KR102020177B1

KR102020177B1 - 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR102020177B1
Application number: KR1020190026173A
Authority: KR
Inventors: 김종헌
Original assignee: (주)엠티이에스
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-09-10

Abstract

본 발명은 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 냉방(냉수 생산), 난방(온수 생산), 급탕 등의 에너지 이용 형태 또는 모드를 제공함에 있어 개별적 가동에 그치지 않고 선택적 동시 가동이 가능하며, 지열 혹은 폐열의 외부 열원을 이용해 에너지 효율을 높임에 있어, 냉매의 순환 사이클이 이용 및 운전의 균형을 이루기 위해 최적화된 구조를 갖추고 있다.
이를 통해, 본 발명의 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템은 제1열교환기의 열 교환에 있어서 지열 혹은 폐열로 마련되는 외부 열원을 이용하며, 에너지 이용 및 유지 효율이 우수한 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

Description

지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM USING GEOTHERMAL HEAT OR WASTE HEAT}

본 발명은 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트 펌프란 냉매를 이용한 열교환을 통해 냉방, 난방 혹은 냉난방 모두를 수행하는 열 전달 장치 모두를 지칭하는 의미로, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등의 구성을 기본적 사이클로 갖추고 있다.

이러한 히트 펌프 시스템의 가장 큰 특징은 구동에 요구되는 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 열에너지 형태로 공급할 수 있기 때문에 에너지 효율이 우수하다는 점이다.

히트 펌프의 작동원리는 난방의 경우 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하며, 냉방의 경우 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만듭니다.

이와 관련하여 히트펌프 시스템의 에너지 이용 효율을 개선시키고, 에너지 이용 행태를 사용자의 선택 제어에 의해 다양하게 제공할 수 있도록 하기 위해 마련된 종래기술에 대한 선행문헌에는 대한민국 등록특허공보 제10-1336012호의 "지열 히트펌프장치를 이용한 냉,난방 및 급탕용 히트펌프장치"(이하, '종래기술'이라고 함)이 있다.

하지만 종래기술을 비롯한 기존의 히트펌프 시스템의 경우, 해당 시스템을 이용한 냉방(냉수 생산), 난방(온수 생산), 급탕 등의 에너지 이용 형태 또는 모드를 제공함에 있어 단순히 단일한 이용 형태 또는 모드만을 단독으로 개별 제공하여 다중 이용 형태 또는 모드의 동시 이용이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

아울러, 종래기술을 비롯한 기존의 히트펌프 시스템의 경우, 지열, 폐열 혹은 수열 등의 외부 열원을 이용하여 에너지 효율을 높임에 있어, 냉매 순환 사이클의 구조가 복잡해지고 불필요한 냉매의 이용 손실이 발생하는 등 외부 열원을 이용함에 최적화되어 냉매 순환 사이클 이용 및 운전에 있어 균형을 갖추지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로써, 본 발명의 목적은 냉방(냉수 생산), 난방(온수 생산), 급탕 등의 에너지 이용 형태 또는 모드를 제공함에 있어 개별적 가동에 그치지 않고 선택적 동시 가동이 가능한 기술을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 지열 혹은 폐열의 외부 열원을 이용해 에너지 효율을 높임에 있어, 냉매의 순환 사이클이 이용 및 운전의 균형을 이루기 위해 최적화된 구조를 갖출 수 있는 기술을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템은, 흡입되는 냉매를 압축하여 고온고압의 냉매를 제1냉매이동관을 통해 배출시키는 압축기; 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제1접속포트에 상기 제1냉매이동관이 연결되며, 제3접속포트에 상기 압축기와의 연결을 위한 제7냉매이동관이 연결되는 제1밸브; 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제5접속포트가 상기 제1밸브의 제2접속포트와 제2냉매이동관을 통해 연결되며, 제7접속포트에 상기 제7냉매이동관 일측과의 연결을 위한 제8냉매이동관이 연결되는 제2밸브; 상기 제2밸브의 제6접속포트와 제3냉매이동관을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 제4냉매이동관을 통해 연결되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제1팽창밸브; 일측이 제5냉매이동관을 통해 상기 제1팽창밸브와 연결되며, 타측이 제6냉매이동관을 통해 상기 제1밸브의 제4접속포트와 연결되며, 상기 제1열교환기와 대응되어 온수 또는 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기 또는 응축기로 작동하는 제2열교환기;일측이 제9냉매이동관을 통해 상기 제2밸브의 제8접속포트와 연결되며, 타측이 제10냉매이동관을 통해 상기 제4냉매이동관 일측과 연결되며, 상기 압축기로부터 공급되는 고온 고압의 냉매를 이용한 열교환을 통해 급탕을 수행하는 제3열교환기; 상기 제4냉매이동관 중 상기 제1열교환기와 연결된 지점과 상기 제10냉매이동관과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제4냉매이동관 중 상기 제10냉매이동관과 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브와 연결된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되는 제1바이패스 냉매관; 상기 제1바이패스 냉매관 일측에 설치되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제2팽창밸브; 상기 제1바이패스 냉매관 중 상기 제2팽창밸브와 상기 제1바이패스 냉매관의 타단 사이 일측에 설치되는 제1솔레노이드 밸브; 상기 제4냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 일단이 연결된 지점과 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제5냉매이동관 일측에 타단을 형성하도록 연결되는 제2바이패스 냉매관; 상기 제4냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브 사이 일측에 설치되는 제2솔레노이드 밸브; 및 상기 제1밸브, 제2밸브, 제1솔레노이드 밸브 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어모듈;을 포함한다.

여기서, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제6접속포트를 개방하며, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산모드를 가동하는 제1제어부;를 포함하며, 상기 제1제어부를 통해 냉수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제6접속포트, 제3냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 상기 제1열교환기에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태의 냉매로 응축되며, 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제4냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제5냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제6접속포트를 개방하며, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 온수 생산모드를 가동하는 제2제어부;를 포함하며, 상기 제2제어부를 통해 난방모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제6냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제2접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 내지 제8접속포트를 개방하며, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 급탕모드를 가동하는 제3제어부;를 포함하며, 상기 제3제어부를 통해 급탕모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제8접속포트, 제9냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 급탕을 수행할 수 있다.

아울러, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제8접속포트를 개방하며, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산 및 급탕 동시 모드를 가동하는 제4제어부;를 포함하며, 상기 제3제어부를 통해 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제8접속포트, 제9냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 급탕을 수행하고, 급탕을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제10냉매이동관, 제4냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제5냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템은, 흡입되는 냉매를 압축하여 고온고압의 냉매를 제1냉매이동관을 통해 배출시키는 압축기; 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제1접속포트에 상기 제1냉매이동관이 연결되며, 제3접속포트에 상기 압축기와의 연결을 위한 제6냉매이동관이 연결되는 제1밸브; 상기 제1밸브의 제2접속포트와 제2냉매이동관을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 제3냉매이동관을 통해 연결되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제1팽창밸브; 일측이 제4냉매이동관을 통해 상기 제1팽창밸브와 연결되며, 타측이 제5냉매이동관을 통해 상기 제6냉매이동관 일측과 연결되며, 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기로 작동하는 제2열교환기; 일측이 제7냉매이동관을 통해 상기 제1밸브의 제4접속포트와 연결되며, 타측이 제8냉매이동관을 통해 상기 제3냉매이동관 일측과 연결되며, 상기 압축기로부터 공급되는 고온 고압의 냉매를 이용해 온수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 제3열교환기; 상기 제3냉매이동관 중 상기 제1열교환기와 연결된 지점과 상기 제8냉매이동관과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제3냉매이동관 중 상기 제8냉매이동관과 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브와 연결된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되는 제1바이패스 냉매관; 상기 제1바이패스 냉매관 일측에 설치되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제2팽창밸브; 상기 제1바이패스 냉매관 중 상기 제2팽창밸브와 상기 제1바이패스 냉매관의 타단 사이 일측에 설치되는 제1솔레노이드 밸브; 상기 제3냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브 사이 일측에 설치되는 제2솔레노이드 밸브; 및 상기 제1밸브, 제1솔레노이드 밸브 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어모듈;을 포함한다.

여기서, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제2접속포트를 개방하고, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산모드를 가동하는 제1제어부;를 포함하며, 상기 제1제어부를 통해 냉수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 상기 제1열교환기에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태의 냉매로 응축되며, 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제3냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제4냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 온수 생산모드를 가동하는 제2제어부;를 포함하며, 상기 제2제어부를 통해 온수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제7냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행할 수 있다.

아울러, 상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드를 가동하는 제3제어부;를 포함하며, 상기 제3제어부를 통해 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제7냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하고, 온수 생산을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제8냉매이동관, 제3냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제4냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행할 수 있다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 제1열교환기의 열교환에 있어서 지열 혹은 폐열로 마련되는 외부 열원을 이용하여 에너지 이용 및 유지 효율이 우수한 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

둘째, 냉수 생산, 온수 생산, 급탕 등의 개별 모드는 물론이고, 냉수 생산과 급탕의 동시 모드 혹은 냉수 생산과 온수 생산의 동시 모드를 가동 시킬 수 있다.

셋째, 4방변 밸브를 적어도 하나 이상 사용하여, 냉매의 이용 및 운전에 있어 균형을 이루기 위해 최적화된 냉매 순환 사이클 구조를 갖출 수 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 구성 및 구조를 도시한 구성도이다.
도2는 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템 내 제어모듈의 세부구성 및 제어관계를 도시한 블록도이다.
도3은 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 냉수 생산모드 가동 시 냉매의 이동 및 냉수 생산 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 온수 생산모드 가동 시 냉매의 이동 및 온수 생산 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도5는 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 급탕모드 가동 시 냉매의 이동 및 급탕 수행 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도6은 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시 냉매의 이동, 냉수 생산 및 급탕 수행 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도7은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 구성 및 구조를 도시한 구성도이다.
도8은 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템 내 제어모듈의 세부구성 및 제어관계를 도시한 블록도이다.
도9는 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 냉수 생산모드 가동 시 냉매의 이동 및 냉수 생산 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도10은 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 온수 생산모드 가동 시 냉매의 이동 및 온수 생산 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도11은 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시 냉매의 이동, 냉수 생산 및 온수 생산 형태를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

1. 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 구성 및 제어 형태에 관한 설명

도1 및 도2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템(100)은 압축기(110); 제1냉매이동관 내지 제10냉매이동관(120-129); 제1밸브(130); 제2밸브(140); 제1열교환기(151); 제2열교환기(152); 제3열교환기(153); 제1팽창밸브(161); 제2팽창밸브(162); 제1바이패스 냉매관(171); 제2바이패스 냉매관(173); 제1솔레노이드 밸브(181); 제2솔레노이드 밸브(182); 및 제어모듈(195);를 포함한다.

압축기(110, Compressor)는 냉수 생산, 온수 생산, 급탕 등의 기능 수행을 위해 열교환을 거친 냉매가 액분리기(Accumulator, 191)를 통해 기체화된 후 유입되면 내부 실린더의 회전운동을 통해 압축하여 고온고압의 상태가 되도록 한다.

이와 같이 압축기(110)를 통해 압축된 고온고압의 냉매는 응축기로서 구동되는 열교환기에 제1냉매이동관(120)을 통해 배출되며, 압축기(110)와 응측기를 연결하는 냉매배관 일측에는 별도의 체크밸브(미도시)가 설치되어 이동하는 냉매의 역순환을 방지함이 바람직하다.

제1밸브(130)는 도1에 도시된 바와 같이 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되어, 제1접속포트(131), 제2접속포트(132), 제3접속포트(133) 및 제4접속포트(134)를 구비하여, 각각에 접속포트에는 특정 냉매이동관이 접속 연결된다.

이와 같은 제1밸브(130)는 아래 설명될 제어모듈(195)에 의해 개방되는 접속포트를 달리하여 냉매의 이동 경로를 다양하게 변환할 수 있다.

여기서, 제1접속포트(131)에는 제1냉매이동관(120)이 접속되어 제1밸브(130)와 압축기(110) 일측을 연결한다.

또한, 제2접속포트(132)에는 제2냉매이동관(121)일단이 접속되어 제1밸브(130)와 제2밸브(140)를 연결한다.

또한, 제3접속포트(133)에는 제7냉매이동관(126)이 접속되어 제1밸브(130)와 압축기(110) 타측을 연결한다.

마지막으로, 제4접속포트(134)에는 제6냉매이동관(125)이 접속되어 제1밸브(130)와 제2열교환기(152)를 연결한다.

제2밸브(140)는 도1에 도시된 바와 같이 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되어, 제5접속포트(141), 제6접속포트(142), 제7접속포트(143) 및 제8접속포트(144)를 구비하여, 각각에 접속포트에는 특정 냉매이동관이 접속 연결된다.

이와 같은 제2밸브(140)는 아래 설명될 제어모듈(195)에 의해 개방되는 접속포트를 달리하여 냉매의 이동 경로를 다양하게 변환할 수 있다.

여기서, 제5접속포트(141)에는 제2냉매이동관(121) 타단이 접속되어 제1밸브(130)와 제2밸브(140)를 연결한다.

또한, 제6접속포트(142)에는 제3냉매이동관(122)이 접속되어 제2밸브(140)와 제1열교환기(151)를 연결한다.

또한, 제7접속포트(143)에는 제8냉매이동관(127)이 접속되어 제2밸브(140)와 제7냉매이동관(126) 일측을 연결한다.

마지막으로, 제8접속포트(144)에는 제9냉매이동관(128)이 접속되어 제2밸브(140)와 제3열교환기(153)를 연결한다.

제1열교환기(151)는 제2밸브(140)의 제6접속포트(142)와 제3냉매이동관(122)을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동한다.

구체적으로, 제1열교환기(151)는 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어질 수 있도록 전체 시스템 구축 시 해당 열원의 제공이 가능한 위치에 설치됨이 바람직하다.

아울러, 제1열교환기(151)는 제어모듈(195)을 통해 냉수 생산모드 가동 시에는 응축기(Condenser)로서 히트싱크(Heat Sink) 기능을 수행하여 고온고압의 냉매를 저온고압 상태로 열교환을 통해 응축하며, 제어모듈(195)을 통해 온수 생산모드 혹은 급탕모드 가동 시에는 증발기(Evaporator)로서 히트소스(Heat Source) 기능을 수행하여 저온저압의 액체 냉매를 저온저압의 기체상태로 열교환을 통해 증발시킨다.

참고로, 제1열교환기(151)는 제어모듈(195)을 통해 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제1팽창밸브(161)는 제1열교환기(151)와 제4냉매이동관(123)을 통해 연결되며, 유입되는 저온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태로 교축(Throttling)시킨다.

제2열교환기(152)는 일측이 제5냉매이동관(124)을 통해 제1팽창밸브(161)와 연결되며, 타측이 제6냉매이동관(125)을 통해 제1밸브(130)의 제4접속포트(134)와 연결된다.

이와 같은 제2열교환기(152)는 제1열교환기(151)와 대응되어 온수 또는 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기 또는 응축기로 작동한다.

구체적으로, 제2열교환기(152)는 제어모듈(195)을 통해 온수 생산모드 가동 시에는 응축기(Condenser)로서 기능하여 압축기(110)로부터 공급되는 고온고압의 냉매를 저온고압 상태로 열교환을 통해 응축하여 온수를 생산하며, 제어모듈(195)을 통해 냉수 생산모드 혹은 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시에는 증발기(Evaporator)로서 기능하여 저온저압의 액체 냉매를 저온저압의 기체상태로 열교환을 통해 증발하여 냉수를 생산한다.

참고로, 제2열교환기(152)는 제어모듈(195)을 통해 급탕모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제3열교환기(153)는 일측이 제9냉매이동관(128)을 통해 제2밸브(140)의 제8접속포트(144)와 연결되며, 타측이 제10냉매이동관(129)을 통해 제4냉매이동관(123) 일측과 연결된다.

이와 같은 제3열교환기(153)는 압축기(110)로부터 공급되는 고온고압의 냉매를 이용한 열교환을 통해 급탕을 수행한다.

구체적으로, 제3열교환기(153)는 제어모듈(195)을 통해 급탕모드 또는 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시에는 응축기(Condenser)로서 기능하여 압축기(110)로부터 공급되는 고온고압의 냉매를 저온고압 상태로 열교환을 통해 응축하여 온수를 생산하며 급탕을 수행한다.

참고로, 제3열교환기(153)는 제어모듈(195)을 통해 냉수 생산모드 또는 온수 생산모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제1바이패스 냉매관(171)은 도1에 도시된 바와 같이 제4냉매이동관(123)이 제1열교환기(151)와 연결된 지점과 제4냉매이동관(123)이 제10냉매이동관(129)과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 제4냉매이동관(123)이 제10냉매이동관(129)과 연결된 지점과 제4냉매이동관(123)의 제1팽창밸브(161)가 설치된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되어 냉매의 제1바이패스 경로를 형성한다.

이와 같은 제1바이패스 냉매관(171)의 일측에는 유입되는 저온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태로 교축(Throttling)시키기 위한 제2팽창밸브(162)가 설치된다.

아울러, 제1바이패스 냉매관(171) 중 제2팽창밸브(162)가 설치된 지점과 제1바이패스 냉매관(171)의 타단이 위치하는 지점 사이 일측에는 제어모듈(195)에 의해 개폐가 제어되는 제1솔레노이드 밸브(181)가 설치된다.

또한, 제4냉매이동관(123) 중 제1바이패스 냉매관(171)의 타단이 연결된 지점과 제1팽창밸브(161)가 설치된 지점 사이 일측에는 제어모듈(195)에 의해 개폐가 제어되는 제2솔레노이드 밸브(182)가 설치된다.

제2바이패스 냉매관(172)은 제4냉매이동관(123) 중 제1바이패스 냉매관(171)의 일단이 연결된 지점과 제1바이패스 냉매관(171)의 타단이 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 제5냉매이동관(124) 일측에 타단을 형성하도록 연결되어 냉매의 제2바이패스 경로를 형성한다.

그리고 제1냉매이동관(120), 제4냉매이동관(123), 제5냉매이동관(124), 제8냉매이동관(127), 제10냉매이동관(129) 및 제2바이패스 냉매관(172) 일측에는 별도의 체크밸브(미도시)가 설치되어 이동하는 냉매의 이동방향을 일방향으로 고정시켜 역순환을 방지함이 바람직하다.

제어모듈(195)은 제1밸브(130), 제2밸브(140), 제1솔레노이드 밸브(181) 및 제2솔레노이드 밸브(182)의 개폐상태를 제어하며, 구체적으로 제어 형태에 따라 도2에 도시된 바와 같이 제1제어부(195A), 제2제어부(195B), 제3제어부(195C), 제4제어부(195D)를 포함한다.

여기서, 제1제어부(195A)는 제1밸브(130)의 제1접속포트(131) 내지 제4접속포트(134)를 개방하고, 제2밸브(140)의 제5접속포트(141) 및 제6접속포트(142)를 개방하며, 제2솔레노이드 밸브(182)를 개방하여 냉수 생산모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제1제어부(295A)를 통해 가동되는 냉수 생산모드는 도3에 도시된 바와 같이 압축기(110)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(120)-제1밸브(130)의 제1접속포트(131)-제1밸브(130)의 제2접속포트(132)-제2냉매이동관(121)-제2밸브(140)의 제5접속포트(141)-제2밸브(140)의 제6접속포트(142)-제3냉매이동관(122)을 순차적으로 이동한 뒤 제1열교환기(151)에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태로 응축되게 하며, 이를 통해 응축된 저온고압 상태의 냉매는 제4냉매이동관(123)-제1팽창밸브(161)-제5냉매이동관(124)을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 제2열교환기(152)에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하게 된다.

그 후, 제2열교환기(152)에서 열교환을 통해 냉수 생산 수행을 완료한 냉매는 제6냉매이동관(125)-제1밸브(130)의 제4접속포트(134)-제1밸브(130)의 제3접속포트(133)-제7냉매이동관(126)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(191)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(110)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

다음으로, 제2제어부(195B)는 제1밸브(130)의 제1접속포트(131) 내지 제4접속포트(134)를 개방하고, 제2밸브(140)의 제5접속포트(141) 및 제6접속포트(142)를 개방하며, 제1솔레노이드 밸브(181)를 개방하여 온수 생산모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제2제어부(195B)를 통해 가동되는 온수 생산모드는 도4에 도시된 바와 같이 압축기(110)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(120)-제1밸브(130)의 제1접속포트(131)-제1밸브(130)의 제4접속포트(134)-제6냉매이동관(125)을 순차적으로 이동한 뒤, 응축기로 작동하는 제2열교환기(152)에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하게 된다.

그 후, 제2열교환기(152)에서 열교환을 통해 온수 생산 수행을 완료한 냉매는 제5냉매이동관(124)-제2바이패스 냉매관(172)-제5냉매이동관(124)-제1바이패스 냉매관(171)-제2팽창밸브(162)-제5냉매이동관(124)을 순차적으로 이동한 뒤 제1열교환기(151)에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온저압의 기체상태로 증발되며, 이를 통해 증발을 거친 냉매는 3냉매이동관(122)--제2밸브(140)의 제6접속포트(142)-제2밸브(140)의 제5접속포트(141)-제2냉매이동관(121)-제1밸브(130)의 제2접속포트(132)-제1밸브(130)의 제3접속포트(133)-제7냉매이동관(126)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(191)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(110)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

다음으로, 제3제어부(195C)는 제1밸브(130)의 제1접속포트(131) 및 제2접속포트(132)를 개방하고, 제2밸브(140)의 제5접속포트(141) 내지 제8접속포트(144)를 개방하며, 제1솔레노이드 밸브(181)를 개방하여 급탕모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제3제어부(195C)를 통해 가동되는 급탕모드는 도5에 도시된 바와 같이 압축기(110)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(120)-제1밸브(130)의 제1접속포트(131)-제1밸브(130)의 제2접속포트(132)-제2냉매이동관(121)-제2밸브(140)의 제5접속포트(141)-제2밸브(140)의 제8접속포트(144)-제9냉매이동관(128)을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 제3열교환기(153)에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생성을 통한 급탕을 수행한다.

그 뒤, 제3열교환기(153)에서 급탕 수행을 완료한 냉매는 제10냉매이동관(129)-제4냉매이동관(123)-제1바이패스 냉매관(171)-제2팽창밸브(162)-제4냉매이동관(123)을 순차적으로 이동한 뒤 제1열교환기(151)에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온저압의 기체상태로 증발되며, 이를 통해 증발을 거친 냉매는 3냉매이동관(122)-제2밸브(140)의 제6접속포트(142)-제2밸브(140)의 제7접속포트(143)-제8냉매이동관(127)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(191)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(110)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

마지막으로, 제4제어부(195D)는 제1밸브(130)의 제1접속포트(131) 내지 제4접속포트(134)를 개방하고, 제2밸브(140)의 제5접속포트(141) 및 제8접속포트(144)를 개방하며, 제2솔레노이드 밸브(182)를 개방하여 냉수 생산 및 급탕 동시 모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제4제어부(195D)를 통해 가동되는 냉수 생산 및 급탕 동시 모드는 도6에 도시된 바와 같이 압축기(10)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(120)-제1밸브(130)의 제1접속포트(131)-제1밸브(130)의 제2접속포트(132)-제2냉매이동관(121)-제2밸브(140)의 제5접속포트(141)-제2밸브(140)의 제8접속포트(144)-제9냉매이동관(128)을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 제3열교환기(153)에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 급탕을 수행하도록 하고, 급탕을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 제10냉매이동관(129)-제4냉매이동관(123)-제1팽창밸브(161)-제5냉매이동관(124)을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 제2열교환기(152)에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하게 된다.

그 후, 제3열교환기(153)에서 급탕 수행을 완료 후 제2열교환기(152)에서 열교환을 통해 냉수 생산 수행 역시 완료한 냉매는 제6냉매이동관(125)-제1밸브(130)의 제4접속포트(134)-제1밸브(130)의 제3접속포트(133)-제7냉매이동관(126)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(191)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(110)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템(100)은 실시에 따라 냉매 순환 사이클에 이용되는 냉매의 양을 초적으로 조절하기 위해 별도의 냉매 순환펌프(미도시), 균압관 및 온도 센서(프루브, Probe)를 포함하는 복수의 컨트롤 라인 등을 더 포함할 수 있다.

여기서, 냉매 순환펌프는 제어모듈(195)과 전기적으로 연결되어 동작의 제어가 가능하며, 냉매의 순환 속도 및 양을 컨트롤 라인과 연계되어 조절함에 이용된다.

또한, 제1컨트롤 라인(192)은 제1열교환기(151)를 기준으로 제3냉매이동관(122)에 일단이 연결되고, 제2팽창밸브(162)에 타단이 연결된 균압관과 양측의 온도를 검출하는 센서를 포함하여, 감지 결과를 기반으로 제어모듈(195)이 냉매의 순환 속도 및 양을 제어하여 냉매 이용 효율을 높일 수 있다.

아울러, 제2컨트롤 라인(193)은 제2열교환기(152)를 기준으로 제6냉매이동관(125)에 일단이 연결되고, 제1팽창밸브(161)에 타단이 연결된 균압관과 양측의 온도를 검출하는 센서를 포함하여, 감지 결과를 기반으로 제어모듈(195)이 냉매의 순환 속도 및 양을 제어하여 냉매 이용 효율을 높일 수 있다.

2. 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템의 구성 및 제어 형태에 관한 설명

도7 및 도8를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템(200)은 압축기(210); 제1냉매이동관 내지 제8냉매이동관(220-227); 제1밸브(230); 제1열교환기(251); 제2열교환기(252); 제3열교환기(253); 제1팽창밸브(261); 제2팽창밸브(262); 제1바이패스 냉매관(271); 제1솔레노이드 밸브(281); 제2솔레노이드 밸브(282); 및 제어모듈(295);를 포함한다.

압축기(210, Compressor)는 냉수 생산 및 온수 생산 등의 기능 수행을 위해 열교환을 거친 냉매가 액분리기(Accumulator, 291)를 통해 기체화된 후 유입되면 내부 실린더의 회전운동을 통해 압축하여 고온고압의 상태가 되도록 한다.

이와 같이 압축기(210)를 통해 압축된 고온고압의 냉매는 응축기로서 구동되는 열교환기에 제1냉매이동관(220)을 통해 배출되며, 압축기(210)와 응측기를 연결하는 냉매배관 일측에는 별도의 체크밸브(미도시)가 설치되어 이동하는 냉매의 역순환을 방지함이 바람직하다.

제1밸브(230)는 도7에 도시된 바와 같이 4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되어, 제1접속포트(231), 제2접속포트(232), 제3접속포트(233) 및 제4접속포트(234)를 구비하여, 각각에 접속포트에는 특정 냉매이동관이 접속 연결된다.

이와 같은 제1밸브(230)는 아래 설명될 제어모듈(295)에 의해 개방되는 접속포트를 달리하여 냉매의 이동 경로를 다양하게 변환할 수 있다.

여기서, 제1접속포트(231)에는 제1냉매이동관(220)이 접속되어 제1밸브(230)와 압축기(210) 일측을 연결한다.

또한, 제2접속포트(232)에는 제2냉매이동관(221)일단이 접속되어 제1밸브(230)와 제1열교환기(251)를 연결한다.

또한, 제3접속포트(233)에는 제6냉매이동관(225)이 접속되어 제1밸브(230)와 압축기(110) 타측을 연결한다.

마지막으로, 제4접속포트(234)에는 제7냉매이동관(226)이 접속되어 제1밸브(230)와 제2열교환기(252)를 연결한다.

제1열교환기(251)는 제1밸브(230)의 제2접속포트(232)와 제2냉매이동관(221)을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동한다.

구체적으로, 제1열교환기(251)는 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어질 수 있도록 전체 시스템 구축 시 해당 열원의 제공이 가능한 위치에 설치됨이 바람직하다.

아울러, 제1열교환기(251)는 제어모듈(295)을 통해 냉수 생산모드 가동 시에는 응축기(Condenser)로서 히트싱크(Heat Sink) 기능을 수행하여 고온고압의 냉매를 저온고압 상태로 열교환을 통해 응축하며, 제어모듈(295)을 통해 온수 생산모드 혹은 급탕모드 가동 시에는 증발기(Evaporator)로서 히트소스(Heat Source) 기능을 수행하여 저온저압의 액체 냉매를 저온저압의 기체상태로 열교환을 통해 증발시킨다.

참고로, 제1열교환기(251)는 제어모듈(295)을 통해 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제1팽창밸브(261)는 제1열교환기(251)와 제3냉매이동관(222)을 통해 연결되며, 유입되는 저온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태로 교축(Throttling)시킨다.

제2열교환기(252)는 일측이 제4냉매이동관(223)을 통해 제1팽창밸브(261)와 연결되며, 타측이 제5냉매이동관(224)을 통해 제6냉매이동관(225) 일측과 연결된다.

이와 같은 제2열교환기(252)는 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기로 작동한다.

구체적으로, 제2열교환기(252)는 제어모듈(295)을 통해 냉수 생산모드 혹은 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시에는 증발기(Evaporator)로서 기능하여 저온저압의 액체 냉매를 저온저압의 기체상태로 열교환을 통해 증발하여 냉수를 생산한다.

참고로, 제2열교환기(252)는 제어모듈(195)을 통해 온수 생산 모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제3열교환기(253)는 일측이 제7냉매이동관(226)을 통해 제1밸브(230)의 제4접속포트(234)와 연결되며, 타측이 제8냉매이동관(227)을 통해 제3냉매이동관(222) 일측과 연결된다.

이와 같은 제3열교환기(253)는 압축기(210)로부터 공급되는 고온고압의 냉매를 이용한 열교환을 통해 온수를 생산한다.

구체적으로, 제3열교환기(253)는 제어모듈(295)을 통해 온수 생산모드 또는 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시에는 응축기(Condenser)로서 기능하여 압축기(210)로부터 공급되는 고온고압의 냉매를 저온고압 상태로 열교환을 통해 응축하여 온수를 생산한다.

참고로, 제3열교환기(253)는 제어모듈(295)을 통해 냉수 생산모드 가동 시에는 냉매 순환 사이클에 포함되지 않아 기능하지 않는다.

제1바이패스 냉매관(271)은 도7에 도시된 바와 같이 제3냉매이동관(222)이 제1열교환기(251)와 연결된 지점과 제3냉매이동관(222)이 제8냉매이동관(227)과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 제3냉매이동관(222)이 제8냉매이동관(227)과 연결된 지점과 제3냉매이동관(222)의 제1팽창밸브(261)가 설치된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되어 냉매의 제1바이패스 경로를 형성한다.

이와 같은 제1바이패스 냉매관(271)의 일측에는 유입되는 저온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태로 교축(Throttling)시키기 위한 제2팽창밸브(262)가 설치된다.

아울러, 제1바이패스 냉매관(271) 중 제2팽창밸브(262)가 설치된 지점과 제1바이패스 냉매관(271)의 타단이 위치하는 지점 사이 일측에는 제어모듈(295)에 의해 개폐가 제어되는 제1솔레노이드 밸브(281)가 설치된다.

또한, 제3냉매이동관(222) 중 제1바이패스 냉매관(271)의 타단이 연결된 지점과 제1팽창밸브(261)가 설치된 지점 사이 일측에는 제어모듈(295)에 의해 개폐가 제어되는 제2솔레노이드 밸브(282)가 설치된다.

그리고 제1냉매이동관(220), 제3냉매이동관(222) 및 제8냉매이동관(227) 일측에는 별도의 체크밸브(미도시)가 설치되어 이동하는 냉매의 이동방향을 일방향으로 고정시켜 역순환을 방지함이 바람직하다.

제어모듈(295)은 제1밸브(230), 제1솔레노이드 밸브(281) 및 제2솔레노이드 밸브(282)의 개폐상태를 제어하며, 구체적으로 제어 형태에 따라 도8에 도시된 바와 같이 제1제어부(295A), 제2제어부(295B), 제3제어부(295C)를 포함한다.

여기서, 제1제어부(295A)는 제1밸브(230)의 제1접속포트(231) 및 제2접속포트(232)를 개방하고, 제2솔레노이드 밸브(282)를 개방하여 냉수 생산모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제1제어부(295A)를 통해 가동되는 냉수 생산모드는 도9에 도시된 바와 같이 압축기(210)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(220)-제1밸브(230)의 제1접속포트(231)-제1밸브(230)의 제2접속포트(232)-제2냉매이동관(221)을 순차적으로 이동한 뒤 제1열교환기(251)에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태의 냉매가 응축되며, 응축된 저온고압 상태의 냉매는 제3냉매이동관(222)-제1팽창밸브(261)-제4냉매이동관(223)을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 제2열교환기(252)에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행할 수 있다.

그 후, 제2열교환기(252)에서 냉수 생산 수행을 완료한 냉매는 제5냉매이동관(224)-제6냉매이동관(225)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(291)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(210)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

다음으로, 제2제어부(295B)는 제1밸브(230)의 제1접속포트(231) 내지 제4접속포트(234)를 개방하고, 제1솔레노이드 밸브(281)를 개방하여 온수 생산모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제2제어부(295B)를 통해 가동되는 온수 생산모드는 도10에 도시된 바와 같이 압축기(210)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(220)-제1밸브(230)의 제1접속포트(231)-제1밸브(230)의 제4접속포트(234)-제7냉매이동관(226)을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 제3열교환기(253)에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산할 수 있다.

그 후, 제3열교환기(253)에서 온수 생산 수행을 완료한 냉매는 제8냉매이동관(227)-제3냉매이동관(222)-제1바이패스 냉매관(271)-제2팽창밸브(262)-제3냉매이동관(222)을 순차적으로 이동한 뒤 제1열교환기(251)에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온저압의 기체상태로 증발되며, 이를 통해 증발을 거친 냉매는 2냉매이동관(221)-제1밸브(130)의 제2접속포트(232)-제1밸브(230)의 제3접속포트(233)-제6냉매이동관(125)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(291)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(210)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

마지막으로, 제3제어부(295C)는 제1밸브(230)의 제1접속포트(231) 및 제4접속포트(234)를 개방하고, 제2솔레노이드 밸브(282)를 개방하여 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드를 가동할 수 있다.

구체적으로, 제3제어부(295C)를 통해 가동되는 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드는 도11에 도시된 바와 같이 압축기(210)를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매가 제1냉매이동관(220)-제1밸브(230)의 제1접속포트(231)-제1밸브(230)의 제4접속포트(234)-제7냉매이동관(226)을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 제3열교환기(253)에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하고, 온수 생산을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 제8냉매이동관(227)-제3냉매이동관(222)-제1팽창밸브(261)-제4냉매이동관(223)을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 제2열교환기(252)에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산할 수 있다.

그 후, 제3열교환기(253)에서 온수 생산 후 제2열교환기(252)에서 냉수 생산 수행을 완료한 냉매는 제5냉매이동관(224)-제6냉매이동관(225)을 순차적으로 이동하며 액 분리기(291)를 거쳐 기화된 상태로 다시 압축기(210)에 회수되면서 순환 사이클을 완료한다.

한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템(200)은 실시에 따라 냉매 순환 사이클에 이용되는 냉매의 양을 초적으로 조절하기 위해 별도의 냉매 순환펌프(미도시), 균압관 및 온도 센서(프루브, Probe)를 포함하는 복수의 컨트롤 라인 등을 더 포함할 수 있다.

여기서, 냉매 순환펌프는 제어모듈(295)과 전기적으로 연결되어 동작의 제어가 가능하며, 냉매의 순환 속도 및 양을 컨트롤 라인과 연계되어 조절함에 이용된다.

또한, 제1컨트롤 라인(292)은 제1열교환기(251)를 기준으로 제2냉매이동관(221)에 일단이 연결되고, 제2팽창밸브(262)에 타단이 연결된 균압관과 양측의 온도를 검출하는 센서를 포함하여, 감지 결과를 기반으로 제어모듈(295)이 냉매의 순환 속도 및 양을 제어하여 냉매 이용 효율을 높일 수 있다.

아울러, 제2컨트롤 라인(293)은 제2열교환기(252)를 기준으로 제5냉매이동관(224)에 일단이 연결되고, 제1팽창밸브(261)에 타단이 연결된 균압관과 양측의 온도를 검출하는 센서를 포함하여, 감지 결과를 기반으로 제어모듈(295)이 냉매의 순환 속도 및 양을 제어하여 냉매 이용 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200 : 지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템
110, 210 : 압축기
120, 220 : 제1냉매이동관 121, 221 : 제2냉매이동관
122, 222 : 제3냉매이동관 123, 223 : 제4냉매이동관
124, 224 : 제5냉매이동관 125, 225 : 제6냉매이동관
126, 226 : 제7냉매이동관 127, 227 : 제8냉매이동관
128 : 제9냉매이동관 129 : 제10냉매이동관
130, 230 : 제1밸브
131, 231 : 제1접속포트 132, 232 : 제2접속포트
133, 233 : 제3접속포트 134, 234 : 제4접속포트
140 : 제2밸브
141 : 제5접속포트 142 : 제6접속포트
143 : 제7접속포트 144 : 제8접속포트
151, 251 : 제1열교환기
152, 252 : 제2열교환기 153, 253 : 제3열교환기
161, 261 : 제1팽창밸브 162, 262 :제2팽창밸브
171, 271 : 제1바이패스 냉매관 172 : 제2바이패스 냉매관
181, 281 : 제1솔레노이드 밸브 182, 282 : 제2솔레노이드 밸브
191, 291 : 액 분리기
192. 292 : 제1컨트롤 라인 193, 293 : 제2컨트롤라인
195, 295 : 제어모듈
195A, 295A : 제1제어부 195B, 295B : 제2제어부
195C, 295C : 제3제어부 195D : 제4제어부

Claims

흡입되는 냉매를 압축하여 고온고압의 냉매를 제1냉매이동관을 통해 배출시키는 압축기;
4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제1접속포트에 상기 제1냉매이동관이 연결되며, 제3접속포트에 상기 압축기와의 연결을 위한 제7냉매이동관이 연결되는 제1밸브;
4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제5접속포트가 상기 제1밸브의 제2접속포트와 제2냉매이동관을 통해 연결되며, 제7접속포트에 상기 제7냉매이동관 일측과의 연결을 위한 제8냉매이동관이 연결되는 제2밸브;
상기 제2밸브의 제6접속포트와 제3냉매이동관을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기와 제4냉매이동관을 통해 연결되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제1팽창밸브;
일측이 제5냉매이동관을 통해 상기 제1팽창밸브와 연결되며, 타측이 제6냉매이동관을 통해 상기 제1밸브의 제4접속포트와 연결되며, 상기 제1열교환기와 대응되어 온수 또는 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기 또는 응축기로 작동하는 제2열교환기;
일측이 제9냉매이동관을 통해 상기 제2밸브의 제8접속포트와 연결되며, 타측이 제10냉매이동관을 통해 상기 제4냉매이동관 일측과 연결되며, 상기 압축기로부터 공급되는 고온 고압의 냉매를 이용한 열교환을 통해 급탕을 수행하는 제3열교환기;
상기 제4냉매이동관 중 상기 제1열교환기와 연결된 지점과 상기 제10냉매이동관과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제4냉매이동관 중 상기 제10냉매이동관과 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브와 연결된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되는 제1바이패스 냉매관;
상기 제1바이패스 냉매관 일측에 설치되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제2팽창밸브;
상기 제1바이패스 냉매관 중 상기 제2팽창밸브와 상기 제1바이패스 냉매관의 타단 사이 일측에 설치되는 제1솔레노이드 밸브;
상기 제4냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 일단이 연결된 지점과 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제5냉매이동관 일측에 타단을 형성하도록 연결되는 제2바이패스 냉매관;
상기 제4냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브 사이 일측에 설치되는 제2솔레노이드 밸브; 및
상기 제1밸브, 제2밸브, 제1솔레노이드 밸브 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제6접속포트를 개방하며, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산모드를 가동하는 제1제어부;를 포함하며,
상기 제1제어부를 통해 냉수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제6접속포트, 제3냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 상기 제1열교환기에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태의 냉매로 응축되며, 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제4냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제5냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제6접속포트를 개방하며, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 온수 생산모드를 가동하는 제2제어부;를 포함하며,
상기 제2제어부를 통해 난방모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제6냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제2접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 내지 제8접속포트를 개방하며, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 급탕모드를 가동하는 제3제어부;를 포함하며,
상기 제3제어부를 통해 급탕모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제8접속포트, 제9냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 급탕을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2밸브의 제5접속포트 및 제8접속포트를 개방하며, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산 및 급탕 동시 모드를 가동하는 제4제어부;를 포함하며,
상기 제4제어부를 통해 냉수 생산 및 급탕 동시 모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관, 제2밸브의 제5접속포트와 제8접속포트, 제9냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 급탕을 수행하고, 급탕을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제10냉매이동관, 제4냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제5냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
흡입되는 냉매를 압축하여 고온고압의 냉매를 제1냉매이동관을 통해 배출시키는 압축기;
4개의 냉매관 접속포트를 구비한 4방변 밸브로 마련되며, 제1접속포트에 상기 제1냉매이동관이 연결되며, 제3접속포트에 상기 압축기와의 연결을 위한 제6냉매이동관이 연결되는 제1밸브;
상기 제1밸브의 제2접속포트와 제2냉매이동관을 통해 연결되며, 지열 혹은 폐열 중 하나로 마련되는 열원과 열교환이 이루어지는 응축기 또는 증발기로 작동하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기와 제3냉매이동관을 통해 연결되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제1팽창밸브;
일측이 제4냉매이동관을 통해 상기 제1팽창밸브와 연결되며, 타측이 제5냉매이동관을 통해 상기 제6냉매이동관 일측과 연결되며, 냉수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 증발기로 작동하는 제2열교환기;
일측이 제7냉매이동관을 통해 상기 제1밸브의 제4접속포트와 연결되며, 타측이 제8냉매이동관을 통해 상기 제3냉매이동관 일측과 연결되며, 상기 압축기로부터 공급되는 고온 고압의 냉매를 이용해 온수 생산을 위한 열교환이 이루어지는 제3열교환기;
상기 제3냉매이동관 중 상기 제1열교환기와 연결된 지점과 상기 제8냉매이동관과 연결된 지점 사이에 일단을 형성하고, 상기 제3냉매이동관 중 상기 제8냉매이동관과 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브와 연결된 지점 사이에 타단을 형성하도록 연결되는 제1바이패스 냉매관;
상기 제1바이패스 냉매관 일측에 설치되며, 유입되는 냉매를 교축(Throttling)시키는 제2팽창밸브;
상기 제1바이패스 냉매관 중 상기 제2팽창밸브와 상기 제1바이패스 냉매관의 타단 사이 일측에 설치되는 제1솔레노이드 밸브;
상기 제3냉매이동관 중 상기 제1바이패스 냉매관의 타단이 연결된 지점과 상기 제1팽창밸브 사이 일측에 설치되는 제2솔레노이드 밸브; 및
상기 제1밸브, 제1솔레노이드 밸브 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제2접속포트를 개방하고, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산모드를 가동하는 제1제어부;를 포함하며,
상기 제1제어부를 통해 냉수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제2접속포트, 제2냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 상기 제1열교환기에서 지열 혹은 폐열의 열원과의 열교환을 통해 저온고압 상태의 냉매로 응축되며, 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제3냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제4냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 내지 제4접속포트를 개방하고, 상기 제1솔레노이드 밸브를 개방하여 온수 생산모드를 가동하는 제2제어부;를 포함하며,
상기 제2제어부를 통해 온수 생산모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제7냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어모듈은 상기 제1밸브의 제1접속포트 및 제4접속포트를 개방하고, 상기 제2솔레노이드 밸브를 개방하여 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드를 가동하는 제3제어부;를 포함하며,
상기 제3제어부를 통해 냉수 생산 및 온수 생산 동시 모드 가동 시, 상기 압축기를 통해 배출된 고온고압 상태의 냉매는 상기 제1냉매이동관, 제1밸브의 제1접속포트와 제4접속포트, 제7냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 응축기로 작동하는 상기 제3열교환기에서 고온고압 상태로 열교환을 일으켜 온수 생산을 수행하고, 온수 생산을 수행하며 응축된 저온고압 상태의 냉매는 상기 제8냉매이동관, 제3냉매이동관, 제1팽창밸브 및 제4냉매이동관을 순차적으로 이동한 뒤 증발기로 작동하는 상기 제2열교환기에서 저온저압 상태로 열교환을 일으켜 냉수 생산을 수행하는 것을 특징으로 하는
지열 혹은 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템.