KR100609169B1 - Cascade refrigerating cycle - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 캐스캐이드 냉동 사이클은 비등점이 높은 제 2 냉매와 비등점이 낮은 제 1 냉매가 혼합되어 있는 혼합냉매가 압축되는 압축기; 압축된 상기 혼합냉매가 응축되는 응축기; 응축된 상기 혼합냉매 중에서, 액상의 제 2 냉매와 기상의 제 1 냉매가 분리되어 유출되는 기액분리기; 상기 기액분리기로부터 분리되는 기상의 혼합 냉매 중에서 기상의 제 2 냉매가 액상으로 분리되기 위하여, 내부에 저온 상태의 열교환장치와, 상기 열교환장치측으로 상기 혼합냉매가 흡입되는 흡입관이 포함되는 디플레그메이터; 상기 디플레그메이터를 통과한 기상의 제 1 냉매와, 팽창되어 저온으로 변화된 상기 제 2 냉매가 열교환되는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해서 열교환된 상기 제 1 냉매가 팽창된 뒤에 증발되어, 주위에 저온 환경이 조성되는 증발기가 포함된다.The cascade refrigeration cycle according to the present invention includes a compressor in which a mixed refrigerant in which a second refrigerant having a high boiling point and a first refrigerant having a low boiling point is mixed is compressed; A condenser for condensing the compressed mixed refrigerant; A gas-liquid separator in which the liquid phase second refrigerant and the gaseous first refrigerant are separated and discharged from the condensed mixed refrigerant; A deflator including a heat exchanger in a low temperature state and a suction pipe through which the mixed refrigerant is sucked into the heat exchanger in order to separate the gaseous second refrigerant into a liquid phase from the gaseous mixed separator separated from the gas-liquid separator; A heat exchanger in which a first refrigerant in a gaseous phase that has passed through the deflector and the second refrigerant that is expanded and changed to a low temperature are heat-exchanged; And an evaporator in which the first refrigerant heat-exchanged by the heat exchanger is evaporated after being expanded and a low temperature environment is formed around the evaporator.
본 발명에 의해서 캐스캐이드 냉동사이클의 혼합 냉매 분리과정이 디플레그메이터에 의해서 보다 완벽하게 수행될 수 있기 때문에, 냉동사이클의 성능 계수가 높아지는 장점이 있고, 특히, 디플레그메이터에 의해서 제 2 냉매는 완전히 배제된 순수한 기상의 제 1 냉매만이 토출되는 장점이 있다.Since the mixed refrigerant separation process of the cascade refrigeration cycle can be performed more fully by the deflector according to the present invention, there is an advantage that the coefficient of performance of the refrigeration cycle is increased, in particular, the second refrigerant by the deflector The advantage is that only the first refrigerant of pure gaseous phase, which is completely excluded, is discharged.
디플레그메이터, 냉동 사이클Deflector, Refrigeration Cycle
Description
도 1은 본 발명의 사상에 따르는 캐스캐이드 냉동사이클의 사이클 흐름도. 1 is a cycle flow diagram of a cascade refrigeration cycle according to the spirit of the present invention.
도 2는 비등점이 낮은 제 1 냉매의 흐름을 설명하는 도면.2 is a view for explaining the flow of the first refrigerant having a low boiling point.
도 3은 상기 기액분리기에 의해서 분리된 비등점이 높은 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면.3 is a view for explaining the flow of a second high boiling point refrigerant separated by the gas-liquid separator;
도 4는 상기 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 비등점이 높은 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면.4 is a view for explaining the flow of a second high boiling point refrigerant not separated by the gas-liquid separator;
도 5는 제 2 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도.5 is a T-S diagram illustrating a flow state of a second refrigerant.
도 6은 제 1 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도. 6 is a T-S diagram illustrating a flow state of a first refrigerant.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 디플레그메이터의 단면도. 7 is a cross-sectional view of the deflector according to the spirit of the present invention.
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'의 단면도.8 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 7;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11 : 압축기 12 : 응축기 13 : 기액분리기11
14 : 디플레그메이터 15 : 열교환기 16 : 제 1 팽창기14
17 : 증발기 18 : 제 2 팽창기17: evaporator 18: second inflator
40 : 본체 45 : 열교환장치40: main body 45: heat exchanger
본 발명은 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것으로서, 혼합 냉매가 단일의 압축기에 의해서 압축되고, 냉동 사이클의 효율이 증진되도록 하는 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 증발기를 보다 저온으로 구성할 수 있는 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적인 냉동 사이클은 압축, 응축, 팽창, 및 증발로 이루어지고, 상기 증발과정 중에 증발기에서 냉매가 증발되는 중에 열기가 흡수되도록 함으로써, 냉동이 수행된다. 그러나, 일반적인 냉동 사이클로는 냉장고등과 같은 영하의 저온 분위기를 얻을 수는 있으나, 산업상으로 요구되는 영하 100도씨대에 이르는 초저온을 얻지는 못하는 단점이 있다. Typical refrigeration cycles consist of compression, condensation, expansion, and evaporation, and refrigeration is performed by allowing heat to be absorbed while the refrigerant evaporates in the evaporator during the evaporation process. However, although a general refrigeration cycle can obtain a sub-zero low temperature atmosphere such as a refrigerator, there is a disadvantage in that it is impossible to obtain ultra low temperatures of minus 100 degrees Celsius, which is required by industry.
이러한 배경하에서 영하 100도씨대 이하의 초 저온을 상업적으로 얻어내기 위하여 제안된 냉동 사이클로는 클리멘코 사이클(kleemenko cycle)이 제안된 바가 있다. 상기 클리멘코 사이클은 제안자의 이름을 딴 냉동 사이클로서 "A.P.Kleemenko"에 의해서 "Proceedings Ⅹth international Congress on refrigeration, copenhagen, 1, 34~39(1959), Pergamon Press, London"에 제안된 바가 있으며, 원 플로우 캐스케이스 냉동사이클의 출발점이 된다. 물론, 극 저온을 이루는 냉동 사이클은 다양한 종류가 있을 수 있으나, 본 발명은 상기 클리멘코 사이클의 구조를 개선하는 것에 관하여 주된 관심이 있다. Under these backgrounds, the Kleemenko cycle has been proposed as a proposed refrigeration cycle for commercially obtaining ultra-low temperatures of below 100 degrees Celsius. The Klimenco cycle is a refrigeration cycle named after the proposer, which was proposed by "APKleemenko" to "Proceedings Ⅹth international Congress on refrigeration, copenhagen, 1, 34-39 (1959), Pergamon Press, London". It is the starting point of the flow casing refrigeration cycle. Of course, there may be a variety of refrigeration cycles to achieve an extremely low temperature, but the present invention is of major interest in improving the structure of the Klimenco cycle.
상기 클리멘코 사이클에 대해서 간단히 설명하면, 비등점이 낮은 제 1 냉매 와 비등점이 비교적 높은 제 2 냉매가 혼합된 혼합 냉매가 단일의 압축기에 의해서 압축된 뒤에 응축된다. 응축이 수행되고 난 다음에 상기 제 1 냉매는 기상을 유지하고, 상기 제 2 냉매는 액상으로 변하게 된다. 그 뒤에, 기상의 제 1 냉매와 액상의 제 2 냉매가 기액분리기를 통과하는 중에 기상의 제 1 냉매와 액상의 제 2 냉매가 분리되고, 각각 다른 관로를 통하여 흐르게 된다. In brief, the Climenco cycle will be condensed after a mixture of the first refrigerant having a low boiling point and the second refrigerant having a relatively high boiling point is compressed by a single compressor. After the condensation is performed, the first refrigerant maintains the gas phase and the second refrigerant turns into a liquid phase. Thereafter, while the first refrigerant in the gas phase and the second refrigerant in the liquid phase pass through the gas-liquid separator, the first refrigerant in the gas phase and the second refrigerant in the liquid phase are separated from each other, and flow through different pipes.
그리고, 상기 제 2 냉매는 계속해서 팽창과 증발을 거치고, 상기 제 1 냉매는, 상기 제 2 냉매의 증발과정 중에 발생되는 냉기에 의해서 응축이 수행되고, 응축이 완료된 뒤에, 팽창밸브를 통하여 팽창된 뒤에, 증발기에 의해서 증발된다. 그러므로, 제 1 냉매는 상기 증발기를 거치면서 증발되어 외부로부터 열을 흡수하고, 흡수되는 열에 의해서 증발기의 외부는 영하 100도씨에 이르는 초 저온의 환경이 조성되도록 할 수 있다. The second refrigerant is continuously expanded and evaporated, and the first refrigerant is condensed by cold air generated during the evaporation process of the second refrigerant, and after the condensation is completed, the second refrigerant is expanded through the expansion valve. Later, it is evaporated by an evaporator. Therefore, the first refrigerant may be evaporated while passing through the evaporator to absorb heat from the outside, and the outside of the evaporator may form an ultra low temperature environment of minus 100 degrees by the heat absorbed.
요약하면, 상기 클리멘코 사이클은 혼합냉매가 단일의 압축기 및 응축기에 의해서 압축 및 응축되는 것과, 비등점이 낮은 제 1 냉매는, 비등점이 높은 제 2 냉매에 의해서 응축이 수행됨으로써, 상기 제 1 냉매가 증발되는 환경이 초저온의 환경의 분위기로 조성될 수 있는 것에 그 특징이 있다. In summary, the Klymenco cycle is characterized in that the mixed refrigerant is compressed and condensed by a single compressor and a condenser, and the first refrigerant having a low boiling point is condensed by a second refrigerant having a high boiling point, whereby the first refrigerant is It is characterized by the fact that the environment to be evaporated can be created in the atmosphere of the cryogenic environment.
그러나, 종래의 클리멘코 사이클의 내부에서 응축기를 거쳐서 응축되는 냉매는, 응축기를 통과한다고 할지라도 비등점이 높은 제 2 냉매가 완전히 응축되지 못하는 문제점이 있다. 그러므로, 응축기를 통과하고 난 뒤라 할지라도, 상기 제 2 냉매에는 기상의 제 2 냉매가 남아있게 되고, 결국에는, 상기 기액분리기에 의해서 액상의 제 2 냉매와 기상의 제 1 냉매가 분리되는 과정 중에, 기상의 제 1 냉매와 함께 기상의 제 2 냉매가 같이 유동되는 문제점이 있다. 약언하면, 기액분리기의 효율이 높지 아니한 단점이 있는 것이다. However, the refrigerant condensed through the condenser in the conventional Klimenko cycle has a problem that the second refrigerant having a high boiling point does not completely condense even though it passes through the condenser. Therefore, even after passing through the condenser, the second refrigerant in the gaseous phase remains in the second refrigerant, and eventually, during the process of separating the liquid phase second refrigerant and the gaseous first refrigerant by the gas-liquid separator. In addition, there is a problem that the second refrigerant in the gas phase flows together with the first refrigerant in the gas phase. In other words, there is a disadvantage that the efficiency of the gas-liquid separator is not high.
이러한 문제점으로 인하여 상기 제 1 냉매가 유동되는 증발기는 초저온에 이르지 못하고, 온도가 어느 정도 높아지는 단점이 있고, 결국에는 사용자가 원하는 만큼의 초저온 상태를 구현할 수 없는 문제점이 발생된다. Due to this problem, the evaporator in which the first refrigerant flows does not reach an ultra low temperature, has a disadvantage in that the temperature is increased to some extent, and in the end, a problem in which an ultra low temperature state as desired by a user cannot be realized.
또한, 증발되는 제 1 냉매와 함께 제 2 냉매가 유동됨으로써, 냉동 사이클 내부의 비가역손실이 높아지는 단점이 있다. In addition, there is a disadvantage that the irreversible loss inside the refrigeration cycle is increased by flowing the second refrigerant together with the first refrigerant to be evaporated.
본 발명은 상기되는 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 혼합 냉매의 분리과정이 보다 완벽하게 수행되도록 함으로써, 냉동사이클의 효율이 증진되도록 하는 캐스캐이드 냉동사이클을 제안하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been proposed in order to solve the above problems, an object of the present invention is to propose a cascade refrigeration cycle to improve the efficiency of the refrigeration cycle by allowing the separation process of the mixed refrigerant to be carried out more completely.
또한, 관로중에서 비등점이 높은 제 2 냉매만이 흘러야 되는 관로에는, 제 2 냉매의 순도가 높아지도록 함으로써, 비가역손실이 줄어들고, 저온환경의 온도가 보다 낮아지는 장점을 얻을 수 있는 캐스캐이드 냉동사이클을 제안하는 것을 목적으로 한다. In addition, a cascade refrigeration cycle in which the second refrigerant having a high boiling point must flow in the pipeline, thereby increasing the purity of the second refrigerant, thereby reducing the irreversible loss and lowering the temperature of the low temperature environment. The purpose is to propose.
또한, 기상의 혼합 냉매가 보다 완벽하게 분리가능하도록 함으로써, 캐스캐이드 냉동 사이클의 성능계수가 개선되는 캐스캐이드 냉동사이클을 제안하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to propose a cascade refrigeration cycle in which the performance coefficient of the cascade refrigeration cycle is improved by allowing the gaseous mixed refrigerant to be separated more completely.
상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캐스캐이드 냉동사이클은 비 등점이 높은 제 2 냉매와 비등점이 낮은 제 1 냉매가 혼합되어 있는 혼합냉매가 압축되는 압축기; 압축된 상기 혼합냉매가 응축되는 응축기; 응축된 상기 혼합냉매 중에서, 액상의 제 2 냉매와 기상의 제 1 냉매가 분리되어 유출되는 기액분리기; 상기 기액분리기로부터 분리되는 기상의 혼합 냉매 중에서 기상의 제 2 냉매가 액상으로 분리되기 위하여, 내부에 저온 상태의 열교환장치와, 상기 열교환장치측으로 상기 혼합냉매가 흡입되는 흡입관이 포함되는 디플레그메이터; 상기 디플레그메이터를 통과한 기상의 제 1 냉매와, 팽창되어 저온으로 변화된 상기 제 2 냉매가 열교환되는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해서 열교환된 상기 제 1 냉매가 팽창된 뒤에 증발되어, 주위에 저온 환경이 조성되는 증발기가 포함된다.The cascade refrigeration cycle according to the present invention for achieving the above object is a compressor in which a mixed refrigerant is mixed, the second refrigerant having a high boiling point and the first refrigerant having a low boiling point is mixed; A condenser for condensing the compressed mixed refrigerant; A gas-liquid separator in which the liquid phase second refrigerant and the gaseous first refrigerant are separated and discharged from the condensed mixed refrigerant; A deflator including a heat exchanger in a low temperature state and a suction pipe through which the mixed refrigerant is sucked into the heat exchanger in order to separate the gaseous second refrigerant into a liquid phase from the gaseous mixed separator separated from the gas-liquid separator; A heat exchanger in which a first refrigerant in a gaseous phase that has passed through the deflector and the second refrigerant that is expanded and changed to a low temperature are heat-exchanged; And an evaporator in which the first refrigerant heat-exchanged by the heat exchanger is evaporated after being expanded and a low temperature environment is formed around the evaporator.
다른 측면에 따른 본 발명의 캐스캐이드 냉동 사이클은, 단일이 압축기에 의해서 압축되고 단일의 응축기에 의해서 응축되는 혼합냉매가, 기액분리기에 의해서 분리되어 제 2 냉매는 제 1 냉매의 응축용도로 사용되는 캐스캐이드 냉동 사이클에 있어서, 상기 기액분리기에서 분리되는 기상의 혼합냉매가 흡입되어, 상기 기액분리기로부터 분리되는 비등점이 낮은 제 1 냉매 중에 포함되는 비등점이 높은 제 2 냉매가, 상기 제 1 냉매로부터 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터; 상기 디플레그메이터의 내부에 제공되는 저온의 열교환장치; 및 상기 기액분리기에서 분리되는 기상의 혼합냉매가, 상기 열교환장치방향으로 흡입되기 위하여, 상기 디플레그메이터의 내부에서 상기 저온의 열교환장치측으로 연장되는 흡입관이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the cascade refrigeration cycle is characterized in that a mixed refrigerant in which a single is compressed by a compressor and condensed by a single condenser is separated by a gas-liquid separator so that the second refrigerant is used for condensation of the first refrigerant. In the cascade refrigeration cycle, the second refrigerant having a high boiling point contained in the first refrigerant having a low boiling point separated from the gas-liquid separator by suction of gaseous mixed refrigerant separated from the gas-liquid separator is the first refrigerant. Deflector for separating from the; A low temperature heat exchanger provided inside the deflector; And a suction pipe extending from the inside of the deflector to the low temperature heat exchanger side in order for the mixed refrigerant of the gaseous phase separated from the gas-liquid separator to be sucked in the direction of the heat exchanger.
제안되는 바와 같은 본 발명의 구성에 의해서 냉동 사이클의 전체적인 효율 이 증진되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 냉동사이클의 증발기측은 보다 낮은 온도가 구현가능하기 때문에, 냉동사이클의 적용범위가 보다 넓어질 수 있는 장점이 있다. By the configuration of the present invention as proposed it is possible to obtain the effect of improving the overall efficiency of the refrigeration cycle. In addition, since the evaporator side of the refrigeration cycle can be implemented at a lower temperature, there is an advantage that the application range of the refrigeration cycle can be wider.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 제안한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가, 및 위치변경등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, with reference to the drawings propose a specific embodiment of the present invention. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add other embodiments within the scope of the same idea to the addition, modification, deletion, addition, change of position, and the like. It may be easily proposed by the present invention, but this will also be included within the scope of the present invention idea.
도 1은 본 발명의 사상에 따르는 캐스캐이드 냉동사이클의 사이클 흐름도이다. 1 is a cycle flowchart of a cascade refrigeration cycle according to the spirit of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 사상이 적용되는 캐스캐이드 냉동사이클은, 비등점이 낮은 제 1 냉매와 비등점이 높은 제 2 냉매가 혼합되어 있는 혼합 냉매가 함께 압축되는 압축기(11)와, 상기 압축기(11)에 의해서 압축된 혼합냉매가 응축되는 응축기(12)와, 응축된 혼합냉매 중에서 비등점이 높아 먼저 액화되는 액상의 제 2 냉매와 비등점이 낮은 기상의 제 1 냉매가 분리되는 기액분리기(13)와, 상기 기액분리기(13)를 통과하는 과정 중에 분리되지 아니한 기상의 제 2 냉매가 다시 한번 액상으로 분리되도록 하는 디플레그메이터(Dephlegmator, 분류응축기, 분류기, reflux condenser)(14)와, 액상의 제 2 냉매가 팽창되는 제 2 팽창밸브(18)와, 팽창된 제 2 냉매와 제 1 냉매가 열교환되어, 상기 제 2 냉매는 증발되고 상기 제 1 냉매는 응축되도록 하는 열교환기(15)와, 열교환에 의해서 응축된 제 1 냉매가 팽 창되는 제 1 팽창밸브(16)와, 제 1 냉매가 증발되는 증발기(17)가 포함된다. Referring to FIG. 1, the cascade refrigeration cycle to which the idea of the present invention is applied includes a
상세하게, 상기 제 1 냉매는 비등점이 낮은 냉매이고, 상기 제 2 냉매는 비등점이 높은 냉매이다. 그러므로, 상기 제 2 냉매는 팽창된 뒤에 상기 제 1 냉매를 응축시키도록 하는 열교환유체로서 동작될 수 있다. 예를 들면, 다양한 종류의 질소화합물, 불소화합물의 사용될 수 있고, 다만, 캐스케이스 냉동사이클의 사용 온도에 적합한 종류의 냉매는 물질의 종류는 불문하고 적용될 수 있다.In detail, the first refrigerant is a refrigerant having a low boiling point, and the second refrigerant is a refrigerant having a high boiling point. Therefore, the second refrigerant can be operated as a heat exchange fluid to condense the first refrigerant after it is expanded. For example, various kinds of nitrogen compounds and fluorine compounds may be used. However, any kind of refrigerant suitable for the use temperature of the casing refrigeration cycle may be applied regardless of the kind of material.
상세하게, 상기 디플레그메이터(14)로 유입되는 냉매에는, 기상의 제 1 냉매와, 기상의 제 2 냉매가 유입된다. 이때, 상기 제 2 냉매는 기액분리기(13)에 의해서 액체로 완전히 분리되지 못한 제 2 냉매로서 디플레그메이터(14) 내부의 열교환장치에 의해서 완전히 액체로 변환되어 제 1 냉매와 분리된다. 그리고, 상기 디플레그메이터(14)의 내부에 놓이는 열교환장치로는, 증발되어 저온으로 된 제 1 냉매가 유동되고, 저온의 상기 제 1 냉매에 의해서 제 2 냉매가 완전히 액상으로 상변화되도록 한다. 한편, 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리됨에도 불구하고 제 1 냉매와 함께 제 2 냉매가 유동되는 것은, 상기 응축기(12)의 온도가 제 2 냉매가 완전히 액체로 응축되기에 필요한 정도에 이르지 않기 때문일 수 있다.In detail, the first refrigerant in the gas phase and the second refrigerant in the gas phase flow into the refrigerant flowing into the
설명된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 디플레그메이터(14)는 기액분리기(13)에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매, 다시 말하면, 기상의 제 1 냉매와 함께 기액분리기(13)로부터 토출되는 제 2 냉매가 완전히 액상으로 분리되도록 하는 장치이다. 이로써, 제 2 팽창기(18)로 유입되는 제 2 냉매의 순도는 거의 100%에 이를 수 있다. 이와 같이, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 2 냉매 의 순도가 높아지면, 상기 열교환기(15)에 의해서 보다 많은 열이 열교환되고, 상기 증발기(17)에 의해서 보다 많은 열이 흡수되고, 증발기의 환경은 보다 저온환경으로 조성될 수 있다. As described, the
이하에서는 각각의 관로 내부를 유동하는 냉매의 흐름을, 제 1 냉매, 기액분리기에 의해서 분리되는 제 2 냉매, 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 순으로 설명한다. 도 2는 상기 제 1 냉매의 흐름을 설명하는 도면이고, 도 3은 상기 기액분리기에 의해서 분리된 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면이고, 도 4는 상기 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면이다. Hereinafter, the flow of the refrigerant flowing in each pipe line will be described in order of the first refrigerant, the second refrigerant separated by the gas-liquid separator, and the second refrigerant not separated by the gas-liquid separator. 2 is a view for explaining the flow of the first refrigerant, Figure 3 is a view for explaining the flow of the second refrigerant separated by the gas-liquid separator, Figure 4 is a second refrigerant not separated by the gas-liquid separator It is a figure explaining the flow of.
먼저, 도 2를 참조하면, 비등점이 낮은 제 1 냉매의 유로(1)는 상기 압축기(11)에서 압축되고, 응축기(12)에서 응축된다. 다만, 상기 응축기(12)에 의해서 응축이 되어도 상기 제 1 냉매는 비등점이 낮기 때문에 액상으로 상변화되지 못하고 기상으로 유지되고, 기상의 제 1 냉매는 상기 디플레그메이터(14)로 유입된다. 이때에는 응축되지 아니한 기상의 제 2 냉매도 함께 디플레그메이터(14)로 유입될 수 있다.First, referring to FIG. 2, the
그리고, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 2 냉매가 완전히 분리된 뒤에, 제 1 냉매는 열교환기(15)로 유입된다. 물론, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 1 냉매가 응축되는 것도 물론이다. 상기 열교환기(15)에 의해서 기상의 제 1 냉매는 열교환이 수행된 뒤에, 제 1 팽창밸브(16)에 의해서 팽창된다. 그리고, 팽창된 뒤에는 증발기(17)로 유입되어 증발기(17)의 주위환경이 저온환경으로 조성되 도록 한다. 상기 증발기(17)의 주위환경은 사용자가 원하는 초저온환경에 이를 수 있다.After the second refrigerant is completely separated by the
그리고, 상기 증발기(17)에 의해서 소정의 열이 흡수된 뒤에는 상기 디플레그메이터(14)의 열교환장치로 유입되어 열교환의 저온유체로 동작된다. 이는 제 1 냉매가 상기 증발기(17)에 의해서 증발된 뒤에도 저온의 냉기가 유지되고 있기 때문이다. After the predetermined heat is absorbed by the
그리고, 제 1 냉매는 디플레그메이터(14)에 의해서 열교환된 뒤에 제 2 냉매와 합하여져 다시금 압축기(11)로 유입되는 사이클을 거친다. Then, the first refrigerant is heat exchanged by the
또한, 도 3을 참조하여 상기 기액분리기에 의해서 분리되는 제 2 냉매유로(2)의 흐름을 설명하면, 제 2 냉매는 압축기(11) 및 응축기(12)를 거치는 과정은 제 1 냉매와 동일하고 다만, 응축기(12)를 거치는 중에 많은 양의 제 2 냉매가 액화되는 것에 있어서 차이가 있다. 그러므로, 기액분리기(13)로 유입된 뒤에 액상의 제 2 냉매는 액체가 토출되는 관로를 통하여 토출된 뒤에, 상기 제 2 팽창밸브(18)에서 팽창된 뒤에 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환이 수행된다. 상기 열교환기(15)는 제 2 냉매로 볼 때는 증발기로서의 역할이 수행되는 것은 용이하게 짐작할 수 있다. In addition, referring to FIG. 3, the flow of the second
상기 열교환기(15)에 의해서 열교환이 수행되어 제 1 냉매를 응축시킨 뒤에는 제 1 냉매와 합하여진 뒤에 압축기(11)로 이동되는 사이클을 이루게 된다. After the heat exchange is performed by the
또한, 도 4를 참조하여 상기 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 유로(3)를 설명하면, 응축기(12)에 의해서 액체로 상변화된 제 2 냉매와 같 이, 압축기(11) 및 응축기(12)를 거친 뒤에, 기액분리기(13)에서 제 1 냉매와 함께 디플레그메이터(14)로 유입된다. In addition, referring to FIG. 4, the
상기 디플레그메이터(14)로 유입된 제 2 냉매는, 상기 디플레그메이터(14) 내부의 열교환장치에 의해서 완전히 액체로 상변화된 뒤에 기액분리기(13)에 의해서 분리된 제 2 냉매와 합하여진다. 이후에, 제 2 냉매의 흐름은 이미 설명된 바와 마찬가지이다. The second refrigerant introduced into the
설명된 바와 같이, 비등점이 높은 제 2 냉매가 완전히 액체로 상변화된 뒤에 열교환기(15)의 열교환에 사용되기 때문에, 제 1 냉매는 보다 많이 응축될 수 있고, 결국, 증발기(17)에서 증발되는 제 1 냉매는 보다 더 저온으로 조성될 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 이와 같이 제 2 냉매의 액상 순도가 높아질 수 있는 것은, 상기 제 2 냉매가 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 다시 한번 액체로 완전히 상변화되어 사이클 내부를 유동하기 때문이다. As described, since the second refrigerant having a high boiling point is used for heat exchange of the
이하에서는 캐스캐이드 냉동사이클 내부를 유동하는 제 1 냉매와 제 2 냉매의 상태를 T-S선도를 참조하여 상세하게 설명한다. 설명이 명확하게 이루어지도록 하기 위하여, 상기 도 1에는 각각의 유로 내부를 유동하는 냉매의 상태가 아라비아 숫자로 지시되어 있고, 상기 아라비아 숫자는 도 5 와 도 6의 아라비아 숫자와 대응되어 각각의 상태가 설명된다.Hereinafter, the states of the first refrigerant and the second refrigerant flowing in the cascade refrigeration cycle will be described in detail with reference to the T-S diagram. In order to make the description clear, the state of the refrigerant flowing in the respective flow paths is indicated by Arabic numerals in FIG. 1, and the Arabic numerals correspond to the Arabic numerals of FIGS. 5 and 6. It is explained.
도 5는 상기 제 2 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도로서, 도 5를 참조하여 제 2 냉매의 유동상태를 설명한다. FIG. 5 is a T-S diagram illustrating a flow state of the second refrigerant, and a flow state of the second refrigerant will be described with reference to FIG. 5.
먼저, 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환되어 기상으로 변한 제 2 냉매(7 상태)는 제 2 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태), 압축기(11)로 유입된다. 상기 압축기(11)에 의해서 압축된 뒤에는(1 상태), 응축기(12)에 의해서 응축된다(2 상태). 다만, 응축기(12)는 상기 제 2 냉매가 완전히 응축될 수 있을 정도로 저온환경이 조성되기 어렵기 때문에, 제 2 냉매는 습증기의 상태(2 상태)가 유지되고 있다. First, the second refrigerant (7 states), which are heat-exchanged by the
그리고, 습증기의 상태에서, 액상의 제 2 냉매는 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리되어 바로 제 2 팽창밸브(18)로 유입되지만, 기상의 제 2 냉매는 상기 디플레그메이터(14)로 유입되어 더욱 온도가 낮아져서 완전히 액상의 제 2 냉매로 응축된다(4 상태). In the wet steam state, the liquid second refrigerant is separated by the gas-
상기 습증기의 제 2 냉매 중에서 액상의 제 2 냉매(2 상태)와, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 액상으로 변화된 액상의 제 2 냉매(4 상태)는 합하여져서 단일의 제 2 냉매상태(5 상태)로 변화된다. 상기 T-S선도에서 보이는 바와 같이, 상기 5 상태는 상기 2 상태와 상기 4 상태의 어느 사이에 존재하게 된다. The second liquid phase (2 states) of the liquid phase and the second liquid phase (4 states) of the liquid phase changed into the liquid phase by the
상기 단일의 제 2 냉매상태(5 상태)에서 상기 제 2 팽창밸브(18)를 통하여 팽창되어 온도가 더욱 떨어진 뒤에(6 상태), 상기 열교환기(15)에 의해서 상기 제 1 냉매와 열교환이 수행된다(7 상태). 그리고, 열교환이 수행된 뒤에는 제 1 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태) 압축기(1)로 재유입된다. After being expanded through the
설명된 바와 같이, 본원 발명의 캐스캐이드 냉동사이클은 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 보다 많은 열이 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환될 수 있다. As described, the cascade refrigeration cycle of the present invention allows more heat to be exchanged by the
상세하게는, 디플레그메이터(14)가 없는 경우에 기액분리기(13)를 통과한 제 2 냉매의 상태(2 상태)에서 바로 팽창되는 경우(2 상태에서 6-1 상태로 변화)에 비 하여, 디플레그메이터(14)에 의해서 분리된 액상의 제 2 냉매(4 상태)와 기액분리기(13)를 통과한 제 2 냉매(2 상태)가 합하여진 제 2 냉매(5 상태)가 팽창되는 경우에(5 상태에서 6 상태로 변화), 보다 많은 열이 상기 열교환기(15)에 의해서 흡수될 수 있다. 도 5에서 제 1 흡수열(20)은 흡수열이 증가분을 도시하고 있다.In detail, in the case where there is no
그리고, 상기 열교환기(15)에 의해서 보다 많은 열이 흡수되는 경우에는, 나아가서 상기 제 1 냉매에 의해서도 보다 많은 열이 방출되기 때문에, 제 1 냉매의 열교환 효율이 증진되는 것은 당연히 예측 가능할 것이다. In addition, when more heat is absorbed by the
도 6은 상기 제 1 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도로서, 도 6을 참조하여 제 1 냉매의 유동상태를 설명한다. FIG. 6 is a T-S diagram illustrating a flow state of the first refrigerant, and a flow state of the first refrigerant will be described with reference to FIG. 6.
먼저, 디플레그메이터(14)에 의해서 열교환된 기상의 제 1 냉매(12 상태)는 제 2 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태), 압축기(11)로 유입되어 압축된다(1 상태). 압축된 제 1 냉매는 응축기(12)에서 응축되는데(2 상태), 상기 응축기(12)에서 의해서 응축이 되더라도 제 1 냉매는 비등점이 낮기 때문에, 액체로 상변화되지 않고 기체 상태가 유지되면서, 상기 디플레그메이터(14)로 유입된다. 상기 디플레그메이터(14)에서 온도가 더욱 낮아지는데, 다만 디플레그메이터(14)에 의해서 온도가 더 낮아지더라도 제 1 냉매는 액체 상태가 유지된다(8 상태). First, the first refrigerant (12 states) in the gaseous phase heat exchanged by the
이 후에 열교환기(15)를 거치면서 제 2 냉매측으로 열을 빼앗겨서 액체의 상태로 응축되고(9 상태), 제 1 팽창밸브(16)에 의해서 팽창된 뒤에(10 상태), 증발기(17)를 통하는 과정 중에 증발된다(11 상태). 이와 같이, 증발기(17)를 통과하는 과정 중에 증발기(17) 외부의 열을 흡수하기 때문에, 증발기(17) 주변의 열이 흡수 되어 저온의 분위기가 조성될 수 있다. Thereafter, heat is desorbed to the second refrigerant side while passing through the
그리고, 증발기(17)에 의해서 증발되고도 남아있는 냉기는 상기 디플레그메이터(14)로 유입되어 제 2 냉매가 완전히 액상으로 변화되도록 한 뒤에(12 상태), 제 2 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태), 압축기(11)로 재 유입된다. 상기되는 사이클에 의해서 제 1 냉매는 사이클을 순환하게 된다.The cold air remaining even after being evaporated by the
한편, 상기 디플레그메이터(14)가 없는 경우에는, 이미 설명된 바와 같이, 상기 제 2 냉매는 완전히 액상으로 유입되지 못하고, 많은 열이 방출되지 못한다. 그러므로, 상기 제 1 냉매는 제 2 냉매와 열교환이 수행되더라도 열교환이 완전히 이루어지기 못하기 때문에, 완전한 액상으로 변하지 못할 수 있다. 그러므로, 습증기의 상태로 유지되고(9-1 상태), 이 상태에서 제 1 팽창밸브(16)를 통과되는 경우에는 습증기의 상태는 기체가 비교적 많은 상태가 된다(10-1 상태). 그러므로, 상기 증발기(17)를 통과하는 중에도 많은 열이 흡수되지 못하기 때문에, 증발기(17)의 주변은 디플레그메이터(14)가 있는 경우에 비하여 높은 온도가 된다. On the other hand, in the absence of the
결국, 상기 디플레그메이터(14)가 있는 경우에는 디플레그메이터(14)가 없는 경우에 비하여, 제 2 흡수열(21)만큼 많은 열이 증발기(17)를 통하여 흡수된다. 상기 증발기(17)를 통해서 보다 많은 열이 흡수되면, 캐스캐이드 냉동사이클의 성능계수가 높아지는 것은 물론이고, 증발기(17) 주변의 온도가 더욱 낮아지는 장점을 얻을 수 있다. As a result, when the
또한, 상기 제 1 흡수열(20)과 제 2 흡수열(21)은 동일할 수 있다. In addition, the
한편, 상기 T-S선도는 비가역성이 없는 경우를 가정하여 설명을 하였으며, 비가역성의 상태가 많아짐에 따라서 냉매의 구체적인 상태는 변경될 수 있다. 그리고, 냉매의 상태는 사이클 내부를 순환하면서 액상, 습증기, 기상으로 구분되어 놓일 수 있고, 습증기의 상태인 경우에 기상성분과 액상성분은 캐스캐이드 냉동사이클의 적용시에, 구체적인 경우에 따라서 달라질 수도 있을 것이다. 그리고, 열교환기의 효율이 증진되도록 하기 위하여 열교환기는 병렬적으로 다수개가 놓일 수도 있다. On the other hand, the T-S diagram has been described on the assumption that there is no irreversibility, the specific state of the refrigerant may be changed as the state of irreversibility increases. In addition, the state of the refrigerant may be divided into a liquid phase, a wet steam, and a gas phase while circulating inside the cycle. In the case of a wet steam state, the gas phase component and the liquid component may vary depending on a specific case when the cascade refrigeration cycle is applied. Could be In addition, in order to increase the efficiency of the heat exchanger, a plurality of heat exchangers may be placed in parallel.
이하에서는 상기 디플레그메이터(14)의 구성을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the configuration of the
도 7은 본 발명에 적용되는 디플레그메이터의 단면도이다. 7 is a cross-sectional view of the deflector applied to the present invention.
도 7을 참조하면, 상기 디플레그메이터(14)는 내부가 비어있는 상태에서 상하 방향으로 길게 형성되는 본체(40)와, 상기 본체(40)의 내부로 유입되거나 본체(40)의 내부에 유출되는 다수의 관로와, 상기 본체(40)의 내부에 놓여서 상기 본체(40)의 내부에 저온 환경이 조성되도록 하는 열교환장치(45)가 포함된다. Referring to FIG. 7, the
상기 관로를 보다 상세하게 설명하면, 열교환장치(45)로 차가운 냉기가 유입되도록 하는 냉기 흡입관(44)과, 열교환장치(45)로부터 데워진 냉기가 유출되도록 하는 냉기 토출관(46)이 포함된다. 상기 냉기 흡입관(44)은 상기 증발기(17)로부터 유출된 차가운 제 1 냉매가 유입되고, 상기 냉기 토출관(46)으로부터 토출되는 냉기는 어느 정도 고온의 상태에서 상기 압축기(11)로 유입된다. In more detail, the conduit includes a cold
또한, 상기 본체(40)의 내부 공간으로 제 1 냉매와 제 2 냉매가 혼합된 혼합냉매가 유입되는 흡입관(41)과, 상기 본체(40)의 내부에서 다시 냉각된 제 2 냉매가 토출되는 액체 토출관(47)과, 상기 본체(40)의 저온 분위기에도 불구하고 냉각 이 되지 않는 기상의 제 1 냉매가 토출되는 기체 토출관(43)이 포함된다. 상기 흡입관(41)의 단부에는 노즐부(42)가 형성되어 노즐부(42)를 통하여 제 1 냉매와 제 2 냉매가 어느 정도의 속도로 상기 열교환장치(45)측으로 안내되도록 함으로써, 기상의 제 2 냉매가 신속하게 냉각되어 액상으로 변화될 수 있는 장점이 있다. 만약, 상기 노즐부(42)가 형성되지 아니한 상태라면, 흡입관(41)으로부터 토출되더라도 상기 열교환장치(45)에 닿지 않는 제 2 냉매가 발생할 우려가 있기 때문이다. 다만, 흡입관(41)으로 부터 토출되는 전체 냉매가 상기 열교환장치(45)에 고르고 정확하게 닿을 수 있다면, 노즐부(42)가 형성되지 아니할 수 있다. 예를 들면, 흡입관(41)의 흡입단부가 열교환기(45)에 내부에 삽입되어 있도록 할 수도 있다. In addition, a
한편, 상기 기체 토출관(43)은 액상의 제 2 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위하여 본체(40)의 대략 상측에 놓이고, 본체(40)의 상측방향을 향하여 관로가 개구된다. 그리고, 액체가 기체 토출관(43)의 입구부에 닿지 않도록 하기 위하여 상기 기체 토출관(43)의 단부의 하측에는 분리판(48)이 제공된다. 상기 분리판(48)은 본체(40) 내부의 난류가 기체 토출관(43)으로 전달되지 않도록 하여 기상의 제 1 냉매가 원활히 배기되도록 하고, 본체(40) 내부 액상의 제 2 냉매가 튀어서 기체 토출관(43)으로 유입되지 않도록 하기 위한 것이다. On the other hand, the
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'의 단면도로서, 도 8을 참조하면, 상기 분리판(48)은 대략 원형으로 형성되고, 중심부위에는 기체 토출관(43)이 통과한다. 또한, 분리판(48)을 관통해서는 본체(40) 내부에 수용되는 기상의 제 1 냉매가 기체 토출관(43)측으로 유입되도록 하는 다수의 슬릿(49)이 형성된다. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 7, and referring to FIG. 8, the
상술된 바와 같은 디플레그메이터의 구성을 참조하여, 디플레그메이터(14)의 동작을 상세하게 설명한다. 먼저, 상기 열교환장치(45)로는 증발기(17)에서 증발된 차가운 제 1 냉매가 유입되어 본체(40) 내부가 저온의 상태로 유지되도록 한다. 그리고, 상기 노즐부(42)는 상기 열교환장치(45)를 향하고 있기 때문에, 노즐부(42)를 통해서 토출되는 기상의 제 1 냉매와 제 2 냉매는 열교환장치(45)를 향하여 직접 토출되고, 상기 기상의 제 2 냉매는 바로 냉각되어 액상으로 변화될 수 있다. 그러나, 노즐부(42)로부터 토출되는 기상의 제 1 냉매는, 비등점이 낮기 때문에 상기 열교환장치(45)와 접촉하더라도 액상으로 변화되지 않는다. With reference to the configuration of the deflector as described above, the operation of the
그리고, 액상으로 상변화된 제 2 냉매는 자중에 의해서 낙하되어 상기 액체 토출관(47)을 통하여 토출되고, 기상이 유지되는 제 1 냉매는 상기 기체 토출관(43)을 통하여 토출된다. The second refrigerant phase-changed into the liquid phase is dropped by its own weight and discharged through the
그리고, 상기 제 2 냉매가 상기 기체 토출관(43)측으로 유입되지 않도록 하기 위하여 상기 분리판(48)이 놓인다. 상기 분리판(48)에 의해서, 상기 노즐부(42)로부터 뿌려지는 혼합냉매가 튀어서 기체 토출관(43)으로 전달되지 않도록 하는 역할이 수행된다. 그리고, 노즐부(42)로부터 토출되어 본체(45)의 내부에 형성되는 난류가, 본체(40)의 상측공간으로 전달되지 않도록 하여, 기체토출관(43)에 의해서 토출되는 냉매의 정속성이 향상되고, 난류를 타고 액상의 제 2 냉매가 올라오지 않도록 한다. 다만, 상기 분리판(48)에는 다수의 슬릿(49)이 형성되어 있기 때문에, 기상의 제 1 냉매는 기체토출관(43)이 놓이는 본체(40)의 상측부 공간에 원활히 유입될 수 있다.In addition, the
한편, 흡입관(41)을 통해서는 상기 기액분리기(13)를 통과한 기체가 유입되고, 상기 토출관(43)을 통해서 토출된 제 1 냉매는 상기 열교환기(15)로 유입되고, 상기 액체 토출관(47)을 통해서 토출된 제 2 냉매는 제 2 팽창밸브(18)로 유입되는 이미 설명된 바와 같다.On the other hand, the gas passing through the gas-
제안되는 바와 같은 본 발명에 의해서 캐스케이스 냉동사이클의 혼합 냉매 분리과정이 보다 완벽하게 수행될 수 있기 때문에, 냉동사이클의 성능 계수가 높아지는 장점이 있다. According to the present invention, since the mixed refrigerant separation process of the casing refrigeration cycle can be performed more completely, the performance coefficient of the refrigeration cycle is increased.
특히, 비등점이 낮은 제 1 냉매의 순도가 높아지도록 함으로써, 비가역손실이 줄어들고, 증발기가 놓이는 저온 분위기의 저온상태가 보다 낮게 조성될 수 있기 때문에, 보다 넓은 범위의 저온환경에 캐스캐이드 냉동사이클이 적용될 수 있는 장점이 있다. In particular, by increasing the purity of the first refrigerant having a low boiling point, irreversible loss is reduced, and the low temperature state of the low temperature atmosphere in which the evaporator is placed can be made lower, so that the cascade refrigeration cycle can be operated in a wider range of low temperature environment. There is an advantage that can be applied.
또한, 디플레그메이터의 내부 구성에 의해서 기체와 액체가 원활히 분리될 수 있기 때문에, 효율은 더욱 증진되는 장점이 있다. 특히, 디플레그메이터의 내부에는 분리판이 형성되어 제 2 냉매는 완전히 배제된 순수한 기상의 제 1 냉매만이 토출될 수 있고, 이로써, 냉동사이클의 성능계수가 개선되는 장점이 있다.In addition, since the gas and the liquid can be smoothly separated by the internal configuration of the deflector, the efficiency is further improved. In particular, a separator is formed inside the deflector so that only the first refrigerant in a pure gaseous phase in which the second refrigerant is completely excluded can be discharged, thereby improving the performance coefficient of the refrigeration cycle.
또한, 흡입관이 흡입단부가 디플레그메이터 내부의 열교환장치를 향하고 있기 때문에, 흡입관으로부터 토출되는 비등점이 높은 제 2 냉매는 완전히 액화될 수 있는 장점이 있다.In addition, since the suction end of the suction pipe faces the heat exchanger inside the deflector, the second refrigerant having a high boiling point discharged from the suction pipe can be completely liquefied.
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