KR20180066567A - 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로, 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 상기 압축기에 구동력을 제공하는 엔진; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실내공기와 열교환하는 실내열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실외공기와 열교환하는 실외열교환기; 상기 엔진의 배기가스에 의해 구동되는 터빈; 및 상기 터빈과 동일 축으로 연결되어 엔진으로 공급되는 흡입공기를 압축하는 흡기 압축기를 포함하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

히트펌프 시스템{Heat Pump System}
본 발명은 압축기를 구동하기 구동력을 제공하는 엔진에 터보차저 기술이 적용되어 엔진효율을 높일 수 있고, 엔진 배기가스 열을 이용하여 난방 효율을 높일 수 있는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 시스템은 압축기에 의해 압축되는 냉매의 순환에 기초하여 공조공간을 냉방 또는 난방할 수 있는 시스템을 나타낸다.
도 1은 종래의 히트펌프 시스템의 실외기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 히트펌프 시스템은 난방모드에서, 압축기(2)로부터 토출된 냉매가 실내기(3)를 향해 안내된다. 실내기(3)에는 실내열교환기(미도시)가 구비되며, 상기 실내열교환기에서 냉매는 응축되고 공조공간의 난방이 수행될 수 있다.
실내기(3)에서 응축된 냉매는 실외기(1)로 안내된다. 실외기(1)로 유입된 냉매는 팽창밸브(4)에서 팽창된 후에 실외열교환기(5)로 유입되어 증발된다.
실외열교환기를 통과한 이상냉매는 어큐뮬레이터(6)에서 기상냉매와 액상냉매로 분리된 후에, 기상냉매만 압축기(2)로 안내된다.
한편, 종래의 히트펌프 시스템은 압축기(2)를 구동하기 위한 엔진에 별도의 과급 구조를 적용하지 않고 있어, 엔진 성능에 한계가 있는 문제점이 있다.
또한, 종래의 히트펌프 시스템은 압축기(2)를 구동하는 엔진을 통과하는 냉각수가 작동 모드에 관계없이 냉각수 방열기(미도시)를 통해서 항상 방열된다. 즉, 종래의 히트펌프 시스템에서는 엔진의 열을 흡수한 냉각수의 열을 활용하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 히트펌프 시스템은 엔진의 배기가스의 열을 활용하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엔진에 흡입공기를 과급하기 위한 터보차저 기술이 적용된 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 엔진을 통과한 냉각수와 냉매를 열교환시켜서, 냉각수의 열을 활용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 엔진으로부터 배출된 배기가스와 냉각수를 열교환시켜서, 배기가스의 열을 활용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로서, 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 상기 압축기에 구동력을 제공하는 엔진; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실내공기와 열교환하는 실내열교환기; 상기 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실외공기와 열교환하는 실외열교환기; 상기 엔진의 배기가스에 의해 구동되는 터빈; 및 상기 터빈과 동일 축으로 연결되어 엔진으로 공급되는 흡입공기를 압축하는 흡기 압축기를 포함하는 히트펌프 시스템을 제공한다.
상기 히트펌프 시스템은 작동모드에 기초하여, 엔진의 냉각수를 상기 엔진으로 유입되는 흡입공기 및 상기 엔진의 배기가스 중 하나와 선택적으로 열교환시키는 인터쿨러를 더 포함할 수 있다.
또한, 엔진을 경유한 냉각수를 냉각시키기 위한 냉각수 방열기가 상기 실외열교환기의 일측에 구비될 수 있다. 냉방모드에서, 상기 냉각수 방열기를 통해 냉각된 냉각수가 상기 인터쿨러에서 상기 흡입공기와 서로 열교환할 수 있다.
냉방모드에서, 상기 터빈을 통과한 배기가스는 배기유로를 통해 외부로 배출될 수 잇다.
상기 히트펌프 시스템은 난방모드에서, 실내열교환기를 통해 응축된 냉매의 일부를 엔진을 통과한 냉각수와 열교환시키는 판형 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 실내열교환기를 통해 응축된 냉매의 나머지는 상기 실외열교환기로 안내될 수 있다.
상기 판형 열교환기에서 상기 냉각수와의 열교환을 통해 증발한 냉매는 상기 실외 열교한기를 통과한 냉매와 합류하여 압축기로 안내될 수 있다.
난방모드에서, 상기 판형 열교환기를 통해 냉매와 열교환한 냉각수는 상기 인터쿨러를 통해 다시 엔진으로 공급될 수 있다.
난방모드에서, 상기 판형 열교환기를 통해 냉매와 열교환한 냉각수와 상기 터빈을 통과한 배기가스가 상기 인터쿨러에서 서로 열교환할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템은 작동모드에 기초해서 상기 흡기 압축기를 통해 압축된 흡입공기를 상기 엔진의 흡기구에 직접 연결된 제1흡기유로 및 상기 인터쿨러를 경유하여 상기 엔진의 흡기구에 연결된 제2흡기유로 중 하나로 선택적으로 안내하는 제1삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템은 작동모드에 기초해서 상기 인터쿨러를 통과한 흡입공기를 상기 엔진의 흡기구로 안내하거나 상기 인터쿨러를 통과한 배기가스를 배기 유로로 안내하기 위한 제2삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템은 작동모드에 기초해서 상기 터빈을 통과한 배기가스를 배기유로 및 인터쿨링 유로 중 하나로 선택적으로 안내하기 위한 제3삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템은 작동모드에 기초해서 상기 엔진으로부터 열을 흡수한 냉각수를 상기 냉각수 방열기 및 상기 판형 열교환기 중 하나로 선택적으로 안내하는 제4삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템은 엔진을 통과한 냉각수를 안내하는 냉각수 유로에 구비되는 냉각수 펌프를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 냉각수 펌프는 냉각수의 흐름방향을 기준으로 상기 인터쿨러의 전단 또는 후단에 구비될 수 있다.
난방모드에서, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매의 일부는 제1분지유로를 통해 상기 판형 열교환기로 안내되고, 냉매의 나머지는 제2분지유로를 통해 실외열교환기로 안내될 수 있다. 이때, 상기 제1분지유로에 제1팽창밸브가 구비되고, 상기 제2분지유로에 제2팽창밸브가 구비될 수 있다. 상기 제1분지유로 및 상기 제2분지유로로 각각 안내되는 냉매는 상기 제1팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브에서 각각 팽창될 수 있다.
이와 달리, 냉방모드에서, 상기 실외열교환기에서 응축된 냉매는 상기 제2분지유로를 통해 실내열교환기로 안내될 수 있다. 이때, 상기 제1팽창밸브는 닫히고, 상기 제2팽창밸브는 냉매를 팽창시키기 위해 개도조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진에 흡입공기를 과급하기 위한 터보차저 기술이 적용된 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 엔진을 통과한 냉각수와 냉매를 열교환시켜서, 냉각수의 열을 활용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 엔진으로부터 배출된 배기가스와 냉각수를 열교환시켜서, 배기가스의 열을 활용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 난방모드에서 냉매, 냉각수 및 배기가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉방모드에서 냉매, 냉각수 및 배기가스의 유동을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템(10)은 가스엔진에 의해 냉매 압축기(100)에 구동력이 제공되는 가스 히트펌프 시스템(gas heat pump system)이 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 히트펌프 시스템(10)은 냉매를 압축하는 냉매 압축기(100), 상기 냉매 압축기(100)에 구동력을 제공하는 엔진(200), 냉매 압축기(100)에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되는 실내열교환기(300)와 실외열교환기(400), 상기 엔진(200)의 배기가스에 의해 구동되는 터빈(500), 및 상기 터빈(500)과 동일 축으로 연결되어 엔진으로 공급되는 흡입공기를 압축하는 흡기 압축기(600)를 포함할 수 있다.
상기 냉매 압축기(100)는 상기 실내열교환기(300)와 상기 실외열교환기(400)를 순환하는 냉매를 고온고압의 냉매로 압축하도록 형성될 수 있다. 냉매 압축기(100)로부터 토출된 냉매는 유로전환밸브(150)를 통해 실내열교환기(300) 및 실외열교환기(400) 중 하나를 향해 안내될 수 있다.
상기 유로전환밸브(150)는 사방밸브로 형성될 수 있다. 난방모드에서 상기 유로전환밸브(150)는 냉매 압축기(100)로부터 토출된 냉매를 실내열교환기(300)를 향해 안내하고, 냉방모드에서 상기 유로전환밸브(150)는 냉매 압축기(100)로부터 토출된 냉매를 상기 실외열교환기(400)를 향해 안내할 수 있다.
상기 실내열교환기(300)와 상기 실외열교호나기(400) 사이에는 하나 이상의 팽창밸브(910, 920)가 구비될 수 있다. 상기 팽창밸브(910, 920)는 상기 실내열교환기(300)와 상기 실외열교환기(400)중 증발기로 작동하는 열교환기를 향하는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
상기 실내열교환기(300)는 공조공간(실내공간)의 공기와 냉매를 열교환시키도록 형성될 수 있다. 상기 실내열교환기(300)는 난방모드에서 응축기로 작동하고 냉방모드에서 증발기로 작동할 수 있다. 상기 실내열교환기(300)의 일측에는 실내팬(310)이 구비될 수 있다.
상기 실외열교환기(400)는 실외공기와 냉매를 열교환시키도록 형성될 수 있다. 상기 실외열교환기(400)는 난방모드에서 증발기로 작동되고, 냉방모드에서 응축기로 작동될 수 있다. 상기 실외열교환기(400)의 일측에는 실외팬(410)이 구비될 수 있다.
상기 엔진(200)은 상기 냉매 압축기(100)에 구동력을 제공할 수 있다. 즉, 냉매를 압축하는 냉매 압축기(100)는 상기 엔진(200)으로부터 구동력을 전달받을 수 있다. 상기 엔진(200)은 실린더와 피스톤을 구비하는 가스엔진이 될 수 있다.
상기 터빈(500)은 상기 엔진(200)에서 배출되는 배기가스가 통과하도록 형성될 수 있다. 상기 터빈(500) 내에는 터빈휠(미도시)이 구비될 수 있다. 상기 엔진(200)의 배기구(202)에서 배출된 배기가스는 상기 터빈(500)으로 유입되어 상기 터빈휠을 회전시킬 수 있다.
상기 흠기 압축기(600)는 상기 엔진(200)으로 공급되는 공기를 압축하도록 형성될 수 있다. 상기 흠기 압축기(600)는 상기 터빈(500)과 동일 축(550)으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 흠기 압축기(600) 내에는 블레이드(미도시)가 구비될 수 있다. 이때, 상기 터빈(500)의 터빈휠과 상기 블레이드는 동일 축(550)에 의해 연결될 수 있다. 따라서, 상기 엔진(200)의 배기가스가 상기 터빈(500)을 구동시키면 상기 터빈휠과 함께 상기 압축기(600)의 블레이드가 회전될 수 있다.
터빈(500) 및 흠기 압축기(600)를 이용하여, 엔진(200)의 배기가스에 의해 흡입공기를 압축하는 것을 터보차저(또는 터보과급기)라고 한다. 상기 터보차저에 의해 엔진(200)으로 유입되는 흡입공기의 밀도가 자연흡기(natural aspiration)보다 높아져서 엔진(200)의 효율이 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템(10)은 엔진(200)의 냉각수를 엔진(200)으로 유입되는 흡입공기 및 엔진(200)의 배기가스 중 하나와 선택적으로 열교환시키는 인터쿨러(700)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터쿨러(700)는 작동모드에 기초하여 엔진(200)의 냉각수를 엔진(200)으로 유입되는 흡입공기 및 엔진(200)의 배기가스 중 하나와 선택적으로 열교환시킬 수 있다.
구체적으로, 냉방모드에서, 상기 인터쿨러(700)는 엔진(200)의 냉각수와 엔진(200)으로 유입되는 흡입공기를 열교환시킬 수 있다. 이때, 엔진(200)의 냉각수는 흡입공기와 열교환하기 전에 냉각수 방열기(810)를 통해 냉각될 수 있다.
즉, 냉방모드에서, 상기 냉각수 방열기(810)를 통해 냉각된 냉각수가 상기 인터쿨러(700)에서 흡입공기와 서로 열교환할 수 있다.
따라서, 냉방모드에서, 상기 냉각수와 상기 흡입공기의 열교환을 통해 엔진(200)으로 유입되는 흡입공기의 온도가 낮아져서 상기 흡입공기의 밀도가 증가할 수 있다. 흡입공기의 밀도가 증가하면 엔진(200)의 효율이 증대될 수 있다.
상기 냉각수 방열기(810)는 엔진(200)을 경유한 냉각수를 냉각시키도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 냉각수 방열기(810)는 엔진(200)의 방열을 위해 가열된 냉각수를 냉각시키도록 형성될 수 있다. 상기 냉각수 방열기(810)는 상기 실외열교한기(400)의 일측에 구비될 수 있다.
실외팬(410)의 구동에 의해 냉각수 방열기(810)를 유동하는 냉각수가 냉각될 수 있다. 냉각수 방열기(810)는 실외열교환기(400)와 실외팬(410) 사이에 구비될 수 있다. 실외팬(410)이 구동하면, 외부공기는 실외열교환기(400)와 실외팬(410)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 여기서 외부는 실외열교환기(400)와 냉각수 방열기(810)가 포함되는 실외기의 외부를 의미할 수 있다.
또한, 냉방모드에서, 상기 터빈(500)을 통과한 배기가스는 배기유로(1031)를 통해 바로 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 배기저항이 감소됨에 따라서 엔진효율이 향상될 수 있다.
난방모드에서는 실외공기의 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 상기 인터쿨러(700)는 실외공기의 온도를 낮추기 위해 사용될 필요가 없다. 즉, 난방모드에서는 엔진(200)으로 흡입되는 공기의 밀도가 냉방모드에서보다 상대적으로 높기 때문에, 상기 인터쿨러(700)는 아래와 같이 흡입공기의 온도가 아닌 배기가스의 온도를 낮추기 위해 사용될 수 있다.
난방모드에서, 엔진(200)의 냉각수는 배기가스와 열교환하기 전에 후술할 판형 열교환기(820)에서 냉매와 열교환하여 냉각될 수 있다. 상기 인터쿨러(700)는 엔진(200)의 냉각수와 엔진(200)으로부터 배출된 배기가스를 열교환시킬 수 있다. 즉, 엔진(200)의 배기가스는 터빈(500)을 통과한 후에, 상기 인터쿨러(700)에서 냉각수와 열교환하여 온도가 저하될 수 있다.
따라서, 난방모드에서, 상기 인터쿨러(700)를 통해 배기가스의 온도가 낮아질 수 있으며, 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 냉각수의 온도가 높아질 수 있다. 즉, 난방모드에서, 배기가스의 폐열을 통해 냉각수의 온도가 상승하고, 판형 열교환기(820)에서 냉각수와 냉매의 열교환을 통해 냉매가 증발될 수 있다.
상기 판형 열교환기(820)는 난방모드에서 실내열교환기(300)를 통해 응축된 냉매의 일부를 엔진(200)을 통과한 냉각수와 열교환시키도록 형성될 수 있다. 즉, 난방모드에서, 실내열교환기(300)를 통해 응축된 냉매의 일부는 엔진(200)의 방열에 의해 가열된 냉각수와 열교환하여 증발될 수 있다. 이때, 실내열교환기(300)를 통해 응축된 냉매의 나머지는 상기 실외열교환기(400)로 안내되어 응축될 수 있다.
또한, 난방모드에서, 상기 판형 열교환기(700)에서 냉각수와의 열교환을 통해 증발한 냉매는 상기 실외열교환기(400)를 통과한 냉매와 합류하여 압축기(100)로 안내될 수 있다. 이와 같이, 난방모드에서 실외옆교환기(400) 및 판형 열교환기(700)를 통해 냉매의 증발열을 확보할 수 있으므로 난방 효율이 증대될 수 있다.
난방모드에서, 상기 판형 열교환기(700)를 통해 냉매와 열교환한 냉각수는 전술한 인터쿨러(700)를 통해 다시 엔진(200)으로 공급될 수 있다. 즉, 판형 열교환기(700)에서 냉매와 열교환한 냉각수는 인터쿨러(700)에서 배기가스와 열교환한 후에 엔진(200)으로 유입될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템(10)은 흡기 압축기(600)를 통해 압축된 흡입공기를 작동모드에 기초하여 엔진(200)의 흡기구(201)로 직접 안내하거나 상기 인터쿨러(700)를 경유하여 상기 엔진(200)의 흡기구(201)로 안내할 수 있는 제1삼방밸브(1010)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1삼방밸브(1010)는 작동모드에 기초하여 흡기 압축기(600)를 통해 압축된 흡입공기를 엔진(200)의 흡기구(201)에 직접 연결된 제1흡기유로(1011) 및 상기 인터쿨러(700)를 경유하여 엔진(200)의 흡기구(201)에 연결되는 제2흡기유로(1012) 중 하나로 안내하도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 난방모드에서 상기 제1삼방밸브(1010)는 상기 흡입공기를 상기 제2흡기유로(1012)로 안내하고, 냉방모드에서 상기 제1삼방밸브(1010)는 상기 흡입공기를 상기 제1흡기유로(1011)로 안내할 수 있다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템(10)은 작동모드에 기초해서 인터쿨러(700)를 통과한 흡입공기를 엔진(200)의 흡기구(201)로 안내하거나 인터쿨러(700)를 통과한 배기가스를 배기유로(1031)로 안내하는 제2삼방밸브(1020)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2삼방밸브(1020)는 냉방모드에서 인터쿨러(700)를 통과한 흡입공기를 엔진(200)의 흡기구(201)로 안내하고, 난방모드에서 인터쿨러(700)를 통과한 배기가스를 상기 배기유로(1031)로 안내할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템(10)은 작동모드에 기초해서 터빈(500)을 통과한 배기가스를 배기유로(1031) 및 인터쿨링 유로(1032)로 선택적으로 안내하기 위한 제3삼방밸브(1030)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 냉방모드에서 상기 터빈(500)을 통과한 배기가스는 상기 제3삼방밸브(1030)에 의해 배기유로(1031)로 안내되어 바로 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, 난방모드에서 상기 터빈(500)을 통과한 배기가스는 상기 제3삼방밸브(1030)에 의해 인터쿨링 유로(1032)를 통해 인터쿨러(700)로 안내될 수 있다.
상기 인터쿨링 유로(1032)는 전술한 제2흡기유로(1012)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 인터쿨링 유로(1032)로 안내되는 배기가스는 상기 제2흡기유로(1012)를 통해 상기 인터쿨러(700)로 유입될 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템(10)은 작동 모드에 기초해서 엔진(200)을 통과한 냉각수를 전술한 냉각수 방열기(810) 및 판형 열교환기(820) 중 하나로 선택적으로 안내하는 제4삼방밸브(1040)를 더 포함할 수 있다.
냉방모드에서 상기 제4삼방밸브(1040)는 엔진(200)으로부터 열을 흡수한 냉각수를 상기 냉각수 방열기(810)를 향해 안내할 수 있다. 이와 달리, 난방모드에서 상기 제4삼방밸브(1040)는 엔진(200)으로부터 열을 흡수한 냉각수를 상기 판형 열교환기(820)를 향해 안내할 수 있다.
상기와 같이, 엔진(200)을 냉각하기 위한 냉각수가 순환하는 냉각수유로(801, 802)는 2가지로 구분될 수 있다. 예를 들어, 냉각수유로(801, 802)는 냉방모드에서 냉각수가 유동하는 제1냉각수유로(801) 및 난방모드에서 냉각수가 유동하는 제2냉각수유로(802)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제4삼방밸브(1040)에 의해 냉각수의 유로가 결정될 수 있다.
상기 냉각수유로(801, 802)에는 하나의 냉각수 펌프(850)가 구비될 수 있다. 상기 냉각수 펌프(850)는 냉각수의 흐름방향을 기준으로 인터쿨러(700)의 전단 또는 후단에 구비될 수 있다. 도시된 실시예에서, 상기 냉각수 펌프(850)는 냉각수의 흐름방향을 기준으로 인터쿨러(700)의 전단(상류측)에 구비된다.
구체적으로, 냉방모드에서 엔진(200)을 통과한 냉각수는 제1냉각수유로(801)를 통해 냉각수 방열기(801) 및 인터쿨러(700)를 순차적으로 경유하여 다시 엔진(200)으로 유입될 수 있다.
난방모드에서 엔진(200)을 통과한 냉각수는 제2냉각수유로(802)를 통해 판형 열교환기(820) 및 인터쿨러(700)를 순차적으로 경유하여 다시 엔진(200)으로 유입될 수 있다.
상기 제1냉각수유로(801)와 상기 제2냉각수유로(802)는 하나의 회수유로(803)를 공유할 수 있다. 즉, 상기 제1냉각수유로(801)로 안내되는 냉각수는 상기 회수유로(803)를 통해 엔진(200)으로 유입될 수 있다. 또한, 상기 제2냉각수유로(802)로 안내되는 냉각수 역시 상기 회수유로(803)를 통해 엔진(200)으로 유입될 수 있다.
상기 회수유로(803)에 전술한 인터쿨러(700)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 회수유로(803)가 상기 인터쿨러(700)를 통과할 수 있다.
또한, 상기 회수유로(803)에는 하나의 냉각수 펌프(850)가 구비될 수 있다. 따라서, 작동모드에 기초하여 상기 하나의 냉각수 펌프(850)에 의해 냉각수가 상기 제1냉각수유로(801) 또는 상기 제2냉각수유로(802)로 공급될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따르면, 하나의 인터쿨러(700), 하나의 냉각수 방열기(810), 하나의 냉각수 펌프(850)를 통하여 흡입공기 또는 배기가스의 냉각, 냉각수의 가열, 난방열의 확보와 같은 효과를 도출할 수 있다.
이하, 다른 도면을 참조하여, 작동모드에 따른 냉매와 냉각수의 전체적인 흐름에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 난방모드에서 냉매, 냉각수 및 배기가스의 유동을 나타내는 도면이다. 이해의 편의를 위하여, 냉매의 유동을 기준으로 설명한 후에, 냉각수의 유동을 기준으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 난방모드에서 압축기(100)로부터 토출된 냉매는 실내열교환기(300)로 안내되어 응축된다.
실내열교환기(300)를 통과한 냉매 제1분지유로(901) 및 제2분지유로(902)를 통해 분지된다. 상기 제1분지유로(901)는 판형 열교환기(820)에 연결되고 상기 제2분지유로(902)는 실외열교환기(400)에 연결될 수 있다.
즉, 실내열교환기(300)를 통과한 냉매의 일부는 상기 제1분지유로(901)를 통해 판형 열교환기(820)로 안내되고, 냉매의 나머지는 상기 제2분지유로(902)를 통해 실외열교환기(400)로 안내될 수 있다.
상기 제1분지유로(901)에 제1팽창밸브(910)가 구비되고, 상기 제2분지유로(902)에 제2팽창밸브(920)가 구비될 수 있다. 난방모드에서, 상기 제1팽창밸브(910)와 상기 제2팽창밸브(920)는 냉매를 팽창시키도록 개도조절될 수 있다. 상기 제1팽창밸브(910)와 상기 제2팽창밸브(920)에서 팽창한 냉매는 상기 판형 열교환기(820)와 상기 실외열교환기(400)에서 증발할 수 있다.
상기 판형 열교환기(820)와 상기 실외열교환기(400)에서 각각 증발한 냉매는 합류하여 압축기(100)로 안내될 수 있다.
한편, 엔진(200)을 통과한 냉각수는 제4삼방밸브(1040)를 통해 제2냉각수유로(802)로 안내될 수 있다.
냉각수는 제2냉각수유로(802)를 통해 판형 열교환기(820)로 안내되어 냉매와 열교환한다. 이때, 냉각수는 냉매로 열을 방출하여 냉각될 수 있다.
상기 판형 열교환기(820)를 통과한 냉각수는 회수유로(803)를 통해 엔진(200)을 향해 안내될 수 있다. 이때, 상기 냉각수는 회수유로(803)에 구비되는 인터쿨러(700)에서 배기가스와 열교환한 후에 엔진(200)으로 유입될 수 있다.
또한, 엔진(200)으로부터 배출되는 배기가스는 터빈(500), 제3삼방밸브(1030), 인터쿨러(700) 및 제2삼방밸브(1020)를 순차적으로 경유하여 배기유로(1031)로 안내될 수 있다.
상기 배기가스는 터빈(500)을 구동시켜서 터빈(600)에 연결된 흡기 압축기(600)를 구동시킬 수 있다. 또한, 상기 배기가스는 상기 인터쿨러(700)에서 냉각수와의 열교환을 통해 그 온도가 내려갈 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 냉방모드에서 냉매, 냉각수 및 배기가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 냉방모드에서 압축기(100)로부터 토출된 냉매는 실외열교환기(300)로 안내될 수 있다. 즉, 냉방모드에서 압축기(100)로부터 토출된 냉매는 유로전환밸브(150)를 통해 실외열교환기(300)로 안내되어 응축될 수 있다.
실외열교환기(300)에서 응축된 냉매는 전술한 제2분지유로(902)를 통해 실내열교환기(300)로 안내될 수 있다. 이때, 전술한 제1팽창밸브(910)는 닫히고, 제2팽창밸브(920)는 냉매를 팽창시키기 위해 개도조절될 수 있다.
상기 제2팽창밸브(920)에서 팽창한 냉매는 상기 실내열교환기(300)에서 증발할 수 있다. 상기 실내열교환기(300)에서 증발한 냉매는 다시 압추기(100)로 안내될 수 있다.
도시되어 있지는 않으나, 압축기(100)의 전단에 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하여 기상냉매만 압축기(100)로 공급하는 어큐뮬레이터가 구비될 수 있다. 또한, 압축기(100)의 후단에는 냉매에 함유된 오일을 분리하기 위한 오일분리기가 구비될 수 있다.
한편, 엔진(200)을 통과한 냉각수는 제4삼방밸브(1040)를 통해 제1냉각수유로(801)로 안내될 수 있다. 냉각수는 제1냉각수유로(801)를 통해 냉각수 방열기(810)로 안내되어 냉각될 수 있다.
냉각수 방열기(810)를 통과한 냉각수는 회수유로(803)를 통해 엔진(200)을 향해 안내될 수 있다. 이때, 상기 냉각수는 회수유로(803)에 구비되는 인터쿨러(700)에서 흡입공기와 열교환한 후에 엔진(200)으로 유입될 수 있다. 즉, 흡기 압축(600)를 통과한 고온고압의 흡입공기는 상기 인터쿨러(700)에서 냉각수와 열교환하여 냉각될 수 있다.
상기 냉각수는 상기 인터쿨러(700)에서 흡입공기와 열교환한 후에 엔진(200)으로 다시 유입될 수 있다.
또한, 엔진(200)으로부터 배출되는 배기가스는 터빈(500)을 통과한 후에 제3삼방밸브(1030)에 의해 바로 배기유로(1031)로 안내될 수 있다. 이 경우, 배기 저항이 감소되어 엔진의 효율이 증대될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 냉매 압축기 200 엔진
300 실내열교환기 400 실외열교환기
500 터빈 600 흡기 압축기
700 인터쿨러

Claims (16)

  1. 냉매를 압축하는 냉매 압축기;
    상기 냉매 압축기에 구동력을 제공하는 엔진;
    상기 냉매 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실내공기와 열교환하는 실내열교환기;
    상기 냉매 압축기에서 토출된 냉매가 선택적으로 안내되고 실외공기와 열교환하는 실외열교환기;
    상기 엔진의 배기가스에 의해 구동되는 터빈; 및
    상기 터빈과 동일 축으로 연결되어 엔진으로 공급되는 흡입공기를 압축하는 흡기 압축기를 포함하는 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    작동모드에 기초하여, 엔진의 냉각수를 상기 엔진으로 유입되는 흡입공기 및 상기 엔진의 배기가스 중 하나와 선택적으로 열교환시키는 인터쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    엔진을 경유한 냉각수를 냉각시키기 위한 냉각수 방열기가 상기 실외열교환기의 일측에 구비되고,
    냉방모드에서, 상기 냉각수 방열기를 통해 냉각된 냉각수가 상기 인터쿨러에서 상기 흡입공기와 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    냉방모드에서, 상기 터빈을 통과한 배기가스는 배기유로를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    난방모드에서, 실내열교환기를 통해 응축된 냉매의 일부를 엔진을 통과한 냉각수와 열교환시키는 판형 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실내열교환기를 통해 응축된 냉매의 나머지는 상기 실외열교환기로 안내되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 판형 열교환기에서 상기 냉각수와의 열교환을 통해 증발한 냉매는 상기 실외 열교한기를 통과한 냉매와 합류하여 냉매 압축기로 안내되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    난방모드에서, 상기 판형 열교환기를 통해 냉매와 열교환한 냉각수는 상기 인터쿨러를 통해 다시 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    난방모드에서, 상기 판형 열교환기를 통해 냉매와 열교환한 냉각수와 상기 터빈을 통과한 배기가스가 상기 인터쿨러에서 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    작동모드에 기초해서 상기 흡기 압축기를 통해 압축된 흡입공기를 상기 엔진의 흡기구에 직접 연결된 제1흡기유로 및 상기 인터쿨러를 경유하여 상기 엔진의 흡기구에 연결된 제2흡기유로 중 하나로 선택적으로 안내하는 제1삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    작동모드에 기초해서 상기 인터쿨러를 통과한 흡입공기를 상기 엔진의 흡기구로 안내하거나 상기 인터쿨러를 통과한 배기가스를 배기 유로로 안내하기 위한 제2삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    작동모드에 기초해서 상기 터빈을 통과한 배기가스를 배기유로 및 인터쿨링 유로 중 하나로 선택적으로 안내하기 위한 제3삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    작동모드에 기초해서 상기 엔진으로부터 열을 흡수한 냉각수를 상기 냉각수 방열기 및 상기 판형 열교환기 중 하나로 선택적으로 안내하는 제4삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  14. 제5항에 있어서,
    난방모드에서, 상기 실내열교환기를 통과한 냉매의 일부는 제1분지유로를 통해 상기 판형 열교환기로 안내되고, 냉매의 나머지는 제2분지유로를 통해 실외열교환기로 안내되며,
    상기 제1분지유로에 제1팽창밸브가 구비되고, 상기 제2분지유로에 제2팽창밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    냉방모드에서,
    상기 실외열교환기에서 응축된 냉매는 상기 제2분지유로를 통해 실내열교환기로 안내되고,
    상기 제1팽창밸브는 닫히고, 상기 제2팽창밸브는 냉매를 팽창시키기 위해 개도조절되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
  16. 제2항에 있어서,
    엔진을 통과한 냉각수를 안내하는 냉각수 유로에 구비되는 냉각수 펌프를 더 포함하고,
    상기 냉각수 펌프는 냉각수의 흐름방향을 기준으로 상기 인터쿨러의 전단 또는 후단에 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
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