KR20180055412A

KR20180055412A - 가스 히트펌프

Info

Publication number: KR20180055412A
Application number: KR1020160153254A
Authority: KR
Inventors: 차우호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-05-25
Also published as: KR101944831B1

Abstract

본 발명은 냉매를 압축하는 압축기, 상기 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 실내열교환기 및 실외열교환기를 포함하는 냉난방시스템 및 공기 및 연료를 압축하는 터보차저, 상기 공기 및 연료가 유입되는 공급관, 상기 공기 및 연료를 연소시키는 엔진연소부 및 연소에 의해 발생한 배기가스가 배출되는 배기관을 포함하고, 상기 압축기를 구동시키는 가스엔진을 포함하고, 상기 공급관은, 상기 냉매를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 냉매쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프에 관한 것이다.

Description

가스 히트펌프{Gas heat pump}

본 발명은 가스 히트펌프(GHP)에 관한 것이며, 구체적으로 노킹 저감을 위한 공급관의 이중 냉각 구조에 관한 것이다.

냉동 사이클은 일반적으로 냉매의 순환 사이클을 이용하여 필요한 곳에 열을 공급하거나 열을 흡수하는 사이클을 의미한다. 이러한 냉동 사이클을 구현하기 위하여 압축기, 응축기, 팽창밸브 그리고 증발기가 사용된다. 이러한 구성들은 냉매 배관을 통해서 서로 연결되어 있으며, 냉매의 상변화를 통해 응축기에서는 주변으로 열을 공급하게 되고, 증발기에서는 주변의 열을 흡수하게 된다.

여기서, 응축기와 증발기는 냉매와 공기 또는 다른 유체 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는 구성이라 할 수 있다. 따라서, 이러한 구성들을 열교환기라 할 수 있으며 열교환 전후의 냉매 상태에 따라 응축기와 증발기로 나뉜다고 할 수 있다.

이러한 냉동 사이클을 이용하여 실내 공기를 난방하거나 냉방하는 장치 또는 시스템을 공기조화기라 한다. 공기조화기에서 실내를 난방하기 위해서 냉매는 실내 공기에 열을 공급하게 된다. 따라서, 이 경우 실내기를 응축기라 할 수 있으며 실외기는 증발기라 할 수 있다. 반대로 공기조화기에서 실내를 냉방하기 위해서 냉매는 실내 공기의 열을 흡수하게 된다. 따라서, 이 경우 실내기를 증발기라 할 수 있으며 실외기는 응축기라 할 수 있다.

가정과는 달리 산업용이나 큰 빌딩의 공기조화 등을 위해서는 대용량의 압축기를 필요로 한다. 즉, 많은 양의 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하기 위한 압축기를 구동하기 위해 전기 모터가 아닌 가스엔진을 이용한 가스히트펌프 시스템을 많이 사용하고 있다.

이러한 가스히트펌프 시스템은 가스를 연소시키는 엔진을 통해 압축기를 구동하는 동력을 발생시켜 냉동 사이클을 구현하게 된다.

일반적으로, 가스히트펌프 시스템은 가스엔진의 구동력에 의해 압축기를 운전하여 난방 또는 냉방을 하도록 하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매순환 계통(100)과 엔진 냉각수 순환 계통(200)으로 구성된다.

냉매순환 계통은 실내측을 냉방 또는 난방하기 위하여 냉동사이클 또는 히트펌프 사이클을 형성하며, 가스엔진(500)에 의해서 구동되는 냉매용 압축기(14), 사방밸브(15), 실외기 열교환기(16), 난방 팽창밸브(17), 실내기 팽창밸브(18), 실내기 열교환기(19), 어큐뮬레이터(13) 등으로 구성된다.

엔진 냉각수순환 계통(200)은 가스엔진(500)을 냉각하기 위하여 엔진 냉각수를 순환시키며, 엔진냉각수 삼방밸브(21), 라디에이터(22), 엔진냉각수 순환 펌프(23), 배기가스 열교환기(24) 등으로 구성된다.

또한, 냉매순환 계통(100)과 엔진 냉각수순환 계통(200) 간에는 보조 열교환기(25)를 설치하여 냉매와 엔진 냉각수 간의 열교환이 이루어짐으로써 냉매를 증발시키도록 구성되어 있다.

이와 같은 종래기술의 가스엔진 냉난방장치의 냉방 운전시에는 사방밸브(15)는 도 1의 실선 화살표와 같이 절환되며, 이에 따라 가스엔진(500)에 의하여 구동되는 압축기(14)에 의하여 압축되어 고온 고압의 상태가 된 냉매는 냉방 운전모드로 절환된 사방밸브(15)를 거쳐, 응축기로 기능하는 실외기 열교환기(16)에서 응축되며 응축열을 외기로 방출한다. 응축된 액체 상태의 냉매는 실내기 팽창밸브(18)에서 감압된 후, 저온 저압의 상태로 증발기로 기능하는 실내기 열교환기(19)로 유입되어 증발하게 된다. 이와 같이, 냉방은 증발 과정에서 요구되는 잠열을 실내의 공기로부터 흡열함으로써 이루어진다.

한편, 실내기 열교환기(19)를 거친 냉매는 어큐뮬레이터(13)를 거쳐 기체 상태의 냉매만이 압축기에 흡입됨으로써 냉동사이클이 연속적으로 형성된다.

또한, 냉방 운전시, 가스엔진(500)을 냉각한 엔진 냉각수는 엔진 냉각수 삼방밸브(21)에 의하여 라디에이터(22) 측으로 유도되고 라디에이터(22)에서 외기에 방열한 후, 엔진냉각수 순환펌프(23)에 의하여 배기가스 열교환기(24)를 거쳐, 다시 가스엔진(500)으로 되돌려진다.

그러나, 난방 운전시에는 사방밸브(15)가 도 1의 점선 화살표와 같이 절환되며, 이에 따라 압축기(14)에 의하여 압축된 고온 고압의 냉매는 실내기(I) 측으로 유입되어, 응축기로 기능하는 실내기 열교환기(19)에서 응축되며, 실내공기로 방출된 응축열에 의하여 난방이 이루어진다. 응축된 액체 상태의 냉매는 난방 팽창밸브(17)를 통과하면서 저온 저압의 상태로 감압된 후, 증발기로 기능하는 실외기 열교환기(16)로 유입되어 증발하기 시작한다.

한편, 난방 운전이 이루어지는 동절기에는 통상 외기의 온도가 낮으므로, 이에 따라 증발온도를 낮추려면 압축기 소요동력이 증가하여 열펌프 사이클의 성능저하를 초래하며, 이를 방지하기 위하여 엔진 배열의 일부를 회수하여 냉매의 증발열원으로 이용한다. 즉, 난방 운전시에는 가스엔진(500)을 냉각한 엔진 냉각수가 엔진냉각수 삼방밸브(21)에 의하여 보조 열교환기(25) 측으로 유도되어, 실외기 열교환기(16)를 지나 보조 열교환기(25)로 유입된 냉매를 가열하여 증발시킨다.

이와 같이, 실외기 열교환기(16)와 보조 열교환기(25)를 차례로 거치면서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(13)를 거쳐 기체 상태의 냉매만이 압축기(14)로 흡입되어 열펌프 사이클이 연속적으로 형성된다.

상기 종래의 가스히트펌프 시스템은 한국공개특허공보 제10-2013-0093297호에 개시되고 있다.

한편, 종래의 가스히트펌프 시스템의 경우, 가스엔진(500) 내부에 구비된 엔진연소실로 공기 및 연료가 유입되는 공급관을 냉각수만을 이용하여 냉각시켰다. 하지만 상기 냉각수는 외부 공기 온도와 열교환을 하기 때문에 외부 공기 온도가 높은 지역의 경우 상기 냉각수의 온도를 목표치까지 낮추는 점에 있어서 한계가 있었다. 따라서 상기 냉각수의 온도는 외부 공기 온도보다 낮게 냉각시킬 수 없기 때문에 엔진연소실로 흡입되는 공기 및 연료의 온도를 목표치까지 낮추기 힘든 문제점이 있었으며 종국적으로는 가스엔진의 성능저하의 원인이 되었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 냉매를 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하는 것을 과제로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 냉각수와 냉매를 모두 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하는 것을 과제로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 어큐뮬레이터 내부의 액체 냉매를 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 냉매를 압축하는 압축기, 상기 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 실내열교환기 및 실외열교환기를 포함하는 냉난방시스템과 공기 및 연료를 압축하는 터보차저, 상기 공기 및 연료가 유입되는 공급관, 상기 공기 및 연료를 연소시키는 엔진연소부 및 연소에 의해 발생한 배기가스가 배출되는 배기관을 포함하고, 상기 압축기를 구동시키는 가스엔진을 포함하고, 상기 공급관은 상기 냉매를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 냉매쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공하며, 냉매를 이용하여 상기 공급관 내부의 상기 공기 및 연료를 보다 효과적으로 냉각시키는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 공급관은 냉각수 또는 외부공기를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 냉각쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공하며, 상기 냉매와 이중으로 공기 및 연료를 냉각시키기 때문에 냉매의 냉각 부담을 줄여 냉난방시스템의 부하를 높이지 않는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 공기 및 연료의 흐름을 기준으로 상기 냉각쿨러가 상기 냉매쿨러보다 앞쪽에 구비되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공하며, 냉매의 냉각 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉난방시스템을 흐르는 상기 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관 및 상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 냉난방시스템으로 유출되는 제2냉매관을 포함하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 제1냉매관은 상기 제1냉매관으로 유입되는 냉매를 팽창시키는 냉매관 팽창밸브를 포함하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 제1냉매관은 상기 실내열교환기와 상기 팽창밸브를 잇는 냉매관 또는 상기 팽창밸브와 상기 실외열교환기를 잇는 냉매관과 연결되고, 상기 제2냉매관은 상기 압축기로 냉매가 유입되는 냉매관과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉난방시스템은 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고, 상기 제2냉매관은 상기 어큐뮬레이터로 냉매가 유입되는 냉매관과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉난방시스템은 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고, 상기 어큐뮬레이터에 쌓인 액체 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관 및 상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 어큐뮬레이터로 유출되는 제2냉매관을 포함하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 제1냉매관 또는 상기 제2냉매관은 상기 냉매의 흐름을 발생시키는 냉매펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉난방시스템은 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고, 상기 어큐뮬레이터에 쌓인 액체 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관 및 상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 어큐뮬레이터와 상기 압축기 사이의 냉매관으로 유출되는 제2냉매관을 포함하는 가스히트펌프를 제공하며, 상기 어큐뮬레이터에 쌓인 액체 냉매를 상기 공급관 내부의 공기 냉각에 이용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 제1냉매관은 모세관인 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 제1냉매관은 상기 액체 냉매를 팽창시키는 냉매관 팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉난방시스템은 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고, 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고, 일단은 상기 어큐뮬레이터와 연결되고 타단은 상기 냉매쿨러와 연결되는 히트파이프를 포함하는 가스히트펌프를 제공하며, 어큐뮬레이터 내부의 냉매를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료의 온도를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 히트파이프의 일단은 상기 어큐뮬레이터의 표면에 접촉하거나 상기 어큐뮬레이터의 내부 액체 냉매와 접촉하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 상기 냉각수 또는 외부공기가 상기 냉각쿨러로 유입되는 제1냉각관 및 상기 냉각쿨러로 유입된 냉각수 또는 외부공기가 유출되는 제2냉각관을 포함하는 가스히트펌프를 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 냉매를 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하며, 외부 공기의 온도가 높은 지역에서도 상기 공기 및 연료를 외부 공기 온도 이하로 냉각시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 냉각수와 냉매를 모두 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하며, 냉각수로 공기 및 연료를 1차적으로 냉각시킴으로써 냉매의 부하를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 어큐뮬레이터 내부의 액체 냉매를 이용하여 엔진연소실로 유입되는 공기 및 연료를 냉각시키는 가스히트펌프를 제공하며, 잉여로 남아 있는 액체 냉매를 냉각에 이용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 가스히트펌프 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 가스엔진의 구조를 도식화한 것이다.
도 3은 가스엔진 내부의 공급관을 냉각시킬 수 있는 구조를 포함하는 가스엔진을 나타낸 것이다.
도 4는 냉난방시스템 내부에 흐르는 냉매가 공급관에 구비된 냉매쿨러로 유입되거나 유출되는 구조를 도시한 것이다.
도 5는 어큐뮬레이터 내부의 액체 냉매를 공급관으로 공급해줄 수 있는 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 어큐뮬레이터 내부의 액체 냉매를 이용하는 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 7은 열전달 원리를 이용하여 어큐뮬레이터의 냉매열을 공급관으로 전달하는 실시예를 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 한편, 이하에 기술될 장치의 구성이나 제어방법은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위함은 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2에 도시된 것은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스엔진(500)의 전반적인 구성을 나타낸 도면이다.

가스엔진(500)은 공기 및 연료가 연소되는 장소를 제공하는 엔진연소부(520), 엔진연소부(520)로 공기 및 연료를 공급하는 통로에 해당하는 공급관(510), 엔진연소부(520)에서 연소의 결과 발생한 배기 가스를 배출하는 통로에 해당하는 배기관(530), 배기관(530)를 통해서 배출되는 배기 가스의 냉각을 담당하는 냉각수관(550)으로 구성된다.

엔진연소부(520)는 다수개의 연소실을 포함한다. 본 발명의 일 실시예의 경우 짝수개의 연소실이 포함되는 것을 개시하고 있으나 이에 한정되지 않으며 홀수개의 연소실을 포함할 수도 있다.

연소실 내부로 유입된 공기 및 연료는 연소실 내부에 구비된 스파크(523, 도 3) 반응하여 폭발 반응을 일으킨다. 폭발 반응의 결과 연소실 내부에 구비된 실린더(522, 도 3)가 직선 왕복 운동을 하게 되고, 상기 실린더의 운동에너지는 크랭크(526, 도 3)를 통해 회전축(527, 도 3)으로 전달되어 회전축을 회전시킨다. 회전축의 회전은 압축기를 작동시키는 에너지 동력원에 해당한다. 폭발 반응의 부산물인 배기 가스는 배기관(530)으로 배출되며 배기 가스는 냉각수와 열교환한다.

다수개의 연소실은 각각 일정한 시간 차이를 두고 하나씩 폭발 반응이 일어나는 것이 일반적이다. 즉, 일정한 시간 차이를 두고 각 연소실에 구비된 스파크(523)가 작동한다.

엔진연소부(520)로 유입되는 공기 및 연료는, 엔진연소부(520)로 유입되기 전에 사용자가 지정한 일정한 비율로 섞인다. 공기는 공기정화장치(501)를 통해 가스엔진(500) 내부로 유입되며 연료는 제로 가버너(502)를 통해 가스엔진(500) 내부로 유입된다. 유입된 공기와 연료는 믹서(503)에서 섞인 후 ETC(Electronic Throtle Control, 504)를 거쳐 공급관(510)으로 유입된다.

공기정화장치(501)는 공기의 이물질을 거르기 위한 수단이며, 엔진연소부(520) 내부에서의 폭발 효율을 최대로 높이기 위함이다. 제로 가버너(502)는 유입되는 연료(가스)의 압력 및 유량의 변화에 관계없이 배출되는 출구압력을 항상 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 믹서(503)는 공기정화장치(501)로부터 유입되는 공기와 제로 가버너(502)로부터 유입되는 연료(가스)의 혼합비를 일정하게 하는 기능을 한다. 공기와 연료(가스)의 혼합비를 일정하게 함으로써 연소 온도의 제어가 용이해진다.

믹서(503)에서 일정한 혼합비로 섞인 공기와 연료는 ETC(504)에 의해 필요한 양만큼만 엔진연소부(520)로 유입된다. ETC(504)는 스로틀 밸브를 전자적으로 제어하는 전자 제어 스로틀 시스템이다. 구체적으로 전자식 악섹 페달 모듈로부터 오는 신호에 따라 스로틀 밸브의 개폐를 제어한다. 기계식 스로틀 밸브에 비해 정교하게 개폐를 조절할 수 있는 장점이 있다.

ETC(504)를 통과한 공기 및 연료는 공급관(510)로 유입된 후 다수개의 갈래로 나뉘어 다수개의 연소실에 각각 유입된다.

공기 및 연료가 다수개의 연소실에서 각각 연소되면 배기가스가 생성된다. 생성된 배기가스는 배기관(530)를 통해 배출되며, 배기가스 열교환기(505)와 소음기(506)를 차례로 거친 뒤 외부로 배출된다.

냉각수는 냉각수 펌프(507)에 의해 배기가스 열교환기(505), 배기매니폴드(540), 엔진연소부(520)를 차례로 거치면서 열을 흡수한 후 방열기로 배출된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예 중 공급관(510)을 냉각시키는 쿨러가 구비된 가스엔진(500)을 도시한 도면이다. 도 2와 비교할 때, 공급관(510), 배기관(530)의 구조를 단순화하였으며, 터보차저(540) 및 쿨러(511, 512) 등의 구성이 추가되어 있다.

구체적으로, 믹서(503)를 통해 공기 및 연료가 가스엔진(500)으로 유입되며, 유입된 공기 및 연료는 터보차저(540)에 의해 압축된다. 터보차저(540)에 의해 압축된 공기는 공급관(510)을 따라 ETC(504)를 거쳐 엔진연소부(520)로 유입된다. 엔진연소부(520)에서 연소로 인해 발생한 배기가스는 배기관(530)과 터보차저(540)를 거쳐 외부로 배출된다.

공급관(510)에는 터보차저(540)를 거쳐 공급관(510) 내부를 흐르는 공기 및 연료를 냉각하는 냉각쿨러(511)를 더 포함할 수 있다. 냉각쿨러(511)는 공랭식과 수랭식이 있으며 외부의 공기와 온도 교환을 한 후 공급관(510)을 흐르는 공기 및 연료와 열교환을 하게 된다.

냉각쿨러(511)는 적어도 하나 이상 설치될 수 있으며, 공랭식 또는 수랭식 중 적어도 하나 이상이 설치될 수 있다.

쿨러를 설치하는 이유는, 터보차저(540)에서 압축된 공기는 온도가 상승하게 되어 공기의 밀도가 감소하기 때문이다. 공기의 밀도가 감소하면 엔진연소부(520)에서 연료가 완전 연소되지 않고 그으름이 일부 발생하는 불완전 연소가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 공기의 온도를 낮춰 밀도가 감소되지 않도록 하기 위해 쿨러를 설치한다.

본 발명의 일 실시예의 경우, 냉매를 이용하여 공급관(510)을 냉각시킬 수 있는 냉매쿨러(512)를 이용할 수 있다. 냉매를 이용하여 공급관(510)을 냉각시킬 경우, 외부 온도에 영향을 받지 않으며 냉매 자체가 온도가 매우 낮기 때문에 냉각수 또는 공기를 이용한 냉각보다 효율이 높다. 냉매를 냉매쿨러(512)로 공급하는 과정은 추후 상세히 설명하도록 한다.

냉매쿨러(512)만을 이용하여 공급관(510)을 냉각시켜도 무방하다. 하지만 냉매쿨러(512)만 이용할 경우, 공급관(510) 내부의 공기 온도가 높기 때문에 냉매를 끌어오는 냉난방시스템(100)의 부하가 높게 걸릴 수 있다.

상기 문제점을 최소화하기 위해 냉매쿨러(512)를 냉각쿨러(511)와 함께 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 경우, 공급관(510) 내부를 흐르는 공기의 흐름을 기준으로 냉각수 또는 공기를 이용하는 냉각쿨러(511)가 냉매를 이용하는 냉매쿨러(512)보다 먼저 설치된다.

냉각쿨러(511)는 냉각수 또는 외부 공기를 이용한 냉각 방식이며, 냉각쿨러(511)로 유입되는 냉각수 또는 공기는 오직 공급관(510) 내부의 공기 및 연료의 냉각에만 이용된다. 반면 냉매쿨러(512)는 냉난방시스템(100)에서 냉방 또는 난방에 사용되는 냉매의 힘을 일부 빌려서 공급관(510)을 냉각시키기 때문에, 공급관(510)의 온도가 지나치게 높은 경우, 냉난방시스템(100)의 전체 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

따라서 냉각쿨러(511)를 이용하여 최대한 공급관(510) 내부의 온도를 낮춘 후에 냉매쿨러(512)를 이용하여 공급관(510)을 냉각시키면, 냉난방시스템(100)에 걸리는 부하를 최대한 낮출 수 있는 효과가 발생한다. 도 3에 냉각쿨러(511)에서 먼저 공급관(510) 내부의 공기 및 연료를 냉각하고 냉매쿨러(512)에서 냉각을 하는 특징이 도시되어 있다.

한편, 공급관(510)에서 냉각이 된 공기 및 연료는 엔진연소부(520)로 유입된다. 엔진연소부(520)로 유입되는 공기 및 연료의 양은 유입밸브(524)를 통해서 조절한다. 엔진연소부(520)는 외관을 형성하는 하우징(521), 실린더(522), 스파크(523), 크랭크(526) 등으로 구성된다.

유입밸브(524)를 통해서 하우징(521) 내부로 유입된 공기 및 연료는 스파크(523)에서 발생한 전기 불꽃에 의해 연소가 되며, 연소되는 과정에서 발생하는 배기가스가 밀어내는 힘에 의해 실린더(522)가 직선 왕복 운동을 하고 크랭크(526)는 회전 운동을 하게 된다. 크랭크(526)의 회전은 회전축(527, 도 4)을 회전시켜 압축기(14)를 작동시킨다.

엔진연소부(520)에서 연소의 결과 발생한 배기가스는 배기관(530), 터보차져(540)를 통해 외부로 배출된다. 배출되는 배기가스의 양은 배출밸브(525)에 의해 조절될 수 있다.

도 4 내지 도 7은 냉난방시스템(100)과 가스엔진(500)이 결합된 전체 모습이 도시되어 있으며, 각각 냉난방시스템(100)의 냉매열을 가스엔진(500)의 냉매쿨러(512)로 끌어오는 실시예를 도시하고 있다.

도 4는 냉난방시스템(100) 내부의 냉매가 냉매쿨러(512)로 유입되는 실시예를 나타낸 것이다. 도 1의 냉난방시스템(100)과 도 3의 가스엔진(500) 구조가 연결된 모습을 도식화한 것이다.

구체적으로, 냉각쿨러(511)는 냉각쿨러(511) 내부로 냉각수 또는 외부 공기가 유입되는 제1냉각관(511a) 및 상기 냉각쿨러(511)로 유입되어 열교환을 마친 냉각수 또는 외부 공기가 배출되는 제2냉각관(511b)과 연결된다.

냉각쿨러(511)의 내부를 흐르는 냉각수 또는 외부 공기는 공급관(510)과의 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 접촉면적이 넓은 구조로 구비되는 것이 바람직하다.

냉매쿨러(512)는 냉매쿨러(512) 내부로 냉난방시스템(100)에 흐르는 냉매가 유입되는 제1냉매관(512a) 및 상기 냉매쿨러(512)로 유입되어 열교환을 마친 냉매가 배출되는 제2냉매관(512b)과 연결된다. 또한 제1냉매관(512a)은 제1냉매관(512a)으로 유입되는 냉매를 팽창시킬 수 있도록 냉매관 팽창밸브(512c)를 더 포함할 수 있다.

냉매쿨러(512)의 내부를 흐르는 냉매 또한 공급관(510)과의 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 접촉면적이 넓은 구조로 구비되는 것이 바람직하다.

제1냉매관(512a)으로 유입되는 냉매는, 실내열교환기(19)와 팽창밸브(18)를 잇는 냉매관으로부터 유입되거나 팽창밸브(18)와 실외열교환기(16)를 잇는 냉매관으로부터 유입될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 경우, 팽창밸브(18)와 실외열교환기(16)를 잇는 냉매관과 제1냉매관(512a)의 일단이 연결된다.

냉난방시스템(100)이 난방모드일 경우, 압축기(14)에서 압축된 고온 고압 기체 상태의 냉매는 실내열교환기(19)에서 열교환을 한 후 상온 고압의 액체 상태로 변하며, 팽창밸브(18)를 통과하면서 저온 저압의 액체 상태의 냉매로 변한다. 이 때 실외열교환기(16)로 향하는 저온 저압 액체 상태의 냉매 중 일부가 제1냉매관(512a)으로 유입된다.

제1냉매관(512a)으로 유입된 냉매는 이미 저온에 해당하기 때문에 냉매관 팽창밸브(512c)를 통해 감압시킬 필요가 없다. 즉, 냉매관 팽창밸브(512c)를 우회하는 유로를 사용하여도 무방하다.

냉매관 팽창밸브(512c)를 통과한 저온 저압 액체 상태의 냉매는 냉매쿨러(512)로 유입되어 공급관(510) 내부의 공기 및 연료와 열교환을 한다. 냉매쿨러(512) 내부에서의 열교환을 통해 냉매의 일부 또는 전부가 액체 상태에서 기체 상태로 상변화한다. 일부 또는 전부가 상변화한 냉매는 제2냉매관(512b)로 유입된 후 압축기(14)로 유입되기 전 냉매관으로 배출된다. 이상적으로는 냉매쿨러(512)에서 냉매 전체가 상온 저압 상태의 기체 냉매로 변하는 것이 바람직하지만, 실제로는 일부만 기체 상태로 상변화한다.

한편, 압축기(14)에 유입되는 냉매는 기체 상태인 것이 바람직하며, 액체 상태의 냉매가 압축기(14)에 유입되는 경우 압축기(14)가 제대로 된 성능을 발휘하지 못하게 된다. 이를 방지하기 위하여 압축기(14)에 기체 상태의 냉매만 유입되도록 어큐뮬레이터(13)가 더 구비된다. 어큐뮬레이터(13)는 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매를 분리하는 역할을 한다.

상기 제2냉매관(512b)을 통해 배출되는 상온 저압 냉매 중 액체 냉매를 기체 냉매로부터 분리시키기 위해 제2냉매관(512b)의 타단은 어큐뮬레이터(13)로 냉매가 유입되는 냉매관과 연결된다.

정리하면, 난방모드일 경우 실내열교환기(19)와 팽창밸브(18)를 잇는 냉매관 또는 팽창밸브(18)와 실외열교환기(16)를 잇는 냉매관 중 어느 하나와 제1냉매관(512a)이 연결된다. 이 때 실내열교환기(19)와 팽창밸브(18)를 잇는 냉매관과 제1냉매관(512a)이 연결된 경우 냉매관 팽창밸브(512c)가 반드시 작동하여야 하며, 팽창밸브(18)와 실외열교환기(16)를 잇는 냉매관과 제1냉매관(512a)이 연결된 경우, 냉매관 팽창밸브(512c)를 반드시 이용할 필요는 없다. 제1냉매관(512a)을 통해 냉매쿨러(512)로 유입된 냉매는 공급관(510)을 흐르는 공기 및 연료와 열교환을 한 후 제2냉매관(512b)을 통해 어큐뮬레이터(13)로 냉매가 유입되는 냉매관으로 유출된다.

냉난방시스템(100)이 냉방모드일 경우 또한 제1냉매관(512a) 및 제2냉매관(512b)의 설치 위치는 난방모드와 같다.

냉방모드일 때의 냉매의 흐름을 살펴보면, 실내열교환기(19)와 팽창밸브(18)를 잇는 냉매관과 제1냉매관(512a)이 연결된 경우 팽창밸브(18)에서 냉매가 팽창되어 저온 저압의 액체 냉매가 되기 때문에 냉매관 팽창밸브(512c)를 반드시 거칠 필요가 없다. 팽창밸브(18)와 실외열교환기(19)를 잇는 냉매관과 제1냉매관(512a)이 연결된 경우 냉매관 팽창밸브(512c)를 반드시 거쳐야 한다. 제1냉매관(512a)이 연결된 지점에 따라서 팽창밸브(18) 또는 냉매관 팽창밸브(512c)가 반드시 작동하게 된다. 제1냉매관(512a)을 통해 냉매쿨러(512)로 유입된 냉매는 공급관(510)을 흐르는 공기 및 연료와 열교환을 한 후 제2냉매관(512b)을 통해 어큐뮬레이터(13)로 냉매가 유입되는 냉매관으로 유출된다.

도 4와 같은 경우, 가스엔진(500)의 외부에 구비된 공기온도센서(미도시)로부터 측정된 값에 따라 냉매의 양을 정밀하게 조절할 수 있다. 외부 공기온도가 난방 과부하 조건 이하인 경우(예를 들어 섭씨 48도 미만) 냉매쿨러(512)로 냉매를 유입시키지 않을 수 있다.

즉, 가스엔진(500) 및 냉난방시스템(100)이 설치된 장소 및 사용자의 설정에 따라서 냉매쿨러(512)를 적재적소에 사용할 수 있다. 이러한 효과를 구현하기 위해 제1냉매관(512a)에 제어부(미도시)에 의해 조절 가능한 냉매유입밸브(미도시)가 더 포함될 수 있다. 상기 제어부(미도시)는 상기 공기온도센서(미도시)로부터 온도 정보를 받아 냉매유입밸브(미도시)의 개폐 정도를 제어할 수 있다.

도 5는 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매를 직접 냉매쿨러(512)에 공급시키는 실시예이다.

제1냉매관(512a)의 일단은 어큐뮬레이터(13) 내부에 액체 냉매가 모여 있는 장소와 연통된다. 제2냉매관(512b)의 일단은 어큐뮬레이터(13) 내부와 연통된다. 제1냉매관(512a)의 타단과 제2냉매관(512b)의 타단은 각각 냉매쿨러(512)와 연결된다.

냉매의 흐름을 살펴보면, 액체 냉매는 어큐뮬레이터(13)에서 제1냉매관(512a)을 통해 냉매쿨러(512)로 유입된다. 냉매쿨러(512)에 유입된 액체 냉매는 공급관(510) 내부의 공기 및 연료와 열교환을 한다. 냉매쿨러(512)에서 열교환을 마친 냉매는 제2냉매관(512b)을 통해서 다시 어큐뮬레이터(13) 내부로 다시 유입된다. 열교환을 마친 냉매의 일부는 공급관(510) 내부의 공기 및 연료와의 열교환을 통해 일부 또는 전부가 기체 상태로 상변화된다.

또한 제1냉매관(512a)은 냉매관 팽창밸브(512c)를 더 포함할 수 있으며 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매의 온도를 더욱 낮춘 후 냉매쿨러(512)로 공급할 수 있다.

한편, 도 5와 같은 경우 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매가 원활하게 냉매쿨러(512)로 이동할 수 있도록 냉매펌프(512e)를 더 포함할 수 있다. 냉매펌프(512e)는 별도의 전력원을 필요로 한다. 냉매펌프(512e)는 제1냉매관(512a) 내부에 구비될 수 있다.

도 6은 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매를 이용하는 또 다른 실시예이다.

구체적으로, 제1냉매관(512a)의 일단은 어큐뮬레이터(13) 내부에 액체 냉매가 모여 있는 장소와 연통된다. 제2냉매관(512)의 일단은 어큐뮬레이터(13)와 압축기(14)를 잇는 냉매관과 연통된다. 제1냉매관(512a)의 타단과 제2냉매관(512b)의 타단은 각각 냉매쿨러(512)와 연결된다.

제2냉매관(512)의 일단이 어큐뮬레이터(13)와 압축기(14)를 잇는 냉매관과 연통하면 냉매펌프가 없이도 냉매의 압력차에 의해 냉매가 자연스럽게 어큐뮬레이터(13), 제1냉매관(512a), 냉매쿨러(512)를 차례로 지나게 된다. 압축기(14)로 유입되기 전과 연통된 냉매관 내부의 압력이 매우 낮기 때문에 냉매펌프를 별도로 구비하지 않아도 된다.

제1냉매관(512a)은 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매를 팽창시키기 위해 냉매관 팽창밸브(512c)를 더 포함할 수 있다.

또한 제1냉매관(512a)은 어큐뮬레이터(13) 내부의 액체 냉매를 팽창시키기 위해 굵기가 매우 얇은 모세관으로 구성될 수 있다. 냉매는 모세관 내부를 통과하면서 팽창된다.

도 7은 열전도를 이용한 실시예이다.

열전도를 이용하여 냉매열을 공급관(510) 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 데에 사용한다. 이를 위해 히트파이프(512d)를 이용한다. 히트파이프(512d)는 열전도율이 높은 금속을 이용한다.

히트파이프(512d)의 일단은 어큐뮬레이터(13)의 표면 또는 내부와 부착된다. 히트파이프(512d)의 타단은 냉매쿨러(512)와 부착된다. 히트파이프(512d)의 양단은 열전도율을 높이기 위하여 최대한 표면적을 높이는 것이 바람직하다. 일 예로 히트파이프(512d)의 양단은 솔레노이드의 모양과 유사하게 같이 다수개의 원형관으로 구성될 수 있다. 하지만 원형관 형태에 한정되지 않으며 표면적을 최대화 할 수 있는 구조라면 어떠한 형태로 구비되어도 무방하다.

도 5 내지 도 7의 경우, 어큐뮬레이터(13)에 액체 냉매가 없는 경우에는 많은 공기를 냉각시킬 수 없으므로, 가스엔진(500)의 회전수를 조절하거나, 액체 냉매의 존재 및 액체 냉매의 양을 측정할 수 있도록 어큐뮬레이터(13)에 별도의 센서(미도시)를 설치할 수 있다.

본 발명은 다양한 형태로 변형되어 실시될 수 있을 것인바 상술한 실시예에 그 권리범위가 한정되지 않는다. 따라서 변형된 실시예가 본 발명 특허청구범위의 구성요소를 포함하고 있다면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 냉매순환계통
200: 냉각수순환계통
I: 실내기
O: 실외기
500: 가스엔진
501: 공기정화장치 502: 제로가버너 503: 믹서
510: 공급관
511: 냉각쿨러 512: 냉매쿨러
520: 엔진연소부
521: 하우징 522: 실린더 523: 스파크 526: 크랭크
530: 배기관
540: 터보차저

Claims

냉매를 압축하는 압축기, 상기 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 실내열교환기 및 실외열교환기를 포함하는 냉난방시스템; 및,
공기 및 연료를 압축하는 터보차저, 상기 공기 및 연료가 유입되는 공급관, 상기 공기 및 연료를 연소시키는 엔진연소부 및 연소에 의해 발생한 배기가스가 배출되는 배기관을 포함하고, 상기 압축기를 구동시키는 가스엔진;을 포함하고,
상기 공급관은, 상기 냉매를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 냉매쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 공급관은, 냉각수 또는 외부공기를 이용하여 상기 공급관 내부의 공기 및 연료를 냉각시키는 냉각쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제2항에 있어서,
상기 공기 및 연료의 흐름을 기준으로 상기 냉각쿨러가 상기 냉매쿨러보다 앞쪽에 구비되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제3항에 있어서,
상기 냉난방시스템을 흐르는 상기 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관; 및,
상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 냉난방시스템으로 유출되는 제2냉매관;을 포함하는 가스히트펌프.
제4항에 있어서,
상기 제1냉매관은, 상기 제1냉매관으로 유입되는 냉매를 팽창시키는 냉매관 팽창밸브를 포함하는 가스히트펌프.
제5항에 있어서,
상기 제1냉매관은 상기 실내열교환기와 상기 팽창밸브를 잇는 냉매관 또는 상기 팽창밸브와 상기 실외열교환기를 잇는 냉매관과 연결되고, 상기 제2냉매관은 상기 압축기로 냉매가 유입되는 냉매관과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제6항에 있어서,
상기 냉난방시스템은, 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고,
상기 제2냉매관은 상기 어큐뮬레이터로 냉매가 유입되는 냉매관과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제3항에 있어서,
상기 냉난방시스템은, 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고,
상기 어큐뮬레이터에 쌓인 액체 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관; 및,
상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 어큐뮬레이터로 유출되는 제2냉매관;을 포함하는 가스히트펌프.
제8항에 있어서,
상기 제1냉매관 또는 상기 제2냉매관은 상기 냉매의 흐름을 발생시키는 냉매펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제3항에 있어서,
상기 냉난방시스템은, 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고,
상기 어큐뮬레이터에 쌓인 액체 냉매가 상기 냉매쿨러로 유입되는 제1냉매관; 및,
상기 냉매쿨러로 유입된 냉매가 상기 어큐뮬레이터와 상기 압축기 사이의 냉매관으로 유출되는 제2냉매관;을 포함하는 가스히트펌프.
제10항에 있어서,
상기 제1냉매관은 모세관인 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제10항에 있어서,
상기 제1냉매관은, 상기 액체 냉매를 팽창시키는 냉매관 팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제3항에 있어서,
상기 냉난방시스템은, 상기 압축기로 냉매가 유입되기 전에 구비되고, 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하는 어큐뮬레이터를 더 포함하고,
일단은 상기 어큐뮬레이터와 연결되고 타단은 상기 냉매쿨러와 연결되는 히트파이프를 포함하는 가스히트펌프.
제13항에 있어서,
상기 히트파이프의 일단은 상기 어큐뮬레이터의 표면에 접촉하거나 상기 어큐뮬레이터의 내부 액체 냉매와 접촉하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
제3항에 있어서,
상기 냉각수 또는 외부공기가 상기 냉각쿨러로 유입되는 제1냉각관; 및,
상기 냉각쿨러로 유입된 냉각수 또는 외부공기가 유출되는 제2냉각관;을 포함하는 가스히트펌프.