KR102126133B1 - 예냉 냉동기 - Google Patents

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KR102126133B1
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Abstract

예냉 냉동기가 제시된다. 일 실시예에 따른 예냉 냉동기는, 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치; 상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기; 상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및 상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 다시 상기 액기 분리기로 안내하는 증발기를 포함하고, 상기 액기 분리기로부터 토출된 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매와 혼합하여 상기 압축기로 안내할 수 있다.

Description

예냉 냉동기{PRECOOLED REFRIGERATOR}
아래의 실시예들은 예냉 냉동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매의 팽창이 2단계로 이루어지는 예냉 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 냉동기는 일측의 열을 빼앗아 타측으로 전달함으로써 일측의 온도를 감소시키는 장치를 말한다. 아래에서는 냉동기의 대표적인 예로써 냉장고를 예를 들어 설명한다. 이하에서 설명되는 냉동기는 냉장고를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 냉동기의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 그리고 도 2는 종래의 냉동기의 열함량 및 압력을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 냉동기(10)는 압축기(11), 응축기(12), 팽창장치(13) 및 증발기(14)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 실시예에 따라 수액기를 더 포함할 수 있다.
압축기(11)는 증발기(14)에서 제공된 저온 저압의 기체 상태의 냉매를 고온 고압으로 압축하여 응축기(12)로 전달하고, 응축기(12)는 압축기(11)에서 압축된 고온 고압의 기체 상태의 냉매를 외부 공기 또는 물과의 열교환 작용으로 액체 상태의 냉매가 되도록 응축시켜 수액기로 전달하며, 수액기는 응축기(12)에서 고온 고압으로 응축된 액체 상태의 냉매를 일시 저장한다. 팽창장치(13)는 수액기에서 공급되는 고온 고압의 액체 상태의 냉매를 급속 팽창시켜 저온 저압의 냉매를 증발기(14)로 전달하고, 증발기(14)는 팽창장치(13)에서 공급되는 저온 저압의 냉매를 외부의 공기 및 물 등 열교환 매체와의 열교환 작용으로 열을 빼앗아 증발하도록 하여 저온 저압의 기체 상태의 냉매를 생성한 후 압축기(11)로 전달한다.
종래의 냉동기(10)는 응축기(12)의 응축된 고압의 액체 상태의 냉매가 저압으로 강하하면서 액체와 기체의 혼합물이 되고, 이 때 기체가 약 30% 발생한다. 팽창 후 냉매액(즉, 액체 상태의 냉매)이 많을수록 증발기(14)의 냉동 능력이 증가하게 되며, 이 때 생성된 기체는 냉동 역할을 하지 못한다. 저압으로 팽창된 액체와 기체는 모두 증발기(14)에서 기화된 후, 압축기(11)에서 동력을 이용하여 모두 고압으로 재압축된다.
상기한 냉동기 일반 구조와 함께 중간 열교환 방식은 한국공개특허 특2003-0080535호에 관련 기술을 기재하고 있다.
한국공개특허 특2003-0080535호
실시예들은 예냉 냉동기에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 액기 분리기를 이용하여 냉매의 팽창이 2단계로 이루어지는 예냉 냉동기를 제공하는데 있다.
실시예들은 증발기 출구의 저온 기체의 냉열을 이용할 수 있고, 중간 팽창의 액기 분리기의 저온 냉매의 저온을 이용하여 증발기에 유입되는 액체 냉매량을 증가시킴으로써 효율을 증가시킬 수 있는 예냉 냉동기를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 예냉 냉동기는, 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치; 상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기; 상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및 상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 다시 상기 액기 분리기로 안내하는 증발기를 포함하고, 상기 액기 분리기로부터 토출된 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매와 혼합하여 상기 압축기로 안내할 수 있다.
상기 액기 분리기는, 상기 액기 분리기로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매를 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매와 혼합하여 재유입시킨 후, 기체 상태의 냉매를 상기 압축기로 안내할 수 있다.
상기 액기 분리기로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매와 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매의 혼합 시 서로 다른 압력에 의해 액체가 일부 발생된 액기 혼합 냉매를 형성하며, 서로 다른 압력에 의해 형성된 액체가 일부 발생된 액기 혼합 냉매가 상기 액기 분리기로 유입되어 포화 기체까지 증발함에 따라 상기 액기 분리기의 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시킬 수 있다.
또한 저온의 포화상태에서 과열 가스 상태까지의 저온을 이용하여 상기 액기 분리기의 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시킬 수 있다.
상기 액기 분리기는, 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매를 재유입시킨 후 상기 압축기로 안내하되, 상기 액기 분리기로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매와 혼합하여 상기 압축기로 안내할 수 있다.
상기 제1 기체 상태의 냉매는, 상기 제2 기체 상태의 냉매보다 상대적으로 고압 상태일 수 있다.
상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 1차 팽창시켜 상기 액기 분리기로 안내한 후, 상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 2차 팽창시켜 상기 증발기로 안내하여 상기 냉매를 2단계로 팽창시킬 수 있다.
다른 실시예에 따른 예냉 냉동기는, 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치; 상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기; 상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및 상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 상기 압축기로 안내하는 증발기를 포함하고, 상기 액기 분리기에서 분리된 기체 상태의 상기 냉매를 이용하여 상기 응축기의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시킬 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기는, 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치; 상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기; 상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및 상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 증발기에 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 저온 냉매는 다시 상기 액기 분리기로 안내하는 유로를 포함하고, 상기 액기 분리기는, 상기 액기 분리기로부터 토출된 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 이용하여 상기 응축기의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시키고, 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매를 재유입시킨 후 상기 압축기로 안내할 수 있다.
실시예들에 따르면 증발기 출구의 저온 기체의 냉열을 이용할 수 있고, 중간 팽창의 액기 분리기의 저온 냉매의 저온을 이용하여 증발기에 유입되는 액체 냉매량을 증가시킴으로써 효율을 증가시킬 수 있는 예냉 냉동기를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 냉동기의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 냉동기의 열함량 및 압력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 예냉 냉동기의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
냉장고를 포함한 모든 냉동기는 팽창 과정에서 기체가 약 30% 정도 발생한다. 이 때, 팽창 후 기체가 많을수록 증발기의 냉동 능력이 저하하게 되며 생성된 기체는 냉동 기능이 전혀 없다. 증발기에는 액체와 기체가 유입되며 액체만이 기체로 바뀌면서 외부 열을 흡입하여 저온을 제공하게 된다. 저압으로 팽창된 액체와 기체는 모두 증발기에서 기화된 후, 압축기에서 모두 고압으로 동력을 소비하여 재압축된다. 따라서 증발기 흡입 열량을 증가시키거나 압축기 소요 동력을 낮추어 냉동기 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 요구된다. 여기서 냉동기 효율, 즉 COP(Coefficient of Performance)는 증발기의 흡입 열량을 압축기 소요 동력으로 나눈 값이다.
아래의 실시예들은 액기 분리기를 이용하여 냉매의 팽창이 2단계로 이루어지는 예냉 냉동기를 제공할 수 있다. 실시예들에 따르면 증발기 출구의 저온 기체의 냉열을 이용할 수 있고, 중간 팽창의 액기 분리기의 저온 냉매의 저온을 이용하여 증발기에 유입되는 액체 냉매량을 증가시킴으로써 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 예냉 냉동기의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 예냉 냉동기(100)는 압축기(110), 응축기(120), 제1 팽창장치(130), 액기 분리기(140), 제2 팽창장치(150) 및 증발기(160)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 예냉 냉동기(100)는 수액기를 더 포함하는 것도 가능하다.
압축기(110)는 작동유체로서 냉매를 흡입하여 압축한 후 토출되도록 하는 것으로, 기체 상태의 냉매를 토출할 수 있다.
응축기(120)는 압축기(110)에서 토출된 기체 상태의 냉매를 응축시킴으로써 냉매를 냉각하여 액화시킬 수 있다. 즉, 응축기(120)는 기체 상태의 냉매를 응축시켜 액체 상태의 냉매를 토출시킬 수 있다.
제1 팽창장치(130)는 응축기(120)에서 액화된 냉매를 팽창시켜 압력을 저하시킬 수 있으며, 팽창 후 액기 분리기(140)로 안내할 수 있다. 이 때, 제1 팽창장치(130)에 의해 응축기(120)에서 액화된 고압의 냉매는 중간 압력으로 1차 팽창될 수 있다. 제1 팽창장치(130)는 팽창밸브로 이루어질 수 있다.
액기 분리기(140)는 응축기(120)에서 액화된 냉매를 제1 팽창장치(130)에서 팽창시켜 액체 상태 및 기체 상태로 된 냉매를 포집할 수 있다. 특히, 액기 분리기(140)는 냉동 기능을 수행하는 액체 상태의 냉매를 제2 팽창장치(150)를 통해 추가 팽창 후 증발기(160)로 안내하며, 냉동 기능과 무관한 기체 상태의 냉매를 증발기(160)를 거치지 않고 증발기(160)로부터 토출되는 기체 상태의 냉매와 혼합하여 다시 액기 분리기(140)로 유입시킨 후, 압축기(110)로 안내할 수 있다. 여기서, 액기 분리기(140)로부터 토출된 기체 상태의 냉매를 후술하는 증발기로부터 나오는 기체 상태의 냉매와 구분하기 위해 제1 기체 상태의 냉매로 언급하기로 한다. 그리고 증발기로부터 나오는 기체 상태의 냉매를 제2 기체 상태의 냉매로 언급하기로 한다.
즉, 액기 분리기(140)에서 분리된 제1 기체 상태의 냉매와 증발기(160)에서 나오는 저온의 제2 기체 상태의 냉매가 합하여져 다시 액기 분리기(140)로 주입될 수 있다. 이후, 액기 분리기(140)는 제1 기체 상태의 냉매와 제2 기체 상태의 냉매의 혼합 후 생성된 기체 상태의 냉매를 압축기(110)로 안내할 수 있다.
여기서, 액기 분리기(140)로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매와 증발기(160)로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매는 혼합 시 서로 다른 압력에 의해 일부가 액체 상태의 냉매가 형성될 수 있으며, 서로 다른 압력에 의해 형성된 액체가 일부 발생된 액기 혼합 냉매가 액기 분리기(140)로 유입되어 포화 기체까지 증발함(이것은 잠열을 이용하는 것임)과 동시에 중간팽창 압력에 해당하는 온도보다 최대 5도 정도 낮은 온도까지를 이용하여 액체량을 증가시킬 수 있다(현열). 즉, 저온의 포화상태에서 과열 가스 상태까지의 저온을 이용하여 액기 분리기의 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시킬 수 있다.
예를 들면, 냉장고 경우 증발기 출구 -25도 기체와 중간압력의 17도가 합하여지는 것으로 -14도라면 중간압력 온도인 17도보다 낮은 최대 12도(-14도부터)까지 상승하는 온도에 해당하는 열량으로 액기 분리기의 기체를 액체화시킬 수 있다.
액기 분리기(140)의 상부에 있는 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시킬 수 있다. 이에 따라 액화된 액체 상태의 냉매는 다시 제2 팽창장치(150)를 통해 팽창 후 증발기(160)로 유입되어 소정 공간을 냉각시킬 수 있다.
제2 팽창장치(150)는 액기 분리기(140)로부터 토출된 액체 상태의 냉매를 최종적인 저압으로 팽창시켜 압력을 저하시킬 수 있으며, 팽창 후 저온 상태의 냉매를 증발기(160)로 안내할 수 있다. 여기서, 제2 팽창장치(150)는 팽창밸브로 이루어질 수 있다.
증발기(160)는 액기 분리기(140)로부터 액체 상태의 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 제2 기체 상태의 냉매를 액기 분리기(140)로 안내할 수 있다. 여기서, 증발기(160)는 기화된 저압의 제2 기체 상태의 냉매를 다시 액기 분리기(140)로 안내하되, 액기 분리기(140)에서 토출된 중간 압력 상태의 제1 기체 상태의 냉매와 혼합하고 액기 분리기(140)로 안내한 후, 압축기(110)로 안내할 수 있다.
여기서, 압축기(110)는 액기 분리기(140)로부터 제1 기체 상태의 냉매와, 제2 기체 상태의 냉매가 혼합되어 유입될 수 있다. 보다 구체적으로, 액기 분리기(140)의 액체 상태의 냉매가 증발기(160)로 유입되어 기화된 제1 기체 상태의 냉매와, 액기 분리기(140)로부터 압축기(110)로 이동하는 제2 기체 상태의 냉매가 혼합된 후, 다시 액기 분리기(140)로 유입된 후, 압축기(110)로 흡입되어 재압축시킬 수 있다. 이 때, 제1 기체 상태의 냉매는 제2 기체 상태의 냉매보다 상대적으로 고압이며, 압축기(110)에서 재압축 시보다 상대적으로 저압인 중간 압력 상태일 수 있다.
이와 같이 냉동 기능과 무관한 액기 분리기(140)의 중간 압력의 기체 상태의 냉매는 증발기(160)에 유입시키지 않고, 증발기(160)로부터 토출되는 제2 기체 상태의 냉매와 혼합하여 다시 액기 분리기(140)로 유입시킨 후, 압축기(110)로 보냄으로써 고압으로 압축할 수 있다.
따라서 중간 압력인 제1 기체 상태의 냉매와 저압인 제2 기체 상태의 냉매가 혼합되어 압축기(110)에 유입된 후 고압으로 압축될 수 있다. 이와 같이, 일 실시예에 따른 냉동기(100)는 응축기(120)에서 액화된 냉매를 1차 팽창시켜 액기 분리기(140)로 안내한 후, 액기 분리기(140)로부터 토출된 액체 상태의 냉매를 2차 팽창시켜 증발기(160)로 안내하여 냉매를 2단계로 팽창시킬 수 있다.
일 실시예들에 따르면 냉장고, 에어컨 등 다양한 예냉 냉동기의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 일 실시예들에 따른 냉장고에 대한 도 3의 공정 해석 및 COP는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[표 1]
Figure 112018110866971-pat00001
COP = Qe / Qc
= m8 (h9-h8) / m11 (h1 - h11)
= (0.84778 kg/s) (383.4 - 221.5) / (1.0 kg/s) (432.4 - 393.7)
= 137.25/38.7
= 3.546
일례로써 중간 압력은 5 bar이며, 이 때 COP는 대략 3.546이다.
한편, 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 냉동기의 경우, COP가 대략 2.6955이므로, 일 실시예에 따른 예냉 냉동기(100)의 COP 향상율은 대략 31.55% 상승되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 증발기(160)의 유입 액체량 증가는 대략 44.3% 증가된다(0.84778 / (1-0.41257)).
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 액기 분리기(140)로부터 토출된 지점(또는 배관) 4의 상부 기체인 제1 기체 상태의 냉매를 다시 액기 분리기(140)로 주입 시, 지점 4의 압력이 지점 9의 압력보다 높기 때문에 증발기(160)로부터 토출된 지점 9의 제2 기체 상태의 냉매와 합하여 지면서 지점 10의 압력이 변경된다. 즉, 지점 9의 냉매가 지점 10으로 흐르면서 지점 4의 냉매가 혼합됨에 따라, 압력이 상승하면서 지점 10의 상태는 액체가 일부 생기게 되어 이것이 포화 기체까지 증발하면서 액기 분리기(140)의 상부의 기체를 일부 액화시킬 수 있다.
예를 들어, 냉장고 증발기의 경우 지점 9의 1.064bar, -25℃ 포화 기체와, 지점 4의 5bar, 15.7℃ 기체가 합하여져, 지점 10의 1.663bar, -14.6℃의 액기 혼합물이 생기게 된다. 이 때 액체량은 1을 기준할 때 0.01311가 발생하게 된다. 이 액체가 액기분리기(140)의 상부에서 기화(잠열)되면서 액기 분리기 내부 기체를 액화시키는데 일부 기여하게 된다.
또한, 액기 분리기(140)로부터 나오는 지점 11의 기체가 포화 온도에서 더 높은 온도로 상승하는 열량만큼 액체를 증가시키게 된다.
예를 들어, 냉장고 경우 지점 10의 압력 1.663bar -14.6℃ 포화 기체가 지점 11의 1.663bar, -10℃까지 온도가 상승하면서 저온을 액기 분리기(140)의 상부 기체에 제공하는 열량(현열)은 6.6 kJ/kg이 되어, 액화되는 액체량이 증가하게 된다.
이와 같이, 증발기(160) 출구의 저온 기체의 냉열을 이용(냉장고 경우, -25℃)할 수 있고, 중간 팽창의 액기 분리기(140)의 저온 냉매의 저온(냉장고 중간 팽창 5bar 일 때, +15.7℃)을 이용하여 증발기(160)에 유입되는 액체 냉매량을 증가시킬 수 있으며 효율 또한 증가시킬 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기(200)는 압축기(210), 응축기(220), 제1 팽창장치(230), 액기 분리기(240), 제2 팽창장치(250) 및 증발기(260)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 예냉 냉동기(200)는 수액기를 더 포함하는 것도 가능하다. 이러한 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기(200)는 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 예냉 냉동기(100)의 구성을 포함하거나 그 구성이 일부 동일하여, 차이점만 간단히 설명하기로 한다.
다른 실시예에 따른 예냉 냉동기(200)는 증발기(260)에서 나오는 저온의 제2 기체 상태의 냉매가 액기 분리기(240)의 상부를 거친 후 나오는 배관에 액기 분리기(240)의 제1 기체 상태의 냉매가 혼합될 수 있다.
보다 구체적으로, 액기 분리기(240)는 증발기(260)로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매를 재유입시킨 후 압축기(210)로 안내하되, 액기 분리기(240)로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매와 혼합하여 압축기(210)로 안내할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(300)는 압축기(310), 응축기(320), 제1 팽창장치(330), 액기 분리기(340), 제2 팽창장치(350), 증발기(360) 및 예냉 배관(370)을 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(300)는 수액기를 더 포함하는 것도 가능하다. 이러한 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(300)는 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 예냉 냉동기(100)의 구성을 포함하거나 그 구성이 일부 동일하여, 차이점만 간단히 설명하기로 한다.
또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(300)는 액기 분리기(340)에서 분리된 저온의 기체 상태의 냉매를 이용하여 응축기의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(300)는 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기(310)와, 압축기(310)에서 토출된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(320)와, 응축기(320)에서 액화된 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치(330)와, 제1 팽창장치(330)를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 냉매를 포집하는 액기 분리기(340)와, 액기 분리기(340)로부터 토출된 액체 상태의 냉매를 팽창시켜 증발기(360)로 안내하는 제2 팽창장치(350), 그리고 제2 팽창장치(350)를 통과한 액체 상태의 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 냉매를 압축기로 안내하는 증발기(360)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 액기 분리기(340)에서 분리된 기체 상태의 냉매를 이용하여 응축기(320)의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시킬 수 있다. 액기 분리기(340)에서 분리된 기체 상태의 냉매를 응축기(320)에서 토출된 배관 측으로 연결하거나 예냉 배관(370)을 구성함으로써, 응축기(320)의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시킬 수 있다. 그리고 예냉 배관(370)으로부터 토출되는 냉매를 압축기(310)로 유입되도록 할 수 있다. 즉, 중간 팽창 후 압축기(310)로 유입되는 기체를 이용하여 응축기(320)에서 나오는 액체를 보다 냉각시키는 예냉 공정을 수행하게 된다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 예냉 냉동기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(400)는 압축기(410), 응축기(420), 제1 팽창장치(430), 액기 분리기(440), 제2 팽창장치(450), 증발기(460) 및 예냉 배관(470)을 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(400)는 수액기를 더 포함하는 것도 가능하다. 이러한 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(400)는 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 예냉 냉동기(100)의 구성을 포함하거나 그 구성이 일부 동일하여, 차이점만 간단히 설명하기로 한다.
또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(400)는 증발기(460) 출구의 저온의 기체 상태의 냉매의 냉열과 중간 팽창의 액기 분리기(440)의 저온 상태의 냉매를 분리하여 이용할 수 있다.
보다 구체적으로, 또 다른 실시예에 따른 응축기의 냉매를 과냉시키는 예냉 냉동기(400)는 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기(410)와, 압축기(410)에서 토출된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(420)와, 응축기(420)에서 액화된 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치(430)와, 제1 팽창장치(430)를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 냉매를 포집하는 액기 분리기(440)와, 액기 분리기(440)로부터 토출된 액체 상태의 냉매를 팽창시켜 증발기(460)로 안내하는 제2 팽창장치(450), 그리고 제2 팽창장치(450)를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 다시 액기 분리기(440)로 안내하는 증발기(460)를 포함하여 이루어질 수 있다.
액기 분리기(440)는 액기 분리기(440)로부터 토출된 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 이용하여 응축기(420)의 액체 상태의 냉매를 과냉시키고, 증발기(460)로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매를 재유입시킨 후 압축기(410)로 안내할 수 있다.
액기 분리기(440)에서 분리된 기체 상태의 냉매를 응축기(420)에서 토출된 배관 측으로 연결하거나 예냉 배관(470)을 구성함으로써, 응축기(420)의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시킬 수 있다. 그리고 예냉 배관(470)으로부터 토출되는 냉매를 압축기(410)로 유입되도록 할 수 있다.
이러한 예냉 공정은 지점 2 및 지점 3과 지점 5 및 지점 6의 열교환이 발생된다. 이에 따라 지점 5의 중간 압력의 기체가 압축기로 반송될 수 있다.
예를 들어, 냉장고의 경우 응축기에서 나오는 지점 2의 온도는 40℃, 10bar 액체이고, 이는 대기에 의하여 냉각되기 때문이다. 5bar까지 중간 팽창 후 지점 4의 온도는 15.74℃ 이다. 그러므로 이를 이용하여 응축기의 배출액 40℃를 20℃까지 낮추어서 액체를 과냉 상태가 되게 할 수 있다.
이 때, 중간 압력의 변화에 따라 온도가 다르게 되고 증발기의 액체량이 바뀌게 된다. 예냉 배관을 통한 과냉 과정(2-3 / 5-6)의 효과는 증발기에 유입되는 냉매액이 증가하게 되어 냉동 능력이 증가하게 된다.
표 2는 냉장고 냉매 R134a 기준(압축 10bar) 분석의 예이다.
[표 2]
Figure 112018110866971-pat00002
종래 냉동기에 적용하는 경우, 증발기에서 나오는 저온의 기체와 본 실시예에 따른 공정의 중간 압력 저온의 기체를 활용하여 응축기의 토출 기체를 과냉시킴으로써, 증발기의 유입 냉매액량을 증가시킬 수 있다.
또한, 액기 분리기의 상부 냉각 공정(지점 4, 5, 7)은 증발기 출구의 냉기체를 이용하여 액기 분리기 상부의 기체를 냉각시키고 추가적으로 액화시켜 증발기에 유입되는 액체량(지점 7)을 증가시킬 수 있다.
이에 따라 냉동 능력이 크게 증가하게 되며, 예컨대 냉장고 기준(2-3/5-6의 예냉 공정 제외 분석)으로 증발기 유입 냉매액이 10% 이상 증가 효과가 있으며, COP가 20% 이상 증대 효과가 있다.
이상과 같이, 실시예들에 따르면 응축기의 고압의 액체 상태의 냉매가 중간 압력으로 팽창되어 생성된 액체와 기체 상태의 냉매를 액기 분리기에서 포집하고, 냉동 기능을 하는 액체 상태의 냉매는 증발기로 유입시키고, 냉동 기능과 무관한 액기 분리기의 중간 압력의 기체 상태의 냉매는 증발기에 유입시키지 않고 바로 압축기로 보내거나 증발기로부터 토출된 기체 상태의 냉매와 혼합하여 압축기로 안내함으로써, 중간 압력을 고압으로 압축하여 압축 동력량을 크게 감소시키고 증발기의 증발 능력을 증가시킬 수 있다. 즉, 증발기에 유입되는 액체가 제공하는 저온 열량이 증가하여 냉동 능력이 좋아진다.
더욱이, 실시예들에 따르면 냉동 기능과 무관한 액기 분리기의 중간 압력의 기체 상태의 냉매를 증발기로부터 토출된 기체 상태의 냉매와 혼합 후 액기 분리기로 재유입시킴으로써, 서로 다른 압력에 의해 액체 상태의 냉매가 형성되어 포화 기체까지 증발함에 따라 액기 분리기의 상부에 있는 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시켜 증발기로 유입되는 냉매액량을 증가시킬 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기;
    상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치;
    상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기;
    상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및
    상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 다시 상기 액기 분리기로 안내하는 증발기
    를 포함하고,
    상기 액기 분리기는,
    냉동 기능과 무관한 상기 액기 분리기로부터 토출된 중간 압력의 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 상기 제1 기체 상태의 냉매보다 저압의 기체 상태의 냉매인 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매와 혼합하여 다시 상기 액기 분리기로 재유입시킨 후, 기체 상태의 냉매를 상기 압축기로 안내하여 고압으로 압축하되, 상기 액기 분리기로부터 토출된 제1 기체 상태의 냉매와 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매의 혼합 시 서로 다른 압력에 의해 액체 상태의 냉매를 형성하며, 서로 다른 압력에 의해 형성된 액체 상태의 냉매가 상기 액기 분리기로 유입되어 포화 기체까지 증발함에 따라 상기 액기 분리기의 기체 상태의 냉매를 적어도 일부 액화시키는 것
    을 특징으로 하는, 예냉 냉동기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기체 상태의 냉매를 토출하는 압축기;
    상기 압축기에서 토출된 상기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 응축기에서 액화된 상기 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치;
    상기 제1 팽창장치를 통과한 액체 상태 및 기체 상태의 상기 냉매를 포집하는 액기 분리기;
    상기 액기 분리기로부터 토출된 액체 상태의 상기 냉매를 팽창시켜 증발기로 안내하는 제2 팽창장치; 및
    상기 제2 팽창장치를 통과한 액체 상태의 상기 냉매가 유입되어 열을 흡입하고 기화됨에 따라 소정 공간을 냉각시키며, 기체 상태의 상기 냉매를 다시 상기 액기 분리기로 안내하는 증발기
    를 포함하고,
    상기 액기 분리기는,
    냉동 기능과 무관한 상기 액기 분리기로부터 토출된 중간 압력의 기체 상태의 상기 냉매인 제1 기체 상태의 냉매를 이용하여 상기 응축기의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시키고, 상기 제1 기체 상태의 냉매보다 저압의 기체 상태의 냉매인 상기 증발기로부터 토출된 제2 기체 상태의 냉매를 다시 상기 액기 분리기로 재유입시킨 후, 기체 상태의 냉매를 상기 압축기로 안내하여 고압으로 압축하되, 상기 액기 분리기에서 분리된 제1 기체 상태의 냉매를 상기 응축기에서 토출된 배관 측에 구성된 예냉 배관으로 안내하여, 상기 응축기의 액체 상태의 냉매를 과냉(subcooling)시키고, 상기 예냉 배관으로부터 토출되는 냉매를 상기 압축기로 유입되도록 하는 것
    을 특징으로 하는, 예냉 냉동기.
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