KR20170000028U - 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 고안은 제1냉매가 유동하는 제1 사이클과 제2냉매가 유동하는 제2 사이클이 캐스케이드 열교환기를 통하여 열교환 되고, 상기 캐스케이드 열교환기는, 팬에 의해 공기가 유동되는 냉각핀이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관이 구비되고, 상기 냉각핀에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐이 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프에 관한 것이다.

Description

실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프{cascade heat pump with improvement on heat exchange efficiency}

본 고안은 제1냉매가 유동하는 제1 사이클과 제2냉매가 유동하는 제2 사이클이 캐스케이드 열교환기를 통하여 열교환 되고, 상기 캐스케이드 열교환기는, 팬에 의해 공기가 유동되는 냉각핀이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관이 구비되고, 상기 냉각핀에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐이 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프에 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 물을 가열하는 장치이다.

최근에는 시스템의 효율을 높이기 위하여, 제1 냉매를 순환시키는 제1 냉매 사이클과, 제2 냉매를 순환시키는 제2 냉매 사이클을 포함하고, 열교환기를 통해 제1 냉매와 제2 냉매가 열교환되도록 하는 캐스케이드 히트펌프 장치가 개발되었다.

이 경우 실외기는 실외 압축기, 실외 열교환기, 실외 팽창기, 냉매 열교환기를 포함하여 제1 냉매 사이클을 구성하고, 실내기는 실내 압축기, 상기 냉매 열교환기, 실내 팽창기, 실내 열교환기를 포함하여 제2 냉매 사이클을 구성한다.

이때 냉매 열교환기는, 제1 냉매 사이클과 제2 냉매 사이클에서 모두 사용되며, 상기 냉매 열교환기에서 제1 냉매와 제2 냉매의 열교환이 이루어진다.

즉 냉매 열교환기가 실내기에서 응축기로 사용될 경우 실외기에서는 증발기로 사용되며, 상기 냉매 열교환기가 실내기에서 증발기로 사용될 경우 실외기에서는 응축기로 사용된다.

따라서 냉매 열교환기가 제1 냉매 사이클의 응축기로 사용된다면, 실외기를 순환하는 제1 냉매는 냉매 열교환기에서 열을 방출하여 응축된다. 이때 실내기의 제2 냉매 사이클을 순환하는 제2 냉매는, 냉매 열교환기를 통과하면서 제1 냉매가 방출한 열을 획득하여 증발된다. 반면 냉매 열교환기가 제1 냉매 사이클의 증발기로 사용될 경우에는, 일련의 과정이 반대로 이루어지게 된다.

이와같은 기술과 관련되어 종래의 특허 제1337712호에 캐스케이드 히트펌프 장치가 제시되고 있으며 그 구성은 도1에서와 같이, 캐스케이드 히트펌프 장치(1)는, 제1 냉매 사이클(10), 제2 냉매 사이클(20), 급탕 사이클(30), 온수난방 사이클(40)을 포함한다.

그리고, 상기 제1냉매 사이클(10)은, 실외 압축기(12)와, 실외 열교환기(13)와, 실외 팽창기(14)와, 축열조(25)와, 실외 냉매 배관(15)을 포함하여 냉매 사이클을 구성하나 상기 제1 냉매 사이클(10)은 실외기(11)에 구성될 수 있다.

또한, 상기 제2냉매 사이클(20)은, 상기 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매를 사용하는 냉매 사이클로서 실내 압축기(22)와, 상기 축열조(25)와, 실내 팽창기(24)와, 고온 축열조(23)와, 실내 냉매배관(26)을 포함하여 냉매 사이클을 구성하나 상기 제2 냉매 사이클(20)은 실내기(21)에 구성될 수 있다.

더하여, 상기 급탕 사이클(30)은, 급수 배관(31), 출수 배관(32), 물 저장부(33), 가열배관(34)을 포함하는 구성으로 이루어 진다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프는, 고온의 극한 지역에서 사용시 응축기에서의 냉매 온도 저하가 힘들어 히트펌프 전체적인 효율저하를 가져오는 단점이 있는 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 고안의 목적은, 여름철 실외기에 냉각된 물을 분사하는 구성에 의해 기화냉각하면서 냉매가 통과하는 이중의 냉각구조에 의해 극한의 온도 조건에서도 신속한 냉각이 가능토록 하고, 실외기에서 냉매의 냉각효율을 높여 히트펌프 전체적인 효율 상승을 가져도록 하며, 제2냉매액의 일부를 바이패스하여 효율을 향상시키도록 하는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공하는데 있다.

본 고안은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기, 상기 캐스케이드 열교환기를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치 및 상기 제1 팽창장치를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 제1열교환기를 구비하는 제1 사이클과,

제2 냉매를 압축하는 제2 압축기, 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하를 열교환시키는 제2열교환기, 상기 제2열교환기를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치, 및 상기 제2팽창장치를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기를 구비하는 제2사이클로 이루어지고,

상기 캐스케이드 열교환기는, 팬에 의해 공기가 유동되는 냉각핀이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관이 구비되고, 상기 냉각핀에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐이 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공한다.

또한, 본 고안은 캐스케이드 열교환기는, 제2압축기에 연결되는 외관, 상기 외관의 내측에 삽입되면서 제1압축기에 연결되는 내관으로 이루어진 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공한다.

그리고, 본 고안은 제1압축기에서 배출되면서 제1팽창장치 유입전의 제1냉매와 제2압축기의 제2팽창장치를 통과한 제2냉매가 열교환되도록 제3열교환기가 더 구비되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공한다.

더하여, 본 고안의 노즐은, 물을 냉매로 하는 수조에 연결될 때 냉각핀을 향하여 물을 분사토록 설치되고, 상기 수조에는 제2압축기에 연결되는 제2팽창장치를 통과한 제2냉매와 열교환토록 제4열교환기가 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공한다.

계속하여, 본 고안의 제1열교환기가 실내에 설치되어 증발기로 사용될 때 제2압축기는 제1압축기보다 소용량이 사용되면서 제2열교환기는 외부에 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프를 제공한다.

이상과 같이 본 고안에 의하면, 여름철 실외기에 냉각된 물을 분사하는 구성에 의해 기화냉각하면서 냉매가 통과하는 이중의 냉각구조에 의해 극한의 온도 조건에서도 신속한 냉각이 가능하고, 실외기에서 냉매의 냉각효율을 높여 히트펌프 전체적인 효율을 상승시키며, 제2냉매액의 일부를 바이패스하여 효율을 향상시키는 효과가 있는 것이다.

도1은 종래의 캐스케이드 히트펌프 장치를 도시한 회로도이다.
도2는 본 고안에 따른 캐스케이드형 히트펌프를 도시한 회로도이다.
도3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 캐스케이드형 히트펌프를 도시한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 고안의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 고안에 따른 캐스케이드형 히트펌프를 도시한 회로도이고, 도3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 캐스케이드형 히트펌프를 도시한 회로도이다.

본 고안의 히트펌프(H)는, 제1냉매가 유동하는 제1 사이클(100)과 제2냉매가 유동하는 제2 사이클(200)이 캐스케이드 열교환기(300)를 통하여 열교환 되도록 설치된다.

그리고, 상기 제1사이클(100)은, 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기(110), 상기 제1 압축기(110)에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기(300), 상기 캐스케이드 열교환기(300)를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치(130) 및 상기 제1 팽창장치(130)를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 제1열교환기(150)를 구비한다.

이때, 상기 제1열교환기(150)는 여름철 사용시 실내에서 열교환하는 증발기의 역활을 수행토록 한다.

또한, 상기 제1압축기(110)가 제1사방밸브(170)를 통하여 역으로 동작할 때 응축기의 역활을 수행하는 제1열교환기(150)의 후단에 제3팽창장치(190)가 더 설치된다.

그리고, 상기 제2사이클(200)은, 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기(210), 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하를 열교환시키는 제2열교환기(250), 상기 제2열교환기(250)를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치(230), 및 상기 제2팽창장치(230)를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기(300)를 구비한다.

이때, 상기 제2열교환기(250)는 여름철 사용시 실외에 설치되면서 응축기의 역활을 수행토록 하고, 상기 제2열교환기(250)는 응축시 열전달이 최소화 되도록 제1열교환기 보다 상대적으로 저 용량을 갖도록 설치된다.

또한, 상기 제2압축기(210)가 제2사방밸브(170)를 통하여 역으로 동작할 때 증발기의 역활을 수행하는 제2열교환기(250)의 전단에 제4팽창장치(290)가 더 설치된다.

그리고, 상기 캐스케이드 열교환기(300)는, 팬(310)에 의해 공기가 유동되는 냉각핀(320)이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관(350)이 구비되고, 상기 냉각핀(320)에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐(370)이 설치된다.

이때, 상기 이중열교환관(350)은, 제1압축기(110)에 연결되는 외관(351), 상기 외관의 내측에 삽입되면서 제2압축기에 연결되는 내관(353)으로 이루어진다.

또한, 상기 노즐(370)은, 물을 냉매로 하는 수조(380)에 연결될 때 냉각핀을 향하여 물을 분사토록 설치된다.

더하여, 상기 수조(380)에는 제2압축기에 연결되는 제2팽창장치(230)를 통과한 제2냉매와 열교환토록 제4열교환기(360)가 설치된다.

또한, 상기 제1압축기(110)에서 배출되는 고온고압의 제1냉매와 제2압축기(210)로 유입되는 제2냉매가 제5열교환기(280)를 통하여 설 열교환 되도록 설치된다.

그리고, 상기 제1압축기(110)에서 배출되면서 제1팽창장치(130) 유입전의 제1냉매와 제2압축기(210)의 제2팽창장치(230)를 통과한 제2냉매가 열교환되도록 제5열교환기(340)가 더 구비되는 구성으로 이루어 진다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 고안의 동작을 설명한다.

도2 및 도3에서와 같이 본 고안의 히트펌프(H)는, 제1냉매가 유동하는 제1 사이클(100)과 제2냉매가 유동하는 제2 사이클(200)이 캐스케이드 열교환기(300)를 통하여 열교환 되도록 설치된다.

이때, 상기 캐스케이드 열교환기(300)에서는 여름철 사용시 제1압축기(110)에서 공급되는 고온 고압의 제1냉매가 제2압축기(210)에서 공급되는 저온저압의 제2냉매와 열교환하여 냉매의 냉각효율을 높이게 된다.

그리고, 상기 제1사이클(100)은, 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기(110)에서 제1냉매를 압축한 후 응축기의 역활을 수행하는 캐스케이드 열교환기(300)에 공급하고, 상기 캐스케이드 열교환기(300)를 거친 제1 냉매를 제1 팽창장치(130)를 통하여 저온저압으로 냉매로 변환된 후 제1열교환기(150)에 전달되어 외부의 유체와열교환함으로써 냉방기로의 사용이 가능토록 된다.

또한, 상기 제1압축기(110)가 제1사방밸브(170)를 통하여 역으로 동작할 때 응축기의 역활을 수행하는 제1열교환기(150)의 후단에 제3팽창장치(190)가 더 설치되어 제2열교환기(150)는 히터로서 사용할 수도 있다.

그리고, 상기 제2사이클(200)은, 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기(210)에서 제2냉매를 압축한 후 응축기의 역활을 수행하는 제2열교환기(250)에 공급하고, 상기 제2 냉매는 제2 팽창장치(230)를 통하여 저온저압으로 냉매로 변환된 후 캐스케이드 열교환기(300)에 공급된다.

더하여, 상기 캐스케이드 열교환기(300)는, 팬(310)에 의해 공기가 유동되는 냉각핀(320)이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관(350)이 구비되고, 상기 냉각핀(320)에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐(370)이 설치되어 제1압축기를 통과한 고온고압의 제1냉매가 내경 및 외경측에서 동시에 냉각토록 된다.

즉, 상기 이중열교환관(350)은, 제1압축기(110)에 연결되는 외관(351), 상기 외관의 내측에 삽입되면서 제2압축기에 연결되는 내관(353)으로 이루어져 내관(353)을 통과하는 저온저압의 제2냉매 및 상기 외관(351)의 외측에 분사되는 물의 기화냉각에 의해 냉각효율을 극대화 시키게 된다.

또한, 상기 노즐(370)은, 물을 냉매로 하는 수조(380)에 연결될 때 냉각핀을 향하여 물을 분사토록 설치되어 기화가 용이하게 된다.

더하여, 상기 수조(380)에는 제2압축기에 연결되는 제2팽창장치(230)를 통과한 제2냉매와 열교환토록 제4열교환기(360)가 설치되어 냉각되는 저온저압의 제2냉매에 의해 열전달이 이루어진 저온의 물을 분사토록 한다.

그리고, 상기 제1압축기(110)에서 배출되면서 제1팽창장치(130) 유입전의 제1냉매와 제2압축기(210)의 제2팽창장치(230)를 통과한 제2냉매가 열교환되도록 제5열교환기(340)가 더 구비되어 제1팽창장치(130)에 공급되는 제1냉매의 온도를 낮춰팽창효율을 높이게 된다.

또한, 상기 제1압축기(110)에서 배출되는 고온고압의 제1냉매와 제2압축기(210)로 유입되는 제2냉매가 제5열교환기(280)를 통하여 열교환되어 제2냉매의 온도를 상승시켜 압축효율을 높이게 되는 것이다.

100...제1사이클
200...제2사이클
300...캐스케이드 열교환기
350...이중열교환관
370...노즐
380...수조

Claims (1)

1. 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기, 상기 캐스케이드 열교환기를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치 및 상기 제1 팽창장치를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 제1열교환기를 구비하는 제1 사이클과,
   제2 냉매를 압축하는 제2 압축기, 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하를 열교환시키는 제2열교환기, 상기 제2열교환기를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치, 및 상기 제2팽창장치를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기를 구비하는 제2사이클로 이루어지고,
   상기 캐스케이드 열교환기는, 팬에 의해 공기가 유동되는 냉각핀이 외측에 구비되면서 제1냉매와 제2냉매가 반대의 흐름으로 통과하도록 이중열교환관이 구비되고, 상기 냉각핀에 기화냉각이 가능토록 물 분사용 노즐이 설치되며,
   상기 이중열교환관은, 제1압축기에 연결되어 고온의 냉매가 통과하는 외관의 내경측에 제2압축기에 연결되어 저온의 냉매가 통과하는 내관이 삽입토록 설치되고,
   상기 제1압축기에서 배출되면서 제1팽창장치 유입전의 고온의 제1냉매와 제2압축기의 제2팽창장치를 통과한 저온의 제2냉매가 열교환되도록 제3열교환기가 더 구비되며,
   상기 노즐은, 물을 냉매로 하도록 수조에 연결되면서 외측에 연결되는 냉각핀을 향하여 물을 분사토록 설치되고, 상기 수조에는 제2팽창장치를 통과한 저온의 제2냉매와 열교환토록 제4열교환기가 설치되고,
   상기 제1열교환기가 실내에 설치되어 증발기로 사용될 때 제2압축기는 제1압축기보다 적은 용량이 사용되면서 제2열교환기는 외부에 설치되는 실외기의 열교환효율을 높인 캐스케이드형 히트펌프.

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