KR100198356B1 - 터보냉동기의 냉매 바이패스장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보냉동기의 개선된 냉매 바이패스 장치를 개시한다.

종래에는 바이패스 밸브가 압축기의 베인구동용 모터와의 연동에 의해서만 작동되었는 바, 운전조건 변화에 의한 압축기의 서징은 방지할 수 없는 문제가 있었다.

본 발명에서는 바이패스 밸브가 냉매 바이패스 라인과 연통하는 냉매유로중에 압축기의 출구측과 라인으로 연결되는 압력실을 가지는 밸브케이스와, 압력실의 유입구와 유출구를 동시에 개폐하는 2중밸브체와, 이 2중밸브체를 탄성 바이어스 시키는 스프링 및 압축기의 베인이 냉매의 유량을 감소시키도록 작동함에 따라 베인구동용 모터에 의해 압력실이 냉매유로와 연통되도록 2중밸브체를 이동시키는 풀로드와, 2절링크를 구비하는 구동수단을; 포함하여, 유량감소에 의한 서징은 물론 운전조건 변화에 의한 서징이 효과적으로 방지되도록 하였다.

Description

터보냉동기의 냉매 바이패스장치

본 발명은 냉각탑(cooling tower)을 이용하는 대용량의 터보냉동기(turbo refrigerator)에 관한 것으로, 더 상세하게는 압축된 고압의 냉매가스를 증발기(evaporator)로 바이패스(bypass) 시키는 장치에 관한 것이다.

냉각사이클(cooling cycle)을 이용하는 냉동기는 압축된 냉매가스를 액화시킨 뒤, 팽창밸브(expansion valve)를 통해 기화시켜 흡수되는 기화열에 의해 냉각작용을 수행하는 공기조절장치로, 사회전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.

특히 대형건물의 중앙냉방장치에는 대용량의 냉각시스템이 요구되는 바, 냉각탑을 이용하여 냉매를 증발시키는 소위 터보냉동기가 사용되는 것이 일반적이다.

제1도에는 이러한 터보냉동기의 구성을 개략적으로 도시하였다. 이것은 원심식 압축기(compressor:P)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가스가 라인(line:L1)을 따라 셀 및 튜브(shell and tube)형 응축기(condenser:C)로 유입되고, 냉각탑(T)과의 사이에서 라인(L2,L3)을 따라 순환하는 냉각수와의 열교환에 의해 액화된다. 액화된 냉매는 팽창밸브(EV)를 통해 셀 및 튜브형 증발기(E)로 유입되고, 공기조절유닛(air handling unit:A)과의 사이에서 라인(L4,L5)을 따라 순환되는 물과 열교환함으로써 기화된 뒤 압축기(P)로 유입된다. 이에 따라 냉각된 물은 공기조절유닛(A)에서 공기와의 열교환에 의해 공기를 냉각시키고, 냉각된 공기를 덕트(duct)를 통해 각 실내로 공급함으로써 건물을 냉방하게 된다.

한편 이러한 냉동기를 봄이나 가을 등 그 전체성능이 필요치 않을때에 운전할 경우에는 외부온도가 그다지 높지 않기 때문에 냉각성능을 감소시켜 운전하게 되는데, 이는 압축기(P)유입되는 냉매의 유량을 그 베인(vane)에 의해 감소시켜 운전하는 방법으로 달성된다. 그런데 이 경우 압축기(P)에서는 냉매의 유량감소에 의해 그 계(係)가 자려진동(自勵振動)을 일으켜 특유의 일정한 주기로 토출압력 및 토출량이 변동하는 이른 바 서징(surging)현상이 발생하게 된다. 이로 인해 압축기(P)내에서 냉매의 역류가 일어나 그 입,출구측의 압력차가 크게 변하고, 소음진동이 발생할 뿐만 아니라 압축기(P)로 흡입되는 냉매유량이 큰 폭으로 증감되어 모터(motor)의 전류치가 크게 변동하는 등 냉각시스템이 상당히 불안정해지는 문제가 야기된다.

이에 따라 종래에는 응축기(C)와 증발기(E)를 별도의 라인(L6)으로 직접 연결하고, 이 라인(L6)에 압축기(P)의 베인과 링크(link)로 연결되는 바이패스 밸브(BV)를 구비하여, 베인에 의한 냉매의 유량감소에 따라 바이패스 밸브(BV)가 동시에 열려 고압의 가스냉매 일부가 증발기(E)로 바이패스 되도록 함으로서 서징을 방지하고 있다.

그런데 냉동기에 있어서의 서징현상은 냉매의 유량감소 뿐 아니라 그 운전조건에 의해서도 크게 좌우되는데, 종래의 방법은 바이패스 밸브(BV)가 단순히 압축기(P)의 베인 개도에 따라 동작되는 것이므로 운전조건에 따른 서징 발생시에는 바이패스 밸브(BV)가 동작되지 않는 문제가 있었다. 즉 터보냉동기는 냉각탑(T)에서의 냉각수의 기화에 의해 냉매를 냉각시키게 되므로 장마철등 상대습도가 높은 경우에는 냉각수의 기화불량으로 냉각수 온도가 정상적인 경우보다 상승하게 되고, 이로 인하여 냉매의 응축불량이 야기되며(응축기 압력증가), 이에 따라 증발기(E)에서의 냉매의 기화불량(증발기 압력감소)으로 구성요소간에 압력불균형이 야기됨으로써 압축기(P)에서 서징이 발생하여도 베인이 작동되지 않아 바이패스 밸브(BV)가 열리지 않게 되는 것이다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제를 감안하여 냉매의 유량감소에 의한 압축기의 서징을 방지할 수 있으면서 날씨변화등 운전조건에 의해 발생되는 압축기의 서징도 효과적으로 방지할 수 있는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 터보냉동기의 냉매 바이패스장치는, 상호 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기와, 상기 응축기에 연결되는 냉각탑과, 상기 증발기에 연결되는 공기조절유닛과, 상기 응축기와 증발기를 직결하는 라인에 설치되어 상기 압축기의 베인구동용 모터와 연동하는 바이패스 밸브를 구비하는 터보냉동기에 있어서, 상기 바이패스 밸브(BV)가: 상기 라인(L6)과 연통하는 냉매유로(2)를 가지며, 이 냉매유로(2)중에 상기 압축기(P)의 출구측과 라인(L7)으로 연결되는 압력실(3)을 가지는 밸브케이스(1)와; 상기 압력실(3)의 유입구(3a)와 유출구(3b)에 각각 위치되도록 상호 연결되어 이들을 동시에 개폐시키는 제1, 제2밸브체(5),(6)와, 상기 밸브케이스(1)의 안내구멍(1a)에 이동 가능하게 끼워지는 밸브로드(7)를 가지는 2중밸브체(4)와; 상기 2중밸브체(4)를 소정방향으로 탄성 바이어스 시키는 스프링(8)과; 상기 압축기(P)의 베인이 냉매의 유량을 감소시키도록 작동함에 따라 상기 압력실(3)이 상기 냉매유로(2)와 연통되도록 상기 2중밸브체(4)를 이동시키는 것으로, 상기 2중밸브체(4)의 밸브로드(7)에 일단이 연결되어 상기 2중밸브체(4)를 그 이동방향으로 당기는 풀로드(10)와, 상기 베인구동용 모터(13)의 회전축에 일단이 고정되고, 상기 풀로드(10)의 타단에 회전 가능하게 연결되는 2절링크(11)를 구비하는 구동수단을; 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, 2중밸브체의 밸브로드가 실린더(cycle)형으로 구성되어 스프링이 이 밸브로드내에 삽입되며, 밸브로드의 입구에는 스프링의 탄성을 조절하는 조절캡(adjusting cap)이 나사결합된다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명은, 냉매의 유량이 감소할 경우에는 베인구동용 모터의 작동에 따라 2중밸브체가 동시에 개방됨으로써 서징을 방지하고, 냉동기의 운전조건 변화에 따른 서징은 압축기의 토출압력이 바이패스 밸브의 압력실로 유입됨으로써 2중밸브체를 개방시켜 서징을 방지하게 된다. 따라서 터보냉동기의 안정성과 신뢰성 향상 등에 큰 효과를 발휘하게 된다.

제1도는 일반적인 터보냉동기의 구성을 개략적으로 보인 시스템도.

제2도는 본 발명에 의한 냉매 바이패스장치를 구비한 터보냉동기의 시스템도.

제3도는 본 발명 냉매 바이패스장치를 보인 단면도.

제4도는 본 발명의 작동을 보인 단면도들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

P : 압축기(compressor) C : 응축기(condenser)

E : 증발기(evaporator) EV : 팽창밸브(expansion valve)

BV : 바이패스 밸브(bypass valve)

L6 : (냉매 바이패스용) 라인(line)

L7 : (압축기 압력 이송용) 라인 1 : 밸브케이스(valve case)

2 : (밸브케이스의) 냉매유로 3 : (밸브케이스의) 압력실

4 : 2중밸브체 7 : 밸브로드(valve rod)

8 : 스프링 10 : 풀로드(pull rod)

11 : 2절링크

13 : (압축기의) 베인(vane)구동용 모터

이와 같은 본 발명의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

제2도에서, 본 발명에 의한 터보냉동기는 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 원심식 압축기(P)와, 압축된 냉매를 액화시키는 셀 및 튜브형 응축기(C)와, 액상 냉매를 저온 저압의 액체로 변화시키는 팽창밸브(EV) 및 이 액상 냉매를 기화시키는 셀 및 튜브형 증발기(E)가 냉매가 순환되는 라인(L1)에 의해 순차적으로 연결된다.

응축기(C)에는 냉각탑(T)이 라인(L2,L3)을 통해 연결되고, 증발기(E)에는 공기조절유닛(A)이 라인(L4,L5)을 통해 연결된다. 라인(L2,L3)내에는 냉매를 액화시키는 냉각수가 냉각탑(T)과 응축기(C) 사이에서 순환되고, 라인(L4,L5)내에는 액상냉매를 기화시킴으로써 냉각되는 물이 증발기(E)과 공기조절유닛(A) 사이에서 순환된다.

한편 응축기(C)와 증발기(E)는 별도의 라인(L6)을 통해 직접 연결되고, 이 라인(L6)에는 그 베인(도시하지 않음)에 의해 압축기(P)로 유입되는 냉매의 유량감소시 베인과 연동하여 고압의 기체냉매 일부를 증발기(E)로 바이패스 시키는 바이패스 밸브(BV)가 구비된다.

바이패스 밸브(BV)는 제3도에 도시된 바와 같이 본 발명의 특징에 따라 대략 L자형의 밸브케이스(1)에 라인(L6)과 연통하는 냉매유로(2)가 형성되고, 이 냉매유로(2)의 소정위치에는 압력실(3)이 형성된다. 압력실(3)은 라인(L7)을 통해 압축기(P)의 출력측과 연결되어 압축기(P)의 토출압력이 밸브케이스(1)의 압력구멍(1b)을 통해 유입된다. 이에 따라 라인(L7)은 압력실(3)로의 냉매의 유입이 억제되도록 라인(L1)에 비해 상대적으로, 바람직하기로는 압력이 전달될 수 있을 정도에서 가능한한 작은 직경을 가지도록 구성된다.

압력실(3)의 냉매 유입구(3a)와 유출구(3b)에는 제1 및 제2의 밸브체(5,6)가 일정간격으로 연결된 2중밸브체(4)의 제1,2밸브체(5,6)가 각각 위치되어, 스프링(8)에 의해 냉매흐름의 역방향으로 탄성 바이어스 된다. 이에 따라 2중밸브체(4)는 스프링(8)의 탄성에 의해 냉매의 흐름을 차단하게 되는 바, 스프링(8)의 탄성은 냉동기의 정상작동시의 냉매의 압력보다는 적어도 크게 설정되는 것이 바람직하다. 2중밸브체(4)의 제2밸브체(6) 후단에는 이 2중밸브체(4)를 밸브케이스(1)에 슬라이딩(sliding) 지지하는 밸브로드(7)가 연장되어 밸브케이스(1)의 안내구멍(1a)에 삽입된다. 이 밸브로드(7)는 바람직하게는 실린더형으로 구성되어, 그 내부에 2중밸브체(4)를 탄성바이어스 시키는 스프링(8)을 삽입한다.

밸브케이스(1)의 안내구멍(1a)에는 바람직하기로 그 냉매유로(2)의 기밀을 유지시키는 O링(ring) 등의 패킹(packing:12)이 구비된다.

한편 밸브로드(7)의 내부에는 2중밸브체(4)가 개방되도록 2중밸브체(4)를 냉매흐름방향으로 이동시키는 풀로드(10)가 이동 가능하게 결합되는데, 이 풀로드(10)는 밸브로드(7)의 선단부에 설치된 조정캡(9)에 의해 밸브로드(7)에 지지된다. 이에 따라 풀로드(10)의 선단은 스프링(8)의 일단에 접촉되는 바, 조정캡(9)은 밸브로드(7)에 나사결합되어 풀로드(10)의 돌출길이를 조절함으로써 스프링(8)의 탄성을 조정할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 풀로드(10)의 일단에는 2절링크(11)의 일단이 회전 가능하게 힌지(hinge) 결합되고, 2절링크(11)의 타단은 냉매의 유량을 조정하는 압축기(P)의 베인구동용 모터(13)의 회전축에 고정된다.

이와 같은 구성된 본 발명에 의한 터보냉동기의 작동을 제4도를 병행하여 설명하기로 한다.

제2도에서, 압축기(P)에서 압축된 냉매가스는 라인(L1)을 통해 응축기(C)로 유입되고, 라인(L2,L3)을 통해 냉각탑(T)과의 사이에서 순환되는 냉각수와 열교환하여 액화된다. 이어서 팽창밸브(EV)를 통해 저압의 액냉매로 변한 뒤 증발기(E)로 유입되고, 라인(L4,L5)을 통해 공기조절유닛(A)과의 사이에서 순환하는 물과 열교환하여 기화된 뒤 압축기(P)로 유입된다. 이에 따라 냉각된 물은 공기조절유닛(A)에서 공기와 열교환하여 공기를 냉각시키고, 냉각된 공기는 덕트(도시하지 않음)를 통해 냉방장소로 토출된다. 이때 바이패스 밸브(BV)는 동작하지 않고, 냉매는 라인(L1)을 통해 정상적인 사이클(cycle)로 작동된다.

한편 봄이나 가을등 냉동기의 전체성능이 필요치 않을 경우에는 압축기(P)로 유입되는 냉매의 유량을 베인을 통해 감소시켜 운전하게 된다. 이 경우 압축기(P)에는 유량감소에 의해 서징이 발생하게 되는데, 이는 본 발명 바이패스 밸브(BV)에 의해 효과적으로 방지된다.

즉, 제4도에서 (a)는 정상운전 상태로서 스프링(8)의 탄성에 의해 2중밸브체(4)의 제1,2밸브체(5,6)가 밸브케이스(1)의 압력실(3) 유입구(3a)와 유출구(3b)를 냉매유로(2)와 폐쇄하게 된다. 이때 압력실(3)에는 압축기(P)의 출구측 압력이 작용하게 되는데, 압축기(P)가 정상운전 상태이므로 압력실(3)의 압력은 시스템내의 정상동작압력과 동일하다. 이에 따라 2중밸브체(4)는 아무런 동작도 하지 않고, 따라서 냉매는 라인(L1)을 통해 정상적인 사이클로 순환되게 되는 것이다.

이 상태에서 베인에 의해 압축기(P)로 유입되는 냉매의 유량이 감소하게 되면, (b)에 도시한 바와 같이 베인구동용 모터(13)의 회전에 따라 2절링크(11)에 의해 풀로드(10)가 밸브케이스(1)의 외측 방향으로 이동된다. 그러면 조정캡(9)에 의해 밸브로드(7)가 함께 이동됨으로써 2중밸브체(4)가 동방향으로 이동되어 그 제1,2밸브체(5,6)가 압력실(3)의 유입구(3a) 및 유출구(3b)를 개방시키게 된다. 이에 따라 밸브케이스(1)의 냉매유로(2)가 라인(L6)과 연통하게 되어 응축기(C)로 유입된 고압의 기체냉매의 일부가 증발기(E)로 바이패스 됨으로써 유량감소에 의한 압축기(P)의 서징을 방지하게 된다.

한편 냉동기의 정상운전시 장마 등에 의한 운전조건이 변화될 경우에는 시스템내의 압력불균형이 야기되어 압축기(P)에서 서징이 발생하게 되는데, 이 역시 본 발명이 바이패스 밸브(BV)에 의해 효과적으로 방지된다.

즉 제4도에서, (c)는 전술한 (a)와 마찬가지로 냉동기의 정상운전상태로서 밸브케이스(1)의 압력실(3)이 2중밸브체(4)에 의해 폐쇄되어 바이패스 밸브(BV)는 동작되지 않는다.

이 상태에서 운전조건 변화 등에 의해 압축기(P)에서 예기치 못한 서징이 발생하게 되면, 압축기(P)의 토출압력과 토출량이 정상작동시 보다 커지게 된다. 이에 따라 밸브케이스(1)의 압력실(3)은 라인(L7)을 통해 유입된 압축기(P)의 토출측 압력에 의해 응축기(C)나 증발기(E) 등의 압력보다 상대적으로 크게 된다. 따라서 (d)에 도시한 바와 같이 2중밸브체(4)가 스프링(8)을 압축하면서 우측으로 이동되어 압력실(3)의 유입구(3)와 유출구(3b)를 개방시키게 됨으로써 밸브케이스(1)의 냉매유로(2)가 라인(L6)과 연통하게 된다. 그러면 응축기(C)로 유입된 고압의 기체냉매의 일부가 라인(L6)을 통해 증발기(E)로 바이패스 됨으로써 압축기(P)의 서징을 방지하게 되는 것이다. 이때 풀로드(10)는 작동되지 않는다.

또한 압축기(P)의 토출량과 압력이 작아지게 되면, 라인(L7)에 의해 압력실(3)의 압력 역시 작아지게 되므로, 스프링(8)의 탄성복원력에 의해 2중밸브체(4)가 초기상태로 복귀함으로써 압력실(3)을 폐쇄하여 냉매의 바이패스를 정지시키게 된다. 따라서 운전조건의 변화에 의한 서징은 압축기(P)의 토출압력의 증감에 따라 2중밸브체(4)가 자동으로 압력실을 개폐함으로써 냉매를 바이패스 및 정지시켜 서징을 방지하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 냉매의 유량감소에 의한 압축기의 서징은 물론 운전조건 변화에 의한 예기치 못한 서징도 하나의 바이패스 밸브에 의해 화적으로 방지할 수 있게 된다. 따라서 본 발명은 터보냉동기의 사용의 안정성과 신뢰성 등을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 상호 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기와, 상기 응축기에 연결되는 냉각탑과, 상기 증발기에 연결되는 공기조절유닛과, 상기 응축기와 증발기를 직결하는 라인에 설치되어 상기 압축기의 베인구동용 모터와 연동하는 바이패스 밸브를 구비하는 터보냉동기에 있어서, 상기 바이패스 밸브(BV)가: 상기 라인(L6)과 연통하는 냉매유로(2)를 가지며, 이 냉매유로(2)중에 상기 압축기(P)의 출구측과 라인(L7)으로 연결되는 압력실(3)을 가지는 밸브케이스(1)와; 상기 압력실(3)의 유입구(3a)와 유출구(3b)에 각각 위치되도록 상호 연결되어 이들을 동시에 개폐시키는 제1, 제2밸브체(5),(6)와, 상기 밸브케이스(1)의 안내구멍(1a)에 이동 가능하게 끼워지는 밸브로드(7)를 가지는 2중밸브체(4)와; 상기 2중밸브체(4)를 소정방향으로 탄성 바이어스 시키는 스프링(8)과; 상기 압축기(P)의 베인이 냉매의 유량을 감소시키도록 작동함에 따라 상기 압력실(3)이 상기 냉매유로(2)와 연통되도록 상기 2중밸브체(4)를 이동시키는 것으로, 상기 2중밸브체(4)의 밸브로드(7)에 일단이 연결되어 상기 2중밸브체(4)를 그 이동방향으로 당기는 풀로드(10)와, 상기 베인구동용 모터(13)의 회전축에 일단이 고정되고, 상기 풀로드(10)의 타단에 회전 가능하게 연결되는 2절링크(11)를 구비하는 구동수단을; 포함하는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 2중밸브체(4)의 밸브로드(7)가 실린더형으로 구성되고, 상기 스프링(8)이 상기 밸브로드(7)내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 밸브로드(7)의 입구에 상기 스프링(8)의 탄성을 조절하는 조정캡(9)이 나사결합되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 밸브케이스(1)의 안내구멍(1a)에 상기 냉매유로(2)의 기밀을 유지하는 패킹(12)이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 밸브케이스(1)의 압력실(3)을 상기 압축기(P)에 연결되는 상기 라인(L7)이 상기 냉매이송용 라인(L1)보다 상대적으로 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 냉매 바이패스장치.