KR19980083061A - 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치에 관한 것으로, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축과정(ⓐ-ⓑ)과, 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)을 통과한 냉매가 고압상태에서 방열하며 응축되는 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)과, 상기 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)을 통과한 고압의 냉매를 중압상태로 감압팽창시키는 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)과, 상기 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)을 통과한 냉매가 중압상태에서 방열하며 응축되는 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)과, 상기 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)을 통과한 냉매가 저압상태로 감압팽창되는 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)과, 상기 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)을 통과한 저온 저압의 냉매가 증발하며 저온부로부터 열을 공급받는 증발과정(ⓕ-ⓐ)과, 상기 증발과정(ⓕ-ⓐ)을 통과한 냉매가 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)으로 재투입되어 순환하는 냉동사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법의 발명 및 냉동장치에 관한 발명을 제공함으로써, 증발과정에 투입되는 냉매의 엔탈피를 보다 낮출 수 있게 되어 저온부로부터의 열 공급능력(즉, 냉매의 열 흡수능력)을 확대하여 냉동냉장고의 냉동능력을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치

본 발명은 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치에 관한 것으로서, 특히 냉동냉장고의 냉동사이클에서 냉동능력과 성능계수를 향상시키기 위해 팽창과정을 지나 증발과정에 투입되는 냉매가 갖는 엔탈피(Entalpy)가 보다 낮은 값을 갖도록 해 증발과정 통과 후의 엔탈피와의 차이를 보다 크게 하도록, 냉동사이클을 이루는 냉동냉장고의 응축과정과 팽창과정이 각각 2단으로 분리되고 상호 개재되도록하여 2단응축 2단팽창을 이루는 냉동방법 및 냉동장치를 제공함으로써, 냉동냉장고의 냉동능력을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

첨부된 도면 중에 도 1은 종래 냉동냉장고의 냉동사이클에 따른 냉동장치의 개념도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 냉동냉장고의 냉동사이클을 도시한 그래프로서, 도 2a는 온도(T)-엔트로피(s) 그래프를 도시한 것이고, 도 2b는 압력(P)-엔탈피(h) 그래프를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 종래의 냉동사이클의 기본구성은 압축기(1)와, 응축기(2)와, 팽창기(3) 및 증발기(4)로 이루어져, 냉매가 상(Phase)변화를 하며 냉동사이클을 순환하며 증발기(4) 주위의 저온부로부터 열을 흡수하고, 흡수된 열이 응축기(2) 주위의 고온부에서 방열되도록하여 냉동효과를 나타내도록 한 것이다.

또한, 통상적인 종래의 냉동냉장고에서는 도 1에 도시된 바와 같은 냉동사이클이 사용되고, 여기에 필요한 냉매로는 프레온(C.F.C.) 또는 이를 대체하는 냉매가 사용되며, 또한 팽창단계에서 팽창기(3)로서는 팽창밸브 또는 모세관(Capillary Tube)이 사용된다.

도 1에 도시된 냉동장치의 각 구성품 압축기(1)와, 응축기(2)와, 팽창기(3) 및 증발기(4)와 이들 사이의 냉매 흐름단계(①,②,③,④)에 따라서, 도 2a와 도 2b에 도시된 냉동사이클의 동작을 살펴보면, 냉동사이클을 이루는 각 과정은 다음과 같다.

①-②과정은 냉매 증기가 압축기(1)에서 과열 증기 상태에서 단열압축되어 압력과 온도가 상승하는 과정이 되고, ②-③과정은 응축기(2)에서 일정한 압력에서 고온 고압의 냉매는 고온부 주위로의 열(QH)전달(즉, 냉매를 기준으로 열방출)을 행하고 저온으로 응축되는 과정이 되고, ③-④과정은 팽창기(3) 즉,모세관 또는 팽창밸브를 통과하며 스로틀링되어 엔탈피변화없이 압력과 온도가 강하하며 엔트로피(Entropy)가 (s4-s3)만큼 생성되는 비가역과정이고, ④-①과정은 증발기(4)에서 일정한 압력에서 저온부의 열(QL)공급을 받으면서(즉, 냉매를 기준으로 증발잠열을 흡수하면서) 냉매가 증발하는 과정이 된다.

이러한 냉동사이클에서, 냉매의 단위 유량에 대한 각 과정에서의 에너지 및 엔트로피의 관계를 고려하여 보면, 냉동장치의 성능은 성능계수(COP(R))로서 정의되며 그 값은 다음의 수학식 1의 정의식에 의하여 얻어진다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서 냉동장치의 성능계수(COP(R))는 증발기(4)가 냉매 단위질량당 저온부 주위로부터 공급받는 열량(qL)에 비례하여 그 값이 증가하게 되고, 또한 특히 증발기(4)의 냉매 단위질량당 저온부 주위로부터 공급받는 열량(qL)은 냉동장치의 냉동능력으로 볼 수 있고 이는 (h1-h4)의 값을 가지므로, 증발과정에 투입되는 냉매의 엔탈피(h4) 값이 작을수록 냉동능력도 크게 나타나게 된다.

미설명부호 (Wc)는 압축기(1)에서 얻어지는 냉매 단위질량당 열량이 되고, (h1)은 압축기(1) 투입전에 냉매가 갖는 엔탈피이며 (h2)는 압축기(1)에서 토출되는 냉매가 갖는 엔탈피이다.

그런데, 종래의 냉동냉장고의 구조에서는, ②-③의 과정은 압축기(1)를 거친 냉매가 응축기(2)에서 일정한 압력(P2)하에서 방열하며 응축되어 고온 고압의 냉매는 고온부 주위로의 열(QH)전달을 행하게 되는데, 응축과정에서 포화액에 접근할수록 응축이 어렵게 되기 때문에 일정한 건도(X1)에 다다르게 되는 정도(③단계)의 응축이 이루어지고 나면, 응축된 냉매는 모세관 또는 팽창밸브로 형성되는 팽창기(3)를 통과하면서 감압팽창되어 저압이 되어 ④단계로 이동되며 증발기(4)로 투입되어 진다. 그리고, 이러한 팽창과정에서의 엔탈피 변화는 거의 없게 된다.

따라서, 종래의 냉동냉장고 구조에 따르는 경우에는 냉매를 응축과정에서 과냉각시키지 않는 한, 증발기(4)에 의한 증발과정에 투입되기 직전이 되는 ④단계의 엔탈피(h4)가 클 수 밖에 없기 때문에 냉동사이클의 냉동능력(h1-h4)도 낮게 되고, 따라서 상기 수학식 1에서 보인 성능계수(COP(R))도 좋지 않게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 기술적 과제는 냉동냉장고의 냉동사이클에서 냉동능력과 성능계수를 향상시키기 위해, 팽창과정을 지나 증발과정에 투입되는 냉매가 갖는 엔탈피가 보다 낮은 값을 갖도록 함으로써, 증발과정 통과 후의 엔탈피와의 차이를 보다 크게 하는 수단을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제는 냉동냉장고의 냉동사이클에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축과정과, 상기 압축과정을 통과한 냉매가 고압상태에서 방열하며 응축되는 제 1응축과정과, 상기 제 1응축과정을 통과한 고압의 냉매를 중압상태로 감압팽창시키는 제 1팽창과정과, 상기 제 1팽창과정을 통과한 냉매가 중압상태에서 방열하며 응축되는 제 2응축과정과, 상기 제 2응축과정을 통과한 냉매가 저압상태로 감압팽창되는 제 2팽창과정과, 상기 제 2팽창과정을 통과한 저온 저압의 냉매가 증발하며 저온부로부터 열을 공급받는 증발과정과, 상기 증발과정을 통과한 냉매가 상기 압축과정으로 재투입되어 순환하는 냉동사이클을 이루어, 응축과정과 팽창과정이 각각 2단으로 분리되고 상호 개재되도록하는 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치에 의해 달성된다.

도 1은 종래 냉동냉장고의 냉동사이클에 따른 냉동장치의 개념도,

도 2는 종래 냉동냉장고의 냉동사이클을 도시한 그래프로서, 도 2a는 온도-엔트로피 그래피이고, 도 2b는 압력-엔탈피 그래프이다.

도 3은 본 발명을 이루는 냉동사이클을 도시한 블록도,

도 4는 본 발명의 2단응축 2단팽창 냉동방법이 이루어지는 냉동장치의 개념도,

도 5는 본 발명의 2단응축 2단팽창 냉동방법의 압력-엔탈피 그래프이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

P1,P2,P3 : 압력h1,h2,h3,h4,h4' : 엔탈피

ⓐ-ⓑ : 압축과정 ⓑ-ⓒ : 제 1응축과정

ⓒ-ⓓ : 제 1팽창과정 ⓓ-ⓔ : 제 2응축과정

ⓔ-ⓕ : 제 2팽창과정ⓕ-ⓐ : 증발과정

10 : 압축기21 : 제 1응축기

22 : 제 2응축기31 : 제 1팽창기

32 : 제 2팽창기40 : 증발기

50: 제상수 증발그릇

본 발명의 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법 및 냉동장치를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 3은 본 발명을 이루는 2단응축 2단팽창 냉동사이클을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 2단응축 2단팽창 냉동방법이 이루어지는 냉동장치의 개념도이다.

본 발명의 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법은 냉동냉장고의 냉동사이클에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축과정(ⓐ-ⓑ)과, 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)을 통과한 냉매가 고압상태에서 방열하며 응축되는 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)과, 상기 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)을 통과한 고압의 냉매를 중압상태로 감압팽창시키는 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)과, 상기 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)을 통과한 냉매가 중압상태에서 방열하며 응축되는 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)과, 상기 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)을 통과한 냉매가 저압상태로 감압팽창되는 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)과, 상기 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)을 통과한 저온 저압의 냉매가 증발하며 저온부로부터 열을 공급받는 증발과정(ⓕ-ⓐ)과, 상기 증발과정(ⓕ-ⓐ)을 통과한 냉매가 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)으로 재투입되어 순환하는 냉동사이클로 이루어진 것이다.

상기 제 1팽창과정((ⓒ-ⓓ)과 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)은 엔트로피가 증가하는 비가역과정이며, 또한 냉매가 스로틀링되어 엔탈피의 변화없이 압력과 온도를 강하시키는 교축과정, 즉 등엔탈피 감압 감온 과정을 이루게 되는 것이다.

그리고, 상기한 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법의 발명을 실시하기 위한 냉동장치에 관한 발명에 대하여 첨부도면 도 4에 도시된 바에 따라서 설명하면, 본 발명의 냉동장치는 압축기(10)와, 제 1응축기(21)와, 제 1팽창기(31)와, 제 2응축기(22)와, 제 2 팽창기(32) 및 증발기(40)로 구성되는 것이다.

보다 상세하게 상기 압축기(10)는 증발기(40)에서 증발한 냉매를 외부에서 입력되는 일(Wc)에 의하여 고온 고압으로 압축하는 것이며, 상기 제 1응축기(21)는 압축기(10)를 통과한 냉매를 고압상태에서 방열시키며 이를 응축시키는 것이고, 상기 제 1팽창기(31)는 제 1응축기(21)를 통과한 고압의 냉매를 스로틀링시켜 중압상태로 등엔트로피 감압 감온 팽창시키는 것이다.

그리고, 상기 제 2응축기(22)는 제 1팽창기(31)를 통과한 냉매를 중압상태에서 방열시키며 응축시키는 것이고, 상기 제 2팽창기(32)는 제 2응축기(22)를 통과한 냉매를 스로틀링시켜 저압상태로 등엔트로피 감압 감온 팽창시키는 것이다.

여기에서, 제 1팽창기(31)와 제 2팽창기(32)는 팽창밸브나 모세관으로 형성되고, 제 1응축기(21)와 제 2응축기(22)에 대하여 응축기를 대신에 방열기라는 용어가 사용되기도 한다.

상기 제 1팽창기(31)와 제 2팽창기(32)는 팽창밸브 또는 모세관으로 형성될 수 있으며, 또한 상기 제 2응축기(22)는 냉동냉장고 서리제거장치의 제상수의 증발이 용이하도록 제상수 증발그릇(50)의 내부 또는 그와 인접하여 설치될 수 있다.

그리고, 상기 증발기(40)는 제 2팽창기(32)를 통과한 저온 저압의 냉매를 저온부로부터 열을 공급받아 증발시키는 곳이고, 냉동냉장고에서는 이러한 증발기(40)가 냉동실이나 냉장실에 설치되어, 이를 통과하는 실내의 더운 공기가 가진 열을 증발기(40) 내부의 냉매가 증발잠열의 형태로 흡수함에 따라, 증발기(40)를 거친 공기는 냉기가 되어 냉동실이나 냉장실에 공급되고, 이에 의해 냉동 및 냉장기능이 이루어지게 되는 것이다.

그리고, 상기 증발기(40)를 통과한 냉매를 상기 압축기(10)로 재투입하여 고온 고압상태로 압축시키며 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 이루도록 하여 본 발명 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동장치가 이루어지는 것이다.

본 발명의 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법과 냉동장치의 작용을 도 3 내지 도 5에 도시된 바에 의하여 살펴보면 다음과 같다.

앞서 설명한 냉동방법 발명의 냉동사이클을 이루는 각 과정이 도시된 도 3과, 이러한 각 과정을 이루는 냉동장치의 구성요소가 도시된 도 4를 참조하여, 도 5에 도시된 본 발명의 냉동냉장고의 2단 응축 냉동사이클의 압력(P)-엔탈피(h) 그래프에 의해 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

압축과정(ⓐ-ⓑ)에서 압축기(10)가 냉매를 압축하게 되면, 냉매가 가진 압력은 저압(P1)에서 고압(P2)의 상태가 되면서, 그 엔탈피도 (h1)에서 (h2)로 증가하게 된다.

제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)에서는 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매를 일정한 압력하에서 응축시키는데, 이 경우 외부 대기와의 접촉이 용이하도록 냉동냉장고의 측면부에 주로 설치되는 제 1응축기(21)에서 냉매가 가진 열이 고온부, 즉 대기로 (QH1) 만큼 방열되도록 하여 냉매가 응축되도록 하며, 이 때 냉매가 소정의 낮은 엔탈피(h3)과 건도(X1)에 다다르도록 응축이 이루어지게 된다.

여기에서 건도는 포화액과 포화증기가 평형을 이루어 혼합된 상태에서, 포화증기가 차지하는 질량비율을 의미한다.

이와 같이 응축된 냉매는 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)에 이르게 되고, 냉매는 제 1팽창기(31)를 통과하면서 등엔트로피 감압 감온 팽창하여 냉매가 가진 엔탈피는 (h3)를 유지한 채 고압(P1)상태에서 중압(P3)상태로 그 압력이 떨어지게 되는데, 이때 냉매가 갖는 건도는 ⓒ의 (X1)에서 ⓓ의 (X2)로 증가하게 된다.

따라서, 고압(P1)의 ⓒ상태에 비하여 건도가 (X2)로 증가된 중압(P3)의 ⓓ상태의 냉매는 포화액 곡선(L)과 더욱 이격된 상태이므로 다시 이를 응축시키기 용이한 상태가 된다.

본 발명에서는 이와 같이 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ), 즉 제 1팽창기(31)에서 고압(P1)인 ⓒ상태의 냉매를 중압(P3)인 ⓓ상태로 일단 감압팽창시킨 후에, 다시 냉매를 제 2 응축과정(ⓓ-ⓔ), 즉 냉매를 제 2응축기(22)에 보내 포화액 곡선(L)에 보다 접근한 상태가 되는 ⓔ상태에 이르도록 (QH2) 만큼의 열을 방열시켜 응축되게 함으로써, 냉매가 가진 엔탈피를 (h3)에서 (h4')가 되도록 추가적으로 낮추게 하는 것이다. 이때, 제 2응축기(22)가 서리제거장치의 제상수 증발그릇(50)의 내부 또는 이와 인접하여 설치되면 제 2응축기(22)에서 방열되는 열(QH2)이 증발그릇(50)에 공급되어 증발그릇(50) 내부의 제상수는 그 증발능력이 향상되어진다.

물론, 상기 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)이 제 2응축기(22)를 통하여 종료된 ⓔ상태가 되면, 다시 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)이 제 2팽창기(32)를 통하여 실현되고, 따라서 냉매도 저압(P2)의 ⓕ상태가 된다.

그리고, 상기 과정을 거친 냉매는 증발과정(ⓕ-ⓐ)에 투입되고, 따라서 증발기(40)를 거치면서 (QL')의 열을 흡수하여, (h4')의 엔탈피를 갖는 ⓕ상태에서 (h1)의 엔탈피를 갖는 ⓐ상태로 변화되어, 이러한 본 발명의 증발과정에서는 향상된 (h1-h4')의 냉동능력을 발휘하게 되는 것이다.

그러므로, 본 발명은 종래의 1단응축 1단팽창 구조의 증발과정이 갖는 (h1-h4)의 냉동능력에 비하여 냉동능력이 (h4-h4')만큼 향상되는 것이고, 또한 본 발명에 따른 냉동사이클의 성능계수(COP(R)')는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있게 되어, 상기 수학식 1에서 얻어지는 종래의 냉동사이클에 따른 성능계수(COP(R))보다 큰 값을 갖게 된다.

[수학식 2]

본 발명의 냉각방법 및 냉동장치의 효과를 종래의 1단응축 1단팽창 구조가 갖는 냉동능력과 비교하여 살펴보면, 종래의 1단응축 1단팽창 구조가 (h1-h4)의 냉동능력을 갖는 반면에, 본 발명에 따르는 경우에는 냉동능력이 (h4-h4')만큼 증가되어 (h1-h4')의 냉동능력을 갖게 되고, 따라서 저온부(즉, 냉장실과 냉동실의 내부)의 열을 종래 1단응축 1단팽창 구조에 비해 더 많이 흡수할 수 있게 되어 냉동냉장고의 냉동능력이 향상되는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 냉동장치에 있어서, 제 2응축기가 냉동냉장고 서리제거장치의 제상수 증발그릇의 내부 또는 이와 인접하여 설치됨으로써, 서리제거장치가 가동되는 경우에 서리가 녹아서 된 제상수의 증발에 필요한 열을 제 2응축기가 공급할 수 있도록 해 냉동냉장고의 냉동실내의 서리제거 기능을 보완하게 되므로 냉동냉장고의 냉동실내의 냉각효율도 증대시키는 효과를 갖게 된다.

Claims (4)

1. 냉동냉장고의 냉동사이클에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축과정(ⓐ-ⓑ)과, 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)을 통과한 냉매가 고압상태에서 방열하며 응축되는 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)과, 상기 제 1응축과정(ⓑ-ⓒ)을 통과한 고압의 냉매를 중압상태로 감압팽창시키는 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)과, 상기 제 1팽창과정(ⓒ-ⓓ)을 통과한 냉매가 중압상태에서 방열하며 응축되는 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)과, 상기 제 2응축과정(ⓓ-ⓔ)을 통과한 냉매가 저압상태로 감압팽창되는 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)과, 상기 제 2팽창과정(ⓔ-ⓕ)을 통과한 저온 저압의 냉매가 증발하며 저온부로부터 열을 공급받는 증발과정(ⓕ-ⓐ)과, 상기 증발과정(ⓕ-ⓐ)을 통과한 냉매가 상기 압축과정(ⓐ-ⓑ)으로 재투입되어 순환하는 냉동사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동방법.
2. 냉동냉장고의 냉동장치에 있어서, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)를 통과한 냉매를 고압상태에서 방열시키며 응축시키는 제 1응축기(21)와, 상기 제 1응축기(21)를 통과한 고압의 냉매를 중압상태로 감압팽창시키는 제 1팽창기(31)과, 상기 제 1팽창기(31)를 통과한 냉매를 중압상태에서 방열시키며 응축시키는 제 2응축기(22)와, 상기 제 2응축기(22)를 통과한 냉매를 저압상태로 감압팽창시키는 제 2팽창기(32)와, 상기 제 2팽창기(32)를 통과한 저온 저압의 냉매를 저온부로부터 열을 공급받아 증발시키는 증발기(40)로 이루어져, 상기 증발기(40)를 통과한 냉매를 상기 압축기(10)로 재투입하여 고온 고압으로 압축시키며 순환시켜 냉동사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 냉동냉장고의 2단응축 2단팽창 냉동장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제 2응축기(22)가 서리제거장치의 제상수의 증발이 용이하도록 제상수 증발그릇(50)의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 2단응축 2단팽창 냉동장치를 갖춘 냉동냉장고.
4. 제 2항에 있어서, 상기 제 2응축기(22)가 서리제거장치의 제상수의 증발이 용이하도록 제상수 증발그릇(50)에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 2단응축 2단팽창 냉동장치를 갖춘 냉동냉장고.