KR0147912B1 - 가스모타 이용 절전 냉동장치 - Google Patents

Abstract

가스모타 이용 절전 냉동장치의 발명의 요지는 유체기기의 일종인 공기모타 에너지 이용효율을 높일 수 있도록 설치 구성을 개선하여 유체 에너지의 낭비와 손실을 줄여주는 기체모타 직렬 연결장치와 열이동에 따른 에너지 전달을 냉매물질의 상태변화로 바꾸어서 활용할 수 있도록 하기 위하여 공기모타를 구동시키는 데 사용되는 유체 매개체를 불응축 가스인 공기를 사용하는 대신에 증발온도가 매우 낮고 상태변화를 쉽게 일으키는 특성을 가진 고압가스 냉매를 사용하여서 열이동으로 나타나는 고압가스 냉매의 상태변화 특성을 유체기기의 회전력 동력으로 얻어서 회수된 동력에너지 만큼 절전효과를 얻을 수 있게 되는 가스모타 이용 절전 냉동장치를 구성하게 된 것이다.

첫째로, 기체모타 직렬연결장치는 압축공기로 구동되는 공기모타의 에너지 이용효율을 높일 수 있도록 공기모타 사용할때 설치방법을 단일장치의 병렬구성에서 다수장치의 직렬구성으로 변경 개선하여서 에너지 이용율을 10%에서 70% 이상으로 높인 것이다.

기존의 공기모타 사용방법인 단일장치 병렬구성으로는 각각 1개씩의 공기모타를 구동하면서 대기중에 압축공기를 방출하면서 구동시키게 되는데 이때 대기중에 방출되는 압축공기는 많은 유체의 운동에너지를 함유한체 낭비되어 손실로 벼려지므로 실제로 얻게 되는 에너지 이용효율은 10% 이내로서 매우 낮다. 이러한 저효율을 개선시키기 위하여 직렬구성으로 설치방법을 변경하여 다수대(본 발명장치는 11대로 구성함)의 공기모타를 연결 구동하게 되면 마지막단의 공기모타 출구측에 1대를 구동시킬 때와 같은 양의 압축공기가 나가도록 하면 직렬 연결된 다수개의 공기모타는 흐르는 유체량과 유체속도가 동일하므로 1대와 같은 정격 회전력으로 구동되어서 같은 양의 압축공기를 소모하면서 더 많은 동력 에너지로 변환시킬 수 있게 되는 것이다. 대기중에 방출되는 부분과 흡입되는 부분에서 발생되는 에너지 손실을 줄이기 위하여 마지막 단의 공기모타의 출구측과 압축기의 흡입측을 연결하므로서 순환도는 싸이클을 이루게 하여 에너지 낭비와 손실을 최소화하여 에너지 이용효율을 높여서 유체기기를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 기체모타 직렬 연결장치며,

둘째로, 가스모타 이용 절전 냉동장치를 구성하기 위하여서 공기모타를 구동시키기 위하여 사용되고 있는 유체 매개체를 압축기의 동력으로만 충진되는 불응축 가스인 공기를 사용하는 대신에 액체에서 기체로 기화될때 증발온도가 낮아서 상온의 대기온도에서도 대기열을 흡수함으로써 고압의 강한 압력을 갖게 되어 압축공기보다도 더 강하게 공기모타를 구동시킬 수 있는 고압가스 냉매를 유체 매개체로 하여서 공기모타를 구동시키도록 하였다.

고압가스 냉매로서 공기모타를 구동시킴으로서 열이동 에너지를 이용할 수 있게 되어서 열펌프로서 작동하기 위하여 사용되는 고압가스 냉매 순환용 압축기 동력의 역학적 에너지와 증발기의 열흡수 및 응축기의 열방출로 연결되어서 열이동으로 전달되는 에너지 전달의 효과가 합해져서 냉매순환을 돕게 되므로써 단일장치 내에서 랭킨 싸이클과 역랭킨 싸이클의 원리가 활용되어지는 복합장치를 구성할 수 있게 되어서 기존의 고압가스 냉동장치에서와 마찬가지로 냉,난방 장치의 기능을 갖춘 열 펌프로서 활용하면서도 순환되는 유체 냉매의 비운동에너지를 동력으로 회수하여 이용할 수 있게 되는 것이다.

열펌프로서 구성된 고압가스 냉동장치의 계통내에 순환되고 있는 유체 냉매의 비운동에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 유체기기의 에너지 이용율을 높여주는 기체모타 직렬 연결장치를 설치하여서 같은 양의 유체 냉매흐름으로 많은 동력에너지를 회수할 수 있도록 하여 에너지 이용효율을 향상시킬 수 있는 장치를 구성함으로써 열펌프로서 기능을 수행하면서 그와 동시에 유체기기의 회전력 동력을 얻게 되고 열이동에 따른 에너지 전달효과는 열펌프와 동력회수장치의 효율을 향상시킴으로써 역학적 운동에너지인 유체기기의 회전력 동력을 다각적으로 활용할 수 있도록 하며 기존의 고압가스 냉동장치에 적용하여서 절전형으로 개조 설치할 수 있게 되는 가스모타 이용 절전 냉동장치이다.

Description

가스모타를 이용한 절전 냉동장치

본 발명의 목적은 고압가스 냉매 유체의 흐름으로 구동되는 유체기기의 동력을 효율적으로 얻어서 활용할 수 있게 하는 장치를 제공함에 있는 것으로서, 특히 유체기기 구동시 설치방법을 개선하여 동일한 특성과 동일한 구조의 유체기기를 사용하면서도 에너지 이용 효율을 향상시키는 방법을 제공하게 되며, 현재 많이 사용하고 있는 공기모타를 구동시키는 유체매개체를 불응축가스인 공기를 사용하는 대신에 고압가스 냉매를 사용하여서 열을 흡수 또는 방출하면서 기체와 액체로서 상태변화를 일으켜서 일이동에 따른 에너지 전달을 유체기기의 회전운동 에너지로 활용하게 하며, 기존의 고압가스 냉동장치에 적용하여서 냉, 난방장치로서만 이용하고 있는 장치내부에 순환되는 유체냉매로서 유체기기를 구동하여 동력으로 이용할 수 있는 장치를 구성함으로써 회수되는 동력에너지만큼 절전효과를 얻게 되는 것으로, 즉, 열펌프의 기능을 수행하면서 동시에 유체기기를 구동하여 동력을 얻을 수 있게 되는 복합장치인 가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 제공함에 있는 것이다.

일반적으로, 기체나 액체, 즉 유체의 흐름을 이용하여 동력을 얻어서 이용하는 장치로서는 풍차, 수차, 스팀터빈, 가스터빈, 공기모타 등이 있다.

이러한 여러 가지의 유체기기들 중에서 자연적인 조건에 의해 만들어진 바람이나 물을 이용한 풍차나 수차 또는 간만의 차에 의한 바닷물을 이용한 조력등은 원리는 단순하고 사용한 역사는 오래되었으나, 자연의 조건이 먼저 갖추어져야 하며 제반 시설을 갖추고 운용하는 데 과다한 경비가 소요되며, 넓은 공간이 필요함은 물론, 설비후 가동하였을 때에 얻을 수 있는 동력이 상대적으로 매우 작기 때문에 실용적으로 많이 쓰이지 않고 인위적으로 만들어진 공간 내부에서 기체운동을 크게 하고, 유체흐름을 빠르게 하여 유체기기를 구동하여서 동력으로 활용하는 방법들이 현실적으로 많이 사용되고 있는 것이다.

본 발명의 공기모타는 각종의 산업현장에서 일반적으로 휴대용 에어공구로서 많이 사용되고 있으나, 사용자들 조차도 작동원리에 대한 특성을 생각지 않고 무관심하게 사용함이 현 실정인 것이다.

공기모타는 전기모타에 비하여 그 크기가 작고 가벼워서 휴대하기에 용이하고 실용성이 뛰어나며, 또한 압축공기를 사용하기 때문에 안전성이 우수함은 물론 과부하로 인하여 모타회전이 정지하더라도 전기모타와는 달리 소손될 염려가 전혀 없으며, 인화물질이 다량있는 곳에서도 전기 스파크 등 불꽃이 없기 때문에 화재위험이 없이 유용하게 이용될 수 있는 장점들은 매우 많으나, 그 반면에 에너지 이용 효율이 고압공기를 만드는 압축기 측과 대비할 때 5-10% 이내로서 극히 저조하여 일반적인 동력장치로서 널리 사용되지 못하고, 선박 계통의 특수한 엔진의 시동장치나 인화가스 발생으로 화재위험이 상존하여 있는 유조선의 갑판상에 있는 동력장치들, 그리고 휴대용 공압공구 등 특수한 용도에 한정되어서 사용되어 왔던 것이다.

공기모타의 여러 가지 장점들을 보았을 때 장치의 에너지 이용 효율을 높여서 사용범위를 넓혀야 할 것임은 필연적인 과제로써, 따라서 지금까지 공기모타 제조업체에서는 정밀가공 기술로서 단일장치의 이용율을 높이기에 많은 연구와 노력을 기울여 왔으나 그 효율은 선진국 제품인(예컨대, 독일 보쉬, 일본 후지 등)경우에 10%정도에 불과한 것이다.

제1도는 공기의 에너지 효율이 낮은 단일장치 공기모타의 종래사용방법을 도시해 보인 설치계통도.

제2도는 공기모타의 에너지 이용 효율을 개선시킨 기체모타 직렬연결장치를 도시해 보인 계통도.

제3도는 에너지 손실을 줄이기 위하여 유체순환 계통내에 기체모타의 직렬연결장치를 설치하여 유체기기의 효율을 개선시킨 기체모타 직렬 연결장치 순환 싸이클장치를 도시한 개략도.

제4도는 기체모타 직렬연결장치가 실용화될 수 있도록 각각 공기모타를 작동/정지할 수 있는 밸브와 배관이 설치된 기체모타 직렬연결장치 실용화의 설치계통도.

제5도는 고압가스 냉매압축기에 기체모타 직렬연결장치를 설치할 수 있게 하며 순환계통내에 냉매의 상태를 검사하고 충진하기에 용이하도록 하는 기체모타 직렬연결장치 설치용 벨브계통도.

제6도는 종래의 고압가스 냉동장치에 응용되어 가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 구성하는 장치의 계통도.

제7도는 제6도를 기본으로 하여 고온상태의 응축기와 저온상태의 증발기에 남은 잔여의 일을 교환하여 열전달 에너지의 효율을 개선하여 구성되는 가스모타를 이용한 절전 냉동장치의 전체계통도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

DT,C1-C11:압축기 EM:전기모타

G1-G11:가스모타(공기모타) V1-V6:밸브

P1-P6:파이프연결구 K1-K11:동력연결용커플링

따라서, 본 발명에서는 유체기기의 에너지 이용 효율을 높이기 위하여 기존의 유체기기의 설치방법을 변경하여 개선시킨 것으로서, 종래 10%에 불과한 에너지 이용효율을 70-80%정도까지 높일 수 있게 된 것이다.

유체기기의 에너지 효율을 개선하기 위해서는 해당 유체기기의 작동원리를 각 종류별로 비교 검토하여 작동중에 나타나는 현상을 관찰하여 문제점을 파악해야만이 비로소 방법을 개선할 수 있게 된다.

유체기기 중에서 특히, 기체상태로 구동되는 유체기기의 대표적인 장치인 증기터빈과 공기모타를 비교해 보면, 증기터빈이나 공기모타는 양자가 고압기체의 빠른 흐름에 의해서 터보 회전자 또는 로터리 회전자를 고압의 유체가 밀어서 구동되는 원리자체는 동일하게 생각할 수 있지만, 고압기체가 만들어지는 과정 및 에너지원은 다르다.

즉, 증기터빈이나 증기모타(공기모타와 거의 같은 구조의 회전기기임)의 에너지원은 열이 전달되는 것으로서 물을 유체 매개체로 하여 물이 대기압에서 100℃이상의 온도로 가열되면 끓어서 고온 고압의 증기가 되어 강한 압력으로 증기터빈 회전자를 밀어서 증기터빈을 구동시키게 되는데, 1차 터빈을 구동시키고 나서도 증기는 고온 고압의 상태이므로 2차 터빈, 3차 터빈 등 온도와 압력이 유지되는 한 계속 사용하여 에너지 이용 효율을 높이는 방법으로 구동시키게 된다.

그러나 고온고압의 증기온도에 비하여 대기온도인 주위온도는 대단히 낮기 때문에 급격하게 냉각되어서 터빈을 구동시키고 난 고온고압의 증기는 온도와 체적이 급격하게 감소되어 압력이 낮아지므로 계속해서 터빈을 구동시킬 수 없게 된다.

이에 반하여, 공기모타는 에너지원이 동력에너지로서 불응축 가스인 대기중의 공기를 기계적으로 압축하여서 일정한 용기안에 많이 저장하여 압력이 높아진 상태로서 고압공기를 만들게 된다.

이와 같이 만들어진 고압의 압축공기를 배관을 통해서 공기모타를 통과시키고 저압축인 대기중에 방출하면서 공기모타를 구동하게 되는데, 이러한 형태의 공기모타 사용방법은 강한 압력과 속도로 대기중에 방출되는 압축공기 속에 포함된 많은 에너지를 손실로 낭비하여 버리게 된다.

본 발명에서 첫 번째로 에너지 이용효율을 개선시키는 방법은 대기중에 방출되는 유체에너지의 손실을 줄이기 위하여서 기체보다 직렬연결장치를 사용하여 유체흐름의 에너지를 크게 활용할 수 있게 하였다.

기체모타 직렬연결장치로서 유체기기 에너지의 이용효율을 향상시키는 방법을 상세하게 이해하기 위해서는 먼저 종래의 공기모타 사용방법인 단일장치 병렬구성으로서 공기모타를 구동시키기 위해서 공기 압축기를 사용하여 대기중에 있는 공기를 압축탱크에 충전하고, 5㎏/㎠ 이상의 압축공기로 만들어야 하며, 이 압축공기로서 공기모타를 통과시켜서 대기중에 방출시킬 때 빠른 속도로 직진하는 고압공기가 회전자를 밀게 되므로 결국 공기모타가 회전하게 되는데, 이때 공기모타의 회전력은 공기모타 내부를 통해서 흐르는 유체의 비운동에너지(유체의 질량 × 유체속도의 제곱 × 1/2)에 의해서 결정되겠으나, 기존방법인 단일장치로 공기모타를 구동하였을 때 공기모타에서 얻어질 수 있는 회전력은 고압공기 유체의 비운동에너지의 10% 이내로서 소량에 불과하며, 이때 대기중에 방출되는 고압공기는 많은 유체운동에너지를 함유한 채로(90%이상) 빠른 속도를 가지고 대기중에 버려지고 있기 때문에 손실로 낭비하여 버려지는 것이다.

압축공기로서 구동되는 공기모타의 에너지 이용 효율을 산업현장에서 실제적으로 산출하기 위해서는 일정량의 압축공기를 충진하는데 소요되는 동력과 공기모타가 정격출력으로 구동되면서 소비되는 압축공기의 실제 소비량을 각각 산출하여서 비교해 보아야 할 것이다.

공기 압축기의 압축공기의 토출향은 정격 소비전력에 따라서 거의가 일정하게 나타나는데 비하여, 공기모타가 구동되는데 필요한 압축공기의 소비량은 제작회사의 기술수준 및 구조에 따라서 상당히 큰 차이가 나타나는데 이는 에너지 이용 효율이 크게 다르다는 것을 반증한다.

다음에 첨부된 비교표는 각 제조업체의 제품을 참조하여 비교한 자료이다.

위의 자료에서 나타난 바와 같이 공기압축기의 압축공기의 토출량에 비하여 동일출력의 공기모타가 소비하고 있는 압축공기의 평균공기 소비량은 10-20배 정도에 이르는 것을 확인할 수 있다.

공기모타를 사용하는 공압기기들은 전동기기들에 비하여 소형, 경량이며, 편의성, 안전성, 내구성 등에서 많은 장점들을 가지고 있으면서도 널리 사용되지 못하고 있는 이유는 무엇보다도 에너지 이용효율이 10% 이내로서 너무 낮기 때문에 특별한 경우를 제외하고는 사용상에 많은 제약을 받음에 기인한다.

다음은 공기모타의 압축공기 소비량에 따른 공기모타의 회전력 특성을 실제로 확인하기 위한 실험결과와 기체모타 직렬연결 장치로서 손실로 낭비되고 있는 에너지의 손실을 줄이고 에너지 이용효율을 증가시키는 방법과 실제 현상을 단계적으로 구성하여 이를 비교설명하고 있다.

첨부된 제1도에서부터 제3도는 에너지 이용효율을 실제 실험에 의해서 비교분석하여 설명한 것이다.

이 실험에 사용되는 공기모타는 5㎏/㎠의 압축공기 압력에서 10,000RPM으로 회전하는 그라인더에 사용하는 공기모타이다.

제1도는 종래의 방법대로 공기모타를 사용한 것을 나타낸 것으로서, 이때 단일장치로 설치되어 대기중에 방출하면서 정격회전수 10,000 RPM으로 구동되고 있는 공기모타를 연속적으로 정상운전하기 위해서는 10배 이상의 출력을 가진 공기 압축기로서 압축공기를 계속해서 충진해야만 공기모타에서 소비되는 압축공기를 충당하여 충진시킬 수 있는 것이다.

만일 압축공기의 출력이 적어서 정격압력이 형성되지 않으면 공기모타를 정지시켜서 압축공기를 소비하지 않는 상태로 기다렸다가 정격압력이 형성되면 압축공기 공급밸브를 열어서 공기모타를 운전하고 압력이 낮아지면 밸브를 닫아서 정지하는 동작을 반복해야 한다. 즉, 공기모타를 연속해서 사용할 수 없게 된다.

이때, 공기모타가 정격압력인 5㎏/㎠에서 정상동작할 때는 공기모타는 정격회전수 10,000 RPM으로 회전하고 있으며, 이때 공기모타 내부의 기체흐름속도(S)와 매초당 기체 소모량(q)은 일정한 상태를 유지하면서 탱크압력이 유지되어 있는 동안 공기모타는 정상적으로 작동하게 되는 것이다.

제2도에서는 1도에서 단일장치의 공기모타를 구동하면서 유체가 보유하고 있는 에너지의 10% 이내 밖에 사용하지 못하는 결점을 보완하기 위하여 기체모타 직렬연결장치로서 설치구성을 변경개선함으로서 에너지 이용효율을 개선시킨 것이다.

이때 공기보다 직렬연결장치 사이에서 공기의 누전은 전혀 없어야 하며 맨끝단에 연결된 공기모타 출구에서 제1도 때와 같은 양의 공기를 소모하게 되면 직렬로 연결된 10개의 공기모타 내부를 통과하는 공기의 기체 흐름속도(S)는 동일하게 되므로 10개의 공기모타 회전력은 동일하다.

본 실험에서는 1도 때에 비교하여 공기저항이 증가하였기 때문에 동일한 회전력을 얻기 위하여서 압축탱크의 공기압력을 5㎏/㎠에서 5.5㎏/㎠로서 10%만큼 더 높였을 때에 정격출력으로 회전하게 되었다.

유체기기에서 유체저항 증가에 따른 유체압력 상승과 전기장치 저항증가에 따른 압력전압의 공급에서 나타나는 특징은 상이하게 나타나고 있음을 발견하였다.

에너지 이용효율은 크게 증가하였으나 공기의 흡입측과 방출측에서는 에너지 손실이 나타나고 있었다.

제3도에서는 제2도에서도 나타나고 있는 에너지 손실을 줄이기 위해서 공기 압축기의 흡입축과 공기모타의 배출측을 연결하여 유체를 바로 순환시킴으로써 대기중에 흡입, 방출되면서 발생하는 에너지의 손실을 완벽하게 줄일 수 있게 된다.

공기 압축기에 투입되는 에너지는 100%에 가깝게 거의 다 활용할 수 있게 되는 것이다.

기계적인 손실만을 제외사고 모든 에너지를 회수할 수 있다.

본 발명의 구성을 위한 기본적인 장치인 공기모타의 기체소모량에 따른 회전력을 비교 실험한 결과에 의해서 다음과 같은 유체회전기기의 특성을 정리할 수 있게 된다.

[실험결과 1]

같은 구조의 기체모타 회전력은 기체모타 내부에 흐르는 기체의 이동속도에 따라서 결정되며 내부기체의 흐름속도는 입구측과 축구측의 압력차이에 따른다.

[실험결과 2]

같은 구조의 기체모타를 외부로 기체누실이 없이 직렬로 연결하여 구동하면 직렬로 연결된 기체모타 내부에 흐르는 기체량은 모두가 동일하므로 직렬연결된 모든 기체모타의 회전력은 동일하다.

[실험결과 3]

같은 구조의 기체모타를 직렬로 여러대를 연결하더라도 1대를 구동시킬 때와 같은 양의 기체가 출구측에 나가도록 하면 직렬연결된 모든 기체모타는 1대를 구동시킬 때와 거의 같은 출력으로 회전한다.

[실험결과 4]

같은 구조의 기체모타를 직렬로 연결하면 기체모타에 의한 흐름에 대한 저항은 배수로 증가하지만, 전체 기체 통로에 있어서 기체모타의 저항은 상대적으로 적어서 탱크측 압력을 조금만 증가시켜도 출구측으로 나가는 기체의 소모량은 같게 할 수가 있고, 모든 기체모타를 정격회전력으로 구동할 수 있다.

[실험결과 5]

불응축가스인 공기와 동일한 압력으로 충진된 고압가스 냉매를 사용하여 기체모타를 구동하여 회전력을 비교한 결과 고압공기에서 구동시킬때보다 고압가스 냉매로 구동시켰을 때 기체모타는 더 큰 화전력으로 구동하였으며 오랜 시간을 구동시킬 수 있었다. (주위열을 흡수하면서 고압가스 냉매가 팽창하기 때문임)

위의 실험과 결과에서 고, 저압의 압력차이를 조절하여 동일량의 기체를 소모하면서 직렬로 연결된 여러대의 공기모타를 정격회전력으로 작동시킬 수 있어서 전체적으로 큰 회전력의 동력에너지를 얻을 수 있음을 알 수 있게 되었다.

기체 모타 직렬 연결장치는 종래의 공기모타를 사용하되 단일장치의 병렬구성으로 사용함으로써 유체의 비운동에너지를 효과적으로 활용하지 못하고 대기중에 방출하여 버리게 되는 에너지의 손실을 줄여서 에너지의 이용효율을 높일 수 있는 방법으로 동일성을 가진 다수개의 공기모타를 직렬로 연결설치하여 유체의 순환싸이클을 이룰 수 있도록 설치구성을 변경, 갱신한 것이다.

제4도에서는 기체모타 직렬연결장치를 실제로 산업현장에서 활용할 수 있도록 구성된 개통도로서 파이프 배관과 밸브의 설치 계통을 나타낸 것이다.

3WAY밸브를 조작하여 유체통로를 공기모타로 통과시키거나 바이패스(측로)시켜서 공기모타를 운전하거나 정지시킬 수 있도록 하는 기체모타 직렬연결장치의 실용화 구성 계통도이다.

상기의 실험과 결과에서 알 수 있듯이 기존에 사용하는 공기모타의 설치구성을 변경 개선하므로써, 기체모타 직렬 연결장치를 이용하게 되면 작은량의 압축공기를 소비하면서 다수대의 큰 회전력(직렬연결된 공기모타의 회전력 출력과 유체에너지 손실의 백타적인 합)을 얻을 수 있게 되어서 종래 방법의 단일장치 병렬구성으로 사용할 때에 10% 이내의 낮은 에너지 이용효율을 70-80% 정도로 7배 이상으로 높일 수 있게 되어 공기모타를 효과적 및 실용적으로 사용할 수 있게 한 기체모타 직렬연결 장치이다.

본 발명의 둘째 단계로 가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 구성하기 위해서 열 이동에 따른 에너지 이용방법에 대한 물리적인 상태변화의 현상을 정확히 이해하기 위해서는 동력에너지를 얻기 위해서 투입되는 초기 에너지원이 역학적인 동력에너지만을 가해서 불응축 가스인 공기를 충진하여 만들어지는 압축공기를 사용하고 있는 공기모타의 작동특성과 구조에 대비하여 초기 에너지원이 열에너지로서 물을 가열하여서 고압기체로 상태변화를 일으켜 동력을 얻는 증기터빈과 비교하여 에너지원의 차이점과 특성을 파악하여 실용화시키는 방법을 찾아야 되며 증기터빈과 비교하여 에너지원의 차이점과 특성을 파악하여 실용화시키는 방법을 찾아야 되며 증기터빈과 초기의 에너지원은 열에너지로서 같지만 구조적으로나 사용용도는 공기모타와 스팀모타의 작동특성과 구조에 대해서 이해하여야 할 것이다.

본 발명에서 특별히 중요한 기능을 담당하는 공기모타(본원 발명장치에서는 기체모타 또는 가스모타라 칭함)는 스팀모타와 비슷한 구조로 만들어진 유체기기로서 내연기관인 가스터빈이나 외연기관인 증기터빈과는 구조 및 사용특성이 판이하게 다른 장치이며, 공기보다(AIR MOTOR)로 제작 및 판매되고 있다.

가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 구성하기 위해서는 공기모타를 보완하여 만들어진 기체모타 직렬연결장치를 종래의 고압가스 냉동싸이클 내에 유체가 순환되고 있는 곳에 응용 설치하여서 싸이클 내부에 빠른 속도로 순환하고 있는 유체의 비운동에너지를 가스모타의 회전하는 동력으로 회수하여 사용하기 위하여 계통내부의 유체가 누설되지 않도록 기체모타 직렬연결장치를 설치사용해야 한다.

이와 같은 열에너지 전달과 역학적 에너지의 변환장치는 종래의 고압가스 냉동장치나 공기조화장치에서 응용되어 일정한 공간의 열을 흡수하여 유체의 상태변화를 일으키며, 외부에 열을 방출하면서 다시 유체의 상태를 원래대로 변화를 일으키는 순환 싸이클로 구성된 열펌프로서만 이용되어져 왔으나 이때에 고압가스냉매가 빠르게 순환하면서 개통내부를 흐르고 있는 유체의 비운동에너지는 활용하지는 못하고 있었던 것이다.

단순히 열을 흡수하는 것을 이용한 냉각장치나 열을 방출하는 것을 난방장치로서만 사용하였을 뿐이며 유체가 순환하고 있는 에너지를 활용하지는 못하였던 것이다.

고압가스 냉동싸이클에서 유체싸이클에서, 유체냉매의 순환계통은 냉매 압축기에 의해서 역학적인 동력으로 냉매를 순환시키고 있지만, 이때 열흡수와 열방출은 열이동에너지로서 냉매순환을 돕게되어 압축기의 열량을 적게하는 결과를 나타내고 있음을 발견할 수 있게 되었다.

이에 따라서 냉매 압축기에 의해서 투입되는 역학적인 동력에너지보다 더 큰 냉매유체 흐름의 비운동 에너지를 얻을 수 있게 된다.

가스모타를 이용한 절전 냉동장치에서는 역학적 에너지인 동력을 가해서 유체 냉매의 상태변화를 일으키며 열에너지의 이동을 일으키게 되는 역랭킨 싸이클의 원리가 적용되어지는 냉동장치로서의 활용과 함께 이와 반대현상으로 나타나는 열에너지 전달에 의해서 유체의 운동을 더 크게 일으켜서 역학적 에너지인 동력장치의 회전운동을 얻게 되는 랭킨싸이클 원리가 적용되어지는 증기터빈 장치와 동일한 원리로서 역랭킨싸이클과 랭킨싸이클이 단일장치의 계통내에서 병행하여 이루어지는 것을 활용하게 되는 것이다.

랭킨싸이클로 이용되는 증기터빈에서 보일러의 버너에서 열이 가해지면 증발기에서 물이 증발하여 만들어지는 고온고압의 증기로서 터빈을 구동하게 되는 에너지 전달과정 형태는 증발온도 및 작동특성이나 장치의 구조는 다르지만 고압가스 냉동장치의 증발기에서 주위열이나 대기열을 흡수하면서 액체 냉매가 기체냉매로 증발되어서 유체 운동에너지가 더 크게 되는 에너지 전달과정은 동일한 열에너지의 전달계통인 것이다.

열이동으로 전달되는 에너지가 초기에 입력되는 동력에너지에 더해지는 현상을 실제적으로 확인하기 위하여 제작업체 등에서 제작된 공기조화장치를 비교 분석하여 보았다.

정격소비전력이 3.2[KW](열량으로 환산하면 3.2X860 = 2.752[Kcal])일 때 냉방능력은 7.80[Kcal]의 열량으로 흡수하여 냉각시킬 수 있게 되며 응측기에서 방출하는 열량은 냉방능력보다 더 크게 된다.

상기의 비교에서 알 수 있는 것은 입력되는 에너지는 2.752[Kcal]로서 적게 투입되었는데, 열이동으로 나타나는 에너지는 7.800[Kcal]이상이 되므로 유체냉매의 비운동에너지의 출력은 7.800[Kcal]이상을 동력에너지로 회수하여 활용할 수 있는 조건이 되는 것이다.

그러나 실제로는 손실등을 감안하여 80% 정도를 동력에너지로 활용하게 되므로 약 6.000[Kcal] 정도의 에너지를 회수하여 재활용할 수 있게 되는 것이다.

이 사실을 잘못 오해하면 입력에너지 2.752[Kcal]에 비하여 더 큰 출력에너지를 얻게되는 것으로서 에너지 보존법칙을 벗어난 것처럼 생각되지만, 이와 같은 결과가 나타나는 것은 열이동에 따라서 전달되는 에너지가 고압가스 냉매의 상태 변화로 나타나며 이는 또한 압축기의 열량을 도와주는 결과가 되기 때문에 증발기와 응축기의 열전달을 더 빠르고 더 많이 하게 되면, 더 많은 열에너지를 이동시킬 수 있게 되어서 더욱 효과적으로 유체기기의 회전 동력 에너지를 얻을 수 있게 된다.

따라서 이와 같은 현상은 에너지 보존법칙에서 전혀 벗어나지 않는 것으로서 열이동으로 열에너지가 전달되는 물리적인 현상이다.

본 발명의 가스모타를 이용한 절전 냉동장치에서는 열펌프 기능을 사용하는 냉동장치로서 이용하면서도 단일계통내에서 다른 한편에 나타나는 현상인 열에너지 이용에 의해서 유체냉매의 비운동에너지를 크게 하여서 역학에너지인 동력을 얻게되는 장치를 복합적으로 구성하여 장치의 이용효율과 에너지 이용효율을 동시에 향상시킬 수 있도록 가스모타 직렬연결장치가 계통내에 설치되어서 가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 구성하게 된 것이다.

종래의 고압가스 냉동장치에서 유체냉매의 순환계통내부에 불응축 가스인 공기가 들어가게 되면 냉매 순환용 압축기는 열량이 많아져서 과부하 상태가 되므로전동기에는 과도한 열이 발생하여 운전이 불가능하게 되는 것을 냉동기 운전중에 흔히 경험되게 된다.

이와 같이 고압가스 냉동장치에서는 증발온도가 낮으며 상온에서 쉽게 상태변화를 일으키는 특성을 가진 고압가스냉매가 계통내부를 순환하면서 열이동을 일으키는 열펌프의 매개체로서 열에너지를 빠르게 전달해야만 냉매압축기는 적은 동력에너지를 투입하여서 냉매뮤체를 빠르게 순환시킬 수 있게 되어 냉매유체의 비운동에너지를 더 크게 얻게 되는 것이다.

본 발명장치는 단일계통의 장치에서 냉방 또는 난방장치로서 이용을 할 수 있으며 이때 필연적으로 이루어지는 유체 냉매의 흐름을 이용하여 가스모타의 회전동력을 얻어서 활용하게 되는 다목적인 기능을 동시에 수행하는 장치로서 에너지 이용율을 높이는 가스모타를 이용한 절전 냉동장치이다.

첨부된 제5도에는 본 발명장치중의 일부인 기체모타 직렬연결장치를 기존의 고압가스 냉동장치에 실제로 작용할 수 있도록 고압가스 냉매 압축기에 기체모타 직렬연결장치를 설치할 수 있게 하며 계통내부에 순환되고 있는 냉매를 점검하고 운전상태를 알 수 있도록 기체모타 직렬연결장치 설치용 배관과 밸브가 도시되어 있다.

이 연결배관과 밸브를 조절하여서 정상 운전하고 있는 냉동장치에 기체모타 직렬연결장치를 쉽게 설치하면서 회전동력 에너지로 이용할 수 있도록 냉매압축기의 토출측과 흡입측에 3개의 밸브와 3개소의 연결관으로 이루어진 장치를 각각 1세트씩 설치하여서 장치설비의 용이성과 고압가스 냉동기의 운전조작을 용이하게 하였다.

제6도는 기체모타 직렬연결장치를 가스모타를 이용한 절전 냉동장치로서 산업상에 실용적으로 이용하기 위한 계통도인바, 종래의 고압가스 냉동장치에 기체모타 직렬연결장치를 설치하여서 유체 냉매의 비운동에너지를 얻어서 그 회전력 동력으로 추가로 설치된 압축기를 구동시켜서 동력으로 활용하는 장치를 나타내고 있다.

고압가스 냉매는 열에너지를 흡수하거나 배출하면서 기체상태나 액체상태로 상태변화를 일으키면서 순환싸이클내의 배관장치를 순환하고 있다.

시동용 압축기(CT) SMS 전기모타(EM)에 의해서 구동되는 압축기로서 초기 시동시에 고저압의 압력차이를 형성하여 가스모타(G1-G11)를 구동시킬 수 있도록 냉매를 빠르게 순환시키며, 냉매에 의해서 가스모타(G1-G11)가 정격회전력으로 구동하게 되면 각 가스모타(G1-G11)에 기계적으로 연결된 자체 압축기(G1-G11)를 각각 구동하게 되어 시동용 압축기(CT)와 병렬로 연결된 자체 압축기(G1-G11)들은 냉매를 압축하여서 전기모타(EM)로 구동되는 시동용 압축기(CT)의 압축 열량을 돕기 때문에 전기모타(EM)가 구동되는 시간을 단축하면서도 동일한 압축열량을 하게 되어서 냉매의 순환싸이클을 형성할 수 있기 때문에, 같은 냉동효율을 일으키면서도 전기모타(EM) 의 사용할 때 시간을 줄여서 전기를 절약하는 절전형 냉동장치를 구성할 수 있게 되는 것이다.

첨부된 제7도는 제6도를 기본으로 하여서 난방장치로 활용할 수 있는 응축기의 열과 냉방장치로 활용할 수 있는 증발기의 냉각상태를 더욱 효과적으로 열에너지를 이동시키기 위하여 남아있는 잔여의 일을 서로 교환시켜서 응축기의 응축효과를 더욱 높이고, 증발기의 기화효과를 더욱 높여서 에너지 이용효율을 한층 더 개선시킨 가스모타를 이용한 절전 냉동장치의 전체적인 계통도이며, 제6도와 장치구성은 거의 비슷한 구조이다.

다른 구조는 응축기의 출구와 증발기의 출구측 배관들을 교차시켜서 열교환기로서 잔존한 열에너지를 교환하여서 열이동에너지 효과를 더욱 크게 하였으며, 유체냉매에 의해서 구동되는 가스모타(G1-G11)와 자체 압축기(G1-G11)들을 기계적으로 연결하여 동력에너지를 전달하는 동력 연결 전달용 연결커플링(K1-K11)이 도시되어 있다.

제6도와 제7도에서는 기체모타 직렬 연결장치를 설치할 때 시동용 압축기(CT)의 토출측과 흡입측에 각각 다르게 설치된 계통을 표시하고 있다. 이것은 기체모타 직렬연결장치의 가스모타(G1-G11)로서 고압가스냉매의 순환에 의해서 유체의 비운동에너지를 회전동력으로 얻어 내고자 할 때 기존의 고압가스 냉동장치에 적용하여 응용 설치할 때는 배관의 굵기나 구조특성 및 냉매흐름 상태를 확인한 결과 압축기의 토출측에 설치하는 것이 에너지 이용 효율을 높여서 얻기에 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

그러나 압축기의 토출측에는 고온이 발생하기 때문에 기존의 상온에서 사용하는 공기모타로 구성된 기체모타 직렬연결장치를 설치하여 장시간동안 사용하기에 어려우며 장치의 밀폐를 완벽하게 하기에 많은 어려움이 따른다.

이후에 본 발명장치를 범용적으로 활용하기 위해서는 고압가스 냉동장치의 설계를 변경하여서 냉매 압축기의 흡입측에 연결 설치하여도 동일한 작동원리에 의해서 고압가스 냉매가 가지고 있는 유체의 비운동에너지를 가스모타 회전동력으로 회수할 수 있음을 나타내주고 있는 것이다.

예컨대, 종래의 공기조화장치와 비슷하게 구성된 시제품의 장치에서 에너지 이용효율이 저조한 상태의 가스모타(공기모타)를 설치하여서도 강한 회전력으로 구동되고 있음을 확인할 수 있는 것이고, 압축기를 통과한 고온 고압의 기체냉매는 열에너지와 운동에너지를 잃어야만이 응축하기에 용이해짐으로 가스모타를 구동시키면서 통과한 기체냉매는 에너지가 손실되어서 응축기에 유입됨으로 응축효율이 높아지며 냉동싸이클의 냉동효율을 더 향상시키게 된다는 것이다.

따라서, 이상에서와 같이 본 발명장치를 종래의 고압가스 냉동장치에 활용하여 냉난방으로 이용하고 있는 열펌프의 기능과 유체의 비운동에너지를 동력으로 회수하여 이용하는 장치의 기능을 다각적으로 이용하면서도, 에너지의 이용효율을 높여서 실내의 적정온도를 유지하고 쾌적한 생활을 위하여 사용범위가 크게 증가하고 있는 고압가스 냉동장치의 원리를 한차원 더 높여 가스모타를 이용한 절전 냉동장치를 구성할 수 있게 됨으로 국가경제 및 산업상에 광범위하게 이용할 수 있는 장치인 것이다.

Claims (2)

1. 고압가스 냉매의 고유 특성을 이용하여 열펌프로 활용하기 위해서 압축기-응축기-팽창변-증발기 등으로 구성된 순환 싸이클계통을 이루고 있는 고압가스 냉동장치에 있어서, 압축기에 의해서 충진되는 유체냉매가 기체 또는 액체로서 상태변화를 일으키며 빠르게 흐르는 곳인 압축기의 출구측에 유체기기인 가스모타를 설치함으로 유체냉매가 보유하고 있는 유체의 비운동 에너지를 가스모타의 동력에너지로 회수하여 활용할 수 있도록 하여 냉, 난방장치로 이용되는 열펌프와 함께 동력에너지를 회수하는 장치가 단일장치의 계통내에 복합적으로 설치되도록 함을 특징으로 하는 가스모타를 이용한 절전 냉동장치.
2. 제1항에 있어서, 유체냉매가 흐르는 곳에 설치하여 동력에너지를 얻는 유체기기가 사용될 수 있도록 공기모타를 구동시키는 매개체로 불응축 가스인 공기를 대체하여 공기모타를 설치함으로 유체 냉매의 흐름에 의해서 동력을 회수하여 재활용할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 가스모타를 이용한 절전 냉동장치.