KR100360904B1 - 공기조화기의 냉동사이클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기의 냉동사이클에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제2수액기에서 분리된 기체냉매가 귀환유로를 통해 2단압축부로 배출됨에 따라 순수 액체냉매가 제2팽창밸브로 유입되므로 증발기에서의 증발잠열을 최대한 확장시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 이를 해결하기 위한 것으로, 냉동사이클을 이루는 응축기(12)와 제1팽창밸브(14a) 사이의 냉매라인에 마련되며 상기 응축기(12)에 의해 응축된 순수 액체냉매만이 제1팽창밸브(14a)로 유입시키는 제1수액기(20a); 상기 제1팽창밸브(14a)에 의해 교축 팽창시켜 저온저압으로 된 액체 및 기체의 냉매로 분리시키고 이 냉매중 순수 액체냉매만을 제2팽창밸브(14b)로 유입시키는 제2수액기(20b); 이 제2수액기(20b)의 내부에서 분리된 기체냉매를 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 귀환시키도록 상기 제2수액기(20b)와 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부가 유통되게 연결된 귀환유로(24);가 구비된 것을 요지로 한다.

Description

공기조화기의 냉동사이클{refrigerating cycle of air conditioner}

본 발명은 공기조화기의 냉동사이클에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제2수액기에서 분리된 기체냉매가 귀환유로를 통해 2단압축부로 배출됨에 따라 순수 액체냉매가 제2팽창밸브로 유입되므로 증발기에서의 증발잠열을 최대한 확장시킬수 있는 공기조화기의 냉동사이클에 관한 것이다.

일반적으로, 공기조화기는 냉매의 상변환을 이용하여 실내공기의 온도를 조절하여 쾌적한 환경을 만들어주는 것으로서, 이와 같은 냉매의 상변환은 폐쇄된 사이클에 의해 냉매를 순환시킴으로써 열을 흡수하거나 방출하도록 함으로써 그 목적에 따라 냉동사이클과 열펌프로 나눌 수 있다.

이러한 공기조화기의 냉동사이클은 냉매를 소정의 압력으로 압축하는 압축기, 이 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각시켜 응축시키는 응축기, 이 응축기에 의해 응축된 냉매를 교축 팽창시키는 팽창밸브, 이 팽창밸브에 의해 교축 팽창된 냉매를 기화시켜 외부의 열을 빼앗아 가는 증발기, 상기 밸브들이 폐사이클을 이루도록 냉매라인에 의해 순차적으로 연결된 것이다. 상기 응축기와 증발기의 외부에는 각각 송풍기가 마련된 것이다.

상기와 같은 공기조화기의 냉동사이클에서 증발기를 통과한 기체상태의 냉매는 압축기로 유입되어 압축되면서 고온고압으로 되고, 상기 압축기로부터 응축기로 유입되는 냉매는 외부의 송풍기에 의해 방열 냉각되면서 고압의 액체상태로 변하게 된다. 상기 응축기를 통과한 고압의 냉매는 팽창밸브에 의해 교축 팽창되면서 급격히 온도와 압력이 떨어져서 저온저압의 액체와 기체가 혼합되어 있는 상태가 된다.

상기 팽창밸브에서 저온저압으로 된 냉매가 증발기로 유입되어 통과하는 동안 증발에 따른 기화잠열로 인해 주위 공기의 열을 흡수함으로써 냉기를 생산하고 이렇게 생산된 냉기를 송풍기에 의해 실내로 공급하여 쾌적한 실내온도 및 습도를 유지시킨다.

상기 증발기로 유입된 냉매는 이를 통과하는 동안 기체상태의 냉매로 증발하면서 증발기 주위의 실내공기가 갖고 있는 열을 흡수하여 증발기주위의 온도는 낮추고 이와 같이 주위의 열을 흡수함에 따라 증발기 내부의 냉매는 상 변화를 일으키며 기체상태의 냉매로 된다. 이렇게 증발기에서 기체상태로 된 냉매는 압축기로 보내져서 다시 압축되는 과정을 반복 순환하는 폐 사이클이다.

이러한 일반적인 냉동사이클의 성능을 향상시킨 것으로 본 출원인이 선출원한 특허출원 제99-29649호에 기재되어 있는데, 이 선출원은 도 1에 나타낸 바와 같이, 냉동사이클을 이루는 응축기(12)와 증발기(16) 사이의 냉매라인(18)에 마련되며 냉매를 2단에 걸쳐 팽창시키는 제1,제2팽창밸브(14a,14b); 상기 제1팽창밸브 (14a)에 의해 교축 팽창됨에 따라 액체냉매중의 기체냉매를 분리시키도록 상기 제1팽창밸브(14a) 후방의 냉매라인(18)에 마련되는 제1수액기(20a); 이 제1수액기 (20a)의 내부에서 분리된 기체냉매를 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 귀환시키도록 상기 제1수액기(20a)와 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부가 유통되게 연결된 귀환유로(24); 상기 제2팽창밸브(14b)에서 교축팽창된 냉매의 증발잠열을 최대로 확장시키도록 제2팽창밸브(14b)와 증발기(16) 사이의 냉매라인(18)에 마련되는 제2수액기(20b);가 구성된 것이다.

상기와 같은 선출원의 냉동사이클은 그 냉매라인을 따라 순환되는 냉매를 2단 압축하고 2단 팽창시켜 냉동사이클이 고효율로 작동하도록 함과 동시에 제1팽창밸브를 통과한 저온저압의 가스냉매의 일부를 귀환유로를 통해 2단 원심압축기의 2단 압축부로 보내어 그 내부의 냉매온도를 낮출 수 있고 이와 같이 냉매온도가 낮은 상태에서 압축하기 때문에 압축효율을 높일 수 있었다.

그러나 이러한 선출원의 냉동사이클에 있어서는 제2팽창밸브에 의해 교축 팽창된 냉매가 제2수액기를 통해 증발기로 유입되기 때문에 제2수액기에서 기체와 액체상태로 분리되었던 기체냉매가 액체냉매로 혼합되게 되었으며, 이로 인하여 증발효과가 떨어지고 냉방성능의 향상을 꾀할 수 없는 문제점이 있었다.

또한 응축기(12)에서 충분히 응축되지 못한 기체 및 액체냉매가 제1팽창밸브로 유입되게 되므로 이로 인하여 응축 및 증발효과가 떨어지고 냉방성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 개발한 것으로서, 제1팽창밸브에 의해 저온저압으로 된 기체냉매가 제2수액기에서 분리되어 귀환유로를 통해 2단 원심압축기의 2단압축부로 공급됨으로써 압축효율이 개선되며, 제2수액기에서 분리된 순수 액체냉매가 제2팽창밸브로 유입되므로 증발기에서의 증발잠열을 최대한 확장시키고 이로 인한 냉방성능의 향상과 효율향상을 꾀할 수 있는 공기조화기의 냉동사이클을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 공기조화기의 냉동사이클을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 공기조화기의 냉동사이클을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 냉동사이클의 압력-엔탈피 선도를 보인 도면이다.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

10: 2단 원심압축기 12: 응축기

13,17: 송풍기 14a,14b: 제1,제2팽창밸브

16: 증발기 18: 냉매라인

20a,20b: 제1,제2수액기 22: 인버터

24: 귀환유로 26: 유량제어밸브

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 응축기와 증발기 사이의 냉매라인에 냉매를 2단에 걸쳐 팽창시키는 제1,제2팽창밸브가 구비된 공기조화기의냉동사이클에 있어서, 상기 응축기와 제1팽창밸브 사이의 냉매라인에 마련되며 상기 응축기에 의해 응축된 순수 액체냉매만이 제1팽창밸브로 유입시키는 제1수액기; 상기 제1팽창밸브에 의해 교축 팽창시켜 저온저압으로 된 액체 및 기체의 냉매로 분리시키고 이 냉매중 순수 액체냉매만을 제2팽창밸브로 유입시키는 제2수액기; 이 제2수액기의 내부에서 분리된 기체냉매를 2단 원심압축기의 2단 압축부로 귀환시키도록 상기 제2수액기와 2단 원심압축기의 2단 압축부가 유통되게 연결된 귀환유로;가 부가됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명의 냉동사이클은 도 2에서 나타낸 바와 같이, 기체냉매를 2단으로 압축시키는 2단 원심압축기(10); 이 2단 원심압축기(10)에 의해 압축된 기체냉매를 냉각시켜 액체냉매로 응축시키는 응축기(12); 이 응축기(12)에 의해 응축된 액체냉매를 액체의 냉매로 만들어주는 제1수액기(20a); 이렇게 응축된 액체냉매를 교축 팽창시키는 제1팽창밸브(14a); 이 제1팽창밸브(14a)에 의해 팽창된 냉매를 기체냉매와 액체냉매로 분리시키는 제2수액기(20b); 이 제2수액기(20b)에 의해 포화액 상태로 된 액체냉매만을 교축 팽창시키는 제2팽창밸브(14b); 이 제2팽창밸브(14b)에 의해 팽창된 냉매를 증발시켜 냉기를 얻도록 열 교환시키는 증발기(16);로 구성된다.

그리고 상기 구성요소들은 각각 냉매라인(18)을 통해서 하나의 폐 사이클을 이루도록 연결되어 있고 상기 응축기(12)와 증발기(16)에는 용이한 열 교환을 수행할 수 있도록 각각 송풍기(13,17)가 마련되어 있다. 상기 응축기(12)와 증발기(16)의 송풍기(13,17)는 그 회전속도를 제어할 수 있도록 하는 인버터를 마련할 수도 있다.

상기 제2수액기(20b)와 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부에는 제2수액기 (20b)의 내부에서 분리된 기체냉매를 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 귀환시키도록 유통되게 연결된 귀환유로(24)가 형성되어 있고 이 귀환유로(24)에는 외기조건에 따라 냉동능력을 조절할 수 있도록 유량을 제어하는 유량제어밸브(26)가 마련되어 있다.

상기 제2수액기(20b)는 제1팽창밸브(14a)에 의해 교축 팽창된 냉매를 액체냉매와 기체냉매로 분리시키고 이렇게 분리된 냉매중의 기체냉매만을 귀환유로(24)를 따라 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 보낸다.

상기 2단 원심압축기(10)에는 그 구동원인 모터의 회전속도를 제어할 수 있도록 인버터(22)가 전기적으로 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 공기조화기의 냉동사이클은 2단 원심압축기(10)의 모터가 구동됨에 따라 증발기(16)로부터 2단 원심압축기(10)의 1단 압축부로 기체냉매를 흡입하게 된다. 이렇게 2단 원심압축기(10)의 1단 압축부로 흡입되는 기체냉매는 1단 압축부에서 압축되고 이렇게 압축된 냉매는 2단 원심압축기 (10)의 내부유로를 통해 그 다른 끝단의 2단 압축부로 통과하면서 모터를 냉각시킨다.

본 발명의 사이클에 적용되는 냉매는 환경친화성의 저압냉매로서, CH계열이나 HFC계열이 사용된다.

이렇게 2단 원심압축기(10)가 구동됨에 따라 발생되는 열은 1단 압축부에서 압축된 기체냉매가 내부유로를 통과하면서 식혀지게 된다. 이때, 2단 원심압축기 (10)는 외기 조건이나 공조기의 운전조건에 따라 인버터(22)를 조작하여 그 모터의 회전속도를 분당 3600∼60000에 이르기까지 무단으로 변속할 수 있다.

이러한 과정을 통해 기체냉매의 온도가 상승된 상태로 2단 압축부로 흡입된 기체냉매는 제1팽창밸브(14a)에서 교축 팽창된 저온의 기체냉매 일부가 제2수액기 (20b)에서 귀환유로(24)를 통해 유입되어 혼합되기 때문에 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부의 냉매온도를 낮추게 된다. 이때, 상기 2단 압축부의 온도에 따라 귀환유로(24)의 유량제어밸브(26)를 조절하여 압축성능의 향상을 위한 최적온도로 제어할 수 있다.

이와 같이 귀환유로(24)의 유량제어가 가능하므로 보조응축기 없이도 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부의 냉매온도를 제어할 수 있으므로 냉방능력 및 효율의 향상을 꾀할 수 있게 된다.

이렇게 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 유입된 기체냉매는 다시 2차로 압축되어 고온고압으로 되며, 이렇게 2단 압축된 기체냉매는 응축기(12)로 보내어지고 그 외부의 송풍기(13)에 의해 열 교환되어 냉각 응축되기 때문에 고압의 액체냉매로 된다. 이때의 액체냉매는 대부분의 액상냉매와 일부의 기체냉매가 혼합되어 있는 상태이다.

이와 같이 응축된 액체냉매는 제1수액기(20a)로 보내어지고 이 제1수액기(20a)에서 기체냉매를 분리시켜 최대한 액체냉매만이 제1팽창밸브(14a)로 보낸다. 이와 같이 액체상태의 냉매를 교축 팽창시키는 이유는 도 3의 압력-엔탈피 선도에서 알 수 있듯이, 증발효과를 최대화시킬 수 있기 때문이다.

다시 말해서, 포화수선상의 A점(액체 및 기체가 공존하는 상태)에서 교축 팽창시키는 것보다 A′점(액체상태)에서 교축 팽창시키는 것이 증발효과가 증대되고 냉동능력 및 효율의 향상을 가져오게 된다.

상기 제1팽창밸브(14a)에서 교축 팽창되어 저온저압으로 된 냉매는 제2수액기(20b)로 유입되게 되고 이 제2수액기(20b)에서는 저압으로 낮춰짐에 따라 기화된 냉매가 기체 및 액체상태의 냉매로 분리되게 된다.

이렇게 상분리된 냉매중의 기체냉매는 귀환유로(24)를 통해 상기에서 설명한 바와 같이 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부로 보내어지고 순수한 액체냉매만이 제2팽창밸브(14b)로 보내어져 다시 한번 교축 팽창과정을 거치면서 그 온도와 압력이 더욱 떨어져 증발되기에 적합한 상태로 되게 된다. 이 또한 상기의 교축 팽창과 마찬가지로, 액체 및 기체가 공존하는 B점에서 교축 팽창시키는 것보다 포화액 선상의 B′점(거의 액체 상태)에서 교축 팽창시키는 것이 증발효과는 물론 냉동능력 및 효율의 향상을 가져오게 된다.

이와 같이 제2팽창밸브(14b)를 통과한 냉매는 증발기(16)로 보내어지게 되며 이렇게 증발기(16)로 유입되어 통과하는 동안 증발하면서 열 교환을 통해 주위의 열을 흡수하여 냉기를 만들어낸다. 이때, 증발기(16)에서 발생된 냉기는 송풍기 (17)에 의해 보다 효율적으로 냉각효과가 증대된다. 또 외기조건 및 공기조화기의운전조건에 따라 송풍기(17)의 회전수를 제어할 수도 있다.

이렇게 증발기(16)에서 증발한 기체상태의 냉매는 2단 원심압축기(10)의 1단 압축부로 유입되어 계속적으로 순환됨으로써 냉동사이클을 이루게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기의 냉동사이클은 제1팽창밸브에 의해 저온저압으로 된 기체냉매가 제2수액기에서 분리되어 귀환유로를 통해 2단 원심압축기의 2단압축부로 귀환시킴으로써 2단 원심압축기의 압축률 향상은 물론 압축효율을 높여 공조기의 성능향상을 꾀할 수 있는 특유의 효과가 있다.

또 본 발명은 제1팽창밸브에 의해 저온저압으로 된 냉매중의 기체냉매를 제2수액기에서 분리시켜 2단 원심압축기로 귀환시키고 그 나머지의 순수 액체냉매만을 제2팽창밸브로 보내어 교축 팽창시켜 증발기로 보내기 때문에 증발기의 증발효과를 최대한 확장시키며 이로 인한 냉방성능의 향상과 효율향상을 꾀할 수 있는 특유의 효과가 있다.

Claims (3)

1단 압축부와 2단 압축부를 갖는 2단 원심압축기(10), 응축기(12), 제1팽창밸브(14a), 제2팽창밸브(14b), 및 증발기(16)가 냉매라인(18)에 의해 순차적으로 연결 설치되고, 상기 응축기(12)와 제1팽창밸브(14a)의 사이에 제1수액기(20a)가 설치되며, 상기 제1팽창밸브(14a)와 제2팽창밸브(14b)의 사이에 제2수액기(20b)가 설치된 공기조화기의 냉동사이클에 있어서,

상기 제2수액기(20b)에서 분리된 기체냉매를 상기 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부에 공급시키도록 연결 설치된 귀환유로에는 상기 2단 원심압축기(10)의 2단 압축부의 온도에 따라 개도가 조절되어 2단 압축부로 공급되는 기체냉매량을 제어시키도록 유량제어밸브(26)가 장착되고, 상기 2단 원심압축기(10)에는 그 모터속도를 제어하여 냉동능력이 가변될 수 있도록 전기적으로 연결된 인버터(22)가 설치됨을 특징으로 하는 공기조화기의 냉동사이클.

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