KR101397944B1

KR101397944B1 - 효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기

Info

Publication number: KR101397944B1
Application number: KR1020120080598A
Authority: KR
Inventors: 김용범
Original assignee: 김용범
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR20140013480A

Abstract

본 발명은 효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기에 관한 것이다.
본 발명의 냉동기는, 복수 개의 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기로서, 이중관식열교환기 중 적어도 어느 하나는 응축기와 기액분리기를 순차적으로 경유하면서 분리된 기체상태의 냉매가 외부관의 안쪽 공간에 위치된 내부관을 따라 유동되어 열교환된 후 또 다른 이중관식열교환기로 공급되도록 되어 있다.
또, 기액분리기에서 분리된 액체가 상기 외부관의 안쪽 공간을 경유하는 냉방출력파이프를 따라 외부관의 안쪽 공간과 냉방지역을 순차적으로 경유한 후 상기 외부관의 안쪽공간으로 토출되도록 되어 있다.
본 발명의 냉동기는 냉각 후 기액분리기 내로 유입되어 분리된 기체가 유동되는 이중관식열교환기 내부를 기액분리기에서 분리된 액체가 경유하면서 더욱 냉각하게 되고 냉방지역을 경유한 후 이중관식열교환기의 내부로 토출됨으로써 에너지 효율성이 우수하고, 이로 인하여 이중관식열교환기의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 냉동기를 소형화할 수 있는 특징이 있다.

Description

효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기{CRYOCOOLER TYPE FREEZER}

본 발명은 1개의 압축기를 사용하여 냉매를 소정의 온도로 냉각하기 위한 단단압축 방식(Cryocooler Type)의 냉동기에 관한 것이다.

다양한 형태의 냉동기가 안출되어 있는데 이러한 냉동기에서 2개의 압축기를 갖는 경우 이단압축 방식이라고 하고, 1개의 압축기를 갖는 경우 단단압축 방식이라고 한다.

한국 특허출원 제10-2011-7012681호 등에는 단단압축 방식의 냉동기 구조가 제시되어 있다.

단단압축 방식의 냉동기는 증발 온도가 다른 여러 종류의 냉매가 혼합된 혼합냉매를 사용하여 영하 150℃ 내지 160℃ 정도의 극저온 냉동을 실시하는데 사용된다.

또, 압축기에서 압축된 가스가 유분리기를 경유하면서 오일이 제거되고, 수냉식 콘덴서를 통과하여 액화되며, 휠터드라이어를 경유하면서 수분이 제거된다.

또, 휠터드라이어를 경유한 냉매는 이중관식열교환기를 복수 개 경유하면서 냉각됨으로써 영하 150℃ 내지 160℃ 정도의 극저온 상태로 냉각된다

그런데 종래의 단단압축 방식의 냉동기는 영하 150℃ 내지 160℃ 정도의 극저온 상태로 냉각하기 위한 냉매를 얻기 위해 많은 에너지를 소모하는 문제점이 있었다.

이러한 이유로 서브쿨러를 포함한 이중관식열교환기의 수가 통상 5개 이상이 되는 실정이었다.

한국 특허출원 제10-2011-7012681호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 효율성이 우수하여 이중관식열교환기의 수를 줄일 수 있고, 소형화할 수 있는 구조의 단단압축 방식 냉동기를 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 단단압축 방식의 냉동기에 구비된 복수 개의 이중관식열교환기 중 적어도 어느 하나는 응축기와 기액분리기를 순차적으로 경유하면서 분리된 기체상태의 냉매가 외부관의 안쪽 공간에 위치된 내부관을 따라 유동되어 열교환된 후 또 다른 이중관식열교환기로 공급되도록 하고, 기액분리기에서 분리된 액체가 외부관의 안쪽 공간을 경유하는 냉방출력파이프를 따라 외부관의 안쪽 공간과 냉방지역을 순차적으로 경유한 후 외부관의 안쪽공간으로 토출되도록 한다.

이를 통하여 에너지 효율성이 우수하도록 함으로써 이중관식열교환기의 수를 줄일 수 있고, 소형화할 수 있도록 한다.

또, 이중관식열교환기의 내부관을 주름관으로 구현함으로써 이중관식열교환기에서의 열교환 효율이 향상되도록 함으로써 에너지 효율성이 더욱 우수하도록 한다.

본 발명의 냉동기는 냉각 후 기액분리기 내로 유입되어 분리된 기체가 유동되는 이중관식열교환기 내부를 기액분리기에서 분리된 액체가 경유하면서 더욱 냉각하게 되고 냉방지역을 경유한 후 이중관식열교환기의 내부로 토출됨으로써 에너지 효율성이 우수하고, 이로 인하여 이중관식열교환기의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 냉동기를 소형화할 수 있는 특징이 있다.

또, 이중관식열교환기의 외부관 내에 위치된 내부관이 내측면과 외측면에 굴곡이 형성되도록 나선형으로 감겨서 형성된 주름관인 경우 에너지 효율성이 더욱 우수한 특징이 있다.

내부관, 외부관, 냉방출력파이프가 구비된 이중관식열교환기가 직렬연결되어 있고, 냉방출력파이프를 갖는 각각의 이중관식열교환기로 냉매를 공급하되 기체와 액체로 분리하여 공급하기 위한 기액분리기가 복수 개 구비되어 있는 경우 에너지 효율성이 더욱 우수한 특징과 더욱 더 소형화할 수 있는 특징이 있다.

기액분리기에서 분리된 액체에 의해 냉각되지 않는 이중관식열교환기(통상 '서브쿨'이라고 하여 가장 후단에 설치되는 이중관식열교환기)는 그 자체를 경유한 냉매의 일부가 되돌아오는 순환을 함으로써 냉각이 이루어지도록 되어 있는 경우 비교적 에너지 효율이 우수한 특징이 있다.

도 1는 본 발명의 효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기의 전체적인 구조를 설명하기 위한 개략도
도 2은 본 발명의 이중관식열교환기의 형태의 설명하기 위한 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기에 관한 것이다.

그런데 본 발명은 에너지 효율성이 우수한 단단압축 방식의 냉동기를 제공하려는 목적을 갖는다.

이를 위하여 본 발명에서는, 복수 개의 이중관식열교환기 중 적어도 어느 하나는 응축기와 기액분리기를 순차적으로 경유하면서 분리된 기체상태의 냉매가 외부관(10b)의 안쪽 공간에 위치된 내부관(10a)을 따라 유동되어 열교환된 후 또 다른 이중관식열교환기로 공급되도록 한다.

또, 기액분리기에서 분리된 액체가 외부관(10b)의 안쪽 공간을 경유하는 냉방출력파이프(12a, 13a)를 따라 외부관(10b)의 안쪽 공간과 냉방지역을 순차적으로 경유한 후 외부관(10b)의 안쪽공간으로 토출되도록 구현한다.

이러한 구조는 냉각 후 기액분리기 내로 유입되어 분리된 기체가 유동되는 이중관식열교환기 내부를 기액분리기에서 분리된 액체가 경유하면서 더욱 냉각하게 되고 냉방지역을 경유한 후 이중관식열교환기의 내부로 토출되어 이중관식열교환기 내부를 냉각함으로써 에너지 효율성이 우수해진다.

실험결과 에너지 효율성이 매우 향상되어 종래기술에서 5개의 이중관식열교환기가 요구되고 많은 에너지가 소모되었지만 본 발명의 경우 첨부도면과 같이 4개의 이중관식열교환기를 구비하더라도 종래보다 에너지 효율성이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

에너지 효율성을 고려할 때, 전술한 내부관(10a), 외부관(10b), 냉방출력파이프(13a)가 구비된 이중관식열교환기(제2이중관식열교환기(12), 제3이중관식열교환기(13))가 첨부도면과 같이 직력연결되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구조에서는, 첨부도면과 같이 냉방출력파이프(12a, 13a)를 갖는 각각의 이중관식열교환기로 냉매를 공급하되 기체와 액체로 분리하여 공급하기 위한 기액분리기(제1기액분리기(41)와 제2기액분리기(42))가 복수 개 구비되어 있도록 한다.

본 발명에 있어서, 이중관식열교환기(10)의 외부관(10a) 내에 위치된 내부관(10b)은 내측면과 외측면에 굴곡이 형성되도록 나선형으로 감겨서 형성된 주름관이 되도록 하여 에너지 효율성을 높일 수 있다.

물론, 이중관식열교환기(10)의 외부관(10a)과 내부관(10b)은 열교환 효율이 우수한 금속, 특히 동파이프 등으로 구현되는 것이 좋다.

내측면과 외측면에 굴곡이 형성되도록 나선형으로 감겨서 형성된 주름관은 다양한 산업분야에 사용되고 있다.

이러한 주름관은 내측면과 외측면에 굴곡이 형성되어 있기 때문에 열교환 면적이 넓어지는 등의 이유로 열교환 효율이 향상된다.

본 발명에서와 같은 단단 압축방식의 냉동기에서 이중관식열교환기(10)의 열교환 효율 향상은 에너지 효율성의 향상으로 이어진다.

본 발명에 있어서, 도 1와 같이 기액분리기에서 분리된 액체에 의해 냉각되지 않는 이중관식열교환기(제4이중관식열교환기(14))는 해당되는 이중관식열교환기(기액분리기에서 분리된 액체에 의해 냉각되지 않는 이중관식열교환기로서 도면의 제4이중관식열교환기(14)가 해당됨)를 경유한 냉매의 일부가 다시 해당되는 이중관식열교환기(제4이중관식열교환기(14))로 공급되어 냉각이 이루어지도록 하여 에너지 효율성이 더욱 더 향상되도록 할 수 있다.

즉, 첨부된 도면의 제4이중관식열교환기(14)와 같이 기액분리기에서 분리된 액체에 의해 냉각되지 않는 이중관식열교환기는 그 자체(제4이중관식열교환기(14))를 경유한 냉매의 일부가 되돌아오는 순환을 함으로써 냉각이 이루어지도록 하는 것이다.

첨부된 도면의 냉동기에서 이중관식열교환기(10)는 제1이중관식열교환기(11), 제2이중관식열교환기(12), 제3이중관식열교환기(13), 제4이중관식열교환기(14)로 구분되어 있다.

또, 압축기(20)와 응축기(30)를 경유하여 제1이중관식열교환기(11)의 내부관(10b)을 경유한 냉매가 유입되고, 냉매를 액체와 기체로 분리하며, 분리된 액체 냉매는 제2이중관식열교환기(12)의 냉방출력파이프(12a)를 통해 외부관(10a)으로 공급하고 분리된 기체 냉매는 제2이중관식열교환기(12)의 내부관(10b)으로 공급하는 제1기액분리기(41)를 구비하고 있다.

또, 제2이중관식열교환기(12)의 내부관(10b)을 경유한 냉매를 액체 냉매와 기체 냉매로 분리하며, 분리된 액체 냉매는 제3이중관식열교환기(13)의 냉방출력파이프(13a)를 통해 외부관(10a)으로 공급하고 분리된 기체 냉매는 제3이중관식열교환기(13)의 내부관(10b)으로 공급하는 제2기액분리기(42)를 가지고 있다.

또, 제3이중관식열교환기(13)의 내부관(10b)을 경유한 냉매가 제4이중관식열교환기(14)의 내부관(10b)을 경유하도록 되어 있으며, 제4이중관식열교환기(14)의 내부관(10b)을 경유한 냉매의 일부는 제4이중관식열교환기(14)의 외부관(10a)으로 공급되고 일부는 냉방지역을 경유하여 제3이중관식열교환기(14), 제2이중관식열교환기(13), 제1이중관식열교환기(12)를 경유한 후 압축기(20)로 공급되도록 되어 있다.

이러한 구조는 에너지 효율성이 매우 우수할 뿐만 아니라 증발온도가 다른 여러 가지 냉매가 혼합된 혼합냉매를 사용한 냉각에 매우 효과적이다.

예를 들어 설명하면, 제1기액분리기(41)에서 액화되는 냉매는 R-22, R-123, R-24가 되고, 제2기액분리기(42)에서 액화되는 냉매는 R-23, R-116가 되며, 제3기액분리기(43)에서 액화되는 냉매는 R-14, R-23, R-116가 되고, 제4이중관식열교환기(14)의 내부관(10b)을 경유하는 액화냉매는 아르곤(Ar)이 되도록 하여 냉각을 위한 공간을 150℃ 내지 160℃ 정도의 극저온 상태로 냉각할 수 있다.

미설명 부호 50은 팽창탱크이고, 60은 냉매에 포함된 유분을 제거하기 위한 유분리기이며, 70은 휠터드라이어 이다.

10. 이중관식열교환기
10a. 내부관
10b. 외부관
11. 제1이중관식열교환기
12. 제2이중관식열교환기
12a. 냉방출력파이프
13. 제3이중관식열교환기
13a. 냉방출력파이프
14. 제4이중관식열교환기
20. 압축기
30. 응축기
41. 제1기액분리기
42. 제2기액분리기
50. 팽창탱크
60. 유분리기
70. 휠터트라이어

Claims

4 개의 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기에 있어서,
상기 이중관식열교환기 중 적어도 어느 하나는 응축기와 기액분리기를 순차적으로 경유하면서 분리된 기체상태의 냉매가 외부관의 안쪽 공간에 위치된 내부관을 따라 유동되어 열교환된 후 또 다른 이중관식열교환기로 공급되도록 되어 있고,
상기 기액분리기에서 분리된 액체가 상기 외부관의 안쪽 공간을 경유하는 냉방출력파이프를 따라 외부관의 안쪽 공간과 냉방지역을 순차적으로 경유한 후 상기 외부관의 안쪽공간으로 토출되도록 되어 있으며,
상기 이중관식열교환기의 외부관 내에 위치된 내부관은 내측면과 외측면에 굴곡이 형성되도록 나선형으로 감겨서 형성된 주름관이며,
상기 이중관식열교환기는 제1이중관식열교환기, 제2이중관식열교환기, 제3이중관식열교환기, 제4이중관식열교환기로 구분되고,
압축기와 응축기를 경유하여 제1이중관식열교환기의 내부관을 경유한 냉매가 유입되고, 냉매를 액체와 기체로 분리하며, 분리된 액체 냉매는 제2이중관식열교환기의 냉방출력파이프를 통해 제2이중관식열교환기의 외부관으로 공급하고 분리된 기체 냉매는 제2이중관식열교환기의 내부관으로 공급하는 제1기액분리기;
상기 제2이중관식열교환기의 내부관을 경유한 냉매를 액체 냉매와 기체 냉매로 분리하고, 분리된 액체 냉매는 제3이중관식열교환기의 냉방출력파이프를 통해 제3이중관식열교환기의 외부관으로 공급하고 분리된 기체 냉매는 제3이중관식열교환기의 내부관으로 공급하는 제2기액분리기;
상기 제3이중관식열교환기의 내부관을 경유한 냉매가 제4이중관식열교환기의 내부관을 경유하도록 되어 있으며, 제4이중관식열교환기의 내부관을 경유한 냉매의 일부는 제4이중관식열교환기의 외부관으로 공급되고 일부는 냉방지역을 경유하여 제3이중관식열교환기, 제2이중관식열교환기, 제1이중관식열교환기를 경유한 후 압축기로 공급되도록 되어 있으며,
상기 기액분리기에서 분리된 액체에 의해 냉각되지 않는 제4이중관식열교환기는 상기 제4이중관식열교환기를 경유한 냉매의 일부가 다시 상기 제4이중관식열교환기로 공급되어 냉각이 이루어지도록 하는, 효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기.
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제1항에 있어서,
상기 내부관, 외부관, 냉방출력파이프가 구비된 이중관식열교환기가 직렬연결되어 있고, 냉방출력파이프를 갖는 각각의 이중관식열교환기로 냉매를 공급하되 기체와 액체로 분리하여 공급하기 위한 기액분리기가 복수 개 구비되어 있는, 효율이 우수한 이중관식열교환기를 갖는 단단압축 방식의 냉동기.
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