WO2017026736A1 - 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프 - Google Patents

캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프 Download PDF

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WO2017026736A1
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heat exchanger
refrigerant
compressor
evaporator
heat
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이동근
박지훈
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주식회사 경동나비엔
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    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump using a cascade cycle that can reduce unnecessary power consumption and noise by operating only the high stage refrigeration cycle when the outside temperature is above a certain temperature and the heating load is not large. .
  • a cascade refrigerating cycle implements each refrigeration cycle using refrigerants having different boiling points.
  • the refrigeration cycle is divided into a low stage using low temperature refrigerant that boils at a low temperature and a high stage using high temperature refrigerant that boils at a relatively high temperature, and the evaporation of the high temperature refrigerant and the condensation of the low temperature refrigerant occur in one heat exchanger. do.
  • the heat pump using the cascade cycle can effectively maintain the refrigerant discharge gas temperature at the high temperature side even when the outside air temperature is low in winter, which is effective in producing hot water (heating water).
  • the heat storage device disclosed in the above patent discloses a low pressure side compressor 12, a cascade heat exchanger 14, a low pressure side expansion mechanism 16, and an outdoor heat exchanger 18.
  • the low temperature (low stage) refrigeration cycle 2 through which the refrigerant circulates, and the high pressure side compressor 52-heat storage heat exchanger 54-high pressure side expansion mechanism 56-cascade heat exchanger 14 It consists of the high temperature (high stage) refrigerating cycle 4 which heats a heat medium in the heat storage heat exchanger 54, and the heat storage tank 6 connected to the heat storage heat exchanger 54 and a heat medium flow path while 2 refrigerant
  • the heat pump using a conventional cascade cycle including the heat storage device uses a first refrigerant that is compressed and discharged at a high temperature and high pressure in a low-stage refrigeration cycle as a heat source and only heat source necessary for the second refrigerant to evaporate. Thereby allowing the second refrigerant to evaporate through heat exchange in the cascade heat exchanger.
  • the low stage refrigeration cycle In order to implement a high stage refrigeration cycle for producing hot water, the low stage refrigeration cycle must be operated. This means that not only the compressor on the high stage refrigeration cycle but also the compressor on the low stage refrigeration cycle must be operated for producing hot water.
  • the heat pump using the conventional cascade cycle is composed of a structure in which not only the high stage compressor but also the low stage compressor must be operated regardless of the change of the heating load condition, so that unnecessary power is generated under the low heating load condition.
  • consumption is inevitably generated, and also accompanied by noise problems as both compressors are operated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem of the heat pump using the conventional cascade cycle, when the heating load is not large according to the ambient temperature, the operation of the low stage compressor is stopped and the hot water only by the high stage compressor To produce a, to provide a heat pump using a cascade cycle that can greatly reduce power consumption and noise.
  • the low stage side in which the first refrigerant is circulated along the first circuit including a first compressor, a first heat exchanger, a first expansion valve and a first evaporator A refrigeration cycle
  • a high stage refrigeration cycle circulated along a second circuit including a second compressor, a second heat exchanger, a second expansion valve, and the first heat exchanger, the second expansion valve, and the A branch flow path branched from a first point on the second circuit located between the first heat exchanger and connected to a second point on the second circuit located between the first heat exchanger and the second compressor
  • 2 blocking the second refrigerant passing through the expansion valve to the first heat exchanger while allowing the second refrigerant to pass through the branch passage, or blocking the second refrigerant from passing through the branch passage
  • 1 is disposed on the valve, and the branch flow passage that allows circulation into the heat exchanger, and a second evaporator such that the second refrigerant is evaporated passing through the branch flow
  • the control unit may further include a control unit controlling the operation of the first compressor, the second compressor, and the valve.
  • the controller may operate the valve while the first compressor is not operated to control the second refrigerant to pass through the branch flow path. Can be.
  • the first valve disposed on the branch flow path to allow or block the second refrigerant flow through the branch flow path, and the second refrigerant is A second valve disposed on a refrigerant passage at least one of the first point and the first heat exchanger or between the first heat exchanger and the second point to allow or block circulation towards the first heat exchanger It may include.
  • the hot water flow path is connected to the second heat exchanger, the water circulating therein is heated by heat exchange with the second refrigerant in the second heat exchanger It may further include.
  • it may further include a heat storage tank connected to the hot water flow path.
  • either or both of the first evaporator or the second evaporator may be a fin-tube type heat exchanger.
  • the first evaporator and the second evaporator are arranged side by side in the outdoor unit, the outside air flows to the first evaporator and the second evaporator It may further include a blowing fan.
  • either or both of the first heat exchanger or the second heat exchanger may be a plate-type heat exchanger.
  • the low stage refrigeration cycle is not operated but the high stage refrigeration cycle is operated under the condition that the outside temperature is above a predetermined temperature and the heating load is not large, unnecessary power consumption can be reduced.
  • the advantage is that noise is reduced by not operating the first compressor in the low stage refrigeration cycle.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump using a conventional cascade cycle
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a refrigerant circulation when an outside air temperature is less than Ta as a configuration diagram of a heat pump using a cascade cycle according to an embodiment of the present invention
  • FIG 3 is a configuration diagram of a heat pump using a cascade cycle according to an embodiment of the present invention showing the refrigerant circulation when the outside air temperature is Ta or more.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a refrigerant circulation when an outside air temperature is less than Ta as a block diagram of a heat pump using a cascade cycle according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cascade cycle according to an embodiment of the present invention.
  • a diagram showing a refrigerant circulation when the outside air temperature is Ta or more as a block diagram of a heat pump using the same.
  • the first refrigerant is the first compressor 110, the first heat exchanger 120, the first expansion valve 130 And a low stage refrigeration cycle circulating along the first circuit 100 including the first evaporator 140 and the second refrigerant, the second compressor 210, the second heat exchanger 220, and the second expansion valve. 230, and a high stage refrigeration cycle circulating along the second circuit 200 including the first heat exchanger 120.
  • the first and second refrigerants may be formed of refrigerants having different condensation temperatures and evaporation temperatures.
  • the first refrigerant may be R-410A having a lower condensation temperature and an evaporation temperature
  • the second refrigerant may be R-134a having a higher condensation temperature and an evaporation temperature than the first refrigerant.
  • the first refrigerant is along the first circuit 100 including the first compressor 110, the first heat exchanger 120, the first expansion valve 130, and the first evaporator 140. It circulates through the refrigerant
  • the first refrigerant is the first compressor 110, the first heat exchanger 120, the first expansion valve 130, and the first evaporator 140 in the solid arrow direction shown in FIG. 2. Can be cycled in the order of.
  • the defrosting operation mode may include a first refrigerant in the direction of the broken arrow shown in FIG. 2, and the first compressor 110, the first evaporator 140, the first expansion mechanism, and the first heat exchanger. 120 may be cycled in order.
  • the low stage refrigeration cycle may include a mode switching valve to enable switching between the heating operation mode and the defrost operation mode.
  • the mode switching valve may be, for example, a four-way valve 115, and the four-way valve 115 is connected to the first compressor 110, the first heat exchanger 120, and the first evaporator 140 by a refrigerant passage.
  • a liquid separator 150 may be disposed on the refrigerant path upstream of the first compressor 110 to separate the liquid refrigerant from the first refrigerant in order to prevent the liquid compression from occurring in the first compressor 110.
  • the first refrigerant introduced into the first heat exchanger 120 exchanges heat with the second refrigerant introduced into the first heat exchanger 120.
  • the first refrigerant radiates heat and condenses while passing through the first heat exchanger 120, and the second refrigerant absorbs heat of the first refrigerant and evaporates while passing through the first heat exchanger 120.
  • the first heat exchanger 120 functions as a condenser with respect to the first refrigerant and as an evaporator with respect to the second refrigerant.
  • the first heat exchanger 120 may be, for example, a plate-type heat exchanger.
  • the present invention is not limited thereto, and may be various other heat exchangers known in the art, such as a double tube heat exchanger.
  • the refrigerant condensed in the first heat exchanger 120 flows into the first expansion valve 130 and is decompressed to a pressure capable of causing evaporation by the throttling action.
  • the first expansion valve 130 may be an electronic expansion valve (EEV) capable of adjusting the opening degree.
  • a strainer 131 for filtering foreign matter in the refrigerant may be disposed on the refrigerant passages upstream and downstream of the first expansion valve 130.
  • the heat pump 1 may be an air heat source heat pump that takes heat of outdoor air while the first refrigerant passes through the first evaporator 140.
  • the first evaporator 140 may be, for example, a fin-tube type heat exchanger as an air-cooled heat exchanger in which outdoor air and a first refrigerant are heat-exchanged.
  • the refrigerant expanded in the first expansion valve 130 passes through the refrigerant distributor 132 to the fin tube.
  • An example of a structure that is distributedly supplied into the first evaporator 140 which is a type heat exchanger is shown.
  • the heat pump 1 may include a blowing fan 340 for flowing outdoor air to the first evaporator 140, which is a fin tube type heat exchanger.
  • an economizer heat exchanger 125 may be further disposed on the refrigerant path between the first heat exchanger 120 and the first expansion valve 130.
  • the refrigerant flow path is branched on the refrigerant flow path between the first heat exchanger 120 and the first expansion valve 130 to pass through the economizer heat exchanger 125 and then connected to the first compressor 110.
  • Expansion valve 126 may be disposed.
  • the first refrigerant evaporated while passing through the first evaporator 140 is introduced into the first compressor 110 via the four-way valve 115 and the liquid separator 150.
  • the second refrigerant is along the second circuit 200 including the second compressor 210, the second heat exchanger 220, the second expansion valve 230, and the first heat exchanger 120. It circulates through the refrigerant
  • the liquid separator 250 may be disposed on the upstream refrigerant passage of the second compressor 210.
  • the refrigerant discharged from the second compressor 210 exchanges heat with water circulating inside the hot water flow passage 310 connected to the second heat exchanger 220 while heating the water through the second heat exchanger 220, In other words, the heat dissipates and condenses.
  • the second heat exchanger 220 functions as a condenser with respect to the second refrigerant.
  • the second heat exchanger 220 may be a plate heat exchanger like the first heat exchanger 120, or may be various other heat exchangers known in the art, such as a double tube heat exchanger.
  • the second refrigerant passing through the second heat exchanger 220 passes through the second expansion valve 230, and the second expansion valve 230 may be an electromagnetic expansion valve (EEV) like the first expansion valve 130. have.
  • EEV electromagnetic expansion valve
  • a strainer 229 may be disposed on the upstream refrigerant passage of the second expansion valve 230 to remove foreign substances from the refrigerant.
  • the second refrigerant expanded while passing through the second expansion valve 230 passes through the first heat exchanger 120, and heat exchanges with the first refrigerant in the first heat exchanger 120 to evaporate.
  • the second refrigerant passing through the first heat exchanger 120 flows back into the second compressor 210 through the liquid separator 250.
  • the low stage refrigeration cycle and the high stage refrigeration cycle described above may both be arranged, for example, in the outdoor unit (O).
  • the low stage refrigeration cycle may be disposed in the outdoor unit O
  • the high stage refrigeration cycle may be disposed in the indoor unit I.
  • a configuration other than the second heat exchanger 220 in the high stage refrigeration cycle together with the low stage refrigeration cycle may be disposed in the outdoor unit O, and the second heat exchanger 220 may be disposed in the indoor unit I. It may be.
  • the second compressor 210 since the second compressor 210 is not disposed in the indoor unit I, noise generated in the indoor unit I can be greatly reduced, and if necessary, the second heat exchanger 220 can be easily replaced in the indoor unit I. can do.
  • the hot water flow passage 310 is connected to the second heat exchanger 220.
  • the water circulating in the hot water flow passage 310 may be used as hot water by being heated through heat exchange with the second refrigerant, and may be used as heating water for heating a room 330, which is a heating demand destination, as a specific use.
  • a heat storaging tank 320 may be disposed on the hot water flow passage 310 to heat the hot water heated by the second heat exchanger 220 as a heating medium.
  • the low stage refrigeration cycle and the high stage refrigeration cycle may be operated simultaneously.
  • the heat pump 1 when the low stage refrigeration cycle is not operated, a separate means is required to play the role of the first heat exchanger 120 performing a function as an evaporator with respect to the second refrigerant.
  • the heat pump 1 according to the present embodiment includes a branch flow path 260, a valve, and a second evaporator 263.
  • the branch flow path 260 is branched from the first point 231 of the second circuit 200 positioned between the second expansion valve 230 and the first heat exchanger 120, thereby providing a first heat exchanger ( It is connected to the second point 234 of the second circuit 200 located between the 120 and the second compressor 210.
  • the valve blocks or prevents the second refrigerant passing through the second expansion valve 230 from circulating toward the first heat exchanger 120 while allowing the second refrigerant to pass through the branch flow path 260 according to the operation. Allows circulation to the first heat exchanger 120 while blocking the passage.
  • the valve may for example be a solenoid valve.
  • the valve may specifically include first valves 261 and 264 disposed on the branch flow path 260 to allow or block the second refrigerant from passing through the branch flow path 260.
  • the first valves 261 and 264 may be disposed on the branch passage 260 upstream of the second evaporator 263, or on the branch passage 260 downstream of the second evaporator 263. Alternatively, as shown, it may be disposed on the branch flow path 260 upstream and downstream of the second evaporator 263, respectively.
  • valve blocks the second refrigerant from circulating toward the first heat exchanger 120 when the second refrigerant is allowed to pass through the branch flow path 260 according to the operation of the first valves 261 and 264.
  • 2 may include second valves 232 and 233 to allow the refrigerant to circulate toward the first heat exchanger 120 when the refrigerant is blocked from passing through the branch flow path 260.
  • the second valves 232, 233 may be disposed upstream or downstream of the first heat exchanger 120, or both.
  • the upstream side of the first heat exchanger 120 may be on a refrigerant passage between the first point 231 and the first heat exchanger 120.
  • the downstream side of the first heat exchanger 120 may be on a refrigerant passage between the first heat exchanger 120 and the second point 234.
  • the second evaporator 263 is disposed on the branch flow path 260 to allow the second refrigerant passing through the branch flow path 260 to evaporate.
  • the second evaporator 263 may be a fin-tube type heat exchanger, and a refrigerant distributor 262 may be provided at an inlet end of the second evaporator 263.
  • first evaporator 140 and the outdoor unit O may be arranged side by side, and the blower fan 340 disposed in the outdoor unit O may operate to allow the outdoor unit not only to the first evaporator 140 but also to the second evaporator 263. Allow air to flow.
  • both the low stage refrigeration cycle and the high stage refrigeration cycle are operated, and the second valve is opened while the first valve is blocked.
  • the coolant circulates in the coolant circulation direction indicated by the solid arrow direction of the heating operation.
  • the low stage refrigeration cycle is not started or, if it is in operation, is stopped. That is, the first compressor 110 is not operated.
  • the second valves 232 and 233 are blocked to open the first valves 261 and 264 so that the second refrigerant is expanded in the second expansion valve as shown in the solid arrow direction shown in FIG. It has a heating operation mode that circulates from 230 through the second evaporator 263 to the second compressor 210.
  • the outside air temperature may be measured by various known methods, and may be sensed by, for example, temperature sensors 141 and 264 provided on the first evaporator 140 or the second evaporator 263 to be described later.
  • the heat pump 1 may include a controller 400 controlling the operation of at least the first compressor 110, the second compressor 210, and the valves 232, 233, 261 and 264 among the above-described components. have.
  • the control unit 400 receives or receives a signal related to the detected outside temperature, or determines whether it is above or below a predetermined set temperature Ta, and then, when the outside temperature is determined to be Ta or more, the first compressor 110 operates. While controlling the first valves 261 and 264 to be opened and the second valves 232 and 233 to be blocked, the second refrigerant may be controlled to pass through the branch flow path 260.
  • Ta is a temperature value which is already set, but this temperature value may be changed in accordance with the operating conditions by a user inputting a new value or controlling logic configured in the controller 400 as necessary.
  • heat pump 100 first circuit
  • first compressor 115 four-way valve
  • expansion valve 130 first expansion valve
  • strainer 132 refrigerant distributor
  • strainer 230 second expansion valve
  • refrigerant distributor 263 second evaporator
  • blowing fan 400 control unit

Abstract

본 발명은 제1 냉매가 제1 압축기, 제1 열교환기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 포함하는 제1 회로를 따라 순환하는 저단측 냉동사이클과, 제2 냉매가 제2 압축기, 제2 열교환기, 제2 팽창밸브, 및 제1 열교환기를 포함하는 제2 회로를 따라 순환하는 고단측 냉동사이클과, 제2 팽창밸브와 제1 열교환기 사이에서 분기되어 제1 열교환기와 제2 압축기 사이로 연결되는 분기 유로와, 제2 냉매가 분기 유로를 통과하도록 허용하거나 또는 차단하는 밸브와, 분기 유로 상에 배치되는 제2 증발기, 및 제어부를 포함하여, 외기 온도가 일정온도 이상인 경우로서 난방 부하가 크지 않은 조건인 경우에 고단측 냉동사이클만 작동되도록 하여 소비전력을 줄일 수 있는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 관한 것이다.

Description

캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프
본 발명은 외기온도가 일정온도 이상인 경우로서 난방 부하가 크지 않은 조건인 경우에 고단측 냉동사이클만 작동되도록 하여 불필요한 소비전력을 줄이고 소음을 저감할 수 있는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 관한 것이다.
일반적으로, 캐스캐이드 사이클(cascade refrigerating cycle)은 비등점이 다른 냉매를 이용하여 각각의 냉동사이클을 구현한다. 냉동사이클은 저온에서 비등하는 저온 냉매를 사용하는 저단측과 비교적 고온에서 비등하는 고온 냉매를 사용하는 고단측으로 구분되며, 고온측 냉매의 증발과 저온측 냉매의 응축이 하나의 열교환기에서 일어나도록 구현된다.
이러한 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프는, 겨울철 외기온도가 낮은 경우에도 고온측의 냉매 토출가스 온도를 필요한 고온으로 효율적으로 유지시킬 수 있어 온수(난방수) 생산에 효과적인 이점이 있다.
종래의 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 일례로는, 한국공개특허 제10-2012-0125857호, “이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전방법”을 들 수 있다.
상기 공개특허에 개시된 축열장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 저압측 압축기(12)-캐스캐이드 열교환기(14)-저압측 팽창기구(16)-실외 열교환기(18) 순서로 제1 냉매가 순환하는 저온(저단측) 냉동사이클(2)과, 고압측 압축기(52)-축열 열교환기(54)-고압측 팽창기구(56)-캐스캐이드 열교환기(14)의 순서로 제2 냉매가 순환하면서 축열 열교환기(54)에서 열매체를 가열시키는 고온(고단측) 냉동사이클(4), 그리고 축열 열교환기(54)와 열매체 유로로 연결되는 축열조(6)로 구성되어 있다.
상기한 축열장치를 포함하는 종래의 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프는, 제2 냉매가 증발되도록 하기 위하여 필요 열원이자 유일한 열원으로 저단측 냉동사이클에서 고온 고압으로 압축되어 토출되는 제1 냉매를 이용하여 캐스캐이드 열교환기에서의 열교환을 통해 제2 냉매가 증발되도록 한다.
온수 생산을 위해 고단측 냉동사이클이 구현되려면, 반드시 저단측 냉동사이클이 동작하여야 하는 것이다. 이는 온수 생산을 위해 고단측 냉동사이클 상의 압축기 뿐만 아니라 저단측 냉동사이클 상의 압축기도 반드시 가동되어야 함을 의미한다.
한편, 외기온도가 일정 온도 이상일 경우로서 난방 부하가 크지 않은 조건일 때에는, 고단측 냉동사이클의 압축기만 가동하더라도 필요한 온도의 온수를 충분히 생산할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 종래의 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프는 난방 부하 조건의 변화에 관계없이 고단측 압축기 뿐만 아니라 저단측 압축기도 반드시 가동되어야 하는 구조로 이루어져, 난방 부하가 낮은 조건에서 불필요한 전력소비가 발생할 수밖에 없고, 또한 두 개의 압축기가 모두 가동됨에 따른 소음 문제를 수반할 수밖에 없는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 외기 온도에 따라 난방 부하가 크지 않은 조건일 때에는 저단측 압축기의 가동을 중지하고 고단측 압축기만으로 온수를 생산하여, 전력 소비 및 소음을 크게 저감할 수 있는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프는, 제1 냉매가 제1 압축기, 제1 열교환기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 포함하는 제1 회로를 따라 순환하는 저단측 냉동사이클과, 제2 냉매가 제2 압축기, 제2 열교환기, 제2 팽창밸브, 및 상기 제1 열교환기를 포함하는 제2 회로를 따라 순환하는 고단측 냉동사이클과, 상기 제2 팽창밸브와 상기 제1 열교환기 사이에 위치하는 상기 제2 회로 상의 제1 지점으로부터 분기되어, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 압축기 사이에 위치하는 상기 제2 회로 상의 제2 지점으로 연결되는 분기 유로와, 상기 제2 팽창밸브를 통과한 상기 제2 냉매가 상기 분기 유로를 통과하도록 허용하면서 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하지 못하도록 차단하거나 또는 상기 분기 유로를 통과하지 못하도록 차단하면서 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하도록 허용하는 밸브, 및 상기 분기 유로 상에 배치되어, 상기 분기 유로를 통과하는 상기 제2 냉매가 증발되도록 하는 제2 증발기를 포함한다. 그리고, 상기 제1 압축기, 상기 제2 압축기 및 상기 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 압축기가 가동되는 경우에 있어서 외기온도가 일정온도 Ta 이상일 때, 상기 제어부는 상기 제1 압축기가 가동되지 않도록 하면서 상기 밸브를 작동하여 상기 제2 냉매가 상기 분기 유로를 통과하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 제2 냉매가 분기 유로를 통과하는 것을 허용하거나 차단하도록 분기 유로 상에 배치되는 제1 밸브와, 상기 제2 냉매가 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하는 것을 허용하거나 차단하도록, 상기 제1 지점과 상기 제1 열교환기 사이 또는 상기 제1 열교환기와 상기 제2 지점 사이 중 적어도 어느 한 곳의 냉매 유로 상에 배치되는 제2 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 제2 열교환기에 연결되어, 내부를 순환하는 물이 상기 제2 열교환기에서 상기 제2 냉매와 열교환하여 가열되는 온수 유로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 온수 유로와 연결되는 축열조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 제1 증발기 또는 상기 제2 증발기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 핀 튜브(fin-tube) 타입의 열교환기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 제1 증발기와 상기 제2 증발기는 실외기 내에서 서로 나란히 배치되며, 상기 제1 증발기 및 상기 제2 증발기로 외기가 유동되도록 하는 송풍팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 있어서, 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 판형 열교환기(plate-type heat exchanger)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 외기 온도가 일정 온도 이상인 경우로서 난방 부하가 크지 않은 조건에서는 저단측 냉동사이클이 작동되지 않고 고단측 냉동사이클만 작동되므로, 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있다. 또한, 저단측 냉동사이클 내 제1 압축기가 작동되지 않음으로써 소음이 저감되는 이점도 제공된다.
도 1은 종래의 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 구성도로서 외기온도가 Ta 미만일 때의 냉매 순환을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 구성도로서 외기온도가 Ta 이상일 때의 냉매 순환을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 구성도로서 외기온도가 Ta 미만일 때의 냉매 순환을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프의 구성도로서 외기온도가 Ta 이상일 때의 냉매 순환을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프(1)는, 제1 냉매가 제1 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제1 팽창밸브(130) 및 제1 증발기(140)를 포함하는 제1 회로(100)를 따라 순환하는 저단측 냉동사이클과, 제2 냉매가 제2 압축기(210), 제2 열교환기(220), 제2 팽창밸브(230), 및 제1 열교환기(120)를 포함하는 제2 회로(200)를 따라 순환하는 고단측 냉동사이클을 포함한다.
제 1 냉매와 제 2 냉매는 응축 온도 및 증발 온도가 서로 상이한 냉매로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 냉매는 응축 온도 및 증발 온도가 낮은 R-410A일 수 있고, 제 2 냉매는 제 1 냉매 보다 응축 온도 및 증발 온도가 높은 R-134a일 수 있다.
저단측 냉동사이클에서는 제1 냉매가 제1 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제1 팽창밸브(130), 및 제1 증발기(140)를 포함하는 제1 회로(100)를 따라 이들을 연결하는 냉매 유로를 통해 순환한다.
구체적으로 난방운전 모드에서는 제1 냉매가 도 2에 도시된 실선 화살표 방향으로, 제1 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제1 팽창밸브(130), 및 제1 증발기(140)의 순서로 순환될 수 있다.
그리고 제상운전 모드를 가질 수 있는데, 제상운전 모드에서는 제1 냉매가 도 2에 도시된 파선 화살표 방향으로 제1 압축기(110), 제1 증발기(140), 제1 팽창기구, 및 제1 열교환기(120) 순서로 순환될 수 있다.
저단측 냉동사이클은 난방운전 모드와 제상운전 모드 사이에서 전환될 수 있도록 하는 모드전환 밸브를 포함할 수 있다. 모드전환 밸브는 예컨대 사방밸브(115)일 수 있으며, 사방밸브(115)는 제1 압축기(110), 제1 열교환기(120), 제1 증발기(140)와 냉매 유로로 연결된다.
이하에서는 난방운전 모드일 때의 냉매 순환 방향을 기준으로 하여 설명하기로 한다. 그리고, 하기에서 사용되는 "상류" 또는 "하류"는 이 순환 방향의 기준에서 구분되는 표현이다.
제1 압축기(110)의 상류 측 냉매 유로 상에는 제1 압축기(110)에서 액 압축이 일어나는 것을 방지하기 위하여 제1 냉매 중 액냉매를 분리하는 액 분리기(accumulator, 150)가 배치될 수 있다.
제1 압축기(110)에서 압축되어 토출된 고온, 고압의 가스 상태의 제1 냉매는 제1 열교환기(120)로 유입된다. 제1 열교환기(120)로 유입된 제1 냉매는 제1 열교환기(120)로 유입되는 제2 냉매와 열교환된다.
제1 냉매는 제1 열교환기(120)를 통과하면서 방열하여 응축되며, 제2 냉매는 제1 열교환기(120)를 통과하면서 제1 냉매의 열을 흡수하여 증발된다. 따라서, 제1 열교환기(120)는 제1 냉매와 관련하여 응축기로서의 기능을, 그리고 제2 냉매와 관련하여 증발기로서의 기능을 수행하게 된다.
제1 열교환기(120)는 예컨대 판형 열교환기(plate-type heat exchanger)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이중관 열교환기 등 공지된 다양한 다른 열교환기일 수도 있다.
제1 열교환기(120)에서 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(130)로 유입되어 교축 작용에 의해 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압된다. 제1 팽창밸브(130)는 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(electronic expasion valve, EEV)일 수 있다.
그리고 제1 팽창밸브(130)의 상, 하류 측 냉매 유로 상에는 냉매 중의 이물질을 걸러내는 스트레이너(strainer; 131)가 배치될 수 있다.
제1 팽창밸브(130)를 통과한 냉매는 제1 증발기(140)로 유입된다. 본 실시예에 따른 히트 펌프(1)는 제1 냉매가 제1 증발기(140)를 통과하면서 실외 공기의 열을 빼앗는 공기열원 히트펌프일 수 있다. 그리고 제1 증발기(140)는 실외 공기와 제1 냉매가 열교환되는 공냉식 열교환기로서 예컨대, 핀 튜브 타입 열교환기(fin-tube type heat exchanger)일 수 있다.
도시된 바에서는, 제1 팽창밸브(130)와 제1 증발기(140) 사이에서의 냉매 순환 구조의 일례로, 제1 팽창밸브(130)에서 팽창된 냉매가 냉매 분배기(132)를 거쳐 핀 튜브 타입의 열교환기인 제1 증발기(140) 내로 분배 공급되는 구조의 예를 제시하고 있다.
이러한 구조에서, 본 실시예에 따른 히트 펌프(1)는 핀 튜브 타입의 열교환기인 제1 증발기(140)로 실외 공기를 유동시키는 송풍팬(340)을 포함할 수 있다.
한편, 제1 열교환기(120)와 제1 팽창밸브(130) 사이의 냉매 유로 상에 이코노마이저 열교환기(Economizer heat exchanger, 125)가 추가로 배치될 수 있다.
그리고, 제1 열교환기(120)와 제1 팽창밸브(130) 사이의 냉매 유로 상에서 분기되어 이코노마이저 열교환기(125)를 거친 후 제1 압축기(110)로 연결되는 냉매 유로를 형성하고, 여기에 팽창밸브(126)를 배치할 수 있다.
이와 같은 추가적인 열교환 구조를 포함함으로써 제1 압축기(110)의 토출온도를 더욱 효율적으로 관리할 수 있다.
제1 증발기(140)를 통과하면서 증발된 제1 냉매는 사방밸브(115) 및 액 분리기(150)를 거쳐 다시 제1 압축기(110)로 유입된다.
고단측 냉동사이클에서는 제 2 냉매가 제2 압축기(210), 제2 열교환기(220), 제2 팽창밸브(230) 및 제1 열교환기(120)를 포함하는 제2 회로(200)를 따라 이들을 연결하는 냉매 유로를 통해 순환한다.
제2 압축기(210)의 상류 측 냉매 유로 상에는 액 분리기(250)가 배치될 수 있다.
제2 압축기(210)에서 토출된 냉매는 제2 열교환기(220)를 통하면서 제2 열교환기(220)에 연결된 온수 유로(310)의 내부를 순환하는 물과 열교환되어 이 물을 가열시키면서, 다시 말해 방열되면서 응축된다.
따라서, 제2 열교환기(220)는 제2 냉매와 관련하여 응축기로서 기능한다. 그리고 제2 열교환기(220)는 제1 열교환기(120)와 마찬가지로 판형 열교환기일 수 있으며, 또는 이중관 열교환기 등 공지된 다양한 다른 열교환기일 수도 있다.
제2 열교환기(220)를 통과한 제2 냉매는 제2 팽창밸브(230)를 거치게 되며, 제2 팽창밸브(230)는 제1 팽창밸브(130)와 마찬가지로 전자 팽창밸브(EEV)일 수 있다. 또한, 제2 팽창밸브(230)의 상류 측 냉매 유로 상에는 냉매의 이물질 제거를 위한 스트레이너(229)가 배치될 수 있다.
제2 팽창밸브(230)를 통과하면서 팽창된 제2 냉매는 제1 열교환기(120)를 통과하게 되며, 이 제1 열교환기(120)에서 제1 냉매와 열교환되어 증발된다.
제1 열교환기(120)를 통과한 제2 냉매는 액 분리기(250)를 거쳐 제2 압축기(210)로 다시 유입된다.
전술한 저단측 냉동사이클과 고단측 냉동사이클은 예컨대, 실외기(O) 내에 모두 배치될 수도 있다. 또는 저단측 냉동사이클은 실외기(O)에, 그리고 고단측 냉동사이클은 실내기(I)에 배치될 수도 있다.
또는 도시된 바와 같이, 저단측 냉동사이클과 더불어 고단측 냉동사이클 내 제2 열교환기(220)를 제외한 구성은 실외기(O)에, 그리고 제2 열교환기(220)는 실내기(I)에 배치될 수도 있다. 이 구조에서는 제2 압축기(210)가 실내기(I)에 배치되지 않으므로 실내기(I)에서 발생하는 소음을 크게 저감할 수 있고, 필요시 실내기(I)에서 제2 열교환기(220)를 손쉽게 교체할 수 있다.
제2 열교환기(220)에는 온수 유로(310)가 연결된다. 온수 유로(310)를 순환하는 물은 제2 냉매와의 열교환을 통해 가열되어 온수로 사용될 수 있으며, 구체적인 용도로서 난방 수요처인 실내(330)의 난방을 위하여 난방수로 이용될 수 있다.
온수 유로(310) 상에는 제2 열교환기(220)에서 가열된 온수를 열매(heating medium)로 하여 축열할 수 있는 축열조(heat storaging tank, 320)가 배치될 수 있다.
한편, 외기온도가 일정온도인 Ta 미만으로서 난방 부하가 큰 조건에서는 도 2에 도시된 바와 같이 저단측 냉동사이클과 고단측 냉동사이클이 동시에 작동되도록 할 수 있다.
그러나, 외기온도가 일정온도 Ta 이상으로서 난방부하가 크지 않은 조건에서는 고단측 냉동사이클만 작동되도록 하고, 제1 압축기(110)를 포함하는 저단측 냉동사이클은 작동되지 않도록 하거나 작동 중인 경우 중단시켜 소비전력 및 소음을 저감할 필요가 있다.
다만, 저단측 냉동사이클이 작동되지 않을 경우 제2 냉매에 관하여 증발기로서의 기능을 수행하는 제1 열교환기(120)의 역할을 담당할 별도의 수단이 필요하다. 이러한 수단을 마련하기 위하여, 본 실시예에 따른 히트 펌프(1)는 분기 유로(260), 밸브, 및 제2 증발기(263)를 포함한다.
구체적으로, 분기 유로(260)는 제2 팽창밸브(230)와 제1 열교환기(120) 사이에 위치하는 제2 회로(200)의 제1 지점(231)으로부터 분기되어, 제1 열교환기(120)와 제2 압축기(210) 사이에 위치하는 제2 회로(200)의 제2 지점(234)으로 연결된다.
밸브는, 작동에 따라 제2 팽창밸브(230)를 통과한 제2 냉매가 분기 유로(260)를 통과하도록 허용하면서 제1 열교환기(120) 쪽으로 순환하지 못하도록 차단하거나, 또는 분기 유로(260)를 통과하지 못하도록 차단하면서 제1 열교환기(120) 쪽으로 순환하도록 허용한다. 밸브는 예컨대 전자밸브(solenoid valve)일 수 있다.
밸브는, 구체적으로 제2 냉매가 분기 유로(260)를 통과하는 것을 허용하거나 차단하도록 분기 유로(260) 상에 배치되는 제1 밸브(261,264)를 포함할 수 있다.
제1 밸브(261,264)는 후술할 제2 증발기(263)의 상류 측의 분기 유로(260) 상에 또는 제2 증발기(263)의 하류 측의 분기 유로(260) 상에 배치될 수 있다. 또는 도시된 바와 같이, 제2 증발기(263)의 상류 측 및 하류 측의 분기 유로(260) 상에 각각 배치될 수도 있다.
또한 밸브는, 제1 밸브(261,264)의 작동에 따라 제2 냉매가 분기 유로(260)를 통과하도록 허용되는 경우에 제2 냉매가 제1 열교환기(120) 쪽으로 순환하지 못하도록 차단하거나, 또는 제2 냉매가 분기 유로(260)를 통과하지 못하도록 차단된 경우에 제1 열교환기(120) 쪽으로 순환하도록 허용하는 제2 밸브(232,233)를 포함할 수 있다.
제2 밸브(232,233)는 제1 열교환기(120)의 상류 측 또는 하류 측에, 또는 이 두 곳 모두에 각각 배치될 수 있다. 여기서 제1 열교환기(120)의 상류 측은 제1 지점(231)과 제1 열교환기(120) 사이의 냉매 유로 상일 수 있다. 그리고, 제1 열교환기(120)의 하류 측은 제1 열교환기(120)와 제2 지점(234) 사이의 냉매 유로 상일 수 있다.
제2 증발기(263)는 분기 유로(260) 상에 배치되어 분기 유로(260)를 통과하는 제2 냉매가 증발되도록 한다. 제2 증발기(263)는 제1 증발기(140)와 마찬가지로 핀 튜브(fin-tube) 타입의 열교환기일 수 있으며, 제2 증발기(263) 입구단에는 냉매 분배기(262)가 구비될 수 있다.
그리고 제1 증발기(140)와 실외기(O) 내에 나란히 배치될 수 있으며, 실외기(O) 내에 배치되는 송풍팬(340)의 가동으로 제1 증발기(140) 뿐만 아니라 제2 증발기(263)로도 실외 공기가 유동되도록 할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 히트 펌프(1)는, 외기온도가 Ta 미만일 때는 저단측 냉동사이클 및 고단측 냉동사이클이 모두 작동되고, 제1 밸브가 차단되면서 제2 밸브가 개방되어, 도 2의 실선 화살표 방향으로 나타난 냉매 순환 방향으로 냉매가 순환하면서 난방운전된다.
그러나 외기온도가 Ta 이상일 때는 저단측 냉동사이클은 작동이 개시되지 않거나 또는 작동 중인 경우에는 작동이 중단된다. 즉, 제1 압축기(110)는 가동되지 않는다. 그리고 고단측 냉동사이클만 작동되며, 제2 밸브(232, 233)가 차단되면서 제1 밸브(261, 264)가 개방되어 제2 냉매가 도 3에 도시된 실선 화살표 방향과 같이 제2 팽창밸브(230)로부터 제2 증발기(263)를 거쳐 제2 압축기(210)로 순환하는 난방운전 모드를 갖게 된다.
여기서 외기온도는, 공지된 다양한 방법으로 측정 가능하며, 예컨대 제1 증발기(140) 또는 후술할 제2 증발기(263) 상에 구비되는 온도센서(141, 264)에 의해 감지될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 히트 펌프(1)는 전술한 구성들 중에서 적어도 제1 압축기(110), 제2 압축기(210) 및 밸브(232,233,261,264)의 작동을 제어하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.
제어부(400)는 감지된 외기온도에 관한 신호를 수신하거나, 또는 입력받아 설정된 일정온도 Ta 이상인지 또는 미만인지를 판단한 다음, 외기온도가 Ta 이상으로 판단된 경우에 제1 압축기(110)가 가동되지 않도록 하면서 제1 밸브(261,264)가 개방되도록, 그리고 제2 밸브(232,233)가 차단되도록 제어하여, 제2 냉매가 분기 유로(260)를 통과하도록 제어할 수 있다.
여기서 Ta는 이미 설정된 온도값이지만, 이 온도값은 사용자가 필요에 따라 새로운 값을 입력하거나 또는 제어부(400) 내 구성된 제어로직에 의해 운전 조건에 맞춰 변경될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 관하여 설명하였다. 그러나 상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것일 뿐 본 발명이 상기한 실시예로만 한정되는 것은 아니다. 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 상기 실시예로부터 다양한 변형이나 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
[부호의 설명]
1: 히트 펌프 100: 제1 회로
110: 제1 압축기 115: 사방밸브
120: 제1 열교환기 125: 이코노마이저 열교환기
126: 팽창밸브 130: 제1 팽창밸브
131: 스트레이너 132: 냉매 분배기
140: 제1 증발기 141: 온도센서
150: 액 분리기 200: 제2 회로
210: 제2 압축기 220: 제2 열교환기
229: 스트레이너 230: 제2 팽창밸브
231: 제1 지점 232, 233: 제2 밸브
234: 제2 지점 250: 액 분리기
260: 분기 유로 261,264: 제1 밸브
262: 냉매 분배기 263: 제2 증발기
264: 온도센서 310: 온수 유로
320: 축열조 330: 실내
340: 송풍팬 400: 제어부

Claims (7)

  1. 제1 냉매가 제1 압축기, 제1 열교환기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 포함하는 제1 회로를 따라 순환하는 저단측 냉동사이클;
    제2 냉매가 제2 압축기, 제2 열교환기, 제2 팽창밸브, 및 상기 제1 열교환기를 포함하는 제2 회로를 따라 순환하는 고단측 냉동사이클;
    상기 제2 팽창밸브와 상기 제1 열교환기 사이에 위치하는 상기 제2 회로 상의 제1 지점으로부터 분기되어, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 압축기 사이에 위치하는 상기 제2 회로 상의 제2 지점으로 연결되는 분기 유로;
    상기 제2 팽창밸브를 통과한 상기 제2 냉매가 상기 분기 유로를 통과하도록 허용하면서 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하지 못하도록 차단하거나 또는 상기 분기 유로를 통과하지 못하도록 차단하면서 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하도록 허용하는 밸브;
    상기 분기 유로 상에 배치되어, 상기 분기 유로를 통과하는 상기 제2 냉매가 증발되도록 하는 제2 증발기; 및
    상기 제1 압축기, 상기 제2 압축기 및 상기 밸브의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제2 압축기가 가동되는 경우로서 외기온도가 일정온도 이상일 때, 상기 제어부는 상기 제1 압축기가 가동되지 않도록 하면서 상기 밸브를 작동하여 상기 제2 냉매가 상기 분기 유로를 통과하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브는,
    상기 제2 냉매가 분기 유로를 통과하는 것을 허용하거나 차단하도록 분기 유로 상에 배치되는 제1 밸브와,
    상기 제2 냉매가 상기 제1 열교환기 쪽으로 순환하는 것을 허용하거나 차단하도록, 상기 제1 지점과 상기 제1 열교환기 사이 또는 상기 제1 열교환기와 상기 제2 지점 사이 중 적어도 어느 한 곳의 냉매 유로 상에 배치되는 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환기에 연결되어, 내부를 순환하는 물이 상기 제2 열교환기에서 상기 제2 냉매와 열교환하여 가열되는 온수 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 온수 유로와 연결되는 축열조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 증발기 또는 상기 제2 증발기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 핀 튜브(fin-tube) 타입의 열교환기인 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 증발기와 상기 제2 증발기는 실외기 내에서 서로 나란히 배치되며,
    상기 제1 증발기 및 상기 제2 증발기로 외기가 유동되도록 하는 송풍팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 판형 열교환기(plate-type heat exchanger)인 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 사이클을 이용한 히트 펌프.
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