KR101524862B1 - 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 고압측의 제1열교환기를 통과한 고온의 냉매를 이용하여 물의 온도를 높이고, 공기를 가열하면서 열을 빼앗긴 냉매를 제2열교환기에 공급함으로써 증발효율을 증대함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템은, 냉매를 고온고압으로 압축하여 압송하는 압축기(10), 상기 압축기와 함께 냉매가 순환하도록 구성되는 제1열교환기(20)와 팽창변(30) 및 제2열교환기(40)를 포함하고, 상기 제2열교환기는 일측이 상기 제1열교환기의 토출쪽에 연결되어 상기 제1열교환에서 토출되는 고온의 냉매가 순환하도록 하여 공기를 가열하는 가열 코일(42), 일측이 상기 팽창변의 토출측에 연결되는 한편 타측이 상기 압축기에 연결되어 저온의 냉매를 상기 가열코일을 통과한 공기에 의해 증발시키는 증발코일(41), 상호 간에 일정 간격을 두고 배열되면서 상기 가열코일과 증발코일에 설치되는 다수의 열교환판(43)을 포함하여 구성된다.

Description

착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR PREVENTING ADHERE AND IMPROVING EVAPORATION}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압측의 제1열교환기를 통과한 고온의 냉매를 이용하여 물의 온도를 높이고, 공기를 가열하면서 열을 빼앗긴 냉매를 제2열교환기에 공급함으로써 증발효율을 증대하고 착상을 예방한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방 히트펌프 시스템은 냉매의 선택적 양방향 흐름을 통해 난방계절 동안은 고압측(응축기)에서의 방출열을 활용하여 난방 및 온수를 제공하고 냉방계절 동안은 저압측(증발기)에서의 주변열 흡수를 활용하여 냉기를 제공할 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 냉난방 히트펌프 시스템은 그 적용환경에 따라 다양한 구조로 응용되어 사용되고 있으나 기본적으로 압축기, 제1열교환기(응축기), 팽창변, 제2열교환기(증발기) 등 4개의 기본요소로 이루어져 시스템 내부의 냉매가 압축기에서 응축기로, 응축기에서 팽창변으로, 팽창변에서 증발기로, 증발기에서 다시 압축기로 순환되도록 하는 사이클을 형성하게 되는데, 이러한 사이클은 열역학 제2법칙을 이용하여 압축기로 하여금 소정의 일을 수행시킴으로써 저열원(低熱源)에서 열을 흡수하여 온도가 높은 고열원(高熱源)으로 열을 이동하는 것을 목적으로 한다.

이때, 냉매는 증발기에서 저온 증발하여 주위의 열을 흡수하게 되며, 압축기에서는 상기 증발기로부터 유입된 저온의 저압가스를 압축하여 고온의 고압가스로 승온시켜 응축기로 보내고, 상기 응축기는 상기 압축기로부터 유입되는 고온의 고압가스와 온수탱크에서 유입되는 온수를 열교환시켜 승온시키며 고온의 고압가스는 중온의 액냉매로 상변환되어 팽창변으로 보내게 된다.

그리고, 팽창변은 응축기로부터 유입되는 중온의 액냉매를 팽창시켜 저온의 냉매로 변환시킨 다음 증발기로 공급하게 되며, 상기 증발기에서는 상기 응축기에서 팽창변을 거쳐 유입되는 저온냉매로 냉수탱크와 순환되는 물 배관과 열교환시켜 저온냉수를 생산하게 되는 것이다.

한편, 상기와 같은 순환 사이클의 조합에 냉매의 유동방향을 전환하여 냉방 또는 난방기기로의 선택적 활용이 가능하도록 사방밸브를 포함시켜, 상기 증발기가 고온부의 열을 흡수하도록 활용하면 에어컨 또는 냉장고와 같은 냉방운전을 실시할 수 있는 냉방기기로 이용할 수 있고, 상기 응축기가 저온부로 열을 방출하도록 활용하면 난방운전을 실시할 수 있는 난방기기로 이용될 수도 있다.

그러나 이러한 종래의 제품들과 현재 출시된 제품들은 난방운전시 외기온도가 점점 낮아지면 난방부하가 커져 에너지(전기, 가스, 유류 등) 소모가 많아지고 제품 성능 차이에 따라서 외기온도가 영하 5℃ ∼ 영하 15℃ 부근에서부터는 실외측 증발기가 냉매액의 증발이 원활하게 일어나지 않게 되어 외기로부터 냉매의 상변화에 따른 증발잠열을 충분히 흡수하기 못하기 때문에 고압측으로 가는 냉매순환량의 감소로 응축기의 발열량이 낮아져 급격한 난방효율저하 현상이 발생하며, 과부하 운전으로 인한 소음발생이 크고, 실외기 압축기에서의 압축비가 커져 투입되는 운전에너지에 비해 실내에서 얻는 열량이 상대적으로 적은 비효율적 현상인 한계치 운전에 이르게 되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 냉매를 과냉각하여 증발기에 공급하는 기술들이 있으나 구조가 복잡하고 증발효율을 높이는데 한계가 있다.

등록특허 제10-0499071호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고압측의 제1열교환기를 통과한 고온의 냉매를 이용하여 물의 온도를 높이고 액냉매가 저압측의 제2열교환기를 통과하도록 하고, 공기를 가열하면서 열을 빼앗긴 냉매를 제2열교환기에 공급함으로써 증발효율을 증대하고 착상을 예방한 히트펌프 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템은, 냉매를 고온고압으로 압축하여 압송하는 압축기, 상기 압축기와 함께 냉매가 순환하도록 구성되는 제1열교환기와 팽창변 및 제2열교환기를 포함하고, 상기 제2열교환기는 일측이 상기 제1열교환기의 토출쪽에 연결되어 상기 제1열교환에서 토출되는 고온의 냉매가 순환하도록 하여 공기를 가열하는 가열 코일, 일측이 상기 팽창변의 토출측에 연결되는 한편 타측이 상기 압축기에 연결되어 저온의 냉매를 상기 가열코일을 통과한 공기에 의해 증발시키는 증발코일, 상호 간에 일정 간격을 두고 배열되면서 상기 가열코일과 증발코일에 설치되는 다수의 열교환판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템에 의하면, 응축기를 통과한 고온의 냉매(냉수에 열을 빼앗겼지만 외부 공기보다 고온)의 열을 증발코일에 공급되는 외부 공기에 공급하여 외부 공기의 온도가 낮은 기후에서도 증발코일을 순환하는 냉매의 증발효율을 향상함으로써 히트펌프 시스템의 신뢰성을 향상하는 효과가 있다.

그리고, 가열코일을 통과하면서 가열된 공기가 증발코일을 통과하여 증발코일과 열교환판에 착상이 일어나지 못하므로 별도의 제상 운전과 제상 운전시 발생되는 기기의 정지로 인한 효율성 저하를 방지한다.

또한, 증발코일을 통과하는 공기의 온도를 근거로 하여 외부 공기의 온도가 가열없이 적정 온도를 유지하는 조건에서는 응축기에서 토출되는 냉매 전체를 낮은 외부 공기와 열교환을 통해 과냉각시키며 액냉매의 밀도를 높여서 팽창변의 능력을 향상시킴으로써 히트펌프 시스템의 효율성을 향상한다.

도 1은 본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템에 적용된 제2열교환기의 사시도.
도 3 내지 도 5는 각각 본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템의 다른 예시도.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템은, 압축기(10) - 제1열교환기(응축기)(20) - 팽창변(30) - 제2열교환기(증발기)(40)가 냉매 순환이 가능하도록 연결되며, 제2열교환기(40)는 증발코일(41)과 가열코일(42) 그리고 열교환판(43)으로 구성된다. 또한 냉매의 흐름을 전환하기 위한 사방밸브가 갖추어진다.

압축기(10)는 냉매를 고온고압으로 압축하여 제1열교환기(20)에 압송하며 제2열교환기(40)와 연결됨으로써 제2열교환기(40)로부터 복귀하는 냉매를 압축하여 압송한다.

제1열교환기(20)는 압축기(10)로부터 압송되는 고온고압의 냉매를 응축하며, 냉수를 열원으로 하여 상기 냉매를 응축함으로써 온수(상기 냉수의 온도 상승)를 생산한다. 상기 온수는 직접 또는 간접 방식을 통해 난방용, 급탕용 등으로 사용된다.

제1열교환기(20)는 예컨대 판형 열교환기가 사용되며, 냉매의 유입 및 토출을 위한 제1,2냉매포트(21,22), 냉수와 온수의 순환을 위한 제1,2공급수 포트(23,24)가 구성된다.

제1열교환기(20)에 의해 응축된 냉매는 팽창변(30)에 직접 공급되지 않고 제2열교환기(40)의 가열코일(42)에 공급된다.

팽창변(30)은 제1열교환기(20)를 통해 응축된 냉매를 감압하여 제2열교환기(40)에 공급하는 것으로, 제1열교환기(20)와 직접 연결되지 않고 가열코일(42)과 연결된다.

도 1과 도 2에서 보이는 바와 같이, 제2열교환기(40)는 증발부와 가열부로 구분되며, 단 상기 증발부를 구성하는 증발 코일(41)과 상기 가열부를 구성하는 가열코일(42)이 열교환판(43)을 공유하므로 하나의 제품으로 구성된다. 물론 열교환판(43)은 증발 코일(41)과 가열코일(42)을 공유하지 아니하고 구분되는 것도 가능하다. 제2열교환기(40)는 공기가 가열코일(42)을 통과한 후 증발 코일(41)을 통과하도록 하나 이상의 순환팬(44)이 포함된다.

또한 가열코일(42)의 토출측과 증발 코일(41)의 유입측 사이에는 리시버 탱크(50)와 냉각기(60)(서브쿨러로서 공지된 것임)가 순차적으로 적용될 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템의 작용은 다음과 같다.

압축기(10)에 의해 고온고압으로 압축된 고온의 냉매는 제1열교환기(20)를 통과하며, 이 과정에서 제1열교환기(20)를 통과하는 냉매는 냉수와 열교환하여 온수를 생산한다.

제1열교환기(20)를 통과한 냉매는 가열코일(42)을 통과하고 리시버 탱크(50) - 냉각기(60) - 팽창변(30)을 경유한 후 증발코일(41)을 통과한다. 이 과정에서 순환팬(44)에 의해 공기가 가열코일(42)을 통과한 후 증발코일(41)을 통과하며, 이때, 가열코일(42)을 통과하는 냉매는 제1열교환기(20)에서 공급되어 고온의 상태이기 때문에 공기가 가열코일(42)을 따라 흐르는 냉매의 열을 회수하여 온도가 상승한 후 증발코일(41)을 통과한다. 즉 가열코일(42)을 통과하여 온도가 상승한 공기가 증발코일(41)을 따라 흐르는 냉매를 증발시키게 되므로 저온 상태의 공기를 이용하여 냉매를 증발시킬 때보다 증발효율을 높이게 된다.

증발코일(41)을 통과한 냉매는 압축기(10)에 복귀되어 고온고압으로 압축된 후 재순환한다.

도 3은 본 발명에 의한 다른 예로서, 가열코일(42)을 선택적으로 사용하도록 구성된 것이다.

제1열교환기(20)에서 토출된 냉매가 가열코일(42)에 공급되거나 또는 가열코일(42)을 회피하여 리시버탱크(50)에 공급되도록 바이패스 유로(45)가 갖추어진다.

가열코일(42)과 바이패스 유로(45)에는 각각 개폐용 밸브(45a,45b)가 갖추어지고 아울러 냉매의 역류 방지용 체크밸브가 적용된다.

밸브(45a,45b)는 서로 반대로 개폐되어 어느 하나의 유로만 개방되도록 하는 것이며, 예컨대 외부 공기의 온도 또는 증발코일(41)을 흐르는 냉매의 온도 또는 외부 온도(온도 센서 장착) 등을 통해 개폐되고 외부 공기의 온도가 일정 온도 이하이면 가열코일(42)을 제1열교환기(20)와 연결[밸브(45a) 개방]하는 한편 공기의 온도가 일정 온도 이상이면 가열없이 가능하므로 바이패스 유로(45)를 제1열교환기(20)와 연결[밸브(45b) 개방]한다.

본 실시예에 따르면, 외부 공기의 온도가 일정 온도 이상이면 공기가 가열 코일(42)을 통과하면서 온도가 낮아질 수 있고, 이때는 냉매가 가열 코일(42)을 순환하는 것을 차단하여 공기가 가열 코일(42)을 열교환없이 통과할 뿐이므로 증발효율의 저하를 막을 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 냉매흐름 절환부재(80)가 적용된다.

냉매흐름 절환부재(80)는 제1열교환기(20)의 토출측과 가열코일(42)의 유입측을 연결하는 제1유로(81), 팽창변(30)의 토출측과 증발코일(41)의 유입측을 연결하는 제2유로(82), 제2유로(82)에서 분기되며 토출단이 리시버 탱크(50)의 유입쪽에 연결되는 제3유로(83)로 구성된다.

여기에 제1유로(81)를 개폐하는 전자변(84), 제1 내지 제3유로(81,82,83)에 각각 장착되는 일방향 체크밸브로 구성된다.

도 4에서 보이는 바와 같이 냉매흐름 절환부재(80)를 통하여 난방시와 냉방시 서로 각각 다른 유로를 제공하며 냉방시 가열 필요성이 없는 경우 가열 코일(42)을 경유하지 않고 제3유로(83)를 통해 리시버 탱크(수액기)(50)에 공급되도록 함으로써 효율성을 높인다.

도 5는 본 발명을 이용한 이원 시스템으로 구성한 것이며, 전술한 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 제1열교환기(20)를 통해 온수 또는 냉수를 생산하여 부하에 공급하지 않고 별도의 부하측 히트펌프 시스템(200)을 함께 적용한 것이다.

부하측 히트펌프 시스템(200)은, 냉매를 압축하는 부하측 압축기(210), 부하측 압축기(210)와 연결되는 제1부하측 열교환기(220), 제1부하측 열교환기(220)와 연결되는 부하측 팽창변(230), 부하측 팽창변(230) 및 부하측 압축기(210)와 연결되는 제2부하측 열교환기(240)를 기본 구성으로 하며, 여기에 부하측 압축기(210)에 의해 압축된 냉매를 제1 또는 제2부하측 열교환기(220,240)에 압송하는 부하측 사방밸브(250), 제1,2부하측 열교환기(220,240)와 부하측 팽창변(230)의 사이에 이들과 연결되며 냉매의 흐름 방향을 제어하는 부하측 냉매절환부재(260)으로 구성된다.

제2부하측 열교환기(240)는 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 제1열교환기(20)를 통과하는 냉매를 열매체로 하여 열교환이 이루어지도록 제1열교환기(20)와 함께 구성된다.

제1부하측 열교환기(220)를 응축기로 사용하는 경우 제1부하측 열교환기(220)를 통과하면서 원수와 열교환되어 응축된 냉매를 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 제2열교환기(40)의 증발코일(41)에 공급되는 공기와 열교환이 이루어지도록 응축코일(270)을 포함한다.

즉 제1부하측 열교환기(220) 측면에서 볼 때 냉매와 외부 공기의 열교환을 통해 응축효율을 높이고, 증발코일(41)측에서 볼 때 공기의 온도가 상승하여 착상 예방과 증발효율을 향상한다.

응축코일(270)은 일측이 부하측 냉매절환부재(260)와 연결되고 타측이 부하측 팽창변(230)과 직접 연결[또는 수액기를 경유하여 연결]되면서 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 제2열교환기(40)의 증발코일(41) 앞(공기의 공급 경로)에 배관된다.

물론, 도면에 도시되지는 않았지만, 응축코일(270)은 증발코일(41) 앞에 배관되는 가열코일(42)의 앞에 설치되는 것도 포함된다.

본 실시예에 따르면, 부하측 압축기(210)에 의해 고온고압으로 압축된 냉매는 사방밸브(250)를 경유하여 제1부하측 열교환기(220)를 통과하며 이 과정에서 원수와 열교환되어 응축되고, 제1부하측 열교환기(220)를 빠져나온 냉매는 부하측 팽창변(230)에 공급되지 않고 부하측 냉매절환부재(260)를 통해 응축코일(270)에 공급된다. 이 과정에서 응축코일(270)을 통과하는 냉매와 외부 공기의 열교환이 이루어져 냉매의 응축효율이 향상되고 증발코일(41)에 공급되는 공기의 온도가 높아진다.

응축코일(270)을 통과한 냉매는 부하측 팽창변(230)과 부하측 냉매절환부재(260)를 경유한 후 제2부하측 열교환기(240)를 통과하고, 이 과정에서 제2부하측 열교환기(240)를 통과하는 냉매는 제1열교환기(20)를 통과하는 냉매와 열교환에 의해 증발한다.

본 실시예에 의하면, 부하측 히트펌프 시스템(200)의 응축효율을 높여 적은 전력을 통해 고온수를 생산하고 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 성에 발생을 억제함으로써 히트펌프 시스템의 열효율을 증대하는 효과가 있다.

10 : 압축기, 20 : 제1열교환기
30 : 팽창변, 40 : 제2열교환기
41 : 증발코일, 42 : 가열코일
43 : 열교환판, 44 : 순환팬
45 : 바이패스 유로,
50 : 리시버탱크, 60 : 냉각기
200 : 부하측 히트펌프 시스템, 270 : 응축코일

Claims (6)

1. 냉매를 고온고압으로 압축하여 압송하는 압축기(10), 상기 압축기와 함께 냉매가 순환하도록 구성되는 제1열교환기(20)와 팽창변(30) 및 제2열교환기(40)를 포함하고,
   상기 제2열교환기는 일측이 상기 제1열교환기의 토출쪽에 연결되어 상기 제1열교환에서 토출되는 고온의 냉매가 순환하도록 하여 공기를 가열하는 가열 코일(42),
   일측이 상기 팽창변의 토출측에 연결되는 한편 타측이 상기 압축기에 연결되어 저온의 냉매를 상기 가열코일을 통과한 공기에 의해 증발시키는 증발코일(41),
   상호 간에 일정 간격을 두고 배열되면서 상기 가열코일과 증발코일에 설치되는 다수의 열교환판(43)을 포함하고,
   상기 열교환판은 상기 증발코일과 상기 가열코일을 함께 공유하도록 장착되어 공기가 상기 가열코일을 통과한 후 상기 열교환판들을 따라 상기 증발코일을 순환하도록 하며,
   상기 제1열교환기에서 토출되는 냉매가 상기 가열코일에 공급되도록 하거나 상기 제1열교환기에서 토출되는 냉매가 상기 가열코일을 회피하여 상기 팽창변에 공급되도록 하는 바이패스 유로(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 냉매를 고온고압으로 압축하여 압송하는 압축기(10), 상기 압축기와 함께 냉매가 순환하도록 구성되는 제1열교환기(20)와 팽창변(30) 및 제2열교환기(40)를 포함하고,
   상기 제2열교환기는 일측이 상기 제1열교환기의 토출쪽에 연결되어 상기 제1열교환에서 토출되는 고온의 냉매가 순환하도록 하여 공기를 가열하는 가열 코일(42),
   일측이 상기 팽창변의 토출측에 연결되는 한편 타측이 상기 압축기에 연결되어 저온의 냉매를 상기 가열코일을 통과한 공기에 의해 증발시키는 증발코일(41),
   상호 간에 일정 간격을 두고 배열되면서 상기 가열코일과 증발코일에 설치되는 다수의 열교환판(43)을 포함하고,
   상기 가열 코일의 타측과 상기 팽창변의 사이에 연결되어 상기 가열 코일에서 토출되는 냉매를 냉각한 후 상기 팽창변에 공급하는 냉각기(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1열교환기(20)의 토출측과 가열코일(42)의 유입측을 연결하는 제1유로(81), 팽창변(30)의 토출측과 증발코일(41)의 유입측을 연결하는 제2유로(82), 제2유로(82)에서 분기되며 토출단이 리시버 탱크(50)의 유입쪽에 연결되는 제3유로(83)로 구성된 냉매흐름 절환부재(80)가 포함되는 것을 특징으로 하는 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 상기 제1열교환기(20)를 통과하는 냉매의 열원을 회수하여 온수 또는 냉수를 생산하는 부하측 히트펌프 시스템(200)을 포함하고, 상기 부하측 히트펌프 시스템(200)은, 냉매를 압축하는 부하측 압축기(210), 상기 부하측 압축기(210)와 연결되는 제1부하측 열교환기(220), 상기 제1부하측 열교환기(220)와 연결되는 부하측 팽창변(230), 상기 부하측 팽창변 및 상기 부하측 압축기와 연결되며 상기 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 제1열교환기(20)를 흐르는 냉매와 열교환하도록 구성되는 제2부하측 열교환기(240), 상기 제1부하측 열교환기(220)와 상기 부하측 팽창변(230)에 연결되면서 상기 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템(100)의 증발코일(41) 또는 가열코일(42) 앞에 배관되어 내부를 흐르는 냉매를 통해 상기 증발코일(41) 또는 가열코일(42)에 공급되는 공기에 열을 가하는 응축코일(270)을 포함하는 것을 특징으로 하는 착상 예방과 증발효율을 향상한 히트펌프 시스템.

Images