KR20030080535A - 중간 열교환방식 냉동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치는 증발기탱크에 구비된 팽창밸브(80)에서 저온 저압상태로 팽창된 액상냉매가 증발기(90)에서 재차 냉각된 후 배관파이프(1)를 통해 압축기(10)로 이송되고, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매는 응축기(20)의 냉각팬(21)에 의해 열을 방출되며, 스트레나(30)에서는 냉매에 포함된 불순물을 제거하여 사이드그라스(40)로 이송하고, 상기 사이드 그라스(40)에서는 냉매에 포함된 프레쉬가스의 함유량을 시각적으로 판별할 수 있도록 표시하며, 상기 사이드그라스(40)를 통과한 냉매가스는 다시 증발기탱크(50)의 중간 열교환기(70)에서 1차 냉각된 후 중간막(60)을 통과하여 팽창밸브(80)로 이송되고, 상기 팽창밸브(80)를 통과한 냉매는 다시 증발기(90)에서 냉각되어 압축기(10)로 이송되는 순환적 냉동사이클로 구성되어 있으므로, 종래의 냉동시스템에 비해 수액기 및 액분리기가 없으므로 장치의 구성이 간단하고 제작비용이 절감되며 냉동효율이 크게 증대됨과 동시에, 상기 중간 열교환기(70)가 증발기탱크(50) 내부에 설치됨으로써 겨울철 동파의 위험성을 감소시키는 효과가 있다.

Description

중간 열교환방식 냉동장치{HEATING-EXCHANGE TYPE REFRIGERATING DEVICE }

본 발명은 냉동장치에 관한 것으로서, 특히 증발기탱크를 이중구조로 설치하고 상기 증발기 탱크의 하부구조에 별도의 중간 열교환기를 설치하며, 팽창밸브에서 저온 저압상태로 팽창된 액상냉매가 증발기에서 재차 냉각된 후 배관파이프를 통해 압축기로 이송되고, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축기에서 냉각팬에 의해 외부로 열을 방출한 후 스트레나로 이송하고, 상기 스트레나에서는 이송된 냉매에서 불순물을 제거하여 사이드그라스로 이송하고, 상기 사이드그라스에서는 사용자가 냉매에 포함된 프레쉬가스의 함유량을 시각적으로 판별할 수 있도록 표시하며, 상기 사이드그라스를 통과한 냉매가스는 다시 증발기탱크의 하부구조에 설치된 중간 열교환기에서 1차 냉각된 후 중간막을 통과하여 팽창밸브로 이송되고, 상기팽창밸브를 통과한 냉매는 다시 증발기에서 냉각되어 압축기로 이송되는 순환적 냉동사이클로 구성되어 있는 중간 열교환방식 냉동장치에 관한 것이다.

냉동이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗음으로 해서 주위의 온도보다 낮은 온도로 하고, 또 그 저온을 유지하는 것을 말한다. 따라서 뜨거운 커피를 식힌다든지, 자동차의 라디에이터를 식히는 조작과 같이 주위의 상온보다 높은 온도의 물체를 주위의 상온까지 온도를 내리는 것은 냉동이라고 말하기보다는 냉각이라고 하는 것이 합리적이다. 냉동의 대상이 되는 물질로서는 농, 수, 축산물이 될 수 있고, 공산품이 될 수도 있으며, 유체가 될 수도 있다.

땀흘린 후 바람을 맞으면 시원함을 느낀다. 이것은 땀이 증발하면서 증발열을 몸으로부터 가져가기 때문인데 액체상태에서 기체상태로의 상변화 시에 필요한 열을 증발하지 않은 액체에서 가져가고 그 액체는 그만큼의 열을 피부로부터 보상을 받는 것이다.

이런 현상은 땀, 물 뿐 아니라 모든 액체가 증발하여 기체로 될 때도 필요한 것이다. 물론 냉동장치에는 암모니아나 CFC, HFC, HCFC계 액체 냉매를 사용한다. 이 액체들은 상온에서는 기체이며 -30℃ 범위에서 증발한다. 냉동기는 이러한 액체 냉매를 냉각관내에서 증발시킴으로 해서 관을 냉각시키고, 냉각된 관이 주위의 공기나 어떤 물질을 냉각하는 장치이다. 액체의 증발열을 이용한 이용하는 방법 이외에 얼음의 융해열이나 드라이아이스의 승화열을 이용하는 방법도 있으며, 증기의 팽창을 이용하는 방법, Peltier의 효과를 이용하는 방법 등이 있다. 물론 이 중에서 공업적으로 가장 많이 사용하고 있는 방법은 증발열을 이용하는 것으로서, 증기압축식 냉동법(압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성), 흡수식 냉동법 등이 여기에 속한다.

냉동작용을 얻는 방법에는 융해, 승화, 증발 등의 물리적 자연현상에 의한 흡열작용을 이용하는 소위자연냉동(natural refrigeration)과 기계적인 일이나 열에너지를 소비하여 저온의 물체에서 열을 뽑아서, 열을 주어도 지장이 없는 고온구역으로 열을 방출시키는 기계냉동(mechanical refrigeration)으로 나눌 수 있는데 일반적으로 산업용도로는 상기 기계냉동방식을 사용한다.

상기 기계냉동방식의 대표적인 방법이 증기압축식 냉동방법인데, 상기 증기압축식 냉동방법의 기본원리는 액체냉매를 뚜껑이 열린 용기에 넣어 방열된 공간에 방치하면 액체 냉매는 끓으면서 공간으로부터 열을 흡수하는 성질을 이용한 것이다.

증발을 함으로서 실내의 열을 빼앗는 방법 중 가장 간단한 방법은 R-134A(CFC계 냉매)와 같은 물질이 들어 있는 용기를 잘 방열 된 공간에 용기의 뚜껑을 열어 두어 자연적으로 증발, 방출시킴으로 해서 실내를 냉각시키는 것이다. R-134A는 표준대기압 하에서 포화온도가 -26.5℃ 이기 때문에, 이와 같이 낮은 온도에서 증발하면서 용기벽을 통하여 실내 공간으로부터 열을 흡수한다. 물론 용기 속의 냉매액은 증발하는 동안 -26.5℃로 일정하게 유지되면서 냉매액은 점차 증발하여 배기구를 통하여 대기로 나갈 것이나, 이러한 과정은 용기중의 액이 없어질 때까지 계속 될 것이다. 액의 증발에 의하여 흡수된 열은 증기에 포함되어 배기구를 통해 외부로 떠난다. 그림에서와 같이 냉매의 증발에 의하여 냉동작용이 일어나고 있는 용기를 증발기라고 부르는데 증발기는 기계냉동장치에서 없어서는 안된다.

증발기에서 액이 증발하는 온도는 액위에 있는 증기의 압력을 조정함으로써 조절할 수 있다. 바꾸어 말하면 증발기로부터 빠져나가는 증기의 유량을 조절함으로 해서 조정된다. 예를 들면 배기관에 밸브를 설치하여 두고 배기관을 부분적으로 닫으면, 증기는 증발기로부터 자유롭게 빠져나가지 못하고 액위에 모이게 될 것이고, 이것은 또 증발기의 압력을 냉매의 포화온도까지 올리게 된다.

즉, 증발기로부터의 증기의 유량을 조절하기 위해 배기구에 밸브를 설치하여 배기밸브를 조절함으로서 액위에 있는 증기압력을 조절할 수 있는데, 냉매 R-134A를 -26.5℃와 주위온도 사이의 어떤 임의의 바라는 온도에서 증발시킬 수 가 있으며, 배기관을 완전히 닫아 어떠한 증기도 증발기로부터 도망가지 못하게 하면 증발기의 압력은 액의 포화온도가 공간의 온도와 같이 되는 점까지 상승하게 될 것이다. 이 때는 온도차이가 없게 되므로, 공간으로부터 냉매로 열이 흐르지도 않을 것이고 증발작용도 일어나지 않을 것이며, 냉각작용도 더 이상 일어나지 않을 것이다.

또 대기압에 상당하는 냉매의 포화온도보다 낮은 증발온도가 요구될 때는 증발기내의 압력을 대기압 이하의 어떤 압력으로 감소시킬 필요가 있다. 이것은 펌프 (증기 압축기)를 사용함으로써 이룰 수 있다. 이 방법에 의하여 액체냉매 R-134A의 증발은 주어진 압력-온도와의 관계에서 알 수 있듯이 대단히 낮은 온도를 얻을 수 있다.

증발기에서 액이 끊임없이 증발하도록 하기 위해서는 증발기로 끊임없이 액을 공급해주어 액의 양이 일정하게 유지되도록 해야 한다.

증발기에 새로운 액의 공급을 하는 하나의 방법으로 증발기에 플로우트밸브를 설치하는 것이다. 플로우트장치의 작용은 수액기(냉매액 저장통)로부터 증발기로 공급되는 액의 양과 증발기에서 증발되는 양의 비율이 정확하게 일치되도록 증발기에 있는 액의 높이를 일정하게 유지하는 것이다.

증발량이 많아지면 플로우트가 내려가면서 밸브를 열어 액을 증발기내로 유입시키고 증발이 없으면 밸브를 닫혀지게 하는 방향으로 움직이게 된다. 그리고 증발기에 있는 냉매의 포화온도가 주위의 온도와 같게 되면 액체냉매가 저장탱크나증발관에서 증발하지 않는다. 이때 증발기로 흐르는 액체냉매의 유량을 조절하는 장치를 냉매 유량조절장치라고 한다.

또한, 냉매를 배기관을 통해 외부로 버리는 것은 대단히 비경제적일 뿐만 아니라, 대기오염의 원인이 된다. 따라서 외부로부터 끊임없이 회수하여 본래의 액상태로 응축시켜 다시 사용하는 방법을 강구하면, 외부로부터 장치 내로 새로운 냉매를 공급할 필요가 없게 되며, 이런 냉매증기의 응축(condensing)을 위해 응축기가 설치된다.

왜냐하면 냉매는 냉동되는 공간으로부터 필요한 잠열을 흡수함으로서 증발기내에서 증발하고, 이러한 증기는 받은 만큼의 열을 다른 물체로 주어야만 액의 상태로 되기 때문이다.

응축기에서 증기로부터 잠열을 흡수하여 응축이 일어나게 하는 물체를 응축매체라고 부른다. 가장 보편적 응축매체는 물과 공기이다. 이 때 물은 수돗물이나 하천수를 직접 이용하거나 냉각탑으로부터의 순환수를 사용할 수 있으며, 공기는 일반적으로 대기를 사용한다.

따라서 증발하는 냉매증기의 온도를 어떤 방법을 사용하여 응축매체의 온도 이상으로 증가시키지 아니하면 냉매증기가 가지고 있는 열이 응축매체로 사용되는공기나 물로 흐르지 아니한다. 따라서 어떠한 외부열을 가하지 않고 냉매증기의 온도를 이 온도 이상으로 올려야 하는데, 이를 위해서는 증기압축기 혹은 증기펌프를 사용하여 냉매증기를 압축하는 방법을 사용한다.

압축하기 전에 냉매증기는 증발온도와 증발압력의 상태에 있다. 압축하는 동안 증기의 압력은 포화온도가 응축매체의 온도 이상으로 되는 점까지 상승한다. 즉, 기계적인 일이 증기에 가하여짐으로 해서 고압으로 된다. 냉매증기를 압축한다는 것은 냉매가 가지고 있는 열을 농축하는 것과 같으며, 이 때는 열의 강도라고 할 수 있는 온도가 증가하게 된다. 압축 후에 고압, 고온으로 된 증기는 저온의 응축매체로 열을 주는 응축기로 가게된다. 증기는 그 자신의 포화온도 이하로는 냉각되지 않기 때문에, 응축기 내에 있는 냉매증기는 응축이 되어 새로운 고온, 고압의 포화온도에 있는 액으로 될 때까지 끊임 없이 열을 응축매체로 주게 되고, 응축매체는 이 열을 다른 곳으로 옮겨주는 역할을 한다. 응축된 액은 결과적으로 응축증기의 압력과 같게 될 것이고, 응축기로부터 수액기로 흐르게 되어 증발기로 재 순환될 준비를 하게 된다. 이렇게 작동하는 유체, 즉 냉매는 냉동되는 공간이나 물품으로부터의 열을 공간 밖으로 운반하여, 응축기에 있는 응축매체에 열을 방출하는 역할을 한다.

따라서, 전형적인 증기압력 냉동장치는 도 1에 도시된 바와 같이 압축기, 응축기, 수액기, 팽창밸브, 증발기, 액분리기의 연속적인 냉동사이클을 반복하여 순환하게 된다.

즉, 통상의 냉동시스템은, 냉매가스를 고온고압의 상태로 응축 압력까지 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 냉각팬(수냉식의 경우 공기가 아닌 물이며 기타 다른 냉각제나 기기가 사용되며 설명상 공기로 한다)의 송풍에 의한 방열에 의하여 액상으로 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매를 교축작용에 의하여 저압상태의 기상냉매로 팽창시키는 팽창밸브와, 그리고 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 송풍기(피 냉각물체에따라 액체나 우유 기타 냉동장치의 종류나 구조에 따라 증발기의 종류가 많으나 여기서는 설명상 공기로 한다)에 의하여 송풍되는 공기를 열교환에 의하여 냉각함과 아울러 상기 압축기로 냉매가스를 복귀시키는 증발기로이루어진 냉매 순환 사이클이다.

이러한 냉동시스템은, 냉동사이클 동안 기체→액체 및 액체→기체로 연속적으로 상태변화 하는데, 만약 냉매에 수분이 함유될 경우 냉동과정에서 수분이 냉매와 함께 장치내를 순환하면서 팽창변이나 모세관등 저온부에서 수분이 동결되어 냉매의 순환회로를 차단하는 동결 폐쇄 현상으로 냉동창치를 멈추게 하고 냉매의 상변화가 원활하게 이루어지지 못하므로 냉동시스템이 제기능을 할 수 없을 뿐만 아니라 냉동시스템이 부식되는 현상이 발생한다.

이러한 수분에 의한 문제를 해결하기 위하여, 종래의 냉동시스템에는 팽창밸브의 입구단측에 수액기가 설치된다. 이 수액기는 액상 냉매만을 팽창밸브쪽으로 공급하기 위한 것으로, 상기 수액기는 냉동사이클의 부하변동에 대응하여 냉매를 일시 저장함과 아울러 액상 냉매에 함유된 미 응축냉매나 불응축가스(프레쉬가스)를 분리하는 작용을 하며, 또 가용전(Fusible Plug)이 설치되는 경우 이 가용전을 이용하여 냉동시스템 이상으로 냉매가 과열되었을 때 냉매를 강제적으로 배출시켜 시스템을 보호하게 된다.

한편, 증발기로부터 배출되는 냉매가스가 완전히 증발되지 않은 경우 배출되는 냉매가스에는 액상냉매가 함유되어 있고,또한 냉동시스템의 가동을 중단한 경우 증발기와 압축기 사이의 관로에 존재하는 냉매가스가 액상으로 변한다. 따라서 압축기로 액상 냉매가 유입되는 일이 발생할 수 있다. 액냉매는 비압축성 유체이기 때문에 압축기로 액냉매 유입되면 액압축 현상이 발생하여 망치로 두드리는 듯한 소음, 즉 소위 해머링 노이즈가 발생함은 물론 액냉매가 압축되지 않음으로인하여 압축기의 소손이 유발된다.

따라서, 압축기 내부로 액냉매가 유입되는 것을 근본적으로 차단할 필요성이 요청되고, 이를 위하여 증발기와 압축기 사이에는 액냉매를 분리하고 냉매가스만을 압축기로 공급하기 위한 액분리기가 설치된다.

즉, 일반적으로 냉각장치는 일련의 냉동사이클을 통해 냉각성능을 발휘하는데, 상기 냉각장치의 중요 부분은 ①냉매가 냉동되는 공간이나 물품으로부터 열을 빼앗아 증발하는 증발기, ② 증발기로부터의 저압증기를 압축기의 흡입관까지 옮겨주는 통로인 흡입관, ③ 냉매 증기의 온도와 압력을 응축 가능하도록 높여주고 냉매순환의 원동력인 압축기, ④ 압축기 토출관으로부터 나오는 고압, 고온의 증기를 응축기까지 운반하는 통로인 고온가스관 혹은 토출관, ⑤ 고온의 냉매증기로부터 응축매체로 열전달 표면을 통해 열을 통과시키는 역할을 하는 응축기, ⑥ 응축된 액을 보관하여 필요에 따라서 증발기에 필요한 액을 일정하게 공급해주는 수액기, ⑦ 수액기로부터 냉매유량조절기까지 액냉매를 운반해 주는 통로인 액관, 그리고 ⑧증발기로 들어가는 냉매액의 유량을 조절하고 액관에 있는 고압의 액체냉매를 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 저하시켜 바람직한 저온에서 냉매가 증발하도록 하는 팽창밸브 등으로 구성되어 있다.

그러나, 종래와 같은 냉동장치는 응축기에서 발생되는 프레쉬가스를 감소시키기 위해 수액기 및 액분리기가 필수적으로 필요하므로, 냉동장치의 구성이 복잡하고 냉각효율이 떨어지며, 특히 겨울철에 냉매의 통로인 액관 또는 흡입관 및 토출관이 동파될 수 있는 문제점이 있었으며, 증발 압력 저하 및 응축압 상승시 급격한 성능저하 및 압축기의 운전동력이 증가하여 압축기의 소손을 발생함과 동시에 에너지의 낭비가 심하며, 겨울철에 외기 온도의 저하시 낮은 증발온도로 인한 열교환기 표면에 착상이 발생하여 잦은 제상운전으로 낮은 성능과 높은 에너지 손실이발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 증발기탱크를 이중구조로 설치하고 상기 증발기 탱크의 하부구조에 별도의 중간 열교환기를 설치하며, 팽창밸브에서 저온 저압상태로 팽창된 액상냉매가 증발기에서 재차 냉각된 후 배관파이프를 통해 압축기로 이송되고, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축기에서 냉각팬에 의해 외부로 열을 방출한 후 스트레나로 이송하고, 상기 스트레나에서는 이송된 냉매에서 불순물을 제거하여 사이드그라스로 이송하고, 상기 사이드그라스에서는 사용자가 냉매에 포함된 프레쉬가스의 함유량을 시각적으로 판별할 수 있도록 표시하며, 상기 사이드그라스를 통과한 냉매가스는 다시 증발기탱크의 하부구조에 설치된 중간 열교환기에서 1차 냉각된 후 중간막을 통과하여 팽창밸브로 이송되고, 상기 팽창밸브를 통과한 냉매는 다시 증발기에서 냉각되어 압축기로 이송되는 순환적 냉동사이클로 구성되어 있는 중간 열교환방식 냉동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 냉동장치에서 사용되는 냉동사이클을 개략적으로 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치의 냉동사이클을 개략적으로 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치를 구성하는 각 구성장치가 서로 연결된 상태를 개략적으로 나타낸 도시도,

도 4는 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치를 구성하는 증발기탱크를 개략적으로 나타낸 도시도,

도 5는 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치를 구성하는 중간 열교환기의 일 실시례로서 사용되는 나선형 파이프를 간략하게 나타낸 도시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1: 배관파이프 2: 냉각수

10: 압축기 11: 흡입관

12: 토출관 20: 응축기

21: 냉각팬 30: 스트레나

40: 사이드그라스 50: 증발기탱크

51: 하부구조 52: 상부구조

60: 중간막 61: 연결홈

62: 통공 70: 중간열교환기

71: 나선형 파이프 80: 팽창밸브

90: 증발기

이하에서 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치의 냉동사이클을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치를 구성하는 각 구성장치가 서로 연결된 상태를 개략적으로 나타낸 도시도이고, 도 4는 본 발명의 증발기탱크를 개략적으로 나타낸 도시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시례로서 중간 열교환기에 사용되는 나선형 파이프를 간략하게 나타낸 도시도이다.

본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치는 도 2 및 도3에 도시된 바와 같이 냉매가스를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기(20)와, 상기 응축기(20)에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매에서 불순물을 제거하는 스트레나(30)와, 상기 불순물이 제거된 액상 냉매에 프레쉬가스가 포함된 정도를 시각적으로 판별할 수 있도록 하는 사이드그라스(40)와, 증발기탱크(50)의 하부구조(51)에 설치되어 있으며 상기 사이드그라스(40)를 통과한 액상냉매를 1차 냉각시키는 중간 열교환기(70)와, 증발기탱크(50)의 상부구조(52)에 설치되어 있으며 상기 중간 열교환기(70)에서 1차 냉각된 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시키는 팽창밸브(80)와, 증발기탱크(50)의 상부구조(52)에 설치되어 있으며 상기 팽창밸브(80)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상의 냉매가스를 압축기(10)로 복귀시키는 증발기(90)로 구성되어 있다.

상기 압축기(10)는 냉매가스를 고온고압의 상태로 응축 압력까지 압축하는 역할을 하는데, 도 3에 도시된 바와 같이 증발기(90)로부터 이송된 저온 저압의 냉매가스는 배관파이프(1) 통해 압축기(10)의 흡입관(11)으로 이송되며, 상기 압축기(10)에서는 냉매 증기의 온도와 압력을 응축 가능하도록 높여주어 냉매순환의 원동력을 제공한다.

또한 상기 응축기(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 압축기(10)에서 압축된 냉매를 냉각팬(21)(수냉식의 경우 물 또는 기타 다른 냉각제나 기기가 사용된다)의 송풍에 의한 방열에 의하여 액상으로 응축하는 역할을 하는데, 상기 압축기(10)의 토출관(12)으로 부터 이송된 고온 고압의 냉매가스는 냉각팬(21) 등의 환풍시스템에 의해 열을 외부로 배출시킨다.

본 발명의 일 실시례로서, 상기 응축기(20)에 공냉식을 사용할 경우 간단한 냉각팬(21)에 의해서도 약 5∼7℃ 정도의 온도변화가 나타났는데, 더 큰 온도강하가 필요한 경우 별도의 냉각시스템(도시되지 않음)을 구축하거나 수냉식 응축기(도시되지 않음)를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 스트레나(30)는 응축기(20)를 통해 액화된 냉매에서 불순물을 걸러내는 필터의 역할을 하는데, 상기 스트레나(30)에 의해 냉매 내부의 슬러지 등의 불순물을 감소시킴으로써 배관파이프(1)에 발생되는 스케일이 최소화된다.

또한, 상기 사이드그라스(유면계)(40)는 상기 스트레나(30)를 통과한 액상의냉매중에 프레쉬가스가 포함되었는지를 시각적으로 확인할 수 있는 장치로서, 상기 사이드그라스(40)의 일측은 투명한 소재로 제작된 투시창(도시되지 않음)이 구비되는데, 사용자는 상기 투시창으로 액상의 냉매중에 프레쉬가스가 얼마나 분포하는지를 시각적으로 확인할 수 있다.

또한, 상기 증발기탱크(50)는 본 발명의 일실시례로서 도 4에 도시된 바와 같이 중간막(60)에 의해 상·하 이중구조로 구분되어 있는데, 상기 하부구조(51)에는 중간 열교환기(70)가 구비되어 있으며, 상부구조(52)에는 상기 중간막(60)의 연결홈(61)을 통과하여 중간 열교환기(70)에 연결되어 있는 팽창밸브(80)와 상기 팽창밸브(80)에 연결된 증발기(90)가 구비되어 있다.

한편, 상기 상부구조(52) 및 하부구조(51)에는 중간 열교환기(70) 및 증발기(90)에서 발생되는 열을 냉각하는 냉각수(2)가 충전되어 있는데, 상기 중간막(60)은 상기 중간 열교환기(70)의 배관파이프가 상부구조로 연결될 수 있도록 일측에 연결홈(61)이 구비되어 있다.

또한, 중간막(60)의 일측 소정부위에는 복수개의 통공(62)이 구비되어 상기 상부구조 및 하부구조에 채워진 물이 대류현상에 의해 상하 순환되는데, 본 발명의 일실시례로서 상기 중간막(60)에는 4개의 통공(62)이 각 코너마다 구비되어 물을 대류시킨다.

상기 물의 대류현상이란 뜨거운 물은 밀도가 낮아지게 되어 상승하고, 차가운 물은 밀도가 높아지게 되어 하강하는 것으로, 상기 중간 열교환기(70)에 설치된 하부구조(51)의 냉각수는 높은 온도를 나타내고, 증발기(90)가 설치된 상부구조(52)의 냉각수는 낮은 온도를 유지하므로, 상기 하부구조(51)의 냉각수는 상승하고 상부구조(52)의 냉각수는 하강하는 대류현상에 의해 증발기탱크(50)에 충전된 냉각수(2)는 항상 일정한 온도를 유지하게 된다.

즉, 상기 중간 열교환기(70)에는 사이드그라스(40)를 거쳐 배관파이프(1)로 고온 고압의 액상 냉매가 이송되는데, 상기 중간 열교환기(50)의 외부를 이루는 증발기탱크(50)의 하부구조(51) 내부에는 냉각수로 채워져 있기때문에 상기 고온 고압의 액상 냉매는 중간 열교환기(70)에서 1차적인 냉각과정을 거치게 된다.

또한, 상기 중간 열교환기(70)에서 고온 고압의 액상 냉매가 저온 고압의 액상냉매로 변환함에 따라 응축기(20)에서 발생된 프레쉬가스는 급격하게 감소하게 되고, 따라서 본 발명에 의한 냉동장치에서는 종래의 냉동장치에서 필수적으로 사용되는 수액기(도시되지 않음)를 필요로 하지 않게 된다.

한편, 상기 중간 열교환기(70)는 사이드그라스(40)를 통과한 액상의 냉매가 1차적으로 냉각되는 곳으로서 상기 냉각효과를 높이기 위해 여러가지 방법이 제안될 수 있는데, 본 발명의 일 실시례로서 도 5에 도시된 바와 같이 상기 중간 열교환기(70)의 배선파이프로 나선형 파이프(71)를 사용함으로써 표면적을 증가시켜 냉각효과를 최대화하는 방법이 사용된다.

또한, 상기 중간 열교환기(70)에 1차 냉각된 냉매는 중간막(60)에 구비된 연결홈(61)을 통해 상부구조(52)로 인출되어 팽창밸브(80)에 연결된다.

상기 팽창밸브(80)에서는 중간 열교환기(70)에서 1차 냉각된 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시켜 증발기(90)로 이송하며, 상기 증발기(90)에서는 팽창밸브(80)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상 냉매가스를 압축기(10)로 복귀시킨다.

한편, 본 발명에서는 냉동장치의 냉동효율에 대한 테스트를 수행한 결과 상기 중간 열교환기(70)에 사용되는 배관파이프 길이가 증발기(90)에서 사용되는 배관파이프 길이의 1/10 인 상태가 설치비용 대비하여 가장 효율적인 것으로 나타났다.

본 발명에 의한 중간 열교환방식 냉동장치는 증발기탱크(50)를 이중구조로 설치하고 상기 증발기탱크(50)의 하부구조(51)에 별도의 중간 열교환기(70)를 설치하며, 팽창밸브(80)에서 저온 저압상태로 팽창된 액상 냉매가 증발기(90)에서 재차 냉각된 후 배관파이프(1)를 통해 압축기(10)로 이송되고, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매는 냉각팬(21)에 의해 외부로 열을 방출한 후 스트레나(30)로 이송되며, 상기 스트레나(30)에서는 이송된 냉매에서 불순물을 제거하여 사이드그라스(40)로 이송하고, 상기 사이드그라스(40)에서는 냉매에 포함된 프레쉬가스의 함유량을 사용자가 시각적으로 판별할 수 있도록 표시하며, 상기 사이드그라스(40)를 통과한 냉매가스는 다시 증발기탱크(50)의 하부구조에 설치된 중간 열교환기(70)에서 1차 냉각된 후 중간막(60)을 통과하여 팽창밸브(80)로 이송되고, 상기 팽창밸브(80)를 통과한 냉매는 다시 증발기(90)에서 냉각되어 압축기(10)로 이송되는 순환적 냉동사이클로 구성되어 있으므로, 종래의 냉동시스템에 비해 수액기(도시되지 않음) 및 액분리기(도시되지 않음)가 없으므로 장치의 구성이 간단하고 제작비용이 절감되며 냉동효율이 크게 증대됨과 동시에, 상기 중간 열교환기(70)가 증발기탱크(50) 내부에 설치됨으로써 상기 증발기탱크(50)에 충전된 냉각수(2)가 일정한 온도를 유지함으로써 증발기탱크(50) 및 배관파이프(1)에 발생될 수 있는 겨울철 동파의 위험성이 제거되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 냉매를 이용하여 외부의 피냉동물을 냉동시키는 냉각시스템에 있어서,

   냉매가스를 고온고압의 상태로 압축하여 배출하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 고온고압 상태의 액상 냉매에서 불순물을 제거하는 스트레나와, 상기 불순물이 제거된 액상 냉매에 프레쉬가스가 포함된 정도를 시각적으로 판별할 수 있도록 하는 사이드그라스와, 증발기탱크의 하부구조에 설치되어 있으며 상기 사이드그라스를 통과한 액상냉매를 1차 냉각시키는 중간 열교환기와, 증발기탱크의 상부구조에 설치되어 있으며 상기 중간열교환기에서 1차 냉각된 액상 냉매를 저압상태의 액상냉매로 팽창시키는 팽창밸브와, 증발기탱크의 상부구조에 설치되어 있으며 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 피 냉각물체와 열 교환에 의하여 냉동효과를 달성하면서 증발하여 저온저압의 기상의 냉매가스를 압축기로 복귀시키는 증발기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중간 열교환방식 냉동장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 증발기탱크는 중간막에 의해 상·하 이중구조로 구분되어 있으며, 상기 하부구조에는 배관파이프로 구성된 중간 열교환기가 구비되어 있고, 상부구조에는상기 중간막으로 통과하여 중간 열교환기에 연결되어 있는 팽창밸브와 상기 팽창밸브에 연결된 증발기가 구비되어 있으며, 상기 증발기탱크의 내부에는 냉각수가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 중간 열교환방식 냉동장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 중간막은 중간 열교환기를 구성하는 배관파이프가 하부구조에서 상부구조로 연결될 수 있도록 일측에 연결홈이 구비되어 있으며, 중간막의 일측 소정부위에는 복수개의 통공이 구비되어 상기 상부구조 및 하부구조에 채워진 물이 대류에 의해 자동 혼합되는 것을 특징으로 하는 중간 열교환방식 냉동장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 중간 열교환기에 사용되는 배관파이프의 길이는 증발기에서 사용되는 배관파이프 길이의 1/10인 것을 특징으로 하는 중간 열교환방식 냉동장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 배관파이프는 표면적을 증가시키기 위해 나선형 파이프를 사용하는 것을 특징으로 하는 중간 열교환방식 냉동장치.