KR20110056061A - 히트 펌프식 급탕장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 저온 냉동 사이클의 제 1 냉매와 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 열교환되는 케스케이드 열교환기와, 상기 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 응축되면서 물을 가열하는 수냉매 열교환기를 포함하는 케스케이드 사이클 유닛을 포함하고, 상기 수냉매 열교환기가 급탕 수요처와 물 순환유로로 연결된 히트 펌프식 급탕장치에 있어서, 상기 케스케이드 열교환기와 저온 냉동 사이클의 증발기 사이에서 분기되어 저온 냉동 사이클의 저압측 압축기로 냉매를 주입하거나, 상기 수냉매 열교환기와 케이스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 고온 냉동 사이클의 고압측 압축기로 냉매를 주입하는 냉매 주입유로와; 상기 냉매 주입유로에 설치되어 상기 급탕 수요처의 부하에 대응하여 조절되는 가스 냉매조절밸브를 포함하여, 고온의 물을 급탕 수요처로 효율적으로 공급할 수 있고, 한랭지에서 실외 저온에 의한 난방 효율 감소를 방지할 수 있는 이점이 있다.
Figure P1020090112740
히트 펌프식 급탕장치, 케스케이드 열교환기, 수냉매 열교환기, 케시케이드 사이클 유닛, 가스 인젝션 기구

Description

히트 펌프식 급탕장치{Heat pump type cooling/heating apparatus}
본 발명은 히트 펌프식 급탕장치에 관한 것으로서, 특히 냉동 사이클 장치를 이용하여 실내를 난방시키는 온수를 가열하는 히트 펌프식 급탕장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치이다.
히트 펌프는 압축기와 응축기와 팽창기구와 증발기를 포함하고, 최근에는 화석 연료의 소비를 최소화하도록 냉매로 물을 가열하여 실내의 바닥 등을 난방하는 히트 펌프식 급탕장치가 개발되는 추세이다.
그러나, 종래 기술에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 실외 기온이 낮은 시기나 실외 평균 기온이 낮은 지역 예를 들면 한랭 지역의 경우, 난방 성능이 실외 기온에 대응되지 못하고, 특히 증발기가 저온시 결빙될 경우 난방이 거의 되지 않거나 잦은 제상 운전으로 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고온의 온수를 효율적으로 공급할 수 있는 히트 펌프식 급탕장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 한랭지에서 효율 감소를 방지할 수 있고, 난방 능력을 향상시킬 수 있는 히트 펌프식 급탕장치를 제공하는데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 저온 냉동 사이클의 제 1 냉매와 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 열교환되는 케스케이드 열교환기와, 상기 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 응축되면서 상기 물을 가열하는 수냉매 열교환기를 포함하는 케스케이드 사이클 유닛을 포함하고, 상기 수냉매 열교환기가 급탕 수요처와 물 순환유로로 연결된 히트 펌프식 급탕장치에 있어서, 상기 케스케이드 열교환기와 저온 냉동 사이클의 증발기 사이에서 분기되어 저온 냉동 사이클의 저압측 압축기로 냉매를 주입하거나, 상기 수냉매 열교환기와 케이스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 고온 냉동 사이클의 고압측 압축기로 냉매를 주입하는 냉매 주입유로와; 상기 냉매 주입유로에 설치되어 상기 급탕 수요처의 부하에 대응하여 조절되는 가스 냉매조절밸브를 포함한다.
상기 히트 펌프식 급탕장치의 일예는 상기 케스케이드 열교환기에서 응축된 냉매를 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기와; 상기 케스케이드 열교환 기와 기액 분리기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구를 더 포함한다.
상기 저온 냉동 사이클은 저압측 압축기와 상기 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기가 폐회로를 형성하고, 상기 고온 냉동 사이클은 고압측 압축기와 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기가 폐회로를 형성하며, 상기 기액 분리기는 상기 케스 케이드 열교환기와 제 1 팽창기구 사이에 설치된다.
상기 히트 펌프식 급탕장치의 다른예는 상기 수냉매 열교환기에서 응축된 냉매를 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기와; 상기 수냉매 열교환기와 기액 분리기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구를 더 포함한다.
상기 저온 냉동 사이클은 저압측 압축기와 상기 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기가 폐회로를 형성하고, 상기 고온 냉동 사이클은 고압측 압축기와 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기가 폐회로를 형성하며, 상기 기액 분리기는 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구 사이에 설치된다.
상기 저압측 압축기와 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기와 고압측 압축기와 제 2 팽창기구와 수냉매 열교환기와 냉매 주입유로와 가스 냉매조절밸브와 기액 분리기와 보조 팽창기구는 하나의 유닛에 설치된다.
상기 저압측 압축기와 제 1 팽창기구와 증발기는 실외기에 설치되고, 상기 케스케이드 열교환기와 고압측 압축기와 제 2 팽창기구와 수냉매 열교환기는 케스 케이드 유닛에 설치되며, 상기 냉매 주입유로와 가스 냉매조절밸브와 기액 분리기와 보조 팽창기구는 실외기와 케스케이드 유닛 중 하나에 설치된다.
상기 케스케이드 유닛은 상기 실외기와 일체화되게 상기 실외기에 장착된다.
상기 케스케이드 유닛은 상기 실외기와 이격되게 설치된다.
상기 열 수요처의 부하를 감지하는 부하 감지 센서와; 상기 부하 감지 센서의 감지 결과에 따라 상기 가스 냉매 조절밸브를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 부하 감지 센서는 상기 물 순환유로에 설치된다.
상기 제어부는 상기 부하 감지 센서에서 감지된 온도가 설정치 이하이면 상기 가스 냉매조절밸브를 개방하고, 상기 부하 감지 센서에서 감지된 온도가 설정치 초과이면 상기 가스 냉매조절밸브를 폐쇄한다.
상기 급탕 수요처는 상기 물 순환 유로와 연결된 난방 유닛과, 상기 물 순환 유로와 연결된 급탕 유닛을 포함한다.
상기 저압측 압축기와 고압측 압축기 중 상기 냉매 주입유로가 연결되는 압축기가 2 스테이지 다단 압축기와, 스크류 압축기와, 스크롤 압축기 중 하나이다.
상기 저압측 압축기와 고압측 압축기 중 상기 냉매 주입유로가 연결되는 압축기는 트윈 로터리 압축기로 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 저온 냉동 사이클과 고온 냉동 사이클의 케스케이드 열교환기에 의해 히트 펌프식 급탕장치로 공급되는 물의 출수 온도를 단일 냉동 사이클 보다 높게 할 수 있고, 저온 사이클 영역의 압축기 또는 고온 사이클 영역의 압축기로 기상 냉매가 가스 인젝션되어 난방 성능을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 저온 냉동 사이클의 저압측 압축기로 기상 냉매가 가스 인젝션되므로, 실외온도가 낮은 경우 저온 냉동 사이클측 증발기의 체적 유량이 감소되는 것을 최소화할 수 있고, 케스케이드 열교환기의 응축 용량을 높일 수 있어 한랭지에서 효율적인 난방이 가능하며, 제상 성능이 높은 이점이 있다.
또한, 저온 냉동 사이클의 압축기로 기상 냉매가 가스 인젝션되므로 저온 냉동 사이클의 압축기의 최대 관리 온도를 낮출 수 있고, 저온 냉동 사이클의 압축기 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 고온 냉동 사이클의 고압측 압축기로 기상 냉매가 가스 인젝션되므로, 수냉매 열교환기의 응축 용량을 높일 수 있어 급탕 수요처의 난방 성능을 높일 수 있고, 고온 출수가 가능한 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 개략 구성도이다.
본 실시예에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매로 물을 가열하여 급탕 수요처(1)(2)로 순환 공급하는 냉동 사이클 장치(3)를 포함한다.
급탕 수요처(1)(2)는 냉매에 의해 가열된 물이 실내를 난방시키는 난방 유닛(1)과, 냉매에 의해 가열된 물이 샤워기 등의 온수 출수기구로 출수되는 온수를 가열하는 급탕 유닛(2)을 포함하고, 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2)에 대해서는 후술하여 상세히 설명한다.
냉동 사이클 장치(3)는 케스케이드 사이클 유닛(4)과, 가스 인젝션 기구(5)를 포함한다.
케스케이드 사이클 유닛(4)은 저온 냉동 사이클(A)의 제 1 냉매와 고온 냉동 사이클(B)의 제 2 냉매가 열교환되는 케스케이드 열교환기와, 고온 냉동 사이클(B)의 제 2 냉매가 물을 가열하면서 응축되는 수냉매 열교환기를 포함한다.
제 1 냉매와 제 2 냉매는 응축 온도 및 증발 온도가 서로 상이한 냉매로서, 예를 들어 제 1 냉매가 응축 온도 및 증발 온도가 낮은 R410A인 경우, 제 2 냉매는 제 1 냉매 보다 응축 온도 및 증발 온도가 높은 R134a로 이루어진다.
가스 인젝션 기구(5)는 저온 냉동 사이클(A)과 고온 냉동 사이클(B) 중 어느 한 냉동 사이클에서 응축된 냉매를 팽창한 후 가스 냉매를 분리하고, 분리된 가스 냉매를 가스 인젝션 기구(5)가 설치된 냉동 사이클의 압축기로 기상 냉매를 인젝션시키는 것으로서, 저온 냉동 사이클(A)과 고온 냉동 사이클(B) 중 적어도 하나에 설치된다.
이하, 저온 냉동 사이클(A)과 고온 냉동 사이클(B)과 가스 인젝션 기구(5)에 대해 상세히 설명하고, 가스 인젝션 기구(5)는 저온 냉동 사이클(A)에 설치되는 것으로 설명한다.
저온 냉동 사이클(A)은 저압측 압축기(6)와, 케스케이드 열교환기(10)와, 제 1 팽창기구(12)와, 증발기(14)가 폐회로를 형성하여 제 1 냉매가 저압측 압축기(6)에서 압축되고, 케스케이드 열교환기(10)에서 응축되며, 제 1 팽창기구(12)에서 팽창되고, 증발기(14)에서 증발되며, 제 1 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 반복하면서 제 2 냉매를 증발시킨다.
저압측 압축기(6)는 제 1 냉매를 압축시키는 것으로서, 케스케이드 열교환기(10)와 저압측 압축기 토출배관(7)으로 연결되고, 증발기(14)와 저압측 압축기 흡입배관(8)으로 연결된다.
저압측 압축기(6)는 가스 인젝션 기구(5)가 저온 냉동 사이클(A)에 설치될 경우 기상 냉매가 저압측 압축기(6)로 가스 인젝션되도록 2 스테이지 다단 압축기로 이루어지거나, 트윈 로터리 압축기로 이루어지거나, 스크류 압축기로 이루어지거나, 스크롤 압축기 등으로 이루어진다.
2 스테이지 다단 압축기는 냉매 유로가 직렬로 연결되어 냉매가 제 1 압축부에서 압축된 후 제 2 압축부에서 다시 압축되는 압축기로서, 증발기(14)에서 증발된 냉매는 제 1 압축부로 흡입되어 압축된 후 토출되고, 가스 인젝션 기구(5)는 제 1 압축부와 제 2 압축부를 연결하는 연결 유로에 연결되며, 가스 인젝션 기구(5)에서 인젝션된 가스 냉매는 제 1 압축부에서 압축되어 토출된 냉매와 혼합되어 제 2 압축부에서 압축되어 토출된다.
트윈 로터리 압축기는 제 1,2 압축부가 하나의 모터에 의해 압축되어 압축기로서, 증발기(14)에서 증발된 냉매는 제 1 압축부로 흡입되어 압축된 후 토출되고, 가스 인젝션 기구(5)는 제 2 압축부에 연결되며, 증발기(14)에서 증발된 냉매는 제 1 압축부에서 압축된 후 토출되고, 가스 인젝션 기구(5)에서 인젝션된 가스 냉매는 제 2 압축부에서 압축된 후 토출된다.
스크류 압축기는 서로 맞물리는 한 쌍의 수 및 암 스크류 로터 사이에서 가스 냉매가 압축되는 회전식 용적형 압축기로서, 증발기(14)에서 증발된 냉매는 스크류 압축기의 압축실로 흡입되어 압축되고, 가스 인젝션 기구(5)는 스크류 압축기의 압축실 일측과 연통되는 인젝션 포트에 연결되며, 가스 인젝션 기구(5)에서 인젝션된 가스 냉매는 스크류 압축기 내부에서 압축되던 냉매와 혼합되면서 압축된 후 토출된다.
스크롤 압축기는 선회스크롤이 압축실 내에서 선회되면서 냉매를 압축하는 압축기로서, 증발기(14)에서 증발된 냉매는 스크롤 압축기의 압축실로 흡입되어 압축되고, 가스 인젝션 기구(5)는 스크롤 압축기의 압축실 일측과 연통되는 인젝션 포트에 연결되며, 가스 인젝션 기구(5)에서 인젝션된 가스 냉매는 스크롤 압축기 내부에서 압축되던 냉매와 혼합되면서 압축된 후 토출된다.
케스케이드 열교환기(10)는 제 1 냉매가 통과하면서 응축되는 응축 유로와 제 2 냉매가 통과하면서 증발되는 증발 유로가 형성되며, 응축 유로와 증발 유로 사이에 제 1 냉매와 제 2 냉매를 열교환시키는 열전달부재가 설치된다.
케스케이드 열교환기(10)는 응축 유로와 증발 유로가 열전달부재를 사이에 두고 내,외 위치되는 이중관 열교환기로 이루어지는 것도 가능하고, 응축 유로와 증발 유로가 열전달부재를 사이에 두고 교대로 배치된 판형 열교환기로 이루어지는 것도 가능하다.
케스케이드 열교환기(10)는 제 1 팽창기구(12)와 가스 인젝션 기구(5)로 연결된다.
제 1 팽창기구(12)는 증발기(14)로 흡입되는 제 1 냉매를 팽창시키는 것으로서, 저온 냉동 사이클(A)의 흡입 과열도를 제어하도록 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어지다.
제 1 팽창기구(12)는 제 1 증발기(14)와 제 1 팽창기구- 증발기 연결배관(13)으로 연결된다.
제 1 증발기(14)는 실외 공기를 증발기(14)로 송풍시켜 냉매가 실외 공기에 의해 증발되는 공랭식 열교환기로 구성되고, 케스케이드 사이클 유닛(4)은 실외 공기를 증발기(14)로 송풍시키는 실외팬(15)을 더 포함한다.
고온 냉동 사이클(B)은 고압측 압축기(16)와, 수냉매열교환기(20)와, 제 2 팽창기구(22)와, 케스케이드 열교환기(10)가 폐회로를 형성하여 제 2 냉매가 고압측 압축기(16)에서 압축되고, 수냉매열교환기(20)에서 물과 열교환되며 응축되며, 제 2 팽창기구(22)에서 팽창되고, 케스케이드 열교환기(10)에서 제 1 냉매와 열교환되어 증발되며, 제 2 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 반복하면서 물을 가열한다.
고압측 압축기(16)는 제 2 냉매를 압축시키는 것으로서, 수냉매열교환기(20)와 고압측 압축기 토출배관(17)으로 연결되고, 케스케이드 열교환기(10)와 고압측 압축기 흡입배관(18)으로 연결된다.
수냉매 열교환기(20)는 난방 유닛(1) 및 급탕 유닛(2)과 폐회로를 형성하는 물 순환 유로가 연결되고, 물 순환 유로에 대해서는 후술하여 상세히 설명한다.
수냉매 열교환기(20)는 냉매가 통과하면서 응축되는 응축 유로와, 물이 통과하면서 가열되는 물 가열 유로가 형성되고, 응축 유로와 물 가열 유로가 열전달부재를 사이에 두고 내,외 위치되는 이중관 열교환기로 이루어지는 것도 가능하고, 응축 유로와 물 가열 유로가 열전달부재를 사이에 두고 교대로 배치된 판형 열교환기로 이루어지는 것도 가능하다.
수냉매 열교환기(20)는 제 2 팽창기구(22)와 수냉매 열교환기-제 2 팽창기구 연결배관(21)으로 연결된다.
제 2 팽창기구(22)는 케스케이드 열교환기(10)로 흡입되는 제 2 냉매를 팽창시키는 것으로서, 고온 냉동 사이클(B)의 흡입 과열도를 제어하도록 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어진다.
제 2 팽창기구(22)는 케스케이드 열교환기(10)와 제 2 팽창기구- 케스케이드 연결배관(23)으로 연결된다.
가스 인젝션 기구(5)는 케스케이드 열교환기(10)에서 응축된 제 1 냉매를 팽창한 후 액냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만을 저압측 압축기(6)로 분사시킨다.
가스 인젝션 기구(5)는 케스케이드 열교환기(10)에서 응축된 냉매 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기(24)와, 기액분리기(24)에서 분리된 기상 냉매를 저압측 압축기(6)로 분사하는 냉매 주입유로(26)와, 케스케이드 열교환기(10) 에서 기액 분리기(24)를 향해 유동되는 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구(28)와, 냉매 주입유로(24)에 설치된 가스 냉매조절밸브(30)를 포함한다.
기액 분리기(24)는 케스케이드 열교환기(10)와 제 1 팽창기구(12) 사이에 설치된다.
기액 분리기(24)는 보조 팽창기구(28)와 기액 분리기 흡입배관(25)으로 연결되고, 제 1 팽창기구(12)와 액상 배관(27)으로 연결되며, 저압측 압축기(6)와 냉매 주입유로(26)로 연결된다. 보조 팽창기구(28)를 통과한 냉매는 기액 분리기 흡입배관(25)을 통해 기액 분리기(24)로 유입되고, 기액 분리기(24) 내부에서 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 기상 냉매는 냉매 주입유로(26)를 통해 저압측 압축기(6)로 분사되고, 액상 냉매는 액상 배관(27)을 통해 제 1 팽창기구(12)로 유동된다.
냉매 주입유로(26)는 일단이 기액 분리기(24)에 연결되고 타단이 저압측 압축기(6)에 연결된다.
냉매 주입유로(26)는 복수개의 가스 인젝션 배관(26A)(26B)이 냉매 주입유로(26)를 형성한다. 가스 인젝션 배관(26A)(26B)은 기액 분리기(24)와 가스 냉매 조절밸브(30)를 연결하는 제 1 가스 인젝션 배관(26A)과, 가스 냉매 조절밸브(30)와 저압측 압축기(6)를 연결하는 제 2 가스 인젝션 배관(26B)을 포함한다.
보조 팽창기구(28)는 케스케이드 열교환기(10)에서 응축된 냉매가 기액 분리기(24)로 흡입되기 전에 냉매를 팽창시키는 것으로서, 케스케이드 열교환기(10)와 기액 분리기(24) 사이에 설치된다.
보조 팽창기구(28)는 기액 분리기(24) 내부의 액냉매가 냉매 주입유로(26)로 유동되지 않도록 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어진다.
보조 팽창기구(28)는 케스케이드 열교환기(10)와 케스케이드 열교환기-보조 팽창기구 연결배관(29)으로 연결된다.
가스 냉매조절밸브(30)는 기액 분리기(22)에서 유출된 기상 냉매를 조절하는 것으로서, 온/오프 제어되어 개방/폐쇄되는 개폐밸브로 이루어지는 것도 가능하고, 개도 제어되어 개도가 조절되는 전자팽창밸브로 이루어지는 것도 가능하다.
수냉매 열교환기(20)는 난방 유닛(1) 및 급탕 유닛(2)과 물 순환 유로를 연결되는 바, 물 순환 유로는 수냉매 열교환기(20)에서 가열된 물이 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2) 중 적어도 하나를 통과한 후 수냉매 열교환기(20)로 회수되게 수냉매 열교환기(20)와 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2)을 연결한다.
물 순환 유로는 케스케이드 사이클 유닛(3)의 내부에 위치하는 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)과, 물이 급탕 유닛(2)을 통과하는 급탕 배관(33)과, 물이 난방 유닛(1)을 통과하는 난방 배관(34)과, 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)을 급탕 배관(33) 및 난방 배관(34)과 연결하는 연결 배관(35)을 포함한다.
연결 배관(35)에는 수냉매 열교환기(20)에서 가열된 물을 급탕 배관(33)과 난방 배관(34) 중 적어도 하나로 안내하는 온수 조절밸브(36)가 설치되고, 급탕 배관(33)과 난방 배관(34)은 연결 배관(35)을 통해 수냉매 열교환기(20)와 연결된다.
이하, 케스케이드 사이클 유닛(3)과, 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2)에 대해 상세히 설명한다.
케스케이드 사이클 유닛(4)은 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)을 통과하는 물의 흐름을 감지하는 플로우 스위치(37)와, 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)에 설치되어 물이 순환되게 펌핑시키는 순환 펌프(38)를 포함한다.
난방 유닛(1)은 실내의 바닥을 난방시키는 바닥 난방 유닛(41)과, 실내의 공기를 난방시키는 공기 난방 유닛(42)을 포함한다.
바닥 난방 유닛(41)은 실내 바닥에 미앤더라인(meander line)으로 매설될 수 있다.
공기 난방 유닛(42)은 팬 코일 유닛(Fan coil unit) 또는 라디에이터(Radiator) 등으로 구성될 수 있다.
난방 배관(34)에는 물을 바닥 난방 유닛(41)과 공기 난방 유닛(42) 중 적어도 하나로 안내하는 난방 온수 조절밸브(43)(44)가 설치되고, 바닥 난방 유닛(41)은 난방 온수 조절밸브(43)(44)와 공기 난방 배관(45)으로 연결되며, 바닥 난방 유닛(52)은 난방 온수 조절밸브(53)(54)와 바닥 난방 배관(46)으로 연결된다.
급탕 유닛(2)은 사용자가 세면, 목욕 또는 설거지 등에 필요한 온수를 공급하는 것으로서, 물이 담겨지는 급탕 탱크(51)와, 급탕 탱크(51)에 설치된 급탕용 보조 히터(52)를 포함한다.
급탕 탱크(51)에는 냉수가 급탕 탱크(51)로 급수되는 냉수 입수부(53)와, 급탕 탱크(51)의 온수가 출수되는 온수가 출수되는 온수 출수부(54)가 연결된다.
급탕 탱크(51)에는 급탕 배관(33)이 설치된다.
온수 출수부(54)에는 샤워기와 같은 온수 출수기구(55)가 연결된다.
온수 출수부(54)에는 온수 출수기구(55)로 냉수가 출수될 수 있게 냉수 입수부(56)가 연결된다.
상기와 같은 케스케이드 사이클 유닛(4)과 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2)은 순환 펌프(39)의 구동시, 온수 조절밸브(36)가 급탕 모드이면, 수냉매 열교환기(20)에서 가열된 물이 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)과 연결 배관(35)을 차례로 통과하여 급탕 배관(33)으로 유입되고, 급탕 탱크(51) 내의 물을 가열시킨 후 연결 배관(35)과 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)을 차례로 통과하여 수냉매 열교환기(20)로 회수된다.
그리고, 순환 펌프(39)의 구동시, 온수 조절밸브(36)가 난방 모드이면, 수냉매 열교환기(20)에서 제 2 냉매와 열교환되면서 가열된 물이 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)과 연결 배관(35)을 차례로 통과하여 난방 배관(34)으로 유입되고, 바닥 난방 유닛(41)과 공기 난방 유닛(42) 중 적어도 하나를 가열시킨 후 난방 배관(34)과 연결 배관(35)과 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)을 차례로 통과하여 수냉매 열교환기(20)로 회수된다.
이때, 난방 온수 조절밸브(43)(44)가 공기 난방 모드이면, 물은 공기 난방 배관(45)과 공기 난방 유닛(42)과 공기 난방 배관(45) 차례로 통과하여 난방 배관(34)으로 출수되고, 바닥 난방 모드이면, 물은 바닥 난방 배관(46)과 바닥 난방 유닛(41)과 바닥 난방 배관(46) 차례로 통과하여 난방 배관(34)으로 출수된다.
본 실시예에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 저압측 압축기(6)와 케스케이드 열교환기(10)와 제 1 팽창기구(12)와 증발기(14)와 고압측 압축기(16)와 수냉매 열 교환기(20)와 제 2 팽창기구(22)와 냉매 주입유로(26)와 가스 냉매조절밸브(30)와 기액 분리기(24)와 보조 팽창기구(28)는 하나의 유닛에 함께 설치되어 냉동 사이클 장치(3)를 구성한다.
도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 제어 블록도이고, 도 3은 도 1에 도시된 케스케이드 사이클 유닛의 냉매 흐름이 도시된 주요부 확대도이며, 도 4는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 P-H선도이다.
본 실시예에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 히트 펌프식 급탕장치의 운전/정지 등의 각종 명령을 입력하는 조작부(60)와, 히트 펌프식 급탕장치의 부하를 감지하는 부하 감지 센서(70)와, 조작부(60)의 조작과 부하 감지 센서(70)의 감지 결과에 따라 저압측 압축기(6)와 제 1 팽창기구(12)와 실외팬(15)과 고압측 압축기(16)와 제 2 팽창기구(22)와 보조 팽창기구(28)와 냉매 조절밸브(30)을 등을 제어하는 제어부(120)를 더 포함한다.
부하 감지 센서(70)는 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2)의 부하를 감지하는 온수 온도 센서를 포함한다.
온수 온도 센서는 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2) 중 적어도 하나와 수냉매 열교환기(20)를 순환하는 물의 온도를 감지하도록 물 순환 유로 일측에 설치된다.
온수 온도 센서는 난방 유닛(1)과 급탕 유닛(2) 중 적어도 하나에서 냉각된 후 수냉매 열교환기(20)로 회수되는 물의 온도를 감지하게 설치되고, 케스케이드 사이클 유닛 배관(32)에 설치되는 것이 바람직하다.
부하 감지 센서(110)는 실외의 저온 여부를 감지하는 실외 온도 센서를 포함한다.
실외 온도 센서는 실외에서 증발기(14)를 향해 송풍되는 실외 공기의 온도를 감지하도록 증발기(14)에 설치된다.
제어부(80)는 부하 감지 센서(70)에서 감지된 부하가 설정치 이상이면, 가스 인젝션 기구(5)를 통해 가스 냉매를 인젝션 시키는 인젝션 모드로 운전하고, 부하 감지 센서에서 감지된 부하가 설정치 미만이면, 가스 인젝션 기구(50를 통해 가스 냉매를 인젝션 시키지 않는 일반 모드로 운전한다.
제어부(80)는 일반 운전 모드/가스 인젝션 운전 모드에 따라 냉매 조절밸브(30)를 제어하는 바, 일반 운전 모드시 냉매 조절밸브(30)를 밀폐시키고, 가스 인젝션 운전 모드시 냉매 조절밸브(30)를 개방시킨다.
제어부(80)는 온수 온도 센서에서 감지된 온수의 온도가 설정온도 미만이면, 부하가 설정치 이상인 것으로 판단하여 히트 펌프식 급탕장치 특히, 냉동 사이클 장치(3)를 가스 인젝션 모드로 운전하고, 온수 온도 센서에서 감지된 온수의 온도가 설정 온도 이상이면, 부하가 설정치 미만인 것으로 판단하여 히트 펌프식 급탕장치 특히, 냉동 사이클 장치(3)를 일반 운전 모드로 운전하는 것이 가능하다.
제어부(80)는 실외 온도 센서에서 감지된 실외 온도가 설정온도 이하이면, 부하가 설정치 이상인 것으로 판단하여 히트 펌프식 급탕장치 특히, 냉동 사이클 장치(3)를 가스 인젝션 모드로 운전하고, 실외 온도 센서에서 감지된 실외 온도가 설정온도 초과이면, 부하가 설정치 미만인 것으로 판단하여 히트 펌프식 급탕장치 특히, 냉동 사이클 장치(3)를 일반 운전 모드로 운전하는 것이 가능하다.
제어부(80)는 조작부(60)를 통해 히트 펌프식 급탕장치의 운전이 입력되면, 저압측 압축기(6)와 고압측 압축기(16)를 구동시키고, 제 1 팽창기구(12)와 제 2 팽창기구(22)가 냉매를 팽창시키게 제 1 팽창기구(12)와 제 2 팽창기구(22)를 제어한다. 그리고, 실외팬(15)을 구동시킨다.
제어부(80)는 부하 감지 센서(70)에서 감지된 온도가 설정치 초과이면 가스 냉매 조절밸브(30)를 폐쇄한다. 이때, 제어부(80)는 보조 팽창기구(28)를 풀 오프시킨다.
상기와 같은 제어시, 저압측 압축기(6)는 제 1 냉매를 압축하고, 제 1 냉매는 케스케이드 열교환기(10)에서 응축된 후 보조 팽창기구(28)와 기액 분리기(22)를 차례로 통과하며, 이후 제 1 팽창기구(12)를 통과하면서 팽창된다. 제 1 팽창기구(12)에서 팽창된 제 1 냉매는 증발기(14)를 통과하면서 실외 공기와 열교환되어 증발되고, 이후 저압측 압축기(6)로 회수된다.
고압측 압축기(16)는 상기와 같이 저압측 압축기(6)가 제 1 냉매를 압축하는 도중에 제 2 냉매를 압축하고, 제 2 냉매는 수냉매 열교환기(20)에서 물을 가열하면서 응축된 후 제 2 팽창기구(22)에서 팽창되며, 이후 케스케이드 열교환기(10)를 통과하면서 제 1 냉매와 열교환되어 증발되며, 이후 고압측 압축기(16)로 회수된다.
냉동 사이클 장치(3)는 저온 냉동 사이클(A)과 고온 냉동 사이클(B)이 단독으로 구성되는 경우 보다 물을 고온으로 가열할 수 있게 된다.
한편, 제어부(80)는 부하 감지 센서(70)에서 감지된 온도가 설정치 이하이면, 가스 냉매 조절밸브(30)를 개방한다. 이때, 제어부(80)는 보조 팽창기구(28)가 제 1 냉매를 팽창시키게 보조 팽창기구(28)를 설정 개도로 제어하며, 가스 냉매 조절밸브(30)와 보조 팽창기구(28)의 제어 이외의 기타 제어는 일반 모드의 경우와 같이 제어한다.
상기와 같은 제어시, 저압측 압축기(6)는 제 1 냉매를 압축하고, 제 1 냉매는 케스케이드 열교환기(10)에서 응축된 후 보조 팽창기구(28)에서 팽창되며 이후 기액 분리기(22)로 유입된다. 제 1 냉매는 기액분리기(22) 내부에서 액상 냉매와 기상 냉매가 분리되고, 액상 냉매는 제 1 팽창기구(12)로 유동되어 팽창된 후 증발기(14)에서 증발되고 이후 저압측 압축기(6)로 흡입되어 압축된다. 한편, 기액분리기(22)의 기상 냉매는 냉매 주입유로(26)와 가스 냉매 조절밸브(30)를 통과하여 저압측 압축기(6)로 분사되고, 저압측 압축기(6)에서 압축된다.
냉동 사이클 장치(3)는 일반 모드의 경우 제 1 냉매가 통상적인 압축,응축,팽창,증발 과정을 거치면서 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이, a->b′->c′->f′->a의 과정이 진행되는데, 가스 인젝션 모드의 경우 제 1 냉매가 압축,응축,팽창,팽창,증발 과정을 거치면서 도 4에 실선으로 도시된 바와 같이, a->b->c->d->e->f->a의 과정으로 진행되고 케스케이드 열교환기(10)에서 유출된 냉매 중 일부가 팽창, 압축 과정을 거치면서 도 4의 c->d->g->b의 과정으로 진행되게 되며, 케스케이드 열교환기(10)는 응축 용량이 일반 모드의 경우 모다 증대된다.
한편, 고압측 압축기(16)는 상기와 같이 저압측 압축기(6)가 제 1 냉매를 압 축하는 도중에 제 2 냉매를 압축한다. 제 2 냉매는 수냉매 열교환기(20)에서 물을 가열하면서 응축된 후 제 2 팽창기구(22)에서 팽창되고, 이후 케스케이드 열교환기(10)를 통과하면서 제 1 냉매와 열교환되어 증발되며, 이후 고압측 압축기(16)로 회수된다. 냉동 사이클 장치(3)는 제 2 냉매가 h->i->j->k->h의 과정이 진행되면서 압축, 응축, 팽창, 증발된다.
즉, 냉동 사이클 장치(3)는 가스 인젝션 모드가 실시된 경우 일반 모드가 실시되는 경우 보다 압축일이 감소되고, 실외 기온의 낮거나 한랭지의 경우에도 난방 유닛(3)으로 고온의 물을 공급할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 다른 실시예의 개략 구성도이다.
본 실시예에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 가스 인젝션 기구(5′)가 고온 냉동 사이클(B)에 설치된다.
가스 인젝션 기구(5′)는 고온 냉동 사이클(B)의 수냉매 열교환기(20)와 제 2 팽창기구(22) 사이에 설치되고, 고온 냉동 사이클(B)의 압축기(16′)에 연결된다.
저온 냉동 사이클(A)은 저압측 압축기(6′)가 케스케이드 열교환기(10)와 저압측 압축기 토출배관(7)으로 연결되고, 증발기(14)와 저압측 압축기 흡입배관(8)으로 연결된다.
저온 냉동 사이클(A)은 제 1 팽창기구(12)가 케스케이드 열교환기(10)와 케 스케이드 열교환기-제 1 팽창기구 연결배관(11)으로 연결되고, 제 1 증발기(14)와 제 1 팽창기구- 증발기 연결배관(13)으로 연결된다.
고온 냉동 사이클(B)은 고압측 압축기(16′)가 가스 인젝션 기구(5′)를 통과한 기상 냉매가 고압측 압축기(16′)로 가스 인젝션되도록 2 스테이지 다단 압축기로 이루어지거나, 트윈 로터리 압축기로 이루어지거나, 스크류 압축기로 이루어지거나, 스크롤 압축기 등으로 이루어진다.
여기서, 고압측 압축기(16′)는 본 발명 일실시예의 가스 인젝션 기구(5)가 저압측 압축기(6)에 연결되는 경우와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
고압측 압축기(16′)는 본 발명 일실시예와 같이 수냉매열교환기(20)와 고압측 압축기 토출배관(17)으로 연결되고, 케스케이드 열교환기(10)와 고압측 압축기 흡입배관(18)으로 연결된다.
가스 인젝션 기구(5′)는 수냉매열교환기(20)에서 응축된 제 2 냉매를 팽창한 후 액냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만을 고압측 압축기(16′)로 분사시킨다.
가스 인젝션 기구(5′)는 수냉매열교환기(20)에서 응축된 냉매 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기(24′)와, 기액분리기(24′)에서 분리된 기상 냉매를 고압측 압축기(16′)로 분사하는 냉매 주입유로(26′)와, 수냉매열교환기(20)에서 기액 분리기(24′)를 향해 유동되는 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구(28′)와, 냉매 주입유로(24′)에 설치된 가스 냉매조절밸브(30′)를 포함한다.
기액 분리기(24′)는 수냉매 열교환기(20)와 제 2 팽창기구(22) 사이에 설치된다.
기액 분리기(24′)는 보조 팽창기구(28′)와 기액 분리기 흡입배관(25′)으로 연결되고, 제 2 팽창기구(12′)와 액상 배관(27′)으로 연결되며, 고압측 압축기(16′)와 냉매 주입유로(26′)로 연결된다. 보조 팽창기구(28′)를 통과한 냉매는 기액 분리기 흡입배관(25′)을 통해 기액 분리기(24′)로 유입되고, 기액 분리기(24′) 내부에서 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되며, 기상 냉매는 냉매 주입유로(26′)를 통해 고압측 압축기(16′)로 분사되고, 액상 냉매는 액상 배관(27′)을 통해 제 2 팽창기구(22)로 유동된다.
냉매 주입유로(26′)는 일단이 기액 분리기(24′)에 연결되고 타단이 고압측 압축기(16′)에 연결된다.
냉매 주입유로(26′)는 복수개의 가스 인젝션 배관(26A)(26B)이 냉매 주입유로(26′)를 형성한다. 가스 인젝션 배관(26A)(26B)은 기액 분리기(24)와 가스 냉매 조절밸브(30)를 연결하는 제 1 가스 인젝션 배관(26A′)과, 가스 냉매 조절밸브(30)와 고압측 압축기(16′)를 연결하는 제 2 가스 인젝션 배관(26B′)을 포함한다.
보조 팽창기구(28′)는 수냉매열교환기(20)에서 응축된 냉매가 기액 분리기(24′)로 흡입되기 전에 냉매를 팽창시키는 것으로서, 수냉매열교환기(20)와 기액 분리기(24′) 사이에 설치된다.
보조 팽창기구(28′)는 기액 분리기(24) 내부의 액냉매가 냉매 주입유로(26) 로 유동되지 않도록 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어진다.
보조 팽창기구(28′)는 수냉매열교환기(20)와 수냉매열교환기-보조 팽창기구 연결배관(29′)으로 연결된다.
가스 냉매조절밸브(30′)는 기액 분리기(22′)에서 유출된 기상 냉매를 조절하는 것으로서, 온/오프 제어되어 개방/폐쇄되는 개폐밸브로 이루어지는 것도 가능하고, 개도 제어되어 개도가 조절되는 전자팽창밸브로 이루어지는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 개략 구성도, 도 7은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 케스케이드 유닛이 실외기와 분리되게 설치 되었을 때의 정면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 케스케이드 유닛이 실외기에 장착 되었을 때의 정면도이다.
본 실시예에 따른 히트 펌프식 급탕장치는 실외기(O)와 케스케이드 유닛(C)를 포함한다.
실외기(O)는 저압측 압축기(6)와 제 1 팽창기구(12)와 증발기(14)와 실외팬(15)을 포함한다.
케스케이드 유닛(C)은 케스케이드 열교환기(10)와 고압측 압축기(16)와 수냉매 열교환기(20)와 제 2 팽창기구(22)를 포함한다.
가스 인젝션 기구(5)는 저온 냉동 사이클(A)에 설치되는 경우 실외기(O)에 설치되고, 고온 냉동 사이클(B)에 설치되는 경우 케스케이드 유닛(C)에 설치된다.
케스케이드 유닛(C)은 도 7에 도시된 바와 같이, 실외기(O)와 이격되게 설치되어 냉동 사이클 장치(3)를 분리형으로 구성하고, 도 8에 도시된 바와 같이, 실외기(O)와 일체화되게 실외기(O)에 장착되어 냉동 사이클 장치(3)을 일체형으로 구성한다.
케스케이드 유닛(C)은 실외기(O)에 선택적으로 장착된다.
한편, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되지 않고, 이 발명이 속하는 기술적 범주 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 제어 블록도,
도 3은 도 1에 도시된 케스케이드 사이클 유닛의 냉매 흐름이 도시된 주요부 확대도,
도 4는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 일실시예의 P-H선도,
도 5는 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 다른 실시예의 개략 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 개략 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 케스케이드 유닛이 실외기와 분리되게 설치 되었을 때의 정면도,
도 8은 본 발명에 따른 히트 펌프식 급탕장치 또 다른 실시예의 케스케이드 유닛이 실외기에 장착 되었을 때의 정면도이다.

Claims (15)

  1. 저온 냉동 사이클의 제 1 냉매와 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 열교환되는 케스케이드 열교환기와, 상기 고온 냉동 사이클의 제 2 냉매가 응축되면서 상기 물을 가열하는 수냉매 열교환기를 포함하는 케스케이드 사이클 유닛을 포함하고, 상기 수냉매 열교환기가 급탕 수요처와 물 순환유로로 연결된 히트 펌프식 급탕장치에 있어서,
    상기 케스케이드 열교환기와 저온 냉동 사이클의 증발기 사이에서 분기되어 저온 냉동 사이클의 저압측 압축기로 냉매를 주입하거나, 상기 수냉매 열교환기와 케이스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 고온 냉동 사이클의 고압측 압축기로 냉매를 주입하는 냉매 주입유로와;
    상기 냉매 주입유로에 설치되어 상기 급탕 수요처의 부하에 대응하여 조절되는 가스 냉매조절밸브를 포함하는 히트 펌프식 급탕장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케스케이드 열교환기에서 응축된 냉매를 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기와;
    상기 케스케이드 열교환기와 기액 분리기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구를 더 포함하는 히트 펌프식 급탕장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저온 냉동 사이클은 저압측 압축기와 상기 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기가 폐회로를 형성하고,
    상기 고온 냉동 사이클은 고압측 압축기와 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기가 폐회로를 형성하며,
    상기 기액 분리기는 상기 케스 케이드 열교환기와 제 1 팽창기구 사이에 설치되는 히트 펌프식 급탕장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수냉매 열교환기에서 응축된 냉매를 중 액냉매와 기상 냉매를 분리하는 기액 분리기와;
    상기 수냉매 열교환기와 기액 분리기 사이에 설치되어 냉매를 팽창시키는 보조 팽창기구를 더 포함하는 히트 펌프식 급탕장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저온 냉동 사이클은 저압측 압축기와 상기 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기가 폐회로를 형성하고,
    상기 고온 냉동 사이클은 고압측 압축기와 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기가 폐회로를 형성하며,
    상기 기액 분리기는 상기 수냉매 열교환기와 제 2 팽창기구 사이에 설치되는 히트 펌프식 급탕장치.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 저압측 압축기와 케스케이드 열교환기와 제 1 팽창기구와 증발기와 고압측 압축기와 제 2 팽창기구와 수냉매 열교환기와 냉매 주입유로와 가스 냉매조절밸브와 기액 분리기와 보조 팽창기구는 하나의 유닛에 설치되는 히트 펌프식 급탕장치.
  7. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 저압측 압축기와 제 1 팽창기구와 증발기는 실외기에 설치되고,
    상기 케스케이드 열교환기와 고압측 압축기와 제 2 팽창기구와 수냉매 열교환기는 케스케이드 유닛에 설치되며,
    상기 냉매 주입유로와 가스 냉매조절밸브와 기액 분리기와 보조 팽창기구는 실외기와 케스케이드 유닛 중 하나에 설치되는 히트 펌프식 급탕장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 케스케이드 유닛은 상기 실외기와 일체화되게 상기 실외기에 장착되는 히트 펌프식 급탕장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 케스케이드 유닛은 상기 실외기와 이격되게 설치된 히트 펌프식 급탕장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 수요처의 부하를 감지하는 부하 감지 센서와;
    상기 부하 감지 센서의 감지 결과에 따라 상기 가스 냉매 조절밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 히트 펌프식 급탕장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 부하 감지 센서는 상기 물 순환유로에 설치된 히트 펌프식 급탕장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 부하 감지 센서에서 감지된 온도가 설정치 이하이면 상기 가스 냉매조절밸브를 개방하고, 상기 부하 감지 센서에서 감지된 온도가 설정치 초과이면 상기 가스 냉매조절밸브를 폐쇄하는 히트 펌프식 급탕장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 급탕 수요처는 상기 물 순환 유로와 연결된 난방 유닛과, 상기 물 순환 유로와 연결된 급탕 유닛을 포함하는 히트 펌프식 급탕장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압측 압축기와 고압측 압축기 중 상기 냉매 주입유로가 연결되는 압축기가 2 스테이지 다단 압축기와, 스크류 압축기와, 스크롤 압축기 중 하나인 히트 펌프식 급탕장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압측 압축기와 고압측 압축기 중 상기 냉매 주입유로가 연결되는 압축기는 트윈 로터리 압축기로 이루어진 히트 펌프식 급탕장치.
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