KR20190096067A - 가스 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 가스 히트펌프 시스템은, 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매 배관을 포함하는 공기조화 모듈; 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진 모듈; 및 상기 엔진으로 오일을 공급하기 위한 오일 순환 모듈을 포함하고, 상기 엔진 모듈은, 상기 공기와 연료를 혼합하여 상기 엔진 측으로 배출하는 믹서; 상기 믹서와 상기 엔진 사이에 배치되어, 상기 믹서에서 배출된 혼합기를 압축시킨 후, 상기 엔진 측으로 배출하는 과급수단을 포함하고, 상기 오일 순환 모듈은, 상기 오일이 저장되는 오일 팬과, 상기 오일 팬의 오일을 상기 엔진으로 공급하기 위한 제 1 오일 유로와, 상기 오일 팬의 오일을 상기 과급수단으로 공급하고 상기 과급수단에서 오일을 회수하기 위한 제 2 오일 유로와, 상기 과급수단을 지난 오일을 회수하고, 회수된 오일을 상기 오일 팬으로 공급하기 위한 오일 탱크를 포함한다.

Description

가스 히트펌프 시스템{Gas heat-pump system}
본 발명은 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
히트펌프 시스템은 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있는 냉동 사이클이 구비되는 시스템으로서, 온수 공급장치 또는 냉난방 장치와 연동될 수 있다. 즉, 냉동 사이클의 냉매와 소정의 축열 매체가 열교환 하여 얻어진 열원을 이용하여 온수를 생산하거나, 냉난방을 위한 공기 조화를 수행할 수 있다.
상기 냉동 사이클은, 냉매의 압축을 위한 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압하는 팽창장치 및 상기 감압된 냉매를 증발시키는 증발기를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 시스템은, 가스 히트펌프 시스템을 포함할 수 있다. 가정용이 아닌, 산업용이나 큰 빌딩의 공기조화를 위하여 대용량의 압축기가 요구된다. 즉, 많은 양의 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하기 위한 압축기를 구동하기 위하여 전기 모터가 아닌 가스 엔진을 이용하는 시스템으로서 가스 히트펌프 시스템이 사용될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템은, 연료와 공기의 혼합물(이하, 혼합기)을 이용하여 동력을 발생시키는 엔진을 포함할 수 있다. 일례로, 엔진은, 상기 혼합기가 공급되는 실린더와, 상기 실린더 내에서 운동 가능하게 제공되는 피스톤을 포함할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템은, 상기 엔진에 혼합기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 공급장치 및 공기와 연료를 혼합하기 위한 믹서(mixer)를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 공급장치는, 공기를 정화하기 위한 공기 여과기를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 연료 공급장치는 일정한 압력의 연료를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor)를 포함할 수 있다.
상기 제로 가버너는 연료의 입구압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계)없이, 출구압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다. 일례로, 상기 제로 가버너는, 연료의 압력을 감압하는 노즐부와, 상기 노즐부에서 감압된 압력이 작용하는 다이아프램(diaphragm) 및 상기 다이아프램의 작동에 의하여 개폐되는 밸브장치를 포함할 수 있다.
상기 공기 여과기를 통과한 공기와, 상기 제로 가버너에서 토출된 연료는 상기 믹서에서 혼합되어(혼합기), 상기 엔진에 공급될 수 있다.
그리고, 상기 엔진에 공급된 혼합기가 연소되면, 상기 엔진으로부터 배기가스가 토출될 수 있다.
선행문헌인 한국등록특허공보 제10-1341533호에는, 가스히트펌프 시스템 및 이의 제어방법이 개시된다.
상기와 같은 종래 가스히트펌프는 주택용 LNG나 LPG 등을 열원으로 하는 가스 엔진을 이용하여, 압축기 냉매를 순환시켜, 여름철에는 냉방모드로 작동하고, 겨울철에는 난방모드로 작동한다.
하지만, 자연흡기 방식으로 가스엔진에 공기를 공급하고, 주택용 LNG나 LPG를 연료로 공급할 경우, 낮은 공급압력(1~2.5 kPa)으로 인해 가스엔진의 출력이 감소하게 되는 문제가 있다.
또한, 여름철의 경우 가스히트펌프 시스템은 실내의 온도를 낮추기 위해 냉방모드로 작동하게 되는데, 실외의 기온이 고온인 경우, 높은 기온으로 인해 가스엔진으로 고온의 공기가 공급된다.
이에 따라, 가스엔진으로 저밀도의 공기가 공급되어 가스엔진의 출력이 감소하게 된다. 그 결과, 가스엔진의 출력이 높은 냉방부하를 따라갈 수 없어, 냉방 불량의 원인이 될 수 있다.
또한, 이를 해결하기 위해, 자동차의 엔진과 같이, 공기를 과급기로 가압한 후, 공기량에 따라 연료량을 조절하면서 공급하면, 가스 연료의 배관 내 공급압력(약 2.5kPa)이 과급압력(약 30kPa)보다 낮아 연료 공급이 어려워지는 문제도 있다.
본 발명의 과제는, 엔진으로 공급되는 혼합기를 과급장치에서 과급함으로써, 엔진의 성능이 향상될 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 과제는, 간단한 구조에 의해서 과급장치로 오일을 공급시키고, 공급된 오일을 회수할 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 과제는, 과급장치를 유동하는 오일을 냉각시켜 오일의 산화를 방지함으로써, 공급받는 부품의 손상이 방지되는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 과제는, 과급장치로 오일의 정상 급유 여부를 판단하고, 오일이 정상적으로 공급되지 않는 경우 엔진을 정지시켜 엔진 손상을 방지하는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 가스 히트펌프 시스템은, 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매 배관을 포함하는 공기조화 모듈과, 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진 모듈을 포함하고, 상기 엔진 모듈은, 상기 공기와 연료를 혼합하여 상기 엔진 측으로 배출하는 믹서; 및 상기 믹서와 상기 엔진 사이에 배치되어, 상기 믹서에서 배출된 혼합기를 압축시킨 후, 상기 엔진 측으로 배출하는 과급수단을 포함하여, 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템은, 상기 엔진으로 오일을 공급하기 위한 오일 순환 모듈을 포함하고, 상기 오일 순환 모듈은 상기 오일의 일부를 상기 과급수단으로 공급하여 상기 과급수단을 윤활시킬 수 있다.
본 실시 예에서 상기 오일 순환 모듈은, 상기 오일이 저장되는 오일 팬과, 상기 오일 팬의 오일을 상기 엔진으로 공급하기 위한 제 1 오일 유로와, 상기 오일 팬의 오일을 상기 과급수단으로 공급하고 상기 과급수단에서 오일을 회수하기 위한 제 2 오일 유로와, 상기 과급수단을 지난 오일을 회수하고, 회수된 오일을 상기 오일 팬으로 공급하기 위한 오일 탱크를 포함할 수 있어, 간단한 구조에 의해서 오일을 순환시킬 수 있으며, 오일을 과급수단으로 공급하기 위하여 엔진의 구조를 변경하지 않아도 된다.
본 실시 예에서, 상기 오일 탱크의 오일은 제 1 연결 배관과 제 2 연결 배관에 의해서 상기 오일 팬으로 공급될 수 있다.
상기 제 2 연결 배관은 상기 제 1 연결 배관의 하측에 위치되며, 상기 오일 탱크의 오일 레벨과 오일 팬의 오일 레벨의 수위 차에 의해서 상기 오일 탱크의 오일이 상기 각 연결 배관을 통해 상기 오일 팬으로 공급될 수 있다.
상기 오일 탱크의 최고 높이는 상기 오일 팬의 최고 높이 보다 높게 위치되고, 상기 오일 팬은 상기 엔진의 하측에 위치될 수 있다.
상기 오일 팬 내에는 오일을 펌핑하기 위한 오일 펌프가 위치될 수 있다. 상기 제 1 연결 배관은 상기 오일 펌프 보다 높은 위치에서 상기 오일 팬에 연결될 수 있다.
상기 오일 팬의 오일 레벨은 최고 레벨과 최저 레벨 사이에서 관리될 수 있다. 상기 오일 펌프는 상기 최저 레벨과 동일한 높이에 설치될 수 있다.
본 실시 예의 가스 히트펌프 시스템은, 상기 오일 팬과 상기 오일 탱크의 압력 평형을 위한 균압관을 더 포함할 수 있다. 상기 균압관은 제 1 오일 유로와 오일 회수 유로에 연결될 수 있다.
본 발명에서, 상기 제 2 오일 유로는, 상기 과급수단에서 배출된 오일을 상기 오일 탱크로 회수하기 위한 오일 회수 유로를 포함할 수 있다.
상기 오일 회수 유로에는 밸브가 구비되고, 상기 밸브와 상기 제 2 연결 배관에는 오일 바이패스 배관이 연결될 수 있다.
상기 밸브는 상기 과급수단에서 배출된 오일의 온도에 따라 유로 절환될 수 있다. 상기 밸브는 상기 과급수단에서 배출된 오일이 온도가 높은 경우에는 오일을 상기 오일 탱크로 유동시킬 수 있다.
일 실시 예로서, 상기 밸브는, 상기 과급수단을 지난 오일의 온도가 기준 온도 이상이면, 오일이 상기 오일 탱크로 회수되도록 제 1 상태로 유로 전환되고, 상기 과급수단을 지난 오일의 온도가 기준 온도 미만이면, 오일이 상기 오일 바이패스 배관으로 유동하도록 제 2 상태로 유로 전환될 수 있다.
본 발명에서 가스 히트펌프 시스템은, 상기 제 2 오일 유로를 따라 유동하는 오일이 상기 과급수단으로 공급되기 전에 냉각되도록 하기 위한 오일 쿨러를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 오일 쿨러에서 상기 오일은 상기 냉매 배관에서 분기되는 냉매 분기 배관을 유동하는 냉매와 열교환될 수 있다.
다른 예로서, 상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각 모듈를 더 포함하고, 상기 냉각 모듈은 상기 엔진으로 냉각수를 공급하기 위한 공급 배관을 포함하고, 상기 공급 배관에서 분기된 오일 냉각용 배관의 냉각수와 상기 제 2 오일 유로의 오일이 열교환될 수 있다.
제안되는 발명에 의하면, 가스엔진에 공급되는 연료와 공기의 혼합기를 과급수단을 이용해서 자연흡기 대비 높은 압력으로 엔진에 공급함으로써, 체적 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 제 1 오일 유로에서 분기된 오일이 제 2 오일 유로를 따라 유동하여 과급수단으로 공급되고, 과급수단으로 공급된 오일이 오일 회수 유로를 통하여 오일 탱크로 회수되므로, 오일 순환 모듈의 구조가 간단해지며, 엔진의 구조 변화 없이 오일 순환이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 과급수단에서 회수되는 오일의 온도가 높은 경우 오일을 오일 탱크로 회수한 후에 오일 팬으로 공급함에 따라서 과급수단이나 엔진의 손상이 방지되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 오일을 냉각시킨 후에 과급수단으로 공급하므로, 과급수단이나 엔진의 손상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 오일을 냉각시켜 과급수단으로 공급하는 과정에서 오일이 정상적으로 유동하지 못하는 경우에는 엔진을 정지시킴으로써, 엔진과 과급수단의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 엔진 모듈을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 오일 순환 모듈을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 엔진 모듈에서의 냉각수의 유동을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 오일 순환 모듈에서의 오일의 유동을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 오일 순환 모듈을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면.
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 엔진 모듈을 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 오일 순환 모듈을 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 엔진 모듈을 보여주는 도면이다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 오일의 순환 유로를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)은, 공기조화 모듈로서 냉매 사이클을 구성하는 다수의 부품을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 공기조화 모듈은, 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 상기 압축기(110)에서 압축된 냉매 중 오일을 분리하기 위한 오일 분리기(115) 및 상기 오일 분리기(115)를 거친 냉매의 방향을 전환하여 주는 사방변(117)을 포함할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 실외 열교환기(120)는 실외측에 배치되는 실외기의 내부에 배치되고, 상기 실내 열교환기(140)는 실내측에 배치되는 실내기의 내부에 배치될 수 있다. 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기(140)로 유동할 수 있다.
도 1에 도시된 시스템의 구성들은 실내 열교환기(140) 및 실내 팽창장치(145)를 제외하고 실외측, 즉 실외기의 내부에 배치될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 냉방 운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실외 열교환기(120)를 거쳐 상기 실내 열교환기(140) 측으로 유동할 수 있다. 반면에, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 난방 운전 모드로 운전될 경우, 상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 실내 열교환기(140)를 거쳐 상기 실외 열교환기(120) 측으로 유동할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 압축기(110), 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140) 등을 연결하여 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매 배관(170, 실선 유로)을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상기 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성에 대하여, 냉방 운전 모드를 기준으로 설명하기로 한다.
상기 실외 열교환기(120)로 유동한 냉매는 외기와 열교환 하여 응축될 수 있다. 상기 실외 열교환기(120)의 일측에는 외기를 불어주는 실외 팬(122)이 배치될 수 있다.
상기 실외 열교환기(120)의 출구측에는, 냉매를 감압하기 위한 메인 팽창 장치(125)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 메인 팽창 장치(125)는, 전자 팽창 밸브(Electronic expansion valve, EEV)를 포함할 수 있다. 냉방 운전 시, 상기 메인 팽창 장치(125)는 풀 오픈(full open) 되어 냉매의 감압 작용을 수행하지 않는다.
상기 메인 팽창 장치(125)의 출구 측에는, 냉매를 추가 냉각하기 위한 과냉각 열교환기(130)가 제공될 수 있다. 그리고, 상기 과냉각 열교환기(130)에는, 과냉각 유로(132)가 연결될 수 있다. 상기 과냉각 유로(132)는 상기 냉매 배관(170)으로부터 분지되어 상기 과냉각 열교환기(130)에 연결될 수 있다.
그리고, 상기 과냉각 유로(132)에는, 과냉각 팽창 장치(135)가 설치될 수 있다. 상기 과냉각 유로(132)를 유동하는 냉매는 상기 과냉각 팽창 장치(135)를 통과하면서 감압될 수 있다.
상기 과냉각 열교환기(130)에서는, 상기 냉매 배관(170)의 냉매와 상기 과냉각 유로(132)의 냉매 간에 열교환이 이루어질 수 있다. 열교환 과정에서, 상기 냉매 배관(170)의 냉매는 과냉되며, 상기 과냉각 유로(132)의 냉매는 흡열한다.
상기 과냉각 유로(132)는 기액 분리기(160)에 연결될 수 있다. 상기 과냉각 열교환기(130)에서 열교환 된 과냉각 유로(132)의 냉매는 상기 기액 분리기(160)로 유입될 수 있다.
상기 과냉각 열교환기(130)를 통과한 냉매 배관(170)의 냉매는 실내기 측으로 유동하며, 실내 팽창 장치(145)에서 감압된 후 상기 실내 열교환기(140)에서 증발된다. 상기 실내 팽창 장치(145)는 실내기의 내부에 설치되며, 전자 팽창 밸브(EEV)로 구성될 수 있다.
또한, 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 상기 사방변(117)을 경유한 후, 곧 바로 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있으며, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
한편, 난방 과정에서 상기 실내 열교환기(140)에서 응축된 냉매는 보조 열교환기(150)로 유동할 수 있다. 상기 보조 열교환기(150)에는 냉매 분기 배관(151)이 연결될 수 있다.
상기 냉매 분기 배관(151) 중에서 상기 보조 열교환기(150)의 입구 측에 위치되는 배관에는 팽창 밸브(152)가 구비될 수 있다. 상기 팽창 밸브(152)는 냉매의 유동을 조절하면서 냉매를 감압할 수 있다.
따라서, 상기 보조 열교환기(150)는 저압의 냉매와 고온의 냉각수 간에 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기로서, 일례로 판형 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있다.
상기 보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 상기 기액 분리기(160)에서 기액 분리되며, 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다.
한편, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 엔진(200)의 냉각을 위한 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(305) 및 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관(360, 점선유로)을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)에는, 냉각수의 유동력을 발생시키는 냉각수 펌프(300)와, 냉각수의 유동 방향을 전환하기 위한 복수의 유동 전환부(310, 320) 및 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(330, radiator)가 설치될 수 있다.
상기 복수의 유동 전환부(310, 320)는, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)는, 삼방 밸브(3way valve)를 포함할 수 있다.
상기 방열기(330)는 상기 실외 열교환기(120)의 일측에 위치될 수 있으며, 상기 방열기(330)의 냉각수는 상기 실외 팬(122)의 구동에 의하여 외기와 열교환 되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다.
상기 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 탱크(305)에 저장된 냉각수는 후술할 엔진(200) 및 배기가스 열교환기(240)를 통과하며, 상기 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 거쳐 상기 방열기(330) 또는 상기 보조 열교환기(150)로 선택적으로 유동될 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 압축기(110)의 구동을 위한 동력을 발생시키는 엔진(200)을 포함하는 엔진 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 모듈은, 상기 엔진(200) 및 엔진(200)으로 혼합 연료를 공급하기 위한 다양한 부품을 포함할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 엔진(200)의 입구 측에 배치되어 혼합 연료를 공급하는 믹서(220)를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 믹서(220)에 정화된 공기를 공급하는 공기 여과기(210) 및 소정 압력 이하의 연료(fuel)를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor : 230)를 더 포함할 수 있다.
상기 제로 가버너(230)는 연료의 입구 압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계없이, 출구 압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다.
상기 공기 여과기(210)를 통과한 공기와, 상기 제로 가버너(230)에서 토출된 연료는 상기 믹서(220)에서 혼합되어 혼합기를 구성한다. 그리고, 상기 혼합기는 상기 엔진(200)에 공급될 수 있다.
또한, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 엔진(200)의 출구측에 제공되며 혼합기가 연소된 후 발생되는 배기가스가 유입되는 배기가스 열교환기(240) 및 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구측에 제공되어 배기가스의 소음을 저감하기 위한 머플러(muffler : 250)를 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스 열교환기(240)에서는, 냉각수와 배기가스 간에 열교환이 이루어질 수 있다.
한편, 상기와 같이 가스 히트펌프 시스템(10)에 적용되는 엔진(200)은 가정용 LNG나 LPG 등을 연료로 사용한다.
하지만, 자연흡기 방식으로 엔진(200)에 공기를 공급하면서, 주택용 LNG나 LPG를 연료로 공급할 경우, 낮은 공급압력(1~2.5 kPa)으로 인해 엔진(200)의 출력이 감소하게 되는 문제가 있다.
또한, 여름철의 경우 가스 히트펌프 시스템(10)은 실내의 온도를 낮추기 위해 냉방 모드로 작동하게 되는데, 실외의 기온이 고온인 경우, 높은 기온으로 인해 엔진(200)으로 고온의 공기가 공급된다.
이에 따라, 엔진(200)으로 저밀도의 공기가 공급되어 엔진(200)의 출력이 감소하게 된다. 그 결과, 엔진(200)의 출력이, 높은 냉방 부하를 따라갈 수 없어, 냉방 불량의 원인이 될 수 있다.
이를 해결하기 위해, 자동차의 엔진과 같이, 공기를 과급기로 가압한 후, 공기량에 따라 연료량을 조절하면서 공급하면, 가스 연료의 배관 내 공급압력(약 2.5kPa)이 과급압력(약 30kPa)보다 낮아 연료 공급이 어려워지는 문제도 있다.
본 발명의 경우, 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 믹서(220)와 엔진(200) 사이에 배치되는 과급수단(400) 및 조절수단(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 과급수단(400)은 상기 믹서(220)에서 공기와 연료가 혼합된 후, 배출된 혼합기를 압축시켜 상기 엔진(200) 측으로 배출한다. 이때, 상기 과급수단(400)은 믹서(220)에서 공기와 연료를 대기압 이상으로 압축시킬 수 있다.
일 예로, 상기 과급수단(400)은, 상기 엔진(200)의 배기가스에 의해 구동하는 터보차저(turbo charger)로 구성될 수 있다.
상기 터보차저는 상기 엔진(200)에서 배출된 배기가스를 이용해서, 터빈(411)을 회전시키고, 그 회전력에 의해 유입된 기체를 가압(압축)시켜 배출한다.
따라서, 상기 과급수단(400)이 터보차저로 구비된 경우, 터보차저는 상기 터빈(411) 측이 상기 엔진(200)의 배기 배관(191)을 통해서 상기 엔진(200)의 배기 매니폴드와 연결되어 회전하게 되고, 상기 믹서(220)에서 혼합된 혼합기가 유입되면, 가압(압축)한 후, 상기 인터쿨러(500) 측으로 배출한다.
다른 예로, 상기 과급수단(400)은, 상기 엔진(200)의 동력 또는 전동기(electric motor)에 의해 구동하는 슈퍼차저로 구비될 수 있다.
또한, 상기 조절수단(600)은 상기 과급수단(400)과 상기 엔진(200) 사이에 배치되어, 상기 엔진(200)으로 공급되는 압축된 혼합기의 양을 조절한다.
일 예로, 상기 조절수단(600)은 ETC(electronic throttle control) 방식이 적용된 밸브로 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 연료와 공기가 상기 믹서(220)에서 혼합되고, 상기 과급수단(400)에서 고압으로 가압된 후, 상기 엔진(200)으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 조절수단(600)을 통해 상기 엔진(200)으로 공급되는 고압의 혼합기(공기+연료)의 양이 정밀하게 제어될 수도 있다.
따라서, 상기 엔진(200)의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 엔진(200)의 크기를 키우지 않고도, 상기 엔진(200)의 최대 출력량을 키울 수 있다. 즉, 소형 엔진으로 대형 엔진의 출력을 구현할 수 있다.
한편, 상기와 같이 혼합기가 상기 과급수단(400)을 통과하면, 혼합기의 압력 및 온도가 상승한다. 이 경우, 상기 엔진(200)으로 흡입되는 혼합기의 밀도가 감소하게 되고, 엔진의 체적 효율이 낮아질 수 밖에 없다.
본 발명의 경우, 이를 해결하기 위해, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 과급수단(400)과 상기 조절수단(600) 사이에 배치되는 인터쿨러(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터쿨러(500)는, 상기 과급수단(400)에서 토출된 고온 고압의 혼합기를 냉각시켜, 부피는 줄이고, 밀도를 향상시킨 뒤, 배출한다.
일 예로, 상기 인터쿨러(500)는, 상기 엔진(200)으로 공급될 혼합기와 상기 엔진(200)으로 유동하기 위한 냉각수의 일부를 열교환시킬 수 있다.
따라서, 상기 인터쿨러(500)에 따르면, 상기 엔진(200)으로 공급되는 혼합기의 온도를 낮추고, 밀도를 키워 상기 엔진(200)의 체적 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상기와 같이 상기 믹서(220)와 상기 엔진(200) 사이에 과급수단(400) 및 인터쿨러(500) 등이 구비되면, 혼합기가 체류하는 유로의 길이가 길어질 수밖에 없다. 이때, 공기 내 수분이 많을 경우 혼합기와 물이 반응하여 포름산을 발생시켜 배관을 파손 시킬 수 있으며, 이로 인해 폭발 등의 위험이 있다.
본 발명의 경우, 이를 방지를 위해 관리자로부터 '운전정지명령'이 입력되면, 상기 조절수단(600)을 닫은 상태(closed)에서 엔진(200) 정지시까지 엔진(200)을 구동하여, 혼합기를 연소하거나, 외부 배출시켜 포름산 발생을 억제시킬 수 있으며, 배관 파손 및 폭발 등의 위험을 예방할 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)은, 상기 냉각수 탱크(305)로부터 상기 엔진(200)을 향하여 연장되는 공급 배관(361)을 포함할 수 있다.
상기 공급 배관(361)에는, 냉각수의 유동을 위한 냉각수 펌프(300)가 설치될 수 있다.
상기 공급 배관(361)은 상기 배기가스 열교환기(240)를 지나 상기 엔진(200)으로 연장될 수 있다.
즉, 상기 공급 배관(361)을 유동하는 냉각수는 상기 배기가스 열교환기(240)에서 상기 엔진(200)에서 배출되는 배기가스와 열교환되고 상기 엔진(200)을 유동하면서 상기 엔진(200)의 폐열을 회수한다.
상기 과급수단(400)인 터보차저의 방열을 위하여, 상기 냉각수 배관(360)은, 상기 공급 배관(361) 중에서 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구 측 배관에서 바이패스되는 바이패스 배관(373)을 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스 배관(373)은 상기 과급수단(400)과 열교환된 후에 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구 측 배관으로 공급될 수 있다.
즉, 상기 바이패스 배관(373)의 일단은 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구 측 배관에 연결되고, 타단은 상기 일단과 이격된 위치에서 상기 배기가스 열교환기(240)의 출구 측 배관에 연결될 수 있다.
따라서, 상기 배기가스 열교환기(240)를 지난 냉각수의 일부는 상기 엔진(200)으로 바로 유동하고, 다른 일부는 상기 과급수단(400)과 열교환된 후에 상기 엔진(200)으로 유동한다.
상기 냉각수 배관(360)은, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로 가이드 하는 회수 배관(362)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수 배관(360)은, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 제 2 유동전환부(320)로 가이드 하는 제 1 안내 배관(363)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수 배관(360)은, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 보조 열교환기(150)로 가이드 하는 제 2 안내 배관(364)을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)은, 냉각수를 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 방열기(330)로 가이드 하는 제 3 안내 배관(365)을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 배관(360)은, 냉각수를 상기 제 1 유동전환부(310)로부터 상기 공급 배관(361)으로 가이드 하는 제 4 안내 배관(366)을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수의 온도가 설정온도 미만으로 형성될 때, 상기 냉각수를 상기 보조 열교환기(150) 또는 방열기(330)로 유동시켜 열교환 시킬 효과가 미미해지므로 상기 제 1 유동전환부(310)로 유입된 냉각수를 상기 제 4 안내 배관(366)을 통하여 상기 공급 배관(361)으로 바이패스 시킬 수 있다.
상기 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 엔진(200)의 출구측에 설치되어 상기 엔진(200)을 통과한 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도센서(290)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 엔진(200)의 하측에는, 상기 엔진(200)에 오일을 공급하기 위한 오일 팬(820)이 구비될 수 있다. 상기 오일 팬(800)은 오일 탱크(810)에 저장된 오일을 공급받을 수 있다. 일 예로 상기 오일 팬(820)은 상기 엔진(200)의 하측에 연결될 수 있다.
도 2는 냉각수 유동을 쉽게 설명하기 위한 도면으로서, 상기 오일 팬(800)이 엔진(200)과 분리되어 있는 상태가 도시되나, 실제로는 도 3과 같이 상기 오일 팬(800)은 상기 엔진(200)의 하측에 위치되는 것임을 밝혀둔다.
상기 오일 팬(800) 내에는 오일 펌프(820)가 구비될 수 있다. 상기 오일 펌프(820)에 의해서 오일이 펌핑될 수 있으며, 펌핑된 오일은 제 1 오일 유로(830)에 의해서 엔진(200)으로 공급된 후에 상기 엔진(200)으로부터 회수될 수 있다.
상기 제 1 오일 유로(830)에서 제 2 오일 유로(840)가 분기될 수 있다. 상기 제 2 오일 유로(840)는 상기 터보차저의 회전축의 윤활을 위하여 상기 터보차처로 오일을 공급하고 상기 터보차저로 공급된 오일을 회수한다.
상기 제 2 오일 유로(840)는 상기 터보차저의 출구 측 유로(842)(또는 오일 회수 유로라 할 수 있으며, 이하에서는 "오일 회수 유로"라 이름하기로 함)를 포함할 수 있다. 상기 오일 회수 유로(842)는 상기 오일 탱크(810)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 터보차저로 공급된 오일은 상기 오일 탱크(810)로 회수될 수 있다.
상기 제 1 오일 유로(830)와 상기 오일 회수 유로(842)는 균압관(832)에 의해서 연결될 수 있다.
상기 균압관(832)에 의해서 상기 오일 팬(800)과 상기 오일 탱크(810) 내의 압력이 평형이 되어 상기 오일 팬(800)으로 오일이 과도하게 공급되어 상기 오일 팬(800)의 오일이 넘치는 현상이 방지될 수 있다.
상기 오일 회수 유로(842)에는 일 예로 T 자형 커넥터(844)가 구비될 수 있으며, 상기 커넥터(844)에 상기 오일 회수 유로(842)가 연결될 수 있다.
상기 오일 탱크(810)와 상기 오일 팬(800)은 제 1 연결 배관(851)에 의해서 연결될 수 있다. 상기 제 1 연결 배관(851)은 상기 엔진(200)이 작동되지 않는 상태에서 상기 오일 탱크(810)의 오일 레벨과 상기 오일 팬(800)의 오일 레벨이 동일하게 유지되도록 한다.
또한, 상기 제 1 연결 배관(851)은 상기 오일 펌프(820) 보다 높은 위치에서상기 오일 팬(800)에 연결될 수 있다.
본 실시 예에서 상기 오일 탱크(810)의 최고 높이는, 상기 오일 팬(800)의 최고 높이 보다 높게 위치되도록 배치될 수 있다.
상기 오일 팬(800)의 오일 레벨은 최고 레벨과 최저 레벨 사이 내에서 관리될 수 있다. 제한적이지는 않으나, 상기 제 1 연결 배관(851)은 상기 최고 레벨과 동일한 높이에서 상기 오일 팬(800)과 상기 오일 탱크(810)를 연결할 수 있다.
따라서, 상기 엔진(200)이 정지한 상태에서 상기 오일 팬(800)의 오일 레벨이 상기 제 1 연결 배관(851) 보다 높은 경우에는 상기 오일 팬(800)의 오일이 상기 제 1 연결 배관(851) 및 제 2 연결 배관(852)을 통해 상기 오일 탱크(810)로 유동할 수 있다.
반대로, 상기 엔진(200)이 정지한 상태에서 상기 오일 탱크(810)의 오일 레벨이 상기 제 1 연결 배관(851) 보다 높은 경우에는 상기 오일 탱크(810)의 오일이 상기 제 1 연결 배관(851) 및 제 2 연결 배관(852)을 통해 상기 오일 팬(800)으로 유동할 수 있다.
본 실시 예에서는 상기 엔진(200)이 정지된 상태에서는 상기 오일 팬(800)과, 상기 오일 탱크(810)의 각각의 최고 레벨은 상기 제 1 연결 배관(851)과 동일한 높이로 유지되거나 유사한 높이로 유지될 수 있도록, 상기 오일 탱크(810)로 오일이 채워질 수 있다.
본 실시 예에서, 오일 팬(800), 제 1 오일 유로(830), 제 2 오일 유로(840), 오일 회수 유로(842), 오일 탱크(810), 제 1 연결 배관(851), 제 2 연결 배관(852)을 통칭하여 오일 순환 모듈이라 이름하기로 한다.
한편, 상기 제 1 오일 유로(830)에는 오일 압력 스위치(831)가 구비될 수 있다. 상기 오일 압력 스위치(831)는 상기 오일 펌프(820)가 작동할 때, 상기 제 1 오일 유로(830)로 오일이 공급되는지 여부를 판단하기 위하여 사용될 수 있다.
제한적이지는 않으나, 상기 오일 펌프(820)는 상기 오일 팬(800) 내에서 오일의 최저 레벨과 동일한 위치에 설치될 수 있다.
따라서, 상기 오일 팬(800) 내에서 오일 레벨이 최저 레벨 미만이 되면 상기 오일 펌프(820)에서 오일이 펌핑되지 않게 된다.
상기 오일 압력 스위치(831)는 상기 오일 펌프(820)가 작동하였으나, 오일이 펌핑되지 않는 경우에 온되거나 오프되도록 설계될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 컨트롤러는 상기 오일 압력 스위치(831)의 온 또는 오프 상태를 인식하여 상기 엔진(200)을 정지시킬 수 있다.
이하에서는 상기 가스 히트펌프 시스템(10)의 작용에 대해서 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 엔진 모듈에서의 냉각수의 유동을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 오일 순환 모듈에서의 오일의 유동을 보여주는 도면이다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 난방 운전을 수행하는 경우, 냉매는 상기 압축기(110), 오일 분리기(115), 사방변(117), 실내 열교환기(140) 및 과냉각 열교환기(130)를 거친다.
그리고, 냉매는 메인 팽창장치(125)에서 감압되어 실외 열교환기(120)에서 열교환 된 후, 상기 사방변(117)으로 다시 유입된다. 여기서, 상기 실내 열교환기(140)는 "응축기", 상기 실외 열교환기(120)는 "증발기"로서 기능할 수 있다.
한편, 상기 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수는 상기 공급 배관(361)을 따라 유동하여 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어, 배기가스와 열교환 된다.
그리고, 상기 배기가스 열교환기(240)에서 토출된 냉각수는 상기 엔진(200)으로 유입되어 엔진(200)을 냉각시키고, 상기 회수 배관(362)을 경유하여 상기 제 1 유동 전환부(310)로 유입된다.
상기 제 1 유동 전환부(310)의 제어에 의하여, 상기 제 1 유동 전환부(310)를 거친 냉각수는 상기 제 1 안내 배관(363)을 따라 상기 제 2 유동 전환부(320)를 향하여 유동한다. 그리고, 상기 제 2 유동 전환부(320)를 거친 냉각수는 상기 제 2 안내 배관(364)을 경유하여 상기 보조 열교환기(150)로 유입되어, 냉매와 열교환될 수 있다. 그리고, 상기 보조 열교환기(150)를 거친 냉각수는 상기 냉각수 펌프(300)로 유입될 수 있다. 냉각수는 이러한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.
한편, 난방 운전시 냉각수는 상기 방열기(330)로의 유동이 제한될 수 있다. 일반적으로, 난방 운전은 외기의 온도가 낮을 때 수행되므로, 냉각수가 상기 방열기(330)에서 냉각되지 않더라도 상기 냉각수 배관(360)을 유동하는 과정에서 냉각될 가능성이 높게 된다.
따라서, 난방 운전시 냉각수는 상기 방열기(330)를 통과하지 않도록, 상기 제 1,2 유동 전환부(310, 320)가 제어될 수 있다.
다만, 상기 보조 열교환기(150)에서의 열교환이 필요로 하지 않을 때에는, 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)로부터 상기 제 3 안내 배관(365)을 경유하여 상기 방열기(330)로 유입될 수도 있다.
다음으로 상기 엔진(200)의 구동에 대하여 설명한다.
상기 공기 여과기(210)에서 필터링 된 공기와, 상기 제로 가버너(230)를 통하여 압력 조절된 연료는 상기 믹서(220)에서 혼합된다. 상기 믹서(220)에서 혼합된 혼합기는 상기 과급수단(400)에서 가압되고, 가압된 혼합기는 상기 인터쿨러(500)에서 냉각되어 밀도가 향상된다.
상기 인터쿨러(500)를 통과한 혼합기는 상기 조절수단(600)을 통해 그 양이 조절되고, 상기 엔진(200)으로 공급되어 상기 엔진(200)을 운전시킨다. 그리고, 상기 엔진(200)에서 배출된 배기가스는 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어 냉각수와 열교환 되며, 상기 머플러(250)를 거쳐 외부로 배출된다.
상기 오일 펌프(820)의 작동에 의해서 상기 오일 팬(800)의 오일은 상기 제 1 오일 유로(830)를 따라 유동하면서 상기 엔진(200)의 윤활을 수행한다. 또한, 상기 제 1 오일 유로(830)에서 분기되어 상기 제 2 오일 유로(840)를 따라 유동하는 오일은 상기 과급수단(400)의 윤활을 수행한다.
상기 과급수단(400)을 윤활한 오일은 상기 오일 회수 유로(842)를 지나 상기 오일 탱크(810)로 회수될 수 있다.
상기 엔진(200)이 작동하는 중에는 상기 오일 펌프(820)가 작동하므로, 상기 오일 팬(800)의 오일 레벨은 최고 레벨 보다 낮아지게 된다. 반면, 상기 오일 탱크(810)의 오일 레벨은 엔진 작동 전에 비하여 높아지게 된다.
따라서, 상기 엔진(200)이 작동하는 중에는 상기 오일 탱크(810)로 회수된 오일이, 상기 오일 팬(800)과 상기 오일 탱크(810)의 오일 레벨의 높이 차이로 인하여, 상기 제 1 연결 배관(851) 및 제 2 연결 배관(852)을 통해 상기 오일 팬(800)으로 공급될 수 있다.
본 실시 예에 의하면, 가스 엔진에 공급되는 연료와 공기의 혼합기를 과급수단을 이용해서 자연흡기 대비 높은 압력으로 엔진에 공급함으로써, 체적 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시 예에 의하면, 오일을 과급수단(400)으로 공급하므로, 과급수단(400)의 원활한 윤활이 가능한 장점이 있다.
본 실시 예에 의하면, 오일 팬(800)과 오일 탱크(810)의 오일 레벨의 높이 차이에 의해서 오일 탱크(810)로 회수된 오일이 연결 배관(351, 352)을 통해 상기 오일 팬(800)으로 공급될 수 있으므로, 연결 배관(351, 352) 상에 별도의 오일 순환용 펌프가 존재하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 본 실시 예에 의하면, 과급수단(400)을 지난 오일이 오일 탱크(810)로 회수되므로, 추가적인 오일 탱크가 불필요하여 구조가 간단해지는 장점이 있다.
또한, 본 실시 예에 의하면, 과급수단(400) 및 과급수단(400)으로 오일을 공급하기 위한 유로를 상기 엔진(200)의 구조 변경 없이 추가 및 형성하는 것이 가능해지는 장점이 있다.
예를 들어, 상기 오일 팬(800)으로 오일을 회수하기 위한 구성, 일 예로 오일이 유입되기 위한 홀 등을 가공하지 않아도 되는 장점이 있다.
다음으로, 상기 가스 히트펌프 시스템(10)이 냉방운전을 수행하는 경우, 냉매는 상기 압축기(110), 오일 분리기(115), 사방변(117), 실외 열교환기(120) 및 과냉각 열교환기(130)를 거친다.
그 다음, 냉매는 실내 팽창장치(145)에서 감압되어 실내 열교환기(140)에서 열교환 되며 상기 사방변(117)으로 다시 유입된다. 여기서, 상기 실외 열교환기(120)는 "응축기", 상기 실내 열교환기(120)는 "증발기"로서 기능할 수 있다.
상기 사방변(117)을 통과한 냉매는 상기 기액 분리기(160)로 유입되어 상분리된 후, 상기 압축기(110)로 흡입될 수 있다. 냉매는 상기한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.
한편, 상기 냉각수 펌프(300)가 구동되면, 상기 냉각수 펌프(300)에서 토출된 냉각수는 상기 공급 배관(361)을 따라 유동하여 상기 배기가스 열교환기(240)로 유입되어, 배기가스와 열교환 된다. 그리고, 상기 배기가스 열교환기(240)에서 토출된 냉각수는 상기 엔진(200)으로 유입되어 엔진(200)을 냉각시키고, 상기 회수 배관(362)을 경유하여 상기 제 1 유동 전환부(310)로 유입된다.
상기 제 1 유동 전환부(310)로 유입될 때까지의 냉각수 유동은 난방 운전시의 냉각수 유동과 동일하다.
상기 제 1 유동 전환부(310)를 거친 냉각수는 상기 제 2 유동전환부(320)로 유입되며, 상기 제 2 유동 전환부(320)의 제어에 의하여 상기 방열기(330)로 유동하여 외기와 열교환 될 수 있다. 그리고, 상기 방열기(330)에서 냉각된 냉각수는 상기 냉각수 펌프(300)로 유입된다. 냉각수는 이러한 사이클이 반복되어 유동될 수 있다.
한편, 냉방 운전시 냉각수는 상기 보조 열교환기(150)로의 유동이 제한될 수 있다. 일반적으로, 냉방 운전은 외기의 온도가 높을 때 수행되므로, 증발 성능 확보를 위하여 냉매의 흡열이 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 냉방 운전시 냉각수는 상기 보조 열교환기(150)를 통과하지 않도록, 상기 제 1,2 유동 전환부(310, 320)가 제어될 수 있다.
다만, 상기 보조 열교환기(150)에서의 열교환이 필요로 하는 경우, 냉각수는 상기 제 2 유동 전환부(320)를 경유하여 상기 보조 열교환기(150)로 유입될 수도 있다.
상기 엔진(200)의 구동과 관련하여서는, 난방 운전시의 작용과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 오일의 순환 유로를 보여주는 도면이다.
본 실시 예는 다른 부분에 있어서는 제 1 실시 예와 동일하고, 다만, 오일 회수 유로에 밸브가 추가로 구비되는 것에 특징이 있다. 따라서, 이하에서는 본 실시 예의 특징적인 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예의 오일 회수 유로(842)에는 밸브(420)가 구비될 수 있다.
상기 밸브(420)는, 설정된 온도에 따라서 유로를 조절하는 왁스형 조절기(wax type thermostat)일 수 있다.
예를 들어, 상기 밸브(420)는, 오일의 온도(T2)가 기준 온도(T1) 이상인 경우에는 제 1 상태로 유로 전환하고, 오일의 온도(T2)가 기준 온도(T1) 보다 낮은 경우에는 제 2 상태로 유로 전환될 수 있다.
상기 밸브(420)에는 오일 바이패스 유로(846)가 연결될 수 있다. 상기 오일 바이패스 유로(846)는 상기 제 2 연결 배관(852)에 연결될 수 있다.
이때, 상기 과급수단(400)을 지난 오일의 온도가 상기 기준 온도 이상인 경우에는 상기 밸브(420)는 상기 제 1 상태로 전환되어, 오일이 상기 오일 회수 유로(842)를 따라 상기 오일 탱크(810)로 회수될 수 있다.
반면, 상기 과급수단(400)을 지난 오일의 온도가 상기 기준 온도 미만인 경우에는 상기 밸브(420)는 상기 제 2 상태로 전환되어, 오일이 상기 오일 바이패스 유로(846)를 따라 상기 제 2 연결 배관(852)으로 유동된 후에 상기 오일 팬(800)으로 공급된다.
본 실시 예의 경우, 상기 과급수단(400)의 회전축의 속도가 고속인 경우, 상기 회전축으로 급유된 오일의 온도가 높아지게 된다. 이렇게 온도가 높아진 오일이 상기 오일 팬(800)으로 바로 공급되면, 온도가 상승한 오일이 상기 엔진(200)으로 공급되어 상기 엔진(200)에서 오일이 산화되어 오일이 윤활유 역할을 하지 못할 수 있다. 또한, 온도가 상승한 온도가 상기 과급수단(400)으로 공급되는 경우에는 상기 과급수단(400)에서 오일이 산화되는 문제가 발생할 수 있다.
본 실시 예에서는 상기 과급수단(400)을 지난 오일의 온도가 기준 온도 미만인 경우에 상기 오일 팬(800)으로 바로 공급되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 오일 탱크(810)에서 상기 오일 팬(800)으로 유동하는 오일의 양이 줄어들 수 있다.
즉, 상기 오일 탱크(810)에서는 오일을 저장한 상태를 유지하고 상기 오일 바이패스 유로(846)를 따라 유동하는 오일이 상기 오일 팬(800)으로 공급될 수 있다. 이렇게 상기 오일 탱크(810)에 오일이 저장된 상태에서는 상기 오일의 온도가 하강할 수 있다.
반면, 상기 과급수단(400)을 지난 오일의 온도가 기준 온도 이상인 경우에는 오일이 상기 오일 탱크(810) 내부로 회수된다.
따라서, 오일의 온도가 기준 온도 이상이 되더라도, 온도가 상승된 오일이 바로 상기 오일 팬(800)으로 공급되지 않고, 상기 오일 탱크(810)에 저장된 오일과 혼합되어 온도가 하강된 후에 상기 오일 팬(800)으로 공급될 수 있다. 따라서, 고온의 오일이 상기 엔진(200)으로 바로 공급되는 것이 방지될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 사이클 도면이고, 도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 엔진 모듈을 보여주는 도면이다. 도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 오일의 순환 유로를 보여주는 도면이다.
본 실시 예는 다른 부분에 있어서는 제 1 실시 예와 동일하고 다만, 오일을 냉각시키기 위한 오일 쿨러가 추가로 구비되는 것에 차이가 있다. 따라서, 이하에서는 본 실시 예의 특징적인 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시 예의 가스 히트펌프 시스템(10)은, 상기 과급수단(400)으로 공급되는 오일을 냉각시키기 위한 오일 쿨러(700)를 더 포함할 수 있다.
상기 오일 쿨러(700)는 상기 과급수단(400)으로 유동하는 오일과 상기 냉매 배관(170)을 유동하는 냉매를 열교환시킬 수 있다.
상기 냉매 배관(170)에서 냉매 분기 배관(151a)이 분기되고, 상기 냉매 분기 배관(151a)에 보조 열교환기(150)가 연결될 수 있다. 그리고, 상기 냉매 분기 배관(151a)에서 상기 보조 열교환기(150)의 입구 측 배관에 팽창 밸브(152a)가 구비될 수 있다.
상기 냉매 분기 배관(151a)은 상기 기액 분리기(160) 또는 상기 기액 분리기(160)의 입구 측 배관에 연결될 수 있다.
상기 냉매 분기 배관(151a) 중 상기 보조 열교환기(150)의 출구 측 배관에서 오일 냉각용 배관(153)이 분기될 수 있다. 상기 오일 냉각용 배관(153)은 상기 오일 쿨러(700)와 연결될 수 있다.
상기 오일 냉각용 배관(153)에는 냉매 유동을 조절하기 위한 유동 조절 밸브(154)가 구비될 수 있다. 상기 유동 조절 밸브(154)는 후술하는 온도 센서(421, 422)에서 감지된 온도에 기초하여 온되거나 오프될 수 있다.
상기 유동 조절 밸브(154)가 온되는 경우, 상기 보조 열교환기(150)에서 냉각수와 열교환된 냉매 중 일부는 상기 오일 쿨러(700)를 유동하지 않고 바로 상기 기액 분리기(160)로 유동하고, 다른 일부는 상기 오일 쿨러(700)를 유동하면서 오일과 열교환된 후에 상기 기액 분리기(160)로 유동할 수 있다.
한편, 상기 제 2 오일 유로(840)에서 상기 과급수단(400)의 입구 측 유로에는 제 1 오일 센서(421)가 구비되고, 상기 오일 회수 유로(842)에는 제 2 온도 센서(422)가 구비된다.
상기 유동 조절 밸브(154)는, 온 조건을 만족하면 온될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 온도 센서(422)에서 감지되는 오일의 온도가 기준 온도 이상이거나 상기 제 2 온도 센서(422)에서 감지되는 온도와 상기 제 1 온도 센서(422)에서 감지되는 온도의 차가 기준 온도차 이상인 경우에 상기 온 조건이 만족되는 것으로 판단될 수 있다.
본 실시 예에 의하면, 난방 운전 시작 시에는 상기 팽창 밸브(152a)가 온되고, 상기 유동 조절 밸브(154)는 오프될 수 있다. 이 경우에는 상기 중간 열교환기(150)에서 냉각수와 열교환된 냉매는 상기 오일 쿨러(700)를 유동하지 않고 바로 상기 기액 분리기(160)로 유동할 수 있다.
그리고, 상기 유동 조절 밸브(154)의 온 조건이 만족되면, 상기 유동 조절 밸브(154)가 온될 수 있다.
상기 유동 조절 밸브(154)가 온되면, 상기 보조 열교환기(150)에 의해서 냉매가 냉각수와 열교환된 후에 상기 오일 쿨러(700) 측으로 유동하여 상기 터보차저로 유동하는 오일과 열교환된다.
상기 보조 열교환기(150)로 유입되는 냉매는 상기 팽창 밸브(152a)에 의해서 감압된 저온의 냉매이므로, 상기 보조 열교환기(150)를 지난 냉매가 상기 오일 쿨러(700)를 유동하면서 오일을 냉각시킬 수 있다.
본 실시 예에 의하면, 냉각된 오일이 과급수단으로 공급되므로, 과급수단에서 오일이 산화되는 것이 방지되고 이에 따라 과급수단 및 엔진의 성능이나 수명이 저하되는 것이 방지될 수 있다.
한편, 상기 컨트롤러는 상기 온도 센서(421, 422)에서 감지된 온도에 기초하여 상기 엔진(200)의 정지 조건 만족 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 온도 센서(422)에서 감지되는 오일의 온도가 정지 기준 온도 이상이거나 상기 제 2 온도 센서(422)에서 감지되는 온도와 상기 제 1 온도 센서(422)에서 감지되는 온도의 차가 정지 기준 온도차 이상인 경우에 상기 정지 조건이 만족되는 것으로 판단될 수 있다.
오일을 오일 쿨러에서 냉각시킨 후에 상기 과급수단으로 공급하더라고 오일이 원활히 순환되지 않거나 공급되지 않는 경우에는 상기 과급수단의 출구 측에서의 온도가 현저히 상승하는 문제가 있다. 이 경우, 엔진(200)을 지속적으로 작동시키는 경우 엔진(200) 및 과급수단(400)이 손상될 수 있으므로, 본 실시 예에서는 상기 엔진(200)의 정지 조건이 만족되는 경우에는 상기 엔진(200)을 정지시킬 수 있다.
다른 실시 예로서, 상기 과급수단(400)으로 공급되는 오일은 냉각수에 의해서 냉각될 수 있다.
예를 들어, 상기 공급 배관(361)에서 오일 냉각용 배관이 바이패스되어 오일 쿨러를 유동한 후에 다시 상기 공급 배관(361)으로 합지되는 것도 가능하다.
10: 가스 히트펌프 시스템 110: 압축기
120: 실외 열교환기 140: 실내 열교환기
200: 엔진 400: 과급수단
800: 오일 팬 810: 오일 탱크
820: 오일 펌프 830: 제 1 오일 유로
840: 제 2 오일 유로 842: 오일 회수 유로
851: 제 1 연결 배관 852: 제 2 연결 배관

Claims (12)

  1. 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기 및 냉매 배관을 포함하는 공기조화 모듈;
    연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소하여, 상기 압축기의 운전을 위한 동력을 제공하는 엔진을 포함하는 엔진 모듈; 및
    상기 엔진으로 오일을 공급하기 위한 오일 순환 모듈을 포함하고,
    상기 엔진 모듈은,
    상기 공기와 연료를 혼합하여 상기 엔진 측으로 배출하는 믹서;
    상기 믹서와 상기 엔진 사이에 배치되어, 상기 믹서에서 배출된 혼합기를 압축시킨 후, 상기 엔진 측으로 배출하는 과급수단을 포함하고,
    상기 오일 순환 모듈은, 상기 오일이 저장되는 오일 팬과,
    상기 오일 팬의 오일을 상기 엔진으로 공급하기 위한 제 1 오일 유로와,
    상기 오일 팬의 오일을 상기 과급수단으로 공급하고 상기 과급수단에서 오일을 회수하기 위한 제 2 오일 유로와,
    상기 과급수단을 지난 오일을 회수하고, 회수된 오일을 상기 오일 팬으로 공급하기 위한 오일 탱크를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오일 순환 모듈은, 상기 오일 팬과 상기 오일 탱크를 연결하기 위한 제 1 연결 배관; 및
    상기 제 1 연결 배관 보다 낮은 위치에서 상기 오일 팬과 상기 오일 탱크를 연결하는 제 2 연결 배관을 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오일 팬 내에 구비되어 오일을 펌핑하기 위한 오일 펌프를 더 포함하고,
    상기 제 1 연결 배관은 상기 오일 펌프 보다 높은 위치에서 상기 오일 팬에 연결되는 가스 히트펌프 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 오일 팬은 상기 엔진의 하측에 배치되며,
    상기 오일 탱크의 최고 높이가 상기 오일 팬의 최고 높이 보다 높게 위치되도록 상기 오일 탱크가 배치되는 가스 히트펌프 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 오일 유로는, 상기 과급수단에서 배출된 오일을 상기 오일 탱크로 회수하기 위한 오일 회수 유로를 포함하고,
    상기 오일 회수 유로와 상기 제 1 오일 유로에는 상기 오일 팬과 상기 오일 탱크 간의 압력 평형을 위한 균압관이 연결되는 가스 히트펌프 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 오일 유로는, 상기 과급수단에서 배출된 오일을 상기 오일 탱크로 회수하기 위한 오일 회수 유로를 포함하고,
    상기 오일 회수 유로에는 밸브가 구비되고,
    상기 밸브와 상기 제 2 연결 배관에는 오일 바이패스 배관이 연결되는 가스 히트펌프 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브는, 상기 과급수단을 지난 오일의 온도가 기준 온도 이상이면, 오일이 상기 오일 탱크로 회수되도록 제 1 상태로 유로 전환되고,
    상기 과급수단을 지난 오일의 온도가 기준 온도 미만이면, 오일이 상기 오일 바이패스 배관으로 유동하도록 제 2 상태로 유로 전환되는 가스 히트펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 오일 유로를 따라 유동하는 오일이 상기 과급수단으로 공급되기 전에 냉각되도록 하기 위한 오일 쿨러를 더 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 오일 쿨러에서 상기 오일은 상기 냉매 배관에서 분기되는 냉매 분기 배관을 유동하는 냉매와 열교환되는 가스 히트펌프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각 모듈과,
    상기 냉매 분기 배관으로 분기된 냉매를 상기 냉각수와 열교환시키기 위한 중간 열교환기를 더 포함하고,
    상기 냉매 분기 배관에서 상기 중간 열교환기의 출구 측 배관에는 오일 냉각용 배관이 분기되고,
    상기 오일 냉각용 배관에는 냉매 유동을 조절하기 위한 유동 조절 밸브가 구비되는 가스 히트펌프 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 과급수단의 입구 측 오일 온도를 감지하기 위한 제 1 온도 센서와,
    상기 과급수단의 출구 측 오일 온도를 감지하기 위한 제 2 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제 1 온도 센서와 상기 제 2 온도 센서에서 감지된 정보에 기초하여 사기 유동 조절 밸브의 온 또는 오프 여부가 결정되는 가스 히트펌프 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각 모듈를 더 포함하고,
    상기 냉각 모듈은 상기 엔진으로 냉각수를 공급하기 위한 공급 배관을 포함하고,
    상기 공급 배관에서 분기된 오일 냉각용 배관의 냉각수와 상기 제 2 오일 유로의 오일이 열교환되는 가스 히트펌프 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11247715A (ja) * 1998-02-27 1999-09-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスエンジン装置、室外機ユニット及び空気調和機
KR20090076400A (ko) * 2008-01-08 2009-07-13 엘지전자 주식회사 열병합 발전기
JP2017193977A (ja) * 2016-04-19 2017-10-26 スズキ株式会社 鞍乗型車両

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