KR102139626B1 - 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 겨울철 저단측 열원으로 고단측 증발이 이뤄지고 저단측 증발용 공기열교환기에는 태양복사열로 가열된 공기튜브의 온풍이 공급되도록 함으로써, 혹한기에 저단측 증발열원이 부족하지 않게 되고, 또한 상기 공기튜브는 부피 팽창식 투명비닐로 구성하여 여름이나 환절기에는 쉽게 제거할 수 있으며 보관부피를 많이 차지하지 않는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 고단측은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 고단열교환기(12), 고단밸브1(HV1), 고단팽창변1(H1) 및 이원열교환기(20)를 거쳐 상기 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 펌프(23)를 통하여 수조(22)의 물이 고단열교환기(12)로 순환되면서 온수가 생산되며; 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 상기 이원열교환기(20), 저단밸브3(LV3), 저단밸브1(LV1), 저단팽창변1(L1), 공기열교환기(21) 및 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 냉매가 순환되는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 있어서, 상기 공기열교환기의 흡입팬 보다 큰 용량의 송풍팬으로 부피가 팽창되는 공기튜브가 구비되고; 상기 공기튜브는 투명비닐로 구성되어 태양복사열로 내부공기가 가열되며; 상기 공기튜브의 가열된 공기는 상기 공기열교환기의 흡입구로 공급되어 저단측 냉매의 증발열원이 되도록 한 특징이 있다.

Description

태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치{Solar refrigeration cycle heat pump unit}

본 발명은 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 겨울철 저단측 열원으로 고단측 증발이 이뤄지고 저단측 증발용 공기열교환기에는 태양복사열로 가열된 공기튜브의 온풍이 공급되도록 함으로써, 혹한기에 저단측 증발열원이 부족하지 않게 되고, 또한 상기 공기튜브는 부피 팽창식 투명비닐로 구성하여 여름이나 환절기에는 쉽게 제거할 수 있는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 관한 것이다.

일반적으로 이원냉동사이클은 -52°이하에서 비등하는 저온 냉매를 사용하는 저온측과 비교적 -11°이상에서 원활히 비등하는 고온 냉매를 사용하는 고온측으로 구분되며 이들 고온측 냉매의 증발과 저온측 냉매의 응축이 하나의 케스케이드 열교환기에서 일어나도록 하면 겨울철 외기온도가 낮더라도 고온측의 냉매 토출가스 온도를 100°이상 일정하게 고온으로 유지시킬 수 있으므로 온수생산에 효과적이다.

종래 특허 제1139341호는 저온측(저단측)과 고온측(고단측)의 압축기 용량을 1 : 1로 동일하게 구성한 뒤 겨울철 -15°이하의 혹한기에는 저온측 압축기를 높게 설정하여 100% 가동하면 저온 냉매의 증발량이 부족하지 않아 저온측 압축기의 일정한 열량토출로 고온측과의 열교환이 원활히 이뤄져 고온수 생산에 차질이 발생되지 않으며, 또한 봄, 가을철 영상 10°내외의 환절기에는 저온측 압축기를 낮게 설정하여 50% 이하로 가동하면 저온냉매의 증발온도가 낮아져 압축기에 과부하가 걸리지 않고 압축기 파손 등의 문제점이 해결되는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치를 제안한 바 있다.

그러나 종래 특허는 저단측이 고단측과 동일 용량으로 구성되기 때문에 시설비가 많이 들어가는 단점이 있으며, 환절기나 여름철에는 최대용량을 사용하지 못하므로 활용성이 떨어지는 문제점이 있었다. 즉 고단측 30RT와 저단측 30RT로 구성된 이원냉동사이클에서 저단측은 고단측의 보조역할만 하기 때문에 최대 30RT만 사용가능하다. 따라서 혹한기나 겨울철이 아닌 계절에 이원냉동사이클을 가동할 경우 두 대의 사이클 운전으로 전력소모가 증가하는데 반하여 효율은 떨어지는 문제점이 있었다.

종래 특허 제1469929호는 히트펌프를 유리커버로 감싸 태양 복사열로 내부 공기를 따듯하게 만들고 또한 보일러의 연소관을 유리커버로 연결하여 히터펌프의 증발기 열원으로 사용하는 기술이 제안된 바 있다.

그러나 종래 특허는 히트펌프를 감싸는 유리커버의 크기가 제한적이므로 내부 공기를 태양 복사열로 따듯하게 만드는데 한계가 있으며, 따라서 별도 보조열원인 보일러의 연소관을 유리커버로 연결하여 증발열원이 보충되도록 해야되므로 구조가 복잡한 등의 단점이 있으며, 환절기나 여름철에는 유리커버를 철거하여 따로 보관해야 되므로 관리가 번거로운 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 겨울철 저단측 열원으로 고단측 증발이 이뤄지고 저단측 증발용 공기열교환기에는 태양복사열로 가열된 공기튜브의 온풍이 공급되도록 함으로써, 혹한기에 저단측 증발열원이 부족하지 않게 되고, 또한 상기 공기튜브는 부피 팽창식 투명비닐로 구성하여 여름이나 환절기에는 쉽게 제거할 수 있으며 보관부피를 많이 차지하지 않는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 팽창식 투명 공기튜브를 마련하여 외기가 내부로 들어가 태양복사열을 통하여 직접 가열되고 또한 일부 가열된 공기는 공기열교환기로 공급되도록 하고, 상기 공기튜브 내부의 공기가 공기열교환기로 공급되기 때문에 공기튜브 내부에 별도 구조물이 불필요하여 구조가 간단한 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치를 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 고단측은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 고단열교환기(12), 고단밸브1(HV1), 고단팽창변1(H1) 및 이원열교환기(20)를 거쳐 상기 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 펌프(23)를 통하여 수조(22)의 물이 고단열교환기(12)로 순환되면서 온수가 생산되며; 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 상기 이원열교환기(20), 저단밸브3(LV3), 저단밸브1(LV1), 저단팽창변1(L1), 공기열교환기(21) 및 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 냉매가 순환되는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 있어서, 상기 공기열교환기의 흡입팬 보다 큰 용량의 송풍팬으로 부피가 팽창되는 공기튜브가 구비되고; 상기 공기튜브는 투명비닐로 구성되어 태양복사열로 내부공기가 가열되며; 상기 공기튜브의 가열된 공기는 상기 공기열교환기의 흡입구로 공급되어 저단측 냉매의 증발열원이 되도록 한 특징이 있다.

본 발명에 따르면 고단측과 저단측을 이원으로 구성하여 겨울철 혹한기에는 저단측의 응축열이 고단측의 증발열원으로 사용된다. 그리고 저단측 공기열교환기는 태양복사열로 가열된 공기튜브의 온풍이 공급되므로 기온이 급격하게 떨어지더라도 저단측 냉매의 증발이 원활히 이뤄지는 이점이 있다.

상기 공기튜브는 바람으로 부피가 팽창되고 또한 일부 공기는 상기 공기열교환기로 공급되기 때문에 상기 공기열교환기에서 필요로하는 풍량 이상으로 상기 공기튜브를 제작해야 원형을 유지할 수 있다. 상기 공기튜브는 외부공기의 지속적인 공급으로 부피가 팽창된 상태에서 태양복사열로 직접 가열되고 가열된 외부공기중 일부는 상기 공기열교환기로 공급되기 때문에 열효율이 향상된다.
또한 상기 공기튜브는 투명비닐로 제작되어서 가볍고 내부에 별도 구조물이 설치되지 않으므로 구조가 간단하며, 사용하지 않을 때 바람을 빼서 보관하면 되므로 보관부피를 현격히 줄일 수 있는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 공기열교환기의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 이원사이클의 개념도
도 3은 본 발명 한 실시예의 개별 온수사이클의 개념도
도 4는 본 발명 한 실시예의 개별 냉수사이클의 개념도

도 1 내지 도 3에서 본 발명 한 실시예의 겨울철 이원냉동사이클에 적용되는 공기열교환기(21)는 상부에 흡입팬(21a)이 구비되고 양 측면에는 흡입구(21b)가 마련되며, 저단측 또는 고단측의 냉매가 순환되는 열교환튜브가 내장된다. 그리고 공기열교환기(21)의 하부에는 고단측 및 저단측의 냉동사이클이 내장된 본체(30)가 구비되며, 상기 흡입팬(21a)을 제외하고 상기 각 흡입구(21b)를 일정간격 떨어져 감싸는 커버(45)가 구비된다.

또한 상기 커버(45)와 연결튜브(44)로 이어진 공기튜브(40)가 구비되는데, 상기 공기튜브(40)는 투명 비닐로 구성되어 내부 공기가 태양복사열에 의해 가열된다. 상기 공기튜브(40)는 상기 흡입팬(21a)의 분당 공기 흡입량보다 큰 부피로 구성되고 내부 공기가 상기 흡입팬(21a)으로 빨려들어가더라도 수축되지 않고 원형을 유지하게 내부로 바람을 불어넣는 송풍팬(41)이 구비된다.

상기 송풍팬(41)은 모터(42)로 회전되는데, 전방에는 공기를 강제로 가열시키는 전기히터(43)가 구비되어서 태양복사열이 충분하지 않은 흐린 날 또는 저녁시간대에 송풍되는 공기를 가열시켜 온풍으로 만든다.

본 발명 한 실시예의 이원냉동사이클은 30RT의 고단측과 25RT의 저단측으로 구성되는데, 고단측의 증발과 저단측의 응축이 하나의 이원열교환기(20)에서 이뤄진다. 고단측 이원사이클은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 고단열교환기(12), 고단밸브1(HV1), 고단팽창변1(H1) 및 상기 이원열교환기(20)를 거쳐 상기 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 이때 고단밸브2(HV2)는 폐쇄되고, 펌프(23)를 통하여 수조(22)의 물이 고단열교환기(12)로 순환되면서 온수가 생산된다. 그리고 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 상기 이원열교환기(20), 저단밸브3(LV3), 저단밸브1(LV1), 저단팽창변1(L1), 공기열교환기(21) 및 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 냉매가 순환되고, 이때 저단밸브4(LV4) 및 저단밸브2(LV2)는 폐쇄된다.

도 3은 겨울철을 제외한 환절기 또는 여름철에 적용되는 개별 온수사이클을 나타낸 것으로서, 이때는 공기열교환기(21)에 공기튜브(40)가 설치되지 않는다. 고단측은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 고단열교환기(12), 고단밸브2(HV2), 고단팽창변3(H2), 공기열교환기(21) 및 고단4방밸브(11)를 거쳐 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 이때 고단밸브1(HV1)은 폐쇄된다. 그리고 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 이원열교환기(20), 저단밸브4(LV4), 저단온수열교환기(3), 저단밸브1(LV1), 저단팽창변1(L1), 공기열교환기(21) 및 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 순환된다. 상기 이원열교환기(20)는 고단측에서 저온냉매가 순환되지 않으므로 저단측 냉매는 단순히 이원열교환기(20)를 통과하여 저단온수열교환기(3)에서 응축되는 과정에서 수조(22)의 물을 가열시킨다. 그리고 상기 저단밸브3(LV3) 및 저단밸브2(LV2)는 차단되어 저단냉매가 저단온수열교환기(3)에서 응축되고 저단팽창변1(L1)에서 팽창되도록 저단측이 운전되므로 수조(22)의 물은 고단측과 저단측의 합산으로 온수가 생산된다.

도 4는 환절기나 여름철에 적용되는 개별 냉수사이클을 나타낸 것으로서, 이때는 공기열교환기(21)에 공기튜브(40)가 설치되지 않는다. 고단측은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 공기열교환기(21), 고단밸브3(HV3), 고단팽창변3(H3), 고단열교환기(12) 및 고단4방밸브(11)를 거쳐 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 이때 고단밸브1(HV1) 및 고단밸브2(HV2)는 폐쇄된다. 상기 고단팽창변3(H3)을 통과한 저온냉매는 고단열교환기(12)에서 물을 냉각하여 수조(22)의 물을 냉수로 만든다. 그리고 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 공기열교환기(21), 저단밸브2(LV2), 저단팽창변2(L2) 및 저단냉수열교환기(4)를 거쳐 저단압축기(1)로 냉매가 순환되고, 이때 저단밸브1,3,4(LV1)(LV3)(LV4)는 폐쇄된다. 상기 저단팽창변2(L2)를 통과한 냉매는 저단냉수열교환기(4)에서 물을 냉각하여 수조(22)의 물을 냉수로 만드는데, 상기 수조(22)의 물은 펌프(23)를 통하여 저단냉수열교환기(4), 저단온수열교환기(3) 및 고단열교환기(12)로 순환되는데, 상기 저단온수열교환기(3)는 저단측의 냉매가 순환되지 않으므로 열교환에 영향을 주지 않으며, 수조(22)의 물은 고단측과 저단측의 합산으로 냉수가 생산된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예는 이원사이클 또는 개별사이클로 운전되는데, 혹한기에는 고단측의 냉매가 공기열교환기(21)에서 충분한 증발열원을 얻을 수 없으므로 저단측의 응축열원으로 고단측의 냉매가 이원열교환기(20)에서 증발하는 이원냉동사이클이 구성된다.

겨울철 외기온도에는 외기온도가 낮기 때문에 저단측 냉매가 상기 공기열교환기(21)로 순환되는 과정에서 충분한 증발이 이뤄지지 않을 경우 미처 증발되지 못한 액냉가 저단압축기(1)로 유입되어 압축부하를 발생시킨다. 이를 예방하기 위하여 본 발명 한 실시예는 겨울철 상기 공기열교환기(21)를 커버(45)로 감싸 보온한다. 상기 커버(45)는 공기열교환기(21)와 일정간격 떨어져 구비되고 위쪽의 흡입팬(21a)은 개방시킨다.

상기 커버(45)는 공기튜브(40)와 연결튜브(44)로 이어지는데, 상기 공기튜브(40)는 상기 송풍팬(41)에서 강제 송풍되는 바람에 의해 부피가 팽창된다. 상기 공기튜브(40)는 원기둥, 사각기둥 또는 구 형태가 되게 투명비닐로 제작되는데, 투명비닐은 태양복사열로 내부 공기가 가열되는 최적의 조건을 만든다. 상기 공기튜브(40)는 송풍팬(41)에서 공급되는 외기를 통하여 팽창 부피를 계속 유지한다.

상기 조건을 만족하기 위해 상기 송풍팬(41)은 공기튜브(40)로 주입하는 공기량이 상기 흡입팬(21a)에서 빼내는 공기량보다 크게 구성된다. 그리고 태양복사열을이 부족한 저녁시간대 또는 흐린날에는 전기히터(43)가 가동되어 열풍이 공기튜브(40)에 주입된다. 따라서 상기 공기열교환기(21)는 실외보다 높은 온도의 공기가 계속 공급되므로 혹한기에도 저단측 냉매의 증발이 원활히 이뤄지며, 커버(45)로 감싸져 있으므로 외기에 직접 노출되지 않아서 성애 발생률이 감소되는 이점이 있다.

상기 공기열교환기(21)의 흡입팬(21a)이 작동되면 커버(45)와 공기열교환기(21) 사이 공기가 열교환기로 유입되는데, 이때 부족한 공기는 연결튜브(44)를 통하여 공기튜브(40)에서 공급된다. 상기 흡입팬(21a)의 공기흡입량보다 송풍팬(41)의 공기주입량이 많기 때문에 상기 공기튜브(40)는 수축되지 않고 원형을 유지하므로 태양복사열로 내부 공기가 지속적으로 가열된다.

또한 환절기나 여름에는 상기 공기열교환기(21)에서 고단측 또는 저단측의 냉매가 응축되므로 상기 공기튜브(40)가 불필요하므로 상기 커버(45)와 공기튜브(40)를 따로 보관한다. 상기 공기튜브(40)는 공기 주입식이므로 송풍팬(41)을 정지시키면 부피가 최대한 줄어들기 때문에 보관이 편리한 이점이 있다.

도 2는 개별 온수사이클에 관한 것으로서, 여름철 또는 환절기에 고단측에서 생산된 온수와 저단측에서 생산된 온수가 합쳐져 수조(22)에서 온수가 생산되므로 고단측 30RT와 저단측 25RT의 합산인 55RT의 냉동능력을 갖는다. 종래 이원냉동사이클로 운전될 경우 저단측 25RT는 보조역할만 하므로 고단측 30RT의 냉동능력만 발휘하는데 반하였으며, 고단과 저단을 가동하는데 따른 전력 소모 대비 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 본 발명 한 실시예는 개별 온수사이클에서 합산 냉동능력이 발휘되므로 전력소모 대비 충분한 열량을 뽑을 수 있는 이점이 있다.

상기 고단측은 고단압축기(10)에서 고온고압으로 압축된 냉매가 고단4방밸브(11)를 거쳐 고단열교환기(12)에서 수조(22)의 물과 열교환되므로 수조(22)의 물이 충분히 가열된다. 그리고 고단밸브1(HV1)은 개방되고 고단밸브2(HV2)는 차단되므로 응축된 냉매는 고단팽창변1(H1)을 거치면서 액상으로 변한 뒤 이원열교환기(20)에서 저단측의 고온냉매와 열교환되어 증발된 다음 고단4방밸브(11)를 거쳐 고단압축기(10)로 순환된다. 그리고 저단측은 저단압축기(1)에서 고온고압으로 압축된 냉매는 저단4방밸브(2), 이원열교환기(20), 저단밸브4(LV4)를 거쳐 저단온수열교환기(3)로 향한다. 이때 저단밸브3(LV3)은 폐쇄되고 이원열교환기(20)는 고단측에서 냉매가 순환되지 않으므로 저단측의 고온냉매는 이를 단순 통과하여 저단온수열교환기(3)에서 수조(22)의 물과 열교환되고, 수조(22)의 물은 저단온수열교환기(3)와 고단열교환기(12)를 연속으로 통과하면서 온수 열량이 합산된다.

상기 저단온수열교환기(3)를 거치면서 응축된 냉매는 저단밸브2(LV2)의 폐쇄로 저단밸브1(LV1)을 거쳐 저단팽창변1(L1)에서 액상으로 변한뒤 공기열교환기(21)에서 증발되고, 이후 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 순환되는 사이클이 형성된다.

도 3은 개별 냉수사이클로써, 고단측과 저단측에서 생산된 합산 냉수는 수조(22)에 저장되고, 수조의 냉수는 별도 열교환기에서 공기를 냉풍으로 만든다. 이렇게 만들어진 냉풍으로 실내가 냉방되므로 다중이용시설에서 두 대의 사이클로 충분한 냉동능력을 발휘할 수 있다. 이러한 개별 냉수사이클의 고단측은 고단압축기(10)에서 고온고압으로 압축된 냉매가 고단4방밸브(11)에서 공기열교환기(21)로 향하여 응축된 뒤 고단밸브3(HV3)의 개방으로 고단팽창변3(H3)을 통과하면서 액상으로 변한 뒤 고단열교환기(12)에서 수조(22)의 물을 냉각한다. 그리고 고단밸브1(HV1) 및 고단밸브2(HV2)의 폐쇄로 냉매는 고단4방밸브(11)를 거쳐 고단압축기(10)로 냉매가 순환되는 사이클이 형성성된다.

또한 저단측은 저단압축기(1)에서 고온고압으로 압축된 냉매가 저단4방밸브(2)에서 공기열교환기(21)로 향하여 응축되고, 저단밸브1(LV1)이 폐쇄되고 저단밸브2(LV2)가 개방되므로 저단팽창변2(L2)에서 액상으로 변한 뒤 저단냉수열교환기(4)에서 증발되는 과정에서 수조(22)의 물을 냉각하고 저단압축기(1)로 순환된다. 상기에서 수조(22)의 물은 저단냉수열교환기(4)와 고단열교환기(12)를 연속으로 통과하면서 냉수 열량이 합산되므로 환절기나 여름철에 고단과 저단을 개별운전하여 냉수 생산능력을 늘릴 수 있는 이점이 있다.

1 : 저단압축기 2 : 저단4방밸브
3 : 저단온수열교환기 4 : 저단냉수열교환기
10 : 고단압축기 11 : 고단4방밸브
12 : 고단열교환기 20 : 이원열교환기
21 : 공기열교환기 21a : 흡입팬
21b : 흡입구 22 : 수조
30 : 본체 40 : 공기튜브
41 : 송풍팬 42 : 모터
43 : 히터 44 : 연결튜브
L1,L2 : 저단팽창변1,2 LV1,LV2,LV3,LV4 : 저단밸브1,2,3,4
H1,H2,H3 : 고단팽창변1,2,3 HV1,HV2,HV3 : 고단밸브1,2,3

Claims (3)

1. 고단측은 고단압축기(10), 고단4방밸브(11), 고단열교환기(12), 고단밸브1(HV1), 고단팽창변1(H1) 및 이원열교환기(20)를 거쳐 상기 고단압축기(10)로 냉매가 순환되고, 펌프(23)를 통하여 수조(22)의 물이 고단열교환기(12)로 순환되면서 온수가 생산되며; 저단측은 저단압축기(1), 저단4방밸브(2), 상기 이원열교환기(20), 저단밸브3(LV3), 저단밸브1(LV1), 저단팽창변1(L1), 공기열교환기(21) 및 저단4방밸브(2)를 거쳐 저단압축기(1)로 냉매가 순환되고; 겨울철 상기 공기열교환기(21)는 태양복사열로 가열된 외기가 공급되도록 한 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치에 있어서,
   상기 공기열교환기(21)는 흡입구와 떨어지게 커버(45)로 감싸지며;
   상기 커버(45)와 연결튜브(44)로 이어진 공기튜브(40)가 구비되는데, 상기 공기튜브(40)는 투명 비닐로 구성되어서 내부로 공급되는 외기가 태양복사열에 의해 직접 가열되고;
   상기 공기튜브(40)는 외기를 공급하는 송풍팬(41)이 구비되는데, 상기 송풍팬(41)은 상기 공기열교환기(21)의 흡입팬(21a) 보다 큰 용량으로 구성되어서 가열된 외기가 상기 흡입팬(21a)으로 빨려가더라도 상기 공기튜브(40)는 수축되지 않고 원형을 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 송풍팬(41)은 전기히터(43)가 구비되어서 태양복사열을 받지 못하는 흐린 날 또는 저녁시간대에 열풍이 상기 공기튜브(40)로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 이원냉동사이클 히트펌프장치.
3. 삭제

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