KR20080111150A

KR20080111150A - 냉동장치

Info

Publication number: KR20080111150A
Application number: KR1020087028362A
Authority: KR
Inventors: 가쯔미 사키타니; 마사카즈 오카모토; 에이지 구마쿠라; 데쯔야 오카모토
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-22
Also published as: JP2007327696A; AU2007255673A1; WO2007142332A1; US20090183524A1; EP2026018A1; CN101449116A

Abstract

압축기(20)와 방열기(14)와 팽창기(30)와 냉각기(15)가 냉매배관에 의하여 차례로 접속된 냉매회로(11)를 구비하며, 이 압축기(20)가 갖는 압축기구(21)에 전동기(23)의 회전축(22)이 연결되고, 이 팽창기(30)가 갖는 팽창기구(31)에 발전기(33)의 회전축(32)이 연결된 냉동장치에 있어서, 장치 기동 시에 팽창기(30)를 확실하게 동작시켜 시스템의 기동을 보증하며, 기동 시의 기동성능을 확실하게 제어할 수 있도록 하기 위하여 발전기(33)를 전동기(23)로서 기능시키기 위한 전기입력기구(41, 43)를 구비한다.

냉매회로, 팽창기, 발전기, 전기입력기구, 제어기구

Description

냉동장치{REFRIGERATION DEVICE}

본 발명은, 냉동사이클의 팽창기구로서 동력회수용 팽창기를 구비하며, 이 팽창기와 압축기가 기계적으로 축으로 연결되지 않고, 팽창기에 발전기가 연결된 형식의 냉동장치에 관한 것이다.

종래, 냉매회로에서 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 행하는 냉동장치가 알려져 있으며, 공조기 등의 용도에 널리 이용되고 있다. 예를 들어 특허문헌1(일본 특허공개 2000-241033호 공보)에는, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 팽창시키는 동력회수용 팽창기를 구비한 냉동장치가 개시되었다. 이 특허문헌1의 도 1에 기재된 냉동장치에서는, 팽창기가 압축기에 1개의 축으로 기계적으로 연결되어 팽창기에서 얻어진 동력이 압축기 구동에 이용되도록 구성된다.

또, 특허문헌1의 도 6에 기재된 냉동장치에서는, 압축기와 팽창기는 기계적으로 연결되지 않고,압축기에 전동기가, 팽창기에 발전기가 각각 연결되어 압축기와 팽창기가 서로 독립된다. 이 냉동장치는, 압축기가 전동기로 구동되어 냉매를 압축하는 한편, 발전기가 팽창기로 구동되어 발전을 행한다.

[발명의 개시]

[발명이 해결하고자 하는 과제]

여기서, 압축기와 팽창기가 1개의 축으로 기계적 연결된 경우, 장치 기동 시에는, 압축기에 연결된 전동기의 구동력에 의하여 팽창기도 동시에 동작을 개시한다. 그러나, 압축기와 팽창기가 축으로 연결되지 않은 경우, 장치 기동 시에는 압축기를 전동기로 동작시키면 팽창기 전후에서 압차가 발생하기는 하나, 팽창기의 기동 토크가 부족하여 팽창기가 동작하지 않는 경우가 있다. 이와 같이 압축기와 팽창기가 기계적으로 서로 독립된 시스템에서는 장치를 정상적으로 기동할 수 없을 경우가 있어, 기동 시의 기동성능을 확실하게는 제어할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 팽창기가 압축기에 축으로 기계적으로 연결되지 않고 발전기에 접속된 냉동장치에 있어서, 장치의 기동 시 팽창기를 확실하게 동작시켜 시스템의 기동을 보증하고, 기동 시의 기동성능을 확실하게 제어할 수 있도록 하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

제1 발명은, 압축기(20)와 방열기(14)와 팽창기(30)와 냉각기(15)가 냉매배관에 의하여 차례로 접속된 냉매회로(11)를 구비하며, 이 압축기(20)가 갖는 압축기구(21)에 전동기(23)의 회전축(22)이 연결되고, 이 팽창기(30)가 갖는 팽창기구(31)에 발전기(33)의 회전축(32)이 연결된 냉동장치(10)를 전제로 한다.

그리고, 이 냉동장치(10)는, 상기 발전기(33)를 전동기(23)로서 기능시키기 위한 전기입력기구(41, 43)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

제1 발명에서는, 예를 들어 기동 시 전기입력기구(41, 43)에 의하여 발전기(33)를 전동기(23)로서 기능시킬 수 있다. 그리고, 기동 시에 발전기(33)가 전동기(23)로서 기능하면, 팽창기(30) 전후의 압차와 관계없이 팽창기(30) 자신이 회전한다. 따라서, 장치가 정상적으로 기동한다.

제2 발명은 제1 발명에 있어서, 상기 팽창기(30)의 기동 시에 상기 발전기(33)의 전기입력기구(41, 43)를 동작시키는 제어기구(45)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 제2 발명은, 제어기구(45)를 배치하여 팽창기(30) 기동 시에 발전기(33)를 전동기(23)로서 이용함으로써, 기동 시의 팽창기(30) 동작을 보다 확실하게 행할 수 있다. 또, 기동 후는, 팽창기(30)의 회전에 의하여 발전기(33)로 발전시킴으로써 동력을 회수할 수 있다.

제3 발명은 제1 또는 제2 발명에 있어서, 냉매회로(11)의 냉매가 이산화탄소로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 제3 발명에서는 이산화탄소를 냉매로 하는 냉매회로(11)에서 팽창기(30)를 이용하여 동력회수를 하는 냉동장치(10)에 있어서, 기동 시에는 팽창기(30)에 접속된 발전기(33)를 전동기(23)로서 이용하여 기동제어를 하고, 통상운전 시에는 발전기(33)를 발전기(33)로서 이용하여 동력을 회수할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 전기입력기구(41, 43)에 의하여 발전기(33)를 전동기(23)로서 기능시킬 수 있다. 예를 들어, 기동 시에 발전기(33)가 전동기(23)로서 기능하면, 팽창기(30) 전후의 압차와는 관계없이 팽창기(30) 자신이 회전하므로, 장치가 정상적으로 기동하여 기동 시의 기동 성능을 확실하게 제어할 수 있다.

상기 제2 발명에 의하면, 상기 팽창기(30)의 기동 시 상기 발전기(33)의 전기입력기구(41, 43)를 동작시키는 제어기구(45)를 배치함으로써, 기동 시의 팽창기(30) 동작을 보다 확실하게 행할 수 있다. 따라서, 기동 시의 기동 성능을 보다 확실하게 제어할 수 있다.

상기 제3 발명에 의하면, 이산화탄소를 냉매로 하는 냉매회로(11)에서 팽창기(30)를 이용하여 동력회수를 하는 냉동장치(10)에 있어서, 기동 시에는 팽창기(30)에 접속된 발전기(33)를 전동기(23)로서 이용하여 기동제어를 하고, 통상운전 시에는 발전기(33)를 발전기(33)로서 이용하여 동력을 회수할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 냉동장치의 냉매회로도이다.

도 2는, 압축기의 전동기와 팽창기의 발전기의 전기제어를 나타낸 블록도이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 냉동장치 11 : 냉매회로

14 : 방열기 15 : 냉각기

20 : 압축기 21 : 압축기구

22 : 구동축(회전축) 23 : 전동기

30 : 팽창기 31 : 팽창기구

32 : 출력축(회전축) 33 : 발전기

41 : 제1 변환기(전기입력기구) 42 : 제2 변환기

43 : 제3 변환기(전기입력기구) 45 : 제어기(제어기구)

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 냉동장치(10)는 냉매회로(11)를 구비한다. 이 냉매회로(11)는, 압축기(20)와 방열기(14)와 팽창기(30)와 냉각기(15)가 냉매배관에 의하여 차례로 접속된다. 냉매회로(11)에는, 냉매로서 이산화탄소(CO₂)가 충전된다. 또, 압축기(20)와 팽창기(30)는 거의 같은 높이로 배치된다.

압축기(20)는, 이른바 고압 돔형의 전밀폐형 압축기다. 이 압축기(20)는, 세로로 긴 원통형으로 형성된 압축기 케이싱(24)을 구비한다. 압축기 케이싱(24) 내부에는, 압축기구(21)와 전동기(23)와 구동축(회전축)(22)이 수용된다. 압축기구(21)는, 이른바 로터리식 용적형 유체기계로 구성된다. 압축기 케이싱(24) 내에는, 압축기구(21)의 상방에 전동기(23)가 배치된다. 구동축(22)은, 상하방향으로 이어지는 자세로 배치되며, 압축기구(21)와 전동기(23)를 연결한다.

압축기 케이싱(24)에는, 흡입관(25)과 토출관(26)이 배치된다. 흡입관(25)은, 압축기 케이싱(24)의 보디부 하단 부근을 관통하며, 그 종단이 압축기구(21)에 직접 접속된다. 토출관(26)은, 압축기 케이싱(24)의 상단 부근을 관통하며, 그 시작단이 압축기 케이싱(24) 내의 전동기(23) 상측 공간으로 개구된다. 압축기구(21)는 흡입관(25)으로부터 흡입된 냉매를 압축시켜 압축기 케이싱(24) 내로 토 출한다.

압축기 케이싱(24)의 저부에는, 윤활유로서의 냉동기유가 저류된다. 즉, 압축기 케이싱(24) 내에는 오일 팬(27)이 형성된다.

구동축(22)은, 오일 팬(27)에서 압축기구(21)로 냉동기유를 공급하는 급유기구를 구비한다. 구동축(22) 내부에는, 도시하지 않으나 그 축 방향으로 이어지는 급유통로가 형성된다. 이 급유통로는, 구동축(22) 하단으로 개구됨과 더불어, 이른바 원심 펌프를 구성한다. 구동축(22) 하단은, 오일 팬(27)에 잠긴 상태이다. 구동축(22)이 회전하면, 원심 펌프의 작용으로 오일 팬(27)으로부터 급유통로로 냉동기유가 흡입된다. 급유통로로 흡입된 냉동기유는, 압축기구(21)로 공급되어 압축기구(21)의 윤활에 이용된다.

팽창기(30)는, 세로로 긴 원통형으로 형성된 팽창기 케이싱(34)을 구비한다. 팽창기 케이싱(34) 내부에는, 팽창기구(31)와 발전기(33) 및 출력축(회전축)(32)이 수용된다. 팽창기구(31)는 이른바 로터리식 용적형 유체기계로 구성된다. 팽창기 케이싱(34) 내에는, 팽창기구(31) 하방에 발전기(33)가 배치된다. 출력축(32)은, 상하방향으로 이어지는 자세로 배치되어 팽창기구(31)와 발전기(33)를 연결한다.

팽창기 케이싱(34)에는, 유입관(35)과 유출관(36)이 배치된다. 유입관(35)과 유출관(36)은 모두 팽창기 케이싱(34) 보디부의 상단 부근을 관통한다. 유입관(35)은, 그 종단이 팽창기구(31)에 직접 접속된다. 유출관(36)은 그 시작단이 팽창기구(31)에 직접 접속된다. 팽창기구(31)는, 유입관(35)을 통하여 유입된 냉매를 팽창시키며, 팽창 후의 냉매를 유출관(36)으로 보낸다. 즉, 팽창기(30)를 통 과하는 냉매는, 팽창기 케이싱(34)의 내부공간으로는 흘러들지 않고 팽창기구(31)만을 통과한다.

팽창기 케이싱(34) 저부에는, 윤활유로서의 냉동기유가 저류된다. 즉, 팽창기 케이싱(34) 내에는, 오일 팬(37)이 형성된다.

출력축(32)은, 오일 팬(37)에서 팽창기구(31)로 냉동기유를 공급하는 급유기구를 구비한다. 출력축(32) 내부에는, 도시하지 않으나 그 축방향으로 이어지는 급유통로가 형성된다. 이 급유통로는, 출력축(32) 하단으로 개구됨과 더불어, 이른바 원심 펌프를 구성한다. 출력축(32)의 하단은, 오일 팬(37)에 잠긴 상태이다. 출력축(32)이 회전하면, 원심 펌프 작용에 의하여 오일 팬(37)으로부터 급유통로로 냉동기유가 흡입된다. 급유통로로 흡입된 냉동기유는, 팽창기구(31)로 공급되어 팽창기구(31)의 윤활에 이용된다.

다음으로, 냉매회로(11)의 구성에 대하여 설명한다. 압축기(20)의 토출관(26)에는 제1 고압배관(P1)의 일단이 접속되며, 이 제1 고압배관(P1)의 타단은 팽창기 케이싱(34)의 발전기(33) 상방 위치에 접속된다. 팽창기 케이싱(34)의 발전기(33) 하방 위치에는 제2 고압배관(P2)의 일단이 접속되며, 이 제2 고압배관(P2)의 타단은 방열기(14)의 일단에 접속된다.

방열기(14) 타단에는 제3 고압배관(P3)의 일단이 접속되며, 제3 고압배관(P3)의 타단은 팽창기(30)의 유입관(35)에 접속된다. 팽창기(30) 유출관(36)에는 제1 저압배관(P4)의 일단이 접속되며, 제1 저압배관(P4)의 타단은 냉각기(15)의 일단에 접속된다. 냉각기(15) 타단에는 제2 저압배관(P5)의 일단이 접속되며, 제2 저압배관(P5)의 타단은 압축기(20)의 흡입관(25)에 접속된다.

방열기(14)는, 냉매를 제1 공기류(예를 들어 실외공기)와 열교환시키기 위한 공기열교환기(예를 들어 실외열교환기)이다. 냉각기(15)는, 냉매를 제2 공기류(예를 들어 실내공기)와 열교환시키기 위한 공기열교환기(예를 들어 실내열교환기)이다.

여기서, 압축기 케이싱(24)과 팽창기 케이싱(34) 사이에는, 압축기 케이싱(24) 내의 오일 팬(27)과 팽창기 케이싱(34)의 오일 팬(37)을 접속하는 균유관(38)이 배치된다. 또, 팽창기(30)에는 유면 센서(39)가 배치된다.

이 냉동장치(10)에는 배전반(40)이 배치된다. 이 배전반(40)은, 외부 교류전원(50)과, 압축기(20)의 전동기(23)와, 팽창기(30)의 발전기(33)에 접속된다. 상기 배전반(40)은, 발전기(33)를 전동기로서도 기능시키기 위한 전기입력기구(41, 43)로서의 기능을 구비한다. 또, 상기 배전반(40)은, 상기 압축기(20)의 기동 시에 상기 발전기(33)의 전기입력기구(41, 43)를 동작시키는 제어기(제어기구)(45)를 구비한다.

이 배전반(40)의 구성을, 도 2의 블록도를 이용하여 설명한다. 배전반(40)에는, 제1 변환기(41)와, 제2 변환기(42)와, 제3 변환기(43)가 배치된다. 제1 변환기(41)는, 교류전류를 직류전류로 변환시키는 A/D컨버터(CON1) 기능을 갖는다. 제2 변환기(42)는, 직류전류를 주파수 제어한 교류전류로 변환하는 인버터(INV1) 기능을 갖는다. 제3 변환기(43)는, A/D컨버터(CON2)의 기능과 인버터(INV2) 기능의 양쪽을 갖는다.

외부교류전원(50)은, 제1 변환기(41)로 교류전류를 공급하도록 접속된다. 제1 변환기(41)는, 제2 변환기(42)로 직류전류를 공급하도록 접속된다. 제2 변환기(42)는, 압축기(20)의 전동기(23)에 주파수 제어된 교류전류를 공급하도록 접속된다. 이로써, 전동기(23)의 회전수를 제어하여 압축기구(20)의 운전용량을 조정할 수 있다.

제1 변환기(41)에는, 제2 변환기(42)와 병렬로 제3 변환기(43)도 접속된다. 제3 변환기(43)는, 팽창기(30)의 발전기(33)에 전기적으로 접속된다. 통상 운전 시에는, 발전기(33)에서 발전된 교류전류가 제3 변환기(43)의 A/D컨버터(CON2)를 통하여 직류전류로 변환되어, 제1 변환기(41)로부터의 직류전류와 함께 제2 변환기(42)로 공급된다. 제2 변환기(42)의 인버터(INV1)에서는, 외부교류전원(50)으로부터 제1 변환기(41)에서 처리된 직류전류와 함께, 제3 변환기(43)로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하고, 압축기(20)의 전동기(23)로 공급한다.

냉동장치(10)의 기동 시에는, 외부교류전원(50)의 교류전류가 압축기(20)의 전동기(23)로 공급됨과 더불어, 팽창기(30)의 발전기(33)에도 공급된다. 이때, 제1 변환기(41)의 A/D컨버터(CON1)에 의하여 변환된 직류전류가, 제2 변환기(42)의 인버터(INV1)와 제3 변환기(43)의 인버터(INV2) 양쪽에서 주파수 제어된 교류로 변환된다. 그리고, 이들 교류전류가, 압축기(20)의 전동기(23)와 팽창기(30)의 발전기(33)에 공급된다.

이때, 제2 변환기(42)로는 압축기(20)의 회전수 지령이 입력되며, 제3 변환기(43)로는 팽창기(30)의 회전수 지령이 입력된다. 그리고, 이들 입력지령에 기초 하여 전동기(23) 및 발전기(33)에 공급되는 교류전류의 주파수가 제어된다.

-운전동작-

다음으로, 상기 냉동장치(10)의 동작에 대하여 설명한다.

<통상운전>

상기 냉동장치(10)의 운전 시에는, 냉매회로(11)에서 냉매가 순환하여 증기압축 냉동사이클이 이루어진다. 이 냉매회로(11)에서 이루어지는 냉동사이클은, 그 고압압력이, 냉매인 이산화탄소의 임계압력보다 높은 값으로 되도록 설정된다.

압축기(20)에서는, 전동기(23)에 의하여 압축기구(21)가 회전 구동된다. 압축기구(21)는, 흡입관(25)으로부터 흡입된 냉매를 압축시켜 압축기 케이싱(24) 내로 토출된다. 압축기 케이싱(24) 내의 고압냉매는, 토출관(26)을 통하여 압축기(20)로부터 토출된다. 압축기(20)로부터 토출된 냉매는, 팽창기 케이싱(34) 내에 충만된 후, 방열기(14)로 공급되어 제1 공기류(실외공기)에 방열한다. 방열기(14)에서 방열된 고압냉매는, 팽창기(30)의 팽창기구(31)로 유입된다.

팽창기(30)에서는, 유입관(35)을 통하여 팽창기구(31)로 유입된 고압냉매가 팽창되며, 이로써 발전기(33)가 회전 구동된다. 발전기(33)에서 발생한 전력은, 압축기(20)의 전동기(23)에 공급된다. 팽창기구(31)로 팽창된 냉매는, 유출관(36)을 통하여 팽창기(30)로부터 유출된다. 팽창기(30)로부터 유출된 냉매는, 냉각기(15)로 공급된다. 냉각기(15)에서는, 유입된 냉매가 제2 공기류(실내공기)로부터 흡열하고 증발하여 이 제2 공기류가 냉각된다. 냉각기(15)로부터 유출된 저압냉매는 압축기(20)의 흡입관(25)으로 유입된다.

또, 이 통상운전 시에는, 외부교류전원(50)의 교류전류가 제1 변환기(41)와 제2 변환기(42)를 통해 주파수 변환되어 압축기(20)의 전동기(23)에 공급됨과 더불어, 팽창기(30)의 발전기(33)에서 발전된 교류전류도 제2 변환기(42)를 통해 주파수 변환되어 압축기(20)의 전동기(23)에 공급된다. 이로써, 외부교류전원(50)으로부터의 공급전력량을 제어할 수 있다.

<기동 시의 동작>

기동 시에는, 제어기(45)로부터 팽창기(30)에 접속된 발전기(33)를 전동기(23)로서 사용하는 지령이 출력된다. 이에 따라, 외부교류전원(50)의 교류전류가 제1 변환기(41)와 제2 변환기(42)에서 주파수 변환되어 압축기(20)의 전동기(23)에 공급됨과 더불어, 상기 외부교류전원(50)의 교류전류는 제1 변환기(41)와 제3 변환기(43)에서도 주파수 변환되며, 이때는 전동기인 팽창기(30)의 발전기(33)에도 공급된다.

따라서, 압축기(20)를 기동시킬 수 있음과 동시에 팽창기(30)도 확실하게 기동시킬 수 있다.

-실시형태의 효과-

본 실시형태에 의하면, 전기입력기구(41, 43)에 의하여 팽창기(30)의 발전기(33)를 전동기로서 기능시킬 수 있다. 기동 시에 발전기(33)가 전동기로서 기능하면, 팽창기(30)의 전후 차압에는 관계없이 팽창기(30) 자신이 회전하므로 냉동장치(10)가 정상적으로 기동하여, 기동 시의 기동 성능을 확실하게 제어할 수 있다.

(그 밖의 실시형태)

상기 실시형태에 대해서는 다음과 같은 구성으로 해도 된다.

예를 들어, 상기 실시형태에서는 냉매가 한 방향으로만 순환하는 냉매회로에 대하여 설명했으나, 본 발명은 냉매의 순환방향이 반전 가능한 냉매회로에 적용해도 된다. 또, 실시형태의 냉매회로는 기본적인 회로구성만을 나타낸 것이며, 제품 설계 시에는 여러 가지 부속기기를 이용하여 회로가 구성된다.

여기서, 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 혹은 그 용도 범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명은, 냉동사이클의 팽창기구로서 동력회수용 팽창기를 구비하며, 이 팽창기와 압축기가 축으로 기계적 연결되지 않고, 팽창기에 발전기가 연결된 형식의 냉동장치에 대하여 유용하다.

Claims

압축기(20)와 방열기(14)와 팽창기(30)와 냉각기(15)가 냉매배관에 의하여 차례로 접속된 냉매회로(11)를 구비하며, 상기 압축기(20)가 갖는 압축기구(21)에 전동기(23)의 회전축(22)이 연결되고, 상기 팽창기(30)가 갖는 팽창기구(31)에 발전기(33)의 회전축(32)이 연결된 냉동장치에 있어서,

상기 발전기(33)를 전동기(23)로서 기능시키기 위한 전기입력기구(41, 43)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 팽창기(30)의 기동 시에 상기 발전기(33)의 전기입력기구(41, 43)를 동작시키는 제어기구(45)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 1에 있어서,

냉매회로(11)의 냉매가 이산화탄소로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.