KR100869081B1

KR100869081B1 - 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치

Info

Publication number: KR100869081B1
Application number: KR1020070027944A
Authority: KR
Inventors: 박영선
Original assignee: 박소율
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-11-18
Also published as: KR20080086159A

Abstract

본 발명은 서로 다른 경로를 따라 순환되는 두 냉매 사이의 열교환을 통해 냉동 온도를 매우 낮은 수준으로 유지할 수 있도록 1차 냉매인 R-23 가스로 2차 냉매인 R-22 가스를 -65℃ ~ -75℃의 초저온으로 냉각한 후 이 R-22 가스를 순환시켜 냉동작업을 수행하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 관한 것으로서,

압축기(11)에서 나온 1차 냉매의 압력을 하강시켜 기체상태의 냉매가스를 응축기(13)로 공급하는 인터쿨러(12)와; 상기 응축기(13)에서 나온 1차 냉매와 2차 냉매의 열교환을 통해 1차 냉매를 완전히 액화시키고 2차 냉매의 온도를 상승시키는 제1열교환부(30)와; 상기 제1열교환부(30)에서 나온 1차 냉매를 일시 저장하고 액상의 1차 냉매만이 순환되도록 하는 고압 수액기(14)와; 1차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 2차 냉매를 극저온으로 냉각시키는 제2열교환부(35)와; 상기 제2열교환부(35)의 입구단에 구비되어 상기 고압 수액기(14)에서 나온 액상의 1차 냉매를 상기 제2열교환부로 분사하는 가스 분사기(15)와; 상기 제2열교환부(35)에서 나온 저온의 2차 냉매가 저장되는 저압 수액기(20)와; 상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 제1열교환부(30)로 공급하는 제1액펌프(21)와; 상기 저압 수액기(20)의 2차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 냉동 작업을 수행하는 증발기 코일(25)과; 상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 증발기 코일(25)로 공급하는 제2액펌프(23);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 냉동온도를 낮춤은 물론 별도의 압축기를 사용하지 않고 액펌프를 이용하여 2차 냉매를 순환시키는 것만으로도 2차 냉매를 극저온으로 냉각시킬 수 있다.

냉동장치, 냉매, 강제순환, 압축기, 액펌프, R-22, R-23, 극저온

Description

이원 냉매 강제 순환식 냉동장치{Dual Refrigerant Refrigeration Equipment by Compulsive Circulation of Secondary Refrigerant}

도 1은, 일반적인 냉동장치의 냉동 사이클이 개략적으로 도시된 블록도.

도 2는, 본 발명에 의한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치가 도시된 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 압축기 12: 인터쿨러

13: 응축기 14: 고압 수액기

15: 가스 분사기 16: 가스 필터

17: 인터쿨러 가스분사기 18: 오일 히터

20: 저압 수액기 21:제1액펌프

23: 제2액펌프 25: 증발기 코일

30: 제1열교환부 35: 제2열교환부

본 발명은 냉동장치에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 경로를 따라 순환되는 두 냉매 사이의 열교환을 통해 냉동 온도를 매우 낮은 수준으로 유지할 수 있도록 한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉동이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗음으로써 주위의 온도보다 낮은 온도가 되도록 하고, 그 저온을 유지하는 것을 의미한다. 다만, 뜨거운 커피를 식힌다거나 자동차의 라디에이터를 식히는 조작과 같이 상온보다 높은 온도의 물체를 상온까지 내리는 것은 냉동이라기보다는 냉각이라 한다. 따라서, 냉동의 경우는 엄밀하게 따졌을 때 상온 또는 상온보다 낮은 온도의 물체를 영하 이하의 더욱 낮은 온도가 되도록 하는 것을 말한다. 이러한 냉동의 대상이 되는 것에는 농,수,축산물은 물론 공산품이 있으며, 자연물이나 유체까지도 냉동의 대상이 된다.

이러한 냉동은 냉매가 가지는 증발잠열을 이용하여 실시한다. 보통 땀을 흘린 후 바람을 맞게 되면 시원함을 느끼게 되는데, 이는 땀이 증발하면서 열을 인체로부터 가져가기 때문이다. 즉, 액체 상태의 땀이 증발하여 기체로 변화되는 과정에서, 액체상태에서 기체상태로의 상변화에 필요한 열을 아직 증발하지 않은 액체로부터 가져가고 그 액체는 그만큼의 열을 피부로부터 보상받게 된다.

이와 같이 액체상태에서 기체상태로 변화될 때 상변화에 필요한 열을 증발열 또는 증발잠열이라 한다. 이러한 증발잠열을 이용하는 기계장치가 냉동장치이며, 냉동장치에서 사용될 수 있도록 증발잠열이 큰 액체를 선정한 것이 냉매이다. 대부분의 냉동장치에서 사용하는 암모니아나, CFC, HFC, HCFC계 액체 냉매는 상온에서는 기체이고 -30℃ 이하의 온도에서 증발되고 있다.

액체가 기체로 기화하면서 열을 흡수하는 과정에서 주변은 급격히 온도가 떨 어지면서 시원해지는 냉동의 기본원리는 이미 오래전부터 알려져 있었고, 초기 냉장고의 경우 이산화황, 암모니아, 염화메틸이 냉매로 사용되었는데 독성 및 인화성이 높아 약간의 누출만으로도 아주 큰 위험을 초래하였다. 따라서, 안정하고 독성이 없는 냉매의 개발이 요구되었다.

이에 따라 끓는점이 -40 ~ 0℃의 범위에 있어야 하며, 안정적이고 독성이 없으며, 불이 붙지 않고 부식도 되지 않으면서 값도 저렴한 화학물질인 냉매가 개발되었다. 새로운 냉매는 CFC화합물로서 R(Refrigerant)-12라 명명된 디클로로디플루오로메탄(CCl₂F₂)으로, 우리가 알고 있는 프레온가스이며 GM사의 동업자인 듀퐁사의 상품명이다. 프레온 가스는 화학적으로 안정한 성질 때문에 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 이용되었으며 이외에도 용제나 발포제, 스프레이나 소화기의 분무제 등으로 사용되었다.

상기한 냉매를 이용한 냉동장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(51)와, 상기 압축기(51)에서 압축된 냉매를 방열에 의하여 액상으로 응축하는 응축기(52)와, 상기 응축기(52)에서 응축된 액상 냉매를 교축작용에 의하여 저압 상태로 팽창시키는 팽창밸브(54)와, 상기 팽창밸브(54)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 증발잠열을 이용하여 냉동되는 공간이나 물품으로부터 열을 빼앗는 증발기(55)와, 상기 팽창밸브(54)의 입구단에 설치되어 액상 냉매만을 상기 팽창밸브(54)로 공급하는 수액기(53)와, 상기 증발기(55)와 압축기(51) 사이에 설치되어 액냉매를 분리하고 냉매가스만을 상기 압축기(51)로 공급하는 액분리 기(56)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 냉동장치는 증발기부에서 냉동작업이 이루어지도록 하고 있다.

압축기(51)에서 압축된 냉매는 응축기(52)에서 응축된 후 수액기(53)를 거치면서 액상 냉매만이 팽창밸브(54)로 공급되고, 상기 팽창밸브(54)에서의 교축작용으로 저압 상태로 된 냉매가 증발기(55)로 들어가게 된다. 상기 증발기(55)에서는 냉매가 기화되면서 주변으로부터 증발잠열을 흡수하게 되므로, 증발기(55)가 설치된 공간 또는 물체의 온도가 하강하여 냉동작업이 이루어진다. 상기 증발기(55)에서 증발된 냉매는 다시 상기 압축기(51)로 귀환되어 압축된다.

한편, 상기 팽창밸브(54)의 입구단에 설치된 수액기(53)는 상기 응축기(52)에서 나온 액체 상태의 냉매를 저장하는 역할을 한다. 즉, 응축기(52)에서 응축한 액냉매를 일시 저장하면서, 상기 증발기(55) 내에서 소요되는 만큼의 냉매만을 팽창밸브(54)로 보내주게 된다. 따라서 일종의 안전장치 역할을 수행하므로 수액기(53)의 사용은 냉동 사이클의 위험도를 줄여주게 된다.

또, 상기 증발기(55)와 압축기(51) 사이에 위치된 액분리기(56)는 상기 증발기(55)로부터 배출된 냉매 중 완전히 기화되지 않은 액체 상태의 냉매를 분리하여 기체 상태의 냉매만을 상기 압축기(51)로 보내게 된다. 상기 증발기(55)에서 나온 냉매가 완전히 기화되지 않은 경우에는 냉매가스 중에 액상 냉매가 포함되어 있고, 냉동 장치의 가동을 일시 중지하는 경우 상기 증발기(55)와 압축기(51) 사이의 관로에 잔류된 냉매가스가 액상으로 변화된다. 따라서, 비압축성 유체인 액상 냉매가 압축기(51)로 유입되는 경우가 발생하고, 이로 인하여 액압축 현상이 발생하여 망치로 두드리는 듯한 소음, 소위 해머링 노이즈(Hammering Noise)가 발생함은 물론 액상 냉매가 압축되지 않음에 따라 압축기(51)의 소손이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 압축기(51)의 내부로 액상의 냉매가 유입되는 것을 근본적으로 차단할 필요성이 요청되고 있으며, 이를 위하여 액분리기(56)가 설치되는 것이다.

그러나, 상기한 종래의 냉동장치는 하나의 냉매를 이용하여 냉동 사이클을 구성하게 되므로 압축기의 용량을 크게 하지 않는 한 제2열교환부의 냉동성능을 향상시키는데 한계가 있다.

따라서, 농수산물 등을 냉동시킬 때 냉동온도가 낮아 장시간이 소요되며, 냉동온도를 낮추기 위하여 고용량의 압축기를 사용하는 경우 에너지의 사용효율이 저하된다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 서로 다른 2가지 냉매를 다른 경로로 순환시키면서 두 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 하여 압축기의 용량을 크게 하지 않고도 극저온을 얻을 수 있도록 한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 2차 냉매의 온도를 하강시킴에 있어 압축기를 사용하지 않고 2차 냉매를 강제 순환시키는 것만으로도 원하는 극저온으로 2차 냉매의 온도를 하강시킬 수 있도록 한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 따르면, 압축기에서 나온 1차 냉매의 압력을 하강시켜 기체상태의 냉매가스를 응축기로 공급하는 인터쿨러와; 상기 응축기에서 나온 1차 냉매와 2차 냉매의 열교환을 통해 1차 냉매를 완전히 액화시키고 2차 냉매의 온도를 상승시키는 제1열교환부와; 상기 제1열교환부에서 나온 1차 냉매를 일시 저장하고 액상의 1차 냉매만이 순환되도록 하는 고압 수액기와; 1차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 2차 냉매를 극저온으로 냉각시키는 제2열교환부와; 상기 제2열교환부의 입구단에 구비되어 상기 고압 수액기에서 나온 액상의 1차 냉매를 상기 제2열교환부로 분사하는 가스 분사기와; 상기 제2열교환부에서 나온 저온의 2차 냉매가 저장되는 저압 수액기와; 상기 저압 수액기의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 제1열교환부로 공급하는 제1액펌프와; 상기 저압 수액기의 2차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 냉동 작업을 수행하는 증발기 코일과; 상기 저압 수액기의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 증발기 코일로 공급하는 제2액펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 따르면, 상기 고압 수액기에서 나온 액상의 1차 냉매의 일부를 기화시키는 가스 필터 및 상기 가스 필터에 의해 기화된 1차 냉매를 상기 인터쿨러로 직접 분사하는 인터쿨러 가스분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 따르면, 상기 제1열교환부는 다단으로 구성될 수 있고, 상기 압축기의 일측에 1차 냉매에 포함된 오일을 가열하는 오일 히터가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치가 도시된 구성도이다.

본 발명에 의한 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치는, 압축기(11)에서 나온 1차 냉매의 압력을 하강시켜 기체상태의 냉매가스를 응축기(13)로 공급하는 인터쿨러(12)와; 상기 응축기(13)에서 나온 1차 냉매와 2차 냉매의 열교환을 통해 1차 냉매를 완전히 액화시키고 2차 냉매의 온도를 상승시키는 제1열교환부(30)와; 상기 제1열교환부(30)에서 나온 1차 냉매를 일시 저장하고 액상의 1차 냉매만이 순환되도록 하는 고압 수액기(14)와; 1차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 2차 냉매를 극저온으로 냉각시키는 제2열교환부(35)와; 상기 제2열교환부(35)의 입구단에 구비되어 상기 고압 수액기(14)에서 나온 액상의 1차 냉매를 상기 제2열교환부로 분사하는 가스 분사기(15)와; 상기 제2열교환부(35)에서 나온 저온의 2차 냉매가 저장되는 저압 수액기(20)와; 상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 제1열교환부(30)로 공급하는 제1액펌프(21)와; 상기 저압 수액기(20)의 2차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 냉동 작업을 수행하는 증발기 코일(25)과; 상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 증발기 코일(25)로 공급하는 제2액펌프(23)와; 상기 고압 수액기(14)에서 나온 액상의 1차 냉매의 일부를 기화시키는 가스 필터(16) 및 상기 가스 필터(16)에 의해 기화된 1차 냉매를 상기 인터쿨러(12)로 직접 분사하는 인터쿨러 가스분사기(17)와; 상기 압축기(11)의 일측에 설치되어 1차 냉매에 포함된 오일을 가열하는 오일 히터(18)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 제1열교환부(30)는 다단으로 구성되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 제1열교환기(31)와 제2열교환기(32)로 구성된다. 그리고, 상기 1차 냉매로는 R-23(트리플로오로메탄;HCF₃)을 사용하고, 상기 2차 냉매로는 R-22(하이드로클로로플로오로메탄;CHClF₂) 또는 암모니아(NH₃)를 사용한다.

미설명부호 19는 자동제어용 컨트롤 박스이고, 22는 저압 수액기(20)의 압력 게이지, 24는 저압 수액기(20)의 안전밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치는 실제 냉동작업을 실시하는 2차 냉매를 압축시키지 않고 1차 냉매와 2차 냉매의 열교환을 통해 2차 냉매의 온도를 -65℃ ~ -75℃ 정도의 극저온으로 하강시키게 된다.

압축기(11)에서 압축된 1차 냉매는 인터쿨러(12)를 통과하면서 압력이 하강된 후 기체 상태의 1차 냉매만이 응축기(13)로 공급되어 응축된다. 상기 응축기(13)에서 응축된 1차 냉매는 2대의 열교환기(31)(32)로 이루어진 제1열교환부(30)를 통과하면서 2차 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 후 고압 수액기(14)에 일시 저장된다. 상기 고압 수액기(14)에서 나온 액체 상태의 1차 냉매는 가스 분사기(15)에 의해 제2열교환부(35) 내로 분사되고, 상기 제2열교환부(35) 내에서 2차 냉매와의 열교환을 하게 된다. 즉, 증발온도가 -80℃인 R-23과 같은 1차 냉매가 증발되면서 증발온도가 -40℃에 불과한 R-22와 같은 2차 냉매로부터 증발잠열을 흡수 하게 되므로, 2차 냉매의 온도가 -65~-75℃의 극저온으로 하강하게 된다.

저압 수액기(20)에 저장된 액체 상태의 2차 냉매는 제1액펌프(21)에 의해 압송되어 상기 제1열교환부(30)로 공급되고, 상기 제1열교환부(30)에서 1차 냉매와의 열교환을 통해 온도가 어느 정도 상승함과 동시에 1차 냉매의 압력을 하강시켜 응축효율을 증대시키게 된다. 상기 제1열교환부(30)에서 나온 2차 냉매는 제2열교환부(35)로 공급되며, 제2열교환부(35)에서 1차 냉매와의 열교환을 통해 극저온 상태로 변화된다. 즉, 1차 냉매가 제2열교환부(35) 내에서 증발하게 되므로 증발에 필요한 증발잠열을 빼앗기게 되어 -65~-75℃의 극저온 상태로 변화된 후 상기 저압 수액기(20)로 귀환하게 된다.

또, 상기 저압 수액기(20)에 저장된 극저온 상태의 2차 냉매가 제2액펌프(23)에 의해 증발기 코일(25)로 공급되며, 상기 증발기 코일(25) 내에서 증발되면서 냉동작업을 수행하게 된다. 상기 증발기 코일(25)에서 증발된 기체 상태의 2차 냉매는 상기 저압 수액기(20)로 귀환되며 상기 제2열교환부(35)로부터 귀환되는 극저온 상태의 2차 냉매에 의하여 액화되어 저압 수액기(20)에 저장된다.

또, 상기 고압 수액기(14)에서 나온 1차 냉매의 일부가 가스 필터(16)를 거치면서 기화되고, 기화된 1차 냉매가 인터쿨러 가스분사기(17)에 의해 상기 인터쿨러(12) 내로 분사됨으로써 인터쿨러(12) 내의 냉매 압력을 하강시키게 된다. 그리고, 상기 압축기(11)의 일측에 구비된 오일 히터(18)는 1차 냉매에 포함된 오일을 가열하여 1차 냉매가 원활하게 순환될 수 있도록 한다.

따라서, 실직적으로 냉동작업을 수행하는 상기 2차 냉매를 압축하기 위한 별 도의 압축기를 구비하지 않고 액펌프(21)를 이용하여 2차 냉매를 강제 순환시키는 것만으로도 2차 냉매의 온도를 원하는 수준까지 하강시킬 수 있게 된다. 또한, 1차 냉매의 순환과정에서 응축기(13)에서 나온 1차 냉매가 가스 분사기(15)를 통과하기 전에 2차 냉매와 열교환을 하게 되므로, 1차 냉매의 온도와 압력이 하강하여 압축기(11)로 귀환되는 1차 냉매의 압력이 고압으로 상승되는 것을 방지할 수 있고, 압축기(11)의 용량을 줄일 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 따르면, 증발온도가 다른 2종류의 냉매를 이용하여 냉동온도를 낮춤은 물론 별도의 압축기를 사용하지 않고 액펌프를 이용하여 2차 냉매를 순환시키는 것만으로도 2차 냉매를 극저온으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치에 따르면, 2차 냉매를 극저온으로 냉각시킴에 따라 냉동 성능이 향상되어 농수산물의 냉동에 필요한 시간을 단축시킬 수 있는 다른 효과가 있다.

Claims

압축기(11)에서 나온 1차 냉매의 압력을 하강시켜 기체상태의 냉매가스를 응축기(13)로 공급하는 인터쿨러(12)와;

상기 응축기(13)에서 나온 1차 냉매와 2차 냉매의 열교환을 통해 1차 냉매를 완전히 액화시키고 2차 냉매의 온도를 상승시키는 제1열교환부(30)와;

상기 제1열교환부(30)에서 나온 1차 냉매를 일시 저장하고 액상의 1차 냉매만이 순환되도록 하는 고압 수액기(14)와;

1차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 2차 냉매를 극저온으로 냉각시키는 제2열교환부(35)와;

상기 제2열교환부(35)의 입구단에 구비되어 상기 고압 수액기(14)에서 나온 액상의 1차 냉매를 상기 제2열교환부로 분사하는 가스 분사기(15)와;

상기 제2열교환부(35)에서 나온 저온의 2차 냉매가 저장되는 저압 수액기(20)와;

상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 제1열교환부(30)로 공급하는 제1액펌프(21)와;

상기 저압 수액기(20)의 2차 냉매의 기화에 따른 증발잠열을 이용하여 냉동 작업을 수행하는 증발기 코일(25)과;

상기 저압 수액기(20)의 하단으로부터 액상의 2차 냉매를 상기 증발기 코일(25)로 공급하는 제2액펌프(23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치.
제1항에 있어서,

상기 고압 수액기(14)에서 나온 액상의 1차 냉매의 일부를 기화시키는 가스 필터(16) 및 상기 가스 필터(16)에 의해 기화된 1차 냉매를 상기 인터쿨러(12)로 직접 분사하는 인터쿨러 가스분사기(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치.
제1항에 있어서,

상기 제1열교환부(30)는 다단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기(11)의 일측에 1차 냉매에 포함된 오일을 가열하는 오일 히터(18)가 구비되는 것을 특징으로 하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 1차 냉매는 R-23이고, 상기 2차 냉매는 R-22인 것을 특징으로 하는 이원 냉매 강제 순환식 냉동장치.