KR20100114087A - 히트 펌프식 급탕기 - Google Patents

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Abstract

종래의 히트 펌프식 급탕기에 있어서는, 비등 순환로를 형성하는 순환 배관은, 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이의 거리에 따라서 길이가 다르고, 또한 배관의 경로에 따라서 굴곡의 수가 다르므로, 순환 펌프의 회전수로 순환 유량을 제어하는 방식의 경우, 비등 순환로의 압력 손실에 따라서 펌프 회전수에 대응하는 펌프 유량이 바뀌어 버리므로, 목표의 순환 유량으로 제어할 수 없다고 하는 문제가 있어, 유량 센서를 사용하여 순환로 내의 순환 유량을 직접 측정하여 제어를 행하면, 원하는 순환 유량으로 제어하는 것이 가능하지만, 유량 센서를 사용하기 때문에 부품 개수가 증가하는 문제나, 유량 센서의 이물질 막힘 등에 의한 센서의 오작동이 발생하는 문제가 있었다. 본 발명은 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이에 있는 순환로의 길이나 굴곡의 수에 의한 저항에 의해 순환하는 수류량이 설정치와 다른 경우, 설정치로 되도록 순환 펌프의 출력을 수정한다.

Description

히트 펌프식 급탕기 {HEAT-PUMP HOT WATER APPARATUS}
본 발명은 히트 펌프식 급탕기에 관한 것으로, 특히 심야 전력 등을 이용하여 원하는 온도의 온수를 원하는 시간 내에 저탕 탱크에 저장하는 기술에 관한 것이다.
심야 전력 등을 이용하여 히트 펌프 사이클을 구동하여, 저온수를 가열하여 원하는 온도의 온수를 저탕 탱크에 저장하는 비등 기능을 구비한 히트 펌프식 급탕기가 알려져 있다. 이와 같은 히트 펌프 급탕기는 저탕 탱크의 저부로부터 뽑아낸 저온수를 히트 펌프 사이클에 설치된 물-냉매 열교환기에 유통하여, 설정 온도로 비등시켜 저탕 탱크의 상부로 복귀시키도록 구성되어 있다. 이에 의해, 저탕 탱크 내에 필요량의 원하는 온도의 온수를 확보할 수 있다.
이와 같은 히트 펌프식 급탕기에 있어서는, 일반적으로 소정의 시간으로 비등할 수 있도록, 히트 펌프의 가열 능력을 소정의 값으로 설정하고 있다. 또한, 저온수를 물-냉매 열교환기에 1회 통과시킴으로써 원하는 온도로 비등시키는 것을 전제로 하여 계획되어 있다. 그로 인해, 특허 문헌 1에 기재된 비등 제어에 따르면, 물-냉매 열교환기로 유입되는 저온수의 온도를 검출하여, 그 저온수를 원하는 비등 설정 온도까지 가열하는데 필요한 열량을 산출하여, 히트 펌프의 가열 능력에 의해 비등 설정 온도까지 가열 가능한 저온수의 순환 유량을 산출한다. 그리고, 저온수를 저탕 탱크의 저부로부터 뽑아내어 물-냉매 열교환기에 유입시키는 순환 펌프의 회전수를 제어하여, 목표의 순환 유량으로 제어하도록 하고 있다. 히트 펌프의 가열 능력은 외기 온도에 의해 변동되므로, 외기 온도에 따라서 순환 유량을 보정 제어하도록 하고 있다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 비등 제어에 따르면 물-냉매 열교환기에 있어서의 가열 능력과 비등 설정 온도와 물-냉매 열교환기의 유입수의 검출 온도에 기초하여, 순환로에 있어서의 순환 유량의 목표치를 정하는 동시에, 순환로에 있어서의 순환 유량을 유량 센서에 의해 검출하여, 순환 유량의 검출치를 목표치에 맞추도록 순환 펌프를 제어하고, 물-냉매 열교환기에 의해 가열된 탕온(湯溫)을 온도 센서에 의해 검출하여, 검출 온도를 비등 설정 온도에 맞추도록 압축기의 압축 용량을 제어하도록 하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2003-222396호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2007-327725호 공보
그런데, 비등 순환로를 형성하는 순환 배관은 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이의 거리에 따라서 길이가 다르다. 또한, 배관의 경로에 따라서 굴곡의 수가 다르다. 그로 인해, 히트 펌프식 급탕기의 설치 상황에 따라서, 비등 순환로의 압력 손실의 값이 각각 다르다.
따라서, 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 순환 펌프의 회전수로 순환 유량을 제어하는 방식의 경우, 비등 순환로의 압력 손실에 따라서 펌프 회전수에 대응하는 펌프 유량이 바뀌어 버리므로, 목표의 순환 유량으로 제어할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 바와 같이, 유량 센서를 사용하여 순환로 내의 순환 유량을 직접 측정하여 제어를 행하면, 히트 펌프식 급탕기의 설치 상황에 따라서 발생하는 비등 순환로의 압력 손실의 값이 다른 경우라도, 원하는 순환 유량으로 제어하는 것이 가능하지만, 유량 센서를 사용하기 때문에 부품 개수가 증가하는 문제나, 유량 센서의 이물질 막힘 등에 의한 센서의 오작동이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 토출되는 고온, 고압의 냉매에 의해 물을 가열하는 물-냉매 열교환기와, 상기 물-냉매 열교환기로부터 팽창 밸브를 통해 유입되는 저온, 저압의 냉매를 공기와 열교환시켜 상기 압축기로 복귀시키는 증발기와, 급수원에 연통된 저탕 탱크와, 상기 저탕 탱크의 물을 순환 펌프에 의해 뽑아내어 상기 물-냉매 열교환기에 유통시켜 상기 저탕 탱크로 복귀시키는 순환로와, 상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온을 비등 설정 온도로 제어하는 제어 장치와, 상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온의 가열 능력을 제어하는 제어 장치를 구비하는 히트 펌프식 급탕기를 대상으로 한다.
상기한 문제를 해결하는 본 발명의 제1 형태는, 상기 저탕 탱크와 상기 물-냉매 열교환기 사이에 있는 순환로의 길이나 굴곡의 수에 의한 저항에 의해 순환하는 수류량(水流量)이 설정치와 다른 경우, 설정치로 되도록 순환 펌프의 출력을 수정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기한 문제를 해결하는 본 발명의 제2 형태는, 규정 시간마다 상기 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 큰 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 문제를 해결하는 본 발명의 제3 형태는, 규정 시간마다 상기 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 작은 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 문제를 해결하는 본 발명의 제4 형태는, 상기 순환 펌프의 회전수의 변경치를 기억해 두고, 다음 회의 운전 시에는 변경치를 가미하여 순환 펌프의 운전을 행하는 것을 특징으로 한다.
상기한 문제를 해결하는 본 발명의 제5 형태는, 기억하고 있는 상기 순환 펌프의 회전수의 변경치를, 전원 차단 시에는 소거하는 것을 특징으로 하므로, 히트 펌프식 급탕기가 이전 등으로 되어 순환 경로가 변경된 경우라도 순환 펌프의 회전수의 변경을 행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유량 센서 등을 사용하지 않아도, 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이의 거리에 따른 길이의 차이나, 배관의 경로에 따라서 굴곡의 수로부터 오는 비등 순환로의 압력 손실의 차이가 발생해도, 원하는 가열 능력을 발휘하기 위한 순환 펌프의 제어를 행하는 것이 가능해져, 비등 운전 시간을 소정의 시간으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 히트 펌프식 급탕기의 계통 구성도이다.
도 2는 본 발명의 압축기의 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 특징부인 순환 펌프의 제어 장치의 제어 블록도이다.
본 발명은 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 토출되는 고온, 고압의 냉매에 의해 물을 가열하는 물-냉매 열교환기와, 물-냉매 열교환기로부터 팽창 밸브를 통해 유입되는 저온, 저압의 냉매를 공기와 열교환시켜 압축기로 복귀시키는 증발기와, 급수원에 연통된 저탕 탱크와, 저탕 탱크의 물을 순환 펌프에 의해 뽑아내어 물-냉매 열교환기에 유통시켜 저탕 탱크로 복귀시키는 순환로와, 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온을 비등 설정 온도로 제어하는 제어 장치와, 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온의 가열 능력을 제어하는 제어 장치를 구비하는 히트 펌프식 급탕기를 대상으로 한다.
그리고, 본 발명은 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이에 있는 순환로의 길이나 굴곡의 수에 의한 저항에 의해 순환하는 수류량이 설정치와 다른 경우, 설정치로 되도록 순환 펌프의 출력을 수정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 규정 시간마다 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 큰 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 규정 시간마다 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 작은 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 순환 펌프의 회전수의 변경치를 기억해 두고, 다음 회의 운전 시에는 변경치를 가미하여 순환 펌프의 운전을 행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 기억하고 있는 순환 펌프의 회전수의 변경치를, 전원 차단 시에는 소거하는 것을 특징으로 하므로, 히트 펌프식 급탕기가 이전 등으로 되어 순환 경로가 변경된 경우라도 순환 펌프의 회전수의 변경을 행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유량 센서 등을 사용하지 않아도, 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이의 거리에 따른 길이의 차이나, 배관의 경로에 따라서 굴곡의 수로부터 오는 비등 순환로의 압력 손실의 차이가 발생해도, 원하는 가열 능력을 발휘하기 위한 순환 펌프의 제어를 행하는 것이 가능해져, 비등 운전 시간을 소정의 시간으로 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 관한 이하의 본 발명의 실시예의 기재로부터 명백해질 것이다.
(실시예)
이하 도면을 사용하여, 본 발명에 관한 제1 실시예를 설명한다. 도 1에 본 발명의 히트 펌프식 급탕기의 계통 구성도를 도시한다. 도 2에 압축기의 제어 블록도를 도시한다. 도 3에 본 발명의 특징부인 순환 펌프의 제어 장치의 제어 블록도를 도시한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 히트 펌프식 급탕기는 도면의 좌측에 도시하는 물-냉매 열교환기를 포함하는 냉매 사이클을 상자체 내부에 탑재한 히트 펌프 유닛(1)과, 도면의 우측에 도시하는 저탕 탱크를 포함시킨 급탕 사이클을 상자체 내부에 탑재한 탱크 유닛(2)으로 구성되어, 히트 펌프 유닛(1)과 탱크 유닛(2)을 히트 펌프식 급탕기의 시공 현장에서 접속 배관(3)을 사용하여 접속하는 구조로 되어 있다. 냉매 사이클은 냉매를 압축하는 압축기(4)와, 압축기(4)로부터 토출되는 고온ㆍ고압의 냉매가, 저탕 탱크로부터 유도된 물과 열교환하는 물-냉매 열교환기(5)와, 물-냉매 열교환기(5)로부터 유출된 냉매가 감압되는 팽창 밸브(6)와, 팽창 밸브(6)에 의해 감압된 저온ㆍ저압의 냉매가, 공기와 열교환하는 증발기(7)를 냉매 배관을 통해 환형상으로 접속되는 구성으로 되어 있다. 증발기(7)에는 팬(8)에 의해 외기가 통풍되는 구조로 되어 있다. 물 사이클은 필요량의 온수를 저장하는 저탕 탱크(9)와, 저탕 탱크(9)의 저부의 물이 유도되는 순환 펌프(10)와, 순환 펌프(10)로부터 토출된 물이 냉매와 열교환하는 물-냉매 열교환기(5)가 순환 배관에 의해 환형상으로 접속되는 구성으로 되어 있고, 물-냉매 열교환기(5)로부터 토출된 물은 저탕 탱크(9)의 정상부로 복귀되는 구조로 되어 있다. 또한, 저탕 탱크(9)의 저부에는 급수 배관(11)을 통해, 도시되어 있지 않은 수도 등의 급수원이 접속되고, 정상부는 사용 장소에 급탕하는 급탕 배관(12)이 접속되어 있다.
증발기(7)의 근방에는 외기 온도를 계측하는 외기 온도 센서(13)가 설치되어 있다. 물-냉매 열교환기(5)의 전후에 설치되어 있는 물 사이클 내의 배관에는 물-냉매 열교환기(5)로 유입되는 물의 온도를 계측하는 입수 온도 센서(14)와, 물-냉매 열교환기(5)로부터 유출되는 물의 온도를 계측하는 출탕 온도 센서(15)가 설치되어 있다.
압축기(4)의 제어 방식을 도 2에 도시한다. 압축기(4)의 운전은 압축 용량을 제어하여, 출탕 온도 센서(15)의 검출 온도를 비등 설정 온도로 유지하도록 제어한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제어 장치는 가변 설정되는 비등 설정 온도(Two*)를 도입하는 동시에, 출탕 온도 센서(15)의 검출 온도(Two)를 도입하여, 감산기(21)에 있어서 그들의 온도차[ΔTwo(＝Two* － Two)]를 구하여, 그 온도차(ΔTwo)를 모터 제어 장치(22)에 출력하도록 되어 있다. 모터 제어 장치(22)는 그 온도차(ΔTwo)를 저감시키도록 압축기(4)의 모터의 회전수를 제어함으로써 압축 용량을 제어하여, 히트 펌프의 가열 능력을 제어하도록 되어 있다.
순환 펌프(10)의 제어 방식을 도 3에 도시한다. 도 3에 있어서 비등 운전 지령(31)이 입력되면 외기 온도 센서(13), 입수 온도 센서(14)로부터 각각 얻어지는 외기 온도, 입수 온도 및 비등 목표 온도와 필요 가열 능력의 값을 사용하여 연산기(32)에 있어서 순환 펌프(10)의 목표 회전수를 산출한다. 목표 회전수 산출 후, 마이크로 컴퓨터에 기억되어 있는 목표 회전수 보정치(33)의 값을 사용하여, 연산기(34)로 목표 회전수의 보정을 행하여, 펌프 구동 회전수(35)를 결정한다. 결정한 펌프 구동 회전수(35)로 순환 펌프(10)를 운전하기 위해, 현재의 펌프 회전수와 펌프 구동 회전수(35)의 차를 감산기(36)로 산출하여, 그 차를 저감시키도록 펌프 제어 장치(37)는 순환 펌프(10)의 회전수를 제어한다.
순환 펌프(10)의 구동 후, 규정 시간이 경과하면, 규정 시간 경과 시의 압축기(4)의 회전수가 기준 회전수의 범위 내에 있는지 확인하여, 범위 내보다 높은 경우에는, 순환 펌프(10)의 목표 회전수를 낮게 하도록 목표 회전수 보정치(33)를 재설정하고, 압축기(4)의 회전수가 기준 회전수의 범위 내보다 낮은 경우에는, 순환 펌프(10)의 목표 회전수를 높게 하도록 목표 회전수 보정치(33)를 재설정한다. 비등 운전 지령(31)이 계속되고 있을 때에는 이 동작을 반복하고, 비등 운전 지령(31)이 해제되면, 해제 시의 목표 회전수 보정치(33)를 마이크로 컴퓨터에 기억시킨다.
본 실시예에 따르면, 유량 센서 등을 사용하지 않아도, 저탕 탱크와 물-냉매 열교환기 사이의 거리에 따른 길이의 차이나, 배관의 경로에 의해 굴곡의 수로부터 오는 비등 순환로의 압력 손실의 차이가 발생해도, 원하는 가열 능력을 발휘하기 위한 순환 펌프의 제어를 행하는 것이 가능해져, 비등 운전 시간을 소정의 시간으로 유지할 수 있다.
상기 기재는 실시예에 대해 이루어졌지만, 본 발명은 그것으로 한정되지 않고, 본 발명의 정신과 첨부한 청구범위의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정을 할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.
1 : 히트 펌프 유닛
2 : 탱크 유닛
3 : 접속 배관
4 : 압축기
5 : 물-냉매 열교환기
6 : 팽창 밸브
7 : 증발기
8 : 팬
9 : 저탕 탱크
10 : 순환 펌프
11 : 급수 배관
12 : 급탕 배관
13 : 외기 온도 센서
14 : 입수 온도 센서
15 : 출탕 온도 센서
21, 36 : 감산기
22 : 모터 제어 장치
31 : 비등 운전 지령
32, 34 : 연산기
33 : 목표 회전수 보정치
35 : 펌프 구동 회전수
37 : 펌프 제어 장치

Claims (5)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기로부터 토출되는 고온, 고압의 냉매에 의해 물을 가열하는 물-냉매 열교환기와,
    상기 물-냉매 열교환기로부터 팽창 밸브를 통해 유입되는 저온, 저압의 냉매를 공기와 열교환시켜 상기 압축기로 복귀시키는 증발기와,
    급수원에 연통된 저탕 탱크와,
    상기 저탕 탱크의 물을 순환 펌프에 의해 뽑아내어 상기 물-냉매 열교환기에 유통시켜 상기 저탕 탱크로 복귀시키는 순환로와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온을 비등 설정 온도로 제어하는 제어 장치와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온의 가열 능력을 제어하는 제어 장치를 구비하는 히트 펌프식 급탕기에 있어서,
    상기 저탕 탱크와 상기 물-냉매 열교환기 사이에 있는 순환로의 길이나 굴곡의 수에 의한 저항에 의해 순환하는 수류량이 설정치와 다른 경우, 설정치로 되도록 순환 펌프의 출력을 수정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는
    히트 펌프식 급탕기.
  2. 냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기로부터 토출되는 고온, 고압의 냉매에 의해 물을 가열하는 물-냉매 열교환기와,
    상기 물-냉매 열교환기로부터 팽창 밸브를 통해 유입되는 저온, 저압의 냉매를 공기와 열교환시켜 상기 압축기로 복귀시키는 증발기와,
    급수원에 연통된 저탕 탱크와,
    상기 저탕 탱크의 물을 순환 펌프에 의해 뽑아내어 상기 물-냉매 열교환기에 유통시켜 상기 저탕 탱크로 복귀시키는 순환로와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온을 비등 설정 온도로 제어하는 제어 장치와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온의 가열 능력을 제어하는 제어 장치를 구비하는 히트 펌프식 급탕기에 있어서,
    규정 시간마다 상기 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 큰 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는
    히트 펌프식 급탕기.
  3. 냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기로부터 토출되는 고온, 고압의 냉매에 의해 물을 가열하는 물-냉매 열교환기와,
    상기 물-냉매 열교환기로부터 팽창 밸브를 통해 유입되는 저온, 저압의 냉매를 공기와 열교환시켜 상기 압축기로 복귀시키는 증발기와,
    급수원에 연통된 저탕 탱크와,
    상기 저탕 탱크의 물을 순환 펌프에 의해 뽑아내어 상기 물-냉매 열교환기에 유통시켜 상기 저탕 탱크로 복귀시키는 순환로와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온을 비등 설정 온도로 제어하는 제어 장치와,
    상기 물-냉매 열교환기에 의해 가열되는 탕온의 가열 능력을 제어하는 제어 장치를 구비하는 히트 펌프식 급탕기에 있어서,
    규정 시간마다 상기 압축기의 회전수를 확인하여, 회전수가 기준 회전수와 규정치 이상 작은 경우에는 순환 펌프의 회전수를 규정치만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는
    히트 펌프식 급탕기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 순환 펌프의 회전수의 변경치를 기억해 두고, 다음 회의 운전 시에는 변경치를 가미하여 순환 펌프의 운전을 행하는 것을 특징으로 하는
    히트 펌프식 급탕기.
  5. 제4항에 있어서,
    기억하고 있는 상기 순환 펌프의 회전수의 변경치를, 전원 차단 시에는 소거하는 것을 특징으로 하는
    히트 펌프식 급탕기.
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