KR20130050639A - 비공비 혼합 냉매사이클 및 냉장고 - Google Patents

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윤원재
김용찬
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서국정
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 비공비 혼합 냉매사이클 및 냉장고는 냉매를 응축기에서 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과, 냉매를 제 1 증발기에서 제 2 증발기로 안내하는 제 2 냉매관과, 냉매를 제 2 증발기에서 압축기로 안내하는 제 3 냉매관을 포함한 것으로, 제 2 냉매관의 내측에 제 1 냉매관의 하류측을 배치하여 이중관 형태의 제 1 열교환기가 형성되도록 하고 제 3 냉매관의 내측에 제 1 냉매관의 상류측을 배치하여 이중관 형태의 제 2 열교환기가 형성되도록 함으로써 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기를 단순화할 수 있다.

Description

비공비 혼합 냉매사이클 및 냉장고{NON-AZEOTROPIC MIXED REFRIGERENT CYCLE AND REFRIGERATOR}
본 발명은 비공비 혼합 냉매를 사용하는 비공비 혼합 냉매사이클 및 이를 갖춘 냉장고에 관한 것이다.
일반적으로 냉동사이클은 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 토출된 냉매를 냉각시켜 응축되도록 하는 응축기와, 응축기에서 전달된 냉매를 감압 팽창시키는 팽창밸브와, 감압 팽창된 냉매가 열을 흡수하며 증발하도록 하는 증발기를 포함한다.
이러한 냉동사이클은 냉장고에 적용되어 증발기에서 발생한 냉기를 냉장고의 냉동실 및 냉장실에 공급하여 냉동실 및 냉장실을 냉각할 수 있는데, 냉동실과 냉장실은 서로 다른 온도로 유지되므로, 증발기는 냉동실 및 냉장실을 각각 냉각할 수 있도록 두 개가 구비된다.
또한 이와 같이 냉장고에 적용되는 냉동사이클 중에는 비공비 혼합 냉매를 냉매로 사용하는 비공비 혼합 냉매사이클로 LM(Lorenz-Meutzner) 사이클이 있다. LM 사이클은 일반적인 냉동사이클에 일반적으로 사용되는 압축기, 응축기, 팽창장치, 제 1 증발기 및 제 2 증발기 등의 구성 외에도 응축기를 통과한 냉매와 제 1 증발기를 통과한 냉매가 열교환하도록 하는 제 1 열교환기와, 응축기를 통과한 냉매와 제 2 증발기를 통과한 냉매가 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 더 포함하여, 냉동 사이클의 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한 냉동 사이클이다.
본 발명의 일 측면은 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기를 보다 단순하게 구성할 수 있는 비공비 혼합 냉매사이클 및 이를 갖춘 냉장고를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 측면은 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기에서 보다 효율적으로 열교환이 이루어 지도록 하는 냉장고를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 비공비 혼합 냉매사이클은 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와, 응축기로부터 전달된 냉매를 감압 팽창시키는 팽창장치와, 팽창장치를 통과한 냉매를 전달받아 증발시키는 제 1 증발기와, 제 1 증발기를 통과한 냉매를 전달받아 증발시키는 제 2 증발기와, 냉매를 압축기에서 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과, 냉매를 제 1 증발기에서 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과, 냉매를 제 2 증발기에서 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과, 제 1 냉매관의 하류측이 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기를 포함하며, 제 1 열교환기는 제 2 냉매관 내부에 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성된다.
또한 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 제 1 열교환기를 통과한다.
또한 제 1 냉매관의 상류측이 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 더 포함하며, 제 2 열교환기는 제 3 냉매관의 내부에 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성된다.
또한 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 제 2 열교환기를 통과한다.
또한 팽창장치는 제 1 냉매관의 증발기측에 일체로 형성된다.
또한 제 3 냉매관의 압축기측에 일체로 형성되는 어큐뮬레이터를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 측면에 따른 냉장고는 냉동실 및 냉장실과, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와, 냉동실을 냉각하는 제 1 증발기와, 냉장실을 냉각하는 제 2 증발기와, 냉매를 응축기에서 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과, 냉매를 제 1 증발기에서 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과, 냉매를 제 2 증발기에서 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과, 제 1 냉매관의 하류측이 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기와, 제 1 냉매관의 상류측이 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 포함하며, 제 1 열교환기는 제 2 냉매관 내부에 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성된다.
또한 본 발명의 일 측면에 따른 냉장고는 냉동실 및 냉장실과, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와, 냉동실을 냉각하는 제 1 증발기와, 냉장실을 냉각하는 제 2 증발기와, 냉매를 응축기에서 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과, 냉매를 제 1 증발기에서 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과, 냉매를 제 2 증발기에서 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과, 제 1 냉매관의 하류측이 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기와, 제 1 냉매관의 상류측이 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 포함하며, 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 제 1 열교환기를 통과하며, 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 제 2 열교환기를 통과한다.
상술한 바와 본 발명의 일 실시예에 따른 비공비 혼합 냉매사이클 및 이를 냉장고는 이중관으로 이루어진 냉매관이 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기를 형성하므로, 비공비 혼합 냉매사이클의 구조가 단순해진다.
또한, 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 제 1 열교환기를 서로 반대 방향으로 통과하며, 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 제 2 열교환기를 서로 반대 방향으로 통과하도록 되어 있으므로, 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관 또는 제 3 냉매관을 통과하는 냉매 사이의 열교환은 효율적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공비 혼합 냉매사이클의 개략도이다.
도 2는 도 1의 A부 확대도이다.
도 3은 도 1의 B부 확대도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비공비 혼합 냉매사이클을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비공비 혼합 냉매사이클은 복수의 성분으로 이루어진 혼합 냉매를 냉매로 사용하는 것으로, 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 압축기(1)에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각하는 응축기(2)와, 응축기(2)에서 토출된 냉매를 감압 팽창시키는 팽창장치(3)와, 팽창장치(3)를 통과하며 감압 팽창된 혼합 냉매를 전달받아 증발시키는 제 1 증발기(4)와, 제 1 증발기(4)를 통과한 냉매를 전달받아 다시 증발시키는 제 2 증발기(5)와, 액상의 냉매가 압축기(1)로 흡입되는 것을 방지하기 위한 어큐뮬레이터(6)를 포함한다.
상술한 구조에서 팽창장치(3)에 의해 감압 팽창된 냉매는 제 1 증발기(4)에 먼저 전달되어 제 1 증발기(4)를 통과하며 일부가 증발된 후, 냉매가 제 2 증발기(5)로 전달된다. 따라서, 제 1 증발기(4)에는 액상의 냉매가 전달되는 반면 제 2 증발기(5)에는 제 1 증발기(4)를 통과하는 과정에서 일부가 증발된 냉매, 즉, 기상의 냉매와 액상의 냉매가 혼합된 상태로 전달된다. 그러므로 제 1 증발기(4)는 제 2 증발기(5)에 비해 상대적으로 낮은 온도의 냉각을 수행할 수 있는데, 이러한 점을 이용하여 제 1 증발기(4)를 냉장고의 냉동실 냉각을 위해 사용하고, 제 2 증발기(5)를 냉동실에 비해 상대적으로 높은 온도로 유지되어야 하는 냉장고의 냉장실 냉각을 위해 사용할 수 있다.
또한 비공비 혼합 냉매사이클은 상술한 구성들을 서로 연결하는 복수의 냉매관(P1, P2, P3, P4)들을 포함하여 복수의 냉매관(P1, P2, P3, P4)들을 통해 냉매를 순환시킬 수 있다. 복수의 냉매관(P1, P2, P3, P4)은 냉매를 응축기(2)에서 제 1 증발기(4)로 안내하는 제 1 냉매관(P1)과, 냉매를 제 1 증발기(4)에서 제 2 증발기(5)로 안내하는 제 2 냉매관(P2)과, 냉매를 제 2 증발기(5)에서 압축기(1)로 안내하는 제 3 냉매관(P3)과, 냉매를 압축기(1)에서 응축기(2)로 안내하는 제 4 냉매관(P4)을 포함한다.
또한 비공비 혼합 냉매사이클은 응축기(2)에서 응축된 냉매와 제 1 증발기(4)를 통과한 냉매가 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기(7)와, 응축기(2)에서 응축된 냉매가 제 2 증발기(5)를 통과한 냉매가 열교환하도록 하는 제 2 열교환기(8)를 포함한다. 제 1 열교환기(7)는 제 1 냉매관(P1)의 하류측과 제 2 냉매관(P2)이 서로 열교환하도록 하며, 제 2 열교환기(8)는 제 1 냉매관(P1)의 상류측과 제 3 냉매관(P3)이 서로 열교환하도록 한다.
본 실시예에서 제 1 열교환기(7)는 제 2 냉매관(P2) 내부에 제 1 냉매관(P1)이 배치되도록 한 이중관의 형태로 형성되며, 제 2 열교환기(8)는 제 3 냉매관(P3)의 내부에 제 1 냉매관(P1)이 배치되도록 한 이중관의 형태로 형성되어, 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매가 그 외측에 배치된 제 3 냉매관(P3)을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관(P2)을 통과하는 냉매와 차례로 열교환한다. 이와 같이 제 1 냉매관(P1)의 외측에 제 2 냉매관(P2) 또는 제 3 냉매관(P3)이 배치된 이중관 구조로 제 1 열교환기(7) 및 제 2 열교환기(8)가 형성되도록 하면, 제 1 열교환기(7) 및 제 2 열교환기(8)의 구성이 단순해지며 그에 따라 제 1 열교환기(7) 및 제 2 열교환기(8)가 점유하는 공간을 대폭 감소시킬 수 있다.
또한 상술한 팽창장치(3)를 모세관으로 형성하여 제 1 냉매관(P1)의 제 1 증발기(4)측에 일체로 형성하고, 상술한 어큐뮬레이터(6)를 제 3 냉매관(P3)의 압축기(1)측에 일체로 형성할 수 있는데, 이와 같이 구성하면 제 1 냉매관(P1), 제 2 냉매관(P2), 제 3 냉매관(P3)을 통해 제 1 열교환기(7), 제 2 열교환기(8), 팽창장치(3) 및 어큐뮬레이터(6)를 하나의 유닛으로 구성할 수 있어, 비공비 혼합 냉매사이클의 구조를 보다 단순화 할 수 있다.
또한 본 실시예에서 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매와 제 2 냉매관(P2)을 통과하는 냉매는 도 2에 도시한 바와 같이 서로 반대방향으로 제 1 열교환기(7)를 통과하고, 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매와 제 3 냉매관(P3)을 통과하는 냉매는 도 3에 도시한 바와 같이 서로 반대방향으로 제 2 열교환기(8)를 통과하도록 되어 있는데 이는 제 1 열교환기(7) 및 제 2 열교환기(8)에서 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매가 제 2 냉매관(P2) 및 제 3 냉매관(P3)을 통과하는 냉매와 보다 효율적으로 열교환할 수 있도록 하기 위한 것이다.
다음은 이와 같이 구성된 비공비 혼합 냉매사이클 및 냉장고의 동작을 도 1을 참조하여 살펴보면 아래와 같다.
먼저 압축기(1)의 동작에 따라 냉매는 압축되고, 압축된 냉매는 제 4 냉매관(P4)을 통해 응축기(2)에 전달되어 응축기(2)에서 냉각되며 액상으로 응축된다. 냉매는 제 1 냉매관(P1)을 통해 응축기(2)에서 제 1 증발기(4)에 전달된다. 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 과정에서 냉매는 제 1 냉매관(P1)에 마련된 팽창장치(3)를 통과하면서 감압 팽창된 후 제 1 증발기(4)에 전달된다. 냉매는 그 일부가 제 1 증발기(4)를 통과하며 열을 흡수하며 증발하는데, 상술한 바와 같이 제 1 증발기(4)는 냉장고의 냉동실에 배치되므로 냉동실의 열을 흡수한다.
냉매는 제 1 증발기(4)를 통과하며 일부가 증발하므로 제 2 증발기(5)에는 액상 및 기상이 혼합된 상태의 냉매가 전달된다. 제 2 증발기(5)에서 액상으로 존재하던 나머지 냉매가 열을 흡수하며 증발하는데, 상술한 바와 같이 제 2 증발기(5)는 냉장고의 냉장실에 배치되므로 냉장실의 열을 흡수한다.
제 2 증발기(5)를 통과한 냉매는 제 3 냉매관(P3)을 통해 압축기(1)로 전달된다. 상술한 바와 같이 제 3 냉매관(P3)에는 어큐뮬레이터(6)가 배치되어 있으므로 압축기(1)로 흡입되는 냉매 중, 액상의 냉매는 분리되고 기상의 냉매만이 압축기(1)로 흡입된다.
상기와 같이 냉매가 순환하는 과정에서 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매는 제 1 열교환기(7)와 제 2 열교환기(8)를 차례로 통과하며 추가로 냉각된다. 따라서 보다 낮은 온도로 냉각된 상태로 팽창장치(3)로 전달되며, 팽창장치(3)를 통과하여 감압 팽창된 후에 냉매는 보다 많은 열을 흡수할 수 있는 상태가 된다. 그러므로, 제 1 증발기(4) 및 제 2 증발기(5)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
제 2 냉매관(P2)을 통과하는 냉매는 제 1 열교환기(7)를 통과하는 과정에서 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매로부터 열을 흡수한다. 그에 따라 제 2 증발기(5)에 유입되는 냉매의 온도는 상승하고, 낮은 온도의 냉매가 제 2 증발기(5)에 공급될 경우 발생할 수 있는 비가역적 손실의 감소시킬 수 있다.
제 3 냉매관(P3)을 통과하는 냉매는 제 2 열교환기(8)를 통과하는 과정에서 제 1 냉매관(P1)을 통과하는 냉매로부터 열을 흡수하여 가열된다. 따라서, 제 2 증발기(5)를 통과한 후에도 증발되지 못하고 액상인 상태로 남아있는 일부 액상의 냉매는 제 2 열교환기(8)를 통과하면서 증발하므로, 압축기(1)측으로 전달되는 액상의 냉매는 감소한다.
본 발명은 상기에서 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 압축기 2: 응축기
3: 팽창장치 4: 제 1 증발기
5: 제 2 증발기 6: 어큐뮬레이터
7: 제 1 열교환기 8: 제 2 열교환기
P1~P4: 냉매관

Claims (13)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와,
    상기 응축기로부터 전달된 냉매를 감압 팽창시키는 팽창장치와,
    상기 팽창장치를 통과한 냉매를 전달받아 증발시키는 제 1 증발기와,
    상기 제 1 증발기를 통과한 냉매를 전달받아 증발시키는 제 2 증발기와,
    냉매를 상기 압축기에서 상기 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과,
    냉매를 상기 제 1 증발기에서 상기 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과,
    냉매를 상기 제 2 증발기에서 상기 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과,
    상기 제 1 냉매관의 하류측이 상기 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기를 포함하며,
    상기 제 1 열교환기는 상기 제 2 냉매관 내부에 상기 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성되는 비공비 혼합 냉매사이클.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 1 열교환기를 통과하는 비공비 혼합 냉매사이클.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매관의 상류측이 상기 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 더 포함하며,
    상기 제 2 열교환기는 상기 제 3 냉매관의 내부에 상기 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성되는 비공비 혼합 냉매사이클.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 2 열교환기를 통과하는 비공비 혼합 냉매사이클.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창장치는 상기 제 1 냉매관의 상기 증발기측에 일체로 형성되는 비공비 혼합 냉매사이클.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 냉매관의 상기 압축기측에 일체로 형성되는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 비공비 혼합 냉매사이클.
  7. 냉동실 및 냉장실과,
    냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와,
    상기 냉동실을 냉각하는 제 1 증발기와,
    상기 냉장실을 냉각하는 제 2 증발기와,
    냉매를 상기 응축기에서 상기 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과,
    냉매를 상기 제 1 증발기에서 상기 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과,
    냉매를 상기 제 2 증발기에서 상기 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과,
    상기 제 1 냉매관의 하류측이 상기 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기와,
    상기 제 1 냉매관의 상류측이 상기 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 포함하며,
    상기 제 1 열교환기는 상기 제 2 냉매관 내부에 상기 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성되는 냉장고.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 1 열교환기를 통과하는 냉장고.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 상기 제 3 냉매관의 내부에 상기 제 1 냉매관이 배치된 이중관으로 형성되는 냉장고.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 2 열교환기를 통과하는 냉장고.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 팽창장치는 상기 제 1 냉매관의 상기 증발기측에 일체로 형성되는 비공비 혼합 냉매사이클.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 냉매관의 상기 압축기측에 일체로 형성되는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 혼합 냉매사이클.
  13. 냉동실 및 냉장실과,
    냉매를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기에서 토출된 냉매를 전달받아 냉각시키는 응축기와,
    상기 냉동실을 냉각하는 제 1 증발기와,
    상기 냉장실을 냉각하는 제 2 증발기와,
    냉매를 상기 응축기에서 상기 제 1 증발기로 안내하는 제 1 냉매관과,
    냉매를 상기 제 1 증발기에서 상기 제 2 증발기로 안내해는 제 2 냉매관과,
    냉매를 상기 제 2 증발기에서 상기 압축기로 안내하는 제 3 냉매관과,
    상기 제 1 냉매관의 하류측이 상기 제 2 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 1 열교환기와,
    상기 제 1 냉매관의 상류측이 상기 제 3 냉매관과 서로 열교환하도록 하는 제 2 열교환기를 포함하며,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 2 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 1 열교환기를 통과하며,
    상기 제 1 냉매관을 통과하는 냉매와 상기 제 3 냉매관을 통과하는 냉매는 서로 반대 방향으로 상기 제 2 열교환기를 통과하는 냉장고.
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