KR100809371B1 - 냉동사이클의 터보팽창기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동사이클의 터보팽창기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 냉동기나 에어컨과 같은 장치의 냉동사이클에서 있어서, 냉매의 팽창과정을 위한 팽창장치인 팽창밸브를 제거하고, 외부 조건으로 인한 부하 변동에 따라 작동되는 냉매량이 달라지는 경우에도 노즐의 교축면적이 자동으로 조절될 수 있는 가변형 초음속노즐장치를 구비한 냉동사이클의 터보팽창기에 관한 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 냉동사이클의 터보팽창기는 고온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태의 냉매로 변환시키는 냉동사이클의 팽창과정이 이루어지는 노즐을 구비한 터보팽창기에 있어서, 상기 터보팽창기는 유동하는 냉매량의 변화에 따라 상기 노즐의 교축면적이 자동으로 조절되면서 팽창과정이 이루지는 가변형 초음속노즐장치를 구비한 것을 특징으로 한다.

터보팽창기, 가변형 초음속노즐, 에너지회수, 냉동기, 에어컨, 냉매, 팽창터빈

Description

냉동사이클의 터보팽창기{Turbo expander on the refrigeration cycle}

도 1a는 종래의 혼합형 팽창장치에 관한 개략도;

도 1b는 도 1a의 혼합형 팽창장치를 포함한 시스템에 의해 형성되는 냉동사이클의 선도;

도 1c는 종래의 혼합형 팽창장치에서 터보팽창기의 노즐 구조를 보여주는 구조도;

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 냉동사이클 및 터보팽창기의 구성을 보여주는 개략도;

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 터보팽창기를 포함한 장치에 의해 형성되는 냉동사이클의 선도;

도 4a는 본 발명의 일실시 예에 따른 가변형 초음속노즐장치의 구조를 보여주는 부분단면도;

도 4b는 도 4a의 단면 'A-A' 부분의 구조도;

도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변형 초음속노즐장치의 구조를 보여주는 구조도; 및

도 5b는 도 5a의 단면 'B-B' 부분의 구조도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 압축기 2: 응축기

3: 팽창밸브 4: 터보팽창기

5: 기화기 6: 밸브판

7: 스프링 18: 축소관

19: 확산관 20: 가변형 초음속노즐

20a: 내측커버부 21: 노즐면적조절기

22: 압력관 24: 축소노즐부

24a: 축소노즐결합턱 25: 확산노즐부

25a: 확산노즐결합턱 26: 시트부

27: 외측커버부 28: 지지대

29: 다이부 30: 노즐면적조절블록

31: 입구블록 32: 출구블록

33: 슬라이딩핀 34: 제어모터

C: 노즐면적조절수단 D: 교축노즐부

본 발명은 냉동사이클의 터보팽창기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 냉동기나 에어컨과 같은 장치의 냉동사이클에서 있어서, 냉매의 팽창과정을 위한 팽창장치인 팽창밸브를 제거하고, 외부 조건으로 인한 부하 변동에 따라 작동되는 냉매 량이 달라지는 경우에도 노즐의 교축면적이 자동으로 조절될 수 있는 가변형 초음속노즐장치를 구비한 냉동사이클의 터보팽창기에 관한 것이다.

통상적으로, 가장 보편적으로 사용되고 있는 기존의 팽창장치는 팽창밸브를 사용하고 있으며, 최근에는 터보팽창기를 팽창 밸브와 병렬 구조로 설치한 장치가 개발되고 있으나 양쪽 방법 모두 만족할 만한 결과를 나타내지 못하고 있다.

상기 팽창밸브를 사용한 팽창장치의 경우에는 안정적인 작동 상태를 보여주기는 하지만, 팽창과정에서 소모되는 에너지를 전혀 회수하지 못하는 단점이 있었다. 또한 상기 팽창밸브와 터보팽창기를 병렬로 설치한 경우에는 터보팽창기에서 팽창과정 중 소모되는 에너지의 일부를 회수하여 장치의 효율이 상승하는 장점이 있으나, 두 개의 장치가 동시에 작동하여야 하는 문제로 인하여 두 장치의 팽창 결과가 다를 경우에 장치의 불안정한 작동의 원인이 되는 단점이 있을 뿐만 아니라 두 개의 장치를 설치하여야 하므로 장소의 제약 및 비용 증가의 문제가 발생하였다.

예컨대, 첨부 도면 중, 도 1a는 종래의 혼합형 팽창장치에 관한 개략도로서, 이는 팽창밸브와 터보팽창기를 결합한 팽창장치인 혼합형 팽창방식을 보여주고 있다. 상기 도면을 참조하면, 혼합형 팽창장치는 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3), 터보팽창기(4), 기화기(5)로 구성된다. 그리고, 상기 팽창밸브(3)는 냉매의 유로를 차단하는 밸브판(6) 및 스프링(7)으로 구성되고, 또한 상기 터보팽창기(4)는 냉매를 분사하는 초음속노즐(8) 및 상기 초음속노즐에서 분사되는 냉매에 의한 운동에너지를 흡수하는 터빈로터(9)로 구성된다.

이와 같이 구성된 팽창장치는 상기 터보팽창기(4)에서 얻어진 에너지를 이용하여 상기 터빈로터(9)와 축 결합한 발전장치(10)를 구동시켜 발전을 하거나, 또는 상기 터빈로터(9)의 축을 압축기의 축과 연결하여 에너지를 전달하는 방식을 적용하고 있으며, 이 장치는 팽창밸브(3)와 터보팽창기(4)를 병렬 구조로 연결하여 작동되는 특징이 있다.

한편, 첨부 도면 중, 도 1b는 도 1a의 혼합형 팽창장치를 포함한 시스템에 의해 형성되는 냉동사이클의 선도로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 압축기(1)에 의하여 가압 된 냉매는 고온고압 기체의 냉매(11)가 되고, 이 냉매(11)는 응축기(2)에서 열을 방출하여 액체상태로 변하지만 압력은 압축기(1)에서의 출구 압력과 같은 고압 액체의 냉매(12)로 변하게 된다.

그리고, 상기 고압 액체의 냉매(12)를 팽창시켜 낮은 온도 상태로 만들어서 냉방에 사용하기 위해 팽창과정을 거치게 되는데, 이는 상기 팽창밸브(3)나 터보팽창기(4)에서 교축 과정을 거치면서 압력과 온도를 낮춰준다.

도 1b의 좌측 하단에 도시된 바와 같이, 상기 팽창밸브(3)를 지난 냉매와 터보팽창기(4)를 지난 냉매는 각각의 위치가 조금 다르게 나타나 있으며, 이러한 이유는 팽창밸브(3)의 경우는 등엔탈피 과정을 거치게 되고, 터보팽창기(4)의 경우는 등엔트로피 과정을 기준으로 터보팽창기(4)의 효율을 고려한 작동 상태가 되기 때문이다. 이러한 과정을 거친 냉매는 저온저압의 이상냉매(two-phase, 13,14)가 되며, 이 이상냉매(13,14)는 기화기(5)를 거치면서 외기의 열을 흡수하여 냉방 및 냉동을 하게 한다. 또한, 외기의 열을 흡수한 냉매는 저압기체의 냉매(15)로 변한 후, 다시 압축기(1)에서 압축을 받아서 고온고압 기체의 냉매(11)로 되는 냉동사이클을 형성하게 된다.

그리고, 도 1b에 도시된 포화선도(16)는 냉매의 상태를 기체상태 및 액체상태로 구분하는 기준선이며, 이 포화선도(16) 내부는 기체상태와 액체상태가 혼합된 이상상태이다. 이는 고압액체의 냉매(12)가 상기 팽창밸브(3)나 터보팽창기(4)를 통하여 팽창되는 경우에 출구는 이상상태(two-phase)가 됨을 보여주고 있다.

특히 팽창과정에서, 도 1b의 좌측의 냉매의 변화선도가 급격하게 떨어짐을 보여주고 있는데, 이러한 변화의 원인은 냉매가 액체상태에서 작동하거나 이상상태에서 변화가 있는 경우에는 아주 급격하게 떨어지는 반면에, 기체상태에서 변화가 있는 경우에는 압축기에서의 변화처럼 완만한 변화를 보여준다. 이는 냉매의 특성에 기인하며, 이로 인하여 터보팽창기에서 획득되는 에너지의 양은 그다지 커지지는 않지만 적은 에너지 회수일지도 장치의 전체효율에 미치는 영향은 크기 때문이다.

그러나, 도 1b에 도시한 바와 같이, 종래의 혼합형 팽창장치를 통한 에너지회수량(17)은 그다지 크지 못하며, 이러한 이유는 다음과 같다.

첨부 도면 중, 도 1c는 종래의 혼합형 팽창장치에서 터보팽창기의 노즐 구조를 보여주는 구조도이며, 이를 참조하면, 상술한 터보팽창기를 작동하기 위해서는 높은 속도를 얻어야 하는데, 이를 위한 장치로 상기 도면에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 초음속노즐(8)을 사용하고 있다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 축소관(18) 및 확산관(19)이 연결되어 형성 되는 초음속노즐(8)의 형상으로 인해 노즐 속을 통과하는 냉매는 초음속 상태의 속도를 얻게 된다.

그러나, 상기 초음속노즐의 교축면적이 고정되어 있기 때문에, 장치에서 냉매의 질량유량이 변하는 경우에 외부 환경으로 작동 질량유량이 증가할지라도 과잉의 냉매 질량유량은 터보팽창기에서 작동을 하지 못하고, 팽창밸브로 보내져 에너지를 회수하지 못하기 때문에, 단지 제한된 양의 에너지를 획득하게 되는 문제점이 있다. 특히, 상기 초음속노즐의 설계 질량유량보다 적은 경우에는 모든 질량유량을 팽창밸브로 보내기 때문에 전혀 에너지의 획득이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 초음속노즐의 교축면적이 냉매의 질량유량에 따라 자동으로 조절될 수 있는 가변형 초음속노즐장치를 구비함으로써, 장치에 사용되는 질량유량에 대응하여 최대의 에너지 회수가 얻어지도록 하며, 아주 적은 질량유량이 작동한다 하여도 항상 팽창과정에서는 에너지의 회수가 가능한 냉동사이클의 터보팽창기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉동사이클의 터보팽창기는 고온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태의 냉매로 변환시키는 냉동사이클의 팽창과정이 이루어지는 노즐을 구비한 터보팽창기에 있어서, 상기 터보팽창기는 유동하는 냉매량의 변화에 따라 상기 노즐의 교축면적이 자동으로 조절되면서 팽창과정이 이루지는 가변형 초음속노즐장치를 구비한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가변형 초음속노즐장치는 내측 일단에 축소노즐결합턱이 형성된 노즐입구인 축소노즐부; 상기 축소노즐부와 분리 형성되고, 내측 일단에 확산노즐결합턱이 형성된 노즐출구인 확산노즐부; 및 상기 축소노즐부와 확산노즐부 사이에 결합하고, 냉매 질량유량에 따라 교축면적을 조절할 수 있는 노즐면적조절수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 노즐면적조절수단은 상기 축소노즐부와 확산노즐부 사이에 결합하고 내부공간을 갖는 원통형의 외측커버부; 상기 외측커버부의 내면에 방사상으로 대칭되게 결합하고, 하단 중심부에 관통공이 형성된 내측커버부; 상기 내측커버부의 내측 중심부에 구비되고, 상기 외측커버부의 내면에 일단이 고정결합하는 탄성부재; 상기 탄성부재의 타단에 결합하는 결합대 및 상기 결합대와 일체로 형성되고 상기 내측커버부의 관통공에 삽입/결합하는 연결대로 이루어진 노즐면적조절기; 상기 연결대의 일단에 결합하는 지지대; 상기 외측커버부의 내부에 구비되고, 상기 지지대가 삽입/가이드 되는 원통형의 다이부; 및 상기 외측커버부의 중심부에 구비되고, 상기 지지대의 움직임에 따라 내부에 형성되는 교축노즐부의 면적이 신축될 수 있는 시트부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 가변형 초음속노즐장치는 냉매 질량유량의 노즐입구가 관통 형성된 입구블록; 냉매 질량유량의 노즐출구가 관통 형성된 출구블록; 상기 입구블록 및 출구블록 사이에 결합하고, 외주에 일정한 블록치차가 형성되며, 상기 노즐입구 및 노즐출구와 연통되어 냉매의 팽창작용을 위한 상호 교축면적이 다른 다수의 교 축노즐부가 관통 형성된 노즐면적조절블록; 상기 입구블록과 출구블록의 중심부 및 상기 노즐면적조절블록의 중심부를 상호 연결하는 슬라이딩핀; 및 상기 노즐면적조절블록의 블록치차에 대응되게 형성된 모터치차를 갖는 제어모터를 포함하여 구성되되, 상기 제어모터의 구동에 의해 냉매량에 따라 상기 교축노즐부가 선택됨과 동시에 상호 연결되어 교축면적이 자동으로 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명인 냉동사이클의 터보팽창기는 종래의 터보팽창기와 팽창밸브를 병렬로 사용하는 혼합식 장치의 단점을 개선하기 위하여 가변형 초음속노즐을 사용하였으며, 상기 가변형 초음속노즐은 냉매의 질량유량이 변화하는 경우, 이 변화에 대응하여 초음속노즐의 교축면적이 조절되도록 하여, 터빈로터에 힘을 가하는 운동에너지를 최대로 회수 가능한 상태로 유지하도록 한다.

또한, 두 개의 장치를 사용하던 종래의 방식과는 달리, 하나의 장치만으로 작동하게 하여, 장치의 설치에 따른 공간적 제약을 완화하고, 비용을 절감할 수 있게 한 장치이며, 수시로 변하는 냉매의 질량유량에 대응하여 작동함으로써, 항상 작동하는 질량유량에 따른 최대의 에너지 회수와 장치에서 얻고자하는 최적의 팽창이 이루어질 수 있도록 한 장치이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하고자 한다. 첨부 도면 중, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 냉동사이클 및 터보팽창기의 구성을 보여주는 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 터보팽창기를 포함한 장치에 의해 형성되는 냉동사이클의 선도이고, 도 4a는 본 발명의 일실시 예에 따른 가변형 초음속노즐장치의 구조를 보여주는 부분단면도, 및 도 4b는 도 4a의 단면 'A-A' 부분의 구조도이다.

먼저 본 발명의 특징적 구조를 설명하고자 하며, 종래 장치의 구성 및 냉매 작동상태의 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고자 한다.

도 1a 및 도 2를 참조하여 설명하면, 냉방이나 냉동의 과정에 사용되는 냉동기나 에어컨 등의 팽창과정에 사용되는 팽창밸브(3)를 사용한 장치의 냉동사이클의 작동상태는 팽창밸브 및 터보팽창기(4)가 병렬로 설치되어 사용되는 혼합형 장치의 경우와 동일한 냉동사이클의 작동상태를 가진다.

이러한 냉동사이클의 작동상태를 간단히 설명하면, 압축기(1)에서 기체상태의 냉매를 가압하게 되면 냉매는 온도와 압력이 상승하여 고온고압 기체의 냉매(11)가 되고, 이 고온고압의 기체 냉매는 응축기(2)을 거치면서 열을 방출하여 기체상태에서 액체상태로 변화된다. 이때 상기 압축기(1)에 의하여 얻어진 압력은 유지되지만 온도는 조금 떨어진 상태로 되고, 상기 응축기(2)를 지난 냉매는 고압 액체의 냉매(12)로 변경되며, 이 고압 액체의 냉매(12)를 팽창시키면 압력과 온도가 떨어지게 되므로, 냉방이나 냉동에 적용될 수 있게 된다.

상기 팽창 과정이 팽창밸브(3)에 의한 경우, 냉매의 고압이 밸브판(6)을 통하여 스프링(7)을 압축하면서 상기 팽창밸브(3)의 작은 면적을 통하여 지나감으로써 팽창과정이 일어난다. 그러나 터보팽창기(4)에 의한 경우, 초음속노즐(20)에서 팽창과정이 발생 되는데, 상기 응축기(2)를 지나 형성된 고압 액체의 냉매(12)는 노즐을 통과하면서 냉매의 압력이 속도로 변하게 되고, 냉매의 속도가 커지게 되면 압력이 떨어지므로 팽창과정이 형성된다.

상기 터보팽창기(4)는 상기 과정에서 얻어진 높은 속도의 냉매를 터빈로터(9)에 충돌하여 회전에너지로 변경되도록 하는 것으로, 팽창과정 및 에너지의 회수가 동시에 얻어지는 장치이다.

상기 냉매의 팽창에 의하여 얻어진 저온저압의 이상냉매(14)는 기화기(5)를 지나면서 열을 흡수하여 이상(two-phase)상태에서 기체상태로 변경되어 상기 압축기(1)에서 다시 압축 가능한 상태로 되면서 냉동사이클이 형성되는 것이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 상기 터보팽창기(4)를 작동하기 위해서 노즐을 설치하여 고압의 냉매가 노즐을 통과하게 함으로써 고속의 상태로 되고, 또한 고압의 냉매가 저압의 냉매로 되면서 온도가 낮아지게 된다.

상기 노즐을 통과하는 질량유량은 교축되면 더 이상의 질량유량은 보내지 못하므로, 고정된 교축면적을 갖는 초음속노즐(8, 도 1a참조)에서는 질량유량에 대응하지 못한다. 따라서, 본 발명의 실시 예인 가변형 초음속노즐(20)은 종래의 고정된 교축면적을 갖는 초음속노즐(8)의 문제점을 개선하여, 냉매의 질량유량 변화에 따라 교축면적이 자동으로 조절되면서 팽창과정이 이루어지도록 한 장치이다.

본 발명의 실시 예인 가변형 초음속노즐(20)의 원리를 설명하면, 상기 가변형 초음속노즐(20)에서는 축소관(18, 도 4a참조)을 지나면서 속도가 빨라져 교축되는 지점에서 초음속에 도달하고, 이 후 확산관(19)에서 더욱더 속도가 빨라져서 초음속으로 도달하는데, 초음속에 도달한 냉매는 운동에너지를 갖게 되고 이 에너지로 터빈로터(9)를 가동하게 된다. 그러나, 교축면적이 고정된 초음속노즐(8)을 사용하는 경우, 냉매의 질량유량이 증가하게 되면 노즐 입구에서의 압력이 상승하게 된다.

이 경우, 만일 고정된 교축면적 노즐의 설계 냉매량보다 적은 질량유량이 흐르게 되면, 노즐입구에서의 압력은 떨어지게 되고 노즐에서의 팽창과정에서 얻게 되는 팽창비도 변하게 되며, 노즐 출구에서의 속도 변화는 터빈로터(9)가 최적에서 작동하는 상태를 변경하게 되므로 노즐의 교축면적을 질량유량에 따라 가변이 되도록 하여 터빈로터(9)가 항상 최적의 작동상태를 유지하도록 하여야 한다. 이를 위하여 노즐면적조절기(21)에서는 노즐 입구에서 질량유량이 변하는 경우에 다른 압력값을 가지게 되는 압력을 상기 가변형 초음속노즐(20)과 별도로 연결된 압력관(22)을 통하여 전달받아 가변이 되도록 한다.

한편, 도 3을 참조하면, 종래의 방식처럼, 본 발명에서의 냉동사이클 작동방식은 압축기(1)에서 가압하고 응축기(2)에서 기체상태의 냉매를 액체 상태의 냉매로 만들고, 고압의 액체 냉매를 가변형 초음속노즐(20)을 통하여 팽창하고, 팽창하면서 얻어진 운동에너지를 터보팽창기(4)를 통하여 회수하여 에너지를 얻게 되고, 팽창 후 이상상태의 냉매를 기화기(5)에서 열을 흡수하여 기체로 바뀌게 되는 과정을 거친다.

이러한 냉동사이클은 종래의 장치에서 형성되는 사이클과 큰 차이를 보이지 않으나, 단일 팽창장치인 가변형 초음속노즐(20)을 사용하므로 팽창 후의 압력이 불안정하지 않게 되고, 작동 시 외부의 조건으로 인해 냉매의 질량유량이 변하여도 전부 터보팽창기(4)를 통하여 팽창되므로, 모든 작동 냉매는 팽창과 동시에 터보팽창기의 터보로터(9)를 가동하게 되어 에너지의 회수가 증가 되며, 도 5에서 보여주 는 획득에너지량(23)은 도 2에서 나타내는 종래의 에너지회수량(17)에 비하여 증대하게 된다.

도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예인 가변형 초음속노즐장치(20)는 내측 일단에 축소노즐결합턱(24a)이 형성된 노즐입구인 축소노즐부(24)와, 내측 일단에 확산노즐결합턱(25a)이 형성된 노즐출구인 확산노즐부(25)가 상호 분리되어 형성되고, 상기 축소노즐부(24)와 확산노즐부(25) 사이에 냉매 질량유량에 따라 교축면적을 조절할 수 있는 노즐면적조절수단(C)이 결합하여 구성된다.

여기서, 상기 노즐면적조절수단(C)은 상기 축소노즐부(24)와 확산노즐부(25) 사이에 결합하고 내부공간을 갖는 원통형의 외측커버부(27)와, 상기 외측커버부(27)의 내면에 방사상으로 대칭되게 결합하고 하단 중심부에 관통공(미도시)이 형성된 내측커버부(20a)와, 상기 내측커버부(20a)의 내측 중심부에 구비되되, 상기 외측커버부(27)의 내면에 일단이 고정결합하는 스프링(7)과, 상기 스프링(7)의 타단에 결합하는 결합대(21a) 및 상기 결합대(21a)와 일체로 형성되고 상기 내측커버부(20a)의 관통공(미도시)에 삽입/결합하는 연결대(21b)로 이루어진 노즐면적조절기(21)와, 상기 연결대(21b)의 일단에 결합하는 지지대(28)와, 상기 외측커버부(27)의 내부에 구비되고 상기 지지대(28)가 삽입/가이드 되는 원통형의 다이부(29, 도 4b참조), 및 상기 외측커버부(27)의 중심부에 구비되고 상기 지지대(28)의 움직임에 따라 내부에 형성되는 교축노즐부(D)의 면적이 신축될 수 있는 시트부(26)로 구성된다.

한편, 상기 시트부(26)의 일측 끝부분은 상기 축소노즐부(24)와 외측커버부(27)가 결합하여 형성하는 홈(미도시)의 끝부분에 결합하고, 타측 끝부분은 상기 확산노즐부(25)와 외측커버부(27)가 결합하여 형성하는 홈(미도시)의 끝부분에 결합하여, 노즐의 교축면적을 조절하게 되면 상기 홈(미도시)에서 약간의 이동이 가능한 구조를 갖는다.

또한, 도 4b를 참조하면, 상기 지지대(28)는 상기 원통형의 다이부(29)에서 8등분으로 형성된 관통홀(미도시)의 내부에서 상하 운동이 가능하도록 하는 구조이며, 상기 시트부(26)와 접촉하는 지지대(28)의 끝단 부분은 상기 시트부(26)가 형성하는 곡면과 동일한 형태로 형성되며, 상기 지지대(28)의 상부는 상기 노즐면적조절기(21)와 접촉하게 된다.

그리고, 상기 노즐면적조절기(21)와 내측커버부(20a)가 결합하여 형성되는 공간인 노즐면적조절기(21)의 아랫부분 공간(E)은 노즐의 입구에서부터 연결된 압력관(22, 도 2참조)과 연결되어 있다. 따라서, 노즐입구에서 압력이 없는 경우에는 상기 노즐면적조절기(21)는 스프링(7)의 장력으로 인해 상기 지지대(28)를 시트부(26) 측인 안쪽으로 밀쳐 상기 시트부(26)를 누르게 되어 면적을 축소하게 된다. 반면에 냉매의 질량유량이 많아져 노즐입구에서의 압력이 상승하면 상기 압력관(22)를 통하여 노즐면적조절기(21)를 내측커버부(20a)의 내면인 바깥쪽으로 밀어서 상기 시트부(26)의 복원력에 의하여 노즐의 교축면적이 확대되도록 한다. 또한, 냉매량이 줄어들어서 노즐입구에서의 압력이 낮아지면 압력관(22)의 압력이 떨어지면서 반대방향으로 노즐면적조절기(21)가 작동하여 노즐의 교축면적을 축소하는 작 동을 하게 된다.

한편, 상기 시트부(26)는 폼밍(forming)으로 제작 시 아주 얇으며, 탄성이 큰 스프링강을 사용하는 것이 바람직하며, 노즐형상으로 감기도록 하는 구조로 되어 가변의 면적이 형성되도록 하는 구조로 나타내고 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 가변형 초음속노즐장치(20)는 노즐의 면적이 노즐의 입구부분에 발생하는 변화를 감지하여 자동으로 조절되도록 되어 있어, 작업부하량이 증대되어 냉매량이 증가하는 경우에도 가변노즐에서의 교축면적이 증대되어 터보팽창기로 인한 압축기의 출구압력이 증가하지 않으며, 부하량이 적어서 냉매량이 감소하는 경우에도 가변노즐에 의하여 노즐의 면적을 축소하므로 팽창밸브(3)의 기능을 충분히 갖게 되고, 상기 가변형 초음속노즐(20)을 통과한 냉매는 일정한 속도를 얻게 되어 터빈로터(9)가 항상 설계점에서 작동하도록 하여 최고의 효율에서 터빈로터(9)가 작동하게 되는 것이다.

첨부 도면 중, 도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변형 초음속노즐장치의 구조를 보여주는 구조도 및 도 5b는 도 5a의 단면 'B-B' 부분의 구조도이다.

상기 도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변형 초음속노즐장치는 냉매 질량유량의 노즐입구(31a)가 관통 형성된 입구블록(31)과, 냉매 질량유량의 노즐출구(32a)가 관통 형성된 출구블록(32)과, 상기 입구블록(31) 및 출구블록(32) 사이에 결합하고, 외주에 일정한 블록치차(30a)가 형성되며, 상기 노즐입구(31a) 및 노즐출구(32a)와 연통되어 냉매의 팽창작용을 위한 상호 교축면적이 다른 다수의 교축노즐부(30a)가 관통 형성된 노즐면적조절블록(30)과, 상기 입구블록(31)과 출구블록(32)의 중심부 및 상기 노즐면적조절블록(30)의 중심부를 상호 연결하는 슬라이딩핀(33), 및 상기 노즐면적조절블록(30)의 블록치차(30a)에 대응되게 형성된 모터치차(34a)를 갖는 제어모터(34)를 포함하여 구성된다. 상기와 같이 구성된 가변형 초음속노즐장치는 상기 제어모터(34)의 구동에 의해 냉매량에 따라 상기 교축노즐부(30a)가 선택됨과 동시에 상기 노즐입구(31a) 및 노즐출구(32a)와 상호 연결되면서, 교축면적이 자동으로 조절되는 것이다.

이러한 가변형 초음속노즐장치는 노즐면적조절블록(30)을 사용하는데, 이 노즐면적조절블록(30)은 노즐의 교축면적이 다른 여러 노즐을 가공하여 놓은 것으로, 냉동 및 냉방장치로 사용되는 장치에서 부하에 따라 변경되는 냉매 질량유량을 8개의 대표적인 크기로부터 8개의 고정형 노즐들을 교축면적이 다르게 형성하고, 상기 노즐면적조절블록(30)의 입출구는 상기 입구블록(31) 및 출구블록(32)의 입출구와 동일한 직경이 되도록 하며, 상기 출구블록(32)과 입구블록(31)은 노즐면적조절블록(30)에 있는 하나의 고정형 노즐과 연결되어 작동하도록 한 것이다.

한편, 상기 노즐면적조절블록(30)은 슬라이딩핀(33)을 기준으로 입구블록(31)과 출구블록(32)이 결합하는데, 작동 시에는 상기 입구블록(31)과 출구블록(32)이 고정되고, 상기 노즐면적조절블록(30)이 노즐입구의 압력에 따라 회전하면서 적절한 노즐면적조절블록(30)에 있는 고정면적의 초음속노즐이 연결되도록 하는 구조를 갖고 있다.

도 5b를 참조하면, 상기 노즐면적조절블록(30)의 회전은 제어모터(34)의 모터치차(34a)를 상기 노즐면적조절블록(30)의 블록치차(30a)에 접촉하도록 설치하여 올바른 위치로 회전 가능하도록 하며, 이러한 회전을 위한 제어는 노즐입구의 압력으로부터 얻어진 압력을 기준으로 제어기(35)에서 조정하는 구조로 되어있으며, 냉매량의 변화에 따라 최적으로 설계되어진 초음속노즐에서 작동되도록 하여 종래의 팽창밸브(3, 도 1a참조)와 같은 가변의 교축면적이 획득되면서, 모든 작동 냉매가 터보팽창기(4, 도 2참조)를 통하여 팽창하고 팽창된 에너지를 획득할 수 있는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 본 발명인 냉동사이클의 터보팽창기에 의하면, 종래의 냉방 및 냉동장치로 사용되는 냉동기나 에어컨과 같은 장치에서 고압의 냉매를 팽창하여 저압으로 만드는 팽창과정에 사용되는 팽창밸브를 제거하고, 단지 터보팽창기를 사용함으로써, 팽창장치를 구성하는 부품수가 감소하고, 이에 따른 비용이 절감되며, 설치공간도 줄어드는 효과가 있다.

또한, 팽창밸브를 제거하고 가변형의 초음속노즐장치를 사용함으로써, 장치에 사용되는 모든 냉매가 터보팽창기를 거쳐 에너지의 회수량이 커지고, 냉매량이 변하는 경우 가변형 노즐에서 교축면적을 자동으로 조절하여 노즐출구에서의 냉매 속도를 일정하게 분사하게 되어, 터보팽창기 내의 터빈로터가 설계점에서 작동하게 되고, 이로 인해 고효율의 에너지를 회수할 수 있음과 동시에 간단한 구조이면서도 기존의 팽창장치에서는 획득할 수 없었던 에너지까지도 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 고온고압 상태의 냉매를 저온저압 상태의 냉매로 변환시키는 냉동사이클의 팽창과정이 이루어지는 노즐을 구비한 터보팽창기에 있어서,

   상기 터보팽창기는 유동하는 냉매량의 변화에 따라 상기 노즐의 교축면적이 자동으로 조절되면서 팽창과정이 이루지는 가변형 초음속노즐장치를 구비하고, 상기 가변형 초음속노즐장치는 내측 일단에 축소노즐결합턱이 형성된 노즐입구인 축소노즐부; 상기 축소노즐부와 분리 형성되고, 내측 일단에 확산노즐결합턱이 형성된 노즐출구인 확산노즐부; 및 상기 축소노즐부와 확산노즐부 사이에 결합하고, 냉매 질량유량에 따라 교축면적을 조절할 수 있는 노즐면적조절수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉동사이클의 터보팽창기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 노즐면적조절수단은 상기 축소노즐부와 확산노즐부 사이에 결합하고 내부공간을 갖는 원통형의 외측커버부; 상기 외측커버부의 내면에 방사상으로 대칭되 게 결합하고, 하단 중심부에 관통공이 형성된 내측커버부; 상기 내측커버부의 내측 중심부에 구비되되, 상기 외측커버부의 내면에 일단이 고정결합하는 탄성부재; 상기 탄성부재의 타단에 결합하는 결합대 및 상기 결합대와 일체로 형성되고 상기 내측커버부의 관통공에 삽입/결합하는 연결대로 이루어진 노즐면적조절기; 상기 연결대의 일단에 결합하는 지지대; 상기 외측커버부의 내부에 구비되고, 상기 지지대가 삽입/가이드 되는 원통형의 다이부; 및 상기 외측커버부의 중심부에 구비되고, 상기 지지대의 움직임에 따라 내부에 형성되는 교축노즐부의 면적이 신축될 수 있는 시트부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동사이클의 터보팽창기.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 가변형 초음속노즐장치는 냉매 질량유량의 노즐입구가 관통 형성된 입구블록; 냉매 질량유량 관통 형성된 출구블록; 상기 입구블록 및 출구블록 사이에 결합하고, 외주에 일정한 블록치차가 형성되며, 상기 노즐입구 및 노즐출구와 연통되어 냉매의 팽창작용을 위한 상호 교축면적이 다른 다수의 교축노즐부가 관통 형성된 노즐면적조절블록; 상기 입구블록과 출구블록의 중심부 및 상기 노즐면적조절블록의 중심부를 상호 연결하는 슬라이딩핀; 및 상기 노즐면적조절블록의 블록치차에 대응되게 형성된 모터치차를 갖는 제어모터를 포함하여 구성되되, 상기 제어모터의 구동에 의해 냉매량에 따라 상기 교축노즐부가 선택됨과 동시에 상기 노즐입구 및 노즐출구와 상호 연결되어 교축면적이 자동으로 조절되는 것을 특징으로 하는 냉동사이클의 터보팽창기.

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