KR20080012638A - 냉동시스템 - Google Patents

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KR20080012638A
KR20080012638A KR1020060073784A KR20060073784A KR20080012638A KR 20080012638 A KR20080012638 A KR 20080012638A KR 1020060073784 A KR1020060073784 A KR 1020060073784A KR 20060073784 A KR20060073784 A KR 20060073784A KR 20080012638 A KR20080012638 A KR 20080012638A
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코르슈노프 안드레이
알렉세이 티호노프
유동렬
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은, 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 냉동시스템에 관한 것으로서, 응축기와 증발기 사이에 직렬로 배치되는 복수의 감압부와; 감압부들 사이에 마련되어, 기상 및 액상냉매를 분리하는 적어도 하나의 기액분리기와; 기액분리기로부터 분리된 기상냉매를 압축기로 전달하는 바이패스배관을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 기액분리기로부터 분리되어 압축기로 유입되는 냉매량을 조절할 수 있고, 이에 따라 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

Description

냉동시스템{Refrigeration system}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 냉동시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 냉동시스템의 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 냉동시스템의 P-h 선도,
도 4는 도 2에 도시된 냉동시스템의 P-h 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 냉동시스템 10 : 압축기
20 : 응축기 30 : 증발기
40 : 열교환기 51, 52, 53, 54 : 감압부
61, 62, 63 : 기액분리기
70 : 바이패스배관 80 : 냉매배관
본 발명은, 냉동시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 응축기와 증발기 사이에 복수의 감압부와 복수의 감압부 사이에 복수의 기액분리기가 배치되는 냉동시스템에 관한 것이다.
일반적으로 냉동시스템은 기상냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기와, 압축기로부터의 기상냉매를 액상냉매로 응축하는 응축기와, 응축기로부터의 액상냉매를 감압하는 모세관과 같은 감압부와, 감압부로부터의 냉매를 증발열을 이용하여 주위의 비교적 고온의 공기와 열교환하는 증발기를 포함한다.
한편, 이러한 냉동시스템 중 미국등록특허 제4918942호와 미국등록특허 제5056328호에 개시된 냉동시스템은 2개의 증발기 및 기액분리기를 사용하였다. 그리고, 두 냉동시스템은 2개의 증발기 중 어느 하나의 증발기로부터 유출된 냉매를 기액분리기에서 기상냉매와 액상냉매로 분리하였다. 여기서, 미국등록특허 제4918942호의 냉동시스템은 기액분리기에서 분리된 기상냉매를 압축하는 2단의 압축부를 갖는 압축기를 사용하고, 미국등록특허 제5056328호의 냉동시스템은 기액분리기에서 분리된 기상냉매를 각각 압축하는 2개의 압축기를 사용하였다.
그러나, 미국등록특허 제4918942호의 냉동시스템은 증발기로부터 유출되어 기액분리기로 유입되는 냉매량이 변동될 수 있고, 이에 따라 각 압축단계의 기상냉매 유입량이 상이하여 시스템이 불안정해지는 문제점이 있다. 또한, 미국등록특허 제5056328호의 냉동시스템은 2개의 압축기를 사용하여 시스템이 복잡해지고, 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 감압부, 기액분리기 및 증발기의 배치 구조를 개선하여 냉각성능이 향상된 냉동시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 냉동시스템에 있어서, 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 직렬로 배치되는 복수의 감압부와; 상기 감압부들 사이에 마련되어, 기상 및 액상냉매를 분리하는 적어도 하나의 기액분리기와; 상기 기액분리기로부터 분리된 기상냉매를 상기 압축기로 전달하는 바이패스배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 감압부는 n개 이상으로 이루어지며, 상기 압축기는 (n-1)개의 상기 기액분리기로부터 수령한 기상냉매와 상기 증발기로부터 수령한 기상냉매를 각각 압축하는 복수의 n단 압축부를 갖는 것을 그 특징으로 한다.
상기 증발기는 복수개로 이루어지며, 상기 각 증발기는 상호 직렬 연결되는 것을 그 특징으로 한다.
상기 감압부는 모세관과 팽창밸브 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 응축기로부터 상기 감압부로 유동하는 냉매와 상기 증발기로부터 상기 압축기로 유동하는 냉매를 상호 열교환하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 설명하기에 앞서, 본 발명의 제1실시예는 4개의 압축부를 갖는 다단 압축기를 사용하는 냉동시스템이고, 본 발명의 제2실시예는 2개의 압축부를 갖는 다단 압축기를 사용하는 냉동시스템을 예를 들어 설명함을 밝혀둔다. 또한, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에서의 동일한 구성은 동일한 참조부호를 사용했음을 미리 밝혀둔다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 냉동시스템(1)은 기상냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(10), 압축기(10)로부터 기상냉매를 수령하 여 액상냉매로 응축하는 응축기(20)와, 주위의 공기와 열교환하여 냉기를 발생하는 증발기(30)를 포함한다. 또한, 냉동시스템(1)은 응축기(20)와 증발기(30) 사이에 배치된 열교환기(40)와, 응축기(20)와 증발기(30) 사이에 직렬로 배치되는 복수의 감압부(51,52,53,54)와, 감압부(51,52,53,54)들 사이에 마련되어 기상 및 액상냉매를 분리하는 적어도 하나의 기액분리기(61,62,63)와, 기액분리기(61,62,63)로부터 분리된 기상냉매를 압축기(10)로 전달하는 바이패스배관(70)을 포함한다.
압축기(10)는 본 발명의 일예로서, 4개의 압축부(11,12,13,14)를 갖는 압축기(10)를 사용한다. 압축기의 4개의 압축부(11,12,13,14)는 각각 후술할 기액분리기(61,62,63)의 제1기액분리기(61), 제2기액분리기(62) 및 제3기액분리기(63)와 연결된 바이스패스배관(70)과, 증발기(30) 및 압축기에 연결되는 냉매배관(80)에 연결되어 있다. 압축기(10)의 자세한 설명은 후술할 감압부(51,52,53,54), 기액분리기(61,62,63) 및 바이패스배관(70)을 설명할 때 함께 하기로 한다.
응축기(20)는 압축기(10)에서 고온고압으로 압축된 기상냉매를 수령하여 응축한다.
증발기(30)는 주위의 공기와 열교환하여 냉기를 발생한다. 증발기(30)는 본 발명의 일예로서, 제1증발기(31), 제2증발기(32) 및 제3증발기(33)를 포함한다. 여기서, 각 증발기(31,32,33)는 본 발명의 일예로서, 냉매배관(80)을 사용하여 상호 직렬 연결된다. 즉, 상호 증발기(30)들 사이는 냉매배관(80)으로만 연결되어 있는 것이다.
열교환기(40)는 응축기(20)와 감압부(51,52,53,54) 사이에 배치된다. 열교환 기(40)는 본 발명의 일예로서, 응축기(20)로부터 감압부(51,52,53,54)로 유동하는 냉매와 증발기(30)로부터 압축기(10)로 유동하는 냉매를 상호 열교환하는 축열식을 사용한다. 열교환기(40)는 감압부(51,52,53,54)로 유입하는 냉매와 압축기(10)로 유입하는 냉매의 온도부하를 최소화시키는 역할을 한다.
감압부(51,52,53,54)는 응축기(20)와 증발기(30) 사이에 직렬로 배치된다. 감압부(51,52,53,54)는 본 발명의 일예로서, 제1모세관(51), 제2모세관(52), 제3모세관(53) 및 제4모세관(54)을 포함한다. 그러나, 감압부(51,52,53,54)는 본 발명의 일예로서, 모세관을 사용했으나, 팽창밸브(미도시)와 같은 장치도 사용할 수 있음은 물론이다. 감압부(51,52,53,54)는 응축기(20)로부터의 액상냉매를 스로틀링(throttling)하여 감압한다. 감압부(51,52,53,54)를 통과하는 냉매는 기상냉매와 액상냉매가 혼합된 2상의 냉매가 된다.
기액분리기(61,62,63)는 복수의 감압부(51,52,53,54) 사이에 배치된다. 기액분리기(61,62,63)는 본 발명의 일예로서, 제1기액분리기(61), 제2기액분리기(62) 및 제3기액분리기(63)를 포함한다. 여기서, 제1기액분리기(61)는 제1모세관(51)과 제2모세관(52) 사이에 연결되고, 제2기액분리기(62)는 제2모세관(52)과 제3모세관(53) 사이에 연결된다. 그리고, 제3기액분리기(63)는 제3모세관(53)과 제4모세관(54) 사이에 연결된다.
기액분리기(61,62,63)는 감압부(51,52,53,54)를 통과한 기상냉매와 액상냉매를 분리한다. 기액분리기(61,62,63)에서 액상냉매는 연결된 감압부(51,52,53,54)로 유입한다. 그리고, 기액분리기(61,62,63)에서 분리된 기상냉매는 바이패스배관(70) 을 통과하여 각각의 압축부(11,12,13,14)로 들어간다. 즉, 제1기액분리기(61)에서 분리된 기상냉매는 제1바이패스배관(71)을 통과하여 제4압축부(14)로 유입되며, 제2기액분리기(62)에서 분리된 기상냉매는 제2바이패스배관(72)을 통과하여 제3압축부(13)로 유입된다. 제3기액분리기(63)에서 분리된 기상냉매는 제3바이패스배관(73)을 통과하여 제2압축부(12)로 유입된다.
전술한 바와 같이, 바이패스배관(70)은 본 발명의 일예로서, 제1기액분리기(61)와 제4압축부(14)를 연결하는 제1바이패스배관(71)과, 제2기액분리기(62)와 제3압축부(13)를 연결하는 제2바이패스배관(72)과, 제3기액분리기(63)와 제2압축부(12)를 연결하는 제3바이패스배관(73)을 포함한다. 바이패스배관(70)은 기액분리기(61,62,63)에서 분리된 기상냉매를 압축기(10)로 전달하는 역할을 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)은 본 발명의 제1실시예에 따른 구성을 포함한다. 그러나, 본 발명의 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1압축부(11) 및 제2압축부(12)를 갖는 압축기(10)와, 제1모세관(51)과 제2모세관(52)을 갖는 감압부(51.52)와, 제1모세관(51)과 제2모세관(52) 사이에 배치되는 기액분리기(90)와, 기액분리기(90)와 제2압축부(12)를 연결하는 바이패스배관(100)을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)의 성능을 도 3 및 도 4에 도시된 P-h 선도와, <표1> 및 <표2>에 개시된 수치를 참조하여 설명하기로 한다.
설명하기에 앞서, 도 3 및 도 4의 1 ~ 2′~ 5 ~ 6′~ 1의 순환의 실선은 본 발명의 제1 및 2실시예에 따른 냉동시스템(1)의 P-h 선도를 나타낸 것이다. 그리고, 도 3 및 도 4의 1 ~ 2 ~ 5 ~ 6 ~ 1로 순환하는 점선은 일반적인 냉동시스템(미도시)의 P-h 선도를 나타낸 것이다.
더불어, <표1> 및 <표2>에 개시된 수치는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)의 수치이다, 한편, <표3>에 개시된 수치는 일반적인 냉동시스템(미도시)의 수치이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 냉동시스템(1)은 2′~ 5 과정은 응축기(20)에서 기상냉매를 액상냉매로 응축하는 과정이며, 기압은 10bar이다. 온도는 2′ 의 54.63℃에서 5의 36.0℃로 온도가 하강한다. 엔탈피(Enthalpy)의 변화량은 2′의 485.84kJ/kg에서 255.5kJ/kg으로 변화하며 5에서 250.0kJ/kg이 된다. 이 때, 냉매량은 변화하지 않는다.
5 ~ 8 과정은 응축기(20)에서 응축된 냉매가 제1모세관(51)을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 5의 10bar에서 4bar로 감압된다. 온도는 하강하여 8에서 8.9℃가 된다. 제1기액분리기(61)에서 냉매가 기상냉매와 액상냉매로 분리된다. 분리된 액상냉매는 10에서 212.11kJ/kg으로 엔탈피가 변화하며, 냉매량은 0.802로 변화한다. 그리고, 분리된 기상냉매는 12의 제4압축부(14)로 유입되며, 403.72kJ/kg으로 엔탈피가 변화한다. 제4압축부(14)로는 0.198의 냉매량이 유입된다.
10 ~ 8′과정은 제2모세관(52)을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 4bar에서 2.5bar로 감압된다. 온도는 하강하여 8′에서 -4.28℃가 된다. 제2기액분리기(62)에서 냉매가 기상냉매와 액상냉매로 분리된다. 분리된 액상냉매는 10′에서 194.27kJ/kg으로 엔탈피가 변화하며, 냉매량은 0.802에서 0.7315로 변화한다. 그리고, 분리된 기상냉매는 12′의 제3압축부(13)로 유입되며, 396.08kJ/kg으로 엔탈피가 변화한다. 제3압축부(13)로는 0.0705의 냉매량이 유입된다. 제3압축부(13)에서 11′로 압축된다.
10′ ~ 8″과정은 제3모세관(53)을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 2.5bar에서 1.5bar로 감압된다. 온도는 하강하여 8″에서 -17.13℃가 된다. 제3기액분리기(63)에서 냉매가 기상냉매와 액상냉매로 분리된다. 분리된 액상냉매는 10″에서 177.36kJ/kg으로 엔탈피가 변화하며, 냉매량은 0.7315에서 0.673로 변화한다. 그리고, 분리된 기상냉매는 12″의 제2압축부(12)로 유입되며, 388.32kJ/kg으로 엔탈피가 변화한다. 제2압축부(12)로는 0.0585의 냉매량이 유입된다. 제2압축부(12)에서 11″로 압축된다.
10″ ~ 6′과정은 제4모세관(54)을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 1.5bar에서 1bar로 감압된다.
6′~ 1 과정은 증발기(30)에서 주위의 공기와 열교환하는 과정이다. 온도는 -16.36℃로 변화하며, 엔탈피는 177.36kJ/kg에서 390.83kJ/kg으로 변화한다. 0673의 냉매량은 제1압축부(11)로 유입된다.
상기와 같이, <표1>에 개시된 수치로 본 발명의 제1실시예에 따른 성능계수를 계산한다. 성능계수는 냉동시스템(1)의 냉각효율을 나타내며, 증발기(30)에서 흡수한 열량을 압축기(10)가 한 일로 나눈 값이다.
즉, 성능계수(COP : Coefficient of Performance) =
Figure 112006056135741-PAT00001
= 3.275가 된다.
<표1>
P. bar T. ℃ Enthalpy, kJ/kg Mass flow division
10 36.0←54.63 250.0←255.5←435.84 1.0
4 8.9 212.11←250.0→403.72 0.802←1.0→0.198
2.5 -4.28 194.27←212.11→396.08 0.7315←0.802→0.0705
1.5 -17.23 177.36←194.27→368.32 0.673←0.7315→0.0585
1 -26.36→-16.36 165.44←177.36→382.60→390.83 0.673
본 발명의 제2실시예에 따른 냉동시스템(1) 2′~ 5 과정은 응축기(20)에서 기상냉매를 액상냉매로 응축하는 과정이며, 기압은 10bar이다. 온도는 2′ 의 55.7℃에서 5의 34.5℃로 온도가 하강한다. 엔탈피(Enthalpy)의 변화량은 2′의 437.03kJ/kg에서 255.5kJ/kg으로 변화하며 5에서 248.3kJ/kg이 된다. 이 때, 냉매량은 변화하지 않는다.
5 ~ 8 과정은 응축기(20)에서 응축된 냉매가 제1모세관(51)을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 5의 10bar에서 2.5bar로 감압된다. 온도는 하강하여 8에서 -4.28℃가 된다. 기액분리기(90)에서 냉매가 기상냉매와 액상냉매로 분리된다. 분리된 액상냉매는 10에서 194.27kJ/kg으로 엔탈피가 변화하며, 냉매량은 0.733로 변화한다. 그리고, 분리된 기상냉매는 12의 제2압축부(12)로 유입되며, 396.08kJ/kg 으로 엔탈피가 변화한다. 제2압축부(12)로는 0.267의 냉매량이 유입된다.
10″ ~ 6′과정은 제2모세관을 지나면서 감압되는 과정이다. 기압은 2.5bar에서 1bar로 감압된다.
6′~ 1 과정은 증발기(30)에서 주위의 공기와 열교환하는 과정이다. 온도는 -16.36℃로 변화하며, 엔탈피는 194.27kJ/kg에서 390.83kJ/kg으로 변화한다. 0733의 냉매량은 제1압축부(11)로 유입된다.
상기와 같이, <표2>에 개시된 수치로 본 발명의 제2실시예에 따른 성능계수를 계산한다. 성능계수는 냉동시스템(1)의 냉각효율을 나타내며, 증발기(30)에서 흡수한 열량을 압축기(10)가 한 일로 나눈 값이다.
즉, 성능계수(COP : Coefficient of Performance) =
Figure 112006056135741-PAT00002
= 3.275가 된다.
<표2>
P. bar T. ℃ Enthalpy, kJ/kg Mass flow division
10 34.5←55.7 248.3←255.5←437.03 1.0
2.5 -4.28 194.27←248.3→396.08 0.733←1.0→0.267
1 -26.36→-16.36 165.44←194.27→382.60→390.83 0.733
한편, 일반적인 냉동시스템(미도시)의 성능수치는 <표3>과 같다.
<표3>
P. bar T. ℃ Enthalpy, kJ/kg Mass flow division
10 34.5←59.87 247.27←255.5←441.39 1.0
1 -26.36→-16.36 165.44←247.27→382.60→390.83 1.0
<표3>에 개시된 수치로 일반적인 냉동시스템(미도시)의 성능계수를 계산한다. 성능계수는 냉동시스템(미도시)의 냉각효율을 나타내며, 증발기(미도시)에서 흡수한 열량을 압축기(미도시)가 한 일로 나눈 값이다.
즉, 성능계수(COP : Coefficient of Performance) =
Figure 112006056135741-PAT00003
= 2.677가 된다.
따라서, 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)의 성능계수와 일반적인 냉동시스템(미도시)의 성능계수를 비교해보면 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 냉동시스템(1)의 냉각효율이 향상된 것을 알 수 있다.
전술한 실시예들에서 감압부의 길이에 따라 액상냉매와 기상냉매의 냉매량을 알 수 있으므로, 기액분리기에서 분리되어 압축기로 들어가는 냉매량을 알 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서는 기액분리기로부터 분리되어 바이패스배관을 통해 수령한 기상냉매와 증발기로부터 냉매배관을 통해 수령한 기상냉매를 각각 압축하는 복수의 다단 압축부를 갖는 압축기를 포함한다.
그러나, 전술한 실시예들과는 달리, 기액분리기로부터 분리되어 바이패스배관을 통해 수령한 기상냉매과 증발기로부터 냉매배관을 통해 수령한 기상냉매를 함 께 압축하는 단일 압축부를 갖는 압축기를 사용할 수도 있음을 밝혀둔다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기액분리기로부터 분리되어 압축기로 유입되는 냉매량을 조절할 수 있고, 이에 따라 냉각성능을 향상시킬 수 있는 냉동시스템이 제공된다.

Claims (5)

  1. 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 냉동시스템에 있어서,
    상기 응축기와 상기 증발기 사이에 직렬로 배치되는 복수의 감압부와;
    상기 감압부들 사이에 마련되어, 기상 및 액상냉매를 분리하는 적어도 하나의 기액분리기와;
    상기 기액분리기로부터 분리된 기상냉매를 상기 압축기로 전달하는 바이패스배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감압부는 n개 이상으로 이루어지며,
    상기 압축기는 (n-1)개의 상기 기액분리기로부터 수령한 기상냉매와 상기 증발기로부터 수령한 기상냉매를 각각 압축하는 복수의 n단 압축부를 갖는 것을 특징으로 하는 냉동시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증발기는 복수개로 이루어지며, 상기 각 증발기는 상호 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 냉동시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 감압부는 모세관과 팽창밸브 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 응축기로부터 상기 감압부로 유동하는 냉매와 상기 증발기로부터 상기 압축기로 유동하는 냉매를 상호 열교환하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템.
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