KR100877055B1 - 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

실내기의 일측에 직접 또는 간접적으로 물순환되는 급탕 열교환기를 더 구비하여 하나의 유닛에 의해 냉방, 난방 및 급탕은 물론, 냉방과 급탕, 난방과 급탕을 병행하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 냉방과 난방 및 급탕을 혼용함에 있어서 기능이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템이 개시된다. 이를 위해 본 발명은, 실외기(10)와, 실내기(20)가 제어부에 의해 제어되고 상기 실외기(10)와 실내기(20)를 순환하는 냉난방용 냉매순환부(30)를 따라 압축기(1), 4방변밸브(2), 실외열교환기(3), 팽창밸브(4) 및 실내열교환기(5)가 연속적으로 설치되어 상기 4방변 밸브(2)의 냉매흐름절환에 따라 냉난방을 선택적으로 수행하는 냉난방시스템에 있어서, 압축기(1)에서 토출된 냉매가스가 순환되어 응축되는 냉매순환부(30)에 연결되어 응축열량에 의해 급탕수가 공급되도록 하는 이중관 열교환기(100)가 실내기(20)의 내부에 더 포함되어 이루어진다.

히트펌프, 냉난방기, 급탕기, 열교환

Description

급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템{HYBRID HEAT PUMP TYPE HEAT AND COOLING SYSTEM WITH FEEDING STEAM WATER}

본 발명은 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉방사이클과 난방사이클이 이루어지는 히트펌프 시스템에 급탕수열교환기를 더 구비하여 냉방과 난방 및 급탕이 선택적으로 이루어질 뿐만 아니라, 냉방과 급탕, 및 난방과 급탕이 동시에 이루어질 수 있는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 히트펌프 시스템은, 기본적으로 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방 사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환시켜 난방 및 급탕을 수행하는 시스템이다.

이러한, 히트펌프 냉난방 시스템은 가스엔진 구동형(GHP; Gas Heat Pump), 전기 압축형(EHP; Electric Heat Pump) 또는 지열원형(GSHPs; Ground Source Heat Pumps)을 이용한 냉난방 시스템으로 구성되는 바, 이들 GHP, EHP 및 GSHPs는 모두 냉매의 히트펌프 사이클 순환을 통해 이루어진다.

또한, 히트펌프 냉난방 시스템은 냉매의 양방향 흐름을 통해 저온을 고온으로 전환하거나 고온을 저온으로 전환하여 냉방과 난방을 동시에 수행하는 시스템으로서, 히트펌프 냉난방 시스템은 한대의 실외 열원공급기기에 다수의 실내기가 연결되거나, 한대의 실내기에 다수의 실외 열원공급기기가 연결되거나, 실내기와 실외열원공급기기가 각각 한대씩 연결되어 사용된다.

종래의 히트펌프 냉난방 시스템은 압축기, 사방변 밸브, 공기 열교환기, 팽창밸브 및 실내기가 냉매 순환회로에 의해 연결되는 한편 상기 실내기 각각은 팽 창밸브 및 실온감지센서와 함께 다수 마련된 채 다수의 실내공간에 설치되는 구성을 가지며, 흔히, 자체의 열교환기가 실외기팬의 송풍에 의해 공냉식으로 냉매를 증발 또는 응축시키는 구조를 갖는다.

하지만, 이러한 종래의 히트펌식 냉난방 시스템은 냉난방 사이클의 선택적인 운전을 통해 실내에 대한 냉방이나 난방을 수행할 뿐 급탕공급기능을 갖지 못하여 그 범용성이 크게 떨어지는 문제점을 가지고 있었다.

한편, 이러한 히트펌프 시스템의 문제점을 해결하기 위해 급탕이 공급되는 냉난방 시스템들이 안출된 바 있다.

일예로, 특허등록 제567491호인, 히트펌프 급탕장치가 안출된 바 있으며 이는 압축기와, 방열기와, 감압부와, 흡열기와, 상기 압축기와, 상기 방열기와, 상기 감압부와, 상기 흡열기를 폐회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 히트 펌프 사이클과, 상기 방열기의 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와, 상기 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과, 상기 수류로로부터 급탕 단말로 유수하 도록 접속하는 급탕관과, 온수를 저장하는 저류 탱크와, 상기 저류 탱크와 상기 수류로를 접속하여 형성된 물 순환로와, 상기 저류 탱크로부터 유출하는 온수와 상기 수류로로부터의 온수를 혼합하여, 상기 급탕 회로로 통수하는 혼합부를 구비하며, 온수를 저장하는 경우에는 상기 물 순환로에 의해 상기 저류 탱크에 상기 열교환기에 의해 승온된 온수가 저장되도록 하고 있다.

다른 예로서, 특허등록 제540362호인, 히트펌프를 구비한 냉난방 급탕시스템이 안출된 바 있으며 이는, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 연결되어 냉동사이클을 이루고 있는 냉동기와, 압축기, 과열열교환기, 사방제어밸브, 주열교환기, 양방향팽창밸브, 보조열교환기가 순차적으로 연결되어 냉난방사이클을 이루고 있는 히트펌프와, 상기 냉동기의 응축기 및 상기 히트펌프의 과열열교환기와의 열교환으로 얻어진 고온의 온수를 저장 및 공급하기 위한 급탕공급수단 및 상기 히트펌프의 주열교환기와의 열교환으로 얻어진 저온 또는 고온의 열매체를 냉난방에 사용하기 위하여 저장 및 순환시키기 위한 열매체순환수단으로 구성되어 있다.

이와 같이 종래 급탕이 공급되는 냉난방 히트펌프들은, 냉난방과 더불어 급탕을 추가적으로 공급하도록 함으로써 사용성이 크게 향상되도록 하고 있으나, 급탕의 공급이 원활하게 이루어지지 않고, 급탕시에 냉방효율이 떨어지거나 또는 냉방시에 급탕효율이 저하되는 등의 문제점이 발생된다.

본 발명은, 종래 냉난방 히트펌프 시스템이 지닌 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실내기의 일측에 직접 또는 간접적으로 물순환되는 급탕 열교환기를 더 구비하여 하나의 유닛에 의해 냉방, 난방 및 급탕은 물론, 냉방과 급탕, 난방과 급탕을 병행하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 냉방과 난방 및 급탕을 혼용함에 있어서 기능이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은, 실외기와, 실내기가 제어부에 의해 제어되고 상기 실외기와 실내기를 순환하는 냉난방용 냉매순환부를 따라 압축기, 4방변밸브, 실외열교환기, 팽창밸브 및 실내열교환기가 연속적으로 설치되어 상기 4방변 밸브의 냉매흐름절환에 따라 냉난방을 선택적으로 수행하는 냉난방시스템에 있어서, 압축기에서 토출된 냉매가스가 순환되어 응축되는 냉매순환부에 연결되어 응축열량에 의해 급탕수가 공급되도록 하는 이중관 열교환기가 실내기의 내부에 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 이중관 열교환기는, 급탕수가 토출되는 토출부와, 직수가 유입되는 유입부가 각각 일측에 연결된 제1순환관과; 상기 제1순환관의 내부측에 구비되어 냉매순환부의 응축열량이 순환되는 제2순환관이 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 실내열교환기의 일측에는 난방운전시에 가동되는 난방보조히터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 이중열교환기의 일측에는 이중열교환기의 수온을 감지하여 압축기의 운전을 제어하는 수온온도센서가 더 구비될 수 있다.

상기 압축기와 연결된 냉매순환부에는 압축기로부터 토출되는 온도를 감지하는 온도감지센서가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 이중열교환기를 순환하는 냉매순환부에는 순환되는 냉매의 간섭을 방지하는 바이패스밸브가 더 포함될 수 있다.

상기와 같은 특징으로 이루어진 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은, 하나의 유닛에 의해 냉방 및 난방수단으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 급탕기능을 병행하여 사용하도록 하여 범용성이 뛰어나도록 하고, 냉방운전과 난방운전 및 급탕운전이 하나의 제어부에 의해 이루어지도록 하여 사용성이 향상되도록 하며, 냉난방 운전에 관계없이 급탕기능을 사용할 수 있어, 항시 일정한 온도의 따뜻한 온수를 사용자가 사용할 수 있도록 한다.

더욱이, 냉방의 운전시에 급탕기능의 온도가 저하되거나 또는 급탕운전에 의해 냉방의 온도가 상승되는 것을 방지하여 효율적인 냉난방 및 급탕 사이클이 이루어질 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이며, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템의 제어를 나타낸 개념도이다.

도시된 바와 같이 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은, 실외기(10)와, 실내기(20)가 제어부에 의해 제어되고 상기 실외기(10)와 실내기(20)를 순환하는 냉난방용 냉매순환부(30)를 따라 압축기(1), 4방변밸브(2), 실외열교환기(3), 팽창밸브(4) 및 실내열교환기(5)가 연속적으로 설치되어 상기 4방변 밸브(2)의 냉매흐름절환에 따라 냉난방을 선택적으로 수행하는 냉난방시스템에 관한 것으로서, 상기 압축기(1)에서 토출된 냉매가스가 순환되어 응축되는 냉매순환부(30)에 연결되어 응축열량에 의해 급탕수가 공급되도록 하는 이중관 열교환기(100)가 실내기(20)의 내부에 더 구성되어 이루어진다.

상기 이중관 열교환기(100)는, 급탕수가 토출되는 토출부(111)와, 직수가 유입되는 유입부(112)가 각각 일측에 연결된 제1순환관(110)과, 상기 제1순환관(110)의 내부측에 구비되어 냉매순환부(30)의 응축열량이 순환되는 제2순환관(120)으로 구성된다.

또한, 상기 실내열교환기(20)의 일측에는 난방운전시에 가동되는 난방보조히터(200)가 더 구비된다.

상기와 같이 구성된 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은, 도 2에 나타낸 바와 같이 하나의 제어부를 통해 냉방과 급탕, 난방과 급탕은 물론, 냉방, 난방, 급탕이 각각 별도로 운전되어 사용자가 필요한 운전을 선택하여 사용할 수 있음으로써 범용성이 향상된다.

상기 이중열교환기(100)의 일측에는 이중열교환기(100)의 수온을 감지하여 압축기(1)의 운전을 제어하는 수온온도센서(130)가 더 구비된다.

또한, 상기 압축기(1)와 연결된 냉매순환부(30)에는 압축기(1)로부터 토출되는 온도를 감지하는 온도감지센서(40)가 더 구비될 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 이중열교환기(100)를 순환하는 냉매순환부(30)에는 순환되는 냉매의 간섭을 방지하는 바이패스밸브(50)가 더 포함될 수 있다.

상기 바이패브밸브(50)는, 냉방운전 중 이중열교환기(100)내의 관수의 온도하락 및 동파를 방지한다.

상기와 같이 구성된 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은, 실내기에 구비된 마이컴 콘트롤러(미도시)에 의해 제어되며 사용자가 냉방과 급탕모드를 선택하여 구동시키면 냉방모드와 급탕모드가 동시에 가동되는 것으로, 실내온도가 설정된 희망온도에 도달하면 급탕단독모드로 절환되고 이중열교환기의 관수온도가 설정된 희망온도에 도달하면 냉방 단독모드로 자동 절환되며 양 모드가 각각 설정된 희망온도에 도달하면 양 모드는 운전대기상태로 전환된다.

또한, 실내기에 구비된 마이컴 콘트롤러(미도시)에 의해 제어되며 사용자가 난방과 급탕모드를 선택하여 구동시키면 난방모드와 급탕모드가 동시에 가동되는 것으로, 실내온도가 설정된 희망온도에 도달하면 급탕단독모드로 절환되고 이중열교환기의 관수온도가 설정된 희망온도에 도달하면 난방 단독모드로 자동 절환되며 양 모드가 각각 설정된 희망온도에 도달하면 양 모드는 운전대기상태로 전환된다.

상기와 같이 구성된 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템의 냉방은, 압축기(1)에서 토출된 냉매가스가 실외열교환기(3)에서 방열되어 응축액화한 후, 실내기(20)의 수액기 출구에서 실내측 팽창밸브(4)를 지나 저온저압액으로 단열팽창한 다음, 실내열교환기(5)로 유입되어 실내의 공기로부터 열을 흡입하여 저온저압가스로 상변화되어 이중관 열교환기에서의 급탕수 온도의 하락을 방지하기 위해 상기 바이패스밸브(50)에 의해 우회되어 4방변밸브(2)를 지나 다시 압축기(1)로 유입되는 사이클이 반복되어 이루어진다.

또한, 난방은, 압축기(1)에서 토출된 냉매가스가 실내기(20)에 설치된 이중관 열교환기(100)를 우회하여 실내열교환기(5)에서 방열하여 응축액화 하는 바, 이 때 응축열을 송풍팬으로 실내로 유입시켜 실내의 난방이 이루어진다. 또한, 응축액화된 냉매가스는 실내기의 수액기에 인입되어 실외측 팽창밸브(4)를 지나 저온저압액으로 단열팽창한 후, 실외열교환기(3)에서 외부의 열을 흡입하여 저온저압가스로 상변화한 후, 4방변 밸브(2)를 지나 다시 압축기(1)로 유입되는 사이클이 반복되어 이루어진다.

이 때, 상기 실내기(20)의 실내열교환기(5) 일측에 구비된 난방보조히 터(200)에 의해 실내의 공기온도가 상승되는 시간이 빠르게 이루어짐으로써, 난방효율성이 크게 향상된다.

본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템에 의한 급탕은, 상기 이중관 열교환기(100)의, 토출부(111)로부터 토출된 급탕수를 공급받아 사용하는 것으로, 직수가 유입되는 유입부(112)로부터 유입된 직수는 상기 제1순환관(110)을 따라 순환되는 과정에서 상기 제1순환관(110)의 내부측에 구비되어 냉매순환부(30)의 응축열량이 순환되는 제2순환관(120)에 의해 열교환이 이루어짐에 따라 수온이 상승되게 됨으로써 사용자는 급탕을 공급받아 사용할 수 있다.

즉, 압축기(1), 4방변밸브(2) 및 실외열교환기(3)를 거쳐 유출된 냉매가스가, 실내열교환기(5)를 통과하지 않도록 급탕냉매제어밸브(6) 및 절환밸브(7)를 순차적으로 거친 다음 이중관 열교환기(100)의 제2순환관(120)으로 공급되고, 그에 따라 제2순환관(120)을 순환하는 고온 고압의 상기 냉매가스가, 유입부(112)로부터 유입된 다음 이중관 열교환기(100)의 제1순환관(110)을 따라 순환되는 수도직수와 열교환을 함으로써 급탕이 공급된다.

또한, 급탕이 공급되는 동안에 냉방을 가동할 경우에는, 상기 바이패스밸브(50)에 의해서 냉매가스가 이중관 열교환기(100)를 경유하지 않고 직접 압축기(1) 측으로 순환하도록 하여, 상기 냉매가스가 이중관 열교환기(100)에 의해 간섭받는 것을 방지함으로써, 냉방과 상관없이 사용자는 필요한 온도의 온수를 공급받아 사용할 수 있다.

아울러, 이와 같이 바이패스밸브(50)를 통해 순환되는 냉매가 이중관 열교환기(100)에 의해 간섭되는 것이 방지됨으로써, 냉매사이클의 냉매효율이 저하되는 것이 차단될 수 있어 실내 냉방효과 역시 저하되지 않는다.

뿐만 아니라, 제상운전시에는 상기 제2순환관(120)의 중단부에 연결된 제상밸브(8)는 잠그고 제어밸브(9)는 열어서, 냉매가스가 당해 제2순환관(120) 전체를 순환하는 것이 아닌 제2순환관(120)의 하측 일부만을 순환한 다음 실외열교환기(3)측으로 배출되도록 함으로써, 이중관 열교환기(100)의 제1순환관(110)을 순환하는 관수 온도가 과도하게 내려가는 것을 방지할 수 있으면서도, 제상모드에서 공기열원의 흡열량이 부족하여 실외열교환기(3)의 제상이 원활하게 이루어지지 않을 경우에는, 냉매가스가 이중관 열교환기(100) 내부의 제1순환관(110)을 순환하는 열원(즉, 관수)에서 열을 흡열한 다음 제상운전이 이루어지도록 함으로써 제상운전이 효율적으로 이루어지게 할 수 있다.

본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템은 도시하고 설명한 것 이외에도 다양하게 변형실시가 가능한 것으로 본 발명의 목적범위를 일탈하지 않는 한, 변형되는 실시예들은 모두 본 발명의 권리범위에 포함되어 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명인 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템의 제어를 나타낸 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압축기 2 : 4방변밸브

3 : 실외열교환기 4 : 팽창밸브

5 : 실내열교환기

10 : 실외기 20 : 실내기

30 : 냉매순환부 40 : 온도감지센서

50 : 바이패스밸브

100 : 이중관 열교환기

110 : 제1순환관 111 : 토출부

112 : 유입부 120 : 제2순환관

130 : 수온온도센서

200 : 난방보조히터

Claims (6)

1. 실외기와, 실내기가 제어부에 의해 제어되고 상기 실외기와 실내기를 순환하는 냉난방용 냉매순환부를 따라 압축기, 4방변밸브, 실외열교환기, 팽창밸브 및 실내열교환기가 연속적으로 설치되어 상기 4방변 밸브의 냉매흐름절환에 따라 냉난방을 선택적으로 수행하는 냉난방시스템에 있어서,

   실내기의 내부에 설치되며, 압축기에서 토출된 냉매가스가 순환되어 응축되는 냉매순환부에 연결되어 응축열량에 의해 급탕수가 공급되도록 하는 이중관 열교환기와;

   상기 냉매순환부에 설치되며, 급탕 모드에서 냉매가스가 상기 실내열교환기를 거치지 않고, 상기 이중관 열교환기로 직접 공급되도록 하는 급탕 냉매제어밸브; 및

   상기 이중관 열교환기를 구성하는 제2순환관의 중단부에 설치되며, 제상 모드에서 냉매가스가 상기 제2순환관 전체를 순환하지 않고, 상기 중단부까지만 순환한 다음 배출되도록 하는 제상밸브;가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 이중관 열교환기는, 급탕수가 토출되는 토출부와, 직수가 유입되는 유입부가 각각 일측에 연결된 제1순환관과;

   상기 제1순환관의 내부측에 구비되어 냉매순환부의 응축열량이 순환되는 제2순환관이 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 실내열교환기의 일측에는 난방운전시에 가동되는 난방보조히터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 이중열교환기의 일측에는 이중열교환기의 수온을 감지하여 압축기의 운전을 제어하는 수온온도센서가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 압축기와 연결된 냉매순환부에는 압축기로부터 토출되는 온도를 감지하는 온도감지센서가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 이중열교환기를 순환하는 냉매순환부에는 냉매가스가 상기 이중관 열교환기를 경유하지 않고 직접 상기 압축기 측으로 순환하도록 하여, 상기 냉매가스가 상기 이중관 열교환기에 의해 간섭받는 것을 방지하는 바이패스밸브가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 급탕기능을 갖는 하이브리드 히트펌프 시스템.

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