KR20050081526A - 내연기관을 이용한 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관에 의해 압축기를 구동시키는 히트펌프에 관한 것으로, 압축기(Compressor), 증발기(Evaporator), 팽창밸브(Expansion Valve), 응축기(Condenser)로 구성되어 순환하는 냉매에 의해 목적물을 냉각 또는 냉동 및 가열시킬 수 있도록 구성하는 일반적으로 히트펌프의 구성에 있어서,

상기 압축기의 구동력을 통상적으로 전동 모터로 구동하던 것을 내연기관으로 대체하여 보다 안정인 상태에서 압축을 실시할 수 있도록 하고, 또한 내연기관의 배기가스를 통해 대기 중으로 배출되는 배기가스의 열량을 회수할 수 있도록 하여 에너지 이용효율을 높이도록 하며, 내연기관은 정속운전 하도록 함으로서 부하변동에 따라 내연기관의 수명이 단축되던 것을 부하변동이 없이 일정한 부하로 운동하도록 하여 내연기관의 수명을 보다 연장하도록 하는 히트펌프를 제공하려는 것이다.

Description

내연기관을 이용한 히트펌프 { heat-pump using an internal-combustion engine }

본 발명은 내연기관에 의해 압축기를 구동시키는 히트펌프에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 압축기(Compressor), 증발기(Evaporator), 팽창밸브(Expansion Valve), 응축기(Condenser)로 구성되어 순환하는 냉매에 의해 목적물을 냉각 또는 냉동 및 가열시킬 수 있도록 구성하는 일반적으로 히트펌프의 구성에 있어서,

상기 압축기의 구동력을 통상적으로 전동 모터로 구동하던 것을 내연기관으로 대체하여 보다 안정인 상태에서 압축을 실시할 수 있도록 하고, 또한 내연기관의 배기가스를 통해 대기 중으로 배출되는 배기가스의 열량을 회수할 수 있도록 하여 에너지 이용효율을 높이도록 하며, 내연기관은 정속운전 하도록 함으로서 부하변동에 따라 내연기관의 수명이 단축되던 것을 부하변동이 없이 일정한 부하로 운동하도록 하여 내연기관의 수명을 보다 연장하도록 하는 히트펌프를 제공하려는 것이다.

빌딩, 공장, 축사, 비닐하우스 등 실내의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 보일러나 에어컨 등과 같은 냉, 난방 설비를 갖추게 되는 데 난방설비로서 주로 이용되고 있는 보일러나 난로 등은 연료로서 기름 등의 화석연료를 사용하는 냉난방시설을 이용하였다.

이 때문에 냉난방시설이 필연적으로 배출하고, CO2와 불연소가스 등으로 인해 대기오염은 날로 심각해져 환경오염을 줄이기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다.

그 중에서 최근 각광받는 히트펌프는 여름에는 냉방용으로, 봄, 가을의 환절기는 물론 겨울에는 난방용으로 사용할 수 있는 냉난방 겸용 에어컨을 칭하는 것으로, 이러한 히트펌프는, 응축기에서 냉기가 나오고 증발기에서 열기가 나오는 냉방 사이클과 핵심장치의 역할을 정반대로 역전시켜 응축기에서 따뜻한 열기가, 증발기에서 냉기가 나오게 하는 원리로 이루어진다.

즉, 히트펌프는 전열기나 보일러처럼 직접 열을 받는 장치가 아니라 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온의 열원으로 만들거나 고온의 열원을 저온의 열원으로 만들어 온실, 축사, 주택 및 공공건물 등의 난방 또는 냉방용으로 이용되는 공조기계를 말하는 것으로, 냉각 사이클에서 냉매의 흐름을 역전환 시킴으로써 냉방과 난방을 겸할 수 있는 냉난방장치로, 계절에 구애받지 않고 사용할 수 있는 장점에 따라 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.

히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되고, 그중 가정용으로 많이 적용되는 형식은 압축식 히트펌프이며, 이 압축식 히트펌프는 에어컨이라 불리는 냉방장치의 역사이클과 같은 것이다. 즉 냉방전용의 에어컨은 실내에 설치된 응축기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 증발기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며, 히트펌프는 반대로 증발기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 응축기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리다.

상기 일반적으로 압축식 히트펌프의 구성은 도 1에 도시한 바와 같이 압축기(1), 증발기(2), 팽창밸브(3), 및 응축기(4)의 4개 요소로 구성되고, 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환되어 순환하는 냉매에 의해 목적물을 냉각 또는 냉동 및 가열시킬 수 있도록 된 것이다.

그 외 필수적으로 구성되는 필터드라이어(filter dryer), 수액기(liquid receiver), 액분리기(accumulator), 유분리기(oil separator) 등의 부수적인 장치가 장착되는 것이다.

저온저압의 습증기상태의 냉매는 증발기(2)에서 증발되면서 주변에서 증발잠열을 흡수하며 증발된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매로 배출된다.

증발기(2)에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기(1)에서 단열 압축하여 고온고압의 과열증기상태의 냉매로 되어 응축기(4)로 유입된다.

응축기(4)로 유입된 고온고압의 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창밸브(3)로 유입된다.

고온고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창밸브(3)에서 등 엔탈피 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 증발기(2)로 유입된다.

일반적으로 저온부 열교환기인 증발기(2)는 실외에 설치되어 실외기라고 불리고, 고온부 열교환기인 응축기(4) 실내에 설치되어 실내기라고 불린다.

저온부 증발기(2)는 실외에 설치되어 주변에서 열을 흡수하게 되며(열원이라 하며 가정용으로는 공기가 일반적으로 많이 적용된다), 고온부 응축기(4)는 실내에 설치되어 주변으로 열을 방출(히트싱크라 하며 공기가 일반적으로 많이 적용된다)하여 난방에 사용하게 된다.

즉 난방을 실시할 때의 냉매 순환 사이클을 살펴보면 압축기(1) → 응축기(4) → 팽창밸브(3) → 증발기(2) → 압축기(1)로 순환하는 것이다.

냉방을 실시할 때의 냉매 순환 사이클을 살펴보면 증발기(2) → 팽창밸브(3) → 응축기(4) → 압축기(1) → 증발기(2)로 순환하는 것이다.

상기 응축기(4)에서는 차가운 물을 따뜻한 물로 가온시키는 열교환기로 사용되는 것으로 여열탱크(6)와 연결하여 여열탱크(6)의 물을 가온시키고, 일측에서는 3 ~ 5℃의 물을 급수하며, 여열탱크(6)의 일측에는 온수저장용 탱크(7)에 연결시켜 온수를 사용할 수 있도록 하는 것이다.

상기 히트펌프를 구성하는 압축기(1)는 일반적으로 전동 모터(5)에 의해 구동하는 것이고, 상기 전동 모터(5)는 전기적인 에너지를 운동에너지로 변환되어 압축기(1)를 구동시키는 것이다.

그러나 전동 모터(5)는 모터 축을 구동시키면서 발생하는 열, 다른 부속품과의 간섭에 의한 마찰 등에 매우 다양한 형태의 손실이 발생하는 것으로 보다 높은 효율을 기대할 수 없는 것이다.

다른 한편으로 내연기관은 실린더 속에 연료를 집어넣고 연소 폭발 시켜서 생긴 가스의 팽창력으로 피스톤을 움직이게 하는 원동기를 지칭하는 것으로. 폭발 기관 · 세미디젤 기관 · 디젤 기관이 있고, 사용 연료에 따라 가스 기관 ·가솔린 기관 · 중유 기관이 있으며, 동작 방식에 따라 사행정 기관 ·이행정 기관 따위가 있다.

어떠한 형태의 내연기관일지라도 피스톤을 움직이고, 움직이는 피스톤은 크랭크축을 회전시키며, 회전하는 크랭크축에 의해 동력을 얻어 그 동력을 이용하도록 하는 것이다.

동력을 사용한다는 것은 부하가 걸린다는 것인데, 자동차의 엔진의 경우 증속, 등속운동, 감속, 급 가감속 등으로 운전되어 내연기관의 수명이 단축되는 원인으로 작용하는 것이다.

또한 내연기관은 특정한 온도 예컨대 승용차 차량용 엔진의 경우에는 71℃정도의 온도에서 가장원활하게 사이클이 구동되는 것인데, 내연기관에서는 실제 그보다 높은 온도의 열이 발생하고, 이렇게 발생하는 열 등에 의해 막대한 손실이 발생하는 것이다.

또한 내연기관의 배기가스는 400℃가량의 고온으로 대기 중에 곧바로 배출되어 배기가스의 열을 보다 효율적으로 이용하지 못하여 막대한 손실이 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 폐단을 해소할 수 있도록 하는 내연기관을 이용한 히트펌프를 제공하려는 것이다.

본 발명은 히트펌프의 구성요소 중에 압축기의 구동력은 내연기관에 의해 구동시키도록 하고, 상기 내연기관을 냉각시키는 것은 수랭식으로 하되 물의 순환라인을 히트펌프에 연결하며, 상기 내연기관에서 발생하는 고온의 배기가스를 대기 중으로 내보내되 배기가스배출구에 물의 순환라인을 히트펌프에 연결하여 내연기관과 배기가스의 열량을 회수하여 사용할 수 있도록 하는 내연기관을 이용한 히트펌프를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 압축기는 항상 일정한 부하로 운전함으로서 내연기관은 증감속이 거의 없이 등속으로 운전하여 내연기관의 수명을 연장시키도록 하는 내연기관을 이용한 히트펌프를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기목적들과 특징은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명에 의하여 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

첨부도면 도 2는 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프의 구성을 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프에서 내연기관의 연도배기를 발췌하여 보인 단면도이다.

일반적으로 히트펌프의 구성은 압축기(Compressor), 증발기(Evaporator), 응축기(Condenser), 팽창밸브(Expansion Valve)로 구성되어 순환하는 냉매에 의해 목적물을 냉각 또는 냉동 및 가열시킬 수 있도록 구성되어 있는 것으로 종래의 히트펌프와 동일한 부분에 대하여 동일한 부호를 부여하고 그에 따른 상세한 설명은 생략키로 한다.

이하 첨부도면 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프를 설명하면 다음과 같다.

구체적으로 도시하지 않았지만 내연기관(10)의 크랭크축은 압축기(1)의 구동축에 통상의 커플러로 연결하여 동력을 전달 받게 된다.

상기 내연기관(10)은 필수적으로 연도배출기(11)가 장착되어 배기가스를 냉각시켜 대기 중으로 배출시키게 된다.

열교환기의 하나인 응축기(4)에는 일측은 내연기관(10)에 온수 순환라인(21)을 연결하고, 타측은 여열탱크(6)에 온수 순환라인(24)을 연결하며, 상기 내연기관(10)의 일측은 연도배출기(11)에 온수순환라인(22)을 연결하고, 연도배출기(11)의 일측은 상기 여열탱크(6)에 온수순환라인(23)을 연결하도록 한 것이다.

상기 연도배출기(11)는 도 3에 도시한 바와 같이 내부 단면을 살펴보면,

몸체(12)내부에 지그재그 형태로 가스가이드(13)가 형성하고, 상기 몸체(12)와 가스가이드(13)는 내부에 공간을 형성하여 온수순환공간(14)(15)을 형성하며, 몸체(12)의 외측면 일측에는 온수순환공간(14)(15)과 연통하는 순환수 주입구(16)를 형성하고, 몸체(12)의 외측면 타측에는 온수순환공간(14)(15)과 연통하는 순환수 배출구(17)를 형성하고, 몸체(12)의 일측에는 내연기관(10)의 배기가스를 유입받는 배기가스유입구(18)를 형성하며, 반대쪽에는 배기가스배출구(19)를 형성한 것이다.

이하 첨부도면 도 2 및 도 3을 참조하여 작동관계를 설명한다.

내연기관(10)은 통상적인 가솔린, 휘발유 등의 연료를 주입하여 시동을 걸어 운전하게 된다.

이때 내연기관(10)에서 발생되는 동력은 상기 압축기(1)를 구동시키게 되어 히트펌프를 구동하게 되고, 히트펌프는 난방을 실시할 때의 압축기(1) → 응축기(4) → 팽창밸브(3) → 증발기(2) → 압축기(1)로 냉매 순환 사이클이 이루어지면서 물을 데우게 되는 것이다.

이렇게 데워진 물은 대략 50 ~ 55℃의 온도로서 내연기관(10)에 투입되어 수랭식으로 내연기관(10)을 냉각시켜 과열되는 것을 방지하게 된다.

또한 내연기관(10)을 운전함에 따라 배기가스가 필연적으로 발생되는데 이러한 배기가스는 대략 400℃정도의 고온이다.

본 발명에서는 상기 배기가스의 열량을 회수하기 위하여 연도배출기(11)를 장착한 것으로, 배기가스유입구(18)를 통해 배기가스가 유입되면 가스가이드(13)와 접촉하면서 흐르고, 히트펌프의 온수 순환라인과 연결된 순환수주입구(16)를 통하여 몸체(12)에 투입되어 몸체(12)와 가스가이드(13)에 형성된 온수순환공간(14)(15)을 통과하면서 상기 배기가스와 열교환이 이루어지는 것이다.

상기 연도배출기(11)를 통과하는 온수는 출구에서 대략 70 ~ 80℃로 승온되어 여열탱크에 저장된다.

또한 상기 압축기(1)는 항상 일정한 사이클로 운전되는 것으로 내연기관(10)에서는 일정한 부하가 걸리는 것이고, 통상적인 내연기관(예컨대 차량, 선박 등)처럼 가속 및 감속하지 않는 것으로 내연기관(10)에는 과부하가 걸리거나 급감속, 급가속 등의 부하가 전혀 전달되지 않는 것이다.

본 발명에서는 구체적인 실시예에 대하여 설명했지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함을 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프는 압축기를 구동하는 구동력을 내연기관에 의해 구동시키도록 하고, 내연기관 자체에서 발생하는 열량과 내연기관에서 필연적으로 발생하는 배기가스의 열량을 회수함으로서 전체적으로 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다.

또한 내연기관에는 가속 또는 감속 등의 속도변화가 가해질 필요가 없는 것으로 등속운전을 하게 되어 내연기관의 수명을 보다 연장시킬 수 있는 것이다.

또한 종래의 히트펌프에서 온수의 온도를 대략 50 ~ 55℃까지 가온시켰으나, 본원 발명에 따른 히트펌프는 70 ~ 80℃의 고온으로 가온시킬 수 있는 것이다.

도 1은 종래의 히트펌프의 구성을 보인 계통도

도 2는 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프의 구성을 보인 계통도

도 3은 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 히트펌프에서 내연기관의 연도배기를 발췌하여 보인 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 압축기(compressor) 2: 증발기(evaporator)

3: 팽창밸브(Expansion valve) 4: 응축기(condenser)

5: 전동 모터

6: 여열탱크

7: 온수 저장탱크

10: 내연기관 11: 배기가스배출기

12: 몸체 13: 가스가이드

14: 온수순환공간 15: 온수순환공간

16: 순환수 주입부 17: 순환수 배출구

18: 배기가스 유입부 19: 배기가스 배출구

Claims (2)

1. 압축기(Compressor), 증발기(Evaporator), 응축기(Condenser), 팽창밸브(Expansion Valve)로 구성되어 순환하는 냉매에 의해 목적물을 냉각 또는 냉동 및 가열시킬 수 있도록 구성하는 히트펌프에 있어서,

   상기 압축기(1)의 구동축에 연결되어 구동력을 발생시키는 내연기관(10)과,

   상기 내연기관(10)에서 발생하는 배기가스의 열량을 회수하도록 하는 연도배출기(11)와,

   상기 응축기(4)와 내연기관(10)을 온수 순환라인(21)으로 연결하는 것과,

   상기 내연기관(10)과 연도배출기(11)를 온수 순환라인(22)으로 연결하는 것과,

   상기 연도배출기(11)와 여열탱크(6)를 온수 순환라인(23)으로 연결하는 것과,

   상기 여열탱크(6)와 응축기(4)를 온수 순환라인(24)으로 연결하는 것을 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 히트펌프.
2. 청구항 1에 있어서, 연도배출기(11)는,

   몸체(12)내부에 지그재그 형태로 가스가이드(13)가 형성하고, 상기 몸체(12)와 가스가이드(13)는 내부에 공간을 형성하여 온수순환공간(14)(15)을 형성하며, 몸체(12)의 외측면 일측에는 온수순환공간(14)(15)과 연통하는 순환수 주입구(16)를 형성하고, 몸체(12)의 외측면 타측에는 온수순환공간(14)(15)과 연통하는 순환수 배출구(17)를 형성하고, 몸체(12)의 일측에는 내연기관(10)의 배기가스를 유입받는 배기가스유입구(18)를 형성하며, 반대쪽에는 배기가스배출구(19)를 형성하여 구성하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 히트펌프.