KR20130122490A - 기화냉각 시스템의 고안 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물과 공기를 혼합 분사하는 혼합분사 노즐인 이류체 노즐을 이용한 미세 물 입자 분사와,
분사과정 중에 발생하는 공기의 기화냉각, 이러한 기화냉각을 실외기 유닛의 열교환기에 적용한 것으로,
좀 더 상세하게는 실외기의 작동 단계 중 열교환 단계에서 미세 물 입자를 실외기의 열교환기 핀(코일)과 그 주위에 분사하여 공기온도를 강제적으로 기화냉각시킴으로써 열교환 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 기화냉각 시스템의 고안에 관한 것이다.

Description

기화냉각 시스템의 고안{Method of vaporization cooling system}

본 발명은 물과 공기를 혼합하여 분사하는 이류체 분사 노즐을 이용하여 공기를 기화냉각시키는 시스템의 고안과 이를 이용한 고효율 열교환에 관한 것으로,

공랭식 실외기의 열교환은 대기온도가 올라갈수록 열교환의 효율이 떨어지게 되며,

대기온도 30℃에서부터 실외기의 열교환 효율이 점진적으로 낮아지기 시작하여 33℃ 이상에서는 열교환 효율이 급격히 떨어지는 상태가 되므로, 업계에서는 이러한 열교환 효율을 높이기 위해 냉각기나 칠러 등의 다양한 방식의 열교환(냉각) 수단을 통해 효율을 높이고 있는 실정이다.

이러한 실외기의 열교환 효율은 에너지 소비와 밀접한 연관성이 있으며, 열교환 효율을 높일수록 에너지 효율이 올라가므로 전력소비가 줄어듦은 주지의 사실이다.

본 발명은 열교환 효율을 향상시켜 에너지를 절감하고자 하는 것이며, 이를 위해 기화냉각 시스템을 고안한 것이다.

일반적으로 냉동사이클을 갖는 냉동기, 냉방기, 전기히트펌프(EHP), 가스히트펌프(GHP) 등의 냉열기는 냉매가스를 압축 및 이송시키는 압축기와 냉매가스를 응축시키는 응축기, 냉열을 발생시키는 증발기 등으로 구성되며, 열교환기의 냉각방식으로는 공랭식, 수냉식, 혼합냉각식 등 다양한 방식으로 냉각(열교환)을 하고 있다.

본 발명의 적용대상은 공랭식 실외기로 주요 구성품은 압축기, 응축기, 송풍기 팬, 열교환기 핀(코일)등으로 구성된 냉열기가 대상이며, 기타의 냉각방식과 냉열기 시스템에 대한 서술은 생략하기로 한다.

공랭식 실외기의 주요 구성품 중 열교환기는 응축기 및 곡관과 직관으로 구성된 열교환 코일관(Coil), 약 2~5mm 간격의 직관에 삽입 배치된 약 0.15~0.5mm 두께의 열전달 효율이 높은 알루미늄 (동판)의 열교환기 핀(냉각핀) 등으로 구성된다.

이러한 열교환기 코일과 열교환기 핀은 일체형으로 조합된 열교환기 핀(코일)이며, 실외기 송풍기 팬의 공기흐름에 의해 조밀하게 배치된 열교환 핀(코일) 틈새로 공기를 강제 흡입-토출시켜 열교환 핀(코일)의 표면이 냉각되고 관내에서 이동하는 냉매가스를 냉각응축시키는 역할을 하게 된다.

이러한 공랭식 실외기의 효율적인 열교환을 위해 본 발명에서는 공기의 기화냉각을 이용한 열교환을 제안하는 것이며, 공기의 기화냉각은 기화열(증발기화열)을 이용한 것으로, 학술 및 물리적으로 기화열은 액체가 기체로 변하는 과정에서 외부로부터 흡수하는 열량이다.

이러한 기화열은 기체가 액체로 변할 때 방출하는 응축열과 크기가 같으며, 숨은열의 일종으로 보통 일정한 온도에서 1g의 물질을 기화하는 데 필요한 열량으로, 0℃의 물 1g의 기화열은 약 597cal이며, 100℃의 물 1g의 기화열은 약 539cal이다.

이러한 기화열의 발생(작용)은 대기온도가 높고 습도가 낮을수록 활발하며, 실외기의 열교환기 핀(코일)과 부근의 조건은 열교환 과정에서 약 50℃ 이상의 고온과 약 20% 이하의 습도 조건이 형성되므로 기화열을 이용하여 열교환기 핀(코일)의 냉각과 냉매가스의 응축에 효과적이다.

또한, 효과적인 기화열(작용)을 발생시키기 위해서 기화율이 높고 작동 에너지가 적게 드는 미세한 물 입자를 분사하는 기화냉각 시스템을 고안하여 실외기의 열교환기 핀(코일) 공기층에 분사함으로써 공랭식 실외기의 열교환 효율을 높이고자 하는 것이 기술적 배경이다.

KR 10-0622453

본 발명은 상기한 종래 기술의 열교환 효율을 높이기 위해 제안된 것으로,

기존 공랭식 실외기는 대기온도와 냉매의 온도차 범위 내에서만 열교환이 이루어지는 특성으로 응축효율이 낮으며, 대기온도 이하로는 열교환이 불가능한 단점을 내포하고 있다.

또한, 여름철 고온기의 대기온도가 급상승하여 설계 건구온도(통상 32℃ DBT)를 초과할 경우 열교환기 냉각기능이 떨어짐에 따라 응축효율이 급격히 떨어지고, 피크전력의 발생과 운전 장해, 전력사용의 비효율이 진행된다.

본 발명은 상기한 공랭식 실외기의 열교환 단점을 극복하고자 하는 것이며, 이를 통해 효율적인 열교환이 이뤄지므로 냉열기의 에너지 절감을 달성하게 되는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명에서는, 도 3에서 제시된 개략도와 같이 압축기, 열교환기, 송풍기 팬, 열교환기 핀(코일) 등이 포함된 실외기 유닛이 제공된다.

이 때, 기화냉각 시스템의 분사노즐이 열교환기 핀(코일) 방향으로 고정 설치된 후 분사되도록 한다.

한편, 기화냉각 시스템의 노즐위치는 송풍기 팬의 흡입력을 감안하여 상부 그릴을 기준으로 10~15cm의 거리를 띄워 설치되며, 이에 따라 미세 물 입자가 열교환기 핀(코일)의 밑면까지 도달되도록 한다.

한편, 기화냉각 시스템의 에어펌프와 솔레노이드 밸브의 구동전원은 송풍기 팬 작동전원에 연결-공유하여 송풍기 팬의 작동과 연동되도록 한다.

또한, 열교환기 핀(코일)과 송풍기 팬의 위치는 도 2와 같이 실외기 유닛의 형식별로 다양하므로 열교환기 핀(코일)과 송풍기 팬의 흡입방향을 감안하여 분사 방향과 고정위치가 정해지게 된다.

본 발명의 실시에 따라 실외기의 열교환 효율이 높아지며, 열교환 효율의 향상으로 에너지 절감이 가능하다.

본 발명의 실시에 따라 여름철 고온시 냉동, 냉방기의 피크전력을 피할 수 있다.

본 발명의 기화냉각 시스템 작동과 함께 미세 물 입자가 분사되면서 실외기 주변의 먼지나 대기 오염물질이 차단되어 열교환기 핀(코일)의 오염을 방지하는 2차적인 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 기화냉각을 위한 기화냉각 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 실외기 형식별 분사형태 개략도
도 3은 송풍기 팬 작동과 공기흐름에 따른 열교환기 핀(코일)의 기화냉각 개략도

이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1의 기화냉각 시스템은 공기와 물을 혼합분사하는 방식의 이류체 노즐(230)과 에너지 절약적인 다이아프램 방식의 저압 에어펌프(60), 용수로 사용되는 수돗물의 차단과 공급을 위한 솔레노이드 밸브(30), 용수의 분사량 조절을 위한 용수량 조절 밸브(20), 공기 및 용수의 역류 차단 체크밸브(50)로 구성된다.

이때, 분사노즐의 형식은 저압분사가 가능하고 기화율 조정이 가능한 이류체 노즐로, 기화율 70% 이상의 노즐을 사용하며, 에어펌프의 소비전력은 20w, 공기압은 0.12kg/㎠, 공기량은 40ℓ/min, 용수 분사량은 15~18ml/min, 용수(수돗물)의 압력은 공기압보다 높은 것이 바람직하다.

상기 기화냉각 시스템을 작동하기 위한 전원 및 용수 라인은, 에어펌프와 솔레노이드 밸브의 작동 전원을 연결하여 에어펌프 작동과 동시에 용수(수돗물) 공급 솔레노이드 밸브가 열림으로써 용수가 자동으로 공급될 수 있도록 한다.

상기 전원 및 용수 공급 라인이 완료된 상태에서 송풍기 팬 전원에 기화냉각 시스템을 연결-공유함으로써, 송풍기 팬이 작동하면 기화냉각 시스템이 작동하고 송풍기 팬이 정지하면 기화냉각 시스템 또한 정지하도록 하여 실외기 열교환 시스템과 기화냉각 시스템이 연동되도록 한다.

한편, 분사노즐의 고정위치는 도 2와 같이 실외기의 형식에 따라 열교환기 핀(코일)의 위치가 다르므로 기화냉각된 공기가 최대한 열교환기 핀(코일)을 냉각할 수 있는 위치에 고정, 분사되도록 설치하는 것이 바람직하다.

[실시 예]

실내 냉방을 시작하면서 실외기의 열교환이 진행되고 송풍기 팬이 작동하였다.

이때, 열교환기 핀(코일)의 온도는 50℃ 이상의 고온으로 점진적으로 올라갔으며, 송풍기 팬에서 토출되는 바람의 습도를 측정한 결과 20% 이하, 토출 공기(바람)의 온도는 50℃ 이상으로 측정되었다.

이어서, 송풍기 팬이 작동되면서 기화냉각 시스템이 동시에 작동되도록 했으며, 기화냉각 시스템의 전원은 송풍기 팬 전원과 공유되어 있으므로 분사노즐에 공기 공급을 담당하는 에어펌프와 용수 공급(차단) 솔레노이드 밸브에 전원이 공급되어 공기와 용수가 공급되면서 미세 물 입자의 분사가 시작되었다.

이어서, 미세 물 입자의 분사가 시작되면서 공기가 기화냉각되었으며, 열교환기 핀(코일)과 주위의 공기온도가 약 10℃ 떨어지면서 열교환기 핀(코일) 주위의 공기온도는 약 20℃ 가 되었다.

이때, 기화냉각된 공기 온도는 열교환기 핀(코일)의 온도와 대기온도, 습도에 따라 기화작용(기화율)이 유동적이므로 기화냉각의 정도 또한 유동적임은 당연하다.

이어서, 도 3의 개략도와 같이 실외기의 열교환기 핀(코일)과 주위의 기화냉각된 공기가 송풍기 팬의 공기 흐름을 타고 열교환기 핀(코일)의 조밀한 틈새로 흡입된 후 냉각공기와의 접촉 과정을 거치며 열교환기 핀(코일)을 냉각시킨 뒤 송풍기 팬의 토출구로 계속적으로 토출되었다.

이어서, 실외기의 열교환이 마무리된 뒤 송풍기 팬의 작동이 정지하였고, 송풍기 팬과 전원을 공유하고 있는 기화냉각 시스템 또한 작동이 정지되므로, 용수가 차단되고 에어펌프의 작동이 정지되므로 미세 물 입자의 분사가 멈추고 기화냉각 시스템도 정지하였다.

이때, 계속적인 열교환기 핀(코일)의 냉각을 목적으로 송풍기 팬의 전원과 별도로 계속적인 기화냉각 시스템을 작동할 수 있음은 물론이다.

이어서, 실외기의 열교환 시스템이 반복적으로 작동-정지되었으며, 연동된 기화냉각 시스템 또한 반복적으로 작동-정지되어 고효율의 열교환이 누적적, 반복적으로 이뤄지게 되었다.

다음은 본 발명의 실험 예를 설명하기로 한다.

[실험 예1] 일반적인 공냉식 냉방기의 전력소비량 측정

일반적인 냉방기 가동 방식으로 전력 소비량을 측정하였다.

열교환 중 송풍기 팬에서 토출되는 공기온도는 약 55℃, 습도 약 17%이었다.

측정기간은 10일, 냉방기 가동시간은 1일 8시간이었다.

시험항목	대기온도	대기습도	냉방기 정격능력(w)	냉방기 소비전력(w)
전력소비량측정	28~32℃	35~45%	10,000	3,000

전력소비량 측정결과 약 237.2kw의 전력이 소비되었다.

[실험 예2] 기화냉각 시스템을 적용한 냉방기의 전력소비량 측정

기화냉각 시스템을 송풍기 팬 전원과 연동하여 작동시켰으며, 용수는 수돗물을 사용하였다.

분사노즐은 물과 공기를 혼합 분사하는 이류체 노즐을 사용하였으며, 기화율은 약 70%, 용수 사용량은 약 18ml/min, 에어펌프의 공기압은 0.12kg/㎠, 공기량은 40ℓ/min, 전력은 20w의 다이아프램 방식의 에어펌프를 사용하였다.

분사노즐의 설치위치는 실외기의 열교환기 핀(코일)을 기준으로 상부 가운데에 고정했으며, 위에서 밑으로 하향 분사되었다.

열교환 중 기화냉각 시스템을 작동하면서 측정된 송풍기 팬에서 토출되는 공기(바람)온도는 약 43℃, 습도 약 27% 이었다.

측정기간은 10일, 냉방기 가동시간은 1일 8시간이었다.

시험항목	대기온도	대기습도	냉방기 정격능력(w)	냉방기 소비전력(w)
전력소비량측정	28~32℃	35~45%	10,000	3,000

전력소비량 측정결과 약 180.8kw의 전력이 소비되었다.

실험예 1과 실험예 2를 비교한 결과,

일반적인 냉방기 가동방식에 비해 기화냉각 시스템 적용결과 약 23%의 에너지 절감이 이뤄졌다.

이러한 본 발명으로 냉방기의 열교환 효율을 높여 전력소비를 절감하게 되고, 에너지 절감은 탄소저감에도 일조하게 된다.

20: 용수조절밸브 30: 용수 공급 및 차단밸브
40: 용수(수돗물)라인 50: 용수, 공기역류 차단밸브
60: 에어펌프(컴프레셔) 70: 소형 실외기 유닛(정면토출)
100: 실외기 유닛 110: 실외기 열교환기 핀(코일)실
120: 실외기 기계실 130: 실외기 열교환기 핀(코일)
140: 송풍기 팬 150: 상부 그릴
160: 압축기 170: 사방변
180: 어큐뮬레이터 190: 열교환기
200: 팽창밸브 210: 동배관 라인
220: 기화냉각 공기층 230: 분사 노즐

Claims (4)

1. 실외기 열교환기 핀(코일)과 연결되어 냉동, 냉방 싸이클을 수행하는 압축기, 응축기, 송풍기 팬, 열교환기 핀(코일)을 포함하는 실외기 유닛으로서,
   
   실외기 유닛의 열교환기 핀(코일)과 주위의 공기를 기화냉각하기 위한 이류체 노즐과 에어펌프(컴프레셔), 솔레노이드 밸브, 용수량 조절 밸브, 역류방지용 체크 밸브로 구성된 기화냉각 시스템과,
   
   기화냉각 시스템을 송풍기 팬 작동 전원에 연결 및 공유하여 기화냉각 시스템과 열교환 시스템이 연동되는 연동 시스템과,
   
   열교환 중 송풍기 팬의 작동과 연동되어 기화냉각 시스템이 작동되고,
   
   미세 물 입자 분사로 기화냉각된 공기가 열교환기 핀(코일)을 냉각시킴으로써 실외기의 열교환 효율이 향상되는 것을 특징으로 하는 기화냉각 시스템의 고안.
   
2. 제1항의 기화냉각 시스템의 분사노즐과 에어펌프에 있어서,
   
   용수와 공기의 혼합분사 방식의 이류체 노즐로써 기화율이 50% 이상이고,
   소비전력 20w 이하, 상용 공기압 0.12kg/㎠ 이하 , 공기량 40ℓ/min 의 저압 에어펌프를 이용한 기화냉각 시스템의 고안.
   
3. 제1항의 기화냉각 시스템에 있어서,
   
   송풍기 팬과 연동되지 않고 계속적으로 열교환기 핀(코일)을 냉각하는 기화냉각 시스템의 고안.
   
4. 제1항과 제3항에 있어서,
   
   전기히트펌프(EHP), 가스히트펌프(GHP), 냉동기, 냉장기, 소형 에어컨의 실외기 열교환기 핀(코일)에 기화냉각 시스템을 적용하는 것을 특징으로 하는 기화냉각 시스템의 고안.

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