KR20040042765A - 슬러리 아이스 제빙기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬러리 아이스(slurry ice) 제빙기에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 축열매체가 유입되는 유입구가 마련되는 유입실과, 축열매체가 배출되는 배출구가 마련되는 배출실과, 유입실과 배출실 사이에 위치하며, 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 유입실로부터 배출실 사이에 연장되어 축열매체의 통로를 형성하는 전열관이 구비되는 열교환실과, 전열관 내에 삽입되며 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와, 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하되, 상기 블레이드의 양면 중 축열매체의 상류측은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 축열매체의 하류측은 볼록한 곡면인 슬러리 아이스 제빙기가 제공된다. 유입실과 배출실은 각각 열교환실의 하부와 상부에 위치하며, 배출실의 상면이 상기 배출구 쪽을 향하여 위로 경사지도록 마련된 경사판을 구비할 수 있다. 열교환실에는 둘 이상의 전열관을 하나의 단위 셀로 구획하여 다수의 셀이 구비되도록 마련된 셀분리벽과, 유입된 냉매를 각 셀로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 냉매 분배판이 구비될 수 있다.

Description

슬러리 아이스 제빙기 {SLURRY ICE GENERATOR}

본 발명은 동적 빙축열(축냉) 시스템에 사용되는 제빙기에 관한 것으로서, 특히 증발판형 다관식 슬러리 아이스(slurry ice) 제빙기에 관한 것이다.

에너지를 냉열 상태로 변환하고 이를 잠열 형태로 저장하였다가 재생하는 빙축열(축냉) 시스템은 유력한 에너지 저장 설비로 그 중 동적 축냉 시스템에 이용되는 슬러리 아이스는 미래의 축냉 및 냉열 수송 수단으로 널리 활용될 것으로 기대되어 관심이 집중되고 있다. 여기서 슬러리 아이스를 경제적이며 신뢰성 있게 만들어 내는 제빙 장치는 핵심 장비로써 여러 가지 형태로 연구 개발 되고 있다. 크게 증발판형, 과냉각수형, 냉매 집적 접촉형, 진공에 의한 물의 직접 동결형 등이 연구 또는 개발되고 있으며 이 중 증발판형과 과냉각수형이 보급되고 있으나 현재까지 가장 신뢰성 있는 방식은 증발판형으로 인식되고 있다. 증발판형은 다시 몇가지 형태로 구분되나 크게는 단관식과 다관식으로 구분되며 최근 다관식 제빙기가 집중적으로 개발되고 있는 상황이다.

다관식 제빙기는 쉘튜브형 입형 열교환기를 기본으로 사용하며 전열관 내부에 빙결 억제제를 소량 포함한 축열매체를 공급하면서 쉘측(전열관 외부)에 냉매를 증발시켜 열을 빼앗고 전열관 내부에 얼음이 고착하지 못하도록 연속적으로 긁어 내는 형식을 취하고 있다. 대표적인 것으로 튜브 내부에 전열관 내벽을 선회운동하는 로드를 이용하여 제빙하는 휩로드(whip rod) 방식(예를 들면, 한국공개특허공보 제2001-0068584호에 기재된 장치)과 전열관 내부에 플라스틱 재질의 나사형식의 스크레이퍼(scraper)를 회전시켜 제빙하는 스크루 스크레이퍼 방식(예를 들면, 한국등록특허 제10-0296653호에 기재된 장치), 진동스프링 장치를 이용하여 진동에너지에 의한 스프링의 운동을 이용한 진동식(예를 들면, 한국등록실용신안 제20-0240787호에 기재된 장치) 등이 개발되었다. 그러나 개발된 방식들이 각각 갖는 많은 장점에도 불구하고 공통적으로 갖는 약점은 전열면을 연속적으로 긁어내는 동력을 전달하는 기계기구의 복잡성과 신뢰성 부족이 공통적인 문제이며 또한 생성된 슬러리 아이스의 순환과정에서의 집적에 의한 폐색은 슬러리 아이스 제빙기의 일반 보급을 제약하고 있다.

다관식 제빙기에서 기술적으로 해결해야하는 과제는 크게 네가지로 구분할 수 있다. 첫째로 제빙기는 상변화한 슬러리 입자가 전열면상에 고착하여 성장하지 못하도록 전열면에서 연속적으로 이탈시켜야 한다. 전열면의 표면에서 미세 얼음 입자가 성장하지 못하도록 열교환에 의한 축열매체의 과냉각도를 일정 범위내로 안정화하여 수지상 얼음이 형성되어 쉽게 이탈될 수 있도록 하여야 한다. H. N. Fletcher에 따르면, 일반적으로는 과냉각수의 온도가 대개 -2.5℃ 이상일 때 생성되는 빙결정은 수지상의 결정구조를 가진 판상의 얼음으로 되고 또 -2.5℃ 이하에서는 침상이거나 입자상의 빙결정으로 된다(박기원 역, 저온환경에서의 전열현상과 그 응용, 태훈 출판사(2001) P83). 이를 위하여 축열매체에 일정 이상의 유동에너지와 과냉각도의 상승을 방지할 수 있는 기구가 있어야 한다. 또한 생성된 빙이 재결정에 의하여 입자화되지 못하도록 빙결 억제제 등을 사용할 필요가 있다. 휩로드 방식은 금속제 로드를 고속으로 선회운동시켜 튜브 내면과 로드가 얇은 축열매체의막을 형성하였다가 파괴하면서 흘러내리도록 하고 있으며 스크루 스크레이퍼 역시 비슷한 방식으로 연속적으로 긁어내리며 이탈시키고 있으며 진동식 역시 비슷한 기제에 의한 제빙 작업이 이루어지고 있다.

둘째로 생성된 아이스슬러리를 전열관 밖으로 보내어 제빙기 외부로 배출시킬 수 있어야 한다. 전열관 밖으로의 이송은 중력이나 펌프의 양정에 의하여 쉽게 전열관 밖으로 보낼 수 있다. 휩로드형에서는 중력에 의하여 흘러내리도록 하고 있으며 진동형과 스크루 스크레이퍼형에서는 제빙기 전단의 펌프의 양정에 의하여 축열매체가 강제로 압송되면서 여기에 슬러리가 함께 이송되는 형식을 취하고 있으며 특히 스크루 스크레이퍼형에서는 스크루의 회전에 의하여 완벽하게 전열관 외부로 보내진다. 그러나 전열관에서 이송되어 하부 배출실에 모인 아이스 슬러리와 수용액의 혼합액을 제빙기 밖으로 배출시키기 위해서 상당한 연구가 필요하다. 제빙기를 축열조의 상부에 위치시켜 전열관에서 직접 축열조로 중력에 의하여 낙하시키게 되면 간단하게 처리되나 설치 공간상의 제약에 의하여 제빙기에서 생성된 슬러리 아이스를 펌프로 이송시키기 위해서 제빙기 하부 구조는 특수하게 고안하여야 한다. 슬러리 아이스는 축열 매체보다 비중이 작아 일정 유속 이하에서는 분리되어 떠오르게 되며 이 경우 집적에 의한 폐색이 이루어지게 되므로 구조를 특수하게 하여야 한다.

셋째 과제는 전열 효율의 개선에 의한 제빙기 크기를 최소화하여야 한다는 점이다. 단관식 제빙기가 운전의 신뢰성에도 불구하고 보급되지 못한 것은 전열 면적이 부족하고 전열 효율을 더 이상 상승시킬 수 없어 장비의 크기가 커서 경제적이지 못한 점 때문이다. 슬러리 아이스 제빙기는 일반적인 열교환기와 달리 축열매체와 일차 냉매의 대수평균 온도차(=온도구배)를 일정 범위 이상으로 할 수 없다. 일정 범위를 벗어나면 축열매체의 전열면에서의 과냉각에 의한 운전의 안정성이 문제가 된다. 또한, 1차 냉매측이 핵비등 열전달 영역을 벗어나게 된다. 따라서, 일반적인 열교환기에 비하여 온도 구배를 크게 할 수 없다. 결국 1차 냉매측 열전달 계수와 축열 매체측 열전달 계수를 최대화하여야 한다. 이를 위해서 1차 냉매측에 2중관을 사용하거나(미국특허 5,768,894호 참조) 표면가공한 전열관을 사용하며, 열전달 계수가 높은 편인 축열 매체측은 스크래핑 등에 의하여 일반적인 전열관보다 열전달 율을 매우 높게 유지하는 것이 보통이다.

넷째 과제는 제빙에 필요한 스크래핑 및 유동을 위한 동력을 안정적이고 효율적으로 전달하여야 한다는 점이다. 휩로드형에서는 선회운동 기구에 의한 동력 전달을 하고 있어 동력 손실이 적고 전열면에 부분적인 결정이 성장하여도 동력 전달이 가능하며 중공 상태로 운전이 이루어져 제빙기의 동결이 방지되는 장점이 있으나 선회운동의 동력 전달 접점에 부하가 집중되는 문제점을 갖고 있으며, 스크루 스크레이퍼형은 플라스틱 기어에 의한 연속동력 전달로 비교적 단순하고 안정된 동력 전달 구조를 갖고 있으나 기어 치면이 축열매체에 직접 노출되어 이물질 유입에 의한 치면 손상 시 제빙기 전체가 결빙되는 단점이 있고 진동형은 아직 검증되지 아니 하였으나 구조의 복잡성 및 진동판과 진동 부재의 연결 부위의 진동에너지에 의한 손상 등이 문제가 될 가능성이 있다.

증발판형 다관식 슬러리 아이스 제빙기의 대표적인 두 방식에 대해 구체적으로 설명한다. 이 제빙기는 통상 쉘튜브형 입형 열교환기를 사용한다. 다관식 제빙기는 축열매체가 공급되는 다수의 전열관을 구비한다. 냉매는 전열관 내부의 열을 빼앗으면서 전열관 외부에서 증발하고 전열관 내부의 축열매체는 일부가 슬러리 아이스로 상변환하게 되고 생성된 슬러리 아이스는 제빙기로부터 배출되어 축열조에 저장된다. 이때, 전열관 내부에 얼음이 고착하지 못하도록 연속적으로 긁어내는데, 앞서 설명한 바와 같이 이 긁어내는 방식으로는 휩로드(whip rod) 방식과 스크루 스크레이퍼(scraper) 방식이 대표적이다. 휩로드 방식은 전열관 내부에서 금속제 로드를 고속으로 선회운동시켜 전열관 내면과 로드가 얇은 축열매체의 막을 형성하였다가 파괴하면서 생성된 슬러리 아이스와 축열매체가 섞여 흘러내리도록 한다. 스크루 스크레이퍼 방식은 전열관 내부에 플라스틱 재질의 나사형식의 스크레이퍼를 회전시켜 긁어내리며 이탈시킨다.

휩로드 방식은 로드와 전열관 사이에 형성되는 매우 얇은 축열매체의 막의 생성소멸로 인해 전열효율이 좋으나 슬러리 아이스를 원하는 방향으로 이송할 수 없다. 따라서, 슬러리 아이스를 중력에 의해 아래로 흘러내리도록 하고 있다. 또한, 휩로드 방식에서는 선회운동 기구에 의해 로드에 동력을 전달하고 있어 동력 손실이 적고 전열면에 부분적인 빙결정이 성장하여도 동력전달이 가능하며 중공 상태로 운전이 이루어져 제빙기의 동파가 방지되는 장점이 있으나 선회운동의 동력전달 접점에 부하가 집중되는 문제점을 가지고 있다.

스크루 스크레이퍼 방식은 과냉각을 해소하고 슬러리 아이스를 원하는 방향으로 이송시킬 수 있으나 휩로드 방식에 비해 전열효율은 떨어진다. 또한, 스크루스크레이퍼 방식은 플라스틱 기어에 의한 연속동력 전달로 비교적 단순하고 안정된 동력 전달 구조를 가지고 있으나 기어 치면이 축열매체에 직접 노출되어 이물질 유입에 의한 치면 손상시 제빙기 전체가 결빙되는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 전열효율이 보다 개선되고 슬러리 입자가 전열면에서 잘 분리되는 슬러리 아이스 제빙기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 생성된 슬러리 아이스의 이송 및 배출이 안정적으로 이루어지는 슬러리 아이스 제빙기를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 동력전달이 안정적으로 이루어지는 슬러리 아이스 제빙기를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 제빙기의 크기를 최소화할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙기가 구비된 빙축열 냉방시스템의 구성도.

도2는 도1의 제빙기의 내부를 도시한 부분 단면도

도3은 도2의 제빙기의 열교환부의 내부를 도시한 횡단면도

도4는 도2의 제빙기의 다른 실시예로서 열교환부의 내부를 도시한 횡단면도

도5는 도2의 제빙기의 배출실의 다른 실시예를 도시한 단면도

도6은 도2의 스크레이퍼의 형상도

도7은 도6의 스크레이퍼의 블레이드의 부분 확대 종단면도

도8은 도6의 스크레이퍼의 횡단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제빙기 15 : 전열관

16, 16a :스크레이퍼 18 : 열교환실

43 : 축열매체 유입실 61 : 축열매체 배출실

82 : 동력전달장치실 90 : 구동장치

162 : 블레이드

본 발명의 일측면에 따르면, 축열매체가 유입되는 유입구가 마련되는 유입실과,

축열매체가 배출되는 배출구가 마련되는 배출실과,

상기 유입실과 배출실 사이에 위치하며, 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 상기 유입실로부터 상기 배출실 사이에 연장되어 축열매체의 통로를 형성하는 전열관이 구비되는 열교환실과,

상기 전열관 내에 삽입되며 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와,

상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하되,

상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면인 슬러리 아이스 제빙기가 제공된다.

상기 스크레이퍼의 블레이드는 복수의 줄을 가질 수 있다.

상기 유입실은 상기 열교환실의 하부에 위치하고, 상기 배출실은 상기 열교환실의 상부에 위치하며, 상기 배출실의 상면이 상기 배출구 쪽을 향하여 위로 경사지도록 마련된 경사판을 구비할 수 있다.

상기 열교환실에는 둘 이상의 전열관을 하나의 단위 셀로 구획하여 다수의 셀이 구비되도록 마련된 셀분리벽과, 유입된 냉매를 상기 각 셀로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 냉매 분배판이 구비될 수 있다.

상기 각 셀에는 중심부에 위치하는 하나의 전열관과 그 전열관을 중심으로 하는 원주 상에 배치되는 다수의 전열관이 수용되며, 상기 중심부의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽에서 주위의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽으로 회전력이 전달되도록 이들 스크레이퍼 사이에 동력전달장치가 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 냉매와 열교환하는 축열매체의 통로를 형성하며 상하로 연장되는 전열관이 구비되는 열교환실과,

상기 열교환실의 하부에 위치하며 상기 전열관과 연결되고 축열매체가 유입되는 유입구가 마련되는 유입실과,

상기 열교환실의 상부에 위치하며 상기 전열관과 연결되고 축열매체가 배출되는 배출구가 마련되는 배출실과,

상기 전열관 내에 삽입되며 축열매체가 위로 이동하도록 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와,

상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하되,

상기 배출실의 상면이 상기 배출구 쪽을 향하여 위로 경사지도록 마련된 경사판을 구비하는 슬러리 아이스 제빙기가 제공된다.

상기 경사판은 상기 배출실의 일측으로부터 배출구가 마련된 반대측으로 갈수록 위쪽으로 올라가도록 기울어진 형태이거나 상기 배출실의 중심부로부터 반경방향으로 갈수록 위로 경사진 형태일 수 있다.

상기 유입실에는 축열매체를 상기 전열관으로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 축열매체 분배판이 구비될 수 있다.

상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면일 수 있다.

상기 배출실 상부에 상기 스크레이퍼를 구동하는 동력전달장치가 설치된 동력전달장치실이 마련되며 상기 동력전달장치실에는 축열매체가 공급될 수 있으며, 상기 동력전달장치실에 공급되는 축열매체는 입자형 물질을 걸러낼 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면,

축열매체가 유입되는 유입구가 마련된 유입실과,

축열매체가 배출되는 배출구가 마련된 배출실과,

상기 유입실과 배출실 사이에 위치하며 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 냉매와 열교환하는 축열매체의 유입실과 배출실 사이의 통로를 형성하는 다수의 전열관이 구비되는 열교환실을 포함하되,

상기 열교환실에는 둘 이상의 전열관을 하나의 단위 셀로 구획하여 다수의 셀이 구비되도록 마련된 셀분리벽과, 유입된 냉매를 상기 각 셀로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 냉매 분배판이 구비되는 슬러리 아이스 제빙기가 제공된다.

상기 전열관 내에 삽입되며 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와, 상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함할 수 있다.

상기 각 셀에는 중심부에 위치하는 하나의 전열관과 그 전열관을 중심으로 한 원주 상에 배치되는 다수의 전열관이 수용되며, 상기 중심부의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽으로부터 주위의 전열관에 마련된 스크레이퍼 족으로 회전력이 전달되도록 이들 스크레이퍼 사이에 동력전달장치가 마련될 수 있다.

상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면일 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙기가 구비된 빙축열 냉방시스템으로서 수냉응축 방식을 사용하는 시스템의 구성도이다. 도1을 참조하면, 빙축열 냉방 시스템은 냉각탑(2)과, 압축기(1)와, 제빙기(10)와, 축열조(5)와, 열교환기(9)를 구비한다. 냉각탑(2)은 압축기(1)에서 사용되고 돌아온 냉각수를 다시 사용할 수 있도록 재차 냉각시킨다. 냉각된 냉각수는 펌프(4)에 의해 다시 압축기(1)로 공급된다. 압축기(1)는 제빙기(10)로부터 복귀한 냉매가스를 고온, 고압으로 압축한다. 고온, 고압으로 압축된 냉매가스는 냉각탑(2)으로부터 공급된 냉각수에 의해 응축된 후 압축기(1)로부터 배출된다. 압축기(1)로부터 배출된 냉매액은 팽창밸브(3)를 거쳐 제빙기(10)로 유입된다. 제빙기(10)로 유입된 냉매액은 증발된 후 다시 압축기(1)로 복귀한다.

제빙기(10)는 냉매를 이용하여 유입된 축열매체의 일부를 슬러리 아이스로 상변화시켜 배출한다. 제빙기(10)로부터 배출된 축열매체는 축열조(5)에 저장된다. 축열조(5)에 저장된 축열매체는 순환펌프(6)에 의하여 열교환기(9)로 이송된다. 축열매체의 흐름양은 부하측의 온도조건에 따라 유량을 조절하는 삼방밸브(7)에 의해 조절되며 일부는 바이패스 라인(7a)을 통하여 열교환기(9)를 거치지 않고 통과한다. 열교환기(9)를 거친 축열매체와 바이패스 라인(7a)을 통과한 축열매체는 삼방밸브(7)를 거치면서 합쳐져서 축열조로 복귀하거나 경우에 따라서는 이 중 일부 또는 대부분은 제빙기(10)의 아래쪽으로 유입되어 축열매체의 온도를 낮추거나 부분 슬러리 아이스로 상변화되어 축열조(5)로 복귀한다. 한편 축열매체는 제빙기(10)의 아래쪽으로 들어가는데 중간에 필터와 같은 이물질 제거장치(11)를 통과하여 제빙기(10)로 들어간다. 그중 일부가 동력전달장치실(82)로 들어가 냉각시킨 후 배출구(62)로부터 배출되는 축열매체와 합류한다(도2 참조). 축열조(5)로 복귀한 축열매체는 축열조(5) 상부에 유입되면서 축열조 상부에 떠 있는 슬러리 아이스 얼음 층을 통과하면서 냉각되어 축열조 하부로 내려가 연속적으로 펌프(6)로 유입됨으로써 냉방 싸이클을 형성한다.

도2 내지 도8은 도1에 구비된 제빙기(10)에 대한 도면이다. 도2와 도3을 참조하면, 제빙기(10)는 열교환부(20)와, 축열매체 유입부(40)와, 축열매체 배출부(60)와, 구동부(80)를 구비한다. 축열매체 유입부(40)는 열교환부(20)의 하부에 위치하고 축열매체 배출부(60)는 열교환부(40)의 상부에 위치한다. 구동부(80)는 축열매체 배출부(60)의 상부에 위치한다.

열교환부(20)는 원통형의 쉘(shell)(12)을 구비한다. 원통형 쉘(12)은 측벽과, 쉘(12)의 개방된 상하부를 폐쇄하며 후술하는 전열관(15)을 지지하는 상부/하부 지지판(22, 24)을 구비한다. 측벽과 상부/하부 지지판(22, 24)에 의해 마련된 열교환실(18)이 형성된다. 열교환실(18)에는 상하로 세워진 다수의 전열관(15)과, 상부/하부 냉매 분배판(14, 17)과, 셀(cell)분리벽(30)이 구비된다. 쉘(12)의 하부(정확하게는 하부 지지판(24)과 하부 냉매 분배판(16) 사이)에는 냉매액이 유입되는 냉매 유입구(99)가 마련된다. 이 부분에는 도시되지는 않았으나 저압액 분리기로부터 리턴되는 냉매 유입구 및 보조 입출구가 추가로 구비될 수 있다. 쉘(12)의 상부(정확하게는 상부 지지판(22)과 상부 냉매 분배판(14) 사이)에는 냉매가스가 배출되며 저압액 분리기(도시되지 않음)와 연결되는 냉매 배출구(98)가 마련된다.

전열관(15)은 열전도성이 우수한 금속으로 이루어진 원형의 관 모양으로서 상부와 하부가 각각 상부/하부 지지판(22, 24)에 확관작업에 의해(또는 용접 등의결합방법으로) 결합되어 지지된다. 전열관(15)에 의해 축열매체 유입부(40)와 축열매체 배출부(60)가 서로 연통된다. 전열관(15) 내에는 후술하는 전곡후경사형 스크레이퍼(16, 16a)가 삽입되어 수용된다. 스크레이퍼(16, 16a)의 회전에 의해 슬러리 아이스 입자가 전열관 벽에서 분리되고 축열매체가 전열관(15)을 통해 유입실(43)로부터 배출실(61)로 이송된다.

상부 냉매 분배판(14)과 하부 냉매 분배판(17)은 각각 상부 지지판(22)과 하부 지지판(24)으로부터 약간 이격되어 구비된다. 상부, 하부 냉매 분배판(14, 17)에는 다수의 통로구멍(141, 171)이 마련된다. 상부, 하부 냉매 분배판(14, 17)의 통로구멍(141, 171)을 통해 냉매가 후술하는 각 셀(31)에 균등하게 분산 공급된다.

도2에는 도시되지는 않았으나, 도3에 잘 도시된 바와 같이 다수의 전열관(15)은 상부 냉매 분배판(14)과 하부 냉매 분배판(17) 사이에 연장되어 구비되는 셀분리벽(30)에 의해 동일형상(본 실시예에서는 정육각형 형상)의 서로 인접하는 여러 개(본 실시예에서는 7개)의 셀(31)로 구획된다. 각 셀(31)에는 여러 개(본 실시예에서 7개)의 전열관이 수용되는데, 가운데 위치하는 하나의 전열관을 중심으로 다수의 전열관이 원주상에 배치되는 형상이다. 도3을 참조하면, 상부, 하부 냉매 분배판(14, 17)의 다수의 통로구멍(141, 171)은 각 셀(31)마다 동수(본 실시예에서는 3개)가 되도록 배치된다. 따라서, 각 셀(31)마다 냉매가 균등하게 분산 공급된다. 상기와 같은 구성으로 기존의 입형 열교환기의 단점인 냉매의 편중 현상을 해소하여 전체적인 전열효과를 높일 수 있다. 상기 실시예에서는 쉘(12) 내부에 단위 셀(31)이 7개가 구비되는 것으로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 제한된것은 아니다. 셀(31)의 수를 다양하게 할 수 있는데, 예를 들면, 도4에 도시된 바와 같이 19개의 셀을 형성할 수도 있다.

다시 도2를 참조하면, 축열매체 유입부(40)는 열교환부(20)의 하부에 마련된다. 축열매체 유입부(40)는 하부 지지판(24)과 하부 지지판(24)에 결합된 케이스(41)에 의해 마련된 유입실(43)을 구비한다. 유입실(43)은 하부 지지판(24)에 고정된 전열관(15)과 연통한다. 케이스(41)의 하부에는 축열매체가 유입되는 유입구(42)가 마련된다. 유입실(43)에는 유입구(42)보다 높은 위치에 축열매체 분배판(44)이 수평으로 마련된다. 축열매체 분배판(44)에는 다수의 통로구멍(441)이 마련되어 축열매체의 흐름을 균등하게 해준다. 케이스(41)는 하부 지지판(24)과 분리가능하게 결합되는 것이 바람직하다.

도2를 참조하면, 상부 지지판(22) 위에 원통형의 상부 케이스(50)가 결합되고, 상부 케이스(50) 위에는 상판(79)이 결합된다. 상부 케이스(50), 상부 지지판(22), 상판(79)에 의한 내부 공간에는 수평으로 마련된 버팀판(68)이 마련된다. 버팀판(68)을 기준으로 상부는 구동부(80)이고 하부는 배출부(60)이다. 배출부(60)에는 대각선으로 공간을 나누는 경사판(64)이 마련된다. 경사판(64) 아래의 공간이 배출실(61)이다. 배출실(61)의 측벽 상부에서 상기 경사판(64)의 최상부의 인접부분에는 배출구(62)가 마련된다. 전열관(15)을 통하여 배출실(61)로 이송된 슬러리 아이스가 포함된 축열매체는 경사판(64)에 의해 안내되어 배출구(62)를 통해 배출되므로 이들이 서로 분리되지 않아 안정적으로 배출된다. 경사판(64)에는 구멍이 있어 스크레이퍼(16)는 이 경사판 구멍을 지나 구동부(80)로 연장된다. 경사판(64)에는 틈새나 구멍이 있어 축열매체의 일부가 경사판(64) 상부로 이동할 수 있다. 이 축열매체는 버팀판(68)에 마련된 통로(681)를 통해 동력전달장치실(82)로 유입되어 그 안에 있는 동력전달장치의 냉각 및 윤활작용을 한다. 이 통로(681)에는 축열매체로부터 이물질을 걸러내는 필터가 장착되는 것이 바람직하다. 도5에는 배출부의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도5를 참조하면, 경사판(64a)은 중심부로부터 양측방향으로 갈수록 위로 올라가도록 경사진 형태를 가진다. 이때, 배출실(61a)에는 보다 많은 배출구(62a)가 마련될 수 있다. 이러한 구성에는 배출실의 높이를 낮출 수 있다.

도2를 참조하면, 구동부(80)는 배출부(60) 위에 마련된다. 구동부(80)는 상판(79) 위에 마련되는 구동장치(90)와, 상기 구동장치(90)에서 발생한 동력을 전달하는 동력전달장치를 구비한다. 구동부(80)는 동력전달장치를 수용하기 위해 상판(79)과 버팀판(68) 사이의 공간에 동력전달장치실(82)을 구비한다. 구동장치(90)는 회전구동모터와 회전수를 조절하는 감속장치를 포함한다. 구동장치(90)의 회전축(92)은 축기밀유지장치(축봉장치라고도 함)(91)에 의해 밀봉되며 동력전달장치실(82)로 삽입된다. 동력전달장치실(82)에는 회전력을 전달하기 위한 동력전달장치를 구성하기 위해 다수의 기어들이 구비된다. 구동장치(90)의 회전축(92)에는 1차 구동기어(95)가 장착된다. 열교환실(18)의 각 셀(31)의 중앙부에 위치하는 스크레이퍼(16a)의 회전축에는 1차 피동기어(70)가 장착된다. 1차 피동기어(70)는 1차 구동기어(95)와 맞물려 회전력을 전달받는다. 1차 피동기어(70)가 구비되는 스크레이퍼(16a)의 회전축에는 2차 구동기어(72)가 함께 장착된다. 각셀(31)의 중앙에 위치하는 스크레이퍼(16a)를 둘러싸고 있는 주위의 스크레이퍼(16)의 회전축에는 2차 피동기어(74)가 구비된다. 2차 피동기어(74)는 2차 구동기어(72)와 맞물려 회전력을 전달받는다. 이와 같은 구조에 의해 각 스크레이퍼(16, 16a)는 구동장치(90)에 의해 비슷한 속도로 회전하게 된다. 본 실시예에서는 상세히 도시되지는 않았으나 2차 구동기어가 2차 피동기어보다 직경이 다소 크다. 따라서, 중앙의 스크레이퍼(16a)가 주변의 스크레이퍼(16)보다 다소 빨리 회전하게 된다. 이는 스크레이퍼 기어들 사이의 불필요한 간섭을 막기 위함이다. 이러한 동력 전달구조에서는 중앙 스크레이퍼와 주위 스크레이퍼의 회전이 서로 반대 방향이므로 블레이드 줄이 나선형으로 꼬이는 방향은 반대라는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 이러한 기어축(즉 구동축 또는 스크레이퍼)의 원활한 회전을 위해 버팀판(68)에는 볼베어링과 같은 축지지장치가 설치된다.

한편 동력전달장치실(또는 기어실이라고도 함)(82)의 측면에는 배출구(78)가 마련된다. 이 배출구(78)를 통해 상판(68)의 통로(681)로 유입된 냉각 및 윤활용 축열매체가 외부로 배출된다. 배출된 축열매체는 배출실(61)로부터 배출된 출열매체와 합류한다. 상기 냉각 및 윤활용 축열매체는 상판(68)에 마련된 통로(681)를 통해 경사판(64) 상부의 축열매체가 동력전달장치실(82)로 유입된다. 유입되기 전에 통로(681)에 장착된 필터(도시되지 않음)에 의해 기어의 작동에 영향을 줄만한 이물질(주로 입자형 물질)을 제거한다.

본 실시예에서는 구동부가 제빙기(10)의 가장 상부에 위치하도록 하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 이와는 다르게 제빙기(10)의 가장 하부에위치시킬 수도 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

도2, 도6, 도7을 참조하면, 제빙기 내의 스크레이퍼는 모두 동일한데, 스크레이퍼(16)는 중심축에 해당하는 스템(stem)(161)과, 일정 경사를 이루면서 스템(161)의 외주면을 따라 형성된 블레이드(162)를 구비한다. 스템(161)의 내면에는 강도 및 진직도 보강을 위하여 금속을 이용한 인써트가 삽입되는 것이 좋다. 블레이드(162)의 위쪽 면은 일정한 곡률 반경(R)을 가지는 볼록한 곡면이며 아래면은 일정한 각도(θ)를 가지며 경사진 평면이다(이를 본 명세서에서는 "전곡후경사"라 한다). 제빙기의 크기 또는 구조에 따라 달라질 수도 있지만 스크레이퍼(16)는 플라스틱 수지(예를 들면 PE, POM 등)로 성형되는데 내한성 및 내수성을 갖춘 것이면 어떤 재료라도 사용할 수 있다. 또한, 곡률 반경(R)은 대체로 6~15mm이며 각도(θ)는 대체로 10~20도 인 것이 바람직하다. 블레이드(162)의 끝단은 곡선과 직선이 바로 만나도록 되어 있으며 외경이 일정하게 유지되어 전열관(15) 내부와의 간극(g)이 일정하다. 블레이드(162)는 복수의 줄을 갖는 것이 좋다. 도2, 도6, 도7에 도시된 본 실시예에서는 3줄 블레이드이다. 따라서 1회전시 전열면을 줄 숫자(3줄 블레이드 경우 3번)만큼 긁어주므로 저속 운전이 가능하다.

한편 도6, 도7, 도8을 참조하면 축열매체는 유입실(40)에서 스크레이퍼(16)의 회전과 함께 전열관 내부로 즉 스템(161) 및 블레이드(162) 측면으로 이루어지는 공간(163)으로 유입되어 전열관을 이동한다. 이때 스크레이퍼의 회전속도와 축열매체의 이동속도와는 차이가 생긴다. 도8을 참조하면 이 차이에 의해 블레이드(162) 끝단과 전열관(15) 사이의 얇은 간극(g)을 통해 축열매체가 도8에도시한 바와 같이 화살표 방향으로 이동하며 그 간극(g)에 생긴 얇은 막을 소멸시키면서 축열매체가 빠져 나오면서 뒤섞이도록 하여 전열촉진과 과냉각을 해소하여 결국 안정적인 제빙이 이루어진다. 이 상태가 도8에 잘 도시되어 있다. 이와 같이 본 발명의 전곡후경사형 스크레이퍼 구성은 기존의 휩로드 방식의 장점인 높은 전열효율과 스크레이퍼 방식의 장점인 안정적 이송 및 운전소음 감소가 가능해진다.

이제, 도2와 도3을 참조하여 상기 제빙기의 작용을 상세히 설명한다.

냉매액이 열교환실(18)의 하부에 마련된 냉매액 유입구(99)를 통해 열교환실 내부로 들어온다. 열교환실(18)로 유입된 냉매는 하부 냉매 분배판(17)의 통로구멍(171)을 통해 각 단위 셀(31)에 균등하게 분배 공급된다. 각 셀(31)로 공급된 냉매액은 상승하면서 전열관(15) 내부의 축열매체로부터 열 에너지를 빼앗아 증발되고 상부 냉매액 분배판(14)의 통로구멍(141)을 통해 열교환실(18) 상부로 빠져나간다. 열교환실(18) 상부의 냉매가스는 냉매 배출구(98)를 통해 압축기(도1의 1) 쪽으로 배출된다.

제빙기(10) 하부에 마련된 유입부(40)의 유입구(42)를 통해 축열매체가 유입실(43)로 들어온다. 유입실(43)로 들어온 축열매체는 축열매체 분배판(44)에 형성된 통로구멍(441)을 통해 균등하게 위로 상승한다. 축열매체 분배판(44) 위로 올라온 축열매체는 구동장치(90)에 의해 회전하는 스크레이퍼(16)의 작용에 의해 전열관(15)을 따라 위로 올라간다. 축열매체는 전열관(15)을 따라 올라가면서 열교환실(18)의 냉매에 열을 빼앗기고 일부가 슬러리 아이스로 상변화한다. 슬러리 아이스를 포함하는 축열매체는 전열관(15)을 통해 배출실(61)로 유입되고 결국 배출구(62)를 통해 배출되어 축열조(도1의 5)로 이송되어 저장된다. 이때, 배출실(61)의 일부 축열매체는 경사판(64)의 구멍을 통해 경사판(64)위로 올라간다. 이 축열매체는 다시 상판(68)의 통로(681)를 통해 동력전달장치실(82)로 들어가 냉각 및 윤활작용을 한 후 배출구(78)를 통해 빠져나간다. 빠져나간 축열매체는 배출실(61)로부터 배출된 축열매체와 합류한다. 한편, 상판(68)의 통로(681)와 동력전달장치실(82)의 배출구(78)에는 필터가 장착되어 축열매체에 섞여 기어의 작동에 영향을 줄만한 이물질이 걸러진다.

본 발명에 의한 구성을 따르는 슬러리 아이스 제빙기를 사용하면, 기존의 휩로드 방식의 장점인 높은 전열효율과 스크루 스크레이퍼 방식의 장점인 안정적인 이송 및 소음 감소의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 냉매의 흐름이 균등하게 이루어지므로 높은 전열효율을 얻을 수 있다. 또한, 축열매체의 상류형 흐름을 선택함으로써, 슬러리의 비중차에 의한 분리로 인해 발생하는 집적 및 폐색이 최소화되므로 보다 안정적으로 작동된다. 그리고, 하중분산, 이물질 유입방지 등으로 구동부의 내구성 향상 및 보다 안정된 운전특성을 갖는다.

이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (15)

1. 축열매체가 유입되는 유입구가 마련되는 유입실과,

   축열매체가 배출되는 배출구가 마련되는 배출실과,

   상기 유입실과 배출실 사이에 위치하며, 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 상기 유입실로부터 상기 배출실 사이에 연장되어 축열매체의 통로를 형성하는 전열관이 구비되는 열교환실과,

   상기 전열관 내에 삽입되며 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와,

   상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하되,

   상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면인 슬러리 아이스 제빙기.
2. 제1항에 있어서, 상기 스크레이퍼의 블레이드는 복수의 줄을 갖는 슬러리 아이스 제빙기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유입실은 상기 열교환실의 하부에 위치하고, 상기 배출실은 상기 열교환실의 상부에 위치하며, 상기 배출실의 상면이 상기 배출구 쪽을 향하여 위로 경사지도록 마련된 경사판을 구비하는 슬러리 아이스 제빙기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열교환실에는 둘 이상의 전열관을 하나의 단위 셀로 구획하여 다수의 셀이 구비되도록 마련된 셀분리벽과, 유입된 냉매를 상기 각 셀로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 냉매 분배판이 구비되는 슬러리 아이스 제빙기.
5. 제4항에 있어서, 상기 각 셀에는 중심부에 위치하는 하나의 전열관과 그 전열관을 중심으로 하는 원주 상에 배치되는 다수의 전열관이 수용되며, 상기 중심부의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽에서 주위의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽으로 회전력이 전달되도록 이들 스크레이퍼 사이에 동력전달장치가 마련된 슬러리 아이스 제빙기.
6. 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 냉매와 열교환하는 축열매체의 통로를 형성하며 상하로 연장되는 전열관이 구비되는 열교환실과,

   상기 열교환실의 하부에 위치하며 상기 전열관과 연결되고 축열매체가 유입되는 유입구가 마련되는 유입실과,

   상기 열교환실의 상부에 위치하며 상기 전열관과 연결되고 축열매체가 배출되는 배출구가 마련되는 배출실과,

   상기 전열관 내에 삽입되며 축열매체가 위로 이동하도록 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와,

   상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하되,

   상기 배출실의 상면이 상기 배출구 쪽을 향하여 위로 경사지도록 마련된 경사판을 구비하는 슬러리 아이스 제빙기.
7. 제6항에 있어서, 상기 경사판은 상기 배출실의 일측으로부터 배출구가 마련된 반대측으로 갈수록 위쪽으로 올라가도록 기울어진 형태인 슬러리 아이스 제빙기
8. 제6항에 있어서, 상기 경사판은 상기 배출실의 중심부로부터 반경방향으로 갈수록 위로 경사진 형태인 슬러리 아이스 제빙기.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면인 슬러리 아이스 제빙기.
10. 제6항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 배출실 상부에 상기 스크레이퍼를 구동하는 동력전달장치가 설치된 동력전달장치실이 마련되며 상기 동력전달장치실에는 상기 배출실로부터 냉각 및 윤활용 축열매체가 공급되는 슬러리 아이스 제빙기.
11. 제10항에 있어서, 상기 동력전달장치실에 공급되는 축열매체는 이물질을 걸러낸 슬러리 아이스 제빙기.
12. 축열매체가 유입되는 유입구가 마련된 유입실과,

    축열매체가 배출되는 배출구가 마련된 배출실과,

    상기 유입실과 배출실 사이에 위치하며 냉매의 입구와 출구가 마련되어 있고, 냉매와 열교환하는 축열매체의 유입실과 배출실 사이의 통로를 형성하는 다수의 전열관이 구비되는 열교환실을 포함하되,

    상기 열교환실에는 둘 이상의 전열관을 하나의 단위 셀로 구획하여 다수의 셀이 구비되도록 마련된 셀분리벽과, 유입된 냉매를 상기 각 셀로 균등하게 공급시키는 다수의 통로구멍이 마련된 냉매 분배판이 구비되는 슬러리 아이스 제빙기.
13. 제12항에 있어서, 상기 전열관 내에 삽입되며 외주면을 따라 나선형 블레이드가 마련된 스크레이퍼와, 상기 스크레이퍼를 회전시키는 구동장치를 포함하는 슬러리 아이스 제빙기.
14. 제12항에 있어서, 상기 각 셀에는 중심부에 위치하는 하나의 전열관과 그 전열관을 중심으로 하는 원주 상에 배치되는 다수의 전열관이 수용되며, 상기 중심부의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽에서 주위의 전열관에 마련된 스크레이퍼 쪽으로회전력이 전달되도록 이들 스크레이퍼 사이에 동력전달장치가 마련된 슬러리 아이스 제빙기.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 블레이드의 양면 중 한쪽 면(축열매체의 이동에 있어 상류측)은 축열매체의 이동방향으로 경사진 평면이고 다른쪽 면(축열매체의 이동에 있어 하류측)은 볼록한 곡면인 슬러리 아이스 제빙기.