KR20190074476A

KR20190074476A - 터빈을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR20190074476A
Application number: KR1020170175862A
Authority: KR
Inventors: 신형기; 노철우; 조종재; 백영진; 이길봉; 조준현; 이범준; 나호상; 최봉수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-28
Also published as: KR102006921B1

Abstract

본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 팽창밸브와 터빈을 병렬로 구비하고, 초기 구동시나 평상 운전 모드에서는 터빈을 사용하지 않고 팽창밸브만을 사용하고, 시스템의 효율이 저하되는 조건에 속하면 터빈은 사용하고 팽창밸브는 사용하지 않도록 구성하여, 터빈을 최적의 조건에서만 사용하여 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

Description

터빈을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법{Heat pump with turbine and control method of the same}

본 발명은 터빈을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CO₂를 냉매로 사용하는 사이클에서 터빈과 팽창밸브를 선택적으로 작동시켜 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적인 히트펌프 시스템은, 압축기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브를 포함한다. 상기 히트펌프 시스템은, 상기 압축기에서 냉매를 압축하고, 상기 압축기에서 압축된 냉매는 상기 응축기에서 응축되고, 상기 응축기에서 응축된 냉매는 상기 증발기에서 증발되어 상기 팽창밸브를 거친 후 상기 압축기로 다시 순환한다. 상기 히트펌프 시스템은, 상기 응축기에 물을 공급하여 상기 응축기에서 발생되는 응축열을 이용하여 온수나 스팀을 생산한다.

종래의 히트펌프 시스템에서는, 오존층 파괴 계수가 낮은 R134a, R245fa 등을 냉매로 사용하나, R134a, R245fa 등은 오존층 파괴 계수는 낮지만 지구 온난화 계수는 CO₂ 대비 1000배 이상 높은 문제점이 있다.

또한, 종래의 히트펌프 시스템에서는, 냉매를 팽창시키는 팽창장치로서 팽창 밸브를 주로 이용하기 때문에 시스템의 효율을 향상시키는 데 한계가 따르는 문제점이 있다.

한국등록특허 10-1679782호

본 발명의 목적은, 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템은, 메인 압축기에서 압축된 냉매 중 적어도 일부를 냉각시키기 위한 인터쿨러와; 상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 압축시키는 보조 압축기와; 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 응축시키는 응축기와; 상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키는 팽창밸브와; 상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키면서 동력을 생산하여 상기 보조 압축기 측에 전달하기 위한 터빈과; 상기 팽창밸브와 상기 터빈 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 증발시키는 증발기와; 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나를 구동시키기 위한 모터와; 상기 메인 압축기에서 압축된 냉매를 토출하는 메인압축기 토출유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 응축기로 안내하는 응축기 흡입유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 인터쿨러로 안내하는 인터쿨러 흡입유로와; 상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 상기 보조 압축기측으로 안내하는 보조압축기 흡입유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 상기 응축기 흡입유로와 상기 인터쿨러 흡입유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 상기 응축기와 상기 인터쿨러 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제1삼방밸브와; 상기 응축기에서 응축된 냉매를 토출하는 응축기 토출유로와; 상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 안내하는 터빈 흡입유로와; 상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 팽창밸브로 안내하는 팽창밸브 흡입유로와; 상기 응축기 토출유로에서 상기 터빈 흡입유로와 상기 팽창밸브 흡입유로로 분기되는 지점에 설치되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 터빈과 상기 팽창밸브 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제2삼방밸브와; 상기 제1삼방밸브와 상기 제2삼방밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 터빈 흡입유로를 모두 차폐하고 상기 터빈을 정지시키는 터빈 정지 모드와, 상기 제1삼방밸브와 상기 제2삼방밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 터빈 흡입유로를 개방하고 상기 터빈의 동력을 상기 보조 압축기에 전달하는 터빈 구동 모드를 선택적으로 수행하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템은, 메인 압축기에서 압축된 냉매 중 적어도 일부를 냉각시키기 위한 인터쿨러와; 상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 압축시키는 보조 압축기와; 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 응축시키는 응축기와; 상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키는 팽창밸브와; 상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키면서 동력을 생산하여 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 측에 제공하기 위한 터빈과; 상기 팽창밸브와 상기 터빈 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 증발시키는 증발기와; 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나를 구동시키기 위한 모터와; 상기 메인 압축기에서 압축된 냉매를 토출하는 메인압축기 토출유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 응축기로 안내하는 응축기 흡입유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 인터쿨러로 안내하는 인터쿨러 흡입유로와; 상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 상기 보조 압축기측으로 안내하는 보조압축기 흡입유로와; 상기 메인압축기 토출유로에서 상기 응축기 흡입유로와 상기 인터쿨러 흡입유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 상기 응축기와 상기 인터쿨러 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제1삼방밸브와; 상기 응축기에서 응축된 냉매를 토출하는 응축기 토출유로와; 상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 안내하는 터빈 흡입유로와; 상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 팽창밸브로 안내하는 팽창밸브 흡입유로와; 상기 응축기 토출유로에서 상기 터빈 흡입유로와 상기 팽창밸브 흡입유로로 분기되는 지점에 설치되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 터빈과 상기 팽창밸브 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제2삼방밸브와; 상기 보조압축기에서 나온 냉매를 상기 응축기로 안내하는 보조압축기 토출유로와; 상기 보조압축기 토출유로에 설치되어, 상기 보조압축기 토출유로를 개폐하는 보조압축기 토출밸브와; 상기 제1삼방밸브, 상기 제2삼방밸브, 상기 보조압축기 토출밸브 및 상기 팽창밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로, 상기 터빈 흡입유로, 상기 보조압축기 토출유로를 차폐하고 상기 팽창밸브는 개방하여 상기 터빈을 정지시키는 터빈 정지 모드와, 상기 제1삼방밸브, 상기 제2삼방밸브, 상기 보조압축기 토출밸브 및 상기 팽창밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로, 상기 터빈 흡입유로, 상기 보조압축기 토출유로를 개방하고, 상기 팽창밸브는 차폐하여 상기 터빈을 구동시키는 터빈 구동 모드를 선택적으로 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행한다.

본 발명에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법은, 메인 압축기, 보조 압축기, 인터쿨러, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 터빈 및 모터를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서, 운전이 시작되면, 상기 모터의 구동력이 상기 메인 압축기에만 전달하도록 상기 터빈과 상기 보조 압축기의 각 클러치 결합을 해제하고, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 전부 상기 응축기로 공급되도록 유로를 절환하고, 상기 응축기에서 나온 냉매가 전부 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 증발기로 공급되도록 유로를 절환하여 터빈 정지 모드를 수행하는 단계와; 상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 응축기에서 나온 냉매가 전부 상기 터빈으로 공급되도록 유로를 절환하는 단계와; 상기 터빈의 회전속도가 미리 설정된 설정속도에 도달하면, 상기 모터와 상기 터빈의 구동력이 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기에 전달되도록 클러치를 체결하고, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 전부 상기 인터쿨러를 통과한 후 상기 보조 압축기로 흡입되도록 유로를 절환하여 터빈 구동 모드를 수행하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 정지 모드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드의 초기 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 정지 모드를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드의 초기 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 정지 모드를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템은, 메인 압축기(10), 보조 압축기(20), 인터쿨러(30), 응축기(40), 팽창밸브(50), 터빈(60), 모터(70), 증발기(80) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 메인 압축기(10)는, 상기 터빈(60)의 사용 여부와 관계없이 사용되는 압축기이다.

상기 메인 압축기(10)의 토출측에는 메인압축기 토출유로(11)가 연결된다.

상기 메인압축기 토출유로(11)는, 응축기 흡입유로(41)와 인터쿨러 흡입유로(31)로 분기되어, 상기 메인 압축기(10)에서 나온 냉매는 상기 응축기(40)나 상기 인터쿨러(30)로 유입될 수 있다.

상기 메인압축기 토출유로(11)에서 상기 응축기 흡입유로(41)와 상기 인터쿨러 흡입유로(31)가 분기되는 지점에는 제1삼방밸브(101)가 설치된다.

상기 제1삼방밸브(101)는, 상기 메인 압축기(10)에서 토출된 냉매가 상기 응축기(40)와 상기 보조 압축기(20) 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환한다.

상기 보조 압축기(20)는, 상기 터빈(60)의 사용시 상기 메인 압축기(10)에서 나와 상기 인터쿨러(30)를 통과한 냉매를 압축시킨다.

상기 보조 압축기(20)의 흡입측에는 보조압축기 흡입유로(21)가 연결된다. 상기 보조압축기 흡입유로(21)는, 상기 인터쿨러(30)와 상기 보조 압축기(20)를 연결하는 유로이다.

상기 보조 압축기(20)의 토출측에는 보조압축기 토출유로(22)가 연결된다. 상기 보조압축기 토출유로(22)는, 상기 보조 압축기(20)에서 나온 냉매를 상기 응축기 흡입유로(41)로 안내한다.

상기 보조압축기 토출유로(22)에는 보조압축기 토출밸브(23)가 설치된다. 상기 보조압축기 토출밸브(23)는, 터빈 정지 모드와 터빈 구동 모드에 따라 상기 보조압축기 토출유로(22)를 개폐한다.

상기 인터쿨러(30)는, 상기 메인 압축기(10)에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 냉각시키는 열교환기이다.

상기 응축기(40)는, 상기 메인 압축기(10)와 상기 보조 압축기(20)중 적어도 하나에서 나온 냉매를 응축시킨다. 상기 응축기(40)에서는 급탕용수와 냉매가 열교환되어, 냉매는 응축되고, 상기 급탕용수는 가열되어 온수로 사용된다.

상기 응축기(40)에는 상기 급탕용수가 유입되는 입수 유로가 연결되며, 상기 입수 유로에는 상기 급탕용수의 입수온도를 측정하는 온도센서(미도시)가 구비된다.

상기 응축기(40)의 토출측에는 응축기 토출유로(42)가 연결된다.

상기 응축기 토출유로(42)는, 터빈 흡입유로(61)와 팽창밸브 흡입유로(51)로 분기된다. 따라서, 상기 응축기(40)에서 토출된 냉매는 상기 터빈(60)이나 상기 팽창밸브(50)로 유입될 수 있다.

상기 응축기 토출유로(42)에서 상기 터빈 흡입유로(61)와 상기 팽창밸브 흡입유로(51)가 분기되는 지점에는 제2삼방밸브(102)가 설치된다.

상기 제2삼방밸브(102)는, 상기 응축기(40)에서 토출된 냉매가 상기 터빈(60)과 상기 팽창밸브(50) 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환한다.

상기 팽창밸브(50)는, 상기 응축기(40)에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시킨다.

상기 터빈(60)은, 상기 응축기(40)에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키면서 동력을 생산하여 상기 보조 압축기(20)를 구동시키는 데 공급하는 팽창장치이다.

상기 터빈(60)의 토출측에는 터빈 토출유로(62)가 연결된다. 상기 터빈 토출유로(62)는, 상기 터빈(60)에서 나온 냉매를 상기 증발기(80)로 안내하는 유로이다.

상기 증발기(80)는, 상기 팽창밸브(50)와 상기 터빈(60) 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 증발시킨다.

상기 증발기(80)의 흡입측에는, 증발기 흡입유로(81)가 연결된다. 상기 증발기(80)의 토출측에는 증발기 토출유로(82)가 연결된다. 상기 증발기 토출유로(82)는, 상기 증발기(80)에서 나온 냉매를 상기 메인 압축기(10)로 안내하는 유로이다.

한편, 상기 보조 압축기(20)와 상기 터빈(60)은, 상기 모터(70)의 구동축(71)과 제1기어구조로 결합된 제1종동축(110)에 연결된다.

상기 모터(70)의 구동축(71)에는 불 기어(bull gear)(72)가 결합된다.

상기 제1기어구조는, 상기 불 기어(72)와 상기 제1종동축(110)의 제1피니언 기어(111)가 결합되는 구조이다.

상기 보조 압축기(20)는 상기 제1종동축(110)의 일단에 제1클러치(131)에 의해 결합된다.

상기 터빈(60)은 상기 제1종동축(110)의 타단에 제2클러치(132)에 의해 연결된다.

상기 메인 압축기(10)는, 상기 모터(70)의 구동축(71)과 제2기어구조로 결합된 제2종동축(120)에 연결된다.

상기 제2기어구조는, 상기 불 기어(72)와 상기 제2종동축(120)의 제2피니언 기어(121)가 결합되는 구조이다.

상기 제어부(미도시)는, 미리 설정된 운전 조건에 따른 운전 모드를 수행하기 위해 상기 제1삼방밸브(101), 상기 제2삼방밸브(102), 상기 보조압축기 토출밸브(23), 상기 팽창밸브(50)의 개폐를 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 도 1을 참조하여, 초기 구동시나 평상 운전시에 수행되는 터빈 정지 모드를 설명한다.

상기 터빈 정지 모드는, 상기 터빈(60)과 상기 보조 압축기(20)를 사용하지 않고, 상기 메인 압축기(10)와 상기 팽창밸브(50)를 사용하는 운전 모드이다.

상기 터빈 정지 모드는, 상기 모터(70)의 구동력이 상기 메인 압축기(10)에만 전달되도록 상기 제1,2클러치(131)(132)의 결합이 해제된 상태이다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1삼방밸브(101), 상기 제2삼방밸브(102), 상기 보조압축기 토출밸브(23), 상기 팽창밸브(50)의 개폐를 제어한다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 제1삼방밸브(101)가 상기 메인압축기 토출유로(11)와 상기 응축기 흡입유로(41)를 개방하고, 상기 인터쿨러 흡입유로(31)는 차폐하도록 제어한다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제2삼방밸브(102)가 상기 팽창밸브 흡입유로(51)는 개방하고, 상기 터빈 흡입유로(61)는 차폐하도록 제어한다.

따라서, 상기 메인 압축기(10)에서 나온 냉매는 상기 응축기(40)로 바로 유입되어 응축된다.

상기 응축기(40)에서 냉매는 응축되고, 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수는 가열되어 온수로 수요처에 공급된다.

상기 응축기(40)에서 나온 냉매는 상기 팽창밸브(50)를 통과하면서 팽창된 후 상기 증발기(80)로 유입된다.

상기 증발기(80)에서 증발된 냉매는 상기 메인 압축기(10)로 다시 흡입된다.

따라서, 초기 구동시에는 상기 터빈 정지 모드로 운전됨으로써, 상기 터빈(60)을 사용하지 않는다.

즉, 초기 구동시에는 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 비교적 낮아서 상기 응축기(40)에서의 열교환 효율이 높기 때문에 전체 시스템이 고효율로 작동한다. 따라서, 초기 구동시에는 상기 터빈(60)을 구동하지 않는다.

한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기(10)를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기(80)의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행한다.

상기 히트펌프 시스템의 운전이 계속되어 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 온수 목표온도에 설정비율을 초과하면, 상기 압축기(10)의 토출압력인 응축압력이 상승하게 되므로, 상기 히트펌프 시스템의 효율이 저하된다.

따라서, 상기 제어부(미도시)는, 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 상기 온수 목표온도에 설정비율만큼 도달하면, 상기 터빈 구동 모드를 시작한다.

여기서, 상기 온수 목표온도는, 사용자에 의해 미리 설정된 급탕장치의 목표 온도이다.

상기 설정비율은 55% 내지 65%이고, 본 실시예에서는 60%인 것으로 예를 들어 설명한다.

예를 들어, 상기 온수 목표가 60℃일 때, 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 36℃이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 시작할 수 있다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 메인 압축기(10)를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이면, 상기 터빈 구동모드를 시작한다.

상기 압축비는, 증발압력에 대한 응축압력의 비이다.

상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 상기 온수 목표온도에 설정비율만큼 도달하면, 상기 메인 압축기(10)를 통과하는 냉매의 압축비가 상기 설정압축비 이상이 된다.

상기 설정 압축비는 2 내지 3 범위이다. 본 실시예에서는 상기 설정 압축비는 2.5인 것으로 예를 들어 설명한다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 증발기(80)의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행한다.

상기 증발기(80)의 입구측 또는 상기 팽창밸브(50)의 출구측 냉매의 건도가 상기 설정 건도 이상이면, 건도 상승으로 인해 상기 증발기(80)의 용량 저하가 발생되며, 충분한 액적 스트림이 확보되지 못하는 유동 조건을 조성하여, 전체 시스템에서 질량 유량(mass flow rate)이 감소되고, 증발 압력이 하강되는 현상이 발생된다.

따라서, 상기 증발기(80)의 입구측 냉매의 건도가 상기 설정건도 이상이면, 상기 터빈(60)을 구동시켜 상기 증발기(80)의 입구측 건도 하강을 유도할 수 있다.

여기서, 상기 설정건도는, 0.3 내지 0.5 범위이다. 본 실시예에서는, 상기 설정건도는 0.4인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 증발기(80)의 입구측 냉매의 건도는 미리 설정된 건도 계산 프로그램 등을 이용하여 계산할 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 상기 터빈 구동 모드의 시작시, 상기 제어부(미도시)는 상기 인터쿨러 흡입유로(31)와 상기 보조압축기 토출유로(22)를 개방하기 이전에 상기 터빈 흡입유로(61)만을 개방한다.

즉, 상기 제1삼방밸브(101)가 상기 터빈 구동 모드의 초기에는 상기 인터쿨러 흡입유로(31)와 상기 보조압축기 토출유로(22)는 차폐하도록 제어하고, 상기 제2삼방밸브(102)가 상기 팽창밸브 흡입유로(51)는 차폐하고 상기 터빈 흡입유로(61)는 개방하도록 제어한다.

또한, 상기 제1,2클러치(131)(132)의 결합도 해제된 상태를 유지하여, 상기 보조 압축기(20)가 사용되지 않는다.

따라서, 상기 응축기(40)에서 응축된 냉매가 상기 터빈(60)으로 흡입되어, 상기 터빈(60)이 구동된다.

이후, 도 3을 참조하면, 상기 터빈(60)이 구동되어 상기 터빈(60)의 회전속도가 미리 설정된 설정속도에 도달하면, 상기 제어부(미도시)는 상기 모터(70)와 상기 터빈(60)의 구동력이 상기 메인 압축기(10)와 상기 보조 압축기(20)에 모두 전달되도록 상기 제1,2클러치(131)(132)를 결합시킨다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1삼방밸브(101)를 제어하여, 상기 인터쿨러 흡입유로(31)와 상기 보조압축기 토출유로(22)를 개방한다.

따라서, 상기 메인 압축기(10)에서 1차 압축된 냉매는 상기 인터쿨러(30)에서 냉각된 후 상기 보조 압축기(20)에서 2차 압축된다.

상기 보조 압축기(20)에서 나온 냉매는 상기 응축기(40)에서 응축된 후, 상기 터빈(60)으로 흡입되어 팽창된다.

상기 터빈(60)에서 팽창되어 나온 냉매는 상기 증발기(80)를 거쳐 상기 메인 압축기(10)로 다시 순환한다.

또한, 상기 터빈(60)의 동력은 상기 제2클러치(132)와 상기 제1종동축(110)을 통해 상기 보조 압축기(20)에 전달될 수 있다.

따라서, 상기 터빈(60)은 냉매를 팽창시키는 팽창장치의 역할과 상기 보조 압축기(20)를 구동시키는 동력을 제공하는 역할도 하게 된다.

상기와 같이, 상기 히트펌프 시스템의 초기 구동시나 평상 운전 모드에서는 상기 터빈(60)을 사용하지 않고, 상기 히트펌프 시스템의 효율이 저하되는 조건에 속하면 상기 터빈(60)을 구동시킴으로써, 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 정지 모드를 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드의 초기 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 터빈 구동 모드를 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템은, 메인 압축기(10)와 보조 압축기(20)는 제1종동축(210)에 동축으로 결합되고, 터빈(60)은 제2종동축(220)에 결합된 것이 상기 제1실시예와 상이하고, 나머지 구성 및 작용은 상기 제1실시예와 유사하므로, 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

상기 제1종동축(210)은, 상기 모터(70)의 회전축(71)에 제1기어구조로 결합된 축이다.

상기 제1기어구조는, 상기 불 기어(72)와 상기 제1종동축(210)의 제1피니언 기어(211)가 결합된 구조이다.

상기 제2종동축(220)은, 상기 모터(70)의 회전축(71)에 제2기어구조로 결합된 축이다.

상기 제2기어구조는, 상기 불 기어(72)와 상기 제2종동축(220)의 제2피니언 기어(221)가 결합된 구조이다.

상기 보조 압축기(20)는 상기 제1종동축(210)의 일단에 제1클러치(231)에 의해 결합된다.

상기 터빈(60)은 상기 제2종동축(220)에 제2클러치(232)에 의해 연결된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

도 4를 참조하면, 초기 구동시나 평상 운전시에는 터빈 정지 모드를 설명한다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 모터(70)의 구동력이 상기 메인 압축기(10)에만 전달되도록 상기 제1,2클러치(231)(232)의 결합을 해제시킨다.

한편, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 응축기(40)로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기(10)를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기(80)의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행한다.

도 5를 참조하면, 상기 터빈 구동 모드의 시작시, 상기 제어부(미도시)는 상기 인터쿨러 흡입유로(31)와 상기 보조압축기 토출유로(22)를 개방하기 이전에 상기 터빈 흡입유로(61)만을 개방한다.

또한, 상기 제1,2클러치(231)(232)의 결합도 해제된 상태를 유지하여, 상기 보조 압축기(20)가 사용되지 않는다.

이후, 도 6을 참조하면, 상기 터빈(60)이 구동되어 상기 터빈(60)의 회전속도가 미리 설정된 설정속도에 도달하면, 상기 제어부(미도시)는 상기 모터(70)와 상기 터빈(60)의 구동력이 상기 메인 압축기(10)와 상기 보조 압축기(20)에 모두 전달되도록 상기 제1,2클러치(231)(232)를 결합시킨다.

또한, 상기 터빈(60)의 동력은 상기 제2클러치(232), 상기 제2종동축(220), 상기 제1,2기어구조, 상기 제1종동축(210)을 통해 상기 보조 압축기(20)에 전달될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 메인 압축기 20: 보조 압축기
30: 인터쿨러 40: 응축기
50: 팽창밸브 60: 터빈
70: 모터 80: 증발기
101: 제1삼방밸브 102: 제2삼방밸브

Claims

메인 압축기에서 압축된 냉매 중 적어도 일부를 냉각시키기 위한 인터쿨러와;
상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 압축시키는 보조 압축기와;
상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 응축시키는 응축기와;
상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키는 팽창밸브와;
상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키면서 동력을 생산하여 상기 보조 압축기 측에 전달하기 위한 터빈과;
상기 팽창밸브와 상기 터빈 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 증발시키는 증발기와;
상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나를 구동시키기 위한 모터와;
상기 메인 압축기에서 압축된 냉매를 토출하는 메인압축기 토출유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 응축기로 안내하는 응축기 흡입유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 인터쿨러로 안내하는 인터쿨러 흡입유로와;
상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 상기 보조 압축기측으로 안내하는 보조압축기 흡입유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 상기 응축기 흡입유로와 상기 인터쿨러 흡입유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 상기 응축기와 상기 인터쿨러 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제1삼방밸브와;
상기 응축기에서 응축된 냉매를 토출하는 응축기 토출유로와;
상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 안내하는 터빈 흡입유로와;
상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 팽창밸브로 안내하는 팽창밸브 흡입유로와;
상기 응축기 토출유로에서 상기 터빈 흡입유로와 상기 팽창밸브 흡입유로로 분기되는 지점에 설치되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 터빈과 상기 팽창밸브 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제2삼방밸브와;
상기 제1삼방밸브와 상기 제2삼방밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 터빈 흡입유로를 모두 차폐하고 상기 터빈을 정지시키는 터빈 정지 모드와, 상기 제1삼방밸브와 상기 제2삼방밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 터빈 흡입유로를 개방하고 상기 터빈의 동력을 상기 보조 압축기에 전달하는 터빈 구동 모드를 선택적으로 수행하는 제어부를 포함하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 보조 압축기와 상기 터빈은, 상기 모터의 구동축과 제1기어 구조로 결합된 제1종동축에 클러치에 의해 연결되고,
상기 메인 압축기는 상기 모터의 구동축과 제2기어 구조로 결합된 제2종동축에 연결된 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기는, 상기 모터의 구동축과 제1기어 구조로 결합된 제1종동축으로 연결되고,
상기 보조 압축기는 상기 제1종동축에 제1클러치에 의해 연결되고,
상기 터빈은 상기 모터의 구동축과 제2기어 구조로 결합된 제2종동축에 제2클러치에 의해 연결된 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도, 상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비, 상기 증발기의 입구측 냉매의 건도 중 적어도 하나가 미리 설정된 조건에 포함되면,
상기 터빈 구동 모드를 수행하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하면 상기 터빈 구동 모드를 수행하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 설정온도는, 사용자에 의해 미리 설정된 온수 목표온도에 설정비율만큼 도달한 온도로 설정되는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 증발기의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 보조압축기에서 나온 냉매를 상기 응축기로 안내하는 보조압축기 토출유로와,
상기 보조압축기 토출유로에 설치되어, 상기 보조압축기 토출유로를 개폐하는 보조압축기 토출밸브를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 터빈 정지 모드시 상기 보조압축기 토출유로를 차폐하고, 상기 터빈 구동 모드시 상기 보조압축기 토출유로를 개방하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 터빈 정지 모드시 상기 팽창밸브를 개방하고, 상기 터빈 구동 모드시 상기 팽창밸브를 차폐하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제어부는,
상기 터빈 구동 모드시, 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 보조압축기 토출유로를 개방하기 이전에 상기 응축기에서 나온 냉매가 전부 상기 터빈으로 공급되도록 상기 터빈 흡입유로만 개방하고,
상기 터빈의 회전속도가 미리 설정된 설정속도에 도달하면, 상기 모터와 상기 터빈의 구동력이 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기에 전달되도록 클러치를 체결하고, 상기 인터쿨러 흡입유로와 상기 보조압축기 토출유로를 개방하도록 제어하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
메인 압축기에서 압축된 냉매 중 적어도 일부를 냉각시키기 위한 인터쿨러와;
상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 압축시키는 보조 압축기와;
상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 응축시키는 응축기와;
상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키는 팽창밸브와;
상기 응축기에서 나온 냉매 중 적어도 일부를 팽창시키면서 동력을 생산하여 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 측에 제공하기 위한 터빈과;
상기 팽창밸브와 상기 터빈 중 적어도 하나에서 나온 냉매를 증발시키는 증발기와;
상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기 중 적어도 하나를 구동시키기 위한 모터와;
상기 메인 압축기에서 압축된 냉매를 토출하는 메인압축기 토출유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 응축기로 안내하는 응축기 흡입유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부를 상기 인터쿨러로 안내하는 인터쿨러 흡입유로와;
상기 인터쿨러에서 나온 냉매를 상기 보조 압축기측으로 안내하는 보조압축기 흡입유로와;
상기 메인압축기 토출유로에서 상기 응축기 흡입유로와 상기 인터쿨러 흡입유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 상기 응축기와 상기 인터쿨러 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제1삼방밸브와;
상기 응축기에서 응축된 냉매를 토출하는 응축기 토출유로와;
상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 안내하는 터빈 흡입유로와;
상기 응축기 토출유로에서 분기되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 상기 팽창밸브로 안내하는 팽창밸브 흡입유로와;
상기 응축기 토출유로에서 상기 터빈 흡입유로와 상기 팽창밸브 흡입유로로 분기되는 지점에 설치되어, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 터빈과 상기 팽창밸브 중 적어도 하나로 공급되도록 유로를 절환하는 제2삼방밸브와;
상기 보조압축기에서 나온 냉매를 상기 응축기로 안내하는 보조압축기 토출유로와;
상기 보조압축기 토출유로에 설치되어, 상기 보조압축기 토출유로를 개폐하는 보조압축기 토출밸브와;
상기 제1삼방밸브, 상기 제2삼방밸브, 상기 보조압축기 토출밸브 및 상기 팽창밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로, 상기 터빈 흡입유로, 상기 보조압축기 토출유로를 차폐하고 상기 팽창밸브는 개방하여 상기 터빈을 정지시키는 터빈 정지 모드와, 상기 제1삼방밸브, 상기 제2삼방밸브, 상기 보조압축기 토출밸브 및 상기 팽창밸브의 개폐를 제어하여 상기 인터쿨러 흡입유로, 상기 터빈 흡입유로, 상기 보조압축기 토출유로를 개방하고, 상기 팽창밸브는 차폐하여 상기 터빈을 구동시키는 터빈 구동 모드를 선택적으로 수행하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 터빈 구동 모드를 수행하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템.
메인 압축기, 보조 압축기, 인터쿨러, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 터빈 및 모터를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서,
운전이 시작되면, 상기 모터의 구동력이 상기 메인 압축기에만 전달하도록 상기 터빈과 상기 보조 압축기의 각 클러치 결합을 해제하고, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 전부 상기 응축기로 공급되도록 유로를 절환하고, 상기 응축기에서 나온 냉매가 전부 상기 팽창밸브를 거쳐 상기 증발기로 공급되도록 유로를 절환하여 터빈 정지 모드를 수행하는 단계와;
상기 응축기로 유입되는 급탕용수의 온도가 미리 설정된 설정온도를 초과하거나, 상기 메인 압축기를 통과하는 냉매의 압축비가 미리 설정된 설정압축비 이상이거나, 상기 증발기의 입구측 냉매의 건도가 미리 설정된 설정건도 이상이면, 상기 응축기에서 나온 냉매가 전부 상기 터빈으로 공급되도록 유로를 절환하는 단계와;
상기 터빈의 회전속도가 미리 설정된 설정속도에 도달하면, 상기 모터와 상기 터빈의 구동력이 상기 메인 압축기와 상기 보조 압축기에 전달되도록 클러치를 체결하고, 상기 메인 압축기에서 토출된 냉매가 전부 상기 인터쿨러를 통과한 후 상기 보조 압축기로 흡입되도록 유로를 절환하여 터빈 구동 모드를 수행하는 단계를 포함하는 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법.
청구항 13에 있어서,
상기 설정온도는, 사용자에 의해 미리 설정된 온수 목표온도에 설정비율만큼 도달한 온도이고,
상기 설정비율은 55% 내지 65% 범위인 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법.
청구항 13에 있어서,
상기 설정 압축비는 2 내지 3 범위인 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법.
청구항 13에 있어서,
상기 설정건도는, 0.3 내지 0.5 범위인 터빈을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법.