KR100859354B1 - 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치에 관한 것으로서, 증발기, 압축기, 응축기 및 교축기를 포함하는 증기 압축식 냉동장치에 있어서, 원통형의 내부 공간을 갖는 보텍스 생성실; 압축된 냉매를 상기 보텍스 생성실 내벽의 접선방향으로 유입시키는 유입구; 일단부가 상기 보텍스 생성실과 연통되고 타단부는 폐쇄된 유로부; 상기 보텍스 생성실의 일측에 형성되되 상기 유로부와 마주하도록 형성되는 냉기 배출구; 및 상기 유로부 외측에 구비되는 방열 수단을 포함하는 보텍스 튜브를 추가적으로 포함하되, 상기 유입구는 상기 압축기의 출구측과 연결되고, 상기 냉기 배출구는 상기 응축기의 입구측과 연결되는 것을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치를 제공한다.

증기 압축식 냉동 장치, 보텍스 튜브, 에어컨, 냉매.

Description

보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치{VAPOR COMPRESSION REFRIGERATION APPARATUS USING VORTEX TUBE}

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 반복적으로 수행하여 건물 내부나 특정한 공간을 냉방하거나 특정 물체를 냉동하기 위한 냉동장치에 관한 것이다.

냉동 장치는 그에 채용된 열역학적 냉동사이클에 따라서 여러 종류로 구분해 볼 수 있는데, 냉매를 이용하는 증기 압축식 냉동장치는 가정이나 중소규모의 사무실 등의 냉방하기 위한 에어컨 또는 냉장고 등에 채용되는 것으로서 가장 널리 사용되고 있다.

상기 증기 압축식 냉동장치의 개략적인 구성을 도 1에 도시하였다.

도 1을 참조하면, 상기 증기 압축식 냉동장치는 크게 증발기(10), 압축기(20), 응축기(30) 및 팽창밸브(40)를 포함하며, 냉매는 도 1에서 화살표로 표시된 방향으로 순환하게 된다. 상기 증발기(10) 내에서는 냉매가 주위의 열을 흡수하면서 저압의 액체 상태에서 저압의 기체로 상변화를 일으키게 된다. 그 후, 냉 매는 압축기(20) 내에서 압축되어 고압 기체 상태가 되고, 응축기(30)에서 주위로 열을 방출하면서 고압의 포화 액체 상태가 된다. 이어서, 냉매는 팽창 밸브(40)(또는 모세관)을 통과하면서 교축 과정을 거치면서 저온 저압 상태가 된다.

도 1은 모식도로서, 가정용 냉방장치로 널리 사용되는 분리형 에어컨의 경우 통상적으로는 압축기와 응축기가 실외기로서 존재하는데, 실외기의 부피 대부분은 응축기가 차지하고 있다.

도 2를 참조하면, 응축 과정 중에서 2-a 구간은 기체 상태의 냉매에 대한 응축과정이고, a-3 구간은 기체와 액체의 혼합기 상태에 있는 냉매에 대한 응축과정이다. 여기서, 기체 상태인 경우의 냉매의 관내 열전달 계수는 액체 상태인 경우의 냉매의 관내 열전달 계수의 수십분의 일 내지 수백분의 일에 해당되므로, 충분한 정도의 응축 과정을 거치도록 하기 위해서는 열교환기 튜브의 길이를 상당히 늘려야 한다.

이로 인해서, 실외기의 크기가 커지게 되므로 에어컨 제작비용을 상승시키고, 운반 및 설치작업을 어렵게 하는 문제점이 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 추가적인 동력의 소모 없이도 응축기의 응축 과정을 보조할 수 있도록 하여 응축기가 담당하는 응축 과정을 축소시켜 동일한 냉방 능력을 가지면서도 종래에 비해 응축기를 대폭적으로 소형화할 수 있는 증기 압축식 냉동 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

증발기, 압축기, 응축기 및 교축기를 포함하는 증기 압축식 냉동장치에 있어서,

원통형의 내부 공간을 갖는 보텍스 생성실;

압축된 냉매를 상기 보텍스 생성실 내벽의 접선방향으로 유입시키는 유입구;

일단부가 상기 보텍스 생성실과 연통되고 타단부는 폐쇄된 유로부;

상기 보텍스 생성실의 일측에 형성되되 상기 유로부와 마주하도록 형성되는 냉기 배출구; 및

상기 유로부 외측에 구비되는 방열 수단을 포함하는 보텍스 튜브를 추가적으로 포함하되,

상기 유입구는 상기 압축기의 출구측과 연결되고, 상기 냉기 배출구는 상기 응축기의 입구측과 연결되는 것을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축 식 냉동장치를 제공한다.

여기서, 보텍스 튜브(Vortex Tube)란 비용이 저렴하며 신뢰성이 높고 유지보수의 필요성이 전혀 없는 냉각장치로써 산업현장 곳곳의 국부적 냉각문제에 대한 해결책으로 사용되고 있으며, 산업현장에서 사용되는 일반적인 압축 공기를 구동 에너지원으로 사용한다. 또한, 보텍스 튜브는 기계적 구동부가 전혀 없이 차가운 공기와 뜨거운 공기의 흐름을 동시에 만들어 낼 수 있어, 응축기의 응축 과정을 보조할 수 있다.

즉, 압축기에서 배출된 냉매를 보텍스 튜브를 통과하도록 한 후 저온측 배출구를 통해 응축기로 유입시키면 응축기에서의 응축 과정을 단축시킬 수 있게 되므로, 응축기의 크기를 축소시킬 수 있게 된다. 다만, 통상의 보텍스 튜브는 저온측 뿐만 아니라 고온측으로도 냉매가 배출되므로, 이를 그대로 증기 압축식 냉동 장치에 적용하는 데에는 문제가 있다. 구체적으로, 고온측으로 배출된 냉매를 바로 응축기로 유입시키면 이를 냉각하기 위한 추가적인 구조가 필요하게 되므로 응축기의 소형화를 달성할 수가 없게 된다. 고온측으로 배출된 냉매를 사용하지 않고 방출하는 방법도 고려해볼 수는 있지만 이는 냉동장치의 사용중 지속적으로 냉매를 보충하도록 하므로 현실적으로는 불가능한 것이다.

따라서, 본 발명자는 이러한 사정을 감안하여 고온측 배출구가 폐쇄된 형태의 보텍스 튜브를 사용하는 형태의 증기 압축식 냉동장치에 대해 연구하였다. 다만, 보텍스 튜브의 구동 원리에 의하면 고온측 배출구를 폐쇄하는 경우 고온측 배 출구로부터 방출되던 열량이 그대로 저온측 배출구로 향하는 냉매로 전달되므로 냉각효과가 없어지게 되어 적용이 불가능한 문제가 있다. 이를 해결하기, 본 발명자는 종래의 고온측 배출구가 수행하던 기능을 보텍스 튜브 표면에 형성되는 방열 수단에 의해 수행되도록 하였다.

바람직하게는, 상기 방열 수단은 상기 유로부 외벽으로부터 돌출되도록 형성되는 다수의 방열핀을 포함할 수 있다.

또한, 상기 응축기에는 열교환을 촉진시키기 위한 냉각팬이 추가적으로 포함되고,상기 보텍스 튜브를 상기 냉각팬의 전면에 위치시켜 냉각팬으로부터의 기류에 의해 보텍스 튜브 표면의 방열핀의 열교환이 촉진되도록 할 수도 있다.

이러한 구성에 의하면, 종래에 비해서 냉각 효과는 떨어지나 응축기를 소형화하는 데에는 의미 있는 정도의 냉각 효과를 거둘 수 있게 되며, 냉매를 보충할 필요없이 연속적으로 사용할 수 있는 증기 압축식 냉동장치를 얻을 수 있다. 더욱이, 냉각이 이루어지는 구간이 열전달 계수가 낮은 기체 상태에서 이루어지므로 응축기 부피의 대부분을 차지하던 열전달 튜브의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.

이를 통해, 통상의 분리형 에어컨의 경우 실외기의 크기를 대폭적으로 감소시킬 수 있게 되므로, 제조 비용을 절감할 수 있고 운반 및 설치를 용이하게 할 수 있다. 아울러, 동일한 응축기 사이즈를 기준으로 보면 더 많은 냉각 능력을 제공 할 수 있으므로 에너지 효율성도 높일 수 있게 된다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 보텍스 튜브를 사용한 증기 압축식 냉동 장치의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 보텍스 튜브를 사용한 증기 압축식 냉동 장치의 일 실시예의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

상기 실시예의 구성은 통상적인 증기 압축식 냉동 장치의 구성을 그대로 채용할 수 있다. 즉, 앞서 도 1에서 설명한 바와 같이 냉매를 저온의 기체상태로 증발시키는 증발기(10), 증발기(10)로부터 배출된 냉매를 고온의 기체 상태로 압축하는 압축기(20), 냉매를 고압의 액체상태로 응축하는 응축기(30) 및 응축된 냉매를 저압의 혼합기 상태로 교축하는 팽창 밸브(40)를 포함한다. 여기서, 상기 증발기(10), 압축기(20), 응축기(30) 및 팽창 밸브(40)는 당업자에게 널리 알려진 통상적인 구조를 갖는 것을 그대로 채용할 수 있으므로 그 상세한 구조 및 작동 원리에 대한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 3에 도시된 실시예에서 상기 압축기(20)와 응축기(30)의 사이에는 보텍스 튜브(100)가 위치한다. 구체적으로, 상기 보텍스 튜브(100) 중 유입구는 압축기(20)의 출구측과 연결되고, 상기 보텍스 튜브(100)의 저온측 배출구는 상기 응축기(30)의 유입구측과 연결된다.

따라서, 상기 실시예에 의하면, 냉매는 증발기(10), 압축기(20), 보텍스 튜브(100), 응축기(30) 및 팽창 밸브(40)의 순서로 순환하게 되며, 이를 P-H 선도로 표시하면 도 4와 같다.

도 4에서 과정 1-2는 압축기(20)에서의 압축과정이다. 압축기(20)를 통과한 냉매는 상태 2와 같이 고온의 기체상태에 있게 된다. 그 후, 보텍스 튜브(100)를 통과하면서 2-v-3의 과정을 따르게 되고, 최종적으로는 상태 3으로 표시되는 상태로 보텍스 튜브(100)로부터 배출되게 된다. 이때, 상기 상태 3은 여전히 과열 증기 상태(Super Heated State)이지만 압축기(20)를 통과한 직후의 상태인 상태 2에 비해서 포화 증기 상태(Saturated Vapor State)에 보다 가까이 위치하는 것을 알 수 있다. 즉, 상태 2와 상태 3을 잇는 직선만큼 냉매가 응축된 것을 알 수 있으며, 이는 모두 과열 증기 상태에서 행해진 것이므로, 응축기(30)에서는 과정 3-4에 해당되는 만큼만 응축 과정을 행하면 된다.

이로 인해서, 보텍스 튜브(100)가 없는 경우에 비해서 과열 증기 상태에서의 응축과정이 상당 부분 감해지고 대부분의 응축 과정이 상변이 과정에서 행해지므로 응축기의 크기를 현저하게 줄일 수 있게 된다. 아울러, 보텍스 튜브에는 어떠한 형태의 동력(Power)도 전달된 바 없으므로, 전체적인 효율은 동일하게 유지될 수 있다.

이제 도 5를 참조하여, 상기 보텍스 튜브(100)의 구성에 대해서 설명한다.

상기 보텍스 튜브(100)는 일방향으로 연장된 관 형태의 몸체(102)를 갖는다. 상기 몸체(102) 중 일단부 부근의 외주부에는 압축된 냉기가 유입되는 유입구(104)가 형성되며, 상기 유입구(104)와 인접한 내부에는 원통형 공간을 갖는 보텍스 생성실(106)이 형성되어 있다. 상기 유입구(104)는 상기 보텍스 생성실(106)과 연통 되며, 도 6에 도시된 바와 같이 유입구(104)는 상기 보텍스 생성실(106)의 내벽의 접선 방향으로 냉매를 유입시켜서 유입된 냉매가 보텍스 생성실(106)의 내벽을 따라서 강한 와류를 형성하도록 한다.

상기 보텍스 생성실(106)의 일측단부에는 보텍스 생성실(106)과 일직선상으로 연장되는 유로부(108)가 위치한다. 상기 유로부(108)는 보텍스 생성실(106)과 동일한 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 냉매는 상기 보텍스 생성실(106)에 의하여 와류를 형성하면서 상기 유로부(108) 중 내벽과 인접한 영역을 따라서 진행한다. 이때, 보텍스 튜브의 원리상 상기 냉매는 일차적으로 고온으로 가열되지만,고온의 냉매가 가진 열량은 상기 몸체부(102) 외측에 형성된 다수의 방열핀(112)을 통해서 외부로 방출되게 된다. 따라서, 상기 유로부(108)의 단부가 폐쇄되어 있음에도 불구하고, 개방된 형태의 통상적인 보텍스 튜브와 유사한 역할을 하게 된다.

상기 냉매는 상기 유로부(108)의 폐쇄된 단부에서 진행방향을 바꾸어 다시 보텍스 생성실(106) 쪽으로 복귀하게 되는데, 이번에는 유로부(108) 중 중심선 부근을 따라서 이동한다. 이러한 과정에서 상기 냉매는 저온으로 냉각되게 된다. 이렇게 냉각된 냉매는 상기 보텍스 생성실(106)의 단부에 형성된 저온측 배출구(110)를 통해 보텍스 튜브(100)를 빠져나간 후, 응축기로 유입되게 된다.

경우에 따라서는, 상기 응축기(30)에 열전달을 촉진시키기 위한 냉각팬이 설치될 수도 있다(실제적으로는 대부분의 가정용 에어컨의 실외기에는 냉각팬이 설치되어 있다). 이러한 경우에, 상기 보텍스 튜브(100)를 상기 냉각팬의 전면에 배치하여, 다시 말해서 냉각팬으로부터의 기류가 도달하는 방향에 배치하여 상기 방열 핀(112)으로부터의 열전달을 더욱 촉진시키도록 할 수도 있다.

그로 인해서, 응축기에서 담당할 응축 과정의 상당부분을 보텍스 튜브에서 수행되도록 할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 증기 압축식 냉동 장치의 구조를 개략적으로 도시한 계통도이다.

도 2는 도 1에 도시된 냉동 장치에 대한 P-H 선도이다.

도 3은 본 발명에 따른 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동 장치의 일 실시예를 도시한 도 1 상당도이다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에 대한 P-H 선도이다.

도 5는 도 3에 도시된 실시예 중 보텍스 튜브를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 6은 도 5 중 선 A-A'에 따른 단면도이다.

Claims (3)

1. 증발기, 압축기, 응축기 및 교축기를 포함하는 증기 압축식 냉동장치에 있어서,

   원통형의 내부 공간을 갖는 보텍스 생성실;

   압축된 냉매를 상기 보텍스 생성실 내벽의 접선방향으로 유입시키는 유입구;

   일단부가 상기 보텍스 생성실과 연통되고 타단부는 폐쇄된 유로부;

   상기 보텍스 생성실의 일측에 형성되되 상기 유로부와 마주하도록 형성되는 냉기 배출구; 및

   상기 유로부 외측에 구비되는 방열 수단을 포함하는 보텍스 튜브를 추가적으로 포함하되,

   상기 유입구는 상기 압축기의 출구측과 연결되고, 상기 냉기 배출구는 상기 응축기의 입구측과 연결되는 것을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방열 수단은 상기 유로부 외벽으로부터 돌출되도록 형성되는 다수의 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 응축기에는 열교환을 촉진시키기 위한 냉각팬이 추가적으로 포함되고,상기 보텍스 튜브를 상기 냉각팬의 전면에 위치시켜 냉각팬으로부터의 기류가 보텍스 튜브 표면의 방열핀의 열교환을 촉진시키도록 한 것을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 증기 압축식 냉동장치.

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