KR100511325B1 - 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매가 증발하면서 냉각 작용을 실시하는 증발기와, 상기 증발기에서 배출되는 냉매를 압축하도록 가동자가 왕복 운동하면서 냉매의 압축작용을 하는 왕복동식 압축기와, 상기 왕복동식 압축기에서 압축된 냉매를 액체 냉매로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 배출된 냉매를 감압하여 상기 증발기로 전달하는 캐필러리 튜브로 구성되고, 상기 냉매는 수소, 불소 및 탄소로 구성되는 수소화불화탄소인 HFC 냉매가 사용되고, 상기 왕복동식 압축기의 윤활 작용을 하는 윤활유는 합성유의 일종인 에스테르계 윤활유가 사용되어, 윤활 성능 및 냉동장치의 성능을 향상시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치를 제공하는 데 있다.

Description

왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치 {REFRIGERATING SYSTEM HAVING RECIPROCATING COMPRESSOR}
본 발명은 왕복동식 압축기에 의해 냉매의 압축작용을 하는 냉동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 왕복동 압축기에 사용되는 윤활유를 개선하여 윤활 성능을 향상시킴과 아울러 냉동장치의 성능을 향상시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치에 관한 것이다.
최근 냉장고, 공조용 등에 사용되었던 냉매 클로로플루오르카본(CFC) 는 성층권의 오존층 파괴시키는 원인 물질로 밝혀져 대체 냉매의 검토 및 적용이 활발하게 진행되고 있다.
상기 대체 냉매는 우수한 열역학적, 물리화학적 특성을 가짐과 동시에 환경 친화적이어야만 한다. 즉, 대체냉매는 에너지 효율이 높아야 하며, 오존층 파괴지수가 0.0이고 지구온난화지수가 낮아야 하고, 독성 및 가연성이 없어야 한다.
메탄계 및 에탄계 할로카본 화합물 중에서 독성 및 가연성이 없으며, CFC가 아닌 냉매는 R22, R23, Rl34a, R123, R124 및 R125 등 소수가 있다. 이 중에서 R22, R123 및 R124 등은 HCFC이므로 규제대상이며 또한 R23은 HFC이지만 열역학적 성질이 좋지 않아 냉매로 활용하기 어렵다.
할로카본 중에서 대체냉매로 사용할 수 있는 HFC 순수냉매는 극히 제한되어 있다. 그러므로 2개 또는 3개의 순수물질을 적절한 조성비로 혼합하여 순수물질이 가지고 있는 단점을 보완하여 좋은 환경지수를 나타낼 수 있는 혼합냉매가 대체냉매로 많이 개발되었고 연구되고 있는 실정이다.
현재 가정용 냉장고 및 자동차 에어컨 등에 널리 사용되어온 R12를 대체할 수 있는 냉매로는 Rl34a, R152a 및 사이클로 프로판(RC270) 등이 있다. 저온냉매로 주로 많이 사용되고 있는 R502의 대체냉매로는 R404A 및 R507 등의 HFC 혼합냉매가 고려되고 있다. 열펌프 및 각종 공조기기에 사용되고 있는 R22의 대체냉매로는 R32를 포함한 HFC 혼합냉매들이 고려되고 있으며 이에 대한 많은 연구가 진행중이다.
이러한 CFC는 R11(트리클로로모노플루오르메탄), R12(디클로로디플루오르메탄), R113 등으로 구비되고, 이 중에서 냉동장치에 냉매로 주로 사용되는 R12는 현재 오존층 감소와 지구온실효과를 발생시키는 원인물질로 규제대상 중의 하나로 되어 그 대체냉매로서 R134a가 실용화되는 추세이다.
상기 R134a는 HCF의 대표적인 예로서 오존층 파괴계수가 제로이고, 불연성이며, R12와 유사한 물리적 특성을 가지고 있어 현재 널리 사용되고 있다.
그러나, 상기한 R134a는 상기와 같은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 화학적 및 전기적 성질 등이 특이하기 때문에 현재 R12의 냉동 시스템에서 사용되는 냉동기유와의 관계에서 상호 화합되기 어렵다. 따라서, 냉매 R134a에 적합한 냉동기유의 개발이 요구되고 있다. 특히, 상기 냉매 R134a를 압축하기 위한 왕복동식 압축기에 사용할 수 있는 냉동기유의 필요성이 대두되고 있다.
도 1은 일반적인 냉동 사이클의 구성도이다.
현재 사용되는 냉동 사이클은 도 1에 도시된 바와 같이, 저온저압의 액체 냉매가 증발하면서 냉각작용을 실시하는 증발기(2)와, 상기 증발기(2)에서 배출되는 저온저압의 기체 냉매를 고온고압의 기체 냉매로 압축하는 압축기(4)와, 상기 압축기(4)에서 배출되는 고온고압의 기체 냉매를 고온고압의 액체냉매로 변화시키는 응축기(6)와, 상기 응축기(6)에서 배출된 냉매를 증발하기 쉬운 상태로 감압하여 상기 증발기(2)로 전달하는 캐필러리 튜브(8)로 구성된다.
상기와 같은 냉동장치에 사용되는 냉매는 R134a이고, 상기 압축기(4)에 사용되는 냉동기유는 그 물리적인 특성 및 화학적인 특성이 상기 냉매 R134a와 조화를 잘 이루어야 한다.
즉, 상기 냉동장치의 냉동기유는 냉매가 용해되어도 충분하게 유막을 보호할 수 있고, 냉매 및 유기재료 금속 등과 고온, 저온하에서 접촉해도 반응되지 않는 열적 화학적으로 충분히 안정될 수 있어야 되며, 상기 압축기의 고온부에서도 카본 슬럿을 생성하거나 산화하지 않는 고도의 열안전성을 갖는 것 등의 특성을 필요로 한다.
이와 같은 특성을 만족하기 위해서는 윤활유는 점도, 유동점, 비중, 전산가, 수분 함유량 등의 성상(性狀)이 중요한 인자로 작용한다.
그러므로, 냉동장치에 사용되는 냉동기유가 냉매와 조화를 이루지 못할 경우 오일 순환이 나빠져서 냉동장치의 전열성능을 저하시키게 되고, 윤활 성능의 저하로 인하여 각 운동 부품의 마찰부의 마모가 발생되어 각 부품들의 손상을 초래하게 되고, 냉동장치의 성능을 저하시키는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉동 장치의 냉매로 수소화불화탄소인 HFC를 사용하고, 상기 수소화불화탄소인 HFC 냉매와 잘 조화될 수 있는 냉동기유를 왕복동식 압축기에 사용하여 윤활 성능 및 냉동장치의 성능을 향상시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치는 냉매가 증발하면서 냉각 작용을 실시하는 증발기와, 상기 증발기에서 배출되는 냉매를 압축하도록 가동자가 왕복 운동하면서 냉매의 압축작용을 하는 왕복동식 압축기와, 상기 왕복동식 압축기에서 압축된 냉매를 액체 냉매로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 배출된 냉매를 감압하여 상기 증발기로 전달하는 캐필러리 튜브를 포함하여 구성되고, 상기 냉매는 수소, 불소 및 탄소로 구성되는 수소화불화탄소인 HFC 냉매가 사용되고, 상기 왕복동식 압축기의 윤활 작용을 하는 윤활유는 합성유의 일종인 에스테르계 윤활유가 사용되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 냉동장치의 냉동 사이클의 구성도이고, 도 2는 일반적인 냉동장치에 구비되는 왕복동식 압축기의 단면도이다.
상기 냉동장치의 냉동 사이클은 저온저압의 액체 냉매가 증발하면서 냉각작용을 실시하는 증발기(2)와, 상기 증발기(2)에서 배출되는 저온저압의 기체 냉매를 고온고압의 기체 냉매로 압축하는 압축기(4)와, 상기 압축기(4)에서 배출되는 고온고압의 기체 냉매를 고온고압의 액체 냉매로 변화시키는 응축기(6)와, 상기 응축기(6)에서 배출된 냉매를 증발하기 쉬운 상태로 감압하여 상기 증발기로 전달하는 캐필러리 튜브(8)로 구성된다.
그리고, 상기 냉동장치에는 주위 온도 및 환경에 따라 압축기의 용량을 가변시킬 수 있도록 전류와 전압의 위상차를 통해 출력값을 결정하는 제어장치(미도시)가 구비된다.
상기 증발기(2)는 L-cord 방식 히터(미도시)가 하부에 장착된 핀 튜브 타입의 증발기(2)가 사용된다. 상기 L-cord 방식 히터는 히팅 와이어를 실리콘 재질로 코팅하여 그 외면에 알루미늄 재질의 피복재가 감싸지는 구조를 갖는다.
상기 압축기(4)는 왕복동식 압축기로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매가 흡입되는 흡입관(20)과 압축된 냉매가 토출되는 토출관(22)이 각각 연결되는 밀폐용기(24)와, 상기 밀폐용기(24)의 내부에 배치되어 왕복 운동력을 발생시키는 구동부(26)와, 상기 구동부(26)에서 발생되는 왕복 운동력을 전달받아 냉매의 압축 작용을 하는 압축부(28)와, 상기 구동부(26) 및 압축부(28)의 각 운동 부위의 윤활 작용을 수행하는 윤활부(30)로 구성된다.
상기 구동부(26)는 상기 밀폐용기(24)의 내부에 고정되는 고정자(32)와, 상기 고정자(32)와 일정 간격을 두고 배치되어 상기 고정자(32)로 전원이 인가되면 상기 고정자(32)와 상호 작용에 의해 직선 왕복 이동되는 가동자(34)로 구성된다.
여기에서, 상기 고정자(32)는 상기 밀폐용기(24)의 내부에 고정되는 지지 프레임(36)에 의해 고정되는 원통 형태의 아우터 스테이터(38)와, 상기 아우터 스테이터(38)의 내주면과 일정 에어갭(air gap)을 두고 배치되는 인너 스테이터(40)와, 상기 아우터 스테이터(38)에 감겨지고 외부로부터 전원이 인가되는 권선 코일(42)로 구성된다.
그리고, 상기 가동자(34)는 상기 아우터 스테이터(38)와 인너 스테이터(40) 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 권선 코일(42)에 전원이 인가되면 직선 왕복 이동되는 마그네트(46)와, 상기 마그네트(46)가 그 외주면에 등 간격을 두고 장착되고 상기 압축부(28)의 피스톤(50)과 연결되는 마그네트 홀더(48)로 구성된다. 여기에서, 상기 마그네트(46)는 네오디움(Nd) 마그네트가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 압축부(28)는 상기 마그네트 홀더(48)와 연결되어 직선 왕복 이동되는 피스톤(50)과, 상기 피스톤(50)이 슬라이딩 가능하게 삽입되고 일정 압축실(52)을 형성하는 실린더(54)와, 상기 피스톤(50)의 전방에 장착되어 상기 피스톤(50)에 형성된 냉매통로(56)에 장착되어 상기 압축실(52)로 유입된 냉매가 역류되는 것을 방지하는 흡입밸브(58)와, 상기 실린더(54)의 전방에 장착되어 토출되는 냉매의 개폐작용을 하는 토출밸브(60)로 구성된다.
상기 윤활부(30)는 상기 밀폐용기(24)의 하부에 일정량 만큼 채워진 윤활유(62)와, 상기 윤활유(62)를 펌핑하는 윤활유 펌핑부(68)와, 상기 윤활유 펌핑부(68)에서 펌핑되는 윤활유(62)를 상기 피스톤(50)과 실린더(54) 사이의 마찰 부위로 윤활유를 공급하는 윤활유 공급통로(64)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 냉동장치의 작용을 다음에서 설명한다.
상기 압축기(4)가 구동되면 저온 저압의 기체 냉매가 고온 고압의 기체 냉매로 압축되고, 상기 응축기(6)로 유입된 냉매는 액체 냉매로 변화되고, 상기 응축기에서 배출된 액체 냉매는 캐필러리 튜브(8)를 통과하면서 감압되어 증발기(2)로 전달된다. 이때, 공기가 상기 증발기(2)를 통과하면서 냉각되어 냉동장치의 내부로 공급되어 냉각 작용을 수행한다.
상기 왕복동식 압축기의 작용을 다음에서 상세하게 설명한다.
권선 코일(42)로 전원이 인가되면, 상기 권선 코일(42)의 주변에 플럭스가 형성되고, 상기 플럭스는 아우터 스테이터(38)와 인너 스테이터(40)를 따라 폐 루프(closed loop)를 형성하고, 상기 아우터 스테이터(38)와 인너 스테이터(40) 사이에 형성되는 플럭스와 상기 마그네트(46)의 의해 형성되는 플럭스의 상호 작용에 의해 마그네트(46)가 축방향으로 직선 이동된다. 그리고, 상기 권선 코일(42)에 인가되는 전류의 방향을 번갈아 바꾸면 상기 권선코일(42)의 플럭스 방향이 바뀌면서 마그네트(46)가 직선 왕복 운동된다.
그러면, 상기 마그네트(46)의 운동이 마그네트 홀더(48)에 의해 피스톤(50)으로 전달되어 상기 피스톤(50)이 상기 실린더(54) 내부에서 직선 왕복 이동되면서 냉매의 압축 작용을 한다.
즉, 상기 피스톤(50)이 후퇴하면 상기 흡입구(20)로 유입된 냉매가 피스톤(50)에 형성된 흡입통로(56)를 통해 압축실(52)로 공급되고, 상기 피스톤(50)이 전진하면 상기 흡입밸브(58)에 의해 상기 흡입통로(56)가 폐쇄되면서 상기 압축실(52) 내부의 냉매가 압축되고, 상기 압축된 냉매는 상기 토출구(22)를 통해 외부로 토출된다.
이러한 압축 작용 중 상기 밀폐용기(24)에 채워진 윤활유(62)는 상기 윤활유 펌핑부(68)의 작동에 의해 펌핑되어 윤활유 공급통로(64)를 통해 상기 피스톤(50)과 실린더(54) 사이의 마찰 부위로 윤활유(62)를 공급하여 윤활 작용을 수행한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 냉동장치의 왕복동식 압축기에 의해 압축되는 냉매는 에너지 효율이 높고, ODP(오존층붕괴지수)가 0.0이고 불연성이며, 지구온난화지수가 낮고, 독성 및 가연성이 없도록 염소가 없는 수소, 불소 및 탄소로 구성되는 수소화불화탄소인 HFC 냉매가 주로 사용된다.
상기 HFC 냉매는 구체적으로 R32, R143a 및 R152a 등이 사용되며, 특히 현재 냉동기기에는 순도가 99.9% 이상인 분자식이 CF3CFH2이고, 분자량이 102인 HFC134a가 사용되는 것이 바람직하다.
상기와 같이, HFC134a 냉매가 사용되는 왕복동식 압축기의 윤활유는 냉매와의 친화성이 좋고 물리적인 특성과 화학적인 특성을 만족할 수 있는 합성유의 일종인 에스테르계 윤활유가 사용된다.
상기 에스테르계 윤활유의 밀도는 15℃에서 0.93∼0.99 g/㎤인 것이 바람직하다.
상기 에스테르계 윤활유의 전산가는 0.01 mgKOH/g 이하로 적용되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 윤활유의 전산가는 오일 중에 함유되어 있는 산성성분의 양을 나타내며 시료유 1g 중에 포함되어 있는 산성 성분을 중화하는데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 양을 mg수로 표시한 것으로, 냉동기에 사용되는 윤활유는 절대적으로 중성이어야 하기 때문에 상기 전산가는 냉동기유의 악화정도를 판단하는 기준이 된다.
상기 에스테르계 윤활유의 인화점은 240℃ 이하로 적용됨이 바람직하며, 왕복동식 압축기의 크기 및 종류에 따라 각각 다르게 사용되는 데, 적용되는 압축기의 종류에 따라 각각 165℃ 이하, 175℃ 이하, 185℃ 이하 및 200℃ 이하로 적용될 수 있다.
상기 에스테르계 윤활유의 동점도(cSt)는 40℃에서 10.0∼22.5 ㎟/s 인 것이 바람직하다.
상기 에스테르계 윤활유의 포화 수분량은 1500∼2000PPM로 적용되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 윤활유에 함유되는 수분은 결빙, 슬러지 생성 및 부식의 원인이 되기 때문에 적정 수준 이하로 유지되어야 한다.
상기 에스테르계 윤활유의 절연파괴전압은 30KV 이상으로 적용되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 왕복동 압축기가 구비된 냉동장치는 염소가 없는 수소, 불소 및 탄소로 구성되는 수소화불화탄소인 HFC 냉매와 친화성이 뛰어난 합성유의 일종인 에스테르계 윤활유를 사용함으로써, 윤활성능을 향상시키고 왕복동식 압축기의 수명을 연장할 수 있으며, 나아가 냉동장치의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 냉동 장치의 냉동 사이클의 구성도이다.
도 2는 일반적인 왕복동식 압축기의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 증발기 4 : 압축기
6 : 응축기 8 : 캐필러리 튜브
24 : 밀폐용기 26 : 구동부
28 : 압축부 30 : 윤활부
32 : 고정자 34 : 회전자
50 : 피스톤 54 ; 실린더
62 : 윤활유 64 : 윤활유 공급통로
68 : 윤활유 펌핑부

Claims (10)

  1. 냉매가 증발하면서 냉각 작용을 실시하는 증발기와; 밀폐용기의 내부에 고정되는 아우터 스테이터와, 상기 아우터 스테이터의 내주면과 일정 에어갭(air gap)을 두고 배치되는 인너 스테이터와, 상기 아우터 스테이터와 상기 인너 스테이터 중 어느 하나에 감겨지고 외부로부터 전원이 인가되는 권선 코일를 갖는 고정자와, 상기 아우터 스테이터와 인너 스테이터 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 권선 코일에 전원이 인가되면 직선 왕복 이동되는 마그네트와, 상기 마그네트가 장착되어 지지되는 마그네트 프레임을 갖는 가동자로 구성되는 구동부와, 상기 구동부의 직선 왕복 운동력을 전달받아 냉매의 압축작용을 하는 압축부와, 상기 구동부 및 압축부의 각 운동 부위로 광유의 일종인 윤활유를 공급하여 윤활 작용을 수행하는 윤활부로 구성되는 왕복동식 압축기와; 상기 왕복동식 압축기에서 압축된 냉매를 액체 냉매로 변화시키는 응축기와; 상기 응축기에서 배출된 냉매를 감압하여 상기 증발기로 전달하는 캐필러리 튜브를 포함한 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치에 있어서,
    상기 냉매는 수소, 불소 및 탄소로 구성된 수소화불화탄소이고 염소를 포함하지 않는 HFC 냉매가 사용되고,
    상기 윤활유는 수분 흡수성이 크며 포화수분량이 1500∼2000 PPM이며 밀도가 15℃에서 0.93∼0.99 g/㎤이고 전산가는 0.01mgKOH/g 이하인 합성유의 일종인 에스테르계 윤활유가 사용되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기는 L-cord 타입 히터가 하부에 장착되고, 상기 L-cord 타입 히터는 히팅 와이어를 실리콘 재질로 코팅하고, 그 외주면에 알루미늄 재질의 피복재가 피복되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동장치는 주위 온도 및 환경에 따라 압축기의 용량을 가변시키는 제어장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어장치는 전류와 전압의 위상차를 통해 출력값을 결정하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네트는 Nd(네오디움) 마그네트를 사용하는 것을 특징으로하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매는 ODP(오존층파괴지수)가 0이고 불연성인 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매는 순도가 99.9% 이상인 분자식이 CF3CFH2이고, 분자량이 102인 HFC134a가 사용되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활유는 인화점이 240℃ 이하이고, 동점도(cSt)는 40℃에서 10.0∼22.5 ㎟/s 인 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활유는 안정제 및 산화 방지제 등의 첨가제가 포함되는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 구비한 냉동장치.
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