KR101176452B1

KR101176452B1 - 냉동사이클

Info

Publication number: KR101176452B1
Application number: KR1020050089980A
Authority: KR
Inventors: 조성욱; 조경래
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2012-08-30
Also published as: KR20070035294A

Abstract

본 발명은 이산화 탄소를 사용하는 냉동사이클에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명에 따른 냉동사이클은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 외부와 열교환시키면서 응축시키는 응축기와, 고압의 냉매를 저압의 냉매로 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창된 냉매를 외부와 열교환시키면서 증발시키는 증발기가 밀폐사이클을 이루도록 연결된 냉동사이클에 있어서, 상기 압축기는 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 압축실을 형성하는 스크롤 압축기이고 또한 상기 팽창기 역시 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 팽창실을 형성하는 스크롤 팽창기로 상기 스크롤 압축기와 상기 스크롤 팽창기는 하나의 하우징 내부의 양측에 고정 설치되어 각각 회전축으로 연결되어 상기 스크롤 팽창기의 출력을 이용하여 압축일을 얻도록 하여 고효율,저소음,저진동 소형 및 경량 특성을 얻을 수 있는 냉동사이클을 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

냉동사이클{REFRIGERATING CYCLE}

도 1 은 종래 기술의 냉동사이클을 도시한 개략적인 도면.

도 2 는 이산화탄소를 냉매로 사용한 경우에 도1에 도시한 종래의 냉동사이클의 각 과정에 대한 압력-엔탈피 선도를 도시한 도면이다.

도 3 은 본 발명에 따른 냉동사이클을 도시한 개략적인 도면이다.

도 4 는 도 3에 도시한 팽창기와 제 1단 압축기가 스크롤 방식으로 적용되어 밀폐용기 내부에 회전축으로 연결된 일체형 구조를 보인 단면도이다.

도 5 은 이산화 탄소를 냉매로 하여 도 3에 도시한 본 발명의 냉동사이클에서 의 각 과정에 대한 압력-엔탈피 선도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

11... 하우징 20a,20b... 고정 스크롤

30a,30b...선회 스크롤 50a... 압축실

50b... 팽창실 75a,75b... 슬라이딩 부시

110... 1단 스크롤압축기 111... 2단 스크롤 압축기

120... 응축기 130... 스크롤 팽창기

140... 증발기 160... 회전축

본 발명은 이산화탄소를 냉매로 사용하고 냉매의 팽창력을 압축 일로 이용하도록 구성된 냉동사이클에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스크롤 방식의 팽창기와 스크롤 방식의 압축기를 밀폐용기 내부에 일축으로 연결하여 팽창동력을 압축기로 전달하도록 한 스크롤 방식의 팽창기-압축기 일체형 냉동사이클에 관한 것이다.

도1은 압축기,응축기,팽창기 및 증발기를 포함하는 종래 기술의 냉동사이클을 도시한 개략적인 도면이다. 냉매를 압축하는 압축기(1)와, 고온고압으로 압축된 냉매를 외부로 열교환되면서 냉매를 응축하는 응축기(2)와, 고압의 냉매를 저압의 냉매로 팽창시키는 역할을 하는 팽창밸브(3)와, 그리고 저온저압의 냉매를 외부와 열교환시키면서 냉매를 증발시키는 증발기(4)로 구성되며, 상기 구성요소들이 하나의 사이클을 이루도록 순차적으로 냉매라인(5)에 의해 연결되어 있다..

또한, 도2는 이산화탄소를 냉매로 사용한 경우에 냉동사이클의 각 과정에 대한 압력-엔탈피 선도를 도시한 도면이다. 최근에 냉매의 사용에 있어서 지구환경 보존의 요구에 부응하여 냉동 공조기 산업에서도 지구 온난화 지수가 작은 자연냉매의 사용에 관심이 높아져 가고 있는 추세이다. 이와 같은 상황에 이산화탄소(CO2)는 탄화수소(HC)나 암모니아와는 달리 독성,가연성에 문제가 없는 자연냉매로 주목받고 있다. 그러나 이산화탄소를 냉매로 사용하고자 할 경우 이 냉매가 갖고 있는 고압의 특성으로 인해 냉동 사이클의 전반에 고압 설계가 요구된다.

특히, 도2에 도시한 바와 같이 이산화탄소를 냉매로 한 냉동사이클은 기존에 널리 사용되고 있는 다른 냉동사이클과는 달리 응축과정 중에 초임계 영역("A"영역)을 포함하므로 냉매의 팽창은 초임계 조건에서 시작하여 2상(two-phase) 상태("B"영역)에 이르기까지 큰 압력차 하에서 진행되므로 모세관 및 팽창밸브 등과 같은 일반적인 팽창기구를 사용할 경우 마찰 등으로 인하여 비가역성이 증가로 인해 에너지 손실이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 냉동사이클에서 팽창손실을 최소화 할 수 있는 팽창기를 제공하고 상기 팽창기와 일축으로 연결하여 팽창동력을 압축기로 전달하도록 일체형으로 밀폐용기내부에 형성하여 고효율,저소음,저진동 소형 및 경량 특성을 얻을 수 있는 냉동사이클을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르는 냉동사이클은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 외부와 열교환시키면서 응축시키는 응축기와, 고압의 냉매를 저압의 냉매로 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창된 냉매를 외부와 열교환시키면서 증발시키는 증발기가 밀폐사이클을 이루도록 연결된 냉동사이클에 있어서, 상기 압축기는 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 압축실을 형성하는 스크롤 압축기이고 또한 상기 팽창기 역시 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 팽창실을 형성하는 스크롤 팽창기로 상기 스크롤 압축기와 상기 스크롤 팽창기는 하나의 하우징 내부의 양측에 고정 설치되어 각각 회전축으로 연결되어 상기 스크롤 팽창기의 출력을 이용하여 압축일을 얻는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉동사이클에서 냉매는 이산화탄소를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전축의 일단은 상기 스크롤 팽창기에 형성된 회전 스크롤과 연결되고 타단은 상기 스크롤 압축기에 형성된 회전 스크롤에 연결되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스크롤 팽창기의 출력을 이용하여 압축 일을 얻는 스크롤 압축기에서 압축된 냉매를 다시 고온 고압의 냉매로 압축시키는 제2 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2압축기는 스테이터 및 로터로 이루어진 구동모터와, 상기 구동모터에 의해 회전되는 구동축과, 상기 구동축의 회전을 통해 선회 스크롤이 고정 스크롤 내에서 선회 운동하면서 흡입된 냉매를 압축하는 스크롤 압축기인 것을 특징으로 한다.

또한, 회전축의 양단에 슬라이드 부시를 연결하여 선회 스크롤의 랩(wrap)과 팽창 스크롤의 랩(wrap) 사이에 적절한 간극을 형성하도록 하여 운전 냉매 유량이 적어서 스크롤 팽창기 출력이 충분하지 않을 경우에도 팽창실 내부에 냉매를 적절한 양으로 흘려 보낼 수 있도록 간극을 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 따른 이산화탄소를 냉매로 하는 냉동사이클의 폐회로를 나다낸다. 도3에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉동사이클은 고온고압으로 압축된 이산화탄소를 외부와 열교환하면서 응축시키는 응축기(120)와, 고압의 냉매를 저압의 냉매로 등엔트로피 팽창을 수행하도록 고안된 팽창기(130)와, 저온저압의 냉매를 외부와 열교환시키면서 냉매를 증발시키는 증발기(140)와, 상기 팽창기(130)와 회전축(160)으로 연결되어 팽창기(130)에서 냉매의 팽창 시 얻어지는 에너지를 이용하여 압축 일을 얻는 제1단 압축기(110)와, 상기 제1단 압축기(110)에서 압축된 중간압의 냉매를 다시 고온고압으로 압축하는 제2단 압축기(111)로 구성되며, 상기 구성요소들이 하나의 사이클을 이루도록 순차적으로 냉매라인(150)에 의해 연결되어 있다.

도4는 밀폐용기 내부에 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기가 회전축으로 연결된 일체형 구조를 보인 단면도이다. 도4에 도시한 바와 같이 상기 팽창기(130)는 스크롤 방식을 적용한 팽창기이며 또한 상기 제1단 압축기(110) 역시 스크롤 방식을 적용한 압축기로 하나의 하우징(11) 내부 양측에 서로 마주보도록 설치하여 회전축(160)에 의해 상호 연결된다.

스크롤 압축기(110)는 하우징(11)의 내부 일측에 기하학적으로 180도 위상차를 갖는 고정 스크롤(20a)과 선회 스크롤(30a)이 쌍으로 이루어져 있다. 각각의 스크롤(20a)(30a)은 평판상에 스크롤 형상의 랩(wrap)(40a)(41a)을 구비하고 있으며 상기 양쪽의 랩(wrap)(40a)(41a)은 기본적으로 같은 모양의 인벌루트 곡선으로 되어있다. 상기 선회 스크롤(30a)과 고정 스크롤(20a)이 서로 대향되도록 맞물려 초 생달 모양의 다수개의 압축실(50a)이 형성되며 이 압축실(50a)의 용적은 바깥쪽일 수록 크고 중심에 가까울 수록 작게 되어 외주부에는 냉매가 흡입되는 흡입구(미도시)가 형성되고 중심부에는 냉매가 토출되는 토출구(60a)가 형성되어 외주부로부터 유입된 냉매를 압축하여 중심부로 보낸다. 이를 위하여 압축부(110)가 형성된 하우징(11)의 외주부와 중심부에는 냉매 유입구(12a)와 냉매 유출구(13a)가 각각 형성된다.

스크롤 팽창기(130)는 상기 스크롤 압축기의 원리를 반대로 적용한 것으로 하우징(11) 내부 타측에 기하학적으로 180도 위상차를 갖는 고정 스크롤(20b)과 선회 스크롤(30b)이 쌍으로 이루어져 있다. 각각의 스크롤(20b)(30b)은 평판상에 스크롤 형상의 랩(wrap)(40b)(41b)을 구비하고 있으며 상기 양쪽의 랩(wrap)(40b)(41b)은 기본적으로 같은 모양의 인벌루트 곡선으로 되어있다. 상기 선회 스크롤(30b)과 고정스크롤(20b)이 서로 대향되게 맞물림에 의해 초생달 모양의 다수개의 팽창실(50b)이 형성되며 이 팽창실(50b)의 용적은 바깥쪽일 수록 크고 중심에 가까울 수록 작게 되어 중심부에는 냉매가 흡입되는 흡입구(60b)가 형성되고 외주부에는 냉매가 토출되는 토출구(미도시)가 형성되어 팽창실(50b) 용적이 적은 중심부로부터 유입된 냉매가 팽창실(5ob) 용적이 점점 커지는 외주부로 팽창되어 진다. 이를 위하여 팽창부가 형성된 하우징(11)의 외주부와 중심부에는 냉매 유입구(13b)와 냉매 유출구(12b)가 각각 형성된다.

상기 스크롤 압축기(110)의 선회 스크롤(30a)과 상기 스크롤 팽창기(130)의 선회 스크롤(30b)은 회전축(160)의 양단에 각각 연결되어 스크롤 팽창기(130)의 팽 창실(50b)에 흡입된 고압의 냉매가 토출구의 저압상태에 이르기 위해 팽창기(130) 측의 선회 스크롤(30b)을 밀어내면서 팽창하게 된다. 이 때 상기 팽창력에 의해 선회 스크롤(30b)은 선회운동을 하게 되고 이 운동에너지는 상기 선회 스크롤(30b)에 연결된 회전축(160)을 통해 전달되어 압축기 측(110)의 선회 스크롤(30a)을 선회운동 시켜서 스크롤 압축기(110)를 구동시킨다.

또한, 상기 하우징(11) 내부에는 상기 스크롤 팽창기(130)와 스크롤 압축기(110)에 설치된 선회스크롤(30a)(30b)과 고정스크롤(20a)(20b) 사이에서 팽창 및 압축하는 냉매의 압력에 의해 선회 스크롤(30a)(30b)과 고정 스크롤(20a)(20b)이 서로 분리되는 것을 방지하기 위해 트러스트력을 지지하도록 중앙부에 회전축(160)이 관통되는 메인프레임(70)과, 상기 각 선회스크롤(30a)(30b)이 자전하지 못하도록 일측은 선회스크롤(30a)(30b)의 외측 하부에 결합되고 타측은 프레임(70)의 상측에 결합된 올드햄커플링(71a)(71(b)과, 회전축(160)의 양단에 형성된 편심축(72a)(72b)에 의해 회동하면서 발생되는 편심을 방지하고자 선회 스크롤(30a)(30b) 내측 하부에 구비된 밸런스웨이트(73a)(73b))와, 상기 회전축(160)을 회전가능하게 지지하도록 메인프레임(70)에 설치된 저널베어링(74)이 구비되어 있다.

또한 회전축(160)의 양단에 형성된 편심축(72a)(72b)의 외주부에는 슬라이딩 가능하게 조립되는 원통형상의 슬라이드 부시(75a)(75b)가 선회 스크롤(30a)(30b)의 하측에 연결되어 선회 스크롤(30a)(30b)의 랩(wrap)(40)과 고정 스크롤(20a)(20b)의 랩(wrap)(41) 사이에 적절한 간극을 형성하도록 하여 운전 냉매 유량이 적어서 스크롤 팽창기(130) 출력이 충분하지 않을 경우에도 팽창실(50b) 내부 에 냉매를 적절한 양으로 흘려 보낼 수 있도록 간극을 형성하여 운전되도록 한다.

또한 회전축(160)이 회전하기 시작하면 선회 스크롤(30a)(30b) 및 슬라이드 부시(75a)(75b)의 원심력에 의해 선회 스크롤(30a)(30b)의 나선형의 랩(wrap)이 고정스크랩(20a)(20b)의 나선형의 랩(wrap)을 미는 방향으로 슬라이드 부시(75)가 힘을 받게 되어 팽창실(50b) 및 압축실(50a)의 밀봉성이 높아져서 팽창기 및 압축기의 운전성능을 높일 수 있게 된다.

제 2단 압축기 역시 스크롤 압축기로 이는 종래에 사용하는 일반적인 스크롤 압축기와 동일한 구조이다. 즉 케이스 내에 고정되며 스테이터 및 로터로 이루어진 구동모터에 의해 회전되는 구동축과 연결된 선회 스크롤과 프레임에 연결된 고정 스크롤이 각각 평판상에 스크롤 형상의 랩(wrap)을 형성하여 서로 대향되게 맞물려 압축실을 형성하는 구조이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 냉동사이클의 작동 과정 및 효과를 살펴보기로 한다.

본 발명은 이산화탄소를 냉매로 사용하는 냉동사이클로 냉매가 압축기에 의해 고온고압으로 압축된 후에 냉매라인을 통과하면서 외부와 열교환하면서 냉매를 응축시키는 응축기를 통과한 후에 스크롤 팽창기 및 제1단 압축기가 설치된 하우징의 팽창부측 중심부에 형성된 냉매 유입구와 스크롤 팽창기의 흡입구를 통하여 팽창실로 흡입된 후 토출구 측의 저압상태에 이르기까지 팽창기 측의 선회 스크롤을 밀어내면서 팽창하게 된다. 이 때 상기 팽창력에 의해 선회 스크롤은 선회운동을 하게 되고 이 운동에너지는 상기 선회 스크롤에 연결된 회전축을 통해 전달되어 제1 단 압축기 측의 선회 스크롤을 선회운동 시켜서 제1단 압축기를 구동시킨다.

상기 스크롤 팽창기에서 팽창된 저압의 냉매는 하우징의 팽창부 측 외주면에 형성된 냉매 유출구와 연결된 냉매라인을 거쳐 외부와 열교환하면서 냉매를 증발시키는 증발기를 통과한 후에 다시 스크롤 팽창기 및 제1단 압축기가 설치된 하우징의 압축부 측의 외주면에 형성된 냉매 유입구와 제1단 압축기의 흡입구를 통하여 압축실로 흡입된 후 중간압의 압력상태로 압축된 후에 다시 스크롤 방식의 제2단 압축기로 유입되어 고압.고온의 상태로 압축되면서 전체적으로 하나의 냉동사이클을 구성하게 된다.

도5는 이산화 탄소를 냉매로 하여 본 발명의 냉동사이클에서 작동하는 냉매의 압력-엔탈피 선도이다. 도 6에 도시한 바와 같이 팽창과정에서 종래의 팽창밸브를 적용했다면 3-4과정과 같이 수직으로 압력이 감소하는 등엔탈피 과정으로 팽창이 이루어졌을 것이지만, 본 발명에서는 등엔트로피 팽창을 수행하도록 고안된 스크롤 방식의 팽창기를 적용함으로써 3-4s과정과 같이 좌측으로 경사지면서 등엔트로피 팽창을 하게 되어 팽창과정 중에 마찰 손실을 저감시키데 되어 비가역적 손실을 줄일 수 있어 이산화탄소를 냉매로 사용할 경우도 매우 효과적인 팽창과정을 수행할 수 있다.

또한, 팽창기 출력을 이용하여 일축으로 연결된 제1단 압축기에서 압축일을 1-1a과정 만큼의 에너지를 얻을 수 있으며 또한 팽창기 출구에서의 엔탈피 감소분 인 4-4s과정 만큼 증발기에서의 냉동 효과의 증대를 가져 올 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은, 냉동사이클에서 팽창기에 스크롤 방식의 팽창기를 적용하여 이를 스크롤 방식의 압축기에 일축으로 연결함으로써 장치의 컴팩트화를 구현할 수 있고, 또한 팽창기에서 발생하는 에너지를 압축기에 이용함으로써 에너지의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 스크롤 방식의 압축 및 팽창에 의해 진동이 적으며 고효율의 팽창효율 및 압축효율을 구현할 수 있는 장점이 있다.

특히, 스크롤 방식의 팽창기의 적용을 통해 냉매다 등엔트로피 팽창을 유도할 수 있게 되어 팽창과정 중에 발생하는 비가역성이 감소되어 에너지가 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Claims

냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 외부와 열교환시키면서 응축시키는 응축기와, 고압의 냉매를 저압의 냉매로 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창된 냉매를 외부와 열교환시키면서 증발시키는 증발기가 밀폐사이클을 이루도록 연결된 냉동사이클에 있어서,

상기 압축기는 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 압축실을 형성하는 스크롤 압축기이고 또한 상기 팽창기 역시 고정 스크롤과 회전 스크롤이 맞물려 팽창실을 형성하는 스크롤 팽창기이며,

상기 스크롤 압축기와 상기 스크롤 팽창기는 하나의 하우징 내부의 양측에 고정 설치되어 각각 회전축으로 연결되고

상기 압축기의 상기 고정스크롤과 상기 회전스크롤, 상기팽창기의 상기 고정스크롤과 상기회전스크롤이 각각 서로 분리되는 것을 방지하기 위해 트러스트력을 지지하도록 상기 회전축이 관통되는 메인프레임을 포함하며,

상기 스크롤 팽창기의 출력을 이용하여 압축 일을 얻는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
제1항에 있어서,

상기 냉동사이클에서 냉매는 이산화탄소를 사용하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
제1항에 있어서,

상기 회전축의 일단은 상기 스크롤 팽창기에 형성된 회전 스크롤과 연결되고 타단은 상기 스크롤 압축기에 형성된 회전 스크롤에 연결되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
제1항에 있어서,

상기 스크롤 팽창기의 출력을 이용하여 압축 일을 얻는 스크롤 압축기에서 압축된 냉매를 다시 고온 고압의 냉매로 압축시키는 제2 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
제4항에 있어서,

상기 제2압축기는 스테이터 및 로터로 이루어진 구동모터와, 상기 구동모터에 의해 회전되는 구동축과, 상기 구동축의 회전을 통해 선회 스크롤이 고정 스크롤 내에서 선회 운동하면서 흡입된 냉매를 압축하는 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
제 1항에 있어서,

상기 회전축의 양단에 슬라이드 부시를 연결하여 선회 스크롤의 랩(wrap)과 팽창 스크롤의 랩(wrap) 사이에 간극을 형성하도록 하여 운전 냉매 유량이 적어서 스크롤 팽창기 출력이 충분하지 않을 경우에도 팽창실 내부에 냉매를 적절한 양으로 흘려 보낼 수 있도록 간극을 형성한 것을 특징으로 하는 냉동사이클.