KR101721110B1 - 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법은, 운전 알고리즘이나 가압부재를 통해 고단계 압축기의 압력을 높이고 이를 통해 오일이 냉동사이클로 신속하게 배출되어 저단계 압축기로 유입되도록 함으로써, 고단계 압축기와 저단계 압축기 사이의 오일량이 균등하게 유지되도록 하여 압축기의 신뢰성을 높이고 냉동능력을 향상시킬 수 있다. 또, 압축기 내부의 오일을 냉동사이클로 안내하기 위한 유로를 간소화하거나 또는 압축기의 쉘 내부에 구비함으로써 압축기의 배관 구조를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 압축기가 설치되는 냉동사이클 장치의 유효공간을 넓게 확보할 수 있다. 또, 고단계 압축기와 저단계 압축기를 직접 배관으로 연결하고 그 배관의 중간에 유면센서를 이용한 밸브 또는 감압기구를 설치함으로써 고단계 압축기와 저단계 압축기 사이의 오일량이 균등하게 유지되도록 할 수 있다.

Description

냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법{REFRIGERATING CYCLE AND METHOD FOR OPERATING THE REFRIGERATING CYCLE}

본 발명은 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법에 관한 것으로, 특히 복수 개의 압축기와 복수 개의 증발기가 냉동사이클을 이루는 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클의 운전방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클 장치는 압축기와, 응축기와, 팽창기와, 그리고 증발기로 이루어진 냉동사이클을 이용하여 냉장고와 같은 냉동기기의 고내(庫內)를 저온으로 유지시키는 장치이다. 냉동사이클 장치는 압축기를 기계적인 마찰로부터 보호하기 위해 오일로 윤활이 이루어지도록 하고 있으며, 압축기 내의 오일은 압축기에서 토출되는 고온고압의 냉매가스와 함께 순환하도록 압축기를 포함한 냉동사이클이 폐루프 모양으로 이루어져 있다.

이러한 오일이 냉동사이클의 응축기나 증발기 또는 배관에 쌓이게 되면 냉동사이클의 능력이 저하되며, 압축기로의 복귀가 원활하지 않으면 압축기의 내의 오일 양이 부족하게 되어 압축기의 소손을 야기하게 된다.

냉동사이클은 압축기의 개수에 따라 오일을 회수하는 방법이 다르다. 예를 들어, 압축기가 단수 개인 냉동사이클에서는 환경에 따라 회수(回收)되어 흡입구로 되돌아 오는 냉매의 속도를 확인하면 오일 회수량을 알 수 있다. 오일 회수량을 고려하여 압축기의 운전을 제어함으로써 냉동사이클의 능력 저하 또는 압축기의 고장을 방지할 수 있다.

반면, 압축기가 복수 개이고 증발기가 복수 개인 소위 2stage-2comp의 냉동사이클에서는 1차 압축기(또는, 저단계 압축기)에서 1단 압축된 냉매가 2차 압축기(또는, 고단계 압축기)로 유입되어 2단 압축되면서 냉동사이클을 순환하게 된다. 오일은 냉매와 함께 냉동사이클을 순환하면서 각각의 압축기로 회수된다.

그러나, 상기와 같은 종래 2stage-2comp 냉동사이클은, 예를 들어 냉장고에 적용시 냉장실 운전을 많이 하게 되면 장시간 냉동실 운전이 되지 않아 냉동실 증발기와 연결된 1차 압축기로 냉매가 유입되지 않으면서 냉매의 오일 혼합량이 줄어들어 압축기들 사이의 오일량이 균등하게 유지되지 못하고 이로 인해 압축기의 고장이 발생되는 문제점이 있었다. 또, 냉동실과 냉장실을 동시 운전하는 경우에도 냉동실과 냉장실 사이에서의 냉매 분배가 잘 이루어 지지 않으면 한 쪽(특히 용량이 큰 냉장실쪽)으로 냉매와 오일이 치우치면서 압축기들 사이의 오일량이 균등하게 유지되지 못하여 압축기의 고장이 발생되는 문제점이 있었다.

또, 종래의 2stage-2comp 냉동사이클에서는, 압축기 내부의 오일을 이동시키기 위한 유로가 배관들 사이에 연결됨에 따라 배관이 복잡하게 되고 이로 인해 냉동사이클을 적용한 냉동사이클 장치의 유효공간이 축소되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 복수 개의 압축기와 복수 개의 증발기가 포함된 2stage-2comp 냉동사이클에서 각각의 압축기에 오일량이 균등하게 유지될 수 있는 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 복수 개의 압축기와 복수 개의 증발기가 포함된 2stage-2comp 냉동사이클에서, 압축기 내부의 오일을 냉동사이클로 안내하기 위한 유로를 간소화하여 냉동사이클 장치의 유효공간을 넓게 확보할 수 있는 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 1차 압축기; 상기 1차 압축기의 토출측에 흡입측이 연결되는 2차 압축기; 상기 2차 압축기의 토출측에 연결되는 응축기; 상기 응축기의 출구측에 설치되는 냉매절환밸브; 상기 냉매절환밸브의 출구에 연결되어 상기 1차 압축기의 흡입측에 연결되는 제1 증발기; 상기 냉매절환밸브의 다른 출구에 연결되어 상기 1차 압축기의 토출측과 합관되어 상기 2차 압축기의 흡입측에 연결되는 제2 증발기; 및 상기 2차 압축기의 오일을 1차 압축기로 이동시키는 오일균형유닛;을 포함하고, 상기 오일균형유닛은, 상기 1차 압축기와 2차 압축기의 운전을 제어하는 동시에 상기 냉매절환밸브의 열림방향을 제어하는 사이클 제어부를 포함하는 냉동사이클 장치가 제공된다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 복수 개의 압축기가 직렬로 연결되고, 복수 개의 압축기 중에서 고단계 압축기의 출구측에 응축기가 연결되며, 상기 응축기의 출구측에 냉매의 방향을 절환시키도록 복수 개의 출구를 갖는 냉매절환밸브가 설치되고, 상기 냉매절환밸브의 각 출구에 증발기가 각각 병렬로 연결되며, 상기 복수 개의 증발기가 상기 고단계 압축기와 저단계 압축기의 흡입측에 각각 독립적으로 연결되는 냉동사이클 장치에서, 복수 개의 압축기 중에서 저단계 압축기로 오일을 회수하는 오일회수운전을 실시하여야 하는지를 판단하는 단계; 및 상기 오일회수운전이 필요하다고 판단되면 상기 냉매절환밸브의 열림방향과 상기 압축기들의 운전을 제어하는 오일회수단계;를 포함하는 냉동사이클 장치의 운전방법이 제공된다.

본 발명의 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법은, 운전 알고리즘이나 가압부재를 통해 고단계 압축기의 압력을 높이고 이를 통해 오일이 냉동사이클로 신속하게 배출되어 저단계 압축기로 원활하게 유입되도록 함으로써 고단계 압축기와 저단계 압축기 사이의 오일량이 균등하게 유지되도록 하여 압축기의 신뢰성을 높이고 냉동능력을 향상시킬 수 있다.

또, 압축기 내부의 오일을 냉동사이클로 안내하기 위한 유로를 간소화하거나 또는 압축기의 쉘 내부에 구비함으로써 압축기의 배관 구조를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 압축기가 설치되는 냉동사이클 장치의 유효공간을 넓게 확보할 수 있다.

또, 고단계 압축기와 저단계 압축기를 직접 배관으로 연결하고 그 배관의 중간에 유면센서를 이용한 밸브 또는 감압기구를 설치함으로써 고단계 압축기와 저단계 압축기 사이의 오일량이 균등하게 유지되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 냉동사이클 장치를 설명하기 위해 냉장고를 개략적으로 보인 사시도,
도 2는 도 1에 적용된 냉동사이클 장치의 계통도,
도 3은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 일실시예를 보인 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 사이클 제어부를 개략적으로 보인 블럭도
도 5는 도 3에 따른 운전 알고리즘의 효과를 설명하기 위해 운전정지시 압력변화를 보인 그래프,
도 6은 도 3에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표,
도 7은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 다른 실시예를 보인 블록도,
도 8은 도 7에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표,
도 9는 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 또다른 실시예를 보인 블록도,
도 10은 도 9에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표,
도 11은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 또다른 실시예를 보인 블록도,
도 12는 도 2에 따른 냉동사이클 장치의 계통도에서, 냉매절환밸브가 4방밸브인 경우를 보인 계통도,
도 13 및 도 14는 도 2에 따른 냉동사이클에서 오일회수유로가 압축기 쉘의 외부에 구비되는 실시예들을 보인 계통도,
도 15는 본 발명에 의한 냉동사이클 장치에 적용되는 2차 압축기의 일실시예로서 왕복동식 압축기의 내부를 보인 단면도,
도 16은 도 15에 따른 2차 압축기에서 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 확대도,
도 17 및 도 18은 본 실시예에 따른 유면센서의 실시예들을 각각 보인 정면도,
도 19는 본 실시예에 따른 오일회수유로의 일실시예를 보인 정면도,
도 20은 도 19에 따른 오일회수유로의 오일회수밸브를 보인 정면도,
도 21은 본 실시예에 따른 오일회수유로의 다른 실시예를 보인 정면도,
도 22는 도 21에 따른 오일회수유로에서 오일회수밸브의 동작을 보인 단면도,
도 23은 본 실시예에 따른 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도,
도 24는 도 23에서 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도,
도 25는 본 실시예에 따른 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도,
도 26 및 도 27은 도 25에 따른 오일회수유로에 적용되는 오일분리기를 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 냉동사이클 장치 및 이 냉동사이클 장치의 운전방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 냉동사이클 장치를 설명하기 위해 냉장고를 개략적으로 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 적용된 냉동사이클 장치의 계통도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 냉동사이클을 갖는 냉장고는, 냉동실과 냉장실을 구비하는 냉장고 본체(1)와, 상기 냉장고 본체(1)의 냉동실과 냉장실을 개폐하는 냉동실 도어(2) 및 냉장실 도어(3)를 포함한다.

상기 냉장고 본체(1)의 하측에는 기계실이 구비되고, 상기 기계실에는 냉기를 발생하기 위한 냉동사이클의 압축기(11)(12)와 응축기(13)가 설치된다. 상기 압축기(11)(12)는 복수 개가 직렬형태, 즉 1차 압축기(11)에서 1단 압축된 냉매가 2차 압축기(12)에서 2단 압축되도록 1차 압축기(11)의 토출구가 2차 압축기(12)의 흡입구에 연결된다. 상기 2차 압축기(12)의 토출구는 응축기(13)의 입구에 연결된다. 상기 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)의 용량은 동일하게 설계될 수 있지만, 통상 냉장고의 경우 냉장실 운전이 많으므로 냉장실 운전을 실시하는 2차 압축기(12)의 용량이 1차 압축기(11)에 비해 2배 정도 크게 설계될 수 있다.

그리고 상기 냉동사이클의 일부를 이루는 복수 개의 증발기(14)(15)가 상기 응축기(13)의 출구에서 제1 분지관(L1)과 제2 분지관(L2)으로 분지되어 병렬 연결된다. 상기 제1 분지관(L1)과 제2 분지관(L2)으로 분지되는 분지점에는 냉매의 유동방향을 제어하는 3방밸브 또는 4방밸브로된 냉매절환밸브(16)가 설치되고, 각 분지관(L1)(L2)의 중간, 즉 양측 증발기(14)(15)의 입구단에는 냉매를 팽창시키는 제1 팽창기(17)와 제2 팽창기(18)가 설치된다. 상기 응축기(12)와 제1 팽창기(17) 그리고 제2 팽창기(18)의 일측에는 각각 송풍팬이 설치된다.

상기 냉매절환밸브(16)는 3방밸브로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 냉매절환밸브(16)는 응축기(12)의 출구와 어느 한 쪽 증발기가 선택적으로 연통될 수 있거나 또는 양쪽 증발기가 동시에 연통될 수 있는 구조로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 증발기(14)(15) 중에서 한 개는 냉동실의 후벽면에 설치되는 반면 다른 한 개는 냉장실의 후벽면에 설치될 수 있다. 상기 냉동실측에 설치되는 증발기(이하, 제1 증발기)(14)와 냉장실에 설치되는 증발기(이하, 제2 증발기)(15)는 동일한 용량으로 형성될 수도 있지만, 압축기와 같이 제2 증발기(15)가 제1 증발기(14)에 비해 대용량으로 형성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 냉동사이클을 갖는 냉장고는, 냉장고의 운전모드에 따라 상기 냉매절환밸브(16)가 냉매의 유동방향을 제1 증발기 또는 제2 증발기 방향으로 제어함으로써 냉장실과 냉동실을 동시에 운전하는 동시운전 또는 냉동실만 운전하는 냉동실 운전 또는 냉장실만 운전하는 냉장실 운전이 이루어진다.

예를 들어, 냉장고의 운전모드가 냉동실과 냉장실을 동시에 운전시키는 동시운전인 경우에는, 상기 냉매절환밸브(16)가 모두 열리면서 응축기(13)를 통과하는 냉매가 제1 증발기(14)와 제2 증발기(15) 방향으로 분배되어 이동하도록 한다. 이와 동시에, 상기 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)가 모두 운전을 개시한다.

그러면, 상기 제1 증발기(14)를 거쳐 1차 압축기(11)로 흡입되는 냉매는 그 1차 압축기(11)에서 1단 압축되어 토출되고, 상기 1차 압축기(11)에서 토출되는 1단 압축된 냉매는 2차 압축기(12)로 흡입된다. 이때, 상기 제2 증발기(15)를 통과하는 냉매가 상기 1차 압축기(11)에서 1단 압축되어 토출되는 냉매와 섞여 상기 2차 압축기(12)로 흡입된다.

그러면, 상기 1단 압축된 냉매와 제2 증발기(12)를 통과한 냉매가 2차 압축기(12)에서 압축되어 토출되고, 상기 2차 압축기(12)에서 토출되는 냉매는 응축기(13)로 이동하여 응축되며, 상기 응축기(13)에서 응축된 냉매는 상기 냉매절환밸브(16)에서 제1 증발기(14)와 제2 증발기(15) 방향으로 분배되면서 순환되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

다음, 냉장고의 운전모드가 냉동실 운전인 경우에는 상기 냉매절환밸브(16)가 냉장실측 증발기, 즉 제2 증발기(15) 방향은 차단하고 냉동실측인 제1 증발기(14) 방향만 개방하여 상기 응축기(13)를 통과하는 냉매가 제1 증발기(14) 방향으로만 이동할 수 있도록 한다. 하지만, 상기 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)는 동시에 운전을 하여 상기 제1 증발기(14)를 통과한 냉매가 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)를 차례대로 거쳐 2단 압축되면서 순환되도록 한다.

다음, 냉장고의 운전모드가 냉장실 운전인 경우에는 상기 냉매절환밸브(16)가 제1 증발기(14) 방향은 차단하고 제2 증발기(15) 방향은 개방한다. 그리고 상기 1차 압축기(11)는 정지시키고 2차 압축기(12)만 운전을 개시한다.

그러면, 상기 응축기(13)를 통과하는 냉매는 제2 증발기(15) 방향으로만 이동하여 2차 압축기(12)로 흡입되고, 상기 2차 압축기(12)에서 압축되어 토출된 냉매는 응축기(13)로 이동하여 응축되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

여기서, 상기와 같이 1차 압축기와 2차 압축기가 직렬로 연결되어 2단 압축운전을 하는 경우에는 저단계 압축기(즉, 1차 압축기)의 오일이 냉매와 함께 토출되어 고단계 압축기(즉, 2차 압축기)로 이동하게 된다. 따라서, 저단계 압축기에서는 지속적인 오일누출로 인해 오일부족이 발생되어 1차 압축기의 효율저하와 부품손상이 발생될 우려가 있었다.

따라서, 본 발명은 압축기의 외부에 별도의 오일분리기와 같은 부재를 설치하지 않거나 설사 설치를 하더라도 오일분리기의 크기를 줄여 냉동사이클이 차지하는 공간을 줄일 수 있으며, 오일균형을 위해 압축기들 사이에 별도의 배관을 설치하지 않거나 설사 배관을 설치하더라도 최소한으로 설치하여 조립비용을 줄이고자 하는 것이다.

이를 위해, 본 실시예에서는 2차 압축기의 쉘 내부를 가압하여 그 2차 압축기의 쉘 내부 압력을 높이는 동시에 1차 압축기 방향만 개방하여 2차 압축기의 쉘 내부에 고인 오일이 냉동사이클의 응축기 방향 또는 1차 압축기 방향으로 쉽게 배출되도록 함으로써 오일이 2차 압축기로 쉽고 빠르게 회수되어 압축기들 사이에서의 오일 균형이 신속하게 이루어지도록 하는 것이다.

여기서, 상기 2차 압축기의 쉘 내부 압력을 상승시키기 위해서는 별도의 가압기구를 이용하는 방법과, 냉동사이클의 운전 알고리즘을 이용하여 실현하는 방법이 있다.

즉, 별도의 가압기구를 이용하는 방법으로는 2차 압축기의 쉘 내부에 가압기를 연통시켜 필요에 따라 상기 가압기를 구동시킴으로써 2차 압축기의 쉘 내부 압력이 일정 압력으로 상승시키는 것이다. 반면, 냉동사이클의 운전 알고리즘을 이용한 가압방법에는 냉동사이클 장치에서 상대적으로 전류측 압축기인 1차 압축기를 구동시키거나, 또는 2차 압축기의 구동시 1차 압축기도 함께 구동시켜 1차 압축기에서 토출되는 냉매가 2차 압축기로 흡입되도록 함으로써 2차 압축기의 쉘 내부 압력이 일정 압력으로 상승되도록 하는 것이다.

상기와 같이, 2차 압축기의 압력이 상승하게 되면 그 2차 압축기의 쉘 내부에 채워진 오일이 냉동사이클의 냉매관 또는 1차 압축기로 신속하게 이동될 수 있다. 특히, 오일이 2차 압축기의 쉘 내부에서 냉동사이클의 냉매관으로 이동하는 경우 이 오일이 1차 압축기로 회수되도록 하는 방법으로는 다음과 같은 운전 알고리즘이 적용될 수 있다.

도 3은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 일실시예를 보인 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 냉동사이클에서 1차 압축기 방향인 제1 증발기 측을 일정 시간 동안 개방하여 오일이 1차 압축기로 유입되도록 할 수 있다.

예를 들어, 냉동사이클의 운전 정지시 상기 냉동사이클의 저압측(냉장고의 경우, 냉동실측)인 1차 압축기 또는 상기 1차 압축기와 고압측(냉장고의 경우, 냉장실측)인 2차 압축기가 함께 운전을 한다. 그러면 2차 압축기(12)의 쉘 내부 압력이 상승하게 된다.(S11)

다음, 상기 냉동사이클이 정지(off time)되면 상기 냉매절환밸브(16)의 1차 압축기 쪽을 일정 시간 동안 열어 둔다. 그러면 상기 2차 압축기에서 오일이 냉매와 함께 배출되어 1차 증발기 쪽으로만 이동하여 1차 압축기(11)에 회수된다.(S12)

여기서, 상기 냉장고에는 타이머(timer)를 설치하여 오일회수운전을 제어할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 사이클 제어부를 개략적으로 보인 블럭도이다.

이에 도시된 바와 같이 냉장고의 운전 전체를 제어하는 사이클 제어부(200)는 입력부(201)와, 판단부(202)와, 지령부(203)로 이루어질 수 있다. 상기 입력부(201)는 타이머(미도시)와 전기적으로 연결되고, 상기 지령부(203)는 압축기(11,12)와 냉매절환밸브(16)에 전기적으로 연결될 수 있다.

이에 따라, 상기 입력부(201)는 타이머로부터 상기 냉동사이클의 운전시간에 대한 검출값을 전달받아 판단부(202)에 전달하게 된다. 그러면 상기 판단부(202)는 미리 설정된 설정값, 즉 냉동사이클의 운전시간에 따른 오일회수운전의 주기와 검출값을 비교하여 오일회수운전의 필요 여부를 판단하게 된다. 그러면 상기 지령부(203)는 상기 판단부(202)의 판단 결과에 따라 압축기(11,12)와 냉매절환밸브(16)를 상기와 같이 제어하여 오일회수운전을 실시하게 된다.

한편, 상기와 같은 오일회수운전은 운전시간을 기준으로 실시하지 않고 유면을 검출하여 오일회수운전을 실시할 수도 있다. 예를 들어, 상기 1차 압축기(11)의 쉘 내부 또는 2차 압축기(12)의 쉘 내부에 유면센서(미도시)가 설치된 경우에는 그 유면센서를 이용하여 1차 압축기(11) 또는 2차 압축기(12)의 쉘 내부의 유면을 통해 오일량을 검출한 후 냉매절환밸브의 온/오프를 제어하여 1차 압축기(11)로 회수되는 오일량을 조절할 수 있다.

상기와 같은 냉동사이클의 운전 알고리즘은 별도의 가압부재를 구비하지 않고도 2차 압축기의 쉘 내부 압력을 높여 오일이 2차 압축기에서 냉동사이클로 신속하게 배출될 수 있도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 배출되는 오일이 1차 압축기로 유입되어 압축기의 오일량을 효과적으로 유지할 수 있다.

도 5는 도 3에 따른 운전 알고리즘의 효과를 설명하기 위해 운전정지시 압력변화를 보인 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 냉매절환밸브(16)의 출구를 모두 닫은 상태에서의 운전정지(도면에서는, 일반 사이클정지)시에는 압력변화가 그리 크지 않다. 특히 고압측인 2차 압축기(12)의 토출압력이 크게 낮아지지 않는 것을 알 수 있다. 하지만, 상기 냉매절환밸브(16)의 출구를 모두 연 상태에서의 운전정지(도면에서는, 오일회수 사이클정지)시에는 특히 2차 압축기(12)의 토출압력이 매우 크게 저하되는 반면 저압측인 1차 압축기(11)의 흡입압력이 상승하는 것을 알 수 있다. 이는 2차 압축기(12)에서 배출되는 오일이 빠르게 1차 압축기(11)로 유입되는 것으로 판단할 수 있다. 이를 감안할 때, 상기 냉매절환밸브(16)의 제1 출구, 즉 1차 압축기측만 개방하게 되면 1차 압축기(11)의 흡입압력은 더욱 크고 빠르게 상승할 것을 예측할 수 있다.

도 6은 도 3에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표이다. 이는 12시간마다 1회씩 오일회수운전을 실시한 결과이다.

이에 도시된 바와 같이, 1차 압축기(11)는 최대운전(TDC)을, 2차 압축기는 정지(off)를 한 경우, 1차 압축기(11)의 유면은 43.8mm에서 45.5mm로 상승하고, 2차 압축기(12)의 유면은 58mm에서 60mm로 상승한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 30분간 지속한 경우, 1차 압축기(11)의 유량은 5.9cc가 증가하고 2차 압축기(12)의 유량은 8cc가 증가하는 것을 알 수 있다.

또, 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12) 모두 최대운전(TDC)을 한 경우, 1차 압축기(11)의 유면은 42.3mm에서 44.5mm로 상승하고, 2차 압축기(12)의 유면은 60mm에서 62mm로 상승한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 30분간 지속한 경우, 1차 압축기(11)의 유량은 7.5cc가 증가하고 2차 압축기(12)의 유량은 8cc가 증가하는 것을 알 수 있다.

이렇게 하여, 2차 압축기는 물론 1차 압축기로 상당량의 오일이 유입되어 오일부족을 미연에 방지할 수 있슴을 알 수 있다.

반면, 냉동사이클의 운전중에 일정 시간 동안은 오일 회수운전을 강제로 진행하여 1차 압축기로 오일이 유입되도록 할 수도 있다. 도 7은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 다른 실시예를 보인 블록도이다.

도 7에서와 같이, 상기 사이클 제어부(200)에 의해 상기 냉매절환밸브(16)의 2차 압축기 쪽은 닫는 반면 1차 압축기 쪽을 열어둔다.(S21)

다음, 상기 냉동사이클의 2차 압축기(12)를 일정 시간 동안 단독으로 최대운전(TDC)시키거나 또는 1차 압축기(스트로크가 4.5mm인 통상운전)(11)와 2차 압축기(최대운전)(12)를 동시에 운전시킨다.(S22) 그러면 2차 압축기(12)의 쉘 내부 압력이 지속적으로 상승하면서 오일이 냉동사이클로 배출되고, 이 냉동사이클로 배출되는 오일은 1차 증발기 쪽으로만 이동하여 1차 압축기(11)에 회수된다. 여기서, 상기 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)를 통시에 운전시키는 경우 2차 압축기(12)를 최대운전, 1차 압축기(11)를 통상운전시키는 이유는 상기 2차 압축기(12)를 최대운전시킴으로써 고단계 압축기인 2차 압축기(12)의 토출압력을 높여 사이클 내 오일이 저단계 압축기인 1차 압축기(11)로 원활하게 이동할 수 있도록 하는 것이다.

여기서도, 상기와 같은 오일회수운전은 전술한 실시예와 같이 타이머를 이용하거나 또는 유면센서를 이용할 수 있다.

이에 따라, 상기 2차 압축기(12)에서 배출되는 오일이 1차 압축기(11)로 유입되어 냉매절환밸브(16)의 제1 출구, 즉 1차 압축기측만 개방하게 되면 1차 압축기(11)의 흡입압력은 상승될 것을 예측할 수 있다.

도 8은 도 7에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표이다. 이는, 전술한 실시예와 같이 12시간마다 1회씩 오일회수운전을 실시한 결과이다.

도 8에서와 같이, 1차 압축기는 정지(off)를, 2차 압축기는 최대운전(TDC)을 한 경우, 1차 압축기의 유면은 61mm에서 62.5mm로 상승하고, 2차 압축기의 유면은 47mm에서 42.5mm로 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 60분간 지속한 경우, 1차 압축기의 유량은 6cc가 증가하고 2차 압축기의 유량은 -18cc가 감소하는 것을 알 수 있다.

또, 1차 압축기(11)는 통상운전(스트로크가 4.5mm)을, 2차 압축기(12)는 최대운전(TDC)을 한 경우, 1차 압축기(11)의 유면은 62mm에서 62.8mm로 상승하고, 2차 압축기(12)의 유면은 45mm에서 44mm로 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 60분간 지속한 경우, 1차 압축기(11)의 유량은 3cc가 증가하고 2차 압축기(12)의 유량은 4cc가 감소하는 것을 알 수 있다.

이렇게 하여, 2차 압축기에서 배출되는 오일이 1차 압축기로 유입되어 상대적으로 유량감소가 우려되는 1차 압축기에서의 오일부족을 미연에 방지할 수 있슴을 알 수 있다.

반면, 상기 냉동사이클의 운전중에 주기적으로 오일회수운전을 실시할 수도 있다. 도 9는 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 또다른 실시예를 보인 블록도이고, 도 10은 도 9에 따른 운전 알고리즘을 진동형 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 1차 압축기와 2차 압축기에서의 오일량 변화를 실험한 결과표이다. 이는, 전술한 실시예와 같이 12시간마다 1회씩 오일회수운전을 실시한 결과이다.

도 9에서와 같이, 상기 냉매절환밸브(16)의 1차 압축기측(제1 증발기측)과 2차 압축기측(제2 증발기측)을 모두 닫는다.(S31)

다음, 상기 냉동사이클의 2차 압축기(12)를 단독으로 일정 시간 동안 최대운전(TDC)시키거나 또는 1차 압축기(스트로크가 4.5mm인 통상운전)(11)와 2차 압축기(TDC)(12)를 동시에 일정 시간 동안 운전시킨다.(S32) 그러면 2차 압축기(12)의 쉘 내부 압력이 지속적으로 상승하게 된다.

다음, 상기 냉매절환밸브(16)의 1차 압축기 쪽을 일정 시간 동안 열어 둔다.(S33) 그러면 2차 압축기(12)에서 오일이 냉매와 함께 배출되어 1차 증발기 쪽으로만 이동하여 1차 압축기(11)에 회수된다.

여기서도, 상기와 같은 오일회수운전은 전술한 실시예와 같이 타이머를 이용하거나 또는 유면센서를 이용할 수 있다.

이에 따라, 상기 2차 압축기(12)에서 배출되는 오일이 1차 압축기(11)로 유입되어 냉매절환밸브(16)의 제1 출구, 즉 1차 압축기측만 개방하게 되면 1차 압축기(11)의 흡입압력은 상승될 것을 예측할 수 있다.

그리고, 도 10에서와 같이, 1차 압축기는 정지(off)를, 2차 압축기는 최대운전(TDC)을 한 경우, 1차 압축기의 유면은 49.8mm에서 50mm로 상승하고, 2차 압축기의 유면은 54.5mm에서 54mm로 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 15분간 지속한 경우, 1차 압축기(11)의 유량은 1cc가 증가하고 2차 압축기(12)의 유량은 -3cc가 감소하는 것을 알 수 있다.

또, 1차 압축기는 통상운전(스트로크가 4.5mm)을, 2차 압축기는 최대운전(TDC)을 한 경우, 1차 압축기의 유면은 53.5mm에서 53.8mm로 상승하고, 2차 압축기의 유면은 49.8mm에서 49.5mm로 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 상기와 같은 오일회수운전을 15분간 지속한 경우, 1차 압축기의 유량은 0.5cc가 증가하고 2차 압축기의 유량은 1cc가 감소하는 것을 알 수 있다.

이렇게 하여, 2차 압축기에서 배출되는 오일이 1차 압축기로 유입되어 상대적으로 유량감소가 우려되는 1차 압축기에서의 오일부족을 미연에 방지할 수 있슴을 알 수 있다.

반면, 상기 냉동사이클의 운전정지(off time)시 일정 시간 동안 냉매절환밸브의 양쪽 압축기측을 모두 열어 냉매가 압력평형을 이루는 과정에서 오일이 1차 압축기로 회수되도록 할 수도 있다. 도 11은 본 실시예에 의한 냉동사이클의 운전 알고리즘에 대한 또다른 실시예를 보인 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 냉동사이클의 운전 정지시 상기 냉동사이클의 저압측(냉장고의 경우, 냉동실측)인 1차 압축기 또는 상기 1차 압축기와 고압측(냉장고의 경우, 냉장실측)인 2차 압축기가 함께 운전을 한다. 그러면 2차 압축기(12)의 쉘 내부 압력이 상승하게 된다.(S41)

다음, 상기 냉동사이클이 정지(off time)되면 상기 냉매절환밸브(16)의 1차 압축기 쪽과 2차 압축기 쪽을 모두 일정 시간 동안 열어 둔다.(S42) 그러면 상기 2차 압축기에서 오일이 냉매와 함께 배출되어 1차 증발기와 2차 증발기 쪽으로 이동하게 된다. 하지만, 상기 제2 증발기(15)가 제1 증발기(14)에 비해 압력이 높기 때문에 냉동사이클은 압력평형을 이루기 위해 오일은 제1 증발기 방향으로 더 많은 양의 오일이 이동하게 되어 1차 압축기(11)에 회수된다. 이에 따른 작용효과는 전술한 제1 실시예, 즉 도 3에 도시된 알고리즘의 경우와 유사하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

여기서도, 상기와 같은 오일회수운전은 전술한 실시예와 같이 타이머를 이용하거나 또는 유면센서를 이용할 수 있다.

한편, 전술한 실시예들의 운전 알고리즘들은 모두 냉매절환밸브가 3방밸브인 경우에 대해 살펴본 것이나, 본 실시예는 도 12에서와 같이 냉매절환밸브(16)가 4방밸브인 경우에도 전술한 각각의 운전 알고리즘들을 유사하게 적용할 수 있다.

다만, 본 실시예에서는 4방밸브인 냉매전환밸브(16)의 일측 출구에 오일회수관(oil return pipe)(19)이 연결되고, 상기 오일회수관(19)은 제1 증발기(14)의 출구와 1차 압축기(11)의 흡입관 사이에 연결된다.

이에 따라, 상기와 같은 4방밸브로 된 냉매절환밸브(16)와 오일회수관(19)을 가진 냉동사이클에서는, 앞서 설명한 운전 알고리즘들에서 냉매절환밸브(16)의 저압측(제1 증발기측) 또는 고압측(제2 증발기측)은 모두 닫고 오일회수관(19) 쪽으로만 열어 냉동사이클 내의 오일이 냉매절환밸브(16)와 오일회수관(19)을 통해 1차 압축기(11)로 회수되도록 한다.

한편, 상기와 같은 운전 알고리즘을 이용하여 2차 압축기(12)의 오일이 냉동사이클의 응축기 방향으로 이동되도록 할 때 압축기에 따라서는 오일유로를 상이하게 형성할 수 있다. 즉, 냉장고에는 주로 모터의 회전운동을 직선운동으로 전환하여 이용하는 연결형 왕복동식 압축기와 모터의 직선운동을 이용하는 진동형 왕복동식 압축기가 적용되고 있다. 이들 연결형 왕복동식 압축기나 진동형 왕복동식 압축기는 모두 토출관이 압축기구부의 토출측에 직접 연결되어 그 압축기구부에서 토출되는 냉매가 쉘 내부를 거치지 않고 곧바로 냉동사이클의 응축기로 이동하게 되는 소위 저압식 압축기를 이루게 된다. 따라서 이들 저압식 압축기의 경우에는 쉘 내부의 오일을 냉동사이클로 이동시키기 위한 오일회수유로가 필요할 수 있다.

하지만, 토출관이 쉘 내부에 연통되는 고압식 압축기의 경우에도 통상 토출관이 유면보다 높게 배치됨에 따라 별도의 오일회수유로가 필요할 수 있다. 예를 들어, 공기조화기에 주로 적용되는 로터리 압축기나 스크롤 압축기(특히, 토출관이 쉘 내부에 연통되는 고압식 스크롤 압축기)는 토출관이 유면보다 높게 배치된다. 따라서, 이 경우에도 고단계 압축기에는 쉘 내부의 오일을 냉동사이클로 이동시키기 위한 오일회수유로가 필요할 수 있다.

도 13 및 도 14는 도 2에 따른 냉동사이클에서 오일회수유로가 압축기 쉘의 외부에 구비되는 실시예들을 보인 계통도들이다.

도 13 및 도 14에서와 같이, 본 실시예에 따른 냉동사이클 장치의 오일회수유로는, 2차 압축기(12)의 쉘 내부와 응축기(13)를 연결하는 냉매관 외에 상기 2차 압축기(12)의 쉘 내부와 응축기(13)의 입구단(도 13에 도시) 또는 출구단(도 14에 도시)을 연결하는 오일회수관(19)으로 이루어질 수 있다.

상기 오일회수관(19)의 입구단은 2차 압축기(12)의 쉘에 고인 오일에 항상 잠길 수 있도록 그 쉘의 저면에 근접하도록 설치되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고 상기 오일회수관(19)에는 그 오일회수관(19)을 선택적으로 개폐할 수 있도록 오일회수밸브(20)가 설치될 수 있다. 상기 오일회수밸브(20)는 상기 사이클 제어부에 전기적으로 연결하여 상기 냉매전환밸브(16)와 연계되도록 할 수도 있다.

그리고 상기 오일회수밸브(20)는 쉘의 내부에 설치할 수도 있지만, 쉘의 외부에 설치할 수도 있다. 이하에서는, 왕복동식 압축기를 예로 들어 본 실시예에 따른 오일회수유로를 살펴본다. 하지만, 다른 압축기에도 유사하게 적용될 수 있다.

도 15는 본 발명에 의한 냉동사이클 장치에 적용되는 2차 압축기의 일실시예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 2차 압축기는, 밀폐된 쉘(110)의 내부에 프레임(120)이 탄력 설치되고, 상기 프레임(120)에는 왕복동 모터(130)와 실린더(140)가 고정되며, 상기 실린더(140)에는 왕복동 모터(130)의 무버(mover)(133)에 결합된 피스톤(150)이 삽입되어 왕복운동을 하도록 결합되고, 상기 피스톤(150)의 운동방향 양측에는 그 피스톤(150)의 공진운동을 유도하는 복수 개씩의 공진스프링(161)(162)이 각각 설치된다.

그리고 상기 실린더(140)에는 압축공간(141)이 형성되고, 상기 피스톤(150)에는 흡입유로(151)가 형성되며, 상기 흡입유로(151)의 끝단에는 그 흡입유로(151)를 개폐하는 흡입밸브(171)가 설치되고, 상기 실린더(140)의 선단면에는 그 실린더(140)의 압축공간(141)을 개폐하는 토출밸브(142)가 설치된다.

그리고 상기 쉘(110)의 내부에는 1차 압축기(11)의 토출관(미도시)과 연결되는 흡입관(111)이 연통되고, 상기 흡입관(111)의 일측에는 냉동사이클 장치의 응축기(13) 입구와 연결되는 토출관(112)이 연통 설치된다.

도면중 미설명 부호인 135는 코일이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 2차 압축기는 상기 왕복동 모터(130)의 코일(135)에 전원이 인가되면 그 왕복동 모터(130)의 무버(133)가 왕복 운동을 하게 된다. 그러면 상기 무버(133)에 결합된 피스톤(150)이 상기 실린더(140)의 내부에서 직선으로 왕복 운동을 하면서 흡입관(111)을 통해 1차 압축기(11)에서 1단 압축되어 토출되는 냉매를 쉘 내부로 흡입하게 된다. 그러면 상기 쉘(110) 내부의 냉매는 피스톤(150)의 흡입유로(151)를 통해 실린더(140)의 압축공간(141)으로 흡입되고, 상기 피스톤(150)의 전진운동시 압축공간(141)에서 토출되어 토출관(112)을 통해 냉동사이클의 응축기(13)로 이동하게 된다.

이때, 도 13을 참조하면, 상기 1차 압축기(11)에서는 냉매와 함께 오일이 토출되어 2차 압축기(12)의 쉘(110) 내부로 이동함에 따라 2차 압축기(12)는 오일이 증가하는 반면 1차 압축기(11)는 오일유출로 인해 오일부족이 발생될 수 있으나, 본 실시예와 같은 냉동사이클에서는 전술한 운전 알고리즘을 이용하여 2차 압축기(12)로 쏠린 오일을 1차 압축기(11)로 되돌려 1차 압축기(11)와 2차 압축기(12)가 오일 균형을 유지하도록 함으로써 압축기의 효율과 신뢰성은 물론 냉동사이클 장치의 성능을 높일 수 있다.

여기서, 상기 2차 압축기(12)의 쉘(110)의 내부에 담긴 오일은 그 쉘(110)의 내부에서 외부로 관통된 오일회수관(115)을 통해 토출관(112)으로 안내되어 냉동사이클로 이동하게 된다.

상기 오일회수관(115)의 상단은 2차 압축기(12)의 쉘 외부에서 상기 토출관(112)의 중간에 연결되는 반면, 상기 오일회수관(115)의 하단은 쉘(110)의 내부로 관통되어 그 쉘(110)의 저면 근처까지 연장되도록 형성된다. 그리고 상기 오일회수관(115)의 하단은 쉘(110)의 형상을 고려하여 왕복동 모터 방향으로 절곡되게 형성될 수 있고, 상기 오일회수관(115)의 하단과 접하는 쉘(110)의 저면에는 오일 내 불순물이 걸러질 수 있도록 오일플랜지(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 오일회수밸브(116)는 개폐밸브로 이루어진다. 그리고 상기 오일회수밸브(116)는 전자식 솔레노이드 밸브로 이루어지거나, 또는 세이프밸브나 체크밸브와 같이 2차 압축기의 쉘 내부 압력이 일정 압력 이상으로 상승하면 자동으로 열리는 1방향 기계식 밸브로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 오일회수밸브(116)가 솔레노이드 밸브로 이루어지는 경우에는 그 오일회수밸브(116)가 냉동사이클 장치의 운전상태와 연계될 수 있도록 냉동사이클을 제어하는 사이클 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 상기 오일회수유로는 2차 압축기(12)의 쉘 내부에 설치되어 토출관에 연결될 수도 있다. 이 경우 냉동사이클 장치가 차지하는 공간을 줄일 수 있고 배관을 간소화할 수 있다. 도 16은 도 15에 따른 2차 압축기에서 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 확대도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 오일회수유로는 2차 압축기(12)의 쉘(110) 내부에 설치되어 그 쉘(110) 내부와 토출관(112) 사이를 연결하는 오일회수관(115)과, 상기 쉘(110)의 내부에서 오일회수관(115)의 중간에 설치되어 그 오일회수관(115)을 선택적으로 개폐하는 오일회수밸브(116)로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 사이클 제어부에는 각 압축기를 제어하기 위한 압축기 제어부와 팬을 제어하는 팬 제어부, 그리고 냉매절환밸브를 제어하는 밸브제어부 등이 구비될 수 있지만, 상기 1차 압축기와 2차 압축기의 쉘 내부에 설치되는 유면센서와 전기적으로 연결될 수도 있다.

도 17 및 도 18은 도 15에 따른 왕복동식 압축기에 연결되는 유면센서의 실시예들을 각각 보인 정면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 유면센서(300)는 도 17에서와 같은 부레 방식이나 도 18과 같은 정전용량 방식이 이용될 수 있다.

도 17의 부레 방식 유면센서(300)는 양극판(또는, 음극판일 수 있슴)(310)이 고정전극을 이루도록 쉘(110)의 저면으로부터 적정높이에 고정 설치되고, 반대 극판인 음극판(또는, 양극판일 수 있슴)(320)이 가동전극을 이루도록 쉘(110)의 저면과 고정전극인 양극판(310)의 사이에서 유면에 따라 움직이도록 설치된다. 상기와 같은 부레 방식의 유면센서(300)는 도 17의 (a)와 (b)에서와 같이 오일에 의해 가동전극인 음극판(320)이 상하 방향으로 움직이면서 양극판(310)과 탈착되어 유면의 높이를 판단할 수 있다. 상기 가동전극인 음극판(320)은 오일에 잘 부유할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 만약 금속일 경우 부레와 같은 부유부재가 가동전극인 음극판(320)에 결합될 수 있다.

반면, 도 18의 정전용량 방식의 유면센서(300)는 양극판(310)과 음극판(320)이 모두 고정전극으로 이루어져 그 양극판(310)과 음극판(320) 사이에 오일이 존재하는지 여부에 따라 정전용량 값이 달라지는 특징을 이용하여 유면의 높이를 판단할 수 있다.

한편, 본 실시예에 의한 냉동사이클 장치에서 오일회수유로에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예들에서는 고단계 압축기에서 냉동사이클의 냉매관으로 오일을 배출시켜 오일이 냉동사이클을 순회하여 저단계 압축기로 회수되도록 하는 것이었으나, 본 실시예에서는 고단계 압축기와 저단계 압축기 사이를 오일회수관으로 연결하여 고단계 압축기의 오일이 저단계 압축기로 직접 회수되도록 할 수 있다. 이하에서는, 도 15에 제시된 진동형 왕복동식 압축기를 참조하여 압축기들 사이에 설치된 오일회수관을 살펴본다.

도 2를 참조하면, 상기 1차 압축기(11)의 토출관에 2차 압축기(12)의 흡입관이 연결되고, 상기 2차 압축기(12)의 토출관에 응축기(13)가 연결되며, 상기 응축기(13)의 출구측에 냉매절환밸브(16)가 연결되고, 상기 냉매절환밸브(16)의 제1 출구에는 제1 증발기(14)가, 제2 출구에는 제2 증발기(15)가 각각 연결된다. 그리고 상기 제1 증발기(14)의 출구에는 1차 압축기(11)의 흡입관이, 제2 증발기(15)의 출구에는 2차 압축기(12)의 흡입관이 각각 연결된다. 상기 2차 압축기(12)의 흡입관에는 제2 증발기(15)의 출구와 함께 1차 압축기(11)의 토출관이 합관되어 연결된다.

도 19는 본 실시예에 따른 오일회수유로의 일실시예를 보인 정면도이고, 도 20은 도 19에 따른 오일회수유로에서 "A"부인 오일회수밸브를 확대하여 보인 정면도이다.

도 19에서와 같이, 상기 오일회수관(410)은 2차 압축기(12)의 쉘 내부와 1차 압축기(11)의 쉘 내부를 연결할 수 있다. 상기 오일회수관(410)의 양단은 각각 2차 압축기(12)의 쉘 저면과 1차 압축기(11)의 쉘 저면에 연결된다.

그리고 상기 오일회수관(410)의 양단에는 그 오일회수관(410)을 선택적으로 개폐할 수 있는 오일회수밸브(420)가 설치될 수 있다. 상기 오일회수밸브(420)는 도 20에서와 같이 오일량에 따라 승강하는 부레(421)와, 상기 부레(421)에 결합되어 상기 오일회수관(410)의 양단을 각각 개폐하는 밸브부재(422)로 이루어질 수 있다.

상기 부레(421)는 각 압축기(11,12)의 쉘 저면에 회전 가능하도록 힌지 결합되는 지지부재(423)에 일체로 결합되고, 상기 밸브부재(422)는 부레(421) 또는 지지부재(423)와 함께 회전하면서 오일회수관(410)의 단부를 개폐할 수 있도록 상기 부레(410) 또는 지지부재(430)에 일체로 형성되거나 또는 결합될 수 있다. 상기 밸브부재(422)는 평판모양으로 형성될 수도 있지만, 실링력을 높일 수 있도록 쐐기 모양으로 형성될 수도 있다.

하지만, 상기 오일회수밸브(420)는 압축기의 외곽에서 오일회수관(410)의 중간에 설치될 수도 있다. 도 21은 본 실시예에 따른 오일회수유로의 다른 실시예를 보인 정면도이고, 도 22는 도 21에 따른 오일회수유로에서 오일회수밸브의 동작을 보인 단면도이다.

도 21에서와 같이, 상기 오일회수관(510)의 중간에는 피스톤 밸브(520)가 미끄러지게 수용되도록 밸브공간부(511)가 형성되고, 상기 밸브공간부(511)의 상면에는 2차 압축기(12) 또는 1차 압축기(11)의 토출관과 가스안내관(530)으로 연결된다. 그리고 상기 밸브공간부(511)의 내부에는 밸브부재(520)를 탄력 지지하는 탄성부재(521)가 상기 밸브부재(520)의 저면, 즉 가스안내관(530)의 반대쪽에 설치되고, 상기 밸브공간부(511)의 내주면에는 밸브부재(520)의 하강시 그 밸브부재(520)가 오일회수관(510)을 차단할 수 있도록 소정의 높이에 멈춤면(512)이 돌출되거나 단차지게 형성될 수 있다.

상기와 같은 오일회수밸브는 도 22의 (a)와 같이, 냉동사이클의 운전, 즉 압축기의 운전중에는 해당 압축기의 토출관을 통해 고압의 냉매가 가스안내관(530)을 통해 상기 오일회수관(510)의 밸브공간부(511)로 유입되고, 이 고압의 냉매가 밸브부재(520)를 가압하여 그 밸브부재(520)가 하강하면서 오일회수관(510)을 차단하게 된다. 이에 따라 양쪽 압축기 사이에서의 압력누설이 방지되어 2단 압축에 필요한 압력차이를 유지하는 한편 오일은 양쪽 압축기의 쉘 내부에 정체된 상태를 유지하게 된다.

하지만, 냉동사이클이 정지되거나 저용량으로 운전을 하게 되는 경우에는 도 22의 (b)에서와 같이 상기 밸브부재(520)가 탄성부재(521)의 탄성력에 의해 상승하면서 오일회수관(510)을 개방하여 양쪽 압축기 쉘의 오일이 쉘의 내부 압력차에 따라 이동함으로써 압축기 사이의 오일균형을 이룰 수 있게 된다.

한편, 상기 오일회수관은 2차 압축기의 쉘 내부와 1차 압축기의 흡입관을 연결할 수도 있다. 도 23은 본 실시예에 따른 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도이고, 도 24는 도 23에서 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도이다.

도 23에서와 같이, 상기 오일회수관(610)은 2차 압축기(12)의 쉘을 관통하여 1차 압축기(11)의 흡입관 중간에 연결되고, 상기 오일회수관(610)의 중간에는 그 오일회수관(610)을 선택적으로 개폐할 수 있는 오일회수밸브(620)가 설치될 수 있다.

상기 오일회수관(610)의 일단(고단계 압축기측)은 압축기의 쉘 저면에 연결되거나 또는 쉘 저면에 인접하도록 연장 형성될 수 있다.

그리고 상기 오일회수밸브(620)는 사이클 제어부(200)에 전기적으로 연결되는 솔레노이드 밸브로 이루어질 수도 있고, 오일이 2차 압축기(12)에서 1차 압축기(11)의 방향으로만 이동할 수 있도록 하는 체크밸브나 또는 일정 압력에 도달하면 열리는 세이프밸브로 이루어질 수도 있다.

하지만, 도 24에서와 같이, 상기 오일회수관(610)의 중간에는 오일회수밸브를 대신하여 캐필러리(630)가 설치될 수도 있다. 캐필러리(630)의 경우 냉동사이클 장치의 운전시에는 오일회수관(610)을 완전히 차단하지는 못하더라도 2차 압축기(12)로부터 배출되는 오일이 유로저항에 의해 쉽게 1차 압축기(11)로 이동하지 못하도록 유로저항을 높게 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 오일회수관은 2차 압축기의 토출관과 1차 압축기의 쉘 내부를 연결할 수도 있다. 상기와 같은 경우, 상기 오일회수관에는 오일분리기가 더 설치될 수 있다.

도 25는 본 실시예에 따른 오일회수유로에 대한 다른 실시예를 보인 정면도이고, 도 26 및 도 27은 도 25에 따른 오일회수유로에 적용되는 오일분리기를 보인 단면도이다.

도 25에서와 같이, 본 실시예에서는, 상기 1차 압축기(11)의 토출관과 2차 압축기(12)의 흡입관에 오일회수관(710)이 연결되고, 상기 오일회수관(710)의 중간에는 1차 압축기(12)의 토출관을 통해 토출되는 냉매에서 오일을 분리하여 냉매가스(점선 화살표)는 2차 압축기(12)로, 분리된 오일(실선 화살표)은 1차 압축기(11)로 회수하기 위한 오일분리기(720)가 설치된다.

도 26에서와 같이, 상기 오일분리기(720)는 소정의 내부공간을 갖는 분리용기(721)와, 상기 분리용기(721)의 내부에 구비되어 냉매로부터 오일을 분리하는 유분리망(722)과, 상기 유분리망(722)에 의해 분리된 오일이 선택적으로 1차 압축기 방향으로 이동할 수 있도록 오일회수밸브(723)로 이루어질 수 있다.

상기 분리용기(721)는 2차 압축기(12)의 토출관에 연결되는 입구(725)가 유분리망(722)보다 상측에 형성되고, 상기 응축기(13)의 입구에 연결되는 제1 출구(726)가 분리용기(721)의 상반부(예를 들어, 유분리망보다 상측)에 형성되며, 상기 1차 압축기(11)의 쉘 내부에 연통되는 제2 출구(727)가 유분리망(722)보다 하측, 즉 분리용기(721)의 저면에 형성될 수 있다.

상기 유분리망(722)은 분리용기(721)의 내부공간을 상반부와 하반부로 구획하도록 중간높이에 횡방향으로 설치될 수 있다. 이 경우 상기 입구(725)와 제1 출구(726)는 유분리망(722)보다 상측에, 제2 출구(727)는 유분리망(722)보다 하측에 각각 연통되도록 형성될 수 있다. 하지만, 도 27에서와 같이, 상기 유분리망(722)은 분리용기(721)의 입구(725)를 감싸도록 설치할 수도 있다. 이 경우 제1 출구(726)는 대략 분리용기(721)의 상반부에, 제2 출구(727)는 분리용기(721)의 하반부(예를 들어, 저면)에 연통되도록 형성할 수 있다.

상기와 같은 유분리기가 구비되는 경우에는 2차 압축기(12)에서 응축기(13)를 향해 토출되는 냉매가 유분리기(720)의 분리용기(721)로 유입되고, 상기 유분리기(720)의 분리용기(721)에서 냉매가 유분리망(722)을 통과하면서 오일이 분리되며, 분리된 오일은 분리용기(721)의 저면에 고이게 된다. 냉매는 제1 출구(726)를 통해 응축기(13)로 이동을 하는 반면 분리된 오일은 일정량 쌓이면 오일회수밸브(730)의 부레(728)를 들어올려 쐐기 형상의 밸브부재(729)가 열리도록 한다. 그러면 오일이 열린 오일회수관(710)을 통해 1차 압축기의 쉘 내부로 회수된다.

상기와 같이 유분리기가 압축기 사이에 직접 연결되도록 설치됨으로써 분리된 오일이 냉동사이클의 배관에 남지않고 1차 압축기로 전량 회수됨에 따라 오일회수효과가 높고 배관이 단순화될 수 있다.

11,12 : 압축기 13 : 응축기
14,15 : 증발기 16 : 냉매절환밸브
17,18 : 팽창기 19 : 오일회수관
20 : 오일회수밸브 110 : 쉘
111 : 흡입관 112 : 토출관
115 : 오일회수관 116 : 오일회수밸브
130 : 왕복동모터 140 : 실린더
150 : 피스톤 161,162 : 공진스프링
200 : 사이클 제어부 300 : 유면센서
310 : 양극판(고정전극) 320 : 음극판(가동전극)
410,510,610,710 : 오일회수관 420,520,620,: 오일회수밸브
511 : 밸브공간부 512 : 멈춤턱
521 : 탄성부재 530 : 가스안내관
630 : 캐필러리 720 : 오일분리기

Claims (28)

1차 압축기;
상기 1차 압축기의 토출측에 흡입측이 연결되어 상기 1차 압축기에서 1단 압축된 냉매를 2단 압축하는 2차 압축기;
상기 2차 압축기의 토출측에 연결되는 응축기;
상기 응축기의 출구측에 설치되는 냉매절환밸브;
상기 냉매절환밸브의 출구에 연결되어 상기 1차 압축기의 흡입측에 연결되는 제1 증발기;
상기 냉매절환밸브의 다른 출구에 연결되어 상기 1차 압축기의 토출측과 합관되어 상기 2차 압축기의 흡입측에 연결되는 제2 증발기; 및
상기 1차 압축기와 2차 압축기의 운전을 제어하는 동시에 상기 냉매절환밸브의 열림방향을 제어하여, 상기 1차 압축기와 2차 압축기 사이에 구비되어 상대적으로 오일이 많은 쪽의 압축기에서 오일이 적은 쪽의 압축기 방향으로 오일을 이동시키는 사이클 제어부;를 포함하고,
상기 1차 압축기의 쉘 내부에 흡입관이 연결되고, 상기 1차 압축기의 압축부에는 1차 압축기의 토출관이 연결되며,
상기 1차 압축기의 토출관은 상기 2차 압축기의 쉘 내부에 연결되고, 상기 2차 압축기의 압축부는 상기 응축기에 연결되는 2차 압축기의 토출관이 연결되며, 상기 2차 압축기의 쉘 내부가 상기 2차 압축기의 토출관에 연결되고,
상기 사이클 제어부는,
오일회수운전이 필요한지를 판단하는 판단부; 및
상기 판단부에 의해 오일회수운전이 필요하다고 판단되면 냉동사이클의 운전정지(off time)시 일정 시간 동안 상기 냉매절환밸브가 제1 증발기 방향으로 향하는 출구와 제2 증발기 방향으로 향하는 출구를 모두 열어, 냉동사이클 내 압력이 균형을 이루는 동안 오일이 각 압축기의 쉘 밖으로 이동되도록 한 후, 상기 냉매절환밸브의 출구 중에서 상대적으로 오일의 양이 많은 압축기의 쉘 내부와 연결되는 쪽의 출구를 닫고 오일의 양이 적은 압축기의 쉘 내부와 연결되는 쪽의 출구는 연 상태로 적어도 어느 한 쪽 압축기를 운전시켜, 오일의 양이 적은 압축기쪽으로 냉동사이클의 오일이 유입되도록 하는 지령부;를 포함하는 냉동사이클 장치.

삭제

삭제

삭제

제1항에 있어서, 상기 지령부는 상기 냉동사이클 내 압력이 균형을 이루는 동안 상기 2차 압축기의 오일이 냉동사이클로 이동되도록 한 후, 상기 제2 증발기 방향은 닫고 제1 증발기 방향은 연 상태에서 상기 1차 압축기를 운전시켜 오일이 1차 압축기로 회수되도록 지령하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서,
상기 냉매절환밸브는 한 개의 입구와 두 개의 출구를 갖는 3방밸브로 이루어지고,
상기 입구는 응축기의 출구에 연결되는 반면, 두 개의 출구는 각각 제1 증발기 입구와 제2 증발기 입구에 연결되는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서,
상기 냉매절환밸브는 한 개의 입구와 세 개의 출구를 갖는 4방밸브로 이루어지고,
상기 입구는 응축기의 출구에 연결되는 반면, 두 개의 출구는 각각 제1 증발기 입구와 제2 증발기 입구에 연결되며 나머지 한 개의 출구는 상기 제1 증발기의 출구와 1차 압축기의 흡입측 사이에 오일회수관으로 연결되는 냉동사이클 장치.

제7항에 있어서,
상기 냉매절환밸브는 1차 압축기 방향으로 열리도록 제어되어야 하는 경우에는 상기 제1 증발기 방향의 출구는 닫고 상기 오일회수관 방향을 열게 되는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서,
상기 사이클 제어부는 냉동사이클의 운전시간을 검출하는 타이머에 전기적으로 연결되어 그 타이머로부터 상기 냉동사이클의 운전시간을 검출한 검출값을 수신하는 입력부가 더 구비되고,
상기 판단부는 냉동사이클의 운전시간에 따른 오일회수운전 주기를 설정한 설정값과 상기 검출값을 비교하여 오일회수운전의 필요여부를 판단하는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서,
상기 사이클 제어부는 1차 압축기 또는 2차 압축기의 쉘 내부에 저장된 오일의 유면을 검출하는 유면센서에 전기적으로 연결되어 그 유면센서로부터 상기 1차 압축기 또는 2차 압축기의 유면을 검출한 검출값을 수신하는 입력부가 더 구비되고,
상기 판단부는 1차 압축기 또는 2차 압축기의 적정유면을 설정한 설정값과 상기 검출값을 비교하여 오일회수운전의 필요여부를 판단하는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서,
상기 2차 압축기의 쉘 내부에 고인 오일을 상기 2차 압축기에서 제1 압축기로 안내하는 오일유로부를 더 포함하고, 상기 오일유로부는,
상기 2차 압축기의 쉘 내부와 연통되는 오일회수관과,
상기 오일회수관에 설치되어 그 오일회수관을 통과하는 오일의 유량을 조절하는 유량조절부재를 포함하는 냉동사이클 장치.

제11항에 있어서,
상기 오일회수관의 일단은 상기 2차 압축기의 쉘 내부에 연통되는 반면, 상기 오일회수관의 타단은 상기 2차 압축기에서 압축된 냉매를 냉동사이클로 이동시키는 토출관에 연결되는 냉동사이클 장치.

제11항에 있어서,
상기 오일회수관의 일단은 상기 2차 압축기의 쉘 내부에 연통되는 반면, 상기 오일회수관의 타단은 상기 응축기의 입구단 또는 출구단에 연결되는 냉동사이클 장치.

제11항에 있어서,
상기 오일회수관은 2차 압축기의 쉘 내부와 1차 압축기의 쉘 내부가 서로 연통되도록 연결하는 냉동사이클 장치.

제11항에 있어서,
상기 오일회수관은 2차 압축기의 쉘 내부와 1차 압축기의 흡입관이 서로 연통되도록 연결하는 냉동사이클 장치.

제12항 내지 제15항의 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 압축기의 쉘 내부 압력을 높이기 위한 가압부가 더 구비되고, 상기 가압부는 상기 사이클 제어부로 이루어지는 냉동사이클 장치.

제12항 내지 제15항의 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 압축기의 쉘 내부 압력을 높이기 위한 가압부가 더 구비되고, 상기 가압부는 상기 2차 압축기의 쉘 내부에 연결되는 별도의 가압기구로 이루어지는 냉동사이클 장치.

제12항 내지 제15항의 어느 한 항에 있어서,
상기 유량조절부재는 상기 오일회수관을 선택적으로 개폐하는 밸브로 이루어지는 냉동사이클 장치.

제12항 내지 제15항의 어느 한 항에 있어서,
상기 유량조절부재는 상기 오일회수관을 통과하는 오일의 압력을 낮추는 캐필러리로 이루어지는 냉동사이클 장치.

제1항에 있어서, 상기 2차 압축기의 쉘 내부에 고인 오일을 상기 2차 압축기에서 제1 압축기의 쉘 내부로 안내하는 오일유로부를 더 포함하고, 상기 오일유로부는,
상기 2차 압축기의 토출관과 1차 압축기의 쉘 내부 또는 흡입관을 연결하는 오일회수관과,
상기 오일회수관에 설치되어 상기 2차 압축기에서 토출되는 냉매로부터 오일을 분리하여 그 분리된 오일을 상기 1차 압축기로 안내하는 오일분리기로 이루어지는 냉동사이클 장치.

복수 개의 압축기가 직렬로 연결되고, 복수 개의 압축기 중에서 고단계 압축기의 출구측에 응축기가 연결되며, 상기 응축기의 출구측에 냉매의 방향을 절환시키도록 복수 개의 출구를 갖는 냉매절환밸브가 설치되고, 상기 냉매절환밸브의 각 출구에 증발기가 각각 병렬로 연결되며, 상기 복수 개의 증발기가 상기 고단계 압축기와 저단계 압축기의 흡입측에 각각 독립적으로 연결되는 냉동사이클 장치에서,
복수 개의 압축기 중에서 저단계 압축기로 오일을 회수하는 오일회수운전을 실시하여야 하는지를 판단하는 단계; 및
상기 오일회수운전이 필요하다고 판단되면 상기 냉매절환밸브의 열림방향과 상기 압축기들의 운전을 제어하는 오일회수단계;를 포함하고,
상기 오일회수단계에서는,
상기 냉동사이클 장치의 운전정지(off time)시 일정 시간 동안 상기 냉매절환밸브의 저단계 압축기 방향과 고단계 압축기 방향을 모두 열어 냉동사이클 장치 내 압력이 균형을 이루는 동안 어느 한 쪽 압축기의 오일이 냉동사이클로 이동되도록 하고,
상기 냉매절환밸브의 출구 중에서 상대적으로 오일이 많은 쪽의 압축기와 연결되는 출구는 닫고 오일이 적은 쪽의 압축기와 연결되는 출구는 열어 그 오일이 적은 쪽의 압축기로 오일이 이동하도록 하는 냉동사이클 장치의 운전방법.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

제21항에 있어서, 상기 오일회수단계에서는,
일정 시간 동안 상기 냉동사이클 장치의 운전 정지(off time)를 진행한 후, 상기 냉매절환밸브의 고단계 압축기 방향은 닫는 반면 저단계 압축기 방향은 열어 오일이 저단계 압축기로 회수되도록 하는 냉동사이클 장치의 운전방법.

제27항에 있어서,
상기 냉매절환밸브의 저단계 압축기 방향을 연 상태에서 상기 저단계 압축기를 운전시키는 냉동사이클 장치의 운전방법.

Images