KR101065549B1 - 듀얼 터보 냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 독립적인 2대의 냉동기의 구성요소들 중에서 압축기의 양정을 낮추며, 냉동기의 크기를 줄이면서도 효율을 향상시킬 수 있도록 구성한 것이다. 본 발명에 따른 듀얼 터보 냉동기는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 증발기 및 제2 증발기, 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 응축기 및 제2 응축기, 임펠러를 구비하는 제1 압축기 및 제2 압축기를 포함하고, 냉수가 상기 제1 증발기를 지난 후 상기 제2 증발기를 지나고, 냉각수가 상기 제1 응축기를 지난 후 상기 제2 응축기를 지나가며, 냉매가 수용된 상기 제1 압축기가 상기 제1 응축기와 상기 제2 증발기를 연결하고, 냉매가 수용된 상기 제2 압축기가 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기를 연결하고, 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 하나의 구동 수단에 의해 동시에 회전한다.
냉동기, 압축기, 증발기, 응축기

Description

듀얼 터보 냉동기{Dual Turbo Centrifugal Chiller}
본 발명은 듀얼 터보 냉동기에 관한 것으로서, 특히 독립적인 2대의 냉동기의 구성요소들 중에서 압축기의 양정을 낮추며, 냉동기의 크기를 줄이면서도 효율을 향상시킬 수 있도록 구성한 것이다.
일반적인 냉동기는 압축기와 증발기와 응축기 및 팽창밸브를 구비하며, 냉매를 순환시키면서 열교환을 통해 증발기에서 응축기로 열을 이동시킨다.
도 1은 일반적인 냉동기(10)를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 냉동기(10)는 증발기(30), 응축기(20) 및 압축기(40)를 포함하며, 냉수(31)가 증발기(30)를 지나서 흐르고 냉각수(21)가 응축기(20)를 지나서 흐른다.
한편, 냉매(51, 52)가 순환하는 압축기(40)는 증발기(30)와 응축기(20)를 연결한다. 증발기(30)를 경유한 냉매(51)는 압축기(40)의 입구부(47)를 통해 압축기(40) 내로 유입되며, 2단의 임펠러(41, 42)를 거쳐 압축된 냉매(52)는 압축기(40)의 출구부(48)를 통해 유출되어 응축기(20)로 유입된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(40)는 2단의 임펠러(41, 42)가 샤프트(43) 상에 배치되고, 샤프트(43)는 모터(45)에 의해 회전하여 임펠러(41, 42)를 회전시킨다. 이때, 모터(45)와 샤프트(43)가 연결되는 부분에는 기어(46, 44)가 배치되어, 회전력을 전달한다. 도시되지는 않았으나 기어(44)와 샤프트(43) 사이에 트러스트(thrust) 베어링이 연결되는 것이 일반적이다.
이와 같은, 일반적인 압축기(40)에 따르면, 기어(46, 44)에 걸리는 추력이 한쪽 방향으로 치우쳐 발생하여 베어링에 걸리는 부하가 상승하게 되고, 모터(45)에 걸리는 부하 역시 증가하게 된다. 모터(45)에 걸리는 부하가 증가하면 냉각수의 출구 온도가 증가하여 결과적으로 압축기의 양정을 높이는 결과를 가져온다. 즉, 압축기의 효율이 감소한다.
한편, 압축기의 양정을 낮추고 냉동기의 효율을 증가시키기 위하여 2대의 냉동기를 연결한 냉동기인 '듀얼 터보 냉동기'가 사용되고 있다. 상기 듀얼 터보 냉동기는 냉동기 자체의 용량을 증가시킴으로써 냉동 효율을 상승시킨다. 이와 같은 듀얼 터보 냉동기에는 두 개의 압축기가 구비된다. 하지만, 종래의 듀얼 터보 냉동기에 따르면 두 개의 압축기 중 어느 한 압축기가 상대적으로 높은 양정을 가지게 되며, 이에 따라 두 개의 압축기를 독립적으로 설계 생산하여야 한다. 즉, 각각의 압축기는 임펠러를 구동시키기 위한 구동 수단을 별도로 구비하여야 하므로 냉동기 전체의 크기가 증가하게 되고, 상술한 바와 같이 압축기의 효율이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 2개의 압축기와 2개의 증발기 및 2개의 응축기를 구비한 터보 냉동기가 압축기들의 양정을 낮추며, 압축기들이 동일한 양정으로 작동하도록 구성되고, 압축기들의 임펠러가 하나의 구동수단에 의해 구동되어 크기가 작으면서도 효율이 높은 듀얼 터보 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 듀얼 터보 냉동기는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 증발기 및 제2 증발기, 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 응축기 및 제2 응축기, 임펠러를 구비하는 제1 압축기 및 제2 압축기를 포함하고, 냉수가 상기 제1 증발기를 지난 후 상기 제2 증발기를 지나고, 냉각수가 상기 제1 응축기를 지난 후 상기 제2 응축기를 지나가며, 냉매가 수용된 상기 제1 압축기가 상기 제1 응축기와 상기 제2 증발기를 연결하고, 냉매가 수용된 상기 제2 압축기가 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기를 연결하며, 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 하나의 구동 수단에 의해 동시에 회전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러는 하나의 회전축에 연결되고, 상기 회전축이 상기 구동 수단에 의해 회전하여 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 동시에 회전할 수도 있다.
또한, 상기 구동 수단은 상기 회전축의 중앙에 연결되고, 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 상기 회전축의 중앙을 중심으로 서로 대향되도록 상기 회전축 상에 배치될 수도 있다.
또한, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기의 입구에는 각각 입구 안내 날개가 구비될 수도 있다.
또한, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기는 용량이 서로 상이하도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 듀얼 터보 냉동기는 2개의 증발기와 2개의 압축기 및 2개의 응축기를 구비함에 있어 각 압축기의 양정을 낮추면서 동일하게 유지할 수 있어 압축기의 최적의 성능을 구현할 수 있다.
또한, 2개의 압축기의 임펠러가 하나의 구동 수단에 의해 동시에 구동됨에 따라서 크기가 작으면서도 효율이 우수한 압축기를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이면, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(101)의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 제1 증발기(121)와 제2 증발 기(122)가 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 제1 증발기(121)의 일단으로 냉수(113)가 유입된 후 제1 증발기(121)를 거친 후 제2 증발기(122)를 지나 밖으로 배출된다.
그리고, 제1 응축기(111)와 제2 응축기(112)가 직렬로 연결되고, 냉각수(123)가 제1 응축기(111)를 지나 제2 응축기(112)로 유입된 후 제2 응축기(112)를 지나 밖으로 배출된다.
또한, 제1 압축기(131)가 제1 응축기(111)와 제2 증발기(122)에 연결되고, 제1 압축기(131)의 냉매가 제1 응축기(111)의 냉각수(113)와 제2 증발기(122)의 냉수(123)의 열을 상호 전달하며 순환한다. 그리고 제2 압축기(132)가 제2 응축기(112)와 제1 증발기(121)에 연결되고, 제2 압축기(132)의 냉매가 제2 압축기(112)의 냉각수(113)와 제1 증발기(121)의 냉수(123)의 열을 상호 전달하며 순환한다.
이때 제1 증발기(121)로 유입되는 냉각수의 온도는 12℃이고, 제2 증발기(122)에서 배출되는 냉각수의 온도는 7℃이며, 제1 응축기(111)로 유입되는 냉각수의 온도는 32℃이고 제2 응축기(112)에서 배출되는 냉각수의 온도는 37℃이다.
증발기 및 응축기의 LTD(Leaving Temperature Difference)를 고려하지 않을 때, 제1 압축기(131)의 양정은 27.5℃(34.5℃-7℃)이며, 제2 압축기(132)의 양정은 27.5℃(37℃-9.5℃)이다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(101)에 따르면, 두 개의 압축기(131, 132)의 양정이 동일해진다. 따라서, 이하 설명하는 바와 같이 두 개의 압축기의 임펠러를 하나의 구동 수단에 의해 동시에 구동시키는 설계가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 실시예에 따른 두 개의 압축기(131, 132)의 구성에 대해 설명한다.
본 실시예에 따르면, 제1 압축기(131)는 두 개의 임펠러(145, 146)를 구비하는 2단 압축 시스템이다. 제2 증발기(122)에서 유출된 냉매(151)는 제1 압축기(131)의 입구부(141)를 통해 제1 압축기(131) 내로 유입되고, 유입된 냉매는 임펠러(145, 146)를 거치며 압축된다. 압축된 냉매(152)는 출구부(142)를 통해 제1 압축기(131)로부터 유출되어 제1 응축기(111)로 유입된다.
한편, 제2 압축기(132)도 두 개의 임펠러(143, 144)를 구비하는 2단 압축 시스템이다. 제1 증발기(121)에서 유출된 냉매(153)는 제2 압축기(132)의 입구부(143)를 통해 제2 압축기(132) 내로 유입되고, 유입된 냉매는 임펠러(143, 144)를 거치며 압축된다. 압축된 냉매(154)는 출구부(144)를 통해 제2 압축기(132)로부터 유출되어 제2 응축기(112)로 유입된다.
본 실시예에 따르면, 두 개의 압축기(131, 132)의 임펠러들(143, 144, 145, 146)을 회전시키기 위한 구동 수단(163)이 하나 구비된다. 본 실시예에서는 구동 수단(163)으로서 전기 모터가 이용된다.
두 개의 압축기(131, 132)의 임펠러들(143, 144, 145, 146)은 모두 회전축(161) 상에 연결된다. 회전축(161)의 중앙에는 기어(162)가 구비되어 있으며, 제1 압축기(131)의 임펠러(145, 146)와 제2 압축기(132)의 임펠러(143, 144)는 상기 회전축(161)의 중앙을 중심으로 서로 대향 되도록 배치된다. 구동 수단(163)의 단부에는 기어가 결합되어 있으며, 구동수단(163)에 결합된 상기 기어는 회전축(161)의 기어(162)와 맞물린다. 이와 같은 구성에 의하여, 하나의 구동 수단(163)이 회전축(161)을 회전시키고, 회전축(161)이 회전함에 따라 두 개의 압축기(131, 132)의 임펠러들(143, 144, 145, 146)이 동시에 회전한다.
본 실시예에 따르면, 독립한 두 개의 압축기(131, 132)가 하나의 구동 수단(161)에 의하여 구동될 수가 있어, 압축기 시스템의 전체 부피가 감소한다. 따라서, 듀얼 터보 냉동기(101) 전체의 크기가 감소한다.
또한, 두 개의 압축기의 임펠러들이 대칭적으로 배치되어, 기어(162) 양단에 걸리는 추력이 서로 반대 방향으로 발생하여, 서로 상쇄되는 효과가 있다. 따라서, 기어(162)에 사용되는 베어링(미도시)에 걸리는 부하가 감소하며, 결과적으로 구동 수단(161)에 작용하는 부하가 감소하여 구동 수단(161)의 효율 상승으로 연결된다. 구동 수단(161)의 효율 상승은 냉각수의 출구 온도를 낮추는 역할을 하게 되고 이는 압축기(131, 132)에 걸리는 양정을 낮추는 역할을 하게 된다. 따라서, 압축 시스템 전체의 효율이 상승하고, 냉동기 전체의 효율이 상승하는 효과가 있다. 또한, 베어링의 설계시에 편향하여 작용하는 추력에 대한 부담없이 베어링을 설계할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 제1 압축기(131) 및 제2 압축기(132)의 입구부에는 각각 부하를 조절할 수 있는 입구 안내 날개(Inlet guide vane, IGV)가 구비되어 부하 조절을 용이하게 할 수 있도록 한다.
본 실시예에 따르면, 제1 압축기(131) 및 제2 압축기(132)가 독립적으로 분리되어 있으므로, 각각 압축기와 열교환기(응축기 및 증발기)의 용량 조합을 다양하게 할 수 있다. 예를 들어, 한쪽 압축기(131)의 용량이 1000RT, 다른 한쪽의 압축기(132)의 용량이 500RT로 구성될 수 있다. 열교환기의 크기는 압축기의 용량에 맞추어 분배된다. 이 경우에도 각각의 압축기의 임펠러는 하나의 회전축 상에 대칭으로 배치되며, 이와 같이 임펠러가 대칭적으로 배치되면 두 압축기의 용량이 상이한 경우에도 베어링의 추력 상쇄 효과가 있다.
본 실시예에서는 두 개의 증발기(121, 122)와 두 개의 응축기(111, 112)가 모두 직렬로 연결되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(201)의 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(201)는 제1 증발기(221)와 제2 증발기(222)가 평행하게 병렬로 연결되고, 병렬로 연결된 제1 증발기(221)의 일단으로 냉수(223)가 유입되었다가 제1 증발기(221)의 타단으로 배출된 후, 배출된 냉수(223)는 제2 증발기(222)의 일단으로 유입된 후 제2 증발기(222)를 지나 제2 증발기(222)의 타단으로 배출된다.
그리고 제1 응축기(211)와 제2 응축기(212)가 평행하게 병렬로 연결되고, 병렬로 연결된 제1 응축기(211)의 일단으로 냉각수(213)가 유입되었다가 제1 응축기(211)의 타단으로 배출된 후, 배출된 냉각수(213)는 제2 응축기(212)의 일단으로 유입된 후 제2 응축기(212)를 지나 제2 응축기(212)의 타단으로 배출된다.
한편, 제1 압축기(231)가 제1 응축기(211)와 제2 증발기(222)에 연결되고, 제1 압축기(331)의 냉매가 제1 응축기(211)의 냉각수와 제2 증발기(222)의 냉수의 열을 상호 전달하며 순환한다. 그리고 제2 압축기(232)가 제2 응축기(212)와 제1 증발기(222)에 연결되고, 제2 압축기(232)의 냉매가 제2 응축기(212)의 냉각수와 제1 증발기(222)의 냉수의 열을 상호 전달하며 순환한다.
이때 제1 증발기(221)로 유입되는 냉수의 온도는 12℃이고, 제2 증발기(222)에서 배출되는 냉수의 온도는 7℃이며, 제1 응축기(211)로 유입되는 냉각수의 온도는 32℃이고 제2 응축기(212)에서 배출되는 냉각수의 온도는 37℃이다.
증발기 및 응축기의 LTD를 고려하지 않을 때, 제1 압축기(231)의 양정은 27.5℃(34.5℃-7℃)이며, 제2 압축기(132)의 양정도 27.5℃(37℃-9.5℃)이다. 즉, 두 압축기의 양정이 동일하다.
본 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(201)에 구비된 압축기(231, 232)의 임펠러(245, 246, 247, 248), 회전축(161), 기어(262) 및 구동 수단(263)의 결합관계, 그리고 압축기의 입출구부(243, 244)에서의 냉매(251, 252, 253, 254)의 이동관계는 상술한 도 2에 도시된 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 듀얼 터보 냉동기는 상기 두 가지의 실시예를 이용하여 설명되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 두 개의 증발기는 각각 직렬 또는 병렬로 배치되어 연결될 수 있으며, 두 개의 응축기 역시 각각 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 냉수가 제1 증발기를 지난 후 제2 증발기를 지나고, 냉각수가 제1 응축기를 지난 후 제2 응축기를 지나가며, 냉매가 수용된 상기 제1 압축기 가 상기 제1 응축기와 상기 제2 증발기를 연결하고, 냉매가 수용된 상기 제2 압축기가 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기를 연결하도록 구성하여, 두 개의 압축기의 양정이 동일한 듀얼 터보 냉동기를 구현할 수 있다는 것이 당업자에게 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 냉동기(10)를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(101)의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 터보 냉동기(201)의 개략도이다.

Claims (5)

  1. 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 증발기 및 제2 증발기;
    직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 응축기 및 제2 응축기;
    임펠러를 구비하는 제1 압축기 및 제2 압축기를 포함하고,
    냉수가 상기 제1 증발기를 지난 후 상기 제2 증발기를 지나고, 냉각수가 상기 제1 응축기를 지난 후 상기 제2 응축기를 지나가며,
    냉매가 수용된 상기 제1 압축기가 상기 제1 응축기와 상기 제2 증발기를 연결하고, 냉매가 수용된 상기 제2 압축기가 상기 제2 응축기와 상기 제1 증발기를 연결하며,
    상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 하나의 구동 수단에 의해 동시에 회전하는 것을 특징으로 하는 듀얼 터보 냉동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러는 하나의 회전축에 연결되고,
    상기 회전축이 상기 구동 수단에 의해 회전하여 상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 동시에 회전하는 것을 특징으로 하는 듀얼터보 냉동기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동 수단은 상기 회전축의 중앙에 연결되고,
    상기 제1 압축기의 임펠러와 상기 제2 압축기의 임펠러가 상기 회전축의 중앙을 중심으로 서로 대향 되도록 상기 회전축 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 듀얼 터보 냉동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기의 입구에는 각각 입구 안내 날개가 구비되는 것을 특징으로 하는 듀얼 터보 냉동기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기는 용량이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 듀얼 터보 냉동기.
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