KR102393685B1 - 고효율 폐냉온열 재활용 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 폐냉온열 재활용 열교환장치는 증발기(10)와 응축기(20) 사이에 냉매가 폐루프를 형성하여 순환하며, 상기 응축기(20)에는 내부의 냉매 압력과 온도를 검출하여 검출 값을 제어장치(50)로 입력하는 디지털 센서(45)를 설치하고, 상기 액 냉매관(40) 상에는 액 냉매를 증발기(10) 쪽으로 밀어주는 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)를 설치하되, 상기 디지털 센서(45)의 검출 값을 입력받은 제어장치(50)가 상기 검출 값에 따라 상기 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)의 작동을 제어하여 냉매관(40)을 흐르는 액 냉매의 유량을 조절한다. 이에 따라 증발기(10)와 응축기(20) 발생한 열평형과 압력평형의 정도에 따라 냉매의 순환량을 자동으로 조절할 수 있으므로 안정적인 냉매의 순환뿐만 아니라 폐냉온열 회수의 고효율 최적화를 달성하는 운전이 가능하다.

Description

고효율 폐냉온열 재활용 열교환장치{High-efficiency heat exchanging system for recycling waste cold/hot heat}

본 발명은 증발기와 응축기 사이에서 폐루프를 이루며 순환하는 냉매를 사용하여, 공조장치를 포함한 다양한 에너지 소비 장치에서 손실되는 폐냉열 또는 폐온열을 회수하여 재활용하는 폐냉온열 재활용 열교환장치에 관한 것이다.

증발기와 응축기를 사용하는 열교환장치는 증발기와 응축기를 통과하는 냉매사이에 온도차가 커질 때 각각 냉매의 증발과 응축 현상이 일어난다.

냉매의 증발과 응축은 증발기 출구와 응축기 입구 사이 및 응축기 출구와 증발기 입구 사이에 압력차를 발생시키므로, 냉매가 별도의 동력 없이도 증발기와 응축기 사이를 연결한 냉매관의 압력 기울기를 따라 흘러서 순환하는 서모사이펀(thermosiphon) 작용이 일어난다.

상기 서모사이펀 작용을 이용한 종래 열교환장치(이하 ‘서모사이펀 열교환장치’라 칭함)는 한국 등록특허 제10-1294939호에 그 기본 원리가 소개되어 있다.

이러한 서모사이펀 열교환장치는 별도의 외부동력 없이 자체적으로 냉매를 순환시켜 열을 이동시킬 수 있는 장점이 있으므로, 기존의 공조장치를 비롯한 폐냉열이나 폐온열이 발생하는 장치에 부설하여 열효율을 개선하는 폐냉온열 재활용 열교환장치로 많이 사용된다.

그런데 상기 종래의 서모사이펀 열교환장치는, 증발기와 응축기를 통과하는 냉매 사이에 온도차가 작으면 증발기와 응축기를 연결한 액 냉매관과 가스 냉매관에서 열평형과 압력평형 상태가 발생하기 쉽다. 이럴 경우에는 냉매 흐름이 정지되어 버리므로 증발과 응축을 반복하는 냉매의 순환으로 폐냉온열을 회수하는 작용효과를 기대할 수 없는 문제점이 있다.

그리고 냉매관에서 열평형과 압력평형 상태가 발생한 이후에는, 통상적으로 온도와 압력이 높아지는 증발기 쪽의 액 냉매가 응축기 쪽을 향하여 역방향으로 흘러서 열교환장치로서의 기능을 상실하는 문제도 발생한다.

이러한 문제 때문에 서모사이펀 열교환장치에 냉매 압축기나 재열 히터 등을 추가로 장착하여 냉매의 열평형과 압력평형 상태를 강제로 해소하고, 냉매가 역방향으로 흐르지 않도록 하는 열교환장치도 사용되고 있다.

그런데 기존의 서모사이펀 열교환장치가 다양한 열교환장치나 폐열 발생 장소에 자유롭게 설치되던 것에 비해서, 냉매 압축기나 재열 히터를 위한 냉매 압축기용 전력 공급장치나 재열히터용 열원장치의 위치를 고려해야하는 서모사이펀 열교환장치의 경우에는 설치 적용 환경에 제한이 많다.

또한 냉매 압축기나 재열 히터 등을 작동하려면 매우 큰 외부 에너지가 추가로 소모되므로, 서모사이펀 열교환장치가 외부에너지를 거의 소비하지 않는다는 고유 장점을 잃어버리는 문제가 있으며, 장치가 복잡해짐에 따라 고장률이 높아지고 제품의 생산원가 및 유지보수비용의 상승을 초래하는 문제도 발생한다.

한편 본 발명의 발명자는 종래 서모사이펀 열교환장치를 개선하여, 도 1에 도시되어 있는 서모사이펀 열교환장치를 출원하여 한국 공개특허 제10-2018-0029474호로 공개한 바 있다.

도 1에 도시되어 있는 서모사이펀 열교환장치는, 증발기(10)의 출구와 응축기(20)의 입구 사이 및 응축기(20)의 출구와 증발기(10)의 입구 사이를 연결시켜 주고 있는 냉매관(30, 40)에 각각 정해진 압력 이상의 차가 발생하였을 때 냉매를 어느 한 방향으로만 통과시켜 주는 체크밸브(31, 41)를 설치하고, 액 냉매 통과용 체크밸브(41)의 출구와 증발기(10)의 입구 측 사이에는 냉매의 교축 효과를 얻을 수 있도록 하는 팽창밸브(44)을 설치한 것이다.

따라서 도 1에 도시된 서모사이펀 열교환장치의 경우에는, 가스 냉매관(30)과 액 냉매관(40)에 열평형과 압력평형 상태가 발생하면 체크밸브(31, 41)에 의해 냉매의 흐름이 정지되며, 그 역방향 흐름은 방지된다. 이후 열평형과 압력평형 상태가 충분히 해소되면 체크밸브(31, 41)를 통한 정방향 냉매 순환이 다시 이루어진다.

이와 같이 한국 공개특허 제10-2018-0029474호의 서모사이펀 열교환장치는 별도의 냉매 열평형과 압력평형 상태 해소용 동력 장치를 사용하지 않고도, 종래 체크밸브가 없던 서모사이펀 열교환기에서 열평형과 압력평형 상태가 발생하여 냉매 흐름 방향이 역전되는 현상을 해결할 수 있다.

하지만 한국 공개특허 제10-2018-0029474호의 서모사이펀 열교환장치는, 증발기(10)와 응축기(20)를 통과하는 냉매 사이에 온도차가 작은 경우에는 액 냉매관(40)과 가스 냉매관(30)에서 열평형과 압력평형상태가 쉽게 발생하여 냉매 흐름이 정지되는 문제가 있고, 그 압력차가 체크밸브를 통과할 수 있을 정도로 상당 수준 회복될 때까지는 폐냉온열을 회수하는 열교환장치로서의 작용효과를 기대할 수 없는 문제점이 여전히 남는다.

한국 등록특허 제10-1294939호(공고일:2013.08.08) 한국 공개특허 제10-2018-0029474호(공개일:2018.03.21)

본 발명은 상기 종래기술들의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 증발기의 출구와 응축기의 입구 사이 및 응축기의 출구와 증발기의 입구 사이에 냉매 열평형과 압력평형이 발생하더라도, 최소의 외부에너지 투입만으로 안정적인 냉매의 순환 작용을 유지할 수 있는 고효율 폐냉온열 재활용 열교환장치의 구성을 제공하는 것을 과제로 한다.

이에 더해 폐냉온열 재활용 운전 중에 증발기에 투입되는 적정 냉매량을 자동으로 조절할 수 있는 고효율 폐냉온열 재활용 열교환장치의 구성을 제공하는 것을 다른 과제로 한다.

또한 본 발명은 시운전 단계에서 최적의 냉매량을 충전하는 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 고효율 폐냉온열 재활용 열교환장치의 구성을 제공하는 것을 다른 과제로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 증발기 출구와 응축기 입구 사이를 연결하는 가스 냉매관과 응축기 출구와 증발기 입구 사이를 연결하는 액 냉매관을 설치하여 증발기와 응축기 사이에 냉매가 폐루프를 형성하여 순환하도록 하고, 상기 응축기에는 내부의 냉매 압력과 온도를 검출하여 검출 값을 제어장치로 입력하는 디지털 센서를 설치하고, 상기 액 냉매관 상에는 액 냉매를 증발기 쪽으로 밀어주는 액체이송펌프를 설치하되, 상기 디지털 센서의 검출 값을 입력받은 제어장치는 상기 검출 값에 따라 상기 액체이송펌프의 운전 동작을 제어하여 냉매관을 흐르는 액 냉매의 유량을 조절하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 액 냉매관 상에는 솔레노이드밸브가 더 설치되고. 상기 디지털 센서의 검출 값을 입력받은 제어장치는 상기 검출 값에 따라 상기 솔레노이드밸브의 유로 개도율을 조절할 수 있게 구성할 수 있다.

그리고 상기 제어장치는, 상기 액체이송펌프의 동작을 먼저 정지하는 제어를 한 후, 소정시간이 경과한 후 디지털 센서에서 검출한 응축기 내부의 냉매 압력과 온도 검출 값이 규정된 변화 값을 충족하였는지를 판단하여, 규정된 변화 값을 충족하지 못한 경우에는 상기 솔레노이드밸브의 유로 개도율을 조절 제어를 실시하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 폐냉온열 재활용 열교환장치는, 증발기 출구와 응축기 입구 사이 및 응축기 출구와 증발기 입구 사이에 냉매 열평형과 압력평형이 발생하더라도 액체이송펌프를 제어하여 안정적으로 냉매의 순환 작용을 유지할 수 있다. 특히 발생한 열평형과 압력평형의 정도에 따라 냉매의 순환량을 자동으로 조절할 수 있으므로, 안정적인 냉매의 순환뿐만 아니라 폐냉온열 회수의 고효율 최적화를 달성하는 운전이 가능하다.

또한 본 발명은 장치의 최초 설치 후 시운전단계에서나 유지 보수 시 재충전 과정에서 숙련도가 낮은 작업자도 쉽게 냉매의 적정량 충전 여부를 확인할 수 있으므로 장치의 설치 및 유지보수가 수월해지는 장점이 있다.

그리고 본 발명의 폐냉온열 재활용 열교환장치은 기존 공조장치의 형태에 구애받지 않고 냉난방용 열교환기의 전단 또는 후단에 설치하거나 폐열 활용을 위한 장소에 증발기 또는 응축기를 별도로 분리해서 설치가 가능하므로 다양한 형태의 에너지 소비 장치에서 손실되는 현장에 적용하여 폐냉온열을 적극적이고 자유롭게 재활용할 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명의 폐냉온열 재활용 열교환장치는, 예냉 후 재열 과정이 필요한 항온항습장치나 기존 공기조화기의 제습기능 강화용으로, 또는 고온 및 제습 건조장치의 프리쿨링 및 프리히팅용으로, 그리고 환기 덕트의 배기폐열의 재활용용 등으로 매우 유용하게 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명자가 선출원한 공개특허 제10-2018-0029474호의 도면.
도 2는 본 발명의 주요 기술 구성의 모식도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고효율 폐냉온열 열교환장치의 바람직한 실시례를 상세히 설명한다.

본 발명의 설명을 위해 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이 포함될 수 있다. 본 발명에서 사용된 용어들은 다른 설계자나 사용자의 의도 또는 관례에 따라 다른 용어로 표현될 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 실질적 정의는 본 명세서 전반에 기재된 내용을 참작하여 내려져야 할 것이다.

또한, 본 발명의 설명에서 사용되는 '상', '하', '앞', '뒤', '전', '후', '좌‘, '우', '선단', '후단' 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면(들)의 배향을 기준으로 한 것이다. 하지만, 본 발명 실시례의 구성요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있기 때문에 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 구성요소들이 서로 '연결', '결합' 또는 '체결' 등이 되었다고 기재한 경우는, 중간 매개 구성요소를 통한 간접적 방법으로 이루어진 경우도 포함하는 것으로 이해해야 한다.

그리고 본 발명의 설명에서는 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시례로서, 폐냉온열의 재활용을 위한 냉매 순환 사이클이 작동하는 열교환장치의 모식도를 나타낸 것이다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 열교환장치는 액의 냉매를 외부열을 흡수하여 가스로 증발시키는 증발기(10)과 증발기에서 나온 가스의 냉매를 방열에 의해 액으로 응축하는 응축기(20), 그리고 상기 증발기(10)과 응축기(20) 사이에 폐루프를 형성하여 냉매가 순환하도록, 증발기(10)의 출구와 응축기(20)의 입구를 연결하는 가스 냉매관(30)과 응축기(20)의 출구와 증발기(10)의 입구를 연결하는 액 냉매관(40)으로 폐루프를 이루는 구성을 기본으로 하며, 이는 공지의 서모사이펀 열교환기에서 볼 수 있는 일반적인 구성에 해당한다.

그리고 본 발명에는, 상기 가스 냉매관(30)에 스윙형의 체크밸브(31)를 더 설치하고, 액 냉매관(40)에는 볼 형의 체크밸브(41)를 더 설치하고 있다. 이러한 체크밸브의 설치 구성은 상기 종래기술로 언급된 공개특허 제10-2018-0029474호에 개시된 것과 동일하다(도 1 참조).

상기 체크밸브(31)는 증발기(10) 출구 쪽 냉매압이 응축기(20) 입구 쪽 냉매압보다 규정된 압력차 이상으로 높으면, 가스 냉매가 응축기(20)로 흐르도록 개방되며, 체크밸브(41)는 응축기(20) 출구 쪽 냉매압이 증발기(10) 입구 쪽 냉매압보다 규정된 압력차 이상으로 높으면, 가스 냉매가 증발기(10) 쪽으로 흐르도록 개방된다.

도 2의 도시를 보면, 본 발명의 바람직한 실시례로서 액 냉매관(40) 상에 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)가 더 설치된다.

액체이송펌프(46)는 액 냉매관(40) 상의 액 냉매를 강제로 증발기(10)로 밀어주는 장치로서, 통상의 열교환장치에서 가스 냉매를 고온 고압으로 압축하여 응축기 쪽으로 토출하는 ‘압축기’와는 기능, 작용 및 효과가 전혀 다른 장치이다.

앞서 설명한 바와 같이, 증발기(10)와 응축기(20)를 통과하는 냉매 사이에 온도차가 작아지면, 액 냉매관(40)과 가스 냉매관(30) 사이에 열평형과 압력평형상태에 근접하게 되므로, 폐루프 내에서 냉매의 흐름이 너무 미약해져서 폐냉온열의 회수 효율을 거의 기대할 수 없게 된다.

본 발명은 이렇게 냉매의 흐름이 대단히 미약해진 상태가 될 때, 액 냉매강제로 밀어 냉매 순환 사이클을 유지하는 용도로 액체이송펌프(46)를 사용하게 된다. 따라서 통상의 열교환장치에서 가스 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기와는 사용 목적과 기능이 다른 장치이다.

그리고 본 발명에 사용되는 액체이송펌프는 단순히 액 냉매의 흐름을 유도하는 정도의 액체이송능력만 있으면 충분하므로, 소용량의 것을 사용할 수 있다.

즉 본 발명의 서모사이펀 열교환기에서는 액체이송펌프가 0.5kgf/㎠정도의 유체압을 발생시킬 때 정상적인 액 냉매 흐름이 이루어지기 시작함을 확인하였다. 따라서 본 발명의 액체이송펌프는 통과한 액 냉매가 통과 전에 비해 적어도 0.5kgf/㎠의 압력 상승이나 그보다 약간 높은 압력 상승을 발생시키는 정도의 것을 채택한다.

그리고 솔레노이드밸브(47)는 액체이송펌프(46)에서 토출된 액 냉매를 단속적으로 제어하기 위한 용도로 액체이송펌프(46)와 증발기(10) 사이에 설치할 수 있다. 솔레노이드밸브(47)는 액체이송펌프(46)를 작동 정지 시키는 것만으로 액체이송펌프(46)로부터의 냉매 유출이 정확하게 이루어지지 않을 경우를 대비하여 설치한 것이며, 액 냉매의 흐름 단속을 보다 확실하게 실시할 수 있도록 해준다.

본 발명에서는 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)를 제어하기 위하여, 디지털 센서(45)와 제어장치(50)를 설치한다.

디지털센서(45)는 온도와 압력을 검출할 수 있는 것을 사용하여 응축기(20) 쪽에 설치한다. 바람직하게는 도 2에 도시된 것처럼 응축기(20)의 출구 쪽 액 전용헤더(22)에서 액 냉매가 고여 있는 하부 쪽에 설치하여 액 냉매의 온도와 압력을 검출하게 한다.

그리고 디지털센서(45)에서 검출한 온도와 압력의 검출 값을 입력받아 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)의 작동을 제어하기 위한 신호를 발생하는 장치인 제어장치(50)를 소정의 위치에 설치한다.

상기 제어장치(50)로는 MCU(Micro Controller Unit)를 사용할 수 있으며, 응축기(20) 내의 액 냉매 상태에 따라 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)의 작동을 제어하여 냉매관(40)을 흐르는 액 냉매의 유량을 자동으로 조절한다.

즉, 제어장치(50)에서는 디지털센서(45)에서 검출한 온도와 압력의 검출 값이 규정된 범위보다 어느 정도 초과 혹은 미달하는 지를 판단하고, 그 초과치 또는 미달치의 크기에 비례하여 액체이송펌프(46)의 운전 동작을 제어함으로써, 냉매 토출량을 조절하거나 토출을 완전히 멈추도록 할 수 있다.

또한, 제어장치(50)는 솔레노이드밸브(47)의 유로 개도율을 증가 또는 감소 또는 폐쇄 작동시키는 신호를 발생시켜 제어할 수 있으며, 액체이송펌프(46)의 제어와 유기적으로 연동하여 제어할 수도 있다.

팽창밸브(44)는 액 냉매의 교축 효과를 얻을 수 있도록 하는 수단이다. 팽창밸브(44)를 통과하는 액 냉매는 교축되어 압력이 내려가는데, 만일 압력 강하가 과도하여 포화압력 이하로 떨어지게 된다면, 액 냉매의 일부가 증발하여 플래시 가스(flash gas)가 발생할 수 있는데, 이 플래시 가스는 액 냉매로부터 증발열을 흡수하므로 액 냉매의 온도는 하강한다.

상기 팽창밸브(44)는 열교환장치의 열용량 등을 감안하여 전자식 또는 감응식 팽창밸브로 설치할 수 있으며, 모세관 또는 글로브 밸브와 같이 교축작용을 일으킬 수 있는 장치 중에서 대체 선택하여 설치할 수도 있다.

도2에 도시된 압력계(32, 42)는 상기 체크밸브(31, 41)들의 입구 쪽 냉매관(30, 40)에 설치되며, 냉매관을 통과하는 가스 냉매 또는 액 냉매의 압력을 측정하여 표시해 주는 것이다. 상기 냉매관(30, 40)과 압력계(32, 42)의 사이에는 냉매의 흐름을 단속할 수 있는 압력계 단속밸브(33, 43)를 더 설치하는 것이 바람직하다.

도 2에 도시된 본 발명의 실시례에서는, 증발기(20)의 입구 쪽에 다수의 분배튜브(12)가 분기되어 있는 분배기(11)를 설치한다.

분배기(11)은 팽창밸브(44)을 지나서 냉매관(40)을 통해 전달되어 오는 소량의 플래시 가스와 저온 저압의 액 냉매를 분배시켜 주는 기능을 한다.

상기 분배튜브(12)들은 증발기의 열교환 튜브 단부에 각각 나뉘어 결합되므로, 액 냉매관(40)으로부터 들어오는 냉매는 분배기(11)와 분배튜브(12)를 거쳐 증발기 전체에 고르게 분배되어 유입된다.

그리고 증발기(10)의 냉매 출구와 응축기(20)의 냉매 입구에는 각각 가스 전용헤더(13, 21)을 설치하고, 응축기(20)의 냉매 출구에는 액 전용헤더(22)를 설치한다.

상기 헤더들은 냉매관과 증발기 또는 응축기 사이에서 냉매가 원활하게 유입 또는 유출되도록 돕는 기능을 한다.

본 발명의 실시례에서, 송풍팬(23)은 외부공기(또는 폐냉열 발생장소의 공기)를 응축기(20)의 열교환 튜브 측으로 불어주어 가열시켜 더운 공기로 만들고, 이를 실내로 유입시켜 주는 역할을 한다.

이하에서는 도 2를 참조로 하여 본 발명이 냉기를 배출하는 폐냉열원이 있는 곳의 폐냉열을 이용하여 고온 건조실 같은 실내에 가열된 공기를 공급하는 폐냉열 재활용 열교환기로 이용되는 사례를 들어 그 작용을 설명한다.

보통 통상의 열교환기에서는 증발기로 유입되는 냉매는 저온/저압의 액체 상태이며, 증발기에서 냉매가 외기와 열교환(흡열)하여 기화함으로써 저온/저압의 가스 상태가 되어 배출된다. 이 저온/저압 상태의 가스 냉매는 압축기를 통해 고온/고압의 과열된 가스 상태로 압축된 후 응축기로 들어가 외기와 열교환(방열)함으로써 고온/고압의 액체 상태로 되어 배출된다. 이 고온/고압의 액체 냉매는 팽창밸브에서 교축작용으로 저온/저압의 액체상태가 되어 다시 증발기로 유입되어 냉매의 순환 사이클이 이루어진다.

위의 통상의 열교환기에서는 응축기 쪽 압력이 증발기 쪽 압력보다 높으므로, 압축기가 없으면 증발기에서 배출되는 저온/저압의 가스 냉매를 응축기 쪽으로 이송시킬 수 없다.

그런데 본 발명에서는 증발기(10)에서 냉매가 기화하는 증발작용이 소정시간 이상 지속적으로 이루어지게 하여 냉매의 기화량을 크게 만들어서 증발기(10)에서 발생하는 저온/저압의 가스 냉매가 자체적으로 고온/고압의 상태가 되도록 만든다.

즉, 본 발명은 증발기(10)에서 배출되는 가스냉매 압력을 응축기(20)의 입구 쪽 압력보다 정해진 압력 이상으로 높게 만들 수 있으므로, 압축기로 가스냉매를 고온/고압 상태로 만드는 별도의 과정이 없더라도 응축기(20) 쪽으로 이송할 수 있다.

이렇게 증발기(10)의 출구 압력이 응축기(20)의 입구 압력보다 커지면, 그 압력차에 의해 가스 냉매관(30)에 설치되어 있는 스윙형의 체크밸브(31)가 응축기 쪽으로 개로되고, 가스 냉매는 가스 냉매관(30)을 통해 체크밸브(31) 및 가스 전용헤더(21)의 경로를 따라 응축기(20)의 열교환 튜브 내로 자동 유입된다.

이어서 응축기(20)로 유입된 고온/고압의 가스 냉매는 외기와 열교환(방열)하여 응축 작용이 일어나므로, 응축기(20) 내에서 고온/고압의 액 냉매로 상태가 변화한다.

본 발명에서는 응축기(20)의 출구 쪽에 위치한 액 전용헤더(22)의 하부 쪽에 디지털 센서(45)를 설치하고 있고, 제어장치(50)에서 상기 디지털 센서(45)로 검출된 응축기 내의 액 냉매의 온도와 압력 정보를 받아들이게 된다.

제어장치(50)에서는 디지털 센서(45)에서 검출되는 액 냉매의 압력이 사전에 정해진 압력 범위 내에 있는지를 판단하고(예를 들면 응축기 내의 액 냉매 압력이 0.5~1.5 kgf/㎠의 범위에 있으면 정상으로 판단할 수 있다.), 그 결과 값에 따라 액체이송펌프(46)의 작동과 솔레노이드밸브(47) 단속을 제어하게 된다.

본 발명에서 응축기(20) 내의 액 냉매가 정해진 압력 범위(예를 들어 0.5~1.5 kgf/㎠ 범위를 넘는 압력)으로 올라간다면, 증발기 출구와 응축기 입구 사이의 압력차가 매우 적거나 응축기 입구 쪽이 더 고압인 상태일 수 있다.

이 경우 증발기에서 응축기 쪽으로 흐르는 가스 냉매의 압력이 스윙형 체크밸브(31)를 개로할 수 있을 정도로 크지 못하게 되어, 가스 냉매의 흐름이 체크밸브(31)에 막혀 멈춰지게 될 것이다.

따라서 본 발명에서는 디지털 센서(45)에서 응축기(20) 내의 액 냉매가 정해진 압력 범위를 넘는 것(예를 들어 0.5~1.5 kgf/㎠ 이상)으로 검출될 경우, 제어장치(50)는 액체이송펌프(46)를 작동시키고 솔레노이드밸브(47)를 개로 상태로 제어하여 냉매의 강제 순환을 실시한다. 이에 따라 증발기에서 토출된 고온/고압의 가스 냉매가 응축기(20)로 지속적으로 유입시킬 수 있다.

그리고 상기 냉매 강제순환 상태가 지속되면, 응축기(20)에서 토출되는 고온/고압의 액 냉매가 상기 증발기(10)로 꾸준히 유입되면서 증발기(10) 내에서 발생하는 가스 냉매의 압력은 점차 증가하게 된다.

그리고 결국 증발기(10)의 출구에서 토출되는 가스 냉매 압력이 응축기(20)의 내부 압력과 거의 같아질 때까지 상승하여, 상호 간 압력차가 정해진 압력차 이하(예를 들어 디지털 센서(45)에서 응축기 내 압력이 0.5~1.5 kgf/㎠ 범위 이하로 검출되는 경우)로 떨어지게 될 수 있다.

이 경우에는 디지털 센서(45)로부터 검출신호를 입력받은 제어장치(50)는 액체이송펌프(46)를 정지시키는 제어를 하며, 결국 냉매의 순환이 정지된다.

그리고 이렇게 냉매의 순환이 정지된 상태에서는, 응축기(20) 내에 잔류해 있던 가스 냉매는 외기와 열교환이 계속 일어나므로 응축이 더 진행되면서 점차 응축기(20)의 냉매 압력이 점차 하강할 수 있고, 반대로 증발기(10) 내에 잔류해 있던 액 냉매도 외기와 계속 열교환 하여 증발이 더 진행되면서 점차 증발기(20) 내의 냉매 압력이 점차 상승할 수 있다.

여기서 만일 제어장치(50)가 액체이송펌프(46) 동작을 정지시켰는데도 액체펌프로부터 액 냉매의 누설이 냉매관(40)으로 일어나서 소량의 액 냉매 순환이 계속된다면, 증발기(20) 내의 냉매압력 상승 속도가 지나치게 느려질 수 있다.

따라서 제어장치(50)에는 액체이송펌프(46)의 동작을 정지하고 소정시간 경과 후에 디지털 센서(45)에서 검출한 응축기(20) 내부의 냉매 압력과 온도 검출 값이 규정된 변화 값을 충족하지 못하면, 정지된 액체펌프로부터 액 냉매의 누설이 있는 것으로 판단하여, 상기 솔레노이드밸브(47)의 유로 개도율을 0%에서 100% 사이로 조절하는 제어를 실시할 수 있다.

상기한 제어가 실시되고 소정 시간이 지나면 응축기에 설치된 디지털 센서(25)에는 응축기(20) 내의 액 냉매가 정해진 압력 범위에 진입한 것으로 검출될 것이므로, 이 검출 신호를 입력받는 제어장치(50)는 액체이송펌프(46)를 작동시키고 솔레노이드밸브(47)를 개로 하도록 제어하며, 액 냉매관(30)의 스윙형 체크밸브(31)는 개로 될 것이므로, 다시 냉매가 폐회로 내에서 순환 사이클을 실시하게 된다,

다음, 도 2의 실시례를 보면, 솔레노이드밸브(47)와 증발기(10)의 입구 측 사이 냉매관(40) 상에 설치된 팽창밸브(44)는 상기 응축기(10)에서 냉매관(40)을 통해 전달되어 오는 고온/고압의 액 냉매를 교축 팽창시켜 저온/저압의 상태로 냉각시키고 증발기(10)의 입구에 설치된 분배기(11) 쪽으로 토출하게 된다.

그리고 증발기(10)의 입구에 설치된 분배기(11)와 여기서 분지 되어 나오는 분배튜브(12)는 증발기(10)의 열교환 튜브 각 단부에 결합되어 있으므로, 상기 분배기(11)를 통해 유입되는 냉매를 증발기 전체에 걸쳐 고르게 분산시켜서 증발기(10)에서의 증발작용을 보다 더 효율적으로 수행할 수 있게 한다.

이렇게 팽창밸브(44)에서 저온/저압의 상태로 된 액 냉매가 유입된 증발기(10)에서는 외기와 열교환(흡열) 하여 냉매를 기화시키는 증발작용을 소정시간 이상 지속시켜 고온/고압의 가스 상태가 되도록 만들어 토출함으로써, 냉매의 연속적인 순환이 이루어지게 된다.

한편, 본 발명에서는 상기 응축기(20)의 출구 쪽에 설치된 액 전용헤더(45)에 소정의 정해진 압력을 검출할 수 있게 설치된 디지털 센서(45)는 초기 설치 시 또는 유지 보수 시에 간편하게 냉매충전상태를 확인하는 용도로 사용할 수 있다.

즉, 종래에는 열교환장치를 설치하고 처음 냉매를 주입하는 경우나, 유지 보수 차원에서 냉매를 보충하는 경우에, 작업자는 별도의 압력계를 사용하여 주입된 냉매의 압력을 측정하면서 작업해야 하는데, 이는 일정 수준의 숙련도가 있어야 하는 것이다.

하지만, 본 발명은 응축기(20) 내부의 냉매충전 상태를 디지털 센서(45)가 정확히 검출하여 표시해주므로, 작업자는 냉매를 주입할 때 단순히 디지털 센서(45)를 보면서 소정의 정해진 압력이 표시될 때까지만 주입하면 작업을 완료할 수 있다. 따라서 작업자의 숙련도가 떨어지더라도 냉매 주입작업을 정확하고 손쉽게 실시할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량이나 변경하는 것이 가능하다. 따라서 앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시례는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉 상기 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 쉬운 것이라면 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10 : 증발기 11 : 분배기
12 : 분배튜브 13 : 가스 전용헤더
20 : 응축기 21 : 가스 전용헤더
22 : 액 전용헤더 23 : 송풍팬
30, 40 : 냉매관
31, 41 : 체크밸브 32, 42 : 압력계
33, 43 : 압력계 단속밸브 44 : 팽창밸브
45 : 디지털 센서 46 : 액체이송펌프
47 : 솔레노이드밸브 50 : 제어장치

Claims (3)

1. 증발기(10)와 응축기(20) 사이에 냉매가 폐루프를 형성하여 순환하도록, 증발기(10) 출구와 응축기(20) 입구 사이를 연결하는 가스 냉매관(30)과 응축기(20) 출구와 증발기(10) 입구 사이를 연결하는 액 냉매관(40)을 설치하고,
   상기 응축기(20)에는 내부의 냉매의 압력과 온도를 검출하여 검출 값을 제어장치(50)로 입력하는 디지털 센서(45)를 응축기(20) 출구쪽 액 전용헤더(22)에서 액 냉매가 고여 있는 하부 쪽에 설치하고,
   상기 액 냉매관(40) 상에는 액 냉매를 증발기(10) 쪽으로 밀어주는 액체이송펌프(46)와 솔레노이드밸브(47)를 설치하되,
   상기 디지털 센서(45)의 검출 값을 입력받은 제어장치(50)는 검출된 액 냉매의 압력이 사전에 정해진 압력 범위 내에 있는지를 판단하여, 디지털 센서(45)에서 응축기(20) 내의 액 냉매가 정해진 압력 범위를 넘은 경우에는 액체이송펌프(46)를 작동시키고 솔레노이드밸브(47)를 개로 상태로 제어하여 냉매의 강제 순환을 실시하는 것을 특징으로 하는 고효율 폐냉온열 열교환장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제어장치(50)는,
   상기 액체이송펌프(46)의 동작을 먼저 정지하는 제어를 한 후,
   소정시간이 지난 후 디지털 센서(45)에서 검출한 응축기(20) 내부의 냉매 압력과 온도 검출 값이 규정된 변화 값을 충족하였는지를 판단하여,
   규정된 변화 값을 충족하지 못한 경우에는 상기 솔레노이드밸브(47)의 유로 개도율의 조절 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 고효율 폐냉온열 열교환장치.

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