KR20080068643A - 응축용 열 변환 장치 및 그것을 이용한 냉동 시스템 - Google Patents

Abstract

응축용 열 변환 장치의 소형·경량화를 도모하고, 이것을 이용한 냉동 시스템의 소형화와 비용 저감화 및 에너지 절약화를 추진하여, 지구 환경의 보전에 일익을 담당하게 할 수 있는 응축용 열 변환 장치 및 이것을 이용한 냉동 시스템을 제공한다. 냉동 시스템의 압축기(1)로부터 토출되는 고온·고압 냉매 가스를 저온 냉매액으로 하는 응축용 열 변환 장치(30)이며, 고온·고압 냉매 가스를 등압 변화에 의해 냉각하는 등압 냉각부(3)와, 등압 냉각부에서 일부 액화된 남은 가스 냉매를 냉매의 가속 현상에 의하여 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 액화되는 감압 액화부(6)와, 감압 액화부를 거친 냉매를 냉매의 가속 현상에 의하여 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 냉각하는 감압 냉각부(8)를 포함하여 구성된다.

에너지 절약, 지구 환경, 압축기, 등압 냉각부, 엔탈피

Description

응축용 열 변환 장치 및 그것을 이용한 냉동 시스템{THERMAL CONVERTER FOR CONDENSATION AND REFRIGERATION SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은, 응축용 열 변환 장치 및 그것을 이용한 냉동 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 냉동 시스템에 이용되는 냉매의 응축용 열 변환 장치 및 그것을 이용한 냉동 시스템에 관한 것이다.

냉장고, 냉동고, 냉방 장치 등, 피냉각물을 냉각하는 장치에 이용되는 냉동 시스템은, 시스템의 대소, 용도와 상관없이 동일한 원리에 기초하여, 거의 동일한 구성 요소로 구성되어 있다.

도4는 일반적인 냉동 시스템의 동작을 설명하기 위한 구성도이다.

도4에 도시한 바와 같이 일반적으로 냉동 시스템은, 압축기(1), 응축기(13), 리시버 탱크(14), 팽창 밸브(15), 증발기(11)를 냉매 배관(22)으로 접속하여 구성되고, 시스템 내에 충전된 냉매가 시스템 내를 화살표(21)의 방향으로 순환하여 열을 운반한다. 이 냉매의 순환을 냉동 사이클이라고 한다. 종래, 팽창 밸브(15) 대신에, 모세관 튜브를 사용하는 경우도 있지만, 이 경우 예를 들어 내경이 0.8㎜ 정도인 매우 가는 관이다.

압축기(1)에서 냉매 가스는 압축되어 고온·고압 냉매 가스로 되어 응축 기(13)로 보내진다. 응축기(13)에서는 고온·고압 냉매 가스가 열을 방출하여 냉각되어, 중온·냉매액으로 되어, 이것이 리시버 탱크(14)에 일단 저류된다.

팽창 밸브(15)를 열면, 중온·냉매액은 압축기(1)에 의해 냉매 가스를 흡인하여 감압되어 있는 증발기(11)에 들어가, 증발되고 증발열에 의해 온도가 내려가 중온·냉매액은 저온·냉매액으로 된다. 그리고, 저온·냉매액은 주위로부터 열을 빼앗아 주위(피냉각물)를 냉각하는 동시에, 저온 냉매 가스로 되어, 압축기(1)에 들어가, 다시 압축되어 고온·고압 냉매 가스가 되어 순환한다.

상기와 같이 냉동 사이클에서는, 냉매가 증발기(11)에서 주위의 피냉각물을 식혀서 얻은 열을 응축기(13)에서 방열하여 순환한다.

증발기(11)에서는, 도4의 증발기(11)의 아래에 도시한 냉매의 상변화 설명도와 같이, 냉매는 증발기(11)의 입구 부근에서는 거의 액체이지만, 증발기(11) 내를 진행함에 따라 기화되어 가스가 증가하여, 증발기(11)의 출구 부근에서는 완전히 가스화된다. 증발기에서는 냉매가 정확히 완전하게 가스화되는 것이 효율이 좋다고 하고 있지만, 일반적으로는, 증발기(11)의 출구보다 앞에서 완전하게 가스화되고, 또한 온도가 상승하여 나온다.

한편, 응축기(13)에서는, 도4의 응축기(13)의 위에 도시한 냉매의 상변화 설명도와 같이, 냉매는 응축기(13)의 입구 부근에서는 고온·고압 가스이지만, 응축기(13) 내를 진행함에 따라 냉각되어 점차 액화되어, 응축기(13)의 출구 부근에서는 거의 액화된다.

냉동 사이클의 효율을 높이기 위해, 각 구성 요소에 다양한 개량이 더해지고 있지만, 특히 응축기에 있어서 냉매를 효율적으로 액화하는 것이 중요하다.

도5는, 현재 일반적으로 가정용 냉장고 등에 사용되고 있는 냉동 사이클의 개략의 구성도이다. 냉동 사이클 중에 봉입된 냉매(프론, 대체 프론 등)는 화살표(21)의 방향으로 순환한다. 우선, 압축기(1)에서 고온 고압의 냉매 가스로 되고, 대형의 응축기(13)에서 공기 냉각되어 응축 액화(대체로 90％액·10％ 가스 상태 그대로)되어, 리시버 탱크(액화 탱크)(14)를 거쳐서 팽창 밸브(15)에서 감압 팽창되어 저온 저압의 냉매액이 되고, 증발기(11)에 보내져 열교환됨으로써(고내는 수온), 증발 기화되어 저온 냉매 가스로 되어 압축기(1)로 복귀하도록 한 것이다. 업무용 냉장고 등, 특수한 것은 필요에 따라 응축기(13)는 냉각용의 팬(13-1)을 이용하여 강제 냉각된다.

응축기(13)는 냉매가 흐르는 파이프와 주변의 공기가 접촉하여 열교환을 행하여, 냉매를 냉각, 액화하는 것이기 때문에, 파이프의 표면적은 넓은 것이 바람직하여, 냉동 시스템 전체에 차지하는 체적이 커진다.

이러한 종래의 냉동 시스템에 있어서는, 열 교환기로서 작용하는 증발기(11)에 대하여, 열원측 교환기로서 작용하는 응축기(13)가 대형 구조로 이루어져야 하기 때문에, 장치의 컴팩트화를 도모하기 위해 응축기(13)를 소형화하고자 여러 검토가 이루어지고 있다. 예를 들어, 특허 문헌1에는 압축기로부터 토출된 고온·고압 냉매 가스의 일부를 나선 형상의 관을 통과하여 냉각 팬으로 냉각하고, 이 냉매로 압축기로부터 토출된 남은 고온·고압 냉매 가스를 효율적으로 냉각하는 냉동 시스템이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌2에는 압축기로부터 토출된 냉매를 나선 형상의 관을 통과시켜 냉각 팬으로 냉각하고, 또한 다른 세관으로 감압하여 액화시키는 시스템이 개시되어 있다.

특허 문헌1: 일본 특허 공개평10-259958호 공보

특허 문헌2: 일본 특허 공개 제2002-122365호 공보

그러나, 특허 문헌1에 기재된 냉동 시스템은, 압축기로부터 토출된 냉매를 2계통으로 나누어, 열교환을 행하기 위한 2층의 열 교환기를 필요로 하기 때문에, 그 구조가 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 특허 문헌2에 기재된 시스템에서는, 세관을 감압하기 위하여 종래의 냉동 시스템에는 없는 감압 수단을 새롭게 추가해야한다는 문제점이 있다.

본 발명은, 상기 종래의 냉동 시스템이 안은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 응축용 열 변환 장치(본 발명에서는 종래의 냉동 시스템의 응축기, 리시버 탱크, 및 팽창 밸브의 기능을 포함하는 부분을 응축용 열 변환 장치라고 함)의 소형·경량화를 도모하고, 이것을 이용한 냉동 시스템의 소형화와 비용 저감화 및 에너지 절약화를 추진하여, 지구 환경의 보전에 일익을 담당시킬 수 있는 응축용 열 변환 장치 및 이것을 이용한 냉동 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은, 냉동 시스템의 압축기로부터 토출되는 고온·고압 냉매 가스를 저온 냉매액으로 하는 응축용 열 변환 장치이며, 상기 고온·고압 냉매 가스를 등압 변화에 의해 냉각하는 등압 냉각부와, 상기 등압 냉각부에서 일부 액화한 남은 가스 냉매를 냉매의 가속 현상에 의해 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 액화하는 감압 액화부와, 상기 감압 액화부를 거친 냉매를 냉매의 가속 현상에 의해 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 냉각하는 감압 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 바람직하게는, 상기 등압 냉각부, 감압 액화부, 감압 냉각부의 순서대로 유로를 가늘게 하여도 된다. 또한, 상기 등압 냉각부와 감압 액화부 사이에 팽창부를 설치하여도 된다. 상기 감압 액화부의 유속이, 상기 등압 냉각부의 유속의 2배 이상이어도 된다.

또한, 상기 감압 액화부와 감압 냉각부 사이에 팽창부를 설치하여도 된다. 상기 등압 냉각부는, 상기 압축기로부터 토출되는 고온·고압 냉매 가스의 5내지 50 중량％를 액화시키는 미니 열교환 장치이어도 된다.

또한, 바람직하게는, 상기 감압 액화부는, 세관을 나선 형상으로 감은 형태이며, 상기 등압 냉각부에서 일부 액화된 남은 가스 냉매를 거의 액화하는 나선 형상의 관이어도 된다. 상기 감압 냉각부는, 세관을 나선 형상으로 감은 나선 형상의 관을 복수개 병렬로 한 형태이며, 상기 감압 액화부에서 액화한 냉매를 냉각하여 저온 냉매액으로 하는 나선 형상 세관이어도 된다. 상기 나선 형상 세관은, 분기관을 개재하여 감압 액화부에 접속되어도 되고, 집합관을 개재하여 증발기에 접속되어도 된다.

청구항 1 내지 9 중 어느 하나에 기재된 응축용 열 변환 장치와, 상기 응축용 열 변환 장치로부터 저온 냉매액을 흡인하고, 피냉각물과 열교환하여 피냉각물을 냉각하는 증발기와, 상기 증발기와 흡입관을 개재하여 접속되어, 상기 증발기에서 일부 또는 전부 기화한 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기와 상기 응축용 열 변환 장치, 및 상기 응축용 열 변환 장치와 상기 증발기를 접속하는 냉매 배관을 포함하여 구성되어도 된다.

상기 등압 냉각부에는 냉각용의 팬이 부설되어, 상기 압축기로부터 토출되는 냉매 가스의 온도가 소정의 온도 이상인 경우에, 상기 팬이 가동되어도 된다. 상기 등압 냉각부의 유로 단면적을 기준으로 하여, 감압 액화부의 유로 단면적을 40 내지 50％, 감압 냉각부의 유로 단면적을 20 내지 30％로 설정하여도 된다.

본 발명은, 이상 설명한 형태로 실시되어, 이하에 기재하는 효과를 나타낸다.

즉, 본 발명에 따르면, 응축용 열교환 면적이 큰 것이 냉동 시스템의 대형화를 초래하는 주된 원인이었던 점에 주목하여, 신규의 응축용 열 변환 장치의 완성에 기인하여, 응축용 열교환 면적의 비약적인 축소를 도모하는 것을 가능하게 한 것이며, 이 응축용 열 변환 장치를 이용함으로써 냉동 시스템의 구조를 컴팩트화할 수 있어, 산업용에 관해서는 지나친 에너지 소비를 저감하고, 용적량이 증가되어 사회에 기여하는 점이 정말 많은 발명이며, 지구 환경의 보전에 일익을 담당하게 할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.

도2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 냉동 시스템의 P-h선도이다.

도3의 (a) 내지 (e)는 응축용 열 변환 장치를 구성하는 주요 구성 요소의 평 면도이다.

도4는 일반적인 냉동 시스템의 구성도이다.

도5는 종래의 냉동 시스템의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압축기

2, 4, 10 : 냉매 배관

3 : 미니 열교환 장치(등압 냉각부)

3-1 : 미니 팬

5 : 대단관(팽창부)

6 : 나선 형상관(감압 액화부)

7 : 분기관(팽창부)

8 : 나선 형상 세관(감압 냉각부)

9 : 집합관(팽창부)

11 : 증발기

11-1, 13-1 : 팬

12 : 흡입관(냉매 배관)

13 : 응축기

14 : 리시버 탱크

이하, 본 발명의 실시 형태의 바람직한 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면 서 설명한다.

도1은, 본 실시 형태에 따른 응축용 열 변환 장치(30)를 이용한 냉동 시스템의 냉동 사이클의 구성도이다. 여기서, 「열교환 장치」와 「열 변환 장치」의 용어는, 구별하여 사용한다.

냉동 시스템은 압축기(1)와 미니 열교환 장치(등압 냉각부)(3)와 나선 형상관(감압 액화부)(6)과 나선 형상 세관(감압 냉각부)(8)과 증발기(11)를 요소 기기로서 구비하고, 그들 기기를 냉매 배관(2, 4, 10), 흡입관(12), 대단관(팽창부)(5), 분기관(팽창부)(7), 집합관(팽창부)(9)에 의해 접속하여, 냉매를 화살표(21)의 방향으로 순환시킴으로써 냉동 기능이 구현되고 있다. 또한, 미니 열교환 장치(3), 혹은 후술하는 미니 팬(3-1)의 미니는 「소형」의 의미이며, 종래에 비하여 응축기를 작게 할 수 있는 본 발명의 특징을 명확히 하기 위하여 이용하고 있다.

도4에 도시한 종래의 냉동 시스템의 응축기(13), 리시버 탱크(14), 팽창 밸브(15)에 상당하는 부분이, 본 실시 형태에서는 응축용 열 변환 장치(30)로서 미니 열교환 장치(3), 냉매 배관(4), 대단관(5), 나선 형상관(6), 분기관(7), 나선 형상 세관(8), 및 집합관(9)으로 구성된다.

압축기(1), 증발기(11)는, 현행의 냉동 시스템에 사용되는 것과 구조·기능이 기본적으로 변하지 않으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하고, 본 실시 형태의 특징인 응축용 열 변환 장치(30)에 대하여 상세하게 설명한다.

도2는, 본 실시 형태에 따른 응축용 열 변환 장치(30)를 이용한 냉동 시스템의 냉동 사이클의 P-h선도이다. 파선은, 종래의 사이클을 나타내고, 실선은, 본 실시 형태의 사이클을 나타내고 있다. 종래의 사이클에서는, 압축기에 의한 단열압축(점a 내지 점b), 응축기에 의한 등압 변화의 방열에 의한 응축(점b 내지 점c), 팽창 밸브의 조임 현상에 의한 등엔탈피 변화(점c 내지 점d), 증발기에 의한 등압, 등온 팽창의 흡열에 의한 증발(점d 내지 점a)에 의해 사이클이 완료되고 있다.

본 실시 형태에서는, 압축기(1)로부터 고온(40℃ 이상)·고압(0.6MPa 이상) 가스 상태의 냉매가 토출되어(점h 내지 점i), 응축용 열 변환 장치(30)를 구성하는 미니 열교환 장치(3)에서 냉매의 일부(5 내지 50 중량％)가 액화된다(점i 내지 점j).

도1에서는 미니 열교환 장치(3)는 냉매가 지나는 파이프에 방열 팬을 설치한 통상의 공냉 타입을 도시했지만, 미니 열교환 장치(3)는 이 타입에 한하지 않고, 수냉 타입 및 기타의 것도 되는 것은 물론이다. 종래의 냉동 시스템의 응축기에서는 압축기로부터 토출되는 고온·고압 가스를 거의 전부 액화하지만, 거기에 비교하여 본 발명의 응축용 열 변환 장치(30)의 미니 열교환 장치(3)는 고온·고압 가스의 일부를 액화하므로, 매우 소형으로 하는 것이 가능하다. 동일한 타입의 열교환 장치(응축기)를 갖는 동일한 냉각 능력의 냉동 시스템에서 비교하여, 본 실시 형태의 미니 열교환 장치는 종래의 응축기의 1/10 정도로 하는 것이 가능하다.

또한, 미니 열교환 장치(3)에는 미니 팬(3-1)이 구비되어 있고, 후술하는 바와 같이, 소정의 운전 상태로 된 경우에 가동하여, 열교환 능력을 높일 수 있다.

미니 열교환 장치(3)에서 일부 액화된 냉매는, 냉매 배관(4), 대단관(5)을 거쳐 나선 형상관(6)에 들어간다. 냉매 유로의 단면적에서 보면, 미니 열교환 장 치(3)를 기준으로 하여 일단 대단관(5)에서 커지고, 나선 형상관(6)에서는 미니 열교환 장치(3)의 단면적보다도 작아진다.

도3은 대단관(5), 나선 형상관(6), 분기관(7), 나선 형상 세관(8), 및 집합관(9)의 형상을 도시하는 평면도이다.

대단관(5)의 치수는 도3의 (a)에 도시한 바와 같이 중앙의 굵은 부분의 길이(L1)가 10 내지 50㎜, 내경(D1)이 8 내지 20㎜인 원통 형상이다. 그 양단은 냉매 배관(4)과 나선 형상관(6)에 접속되므로, 그 형상은 각각 냉매 배관(4)과 나선 형상관(6)을 삽입하여, 접속할 수 있는 치수의 원통형으로 되어 있다. 중앙의 굵은 부분의 내경(D1)은 냉매 배관(4)과 나선 형상관(6)의 어느 한 쪽의 내경보다도 크게 설정되는 것이 바람직하다.

나선 형상관(6)은 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 세관을 나선형으로 감은 형태이다. 그 내경이나 권취수는, 냉동 시스템의 냉동 능력 등, 다양한 사양으로부터 결정되지만, 내경으로 2 내지 150㎜까지 허용하고, 바람직하게는 내경 2 내지 50㎜, 실질적으로 가장 바람직하게는 내경 3 내지 8㎜이다. 예를 들어, 프론 냉매R134a를 이용한 2000cal/h 정도의 냉동기인 경우, 세관의 내경은 5㎜, 권취수는 23, 나선의 직경은 30㎜이고, 세관의 길이는 2.3m이다. 또한, 냉매 배관(2, 4)의 내경은 7.7㎜, 냉매 배관(10) 및 흡입관(12)의 내경은 10.7㎜이다.

일부 액화된 냉매가 나선 형상관(6)에 들어가면, 압축기(1)의 흡인 작용 등에 의해, 냉매가 가속되어(냉매의 가속 현상이라고 함), 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여, 액화량을 증가시켜 거의 액화되어, 나선 형상관(6)의 출구에서는 중 압(0.4 내지 0.6MPa) 액 냉매로 된다(도2의 점j 내지 점k). 나선 형상관(6) 내에서의 온도 저하의 주요인은 나선 형상관(6) 내에서 열에너지인 냉매의 엔탈피가 속도 에너지로 변환되어, 냉매의 엔탈피가 감소하여, 정온도(靜溫度) 저하의 현상이 발생한 이른 것으로 판단된다. 즉 나선 형상관(6)은 엔탈피를 속도 에너지로 변환하는에너지 변환 디바이스를 구성한다.

상기 나선 형상관(6) 내의 냉매의 유속은, 본 냉동 시스템의 설계에 있어서, 미니 열교환 장치(3) 내의 유속의 2배 이상의 설정이 바람직하다.

본 구성에서는, 상기 감압 액화부를, 나선 형상으로 감은 나선 형상관(6)으로 했지만, 도2에 도시한 바와 같이 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여, 가스 냉매를 거의 액화할 수 있는 구성이면, 나선 형상관에 한정되지 않고, 굴곡관이나 직관 등이어도 된다. 이 경우에는, 굴곡관이나 직관의 입구, 혹은 관의 도중의 복수 개소 등에 적당한 조임 수단을 개재하여 설치하는 것이 바람직하다. 어떤 경우든 감압 액화부에서는, 방열 이외의 수단에 의해, 즉 엔탈피의 속도 에너지로의 변환에 의해, 가스 냉매가 거의 액화된다.

나선 형상관(6)에서 중압 액 냉매로 된 냉매는, 분기관(7)을 거쳐 나선 형상 세관(8)에 들어간다. 나선 형상 세관(8)은, 도3의 (d)에 도시한 바와 같이 나선 형상관(6)과 마찬가지로 세관을 나선 형상으로 감은 형태이다. 나선 형상 세관(8)의 내경은 나선 형상관(6)의 내경보다도 가늘게 설정된다. 예를 들어, 나선 형상관(6)의 내경이 3 내지 8㎜로 설정된 경우, 나선 형상 세관(8)의 내경은 1.2 내지 3㎜가 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 나선 형상으로 감은 것을 2개 병렬로 접 속하고 있지만, 3개 이상을 병렬로 접속해도 되고, 1개이어도 가능하다. 또한, 감은 방향이 상이한 나선 형상 세관의 2개의 직렬로 접속한 것, 혹은 그것을 또한 병렬로 접속한 형태이어도 된다. 나선 형상 세관(8)의 냉매가 통하는 부분의 단면적(복수개가 병렬로 접속되어 있는 경우는, 복수개의 단면적의 합계)이 나선 형상관(6)의 단면적보다 작은 것이 바람직하다. 단면적을 작게 함으로써, 후술한 바와 같이, 냉매는 나선 형상 세관(8) 내를 스핀 회전하여 가속되어, 압력이 내려가기 때문에, 냉각 효과가 높아진다.

예를 들어, 2000cal/h 정도의 냉동기인 경우, 세관의 내경 2.5㎜, 권취수는 19, 나선의 직경은 15㎜이고, 세관의 길이는 0.72m인 것을 2개로 병렬로 접속되어 구성된다.

도3의 (c)에 도시한 바와 같이 분기관(7)은 1개의 나선 형상관(6)으로부터 나오는 냉매를 2개의 나선 형상 세관(8)으로 분기시킨다. 분기관(7)의 주요부(굵은 부분)의 길이(L2)는 10 내지 50㎜, 내경(D2)은 10 내지 20㎜인 거의 원통 형상이다. 나선 형상관(6), 나선 형상 세관(8)에 접속되는 양단은 각각 나선 형상관(6), 나선 형상 세관(8)을 삽입하여, 접속할 수 있는 치수의 원통 형상으로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 나선 형상 세관(8)은 2개의 세관으로 형성되어 있으므로, 분기관(7)의 나선 형상 세관(8) 접속측은 2개의 접속 구멍을 갖고 있지만, 접속 구멍의 수는 나선 형상 세관(8)을 구성하는 세관의 개수와 일치시킨다.

예를 들어, 내경(D2)은 나선 형상관(6)과 나선 형상 세관(8)의 어느 한 쪽의 내경보다도 크게 설정되는 것이 바람직하다.

거의 액화한 냉매가 나선 형상 세관(8)으로 들어가면, 압축기(1)의 흡인 작용 등에 의해, 냉매가 가속되어(냉매의 가속 현상이라고 함), 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여, 액화 냉매가 냉각된다. 나선 형상 세관(8) 출구에서는, 감압되고, 냉각되어 저온의 액체로 되고, 압력도 내려가 저압(0.4MPa 이하) 액으로 된다(도2의 점k 내지 점1).

나선 형상 세관(8) 내의 냉매는, 도2에 도시한 바와 같이 포화 액선(L)을 따른 상태에서 변화된다.

이 나선 형상 세관(8) 내에서의 온도 저하의 주요인도, 나선 형상관(6) 내에서의 온도 저하와 마찬가지로, 열 에너지인 냉매의 엔탈피가 속도 에너지로 변환되어, 엔탈피가 감소되어, 정온도 저하의 현상이 발생한 것이라고 판단된다.

즉, 나선 형상 세관(8)도, 나선 형상관(6)과 마찬가지로, 냉매의 엔탈피를 속도 에너지로 변환하는 에너지 변환 디바이스를 구성하고 있다.

상기 나선 형상 세관(8) 내의 냉매의 유속은, 본 냉동 시스템의 설계에서, 미니 열교환 장치(3) 내의 유속의 2배 이상이고, 나선 형상관(6) 내의 유속 이상인 것이 바람직하다.

본 구성에서는, 나선 형상 세관(8)으로 했지만, 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여, 액 냉매를 냉각할 수 있는 구성이면, 나선 형상에 한정되지 않고, 굴곡관이나 직관 등이어도 된다. 이 경우, 굴곡관이나 직관의 입구, 혹은 관의 도중의 복수 개소 등에 적당한 조임 수단을 개재하여 설치하는 것이 바람직하다. 어떤 경우든 본 구성에서는, 방열 이외의 수단에 의해, 즉 엔탈피의 속도 에너지로의 변환 에 의해, 액 냉매가 냉각된다.

나선 형상 세관(8)에 의해 저온 액체가 된 냉매는 집합관(9), 냉매 배관(10)을 통과하여 증발기(11)로 보내진다. 증발기(11)에서는, 등압, 등온 팽창의 흡열에 의해, 냉매가 증발하여(도2의 점1 내지 점h), 이에 의해 도2의 사이클이 완료된다.

본 사이클 내의 응축용 열 변환 장치(30)에서는, 등압 냉각부[미니 열교환 장치(3)]에서, 냉매의 일부(5 내지 50 중량％)를 액화하고(점i 내지 점j), 감압 액화부[나선 형상관(6)]에서 냉매가 가속되어, 감압, 및 냉매 엔탈피 감소를 수반하여, 일부 액화된 남은 가스 냉매가 거의 액화되고(점j 내지 점k), 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]에서 냉매가 가속되고, 감압, 및 냉매 엔탈피 감소를 수반하여, 거의 액화된 냉매가 과냉각(점k 내지 점1) 되기 때문에, 냉동 사이클의 COP가 향상된다. 또한, 응축용 열 변환 장치(30)에서 냉매를 감압하기 때문에, 종래와 같이, 세관(일반적으로는, 내경이 0.8㎜ 정도인 모세관 튜브)이나, 팽창 밸브 등의 감압 기구가 불필요하게 되어, 냉동 사이클을 간소화할 수 있다. 또한, 감압 액화부[나선 형상관(6)], 및 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]에서는, 열에너지인 냉매 엔탈피를 속도 에너지로 변환하여, 냉매 엔탈피를 감소하여, 정온도 저하의 현상을 발생시키기 때문에, 방열에 의한 경우에 비하여 열교환 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 응축용 열 변환 장치(30)를, 등압 냉각부[미니 열교환 장치(3)], 감압 액화부[나선 형상관(6)], 및 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]로 구 성했지만, 감압 액화부[나선 형상관(6)]는, 복수의 나선 형상의 관을 직렬 접속하여 구성하여도 되어，이 경우, 도2의 점j 내지 점k에서는 복수 굴곡점을 갖는 사이클선으로 된다. 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]도, 복수의 나선 형상의 관을 직렬 접속하여 구성하여도 되며，이 경우, 도2의 점k 내지 점l에서는 복수 굴곡점을 갖는 사이클선으로 된다.

도3의 (c)에 도시한 바와 같이 집합관(9)은 2개의 나선 형상 세관(8)으로부터 나오는 냉매를 1개의 냉매 배관(10)에 집적한다. 집합관(9)의 주요부(굵은 부분)의 길이(L3)는 10 내지 50㎜, 내경(D3)은 8 내지 20㎜이며 거의 원통형이다. 나선 형상 세관(8), 냉매 배관(10)에 접속되는 양단은 각각 나선 형상 세관(8), 냉매 배관(10)을 삽입하여, 접속할 수 있는 치수의 원통형으로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 나선 형상 세관(8)은 2개의 세관으로 형성되어 있으므로, 집합관(9)의 나선 형상 세관(8) 접속측은 2개의 접속 구멍을 갖고 있지만, 접속 구멍의 수는 나선 형상 세관(8)을 구성하는 세관의 개수와 일치시킨다.

예를 들어, 내경(D3)은 나선 형상 세관(8)과 냉매 배관(10)의 어느 한 쪽의 내경보다도 크게 설정되는 것이 바람직하다.

대단관(5), 나선 형상관(6), 분기관(7), 나선 형상 세관(8), 및 집합관(9)의 재질은 고열 전도율의 금속, 예를 들어 구리이다.

냉매는 먼저 프론(134a)(CH₂FCF₃)을 이용하는 예를 설명했지만, 이용하는 냉매에 제한은 없고, 인화에 대한 안전 대책을 행할 수 있으면 이소부탄(CH(CH₃)₃) 등 의 논프론 냉매를 이용할 수도 있다.

상기 집합관(9), 분기관(7), 및 대단관(5)은, 각각 냉매 배관보다도 내경이 크게 형성된다. 냉매는, 압축기(1)에 의해 흡인되어, 이들 관을 통과할 때마다, 맥동 현상을 닮은 작용을 받는다. 각 관은, 상류의 냉매를 하류로 인입하여, 이에 의해, 냉매가 가속된다고 할 수 있다. 분기관(7)에 의해, 나선 형상관(6)의 냉매가 하류로 인입되고, 집합관(9)에 의해, 나선 형상 세관(8)의 냉매가 하류로 인입되어, 인입 작용을 받아, 냉매에 스핀 회전이 부여된다.

나선 형상 세관(8)은, 본 실시예에서는 분기관(7)으로부터의 나선 형상 세관(8)의 내부를 흐르는 냉매액을 가속시켜, 감압 기능을 행하게 할 수 있다. 냉매는 나선 형상 세관(8)의 출구로부터는 저온 저압 냉매액으로 되어, 증발기(11)에서 열을 빼앗아, 저압 기액 혼합 냉매(혹은 완전하게 기화해도 됨)로 되고, 흡입관(12)을 거쳐 저압 기액 냉매로서 압축기로 복귀되어, 압축기의 스테이터의 열을 빼앗을 수 있다.

본 냉동 사이클은 세관을 이용하여 냉매를 고속으로 순환시키기 때문에, 냉매량이 동일 규모의 종래 기술에 의한 장치보다 적어도 되므로, 도5에 도시한 리시버 탱크(14)가 불필요하다.

일반적으로 냉매로서 이용되고 있는 대체 프론은, 오존층의 파괴는 없지만, 지구 온난화의 원인으로 되는 물질이며, 그 사용량을 저감할 수 있는 것은 지구 환경의 보전에 유효하다. 또한, 압축기의 동력도 저감할 수 있어 에너지 절약의 관점에서도 바람직하다.

또한, 나선 형상관(6), 나선 형상 세관(8)이 압력을 제한하므로, 팽창 밸브(15)도 불필요해진다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 냉동 사이클에서는, 나선 형상관(6), 및 나선 형상 세관(8)을 어떻게 감압하여, 고온·고압 냉매 가스를 효율적으로 저온 냉매액으로 할 지가 설계상 중요하다.

따라서, 본 발명에서 중요한 구성 요소 부재인 대단관(5), 나선 형상관(6), 분기관(7), 나선 형상 세관(8), 집합관(9), 및 냉매 배관(2, 4, 10, 12)은, 이용되는 금속의 재질, 관의 길이 및 직경, 피치 및 권취 방향의 각 조건은, 상정되는 운전 조건에서 수많은 시험을 거듭하여, 냉매 사이클의 각 부의 냉매의 온도, 압력 등을 측정하여 설정한다.

구체적인 냉동 사이클의 각 부의 냉매의 온도, 압력의 예를 이하에 기재한다. 도1의 (A) 내지 (K)의 각 온도, 압력은 이하와 같다. 냉매는 프론 R134a를 이용했다.

(A) 중온·고압 냉매 가스, 0.7MPa, 40℃, (B) 고압 기액 냉매(90％ 가스·10％액), 0.7MPa, 38℃, (C)(D) 고압 기액 냉매, 0.7MPa, 38℃, (E) 중압 냉매액, 0.5MPa, 22℃, (F) 중압 냉매액, 0.5MPa, 21℃, (G) 저압 냉매액, 0.3MPa, 8℃, (H) 저압 냉매액, 0.07MPa, -25℃, (I) 저압 냉매액, 0.07MPa, -25℃, (J) 저압 기액 냉매, 0.07MPa, -25℃, (K) 저압 기액 냉매, 0.07MPa, -15℃로 된다.

이 경우, 도1의 각 부의 치수는 이하와 같다.

냉매 배관(2, 4)의 내경은 7.7㎜(단면적은 46.5㎟), 대단관(5)의 굵은 부분 은 길이 30㎜, 내경 10.7㎜(단면적은 89.9㎟), 나선 형상관(6)은 내경 5㎜(단면적은 19.6㎟), 길이 2.3m인 세관을 30㎜ 직경의 나선 형상으로 권취수 23으로 한 것이며, 분기관(7)의 굵은 부분의 길이는 30㎜, 내경은 13.8㎜(단면적은 149.5㎟)이며, 나선 형상 세관(8)을 구성하는 2개의 세관의 내경은 2.5㎜(1개의 세관의 단면적은 4.9㎟이고, 2개 합계는 9.8㎟), 길이 71㎝의 세관을 15㎜ 직경의 나선 형상으로 권취수 19의 것이며, 집합관(9)의 굵은 부분의 길이는 30㎜, 내경은 13.8㎜(단면적은 149.5㎟), 냉매 배관(10), 및 흡입관(12)의 내경은 10.7㎜(단면적은 89.9㎟)이다.

등압 냉각부[냉매 배관(2, 4)]의 단면적을 기준으로 한 경우, 감압 액화부[나선 형상관(6)], 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]의 순서대로 각 단면적은 서서히 작게 하여, 감압 액화부[나선 형상관(6)]의 단면적은 40 내지 50％, 감압 냉각부[나선 형상 세관(8)]의 단면적은 20 내지 30％로 설정하는 것이 바람직하다.

대단관(5), 나선 형상관(6), 분기관(7), 나선 형상 세관(8), 및 집합관(9)의 재질은 구리이다.

참고로, 도4에 도시한 종래의 냉동 사이클의 (L) 내지 (P)의 각 온도, 압력은 이하와 같다. 냉매는 프론 R134a를 이용했다.

(L) 고압 냉매 가스, 0.95MPa, 90℃, (M) 고압 냉매액 가스(액체 90％·기체 10％) 0.95MPa, 48℃, (N) 고압 냉매액 가스, 0.95MPa, 45℃, (O) 저압 냉매액 가스, 0.1MPa, -10℃, (P) 저압 냉매 가스, 0.1MPa, 15℃로 된다.

또한, 본 실시 형태의 냉동 사이클에서는, 나선 형상관(6), 및 나선 형상 세 관(8)은 압축기(1)의 흡인에 의해 감압된다. 따라서, 냉동 시스템에 과부하가 걸리면, 압축기(1)에 과부하가 걸린다. 압축기(1)에 구비된 온도 센서, 혹은 압축기(1)로부터 토출된 냉매 가스의 온도를 측정하는 온도 센서가 소정의 온도를 초과한 경우에는, 과부하라고 제어부(도시하지 않음)에서 판단하여, 미니 팬(3-1)이 가동하여, 미니 열교환 장치(3)의 냉매 액화 능력을 증강시킨다.

본 발명에 따른 응축용 열 변환 장치, 혹은 그것을 이용한 냉동 시스템은 모든 냉각 장치에 적용 가능하다. 가정용, 업무용 냉동 냉장고, 실외기 불필요의 냉풍 장치, 배열량이 적은 스폿 쿨러, 냉각기가 불필요한 콜드 테이블, 순간 냉각 장치, 프레온 가스 액화 재생 장치 등에 적용할 수 있다.

Claims (12)

1. 냉동 시스템의 압축기로부터 토출되는 고온·고압 냉매 가스를 저온 냉매액으로 하는 응축용 열 변환 장치이며,

   상기 고온·고압 냉매 가스를 등압 변화에 의해 냉각하는 등압 냉각부와,

   상기 등압 냉각부에서 일부 액화된 남은 가스 냉매를 냉매의 가속 현상에 의해 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 액화하는 감압 액화부와,

   상기 감압 액화부를 거친 냉매를 냉매의 가속 현상에 의해 감압, 및 엔탈피 감소를 수반하여 냉각하는 감압 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 등압 냉각부, 감압 액화부, 감압 냉각부의 순서대로 유로를 가늘게 한 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감압 액화부, 및 감압 냉각부의 유속이, 상기 등압 냉각부의 유속의 2배 이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등압 냉각부와 감압 액화부 사이에 팽창부를 설치한 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감압 액화부와 감압 냉각부 사이에 팽창부를 설치한 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등압 냉각부는, 상기 압축기로부터 토출되는 고온·고압 냉매 가스의 5 내지 50 중량％를 액화시키는 미니 열 교환 장치인 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감압 액화부는 세관을 나선 형상으로 감은 형태이며, 상기 등압 냉각부에서 일부 액화된 남은 가스 냉매를 거의 액화하는 나선 형상관인 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감압 냉각부는, 세관을 나선 형상으로 감은 나선 형상의 관을 복수개 병렬로 한 형태이며, 상기 감압 액화부에서 액화된 냉매를 냉각하여 저온 냉매액으로 하는 나선 형상 세관인 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 나선 형상 세관은, 분기관을 개재하여 감압 액화부에 접속되고, 집합관을 개재하여 증발기에 접속되는 것을 특징으로 하는 응축용 열 변환 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 응축용 열 변환 장치와,

    상기 응축용 열 변환 장치로부터 저온 냉매액을 흡인하여, 피냉각물과 열교환하여 피냉각물을 냉각하는 증발기와,

    상기 증발기와 흡입관을 개재하여 접속되어, 상기 증발기에서 일부 또는 전부 기화한 냉매를 압축하는 압축기와,

    상기 압축기와 상기 응축용 열 변환 장치, 및 상기 응축용 열 변환 장치와 상기 증발기를 접속하는 냉매 배관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 등압 냉각부에는 냉각용의 팬이 부설되어, 상기 압축기로부터 토출되는 냉매 가스의 온도가 소정의 온도 이상인 경우에, 상기 팬이 가동하는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 등압 냉각부의 유로 단면적을 기준으로, 감압 액화부의 유로 단면적을 40 내지 50％, 감압 냉각부의 유로 단면적을 20 내지 30％로 설정한 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.

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