KR20230014959A

KR20230014959A - 일렉트릭 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20230014959A
Application number: KR1020210096154A
Authority: KR
Inventors: 김종진; 김부중; 김태형; 이정민
Original assignee: 주식회사 신성이엔지
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-01-31

Abstract

본 발명의 일렉트릭 히트펌프 시스템은, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 고온, 고압으로 응축시키는 응축기; 팽창된 저온, 저압의 냉매가 외부의 열을 흡수하여 냉방이 이루어지게 하는 증발기; 및 상기 증발기에 의해 냉각 제습된 공기를 재열시키는 재열기;를 포함하되, 상기 압축기의 핫가스를 상기 응축기에서 응축된 액냉매와 혼합하여 재열기로 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

일렉트릭 히트펌프 시스템{ELECTRIC HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 혼합 상태의 냉매 응축열을 활용한 일렉트릭 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프 시스템은 에어컨의 냉각 사이클에서 냉매의 흐름을 정방향 및 역방향으로 순환시킴으로써 냉방(冷房)과 난방(煖房)을 겸할 수 있는 공기 조절장치의 하나로써 특히 계절에 구애받지 않고 사용할 수 있는 장점에 따라 점차적으로 그 사용영역이 확대되고 있다.

이러한 히트펌프라 함은 낮은 온도의 열로부터 열을 흡수하고 이를 높은 온도의 열로 열을 전달하는 것을 지칭하는 것으로, 보통 저온의 열을 사용하는 것을 냉동기라 불리우며, 고온의 열을 사용하는 것을 히트펌프라 칭하게 된다.

또한, 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 방식에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식등 여러가지 방식이 있으며, 특히 압축식에 있어서 압축기를 구동하는 동력원을 전기모터를 사용하는 것을 EHP(Electric Heat Pump)방식이라 약칭하며, 압축기 구동을 가스엔진을 이용하는 것을 GHP방식이라 약칭하게 된다.

히트펌프의 구성은 압축기, 4방향 절환밸브, 응축기, 증발기 등으로 구성되며, 압축기를 이용하여 냉매를 응축기, 팽창밸브, 증발기 등의 폐회로를 순환시키면 냉매가 액체, 기체의 상태로 변화되면서 응축기로부터는 열을 외부에 방출하고 증발기에서는 외부의 열을 흡수하여 응축기를 가열원으로 증발기를 냉각원으로 이용하게 된다.

이러한 냉동싸이클을 역으로 운전할 때 냉동싸이클은 난방싸이클로 변하게 된다.

따라서 냉방싸이클을 난방싸이클로 전환운전하고자 할 경우에는 압축기로부터 발생되는 고온 고압의 냉매를 열교환기, 즉 실내기 방향으로 흐르도록 하는 4방 밸브로 회로를 전환하게 된다.

그러나, 종래의 히트 펌프 시스템은 히트펌프의 가동을 위하여 전기를 사용하여 전력 생산을 위한 연료 및 에너지원의 마련을 위한 비용 발생은 불가피하다는 한계점이 있었다.

또한, 종래의 히트 펌프 시스템은 실내 난방시 발생하는 폐냉기와 실내 냉방시 발생하는 폐열이 외부로 버려지므로 에너지 소비 효율을 증대시키는데 한계가 있다.

그리고, 종래에는 응축기를 2개의 병렬형태(1개는 실외기, 1개는 실내기의 증발기 후단)로 구성하여 핫가스를 사용하는 방법이 주를 이루며, 일부 실외기에서 나오는 액냉매를 활용하는 기술이 사용중이다.

먼저, 핫가스의 경우 솔레노이드 밸브를 활용한 단순제어, 단순 유로변환을 통한 ON/OFF 두가지 방식이 있으며 냉매 가스의 응축 잠열을 활용한 방식이다.

다음으로, 액냉매의 경우 유로변환(바이패스)을 통한 ON/OFF 형태의 방식이나, 상시 재열 형태로로 사용중이며 액냉매의 현열을 활용한 방식이다.

일반적으로 액냉매의 경우에는 핫가스 대비 재열을 할 수 있는 열량이 충분하지 않기 때문에 거의 사용되지 않고 있다.

그러나, 기존의 재열방식은 압축기에서 토출되는 핫가스를 이용하여 과냉각된 공기를 가열하는 형태로 사용중이다.

이로 인하여 첫째, 실내기(증발기)-실외기(응축기)를 연결하기 위해 3개(고압 액관, 저압 가스관, 고압 가스관)의 배관이 필요하다.

둘째, 온도제어를 위하여 필요한만큼만 핫가스 유량을 제어해야 하는데 기존의 특허들은 단순 유로변환(ON/OFF)방식이거나, 단수(STEP)제어를 통한 방식들을 사용중이다.

따라서, 기존 방식은 재열을 위한 설치 비용 증가와 정밀 제어에 한계가 있다.

등록특허공보 제1206278호(2012.11.29. 공고) 등록특허공보 제1977884호(2019.05.13. 공고) 등록특허공보 제2032090호(2019.10.15. 공고) 등록특허공보 제2243811호(2021.04.23. 공고)

본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 재열방식으로 사용중인 핫가스(고온고압의 가스 냉매)에 대한 단점을 보완하여 경제성과 정밀성을 향상시킨 일렉트릭 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일렉트릭 히트펌프 시스템은, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 고온, 고압으로 응축시키는 응축기; 팽창된 저온, 저압의 냉매가 외부의 열을 흡수하여 냉방이 이루어지게 하는 증발기; 및 상기 증발기에 의해 냉각 제습된 공기를 재열시키는 재열기;를 포함하되, 상기 압축기의 핫가스를 상기 응축기에서 응축된 액냉매와 혼합하여 재열기로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축기의 핫가스 중 일부를 분배하여 상기 응축기를 통과한 액냉매와 혼합하여 상기 재열기로 공급하는 1차 삼방밸브가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 삼방밸브는 상기 재열기를 통과한 공기의 온도를 기준으로 핫가스의 유량을 비례제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 재열기를 통과한 공기의 온도가 재열이 필요없으면 냉매를 상기 증발기로 바이패스시키는 2차 삼방밸브가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 힐렉트릭 히트펌프 시스템의 효과는 다음과 같다.

첫째, 버려지는 응축열을 활용하여 제습을 위해 과냉각된 공기를 재열하는 과정에 활용된다.

둘째, 배관 라인이 감소함과 동시에 높은 재열 열량을 도모한다.

셋째, ON/OFF방식의 STEP 제어나, 유로변경 시 발생하는 냉매사이클측 충격을획기적으로 줄인다.

넷째, 기존 특허들의 유량 분배를 위해 배관간의 압력조정용 부품들이나 로직이 생략된다.

다섯째, 삼방밸브의 정밀 개도 조정을 통해 온도제어 성능 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 일렉트릭 히트펌프 시스템을 도시한 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 일렉트릭 히트펌프 시스템(S)은, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(100)와, 상기 압축기(100)에 의해 압축된 냉매를 고온, 고압으로 응축시키는 응축기(200)와, 팽창된 저온, 저압의 냉매가 외부의 열을 흡수하여 냉방이 이루어지게 하는 증발기(400) 및 상기 증발기(400)에 의해 냉각 제습된 공기를 재열시키는 재열기(500)로 구성된다.

이때, 상기 압축기(100)의 핫가스(고온 고압 냉매)를 상기 응축기(200)에서 응축된 액냉매와 혼합하여 상기 재열기(500)로 공급한다.

구체적으로, 상기 압축기(100)의 핫가스 중 일부를 분배하여 상기 응축기(200)를 통과한 액냉매와 혼합하여 상기 재열기(500)로 공급하는 1차 삼방밸브(600)가 더 구비된다.

또한, 상기 1차 삼방밸브(600)는 상기 재열기(500)를 통과한 공기의 온도를 기준으로 핫가스의 유량을 비례제어에 의해 조절한다. 이때, 1차 삼방밸브(600)는 유로의 개도량을 조절하도록 스텝모터 또는 솔레노이드밸드로 구성된다.

그리고, 상기 재열기(500)를 통과한 공기의 온도가 재열이 필요없으면 냉매를 상기 증발기(400)로 바이패스시키는 2차 삼방밸브(700)가 더 구비된다.

본 발명에 따르면, 액냉매 방식의 장점(배관 설치 비용 감소)과 핫가스 방식의 장점을 합치고, 조금더 정밀한 방식으로의 온도 제어가 용이하다.

즉, 1차 삼방밸브(600)에서 토출되는 핫가스의 일부를 분배하여 응축기(200)를 통과한 액관 측으로 주입한다. 이때 주입되는 양은 재열 후 공기 온도를 기준으로 유량제어가 된다. 2차로 재열이 필요없거나 매우 작은 재열량이 필요로 할 경우를 대비하여, 2차 삼방밸브(700)에서 바이패스를 하여 열교환을 하지 못하게끔 회피하는 제어가 추가로 구성되어 정밀한 온도제어를 달성한다.

이하, 본 발명의 구성에 대해 자세하게 설명한다.

실내기

상기 증발기(400)는 제1,2 증발기(410,420)로 구성된다. 상기 제1,2 증발기(410,420)는 냉방운전시에는 증발기로 동작하며, 난방운전시에는 응축기로 사용된다. 즉, 열교환기로서 FIN-TUBE형태로 구성된다.

또한, 재열기(500)는 1차 2차 삼방밸브(600,700)를 통해 실외기 측에서 핫가스+액냉매가 혼합되어 유입되고, 이때 냉매가 갖고 있는 열로 과냉각된 공기를 가열 시킨다. 즉, 실외로 버려지는 응축열 재활용을 통해 에너지를 절감한다.

그리고, 대상공간으로 냉난방 공기를 순환시키는 팬(110)이 더 구비된다.

한편, 응축기(200)를 통과하며 응축된 냉매를 팽창시켜 저온, 저압으로 팽창시키는 냉방 팽창밸브(120)가 더 구비된다.

또한, 2차 삼방밸브(700)는 (고압,고온)액+가스냉매의 유량 분배를 목적으로 하는 밸브로 재열기(500) 측으로 유입되는 냉매의 양을 제어한다.

그리고, 2차 삼방밸브(700)에 의해 냉방시 바이패스 된 냉매가 역류하거나, 난방시 의도하지 않은 방향으로의 유입이 발생하는 것을 방지하는 재열기 체크밸브(710)가 더 구비된다.

한편, 냉방 시에는 CLOSE, 난방 시에 OPEN하여 운전 모드에 따라 유로를 선택적으로 사용하는 메인 체크밸브(130)가 더 구비된다.

실외기

먼저, 응축기(200)는 응축기팬(Axial Fan)이 구비된다. 이에 따라, 냉방운전시, 메인 응축기로 실내에서 뺏어온 부하를 외부로 방열하는 장치이며, 이때 응축기팬은 회전수 가변형으로 냉매 측의 고압 압력을 제어한다. 또한, 난방운전일 때는 응축기팬은 최대 속도로 운전하며 외기를 통해 흡열을 하는 증발기 역할을 수행한다.

또한, 압축기(100)는 냉매의 순환을 위한 장치이다.

그리고, 압축기(100)에서 토출된 냉매에 포함된 오일을 분리하여 압축기(100)로 리턴시키는 오일 분리기(210)가 더 구비된다.

한편, 냉매에 액이 포함되어 있을 경우 액과 기체를 분리하여 기체만 흡입하게 분리하는 액분리기(220, Accumulator)가 더 구비된다.

또한, 1차 삼방밸브(600)는 여러 단계로 개도 비율을 조정할 수 있는 3방 밸브로서 재열 후 공기의 온도 제어를 위해 사용된다. 즉, 핫가스 냉매를 필요한 만큼 응축기(200)를 통과한 냉매에 주입한다.

그리고, 사방밸브(230, 4WAY V/V)는 난방/냉방 운전 모드 변환시 냉매의 순환 방향을 바꿔주는 장치로서 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

한편, 순환 냉매량이 변할 때 여유 냉매를 저장 하는 버퍼 역할의 용기로 수액기(240, Receiver)가 더 구비된다.

또한, 배관 내에 포함되어있는 수분과 이물질을 걸러주는 필터 역할을 하는 필터 드라이어(250, Filter dryer)가 더 구비된다.

한편, 응축기(200)를 통과하며 응축된 냉매를 팽창시켜 저온, 저압으로 팽창시키는 난방 팽창밸브(260)가 더 구비된다.

본 발명에 따른 일렉트릭 히트펌프 시스템(S)의 동작을 설명한다.

냉방운전

먼저, 냉방운전을 시작한다. 이때, 실내기 팬(110)을 구동한다.

그리고, 설정값보다 온/습도보다 높을 경우 실외기의 압축기(100)가 동작하여 기존의 냉각제습 시스템과 동일하게 운전한다.

그리고, 시스템의 냉매순환량은 냉각부하에 따라 냉매 팽창밸브가 제어(과열도 제어)한다.

다음, 현열 부하 또는 수분제거를 증발기(400)를 통해 처리 후 과냉각된 공기는 재열기(500)를 통해서 가열 후 공급한다.

이때, 2차 삼방밸브(700)를 통해 재가열된 공기의 온도 제어(PID 제어)한다.

또한, 냉매 측의 고압을 제어하기 위해 응축기(200)의 응축기팬의 속도를 조정하여 일정하게 압력을 제어한다. 응축기팬은 설정압력 도달 시 최소 rps로 운전을 시작하고 운전압력을 설정압력과 맞추기 위해 비례제어를 실시한다.

마지막으로, 핫가스(고압의 기체 냉매) + 고압의 액냉매를 이용하여 과냉각된 공기를 실내기의 재열기(500)에서 가열하는데 1차 삼방밸브(600)는 핫가스의 유량을 정밀하게 조절하여 액관으로 필요량만큼 주입하고, 과냉각된 공기를 설정 온도에 도달하게끔 비레 제어(PID 제어)를 실시한다.

난방운전

먼저, 난방운전은 사방밸브(230)의 전환을 통해 냉매순환이 전체적으로 역사이클로 운전하는 형태이며, 즉, [실내기=방열 / 실외기=흡열] 역할 상태로 동작한다.

즉, 난방운전을 시작한다. 이때, 실내기 팬(110)이 동작한다.

다음, 설정 온/습도보다 낮을 경우 실외기의 압축기(100)가 동작한다.

그리고, 증발기(400)는 응축기의 역할로 변환하며 냉매가 순환하여 기존의 EHP 난방 시스템과 동일하게 운전한다.

이때, 냉방 팽창밸브 대신 바이패스 구성의 체크밸브(130)측으로 순환한다.

또한, 냉매 측의 저압부에 해당하며 흡열운전을 위해 응축기(200)의 응축기팬의 속도는 최대 RPS로 운전하며 별도 제어는 없다.

그리고, 압축기(100)는 정속형 또는 가변형을 적용하고 가변형일 경우 압력제어(일정한 저압과 고압을 유지하기 위한 용량 제어)를 실시한다.

이때, 1차 삼방밸브(600)와 2차 삼방밸브(700)는 냉방운전에서만 사용한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.

S - 일렉트릭 히트펌프 시스템
100 - 압축기 200 - 응축기
400 - 증발기 500 - 재열기
600 - 1차 삼방밸브 700 - 2차 삼방밸브

Claims

냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 고온, 고압으로 응축시키는 응축기;
팽창된 저온, 저압의 냉매가 외부의 열을 흡수하여 냉방이 이루어지게 하는 증발기; 및
상기 증발기에 의해 냉각 제습된 공기를 재열시키는 재열기;를 포함하되,
상기 압축기의 핫가스를 상기 응축기에서 응축된 액냉매와 혼합하여 재열기로 공급하는 것을 특징으로 하는 일렉트릭 히트펌프 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 압축기의 핫가스 중 일부를 분배하여 상기 응축기를 통과한 액냉매와 혼합하여 상기 재열기로 공급하는 1차 삼방밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 일렉트릭 히트펌프 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 1차 삼방밸브는 상기 재열기를 통과한 공기의 온도를 기준으로 핫가스의 유량을 비례제어하는 것을 특징으로 하는 일렉트릭 히트펌프 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 재열기를 통과한 공기의 온도가 재열이 필요없으면 냉매를 상기 증발기로 바이패스시키는 2차 삼방밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 일렉트릭 히트펌프 시스템.