KR20110091393A - 냉동사이클장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동사이클장치에 관한 것이다. 본 발명은 복수 개의 압축기 중에서 어느 한 개의 압축기가 임의의 조건에서는 추가운전을 하지 못하도록 제한됨으로써, 시스템의 운전조건이 그 시스템이 최대한 허용하는 운전조건을 벗어나는 것을 미연에 방지할 수 있고 이를 통해 보호장치에 의해 시스템이 자주 온/오프가 반복되지 않고 지속적으로 운전상태를 유지할 수 있도록 하여 공랭식 냉각장치의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

냉동사이클장치{RERIGERATION CYCLE APPARATUS}

본 발명은 냉각장치에 관한 것으로, 특히 복수 개의 압축기가 구비되는 경우 일정 조건 이상에서는 압축기가 추가로 기동되는 것을 제한하여 시스템이 자주 온/오프되는 것을 방지할 수 있는 냉동사이클 장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클 장치는 열 매체의 방열방식에 따라 수냉식과 공랭식으로 구분할 수 있다. 수냉식 냉각장치는 냉각탑에서 열 매체를 비산시켜 방열하는 방식이고, 공랭식 냉각장치는 열 매체가 흐르는 열교환기를 공기와 접촉시켜 방열하는 방식이다.

공랭식 냉각장치는 외기의 온도 변화에 대응하여 최소한의 에너지로 열 매체를 거의 실온으로 냉각할 수 있다. 하지만, 밀폐 증발식 냉각탑은 산수조, 집수조, 양수 펌프 등이 필요하며 구조가 복잡하다. 또, 산수용 물의 공급원이 필요하므로 설치 장소가 제한된다. 또, 보급수의 수질이 나쁜 경우나, 분진, 매연, 염분 등을 포함하는 설치환경이 나쁜 장소에서는 배관에 부식이나 스케일이 발생하므로 정기적인 보수 점검이 번거롭다.

반면, 공랭식 냉각장치는 전열관에 물을 뿌리지 않으므로 산수조나 집수조 등이 불필요하다. 이에 따라, 공랭식 냉각장치는 산수에 의한 전열관의 부식이나 스케일이 발생하지 않아 수냉식 냉각 장치보다 보수가 간단하다. 또, 냉각수를 공급하는 펌프가 불필요하여 소비 전력을 절약할 수 있다.

도 1은 종래의 공랭식 냉각장치를 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 공랭식 냉각장치는, 케이스(미도시)의 내부에 복수 개의 압축기(1)(2)들과, 제1 열교환기(3)와, 팽창 밸브(4)와, 그리고 제2 열교환기(5)로 된 냉동사이클이 설치되고, 상기 케이스의 상면 또는 측면에는 외부의 공기를 흡입하여 제1 열교환기(3)와 열교환되도록 하기 위한 흡기팬(6)이 설치되며, 상기 제2 열교환기(5)에는 실내기들로 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 열매체 순환관(7)이 열교환되도록 연결되어 있다.

상기와 같은 종래의 공랭식 냉각장치는, 압축기(1)(2)들에서 고온,고압으로 압축된 냉매를 응축기(3)에서 공기를 열 매체로 사용하여 방열하고 팽창 밸브(4)에서 저온, 저압으로 만든 후 증발기(5)에서 물과 열교환하여 그 열교환된 물을 냉방 열원으로 사용하는 곳에 공급하게 된다.

그리고 상기와 같은 종래의 공랭식 냉각장치에서는 공랭식 냉각장치의 효율을 높이기 위해 복수 개의 압축기(1)(2)를 구비하고 그 복수 개의 압축기(1)(2)를 병렬로 연결하여 부하변동에 대응하고 있다. 하지만, 복수 개의 압축기(1)(2)가 냉매의 압력을 과도하게 상승시킬 경우, 실외온도가 과도하게 높거나 냉매가 과다하게 봉입되었을 때 또는 같은 사이클에서 보수 개의 압축기가 불필요하게 추가 기동하는 경우에는 오히려 공랭식 냉각장치에 심각한 고장을 유발할 수 있다. 따라서 상기 공랭식 냉각장치에는 그 시스템이 허용 압력 이하에서 관리될 수 있도록 압력 스위치와 같은 보호장치(미도시)가 구비되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 공랭식 냉각장치는, 도 2에서와 같이 시스템이 허용하는 최고압력 이상으로 압축기가 추가 기동을 하는 경우에는 상기 보호장치(미도시)가 작동하여 시스템 전체를 정지(shut down)시켜 시스템을 보호하게 된다. 하지만, 상기 시스템이 일시적으로 허용 최고 압력을 초과하는 경우에도 시스템 전체를 정지시키게 되어 잦은 시스템의 온/오프로 인해 시스템에 대한 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 시스템 전체가 정지되지 않으면서도 시스템이 허용 최고 압력을 초과하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 공랭식 냉각장치를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 복수 개의 압축기가 병렬 연결되고, 부하에 따라 복수 개의 압축기 중에서 제1 압축기가 단독운전을 하거나 제2 압축기가 추가운전을 하는 냉동사이클장치에 있어서, 상기 제2 압축기가 임의의 조건에서는 추가운전을 하지 못하도록 제한되는 냉동사이클 장치가 제공된다.

여기서, 상기 임의의 조건은 상기 제1 압축기가 최초 기동할 때의 기동압력과 시스템이 최대 허용하는 허용압력을 기준으로 하여 상기 기동압력보다는 높고 허용압력보다는 낮은 압력으로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 임의의 조건은 시스템이 정상운전을 할 때의 운전온도와 시스템이 최고 허용하는 허용온도를 기준으로 하여 상기 운전온도보다는 높고 허용온도보다는 낮은 온도로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 복수 개의 압축기; 상기 복수 개의 압축기와 연결되는 응축기; 상기 응축기의 출구에 연결되는 팽창기; 상기 팽창기의 출구에 연결되는 증발기; 및 상기 복수 개의 압축기가 임의의 특정압력을 기준으로 그 특정압력 이상에서는 복수 개의 압축기 중에서 일부만 운전을 하도록 하는 반면, 특정압력 이하에서는 복수 개의 압축기가 함께 운전을 하도록 제어하는 제어유닛;을 포함하는 냉동사이클 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 제어유닛은, 상기 시스템의 압력을 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출되는 압력을 시스템이 최대 허용하는 허용압력과 비교하여 추가운전이 가능한지를 판단하는 판단부와, 상기 판단부에 의해 판단된 내용에 따라 상기 복수 개의 압축기 운전을 선택적으로 제어하는 지령부로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 제어유닛은 시스템의 운전온도도 검출하여 그 운전온도가 시스템이 허용하는 최고온도 이상에서는 추가운전을 제한하도록 제어할 수 있다.

본 발명에 의한 공랭식 냉각장치는, 복수 개의 압축기 중에서 어느 한 개의 압축기가 임의의 조건에서는 추가운전을 하지 못하도록 제한됨으로써, 시스템의 운전조건이 그 시스템이 최대한 허용하는 운전조건을 벗어나는 것을 미연에 방지할 수 있고 이를 통해 보호장치에 의해 시스템이 자주 온/오프가 반복되지 않고 지속적으로 운전상태를 유지할 수 있도록 하여 공랭식 냉각장치의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 공랭식 냉각장치의 일례를 개략적으로 보인 계통도,
도 2는 도 1에 따른 공랭식 냉각장치의 운전 그래프,
도 3은 본 발명 공랭식 냉각장치의 일례를 개략적으로 보인 계통도,
도 4는 도 3에 따른 공랭식 냉각장치에서 제어유닛을 보인 블록도,
도 5는 도 3에 따른 공랭식 냉각장치의 운전 그래프.

이하, 본 발명에 의한 공랭식 냉각장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 공랭식 냉각장치의 일례를 개략적으로 보인 계통도이고, 도 4는 도 3에 따른 공랭식 냉각장치에서 제어유닛을 보인 블록도이며, 도 5는 도 3에 따른 공랭식 냉각장치의 운전 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 공랭식 칠러는, 복수 개가 서로 병렬 연결되는 압축기(편의상, 제1 압축기와 제2 압축기로 구분한다)(11)(12)와, 상기 복수 개의 압축기(11)(12)와 연결되어 고온,고압의 냉매를 응축하는 응축기(20)와, 상기 응축기(20)에서 응축된 고온,고압의 액냉매를 팽창시키는 팽창기(30)와, 상기 팽창기(30)에서 저온,저압으로 팽창되는 액냉매를 증발시키는 증발기(40)와, 상기 복수 개의 압축기(11)(12) 중에서 일부의 운전을 선택적으로 제한하는 제어유닛(50)으로 이루어진다.

상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)는 동일한 용량이거나 또는 서로 다른 용량으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)는 부하변동에 따라 순차적으로 운전을 할 수 있도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 칠러가 작동되면 제1 압축기(11)가 먼저 운전을 시작하고 이어서 부하가 증가하면 제2 압축기(12)가 운전을 시작하도록 제어될 수 있다. 그리고 부하가 다시 감소하면 제2 압축기(12)가 먼저 운전을 정지하고 이어서 부하가 더 감소하면 제1 압축기(11)가 운전을 정지하도록 제어될 수 있다.

상기 응축기(20)는 냉매관이 지그재그(meander) 모양으로 형성되고, 그 냉매관의 길이방향으로 소정 간격을 두고 복수의 방열부재가 설치되어 이루어진다. 그리고, 상기 응축기(20)의 일측에는 공기와 열교환될 수 있도록 흡기팬(60)이 설치된다.

상기 증발기(40)는 스테인레스로판에 헤링본(herringbone)무늬의 복잡한 유로(channel)가 양각형태로 형성된 복수 개의 전열판(미도시)이 적층되는 판형 열교환기(plate heat exchanger)가 주로 사용될 수 있다. 상기 판형 열교환기는 그 모서리에 냉매가 순환 이동하는 냉매유로와 물과 같은 열 매체가 순환 이동하는 매체유로가 서로 분리되어 흐르도록 각각의 입출구가 독립적으로 형성된다. 그리고 상기 판형 열교환기는 유로가 복잡하게 형성됨에 따라 유체의 활발한 난류유동을 유도할 수 있어 높은 열전도계수를 갖을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전열판 각 접점들이 진공상태에서 브레이징 될 때 콤팩트한 열교환기로 제작되어 기존의 쉘 앤드 튜브 방식 열교환기(shell and tube type heat exchanger)에 비해서는 훨씬 가볍고 구조가 단순하면서도 전열면적은 크게 확장될 수 있다.

그리고, 상기 증발기(40)는 냉매가 그 증발기(40)로 유입되는 냉매측 입구와 냉매가 그 증발기(40)에서 유출되는 냉매측 출구가 각각 형성되고, 상기 냉매측 입구와 냉매측 출구는 압축기 등과 함께 냉동사이클을 이루는 냉매관이 폐루프를 이루도록 연결된다.

그리고 상기 증발기(40)는 열 매체(예를 들어, 물)가 실내에 설치된 공기조화기(Air Handling Unit:AHU) 또는 팬코일유닛(Fan Coil Unit:FCU)와 같은 실내기와 열 교환될 수 있도록 매체입구와 매체출구가 구비되어 열매체 순환관(70)이 폐루프를 이루도록 연결 설치된다.

상기 제어유닛(50)은 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)가 임의의 특정압력, 예를 들어 칠러가 기동할 때의 기동압력과 칠러가 최고로 허용할 때의 허용압력 사이의 특정압력을 기준으로 그 특정압력 이상에서는 제1 압축기(11)만 운전을 하도록 하는 반면, 특정압력 이하에서는 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)가 함께 운전을 하도록 제어하는 역할을 한다.

이를 위해, 상기 제어유닛(50)은, 상기 압축기(11)(12)들의 토출측 냉매관에 설치되는 압력 센서(80)와 전기적으로 연결되어 상기 시스템의 압력을 검출하는 검출부(51)와, 상기 검출부(51)에서 검출되는 압력을 시스템이 최대 허용하는 허용압력과 비교하여 추가운전이 가능한지를 판단하는 판단부(52)와, 상기 판단부(52)에 의해 판단된 내용에 따라 상기 복수 개의 압축기 운전을 선택적으로 제어하는 지령부(53)로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 지령부(53)는 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)를 동시에 제어할 수도 있으나 통상 제1 압축기(11)는 상시 운전을 하므로 가급적 제2 압축기(12)를 선택적으로 제어할 수 있다. 그리고 상기 지령부(53)은 보호장치(90)와도 전기적으로 연결되어 시스템이 과도하게 과압되는 경우 시스템을 정지시킬 수도 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 히트펌프식 칠러는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 히트펌프식 칠러가 낮은 부하에서 사용되는 경우에는 도 5에서와 같이, 상기 제1 압축기(11)만 작동하여 그 제1 압축기(11)에서 토출되는 냉매가 상기 응축기(20)에서 응축되어 상기 팽창기(30)에서 팽창되고, 이 냉매는 다시 증발기(40)에서 증발되면서 상기 열매체 순환관(70)을 통과하는 물과 열교환되어 그 열매체 순환관(70)의 물을 냉각한 후 제1 압축기(11)로 다시 흡입된다. 그러면, 상기 증발기(40)에서 냉각된 냉수는 열매체 순환관(70)에 의해 실내기의 열교환기로 전달되어 실내를 냉방시키게 된다.

하지만, 상기 실내기에서 감지되는 실내 온도가 설정 온도 이상으로 상승하게 되면 상기 히트펌프식 칠러의 제2 압축기(12)가 운전을 개시하여 제1 압축기(11)와 함께 작동을 하게 되고, 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)에서 토출되는 냉매가 서로 합해져 응축기(20)와 팽창기(30) 그리고 증발기(40)를 통해 다시 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)로 순환하고 이 과정에서 상기 열매체 순환관(70)을 통해 이동하는 물과 열교환되어 실내기를 냉기를 전달하는 일련의 과정을 진행하게 된다.

여기서, 상기 공랭식 칠러의 소정 위치, 예를 들어 상기 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)의 토출측에 구비되는 압력 센서(80)에 의해 상기 압축기(11)(12)들에서 토출되는 냉매의 토출압력이 특정압력 이상으로 상승하는 경우에는 예를 들어, 상기 제2 압축기(12)가 추가 기동하는 것을 제한하여 시스템의 압력이 그 시스템이 최대한 허용하는 허용압력 이상으로 상승하는 것을 미연에 방지한다. 이를 통해 상기 시스템에 구비되는 보호장치(90)에 의해 시스템이 자주 온/오프되는 것을 방지함으로써 시스템이 운전을 지속하도록 하여 공랭식 칠러의 신뢰성을 높일 수 있다.

한편, 상기 제어유닛(50)은 시스템의 운전온도를 검출하여 그 운전온도가 시스템이 허용하는 최고온도 이상에서는 추가운전을 제한하도록 제어할 수도 있다. 즉, 상기 압축기(11)(12)들의 토출측에 온도센서(80)를 설치하여 상기 압축기(11)(12)들에서 토출되는 냉매의 온도를 검출하고, 이 온도가 상기 제어유닛(50)의 판단부(52)에 설정된 최고 허용온도 이상으로 상승하는 경우에는 상기 압축기(11)(12)들이 과도하게 일을 하는 것으로 판단하여 상기 제2 압축기(12)가 추가 기동하는 것을 제한한다. 이를 통해 상기 시스템의 보호장치(90)가 작동하는 것을 미연에 방지하여 시스템이 자주 온/오프되지 않도록 함으로써 시스템에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 제어유닛은 시스템의 운전압력과 운전온도를 모두 검출하여 그 중 어느 하나라도 특정조건 이상으로 상승하는 경우 복수 개의 압축기가 추가 기동하는 것을 방지하도록 제어할 수도 있다.

본 발명에 의한 공랭식 냉각장치는, 상기와 같은 복수 개의 단위 냉각장치가 연접되도록 배치되어 소형 건물에 설치될 수도 있고, 다수 개의 단위 냉각장치가 연접되도록 배치되어 대형 건물에 설치될 수도 있다.

11,12 : 압축기 20 : 응축기
30 : 팽창기 40 : 증발기
50 : 제어유닛 60 : 흡기팬
70 : 열매체 순환관 80 : 센서
90 : 보호장치

Claims (6)

1. 복수 개의 압축기가 병렬 연결되고, 부하에 따라 복수 개의 압축기 중에서 제1 압축기가 단독운전을 하거나 제2 압축기가 추가운전을 하는 냉동사이클장치에 있어서,
   상기 제2 압축기가 임의의 조건에서는 추가운전을 하지 못하도록 제한되는 냉동사이클 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 임의의 조건은 상기 제1 압축기가 최초 기동할 때의 기동압력과 시스템이 최대 허용하는 허용압력을 기준으로 하여 상기 기동압력보다는 높고 허용압력보다는 낮은 압력인 냉동사이클 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 임의의 조건은 시스템이 정상운전을 할 때의 운전온도와 시스템이 최고 허용하는 허용온도를 기준으로 하여 상기 운전온도보다는 높고 허용온도보다는 낮은 온도인 냉동사이클 장치.
4. 복수 개의 압축기;
   상기 복수 개의 압축기와 연결되는 응축기;
   상기 응축기의 출구에 연결되는 팽창기;
   상기 팽창기의 출구에 연결되는 증발기; 및
   상기 복수 개의 압축기가 임의의 특정압력을 기준으로 그 특정압력 이상에서는 복수 개의 압축기 중에서 일부만 운전을 하도록 하는 반면, 특정압력 이하에서는 복수 개의 압축기가 함께 운전을 하도록 제어하는 제어유닛;을 포함하는 냉동사이클 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어유닛은,
   상기 시스템의 압력을 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출되는 압력을 시스템이 최대 허용하는 허용압력과 비교하여 추가운전이 가능한지를 판단하는 판단부와, 상기 판단부에 의해 판단된 내용에 따라 상기 복수 개의 압축기 운전을 선택적으로 제어하는 지령부로 이루어지는 냉동사이클 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 제어유닛은 시스템의 운전온도도 검출하여 그 운전온도가 시스템이 허용하는 최고온도 이상에서는 추가운전을 제한하도록 제어하는 냉동사이클 장치.

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