KR100356627B1 - 암모니아냉동장치 - Google Patents

Abstract

보다 안전성의 향상이 도모되고, 고효율로 소형화된 암모니아냉동장치를 얻는다. 냉매로 암모니아를 사용하고, 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3), 증발기 (4)가 배관으로 접속된 암모니아냉동사이클을 가지는 암모니아냉동장치에 있어서, 압축기(1)와 압축기(1)를 구동하는 전동기(11)를 내장하여 냉매가 유통하는 케이싱(13)과； 알루미늄배선으로 된 전동기(11)의 고정코일과； 케이싱(13)내에서 압축되고, 그후 증발기(4)로 증발되는 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 구비한다.

Description

암모니아냉동장치{AMMONIA REFRIGERATOR}

본 발명은 오존층파괴, 지구온난화, 이산화탄소증가 등의 환경문제에 대응하기 위하여 냉매에 암모니아를 사용한 냉동장치에 관한 것으로, 특히 쇼케이스(show case), 프리저(freezer), 자동판매기, 냉각저장장치, 제빙기 등 냉동장치, 극저온냉동장치 등에 가장 적합하다.

암모니아를 냉매로 사용하는 냉동사이클의 압축기에 관해서는 압축기와 모터가 샤프트로 연결된 개방형으로 하고, 또는 모터의 고정자(스테이터)를 캔이라 부르는 벽과 회전자(로터)사이를 띄워서 암모니아냉매와 스테이터코일의 접촉을 방지하고 있다.

개방형압축기는 압축기의 외부에서 전동기와 연결장치로 직접 연결하기 때문에 장치로서는 대형화함과 동시에 현지에서의 중심내기 작업이 필요하게 된다. 또 압축기측에 축봉장치를 필요로 하기 때문에, 축봉장치의 시일부(seal portion)로부터의 냉매 및 냉동기오일누출이 염려되고, 안전성의 면에서도 개선을 도모할 필요가 있었다.

또 캔을 사용한 것에서는 구조가 복잡화하는 데다가 효율이 저하한다. 따라서 압축기를 밀폐식으로 하여 스테이터코일을 암모니아에 견딜 수 있는 알루미늄으로 코팅하는 것이 일본국 특개평l0-l41226호 공보에, 회전자가 되는 「바구니형」코일을 알루미늄선으로 하는 것이 일본국 특개평10-112949호 공보에 기재된 바와 같이 알려져 있다.

또한 암모니아냉매 냉동장치로서 보조유체를 사용하여 전기적 절연성을 향상함과 함께 냉동장치로서의 효율을 향상하는 것이 일본국 특개평10-274447호 공보에 기재되어 있다.

상기 공보에 기재된 것은 암모니아냉매를 사용한 경우의 압축기, 또는 압축공정에서의 누출 등에 대한 안전성, 부식 등을 고려한 것이나, 암모니아냉동장치로서는 단지 압축기구부 뿐만 아니라, 냉동장치로서 소형화, 고효율운전, 안전성의 향상을 더욱 도모할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 더욱 안전성의 향상이 도모되고 고효율로 소형화된 암모니아냉동장치를 제공하는 데 있다.

또 본 발명의 다른 목적은 냉동사이클을 간소화함과 동시에 냉매시일드량을삭감하여 냉동능력의 증가, 소비전력의 감소 등을 도모하여 에너지절약으로 하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아냉동사이클의 사이클계통도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 빙축열식 공조장치의 사이클계통도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 압축기의 구조를 나타내는 단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 사시도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 냉매에 암모니아를 사용하여 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 배관으로 접속된 암모니아냉동사이클을 가지는 암모니아냉동장치에 있어서, 압축기와 압축기를 구동하는 전동기를 내장하여 냉매가 유통하는 케이싱과; 알루미늄전선으로 된 전동기의 고정자코일과; 케이싱내에서 압축되어 그후 증발기로 증발되는 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 구비한 것이다.

암모니아냉동사이클에 있어서, 전동기의 고정자코일을 알루미늄전선으로 하기 때문에, 캔 등을 사용하지 않더라도 암모니아에 의하여 부식될 염려가 없어지고, 구조도 단순화한다. 그리고 효율도 저하하는 일이 없다. 또한 암모니아냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 이용하여 공기조화, 냉동 등을 행하기 때문에 피공기조화부, 피냉동부에서는 더욱 안전성이 향상하고, 냉매시일드량도 삭감할 수 있다.

상기에 있어서 증발기는 복수매의 플레이트가 적층되는 플레이트식 열교환기로 하고 압축기의 용량을 제어하는 인버터구동장치를 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 냉매로 암모니아를 사용하여 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 배관으로 접속되어 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 가지는 냉동사이클을 구비한 암모니아냉동장치에 있어서, 압축기를 구동하는 전동기의 코일을 알루미늄전선으로 하고, 압축기로 압축되어 그후 증발기로 증발되는 암모니아에 의하여 브라인이 냉각되고, 빙축열운전에 있어서 브라인이 축열조에 공급되어 내부의 물이제빙되고, 축열조에서 냉각된 냉수가 냉수용 펌프로 이송되는 것이다.

암모니아냉동사이클에 있어서, 전동기의 코일을 알루미늄전선으로 하기 때문에 암모니아에 의하여 부식될 염려가 없어지고, 구조도 단순화할 수 있으며 효율도 저하하는 일이 없다. 또한 암모니아냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 이용하여 냉각된 냉수가 냉수용 펌프로 이송됨으로써 실내의 공기조화가 행하여지기 때문에 실내에는 암모니아가 누출되는 일 없이 더 한층 안전성이 향상된다. 또한 야간전력을 사용하여 축열운전함으로써 전력수요의 평준화가 촉진되고, 오존층파괴, 지구온난화, 이산화탄소증가 등의 환경문제에 대응하는 데 적합한 것으로 된다.

또한 본 발명은 냉매로 암모니아를 사용하여 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 배관으로 접속되어 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 가지는 열원기를 구비한 암모니아냉동장치에 있어서, 전동기의 코일이 알루미늄전선으로 된 압축기와; 브라인이 공급되는 축열조와; 축열조에서 냉각된 냉수를 이송하는 냉수용 펌프를 구비한 것이다.

또한 본 발명은 냉매로 암모니아를 사용하여 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 배관으로 접속되어 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 가지는 냉동사이클을 구비한 암모니아냉동장치에 있어서, 전동기의 코일이 알루미늄전선으로 된 압축기와; 브라인이 공급되는 축열조와; 축열조에서 냉각된 냉수를 실내로 이송하는 냉수용 펌프와; 실내에서 공기조화를 행한 냉수를 브라인과 열교환하는 브라인/수열교환기와; 브라인/수열교환기로 냉각된 예냉수와 축열조에서 냉각된 냉수를 혼합하는 삼방밸브를 구비한 것이다.

브라인에 의하여 축열조에서 냉각된 냉수가 실내로 이송되고, 실내에서 공조가 행하여진 냉수가 브라인/수열교환기로 냉각되어 예냉수로 되어 축열조에서 냉각된 냉수와 혼합되기 때문에 구조가 간단함과 함께, 실내에 공급되는 냉수는 일정온도로 되어 여분의 능력을 소비하는 일 없이 공조가 고효율로 된다. 따라서 냉매시일드량이 삭감되고 냉동능력이 증가하여 소비전력의 감소가 도모된다.

또한 본 발명은 냉매로 암모니아를 사용하여 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 배관으로 접속되어 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 가지는 냉동사이클을 구비한 암모니아냉동장치에 있어서, 압축기를 구동하는 전동기의 코일을 알루미늄전선으로 하고, 빙축열운전의 경우, 냉동사이클로 냉각된 브라인이 축열조에 공급되어 제빙되고, 냉방운전의 경우 실내로부터 되돌아오는 냉수는 브라인으로 예냉되어 분기되고, 분기된 한쪽과 축열조에서 더욱 냉각된 다른쪽과 혼합되어 실내로 이송되는 것이다.

상기의 것에 있어서 증발기는 복수매의 플레이트가 적층되는 플레이트식 열교환기로 하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 일 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 암모니아냉동사이클의 사이클계통도를 나타내며, 도면에 있어서 응축기(2)는 공냉식으로 한 경우를 나타내고 있으나, 수냉식응축기로 하여도 좋다. 압축기(1)로 암모니아가스는 압축되고, 고온고압의 가스로 되어 응축기(2)내에서 냉각수 또는 공기에 의하여 냉각되어 응축액이 된다. 이 응축액이 주팽창밸브(3)로 팽창되어 저압의 습윤가스로 되어 증발기가 되는 플레이트식 열교환기(4)내에서 피냉각물인 브라인 또는 물의 냉각작용을 행한 후, 압축기(l)로 흡입된다.

공조용도로 사용하는 경우, 플루오로카본(22)의 특성상, 암모니아보다도 약 10%정도 냉동능력이 감소하기 때문에, 냉각열량당의 소비전력이 증대한다. 이에 따라 발전시에 발생하는 이산화탄소도 증가하여, 더욱 지구온난화에 영향을 주게 된다.

냉매에 플루오로카본(22)을 사용한 냉동장치에서는 공조용도로 사용하는 경우, 암모니아와 비교하여 냉동능력은 감소한다. 또 플루오로카본(22)에서는 오존파괴계수(ODF) 및 지구온난화계수(GWP)도 높아, 지구환경의 점에서도 자연냉매이며, 오존층파괴, 지구온난화에 영향을 주지 않는 암모니아냉매로의 변환이 급선무이다. 또 상기한 개방형 압축기를 사용한 암모니아냉동장치에서는 장치로서의 대형화, 현지에서의 중심내기 작업, 축봉장치로부터의 냉매누출, 현지 메인티넌스작업의 필요성 등이 있었다.

도 4는 플레이트식 열교환기(4)의 브라인출입구의 구조를 나타내는 사시도 이며, 브라인은 플레이트식 열교환기의 상부입구로부터 유입한다. 암모니아냉매가 증발함으로써 브라인은 상부로부터 하부를 향하여 흘러 가는 사이에 냉각되어 하부출구보다 온도가 내려간 상태로 배출된다.

암모니아는 강한 취기가 있고 그 누출을 막는 것이 요구된다. 그리고 압축기를 완전밀폐식 또는 반밀폐식으로 하는 것이 바람직하며, 또한 열전도관, 냉매배관에 동 및 동합금을 사용할 수는 없어 철관, SUS(스테인레스)관, 알루미늄관으로 하는 것이 좋다.

도 3은 반밀폐형의 압축기(1)를 나타내며, 흡입부로부터 흡입된 암모니아냉매는 전동기(11)의 고정자(스테이터)와 회전자(로터)에 의하여 동일케이싱(13)내의 스크류로터(12)(또는 스크롤)를 회전한다. 스크류로터(12)(또는 스크롤)에 의하여 압축된 암모니아냉매는 토출부로부터 토출된다.

전동기의 고정자코일을 알루미늄전선으로 하기 때문에, 암모니아에 의하여 부식될 염려가 없어지고 내압강도구조가 필요한 캔도 불필요하게 된다. 또 캔에 의한 5∼7% 정도의 효율저하도 방지할 수 있다. 또한 알루미늄전선의 전기저항은 동선의 1.6배가 되나, 전동기의 용적을 1.2∼l.4배(1.25배가 바람직하다)로 하고, 시동전류도 1.2∼1.4배(1.25배가 바람직하다)로 한다.

또 암모니아냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 이용하여 공기조화, 냉동 등을 행하기 때문에 피공기조화부, 피냉동부에서는 더욱 안전성이 향상하고, 냉매시일드량도 삭감할 수 있다. 그리고 증발기는 복수매의 플레이트가 적층되는 플레이트식 열교환기(4)로 함으로써 암모니아로 된 냉매의 사용량도 적게 할 수 있다. 또한 인버터구동장치로 압축기의 용량을 브라인의 유량에 따라 제어하면 냉매시일드량을 삭감한 것에 기인하는 열교환기내에서의 동결을 방지할 수 있어 신뢰성을 향상할 수 있다.

또 압축기의 베어링 등의 윤활을 행하는 냉동기오일은 암모니아와 상용성이 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 암모니아가 용해되는 합성오일인 암모니아용 PAG 또는 폴리에스테르계의 합성오일로 하는 것이 좋고, 또한 건식시스템으로 자동운전으로 하는 것이 바람직하다.

또한 암모니아냉동장치로서는 냉동기오일이 암모니아를 용해하지 않고, 2상 분리상태인 경우는 오일리턴의 관점에서 탱크의 하부에 분리된 오일이 고여 뽑아냄이 용이한 로우리시버방식이 좋다.

도 2는 상기에서 설명한 냉동장치를 사용하여 빙축열식 공조장치를 구성한 경우의 사이클계통도를 나타내며, 열원기(5)가 냉동사이클을 구성하는 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3), 증발기(4)를 가지는 냉동장치이다.

야간의 빙축열운전의 경우는 열원기(5)를 운전하여 열원기(5)내의 증발기(4)에 의하여 냉각된 브라인은 변환밸브(6a)를 거쳐 빙축열조(7)에 공급되고, 빙축열조(7)내에서 조내 냉수의 냉각을 행한다. 이에 따라 브라인의 온도는 상승하기 때문에 다시 증발기(4)내에서 냉각되고, 온도가 내려간 브라인은 축열조(7)를 향하고, 축열조(7)내의 냉수를 제빙하여 간다.

주간의 냉방운전에 있어서는, 빙축열식 공조장치(14)로 냉각된 7℃의 냉수를 공조기(8)내로 보내어 실내의 공조를 행한다. 이에 따라 냉수온도는 12℃까지 상승하여 빙축열식 공조장치(14)로 되돌아간다. 되돌아온 냉수는 브라인/수열교환기 (9)로 열원기(5)의 증발기(4)로 냉각된 브라인과의 열교환에 의하여 9.5℃까지 예냉된다.

예냉된 물은 분기되어 한쪽은 축열조(7)내를, 다른쪽은 삼방밸브(10)를 향한다. 축열조(7)에 들어 간 예냉수는 축열조(7)내의 얼음과 열교환되어 4℃까지 온도를 내린다. 그리고 축열조(7)의 출구에 있는 삼방밸브(10)로 축열조(7)에서 4℃까지 냉각된 물과, 분기된 9.5℃의 예냉수가 혼합되어 일정온도 7℃의 냉수로 된다. 7℃의 냉수는 냉수용 펌프(15)로 공조기(8)로 보내여져 실내의 공조를 행한다.

이상, 암모니아를 냉매로 한 냉동사이클을 가지는 냉동장치에 있어서, 냉매에 플루오로카본을 사용하고 있던 냉동장치와 비교하여, 증발온도 -10℃부근의 운전조건에서는 냉동능력을 약 10% 향상시키는 것이 가능하다. 압축기에 있어서도 동선을 사용한 전동기의 경우보다도 약간의 소비전력의 증가는 있으나, 냉동장치로서의 성적계수는 전체에서 5% 향상되어, 고효율의 운전이 가능하게 된다.

또 반밀폐구조의 압축기를 사용하기 때문에, 현지에서의 중심내기 작업이나 전동기의 그리스업(grease up)은 불필요하게 되어 축봉장치로부터의 냉매누출을 회피할 수 있다. 또 장치로서 소형화되어, 저메인티넌스화, 안전성의 향상을 도모할 수 있다.

빙축열식 공조장치의 경우에서는 외기온이 낮은 야간에 축열운전을 행함으로써 응축압력의 저하에 의한 소비전력의 저감, 고효율운전이 가능하게 되기 때문에, 주간에만 운전한 경우보다도 소비전력을 낮게 억제할 수 있어 지구온난화에 대한 영향을 더욱 내릴 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 전동기의 고정자코일을 알루미늄전선으로 하였기 때문에, 구조도 단순화되고, 효율도 저하하는 일이 없다. 또한 암모니아냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 이용하기 때문에 더욱 안전성의 향상이 도모되어 고효율로 소형화된 암모니아냉동장치를 얻을 수 있다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 냉매에 암모니아를 사용하고, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 배관으로 접속하고, 상기 압축기에서 압축되고, 그 후에 상기 증발기에서 증발되는 상기 냉매에 의하여 냉각되는 브라인을 가지는 암모니아냉동장치에 있어서,

   완전 밀폐식 또는 반밀폐식이 되도록 압축기를 구동하는 전동기를 내장한 케이싱과, 상기 냉매가 유통하고 알루미늄전선으로 된 상기 전동기의 고정자권선을 가진 상기 압축기와;

   복수매의 플레이트가 적층되는 플레이트식 열교환기로 이루어지고, 상기 브라인이 상부 입구로부터 유입하여 하부를 향하여 흘러 가는 상기 증발기와;

   상기 압축기의 용량을 제어하는 인버터구동장치를 구비하고,

   고정자권선에 구리선을 사용한 것에 비하여 상기 전동기의 용적 및 시동전류는 1.2배 내지 1.4배가 되고, 상기 압축기의 용량은 상기 브라인유량에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 암모니아냉동장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 브라인이 공급되는 축열조와, 상기 축열조에서 냉각된 냉수를 이송하는 냉각수 펌프를 구비한 것을 특징으로 하는 암모니아냉동장치.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 브라인이 공급되는 축열조와, 상기 축열조에서 냉각된 냉수를 실내로 이송하는 냉수펌프와, 상기 실내에서 공기조화를 행한 냉수를 상기 브라인과 열교환하는 브라인/수열교환기와, 상기 브라인/수열교환기에서 냉각된 예냉수와 상기 축열조에서 냉각된 냉수를 혼합하는 3방밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 암모니아냉동장치.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 브라인이 공급되는 축열조와, 상기 축열조에서 냉각된 냉수를 실내로 이송하는 냉수펌프와, 상기 실내에서 공기조화를 행한 냉수를 상기 브라인과 열교환하는 브라인/수열교환기를 구비하고,

    냉방운전의 경우, 상기 실내로부터 되돌아가는 냉수는 상기 브라인/수열교환기에서 예냉되어 분기되고, 분기된 한쪽과 상기 축열조에서 더욱 냉각된 다른쪽과 혼합되어 실내로 이송되는 것을 특징으로 하는 암모니아냉동장치.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 냉수는 상기 브라인/수열교환기에서 9.5℃까지 예냉되고, 상기 축열조에서 4℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 암모니아냉동장치.