KR20130081794A - 캐스케이드 히트펌프 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캐스케이드 히트펌프 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일 측면에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치는, 제1 냉매를 사용하며 제1 압축기를 포함하는 제1 냉매 사이클; 및 제2 냉매를 사용하며 제2 압축기를 포함하고 상기 제1 냉매 사이클과 응축기를 공유하는 제2 냉매 사이클을 포함하고, 상기 제2 냉매 사이클은, 상기 제2 압축기의 일단에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기로 유입되도록 제어하는 제1 유량조절부와, 상기 제1 유량조절부에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기를 우회하도록 하는 바이패스 배관을 포함한다.

Description

캐스케이드 히트펌프 장치 및 그 구동 방법{A cascade heat pump and a driving method for the same}
본 발명은 캐스케이드 히트펌프 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 토출되는 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매가 팽창되는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창된 냉매가 증발되는 증발기를 포함하여 냉매 사이클을 구성하며, 냉매 사이클을 순환하는 냉매를 이용하여 실내를 냉난방 하거나, 냉장 또는 냉동을 수행하는 장치이다.
최근에는 시스템의 효율을 높이기 위하여, 제1 냉매를 순환시키는 제1 냉매 사이클과, 제2 냉매를 순환시키는 제2 냉매 사이클을 포함하고, 냉매 열교환기를 통해 제1 냉매와 제2 냉매가 열교환되도록 하는 캐스케이드 히트펌프 장치가 개발되었다.
이 경우 제1 냉매 사이클은 실내를 냉난방하는 사이클로 사용되고, 제2 냉매 사이클은 냉장 또는 냉동을 수행하는 사이클로 사용될 수 있다. 이때 냉매 열교환기에서 제1 냉매는 증발되고 제2 냉매는 응축되어 서로 열교환 될 수 있다.
또한 제1 냉매 사이클에서 순환하는 제1 냉매는 냉난방 운전모드의 전환에 따라 유동 방향이 전환될 수 있으나, 제2 냉매 사이클에서 순환하는 제2 냉매는 항상 동일한 방향으로 순환될 수 있다.
그러나 냉난방과 냉장 또는 냉동을 구현하는 종래의 캐스케이드 히트펌프 장치에서, 하나의 압축기로 냉동 사이클의 냉매를 압축시킬 경우, 압축비가 떨어지고 효율이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 냉동 사이클의 압축기와 냉장 사이클의 압축기를 이용하여, 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 2단으로 압축하여 고압축비를 구현하고 효율을 향상시킬 수 있는 캐스케이드 히트펌프 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치는, 제1 냉매를 사용하며 제1 압축기를 포함하는 제1 냉매 사이클; 및 제2 냉매를 사용하며 제2 압축기를 포함하고 상기 제1 냉매 사이클과 응축기를 공유하는 제2 냉매 사이클을 포함하고, 상기 제2 냉매 사이클은, 상기 제2 압축기의 일단에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기로 유입되도록 제어하는 제1 유량조절부와, 상기 제1 유량조절부에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기를 우회하도록 하는 바이패스 배관을 포함한다.
다른 측면에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법은, 제1 냉매를 사용하며 제1 압축기를 포함하는 제1 냉매 사이클과, 제2 냉매를 사용하며 제2 압축기를 포함하고 상기 제1 냉매 사이클과 응축기를 공유하는 제2 냉매 사이클과, 상기 제1 냉매 또는 제2 냉매와 열교환하는 제3 냉매를 사용하는 제3 냉매 사이클을 포함하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 제2 냉매를 상기 제2 압축기로 유입시키는 단계; 기설정 조건 만족 시, 상기 제2 압축기로부터 토출된 냉매를 상기 제1 압축기로 유입시키는 단계; 기설정 조건 불만족 시, 상기 제2 압축기로부터 토출된 냉매를 우회시켜 상기 제1 압축기로부터토출된 상기 제1 냉매와 만나도록 하는 단계; 및 상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매를 상기 제3 냉매와 열교환시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 냉동 사이클을 순환하는 냉매가 냉동 사이클의 압축기 및 냉장 사이클의 압축기에 차례로 유입되어 압축되도록 하여, 냉동 사이클의 압축비를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 외기온도가 낮을 경우에는 냉장 사이클과 냉동 사이클을 순환하는 각 냉매가 하나의 압축기에 의해 각각 압축되고, 외기온도가 높을 경우에는 냉동 사이클을 순환하는 냉매가 냉동 사이클의 압축기와 냉장 사이클의 압축기를 거쳐 2단 압축되도록 함으로써, 외기온도 조건에 따라 압축을 조절하여 소비전력을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 냉동 사이클의 냉매를 2단 압축할 경우, 냉장 사이클 압축기의 유입단과 토출단의 압력을 평활하여, 압축기 기동의 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구성도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치에서의 냉매 흐름을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구성도.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치에서의 냉매 흐름을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치(1)는, 제1 냉매 사이클(10), 제2 냉매 사이클(20), 제3 냉매 사이클(30)을 포함한다.
상기 제1 냉매 사이클(10)은, 제1 냉매를 사용하며, 제1 압축기(11), 제1 실외 열교환기(12), 제1 실내 열교환기(13), 제1 팽창기(14), 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매배관(16)을 포함한다.
상기 제1 냉매 사이클(10)은, 냉장 사이클일 수 있다. 즉 상기 제1 냉매는 상기 제1 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 상기 제1 실내 열교환기(13)에서 증발될 수 있다.
상기 제1 냉매는, 후술할 냉매 열교환기(36)에서 상기 제3 냉매 사이클(30)의 제3 냉매와 열교환될 수 있다. 상기 제1 냉매가 응축하면서 배출하는 열은 상기 제3 냉매에 전달되어, 상기 제3 냉매를 증발시킨다.
따라서 상기 제3 냉매는 제3 실외 열교환기(32)나 제3 실내 열교환기(33) 외에도 냉매 열교환기(36)에서 증발될 수 있으므로, 본 실시예는 제3 냉매를 충분히 증발시켜서 열교환 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 냉매 사이클(10)은, 상기 제1 냉매를 저장하는 냉매 저장부(15)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉매 저장부(15)는, 상기 제1 실외 열교환기(12)를 통과한 뒤 상기 제1 실내 열교환기(13)로 유입될 상기 제1 냉매와, 상기 제1 실외 열교환기(12)를 통과한 뒤 제2 실내 열교환기(22)로 유입될 제2 냉매의 양을 적절하게 조절할 수 있다. 즉 상기 냉매 저장부(15)는, 상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매를 저장할 수 있다. 이때 상기 냉매 저장부(15)는 리시버일 수 있다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은, 제2 냉매를 사용하며, 제2 압축기(21), 제2 실내 열교환기(22), 제2 팽창기(23), 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매배관(28)을 포함한다. 이때 상기 제2 냉매 사이클(20)은, 상기 제1 냉매 사이클(10)과 응축기(제1 실외 열교환기(12))를 공유할 수 있다.
이때 상기 제2 냉매는, 상기 제1 냉매와 동일한 냉매일 수 있다. 즉 상기 제1 냉매 사이클(10)과 상기 제2 냉매 사이클(20)은 하나의 냉매를 사용하며, 본 실시예는 하나의 냉매를 분배하여 각 냉매 사이클을 운영할 수 있다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은, 냉동 사이클일 수 있다. 이때 상기 제2 냉매는 상기 제1 실외 열교환기(12)에 유입되어 응축되고, 상기 제2 실내 열교환기(22)에서 증발될 수 있다.
상기 제2 냉매는, 상기 제1 냉매와 마찬가지로 상기 냉매 열교환기(36)에서 상기 제3 냉매 사이클(30)의 제3 냉매와 열교환될 수 있다. 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매가 응축하면서 배출하는 열은 상기 제3 냉매에 전달되어, 상기 제3 냉매를 증발시킨다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은, 상기 제1 냉매 사이클(10)의 제1 실외 열교환기(12)와, 상기 냉매 저장부(15)를 공유할 수 있다. 즉 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 상기 제2 냉매는, 상기 제1 실외 열교환기(12)에서 응축된 뒤 상기 냉매 저장부(15)에 저장될 수 있고, 이후 상기 제2 실내 열교환기(22)에서 증발하여 주변을 냉동시킬 수 있다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은, 제1 유량조절부(24)와, 바이패스 배관(25)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유량조절부(24)는, 상기 제2 압축기(21)의 일단에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기(11)로 유입되도록 제어한다. 이를 위해 상기 제2 냉매배관(28)은 상기 제1 냉매배관(16)으로부터 분지 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 유량조절부(24)는, 사방밸브일 수 있다. 물론 본 실시예는 상기 제1 유량조절부(24)의 밸브 형태를 사방밸브로 한정하는 것은 아니며, 상기 제2 냉매의 유로를 전환하는 밸브이면 어떠한 밸브도 상기 제1 유량조절부(24)로 사용이 가능하다.
상기 제1 유량조절부(24)는, 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기(11)로 유입되도록 하거나, 또는 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 상기 제2 냉매가 상기 바이패스 배관(25)을 따라 상기 제1 압축기(11)로부터 토출된 상기 제1 냉매와 만나도록 할 수 있다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은 상기 제1 냉매 사이클(10)의 제1 압축기(11)를 이용할 수 있다. 즉 상기 제2 냉매는, 상기 제2 압축기(21)에 의해 1단 압축되어 토출된 후 상기 제1 유량조절부(24)에 의하여 흐름 방향이 변화되어 상기 제1 압축기(11)에 의해 2단 압축될 수 있다.
냉동 성능 확보를 위해 고압축이 필요할 경우, 하나의 압축기만을 사용하여 냉매를 압축하게 되면, 압축기를 과하게 구동하여야 하므로 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 본 실시예는, 기설정 조건 만족 시 상기 제2 냉매가 상기 제2 압축기(21)에서 1차로 압축된 후 상기 제1 압축기(11)에서 2차로 압축되도록 하여, 고압축비를 확보하고 효율을 높이며, 소비전력을 절감할 수 있다. 이 경우 상기 제1 압축기(11)는 정속 압축기이고, 상기 제2 압축기(21)는 가변 압축기(인버터 압축기)일 수 있다.
이때 기설정 조건이라 함은, 외기온도가 기준값 이상일 경우를 의미한다. 하계에는 외기온도가 높은 편이기 때문에, 냉동 사이클을 원활하게 구현하기 위해서는 냉매를 충분히 압축시켜야 한다. 따라서 본 실시예는 외기온도가 기준값 이상이면, 상기 제2 냉매가 상기 제2 압축기(21) 및 상기 제1 압축기(11)에서 차례로 압축되도록 할 수 있다.
상기 바이패스 배관(25)은, 상기 제1 유량조절부(24)에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기(11)를 우회하도록 한다. 상기 바이패스 배관(25)은 일단이 상기 제2 압축기(21)의 토출단에 연결되고, 타단이 상기 제1 압축기(11)의 토출단에 연결될 수 있다.
즉 상기 제1 유량조절부(24)에 의해 상기 바이패스 배관(25)으로 유입된 상기 제2 냉매는, 상기 제1 압축기(11)에 유입되지 않고 바로 상기 제1 실외 열교환기(12)로 유입될 수 있다.
이 경우 상기 제1 냉매 사이클(10)의 제1 냉매는 상기 제1 압축기(11)에서 압축되고, 상기 제2 냉매 사이클(20)의 제2 냉매는 상기 제2 압축기(21)에서 압축된다. 즉 상기 제1 냉매와 상기 제2 냉매는 각각 1단 압축된다.
반면 상기 제1 유량조절부(24)가 상기 제2 냉매를 상기 바이패스 배관(25)으로 유입시키지 않고 상기 제1 압축기(11)로 유입시킬 경우, 상기 제2 냉매는 상기 제1 압축기(11)에서 2단 압축될 수 있다.
이 경우 상기 제1 실내 열교환기(13)로부터 토출된 제1 냉매와, 상기 제2 압축기(21)로부터 압축된 뒤 토출된 제2 냉매는, 합쳐져서 상기 제1 압축기(11)에 유입된다. 이때 상기 제1 압축기(11)에서 압축된 제1 냉매 및 제2 냉매는, 상기 제1 실외 열교환기(12)와 상기 냉매 저장부(15)를 통과한 뒤 분배되어, 상기 제1 실내 열교환기(13) 및 상기 제2 실내 열교환기(22)로 각각 유입될 수 있다.
이 경우 본 실시예는, 상기 제1 팽창기(14)와 상기 제2 팽창기(23)의 개도를 조절함으로써, 냉장 또는 냉동을 위해 요구되는 상태로 상기 제1 냉매와 상기 제2 냉매를 상변화시킬 수 있다.
상기 제2 냉매 사이클(20)은, 과냉각기(29)를 더 포함할 수 있다. 상기 과냉각기(29)는, 상기 제3 냉매와 열교환한 상기 제2 냉매를 과냉각시킨다. 즉 상기 과냉각기(29)는 상기 냉매 열교환기(36)를 통과한 상기 제2 냉매를 과냉각시킬 수 있다.
상기 과냉각기(29)는, 상기 냉매 열교환기(36)를 통과한 냉매 중 일부를 팽창시키는 과냉각 팽창기(292)와, 상기 과냉각 팽창기(292)에 의해 팽창된 냉매와 상기 냉매 열교환기(36)로부터 상기 제2 실내 열교환기(22)로 유입되는 냉매를 열교환시키는 과냉각 열교환기(291)를 포함할 수 있다.
상기 냉매 열교환기(36)로부터 토출된 냉매는, 상기 냉매 저장부(15)를 통과한 뒤 분배되어 상기 과냉각기(29)에 유입될 수 있다. 이때 상기 과냉각 팽창기(292)로 유입된 냉매는 상기 과냉각 열교환기(291)에서 증발되며, 상기 제2 실내 열교환기(22)로 흐르는 냉매는 상기 과냉각 열교환기(291)에서 과냉각될 수 있다. 따라서 본 실시예는 상기 제2 냉매를 과냉각시켜서, 상기 제2 냉매를 상기 제2 실내 열교환기(22)에서 증발하면서 주변을 충분히 냉동시킬 수 있는 상태로 변화시킬 수 있다.
물론 상기 과냉각기(29)로 유입되는 냉매는, 상기 제1 냉매와 제2 냉매의 혼합일 수 있다. 다만 상기 과냉각 열교환기(291)에서 응축되는 냉매는 상기 제2 냉매일 수 있다. 상기 제1 냉매는 상기 냉매 열교환기(36)를 통과한 뒤, 상기 과냉각 열교환기(291)로 유입되지 않고 상기 제1 실내 열교환기(13)로 유입되어 증발되기 때문이다.
상기 제3 냉매 사이클(30)은, 제3 냉매를 사용하며, 제3 압축기(31), 제3 실외 열교환기(32), 제3 실내 열교환기(33), 제3 팽창기(34), 냉매 열교환기(36), 제3 냉매가 순환되는 제3 냉매배관(37)을 포함한다.
상기 제3 냉매 사이클(30)을 순환하는 제3 냉매는, 제3 압축기(31)에서 압축되고, 제3 실외 열교환기(32) 또는 제3 실내 열교환기(33)에서 응축되며, 제3 팽창기(34)에서 팽창되고, 제3 실내 열교환기(33) 또는 제3 실외 열교환기(32)에서 증발된다. 이때 제3 팽창기(34)는, 복수 개로 구성되어 상기 제3 실외 열교환기(32)의 일단 및 상기 냉매 열교환기(36)의 일단에 각각 연결될 수 있다.
상기 제3 냉매 사이클(30)은, 실내를 냉난방하는 사이클일 수 있다. 즉 상기 제3 실내 열교환기(33)는, 제3 냉매와 실내 공기를 열교환시켜서, 실내를 사용자가 원하는 환경으로 조성할 수 있다.
따라서 제3 냉매 사이클(30)은, 냉방 모드 또는 난방 모드로 운영될 수 있다. 냉방 모드인 경우 상기 제3 냉매는 상기 제3 실외 열교환기(32)에서 응축되고 상기 제3 실내 열교환기(33)에서 증발되며, 난방 모드인 경우 상기 제3 냉매는 상기 제3 실내 열교환기(33)에서 응축되고 상기 제3 실외 열교환기(32)에서 증발된다.
상기 제3 냉매 사이클(30)을 순환하는 상기 제3 냉매는, 상기 제1 냉매 사이클(10)의 제1 냉매 및 상기 제2 냉매 사이클(20)의 제2 냉매와 열 교환할 수 있다. 이때 상기 제3 냉매는 상기 제3 실외 열교환기(32)를 통과한 뒤 냉매 열교환기(36)에 유입되거나, 또는 상기 제3 실내 열교환기(33)를 통과한 뒤 상기 냉매 열교환기(36)에 유입된다.
상기 냉매 열교환기(36)는, 상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매와 상기 제3 냉매간의 열교환이 이루어지도록 한다. 상기 냉매 열교환기(36)는 상기 제1 실외 열교환기(12)의 토출단에 연결될 수 있다.
즉 상기 제1 실외 열교환기(12)에서 응축된 상기 제1 냉매와 제2 냉매는, 상기 냉매 열교환기(36)에서 다시 한번 응축되며, 이때 배출된 열은 상기 제3 냉매에 전달된다. 따라서 상기 제3 냉매 사이클(30)의 제3 냉매는, 상기 냉매 열교환기(36)에서 열을 흡수하여 증발하게 된다.
즉 상기 제3 압축기(31)에서 토출된 상기 제3 냉매는, 냉방 모드일 경우 상기 제3 실외 열교환기(32)를 통과한 뒤 상기 제3 실내 열교환기(33) 또는 상기 냉매 열교환기(36)로 유입되어 증발하게 된다.
반면 난방 모드일 경우, 상기 제3 압축기(31)에서 토출된 상기 제3 냉매는, 상기 제3 실내 열교환기(33)를 통과한 뒤 상기 제3 실외 열교환기(32) 또는 상기 냉매 열교환기(36)로 유입되어 증발하게 된다.
따라서 본 실시예는 상기 제3 냉매의 일부가 상기 제1 냉매 사이클(10)을 순환하는 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매 사이클(20)을 순환하는 상기 제2 냉매로부터 열을 흡수하여 증발할 수 있도록 함으로써, 제3 냉매 사이클(30)의 증발 효율을 향상시킬 수 있다.
물론 본 실시예는, 상기 냉매 열교환기(36)를 생략하고, 상기 제3 냉매가 상기 제1 실외 열교환기(12)로 유입되도록 할 수 있다. 이 경우 상기 제1 실외 열교환기(12)가, 상기 제1 냉매와 상기 제2 냉매를 상기 제3 냉매와 열교환시킬 수 있다.
상기 제3 냉매 사이클(30)은, 제3 유량조절부(35)를 더 포함한다. 상기 제3 유량조절부(35)는, 상기 제3 압축기(31)의 일단에 연결되어 상기 제3 냉매의 흐름을 제어한다. 상기 제3 유량조절부(35)는, 상기 제3 압축기(31)의 토출단 및 유입단에 연결될 수 있다.
상기 제3 유량조절부(35)는, 상기 제3 압축기(31)로부터 토출되는 제3 냉매가 상기 제3 실내 열교환기(33) 또는 상기 제3 실외 열교환기(32)에 유입되도록 제어하며, 또한 상기 제3 실내 열교환기(33), 상기 제3 실외 열교환기(32) 또는 상기 냉매 열교환기(36)에서 증발된 제3 냉매가 상기 제3 압축기(31)에 유입되도록 제어한다.
즉 실내 냉방 모드 시, 상기 제3 유량조절부(35)는 상기 제3 압축기(31)로부터 토출된 제3 냉매를 상기 제3 실외 열교환기(32)로 유입시키며, 상기 제3 실내 열교환기(33)에서 증발된 제3 냉매와 상기 냉매 열교환기(36)에서 증발된 제3 냉매를 상기 제3 압축기(31)에 유입시킨다.
반면 실내 난방 모드 시, 상기 제3 유량조절부(35)는 상기 제3 압축기(31)로부터 토출된 제3 냉매를 상기 제3 실내 열교환기(33)로 유입시키며, 상기 제3 실외 열교환기(32)에서 증발된 제3 냉매와 상기 냉매 열교환기(36)에서 증발된 제3 냉매를 상기 제3 압축기(31)에 유입시킨다.
상기 제3 유량조절부(35)는 사방밸브일 수 있다. 이때 상기 제3 유량조절부(35)의 각 단은, 상기 제3 압축기(31)의 유입단, 토출단에 연결되고, 상기 제3 실외 열교환기(32)와 상기 냉매 열교환기(36)에 일단이 연결되며, 상기 제3 실내 열교환기(33)에도 일단이 연결될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 실시예의 구동에 대하여 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치에서의 냉매 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 제2 냉매가 제1 압축기를 우회하며 제3 냉매가 제3 실내 열교환기에서 증발되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 3은 제2 냉매가 제1 압축기를 우회하며 제3 냉매가 제3 실내 열교환기에서 응축되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 제2 냉매가 2단 압축되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 제2 냉매가 2단 압축되며 과냉각되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 냉매는 제1 압축기(11)로부터 토출된 뒤 제1 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 냉매 열교환기(36)에서 제3 냉매와 열교환하며, 냉매 저장부(15)를 통과하여 제1 실내 열교환기(13)에서 증발된다.
이때 제2 냉매는 제2 압축기(21)로부터 토출된 뒤 제1 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 냉매 열교환기(36)에서 제3 냉매와 열교환하며, 냉매 저장부(15)를 통과하여 제2 실내 열교환기(22)에서 증발된다. 이 경우 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 상기 제2 냉매는, 상기 제1 유량조절부(24)에 의하여 상기 바이패스 배관(25)을 따라 우회하여, 상기 제1 압축기(11)의 토출단 측으로 유입될 수 있다.
즉 제1 냉매와 제2 냉매는 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(21) 각각에서 압축될 수 있고, 압축된 제1 냉매와 제2 냉매는 제1 실외 열교환기(12)에서 합쳐질 수 있다.
이때 제3 냉매는 제3 압축기(31)에서 토출된 후 제3 실외 열교환기(32)에서 응축되고, 제3 실내 열교환기(33) 또는 냉매 열교환기(36)에서 증발된다. 즉 제3 냉매 사이클(30)은 냉방 사이클일 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 냉매와 제2 냉매의 순환은 도 2에 도시된 바와 동일하되, 제3 냉매의 순환은 반대이다. 제3 냉매는 제3 압축기(31)에서 토출된 뒤 제3 실내 열교환기(33)에서 응축되고, 제3 실외 열교환기(32) 또는 냉매 열교환기(36)에서 증발될 수 있다. 즉 제3 냉매 사이클(30)은 난방 사이클일 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 냉매는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 동일하게 순환한다. 반면 상기 제2 냉매의 경우, 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 뒤 상기 제1 유량조절부(24)에 의해 상기 제1 압축기(11)로 유입될 수 있다. 즉 도 4에서 상기 제2 냉매는 2단 압축될 수 있다.
상기 제1 유량조절부(24)가 제2 냉매를 제1 압축기(11)로 유입시키는 작동은, 외기온도가 기준값 이상일 경우, 즉 하계일 경우 이루어질 수 있다. 이는 외기온도가 높을 시, 제2 냉매를 충분히 압축하여야 냉동 사이클을 구현할 수 있는데, 제2 압축기(21)만으로 제2 냉매를 압축하게 되면 지나치게 많은 전력을 사용할 수 있고, 효율이 떨어질 수 있기 때문이다.
따라서 본 실시예는, 외기온도에 따라서 제2 냉매를 1단 또는 2단 압축하여, 효율을 높이고 소비전력을 절감할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 냉매 저장부(15)를 통과한 제2 냉매 중 일부는 과냉각될 수 있다. 즉 상기 냉매 저장부(15)를 통과한 냉매 중 일부는 상기 과냉각 팽창기(292)를 통해 팽창된 뒤 상기 과냉각 열교환기(291)로 유입되어 증발되고, 나머지는 상기 과냉각 열교환기(291)를 통과하면서, 상기 과냉각 열교환기(291)에서 증발되는 냉매와 열교환하여 과냉각될 수 있다.
이때 과냉각 열교환기(291)에서 증발된 제1 냉매와 제2 냉매는, 상기 제1 압축기(11)로 유입되어 압축될 수 있다. 또한 앞서 언급한 바와 같이, 상기 과냉각 열교환기(291)에서 과냉각되는 냉매는 제2 냉매일 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치(1)는, 제1 냉매 사이클(10), 제2 냉매 사이클(20), 제3 냉매 사이클(30)을 포함한다.
상기 제1 냉매 사이클(10)은, 상기 제1 실시예의 상기 제1 냉매 사이클(10)과 대비할 때, 평압 배관(26)과 제2 유량조절부(27)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 냉매 사이클(10)의 나머지 구성과, 상기 제2 냉매 사이클(20) 및 상기 제3 냉매 사이클(30)은, 제1 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 평압 배관(26)은, 상기 제1 압축기(11)의 일단 및 타단에 연결되며 상기 제1 압축기(11)의 토출단의 압력을 조절한다. 상기 평압 배관(26)은 상기 제1 압축기(11)로 유입되는 냉매를 일부 우회시켜 상기 제1 압축기(11)의 토출단에 흐르도록 하여, 상기 제1 압축기(11)의 유입단 압력과 토출단 압력의 차이를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 본 실시예는, 상기 제1 압축기(11)의 부하를 감소시켜서, 상기 제1 압축기(11)의 기동 시 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 제2 유량조절부(27)는, 상기 평압 배관(26)에 구비되며 상기 평압 배관(26)의 개도를 제어한다. 상기 제2 유량조절부(27)는 체크밸브일 수 있으며, 상기 제1 유량조절부(24)가 상기 제2 냉매를 상기 제1 압축기(11)로 유입시킬 경우 상기 평압 배관(26)을 개방하고, 상기 제1 유량조절부(24)가 상기 제2 냉매를 상기 바이패스 배관(25)으로 유입시킬 경우 상기 평압 배관(26)을 밀폐할 수 있다.
즉 상기 제2 냉매가 1단 압축될 경우, 상기 제1 압축기(11)의 부하는 크지 않기 때문에, 본 실시예는 상기 평압 배관(26)을 사용하지 않더라도 충분히 신뢰성을 확보할 수 있다. 그러나 상기 제2 냉매가 2단 압축될 경우에는, 상기 제1 압축기(11)의 유입단 압력과 토출단 압력의 차이가 커지게 되어, 냉매가 상기 제1 압축기(11)로 적절히 유입되지 못함에 따라, 상기 제1 압축기(11)의 성능이 저하될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 상기 제2 냉매가 2단 압축될 시 상기 제2 유량조절부(27)가 상기 평압 배관(26)을 개방하도록 하여, 상기 제1 압축기(11)의 부하를 줄여 효율을 높일 수 있다. 즉 상기 제2 유량조절부(27)는, 외기온도가 기준값 이상일 경우 상기 평압 배관(26)을 개방할 수 있다.
물론 상기 평압 배관(26)을 따라 냉매가 유동하는 도중, 상기 제1 압축기(11)의 유입단 압력과 토출단 압력의 차이가 기설정 압력 이하로 떨어질 경우, 상기 제2 유량조절부(27)는 상기 평압 배관(26)으로의 냉매 흐름을 차단할 수 있다. 즉 상기 제2 유량조절부(27)는, 상기 제1 압축기(11)의 유입단 압력과 토출단 압력의 차이에 따라, 상기 평압 배관(26)의 개도를 제어할 수 있다. 이를 위하여 본 실시예는, 상기 제1 압축기의 유입단 압력과 토출단 압력을 측정하는 압력 측정부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 실시예의 구동에 대하여 설명하도록 한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치에서의 냉매 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 제2 냉매가 제1 압축기를 우회하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 8은 제2 냉매가 2단 압축되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 9는 제2 냉매가 2단 압축되며 과냉각되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 냉매는 제1 압축기(11)로부터 토출된 뒤 제1 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 냉매 열교환기(36)에서 제3 냉매와 열교환하며, 냉매 저장부(15)를 통과하여 제1 실내 열교환기(13)에서 증발된다.
이때 제2 냉매는 제2 압축기(21)로부터 토출된 뒤 제1 실외 열교환기(12)에서 응축되고, 냉매 열교환기(36)에서 제3 냉매와 열교환하며, 냉매 저장부(15)를 통과하여 제2 실내 열교환기(22)에서 증발된다. 이 경우 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 상기 제2 냉매는, 상기 제1 유량조절부(24)에 의하여 상기 바이패스 배관(25)을 따라 우회하여, 상기 제1 압축기(11)의 토출단 측으로 유입될 수 있다.
즉 제1 냉매와 제2 냉매는 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(21) 각각에서 압축될 수 있고, 압축된 제1 냉매와 제2 냉매는 제1 실외 열교환기(12)에서 합쳐질 수 있다.
도 8을 참조하면, 제2 냉매는 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 뒤 상기 제1 유량조절부(24)에 의하여 상기 제1 압축기(11)에 유입될 수 있다.
이때 상기 제2 유량조절부(27)가 상기 평압 배관(26)을 개방함에 따라, 상기 제1 압축기(11)에 유입될 냉매 중 일부는 상기 제1 압축기(11)의 토출단으로 흐르게 된다. 따라서 상기 제1 압축기(11)의 전후단 압력의 차이가 감소됨에 따라, 상기 제1 압축기(11)의 부하가 감소하여, 효율이 증가될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 냉매는 2단 압축된 후 과냉각될 수 있다. 상기 제2 냉매가 과냉각되는 과정은, 도 5에서 설명한 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법의 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 히트펌프 장치(1)의 구동 방법은, 상기 제2 냉매를 상기 제2 압축기(21)로 유입시킨 뒤(S10), 기설정 조건 만족 시(S11) 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 냉매를 상기 제1 압축기(11)로 유입시킬 수 있다(S12). 이때 기설정 조건이라 함은, 외기온도가 기준값 이상인 경우를 의미한다.
이 경우 본 실시예는, 상기 제1 압축기(11)에 유입되는 상기 냉매를 우회시켜, 상기 제1 압축기(11)의 토출단의 압력을 조절함으로써(S14), 제1 압축기(11)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
반면 기설정 조건 불만족 시, 본 실시예는 상기 제2 압축기(21)로부터 토출된 냉매를 우회시켜 상기 제1 압축기(11)로부터 토출된 상기 제1 냉매와 만나도록 할 수 있다(S13). 이후 본 실시예는, 상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매를 상기 제3 냉매와 열교환시킨 후(S15), 상기 제2 냉매를 과냉각시킬 수 있다(S16). 과냉각된 상기 제2 냉매는 상기 제2 실내 열교환기(22)에서 증발될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 외기온도와 기준값을 비교하여, 제2 냉매를 1단 압축 또는 2단 압축함으로써 고압축비를 얻을 수 있고 소비 전력을 절감할 수 있으며, 필요 시 평압 배관(26)을 이용하여 제1 압축기(11)의 유입단 압력과 토출단 압력의 차이를 조절한 뒤 제1 압축기(11)를 구동함으로써, 압축 신뢰성을 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 캐스케이드 히트펌프 장치 10: 제1 냉매 사이클
11: 제1 압축기 12: 제1 실외 열교환기
13: 제1 실내 열교환기 14: 제1 팽창기
15: 냉매 저장부 20: 제2 냉매 사이클
21: 제2 압축기 22: 제2 실내 열교환기
23: 제2 팽창기 24: 제1 유량조절부
25: 바이패스 배관 26: 평압 배관
27: 제2 유량조절부 28: 제2 냉매배관
29: 과냉각기 291: 과냉각 열교환기
292: 과냉각 팽창기 30: 제3 냉매 사이클
31: 제3 압축기 32: 제3 실외 열교환기
33: 제3 실내 열교환기 34: 제3 팽창기
35: 제3 유량조절부 36: 냉매 열교환기
37: 제3 냉매배관

Claims (17)

  1. 제1 냉매를 사용하며 제1 압축기를 포함하는 제1 냉매 사이클; 및
    제2 냉매를 사용하며 제2 압축기를 포함하고 상기 제1 냉매 사이클과 응축기를 공유하는 제2 냉매 사이클을 포함하고,
    상기 제2 냉매 사이클은,
    상기 제2 압축기의 일단에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기로 유입되도록 제어하는 제1 유량조절부와, 상기 제1 유량조절부에 연결되며 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기를 우회하도록 하는 바이패스 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 배관은,
    일단이 상기 제2 압축기의 토출단에 연결되고, 타단이 상기 제1 압축기의 토출단에 연결되는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 유량조절부는,
    상기 제2 압축기로부터 토출된 상기 제2 냉매가 상기 제1 압축기로 유입되도록 하거나, 또는 상기 제2 압축기로부터 토출된 상기 제2 냉매가 상기 바이패스 배관을 따라 상기 제1 압축기로부터 토출된 상기 제1 냉매와 만나도록 하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 유량조절부는,
    사방밸브인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매와 열교환하는 제3 냉매를 사용하는 제3 냉매 사이클을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제3 냉매 사이클은,
    상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매와 상기 제3 냉매간의 열교환이 이루어지도록 하는 냉매 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 냉매 사이클은,
    상기 제3 냉매와 열교환한 상기 제2 냉매를 과냉각시키는 과냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 냉매 사이클은,
    상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매를 저장하는 냉매 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 냉매 사이클은,
    상기 제1 압축기의 일단 및 타단에 연결되며 상기 제1 압축기의 토출단의 압력을 조절하는 평압배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 평압 배관의 개도를 제어하는 제2 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 유량조절부는,
    상기 제1 유량조절부가 상기 제2 냉매를 상기 제1 압축기로 유입시킬 경우 상기 평압 배관을 개방하고, 상기 제1 유량조절부가 상기 제2 냉매를 상기 바이패스 배관으로 유입시킬 경우 상기 평압 배관을 밀폐하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 유량조절부는,
    체크밸브인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치.
  13. 제1 냉매를 사용하며 제1 압축기를 포함하는 제1 냉매 사이클과, 제2 냉매를 사용하며 제2 압축기를 포함하고 상기 제1 냉매 사이클과 응축기를 공유하는 제2 냉매 사이클과, 상기 제1 냉매 또는 제2 냉매와 열교환하는 제3 냉매를 사용하는 제3 냉매 사이클을 포함하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 제2 냉매를 상기 제2 압축기로 유입시키는 단계;
    기설정 조건 만족 시, 상기 제2 압축기로부터 토출된 냉매를 상기 제1 압축기로 유입시키는 단계;
    기설정 조건 불만족 시, 상기 제2 압축기로부터 토출된 냉매를 우회시켜 상기 제1 압축기로부터토출된 상기 제1 냉매와 만나도록 하는 단계; 및
    상기 제1 냉매 또는 상기 제2 냉매를 상기 제3 냉매와 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 기설정 조건은,
    외기온도가 기준값 이상인 경우를 의미하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 냉매를 과냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 압축기에 유입되는 상기 제1 냉매를 우회시켜, 상기 제1 압축기의 토출단의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    기설정 조건 만족 시, 상기 제1 압축기의 토출단의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 히트펌프 장치의 구동 방법.
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