KR200371243Y1 - 나노유체를 이용한 냉동사이클 - Google Patents

Abstract

본 고안은 나노유체를 이용한 냉동사이클에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 냉매에 나노입자를 주입시켜 열전도도와 열용량을 향상시킨 나노유체를 작동유체로 하여 응축기와 증발기에서 외부공기와의 열교환 효율을 높일 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

이를 위해 본 고안은 기상 냉매를 응축온도에 해당되는 포화압력으로 압축하는 압축기와 상기 압축기로부터 토출된 기상 냉매가 외부공기와 열교환을 일으켜 응축 액화시키는 응축기와 상기 응축기로부터 토출된 액상 냉매의 압력과 온도를 낮추는 팽창장치와 상기 팽창장치를 통과한 액상 냉매가 내부공기와 열교환을 일으켜 기화될 수 있도록 하는 증발기로 구성된 냉동사이클에 있어서, 상기 냉매가 상기 응축기와 증발기에서의 열교환 효율을 높일 수 있도록 나노입자를 소정량으로 함유하는 나노유체인 것을 특징으로 한다.

Description

나노유체를 이용한 냉동사이클{Refrigerator using nano-fluid}

본 고안은 나노유체를 이용한 냉동사이클에 관한 것으로서, 다욱 상세하게는 나노입자가 함유된 나노유체를 작동유체로 이용하여 응축기와 증발기에서의 열교환 효율을 높이고, 이동되는 냉매의 유동성을 향상시킬 수 있는 나노유체를 이용한 냉동사이클에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클은 작동유체인 냉매를 순환시키고, 상기 냉매의 상변화에 따른 흡열반응을 이용하여 해당공간을 냉각시킨다.

상기 냉동사이클은 사이클 전반에 걸쳐 순환되는 냉매와 저온 저압의 기상 냉매를 흡입하여 상기 냉매의 압력을 응축온도에 해당되는 포화압력까지 증대시키는 압축기와, 상기 압축기에서 토출된 고온, 고압의 기상 냉매를 외부공기와 열교환시켜 상기 냉매가 열을 방출함으로써 응축 및 액화될 수 있도록 하는 응축기와, 응축 및 액화된 상기 냉매를 저온, 저압으로 만들고, 상기 냉매가 교축작용을 일으킬 수 있도록 하는 팽창장치와, 상기 팽창장치를 통과한 저온, 저압의 냉매가 주위로 부터 열을 흡수하며 증발될 수 있도록 하는 증발기를 그 필수 구성요소로 한다.

즉, 상기 냉동사이클은 사이클 전반에 걸쳐 순환되는 냉매의 상변화에 따른 흡열반응을 이용하여 냉각효과를 얻는바, 상기 냉매는 냉동사이클에 사용될 수 있도록 필요 조건을 갖춰야 한다.

상기 냉매가 갖춰야 할 조건은 다음과 같다.

상기 냉매는 비교적 낮은 온도에서도 대기압 이상의 압력에서 기화되어야 하고, 상온에는 비교적 저압에서 액화되어야 하며, 임계온도가 높고 응고온도가 낮아야한다.

이는 냉동사이클이 상기 냉매의 상변화를 이용하여 냉각작용을 하는데에 기인한다.

또한, 상기 냉매는 기화시 많은 열을 흡수하도록 증발열이 커야하며, 안전을 고려하여 폭발성 및 인화성이 없어야 한다.

아울러 상기 냉매는 용적이 작아야 하고, 관내의 유동성을 고려하여 점성도가 낮아야 하며, 동일한 냉방능력에서 사용되는 양이 작아야 한다.

상기한 조건을 만족시키는 냉매로서 현재까지 암모니아, 이산화탄소, 그리고 프레온 가스가 보편적으로 이용되고 있다.

그러나 상기 원소들이 상기와 같은 냉매로서의 적합한 조건을 구비했음에도 불구하고 이를 이용해 냉방 작용을 하기 위해서는 여전히 많은 전력 및 동력이 소요되는 것이 현실이다.

즉, 상기 원소들이 냉매로서 적합한 특성을 가져도 충분한 냉방능력을 위해서는 많은 양이 사용되어야 하므로 이에 따라 소비되는 전력 및 동력도 커지게 되는 것이다.

이는 종래의 냉동사이클이 응축기와 증발기 상의 상기 냉매의 열교환 성능에 관한 화학적 물리적 특성에 있어서 냉매로 사용되는 특정원소 고유의 특성만을 이용함에 기인한다.

최근까지 상기 냉매를 이용한 냉방장치의 효율을 높일 수 있는 연구가 진행되어 왔으나, 이는 주로 상기 냉방장치의 열교환기가 높은 열교환율을 갖도록 그 구조와 재질을 최적화 시키거나 제어장치의 개선에 국한된 것이었다.

그러나 냉동사이클에 있어서 상기와 같이 열교환기의 구조 및 재질을 변경하거나 제어장치를 개선시키더라도 열매체인 상기 냉매가 열전도도가 낮은 근본적인 문제점을 여전히 내포하게 된다.

또한, 상술한 바와 같이, 냉동사이클은 냉매의 상변화에 따른 외부공기와의 열교환 작용을 냉방에 이용하는바, 내동사이클의 효율에는 사용되는 냉매가 보다 직접적으로 관계됨은 명백하다.

따라서, 냉매로서의 필요조건에 따른 그 화학적 물리적 특성은 유지하되, 냉동사이클의 효율을 높일 수 있도록 열전도도와 열용량이 향상된 냉매의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 열교환율을 높일 수 있도록 사용되는 작동유체의 열전도성과 열용량을 향상시켜 소비되는 에너지를 절감시키고, 냉방능력을 향상시키며, 냉동사이클에 사용되는 작동유체의 체적과 용량을 줄임으로써 장치의 소형화를 실현하는 냉동사이클을 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안 나노유체를 이용한 냉동사이클의 순환구조를 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

7: 냉매 8: 나노유체

8a: 나노입자 10: 압축기

20: 응축기 30: 팽창장치

40: 증발기 50: 나노유체를 이용한 냉동사이클

이하에서는 본 고안에 관해 첨부된 도면과 함께 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 고안 나노유체를 이용한 냉동사이클의 순환구조를 나타낸 개략도로서, 이를 상세히 설명하면, 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 본 고안 나노유체를 이용한 냉동사이클(50)이 압축기(10), 응축기(20), 팽창장치(30), 및 증발기(40)를 그 필수 구성요소로 함은 주지된 바와 같다.

다만, 본 고안에서는 상기 압축기(10), 응축기(20), 팽창장치(30), 증발기(40)로 구성되는 냉동사이클에 사용되는 작동유체로 기존의 냉매(7)에 소정량의 나노입자(8a)가 함유된 나노유체(8)를 이용하여 작동유체의 열전도도와 열용량을 높여 냉동사이클의 효율을 향상시키고자 하는 것이다.

상기 나노유체(8)는 통상적인 냉매(7) 즉, 암모니아와 이산화탄소와 프레온 가스에 나노입자(8a)가 충진됨으로써 이루어진다.

여기서, 상기 나노입자(8a)는 열전도성이 우수한 금,은,구리와 같은 금속성분인 것이 바람직하다.

한편, 상기 나노입자(8a)는 크기에 따라 물리 화학적 성질이 변화되는 특성이 있는데, 이는 입자의 표면대 질량의 비율이 증가됨에 따라 단위질량당 표면적 및 그 입자의 표면에너지도 증가하면서 물리 및 화학적 성질이 변화하는 것이다.

즉, 입자의 크기가 작아지면 작아질수록 동일체적 기준으로 표면적이 대폭이 증가하여 기존의 재료가 갖는 성질과는 전혀 다른 특성들이 나타난다.

본 고안에서는 상기한 바 있는 열전도성이 우수한 금, 은, 구리와 같은 금속재를 그 입자의 크기가 1~100nm로 되도록 하여 나노입자(8a)를 마련한다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 고안에서는 이러한 상기 나노입자(8a)를 이용하여 나노유체(8)를 생성하는데, 이는 통상 냉매(7)로 사용되는 암모니아, 이산화탄소, 프레온 가스등에 상기 나노입자(8a)를 미량 혼합함으로써 이뤄진다.

상기 나노유체(8)는 이에 혼합된 나노입자(8a)에 의해 열전달 면적과 유체의 열용량을 증가시켜 유체의 유효전도성을 향상시키게 되고, 상기 나노입자(8a)와 충전유체간 유동면적에서의 상호작용 및 융합을 강화시킬 뿐만 아니라, 상기 혼합유체의 혼합 및 난류 유동성을 강화시키며, 상기 나노입자(8a)의 확산에 의해 상기 충전유체의 역 온도구배를 감소시킬 수 있게 되는 등의 특성을 갖는다.

따라서 상기 나노유체(8)를 작동유체로 이용하는 본 고안의 냉동사이클에서는 응축기(20)와 증발기(40)에서 작동유체와 외부공기의 열교환율이 높아지게 되는 것이다.

또한, 상기한 원리에 의해 생성되는 나노유체(8)는 나노입자(8a)의 침전에 의한 유로 블로킹(Blocking)이 발생하지 않으며, 유로나 유체기계의 훼손 및 손상을 방지하면서 열전달 성능을 향상시키는데 동일한 열전달 조건(기하학적 형상조건 및 전열면적, 온도차 등)에서 기존의 냉매(7)보다 2배이상의 열전달 성능을 갖는 것이 입증된 바 있다.

참고적으로, 관내를 흐르는 유체에 대한 열전도율과 열전달계수 간의 상관관계를 일반적 이론식에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

관내의 난류 열전달계수(h)는,

h = V^0.8ㆍk^{2/3 ---------------------------------------[1]}

로 표시된다. 여기서, V는 유속, k는 유체의 열전도율을 나타낸다.

상기의 식[1]에 의하면 열전달계수(h)는 유속(V)이나 유체의 열전도율(k)에 따라 변화할 수 있는 것임을 알 수 있다.

특히, 유속(V)을 일정하게 유지하여 동일하다고 가정하면, 열전도율(k)의 변화에 따라 열전달계수(h)가 비례적으로 변화하게 된다는 것을 알 수 있다.

한편 열전달계수와 펌프동력과의 관계식은 다음과 같다.

h/h₀= (P/P₀)^{0.29 ----------------------------------------[2]}

여기서, h는 열전달계수, h₀는 초기 열전달계수, P₀는 초기 펌프동력, P는 변화된 펌프동력을 각각 나타낸다.

상기 [2]식에서 알 수 있듯이, 펌프동력(P)을 10배 증가시켰을 때 그 열전달 계수(h)가 1.9배 증가하게 되는 것을 알 수 있다.

즉, 상기 식[1]과 식[2]에 의하면 작동유체로 종래의 냉매(7)를 사용한 냉동사이클에서 열전달 능력을 2배 증가시키려면 펌프동력을 10배 증가시켜야 하지만, 나노유체(8)를 작동유체로 사용한 본 고안의 냉동사이클에서는 작동유체의 열전도율을 대략 3배 정도 증가시키는 것만으로도 동일한 효과를 발휘할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안 나노유체를 이용한 냉동사이클은 나노입자를 함유하여 열전도성과 열용량이 향상된 나노유체를 작동유체로 활용함으로써 응축기와 증발기 상에서 열교환 효율을 높여 냉동사이클에 소요되는 에너지를 절감시키고 냉방능력을 향상시키는 효과가 있다.

더 나아가, 냉동사이클에 사용되는 작동유체의 체적과 용량을 줄여 냉동 및 냉방장치의 소형화를 구현할 수 있는 효과가 있어 매우 유용한 가치가 있다.

Claims (4)

1. 기상 냉매를 응축온도에 해당되는 포화압력으로 압축하는 압축기와 상기 압축기로부터 토출된 기상 냉매가 외부공기와 열교환을 일으켜 응축액화시키는 응축기와 상기 응축기로부터 토출된 액상 냉매의 압력과 온도를 낮추는 팽창장치와 상기 팽창장치를 통과한 액상 냉매가 내부공기와 열교환을 일으켜 기화될 수 있도록 하는 증발기로 구성된 냉동사이클에 있어서,

   상기 냉매는 상기 응축기와 증발기에서의 열교환 효율을 높일 수 있도록 나노입자를 소정량으로 함유하는 나노유체인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 냉동사이클.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 나노유체는 암모니아와 이산화탄소와 프레온 가스 중 선택되는 어느 한 유체에 나노입자가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 냉동사이클.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 나노입자는 금, 은, 구리 중 선택되는 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 냉동사이클.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,

   상기 나노입자는 그 크기가 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 냉동사이클.