KR20000014024A - 냉장고용 냉동사이클장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉장고의 급속냉각을 실현함과 동시에 냉장고의 정상상태시 냉장고의 고효율을 유지시킬 수 있도록 하는 냉장고용 냉동사이클장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치는 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기와, 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 응축기에서 응축된 냉매를 감압시키는 제 1 및 제 2 팽창장치와, 팽창장치에서 감압된 냉매를 증발시켜 냉동실을 냉각시키는 제 1 증발기와, 제 1 증발기와 직렬로 배치되고, 인터쿨러 증발기로 이루어지며, 냉장실을 냉각시키는 제 2 증발기와, 응축기로부터 유출된 냉매가 제 1 증발기로 직접 유입되도록 하기 위한 제 1 유로와, 응축기로부터 유출된 냉매가 인터쿨러 증발기로 이루어진 제 2 증발기를 거쳐 제 1 증발기로 유입되도록 하기 위한 제 2 유로와, 제 1 유로와 제 2 유로사이에 설치되어 냉매의 흐름을 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로로 선택적으로 전환시키기 위한 유로전환밸브로 구성된다.

Description

냉장고용 냉동사이클장치
본 발명은 냉장고에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉장고의 급속냉각을 실현함과 동시에 냉장고의 정상상태시 냉장고의 고효율을 유지시킬 수 있도록 하는 냉장고용 냉동사이클장치에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고나 냉방장치 등에 설치되는 냉동사이클장치는 액체상태의 냉매가 기체상태로 변화하면서 주변의 열을 흡수하고, 기체상태에서 다시 액체상태로 변화하면서 열을 방출하는 원리를 이용하는 것으로, 즉 냉매의 상태변화에 의한 열의 수수(授受)를 통해 냉동을 수행하는 것이다.
도 1 은 종래의 냉장고용 냉동사이클장치의 구성도로서, 이는 미국특허 제 5,406,805 에 개시된 것이다.
이에 도시된 냉동사이클장치는 압축기(20), 응축기(21), 팽창장치(22), 냉동실을 냉동시키기 위한 제 1 증발기(23)와, 냉장실을 냉각시키기 위한 제 2 증발기(24)가 냉매관(25)에 의해 차례로 연결되어 폐회로를 구성하며, 제 1 및 제 2 증발기(23, 24)와 응축기(21) 부근에는 주위공기를 강제순환시키기 위한 제 1 송풍팬(23a), 제 2 송풍팬(24a), 그리고 제 3 송풍팬(21a)이 각각 설치된다. 특히, 제 1 증발기(23)와 제 2 증발기(24)는 직렬로 배치되어 제 1 증발기(23)를 통과한 모든 냉매가 제 2 증발기(24)를 통과하도록 구성된다. 냉매는 화살표로 나타낸 바와 같이, 냉매관(25)의 내부를 흐르면서 상태변화를 하며, 특히 제 1 증발기(23)와 제 2 증발기(24)를 통과하면서 증발되어 이를 통과하는 공기로부터 열을 흡수하여 냉기를 생성한다. 생성된 냉기는 제 1 및 제 2 송풍팬(23a, 24a)의 작동에 의해 냉동실과 냉장실로 공급되는 것이다.
도 2 는 도 1 의 냉장실측 증발기의 확대도로서, 이에 도시된 바와 같이, 냉장실측 제 2 증발기(24)는 그 내부로 내관(26a)과 이를 감싸는 외관(26b)이 통과하도록 구성되는 인터쿨러(intercooler) 증발기로 구현되는데, 응축기(21)로부터 배출된 액냉매는 내관(26a)을 통과하여 팽창장치(22)로 유입되는 한편, 냉동실측 제 1 증발기(23)로부터 배출되는 냉매는 외관(26b)을 통과하여 압축기(20)로 유입된다. 이 때 냉동실측 제 1 증발기(23)를 통과한 냉매는 액체상태와 기체상태가 혼합된 이상(二相)냉매인데, 이 냉매는 외관(26b)을 통해 냉장실측 제 2 증발기(24)내부로 유입되어 냉장실의 냉각에 이용된 후 기체상태로 변환되어 압축기(20)로 유입되는 것이다. 이와 같은 인터쿨러 증발기의 적용에 의해, 냉동실측 제 1 증발기(23)를 통과한 후 냉장실측 제 2 증발기의 외관(26b)을 흐르게 되는 냉매는 냉장실의 냉각에 이용될 뿐만 아니라, 내관(26a)을 흐르는 액냉매와 열교환을 하여 이를 과냉(subcooling)시켜 팽창장치(22)로 유입되도록 함으로써 냉동사이클장치의 효율은 높아지게 된다.
그러나, 상술한 바와 같이, 인터쿨러 증발기가 적용되는 냉장실측 증발기에서는 응축기로부터 배출된 고온의 액냉매와 냉동실측 증발기를 통과한 저온의 냉매와의 열교환이 행해지므로 열부하가 발생되고, 이로 인해 냉장실의 냉각성능이 저하되는 문제점이 있다. 다시 말해서, 냉장고의 최초가동시나 장시간 비사용상태에서의 가동시 고온의 냉장실온도를 소정의 온도로 낮추기까지의 시간이 많이 소요되는 것이다. 또한, 냉장고도어의 빈번한 개폐 등에 의해 냉장실의 온도가 상승하는 경우에도 이에 대응하여 냉장실의 온도를 소정의 온도로 신속하게 낮출 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉장고의 급속냉각을 실현함과 동시에 냉장고의 정상상태시 냉장고의 고효율을 유지시킬 수 있도록 하는 냉장고용 냉동사이클장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 종래의 냉장고용 냉동사이클장치의 구성도이다.
도 2 는 도 1 의 냉장실측 증발기의 확대도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치 구성도이다.
도 4 는 도 3 의 냉장실측 증발기의 확대도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치의 제어부 구성도이다.
도 6 은 종래의 냉동사이클장치와 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 초기냉각속도를 비교하여 보인 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
80:압축기 81:응축기 82a:제 1 팽창장치
82b:제 2 팽창장치 83:제 1 증발기 83a:제 1 송풍팬
84:제 2 증발기 84a:제 2 송풍팬 85:냉매관 85a:제 1 유로 85b:제 2 유로 86a:내관
86b:외관 87:유로전환밸브
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉동실과 냉장실을 구비하는 냉장고용 냉동사이클장치에 있어서, 상기 냉동사이클장치는 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압시키는 제 1 및 제 2 팽창장치와, 상기 팽창장치에서 감압된 냉매를 증발시켜 상기 냉동실을 냉각시키는 제 1 증발기와, 상기 제 1 증발기와 직렬로 배치되고 상기 냉장실을 냉각시키는 제 2 증발기와, 상기 응축기로부터 유출된 냉매가 상기 제 1 증발기로 직접 유입되도록 하기 위한 제 1 유로와, 상기 응축기로부터 유출된 냉매가 상기 제 2 증발기를 거쳐 상기 제 1 증발기로 유입되도록 하기 위한 제 2 유로와, 상기 제 1 유로와 제 2 유로사이에 설치되어 냉매의 흐름을 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로로 선택적으로 전환시키기 위한 유로전환밸브로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 유로상에는 상기 응축기와 상기 제 1 증발기 사이에 상기 제 1 팽창장치가 배치되고, 상기 제 2 유로상에는 상기 제 2 증발기와 상기 제 1 증발기 사이에 상기 제 2 팽창장치가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉장실의 온도가 소정온도 이상이 되면, 상기 유로전환밸브에 의해 냉매는 상기 제 1 유로를 따라 흐르게 되고, 상기 냉장실의 온도가 소정온도이하의 상태로 유지되면, 상기 유로전환밸브에 의해 냉매는 상기 제 2 유로를 따라 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3 은 본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동사이클장치는 압축기(80), 응축기(81), 제 1 및 제 2 팽창장치(82a, 82b), 그리고 냉동실을 냉동시키기 위한 제 1 증발기(83)와 냉각실을 냉각시키기 위한 제 2 증발기(84)가 냉매관(85)에 의해 연결되어 폐회로를 구성하며, 제 1 및 제 2 증발기(83, 84)와 응축기(81) 부근에는 주위공기를 강제순환시키기 위한 제 1 송풍팬(83a), 제 2 송풍팬(84a), 그리고 제 3 송풍팬(81a)이 각각 설치된다. 특히, 제 1 증발기(83)와 제 2 증발기(84)는 직렬로 배치되어 제 1 증발기(83)를 통과한 모든 냉매가 제 2 증발기(84)를 통과하도록 구성된다. 냉매는 화살표로 나타낸 바와 같이, 냉매관(85)의 내부를 흐르면서 상태변화를 하며, 특히 제 1 증발기(83)와 제 2 증발기(84)를 통과하면서 증발되어 이를 통과하는 공기로부터 열을 흡수하여 냉기를 생성하고, 이러한 냉기는 제 1 및 제 2 송풍팬(83a, 84a)의 작동에 의해 냉동실과 냉장실로 공급된다.
그리고, 본 발명의 특징적인 요소로, 응축기(81)의 배출구측 냉매관(85)은 응축기(81)로부터 유출된 냉매가 제 1 증발기(83)로 직접 유입되도록 하기 위한 제 1 유로(85a)와, 응축기(81)로부터 유출된 냉매가 상기 제 2 증발기(84)를 거쳐 제 1 증발기(83)로 유입되도록 하기 위한 제 2 유로(85b)로 분기되어 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 유로(85a, 85b)로 분기되는 냉매관(85)의 분기점에는 유로전환밸브(87)가 구비되어 응축기(81)로부터 유출되는 냉매가 제 1 및 제 2 유로(85a, 85b)로 선택적으로 흐르도록 되어 있는데, 이는 후술하기로 한다.
그리고, 상기 제 1 유로(85a)상에는 응축기(81)와 제 1 증발기(83) 사이에 상기 제 1 팽창장치(82a)가 배치되고, 상기 제 2 유로(85b)상에는 제 2 증발기(84)와 제 1 증발기(83) 사이에 상기 제 2 팽창장치(82b)가 배치된다.
한편, 냉장실측 제 2 증발기(84)는 인터쿨러(intercooler) 증발기로 구현되는데, 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 2 증발기(84)의 내부로 내관(86a)과 이를 감싸는 외관(86b)이 통과하도록 구성되어 있다. 이러한 인터쿨러 증발기가 구비된 냉동사이클장치에 있어서, 응축기(81)로부터 배출된 액냉매는 내관(86a)을 통하여 제 2 팽창장치(82b)로 유입되는 한편, 냉동실측 제 1 증발기(83)로부터 배출되는 냉매는 외관(86b)을 통하여 압축기(80)로 유입된다. 이 때 냉동실측 제 1 증발기(83)를 통과한 냉매는 액체상태와 기체상태가 혼합된 이상(二相)냉매인데, 이 냉매는 외관(86b)을 통해 냉장실측 제 2 증발기(84)내부로 유입되어 냉장실의 냉각에 이용된 후 기체상태로 변환되어 압축기(80)로 유입되는 것이다. 이와 같은 인터쿨러 증발기의 적용에 의해, 냉동실측 제 1 증발기(83)를 통과한 후 냉장실측 제 2 증발기(84)의 외관(86b)을 흐르게 되는 냉매는 냉장실의 냉각에 이용될 뿐만 아니라, 내관(86a)을 흐르는 액냉매와 열교환을 하여 이를 과냉(subcooling)시켜 제 2 팽창장치(82b)로 유입되도록 함으로써 냉동사이클장치의 효율은 높아지게 된다.
다음에는 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치의 제어부의 구성을 설명한다. 제어부(90)의 입력측에는 도어스위치(91), 냉동실온도센서(92), 냉장실온도센서(93), 그리고 외기온도센서(94)가 접속되어 도어의 개폐여부, 냉동실의 온도, 냉장실의 온도를 각각 검지하여 전기신호로서 제어부(90)에 전달한다. 또한, 제어부(90)의 출력측에는 압축기(80), 냉동실측 제 1 송풍팬(83a), 냉장실측 제 2 송풍팬(84a)을 각각 ON/OFF 시키기 위한 제 1 스위치(95a), 제 2 스위치(96a), 제 3 스위치(97a)가 전기접속되어 있다. 즉, 제 1, 2 및 3 스위치(95a, 96a, 97a)가 상기 각 센서(91, 92, 93, 94)들로부터 입력된 신호에 따라 각각의 제어부(95, 96, 97)에 의해 제어됨으로써 압축기(80)와 제 1 송풍팬(83a) 및 제 2 송풍팬(84a)을 독립적으로 제어하는 것이 가능하다.
또한, 제어부(90)의 출력측에는 상기 유로전환밸브(87)의 제어를 위한 유로전환스위치(98a)가 밸브제어부(98)에 의해 전기접속되어 있는데, 이 유로전환밸브(87)는 상기 각 센서(91, 92, 93, 94)들의 입력신호에 따라 응축기(81)로부터 유출된 냉매가 제 1 유로(85a) 또는 제 2 유로(85b)로 선택적으로 흐르도록 하는 역할을 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 냉장고용 냉동사이클장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 냉동실과 냉장실은 각각 식품의 보관을 위한 적절한 온도로서, -15 ~ -21℃, 6 ~ -1℃를 유지하도록 설정되며, 이러한 온도를 각각 냉동실설정온도 및 냉장실설정온도라 칭하는데, 냉장고를 최초작동시키거나 장시간 비사용상태에서 작동시키는 경우, 냉동실과 냉장실의 온도를 빠른 시간내에 설정온도범위내로 낮추어야 한다.
냉동실과 냉장실의 온도를 상기 냉동실온도센서(92) 및 냉장실온도센서(93)가 감지하여 제어부(90)에 전달하게 되는데, 특히 초기가동시와 같이 냉장실의 온도가 10℃ 이상인 경우, 냉장실측 제 2 증발기(84)의 냉각능력을 증가시킴으로써 냉장실의 급속냉각이 이루어지도록 해야 한다. 이러한 상태에서는 제어부(90)가 상기 유로전환스위치(98a)를 작동시켜 응축기(81)로부터 유출된 냉매가 상기 제 1 유로(85a)를 통해 제 1 팽창장치(82a)로 유입되도록 상기 유로전환밸브(87)를 전환시킨다. 이후, 제 1 팽창장치(82a)를 통과한 냉매는 냉동실측 제 1 증발기(83)를 통과하면서 일부가 증발되고, 냉장실측 제 2 증발기(84)를 통과하면서 그 나머지가 증발되어 압축기(80)에 흡입된다. 이와 같이, 제 1 및 제 2 증발기(83, 84)를 통과하는 냉매가 증발되면서 공기로부터 열을 흡수하여 냉기를 생성하고, 이 냉기가 상기 제 1 및 제 2 송풍팬(83a, 84a)의 작동으로 인해 냉동실과 냉장실을 냉각시키는 것이다.
이러한 냉동사이클장치의 작동에 의해 냉장실이 냉각되어 설정온도로 유지되는 정상상태에 도달하면, 이를 감지한 냉장실온도센서(93)의 신호에 의해 제어부(90)는 응축기(81)로부터 유출된 냉매가 상기 제 2 유로(85b)를 향하도록 유로전환밸브(87)를 전환시킨다. 이에 의해, 응축기(81)로부터 배출된 냉매는 냉장실측 인터쿨러 증발기(84)의 내관(86a)을 통과하여 과냉된 후, 제 2 팽창장치(82b)를 거쳐 냉동실측 제 1 증발기(83)로 유입되어 냉동실의 냉동을 수행하고, 이후 냉장실측 인터쿨러 증발기(84)의 외관(86b)을 통과하여 압축기(80)로 되돌아가게 된다. 이는 냉장실의 급속냉각이 필요치 않는 정상상태에서는 인터쿨러 증발기를 적용함으로써 냉장고의 효율을 향상시키고, 이로 인한 절전효과를 얻기 위함이다.
이러한 냉장고의 정상상태에서, 냉장실 도어를 빈번하게 개폐하는 등의 이유로 인해 냉장실의 온도가 갑자기 상승하게 되는 경우가 발생하게 되는데, 이 때, 냉장실의 온도가 10℃ 이상이 되는 경우, 냉장실온도센서(93)가 이를 감지하여 제어부(90)에 전기신호를 보냄으로써 다시 냉매가 제 1 유로(85a)를 통과하도록 상기 유로전환밸브(87)가 전환되어 냉장실의 급속냉각이 이루어지게 되는 것이다.
도 6 은 종래의 냉동사이클장치와 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 초기냉각속도를 비교하여 보인 그래프로서, 본 발명에 따른 냉동사이클장치에 의한 냉장실의 급속냉각이 얼마나 빠른 속도로 이루어지는지를 알아보기로 한다.
이 때, 초기냉각속도시험이란 온도 30℃와, 습도 75%의 항온항습조에 냉장고의 도어를 열고 세워 놓은 상태에서 냉동실과 냉장실의 모든 온도가 30℃로 일정해지면 냉장고 도어를 닫고 강제가동시켜서 냉동실은 -15℃, 냉장실은 5℃가 되는 시간을 측정하는 것이다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 종래의 냉동사이클장치의 경우, 냉동실의 온도가 -15℃가 될 때까지는 97.5분의 시간이 경과되고, 냉장실의 온도가 5℃가 될 때까지는 268.5분의 시간이 경과하여야 한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 경우에는, 냉동실의 온도가 -15℃가 될 때까지는 117.5분의 시간이 경과되고, 냉장실의 온도가 5℃가 될 때까지는 114분의 시간이 소요됨을 알 수 있다.
이에 의해, 본 발명에 따른 냉동사이클장치가 종래의 냉동사이클장치에 비해 냉동실의 초기냉각속도는 다소 느리기는 하지만, 냉장실의 초기냉각속도에서는 종래의 268.5분에서 117.5분으로 약 56%정도가 단축됨을 알 수 있다. 이는 냉장고의 초기가동시뿐만 아니라, 정상운전시 도어를 자주 개방함으로써 냉장실온도가 냉장실설정온도보다 높아지는 때에도 효과적으로 대응하여 상기와 같이 빠른 시간내에 냉장실온도를 소정의 냉장실설정온도로 낮출 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동사이클장치는 응축기의 배출구측에 유로전환밸브를 구비함으로써 냉장실의 급속냉각이 요구되는 때에는 응축기로부터 유출된 액냉매를 바로 팽창장치로 유입시킨 후 냉동실측 증발기와 냉장실측 증발기를 차례로 통과시켜 냉장실의 급속냉각이 이루어지도록 한편, 냉장실이 정상상태를 유지하게 되는 때에는 응축기로부터 유출된 액냉매를 냉장실측 인터쿨러 증발기를 통과하도록 유로를 변경함으로써 냉장고의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 냉동실과 냉장실을 구비하는 냉장고용 냉동사이클장치에 있어서,
    상기 냉동사이클장치는 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압시키는 제 1 및 제 2 팽창장치와, 상기 팽창장치에서 감압된 냉매를 증발시켜 상기 냉동실을 냉각시키는 제 1 증발기와, 상기 제 1 증발기와 직렬로 배치되고 상기 냉장실을 냉각시키는 제 2 증발기와, 상기 응축기로부터 유출된 냉매가 상기 제 1 증발기로 직접 유입되도록 하기 위한 제 1 유로와, 상기 응축기로부터 유출된 냉매가 상기 제 2 증발기를 거쳐 상기 제 1 증발기로 유입되도록 하기 위한 제 2 유로와, 상기 제 1 유로와 제 2 유로사이에 설치되어 냉매의 흐름을 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로로 선택적으로 전환시키기 위한 유로전환밸브로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉장고용 냉동사이클장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유로상에는 상기 응축기와 상기 제 1 증발기 사이에 상기 제 1 팽창장치가 배치되고, 상기 제 2 유로상에는 상기 제 2 증발기와 상기 제 1 증발기 사이에 상기 제 2 팽창장치가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉장고용 냉동사이클장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 냉장실의 온도가 소정온도 이상이 되면, 상기 유로전환밸브에 의해 냉매는 상기 제 1 유로를 따라 흐르게 되고, 상기 냉장실의 온도가 소정온도이하의 상태로 유지되면, 상기 유로전환밸브에 의해 냉매는 상기 제 2 유로를 따라 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉장고용 냉동사이클장치.
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