KR100325308B1 - 열재생사이클을이용한냉난방겸용열펌프시스템 - Google Patents

Abstract

열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템에 관한 것으로, 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)의 연통부에 구동원에 의해 연동되는 열교환수단(5)을 설치하여 겨울철 차가운 공기(영하 10℃이하)로 인한 외부공기덕트(6)에 내부에 설치된 증발기(4) 표면에 발생되는 성에를 제거하고, 제어부의 냉난방 모드 선택시 난방라인(A) 또는 냉방라인(B)에 설치된 체크밸브(13-16)에 의해 냉매의 역류로 인한 이중팽창을 근본적으로 방지하여 냉난방 효율을 개선할 수 있다.

Description

열재생 사이클을 이용한 냉난방겸용 열펌프시스템

본 발명은 저온의 대기열을 흡수하여 난방에 이용하고 실내의 고온열을 흡수하여 외부로 방출하여 냉방할 수 있도록 한 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템에 관한 것이다.

특히, 대기온도가 영하 10℃이하인 경우에 증발기에 형성되는 성에를 효과적으로 제거하고, 냉난방 모드 전환시 냉매의 역류를 방지함과 동시에 증발기와 응축기에 의한 공기의 열교환 시간을 증가시켜 냉난방 효율을 개선하도록 한 열펌프시스템에 관한 것이다.

국내에서 사용되는 공기를 열원으로 하는 열펌프는 주로 냉방전용으로 제작되어, 난방시에는 석유나 전기히터 등을 별도로 사용하고 있다. 최근 들어 냉난방겸용 열펌프가 도입되고 있으나 대기를 열원으로 하는 열펌프는, 대기온도가 영하 10℃이하인 경우에 증발기에 성에층이 형성되어 열흡수력이 저감되고 그에 따른 난방능력이 현저히 떨어져 난방기로 사용하기가 극히 곤란 하였다.

그리고, 미국, 일본, 카나다 및 스웨덴 등지에서 개발되어 전세계적으로 보급된 열펌프는 폐열을 재흡수(재생)하지 않는 구조로서 냉난방 효율이 낮은 문제점을 갖고 있다.

이러한 시점에서, 주로 열펌프는 축사 또는 온실 및 버섯재배사 등의 시설재배농가에서 냉난방 용도로 채택되고 있는바, 국내 시설재배면적의 급격한 증가와 국내외 경기의 불안정으로 인한 시설재배농가의 냉난방비 부담은, 경영비의 대략 40%를 상회하는 것으로 조사되어 저비용 난방기기의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정 이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 냉난방 전환시 냉매의 역류를 차단하고, 증발기와 응축기에 의한 공기와의 열교환시간을 증가시켜 냉난방 효율을 높일 수 있는 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 전체적인 시스템을 일체형으로 제작하여 크기를 소형화하며, 냉매관의 길이 단축으로 인해 관내 압력손실이 최소화되어 냉난방 효율을 높일 수 있는 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 열재생 사이클을 이용한 냉난방겸용 열펌프시스템의 구성을 나타내는 계통도 이다.

≪도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명≫

1,2 : 송풍기 3,4 : 증발기

5 : 열재생수단 6 : 외부공기덕트

7 : 실내공기덕트 8 : 압축기

9 : 냉난방 절환밸브 10 : 오일분리기

11,12 : 팽창밸브 13∼16 : 체크밸브

17∼22 : 솔레노이드밸브 24,25 : 필터드라이어

본 발명에 의한 열재생 사이클을 이용한 냉난방겸용 열펌프시스템은, 압축기(8)와, 압축기(8)로 부터 토출되는 냉매가 반복하여 순환되도록 압축기(8)에 냉난방라인(B,A)을 통해 연통되는 제1,2증발기(3,4)와, 송풍기(1) 및 제1증발기(3)가 토출구측에 설치되는 실내공기덕트(7)와, 송풍기(2) 및 제2증발기(4)가 토출구측에 설치되는 외부공기덕트(6)와, 제어부의 난방 또는 냉방모드 선택시 압축기(8)의 냉매토출구를 냉난방라인(B,A)에 선택적으로 절환접속하는 냉난방절환밸브(9)와, 냉난방 모드 선택시 냉매의 역류되는 것을 방지하도록 냉난방라인(B,A)에 설치되는 체크밸브(13~16)를 구비하며, 이들은 당해분야에서 사용하고 있는 기술내용에 속하는 것으로서 이하에서 이들의 구성 및 작동의 상세한 설명은 생략함을 밝혀둔다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 전술한 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)사이의 연통부에 무한궤도운동하도록 설치되며, 전술한 제어부의 난방 모드에 따라 실내에서 제1증발기(3)로 유입되는 공기에 포함된 열의 일부를 흡수하여 실외에서 제2증발기(4)로 유입되는 공기를 예열하여 제2증발기(4) 표면에 형성되는 성에를 제거하는 열재생수단(5)을 구비한다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 열재생수단(5)은 천연섬유, 화학섬유, 스테인레스 섬유 및 알루미늄 섬유 중에서 임의로 선택된 1종인 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)의 연통부에 열재생수단(5)을 제공하여 난방 모드시 열교환에 의해 외부에서 유입되는 공기의 온도를 높여 외부공기덕트(6)의 토출측에 설치된 증발기(4)의 표면에 형성되는 성에를 제거하고, 냉난방 전환시 냉매의 역류를 차단하도록 냉난방라인(B,A)에 체크밸브(13∼16)와 같은 냉매역류방지수단을 제공하여 냉난방 효율을 개선할 수 있도록 하고, 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)의 토출측에는 송풍기(1,2)가 각기 설치되어 열교환된 공기를 각기 실내 또는 외부로 배출하도록 되어 있다.

전술한 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)의 연통부에 제공된 열재생수단(5)은 모터와 같은 구동수단에 연동되어 각 덕트(6,7) 사이를 무한궤도운동하면서 실내공기덕트(7)의 입구로 부터 강제흡입된 공기의 열기 또는 냉기를 흡수하여 외부공기덕트(6)의 입구로 부터 강제흡입된 공기를 데우거나 냉각시키는 열교환을 수행한다. 이때 열재생수단(5)은 열교환 성능이 양호한 천연섬유, 화학섬유, 스테인레스 섬유, 알루미늄섬유 등의 재질로 제작되어 있다.

각 덕트(7,6)의 토출측에 설치된 증발기(3,4)는 압축기(9)와 연통되어 있고,제어부의 제어에 따라 난방 또는 냉방모드로 선택되는 냉난방 절환밸브(9)에 의해 각기 난방라인(A)과 냉방라인(B)으로 분기되어 전체적으로 증발기(3,4) 서로가 연통됨으로써, 냉매가 압축기(9)에 의해 가압되어 각기 대응된 난방라인(A) 또는 냉방라인(B)을 따라 각 증발기(3,4)를 순환하는 폐쇄회로를 이룬다.

냉난방 절환밸브(9)는 제어부의 난방모드 선택에 대응하여 압축기(8)에 의해 가압된 냉매를 난방라인(A)을 통해 각기 대응된 제1증발기(3)에서 제2증발기(4)를 통해 순환되도록 하는 제1위치와, 제어부의 냉방모드 선택에 대응하여 압축기(8)에 의해 가압된 냉매를 냉방라인(B)을 통해 제2증발기(4)로부터 제1증발기(3)를 통해 순환되도록 하는 제2위치 사이에서 조정되는 밸브로서, 냉매는 항시 라인(A,B)을 통해 압축기(8)로 유입되기 전에 오일분리기(10)를 경유한다.

난방라인(A)은 제2증발기(4)로 부터 냉매가 증발되어 저온저압상태로 압축기(8)에 공급되어 가압된 후, 고온고압의 냉매로 상변화되어 제1증발기(3)를 경유하면서 주변의 공기를 데운 후, 다시 제2증발기(4)를 경유하여 순환되도록 구성된 폐쇄회로 이다. 난방라인(A)에는 후술되는 냉방라인(B)과 분기되는 기점에 제어부의 난방모드 선택에 대응하여 난방라인(A)을 개방하는 다수의 솔레노이드밸브(18,21,19)가 제공되어 있으며, 제1증발기(3)의 토출구와 제2증발기(4)의 인입구 사이에 액화된 냉매가 증발이 용이한 저온저압의 액체미립자 형태의 냉매로 상변화하도록 필터드라이어(24)와 노즐형태의 팽창밸브(11)가 직렬로 제공되어 있다.

전술한 솔레노이드밸브(18,21,19)의 설치위치를 좀 더 상세히 설명하면, 제1솔레노이드밸브(18)는 절환밸브(9)와 제1증발기(3)사이, 제2솔레노이드밸브(21)는제1증발기(3)와 필터드라이어(24)사이 그리고, 제3솔레노이드밸브(19)는 제2증발기(4)와 절환밸브(9) 사이 이다.

냉방라인(B)은 제1증발기(3)로부터 냉매가 증발되어 저온저압상태로 압축기(8)에 공급되어 가압된 후, 고온고압의 냉매로 상변화되어 제2증발기(4)를 경유하면서 주변의 공기를 데운 후, 다시 제1증발기(3)를 경유하여 순환하도록 구성된 폐쇄회로이다.

또한, 전술된 난방라인(A)과 분기되는 기점에 제어부의 냉방모드 선택에 대응하여 냉방라인(B)을 개방하는 다수의 솔레노이드밸브(17,20,22)가 제공되어 있으며, 제2증발기(4)의 토출구와 제1증발기(3)의 인입구 사이에 액화된 냉매가 증발이 용이한 저온저압의 액체미립자 형태의 냉매로 상변화하도록 필터드라이어(25)와 팽창밸브(12)가 직렬로 제공되어 있다.

이때, 솔레노이드밸브(17,20,22)의 설치위치를 좀 더 상세히 설명하면, 제4솔레노이드밸브(17)는 절환밸브(9)와 제2증발기(4)사이, 제5솔레노이드밸브(20)는 제2증발기(4)와 필터드라이어(25)사이 그리고, 제6솔레노이드밸브(22)는 제1증발기(3)와 절환밸브(9)사이 이다.

제어부의 냉난방 모드 선택에 따른 냉매의 순환흐름을 살펴보면 다음과 같다.

(가)난방 모드시

압축기(8) → 냉난방 절환밸브(9)의 제1위치 → 제1솔레노이드밸브(18) → 증발기(3)→ 제2솔레노이드밸브(21) → 필터드라이어(24) → 팽창밸브(11) → 증발기(4) → 제3솔레노이드밸브(19) → 냉난방 절환밸브(9)의 제1위치 → 오일분리기(10) → 압축기(8)를 반복적으로 순환하게 된다.

즉, 제어부에서 난방 모드를 선택하는 경우, 실내에서 응축기(3)로 유입되는 공기에 포함된 열의 일부를 흡수하여 실외에서 증발기(4)로 유입되는 공기를 예열함에 따라, 외기 온도가 영하 10℃이하인 경우에도 증발기(4)를 통과하는 공기의 온도를 영하 10℃이상으로 유지하여 증발기(4) 표면에 성에 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

(나)냉방 모드시

압축기(8) → 냉난방 절환밸브(9)의 제2위치 → 제4솔레노이드밸브(17) → 증발기(4) → 제5솔레노이드밸브(20) → 필터드라이어(25) → 팽창밸브(12) → 증발기(3) → 제6솔레노이드밸브(22) → 냉난방 절환밸브(9)의 제2위치 → 오일분리기(10) → 압축기(8)를 반복적으로 순환하게 된다.

솔레노이드밸브(17∼22)는 난방라인(A)과 냉방라인(B)이 서로 분기되는 위치에 각기 제공되어, 제어부의 선택적인 냉난방 선택모드에 따라 전원이 인가되면 그에 대응되는 라인(3,4)을 개방하여 냉매가 순환되도록 설치되어 있다.

그러나, 이와같이 난방라인(A)과 냉방라인(B)이 폐쇄회로를 이루는 열펌프시스템은 냉난방 전환시 냉매가 역류하여 이중팽창됨으로써 압력손실이 야기되어 원하는 냉난방 효율을 구현할 수 없다. 이는 솔레노이드밸브(17∼22)는 냉난방라인(B,A)이 선택적으로 닫힌 상태에서 냉매의 역류를 완전하게 차단하지 못하는 구조상의 문제가 있기 때문에 전술된 냉난방 효율 저하가 발생된다.

따라서, 냉난방 전환시 냉매의 역류를 방지하도록 난방라인(A)과 냉방라인(B)의 소정위치에 체크밸브(13∼16)와 같은 냉매역류방지수단이 설치된다.

체크밸브(13∼16)의 설치위치는 냉매가 유동되는 솔레노이드밸브(19,18,22,17)의 후단부에 설치되어 있다. 즉 제1체크밸브(13)는 제1솔레노이드밸브(18)와 제1증발기(3)사이, 제2체크밸브(14)는 제3솔레노이드밸브(19)와 절환밸브(9) 사이, 제3체크밸브(15)는 제4솔레노이드밸브(17)와 제2증발기(4)사이, 제4체크밸브(16)는 제6솔레노이드밸브(22)와 절환밸브(9)사이에 제공되어 있다. 이때 필터드라이어(24,25)가 설치된 라인(A,B)에는 냉매의 역류가 발생되지 않기 때문에 체크밸브를 설치하지 않아도 무방하다.

이상에서와 같이, 바람직한 실시예에 의하면 아래와 같은 이점을 갖는다.

난방 모드시 대기온도가 영하 10℃이하인 경우에도 증발기의 표면에 성에가 형성되지않아 냉매가 원활히 증발되어 난방효율을 향상시킬 수 있다.

전체적인 열펌프시스템을 일체형으로 제작하여 크기를 소형화하며, 냉매관의 길이 단축으로 관내 압력손실이 최소화되어 냉난방 효율을 높일 수 있다.

또한, 난방이 필요한 시설에서 심야전력 또는 농업용 전기를 동력원으로 사용시 석유용 난방기에 비하여 60% 이상의 난방비를 절감할 수 있다.

또한, 냉난방 모드 전환시 냉매의 역류되는 것을 차단하여 역류에 따른 압력 손실이 근본적으로 방지되어 냉난방 효율을 개선할 수 있게 된다.

Claims (1)

1. 압축기(8)와, 압축기(8)로 부터 토출되는 냉매가 반복하여 순환되도록 압축기(8)에 냉난방 라인(B,A)을 통해 연통된 제1,2증발기(3,4)와, 송풍기(1) 및 제 1 증발기(3)가 토출구측에 설치된 실내 공기덕트(7)와, 송풍기(2) 및 제2증발기(4)가 토출구측에 설치된 외부공기덕트(6)와, 제어부의 난방 또는 냉방모드시 압축기(8)의 냉매 토출구를 냉난방라인(B,A)에 선택적으로 절환접속하는 냉난방절환밸브(9)와, 냉난방 모드시 냉매의 역류되는 것을 방지하도록 냉난방라인(B,A)에 설치된 체크밸브(13~16)를 구비하는 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템에 있어서:

   상기 실내공기덕트(7)와 외부공기덕트(6)사이의 연통부에 무한궤도운동하도록 설치되며, 상기 제어부의 난방 모드에 따라 실내에서 상기 제1증발기(3)로 유입되는 공기에 포함된 열의 일부를 흡수하여 실외에서 상기 제2증발기(4)로 유입되는 공기를 예열하여 상기 제2증발기(4) 표면에 형성되는 성에를 제거하는 열재생수단(5)을 구비하는 것을 특징으로 하는 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프시스템.