WO2013027907A1 - 공냉식 히트펌프 시스템 - Google Patents

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WO2013027907A1
WO2013027907A1 PCT/KR2012/001948 KR2012001948W WO2013027907A1 WO 2013027907 A1 WO2013027907 A1 WO 2013027907A1 KR 2012001948 W KR2012001948 W KR 2012001948W WO 2013027907 A1 WO2013027907 A1 WO 2013027907A1
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WO
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refrigerant
flow path
heat exchanger
heat exchange
refrigerant flow
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Application number
PCT/KR2012/001948
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English (en)
French (fr)
Inventor
이동건
윤외섭
Original Assignee
주식회사 티알엑서지
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B47/00—Arrangements for preventing or removing deposits or corrosion, not provided for in another subclass
    • F25B47/02—Defrosting cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/004—Outdoor unit with water as a heat sink or heat source

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump system, and more particularly, to a heat pump system in which the subcooled and defrost coils are air-cooled.
  • the heat pump system refers to a combined air-conditioning and air conditioner that can be used for cooling in the summer and for heating in other seasons. There are advantages to it.
  • the heat pump is a compressor for compressing and circulating the refrigerant; Four-way control valve for converting the flow direction of the refrigerant discharged from the compressor to cooling or heating; An outdoor side heat exchanger as a condenser or evaporator for cooling or heating; An indoor side heat exchanger as an evaporator or condenser for cooling or heating; A receiver installed between the outdoor side and the indoor side heat exchanger; It consists of two expansion valves mounted on the inlet and outlet pipes of the receiver between the outdoor and indoor heat exchangers.
  • the refrigerant moves through the compressor, the four-way control valve and the outdoor heat exchanger, and then flows into the receiver through the check valve, and expands at the outlet side of the receiver. Expansion occurs while passing through the valve, and then passes through the indoor heat exchanger and circulates into the compressor to exchange heat with the outside.
  • the refrigerant moves through the compressor, the four-way control valve and the indoor heat exchanger, the refrigerant flows into the receiver through the check valve, expands while passing through the outlet expansion valve of the receiver, and checks again.
  • the valve circulates through the outdoor heat exchanger and flows into the compressor to exchange heat with the outside.
  • Korean Patent Registration No. 10-0999400 registered on December 2, 2010
  • Korean Patent Registration No. 10-0999400 has been proposed a "heat pump system using geothermal heat”.
  • the conventional heat pump system as described above has a problem in that defrosting operation is performed at a predetermined interval in order to prevent frost from occurring in the outdoor heat exchanger in the heating operation. That is, in the heating operation, the outdoor heat exchanger is in charge of the evaporation process. At this time, the outdoor heat exchanger is very cooled to generate frost on its surface, and when frost is generated, the overall heat exchange efficiency decreases. Therefore, defrost mode is required to operate the heat pump system in reverse by defrosting at regular intervals. However, the defrost mode is a factor that lowers the efficiency of the overall heat pump system.
  • the second heat exchanger and the third heat exchanger disposed to be spaced apart from each other in the air-cooled heat exchanger are heat-exchanged by an air blower using a blower (or a fan), but the second heat exchanger is loaded on the load side. It is possible to efficiently freeze operation by supercooling the refrigerant that has passed through the heat exchanger, and to prevent the occurrence of frost, which may occur in the third heat exchanger, by allowing the air preheated by the second heat exchanger to pass through the third heat exchanger. .
  • the present invention can provide a heat pump system that requires no defrost mode, thereby increasing the efficiency of the overall system.
  • the compressor (110) for compressing the refrigerant flowing into the inlet and discharged to the outlet;
  • a receiver 120 in which the liquefied refrigerant is stored;
  • a load side heat exchanger 130 in which a first refrigerant flow path is formed to exchange heat with the load side;
  • the second heat exchange unit 142 is disposed in the air passage of the main body 141, the air passage of the main body 141 and the second refrigerant flow path is formed, the second heat exchange A third heat exchange part 143 disposed to be spaced apart from the part 142 and having a third refrigerant flow path, and air flows from the second heat exchange part 142 to the third heat exchange part 143 along the air passage;
  • An air-cooled heat exchanger (140) comprising a blower (144) for blowing to flow;
  • a first refrigerant pipe 310 having one end connected to the first end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchanger 130;
  • a second refrigerant pipe having one end connected to
  • the outlet of the compressor 110 and the other end of the first refrigerant pipe 310 are connected to each other, and the inlet of the compressor 110 and the other end of the third refrigerant pipe 330.
  • the compressor 110 for compressing the refrigerant flowing into the inlet and discharged to the outlet;
  • a receiver 120 in which the liquefied refrigerant is stored;
  • a load side heat exchanger 130 in which a first refrigerant flow path is formed to exchange heat with the load side;
  • the second heat exchange unit 142 is disposed in the air passage of the main body 141, the air passage of the main body 141 and the second refrigerant flow path is formed, the second heat exchange A third heat exchange part 143 disposed to be spaced apart from the part 142 and having a third refrigerant flow path, and air flows from the second heat exchange part 142 to the third heat exchange part 143 along the air passage;
  • An air-cooled heat exchanger (140) comprising a blower (144) for blowing to flow;
  • a first refrigerant pipe 310 connecting the first end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchanger 130 and the outlet of the compressor 110 to each other;
  • the second heat exchanger and the third heat exchanger disposed to be spaced apart from each other in the air-cooled heat exchanger are heat-exchanged by an air blower (or a fan), but the second heat exchanger is loaded on the load side. Cooling of the refrigerant passing through the heat exchanger is allowed to cool efficiently, and the air preheated by the second heat exchanger passes through the third heat exchanger to prevent frost, which may occur in the third heat exchanger. Efficient operation of the whole system is possible.
  • FIG. 1 is an operation diagram of a heat pump system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a system diagram of a heat pump system according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a winter operation of the second embodiment according to the present invention.
  • main body 142 second heat exchanger
  • the compressor 110 compresses the refrigerant in a gaseous state, compresses the refrigerant introduced into the inlet 112, and discharges the refrigerant to the outlet 111.
  • the receiver 120 stores the liquefied refrigerant.
  • the load side heat exchanger 130 is provided to supply hot water to the load side.
  • the load-side heat exchanger 130 is responsible for the condensation function.
  • the heat storage tank 150 is provided to store hot water formed while passing through the load-side heat exchanger 130.
  • the load-side heat exchanger 130 is in the form of a plate heat exchanger, and the refrigerant supplied from the compressor and passing through the first refrigerant flow path and the water supplied from the heat storage tank 150 exchange heat with each other so that the water of the heat storage tank 150 is exchanged. To hot water. The refrigerant will also condense in this process.
  • the load-side heat exchanger 130 may be configured as a heat exchanger having a coil shape and may be directly mounted inside the heat storage tank 150 to exchange heat with the load side.
  • An air-cooled heat exchanger 140 is provided to evaporate the refrigerant.
  • the air-cooled heat exchanger 140 is provided with two heat exchange parts.
  • the air-cooled heat exchanger 140 is disposed in an air passage of the main body 141 having an air passage, the second heat exchanger 142 disposed in the air passage of the main body 141, and the main body 141.
  • the third heat exchanger 143 disposed to be spaced apart from the second heat exchanger 142, and the blower 144 that blows air so as to flow from the second heat exchanger 142 to the third heat exchanger 143 along the air passage. (Or fan).
  • the second heat exchange part 142 is formed with a second refrigerant flow path through which the refrigerant flows
  • the third heat exchange part 143 is formed with a third refrigerant flow path through which the refrigerant flows.
  • the second heat exchanger 142 and the third heat exchanger 143 exchange heat with the air flowing by the blower 144 through the second and third refrigerant flow paths.
  • the first refrigerant pipe 310 connects the first end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchanger 130 and the outlet 111 of the compressor 110 to each other.
  • the second refrigerant pipe 320 has one end connected to the first end of the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 and the other end thereof to the second end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchange part 130. Connected with
  • the third refrigerant pipe 330 connects the first end of the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 and the inlet 112 of the compressor 110 to each other.
  • the fourth refrigerant pipe 340 connects the second end of the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 and the inlet of the receiver 120 to each other.
  • the fifth refrigerant pipe 350 connects the second end of the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 and the outlet of the receiver 120 to each other.
  • the fifth expansion valve 351 is provided in the fifth refrigerant pipe 350.
  • Reference numeral C is a check valve.
  • the heat storage water circulation pipe 151 is provided to exchange heat with the refrigerant passing through the first refrigerant flow path of the heat storage unit 150 of the heat storage tank 150, and the heat storage water circulation pump 151 is provided in the heat storage water circulation pipe 151. 152 is provided.
  • This embodiment is used for the purpose of producing hot water in winter.
  • the present embodiment may be used for the purpose of supplying warm air by attaching a fan to the load-side heat exchanger 130.
  • the change of refrigerant in this heat pump system consists of compression-> condensation-> subcooling-> expansion-> evaporation-> compression.
  • the high temperature and high pressure refrigerant gas compressed by the compressor 110 is condensed while passing through the first refrigerant pipe 310 and passing through the first refrigerant flow path of the load-side heat exchanger 130.
  • the water in the heat storage tank 150 is exchanged with the refrigerant passing through the first refrigerant flow path 131 of the load-side heat exchanger 130 through the heat storage tank circulation pipe 151 to change the water in the heat storage tank 150 to hot water.
  • the hot water may be supplied to various loads through separate pipes.
  • the refrigerant passing through the load-side heat exchange part 130 is supercooled in the second refrigerant flow path 231 of the second heat exchange part 142 after passing through the second refrigerant pipe 320.
  • the air introduced into the air-cooled heat exchanger 140 is increased in temperature, and the air whose temperature is increased is heat-exchanged with the third heat exchanger 143 to be described later. This can be prevented from occurring.
  • the second heat exchanger 142 is used not only for the subcooling of the refrigerant but also for the defrosting purpose of the third heat exchanger 143.
  • the refrigerant supercooled in the second refrigerant flow path 142 is stored in the receiver 120 after passing through the fourth refrigerant pipe 340.
  • the refrigerant stored in the receiver 120 is expanded in the fifth expansion valve 351 while passing through the fifth refrigerant pipe 350 and then evaporated through the third refrigerant flow path of the third heat exchange unit 143.
  • the air that is heat-exchanged with the third heat exchanger 143 is air whose temperature has risen while passing through the second heat exchanger 142, the evaporation efficiency of the third heat exchanger 143 is increased, and the third heat exchanger is further increased. Frost and the like do not occur at 143.
  • the refrigerant passing through the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 is introduced into the inlet 111 of the compressor 110 after passing through the third refrigerant pipe 330.
  • the description of the compressor 110, the receiver 120, the load-side heat exchanger 130, the heat storage tank 150, and the air-cooled heat exchanger 140 is the same as in the first embodiment.
  • One end of the first refrigerant pipe 310 is connected to the first end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchanger 130 and the other end thereof is connected to the four-way valve 180.
  • the second refrigerant pipe 320 has one end connected to the first end of the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 and the other end thereof to the second end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchange part 130. Connected with
  • One end of the third refrigerant pipe 330 is connected to the first end of the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 and the other end thereof is connected to the four-way valve 180.
  • the fourth refrigerant pipe 340 connects the second end of the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 and the inlet of the receiver 120 to each other.
  • the fifth refrigerant pipe 350 connects the second end of the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 and the outlet of the receiver 120 to each other.
  • a fifth expansion valve 351 is provided in the fifth refrigerant pipe 350.
  • the sixth refrigerant pipe 360 connects the second end of the first refrigerant flow path of the load side heat exchanger 130 and the outlet of the receiver 120 to each other.
  • the sixth expansion valve 361 is provided in the sixth refrigerant pipe 360.
  • the seventh refrigerant pipe 370 connects the second end of the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 and the first end of the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 to each other.
  • the four-way valve 180 connects the outlet 111 of the compressor 110 and the other end of the third refrigerant pipe 330 to each other in the cooling mode, and the other end of the first refrigerant pipe 310 is connected to the compressor ( It is connected to the inlet 112 of the 110, the outlet of the compressor 110 and the other end of the first refrigerant pipe 310 in the heating mode to each other, and the inlet and the third refrigerant pipe (110) of the compressor ( The other end of the 330 is connected to each other.
  • FIG. 3 and FIG. 4 the open state is shown in white, and the closed state is shown in black.
  • the heat pump system supplies cold water to the heat storage tank 150 as a load.
  • the refrigerant gas of the high temperature and high pressure compressed by the compressor 110 is condensed in the third refrigerant flow path of the third heat exchange part 143 after passing through the third refrigerant pipe 330.
  • the condensed refrigerant is supercooled in the second refrigerant flow path of the second heat exchange part 142 after passing through the seventh refrigerant pipe 370.
  • the refrigerant supercooled in the second refrigerant flow path of the second heat exchange unit 1442 is stored in the receiver 120 after passing through the fourth refrigerant pipe 340.
  • the refrigerant stored in the receiver 120 is expanded by the sixth expansion valve 361 while passing through the sixth refrigerant pipe 360 and then evaporated in the load-side heat exchanger 130. At this time, the water of the heat storage tank 150 is cooled by heat exchange with the refrigerant passing through the load-side heat exchanger 130 is changed to cold water.
  • the refrigerant passing through the first refrigerant flow path of the load-side heat exchanger 130 is introduced into the inlet 111 of the compressor 110 after passing through the first refrigerant pipe 310.
  • the heat pump system supplies hot water to the heat storage tank 150 in winter, and at this time, the operation of the heat pump system operates substantially the same as in FIG. 1.
  • the present invention can be used as a heat pump system for cooling and heating.

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Abstract

본 발명은, 히트펌프 시스템에 있어서, 특히 난방 모드에서 공냉식 열교환기에 서로 이격되어 배치된 제2열교환부와 제3열교환부가 송풍기(혹은 팬)에 의하여 공냉 방식으로 열교환하되 제2열교환부는 부하측 열교환부를 통과한 냉매를 과냉하여 효율적인 냉동 운전이 가능하며, 아울러 제2열교환부에 의하여 미리 예열된 공기가 제3열교환부를 통과하도록 하여 제3열교환부에서 발생할 수 있는 서리 등의 발생을 방지할 수 있다.

Description

공냉식 히트펌프 시스템
본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 과냉 및 제상 코일이 공냉식으로 구성되는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프시스템은 하절기에는 냉방용으로 그 외의 계절에는 난방용으로 사용할 수 있는 냉난방 겸용 공조기를 칭하는 것으로, 에어컨의 냉각사이클에서 냉매의 흐름을 역전시킴으로써 냉방과 난방을 겸할 수 있어서 계절에 상관없이 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 히트펌프는 냉매를 압축하여 순환시켜주기 위한 압축기; 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름방향을 냉방 또는 난방으로 변환시켜주는 사방제어밸브; 냉방 또는 난방을 위한 응축기 또는 증발기로서의 실외측 열교환기; 냉방 또는 난방을 위한 증발기 또는 응축기로서의 실내측 열교환기; 실외측 및 실내측 열교환기 사이에 설치된 수액기; 실외측 및 실내측 열교환기 사이에서 수액기의 입구측 및 출구측 배관 상에 장착되는 두개의 팽창밸브로 구성되어 있다.
상기 히트펌프의 작동원리를 설명하면, 먼저 냉방운전의 경우 냉매가 압축기와 사방제어밸브 및 실외측 열교환기를 거쳐 이동한 후, 체크밸브를 통해 수액기로 유입되고, 다시 상기 수액기의 출구측에서 팽창밸브를 통과하면서 팽창이 이루어지며, 이후 실내측 열교환기를 통과하여 압축기로 순환 유입되면서 외부와의 열교환을 하게된다. 또한, 난방운전의 경우 냉매가 압축기와 사방제어밸브 및 실내측 열교환기를 거쳐 이동한 후, 체크밸브를 통해 수액기로 유입되고, 상기 수액기의 출구측 팽창밸브를 통과하면서 팽창이 이루어지며, 다시 체크밸브를 통해 실외측 열교환기를 통과하여 압축기로 순환 유입되면서 외부와의 열교환을 하게 된다.
한편 본 출원인의 종래의 기술로서 국내 특허등록 제10-0999400호 (2010년12월2일 등록) "지열을 이용한 히트펌프 시스템"이 제안된 바 있다.
한편 상기와 같은 종래의 히트펌프 시스템은 난방운전에서 실외측 열교환기에 서리가 발생되는 것을 방지하기 위하여, 일정한 인터벌을 두고 제상운전을 하여야 한다는 문제가 있다. 즉 난방운전에서 실외측 열교환기는 증발 과정을 담당하게 되며, 이때 실외측 열교환기는 매우 냉각되어 그 표면에 서리가 발생되며, 서리가 발생되면 전체적인 열교환 효율이 저하된다. 따라서 일정 주기마다 서리 제거를 이하여 히트펌프 시스템을 역으로 운전하는 제상모드가 필요하게 되는 것이다. 그러나 제상 모드는 전체적인 히트펌프 시스템의 효율을 저하시키는 요인이 된다.
선행기술문헌
1. 대한민국 특허등록 제10-0999400호 (2010년12월2일 등록)
본 발명은 상기와 같은 히트펌프 시스템에 있어서, 특히 난방 모드에서 공냉식 열교환기에 서로 이격되어 배치된 제2열교환부와 제3열교환부가 송풍기(혹은 팬)에 의하여 공냉 방식으로 열교환하되 제2열교환부는 부하측 열교환부를 통과한 냉매를 과냉하여 효율적인 냉동 운전이 가능하며, 아울러 제2열교환부에 의하여 미리 예열된 공기가 제3열교환부를 통과하도록 하여 제3열교환부에서 발생할 수 있는 서리 등의 발생을 방지하고자 한다.
특히 본 발명은 제상 모드가 전혀 불필요한 히트 펌프 시스템을 제공하여 전체적인 시스템의 효율성을 높일 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ; 액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ; 제1냉매유동로가 형성되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환부(130) ; 공기 통로가 형성된 본체(141), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되며 제2냉매유동로가 형성된 제2열교환부(142), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되되 상기 제2열교환부(142)와 이격되어 배치되며 제3냉매유동로가 형성된 제3열교환부(143), 공기가 상기 공기 통로를 따라 상기 제2열교환부(142)에서 상기 제3열교환부(143) 방향으로 유동하도록 송풍하는 송풍기(144)를 포함하여 이루어지는 공냉식 열교환기(140) ; 일단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제1냉매배관(310) ; 일단부가 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ; 일단부가 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제3냉매배관(330) ; 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하는 제4냉매배관(340) ; 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제5냉매배관(350) ; 상기 제5냉매배관(350)에 마련되는 제5팽창밸브(351) ; 상기 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제6냉매배관(360) ; 상기 제6냉매배관(360)에 마련되는 제6팽창밸브(361) ; 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부를 서로 연결하는 제7냉매배관(370) ; 냉방 모드에서 상기 압축기(110)의 출구와 상기 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 제1냉매배관(310)의 타단부를 상기 압축기(110)의 입구와 서로 연결시키며, 난방 모드에서 상기 압축기(110)의 출구와 상기 제1냉매배관(310)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 압축기(110)의 입구와 상기 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키는 4방밸브(180) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 사상으로서, 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ; 액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ; 제1냉매유동로가 형성되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환부(130) ; 공기 통로가 형성된 본체(141), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되며 제2냉매유동로가 형성된 제2열교환부(142), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되되 상기 제2열교환부(142)와 이격되어 배치되며 제3냉매유동로가 형성된 제3열교환부(143), 공기가 상기 공기 통로를 따라 상기 제2열교환부(142)에서 상기 제3열교환부(143) 방향으로 유동하도록 송풍하는 송풍기(144)를 포함하여 이루어지는 공냉식 열교환기(140) ; 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 상기 압축기(110)의 출구를 서로 연결하는 제1냉매배관(310) ; 일단부가 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ; 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 상기 압축기(110)의 입구를 서로 연결하는 제3냉매배관(330) ; 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하는 제4냉매배관(340) ; 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제5냉매배관(350) ; 상기 제5냉매배관(350)에 마련되는 제5팽창밸브(351) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은 히트펌프 시스템에 있어서, 특히 난방 모드에서 공냉식 열교환기에 서로 이격되어 배치된 제2열교환부와 제3열교환부가 송풍기(혹은 팬)에 의하여 공냉 방식으로 열교환하되 제2열교환부는 부하측 열교환부를 통과한 냉매를 과냉하여 효율적인 냉동 운전이 가능하며, 아울러 제2열교환부에 의하여 미리 예열된 공기가 제3열교환부를 통과하도록 하여 제3열교환부에서 발생할 수 있는 서리 등의 발생을 방지하게 되어 전체적인 시스템의 효율적인 운전이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 제1실시예인 히트펌프시스템의 작동도,
도 2는 본 발명에 의한 제2실시예인 히트펌프시스템의 계통도,
도 3은 본 발명에 의한 제2실시예의 여름철 작동도,
도 4는 본 발명에 의한 제2실시예의 겨울철 작동도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 압축기 120 : 수액기
130 : 부하측 열교환부 140 : 공냉식 열교환기
141 : 본체 142 : 제2열교환부
143 : 제3열교환부 144 : 송풍기
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저 본 발명에 의한 제1실시예의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
먼저 본 실시예의 주요 기기들을 설명한다.
압축기(110)는 기체 상태의 냉매를 압축하게 되며, 입구(112)로 유입된 냉매를 압축하여 출구(111)로 배출한다.
수액기(120)에는 액화된 냉매가 저장된다.
부하측에 온수를 공급하기 위하여 부하측 열교환부(130)가 마련된다.
본 실시예에서 부하측 열교환부(130)는 응축 기능을 담당하게 된다.
아울러 부하측 열교환부(130)를 통과하면서 형성된 온수를 저장하기 위하여 축열조(150)가 마련된다.
본 실시예에서 부하측 열교환부(130)는 판형 열교환기의 형태로, 압축기로부터 공급되어 제1냉매유동로를 지나는 냉매와, 축열조(150)로부터 공급된 물이 서로 열교환하여 축열조(150)의 물을 온수로 변화시킨다. 또한 냉매는 이 과정에서 응축되게 된다.
실시예에 따라서는 부하측 열교환부(130)는 코일 형태의 열교환기로 구성되어 직접 축열조(150) 내부에 장착되어 부하측과 열교환할 수도 있을 것이다.
냉매를 증발시키기 위하여 공냉식 열교환기(140)가 마련된다.
그러나 공냉식 열교환기(140)에는 2개의 열교환부가 마련된다.
이를 위하여 공냉식 열교환기(140)는, 공기 통로가 형성된 본체(141)와, 본체(141)의 공기 통로에 배치되는 제2열교환부(142), 본체(141)의 공기 통로에 배치되되 상기 제2열교환부(142)와 이격되어 배치되는 제3열교환부(143), 공기가 공기 통로를 따라 제2열교환부(142)에서 제3열교환부(143) 방향으로 유동하도록 송풍하는 송풍기(144)(혹은 팬)를 포함하여 이루어진다.
제2열교환부(142)는 냉매가 유동하는 제2냉매유동로가 형성되며, 제3열교환부(143)는 냉매가 유동하는 제3냉매유동로가 형성된다.
즉 제2열교환부(142) 및 제3열교환부(143)는 제2,3냉매유동로를 지나는 냉매가 송풍기(144)에 의하여 유동하는 공기와 열교환하게 된다.
제1냉매배관(310)은, 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 압축기(110)의 출구(111)를 서로 연결하게 된다.
제2냉매배관(320)은, 일단부가 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결된다.
제3냉매배관(330)은 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 상기 압축기(110)의 입구(112)를 서로 연결하게 된다.
제4냉매배관(340)은 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하게 된다.
제5냉매배관(350)은 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하게 된다.
제5냉매배관(350)에 제5팽창밸브(351)가 마련되어 있다.
미설명 부호 C는 체크밸브이다.
아울러 축열조(150)의 물이 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로를 지나는 냉매와 열교환하도록 축열수 순환배관(151)이 마련되며, 축열수 순환배관(151)에 축열수 순환펌프(152)가 마련된다.
상기와 같은 실시예의 작동을 설명한다.
본 실시예는 겨울에 온수를 제조하기 위한 목적으로 이용된다. 물론 본 실시예는 부하측 열교환부(130)에 팬을 부착하여 온풍을 공급하기 위한 목적으로 이용될 수도 있다.
본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 압축 -> 응축 -> 과냉 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.
압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제1냉매배관(310)을 지나 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로를 지나면서 응축된다. 이때 축열조 순환배관(151)을 통하여 축열조(150)의 물이 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로(131)를 지나는 냉매와 열교환함으로써 축열조(150)의 물이 온수로 변화된다.
이 온수 상태의 물이 별도의 배관을 통하여 각종 부하에 공급될 수 있다.
부하측 열교환부(130)를 지난 냉매는 제2냉매배관(320)을 지나 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로(231)에서 공냉 방식으로 과냉된다.
즉 냉매는 제2열교환부(142)에서 더욱 냉각되어 그 응축온도가 낮아지게 되며, 따라서 성적계수(C.O.P = 냉동효과 / 압축일)가 매우 높아 매우 경제적인 운전이 가능하게 된다.
한편 이에 의하여 공냉식 열교환기(140)로 유입된 공기는 그 온도가 상승하게 되며, 온도가 상승한 공기는 후술하는 제3열교환부(143)와 열교환하게 되어, 제3열교환부(143)에서 서리 등이 발생하는 것을 방지하게 된다.
즉 본 실시예에서 제2열교환부(142)는 냉매의 과냉 역할은 물론이며 제3열교환부(143)의 제상 목적으로도 이용되는 것이다.
제2냉매유동로(142)에서 과냉된 냉매는 제4냉매배관(340)을 지나 수액기(120)에 저장된다.
수액기(120)에 저장된 냉매는 제5냉매배관(350)을 지나면서 제5팽창밸브(351)에서 팽창된 후 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로를 지나면서 증발된다.
이때 제3열교환부(143)와 열교환하게 되는 공기는, 제2열교환부(142)를 지나면서 온도가 상승한 공기이므로 제3열교환부(143)의 증발 효율이 상승하게 되며, 아울러 제3열교환부(143)에 서리 등이 발생하지 않게 된다.
제3열교환부(143)의 제3냉매유동로를 지난 냉매는 제3냉매배관(330)을 지난 후 압축기(110)의 입구(111)로 유입된다.
이후 과정은 앞서 설명한 싸이클을 반복하게 된다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 제2실시예를 설명한다.
압축기(110), 수액기(120), 부하측 열교환부(130), 축열조(150), 공냉식 열교환기(140)에 대한 설명은 제1실시예와 동일하다.
제1냉매배관(310)은, 일단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 4방밸브(180)와 연결된다.
제2냉매배관(320)은, 일단부가 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결된다.
제3냉매배관(330)은 일단부가 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 4방밸브(180)와 연결된다.
제4냉매배관(340)은 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하게 된다.
제5냉매배관(350)은 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하게 된다.
제5냉매배관(350)에는 제5팽창밸브(351)가 마련된다.
제6냉매배관(360)은 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하게 된다.
제6냉매배관(360)에 제6팽창밸브(361)가 마련된다.
제7냉매배관(370)은 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부를 서로 연결하게 된다.
4방밸브(180)는 냉방 모드에서 압축기(110)의 출구(111)와 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 제1냉매배관(310)의 타단부를 상기 압축기(110)의 입구(112)와 서로 연결시키며, 난방 모드에서 압축기(110)의 출구와 제1냉매배관(310)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 압축기(110)의 입구와 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키게 된다.
상기와 같은 제2실시예인 히트펌프 시스템의 동작을 설명한다.
도 3 및 도 4에서 각각의 개폐밸브에 대하여 열린 상태는 백색으로 도시하였으며, 닫힌 상태는 흑색으로 도시하였다.
여름철에 본 히트펌프 시스템은 부하인 축열조(150)에 냉수를 공급하게 된다.
이때 본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 도 3에 도시된 바와 같이 압축 -> 응축 -> 과냉 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.
압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제3냉매배관(330)을 지나 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로에서 응축된다. 응축된 냉매는 제7냉매배관(370)을 지나 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로에서 과냉된다.
즉 냉매는 제3열교환부(143)에서 응축된 후 제2열교환부(142)에서 더욱 냉각되어 그 응축온도가 낮아지게 되며, 따라서 성적계수(C.O.P = 냉동효과 / 압축일)가 매우 높아 매우 경제적인 운전이 가능하게 된다.
제2열교환부(1442)의 제2냉매유동로에서 과냉된 냉매는 제4냉매배관(340)을 지나 수액기(120)에 저장된다.
수액기(120)에 저장된 냉매는 제6냉매배관(360)을 지나면서 제6팽창밸브(361)에 의하여 팽창된 후 부하측 열교환부(130)에서 증발된다. 이때 축열조(150)의 물은 부하측 열교환부(130)를 지나는 냉매와 열교환하여 냉각되어 냉수로 변화된다.
부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로를 지난 냉매는 제1냉매배관(310)을 지난 후 압축기(110)의 입구(111)로 유입된다.
이후 과정은 앞서 설명한 싸이클을 반복하게 된다.
한편 본 히트펌프 시스템은 겨울철에 축열조(150)에 온수를 공급하게 되며, 이때에 본 히트 펌프 시스템의 작동은 도 1과 실질적으로 동일하게 작동한다.
즉 도 4와 도 1은 4방밸브(180)를 제외하고는 실질적으로 동일한 작동 상태를 표현한 것이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 냉방 및 난방을 위한 히트펌프 시스템으로 이용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ;
    액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ;
    제1냉매유동로가 형성되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환부(130) ;
    공기 통로가 형성된 본체(141), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되며 제2냉매유동로가 형성된 제2열교환부(142), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되되 상기 제2열교환부(142)와 이격되어 배치되며 제3냉매유동로가 형성된 제3열교환부(143), 공기가 상기 공기 통로를 따라 상기 제2열교환부(142)에서 상기 제3열교환부(143) 방향으로 유동하도록 송풍하는 송풍기(144)를 포함하여 이루어지는 공냉식 열교환기(140) ;
    일단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제1냉매배관(310) ;
    일단부가 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ;
    일단부가 상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제3냉매배관(330) ;
    상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하는 제4냉매배관(340) ;
    상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제5냉매배관(350) ;
    상기 제5냉매배관(350)에 마련되는 제5팽창밸브(351) ;
    상기 부하측 열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제6냉매배관(360) ;
    상기 제6냉매배관(360)에 마련되는 제6팽창밸브(361) ;
    상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부를 서로 연결하는 제7냉매배관(370) ;
    냉방 모드에서 상기 압축기(110)의 출구와 상기 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 제1냉매배관(310)의 타단부를 상기 압축기(110)의 입구와 서 연결시키며, 난방 모드에서 상기 압축기(110)의 출구와 상기 제1냉매배관(310)의 타단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 압축기(110)의 입구와 상기 제3냉매배관(330)의 타단부를 서로 연결시키는 4방밸브(180) ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식 히트펌프 시스템.
  2. 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ;
    액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ;
    제1냉매유동로가 형성되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환부(130) ;
    공기 통로가 형성된 본체(141), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되며 제2냉매유동로가 형성된 제2열교환부(142), 상기 본체(141)의 공기 통로에 배치되되 상기 제2열교환부(142)와 이격되어 배치되며 제3냉매유동로가 형성된 제3열교환부(143), 공기가 상기 공기 통로를 따라 상기 제2열교환부(142)에서 상기 제3열교환부(143) 방향으로 유동하도록 송풍하는 송풍기(144)를 포함하여 이루어지는 공냉식 열교환기(140) ;
    상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제1단부와 상기 압축기(110)의 출구를 서로 연결하는 제1냉매배관(310) ;
    일단부가 상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 부하측열교환부(130)의 제1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ;
    상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제1단부와 상기 압축기(110)의 입구를 서로 연결하는 제3냉매배관(330) ;
    상기 제2열교환부(142)의 제2냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유입구를 서로 연결하는 제4냉매배관(340) ;
    상기 제3열교환부(143)의 제3냉매유동로의 제2단부와 상기 수액기(120)의 유출구를 서로 연결하는 제5냉매배관(350) ;
    상기 제5냉매배관(350)에 마련되는 제5팽창밸브(351) ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식 히트펌프 시스템.
PCT/KR2012/001948 2011-08-25 2012-03-19 공냉식 히트펌프 시스템 WO2013027907A1 (ko)

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