KR20220147453A - 히트 펌프 시스템 - Google Patents

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KR20220147453A
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KR1020210054650A
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박윤철
고광수
김부철
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은, 제 1 유체를 압축하는 압축기; 압축된 제 1 유체의 열을 제 2 유체로 전달하여 상기 제 2 유체를 가열하는 응축기; 상기 응축기를 통과한 제 1 유체를 팽창시키는 팽창밸브; 팽창된 제 1 유체를 증발시키는 증발기; 상기 제 1 유체가 순환하도록 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 팽창밸브 및 상기 증발기를 연결하는 순환 유로; 상기 압축기와 상기 응축기 사이에 배치되고, 태양열을 집열하여 상기 제 1 유체를 추가적으로 가열할 수 있는 집열기; 상기 제 1 유체가 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 상기 순환 유로 가운데 상기 압축기와 상기 응축기 사이의 구간에서 분지되어 형성되는 추가 가열 유로; 상기 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 응축기로 바로 이동하거나 또는 상기 추가 가열 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시키는 제 1 유로 형성부 및 상기 제 1 유로 형성부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

히트 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 제 1 유체의 응축열을 이용하여 제 2 유체를 가열하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
히트 펌프(heat pump) 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함한다. 히트 펌프 시스템은 온수의 생성을 위해 사용될 수 있다. 히트 펌프 시스템은 압축된 고온/고압의 냉매를 응축기에서 응축시키며 응축열을 온수 생성에 이용하고, 응축기에서 응축된 냉매를 팽창밸브에서 팽창시키고 증발기에서 증발시킨 후 증발된 저온/저압의 냉매를 압축기로 다시 공급하는 사이클을 반복한다.
종래의 히트 펌프 시스템은 약 40℃ 정도의 온수의 생산은 가능하지만 80℃ 이상의 고온수를 생산하는 것은 어려운 문제가 있다. 응축기로 유동하여 온수 생성을 위해 응축열을 제공하는 냉매의 온도와 압력은 응축기 전에 배치되는 압축기의 성능에 의해 결정된다. 그러나 일반적인 히트 펌프 시스템에 적용되는 압축기의 성능으로는 80℃ 이상의 고온수 생성이 가능한 정도로 냉매의 압력과 온도를 높이는 것이 불가능하다.
따라서 80℃ 이상의 고온수 생성을 위해서는 압축기의 한계를 극복하고 냉매의 압력과 온도를 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 더욱 상세하게, 압축기에 의해 압력과 온도가 상승한 냉매의 압력과 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있는 히트 펌프 시스템의 개발이 요구되고 있다.
등록특허 제10-1970477호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 압축기에 의해 압력과 온도가 상승한 냉매의 압력과 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제 1 유체를 압축하는 압축기; 압축된 제 1 유체의 열을 제 2 유체로 전달하여 상기 제 2 유체를 가열하는 응축기; 상기 응축기를 통과한 제 1 유체를 팽창시키는 팽창밸브; 팽창된 제 1 유체를 증발시키는 증발기; 상기 제 1 유체가 순환하도록 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 팽창밸브 및 상기 증발기를 연결하는 순환 유로; 상기 압축기와 상기 응축기 사이에 배치되고, 태양열을 집열하여 상기 제 1 유체를 추가적으로 가열할 수 있는 집열기; 상기 제 1 유체가 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 상기 순환 유로 가운데 상기 압축기와 상기 응축기 사이의 구간에서 분지되어 형성되는 추가 가열 유로; 상기 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 응축기로 바로 이동하거나 또는 상기 추가 가열 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시키는 제 1 유로 형성부 및 상기 제 1 유로 형성부를 제어하는 제어부를 포함하는 히트 펌프 시스템이 제공된다.
이때, 상기 제어부는 제 1 조건의 만족 시 상기 제 1 유체가 상기 추가 가열 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 상기 제 1 유로 형성부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제 1 조건은 상기 증발기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높고, 상기 압축기 측의 압력보다 상기 집열기 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
또한, 상기 히트 펌프 시스템은, 상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 증발기를 거치지 않고 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 우회하도록 상기 순환 유로 가운데 상기 팽창밸브와 상기 증발기 사이의 구간에서 분지되어 형성되는 우회 유로 및 상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 증발기로 이동하거나 또는 상기 우회 유로를 통해 상기 증발기를 거치지 않고 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시키는 제 2 유로 형성부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제 2 유로 형성부도 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 제 2 조건의 만족 시 상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 증발기를 거치지 않고 상기 우회 유로를 통해 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 이동하도록 상기 제 2 유로 형성부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제 2 조건은 상기 증발기 측의 압력보다 상기 집열기 측의 압력이 높고, 상기 집열기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
또한, 제 3 조건의 만족 시 상기 제어부는 상기 순환 유로를 통해 상기 제 1 유체가 상기 압축기에서 상기 응축기로 바로 이동하도록 상기 제 1 유로 형성부를 제어하고, 상기 응축기를 통과한 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 증발기로 이동하도록 상기 제 2 유로 형성부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제 3 조건은 상기 집열기 측의 압력보다 상기 증발기 측의 압력이 높고, 상기 증발기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
또한, 상기 집열기는 진공관이 구비된 매니폴드 타입으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축기에 의해 압력과 온도가 상승한 냉매가 태양열을 집열하는 집열기와 연결된 추가 가열 유로를 통과함으로써 그 압력과 온도가 추가적으로 상승할 수 있어 종래보다 온도가 높은 고온수의 생산이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 1 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 2 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 3 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 사이클을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 종래 히트 펌프가 생성하는 온수보다 높은 온도을 가지는 고온수(예를 들면, 75~85℃의 온수)를 생성하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 조건 만족 시 압축기(10)에 의해 압력과 온도가 상승한 제 1 유체가 태양열을 집열하는 집열기(70)와 연결된 추가 가열 유로(80)를 통과함으로써 그 압력과 및 온도가 추가적으로 상승할 수 있으며, 이에 따라 더욱 많은 응축열을 제 2 유체에 전달할 수 있어 종래보다 온도가 높은 고온수의 생산이 가능해진다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30), 증발기(40), 순환 유로(50), 탱크(60), 집열기(70), 추가 가열 유로(80), 제 1 유로 형성부(90), 우회 유로(100), 제 2 유로 형성부(110) 및 제어부(120)를 포함한다.
압축기(10)는 제 1 유체를 압축한다. 여기서, 제 1 유체는 냉매로 사용되는 유체를 의미한다. 압축기(10)는 제 1 유체를 고온/고압으로 압축하여 토출한다. 압축기(10)에서 토출된 고온/고압의 제 1 유체는 응축기(20) 측으로 유동할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예서, 제 1 조건 만족시 압축기(10)에서 토출된 고온/고압의 제 1 유체가 집열기(70)와 연결된 추가 가열 유로(80)를 통과하며 그 온도와 압력이 추가적으로 상승할 수 있다.
응축기(20)는 압축된 제 1 유체의 열을 제 2 유체로 전달하여 제 2 유체를 가열한다. 여기서, 제 2 유체는 급탕에 사용되는 물이 될 수 있다. 즉, 제 1 유체의 열을 흡수한 제 2 유체는 온수, 난방수 등으로 제공될 수 있다.
응축기(20)는 공지된 판형 열교환기 또는 관형 열교환기로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 응축기(20)는 제 2 유체가 유입되는 유입관(21)과 제 1 유체로부터 응축열을 전달받아 가열된 제 2 유체가 유출되는 유출관(22)을 구비할 수 있다.
팽창밸브(30)는 응축기(20)를 통과한 제 1 유체를 팽창시킨다. 팽창밸브(30)는 응축기(20)에서 토출된 제 1 유체를 팽창시켜 저온/저압으로 전환시킨다. 팽창밸브(30)에서 배출된 저온/저압의 제 1 유체는 증발기(40)로 유입될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의할 경우, 제 2 조건 해당 시 팽창밸브(30)에서 배출된 저온/저압의 제 1 유체가 증발기(40)로 유입되지 않고 우회 유로(100)로 유입될 수 있다.
증발기(40)는 팽창된 제 1 유체를 증발시킨다. 증발기(40)는 팽창밸브(30)에서 토출된 제 1 유체를 공기와 열 교환시켜 공기 중의 열을 흡수하도록 할 수 있다. 또한, 증발기(40)를 통과한 제 1 유체는 다시 압축기(10)로 유입될 수 있다.
순환 유로(50)는 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30) 및 증발기(40)를 연결한다. 순환 유로(50)는 제 1 유체가 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30) 및 증발기(40)를 순환하는 경로를 형성한다. 즉, 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(30) 및 증발기(40)는 순환 유로(50)에 의해 서로 연결될 수 있다.
탱크(60)는 응축기(20)와 팽창밸브(30) 사이에 배치되어 응축기(20)에서 배출된 제 1 유체를 수용할 수 있다. 예를 들면, 탱크(60)는 수액기로서 응축기(20)를 통과한 제 1 유체를 일시 저장할 수 있다.
집열기(70)는 압축기(10)와 응축기(20) 사이에 배치되고, 태양열을 집열하여 제 1 유체를 추가적으로 가열한다. 집열기(70)는 태양열을 집열하여 제 1 유체에 전달함으로써 제 1 유체의 온도 및 압력을 추가적으로 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 집열기(70)는 진공관이 구비된 매니폴드 타입의 태양관 집열기로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 진공관은 내부에 구리코팅이 되어 있는 이중진공관이 될 수 있다.
추가 가열 유로(80)는 제 1 유체가 압축기(10)에서 집열기(70)를 거쳐 응축기(20)로 이동하도록 순환 유로(50) 가운데 압축기(10)와 응축기(20) 사이의 구간에서 분지되어 형성된다. 추가 가열 유로(80)는 압축기(10)에서 토출된 제 1 유체가 집열기(70)에서 추가적으로 온도 및 압력을 공급받을 수 있게 해준다.
본 발명의 일 실시예에서, 추가 가열 유로(80)는 순환 유로(50)에서 집열기(70) 측으로 제 1 유체가 유동하는 추가 가열 유입 유로(81)와 집열기(70)에서 토출되는 제 1 유체가 순환 유로(50) 측으로 유동하는 추가 가열 유출 유로(82)를 포함한다.
제 1 유로 형성부(90)는 제 1 유체가 순환 유로(50)를 통해 압축기(10)에서 응축기(20)로 바로 이동하거나 또는 압축기(10)에서 추가 가열 유로(80)를 통해 집열기(70)를 거쳐 응축기(20)로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시킨다. 따라서 제 1 유로 형성부(90)의 상태에 따라 제 1 유체는 압축기(10)에서 응축기(20)로 바로 진행하거나 또는 압축기(10)에서 집열기(70)를 거쳐 응축기(20)로 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 유로 형성부(90)는 순환 유로(50) 가운데 압축기(10)와 응축기(20) 사이의 구간에 배치되어 유로를 개폐하는 제 1 밸브(91)와, 추가 가열 유입 유로(81)에 배치되어 유로를 개폐하는 제 2 밸브(92) 및 추가 가열 유출 유로(82)에 배치되어 유로를 개폐하는 제 3 밸브(93)를 포함할 수 있다.
이때, 추가 가열 유입 유로(81)는 순환 유로(50) 가운데 압축기(10)와 응축기(20) 사이의 구간에서 분지되되 유로 상에서 제 1 밸브(91) 이전의 지점에서 분지된다. 또한, 추가 가열 유출 유로(82)는 유로 상에서 제 1 밸브(92) 이후의 지점에서 순환 유로(50)와 만난다.
우회 유로(100)는 팽창밸브(30)를 통과한 제 1 유체가 증발기(40)를 거치지 않고 집열기(70)를 거쳐 압축기(10) 측으로 우회하도록 순환 유로(50) 가운데 팽창밸브(30)와 증발기(40) 사이의 구간에서 분지되어 형성된다. 우회 유로(100)는 소정의 조건에서 집열기(70)를 증발기(40)로 활용할 수 있게 해준다.
본 발명의 일 실시예에서, 우회 유로(100)는 순환 유로(50)에서 집열기(70) 측으로 제 1 유체가 유동하는 우회 유입 유로(101)와 집열기(70)에서 토출되는 제 1 유체가 순환 유로(50) 측으로 유동하는 우회 유출 유로(102)를 포함한다.
제 2 유로 형성부(110)는 팽창밸브(30)를 통과한 제 1 유체가 순환 유로(50)를 통해 증발기(40)로 이동하거나 또는 증발기(40)를 거치지 않고 우회 유로(100)를 통해 집열기(70)를 거쳐 압축기(10) 측으로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시킨다. 따라서 제 2 유로 형성부(110)의 상태에 따라 제 1 유체는 팽창밸브(30)에서 증발기(40)로 바로 진행하거나 또는 팽창밸브(30)에서 집열기(70)를 거쳐 압축기(10)로 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 2 유로 형성부(110)는 순환 유로(50) 가운데 팽창밸브(30)와 증발기(40) 사이의 구간에 배치되어 유로를 개폐하는 제 4 밸브(111)와, 우회 유입 유로(101)에 배치되어 유로를 개폐하는 제 5 밸브(112)를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 제 1 유로 형성부(90) 및 제 2 유로 형성부(110)를 제어한다.
제어부(120)는 소정의 조건을 판단하고, 판단 결과에 따라 제 1 유로 형성부(90)를 제어하여 압축기(10)에서 배출되는 제 1 유체가 순환 유로(50)를 통해 응축기(20)로 바로 이동하도록 하거나 압축기(10)에서 배출되는 제 1 유체가 추가 가열 유로(80)를 통해 집열기(70)를 거쳐 추가적으로 승온 및 가압되어 응축기(20)로 진입하도록 할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 소정의 조건을 판단하고, 판단 결과에 따라 제 2 유로 형성부(110)를 제어하여 팽창밸브(30)에서 배출되는 제 1 유체가 순환 유로(50)를 통해 압축기(10)로 바로 이동하도록 하거나 팽창밸브(30)에서 배출되는 제 1 유체가 우회 유로(100)를 통해 집열기(70)를 거쳐 압축기(10)로 진입하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 압축기(10) 측의 압력, 집열기(70) 측의 압력 및 증발기(40) 측의 압력을 측정하기 위하여, 다수개의 압력 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축기(10)의 출력단에 제 1 압력 센서(P1)가 배치되고, 집열기(70)의 출력단에 제 2 압력 센서(P1)가 배치되며, 증발기(40)의 출력단에 제 3 압력 센서(P3)가 배치될 수 있다.
제어부(120)는 제 1 내지 3 압력센서(P1, P2, P3)에 의해 측정된 각 지점의 압력의 대소 관계에 따라 제 1 유로 형성부(90) 및 제 2 유로 형성부(110)를 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 구체적인 작동 과정을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 1 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제 1 조건에서 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 종래의 히트 펌프에 비하여 높은 온도의 고온수(예를 들면, 80℃ 이상)를 생성한다. 이때, 제 1 조건은 증발기(40) 측의 압력보다 압축기(10) 측의 압력이 높고, 압축기(10) 측의 압력보다 집열기(70) 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
제 1 조건의 만족 시, 제어부(120)는 제 1 유체가 압축기(10)에서 추가 가열 유로(80)를 통해 집열기(70)를 거쳐 응축기(20)로 이동하도록 제 1 유로 형성부(90)를 제어한다. 더욱 상세하게, 제어부(120)는 제 1 밸브(91)를 폐쇄하고, 제 2 밸브(92) 및 제 3 밸브(93)를 개방할 수 있다.
또한, 제 1 조건 만족 시 제어부(120)는 응축기(20)를 통과한 제 1 유체가 증발기(40) 측으로 유입되도록 제 2 유로 형성부(110)를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(120)는 제 4 밸브(111)를 개방하고, 제 5 밸브(112)를 폐쇄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 조건 해당 시 제어부(120)의 제어에 따라 제 1 유체는 압축기(10)에서 승온 및 승압된 후 집열기(70)에서 추가적으로 승온 및 승압되어 응축기(20)로 유입되며, 이에 따라 제 2 유체에 더 많은 응축열을 제공함으로써 제 2 유체를 고온수로 생성할 수 있다. 예를 들면, 집열기(70)에서 추가적으로 승온된 제 1 유체의 온도는 75~95℃가 될 수 있으며, 응축기(20)에서 가열되어 토출되는 제 2 유체의 온도는 70~90℃가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 2 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제 2 조건에서 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 증발기(40)를 대신하여 집열기(70)에서 제 1 유체의 증발이 이루어지도록 한다. 이때, 제 2 조건은 증발기(40) 측의 압력보다 집열기(70) 측의 압력이 높고, 집열기(70) 측의 압력보다 압축기(10) 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
제어부(120)는 제 2 조건의 만족 시 팽창밸브(30)를 통과한 제 1 유체가 증발기(40)를 거치지 않고 우회 유로(100)를 통해 집열기(70)를 거쳐 압축기(10) 측으로 이동하도록 제 2 유로 형성부(110)를 제어한다. 더욱 상세하게, 제어부(120)는 제 4 밸브(111)를 폐쇄하고, 제 5 밸브(112)를 개방할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에서, 증발기(40)의 출력 측과 우회 유출 유로(102)에는 각각 체크 밸브(C1, C2)가 배치되어 있다. 체크 밸브(C1, C2)는 일방향으로의 흐름만 허용하므로 제 2 조건에서 집열기(70)에서 증발된 제 1 유체가 증발기(40) 측으로 유입되는 것을 차단하고, 압축기(10) 측으로 유입될 수 있게 해준다.
또한, 제어부(120)는 제 2 조건 만족 시 압축기(10)를 통과한 제 1 유체가 응축기(20) 측으로 바로 유입되도록 제 1 유로 형성부(90)를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(120)는 제 1 밸브(91)를 개방하고, 제 2 밸브(92)와 제 3 밸브(93)를 폐쇄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 조건 해당 시 제어부(120)의 제어에 따라 제 1 유체는 증발기(40)를 대신하여 집열기(70)에서 증발될 수 있어 에너지 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 제 3 조건에서의 작동을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 3 조건에서 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 통상적인 히트 펌프 시스템과 동일하게 작동한다. 이때, 제 3 조건은 집열기(70) 측의 압력보다 증발기(40) 측의 압력이 높고, 증발기(40) 측의 압력보다 압축기(10) 측의 압력이 높은 것일 수 있다.
제어부(120)는 제 3 조건의 만족 시 순환 유로(50)를 통해 제 1 유체가 압축기(10)에서 응축기(20)로 바로 이동하도록 제 1 유로 형성부(90)를 제어하고, 응축기(20)를 통과한 제 1 유체가 순환 유로(50)를 통해 증발기(40)로 이동하도록 제 2 유로 형성부(110)를 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(120)는 제 1 밸브(91)를 개방하고, 제 2 밸브(92)와 제 3 밸브(93)를 폐쇄하며, 제 4 밸브(111)를 개방하고, 제 5 밸브(112)를 폐쇄할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템의 사이클을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제 1 조건 해당 시 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에서 제 1 유체는 제 1 상태(A1)에서 압축기(10)를 통해 1차적으로 승온/승압되어 제 1 상태(A1)에 비해 온도와 압력이 증가된 제 2 상태(A2)가 되며, 집열기(70)에 의해 추가적으로 승온/승압되어 제 2 상태(A2)에 비해 추가로 승온/승압된 제 3 상태(A3)가 된다. 이어서 제 1 유체는 응축기(20)에서 응축열을 제 2 유체로 전달하여 온도가 낮아져 제 4 상태(A4)가 되고, 팽창밸브(30)를 거치며 압력이 낮아지며 제 5 상태(A5)를 거쳐 제 6 상태(A6)가 된다. 또한, 제 6 상태(A6)의 제 1 유체는 증발기(40)에서 승온된 후 다시 압축기(10)로 진입한다.
한편, 제 2 조건 또는 제 3 조건에 해당할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프 시스템에서 제 1 유체는 집열기(70)에 의한 추가적인 승온/승압이 어려운 상태이므로, 제 1 상태(A1), 제 2 상태(A2), 제 5 상태(A5) 및 제 6 상태(A6)를 순환하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 압축기 20: 응축기
30: 팽창밸브 40: 증발기
50: 순환 유로 60: 탱크
70: 집열기 80: 추가 가열 유로
90: 제 1 유로 형성부 100: 우회 유로
110: 제 2 유로 형성부 120: 제어부

Claims (9)

  1. 제 1 유체를 압축하는 압축기;
    압축된 제 1 유체의 열을 제 2 유체로 전달하여 상기 제 2 유체를 가열하는 응축기;
    상기 응축기를 통과한 제 1 유체를 팽창시키는 팽창밸브;
    팽창된 제 1 유체를 증발시키는 증발기;
    상기 제 1 유체가 순환하도록 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 팽창밸브 및 상기 증발기를 연결하는 순환 유로;
    상기 압축기와 상기 응축기 사이에 배치되고, 태양열을 집열하여 상기 제 1 유체를 추가적으로 가열할 수 있는 집열기;
    상기 제 1 유체가 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 상기 순환 유로 가운데 상기 압축기와 상기 응축기 사이의 구간에서 분지되어 형성되는 추가 가열 유로;
    상기 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 응축기로 바로 이동하거나 또는 상기 추가 가열 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시키는 제 1 유로 형성부 및
    상기 제 1 유로 형성부를 제어하는 제어부를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 제 1 조건의 만족 시 상기 제 1 유체가 상기 추가 가열 유로를 통해 상기 압축기에서 상기 집열기를 거쳐 상기 응축기로 이동하도록 상기 제 1 유로 형성부를 제어하는 히트 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 조건은 상기 증발기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높고, 상기 압축기 측의 압력보다 상기 집열기 측의 압력이 높은 것인 히트 펌프 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 증발기를 거치지 않고 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 우회하도록 상기 순환 유로 가운데 상기 팽창밸브와 상기 증발기 사이의 구간에서 분지되어 형성되는 우회 유로 및
    상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 증발기로 이동하거나 또는 상기 우회 유로를 통해 상기 증발기를 거치지 않고 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 이동하도록 유로를 선택적으로 형성시키는 제 2 유로 형성부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제 2 유로 형성부도 제어하는 히트 펌프 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 제 2 조건의 만족 시 상기 팽창밸브를 통과한 제 1 유체가 상기 증발기를 거치지 않고 상기 우회 유로를 통해 상기 집열기를 거쳐 상기 압축기 측으로 이동하도록 상기 제 2 유로 형성부를 제어하는 히트 펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 조건은 상기 증발기 측의 압력보다 상기 집열기 측의 압력이 높고, 상기 집열기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높은 것인 히트 펌프 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    제 3 조건의 만족 시 상기 제어부는 상기 순환 유로를 통해 상기 제 1 유체가 상기 압축기에서 상기 응축기로 바로 이동하도록 상기 제 1 유로 형성부를 제어하고, 상기 응축기를 통과한 제 1 유체가 상기 순환 유로를 통해 상기 증발기로 이동하도록 상기 제 2 유로 형성부를 제어하는 히트 펌프 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 조건은 상기 집열기 측의 압력보다 상기 증발기 측의 압력이 높고, 상기 증발기 측의 압력보다 상기 압축기 측의 압력이 높은 것인 히트 펌프 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집열기는 진공관이 구비된 매니폴드 타입으로 이루어지는 히트 펌프 시스템.
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