KR100945186B1 - 냉동장치의 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동장치의 열교환기에 관한 것으로, 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압으로 압축하여 토출하는 압축기, 상기 압축기에서 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 상온 고압의 냉매액으로 응축시키는 응축기, 상기 응축기에서 상온 고압으로 응축된 냉매액을 급속 팽창시켜서 안개상태로 공급하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에서 안개상태로 공급되는 냉매의 열교환작용으로 외부로부터 열을 빼앗는 증발기 및 상기 증발기에서 열교환작용에 의해 기체상태로 증발된 냉매가스를 압축기로 보내는 과정을 반복하도록 구성되는 냉동장치에 있어서,

상기 압축기기와 응축기 사이에 설치되며, 상기 압축기로부터 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 전기히터로 가열하는 1차 열교환기와, 상기 1차 열교환기에서 가열된 냉매가스와의 열교환작용으로 물이나 공기를 고온으로 가열하는 2차 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발명이다.

냉동장치, 압축기, 응축기, 증발기, 열교환기, 냉매가열용기, 냉매저장용기, 전기히터

Description

냉동장치의 열교환기{Heat exchanger of freezing apparatus}

본 발명은 냉동장치의 열교환기에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 냉동장치의 정상적인 냉동사이클 운전시 응축기에서 버려지는 열량과 압축기에서 토출되는 냉매를 고온으로 가열하여 얻은 열량을 이용하여 고온의 물,공기를 얻을 수 있도록 하는 냉동장치의 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉매를 이용하는 냉동장치의 냉동사이클은 증발기에서 저온 저압의 냉매액이 외부의 공기 또는 물과의 열교환작용으로 가스(기체) 상태로 변하여 저온 저압 상태로 압축기로 흡입되며, 압축기에 흡입된 저온 저압 상태의 냉매는 고온 고압 상태로 압축되어 토출되며, 압축기에서 토출된 냉매가스는 응축기에서 외부 공기와의 직·간접적으로 열교환되어 상온의 고압 냉매액으로 응축되어 액열기의 수액기를 거쳐 팽창밸브로 보내지는데, 이때 응축기에서 고온 고압의 냉매가스가 상온 고압의 냉매액으로 응축될 때 열교환작용으로 버려지는 열량을 가지고는 물이나 공기를 가열하기에는 그 가열 온도가 낮아 경제적이질 못하여 기존의 냉동장치에서는 응축기에서 열교환작용으로 발생하는 열량이 버려지고 있는 실정이다.

본 발명은 기존의 냉동장치를 정상적으로 운전하면서 응축기에서 버려지는 열량과 냉동장치의 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매가스를 가열하여 얻은 열량을 합산하여 물이나 공기를 고온으로 가열할 수 있도록 하는 냉동장치의 열교환기를 제공하는데 목적을 두고 발명한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 추구하기 위한 수단으로서,

저온 저압의 냉매가스를 고온 고압으로 압축하여 토출하는 압축기, 상기 압축기에서 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 상온 고압의 냉매액으로 응축시키는 응축기, 상기 응축기에서 상온 고압으로 응축된 냉매액을 급속 팽창시켜서 안개상태로 공급하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에서 안개상태로 공급되는 냉매의 열교환작용으로 외부로부터 열을 빼앗는 증발기 및 상기 증발기에서 열교환작용에 의해 기체상태로 증발된 냉매가스를 압축기로 보내는 과정을 반복하도록 구성되는 냉동장치에 있어서,

상기 압축기와 응축기 사이에 설치되며, 상기 압축기로부터 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 전기히터로 가열하는 1차 열교환기와, 상기 1차 열교환기에서 가열된 냉매가스와의 열교환작용으로 물이나 공기를 고온으로 가열하는 2차 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 열교환기는 전기히터가 장착된 냉매가열용기와, 상기 냉매가열용기를 감싸도록 형성되어 상기 압축기에서 토출되는 냉매가스가 주입되는 냉매입구와 냉매가열용기와의 열교환작용으로 가열된 고온의 냉매가스를 배출시키는 냉매출구가 형성된 냉매저장용기를 이중관 구조로 형성하여서 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 열교환기의 냉매가열용기의 내,외부에는 그 내,외주면을 따라 원형 단면을 이루도록 배열되는 다수의 내,외부 열교환파이프들이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차 열교환기는 물이나 공기를 주입 및 배출시키기 위한 입구와 출구가 마련되어 있고, 상기 1차 열교환기의 냉매저장용기를 감싸는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차 열교환기는 1차 열교환기의 냉매저장용기 내부에 장착된 채 냉매가열용기의 외주를 나선형으로 감싸도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 냉동장치의 정상적인 운전 중 응축기에서 버려지는 열량을 회수하여 물이나 공기를 예열토록 하며, 이어서 1차 열교환기에서 고온으로 가열된 냉매가스의 열을 이용하여 응축기에서 버려지는 열량으로 예열된 물이나 공기를 고온으로 가열할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 고온으로 가열된 물이나 공기를 난방용이나 살균용으로 사용할 수 있도록 하므로써 고유가 시대에 에너지절약에 크게 기여하는 장점을 제공한다.

본 발명에 의한 냉동장치의 열교환기에 대한 구체적인 실시에를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 냉동장치의 냉동사이클 회로도이며, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 1차 열교환기의 여러 실시예를 나타낸 단면도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 1차 열교환기 복수개를 직렬로 연결 설치한 실시예이며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 2차 열교환기의 설치상태 단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 2차 열교환기 복수개를 직렬로 연결 설치한 실시예이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 2차 열교환기의 다른 실시예를 도시한 것이다.

도면부호 1은 1차 열교환기를, 2는 2차 열교환기를 각각 나타낸다.

상기 1차 및 2차 열교환기(1)(2)는 냉동장치의 압축기(3)와 응축기(4) 사이에 각각 설치된다.

상기 1차 열교환기(1)는 냉동장치의 압축기(3)에서 고온 고압으로 압축되어 토출되는 냉매가스를 고온으로 가열하기 위하여 전기히터(11)가 장착된 냉매가열용기(1a)와, 상기한 냉매가열용기(1a)를 감싸도록 형성된 채 상기 압축기(3)에 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 저장하도록 형성되는 냉매저장용기(1b)로 구성된다.

상기 1차 열교환기(1)의 냉매가열용기(1a)내부에는 전기히터(11)에 의해 직접 가열되는 열매체오일이 주입되어 있는데, 상기한 열매체오일의 주입량은 가열시 오일의 팽창량을 고려하여 대략 80∼90% 정도를 유지시키며, 상기한 냉매저장용기(1b)에는 압축기(3)로부터 토출되는 냉매가스가 주입되는 냉매입구(12)와 가열된 냉매를 배출시키는 냉매출구(13)가 형성되어 있다.

또한 상기 1차 열교환기(1)에는 냉매가열용기(1a)의 가열온도를 감지하기 위하여 냉매가열용기(1a)에 가열용 온도센서(14)가 장착되어 있으며, 또한 냉매저장용기(1b)에 저장되는 냉매가스의 가열온도를 감지하기 위해서는 냉매저장용기(1b)에 냉매용 온도센서(15)가 장착되어 있다.

또한 상기 1차 열교환기(1)에는 냉매가열용기(1a)의 가열작용을 촉진시킴과 동시에 냉매저장용기(1b)에 저장되는 냉매가스의 가열작용을 향상시키기 위하여 상기한 냉매가열용기(1a)의 내,외주면 각각에는 내,외부 열교환파이프(16)(17)이 다수 배열되어 있다.(도 2b, 도 2d 참조)

그리고 상기 1차 열교환기(1)는 도 2a 및 도 2b의 도시와 같이 냉매가열용기(1a)의 일단이 냉매저장용기(1b)의 일측으로 노출되도록 장착되어 외부로부터 인입되는 전선을 전기히터(11)에 연결시키는 구조로 형성되어 있거나 또는 도 2c 및 도 2d의 도시와 같이 냉매가열용기(1a)의 양단이 냉매저장용기(1b)의 양측으로 노출되도록 장착되는 구조로 구성될 수 있다.

또한 상기 1차 열교환기(1)는 도 3a 및 도 3b의 도시와 같이 연결구(18)를 이용하여 복수개를 직렬로 연결시킬 수 있다.

다음, 상기 2차 열교환기(2)는 1차 열교환기(1)와는 별도로 형성되어 상기 1차 열교환기(1)에서 고온으로 가열되어 냉매출구(13)로 배출되는 고온의 냉매가스 를 이용하여 물이나 공기를 가열하는 구조로 구성될 수 있지만, 도 4a 및 도 4b의 도시와 같이 1차 열교환기(1)의 냉매저장용기(1b)의 외주를 감싸는 구조로 구성할 수 있다.

그리고 상기 2차 열교환기(2)에는 가열하고자 하는 물이나 공기가 주입되는 유입구(21)와 2차 열교환기(2) 내부에서 가열된 물 및 공기가 배출되는 배출구(22)가 형성되어 있다.

또한 상기 2차 열교환기(2)는 도 5a 및 도 5b의 도시와 같이 연결구(23)를 이용하여 복수개를 직렬로 연결시킬 수 있다.

또한 상기 2차 열교환기(2)는 도 6a 및 도 6b의 도시와 같이 1차 열교환기(1)의 냉매저장용기(1b) 내부에 냉매가열용기(1a)의 외주를 나선형으로 감싸주는 구조의 나선관으로 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명의 냉동장치는 압축기(3)에서 토출되어 1차 열교환기(1)로 유입되어 가열되는 냉매가스가 역류하지 못하도록 압축기(3)와 1차 열교환기(1)를 잇는 냉매순환라인에는 체크밸브(31)가 설치되어 있으며, 상기 응축기(4)에서 상온 고압상태로 응축된 냉매액은 액열기(5)의 수액기(5a)를 거쳐 팽창밸브(6)로 보내지며, 상기한 팽창밸브(6)에서 안개상태로 급속히 팽창된 냉매는 증발기(7)에서 외부와의 열교환작용으로 열을 빼앗고 증발되어 상기한 액열기(5)의 액분리기(5b)로 보내지며, 상기한 액분리기(5b)에서는 저온 저압상태로 기화된 냉매를 압축기(3)로 보내는 작용을 반복하게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.

냉동장치가 정상적으로 운전될 때에는 1차 열교환기(1)의 전기히터(11)에 전기가 공급되어 전기히터(11)의 가열작동이 진행되는 상태가 된다. 따라서 증발기(7)에서 외부의 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되어 액열기(5)의 액분리기(5b)를 거쳐 압축기(3)로 보내지는 저온 저압상태의 냉매가스는 상기한 압축기(3)에서 고온 고압상태로 압축되어 1차 열교환장치(1)로 이송되는 것이며, 이와 같이 상기 1차 열교환장치(1)로 이송되는 냉매가스는 냉매입구(12)를 통해 냉매저장용기(1b)로 유입되는데, 이때 상기한 냉매저장용기(1b) 내부에 장착된 냉매가열용기(1a) 는 가열작동되는 전기히터(11)에 의해 고온으로 가열된 상태이므로 상기한 냉매저장용기(1b) 내부로 유입된 냉매가스는 전기히터(11)에 의해 고온으로 가열된 냉매가열용기(1a)와의 열교환작용으로 고온상태로 가열되는 것이다.

상기와 같이 냉매가열용기(1a)와의 열교환작용으로 냉매저장용기(1b) 내부에서 고온으로 가열되는 냉매가스에 의해 상기한 냉매저장용기(1b) 자체도 가열되는 것이며, 이에 따라 상기한 냉매저장용기(1b)를 감싸고 있는 2차 열교환기(2)의 유입구(21)를 통해 유입되는 물 또는 공기는 배출구(22) 쪽으로 흐르는 동안 고온으로 가열된 냉매저장용기(1b)와의 열교환작용으로 고온상태로 가열된 후 배출구(22)를 통해 배출되는 것이다.

그리고 도 3a,3b 및 도 5a,5b의 도시와 같이 복수의 1차 및 2차 열교환기(1)(2) 각각을 다단상으로 직렬로 연결 구성하였을 경우에는 물 또는 공기를 단계적으로 연속해서 가열할 수 있게 되어 물 또는 공기를 고온으로 가열할 수 있게 된다.

또한 도 6a 및 도 6b의 도시와 같이 1차 열교환기(1)의 냉매저장용기(1b)의 내부에서 냉매가열용기(1a)의 외주를 나선상으로 감싸도록 설치된 나선형의 2차 열교환기(2)은 냉매가열용기(1a)에 의해 직접 가열된과 동시에 냉매저장용기(1b) 내부에서 가열되는 고온의 냉매가스에 의해서도 가열되는 상태이므로 물 또는 공기를 고온으로 가열할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 냉동사이클의 증발기(7)에서 저온 저압의 안개상태의 냉매액이 외부의 열을 빼앗는 열교환작용의 기능을 가지고 있어 냉동장치로 사용할 수 있는 동시에 응축기(4)에서 버려지는 열량을 이용하여 물 또는 공기를 예열한 다음 그 예열된 물, 공기를 2차 열교환기(2)로 보내어 1차 열교환기(1)에서 고온으로 가열된 냉매가스와의 열교환작용으로 고온으로 가열할 수 있게 되는 것이며, 이와 같이 응축기(4)에서 예열된 후 2차 열교환기(2)를 경유하는 과정에서 열교환작용으로 가열되는 물, 공기를 80∼95℃의 고온으로 가열할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 냉동장치의 냉동사이클 회로도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 1차 열교환기의 여러 실시예에 대한 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 1차 열교환기 복수개를 직렬로 연결 설치한 실시예.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 2차 열교환기의 설치상태 단면도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 2차 열교환기 복수개를 직렬로 연결 설치한 실시예.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 2차 열교환기의 다른 실시예.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 1차 열교환기 1a : 냉매가열용기

1b : 냉매저장용기 11 : 전기히터

12 : 냉매입구 13 : 냉매출구

14 : 가열용 온도센서 15 : 냉매용 온도센서

16,17 : 내,외부 열교환파이프 18 : 연결구

2 : 2차 열교환기 21 : 유입구

22 : 배출구 23 : 연결구

3 : 압축기 4 : 응축기

5 : 액열기 6 : 팽창밸브

7 : 증발기

Claims (5)

1. 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압으로 압축하여 토출하는 압축기, 상기 압축기에서 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 상온 고압의 냉매액으로 응축시키는 응축기, 상기 응축기에서 상온 고압으로 응축된 냉매액을 급속 팽창시켜서 안개상태로 공급하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에서 안개상태로 공급되는 냉매의 열교환작용으로 외부로부터 열을 빼앗는 증발기 및 상기 증발기에서 열교환작용에 의해 기체상태로 증발된 냉매가스를 압축기로 보내는 과정을 반복하도록 구성되는 냉동장치에 있어서,

   상기 압축기와 응축기 사이에 설치되며, 상기 압축기로부터 토출되는 고온 고압의 냉매가스를 전기히터로 가열하는 1차 열교환기와, 상기 1차 열교환기에서 가열된 냉매가스와의 열교환작용으로 물이나 공기를 고온으로 가열하는 2차 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉동장치의 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 열교환기는 전기히터가 장착된 냉매가열용기와, 상기 냉매가열용기를 감싸도록 형성되어 상기 압축기에서 토출되는 냉매가스가 주입되는 냉매입구와 냉매가열용기와의 열교환작용으로 가열된 고온의 냉매가스를 배출시키는 냉매출구가 형성된 냉매저장용기를 이중관 구조로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 냉동 장치의 열교환기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 1차 열교환기의 냉매가열용기의 내,외부에는 그 내,외주면을 따라 원형 단면을 이루도록 배열되는 다수의 내,외부 열교환파이프들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동장치의 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 2차 열교환기는 물이나 공기를 주입 및 배출시키기 위한 입구와 출구가 마련되어 있고, 상기 1차 열교환기의 냉매저장용기를 감싸는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동장치의 열교환기.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 2차 열교환기는 1차 열교환기의 냉매저장용기 내부에 장착된 채 냉매가열용기의 외주를 나선형으로 감싸도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉동장치의 열교환기.

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