KR20110130086A - 냉, 난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉, 난방과 냉수, 온수생산을 동시에 생산하기위해 냉방용 칠러를 저온비등 R410A 냉매로 사용하는 저단측 냉동기 회로상에 구성하고 특히 온수온도가 도달 되더라도 냉방 단독 모드운전이 가능하도록 하기 위해 온수저장 탱크에 일정 열을 식혀주는 쿨링타워를 설치하여 냉방운전을 위한 조건을 자동으로 수행하도록 구성된 시스템이 특징이며, 이는 단일사이클 히트펌프와 이원사이클 히트펌프 공히 적용 가능하도록 개선되어 동절기 효율유지와 가장 경제적인 냉방, 난방운전을 동시에 언제든지 가능하도록 한 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 압축기에서 토출되는 냉매로 축열조의 물을 온수로 가열시키는 응축기가 구비되고, 상기 응축기에서 토출되는 냉매로 부동액을 가열시키는 부동액 수조가 구비되며, 상기 부동액 수조를 거친 냉매가 제1팽창변과 증발기를 거쳐 상기 압축기로 순환되는 난방모드가 형성되도록 하는 제1밸브 그리고 상기 부동액 수조를 거친 냉매가 제2팽창변과 칠러를 거쳐 상기 증발기를 단순 통과하여 압축기로 순환되도록 하고 이때 상기 칠러는 축냉기의 물을 냉각하여 냉방모드가 형성되도록 하는 제2밸브로 구성되고, 상기 증발기는 냉매가 흐르는 냉매관의 내부에 동심상으로 이중관이 구비되어 상기 부동액 수조의 부동액이 순환되면서 난방모드시 제상에 이용되도록 한 것을 특징이 있다.

Description

냉, 난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치{The heat pump system have to double pipe type evaporater for of cooling and heating water production to very stability the same time driving mode heat pump cycle}

본 발명은 냉방과 난방열 생산을 동시에 수행할 수 있는 매우 안정된 이중 증발관을 사용하는 히트펌프 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉,난방 동시모드 히트펌프 장치를 냉방용 에어컨 사이클에 준하는 안정성이 확보되는 히트펌프 사이클로 구성하여 냉방열과 난방열을 동시에 안정적으로 생산하고 혹한기온 영하 15℃ 이하 에서도 이중관식 증발기에 간헐적으로 40℃ 정도의 부동액을 공급하여 적상해소 및 효율저하 방지를 동시에 충족하며, 기존 히트펌프 사이클처럼 냉매흐름을 정, 역 흐름이 아닌 에어컨처럼 정방향 즉, 한쪽 방향으로만 흐르게 하여 냉방, 난방 및 70℃ 급탕을 동시모드 및 단독모드로 수행하는 매우 안정된 냉매 회로를 갖는 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치에 관한 것이다.

종래 특허출원 제2003-0053324호 및 제2003-0066432호에서 보면 히트펌프 냉,난방기에 있어서 대체로 난방의 단독모드 수행은 매우 원활함을 보였으나 냉방 단독 모드와 냉, 난방 동시모드 운전시에는 고단측 냉동기를 R134A로 사용하는 회로상에 냉방용 칠러를 구성 하므로 인해 냉수를 7℃까지 하강시 냉매특성상 난방열량이 급격히 저하되어 난방열량이 70%이하로 감소되는 현상이 발생되어 동시모드에서의 효율적인 히트펌프 운전이 곤란하게 됨을 알 수 있었고, 이를위해 냉방과 난방급탕을 동시에 필요로 하는 부하 가동시엔 난방 COP가 외기 10℃에서 1.5이하로 현저히 감소 되었다.

또한 냉방 COP는 1.6 ~ 1.7정도로 평균이하로 생산되어지는 문제점이 나타났으며 특히 난방열이 설정온도인 68 ~ 70℃에 도달할 경우 냉방 단독모드 운전을 수행할 때 히트펌프 가동이 온도 시그널에 의해 정지 되어 냉방 일을 수행할 수 없도록 되었고, 부득이할 경우 온수탱크에 냉수를 투입하여 온수온도를 강제로 낮춰 냉방운전이 되도록한 단점이 있어 왔다. 또한 냉, 난방 동시모드 운전시 칠러의 낮은 수온에의해 냉매가 증발되므로 증발압력이 영상10℃ 운전시의 평균 압력인 4 ∼ 5bar에 비해 0.7 ∼ 1.2bar로 운전되다보니 압축기의 온도상승 및 소손의 우려가 높고 전력소비 또한 높게 되어 고효율의 히트펌프 작동에 어려움이 있는 등 한계가 있었다.

본 발명자는 종래의 문제점을 감안하여 혹한기 외기가 -10℃ 이하로 떨어지더라도 부동액 수조에 저장된 열원을 공냉식 증발기 내부의 이중관으로 순환시켜 0℃ 이상의 분위기에서 냉매의 증발이 원활히 이뤄지도록 함으로써, 정상 운전일때의 증발압력을 80%이상 유지할 수 있으므로 압축기의 압축효율이 급격히 저감되지 않는 이중 증발관식 히트펌프장치를 특허출원 제2010-0003404호로 출원중에 있다.

본 발명은 본 발명자의 선출원된 이중 증발관식 히트펌프장치를 이용하여 냉매회로를 구성한 것으로서, 본 발명의 목적은 냉, 난방과 냉수 및 온수생산을 동시에 생산하기위해 냉방용 칠러를 저온비등 R410A 냉매로 사용하는 저단측 냉동기 회로상에 구비하고 특히 온수온도가 도달 되더라도 냉방 단독모드 운전이 가능하도록 하기 위해 온수저장 탱크에 일정 열을 식혀주는 쿨링타워를 설치하여 냉방운전을 위한 조건이 자동으로 수행하도록한 시스템이 특징이며, 이는 단일사이클 히트펌프와 이원사이클 히트펌프 공히 적용 가능하도록 개선되어 동절기 효율유지와 가장 경제적인 냉방 및 난방운전을 동시에 언제든지 가능하도록 한 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치를 제공함에 있다.

본 발명의 첫번째 특징은 정,역 사방변을 사용하지 않는 구조로써 한방향으로만 냉매가 순환되는 냉매사이클 이며 따라서 압축기에서 토출된 냉매는 응축기를 통과하여 응축 후 수액기로 저장되었다가 냉방용 팽창변을 통과하여 칠러에서 증발된 후 실외의 이중관식 증발기를 통과한 뒤 압축기로 흡입되는 냉, 난방 동시모드 운전 사이클 이며, 냉매는 상기 칠러에서 이미 증발된 상태이므로 상기 이중관식 증발기에 잔류중인 냉매를 전부 이끌고 압축기로 회수되므로 냉매의 부족현상이 감소되는 것이다. 둘째는 응축기를 통과한 냉매는 수액기를 거쳐 난방용 팽창변을 통과하여 실외 증발기에서 증발한 후 압축기로 흡입되는 난방 및 급탕 운전 단독 사이클이며, 셋째는 냉,난방 동시모드에서 냉방을 위한 온수탱크의 온수 쿨링 사이클로 구성된 것이다.

특히 에어컨처럼 한쪽 방향으로만 냉매를 흐르게 하여 회로상 냉매의 과부족 현상을 없애서 항상 안정된 히트펌프운전이 되도록 하여 냉동기의 내구성 향상 및 고장률을 90%이상 개선하였고, 특히 고온 70℃ 이상의 이원사이클 케스케이드 히트펌프에선 이중 중발관과 연결된 부동액회로를 고단측 압축기의 회로로 구성하여 난방열량 생산이 저하 되지 않는 범위내에서 바이패스 냉매에 의해 저장된 부동액 열량을 외부 증발기에 대체로 20분에 1회씩 보내 실외 증발기의 과냉도를 조절 하여 적상률을 50%이하로 줄이고, 또한 증발기의 과대 적상시 제상용 보조 히터가 구비되어 제상작업을 용이하고 간단하게 마칠 수 있도록 한 매우 안정적인 히트펌프로 구성한 특징이 있다.

냉매회로는 종래의 에어컨처럼 한쪽 방향으로만 안정되게 흐르게 되어 매우 안정적인 히트펌프 사이클 운전이 될 수 있으며, 특히 온수 및 온풍을 생산하는 히트펌프의 겨울철 효율감소는 결국 냉매가 실외 증발기로부터 원활하게 되돌아오지 않음으로 인해 압축기에서 압축시 충분한 냉매가 없음으로 제 열량토출이 되지 않아 효율감소로 이어지는데, 본 발명에선 항상 25 ∼ 35℃ 이상의 열원이 저장된 부동액 수조가 구비되고 이중관식 증발기가 구비되며, 냉각용 공냉기 또는 쿨링타워가 구비되어 냉, 난방을 동시에 원활하게 수행하도록 구성된다. 따라서 냉매 선도상으로는 과냉도를 외기 대비 델타T 5℃ 정도에서 조절되는 자동 제어에 의해 적상률을 현저히 줄일 수 있으며 실외 증발기에 정체된 냉매를 강제 증발시키는 효과를 볼수 있고, 항상 일정한 고정적인 냉,난방 동시모드 운전이 가능해졌으며 고단측 압축기의 토출 고압력이 바이패스에 의해 정상 냉매선도 압력보다 1.5 ∼ 2kg/㎠ 운전 압력이 낮아 압축기의 부하를 10% 줄이는 효과가 있고, 따라서 압축기의 수명을 20,000시간이상 정상효율로 유지되게하여 내구성을 높이게 되었다.

외부 증발기는 최대 8kg/㎠ 이하에서만 유지되므로 타사 히트펌프의 핫가스 제상에의한 20kg/㎠ 이상의 고압형성 현상이 전혀없어 실외 증발기의 고장 및 가스누설 현상을 방지하는 효과가 있으며, 전체적인 냉,난방 및 급탕모드에서 일반 에어컨처럼 내구성 향상 및 고장률 개선효과를 가져왔다. 또한 이는 운전 소비전력 대비 난방 COP를 외기온도 -15℃ 일때 2.5 이상 유지 되도록 안정된 고효율 공기열원 히트펌프의 효과를 가져왔다. 여기서 대형사우나 및 수영장 등 특수 시설물에서는 대체로 난방열량이 100이면 냉방 열량은 35정도로 그다지 크지않아 냉방 단독 운전시에도 쿨링타워를 설치하여 온수를 냉각하는 시스템을 구비하여도 전체 난방 열량의 손실율은 2% ∼ 3% 미만으로 크지 않아 가장 경제적으로 냉, 난방을 동시에 수행하는 히트펌프의 진보된 효과를 가져왔다.

특히 단일 사이클 히트펌프에선 R-407C 냉매 또는 R-22 냉매 한가지만을 사용하는데 온수 온도를 영하 5도 이하에서 52℃로 안정되게 생산할 수 있으므로 농업용 급탕 난방기의 저가 보급효과를 가져왔다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 단일 히트펌프장치의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 부동액 수조의 개략도
도 3은 본 발명 한 실시예의 이중관식 증발기의 사시도
도 4는 본 발명 한 실시예의 이원 히트펌프장치의 개념도

도 1은 본 발명 한 실시예의 단일 히트펌프장치의 개념도 로써, 본 발명은 R-22냉매를 22kg/㎠ 내외의 압력 및 75℃ 내외의 온도로 토출하는 압축기(1), 압축된 고온고압의 냉매로 축열조(120)의 물을 52℃내외의 온수로 만들어 주는 응축기(2), 상기 응축기(2)와 연결된 코일관(3a)이 부동액에 잠긴 부동액 수조(3), 상기 부동액 수조(3)를 통과한 냉매를 기체상태로 팽창시키는 제1,2팽창변(4)(6) 및 이들 팽창변들을 선택적으로 개폐시키는 제1,2밸브(4a)(6a), 난방시 상기 제1팽창변(4)과 연결되어 냉매를 외기 공기열교환 방식으로 증발시키는 증발기(5) 그리고 냉방시 상기 제2팽창변(6)과 연결되어 축냉조(160)의 물을 냉각시키는 칠러(150)로 구성된다.

상기 축열조(120)는 난방부하 감소로 인한 냉방운전 필요시 축열조(120)의 온수온도를 조절하기 위하여 공랭기 또는 쿨링타워(170)가 구비된다. 상기 쿨링타워(170)는 펌프(171)를 통하여 축열조(120)와 연결되어 축열조(120)의 온수온도를 최적으로 맞춰서 응축기(2)에서 냉매의 응축이 원활히 이뤄지도록 구성된다.

상기 부동액 수조(3)는 내부에 부동액이 충진되고 응축기(2)와 연결된 코일관(3a)이 잠긴 구조이며, 상기 증발기(5)의 제상 목적으로 부동액을 순간 가열시키는 제상히터(3b)가 더 구비된다.

상기 증발기(5)는 냉매가 순환되는 증발관(5a)의 내부에 동심원을 이루며 이중관(5b)이 구비되고 증발관(5a)의 외부에는 전열핀(5c)이 구비되는데, 상기 이중관(5b)은 펌프(3c)를 통하여 상기 부동액 수조(3)와 연결되어 부동액이 순환된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 단일 히트펌프는 R-22냉매 또는 R-407냉매가 적용되는데, -10℃ 이하의 혹한기에는 상기 증발기(5)에서 냉매의 온도가 0℃ 이하로 내려갈 경우 효율이 급격히 저감되므로 종래에는 상기 압축기(1)를 정상 압력 이하로 가동하여 증발기(5)의 증발압력을 낮추는 방식으로 냉매의 증발을 유도하였으나, 이는 전체적으로 난방효율이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 이를 개선한 것으로서, 혹한기 외기온도의 저감으로 증발에 필요한 공기열원의 부족 즉, 냉매의 순환이 원활하지 못함을 상기 부동액 수조(3)에서 보완하므로 압축기(1)를 정상압력에 근접되도록 운전하는 것이 가능해져 난방효율의 저감을 막는 것이다.

상기 압축기(1)는 75℃ 내외의 냉매가 토출되므로 응축기(2)와 열교환되는 축열조(120)는 52℃ 내외의 온수생산이 가능해진다. 온수를 생산한 응축기(2)에서 토출되는 냉매는 약 54℃ 내외가 되는데, 상기 부동액 수조(3)의 코일관(3a)을 거치면서 부동액을 40℃ 내외의 온수로 서서히 만들어준다.

난방모드시 제1밸브(4a)만 개방되어 상기 부동액 수조(3)를 거친 냉매는 제1팽창변(4)을 통과하면서 팽창되고 실외의 증발기(5)에서 공기열을 취득하여 증발된 뒤 다시 압축기(1)로 순환되므로 상기 축열조(120)에서 난방에 필요한 온수가 저장된다.

냉방모드시 제1밸브(4a)는 폐쇄되고 제2밸브(6a)는 개방되므로 상기 부동액 수조(3)를 거친 냉매는 제2팽창변(6)을 통과하면서 팽창되고 상기 칠러(150)에서 축냉조(160)의 물과 열교환되어 냉방에 필요한 냉수를 생산한다. 이후 증발된 냉매는 상기 증발기(5)를 냉매회로 상으론 단순 통과하여 압축기(1)로 순환되는 사이클이 형성된다. 냉방부하가 커질 경우 축열조(120)의 온수량 사용이 감소되므로 온수온도를 낮춰주어 응축기(2)에서의 냉매 응축이 원활히 이뤄지도록 해야된다. 이를 위해 본 발명은 축열조(120)와 펌프(171)로 연결된 공랭기 또는 쿨링타워(170)가 구비되므로 냉방부하에 맞게 축열조(120)의 온수온도를 최적의 상태로 맞출 수 있다.

특허 겨울철 또는 간절기의 냉,난방 동시모드는 대형 사우나 또는 수영장에서 주로 이용되는데, 상기 냉방모드와 동일한 운전사이클로 구성된다. 즉 상기 응축기(2)에서 축열조(120)의 물이 온수로 생산되어 난방에 이용되고, 상기 칠러(150)에서 축냉조(160)의 물이 냉각되어 냉방에 이용된다. 겨울철에는 난방부하가 크고 온수 사용량이 많기 때문에 상기 축열조(120)의 온수온도가 일정하게 유된다. 따라서 상기 응축기(2)를 통과하는 냉매는 충분히 응축될 수 있으므로 굳이 상기 쿨링타워(170)를 작동시킬 필요가 없다.

난방모드 중 제상운전시 상기 부동액 수조(3)는 부동액이 35℃ 내외가 되면 펌프(3c)를 자동으로 가동시켜 상기 증발기(5)의 이중관(5b)으로 순환되도록 구성되며, 혹한기 증발기(5)의 냉매 증발열원이 보충되어 냉매의 증발온도가 떨어지지 않으므로 압축기(1)의 압축효율이 개선되는 효과가 있다. 그리고 증발기(5)의 증발관(5a)에 잔류되는 냉매를 서서히 증발시켜 압축기(1)로 순환되게 하였으므로 냉매의 부족 현상이 개선된다.

도 3은 본 발명 한 실시예의 이원 히트펌프장치의 개념도로써, 본 발명 한 실시예의 단일 히트펌프장치의 사이클이 저단측으로 구성되고, 상기 저단측의 응축기 및 고단측의 증발기 역할을 하는 케스케이드 열교환기(140)가 구비된다.

상기 케스케이드 열교환기(140)는 저단측의 냉매가 제1팽창변(4) 또는 제2팽창변(6) 및 증발기(5)를 거쳐 압축기(1)로 순환되는 사이클이며, 고단측의 경우 냉매가 고단측 압축기(100), 축열조(120)와 축열펌프(121)로 연결되어 열교환되는 고단측 응축기(110), 상기 고단측 응축기(110)와 연결되어 냉매의 열원을 일부 부동액에 저장하는 부동액 수조(3) 및 고단측 팽창변(130)으로 순환되는 구성된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 이원 히트펌프장치는 R-410 냉매를 사용하는 저단측과 R-134, R-600 및 R-430 냉매를 사용하는 고단측으로 구성되는데, 난방모드시 저단측 압축기(1)에서 토출된 냉매가 케스케이드 열교환기(140)를 거치면서 응축된 뒤 제1밸브(4a) 및 제1팽창변(4)을 거쳐 실외의 증발기(5)에서 증발에 의해 공기열을 취득한 뒤 압축기(1)로 순환되는 저단측 사이클이 형성되고, 고단측의 경우 고단측 압축기(100)에서 토출된 냉매가 고단측 응축기(110)를 거치는 과정에서 펌프(121)로 연결된 축열조(120)의 물이 순환되면서 온수가 생산되어 난방에 이용된다. 이후 냉매는 부동액 수조(3)를 거치면서 부동액의 온도를 높인 뒤 상기 케스케이드 열교환기(140)로 순환되면서 저단측의 냉매와 열교환되어 증발되고 고단측 압축기(100)로 순환되는 이원 사이클이 형성된다.

본 발명은 종래 이원 히트펌프에서처럼 사방밸브를 사용하여 냉매를 정방향 또는 역방향으로 순환시시키지 않고 냉방 및 난방시 한쪽 방향으로만 냉매를 순환시키므로 냉매 흐름에 있어서 정체현상이 없으므로 열교환효율이 극대화된다.

냉방모드시 상기 케스케이드 열교환기(140)에서 토출된 저단측의 냉매가 제2밸브(6a) 및 제2팽창변(6)을 거쳐 팽창된 뒤 칠러(150)를 통과하게 되는데, 이때 펌프(161)로 상기 칠러(150)와 연결된 축냉조(160)의 물이 냉각되어 냉방에 이용된다.

냉,난방동시모드시 축냉조(160)의 물이 칠러(150)에서 냉각되어 냉방에 사용되고, 축열조(120)의 물은 고단측 응축기(110)에서 가열되어 난방에 각각 사용된다. 만약 난방부하가 감소될 경우 축열조(120)의 온수온도를 낮출 필요가 있는데, 이때는 펌프(171)로 연결된 공랭기 또는 쿨링타워(170)에서 온수온도를 낮춰주므로 상기 고단측 응축기(110)의 냉매 응축이 원활히 이뤄진다. 또한 난방모드시 저단측의 증발기(5)에 적상이 발생되어 외기열 취득이 어렵게 될 경우 상기 부동액 수조(3)의 고온 부동액이 상기 증발기(5)의 이중관(5b)으로 순환되므로 증발관(5a) 및 열교환핀(5c)에 고착된 성애가 제거되어 공기열 취득이 원활해지므로 압축기(1)의 냉매 압축이 원활해지는 효과가 있다.

1 : 압축기 2 : 응축기
3 : 부동액 수조 4 : 제1팽창변
4a : 제1밸브 5 : 증발기
5a : 증발관 5b : 이중관
6 : 제2팽창변 6a : 제2밸브
100 : 고단측 압축기 110 : 고단측 응축기
120 : 축열조 130 : 고단측 팽창변
140 : 케스케이드 열교환기 150 : 칠러
160 : 축냉조 170 : 쿨링타워

Claims (3)

1. 압축기에서 토출되는 냉매로 축열조의 물을 온수로 가열시키는 응축기가 구비되고,
   상기 응축기에서 토출되는 냉매로 부동액을 가열시키는 부동액 수조가 구비되며,
   상기 부동액 수조를 거친 냉매가 제1팽창변과 증발기를 거쳐 상기 압축기로 순환되는 난방모드가 형성되도록 하는 제1밸브 그리고 상기 부동액 수조를 거친 냉매가 제2팽창변과 칠러를 거쳐 상기 증발기를 단순 통과하여 압축기로 순환되도록 하고 이때 상기 칠러는 축냉기의 물을 냉각하여 냉방모드가 형성되도록 하는 제2밸브로 구성되고,
   상기 증발기는 냉매가 흐르는 냉매관의 내부에 동심상으로 이중관이 구비되어 상기 부동액 수조의 부동액이 순환되면서 난방모드시 제상에 이용되도록 한 것을 특징으로 하는 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 축열조는 펌프로 연결된 공냉기 또는 쿨링타워가 더 구비되어, 냉방모드시 냉방부하 증가로 상기 축열조의 온수사용이 감소될 때 이를 강제 소비하도록 한 것을 특징으로 하는 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치.
3. 저단측의 압축기와 고단측 압축기가 구비되고 상기 저단측의 응축과 고단측의 증발이 하나의 케스케이드 열교환기에서 일어나도록 구성되며,
   상기 케스케이드 열교환기를 거친 저단측의 냉매가 제1팽창변과 증발기를 거쳐 상기 저단측의 압축기로 순환되는 난방모드가 형성되도록 하는 제1밸브 그리고 상기 케스케이드 열교환기를 거친 저단측의 냉매가 제2팽창변과 칠러를 거쳐 상기 증발기를 단순 통과하여 저단측의 압축기로 순환되도록 하고 이때 상기 칠러는 축냉기의 물을 냉각하여 냉방모드가 형성되도록 하는 제2밸브로 구성되고,
   상기 고단측 압축기에서 토출된 냉매로 축열조의 물을 온수로 가열하는 고단측 응축기가 구비되며,
   상기 고단측 응축기에서 토출되는 냉매로 부동액을 가열시키는 부동액 수조가 구비되고,
   상기 저단측의 증발기는 냉매가 흐르는 냉매관의 내부에 동심상으로 이중관이 구비되어 상기 부동액 수조의 부동액이 순환되면서 난방모드시 제상에 이용되도록 한 것을 특징으로 하는 냉,난방 동시모드가 매우 안정된 히트펌프장치.

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