KR20000009209A - 냉동사이클 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉동 사이클에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2단 원심압축기가 적용된 냉동사이클의 임펠러 손상을 방지하고, 압축기의 모터부를 냉각시킬 수 있도록 냉매관의 연결구조 및 냉매 순환 구조가 개선된 냉동사이클에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉동사이클은 응축기에서 토출된 고온 고압의 액체 냉매를 1차 감압 팽창시키는 제 1팽창장치와, 1차 팽창된 냉매를 2차 팽창시키는 제 2팽창장치가 구비되고, 이들 두 팽창장치 사이에는 냉매을 액체와 기체로 분리시키는 기액분리기가 설치되었다. 또한, 기액분리기에서 분리된 기체상태의 냉매를 압축기의 모터부 및 증발기와 압축기사이를 연결하는 냉매관으로 공급하도록 냉각냉매관과 과열냉매관이 구비되었다. 따라서, 냉각냉매관을 통해 공급되는 냉매로 압축기의 모터부를 냉각시켜 압축기의 효율을 높이는 이점이 있을 뿐만 아니라, 과열냉매관을 통해 증발기와 압축기 사이의 냉매관으로 공급되는 냉매로 증발기에서 토출된 냉매를 과열시킴으로써, 압축기로 유입되는 냉매를 완전한 기체상태로 만들어 임펠러의 손상을 방지하는 이점이 있다.

Description

냉동사이클
본 발명은 냉동 사이클에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2단 원심압축기가 적용된 냉동사이클의 임펠러 손상을 방지하고, 압축기의 모터부를 냉각시킬 수 있도록 냉매관의 연결구조 및 냉매 순환 구조가 개선된 냉동사이클에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고나 냉방장치 등에 설치되는 냉동 사이클은 액체상태의 냉매가 기체상태로 변화하면서 주변의 열을 흡수하고, 기체상태에서 다시 액체상태로 변화하면서 열을 방출하는 원리를 이용한 것이다. 즉, 냉매관 내부를 흐르는 냉매의 상태변화에 의한 열의 수수(授受)를 통해 냉동을 수행하는 것이다.
이러한 일반적인 냉동사이클에서 냉매를 압축시키는 압축기는 현재 여러 가지 종류가 사용되고 있는데, 이러한 종류로는 왕복동형 압축기, 원심 압축기 그리고 선형압축기 등이 사용되고 있다.
이중 원심압축기는 케이싱의 내부에 고속으로 회전하는 임펠러가 구비되어 이 임펠러의 회전시에 발생되는 원심력을 이용하여 냉매의 압축을 수행하는 것이다.
도 1은 종래 냉동사이클의 구성을 보인 도면으로, 특히 냉매의 2단 압축을 수행하는 2단 원심압축기가 적용된 냉동사이클에 관한 것이다. 이를 참조하여 설명하면, 종래 냉동사이클은 압축기(10), 응축기(20), 냉매팽창장치(21), 그리고 증발기(22)로 구성되며, 이들은 냉매관(23)에 의해 차례로 연결되어 구성된다.
압축기(10)는 저온 저압의 냉매가스를 흡입하여 고온 고압으로 압축한 후 응축기(20)로 토출시키는데, 종래의 압축기(10)는 냉매를 2차에 걸쳐 압축하는 2단 원심압축기로 구성된다. 이 2단 원심압축기(10)는 케이싱(11)으로 감싸인 모터(12)의 양측에 제 1압축부(13)와 제 2압축부(14)가 구비되는데, 각 압축부(13,14)에는 모터(10)의 구동에 의해 회전되는 임펠러(13a,14a)가 구비되어, 이 임펠러(13a,14a)의 회전으로 냉매의 압축을 수행한다. 이때, 제 1압축부(13)로 유입된 냉매는 제 1압축부(13)에서 1차로 압축이 된 후, 제 2압축부(14)로 유입되어 2차로 압축이 되게 된다.
응축기(20)는 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매가스를 열교환을 통하여 액상의 냉매로 바꾸어준다. 그리고 응축기(20)로부터 액상으로 유출된 고압의 냉매는 냉매팽창장치(21)를 통과하면서 압력강하를 일으켜 저압의 냉매가 되며, 이 저압의 냉매는 증발기(22)를 거치는 동안 기체상태로 증발되면서 주위로부터 열을 흡수하여 냉방 또는 냉동 작용을 수행하게 된다. 그리고, 증발기(22)를 통과한 냉매가스는 다시 압축기(10)에 흡입되어 동일한 사이클을 반복하게 된다.
그러나, 이러한 구성의 종래 냉동사이클은 증발기(22)를 거쳐 2단 원심압축기(10)로 유입되는 냉매가 완전하게 기화되지 않은 상태로 유입될 경우, 냉매 중에 잔재된 액체성분에 의해 압축기(10)의 임펠러(13a,14a)가 손상되는 문제가 있었다.
즉, 2단 원심 압축기(10)의 임펠러는 다수의 날개로 구성되어 임펠러(13a,14a)가 고속으로 회전될 때 발생되는 원심력에 의해 냉매를 원주방향으로 가압 토출됨으로서 냉매의 압축이 이루어지게 된다. 그런데, 증발기(22)의 능력이 부족하여 냉매가 완전하게 증발하지 않을 경우 냉매 중의 액체 성분이 임펠러(13a,14a)의 날개에 부딪치게 되어 임펠러의 수명을 단축시키게 된다.
또한, 종래의 냉동사이클에서의 2단 원심압축기(10)는 양측의 임펠러(13a,14a)를 구동시키는 모터부(12)에 과도한 열이 발생되는 문제가 있었다. 즉, 2단 원심압축기(10)는 모터(12)가 케이싱(11)에 감싸여진 상태이고, 1차 압축부(13)에서 압축된 냉매가 모터(12)의 외면과 케이싱(11) 사이를 흘러 2차 압축부(14)로 유입되게 되므로, 모터부(12) 자체의 발열과 냉매의 압축에 따른 온도상승이 커서 과도한 열이 발생되고, 이로 인해 모터부(12)가 쉽게 손상되는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉매팽창밸브에서 1차 팽창된 냉매를 기체 액체로 분리하여, 이중 기체상태의 냉매의 일부를 모터의 케이싱 내측과, 증발기와 압축기 사이의 냉매관에 공급함으로써, 과열된 모터를 효과적으로 냉각시키고, 또한 액상의 냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지하여 임펠러의 손상을 방지하는 냉동사이클을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 냉동사이클의 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉동사이클의 구성을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 2단 원심압축기의 구조를 보인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30: 압축기, 31: 케이싱,
32: 모터, 33: 제 1압축부,
34: 제 2압축부, 33a,34a: 임펠러,
40: 응축기, 41: 제 1팽창장치,
42: 제 2팽창장치, 43: 기액분리기,
44: 증발기, 46: 냉각냉매관,
47: 과열냉매관, 48: 유량조절밸브.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압으로 압축하도록 밀폐된 케이싱의 내부에 하나 이상의 임펠러와 상기 임펠러를 구동시키는 모터가 구비된 압축기와, 상기 압축기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 액상으로 응축시키는 응축기와, 상기 응축기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 1차 감압시키는 제 1팽창장치와, 상기 제 1팽창장치와 냉매관에 의해 연결되며 상기 제 1팽창장치에서 감압된 냉매를 기체와 액체상태로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 기액분리기에서 분리된 액체상태의 냉매를 증발조건에 맞도록 2차 감압시키는 제 2팽창장치와, 일측이 상기 제 2팽창장치와 냉매관에 의해 연결되고 타측이 상기 압축기와 냉매관에 의해 연결이 되어 2차 감압된 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 기액분리기에서 분리된 기체상태의 냉매가 상기 증발기에서 토출되는 냉매와 혼합되어 상기 압축기로 유입되는 냉매를 과열시키도록 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 냉매관과 상기 기액분리기를 연통시키는 과열냉매관을 포함하는 것을 특징으로 하는 구성이다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 냉동사이클의 구성을 보인 도면이고, 도 3은 본 발명에 적용되는 2단 원심압축기의 구조를 보인 단면도이다.
본 발명에 따른 냉동사이클은 이에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축시키는 2단 원심압축기(20)와, 압축된 냉매를 응축시키는 응축기(30)와, 두 개의 냉매팽창장치(41,42)와, 두 팽창장치(41,42) 사이에 설치되는 기액분리기(43)와, 팽창된 냉매를 증발시켜 냉기를 생성하는 증발기(44)로 구성되며, 이들은 냉매관(45)에 의해 차례로 연결되어 구성된다. 아래에서는 이러한 구성의 각 부분을 상세히 설명한다.
2단 원심 압축기(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 밀폐구조를 이루는 케이싱(31)의 내측에 회전력을 발생시키는 모터(32)가 설치되고, 모터(32)의 양측으로 냉매를 2차에 걸쳐 압축할 수 있도록 제 1압축부(33)와 제 2압축부(34)가 구성된다. 그리고 각 압축부(33,34)에는 모터(32)의 구동에 의해 회전되는 임펠러(33a,34a)가 구비되어, 이 임펠러(33a,34a)의 회전으로 냉매의 압축을 수행한다. 이때, 제 1압축부(33)로 유입된 냉매는 제 1압축부(33)에서 1차로 압축이 된 후, 제 2압축부(34)로 유입되어 2차로 압축이 되게 된다.
응축기(40)는 압축기(30)에서 토출된 고온 고압의 냉매가스를 열교환을 통하여 액상의 냉매로 바꾸어준다. 그리고 응축기(40)로부터 액상으로 유출된 고압의 냉매는 냉매팽창장치(41,42)를 통과하면서 압력강하를 일으켜 저압의 냉매가 되며, 이 저압의 냉매는 증발기(44)를 거치는 동안 기체상태로 증발되면서 주위로부터 열을 흡수하여 냉방 또는 냉동 작용을 수행하게 된다.
이때, 본 발명에 따른 냉동사이클은 상기 냉매팽창장치가 제 1팽창장치(41)와 제 2팽창장치(42)로 구비되어 2단계의 냉매팽창을 수행하고, 두 팽창장치(41,42)의 사이에는 냉매를 기체와 액체상태로 분리시키는 기액분리기(43)가 설치된다. 즉, 기액분리기(43)는 제 1팽창장치(41)를 통해 소정의 압력으로 감압 팽창된 냉매를 액체와 기체상태의 냉매로 분리하게 된다.
그리고 기액분리기(43)에서 기체와 액체로 분리된 냉매 중에서, 액체상태의 냉매는 제 2팽창장치(42)로 유입되어 증발조건에 알맞도록 2차 감압 팽창을 한 후 증발기(44)로 유입되게 되고, 기체상태의 냉매의 일부는 압축기의 모터부(32)로 유입되고, 다른 일부는 증발기(44)와 압축기(30) 사이를 연결하는 냉매관(45a)으로 유입된다. 이러한 구성을 위해 본 발명에 따른 냉동사이클은 기액분리기(43)에서 압축기(30)의 케이싱(31)을 연결하는 냉각냉매관(46)과, 기액분리기(43)에서 증발기와 압축기사이의 냉매관(45a)을 연결하는 과열냉매관(47)이 마련된다.
이는 기체상태의 냉매를 케이싱(31)의 내측에 마련된 모터(32)의 외면으로 공급함으로써 모터(32)를 냉각시키기 위함이다. 즉, 기액분리기(43)의 냉매는 응축기(40)를 거치면서 이미 냉각이 된 상태이고, 또한 제 1팽창장치(41)를 통해 감압이 된 상태이므로 제 1압축부(33)와 제 2압축부(34) 사이를 흐르는 냉매보다 상대적으로 낮은 온도를 유지하게 되어 모터(32)를 냉각시킬 수 있게 된다. 그리고 모터(32)로 유입된 냉매는 제 2압축부(34)를 통해 다시 압축되어 순환하게 된다.
이때, 기액분리기(43)의 압력은 압축기(30)의 제 1압축부(33)와 제 2압축부 (34)사이의 구간압력 보다 크거나 같도록 하여 기액분리기(43)에서 분리된 기체상태의 냉매가 압축기(30) 쪽으로 원활하게 흘러갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 과열냉매관(47)을 통해 증발기와 압축기 사이의 냉매관(45a)으로 공급되는 기체상태의 냉매는 증발기(44)를 거쳐 압축기(30)로 유입되는 저압냉매를 과열시켜 완전 기체상태로 만들어줌으로써, 압축기의 임펠러(33a,34a)를 보호하게 된다. 즉, 기액분리기(43)에서 공급된 기체상태의 냉매압력은 제 2팽창장치(42)와 증발기(44)를 거친 냉매보다 고온 고압을 유지하게 되므로 이들이 상호 혼합될 때, 증발기(44)에서 토출된 냉매를 과열시켜 완전한 기체상태로 만들어 주게 된다. 따라서 압축기(30)의 제 1압축부(33)로 유입되는 냉매는 순수한 기체상태를 유지하게 되므로 액상 냉매에 의한 임펠러(33a)의 손상을 방지할 수 있게 된다.
이때, 과열냉매관(47)의 중도에는 과열냉매관(47)을 흐르는 냉매의 흐름량 및 압력의 조정이 가능하도록 유량조절밸브(48)가 설치되는 것이 바람직하다.
다음은 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 냉동사이클의 전체적인 동작을 설명한다.
저온 저압의 기체상태로 압축기에 유입된 냉매는 제 1압축부(33)를 거치면서 중간압력으로 압축된 후, 다시 제 2압축부(34)로 유입되어 고온 고압으로 압축된 후 토출된다. 고온 고압의 기체상태로 토출된 냉매는 응축기(40)에서 열교환이 되어 액체상태가 된다. 이때 냉매는 일정온도가 떨어지지만 여전히 고온 고압의 상태를 유지하게 된다. 응축기(40)에서 토출된 고온 고압의 액체상태의 냉매는 제 1팽창장치(41)를 거치면서 1차로 감압 팽창된 후, 기액분리기(43)로 유입되어 기체와 액체상태의 냉매로 분리되게 된다.
그리고, 기액분리기(43)에서 분리된 액체상태의 냉매는 다시 제 2팽창장치(42)에서 2차로 감압 팽창되어 저온 저압의 기체와 액체가 혼재하는 상태로 증발기(44)에 유입된다. 증발기(44)로 유입된 냉매는 증발기(44)에서 증발되면서 외부의 열을 흡수하게 되어 냉기를 생성하게 된다. 증발한 냉매는 다시 저온 저압의 기체가 되어 압축기(30)로 유입된다.
한편, 상기 기액분리기(43)에서 분리된 기체상태의 냉매 중 일부는 냉각냉매관(46)을 통해 압축기(30)의 모터부(32)로 유입되어 모터를 냉각시킨다. 그리고, 다른 일부는 과열냉매관(47)을 통해 증발기와 압축기 사이의 냉매관(45a)으로 공급되어 증발기(44)에서 토출된 냉매를 과열시킴으로써, 압축기로 유입되는 냉매를 완전한 기체상태로 만들어 임펠러(33a)의 손상을 방지하게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동사이클은 응축기에서 토출된 고온 고압의 액체 냉매를 1차 감압 팽창시키는 제 1팽창장치와, 1차 팽창된 냉매를 2차 팽창시키는 제 2팽창장치가 구비되고, 이들 두 팽창장치 사이에는 냉매을 액체와 기체로 분리시키는 기액분리기가 설치되었다. 또한, 기액분리기에서 분리된 기체상태의 냉매를 압축기의 모터부 및 증발기와 압축기사이를 연결하는 냉매관으로 공급하도록 냉각냉매관과 과열냉매관이 구비되었다. 따라서, 냉각냉매관을 통해 공급되는 냉매로 압축기의 모터부를 냉각시켜 압축기의 효율을 높이는 이점이 있을 뿐만 아니라, 과열냉매관을 통해 증발기와 압축기 사이의 냉매관으로 공급되는 냉매로 증발기에서 토출된 냉매를 과열시킴으로써, 압축기로 유입되는 냉매를 완전한 기체상태로 만들어 임펠러의 손상을 방지하는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 저온 저압의 냉매가스를 고온 고압으로 압축하도록 밀폐된 케이싱의 내부에 하나 이상의 임펠러와 상기 임펠러를 구동시키는 모터가 구비된 압축기와, 상기 압축기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 1차 감압시키는 제 1팽창장치와, 상기 제 1팽창장치와 냉매관에 의해 연결되며 상기 제 1팽창장치에서 감압된 냉매를 기체와 액체상태로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기와 냉매관에 의해 연결되며 상기 기액분리기에서 분리된 액체상태의 냉매를 증발조건에 맞도록 2차 감압시키는 제 2팽창장치와, 일측이 상기 제 2팽창장치와 냉매관에 의해 연결되고 타측이 상기 압축기와 냉매관에 의해 연결이 되어 2차 감압된 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 기액분리기에서 분리된 기체상태의 냉매가 상기 증발기에서 토출되는 냉매와 혼합되어 상기 압축기로 유입되는 냉매를 과열시키도록 상기 증발기와 상기 압축기를 연결하는 냉매관과 상기 기액분리기를 연통시키는 과열냉매관을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 기체상태의 냉매를 상기 압축기의 모터부로 공급하여 상기 모터부를 냉각시키도록 상기 기액분리기와 상기 압축기 사이를 연통시키는 냉각냉매관을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 과열냉매관의 중도에는 상기 과열냉매관을 흐르는 냉매의 흐름량 및 압력의 조정이 가능하도록 유량조절밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
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