KR20170043713A - 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 벌마이어 히트 펌프에 관한 것으로, 스프링 상수값(K)이 일정한 코일 스프링 대신에 피스톤의 운동 조건에 따라 K값을 가변시킬 수 있는 가스 스프링을 구성함으로써 피스톤의 운동 조건에 따른 다양한 제어가 가능하여 히트 펌프의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프{Vuilleumier heat pump using gas spring}

본 발명은 히트 펌프에 관한 것으로서, 특히 벌마이어 히트 펌프( Vuilleumier Heat Pump)에 관한 것이다.

기본적인 히트펌프 시스템은 외기, 저온수, 우물물 등의 저온 열원으로부터 열을 흡수하여 따뜻한 실내공기, 온수 등의 고온 열원을 만들어 열이 필요한 곳에서 열을 방출하는 장치이다.

저온부에서고온부로 열을 이동시키기 위해서는 구동에너지가 필요하다.

열원측(히트펌프에서 열을 받는 부분)과 히트펌프에서 열을 방출하는 부분의 열 교환매체에 따라서 공기 대 공기, 공기 대 물, 물 대 공기 및 물 대물 방식으로 구분하는 것이 보통이다.

유럽 및 북미 등지에 많이 보급되어 있는 지열이용 히트펌프시스템에서는 지열이 중요한 열원으로 이용되고 있으므로, 지열 대 물 또는 지열 대 공기의 방식도 생각할 수 있다.

전기 에너지 이외에도 열에너지를 이용한 구동을 들 수 있는데 증기, 고온수, 연소가스 등을 이용하는 흡수식 히트펌프가 대표적인 예이다. 연료를 직접 연소시키는 엔진을 이용하여 동력을 얻고, 이를 냉매의 압축을 위한 압축기의 구동에 이용하는 방식도 있는데, 가스를 연소시키는 엔진을 이용하여 히트펌프를 작동시키는 시스템이 많이 보급되어 있다.

열원으로 구동되는 엔진을 이용하는 스터링 엔진 구동히트펌프 및 VM(Vuilleumier)사이클 히트펌프도 널리 연구되어, 실용화가 시작되고 있다.

히트펌프시스템의 가장 큰 특징은 구동에 필요한 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 열에너지의 형태로 공급할 수 있다는 것이다. 이러한 점이 히트펌프를 사용할 때, 에너지를 합리적으로 이용하게 만드는 점이다.

히트펌프의 구동에 필요한 입력에너지에 대하여, 히트펌프가 공급한 출력 열에너지의 크기의 비를 성능계수(COP, Coefficient of Performance)라고 부르며, 대부분의 경우 1보다 큰 값을 갖는다.

전기에너지로 구동되는 증기 압축식 히트펌프의 기본적인 사이클은 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기로 구성된다. 저온, 저압의 기상 냉매를 압축하여 대기(또는 실내공기)의 온도보다 높은 온도의 고압 기체로 만들면, 대기(또는 실내공기)로 열을 방출할 수 있으며, 이때 방열되는 열에너지를 이용하는 것이 히트펌프의 기본 개념이다.

이와 같은 열의 방출은 응축기에서 일어나며, 동시에 작동유체인 냉매는 냉각되어 고압상태의 액체가 된다. 이를 팽창밸브 또는 모세관 등의 팽창장치를 이용하여 압력을 떨어뜨리면, 냉매의 온도는 급격히 하강하게 되고, 이 때 저온, 저압인 포화상태의 냉매가 된다. 저온 상태의 냉매는 외부로부터 열을 흡수할 수 있으므로 증발기를 이용하여 대기(또는 열원)로부터 열을 흡수하면 저온, 저압의 기체가 되며, 이를 다시 압축기로 보내면 결과적으로 증발기에서 흡수한 열을 응축기에서 방열하는 히트펌프 사이클을 이루게 된다.

히트펌프와 냉동기는 동일한 사이클이므로 난방 및 냉방용으로 작동시킬 수 있으며, 이는 압축한 기상냉매를 실내로 먼저 보낼 때에는 히트펌프로, 실외로 먼저 보낼 때에는 냉동기(가스컨)로 작동시킬 수 있다.

히트펌프는 열을 운반하는 냉매(프레온 가스)가 주입되어 있다. 냉매는 증발기에서 외부로 부터의 열을 흡수(열원)하면서 증발(액체->기체)하고 저온저압의 가스상태가 되어 압축기로 흡입된다. 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온고압 상태가 되어 응축기로 전달되며, 응축기에서는 열을 방출(온풍, 온수로 이용)하면서 냉매는 액화된다. 고압 액화된 냉매는 팽창변에서 감압되고, 저압저온 액화상태의 냉매는 증발기로 들어간다.

히트펌프는 이러한 사이클을 반복하면서 저온의 열을 회수하고 압축기 동력을 부가하여 필요한 고온의 열을 발생시킨다. 결국 히트펌프는 열을 만드는 장치가 아니라 운반하는 기능을 가지고 있으며, 히트펌프란 명칭도 저온의 열을 마치 펌프처럼 고온의 열로 끌어올리는 장치라는 개념적인 의미로 명명되었다. 이 히트펌프는 일반적인 냉동기와 비교하여 설명하면 다음과 같다. 냉동기는 히트펌프와 동일한 사이클로 운전하지만, 증발기에서 열을 흡수하는 과정에서 냉열(냉풍, 냉수로 이용)을 발생시켜 냉방에 이용하고, 응축기에서 발생되는 열은 외부에 방열(가스콘의 실외기, 냉동기의 냉각탑)시키는 원리로 운전된다. 물론 히트펌프도 증발기와 응축기측의 온열 및 냉열 이용방향을 바꾸면 냉동기와 같은 기능을 가지므로, 히트펌프 1대로 냉방과 난방(급탕)이 동시에 가능하다.

Vuilleumier Heat Pump는 stirling 기관의 원리는 스털링 사이클을 따르게 되어 있다. 스털링 사이클의 P-V 선도는 다음과 같다.

도 1은 이상적인 스털링 사이클을 나타내고 있는 P-V 선도이다. 그러나 현실의 스털링 기관의 P-V 선도는 도 2 및 도 3과 같이 나타난다.

이상적인 스털링 사이클에 가까운 효율 성능을 내도록 하려면 이상적인 스털링 사이클 P-V 선도에서 보이는 것과 같이 2->3, 4->1 구간에서 등적 (V-Constant) 압력 변화에 대응하도록 히트펌프 기능의 설계가 필요하다.

이러한 기능을 위해서는 히트 펌프 내부의 작동 유체의 유동을 담당하는 피스톤 구조의 개선이 필요하다.

스털링 기관은 도 4에서와 같이 2개의 피스톤을 크랭크로 연결하여 고온부의 작동에 따라서 저온부의 피스톤이 일정한 위상차를 두고 동작하게 된다. 따라서 도 5에서와 같은 사인파 형태의 피스톤 작동 곡선이 나타나게 된다.

도 6에서와 같은 구조를 가지는 Vuilleumier 히트 펌프가 제시되었으나, 히트펌프의 구조물의 평면적인 부피를 줄일 수는 있지만, 이 또한 열기관의 힘으로 자체 구동 하기 위하여 디스플레이서(피스톤)의 위상을 크랭크로 고정하기 ??문에 디스플레이서의 변위가 최대 체적을 가질 수 있는 상태가 되지 못하며, 고온 열원으로부터 열을 받는 시간과 히트 펌프의 흡열 시간을 조절할 수 없다.

따라서, 스털링 사이클의 이상적인 P-V 선도를 추종하게 하기 위해서는 피스톤이 개별로 작동하면서 피스톤 위상에 변화를 줄 필요가 있다. 피스톤의 움직임을 조정하면 피스톤 동작 속도와 체적 유지시간이 변화하고, 이에 따라 열전달 시간과 상태변화 경로가 변화하기 때문에 상태변화 경향의 변화가 발생하여, 상하의 피스톤을 개별적으로 동작할 수 있도록 하고, 피스톤의 위치와 동작 속도를 적절하게 제어할 수 있도록 하면, 히트 펌프의 효율을 유의적으로 변화시킬 수 있다.

Vuilleumier Heat Pump는 stirling 기관의 압축과정을 열역학적 압축과정으로 대체한 기관이다. 그러므로 Vuilleumier Heat Pump는 strling 기관과 같은 큰 동력을 얻을 수 없는 반면 냉난방기로의 성능이 높아서 동력기관이 아닌 냉난방기로 주로 사용된다. Vuilleumier Heat Pump는 스털링 기관의 P-V 선도에서 2->3, 4->1 구간을 이상적인 카르노 열펌프 사이클의 경로에 근접하도록 히트펌프의 기능의 설계가 필요하다.

이상 설명한 배경기술의 내용은 이 건 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

US 2015/0075209A1

본 발명은 상기한 요구를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 개별적으로 동작할 수 있는 피스톤 기구를 가지는 Vuilleumier 히트펌프에 대해서 단방향 동작 액츄에이터의 복원을 위한 스프링 구조를 가스 스프링 장치로 구성함으로써 액츄에이터 제어성능 향상, 제어 속도 및 위치 제어 정밀도 향상을 실현할 수 있는 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프를 제공하는데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프는, 개별적으로 동작할 수 있는 피스톤 기구를 가지는 벌마이어 히트펌프에 있어서, 피스톤이 왕복운동하는 하우징 내에 상기 피스톤의 로드가 이동하는 공간에 가스 챔버를 구성하고, 상기 가스 챔버를 통해 상기 피스톤에 제공되는 가스 스프링의 탄성력을 가변시킬 수 있도록 상기 피스톤의 왕복 운동 상태에 따라 가스 챔버의 내부 압력을 변화시킬 수 있게 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.

본 발명에 따른 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프는, 스프링 상수값(K)이 일정한 코일 스프링 대신에 피스톤의 운동 조건에 따라 K값을 가변시킬 수 있는 가스 스프링이 구성되기 때문에 피스톤의 운동 조건에 따른 다양한 제어가 가능하여 히트 펌프의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 6은 본 발명을 도출하기 위한 참고도들이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프를 설명하기 위한 도면들이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명을 설명한다.

하우징 내에 상하 이동하는 피스톤이 구성된다.

하우징은 그 내부가 피스톤을 중심으로 두 개의 챔버 영역(예를 들면, 고온챔버와 저온챔버)으로 나누어진다.

피스톤은 영구자석A와 전자코일의 상호 작용을 통해 상하로 이동한다.

이 피스톤과 연결된 피스톤 로드가 이동하는 공간에는 피스톤의 상하 이동시에 가스 스프링이 작용을 하는 가스 챔버(A)가 구성된다.

가스 챔버는 가스 스프링의 탄성력(K)을 변화시키는 가스 액츄에이터가 구비된다. 가스 액츄에이터는 다이어프램 방식으로 내부 체적을 변화시킴으로써 c와 b의 공간을 통해 가스 챔버(A)에서 구현되는 스프링 상수(K)를 변화시키도록 구성된다.

다이어프램을 작동하는 방식은 영구자석B와 전자코일B를 이용한 전자석 액츄에이터를 이용할 수 있다. 또한 공유압식, 리니어 모터 등을 이용하여 구성하는 것도 가능하다.

따라서, 영구자석A와 전자코일A에 의해 피스톤이 상하로 이동할 때 영구자석B와 전자코일B를 이용하여 다이어프램의 위치를 적절하게 변경함으로써 피스톤의 이동 속도 등을 제어하여, 히트 펌프 제어의 필요에 따라 다양한 제어가 가능하게 된다.

예를 들면, 피스톤이 상승할 때 다이어프램을 전진시키게 되면 피스톤이 상승하는데 필요한 힘을 일정 정도 배가(반력 높임)하게 되고, 피스톤이 하강할 때 다이어프램을 후진시키면 역시 피스톤이 하강하는 힘을 일정 정도 배가하게 된다.

이와 같은 방식으로 피스톤에 제공되는 가스 스프링의 탄성력의 제어하게 되면, 히트 펌프의 제어성능, 제어 속도 및 위치 제어 정밀도 등을 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 구조를 이용하면 피스톤의 동작을 도 8의 그래프와 같이 동작시킬 수 있다.

또한 곡선을 그리던 피스톤의 위상변화를 도 9에서와 같이 사각파에 가깝게 만들어 줌으로서 종래 크랭크를 통해 동시에 동작하여 체적변화를 일으키며 진행되던 P-V선도를 체적변화 없이 등적 조건에서 압력변화를 줄 수 있어 기관의 효율을 높여줄 수 있게 된다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (1)

1. 개별적으로 동작할 수 있는 피스톤 기구를 가지는 벌마이어 히트펌프에 있어서,
   피스톤이 왕복 운동하는 하우징 내에 상기 피스톤의 로드가 이동하는 공간에 가스 챔버를 구성하고,
   상기 피스톤의 왕복 운동 상태에 따라 상기 가스 챔버의 내부 압력을 변화시켜, 상기 피스톤에 제공되는 가스 스프링의 탄성력을 가변시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 스프링을 이용한 벌마이어 히트 펌프.
   

Images