KR100572822B1

KR100572822B1 - 공기냉동사이클

Info

Publication number: KR100572822B1
Application number: KR1020040111587A
Authority: KR
Inventors: 최문창; 뻬뜨로샹바르딴
Original assignee: 최문창
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-04-26

Abstract

본 발명은 터보기계를 이용한 공기 냉동사이클에 관한 것으로서, 특히 본 발명에 의한 공기 냉동사이클은 공기를 흡입하여 압축하며 토출시키는 원심압축기와; 상기 원심압축기에서 압축된 후 토출된 공기를 열 교환하는 중간냉각기와; 상기 중간냉각기를 통과한 공기를 냉동실로부터 유출된 공기와 열교환하는 회수용 열교환기와; 상기 회수용 열교환기를 통과한 공기를 팽창시키는 것으로서, 상기 원심압축기와 동일 축 상에 설치된 구심터어빈과; 상기 원심압축기 및 구심터어빈을 연결하는 동일 축에 설치된 모터와; 상기 모터와 직접 연결되어 회전수를 증가시키는 인버터; 및 상기 구심터어빈으로부터 나온 저온의 공기가 유입되며, 일정시간 후 유출되는 냉동실로 구성되어 상기 냉동실로부터 유출된 공기가 상기 회수용 열교환기를 거쳐 다시 원심압축기로 순환되는 것을 특징으로 한다.

터보기계, 원심압축기, 구심터어빈, 인버터, 공기베어링, 열교환기

Description

공기냉동사이클{Air Refrigerating Cycle}

도 1은 종래의 일반적인 공기 냉동사이클의 제1 실시예를 나타내는 도면이며,

도 2는 종래의 일반적인 공기 냉동사이클의 제2 실시예를 나타내는 도면이며,

도 3은 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 원심압축기 및 구심터어빈의 형상을 나타내는 도면이며,

도 4는 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 실시예를 나타내는 도면이며,

도 5는 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 열역학적 상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 원심압축기 2: 구심터어빈

3: 모터 3a: 고정자

3b: 회전자 4: 인버터

5: 중간냉각기 6: 회수용 열교환기

7: 냉동실 8: 공기 저어널 베어링

9: 공기 쓰러스트 베어링 13: 모터

14: 증속기어 15: 오일분리기

16: 열교환기 17: 블로워

본 발명은 터보기계를 이용한 공기 냉동사이클에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원심압축기와 구심터어빈을 이용한 공기의 압축과 팽창을 통해 저온의 냉동실을 구성하는 것에 관한 것이다.

현재 세계는 지구온난화로 에너지 사용 규제가 점점 강화되고 있으며, 프레온(Freon)냉매를 사용함으로 인한 대기 중의 오존 층 감소 등 요인으로 인하여, 현재의 프레온냉매보다 천연냉매를 활용하는 쪽으로 기술개발이 활발하게 전개되고 있다.

천연냉매로는 탄화수소(hydrocarbon) 계열의 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌 등과 암모니아(NH₃), 이산화탄소, 공기 등이 있다.

이들의 경우, 탄화수소(hydrocarbon) 계열은 탄소와 수소로만 구성되어, 독성이 없고 화학적으로 안정적이며 지구온난화 지수(GWP)도 3으로 낮아 우수한 천연냉매로 보이지만 가연성(flammability)이 매우 높아 위험한 것이 단점이며, 암모니아(NH₃)는 우수한 열역학적 특성과 상대적으로 높은 효율을 지닌 냉매이지만 독성이 치명적이고 가연성이 높으며 작동압력이 높아 특수한 관리가 필요하며, 이산화탄소(CO₂)의 경우, 독성과 가연성이 없고 안정성이 뛰어난 냉매이지만, 임계온도(31℃)가 낮기 때문에 super-critical 압력에서 응축(냉각)과정을, 그리고 sub-critical 압력에서 증발과정을 해야하는 trans-critical 사이클을 이루어 기술적 접근이 어려운 난점이 있다.

따라서 이러한 분야에서 공기를 천연냉매로 사용하는 것이 저온 냉동시스템(-40C 이하)의 경우 프레온 냉매를 사용하는 것보다 성적계수(COP)도 높고 독성이나 가연성 등도 없어 현재로서는 가장 적합한 것으로 여겨지게 되었다.

즉 공기를 사용하는 냉동사이클은 에너지 활용 면에서도 효율적이고, 친환경적이라, 축산 및 수산 분야에서의 활용이 매우 클 것으로 기대된다.

이러한 공기 냉동사이클 구성에 관한 연구는 이미 미국과 일본 등에서 전부터 행하여진바 있다.

1995년부터 1999년까지 미국의 에어 프로덕트 앤 케미컬 사(Air Products ＆ Chemicals, Inc.)는 미국 정부기관인 유에스 커머스 디파트먼트 테크노롤지 어드미니스트레이션(U.S. Commerce Department Technology Administration) 산하 기관인 니스트(NIST; National Institute of Standards and Technology)의 지원 하에 공기 사이클을 이용하여 식품보관 및 화학 플랜트용 냉동/냉장이 가능하게 하는 최초의 상용 시스템인 씨씨에이알(CCAR; Closed Cycle Air Refrigeration)을 개발 완료하였다.

도 1은 상기 씨씨에이알의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에서 상기 사이클 의 냉동부하는 175kW, 약 50냉동톤(RT)으로 창고를 -73℃로 유지하고, 공기를 약 88바(bar)정도까지 압축하며, 성적계수(COP)는 약 0.6정도인데, 이러한 사이클은 식품의 질을 유지하기 위해 급속한 냉동이 필요한 경우에 매우 유용하다. 그러나, 상기 사이클의 경우 구성요소로서, 증속기어(14)가 사용되고 있다.

1996년 일본의 카지마사(Kajima Co. Ltd.)는 다른 3개 회사와 공동연구를 통해 공기 사이클을 사용하여 식품 등의 냉각, 냉장, 냉동을 가능하게 하는 시스템인 에이아이알에스(AIRS; AIr Refrigerant System)를 개발하였다.

도 2는 상기 에이아이알에스의 구성도를 나타낸다.

이는 냉장, 냉동부하가 7kW(2RT), 16kW(5RT), 25kW(7RT)인 3개의 모델을 출시하여 판매 중이며, 창고내의 온도는 -30℃를 기준으로 하며 성적계수(COP)는 약 0.55 ∼ 0.60 수준이다.

이는 현재까지도 항공기용 공기조화에 쓰이고 있는 전형적인 부츠트랩(Bootstrap) 사이클로서 효율을 높이기 위해 열 회수(heat recovery)용 열교환기(recuperator)를 채택하였으며, 압력수준이 2kgf/㎠보다 낮은 저압 시스템이 특징이다.

또한 제1단 압축기로 사용되는 블로워(17)를 위해 증속기어(미도시)를 사용하고 있으며. 사이클 내의 공기에 섞인 오일을 분리해내기 위하여 오일분리기(15)를 사용하고 있다.

국내 기술의 경우에는 최근 몇 년 전부터 정부 주도의 항공기 개발사업(KTX-1, KTX-2, 중형항공기 개발사업)과 관련하여 공기사이클을 이용하는 항공기용 공기 조화 시스템(ECS) 개발에 진입하였는데, 한국항공우주연구원(KARI), 그리고 국방과학연구원(ADD)를 중심으로 항공기용 공기사이클 설계기술을 개발 수행하였으나, 해외제품의 분해 및 분석을 통한 모방설계후 시제품을 제작하고 성능시험을 수행하는 수준을 벗어나지 못하였다. 이는 공기 대 공기(Air-to-Air) 열교환기 설계기술과 제작기술을 확보하지 못한 때문은 물론 고속 원심압축기 및 구심터어빈과 같은 제품의 설계 및 제작기술이 부재했기 때문이었다.

즉 국내에서는 공기 사이클을 이용하여 산업용 냉동, 냉장, 냉각기기로의 응용 개발은 지금껏 전무한 상태라고 해도 과언이 아닌 것이 현실이다.

어쨌든 종래의 전술한 도 1, 도 2에 나타난 원심압축기와 구심터어빈을 이용한 공기의 압축과 팽창을 통해 저온의 냉동실를 구성하는 것에 관한 실시예의 경우, 모두 증속기어를 이용하여 RPM을 높이는 방식이 사용되고 있다. 이러한 방식의 단점은 증속기어가 고가의 가공품이며 진동을 유발하게 되고 높은 유지보수비가 들게 된다. 또한 발생되는 기계적 손실은 모두 열로 변환되므로 계속해서 윤활유를 순환시키면서 냉각을 해 주어야 하므로 친환경적이지 못하다는 단점이 있다.

또한 증속기어를 사용하게 되면, 정상상태에 도달하는 초기 라이징 타임(rising time)이 길기 때문에, 공기 베어링을 사용하는 것이 불가능하게 되며, 냉방부하를 바꾸기 위해서는 바이 패스(by-pass) 방식을 사용해야 하는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 공기베어링을 적용하 고 인버터로 모터를 직접 구동한다는 점을 특징으로 한다. 즉, 윤활유가 필요 없어짐으로 해서, 폐윤활유가 발생치 않고 냉동냉장실에 공급되는 공기는 100% 순수한 냉각공기만이 공급되기 때문에 친환경적이라 할 수 있다.

또한 증속기어가 없으므로 인해 커플링(Coupling)부의 기계손실이 생기지 않아 효율향상에 기여하게 되며 진동과 소음이 현저히 줄어들게 함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 공기 냉동사이클은 공기를 흡입하여 압축하며 토출시키는 원심압축기와; 상기 원심압축기에서 압축된 후 토출된 공기를 열 교환하는 중간냉각기와; 상기 중간냉각기를 통과한 공기를 냉동실로부터 유출된 공기와 열교환하는 회수용 열교환기와; 상기 회수용 열교환기를 통과한 공기를 팽창시키는 것으로서, 상기 원심압축기와 동일 축 상에 설치된 구심터어빈과; 상기 원심압축기 및 구심터어빈을 연결하는 동일 축에 설치된 모터와; 상기 모터와 직접 연결되어 회전수를 증가시키는 인버터; 및 상기 구심터어빈으로부터 나온 저온의 공기가 유입되며, 일정시간 후 유출되는 냉동실로 구성되어 상기 냉동실로부터 유출된 공기가 상기 회수용 열교환기를 거쳐 다시 원심압축기로 순환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 밀폐형 공기냉동 사이클의 원심압축기는 공기베어링을 포함하므로써, 냉매로 사용되는 공기에 오일 성분이 섞여 들어가지 않게 되어 오일 분리기와 같은 구성이 필요 없어지게 되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 원심압축기 및 구심터어빈의 운전시 적정 회전수는 약 40,000 ∼ 50,000RPM이 되는데, 이와 같은 회전수가 되기까지 소요되는 초기시간이 짧아야 상기 공기 베어링이 무리 없이 제 기능을 발휘하게 된다. 이는 공기 베어링의 특징으로서, 초기 작동 시에 회전수가 낮을 때에는 공기 베어링의 사이로 공기가 충분히 유입되지 못하여 공기유막이 제 역할을 다하지 못하기 때문이다.

따라서 이러한 문제점을 해결해 주는 확실한 방법이 인버터를 사용하여 회전수를 증가시켜주는 것인데, 이러한 방법은 종래의 증속기어를 사용하여 속도를 증가시켜 주는 경우보다 정상상태에 도달하는 초기 라이징 타임(rising time)을 줄여줌으로써, 공기 베어링을 사용하는 것을 용이하게 하여줌은 물론, 원하는 부하에 맞게 용량 가변형이 가능하게 하여, 종래의 증속기어방식을 사용할 경우 냉방부하를 바꾸기 위해 바이 패스(by-pass) 방식을 사용해야 하는 번거로움에서 벗어날 수 있게 된다.

상기 공기 베어링은 저어널 베어링과 쓰러스트 베어링으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 원심압축기 및 구심터어빈의 단면 형상을 나타내는 도면인데, 도시된 바와 같이 반경방향의 하중을 지지하기 위한 저어널 베어링(8)과 축방향의 하중을 자지하기 위한 쓰러스트 베어링(9)이 채용되었다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시를 위하여, 상기 밀폐형 공기냉동 사이클의 상기 중간 냉각기(5; intercooler)는 수냉식 열교환기인 것을 특징으로 하며, 상기 열 회수용 열교환기(6)는 공냉식 열교환기인 것을 특징으로 한다.

이는 상기 중간 냉각기의 경우, 1차적으로 열교환을 필요로 하는 상황에서 확실한 열교환을 목적으로 하기 때문이다.

이하 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 구성 및 동작에 관하여 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 실시예를 나타내기 위한 도면으로서, 전체 구성은 원심압축기(1)와 구심터어빈(2)이 동일 축 상에 연결되어 있으며, 상기 축에는 모터를 이루는 고정자(3a) 및 회전자(3b)가 인버터(4)에 직접 연결되어 회전수를 증속하게 된다. 따라서 시스템이 종래의 구성에 비하여 단순해지게 된다.

상기 원심압축기(1)와 구심터어빈(2)을 연결하는 축은 도 3에 도시된 공기 저어널 베어링(8) 및 공기 쓰러스트 베어링(9)에 의해 지지되는데, 이러한 구성은 종래의 오일 베어링 방식에 비하여 폐윤활유가 발생하지 않는다는 것은 물론, 사이클을 순환하는 공기에도 오일 성분이 발생하지 않아 도 2에 도시된 오일 분리기(15)와 같은 구성이 필요 없어지게 됨으로써, 시스템 구성이 단순화 되는 등 친환경적인 구성이라고 할 수 있다.

따라서 상기 원심압축기(1)로 유입된 순수한 공기는 압축된 후 중간냉각기(5)에서 물에 의해 1차적으로 열교환을 하게 되고, 동일 축의 일측에 설치된 구심터어빈(2)으로 유입되는데, 이 때의 과정은 도 5에 도시된 바와 같이 팽창과정이 된다.

도 5는 본 발명에 의한 공기 냉동사이클의 열역학적 상태를 나타내는 도면으로서, 상기 팽창과정에서 온도와 압력이 모두 낮아진 상태가 된다.

상기 팽창과정을 거친 공기는 냉동실(7)로 유입되어 식품을 냉각하게 되며, 이후 회수용 열교환기(6)에서 압축공기와 열교환을 이룬 후 다시 상기 원심 압축기(1)로 흡입되는 밀폐형 사이클을 이루게 됨으로써, 인버터(4)로 직접 모터(3)를 증속 구동하고, 원심압축기(1) 및 구심터어빈(2)을 공기 베어링으로 지지하는 것을 특징으로 하는 공기냉동 사이클을 구현하는 것이 가능해져, 이를 축산 및 수산 등 냉동이 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있게 된다.

전술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 전술한 바와 같이 본 발명에 의한 공기 냉동시스템은 공기 베어링을 적용하고 인버터로 직접 모터를 구동함으로써, 윤활유가 필요 없어 폐윤활유가 발생치 않고, 냉동실에 100% 순수한 냉각공기만이 공급되므로 친환경적으로 식품 등의 저장에 더욱 적합하게 되며, 증속기어가 없으므로 해서 커플링(Coupling)부의 기계손실이 생기지 않아 효율향상에 기여하게 되며 진동과 소음이 현저히 줄어들게 된다.

Claims

공기를 흡입하여 압축하며 토출시키는 원심압축기와;

상기 원심압축기에서 압축된 후 토출된 공기를 열 교환하는 중간냉각기와;

상기 중간냉각기를 통과한 공기를 냉동실로부터 유출된 공기와 열교환하는 회수용 열교환기와;

상기 회수용 열교환기를 통과한 공기를 팽창시키는 것으로서, 상기 원심압축기와 동일 축 상에 설치된 구심터어빈과;

상기 원심압축기 및 구심터어빈을 연결하는 동일 축에 설치된 모터와;

상기 모터와 직접 연결되어 회전수를 증가시키는 인버터; 및

상기 구심터어빈으로부터 나온 저온의 공기가 유입되며, 일정시간 후 유출되는 냉동실

로 구성되어, 상기 냉동실로부터 유출된 공기가 상기 회수용 열교환기를 거쳐 다시 원심압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 공기냉동 사이클.
제 1항에 있어서, 상기 원심압축기는 공기베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 공기냉동 사이클.
제 1항에 있어서, 상기 중간 냉각기(intercooler)는 수냉식 열교환기인 것을 특징으로 하는 밀폐형 공기냉동 사이클.
제 1항에 있어서, 상기 열 회수용 열교환기는 공냉식 열교환기인 것을 특징으로 하는 밀폐형 공기냉동 사이클.