KR20100086591A

KR20100086591A - 히트 펌프를 이용하는 온수 공급 장치

Info

Publication number: KR20100086591A
Application number: KR1020090005890A
Authority: KR
Inventors: 김용열; 장만규
Original assignee: (주)코스텍
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-08-02

Abstract

본 발명은 난방기 또는 온수기로 이용될 수 있는 온수 공급 장치의 에너지 효율을 높이기 위한 구조 및 이러한 구조의 동작 방법에 관한 것으로서, 히트펌프 구조를 이용하는 온수 공급 장치를 제공한다.

이를 위해 본 발명은 압축기 (150), 응축기 (140), 팽창변 (130), 증발기 (110)를 포함하는 히트펌프와, 응축기 (140)를 거쳐 1차 가열된 난방용수를 2차 가열하는 스팀 열 교환기 (160)를 포함할 수 있다. 난방용수는 응축기 히트펌프의 응축기 (140)에 의하여 1차 가열되고 스팀 열 교환기 (160)에 의하여 2차 가열될 수 있다. 본 발명은 난방용수를 2단계로 가열함으로써 각 열 교환 유닛 (응축기 (140), 및 스팀 열 교환기 (160) )의 부하를 줄이고, 에너지 효율을 높일 수 있다.

히트펌프, 증발기, 링 블로워, 제상, 난방기, 온수기

Description

히트 펌프를 이용하는 온수 공급 장치 {HOT WATER SUPPLIER USING HEAT PUMP}

본 발명은 온수 공급 장치의 구조에 관한 것으로서, 특히 히트 펌프를 포함하는 온수 공급 장치로서 투입되는 에너지 대비 난방 효율을 증가시키기 위한 구조 및 동작 방법에 관한 것이다.

히트펌프 (heat pump)는 파이프를 따라 순환하는 냉매에 일을 가하여 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 열을 이동시키는 구조를 말하는 것으로, 냉매로부터 열이 방출되는 과정을 적극적으로 이용하면 난방기, 온수기로 이용될 수 있고, 냉매가 열을 흡수하는 과정을 적극적으로 이용하면 냉방기, 에어컨, 냉동기 등으로 이용될 수 있다.

일반적인 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창기(또는 팽창변), 및 증발기의 구조를 포함하고, 냉매는 이들 4개의 구성 요소를 순환하며 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정을 순환 반복한다.

압축기는 기체 상태의 냉매를 고온 고압으로 압축하고, 응축기는 열교환 작용을 통해 냉매의 고열을 외부로 방출하고, 냉매를 액화한다. 이 때 별도의 유체 가 응축기에 접근하면, 냉매의 응축 과정에서 발생한 열이 유체를 가열하는 데 이용될 수 있다. 이러한 응축 과정을 적극 활용하면 유체를 가열하는 난방기의 동작을 끌어낼 수 있다.

응축기에서 응축된 냉매는 팽창기에서 팽창하며 압력 및 온도가 감소한다. 팽창기는 팽창밸브 또는 팽창변이라고도 불리며 모세관 형태의 구조를 가질 수 있다. 팽창기를 거친 냉매는 저온 저압의 포화 상태의 액체 상태를 유지하게 된다.

증발기는 외부로부터 열을 흡수하여 액체 상태의 냉매를 기화하는 장치이다. 이 때 냉매는 외부의 열을 흡수하므로 냉매 주변의 온도를 낮추는 효과가 있다.

히트펌프의 응축기 부분을 결과물로 이용하고 증발기 부분을 실외 열교환기로 이용하는 경우 히트펌프를 난방기 또는 온수기로 활용할 수 있고, 반대로 히트펌프의 증발기 부분을 결과물로 이용하고 응축기 부분을 실외 열교환기로 이용하는 경우 히트펌프는 냉방기, 냉장고, 에어컨 등으로 이용될 수 있다.

히트펌프를 난방기 또는 온수기의 용도로 이용하는 경우에는, 증발기 부분이 실외 열교환기의 형태로 구현될 수 있다. 이 때 실외 온도가 낮으면 냉매가 모두 증발하기에 충분한 열을 흡수할 수 없는 경우가 있다. 냉매의 증발이 충분히 이루어지지 않으면 압축기에 액체 상태의 냉매가 기체와 혼합된 채로 유입될 수 있다. 압축기에 액체 상태의 냉매가 유입되면 압축기의 압축 효율이 크게 떨어질 뿐만 아니라 원하는 고온 고압 상태의 기화된 냉매를 얻기 위해서는 압축기에 걸리는 부하가 크게 증가하게 된다. 이는 압축기의 고장을 일으키는 원인이 되며 압축기의 수명을 단축시킬 수 있다.

히트펌프는 이상적으로는 냉매의 상태 변화를 이용하여 열 효율을 최대한 끌어 낼 수 있는 구조이지만, 냉매의 온도 변화가 클수록 에너지 효율이 떨어지는 점이 약점일 수 있다. 여기에 앞에서 설명한 바와 같이, 외부의 온도가 낮은 환경에서 난방 장치로 이용되는 경우 증발기 주변에 생기는 성에 또는 결로 현상으로 인하여 효율 저하 및 수명 단축 등의 장애가 발생하기도 한다.

본 발명에 따르면, 히트펌프를 저온에서 난방 장치로 동작시키는 환경에서, 히트펌프의 부하를 줄이는 한편 높은 에너지 효율을 유지하고, 또한 높은 온도의 온수를 용이하게 얻을 수 있는 온수 공급 장치 구조가 제공된다.

본 발명에 따르면, 외부 온도, 증발기 출구의 냉매의 온도 또는 압력을 피드백 받아 용이하게 히트펌프의 증발기에 유입되는 공기의 온도 및 압력을 조정하고, 이 과정에서 에너지의 소비를 최소화할 수 있는 구조를 포함하는 온수 공급 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 히트펌프와 결합된 2차 가열 장치인 스팀 보일러의 폐열을 이용하여 히트펌프의 에너지 효율을 높이고 장치의 수명을 증가시킬 수 있는 온수 공급 장치 구조가 제공된다.

본 발명에 따르면, 단순히 외부 공기를 증발기 외부에 접촉시켜 증발 현상을 촉진하는 종래 기술보다 제상 효율이 뛰어나고, 온수를 증발기 외부에 접촉시켜 증발 현상을 촉진하는 기술보다 적은 에너지가 투입되고도 더 큰 효과를 얻을 수 있는 히트펌프를 포함하는 온수 공급 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 압축기 (150), 응축기 (140), 팽창변 (130), 증발기 (110), 스팀 열 교환기 (160), 및 스팀 (170)을 포함할 수 있다.

압축기 (150), 응축기 (140), 팽창변 (130) 및 증발기 (110)는 히트펌프를 구성하고, 상기 히트펌프, 특히 응축기 (140)는 난방용수 및 냉매를 열교환하여 난방용수를 1차 가열하는 1차 열 교환기로서 기능한다.

응축기 (140)에 의하여 액화된 냉매는 팽창변 (130)을 거친 후 증발기 (110)로 유입된다. 증발기 (110)는 냉매를 기화시키고, 기화된 냉매를 압축기 (150)로 전달함으로써 냉매의 순환 폐회로가 이루어진다.

링 블로워 (120)는 증발기 (110)의 외부에 위치하고, 외부의 공기를 흡입하여 가열 및 압축하고, 상기 가열 및 압축된 공기를 배출한다. 이 때 링 블로워 (120)에 의하여 배출된 (가열 및 압축된) 공기는 증발기 (110)로 유입된다.

증발기 (110)는 상기 냉매가 흐르는 경로와 분리된 경로로 링 블로워 (120)로부터 배출된 공기를 유입하고, 상기 유입된 공기와 상기 증발기 (110) 내부의 상기 냉매 간의 열교환을 수행하여 상기 냉매를 증발시킨다.

이 때 증발기 (110)가 링 블로워 (120)로부터 배출된 공기를 유입하는 입구는 증발기 (110)로부터 공기가 배출되는 출구보다 높게 위치하고, 증발기 (110)로부터 공기가 배출되는 출구는 증발기 (110) 내부의 열교환 과정에서 생성된 낙수 또는 결로를 토출할 수 있다.

이 때 외부의 공기의 온도, 증발기 (110)의 출구에서의 상기 냉매의 온도 및 압력 조건에 따라 링 블로워 (120) 내부의 모터가 제어될 수 있다. 링 블로워 (120) 내부의 모터가 제어됨으로써 상기 흡입된 외부의 공기를 가열 및 압축하는 정도가 조절될 수 있다.

스팀 (170)은 물(유체)을 가열하여 기화시키고, 수증기는 스팀 열 교환기 (160)로 유입되어 난방용수와 열교환된다. 난방용수는 응축기 (140)에 의하여 1차 가열되고, 스팀 열 교환기 (160)에 의하여 2차로 가열된다. 이 때 스팀 열 교환기 (160)는 난방용수에 대하여 2차 열 교환기로서 기능한다.

상기 유체 중 스팀 (170) 및 스팀 열 교환기 (160)의 폐열에 의하여 기화된 부분은 증발기 (110)로 유입되되, 상기 냉매가 흐르는 경로와 분리된 경로로 유입되고, 증발기 (110)는 상기 기화된 유체(수증기) 및 상기 냉매를 열교환하고, 링 블로워 (120)로부터 배출된 공기 또한 상기 냉매가 흐르는 경로와 분리된 경로로 증발기 (110)로 유입되고, 증발기 (110)는 링 블로워 (120)로부터 배출된 공기 및 상기 냉매를 열교환한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 히트펌프를 저온에서 난방 장치로 동작시키는 환경에서, 히트펌프의 부하를 줄이는 한편 높은 에너지 효율을 유지하고, 또한 높은 온도의 온수를 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 외부 온도, 증발기 출구의 냉매의 온도 또는 압력을 피드백 받아 용이하게 히트펌프의 증발기에 유입되는 공기의 온도 및 압력을 조정하고, 이 과정에서 에너지의 소비를 최소화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 히트펌프와 결합된 2차 가열 장치인 스팀 보일러의 폐열을 이용하여 히트펌프의 에너지 효율을 높이고 장치의 수명을 증가시킬 수 있는 온수 공급 장치 구조가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 링 블로워를 이용하여 단순히 외부 공기를 증발기 외부에 접촉시켜 증발 현상을 촉진하는 종래 기술보다 제상 효율이 뛰어나고, 온수를 증발기 외부에 접촉시켜 증발 현상을 촉진하는 기술보다 적은 에너지가 투입되고도 더 큰 효과를 얻을 수 있는 히트펌프를 포함하는 온수 공급 장치가 제공된다. 또한 본 발명의 히트펌프는 온수를 증발기 외부에 접촉시켜 증발 현상을 촉진하는 증발기 타입보다 적은 에너지가 투입되고도 더 큰 효과를 얻을 수 있다. 링 블로워는 상대적으로 낮은 에너지를 이용하여 용이하게 투입 공기의 온도 및 압력을 높일 수 있는 구조이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치는 외부 온도, 증발기 출구의 냉매의 온도 또는 압력을 피드백 받아 용이하게 증발기에 유입되는 공기의 온도 및 압력을 조정하고, 이 과정에서 에너지의 소비를 최소화할 수 있다. 링 블로워는 외부 온도 등의 환경 변수가 증발기의 동작에 우호적인 환경에서는 동작하지 않거나 최저의 레벨로 동작할 수 있다. 링 블로워는 이러한 경우에 상대적으로 용이하게 제어될 수 있으며, 환경 변수에 의하여 링 블로워를 제어하는 데 추가적으로 필요한 비용도 최소화될 수 있다.

이하에서, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프가 결합된 온수기에서, 냉매, 난방용수 및 유체의 전체적인 순환을 도시하는 회로도이다.

압축기 (150)는 증발기 (110)에 의하여 배출된 냉매를 고온 고압의 기체 상태로 압축한다. 응축기 (140)는 압축기 (150)에 의하여 압축된 기체 상태의 냉매를 응축하여 냉매의 고열을 외부로 방출하고 냉매를 액화할 수 있다. 응축기 (140)에 의하여 응축된 냉매는 고압의 액체 상태가 된다.

응축기 (140)는 열교환 방식에 의하여 냉매를 응축할 수 있다. 이 때 응축기 (140)는 난방용수 및 냉매를 별도의 경로로 유입하고, 난방용수 및 냉매의 열교환에 의하여 난방용수를 가열하고 냉매를 응축할 수 있다. 응축기 (140)의 열교환 과정에 대한 보다 상세한 설명은 도 3을 통해 이루어진다.

팽창변 (130)은 응축기 (120)에 의하여 응축된 냉매를 팽창시켜 냉매의 압력 및 온도를 저하시킬 수 있다.

증발기 (110)는 팽창변 (130)에 의하여 팽창된 액체 상태의 냉매를 유입하고, 냉매를 증발시켜 저온 저압의 기체 상태로 변화시킨다. 증발기 (110)는 기화된 냉매를 압축기 (150)로 전달함으로써 냉매의 폐회로가 구현된다.

이 때 증발기 (110)에서 냉매를 증발시킴에 있어, 외부의 공기를 증발기 팬 (111)을 이용하여 냉매가 흐르는 관의 외부에 접촉시키거나 온수가 흐르는 관을 냉매가 흐르는 관의 외부에 접촉시켜 열교환을 이루는 방법이 있을 수 있다.

그러나 증발기 팬 (111)에 의하여 외부의 공기를 냉매가 흐르는 관의 외부에 접촉시키는 방법 (해당 분야의 종사자들 사이에서는 이를 <공냉식>이라 하기도 함)으로는, 외부의 공기의 온도가 저하되는 겨울철과 같은 환경에서는 증발기 (110)의 내부의 결로 또는 성에를 방지할 수가 없다. 예를 들어 냉매의 끓는점 온도가 섭씨 0도인데 외부의 공기의 온도가 영하로 떨어지는 경우, 증발기 (110)의 효율이 크게 떨어지고 부하가 크게 걸리게 된다.

한편, 온수가 흐르는 관을 냉매가 흐르는 관의 외부에 접촉시켜 열교환을 이룸으로써 증발기 (110)를 제상하는 방법 (해당 분야의 종사자들 사이에서는 이를 <수냉식>이라 하기도 함) 은 온수를 충분히 높은 온도로 가열하는 데 상대적으로 큰 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라, 온수를 폐회로를 통해 순환시키기 위한 동력도 필요로 한다. 이 때문에 증발기 (110)는 그 제상 과정을 위해 지나치게 큰 에너지를 소비하게 되어 이로 인해 히트펌프 구조를 난방 또는 온수기로 활용하는 데 큰 장애가 되어 왔다.

본 발명에서는, 링 블로워 (120)를 이용하여 외부의 공기를 압축 및 가열하고, 링 블로워 (120)에 의하여 생성된 고온 (외부의 공기보다 상대적으로 높은 온도) 고압의 공기를 증발기 (110)로 투입하는 구조가 제공된다. 본 발명에서는 외부의 공기를 고온으로 가열하여 증발기 (110)로 투입하므로 증발기 팬 (111)을 이용하여 증발기 (110)의 냉매와 열교환하는 방식보다 효율적인 제상 과정을 도모할 수 있다.

또한 링 블로워 (120)는 외부의 공기를 상대적으로 작은 에너지를 사용하고도 높은 온도로 가열할 수 있는 장치이다. 링 블로워 (120)에 따라서는 외부 공기를 흡입하여 섭씨 50도 정도의 고온으로 용이하게 가열할 수 있다. 따라서 본 발명은 온수를 증발기 (110)의 내부에 투입하여 열교환을 이루는 방식보다 작은 에너 지를 사용하고도 높은 제상 효율을 얻을 수 있다. 이로 인해 본 발명은 히트펌프를 이용한 난방기 또는 온수기의 에너지 효율 또한 현저하게 향상시킬 수 있다.

링 블로워 (120)는 임펠러의 회전에 의하여 투입된 공기를 압축하고 송출하는 구조를 말한다. 링 블로워 (120)는 회전에 의하여 공기를 압축, 송출하므로 토출되는 공기의 압력 및 양이 일정하게 유지될 수 있고, 맥동이 없다.

링 블로워 (120)는 회전에 의하여 공기를 압축하므로 고주파 소음은 발생할 수 있으나 진동이 없다. 링 블로워 (120)는 임펠러 및 임펠러 챔버의 상호 작용에 의하여 내부의 공기를 반복적으로 압축할 수 있다. 임펠러 챔버 내부의 통로를 사이드 채널이라고도 하며, 흡입구를 통해 흡입된 공기는 임펠러의 회전 운동에 의하여 와류 운동을 연속적으로 반복하고 압축된 후 배출구를 통해 배출된다.

임펠러가 회전하면 회전 원심력에 의하여 흡입구 측의 압력이 상승하고 이로 인해 공기는 토출구 방향으로 흐른다. 이 때 사이드 채널의 구조로 인해 공기가 케이싱에 눌려 임펠러 날개와의 사이에서 와류 운동이 발생한다. 이러한 원리에 의하여 통로 내부의 공기는 토출구까지 반복 운동을 하게 된다. 링 블로워 (120)에 의하여 공기가 압축 송출되는 과정에서 공기의 온도가 상승하여 고온 고압의 공기가 생성되며, 링 블로워 (120)의 임펠러를 회전시키는 모터를 전기적으로 제어함으로써 배출되는 공기의 온도 및 압력을 제어할 수 있다.

본 발명에서는 증발기 (110)의 내부로 유입되는 고온 고압의 공기가 반드시 폐회로를 형성하지는 않는 구조를 취할 수 있다. 본 발명이 이러한 구조를 취할 수 있는 것은 링 블로워 (120)를 이용하여 외부 공기를 압축 가열하기 때문이다.

증발기 (110)의 내부로 유입된 외부 공기는 증발기 (110)의 냉매와 열교환되고, 냉매에 의하여 열을 빼앗기기 때문에 냉각된다. 이 때 외부 공기는 수증기 또는 끓는점이 낮은 성분을 포함할 수 있고, 수증기 등은 열교환 과정에서 열을 빼앗기고 액화될 수 있다. 만일 증발기 (110)로 유입되는 공기가 폐회로를 형성한다면 열교환 과정에서 액화되는 수증기 때문에 그 효율이 떨어지게 될 것이나, 본 발명에서는 증발기 (110)의 내부로 유입되는 외부 공기에 대하여 반드시 폐회로를 형성하지 않는다.

링 블로워 (120)로부터 증발기 (110)로 공기가 유입되는 증발기 (110)의 공기 유입구는 증발기 (110)에 의하여 열교환된 공기가 배출되는 증발기 (110)의 공기 배출구보다 높게 위치할 수 있다. 즉, 링 블로워 (120)에 의하여 가열 및 압축된 공기는 상부의 공기 유입구를 통하여 증발기 (110)로 유입된다. 증발기 (110) 내부의 열교환에 의하여 냉매에게 열을 빼앗긴 공기의 일부 (수증기 등)는 액화되어 결로 또는 낙수가 발생할 수 있다.

이 때 본 발명의 증발기 (110)의 구조에 따르면, 냉매에게 열을 빼앗기고 액화된 낙수는 중력에 의하여 자연스럽게 하부의 토출구를 통하여 제거될 수 있다.

링 블로워 (120)는 임펠러의 회전에 의하여 공기를 증발기 (110)로 송출하고, 이 과정에서 발생하는 압력 차로 인하여 외부의 공기를 흡입한다.

링 블로워 (120)는 모터의 구동에 의하여 임펠러를 회전시키므로, 링 블로워 (120)를 전기적으로 제어함으로써 증발기 (110)에 유입되는 외부 공기의 양을 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 히트펌프는 외부의 온도를 감지하는 장치를 포함하고, 외부의 온도에 따라 링 블로워 (120)를 제어하여 증발기 (110)에 유입되는 외부 공기의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어 외부의 온도가 섭씨 18도 이상이면 링 블로워 (120)의 동작을 정지시키고 외부의 온도가 섭씨 5도 미만이면 링 블로워 (120)의 회전을 최대로 제어할 수 있다. 외부의 온도가 섭씨 5도 이상 18도 미만인 구간에서는 외부의 온도 값에 따라 링 블로워 (120)의 회전을 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라서는 링 블로워 (120)의 회전을 제어하는 데 기초가 되는 파라미터를 외부의 온도 외에도 증발기 (110)의 출구 (냉매의 출구)에서의 냉매의 온도, 및 냉매의 압력을 이용할 수도 있다. 증발기 (110)로부터 압축기 (150)로 전달되는 냉매의 상태가 압축기 (150)의 부하, 효율 및 성능에 가장 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 증발기 (110)의 출구에서의 냉매의 온도 및 압력에 따라 링 블로워 (120)의 제상 동작을 제어할 수 있다.

응축기 (140)는 압축기 (150)에 의하여 고온 고압 (예를 들어 섭씨 70도 내지 80도의 범위를 가질 수 있음)의 냉매 및 난방용수 간의 열교환 과정에 의하여 냉매의 열을 난방용수로 전달한다. 이 과정에 의하여 난방용수는 1차로 가열되어 입수 단계의 온도 (예를 들어, 섭씨 10도 내지 15도의 범위를 가질 수 있음)보다 높은 온도를 가질 수 있다.

응축기 (140)에 의하여 응축된 냉매는 팽창변 (130)을 거쳐 저온 저압의 포화 상태로 변화하고 증발기 (110)로 전달된다.

응축기 (140)는 난방용수의 입장에서는, 1차 열교환기로서 난방용수에 대한 1차 가열 과정을 수행할 수 있다. 1차 열교환기를 거친 난방용수는 스팀 열교환기 (160)를 거쳐 2차로 가열될 수 있다. 스팀 열교환기 (160)는 2차 열교환기로서 기능할 수 있으며, 스팀 (170)로부터 가열된 고온의 수증기 및 난방용수를 열교환하여 수증기의 열을 난방용수에 전달한다.

스팀 (170)은 물 (유체)를 가열하여 기화시키고, 수증기를 섭씨 100도 이상의 매우 높은 온도로 가열할 수 있다. 예를 들어 섭씨 180도 이상의 높은 온도로 가열된 수증기는, 열교환에 의하여 섭씨 180도로부터 섭씨 100도에 이르기까지의 수증기의 비열 및 섭씨 100도에서의 상태 변화 (기체로부터 액체 상태로 변화)의 잠열을 방출할 수 있다.

예를 들어 응축기 (140)로 유입되는 난방용수의 초기 온도가 섭씨 15도 정도이고, 응축기 (140)를 거친 난방용수는 섭씨 40도 내지 섭씨 50도 정도의 온도로 1차 가열될 수 있다. 이 때 1차 가열된 난방용수는 스팀 열교환기 (160)를 거치면서 섭씨 90도 이상의 고온으로 2차 가열될 수 있다.

1차로 섭씨 40도 이상의 온도로 가열된 난방용수는 스팀 열교환기 (160)에서 고온의 수증기와 열교환 과정을 통하여 가열된다. 난방용수는 1차로 가열되어 상대적으로 높은 온도를 가지고 있기 때문에 스팀 열교환기 (160)에 의하여 상대적으로 용이하게 가열될 수 있다. 따라서 본 발명은 이러한 구조에 의하여 스팀 (170)의 유체 (물) 가열 부하를 줄이고, 전체 난방 시스템의 에너지 효율을 개선할 수 있다.

이처럼 난방용수를 1차 열교환 과정 (응축기 (140)), 및 2차 열교환 과정 (스팀 열교환기 (160))에 의하여 가열함으로써 난방용수에 대한 단위 가열 과정의 부하를 줄이고 열 전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 2단계 가열 회로를 동시에 동작시킬 수 있으므로 난방용수의 가열에 걸리는 시간을 크게 단축할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따르면 섭씨 15도의 난방용수가 1차 열교환 및 2차 열 교환을 거쳐 2분 이내에 섭씨 90도로 가열될 수 있다.

압축기 (150), 응축기 (140), 팽창변 (130) 및 증발기 (110)로 이루어지는 히트펌프 또한 난방용수의 가열 전 및 가열 후의 온도 차이가 크지 않으므로 높은 에너지 효율을 가질 수 있다. 일반적으로 히트펌프의 에너지 효율은 온도 변화 폭이 작을수록 높게 나타난다. 다시 말하면 히트펌프의 부하를 줄일수록 히트펌프의 에너지 효율을 높일 수 있으므로, 본 발명에 따르면, 히트펌프 부분의 에너지 효율을 크게 높일 수 있다. 본 발명의 히트펌프는 섭씨 15도의 난방용수를 섭씨 40도 내지 50도 정도의 온수로 1차 가열하므로, 섭씨 15도의 난방용수를 섭씨 90도 정도의 온수로 바로 가열하는 히트펌프 구조보다 높을 에너지 효율을 가진다.

제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)은 스팀 열교환기 (160)를 거쳐 생성된 폐열을 포함하는 기체를 증발기 (110)로 전달하는 경로를 형성하며, 상기 경로를 여닫는 기능을 수행할 수 있다. 스팀 열교환기 (160)를 거쳐 열을 빼앗긴 수증기는 응축되어 응축수화된 부분 및 기체 상태를 유지하는 부분이 혼합된 상태로 존재한다. 만일 열을 빼앗긴 응축수 및 기체 부분이 더 이상의 기능을 수행하지 않고 스팀 (170)에 의하여 재가열된다면 이는 스팀 (170) 및 스팀 열교환기 (160)에 있어서 폐열이 될 것이나, 본 발명에서는 이러한 폐열을 이용하여 증발기 (110)의 제상을 효율적으로 지원하는 구조가 제안된다.

이 때 스팀 열교환기 (160)에 의하여 열을 빼앗긴 유체 (응축수 및 기체가 혼합된 상태) 는 스팀 (170)의 입구 직전에 위치한 응축수 탱크를 만나, 응축수 및 기체 부분이 분리될 수 있다. 유체 중 응축수 부분은 응축수 탱크로 떨어지고, 기체 부분은 분리되어 제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)을 거쳐 증발기 (110)로 유입될 수 있다.

증발기 (110)는 링 보일러 (120)에 의해 유입되는 가열된 외부 공기, 증발기의 공냉식 팬 (111), 및 제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)에 의하여 전달되는 스팀 열교환기 (160)의 폐열을 이용하여 냉매의 증발 과정을 효율적으로 처리할 수 있다.

제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)은 외부 온도에 기초하여 증발기 (110)로 유입되는 기체의 양을 조절할 수 있다. 제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)은 외부 온도 및 냉매의 온도에 대하여 비례 제어 방식을 적용함으로써 증발기 (110)의 증발력을 안정하고 균일하게 유지할 수 있다.

즉, 제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)은 외부 온도 등 환경 변수에 따라서 스팀 (170) 의 폐열이 증발기 (110)에 전달되는 정도를 제어할 수 있다.

또한 폐열을 포함하는 기체가 증발기 (110)로 전달되는 경로는 원통형의 스팀 (170)에 대하여 최대한 넓은 면적을 접촉하도록 하는 구조를 취할 수 있다. 이 같은 구조를 취함에 따라 기체(수증기)는 스팀 (170)의 폐열 또한 최대한 흡수한 상태로 증발기 (110)에 유입될 수 있다.

도 2는 도 1의 히트펌프의 유기적인 구성을 나타내는 도면이다.

링 블로워 (120)는 외부의 공기를 흡입하고, 가열 및 압축하여 증발기 (110)로 전달한다. 증발기 (110), 압축기 (150), 응축기 (140) 및 팽창변 (130)은 히트펌프를 형성하며, 이를 통해 냉매는 폐회로를 형성하고 순환함으로써 응축기 (140)에서의 열교환을 통해 난방용수를 가열할 수 있다.

링 블로워 (120)는 외부의 공기를 압축 및 가열하여 증발기 (110)로 전달하고, 증발기 (110)의 냉매와 열교환 과정을 거쳐 열을 빼앗긴 공기는 증발기 (110)의 외부로 배출된다. 이 때 공기 중 포함된 수증기 등의 성분은 응축될 수 있고, 액화된 결로는 증발기 (110)의 하부에 위치한 토출구를 통하여 배출될 수 있다.

증발기 (110), 압축기 (150), 응축기 (140), 및 팽창변 (130)은 냉매의 순환 폐회로를 형성하고 히트펌프로서 동작한다. 이 때 히트펌프, 특히 응축기 (140) 부분은 난방용수에 대한 1차 열교환 과정을 수행하여 난방용수를 1차로 가열한다.

난방용수는 응축기 (140)를 거쳐 스팀 열교환기 (160)에서 고온의 수증기와 열교환 과정을 거치고, 고온의 온수로서 배출된다.

스팀 열교환기 (160)를 거쳐 열을 빼앗긴 기체 - 폐열을 포함하는 기체 - 는 제1 전자변 (171) 및 제2 전자변 (172)를 거쳐 증발기 (110)의 제상을 도울 수 있고, 스팀 (170)으로 유입되어 재차 가열됨으로써 폐회로를 구성한다. 이 때 증발기 (110)에서 냉매에게 열을 재차 빼앗긴 폐열 기체는 응축되어 응축수화할 수 있고, 응축수는 응축수 탱크에 저장된 후 스팀 (170)으로 전달될 수 있다.

증발기 (110)의 제상은 팬 (111)으로부터 유입되는 통상의 공기 접촉을 통한 열교환, 링 보일러 (120)로부터 유입되는 고온으로 가열된 외부 공기와의 열교환, 스팀 열교환기 (160)의 응축기의 폐열을 이용한 열교환을 병행함으로써 더욱 효율적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 링 블로워 (120) 또는 전자변 (171, 172) 등의 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 2는 도 1의 온수기의 유기적인 구성을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 증발기 111: 증발기 FAN

120: 링 블로워

130: 팽창변

140: 응축기 (1차 열 교환기)

150: 압축기

160: 스팀 열 교환기 (2차 열 교환기)

170: 스팀

171, 172: 전자변

Claims

기화된 냉매를 가열 및 압축하고, 상기 가열 및 압축된 냉매 및 난방용수를 열교환하여 상기 냉매를 액화시키고 상기 난방용수를 가열하는 제1 열교환기;

상기 제1 열교환기에 의하여 액화된 상기 냉매를 팽창변을 거친 후 유입하고, 상기 냉매를 기화시키고, 상기 기화된 냉매를 상기 제1 열교환기로 전달하는 증발기;

유체를 가열하는 유체 가열기; 및

상기 유체 가열기에 의하여 가열된 유체 및 상기 제1 열교환기에 의하여 가열된 상기 난방용수를 열교환하여 상기 난방용수를 재차 가열하고, 상기 유체의 온도를 낮추는 제2 열교환기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 열교환기를 거친 유체 중 응축된 부분을 분리하는 응축수 탱크; 및

상기 제2 열교환기를 거친 유체 중 기체 상태 부분을 상기 증발기로 전달하는 전자변

을 더 포함하고,

상기 증발기는 상기 전자변을 통하여 유입되는 상기 유체의 상기 기체 상태 부분을 상기 냉매가 흐르는 경로와 분리된 경로로 유입하고, 상기 유체의 상기 기 체 상태 부분 및 상기 냉매를 열교환하여 상기 냉매를 기화시키는 것을 특징으로 하는 온수 공급 장치.
제2항에 있어서,

상기 전자변은

외부의 온도에 따라서 상기 유체 중 상기 기체 상태 부분이 상기 증발기로 유입되는 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 증발기의 외부에 위치하고, 상기 외부의 공기를 흡입하여 가열 및 압축하고, 상기 가열 및 압축된 공기를 상기 증발기로 배출하는 링 블로워

를 더 포함하고,

상기 증발기는 상기 링 블로워로부터 배출된 공기를 상기 냉매가 흐르는 경로와 분리된 경로로 유입하고, 상기 링 블로워로부터 배출된 공기 및 상기 냉매를 열교환하는 것을 특징으로 하는 온수 공급 장치.
제4항에 있어서,

상기 링 블로워는 상기 외부의 온도에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 온수 공급 장치.