KR20180014570A - 열교환기 교번타입 히트펌프시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간단한 구성에 의해 열교환기의 교번운전이 가능하도록 구비되어 제작상의 편리함을 제공함과 동시에 다수의 열원을 수시로 교번하여 운전이 가능한 새로운 구조의 열교환기 교번타입 히트펌프시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열매체가 순환되도록 구비된 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(31), 부하측(실내측) 열교환기(32), 팽창밸브(33,34), 열원측(실외측) 열교환기(35,36)를 포함하여 이루어진 히트펌프시스템에 있어서; 상기 순환라인(20) 상에 연결되어 선택적으로 냉난방운전 또는 제상운전이 가능하도록 된 제1 열원측(실외측) 열교환기(35) 및 제2 열원측(실외측) 열교환기(36)와; 상기 압축기(31) 측에 위치되도록 상기 순환라인(20) 상에 구비되어 냉방 또는 난방운전에 따라 열매체의 흐름을 절환하도록 된 냉난방 절환밸브(37)와; 상기 냉난방 절환밸브(37)와는 별도로 상기 순환라인(20) 상에 구비되어 상기 제1 열원측(실외측) 열교환기(35) 또는 제2 열원측(실외측) 열교환기(36) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 된 열교환기 절환밸브(38)를 포함하여 이루어진 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.

Description

열교환기 교번타입 히트펌프시스템{Alternate heat exchanger type heat pump system}
본 발명은 열교환기 교번타입 히트펌프시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성에 의해 열교환기의 교번운전이 가능하도록 구비되어 제작상의 편리함을 제공함과 동시에 다수의 열원을 수시로 교번하여 운전이 가능한 새로운 구조의 열교환기 교번타입 히트펌프시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 압축기, 응축기, 증발기 그리고 팽창밸브를 순환하는 냉매의 상변화를 통해 열을 흡수 또는 방출하여 냉온수 또는 냉난방을 공급하도록 된 장치(또는 시스템)로, 이러한 종래의 히트펌프 일례를 도시된 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉매의 순환사이클을 형성하도록 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(11), 제1 열교환기(12), 제2 열교환기(13) 및 팽창밸브(14,15)가 구비되고, 냉방(또는 냉수)과 난방(또는 온수)에 따라 냉매의 흐름을 절환할 수 있는 절환밸브(16)가 구비되며, 상기 각 팽창밸브(14,15) 측에는 냉난방에 따른 냉매의 흐름이 변경하도록 체크밸브(17,18)가 구비되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 제1 열교환기(12)와 제2 열교환기(13)는 냉방 또는 난방모드에 따라 응축기 또는 증발기로 작동하게 되고, 상기 팽창밸브(14,15)는 냉방과 난방에 따라 별도의 팽창밸브(14,15)에 의해 냉매를 팽창하여 순환이 이루어지도록 결합되어 있다.
이와 같은 히트펌프는 상기 제1 열교환기 또는 제2 열교환기 중의 어느 하나에 냉방(또는 냉수)과 난방(또는 온수) 등과 같은 부하측과의 라인이 연결되는데, 종래에는 상기 부하측에 연결되지 않은 다른 하나에 지열이나 폐온수 또는 외기 등과 같은 별도의 열원이 전혀 연결되지 않음에 따라 열교환 효율을 개선하는 데에 한계가 있을 뿐만 아니라 단일의 열원이 연결되어 필요에 따라 또는 선택적으로 서로 다른 열원을 사용하는 데에 한계가 있는 것이다.
또한 통상적으로 히트펌프는 겨울철의 난방시(또는 온수 생산시)에 실외온도가 낮음에 따라 실외에 설치되는 상기 제1 열교환기(12) 또는 제2 열교환기(13)에 적상(積霜)이 발생되고, 이에 의해 난방능력이 급격히 저하되거나 또는 제상하기 위한 별도의 제상운전을 요하게 되는데, 종래의 히트펌프는 계절적 요인(실외의 온도)에 의한 작동능력이 현저한 차이를 나타내는 것으로, 이는 상기 압축기(11)에 의해 생성된 고온 고압의 가스(hot gas)를 실외측에 위치된 상기 제2 열교환기(13) 측으로 유도하여 제상(통상의 핫가스제상)을 행하게 되는데, 이러한 경우에 종래의 히트펌프는 핫가스를 제2 열교환기(13) 측에 공급하기 위해 상기 제1 열교환기(12)에 의한 난방이 일시적으로 중단됨으로 인해 연속적인 난방공급이 불가능하게 되는 문제점이 있는 것이다.
또한 종래의 히트펌프는 압축기(11)의 작동이 정지된 상태로 제상운전이 이루어짐에 따라 정상운전시에 상기 압축기(11)를 재가동할 때에, 상기 제2 열교환기(13)로부터 응축된 액상의 냉매가 상기 압축기(11)로 유입됨에 따라 액압축에 따른 압축기의 소손 우려가 있어 장치의 고장이나 손상이 발생될 우려가 있는 것이다.
한국 공개특허공보(특1998-017695호) 1998. 06. 05.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 상호 교번운전이 가능하도록 된 다수의 열교환기가 구비되어 열교환 효율을 증대시킴과 동시에 각 열교환기의 교번운전을 위해 구성이 간단하여 제작상의 편리함을 제공할 수 있으며, 또한 상기 각 열교환기에 상호 다른 열원을 연결하여 수시로 교번 또는 선택운전이 가능하여 정상운전 및 제상운전시의 열효율을 증대시킬 수 있는 새로운 구조의 열교환기 교번타입 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 열매체가 순환되도록 구비된 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(31), 응축기, 팽창밸브(33,34) 및 증발기를 포함하여 이루어진 히트펌프시스템에 있어서;
상기 순환라인(20) 상에 연결되어 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 냉방(냉수) 또는 난방(온수)를 공급하도록 부하(R,R1,R2)에 연결되거나 외기나 지열 또는 폐열을 포함한 열원(S,S1,S2)에 연결되는 제1 열교환기(32)와;
상기 제1 열교환기(32)에 대응되어 상기 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고, 상기 제1 열교환기(32)의 연결상태에 대응되어 상기 열원(S,S1,S2) 또는 부하(R,R1,R2)에 연결되는 제2 및 제3 열교환기(35,36)와;
상기 순환라인(20)의 열매체의 흐름방향에 따라 상기 팽창밸브(33,34)의 전단 또는 후단에 위치되도록 구비되어 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 된 열교환기 절환밸브(38)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압축기(31) 측에는 상기 순환라인(20) 상에 구비되어 냉방 또는 난방운전에 따라 열매체의 흐름을 절환하도록 된 냉난방 절환밸브(37)가 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제2 열교환기(35)는 다수의 열원 중에서 어느 하나에 해당되는 제1 열원(S1)에 연결되거나 또는 냉방(냉수)이나 난방(온수) 중의 어느 하나에 해당되는 제1 부하(R1)에 연결되고, 상기 제3 열교환기(36)는 상기 제1 열원(S1)이나 제1 부하(R1)와는 다른 제2 열원(S2) 또는 제2 부하(R2)에 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 팽창밸브(33,34)는 냉방 또는 난방운전시에 선택적으로 작동되도록 된 제1 팽창밸브(33)와 제2 팽창밸브(34)로 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 열교환기(32) 측에는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 대응되어 응축기 또는 증발기로 작동되는 제4 열교환기(44)가 구비되고, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 제1 열교환기(32) 또는 제4 열교환기(44) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 된 다른 열교환기 절환밸브(45,46)가 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 부하(R) 측에는 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 연속적으로 통과하도록 된 고온공급라인(50)이 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템이 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 순환라인(20) 상에 응축기나 증발기로 작동되는 제1 열교환기(32)가 연결되고, 상기 제1 열교환기(32)에 대응되어 증발기나 응축기로 작동되는 제2 및 제3 열교환기(35,36)가 구비됨으로써, 냉난방운전 중에 두 개의 열교환기(35,36)를 모두 사용하거나 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36) 중의 어느 하나를 선택적으로 사용함에 따라 다양한 부하(R,R1,R2)에 대한 효율적인 대처가 가능할 뿐만 아니라 고장이나 작동불량 등이 발생될 때에 대체사용이 가능하여 장치의 연속작동에 따른 마모나 소모 등에 따른 문제점을 해소할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 제상운전 중에도 난방공급을 일시정지할 필요가 없이 연속운전이 가능하며, 제상운전시에 압축기(31)를 정상가동할 때에 응축된 액이 압축기(31)로 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 압축기(31)에 의해 액압축함에 따른 장치의 소손을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 냉방 또는 난방운전에 따른 열매체의 흐름을 절환하는 냉난방 절환밸브(37) 이외에도 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 열교환기 절환밸브(38)가 구비됨으로써, 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제2 또는 제3 열교환기(35,36)에 열매체를 선택적으로 흐르도록 제어하는 것이 매우 용이할 뿐만 아니라 그에 따른 장치의 제작이나 유지보수 상의 편리함을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)에 지열이나 폐수열 또는 외기와 같은 열원(S,S1,S2) 중에서 상호 다른 제1 열원(S1)과 제2 열원(S2)을 열교환 가능하게 연결함으로써, 계절적 특성이나 운전환경의 특성을 고려하여 상기 제2 열교환기(35)나 제3 열교환기(36)를 선택적으로 사용할 수 있으며, 이에 의해 계절이나 운전환경 등에 관계없이 열교환 효율을 최적화한 상태로 운전이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명은 냉방 또는 난방운전시에 선택적으로 작동되는 제1 팽창밸브(33)와 제2 팽창밸브(34)가 구비됨으로써, 상기 냉난방 절환밸브(37)와 열교환기 절환밸브(38) 이외의 밸브 구성을 최소화한 상태에서도 냉방운전이나 난방운전 또는 제상운전을 위해 열매체의 흐름에 따라 용이하게 작동될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 히트펌프시스템 일례를 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구성 및 열교환 흐름도
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 다른 열교환 흐름도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 열교환 흐름도
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다른 열교환 흐름도
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 또 다른 열교환 흐름도
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구성 및 열교환 흐름도
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환 흐름도
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 23은 본 발명의 다양한 실시예를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 응축기나 증발기로 작동되는 제1 열교환기(32)에 대응되어 증발기나 응축기로 작동되는 다른 열교환기(35,36)가 다수로 구비되어 필요에 따라 선택적으로 사용 가능한 열교환기 교번타입 히트펌프시스템으로, 본 발명은 열매체가 순환되도록 연장 형성된 순환라인(20)에 의해 열매체의 상변화에 따라 열교환이 이루어지도록 된 압축기(31)와 제1 열교환기(32), 팽창밸브(33,34), 제2 및 제3 열교환기(35,36)가 상호 연결되고, 상기 순환라인(20) 상에는 냉방(또는 냉수)과 난방(또는 온수)에 따라 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체의 흐름을 절환하도록 된 냉난방 절환밸브(37)가 구비되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 제1 열교환기(32)에는 사용처에 냉난방(또는 냉온수)를 공급하도록 부하(R) 측의 냉온수라인(40)이 연결되는 통상의 실내기에 상응하는 것이고, 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)는 통상의 실외기에 상응하여 열매체의 열의 외부로 방출하거나 외부열을 흡수하도록 된 것으로, 각 열교환기(32,35,36)는 냉방 또는 난방모드에 따라 증발기나 응축기로 작동하는 것이다.
본 발명에서는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)의 구성이 냉난방을 공급하는 정상운전이나 제상작업을 위한 제상운전 또는 계절적 특성이나 외부환경 등에 따라 수시로 교번운전이 가능하도록 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)로 이루어지고, 상기 순환라인(20) 상에는 운전상태에 따라 열매체의 흐름을 제어하도록 된 열교환기 절환밸브(38)가 구비된 것이다.
또한 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에는 지열이나 폐수열(폐온수) 또는 외기 등과 같은 열원(S1,S2)을 순환시켜 열교환이 가능하도록 구비될 수 있는데, 상기 제2 열교환기(35)에는 열원(S1,S2) 중의 어느 하나에 해당되는 제1 열원(S1)이 열교환 가능하게 구비되고, 상기 제3 열교환기(36)에는 상기 제1 열원(S1)과는 다른 제2 열원(S2)이 열교환 가능하게 구비되게 된다. 이때에 지열이나 폐수열과 같은 열원(S1,S2)은 별도의 열원공급라인(41)으로 연결되지만, 외기를 사용할 때에는 별도의 열원공급라인(41)이 직접적으로 연결되지 않을 수도 있는 것이다.
이와 같은 열원(S1,S2)이 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 결합되는 경우에는 열원(S1,S2)과의 열교환에 의해 상기 각 열교환기(35,36)의 열효율을 증대시켜 상기 제1 열교환기(32)에 의한 냉난방효과를 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 장치의 전체적인 성적계수를 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 상호 다른 제1 열원(S1)과 제2 열원(S2)을 각각 결합하게 되면, 각 열원(S1,S2)의 공급상태나 계절적 특성에 따른 온도변화 또는 설치장소 등의 운전환경에 따라 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 선택적 또는 수시로 교번하여 사용 가능하게 된다.
또한 상기 순환라인(20) 상에는 냉방 또는 난방운전에 따라 응축기로 작동하는 상기 각 열교환기(32,35,36)를 통과한 열매체를 감압하기 위한 팽창밸브(33,34)가 구비되는데, 상기 팽창밸브(33,34)는 냉방 또는 난방운전시에 선택적으로 작동되는 제1 팽창밸브(33)와 제2 팽창밸브(34)가 별도로 구비될 수 있으며, 상기 각 팽창밸브(33,34) 측에는 냉방 또는 난방운전에 따라 열매체가 우회 가능하도록 체크밸브(42) 또는 전자식 개폐밸브(43) 등이 구비되고, 제2 팽창밸브(34)의 경우에는 스텝퍼 모터에 의해 단계적으로 개폐가 가능한 통상의 전자식 팽창밸브로 구비되어 열매체의 양방향 흐름이 가능하도록 구비될 수 있는 것이다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 구체적인 운전상태를 도 2 내지 도 7를 더하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 상기 제1 열원측(실외측) 열교환기(35)에 의한 난방운전을 도시한 것으로, 이는 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체가 상기 제1 열교환기(32)에 의해 부하(R)측과의 열교환을 통해 난방 또는 온수 등을 공급하게 되고, 상기 제1 열교환기(32)를 통과한 열매체는 상기 체크밸브(42)를 통해 제1 팽창밸브(33)를 우회하여 상기 열교환기 절환밸브(38) 측으로 공급되게 된다.
이후에는 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제3 열교환기(36)를 그대로 통과한 후에, 상기 제2 팽창밸브(34)과 상기 제2 열교환기(35)를 순차적으로 거쳐 열교환이 이루어지고, 상기 제2 열교환기(35)를 통과한 열매체는 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 압축기(31)로 유입되는데, 이때에 상기 제3 열교환기(36)는 그 작동이 정지된 상태로 구비되어 열매체와의 열교환이 이루어지지 않고, 단순히 열매체를 그대로 통과시키는 리시버 역할만을 하게 되며, 상기 제2 팽창밸브(34) 측의 전자식 개폐밸브(43)는 닫힌 상태가 된다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제3 열교환기(36)에 의한 난방운전의 경우에는 상기 제1 열교환기(32)에서 부하(R)측과의 열교환이 이루어진 열매체가 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제2 열교환기(35)를 그대로 통과한 후에, 상기 제2 팽창밸브(34)와 제3 열교환기(36)를 순차적으로 거치면서 열교환이 이루어지는데, 이때에 상기 제2 팽창밸브(34)는 전술된 바와 같이 양방향 흐름이 가능하도록 구비됨에 따라 상기 제2 열교환기(35)로부터 제3 열교환기(36) 측으로 열매체의 흐름이 가능하게 된다.
또한 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 냉방운전의 경우에는 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체가 상기 냉난방 절환밸브(37)를 통해 상기 열교환기 절환밸브(38) 측으로 흐르게 되고, 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해서는 응축기로 작동되는 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36)에 선택적으로 열매체를 흐르도록 하게 된다.
이후에 열매체는 상기 전자식 개폐밸브(43)가 개방됨에 따라 상기 제2 팽창밸브(34)를 우회하여 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36) 중의 어느 하나를 그대로 통과한 후에, 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제1 팽창밸브(33)를 거쳐 상기 제1 열교환기(32)에서 부하(R)측과의 열교환이 이루어지게 된다.
한편, 난방운전 중에 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36) 중의 어느 하나에 대한 제상운전이 이루어지는 경우를 도 6과 도 7에 의해 설명하면 다음과 같다. 도 6은 상기 제2 열교환기(35)를 제상운전하는 것을 도시한 것으로, 이는 전술된 난방운전에서와 같이 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체가 상기 제1 열교환기(32)에 의해 부하(R)측과의 열교환을 통해 난방 또는 온수 등을 공급하게 되고, 상기 제1 열교환기(32)를 통과한 열매체는 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제2 열교환기(35)로 공급되는데, 이때에 상기 제2 열교환기(35)는 팬모터(39)가 정지된 상태에서 열매체가 통과됨에 따라 제상작업이 이루어지게 되고, 증발기로 작동되는 상기 제3 열교환기(36)에서 열교환이 이루어지게 된다.
또한 도 7은 제3 열교환기(36)를 제상운전하는 것을 도시한 것으로, 이는 전술된 제상운전에 따른 열매체의 흐름과는 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제3 열교환기(36)로 열매체가 공급된다는 점이 상이한데, 이때에 상기 제3 열교환기(36)는 팬모터(39)가 정지된 상태에서 열매체가 통과됨에 따라 제상작업이 이루어지게 되고, 증발기로 작동되는 상기 제2 열교환기(35)에서 열교환이 이루어지게 된다.
여기에서, 제상운전시에는 상기 압축기(31)로부터 공급되는 고온 고압의 열매체가 상기 제1 열교환기(32)를 먼저 통과함에 따라 장치에 의해 최상의 열교환 효율을 발휘하여 난방효과를 발휘하게 되고, 이후에 상기 제2 또는 제3 열교환기(35,36)의 제상작업이 이루어지게 된다.
이러한 본 발명은 상기 제1 열교환기(32)에 의해 열교환이 이루어진 후에 제상작업이 이루어짐에 따라, 제상작업 이후에 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36)의 출구측에서의 열매체는 과냉각된 상태로 상기 제2 팽창밸브(34)에 공급됨에 따라, 상기 제2 팽창밸브(34)에 의해 열매체를 저온 저압으로 팽창하는 과정이 매우 용이하게 된다.
전술된 바와 같은 과냉각된 열매체를 상기 제2 팽창밸브(34)에 의해 팽창된 상태로 공급됨에 따라, 상기 제2 팽창밸브(34)의 후단에 위치되는 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36)는 그에 의한 열흡수 능력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 난방능력 및 성적계수를 증대시킬 수 있는 효과를 가지게 된다.
한편, 도 8 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(31) 측의 순환라인(20) 상에는 전술된 바와 같은 냉난방 절환밸브(37)가 구비되지 않을 수도 있는데, 이러한 경우에는 난방 또는 냉방운전을 단독적으로 행할 수 있는 히트펌프시스템을 제공하게 된다.
구체적으로, 도 8과 도 9는 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)에 의한 난방운전을 도시한 것이고, 도 10과 도 11은 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)에 의한 냉방운전을 도시한 것이며, 도 12와 도 13은 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)에 의한 제상운전을 도시한 것으로, 이에 대한 구체적인 작동상태는 전술된 도 2 내지 도 7에서 이미 언급한 것에 동일한 것이다.
이상에서는 상기 제1 열교환기(32)에 부하(R)측이 연결되고, 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 각각 제1 열원(S1)과 제2 열원(S)이 연결된 것이나, 이외에도 상기 제1 열교환기(32) 측에 열원(S)이 연결되고, 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36) 측에 제1 부하(R1)와 제2 부하(R2)가 연결될 수 있는데, 이를 도 14 내지 도 18에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환기(32) 측에 열원(S)과의 열교환이 가능하도록 열원공급라인(41)이 연결되고, 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36) 측에는 냉방(냉수)이나 난방(온수 또는 급탕)을 공급하도록 냉온수라인(40)에 의해 제1 부하(R1)와 제2 부하(R2)가 각각 연결되는데, 상기 제2 열교환기(35)에 의한 냉방운전을 설명하면 다음과 같다.
상기 제2 열교환기(35)에 의한 냉방운전에서는 상기 1 열교환기(32)가 응축기로 작동되고, 상기 제2 열교환기(35)가 증발기로 작동되어 제1 부하(R1) 측에 냉방(또는 냉수)를 공급하게 된다.
구체적으로, 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체는 상기 제1 열교환기(32)를 거쳐 체크밸브(42)를 통해 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제3 열교환기(36) 측으로 열매체가 공급되는데, 이때에 열매체는 고온 고압의 상태를 유지하여 상기 제2 열교환기(36)에 의해 제2 부하(R2) 측에 온수(특히, 급탕)를 공급할 수 있게 되고, 이후에 열매체가 상기 제2 팽창밸브(34)를 통해 상기 제2 열교환기(35)로 공급됨에 따라 상기 제2 열교환기(35)에 의해 제1 부하(R1)측에 냉방(냉수)를 공급하게 된다.
이러한 본 발명은 냉방과 온수(급탕)을 동시에 공급하는 데에 효과적인 것으로, 이러한 경우에도 전술된 바와 같이 상기 제3 열교환기(36)의 출구측에서의 열매체는 과냉각된 상태로 상기 제2 팽창밸브(34)에 공급됨에 따라, 상기 제2 팽창밸브(34)에 의해 열매체를 저온 저압으로 팽창하는 과정이 매우 용이하게 되고, 이에 의해 과냉각된 열매체를 상기 제2 팽창밸브(34)에 의해 팽창된 상태로 공급됨에 따라, 상기 제2 팽창밸브(34)의 후단에 위치되는 상기 제2 열교환기(35)에 의한 열흡수 능력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 난방능력 및 성적계수를 증대시킬 수 있는 효과를 가지게 된다.
또한 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제3 열교환기(36)에 의해 냉방운전은 상기 압축기(31)로부터 공급되는 열매체가 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제2 열교환기(35) 측으로 먼저 공급되어 상기 제1 부하(R1) 측에 온수(급탕)을 공급하게 되고, 이후에 상기 제3 열교환기(36)에 의해 제2 부하(R2) 측에 냉방(냉수)를 공급하게 된다.
한편, 도 16과 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 냉난방 절환밸브(37)가 구비되지 않은 경우에 있어서도, 상기 제1 열교환기(32)를 통과한 열매체가 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36)로 열매체를 공급함에 따라, 도 16에서와 같이 상기 제3 열교환기(36)에 의해 온수(급탕)을 공급하고, 상기 제2 열교환기(35)에 의해 냉방(냉수)를 공급하거나 또는 도 17에서와 같이 상기 제2 열교환기(35)에 의해 온수(급탕)을 공급하고, 상기 제3 열교환기(36)에 의해 냉방(냉수)을 공급할 수 있게 된다.
또한 도 18에 도시된 바와 같이, 제상운전시에는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 의해 난방이나 온수(급탕)을 공급할 때에 상기 제2 열교환기(32)에 적상된 성에를 제거하기 위해 상기 제2 열교환기(32) 측의 팬모터(39)가 정지되고, 상기 각 절환밸브(37,38)와 팽창밸브(33,34) 및 체크밸브(42)와 전자식 개폐밸브(43) 등의 작동이 절환하게 된다.
이러한 작동에 의해 난방운전과는 반대로 열매체가 흐름에 따라 상기 압축기(32)로부터 공급되는 고온 고압의 열매체가 상기 제2 열교환기(32) 측에 우선적으로 통과되어 제상작업이 이루어지게 되는데, 이후에 열매체는 다소 온도가 낮아진 상태로 상기 제3 열교환기(36)를 거침에 따라 일부 온수를 공급할 수 있게 되고, 상기 제2 열교환기(35)는 통상의 증발기로 작동되게 된다.
이외에도 본 발명은 상기 제1 열교환기(32) 측에 추가로 제4 열교환기(44)가 더 연결되어 어느 하나를 선택적으로 사용하거나 두 개를 모두 사용할 수 있는데, 이를 도 19와 도 20을 더하여 설명하면 다음과 같다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환기(32) 측에는 추가로 제4 열교환기(44)가 더 설치될 수 있는데, 이 제1 열교환기(32)와 제4 열교환기(44)는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 대응되어 냉난방모드에 따라 응축기 또는 증발기로 작동될 수 있는 것으로, 상기 제1 열교환기(32)와 제4 열교환기(44)에는 각각 제1 열원(S1)과 제2 열원(S2)이 연결되고, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 제1 및 제4 열교환기(32,44)의 입구측 또는 출구측에서 열매체의 흐름을 절환하도록 된 열교환기 절환밸브(45)가 구비되는데, 상기 각 열교환기(32,44) 측에는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36) 측에 각각 제1 열원(S1)과 제2 열원(S2)이 결합될 때에 제1 부하(R1)와 제2 부하(R2)가 연결될 수 있음은 당연한 것이다.
이러한 구성에 의해서는, 시스템에서 상기 냉난방 절환밸브(37)의 유무나 상기 제1 및 제2 부하(R1,R2) 또는 제1 및 제2 열원(S1,S2)의 연결위치에 관계없이 냉방운전 또는 난방운전 중에 상기 제1 열교환기(32)나 제4 열교환기(44)를 선택적으로 사용하거나 상기 제1 및 제4 열교환기(32,44)를 모두 사용하여 열교환이 이루어질 수 있는데, 이를 도 20에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 20의 (a)에 도시된 바와 같이, 냉방운전시에는 압축기(31)로부터 공급되는 열매체가 상기 열교환기 절환밸브(45)에 의해 상기 제1 열교환기(32)와 제4 열교환기(44)를 모두 거쳐 순환될 수 있는데, 이때에 상기 각 열교환기(32,44)는 모두 각 열원(S1,S2)과의 열교환이 이루어지거나 열원(S1,S2)과의 열교환이 없이 그대로 통과되도록 구비될 수 있는 것으로, 상기 제1 팽창밸브(33) 측에는 별도의 전자식 개폐밸브(46)가 연결되어 열매체의 흐름을 제어할 수 있는 것이다.
또한 도 20의 (b)와 같이, 난방운전시에는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)를 거쳐 진행되는 열매체가 상기 제1 열교환기(32) 또는 제4 열교환기(44)를 그대로 통과한 후에, 상기 제1 팽창밸브(33)를 거쳐 증발기로 작동되는 상기 제4 열교환기(44) 또는 제1 열교환기(32)를 통과하게 된다.
이와 같은 구성에 의해서는 상기 각 열교환기(32,44) 중에서 어느 하나가 고장이거나 또는 보수 등을 요하는 경우에 다른 하나에 의해 연속적인 작동이 가능할 뿐만 아니라 상기 각 열교환기(32,44) 상에 열매체를 순차적으로 통과시켜 열효율을 증대시킬 수 있게 된다.
한편 상기 부하(R) 측에는 공급수가 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 연속적으로 통과하여 고온수나 급탕을 공급하도록 된 고온공급라인(50)이 연결될 수 있는데, 이를 도 21 내지 도 23에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 21에 도시된 바와 같이, 난방운전시에 부하(R) 측에 난방 또는 온수를 공급할 때에 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)를 연속적으로 공급수가 통과하는 과정에서 상기 각 열교환기(35,36)에서 연속적으로 열교환이 이루어져 고온의 온수를 공급할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 압축기(31)로부터 공급되는 고온의 핫가스(열매체)는 상기 열교환기 절환밸브(38)에 의해 상기 제3 열교환기(36)과 제2 열교환기(35)를 순차적으로 통과하는 과정에서 2차에 걸쳐 공급수와의 열교환이 이루어지는데, 상기 부하(R) 측으로부터 공급되는 공급수는 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 순차적으로 통과하게 되고, 이는 상기 순환라인(20) 상의 열매체가 상기 제3 열교환기(36)와 제2 열교환기(35)를 순차적으로 거치는 동안에 부하(R) 측의 공급수가 열매체와는 대향류를 형성하여 흐름에 따라 상기 제2 열교환기(35)에서 예비가열이 이루어진 후에 상기 제3 열교환기(36)에서 핫가스와의 본가열이 이루어져 고온의 온수의 생산할 수 있게 된다.
또한 도 22와 도 23에 도시된 바와 같이, 냉난방 절환밸브(37)에 의해 냉방과 난방운전이 선택적으로 가능한 경우에는 상기 고온공급라인(50) 상에 별도의 바이패스라인(51)이 연결되고, 상기 고온공급라인(50)과 바이패스라인(51) 상에는 냉방 또는 난방운전에 따라 공급수의 흐름을 제어할 수 있는 다수의 제어밸브(52~54)가 구비될 수 있는 것이다.
구체적으로, 난방운전의 경우에는 전술된 바와 같이 상기 부하(R) 측의 공급수가 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 순차적으로 흐르도록 하는데, 이를 위해 상기 고온공급라인(50) 상의 제어밸브(52,53)를 개방하고, 상기 바이패스라인(51) 상의 제어밸브(54)를 폐쇄하게 된다.
또한 냉방운전의 경우에는 상기 고온공급라인(50) 상의 제어밸브(52,53)를 폐쇄하여 상기 제3 열교환기(36) 측으로 공급수가 흐르는 것을 차단하는 대신에 상기 바이패스라인(51) 상의 제어밸브(54)를 개방하여 공급수가 우회되도록 하여 냉방을 공급하게 된다.
이러한 난방운전 또는 냉방운전 중에도 상기 제3 열교환기(36)에 의해 급탕을 공급할 수도 있는데, 이를 위해 상기 제3 열교환기(36) 상에는 별도의 급탕라인(55)을 연결하여 난방 또는 냉방 중에도 급탕이 가능하도록 구비할 수 있으며, 상기 급탕라인(55) 상에는 필요에 따라 고온수를 펌핑하는 펌프(56)가 연결될 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
20: 순환라인 31: 압축기
32: 제1 열교환기 33,34: 팽창밸브
35: 제2 열교환기 36: 제3 열교환기
37: 냉난방 절환밸브 38,45: 열교환기 절환밸브
40: 냉온수라인 41: 열원공급라인
44: 제3 열교환기 50: 고온공급라인
51: 바이패스라인 52~54: 제어밸브
55: 급탕라인 R: 부하
R1: 제1 부하 R2: 제2 부하
S: 열원 S1: 제1 열원
S2: 제2 열원

Claims (6)

  1. 열매체가 순환되도록 구비된 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(31), 응축기, 팽창밸브(33,34) 및 증발기를 포함하여 이루어진 히트펌프시스템에 있어서;
    상기 순환라인(20) 상에 연결되어 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 냉방(냉수) 또는 난방(온수)를 공급하도록 부하(R,R1,R2)에 연결되거나 외기나 지열 또는 폐열을 포함한 열원(S,S1,S2)에 연결되는 제1 열교환기(32)와;
    상기 제1 열교환기(32)에 대응되어 상기 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고, 상기 제1 열교환기(32)의 연결상태에 대응되어 상기 열원(S,S1,S2) 또는 부하(R,R1,R2)에 연결되는 제2 및 제3 열교환기(35,36)와;
    상기 순환라인(20)의 열매체의 흐름방향에 따라 상기 팽창밸브(33,34)의 전단 또는 후단에 위치되도록 구비되어 상기 제2 열교환기(35) 또는 제3 열교환기(36) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 된 열교환기 절환밸브(38)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축기(31) 측에는 상기 순환라인(20) 상에 구비되어 냉방 또는 난방운전에 따라 열매체의 흐름을 절환하도록 된 냉난방 절환밸브(37)가 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 열교환기(35)는 다수의 열원 중에서 어느 하나에 해당되는 제1 열원(S1)에 연결되거나 또는 냉방(냉수)이나 난방(온수) 중의 어느 하나에 해당되는 제1 부하(R1)에 연결되고, 상기 제3 열교환기(36)는 상기 제1 열원(S1)이나 제1 부하(R1)와는 다른 제2 열원(S2) 또는 제2 부하(R2)에 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 팽창밸브(33,34)는 냉방 또는 난방운전시에 선택적으로 작동되도록 된 제1 팽창밸브(33)와 제2 팽창밸브(34)로 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 열교환기(32) 측에는 상기 제2 및 제3 열교환기(35,36)에 대응되어 응축기 또는 증발기로 작동되는 제4 열교환기(44)가 구비되고, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 제1 열교환기(32) 또는 제4 열교환기(44) 측에 선택적으로 열매체를 절환시키도록 된 다른 열교환기 절환밸브(45,46)가 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부하(R) 측에는 상기 제2 열교환기(35)와 제3 열교환기(36)를 연속적으로 통과하도록 된 고온공급라인(50)이 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 교번타입 히트펌프시스템.
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