KR20150123613A

KR20150123613A - 히트 펌프를 이용한 냉난방장치

Info

Publication number: KR20150123613A
Application number: KR1020140050209A
Authority: KR
Inventors: 김종호
Original assignee: 김종호
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-11-04

Abstract

본 발명은 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물과 같이 공간이 넓은 지역을 효율적으로 냉난방이 이루어지도록 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매가 자동으로 주입되어 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하여 재열 능력을 일정하게 유지해 열 손실을 최소화하여 효율적인 냉난방을 꾀할 수 있는 히트펌프를 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 하우스, 공장, 체육관 등을 포함하는 건물 내부 상부에 설치되는 팬코일유닛; 팬코이유닛으로 일정한 온도를 유지한 난방수 또는 냉방수를 제공하기 위하여 배관이 연결되는 물탱크; 물탱크와 연결파이프로 연결되고, 일정 온도를 갖는 난방수 또는 냉방수를 공급 및 회수하여 일정 온도를 유지할 수 있도록 재열 또는 재냉하는 히트펌프를 포함하는 것을 특징으로 하며, 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매 주입이 자동으로 이루어지도록 하여 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하므로 재열 또는 재냉 능력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

히트 펌프를 이용한 냉난방장치{Cooling and Heating Apparatus with Air Heat Pump}

본 발명은 히트 펌프를 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등과 같이 공간이 넓은 지역을 효율적으로 냉난방이 이루어지도록 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매가 자동으로 주입되어 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하여 재열 능력을 일정하게 유지해 열 손실을 최소화하여 효율적인 냉난방을 꾀할 수 있는 히트펌프를 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로, 주택이나 농작물재배를 위한 하우스는 하절기에는 냉방을 할 수 있고 동절기엔 난방을 할 수 있는 냉난방장치인 히트펌프가 설치된다. 상기 히트펌프는 통상의 냉방 사이클과 같이 압축기, 제1열교환기, 팽창밸브 및 제2열교환기가 하나의 사이클을 이루고 구성되되 상기 압축기와 제1, 제2열교환기 사이의 유로에 압축기에서 토출된 냉매가 제1, 제2열교환기 중의 어느 한쪽으로 전환시키기 위한 사방밸브를 부가한 것이다.

상기 히트펌프는 다독으로 설치하여 사용할 수 있으나 상기 히터펌프와 소정거리를 갖고 이격 된 위치에 축열조(蓄熱槽)를 부가하고 또 상기 축열조와 이격된 위치의 냉난방부인 시설물에 방사 유닛을 부가 설치하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 히트펌프의 제1열교환기와 축열조는 상기 제1열교환기에서 수열교환방식으로 얻은 냉수 또는 온수를 축열조에 저장하거나 순환시킬 수 있는 제1순환라인이 축열조와 연결되어 있고 상기 축열조와 방사 유닛은 축열조 내의 냉수 또는 온수를 순환시켜 기열 교환방식의 방사 유닛에서 냉기나 온기를 방사하도록 제2순환라인이 연결되어 있다.

상기와 같은 종래의 냉난방장치는 히트펌프를 가동시키되 난방모드를 선택하면 압축기에서 냉매가 압축되면서 고온고압의 가스냉매로 되고 이렇게 압축된 냉매는 사방밸브를 통해 제1열교환기로 압송되어 통과되는 동안 제1열교환기에서 수열교환방식을 통해 열 교환(방열)하므로 고온고압의 액상냉매로 응축된다. 이때, 제1열교환기는 응축기의 기능을 수행한다.

이렇게 응축된 고온고압의 액상냉매는 팽창밸브에서 저압상태로 변형되어 제2열교환기에서 증발됨에 따라 기화에 필요한 냉매의 기화열을 외부로부터 흡수하므로 제2열교환기의 주위는 냉각시킨다. 이때, 제2열교환기는 증발기로서의 기능을 수행한다.

상기 제2열교환기를 통과한 저온저압의 가스냉매는 압축기에 의해 흡입 압축되어 상기에서 언급한 바와 같은 과정을 반복적으로 순환하는 것이어서 제1, 제2열교환기에서 지속적인 열 교환이 이루어지는 것이다.

상기에서 언급하였듯이, 히트펌프가 가동되는 동안에는 히트펌프의 압축기로부터 지속적으로 압송되는 냉매가 가지고 있는 고열이 제1열교환기에서 수열교환방식을 통해 전도되게 된다.

이러한 상태에서 제1순환라인에 설치된 펌프가 가동됨에 따라 축열조 내의 물을 흡입하여 토출하므로 축열조로부터 제1순환라인을 따라 다시 축열조로 순환되게 된다. 이로 인하여 제1열교환기를 통과하는 고온고압의 가스냉매는 액상으로 응축되고, 제1순환라인을 따라 흐르는 물은 제1열교환기를 통과하면서 온수로 되어 축열조 내부로 지속적으로 순환 공급되므로 축열조 내의 물은 온수로 된다.

이와 동시에, 제2순환라인에 설치된 제2펌프를 가동시키면 축열조 내의 온수를 흡입하여 토출하므로 방사 유닛을 포함한 제2순환라인을 따라서 흐르게 되며, 이로 인하여 축열조에서 제2순환라인을 통해 다시 축열조로 복귀되는 과정이 지속적으로 이루어져 순환되게 된다. 이때, 냉난방부인 시설물 내의 방사 유닛에서 열을 발산하므로 난방이 이뤄지게 된다.

이와 반대로, 냉방모드를 선택하면 압축기에서 냉매가 압축되면서 고온고압의 가스냉매로 되고 이렇게 압축된 냉매는 사방밸브를 통해 제2열교환기로 압송되어 통과되는 동안 제2열교환기에서 기열 교환방식을 통해 열 교환(방열)하므로 고온고압의 액상냉매로 응축된다. 이때, 제2열교환기는 응축기의 기능을 수행한다.

이렇게 응축된 고온고압의 액상냉매는 팽창밸브에서 저압상태로 변형되어 제1열교환기에서 증발됨에 따라 기화에 필요한 냉매의 기화열을 외부로부터 흡수하므로 제1열교환기 내부가 냉각되게 된다. 이때, 제1열교환기는 증발기로서의 기능을 수행한다.

상기 제1열교환기를 통과한 저온저압의 가스냉매는 압축기에 의해 흡입 압축되어 상기에서 언급한 바와 같은 과정을 반복적으로 순환하는 것이어서 제1, 제2열교환기에서 지속적인 열 교환이 이루어지는 것이다.

상기에서 언급하였듯이, 히트펌프가 가동되는 동안에는 팽창밸브에 의해 저압으로 된 냉매가 제1열교환기에서 증발되면서 증발에 필요한 기화열을 제1열교환기에서 수열교환방식을 통해 흡수하게 된다.

이러한 상태에서 제1순환라인에 설치된 펌프가 가동됨에 따라 축열조 내의 물을 흡입하여 토출하므로 축열조로부터 제1순환라인을 따라 다시 축열조로 복귀되는 과정이 지속적으로 이루어져 순환되게 된다. 이로 인하여 제1열교환기를 통과하는 저압의 액상냉매는 기화되고, 제1순환라인을 따라 흐르는 물은 제1열교환기를 통과하면서 냉수로 되어 축열조 내부로 지속적으로 순환 공급되므로 축열조 내의 물은 냉수로 된다.

이와 동시에 제2순환라인에 설치된 제2펌프를 가동시키면 축열조 내의 냉수를 흡입하여 토출하므로 방사 유닛을 포함한 제2순환라인을 따라서 흐르게 되며, 이로 인하여 축열조에서 제2순환라인을 통해 다시 축열조로 복귀되는 과정이 지속적으로 이루어져 순환되게 된다. 이때, 냉난방부인 시설물 내의 방사 유닛에서 냉기를 발산하므로 냉방이 이뤄지게 된다.

상기와 같은 히트펌프를 이용한 기존의 냉난방장치는 냉방모드나 난방모드를 선택하여 가동할 때, 제1순환라인 상의 제1펌프가 가동되면 축열조의 임의위치에서 흡입하여 히트펌프의 제1열교환기에서 열교환하여 얻은 냉온수를 축열조의 임의위치로 토출하고 제2순환라인 상의 제2펌프가 가동되면 축열조의 임의위치에서 흡입하여 방사 유닛에서 발산하여 냉난방을 행함으로써 가온 또는 감온이 이루어진 냉, 온수를 축열조의 임의위치로 토출하는 것이다.

따라서, 히트펌프를 이용한 기존의 냉난방장치는 축열조 내의 냉온수가 온수는 상부의 온도가 높고 상부의 온도가 낮음에도 불구하고 냉방모드나 난방모드의 구분 없이 단순히 축열조의 임의위치에서 흡입하여 임의위치로 토출하는 것인바 냉방과 난방 시에 요구되는 최적의 조건으로 흡입할 수 없으며, 이로 인하여 냉난방효율이 떨어질 수밖에 없다는 문제점이 있었다.

대한민국 특허공개공보 제2009-0077730호 (2009년07월15일 공개)

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매 주입이 자동으로 이루어지도록 하여 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하므로 재열 또는 재냉 능력을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 농작물 하우스, 공장, 체육관, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물 내부 상부에 설치되는 팬코일유닛; 팬코이유닛으로 일정한 온도를 유지한 난방수 또는 냉방수를 제공하기 위하여 배관이 연결되는 물탱크; 물탱크와 연결파이프로 연결되고, 일정 온도를 갖는 난방수 또는 냉방수를 공급 및 회수하여 일정 온도를 유지할 수 있도록 재열 또는 재냉하는 히트펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 팬코일과 물탱크 및 물탱크과 히트펌프 사이의 배관에 설치되고, 난방수 및 냉방수의 공급 또는 차단하는 밸브; 상기 밸브의 일측에 설치되고, 난방수 또는 냉방수의 공급 및 회수를 제어하는 순환펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 팬코일유닛은 물탱크와 연결되고, 하우스, 체육관, 공장을 포함하는 건물의 난방 또는 냉방을 하고자 하는 곳에 설치되는 증발기; 건물의 내측으로 발산시켜 재열 또는 재냉을 할 수 있도록 증발기 상부에 모터를 가지며 설치되는 팬을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 상기 히트펌프는 상기 물탱크의 일측에 연결파이프를 통해 연결되고, 물탱크로부터 인입되는 난방수 또는 냉방수에 포함된 열을 난방액 또는 냉방액을 통해 열을 교환하여 일정온도를 유지하기 위한 판식열교환기; 상기 판식열교환기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되며, 판식열교환기로부터 인입되는 고압의 난방액 또는 냉방액을 일시 저장하고, 저장한 난방액 또는 냉방액을 응축하는 수액기; 상기 수액기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되고, 수액기에 응축되어 인가되는 난방액 또는 냉방액을 교축 작용에 의해 증발을 일정 압력까지 감압하는 팽창변; 상기 팽창변 또는 수액기의 일측에 이동파이프에 의해 연결되며, 팽창변 또는 수액기에서 각각 인입되는 난방액 또는 냉방액의 열 교환이 이루어지도록 하는 절감기; 상기 절감기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되며, 절감기에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 유입량을 가감하는 전자팽창변; 상기 전자팽창변과 이동파이프를 통해 연결되고, 전자팽창변에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 온도를 외부의 온도에 의해 열의 발산 또는 흡수하여 일정 온도로 유지하도록 하는 공냉식열교환기; 상기 공냉식열교환기와 이동파이를 통해 연결되며, 공냉식열교환기에서 입력되는 난방액 또는 냉방액을 분할하는 사방변; 상기 사방변과 이동파이프를 통해 연결되며, 난방액 또는 냉방액에서 기체와 액체를 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기와 이동파이프를 통해 연결되고, 기액분리기에서 인입되는 액체와 분리된 난방기체 또는 냉방기체를 일정 압력으로 상승시켜 사방변으로 인입되도록 하는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 상기 공냉식열교환기의 일측에는 적어도 하나 이상의 모터와 결합된 팬이 더 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치는 상기 히트펌프에 구성된 판식열교환기, 수액기, 팽창변, 절감기, 전자팽창변, 공냉식열교환기, 사방변, 기액분리기 및 압축기는 하나의 그룹으로 구성되고, 적어도 두 그룹 이상 구성되어 물탱크와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 상기 난방액은 판식열교환기, 수액기, 팽창변, 절감기, 전자팽창변, 공냉식열교환기, 사방변, 기액분리기, 압축기 순으로 순환되고, 상기 사방변에서 공급되는 난방액을 분기 시켜 팽창변으로 인입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 상기 냉방액은 압축기, 기액분리기, 사방변, 공냉식열교환기, 전자팽창변, 절감기, 팽창변, 수액기 및 판식열교환기 순으로 순환되고, 상기 난방액이 순환하는 과정의 역순으로 순환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매 주입이 자동으로 이루어지도록 하여 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하므로 재열 또는 재냉 능력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 재열 사이클에 의해 일반적인 전기히터의 열효율이 90%인 것에 대비하여 약 250%~350%에 이루는 열효율이 증대되는 효과가 있다.

본 발명은 전기히터는 전기에너지를 직접적으로 열에너지로 전환하는 것에 비하여 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방장치는 대기중의 열을 빼앗아 오기 때문에 전기의 사용량은 매우 적으면서 효율이 증대되는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 히트 펌프의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 재열 사이클의 상태를 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 배기온도에 따른 전자팽창변과 압축기의 작동 상태를 나타낸 그리프.
도 5는 도 1의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 재냉 사이클의 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치와 통상의 히트펌프를 이용한 냉난방장치의 재열 능력과 외기 온도를 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에서 실시하는 히트펌프의 원리를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 히트펌프 작동 원리를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대한 한정하려고 하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 히트 펌프의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명은 팬코일유닛(100)과 물탱크(200)와 히트펌프(300)를 포함하여 구성할 수 있다.

상기 팬코일유닛(100)은 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물의 크기에 따라 그 개수는 달리하여 설치된다. 상기 팬코일유닛(100)은 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물의 외부의 온도에 따라 냉방 기능 또는 난방 기능 중 어느 하나를 위주로 사용할 수 있다.

상기 팬코일유닛(100)은 증발기(110), 모터(120) 및 팬(130)을 포함하여 구성할 수 있다. 상기 팬코일유닛(100)의 증발기(110), 모터(100) 및 팬(130)의 구성은 일반적으로 사용하는 구성을 사용할 수 있으며, 또는 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물의 내부를 난방 또는 냉방을 할 수 있도록 열을 교환하는 위한 구성이라면 그 어떠한 구성을 사용하여도 무방하다.

상기 증발기(110)는 물탱크(200)와 연결되어 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물의 난방 또는 냉방을 하고자 하는 곳에 적어도 하나의 증발기(110)를 구성하고, 상기 증발기(110)는 고정수단에 의해 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물의 내부에 고정할 수 있다. 상기 증발기(110)를 고정하는 위한 고정수단은 통상적으로 널리 사용되는 구성을 이용하여 고정할 수 있다. 또한 이러한 고정수단은 당해 기술을 가진 자라면 쉽게 구성할 수 있는 구성이므로 이에 대한 구성설명은 생략한다.

상기 증발기(110)로 인입되는 난방수 또는 냉방수에 포함되어 있는 열 또는 냉기를 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등을 포함하는 건물의 내부로 퍼지도록 증발기(110)의 상부에는 모터와 팬을 구성할 수 있다. 상기 팬(130)을 회전시킬 수 있도록 그 일측에 동력을 전달하기 위한 모터(120)를 구성한다. 상기 증발기(110)로 공급되는 난방수 또는 냉방수의 열 또는 냉기를 모터(120)와 팬(130)에 하우스, 체육관, 공장을 포함하는 건물의 내부로 퍼지도록 한다.

상기 물탱크(200)는 팬코일유닛(100)을 통해 열 또는 냉기를 하우스, 체육관, 공장을 포함하는 건물의 내부로 공급할 수 있도록 난방수 또는 냉방수를 저장하기 위한 물탱크(200)를 구성한다.

상기 물탱크(200)는 합성수지, 금속제 중 어느 하나로 이루어지고, 그 재질에 대해서는 한정하지는 않는다. 또한 물탱크(200)의 외부에는 그 내부에 담아지는 내용물의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 보온재를 구성할 수 있다. 보온재는 코르크, 펠트, 글라스울 등 재질에 따라 유기질 보온재(저온용)와 무기질 보온재(고온용) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 유기질에는 코르크, 톱밥, 포옴, 폴리스틸렌, 연질 섬유판, 펠트 중 어느 하나로 이루어진다. 또한 무기질에는 암면, 글라스 울, 규조토, 염기성 탄산마그네슘 중 어느 하나로 이루어진다.

상기 히트펌프(300)는 상기 물탱크(200)에서 일정 온도 이하로 떨어진 난방수 또는 냉방수의 온도를 일정 온도로 유지할 수 있도록 압축, 응축, 팽창 및 증발을 통해 외부의 열을 흡수하여 재열과 재냉을 행하여 팬코일유닛(100)을 통해 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물 내부를 난방 또는 냉방을 행할 수 있다.

상기 히트펌프(300)는 판식열교환기(310), 수액기(320), 팽창변(330), 절감기(340), 전자팽창변(350), 공냉식열교환기(360), 사방변(370), 기액분리기(380) 및 압축기(390)을 포함하여 구성할 수 있다. 상기 히트펌프(300)의 판식열교환기(310), 수액기(320), 팽창변(330), 절감기(340), 전자팽창변(350), 공냉식열교환기(360), 사방변(370), 기액분리기(380) 및 압축기(390)은 난방액 또는 냉방액이 이동할 수 있도록 이동파이프(800)가 구성되고, 특히 상기 판식열교환기(310), 기액체분리기(380) 및 압축기(390)는 상기 사방변(370)에서 분기되는 이동파이프(800)와 연결되어 난방액 또는 냉방액의 이동을 조절할 수 있다.

상기 판식열교환기(310)는 상기 물탱크(200)로부터 인입되는 난방수 또는 냉방수에 포함된 열을 난방액 또는 냉방액을 통해 열을 교환하여 일정온도로 유지할 수 있도록 한다.

상기 수액기(320)는 상기 판식열교환기(310)로부터 인입되는 고압의 난방액 또는 냉방액을 일시 저장하고, 이를 상기 팽창변(330) 또는 절감기(340)와 연결되어 난방액 또는 냉방액이 인가되도록 한다.

상기 팽창변(330)은 상기 수액기(320)의 일측에 이동파이프(800)를 통해 연결되고, 수액기(320)에 응축되어 인가되는 난방액 또는 냉방액을 교축 작용에 의해 증발을 일정 압력까지 감압한다.

상기 절감기(340)는 상기 팽창변(330) 또는 수액기(320)의 일측에 이동파이프(800)에 의해 연결되며, 팽창변(330) 또는 수액기(320)에서 각각 인입되는 난방액 또는 냉방액의 열 교환이 이루어지도록 한다.

상기 전자팽창변(350)은 상기 절감기(340)의 일측에 이동파이프(800)를 통해 연결되며, 절감기(340)에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 유입량을 가감하여 이동파이프를 통해 공급되는 난방액 또는 냉방액의 흐름을 조절한다.

상기 공냉식열교환기(360)는 상기 전자팽창변(350)과 이동파이프(800)를 통해 연결되고, 전자팽창변(350)에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 온도를 외부의 온도에 의해 열의 발산 또는 흡수하여 일정 온도로 유지하도록 한다. 상기 공냉식열교환기(360)는 라디에이터, 증발기 등을 포함하여 구성되며, 상기 라디에이터 또는 증발기 또는 기타 열을 발산하고, 내부에 난방액 또는 냉방액이 이동될 수 있는 유로가 형성된 것 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 사방변(370)은 상기 공냉식열교환기(360)와 이동파이프(800)를 통해 연결되며, 공냉식열교환기(360)로부터 입력되는 난방액 또는 냉방액을 분할한다.

상기 기액분리기(380)는 상기 사방변(370)과 이동파이프(800)를 통해 연결되며, 난방액 또는 냉방액에서 기체와 액체를 분리한다.

상기 압축기(390)는 상기 기액분리기(380)와 이동파이프(800)를 통해 연결되고, 기액분리기(380)에서 인입되는 액체와 분리된 난방기체 또는 냉방기체를 일정 압력으로 상승시켜 사방변으로 인입되도록 한다.

그리고 상기 공냉식열교환기(360)의 일측에는 적어도 하나 이상의 모터와 결합된 팬을 포함하여 구성한다. 또한 공냉식열교환기(360)의 일측에 구성된 모터와 팬에 의해 공냉식열교환기 내에서 이동하는 난방액과 냉방액의 온도를 외부의 온도에 의해 난방액 또는 냉방액의 온도를 높이거나 낮출 수 있도록 한다.

상기 히트펌프(300)에 구성된 판식열교환기(310), 수액기(320), 팽창변(330), 절감기(340), 전자팽창변(350), 공냉식열교환기(360), 사방변(370), 기액분리기(380) 및 압축기(390)는 하나의 그룹으로 구성되고, 적어도 하나의 그룹을 포함하여 구성할 수 있다. 또한 상기 그룹은 적어도 두 그룹 이상 구성되어 물탱크(200)와 병렬로 연결될 수 있다.

상기 난방액은 판식열교환기(310), 수액기(320), 팽창변(330), 절감기(340), 전자팽창변(350), 공냉식열교환기(360), 사방변(370), 기액분리기(380), 압축기(390) 순으로 순환하고, 상기 사방변(370)에서 공급되는 난방액을 분기 시켜 팽창변(330)으로 인입되도록 한다.

상기 냉방액은 압축기(390), 기액분리기(380), 사방변(370), 공냉식열교환기(360), 전자팽창변(350), 절감기(340), 팽창변(330), 수액기(320) 및 판식열교환기(310) 순으로 순환되고, 상기 난방액이 순환하는 과정의 역순으로 순환한다.

상기 팬코일유닛(100)과 물탱크(200)의 사이에는 배관(400)이 설치되고, 상기 배관(400)은 제1배관과 제2배관으로 구성되어 난방수 또는 냉방수가 입출되는 것이며, 상기 제1배관과 제2배관을 별도로 구별하지 설명한다.

상기 배관(400)에 대해서는 당해 기술을 가진 자라면 누구나가 난방수 또는 냉방수가 팬코일유닛(100)으로 인입되거나 인출되도록 구성하는 것은 보편적인 구성이므로 이에 대하여 별도로 나누어 설명하지 않는다.

또한 물탱크(200)와 히트펌프(300) 사이에도 연결파이프(500)가 구성되고, 상기 연결파이프는 제1연결파이프와 제2연결파이프로 이루어지며, 상기 난방수 또는 냉방수의 인입 및 인출하는 관로를 형성하는 하는 것은 상기에서 언급한 바와 같이 당해 기술을 가진 자라면 누구나가 쉽게 구성할 수 있는 구성이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

도 3은 도 1의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 재열 사이클의 상태를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 먼저 히트펌프(300)에서 인입되는 난방수 또는 냉방수가 물탱크(200)로 인입되면, 상기 물탱크(200)에서는 배관(400) 상에 설치된 밸브(60)와 순환펌프(700)에 의해 팬코일유닛(100)으로 난방수 또는 냉방수를 공급한다.

상기 팬코일유닛(100)에 공급되는 난방수 또는 냉방수는 증발기(110)로 공급되고, 증발기(110)로 공급된 난방수 또는 냉방수는 증발기(110) 일측에 설치된 모터(120)의 구동에 의해 팬(130)이 회전하면서 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물 내부로 난방 또는 냉방이 이루어진다.

상기 증발기(110)의 열 또는 냉기를 빼앗긴 난방수 또는 냉방수는 배관(200)을 통해 물탱크(200)로 인입되고, 물탱크(200)로 인입된 난방수 또는 냉방수에 의해 물탱크(200) 내부의 온도는 떨어지거나 또는 올라가게 된다. 즉 난방수는 온도가 떨어진 상태가 되고 냉방수은 냉기를 빼앗기기 때문에 온도가 올라간다.

상기 물탱크(200)에 저장된 난방수 또는 냉방수은 순환펌프(700)에 의해 연결파이프(500)를 통해 강제로 히트펌프(300)로 공급된다. 상기 히트펌프(300)로 공급되는 난방수 또는 냉방수는 압축, 응축, 팽창 및 증발을 통해 난방수는 온도를 올리게 되고, 냉방수는 온도를 낮추게 된다.

상기 히트펌프(300)로 공급되는 난방수 또는 냉방수는 판식열교환기(310)로 공급되고, 판식열교환기(310)로 공급되는 난방수 또는 냉방수에 포함된 열은 히트펌프(300)를 순환하는 난방액 또는 냉방액에 의해 난방수는 온도를 올리고 냉방수는 온도를 낮추어 다시 물탱크(200)로 유입되도록 한다.

상기 히트펌프(300) 내에서 난방액이 순환되는 과정을 설명한다.

상기 판식열교환기(310)로 인입된 난방액 또는 냉방액은 물탱크(200)로부터 판식열교환기(310)로 인입되는 난방수의 온도가 높아진다. 상기 열과 냉기를 빼앗긴 난방액은 이동파이프(800)를 통해 수액기(320)로 공급되어 일시적으로 저장되고, 저장된 난방액은 응축 과정을 행한다.

상기 수액기(320)에서 응축된 난방액은 팽창변(330)과 절감기(340)로 분기되어 공급되고, 상기 팽창변(330)으로 공급된 난방액은 교축 작용에 의해 증발을 일정 압력까지 감압하여 절감기(340)로 공급하고, 상기 팽창변(330)으로 인입되지 않고 절감기(340)로 바로 인입된 난방액 또는 냉방액은 상기 팽창변(330)을 통해 인입된 난방액과 열 교환을 이룬다. 상기 열교환이 이루어진 상태에서 절감기(340)로 인입되는 난방액 또는 냉방액은 같은 온도를 유지하게 된다. 상기 팽창변(330)과 절감기(340)로 인입된 난방액은 압축기(390)로 인입된다.

그리고 상기 절감기(340)를 거친 난방액은 이동파이프(800)를 통해 전자팽창변(350)으로 인입되어 난방액의 유입량을 가감하면서 공냉식열교환기(360)로 공급한다.

상기 공냉식열교환기(360)는 라디에이터, 증발기 등을 포함하여 구성되며, 상기 라디에이터 또는 증발기 또는 기타 열을 발산하기 위해 내부에 난방액이 이동될 수 있는 유로와 함께 열 발산부재가 형성된 것 중 어느 하나로 구성되는 상기 공냉식열교환기(360)의 일측에 설치된 모터와 팬에 의해 난방액은 대기중의 열을 외부로 발산하여 온도를 낮추도록 한다. 상기 공냉식열교환기(360)를 통해 난방액의 온도를 낮추는 작용을 행한 후 사방변으로 난방액을 공급한다.

상기 사방변(370)은 인입되는 난방액 또는 냉방액을 분할하는데, 이때 공냉식열교환기(360)에서 공급되는 난방액은 도면에 도시된 바와 같이 사방변의 'E'로 인입되어 'S'로 인출되어 기액분리기로 인입되도록 한다.

상기 기액분리기(380)로 인입되는 난방액은 기체와 액체를 분리하여 상기 압축기(390)로 인입 한다.

그리고 상기 팽창변(330)을 통해 인입되는 난방액은 절감기(340)를 통해 압축기(390)로 인가되는데, 이때 압축기(390)에서는 기액분리기(380)와 절감기(340)를 통해 상기 난방액이 인입된다.

상기 압축기(390)에서는 기액분리기(380)에서 인입되는 액체와 분리된 난방기체 또는 냉방기체를 일정 압력으로 상승시켜 도면에 도시된 바와 같이 사방변의 'D'로 인입되고, 상기 'D'로 인입된 난방액은 사방변(370)의 'C'로 인출된다. 상기 'C'로 인출된 난방액은 판식열교환기(310)로 공급되어 물탱크에서 강제로 공급되는 난방수와 열을 교환하여 일정 온도를 유지하도록 한다.

도 4를 참조하면, 상기 물탱크(200)로 공급되는 난방수의 온도가 125℃에 도달하면, 압축기(390)의 동작은 정지하는데, 이때 팽창변(330)을 공급되는 난방수를 기액분리기(380)와 절감기(340)를 거쳐 압축기(390)로 인입되지 못하도록 팽창변(330)을 작동 또한 정지시켜 난방액의 온도를 일정 온도까지만 유지하게 한다.

또한 전자팽창변(350)으로 인입되는 온도가 103℃에 도달하면, 전자팽창변(350)은 최대한 개방시키는데, 이는 이동파이프(800)를 통해 흐르는 난방수의 온도를 외부와 열 교환이 일어나도록 공냉식열교환기(360)로 공급되도록 하여 난방액의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

상기와 같이 난방액은 재열 사이클에 의해 일반적인 전기히터를 이용하는 경우 전기에너지를 열에너지로 변환하는 경우 열효율이 90%인 것에 대비하여 본 발명의 히트펌프를 이용하는 경우 약 250%~300%에 이루는 열효율이 증대되는 장점이 있다.

또한 전기히터는 전기에너지를 직접적으로 열에너지로 전환하는 것에 비하여 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방장치는 대기중의 열을 빼앗아 오기 때문에 전기의 사용량은 매우 적으면서 효율이 증대되는 장점을 가진다.

도 5는 도 1의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치의 재냉 사이클의 상태를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 냉난방장치를 이용하여 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물의 내부를 냉방은 도 3에 도시된 바와 같이 재열 사이클이 이루어지는 역방향으로 재냉 사이클을 행하여 물탱크(200)로 냉기를 전달하고, 물탱크로 전달된 냉기는 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물의 내부에 설치된 팬코일유닛(100)에 의해 냉기를 토출한다.

상기와 같이 냉매 사이클을 이용하여 하우스, 체육관, 공장 등을 포함하는 건물의 내부를 냉방하는 경우 일반적인 에어컨디셔너에 의해 냉방을 행하는 효율에 비하여 매우 높은 효율을 갖는다.

도 6은 본 발명의 히트 펌프를 이용한 냉난방장치와 통상의 히트펌프를 이용한 냉난방장치의 재열 능력과 외기 온도를 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 히트펌프는 도면 도시된 바와 같이 외기 온도가 낮거나 또는 높은 경우에도 재열 능력이 통상의 히트펌프(300)보다 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 재열 능력은 통상의 히트펌프보다 높은 것을 확인할 수 있다.

또한 도 7은 본 발명에서 실시하는 히트펌프의 원리를 나타낸 것으로서, 저온의 10℃에서 히트펌프를 거쳐 고온의 40℃로 이동하면 일정시간이 지나면서 대기중의 열을 빼앗아 오기 때문에 10℃의 저온 측은 15℃로 이루어지고 고온의 40℃는 55℃로 변환되기 때문에 차가운 곳은 더 차갑게 되고 뜨거운 곳은 더 뜨겁게 하는 작용을 한다.

또한 도 8은 본 발명의 히트펌프 작동원리를 나타낸 것으로서, 냉매가스가 압축 → 응축(발열) → 팽창 → 증발(흡열) →압축의 과정을 반복하여 "냉동 싸이클"일 이루게 된다.

일반적인 보통히트펌프 저온 실온공기일 경우 재열운행시 증압력저하로 냉매비중이 감소하고, 그에 따른 압축기 토출 능력이 저하되어 재열능력이 떨어지는 반면에,

본원발명의 저온히트펌프는 저온운행시 압축기에 냉매주입이 자동으로 이루어져 압축기 토출량을 유지하며, 증발압력의 떨어짐을 방지하여 재열능력을 유지한다.

이와 같이 된 본 발명은 농작물 하우스, 체육관, 공장, 빌딩, 주택 등과 같이 공간이 넓은 지역을 효율적으로 냉난방이 이루어지도록 히트 펌프의 저온 운행시 압축기에 냉매가 자동으로 주입되어 압축기의 토출량을 일정하게 유지해 증발압력이 떨어지는 것을 방지하여 재열 능력을 일정하게 유지해 열 손실을 최소화하여 효율적인 냉난방을 꾀할 수 있는 히트펌프를 이용한 냉난방장치를 제공토록 한 것이다.

100: 팬코일유닛 110: 증발기
120: 모터 130: 팬
200: 물탱크 300: 히트펌프
310: 판식열교환기 320: 수액기
330: 팽창변 340: 절감기
350: 전자팽창변 360: 공냉식열교환기
370: 사방변 380: 기액분리기
390: 압축기 400: 배관
410: 제1배관 420: 제2배관
500: 연결파이프 600: 밸브
700: 순환펌프 800: 이동파이프

Claims

히트 펌프를 이용한 냉난방장치에 있어서,
농작물 하우스, 공장, 체육관, 학교, 축사 등을 포함하는 건물 내부 상부에 설치되는 팬코일유닛;
팬코이유닛으로 일정한 온도를 유지한 난방수 또는 냉방수를 제공하기 위하여 배관이 연결되는 물탱크;
물탱크와 연결파이프로 연결되고, 일정 온도를 갖는 난방수 또는 냉방수를 공급 및 회수하여 일정 온도를 유지할 수 있도록 재열 또는 재냉하는 히트펌프;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 팬코일유닛과 물탱크 및 물탱크와 히트펌프 사이의 배관에 설치되고, 난방수 및 냉방수의 공급 또는 차단하는 밸브;
상기 밸브의 일측에 설치되고, 난방수 또는 냉방수의 공급 및 회수를 제어하는 순환펌프;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 팬코일유닛은 물탱크와 연결되고, 하우스, 체육관, 공장을 포함하는 건물의 난방 또는 냉방을 하고자 하는 곳에 설치되는 증발기;
건물의 내측으로 발산시켜 재열 또는 재냉을 할 수 있도록 증발기 상부에 모터를 가지며 설치되는 팬;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 팬코일유닛은,
물탱크와 적어도 하나가 병렬 형태로 연결되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프는,
상기 물탱크의 일측에 연결파이프를 통해 연결되고, 물탱크로부터 인입되는 난방수 또는 냉방수에 포함된 열을 난방액 또는 냉방액을 통해 열을 교환하여 일정온도를 유지하기 위한 판식열교환기;
상기 판식열교환기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되며, 판식열교환기로부터 인입되는 고압의 난방액 또는 냉방액을 일시 저장하고, 저장한 난방액 또는 냉방액을 응축하는 수액기;
상기 수액기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되고, 수액기에 응축되어 인가되는 난방액 또는 냉방액을 교축 작용에 의해 증발을 일정 압력까지 감압하는 팽창변;
상기 팽창변 또는 수액기의 일측에 이동파이프에 의해 연결되며, 팽창변 또는 수액기에서 각각 인입되는 난방액 또는 냉방액의 열 교환이 이루어지도록 하는 절감기;
상기 절감기의 일측에 이동파이프를 통해 연결되며, 절감기에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 유입량을 가감하는 전자팽창변;
상기 전자팽창변과 이동파이프를 통해 연결되고, 전자팽창변에서 인입되는 난방액 또는 냉방액의 온도를 외부의 온도에 의해 열의 발산 또는 흡수하여 일정 온도로 유지하도록 하는 공냉식열교환기;
상기 공냉식열교환기와 이동파이를 통해 연결되며, 공냉식열교환기에서 입력되는 난방액 또는 냉방액을 분할하는 사방변;
상기 사방변과 이동파이프를 통해 연결되며, 난방액 또는 냉방액에서 기체와 액체를 분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기와 이동파이프를 통해 연결되고, 기액분리기에서 인입되는 액체와 분리된 난방기체 또는 냉방기체를 일정 압력으로 상승시켜 사방변으로 인입되도록 하는 압축기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 공냉식열교환기의 일측에는,
하나 이상의 모터와 결합된 팬이 더 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프에 구성된 판식열교환기, 수액기, 팽창변, 절감기, 전자팽창변, 공냉식열교환기, 사방변, 기액분리기 및 압축기는 하나의 그룹으로 구성되고, 적어도 두 그룹 이상 구성되어 물탱크와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 난방액은,
판식열교환기, 수액기, 팽창변, 절감기, 전자팽창변, 공냉식열교환기, 사방변, 기액분리기, 압축기 순으로 순환되고,
상기 사방변에서 공급되는 난방액을 분기 시켜 팽창변으로 인입되도록 하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.
제1항에 있어서,
상기 냉방액은,
압축기, 기액분리기, 사방변, 공냉식열교환기, 전자팽창변, 절감기, 팽창변, 수액기 및 판식열교환기 순으로 순환되고,
상기 난방액이 순환하는 과정의 역순으로 순환되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 냉난방장치.