KR20220095418A - 가스엔진 히트펌프 - Google Patents

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장희중
정호종
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은, 가스엔진 히트펌프에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 히트펌프는, 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 연소하는 엔진, 엔진에 연결되고, 엔진의 동작에 따라 냉매를 압축하는 메인 압축기, 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여, 냉매를 압축하는 서브 압축기, 및 엔진에서 서브 압축기로 유동하는 배기가스의 유량을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

가스엔진 히트펌프{GAS ENGINE HEAT PUMP}
본 발명은 가스엔진 히트펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스엔진을 구동하여, 구동풀리로 연결된 히트펌프의 압축기를 구동하는 가스엔진 히트펌프에 관한 것이다.
히트펌프란, 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 장치를 의미하며, 일반적으로 압축기, 실외 열교환기 등을 구비하는 실외 유닛과, 실내 열교환기 등을 포함하는 실내 유닛을 포함할 수 있다.
엔진은 연료와 공기의 혼합물(혼합연료)을 이용하여 동력을 발생시킬 수 있는 장치이며, 공기조화 시스템, 자동차, 발전설비 등 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 예를 들면, 엔진은 히트펌프 시스템에서도 사용될 수 있으며, 냉방 또는 난방을 위한 냉동 사이클을 구성하는 압축기가 전기가 아닌 가스 엔진에 의하여 구동될 수 있다.
한편, 종래의 가스엔진 히트펌프는, 사용자의 설정 등에 따른 냉방부하 또는 난방부하를 만족하기 위해, 고출력의 엔진을 압축기에 연결하거나, 터보차저(turbocharger)를 구비하여, 압축된 혼합기를 엔진에 과급한다.
그러나 종래와 같이, 기존 엔진을 고출력의 엔진으로 교체하거나, 터보차저나 슈퍼차저(supercharger) 등의 구성을 별도로 구비하더라도, 달성하고자 하는 냉방부하 또는 난방부하를 만족하지 못하는 경우, 더 이상 냉방부하 또는 난방부하의 부족 부분을 채우기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 엔진에 연결된 압축기만으로 냉방능력 또는 난방능력이 만족되지 않는 경우, 냉방능력 또는 난방능력의 부족한 부분을 보완할 수 있는 구성을 구비하는 가스엔진 히트펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 히트펌프는, 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 연소하는 엔진, 엔진에 연결되고, 엔진의 동작에 따라 냉매를 압축하는 메인 압축기, 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여, 냉매를 압축하는 서브 압축기, 및 엔진에서 서브 압축기로 유동하는 배기가스의 유량을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 동작하는 서브 압축기를 구비하여, 엔진에 연결된 메인 압축기만으로 냉방능력 또는 난방능력이 만족되지 않는 경우, 배기가스를 이용하여 서브 압축기를 구동함으로써, 냉방능력 또는 난방능력의 부족한 부분을 보완할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스엔진 히트펌프의 구성에 대한 개략도이다.
도 2 내지 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스엔진 히트펌프의 동작방법에 대한 순서도이다.
도 5a 내지 6b는, 가스엔진 히트펌프의 동작방법에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스엔진 히트펌프의 구성에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 가스엔진부(I), 히트펌프(II) 및/또는 냉각수순환부(III)를 포함할 수 있다.
가스엔진부(I)는, 소정 압력 이하의 연료를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor, 10), 공기를 필터링하여 배출하는 에어클리너(12), 연료와 공기를 일정한 혼합비로 혼합하여 배출하는 믹서(14), 연료를 연소하여 작동하는 엔진(30), 엔진(30)으로 공급되는 연료의 양을 조절하는 스로틀밸브(36) 및/또는 엔진(30)에서 배출되는 배기가스를 냉각수와 열교환하는 배기가스 열교환기(40)를 포함할 수 있다.
제로 가버너(11)는, 제로 가버너(11)로 유입되는 연료의 압력이나, 유량 변화에 상관없이, 출구압력을 일정하게 조절하여, 항상 일정한 압력으로 연료를 공급하는 장치를 의미할 수 있다. 제로 가버너(11)는, 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진(30)에 공급하는 가스연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절할 수 있다. 제로 가버너(11)는, 2개의 솔레노이드 밸브를 구비하여, 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
에어클리너(12)는, 필터를 사용하여, 외부 공기에 포함된 먼지, 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.
엔진(30)은, 압축된 가스를 연소하는 과정을 통해 작동하는 내연기관을 의미할 수 있다. 엔진(30)은, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 통해, 엔진(30)의 일측에 배치되는 엔진측 구동풀리(32)를 회전시킬 수 있다.
엔진측 구동풀리(32)는, 이하에서 설명하는 압축기측 구동풀리(52)를 회전시킬 수 있다.
엔진(30)은, 복수의 피스톤(미도시), 공급된 연료를 착화시켜, 각각의 내부에서 피스톤이 왕복운동을 수행하는 복수의 실린더(미도시), 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변경하는 커넥팅 로드(미도시), 커넥팅 로드와 연결되어 회전하는 크랭크축(미도시) 등을 포함할 수 있다.
엔진(30)은, 스로틀밸브(36)를 통과하여 엔진(30)으로 공급되는 혼합기를 복수의 실린더 각각으로 공급하는 흡기 매니폴드(미도시) 및/또는 복수의 실린더에서 배출된 배기가스가 모아지는 배기 매니폴드(미도시)를 더 포함할 수 있다.
흡기 매니폴드에는, 연료가 복수의 실린더 각각에 분배되도록 복수의 분배유로가 형성되며, 배기 매니폴드에는, 복수의 실린더 각각에 연결되고, 하나의 배기유로로 합지되는 복수의 합지유로가 형성될 수 있다.
배기가스 열교환기(40)는, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스와 냉각수를 열교환할 수 있다. 예를 들면, 배기가스 열교환기(40)에서는, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스와, 냉각수펌프(70)에 의해 유동하는 냉각수가 서로 열교환할 수 있다. 이 경우, 배기가스 열교환기(40)를 통과한 냉각수는 다시 엔진(30)으로 유입되어, 엔진(30)을 냉각할 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 가스엔진부(I)는, 엔진(30)으로 공급되는 혼합기를 압축하는 터보차저(미도시), 터보차저에서 압축된 혼합기를 냉각시키는 인터쿨러(미도시) 등을 더 포함할 수도 있다.
터보차저는, 엔진(30)으로 공급되는 혼합기를 고온, 고압 상태로 압축할 수 있다. 예를 들면, 엔진(30)으로부터 배출되는 배기가스를 이용하여, 터보차저의 터빈(미도시)이 회전할 수 있고, 터보차저는 터빈의 회전력으로 혼합기를 압축시켜, 고온, 고압 상태의 혼합기를 엔진(30)으로 공급할 수 있다.
인터쿨러는, 공기 또는 물을 이용하여, 터보차저를 거쳐 엔진(30)으로 공급되는 고온의 혼합기를 냉각할 수 있다.
히트펌프(±는, 실내유닛(20), 냉매를 압축시키는 적어도 하나의 메인 압축기(50), 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외열교환기(54), 냉매와 냉각수를 열교환하는 보조열교환기(56), 실내유닛(20)과 실외열교환기(54) 사이에 배치되어, 유동하는 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(58), 유로변경밸브(64), 어큐물레이터(72) 등을 포함할 수 있다.
실내유닛(20)은, 냉매와 실내공기를 열교환하는 실내열교환기(미도시) 및/또는 열교환된 실내공기가 실내공간으로 유동하도록 회전하는 실내기팬(미도시)을 포함하여, 실내공간의 온도를 제어할 수 있다.
메인 압축기(50)는, 엔진(30)에 연결되어, 엔진(30)의 동작에 따라 냉매를 압축할 수 있다. 예를 들면, 메인 압축기(50)는 압축기측 구동풀리(52)에 연결될 수 있고, 엔진(30)의 구동에 의해 엔진측 구동풀리(32)가 회전하는 경우, 엔진측 구동풀리(32)에 연결된 압축기측 구동풀리(52)가 회전하여, 냉매가 압축될 수 있다.
실외열교환기(54)에는, 공기의 유동을 형성하는 실외기팬(54a)가 배치되어, 실외공기와 냉매를 열교환할 수 있다. 한편, 실외열교환기(54)에는, 공기로 냉각수를 냉각하는 방열기(71)가 배치될 수도 있다.
보조열교환기(56)는, 엔진(30)을 냉각하는 냉각수와 냉매를 열교환할 수 있고, 판형열교환기를 포함할 수 있다.
실내유닛(20)과 실외열교환기(54) 사이에는 제1 팽창밸브(58)가 배치될 수 있고, 실내유닛(20)과 보조열교환기(56) 사이에는 제2 팽창밸브(60)가 배치될 수 있다.
유로변경밸브(64)는, 히트펌프의 운전모드에 따라, 메인 압축기(50)에서 토출되는 고온, 고압의 냉매를, 실외열교환기(54)로 전달하거나, 실내유닛(20)으로 전달할 수 있다.
어큐물레이터(72)는, 유입되는 냉매에서 중 액상냉매를 분리하여, 기상냉매를 메인 압축기(50)로 공급할 수 있다. 어큐물레이터(72)는, 액상냉매와 기상냉매를 분리하여, 기상냉매를 배출함에 따라, 냉매순환에 있어서, 저항체로서 동작할 수 있다.
냉각수순환부(²는, 냉각수를 순환시켜, 엔진(30)에서 발생하는 열을 흡수하고, 흡수된 열을 별도의 열교환기 등으로 통해 방출할 수 있다. 냉각수순환부(²는, 냉각수가 배기가스 열교환기(40) 및 엔진(30)을 순차적으로 통과하도록 동작함으로써, 배기가스에서 방출되는 열과, 엔진(30)에서 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
냉각수순환부(²는, 냉각수를 순환시키거나, 냉각수의 유동속도를 조절하는 냉각수 펌프(60)를 포함할 수 있다.
냉각수순환부(²는, 냉매와 공기가 열교환하는 실외열교환기(54)의 일측에 배치되는 방열기(71) 및/또는 냉매와 냉각수가 열교환하는 보조열교환기(56)를 통해 냉각수를 냉각할 수 있다.
냉각수순환부(²는, 엔진(30)과 열교환된 냉각수를 방열기(71) 또는 보조열교환기(56)로 선택적으로 보내는 제1 삼방밸브(76)와, 제1 삼방밸브(76)의 상류에 배치되어, 엔진(30)에서 열교환된 냉각수를 냉각수펌프(70) 또는 제1 삼방밸브(76)로 보내는 제2 삼방밸브(78)를 더 포함할 수 있다.
엔진(30)에서 배출된 냉각수는, 엔진배출유로(82)를 통해 제2 삼방밸브(78)로 유입될 수 있고, 제2 삼방밸브(78)로 유입된 냉각수는 냉각수펌프(70) 또는 제1 삼방밸브(76)로 유동할 수 있다.
제1 삼방밸브(76)로 유입된 냉각수는, 실외열교환기 유입유로(86a)를 통해 방열기(71)로 공급되거나, 보조열교환기 유입유로(88a)를 통해 보조열교환기(56)로 공급될 수 있다.
방열기(71)에서 배출되어 실외열교환기 배출유로(86b)를 유동하는 냉각수와, 보조열교환기(56)에서 배출되어 보조열교환기 배출유로(88b)를 유동하는 냉각수는, 냉각수펌프 유입유로(90)로 유동하여, 냉각수펌프(70)로 유입될 수 있다.
냉각수펌프(70)에서 배출된 냉각수는, 냉각수펌프 배출유로(92)를 통해 배기가스 열교환기(40)로 유입될 수 있고, 배기가스 열교환기(40)에서 배출된 냉각수는 엔진유입유로(80)를 통해 엔진(30)으로 공급될 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 냉매를 압축하는 서브 압축기(55) 및/또는 엔진(30)에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 압축기용 터빈(57)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축기용 터빈(57)과 서브 압축기(55)가 하나의 회전축에 의해 연결될 수 있고, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스에 의해 압축기용 터빈(57)이 회전하는 경우, 압축기용 터빈(57)의 회전에 의해 서브 압축기(55)가 구동하여, 냉매가 압축될 수 있다.
이때, 서브 압축기(55)의 능력은, 압축기용 터빈(57)의 회전 속도, 즉, 압축기용 터빈(57)으로 유동하는 배기가스의 유량에 의해 결정될 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 배기가스 밸브(41)를 더 포함할 수 있고, 배기가스 밸브(41)의 개도량에 따라 압축기용 터빈(57)으로 유동하는 배기가스의 유량이 조절될 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 어큐뮬레이터(72)와 메인 압축기(50)를 연결하고, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매가 유동하는 메인 흡입유로(101)와, 메인 압축기(50)로부터 토출되는 냉매가 유동하는 메인 토출유로(102)를 포함할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 메인 흡입유로(101)에서 분지되어, 서브 압축기(55)에 연결되는 서브 흡입유로(111)와, 서브 압축기(55)로부터 토출되는 냉매가 유동하고, 메인 토출유로(102)에 합지되는 서브 토출유로(112)를 더 포함할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 각 구성의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어부는, 가스엔진부(I), 히트펌프(II), 냉각수순환부(III) 등에 배치될 수도 있다.
제어부는, 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 이에 포함된 프로세서를 이용하여, 가스엔진 히트펌프(10)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 여기서, 프로세서는 CPU(central processing unit)과 같은 일반적인 프로세서일 수 있다. 물론, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 장치(dedicated device)이거나 다른 하드웨어 기반의 프로세서일 수 있다.
도 2 내지 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스엔진 히트펌프의 동작방법에 대한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)는, S201 동작에서, 엔진(30)의 운전을 개시할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 냉방운전 또는 난방운전의 개시에 대한 사용자의 명령이 수신되는 경우, 엔진(10)의 운전을 개시할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S202 동작에서, 배기가스 밸브(41)를 개방할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스가 압축기용 터빈(57)으로 유동하지 않고, 배기가스 열교환기(40)로 유동하도록, 배기가스 밸브(41)를 완전 개방할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S203 동작에서, 엔진(30)을 시동할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 엔진(30)에 구비된 스타터모터(미도시) 및 점화플러그(미도시)를 구동하여, 엔진(10)이 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 수행하도록 제어할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S204 동작에서, 엔진(10)이 시동에 성공한 경우, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전 모드에 따라, 가스엔진 히트펌프(10)에 포함된 각 구성의 동작을 제어할 수 있다.
이때, 엔진(10)의 최초 시동 시, 배기가스 밸브(41)가 개방된 상태이므로, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스가 압축기용 터빈(57)으로 유동하지 않아, 서브 압축기(55)는 구동되지 않고, 메인 압축기(50)만 엔진(30)의 동작에 따라 냉매를 압축할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 운전 모드가 냉방모드인 경우, 냉매가 실외열교환기(54)로 유동하고, 운전 모드가 난방모드인 경우, 냉매가 실내유닛(20)으로 유동하도록, 유로변경밸브(64)를 제어할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S205 동작에서, 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력에 기초하여, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 증가될 필요가 있는지 여부, 즉, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력 및 메인 압축기(50)에서 토출되는 냉매의 토출압력 중 적어도 하나에 기초하여, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 운전 모드가 냉방모드인 경우, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력이 목표치로 설정된 흡입압력에 도달하는지 여부를 확인할 수 있다.
이때, 가스엔진 히트펌프(10)는, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력이 목표치로 설정된 토출압력을 상회하는 경우, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력을 만족하지 못하는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 운전 모드가 난방모드인 경우, 메인 압축기(50)에서 토출되는 냉매의 토출압력이 목표치로 설정된 압력에 도달하는지 여부를 확인할 수 있다.
이때, 가스엔진 히트펌프(10)는, 메인 압축기(50)에서 토출되는 냉매의 토출압력이 목표치로 설정된 토출압력을 하회하는 경우, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 난방능력을 만족하지 못하는 것으로 판단할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S206 동작에서, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 만족하는 경우, 현재 능력이 감소될 필요가 있는지 여부, 즉, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 초과하는지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력 및 메인 압축기(50)에서 토출되는 냉매의 토출압력 중 적어도 하나에 기초하여, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 초과하는지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S207 동작에서, 현재 능력의 증가 또는 감소가 필요하지 않은 경우, 사용자 명령 등에 기초하여 가스엔진 히트펌프(10)의 운전을 종료하는지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S208 동작에서, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전을 종료하는 경우, 엔진(30)의 운전을 종료할 수 있다.
한편, 가스엔진 히트펌프(10)는, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전을 종료하지 않는 경우, S204 동작으로 분기하여, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전 모드에 따라, 각 구성의 동작을 계속 제어할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)는, S301 동작에서, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력이 증가될 필요가 있는 경우, 엔진(30)에 연결되는 메인 압축기(50)가 모두 동작 중인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 가스엔진 히트펌프(10)가 복수의 메인 압축기(50)를 구비하는 경우에 있어서, 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 만족하지 못하는 경우, 추가적으로 구동 가능한 메인 압축기(50)가 존재하는지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S302 동작에서, 추가적으로 구동 가능한 메인 압축기(50)가 존재하는 경우, 해당 메인 압축기(50)를 추가적으로 구동할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S303 동작에서, 엔진(30)에 연결되는 메인 압축기(50)가 모두 동작 중인 경우, 엔진(30)의 부하가 기 설정된 기준 부하 이상인지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, 엔진(30)의 흡기 매니폴드에 배치되어, 흡기 매니폴드 내 압력을 감지하는 맵(Manifold Absolute Pressure, MAP) 센서(미도시)를 포함할 수 있고, 맵 센서의 센싱 값에 기초하여, 엔진(30)의 부하를 산출할 수 있다. 예를 들면, 스로틀밸브(36)의 개도량 증가에 따라 흡기 매니폴드 내 압력이 증가하는 경우, 가스엔진 히트펌프(10)는, 흡기 매니폴드 내 압력이 증가하는 만큼, 엔진(30)의 부하가 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 보조 압축기(55)의 구동을 위해 엔진(30)에서 배출되는 배기가스가 압축기용 터빈(57)으로 유동하여 터빈(57)을 회전시키는 경우, 배기가스의 배압이 증가할 수 있고, 엔진(30)은 달성하고자 하는 능력 및 증가된 부하를 추종하기 위해 스로틀밸브(36)의 개도량을 증가시킬 필요가 있다.
이때, 엔진(30)의 부하가 소정 기준 부하 미만인 경우, 즉, 흡기 매니폴드 내 압력이 일정 수준(예: 800hPa) 미만인 경우, 배기가스의 배압의 증가에 따라 스로틀밸브(36)의 개도량이 증가하여 흡기 매니폴드 내 압력이 증가하더라도, 엔진(30)이 정상적으로 동작할 수 있다.
따라서, 가스엔진 히트펌프(10)는, 엔진(30)의 부하가 소정 기준 부하 이상인 경우에는, 배기가스 밸브(41)의 개도량을 유지할 수 있고, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전 모드에 따라 각 구성의 동작을 계속 제어할 수 있다.
한편, 가스엔진 히트펌프(10)는, S304 동작에서, 엔진(30)의 부하가 소정 기준 부하 미만인 경우, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력을 확인하여, 부족한 냉난방 능력을 산출할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 운전 모드가 냉방모드인 경우, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력과 목표치로 설정된 흡입압력 간의 차이에 기초하여, 부족한 냉난방 능력을 산출할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S305 및 S306 동작에서, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 이상인지 여부를 확인할 수 있고, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제1 개도량만큼 폐쇄할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 10%만큼 폐쇄되도록, 제1 개도량을 결정할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S307 및 S308 동작에서, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 미만, 제2 기준(예: 5kW) 이상인지 여부를 확인할 수 있고, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 미만, 제2 기준(예: 5kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제2 개도량만큼 폐쇄할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 부족한 냉난방 능력이 제1 기준(예: 10kW) 미만, 제2 기준(예: 5kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 5%만큼 폐쇄되도록, 제2 개도량을 결정할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S309 동작에서, 부족한 냉난방 능력이 제2 기준(예: 5kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제3 개도량만큼 폐쇄할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 부족한 냉난방 능력이 제2 기준(예: 5kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 2%만큼 폐쇄되도록, 제3 개도량을 결정할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)는, S401 동작에서, 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 초과하는 경우, 서브 압축기(55)가 구동 중인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 초과하는 경우, 배기가스 밸브(41)의 개도량에 기초하여, 서브 압축기(55)가 구동 중인지 여부를 확인할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S402 동작에서, 서브 압축기(55)가 구동 중이 아닌 경우, 메인 압축기(50)의 동작을 제어하여, 현재 능력을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 현재 능력이 달성하고자 하는 냉방능력 또는 난방능력을 초과하고, 서브 압축기(55)가 구동 중이 아닌 경우, 스로틀밸브(36)의 개도량을 조절하여, 메인 압축기(50)의 동작을 제어함으로써, 현재 능력을 감소시킬 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S403 동작에서, 서브 압축기(55)가 구동 중인 경우, 가스엔진 히트펌프(10)의 현재 능력을 확인하여, 냉난방 능력의 초과분을 산출할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 운전 모드가 냉방모드인 경우, 메인 압축기(50)에 유입되는 냉매의 흡입압력과 목표치로 설정된 흡입압력 간의 차이에 기초하여, 냉난방 능력의 초과분을 산출할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S404 및 S405 동작에서, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 미만인지 여부를 확인할 수 있고, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제4 개도량만큼 개방할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 2%만큼 더 개방되도록, 제4 개도량을 결정할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S406 및 S407 동작에서, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 이상, 제4 기준(예: 10kW) 미만인지 여부를 확인할 수 있고, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 이상, 제4 기준(예: 10kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제5 개도량만큼 개방할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 냉난방 능력의 초과분이 제3 기준(예: 5kW) 이상, 제4 기준(예: 10kW) 미만인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 5%만큼 더 개방되도록, 제5 개도량을 결정할 수 있다.
가스엔진 히트펌프(10)는, S408 동작에서, 냉난방 능력의 초과분이 제4 기준(예: 10kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)를 제6 개도량만큼 개방할 수 있다. 예를 들면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 냉난방 능력의 초과분이 제4 기준(예: 10kW) 이상인 경우, 배기가스 밸브(41)가 현재 개방된 상태에서 10%만큼 더 개방되도록, 제6 개도량을 결정할 수 있다.
도 5a 내지 6b는, 가스엔진 히트펌프의 동작방법에 대한 설명에 참조되는 도면이다. 도 5a 및 5b는, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전모드가 냉방모드인 경우에 있어서, 각 구성의 동작을 나타낸 도면이고, 도 6a 및 6b는, 가스엔진 히트펌프(10)의 운전모드가 난방모드인 경우에 있어서, 각 구성의 동작을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 6a를 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)가 메인 압축기(50)만으로 냉매를 압축하는 경우, 배기가스 밸브(41)가 완전 개방됨에 따라, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스는 압축기용 터빈(57)으로 유동하지 않고, 배기가스 열교환기(40)로 곧바로 유동할 수 있다.
이때, 배기가스에 의해 압축기용 터빈(57)이 회전하지 않아, 서브 압축기(55)가 구동하지 않으므로, 어큐뮬레이터(72)에서 토출되는 냉매는 모두 메인 흡입유로(101)를 통해 메인 압축기(50)로 유동할 수 있다.
한편, 도 5b 및 6b를 참조하면, 가스엔진 히트펌프(10)는, 서브 압축기(55)를 구동하고자 하는 경우, 엔진(30)에서 배출되는 배기가스가 압축기용 터빈(57)으로 유동하도록, 배기가스 밸브(41)의 적어도 일부를 폐쇄할 수 있다.
이때, 배기가스에 의해 압축기용 터빈(57)이 회전할 수 있고, 압축기용 터빈(57)의 회전에 의해 서브 압축기(55)가 구동하여, 어큐뮬레이터(72)에서 토출되는 냉매 중 일부가 서브 흡입유로(111)를 통해 서브 압축기(55)로 유동할 수 있다. 또한, 서브 압축기(55)에서 압축된 냉매는, 서브 토출유로(112)를 통해 토출되어, 메인 압축기(50)에서 압축된 냉매와 함께 실외열교환기(54) 또는 실내유닛(20)으로 유동할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 엔진(30)에 연결된 메인 압축기(50)만으로 냉방능력 또는 난방능력이 만족되지 않는 경우, 배기가스를 이용하여 동작하는 서브 압축기(55)를 구동함으로써, 가스엔진 히트펌프(10)의 냉방능력 또는 난방능력의 부족한 부분을 보완할 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 될 수 있다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (9)

  1. 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 연소하는 엔진;
    상기 엔진에 연결되고, 상기 엔진의 동작에 따라 냉매를 압축하는 메인 압축기;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여, 상기 냉매를 압축하는 서브 압축기; 및
    상기 엔진에서 상기 서브 압축기로 유동하는 상기 배기가스의 유량을 결정하는 제어부를 포함하는 가스엔진 히트펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하여, 상기 서브 압축기를 구동하는 압축기용 터빈;
    상기 엔진과 상기 압축기용 터빈 사이에 배치되어, 상기 압축기용 터빈으로 유동하는 상기 배기가스의 유량을 조절하는 배기가스 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하여, 상기 배기가스의 유량을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 압축기에 유입되는 냉매의 흡입압력 및 상기 메인 압축기에서 토출되는 냉매의 토출압력 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가스엔진 히트펌프의 운전 모드가 냉방 모드인 경우, 상기 흡입압력에 기초하여 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하고,
    상기 가스엔진 히트펌프의 운전 모드가 난방 모드인 경우, 상기 토출압력에 기초하여 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진의 부하를 산출하고,
    상기 산출된 엔진의 부하가 소정 기준 부하 미만인 경우, 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하고,
    상기 산출된 엔진의 부하가 상기 소정 기준 부하 이상인 경우, 상기 배기가스 밸브의 현재 개도량이 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 흡기 매니폴드에 배치되어, 상기 흡기 매니폴드 내 압력을 감지하는 맵(Manifold Absolute Pressure, MAP) 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 맵 센서의 센싱 값에 기초하여, 상기 엔진의 부하를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메인 압축기로부터 토출되는 냉매가 유동하는 메인 토출유로; 및
    상기 서브 압축기로부터 토출되는 냉매가 유동하고, 상기 메인 토출유로에 합지되는 서브 토출유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉매에서 액상냉매를 분리하여, 기상냉매를 상기 메인 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터;
    상기 어큐뮬레이터와 상기 메인 압축기를 연결하고, 상기 메인 압축기에 유입되는 냉매가 유동하는 메인 흡입유로; 및
    상기 메인 흡입유로에서 분지되어 상기 서브 압축기에 연결되고, 상기 서브 압축기에 유입되는 냉매가 유동하는 서브 흡입유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 메인 토출유로에 유동하는 냉매의 압력과, 상기 서브 토출유로에 유동하는 냉매의 압력이 일치하도록, 상기 배기가스 밸브의 개도량을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스엔진 히트펌프.
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