KR102628450B1 - 냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수액기 측의 온도와 압력을 낮추어 응축기 측에서 순환하는 냉매의 원활한 유입을 촉진하여 압축기 부하를 줄이면서 냉각 성능을 향상하되 증발기 측으로 순환하는 액상냉매 속에 함유된 가스상 냉매를 효율성 좋게 제거할 수있는 구조의 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템을 제공하는 데 있다. 이를 위해 응축기와 그 응축기를 방열 냉각하는 송풍팬 및 수액기를 냉동탑의 전면 상부에 고정설치되는 실외기 케이스부재 내에 마련하고 있는 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템에 있어서, 상기 수액기 상부에 저류하는 냉매가스를 외부로 인출하도록 배설된 가스상냉매 이송라인과, 상기 가스상냉매 이송라인을 통해 유입된 냉매가스를 순환시키는 과정에 공랭에 의해 방열 냉각하여 액상으로 응축하는 수액기용 열교환기와, 상기 수액기용 열교환기를 통해 응축시킨 액상냉매를 수액기로 보내는 액상냉매 이송라인을 포함하고, 상기 수액기용 열교환기는 상기 수액기보다 높은 위치 에너지를 가지도록 상기 실외기 케이스부재 내의 전면 상측에 설치하고, 상기 응축기는 상기 수액기용 열교환기의 하측에 위치하도록 설치하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템{Refrigeration cycle system for refrigeration tower vehicles}

본 발명은 냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 응축기에서 응축된 액상의 냉매가 수액기 측으로 원활히 순환 공급되도록 하여 작은 압축기 동력을 사용하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템을 제공함에 있다.

식품위생법상 냉동식품이라고 표기된 식품의 경우에는 신선도 유지를 위해 생산이나 유통과정 및 운송과정 등 에서 영하 18℃ 이하의 온도를 유지해야 하며, 냉장식품의 경우에는 영상 0～10℃의 온도를 유지하여야 하므로, 냉동 및 냉장 식품을 운송할 때에는 반드시 냉동탑차를 이용하여 운송하고 있다.

이를 위해 냉동 및 냉장 식품을 수납 운반하기 위하여 통상 트럭에 냉동싸이클 시스템(냉동기)을 설치하고 있다.

냉동탑차의 전형적인 예로는, 도 1에 도시한 국내 등록실용신안 제20-0273219호(2002. 04. 11. 등록)(특허문헌 1)의 냉동탑차용 냉동기가 있는바, 특허문헌 1은 냉동탑차(2)에 의해 구동되는 압축기(10)가 구비되고, 상기 압축기(10)에 연결되는 응축기(20)와 응축기팬(30)이 구비되며, 또한 상기 응축기(20)와 연결되는 증발기(40)와 증발기팬(50)을 구비하되, 상기 냉동탑차(2)의 냉동탑(3) 외측 전면으로 케이스(70)가 구비되고, 상기 케이스(70)의 내부의 양측으로 각각 상기 응축기(20)와 응축기팬(30)이 구비되며, 한 쌍의 상기 응축기(20)의 사이에 상기 증발기(40)와 증발기팬(50)이 구비되고, 상기 응축기(20)와 증발기(40)의 사이의 상기 케이스(70) 내부로 각각 분할판(71)이 부착되며, 상기 증발기팬(50)의 하부에서 개구되어 상기 냉동탑(3)의 내부로 연통되는 덕트(72)가 구비되고, 상기 증발기(40)의 후면으로 상기 냉동탑(3)에 배출구(73)가 형성되며, 상기 덕트(72)의 끝으로 상기 냉동탑(3)에 유입구(74)가 형성되어 상기 응축기(20)와 증발기(40)가 상기 냉동탑(3)의 외측 전면에 일체로 구비되어 있는 구조로 구성되어 있다.

여기서 도 2는 일반적인 냉동탑차용의 냉동사이클을 도시한 것으로, 특허문헌 1에 나타나 있지 않은 부호 52, 54 및 56은 각기 수액기, 드라이어 및 액분리기이다.

그런데 냉동탑차는 냉동싸이클의 일부 주요 구성들이 냉동식품들을 탑재하는 냉동탑(3)의 전면에 장착된 케이스(70) 내에 수용설치되게 되는데, 극히 제한된 설치 위치 및 비좁은 케이스(70) 용적으로 인해 엔진 구동력을 이용하여 구동되는 압축기(10)는 통상 엔진룸 내부에 설치되며, 케이스 내에는 방열 냉각이 요구되는 응축기(20)와 응축기팬(30)이 설치되며, 이에 더하여 응축기(20)에서 응축된 액상냉매가 증발기(40)(냉동탑 실내에 설치)로 유입되는 중에 액상냉매 속에 가스냉매의 함유량이 많아(특히 외기온이 높은 경우 두드러짐) 냉동 효율이 저하되는 것을 차단하기 위하여 케이스(70) 내부의 응축기(20) 하류에 접속하도록 수액기(도 2의 부호 52 참조, 특허문헌 1에는 미설치)를 함께 케이스(70) 내부에 설치토록 하고 있다.

그런데 이처럼 수액기(52)를 설치하는 이유는 응축기(20)에서 응축된 액상냉매 속에는 미처 응축되지 못한 가스상냉매가 일부 포함되어 있어, 이를 그대로 팽창밸브(60) 측으로 순환시키는 것은 냉각 효율의 저하를 가져오므로, 도중에 수액기(52)를 두어 냉매를 일시 저장토록 함으로써 무거운 액상냉매는 수액기(52) 용기 내에서 가라 앉히고, 가벼운 가스상냉매는 액상냉매의 상부에 분리되어 저류하도록 한 후 액상냉매속 저부에 팽창밸브(60) 측으로 나가는 출구관(58)의 입구가 위치토록 배관 설비를 하여 순수한 액상냉매만이 팽창밸브(60) 측으로 순환 공급되도록 한 것이다.수액기(52)를 통해 액상냉매만이 증발기(40) 측으로 순환 공급되도록 하고 있다.

그러나, 냉동탑차의 운행 또는 정차 중 외기온이 너무 높으면, 응축기(20)에서 응축이 잘 이루어지지 못하게 되어 응축기(20) 하류의 출구온도가 상승하게 되며, 이는 수액기(52) 내부 온도의 상승을 가져와 수액기 내부로 유입된 액상냉매의 팽창을 가져오고, 이에 따라 그 수액기 상부에 체류하는 가벼운 냉매가스의 압축과 팽창을 가져오게 되어서 그 높아진 팽창 압력이 응축기(20) 측에 미쳐 응축기(20)에서 수액기(52) 측으로 흘러드는 액상냉매의 유입을 방해하게 되어 냉매가 원활하게 순환되지 않게 됨으로써 냉동 효율을 저하시키는 원인이 되고 있어, 냉동시스템의 설계치를 넘는 고온상황(예, 혹서기 등)에 대한 대비책이 필요한 실정이다.

이처럼 응축기(20) 측으로부터 수액기로의 액상냉매의 원활한 유입을 위해 수액기 내의 온도와 압력을 응축기(20) 측보다 낮게 유지하는 것이 냉각 성능 증대에 필요한 것이나, 냉동탑차의 경우 설치 장소의 협소함으로 인해 특허문헌 1처럼 수액기가 구비되지 않은 경우가 많고 또한 수액기를 케이스 내부에 설치하고 있더라도 수액기의 압력과 온도를 낮추는 적극적 방안이 제안되지 못하여 혹서기 시 냉동 성능의 저하로 냉동탑 내에 보관되어 운송되는 냉동 및 냉장 제품들의 변질을 초래하는 등 수액기의 압력과 온도를 낮추는 것이 당해 냉동탑차 업계의 시급한 현안이 되고 있다.

[특허문헌 1] 한국등록실용신안 20-0273219호 [특허문헌 2] 한국등록특허 10-1429070호 [특허문헌 3] 한국등록특허 10-1289664호 [특허문헌 4] 한국등록실용 20-0359861호

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 수액기 측의 온도와 압력을 낮추어 응축기 측에서 순환하는 냉매의 원활한 유입을 촉진하여 압축기 부하를 줄이면서 냉각 성능을 향상하되 증발기 측으로 순환하는 액상냉매 속에 함유된 가스상 냉매를 효율성 좋게 제거할 수있는 구조의 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은 압축기 측에 유입되는 냉매가스의 순도를 높임과 동시에 수액기 측의 온도와 압력을 강하시켜 냉각 효율을 높이되, 설치 공간을 최소화할 수 있는 구조의 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진룸 내에 설치되어 엔진 구동력을 이용하여 구동되고 냉매순환라인을 통해 냉매를 순환시키는 압축기와, 압축기에 의해 압축되어 급송되는 고온 고압의 기체냉매를 고온 등압의 액체로 만들기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압의 액상냉매를 일시 저장하는 수액기와, 수액기로부터 유입된 고온고압의 액상냉매를 안개상태로 급속 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 급속 팽창 교축시킨 저온 등압의 안개상태의 냉매로 하여금 외부 열교환매체가 가진 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되게 하는 과정에서 주위의 열을 흡수한 후, 저온의 기체상태로 변화시키는 증발기 및 상기 응축기와 그 응축기를 방열 냉각하는 송풍팬을 포함하고, 또한 상기 수액기를 냉동탑의 전면 상부에 고정설치되는 실외기 케이스부재 내에 마련하고 있으며, 상기 수액기 상부에 저류하는 냉매가스를 외부로 인출하도록 배설된 가스상냉매 이송라인과, 상기 가스상냉매 이송라인을 통해 유입된 냉매가스를 순환시키는 과정에 공랭에 의해 방열 냉각하여 액상으로 응축하는 수액기용 열교환기와, 상기 수액기용 열교환기를 통해 응축시킨 액상냉매를 수액기로 보내는 액상냉매 이송라인을 포함하고 있는 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템에 있어서, 상기 수액기용 열교환기는 상기 수액기보다 높은 위치 에너지를 가지도록 상기 실외기 케이스부재 내의 전면 상측에 설치하고, 상기 응축기는 상기 수액기용 열교환기의 하측에 위치시키고, 상기 수액기는 상기 응축기의 하부에 위치하도록 설치하고 있으며, 상기 수액기용 열교환기의 배관라인 중 일부는 냉매의 흐름 방향을 따라 하향 경사지게 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 수액기 내부에는 액분리기가 내장 설치되며, 상기 증발기에서 나온 저온 저압 상태의 냉매가스가 상기 액분리기를 거치게 되면서 순환하는 냉매가스에 포함된 액상냉매를 수액기와의 열교환을 통해 기체상으로 증발시킨 후 상기 압축기에 유입시키는 과정을 통하여 상기 수액기 내부의 온도와 압력을 낮춤과 동시에 상기 압축기에 공급되는 냉매가스의 순도를 높이게 구성된 것을 특징으로 한다.

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이와 같은 본 발명에 의하면, 외기 온이 높아 수액기 내부의 액상냉매가 팽창 및 증발하여 액상냉매 위에 저류하게 되는 가스상 냉매 압력이 높아질 때 응축기를 통해 수액기 내부에 유입된 가스상 냉매를 자체의 높아진 압력을 이용하여 응축기와 별개로 형성한 상대적으로 저압인 수액기용 열교환기 측으로 다시 순환시켜 외기와의 열교환을 통해 가스상 냉매를 액상으로 응축시킨 후 수액기로 다시 낙하 유입토록 함으로서 수액기 내부의 온도와 압력을 저하시켜 응축기 측에서 수액기 측으로의 냉매 유입이 원활해지도록 만들므로서 압축기나 응축기의 부하를 저감하고 냉각성능을 향상시킬 수 있으며, 특히 액분리기를 수액기 내부에 설치하여 수액기 내부의 열을 이용하여 액분리기를 통과하는 가스상 냉매 속에 포함된 액상 냉매를 증발시켜 압축기에 공급하게 되므로 압축기에 유입되는 가스상 냉매의 순도를 향상시켜 압축기 부하를 저감하고 그와 동시에 수액기의 온도와 압력을 더 낮추게 되므로 보다 작은 동력으로 냉각 성능의 향상이 가능한 효과가 있다.

특히, 본 발명은 수액기용 열교환기를 응축기 상부에 설치하는 것에 기술적 특징이 있는바, 수액기에 대해 수액기용 열교환기를 상대적으로 높이 설치하여 위치 에너지를 확보함으로써(응축기는 압축기에 의한 강제 급송력으로 냉매가 순환되므로 수액기와의 위치 에너지를 고려하지 않아도 무방하다), 수액기용 열교환기를 거치면서 응축되어 얻게 되는 액상냉매를 위치 에너지 차에 의해 수액기 측으로 쉽게 낙하 회수하도록 하며, 이때의 부압 형성에 의해 수액기 내의 가스상냉매가 수액기용 열교환기 측으로의 자연 순환을 돕게 되어 수액기의 내부 압력과 온도 저하의 효율성을 높이게 되는 효과가 있다.

또한 수액기 내부에 엔진룸에 설치하던 액분리기를 내장토록 하여 엔진룸의 공간의 협소함에 따른 레이아웃성을 좋게 하고, 액분리 및 수액기의 효율성 제고를 동시에 달성하는 효과가 있다.

또한 수액기용 열교환기로의 냉매가스의 순환은 무동력에 의존하는데, 수액기용 열교환기의 지그재그로 배설되는 배관관로 중 일부가 냉매의 흐름방향을 따라 하향 경사지게 형성하고 있어, 응축되는 액상냉매가 역류하지 않고 중력에 따라 정방향의 원활한 흐름을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 냉동 싸이클 시스템을 구비한 냉동탑차를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 일반적인 냉동탑차용 냉동싸이클을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 냉동탑차용 냉동 싸이클 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 냉동 싸이클 시스템의 요부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 냉동탑차의 냉동 싸이클 시스템의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실외기 케이스부재 내에 설치된 송풍모터팬과 수액기의 배치 상태를 개략하여 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 냉동탑차용 냉동 싸이클 시스템을 나타낸 도면이다.
도 9(a)(b)는 냉동 싸이클의 몰리엘 선도로서, (a) 종래 일반적인 몰리에르 선도이고, (b)는 본 발명에 의한 냉동 능력을 종래 냉동 싸이클 시스템과 대비하여 보여주는 몰리에르 선도이다.

이하에 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략될 수 있다.

그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

또한 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명의 각 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템의 일실시예를 나타낸 도면으로서, 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템(80)은 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발부)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체인 냉매가 폐루프를 형성하는 냉매순환라인(81)을 따라 순환하도록 구성되어 있다.

냉매순환라인(81)을 따라 순환하는 냉매는 냉매순환라인(81)의 도중, 정확히는 냉동탑차(82)의 엔진룸 내에 마련된 압축기(83)에 의해 단열 압축되어 압송되며, 압축기(83)에 의해 압축되어 급송되는 고온 고압의 기체냉매는 응축기(84)에 유입되어 공랭 또는 수냉, 바람직하기는 찬 외기에 의한 공랭 방식에 의한 열교환에 의해 가스상 냉매가 응축되어 고온 등압의 액체로 상변환되며, 상기 응축기(84)에서 응축된 고온고압의 액상냉매는 배관라인(81a)을 통해 수액기(85)로 유입되어 일시 저장되며, 수액기(85) 내부에서는 하부에 액상냉매(86a)가, 그리고 상부 공간에는 기체상의 가스냉매(86b)가 저류되며, 상기 수액기(85)를 통해 순환 공급되는 고온고압의 액상냉매(86a)는, 그 액상냉매(86a) 속에 잠긴 입구를 가진 출구관로(81b)를 통해 드라이어(87)로 유입되어 드라이어(87)를 통과하면서 이물질을 걸러내게 되며, 드라이어(87)를 거쳐 여과된 고온고압의 액상냉매는 팽창밸브(88)를 통하여 안개상태로 급속 팽창되어지게 되며, 상기 팽창밸브(88)에서 급속 팽창 교축시켜 저온 등압의 안개상태의 만들어진 냉매는 증발기(89)를 통과하면서 외부의 열교환매체가 가진 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되게 하는 과정에서 주위의 열을 흡수한 후, 저온의 기체상태로 변화된 후, 증발기(89)를 거쳐 나온 냉매가스(가스상 냉매)는 액분리기(90)로 유입되어 가스냉매 속에 함유된 액상 냉매를 분리하고, 그 후 액분리기(90)를 거쳐 나온 저온의 기체 상태인 냉매가스는 압축기(83)로 유입되는 순으로 냉매가 순환하는 사이클을 반복한다.

여기서, 상기 응축기(84)와 증발기(90)의 일측에는 열교환 효율을 증대시키기 위하여 공기를 송풍하기 위한 송풍모터팬(91)(91a)(92)이 설치되어 있어, 응축기(84) 및 증발기(89)에서의 공기에 의한 열교환을 촉진하며, 증발기(89)에서 냉매가스가 주변의 열을 빼앗아 증발하게 되는 과정에서 냉동탑(93) 내부의 공기로부터 증발잠열을 취하여 실내 온도를 낮추게 되며, 이로써 냉동탑(93) 내부로부터 많은 열을 빼앗아 실내 온도를 식음료의 보관에 적합한 실온 이하의 적절한 온도 이하로 유지하거나, 또는 식료품을 냉동 상태로 유지토록 한다.

본 발명의 중요한 기술적 특징 중 하나는 상기 수액기(85)에 별도의 수액기용 열교환기(94)가 부설되는 것으로서, 상기 수액기용 열교환기(94)는 가스상냉매 이송라인(95) 및 액상냉매 이송라인(96)을 통해 수액기(85)와 폐회로를 구성하도록 연결되며, 상기 수액기용 열교환기(94) 측의 온도와 압력이 상기 수액기(85) 측보다 상대적으로 낮기 때문에 양측의 압력 차이에 따라 상기 수액기(46)의 상부 공간에 저류하는 기체 상태의 가스상냉매(86b)는 가스상냉매 이송라인(95)을 따라 상기 수액기용 열교환기(94) 측으로 무동력 이송되며, 이 가스상냉매(86b)는 수액기용 열교환기(94) 내부를 지그재그로 순환 배설된 관로를 통해 상부에서 하부 측으로 이송되는 중에 외부의 찬 공기, 예를 들면 송풍모터팬(91)(91a)의 구동에 따라 송풍되는 공기가 지그재그로 배설된 관로(94a) 및 냉각핀(97)의 외주를 스치고 지날 때(도 4 참조), 찬 공기와의 열교환에 의해 열을 빼앗겨 액상냉매로 응축되는 상변화를 수반하게 되며, 응축되어 온도가 저하된 액상냉매는 액상냉매 이송라인(98)을 통해 수액기(85) 내로 유입되어 수액기(85) 내부의 온도와 압력이 강하하게 된다.

상기 응축기(84)와 송풍모터팬(91)(91a) 및 수액기용 열교환기(94)는 도 5에 도시한 것처럼, 캐빈(운전석 부분, 82a) 상부이자 냉동탑(93) 외부 전면 상부에 설치되는 실외기 케이스부재(99) 내에 설치하고, 증발기(89), 송풍모터팬(92) 및 팽창밸브(88) 등은 냉동탑(93) 내의 실내기 케이스부재(99a)에 설치하되, 본 발명의 가장 중요한 특징으로서 수액기용 열교환기(94)가 응축기(84)의 상부에 배설되도록 설치되는 점이다.

이 같은 배치는 실외기 케이스부재(99)의 내부 용적이 제한되어 있어, 수액기용 열교환기(94)의 설치 시 바람직하기는 수액기(85)는 반드시 수액기용 열교환기(94)보다 낮은 위치를 가지도록 설치하는 것이 중요하다. 이는 수액기(85) 내부 압력(가스상 냉매의 압력)에 의해 상대적으로 저압부인 수액기용 열교환기(94) 측으로 가스상냉매(86b)가 이동되어지게 되는데, 이 가스상냉매(86b)가 수액기용 열교환기(94)를 상부에서 하부로 지그재그 이송되는 과정 중에 송풍모터팬(91)(91a)에 의해 송풍되는 외부의 찬 공기의 흐름에 의해 강제 냉각되면서 액상으로 응축되어지게 되며, 이 응축된 액상냉매가 수액기(85) 내부로 별도 동력에 의존하지 않고 원활하게 유입되기 위해서는 중력을 이용한 위치 에너지의 차가 필요하므로, 수액기(85)가 실외기 케이스부재(99) 내에 하부에 위치토록 설치하였을 때, 수액기용 열교환기(94)와의 높이 차이가 없다면, 응축된 액상냉매가 수액기(85)로 원활히 유입되지 못하게 되므로, 수액기용 열교환기(94)와 수액기(85) 사이에 최대한의 높이차를 확보하기 위해서는 수액기용 열교환기(94)를 가장 높은 위치, 즉, 응축기(84)의 상부로 설치하는 것이 필요한 것이다. 따라서 이 같이 각 구성을 배치하면, 수액기용 열교환기(94)와 수액기(85) 사이에 최대한의 높이차(H)를 확보할 수 있어(도 4 참조) 수액기용 열교환기(94)에서 응축된 액상냉매는 중력 및 큰 위치 에너지에 의해 낮은 위치에 설치된 수액기(85) 측으로 원활하게 유입되어지게 되는 것이며, 따라서 본 발명의 경우 응축기(84)를 실외기 케이스부재(99)의 상부 측에, 그리고 수액기용 열교환기(94)를 응축기(84)의 하부 측에 설치하여서는 안된다는 점이다.

도 4는 응축기(84)와 수액기용 열교환기(94) 및 수액기(85)의 배치 상태를 나타낸 도면으로, 가스상냉매 이송라인(95)은 수액기용 열교환기(94)의 상단에 접속하고 있으며, 수액기용 열교환기(94)의 지그재그 상으로 형성된 배관라인(94a)의 상단 관로는 수평으로 하여도 무방하기는 하나, 입구 측, 즉 도시된 상태를 기준하여 우측 상단의 가스상냉매 이송라인(95)과 배관라인(94a)의 접속지점에서 시작하여 적어도 최상단 배관라인(94a)이 가스상냉매의 흐름 방향인 좌측으로 갈수록 점차 하향 경사지게 형성하는 것이 바람직하며(또는 도중이나 최하단의 배관라인(94a)을 흐름방향을 따라 하향 경사지게 하여도 좋다), 추가적으로 U 자형으로 방향이 바뀐 2열 배관라인(94a)은 좌측에서 우측으로의 흐름 방향을 따라 하향 경사지게 하는 것도 좋다. 이 같이 최상단 또는 최상단과 2열 배관라인 또는 최하단 배관라인을 냉매의 흐름 방향을 따라 경사지게 구성하는 경우 수액기용 열교환기(94)에 가스상냉매가 유입되면서 찬공기와 맞닥뜨려 응축되어 액상냉매가 형성하였을 때, 이 액상냉매가 가스상냉매 이송라인(95) 측으로 역류하지 않고, 중력 작용에 따라 경사로를 타고 액상냉매 이송라인(96) 측으로 자연스럽게 그리고 빠르게 흘러가게 되며, 이 같은 냉매의 낙하하듯이 빠른 흐름이 일어나면 후방에 강한 흡입 부압이 형성되면서 수액기(85)로부터 가스상냉매의 이동이 더 원활히 일어나 순환을 촉진하게 되는 장점이 있다.

도 6은 실외기 케이스부재(99) 내부에 설치된 송풍모터팬(91)(91a)과 수액기(85)의 설치 상태를 개략적으로 보여주는 도면으로, 송풍모터팬(91)(91a)을 팬쉬라우드(100)에 고정 설치하고, 수액기(85)는 케이스부재(99)의 바닥면에 가로로 뉘어 설치하고 있다. 이를 수액기용 열교환기(94)가 없는 종래 기술(도 2 참조)과 비교하면, 종래 수액기(52)는 응축기(20)와 위치 에너지 차를 고려하지 않아도 되므로 실외기 케이스부재 내부 일측에 적당한 빈 공간을 이용하여 입설된 상태로 세워 설치하여도 전혀 문제가 없는바, 이는 응축기와 수액기를 순환하는 냉매는 압축기(10)의 구동에 의해 강제 급송되는 것이기 때문에 이들 구성의 상대적 위치는 전혀 문제가 되지 않는 반면, 본 발명에서는 종래 없던 수액기용 열교환기(94)가 응축기(94)와 별도로 설치되고, 그 수액기(85)로부터 수액기용 열교환기(94) 측으로의 가스상냉매의 순환 이동은 압축기에 의한 강제 급속 방식이 아니라 양측의 압력차에 의존하는 관계로 수액기용 열교환기(94)로부터 응축된 액상냉매는 중력 및 위치 에너지 차에 의존하여 수액기(85) 측으로 낙하하여 복귀하게 되기 때문에 수액기(85)의 응축 냉매 입구가 수액기용 열교환기(94)보다 높으면 응축된 냉매의 유입이 이루어지기 힘들어지며, 이 때문에 수액기(85)와 수액기용 열교환기(94)의 설치 위치가 중요한 것이다.

본 발명에 있어, 송풍모터팬(91)(91a)은 설치 갯수에 제한이 없으며, 적어도 1개 이상 복수개, 바람직하기는 2개가 좋으며, 그 2개는 나란히 이웃하여 배치할수도 있고, 아니면 수액기용 열교환기(94)와 응축기(84)의 설치 위치에 대응하여 상하로 배치하거나, 또는 상부에 2개, 하부에 2개를 설치하는 것도 가능하다.

또 본 발명은 수액기(85) 측의 압력이 수액기용 열교환기(94) 측보다 높은 경우 수액기(85) 내의 가스상냉매가 자연적으로 수액기용 열교환기(94) 측으로 순환되기 때문에 특별한 제어가 요구되지는 아니하나, 선택적으로 수액기(85)와 수액기용 열교환기(94)의 가스상냉매의 순환을 특정 조건 하에서만 일어나도록 구성하고 제어하는 것도 가능하다.

도 7은 이를 위한 본 발명의 제어블록도로서, 차량 엔진을 구동하는 전원스위치가 온되어 엔진이 작동을 시작하고 냉동시스템을 구동하는 전원스위치(S1)가 온되면, 제어부(101)는 압축기(83)와 엔진을 클러치 접속하여 엔진 구동력 또는 배터리 전원을 이용하여 압축기(83)를 구동하고 동시에 응축기(84)와 증발기(89)의 송풍모터팬(91)(92)을 구동하도록 제어한다.

그런데 외기 온도가 설정한계치 이하, 예를 들면 30℃ 이하라면, 제어부(101)는 수액기용 열교환기(94)용으로 구비된 송풍모터팬(91a)에는 전원 공급을 차단하여 송풍모터팬(91a)은 구동 정지 상태에 두도록 제어하여 동력 소모를 줄이도록 할 수 있다. 그러나 만일 설정한계치를 벗어난 경우, 예를 들면 외기 온도가 35℃ 등으로 매우 고온 상태가 되면, 응축기(84)의 부하상 유입된 가스상 냉매를 응축시켜 수액기(85) 측으로 액상냉매를 내보낼 때 출구 측의 적정온도인 45℃보다 크게 높은 온도, 예를 들면 50~55℃를 나타내게 되는 일이 발생할 수 있으며, 설정치 한계보다 높은 응축 온도의 액상냉매가 수액기(85) 내로 유입되면 수액기(85) 내의 온도가 증가하며, 이에 따라 액상냉매(86a)가 부피 팽창 및 기화를 일으키게 되고, 상측 공간에 저류하는 가스상냉매(86b)가 압축력을 받게 되어 내부 압력이 증가하게 되면 이를 온도(또는 압력) 센서(102)로부터의 감지 신호를 받은 제어부(101)가 수액기용 열교환기(94)의 송풍모터팬(91a)을 구동 제어하게 되는 것이다. 이때 냉매 이송라인(95, 98)의 도중에 전자 밸브로 구성한 체크밸브(도시 생략)를 설치하는 경우, 이들 체크밸브들도 함께 개방토록 제어하게 된다.

이에 따라 수액기(85) 내의 높은 온도 및 압력의 가스상냉매(86b)는 상대적으로 저압저온 상태에 있는 수액기용 열교환기(94)와의 압력차에 의해 가스상냉매 이송라인(95)을 통해 열교환기(94)의 배관라인(94a) 내로 유입되어 지그재그 순환하는 과정에 그 배관라인(94a)의 외주를 따라 송풍모터팬(91a)) 구동에 의해 송풍되는 신선(찬) 공기가 흘러가면서 찬공기와 열교환되면서 응축되어 액상으로 상변환된 후 액상냉매 이송라인(98)을 거쳐 다시 수액기(85)로 순환되며, 이 같은 반복 순환 과정을 거쳐 수액기(85) 내부의 온도와 압력이 점차 정상으로 낮아지게 되며, 수액기(85) 내부의 압력이 낮아지면 응축기(84) 측에서 응축된 액상냉매가 수액기(85) 측으로 원활하게 잘 유입되어지게 된다.

여기서 수액기(85)와 수액기용 열교환기(94) 사이의 냉매 순환에 있어서는 별도의 동력을 요구하지는 않으며, 단지 양측 사이의 압력차에 의존하므로 냉매 순환을 위한 별도의 에너지 공급은 필요없는 것이며, 설정치 이상, 예를 들어 봄이나 가을처럼 외기온이 비교적 낮은 경우 응축기 부하가 작으므로, 이때에는 송풍모터팬(91) 1개만을 구동하여도 충분하므로 이때에는 송풍모터팬(91a)을 구동하지 않도록 제어할 수 있어, 미리 설정된 외기온 이상에서만 열교환기(94)의 송풍모터팬(91a)을 선택적으로 구동토록 하여 수액기(85) 내부의 온도와 압력을 적정치로 낮추게 되는 경우 동력 소모가 적고 효율성이 극대화된다.

도 8은 본 발명에 의한 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템의 제2실시예 구성을 나타낸 것으로, 제1실시예 구성과 일치하는 구성에 대하여는 반복된 설명을 생략하고 변경된 구조 부분에 초점을 맞추어서 설명하기로 한다.

제1실시예 구성에서 액분리기(90)는 증발기(89)의 하류로서 압축기(83)와의 사이에 직결되도록 설치되고 있으나, 제2실시예에서는 액분리기(90a)가 수액기(85) 내부에 설치되어 수액기(85)에서 액상냉매 배출라인(81b)을 통해 인출된 액상냉매(86a)는 팽창밸브(88)와 증발기(89)를 거쳐 다시 수액기(85) 내부에 설치된 액분리기(90a)로 유입된 후 엔진룸 내에 설치된 압축기(83) 측으로 순환하도록 구성되어 있다,

상기 수액기(85) 내부에 액분리기(90a)가 마련되면, 액분리기(90a) 내에 유입된 가스상 냉매 속에 함유된 액상냉매입자들이 상대적으로 고온 고압인 수액기(85) 내부 온도와 압력의 영향을 받아, 수액기(85) 내의 냉매(86a, 86b)가 가진 열을 흡수하여 기체상으로 증발하게 되며, 이에 따라 액상 성분이 제거되어 순도가 높은 가스상 냉매만이 압축기(83) 측으로 유입되므로 압축기(83)의 고장 및 압축 효율 저하를 방지하게 된다.

도 9(a)와 (b)는 각기 종래 냉동싸이클 시스템의 몰리에르 선도 및 본 발명의 몰리에르 선도를 도시한 것으로서, 도 9(a)(b)에서의 X-Y 좌표에 있어, X- 축은 냉매의 엔탈피(Kcal/kg: 열량)이고, Y-축은 냉매 압력을 나타낸 선도이다.

도 9(a)의 몰리에르 선도의 의미는, 압축기 부분에서 압축이 이루어지면 가스상 냉매는 압력이 P1에서 P2로 증가하게 되고(엔탈피는 E2에서 E3로 증가), 응축기를 거쳐 응축되고(등압 P2 유지되며, 엔탈피는 E3에서 E1으로 감소), 팽창밸브에서 팽창되면 압력은 P2에서 P1으로 다시 감소되며(엔탈피는 E1으로 변동 없음), 증발기에서는 압력은 P1으로 유지되면서 엔탈피는 E1에서 E2로 증가되는 것을 나타내는바, 이때 응축기 열량은 압축기와 증발기 열량의 합과 같으며, P2와 P1의 압력차가 크면 동력이 많이 소요됨을 의미하고 기계적 고장도 증가하게 되는데, P2를 낮추기 위해서는 응축기의 용량을 증대시켜야 하나 이 경우 응축기의 크기가 커져 제작비용의 증가를 초래하고 성적계수의 감소를 초래하기 때문에 P2를 어떤 방식으로낮출 수 있을까 하는 것이 관건이다.

도 9(b)는 종래 시스템과 본 발명의 시스템의 몰리에르 선도를 함께 도시하여 비교한 그래프로서, 본 발명에서는 응축기 측의 압력(즉, 압축기 출구 압력)이 P2로부터 P3로 감소되어 압축기의 동력이 C1에서 C2로 감소되고, 냉동 능력은 I1에서 I2로 증대되어 시간당 칼로리가 증가하여 성적계수 COP 가 증가하게 되며, 이는 대기온도가 설정한계치 이상 높아질 때 수액기의 냉매를 자체 순환 과정을 통해 열교환기를 통해 냉각하여 수액기로 재유입시키는 과정을 통하여 응축기 측(압축기 출구) 압력을 낮게 할 수 있는데 기인한 효과이다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

80 : 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템
81: 냉매 순환라인 81b: 액상냉매의 출구관로
82 : 냉동탑차 83: 압축기
84: 응축기 85: 수액기
86a: 액상냉매 86b: 가스상냉매
87: 드라이어 88: 팽창밸브
89: 증발기 90,90a: 액분리기
91,91a,92: 송풍모터팬 93 : 냉동탑
94: 수액기용 열교환기 95: 가스상냉매 이송라인
96: 액상냉매 이송라인 97 : 방열핀
99 : 실외기 케이스부재 99a : 실내기 케이스부재
101: 제어부 102: 센서(온도, 압력)
S1: 전원스위치

Claims (3)

1. 엔진룸 내에 설치되어 엔진 구동력을 이용하여 구동되고 냉매순환라인을 통해 냉매를 순환시키는 압축기와, 압축기에 의해 압축되어 급송되는 고온 고압의 기체냉매를 고온 등압의 액체로 만들기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압의 액상냉매를 일시 저장하는 수액기와, 수액기로부터 유입된 고온고압의 액상냉매를 안개상태로 급속 팽창시키는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 급속 팽창 교축시킨 저온 등압의 안개상태의 냉매로 하여금 외부 열교환매체가 가진 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되게 하는 과정에서 주위의 열을 흡수한 후, 저온의 기체상태로 변화시키는 증발기 및 상기 응축기와 그 응축기를 방열 냉각하는 송풍팬을 포함하고, 또한 수액기를 냉동탑의 전면 상부에 고정설치되는 실외기 케이스부재 내에 마련하고 있으며, 상기 수액기 상부에 저류하는 냉매가스를 외부로 인출하도록 배설된 가스상냉매 이송라인과, 상기 가스상냉매 이송라인을 통해 유입된 냉매가스를 순환시키는 과정에 공랭에 의해 방열 냉각하여 액상으로 응축하는 수액기용 열교환기와, 상기 수액기용 열교환기를 통해 응축시킨 액상냉매를 수액기로 보내는 액상냉매 이송라인을 포함하고 있는 냉동탑차용 냉동싸이클 시스템에 있어서, 상기 수액기용 열교환기는 상기 수액기보다 높은 위치 에너지를 가지도록 상기 실외기 케이스부재 내의 전면 상측에 설치하고, 상기 응축기는 상기 수액기용 열교환기의 하측에 위치시키고, 상기 수액기는 상기 응축기의 하부에 위치하도록 설치하고 있으며, 상기 수액기용 열교환기의 배관라인 중 일부는 냉매의 흐름 방향을 따라 하향 경사지게 구성한 것을 특징으로 하는 냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 수액기 내부에는 액분리기가 내장 설치되며, 상기 증발기에서 나온 저온 저압 상태의 냉매가스가 상기 액분리기를 거치게 되면서 순환하는 냉매가스에 포함된 액상냉매를 수액기와의 열교환을 통해 기체상으로 증발시킨 후 상기 압축기에 유입시키는 과정을 통하여 상기 수액기 내부의 온도와 압력을 낮춤과 동시에 상기 압축기에 공급되는 냉매가스의 순도를 높이게 구성된 것을 특징으로 하는 냉동탑차용의 냉동싸이클 시스템.
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