열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치{Heatpump Sequential Control Device Having The Heat Exchanger}

본 발명은 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치에 관한 것으로서, 지중의 지열수를 공급하여 히트펌프에 공급될 열매체를 열교환하는 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석연료 또는 핵연료 등이 주류를 이루고 있다. 이러한 에너지원은 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 토양을 포함하는 환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체 에너지 중에서도 녹색 에너지로 각광받고 있고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구가 지속되고 있으며, 이러한 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위 장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되고 있다.

그런데 대체 에너지의 일원인 지열은 지중의 일정한 범위에 분포되는 지열을 이용하여 냉난방을 제공하는 공기 조화장치에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 가정을 비롯한 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 지열을 이용한 열교환 장치는 지하에 일정 깊이로 매설된 지중 열교환기를 통하여 연중 약 10~20℃로 유지되는 지열을 이용하여 하절기에는 지중으로 냉매의 열을 방출하고, 동절기에는 지중으로부터 냉매가 열을 흡수하여 연내 안정적인 냉난방 운전이 가능하다.

그러나 종래 사용되고 있는 지열을 이용한 열교환 장치는 장시간 연속 운전 시 필요한 열량을 지열로부터 지속적으로 공급받지 못하는 경우가 발생하고 있다.

또한 냉매의 열교환 방향 또는 유속이 일정하여 지열과 지중 열교환기 사이에서 쉽게 스트레스가 발생하는 문제가 있고, 이러한 스트레스로 인해 지중 열교환기의 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있으며, 히트펌프로 유입되는 냉매의 온도가 높아지는 경우, 히트펌프의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

그리고 지열수와 히트펌프 내의 열교환 유닛을 순환하는 냉매가 열교환함에 있어서, 기존 열교환 장치에 사용되는 판형 열교환 타입의 방열판은 이물질에 의해 쉽게 막히면서 열교환 효율이 점차적으로 감소하는 문제점이 지적되고 있다. 또한 이러한 열교환 장치는 지열의 스트레스로 인해 열교환 성능이 저하되는 것을 보완하기 위해 버퍼탱크를 별도로 구비해야만 하는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환 유닛에서 열원측 또는 부하측에 각각 공급되는 지열수 또는 열매체와, 히트펌프 내부에 순환하는 냉매의 열교환 성능을 증대시킬 수 있고, 동시에 열교환 유닛을 축열탱크로 활용하여 지열의 열교환 성능이 저하될 때 선택적으로 버퍼기능을 수반할 수 있으며, 열교환 유닛 내부의 동파를 방지하여 지속적인 히트펌프의 운행을 유도할 수 있는 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은 지열수가 공급되는 지중 열교환기; 상기 지중 열교환기에서 지열과 열교환된 지열수가 공급되어 내부를 순환하는 냉매와 열교환이 이루어지는 제1히트펌프 및 상기 제1히트펌프의 냉매와 열교환한 열매체를 통하여 실내에 냉난방 또는 온수를 공급하는 실내기를 포함하고, 상기 제1히트펌프는 내부에 상하방향으로 각각 열교환 챔버와 배출챔버가 마련되고, 상기 열교환 챔버로 지열수를 인입하여 배출하고, 상기 배출챔버로 지열수와 함께 유입된 이물질을 포집하는 축열탱크와, 상기 열교환 챔버에 공급된 지열수와 열교환한 냉매를 팽창밸브로 공급하는 제1열교환부 및 상기 열교환 챔버 내부에서 상기 제1열교환부를 수직방향으로 정렬시키는 복수개의 핀튜브를 구비하는 열교환유닛을 포함하며, 상기 제1히트펌프와 병렬로 연결되고, 상기 열교환 유닛을 공유하는 제2히트펌프 및 상 기 제1히트펌프와 제2히트펌를 제어하는 메인 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 제공한다.

상기 핀튜브는 상기 제1열교환부가 관통하도록 형성된 복수의 제1통공과, 상기 제1통공에 인접하여 지열수가 지나가도록 형성된 제2통공을 포함할 수 있다.

상기 핀튜브는 상기 열교환 챔버 내부에서 복수개의 층으로 서로 이격되어 배치되되, 각 층에서 지열수가 서로 지그재그 방향으로 하향 공급되도록 배치될 수 있다.

상기 핀튜브는 상기 열교환 챔버 내부에 공급된 지열수가 흐르는 방향을 따라서 하향 경사지도록 배치될 수 있다.

상기 축열탱크는 내부에 공급된 지열수의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 열교환 챔버의 상부에 배치되는 에어벤트를 포함할 수 있다.

상기 축열탱크는 상기 열교환 챔버와 배출챔버를 각각 상하로 구획하는 분리판을 포함하고, 상기 분리판은 지열수 속에 포함된 이물질이 상기 배출챔버 내부 저면에 저장되도록 콘 형상의 포집부재를 포함할 수 있다.

상기 축열탱크는 상기 배출챔버 내부에 저장된 이물질 또는 지열수를 선택적으로 배출할 수 있도록 구비된 배수밸브를 포함할 수 있다.

상기 축열탱크는 상기 축열탱크 내부 지열수의 배출량을 선택적으로 조절하는 유량조절밸브를 포함할 수 있다.

상기 제1열교환부는 압축기로부터 전달받은 냉매가 x축 방향으로 상기 축열탱크 내부로 공급되는 공급관과, 상기 공급관으로부터 복수개가 나란히 y축 방향으로 분리되는 분배관과, 상기 분배관으로부터 복수개가 나란히 z축 방향으로 분리되는 분기관과, 상기 분기관들이 다시 y축 방향을 향하여 합쳐지는 복수개의 포집관과, 상기 포집관들이 모두 합쳐져 열교환이 완료된 냉매를 팽창밸브로 공급하는 배출관을 포함할 수 있다.

상기 제1열교환부는 상기 공급관으로부터 배출관 사이에서 리버스 리턴 방식으로 냉매를 공급하고 환수할 수 있다.

상기 축열탱크는 상기 열교환 챔버 또는 배출챔버 중 적어도 하나 이상의 챔버 내부를 확인할 수 있도록 개폐 가능하게 구비되는 점검수단을 포함할 수 있다.

상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치는 상기 제1히트펌프 또는 제2히트펌프와 병렬로 연결되는 제3히트펌프 내지 제6히트펌프를 더 포함하 수 있다.

상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 부하량에 따라서 선택적으로 또는 모두 가동할 수 있다.

상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 어느 하나의 히트펌프를 기준으로 순차적으로 전원을 인가하고, 전원이 먼저 인가된 순서대로 전원을 차폐하도록 순차제어할 수 있다.

상기 메인 컨트롤러는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프부터 누적 가동시간이 가장 긴 히트펌프 순서대로 전원을 인가하여 평균 가동시간이 같아지도록 평균제어할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치에 따르면,

첫째, 열교환 유닛을 축열탱크로 활용하여 지열의 열교환 성능이 저하될 때 선택적으로 버퍼기능을 수행할 수 있고,

둘째, 열교환 유닛의 냉매 유동 경로를 개선하여 열원측 또는 부하측에 각각 공급되는 지열수 또는 열매체와, 히트펌프 내부에 순환하는 냉매의 열교환 성능을 증대시킬 수 있으며,

셋째, 열교환 유닛 내부의 온도센서를 통하여 지열수의 온도를 감지하여 동파를 방지할 수 있고,

넷째, 이로 인하여 지속적인 히트펌프의 운행을 유도할 수 있으며,

다섯째, 제1히트펌프와 제2히트펌프 중 하나 또는 모두를 가동하여 열교환 효율을 증대시킬 수 있고,

여섯째, 복수의 히트펌프들의 가동시간이나 가동순서를 제어하여 전원이 인가되는 히트펌프의 순서를 순차적으로 제어함으로써 히트펌프들의 평균 기대수명을 동일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 히트펌프의 열교환 유닛을 부분적으로 도시하는 부분 확대도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 열교환 유닛의 다른 실시예를 도시하는 참고도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 히트펌프의 열교환 유닛을 부분적으로 도시하는 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.

도 1을 참조하면, 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 지열을 열원으로 하여 지중에서 열교환되어 공급된 지열수가 공급되는 제1열교환 유닛(110)과, 상기 제1열교환 유닛(110) 내부에서 지열수와 열교환된 냉매를 공급하도록 냉매(R-22, R-134a 또는 R-410)의 순환을 허용하는 제1냉매 순환라인(121)과, 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에 결합되는 압축기(120) 및 팽창밸브(130)와, 상기 압축기(120)로부터 공급되는 냉매가 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에서 공급되는 경로를 설정하는 4방밸브(140)와, 상기 제1열교환 유닛(110)과 동일한 구성으로 부하측에 배치되는 제2열교환 유닛(150)을 포함하는 제1히트펌프(100)와, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)를 제어하는 제어부(미도시) 및 지중 열교환기(30)� � 포함한다.

그리고 상기 제1냉매 순환라인(121)은 상기 제1히트펌프(100) 내부에서 폐쇄루프를 이루도록 연결된다.

따라서, 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 냉방 운전시에 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 실내기(12)로 하여금 실내에서 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉동사이클의 가동을 가능케 한다. 또한 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 난방시에 상기 냉방사이클의 역사이클로 냉매를 흐르게 하여 실내기(12)로 하여금 냉매의 응축을 통해 실내를 난방시키게 한다.

또한, 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 공기 열원식 히트펌프 냉난방시스템과 달리, 지열을 열교환 열원으로 하는 지열수를 이용하여 실외의 제1열교환 유닛(110)에서 열교환을 행하는 지열 열교환식 히트펌프 시스템(10)이다.

따라서, 상기 제1히트펌프(100)는 제1열교환 유닛(110) 및 제2열교환 유닛(150)을 흐르는 냉매가 냉난방 여하에 따라 각각 응축기 또는 증발기 기능을 위한 하나의 열교환 순환회로를 구성한다.

그리고 상기 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(10)는 지중의 열원을 이용하기 위해 지중에 매설된 별도의 지중 열교환기(30)가 구비된다. 상기 지중 열교환기(30)는 지중에 설정된 깊이로 복수개의 'U'자 형상의 관이 매설되며, 상기 지중 열교환기(30)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 지열수를 상기 제1열교환 유닛(110)으로 공급한다. 상기 지중 열교환기(30)의 매설깊이는 그 지역의 연간평균기온을 항시 유지하는 깊이로 설정되는 것이 바람직하며, 대략 13~18℃의 온도가 유지된다.

따라서 상기 제1히트펌프(100)는 지중 열원을 이용하여 상기 제2열교환 유닛(150) 내부의 열매체와 열교환이 이루어지면서 열매체를 실내 냉난방수로 공급하거나 순환하도록 구성할 수 있다. 이때 상기 제1히트펌프(100)는 지중 열교환기(30)와 열교환을 통하여 열원을 공급받고, 또한 실내기(12)를 통하여 실내에 열원을 공급한다. 즉 상기 제1히트펌프(100)는 지중의 지열수로부터 열원을 공급받아 제1열교환 유닛(110)으로 공급하여 열교환이 이루어지고, 여기서 열교환된 냉매를 다시 응축 또는 증발시켜 고온 또는 저온의 냉매를 상기 제2열교환 유닛(150)으로 공급하여 열매체와 열교환 하면서 실내 난방 또는 냉방이 이루어질 수 있다.

상기 제1히트펌프(100)의 냉동사이클을 보다 상세하게 설명하면, 난방 시 상기 압축기, 사방밸브, 제2열교환 유닛(150), 팽창밸브, 제1열교환 유닛(110), 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제1열교환 유닛(110)에서 지열수의 열원을 흡수하여 제2열교환 유닛(150)의 열매체로 전달하여 난방이 이루어진다.

또한 냉방 시 상기 압축기, 사방밸브, 제1열교환 유닛(110), 팽창밸브, 제2열교환 유닛(150), 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제2열교환 유닛(150)에서 열매체의 열원을 흡수하여 제1열교환 유닛(110)의 열매체로 전달하여 냉방이 이루어진다

따라서 난방 시에는 상기 제1열교환 유닛(110)이 증발기 역할을 하고, 제2열교환 유닛(150)이 응축기 역할을 한다. 또한 상기 압축기에서 냉매를 고온 고압으로 압축하여 기화시켜 제2열교환 유닛(150)으로 공급한다. 그러면 상기 제2열교환 유닛(150)은 기화된 냉매를 액화시켜 열에너지를 방출하면서 온수를 공급하거나 난방이 이루어진다.

그리고 냉방 시에는 상기 제2열교환 유닛(150)이 증발기 역할을 하고, 제1열교환 유닛(110)이 응축기 열학을 한다. 또한 상기 제2열교환 유닛(150)에서 응축된 냉매가 팽창밸브를 통해 제1열교환 유닛(110)으로 공급된다. 그러면 상기 제2열교환 유닛(150)에서 냉매가 기화되면서 열에너지를 흡수하여 제1열교환 유닛(110)에 유입된 열매체의 온도를 낮추게되고, 이렇게 냉각된 열매체는 실내기(12)로 공급되어 냉방이 이루어진다. 여기서 열매체는 물, 공기 또는 냉매를 모두 포함하고, 이중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.

이하에서는 상기 제1열교환 유닛(110)과 제2열교환 유닛(150)의 상세한 내부 구성에 대하여 설명한다. 상기 제1열교환 유닛(110)과 제2열교환 유닛(150)은 동일한 구성을 가지며 냉난방에 따라서 서로 역할 또는 기능을 바꿔서 수행할 수 있기 때문에 제1열교환 유닛(110)에 대해서만 설명하고 중복 설명은 생략한다.

도 2는 도 1에 나타낸 열교환 유닛을 도시하는 부분 확대도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도이며, 도 4는 도 3에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛은 내부에 상하방향으로 각각 열교환 챔버(111a)와 배출챔버(111b)가 마련되고 상기 열교환 챔버(111a)로 지열수를 인입하여 배출하고 상기 배출챔버(111b)로 지열수에 포함된 이물질을 배출하여 포집하는 축열탱크(111)와, 상기 열교환 챔버(111a)에 공급된 지열수와 열교환한 냉매를 제1히트펌프(100)로 공급하는 제1열교환부(112) 및 상기 제1열교환부(112)가 수직방향으로 관통하도록 정렬시키는 복수개의 핀튜브(113)를 포함한다.

상기 축열탱크(111)는 제1열교환 유닛(110)으로 사용되는 경우 지열수가 공급 및 배출되면서 냉매가 열원측과 열교환 하고, 제2열교환 유닛(150)으로 사용되는 경우 열매체가 공급 및 배출되면서 냉매가 부하측과 열교환하게 된다.

또한 상기 축열탱크(111)는 버퍼탱크로서의 기능을 수반하기 때문에 별도의 버퍼탱크와 펌프가 추가적으로 구비될 필요가 없는 이점이 있다. 따라서 지중 열교환기(30)에서 열교환 성능이 떨어지는 경우 축열탱크(111) 내부에 저장된 지열수의 열원을 통하여 일시적으로 열원을 공급할 수 있다.

그리고 상기 축열탱크(111)의 상부에는 내부 압력을 설정된 압력으로 유지할 수 있도록 에어벤트(1111)가 구비된다.

상기 에어벤트(1111)는 축열탱크(111) 내부의 압력이 높아지는 경우, 내부의 공기를 외부로 배출하는 기능을 제공하여 설정된 압력을 일정하게 유지시키는 기능을 제공한다. 그리고 상기 축열탱크(111)는 내부 압력에 대한 내구성을 증대시킬 수 있도록 원통 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 축열탱크(111)는 내부에 공급된 지열수의 온도를 감지하는 온도센서(1112)가 구비된다.

상기 온도센서(1112)는 축열탱크(111) 내부에 공급된 지열수가 설정온도 범위를 유지할 수 있도록 지열수의 온도 데이터를 제어부에 공급한다. 이때 상기 축열탱크(111)의 지열수가 설정온도 범위보다 떨어지는 경우 축열탱크(111) 내부에 공급되는 또는 배출되는 지열수의 양을 조절하여 지열수가 설정온도를 유지하도록 제어할 수 있다.

그리고 상기 축열탱크(111)는 상기 배출챔버(111b) 내부에 저장된 이물질 또는 지열수를 선택적으로 배출할 수 있도록 배수밸브(1113)가 구비된다. 따라서 상기 배수밸브(1113)를 통하여 축열탱크(111) 내부에 저장된 이물질을 용이하게 배출할 수 있어 기대수명을 증대시킬 수 있으며, 세척 시 상기 배수밸브(1113) 방향으로 세척수를 고압으로 공급하여 완전히 배출되지 않은 이물질을 역방향으로 배출하도록 할 수도 있다.

상기 축열탱크(111)는 상기 열교환 챔버(111a)와 배출챔버(111b)를 구획하는 분리판(1114)이 구비된다. 상기 분리판(1114)은 지열수가 공급된 후 배출되는 배출공의 높이보다 낮은 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 상기 배출챔버(111b) 내부에 저장된 이물질이 축열탱크(111)의 외부로 배출되는 지열수로부터 영향을 받아 비산하는 것을 방지하기 위함이다.

또한 상기 분리판(1114)은 지열수 속에 포함된 이물질이 상기 배출챔버 내부에 저장되어 머무르도록 콘 형상의 포집부재(1115)가 구비된다.

상기 포집부재(1115)는 상기 분리판(1114)을 기준으로 상측의 열교환 챔버(111a)에서 배출챔버(111b) 방향으로 그 지름 또는 단면적이 줄어드는 형상으로 형성된다. 따라서 상기 열교환 챔버(111a)에서 배출챔버(111b) 방향으로 이물질의 유입은 용이하나 역방향으로 이물질이 배출되는 것은 어렵게 형성된다.

상기 축열탱크(111) 내부에서 외부로 배출되는 지열수의 양을 조절할 수 있도록 축열탱크(111)에는 유량조절밸브(1116)가 구비된다. 상기 유량조절밸브(1116)는 전기한 상기 배출챔버(111b)를 통해 지열수의 온도범위가 설정된 범위를 벗어나는 경우에 지열수의 공급 또는 배출양을 조절하여 축열탱크(111) 내부에 저장된 지열수의 온도를 높이거나 낮추는 기능을 제공한다.

그리고 상기 축열탱크(111)의 일 측면에는 상기 열교환 챔버(111a) 또는 배출챔버(111b) 중 적어도 하나 이상의 챔버 내부를 확인할 수 있도록 개폐 가능하게 구비되는 점검수단(1117)이 구비된다.

상기 점검수단(1117)은 축열탱크(111) 내부의 상태를 사용자가 확인할 수 있고, 필요 시 상기 점검수단(1117)을 개방하여 세척공정을 직접적으로 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 제1열교환부(112)는 상기 축열탱크(111)의 열교환 챔버(111a) 내부에 배치되며, 지열수와 열교환된 냉매를 팽창밸브 또는 압축기로 공급한다.

이때 상기 제1열교환부(112)는 전달받은 냉매가 x축 방향을 따라서 상기 축열탱크(111) 내부로 공급되는 공급관(1121)과, 상기 공급관(1121)으로부터 복수개가 나란히 y축 방향으로 분리되는 분배관(1122)과, 상기 분배관(1122)으로부터 복수개가 나란히 z축 방향으로 분리되는 분기관(1123)과, 상기 분기관(1123)들이 다시 y축 방향을 향하여 합쳐지는 복수개의 포집관(1124)과, 상기 포집관(1124)들이 모두 합쳐져 열교환이 완료된 냉매를 상기 축열탱크(111) 외부로 배츨하는 배출관(1125)을 구비한다.

이렇게 상기 제1열교환부(112)가 x축, y축, z축 방향으로 절곡되는 형상은 상기 공급관(1121)으로 유입된 냉매가 배출관(1125)으로 출수하는 과정에 있어 열교환이 이루어지는 모든 영역에서 동일하거나 아주 유사한 열교환량을 제공할 수 있다. 따라서 공급관(1121), 분배관(1122), 분기관(1123), 포집관(1124) 및 배출관(1125) 중 어느 한 영역에서 열교환 성능이 현저히 떨어지는 것을 방지할 수 있기 때문에 상기 제1열교환부(112)의 전 영역에서 고른 열교환 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

이는 상기 제1열교환부(112)가 상기 공급관(1121)으로부터 배출관(1125) 사이에서 리버스 리턴(Reverse Return) 방식으로 냉매를 공급하여 열교환이 이루어지는 기능을 가진다.

또한 상기 핀튜브(113)는 상기 제1열교환부(112)가 관통하도록 형성된 복수의 제1통공(1132)과, 상기 제1통공(1132)에 인접하여 지열수가 하방으로 지나가도록 형성된 제2통공(1131)이 형성된다.

도 4를 참조하면, 상기 축열탱크(111) 내부에는 상기 핀튜브(113)가 복수의 층으로 서로 이격되어 배치된다. 그리고 각 층은 서로 지그재그 방향으로 지열수가 공급되도록 축열탱크(111) 내주면과 이격되어 있다. 즉 상기 축열탱크(111) 내부에 공급된 지열수는 하방으로 공급되는 과정에서 상기 축열탱크(111)의 일 측면과 타 측면 사이에서 지그재그 방향으로 하향 공급된다.

다시 말해, 가장 상부의 핀튜브(113)는 도 4와 같이 우측 단부가 개방되고, 그 아래 핀튜브(113)는 좌측 단부가 개방되기 때문에 지열수가 지그재그 방향으로 흐르게 된다. 따라서 상기 제1열교환부(112)의 전 영역에서 지열수와 균형적인 열교환이 이루어질 수 있다.

도 4에서 점선은 지열수의 진행방향을 나타내고, 실선은 냉매의 진행방향 및 속도를 나타낸다. 즉, 지열수는 좌측 상단의 유입구로 공급되어 지그재그 방향으로 하향 공급되고, 냉매는 우측 상단으로 공급되어 순차적으로 하측 방향으로 분기되고 다시 포집되어 배출된다.

도 5는 도 4에 나타낸 열교환 유닛의 다른 실시예를 도시하는 참고도이다.

도 5를 참조하면, 상기 축열탱크(111) 내부에는 상기 핀튜브(113')가 복수의 층으로 서로 이격되어 배치되되, 소정의 각도(θ)로 기울어지도록 배치된다.

따라서 상기 축열탱크(111) 내부로 유입된 지열수는 공급된 방향을 따라서 상기 핀튜브(113')의 경사면을 타고 흘러 지그재그 방향으로 하향 공급되기 때문에 상기 축열탱크(111) 내부에 이물질이 쉽게 쌓이는 것을 방지하고, 지열수를 원활하게 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이고, 도 7은 도 6에 나타낸 히트펌프의 열교환 유닛을 부분적으로 도시하는 부분 확대도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(20)는 전기한 제1히트펌프(100)와 병렬로 연결되는 제2히트펌프(200)와, 지열수가 공급되는 지중 열교환기(11)와, 상기 제1히트펌프(100) 또는 제2히트펌프(200)의 냉매와 열교환한 열매체를 통하여 실내에 냉난방 또는 냉난방수를 공급하는 실내기(12)를 포함한다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(20)는 상기 제2히트펌프(200)가 상기 제1히트펌프와 동일한 구성과 기능을 제공하며, 단지 제2히트펌프(200)는 제1히트펌프(100)와 함께 제1열교환 유닛(210) 및 제2열교환 유닛(250)을 공유한다. 보다 명확하게는 상기 제1열교환 유닛(210) 및 제2열교환 유닛(250)을 감싸고 있는 축열탱크(211)를 공유한다.

상기 축열탱크(211) 내부에는 상기 제1히트펌프(100)와 연결되는 제1열교환부(112)와 상기 제2히트펌프(200)와 연결되는 제2열교환부(212)가 구비되어 선택적으로 또는 동시에 열교환이 이루어진다. 물론 상기 제1히트펌프(100)는 제1냉매 순환라인(121)을 구비하고, 제2히트펌프(200)는 제2냉매 순환라인(221)을 구비하여 별도의 폐쇄루프에서 냉매가 순환하게 된다.

예컨대, 지열 온도와 대기의 온도 차이가 심한 여름이나 겨울철에는 열교환 성능이 증대되기 때문에 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200)가 동시에 상기 제1열교환부(112)와 제2열교환부(212)를 통하여 열교환이 수행될 수 있고, 이를 통하여 냉난방 또는 온수를 보다 효율적으로 공급할 수 있게 된다.

물론 필요에 따라서 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200) 중 어느 하나만 가동하여 전력낭비를 막을 수 있고, 상기 제1히트펌프(100)와 제2히트펌프(200)를 교번으로 번갈아 가동하여 기대수명을 증대시키는 효과도 기대할 수 있다.

상기 축열탱크의 다른 기능, 즉 에어벤트(1111), 배수밸브(1113), 유량조절밸브(1116), 핀튜브(113)와 도면에 도시하지는 않았지만 분리판, 포집부재, 점검수단 등의 기능은 전기한 제1실시예와 동일하게 적용 가능하기 때문에 상세한 설명은 중복되어 생략한다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치를 개략적으로 나타내는 참고도이다.

도 8을 참조하면 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(30)는 제1히트펌프 내지 제6히트펌프와, 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 개별적으로 또는 모두 동시에 제어하는 메인 컨트롤러(390)를 포함한다. 이하에서 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 제3실시예에 따른 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치(30)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프가 동일한 구성과 기능을 제공하며, 단지 두 대의 히트펌프가 각각에 구비된 제1열교환 유닛(310) 및 제2열교환 유닛(350)을 공유한다. 이하에서 각 히트펌프들은 전기한 실시예에서 기재한 히트펌프와 동일 구성을 가지기 때문에 중복 설명은 생략한다.

그리고 상기 메인 컨트롤러(390)가 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프를 제어방법에 관해서 상세하게 설명한다.

상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프를 구비하는데, 이때 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프는 순차적으로 전원이 인가되거나 차단되도록 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 예컨대 상기 제1히트펌프(100)가 가장 먼저 가동되고, 부하량에 따라서 이어서 상기 제2히트펌프(200)와 제3히트펌프(300)와 제4히트펌프(400)가 순차적으로 가동이 이루어지면, 상기 제5히트펌프(500) 및 제6히트펌프(600)는 정지된 상태가 된다. 그리고 순차적으로 상기 제1히트펌프(100)부터 제4히트펌프(400)의 가동이 정지되면, 다시 가동이 시작될 때는 상기 제5히트펌프(500)부터 전원이 인가되어 이어서 상기 제6히트펌프(600)의 가동이 이루어지는 순차제어가 적용된다. 물론 이때 모든 히트펌프들의 가동이 중단된 후에 다음 순번의 히트펌프의 가동이 이루어질 수도 있고, 모든 히트펌프들의 가동이 중단되기 전에 다음 순번의 히트펌프의 가동이 시작될 수도 있다.

이렇게 상기 메인 컨트롤러(390)에 의해서 순차제어가 적용되면, 종래에 기 설정된 히트펌프부터 가동이 이루어지는 것에 비하여 히트펌프로부터 일정한 출력을 얻을 수 있고, 또한 히트펌프들의 기대수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프를 가동함에 있어서, 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프의 평균 가동시간을 고려하여 순차적으로 전원이 인가되거나 차단되도록 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 예컨대 상기 제1히트펌프(100) 내지 제6히트펌프(600)가 순차적으로 가동되는 과정에서 순서적으로는 상기 제1히트펌프(100)에서 제6히트펌프(600)까지 순차적으로 가동이 되었지만, 어느 하나 또는 복수개 히트펌프의 누적 가동시간이 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 메인 컨트롤러(390)가 이를 인지하여 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프의 가동을 우선적으로 작동시키도록 제어할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 메인 컨트롤러(390)는 이러한 히트펌프들의 누적 가동시간을 감지할 수 있도록 타이머와 같은 센서(미도시)를 포함한다.

따라서 상기 메인 컨트롤러(390)는 상기 제1히트펌프 내지 제6히트펌프 중에서 누적 가동시간이 가장 짧은 히트펌프부터 누적 가동시간이 가장 긴 히트펌프 순서대로 전원을 인가하여 평균 가동시간이 같아지도록 평균제어를 수행한다.

그러면 복수의 히트펌프들의 누적 가동시간이 평균적으로 동일해지도록 히트펌프들의 가동순서를 제어하여 평균 기대수명을 동일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의해 결정되어야 한다.

100, 200 : 히트펌프 110,210,310 : 제1열교환 유닛
111, 211 : 축열탱크 112 : 제1열교환부
113 : 핀튜브 120, 220 : 압축기
130, 230 : 팽찰밸브 140, 240 : 사방밸브
150,250,350 : 제2열교환 유닛 212 : 제2열교환부
390 : 메인 컨트롤러
10, 20, 30 : 열교환 유닛을 구비한 히트펌프 순차제어장치
11 : 지중 열교환기
12 : 실내기