KR100938697B1 - 액,가스 열교환장치 및 이를 이용한 순환 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 냉각 방법에 있어서 증발기에서 나온 저온저압의 냉매가스와 응축기에서 나온 고온고압의 냉매액이 서로 만나 열을 교환하도록 하는 액,가스 열교환장치 및 상기 액,가스 열교환장치를 이용하여 구성한 냉각 방법에 관한 것이다.

이하 본원에서는 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발의 단계를 지속적으로 거치면서 냉각 또는 공조에 사용되는 순환 냉각 방법에 있어서, 응축 과정을 거친 냉매액과 증발 단계를 거친 냉매가스가 액,가스 열교환기에서 서로 만나 열 교환을 할 수 있도록 함으로써 냉각 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 순환 냉각 방법과, 지표면 기준으로 수평으로 놓여지는 원통의 상부 일단으로 증발기에서 나온 냉매가스가 유입되는 유입구가 구비되고, 원통 상부 타측상단으로는 압축기의 흡입장치와 연결되는 흡입배관이 구비되며, 수액기에서 나온 냉매액이 지나가는 전열관이 상기 원통의 내부를 지표면 기준으로 수평으로 관통하여 지나가는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 냉각 장치용 액,가스 열교환기에 관한 기술사상이 개시된다.

냉각 장치, 공조장치, 열 교환기, 냉매가스, 냉매액

Description

액,가스 열교환장치 및 이를 이용한 순환 냉각 방법{liquid gas heat exchanger and the circulating cooling method}

본원 발명은 냉각 방법에 있어서 증발기에서 나온 저온저압의 냉매가스와 응축기에서 나온 고온고압의 냉매액이 서로 만나 열을 교환하도록 하는 액,가스 열교환장치 및 상기 액,가스 열교환장치를 이용하여 구성한 냉각 방법에 관한 것이다.

특히 상기 액,가스 열교환기가 다수 개의 증발기가 설치되어 있는 멀티 냉동기 방법에 사용할 수 있도록 하면서 냉매가스와 냉매액 간의 열 교환이 효과적으로 이루어질 수 있는 열교환장치에 관한 것이다.

일반적인 냉각 방법은 냉매가 압축 → 응측 → 팽창 및 증발의 순환 사이클을 이루게 하는 것이다. 압축 공정에서 저온저압 기체상태의 냉매를 압축하여 고온고압의 기체로 바꾸고, 응축 공정에서 고온고압의 기체를 액체로 변환하여 수액기에 저장하게 하며, 팽창 및 증발 공정에서 액상의 냉매를 팽창시켜 압력을 줄이고 온도를 낮추어 기화하도록 함으로써 주의의 열을 빼앗아 냉각시키는 작용을 이루게 된다.

도 1은 종래의 순환 냉각 방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 증발기(10)에서 기화된 저온저압의 냉매가스가 액분리기(20)로 이동하여 냉매와 오일을 분리시킨 후 압축기(30)로 이동하여 압축 공정을 거치며, 이때 압축과정에서 발생하는 오일은 유분리기(31)를 통해 분리되는 구성을 갖게 된다. 압축된 냉매가스는 응축기(40)에서 액체로 변환되는데 이때 응축기에서 많은 열을 발생하게 된다. 액체화된 냉매는 수액기(50)에 저장되었다가 필터드라이어(51)와 액면계(52)를 거쳐 팽창밸브(60)로 이동하고, 팽창밸브와 증발기에서 기체화하여 냉매가스로 변환되면서 주위의 열을 빼앗게 된다.

그런데 증발기에서 냉매액이 냉매가스로 증발하는 과정에서 과냉각이 발생하기 때문에 발생한 저온저압의 냉매가스가 액분리기로 이동하는 과정에서 냉매가스가 완전한 포화상태에 이르렀다고 볼 수 없으며 결국 증발기를 거친 후에도 어느정도 기화되지 않은 냉매액이 잔존하게 된다. 상기 잔존된 냉매액은 액분리기를 통해서 걸러지지만 오일포밍 현상이나 습증기의 상태에 따라 압축기로 냉매액이 흡입되는 경우가 발생하게 된다. 이렇게 되면 압축기로 유입되는 냉매액에 의해 냉매가스의 압축 효과가 현저하게 떨어지게 되며, 압축기에 침전되는 냉매액을 분리하기 위한 장치가 별도로 필요하게 된다.

또한 응축기에서 액화된 냉매액은 수액기에서 일정시간 머무르면서 고온고압을 유지하다가 증발기로 이동하는 냉매배관 통과중 배관저항에 의하여 압력이 떨어지고 배관의 입상에 의하여 냉매액의 압력에 감소가 발생하며, 배관의 주위 온도가 높음으로 인해 열이 흡수되어 냉매액 중에 플래쉬 가스가 발생하게 되면 배관저항이 크게 증가하게 됨으로써 팽창밸브의 능력을 감소시키고 결국 냉동능력을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.

이에 본원에서는 종래기술의 문제점을 감안하여, 액, 가스 열교환기를 지표면을 기준으로 수평으로 설치하고, 증발기에서 기화된 냉매가스를 가열하여 채 증발되지 않은 냉매액을 기화시킬 수 있도록 함과 동시에 수액기에서 증발기로 공급되는 냉매액을 냉각하는 방법을 이룸으로써, 압축기로 냉매가스가 동일한 위치에서 균등하게 흡입되어 오일밸런스를 유지하고, 냉매가스의 과냉각 및 냉매액의 과열에 의한 오일포밍 및 플래쉬 가스 등의 이상현상을 방지함으로써 냉매순환시스템의 전체적인 냉동효과를 높이는 냉각시스템을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

이에 본원에서는 수액기에서 증발기로 공급되는 냉매액이 액가스열교환기를 거쳐 공급되도록 함으로써 냉매가스와 증발기로 들어가는 냉매액 사이에 열 교환이 일어나도록 하는 액,가스 열교환기를 제공하고자 하는 기술사상이 개시된다.

또한 액분리기 대신 상기 액,가스 열교환기를 이용하여 이루어지는 냉매의 순환 냉각 방법을 제공하고자 하는 기술사상을 갖는다.

상기 액,가스 열교환기는 지표면 기준으로 수평으로 뉘여진 원통내부로 냉매가스가 공급되는 공급부와 냉매가스가 배출되는 흡입배관이 구비되며, 냉매액이 지나가는 전열관이 원통과 수평을 이루면서 원통내부를 관통하는 구조를 이룬다.

또한 다수개의 증발기가 연결되어도 냉매가스가 동일한 위치에서 균등하게 흡입되고 오일밸런스를 유지하면서 오일체적 현상이 발생하지 않도록 액,가스 열교환기가 지표면 기준으로 수평으로 놓여지도록 하고, 액,가스 열교환기 내부에서 냉매가스와 냉매액 간의 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 전열기를 낮은 핀관(low-fin tube)로 이루어지는 구조를 이루는 방법을 통하여 본원의 목적을 달성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

이하 본원의 기술사상이 구체화되는 실시양태는 하기의 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'란 기재에서 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본원에서 제공하는 액,가스 열교환기를 이용하면 과열된 냉매액은 냉각시키고 과냉각된 냉매가스는 가열하면서 냉매가스의 균등한 흡입 및 냉동오일의 밸런스를 유지시켜 냉매의 순환을 원활하게 하고 압축기를 보호하는 효과가 있다.

액,가스 열교환기로 유입되는 냉매가스는 전열관에 의해 열을 얻게 되어 가열되고, 전열관으로 유입되는 냉매액은 액,가스 열교환기 내부로 유입된 냉매가스에 의해 플래시 가스의 발생없이 냉각되어서 냉동능력을 향상할 수 있게 된다.

특히 다수 개의 증발기가 연결된 멀티냉동기 방법에서 액,가스 열교환기가 지표면 기준으로 수평으로 설치되어 배관의 오일체류 현상이 발생하는 것을 방지하면서 동일한 위치에서 냉매가스를 균등하게 흡입할 수 있어 밸런스를 유지할 수 있게 한다.

이하 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 겸하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범 위는 발명의 기술사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이고, 또한 본원의 실시 예에 제시되는 실시양태는 본원의 목적을 달성하기 위한 하나의 적용 예를 개시한 것에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본원의 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

도 2는 본원 발명에서 제공하는 액,가스 열교환기가 포함된 순환 냉각 방법을 구성한 것을 도시한 실시 예시도로써, 액분리기의 위치에 액,가스 열교환기(70)가 들어가고 수액기에서 팽창밸브로 들어가는 공급관이 액,가스 열교환기를 거쳐서 지나가고 있음을 나타내고 있다.

냉매액은 팽창밸브(60)에 의해서 팽창되어 기화하여 저온저압의 냉매가스로 변화하면서 증발기(10)에서 주위의 열을 빼앗아 주위 온도를 낮추게 한 후 필터(11)를 거쳐 액,가스 열교환기(70)로 들어가고, 상기 액,가스 열교환기에서 다시 압축기(30)로 이동하여 압축된다. 상기 압축기의 압축과정에서 발생하게 되는 오일은 유분리기(31)를 통하여 분리되고 압축된 냉매가스는 응축기(40)로 들어가 응축되어 냉매액으로 변환된다. 변환된 냉매액은 수액기(50)에 저장되었다가 필터드라이어(51)와 액면계(52)를 거쳐 액,가스 열교환기(70)의 전열관(72)으로 들어가게 되고, 액,가스 열교환기(70)의 전열관(72)을 거친 냉매액은 팽창밸브(60)로 이동되어 다시 기화되는 사이클을 이루게 된다.

도 3a은 본원에서 제공하는 액,가스 열교환기의 구조를 도시한 사시도로서 그 내부 구조를 나타내고 있다. 상기 액,가스 열교환기는 지표면 기준으로 수평으로 놓여지는 원통(71)의 상부 일단에 유입구(73)가 마련되어 냉매가스를 유입받을 수 있도록 하고, 상부 타측상단으로는 냉매가스를 압축기로 흡입되는 흡입배관(74)이 설치되며, 지표면 기준으로 수평으로 놓여지는 전열관(72)이 원통(71)과 평행하면서 원통 내부를 지나가는 구조를 갖는다.

도 3b는 액,가스 열교환기의 정면과 측면을 도시한 단면도로서, 도 3a에서 제시한 액,가스 열교환기의 구조를 더욱 상세히 도시하고 있다. 전열관(72)이 흡입배관(74)과 겹치지 않도록 중앙 하단에서 좌측으로 치우쳐진 위치에서 원통(71)을 관통하고 있음을 나타내고 있으며, 유입구(73)는 원통 내부로 연결될 정도로만 뚫려 있지만 흡입배관(74)은 원통 내부로 들어가는 관 끝단이 경사지게 잘려 있으며 관의 긴 쪽이 원통의 내벽 하단에 닿을 정도까지 내려와 있음을 알 수 있다. 이는 유입구(73)를 통해서 들어오는 저온저압의 냉매가스가 상대적으로 고온고압의 냉매액이 흐르는 전열관을 만나 열교환을 하면서 온도가 높아져 원통 하단으로 냉매액이 침전되는 것을 방지하고 냉매가스가 동일한 위치에서 균등하게 흡입되고 지속적으로 오일의 밸런스를 유지하기 위한 구조를 이루기 위함이다.

도 3c는 전열관(72')을 낮은핀튜브(low-fin tube)로 구성한 실시예를 도시한 것으로서, 증발기에서 들어오는 냉매가스와 수액기에서 들어오는 냉매액간의 열 교환이 보다 더 효과적으로 이루어질 수 있도록 원통 내부 전열관의 체적을 증가시킨 실시예를 나타낸 것이다.

도 4는 본원의 기술사상이 적용되는 순환 냉각 방법을 또 다른 구성을 나타내는 실시 예시도이다. 비록 도면에서는 2개의 증발기(10, 10')만이 도시되었지만 본원에서 개시된 액,가스 열교환기는 하나의 증발기만을 갖는 순환 냉각 방법만이 아니라 다수 개의 증발기를 갖는 순환 냉각 방법에서도 사용이 가능하며, 특히 기존 입상의 액분리기에서 다수 개의 증발기를 연결하면 냉동오일이 체류하게 되어 냉동오일의 밸런스가 맞지 않던 문제점과 오일포밍으로 인한 냉매액의 흡입, 그리고 냉매가스의 흡입이 불균등해지는 문제점 등이 지표면 기준으로 수평으로 구비된 액,가스 열교환기(70)에서는 발생하지 않는 구조를 이룰 수 있음을 알 수 있다.

또한 압축기에 사용되는 냉동오일이 유분리기(31)에서 분리되어 오일탱크(32)에 저장되었다가 다시 압축기에서 사용될 수 있도록 냉동오일의 순환 사이클을 이루는 냉각 방법이 간략하게 도시되어 있다.

이상으로 본원의 액,가스 열교환기는 다양하게 변형되는 순환 냉각 방법에 적절하게 사용될 수 있을 것이며, 본원에서 제시하지 않은 다른 순환 냉각 방법에서도 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발의 단계를 지속적으로 거치면서 증발 단계를 거친 냉매가스와 팽창되기 전의 냉매액 간에 서로 열교환이 이루어지게 하는 본원의 액,가스 열교환기는 본원의 기술사상에 포함되어 적용될 수 있음은 당업자에 있어서 당연하다 할 것이다.

도 1은 종래 순환 냉각 방법을 도시한 구성도.

도 2는 본원 발명에서 제공하는 순환 냉각 방법을 구성한 실시예시도.

도 3a은 액,가스 열교환기의 사시도.

도 3b는 액,가스 열교환기의 단면도.

도 3c는 낮은핀튜브를 장착한 액,가스 열교환기의 단면도.

도 4는 순환 냉각 방법을 또다른 구성 실시예시도.

******* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *******

10 : 증발기 11 : 필터 드라이어

20 : 액분리기 30 : 압축기

31 : 유분리기 32 : 오일리저버

40 : 응축기 50 : 수액기

51 : 필터 드라이어 52 : 액면계

60 : 팽창밸브 70 : 액,가스 열교환기

71 : 원통 72 : 전열관

73 : 유입구 74 : 흡입배관

Claims (5)

1. 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발 단계를 거치며 순환냉각시스템을 이루는 열교환기구조에서 증발기에서 나오는 냉매가스와 수액기에서 나오는 냉매액 사이의 열전달 효율을 높이기 위한 원통형 액,가스 열교환기에 있어서,

   지표면을 기준으로 수평으로 놓여지는 액,가스 열교환기의 몸체를 이루는 원통(71) 상부 일단으로 냉매가스 유입구(73)가 마련되어 증발기로부터 나오는 냉매가스가 액,가스 열교환기로 유입되는 구조를 이루고, 열교환기 몸체 내부를 관통하여 지나는 전열관(72)이 낮은 핀관(low-fin tube)구조를 갖고 전열관(72)내부로 냉매액이 흐르도록 제공되어 열 교환 효율을 높이며, 열 교환된 냉매가스는 유입구 타측 상단의 흡입배관(74)을 통하여 압축기의 흡입장치와 연결되되, 흡입배관(74)의 끝단은 경사면을 이루도록 깍인 배관구조를 갖고, 상기 경사진 배관의 긴 쪽이 전열관(72)을 피하여 원통 바닥면에 근접하여 설치됨으로써,

   냉동오일이 침전되어 체류되거나 오일밸런스가 맞지 않았던 문제점을 해소하고 냉매액의 흡입시 오일포밍 및 불균등한 흡입을 방지하는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 순환냉각 장치용 액,가스 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발의 단계를 거치며 순환냉각시스템을 이루는 열교환기구조에서 증발기에서 나오는 냉매가스와 수액기에서 나오는 냉매액 사이의 열전달 효율을 높이기 위한 순환냉각방법에 있어서,

   응축과정을 거친 냉매액과 증발단계를 거친 냉매가스가 액,가스 열교환기(70)에서 만나 열 교환을 하도록 제공되되, 액,가스 열교환기(70)가 지표면을 기준으로 수평으로 놓여지며 속이 빈 몸체(71)의 상부 일측으로 증발 단계에서 나온 냉매가스가 유입되는 유입구(73)가 마련되고,

   열교환기 몸체 내부를 수평으로 관통하여 지나는 전열관(72)은 낮은 핀관(low-fin tube)구조를 이루며 전열관(72)내부로 냉매액이 흐르도록 제공되어 열 교환 효율을 높이고,

   열 교환된 냉매가스는 유입구 타측 상단의 흡입배관(74)을 통하여 압축기의 흡입장치와 연결되는 구성을 이루되, 흡입배관(74)의 끝단은 경사면을 이루도록 깍인 배관구조를 갖고, 상기 경사진 배관의 긴 쪽이 전열관(72)을 피하여 원통 바닥면에 근접하여 설치됨으로써,

   냉동오일이 침전되어 체류되거나 오일밸런스가 맞지 않았던 문제점을 해소하고 냉매액의 흡입시 오일포밍 및 불균등한 흡입을 방지하는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 순환냉각방법.
5. 삭제

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