. 열교환기(47)는 이중 튜브식 열교환기일 수 있으며 시스템 내에서 임의의 다른 열교환 기로 대체될 수 있다.

증발기(2)에서, 냉각제는 주위의 공기로부터 열을 흡수하고 이에 의해 냉각제가 가열된다. 주위의 공기의 흐름은 팬(3)에 의해 이루어지고 주위의 공기는 공지의 방식으로 증발기(2)를 통과하는 냉각제와 열을 교환한다. 냉각제가 증발기(2)를 통과할 때 주위의 공기와 증발기(2) 내의 냉각제 사이의 온도차에 의해 주위의 공기로부터 냉각제로 열에너지가 전달된다. 팬(3)은 주위의 공기를 증발기(2) 전체에 이동시켜, 온도차를 유지하고 냉각제를 증발시킨다. 냉각제(44)는 이중 튜브식 열교환기(47) 내에서 열을 추출하고 그런 다음 냉각제를 과열된 냉각제(45)로 과열시키기 위하여 먼저 열교환기(43)를 통과시킴으로써 압축기(1)로 다시 들어간다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 태양열 에너지 소스를 포함하는 열펌프 물 가열 시스템의 개략도를 도시한다. 다양한 구성요소 및 기능은 도 1과 관련하여 전술하였고, 도 5에서는 전기 에너지 입력이 종래의 전기 소스가 아닌 태양열 소스 에너지로부터 나온다는 것이 다르다. 태양열 에너지는 태양열 에너지를 저장하는 저장 배터리(55)로부터 압축기(1)로 입력된다. 태양 광전지 패널(51)은 태양열 에너지를 수집하고 이 수집된 태양열 에너지는 접속 와이어(57)를 통해 저장 배터리(55)용 태양열 충전 제어기(53)에 전달된다. HPLH 시스템은 배터리로부터 직접 운용될 수 있거나 HPLH의 구성요소의 전기 요건에 따라 교류 인버터를 통해 운용될 수 있다.

태양열 에너지를 사용하여 전기 보조 히터, 절약 장치, 및/또는 임의의 다른 전기에 필요한 구성요소에 전력을 제공할 수 있다. 전기 어레이, 태양열 에너지의 수동 흡수체(absorber), 태양로(solar furnaces), 태양광 추적장치(solar trackers)를 가진 트로프 집속 콜렉터(trough collecting collectors)와 같은 시스템의 사용을 통한 태양열 에너지의 열 또는 전기 에너지로의 변환은 당분야에 잘 공지되어 있다. 미국특허 제4,315,163호에는, 태양열 광전기 어레이, 배터리 충전기 및 DC/AC 인버터를 포함하는 가정에 전기 에너지를 공급하기 위한 멀티파워 전기 시스템에 대해 개시되어 있다. 미국특허 제4,147,157호에는 펌프용 전력을 발생하고 액체를 가열하기 위한 태양열 콜렉터의 어레이, 상기 어레이에 의해 전력을 공급받아 그 가열된 액체를 순환시키는 펌핑 장치 및 그 가열된 액체를 저장하는 저장 탱크를 포함하는 능동 태양열 에너지 시스템에 대해 개시되어 있다. 마찬가지로, 미국특허 제5,293,447호에는 광전기 어레이, 온수기 및 제어기를 포함하는 태양열 에너지를 사용하는 온수 시스템에 대해 개시되어 있다. 태양열 에너지를 열 및 전기로 동시에 변환시키기 위한 시스템들도 또한 제안되어 있다. 예를 들어, 미국특허 제4,392,008호에는 광전 셀의 플레이트 장치 어레이에 대해 아래와 그 내부에 공간을 두고 전도성 관계로 되어 있는 플랫 플레이트 태양열 콜렉터에 대해 개시되어 있다. 미국특허 제5,522,944호에는 광전기 셀의 어레이 및 상기 어레이가 동일한 평면에 배치되어 있는 복수의 상호접속된 가열 집속관를 구비하는 장치에 대해 개시되어 있다.

도 6a는 태양 에너지가 HPLH에 통상적으로 공급되는 방법을 나타내는 흐름도를 도시하고 있다. 먼저, 태양 광전기 패널은 DC 전기의 형태로 태양열 에너지를 모은다. 그런 다음 이 DC 에너지는 HPLH에 공급된다. 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따라 태양열 에너지를 HPLH에 공급하는 흐름도를 나타낸다. 태양열 에너지는 DC 전기의 형태로 태양열 광전기 패널에 의해 집속된다. DC 전기는 충전 제어기를 사용해서 재충전 가능한 배터리 또는 이러한 배터리들의 조합과 같은 전기 저장 장치에 저장된다. 그런 다음 배터리 또는 배터리들의 조합에 저장된 DC 전기는 수요에 따라 HPLH에 직접 공급될 수 있거나 먼저 인버터를 사용해서 AC 전기로 변환된 다음 수요에 따라 HPLH에 공급될 수도 있다. 집속된 태양열 에너지를 저장하기 위한 배터리 또는 배터리들의 조합의 사용은, 전기의 실질적으로 일정한 이용 가능성을 HPLH로 하여금 갖게 하여 이 HPLH에 전력을 공급할 수 있다. 또한, HPLH가 배터리 또는 배터리의 조합을 사용하지 않을 때는, HPLH가 다시 사용될 때까지 그 집속된 전력을 저장할 수 있다. 마찬가지로, 저장된 태양열 에너지에 의해 HPLH는 과도하게 사용되는 동안에도 실질적으로 일관되게 사용될 수 있다.

또한, HPLH의 가열 효율성은 콘덴서로부터 냉각제가 복귀하는 중에 열을 복구함으로써 향상된다. 콘덴서로부터의 복귀 냉각제는 액체 탱크 내의 액체보다 높거나 같은 온도를 가진다. 복귀 냉각제의 온도는 팽창 프로세스 동안 통상적으로 손실된다. 그렇지만 본 발명의 HPLH는 열교환기(예를 들어, 절약 장치)에 의해 또는 임의의 다른 유형의 열교환기를 사용함으로써 이 열을 복구하며, 복귀 냉각제로부터의 열은 압축기로 들어가는 냉각제에 전달된다.

또한, 일실시예에 따르면, 개장 방법(retrofitting method)에 대해 개시한다. 개장 방법에 있어서, 본 발명의 HPLH는 시중에서 입수 가능한 휴대형 온도 조 절(가열 또는 냉각) 장치와 함께 사용될 수 있다. 이러한 개장은 공기 조절 장치로부터 먼저 증발기 코일 또는 콘덴서 코일을 제거함으로써 달성되며 나머지 코일은 HPLH의 증발기로서 사용될 수 있다. 둘째, 번들 콘덴서 관이 한쪽 단부에서 압축기의 고압 개구에 부착되고 번들 콘덴서 관의 다른 쪽 단부가 시스템의 기존의 팽창 디바이스에 부착되어, 콘덴서 관의 중간부가 액체 탱크에 삽입되고 액체에 담그어진다. 셋째, 팽창 디바이스의 다른 쪽 단부에 기존의 팬을 가진 증발기가 부착될 수 있다. 넷째, 증발기의 다른 쪽 단부에 압축기의 낮은 압력 단부가 부착되어 시스템이 하나의 폐쇄 사이클을 만들게 된다. 선택적으로, 다섯째 단계에서, 냉온 서모스탯 스위치가 제거될 수 있고 그 대신 고온 서모스탯 스위치가 회로에 부가될 수 있어 시스템의 온/오프 스위치 성능이 완성된다. 서모스탯은 침지형일 수 있거나 탱크의 외부 벽에 부착된 기존의 서모스탯일 수도 있다. 개장 HPLH의 입구(inlet vents) 상에 공기 필터가 부착될 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 HPLH는 상업용 공기 조절 장치로 개장하는데 사용될 수 있다. 압축기, 팽창 디바이스 및 팬을 구비한 콘덴서는 상업용 HPLH의 증발기로서 사용된다. 콘덴서 관의 한쪽 단부가 압축기의 고압 개구에 연결되도록 관 접속이 변경된다. 콘덴서 관은 액체 탱크의 개구를 통해 삽입되어 액체에 침지된다. 콘덴서의 다른 쪽 단부는 시스템의 기존의 팽창 디바이스에 부착된다. 팽창 디바이스는 기존의 팬을 가지는 증발기의 한쪽 단부에 부착된다. 증발기의 다른 쪽 단부는 압축기의 저압 단부에 부착되어 시스템이 하나의 폐쇄 사이클을 만들게 된다. 냉온 서모스탯 스위치는 제거되고 그 대신에 고온 서모스탯 스위치가 회로에 부가되어 시스템의 온/오프가 완성된다. 서모스탯은 바람직하게 침지형이다. 시스템의 입구 상에 공기 필터가 부착될 수 있다.

HPLH 주위의 공기가 일반적으로 충분한 열을 포함하여 HPLH가 효과적인 동작을 할 수 있지만, 웹 벌브 공기 온도가 얼게 되는 정도로 낮아지면, 문제가 있을 수 있으며, 이 경우 증발기 상에 결빙이 형성되기 시작한다. 이 경우, HPLH는 비효과적으로 될 수 있다. 일실시예에서는, 전기 히터를 사용하여 증발기를 통해 들어가는 공기를 가열하여 결빙을 녹여, 결빙에 의해 일어나는 임의의 차단을 실질적으로 제거한다. 다른 실시예에서, 증발기는 전기 히터에 의해 직접 가열되어 증발기를 녹일 수 있으며 이에 따라 결빙에 의해 일어나는 임의의 차단을 실질적으로 제거할 수 있다. 다른 실시예에서는, 저온 서모스탯이 HPLH의 증발기에 부가되어 서모스탯은 증발기 상의 결빙의 형성을 감지할 수 있고 결빙이 감지되면 제어 수단이 자동으로 활성화되어 전기 히터 상의 스위칭에 의해 증발기의 결빙을 녹일 수 있다. 마찬가지로, 서모스탯에 의해 감지된 바와 같은 결빙 해동이 완료되면 제어 수단은 히터를 끌 수 있다. 서모스탯 및 제어 수단을 사용하여 증발기의 결빙을 해동하는 것에 관한 더 많은 정보를 얻기 위해서는, 예를 들어, 미국특허 제4,517,807호를 참조하라.

또한, HPLH는 가열 효율성을 높이고, 공간을 절약하며, 시스템 및 설치 비용을 줄이고, 액체 순환 펌프 및 그 제어기의 필요성을 제거하고, 시스템 내의 유지 가능한 부품들을 줄이고 설치를 간단하게 할 수 있다. HPLH는 기존의 액체 탱크에 부가될 수 있으며 새로운 액체 탱크에 일체화될 수 있다. 또한, 콘덴서의 길이를 변화시켜 소형의 가정용 뿐만 아니라 대형의 상업용에 HPLH의 용도를 맞출 수 있다.

전술한 HPLH의 모든 실시예에서는 공기 조절을 위한 원하는 공간에 채널 입구 공기 흐름 및 출구 냉기 흐름에 어댑터를 사용하면 더 향상된다.

전술한 HPLH의 모든 실시예는 증발기로부터 응축물을 제거하기 위해 드레인 홀 및 관 부착부를 포함한다.

종래의 전기를 사용하여 시스템에 동력을 공급하는 물을 가열하기 위해 도 1에 도시된 열펌프 시스템의 성능 데이터가 아래의 표 1에 제공된다:

주위 온도(℉)	에너지 요소("EF")
30	1.86
32	1.93
68	3.00
69	3.13
71	3.35
78	3.47
80	3.67
83	3.67
88	3.80

냉각제는 R22이다. 위의 표에서의 에너지 요소("EF")는 열 출력에 대한 종래의 전기 액체 가열 효율 요소에 의해 나누어진 에너지 입력의 비로서 정의된다. 종래의 전기 저항 온수 히터 효율 요소는 0.86이다. 위의 데이터의 스캐터 플롯은 도 7에 추세선으로 도시되어 있다. EF가 높을수록 온수 히터의 효율이 좋고, 따라서 도 7은 온수 히터의 효율성이 주변의 수온이 높아질수록 높아진다는 것을 나타내고 있다.

양호한 실시예를 참조하여 본 발명을 서술하였지만, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있고 본 발명의 요소에 대한 등가물이 대체 될 수 있다. 또한, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 본 발명에 특별한 상황 또는 재료를 적용하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 그러므로 본 발명을 수행하도록 고려된 최선의 형태로서 서술된 특별한 실시예에 본 발명이 제한되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 속하는 모든 실시예를 포함하도록 의도된다.

모든 전술한 참조문헌은 각각의 개별 문헌이 구체적으로 그리고 개별적으로 여기에 원용되도록 나타내어진 것과 동일한 양으로 그 내용이 여기에 원용된다.

Claims

액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 있어서,

열펌프;

상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크; 및

상기 액체에 담그어지고 적어도 하나의 코일을 형성하는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관(metal conderser tube)

를 포함하는 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조(flattened double-tube configuration) 및 동심의 타원들(concentric ovals)에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화하는, 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 상기 열펌프에 연결되어 있고 어댑터 어셈블리를 통해 상기 액체에 담그어지는, 열펌프 액체 히터.
제3항에 있어서,

상기 어댑터 어셈블리는 상기 액체 탱크에 부착되어 고정되는, 열펌프 액체 히터.
제4항에 있어서,

상기 어댑터 어셈블리는 상기 열펌프와 상기 액체 탱크를 연결하는, 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관인, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제7항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제9항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 구리로 만들어지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 유연성 있는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액 체를 가열하기 위한 표면 영역을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제6항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조(whisk configuration)를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성하는, 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기(tube-in-tube heat exchanger) 및 압축기(compressor)를 포함하며,

상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시키는, 열펌프 액체 히터.
제17항에 있어서,

상기 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는, 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

노브(knob)를 가지는 서모스탯(thermostat)을 더 포함하며,

상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절되는, 열펌프 액체 히터.
제1항에 있어서,

상기 액체는 물인, 열펌프 액체 히터.
열펌프 액체 히터로부터 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 통해 핫 냉각제(hot refrigerant)를 공급하는 단계; 및

상기 액체가 서모스탯에 의해 제어된 미리 결정된 온도로 가열되도록 상기 핫 냉각제로부터 열을 액체 탱크 내의 액체로 전달하는 단계

를 포함하며,

상기 금속 콘덴서 관은 적어도 하나의 코일을 형성하는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조 및 동심의 타원들에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화하는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며,

상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시키는, 액체 가열 방법.
제23항에 있어서,

상기 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

노브를 가지는 서모스탯을 더 포함하며,

상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절되는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관인, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지는, 액체 가열 방법.
제27항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지는, 액체 가열 방법.
제29항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 구리로 만들어지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 유연성 있는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 표면 영역을 가지는, 액체 가열 방법.
제26항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성하는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 구리 또는 구리 합금으로 만들어지는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

상기 냉각제는 이산화탄소(carbon dioxide), 수소화불화탄소(hydrofluorocarbons), 및 수소염화불화탄소(hydrochlorofluorocarbons)로 이루 어지는 그룹으로부터 선택되는, 액체 가열 방법.
제21항에 있어서,

액체는 물인, 액체 가열 방법.
액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 있어서,

열펌프; 및

상기 열펌프와 열이 통하도록 연결된 액체 탱크

를 포함하며,

상기 액체 탱크는,

액체; 및

상기 액체에 담그어지는 적어도 하나의 금속 콘덴서 관을 포함하며,

상기 금속 콘덴서 관은 냉각제를 포함하고 상기 열펌프에 연결되어 있으며,

상기 금속 콘덴서 관은 어댑터 어셈블리를 통해 상기 액체에 담그어지며,

상기 어댑터 어셈블리는,

액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관(metal nipple);

상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관(metal union); 및

상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관

을 포함하며,

상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도 록 구성되어 있는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 어댑터 어셈블리는 상기 열펌프 및 상기 액체 탱크 사이에서 실질적으로 밀폐 및 방수 연결을 형성하는 상기 액체 탱크에 부착되어 고정되어 있는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관인, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 평평한 이중관 구조 및 동심의 타원들에 의해 정해진 단면을 가지고, 상기 동심의 타원들의 적어도 일부가 서로 접촉하여 상기 평평한 이중관들 사이의 공간을 최소화하는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 어댑터 어셈블리는 이전의 액체 탱크 및/또는 공기 조절 장치(air conditioner unit)로 개장되어(retrofitted), 상기 열펌프와 상기 이전의 액체 탱크 사이 및/또는 상기 공기 조절 장치 사이에서 실질적으로 밀폐 및 방수 연결을 형성하는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며,

상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시키는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 압축기는 태양열 에너지 소스 및/또는 종래의 전기 소스에 의해 동력을 공급받는, 열펌프 액체 히터.
제46항에 있어서,

상기 태양열 에너지 소스는 태양 광전지 집열판(solar photovoltaic panel)으로부터 도출되는, 열펌프 액체 히터.
제47항에 있어서,

상기 태양 광전기 집열판에 의해 수집된 전력은 전하 제어기를 통해 적어도 하나의 재충전 가능한 배터리에 저장되는 DC 전기이며, 상기 DC 전기는 수요에 따라 상기 적어도 하나의 배터리로부터 열펌프 액체 히터로 공급되는, 열펌프 액체 히터.
제47항에 있어서,

상기 태양 광전기 집열판에 의해 수집된 전력은 전하 제어기를 통해 적어도 하나의 재충전 가능한 배터리에 저장되는 DC 전기이며, 상기 DC 전기는 변환기를 통해 AC 전기로 변환되고, 상기 AC 전기는 수요에 따라 상기 열펌프 액체 히터로 공급되는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

노브를 가지는 서모스탯을 더 포함하며,

상기 노브는 상기 액체의 미리 결정된 온도를 얻도록 사용자에 의해 조절되는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 단일의 연속적인 코일 관인, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 1 ft 내지 약 250 ft의 길이를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제52항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 10 ft 내지 약 100 ft의 길이를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.01 인치 내지 약 0.50 인치의 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제54항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 3/16 인치의 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 약 0.035 인치의 두께를 가지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 구리로 만들어지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 유연성 있는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 길이 및 직경을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 온도로 상기 액체를 가열하기 위한 표면 영역을 가지는, 열펌프 액체 히터.
제51항에 있어서,

상기 금속 콘덴서 관은 복수의 소직경 콘덴서 관이 상기 금속 콘덴서 관에서 나오는 휘스크 구조를 가지며, 상기 복수의 소직경 콘덴서 관은 코일을 형성하는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 냉각제는 이산화탄소, 수소화불화탄소, 및 수소염화불화탄소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

액체는 물인, 열펌프 액체 히터.
액체를 가열하기 위한 열펌프 액체 히터에 있어서,

열펌프;

상기 열펌프와 열이 통하도록 연결되어 있고 액체를 포함하는 액체 탱크;

상기 액체에 담그어지고 냉각제를 포함하는 금속 콘덴서 관; 및

압축기와 액체가 흐르도록 연결되어 있는 이중 튜브식 열교환기

를 포함하며,

상기 이중 튜브식 열교환기는, 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시키는, 열펌프 액체 히터.
제40항에 있어서,

상기 열펌프는 이중 튜브식 열교환기 및 압축기를 포함하며,

상기 이중 튜브식 열교환기는 상기 액체 탱크로부터 복귀하는 냉각제로부터 열을 복구하고 그 복구된 열을 상기 압축기로 가는 냉각제에 전달함으로써 상기 냉각제를 과열시키는, 열펌프 액체 히터.
어댑터 어셈블리에 있어서,

액체 탱크의 개구에 부착되어 고정된 금속 접관;

상기 금속 접관에 부착되어 고정된 금속 접합관; 및

상기 금속 접합관에 부착되어 고정된 금속관

을 포함하며,

상기 금속관은 적어도 하나의 콘덴서 관 및/또는 서모스탯 벌브를 수용하도록 구성되어 있는, 어댑터 어셈블리.
제66항에 있어서,

상기 액체 탱크 내에서의 상기 금속 접관과 상기 개구 사이의 부착(attachemnt)은 실질적으로 밀폐인, 어댑터 어셈블리.
제66항에 있어서,

상업적 소형 크기 또는 대형 크기의 온도 조절 장치는 액체 탱크를 포함하고, 이에 따라 상기 액체 탱크 내에서의 상기 금속 접관과 상기 개구 사이의 개장된 부착을 형성하는, 어댑터 어셈블리.