KR20210061731A - 가스 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 조화 모듈에서 순환하는 냉매를 이용하여 엔진을 직접 냉각하도록 구성하여 냉각수 순환을 위한 냉각 모듈을 생략할 수 있는 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

가스 히트펌프 시스템{GAS HEAT-PUMP SYSTEM}

본 발명은, 가스 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 공기 조화 모듈에서 순환하는 냉매를 이용하여 엔진을 직접 냉각하도록 구성하여 냉각수 순환을 위한 냉각 모듈을 생략할 수 있는 가스 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트펌프 시스템은 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있는 냉동 사이클이 구비되는 시스템으로서, 온수 공급장치 또는 냉난방 장치와 연동될 수 있다.

즉, 냉동 사이클의 냉매와 소정의 축열 매체가 열교환하여 얻어진 열원을 이용하여 온수를 생산하거나, 냉난방을 위한 공기 조화를 수행할 수 있다.

이러한 냉동 사이클에는, 냉매의 압축을 위한 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 응축기에서 응축된 냉매를 감압하는 팽창장치 및 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함되어 구성되는 것이 일반적이다.

히트펌프 시스템은, 압축기를 구동하기 위한 구동원의 형식에 따라 전동 히트펌프 시스템과 가스 히트펌프 시스템으로 구분될 수 있다.

전동 히트펌프 시스템은 부하 용량이 크지 않은 가정용으로 적합하다.

가스 히트펌프 시스템은 부하 용량이 대단히 큰 산업용 또는 대형 빌딩에 적합하다.

따라서 가스 히트펌프 시스템은 이러한 고부하 용량에 맞는 대용량의 압축기를 구동하기 위하여 전동 모터가 아닌 가스 엔진을 이용한다.

가스 엔진은 실린더에서 공기와 가스 연료가 혼합된 혼합기를 연소시켜 발생되는 에너지를 이용한다.

따라서 가스 엔진은 일반적인 차량용 엔진과 유사하게 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각할 수 있도록 소위 워터재킷으로 불리우는 냉각 유로가 구비된다.

엔진의 냉각 유로에는, 냉각수 배관과, 냉각수 펌프와, 방열기와, 배기가스 열교환기 등 다수의 부품들을 포함하는 냉각 모듈이 연결된다.

이와 관련하여, 한국등록특허공보 제10-1944831에는, 냉각수 순환 펌프, 삼방밸브, 보조 열교환기, 방열기 및 이들을 연결하는 냉각수 배관을 포함하는 냉각 모듈을 구비한 가스 히트엔진 시스템에 관한 구성이 공개되어 있다.

해당 선행문헌에 개시된 구성은, 상당히 단순화된 냉각 모듈에 관한 구성을 포함하고 있다.

그러나 고냉방/난방부하에 대응하기 위해 가스 히트펌프 시스템이 점차 고효율화 및 대형화되고 있는 추세에 있다.

이러한 고효율화 및 대형화 추세에 따라 냉각 모듈의 구성도 점차 복잡해지고, 구비되어야 할 부품수도 점점 늘어나고 있다.

한국등록특허공보 제10-1944831호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공기 조화 모듈에서 순환하는 냉매를 이용하여 엔진을 직접 냉각하도록 구성하여 냉각수 순환을 위한 냉각 모듈을 생략함으로써 전체적으로 부품수가 감소되고 제조 비용이 절감될 수 있는 가스 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기; 상기 압축기의 구동력을 생성하고, 내부에 냉각 유로가 형성된 가스 엔진; 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 방향을 전환하는 사방밸브; 및 상기 사방밸브와 상기 엔진의 냉각 유로를 유체 연결하고, 내부에서 냉매가 유동하는 연결 배관;을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 연결 배관 상에 설치되고, 상기 연결 배관을 통해 유동하는 냉매에 포함된 오일을 분리하는 오일분리기를 더 포함한다.

또한, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 낮추는 배기가스 열교환기를 더 포함하고, 상기 배기가스 열교환기는, 상기 배기가스와 상기 연결 배관을 통해 유동하는 냉매 사이에서 열교환이 발생하도록 구성된다.

또한, 냉방 모드 운전시, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는, 상기 사방밸브를 거쳐 상기 연결 배관을 통해 상기 엔진의 냉각 유로로 안내된다.

또한, 상기 엔진의 냉각 유로와 유체 연결된 실외 열교환기를 더 포함하고, 상기 냉방 모드 운전시에, 상기 엔진의 냉각 유로로부터 배출된 냉매는 상기 실외 열교환기로 유입된다.

또한, 난방 모드 운전시, 상기 엔진의 냉각 유로로부터 배출된 냉매는 상기 연결 배관을 통해 상기 사방밸브로 안내되고, 상기 사방밸브를 통과한 냉매는 상기 압축기로 유입된다.

또한, 상기 엔진의 냉각 유로와 유체 연결된 실외 열교환기를 더 포함하고, 상기 난방 모드 운전시에, 상기 실외 열교환기로부터 배출된 냉매는 상기 엔진의 냉각 유로로 유입된다.

또한, 상기 실외 열교환기는, 각각 내부에서 유동하는 냉매와 외기 사이에서 열교환이 이루어지도록 구성되는 제1 열교환부 및 제2 열교환부를 포함한다.

또한, 상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부는 병렬 형태로 유체 연결된다.

또한, 상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부는 직렬 형태로 유체 연결된다.

본 발명에 따른 가스 히트펌프 시스템은, 공기 조화 모듈에서 순환하는 냉매를 이용하여 엔진을 직접 냉각하도록 구성하여 냉각수 순환을 위한 냉각 모듈을 생략함으로써 전체적으로 부품수가 감소되고 제조 비용이 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 냉각 모듈이 포함된 가스 히트펌프 시스템의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 가스 히트펌프 시스템을 구성하는 구성요소 중 냉각 모듈의 재료비 비중을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시된 가스 히트펌프 시스템 상의 냉매 순환 과정에 따른 냉매의 온도-엔트로피 선도이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템 상의 냉매 순환 과정에 따른 냉매의 온도-엔트로피 선도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템의 실외 열교환기의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 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 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

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 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.

아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 냉각 모듈이 포함된 가스 히트펌프 시스템의 구성을 나타내는 개략 구성도이며, 도 2는 도 1의 가스 히트펌프 시스템을 구성하는 구성요소 중 냉각 모듈의 재료비 비중을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 가스 히트펌프 시스템(10)은, 공기 조화 모듈, 엔진 모듈, 및 냉각 모듈을 포함한다.

공기 조화 모듈은 냉매 사이클을 구성하는 다수의 부품을 포함한다.

예시적으로, 공기 조화 모듈은, 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 압축기(110)에서 압축된 냉매의 방향을 전환하여 주는 사방밸브(115)를 포함한다.

공기 조화 모듈은, 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140)를 더 포함한다.

실외 열교환기(120)는 실외 측에 배치되는 실외기의 내부에 배치되고, 실내 열교환기(140)는 실내측에 배치되는 실내기의 내부에 배치될 수 있다.

사방밸브(115)를 통과한 냉매는 실외 열교환기(120) 또는 실내 열교환기(140)로 유동할 수 있다.

도 1에 도시된 시스템의 구성들은 실내 열교환기(140) 및 실내 팽창장치(145)를 제외하고 실외측, 즉 실외기의 내부에 배치될 수 있다.

가스 히트펌프 시스템(10)이 냉방 운전 모드로 운전될 경우, 사방밸브(115)를 통과한 냉매는 실외 열교환기(120)를 거쳐 실내 열교환기(140) 측으로 유동할 수 있다.

반면에, 가스 엔진 히트펌프 시스템(10)이 난방 운전 모드로 운전될 경우, 사방밸브(115)를 통과한 냉매는 실내 열교환기(140)를 거쳐 실외 열교환기(120) 측으로 유동할 수 있다.

공기 조화 모듈은, 압축기(110), 실외 열교환기(120) 및 실내 열교환기(140) 등을 연결하여 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매 배관(170, 실선 유로)을 더 포함한다.

이하에서는 일반적인 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성에 대하여, 먼저 냉방 운전 모드를 기준으로 설명한다.

실외 열교환기(120)로 유동한 냉매는 외기와 열교환하여 응축될 수 있다. 실외 열교환기(120)의 일측에는 외기를 불어주는 실외 팬(122)이 배치될 수 있다.

실외 열교환기(120)의 출구 측에는, 냉매를 감압하기 위한 메인 팽창 장치(125)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 메인 팽창 장치(125)는, 전자 팽창 밸브(Electronic expansion valve, EEV)를 포함할 수 있고, 전자 팽창 밸브(EEV)는 펄스 폭 변조 방식으로 제어할 수 있다. 따라서, 펄스를 증가(+)시키는 경우 메인 팽창 장치(125)의 개도량이 증가하고, 펄수를 감소(-)시키는 경우 메인 팽창 장치(125)의 개도량이 감소할 수 있다.

냉방 운전 시, 메인 팽창 장치(125)는 풀 오픈(full open) 되어 냉매의 감압 작용을 수행하지 않는다.

메인 팽창 장치(125)의 출구 측에는, 냉매를 추가 냉각하기 위한 과냉각 열교환기(130)가 제공될 수 있다. 그리고 과냉각 열교환기(130)에는, 과냉각 유로(132)가 연결될 수 있다. 과냉각 유로(132)는 냉매 배관(170)으로부터 분지되어 과냉각 열교환기(130)에 연결될 수 있다.

그리고 과냉각 유로(132)에는, 과냉각 팽창 장치(135)가 설치될 수 있다. 과냉각 유로(132)를 유동하는 냉매는 과냉각 팽창 장치(135)를 통과하면서 감압될 수 있다.

과냉각 열교환기(130)에서는, 냉매 배관(170)의 냉매와 과냉각 유로(132)의 냉매 간에 열교환이 이루어질 수 있다. 열교환 과정에서, 냉매 배관(170)의 냉매는 과냉되며, 과냉각 유로(132)의 냉매는 흡열한다.

과냉각 유로(132)는 기액 분리기(160)에 연결될 수 있다. 과냉각 열교환기(130)에서 열교환 된 과냉각 유로(132)의 냉매는 기액 분리기(160)로 유입될 수 있다.

과냉각 열교환기(130)를 통과한 냉매 배관(170)의 냉매는 실내기 측으로 유동하며, 실내 팽창 장치(145)에서 감압된 후 실내 열교환기(140)에서 증발된다. 실내 팽창 장치(145)는 실내기의 내부에 설치되며, 전자 팽창 밸브(EEV)로 구성될 수 있다.

또한, 실내 열교환기(140)에서 증발된 냉매는 사방밸브(115)를 경유한 후, 곧 바로 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있으며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 흡입될 수 있다.

다음으로, 난방 운전 모드를 기준으로 설명한다.

난방 과정에서는 압축기(110)에서 압축된 냉매가 실내 열교환기(140)로 유동하고, 실내 열교환기(140)에서 응축된 냉매는 보조 열교환기(150)로 유동할 수 있다. 보조 열교환기(150)에는 냉매 분기 배관(151)이 연결될 수 있다.

냉매 분기 배관(151) 중에서 보조 열교환기(150)의 입구 측에 위치되는 배관(152)에는 팽창 밸브가 구비될 수 있다. 팽창 밸브는 냉매의 유동을 조절하면서 냉매를 감압할 수 있다.

따라서, 보조 열교환기(150)는 저압의 냉매와 고온의 냉각수 간에 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기로서, 일례로 판형 열교환기를 포함한다.

보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액 분리기(160)로 유입될 수도 있다.

보조 열교환기(150)를 통과한 냉매는 기액 분리기(160)에서 기액 분리되며, 분리된 기상 냉매는 압축기(110)로 흡입될 수 있다.

한편, 엔진 모듈은 엔진(210), 및 엔진(210)으로 혼합기를 공급하기 위한 다양한 부품을 포함한다.

먼저, 엔진 모듈은 엔진(210)의 입구 측에 배치되어 공기와 가스 연료를 혼합하는 믹서(230)를 구비한다.

믹서(230)의 상류에는 믹서(230)에 정화된 공기를 공급하는 공기 여과기(220), 및 소정 압력 이하의 가스 연료(fuel)를 공급하기 위한 제로 가버너(zero governor, 240)가 설치될 수 있다.

제로 가버너(240)는 가스 연료의 입구 압력의 크기 또는 유량의 변화에 관계없이, 출구 압력을 일정하게 조절하여 공급하는 장치로서 이해될 수 있다.

공기 여과기(220)를 통과한 공기와, 제로 가버너(240)에서 토출된 가스 연료는 믹서(230)에서 혼합되어 혼합기를 형성하며, 혼합기는 엔진(210)에 공급될 수 있다.

한편, 엔진 모듈은, 믹서(230)와 엔진(210) 사이에 배치되는 과급기(250) 및 조절수단(270)을 더 포함한다.

과급기(250)는 혼합기를 가압하여 혼합기의 밀도를 높여 엔진(210)에 공급함으로써 자연 흡기 방식의 엔진에 비해서 보다 높은 출력을 내기 위한 수단으로 사용된다.

조절수단(270)은 과급기(250)와 엔진(210) 사이에 배치되어, 엔진(210)으로 공급되는 압축된 혼합기의 양을 조절한다.

예시적으로, 조절수단(270)은 ETC(electronic throttle control) 방식이 적용된 밸브로 구비될 수 있다.

이와 같이 가스 연료와 공기가 믹서(230)에서 혼합되어 혼합기가 형성되며, 혼합기는 과급기(250)에서 고압으로 가압된 후 엔진(210)으로 공급될 수 있다.

이 때, ETC 밸브(270)를 통해 엔진(210)으로 공급되는 고압의 혼합기의 양이 정밀하게 제어됨으로써 엔진(210)의 출력이 제어된다.

한편, 전술한 바와 같이, 과급기(250)를 통과한 혼합기는 고온, 고압 상태가 된다. 따라서 과급기(250)와 조절수단(270) 사이에는 혼합기의 온도와 압력을 낮춰 엔진(210)의 실린더(미도시)로 공급하기 위한 수단으로서 인터쿨러(260)가 구비될 수 있다.

예시적으로, 인터쿨러(260)는, 엔진(210)으로 공급될 혼합기와 엔진(210)으로 유동하기 위한 냉각수의 일부를 열교환시킬 수 있다.

한편, 엔진 모듈은 엔진(210)의 배기구 측에 배치되어 냉각수와 배기가스 간에 열교환하는 배기가스 열교환기(280)를 더 포함할 수 있다.

한편, 냉각 모듈은, 엔진(210)의 냉각을 위해 엔진(210) 내부의 냉각 유로(211)로 냉각수의 유동을 가이드 하는 냉각수 배관(360, 점선 유로)을 포함한다.

냉각수 배관(360)에는, 냉각수의 유동력을 발생시키는 냉각수 펌프(300)와, 냉각수의 유동 방향을 전환하기 위한 복수의 유동 전환부(310, 320) 및 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(330, radiator)가 설치될 수 있다.

복수의 유동 전환부(310, 320)는, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 포함한다. 일예로, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)는, 삼방 밸브(3way valve)를 포함한다.

방열기(330)는 실외 열교환기(120)의 일측에 위치될 수 있으며, 방열기(330)의 냉각수는 실외 팬(122)의 구동에 의하여 외기와 열교환되며, 이 과정에서 냉각될 수 있다.

냉각수 펌프(300)가 구동되면, 냉각수는 엔진(210) 및 배기가스 열교환기(280)를 통과하며, 제 1 유동 전환부(310) 및 제 2 유동 전환부(320)를 거쳐 방열기(330) 또는 보조 열교환기(150)로 선택적으로 유동될 수 있다.

이와 같이, 냉각 모듈은 엔진(210)의 냉각을 위한 다수의 부품을 포함하고 있으며, 냉각 유로는 상당히 복잡하게 구성될 수밖에 없다.

도 2에는 가스 히트펌프 시스템(10)을 구성하는 부품군을 기능별로 구분했을 때 각 부품군별로 차지하는 재료비 비율이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 모듈은 전체 재료비 대비 대략 8.2% 정도의 적지 않은 비중을 차지한다.

따라서 본 발명은 이와 같이 적지 않은 재료비 비중을 차지하는 냉각 모듈을 생략할 수 있는 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성을 제안한다

도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)은 도 1에 도시된 구성과 비교하여 냉각수 순환을 위한 냉각 모듈이 생략되어 있다는 점이 상이하며, 공기 조화 모듈과 엔진 모듈의 구성은 유사하다.

이하에서는 도 1에 도시된 구성과 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)은 엔진(210)의 냉각을 위한 냉각 모듈을 생략하되 공기 조화 모듈의 냉매를 이용하여 엔진(210)을 냉각하도록 구성된다.

이를 위해 엔진(210) 내부의 냉각 유로(211)에는 공기 조화 모듈에서 순환하는 냉매가 도입된다.

보다 상세히는 엔진(210) 내부의 냉각 유로(211)의 일측 출입구는 냉매가 유동할 수 있도록 사방밸브(115)와 연결 배관(180)을 통해 유체 연결된다.

또한, 엔진(210) 내부의 냉각 유로(211)의 타측 출입구는 냉매가 유동할 수 있도록 실외 열교환기(120)에 냉매 배관(170)을 통해 유체 연결된다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같은 냉방 모드에서, 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 사방밸브(115)를 거쳐 제1 경로(A)를 따라 유동하며 연결 배관(180)을 통해 엔진(210)의 냉각 유로(211)로 안내된다.

엔진(210)의 냉각 유로(211)로 도입된 냉매는 엔진(210)의 열을 흡수한 상태로 배출되며, 냉매 배관(170)을 따라 실외 열교환기(120)로 안내된다.

이 때, 도시된 바와 같이 엔진(210)의 냉각 유로(211)로 도입되기 전에 냉매가 배기가스 열교환기(280)를 거치도록 구성하는 것이 바람직하다. 이를 위해 연결 배관(180)에 배기가스 열교환기(280)가 설치될 수 있다.

실외 열교환기(120)로 안내된 냉매는 외기와 열교환을 하면서 응축되며, 도 1에 도시된 경로로 동일하게 냉매 배관(170)을 따라 실내 열교환기로 안내된다.

이후 실내 열교환기로부터 배출된 냉매는 사방밸브(115)로 유입되고, 제2 경로(B)를 따라 기액 분리기(160)를 거쳐 압축기(110)로 도입된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같은 난방 모드에서, 실외 열교환기(120)로부터 배출된 냉매가 냉매 배관(170)을 통해 엔진(210)의 냉각 유로(211)로 안내된다.

엔진(210)의 냉각 유로(211)로 도입된 냉매는 엔진(210)의 열을 흡수한 상태로 배출되며, 연결 배관(180)을 따라 배기가스 열교환기(280)를 거쳐 사방밸브(115)로 안내된다.

사방밸브(115)로 도입된 냉매는 냉방 모드와는 달리 경로가 전환되어 제3 경로(C)를 따라 기액 분리기(160)로 안내되며, 기액 분리기(160)를 통과한 냉매는 압축기(110)로 도입된다.

이와 같이, 엔진(210)의 냉각 유로(211)로부터 배출된 냉매가 사방밸브(115)를 거쳐 압축기(110)로 도입되기 때문에 냉매에 포함된 오일을 분리할 필요가 있다. 액체 상태의 오일이 압축기(110)로 유입되면 압축기(110)에 손상이 발생할 가능성이 크기 때문이다.

이를 위해, 도시된 바와 같이 연결 배관(180)에는 연결 배관(180)을 통해 유동하는 냉매에 포함된 오일을 분리하는 오일분리기(400)가 포함될 수 있다.

오일분리기(400)는 냉매로부터 오일을 효과적으로 분리할 수 있는 수단이라면 당업계에 공지된 수단이 제한없이 적용가능하며, 상세 구성에 대한 설명은 생략한다.

한편, 압축기(110)로 유입되어 압축 후 토출된 냉매는 사방밸브(115)로 안내되며 제4 경로(D)를 따라 실내 열교환기로 안내된다.

따라서 난방 모드 운전시 엔진(210)으로부터 흡수된 열이 압축기(110)를 거쳐 실내 열교환기로 전달될 수 있기 때문에 엔진(210)의 폐열을 효과적으로 회수할 수 있으며, 가스 히트펌프 시스템(10)의 효율이 추가적을 향상될 수 있다.

다만, 전술한 냉방 모드를 기준으로 하여 압축기(110)에 의해서 압축되면서 온도가 상승된 냉매가 엔진(210)의 열을 흡수하면서 추가적으로 가열되게 된다.

예시적으로 R410a 냉매가 적용된 가스 히트펌프 시스템(10)을 기준으로 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이 온도-엔트로피 선도(이하, T-S 선도라 함)에서 기존 시스템은 압축기(110)로부터 토출된 냉매 온도는 대략 76℃가 된다.

다만, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)은 도 6에 도시된 바와 같이 압축기(110)로부터 토출된 냉매가 추가적으로 엔진(210)의 폐열을 흡수하면서 대략 119.4℃까지 상승하게 된다.

해당 최고온도는 냉매의 물성에 변화를 주거나 냉매에 탄화를 발생하는 온도에는 해당하지 않는다.

그러나 공기 조화 모듈을 안정적으로 운전하기 위해서는 실외 열교환기(120)에서 냉매의 온도가 대략 53.2℃로 하강되어야 하기 때문에 실외 열교환기(120)의 열교환 성능을 높힐 필요가 있다.

도 7 및 도 8에는 이와 같이 실외 열교환기(120)의 열교환 성능을 향상시키기 위한 예시적 수단들이 도시되어 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 히트펌프 시스템(10)의 실외 열교환기(120)는 제1 열교환부(121) 및 제2 열교환부(122)를 포함한다.

즉, 실외 열교환기(120)의 열교환 성능을 높이기 위해서 실외 열교환기(120)가 복수의 열교환부(121, 122)를 구비하도록 구성한다.

이 때, 제1 열교환부(121)와 제2 열교환부(122)는 재료비 절감을 위해서 동일 형상 및 사이즈를 갖는 부재들로 구성하는 것이 바람직하다.

도 7에는 제1 열교환부(121)와 제2 열교환부(122)가 병렬 형태로 유체 연결되는 구성이 도시되어 있다. 따라서 실외 열교환기(120)로 유입되는 냉매는 제1 열교환부(121)와 제2 열교환부(122)로 균등하게 분배되도록 하여 열교환 성능 및 효율이 향상될 수 있다.

한편, 도 8에는 제1 열교환부(121)와 제2 열교환부(122)가 직렬 형태로 유체 연결되는 구성이 도시되어 있다.

이 경우에 냉방 모드시에 냉매가 먼저 유입되는 제1 열교환부(121)가 고온 열교환부로서 기능하며, 제1 열교환부(121)로부터 배출되는 냉매가 유입되는 제2 열교환부(122)는 저온 열교환부로서 기능한다.

이때, 도시된 바와 같이 고온의 제1 열교환부(121)는 저온의 제2 열교환부(122)보다 더 외측에 배치되도록 하여 열교환 성능 및 효율이 향상될 수 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 가스 히트펌프 시스템 110: 압축기
115: 사방밸브 180: 연결 배관
120: 실외 열교환기 121: 제1 열교환부
122: 제2 열교환부 170: 냉매 배관
210: 엔진 211: 냉각 유로
280: 배기가스 열교환기 400: 오일분리기

Claims (10)

1. 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
   상기 압축기의 구동력을 생성하고, 내부에 냉각 유로가 형성된 가스 엔진;
   상기 압축기로부터 토출된 냉매의 방향을 전환하는 사방밸브; 및
   상기 사방밸브와 상기 엔진의 냉각 유로를 유체 연결하고, 내부에서 냉매가 유동하는 연결 배관;
   을 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
   
2. 제1 항에서,
   상기 연결 배관 상에 설치되고, 상기 연결 배관을 통해 유동하는 냉매에 포함된 오일을 분리하는 오일분리기를 더 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
   
3. 제1 항에서,
   상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 낮추는 배기가스 열교환기를 더 포함하고,
   상기 배기가스 열교환기는, 상기 배기가스와 상기 연결 배관을 통해 유동하는 냉매 사이에서 열교환이 발생하도록 구성되는 가스 히트펌프 시스템.
   
4. 제1 항에서,
   냉방 모드 운전시,
   상기 압축기로부터 토출된 냉매는, 상기 사방밸브를 거쳐 상기 연결 배관을 통해 상기 엔진의 냉각 유로로 안내되는 가스 히트펌프 시스템.
   
5. 제4 항에서,
   상기 엔진의 냉각 유로와 유체 연결된 실외 열교환기를 더 포함하고,
   상기 냉방 모드 운전시에, 상기 엔진의 냉각 유로로부터 배출된 냉매는 상기 실외 열교환기로 유입되는 가스 히트펌프 시스템.
   
6. 제1 항에서,
   난방 모드 운전시,
   상기 엔진의 냉각 유로로부터 배출된 냉매는 상기 연결 배관을 통해 상기 사방밸브로 안내되고,
   상기 사방밸브를 통과한 냉매는 상기 압축기로 유입되는 가스 히트펌프 시스템.
   
7. 제6 항에서,
   상기 엔진의 냉각 유로와 유체 연결된 실외 열교환기를 더 포함하고,
   상기 난방 모드 운전시에, 상기 실외 열교환기로부터 배출된 냉매는 상기 엔진의 냉각 유로로 유입되는 가스 히트펌프 시스템.
   
8. 제5 항 또는 제7 항에 있어서,
   상기 실외 열교환기는,
   각각 내부에서 유동하는 냉매와 외기 사이에서 열교환이 이루어지도록 구성되는 제1 열교환부 및 제2 열교환부를 포함하는 가스 히트펌프 시스템.
   
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부는 병렬 형태로 유체 연결되는 가스 히트펌프 시스템.
   
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부는 직렬 형태로 유체 연결되는 가스 히트펌프 시스템.

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