KR100296653B1

KR100296653B1 - 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기

Info

Publication number: KR100296653B1
Application number: KR1019990023229A
Authority: KR
Inventors: 이승기
Original assignee: 김용옥; 디와이 주식회사
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2001-07-12
Also published as: CN1278053A; KR20000017696A; CN1131978C; HK1033974A1

Abstract

본 발명은 냉동사이클(100)을 흐르는 냉매가스와 축열조(5)의 축열수가 측면부와 상, 하단부를 통하여 각각 출입하는 밀폐된 중공형의 열교환기 (10)로서, 상기 열교환기(10) 내측 상, 하부에 각각 입, 출구가 설치되어 냉매가스가 출입하는 증발실 (23)을 중간부에, 상기 축열조(5)로부터 유입된 축열수가 통과하도록 상단부는 유입실이 연결되게 결합되고 하단부는 냉각된 축열수가 축열조(5)로 배출되도록 증발실(23)내에 설치되는 냉각관(30)과; 상기 냉각관 내부에 설치되어 축열수가 통과하는 중공의 노즐관(43); 상기 노즐관에 형성되어 노즐관을 관통하는 축열수를 냉각관 내부을 향해 유출시키는 노즐(43a); 상기 노즐관 외주면에 길이 방향의 나선형으로 형성된 스크루블레이드(45); 상기 노즐관에 회전동력을 제공하는 구동모터(60)로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기에 관한 것이다.

Description

냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기{Heat exchanger for ice making apparatus in cooling system}

본 발명은 건물 냉방 및 산업용 냉각장치에 사용되는 빙축열 냉방 시스템에 관한 것으로서, 특히 냉매의 증발열을 이용하여 축열수를 냉각 및 제빙시킬 수 있도록 이루어진 유동성빙 축냉식 시스템의 제빙 장치에 관한 것이다.

본 발명은 건물 냉방 및 산업용 냉각장치에 사용되는 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기에 관한 것으로서, 특히 냉매의 증발열을 직접 이용하여 축열수를 냉각 및 제빙시킬 수 있도록 이루어진 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클의 구성은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 순으로 이루어지는데, 상기 증발기에 해당하는 본 발명인 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기는 낮은 온도, 낮은 압력 상태의 액냉매를 열교환하여 낮은 온도, 낮은 압력의 가스 상태의 냉매로 변환시키는 역할을 한다.이때 상기 열교환기의 효율을 보다 높이기 위해 보통 축열수를 통과시켜 냉각 및 제빙하게 되는데, 상기와 같이 저온으로 된 축열수는 별도로 설치된 축열조에 저장하였다가 필요시 부하측 유체와 열교환할 수 있도록 구성된다.통상적으로 빙축열 시스템의 제빙 시스템은 제빙방식에 따라 정적제빙 방식과 동적제빙 방식으로 분류할 수 있다.

이중에서 동적제빙 방식은 얼음을 미세화한 다음 물 또는 동결억제재가 첨가된 수용액에 혼합하여 축열조에 저장하였다가, 필요시 실내를 통과한 부하측의 고온 순환수와 축열수를 서로 열교환시켜 열에너지로 사용함으로써, 건축물 등의 냉방을 실현할 수 있는 시스템이다.

이와 같은 동적제빙 방식의 빙축열 시스템의 제빙방식은 축열수를 냉각 및 제빙시킨 다음 미세한 얼음 조각으로 만들기 위해, 냉동 사이클을 순환하는 냉매가 통과하도록 된 제빙기가 포함되어 있다.

즉, 상기 제빙시스템은 냉동 사이클의 증발기와 같이 냉매가 저온 저압의 기체상태로 변하면서 흡수하는 열에너지를 이용하여, 축열수를 냉각 및 제빙시킬 수 있도록 이루어져 있다.

상기 다관식 로드형 열교환기 방식은 빙결 완화제를 첨가한 축열수를 수직 다관식 열교환기의 관 내벽을 따라 흘리면서 관 외측을 통과하는 액냉매의 증발열에 의하여 냉각, 제빙시키고,

상기 다관식 로드형 열교환기 방식은 빙결 완화제를 첨가한 축열수를, 수직으로 설치된 다관식 열교환기의 관 내벽을 따라 흘리면서 관 외측을 통과하는 냉매의 증발열에 의해 냉각 및 제빙되게 하고, 동시에 상기 관 내부에 설치된 로드(rod)를 700∼800 RPM으로 축열수를 휘저어 미세한 얼음조각으로 만든 다음, 관 하부로 상기 축열수를 배출하여 하부에 설치된 축열조에 저장하였다가 필요시 부하측 유체와 열교환할 수 있도록 이루어져 있다.

그러나 상기한 바와 같은 다관식 로드형 열교환기 방식은 관 내부에 로드가 고속으로 회전하면서 축열수를 미세한 얼음 조각으로 만들도록 구성되어 있기 때문에 로드의 고속회전으로 인하여 소음 및 진동이 심하게 발생하게 되고, 장치의 내구성도 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 상기한 단관식 브레이드형 열교환기 방식은 액냉매가 통과하는 원통형의 증발기 내부에 빙결완화제가 첨가된 축열수가 통과하는 챔버가 구비된다.

한편 상기한 단관식 브레이드형 열교환기 방식은 냉매가 통과하는 원통형의 증발기 내부에 빙결완화제를 첨가한 축열수가 통과하는 챔버로 구성된다.

상기 챔버로 축열수를 고속으로 선회시키면서 공급하면, 상기 증발기를 통과하는 냉매와 축열수가 상호 열교환되면서 상기 챔버 내부에 얼음이 형성되는데, 이와 같이 형성된 얼음은 챔버내에서 회전하는 브레이드로 깎아서 축열조에 저장하였다가, 필요시 부하측 유체와 열교환할 수 있도록 이루어져 있다.

그러나 상기한 단관식 브레이드형 열교환기 방식도 챔버내에서 브레이드가 고속회전하면서 미세한 얼음조각을 만들기 때문에 소음 및 진동이 심하게 발생하고, 또한 하나의 챔버로 이루어져 있기 때문에 전열 면적을 확대하기 위해서는 챔버의 크기가 그만큼 커져야 하므로, 제빙기 전체의 부피가 커지면서 가격이 상승하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 냉매가 통과하는 열교환기 내부에 스크레이퍼를 결합한 냉각관을 설치함으로써 소음과 진동을 줄이고 기기의 안전성 및 내구성을 향상시키는 동시에, 열교환 효율 및 제빙 효율이 보다 향상되도록 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기를 제공하는데 있다.

도 1은 빙축열 냉방 시스템이 도시된 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 제빙장치를 구비한 열교환기가 도시된 내부 구성 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 기어 구동형 나선식 스크레이퍼가 도시된 상세도이다.

도 4는 본 발명에 따른 스크레이퍼가 도시된 상세도이다.

10 : 제빙기 20 : 열교환기

10 : 열교환기 20 : 케이스

21 : 유입실 21a : 유입구

25 : 배출실 26 : 배출관

30 : 제빙 튜브 40 : 기어 구동형 나선식 스크레이퍼

30 : 냉각관 40 : 스크레이퍼

41 : 종동 기어 42 : 노즐관 내주의 중공

45 : 스크레이퍼 51, 52 : 지지 플레이트

45 : 스크루블레이드 51,52 : 지지 플레이트

65 : 구동 기어

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 냉동사이클을 흐르는 냉매가스와 축열조의 축열수가 측면부와 상, 하단부를 각각 출입하는 밀폐된 중공형의 열교환기와; 상기 열교환기 내측 상,하부를 관통하도록 설치되어 냉매가스가 출입하는 증발실을 중간부에, 상기 축열조로부터 유입된 축열수가 통과하도록 상단부는 폐쇄되게 결합되고 하단부는 냉각된 축열수가 축열조로 배출되도록 되어 증발실내에 설치되는 냉각관과; 상기 냉각관 내부에 설치되어 축열수가 통과하는 중공의 노즐관; 상기 노즐관에 형성되어 노즐관을 관통하는 축열수를 냉각관 내부을 향해 유출시키는 노즐; 상기 노즐관 외주면에 길이 방향의 나선형으로 형성된 스크루블레이드; 상기 노즐관에 회전동력을 제공하는 구동모터로 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기(10)가 구비된 냉방 시스템의 회로도이다.

냉동 사이클은 압축기(1), 냉각탑(2), 팽창밸브(3), 열교환기(10), 압축기(1) 순으로 연결된 구조이다.

상기 열교환기(10) 출구에는 냉동사이클(100)을 순환하는 냉매가스와 열교환한 저온상태의 축열수를 강제로 이송시키는 슬러리펌프(4)가 연결되고, 상기 슬러리펌프(4) 출구에는 축열수를 일시적으로 저장하는 축열조(5)가 연결되며, 상기 축열조 (5) 출구측에는 축열수를 강제로 이송시키는 빙축수순환펌프(6)가 연결된다.또한 상기 빙축수순환펌프(6) 출구측에 온도조건에 따라서 유량을 조절하는 삼방밸브(7)가 연결되고, 상기 삼방밸브(7) 출구측에 상기 축열조(5)와 열교환기(10)를 함께 연결하고 있는 바이패스라인(7a)이 결합된다.또한 상기 삼방밸브(7)의 다른 출구측에 또 다른 바이패스라인(7a)이, 상기 축열조(5)와 열교환기(10)에 연결되어 있는 바이패스라인(7a)과는 병렬로 위치하면서 연결되는데, 이때 상기 바이패스라인(7a)에 열교환기(9)와 체크밸브(98)가 순차적으로 설치된다.이와 함께 상기 열교환기(9)에는 부하측열교환기(8)가 설치된다.

여기서, 상기 열교환기(9)와 바이패스 라인(7a)을 통과하면서 열교환기(10)로 유입되지 않은 잉여량은 스프레이 노즐(5a)을 통해 축열조(5)내에 분사되는데, 이때 슬러리 펌프(4)에 의해 축열조(5)로 유입된 미세한 얼음 조각을 온도가 상승한 상태에서 열교환기(9)로부터 이동하여 온 축열수가 해빙하게 된다.

도 2는 상기한 바와 같은 냉방 시스템에 구비되는 본 발명의 열교환기 내부 구조가 도시된 단면도이다.

본 발명의 열교환기(10)는, 냉동사이클(100)을 흐르는 냉매가스와 축열조(5)의 축열수가 측면부와 상, 하단부를 통하여 각각 출입하는 밀폐된 중공형의 케이스(20)와; 상기 케이스(20) 내측에 설치되어 냉매가 출입하는 증발실 (23)과 증발실에 상기 축열조(5)로부터 유입된 축열수가 통과하도록 상단부는 유입실에 연결되고 하단부는 냉각된 축열수가 축열조(5)로 배출되도록 증발실(23)을 관통하여 설치되는 냉각관(30)과; 상기 냉각관 내부에 설치되어 축열수가 통과하는 중공의 노즐관(43); 상기 노즐관에 형성되어 노즐관을 상부에서 하부로 통과하는 축열수를 냉각관 내부로 유출시키는 노즐(43a); 상기 노즐관 외주면에 길이 방향의 나선형으로 형성된 스크루블레이드(45); 상기 노즐관 및 노즐, 스크루블레이드를 포함하는 스크루 스크레이퍼(40)에 회전동력을 제공하는 구동모터(60)로 구성된다.본 발명의 또 다른 실시예로는 냉동사이클(100)을 흐르는 냉매가스와 축열조(5)의 축열수가 측면부와 상, 하단부를 통하여 각각 출입하는 밀폐된 중공형의 케이스(20)와; 상기 케이스(20) 내측에 설치되어 냉매가스가 출입하는 증발실 (23)과 증발실 상, 하부에 축열수가 출입하는 유입실(21)과 배출실(25)을 상부와 하부에 형성시키는 지지플레이트(51, 52)와; 상기 지지플레이트(51, 52) 각각에, 상단부는 유입실에 연결되고 하단부는 배출실(25)과 연결되도록 개방시켜 결합하면서 증발실(23)내을 관통하는 관 형상의 냉각관(30)과; 상기 냉각관(30) 내부에 상기 유입실(21)에 입구를 연계한 노즐관 내부의 중공(42)과 상기 중공(42)에 연결되며 냉각관(30) 내부 벽면을 향한 노즐(43)을 각각 내부에 관통 형성하면서, 지지플레이트(51)에 상단부를 회전되게 결합하는 노즐관(43)과; 상기 노즐관(43) 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되면서, 외주가 상기 냉각관(30) 내벽면에 밀착하여 슬립 결합되는 스크루블레이드(45)와; 상기 노즐관(43) 상단부에 설치되면서 열교환기(10)상에 장착되어 회전동력을 제공하는 구동모터(60)로 구성된다.

여기서, 상기 케이스(20) 내부 상, 하측에 각각 설치되는 상기 지지 플레이트(51)(52)에 의해, 상측으로부터 축열수가 유입되는 유입실(21), 냉매가 통과하는 증발실(23), 축열수가 배출되는 배출실(25)로 나누어질 수 있다.

상기 유입실(21)에는 케이스(20) 상부에 다수의 유입구(21a)가 형성되고, 또한 상기 구동 모터(60)의 축(61)이 위치한다.

상기 증발실(23)은 하측에 팽창 밸브(3)와 연결되어 냉매가스가 유입되는 유입관(23a)이 위치되고, 상측에는 압축기(1)와 연결되어 냉매가스가 배출되는 배출관(23b)이 위치된다.

또한, 상기 증발실(23) 내부벽에는 지그재그 방식으로 냉매 가스가 통과하도록 다수의 냉매유동 안내판(24)이 일정한 간격으로 설치된다.

상기 배출실(25)은 상기 냉각관(30)을 통과하면서 미세한 얼음 조각으로 변환된 축열수가 떨어지는 곳으로, 상기한 축열조(5)로 연결되는 배출관(26)이 설치된다.

이와같은 열교환기(10)의 유입실 상부에 구동 모터(60)가 설치되며, 상기 유입실(21) 내측으로 구동모터(60)의 축(61)이 연결되고, 상기 축(61)에 구동기어(65)가 상측 지지 플레이트(51) 상측에 위치하면서 결합된다.

그리고, 상기 다수개의 냉각관(30) 및 스크레이퍼(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 구동 모터(60)의 구동기어(65)를 중심으로 하여 유효피치에 맞추어 배열된다.

상기 각각의 스크레이퍼(40)를 구성하는 종동기어(41)는, 상기 구동기어(65)를 중심으로 하여 유효 피치에 맞추어 배열되는 동시에 치차 결합된다.

상기와 같이 설치되는 스크레이퍼(40)는 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 냉각관(30) 내부에 보다 작은 지름을 한 노즐관(43)이 봉 형상을 하면서 설치되는데, 이때 상기 노즐관(43) 상단부는 상기 케이스(20)의 내측 상부에 설치된 지지플레이트(51)에 회전되게 결합된다.그리고 상기 노즐관(43) 상단부에는 상기한 구동기어(65)에 치차 결합하는 종동기어(41)가 일체로 형성되면서 지지플레이트(51) 상부면에 위치한다.또한 상기 유입실(21)내로 이동하여 온 축열수가 배출실(25)로 이동할 수 있도록 안내하는 노즐관 내부의 중공(42)이, 입구를 상기 유입실(21)에 위치시키면서 종동기어 (41)와 노즐관(43)에 걸쳐 내부에 형성되고, 상기 노즐관(43)에는 축열수가 상기 냉각관(30) 내부벽면을 향하여 토출될 수 있도록 한 다수개의 노즐(43a)이 일정한 간격을 두면서 관통되어 형성된다.상기 노즐관(43) 외주에는 냉각관(30) 내부 벽면에 밀착하여 슬립 결합되면서 얼음을 긁어 주는 스크루블레이드(45)가 길이 방향을 따라 나선형을 이루며 형성된다.

그리고 상기 지지플레이트(51)상에 위치하는 다수개의 종동 기어(41)는 구동 기어(65)에 치차 결합되면서 연쇄적으로 회전할 수 있도록 동일한 유효 피치경으로 형성되고, 상기 노즐관(43)에는 중공(42)을 통하여 들어온 축열수가 냉각관(30) 내로 균일하게 분사될 수 있도록 다수개의 노즐(43a)이 일정한 간격으로 균일하게 형성되며, 상기 스크루블레이드(45)는 축열수가 냉각되어 과냉 또는 결빙에 의하여 유동성이 저하되어도 냉각관(30) 내벽을 회전하면서 계속 긁어 내려 축열수의 정체가 방지되도록 하면서, 전열효과가 극대화 될 수 있도록 나사식으로 형성한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 냉동사이클(100)이 작동하면 냉매가스는 상기 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3), 열교환기(10), 압축기(1) 순으로 순환하게 된다.상기와 같이 순환하는 냉매가스는 유입관(23a)을 통해 열교환기(10) 내부로 유입되면서 증발하게 되고, 동시에 상기 냉매가스는 냉매유동 안내판(24)을 따라 지그재그로 유동하면서 이동하여, 상기 냉각관(30)을 통과하는 축열수의 열에너지를 흡수하면서 배출관(23b)으로 이동한다.

한편 상기 빙축수순환펌프(6)가 작동하면서 축열수를 축열조(5)로부터 이동시키게 되는데, 상기와 같이 이동하는 축열수는 삼방밸브(7)을 통과하면서 일부는 열교환기를 통과하며 일부는 바이패스라인(7a)을 따라 이동하고 다시 합류하여, 상기 열교환기(10)로 일부 축열수가 이동하고, 일부 축열수는 축열조 상부의 노즐(5a)을 통하여 축열조(5) 내부로 분사된다.또한 상기 삼방밸브(7)를 통과한 일부 축열수는, 상기 열교환기(9)와 체크밸브(98)를 순차적으로 지나면서 상기와 같이 축열조(5)와 열교환기(10)로 이동한다.이때 상기 열교환기(9)를 통과하는 축열수는 부하측 열교환기(8)를 흐르는 냉수와 열교환하게 되어, 온도가 상승한다.상기와 같이 열교환기(10)로 이동하여 하여 온 축열수는 유입구(21a)를 통하여 상기 노즐관(43)에 형성된 중공(42)과 노즐(43a)을 순차적으로 통과하면서 냉각관(30) 내부 벽면에 분사된다.이때 상기 냉각관(30) 내부 벽면은 상기 증발실(23)을 통과하는 냉매가스에 의해 저온으로 냉각된 상태이므로, 상기 축열수는 냉각관(30) 벽면에 결빙된다.상기와 같은 상태에서 구동모터(60)가 작동하면 동력은 구동기어(65)에 연계되어 치차 결합하고 있는 다수개의 종동기어(41)를 동시에 회전시키게 되며 따라서 상기 종동기어(41)를 일체로 형성하고 있는 노즐관(43)과 스크루블레이드(45)가 함께 회전하게 되는데, 이로 인해 상기 스크루블레이드(45)가 냉각관 (30) 내부 벽면에 결빙된 축열수를 작은 얼음 조각으로 분쇄시키면서 긁어내려 배출실 (25)로 낙하시킨다.계속하여 상기 얼음조각이 포함된 축열수는 슬러리펌프(4)에 의해 축열조(5)로 이동하게 된다.이때 상기 온도가 상승한 상태에서 바이패스라인(7a)을 통하여 이동하여 온 축열수가, 상기 얼음조각이 포함된 축열수와 혼합하여 온도가 하강한 상태에서 재차 상기 빙축수순환펌프(6)에 의해 전술한 바와 같이 동일하게 순환하게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기는, 스크루 스크레이퍼를 통해 축열수를 냉각시키면서 긁어내리기 때문에 소음 및 진동을 줄임은 물론 다수개의 냉각관이 수직으로 설치되어 있는 구조로 구성되므로 열교환 면적을 최대한 확보할 수 있으며 제빙 효율을 극대화시킬 수 있고, 또한 전체 시스템 성적계수를 향상 시킬 수 있는 잇점을 제공하게 된다.이와 함께 본 발명은 구동 기어를 통해 다수의 종동 기어를 연쇄적으로 회전시켜 구동하기 때문에 동력전달의 안정성을 확보할 수 있는 동시에 내구성 향상을 기대할 수 있는 잇점도 함께 제공하게 된다.

Claims

냉동사이클을 흐르는 냉매가스와 축열조의 축열수의 열교환을 위한 열교환기로서, 냉매가스가 통과하는 증발실, 상기 축열조로부터 축열수가 유입되는 유입실, 상기 유입실로부터 유입된 축열수가 통과하도록 상단부는 유입실과 연결되고 하단부는 냉각된 축열수가 축열조로 배출되도록 되어 증발실내에 설치되는 냉각관으로 구성되는 밀폐된 중공형의 열교환기에 있어서,

상기 냉각관 내부에 설치되어 축열수가 통과하는 중공의 노즐관;

상기 노즐관에 형성되어 노즐관을 관통하는 축열수를 냉각관 내부을 향해 유출시키는 노즐;

상기 노즐관 외주면에 길이 방향의 나선형으로 형성된 스크루블레이드;

상기 노즐관에 회전동력을 제공하는 구동모터;

로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 2 항에 있어서,

상기 스크루블레이드는 외주가 상기 냉각관 내벽면에 밀착하여 슬립 결합되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 구동모터의 축에 구동기어가 결합되고, 상기 구동기어에 상기 스크레이퍼 상부에 구성된 종동기어가 치차 결합한 것을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 열교환기 내부 벽면에 냉매유동안내판이 설치됨을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 6 항에 있어서,

상기 열교환기 내부 벽면에 냉매유동안내판이 설치됨을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 2 항, 제 4 항 및 제 9 항중 어느 하나에 있어서,

상기 노즐관으로부터 냉각된 축열수가 배출실을 통하여 축열조로 유출되는 것을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 6 항에 있어서,

상기 노즐관으로부터 냉각된 축열수가 배출실을 통하여 축열조로 유출되는 것을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.
제 8 항에 있어서,

상기 노즐관으로부터 냉각된 축열수가 배출실을 통하여 축열조로 유출되는 것을 특징으로 한 냉각시스템에 있어서 제빙장치용 열교환기.