KR100555944B1 - 증기압축 냉동사이클 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 증기압축 냉동사이클 시스템은, 냉매를 흡입 압축하기 위한 압축기(10), 상기 압축기(10)로부터 토출된 고압 냉매를 냉각시키기 위한 고압측 열교환기(20), 감압된 이후 저압측 냉매를 증발시키기 위한 저압측 열교환기(30), 상기 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하기 위하여 상기 압축기(10)의 흡입측에 배치된 기액분리기(50)를 포함한다. 냉동사이클 시스템에서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매는 바이패스통로(60)를 통해 저압측 열교환기(30)와 기액분리기(50) 양쪽으로 공급되고, 상기 고압측 열교환기(20)를 바이패스하고, 상기 바이패스통로(60)로부터 상기 기액분리기(50)와 저압측 열교환기(30)로 공급되는 냉매량 간의 유량비를 적절히 조절하기 위하여 스로틀수단(63)이 제공된다.
증기압축, 냉동사이클, 바이패스통로, 유량비, 스로틀수단, 스위칭밸브

Description

증기압축 냉동사이클 시스템{VAPOR COMPRESSION REFRIGERANT CYCLE SYSTEM}
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이젝터사이클 시스템(증기압축 냉동사이클 시스템)을 나타낸 개략도.
도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 이젝터사이클 시스템(증기압축 냉동사이클 시스템)을 나타낸 개략도.
도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 증기압축 냉동사이클 시스템을 나타낸 개략도.
도4는 본 발명의 비교예에 따른 이젝터사이클 시스템(증기압축 냉동사이클 시스템)을 나타낸 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 압축기 20: 수-냉매 열교환기
30: 증발기 40: 이젝터
50: 기액분리기 60: 바이패스통로
61: 바이패스밸브 63: 고정스로틀
70: 전자제어장치
본 발명은 저온측으로부터 고온측으로 열을 전달하기 위한 증기압축 냉동사이클 시스템(vapor compression refrigerant cycle system)에 관한 것이다. 상기 증기압축 냉동사이클은 급탕기(water heater) 및 난방장치(heating device)와 같은 증기압축 냉동사이클 시스템에서 발생되는 열을 이용하는 장치에 적절히 이용된다.
증기압축 냉동사이클 시스템에서, 저압측 열교환기의 표면의 성애(frost)를 제거하기 위한 제상동작(defrosting operation)이 실행될 경우, 압축기로부터 토출된 고온 기상냉매는 저압측 열교환기로 공급된다. 그러나, 본 출원 발명자에 의한 실험에 따르면, 상기 제상동작에서 고온 기상냉매가 저압측 열교환기 및 기액분리기 양쪽으로 공급될 경우, 상기 저압측 열교환기로 공급되는 고온의 기상냉매량 및 기액분리기로 공급되는 고온의 기상냉매량을 적절히 제어하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서, 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 제상동작에서 저압측 열교환기로 공급되는 고온의 기상냉매량과 기액분리기로 공급되는 고온 기상냉매량 간의 유량비(flow ratio)를 적절히 제어할 수 있는 증기압축 냉동사이클 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1관점에 따르면, 증기압축 냉동사이클 시스템은 냉매를 흡입 압축하는 압축기(10), 상기 압축기(10)로부터 토출된 고압냉매를 냉각하기 위한 고압측 열교환기(20), 상기 고압측 열교환기(200로부터의 고압냉매를 감압하는 감압장치(41, 80), 상기 감압장치(41, 80)에서 감압된 후의 저압냉매를 증발시키기 위한 저압측 열교환기(30), 및 상기 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하는 기액분리기(50)를 포함한다. 여기에서, 상기 기액분리기(50)는 분리된 기상냉매를 상기 압축기(10)로 공급하기 위하여 압축기(10)의 흡입측에 제공된다. 상기 증기압축 냉동사이클 시스템에서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매를 상기 저압측 열교환기(30)와 기액분리기(50) 양쪽으로 공급하고, 상기 고압측 열교환기(20)를 바이패스하는 바이패스통로(60)가 제공되며, 상기 바이패스통로(60)로부터 상기 기액분리기(50)로 공급된 냉매량을 조절하기 위한 스로틀수단(63)이 제공된다. 상기 스로틀수단(63)이 제공되기 때문에, 상기 바이패스통로(60)로부터 저압측 열교환기(30)로 공급되는 냉매량과, 상기 바이패스통로(60)로부터 상기 기액분리기(50)로 공급되는 냉매량의 유량비를 적절히 조절할 수 있다.
예를 들면, 상기 감압장치(50)는 상기 고압측 열교환기(20)로부터 흐르는 냉매를 등엔트로피로 감압 및 팽창시키기 위한 노즐(41)을 포함하는 이젝터이다. 이 경우, 상기 이젝터(40)는 상기 노즐(41)로부터 분사된 냉매의 고속흐름에 의하여 상기 저압측 열교환기(30)에서 증발된 기상냉매를 흡입하고, 팽창에너지를 압력에너지로 전환시켜 상기 압축기(10)로 흡입될 냉매의 압력을 증가시키도록 배치된다. 상기 기액분리기(50)는 상기 이젝터(40)의 냉매 유출구에 연결된 냉매 유입구와, 냉매연결통로(62)를 통해 상기 저압측 열교환기(30)로 연결된 액상냉매 유출구를 구비한다. 또한, 상기 바이패스통로(60)는, 그 바이패스통로(60)로부터의 냉매가 저압측 열교환기(30) 및 기액분리기(50) 양쪽으로 공급되도록, 상기 냉매연결통로(62)의 연결부(a)에 연결되며; 상기 스로틀수단(63)은 상기 연결부(a)와 기액분리기(50)의 액상냉매 유출구 사이의 위치에서 상기 냉매연결통로(62)에 제공된다.
또한, 상기 감압장치는 상기 저압측 열교환기(30)의 유출구측에서의 냉매 상태에 기초하여 제어되는 개방정도를 갖는 가변 스로틀(80)로 이루어진다.
또한, 상기 증기압축 냉동사이클 시스템은 상기 바이패스통로(60)로부터의 저압측 열교환기(30)로 흐르는 냉매를 감압시키기 위하여, 상기 연결부(a)와 저압측 열교환기(30) 사이의 위치에서 상기 냉매연결통로(62)에 제공되는 감압수단(64)을 더 포함한다. 이 경우, 상기 바이패스통로(60)로부터 저압측 열교환기(30)로 공급되는 냉매량과 상기 바이패스통로(60)로부터 상기 기액분리기(50)로 공급되는 냉매량의 유량비는 적절히 조절될 수 있다. 상기 유량비는 약 7/3 내지 3/7의 범위로 이루어지는 것이 바람직하고, 약 6/4로 되는 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 스위칭밸브(61)는 그 스위칭밸브(61)가 폐쇄되고, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매가 고압측 열교환기(20)로 흐르는 일반적인 동작모드, 및 그 스위칭밸브(61)가 개방되고, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매가 저압측 열교환기(20) 및 기액분리기(50)로 공급되도록 상기 바이패스통로(60)로 흐르는 제상동작모드 중 하나로 스위칭되도록 상기 바이패스통로(60)에 제공된다. 상 기 유량비가 약 7/3 내지 3/7 사이의 범위로 이루어질 경우, 저압측 열교환기(30)에서 발생된 성애는 제상동작모드에서 빠르게 제거될 수 있고, 제상동작시간은 단축될 수 있다. 또한, 상기 유량비가 약 6/4로 설정될 경우에는 상기 제상동작시간은 보다 효과적으로 단축될 수 있다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들, 특징들 그리고 장점들은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더 명료하게 이해될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
(제1실시예)
제1실시예에서, 본 발명에 따른 증기압축 냉동사이클 시스템은 일반적으로 물을 가열하고 탱크내에 고온수를 저장하기 위한 급탕기(water heater)에 이용된다. 도1에 나타낸 바와 같이, 제1실시예에서, 상기 증기압축 냉동사이클 시스템은 감압장치로서 이용되는 이젝터(40)를 포함하는 이젝터 사이클이다. 압축기(10)는 전동모터로부터의 구동력을 이용하여 냉매를 흡입 및 압축하기 위한 전동압축기이다. 상기 압축기(10)에서, 압축부 및 전동모터는 일체화되어 일체화된 구성을 형성한다. 상기 압축기(10)의 회전속도는 전자제어장치(ECU)(70)에 의하여 제어될 수 있다.
수-냉매(water-refrigernat) 열교환기(20)는 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온고압냉매와 상기 탱크로 공급될 급탕수 간을 열교환시킴으로써 상기 탱크로 공급될 급탕수를 가열하기 위한 고압측 열교환기이다. 제1실시예에서, 냉매로서는 이산화탄소가 이용되고, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매압력은 냉매의 임계압력 이상으로 설정된다. 따라서, 상기 수-냉매 열교환기(20)에서, 상기 냉매의 온도는 감소되고, 그의 엔탈피(enthalpy)도 응축(상변화)없이 감소된다.
상기 수-냉매 열교환기(20)에서 가열된 고온의 급탕수는 탱크의 상부측으로부터 탱크의 내측으로 공급되고, 저온 급탕수는 탱크의 하부측으로부터 수-냉매 열교환기(20)로 공급된다. 여기에서, 상기 탱크는 고온의 급탕수를 저장하고 온도를 유지시키도록 제공된다.
증발기(30)는 감압된 이후 저압냉매를 증발시키기 위한 저압측 열교환기이다.
상기 이젝터(40)는 팽창에너지를 압력에너지로 전환시킴으로써 상기 압축기(10)로 흡입될 냉매의 압력을 증가시키고, 상기 수-냉매 열교환기(20)로부터의 냉매를 감압 팽창시킴으로써 상기 증발기(30)에서 증발된 냉매를 흡입한다. 상기 이젝터(40)는 노즐(41), 혼합부(mixing portion)(42), 디퓨저(diffuser)(43) 등을 포함한다. 상기 노즐(41)은 이젝터(40)로 흐르는 냉매를 감압 팽창시켜, 상기 수-냉매 열교환기(20)로부터의 냉매의 압력에너지를 속도에너지로 전환시킨다. 상기 혼합부(42)는 노즐(41)로부터 분사된 냉매의 고속흐름을 이용함으로써 상기 증발기(30)에서 증발된 냉매를 흡입하고, 상기 증발기(30)로부터 흡입된 냉매와 상기 노즐(41)로부터 분사된 냉매를 혼합한다. 상기 디퓨저(43)는 냉매의 속도에너지를 압력에너지로 전환하고, 흡입냉매와 분사냉매를 더 혼합함으로써 상기 압축기(10)로 흡입될 냉매 압력을 증가시킨다.
여기에서, 상기 노즐(41)은 개방정도(open degree)가 고정된 고정스로틀 (fixed throttle)이다. 따라서, 상기 노즐(41)은 고압냉매를 실질적으로 등엔트로피(isentropic)로 감압 팽창시킨다. 이 때, 상기 혼합부(42)는 분사냉매의 구동류(drive stream)와 흡입냉매의 흡입류(suction stream)의 운동량 합을 보존시키기 위하여 상기 구동류와 흡입류를 혼합시킨다. 따라서, 상기 이젝터(40)의 혼합부(42)에서, 냉매압력(정압)은 증가한다. 한편, 상기 디퓨저(43)는 하류측으로 점차 증가되는 통로 단면적을 갖는다. 따라서, 상기 디퓨저(43)는 냉매속도에너지(동압)를 냉매압력에너지(정압)으로 전환시킨다. 따라서, 상기 이젝터(40)에서, 상기 혼합부(42) 및 디퓨저(43) 모두에서 냉매압력을 증가시키기 때문에, 상기 혼합부(42) 및 디퓨저(43)는 압력증가부를 구성한다. 제1실시예에서, 상기 노즐(41)로부터 분사된 냉매가 음속 이상으로 가속시키기 위한 라발 노즐(Laval nozzle)이 이용된다. 여기에서, 상기 "라발 노즐(동경대학출판사의 유체공학 참조)"은 그의 냉매통로에 가장작은 통로(smallest passage)를 갖는 스로틀을 포함한다. 그러나, 상기 노즐(41)과 같이 테이퍼진 노즐이 이용될 수 있다.
기액분리기(50)는 상기 이젝터(40)로부터 유출된 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하고, 그 기액분리기내에 저장한다. 상기 기액분리기(50)의 기상냉매 유출구는 압축기(10)의 흡입측에 연결되고, 그의 액상냉매 유출구는 증발기(30)의 냉매유입구측에 연결된다.
바이패스 통로(60)는, 압축기(10)로부터 토출된 냉매가 증발기(30) 및 기액분리기(50) 양쪽으로 공급되고, 적어도 수-냉매 열교환기(20) 및 이젝터(40)의 노즐(41)을 바이패스하는 냉매순환통로이다. 상기 바이패스 통로(60)에는 바이패스 밸브(61)(스위칭 밸브)가 제공되고, 상기 바이패스 통로(60)를 흐르는 냉매량은 상기 바이패스 밸브(61)에 의하여 제어된다. 상기 바이패스 밸브(61)의 스위칭 동작은 전자제어장치(70)에 의하여 제어된다.
상기 기액분리기(50)의 액상냉매 유출구와 증발기(30)의 냉매 유입구를 연결하기 위하여 냉매연결통로(62)가 제공된다. 상기 냉매연결통로(62)는 연결부 "a"로부터의 기액분리기(50)측에 냉매연결통로(62a)를 갖도록 상기 연결부 "a"에서 바이패스통로(60)에 연결된다. 또한, 상기 냉매연결통로(62a)에서 소정 압력손실이 발생하도록 상기 냉매연결통로(62a)에 고정스로틀(63)(스로틀 수단)이 제공된다. 즉, 상기 고정스로틀(63)은 기액분리기(50)의 액상냉매 유출구와 연결부 "a" 사이의 위치에서 상기 냉매연결통로(62)에 제공된다. 따라서, 상기 고정스로틀(63)은 제상동작에서 상기 압축기(10)로부터 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량을 조절할 수 있다.
본 발명의 제1실시예에서, 상기 고정스로틀(63)의 스로틀 개방정도, 즉 상기 고정스로틀(63)에서 발생된 냉매흐름저항은 증발기(30) 주위의 온도에 의존하지 않고 상기 증발기(30)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q1)과 상기 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q2)의 유량비(Q1/Q2)가 약 7/3 내지 3/7 사이의 범위로 된다.
상기 고정스로틀(63)은 수-냉매 열교환기(20)에 의하여 급탕수를 가열하기 위한 비등동작(boiling operation)에서 기액분리기(50)로부터 증발기(30)로 공급되는 액상냉매를 감압하기 위한 스로틀수단으로서 이용된다. 이에 반하여, 제상동작 에서, 상기 고정스로틀(63)은 증발기(30)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q1)과 바이패스통로(60)로부터 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q2) 간의 유량비(Q1/Q2)를 조절하기 위한 유량비 조절수단으로서 이용된다.
상기 증발기(30)로부터 유출된 냉매온도를 검출하기 위하여 냉매온도센서(71)가 배치되고, 상기 증발기(30)로부터 유출된 냉매압력을 검출하기 위하여 압력센서(72)가 배치되며, 상기 증발기(30)의 외기온도를 검출하기 위하여 온도센서(73)가 배치된다. 본 실시예에서, 상기 증발기(30)는 그 증발기(30)내의 냉매와 외기 간의 열교환을 실행하도록 배치되어, 상기 냉매는 증발기(30)에서 증발된다. 이 경우, 상기 온도센서(73)는 증발기(30)로 유입되는 외기 온도를 검출한다.
다음으로, 급탕기(water haeter)로서 이용되는 증기압축 냉동사이클 시스템의 동작을 도1을 참조하여 설명한다.
(1) 비등동작(boiling operation)모드
비등동작모드(일반적인 동작모드)에서, 냉매는 외기로부터 열을 흡수하여 증발되고, 급탕수는 냉매로부터 방열된 열에 의하여 수-냉매 열교환기(20)에서 가열된다. 상기 비등동작에서, 압축기(10)는 작동되고, 바이패스밸브(61)는 폐쇄된다. 따라서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매는 수-냉매 열교환기(20)로 흐르고, 급탕수는 상기 수-냉매 열교환기(20)로 순환된다. 따라서, 상기 수-냉매 열교환기(20)에 의하여 급탕수는 가열되고, 냉매는 냉각된다. 상기 냉각된 냉매는 등엔트로피로 이젝터(40)의 노즐(41)에 의하여 감압 팽창되고, 음속 이상의 속도로 혼합부(42)로 흐른다. 또한, 상기 증발기(30)에서 증발된 냉매는 상기 혼합부(42)로 흐르 는 고속 냉매의 유입(entrainment)으로 인한 핌핑작용에 의하여 상기 혼합부(42)로 흡입된다. 그러므로, 저압냉매는 기액분리기(50)로부터 증발기(30)와 이젝터(40)의 압력증가부를 순차적으로 거쳐 다시 기액분리기(50)로 순환된다.
여기에서, 상기 증발기로부터 흡입된 냉매(흡입류) 및 상기 노즐(41)로부터 분사된 냉매(구동류)는 혼합부(42)에서 서로 혼합된다. 이 때, 상기 혼합냉매의 동압은 디퓨저(43)에서 정압으로 전환되고, 상기 혼합냉매는 기액분리기(50)로 복귀된다.
(2)제상동작(defrosting operation) 모드
제상동작모드는, 증발기(30)로부터 유출된 냉매온도가 소정온도(예를 들면, 0℃)보다 낮고, 외기온도와 상기 증발기(30)로부터 유출된 냉매온도 간의 차이가 소정온도차보다 클 경우에 실행된다. 상기 제상동작모드에서, 상기 증발기(30)에 발생된 성애(frost)는 제거될 수 있다.
제상동작모드가 설정될 경우, 상기 수-냉매 열교환기(20)로의 급탕수 공급은 정지되고, 상기 증발기(30)로의 외기송풍도 정지된다. 이러한 상태에서, 상기 압축기(10)는 작동되고, 바이패스밸브(61)는 완전 개방된다. 따라서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온 냉매(고온 기상냉매)는 바이패스통로(60)를 통해 증발기(30) 및 기액분리기(50)로 분배 공급되고, 수-냉매 열교환기(20)를 바이패스한다. 즉, 상기 제상동작모드에서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온냉매(고온의 기상냉매)는 증발기(30) 뿐만 아니라 기액분리기(50)로도 흐른다.
그럼 다음, 상기 증발기(30)로부터 유출된 냉매의 온도 또는 압력이 소정값 보다 높아지거나, 제동동작 시동 이후에 소정시간이 경과된 경우, 상기 증발기(30)의 제상동작모드는 종료되고, 비등동작모드가 다시 시작된다.
상기 증발기(30) 및 기액분리기(50)가 증기압축 냉동사이클 시스템에서 압축기(10)로부터 토출된 고온의 기상냉매의 흐름에 대하여 직렬로 배치될 경우, 상기 증발기(30) 및 기액분리기(50)는 저압측에 위치될 것이고, 대략 동일온도 및 동일압력을 갖는다. 이 경우, 일반적으로 상기 증발기(30)를 가열한 후의 냉매는 기액분리기(50)를 가열하기 위하여 기액분리기(50)로 흐른다. 따라서, 상기 증발기(30)로부터 유출된 다량의 냉매는 기액분리기(50)에서 응축되고, 상기 기액분리기(50)로부터 압축기(10)로 공급된 기상냉매량은 압축기(10)로부터 토출된 고온의 기상냉매량보다 작을 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온 냉매는 냉각되지 않고 증발기(30) 및 기액분리기(50) 양쪽으로 분배 공급된다. 따라서, 고온 냉매는 증발기(30) 뿐만 아니라 기액분리기(50)로도 공급된다. 그러므로, 상기 기액분리기(50)로 흐르는 많은 양의 냉매가 응축되고 액화되는 것을 방지하여, 상기 기액분리기(50)로부터 압축기(10)로 공급되는 기상냉매량이 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온의 기상냉매량보다 작아지는 것을 방지한다. 따라서, 제상동작모드에서, 많은 양의 고온 기상냉매가 증발기(30)로 공급될 수 있고, 제상동작시간은 단축될 수 있다.
또한, 제1실시예에서, 상기 바이패스밸브(61)는 증발기(30)로 공급된 고온고압냉매(고온의 기상냉매)를 증발기(30)의 소정 내압압력(resistance pressure)으로 감압하도록 제공된다. 즉, 상기 바이패스밸브(61)는, 그 바이패스밸브(61)가 완전 개방될 경우, 소정의 압력손실이 발생하도록 설정된다. 특히, 상기 바이패스밸브(61)가 개방될 경우, 상기 바이패스밸브(61)는, 증발기(30)로 흐르는 냉매압력이 증발기의 내압압력 이하로 되고, 상기 증발기(30)를 흐르는 냉매온도가 외기온도 이상으로 될 정도로, 상기 바이패스밸브(61)를 통해 흐르는 냉매를 감압한다. 따라서, 상기 증발기(30)의 제상동작은 효과적으로 실행될 수 있다.
도4는 본 출원의 발명자에 의하여 실행된 본 발명의 비교예를 나타낸 것이다. 도4의 비교예에서, 고정스로틀(63)은 제공되지 않는다. 본 출원의 발명자에 의한 실험에 따르면, 저온측 열교환기(30)로 공급된 고온의 기상냉매량 및 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량은 적절히 제어될 수 없다. 이 경우, 상기 증발기(30)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q1)과 바이패스통로(60)로부터 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q2)의 유량비는 적절히 제어하기가 어렵다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 증발기(30)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q1)과 상기 기액분리기(50)로 공급된 고온의 기상냉매량(Q2)의 유량비를 적절히 설정할 수 있다. 상기 고정스로틀(63)은, 유량비(Q1/Q2)가 약 7/3 내지 3/7의 범위로 적절히 이루어지도록 설정될 경우, 제상시간은 효과적으로 단축될 수 있다.
전술한 제1실시예에서, 상기 압축기(10)의 회전속도는 일정한 소정의 회전속도로 유지될 수 있다. 또한, 상기 압축기(10)의 회전속도는 외기온도와 증발기(30)로부터 유출되는 냉매온도 간의 온도차에 기초하여 조절되거나, 증발기(30)의 유출구에서의 냉매온도에 기초하여 조절될 수 있다.
(제2실시예)
제2실시예에서, 도2에 나타낸 바와 같이, 다른 고정스로틀(감압수단)(64)이 냉매연결통로(62)의 일부분이고, 연결부 "a"보다 증발기(30)측에 형성되는 냉매연결통로(62b)에 제공된다. 즉, 상기 고정스로틀(64)은 연결부 "a"와 증발기(30)의 냉매 유입구 사이 위치의 냉매연결통로(62)에 제공된다. 제2실시예에서, 상기 고정스로틀(스로틀수단)(63)은 바이패스통로(60)로부터의 고온의 기상냉매가 기액분리기(50)로 공급되는 냉매연결통로(62a)에 제공되고, 상기 고정스로틀(64)은 바이패스통로(60)로부터의 고온의 기상냉매가 증발기(30)로 공급되는 냉매연결통로(62b)에 제공된다. 따라서, 제2실시예에서, 상기 증발기(30)로 공급되는 고온의 기상냉매량(Q1)과 상기 기액분리기(50)로 공급되는 고온의 기상냉매량(Q2)의 유량비는 적절한 유량비로 용이하게 제어될 수 있다.
제2실시예에서, 비등동작모드 동안, 상기 고정스로틀(63)(64)은 상기 증발기(30)로 흐르는 냉매를 정확히 감압하기 위한 감압장치로서 이용된다. 이에 반하여, 제상동작모드 동안의 상기 고정스로틀(63)(64)은 상기 증발기(30)로 공급되는 고온의 가스냉매량(Q1)과 상기 기액분리기(50)로 공급되는 고온의 가스냉매량(Q2)의 유량비를 조절하기 위한 유량비 조절장치로서 이용된다.
(제3실시예)
전술한 제1 및 제2실시예에서, 이젝터(40)는 비등동작모드에서 고압냉매를 감압하기 위한 감압장치로서 이용된다. 그러나, 제3실시예에서는, 도3에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 수-냉매 열교환기(20)로부터의 고압냉매가 감압장치(80)에 의 하여 등엔트로피로 감압 팽창되는 증기압축 냉동사이클 시스템에 적용된다. 상기 감압장치(80)로서는, 증발기(30)의 냉매 유출구에서의 냉매 과열정도가 소정값으로 되도록 스로틀 개방정도가 제어되는 열팽창밸브가 이용된다. 또한, 오리피스(orifice) 및 모세관 튜브(capillary tube)와 같은 고정스로틀이 상기 감압장치(80)로서 이용될 수 있다.
제상동작모드에서 냉매가 바이패스통로(60)로부터 흐르는 것을 방지하도록 싱기 바이패스통로(60)에 체크밸브(65)가 제공된다. 즉, 상기 체크밸브(65)는 제상동작모드에서 냉매가 상기 바이패스통로(60)로부터 증발기(30)측으로만 흐르도록 하기 위하여 제공된다.
다음으로, 제3실시예에 따른 급탕기(증기압축 냉동사이클 시스템)의 동작을 설명한다.
(1) 비등동작모드
비등동작모드에서, 냉매는 외기로부터 열을 흡수함으로써 증발기(30)에서 증발되고, 급탕수는 상기 냉매로부터 방열된 열을 이용하여 상기 수-냉매 열교환기(20)에서 가열된다. 상기 비등동작모드에서, 압축기(10)는 작동되고, 상기 바이패스밸브(61)는 폐쇄된다. 따라서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매는 수-냉매 열교환기(20)로 흐르고, 급탕수는 상기 수-냉매 열교환기(20)로 순환된다. 그러므로, 급탕수는 가열되고, 냉매는 상기 수-냉매 열교환기(20)에 의하여 냉각된다. 상기 냉각된 냉매는 감압장치(80)에 의하여 등엔트로피로 기액 2상상태로 감압 팽창된다. 그런 다음, 상기 감압장치(80)로부터의 기액 2상냉매의 액상냉매는 외기로부터 의 흡열에 의하여 증발된다.
(2) 제상동작모드
제상동작모드는, 증발기(30)로부터 유출된 냉매의 온도가 소정온도(0℃)보다 낮을 경우 및 외기온도와 상기 증발기(30)로부터 유출되는 냉매의 온도 간의 차이가 소정 온도차 보다 클 경우에 실행된다. 상기 제상동작모드에서, 상기 증발기(30)상에 발생된 성애는 제거된다.
상기 제상동적모드가 설정될 경우, 수-냉매 열교환기(20)로의 급수는 정지되고, 상기 증발기(30)로의 외기 송풍도 정지된다. 이러한 상태에서, 상기 압축기(10)는 작동되고, 바이패스밸브(61)는 완전 개방된다. 따라서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온냉매(고온의 기상냉매)는 수-냉매 열교환기(20)를 바이패스하고, 바이패스통로(60)를 통해 증발기(30) 및 기액분리기(50) 양쪽으로 분배 공급된다. 따라서, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온냉매(고온의 가스냉매)는 증발기(30) 뿐만 아니라 기액분리기(50)로부터 토출된다.
그런 다음, 상기 증발기(30)로부터 유출된 냉매의 온도 또는 압력이 소정값보다 높거나, 제상동작모드 시동 이후에 소정시간이 경과될 경우, 상기 증발기(30)의 제상은 종료를 결정하고, 비등동작모드를 재 시작한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온냉매는 냉각되지 않고 증발기(30) 및 기액분리기(50) 양쪽으로 병렬로 분배 공급된다. 따라서, 고온냉매는 상기 증발기(30) 뿐만 아니라 기액분리기(50)로도 공급된다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 고정스로틀(63)이 제공되기 때문에, 상기 증 발기(30)로 공급되는 고온의 기상냉매량과 바이패스통로(60)로부터 기액분리기(50)로 공급되는 고온의 기상냉매량의 유량비를 적절히 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 유량비(Q1/Q2)가 약 7/3 내지 3/7의 적절한 범위로 설정될 경우, 상기 제상동작모드는 효과적으로 단축될 수 있다.
(다른 실시예들)
본 발명은 참조도면을 참조하여 바람직한 실시예와 함께 충분히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 당업자에게 있어 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것은 명백할 것이다.
예를 들면, 전술한 실시예에서, 기액분리기(50)로 흐르는 고온의 기상냉매를 압축하기 위한 스로틀수단은 고정스로틀로 구성된다. 그러나, 상기 스로틀수단은 가변스로틀로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 가변스로틀의 스로틀 개방정도는 증발기(30)로 공급되는 고온의 기상냉매량(Q1)과 기액분리기(50)로 공급되는 고온의 기상냉매량(Q2)의 유량비(Q1/Q2)가 약 6/4로 되도록 전자제어장치(70)에 의하여 제어된다.
전술한 제3실시예에서, 제2실시예와 유사하게, 바이패스통로(60)에 부가적인 스로틀이 제공될 수 있어, 증발기(30)측으로 흐르는 고온의 기상냉매가 상기 부가적인 스로틀에 의하여 감압된다. 이 경우, Q1과 Q2의 유량비는 적절한 범위에서 보다 용이하게 설정될 수 있다.
전술한 실시예들에서, 본 발명은 그 예로서 급탕기를 이용하는 것을 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 냉열을 이 용하는 증기-압축 냉동기에 적용되거나, 증기압축 냉동사이클 시스템을 구비한 공조기에 적용될 수 있다.
전술한 실시예들에서, 냉매로서 이산화탄소가 이용된다. 이 경우, 압축기(10)로부터 토출된 고압냉매의 압력은 냉매의 임계압력보다 높게 증가될 수 있다. 그러나, 상기 냉매로서 다른 재료가 이용될 수 있다. 예를 들면, 냉매로서 프레온(freon) 또는 탄소 수소화물(carbon hydride)이 이용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 증기압축 냉동사이클 시스템은 제상동작에서 저압측 열교환기로 공급되는 고온의 기상냉매량과 기액분리기로 공급되는 고온 기상냉매량 간의 유량비를 적절히 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 냉매를 흡입 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 토출된 고압냉매를 냉각하기 위한 고압측 열교환기;
    상기 고압측 열교환기로부터의 고압냉매를 감압하는 감압장치;
    상기 감압장치에서 감압된 후의 저압냉매를 증발시키기 위한 저압측 열교환기:
    상기 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하며, 상기 분리된 기상냉매를 상기 압축기로 공급하기 위하여 상기 압축기의 흡입측에 제공되는 기액분리기;
    상기 압축기로부터 토출된 냉매를 상기 저압측 열교환기와 기액분리기 양쪽으로 공급하고, 상기 고압측 열교환기를 바이패스하는 바이패스통로; 및
    상기 바이패스통로로부터 상기 기액분리기로 공급된 냉매량을 조절하기 위한 스로틀수단
    을 포함하는 증기압축 냉동사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감압장치는 상기 고압측 열교환기로부터 흐르는 냉매를 등엔트로피로 감압 및 팽창시키기 위한 노즐을 포함하는 이젝터이고;
    상기 이젝터는 상기 노즐로부터 분사된 냉매의 고속흐름에 의하여 상기 저압 측 열교환기에서 증발된 기상냉매를 흡입하고, 팽창에너지를 압력에너지로 전환시켜 상기 압축기로 흡입될 냉매의 압력을 증가시키도록 배치되고;
    상기 기액분리기는 상기 이젝터의 냉매 유출구에 연결된 냉매 유입구와, 냉매연결통로를 통해 상기 저압측 열교환기로 연결된 액상냉매 유출구를 구비하고;
    상기 바이패스통로는, 그 바이패스통로로부터의 냉매가 저압측 열교환기 및 기액분리기 양쪽으로 공급되도록, 상기 냉매연결통로의 연결부에 연결되며;
    상기 스로틀수단은 상기 연결부와 기액분리기의 액상냉매 유출구 사이의 위치에서 상기 냉매연결통로에 제공되는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스통로로부터의 저압측 열교환기로 흐르는 냉매를 감압시키기 위하여, 상기 연결부와 저압측 열교환기 사이의 위치에서 상기 냉매연결통로에 제공되는 감압수단을 더 포함하는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스로틀수단은
    상기 바이패스통로로부터 저압측 열교환기로 공급되는 냉매량과 상기 바이패스통로로부터 상기 기액분리기로 공급되는 냉매량의 유량비가 약 7/3 내지 3/7의 범위로 되도록 설정되는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유량비는 약 6/4로 되는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스통로를 개폐하기 위하여 상기 바이패스통로에 배치되는 스위칭밸브를 더 포함하는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭밸브는 개방시 상기 바이패스통로를 통해 흐르는 냉매를 감압시키는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭밸브는
    그 스위칭밸브가 폐쇄되고, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 고압측 열교환기로 흐르는 일반적인 동작모드, 및 그 스위칭밸브가 개방되고, 상기 압축기로부터토출된 냉매가 저압측 열교환기 및 기액분리기로 공급되도록 상기 바이패스통로로 흐르는 제상동작모드 중 하나로 스위칭되도록 설정되는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 감압장치는
    상기 저압측 열교환기의 유출구측에서의 냉매 상태에 기초하여 제어되는 개방정도를 갖는 가변 스로틀로 이루어지는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스로틀수단은
    상기 바이패스통로로부터 저압측 열교환기로 공급되는 냉매량과, 상기 바이패스통로부터 기액분리기로 공급되는 냉매량의 유량비를 조절하도록 제어되는 가변 스로틀로 이루어지는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  11. 냉매를 흡입 및 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 토출된 고압 냉매를 냉각하기 위한 고압측 열교환기;
    상기 고압측 열교환기로부터의 고압 냉매를 감압시키는 감압장치;
    상기 감압장치에서 감압된 후 저압측 냉매를 증발시키기 위한 저압측 열교환기;
    상기 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하고, 상기 압축기로 분리된 기상냉매를 제공하기 위하여 상기 압축기의 흡입측에 제공되는 기액분리기; 및
    상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 저압측 열교환기 및 기액분리기 양쪽으로 공급되고, 상기 고압측 열교환기를 바이패스하는 바이패스통로
    를 포함하며,
    상기 바이패스통로로부터 저압측 열교환기로 공급되는 냉매량과, 상기 바이패스통로로부터 기액분리기로 공급되는 냉매량의 유량비가 약 7/3 내지 3/7의 범위로 설정되는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 토출된 냉매는 냉매의 임계압력 이상으로 이루어지는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 이산화탄소로 이루어지는
    증기압축 냉동사이클 시스템.
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