KR101350611B1 - 이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프 - Google Patents

Abstract

이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프가 개시된다. 개시된 히팅펌프는, 저온 측 냉동사이클과 고온 측 냉동사이클, 상기 저온 측 냉동사이클의 증발기 역할과 상기 고온 측 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 케스케이드 열교환기, 상기 저온 측 냉동사이클 또는 상기 고온 측 냉동사이클에 의해 생산되는 온수 또는 냉수를 저장하는 축열조유닛을 포함하며, 난방 운전 시에는 상기 고온 측 냉동사이클과 상기 저온 측 냉동사이클이 상기 캐스케이드 열교환기에서 서로 열을 주고 받는 이원 냉동사이클로 온수를 생산하고, 냉방 운전 시에는, 상기 고온 측 냉동 사이클과 상기 저온 측 냉동 사이클 간의 열 교환 없이 각각 별도의 단단 사이클로 작동하여 다단으로 열 교환을 하여 냉수를 생산하는 것을 특징으로 한다.

Description

이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프{Heat pump system that use duality compression type}

본 발명은 냉난방 히트펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혹한기에는 이원 냉매 사이클을 통해 고온수를 생산하여 난방을 수행하고, 하절기에는 단단 냉매 사이클을 통해 다단 압축 방식으로 냉각을 수행할 수 있는 냉난방 히트펌프에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기로 이루어져 냉동 사이클을 통해 냉방과 난방을 수행한다. 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온 고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어진다. 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축 액화되어 저온고압의 액체상태로 응축되며, 응축된 냉매는 팽창 밸브를 통하여 교축(Throttling) 팽창되면서 일부 냉매 액은 증발을 하고, 잠열의 흡수를 통하여 냉매 액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상 및 기상이 공존하는 상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동 사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기로 열을 이송함으로써 냉난방을 동시에 수행할 수 있다.

일반적으로 이원 냉동사이클은 -52℃ 이하에서 비등하는 저온냉매를 사용하는 저온 측과, 비교적 -11℃ 이상에서 원활히 비등하는 고온냉매를 사용하는 고온 측으로 구분된다. 고온 측 냉매의 증발과 저온 측 냉매의 응축이 하나의 캐스케이드 열교환기에서 일어나도록 구성하면 겨울철 외기온도가 낮더라도 고온 측의 냉매 토출가스 온도가 고온으로 유지될 수 있기 때문에 온수생산에 효과적이다. 이러한 저온 측과 고온 측을 이원으로 구성하여 냉난방 및 급탕용으로 활용한 장치가 바로 히트펌프이다. 히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치이다.

한국 등록특허 제859311호는 저온 측과 고온 측을 이원으로 구성하여 냉난방 및 급탕용으로 활용한 종래기술의 히트펌프를 개시하고 있다. 상기 특허에 개시된 종래의 히트펌프 장치는 냉 온수 동시 생산모드에서 고온 측 응축기는 온수탱크의 물과 열교환되어 온수를 생산하며, 고온 측 응축기를 통과한 냉매가 보조 열교환기를 거치면서 팽창 온도를 낮춘 것이다.

그러나 상술한 종래의 히트펌프에서는 저온 측의 냉매는 저온 측 증발기에서 냉수탱크의 물과 열교환되어 냉수를 생산한 뒤 저온 측 증발/응축기(외부 공기열교환기: 냉방 또는 제상모드에서 응축기 역할)를 거치지 않고 바로 저온 압축기로 회수되기 때문에 냉매의 부족으로 저온 측 사이클이 불안정해져 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 하절기 냉수생산모드에서는 열전달 사이클은 구동되지 않고 열취득 사이클만 구동되기 때문에 냉방 축열량이 부족하여 별도의 냉방기를 가동해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 동절기에는 캐스케이드 열교환기를 이용하여 원활하게 고온수를 생산하고, 하절기에는 고온 측 및 저온 측의 단단 사이클을 각각 별도로 운전하면서 다단으로 냉각함으로써 냉각효율을 향상시킨 이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 냉매의 과부족 현상이 해소되어 사이클의 안정화되고 성능이 향상된 이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 겨울철 혹한기에 저온 측 냉동사이클의 저온압축기에 흡입되는 냉매의 증발량과 온도를 올려 안정적인 고온수 생산을 보장하고, 가을철 환절기에는 저온 측 압축기의 과냉 및 과열 발생 우려가 적은 이원 냉매 사이클 및 단단 냉매 사이클을 이용한 냉난방 히트펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 냉난방 히팅펌프는, 저온 측 냉동사이클과 고온 측 냉동사이클, 상기 저온 측 냉동사이클의 증발기 역할과 상기 고온 측 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 케스케이드 열교환기, 상기 저온 측 냉동사이클 또는 상기 고온 측 냉동사이클에 의해 생산되는 온수 또는 냉수를 저장하는 축열조유닛을 포함하며, 난방 운전 시에는 상기 고온 측 냉동사이클과 상기 저온 측 냉동사이클이 상기 캐스케이드 열교환기에서 서로 열을 주고 받는 이원 냉동사이클로 온수를 생산하고, 냉방 운전 시에는, 상기 고온 측 냉동 사이클과 상기 저온 측 냉동 사이클 간의 열 교환 없이 각각 별도의 단단 사이클로 작동하여 다단으로 열 교환을 하여 냉수를 생산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고온 측 냉동사이클은, 제 1 냉매를 압축하는 고온 압축기와, 상기 고온 압축기의 출구에 연결된 유분리기와, 상기 유분리기의 출구에 연결되어 상기 제 1 냉매를 유도하는 사방변(4 way valve)과, 상기 유분리기의 출구에 일 측이 연결된 응축기와, 상기 응축기의 출구 측에 연결된 냉방팽창밸브와, 상기 유분리기 및 상기 냉방팽창밸브의 출구 측에 연결된 제 1 열교환기와, 상기 캐스케이드 열교환기의 입구와 상기 제 1 열교환기의 출구 사이에 설치된 제 1 수액기 및 난방팽창밸브와, 상기 고온 압축기의 입구 측에 연결된 액분리기 및 고온 흡입필터와, 상기 제 1 열교환기 출구에 일 측이 연결되고 상기 고온 흡입필터 입구에 타 측이 연결되어 상기 제 1 냉매를 보충하거나 저장하는 제 2 수액기를 포함한다.

또한, 저온 측 냉동사이클은, 제 2 냉매를 압축하는 저온 압축기와, 상기 저온 압축기의 출구에 연결되는 유분리기와, 상기 유분리기의 출구에 연결된 사방변과, 상기 케스케이드 열교환기의 출구에 연결된 제 2 열교환기와, 상기 제 2 열교환기의 일 측에 연결되어 상기 제 2 냉매를 팽창시키는 냉방팽창밸브와, 상기 제 2 냉매끼리 서로 열을 주고 받도록 하는 사이클 열교환기와, 상기 사방변과 난방팽창밸브 사이에 설치되어 냉방 시에는 응축기의 역할을 하고 난방 시에는 증발기의 역할을 하는 제 3 열교환기와, 상기 저온 압축기의 입구에 연결된 액분리기 및 저온 흡입필터와, 상기 냉방팽창밸브와 상기 사이클 열교환기 사이에 설치된 제 3 수액기와, 상기 제 2 열교환기 출구 또는 상기 캐스케이드 열교환기의 출구에 일 측이 연결되고 상기 저온 흡입필터 입구에 타 측이 연결되어 상기 제 2 냉매를 보충하거나 저장하는 제 4 수액기를 포함한다.

또한, 상기 제 1 및 제 2 열교환기, 상기 사이클 열교환기는 판형 열교환기로 구성되고, 상기 고온 측 냉동사이클의 상기 응축기 및 상기 저온 측 냉동사이클의 상기 제 3 열교환기는 실외공기 열교환기 또는 판형 열교환기로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 축열조유닛은, 냉수 또는 온수를 저장하는 축열조와, 상기 축열조 내부에 설치된 디퓨져와, 상기 디퓨져와 연결되고 상기 제 1 열교환기와 상기 제 2 열교환기를 관통하는 순환파이프와, 상기 순환파이프에 설치된 순환모터를 포함하며, 상기 축열조에 저장된 물은 상기 순환파이프를 통해 순환되면서 상기 제 1 및 제 2 열교환기로부터 열을 공급받거나 빼앗겨 온수 또는 냉수가 생산된다.

본 실시 예의 히팅펌프는, 난방 운전 모드 시에 캐스케이드 열교환기에서 저온 측 냉동사이클의 고온 응축과 고온 측 냉동사이클의 증발로 겨울철 외기온도 -15℃ ~ -20℃에서도 케스케이드 열교환기 조건은 영상의 온도 조건이 가능하여 고온 측 냉동사이클에서 높은 열량을 낼 수 있으며, 항상 섭씨 70-80도의 온수를 생산하는 것이 가능하다. 또한, 저온 측 냉동사이클에서 응축과정을 거친 제 2 냉매의 온도가 높을 경우 제 2 열교환기에서 추가적인 열 전달이 가능하여 온수 생산 효율이 향상된다.

또한 본 실시 예의 히트펌프는, 냉방 운전 시에 제 1 및 제 2 열교환기에서 2번에 걸친 다단 냉각과정을 거치기 때문에, 냉방 축열량을 충분히 축적할 수 있으며 축열 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 실시 예에서는, 고온 측 냉동사이클 및 저온 측 냉동사이클에서 제 1 및 제 2 냉매의 과부족을 실시간으로 측정한 후 냉매를 보충하거나 적절한 양으로 줄여주도록 제어되기 때문에, 냉매의 과부족으로 인한 사이클의 불안정 현상이 없고, 과 압축이나 과열 등의 현상이 발생되지 않는다. 또한 이러한 냉매의 과부족 현상을 해소함으로 인해서, 겨울철 저온 측의 실외에 설치된 제 3 열교환기를 제상 할 때에 성애 발생 확률이 낮아지는 효과가 있어, 그 동안 제상모드 운전시 성애발생으로 인한 온수 생산의 저하를 해결할 수 있고, 제상 시간도 단축시킬 수 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 히팅펌프는, 겨울철 -15℃이하의 혹한기에는 저온 측 압축기를 가동하여 케스케이드 열교환기 쪽으로 응축하고 남은 열(즉 후레쉬 가스 약30%)을 저온 압축기 흡입 측 배관과 열 교환하여 압축기의 흡입온도와 냉매의 증발량 올릴 수 있다. 따라서 저온 압축기의 일정한 열량 토출이 가능하고 고온 측 냉동사이클과의 열 교환이 원활히 이루어져 고온수 생산에 차질이 발생되지 않는다. 또한 봄, 가을철 영상 10℃ 내외의 환절기에는 저온 압축기로 흡입되는 제 2 냉매의 온도가 섭씨 15℃ 이상 시에는 증발하고 남은 찬 냉매를 흡입 배관 쪽으로 바이패스시켜 저온 압축기의 과냉 및 과열을 조절할 수 있다. 이에 따라 저온 압축기에 과부하가 걸리지 않고 저온 압축기 파손 등의 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉난방 히트펌프의 계통도이며,
도 2는, 난방 시(온수 생산 시) 저온 및 고온 측 냉동사이클이 이원 냉동사이클로 작동되는 과정을 설명하기 위한 계통도이고,
도 3은, 냉방 시(냉수 생산 시)의 고온 및 저온 측 냉동사이클이 별도로 작동하여 2번에 걸쳐 축열조에 저장된 물로부터 열을 빼앗는 소위 단단 냉동사이클의 다단 냉각과정을 설명하기 위한 계통도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등 물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소로 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성된다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉난방 히트펌프(90)의 계통도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 냉난방 히팅펌프는, 도 1을 참조하면, 고온 측 냉동사이클(100)은, 저온 측 냉동사이클과 고온 측 냉동사이클과, 저온 측 냉동사이클의 증발기 역할과 고온 측 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 캐스케이드 열교환기와, 저온 측 냉동사이클 또는 고온 측 냉동사이클에 의해 생산되는 온수 또는 냉수를 저장하고 순환시키는 축열조유닛을 포함한다.

고온 측 냉동사이클(100)은, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제 1 냉매를 압축하는 고온 압축기(26)와, 고온 압축기(26)의 출구에 연결된 유분리기(8)와, 유분리기(8)의 출구에 연결되어 제 1 냉매를 응축기(23) 또는 제 1 열교환기(19)로 유도하는 사방변(13)(4 way valve)과, 유분리기(8)의 출구에 일 측이 연결된 응축기(23)와, 응축기(23)의 출구 측에 연결된 냉방팽창밸브(10)와, 난방 운전 시에는 유분리기(8) 및 냉방팽창밸브(10)의 출구 측에 연결된 제 1 열교환기(19)와, 캐스케이드 열교환기(16)의 입구와 제 1 열교환기(19)의 출구 사이에 설치된 제 1 수액기(3) 및 난방팽창밸브(14)와, 고온 압축기(26)의 입구 측에 연결된 액분리기(4) 및 고온 흡입필터(17)와, 제 1 열교환기(19) 출구에 일 측이 연결되고 고온 흡입필터(17) 입구에 타 측이 연결되어 상기 제 1 냉매를 보충하거나 저장하는 제 2 수액기(24)와, 응축기의 출구에 연결되는 양방향필터 드라이어(38)와, 제 2 수액기(24)의 입구 및 출구에 각각 설치된 제 1 및 제 2 전자밸브(18,25)와, 냉방팽창밸브(10)와 병렬로 설치된 제 3 전자밸브(9)와, 캐스케이드 열교환기(16)의 출구에 설치된 제 4 전자밸브(12)와, 캐스케이드 열교환기(16)와 병렬로 설치된 제 5 전자밸브(11)와, 제 1 냉매의 양을 지시하는 액면계(40)로 구성된다.

저온 측 냉동사이클(200)은, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제 2 냉매를 압축하는 저온 압축기(27)와, 저온 압축기(27)의 출구에 연결되는 유분리기(1)와, 유분리기(1)의 출구에 연결된 사방변(29)과, 케스케이드 열교환기(16)의 출구에 연결된 제 2 열교환기(36)와, 제 2 열교환기(36)의 일 측에 연결되어 제 2 냉매를 팽창시키는 냉방팽창밸브(34)와, 저온 측 냉동사이클 내부에서 제 2 냉매끼리 서로 열을 주고 받도록 하는 사이클 열교환기(33)와, 사방변(29)과 난방팽창밸브(30) 사이에 설치되어 냉방 시에는 응축기의 역할을 하고 난방 시에는 증발기의 역할을 하는 제 3 열교환기(31)와, 저온 압축기(27)의 입구에 연결된 액분리기(6) 및 저온 흡입필터(28)와, 냉방팽창밸브(34)와 사이클 열교환기(33) 사이에 설치된 제 3 수액기(5)와, 제 2 열교환기(36) 출구 또는 캐스케이드 열교환기(16)의 출구에 일 측이 연결되고 저온 흡입필터(28) 입구에 타 측이 연결되어 제 2 냉매를 보충하거나 저장하는 제 4 수액기(21)와, 난방팽창밸브(30)와 사이클 열교환기(33) 사이에 설치된 양방향필터 드라이어(2)와, 일 측이 사이클 열교환기(33)와 연결된 액면계(39)와, 제 4 수액기(21)의 입구 및 출구 양 단에 설치된 제 6 및 7 전자밸브(20,22)와, 제 2 열교환기(36)와 연결된 역지변(35)과, 제 2 열교환기(36)와 병렬로 설치된 제 8 전자밸브(7)를 포함한다.

본 실시 예에서 제 1 및 제 2 열교환기(19,36), 사이클 열교환기(33)는 판형 열교환기로 구성되고, 제 3 열교환기(31), 고온 측 냉동사이클의 응축기(23) 및 저온 측 냉동사이클의 실외공기 열교환기 또는 판형 열교환기로 구성된다.

캐스케이드 열교환기(16)는, 난방 운전 시에는 고온 측 냉동사이클(100)의 증발기 역할과 동시에 저온 측 냉동사이클(200)의 응축기 역할을 하지만, 냉방 운전 시에는 아무런 역할을 하지 않는다. 캐스케이드 열교환기(16)에는 제 1 및 제 2 냉매라인이 통과한다.

축열조유닛은(71), 냉수 또는 온수를 저장하는 축열조(45)와, 축열조(45) 내부에 설치된 디퓨져(46)와, 디퓨져(46)와 연결되고 제 1 열교환기(19)와 상기 제 2 열교환기(36)를 관통하는 순환파이프(53)와, 순환파이프(53)에 설치된 순환모터(15,37)를 포함한다. 축열조(45)에 저장된 물은 순환파이프(53)를 통해 순환되면서 제 1 및 제 2 열교환기(19,36)로부터 열을 공급받거나 빼앗겨 온수 또는 냉수가 생산된다.

이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 난방 시(온수 생산 시) 이원 냉동사이클의 작동과정과, 냉방 시(냉수 생산 시)의 고온 및 저온 측 냉동사이클(100,200)이 별도로 작동하여 2번에 걸쳐 축열조(45)에 저장된 물로부터 열을 빼앗는 소위 단단 냉동사이클의 다단 냉각의 작동과정을 상세히 설명한다.

[난방 운전모드(온수 생산 모드)]

도 2는, 난방 시(온수 생산 시) 저온 및 고온 측 냉동사이클(200,100)이 이원 냉동사이클로 작동되는 과정을 설명하기 위한 계통도이다.

난방 용 온수 생산 시에 저온 측 냉동사이클(200)은, 저온압축기(27)에서 제 2 냉매를 고온고압으로 압축하고, 압축된 제 2 냉매의 열기를 유분리기(1)를 거처 사방변(29)을 통해 케스케이드 열교환기(16)에서 고온 측 냉동사이클로 방열한다. 방열과정을 거처 응축시키고 남은 열을 온도를 온도 센서(72)에 의해 측정하여 섭씨 30도 보다 높으면 제 2 열교환기(36)로 보낸다. 제 2 열교환기(36)에서 순환파이프(53)를 통해 물로 열을 전달하고 제 2 냉매의 온도는 내려간다. 제 2 열교환기(36)를 거친 제 2 냉매는 역지변(35)을 거쳐 제 3 수액기(5)를 통과한 후 사이클 열교환기(33)로 보내진다. 제 2 냉매의 온도가 섭씨 30도 이하로 낮으면 제 8전자밸브(7)를 열어 제 2 냉매가 사이클 열교환기(33)로 흘러가도록 하고, 저온 압축기(27) 입구 측의 배관(61)과 열 교환 한 후 양방향 드라이어(2)를 거쳐 난방팽창밸브(30)를 통과하면서 팽창 후 제 3 열교환기(31) 에서 외부 공기와 열 교환한다. 그 후 제 2 냉매는 사방변(29)을 통해 사이클 열교환기(33)에서 열교환한 후 저압필터(28) 및 액분리기(6)를 통해 저온 압축기(27)로 흡입되어 다시 고온 고압으로 압축된다. 액면계(39)는 제 2 냉매의 양을 나타낸다. 이때 저온 압축기(27)로 유입되는 제 2 냉매 유입량은 실시간으로 저압센서(52)에 의해 측정되며, 저온 압축기(27)로 유입되는 제 2 냉매의 양이 적으면 바이패스 냉매관(62)에 설치된 제 6 전자밸브(20)를 연다. 제 6 전자밸브(20)가 오픈되면 제 4 수액기(21)에 있는 냉매가 바이패스 냉매관(62)을 통해 저온 압축기(27) 입구 측 배관(61)으로 보충하고, 냉매 량이 많으면 제 7 전자밸브(22)를 열어 제 4 수액기(21)로 제 8 전자밸브(7) 후단 배관으로부터 제 2 냉매를 빼내 제 4 수액기(21)로 저장시킨다.

고온 측 냉동사이클(200)은 고온압축기(26)에서 제 1 냉매를 고온고압으로 압축하고, 압축된 냉매를 유분리기(8)를 통과 후 사방변(13)을 거처 제 3 전자밸브(9)를 통해 제 1 열교환기(19)를 통과한다(제 3 전자밸브는 난방 시에 오픈되어 있음). 제 1 열교환기(19)에서 축열유닛(71)의 순환파이프(53)에 열을 공급하여 온수를 생산한다. 제 1 열교환기(19)를 통화한 제 1 냉매는 제 1 수액기(3)를 거처 난방팽창밸브(14)에서 팽창된 후 캐스케이드 열교환기(16)에서 열 교환한다. 캐스케이드 열교환기(16)에서 저온 측의 응축과 고온 측의 증발이 이루어지며, 제 4 전자밸브(12)를 통하여 액면계(40), 고온흡입필터(17)을 거처 액분리기(4)에서 액분리 후 고온 압축기로 흡입된다{난방 시 제 4 전자밸브(12)는 오픈되고, 제 5 전자밸브(11)는 닫힘}. 고온 압축기(26)로 흡입되는 제 1 냉매의 흡입량이 적으면 제 1 전자밸브(18)를 열어 제 2 수액기(24)에 있는 냉매를 고온 압축기의 입구 측 배관으로 보충하고, 제 1 냉매의 양이 많으면 제 2 전자밸브(25)를 열어 제 1 냉매를 제 2 수액기(24)로 저장한다. 제 1 냉매의 양은 고온 압축기 입구측 배관에 설치된 저압센서(51)로 실시간 측정된다. 난방 모드 시에는, 축열조 하단 쪽 순환모터(37)를 가동시켜 축열조에 저장된 물이 제 2 열교환기(36)를 거처 제 1 열교환기(19)를 통과한 후 다시 축열조로 보내어진다.

난방 운전 모드 시에 이상과 같이 운전되는 본 실시 예의 히팅펌프(90)는, 케스케이드 열교환기(16)에서 저온 측 냉동사이클(200)의 고온 응축과 고온 측 냉동사이클(100)의 증발로 겨울철 외기온도 -15℃ ~ -20℃에서도 케스케이드 열교환기(16) 조건은 영상의 온도 조건이 가능하고, 고온 측 냉동사이클(100)에서 높은 열량을 낼 수 있으며, 항상 섭씨 70-80도의 온수를 생산하는 것이 가능하다.

또한, 고온 측 냉동사이클(100) 및 저온 측 냉동사이클(200)에서 제 1 및 제 2 냉매의 과부족을 실시간으로 측정한 후 냉매를 보충하거나 적절한 양으로 줄여주도록 제어되기 때문에, 냉매의 과부족으로 인한 사이클의 불안정 현상이 없고, 과 압축이나 과열 등의 현상이 발생되지 않으며, 사이클을 안정적으로 운전할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시 예에서는 저온 측 냉동사이클(200)에서 응축과정을 거친 제 2 냉매의 온도가 섭씨 30도 이상일 경우 제 2 열교환기(36)에서 순환파이프(53)에 다시 한번 더 열을 전달하는 과정이 있어 온수 생산 효율이 향상된다.

[냉방 운전모드(냉수 생산 모드)]

도 3은, 냉방 시(냉수 생산 시)의 고온 및 저온 측 냉동사이클(100,200)이 별도로 작동하여 2번에 걸쳐 축열조(45)에 저장된 물로부터 열을 빼앗는 소위 단단 냉동사이클의 다단 냉각의 작동과정을 설명하기 위한 계통도이다.

냉방 운전 모드에서 본 실시 예의 히팅펌프(90)는, 고온 측 냉동 사이클(100)과 저온 측 냉동 사이클(200)을 케스케이드 열교환기(16)를 거치지 않고 각각 단단 사이클로 운전되어 고온 측 냉동사이클(100)에서 제 1 열교환기(19)에서 1차적으로 축열조(45)의 물 온도를 내리고, 저온 측 냉동사이클(200)의 제 2 열교환기(36)에서 2차적으로 물 온도를 내리는 다단 열 교환 방식으로 인하여 축열조(45)에 충분한 열량을 확보할 수가 있다.

고온 측 냉동사이클(100)의 경우, 냉방 시에 제 3 및 제 4 전자밸브(9,12)는 닫혀있고, 제 5 전자밸브(11)는 오픈된다. 고온압축기(26)에서 압축된 고온가스는 유분리기(8)를 거처 사방변(13)에서 응축기(23)를 거쳐 외부 공기와 열 교환 한 후 양방향필터 드라이어(38)를 통과하고 다시 사방변(13)을 거처 냉방팽창밸브(10)에서 팽창한 후, 제 1 열교환기(19)에서 물과 열 교환하여 1차적으로 물의 온도를 낮춘다. 물과 열 교환을 마친 제 1 냉매는 제 5 전자밸브(11)를 거쳐 액면계(40)를 통과하고, 고온 흡입필터(17)을 거처 액분리기(4)에서 액 분리된 후 고온 압축기(26)로 흡입된다. 이때 제 1 냉매가 모자라면 제 1 전자벨브(18)를 열어 제 2 수액기(24)에 저장되어 있는 냉매를 고온 압축기 흡입 측 배관으로 보충하고 제 1 냉매가 많으면 제 2 전자밸브(25)를 열어 제 1 열교환기(19) 출구 측 배관으로부터 제 1 냉매를 빼내어 제 2 수액기(24)에 저장한다. 저압 센서(51)로 냉매의 양을 실시간 측정하고 제어하는 것은 난방 모드에서 설명한 바와 동일하다.

저온 측 냉동사이클(200)은 냉방 운전 시에, 고온 압축기(27)에서 압축된 고온가스는 유분리기(1)를 거처 사방변(29)에서 제 3 열교환기(31)를 거쳐 열교환 후(응축) 역지변(32)을 통과 후 양방향필터 드라이어(2)을 거처 사이클 열교환기(33)에서 저온압축기 흡입 측 배관(61)과 열 교환한다. 제 2 냉매는 이어서 액면계(39)를 통과 후 제 3 수액기(5)를 거처 냉방팽창밸브(34)에서 팽창하고 제 2 열교환기(36)에서 열 교환 후 캐스케이드 열교환기(16) 통과하면서 2차적으로 물을 냉각시킨다. 열교환을 마친 제 2 냉매는 사방변(29)을 거처 사이클 열교환기(33)에서 열교환 후 저압필터(28)을 거처 액분리기(6)에서 액분리후 저온 압축기(27)로 흡입된다. 저압센서(52)로 제 2 냉매의 양은 실시간 측정되고, 제 2 냉매가 모자라면 바이패스 냉매배관에 설치된 제 6 전자밸브(20)를 열어 제 4 수액기(21)에 있던 냉매를 저온 압축기(27)의 흡입 측 배관(61)으로 보충하고, 제 2 냉매 량이 많으면 제 7 전자밸브(22)를 열어 제 4 수액기(21)로 제 2 냉매를 저장시킨다. 냉방 운전 시에는 축열조(45) 상단쪽 순환모터(15)을 가동시켜, 축열조(45)의 물은 제 1 열교환기(19) 에서 1차적으로 냉각된 후 제 2 열교환기(36)에서 2차적으로 추가 냉각을 거친 후 축열조(45)로 보내어진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 예의 히트펌프(90)는, 냉방 운전 시에 제 1 및 제 2 열교환기(19,36)에서 2번에 걸친 다단 냉각과정을 거치기 때문에, 냉방 축열량을 충분히 축적할 수 있으며 축열 효율이 향상되는 장점이 있다.

또한, 저온 측 냉동사이클(200)에서 사이클 열교환기(33)를 설치하여, 저온 압축기(27) 흡입 측 제 2 냉매의 온도를 향상시킴으로써, 저온 압축기(27)의 부하가 감소되고, 실시간 냉매의 보충으로 인해 안정적인 운전이 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1,8: 유분리기 2:양방향 필터드라이어
3,24,5,21: 제 1 내지 제 4 수액기 4,6:액분리기
5: 제 3 수액기 10,34:냉방팽창밸브
13,29:사방변 14, 30:난방팽창밸브
16:캐스케이드 열교환기 17:고온 흡입필터
19:제 1 열교환기 23:응축기
31:제 3 열교환기 33:사이클열교환기
36:제 2 열교환기 39,40:액면계
45:축열조 46:디퓨져

Claims (7)

1. 저온 측 냉동사이클과 고온 측 냉동사이클;,
   상기 저온 측 냉동사이클의 증발기 역할과 상기 고온 측 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 캐스케이드 열교환기;,
   상기 저온 측 냉동사이클 또는 상기 고온 측 냉동사이클에 의해 생산되는 온수 또는 냉수를 저장하는 축열조유닛;을 포함하며,
   난방 운전 시에는 상기 고온 측 냉동사이클과 상기 저온 측 냉동사이클이 상기 캐스케이드 열교환기에서 서로 열을 주고 받는 이원 냉동사이클로 온수를 생산하고,
   냉방 운전 시에는, 상기 고온 측 냉동 사이클과 상기 저온 측 냉동 사이클 간의 열 교환 없이 각각 별도의 단단 사이클로 작동하여 다단으로 열 교환을 하여 냉수를 생산하며,
   상기 고온 측 냉동사이클은,
   제 1 냉매를 압축하는 고온 압축기와, 상기 고온 압축기의 출구에 연결된 유분리기와, 상기 유분리기의 출구에 연결되어 상기 제 1 냉매를 유도하는 사방변(4 way valve)과, 상기 유분리기의 출구에 일 측이 연결된 응축기와, 상기 응축기의 출구 측에 연결된 냉방팽창밸브와, 상기 유분리기 및 상기 냉방팽창밸브의 출구 측에 연결된 제 1 열교환기와, 상기 캐스케이드 열교환기의 입구와 상기 제 1 열교환기의 출구 사이에 설치된 제 1 수액기 및 난방팽창밸브와, 상기 고온 압축기의 입구 측에 연결된 액분리기 및 고온 흡입필터와, 상기 제 1 열교환기 출구에 일 측이 연결되고 상기 고온 흡입필터 입구에 타 측이 연결되어 상기 제 1 냉매를 보충하거나 저장하는 제 2 수액기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고온 측 냉동사이클은,
   상기 응축기의 출구에 연결되는 양방향필터 드라이어와, 상기 제 2 수액기의 입구 및 출구에 각각 설치된 제 1 및 제 2 전자밸브와, 상기 냉방팽창밸브와 병렬로 설치된 제 3 전자밸브와, 상기 캐스케이드 열교환기의 출구에 설치된 제 4 전자밸브와, 상기 캐스케이드 열교환기와 병렬로 설치된 제 5 전자밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.
4. 제 1 항에 있어서, 저온 측 냉동사이클은,
   제 2 냉매를 압축하는 저온 압축기와, 상기 저온 압축기의 출구에 연결되는 유분리기와, 상기 유분리기의 출구에 연결된 사방변과, 상기 케스케이드 열교환기의 출구에 연결된 제 2 열교환기와, 상기 제 2 열교환기의 일 측에 연결되어 상기 제 2 냉매를 팽창시키는 냉방팽창밸브와, 상기 제 2 냉매끼리 서로 열을 주고 받도록 하는 사이클 열교환기와, 상기 사방변과 난방팽창밸브 사이에 설치되어 냉방 시에는 응축기의 역할을 하고 난방 시에는 증발기의 역할을 하는 제 3 열교환기와, 상기 저온 압축기의 입구에 연결된 액분리기 및 저온 흡입필터와, 상기 냉방팽창밸브와 상기 사이클 열교환기 사이에 설치된 제 3 수액기와, 상기 제 2 열교환기 출구 또는 상기 캐스케이드 열교환기의 출구에 일 측이 연결되고 상기 저온 흡입필터 입구에 타 측이 연결되어 상기 제 2 냉매를 보충하거나 저장하는 제 4 수액기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 저온 측 냉동사이클은,
   상기 난방팽창밸브와 상기 사이클 열교환기 사이에 설치된 양방향필터 드라이어와, 일 측이 상기 사이클 열교환기와 연결된 액면계와, 상기 제 4 수액기의 입구 및 출구 양 단에 설치된 제 6 및 7 전자밸브와, 상기 제 2 열교환기와 연결된 역지변과, 상기 제 2 열교환기와 병렬로 설치된 제 8 전자밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 열교환기, 상기 사이클 열교환기는 판형 열교환기로 구성되고,
   상기 고온 측 냉동사이클의 상기 응축기 및 상기 저온 측 냉동사이클의 상기 제 3 열교환기는 실외공기 열교환기 또는 판형 열교환기로 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.
7. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축열조유닛은,
   냉수 또는 온수를 저장하는 축열조와,
   상기 축열조 내부에 설치된 디퓨져와,
   상기 디퓨져와 연결되고 상기 제 1 열교환기와 상기 제 2 열교환기를 관통하는 순환파이프와,
   상기 순환파이프에 설치된 순환모터를 포함하며,
   상기 축열조에 저장된 물은 상기 순환파이프를 통해 순환되면서 상기 제 1 및 제 2 열교환기로부터 열을 공급받거나 빼앗겨 온수 또는 냉수가 생산되는 것을 특징으로 하는 냉난방 히팅펌프.

Images