KR20040036874A

KR20040036874A - 냉동 사이클장치

Info

Publication number: KR20040036874A
Application number: KR10-2003-7015148A
Authority: KR
Inventors: 니시와키후미토시; 후나쿠라마사미; 오카자노리호
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2004-05-03
Also published as: US20040206109A1; CN1526061A; EP1389721A1; JPWO2002095302A1; WO2002095302A1

Abstract

이산화탄소(CO₂)냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되고, 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기를 구비하며, 상기 방열기 및/또는 상기 증발기의 냉매유로는 1mm 이하의 미세한 관이고, 상기 CO₂냉매와 서로 용해되는 유극성 오일을 주요 조성으로 하는 냉동기오일이 이용되는 냉동 사이클장치.

Description

냉동 사이클장치{REFRIGERATING CYCLE DEVICE}

현재, 에어컨, 냉장고, 냉동고, 자판기, 히트펌프 급탕기 등의 냉동 사이클장치의 냉매에는 물성이 안정되고 취급하기 쉽다는 점 때문에 염소를 포함하고 수소를 포함하지 않는 불화탄소류(이하 CFC라 함)나 염소와 수소를 포함하는 불화탄화수소류(이하 HCFC라 함)가 사용되고 있다.

그러나, CFC 냉매나 HCFC 냉매는 오존층의 파괴를 촉진하는 성질이 있기 때문에, 분자구조 중에 염소를 포함하지 않고 수소를 포함하는 불화탄화수소류(이하 HFC라 함)를 대체냉매로서 채용하는 것이 제안되어 있다. 또, CFC 냉매, HCFC 냉매, HFC 냉매는 지구온난화를 촉진하는 성질이 있기 때문에, 지구온난화로의 영향이 매우 적은 자연냉매를 대체냉매로서 채용하는 것이 제안되어 있다.

그러나, 자연냉매라도 탄화수소류(이하 HC라 함)는 가연성이 강하기 때문에 인화, 폭발의 위험성이 있고, 또한, 암모니아 냉매는 독성이 있기 때문에 누설시에 위험을 발생시키는 문제점이 있으므로 불연성이고 독성도 없으면서 염가인 CO₂냉매의 채용이 검토되고 있다.

이러한 CO₂냉매를 이용한 냉동 사이클장치는 CO₂냉매의 임계온도가 31℃이기 때문에, 고압측 라인이 초임계영역에서 이용되는 구성으로 되어 있으며, 일반적인 냉동 사이클장치는 냉매를 압축하여 승압하는 압축기, 필요에 따라 4방향밸브, 냉매를 냉각하는 방열기, 냉매를 감압하는 모세관이나 팽창밸브 등의 감압기, 냉매를 증발시켜 기화하는 증발기 등을 배관접속하여 구성하고, 그 내부에 냉매를 순환시킴으로써 냉각 또는 가열작용을 행하고 있다.

CO₂냉매를 이용한 냉동 사이클장치의 방열기 및 증발기에 이용하는 열교환기로서는 마이크로튜브 열교환기라고 불리는 열교환기가 이용되고 있다. 마이크로튜브 열교환기는 내부에 복수의 관통소공(貫通小孔)(냉매유로)이 형성된 편평튜브와, 이 편평튜브 사이에 배치되어 외부유체(예컨대 공기)와의 열전도면적을 증가시키기 위한 핀으로 구성되어 있다. 관통소공은 단면형상이 원형이고 구멍의 직경은 1mm 정도이다.

또, CO₂냉매용의 냉동기오일로서는 윤활성이 뛰어나다는 관점에서 광물오일이 이용되는 경우가 많았다(문헌참조 : B.E.Fagerli저 「Development and Experiment with a Hermetic CO₂Compressor」 Proceeding of the 1996 International Engineering Conference at Purdue, 229-234).

그런데, 광물오일은 비극성오일이므로 CO₂냉매와는 서로 용해되지 않고, 압축기로부터 냉매와 함께 사이클 내에 토출된 냉동기오일은 방열기 및 증발기의 냉매유로 내를 오일방울형상 또는 관 내벽을 고리형상으로 오일막으로 덮어 유동한다. 이 때문에, 열전달의 저해 및 압력손실의 증대를 초래하고, 그 때문에 열교환기의 치수증대나 효율저하의 원인이 되고 있었다. 특히, 초임계영역이 아닌 증발기에서 냉동기오일에 의한 열전달의 저하가 현저하였다.

또, 마이크로튜브 열교환기의 경우, 냉매유로는 구멍직경이 1mm 정도로 매우 미세한 열전도관이기 때문에, 종래의 HFC 냉매에 대하여 이용하고 있던 관직경 5mm 정도의 큰 단면적을 갖는 냉매유로에 비해 관 내벽에 형성되는 오일막 및 오일방울에 의한 열전달저해 및 압력손실의 증대의 효과가 큰 것을 본원 발명자는 발견하였다. 그 내용을 다음에 상술한다.

도 6 및 도 7은 각각 상당직경 1.2mm의 마이크로튜브를 냉매유로로 하는 편평튜브를 이용한 증발기에서의 증발능력 및 압력손실의 특성도이다. 냉동기오일에는 CO₂냉매에 대하여 서로 용해되지 않는 비극성오일인 광물오일을 이용한다. 횡축은 오일(냉동기오일)순환량을 냉매순환량으로 나눈 오일순환율이다. 서로 용해되지 않는 오일인 경우, 오일순환율의 증가에 따라 열전달율은 현저히 저하되고, 압력손실은 현저히 증가하는 것을 알 수 있다.

도 6 및 도 7에 나타낸 데이터를 포함하는 여러가지 실험데이터로부터 구한 다음에 설명하는 상관식에 의한 계산값은 오일과 CO₂냉매가 순환하는 경우의 편평튜브의 증발열전달율과 압력손실의 값에 양호하게 일치한다.

즉, 증발열전달율에 대해서는 관내 증발열전달율의 상관식으로서 일반적으로 알려진 리우 윈터톤(Liu-Winterton)의 상관식을 핵비등열전달율에 미치게 하는 오일혼합의 영향을 고려한 파라미터 Kfh로 수정하고, 강제대류열전달율에 대해서는 액체의 물성값을 냉매와 오일의 혼합물의 값으로 바꾸는 수정을 행하였다.

여기서, h는 증발열전달율, a는 정수, h1은 액체층만이 흐른다고 간주한 경우의 강제대류열전달율, hpoo1은 푸울비등열전달율, E, S는 각각 강제대류, 핵비등의 정도를 나타내는 파라미터이다.

또, 압력손실에 대해서는 2상유동 압력손실의 상관식으로서 일반적으로 알려진 록하트-마티넬리(Lockhart-Martinelli)의 상관식에 액체의 물성값을 냉매와 오일의 혼합물의 값으로 바꾸는 수정을 행하였다.

여기서,는 마티넬리(Martinelli)의 파라미터,Pf는 액상만이 흐른다고 간주한 경우의 압력손실, Kfp는 수정파라미터이다.

도 8은 상기의 상관식에 의해 구한 CO₂냉매의 증발열전달율과 압력손실의특성도(대표예)이다. 횡축은 오일순환량을 냉매순환량으로 나눈 오일순환율이다. 또한, 종축은 오일순환율이 0%일 때의 열전달율을 100으로 한 열전달율의 비를 오일순환율이 0%일 때의 압력손실을 100으로 한 압력손실의 비로 나눈 값의 백분율이다. 즉, 오일순환율이 0%인 경우에 100이 되고, 오일순환율의 증가에 따라 열전달율의 저하가 크고, 또한/또는 압력손실의 증가가 클수록 100보다 작은 값이 된다.

또, 도 8은 수력상당직경 De가 다른 미세관에 대한 특성을 나타내고 있고, 수력상당직경 De가 작을수록 열전달율의 저하가 크고, 또한/또는 압력손실의 증가가 커지는 것을 나타낸다.

보다 상세히 검토하기 위해, 도 9에 오일순환율이 0%에서 4%로 증가한 경우의 (열전달율/압력손실)감소율과, 수력상당직경 De의 관계를 나타낸다. 수력상당직경 De가 1mm 정도로 더욱 감소하면 (열전달율/압력손실)감소율이 급격히 증대하는 것을 알 수 있다. 즉, 수력상당직경 De를 1mm 정도로 더욱 미세하게 하면, 서로 용해되지 않는 오일의 영향에 의해 관 내벽에 오일막이 형성되거나 또는 관내를 오일방울이 비산하기 때문에 열전달율의 저하가 크고, 또한/또는 압력손실의 증가가 커지는 것을 나타낸다.

본 발명은 이산화탄소(이하 CO₂라 함)를 주요 냉매로서 이용한 냉동기나 공기조화기 등의 냉동 사이클장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 냉동 사이클장치의 개략구성도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 이용하는 열교환기의 구성도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 열교환기에 이용하는 열전도관의 구성도.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에서의 냉동 사이클장치에 이용하는 열교환기의 열전도관의 요부확대 구성도.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동 사이클장치에 이용하는 열교환기의 열전도관의 요부확대 구성도.

도 6은 상당직경 1.2mm의 마이크로튜브를 냉매유로로 하는 편평튜브를 이용한 증발기에서의 오일순환율에 대한 증발능력의 특성도.

도 7은 상당직경 1.2mm의 마이크로튜브를 냉매유로로 하는 편평튜브를 이용한 증발기에서의 오일순환율에 대한 압력손실의 특성도.

도 8은 수력상당직경 De가 다른 미세관에 대한 특성도.

도 9는 오일순환율이 0%에서 4%로 증가한 경우의 (열전달율/압력손실)감소율과 수력상당직경 De의 관계를 나타내는 도면.

도 10은 오토클레이브 시험을 실시한 경우의 시험 후의 PET 수지의 인장강도 특성도.

도 11은 오토클레이브 시험을 실시한 경우의 시험 후의 PET 수지의 신장특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 31, 41 : 편평튜브 2 : 관통소공

3 : 열교환기 9 : 핀

11 : 압축기 12 : 방열기

13 : 감압기 14 : 증발기

15 : 오일분리기 16 : 보조열교환기

17 : 부감압기 32, 42 : 내면홈 부설 소공

본 발명은 이러한 종래의 냉동 사이클의 과제를 해결하기 위한 것으로, 소형 및 고효율의 CO₂냉매를 이용한 냉동 사이클장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 발명은, 이산화탄소(CO₂) 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되고, 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기를 구비하며,

상기 방열기 및/또는 상기 증발기의 냉매유로는 1mm 이하의 미세한 관이고,

상기 CO₂냉매와 서로 용해되는 유극성 오일을 주요 조성으로 하는 냉동기오일이 이용되는 냉동 사이클장치이다.

제 2 발명은, 상기 냉매유로가 편평튜브에 형성된 복수개의 관통소공인 제 1 발명의 냉동 사이클장치이다.

제 3 발명은, 상기 냉동기오일로서 에스테르오일, 에테르오일, 폴리알킬렌글리콜오일, 폴리카보네이트오일 또는 이들의 혼합오일을 이용한 제 1 발명의 냉동 사이클장치이다.

제 4 발명은, 상기 냉동기오일 중에 포함되는 수분량이 100ppm 이하인 제 1 발명의 냉동 사이클장치이다.

제 5 발명은, 상기 관통소공이 내면에 홈이 형성된 내면홈 부설 소공인 제 2 발명의 냉동 사이클장치이다.

제 6 발명은, 상기 내면홈 부설 소공의 홈형상이 사다리꼴형상인 제 5 발명의 냉동 사이클장치이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

(제 1 실시예)

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 냉동 사이클장치의 개략구성을 나타낸 것이다. 또, 도 2는 방열기 및 증발기에 이용하는 열교환기의 구성도, 도 3은 상기 열교환기에 이용하는 열전도관의 구성도이다.

도 1 내지 도 3에서 11은 압축기, 12는 편평튜브(1)에 형성된 복수의 관통소공(2)을 냉매유로로서 갖는 방열기, 13은 감압기, 14는 편평튜브(1)에 형성된 복수의 관통소공(2)을 냉매유로로서 갖는 증발기이며, 이들을 배관접속함으로써 폐회로를 형성하고, 도면 중 화살표 방향으로 CO₂냉매가 순환하는 냉동 사이클을 구성한다.

또, 방열기(12)의 출구에서 감압기(13)의 입구까지의 냉매유로인 방열측 냉매유로와, 증발기(14)의 출구에서 압축기(11)의 흡입부까지의 냉매유로인 증발측 냉매유로로 열교환을 행하는 보조열교환기(16)를 구비하고 있다.

또, 압축기(11)와 방열기(12)와의 사이에 오일분리기(15)를 구비하고 있다.오일분리기(15)에서 분리되는 냉동기오일은 부감압기(17)를 개재하여 압축기(11)에 배관접속된 보조경로(18)에 의해 압축기(11)로 복귀되는 구성으로 되어 있다. 또, 오일분리기(15)에서 분리되지 않은 냉동기오일은 냉매와 함께 냉동사이클의 방열기(12) 및 증발기(14)로 흐르게 된다.

또, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 방열기 및 증발기에 이용하는 열교환기(3)는 길이방향으로 관통된 복수의 관통소공(2)을 갖는 판형상의 편평튜브(1)(열전도관)를 판형상의 두께방향으로 대략 소정의 간격으로 복수 적층하고, 판형상의 길이방향의 양단을 한쌍의 헤더파이프(4, 5) 내에 삽입하고 있다. 초임계상태의 고압에 대응하기 위해, 또, 관 내의 열전달율을 향상시키기 위해, 관통소공(2)의 구멍직경은 약 1mm로 직경을 미세화하면서 그 단면형상을 원형으로 하고 있다.

또, 한쌍의 헤더파이프(4, 5)에는 내부를 헤더파이프의 길이방향으로 복수로 분할하는 구분판(6)이 설치되어 있다. 또, 열교환기(3)에 냉매를 도입하기 위한 냉매입구(7)가 한쌍의 헤더파이프(4, 5) 중 어느 하나에 설치되어 있고, 열교환기(3)로부터 냉매를 유출시키는 냉매출구(8)가 한쌍의 헤더파이프(4, 5) 중 어느 하나에 설치되어 있다. 판형상의 복수의 편평튜브(1)는 두께방향으로 대략 등간격으로 설치되며, 편평튜브(1)의 사이에는 외부유체(예컨대 공기)와의 열전도면적을 늘리기 위한 핀(물결형상의 핀)(9)을 구비하고 있다.

그리고, 냉매에는 CO₂냉매를 이용하고, 냉동기오일에는 유극성 오일인 폴리알킬렌글리콜오일(PAG오일)을 이용하며, 그 오일 중 수분량은 100ppm 이하로 조정하고 있다.

다음에, 이상과 같은 구성을 갖는 냉동 사이클장치의 동작에 대하여 설명한다.

압축기(11)에서 압축된 CO₂냉매는 고온고압상태가 되어 방열기(12)로 도입된다. 방열기(12)에서는 CO₂냉매가 초임계상태인 경우에는 기체와 액체의 2상상태로는 되지 않고, 공기나 물 등의 매체로 방열하여, 방열기(12)의 출구에서 감압기(13)의 입구까지의 보조열교환기(16)의 방열측 냉매유로에서 더욱 냉각된다. 감압기(13)에서는 감압되어, 저압의 기체와 액체의 2상상태가 되어 증발기(14)로 도입된다. 증발기(14)에서는 공기 등으로부터 흡열하여, 증발기(14)의 출구에서 압축기(11)의 흡입부까지의 보조열교환기(16)의 증발측 냉매유로에서 가스상태로 되어 다시 압축기(11)로 흡입된다.

이러한 사이클을 반복함으로써, 방열기(12)에서 방열에 의한 가열작용을 하고, 증발기(14)에서 흡열에 의한 냉각작용을 한다. 여기서, 보조열교환기(16)에서는 방열기(12)를 나와 감압기(13)로 향하는 비교적 고온의 CO₂냉매와, 증발기(14)를 나와 압축기(11)로 향하는 비교적 저온의 CO₂냉매로 열교환이 행해진다. 이 때문에, 방열기(12)를 나온 CO₂냉매가 더욱 냉각되고 감압기(13)에서 감압되므로, 증발기(14)의 입구 엔탈피가 감소하여, 증발기(14)의 입구와 출구에서의 엔탈피차가 커져 흡열능력(냉각능력)이 증대된다.

또, 방열기(12)로서 작용하는 열교환기(3)의 동작을 상술한다. 냉매는 도 2에서의 실선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 초임계상태로 냉매입구(7)로부터 헤더파이프(4) 내의 구분판(6) 상부의 공간으로 유입되고, ① 헤더파이프(4) 내의 구분판(6) 상부의 공간에 삽입된 복수의 편평튜브(1)의 관통소공(2)을 거쳐 헤더파이프(5) 내의 상부로 유입되며, ② 헤더파이프(5) 내의 상부로부터 중부(구분판(6)보다 상부의 공간)를 거쳐 복귀되며, ③ 편평튜브(1)의 관통소공(2)을 거쳐 헤더파이프(4) 내의 중부로 유입되고, ④ 헤더파이프(4) 내의 중부로부터 하부를 거쳐 다시 복귀되고, ⑤ 편평튜브(1) 내의 관통소공(2)을 거쳐 헤더파이프(5) 내의 하부(구분판(6)보다 하부의 공간)로 유입하여 냉매출구(8)로부터 저온으로 유출된다.

본 실시예에서는 유극성 오일인 폴리알킬렌글리콜오일(PAL오일)을 이용하고 있기 때문에, 압축기로부터 CO₂냉매와 함께 사이클 내에 토출된 냉동기오일은 CO₂냉매에 대하여 용해된다. 그 결과, 냉매유로를 1mm 이하의 미세관으로 한 경우라도 방열기의 냉매유로를 구성하는 편평튜브(1)의 관통소공(2)의 관 내벽면 상에 열저항이 되는 오일막이 형성되어 열전도성능이 저하되는 것은 아니며, 초임계상태의 CO₂냉매가 갖는 높은 열전달율을 유효하게 이용할 수 있다. 또, 관통소공(2)의 관 내벽면 상에 오일막이 형성되지 않고, 또 오일방울로서 유동하는 일이 없기 때문에, 압력손실의 증대를 초래하는 일도 없다. 이 때문에, 관내 열전달율이 매우 높으면서 압력손실에 의한 성능의 저하를 억제할 수 있어, 소형이고 고성능인 방열기가 될 수 있다.

증발기의 경우에도, 저압의 기체와 액체의 2상상태로 된 CO₂냉매는 냉동기오일과 함께 증발기의 냉매유로를 구성하는 편평튜브(1)의 관통소공(2) 내로 유입되고, 공기 등으로부터 흡열하여 증발하면서 환상분무류가 되어 유동한다. 이 때문에, 열전도관 내벽면 상의 열전달율이 전체 성능에 많은 영향을 주지만, 본 실시예에서는 방열기의 경우와 마찬가지로, CO₂냉매에 용해하는 폴리알킬렌글리콜오일 (PAG오일)을 이용하고 있기 때문에, 냉매유로를 1mm 이하의 미세관으로 한 경우라도 편평튜브(1)의 관통소공(2)의 관 내벽면 상에 열저항이 되는 오일막이 형성되는 일은 없다. 따라서, 증발기에서 열전달의 저하나 압력손실의 증대를 초래하지 않고, 증발기를 소형, 고효율로 하는 것이 가능해진다.

또, 이상의 설명에서는 유극성 오일로서 폴리알킬렌글리콜오일(PAG오일)을 이용하여 설명하였지만, 그 밖의 폴리오르에스테르오일, 폴리비닐에테르오일, 폴리카보네이트오일 또는 이들의 혼합오일을 유극성 오일로서 이용해도 CO₂냉매에 대한 용해도가 높기 때문에 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 실시예에서는 냉동기오일 중에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정하고 있기 때문에, 유극성 오일을 이용한 경우에 가수분해하여 냉동기오일이 열화되어 신뢰성이 손상되는 일은 없다.

또, 냉동기오일에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정함으로써, 냉동 사이클 중에 침입하는 수분량을 100ppm 이하로 조정하는 것이 가능하게 되기 때문에, 다음에 설명하는 바와 같은 작용이 생긴다.

본원 발명자는 상기와 같은 수단에 의해 얻어지는 새로운 사실, 작용을 이하에 설명하는 실험에 기초하여 확인하였다. 오토클레이브(autoclave) 용기 내에 CO₂냉매와 PET(폴리에틸렌텔레프탈레이트) 수지필름과 수분 200ppm을 포함한 냉동기오일을 봉입하고, 온도 140℃, 압력 8MPa 및 11MPa, 시험시간 500시간의 오토클레이브 시험을 실시하였다. PET 수지는 R134a 냉매에 대한 압축기의 절연필름으로서 시장 실적이 있는 수지이다. 시험 후의 PET 수지의 인장강도, 신장특성을 각각 도 10 및 도 11에 나타낸다. 시험전의 초기특성에 비해, 고압의 CO₂냉매에 노출된 PET 수지의 인장강도 및 신장특성이 현저히 열화되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 냉동기오일에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정한 경우에는 PET 수지의 인장강도 및 신장특성은 초기특성에 비해 거의 열화되지 않는 것도 분명해졌다. 물론, R134a 냉매 중에서는 PET 수지가 열화되지 않는 것은 시장 실적에서 알 수 있기 때문에, 이 수지의 수분에 의한 열화현상은 CO₂냉매 특유의 특징이다.

이상의 실험결과에서, 냉동 사이클 중에 포함되는 수분량이 100ppm을 넘은 경우에는 냉동 사이클 중의 PET 수지 등의 절연필름이 열화되지만, 100ppm 이하에서는 거의 열화되지 않는 것을 알 수 있었다. 그 때문에, 본 실시예에서는 냉동기오일에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정함으로써, 냉동 사이클 중에 침입하는 수분량을 100ppm 이하로 조정하는 것이 가능하게 되므로, 냉동 사이클의 수지의 열화가 없어져 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

또, 본 실시예에서는 오일분리기(15)를 설치한 냉동 사이클로 설명하였지만,본 발명은 냉매에 용해되는 유극성 오일을 이용하기 때문에, 오일분리기(15)가 없는 경우에 특히 그 효과를 발휘하는 것은 물론이다.

(제 2 실시예)

이하, 본 발명의 제 2 실시예에서의 냉동 사이클장치에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 제 2 실시예의 냉동 사이클장치에 이용하는 열교환기의 열전도관의 요부확대 구성도이다. 제 1 실시예와 다른 점은, 방열기 및 증발기의 냉매유로인 편평튜브(31) 내에 형성한 복수의 관통소공을 설치하고, 내부 표면에 다수의 작은 삼각형상의 홈을 설치한 내면홈 부설 소공(32)으로 한 점이다. 내면홈 부설 소공(32)의 외경(홈의 저부를 연결하는 가상직경)은 1mm, 홈깊이는 0.1mm로 하고 있다. 그리고, 냉동기오일에는 유극성 오일인 폴리오르에스테르오일(POE오일)을 이용하고 있고, 그 오일 중 수분량은 100ppm 이하로 조정하고 있다.

이와 같이, 열교환기의 냉매유로인 관통소공을 설치하고, 그 내부 표면에 다수의 작은 삼각형상의 홈을 설치한 내면홈 부설 소공(32)으로 하였기 때문에, 냉매유로의 열전도 면적이 증대하는 것과 함께, 미세한 홈에 의한 냉매의 교반작용 등으로 인해, 냉매의 열전달율이 비약적으로 향상된다.

또, 본 실시예에서는 유극성 오일인 폴리오르에스테르오일(POE오일)을 이용하고 있기 때문에, 압축기로부터 CO₂냉매와 함께 사이클 내에 토출된 냉동기오일은 CO₂냉매에 대하여 용해된다. 그 결과, 방열기 및 증발기의 냉매유로를 구성하는 편평튜브(31)의 내면홈 부설 소공(32)의 관 내벽면 상에 열저항이 되는 오일막이 형성되어 열전도성능이 저하되는 것은 아니며, CO₂냉매가 갖는 높은 열전달율을 효율적으로 이용할 수 있다.

또, 내면홈 부설 소공(32)의 관 내벽면 상에 오일막이 형성되지 않고, 또한 오일방울로서 유동하지 않기 때문에, 압력손실의 증대를 초래하는 일도 없다. 이 때문에, 관내 열전달율이 매우 높고, 또한 압력손실에 의한 성능의 저하를 억제할 수 있어, 소형이고 고성능인 열교환기가 될 수 있다.

또, 이상의 설명에서는 유극성 오일로서 폴리오르에스테르오일(POE오일)을 이용하여 설명하였지만, 그 외의 유극성 오일을 이용하더라도 CO₂냉매에 대한 용해도가 높기 때문에 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 실시예에서는 냉동기오일 중에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정하고 있기 때문에, 유극성 오일을 이용한 경우에 가수분해하여 냉동기오일이 열화되어 신뢰성을 손상시키는 일은 없다.

(제 3 실시예)

이하, 본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동 사이클장치에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 제 3 실시예의 냉동 사이클장치에 이용하는 열교환기의 열전도관의 요부확대 구성도이다. 제 2 실시예와 다른 점은 방열기 및 증발기의 냉매유로인 편평튜브(41) 내에 형성한 복수의 내면홈 부설 소공의 홈형상을 사다리꼴 형상으로한 사다리꼴 내면홈 부설 소공(42)으로 한 점이다. 또, 내면홈 부설 소공(42)의 외경(홈의 저부를 연결하는 가상직경)은 1mm, 홈깊이는 0.1mm 및 홈의 수는 상기 제 2 실시예의 삼각형 홈(도 5에서의 점선 43)의 경우와 동일하며, 그 홈형상이 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 그리고, 냉동기오일에는 유극성 오일인 폴리비닐에테르오일(PVE오일)을 이용하고 있고, 그 오일 중 수분량은 100ppm 이하로 조정하고 있다.

이와 같이, 열교환기의 냉매유로인 관통소공을 설치하고, 그 내부 표면에 다수의 작은 사다리꼴 형상의 홈을 설치한 내면홈 부설 소공(42)으로 하였기 때문에, 동일한 홈깊이, 동일한 홈수의 삼각형상의 홈을 갖는 상기 제 2 실시예의 열전도관에 비해 냉매유로의 열전도면적이 증대하는 것과 함께, 냉매유로의 습윤 외주부의 길이가 증대하여 상당직경이 감소하고, 또한 미세한 홈에 의한 냉매의 교반작용 등이 가해지며, 또한 홈 내에서의 냉매의 유지능력이 증가하며 환상류인 경우에 액체막 두께가 균일화하는 등의 이유에 의해, 냉매의 열전달율이 비약적으로 향상된다. 또, 상기 제 2 실시예에서는 높은 열전달율이 실현되지만, 그 홈의 존재에 의해 오일막의 형성이 촉진된다는 결함이 생길 가능성이 있는데, 본 제 3 실시예에서는 사다리꼴 형상이기때문에, 오일막의 형성이 더욱 적어진다고 할 수 있다.

또, 본 실시예에서는 유극성 오일인 폴리비닐에테르오일(PVE오일)을 이용하고 있기 때문에, 압축기로부터 CO₂냉매와 함께 사이클 내에 토출된 냉동기오일은 CO₂냉매에 대하여 용해된다. 그 결과, 방열기 및 증발기의 냉매유로를 구성하는 편평튜브(41)의 내면홈 부설 소공(42)의 관 내벽면 상에 열저항이 되는 오일막이 형성되어 열전도성능이 저하되는 것은 아니며, CO₂냉매가 갖는 높은 열전달율을 효율적으로 이용할 수 있다.

또, 내면홈 부설 소공(42)의 관 내벽면 상에 오일막이 형성되지 않고, 또한 오일방울로서 유동하는 일이 없기 때문에, 압력손실의 증대를 초래하는 일도 없다. 이 때문에, 관내 열전달율이 매우 높고, 또한 압력손실에 의한 성능의 저하를 억제할 수 있어, 소형이고 고성능인 열교환기가 될 수 있다.

또, 이상의 설명에서는 유극성 오일로서 폴리비닐에테르오일(PVE오일)을 이용하여 설명하였지만, 그 외의 유극성 오일을 이용하더라도 CO₂냉매에 대한 용해도가 높기 때문에 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 실시예에서는 냉동기오일 내에 포함되는 수분량을 100ppm 이하로 조정하고 있기 때문에, 유극성 오일을 이용한 경우에 가수분해하여 냉동기오일이 열화하여 신뢰성을 손상시키는 일은 없다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, CO₂냉매에 대한 열교환기의 냉매유로를 편평튜브에 형성된 복수의 관통소공으로 하고, 유극성 오일을 주요 조성으로 하는 냉동기오일을 이용함으로써, 관통소공의 관 내벽면 상에 열저항 및 유동저항이 되는 오일막이 형성되는 일이 없기 때문에, 열교환기에서의 열전달율의 저하 및 압력손실의 증대를 억제할 수 있어, 소형, 고효율의 CO₂냉매를이용한 냉동 사이클장치를 실현할 수 있게 된다.

Claims

이산화탄소(CO₂) 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되고, 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기를 구비하며,

상기 방열기 및/또는 상기 증발기의 냉매유로는 1mm 이하의 미세한 관이고,

상기 CO₂냉매와 서로 용해되는 유극성 오일을 주요 조성으로 하는 냉동기오일이 이용되는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
제 1항에 있어서,

상기 냉매유로는 편평튜브에 형성된 복수개의 관통소공(貫通小孔)인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
제 1항에 있어서,

상기 냉동기오일로서 에스테르오일, 에테르오일, 폴리알킬렌글리콜오일, 폴리카보네이트오일 또는 이들의 혼합오일을 이용한 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
제 1항에 있어서,

상기 냉동기오일 중에 포함되는 수분량은 100ppm 이하인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
제 2항에 있어서,

상기 관통소공은 내면에 홈이 형성된 내면홈 부설 소공인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
제 5항에 있어서,

상기 내면홈 부설 소공의 홈형상은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.