KR20190047212A - 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과냉열교환기로부터 토출되는 메인냉매의 일부를 팽창시킨 제1 분기냉매, 또는 상기 제1 분기냉매와 실외 열교환기로부터 토출되는 저온의 메인냉매 일부를 분기시킨 제2 분기냉매를 합류하여 과냉열교환기를 통과하는 메인냉매와 서로 열교환하도록 함으로써, 과냉각도를 증대시키고 아울러 과열증기냉매의 상태로서 압축기에 흡입 되도록 하여 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 난방 능력을 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있도록 한 것으로, 본 발명에서는 과냉열교환기로부터 토출되는 메인냉매의 일부를 팽창시킨 제1 분기냉매, 또는 상기 제1 분기냉매와 실외 열교환기로부터 토출되는 저온의 메인냉매 일부를 분기시킨 제2 분가냉매가 합류하여 과냉열교환기를 통과하는 메인냉매와 서로 열교환하도록 함으로써, 과냉각도에 대한 증대와 함께 과열증기냉매의 상태로서 압축기에 흡입 되도록 하여 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 난방능력을 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있도록 한 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템이 제공된다.

Description

한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템{A Heatpump System Using Duality Cold Cycle for Cold Districts}

본 발명은 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과냉열교환기로부터 토출되는 메인냉매의 일부를 팽창시킨 제1 분기냉매, 또는 상기 제1 분기냉매와 실외 열교환기로부터 토출되는 저온의 메인냉매 일부를 분기시킨 제2 분가냉매가 합류하여 과냉열교환기를 통과하는 메인냉매와 서로 열교환하도록 함으로써, 과냉각도에 대한 증대와 함께 과열증기냉매의 상태로서 압축기에 흡입 되도록 하여 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 난방능력을 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있도록 한 것이다.

일반적으로, 열을 이송하는 기기를 히트펌프라고 부르며, 이러한 히트펌프는 냉,난방을 동시에 행할 수 있다는 특징이 있다. 이러한 히트펌프는 다시 그 방식에 따라 다양한 형태로 구분될 수 있으나 일반적인 이원냉동사이클 히트펌프 시스템은, 예를 들어 1단 응축기 측의 냉매와 2단 증발기 측 냉매가 제1 캐스케이드형 열교환기를 통해 1단 측 고온 냉매의 응축열을 이용하여 2단 측 증발기의 냉매를 증발시키는 열교환을 수행하고, 아울러 2단 응축기 측로 흐르는 고온 냉매와 제2캐스케이드 열교환기에서 열교환되는 열전달물(예를 들면 공기, 물)로 공간 또는 바닥에 대하여 난방이 이루어지게 하는 방식이다.

그런데, 한랭지 조건에서 이원냉동 사이클을 이용한 히트펌프 시스템에서는 난방능력 향상과 함께 압축기의 효율성을 높이기 위하여 베이퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 냉매 압축기 대신 베어퍼 인젝션 포트를 갖추고 있는 베이퍼 인젝션 압축기를 적용하고 있다.

다시 말해, 한랭지 조건에서 이원냉동 사이클을 이용한 히트펌프 시스템에 베이퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 냉매 압축기를 그대로 적용할 경우에는 베이퍼 인젝션 압축기와 같은 난방능력 향상과 함께 압축기의 효율성을 높일 수 없는 문제가 있었다.

따라서, 베이퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 냉매 압축기를 그대로 적용하더라도 베이퍼 인젝션 압축기와 같은 난방능력에 대한 향상과 함께 압축기의 효율성을 높일 수 있는 한랭지용 이원냉동 사이클을 이용한 히트펌프 시스템이 꾸준히 요구되어 왔다.

대한민국 공개특허 제 10-2015-0111220호(공개일 : 2015.10.05) 대한민국 공개특허 제 10-2015-0130816호(공개일 : 2015.11.24)

이에 본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 과냉열교환기로부터 토출되는 메인냉매의 일부를 팽창시킨 제1 분기냉매, 또는 상기 제1 분기냉매와 실외 열교환기로부터 토출되는 저온의 메인냉매 일부를 분기시킨 제2 분가냉매가 합류하여 과냉열교환기를 통과하는 메인냉매와 서로 열교환하도록 함으로써, 과냉각도에 대한 증대와 함께 과열증기냉매의 상태로서 압축기에 흡입 되도록 하여 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 난방능력을 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있도록 한 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 과제 해결 수단은, 제1 메인냉매가 순환하도록 제1 메인냉매순환라인을 포함하는 제1 사이클과; 제2 냉매가 순환되도록 제2 냉매순환라인을 포함하는 제2 사이클과; 상기 제1 사이클의 제1 압축기로부터 토출되는 고온,고압의 제1 메인냉매와 제2사이클에서 순환하는 제2 냉매가 서로 열교환이 이루어지도록 하는 제1 캐스케이드형 열교환기와; 상기 제2 사이클의 제2 압축기로부터 토출되는 고온,고압의 제2 냉매와 열전달물질 간에 열교환시켜 난방이 이루어지도록 하는 제2 캐스케이드형 열교환기를 포함하고 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 제1 사이클에서 제1 캐스케이드형 열교환기와 제1 팽창밸브 사이의 구간에 제1 메인냉매순환라인이 통과하도록 설치되는 과냉각열교환기와; 상기 과냉열교환기와 제1 팽창밸브 사이의 구간을 지나는 제1 메인냉매순환라인으로부터 분기되는 제1 분기라인을 포함하며, 상기 제1 분기라인은 제2 팽창밸브를 거쳐 제1 메인냉매순환라인의 제1 메인냉매와 열교환을 위해 상기 과냉열교환기를 통과하고, 상기 제1 메인냉매순환라인으로 흐르는 제1 메인냉매와 합류할 수 있도록 제1 압축기의 어큐뮬레이터와 연결되는 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템를 통해 목적을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 제1 사이클의 실외 열교환기와 제1 압축기의 구간을 지나는 제1 메인냉매순환라인으로부터 분기되는 제2 분기라인을 포함하며, 상기 제2 분기라인은 제2팽창밸브와 과냉열교환기의 구간을 지나는 제1 분기라인에 합류하도록 연결되는 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템을 통해 목적을 달성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템을 사용하게 되면, 베이퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 냉매 압축기를 그대로 적용하더라도 베이퍼 인젝션 압축기와 같은 난방능력에 대한 향상과 함께 압축기의 효율성을 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템의 구성도로서, 난방 운전모드 상태이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템의 구성도로서, 난방 운전모드 상태이다.

이하. 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

도 1에서는 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템(이하, 히프펌프 시스템으로 칭함)은 1단 측 제1 사이클(10) 및 2단 측 제2 사이클(12)과, 상기 제2 사이클(12)로부터 열원을 공급받아 난방이 이루어지도록 하는 이원냉동사이클(14)을 제시하고 있다.

먼저, 상기 제1 사이클(10)은 제1 메인냉매순환라인(16)을 따라 흐르는 제1 메인냉매를 고온,고압으로 압축하여 토출 시키는 제1 압축기(18)를 구비하고 있는데, 여기서 적용하는 상기 제1 압축기(18)는 베이퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 냉매 압축기가 적용된다.

또한, 상기 제1 사이클(10)에는 상기 제1 압축기(18)로부터 토출된 고온 고압의 제1 메인냉매를 통과시키는 제1 사방밸브(20)와, 상기 제1 사방밸브(20)를 통과하는 제1 메인냉매와 후술하는 제2 사이클(12)의 제 2압축기(22)로부터 토출되는 제2 메인냉매가 서로 열교환 되도록 하는 제1 캐스케이드형 열교환기(24)를 포함하고 있다.

또한, 상기 제1 캐스케이드형 열교환기(24)로부터 토출되는 제1 메인냉매가 통과하면서 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 과냉열교환기(26)와, 상기 과냉열교환기(26)로부터 토출되는 냉매를 저온,저압의 상태로 형성하는 제1 팽창밸브(28)와, 상기 제 1팽창밸브(28)를 거치면서 저온,저압 상태인 제1 메인냉매가 통과하는 실외 열교환기(30)를 포함하고 있다.

또한, 상기 실외 열교환기(30)를 통과한 제1 메인냉매는 제1 사방밸브(20)를 거쳐서 최종적으로는 어큐뮬레이터(18a)를 통해 제1압축기(18)로 흡입 회수되도록 구성되어 있다.

또한, 상기 과냉열교환기(26)와 제1 팽창밸브(28) 사이의 구간에는 제1 메인냉매순환라인(16)으로부터 분기 되는 제1 분기라인(32)을 포함하며, 이러한 상기 제1 분기라인(32)은 제2 팽창밸브(34)를 거치면서 과냉열교환기(26)를 통과 후 최종적으로는 상기 제1 사방밸브(20)와 어큐뮬레이터(18a) 구간의 제1 메인냉매순환라인(16)과 합류하여 어큐뮬레이터(18a)로 모이게 된다.

그에 따라, 상기 제1 분기라인(32)으로 흐르는 제1 분기냉매는 제2팽창밸브(34)를 통과하면서 저온,저압의 상태로 과냉열교환기(26)를 통과하게 된다.

한편 상기 제2 사이클(12)은, 제 1사이클(10)과 유사하게 제2 냉매순환라인(36)으로 흐르는 제2 냉매를 고온,고압으로 압축하여 토출시키는 제2 압축기(22)와, 상기 제2 압축기(22)로부터 토출된 고온,고압의 제2 냉매를 통과시키는 제 2 사방밸브(38)와, 상기 제2 사방밸브(38)로부터 토출되는 냉매를 통과시키는 제2 캐스케이드형 열교환기(40)와, 상기 제2 캐스케이드형 열교환기(40)로부터 토출되는 제2 냉매를 저온,저압의 상태로 형성하는 제3 팽창밸브(42)를 포함하고 있다.

또한, 상기 제3 팽창밸브(42)를 거치면서 저온,저압 상태의 제2 냉매는 제1 사이클(10)에서 제1 메인냉매순환라인(16)을 따라 흐르는 제1 메인냉매와 열교환이 이루어지도록 하는 제1 캐스케이드형 열교환기(24)를 지나 제2 사방밸브(38)를 거쳐서 다시 제 2압축기(22)로 흡입 회수된다. 상기 제 2압축기(22)의 한쪽에는 제 1사이클(10)과 마찬가지로 어큐뮬레이터(22a)가 마련된다.

이러한 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 동작 설명을 하면 다음과 같다.

[난방 운전 모드]

도 1에 도시된 바와 같이, 제1,2 사이클(10)(12)을 가동시키면, 제1 사이클(10)을 구성하는 제1 압축기(18)의 작동으로 제1 메인냉매가 고온,고압의 상태로 토출 되면서 제1 메인냉매순환라인(16)을 따라 순환하게 된다.

먼저, 제1 압축기(18)에 의해 고온,고압으로 토출되는 제1 메인냉매는 제1 사방밸브(20)를 거쳐서 제1 캐스케이드형 열교환기(24)를 통과하고, 이어서 과냉열교환기(26)를 통과하는 동안 제1 분기라인(32)으로 흐르는 저온,저압 상태의 냉매에 의해 냉각되는 상태가 된다.

또한, 상기 과냉열교환기(26)를 통과하면서 냉각된 제1 메인냉매는 제1 메인냉매순환라인(16)을 따라 제1 팽창밸브(28)를 거치면서 저온,저압된 상태로 실외 열교환기(30)를 거친 후 다시 제 1사방밸브(20)를 지나 어큐뮬레이터(18a)를 통해 제 1압축기(18)로 다시 흡입 회수된다.

따라서, 제 1사이클(10)과 제 2사이클(12)이 동시에 가동하는 상태에서, 제1 사이클(10)과 제 2사이클(12)에는 제1 캐스케이드형 열교환기(24)에 의해 상기 제 1사이클(10)의 제 1압축기(18)로부터 토출되는 제1 메인냉매와, 제2 사이클(12)의 제2 압축기(22)로부터 토출되는 제2 냉매가 서로 열교환이 이루어지게 된다.

아울러, 상기 제2 사이클(12)에는 제2캐스케이드형 열교환기(40)를 통해 제2 압축기(22)로부터 토출되는 고온,고압의 제2 냉매와 열교환되는 열전달물(S)(예를 들면 공기, 물)로 공간 또는 바닥에 대하여 난방이 이루어지게 된다.

한편, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템에서는 상기 과냉열교환기(26)로부터 제1 팽창밸브(28)의 방향으로 토출되는 제1 메인냉매 중 일부가 제1 분기라인(32)으로 흐르게 되며, 상기 제1 분기라인(32)으로 흐르는 제1 분기냉매는 제2팽창밸브(34)를 통과하면서 저온,저압의 상태로 과냉열교환기(26)를 통과하게 된다.

이때, 앞서 언급한 바와 같이 상기 과냉열교환기(26)에서는 제1 메인냉매순환라인(16)의 제1 메인냉매와 제1 분기라인(32)의 제1 분기냉매 간에 서로 열교환이 이루어지게 된다.

상기 과냉열교환기(26)에서 제1 메인냉매와 제1 분기냉매 간에 서로 열교환시, 상기 과냉각열교환기(26)를 통과하는 제1 메인냉매는 과냉각열교환기(26)를 통과하는 제1 분기냉매보다 상대적으로 온도가 높기 때문에 제1 메인냉매는 냉각되고 제1 분기냉매는 가열되는 상태가 된다.

따라서, 상기 과냉열교환기(26)를 통과하는 제1 메인냉매는 냉각되어 과냉각도가 커지게 되는데, 특히 상기 과냉열교환기(26)로부터 토출되는 제1 메인냉매가 이미 냉각된 저온의 상태로 분기 되고 제2 팽창밸브(34)를 거치는 동안 저온의 제1 분기냉매는 온도가 더 낮아진 상태로 과냉열교환기(26)를 통과하게 되므로 결과적으로, 상기 과냉열교환기(26)를 통과하는 제1 메인냉매는 더욱 냉각되는 상태가 되어 과냉각도가 커지게 된다.

그리고, 상기 실외 열교화기(30)로부터 토출되는 저온의 제1 메인냉매는 가열된 제1 분기냉매와 어큐물레이터(18a)에서 합류하면서 과열증기냉매의 상태로서 제1 압축기(18)로 흡입되게 된다.

즉, 증가된 과냉각도는 난방성능을 향상하고, 과열증기냉매의 흡입으로 인해 제1 압축기(18)의 효율이 높아 지게 됨으로써, 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 베어퍼 인젝션 기능이 없는 일반적인 압축기의 적용으로도 난방 능력은 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있게 된다.

[실시예 2]

도 2에서는 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템의 구성도가 도시되어 있다. 설명에 앞서 실시예 1과 동일한 구성은 동일한 참조부호를 사용하고 중복된 설명을 피하고 상이한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 히트펌프에서는 실외 열교환기(30)와 제1 사방밸브(20) 구간의 제1 메인냉매라인(16)에서 분기되는 제2 분기라인(44)은 제2팽창밸브(34)와 과냉열교환기(26) 구간의 제1 분기라인(32)에 합류하는 구성이 제시된다.

따라서, 상기 실외 열교화기(30)로부터 토출되어 제1 사방밸브(20)로 흐르는 저온의 제1 메인냉매 중 일부 제2 분리라인(44)으로 분기되는 제2 분기냉매는 상기 제2팽창밸브(34)를 통과하면서 저온,저압의 상태로 제1 분기라인(32)을 따라 흐르는 제1 분기냉매와 합류한 후 과냉열교환기(26)를 통과하게 됨으로써 상기 과냉열교환기(26)를 통과하는 제1 메인냉매가 실시예1 보다 더 냉각되어 과냉각도가 더욱 커지게 된다.

아울러 상기 실외 열교환기(30)로부터 토출되어 제1 사방밸브(20)를 거쳐 어큐뮬레이터(18a)로 공급되는 저온의 제1 메인냉매는 상기 과냉열교환기(26)를 통과하면서 가열된 상기 제1 및 제2 분기냉매와 어큐물레이터(18a)에서 합류하게 되어 과열도가 실시예 1에 비해 더 증가하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템은 과냉열교환기로부터 토출되는 제1 메인냉매의 일부를 팽창시킨 제1분기냉매, 또는 이러한 상기 제1 분기냉매와 실외 열교환기로부터 토출되는 저온의 제1 메인냉매 일부를 분기한 제2 분기냉매를 합류시켜 과냉열교환기로 유입되는 제1냉매와 서로 열교환되도록 하여 과냉각도를 증대시키면서 아울러 과열증기냉매의 상태로서 압축기에 흡입 되도록 함으로써, 한랭지에서 베이퍼 인젝션 압축기를 사용하지 않고도 난방 능력은 더 향상시키고 압축기 효율도 더 높일 수 있도록 한 것이다

이상에서는 첨부도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.

10 : 제1 사이클
12 : 제2 사이클
14 : 이원냉동사이클
16 : 제1 메인냉매순환라인
18 : 제1 압축기
18a : 어큐뮬레이터
20 : 제1 사방밸브
22 : 제2 압축기
22a : 어큐뮬레이터
24 : 제1 캐스케이드형 열교환기
26 : 과냉열교환기
28 : 제1 팽창밸브
30 : 실외열교환기
32 : 제1 분기라인
34 : 제2 팽창밸브
36 : 제2 냉매순환라인
38 : 제2 사방밸브
40 : 제2 캐스케이드형 열교환기
42 : 제3 팽창밸브

Claims (2)

1. 제1 메인냉매가 순환하도록 제1 메인냉매순환라인(16)을 포함하는 제1 사이클(10)과; 제2 냉매가 순환되도록 제2 냉매순환라인(36)을 포함하는 제2 사이클(12)과; 상기 제1 사이클(10)의 제1 압축기(18)로부터 토출되는 고온,고압의 제1 메인냉매와 제2사이클(12)에서 순환하는 제2 냉매가 서로 열교환이 이루어지도록 하는 제1 캐스케이드형 열교환기(24)와; 상기 제2 사이클(12)의 제2 압축기(22)로부터 토출되는 고온,고압의 제2 냉매와 열전달물질(S) 간에 열교환시켜 난방이 이루어지도록 하는 제2 캐스케이드형 열교환기(40)를 포함하고 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서,
   상기 제1 사이클(10)에서 제1 캐스케이드형 열교환기(24)와 제1 팽창밸브(28) 사이의 구간에 제1 메인냉매순환라인(16)이 통과하도록 설치되는 과냉각열교환기(26)와;
   상기 과냉열교환기(26)와 제1 팽창밸브(28) 사이의 구간을 지나는 제1 메인냉매순환라인(16)으로부터 분기되는 제1 분기라인(32)을 포함하며,
   상기 제1 분기라인(32)은 제2 팽창밸브(28)를 거쳐 제1 메인냉매순환라인(16)의 제1 메인냉매와 열교환을 위해 상기 과냉열교환기(26)를 통과하고, 상기 제1 메인냉매순환라인(16)으로 흐르는 제1 메인냉매와 합류할 수 있도록 제1 압축기(18)의 어큐뮬레이터(18a)와 연결되는 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   제1 사이클(10)의 실외 열교환기(30)와 제1 압축기(18)의 구간을 지나는 제1 메인냉매순환라인(16)으로부터 분기되는 제2 분기라인(44)을 포함하며,
   상기 제2 분기라인(44)은 제2팽창밸브(34)와 과냉열교환기(26)의 구간을 지나는 제1 분기라인(32)에 합류하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 한랭지용 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프 시스템.

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