KR20150061814A - 이원사이클 히트펌프의 축열시스템 및 이를 구비하는 축열 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방이나 냉방 수행이 가능한 히트펌프 사이클에서 폐열을 저장하고 재활용할 수 있도록 함으로써 에너지 효율을 향상할 수 있는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템 및 이를 구비하는 축열 냉난방장치에 관한 것으로, 제1냉매가 순환되며 공기를 냉각하는 증발기(10), 제1압축기(110) 및 제1팽창밸브(121)를 구비하는 제1사이클(100); 제2냉매가 순환되며 공기를 가열하는 응축기(30), 제2압축기(210) 및 제2팽창밸브(221)를 구비하는 제2사이클(200); 제1냉매와 제2냉매가 각각 일측과 타측으로 분리되어 유동되고 제1사이클과 제2사이클 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부(20); 제2냉매가 응축기와 선택적으로 유동되어 온수를 생산하는 제1축열교환기(310); 및 상기 제1축열교환기의 온수를 저장하는 축열조(300);를 포함하고, 상기 제1축열교환기는 난방동작시 응축기와 선택적으로 작동되고, 냉방동작시 증발기로부터 흡수된 폐열을 온수로서 저장하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 제공한다. 따라서, 온도조절의 효과가 향상되며 낭비되는 에너지를 회수하여 활용할 수 있다.

Description

이원사이클 히트펌프의 축열시스템 및 이를 구비하는 축열 냉난방장치{HEAT STORAGE SYSTEM OF HEAT PUMP WITH TWO CYCLES AND REGENERATIVE AIR CONDITIONING DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 축열시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 난방이나 냉방 수행이 가능한 히트펌프 사이클에서 폐열을 저장하고 재활용할 수 있도록 함으로써 에너지 효율을 향상할 수 있는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템 및 이를 구비하는 축열 냉난방장치에 관한 것이다.

근래에 건물의 환기장치에 냉난방 장치, 특히 히트펌프를 결합하려는 노력이 다양하게 이루어지고 있다.

환기장치란 송풍기를 이용하여 오염된 실내 공기를 외부로 배출하고 실외공기를 실내에 유입시키거나 실내의 공기를 필터링하여 재순환시키는 방식으로 가동된다. 이러한 환기 장치는 실내 온도에 변화를 가능한 주지 않으면서 실내외 공기를 교환하거나 순환시켜 실내 공기의 청정상태를 유지하는 데 목적이 있으므로, 공기 교환 속도나 단위시간당 공기 교환량은 실내 온도에 큰 변화를 주지 않는 범위로 제한되어야 한다.

특히, 실내난방이 이루어지는 겨울철에는 이러한 기능의 요청은 더욱 증대된다. 그런데, 이러한 환기장치의 경우 구조적 기능적인 한계로 인하여 실내의 온도를 유지하는 데에는 한계가 있다. 이를 고려하여 한국등록실용신안 제20-0207468호 는 흡기덕트 및 배기덕트 사이를 통과하는 공기간에 열교환이 이루어지도록 하는 방법들을 제안하기도 한다.

이러한 열교환을 위하여 히트펌프를 사용하는 경우가 있고, 히트펌프는 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기로 전달하는 역할을 하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 히트펌프의 작동을 나타낸 것으로, 냉방시의 냉매의 흐름을 표시한다.

종래 기술에 따른 히트펌프의 작동은 냉방시를 기준으로 도 1을 참고하여 설명하면, 냉매를 고온 고압의 기체상태로 압축시키는 압축기(2)와, 상기 압축기(2)에서 압축된 냉매를 중온 고압의 액체냉매로 응축시키는 실외 열교환기(4)와, 상기 실외 열교환기(4)에서 응축된 냉매를 저온 저압의 냉매로 감압시키는 팽창밸브(6)와, 상기 전자팽창밸브(6)에서 감압된 냉매를 저온 저압의 기체상태로 증발시키는 실내 열교환기(8)와, 상기 압축기(2)에 연결되어 냉/난방시 냉매의 흐름을 절환시켜주는 밸브(9)로 구성된다.

상기와 같은 히트펌프의 냉방 작동이 이루어지는 경우, 냉매는 압축기(2), 실외 열교환기(4), 전자 팽창밸브(6), 실내 열교환기(8)를 따라 순환되며, 상기 실외 열교환기(4)와 실내 열교환기(8)는 각각 응축기와 증발기 역할을 수행한다.

이러한 히트펌프는 냉매의 유동이 절환되어 난방작동이 이루어질 수도 있는데, 밸브(9)에 의해 냉매 흐름이 절환되어 난방작동되고 냉매는 압축기(2), 실내 열교환기(8), 전자 팽창밸브(6) 및 실외 열교환기(4)를 따라 순환되며, 상기 실내 열교환기(8)와 실외 열교환기(4)는 각각 응축기와 증발기 역할을 수행한다.

이러한 종래기술의 히트펌프에서 열효율이 떨어져 냉난방에 이르는 온도에 열교환기의 온도가 적절하게 상승되거나 하강되기 어렵기 때문에 최근에는 이원사이클을 이용하여 냉난방을 하려는 시도가 있어왔다.

그런데, 종래기술의 히트펌프는 물론 특히 이원사이클 히트펌프를 이용한 냉난방장치에 있어서 열교환기 측에서 불필요한 열의 낭비가 발생하는 문제를 가지고 있다. 예를 들어, 냉방사이클이 작동되는 경우 실외기 측에서 불필요하게 열을 소모하여 이를 대기중으로 방출하기 때문에 이렇게 버려지는 열은 에너지의 낭비의 원인이 된다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이원사이클 히트펌프를 이용하여 냉난방시스템 또는 환기시스템을 작동하는 과정에서 소모되는 폐열을 회수하여 이를 저장하고 활용할 수 있도록 함으로써 효율성이 향상될 수 있는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템 및 이를 구비하는 축열 냉난방장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은, 제1냉매가 순환되며 공기를 냉각하는 증발기(10), 제1압축기(110) 및 제1팽창밸브(121)를 구비하는 제1사이클(100); 제2냉매가 순환되며 공기를 가열하는 응축기(30), 제2압축기(210) 및 제2팽창밸브(221)를 구비하는 제2사이클(200); 제1냉매와 제2냉매가 각각 일측과 타측으로 분리되어 유동되고 제1사이클과 제2사이클 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부(20); 제2냉매가 응축기와 선택적으로 유동되어 온수를 생산하는 제1축열교환기(310); 및 상기 제1축열교환기의 온수를 저장하는 축열조(300);를 포함하고, 상기 제1축열교환기는 난방동작시 응축기와 선택적으로 작동되고, 냉방동작시 증발기로부터 흡수된 폐열을 온수로서 저장하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 제공한다. 따라서, 온도조절의 효과가 향상되며 낭비되는 에너지를 회수하여 활용할 수 있다.

상기 제1축열교환기는, 난방동작시 상기 응축기보다 먼저 작동되어 난방을 위한 온수를 우선적으로 공급하고, 상기 응축기는, 상기 온수에 의하여 난방이 이루어지고 제1축열교환기의 작동이 중단된 이후에 작동되어 온풍을 공급하는 것이 바람직하다. 따라서, 실내의 난방의 효율이 상승된다.

또한, 제1냉매가 유동되어 온수를 생산하여 상기 축열조로 저장하는 제2축열교환기(320)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 부가적인 에너지 회수수단에 의하여 폐열의 회수 효율성이 더욱 향상된다.

상기 제1축열교환기로부터 축열조로 연결되는 온수유로(301)와 제2축열교환기로부터 축열조로 연결되는 가온수유로(302)는 합류될 수 있다. 따라서, 두 개의 축열교환기의 온수가 효과적으로 저장될 수 있다.

냉방동작시 제2사이클 및 제1축열교환기의 작동은 중단되고, 제2축열교환기가 응축기로서 작동되어 폐열을 저장할 수 있다. 따라서, 냉방시의 별도로 효과적인 폐열회수가 가능하다.

또한, 상기 제1사이클에 구비되고, 제1압축기와 열교환부를 연결하는 제1가온유로(161)와, 열교환부와 제1팽창밸브 및 증발기를 연결하는 제2가온유로(162)와, 증발기와 제1압축기를 연결하는 제3가온유로(163)와, 상기 제2사이클에 구비되고, 제2압축기와 응축기를 연결하는 제1난방유로(261)와, 응축기와 제2팽창밸브 및 열교환부를 연결하는 제2난방유로(262)와, 열교환부와 제2압축기를 연결하는 제3난방유로(263)와, 상기 제1난방유로에서 분기되어 제1축열교환기로 입력되는 제1분기유로(361)와, 제1축열교환기로부터 제2난방유로로 합류되는 제2분기유로를 구비할 수 있다. 따라서, 냉매의 유동의 제어가 용이하다.

상기 제1가온유로에서 분기되어 제2축열교환기로 입력되는 제3분기유로(363)와, 제2축열교환기로부터 제2가온유로로 합류되는 제4분기유로(364)를 구비할 수 있다.

한편, 상기 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 구비하는 축열 냉난방장치로서, 상기 증발기측으로부터의 냉각 공기가 공급되는 제1챔버(2100); 상기 응축기측으로부터의 가열 공기가 공급되는 제2챔버(2200); 상기 제1챔버 및 제2챔버로부터의 유동이 선택적으로 실내로 공급되는 댐퍼부(2500)를 포함할 수 있다. 따라서, 공기조화 성능의 성능이 향상된다.

상기 응축기, 증발기 및 제1축열교환기는 상기 제1챔버, 제2챔버 및 댐퍼부의 하측 공간에 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 공간활용성이 극대화된다.

상기한 본 발명의 개념에 따른 이원사이클 히트펌프의 축열시스템에 따라, 이원사이클의 난방 작동에 있어서 난방수와 가열공기의 생산을 효율적으로 선택함에 따라 난방의 성능이 극대화되는 효과가 있고, 냉방 동작시에 폐열을 흡수할 수 있어 에너지의 절감의 효과가 향상되며, 본 발명의 추가적인 개념에 따른 경우 2단에 걸쳐서 폐열을 흡수하여 저장하고 이를 급탕 또는 난방수로 저장하여 필요할 때 즉시적으로 활용할 수 있어 냉난방장치로서의 활용성이 극대화될 수 있는 효과가 있다.

또한, 온도조화 및 환기장치로서의 작동신뢰성이 보장될 수 있음은 물론, 난방의 기능을 동시에 수행함으로써 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 히트펌프의 작동을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 개념도.
도 3은 도 2의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 냉난방 작동을 나타내는 도면.
도 4는 도 2의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 축열공정을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 추가적인 개념에 따른 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 개념도.
도 6은 도 5의 냉방 작동시의 폐열의 회수 공정을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템이 적용된 축열 냉난방장치의 유동을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 개념은 후술할 바와 같이 기본적으로 2개의 사이클을 구비하여 상호간에 열전달이 가능한 독립된 유로를 가진 이원사이클을 기본으로 하여 설명한다.

따라서, 각각의 사이클은 각각 열교환기인 증발기 또는 응축기를 구비하게 되며, 양 사이클이 일방으로 순환하여 각각의 열교환기가 외부를 냉각 또는 가열하는 별도의 기능을 수행할 수 있는 구성을 기본으로 하여 설명한다.

따라서, 이러한 구조의 적용을 위하여 실내측의 온도조화를 위하여, 증발기 및 응축기 외부를 각각 유동한 유동체가 유동조절수단에 의하여 실내측으로 유로변경될 수 있는 구성을 구비할 수 있는데 이러한 설명은 도 7과 관련하여 후술된다.

다만, 경우에 따라 각각의 사이클은 냉매의 유동을 변동할 수 있도록 구비되어 각각의 열교환기가 증발기 및 응축기의 기능을 동시에 수행하는 경우를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

도 2는 본 발명의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 도시한 개념도이다.

본 발명의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템은 기본적으로, 소정의 공기 유동의 경로상에 배치되어 열교환하고 열을 흡수하는 증발기(10)와, 상기 증발기(10)와 연통되고 냉매가 유동하는 소정의 배관인 유로가 형성되는 제1사이클(100)과, 상기 제1사이클(100)에 열교환부(20)를 매개로 열전달하는 제2사이클(200)과, 상기 제2사이클(200)의 유로의 일부를 구성하고 공기가 유동되는 경로상에 배치되어 열교환하여 열을 배출하는 응축기(30)와, 상기 응축기(30)로 유동되는 냉매의 전부 또는 일부가 유동되어 축열조로 공급되는 온수를 가열하는 제1축열교환기(310)로 이루어진다.

상기 제1사이클(100)과 제2사이클(200)은 각각 독립적으로 냉매가 유동되는 사이클로서, 후술할 바와 같이 냉방 또는 난방 동작시 제2사이클(200)에서 흡수되는 혼합공기의 열을 열교환부(20)를 통하여 제1사이클(100)로 전달하고, 상기 제1사이클(100)에서 가온되는 냉매의 열을 증발기(10)를 통하여 혼합공기에 전달하는 2단의 사이클로서 구성된다.

따라서, 종래의 기술의 단일의 사이클로 이루어지는 경우와 달리 외부 기온이 높거나 낮은 경우에도 냉난방의 효율성이 더욱 향상되는 이점이 있다. 특히, 환기장치에 있어서, 종래의 경우 하나의 히트펌프로 구성되어 있고 공기의 순환 및 열교환기의 주변환경에 따라 난방의 효율이 급격히 저하되는 문제가 해소될 수 있다.

여기서, 제1사이클(100) 및 제2사이클(200)은 각각 독립적인 유동이 형성되는 모듈화된 시스템으로서, 제1사이클(100)을 순환하는 냉매는 제1냉매로, 제2사이클(200)을 순환하는 냉매는 제2냉매로 정의하여 사용하도록 한다.

상기 제1사이클(100) 및 제2사이클(200)을 순환하는 냉매는 소정의 유로를 따라 이동하는 과정에서 압축, 팽창 및 열교환을 하면서 상변화하면서 소정의 유동이 이루어지는 사이클을 히트펌프로서 기능하도록 한다.

본 발명의 개념에서는 제1사이클(100)이 냉방의 기능을 수행함에 있어서 제2사이클(200)이 제1사이클(100)의 열을 흡수하는 저온화사이클로서 기능을 수행하는데, 반대로 제2사이클(200)이 난방의 기능을 수행함에 있어서 제1사이클(100)은 열을 전달하는 가온사이클로서 기능하게 된다.

즉, 본 발명의 기본적인 개념에서는 제1사이클(100)과 제2사이클(200)의 이원화된 사이클이 독립적으로 동작하면서, 간단한 방식으로서 냉난방의 효율이 극대화된 시스템을 제공하게 되는 것이다.

상기 제1사이클(100)의 구성을 더욱 상세하게 설명하면, 제1사이클(100)은, 제1압축기(110)와, 상기 제1압축기(110)의 출력측과 연결되고 상기 제2사이클(200)과 열교환이 이루어지는 열교환부(20)와, 상기 열교환부(20)의 타측과 연결되어 저온상태로 유동되는 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(121)와, 상기 제1팽창밸브(121)와 연결되어 혼합공기와 제1냉매의 열교환이 이루어지는 증발기(10)로 이루어진다.

상기 제1사이클(100)은 열교환부(20)를 통하여 제2냉매를 가온을 하는 역할을 하기 위하여 제1냉매가 순환하게 되는데, 제1압축기(110)가 가동하게 되면, 압축된 제1냉매는 열교환부(20)로 연통되는 유로를 통하여 타측으로 유입 및 유출되고, 열교환부(20)의 일측으로 유동되는 제2냉매를 가열하면서 열을 방출하여 저온 고압의 액으로 유동된다. 이때, 난방시의 열교환부(20)는 제1사이클(100)의 응축기로 작동하게 된다.

상기 열교환부(20)를 유동한 제1냉매는 제1팽창밸브(121)를 거쳐서 저온 저압의 액으로 유동되고 증발기(10)로 유출입되면서 열을 흡수하여 제1압축기(110)로 다시 입력된다. 이러한 경우 상기 제1사이클(100)은 혼합공기의 열을 통하여 제1냉매를 가열하고 이를 순수하게 냉매 간의 열전달을 통하여 제2냉매에 열전달하기 때문에 종래의 단일사이클의 히트펌프로 이루어진 경우에 비하여 난방효율이 극대화될 수 있는 것이다.

또한, 제2사이클(200)은, 제2냉매를 압축하는 제2압축기(210)와, 상기 제2압축기(210)의 출구 및 응축기(30)와 연통되는 제2팽창밸브(221)와, 상기 제2팽창밸브(221)의 출구와 일측이 연통되는 열교환부(20)로 이루어진다.

여기서 각각의 열교환기(10, 20, 30, 310, 320)은 서로 다른 시스템 사이의 열전달하는 기능을 하는바, 각각 독립적으로 연통될 수 있는 독립적인 배관을 가지게 된다. 상기 열교환부(20) 및 후술할 바와 같은 축열교환기(310, 320)는 냉매 간의 열전달의 효율성을 고려하여 판형 열교환기(plate type heat exchanger)가 사용되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 증발기(10)와 응축기(30)는 건식 증발기, 만액식 증발기, 반만액식 증발기, 냉매액 강제순환식 증발기 등 다양한 형식의 열교환 배관을 의미하여 본 발명의 설명의 유형에 한정되는 것은 아님에 유의하여야 한다.

또한, 상기 제1사이클과 제2사이클은 각각 제1팽창밸브(121)와 제2팽창밸브(221)로 유입되는 냉매의 경로상에 드라이(120a, 220a)와 액면계(120b, 220b)를 더 구비할 수 있다.

드라이(120a, 220a)는, 증발기로부터의 잔존 액상 냉매를 방지하기 위한 것으로, 압축기로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지함으로써 냉매장치들의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 액면계(120b, 220b)는 냉매의 액면 위치를 지시하는 장치로서, 게이지글라스, 플로트식 또는 정압식 등의 다양한 액면위치 표시 방식이 선택적으로 적용될 수 있다.

또한, 상기 제1압축기(110)로부터 열교환부(20)로 이어지는 제1냉매의 유로 상에는 유분리기(120e)가 추가적으로 배치될 수 있는데, 상기 유분리기(120e)는 압축기 토출관에 취부되어 토출가스 내에 포함된 오일성분을 분리하여 열교환부(20)로 오일이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 유분리기(120e)는 제2사이클에 적용될 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기 증발기(10)로부터 제1압축기(110)로 이어지는 경로상에는 액분리기(120d)가 더 배치될 수 있고, 상기 액분리기(120d)는 흡입가스 중에 액이 혼합된 경우 액냉매를 분리하여 압축기로 기화된 상태의 냉매만을 유입할 수 있도록 하는 것이며, 이러한 액분리기(120d)는 제2사이클에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

또한, 상기 열교환부(20)로부터 제1팽창밸브(121)로 이어지는 냉매의 유로 상에는 수액기(120c)가 더 배치될 수 있고, 상기 수액기(120c)는 응축기로 작용하는 열교환부(20)의 고온고압의 냉매액을 일시 저장하는 기능을 수행하게 된다.

본 발명의 개념에서는 상기 제2사이클(200)의 응축기(30)에서는 공기를 가열하여 환기시 온도조화를 수행하되, 난방사이클 또는 냉방사이클의 작동시 가열동작 또는 폐열의 회수동작을 통하여 제1축열교환기(310)에서 온수를 생산하게 된다.

이러한 제1축열교환기(310)는 선택된 위치에 배치될 수 있는데, 응축기(30)로 입력 및 출력되는 배관의 경로에서 분기된 경로에 배치되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제1축열교환기(310)의 입력측과 응축기(30)의 입력측에는 각각 밸브를 구비하여 냉매의 유동을 절환할 수 있는데, 이에 따라 난방 또는 온수의 생산이 선택적으로 이루어질 수 있다.

경우에 따라 상기 밸브가 전부 개방되어 일부의 냉매는 응축기(30)를 통하여 난방 또는 열의 배출을 수행하고, 다른 일부의 냉매는 제1축열교환기(310)를 통하여 온수의 생산 또는 폐열의 흡수를 수행하는 것이다.

이러한 밸브는 자동적인 유동의 제어를 위하여 전자제어밸브로 이루어지는 것이 바람직하고, 난방 및 냉방의 동작 또는 온도의 감지 과정을 통하여 유로를 조절할 수 있는 소정의 제어부(미도시)와 연결될 수 있다. 다만, 상기 밸브의 배치상태는 반드시 본 발명의 예시에 한정되는 것은 아니며, 응축기(30)와 제1축열교환기(310) 사이에 유로를 절환할 수 있다면 다양한 유로조절수단이 선택된 위치에 배치될 수 있음은 물론이다.

상기 축열조는 난방수의 생산 또는 폐열의 흡수 과정에서 발생된 온수를 저장되는 소정의 수조를 의미하며, 이렇게 저장된 온수는 급탕용 또는 난방용으로 사용될 수 있다.

다만, 상기 축열조(300)는 반드시 저장되는 용기로서의 의미에 한정되는 것은 아니며, 소정의 난방 배관을 통하여 제1축열교환기(310)로부터 열교환된 온수가 직접 난방유로 또는 급탕유로로 공급될 때의 배관 자체를 의미할 수도 있음에 유의하여야 한다.

상기한 바와 같이 공기를 통한 난방의 동작과 온수의 생산 동작은 선택적으로 수행될 수도 있고 함께 수행될 수도 있다. 다만, 본 발명의 개념은 폐열을 흡수하고 후술될 바와 같이 실내 온도의 상승의 효율성을 고려하여 선택적으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 상기 제1사이클(100)과 제2사이클(200)을 유동이 순환되는 배관인 유로를 기준으로 설명하도록 한다.

상기한 제1사이클(100)은 제1압축기(110)의 출력측으로부터 열교환부(20)의 타측에 연통되는 제1가온유로(161)와, 상기 열교환부(20)의 타측으로부터 상기 제1팽창밸브(121) 및 상기 증발기(10)에 연통되는 제2가온유로(162)와, 상기 증발기(10)로부터 상기 제1압축기(110)의 입력측에 연통되는 제3가온유로(163)로 이루어진다.

또한, 상기한 제2사이클(200)은 상기 제2압축기(210)의 출력측으로부터 응축기(30)로 연통되는 제1난방유로(261)와, 상기 응축기(30)로부터 상기 제2팽창밸브(221) 및 상기 열교환부(20)의 일측에 연통되는 제2난방유로(262)와, 상기 열교환부(20)의 일측으로부터 상기 제2압축기(210)의 입력측에 연통되는 제3난방유로(263)로 이루어진다.

또한, 상기 응축기(30)로 유출입되는 유로의 변경을 통하여 축열을 위한 제1축열교환기(310)측으로의 유동을 위하여 제1난방유로(261)로부터 분기되어 제1축열교환기(310)로 입력되는 제1분기유로(361)와, 제1축열교환기(310)로부터 제2팽창밸브(221)를 연결하도록 제1축열교환기(310)로부터 제2난방유로(262)에 이어지는 제2분기유로(362)를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 냉난방사이클이 작동되는 과정을 도시한 도면이다.

제2사이클이 동작하기 시작하면, 제2압축기(210)가 압축운전을 개시하고, 제2압축기(210)에서 압축된 제2냉매는 제2난방유로(261)를 거쳐 응축기(30)로 유입 및 유출되어 혼합공기에 열을 방출하게 된다.

응축기(30)에서 열교환이 이루어진 제2냉매는 저온 고압의 액체 상태로 제1난방유로(262)를 유동하여 제2팽창밸브(221)에 입력되고, 다시 저온 저압의 액체 상태로 변하여 열교환부(20)에서 제1사이클(100)의 제1냉매로부터 열을 전달받아 고온 저압 상태로 제3난방유로(263)를 거쳐 다시 제2압축기(210)로 입력된다. 상기 과정에서 열교환부(20)는 제2냉매의 증발기로서 기능할 수 있다.

한편, 제1사이클(100)에서는 제1압축기(110)의 가동이 개시되는데, 상기 제1압축기(110)의 가동은 제2압축기(210)와 동시에 이루어지거나 시간 간격을 두고 이루어질 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 제1압축기(110)와 제2압축기(210)는 선택저으로 작동될 수도 있다.

여기서, 최초 가동이 개시되면 제2냉매의 온도가 먼저 상승되고 제1냉매의 온도가 순차적으로 온도가 상승되는 방식으로 작동이 이루어질 수 있다.

상기 제1압축기(110)의 가동이 개시되면, 소정의 전자밸브를 개방하여 가온사이클의 유로가 연통되고, 제1압축기(110)에서 압축된 고온의 제1냉매는 제1가온유로(161)를 따라 열교환부(20)의 타측으로 입력되어 일측에서 유동되는 제2냉매에 열을 공급하게 된다.

상기 열교환부(20)를 거쳐 저온화된 제1냉매는 제2가온유로(162)를 유동하여 제1팽창밸브(121)를 거쳐 저온 저압의 액체 상태로 증발기(10)로 유입되고, 증발기(10)에서 혼합공기의 열을 흡수하여 고온 저압의 가스로 변화되어 제3가온유로(163)를 거쳐 제1압축기(110)로 다시 환원된다.

상기와 같은 난방의 과정에서 제1사이클(100)에 의해 혼합공기로부터 전달되는 온도를 활용하여 제2사이클(200)에 전달하고 다시 고온화하는 과정을 거침으로써 최종적으로 난방이 가능한 온도를 더욱 효율적으로 획득할 수 있게 된다.

상기와 반대로, 제1사이클(100)이 냉방을 위하여 작동되는 경우도 위의 경우와 마찬가지로 설명될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 이 경우 제1사이클은(100)은 냉방사이클로서 작동되고 제2사이클(200)은 제1사이클(100)의 열을 빼앗는 저온화사이클로서 기능하게 된다. 이때, 상기 가온유로들은 냉방유로로, 난방유로는 저온화유로로 정의되어 사용될 수 있다.

따라서, 상기의 예에 따라 난방시 응축기(30)가 실내측을 지향하고, 냉방시에는 증발기(10)가 실내측을 지향할 수 있다. 여기서, 지향의 의미는 공기의 유동의 방향을 의미한다.

상기된 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 동작시 응축기(30)측으로의 밸브와 제1축열교환기(310)측으로의 밸브가 모두 개방되어 난방동작시 일부의 열은 공기의 가열을 위하여 사용되고, 다른 일부의 열은 온수의 생산을 위하여 사용될 수 있다. 또한, 냉방동작시 제1축열교환기(310) 또한 응축기로서 기능하여 폐열을 흡수하는 기능을 수행할 수 있다.

도 4는 도 2의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템에서 온수의 생산을 위하여 사이클이 동작하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

이 경우 제1분기유로(361)는 개방되고 제1난방유로(261)는 폐쇄된 형태로 이루어진다.

이때, 제2압축기(210)로부터의 냉매는 제1축열교환기(310)에서 열교환하여 온수를 생산하고 온수유로(301)에서 축열조(300)로 온수를 공급하게 된다. 이러한 냉매는 다시 제2분기유로(362)를 통하여 제2팽창밸브(221)로 유입되고 순환과정을 거쳐 온수의 생산을 지속할 수 있다.

상기된 가온사이클 및 냉매의 유동과 관련하여 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

여기서, 상기한 바와 같이 제1축열교환기(310)는 응축기(30)과 동시적으로 작동되거나 선택적으로 작동될 수 있는데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축열 또는 온수의 생산방법을 이하 구체적으로 설명하도록 한다.

최초 난방동작의 개시단계에서, 제1사이클(100)과 제2사이클(200)이 동작하게 되어 이원사이클로서 열상승의 효율이 상승함은 상기한 바와 같다.

이때, 상기 축열조는 난방배관을 통하여 연결되어 소정 부위의 바닥이나 내벽에 유동될 수 있다. 일반적으로 공기보다 물의 비중이 높고 열저장 능력이 우수함에 비추어 난방시 난방배관을 통한 난방의 효율성이 더욱 높다. 이러한 열저장 능력은 지중 또는 벽체에 매립된 형태의 금속배관과 함께 구조물 자체로서도 더욱 향상될 수 있다.

이러한 개념에 따라 난방을 위한 온수의 생산을 먼저 수행하고, 온도조화된 공기의 생산을 그 다음에 수행하는 것이 바람직하다.

따라서, 난방동작의 개시시 제1분기유로(361)가 개방되고, 제1난방유로(261)는 폐쇄되어 제2압축기(210)로부터의 유동은 제1축열교환기(310)로 입력되고 이에 따라 난방수의 생산이 먼저 이루어지며, 이러한 난방수의 온도가 설정된 온도에 도달하면 자동적으로 밸브를 통해 유로를 절환하여 제1분기유로(361)가 폐쇄되고 제1난방유로(261)가 개방되어 냉매의 유동은 응축기(30)로 입력되는 것이다.

여기서, 난방수의 설정온도는 소정의 배관이나 축열조에 배치되는 온도센서(미도시)를 통하여 감지되고 이러한 온도값은 소정의 제어부에서의 밸브 및 압축기 등의 작동을 위한 요소로 작용될 수 있다.

또한, 난방이 계속되는 단계에서, 소정의 온도조화된 공기의 공급으로 인하여 실내의 온도가 소정의 온도에 도달하게 되면 자동적으로 응축기(30)에서의 열교환은 중단되는데, 이때 응축기(30)로의 냉매의 유동을 절환하여 제1축열교환기(310)로 유입시키고 이를 통하여 난방이 중단되는 상태에서 온수를 생산할 수 있다.

즉, 상기한 바와 같이 난방동작시 최초의 개시단계에서는 제1축열교환기(310)가 응축기(30)보다 먼저 작동되는 것이 더욱 빠르고 효율적인 난방을 위하여 바람직하고, 난방이 계속되어 실내의 온도가 소정 온도에 도달한 단계에서는 응축기(30)가 작동 중단될 때 제1축열교환기(310)가 작동되어 소정의 열을 저장하는 것이 온도의 상승 및 유지를 위하여 바람직한 것이다.

한편, 냉방동작시에는 증발기(10)가 실내측을 지향하게 되고, 제1축열교환기(310)는 열을 배출하는 기능을 하게 된다. 이때, 응축기(30)의 작동시에는 사이클의 가동시 발생한 폐열을 대기중으로 방출하여 낭비하게 되므로 폐열을 제1축열교환기(310)를 통하여 축열조(300)로 저장하여 사용하는 것이 바람직하다.

이렇게 축열조(300)에 저장된 열은 세면 등을 위한 온수 또는 야간의 난방 등을 위하여 사용될 수 있다.

그런데, 이원사이클의 작동시 단일 사이클의 경우보다 냉난방의 효율이 높은 것은 잘 알려져 있으나, 난방동작보다 냉방동작의 효율이 비교적 떨어지는 증상이 나타나게 되는데, 이는 냉매와 유동의 특성에 기인한다.

따라서, 냉방시 경우에 따라 제1사이클(100)만이 가동될 경우를 고려해볼 수 있다. 이때에는 제1축열교환기(310)로부터의 폐열의 흡수가 불가능한 문제를 가지게 되므로 추가적인 축열교환기의 배치가 요청될 수 있다.

도 5는 본 발명의 추가적인 개념에 따른 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 개념도이며, 도 6은 이러한 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 작동상태를 나타낸다.

본 발명의 추가적인 실시예에서는 상기의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템의 구조에서 열교환부(20) 측으로 유입되는 제1냉매의 경로상에 제2축열교환기(320)가 더 배치되는 예가 제시된다.

본 발명의 추가적인 개념에서는, 소정의 공기 유동의 경로상에 배치되어 열교환하고 열을 흡수하는 증발기(10)와, 상기 증발기(10)와 연통되고 냉매가 유동하는 소정의 배관인 유로가 형성되는 제1사이클(100)과, 상기 제1사이클(100)에서 유동되는 냉매의 전부 또는 일부가 유동되어 축열조(300)로 공급되는 온수를 가열하는 제2축열교환기(320)와, 상기 제1사이클(100)에 열교환부(20)를 매개로 열전달하는 제2사이클(200)과, 상기 제2사이클(200)의 유로의 일부를 구성하고 공기가 유동되는 경로상에 배치되어 열교환하여 열을 배출하는 응축기(30)와, 상기 응축기(30)로 유동되는 냉매의 전부 또는 일부가 유동되어 축열조로 공급되는 온수를 가열하는 제1축열교환기(310)로 이루어진다.

여기서, 제1사이클(100), 제2사이클(200) 및 제1축열교환기(310)와 관련하여 상기와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

상기 제2축열교환기(320)는 제1압축기(110)에서 유동되는 냉매의 일부 또는 전부가 유입되는 제3분기유로(363) 및 제1팽창밸브(121)측으로 열교환한 냉매를 유출시키는 제4분기유로(364)로 연결된다.

바람직하게는, 상기의 제1축열교환기(310)와 마찬가지로, 제3분기유로(363)는 열교환부(20)로 입력되는 제1가온유로(161)로부터 분기되고 제4분기유로(364)는 제2가온유로(162)로 합류되도록 배치될 수 있다.

또한, 이러한 제3분기유로(363)와 제1가온유로(161) 상에는 유동의 조절을 위한 밸브(참조번호 미표시)가 배치되어, 열교환부(20)와 제2축열교환기(320) 사이의 경로를 선택할 수 있도록 한다.

상기 제2축열교환기(320)는 난방동작시 가온사이클인 제1사이클(100)에서 발생된 열의 일부를 흡수하여 온수를 생산하는 데 작동할 수 있으며, 경우에 따라 제2사이클(200)이 작동 중지된 상태에서 제1사이클(100)의 온수생산만을 위하여 작동될 수도 있다.

상기 제2축열교환기(320)는 특히 냉방동작시의 폐열의 흡수에 유리하게 작동될 수 있다. 상기한 바와 같이 냉방 작동시 제2사이클(200)은 난방 작동에 비하여 효율이 비교적 떨어지기 때문에 제1사이클(100)만이 작동될 수 있고, 이때에는 제2축열교환기(320)가 응축기로서 작동하여 응축기(30)로부터 외부로 배출되는 폐열을 차단하고 온수 또는 난방수를 위한 축열조(300)에 저장될 수 있다.

이때, 상기 제3분기유로(363)측의 밸브는 개방되고, 제1가온유로(161)측의 밸브는 폐쇄되어 제1압축기(110)로부터의 압축 냉매는 제2축열교환기(320)로 입력되어 온수를 생산하면서 폐열을 저장하고, 이는 다시 증발기(10)로 환원되어 실내의 온도를 떨어뜨리는 데 사용된다.

이러한 제2축열교환기(320)는 가온수유로(302)를 통하여 축열조(300)로 연결되고 온수를 공급하는데, 상기 온수유로(301)는 이러한 가온수유로(302)와 합류되어 함께 온수를 공급할 수 있다.

경우에 따라 상기 제1축열교환기(310)와 제2축열교환기(320)가 함께 작동되어 온수의 생산이 양측에서 동시에 이루어질 수도 있고, 상기 온수유로(301)와 가온수유로(301)가 선택될 수도 있음은 물론이다.

이때, 상기 온수유로(301)와 가온수유로(302)로의 온수의 순환 또는 저장을 위한 워터펌프(미도시)가 결합될 수 있다.

상기된 증발기(10)와 응축기(30)는 각각 공기를 온도조화하여 냉방동작과 난방동작을 수행하고, 동시에 열을 흡수하거나 폐열을 배출하는 동작을 하게 된다.

이를 위하여 이원사이클의 경우 증발기(10)와 응축기(30)가 하나의 장치에 구비되어 각각을 순환하는 공기의 경로를 조절할 수 있는 구성을 구비하는 것이 효율적인 공기조화를 위하여 바람직하다.

도 7은 이러한 이원사이클 히트펌프의 축열시스템이 적용되는 축열 냉난방장치의 개념을 나타내는 도면이다.

냉방을 위한 작동의 경우 상기한 바와 같이 증발기(10)에서 공기를 온도조화하여 실내측으로 공급하고 이러한 제1챔버(2100)로 유입된 증발기측유동은 제1토출구(2111)를 통하여 토출부로 유입되고 댐퍼부(2500)의 배치상태에 따라 도시상태를 기준으로 좌측에서 유동이 진행에 의하여 전방의 실내측으로 안내된다.

또한, 제2챔버(2200) 측에는 응축기(30)가 배치되어 이러한 제2챔버(2200)로 유입된 응축기측유동(d)은 제2토출구(2211)를 통하여 토출부로 유입되고 댐퍼부(2500)에 의하여 우측에서 유동이 진행됨에 따라 후방측의 배출구(2600)측으로 안내된다.

이러한 배치상태는 토출구가 단일의 공간으로 형성되어 있거나, 두 개 이상의 공간으로 분할되어 있는 경우에도 적용될 수 있다.

또한, 상기 댐퍼부(2500)의 블레이드의 회전에 의하여 냉기와 온기가 각각 선택될 수 있는데, 상기 블레이드의 크기 및 형상은 토출구의 크기에 대응되어 형성될 수 있다.

이러한 제1챔버와 제2챔버의 하측에는 내기 또는 외기 또는 내외기를 흡입할 수 있는 유입구가 형성되는 것이 공간적인 이점을 제공하기 위하여 바람직하다. 이러한 공기가 상측으로 유동되면 각각 증발기(10) 및 응축기(30)와 연통된다. 상기 증발기(10)와 응축기(30)는 냉매가 유동되는 냉난방사이클의 일부를 이루며, 각각 공기와 접촉되는 면적을 통하여 혼합공기와의 열교환이 이루어지게 된다.

이때, 상기 제1축열교환기(310) 및/또는 제2축열교환기(320)는 챔버 하측의 소정의 내외기 혼합공간에 구비될 수 있고, 상기된 유로의 배치상태를 적용하여 냉매의 유동을 선택하여 온수를 생산할 수 있다. 이렇게 제1축열교환기(310)와 제2축열교환기(320)로부터 인출된 온수유로(301) 및 가온수유로(302)는 외부의 축열조(300)와 연결되어 난방수 또는 폐열을 저장하게 된다.

상기한 본 발명의 개념에 따른 이원사이클 히트펌프의 축열시스템에 따라, 이원사이클의 난방 작동에 있어서 난방수와 가열공기의 생산을 효율적으로 선택함에 따라 난방의 성능이 극대화될 수 있다.

또한, 냉방 동작시에 폐열을 흡수할 수 있어 에너지의 절감의 효과가 향상되며, 본 발명의 추가적인 개념에 따른 경우 2단에 걸쳐서 폐열을 흡수하여 저장하고 이를 급탕 또는 난방수로 저장하여 필요할 때 즉시적으로 활용할 수 있어 냉난방장치로서의 활용성이 극대화될 수 있다.

또한, 환기장치로서의 작동신뢰성이 보장될 수 있음은 물론, 난방의 기능을 동시에 수행함으로써 불필요하게 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 이점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

10...증발기 20...열교환부
30...응축기 100...제1사이클
110...제1압축기 121...제1팽창밸브
161...제1가온유로 162...제2가온유로
163...제3가온유로 200...제2사이클
210...제2압축기 221...제2팽창밸브
261...제1난방유로 262...제2난방유로
263...제3난방유로 300...축열조
301...온수유로 302...가온수유로
310...제1축열교환기 320...제2축열교환기
361...제1분기유로 262...제2분기유로
263...제3분기유로 263...제4분기유로

Claims (9)

1. 제1냉매가 순환되며 공기를 냉각하는 증발기(10), 제1압축기(110) 및 제1팽창밸브(121)를 구비하는 제1사이클(100);
   제2냉매가 순환되며 공기를 가열하는 응축기(30), 제2압축기(210) 및 제2팽창밸브(221)를 구비하는 제2사이클(200);
   제1냉매와 제2냉매가 각각 일측과 타측으로 분리되어 유동되고 제1사이클과 제2사이클 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부(20);
   제2냉매가 응축기와 선택적으로 유동되어 온수를 생산하는 제1축열교환기(310); 및
   상기 제1축열교환기의 온수를 저장하는 축열조(300);를 포함하고,
   상기 제1축열교환기는 난방동작시 응축기와 선택적으로 작동되고, 냉방동작시 증발기로부터 흡수된 폐열을 온수로서 저장하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1축열교환기는, 난방동작시 상기 응축기보다 먼저 작동되어 난방을 위한 온수를 우선적으로 공급하고,
   상기 응축기는, 상기 온수에 의하여 난방이 이루어지고 제1축열교환기의 작동이 중단된 이후에 작동되어 온풍을 공급하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   제1냉매가 유동되어 온수를 생산하여 상기 축열조로 저장하는 제2축열교환기(320);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1축열교환기로부터 축열조로 연결되는 온수유로(301)와 제2축열교환기로부터 축열조로 연결되는 가온수유로(302)는 합류되는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
5. 제3항에 있어서,
   냉방동작시 제2사이클 및 제1축열교환기의 작동은 중단되고, 제2축열교환기가 응축기로서 작동되어 폐열을 저장하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1사이클에 구비되고, 제1압축기와 열교환부를 연결하는 제1가온유로(161)와, 열교환부와 제1팽창밸브 및 증발기를 연결하는 제2가온유로(162)와, 증발기와 제1압축기를 연결하는 제3가온유로(163)와,
   상기 제2사이클에 구비되고, 제2압축기와 응축기를 연결하는 제1난방유로(261)와, 응축기와 제2팽창밸브 및 열교환부를 연결하는 제2난방유로(262)와, 열교환부와 제2압축기를 연결하는 제3난방유로(263)와,
   상기 제1난방유로에서 분기되어 제1축열교환기로 입력되는 제1분기유로(361)와, 제1축열교환기로부터 제2난방유로로 합류되는 제2분기유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1가온유로에서 분기되어 제2축열교환기로 입력되는 제3분기유로(363)와, 제2축열교환기로부터 제2가온유로로 합류되는 제4분기유로(364)를 구비하는 것을 특징으로 하는 이원사이클 히트펌프의 축열시스템.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 이원사이클 히트펌프의 축열시스템을 구비하는 냉난방장치로서,
   상기 증발기측으로부터의 냉각 공기가 공급되는 제1챔버(2100);
   상기 응축기측으로부터의 가열 공기가 공급되는 제2챔버(2200);
   상기 제1챔버 및 제2챔버로부터의 유동이 선택적으로 실내로 공급되는 댐퍼부(2500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축열 냉난방장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 응축기, 증발기 및 제1축열교환기는 상기 제1챔버, 제2챔버 및 댐퍼부의 하측 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 축열 냉난방장치.
   

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