KR102077459B1

KR102077459B1 - 냉직수기 및 냉직수기 제어방법

Info

Publication number: KR102077459B1
Application number: KR1020180126564A
Authority: KR
Inventors: 김태완
Original assignee: 김태완
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-02-14

Abstract

본 발명은 직수관을 통해 직수를 직접 제공하는 직수기에 관한 것으로서, 특히 냉매를 이용하여 얼음을 형성한 상태에서 얼음과 직수를 열교환하여 냉각된 직수를 공급하도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉매 사이클에 따른 압축기, 응축기, 팽창부, 증발기를 포함하는 냉직수기로서, 냉수가 채워진 냉수조와, 냉수조의 안쪽에 위치하며 코일 형태로 권선된 증발기와, 증발기보다 큰 직경의 코일 형태로 권선되며 증발기가 간격을 두고 안쪽에 위치하는 직수관을 포함하며, 순환하는 냉매에 의해 냉수조의 냉수가 결빙되며 결빙된 얼음에 수용된 직수관을 따라 직수가 유동하며 냉각되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

냉직수기 및 냉직수기 제어방법{Cold Direct Waterer and Control Method}

본 발명은 직수관을 통해 직수를 직접 제공하는 직수기 및 직수기 제어방법에 관한 것으로서, 특히 냉매를 이용하여 얼음을 형성한 상태에서 얼음과 직수를 열교환하여 냉각된 직수를 공급하도록 구성한 것이다.

정수기는 물리적 화학적 방법으로 물에 함유된 이물질이나 중금속 등 유해요소를 여과하는 장치이다. 이를 위해서, 일반적인 정수기는 크게 오염물질이 포함된 원수(原水)에서 오염물질을 걸러내는 필터부, 상기 필터부를 지난 정수(淨水)를 저장하는 수조부, 상기 수조부에 저장된 정수를 취출시키는 취출부를 포함하게 된다.

이런 정수기에 전원이 공급되면, 원수가 필터부로 공급되어 정화되어 수조부에 저장되고, 저장된 정수는 사용자 등의 선택에 따라 취출부를 통해 취출된다.

한편, 수조부를 포함하지 않고 급수된 물을 바로 취출부를 통해 취출시키는, 소위 직수형 정수기도 사용되고 있다.

아울러, 단순히 원수를 정화하는 기능 외에도 정화된 정수를 냉각하거나 가열하여 냉수 및 온수를 제공하는 냉온수 기능을 제공하기도 한다. 또한, 제빙수단을 포함하여 냉온수 외에 얼음을 제공할 수 있는 정수기도 개발되어 있다. 이러한 냉수 기능 및 제빙 기능을 위해서는 수조부에 저장된 물을 냉각하기 위한 냉각 수단을 필요로 하게 된다.

정수기에 사용되는 냉각 수단으로는 열전소자 또는 일반적인 냉장고에 사용되는 냉동 사이클장치를 들 수 있으며, 소비전력 및 냉각용량 등의 문제로 인해서 냉동 사이클장치가 널리 사용되고 있다.

이러한 냉동 사이클 장치를 냉각 수단으로서 사용하는 직수형 정수기의 일 예가 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0078802호로서 개시된 바 있다.

상기 직수형 정수기는 냉동 사이클 장치의 증발기를 냉수조 내에 설치하고, 냉수조 내에 구비되는 냉각수를 냉각하도록 하고 있다.

그리고 상기 냉수조 내에 급수된 물이 통과하는 냉수 파이프를 코일 형태로 증발기의 안쪽에 설치하여, 증발기에 의해서 간접적으로 물을 냉각하도록 하고 있다. 여기서, 증발기와 냉각수 사이의 열교환을 보다 활성화하기 위해서 교반기가 추가적으로 설치된다. 상기 교반기는 냉수조 내에 채워진 냉각수를 교반하여 증발기 표면에 생성된 얼음과 냉각수 사이에서의 열교환을 촉진시키게 된다.

이때, 상기 교반기는 사전에 정해진 주기를 가지고 작동을 시작하게 되며, 작동이 개시된 후 냉각수의 온도가 설정온도 이하로 냉각된 것이 확인되면, 작동을 일시적으로 정지하여 증발기 표면에 얼음이 생성될 수 있도록 하고, 소정 시간이 경과되면 다시 작동하게 된다. 여기서 교반기의 재작동 시간은 대략 5분 정도이고, 이를 통해 얼음이 보다 용이하게 생성될 수 있도록 하고 있다.

또한 교반기의 작동주기가 길면 얼음의 생성량이 작게 되고, 그에 따라 압축기의 작동시간이 길어지면서 압축기의 과부하로 인해 냉동사이클의 고장이 발생하게 된다.

이와 같이 종래의 직수형 정수기는 증발기에 얼음을 형성하고 냉수조에 채워진 냉수가 얼음과 열교환한 후 냉수와 냉수 파이프의 직수와 열교환하여 직수가 냉각되도록 구성된다. 따라서 교반기가 냉수조의 냉수를 교반하여 얼음과 열교환이 잘 이루어지도록 구성된 것으로 교반기의 구성이 필요한 복잡하게 구성되는 단점이 있다.

한편, 최근에는 환경 문제에 따라 냉동사이클의 냉매가 R12에서 R134로 대체되고 있다. 냉매 R134는 냉매 R12에 비해 환경오염을 방지할 수 있지만, 냉각효율이 R12에 비해 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.

따라서 종래의 정수기 및 직수기 등 냉동사이클을 이용한 장치의 경우 R134의 냉매로 교체할 경우, 냉매 R12를 기반으로 구성된 기존 구조에서는 약 1℃ 내지 5℃의 시원한 직수를 제공하지 못한다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0078802호 대한민국 특허출원 제10-2008-0137162호 대한민국 공개번호 제10-2015-0019118호

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 증발기에 결빙된 얼음을 직수가 통과하면서 차가워진 냉수의 공급이 가능하며, 특히 결빙된 얼음의 상태를 측정하여 냉매를 순환시키도록 구성한 냉직수기 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉매 사이클에 따른 압축기, 응축기, 팽창부, 증발기를 포함하는 냉직수기로서, 냉수가 채워진 냉수조와, 냉수조의 안쪽에 위치하며 코일 형태로 권선된 증발기와, 증발기보다 큰 직경의 코일 형태로 권선되며 증발기가 간격을 두고 안쪽에 위치하는 직수관을 포함하며, 순환하는 냉매에 의해 냉수조의 냉수가 결빙되며 결빙된 얼음에 수용된 직수관을 따라 직수가 유동하며 냉각되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코일 형태로 권선된 증발기의 냉매관은 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코일 형태로 권선된 직수관은 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 직수관과 증발기의 사이에 온도를 측정하는 온도센서가 위치한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 증발기는 동관 또는 스테인리스 스틸관이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 직수관은 스테인리스 스틸관이다.

또한, 본 발명은 냉수가 채워진 냉수조의 안쪽에 코일형태로 권선된 증발기가 위치하고, 증발기보다 큰 직경의 코일 형태로 권선된 직수관이 증발기의 외주면과 간격을 두고 증발기의 외측에 위치하며, 증발기에 형성된 얼음이 직수관을 감싸 얼음과 직수관을 통과하는 직수의 사이에 열교환이 이루어지는 냉직수기의 제어방법으로서, 증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S30)와, 측정온도가 설정온도보다 낮을 경우(S40) 냉매 순환을 정지하는 단계(S50)와, 증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S60)와, 측정온도가 설정온도와 같거나 높을 경우(S70) 냉매를 순환하는 단계(S20)를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S60)에서, 측정온도가 설정온도보다 낮을 경우(S70) 냉매 순환을 정지하는 단계(S50)를 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉직수기는 코일 형태의 증발기 바깥쪽에 직수관 코일을 위치함으로써, 증발기에 결빙된 얼음의 내부로 직수가 통과하면서 얼음과 직수 사이의 열교환이 이루어져 차가워진 냉수의 공급이 가능하다. 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 냉직수기의 증발기와 직수관이 코일 형태로 겹쳐 위치함에 따라 냉수조의 크기를 감축하여 소형화가 가능하며, 또한 직수관을 코일 형태로 구성함에 따라 냉수조에 위치한 직수의 양을 증대시킬 수 있어 사용자가 원하는 양의 냉수를 직수형태로 공급 가능하다는 장점이 있다.

특히 냉매 R134를 이용한 냉동사이클을 적용한 냉직수기와 같이 냉매의 냉동효율이 떨어지더라도 증발기의 냉매코일의 길이가 길면서 작은 부피를 갖도록 냉매관을 밀착하여 권선함으로써, 열교환면적을 증대시켜 냉매의 냉동효율의 저하를 열교환면적의 증대로 보상할 수 있게 구성하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉직수기는 코일 형태의 직수관과 냉매관의 사이에 위치한 얼음의 상태를 측정하여 냉매를 순환시킴에 따라, 종래와 같이 직수의 온도를 측정하고 이를 피드백하여 직수의 온도를 제어하는 방식에 비해 보다 신속한 직수 온도 제어가 가능하여 직수의 온도 편차를 줄일 수 있다. 즉 냉매의 순환 및 냉매 순환의 정지에 따라 발생할 수 있는 직수의 온도차를 최소화하여 일정한 온도의 직수를 공급 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉직수기의 냉동사이클을 나타낸 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 냉수조를 나타낸 사시도이며,
도 3은 도 2에 도시된 냉수조의 단면도이다.
도 4는 냉매를 순환하여 냉수조의 내부에 결빙된 얼음 상태를 나타낸 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 냉직수기의 작동관계를 나타낸 흐름도이다.

아래에서는 본 발명에 따른 냉직수기의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하고 있다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉직수기의 냉동사이클을 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 냉수조를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 냉수조의 단면도이다. 그리고 도 4는 냉매를 순환하여 냉수조의 내부에 결빙된 얼음 상태를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 냉직수기의 작동관계를 나타낸 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 냉직수기(100)는 냉동 사이클에 따른 증발기(101), 압축기(102), 응축기(103), 팽창부(104)를 구비하며, 냉매가 증발기(101), 압축기(102), 응축기(103), 팽창부(104)의 순서로 순환하도록 냉매관(109)으로 연결된다.

냉매 사이클의 구성 중 증발기(101)는 냉수조(110)의 내부에 위치하며, 냉수조(110)에 위치한 직수관(120)으로 유입된 직수는 냉수조(110)에서 열교환하여 냉각된 상태로 냉수조(110) 밖으로 취출된다.

한편, 도 1에는 도시하지 않았으나, 본 발명의 냉직수기(100)는 냉수조(110) 외부에 필터부가 구비되며, 필터부로 급수된 물은 정화된 후에 직수관을 통해 냉수조의 내부로 유입되게 구성할 수도 있다.

필터부는 필요에 따라 장착 가능한 것으로 아래에서 설명하는 본 발명의 냉직수기의 구체적인 설명에서는 제외하고 있으나, 추가하여 설치 가능한 구성이다.

아래에서는 이와 같이 구성된 냉직수기에 대해 보다 구체적으로 설명하고 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 냉직수기(100)에는 냉수조(110)가 형성되며, 냉수조(110)의 둘레는 단열재(111)로 단열 처리된다.

냉수조(110)의 채워진 물(이하 '냉수(113)'라 함)은 냉수조(110) 내에 위치한 증발기(101)에 의해 결빙되어 얼음 상태로 위치하며, 냉동 사이클의 냉매 순환이 정지하면 얼음은 외부 온도에 의해 서서히 온도가 상승하며 녹게 된다.

한편, 냉수조(110)의 아래에는 압축기(102)와 응축기(103) 및 드라이어(105)가 위치하며, 드라이어(105)는 응축기(103)와 팽창부(104) 사이의 냉매관(109)에 장착된다.

냉동사이클은 압축기(102)에서 저압의 냉매가 고압으로 압축되고, 압축기(102)에서 고압으로 압축된 기체 냉매가 응축기(103)에서 방열되면서 고압의 액체 냉매로 응축된다. 그리고 응축기(103)에서 액체로 된 냉매는 드라이어(105)를 통과하면서 불순물과 수분이 제거된 후, 팽창부(104)에서 저압상태가 되며 다시 증발기(101)를 통과하면서 외부로부터 열을 흡수하여 액체에서 기체로 변한 다음, 압축기(102)에서 압축되는 냉동사이클을 구성한다.

여기에서 드라이어(Dryer)(105)는 내장된 스크린에 의해 응축기(103)의 액체 냉매로부터 불순물을 제거하게 되고, 그 스크린 사이의 몸체 내에 충전되어 있는 다량의 건조제(Desiccant)에 의해 액체냉매로부터 수분을 제거하게 된다.

한편, 팽창부(104)는 응축기(103)에서 연장된 약 2mm의 소직경 냉매관(109)과 약 10mm 직경의 증발기(101)의 냉매관(109)이 연결된 부위이며, 이와 같이 냉매관(109)이 약 2mm에서 약 10mm로 확관됨에 따라 팽창부(104)를 통과한 냉매가 저온 저압 상태로 증발기(101)로 유입된다.

증발기(101)로 유입된 냉매는 주변의 열을 흡수하고, 그에 따라 냉수조(110)의 냉수(113)는 결빙된다.

보다 구체적으로 코일 형태의 증발기(101)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 냉매관(109) 사이의 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선되며, 직수관(120)은 증발기(101)보다 큰 직경으로 권선된 코일 형태로 직수관(120)의 안쪽에 증발기(101)가 위치하여 동심원으로 배치된다.

여기에서 코일 형태의 직수관(120) 또한 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선된다.

이와 같이 구성된 냉수조(110)에 있어서, 냉매가 증발기(101)를 통과하면서 열을 흡수함에 따라 냉수조(110)의 냉수(113)가 결빙되어 얼음으로 상전이되고, 얼음 내에 위치한 직수관(120)을 직수가 통과하면서 직수는 약 1℃ 내지 5℃로 냉각되어 배출된다.

한편, 코일 형태의 증발기(101)과 직수관(120)의 사이에는 온도센서(130)가 위치한다. 온도센서(130)의 위치범위는 코일 형태의 증발기(101)의 외측면과 코일 형태의 직수관(120) 내측면의 사이 범위로서, 증발기(101)와 직수관(120)의 사이에 수직하게 온도센서 보호관(131)이 고정되고, 온도센서(130)가 보호관(131)의 내부에 삽입된 상태로 냉수조(110) 내부, 특히 증발기(101)와 직수관(120)의 사이 온도를 측정한다.

여기에서 증발기(101)는 동관 또는 스테인리스 스틸관이며, 직수관(120)은 스테인리스 스틸관으로 구성되는 것이 바람직하다.

아래에서는 이와 같이 구성된 냉직수기의 작동관계에 대해 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 냉직수기(100)의 작동스위치를 온(on) 모드로 전환(S10)하면 냉동사이클이 작동하고(S20), 증발기(101)의 둘레에서 얼음이 형성된다. 얼음은 냉동사이클이 계속 작동함에 따라 점차 커지면서 증발기(101)의 바깥쪽에 위치한 직수관(120)까지 확장 결빙된다.

이와 같이 냉수가 얼음으로 상전이되어 확장되면서 직수관(120)의 둘레까지 얼게 되는 과정 중에 증발기(101)와 직수관(120)의 사이에 위치한 온도센서에서 온도를 측정한다(S30).

측정 온도가 설정 온도보다 높거나 같으면(S40), 작동스위치의 온(on) 모드(S10) 경우 냉동사이클을 계속 작동하게 되고(S20), 만약 측정 온도가 설정 온도보다 낮으면(S40) 냉동사이클은 정지한 상태(S50)로 대기 모드로 진행된다.

직수관(120) 둘레의 냉수가 결빙되어 얼음으로 바뀌면서 직수관(120)의 내부에 위치한 직수는 얼음과 열교환하면서 약 1℃ 내지 5℃의 냉수로 냉각된다.

이때 소비자가 직수관(120)에 직수를 냉정수기 외부로 취출하게 되면, 취출된 직수의 양만큼 직수관(120)으로 상온의 직수가 유입된다.

상온의 직수가 직수관으로 유입됨에 따라 얼음은 상온의 직수의 열을 흡수하여 냉수로 상전이되고, 그에 따라 온도센서(130)에서 측정한 온도가 상승하게 된다(S60).

상승한 측정온도가 설정온도보다 높거나 같으면(S70), 작동스위치의 온(on) 모드(S10) 경우 냉동사이클을 계속 작동하여(S20) 냉수조의 냉수를 결빙시킨다. 반면에 상승한 측정온도가 설정온도보다 낮으면(S70), 냉동사이클은 정지한 상태(S50)로 대기 모드로 진행된다.

결빙된 얼음은 직수관(120)으로 유입된 상온의 직수를 냉각하면서 냉수로 온도를 낮추게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 냉직수기는 소비자가 냉각된 직수를 취출할 경우 취출된 직수의 양만큼 상온의 직수가 직수관(120)으로 유입되며, 상온의 직수 유입량이 많아 얼음의 양이 감소하고 온도센서(130)에서 측정된 온도가 높아져 설정온도를 넘어설 경우 냉매 사이클을 재가동하여 냉수를 얼리고, 얼려진 냉수가 상온의 직수와 열교환하여 직수를 냉각시킨다.

이와 같이 구성된 냉직수기에 있어서, 코일 형태의 증발기(101) 직경보다 큰 직경의 직수관(120)을 사용함에 따라 직수관(120)에 수용된 직수의 양을 증대시킬 수 있어 소비자가 원하는 양의 직수를 원활하게 공급할 수 있다.

또한 코일 형태의 직수관(120)의 안쪽에 증발기(101)가 위치하여 냉수조(110)의 안쪽에서부터 결빙이 시작되어 직수관(120) 쪽으로 확장됨에 따라 별도의 교반기의 구성이 필요치 않다는 장점이 있다.

또한 코일 형태의 증발기(101)와 직수관(120)을 형성함에 따라 증발기(101)와 직수관(120)의 거리가 직수관(120) 어느 부위에서도 일정하여 균일한 냉각이 가능하여 냉각된 직수의 온도편차를 줄일 수 있다는 장점이 있으며, 코일 형태의 증발기(101)의 냉매관과 직수관(120)은 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선됨으로써, 열교환 면적을 넓혀 신속한 냉수 공급이 가능하다는 장점이 있다.

100 : 냉직수기
101 : 증발기
102 : 압축기
103 : 응축기
104 : 팽창부
105 : 드라이어
109 : 냉매관
110 : 냉수조
111 : 단열재
113 : 냉수
120 : 직수관
130 : 온도센서
131 : 온도보호관

Claims

냉매 사이클에 따른 압축기, 응축기, 팽창부, 증발기를 포함하는 냉직수기로서,
냉수가 채워진 냉수조와,
냉수조의 안쪽에 위치하며 코일 형태로 권선된 증발기와,
증발기보다 큰 직경의 코일 형태로 권선되며 증발기가 간격을 두고 안쪽에 위치하는 직수관을 포함하며,
순환하는 냉매에 의해 냉수조의 냉수가 결빙되며 결빙된 얼음에 수용된 직수관을 따라 직수가 유동하며 냉각되는 것을 특징으로 하는 냉직수기.
제1항에 있어서,
코일 형태로 권선된 증발기의 냉매관은 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선된 것을 특징으로 하는 냉직수기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
코일 형태로 권선된 직수관은 간격이 형성되지 않도록 밀착하여 권선된 것을 특징으로 하는 냉직수기.
제1항에 있어서,
직수관과 증발기의 사이에 온도를 측정하는 온도센서가 위치하는 것을 특징으로 하는 냉직수기.
제1항에 있어서,
증발기는 동관 또는 스테인리스 스틸관인 것을 특징으로 하는 냉직수기.
제1항 또는 제5항에 있어서,
직수관은 스테인리스 스틸관인 것을 특징으로 하는 냉직수기.
냉수가 채워진 냉수조의 안쪽에 코일형태로 권선된 증발기가 위치하고, 증발기보다 큰 직경의 코일 형태로 권선된 직수관이 증발기의 외주면과 간격을 두고 증발기의 외측에 위치하며, 증발기에 형성된 얼음이 직수관을 감싸 얼음과 직수관을 통과하는 직수의 사이에 열교환이 이루어지는 냉직수기의 제어방법으로서,
증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S30)와,
측정온도가 설정온도보다 낮을 경우(S40) 냉매 순환을 정지하는 단계(S50)와,
증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S60)와,
측정온도가 설정온도와 같거나 높을 경우(S70) 냉매를 순환하는 단계(S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉직수기 제어방법.
제7항에 있어서,
증발기와 직수관의 사이에 온도를 측정하는 단계(S60)에서, 측정온도가 설정온도보다 낮을 경우(S70) 냉매 순환을 정지하는 단계(S50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉직수기 제어방법.