KR102173814B1

KR102173814B1 - 다단 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR102173814B1
Application number: KR1020200107424A
Authority: KR
Inventors: 남해식
Original assignee: (주)대성마리프; 남해식
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2040-08-25

Abstract

본 발명에 따른 다단 히트펌프 시스템은, 이원 냉매가 채용된 다단 히트펌프 시스템으로서, 기체 상태의 제1냉매를 고압으로 압축시키는 제1압축기; 상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매와 외부 공기 열원을 선택적으로 열교환시켜 제1냉매의 상변화 없이 냉각시키는 제1프리쿨러; 상기 제1프리쿨러를 통과한 제1냉매와 제2냉매를 열교환시켜 제1냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기; 상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제1냉매를 일시적으로 수용하는 제1리시버 탱크; 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제1냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제1팽창밸브; 상기 제1팽창밸브에서 토출된 제1냉매와 열교환되어 제1냉매의 과열도를 증가시키는 저열원; 및 상기 제1리시버 탱크와 상기 제1팽창밸브 사이의 유로 상에 배치되어 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 제1냉매의 일부가 분기된 후 단열팽창되어 나머지 제1냉매와 비혼합 열교환함으로써 제1냉매의 과냉각도를 조절하는 과냉각기;를 포함하며, 제1냉매는 상기 저열원과 열교환한 후 제1회수 유로를 통해 상기 제1압축기로 회수되며, 상기 과냉각기에서 열교환된 후 상기 제1팽창밸브를 우회한 제1냉매는 상기 제1회수 유로에 합류되며, 상기 제1압축기의 출구와 상기 제1프리쿨러의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1팽창밸브와 상기 저열원을 연결하는 유로에 합류되도록 구성된 제1냉매 압력 보상 유로; 기체 상태의 제2냉매를 고온 고압으로 압축시키는 제2압축기; 상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 상변화가 일어나지 않는 상태에서 냉각시키는 제2프리쿨러; 상기 제2프리쿨러를 통과한 제2냉매가 열교환에 의해 응축되는 가열원; 상기 가열원을 통과한 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 냉각시키는 서브쿨러; 상기 서브쿨러를 통과한 제2냉매가 일시적으로 수용되는 제2리시버 탱크; 상기 제2리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제2냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제2팽창밸브; 상기 제2팽창밸브에서 토출된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기에서 제1냉매와 열교환되며; 상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제2냉매는 제2회수 유로를 통해 상기 제2압축기로 회수되며; 상기 가열원과 상기 서브쿨러를 연결하는 유로 상에 설치된 삼방밸브; 및 상기 삼방밸브에서 비례적으로 분기된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기를 통과하면서 상기 제2팽창밸브로부터 상기 캐스케이드 열교환기로 유입된 제2냉매와 비혼합 열교환이 이루어진 후 상기 서브쿨러의 입구쪽 유로에 합류되도록 구성된 부하 보상 유로;를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

다단 히트펌프 시스템{Cascade heat pump system}

본 발명은 다단 냉동 사이클이 채용된 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 100℃ 이상의 가열원을 공급할 수 있는 다단 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉동냉장 시스템은 기체 상태의 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 열교환에 액체 상태로 응축하는 응축기, 상기 응축기에서 토출된 냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 상변화시키는 팽창밸브 및 상기 팽창밸브에서 토출된 습포화 상태의 냉매를 열교환시켜 과열도가 조절된 상태로 상기 압축기로 회수시키는 냉매 사이클 구성요소를 포함한다. 이와 같은 냉매 사이클에서 증발기를 사용하여 특정 공간이나 특정 매체를 냉각시키는 시스템이 냉동 또는 냉장 시스템이며, 상기 응축기를 이용하여 특정 공간이나 특정 매체를 가열시키는 시스템이 히트펌프이다.

또한, 냉동 시스템이나 히트펌프 시스템의 효율을 향상시키기 위해 복수의 냉매 사이클을 결합한 것이 다단 냉동 시스템이나 다단 히트펌프 시스템이다. 이러한 다단 히트펌프 시스템의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1873595호에 개시되어 있다.

최근 다단 히트펌프 시스템의 지향점은 에너지 효율성을 향상시키려는 경향과 환경 오염을 감소시키려는 경향으로 요약될 수 있다. 다단 히트펌프 시스템에서 효율성을 향상시키기 위해서는 압축기의 작동 부하를 최소화하도록 냉매 사이클을 구성할 필요가 있으며, 환경 오염을 감소시키기 위해서는 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)가 낮은 냉매를 채용하는 것이다. 또한, 장시간 연속적으로 가동되는 건조 시설, 반도체 생산 시설, 디스플레이 생산 시설 등에 적용되는 다단 히트펌프 시스템은 안정적인 내구성이 강력하게 요구되고 있으나 종래의 시스템은 내구성 측면에서 취약한 문제점이 있었다.

001 KR 10-1873595 B1 (2018.06.26)

본 발명의 목적은 다단 히트펌프 시스템의 사이클 구성을 개선함으로써 다양한 저온 열원에서 효율적이고 안정적으로 장시간 100℃ 이상의 열원을 공급할 수 있는 새로운 다단 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다단 히트펌프 시스템은, 이원 냉매가 채용된 다단 히트펌프 시스템으로서,

기체 상태의 제1냉매를 고압으로 압축시키는 제1압축기;

상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매와 외부 공기 열원을 선택적으로 열교환시켜 제1냉매의 상변화 없이 냉각시키는 제1프리쿨러;

상기 제1프리쿨러를 통과한 제1냉매와 제2냉매를 열교환시켜 제1냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기;

상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제1냉매를 일시적으로 수용하는 제1리시버 탱크;

상기 제1리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제1냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제1팽창밸브;

상기 제1팽창밸브에서 토출된 제1냉매와 열교환되어 제1냉매의 과열도를 증가시키는 저열원; 및

상기 제1리시버 탱크와 상기 제1팽창밸브 사이의 유로 상에 배치되어 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 제1냉매의 일부가 분기된 후 단열팽창되어 나머지 제1냉매와 비혼합 열교환함으로써 제1냉매의 과냉각도를 조절하는 과냉각기;를 포함하며,

제1냉매는 상기 저열원과 열교환한 후 제1회수 유로를 통해 상기 제1압축기로 회수되며,

상기 과냉각기에서 열교환된 후 상기 제1팽창밸브를 우회한 제1냉매는 상기 제1회수 유로에 합류되며,

상기 제1압축기의 출구와 상기 제1프리쿨러의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1팽창밸브와 상기 저열원을 연결하는 유로에 합류되도록 구성된 제1냉매 압력 보상 유로;

기체 상태의 제2냉매를 고온 고압으로 압축시키는 제2압축기;

상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 상변화가 일어나지 않는 상태에서 냉각시키는 제2프리쿨러;

상기 제2프리쿨러를 통과한 제2냉매가 열교환에 의해 응축되는 가열원;

상기 가열원을 통과한 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 냉각시키는 서브쿨러;

상기 서브쿨러를 통과한 제2냉매가 일시적으로 수용되는 제2리시버 탱크;

상기 제2리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제2냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제2팽창밸브;

상기 제2팽창밸브에서 토출된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기에서 제1냉매와 열교환되며;

상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제2냉매는 제2회수 유로를 통해 상기 제2압축기로 회수되며;

상기 가열원과 상기 서브쿨러를 연결하는 유로 상에 설치된 삼방밸브; 및

상기 삼방밸브에서 비례적으로 분기된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기를 통과하면서 상기 제2팽창밸브로부터 상기 캐스케이드 열교환기로 유입된 제2냉매와 비혼합 열교환이 이루어진 후 상기 서브쿨러의 입구쪽 유로에 합류되도록 구성된 부하 보상 유로;를 포함한 점에 특징이 있다.

상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매에 혼합된 오일을 분리하는 제1유분리기;

상기 제1유분리기에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부가 열교환되어 오일의 온도를 냉각시키는 제1오일 쿨러; 및

상기 제1오일 쿨러를 통과한 오일의 압력을 낮추는 제1모세관; 을 포함하며,

상기 제1모세관을 통과한 오일은 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성되며,

상기 제1오일 쿨러에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크에서 토출되어 상기 제1오일 쿨러를 우회한 액체 상태의 제1냉매가 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키는 액가스 열교환기를 포함하며,

상기 제1오일 쿨러로부터 상기 액가스 열교환기를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매에 혼합된 오일을 분리하는 제2유분리기;

상기 제2유분리기에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부와 열교환되어 오일의 온도를 냉각시키는 제2오일 쿨러; 및

상기 제2오일 쿨러를 통과한 오일의 압력을 낮추는 제2모세관;을 포함하며,

상기 제2모세관을 통과한 오일은 상기 제2회수 유로에 합류되도록 구성되며,

상기 제2오일 쿨러에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크에서 토출되어 상기 제2오일 쿨러를 우회한 액체 상태의 제1냉매가 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키는 액가스 열교환기를 포함하며,

상기 제2오일 쿨러로부터 상기 액가스 열교환기를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 제2압축기의 출구와 상기 제2유분리기의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제2회수 유로에 합류되도록 구성된 압축기 손상 방지 유로를 포함한 것이 바람직하다.

상기 제1리시버 탱크와 상기 과냉각기를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 과열 방지 유로를 포함한 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 다단 히트펌프 시스템은 저열원과 열교환이 이루어지는 제1냉매를 매개로 하는 제1압축기의 과부하를 방지할 수 있도록 제1프리쿨러, 제1냉매 압력 보상 유로를 구비하며, 가열원과의 열교환이 이루어지는 제2냉매를 매개로 하는 가열원의 온도를 조절하고 제2압축기의 부하를 최소할 수 있도록 제2프리쿨러, 서브쿨러 및 부하 보상 유로를 포함함으로써 제1압축기와 제2압축기의 효율을 안정적으로 장시간 최대로 구현할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예와 같이 제1압축기의 출력측 냉매에 혼합된 오일을 회수하는 과정에서 제1냉매와 오일을 열교환하도록 구성된 제1오일 쿨러 또는 제2압축기의 출력측 냉매에 혼합된 오일을 회수하는 과정에서 제1냉매와 오일을 열교환하도록 구성된 제2오일 쿨러를 포함한 경우에는 제2압축기의 내구성과 효율이 더욱 향상될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예와 같이 제2압축기의 토출구쪽 냉매 유로에서 분기된 핫 가스를 제2압축기의 입구쪽으로 선택적으로 공급할 수 있도록 압축기 손상 방지 유로가 구비된 경우 압축기의 흡입에서의 액백 방지와 압력을 안정적으로 유지할 수 있으므로 제2압축기의 부하를 더욱 줄일 수 있어 시스템의 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다단 히트펌프 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 다단 히트펌프의 냉매의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 캐스케이드 열교환기 부분을 확대하여 보여주는 도면으로서 제1열교환부 및 제2열교환부에서 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.

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

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다단 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 다단 히트펌프의 냉매의 흐름을 표시한 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 캐스케이드 열교환기 부분을 확대하여 보여주는 도면으로서 제1열교환부 및 제2열교환부에서 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도면에 별도의 식별번호가 표기되지 않는 밸브, 센서, 필터 등의 구성요소는 본 발명만의 특징적인 구성요가 아닌 것들로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 자명하게 이해될 수 있는 것이므로 상세한 서술은 생략한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다단 히트펌프 시스템(10)은, 이원 냉매가 채용된 다단 히트펌프 시스템으로서 저온 모듈(20)과 고온 모듈(30)을 포함한다.

상기 저온 모듈(20)을 구성하는 구성요소는 제1압축기(210)와, 제1유분리기(215)와, 제1프리쿨러(220)와, 캐스케이드 열교환기(230)와, 제1리시버 탱크(240)와, 과냉각기(250)와, 제1팽창밸브(260)와, 저열원(40)과, 제1회수 유로(P1)와, 제1냉매 압력 보상 유로(P3)와, 제1모세관(271)과, 과열 방지 유로(P5)와, 제1오일 쿨러(280)와, 액가스 열교환기(290)를 포함한다.

상기 저온 모듈(20)을 구성하는 제1냉매는 GWP가 676인 R-452B 또는 GWP가 477인 R-454B를 사용할 수 있다. R-452B 또는 R-454B 등의 냉매는 종래 냉매에 비하여 GWP가 현저히 낮아 지구온난화 방지에 매우 긍정적으로 기여할 수 있다. 상기 제1압축기(210)는 기체 상태의 제1냉매를 고압으로 압축하여 토출시킨다.

상기 제1유분리기(215)는 상기 제1압축기(210)에서 토출된 고압의 제1냉매에 혼합된 오일을 분리하는 장치다. 상기 제1유분리기(215)는 공지된 구조의 유분리기를 채용하여 구성할 수 있다.

상기 제1프리쿨러(220)는 상기 제1압축기(210)에서 토출된 제1냉매와 외부 공기 열원을 선택적으로 열교환시키는 장치다. 상기 제1프리쿨러(220)는 제1냉매의 상변화 없이 제1냉매를 냉각시킨다. 즉, 상기 제1프리쿨러(220)에서 토출되는 제1냉매는 기체 상태를 유지한다. 상기 제1프리쿨러(220)는 수반된 팬과 댐퍼가 미리 특정된 조건에서만 작동되도록 구성됨으로써 선택적인 열교환이 가능하다. 상기 제1프리쿨러(220)에 수반된 팬과 댐퍼가 작동하지 않을 경우에 제1냉매는 공기와 열교환이 이루어지지 않고 상기 제1프리쿨러(220)를 통과한다. 상기 제1프리쿨러(220)에 수반된 팬과 댐퍼는 후술하는 제1리시버 탱크(240)로 유입되는 냉매의 온도 또는 압력이 미리 설정된 값을 초과하는 경우에만 작동되도록 구성된다. 상기 제1프리쿨러(220)에 수반된 팬과 댐퍼의 작동 여부를 제어하기 위해 후술하는 제1리시버 탱크(240)로 유입되는 제1냉매의 온도를 측정하는 제1온도센서(235) 또는 제1냉매의 압력을 측정하는 고압 압력 센서(미도시)가 설치된다.

상기 캐스케이드 열교환기(230)는 상기 제1프리쿨러(220)를 통과한 제1냉매와 제2냉매를 열교환시켜 제1냉매를 응축시키는 작용을 수행한다. 상기 캐스케이드 열교환기(230)는 저온 모듈(20)에서는 응축기의 역할을 수행하며, 고온 모듈(30)에서는 증발기의 역할을 수행한다. 상기 캐스케이드 열교환기(230)는 제1냉매와 제2냉매가 열교환되는 제1열교환부(231)와 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2열교환부(232)를 포함한다. 상기 제1열교환부(231)와 상기 제2열교환부(232) 사이는 진공층에 의해 서로 단열된 구조를 형성한다. 도 3은 상기 제1열교환부(231)에서 제1냉매와 제2냉매가 열교환되는 경우 냉매의 흐름과 상기 제2열교환부(232)에서 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 경우 냉매의 흐름을 보여준다. 상기 제2열교환부(232)는 후술하는 부하 보상 유로(P4)에 제2냉매가 흐르도록 조절하는 삼방밸브(325)의 개방과 제2솔레노이드 밸브(355)의 개방에 의해 작동된다.

상기 제1리시버 탱크(240)는 상기 캐스케이드 열교환기(230)를 통과한 제1냉매를 일시적으로 수용하는 장치다. 상기 제1리시버 탱크(240)에서는 액상의 제1냉매만 토출되도록 구성된다. 상기 제1리시버 탱크(240)에 수용된 제1냉매의 온도 또는 압력이 미리 정해진 값을 초과할 경우 제1프리쿨러(220)가 작동한다. 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 제1냉매는 과냉각기(250)로 유입된다.

상기 과냉각기(250)는 상기 제1리시버 탱크(240)와 제1팽창밸브(260)를 연결하는 유로 상에 설치된다. 상기 과냉각기(250)는 제1냉매 간 자체 열교환이 수행되는 열교환기이다. 더 구체적으로 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 냉매의 일부가 분기된 후 과냉각 팽창밸브(255)에서 단열팽창 과정을 거침으로써 온도가 낮아진 상태로 상기 과냉각기(250)로 유입된다. 한편, 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 냉매의 나머지는 그대로 상기 과냉각기(250)로 유입된다. 상기 과냉각기(250)에서는 상기 과냉각 팽창밸브(255)에서 단열팽창에 의해 온도가 낮아진 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크(240)에서 직접 유입된 제1냉매가 비혼합 열교환을 한다. 상기 과냉각기(250)는 예컨대 판형 열교환기가 채용될 수 있다. 상기 과냉각기(250)를 통해 제1팽창밸브(260)로 유입되는 제1냉매는 과냉각도가 조절된 상태이다. 한편, 상기 제1리시버 탱크(240)에서 분기되어 단열팽창된 후 과냉각기(250)로 유입된 제1냉매는 제1팽창밸브(260)를 우회하여 후술하는 제1회수 유로(P1)에 합류된다.

상기 제1팽창밸브(260)는 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 액체 상태의 제1냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 장치다. 더 구체적으로 상기 제1팽창밸브(260)에서 상기 과냉각기(250)에서 과열도가 조절된 제1냉매가 유입된 후 단열팽창한다. 상기 제1팽창밸브(260)를 통과한 제1냉매는 습포화 상태의 증기가 된다.

상기 저열원(40)은 상기 제1팽창밸브(260)를 통과한 냉매가 열교환에 의해 과열도를 증가시킨다. 상기 저열원(40)은 공기열, 지열, 수열 등 다양한 열원이 채용될 수 있다. 상기 저열원(40)은 제1냉매에 열을 제공함으로써 제1냉매의 과열도를 상승시킨다.

상기 제1회수 유로(P1)는 상기 저열원(40)과 제1압축기(210)의 입구쪽을 연결하는 냉매 유로다. 제1냉매는 상기 저열원(40)과 열교환한 후 제1회수 유로(P1)를 통해 상기 제1압축기(210)로 회수된다.

상기 제1냉매 압력 보상 유로(P3)는 상기 제1압축기(210)의 출구와 상기 제1프리쿨러(220)의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1팽창밸브(260)와 상기 저열원(40)을 연결하는 유로에 합류되도록 구성된다. 상기 제1냉매 압력 보상 유로(P3)는 저온 모듈(20)의 초기 가동시 상기 제1압축기(210)로 회수되는 제1냉매의 과열도가 충분하지 않은 경우 또는 상기 저열원(40)의 온도가 너무 낮아 제1냉매가 제1압축기(210)로 회수되는 제1회수 유로(P1)에 결빙이 발생할 경우를 방지하기 위해 마련된 것이다. 상기 제1냉매 압력 보상 유로(P3)는 제1압축기(210)로 회수되는 제1냉매의 압력이 미리 정해진 값 이하로 떨어지지 않도록 제1압축기(210)의 출구쪽 핫 가스를 제1회수 유로(P1)에 공급함으로써 제1압축기(210)에 유입되는 제1냉매의 과열도를 조절한다. 상기 제1냉매 압력 보상 유로(P3)의 개폐는 제1솔레노이드 밸브(262)에 의해 조절된다. 이와 같은 제어를 위해 상기 제1회수 유로(P1)에는 제1압력센서(265)가 설치된다.

상기 제1모세관(271)은 상기 제1유분리기(215)에서 분리된 오일의 압력을 낮추는 작용을 수행한다. 구체적으로 상기 제1유분리기(215)에서 분리된 오일의 압력이 지나치게 높을 경우 저압 변화가 커서 시스템이 제1압축기(210)에 악영향을 주기 때문에 제1모세관(271) 제1압축기(210)로 회수되는 오일의 압력을 낮추는 작용을 수행한다. 상기 제1모세관(271)을 통과한 오일은 상기 제1회수 유로(P1)에 합류되도록 구성된다.

이 과정에서 상기 제1유분리기(215)에서 분리된 오일의 압력을 더욱 효과적으로 조절하기 위해 제1오일 쿨러(280)가 설치될 수 있다. 상기 제1오일 쿨러(280)는 상기 제1유분리기(215)에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부가 열교환되어 오일의 온도를 냉각시키는 장치다. 상기 제1오일 쿨러(280)로 유입되는 제1냉매는 제3팽창밸브(282)에서 단열팽창한 후 제1오일 쿨러(280)로 유입되도록 구성된다.

상기 제1오일 쿨러(280)가 설치된 경우, 상기 제1모세관(271)은 상기 제1오일 쿨러(280)를 통과한 오일의 압력을 낮추는 역할을 수행한다.

상기 제1오일 쿨러(280)에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출되어 상기 제1오일 쿨러(280)를 우회한 액체 상태의 제1냉매가 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키는 액가스 열교환기(290)가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 액가스 열교환기(290)는 상기 제1리시버 탱크(240)와 상기 과냉각기(250)를 연결하는 유로 상에 설치될 수 있다. 상기 제1오일 쿨러(280)로부터 상기 액가스 열교환기(290)를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로(P1)에 합류된다.

상기 과열 방지 유로(P5)는 상기 저열원(40)을 통해 상기 제1압축기(210)로 회수되는 제1냉매의 온도나 압력이 지나치가 높아지지 않도록 하기 위해 마련된 것이다. 상기 과열 방지 유로(P5)는 상기 제1리시버 탱크(240)의 출구와 상기 과냉각기(250)을 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1회수 유로(P1)에 합류되도록 구성된다. 상기 과열 방지 유로(P5)에는 제1냉매를 단열팽창시켜 온도와 압력을 낮추는 제3모세관(273)이 설치된다. 또한, 상기 과열 방지 유로(P5)에는 상기 제3모세관(273)으로 유입되는 제1냉매의 양을 제어할 수 있도록 제3솔레노이드 밸브(263)가 설치된다. 상기 과열 방지 유로(P5)를 통해 온도와 압력이 낮아진 제1냉매가 상기 제1회수 유로(P1)에 분사됨으로써 제1압축기(210)가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 상기 과열 방지 유로(P5)의 개폐 여부를 제어하기 위해 상기 제1회수 유로(P1)의 제1압축기(210)의 입구 쪽 가까이에 제2압력센서(267)가 설치된다.

이제 상기 고온 모듈(30)을 구성하는 구성요소에 대해 서술한다.

상기 고온 모듈(30)을 구성하는 제2냉매는 1233Zd(E)가 사용될 수 있다. 상기 1233Zd(E) 냉매는 GWP가 4.5로서 지구온난화 방지에 매우 효과적이다.

상기 고온 모듈(30)을 구성하는 구성요소는 제2압축기(310)와, 제2유분리기(315)와, 제2프리쿨러(320)와, 가열원(50)과, 삼방밸브(325)와, 서브쿨러(330)와, 제2리시버 탱크(340)와, 캐스케이드 열교환기(230)와, 제2회수 유로(P2)와, 제2오일 쿨러(380)와, 부하 보상 유로(P4), 압축기 손상 방지 유로(P6)를 포함한다.

상기 제2압축기(310)는 기체 상태의 제2냉매를 고온 고압으로 압축하여 토출시키는 장치다.

상기 제2유분리기(315)는 상기 제2압축기(310)에서 토출된 고압의 제2냉매에 혼합된 오일을 분리하는 장치다. 상기 제2유분리기(315)는 공지된 구조의 유분리기를 채용하여 구성할 수 있다.

상기 제2프리쿨러(320)는 상기 제2압축기(310)에서 토출된 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시키는 장치다. 상기 제2프리쿨러(320)는 제2냉매를 상변화가 일어나지 않는 상태에서 냉각시킨다. 즉, 상기 제2프리쿨러(320)에서 토출되는 제2냉매는 기체 상태를 유지한다. 상기 제2프리쿨러(320)는 수반된 팬과 댐퍼가 미리 특정된 조건에서만 작동되도록 구성됨으로써 선택적인 열교환이 가능하다. 더 구체적으로 상기 제2프리쿨러(320)는 가열원(50)으로 유입되는 제2냉매의 온도를 측정하는 제2온도센서(322) 또는 제2압축기(310)에서 토출되는 제2냉매의 압력 값에 의해 가동 여부가 결정된다. 상기 제2프리쿨러(320)에 수반된 팬과 댐퍼가 작동하지 않을 경우에 제2냉매는 공기와 열교환이 이루어지지 않고 상기 제2프리쿨러(320)를 통과한다. 상기 제2프리쿨러(320)에 수반된 팬과 댐퍼는 후술하는 가열원(50)으로 공급되는 제2냉매의 온도 또는 제2압축기(310)에서 토출되는 제2냉매의 압력이 미리 설정된 값을 초과하는 경우에만 작동되도록 구성된다.

상기 가열원(50)은 상기 제2프리쿨러(320)를 통과한 제2냉매가 열교환에 의해 응축되도록 하는 열원이다. 상기 가열원은 공기, 급탕수, 난방수 등 다양한 열유체가 채용될 수 있다. 본 발명에서 상기 가열원(50)에 공급되는 제2냉매의 온도는 120℃ 이상이다. 이에 따라 상기 가열원(50)이 공기인 경우 가열된 공기의 온도는 120℃ ~ 125℃, 가열원(50)이 물인 경우 가열된 물의 온도는 90℃ ~ 99℃ 정도가 가능하다.

상기 서브쿨러(330)는 상기 가열원(50)을 통과한 제2냉매를 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 냉각시키는 장치다. 상기 서브쿨러(330)는 제2냉매를 상변화가 일어나지 않는 상태에서 냉각시킨다. 즉, 상기 서브쿨러(330)에서 토출되는 제2냉매는 액체 상태를 유지한다. 상기 서브쿨러(330)에 수반된 팬은 미리 특정된 조건에서만 작동되도록 구성됨으로써 효율적인 열교환이 가능하다. 더 구체적으로 상기 서브쿨러(330)에 수반된 팬의 가동여부는 제2리시버 탱크(340)로 유입되는 제2냉매의 온도를 측정하는 제3온도센서(335)의 값에 의해 결정된다. 상기 서브쿨러(330)에 수반된 팬이 작동하지 않을 경우에 제2냉매는 공기와 열교환이 상대적으로 적게 이루어지면서 상기 서브쿨러(330)를 통과한다. 상기 서브쿨러(330)에 수반된 팬은 후술하는 제2리시버 탱크(340)로 유입되는 제2냉매의 온도 또는 압력이 미리 설정된 값을 초과하는 경우에만 작동되도록 구성된다.

상기 제2리시버 탱크(340)는 상기 서브쿨러(330)를 통과한 제2냉매가 일시적으로 수용되는 장치다. 상기 제2리시버 탱크(340)에서는 액상의 제2냉매만 토출되도록 구성된다. 상기 제2리시버 탱크(340)에 수용된 제2냉매의 온도가 미리 정해진 값을 초과할 경우 서브쿨러(330)가 작동한다. 상기 제2리시버 탱크(340)에서 토출된 제2냉매는 상기 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된다.

상기 제2팽창밸브(350)는 상기 제2리시버 탱크(340)에서 토출된 액체 상태의 제2냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 장치다. 상기 제2팽창밸브(350)를 통과한 제2냉매는 습포화 상태의 증기가 된다.

상기 캐스케이드 열교환기(230)는 전술한 바와 같이 저온 모듈(20)에서는 응축기 역할을 수행하며, 고온 모듈(30)에서는 증발기 역할을 수행한다. 상기 캐스케이드 열교환기(230)에서는 제1냉매와 제2냉매가 비혼합 열교환을 수행한다. 더 구체적으로 상기 캐스케이드 열교환기(230)에서는 상기 제2팽창밸브(350)에서 토출된 제2냉매가 제1냉매와 열교환된다. 그 결과 제1냉매는 과냉각도가 증가된 액체가 되며, 제2냉매는 과열도가 증가된 기체 상태가 된다. 또한, 상기 캐스케이드 열교환기(230)는 제2냉매 간 열교환이 가능하도록 구성된다. 상기 캐스케이드 열교환기(230)를 매개로 제2냉매 간 열교환이 가능한 구성은 후술하는 부하 보상 유로(P4)를 통해 구현된다. 부하 보상 유로(P4)를 통과하는 제2냉매와 제1냉매 간 열교환이 일어나지 않도록, 상기 캐스케이드 열교환기(230) 내에서 제1열교환부(231)와 제2열교환부(232) 사이에는 진공층에 의한 단열 구조가 구비된다는 점은 전술한 바 있다.

상기 제2회수 유로(P2)는 상기 캐스케이드 열교환기(230)의 제2냉매 출구쪽과 제2압축기(310)의 입구쪽을 연결하는 냉매 유로다. 상기 캐스케이드 열교환기(230)를 통과한 제2냉매는 제2회수 유로(P2)를 통해 상기 제2압축기(310)로 회수된다.

상기 삼방밸브(325)는 후술하는 부하 보상 유로(P4)를 구성하기 위해 설치된다. 상기 삼방밸브(325)는 상기 가열원(50)과 상기 서브쿨러(330)를 연결하는 유로 상에 설치된다. 상기 삼방밸브(325)는 비례적으로 개폐되어 상기 가열원(50)에서 상기 서브쿨러(330)로 흐르는 제2냉매의 일부를 분기하여 상기 캐스케이드 열교환기(230)로 유입시킨다.

상기 부하 보상 유로(P4)는 상기 삼방밸브(325)에서 비례적으로 분기된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기(230)를 통과하면서 상기 제2리시버 탱크(340)로부터 상기 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된 제2냉매와 비혼합 열교환이 이루어진 후 상기 서브쿨러(330)의 입구쪽 유로에 합류되도록 구성된 냉매 유로이다. 상기 부하 보상 유로(P4)를 흐르는 제2냉매는 캐스케이드 열교환기(230)의 제2열교환부(232)에서 제2냉매 간 상호 열교환이 일어난다. 상기 부하 보상 유로(P4)를 흐르는 제2냉매는 상기 제2팽창밸브(350)로부터 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된 제2냉매가 제2솔레노이드 밸브(355)의 개방에 의해 제2열교환부(232)를 통과하면서 제2냉매 간 상호 열교환이 이루어진다. 상기 부하 보상 유로(P4)는 상기 저열원(40)의 부하가 감소하여 가열원(50)의 열원이 부족해지는 경우 가열원(50)에서 회수되는 액체 상태의 제2냉매 일부를 상기 캐스케이드 열교환기(230)의 제2열교환부(232)로 순환시킴으로써 제2압축기(310)로 회수되는 제2냉매의 과열도가 조절되도록 하는 역할을 수행한다. 상기 부하 보상 유로(P4)를 통과하는 제2냉매는 제1냉매와 열교환이 이루어지지 않도록 제1열교환부(231)와 제2열교환부(232) 사이는 진공층에 의한 단열 구조가 형성된다는 점은 전술한 바 있다.

상기 제2오일 쿨러(380)는 상기 제2유분리기(315)에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부와 열교환되어 제2압축기(310)를 윤활시키는 오일의 온도를 냉각시키는 장치다. 본 발명에서 상기 제2오일 쿨러(380)의 냉각을 위한 열원은 저온 모듈(20)을 구성한 제1냉매의 일부를 도입하여 열교환부를 구성한 점에 특징이 있다. 더 구체적으로 상기 제2오일 쿨러(380)로 유입되는 제1냉매는 제1리시버 탱크(240)의 출구쪽에서 과냉각기(250)로 흐르는 유로에서 분기된다. 상기 제2오일 쿨러(380)로 유입되기 전 제1냉매는 제4팽창밸브(382)에서 단열팽창하여 감온 및 감압된다. 상기 제2오일 쿨러(380)를 통과한 오일은 제2모세관(372)을 통과하면서 과열도가 감소된 후 상기 제2회수 유로(P2)에 합류되도록 구성된다. 상기 제2오일 쿨러(380)에 유입되는 제1냉매의 흐름은 제5솔레노이드 밸브(385)에 의해 개폐된다.

상기 제2오일 쿨러(380)에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출되어 상기 제2오일 쿨러(380)를 우회한 액체 상태의 제1냉매는 전술한 상기 액가스 열교환기(290)에서 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키고 기체 상태의 제1냉매의 과열도는 증가된다. 상기 제2오일 쿨러(380)로부터 상기 액가스 열교환기(290)를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로(P1)에 합류된다.

상기 압축기 손상 방지 유로(P6)는 제2압축기(310)의 손상을 방지하기 위해 마련된 것이다. 상기 압축기 손상 방지 유로(P6)는 상기 제2압축기(310)의 출구와 상기 제2유분리기(315)의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제2회수 유로(P2)에 합류되도록 구성된다. 상기 압축기 손상 방지 유로(P6)는 제2압축기(310)의 초기 가동시 제2회수 유로(P2)에 잔류하는 액상의 제2냉매가 제2압축기(310)로 유입되기 전에 고온의 핫 가스에 의해 기화되도록 함으로써 제2압축기(310)에서 액압축에 의한 손상이 일어나는 것을 방지한다. 상기 압축기 손상 방지 유로(P6)의 개폐 여부를 제어할 수 있도록, 상기 압축기 손상 방지 유로(P6)에 제4솔레노이드 밸브(360)가 구비된다.

이하에서 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 다단 히트펌프 시스템의 작용 효과를 제1냉매와 제2냉매의 흐름을 따라 상세하게 서술하기로 한다.

도 2를 참조하여, 먼저 저온 모듈을 구성하는 제1냉매의 흐름을 서술한다. 상기 제1압축기(210)가 작동함으로써 기체 상태의 제1냉매는 고압으로 압축되어 제1유분리기(215) 쪽으로 토출된다. 제1유분리기(215)에서 제1냉매에 혼합된 오일이 분리된다. 제1유분리기(215)에서 분리된 오일은 제1모세관(271)을 통과하면서 단열팽창하여 기체상태가 된다. 제1모세관(271)을 통과한 오일은 제1회수 유로(P1)에 합류되어 제1압축기(210)로 회수된다. 이 과정에서 제1유분리기(215)에서 분리된 오일은 제1모세관(271)을 통과하기 전에 제1오일 쿨러(280)에서 1차적으로 온도가 낮아진다.

상기 제1유분리기(215)에서 토출된 고온 고압의 제1냉매는 제1프리쿨러(220)에 유입된다. 제1프리쿨러(220)에 수반된 팬과 댐퍼는 제1리시버 탱크(240)로 유입되는 제1냉매의 온도나 압력이 미리 정해진 값을 초과한 경우 작동함으로써 외부 공기 열원과 제1냉매가 열교환 된다. 제1프리쿨러(220)를 통과한 제1냉매는 기체 상태를 유지하며 캐스케이드 열교환기(230)에 유입된다. 캐스케이드 열교환기(230)에서 제1냉매는 제2냉매와 열교환하여 액체 상태로 응축된다. 캐스케이드 열교환기(230)를 통과한 제1냉매는 제1리시버 탱크(240)에 일시적으로 수용된다. 이 과정에서 제1프리쿨러(220)로 유입되는 제1냉매의 일부는 분기되어 제1냉매 압력 보상 유로(P3)에 설치된 제1솔레노이드 밸브(262)의 개방에 의해 저열원(40)으로 유입되는 제1냉매에 합류될 수 있다. 상기 제1냉매 압력 보상 유로(P3)가 개방되는 경우는 저열원(40)의 온도가 너무 낮아 제1냉매의 압력이 너무 낮아짐으로써 제1회수 유로(P1)의 표면에 결빙이 발생하는 것을 방지하기 위한 경우이다. 이 경우 제1압축기(210)에서 토출된 핫 가스 상태의 제1냉매의 일부가 저열원(40)으로 유입되는 제1냉매에 합류됨으로써 저열원(40)을 통과하여 제1압축기(210)로 회수되는 제1냉매의 과열도가 효율적으로 조절됨으로써 제1회수 유로(P1)에 결빙이 발생하는 방지하는 효과를 제공한다.

상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 액체 상태의 제1냉매의 일부는 제1오일 쿨러(280) 또는 제2오일 쿨러(380)를 통과한 후 액가스 열교환기(290)를 거쳐 과열도가 증가한 기체 상태로 제1회수 유로(P1)를 통해 제1압축기(210)로 회수된다. 한편, 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 액체 상태의 제1냉매의 나머지는 액가스 열교환기(290)와 과냉각기(250)에서 과냉각도가 조절된다. 과냉각기(250)에서 과열도가 조절된 제1냉매는 제1팽창밸브(260)에서 단열팽창하여 습포화 증기가 된 후 저열원으로 유입된다. 한편, 과열도 조절을 위해 단열팽창된 상태로 과냉각기(250)에 유입된 제1냉매는 제1팽창밸브(260)를 우회하여 제1회수 유로(P1)에 합류된다. 저열원과의 열교환에 의해 제1냉매는 과열도가 상승하여 제1회수 유로(P1)를 통해 제1압축기(210)로 회수됨으로써 저온 모듈이 완성된다. 이 과정에서 저열원의 온도가 지나치게 높아진 경우 제1회수 유로(P1)로 회수되는 제1냉매의 온도가 미리 설정된 값 보다 높아질 수 있다. 이 때 상기 과열 방지 유로(P5)를 통해 감온 및 감압된 제1냉매가 제1회수 유로(P1)에 분사됨으로써 제1압축기(210)에 화재가 발생하는 것을 방지하는 효과를 제공한다.

한편, 이 과정에서 상기 제1리시버 탱크(240)에서 토출된 제1냉매의 일부가 분기되어 고온 모듈을 구성하는 제2오일 쿨러(380)를 통과한 후 제1회수 유로(P1)에 합류되도록 구성됨으로써 제2유분리기(315)에서 분리된 고온의 오일을 제2냉매에 비하여 훨씬 낮은 온도인 제1냉매를 이용하여 효과적으로 냉각할 수 있는 효과를 제공한다.

이제, 고온 모듈을 설명한다.

제1압축기(210) 보다 시간적으로 약간 늦은 2분 이내에 제2압축기(310)가 작동한다. 제2압축기(310)에 의해 고온 고압의 기체로 압축된 제2냉매는 제2유분리기(315)에서 오일이 분리된 후 제2프리쿨러(320)를 통과한다. 제2프리쿨러(320)에 수반된 팬과 댐퍼는 가열원으로 유입되는 제2냉매의 온도나 압력이 미리 설정된 온도 보다 높은 경우에만 작동한다. 제2프리쿨러(320)를 통과한 제2냉매는 기체 상태를 유지한다. 제2프리쿨러(320)를 통과한 제2냉매는 가열원(50)으로 유입되어 가열원(50)과 열교환을 수행한다. 이에 따라 가열원(50)의 온도가 상승하고 제2냉매는 액화되어 응축된다. 가열원(50)을 통과한 제2냉매는 액체 상태로 서브쿨러(330)에 유입된다. 상기 서브쿨러(330)에서 제2냉매는 외부 공기와 열교환에 의해 온도가 낮아진다. 상기 서브쿨러(330)에 수반된 팬은 제2리시버 탱크(340)로 유입되는 제2냉매의 온도가 미리 설정된 값 보다 높은 경우에만 작동한다. 제2냉매는 상기 제2리시버 탱크(340)에 일시적으로 수용된 후 액체 상태로 토출되어 제2팽창밸브(350)로 유입된다. 제2냉매는 제2팽창밸브(350)에서 단열팽창하여 습포화 증기가 된다. 제2팽창밸브(350)에서 토출된 제2냉매는 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된다. 제2냉매는 캐스케이드 열교환기(230)에서 제1냉매와 열교환에 의해 과열도가 상승한다. 캐스케이드 열교환기를 통과한 제2냉매는 제2회수 유로(P2)를 통해 제2압축기(310)로 회수됨으로써 고온 모듈이 완성된다.

이 과정에서 저열원의 부하가 지나치게 낮을 경우, 캐스케이드 열교환기(230)에서 제1냉매와 제2냉매 간 열교환이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 이 경우 삼방밸브(325)가 부하 보상 유로(P4)를 개방하여 가열원으로부터 회수되는 고온의 제2냉매가 부하 보상 유로(P4)를 통해 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된다. 또한, 제2솔레노이드 밸브(355)가 개방되어 제2팽창밸브(350)에서 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된 제2냉매는 제1열교환부(231)와 제2열교환부(232)로 분기되어 흐른다. 이에 따라 제1열교환부(231)에서는 제1냉매와 제2냉매 간 열교환이 이루어지고, 제2열교환부(232)에서는 제2냉매 간 비혼합 열교환이 이루어진다. 이 경우 부하 보상 유로(P4)에 의해 버려지는 제2냉매의 열을 이용하여 제2팽창밸브(350)로부터 캐스케이드 열교환기(230)로 유입된 제2냉매의 과열도가 조절된다. 이에 따라 제2회수 유로(P2)를 통해 제2압축기(310)로 회수되는 제2냉매의 과열도가 안정적으로 유지될 수 있다.

한편, 이 과정에서 제2압축기(310)의 가동 초기에 제2회수 유로(P2)에 잔류하는 액상의 제2냉매가 기화되지 않고 제2압축기(310)에 유입되는 것을 방지하도록 제4솔레노이드 밸브(360)의 개방에 의해 압축기 손상 방지 유로(P6)가 개방된다. 이에 따라 제2압축기(310)의 출구쪽 고온 핫 가스가 제2회수 유로(P2)에 잔류하는 액상의 제2냉매를 기화시켜서 제2압축기(310)로 유입되도록 한다. 그 결과 제2압축기(310)의 유입구쪽 제2냉매의 과열도가 안정적으로 관리됨으로써 제2압축기(310)의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 이 과정에서 제2유분리기(315)에서 분리된 고온의 기체 상태의 오일을 제1냉매의 일부를 추출하여 제4팽창밸브(382)에서 단열팽창시킨 후 제2오일 쿨러(380)에서 열교환시킴으로써 오일을 효과적으로 냉각시킨 후 제3모세관에서 감온 및 감압시켜 제2회수 유로에 합류시킨다.

이와 같이 본 발명에 따른 다단 히트펌프 시스템은 저열원과 열교환이 이루어지는 제1냉매를 매개로 하는 제1압축기의 과부하를 방지할 수 있도록 제1프리쿨러, 제1냉매 압력 보상 유로를 구비하며, 가열원과의 열교환이 이루어지는 제2냉매를 매개로 하는 가열원의 온도를 조절하고 제2압축기의 부하를 최소할 수 있도록 제2프리쿨러, 서브쿨러 및 부하 보상 유로를 포함함으로써 제1압축기와 제2압축기의 효율을 안정적으로 장시간 최대로 구현할 수 있는 효과를 제공한다.

이와 같은 구성과 효과를 구현할 수 있는 본 발명의 다단 히트펌프 시스템은 대량의 고온 건조가 필요한 건조 시설, 반도체 생산 시설, 디스플레이 생산 시설 등에 채용되어 최상의 효율성과 최상의 내구성을 제공할 수 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

10 : 다단 히트펌프 시스템
20 : 저온 모듈
30 : 고온 모듈
40 : 저열원
50 : 가열원
210 : 제1압축기
215 : 제1유분리기
220 : 제1프리쿨러
230 : 캐스케이드 열교환기
231 : 제1열교환부
232 : 제2열교환부
235 : 제1온도센서
240 : 제1리시버 탱크
250 : 과냉각기
255 : 과냉각 팽창밸브
260 : 제1팽창밸브
262 : 제1솔레노이드 밸브
263 : 제3솔레노이드 밸브
265 : 제1압력센서
267 : 제2압력센서
271 : 제1모세관
273 : 제3모세관
280 : 제1오일 쿨러
282 : 제3팽창밸브
290 : 액가스 열교환기
310 : 제2압축기
315 : 제2유분리기
320 : 제2프리쿨러
322 : 제2온도센서
325 : 삼방밸브
330 : 서브쿨러
335 : 제3온도센서
340 : 제2리시버 탱크
350 : 제2팽창밸브
355 : 제2솔레노이드 밸브
360 : 제4솔레노이드 밸브
372 : 제2모세관
380 : 제2오일 쿨러
382 : 제4팽창밸브
385 : 제5솔레노이드 밸브
P1 : 제1회수 유로
P2 : 제2회수 유로
P3 : 제1냉매 압력 보상 유로
P4 : 부하 보상 유로
P5 : 과열 방지 유로
P6 : 압축기 손상 방지 유로

Claims

이원 냉매가 채용된 다단 히트펌프 시스템으로서,
기체 상태의 제1냉매를 고압으로 압축시키는 제1압축기;
상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매와 외부 공기 열원을 선택적으로 열교환시켜 제1냉매의 상변화 없이 냉각시키는 제1프리쿨러;
상기 제1프리쿨러를 통과한 제1냉매와 제2냉매를 열교환시켜 제1냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기;
상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제1냉매를 일시적으로 수용하는 제1리시버 탱크;
상기 제1리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제1냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제1팽창밸브;
상기 제1팽창밸브에서 토출된 제1냉매와 열교환되어 제1냉매의 과열도를 증가시키는 저열원; 및
상기 제1리시버 탱크와 상기 제1팽창밸브 사이의 유로 상에 배치되어 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 제1냉매의 일부가 분기된 후 단열팽창되어 나머지 제1냉매와 비혼합 열교환함으로써 제1냉매의 과냉각도를 조절하는 과냉각기;를 포함하며,
제1냉매는 상기 저열원과 열교환한 후 제1회수 유로를 통해 상기 제1압축기로 회수되며,
상기 과냉각기에서 열교환된 후 상기 제1팽창밸브를 우회한 제1냉매는 상기 제1회수 유로에 합류되며,
상기 제1압축기의 출구와 상기 제1프리쿨러의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1팽창밸브와 상기 저열원을 연결하는 유로에 합류되도록 구성된 제1냉매 압력 보상 유로;
기체 상태의 제2냉매를 고온 고압으로 압축시키는 제2압축기;
상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 상변화가 일어나지 않는 상태에서 냉각시키는 제2프리쿨러;
상기 제2프리쿨러를 통과한 제2냉매가 열교환에 의해 응축되는 가열원;
상기 가열원을 통과한 제2냉매를 선택적으로 외부 공기 열원과 열교환시켜 제2냉매를 냉각시키는 서브쿨러;
상기 서브쿨러를 통과한 제2냉매가 일시적으로 수용되는 제2리시버 탱크;
상기 제2리시버 탱크에서 토출된 액체 상태의 제2냉매를 단열팽창시켜 습포화 증기로 변화시키는 제2팽창밸브;
상기 제2팽창밸브에서 토출된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기에서 제1냉매와 열교환되며;
상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 제2냉매는 제2회수 유로를 통해 상기 제2압축기로 회수되며;
상기 가열원과 상기 서브쿨러를 연결하는 유로 상에 설치된 삼방밸브; 및
상기 삼방밸브에서 비례적으로 분기된 제2냉매가 상기 캐스케이드 열교환기를 통과하면서 상기 제2팽창밸브로부터 상기 캐스케이드 열교환기로 유입된 제2냉매와 비혼합 열교환이 이루어진 후 상기 서브쿨러의 입구쪽 유로에 합류되도록 구성된 부하 보상 유로;를 포함한 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매에 혼합된 오일을 분리하는 제1유분리기;
상기 제1유분리기에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부가 열교환되어 오일의 온도를 냉각시키는 제1오일 쿨러; 및
상기 제1오일 쿨러를 통과한 오일의 압력을 낮추는 제1모세관; 을 포함하며,
상기 제1모세관을 통과한 오일은 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성되며,
상기 제1오일 쿨러에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크에서 토출되어 상기 제1오일 쿨러를 우회한 액체 상태의 제1냉매가 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키는 액가스 열교환기를 포함하며,
상기 제1오일 쿨러로부터 상기 액가스 열교환기를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매에 혼합된 오일을 분리하는 제2유분리기;
상기 제2유분리기에서 분리된 오일과 상기 제1리시버 탱크에서 토출된 후 분기된 제1냉매의 일부와 열교환되어 오일의 온도를 냉각시키는 제2오일 쿨러; 및
상기 제2오일 쿨러를 통과한 오일의 압력을 낮추는 제2모세관;을 포함하며,
상기 제2모세관을 통과한 오일은 상기 제2회수 유로에 합류되도록 구성되며,
상기 제2오일 쿨러에서 토출된 기체 상태의 제1냉매와 상기 제1리시버 탱크에서 토출되어 상기 제2오일 쿨러를 우회한 액체 상태의 제1냉매가 비혼합 열교환하여 액체 상태의 제1냉매의 과냉각도를 증가시키는 액가스 열교환기를 포함하며,
상기 제2오일 쿨러로부터 상기 액가스 열교환기를 통과한 제1냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2압축기의 출구와 상기 제2유분리기의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제2회수 유로에 합류되도록 구성된 압축기 손상 방지 유로를 포함한 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1리시버 탱크와 상기 과냉각기를 연결하는 유로에서 분기되어 상기 제1회수 유로에 합류되도록 구성된 과열 방지 유로를 포함한 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 시스템.