KR102038581B1

KR102038581B1 - 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템

Info

Publication number: KR102038581B1
Application number: KR1020190072423A
Authority: KR
Inventors: 이기승; 박종구
Original assignee: 주식회사 엘케이에스; 이기승; 박종구
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2019-12-03

Abstract

본 발명에 따른 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템은, 암모니아 가스를 냉매로 하는 제1냉동 사이클; 이산화탄소를 냉매로 하는 제2냉동 사이클을 포함하며, 쿨링 타워에 의한 수열원에 의해 이산화탄소와 암모니아의 냉각을 수행하며, 이산화탄소 냉매로 냉각되는 유니트 쿨러의 제상을 핫 가스 제상으로 수행하도록 구성되며, 유니트 쿨러의 핫 가스 제상을 수행한 이산화탄소의 재증발을 위한 열교환기로서 제상 프레쉬 탱크를 채용한 점을 특징으로 한다.

Description

친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템{Cascade refrigeration, warm water and hot gas defrost system provided with ecofriendly refrigerant and defrost fresh tank}

본 발명은 친환경 냉매가 적용된 냉동 사이클 시스템에서 핫 가스 제상이 가능하도록 구성된 냉동 사이클 시스템에 관한 것이다.

1970년대 초, 성층권의 염화플루오르화탄소(CFC, 프레온)가 오존 분자들을 파괴할 수 있다는 연구결과가 발표되자 1978년 미국, 노르웨이, 스웨덴, 캐나다에서 CFC 사용이 금지되었다. 1985년 남극 대륙 상공의 오존층에 구멍이 생겼음을 발견하고 국제연합 환경계획이 몬트리올 의정서를 기초하였다.

협약 초기에는 CFC와 할론 물질의 생산과 소비를 1999년까지 1986년 수준의 50%까지 줄이는 것으로 설계되었지만 이후 오존 파괴 물질들의 제조와 사용뿐 아니라 CFC와 할론의 사용을 전폐시키는 것으로 개정되었다.

21세기에 남극의 오존 구멍은 더 커졌고 북극의 오존층도 두께가 얇아졌다. 세계기상기구등은 남극 대륙 상공의 오존층 회복이 2065년까지는 기대하기 어렵다고 한다.

이에 따라 한 화합물질의 오존파괴 정도를 숫자로 표시한 것을 오존파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential)라 한다. 일반적으로 프레온의 ODP가 큰 것으로 파악되어 사용 규제의 대상이 되고 있다.

한편, 지구상의 오존층 보존과 더불어 지구 온난화 문제도 크게 대두 되고 있다. 파리의정서는 교토의정서의 뒤를 잇는 새로운 기후변화체제로서 세계 195개국이 온실가스 감축에 동참하기로 한 최초의 세계적 기후 협약이다.

지구 온난화 지수(GWP, Global Warming Potential)는 이산화탄소 1kg과 비교할 때 특정 기체 1kg이 지구 온난화에 얼마나 영향을 미치는지 측정하는 지수로, 이산화탄소 1을 기준으로 한다.

현재 냉동 시스템에 냉매로 많이 사용하고 있는 HCFC(Hydro Chloro Fluor Carbon), HFC(Hydro Fluor Carbon) 계통의 물질은 ODP는 낮지만 GWP가 지나치게 높아 환경에 악영향을 주는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 캐스케이드 냉동 시스템(다단 냉동 시스템)이 다시 주목받고 있다. 캐스케이드(cascade) 냉동 시스템의 일 예가 대한민국 등록특허 제0680608호에 개시되어 있다.

그런데, 상기 캐스케이스 냉동 시스템이 채용될 경우 항상 저온 환경을 유지하는 유니트 쿨러에는 필수적으로 성에(frost)가 발생한다. 이에 따라 대용량의 농축수산물 저장고나, 대형 화학 공장 등의 저온 저장실에 설치되는 냉동 시스템의 유니트 쿨러는 필수적으로 제상(defrost) 시스템이 구비된다.

통상적으로 냉동 시스템에서 유니트 쿨러의 제상 시스템은, 온수를 유니트 쿨러에 살수하거나, 전열 코일을 가동하여 제상을 구현한다. 그러나 온수 살수 시스템은 온수가 반복적으로 사용되므로 저온 저장고의 오염이 발생하는 문제점이 있다. 한편, 전열 코일을 사용하는 제상 시스템은 화재의 위험이 높은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 암모니아와 이산화탄소를 적용한 캐스케이드 냉동 시스템에서 핫 가스에 의한 제상 시스템을 구현하도록 구성함으로써 친환경 냉동 시스템에서 효율적인 제상이 가능하도록 하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템은, 저온 저압의 암모니아 가스를 흡입하여 고온 고압의 암모니아 가스를 배출하는 제1압축기;

상기 제1압축기로부터 토출된 암모니아 가스의 흐름을 전환하는 제1삼방밸브;

상기 제1삼방밸브로부터 공급된 고온 고압의 암모니아 가스가 물과 열교환하여 온수를 생성하는 제1온수 생성기;

상기 제1삼방밸브로부터 상기 제1온수 생성기를 통과하거나, 상기 제1온수 생성기를 우회하여 유입된 암모니아 가스의 흐름을 전환하는 제2삼방 밸브;

상기 제2삼방밸브로부터 유입된 암모니아 가스와 쿨링 타워에서 공급된 물이 열교환하여 암모니아를 액화시키는 제1응축기;

상기 제1응축기를 통과한 암모니아를 일시적으로 저장하는 리시버 탱크;

상기 리시버 탱크로부터 토출된 액상의 암모니아를 단열팽창시키는 제1팽창밸브;를 구비하여,

상기 제1팽창밸브를 통과한 암모니아와 이산화탄소 간 열교환이 이루어지는 캐스케이드 응축기; 를 포함하여, 상기 캐스케이드 응축기를 통과한 암모니아 가스는 상기 제1압축기로 회수되는 제1냉동 사이클을 포함하며,

저온 저압의 이산화탄소 가스를 흡입하여 고온 고압의 이산화탄소 가스를 배출하는 제2압축기;

상기 제2압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 전환하는 제3삼방밸브;

상기 제3삼방밸브로부터 공급된 고온 고압의 이산화탄소 가스가 물과 열교환하여 온수를 생성하는 제2온수 생성기;

상기 제3삼방밸브로부터 상기 제2온수 생성기를 통과하거나, 상기 제2온수 생성기를 우회하여 유입된 암모니아 가스와 상기 쿨링 타워로부터 공급된 물과 열교환이 이루어지는 애프터 쿨러 열교환기;

상기 애프터 쿨러 열교환기를 통과한 이산화탄소가 유입되는 상기 캐스케이드 응축기;

상기 캐스케이드 응축기를 통과한 이산화탄소를 단열팽창시키는 제2팽창밸브;

상기 제2팽창밸브를 통과한 냉매와 실내 공간의 공기 간 열교환이 이루어지는 유니트 쿨러;를 구비하여,

상기 유니트 쿨러를 통과한 이산화탄소는 상기 제2압축기로 회수되는 제2냉동 사이클을 포함하며,

상기 제2압축기로부터 토출된 이산화탄소가 상기 제3삼방밸브와 연결된 유로를 흐르는 도중에 분기되어 상기 유니트 쿨러로 유입되도록 구성된 제1제상 유로를 구비하며,

상기 제1제상 유로를 통해 상기 유니트 쿨러에서 제상 작용을 수행한 이산화탄소를 단열팽창시키는 제3팽창밸브;

상기 제3팽창밸브를 통과한 이산화탄소가 일시적으로 수용되며 상기 제1냉동사이클에서 공급된 고온 고압의 암모니아와 이산화탄소가 열교환되어 이산화탄소의 과열도를 증가시키는 제상 프레쉬 탱크;를 구비하며,

상기 제상 프레쉬 탱크에서 토출된 이산화탄소 기체는 상기 제2압축기로 회수되며,

상기 제1제상 유로를 통과하여 상기 유니트 쿨러로 공급되는 고온 고압의 이산화탄소의 일부는 상기 유니트 쿨러를 우회하여 상기 제상 프레쉬 탱크에서 상기 제3팽창밸브로부터 유입된 이산화탄소와 비혼합 열교환이 이루어지도록 구성되며,

상기 제상 프레쉬 탱크에 존재하는 액상의 이산화탄소의 수위 레벨을 감지하여, 상기 제1제상 유로로부터 고온 고압의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크의 상부에 유입시켜, 상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 액상의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크로부터 배출시켜 상기 캐스케이드 응축기로부터 상기 제2팽창밸브로 공유입되는 유로에 합류시키도록 구성된 점에 특징이 있다.

상기 제1팽창밸브롤 통과하여 상기 캐스케이드 응축기로 유입되는 암모니아 중 일부가 분기되어 상기 쿨링 타워에서 공급되는 물과 열교환이 이루어지는 제상 열교환기; 및

상기 쿨링 타워에서 냉각된 물과 상기 쿨링 타워를 우회하여 물이 혼합되어 일정한 냉각수 온도를 유지하도록 구성된 히트 뱅크;를 포함하며,

상기 제1응축기, 상기 애프터 쿨러 열교환기 및 상기 제상 열교환기에서 열교환되는 물은 상기 히트 뱅크로부터 공급되도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 액상의 이산화탄소의 수위 레벨을 감지하는 플로우 레벨 스위치;

상기 플로우 레벨 스위치에 의해 상기 제1제상 유로로부터 고온 고압의 이산화탄소 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크의 상부로 유입되는 것을 개폐 제어하는 고압 스위치;

상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 이산화탄소의 온도를 측정하여 상기 제2삼방밸브의 흐름방향을 비례적으로 제어하는 제상 온도 제어기; 및

상기 캐스케이드 응축기의 내부 온도를 측정하여 제2압축기의 작동을 제어하는 캐스케이드 온도 제어기;를 포함한 것이 바람직하다.

상기 캐스케이드 응축기로부터 상기 제2압축기로 연결되어 제상 사이클 작동시 상기 제상 프레쉬 탱크로부터 상기 제2압축기로 유입되는 이산화탄소의 압력을 보상하는 저압 보상 유로가 구비된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템은, 제상 프레쉬 탱크에 의해 유니트 쿨러의 제상시, 이산화탄소의 재증발 열원을 1차 냉매인 암모니아 및 2차 냉매인 이산화탄소의 협동 작용에 의해 충족할 수 있도록 구성함으로써, 제상 과정에서 유니트 쿨러에 의해 냉동되는 실내 공간의 오염이나 화재 가능성을 방지하도록 핫 가스 제상이 이루어지며, ODP와 GWP가 매우 양호한 암모니아와 이산화탄소를 냉매로 구성함으로써 친환경적인 냉동 시스템을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉동 시스템이 냉동 사이클을 형성하는 경우의 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉동 시스템이 제상 사이클을 형성하는 경우의 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 냉동 시스템이 제상 사이클 작동 후 제상 프레쉬 탱크의 잔류 액상 이산화탄소 냉매를 제2압축기로 회수하는 경우 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 냉동 시스템이 냉동 사이클을 형성하는 경우의 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 냉동 시스템이 제상 사이클을 형성하는 경우의 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도면에 도시되었으나 별도의 설명이 없는 각종 밸브는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 자명하게 이해할 수 있는 것이다. 도 4는 도 1에 도시된 냉동 시스템이 제상 사이클 작동 후 제상 프레쉬 탱크의 잔류 액상 이산화탄소 냉매를 제2압축기로 회수하는 경우 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도면에서 영문 대문자 원문자는 냉매 회로상 분기점을 표시한 것이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템(이하 "친환경 냉동 시스템"이라 함)은, 제1냉동 사이클과 제2냉동 사이클을 포함한 캐스케이드 냉동 시스템이다.

상기 제1냉동 사이클에는 암모니아를 냉매로 사용한다. 암모니아는 ODP와 GWP가 0인 물질로서 지구환경보호 측면에서 매우 유용한 냉매 물질이다. 상기 제2냉동 사이클에는 이산화탄소를 냉매로 사용한다. 이산화탄소는 ODP가 0이며, GWP는 1인 물질로서 HCFC나 HFC와 같은 물질에 비하여 매우 친환경적인 냉매라는 장점이 있다.

상기 제1냉동 사이클을 구성하는 구성요소는 제1압축기(20)와, 제1삼방밸브(30)와, 제1온수 생성기(40)와, 제2삼방밸브(50)와, 제1응축기(60)와, 리시버 탱크(70)와, 제1팽창밸브(80)와, 캐스케이드 응축기(100)와, 쿨링 타워(300)와, 히트 뱅크(320)와, 제상 열교환기(110)를 포함한다.

상기 제1압축기(20)는 저온 저압의 암모니아 가스를 흡입하여 고온 고압의 암모니아 가스를 배출하는 장치다. 상기 제1압축기(20)의 토출구 측 유로에는 제1유분리기(22)가 구비되어 상기 제1압축기(20)로부터 토출된 암모니아 가스에 포함된 오일을 상기 제1압축기(20)로 회수한다. 상기 제1유분리기(22)는 2개가 설치될 수 있다. 제1유분리기(22)를 통해 제1압축기(20)로 회수되는 오일을 냉각시키는 오일 쿨러(23)가 더 구비될 수 있다. 상기 제1압축기(20)의 흡입구 측에는 제1액분리기(26)가 설치되어 상기 제1압축기(20)로 유입되는 액상의 냉매를 분리한다.

상기 제1삼방밸브(30)는 상기 제1압축기(20)와 유로로 연결된다. 상기 제1삼방밸브(30)는 상기 제1압축기(20)로부터 토출된 암모니아 가스의 흐름을 전환한다.

상기 제1온수 생성기(40)는 물과 암모니아 간 비혼합 열교환기이다. 상기 제1온수 생성기(40)는 상기 제1삼방밸브(30)로부터 공급된 고온 고압의 암모니아 가스가 물과 열교환 하여 온수를 생성한다. 상기 제1온수 생성기(40)에서 생성되는 온수의 온도는 후술하는 제2온수 생성기(140)에서 생성되는 물의 온도보다는 낮다. 그 이유는 암모니아의 비등점이 이산화탄소에 비하여 높기 때문에 암모니아 가스를 이산화탄소보다 높은 압력으로 압축하기 어렵기 때문이다.

상기 제2삼방밸브(50)는 상기 제1삼방밸브(30)로부터 상기 제1온수 생성기(40)를 통과하거나, 상기 제1온수 생성기(40)를 우회하여 유입된 암모니아 가스의 흐름을 전환하는 장치다. 상기 제1삼방밸브(30)와 상기 제2삼방밸브(50) 사이에는 상기 제1온수 생성기(40)를 우회하는 냉매 유로가 구비된다. 상기 제2삼방밸브(50)는 암모니아 가스를 후술하는 제1응축기(60) 또는 제상 프레쉬 탱크(230)로 비례적으로 토출 한다.

상기 제1응축기(60)는 상기 제2삼방밸브(50)로부터 유입된 암모니아와 쿨링 타워(300)에서 공급된 물을 열교환 시킨다. 상기 제1응축기(60)에서는 암모니아 가스가 물과 열교환 하여 액화된다. 상기 제1응축기(60)로 공급되는 물은 실질적으로 히트 뱅크(320)로부터 공급되는 것이 바람직하다. 상기 히트 뱅크(320)는 쿨링 타워(300)에서 회수된 물과 상기 쿨링 타워(300)를 우회하여 회수된 물이 혼합됨으로써 항상 일정한 온도의 물이 저장되는 저장조이다. 상기 히트 뱅크(320)의 물을 필요한 곳에 공급하기 위한 순환 펌프(330)가 구비된다.

상기 리시버 탱크(70)는 상기 제1응축기(60)를 통과한 암모니아를 일시적으로 저장하는 저장조이다. 상기 리시버 탱크(70)에서는 액상의 암모니아와 기체 상태의 암모니아를 분리하여 액체 상태의 암모니아만 배출되도록 구성된다.

상기 제1팽창밸브(80)는 상기 리시버 탱크(70)로부터 토출된 액상의 암모니아를 단열팽창시켜 습포화 증기를 형성시키는 장치다. 상기 리시버 탱크(70)와 상기 제1팽창밸브(80)를 연결하는 유로에는 제1드라이어(72)와, 제1사이트 글라스(74)가 설치된다. 상기 제1드라이어(72)는 냉매인 암모니아에 포함된 수분을 제거하는 장치다. 상기 제1사이트 글라스(74)는 냉매인 암모니아의 흐름을 외부에서 관찰할 수 있도록 된 장치다.

상기 캐스케이드 응축기(100)는 제1냉동 사이클과 제2냉동 사이클을 공유하는 장치다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 제1냉동 사이클에서는 증발기 역할을 수행한다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 제2냉동 사이클에서는 응축기 역할을 수행한다. 상기 제1팽창밸브(80)를 통과한 암모니아 습포화 증기는 상기 캐스케이드 응축기(100)로 유입된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 상하로 분리된 공간에 다수의 이산화탄소 냉매가 통과하는 배관이 밀폐된 탱크 내부에 설치된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)의 배관 사이를 암모니아 습포화 증기가 통과하면서 이산화탄소와 비혼합 열교환이 일어난다. 상기 캐스케이드 응축기(100)를 통과한 암모니아 가스는 과열도가 조절되어 제1압축기(20)로 회수된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)에서 이산화탄소는 암모니아와 비혼합 열교환에 의해 일부가 액화된다.

상기 리시버 탱크(70)와 상기 제1팽창밸브(80)를 연결하는 유로 상에는 제1전자밸브(76)가 설치된다. 상기 제1전자밸브(76)는 상기 캐스케이드 응축기(100)를 통과하는 암모니아의 유량을 측정하는 제1플로우 레벨 스위치(105)에 의해 상기 캐스케이드 응축기(100) 내부의 압력이 지나치게 높아지지 않도록 상기 제1팽창밸브(80)로 공급되는 암모니아의 유량을 제어한다.

상기 제1팽창밸브(80)를 통과한 암모니아가 상기 캐스케이드 응축기(100)를 우회하도록 구성된 제2제상 유로(350)가 구비된다. 상기 제2제상 유로(350)에는 제상 열교환기(110)가 설치된다. 상기 제상 열교환기(110)는 상기 제1팽창밸브(80)를 통과하여 상기 캐스케이드 응축기(100)로 유입되는 암모니아 중 일부가 분기되어 쿨링 타워(300)에서 공급되는 물과 비혼합 열교환이 이루어지는 장치다. 더 구체적으로 상기 쿨링 타워(300)에서 냉각된 물과 상기 쿨링 타워(300)를 우회하여 물이 혼합되어 일정한 냉각수 온도를 유지하도록 구성된 히트 뱅크(320)가 구비된다. 상기 제2제상 유로(350)로 암모니아가 흐르는 것을 단속하는 밸브가 설치된다. 상기 히트 뱅크(320)에서 상기 제상 열교환기(110)로 물이 공급되는 배관과, 상기 히트 뱅크(320)에서 상기 제상 열교환기(110)를 우회하도록 물이 공급되는 배관이 설치된다.

상기 쿨링 타워(300)는 물과 공기간 열교환에 의해 물의 온도를 낮추는 열교환 장치다. 상기 쿨링 타워(300)로 공급되는 물과 상기 쿨링 타워(300)를 우회하여 상기 히트 뱅크(320)로 물을 선택적으로 흐르도록 제4삼방밸브(340)가 설치된다. 상기 제4삼방밸브(340)는 상기 히트 뱅크(320)에 수용된 물의 온도와 상기 쿨링 타워(300)로 공급되는 물의 온도를 비교하여 쿨링 타워(300)로 공급되는 물의 온도가 더 낮을 경우에는 상기 쿨링 타워(300)를 우회하여 히트 뱅크(320)로 흐르도록 제어할 수 있다. 상기 제1응축기(60), 후술하는 애프터 쿨러 열교환기(160) 및 상기 제상 열교환기(110)에서 열교환되는 물은 상기 히트 뱅크(320)로부터 공급되도록 구성된다. 상기 히트 뱅크(320)에서 토출된 물이 상기 제상 열교환기(110)를 통과하거나, 상기 제상 열교환기(110)를 우회하도록 물의 흐름을 선택적으로 변경하는 제5삼방 밸브(360)가 설치된다.

이제 이산화탄소를 냉매로 하는 제2냉동 사이클의 구성을 설명한다.

상기 제2냉동 사이클을 구성하는 구성요소는 제2압축기(120)와, 제3삼방밸브(130)와, 제2온수 생성기(140)와, 애프터 쿨러 열교환기(160)와, 캐스케이드 응축기(100)와, 제2팽창밸브(170)와, 유니트 쿨러(180)를 포함한다.

상기 제2압축기(120)는 저온 저압의 이산화탄소 가스를 흡입하여 고온 고압의 이산화탄소 가스를 배출한다. 상기 제2압축기(120)의 토출구 측 유로에는 제2유분리기(122)가 구비되어 상기 제1압축기(20)로부터 토출된 이산화탄소 가스에 포함된 오일을 상기 제2압축기(120)로 회수한다. 상기 제2압축기(120)의 흡입구 측에는 제2액분리기(126)가 설치되어 상기 제2압축기(120)로 유입되는 액상의 이산화탄소 냉매를 분리한다.

상기 제3삼방밸브(130)는 상기 제2압축기(120)로부터 토출된 이산화탄소의 흐름을 전환하는 장치다.

상기 제2온수 생성기(140)는 물과 이산화탄소 간 비혼합 열교환이 이루어지는 열교환기다. 상기 제2온수 생성기(140)는 상기 제3삼방밸브(130)로부터 공급된 고온 고압의 이산화탄소 가스가 물과 열교환하여 온수를 생성한다. 상기 제2온수 생성기(140)에서 생성되는 온수의 온도는 상기 제1온수 생성기(40)에서 생성되는 온수보다 높은 온도가 된다. 상기 제3삼방밸브(130)로부터 상기 제2온수 생성기(140)를 우회하여 애프터 쿨러 열교환기(160)로 연결되는 유로가 구비된다.

상기 애프터 쿨러 열교환기(160)는 이산화탄소 가스와 물과의 비혼합 열교환이 일어나는 열교환기다. 상기 애프터 쿨러 열교환기(160)에서는 상기 제3삼방밸브(130)로부터 상기 제2온수 생성기(140)를 통과하거나, 상기 제2온수 생성기(140)를 우회하여 유입된 이산화탄소 가스와 상기 쿨링 타워(300)로부터 공급된 물과 열교환이 이루어진다. 더 구체적으로는 상기 애프터 쿨러 열교환기(160)로 유입되는 물은 상기 히트 뱅크(320)에서 공급된다.

상기 애프터 쿨러 열교환기(160)에서 물과 열교환에 의해 냉각된 이산화탄소 냉매는 액상과 기상이 혼합된 상태로 상기 캐스케이드 응축기(100)로 유입된다.

상기 캐스케이드 응축기(100)는 앞서 상술한 제1냉동 사이클 구성요소에서 설명한 바 있다. 상기 캐스케이드 응축기(100)에 상기 애프터 쿨러 열교환기(160)를 통과한 이산화탄소가 유입된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 제2냉동 사이클 구성요소에서 응축기 역할을 수행한다. 이에 따라 상기 캐스케이드 응축기(100)를 통과하는 이산화탄소 가스는 습포화 암모니아 가스와 열교환 되어 부분적으로 액화된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)에는 다수의 이산화탄소 냉매가 통과하는 배관이 구비되며, 하측에 배치된 배관에는 액상의 이산화탄소가 형성된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 제2냉동 사이클 구성요소에서 응축기와 리시버 탱크 역할을 동시에 수행한다.

상기 제2팽창밸브(170)는 상기 캐스케이드 응축기(100)를 통과한 액상의 이산화탄소를 단열팽창시키는 장치다. 상기 제2팽창밸브(170)는 상기 유니트 쿨러(180)에서 상기 제2압축기(120)로 토출되는 냉매의 온도 및 압력에 기초하여 비례적으로 개폐량이 제어될 수 있다. 상기 캐스케이드 응축기(100)와 상기 제2팽창밸브(170)를 연결하는 유로상에는 제2드라이어(162)와, 제2사이트 글라스(164)가 설치된다. 상기 제2드라이어(162)와 상기 제2사이트 글라스(164)는 제1냉동 사이클 구성요소를 설명하면서 서술한 바 있는 제1드라이어(72)와 제1사이트 글라스(74)와 대동소이한 구성이므로 상세한 서술은 생략한다. 상기 캐스케이드 응축기(100)의 내부 온도를 측정하여, 상기 제2압축기(120)의 가동 시점을 제어하는 것이 바람직하다. 상기 캐스케이드 응축기(100)의 내부 온도를 측정하여 제2압축기(120)의 가동을 제어하도록 캐스케이드 온도 제어기(106)가 설치된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)로부터 상기 제2팽창밸브(170)로의 이산화탄소의 흐름을 개폐하는 제2전자밸브(166)가 구비된다.

상기 유니트 쿨러(180)는 상기 제2팽창밸브(170)를 통과한 냉매와 실내 공간의 공기 간 열교환이 이루어지는 열교환기다. 상기 유니트 쿨러(180)에서 이산화탄소와 실내 공기가 열교환되어 실내 공간의 온도가 냉각된다. 이에 따라 상기 유니트 쿨러(180)가 설치된 실내 공간에 대량의 농축수산물이나 화학약품 등이 냉동 저장된다.

상기 유니트 쿨러(180)에서 열교환되어 과열도가 조절된 이산화탄소는 상기 제2압축기(120)로 회수된다. 이와 같은 구성을 통해 제2냉동 사이클이 구성된다.

이제 상술한 바와 같은 제1냉동 사이클 및 제2냉동 사이클 구성요소를 포함한 캐스케이드 냉동 시스템에서 상기 유니트 쿨러(180)에 발생하는 성에를 제거하는 제상 시스템을 구성하는 구성요소에 대해 설명한다.

상기 유니트 쿨러(180)의 제상을 위해 제1제상 유로(200)와, 제3팽창밸브(220)와, 제상 프레쉬 탱크(230)가 구비된다.

상기 제1제상 유로(200)는 상기 제2압축기(120)로부터 토출된 고온 고압의 이산화탄소가 상기 제3삼방밸브(130)와 연결된 유로를 흐르는 도중에 분기되어 상기 유니트 쿨러(180)로 유입되도록 구성된 냉매 유로이다. 상기 제1제상 유로(200)에는 냉매 흐름을 개폐하는 제3전자밸브(208)가 설치된다.

상기 제3팽창밸브(220)는 상기 제1제상 유로(200)를 통해 상기 유니트 쿨러(180)에 유입된 고온 고압의 이산화탄소 가스가 제상 작용을 수행한 후 액화된 상태로 유입되어 단열팽창하여 습포화 증기로 변환되는 장치다. 제상 과정에서 상기 유니트 쿨러(180)와 상기 제3팽창밸브(220)간 이산화탄소의 흐름을 개폐하는 제4전자밸브(210)가 구비된다.

상기 제상 프레쉬 탱크(230)는 상기 제3팽창밸브(220)를 통과한 습포화 이산화탄소가 유입되어 일시적으로 수용되며 동시에 열교환 되는 탱크다. 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 이산화탄소는 상기 제1냉동사이클에서 공급된 고온 고압의 암모니아와 열교환 되어 과열도가 증가한다. 또한, 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 이산화탄소는 상기 제1제상 유로(200)에서 분기되어 공급된 고온 고압의 이산화탄소와 비혼합 열교환되어 과열도가 조절된다. 상기 제1제상 유로(200)에서 상기 제상 프레쉬 탱크(230)를 통과하면서 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 이산화탄소와 비혼합 열교환을 수행하도록 고온 고압의 이산화탄소의 흐름을 개폐하는 제5전자밸브(236)가 구비된다. 즉, 상기 제1제상 유로를 통과하여 상기 유니트 쿨러(180)로 공급되는 고온 고압의 이산화탄소의 일부는 상기 유니트 쿨러(180)를 우회하여 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 상기 제3팽창밸브(220)로부터 유입된 이산화탄소와 비혼합 열교환이 이루어지도록 구성된다.

또한, 상기 제1제상 유로(200)에서 분기된 고온 고압의 이산화탄소 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로 직접 투입되어 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 생성된 액상의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로부터 부터 배출시키는 압력을 형성하는 고압 유로(202)가 구비된다. 상기 고압 유로(202) 상에는 냉매의 흐름을 개폐하는 제6전자밸브(238)가 구비된다. 상기 제5전자밸브(236)를 통해 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 열교환된 이산화탄소는 상기 유니트 쿨러(180)의 제상을 위한 제1제상 유로(200)의 말단부에 합류하도록 구성된다. 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 과열도가 조절된 이산화탄소는 상기 제2압축기(120)로 회수된다. 이 과정에서 상기 제2압축기(120)로 회수되는 이산화탄소의 압력이 지나치게 낮을 때에, 상기 캐스케이드 응축기(100)에 존재하는 기체 상태의 이산화탄소가 합류하여 저압 보상이 이루어지도록 저압 보상 유로(204)가 구비된다. 상기 저압 보상 유로(204)는 상기 캐스케이드 응축기(100)로부터 상기 제2압축기(120)로 연결되어 제상 사이클 작동시 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로부터 상기 제2압축기(120)로 유입되는 이산화탄소의 압력을 보상하는 역할을 수행한다.

제상 사이클 작동시 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로부터 토출된 일부의 액상 이산화탄소 냉매는 제7전자밸브(239)를 통과하여 제4팽창밸브(240)에서 단열팽창하여, 상기 제1제상 유로(200)로부터 상기 제6전자밸브(238)를 통해 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 유입된 후 가스 상태로 토출되어 상기 제2압축기(120)로 회수되는, 냉매 유로에 합류한다. 상기 제4팽창밸브(240)를 통과하는 냉매의 양은 상기 제2압축기(120)로 회수되는 냉매의 온도에 기초하여 비례적으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로부터 상기 제2압축기(120)로 회수되는 냉매의 온도가 지나치게 높을 경우 상기 제4팽창밸브(240)를 통해 공급된 이산화탄소와 혼합되게 함으로써 과열도를 조절할 수 있다.

제상 사이클이 종료된 후에, 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 존재하는 액상의 이산화탄소의 수위 레벨을 감지하여, 상기 제1제상 유로(200)로부터 고온 고압의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크(230)의 상부에 유입시켜, 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 액상의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로부터 배출시켜 상기 캐스케이드 응축기(100)로부터 상기 제2팽창밸브(170)로 유입되는 유로에 합류시키도록 잔류냉매 회수유로(206)가 구성된다. 상기 잔류냉매 회수유로(206)에는 체크밸브와 제8전자밸브(260)가 설치된다. 상기 제8전자밸브(260)의 개폐는 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 액상의 이산화탄소 수위 레벨을 감지하여 작동하는 제상 플로우 레벨 스위치(232)에 의해 제어된다.

상기 제상 플로우 레벨 스위치(232)는 상기 제1제상 유로(200)로부터 고온 고압의 이산화탄소 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크(230)의 상부로 직접 유입되는 것을 개폐 제어하는 고압 스위치(235)에 연동 된다. 즉, 상기 제상 플로우 레벨 스위치(232)는 특정 조건을 만족할 때 상기 고압 스위치(235)를 작동시킨다. 상기 제상 플로우 레벨 스위치(232)는 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 액체 상태의 이산화탄소 냉매의 수위가 미리 정해진 수위보다 높은 경우 작동하도록 구성된다.

상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 이산화탄소의 온도를 측정하여 상기 제2삼방밸브(50)의 흐름 방향을 비례적으로 제어하는 제상 온도 제어기(250)가 구비된다. 상기 제상 온도 제어기(250)는 제상 사이클이 작동하는 과정에서 상기 제2삼방밸브(50)로부터 고온 고압의 암모니아 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크(230)를 통과하도록 냉매의 흐름을 개폐한다.

상기 캐스케이드 응축기(100)의 내부 온도를 측정하여 제2압축기(120)의 작동을 제어하는 캐스케이드 온도 제어기(106)가 구비된다. 상기 캐스케이드 온도 제어기(106)는 제1냉동 사이클이 선 구동되는 과정에서 최적의 시점에 제2냉동 사이클이 구동되도록 상기 제2압축기(120)의 작동 시점을 제어한다.

상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 친환경 냉동 시스템에서 온수 생성 및 냉동 사이클이 작동하는 과정을 냉매의 흐름을 따라 설명하고, 이어서 제상 사이클이 작동하는 과정을 냉매의 흐름을 따라 설명하기로 한다.

도 2를 참조하여 온수 생성 및 냉동 사이클을 설명한다.

먼저, 제1냉동 사이클이 작동한다. 즉, 1차 냉매인 암모니아 가스가 고온 고압 상태로 상기 제1압축기(20)에서 토출된다. 상기 제1압축기(20)에서 토출된 고압 고압의 암모니아 가스는 제1삼방밸브(30)를 b --> c 방향으로 통과하여 제1온수 생성기(40)로 유입된다. 제1온수 생성기(40)에서 암모니아 가스는 물과 열교환되어 온수를 생성한다. 상기 제1온수 생성기(40)를 통과한 암모니아 가스는 온도가 조금 낮아진 상태로 분기점 M에 유입한다. 이 과정에서 제1온수 생성기(40)에서 온수를 생성을 완료한 경우에는 상기 제1삼방밸브(30)에서 암모니아 가스가 b --> a 방향으로 전환하여 분기점 M에 유입하므로 온수생성 설정온도에 따라 제1삼방밸브(30)의 방향을 전환할 수 있다. 분기점 M에 유입한 암모니아 가스는 제2삼방밸브(50)를 a --> b 방향으로 통과하여 분기점 N을 지나 제1응축기(60)에 도달한다. 상기 제1응축기(60)에서는 히트 뱅크(320)로부터 공급된 물과 암모니아 가스가 열교환하여 암모니아의 온도가 임계온도 이하로 낮아져 액체로 상변화된다. 상기 히트 뱅크(320)로부터 순환 펌프(330)를 통과하여 제5삼방밸브(360)에서 a --> b 방향으로 통과하여 분기점 ㉰를 거쳐 분기점 ㉯를 통과하여 제1응축기(60)로 공급된다. 상기 제1응축기(60)를 통과한 물은 분기점 ㉮에서 애프터 쿨링 열교환기(160)에서 열교환된 물과 합류하여 제4삼방밸브(340)를 통과하여 히트 뱅크(320)로 회수된다.

상기 제4삼방밸브(340)로 유입되는 물의 온도가 히트 뱅크(320)에 수용된 물의 온도보다 높을 때에는 a --> b 방향으로 통과하며, 유입되는 물의 온도가 히트 뱅크(320)에 수용된 물의 온도보다 낮을 때에는 a --> c 방향으로 통과한다.

상기 제1응축기(60)를 통과한 액체 상태의 암모니아는 리시버 탱크(70)에 수용된다. 상기 리시버 탱크(70)에는 액상의 냉매와 기체 상태의 냉매가 공존하며, 액체 상태의 냉매는 상기 리시버 탱크(70)로부터 배출되어 제1드라이어(72)와, 제1사이트 글라스(74)를 지나 제1팽창밸브(80)에서 단열팽창한다. 상기 제1팽창밸브(80)를 통과한 암모니아 냉매는 습포화 증기가 되어 분기점 Q 및 분기점 P를 순차적으로 통과하여 캐스케이드 응축기(100)로 유입된다. 상기 캐스케이드 응축기(100)에서 암모니아 가스는 이산화탄소와 비혼합 열교환하여 과열도가 증가한 상태로 분기점 O로 이동한다. 상기 캐스케이드 응축기(100)는 제1냉동 사이클에서 증발기 역할을 수행한다. 이 과정에서 상기 캐스케이드 응축기(100)의 내부 온도가 캐스케이드 온도 제어기(106)에 설정된 온도에 도달하면 제2냉동 사이클이 가동된다. 즉, 제2압축기(120)가 작동한다.

분기점 O를 통과한 암모니아 가스는 제1파일럿 밸브(102)를 통과한 후, 분기점 R을 통과하여, 제1액분리기(26)를 거쳐 제1압축기(20)로 회수됨으로써 제1냉동 사이클이 완성된다.

한편, 상기 캐스케이드 온도 제어기(106)에 의해 제2압축기(120)가 작동함으로써 제2냉동 사이클이 작동한다. 제2압축기(120)는 고온 고압의 이산화탄소 가스를 토출한다. 상기 제1압축기(20)에서 토출된 이산화탄소 가스는 분기점 K를 지나 제3삼방밸브(130)에 도달한다. 상기 제3삼방밸브(130)에서 이산화탄소 냉매는 b --> c 방향으로 통과하여 제2온수 생성기로 유입된다. 상기 제2온수 생성기에서는 물과 이산화탄소 간 비혼합 열교환을 하여 온수를 생성한다. 상기 제2온수 생성기(140)를 통과한 이산화탄소 냉매는 분기점 L를 통과한다. 이 과정에서 제2온수 생성기(140)에서 온수 생성이 완료된 경우에 제3삼방밸브(130)에서 이산화탄소 냉매는 b --> a 방향으로 통과하여 분기점 L에 도달한다. 분기점 L을 통과한 이산화탄소 냉매는 애프터 쿨러 열교환기(160)로 유입된다. 상기 애프터 쿨러 열교환기(160)에서 이산화탄소는 히트 뱅크(320)로부터 공급된 물과 열교환하여 온도가 낮아진 상태로 캐스케이드 응축기(100)로 유입된다. 상기 히트 뱅크(320)로부터 순환 펌프(330)를 통과하여 제5삼방밸브(360)에서 a --> b 방향으로 통과하여 분기점 ㉰를 거쳐 분기점 ㉯를 통과하여 애프터 쿨러 열교환기(160)로 공급된다.

상기 애프터 쿨러 열교환기(160)을 통과한 물은 분기점 ㉮에서 제1응축기(60)에서 열교환된 물과 합류하여 제4삼방밸브(340)를 통과하여 히트 뱅크(320)로 회수된다. 상기 제4삼방밸브(340)로 유입되는 물의 온도가 히트 뱅크(320)에 수용된 물의 온도보다 높을 때에는 a --> b 방향으로 통과하며, 유입되는 물의 온도가 히트 뱅크(320)에 수용된 물의 온도보다 낮을 때에는 a --> c 방향으로 통과한다.

상기 캐스케이드 응축기(100)에서 이산화탄소와 암모니아가 비혼합 열교환을 한다. 이산화탄소는 온도가 낮아지고 암모니아는 온도가 상승한다. 이에 따라 이산화탄소는 상기 캐스케이드 응축기(100)에서 일부 액체 상태로 상변화한다. 상기 캐스케이드 응축기(100)에 토출된 액상의 이산화탄소 냉매는 제2드라이어(162)와, 제2사이트 글라스(164)를 통과하고 제2전자밸브(166)를 통과하여 분기점 J에 유입된다. 분기점 J를 통과한 이산화탄소 냉매는 제2팽창밸브(170)에서 단열팽창되어 습포화 증기가 된다. 상기 제2팽창밸브(170)를 통과한 이산화탄소 냉매는 분기점 H를 지나 유니트 쿨러(180)에 유입된다. 상기 유니트 쿨러(180)에서 이산화탄소 냉매는 실내 공기와 열교환을 함으로써 과열도가 증가하여 분기점 F로 토출 된다. 분기점 F를 통과한 이산화탄소 냉매는 과열도가 조절된 상태로 분기점 C를 지나 제2압축기(120)로 회수된다. 이와 같은 과정에 의해 제2냉동 사이클이 완성된다.

이제, 유니트 쿨러(180)에 성에가 발생한 경우, 도 3을 참조하여 제상 사이클이 작동하는 과정을 설명한다.

상기 제2압축기(120)에서 고온 고압으로 토출된 이산화탄소 냉매 가스가 분기점 K를 통과하여 제1제상 유로(200)를 따라 이동하여 분기점 T를 지나 분기점 F를 통해 유니트 쿨러(180)에 유입된다. 상기 유니트 쿨러(180)에 유입된 고온 고압의 이산화탄소 냉매 가스는 성에와 열교환에 의해 성에를 녹여서 제거한다. 이와 같은 제상 과정에서 종래의 온수 분사나, 열선 제상에서 발생하는 문제점이 완전하게 해소되는 장점이 있다. 상기 유니트 쿨러(180)에서 제상을 수행한 이산화탄소 냉매는 액화된 상태로 분기점 H를 통과하여 제3팽창밸브(220)에 유입된다. 상기 제3팽창밸브(220)에서 이산화탄소 냉매는 단열팽창하여 습포화 증기가 된다. 상기 제3팽창밸브(220)에서 상변화된 이산화탄소 냉매는 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된다. 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 이산화탄소 냉매는 캐스케이드 온도 제어기(106)에 설정된 온도보다 상기 제상 프레쉬 탱크(230) 내부의 온도가 낮은 경우 상기 제2삼방밸브(50)를 비례적으로 개방하여 고온 고압의 암모니아 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크(230)를 통과함으로써 제3팽창밸브(220)로부터 유입된 이산화탄소와 열교환을 하여 상기 제상 프레쉬 탱크(230) 내부에 수용된 이산화탄소의 과열도를 증가시킨다. 이와 동시에 상기 제1제상 유로(200)의 분기점 T에서 분기된 고온 고압의 이산화탄소 가스도 제5전자밸브(236)를 통과하여 상기 제상 프레쉬 탱크(230)를 통과한다. 상기 제1제상 유로(200)에서 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로 유입된 고온 고압의 이산화탄소 가스는 상기 제3팽창밸브(220)에서 유입된 습포화 이산화탄소의 과열도를 증가시킨다. 이와 같이 제상 사이클이 가동되는 과정에서 상기 제상 프레쉬 탱크(230)는 제상을 수행한 이산화탄소 냉매의 과열도를 증가시키는 증발기 역할을 수행한다. 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 과열도가 증가한 이산화탄소 냉매는 상기 제상 프레쉬 탱크(230)의 상부에서 토출되어 분기점 G에 도달한다. 또한, 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 수용된 액체 상태의 이산화탄소는 분기점 I를 지나 제4팽창밸브(240)에서 단열팽창함으로써 습포화 증기로 상변화되어 분기점 G에서 합류한다. 분기점 G를 통과한 이산화탄소는 과열도가 조절되어 분기점 C를 지나 제2압축기(120)로 회수된다.

한편, 제1냉동 사이클을 구성하는 암모니아 가스 냉매는 제1압축기(20)로부터 토출되어 제1삼방밸브(30)를 b --> a 방향으로 통과한다. 상기 제1삼방밸브(30)를 통과한 암모니아 가스 냉매는 분기점 M을 지나 제2삼방밸브(50)를 a --> c 방향으로 통과하여 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 제상 작용을 수행한 이산화탄소 냉매와 열교환한 후 분기점 N에 도달한다. 분기점 N을 통과한 암모니아는 제1응축기(60)에서 액화되어 리시버 탱크(70)로 수용된다. 상기 리시버 탱크(70)에서 토출된 액상의 암모니아는 제1드라이어(72)와 제1사이트 글라스(74)를 지나 제1팽창밸브(80)로 유입된다. 상기 제1팽창밸브(80)에서 단열팽창한 암모니아는 습포화 증기가되어 분기점 Q로 유입된다. 분기점 Q를 통과한 암모니아는 제상 열교환기(110)로 유입된다. 상기 제상 열교환기(110)에서는 히트 뱅크(320)로부터 공급된 물과 암모니아가 비혼합 열교환을 하여 암모니아의 과열도가 증가한다. 상기 제상 열교환기(110)는 제상 사이클 구성시 암모니아 냉매의 증발기 역할을 수행한다. 상기 제상 열교환기(110)를 통과한 암모니아는 제2파일럿 밸브(104)를 통과하여 분기점 R을 지나 제1압축기(20)로 회수된다. 이 과정에서 냉각수(물)는 상기 히트 뱅크(320)로부터 순환 펌프(330)를 통과하여 제5삼방밸브(360)에서 a --> c 방향으로 통과하여 제상 열교환기(110)에서 암모니아와 열교환 된 후 분기점 ㉰를 거쳐 분기점 ㉯를 통과하여 제1응축기(60) 및 애프터 쿨러 열교환기(160)로 공급된다. 상기 제1응축기(60)를 통과한 물과 상기 애프터 쿨링 열교환기(160)를 통과한 물은 분기점 ㉮에서 합류하여 제4삼방밸브(340)를 통과하여 히트 뱅크(320)로 회수된다.

한편, 제상 사이클에서 제2압축기(120)로부터 토출된 고온 고압의 이산화탄소 냉매는 대부분 분기점 K를 지나 제1제상 유로(200)를 통과하지만, 일부의 이산화탄소는 분기점 K를 지나 제3삼방밸브(130)를 b --> a 방향으로 통과하여 분기점 L을 지나 애프터 쿨러 열교환기(160)로 유입한다. 애프터 쿨러 열교환기(160)에서 이산화탄소는 히트 뱅크(320)에서 공급된 물과 열교환을 수행하여 액화된 후 캐스케이드 응축기(100)로 유입한다. 상기 캐스케이드 응축기(100)로 유입된 이산화탄소 냉매 중 가스 상태의 이산화탄소는 저압 보상 유로(204)를 통해 제2압축기(120)로 회수되도록 함으로써 제상 사이클 과정에서 상기 제상 프레쉬 탱크(230) 내부에 잔존하는 액상의 이산화탄소 냉매에 의한 제2압축기(120)로 회수되는 냉매의 압력저하를 보상할 수 있다.

도 4를 참조하여, 제상 사이클이 종료되고 정상적인 냉동 사이클이 작동하기 전에 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 잔존하는 액상의 이산화탄소를 신속하게 제2압축기(120)로 회수하는 과정을 설명한다.

상기 유니트 쿨러(180)의 제상이 종료된 직후, 정상적인 냉동 사이클이 가동되기 시작하면, 상기 제2압축기(120)로부터 토출된 고온 고압의 이산화탄소 가스 중 일부가 분기점 K에서 제1제상 유로(200)로 유입된다. 분기점 T를 지나 분기점 O를 통과하여 제6전자밸브(238)를 통해 상기 제상 프레쉬 탱크(230)로 고압의 이산화탄소가 유입된다. 고압의 이산화탄소는 신속하게 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 잔존하는 액상의 이산화탄소 냉매를 배출시킨다. 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에서 배출된 액상의 이산화탄소 냉매는 제8전자밸브(260)를 통과하여 분기점 J을 통과하여 제2팽창밸브(170)에서 단열팽창한 후 분기점 H를 통과하고, 유니트 쿨러(180)에서 과열도가 조절되어 분기점 F, 분기점 C를 순차적으로 통과한 후 제2압축기(120)로 회수된다. 이와 같은 과정을 통해 상기 제상 프레쉬 탱크(230)에 잔존하는 액상의 이산화탄소 냉매를 제2압축기(120)로 회수함으로써 제2냉동 사이클 작동시 이산화탄소 냉매가 부족하지 않도록 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템은, 제상 프레쉬 탱크에 의해 유니트 쿨러의 제상시, 이산화탄소의 재증발 열원을 1차 냉매인 암모니아 및 2차 냉매인 이산화탄소의 협동 작용에 의해 충족할 수 있도록 구성함으로써, 제상 과정에서 유니트 쿨러에 의해 냉동되는 실내 공간의 오염이나 화재 가능성을 방지하도록 핫 가스 제상이 이루어지며, ODP와 GWP가 매우 양호한 암모니아와 이산화탄소를 냉매로 구성함으로써 친환경적인 냉동 시스템을 제공하는 효과가 있다.

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.

20: 제1압축기
22: 제1유분리기
23: 오일 쿨러
26: 제1액분리기
30: 제1삼방밸브
40: 제1온수 생성기
50: 제2삼방밸브
60: 제1응축기
70: 리시버 탱크
72: 제1드라이어
74: 제1사이트 글라스
76: 제1전자밸브
80: 제1팽창밸브
100: 캐스케이드 응축기
102: 제1파일럿 밸브
104: 제2파일럿 밸브
105: 제1플로우 레벨 스위치
106: 캐스케이드 온도 제어기
110: 제상 열교환기
120: 제2압축기
122: 제2유분리기
126: 제2액분리기
130: 제3삼방밸브
140: 제2온수 생성기
160: 애프터 쿨러 열교환기
162: 제2드라이어
164: 제2사이트 글라스
166: 제2전자밸브
170: 제2팽창밸브
180: 유니트 쿨러
200: 제1제상 유로
202: 고압 유로
204: 저압 보상 유로
206: 잔류냉매 회수유로
208: 제3전자밸브
210: 제4전자밸브
220: 제3팽창밸브
230: 제상 프레쉬 탱크
232: 제상 플로우 레벨 스위치
235: 고압 스위치
236: 제5전자밸브
238: 제6전자밸브
239: 제7전자밸브
240: 제4팽창밸브
250: 제상 온도 제어기
260: 제8전자밸브
300: 쿨링 타워
320: 히트 뱅크
330: 순환 펌프
340: 제4삼방밸브
350: 제2제상 유로
360: 제5삼방밸브

Claims

저온 저압의 암모니아 가스를 흡입하여 고온 고압의 암모니아 가스를 배출하는 제1압축기;
상기 제1압축기로부터 토출된 암모니아 가스의 흐름을 전환하는 제1삼방밸브;
상기 제1삼방밸브로부터 공급된 고온 고압의 암모니아 가스가 물과 열교환하여 온수를 생성하는 제1온수 생성기;
상기 제1삼방밸브로부터 상기 제1온수 생성기를 통과하거나, 상기 제1온수 생성기를 우회하여 유입된 암모니아 가스의 흐름을 전환하는 제2삼방 밸브;
상기 제2삼방밸브로부터 유입된 암모니아 가스와 쿨링 타워에서 공급된 물이 열교환하여 암모니아를 액화시키는 제1응축기;
상기 제1응축기를 통과한 암모니아를 일시적으로 저장하는 리시버 탱크;
상기 리시버 탱크로부터 토출된 액상의 암모니아를 단열팽창시키는 제1팽창밸브;를 구비하여,
상기 제1팽창밸브를 통과한 암모니아와 이산화탄소 간 열교환이 이루어지는 캐스케이드 응축기; 를 포함하여, 상기 캐스케이드 응축기를 통과한 암모니아 가스는 상기 제1압축기로 회수되는 제1냉동 사이클을 포함하며,
저온 저압의 이산화탄소 가스를 흡입하여 고온 고압의 이산화탄소 가스를 배출하는 제2압축기;
상기 제2압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 전환하는 제3삼방밸브;
상기 제3삼방밸브로부터 공급된 고온 고압의 이산화탄소 가스가 물과 열교환하여 온수를 생성하는 제2온수 생성기;
상기 제3삼방밸브로부터 상기 제2온수 생성기를 통과하거나, 상기 제2온수 생성기를 우회하여 유입된 암모니아 가스와 상기 쿨링 타워로부터 공급된 물과 열교환이 이루어지는 애프터 쿨러 열교환기;
상기 애프터 쿨러 열교환기를 통과한 이산화탄소가 유입되는 상기 캐스케이드 응축기;
상기 캐스케이드 응축기를 통과한 이산화탄소를 단열팽창시키는 제2팽창밸브;
상기 제2팽창밸브를 통과한 냉매와 실내 공간의 공기 간 열교환이 이루어지는 유니트 쿨러;를 구비하여,
상기 유니트 쿨러를 통과한 이산화탄소는 상기 제2압축기로 회수되는 제2냉동 사이클을 포함하며,
상기 제2압축기로부터 토출된 이산화탄소가 상기 제3삼방밸브와 연결된 유로를 흐르는 도중에 분기되어 상기 유니트 쿨러로 유입되도록 구성된 제1제상 유로를 구비하며,
상기 제1제상 유로를 통해 상기 유니트 쿨러에서 제상 작용을 수행한 이산화탄소를 단열팽창시키는 제3팽창밸브;
상기 제3팽창밸브를 통과한 이산화탄소가 일시적으로 수용되며 상기 제1냉동사이클에서 공급된 고온 고압의 암모니아와 이산화탄소가 열교환되어 이산화탄소의 과열도를 증가시키는 제상 프레쉬 탱크;를 구비하며,
상기 제상 프레쉬 탱크에서 토출된 이산화탄소 기체는 상기 제2압축기로 회수되며,
상기 제1제상 유로를 통과하여 상기 유니트 쿨러로 공급되는 고온 고압의 이산화탄소의 일부는 상기 유니트 쿨러를 우회하여 상기 제상 프레쉬 탱크에서 상기 제3팽창밸브로부터 유입된 이산화탄소와 비혼합 열교환이 이루어지도록 구성되며,
상기 제상 프레쉬 탱크에 존재하는 액상의 이산화탄소의 수위 레벨을 감지하여, 상기 제1제상 유로로부터 고온 고압의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크의 상부에 유입시켜, 상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 액상의 이산화탄소를 상기 제상 프레쉬 탱크로부터 배출시켜 상기 캐스케이드 응축기로부터 상기 제2팽창밸브로 공유입되는 유로에 합류시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1팽창밸브를 통과하여 상기 캐스케이드 응축기로 유입되는 암모니아 중 일부가 분기되어 상기 쿨링 타워에서 공급되는 물과 열교환이 이루어지는 제상 열교환기; 및
상기 쿨링 타워에서 냉각된 물과 상기 쿨링 타워를 우회하여 물이 혼합되어 일정한 냉각수 온도를 유지하도록 구성된 히트 뱅크;를 포함하며,
상기 제1응축기, 상기 애프터 쿨러 열교환기 및 상기 제상 열교환기에서 열교환되는 물은 상기 히트 뱅크로부터 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 액상의 이산화탄소의 수위 레벨을 감지하는 플로우 레벨 스위치;
상기 플로우 레벨 스위치에 의해 상기 제1제상 유로로부터 고온 고압의 이산화탄소 가스가 상기 제상 프레쉬 탱크의 상부로 유입되는 것을 개폐 제어하는 고압 스위치;
상기 제상 프레쉬 탱크에 수용된 이산화탄소의 온도를 측정하여 상기 제2삼방밸브의 흐름방향을 비례적으로 제어하는 제상 온도 제어기; 및
상기 캐스케이드 응축기의 내부 온도를 측정하여 제2압축기의 작동을 제어하는 캐스케이드 온도 제어기;를 포함한 것을 특징으로 하는 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 캐스케이드 응축기로부터 상기 제2압축기로 연결되어 제상 사이클 작동시 상기 제상 프레쉬 탱크로부터 상기 제2압축기로 유입되는 이산화탄소의 압력을 보상하는 저압 보상 유로가 구비된 것을 특징으로 하는 친환경 냉매가 적용되며 제상 프레쉬 탱크가 구비된 캐스케이드 냉동, 온수생성 및 핫가스 제상 시스템.