KR102406789B1 - 디프로스트 시스템 - Google Patents

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토시오 쿠츠나
넬슨 무가비
다이키 카야시마
노부오 오오스가
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가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼
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Abstract

[과제] 브라인 회로를 설치하는 일 없이, 적합하게 디프로스트 가능한 동시에, 케이싱에 고드름이 발생하는 것을 방지할 수 있는 디프로스트 시스템을 제공한다.
[해결 수단] 디프로스트 시스템(20)은, 순환 라인(30)으로부터 분기되어서 설치되고, 디프로스트 시에 있어서, 핀 튜브 열교환기(13)의 내부에 체류하는 CO2 냉매가, 가스 형태 및 재액화의 2상 변화를 반복하고, 핀 튜브 열교환기와 함께 CO2 순환로를 형성하는 서모사이펀 디프로스트 회로(21)와, 디프로스트 시에 폐쇄하고, CO2 순환로를 폐회로로 하는 전자개폐밸브(34A, 34B)와, 서모사이펀 디프로스트 회로에 이웃하도록 서모사이펀 디프로스트 회로의 위쪽에 배치되는 제1 전기 히터(22)를 포함하되, 디프로스트 시에 폐회로에 있어서 CO2 냉매를 자연순환시킨다.

Description

디프로스트 시스템
본 발명은, 냉동고 내에 설치된 냉각기에 CO2 냉매를 순환시켜서 냉동고 내를 냉각시키는 냉동장치에 적용되고, 해당 냉각기에 설치된 핀 튜브 열교환기(fin-tube heat exchanger)에 부착된 서리를 제거하기 위한 디프로스트 시스템(defrost system)에 관한 것이다.
오존층 파괴 방지나 온난화 방지 등의 관점에서, 실내의 공기조절이나 식품 등의 냉동에 이용하는 냉동장치의 냉매로서, 냉각 성능은 높지만 독성이 있는 암모니아를 1차 냉매로 하고, 무독 및 무취의 CO2를 2차 냉매로 한 냉동장치가 널리 이용되고 있다.
이러한 냉동장치에서는, 암모니아 냉매가 순환하는 1차 냉매회로 및 CO2 냉매가 순환하는 2차 냉매회로를 캐스케이드 응축기에서 접속하고, 캐스케이드 응축기에 있어서 암모니아 냉매와 CO2 냉매 간의 열의 수수를 행한다. 암모니아 냉매에 의해서 냉각되어 액화된 CO2 냉매는, 냉동고의 내부에 설치된 냉각기에 공급되고, 냉각기의 케이싱의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기를 개재해서 냉동고 내의 공기를 냉각시킨다. 냉동고 내의 공기를 냉각시킴으로써, 일부가 기화된 CO2 냉매는, 2차 냉매회로를 개재해서 CO2 수액기로 되돌아가고, 캐스케이드 응축기에서 재냉각되어 액화된다.
냉동장치의 운전 중, 냉각기에 설치된 열교환관에는 서리가 부착되고, 열전달 효율이 저하되므로, 디프로스트(서리 제거)할 필요가 있다.
이것과 관련해서, 예를 들면, 하기 특허문헌 1에는, 디프로스트 회로(서모사이펀 디프로스트 회로(thermosiphon defrost circuit)) 및 따뜻한 브라인 회로가 설치되고, 따뜻한 브라인으로 디프로스트 회로를 순환하는 CO2 냉매를 가열하기 위한 제1 열교환부를 구비하는 디프로스트 시스템이 개시되어 있다. 이와 같이 구성된 디프로스트 시스템에 따르면, 폐회로의 CO2 냉매액은, 디프로스트 회로를 제1 열교환부까지 중력으로 하강하고, 제1 열교환부에서 따뜻한 브라인에 의해서 가열되어 기화된다. 기화된 CO2 냉매는 서모사이펀 작용에 의해 디프로스트 회로를 상승하고, 상승한 CO2 냉매 가스는 냉각기의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기의 외표면에 부착된 서리를 가열해서 녹인다. 핀 튜브 열교환기를 가열해서 액화된 CO2 냉매는 중력으로 디프로스트 회로를 하강한다. 제1 열교환부까지 하강한 CO2 냉매액은 재차 제1 열교환부에서 가열되어 기화된다.
특허문헌 1에 개시된 디프로스트 시스템에서는, 따뜻한 브라인 회로가 설치되어 있기 때문에, 따뜻한 브라인 설비가 대규모로 되어 버리는 동시에, 따뜻한 브라인의 농도 관리가 필요해진다.
한편, 케이싱의 내부에 설치되는 핀 튜브 열교환기에 부착된 서리를 디프로스트할 때에, 디프로스트했을 때의 융해수에 의해서, 케이싱 하방부의 핀 튜브 열교환기에 고드름이 발생하는 것을 방지하는 것이 요구된다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 발명된 것으로, 서모사이펀 디프로스트 회로를 가열하기 위한 따뜻한 브라인 회로를 설치하는 일 없이, 적합하게 냉각기의 디프로스트를 행할 수 있는 동시에, 케이싱 하방부의 핀 튜브 열교환기에 고드름이 발생하는 것을 방지할 수 있는 디프로스트 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 디프로스트 시스템은, 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기, 및 상기 핀 튜브 열교환기의 아래쪽에 설치된 드레인 팬(drain pan)을 구비하는 냉각기가, 냉동고 내부에 설치되고, 냉각 시에 있어서는, 상기 냉각기의 상기 핀 튜브 열교환기에 접속되고, 저온의 CO2 냉매가 순환하는 순환 라인과, 내부를 순환하는 냉매에 의해서, 가스 형태의 상기 CO2 냉매를 냉각해서 재액화하는 냉동 사이클을 구비하는 냉동장치의 디프로스트 시스템이다. 디프로스트 시스템은, 상기 순환 라인으로부터 분기되어서 설치되고, 디프로스트 시에 있어서, 상기 핀 튜브 열교환기의 내부에 체류하는 상기 CO2 냉매가, 가스 형태 및 재액화의 2상 변화를 반복하고, 상기 핀 튜브 열교환기와 함께 CO2 순환로를 형성하는 서모사이펀 디프로스트 회로와, 디프로스트 시에 폐쇄하고, 상기 CO2 순환로를 폐회로로 하는 개폐밸브와, 상기 서모사이펀 디프로스트 회로에 이웃하도록 상기 서모사이펀 디프로스트 회로의 위쪽에 배치되는 제1 전기 히터를 구비하고, 디프로스트 시에 상기 폐회로에 있어서 CO2 냉매를 자연순환시킨다.
전술한 바와 같이 구성된 디프로스트 시스템에 따르면, 폐회로의 CO2 냉매액은, 서모사이펀 디프로스트 회로를 제1 전기 히터까지 중력으로 하강시키고, 제1 전기 히터로 가열하여 기화시킨다. 기화된 CO2 냉매는, 서모사이펀의 원리에 의해서, 서모사이펀 디프로스트 회로를 상승하고, 상승한 CO2 냉매 가스는 냉각기의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기를 가열하여, 핀 튜브 열교환기의 외표면에 부착된 서리를 가열해서 녹인다. 핀 튜브 열교환기를 가열해서 액화된 CO2 냉매는 중력으로 서모사이펀 디프로스트 회로를 하강한다. 제1 전기 히터까지 하강한 CO2 냉매액은 재차 제1 전기 히터로 가열되어 기화된다. 이상으로부터, 서모사이펀 디프로스트 회로를 가열하기 위한 따뜻한 브라인 회로를 설치하는 일 없이, 적합하게 냉각기의 디프로스트를 행할 수 있는 동시에, 케이싱 하방부의 핀 튜브 열교환기에 고드름이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 냉동장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 냉각기 및 디프로스트 시스템 등의 개략사시도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 냉각기 및 디프로스트 시스템의 개략도이다.
도 4는 도 3의 4-4선을 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 5-5선을 따른 단면도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 서모사이펀 디프로스트 회로를 나타낸 개략도이다.
도 7은 디프로스트 시에 있어서의 CO2 냉매의 순환로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8A는, 팬의 개구부를 폐쇄시킨 때의 상태를 나타낸 도면이고, 도 8B는 팬의 개구부를 개구시킨 때의 상태를 나타낸 도면이다
본 발명의 실시형태를, 도 1 내지 도 6을 참조하면서 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복하는 설명을 생략한다. 도면의 치수비율은, 설명의 형편상 과장되어 있고, 실제의 비율과는 다른 경우가 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 냉동장치(1)의 전체 구성도이다. 도 2는 본 실시형태에 따른 냉각기(11) 및 디프로스트 시스템(20) 등의 개략사시도이다. 도 3은 본 실시형태에 따른 냉각기(11) 및 디프로스트 시스템(20)의 개략도이다. 도 4는 도 3의 4-4선을 따른 단면도이다. 도 5는 도 3의 5-5선을 따른 단면도이다. 도 6은 본 실시형태에 따른 서모사이펀 디프로스트 회로(21)를 나타낸 개략도가다.
냉동장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 냉동고(10) 내에 설치된 1쌍의 냉각기(11)와, 냉각기(11)에 설치되는 디프로스트 시스템(20)과, CO2 냉매가 순환하는 순환 라인(2차 냉매회로)(30)과, CO2 냉매를 저장하기 위한 CO2 수액기(40)와, 암모니아 냉매가 순환하는 순환 라인(1차 냉매회로)(56)을 구비하는 암모니아 냉동 사이클(50)(냉동 사이클)과, 냉각수가 순환하는 냉각수 회로(60)와, 냉각수 회로(60)에 접속되는 밀폐식 냉각탑(70)을 구비한다.
냉동고(10) 내에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상하를 따라서 2개의 냉각기(11)가 설치된다. 2개의 냉각기(11)의 구성은, 서로 동일한 구성이기 때문에, 여기에서는 한쪽의 냉각기(11)의 구성에 대해서 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 냉각기(11)는, 케이싱(12)과, 케이싱(12)의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기(13)와, 케이싱(12)의 내외로 유통하는 공기류를 형성하는 팬(15)을 구비한다.
케이싱(12)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 거의 직사각 형상으로 구성된다. 케이싱(12)의 내부에는, 핀 튜브 열교환기(13)가 배치된다. 또, 핀 튜브 열교환기(13)의 최하부의 아래쪽에 제2 전기 히터(23)가 배치되고, 케이싱(12)의 최하부에 설치되는 더미의 배관(L)의 아래쪽에는 제3 전기 히터(24)가 배치되어 있다. 제2 전기 히터(23) 및 제3 전기 히터(24)는 아래쪽 전기 히터를 구성한다. 더미의 배관(L)은, 후술하는 드레인 팬(83) 및 핀 튜브 열교환기(13)의 열교환관(13A)의 고드름에 의한 브리지 방지와 균등한 전면풍속확보를 위하여 설치되고, CO2 냉매는 순환되지 않는다.
핀 튜브 열교환기(13)는, 도 2, 도 3에 나타낸 바와 같이, 열교환관(13A) 및 핀(13B)을 구비한다. 열교환관(13A)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 케이싱(12)의 내부에서 상하방향 및 수평방향으로 사행 형상으로 형성된다. 핀(fin)(13B)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상하방향으로 형성된다. 또한, 열교환관(13A)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 케이싱(12)의 깊이방향을 따라 4개 설치된다. 또, 열교환관(13A)의 구성은, 케이싱(12)의 내부에 골고루 배치되어 있으면 이것으로 한정되는 것은 아니다.
4개의 열교환관(13A)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 4개의 열교환관(13A)의 아래쪽의 단부에 있어서, 입구 헤더(16)와 연결되어 있다. 또, 4개의 열교환관(13A)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 4개의 열교환관(13A)의 위쪽의 단부에 있어서, 출구 헤더(17)와 연결되어 있다.
팬(15)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 케이싱(12)의 위쪽에 배치된다. 또, 팬(15)이 설치되는 위치는, 케이싱(12)의 측면 등이어도 된다. 팬(15)이 가동함으로써, 케이싱(12)의 내외로 유통하는 공기류가 형성된다.
디프로스트 시스템(20)은, 핀 튜브 열교환기(13)의 표면에 부착된 서리를 융해 제거(디프로스트)하기 위해서 설치된다. 디프로스트 시스템(20)은, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)와, 제1 전기 히터(22)와, 제2 전기 히터(23)와, 제3 전기 히터(24)를 구비한다.
서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 순환 라인(30)의 CO2 공급 라인(31)으로부터 분기되어서 설치되고, 핀 튜브 열교환기(13)와 함께 CO2 순환로를 형성한다. 또, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 채열부는, 제1 전기 히터(22)의 아래쪽에 배치된다.
서모사이펀 디프로스트 회로(21)에는, 도 1, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전자개폐밸브(21A) 및 체크밸브(21J)가 배치되어 있다. 서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, 디프로스트 할 때에, 후술하는 전자개폐밸브(34A, 34B)를 폐쇄하는 동시에, 전자개폐밸브(21A)를 개방함으로써, CO2가 순환하는 CO2 순환로를 형성한다. 한편, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, 냉동 운전 시에 있어서, 전자개폐밸브(34A, 34B)를 개방하는 동시에, 전자개폐밸브(21A)를 폐쇄한다.
이하, 도 3, 도 6을 참조해서, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 구성에 대해서 상세히 기술한다.
서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, 도 3, 도 6에 나타낸 바와 같이, 순환 라인(30)의 CO2 공급 라인(31)으로부터 분기되는 제1 라인(21B)과, 제1 라인(21B)의 단부가 접속되는 제1 헤더(21C)와, 제1 헤더(21C)로부터 연장되는 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)과, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)이 연결되는 동시에, 제1 헤더(21C)보다도 높은 위치에 설치되는 제2 헤더(21G)와, 제2 헤더(21G)로부터 연장되어 순환 라인(30)의 CO2 리턴 라인(32)과 접속하는 제3 라인(21H)을 구비한다.
3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 헤더(21C)와 제2 헤더(21G) 중 서로 가장 떨어진 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 제2 라인(21E)과, 제1 헤더(21C)와 제2 헤더(21G) 중 서로 가장 가까운 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 제2 라인(21E)과, 제2 라인(21E) 및 제2 라인(21E) 사이에 배치되는 제2 라인(21F)을 구비한다. 이 구성에 따르면, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)은, 서로 교차하는 일 없이, 또 상향 경사로 배치되므로, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)에 있어서, 적합하게 CO2 가스를 순환시킬 수 있다.
제1 전기 히터(22)는, 도 1, 도 2, 도 5에 나타낸 바와 같이, 후술하는 드레인 팬(83)의 아래쪽 그리고 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)의 위쪽에 배치된다. 제1 전기 히터(22)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 6개의 히터가 U자 형상으로 구성되어서 이루어진다. 1개당의 히터의 출력은, 특별히 한정되지 않지만, 1.5kW이다.
제2 전기 히터(23)는, 도 1, 도 2, 도 5에 나타낸 바와 같이, 케이싱(12)의 내부의 핀 튜브 열교환기(13)의 아래쪽에 배치된다. 구체적으로는, 제2 전기 히터(23)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 열교환관(13A)의 아래쪽이며, 더미의 배관(L)의 위쪽에 배치된다. 1개의 히터의 출력은, 특별히 한정되지 않지만, 1.5kW이다. 이와 같이 제2 전기 히터(23)가, 케이싱(12)의 내부의 핀 튜브 열교환기(13)의 아래쪽에 배치되므로, 핀 튜브 열교환기(13)를 하강하는 물방울이, 케이싱(12)의 아래쪽의 핀 튜브 열교환기(13)에서 재동결되어 고드름이 되는 일 없이 드레인 팬(83)에 의해 회수될 수 있다.
제3 전기 히터(24)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 더미의 배관(L)의 아래쪽에 배치된다. 즉, 제3 전기 히터(24)는, 케이싱(12)의 내부의 가장 아래쪽에 배치된다. 이와 같이 제3 전기 히터(24)가, 케이싱(12)의 내부의 가장 아래쪽에 배치되므로, 케이싱(12)의 아래쪽에서 재동결되어 고드름이 발생하는 것을 적합하게 방지할 수 있다.
도 2, 도 5에 나타낸 바와 같이, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 아래쪽에는, 단열재(81)가 설치되어 있다. 단열재(81)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 20㎜이며, 제1 전기 히터(22)에 의해 가열되는 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 하부면에서의 방열 손실을 방지한다. 제1 전기 히터(22)의 위쪽에는, 드레인 팬(83)이 설치되고, 디프로스트 시의 물방울을 재동결시키는 일 없이 드레인 배출관(83A)으로부터 배수할 수 있다. 또한, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)와 제1 전기 히터(22) 사이에는, 전열판(82)이 설치되어 있다. 이와 같이 전열판(82)이 설치됨으로써, 제1 전기 히터(22)의 열을 적합하게 CO2 냉매의 가열에 전달할 수 있다.
순환 라인(30)은, CO2 냉매가 순환하도록 구성되어 있다. 순환 라인(30)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, CO2 수액기(40)로부터, 1쌍의 냉동고(10)에 액상의 CO2 냉매를 공급하는 CO2 공급 라인(31)과, 1쌍의 냉동고(10)로부터 나오는 기액혼합의 CO2 냉매를 CO2 수액기(40)에 되돌리는 CO2 리턴 라인(32)과, 가스화된 CO2 냉매를 재액화시키는 재액화 라인(33)을 구비한다.
CO2 공급 라인(31)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, CO2 수액기(40)의 아래쪽에 접속되어 있다. 또, CO2 리턴 라인(32)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, CO2 수액기(40)의 위쪽에 접속되어 있다.
또한, CO2 공급 라인(31)에는 제1펌프(P1)가 설치되고, 제1펌프(P1)에 의해서 CO2 수액기(40) 내의 액상의 CO2 냉매는, 냉동고(10) 내의 냉각기(11)에 보내진다.
CO2 공급 라인(31)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하나의 냉각기(11)에 접속되는 제1 공급 라인(31A) 및 다른 냉각기(11)에 접속되는 제2 공급 라인(31B)으로 분기된다.
제1 공급 라인(31A)은, 하나의 냉각기(11)를 개재해서, 제1 리턴 라인(32A)에 접속된다. 또, 제2 공급 라인(31B)은, 다른 냉각기(11)를 개재해서, 제2 리턴 라인(32B)에 접속된다. 제1 리턴 라인(32A) 및 제2 리턴 라인(32B)은 재차 합류되어, CO2 리턴 라인(32)에 연결된다.
제1 공급 라인(31A)은, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 입구 헤더(16)에 접속되고, 제1 리턴 라인(32A)은 출구 헤더(17)에 접속된다. 제1 공급 라인(31A)에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전자개폐밸브(개폐밸브)(34A)가 배치되고, 제1 리턴 라인(32A)에는 전자개폐밸브(개폐밸브)(34B)가 배치되어 있다.
제1 리턴 라인(32A)에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 압력 센서(34)가 접속된다. 압력 센서(34)에는, 압력 센서(34)의 검출값이 입력되는 제어부(35)가 접속된다. 또한, 제어부(35)에는, 제1 전기 히터(22)의 제어기(36)가 접속되고, 제어부(35)에 의해, 제1 전기 히터(22)의 온도나 6개의 히터의 온·오프를 제어할 수 있다.
디프로스트 시에 있어서, 제어부(35)는, 압력 센서(34)에 의해서 측정되는 CO2 순환로의 압력이 소정의 압력보다도 높을 경우에는, 제1 전기 히터(22)의 온도를 저하시키거나, 제1 전기 히터(22)의 6개의 히터 중 온 상태로 되는 개수를 저감시키거나 할 수 있다.
또한, 제1 리턴 라인(32A)에는, 제1 리턴 라인(32A)으로부터 분기되는 분기 회로(37)가 설치되고, 분기 회로(37)에는, 압력조정밸브(38)가 설치되고, 소정의 압력보다도 압력이 높을 경우에는, 압력조정밸브(38)가 개방되어 압력을 저하시킨다.
재액화 라인(33)은 CO2 수액기(40)의 위쪽에 접속되어 있다. CO2 수액기(40) 내의 가스 형태의 CO2 냉매는, 재액화 라인(33)을 통과할 때에, 후술하는 암모니아 냉동 사이클(50)의 열교환기(51)에 의해서 재액화된다. 그리고, 재액화된 액상의 CO2 냉매는, CO2 수액기(40)에 되돌아간다.
암모니아 냉동 사이클(50)은, 암모니아 냉매가 순환한다. 암모니아 냉동 사이클(50)은, 가스 형태의 CO2 냉매를 냉각시켜 액화시킨다. 암모니아 냉동 사이클(50)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 증발기로서의 열교환기(캐스케이드 응축기)(51)와, 압축기인 냉동기(52)와, 응축기(53)와, 암모니아 수액기(54)와, 팽창밸브(55)와, 암모니아 냉매가 순환하는 순환 라인(1차 냉매회로)(56)을 구비한다.
열교환기(51)에 있어서, 가스 형태의 CO2 냉매의 열에 의해 증발된 암모니아 냉매 가스는 냉동기(52)에 의해 압축되고, 고온고압의 암모니아 냉매 가스는 응축기(53)에 있어서 냉각되어서 응축되고, 액화된 암모니아 냉매액은 암모니아 수액기(54)에 저장되고, 암모니아 수액기(54)의 암모니아 냉매액은 팽창밸브(55)에 보내져서 팽창되고, 저압의 암모니아 냉매액은 열교환기(51)에 보내져서 가스 형태의 CO2 냉매의 냉각에 이용된다.
응축기(53)에는, 냉각수 회로(60)가 설치되어 있다. 냉각수 회로(60)를 순환하는 냉각수는, 응축기(53)에서 암모니아 냉매에 의해 가열된다.
냉각수 회로(60)는, 밀폐식 냉각탑(70)에 접속된다. 냉각수는, 냉각수 펌프(61)에 의해서, 냉각수 회로(60)를 순환한다. 응축기(53)에서 암모니아 냉매의 배열을 흡수한 냉각수는, 밀폐식 냉각탑(70)에서 외기 및 살포수와 접촉하고, 살포수의 증발 잠열에 의해 냉각된다.
밀폐식 냉각탑(70)은, 냉각수 회로(60)에 접속된 냉각 코일(71)과, 외기(a)를 냉각 코일(71)에 통풍시키는 팬(72)과, 냉각 코일(71)에 냉각수를 살포하는 살수관(73) 및 펌프(74)를 구비한다. 살수관(73)으로부터 살포되는 냉각수의 일부는 증발되고 그 증발 잠열을 이용해서 냉각 코일(71)을 흐르는 냉각수를 냉각시킨다.
이상, 냉동장치(1)의 구성에 대해서 설명하였다. 그 다음에, 도 1, 도 7, 도 8을 참조해서, 본 실시형태에 따른 냉동장치(1)의 사용 방법을, 냉동 운전 시 및 디프로스트 시로 나누어서 설명한다.
도 1은 냉동 운전 시에 있어서의 CO2 냉매의 순환로를 나타낸 도면이다. 냉동 운전 시, 전자개폐밸브(34A, 34B)는 개방되는 동시에, 전자개폐밸브(21A)는 폐쇄된다. 이것에 의해, CO2 공급 라인(31)으로부터 공급되는 CO2 냉매는, 제1 공급 라인(31A), 제2 공급 라인(31B) 및 핀 튜브 열교환기(13)를 순환한다. 한편, 냉동고(10)의 내부에서 팬(15)의 운전에 의해서, 냉각기(11)의 내부를 통과하는 고내 공기의 순환류가 형성된다. 고내 공기는 핀 튜브 열교환기(13)를 순환하는 CO2 냉매에 의해 냉각되어, 냉동고(10)의 내부는, 예를 들어 -25℃의 저온으로 유지된다. 냉동 운전 시에서는, 도 8B에 나타낸 바와 같이, 팬(15)의 운전으로 소크 덕트(sock duct)를 개구시킨다.
도 7은 디프로스트 시에 있어서의 CO2 냉매의 순환로를 나타낸 도면이다. 디프로스트 시에, 전자개폐밸브(34A, 34B)는 폐쇄되고, 전자개폐밸브(21A)는 개방된다. 이것에 의해, 핀 튜브 열교환기(13) 및 서모사이펀 디프로스트 회로(21)로 이루어진 폐쇄된 CO2 순환로가 형성된다.
폐회로의 CO2 냉매액은, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)를 제1 헤더(21C)와, 제1 헤더(21C)로부터 연장되는 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)까지 중력으로 하강하여, 제1 전기 히터(22)에 의해 가열되어 기화된다. 기화된 CO2 냉매는, 서모사이펀의 원리에 의해, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 체크밸브(21J)를 상승하고, 상승한 CO2 냉매 가스는 냉각기(11)의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기(13)의 외표면에 부착된 서리를 가열해서 녹인다. 핀 튜브 열교환기(13)를 가열해서 액화된 CO2 냉매는 중력으로 서모사이펀 디프로스트 회로(21)를 하강한다. 제1 헤더(21C)와, 제1 헤더(21C)로부터 연장되는 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)까지 하강한 CO2 냉매액은, 재차 제1 전기 히터(22)로 가열되어 기화된다.
서리가 가열되어서 융해된 융해수는, 드레인 팬(83)을 향해서 낙하한다. 이 때, 예를 들어, 제2 전기 히터(23)가 설치되지 않은 구성이면, 핀 튜브 열교환기(13)의 아래쪽에서 재동결되어 고드름이 형성될 가능성이 있다. 이것에 대해서, 본 실시형태에 따른 디프로스트 시스템(20)에 따르면, 케이싱(12)의 내부의 가장 아래쪽에 제2 전기 히터(23), 및 제3 전기 히터(24)가 설치되므로, 케이싱(12)의 아래쪽에 고드름이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 디프로스트 시에서는, 도 8A에 나타낸 바와 같이, 팬(15)의 개구부를 소크 덕트에 의해 폐쇄하고, 냉각기(11) 내의 승온을 보조하는 동시에 냉동고(10) 내의 연무의 발생을 방지한다. 또, 제2 전기 히터(23)가 설치되지 않은 구성도 본 발명에 포함되는 것으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 냉동장치(1)의 디프로스트 시스템(20)은, 케이싱(12), 케이싱(12)의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기(13), 및 핀 튜브 열교환기(13)의 아래쪽에 설치된 드레인 팬(83)을 구비하는 냉각기(11)가, 냉동고(10)의 내부에 설치된다. 냉각 시에 있어서는, 냉각기(11)의 핀 튜브 열교환기(13)에 접속되어 저온의 CO2 냉매가 순환하는 순환 라인(2차 냉매회로)(30)과, 내부를 순환하는 냉매에 의해, 가스 형태의 CO2 냉매를 냉각해서 재액화되는 냉동 사이클(50)을 구비하는 냉동장치(1)의 디프로스트 시스템(20)이다.
디프로스트 시스템(20)은, 순환 라인(30)으로부터 분기되어서 설치되고, 디프로스트 시에 있어서, 핀 튜브 열교환기(13)의 내부에 체류하는 CO2 냉매가, 가스 형태 및 재액화의 2상 변화를 반복하고, 핀 튜브 열교환기(13)와 함께 CO2 순환로를 형성하는 서모사이펀 디프로스트 회로(21)와, 디프로스트 시에 폐쇄하고, CO2 순환로를 폐회로로 하는 개폐밸브(34A, 34B)와, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)에 이웃하도록 서모사이펀 디프로스트 회로(21)의 위쪽에 배치되는 제1 전기 히터(22)를 구비한다.
디프로스트 시에, 폐회로에 있어서 CO2 냉매를 자연순환시킨다. 이와 같이 구성된 디프로스트 시스템(20)에 따르면, 폐회로의 CO2 냉매액은, 제1 전기 히터(22)로 가열되고 기화되어, 서모사이펀의 원리에 의해서, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)를 상승하고, 상승한 CO2 냉매 가스는 냉각기(11)의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기(13)를 가열해서, 핀 튜브 열교환기(13)의 외표면에 부착된 서리를 가열해서 녹인다. 핀 튜브 열교환기(13)를 가열해서 액화된 CO2 냉매는 중력으로 서모사이펀 디프로스트 회로(21)를 하강한다. 제1 전기 히터(22)까지 하강한 CO2 냉매액은 제1 전기 히터(22)로 가열되어 기화된다. 또한, 케이싱(12)의 내부의 아래쪽에 제2 전기 히터(23)가 설치되므로, 핀 튜브 열교환기(13)를 하강하는 물방울이, 케이싱(12)의 아래쪽의 핀 튜브 열교환기(13)에서 재동결되어 고드름이 되는 일 없이 드레인 팬(83)에 의해 회수할 수 있다. 이상으로부터, 브라인 회로를 설치하는 일 없이, 적합하게 디프로스트할 수 있는 동시에, 케이싱(12)의 하방부의 열교환관(13A) 및 핀(13B)에 고드름이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 디프로스트 시에 있어서의 CO2 순환로의 압력을 측정하는 압력 센서(34)와, 압력 센서(34)에 의해 측정된 측정값이 소정의 압력보다도 높을 때에, CO2 순환로의 압력이 저하되는 바와 같이 제1 전기 히터(22)를 제어하는 제어부(35)를 구비한다. 이와 같이 구성된 디프로스트 시스템(20)에 따르면, 디프로스트 시에 서모사이펀 디프로스트 회로(21) 및 핀 튜브 열교환기(13) 내의 압력이 극단적으로 높아지는 것을 방지할 수 있으므로, 서모사이펀 디프로스트 회로(21) 및 핀 튜브 열교환기(13)의 배관의 파손을 적합하게 방지할 수 있다.
또한, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, CO2 냉매의 순환 라인(30)의 CO2 공급 라인(31)으로부터 분기되는 제1 라인(21B)과, 제1 라인(21B)의 단부가 접속되는 제1 헤더(21C)와, 제1 헤더(21C)로부터 연장되는 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)과, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)이 접속되는 동시에, 제1 헤더(21C)보다도 높은 위치에 설치되는 제2 헤더(21G)와, 제2 헤더(21G)로부터 연장되어 순환 라인(30)의 CO2 리턴 라인(32)과 접속하는 제3 라인(21H)을 구비한다.
3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)은, 제1 헤더(21C)와 제2 헤더(21G) 중 서로 가장 떨어진 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 제2 라인(21D)과, 제1 헤더(21C)와 제2 헤더(21G) 중 서로 가장 가까운 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 제2 라인(21E)과, 제2 라인(21D) 및 제2 라인(21E) 사이에 배치되는 제2 라인(21F)을 구비한다. 이 구성에 따르면, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)은, 서로 교차하는 일 없이 배치되기 때문에, 전열판(82)을 개재해서 제1 전기 히터(22)에 의해 적합하게 가열할 수 있으므로 CO2 냉매를 자연순환시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 디프로스트 시스템(20)에 따르면, 디프로스트 시에 서모사이펀 디프로스트 회로(21) 및 핀 튜브 열교환기(13)의 배관에 잔류하는 CO2 냉매를 가열해서 자연순환시키기 위한 그리고 드레인 팬(83)을 가열해서 배수를 가능하게 하기 위한 제1 전기 히터(22)와 케이싱(12)의 아래쪽의 핀 튜브 열교환기(13)에서의 재동결을 방지하기 위한 제2 전기 히터(23)(더미의 배관(L)이 있으면 제3 전기 히터(24))만으로 행할 수 있으므로, 핀 튜브 열교환기(13)의 배열에 골고루 히터를 배치하는 히터 디프로스트에 비해서, 극히 근소한 전력으로 디프로스트가 가능하게 된다. 또한, 직접 핀 튜브 열교환기(13)를 가열하므로, 디프로스트의 시동 지연을 해소할 수 있다.
또, 순환 라인(30)으로부터 분기되어서 설치되는 분기 회로(37)를 더 구비하고, 분기 회로(37)에는, 순환 라인(30)에 있어서의 압력이 소정의 압력보다도 높을 경우에, 압력을 저하시키기 위한 압력조정밸브(38)가 배치되어 있다. 이와 같이 구성된 디프로스트 시스템(20)에 따르면, 디프로스트 운전 시에 서모사이펀 디프로스트 회로(21) 및 핀 튜브 열교환기(13) 내의 압력을 극단적으로 높아지는 것을 방지할 수 있으므로, 서모사이펀 디프로스트 회로(21) 및 핀 튜브 열교환기(13)의 파손을 적합하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 청구범위 내에서 각종 개변할 수 있다.
예를 들면, 전술한 실시형태에서는, 서모사이펀 디프로스트 회로(21)는, 순환 라인(30)으로부터 분기되는 제1 라인(21B)과, 제1 라인(21B)의 단부가 접속되는 제1 헤더(21C)와, 제1 헤더(21C)로부터 연장되는 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)과, 3개의 제2 라인(21D, 21E, 21F)이 연결되는 제2 헤더(21G)와, 제2 헤더(21G)로부터 연장되어 순환 라인(30)과 접속하는 제3 라인(21H)을 구비했지만, 핀 튜브 열교환기(13)와 함께 CO2 순환로를 형성하는 구성이면, 특별히 한정되지 않는다.
또, 전술한 실시형태에서는, 제2 라인(21D, 21E, 21F)은 3개 설치되었지만, 2개 이상이어도 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 냉동 사이클의 냉매로서 암모니아를 이용했지만, 이것으로 한정되지 않고 프레온이나 다른 자연냉매를 이용해도 된다.
또, 전술한 실시형태에서는, 냉각기(11)는 2개 설치되어 있었지만, 냉각기(11)는 1개 또는 3개 이상 설치되어 있어도 된다.
1: 냉동장치 10: 냉동고,
11: 냉각기 12: 케이싱,
13: 핀 튜브 열교환기 13A: 열교환관,
13B: 핀 20: 디프로스트 시스템,
21: 서모사이펀 디프로스트 회로 21A: 전자개폐밸브,
21B: 제1 라인 21C: 제1 헤더,
21D, 21E, 21F: 제2 라인 21G: 제2 헤더,
21H: 제3 라인 21J: 체크밸브
22: 제1 전기 히터 23: 제2 전기 히터,
30: 순환 라인 34: 압력 센서,
34A, 34B: 전자개폐밸브 35: 제어부
37: 분기 회로 38: 압력조정밸브
83: 드레인 팬

Claims (5)

  1. 케이싱(casing), 상기 케이싱의 내부에 설치된 핀 튜브 열교환기(fin-tube heat exchanger), 및 상기 핀 튜브 열교환기의 아래쪽에 설치된 드레인 팬(drain pan)을 구비하는 냉각기가, 냉동고 내부에 설치되고,
    냉각 시에 있어서는, 상기 냉각기의 상기 핀 튜브 열교환기에 접속되어, 저온의 CO2 냉매가 순환하는 순환 라인과,
    내부를 순환하는 냉매에 의해서, 가스 형태의 상기 CO2 냉매를 냉각시켜 재액화시키는 냉동 사이클을 포함하는 냉동장치의 디프로스트 시스템(defrost system)으로서,
    상기 순환 라인으로부터 분기되어서 설치되고, 디프로스트 시에 있어서, 상기 핀 튜브 열교환기의 내부에 체류하는 상기 CO2 냉매가, 가스 형태 및 재액화의 2상 변화를 반복하고, 상기 핀 튜브 열교환기와 함께 CO2 순환로를 형성하는 서모사이펀 디프로스트 회로(thermosiphon defrost circuit)와,
    디프로스트 시에 폐쇄되어, 상기 CO2 순환로를 폐회로로 하는 개폐밸브와,
    상기 서모사이펀 디프로스트 회로에 이웃하도록 상기 서모사이펀 디프로스트 회로의 위쪽에 배치되는 제1 전기 히터를 포함하고,
    디프로스트 시에 상기 폐회로에 있어서 상기 CO2 냉매를 자연순환시키고,
    상기 서모사이펀 디프로스트 회로는,
    상기 CO2 냉매의 상기 순환 라인으로부터 분기되는 제1 라인과,
    상기 제1 라인의 단부가 접속되는 제1 헤더와,
    상기 제1 헤더로부터 연장되는 복수의 제2 라인과,
    상기 복수의 제2 라인이 접속되는 동시에, 상기 제1 헤더보다도 높은 위치에 설치되는 제2 헤더와,
    상기 제2 헤더로부터 연장되어 상기 순환 라인과 접속하는 제3 라인을 포함하고,
    상기 복수의 제2 라인은, 적어도,
    상기 제1 헤더와 상기 제2 헤더 중 서로 가장 떨어진 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 라인과, 상기 제1 헤더와 상기 제2 헤더 중 서로 가장 가까운 개소끼리를 사행 형상으로 연결한 라인을 구비하는, 냉동장치의 디프로스트 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    디프로스트 시에 있어서의 상기 CO2 순환로의 압력을 측정하는 압력 센서와,
    상기 압력 센서에 의해서 측정된 측정값이 소정의 압력보다도 높을 때에, 상기 CO2 순환로의 압력이 저하되도록 상기 제1 전기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는, 냉동장치의 디프로스트 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이싱의 내부 중 아래쪽에 배치되는 아래쪽 전기 히터를 더 포함하는, 냉동장치의 디프로스트 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 순환 라인으로부터 분기되어서 설치되는 분기 회로를 더 포함하되,
    상기 분기 회로에는, 상기 순환 라인에 있어서의 압력이 소정의 압력보다도 높을 경우에, 압력을 저하시키기 위한 압력조정밸브가 배치되어 있는, 냉동장치의 디프로스트 시스템.
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