KR20130090980A - 이원냉동사이클 히트펌프 - Google Patents

이원냉동사이클 히트펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 특히, 카스케이드열교환기의 고단측증발기의 냉매를 증발시키는 역할만 하고 버려지던, 저단측콤프의 토출고온가스의 열을 고온수 생산에 활용할 수 있는, 이원냉동사이클 히트펌프를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프는, 고단측콤프, 고단측응축기, 고단측팽창변과 고단측증발기를 이용하여 고온을 얻기 위한 고단측사이클부; 저단측콤프, 저단측응축기, 저단측온수용전자팽창변과 저단측증발기를 이용하여 저온을 얻기 위한 저단측사이클부; 및 상기 고단측사이클부와 저단측사이클부를 통해 생산된 온수와 냉수를 저장하기 위한 저장탱크를 포함하고, 상기 고단측사이클부와 상기 저단측사이클부의 열교환을 위해 상기 고단측증발기 및 상기 저단측응축기는 카스케이드열교환기로 구성되며, 온수가 통과하는 관로 중, 상기 저장탱크와 상기 고단측응축기 사이의 관로에는, 상기 저단측콤프로부터 방출된 냉매가 통과하는 온수&고온가스열교환기가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

이원냉동사이클 히트펌프{HEAT PUMP WITH TWO REFRIGERATION CYCLES}
본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 특히, 이원냉동사이클방식 히트펌프에 관한 것이다.
일반적으로, 열을 이송하는 기기를 히트펌프라고 부르며, 이러한 히트펌프는 냉난방을 동시에 행할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 이러한 히트펌프의 기능을 간단히 냉동사이클을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어지며, 상기 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축액화 되어 저온고압의 액체상태로 이르게 된다. 상기와 같이 응축된 냉매는 팽창기를 통하여 교축(Throttling) 팽창되면서 일부 냉매액은 증발을 하고, 이 잠열의 흡수를 통하여 냉매액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다.
히트펌프는 다시 그 방식에 따라 다양한 형태로 구분될 수 있으나, 공기열히트펌프가 널리 이용되고 있다.
공기열히트펌프(공기↔물방식)는 사계절 사용되는 냉온수생산장치로서, 사계절 중에서 혹한기를 제외한 삼계절(봄,여름,가을)에는 안정적으로 온수생산이 되고 있으며, 타열원기계에 비해서 성적계수(COP)가 우수한 장치이다. 그러나, 공기열히트펌프는 겨울철 혹한기에는 성능이 현저히 떨어져서 사용하는데 큰 문제가 되고 있다.
또한, 온수온도도 단일냉동사이클에서는 50~60℃ 범위의 장치가 생산되고 있으며, 이원냉동사이클에서는 60~70℃ 범위의 장치가 생산되어지고 있다. 그러나, 겨울철에는 위의 온도보다 10~20℃의 낮은 온도로 온수생산이 되고 있다.
공기열히트펌프는 증발기(Fin tube type)에서 냉매가 증발할 때에 외기에서 열을 흡수하는데, 혹한기에는 흡수열량이 부족되어 냉매가 전량 증발하지 못하고 액체 상태로 순환하게 되어, 증발기(Fin)에 성애가 부착되고, 심하면 얼음이 두껍게 얼어서, 동작이 불가능해 질 수도 있다. 또한, 콤프 까지 액체상태로 흡입되어 액압축을 일으킴으로써, 콤프가 소손되는 사고가 발생될 수도 있다.
그간 많이 사용되어 오던 단일냉동사이클에서 발생되는 혹한기의 문제점 등을 해결하기 위해서, 최근에는 이원냉동사이클 히트펌프가 많이 선호되고 있다.
종래의 이원냉동사이클 히트펌프는, 고단측증발기의 증발열로 공기를 이용하던 것을, 저단측응축기의 냉매고온가스와 열교환(카스케이드형)시켜 저단측냉매고온가스의 응축열을 이용하여 증발시키고 있으나, 혹한기 저단측증발기(Fin tube type)의 성애문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.
상기한 바와 같은 종래의 이원냉동사이클 히트펌프의 문제점을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 저단측 고온토출가스를 활용하지 못하고 있다는 문제점을 가지고 있다.
이원냉동사이클은 저단측과 고단측의 두 사이클로 구성되어 있는데, 온수생산에는 고단측응축기만을 사용하며 고단측 토출고온가스의 높은 열로 온수를 생산하고, 저단측 높은 고온가스의 열은 고단측증발기(카스케이드열교환기)의 증발열로만 사용하고 있다. 즉, 저단측의 고온가스는 고단측증발열로만 사용하고도 많이 남는데 이 열은 버려짐으로 인해서 에너지낭비의 문제가 있다.
둘째, 저단측증발기(Fin tube type)에 성애가 발생된다는 문제점을 가지고 있다.
우선, 히트펌프는 겨울철 외기온도가 영하로 떨어지면 증발기(Fin tube type)에 성애가 부착되어 외기와의 열교환능력이 떨어져, 증발기 내의 냉매액이 증발되지 못하고 콤프로 액이 흡입되어 지며, 이로 인한 액압축 등 악영향을 초래하게되고 토출가스 온도가 하강하게 되어 성능저하가 된다. 이때, 성애를 제거하기 위해서 4-WAY 밸브를 전환시켜 역사이클운전을 시켜서 처리하고 있는데, 역사이클로 운전되는 동안 증발기에는 토출고압고온가스가 흐르면서 제상을 하게 되고, 온수를 생산하던 응축기는 반대로 증발기 역할을 하게 되고, 이 과정에서 냉수가 생산되어지며, 냉수는 온수저장탱크로 들어가서 온수와 혼합되어 온수 온도를 떨어뜨리는 문제점 등이 있다.
다음, 콤프에서 토출되는 고압고온가스를 증발기로 급송하여 제상을 하는 방식도 있는데, 흡입압력(저압)의 과대한 상승요인이 되어 콤프에 높은 흡입압력이 걸려서 콤프의 이상과열과 콤프의 수명을 단축시키는 결과가 초래되고 압축동력이 증가하게 되는 등 악영향이 있다.
다음, COIL(FIN TUBE TYPE) 내부 단수사이에 전열히터를 투입하여 전열로서 제상을 하는 방법은 많은 전력을 소모하게 되어 에너지낭비의 문제가 있다.
셋째, 고단측콤프와 저단측콤프가 이상과열될 수 있다는 문제점을 가지고 있다.
히트펌프에서 온수생산은 응축기에서 고온의 가스와 열교환되면서 시간의 경과에 따라 온수온도가 상승되어지고, 온수온도가 고온이 될수록 콤프의 토출가스의 고압이 상승되어 지며, 콤프가 과열되어 가는데, 콤프가 과열되면 윤활유의 윤활성분이 상실되어 결국 콤프의 소손사고로 이어지게 된다. 또한, 종래의 히트펌프는 콤프의 과열을 막기 위해서 토출온도를 감지하여 토출온도가 이상고온이 되면 콤프를 정지시키고, 토출온도가 하강이 되면 콤프를 재기동하는 방식을 취함으로, 연속된 온수생산이 안되고 있으며, 콤프의 빈번한 ON/OFF는 콤프의 소손사고 발생 등을 유발시키고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 카스케이드열교환기의 고단측증발기의 냉매를 증발시키는 역할만 하고 버려지던, 저단측콤프의 토출고온가스의 열을 고온수 생산에 활용할 수 있는, 이원냉동사이클 히트펌프를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프는, 고단측콤프, 고단측응축기, 고단측팽창변과 고단측증발기를 이용하여 고온을 얻기 위한 고단측사이클부; 저단측콤프, 저단측응축기, 저단측온수용전자팽창변과 저단측증발기를 이용하여 저온을 얻기 위한 저단측사이클부; 및 상기 고단측사이클부와 저단측사이클부를 통해 생산된 온수와 냉수를 저장하기 위한 저장탱크를 포함하고, 상기 고단측사이클부와 상기 저단측사이클부의 열교환을 위해 상기 고단측증발기 및 상기 저단측응축기는 카스케이드열교환기로 구성되며, 온수가 통과하는 관로 중, 상기 저장탱크와 상기 고단측응축기 사이의 관로에는, 상기 저단측콤프로부터 방출된 냉매가 통과하는 온수&고온가스열교환기가 구비되는 것을 특징으로 한다.
첫째, 본 발명은 카스케이드열교환기의 고단측증발기의 냉매를 증발시키는 역할만 하고 버려지던, 저단측콤프의 토출고온가스의 열을 고온수 생산에 활용함으로써, 80℃(출수온도) 이상의 고온수를 제공할 수 있다는 효과를 가지고 있다.
즉, 종래의 이원냉동사이클 히트펌프와 같이, 고온측사이클의 응축기로만 온수를 생산할 때에는 콤프의 이상고압과 이상과열 등으로 65℃(출수온도) 이상의 온수의 생산이 안정적이지 못하고 불안하였으나, 본 발명과 같이, 저단측과 고단측의 열교환기(온수&고온가스열교환기)를 이용하여 온수를 생산함으로써, 콤프의 고압과 과열 등이 안정적이면서도, 80℃(출수온도) 이상의 고온수를 얻을 수 있다.
둘째, 본 발명은 저단측증발기(Fin tube type)의 성애발생을 차단할 수 있다는 효과를 가지고 있다.
즉, 본 발명은 저단측온수용전자팽창변 통과 직후의 저온냉매를, 저단측증발기(Fin tube type)에 들어가기전에 액&과열가스 열교환기에서 고단측 흡입과열가스와 열교환 시켜 완전히 증발시킴으로써, 저단측증발기(Fin tube)가 냉매의 관로로만 순환되도록 할 수 있기 때문에, 성애가 발생되는 조건을 완전히 차단시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은 고단측콤프 및 저단측콤프의 이상과열을 방지할 수 있다는 효과를 제공한다.
즉, 본 발명은 고단측콤프 및 저단측콤프가, 기 설정된 고온수의 목표(출수온도 80℃)에 도달될 때까지, 정지없이 연속운전이 가능하도록 할 수 있고, 팽창기를 사용함으로써 고단측콤프와 저단측콤프의 안전기능을 향상시킬 수 있으며, 이상과열 등으로 콤프의 소손과 관련한 불안감 등을 완전히 해소시킬 수 있다는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 일실시예 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 고단측사이클부의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 저단측사이클부의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 온수가 생산되는 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 저단사이클부만의 동작에 의해서 냉수를 생산하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 냉수가 생산되는 방법을 설명하기 위한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 일실시예 구성도이다.
본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프는 이원냉동사이클을 이용하는 것으로서, 이원냉동사이클은 두 개의 사이클로 구성되어 있다. 즉, 이원냉동사이클은 저온을 얻기 위한 증발기를 감당하는 저단측 사이클과, 저단측 사이클에서의 응축을 일반 냉동장치처럼 공기나 물로 행하는 것이 아니라 별도의 응축기를 통한 응축액화를 통해 수행함으로써 고온을 얻을 수 있는 고단측 사이클로 구성되어 있다. 이하에서는, 저단측 사이클이 이루어지는 부분을 저단측 사이클부라 하고, 고단측 사이클이 이루어지는 부분을 고단측 사이클부라 한다.
본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프는 저단측 사이클부의 고온토출가스의 폐열을 활용하고, 저단측 사이클부의 저단측증발기(Fin tube type)에서의 성애발생을 완전히 차단시키며, 고단측콤프와 저단측콤프의 이상 과열을 방지하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 고단측사이클이 이루어지는 고단측사이클부와, 저단측사이클이 이루어지는 저단측사이클부 및 저장탱크(400)로 구성되어 있다.
고단측사이클부는, 고단측콤프(100), 고단측응축기(110), 고단측팽창변(120)과 고단측증발기(300 내부)로 구성되어 있으며, 고온을 얻는 기능을 수행하고 있다. 고단측사이클부는, 고단측응축기(110)와 고단측팽창변(120) 사이에 구비되어 기 설정된 온도범위 이상이 감지되면 작동되는 제1벨브(SV1)와, 제1벨브가 작동되어 제1벨브를 통해 유입된 냉매를 증발시켜 고단측콤프(100)로 유입시키는 고단측증발팽창기(520)가 구비되어 있다.
저단측사이클부는, 저단측콤프(200), 저단측응축기(300 내부), 저단측온수용전자팽창변(220)과 저단측증발기(240)로 구성되어 있으며, 저온을 얻는 기능을 수행하고 있다. 저단측사이클부는, 저단측응축기(300 내부)와 저단측온수용전자팽창변(120) 사이에 구비되어 기 설정된 온도범위 이상이 감지되면 작동되는 제2벨브(SV2)와, 제2벨브가 작동되어 제2벨브를 통해 유입된 냉매를 증발시켜 저단측콤프(200)로 유입시키는 저단측증발팽창기(530)가 구비되어 있다.
고단측사이클부와 저단측사이클부의 열교환을 위해 고단측증발기 및 저단측응축기는 카스케이드열교환기(300)로 구성된다.
저장탱크(400)는, 고단측사이클부와 저단측사이클부를 통해 생산된 온수와 냉수를 저장하는 기능을 수행한다. 온수가 통과하는 관로 중, 저장탱크(400)와 고단측응축기(110) 사이의 관로에는, 저단측콤프(200)로부터 방출된 냉매가 통과하는 온수&고온가스열교환기(500)가 구비되어 있다.
카스케이드열교환기(300)와 고단측콤프(100) 사이에는, 저단측증발기(240)로 유입되는 냉매가 통과하는 액&과열가스열교환기(510)가 구비되어 있다.
이하에서는, 상기와 같이 구성되어 있는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 동작 방법이 상세히 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 고단측사이클부의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
고단측콤프(100)로부터 방출된 냉매는 유분리기(130)를 통과하고, 관로(101)를 따라 고단측응축기(110)에서 온수를 가열하고, 자신은 응축되어 관로(102)를 따라 FILTER DRIER(150)를 통과하고, 관로(103)를 따라 고단측팽창변(120)에서 교축팽창작용을 하고, 관로(104)를 따라 카스케이드열교환기(300)에서 증발작용을 하고, 관로(105)를 따라 액&과열가스열교환기(510)를 통과하면서, 저단측팽창변(220, 230)을 통과한 저온액과 열교환 하면서 저온냉매액을 증발시키고, 관로(106)를 따라 액분리기(140)를 통과하고, 관로(107)를 따라 고단측콤프(100)로 흡입된다.
도 3은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프의 저단측사이클부의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
저단측콤프(200)로부터 방출된 냉매는 유분리기(260)를 통과하고, 관로(201)를 따라 온수&고온가스열교환기(500)에서 온수를 1차적으로 가열 하고, 관로(202)를 따라 4-WAY VALVE(SV3)에서 방향전환되어, 관로(203)를 따라 카스케이드열교환기(300)에서 고단측저온액과 열교환하면서 응축액화되어, 관로(204)를 따라 냉수용열교환기(250)를 관로로만 통과하고, 관로(205)를 따라 CV(610)를 통과하고, 관로(206)를 따라 수액기(270)에 저장되고, FILTER DRIER(290)를 통과하며, CV(640)를 통과하고, 저단측온수용전자팽창변(220)에서 교축팽창작용으로 저온액이 되고, 관로(207)를 따라 액&과열가스 열교환기(510)에서 고단측 과열흡입증기와 열교환되면서 가스화되고, 관로(208)를 따라 저단측증발기(Fin tube type)(240)에서 가스상태로 통과되고, 관로(209)를 따라 4-WAY VALVE(SV3)에서 방향전환이 되어, 관로(211)를 따라 액분리기(280)를 통과하고, 관로(212)를 따라 저단측콤프(200)로 흡입된다.
도 4는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 온수가 생산되는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
저장탱크(400)로부터 방출된 물은 관로(401)를 따라 이동하다가, 제4벨브(SV4)에서 방향이 전환되고, 관로(402)를 따라 온수&고온가스열교환기(500)에서 저단측 토출고온가스에 의해서 1차적으로 가열되고, 관로(403)를 따라 고단측응축기(110)에서 고단측 토출고온가스에 의해서 2차적으로 가열되고, 관로(405)를 따라 저장탱크(400)로 들어오는 과정을 계속 반복한다. 이에 따라, 본 발명은 온수를 생산하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 저단사이클부만의 동작에 의해서 냉수를 생산하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 즉, 도 5는 냉수생산사이클을 설명하기 위한 예시도로서, 냉수생산사이클은 저단사이클부만을 사용하고 있다.
저단측콤프(200)로부터 방출된 고압고온가스는, 유분리기(260)를 통과하고, 관로(201)를 따라 온수&고온가스열교환기(500)를 관로로만 통과하고, 관로(202)를 따라 4-WAY VALVE(SV3)에서 방향전환되어, 관로(209)를 따라 저단측증발기(Fin tube type)(240)에서 응축액화되어 관로(208)를 따라 액&과열가스열교환기(510)를 관로로만 통과하고, CV(620)를 통과하고, 관로(206)를 따라 수액기(270)에 저장되고, FILTER DRIER(290)를 통과하며, CV(630)를 통과하고, 저단측냉수용감온팽창변(230)에서 교축팽창작용으로 저온액이 되고, 관로(205)를 따라 냉수열교환기(250)에서 냉수에서 증발열을 흡수하여 증발하고, 관로(204)를 따라 카스케이드열교환기(300)를 관로로만 통과하고, 관로(203)를 따라 4-WAY VALVE(SV3)에서 방향전환이 되어 관로(210)를 따라 액분리기(280)를 통과하고 관로(211)를 따라 저단측콤프(200)로 흡입된다.
도 6은 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프에서 냉수가 생산되는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
저장탱크(400)로부터 방출된 물은, 관로(401)를 따라 이동하다가, 제4벨브(SV4)에서 방향이 전환되고, 관로(404)를 따라 냉수용열교환기(250)에서 저단측저온액과 열교환을 하면서 저온액의 증발열로 빼앗기고, 자신은 냉각되며, 관로(405)를 따라 저장탱크(400)로 들어오는 과정을 계속 반복한다. 이에 따라 본 발명은 냉수를 생산하게 된다.
한편, 저장탱크(온수, 냉수)(400)에는 도면에 도시된 바와 같이, 부하측에서 리턴되는 환수관로(406), 부하측으로 가는 출수관로(407), 저장탱크의 보충수관로(408) 및 안전장치설치관로(409)가 연결되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 특징을 정리하면 다음과 같다.
우선, 본 발명에 따른 이원냉동사이클 히트펌프가 저단측 사이클부의 고온토출가스의 폐열을 활용하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 카스케이드열교환기(300)의 고단측증발기의 냉매를 증발시키는 역할만 하고 버려지던, 저단측콤프(200)의 토출고온가스의 열을, 고단측 사이클부에서의 고온수 생산에 활용하고 있다.
본 발명은 저단측콤프(200)와 카스케이드열교환기(300)의 저단측응축기의 사이에 온수&고온가스열교환기(500)를 설치함으로써, 카스케이드열교환기(300)의 저단측응축기에 들어가기전의 높은 고온가스로, 고단측 사이클부의 온수를 1차적으로 가열하고, 1차적으로 가열되어서 나온 온수를 고단측응축기(110)에서 2차적으로 가열시킴으로써, 고단측 사이클부에서의 고온수 생산을 가능하도록 하고 있다.
즉, 저단측콤프(200)에서 발생된 저단측고온가스는 온수&고온가스열교환기(500)에서 온수에 1차적 가열을 하고, 카스케이드열교환기(300) 내부의 고단측증발기 내의 저온냉매는, 저단측고온가스에 의해서 증발되어 과열가스가 되어 순환된다.
부연하여 설명하면, 본 발명은 저단측콤프(200)에서 발생된 저단측고온가스가 도 3에 도시된 바와 같이 온수&고온가스열교환기(500)를 통과하는 동안, 도 2에 도시된 경로를 따라 온수&고온가스열교환기(500)를 통과하는 물을 1차로 가열시키고 있으며, 온수&고온가스열교환기(500)에서 1차로 가열된 물은, 다시 도 2에 도시된 경로를 따라 고단측응축기(110)에서 2차로 가열된 후 저장탱크(400)로 유입된다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 온수&고온가스열교환기(500)를 사용함으로써, 종래에 버려지던 열을 활용할 수 있으며, 이를 통해 에너지이용의 효과와 고온수 생산성 향상을 기할 수 있다.
다음, 저단측 사이클부의 저단측증발기(Fin tube type)에서의 성애발생을 완전히 차단시키는 방법을 설명하면 다음과 같다.
히트펌프는 4계절 사용하는 장치이며, 외기온도가 영하권(특히 습도가높은날)이면 증발부하(증발에 필요한 흡수열량)가 부족되어 증발기(Fin tube type)에 성애가 부착되고 심하면 얼음이 꽁꽁 얼어붙는데, 이 경우에는 외기와 증발기(동TUBE)간에 열교환능력(성능)이 방해(상실)되어 증발을 못한 냉매가 액체상태로 콤프에 흡입되어서 토출가스의 온도가 하강하게 되며, 토출가스의 저온으로 온수를 가열할 수가 없어서 온수생산을 할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명은 영하권에서도 성애발생이 전혀 없도록 하여 성능저하를 막기 위해, 저단측사이클부과 고단측사이클부 사이에 액&과열가스열교환기(510)를 구비하고 있다.
히트펌프는 온수의 온도가 점차 상승됨에 따라 토출가스의 고압도 점차 상승되어지며, 토출고압가스가 점차적으로 상승됨에 따라, 토출가스의 온도도 점차적으로 상승되어지게 된다.
이 상승된 저단측사이클부의 고온토출가스는 카스케이드열교환기(300)에서 상호 열교환작용하여 고단측증발기의 흡입가스온도를 고온으로 과열시킨다.
본 발명은 카스케이드열교환기(300)에서 과열된 고단측흡입가스를 이용하여, 저단측온수용전자팽창변(220)을 통과한 저압저온의 냉매와 열교환시켜, 냉매가 완전(100%)히 증발되도록 함으로써, 저단측증발기(FIN TUBE TYPE)(240)는 하나의 관로의 역할만 하도록 하여, 성애발생의 문제를 해결하고 있다.
일반적으로, 카스케이드열교환기(300) 내부의 고단측증발기의 증발작용을 공기나 물을 이용할 때에는, 공기나 물의 온도가 대기온도 이하여서 고단측증발기에서 증발을 완료한 냉매흡입가스의 온도도 높지 않고 낮다. 그러나, 본 발명에서는 증발작용을 고온(약 90℃ 이상)의 냉매가스를 이용함으로써, 증발을 완료한 후의 냉매흡입가스의 온도도 과열(약 40℃ 이상)되어 흡입된다. 본 발명은 이 높은 흡입열을 저단측증발기(240)의 저압저온의 냉매를 증발시키는 증발열로 사용함으로써, 저단측증발기(Fin tube)(240) 내로 들어가기 전의 냉매를 완전히 증발시켜, 성애의 발생을 근본적으로 차단되도록 할 수 있고, 겨울철 혹한기에도 성능저하가 없이 온수 생산을 사계절 일정하게 유지할 수 있다.
부연하여 설명하면, 도 3에서 카스케이드열교환기(300) 내부의 고단측증발기에서 증발된 냉매흡입가스는, 저단측탱크(200)와 온수&고온가스열교환기(500)를 거쳐온 고온의 냉매가스에 의해 증발된 것이기 때문에 고온으로 유지되고 있다. 본 발명은 이러한 고단측사이클부의 고온의 냉매가스를 이용하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 저단측증발기(240)로 유입되는 냉매를, 액&과열가스열교환기(510)에서 완전히 증발시키고 있기 때문에, 저단측증발기(240)에서 성애가 발생되지 않는다.
마지막으로, 고단측콤프(100)와 저단측콤프(200)의 이상과열을 방지하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
히트펌프에서는 온수의 온도가 상승되어 감에 따라, 콤프의 고압이 상승되어 가고, 고압이 상승되어 감에 토출온도도 상승된다. 토출온도의 상승은 콤프의 온도를 상승시켜 콤프가 과열되며, 콤프의 이상과열은 윤활성분을 상실시켜, 콤프의 베어링 손상과, 권선피복의 열화로 인한 권선의 손상 등을 발생시킨다. 이러한 손상은 결국 콤프를 훼손시켜, 콤프를 사용불능상태로 만들 수도 있다.
콤프의 이상과열을 막기 위해 콤프를 ON/OFF 시키는 방법은, 안정된 온수생산이 될 수가 없으며, ON/OFF가 빈번하면 콤프에도 악영향이 미친다.
따라서, 본 발명은 콤프가 이상과열 되더라도 정지없이 연속운전되는 상태에서 과열문제가 제어될 수 있도록 하고 있다.
이를 위해 본 발명은 제1벨브(SV1)와 제2벨브(SV2)를 구비하고 있다.
제1벨브(SV1)는 고단측콤프(100)의 토출온도를 일정한 범위(90℃~100℃)로 조절하기 위한 것으로서, 미도시된 제어기의 출력신호에 따라 작동되며, 설정된 토출온도 상한값이 되면, 고온액은 관로(108)를 따라 고단측증발팽창기(520)에서 증발시켜 콤프과열을 방지하고 설정된 하한값이 되면 정지되는 역할을 한다.
제2벨브(SV2)는 저단측콤프(200)의 토출온도를 일정한 범위(90℃~100℃)로 조절하기 위한 것으로서, 미도시된 제어기의 출력신호에 따라 작동되며, 설정된 토출온도 상한값이 되면 고온액은 관로(212)를 따라 저단측증발팽창기(530)에서 증발시켜 콤프과열을 방지하고 설정된 하한값이 되면 정지되는 역할을 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 효과를 간단히 정리하면 다음과 같다.
첫째, 고단측사이클의 응축기로만 온수를 생산할 때에는 콤프의 이상고압과 이상과열 등으로 65℃(출수온도) 이상의 온수의 생산이 안정적이지 못하고 불안하였다. 그러나, 저단측 고온토출가스의 폐열을 활용하는 본 발명은, 저단측과 고단측의 열교환기(온수&고온가스열교환기)(500)를 이용하여 온수를 생산함으로써, 콤프의 고압과 과열 등을 안정적으로 유지하면서도, 80℃(출수온도) 이상의 고온수를 얻을 수 있다.
둘째, 본 발명은 저단측온수용전자팽창변(220) 통과 직후의 저온냉매를, 저단측증발기(Fin tube type)(240)에 들어가기전에 액&과열가스 열교환기(510)에서 고단측 흡입과열가스와 열교환 시켜 완전히 증발시킴으로써, 저단측증발기(Fin tube)(240)가 냉매의 관로로만 순환되도록 할 수 있기 때문에, 저단측증발기(240)에서 성애가 발생되는 조건을 완전히 차단시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은 제1벨브(SV1) 및 제2벨브(SV2)와, 고단측증발팽창기(520) 및 저단측증발팽창기(530)를 이용하여 고단측콤프(100)와 저단측콤프(200)의 과열을 방지함으로써, 고단측콤프(100) 및 저단측콤프(200)가, 기 설정된 고온수의 목표(출수온도 80℃)에 도달될 때까지, 정지없이 연속운전이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 고단측콤프 200 : 저단측콤프
110 : 고단측응축기 300 : 카스케이드열교환기
120 : 고단측팽창변 220: 저단측온수용전자팽창변
300 : 카스케이드열교환기 230 : 저단측냉수용감온팽창변
500 : 온수&고온가스열교환기 240 : 저단측증발기(Fin tube type)
510 : 액&과열가스 열교환기 250 : 냉수용열교환기
520 : 고단측증발팽창기 400 : 저장탱크
530 : 저단측증발팽창기

Claims (6)

  1. 고단측콤프, 고단측응축기, 고단측팽창변과 고단측증발기를 이용하여 고온을 얻기 위한 고단측사이클부;
    저단측콤프, 저단측응축기, 저단측온수용전자팽창변과 저단측증발기를 이용하여 저온을 얻기 위한 저단측사이클부; 및
    상기 고단측사이클부와 저단측사이클부를 통해 생산된 온수와 냉수를 저장하기 위한 저장탱크를 포함하고,
    상기 고단측사이클부와 상기 저단측사이클부의 열교환을 위해 상기 고단측증발기 및 상기 저단측응축기는 카스케이드열교환기로 구성되며,
    온수가 통과하는 관로 중, 상기 저장탱크와 상기 고단측응축기 사이의 관로에는, 상기 저단측콤프로부터 방출된 냉매가 통과하는 온수&고온가스열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클 히트펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카스케이드열교환기와 상기 고단측콤프 사이에는, 상기 저단측증발기로 유입되는 냉매가 통과하는 액&과열가스열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클 히트펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고단측사이클부는,
    상기 고단측응축기와 상기 고단측팽창변 사이에 구비되어 기 설정된 온도범위 이상이 감지되면 작동되는 제1벨브와, 상기 제1벨브가 작동되어 상기 제1벨브를 통해 유입된 냉매를 증발시켜 상기 고단측콤프로 유입시키는 고단측증발팽창기를 더 포함하며,
    상기 저단측사이클부는,
    상기 저단측응축기와 상기 저단측온수용전자팽창변 사이에 구비되어 기 설정된 온도범위 이상이 감지되면 작동되는 제2벨브와, 상기 제2벨브가 작동되어 상기 제2벨브를 통해 유입된 냉매를 증발시켜 상기 저단측콤프로 유입시키는 저단측증발팽창기를 더 포함하는 이원냉동사이클 히트펌프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 방출된 물은 상기 온수&고온가스열교환기에서 저단측 토출고온가스에 의해서 1차적으로 가열되고, 상기 고단측응축기에서 고단측 토출고온가스에 의해서 2차적으로 가열된 후 상기 저장탱크로 들어오며,
    상기 저장탱크로부터 방출된 물은, 상기 카스케이드열교환기와 상기 저단측온수용전자팽창변 사이에 구비된 냉수용열교환기에서 저단측저온액과 열교환되어 냉각된 후 상기 저장탱크로 들어오는 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클 히트펌프.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 고단측콤프로부터 방출된 냉매는 유분리기를 통과하고, 상기 고단측응축기에서 온수를 가열하고, FILTER DRIER를 통과하고, 고단측팽창변에서 교축팽창작용을 하고, 카스케이드열교환기에서 증발작용을 하고, 상기 액&과열가스열교환기를 통과하면서 상기 저단측팽창변을 통과한 저온액과 열교환하면서 저온냉매액을 증발시키고, 액분리기를 통과한 후, 상기 고단측콤프로 흡입되는 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클 히트펌프.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 저단측콤프로부터 방출된 냉매는 유분리기를 통과하고, 상기 온수&고온가스열교환기에서 온수를 1차적으로 가열 하고, 상기 카스케이드열교환기에서 고단측저온액과 열교환하면서 응축액화되어, 냉수용열교환기를 관로로만 통과하고, FILTER DRIER를 통과하며, 상기 저단측온수용전자팽창변에서 교축팽창작용으로 저온액이 되고, 상기 액&과열가스 열교환기에서 고단측 과열흡입증기와 열교환되면서 가스화되고, 상기 저단측증발기에서 가스상태로 통과되고, 액분리기를 통과한 후 상기 저단측콤프로 흡입되는 것을 특징으로 하는 이원냉동사이클 히트펌프.
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