KR101092692B1 - 이코노마이저 및 이를 구비하는 다단 압축식 냉동기 - Google Patents

이코노마이저 및 이를 구비하는 다단 압축식 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이코노마이저 및 다단 압축식 냉동기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이코노마이저는, 저단계 팽창밸브를 나온 냉매를 기상과 액상으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 이코노마이저로서, 내부에 냉매의 수위를 유지할 수 있는 체적을 가지는 동체(100); 상기 동체(100)의 일측에, 상기 저단계 팽창밸브를 나온 냉매가 유입되는 통로로서 형성되는 냉매입구(101); 상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 일측에, 분리된 냉매액을 고단계의 팽창밸브로 보내는 통로로서 형성되는 냉매액 출구(102); 상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 또 다른 일측에, 분리된 냉매증기를 고단계의 압축기로 보내는 통로로서 형성되는 냉매증기 출구(103)를 포함하고, 상기 냉매입구(101)로부터 상기 냉매액 출구(102) 및 냉매증기 출구(103) 사이의 동체(100) 내부에, 동체(100)를 횡단하는 형태로 하나 이상의 지점에 설치되고, 냉매가 출입할 수 있는 복수의 출입공(202)이 형성되어, 냉매입구(101) 측으로부터 출구(102)(103) 측으로 흐르는 냉매의 유동을 안정화시키는 다공 벽체(200)가 설치되어, 다공 벽체(200)에 의해 냉매의 유동을 안정화한 것이다.

Description

이코노마이저 및 이를 구비하는 다단 압축식 냉동기{AN ECONOMIZER AND REFRIGERATOR WITH THE SAME}
본 발명은 다단 압축 냉동 사이클에 사용되는 이코노마이저에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이코노마이저의 입구측과 출구측 사이의 냉매 흐름 경로에 냉매의 유동을 안정화시킬 수 있는 다공 벽체를 설치하여 냉매가 안정된 상태에서 액상 및 기상으로 분리되어 송출되도록 한 이코노마이저 및 이러한 이코노마이저를 구비하여 안정적이고 효율 높은 냉동 사이클을 형성한 다단 압축식 냉동기에 관한 것이다.
잘 아는 바와 같이, 다단 압축식 냉동기는, 원심식 압축기나 스크루 압축기를 사용하여 냉매를 다단계에 걸쳐 압축하여 효율을 향상시킨 냉동기이다. 요컨대, 다단 압축식 냉동기는, 주로 HFC 계열의 친환경 냉매인 'R134a' 냉매를 사용하는 1단 압축식 냉동기의 효율 향상을 위해 냉매를 2단계 이상으로 압축하는 회로를 구성한 것이다.
도 1에는 다단 압축식 냉동기의 일례로서, 일반적인 2단 압축식 냉동기(2)의 회로도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 2단 압축식 냉동기(2)는, 저온 저압의 냉매 가스를 고온 고압의 가스로 두 단계에 걸쳐 압축시키는 제1, 2단계 압축기(10, 20)와, 압축된 고온 고압의 냉매 가스를 액상으로 응축시키는 응축기(30)와, 응축된 액상의 냉매를 두 단계에 걸쳐 감압하고 팽창시키는 제1, 2 팽창밸브(40, 50)와, 제2팽창밸브(50)를 나온 액체가 증발하여 부하(예; 실내기) 측에 사용되는 냉수를 냉각시키는 증발기(60)를 포함한다.
이러한 2단 압축식 냉동기(2)에는, 1단 압축식 냉동기와는 달리 이코노마이저(70)가 더 설치된다. 만일 3단 압축 방식에는 2개의 이코노마이저가 설치되고, 4단 압축 방식에는 3개의 이코노마이저가 설치된다.
이코노마이저(70)는, 다단 냉동 사이클에서 팽창 과정 중 저단계의 팽창밸브(즉, 본 예에서는 제1팽창밸브(40))를 나온 두 가지 상(즉, 포화액 및 포화증기)이 혼합된 냉매를 기상(즉, 포화증기)과 액상(즉, 포화액)으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브(즉, 본 예에서는 제2팽창밸브(50))나 증발기(60)로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기(즉, 도시된 예에서는 제2단계 압축기(20))로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 역할을 한다.
이러한 이코노마이저(70)는, 저단계 팽창밸브를 통과하면서 발생하는 기상의 냉매가스(즉, 플래시가스)를 압축기의 고단으로 회수함으로써 증발기에 유입되는 냉매의 건도를 줄여 동일한 질량유량에 대해 증발 잠열을 높여 냉동효율을 향상시키는 한편, 고단계 압축기의 입구 온도를 낮춰 냉매의 비체적을 줄여주고, 고단계 압축기의 부하를 줄여주는 등 압축 효율을 향상시키게 된다.
따라서, 이코노마이저는, 기상과 액상이 잘 분리될 수 있도록 하여야 하는 동시에, 냉매가스 출구측으로 액무(液霧)나 액적(液滴)이 따라나가지 못하도록 하여야 하고, 냉매액 출구측으로는 가스가 따라나가지 못하도록 하여야 한다.
이러한 관점에서 종래의 이코노마이저를 살펴보면, 종래의 이코노마이저는 통상적으로 중력을 이용하여 냉매를 분리하는 방식으로 이루어지는데, 팽창밸브를 통과하면서 플래시 가스를 포함하게 되는 냉매는 액냉매에 비해 비체적이 매우 크므로 이코노마이저로 유입되는 유속이 상당히 커지게 되고 이코노마이저 입구측의 격렬한 유동이 출구쪽으로 쉽게 그대로 전해져서, 전체적으로 이코노마이저 내부의 유동이 안정을 찾지 못하여 액상과 기상의 분리가 원활히 이루어지지 않고, 냉매가스 출구측으로 액체가 혼입되어 나가거나 냉매액 출구측으로 가스가 혼입되어 나가는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이코노마이저의 냉매 유입부의 격렬한 유동이 직접 출구측으로 전해지지 못하도록 하고, 출구측으로 갈수록 냉매 유동이 더욱 안정되도록 유도하여, 액상과 기상의 분리작용이 극대화 되도록 하는 한편, 냉매가스 출구측으로 액체가 혼입되거나 냉매액 출구측으로 가스가 혼입되는 문제를 해결할 수 있는 이코노마이저를 제공하고, 이러한 이코노마이저를 구비함으로써 다단 압축식 냉동 사이클을 이상적으로 유지할 수 있는 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이코노마이저는, 저단계 팽창밸브를 나온 냉매를 기상과 액상으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 이코노마이저로서, 내부에 냉매의 수위를 유지할 수 있는 체적을 가지는 동체; 상기 동체의 일측에, 상기 저단계 팽창밸브를 나온 냉매가 유입되는 통로로서 형성되는 냉매입구; 상기 냉매입구로부터 먼 지점의 일측에, 분리된 냉매액을 고단계의 팽창밸브로 보내는 통로로서 형성되는 냉매액 출구; 상기 냉매입구로부터 먼 지점의 또 다른 일측에, 분리된 냉매증기를 고단계의 압축기로 보내는 통로로서 형성되는 냉매증기 출구를 포함하고, 상기 냉매입구로부터 상기 냉매액 출구 및 냉매증기 출구 사이의 동체 내부에, 동체를 횡단하는 형태로 하나 이상의 지점에 설치되고, 냉매가 출입할 수 있는 복수의 출입공이 형성되어, 냉매입구 측으로부터 출구 측으로 흐르는 냉매의 유동을 안정화시키는 다공 벽체가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 이코노마이저에 있어서, 상기 다공 벽체 중 어느 하나 이상은 파형으로 굴곡진 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 이코노마이저에 있어서, 상기 다공 벽체의 전체면적에서 출입공의 총 면적이 차지하는 비율은 냉매입구에 가장 가까운 지점에 설치된 다공 벽체의 것이 가장 크고, 냉매입구로부터 먼 지점에 설치된 것일수록 점차로 작아지도록 하여도 좋다.
본 발명에 따른 다단 압축식 냉동기는, 저온 저압의 냉매 가스를 고온 고압의 가스로 복수 단계에 걸쳐 압축시키는 다단계의 압축기; 상기 다단계의 압축기 중 최고단계의 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매 가스를 액상으로 응축시키는 응축기; 응축된 액상의 냉매를 복수 단계에 걸쳐 감압하고 팽창시키는 다단계의 팽창밸브; 및 최고단계의 팽창밸브를 나온 액체가 유입되고 증발하여 부하 측에 사용되는 냉수를 냉각시키는 증발기를 포함하고, 인접한 2개의 팽창밸브 사이에는 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 기재된 다공 벽체를 구비하는 이코노마이저가 설치되며, 각 이코노마이저의 냉매입구는 저단계의 팽창밸브와 연결되고, 냉매액 출구는 인접한 고단계의 팽창밸브로 연결되며, 냉매증기 출구는 인접한 2개의 압축기 중 고단계의 압축기의 유입측에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이코노마이저는, 동체의 내부에 다공 벽체가 설치됨으로써, 이코노마이저의 냉매 유입부로 들어오는 냉매의 격렬한 유동이 다공 벽체에 부딪히고 출입구를 통과하는 과정에서 유동이 약해지고 안정화된다.
따라서, 이코노마이저의 내부에서 액상과 기상의 분리작용이 원활히 이루어지며, 냉매가스 출구측으로 액체가 혼입되거나 냉매액 출구측으로 가스가 혼입되는 현상을 억제할 수 있으며, 이러한 이코노마이저를 구비하는 본 발명의 다단 압축식 냉동기는 냉동 사이클을 이상적으로 유지할 수 있고 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 다단 압축식 냉동기 중 2단 압축식 냉동기의 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이코노마이저의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다공 벽체의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다공 벽체의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 이코노마이저를 구비하는 다단 압축식 냉동기의 다른 예를 나타내는 계통도이다.
도 6은 본 발명의 이코노마이저를 구비하는 다단 압축식 냉동기의 또 다른 예를 나타내는 계통도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 이코노마이저를 나타내는 것으로서, 도 2에는 이코노마이저의 내부 구조가 개략적으로 도시되어 있고, 도 3에는 다공 벽체의 일례를 나타내는 사시도이다.
이코노마이저(70)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 저단계 팽창밸브를 나온 냉매를 기상과 액상으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 역할을 한다.
본 발명의 이코노마이저(70)의 구체적인 구성은, 내부에 냉매의 수위를 유지할 수 있는 체적을 가지는 동체(100)와, 상기 동체(100)의 일측에, 저단계 팽창밸브를 나온 냉매가 유입되는 통로로서 형성되는 냉매입구(101)와, 상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 일측에, 분리된 냉매액을 고단계의 팽창밸브로 보내는 통로로서 형성되는 냉매액 출구(102)와, 상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 또 다른 일측에, 분리된 냉매증기를 고단계의 압축기로 보내는 통로로서 형성되는 냉매증기 출구(103)를 포함하고, 상기 냉매입구(101)로부터 상기 냉매액 출구(102) 및 냉매증기 출구(103) 사이의 동체(100) 내부에 동체(100)를 횡단하는 하나 이상의 다공 벽체(200)가 설치된 구성으로 이루어진다.
팽창밸브로부터 유입된 냉매는 동체(100)의 내부로 들어와서, 냉매액은 바닥으로부터 위로 소정의 수위를 유지하게 되고, 그로부터 냉매증기(플래시 가스)가 분리되어 위쪽으로 올라간다.
다공 벽체(200)는, 냉매입구(101)로부터 냉매액 출구(102) 및 냉매증기 출구(103) 사이의 하나 이상의 지점에 설치되어 냉매입구(101)로부터 유입되는 냉매액의 유동을 안정화하여 출구(102)(103) 쪽으로 흘러가도록 한다.
다공 벽체(200)에는, 냉매가 출입할 수 있는 복수의 출입공(202)이 형성되어 있다. 따라서, 냉매입구(101) 측으로부터 유입된 냉매는 다공 벽체(200)에 부딪히면서 소파(消波)된 후 출입공(202)을 통과하게 된다. 다공 벽체(200)가 여러 지점에 설치된 경우에는, 냉매의 유동이 출구(102)(103)측으로 갈수록 더욱 안정화된다.
이와 같이 출구(102)(103) 측의 냉매의 유동이 안정화되면, 액상과 기상의 분리작용이 원활히 이루어지고, 냉매액 출구(102) 측으로 기체가 혼입되거나 냉매가스 출구(103) 측으로 액체가 혼입되는 현상이 없어진다.
한편, 도 3에 도시된 실시예와 같이, 다공 벽체(200)가 2개의 지점 이상에 설치되는 경우, 냉매입구(101) 측에 가까운 다공 벽체(200a)로부터 출구(102)(103) 측에 가까운 다공 벽체(200b)로 갈수록 출입공(202)이 차지하는 면적이 점차로 작아지게 구성하여도 좋다. 즉, 상기 다공 벽체(200)의 전체면적에서 출입공(202)의 총 면적이 차지하는 비율이, 냉매입구(101)에 가장 가까운 지점에 설치된 다공 벽체(200a)의 것이 가장 크고, 냉매입구(101)로부터 먼 지점에 설치된 다공 벽체(200b)일수록 점차로 작아지도록 하는 것이다. 이렇게 하면 무리를 가하지 않고 냉매의 유동을 점진적으로 자연스럽게 안정화시킬 수가 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 다공 벽체(200)의 다른 예를 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다공 벽체(200 : 200a, 200b)는 파형(波形)으로 굴곡진 형태로 이루어져 있다. 이와 같이 다공 벽체(200 : 200a, 200b)는 소파 기능을 향상시키기 위해 파형 등과 같은 굴곡진 형태로 구성할 수 있다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 이코노마이저(70)는 2단계 이상의 다단 압축기에 적용된다. 즉, 도 1에 도시된 2단 압축식 냉동기(2), 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같은 4단 압축식 냉동기(2a)(2b)뿐만 아니라, 3단, 5단, 6단 등의 압축식 냉동기에 동일한 방식으로 적용가능하다.
도 5는 본 발명의 이코노마이저를 구비하는 다단 압축식 냉동기 중 4단 압축식 냉동기(2a)에 적용한 일례를 나타내는 계통도이다.
도 5와 같이 압축기가 4단계로 이루어진다면, 앞에서 이미 설명한 것처럼 3개의 이코노마이저(71, 72, 73)가 설치된다.
다단계의 압축기(11, 12, 13, 14) 중에서, 최고단계의 압축기(14)에서 나온 고온 고압의 냉매 가스는 응축기(30)로 들어가서 응축되고, 응축된 액상의 냉매는 다단계의 팽창밸브(41,. 42, 43, 44)를 거쳐 감압되고 팽창되며, 최고단계의 팽창밸브(14)를 나온 냉매액은 증발기(60)로 유입되어 증발됨으로써 부하 측에 사용되는 냉수를 냉각시킨다.
이때, 이코노마이저(71, 72, 73)는 인접한 두 개의 팽창밸브(41, 42)(42, 43)(43, 44) 사이에 배치되어, 그의 냉매입구(101)는 저단계의 팽창밸브(41, 42중 41)(42, 43중 42)(43, 44중 43)로 연결되고, 냉매액 출구(102)는 인접한 고단계의 팽창밸브(41, 42중 42)(42, 43중 43)(43, 44중 44)로 연결된다. 또한, 냉매증기 출구(103)는, 인접한 2개의 압축기(11, 12)(12, 13)(13, 14) 중 고단계의 압축기(11, 12중 11)(12, 13중 12)(13, 14중 13)의 유입측에 연결되어 압축되도록 한다.
도 5에서는 최저단계의 이코노마이저(71)를 나온 냉매증기가 최고단계의 압축기(14)의 유입측에 연결되고, 최고단계의 이코노마이저(73)를 나온 냉매증기는 최저단계의 압축기(11)보다 한 단계 고단계인 압축기(12)의 유입측에 연결되는 것으로 회로를 구성하였으나 반드시 이에 한하지 않는다. 즉, 각 이코노마이저(71, 72, 73)는 최저단계의 압축기(11)를 제외한 어떠한 압축기의 유입측에 연결되어도 좋다.
도 6에는 이러한 하나의 예를 보여준다.
즉, 도 6에 도시된 냉동기(2b)에서는, 최저단계의 이코노마이저(71)를 나온 냉매증기는 최저단계의 압축기(11)보다 한 단계 고단계인 압축기(12)의 유입측에 연결하고, 최고단계의 이코노마이저(73)를 나온 냉매증기는 최고단계의 압축기(14)의 유입측에 연결한 것과 같이 구성할 수도 있다.
이상에서는 첨부도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 당연히 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.
2, 2a, 2b : 다단 압축식 냉동기
10, 11, 12, 13, 14, 20 : 압축기
30 : 응축기
40, 41, 42, 43, 44, 50 : 팽창밸브
60 : 증발기
70, 71, 72, 73 : 이코노마이저
200, 200a, 200b : 다공 벽체
202 : 출입공

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 저단계 팽창밸브를 나온 냉매를 기상과 액상으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 이코노마이저로서,
    내부에 냉매의 수위를 유지할 수 있는 체적을 가지는 동체(100);
    상기 동체(100)의 일측에, 상기 저단계 팽창밸브를 나온 냉매가 유입되는 통로로서 형성되는 냉매입구(101);
    상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 일측에, 분리된 냉매액을 고단계의 팽창밸브로 보내는 통로로서 형성되는 냉매액 출구(102);
    상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 또 다른 일측에, 분리된 냉매증기를 고단계의 압축기로 보내는 통로로서 형성되는 냉매증기 출구(103)를 포함하고,
    상기 냉매입구(101)로부터 상기 냉매액 출구(102) 및 냉매증기 출구(103) 사이의 동체(100) 내부에, 동체(100)를 횡단하는 형태로 하나 이상의 지점에 설치되고, 냉매가 출입할 수 있는 복수의 출입공(202)이 형성되어, 냉매입구(101) 측으로부터 출구(102)(103) 측으로 흐르는 냉매의 유동을 안정화시키는 다공 벽체(200)가 설치되며,
    상기 다공 벽체(200) 중 어느 하나 이상은 파형으로 굴곡진 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이코노마이저.
  3. 저단계 팽창밸브를 나온 냉매를 기상과 액상으로 분리하여, 액상의 냉매는 고단계의 팽창밸브로, 기상의 냉매는 고단계의 압축기로 보내 다시 압축시키도록 분배하는 이코노마이저로서,
    내부에 냉매의 수위를 유지할 수 있는 체적을 가지는 동체(100);
    상기 동체(100)의 일측에, 상기 저단계 팽창밸브를 나온 냉매가 유입되는 통로로서 형성되는 냉매입구(101);
    상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 일측에, 분리된 냉매액을 고단계의 팽창밸브로 보내는 통로로서 형성되는 냉매액 출구(102);
    상기 냉매입구(101)로부터 먼 지점의 또 다른 일측에, 분리된 냉매증기를 고단계의 압축기로 보내는 통로로서 형성되는 냉매증기 출구(103)를 포함하고,
    상기 냉매입구(101)로부터 상기 냉매액 출구(102) 및 냉매증기 출구(103) 사이의 동체(100) 내부에, 동체(100)를 횡단하는 형태로 하나 이상의 지점에 설치되고, 냉매가 출입할 수 있는 복수의 출입공(202)이 형성되어, 냉매입구(101) 측으로부터 출구(102)(103) 측으로 흐르는 냉매의 유동을 안정화시키는 다공 벽체(200)가 설치되며,
    상기 다공 벽체(200)의 전체면적에서 출입공(202)의 총 면적이 차지하는 비율은 냉매입구(101)에 가장 가까운 지점에 설치된 다공 벽체(200)의 것이 가장 크고, 냉매입구(101)로부터 먼 지점에 설치된 것일수록 점차로 작아지는 것을 특징으로 하는 이코노마이저.
  4. 저온 저압의 냉매 가스를 고온 고압의 가스로 복수 단계에 걸쳐 압축시키는 다단계의 압축기;
    상기 다단계의 압축기 중 최고단계의 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매 가스를 액상으로 응축시키는 응축기;
    응축된 액상의 냉매를 복수 단계에 걸쳐 감압하고 팽창시키는 다단계의 팽창밸브; 및
    최고단계의 팽창밸브를 나온 액체가 유입되고 증발하여 부하 측에 사용되는 냉수를 냉각시키는 증발기를 포함하고,
    인접한 2개의 팽창밸브 사이에는 청구항 제2항 또는 제3항에 기재된 다공 벽체를 구비하는 이코노마이저가 설치되며, 각 이코노마이저의 냉매입구(101)는 저단계의 팽창밸브와 연결되고, 냉매액 출구(102)는 인접한 고단계의 팽창밸브로 연결되며, 냉매증기 출구(103)는 인접한 2개의 압축기 중 고단계의 압축기의 유입측에 연결되는 것을 특징으로 하는 다단 압축식 냉동기.
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