KR20000063409A

KR20000063409A - 하압식 저온 브레이튼 공기조화장치

Info

Publication number: KR20000063409A
Application number: KR1020000038711A
Authority: KR
Inventors: 김종선
Original assignee: 김승우; 주식회사 뉴로스
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2000-11-06
Also published as: KR100316671B1

Abstract

본 발명은 저온부의 온도가 섭씨 영하 200도까지 가능한 저온 브레이튼 공기조화장치에 관한 것으로, 브레이튼 냉동 사이클을 변형하여 냉동실(24)에서의 냉매 압력인 기준 압력 이하에서 작동하는 하압식 저온 브레이튼 공기조화장치를 구현하는데 그 목적을 두고 있다.

상기 공기조화장치는 압축기(21), 외부 열교환기(22), 내부 열교환기(23), 터어빈(25), 증속 기어박스(26) 그리고 열기관 또는 전기모터 형태의 동력원(27), 또는 증속 기어박스(26)와 일반 전기모터 대신 고속모터라는 동력원(27)을 구성 요소로 하여 밀폐 사이클로 작동한다.

기준 압력(Pr)에서 고온(Tmax)의 상태(I)에 있는 냉매는 공기 또는 물과 같은 별도의 저온유체에 의해 외부 열교환기(22)에서 등압 방열하여(I-A) 주변 온도(Ta)까지 냉각된 다음, 내부 열교환기(23)를 통과하면서(A-E′) 극저온(Tmin)의 냉매가 되어 냉동 능력을 갖게 된다. 이 냉매가 냉동실(24) 내에서 등압 흡열 과정(E′-F′)으로 냉동 부하를 흡수하여 온도가 상승하면(Tr) 터어빈(25)에서 단열 팽창시켜(F′-G′) 다시 극저온(Tmin)으로 만든다. 이 저온, 저압의 냉매는 내부 열교환기(23)를 거쳐(G′-H) 그 온도가 주변 온도(Ta)까지 상승하고, 압축기(21)에서 단열 압축되어(H-I) 기준 압력(Pr)을 회복한 다음 처음의 외부 열 교환기로 되돌아가면서 반복되는 사이클을 수행한다. 이 때 냉동기 내의 냉매의 압력이 냉동실의 압력(Pr)보다 낮기 때문에 하압식 냉동기가 된다.

본 발명에 따른 하압식 극저온 브레이튼 냉동 공기조화장치는 종래의 Stirling 또는 GM 형식의 극저온 냉동기에 비해 효율이 높고, 왕복동 압축기 대신 터보 회전체를 이용하므로 정비성이 대폭 개선되었으며 냉매의 낮은 압력에 따른 냉매의 응축온도 저하(Tmin→Tmin′)로 낮은 온도에서도 팽창 터어빈에서 발생될 수 있는 냉매의 응축액에 의한 침식 및 부식 문제를 제거할 수 있고 이에 따라 종래의 브레이튼 냉동기보다 더 낮은 저온을 구현할 수 있다.

또한 냉동기 외부의 대기공기를 냉매로 사용하여 개방형 사이클로 운용할 경우에는 외부 열교환기(22)가 없는 간단한 구조의 개방형 냉동기로도 응용이 가능하다. 밀폐 사이클로 작동하는 일반적인 냉동기에서는 별도의 압축기를 사용하여 기체 냉매를 보충하여야 하고 밀봉에 어려움이 있는 반면, 상기의 냉동기는 냉동실의 기준 압력 이하에서 작동하므로 냉매의 누출이 없고 별도의 냉매 보충 장치를 요하지 않는다.

Description

하압식 저온 브레이튼 공기조화장치 {cryogenic Brayton refrigerator operating under ambient pressure}

본 발명은 공기조화장치 분야, 특히 터보냉동기 분야에서 사용될 수 있으며 성능이 우수하여 저온의 공기를 효율적으로 공급할 수 있다.

본 발명은 저온부의 온도가 섭씨 영하 200도 이하까지 가능한 저온 브레이튼 공기조화장치에 관한 것이다. 브레이튼 냉동기는 공기, 질소 또는 헬륨 등과 같은 기체 냉매의 단열 압축, 등압 방열 및 단열 팽창을 통하여 냉매의 온도를 낮추고, 등압 흡열 과정으로 냉동 부하를 흡수하여 한 작동 사이클을 완성하는 것으로 등압 방열 및 등압 흡열을 그 특징으로 한다. 브레이튼 냉동기에 있어 기준 압력은 냉매가 냉동실(24)에서 냉동 부하를 흡수하는 등압 흡열 과정에서의 냉매 압력이 된다. 즉, 기준 압력은 냉동실(24)에서의 냉매 압력(Pr)과 같다.

종래의 브레이튼 냉동기는 도1과 도4에서 보는 바와 같이 기준 압력(Pr)의 냉매는 압축기(41)에서 단열 압축하여 (A-B) 고온(Tmax), 고압(P2)이 된다. 이 냉매는 공기 또는 물과 같은 별도의 저온유체에 의해 외부 열교환기(42)에서 등압 방열하여(B-C) 주변 온도(Ta)까지 냉각된 다음, 내부 열교환기(43)를 통과하면서(C-D) 저온(Tr)의 냉매가 된다. 이 냉매는 다시 터어빈(45)에서 단열 팽창되어(D-G) 극저온(Tmin)이 된다. 이 때 냉매의 온도는 터어빈(45)의 부식 및 침식 방지를 위하여 냉매의 응축온도(Tmin) 이하로 내려갈 수 없다. 이 냉매가 냉동실(44) 내에서 등압 흡열 과정(E-F)으로 냉동 부하를 흡수하여 온도가 상승하면(Tr) 이 저온, 저압의 냉매는 내부 열교환기(43)를 거쳐(G-H) 그 온도가 주변 온도(Ta)까지 상승하고, 다시 압축기(41)로 되돌아가면서 반복되는 사이클을 수행한다.

위에서 언급하였듯이 극저온 영역에서 사용되는 종래의 브레이튼 냉동기는 그 예를 찾아 보기 어려운데 그 주된 이유 가운데 하나는 극저온 영역에서 일어나는 냉매의 응축 현상과 관계가 있다. 도1과 도4에서 종래의 브레이튼 냉동기는 터어빈(45)의 단열 팽창 과정(D-E)을 통하여 냉매의 온도를 극저온으로 낮추는데 이 과정에서 기체 냉매의 온도가 냉매의 응축온도(Tmin) 이하가 되면 냉매의 응축 현상으로 인해 응축된 냉매의 액적이 고속으로 회전하는 팽창 터어빈의 동익과 부딪히면서 심각한 침식 및 부식 문제를 야기시킨다. 이로 인하여 종래의 브레이튼 냉동기로는 냉동실(44)의 압력(Pr)에 대응되는 냉매의 응축 온도(Tmin)까지만 초저온이 가능하고 그 이하에 해당하는 극저온은 얻기가 어려운 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 브레이튼 냉동기에서 문제가 되는 냉매의 응축에 의한 터어빈(25)의 침식 및 부식 문제를 해결하고 냉매의 응축온도 이하의 온도를 구현하는 고효율의 극저온 브레이튼 냉동기를 제공하는 데 있다. 또한 개방형 사이클로 응용할 경우 종래의 밀폐형 브레이튼 냉동기의 단점을 보완하여 밀봉에 대한 구속이 없고 외부 열교환기(22)를 설치할 필요가 없는 간단한 구조를 구현하는 데 있다.

도1은 본 발명에 따른 공기조화장치의 작동 사이클을 나타내는 열역학적 선도이다.

도2는 본 발명에 따른 밀폐형 냉동 공기조화장치의 구성도이다.

* 도2의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 압축기 22 : 외부 열교환기 23 : 내부 열교환기

24 : 냉동실 25 : 터어빈 26 : 증속 기어 박스

27 : 동력원

도3는 본 발명에 따른 개방형 냉동 공기조화장치의 구성도이다.

* 도3의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31 : 압축기 33 : 열교환기 34 : 냉동실

35 : 터어빈 36 : 증속 기어 박스 37 : 동력원

30 : 대기 (냉동기 외부) 38 : 대기 (냉동기 외부)

도4는 종래기술로 제시된 밀폐형 냉동기의 구성도이다.

* 도4의 주요 부분에 대한 부호의 설명

41 : 압축기 42 : 외부 열교환기 43 : 내부 열교환기

44 : 냉동실 45 : 터어빈 46 : 증속 기어 박스

47 : 동력원

본 발명의 핵심은 냉동실에서의 등압 흡열 과정이 작동 사이클의 고압선을 따라서 이루어질 수 있도록 브레이튼 냉동 사이클을 구성하는 네 가지 열역학적 과정의 진행 순서를 재구성하는 것이다. 도1에서 보는 것처럼 종래의 브레이튼 냉동 사이클(A-B-C-D-E-F-A)에서는 냉매의 단열 압축(A-B), 등압 방열(B-C), 등압 열 교환(C-D), 단열 팽창(D-E), 등압 흡열(E-F), 등압 열 교환(E-A)의 순으로 과정이 진행되나 본 발명에 따른 냉동 사이클(H-I-A-E′-F′-G′-H)에서는 단열 압축(H-I), 등압 방열(I-A), 등압 열교환(A-E′), 등압 흡열(E′-F′), 단열 팽창(F′-G)에 이어 등압 열교환(G′-H)의 순으로 과정이 진행된다. 이와 같이 냉동 부하를 흡수하는 등압 흡열 과정(E′-F′)을 단열 팽창 과정(F′-G′)에 선행하면 팽창 후 냉매의 압력 수준이 종래의 Pr에서 P1으로 낮아진다. 따라서 냉매의 압력이 낮아지면 응축 온도 역시 낮아지므로 본 발명에 따른 브레이튼 사이클에서는 냉매의 온도가 종래의 브레이튼 냉동기에서 나타나는 응축 온도(Tmin) 이하(Tmin′)로 내려가더라도 냉매의 응축현상이 나타나지 않기 때문에 응축액에 의한 터어빈의 침식 및 부식 현상을 방지할 수 있으며 종래의 브레이튼 냉동기에서 구현할 수 있는 냉동온도보다 낮은 온도를 구현할 수 있다.

상기의 냉동 사이클을 따라 작동하는 냉동기는 도2에서 보는 바와 같이 압축기(21), 외부 열교환기(22), 내부 열교환기(23), 터어빈(25), 증속 기어박스(26) 그리고 열기관 또는 전기모터 형태의 동력원(27)으로 구성된다. 압축기(21)는 단열 압축 과정(H-I)을 통하여 냉매로 기계적 에너지를 전달하지만 냉매의 온도는 상승한다. 외부 열교환기(22)는 압축기(21)를 거치면서 온도가 상승한 냉매를 대기 또는 물과 같은 외부 유체와의 열전달을 통하여 냉매의 온도를 주변 온도(Ta)까지 낮추어 주며, 내부 열교환기(23)는 터어빈(25)을 거친 저온의 냉매로부터 냉각 능력을 회수하여 외부 열교환기(22)를 거친 냉매로 이를 전달하여 온도를 낮춤으로써 사이클의 냉동 효과를 증가시킨다. 터어빈(25)은 단열 팽창 과정(F′-G′)을 통하여 냉매로부터 기계적 에너지를 얻어 내면서 냉매의 온도를 낮춘다. 동력원(27)은 냉동기 내부에서 압축기(21)가 소모하는 동력과 터어빈(25)이 얻어 내는 동력의 차이만큼을 외부에서 공급함으로써 냉동기가 정상 상태로 작동하도록 한다. 증속 기어 박스(26)는 분당 수 천회로 회전하는 외부 동력원(27)과 분당 수 만회로 회전하는 터보 기계(21,25)간에 회전수를 일치시켜 동력 전달이 가능한 기계적 결합을 제공한다. 한편 증속 기어 박스(26)가 없는 구성에서는 터보 기계(21,25)와 동일한 회전수로 작동하는 고속 전기 모터가 직접 터보 기계(21,25)에 연결되어 터보 기계(21,25)가 필요로 하는 동력을 공급하게 된다.

상기의 냉동기는 도1의 열역학적 과정(H-I-A-E′-F′-G′-H)을 따라 밀폐형 냉동 사이클을 형성할 수 있다. 도1과 도2를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

기준 압력(Pr)에서 고온(Tmax)의 상태(I)에 있는 냉매는 공기 또는 물과 같은 별도의 저온유체에 의해 외부 열교환기(22)에서 등압 방열하여(I-A) 주변 온도(Ta)까지 냉각된 다음, 냉매는 내부 열교환기(23)를 통과하면서(A-E′) 온도가 급격히 감소하여 극저온(Tmin′)의 냉매가 되어 냉동 능력을 갖게 된다. 이 냉매가 냉동실(24) 내에서 등압 흡열 과정(E′-F′)으로 냉동 부하를 흡수하여 온도가 상승하면(Tr′) 터어빈(25)에서 단열 팽창되어(F′-G′) 다시 극저온(Tmin′)으로 되고 냉매의 압력은 냉동실 압력(Pr)보다 낮은 압력(P1)이 된다. 이 때 냉매의 압력이 낮기 때문에 냉매의 응축온도는 기존의 응축온도(Tmin)보다 낮더라도(Tmin′) 터어빈(25)에서는 냉매의 응축현상이 일어나지 않는다. 이 저온, 저압의 냉매는 내부 열교환기(23)를 거쳐(G′-H) 그 온도가 주변 온도(Ta)까지 상승하고, 압축기(21)에서 단열 압축되어(H-I) 기준 압력(Pr)을 회복한 다음 처음의 외부 열 교환기로 되돌아가면서 반복되는 사이클을 수행한다.

냉동실(24)에서 냉동 부하를 흡수하는 등압 흡열 과정(E′-F′)에서의 냉매 압력(Pr)을 기준으로 할 때, 종래(A-B-C-D-E-F-A)에는 사이클 평균 압력 수준이 기준 압력(Pr)보다 높은 상압식이지만 본 발명에 따른 냉동기는 사이클 평균 압력 수준이 기준 압력(Pr)보다 낮은 하압식이 된다. 이러한 차이로 인해 본 발명에 따른 냉동기는 터어빈(25)에서 냉매가 팽창할 때 냉매의 압력이 낮아진 데 따라 냉매의 응축온도도 낮아지는 효과를 얻을 수 있기 때문에 냉매의 응축에 따른 터어빈(25)의 부식 및 침식을 방지할 수 있고 종래의 냉동기보다 낮은 냉동온도를 구현할 수 있다.

사이클 압축비가 같다는 전제 하에 종래의 브레이튼 냉동기와 본 발명에 따른 냉동기의 성능을 비교해 보면, 도1에서 보는 바와 같이 냉동 사이클에서 소모한 일량은 각각 면적 A-B-C-D-E-F-A와 H-I-A-E-F-G-H로써 동일하고 냉동 효과는 공히 면적 S1-E-F-G-S2-S1로 일치하므로 성적 계수 역시 동일함을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 하압식 냉동기는 터어빈 출구의 압력 수준(P1)이 기준 압력(Pr) 즉 대기압보다 낮기 때문에 전술한 바와 같이 냉매의 응축 현상을 수반하지 않으며, 결과적으로 더 낮은 극저온을 실현할 수 있다.

종래의 기술과 같이 기준 압력이 냉동실(24)의 압력보다 높은 경우에는 밀폐형 냉동기로만 사용될 수 있으나, 본 발명에 따른 냉동기에서는 상기의 실시 예 이외에 개방형 사이클로 응용할 수 있다. 이것을 도1, 도2와 도3을 기준으로 설명하면 다음과 같다. 이 때에는 압축기(21)를 통해 냉매를 압축한 다음 외부 열교환기(22)로 별도의 냉매와의 열교환을 통해 상태점A에 도달할 필요 없이 대기로부터 직접 공기를 흡입하게 되므로 외부 열교환기(22)가 필요하지 않으므로 냉동기 구성면에서 매우 유리하다.

터어빈(25)의 작용에 의해 대기(30)의 공기가 냉매로서 냉동기 내부로 유입된다(A). 유입된 공기는 내부 열교환기(33)를 거치면서 냉동실(34)의 저온 유체와 열교환을 하여 극저온(Tmin′)이 되어(A-E′) 냉동실(34)로 들어가게 된다. 냉동실(34)에서 냉동 부하를 흡수하여 온도(Tr′)가 올라간 다음 (E′-F′) 공기냉매는 터어빈(35)에서 팽창되면서 냉각되어 저온(Tmin′)이 된다(F′-G′). 이 저온의 냉매는 다시 내부 열교환기(33)를 통해 열교환을 한 후(G′-H) 온도가 상승(Ta)하고 압축기(31)의 작용으로 압력이 상승하여 대기(38)로 방출되면서(H-I) 개방형 사이클을 끝마치게 된다.

종래의 밀폐형 냉동기는 냉매의 고압으로 인해 냉매의 유로 상에 밀봉을 철저히 해야 하는 어려움이 있는 반면 본 발명에 따른 냉동기를 개방형 사이클로 사용할 경우에는 밀봉에 대한 구속이 없으며 또한 외부 열교환기(22)를 설치할 필요가 없기 때문에 냉동기 구성도 간단해진다.

본 발명에 따른 하압식 브레이튼 냉동기는 냉매의 압력이 낮은 따라 냉매의 응축온도가 낮아지기 때문에 냉매의 응축에 의한 터어빈(25)의 침식 및 부식 문제를 일으키지 않고 또한 냉매의 응축온도 저하로 동일한 냉동실 기준 압력하에서도 종래 브레이튼 냉동기보다 더 낮은 극저온을 구현할 수 있다. 또한 냉동기 외부의 대기공기를 냉매로 사용하여 개방형 사이클로 운용할 경우에는 외부 열교환기(22)가 없는 간단한 구조의 개방형 냉동기로도 응용이 가능하다. 밀폐 사이클로 작동하는 일반적인 냉동기에서는 별도의 압축기를 사용하여 기체 냉매를 보충하여야 하고 밀봉에 어려움이 있는 반면, 상기의 냉동기는 냉동실의 기준 압력 이하에서 작동하므로 냉매의 누출이 없고 별도의 냉매 보충 장치를 요하지 않는다.

본 발명은 공기조화장치 분야, 특히 터보냉동기 분야에서 효과적으로 널리 사용될 수 있으며 상기 실시 예로 한정되지 않고 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형예가 실시될 수 있음은 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명확하다.

Claims

압축기(21), 외부 열교환기(22), 내부 열교환기(23), 터어빈(25), 동력원(27)을 포함하는 공기조화장치에 있어서, 압축기(21)를 통해 냉매가 압축되고, 상기 압축기(21)에서 압축되면서 상승한 냉매의 온도를 낮추기 위해서 외부 열교환기(22)를 통해 냉동기 외부(20)의 유체와 열교환을 한 후 다시 내부 열교환기(23)를 통해 터어빈(25)을 거친 저온유체와 열교환을 하여 온도가 낮아진 냉매가 냉동실(24)에서 냉동 부하를 흡수하고 터어빈(25)에서 팽창되면서 추가로 냉각된 후 내부 열교환기(23)에서 열교환을 하는 브레이튼 냉동 사이클로 작동하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 공기를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 질소를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 헬륨을 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 상기 압축기(21) 및 상기 터어빈(25)을 연결하는 장치로서 증속 기어박스(26)를 사용하고 상기 동력원(27)으로 전기모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 상기 압축기(21) 및 상기 터어빈(25)을 구동하는 상기 동력원(27)으로 왕복동 엔진을 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 상기 압축기(21) 및 상기 터어빈(25)을 구동하는 상기 동력원(27)으로 가스터빈 엔진을 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 1항에 있어서, 상기 압축기(21) 및 상기 터어빈(25)을 구동하는 상기 동력원(27)으로 고속 모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
압축기(31), 열교환기(33), 터어빈(35), 동력원(37)을 포함하는 공기조화장치에 있어서, 대기(30)의 공기가 냉매로서 유입되고 열교환기(33)를 거치면서 냉동실(34)의 저온 공기와 열교환을 하고 냉동실(34)로 들어가서 냉동실(34)의 냉동 부하를 흡수한 후 터어빈(35)에서 팽창되고 열교환기(33)를 거친 후 압축기(31)에서 압축되어 대기(38)로 방출되는 개방형 브레이튼 냉동 사이클로 작동하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 9항에 있어서, 상기 압축기(31) 및 상기 터어빈(35)을 연결하는 장치로서 증속 기어박스(36)를 사용하고 상기 동력원(37)으로 전기모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 9항에 있어서, 상기 압축기(31) 및 상기 터어빈(35)을 구동하는 상기 동력원(37)으로 왕복동 엔진을 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 9항에 있어서, 상기 압축기(31) 및 상기 터어빈(35)을 구동하는 상기 동력원(37)으로 가스터빈 엔진을 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치
제 9항에 있어서, 상기 압축기(31) 및 상기 터어빈(35)을 구동하는 상기 동력원(37)으로 고속 모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 공기조화장치