KR102305221B1

KR102305221B1 - 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기

Info

Publication number: KR102305221B1
Application number: KR1020210089390A
Authority: KR
Inventors: 심홍섭; 조연진
Original assignee: (주) 하이테크이엔지
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2021-09-27
Also published as: WO2023282390A1

Abstract

이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기가 개시된다. 본 발명에 따른 제빙기는 본체 컴프레셔 냉매와 냉매 냉각용 컴프레셔 냉매를 위한 이중관 구조의 냉각 코일과 그 냉각 코일을 절연유 저장탱크에 매립한 개선된 구조의 냉각 장치를 적용한 냉각수를 대체하는 냉각 시스템을 장착하여 기존 수냉식 제빙기의 제빙 능력에 상응하는 제빙 능력을 가지면서도 수도요금 절감이 가능하다. 또한, 겨울철에 동파의 위험성도 없다.

Description

이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기{Ice-making machine adopting cooling coil with concentric annuli structure}

본 발명은 제빙기에 관한 것으로 더 상세하게는 냉각수를 대체하는 냉각 시스템을 장착하여 월 70만원 정도의 수도요금 절감이 가능하면서도 기존 수냉식 제빙기의 제빙 능력에 상응하는 제빙 능력을 가지도록 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기에 관한 것이다.

일반적으로 제빙기는 제빙실 내에 물을 공급하여 제빙을 행하는 제빙과정과 얼음이 만들어진 후 핫가스를 공급하여 얼음을 이빙시켜 이빙된 얼음을 얼음 저장실로 이송하는 이빙과정을 하나의 사이클로 하여 이를 반복함으로써 연속적으로 제빙한다.

이러한 제빙기의 성능은 응축기에서 열이 외부로 방열되는 효율에 따라 달라질 수 있는데, 응축기의 열을 외부 공기에 의하여 식히는 공냉식 제빙기와 물에 의해서 식히는 수냉식 제빙기로 구분된다. 공냉식 제빙기는 여름에 외부 온도가 높아지면 제빙량을 포함한 제빙 성능이 떨어지고 고장 발생율이 높기 때문에 최근에는 응축기를 물을 이용하여 식힘으로써 제빙 성능을 높히는 수냉식 응축기가 구비된 제빙기가 제시된 바 있으나, 이러한 수냉식 응축기는 공냉식 응축기에 비하여 고가일뿐 만 아니라 냉각수를 지속적으로 공급하여 냉매를 냉각시킴으로써 물의 소비가 많아 수도 요금에 부담을 줄 뿐만 아니라 추운 겨울에는 동파의 위험도 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 제빙기가 대한민국 등록특허 제10-1256415호에 개시되어 있다. 상기 등록특허에 따르면 제빙수 또는 탈빙수가 낙하되어 저장되는 물저장고, 상기 제빙수가 하면으로 분사공급되어 얼음이 형성되고 상기 탈빙수가 상면으로 분사공급되어 얼음이 분리되는 제빙틀과, 상기 제빙틀의 하면으로 분사공급된 제빙수를 얼음으로 성장시키기 위한 냉매가 순환하는 증발기와, 상기 증발기를 순환하는 냉매를 냉각시키기 위한 응축기를 포함하는 제빙기로서, 상기 물저장고의 저장수위를 초과하여 배출되는 물과 상기 응축기로 유입되기 전의 냉매를 열교환시켜 상기 응축기로 유입되기 전의 냉매를 선 냉각(先冷却)시키는 냉각장치를 포함하여 구성됨으로써 폐수로 버려지는 저온수를 이용하여 응축기로 유입되기 전의 냉매를 선 냉각시킴에 따라 응축기의 작동시간을 줄일 수 있어 제빙기의 에너지 효율을 향상시킨다.

하지만 상기와 같은 종래의 제빙기는 냉장고에 적용하기는 용이하나 실제 제빙기에 적용하기에는 제빙량이 수냉식에 비해 낮아 적용하기가 현실적으로 어려울 뿐만 아니라 응축기로 유입되기 전의 냉매를 선 냉각(先冷却)시키는 냉각장치에서 냉각수를 배출하여야 하므로 물 사용량이 어느 정도 감소될 뿐 현저하게 줄이지는 못한다는 문제점이 있다. 또한, 물을 사용하기 때문에 동파의 위험이 여전히 상존한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉각수를 대체하는 냉각 시스템을 장착하여 기존 수냉식 제빙기의 제빙 능력에 상응하는 제빙 능력을 가지면서도 월 70만원 정도의 수도요금 절감이 가능하도록 본체 컴프레셔 냉매와 냉매 냉각용 컴프레셔 냉매를 위한 이중관 구조의 냉각 코일과 그 냉각 코일을 절연유 저장탱크에 매립한 개선된 구조의 냉각 장치를 적용한 제빙기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 제빙기는 제빙용 컴프레셔(100)와; 제빙용 컴프레셔(100)와 별도로 설치되는 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)와; 내부가 개방되고 상부는 밀폐된 본체(20)와, 본체(20) 내부에 채워지는 것으로 변압기 내부의 전기 절연에 사용되는 기름인 절연유(22)와, 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)로부터의 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)가 통과되는 외부 파이프(24)와, 외부 파이프(24)의 속에 매립되며 제빙용 컴프레셔(100)로부터의 제2 냉매(L_HOT)가 통과되는 내부 파이프(26)가 코일 형태를 이루면서 절연유(22)에 담궈지도록 설치되는 이중관구조 냉각부(120)와; 이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 낮춰진 것으로 내부 파이프(26)로부터 토출되는 제2 냉매(L_HOT)의 수분 및 이물질을 제거하는 제1 드라이(122)와 제2 냉매(L_HOT)를 팽창시켜 온도를 급냉시키는 팽창변(124)과 얼음을 제빙하는 냉판(126)과, 기화기(128)를 포함하고, 이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 상승된 것으로 외부 파이프(24)로부터 토출되고 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)에 의하여 압축된 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 제2 드라이(132)와, 제2 드라이(132)에 의하여 수분 및 이물질을 제거된 냉각용 냉매를 냉각시키는 모세관(134)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연유(22)는 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 10 내지 30 중량부가 추가로 혼합된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제빙기는 본체 컴프레셔 냉매와 냉매 냉각용 컴프레셔 냉매를 위한 이중관 구조의 냉각 코일과 그 냉각 코일을 절연유 저장탱크에 매립한 개선된 구조의 냉각 장치를 적용한 냉각수를 대체하는 냉각 시스템을 장착하여 기존 수냉식 제빙기의 제빙 능력에 상응하는 제빙 능력을 가지면서도 수도요금 절감이 가능하다. 또한, 겨울철에 동파의 위험성도 없다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기의 구조를 개략적으로 도시한 블록도, 및
도 2는 도 1의 제빙기에 구비되는 본 발명의 핵심적인 구성 요소인 이중관 구조 냉각부(120)의 구조를 도시한 단면도.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기의 구조를 개략적으로 도시하였다. 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 제빙기는 얼음을 제조하는 제빙기로서 제빙용 컴프레셔(100)와, 제빙용 컴프레셔(100)와 별도로 설치되는 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)를 구비한다.

또한, 상기 제빙기는 내부가 개방되고 상부는 밀폐된 본체(20)와, 본체(20) 내부에 채워지는 것으로 변압기 내부의 전기 절연에 사용되는 기름인 절연유(22)와, 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)로부터의 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)가 통과되는 외부 파이프(24)와, 외부 파이프(24)의 속에 매립되며 제빙용 컴프레셔(100)로부터의 제2 냉매(L_HOT)가 통과되는 내부 파이프(26)가 코일 형태를 이루면서 절연유(22)에 담궈지도록 설치되는 이중관구조 냉각부(120)를 구비한다.

또한, 상기 제빙기는 이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 낮춰진 것으로 내부 파이프(26)로부터 토출되는 제2 냉매(L_HOT)의 수분 및 이물질을 제거하는 제1 드라이(122)와 제2 냉매(L_HOT)를 팽창시켜 온도를 급냉시키는 팽창변(124)과 얼음을 제빙하는 냉판(126)과, 기화기(128)를 포함하고,

이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 상승된 것으로 외부 파이프(24)로부터 토출되고 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)에 의하여 압축된 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 제2 드라이(132)와, 제2 드라이(132)에 의하여 수분 및 이물질을 제거된 냉각용 냉매를 냉각시키는 모세관(134)을 포함하여 이루어진다.

도 2에는 도 1의 제빙기에 구비되는 본 발명의 핵심적인 구성 요소인 이중관 구조 냉각부(120)의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 2를 참조하면 이중관 구조 냉각부(120)는 내부가 개방되고 상부는 밀폐된 본체(20)와, 본체(20) 내부에 채워지는 것으로 변압기 내부의 전기 절연에 사용되는 기름인 절연유(22)와, 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)로부터의 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)가 통과되는 외부 파이프(24)와, 외부 파이프(24)의 속에 매립되며 제빙용 컴프레셔(100)로부터의 제2 냉매(L_HOT)가 통과되는 내부 파이프(26)가 코일 형태를 이루면서 절연유(22)에 담궈지도록 설치되어 이루어진다. 이와 같이 이중관구조 냉각부(120)에는 외부 파이프(24)와 내부 파이프(26)가 코일 형태로 이루어진 이중관 구조 파이프가 절연유(22)에 담궈지는 구조로 이루어지는 것에 주목할 필요가 있다.

절연유는 전기 전도율이 우수하여 내부 파이프(26)를 통과하는 제2 냉매(L_HOT) 온도를 외부 파이프(24)를 통과하는 제1 냉매(L_COOL)가 냉각시키고 외부 파이프(24)는 절연유와 접촉하기 때문에 제1 냉매(L_COOL)를 냉각시키게 된다. 특히 제빙기의 특성상 냉판(126)이 가동되지 않는 이빙 동작 구간에 냉매 냉각용 컴프레셔(102)를 집중적으로 가동하면 제1 냉매(L_COOL)를 신속하게 냉각시킬 수 있어 뜨거운 여름철에도 실제 제빙에 사용되는 제2 냉매(L_HOT)의 온도가 충분한 수준을 유지할 수 있게 된다. 또한, 절연유의 어는 점은 물보다 현저히 낮기 때문에 겨울에 오랜 시간동안 방치되어도 동파의 우려가 없다.

상기와 같은 제빙기의 성능을 수냉식 제빙기 및 공냉식 제빙기와 비교 평가하였다. 수냉식 제빙기의 하루 제빙량을 100이라 하고 제빙중인 실내 온도를 15℃ 내지 35℃ 범위로 할 때 본 발명에 따른 제빙기와 공냉식 제빙기의 하루 제빙량을 비교 평가한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

구분	제빙량 (실내 15℃)	제빙량 (실내 20℃)	제빙량 (실내 25℃)	제빙량 (실내 30℃)	제빙량 (실내 35℃)	비고
본 발명	95	97	94	95	97
수냉식 제빙기	100	100	100	100	100	온도 상승시 물사용량 급증
공냉식 제빙기	74	71	62	45	30	온도상승시 제빙량 급감

표 1을 참조하면 본 발명에 따른 제빙기는 실내 온도 15℃ 내지 35℃의 모든 범위에서 수냉식 제빙기와 유사한 수준의 제빙 능력을 보여주었을 뿐만 아니라 냉각수를 사용하지 않기 때문에 모든 온도 조건에서 물 사용량은 공냉식 수준에 불과하다. 하지만, 수냉식 제빙기의 경우에는 가동중인 실내 온도가 증가함에 따라 냉각을 위한 물의 사용량이 급증하며, 공냉식 제빙기는 실내 온도가 증가함에 따라 제빙 능력이 급감하는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명에 따른 제빙기는 본체 컴프레셔 냉매와 냉매 냉각용 컴프레셔 냉매를 위한 이중관 구조의 냉각 코일과 그 냉각 코일을 절연유 저장탱크에 매립한 개선된 구조의 냉각 장치를 적용한 냉각수를 대체하는 냉각 시스템을 장착하여 기존 수냉식 제빙기의 제빙 능력에 상응하는 제빙 능력을 가지면서도 수도요금 절감이 가능하다.

하지만, 상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제빙기는 내부 파이프(26)를 통과하는 제2 냉매(L_HOT) 온도와 외부 파이프(24)를 통과하는 제1 냉매(L_COOL)의 온도 차이로 인하여 절연유를 장기간 사용하는 경우에 절연유의 산가 변화로 인하여 열전도율의 감소가 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명에 따르면 절연유(22)에 PAO 기유 기반의 엔진오일을 추가로 혼합한다.

엔진오일 기유의 종류와 관련하여, 미국석유학회(API)의 분류 기준에 따르면 엔진오일 기유의 종류는 제1군부터 제5군까지 총 5단계로 구분할 수 있다. 이중 제1군과 제2군을 흔히 광유라 부르고 제3군부터 제5군까지의 기유를 사용한 엔진오일을 합성유라 부른다.

광유 (1-2등급)는 API 분류기준 제1군과 제2군에 속하는 기유로, 원유정제과정에서 벙커C유와 아스팔트 사이에서 나오는 오일을 사용하게 된다. 원유 찌꺼기라고 할 수 있는 아스팔트 바로 위에서 추출되는 기름이다 보니, 태생이 고급스럽지 못하도 저급한 오일이라 할 수 있다. 광유계 오일은 불순물도 많고, 분자구조상 불완전한 구조를 많이 가지고 있어 엔진속 같은 고온고압의 환경에서는 분자구조가 깨지기 쉽다. 따라서 광유를 베이스로 만들어진 엔진오일은 점도를 유지하는데 많은 어려움이 있고, 수명이 짧다.

VHIV (3등급) 기유는 API 분류기준으로 제3군에 속하는 기유가 바로 VHIV이다. VHIV를 기유로 사용한 엔진오일부터 우리가 흔히 합성유라 부르게 되는데, 사실 VHIV 기유로 만든 엔진오일을 합성유라 불러도 되냐에 대해선 예전부터 많은 논란이 있었다. VHIV 기유는 가격도 비교적 저렴한데다, 기술의 발전으로 나중에 말씀드릴 상위기유인 PAO에 버금가는 성능을 보여주고 있기 때문에 최근에는 가장 광범위하게 사용되고 있는 기유이다.

API 분류기준으로는 제4군에 속하는 PAO 기유는 VHIV에 비해 점도지수는 높으나 저온유동성이 우수하며, 내산화성이 높다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 10 내지 30 중량부가 추가되어 이루어진다. 다른 기유들은 열안정성 및 온도유지성 측면에서 기초 실험 결과 부적합한 것으로 나타났다.

[실시예 1]

절연유 100 중량부, PAO 기유 기반의 엔진오일 15 중량부

[실시예 2]

절연유 100 중량부, PAO 기유 기반의 엔진오일 20 중량부

[실시예 3]

절연유 100 중량부, PAO 기유 기반의 엔진오일 25 중량부

[비교예 1]

절연유 100 중량부, PAO 기유 기반의 엔진오일 미투입

[비교예 2]

절연유 100 중량부, PAO 기유 기반의 엔진오일 50 중량부

이렇게 준비된 절연유를 적용한 제빙 능력과 가혹 조건(온도 70℃, 상대 습도 90%, 720 시간 경과)에서의 절연유 산가를 비교 평가하였다. 산가도란 절연유 1g중에 포함된 산가성분을 중화하는데 요하는 수산화칼륨(KOH)의 ㎎으로 표시하며, 신유의 경우 0.02 이하(KS C 2301 기준)이고 산가도가 0.4 mg KOH/g를 초과하면 부적합하다. 그 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	가혹조건에서의 산가도 변화 (mg KOH/g)	비고
실시예 1	0.22	PAO 기유 기반의 엔진오일 15 중량부
실시예 2	0.27	PAO 기유 기반의 엔진오일 20 중량부
실시예 3	0.15	PAO 기유 기반의 엔진오일 25 중량부
비교예 1	0.6	PAO 기유 기반의 엔진오일 미투입
비교예 2	0.1	PAO 기유 기반의 엔진오일 50 중량부

표 1을 참조하면, 절연유에 PAO 기유 기반의 엔진오일이 미투입된 비교예 1의 경우에는 산가도가 0.6을 초과한 것으로 나타났다. 반면에 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 15 중량부 투입된 실시예 1의 경우에는 0.22로 산가도가 허용 범위내를 유지하였고, 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 20 중량부 투입된 실시예 2의 경우에는 0.27, 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 25 중량부 투입된 실시예 3의 경우에는 0.15로 모두 허용 범위 내를 유지하였다.

즉, 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 10 중량부 미만으로 혼합되는 경우에는 고온에 의한 산화가 발생하여 절연유의 산가가 증가하고 이중관 구조 냉각부(120)의 냉각 효율 저하가 초래되어 결과적으로는 제빙 성능이 저하된다.

하지만, 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 30 중량부를 초과하여 혼합되는 경우에는 고온에 의한 산화는 발생되지 않으나 점도가 높아짐으로써 이중관 구조 냉각부(120)의 냉각 효율 저하가 초래되어 결과적으로는 제빙 성능이 저하된 것으로 나타났다.

따라서, 고온 동작에 따른 산가의 증가 방지와 점도가 높아지지 않는 범위를 고려할 때 절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 10 내지 30 중량부가 추가되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다.

100 : 제빙용 컴프레셔 102 : 냉매 냉각용 소형 컴프레셔
120 : 이중관구조 냉각부
20 : 본체 22 : 절연유
24 : 외부 파이프 26 : 내부 파이프
L_COOL : 제1 냉매
L_HOT : 제2 냉매
122 : 제1 드라이 124 : 팽창변
126 : 냉판 128 : 기화기
132 : 제2 드라이 134 : 모세관

Claims

얼음을 제조하는 제빙기에 있어서,
제빙용 컴프레셔(100);
제빙용 컴프레셔(100)와 별도로 설치되는 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102);
내부가 개방되고 상부는 밀폐된 본체(20)와, 본체(20) 내부에 채워지는 것으로 변압기 내부의 전기 절연에 사용되는 기름인 절연유(22)와, 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)로부터의 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)가 통과되는 외부 파이프(24)와, 외부 파이프(24)의 속에 매립되며 제빙용 컴프레셔(100)로부터의 제2 냉매(L_HOT)가 통과되는 내부 파이프(26)가 코일 형태를 이루면서 절연유(22)에 담궈지도록 설치되는 이중관구조 냉각부(120);
이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 낮춰진 것으로 내부 파이프(26)로부터 토출되는 제2 냉매(L_HOT)의 수분 및 이물질을 제거하는 제1 드라이(122)와 제2 냉매(L_HOT)를 팽창시켜 온도를 급냉시키는 팽창변(124)과 얼음을 제빙하는 냉판(126)과, 기화기(128)를 포함하고,
이중관구조 냉각부(120)에 의하여 온도가 상승된 것으로 외부 파이프(24)로부터 토출되고 냉매 냉각용 소형 컴프레셔(102)에 의하여 압축된 냉매 냉각용 제1 냉매(L_COOL)에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 제2 드라이(132)와, 제2 드라이(132)에 의하여 수분 및 이물질을 제거된 냉각용 냉매를 냉각시키는 모세관(134)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기.
제1항에 있어서, 상기 절연유(22)는,
절연유 100 중량부에 대하여 PAO 기유 기반의 엔진오일이 10 내지 30 중량부가 추가로 혼합된 것을 특징으로 하는 이중관 구조의 냉각 코일을 적용한 제빙기.