KR102201746B1 - 이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이코노마이저를 포함하는 응축기, 및 이를 포함하는 터보 냉동기에 관한 것으로, 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 냉각수의 열교환을 위한 응축기 및, 상기 응축기로부터 토출된 냉매와 냉수의 열교환을 위한 증발기를 포함하고, 상기 응축기의 내부에는 이코노마이저가 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기{Economizer comprising condenser and turbo chiller comprising the same}

본 발명은 이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 터보 냉동기는 도 1의 종래 기술에 따른 터보 냉동기의 사시도에 도시된 바와 같이 냉매를 이용하여 냉수와 냉각수의 열교환을 수행하는 기기로써, 압축기(10), 증발기(50), 응축기(20) 및 팽창장치(30, 40)를 포함한다.

또한, 상기 터보 냉동기(1)는 상기 응축기(20)에서 토출된 냉매로부터 액상 냉매와 기상 냉매를 분리시키고, 분리된 기상 냉매를 상기 압축기(10)로 유입시키기 위한 이코노마이저(Economizer)(60)를 추가로 포함할 수 있다.

한편, 도 2의 종래 기술에 따른 터보 냉동기의 냉매의 흐름에 따른 개략도에 도시된 바와 같이 상기 터보 냉동기(1)의 압축기(10)는 일 실시 태양으로 2단 압축부(11, 12)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 압축기(10)는 증발기(50)를 통과한 기상 냉매가 유입되어 압축되는 1단 압축부(11)와, 상기 1단 압축부(11)에서 나오는 기상 냉매 및 상기 이코노마이저(60)에서 토출되는 기상 냉매를 압축하여 응축기(20)로 보내는 2단 압축부(12)를 포함한다.

또한, 터보 냉동기(1)는 상기 응축기(20)와 상기 이코노마이저(60) 사이에 마련된 제1 팽창장치(30) 및 상기 이코노마이저(60)와 증발기(50) 사이에 마련된 제2 팽창장치(40)를 포함할 수 있다.

따라서, 2단 압축부를 포함하는 터보 냉동기(1)는 응축기(20)에서 응축된 냉매를 제1 팽창장치(30)에서 팽창시키고, 이코노마이저(60)로 유입시킨 후 분리된 기상 냉매를 1단 압축부(11)와 2단 압축부(12) 사이로 유입시켜 효율을 증가시킬 수 있다.

이때, 상기 응축기(20)와 이코노마이저(60)는 연결배관으로 연결되고, 상기 제1 팽창장치(30)는 상기 응축기(20)와 이코노마이저(60)의 연결배관 사이에 설치되게 된다.

전술한바와 같이 이코노마이저(60) 및 팽창장치(30, 40)가 추가됨에 따라 터보 냉동기(1)의 부피가 커지고, 연결배관 구조가 복잡해지며 재료비가 상승되는 문제점이 존재하여 왔다.

또한, 상기 응축기(20)와 이코노마이저(60) 사이에 제1 팽창장치(30)가 연결됨에 따라 연장되어 형성되는 연결배관에서의 압력 저하가 발생되어 팽창이 저하될 수 있는 문제점이 있었다.

그리고, 제1 팽창장치(30) 전단의 배관에서의 이상(Two phase) 유동에 의한 발생된 압력 변동에 의해 터보 냉동기(1) 전체 냉동 사이클에서의 유동 흐름이 안정되지 못하는 문제를 방지하기 위하여 상기 응축기(20) 내부에 서브 쿨러(sub cooler)가 구비되어야 하는 문제점이 있었다.

한편, 이코노마이저(60) 내부의 액상 냉매의 레벨이 과도하게 높아지면 제2 팽창장치(40)로 고온의 기상 냉매가 혼입되어 공급될 수도 있고, 액상 냉매가 2단 압축부(12)로 혼입되어 공급될 수도 있다.

종래에는 이와 같은 이코노마이저(60) 내부 액상 냉매의 레벨 제어를 레벨 감지 센서를 통하여 이코노마이저(60) 내부 레벨을 측정 후 전자 제어식 밸브의 개폐를 통하여 이코노마이저 내부 액상 냉매의 레벨을 유지하고 있었다.

그러나, 이와 같은 방식은 구조가 복잡해져 유지보수 성능이 떨어지며 고가의 제조비용이 소요되는 문제점이 존재하여 왔다.

본 발명은 이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기에 관한 것으로 보다 상세하게는, 내부에 이코노마이저가 내장되어 배관 연결을 단순화할 수 있는 응축기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 서브쿨러를 삭제할 수 있는 응축기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 레벨 감지 센서와 전자 제어식 밸브 없이 구조가 간단하며, 이코너마이저 내의 액체 냉매의 레벨을 자동으로 제어할 수 있는 레벨제어장치를 적용한 이코노마이저를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 연결배관에서의 압력 저하로 인해 제1 팽창장치에서 발생할 수 있는 팽창 저감을 방지할 수 있는 터보 냉동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 배관 연결이 단순하고 콤팩트한 사이즈의 터보 냉동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 재료비를 절감할 수 있는 터보 냉동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기로부터 냉매가 유입되는 압축냉매 유입구 및 응축냉매 토출구가 마련된 쉘(shell), 상기 압축냉매 유입구로 유입된 냉매와 열교환하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 전열관, 상기 응축냉매 토출구와 연결된 응축냉매 유입관으로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 이코노마이저를 포함하는 응축기가 제공된다.

이때, 상기 쉘의 내부 공간은 상기 쉘의 높이 방향으로 소정 높이를 기준으로 제1 영역과 제2 영역으로 구획되고, 상기 압축냉매 유입구 및 냉각수 전열관은 상기 제1 영역에 마련되고, 상기 응축냉매 토출구와 이코노마이저는 상기 제2 영역에 마련될 수 있다.

그리고, 상기 이코노마이저는 상기 응축기 내부의 하측에 마련되고, 상기 이코노마이저 내주면의 일부가 상기 응축기의 내주면에 의해 형성될 수 있다.

한편, 상기 이코노마이저는 상기 응축기와 연결되기 위한 상기 응축냉매 유입관과 압축기와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구와 증발기와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구 및 냉매 저장부가 각각 마련되는 하우징; 상기 응축냉매 유입관으로 유입된 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하기 위한 다공판; 그리고, 상기 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 가변팽창장치;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 다공판은 상기 이코노마이저 내부에 소정간격 이격되어 복수개 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기, 상기 압축기로부터 유입된 냉매와 냉각수의 열교환을 위한 응축기 및 상기 응축기로부터 토출된 냉매와 냉수의 열교환을 위한 증발기를 포함하고, 상기 응축기의 내부에는 이코노마이저가 마련되는 터보 냉동기가 제공될 수 있다.

상기 응축기는, 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기로부터 냉매가 유입되는 압축냉매 유입구 및 응축냉매 토출구가 마련된 쉘(shell), 상기 압축냉매 유입구로 유입된 냉매와 열교환하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 전열관을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 응축기는 상기 응축냉매 토출구와 연결된 응축냉매 유입관으로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하여 기상 냉매는 상기 압축기로, 액상 냉매는 상기 증발기로 토출시키는 이코노마이저를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이코노마이저는 상기 응축기와 연결되기 위한 상기 응축냉매 유입관과 압축기와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구와 증발기와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구 및 냉매 저장부가 각각 마련되는 하우징; 상기 응축냉매 유입관으로 유입된 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하기 위한 다공판; 그리고, 상기 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 가변팽창장치;를 포함할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 응축기에 따르면, 응축기 내부에 이코노마이저를 위치시킴에 따라 응축기와 이코노마이저 사이의 연결배관 길이를 짧게 함으로써 배관의 의한 압력손실을 최소화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 응축기에 따르면, 응축기 내부에 이코노마이저를 위치시킴에 따라 응축기와 이코노마이저를 연결하는 배관 연결을 단순화 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 응축기에 따르면, 응축기 내부에 제1 가변팽창장치를 구비함에 따라 연결배관에서의 압력 저하로 인해 제1 팽창장치에서 발생할 수 있는 팽창 저감을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 이코노마이저에 따르면, 이코노마이저에 저장되는 액상 냉매의 레벨이 설정된 범위를 벗어나지 않도록 안정적인 상태로 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 이코노마이저에 따르면, 종래의 냉동기에 사용되던 레벨 감지 센서와 전자 제어식 밸브를 가변팽창장치로 대체함으로써, 설치비용이 저렴한 이코노마이저를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보냉동기에 따르면, 배관 연결이 단순화고 콤팩트한 사이즈의 터보 냉동기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 설치비용이 저렴한 터보 냉동기를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 터보 냉동기의 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 터보 냉동기의 냉매의 흐름에 따른 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 냉동기의 냉매의 흐름에 따른 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 응축기의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 응축기의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변팽창장치의 사시도이다.
도 7은 도 6의 가변팽창장치의 단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이코노마이저를 포함하는 응축기, 및 이를 포함하는 터보 냉동기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

한편, 제1 또는 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예와 관련된 이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기를 구성하는 각 구성요소를 구체적으로 설명한다. 이하에서 언급되는 각각의 요소들은 상술한 설명과 도면을 참조하여 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 냉동기의 냉매의 흐름에 따른 개략도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 터보 냉동기(100)는 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기(110), 상기 압축기(110)로부터 유입된 냉매와 냉각수의 열교환을 위한 응축기(120) 및 상기 응축기(120)로부터 토출된 냉매와 냉수의 열교환을 위한 증발기(150)를 포함할 수 있다.

상기 증발기(150)와 응축기(120)는 일 실시태양으로 쉘 인 튜브(Shell in tube) 구조를 가질 수 있고, 튜브 내부로는 냉수와 냉각수가 각각 유동하며, 쉘 내부에 냉매가 일정 부분 수용될 수 있다.

여기서 상기 증발기(150)로는 냉수(Chilled water)가 유입 및 토출되며, 상기 증발기(150) 내부에서 상기 냉매와 냉수의 열교환이 이루어지며, 상기 냉수는 상기 증발기(150)를 통과하는 과정에서 냉각된다.

또한, 상기 응축기(120)로는 냉각수(Condensed water)가 유입 및 토출되며, 상기 응축기(120) 내부에서 상기 냉매와 냉각수의 열교환이 이루어지며, 상기 냉각수는 상기 응축기(120)를 통과하는 과정에서 가열된다.

상기 응축기(120)의 내부에는, 상기 응축기(120)로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하여 기상 냉매는 상기 압축기(110)로, 액상 냉매는 상기 증발기(150)로 토출시키는 이코노마이저(160)가 마련될 수 있다.

그리고, 상기 응축기(120)와 이코노마이저(160) 사이에 마련된 제1 팽창장치(130)와 상기 이코노마이저(160)의 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 제2 팽창장치(140)를 포함할 수 있다.

본 발명의 터보 냉동기(100)에서 상기 제1 팽창장치(130)와 제2 팽창장치(140) 중 적어도 어느 하나는 가변팽창장치로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 압축기(110)는 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 상기 1단, 2단 압축부(111, 112)를 포함할 수 있다.

상기 1단 압축부(111)에서는 흡입한 냉매를 1차적으로 압축시키고, 상기 2단 압축부(1112)에서는 상기 1단 압축부(111)를 통과한 냉매와 상기 이코노마이저(150)에서 분리된 기상 냉매를 2차적으로 압축할 수 있다.

상기 1단, 2단 압축부(111, 112)를 통과하면서 압축된 고압의 냉매는 냉매관을 통하여 상기 응축기(120)로 유입될 수 있다.

상기 응축기(120)는 상기 압축기(110)에서 토출된 고온 고압의 압축 냉매와 냉각수를 열교환시켜 냉매를 응축시킬 수 있는 쉘 앤 튜브형(shell and tube) 열교환 장치일 수 있다.

그리고 상기 응축기(120)의 내부에는, 상기 응축기(120)로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하여 기상 냉매는 상기 압축기(110)로, 액상 냉매는 상기 증발기로 토출시키는 이코노마이저(160)가 마련될 수 있다.

상기 응축기(120)와 상기 이코노마이저(160) 사이에는 제1 팽창장치(130)가 마련되어 상기 응축기(120)에서 응축된 냉매는 상기 제1 팽창장치(130)에서 1차 감압된 후 상기 응축기(120)의 하부 일측에 마련된 상기 이코노마이저(160)로 유입될 수 있다.

상기 이코노마이저(160)는 상기 제1 팽창장치(130)를 통과하여 유입된 기상 냉매와 액상 냉매가 혼합된 혼합냉매를 분리하는 기능을 수행할 수 있다.

상기 이코노마이저(160)가 상기 응축기(120)의 내부에 설치됨에 따라 상기 응축기(120)와 이코노마이저(160)를 연결하는 연결배관의 길이가 짧아짐에 따라 연결배관에서의 압력손실을 저감할 수 있다.

일반적으로 액냉매관은 연결배관의 길이, 밸브 또는 액상 냉매 높이 등에 의한 압력 손실이 발생할 수 있다. 이때, 연결배관의 길이가 길수록 압력 손실은 많이 발생하게 된다.

따라서, 연결배관에 의한 압력손실로 팽창밸브 전후의 압력차 부족이 발생하고, 팽창밸브를 통과하는 냉매가 감소되어 팽창이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.

이를 방지하기 위해서는 연결배관의 압력손실을 적게 하거나, 또는 압력손실이 발생한 만큼 액상 냉매를 과냉각시키는 것이 필요하다.

즉, 연결배관의 압력손실을 저감하기 위해서는 연결배관의 길이를 짧게 하고, 연결배관에 의한 압력손실을 보상하기 위해서 응축기에 서브쿨러를 적용하여 냉매를 과냉각시킬 수 있다.

본 발명의 터보 냉동기(100)는 응축기(120) 내부의 서브쿨러를 제거하고, 이코노마이저(160)를 응축기(120)의 내부에 설치함으로써, 상기 응축기(120)와 이코노마이저(160)를 연결하는 연결배관의 길이가 짧아짐에 따라 배관에서의 압력손실을 저감할 수 있다.

한편, 상기 이코노마이저(160)에서 분리된 기상 냉매는 상기 2단 압축부(112)로 유입되며, 이때 분리된 기상 냉매는 상기 2단 압축부(112)의 입구 온도를 낮춰 냉매의 비체적을 줄여주고, 상기 2단 압축부(112)의 부하를 줄여주는 등 압축효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 이코노마이저(160)에서 분리된 액상 냉매는 상기 제2 팽창장치(140)를 통하여 상기 증발기(150)로 토출되는데, 상기 이코노마이저(160)는 상기 증발기(150)로 유입되는 액상 냉매의 건도를 줄여 동일한 질량유량에 대해 냉매의 증발 잠열을 높이는 효과가 있다.

상기 제2 팽창장치(140)는 상기 이코노마이저(160)와 증발기(150) 사이에 구비되는데, 본 발명에서는 상기 제2 팽창장치(140)로 기계식 가변팽창장치가 마련될 수 있다.

이하에서는, 도 4 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 이코노마이저를 포함하는 응축기에 대하여 상세히 기술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 응축기의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 응축기의 종단면도이다.

본 발명의 이코노마이저(160)를 포함하는 응축기(120)는 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기(110)로부터 냉매가 유입되는 압축냉매 유입구(122) 및 응축냉매 토출구(123)가 마련된 쉘(shell)(121)을 포함할 수 있다.

상기 쉘(121)의 외부의 적어도 일측에는 응축기(120)를 지지하는 지지부(126)가 마련될 수 있다. 일례로, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 지지부(126)는 상기 응축기(120)의 양측을 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 지지부(126)는 터보 냉동기(100)를 구성하는 증발기(150)와 결합되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 쉘(212) 내부에는 상기 압축냉매 유입구(122)로 유입된 냉매와 열교환하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 전열관(124)이 마련될 수 있다.

또한, 상기 응축기(120)는 상기 응축냉매 토출구(123)와 연결된 응축냉매 유입관(162)으로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 이코노마이저(160)가 내부에 마련될 수 있다.

상기 쉘(121)의 내부 공간(125)은 상기 쉘(121)의 높이방향으로 소정 높이를 기준으로 제1 영역(125a)과 제2 영역(125b)으로 구획될 수 있다.

이때, 상기 압축냉매 유입구(122) 및 냉각수 전열관(124)은 상기 제1 영역(125a)에 마련되고, 상기 응축냉매 토출구(123)와 이코노마이저(160)는 상기 제2 영역(125b)에 마련될 수 있다.

상기 냉각수 전열관(124)은 상기 제1 영역(125a)에서 상기 쉘(121)의 길이방향을 따라 상기 쉘(121)의 길이와 실질적으로 동일하게 연장되어 형성될 수 있다.

반면, 상기 이코노마이저(160)는 상기 제2 영역(125b)에서 상기 쉘(121)의 길이방향으로 일부에만 형성될 수 있다.

이때, 쉘(121)의 높이방향(H)은 도 5에 도시된 상기 응축기(120)의 설치면(S)을 기준으로 상측을 향하는 방향을 의미하고, 쉘(121)의 길이방향(L)은 설치면에 대향되어 연장되는 방향을 의미한다.

상기 쉘(121)은 실질적으로 원기둥 형상이고, 상기 제1 영역(125a)과 제2 영역(125b)은 상기 응축기(120)의 설치면(S)을 기준으로 상측과 하측으로 구분될 수도 있다.

이 경우, 상기 이코노마이저(160)는 상기 쉘(121)의 하측에 마련된다고 볼 수 있다.

한편, 상기 압축기(110)와 연결되는 상기 압축냉매 유입구(122)는 상기 압축기(110)에서 토출되는 고온 고압의 냉매를 상기 응축기(120) 내부로 유입시킬 수 있다.

이때, 상기 압축냉매 유입구(122)를 통하여 응축기(120) 내부로 유입되는 냉매는 속도가 빠른 기상 냉매이므로, 상기 압축냉매 유입구(122) 하측으로 위치하는 냉각수 전열관(124)에 직접적으로 닿게 될 경우 상기 냉각수 전열관(124)이 파손될 우려가 있다.

따라서, 이를 방지하기 위하여 상기 압축냉매 유입구(122) 하측으로 압축기(110)로부터 응축기(120)로 유입되는 냉매의 속도를 감소시키기 위한 분배부가 마련될 수 있다. 상기 분배부는 상기 냉각수 전열관(124)의 길이방향을 따라 연장되도록 형성되어 상기 냉각수 전열관(124)으로 냉매가 균일하게 분배되도록 하는 역할도 할 수 있다.

그리고, 상기 응축기(120)의 냉각수 전열관(124)은 응축기(120)로 유입되는 냉매의 응축효율을 높이기 위해서, 상기 응축기(120)의 내부에 좁은 간격으로 배치되고, 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이는 상기 응축기(120)로 유입된 냉매와 상기 냉각수 전열관(124)의 접촉 면적을 넓히기 위함이다.

상기 응축기(120) 내부에서 상기 냉각수 전열관(124)을 유동하는 냉각수에 의해 응축된 냉매는 상기 응축기(120) 하부에 마련된 응축냉매 토출구(123)를 통하여 배출될 수 있다.

한편, 상기 응축기(120)와 상기 응축기(120) 내부에 마련되는 이코노마이저(160)는 배관으로 연결되고, 상기 응축기(120)와 상기 이코노마이저(160)를 연결하는 배관 사이에는 제1 팽창장치(130)가 마련될 수 있다.

따라서, 상기 응축기(120)에서 응축된 냉매는 상기 제1 팽창장치(130)에서 1차 감압된 후 상기 응축기(120)의 하부 일측에 마련된 상기 이코노마이저(160)로 유입될 수 있다.

상기 제1 팽창장치(130)는 오리피스 형태의 팽창장치일 수 있고, 기계식 가변팽창장치일 수도 있다.

본 발명의 도면에는 가변팽창장치를 일례로 도시하였으나, 이에 한정되지 않을 것이다.

한편, 상기 응축기(120) 내부에 마련되는 이코노마이저(160)는 상기 응축기(120)와 연결되기 위한 상기 응축냉매 유입관(162), 압축기(110)와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구(164), 증발기와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구(163) 및 냉매 저장부(165)가 각각 마련되는 하우징(161)을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 이코노마이저(160)는 상기 응축냉매 유입관(162)으로 유입된 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하기 위한 다공판(166)을 포함할 수 있다.

한편, 상기 이코노마이저(160)의 내주면의 일부는 상기 응축기(120)의 내주면에 의해 형성될 수 있다.

또는 상기 이코노마이저(160)의 외주면의 일부가 상기 이코노마이저(160)의 내주면과 동일한 곡률반경을 가지도록 형성될 수 있다.

예를들면, 상기 이코노마이저(160)의 하면이 상기 응축기(120)의 쉘(121)의 하면에 의해 형성되거나, 상기 이코노마이저(160) 하측 외주면이 상기 응축기(120)의 하측 내주면과 접촉하도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 이코노마이저(160)는 소정의 높이로 형성되나, 상기 응축기(120) 내부에 설치되는 냉각수 전열관(124)과는 간섭이 발생하지 않도록 설치되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 응축기(120) 내부에 설치되면서도 상기 응축기(120)의 냉매 응축 효율은 저감되지 않도록 하기 위하여, 종래 응축기(120)에서 과냉각을 위하여 도입되었던 서브쿨러의 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 응축기(120)는 상기 이코노마이저(160)가 응축기(120) 내부에 설치됨에 따라 응축기(120)와 이코노마이저(160) 사이의 연결배관의 길이가 짧아져 배관에 의한 압력손실이 감소될 수 있다.

따라서, 서브쿨러를 설치하지 않더라도 제1 팽창장치(130)에서 발생할 수 있는 팽창 저감 문제를 최소화 할 수 있다.

이코노마이저(160)의 상기 응축냉매 유입관(162)은 상기 하우징(161)에서 상기 응축기(120)의 응축냉매 토출구(123)와 인접한 일측에 마련될 수 있다.

그리고, 상기 응축냉매 유입관(162)은 이코노마이저(160) 내부의 상측면에 인접하게 연장되어 형성될 수 있다.

이는 이코노마이저(160) 내부에서 분리된 액상 냉매는 상기 하우징(161)의 저면으로부터 상측으로 액면 높이가 점차적으로 상승하며 저장되게 되는데, 이때 액상 냉매의 높이가 소정 높이 이상 상승해 상기 응축냉매 유입관(162)으로 역류하게 되는 것을 방지하기 위함이다.

따라서, 상기 응축냉매 유입관(162)은 이코노마이저(160) 내부에서 분리된 기상 냉매가 저장되도록 설계되는 높이와 대응되도록 연장되어 형성될 수 있다.

한편, 유체가 통과할 수 있도록 복수 개의 홀이 구비된 다공판(166)은 상기 하우징(161)의 내측에 상기 하우징(161)의 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 복수 개 마련될 수 있다.

상기 다공판(166)은 이코노마이저(160) 내부로 유입되는 기상 냉매와 액상 냉매의 밀도차에 의한 동압의 주기적인 변화를 제어하는 기능을 수행하며, 구체적으로 기상 냉매와 액상 냉매의 동압을 낮추어 이상 냉매 흐름을 용이하게 한다.

즉, 상기 이코노마이저(160) 내부에서 상기 응축냉매 유입관(162)으로 유입되는 속도가 다른 기상 냉매와 액상 냉매의 동압은 일정하게 유지되고, 기상 냉매와 액상 냉매가 상기 다공판(166)에 충돌하면서 속도는 낮아지게 된다.

이때, 상기 하우징(161) 내에 구비되는 다공판(166)의 개수와 설치 위치, 다공판(166)의 공극률(Porosity)은 이상냉매의 기액 분리를 결정하는 주요 인자가 될 수 있다.

수평 관내 유동이상 유동(Two phase flow)은,

이 1이하인 성층유동(stratified smooth flow) 영역 또는

이 1이하인 파형유동(stratified wavy flow) 영역 등으로 구분될 수 있다.

(

,

,

,

)

상기 K와 F_G의 값은 이코노마이저의 하우징 직경에 따라 변하게 되는 계수로 하우징의 직경이 커질수록 상기 계수는 작아질 수 있다.

이때, 실험적으로 일반적인 이코노마이저의 하우징 내부에서의 안정적인 기액 분리를 위해서는

이 3이하,

이 0.4이하의 영역에서 안정적인 기액 분리가 가능하였다.

그러나, 본 발명의 이코노마이저는 응축기 내부에 설치되기 위하여 하우징의 직경이 축소될 수 밖에 없고, 이코노마이저의 하우징의 직경이 축소되더라도 안정적인 기액 분리를 위해서는 다공판을 이용한 이상 유체의 속도 조절이 요구된다.

이때, 다공판(166)을 상기 하우징(161) 내에 소정간격 이격시켜 복수개가 설치함으로써 냉매가 유입된 입구측으로부터 출구측으로 갈수록 유속을 낮추어 안정적인 기액 분리를 유도할 수 있다.

그리고, 다공판(166)의 공극률이 너무 클 경우에는 다공판(166)을 통과하는 냉매의 유속을 줄이지 못하고, 다공판의 공극률이 너무 작을 경우에는 다공판(166)을 통과하는 냉매의 유속이 너무 낮아져 요구되는 유량을 맞출 수 없게 된다.

따라서, 다공판(166)의 개수와 설치 위치, 다공판(166)의 공극률은 터보 냉동기(100)의 시스템 또는 설계자의 설계 의도에 따라 최적화될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예의 이코노마이저에 대한 실험 결과에 따르면, 다공판의 공극률이 0.3배 내지 0.5배일 경우, 다공판을 3개 내지 6개 적용하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 공극률이 0.4배인 다공판 5개를 이코노마이저 내부에 소정간격 이격시켜 배치할 경우 최적화된 안정적인 기액 분리가 가능하였다.

한편, 다공판(166)을 통과하여 기액 분리된 기상 냉매와 액상 냉매는 압축기(110)와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구(164)와 증발기(150)와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구(163)로 각각 토출될 수 있다.

상기 다공판(166)을 통과하여 분리된 기상 냉매는 상기 기상 냉매 토출구(164)를 통과하여 상기 압축기(110)의 2단 압축부(112)로 유입되게 된다.

상기 기상 냉매 토출구(164)는 상기 이코노마이저(160) 내부의 상측면에 인접하게 연장되어 형성될 수 있다. 이는 상기 하우징(161) 내에서 기액 분리된 액상 냉매의 높이가 높을 경우, 액상 냉매가 상기 기상 냉매 토출구(164)로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.

한편, 분리된 액상 냉매는 상기 하우징(161)에서 상기 응축냉매 유입관(162)의 길이방향 반대측 끝단부에 마련되고 하측으로 연장되어 형성되어 냉매를 수용할 수 있는 체적을 가지는 상기 냉매 저장부(165)에 일시적으로 저장되게 된다.

상기 이코노마이저(160)에서 분리된 액상 냉매는 상기 하우징(161)의 하측으로 돌출되게 형성된 상기 냉매 저장부(165)부터 저장되기 시작하여 상기 하우징(161)의 원통부 저면에서부터 상면으로 저장 냉매의 액면 높이가 점차적으로 상승하며 저장되게 된다.

상기 하우징(161) 내에 저장되는 액상 냉매의 액면 높이가 너무 높으면 액상 냉매가 상기 압축기(110)의 2단 압축부(112)로 유입될 수 있고, 상기 하우징(161) 내에 저장되는 액상 냉매의 액면 높이가 너무 낮으면 고온의 기상 냉매가 증발기(150)로 유입될 수도 있다.

따라서, 하우징(161) 내의 액상 냉매의 레벨은 일정 수준으로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 하우징(161)의 냉매 저장부(165)에 저장된 액상 냉매를 교축(throttling)시키면서 동시에 상기 하우징(161) 내부에 저장되는 냉매의 유량을 조절하는 기능을 수행하도록, 상기 냉매 저장부(165)와 냉매 저장부(165)의 하부에 마련되는 액상 냉매 토출구(163)의 사이에 가변팽창장치(140)가 마련될 수 있다.

이하에서는 도 6 내지 도 7을 참조하여, 가변팽창장치(140)에 대하여 구체적으로 설명하고자 한다.

상기 가변팽창장치(140)는 상기 냉매 저장부(165)로부터 냉매가 유입되는 적어도 하나 이상의 오리피스(142)와 상기 액상 냉매 토출구(163)와 연결되는 가변팽창장치 냉매 토출구(143)를 구비한 본체(141)를 포함한다.

또한, 상기 가변팽창장치(140)는 상기 오리피스(142)를 개폐하기 위하여 상기 본체(141) 내부에 이동 가능하게 마련되는 개폐부재(144)와 상기 개폐부재(144)와 연결되고, 상기 냉매 저장부(165)에 저장된 액상 냉매 레벨에 기초하여 상기 개폐부재(144)를 선택적으로 승강시키기 위한 플로터(145)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가변팽창장치(140)는 상기 본체(141)를 상기 냉매 저장부(165)에 고정시키는 고정부(147)를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 플로터(145)는 상기 본체(141)를 둘러싸도록 형성되고, 상면은 밀폐되고 하면은 개방된 중공의 원통이나 다각형으로 형성되어 상기 가변팽창장치(140)의 하측에서 상측으로 액상 냉매의 레벨이 상승하면 상기 플로터(145) 내부의 빈 공간은 기체로 채워지게 된다.

따라서, 냉매 저장부(165)의 액상 냉매의 액면 높이가 상승하여, 상기 플로터(145)가 일정 부피 이상 액상 냉매에 잠기면 상기 플로터(145) 내측의 빈 공간에 채워진 기체에 의한 부력이 발생하게 된다.

상기 플로터(145)와 상기 개폐부재(144)는 샤프트(146)로 연결되어 형성되므로 상기 플로터(145)에서 발생된 부력이 상기 개폐부재(144)와 플로터(145)의 무게보다 크면 상기 플로터(145)와 개폐부재(144)가 상승하여 상기 적어도 하나 이상의 오리피스(142)가 열리게 된다.

이때, 상기 냉매 저장부(165)에 저장된 액상 냉매는 상기 가변팽창장치 냉매 토출구(143)로 토출되어 상기 하우징(161) 내의 액상 냉매의 레벨은 일정 수준으로 유지될 수 있게 된다.

한편, 상기 적어도 하나 이상의 오리피스(142)는 상기 플로터(145)의 상승 방향을 따라 폭이 넓어지는 형상으로 마련된다.

상기 오리피스(142)의 폭이 일정하면 액상 냉매의 레벨에 따라 상기 개폐부재(144)가 승강하는 세로방향 변위가 커지고, 이에 따른 이코노마이저(160)의 냉매 유량의 변동 또한 커지게 된다.

따라서, 상기 오리피스(142)의 폭을 상기 플로터(145)의 상승 방향을 따라 넓어지도록 하면, 액상 냉매의 레벨에 따른 상기 개폐부재(144)가 승강하는 세로 방향 변위가 줄어들고, 이코노마이저(160)의 냉매 유량 또한 안정적으로 변동될 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 오리피스(142)를 통과하는 냉매의 유량은 상기 오리피스(142)의 개방 높이, 상기 오리피스(142)의 형상 및 상기 이코노마이저(160)와 상기 증발기(150)의 차압에 의해 결정될 수 있다.

오리피스(142)의 형상에 대하여 구체적으로 설명하면, 상기 적어도 하나 이상의 오리피스(142)는 상기 플로터의 상승 방향을 따라 폭이 넓어지는 것이 특징이다.

상기 오리피스(142)는 제1 곡면부(142a)로 형성되는 상단부와 제2 곡면부(142b)로 형성되는 하단부를 포함하며, 상기 제1 곡면부(142a)는 상기 제2 곡면부(142b)의 곡률반경보다 큰 곡률 반경을 갖는 다각형 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 상기 개폐부재(144)는 상기 본체(141)의 내주면을 따라 슬라이드 이동 가능하도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 개폐부재(144)에는 제1 가이드부가 마련되고, 상기 본체(141)의 내주면에는 상기 제1 가이드부를 따라 안내되는 제2 가이드부가 마련될 수 있다.

또한, 상기 개폐부재(144)는 상기 플로터(145)에서 발생한 부력에 의해 상승하기 용이하도록 하측 끝단부 모서리가 내측으로 경사지는 모따기가 형성될 수 있다.

이는 상기 본체(141)와 상기 개폐부재(144) 사이의 간극이 작을 때 부력에 의한 상승 구동 시 소요되는 힘이 적게 들도록 하기 위함이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

1, 100: 터보 냉동기 10, 110: 압축기
11,111: 1단 압축부 12,112: 2단 압축부
20, 120: 응축기 121: 쉘(shell)
122: 압축냉매 유입구 123: 응축냉매 토출구
124: 냉각수 전열관 125: 쉘 내부공간
30, 130: 제1 팽창장치 40, 140: 제2 팽창장치, 가변팽창장치
141: 본체 142: 오리피스
143: 가변팽창장치 냉매 토출구 144: 개폐부재
145: 플로터 146: 샤프트
50, 150: 증발기 60, 160: 이코노마이저
161: 하우징 162: 응축냉매 유입관
163: 액상 냉매 토출구 164: 기상 냉매 토출구
165: 냉매 저장부 166: 다공판

Claims (21)

1. 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기로부터 냉매가 유입되는 압축냉매 유입구가 마련된 쉘(shell);
   상기 압축냉매 유입구로 유입된 냉매와 열교환하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 전열관; 그리고,
   응축냉매 토출구와 연결된 응축냉매 유입관으로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 이코노마이저; 및
   상기 쉘의 하부에 마련되어 상기 냉각수 전열관을 유동하는 냉각수에 의해 응축된 냉매를 배출하는 응축냉매 토출구;를 포함하고,
   상기 이코노마이저 및 상기 응축냉매 토출구는 연결배관을 통해 연결되고,
   상기 이코노마이저는 상기 쉘의 내측 하부에 마련되며 상기 이코노마이저 내주면의 일부는 상기 쉘에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 응축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 쉘의 내부 공간은 상기 쉘의 높이 방향으로 소정 높이를 기준으로 제1 영역과 제2 영역으로 구획되고, 상기 압축냉매 유입구 및 냉각수 전열관은 상기 제1 영역에 마련되고, 상기 응축냉매 토출구와 이코노마이저는 상기 제2 영역에 마련되는 것을 특징으로 하는 응축기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 이코노마이저는,
   상기 응축기와 연결되기 위한 상기 응축냉매 유입관과 상기 압축기와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구와 증발기와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구 및 냉매 저장부가 각각 마련되는 하우징;
   상기 응축냉매 유입관으로 유입된 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하기 위한 다공판; 그리고,
   상기 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 가변팽창장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 다공판은, 상기 이코노마이저 내부에 소정간격 이격되어 복수개 구비되는 것을 특징으로 하는 응축기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 이코노마이저 내부에는, 공극율이 0.3배 내지 0.5배인 다공판이 소정간격 이격되어 3개 내지 6개가 설치되는 것을 특징으로 하는 응축기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 이코노마이저 내부에는, 공극율이 0.4배인 5개의 다공판이 소정간격 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 응축기.
8. 냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기;
   상기 압축기로부터 유입된 냉매와 냉각수의 열교환을 위한 응축기;
   상기 응축기로부터 토출된 냉매와 냉수의 열교환을 위한 증발기;를 포함하고,
   상기 응축기에서 토출된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 이코노마이저;
   상기 응축기의 하부에 마련되며 냉각수에 의해 응축된 냉매를 배출하는 응축냉매 토출구; 및
   상기 응축기와 상기 이코노마이저를 연결하는 연결배관;을 포함하고,
   상기 이코노마이저는 상기 응축기의 하부 일측에 구비되고 상기 이코노마이저 내주면의 일부는 응축기의 내부면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 응축기는,
   냉매를 압축하기 위한 임펠러를 포함하는 압축기로부터 냉매가 유입되는 압축냉매 유입구가 마련된 쉘(shell);
   상기 압축냉매 유입구로 유입된 냉매와 열교환하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각수 전열관; 그리고,
   상기 응축냉매 토출구와 연결된 응축냉매 유입관으로부터 유입된 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하여 기상 냉매는 상기 압축기로, 액상 냉매는 상기 증발기로 토출시키는 이코노마이저;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
10. 삭제
11. 제8항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 이코노마이저 사이에 마련되는 제1 팽창장치와 상기 이코노마이저의 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 제2 팽창장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 팽창장치와 제2 팽창장치 중 적어도 어느 하나가 가변팽창장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
13. 제9항에 있어서,
    상기 이코노마이저는,
    상기 응축기와 연결되기 위한 상기 응축냉매 유입관과 상기 압축기와 연결되기 위한 기상 냉매 토출구와 상기 증발기와 연결되기 위한 액상 냉매 토출구 및 냉매 저장부가 각각 마련되는 하우징;
    상기 응축냉매 유입관으로 유입된 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하기 위한 다공판; 그리고,
    상기 액상 냉매 토출구 측에 장착되는 가변팽창장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
14. 제13항에 있어서,
    상기 가변팽창장치는,
    냉매 유입을 위한 복수 개의 오리피스와 냉매 토출구가 각각 마련된 본체;
    적어도 하나 이상의 오리피스를 개폐하기 위해 상기 본체 내부에 이동 가능하게 마련되는 개폐부재;
    상기 개폐부재와 연결되며, 상기 개폐부재를 선택적으로 승강시키기 위한 플로터; 및
    상기 개폐부재와 상기 플로터를 연결하기 위한 샤프트;를 포함하며,
    상기 적어도 하나 이상의 오리피스는 상기 플로터의 상승 방향을 따라 폭이 넓어지는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 오리피스는 제1 곡면부로 형성되는 상단부와 제2 곡면부로 형성되는 하단부를 포함하며, 상기 제1 곡면부는 상기 제2 곡면부의 곡률반경보다 큰 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
16. 제14항에 있어서,
    상기 개폐부재는 상기 본체의 내주면을 따라 슬라이드 이동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
17. 제16항에 있어서,
    상기 개폐부재는 제1 가이드부가 마련되고, 상기 본체의 내주면에는 상기 제1 가이드부를 따라 안내되는 제2 가이드부가 마련되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
18. 제13항에 있어서,
    상기 이코노마이저의 응축냉매 유입관 및 기상 냉매 토출구는 상기 이코노마이저 내부의 액상 냉매가 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 이코노마이저 내부의 상측면에 인접하게 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
19. 제13항에 있어서,
    상기 다공판은, 상기 이코노마이저 내부에 소정간격 이격되어 복수개 구비되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
20. 제19항에 있어서,
    상기 이코노마이저 내부에는, 공극율이 0.3배 내지 0.5배인 다공판이 소정간격 이격되어 3개 내지 6개가 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
21. 제20항에 있어서,
    상기 이코노마이저 내부에는, 공극율이 0.4배인 5개의 다공판이 소정간격 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.

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