KR100500617B1 - 초임계 냉동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 고단측 압축기의 고저 압력차가 증대하는 것을 방지하는 바이패스 장치를 구비한 초임계 냉동 장치 및 이와 같은 초임계 냉동 장치를 응용한 열펌프식 급탕 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 저단측 압축기와 고단측 압축기를 구성 요소로서 구비하고 있는 2단 압축기, 이 2단 압축기의 고단측 압축기로부터의 토출 가스를 냉각하는 고압측 열교환기, 팽창 장치, 외기와 열교환하는 증발기를 순차적으로 접속하고, 고압측 압력이 초임계로 되도록 냉매 회로를 형성한다. 다시, 이 냉매 회로에 외기 온도가 저하된 때에 고압측 열교환기에서 냉각된 후의 고압 가스 냉매를 상기 저단측 압축기의 토출측으로 바이패스하는 바이패스 회로를 설치한다.

Description

초임계 냉동 장치{SUPERCRITICAL REFRIGERATING APPARATUS}

본 발명은 초임계 냉동 장치에 관한 것으로, 특히 외기를 증발기의 열원 유체로 하고 압축기로서 2단 압축기를 사용한 초임계 냉동 장치에 관한 것이다.

외기를 증발기의 열원 유체로 하고 압축기로서 2단 압축기를 사용한 초임계 냉동 장치에서는, 일반적으로 외기 온도가 저하된 경우에 증발 압력, 즉 저압측 압력이 저하된다. 또한, 이 저압측 압력의 저하에 따라 저단측 압축기의 토출측 압력, 즉 중간 압력이 저하된다. 이에 대해 고단측 압축기의 토출 압력, 즉 고압측 압력은 고단측 압축기의 토출측 가스가 물이나 공기 등의 사용측 열교환 매체를 가열하는 열원으로 사용되므로, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도를 높게 유지하는 것이 필요해지는 경우, 즉 고압측 압력을 높게 유지하는 것이 필요해지는 경우(예를 들어 고압 압력이 저하되지 않도록 하는 경우)가 있다. 이 경우, 상기 2단 압축기를 사용한 냉동 장치에서는, 고압측 압력과 중간 압력과의 압력차가 외기 온도의 저하와 동시에 커지고 있었다.

그런데, 이와 같이 고압측 압력과 중간측 압력과의 압력차가 외기 온도의 저하와 함께 커지면, 고단측 압축기의 고저 압력차가 커지게 되므로, 압축 효율이 나빠지는 동시에 각 부재에 작용하는 힘이 커지게 되고, 내구성이 저하된다는 문제가 있었다. 예를 들어, 고저 압력차가 커지게 되면, 예를 들어 고단측 압축기에 있어서의 베인 밸브나 토출 밸브의 파손 등으로 이어질 우려가 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술에 존재하는 문제점에 착안하여 이루어진 것이다. 그 목적으로 하는 바는, 고단측 압축기의 고저 압력차가 증대하는 것을 방지하는 바이패스 회로를 구비한 초임계 냉동 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 이와 같은 초임계 냉동 장치를 사용한 열펌프(heat pump)식 급탕 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 초임계 냉동 장치는, 저단측 압축기와 고단측 압축기를 구성 요소로서 구비한 2단 압축기, 이 2단 압축기의 고단측 압축기로부터의 토출 가스를 냉각하는 고압측 열교환기, 팽창 장치, 외기와 열교환하는 증발기가 순차적으로 접속되고, 고압측 압력이 초임계가 되도록 형성된 냉매 회로를 갖고, 이 냉매 회로는 다시 외기 온도가 저하된 때에 고압측 열교환기에서 냉각된 후의 고압 가스 냉매를 상기 저단측 압축기의 토출측으로 바이패스하는 바이패스 회로를 갖는 것이다.

이와 같이 구성하면, 외기 온도의 저하에 의해 고단측 압축기의 고압측 가스 냉매가 중간 압력 부분으로 바이패스됨으로써 중간 압력이 상승하고, 고단측 압축기에 있어서의 압축비가 작아진다. 또한, 바이패스되는 냉매 가스가 고압측 열교환기에서 냉각된 후의 것이므로, 고단측 압축기로 흡입되는 냉매 가스의 과열도가 작아진다. 따라서, 고단측 압축기의 고저 압력차가 작아짐으로써, 토출 밸브나 베인 밸브가 파손될 우려가 없어져, 압축기의 내구성이 향상된다. 또한, 고단측 압축기의 압축비가 작아지는 것과, 흡입 가스의 과열도가 작아짐으로써 그 운전 효율이 향상된다.

또한, 상기 2단 압축기는 외기 온도가 저하된 때에, 압축기 능력의 저하를 억제하도록 용량 제어되고, 상기 팽창 밸브 장치는 외기 온도가 저하된 때에, 고단측 압축기의 토출 압력의 저하를 억제하도록 개방도가 제어되도록 하는 것도 좋다.

이와 같이 구성되면, 외기 온도 저하시에, 고압측 압력을 높게 유지하고, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도를 높게 유지하는 것이 가능하다.

또한, 상기 냉매 회로는 냉매로서 이산화탄소가 충전되어 있는 것도 좋다.

이와 같이 구성하면, 가연성, 독성이 없는 냉매를 사용하면서, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도가 높아지는 초임계 냉동 사이클로 하는 것이 가능하다. 또한, 바이패스 회로의 작용에 의해, 고압측 압력의 저하를 방지할 수 있는 것과 더불어, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도를 높게 유지하는 것이 가능하다.

또한, 상기 2단 압축기는, 상기 저단측 압축기의 토출 가스를 도입한 밀폐 하우징 내에, 상기 저단측 압축기, 고단측 압축기 및 구동용 전동기를 내장한 것으로 할 수 있다.

이와 같이 구성하면, 압축기 하우징 내에 중간 압력이 작용하게 되어, 2단 압축기의 실린더 내외 및 압축기 하우징 내외의 압력차가 반감되고, 각 부에 작용하는 힘이 작아진다. 그 결과, 상기 바이패스 회로에 의한 고저 압력 차의 증대를 방지하는 효과와 함께, 2단 압축기의 내구성능이 한층 더 향상된다.

또한, 본 발명에 의한 열펌프식 급탕 장치는, 상기와 같은 초임계 냉동 장치를 응용한 것이므로, 외기 온도가 저하된 경우에, 고단측 압축기의 고저 압력차의 증대를 방지할 수 있고, 장치의 내구성을 열화시키지 않고 고온의 온수를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 열펌프식 급탕 장치로 구체화한 실시 형태를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 급탕 장치의 회로도이고, 도2는 본 발명의 실시 형태에 관한 압력 제어의 설명도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 실시 형태 1에 따른 급탕 장치는 초임계 냉동 사이클 장치(1), 급탕 유닛(2) 및 제어 장치(3)를 구비한 것이다. 또, 본 실시 형태에 있어서는, 제어 장치(3)는 초임계 냉동 사이클 장치(1) 내에 설치되어 있다. 또한, 초임계 냉동 사이클 장치(1)와 급탕 유닛(2)은 연락수용배관(5, 6)에 의해 접속되어 있다.

초임계 냉동 사이클 장치(1)는 인버터 구동식 2단 압축기(11), 고압측 열교환기(12), 전동 팽창 밸브(13), 증발기(14), 축열기(accumulator ; 15)를 순차적으로 접속시킨 냉매 회로를 구비하고 있다. 또한, 이 냉매 회로에 있어서의 냉매의 흐름은, 정상 운전시는 도1의 실선 화살표처럼 되어 있다.

인버터 구동식 2단 압축기(11)는 밀폐 하우징 내에 저단측 압축기(11a), 고단측 압축기(11b), 이들 압축기(11a, 11b)를 구동하는 공용의 전동기(11c)를 내장한 것이고, 저단측 압축기(11a)의 토출측과 고단측 압축기(11b)의 흡입측을 연락 배관(11d)에 의해 연결하고 있다. 또한, 밀폐 하우징 내의 공간은 중간 압축 가스, 즉 저단측 압축기(11a)의 토출 가스에 의해 채워져 있다.

또한, 인버터 구동식 2단 압축기(11)는 초임계 냉동 사이클 운전 중, 후술하는 제어 장치(3)에 의해 운전 주파수가 제어되고, 회전수가 제어된다. 또한, 고단측 압축기(11b)의 토출 배관에는 고단측 압축기(11b)로부터 토출되는 토출 가스 온도를 검출하기 위한 토출 가스 온도 검출기(31)가 설치되어 있다.

고압측 열교환기(12)는 고단측 압축기(11b)로부터 토출된 고압 냉매를 도입하는 냉매용 열교환 튜브(12a)와, 급탕 유닛(2) 내에 배치되어 있는 저탕 탱크(21)로부터 송수되는 급탕수를 도입하는 물용 열교환 튜브(12b)로 이루어지며, 양자가 열교환 관계로 형성된 것이다. 따라서, 고단측 압축기(11b)로부터 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 저탕 탱크(21)로부터 송수되는 급탕수에 의해 냉각되고, 이 급탕수는 고단측 압축기(11b)의 토출 가스가 갖는 열에 의해 가열된다.

전동 팽창 밸브(13)는 고압측 열교환기(12)에서 냉각된 고압 가스 냉매를 감압하는 것으로, 펄스 모터에 의해 구동된다. 또한, 초임계 냉각 사이클 운전 중에는 후술하는 제어 장치(3)에 의해 개방도가 제어된다.

증발기(14)는 전동 팽창 밸브(13)에 의해 감압된 저압의 기액 혼합 냉매를 열원 냉매로서의 외기와 열교환시키고, 이 냉매를 기화시키는 것이다. 또한, 이 증발기(14)에는 외기 온도를 검출하기 위한 외기 온도 검출기(32)가 부설되어 있다.

그리고, 상기와 같이 구성되고, 상기와 같은 구성 기기를 구비한 냉매 회로에는 고압측 열교환기(12)의 출구측 배관으로부터 저단측 압축기(11a)와 고단측 압축기(11b)를 접속하는 연락 배관(11d)에 걸쳐 바이패스 회로(16)가 설치되고, 이 바이패스 회로(16) 중에 전자 개폐 밸브(17) 및 모세관(capillary tube ; 18)이 설치되어 있다.

또한, 상기 냉매 회로의 내부에는, 대체 냉매로서의 이산화탄소(CO₂)가 충전되어 있다. 냉동, 공조용의 대표적인 자연 냉매로서는, 하이드로카본(HC : 프로판이나 이소부탄 등), 암모니아, 공기 및 이산화탄소 등을 들 수 있다. 그렇지만, 냉매 특성으로서 하이드로카본과 암모니아는 에너지 효율이 좋은 반면 가연성이나 독성의 문제가 있고, 공기는 초저온 영역 이외에서 에너지 효율이 낮다는 등의 문제가 있다. 이에 대해, 이산화탄소는 가연성이나 독성이 없어 안전하다.

다음에, 급탕 유닛(2)은 저탕 탱크(21), 온수 순환 펌프(22), 급탕 배관(23), 급수 배관(24)을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 저탕 탱크(21)의 상부 및 하부는 상기 물용 열교환 튜브(12b)에 대해 연락수용 배관(5, 6)을 포함하는 온수 순환 회로(P)에 의해 접속되어 있다.

온수 순환 회로(P)는 저탕 탱크(21) 하부의 온도가 낮은 물을 물용 열교환 튜브(12b)로 송수하고, 물용 열교환 튜브(12b)에서 가열된 온도가 높은 물을 저탕 탱크(21)의 상부로 유도하도록 형성되어 있다. 또한, 온수 순환 회로(P) 중에 온수 순환 펌프(22)가 부착되어 있다. 또한, 저탕 탱크(21) 내에서는 비중력(比重力)의 차에 의해 상부에는 온도가 높은 온수가 저장되고, 하부에는 온도가 낮은 물이 저장되어 있다. 또한, 저탕 탱크(21) 내의 상부의 온수 온도, 즉 가열 완료 온도는 저탕 탱크(21) 상부에 설치된 가열 완료 온도 검출기(33)에 의해 측정되어진다.

급탕 배관(23)은 온수 수도꼭지, 욕조 등에 온수를 공급하기 위한 것이고, 저탕 탱크(21) 중의 높은 온도의 온수를 공급할 수 있도록, 저탕 탱크(21)의 상부에 접속되어 있다. 또한, 이 급탕 회로에는 개폐 밸브(25)가 부착되어 있다.

급수 배관(24)은 저탕 탱크(21) 내로 항상 수돗물을 공급 가능하게 하는 것이고, 역지 밸브(26), 감압 밸브(27)를 거쳐서 저탕 탱크(21)의 저부에 접속되어 있다.

제어 장치(3)는, 정상 운전 중 소정의 순서에 따라 인버터 구동식 2단 압축기의 운전 주파수 및 전동 팽창 밸브(13)의 개방도를 제어하는 것이지만, 외기 온도가 저하된 때는 다음과 같은 제어를 한다. 즉, 외기 온도 검출기(32)가 검출하는 외기 온도가 소정 온도, 예를 들어 0 ℃ 이하에 있어서는, 외기 온도의 저하에 대해 고압측 압력 저하를 억제하도록 전동 팽창 밸브(13)의 개방도를 교축 제어하는 동시에, 압축기 능력을 거의 일정하게 하도록 인버터 구동식 2단 압축기(11)의 회전수(운전 주파수)를 크게 하도록 제어한다. 또한, 제어 장치(3)는 상기 외기 온도가 상기 소정 온도(0 ℃)까지 저하된 때에, 전자 개폐 밸브(17)를 개방한다. 전자 개폐 밸브(17)가 개방됨으로써, 도1에 있어서 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 고압 가스 냉매가 중간 압력의 연락 배관(11d)으로 바이패스된다.

이상과 같이 제어됨으로써, 도2에 도시된 바와 같이, 고압측 압력은 외기 온도의 저하에 대해 대략 일정한 압력을 보유하도록 제어된다. 또한, 중간 압력은, 종래와 같이 바이패스 회로(16)가 없을 때에는 도2의 파선처럼 저하하는 것에 반해, 본 실시 형태의 경우에는 도2의 실선처럼 그 압력 저하가 억제된다. 따라서, 고단측 압축기(11b)의 고저 압력차의 증대가 억제된다. 또한, 이 때 바이패스되는 고압측 냉매 가스가 고압측 열교환기(12)로 냉각되어 있으므로, 고단측 압축기(11b)로 흡입된 냉매 가스의 과열도가 작아진다.

또한, 중간 압력에 대해서, 본 발명의 것과 종래의 것에서는, 외기 온도의 저하에 대해 종래의 것과의 압력차가 확대되지만, 이것은 모세관(18)의 작용에 의한 것이다. 또한, 도2에 있어서, 압력 선도를 외기 온도 -10 ℃까지만 도시하고 있지만, 이는 간혹 이 급탕 장치의 운전 허용 범위를 -10 ℃로 정하는 것에 따른 것이다.

이상과 같이 구성된 실시 형태에 따르면, 외기 온도가 저하된 때 고단측 압축기(11b)에 있어서는, 고저 압력차가 작아짐으로써, 토출 밸브나 베인 밸브가 파손될 우려가 없어지고 압축기의 내구성이 향상된다. 또한, 고단측 압축기의 압축비가 작아지는 것과, 흡입 가스의 과열도가 작아지므로, 그 운전 효율이 향상된다.

또한, 외기 온도가 저하된 때 고압측 압력이 높게 유지되기 때문에, 고단측 압축기의 토출측 가스 온도가 높게 유지된다. 특히 도2와 같이, 고압측 압력이 일정하게 유지되는 경우는, 급탕용 온수를 소정치, 이 경우 대략 일정치로 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 냉매로서 이산화탄소를 사용하고 있으므로 냉매 가스에 대해 가연성이나 독성의 문제가 없어, 취급이 용이해진다.

또한, 인버터 구동식 2단 압축기(11)는, 저단측 압축기(11a)의 토출 가스를 도입한 밀폐 하우징 내에 저단측 압축기(11a), 고단측 압축기(11b) 및 구동용 전동기(11c)를 내장하고 있으므로, 압축기 하우징 내가 중간 압력이 된다. 따라서, 실린더 내외 및 압축기 하우징 내외의 압력차가 반감되고, 각부에 작용하는 힘이 작아진다. 이 결과, 바이패스 회로(16)에 의한 고저 압력차의 증대 방지 효과와 함께 인버터 구동식 2단 압축기(11)의 내구성능을 한층 더 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 다음과 같이 변형하여 구체화하는 것도 가능하다.

(1) 상기 실시 형태에 있어서는, 바이패스 회로(16)를 0℃에서 개방하도록 되어 있지만, 이 온도는 냉동 장치의 설계에 따라 적당하게 변경하는 것이 가능하다.

(2) 또한, 바이패스 회로(16)에는, 전자 개폐 밸브(17) 및 모세관(18)이 설치되어 있지만, 이들 대신에 전동 밸브를 사용하여 외기 온도의 저하에 따라 그 개방도를 서서히 크게하도록 하는 것도 가능하다. 이와 같이 하면, 바이패스 회로 개방시, 압력 변화가 갑자기 생기는 일이 없어, 매끄럽게 제어되는 것이 가능하다.

(3) 또한, 바이패스 회로(16)에 있어서의 전자 개폐 밸브(17)와 모세관(18)과의 접속 순서를 반대로 하는 것도 좋다. 즉, 바이패스되는 냉매 가스가 모세관(18)을 통과한 후에 전자 개폐 밸브(17)를 통과하도록 하는 것도 가능하다. 단, 이 경우, 전자 개폐 밸브(17)는 감압된 후의 냉매 가스의 유통을 개폐하게 되므로, 취급 가스의 비용적(比容積)이 커지게 되는 만큼 구경이 큰 전자 개폐 밸브가 필요하게 되는 결점이 있다.

(4) 상기 실시 형태에 있어서는, 압축기는 인버터 구동식 2단 압축기(11)로 되어 있지만, 다른 형식의 용량 가변 2단 압축기를 사용하는 것도 좋다.

(5) 또한, 상기 실시 형태는, 본 발명에 관한 초임계 냉동 장치를 열펌프식 급탕 장치로 구체화한 것이지만, 이 초임계 냉동 장치를 다른 가열 장치, 예를 들어 실내 공기를 가열하는 난방기로 구체화하는 것도 가능하다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있으므로, 다음과 같은 효과를 갖는다.

청구항 1 기재의 발명에 관한 초임계 냉동 장치에 따르면, 저단측 압축기와 고단측 압축기를 구성 요소로서 구비하고 있는 2단 압축기, 이 2단 압축기의 고단측 압축기로부터의 토출 가스를 냉각하는 고압측 열교환기, 팽창 장치, 외기와 열교환하는 증발기가 순차 접속되고, 고단측 압력이 초임계가 되도록 형성된 냉매 회로를 갖고, 이 냉매 회로는, 다시 외기 온도가 저하된 때에 고압측 열교환기로 냉각된 후의 고압 가스 냉매를 상기 저단측 압축기의 토출측으로 바이패스하는 바이패스 회로를 가지므로, 고단측 압축기에 있어서, 고저 압력차가 작아져서, 토출 밸브나 베인 밸브가 파손될 우려가 없어져, 그 내구성이 향상된다. 또한, 고단측 압축기에 있어서, 압축비가 작아지는 것과, 흡입 가스의 과열도가 작아지는 것으로부터 그 운전 효율이 향상된다.

또한, 청구항 2 기재의 발명에 따르면, 청구항 1 기재의 발명에 있어서, 상기 2단 압축기는 외기 온도가 저하된 때에, 압축기 능력의 저하를 억제하도록 용량 제어되고, 상기 팽창 밸브 장치는 외기 온도가 저하된 때에, 고단측 압축기의 토출 압력의 저하를 억제하도록 개방도가 제어되므로, 외기 온도 저하시에 고압측 압력을 높게 유지하여, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도를 높게 유지하는 것이 가능하다.

또한, 청구항 3 기재의 발명에 따르면, 청구항 1 또는 2 기재의 발명에 있어서, 냉매 회로는 냉매로서 이산화탄소가 충전되어 있으므로, 가연성, 독성이 없는 냉매를 사용하면서, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도가 높아지는 초임계 냉동 사이클로 할 수 있다. 또한, 상기 바이패스 회로의 작용에 의해, 고단측 압력의 저하를 방지할 수 있는 것과 함게, 고단측 압축기의 토출측 가스의 온도를 높게 유지할 수 있다.

또한, 청구항 4 기재의 발명에 따르면, 상기 2단 압축기는 상기 저단측 압축기의 토출 가스를 도입한 밀폐 하우징 내에, 상기 저단측 압축기, 고단측 압축기 및 구동용 전동기를 내장한 것이므로, 2단 압축기의 실린더 내외 및 압축기 하우징 내외의 압력차가 반감되어, 각부에 작용하는 힘이 작아진다. 이 결과, 상기 바이패스 회로에 의한 고저 압력차의 증대를 방지하는 효과와 더불어, 2단 압축기의 내구성능이 한층 더 향상된다.

또한, 청구항 5 기재의 발명에 관한 열펌프식 급탕 장치에 따르면, 청구항 1 또는 2항에 기재된 초임계 냉동 장치를 응용한 것이므로, 외기 온도가 저하된 경우에, 고단측 압축기의 고저 압력차의 증대를 방지하는 것이 가능하고, 장치의 내구성을 열화시키지 않고 고온의 온수를 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 급탕 장치의 회로도.

도2는 본 발명의 실시 형태에 관한 압력 제어의 설명도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 초임계 냉동 사이클 장치

2 : 급탕 유닛

3 : 제어 장치

5 : 연락수용 배관

11 : 인버터 구동식 2단 압축기

11a : 저단측 압축기

11b : 고단측 압축기

11c : 구동용 전동기

11d : 연락 배관

12 : 고압측 열교환기

13 : 전동 팽창 밸브

14 : 증발기

16 : 바이패스 회로

17 : 전자 개폐 밸브

18 : 모세관

21 : 저탕 탱크

32 : 외기 온도 검출기

Claims (5)

1. 저단측 압축기와 고단측 압축기를 구성 요소로서 구비한 2단 압축기, 상기 2단 압축기의 고단측 압축기로부터의 토출 가스를 냉각하는 고압측 열교환기, 팽창 장치, 외기와 열교환하는 증발기가 순차 접속되고,

   고압측 압력이 초임계로 되도록 형성된 냉매 회로를 갖고,

   상기 냉매 회로는 또한 외기 온도가 저하된 때에 고압측 열교환기에서 냉각된 후의 고압 가스 냉매를 상기 저단측 압축기의 토출측으로 바이패스하는 바이패스 회로를 가지며,

   상기 2단 압축기는, 외기 온도가 저하된 때에 압축기 능력의 저하를 억제하도록 용량 제어되고, 상기 팽창 밸브 장치는, 외기 온도가 저하된 때에 고단측 압축기의 토출 압력의 저하를 억제하도록 개방도가 제어되는 초임계 냉동 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 냉매 회로는 냉매로서 이산화탄소가 충전되어 있는 초임계 냉동 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 2단 압축기는, 상기 저단측 압축기의 토출 가스를 도입한 밀폐 하우징 내에, 상기 저단측 압축기, 고단측 압축기 및 구동용 전동기를 내장한 초임계 냉동 장치.
5. 제1항에 기재된 초임계 냉동 장치를 응용한 열펌프식 급탕 장치.