KR101129722B1 - 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템은, 이산화탄소로 된 냉매를 초임계 상태의 고온 고압 상태로 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 유입되는 냉매와 외부의 열원과의 열교환을 행하는 가스 냉각기; 상기 가스 냉각기로부터 유입된 액상의 냉매를 단열팽창하여 저온 및 저압의 액상과 기상의 혼합 상태의 냉매로 변환하는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브로부터 유입된 저온 저압의 냉매를 외부의 열원과 열교환하여 저압의 기체상태로 변환하여 상기 압축기로 유입시키는 증발기;를 포함하며, 상기 가스 냉각기로부터 토출되어 상기 팽창밸브로 유입되는 냉매와, 상기 증발기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매간의 열교환이 되도록 배치된 흡입 열교환기; 및 상기 압축기 및 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매가 과열 상태가 되는 것을 방지하도록 상기 압축기로부터 토출되어 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매 중 분기된 냉매와 상기 흡입 열교환기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매가 열교환되도록 배치된 과열방지 열교환기;를 포함한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이산화탄소를 냉매로 사용하는 단단 압축식 초임계 냉동 사이클 시스템에 관한 것이다.
성층권의 오존층 파괴나 지구 온난화 등의 지구환경 문제는 인류에게 있어서 중요하고도 긴급에 대응을 필요로 하는 과제가 되고 있다.
1987년에 채택된 몬트리올 의정서에 의해, 분자 구조에 염소를 포함한 특정 프레온(CFC, HCFC)의 생산이나 수출입의 단계적 규제가 시작되어, HFC(Hydro fluoro carbon)등 분자 구조에 염소를 포함하지 않는 대체 냉매의 전환도 진전해, 오존층의 보호의 국제적인 대처가 진행되고 있다.
또, 지구 온난화 문제에 대해서는 「기후 변동 범위 조약」이 1992년에 체결되었다. 그 조약에 기초한 구체적인 온실효과 가스의 배출 억제 대책으로서 「쿄토 의정서」가 채택되어 온실 효과 가스 감축의 대처가 시행되고 있다. 이에 따라, 지구 환경에 대해서 자연 냉매에 대한 관심이 해마다 높아지고 있다.
HFC134a와 같은 종래 사용되던 일반적인 냉매가 오존층파괴 및 지구온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라 환경을 보호하기 위하여 대체냉매의 개발에 대한 관심이 커지고 있고, 이러한 대체냉매의 하나로서 이산화탄소를 사용하는 초임계 냉동 사이클이 주목받고 있다. 즉, 이산화탄소는 우수한 안정성, 무취성, 무독성, 비부식성, 비연소성 및 비폭발성 측면에서의 이점과 함께 압축기를 윤활하기 위한 윤활유와 양호한 상용성을 갖고 있다는 장점이 있다. 또한, 이산화탄소는 다른 냉매에 비해 가스의 비체적이 작아 소형 공기조화장치의 제작이 용이한 장점도 있다. 이산화탄소(CO2)는 오존 파괴 계수(ODP)가 0, 지구 온난화 계수(GWP)가 1, 그리고 불연성 비독성 이라는 특성이 있어서 각광을 받고 있다. 현재, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 기기는 (이산화탄소/프로판), (이산화탄소/암모니아) 등의 캐스케이드식 2원 냉각 시스템이나 직접 팽창식 이산화탄소 히트 펌프 급탕 시스템 등이 실용화되고 있다.
직접 팽창식 초임계 이산화탄소 냉각 시스템은, 캐스케이드식 2원 냉동 시스템에 비해 압력이 높은, 종래 냉매와 같은 냉각 시스템에서는 COP(coefficient Of Performance)가 낮고, 토출 가스온도가 높아지는 등의 문제점이 있다,
즉, 이산화탄소는 포화압력이 다른 냉매에 비해 고압이기 때문에 이산화탄소를 냉매로 사용하는 초임계 냉동 사이클의 설계시 사이클을 구성하는 부품들의 내압성 확보에 큰 어려움이 있다. 특히 압축기로 유입되는 냉매 가스의 온도와 압력이 높을 경우 압축기 손상이 발생할 수 있으며, 압축기에서 토출된 고온 고압의 냉매가스의 온도 및 압력이 지나치게 높을 경우 그 압축기에 연결된 응축기(가스 냉각기)의 손상이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해 공개특허 제2004-78942호에서는 증발기를 통과한 냉매와 응축기(가스 냉각기)를 통과한 냉매를 자가 열교환하는 보조 열교환기를 구비한 시스템이 제안되었다. 그러나, 상기 공개특허와 같은 시스템은 압축기로부터 발생된 고온고압의 냉매가스가 응축기(가스 냉각기)를 손상시키는 문제를 해소할 수 없으며, 보조 열교환기에 의해 압축기로 유입되는 냉매가스의 온도가 더욱 상승할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 증발기를 통과하여 압축기로 회수되는 이산화탄소 냉매가스의 온도 및 압력을 조절하고, 상기 압축기로부터 토출된 고온고압의 가스가 응축기(가스 냉각기)를 손상시키지 않도록 압축기와 응축기(가스 냉각기) 사이에 과열방지 열교환기를 설치함으로써 압축기 및 응축기(가스 냉각기)가 고온 고압의 가스에 손상되지 않도록 구조가 개선된 이산화탄소 냉매를 이용한 단단 압축식 냉동냉장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉동냉장 시스템은, 이산화탄소로 된 냉매를 초임계 상태의 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 유입되는 냉매와 외부의 열원과의 열교환을 행하는 가스 냉각기;
상기 가스 냉각기로부터 유입된 액상의 냉매를 단열팽창하여 저온 및 저압의 액상과 기상의 혼합 상태의 냉매로 변환하는 팽창밸브; 및
상기 팽창밸브로부터 유입된 저온 저압의 냉매를 외부의 열원과 열교환하여 저압의 기체상태로 변환하여 상기 압축기로 유입시키는 증발기;를 포함하는 냉동냉장 시스템에 있어서,
상기 가스 냉각기로부터 토출되어 상기 팽창밸브로 유입되는 냉매와, 상기 증발기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매간의 열교환이 되도록 배치된 흡입 열교환기; 및
상기 압축기 및 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매가 과열 상태가 되는 것을 방지하도록 상기 압축기로부터 토출되어 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매 중 분기된 냉매와 상기 흡입 열교환기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매가 열교환되도록 배치된 과열방지 열교환기;를 포함한 점에 특징이 있다.
상기 과열방지 열교환기와 상기 흡입 열교환기를 연결하는 냉매 유로는 중간에서 분리되어 2개의 유로를 구성하며, 그 중 한 유로에는 전자밸브와 팽창밸브가 설치되고, 다른 유로에는 전자밸브가 설치된 것이 바람직하다.
상기 가스 냉각기 및 상기 증발기는 하나의 알루미늄 압출 다공 편평관과 콜게이트 핀(fin)이 조합된 형태의 열교환기인 것이 바람직하다.
상기 압축기로부터 토출된 고온 고압의 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 상기 압축기로 회수하는 오일 분리기를 구비하며,
그 오일 분리기는 원심식 오일 분리기인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 냉동냉장 시스템은 과열방지 열교환기가 압축기로부터 토출되어 가스 냉각기로 유입되는 과열 냉매의 온도와 압력을 제어하고, 또한, 증발기로부터 토출된 냉매의 온도와 압력을 제어함으로써 상기 압축기와 가스 냉각기의 손상을 방지하고 시스템의 냉동 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동냉장 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 정상적인 운전상태에서 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 과열방지 작동시 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 가스 냉각기 및 증발기에 채용된 열교환기 파이프의 단면구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 정상적인 운전상태에서 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 과열방지 작동시 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 가스 냉각기 및 증발기에 채용된 열교환기 파이프의 단면구조를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동냉장 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 정상적인 운전상태에서 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 과열방지 작동시 이산화탄소 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 냉동냉장 시스템의 가스 냉각기 및 증발기에 채용된 열교환기 파이프의 단면구조를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템(이하, "냉동냉장 시스템"이라 함)은 이산화탄소를 냉매로 사용하는 단단 압축식 냉동냉장 시스템이다.
상기 냉동냉장 시스템은 압축기(10)와, 가스 냉각기(20)와, 팽창밸브(30)와, 증발기(40)와, 흡입 열교환기(50)와, 과열방지 열교환기(60)와, 오일 분리기(70)를 포함하고 있다.
상기 압축기(10)는 저온 기체상태의 이산화탄소 냉매를 초임계 상태의 고온고압 상태로 압축하는 장치이다. 상기 압축기(10)의 구체적인 구조는 공지된 것이므로 상세한 서술은 생략하기로 한다.
상기 가스 냉각기(20)는 상기 압축기(10)로부터 유입되는 고온 냉매가스와 외부의 열원과의 열교환을 행하게 한다. 상기 가스 냉각기(20)는 상기 압축기(10)로부터 발생한 고온 고압의 냉매로부터 외부의 열원에 열을 전달하여 외부의 열원의 온도를 높이는 작용을 한다. 외부의 열원은 공기 또는 물과 같은 매체가 채용될 수 있다.
상기 압축기(10)와 상기 가스 냉각기(20)는 냉매 유로(L1, L2, L3, L4)에 의해 연결되어 있다.
상기 팽창밸브(30)는 상기 가스 냉각기(20)로부터 액상의 냉매가 유입되어 단열팽창함으로써 그 냉매를 저온 및 저압의 습포화 증기상태 즉, 액상과 기상의 혼합 상태로 변환시킨다. 상기 팽창밸브(30)는 공지된 구조의 팽창밸브(30)를 채용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 증발기(40)는 상기 팽창밸브(30)로부터 유입된 냉매를 외부의 열원과 열교환 함으로써 저온의 기상이 되도록 한다. 상기 외부의 열원은 물 또는 공기와 같은 매체가 채용될 수 있다.
상기 가스 냉각기(20) 및 상기 증발기(40)를 구성하는 열교환 파이프는 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 알루미늄 압출 다공 편평관과 콜게이트 핀(fin)이 조합된 형태를 채용하는 것이 바람직하다. 이는 이산화탄소 냉매의 특성상 열교환기를 통과하는 냉매의 압력이 다른 냉매에 비하여 상대적으로 높기 때문이다.
상기 가스 냉각기(20)와 상기 팽창밸브(30)와 상기 증발기(40)는 냉매 유로(L5,L6)로 연결되어 있다. 상기 가스 냉각기(20)와 상기 팽창밸브(30) 사이의 냉매유로(L6)에는 전자밸브(25)가 설치되어 있다. 상기 전자밸브(25)는 필요에 따라 자동 또는 수동으로 상기 팽창밸브(30)로부터 상기 증발기(40)로의 냉매의 흐름을 단속할 수 있다.
상기 증발기(40)와 상기 압축기(10)는 냉매유로(L7, L8, L9, L10, L11)로 연결되어 있다.
상기 흡입 열교환기(50)는 상기 가스 냉각기(20)로부터 토출되어 상기 팽창밸브(30)로 유입되는 냉매와, 상기 증발기(40)로부터 토출되어 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매 간 열교환이 되도록 배치되어 있다. 즉 도 1에서 냉매유로(L5, L6)를 흐르는 냉매와 냉매유로(L7, L8)를 흐르는 냉매 간 열교환이 상기 흡입 열교환기(50)에서 일어난다. 상기 흡입 열교환기(50)에서는 냉매 간의 자가 열교환이 일어난다. 즉, 냉매유로(L5, L6)를 따라 흐르는 냉매는 저온 저압의 액상이다. 그리고, 냉매유로(L7, L8)를 흐르는 냉매는 저온 저압의 기상이다. 냉매유로(L7, L8)를 흐르는 냉매의 온도 및 압력이 지나치게 높으면 상기 압축기(10)에 손상이 발생할 수 있다. 상기 흡입 열교환기(50)는 상기 압축기(10)로 유입되는 저온 저압의 냉매 가스와 상기 가스 냉각기(20)에서 토출되는 저온 저압의 액상 냉매 간 열교환을 행함으로써 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매 가스의 온도 및 압력이 지나치게 높아지는 것을 1차적으로 방지하는 역할을 한다.
상기 과열방지 열교환기(60)는 본원 발명의 핵심적인 구성요소이다. 상기 과열방지 열교환기(60)는 상기 압축기(10) 및 상기 가스 냉각기(20)로 유입되는 냉매가 과열 상태가 되는 것을 방지하도록 하기 위해 마련된 것이다.
상기 과열방지 열교환기(60)와 상기 흡입 열교환기(50)를 연결하는 냉매유로(L8)는 분기점 b 에서 분리되어 2개의 냉매유로(L9, L10)를 구성한다. 상기 2개의 냉매유로(L9,L10)는 상기 과열방지 열교환기(60)로 유입되기 직전에 하나의 유로로 결합된다. 상기 2개의 냉매유로(L9, L10) 중 하나의 냉매유로(L10)에는 전자밸브(52)와 팽창밸브(55)가 순차적으로 설치되어 있다. 상기 냉매유로(L10)을 통과한 냉매는 상기 팽창밸브(55)를 통과하면서 단열팽창하여 더욱 저온 저압의 냉매가 된다. 상기 2개의 냉매유로(L9, L10) 중 다른 하나의 냉매유로(L9)에는 전자밸브(57)가 설치되어 있다. 상기 전자밸브(52,57)를 선택적으로 개방함으로써 상기 흡입 열교환기(50)로부터 상기 과열방지 열교환기(60)으로 유입되는 냉매의 온도 및 압력을 제어할 수 있다.
상기 과열방지 열교환기(60)는 상기 압축기(10)로부터 토출되어 상기 가스 냉각기(20)로 유입되는 냉매 중 분기된 냉매유로(L3)를 따라 흐르는 냉매와 상기 흡입 열교환기(50)로부터 토출되어 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매유로(L9, L10)를 따라 흐르는 냉매가 열교환 되도록 배치되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 과열방지 열교환기(60)는 냉매유로(L1)이 분기점 a 에서 분기되어 냉매유로(L3)를 흐르는 냉매가 상기 흡입 열교환기(50)로부터 토출된 냉매가 흐르는 냉매유로(L9, L10)의 냉매와 열교환 한다. 상기 냉매유로(L3)에는 전자밸브(12)가 설치되어 있다. 상기 전자밸브(12)는 분기점 a 로부터 상기 냉매유로(L3)를 통하여 상기 과열방지 열교환기(60)로 냉매가 유입되는 것을 단속하는 작용을 한다.
상기 과열방지 열교환기(60)를 통과한 냉매는 냉매유로(L4)를 따라 상기 가스 냉각기(20)로 유입된다. 한편, 상기 과열방지 열교환기(60)를 통과한 냉매는 냉매유로(L11)을 따라 상기 압축기(10)로 유입된다. 따라서, 상기 냉매유로(L4)를 흐르는 냉매는 상기 압축기(10)에서 토출된 냉매보다 압력 및 온도가 낮아진다. 또한, 상기 냉매유로(L11)를 흐르는 냉매는 상기 흡열 열교환기(50)로부터 토출되어 냉매유로(L9, L10)를 통하여 유입된 냉매가 상기 과열방지 열교환기(60)에서 열교환 함으로써 상기 압축기(10)를 손상시키지 않은 상태로 제어할 수 있다.
상기 압축기(10)와 상기 가스 냉각기(20) 사이의 냉매유로(L1,L2) 사이에는 오일 분리기(70)가 설치되어 있다. 상기 오일 분리기(70)는 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온 고압의 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 상기 압축기(10)로 회수하는 역할을 한다. 상기 오일 분리기(70)는 종래에 일반적으로 냉동냉장 시스템에 적용되던 기계식과 다른 원심식을 채용하였다. 원심식 오일 분리기(70)는 기계식 오일 분리기에 비하여 효율이 향상되는 효과가 있다. 즉 기계식 오일 분리기는 75% 정도의 오일 회수율을 보여 주지만, 원심식 오일 분리기(70)는 99% 이상의 오일 회수율을 보여 준다. 원심식 오일 분리기(70)는 공지된 구조의 원심식 오일 분리기를 채용하여 구현할 수 있다. 상기 오일 분리기(70)에서 분리된 오일은 냉매유로(L12)를 통하여 상기 압축기(10)로 회수된다. 냉매유로(L2)에는 체크밸브(15)가 설치되어 있다. 상기 체크밸브(15)는 상기 냉매유로(L2)를 흐르는 냉매의 방향을 일방향으로 한정하는 작용을 한다.
이하, 이러한 구성을 가지는 냉동냉장 시스템을 작동할 때 상기 흡입 열교환기(50)와 상기 과열방지 열교환기(60)의 작용을 중점적으로 냉매의 흐름을 따라 본 발명의 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 2를 참조하여 정상적인 운전상태를 설명한다. 정상적인 운전상태에서는, 도 2에 도시된 구성도에서 전자밸브(12,25,52,57)들 중 일부의 전자밸브(12,52)가 잠겨 있다. 따라서, 상기 압축기(10)에서 이산화탄소 냉매가 압축되어 고온 고압의 기체 상태로 냉매유로(L1)를 따라 상기 오일 분리기(70)로 흐른다. 상기 오일 분리기(70)에서는 냉매에 유입된 오일을 분리하여 냉매유로(L12)를 통해 상기 압축기(10)로 회수한다. 상기 오일 분리기(70)를 통과한 냉매는 냉매유로(L2)를 따라 상기 체크밸브(12)를 통과하여 상기 가스 냉각기(20)로 유입된다. 상기 가스 냉각기(20)에서는 외부의 열원과 열교환을 행한다. 상기 가스 냉각기(20)에서 토출된 냉매는 액상의 저온 상태가 된다. 상기 가스 냉각기(20)에서 토출된 냉매는 냉매유로(L5)를 따라 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된다. 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된 냉매는 상기 증발기(40)에서 토출된 냉매와 열교환 한다. 냉매유로(L5)를 통해 상기 흡입 열교환기(50)로 유입되어 냉매유로(L6)를 따라 흐르는 냉매는 전자밸브(25)를 통과하여 상기 팽창밸브(30)에서 단열팽창 하여 저온의 액상과 기상의 혼합 상태로 변환된다. 상기 팽창밸브(30)로부터 토출된 냉매는 상기 증발기(40)에서 외부의 열원과 연교환을 행한 후에 냉매유로(L7)를 따라 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된다. 상기 흡입 열교환기(50)에서 냉매 간 자가 열교환이 일어난다. 그 결과 두 냉매유로(L6,L8)를 흐르는 냉매의 온도가 비슷해진다. 따라서, 냉매유로(L8)을 따라 흐르는 냉매는 냉매유로(L7)를 따라 흐르는 냉매에 비하여 상대적으로 온도 및 압력이 낮은 상태가 된다. 상기 흡입 열교환기(50)를 통과하여 냉매유로(L8)를 따라 흐르는 냉매는 냉매유로(L9) 상에 설치된 전자밸브(57)를 통과하여 상기 과열방지 열교환기(60)로 유입된다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 과열방지 열교환기(60)의 다른 쪽 냉매유로(L12)는 폐쇄되어 있다. 따라서, 상기 과열방지 열교환기(60)으로 유입된 냉매는 냉매유로(L11)를 따라 압축기(10)로 유입된다. 이와 같은 과정을 따라 냉매가 순환하면서 냉동냉장 사이클을 형성한다. 도 2에 도시된 정상적인 운전상태에서는 상기 가스 냉각기(20) 및 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매가스의 온도가 과열상태가 아닌 정상적인 상태이다.
그런데, 냉매는 위와 같은 정상적인 사이클을 반복적으로 순환하게 되면 냉매의 온도와 압력이 여러 가지 요인에 의해 상승 될 수 있다. 따라서, 상기 압축기(10)나 상기 가스 냉각기(20)로 유입되는 냉매의 경로 상에 설치된 온도센서(미도시)나 압력센서(미도시)에 의해 냉매의 온도가 미리 설정된 값 이상으로 상승하는 경우에는 과열상태가 된다.
이 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 과열방지 운전상태로 전환된다.
도 3에 도시된 구성도에서 전자밸브(12,25,52,57)들 중 전자밸브(57)가 잠겨 있다. 따라서, 상기 압축기(10)에서 이산화탄소 냉매가 압축되어 고온 고압의 기체 상태로 냉매유로(L1)을 따라 상기 오일 분리기(70)로 흐른다. 상기 오일 분리기(70)에서는 냉매에 유입된 오일을 분리하여 냉매유로(L12)를 통해 상기 압축기(10)로 회수한다. 상기 오일 분리기(70)를 통과한 냉매의 일부는 냉매유로(L2)를 따라 상기 체크밸브(12)를 통과하여 상기 가스 냉각기(20)로 유입된다. 이와 동시에 상기 오일 분리기(70)를 통과한 냉매의 나머지는 냉매유로(L3)를 따라 분기되어 전자밸브(12)를 통과하여 상기 과열방지 열교환기(60)로 유입된다. 상기 과열방지 열교환기(60)에서 냉매 간의 열교환이 일어난 후 냉매는 냉매유로(L4)를 따라 흘러서 냉매유로(L2)를 흐르는 냉매에 혼합되어 상기 가스 냉각기(20)로 유입된다. 그런데, 상기 과열방지 열교환기(60)에서는 상기 증발기(40)로부터 상기 흡입 열교환기(50)를 거쳐 상기 과열방지 열교환기(60)로 유입된 냉매와 냉매유로(L3,L4)를 따라 흐르는 냉매 간 열교환이 일어난다. 따라서, 냉매유로(L2,L3)를 따라 상기 가스 냉각기(20)로 유입되는 냉매는 과열상태가 아닌 정상상태의 냉매 가스가 된다. 즉, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매가스가 과열상태이더라도 상기 과열방지 열교환기(60)를 통과하면서 냉매의 온도를 낮춘 후에 상기 가스 냉각기(20)로 유입시키는 것이다. 따라서, 상기 가스 냉각기(20)에 과열 냉매가 유입되지 않도록 함으로써 그 가스 냉각기(20)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 가스 냉각기(20)에서는 외부의 열원과 열교환을 행한다. 상기 가스 냉각기(20)에서 토출된 냉매는 액상의 저온 상태가 된다. 상기 가스 냉각기(20)에서 토출된 냉매는 냉매유로(L5)를 따라 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된다. 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된 냉매는 상기 증발기(40)에서 토출된 냉매와 열교환 한다. 냉매유로(L5)를 통해 상기 흡입 열교환기(50)로 유입되어 냉매유로(L6)를 따라 흐르는 냉매는 전자밸브(25)를 통과하여 상기 팽창밸브(30)에서 단열팽창 하여 저온의 액상과 기상의 혼합 상태로 변환된다. 상기 팽창밸브(30)로부터 토출된 냉매는 상기 증발기(40)에서 외부의 열원과 연교환을 행한 후에 냉매유로(L7)를 따라 상기 흡입 열교환기(50)로 유입된다. 상기 흡입 열교환기(50)에서 냉매 간 자가 열교환이 일어난다. 그 결과 냉매유로(L6,L8)를 흐르는 냉매의 온도가 비슷해진다. 따라서, 냉매유로(L8)을 따라 흐르는 냉매는 냉매유로(L7)를 따라 흐르는 냉매에 비하여 상대적으로 온도 및 압력이 낮은 상태가 된다. 상기 흡입 열교환기(50)를 통과하여 냉매유로(L8)를 따라 흐르는 냉매는 냉매유로(L10) 상에 설치된 전자밸브(52)를 통과하여 팽창밸브(55)에서 단열팽창한 후 상기 과열방지 열교환기(60)로 유입된다. 따라서, 냉매유로(L10)을 통해 상기 과열장지 열교환기(60)로 유입된 냉매는 냉매유로(L8)를 따라 흐르는 냉매에 비하여 상대적으로 낮은 온도가 된다. 따라서, 냉매유로(L3)를 통해 상기 과열방지 열교환기(60)에 유입된 고온 고압의 냉매와 냉매유로(L10)를 통해 상기 과열방지 열교환기(60)에 유입된 저온 저압의 냉매 기체 간에 열교환이 일어난 후 냉매유로(L11)를 따라 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매의 온도는 과열 상태가 아닌 정상상태의 냉매가스가 된다. 따라서, 상기 압축기(10)의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이와 같이 상기 과열방지 열교환기(60)는 전자밸브(12,52)를 필요에 따라 개방함으로써 상기 압축기(10) 및 상기 가스 냉각기(20)에 과열 냉매가 유입되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 과열방지 열교환기(60)는 본원 발명에서 핵심적인 역할을 하게 된다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.
10 : 압축기 12,25,52,57 : 전자밸브
15 : 체크밸브 20 : 가스 냉각기
30,55 : 팽창밸브 40 : 증발기
50 : 흡입 열교환기 60 : 과열방지 열교환기
70 : 오일분리기 L1~L12 : 냉매유로
a,b : 분기점
15 : 체크밸브 20 : 가스 냉각기
30,55 : 팽창밸브 40 : 증발기
50 : 흡입 열교환기 60 : 과열방지 열교환기
70 : 오일분리기 L1~L12 : 냉매유로
a,b : 분기점
Claims (4)
- 이산화탄소로 된 냉매를 초임계 상태의 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 유입되는 냉매와 외부의 열원과의 열교환을 행하는 가스 냉각기;
상기 가스 냉각기로부터 유입된 액상의 냉매를 단열팽창하여 저온 및 저압의 액상과 기상의 혼합 상태의 냉매로 변환하는 팽창밸브; 및
상기 팽창밸브로부터 유입된 저온 저압의 냉매를 외부의 열원과 열교환하여 저압의 기체상태로 변환하여 상기 압축기로 유입시키는 증발기;를 포함하는 냉동냉장 시스템에 있어서,
상기 가스 냉각기로부터 토출되어 상기 팽창밸브로 유입되는 냉매와, 상기 증발기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매간의 열교환이 되도록 배치된 흡입 열교환기; 및
상기 압축기 및 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매가 과열 상태가 되는 것을 방지하도록 상기 압축기로부터 토출되어 상기 가스 냉각기로 유입되는 냉매 중 분기된 냉매와 상기 흡입 열교환기로부터 토출되어 상기 압축기로 유입되는 냉매가 열교환되도록 배치된 과열방지 열교환기;를 포함한 것을 특징으로 하는 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 과열방지 열교환기와 상기 흡입 열교환기를 연결하는 냉매 유로는 중간에서 분리되어 2개의 유로를 구성하며, 그 중 한 유로에는 전자밸브와 팽창밸브가 설치되고, 다른 유로에는 전자밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가스 냉각기 및 상기 증발기는 하나의 알루미늄 압출 다공 편평관과 콜게이트 핀(fin)이 조합된 형태의 열교환기인 것을 특징으로 하는 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 압축기로부터 토출된 고온 고압의 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 상기 압축기로 회수하는 오일 분리기를 구비하며,
그 오일 분리기는 원심식 오일 분리기인 것을 특징으로 하는 과열방지 열교환기가 구비된 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동냉장 시스템.
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