KR20120032738A

KR20120032738A - 제빙장치

Info

Publication number: KR20120032738A
Application number: KR1020100094233A
Authority: KR
Inventors: 임효묵
Original assignee: 임효묵
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-06
Also published as: CN103221765B; KR101350947B1; EP2623902A2; CN103221765A; WO2012044041A2; WO2012044041A3; JP2013542393A; EP2623902A4; CA2813188A1; US20130160477A1; JP2017215138A

Abstract

개시된 본 발명의 일실시예에 의한 제빙장치는 냉매가 증발하면서 열에너지를 흡수하는 열교환기, 상기 열교환기의 내부에 횡형으로 설치되어 열매체가 통과하면서 상기 냉매와 열교환되는 복수 개의 열교환통로, 상기 열교환 통로와 연통되고, 상기 열매체가 상기 열교환 통로로 유입되는 유입실, 상기 열교환 통로와 연통되고, 열 교환된 상기 열매체가 상기 열교환 통로에서 배출되는 배출실, 봉형상의 봉부재 및 상기 봉부재의 외부에 나선 형상으로 돌출 형성된 블레이드를 포함하며 상기 열교환 통로 내부에 삽입되되 회전하면서 상기 열매체를 상기 유입실에서 상기 배출실 방향으로 이동시키는 스크래퍼 및 상기 스크래퍼의 구동력을 제공하는 구동유닛를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 나선 형상의 블레이드가 구비된 스크래퍼를 사용하고, 스크래퍼가 유입실 또는 배출실까지 연장 형성되어 유입실 또는 배출실에서 원활하게 열매체가 교반되도록 하므로, 고액 혼합 열매체의 상 분리에 의한 클로깅이나 응집을 방지할 수 있다.

Description

제빙장치{ICE MAKING DEVICE}

냉매의 증발로 인한 열에너지 흡수를 이용하여 제빙을 수행할 수 있는 제빙 장치가 개시된다. 보다 상세하게는 냉매와 열매체의 열교환을 위한 구조를 변경하여 효율성 및 생산성을 향상시킨 제빙장치가 개시된다.

일반적으로, 아이스슬러리(ice slurry)는 축열, 유동성, 냉각특성, 해빙 특성에서 기존의 방식에 비하여 매우 뛰어난 특성을 갖고 있어 축열 및 냉열 수송에서 많은 역할이 기대되며 차세대 냉난방 시스템의 핵심 기술 중의 하나로 인정되어 가고 있으나 수년 째 그 보급이 정체되고 있다. 많은 학자들과 연구 관계자들은 이러한 부진의 원인이 경제적이며 신뢰성이 높고 대용량이 가능하며 사후 관리가 편리한 제빙 장치의 부재에 있다고 판단하고 있다. 따라서 아이스 슬러리의 역할확대를 위해 가장 먼저 해결할 것은 제빙과 관련된 문제로 신뢰성이 높은 경제적 제빙 장치의 확보라고 할 수 있다.

이러한 제빙 장치는 현재까지 개발된 여러 가지 열교환기 형태 중 Shell & Tube 열교환기 형태의 제빙 장치에서 가능하다는 것이 현재 이용되고 있는 입형 다관식 열교환기를 사용하는 제품에서 부분적으로 입증되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 입형 Shell & Tube 형식의 제품은 모두 최대 용량으로 500kW/unit(제빙능력 기준)를 넘어서지 못하고 있다. 또한, 미국 제품의 경우 제빙장치로 얼음입자가 유입될 경우 가동이 불가능하여 직접 수송 시스템에 적용하기 어렵고 국내 제품의 경우 아이스슬러리 제빙 시 순환펌프 동력이 대용량이 될수록 크게 늘어나는 단점이 있다.

미국 특허 US5,768,894의 휩로드 방식에서는 축열매체를 상부에서 중력을 이용하여 전열관 모서리 위로 오버 플로우(over flow)시킴으로써 균일한 양의 축열매체가 다수의 전열관으로 유입되게 한 후 휩로드가 전열관 내부에서 오비탈(Orbital) 운전으로 고속 회전하면서 원심력에 의하여 전열관 내면을 밀착 선회하므로 얼음층이 고착되지 아니하고 아이스슬러리가 형성되어 전열관 하부로 중력에 의하여 흘러내려 모이게 되며 하부에 모인 아이스슬러리를 슬러리 펌프가 유입되는 양보다 조금 많거나 같은 양으로 흡입하여 배출시키는 구조로 아이스슬러리를 생산, 배출하고 있으나 이 장치에서는 유입실의 열매체 유속이 균등 분배를 위해 매우 늦어지게 되므로 소량의 얼음 입자라도 유입될 경우 제빙장치 유입실 상부에 얼음입자들이 정체하여 쌓이게 되고 결국 막히게 된다. 극히 유동성이 좋은 첨가제를 사용하더라도 이 문제는 쉽게 해결되지 않는다. 이 제품을 직접 수송 방식에 적용하기 위하여 축열조에 연결할 경우에는 필연적으로 축열조와 연결된 열매체 흡입구로 다량의 얼음입자가 들어올 수밖에 없으므로 제빙 장치의 유입실에서 자주 폐색이 일어나 운전이 매우 어려워지게 된다. 이런 이유에서 이 제품은 직접 수송에 사용되지 못하고 주로 아이스베드형의 축열조를 사용하는 냉방전용 빙축열 시스템에 주로 이용되고 있는 상황이다. 더구나 동력 전달 부품 중 핵심 부품인 드라이브 플레이트의 강도 문제로 대용량의 제품 제작이 어려워 큰 용량을 필요로 하는 지역 냉방 등 대규모 열원 시스템에는 적절하지 못한 단점이 있으며 구동 부품 등에서 이상 마모가 자주 일어나 장비 유지에 많은 비용이 발생하고 있으며, 아이스슬러리의 배출을 위한 제어문제에서 상당한 문제점을 드러내고 있다.국내 특허 10-0513219에서는 제빙 장치의 필수 해결할 기술적 요소 중의 하나로 아이스슬러리를 제빙장치에서 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있어야 함을 지적하고 있으며 그 구체적 형태로 역류형과 출구 수실에 출구 방향으로 경사진 안내판을 설치하는 안을 제시하고 있다. 하지만 이러한 장치에도 불구하고 제빙장치에서 얼음을 배출 시키기 위해서는 추가적인 펌프 양정으로 제빙 장치의 크기에 따라 수용액만을 순환시킬 때보다 0.2~0.8bar의 추가 양정이 필요하며 용량이 커질수록 추가 양정이 커지며 균일한 분배를 위한 기본 양정을 고려할 때 동력 손실이 더욱 커지게 된다. 더구나 제빙 장치 내부로 다량의 얼음 입자를 함유한 아이스슬러리가 유입될 경우 입구에서도 분배 과정에서 상 분리가 발생하여 부분적인 폐색이 발생할 수 있다. 따라서 제빙 장치로 아이스슬러리가 유입될 수밖에 없는 아이스슬러리 직접 수송 시스템에 사용할 제빙 장치는 보다 완벽한 배출 및 막힘 방지 장치가 필요하다.

한편, 유럽 및 북미에서 개발된 제빙 장치는 단관식 스크래퍼형 제품과 디스크형, 진공 이용형, 유동베드형 등이 있으나 모두 가격 경쟁력이 부족하거나 용량이 적어 열원기기로 사용하기에는 부적합하거나, 순환 및 신뢰성에 문제가 있어 특정 용도로만 사용되고 있다. 소용량의 단관식 제품은 뛰어난 신뢰성과 우수한 순환특성에도 불구하고 용량의 제약과 가격 경쟁력의 부족으로 인하여 수산물의 냉각 등 일부에 제한적으로 사용되고 있으며, 진공 이용형의 경우 뛰어난 운전 특성에도 관련 장비들의 개발이 안되어 극소수의 설비만 가동 중이며 특히 만들어진 얼음을 진공에서 대기압으로 꺼내오는 것이 매우 힘들어 상용화는 쉽지 않을 것으로 보인다.

유동베드형의 경우는 얼음 입자와 유동 상태에 사용되는 금속 혹은 플라스틱 볼의 분리가 어려워 설비의 높이가 매우 높아지며 분리된 얼음입자를 사용하는 곳으로 보내기 역시 쉽지 않다. 실험실 수준에서 개발된 증발판 표면을 매끄럽게 하여 얼음입자가 부착하지 못하도록 한 상태에서 제빙을 할 수 있는 슬리퍼리 방식은 가능성이 있으나 장기 운전에 의한 표면 오염과 이를 방지하는 장치 및 이로 인한 표면 재질의 영속성에 대한 의문이 있으며 운전 조건이 매우 까다로워 실제적인 경쟁력을 갖출 수 있을지 아직 알 수 없는 상태이다.

최근에 캐나다에서 개발된 다층 디스크 & 브러시 방식의 제빙 방식은 500kW/unit의 용량까지 가능한 것으로 알려져 있으나, 만들어진 아이스슬러리를 효과적으로 회수할 수 있는 마땅한 방법이 없는 것으로 보인다.

일본에서 주로 개발된 물의 과냉각 현상을 이용한 과 냉각수형의 제빙 방식 역시 많은 기술적 발전을 이루었으며 빙축열시스템에 적용되어 성과를 내기도 하였다. 하지만 과냉각수형은 특징이자 장점인 물을 직접 냉각하여 얻는 아이스슬러리로 첨가제를 사용하지 않는 장점이 있으나 직접 수송에서 많은 문제, 특히 클로깅(Clogging, 상 분리에 의한 막힘)과 응집(Agglomeration, 재결정화 및 브리징 현상에 의한 응집)이 쉽게 발생하여 직접 수송하기 어려우며 제빙 장치에서는 얼음 입자가 유입될 시 폐색이 이루어지게 되어 직접 수송 시스템에 사용하기 어려운 단점이 있어 제한적으로 사용되고 있다. 또한 과냉각수를 지속적으로 만들기 위해서는 제빙에 사용하는 물에 포함된 미세 먼지까지 제거해야 하므로 고성능 필터와 빙 입자 유입을 차단하기 위한 예열 장치, 냉매와 직접 열교환 할 수 없어 사용하는 간접 냉각용 증발기 및 연속 운전을 위한 예비 장비가 반드시 필요한 단점 등이 있어 스크래퍼형 보다 오히려 복잡해짐으로써 기술적인 우위에도 불구하고 오히려 위축되고 있는 중이다.

최근에 다시 스크래퍼형 방식에 대한 개발이 이루어지고 있으나 미국제품을 개선한 방식으로 휩로드 및 전열관의 마모 현상을 없애기 위하여 휩로드 외면을 플라스틱 소재로 코팅한 방식은 구동 방식의 문제와 휩로드 크기가 커짐에 따르는 얼음 입자의 흘러내림이 원활하지 못하여 아이스슬러리 순환이 문제, 그리고 분배를 위한 유입실에서의 정체문제가 여전히 존재하고 있는 것으로 보인다.

결론적으로 현재 열원설비의 일부로 사용될 만한 제빙장치가 없는 상황이며 아이스슬러리 시스템이 열원설비로 널리 이용되기 위해서 반드시 해결해야 할 과제는 경제성 확보, 대용량화, 그리고 순환 시 발생하는 폐색문제의 해결이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 냉매와 열매체의 열교환을 위한 구조를 변경하여 효율성 및 생산성을 향상시키고 용량을 대형화할 수 있는 제빙장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 장치 내부에서 아이스 슬러리의 클로깅과 응집 현상을 최소화하여 부품의 과부하를 방지하고, 효율적인 아이스슬러리의 유동을 기대할 수 있는 제빙장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치는 냉매가 증발하면서 열에너지를 흡수하는 열교환기, 상기 열교환기의 내부에 횡형으로 설치되어 열매체가 통과하면서 상기 냉매와 열교환되는 복수 개의 열교환통로, 상기 열교환 통로와 연통되고, 상기 열매체가 상기 열교환 통로로 유입되는 유입실, 상기 열교환 통로와 연통되고, 열 교환된 상기 열매체가 상기 열교환 통로에서 배출되는 배출실, 봉형상의 봉부재 및 상기 봉부재의 외부에 나선 형상으로 돌출 형성된 블레이드를 포함하며 상기 열교환 통로 내부에 삽입되되 회전하면서 상기 열매체를 상기 유입실에서 상기 배출실 방향으로 이동시키며 상변화한 열매체가 전열면에 고착되지 못하도록 억제하고 전열효과를 증대시키는 스크래퍼 및 상기 스크래퍼의 구동력을 제공하는 구동유닛를 포함한다.

일측에 따르면, 적어도 하나 이상의 상기 스크래퍼는 상기 유입실 또는 상기 배출실 중 적어도 하나의 내부로 연장 형성될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제빙장치는 교반유닛을 더 포함하고, 상기 교반유닛은 방사상으로 형성되는 복수 개의 패들을 포함하고, 상기 배출실 또는 상기 유입실 중 적어도 하나에 배치되어 회전하는 경우 상기 열매체의 상 분리에 의한 막힘 현상을 억제하도록 배치된다.

일측에 따르면, 상기 블레이드의 단부와 상기 열교환 통로 내부면과의 간극은 0.1mm 이상 0.4mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

일측에 따르면, 상기 블레이드의 단면 형상은 일측면은 곡면으로 구비되고, 타측면은 하나의 직선 또는 복수 개의 직선을 조합한 형상 중 적어도 하나의 형상으로 구비되는 것이 바람직하다.

일측에 따르면, 상기 제빙장치는 상기 열교환 통로를 지지하는 적어도 하나의 지지부재를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 지지부재는 플라스틱 재질로 구비되는 것이 더욱 바람직하다.

일측에 따르면, 상기 배출실은 상기 열매체를 외부로 배출하도록 형성되는 배출구 및 상기 열교환 통로에 대하여 기울어진 평판 형상으로 형성되어 상기 배출구 방향으로 상기 열매체가 이동하도록 안내하는 안내 플레이트를 더 포함한다.

일측에 따르면, 상기 안내 플레이트는 상기 스크래퍼의 일부가 관통되도록 배치된다.

일측에 따르면, 상기 유입실은 외부와 연통되어 상기 열매체를 내부로 유입시키는 복수 개의 유입구가 형성되고, 상기 복수 개의 유입구는 상기 유입실을 중심으로 서로 대칭되는 방향에 배치되거나 또는 방사상으로 배치될 수 있다.

첫째, 나선 형상의 블레이드가 구비된 스크래퍼를 사용하고, 스크래퍼가 유입실 또는 배출실까지 연장 형성되어 유입실 또는 배출실에서 원활하게 열매체가 교반되도록 하므로, 고액 혼합 열매체의 상 분리에 의한 클로깅이나 응집을 방지할 수 있다.

둘째, 유입구에서 유입실로 유입되는 열매체의 유속 및 유입구에서 각각의 열교환통로와의 거리가 상이함에 따라 발생할 수 있는 정체가 유입실로 연장된 스크래퍼에 의해 방지될 수 있다.

셋째, 스크래퍼의 상대적으로 저속인 회전 속도에도 불구하고 스크래퍼와 열교환통로 내면의 간격을 유지함으로써 상변화한 열매체가 열교환통로 내면에 고착되는 것을 효과적으로 억제하여 안정적인 운전이 가능하도록 하는 이점이 있다.

넷째, 상술한 스크래퍼의 블레이드의 형상과 블레이드와 열교환통로와의 일정한 간극을 유지함으로써, 스크래퍼의 정지 시와 구동 시의 위치 편차가 줄어들고 구동 시 스크래퍼가 열교환통로 내부에서 중심부로 수렴하므로 열교환통로를 중력방향과 관계없이 배치할 수 있는 이점이 있다.

다섯째, 제빙장치를 수평으로 유지함으로써 열교환 통로 외부의 냉매의 비등조건을 최적의 핵비등 상태로 유지할 수 있어 전열 효율을 향상시킬 수 있으며, 구동유닛을 수평으로 배치하여 수직으로 배치하는 경우에 대비하여 상대적으로 유지 보수가 유리하고, 열교환 통로의 길이를 상대적으로 길게 구비할 수 있어 구동유닛의 강도에 따라 대용량의 열교환이 가능한 이점이 있다.

여섯째, 교반유닛이 열매체를 순환 또는 배출구 방향으로 안내하여 클로깅이나 응집을 억제할 수 있는 이점이 있다.

일곱째, 정지 시에 중력의 영항으로 하부로 가라앉아 있던 스크래퍼가 열교환통로의 중심으로 수렴되어 스크래퍼의 종방향 이동 거리가 매우 적게 되어 구동에 따른 진동의 발생이 최소화되고, 열교환통로의 이상 막힘 등으로 스크래퍼에 힘이 가해질 경우에도 스크래퍼 외부의 열교환통로가 지지부재에 의하여 고정되므로 진동이 억제 되며 플라스틱 소재의 탄성으로 인하여 진동이 흡수되어 다른 부품으로의 진동 확대를 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치의 단면을 도시한 단면도;
도 2는 도 1의 I-I 선을 절단하여 도시한 단면도;
도 3은 도 1에 도시된 제빙장치의 일부분을 변형하여 도시한 부분단면도;
도 4는 도 3의 II-II선을 따라 절단하여 도시한 단면도;
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 다른 제빙장치의 단면을 도시한 단면도;
도 6은 도 5은 III-III선을 따라 절단하여 도시한 단면도;
도 7은 기존의 제빙장치의 제빙 운전이 진행되는 동안의 스크래퍼 동력 변화를 나타내는 실측 그래프;
그리고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치의 제빙 운전이 진행되는 동안의 스크래퍼 동력 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치의 단면을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 I-I 선을 절단하여 도시한 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 제빙장치는 열교환기(100), 열교환통로(110), 유입실(120), 배출실(130), 스크래퍼(200) 및 구동유닛(170)을 포함한다.

상기 열교환기(100)는 냉매가 증발하면서 열에너지를 흡수하도록 하는 일반적으로 상용되는 열교환기이며, 내부에 공간을 가지고, 외부의 냉매를 상기 공간으로 유입시켜 증발하는 경우 후술하는 열매체로부터 열에너지를 흡수하도록 한다.

상기 열교환통로(110)는 상기 열교환기(100)의 내부에 횡형으로 설치되어 상기 열매체가 통과하면서 상기 냉매와 열 교환되도록 구비되고, 내부가 중공인 파이프 형상으로 형성되되, 복수 개가 구비된다. 상기 열교환통로(110)는 핵 비등을 촉진하기 위하여 표면이 가공된 표면 가공형 동관으로 구비되는 것이 바람직하나 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니다.

상기 유입실(120)은 상기 열교환통로(110)와 연통되고, 상기 열매체가 상기 열교환통로(110)로 유입되도록 상기 열교환기(100)의 일측에 구비되고, 상기 배출실(130) 또한 상기 열교환통로(110)와 연통되며, 상기 열매체가 상기 열교환통로(110)로부터 배출되도록 구비되며, 상기 열교환기(100)를 중심으로 상기 유입실(120)이 형성되는 반대측에 배치된다.

이 때, 상기 유입실(120)은 외부와 연통되는 유입구(125)가 형성되어 상기 유입실(120) 내부로 상기 열매체가 유입되도록 하며, 상기 배출실(130)에는 외부로 열교환이 완료된 상기 열매체, 즉, 아이스 슬러리를 외부로 배출하기 위한 배출구(135)가 형성되며, 이에 대한 설명은 도 2 또는 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.

상기 스크래퍼(200)는 봉부재(210) 및 블레이드(220)를 포함한다. 상기 봉부재(210)는 봉 형상으로 형성되며, 상기 열교환통로(110)의 길이보다 상대적으로 길게 형성되어, 상기 유입실(120) 및 상기 배출실(130) 외부로 일정 길이만큼 연장 형성되도록 하는 것이 바람직하나 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 상기 열교환통로(110)의 길이와 동일한 길이로 형성되거나 또는 상기 유입실(120) 또는 상기 배출실(130) 중 하나의 내부로 연장 형성되는 것도 가능함은 물론이다.

상기 블레이드(220)는 상기 봉부재(210)의 외부에 나선 형상으로 돌출 형성되며, 상기 블레이드(220)의 단면 형상은 상기 스크래퍼(200)가 회전하는 방향에 따라, 전면부가 되는 일측면은 곡선으로 구비되고, 타측면은 하나 또는 하나 이상의 직선으로 형성되는 형상 또는 곡선형으로 구비된다.

이 때, 상기 스크래퍼(200)는 상기 열교환통로(110) 내부에 삽입되어 배치되고, 상기 스크래퍼(200)가 회전함에 따라 상기 블레이드(220)의 나선 형상의 작용으로 상기 유입실(120)로부터 상기 열교환통로(110) 내부로 유입된 상기 열매체가 상기 열교환통로(110)를 따라 상기 배출실(130) 방향으로 이동되면서, 상기 열교환통로(110)의 외부면과 접촉하도록 안내되어 열교환이 수행된다. 다시 말하면, 상기 스크래퍼(200)는 상기 열매체를 상기 배출실(130) 방향으로 이동시키며 상변화한 열매체가 상기 열교환통로(110)의 내부면, 즉, 전열면에 고착되지 못하도록 억제하고 전열효과를 증대시키도록 구비된다.

상기 구동유닛(170)은 상기 스크래퍼(200)의 회전 구동력을 제공하도록 일반적으로 상용되는 모터와 모터에 연결된 기어장치로 연결되나 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 상기 제빙장치를 운용할 수 있는 출력을 가지고 상기 스크래퍼(200)를 회전시키는 구동력을 제공할 수 있는 전동기이면 자유롭게 변경 가능함은 물론이다.

따라서, 나선 형상의 상기 블레이드(220)가 구비된 상기 스크래퍼(200)를 사용하고, 상기 스크래퍼(200)가 상기 유입실(120) 및 상기 배출실(130)까지 연장 형성되므로, 상기 스크래퍼(200)가 상기 열매체, 특히 고액 혼합 열매체의 상 분리에 의한 클로깅이나 응집을 방지하여, 상기 유입실(120) 또는 상기 배출실(130)에서 원활하게 상기 열매체가 유동되도록 할 수 있다.

또한, 상기 스크래퍼(200) 중 상기 열매체의 흐름의 중심을 이루는 주 유동이 발생하는 부분에 대응되는 상기 스크래퍼(200)는 상기 배출실(130) 또는 상기 유입실(120) 부분으로 연장되지 않도록 구비되어 원활한 유동을 유도할 수도 있음은 누구나 이해할 수 있을 것이다.

더불어, 상술한 구조의 제빙장치에서는 상기 열매체가 상기 제빙장치의 상기 유입실(120)로 들어오면서 넓어진 단면적에 의하여 유속이 늦어지게 되며 각 부분의 유속이 일정하지 않고 상기 유입구(125)에서 각각의 상기 열교환통로(110)와의 거리가 상이함에 따라 발생할 수 있는 정체가 상기 유입실(120)로 연장된 상기 스크래퍼(200)에 의해 방지될 수 있다.

또한, 상기 열교환통로(110)에서의 압력강하가 0.3~0.8 bar로 커서 상기 유입실(120) 및 상기 배출실(130)에서의 각각의 상기 열교환통로(110)가 갖는 위치의 차이에 따른 흐름 조건, 다시 말하면, 압력강하 및 출구 또는 입구의 위치 관계에 의하여 인접한 상기 열교환통로(110)에서의 흐름과 부딪히는 조건 등의 차이보다 상기 열매체의 흐름에 대해 지배적인 인자가 되므로 각각의 상기 열교환통로(110)로는 거의 일정한 열매체가 순환하게 된다.

이 때, 상기 스크래퍼(200)에 구비된 상기 블레이드(220)의 단부와 상기 열교환통로(110)의 내부면과는 간극은 0.1mm 내지 0.4mm를 유지하도록 상기 블레이드(220)의 길이가 정의된다.

여기서, 상기 스크래퍼(200)는 200~450rpm으로 회전하도록 상기 구동유닛(170)이 작동되어, 상기 열매체가 상기 열교환통로(110)를 경유하면서 열교환이 수행되어 상기 배출실(130)로 배출된다.

한편, 상기 스크래퍼(200)와 상기 열교환통로(110) 내부면 사이에 상기 열매체가 유동되며, 상기 스크래퍼(200)가 회전함에 따라 상기 열매체는 상기 열교환통로(110)의 내부면 방향으로 유도되어 상기 배출실(130)로 안내된다.

이 때, 상기 스크래퍼(200)의 상기 블레이드(220) 끝단의 형상이 날카로울수록 회전하면서 상기 열교환통로(110) 내부면의 드라이아웃 포인트를 줄일 수 있으므로, 상기 블레이드 끝단의 상기 열교환통로(110)에 대응되는 부분은 대략 0.1mm인 것이 바람직하나 이제 한정되거나 제한되는 것은 아니다.

따라서, 상기 열교환통로(110)에 접촉하는 상기 블레이드(220) 끝단의 형상에 의하여 상기 열매체의 얇은 액막이 지속적으로 형성 파괴되면서 열전달이 촉진되며 상술한 상기 블레이드(220)의 전면의 곡면에서 압축된 상기 열매체가 후면에서 압축이 해제되면서 발생하는 부분적인 와류에 의하여 과냉각이 해소되면서 상변화가 촉진되어 빙 결정이 생성되면서 과냉각도를 낮추게 되어 효율적인 열교환이 가능해진다.

또한, 일반적으로 상기 제빙장치의 과부하의 원인은 상기 블레이드(220)와 상기 열교환통로(110) 간의 간극이 커지면서 과냉각도가 커지고 이로 인하여 부분적인 결빙이 이루어지며 이 결빙 부분을 털어내기 위하여 상기 스크래퍼(200)에 과부하가 나타날 수 있으나, 상술한 상기 스크래퍼(200)의 상대적으로 저속인 회전 속도에도 불구하고 상기 스크래퍼(200)와 상기 열교환통로(110) 내면 사이의 간격을 유지함으로써 지나친 과냉각을 방지하고, 상변화한 열매체가 열교환통로 내면에 고착되는 것을 효과적으로 억제하여 안정적인 운전이 가능하도록 하는 이점이 있다.

그리고, 인접한 상기 열교환통로(110)에서 상기 배출실(130)로 배출되는 상기 열매체 사이의 간섭으로 인한 응집이나 클로깅을 방지하기 위하여 복수의 상기 열교환통로(110)에 삽입된 상기 스크래퍼(200)는 인접한 상기 열교환통로(110)에 삽입한 상기 스크래퍼와 회전 방향이 반대로 구동되도록 배치되는 것이 바람직하다.

상술한 구조의 특성으로 본 발명의 일실시예에 따른 상기 제빙장치에서 필요한 동력은 최소화되며, 기존의 제빙장치에서 나타나는 제빙 초기 과부하 현상이 나타나지 않는 것으로 나타났으며, 전열 효율이 증가되는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 도 7 및 도 8에 도시한다. 도 7은 기존의 제빙장치의 제빙 운전이 진행되는 동안의 스크래퍼 동력 변화를 나타내는 실측 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치의 제빙 운전이 진행되는 동안의 스크래퍼 동력 변화를 나타낸 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제빙장치에서는 상기 스크래퍼(200)의 초기 과부하 현상이 동력 변화를 기준으로 기존의 제빙장치에 비하여 상대적으로 적은 것으로 나타난다.

상술한 상기 스크래퍼(200)의 상기 블레이드(220)의 형상, 즉, 회전 방향에 대해 전면이 곡면이고 후면은 경사진 형태로 좁은 간극이 유지되는 조건에서는 상기 스크래퍼(200)의 정지 시와 구동 시의 위치 편차가 줄어들고 구동 시 상기 스크래퍼(200)가 상기 열교환통로(110) 내부에서 중심부로 수렴하므로 상기 열교환통로(110)를 중력방향과 평행인 수직 방향뿐만 아니라, 상기 제빙장치의 구조를 수평으로 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제빙장치는 중력 방향에 대하여 수평하게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 열매체는 상기 스크래퍼(200)의 회전에 따라 상기 유입실(120)로부터 상기 배출실(130)로 이동되므로, 상기 열교환통로(110)가 상기 중력 방향에 대해 수평하게, 즉, 지표면과 평행하게 구비되고, 상기 배출실(130), 상기 유입실(120) 및 상기 구동유닛(170)이 상기 열교환기(100)의 측면에 구비되게 되어 대용량으로 열매체를 유동시킬 수 있고, 또한, 중력에 따른 영향을 최소화할 수 있다.

또한, 상기 제빙장치를 수평으로 유지함으로써 상기 열교환통로(110) 외부의 냉매비등이 핵비등 영역에서 안정적으로 운전될 수 있도록 제어될 수 있어 전열 효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 구동유닛(170)을 수평으로 배치하여 수직으로 배치하는 경우에 대비하여 상대적으로 유지 보수가 유리하고, 상기 열교환통로(110)의 길이를 상대적으로 길게 구비할 수 있어 상기 구동유닛(170)의 강도에 따라 대용량의 열교환이 가능한 이점이 있다.

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 제빙장치는 상기 스크래퍼(200)가 상기 배출실(130)과 상기 유입실(120)로 모두 연장 형성되는 것으로 제시하여, 상기 스크래퍼(200)가 상기 열매체에 대해 교반 작용을 하는 것으로 제시하였지만, 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 이를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 도 3 및 도 4를 제시한다.

도 3은 도 1에 도시된 제빙장치의 일부분을 변형하여 도시한 부분단면도이며, 도 4는 도 3의 II-II선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다. 참고로, 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 2와 유사하거나 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 제빙장치는 교반유닛(400)을 더 포함한다.

상기 교반유닛(400)은 상기 배출실(130)에 배치되며, 방사상으로 형성되는 복수개의 패들을 포함하여 구비되며, 실질적으로 프로펠러와 유사한 형상으로 구비되나 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니다.

이 때, 상기 교반유닛(400)은 상기 배출실(130)에서 회전하면서 상기 열교환통로(110)에서 배출되는 상기 열매체를 교반시켜 상기 열매체의 상 분리에 의한 막힘 현상을 억제하도록 구비된다.

상기 열교환통로(110)로부터 배출되는 상기 열매체는 아이스 슬러리 형태로 상기 열교환통로(110)에 응집되거나 또는 클로깅을 일으키게 되나 상기 교반유닛(400)이 상기 열매체를 순환 또는 상기 배출구(135) 방향으로 안내하여 클로깅이나 응집을 억제할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 제빙장치를 도 5내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 다른 제빙장치의 단면을 도시한 단면도이며, 도 6은 도 5은 III-III선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 제빙장치는 열교환기(100), 열교환통로(110), 유입실(120), 배출실(130), 스크래퍼(200), 구동유닛(170), 지지부재(115) 및 안내 플레이트(300)를 포함한다. 참고로 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 구조와 동일하거나 유사한 구조에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 안내플레이트(300)는 평판 형상으로 형성되어 상기 배출실(130)에 배치되며, 상기 열교환통로(110)에 대하여 상기 배출구(135) 방향으로 상기 열매체가 안내될 수 있도록 일 방향으로 일정 각도로 기울어진 상태로 구비된다.

이 때, 상기 스크래퍼(200)의 상기 배출실(130)로 연장된 일부는 상기 안내 플레이트(300)를 관통하도록 구비되며, 상기 안내 플레이트(300)는 이러한 구조를 통해 상기 스크래퍼(200) 외부에 잔류된 상기 열매체, 즉, 아이스슬러리로 변환되어 상기 스크래퍼(200)의 표면상에 응결된 상기 열매체를 상기 스크래퍼(200)로부터 이탈시켜 상기 배출구(135) 방향으로 안내하도록 한다.

상기 배출실(130)에서는 상기 열교환통로(110)를 통과하여 상기 열매체에 포함된 얼음입자가 증가하였으므로 순환이 상대적으로 둔화되나, 상기 배출구(135)로 흐름을 유도하는 상기 안내플레이트(300)와 상기 열매체의 흐름을 유도하기 위해 연장되지 않는 상기 스크래퍼(200)에 의하여 형성된 유로의 역할과 각각의 상기 열교환통로(110)를 통과한 상기 열매체의 흐름과 연장된 상기 스크래퍼(200)의 교반을 통한 정체 방지 역할이 어우러져 열교환이 이루어진 상기 열매체, 즉, 아이스슬러리는 막힘 없이 상기 배출구(135)로 유도된다.

이 때 제빙 장치의 용량이 커지면 상기 열교환통로(110)의 수가 200여 개 이상이 되나 몇 개의 그룹으로 구분되어 그룹과 그룹 사이에는 흐름이 원활하도록 통로 공간을 가지도록 하는 것도 가능하다.

또 상기 배출구(135)는 상기 배출실(130)의 상부에 마련됨으로써 상기 열매체의 부력을 이용하여 상기 배출구(135)로 상기 열매체가 용이하게 배출될 수 있도록 하는 것도 가능하다.

상기 유입실(120)에는 복수 개의 상기 유입구(125)가 형성될 수 있으며, 상기 배출구(135) 또한 상기 유입구(125)와 유사하게 복수 개가 형성되는 것도 가능하다.

이 때, 상기 유입구(125)는 상기 유입실(120) 내부로 유입되는 상기 열매체의 유동을 조절하기 위하여 상기 유입실(120)의 내부에 대해 대칭되는 위치 또는 방사상으로 배치된다. 이에 따라, 상기 유입구(125)의 배치를 최적화함으로써 상기 유입실(120) 내부에서 상기 열교환통로(110)의 상대적인 위치에 의한 상기 열매체의 유동 특성의 차이를 최대한 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 열매체는 별도의 분배장치를 거치지 않고 직접 상기 유입실(120)로 유입되어 상기 유입실(120)에서 상기 스크래퍼(200)에 의해 교반되어 균질화되고 동일 조건의 흐름 상태가 되어 상기 열교환통로(110)로 순환됨으로써 상기 배출실(130)에서도 최대한 동일 조건 상태로 배출될 수 있는 이점이 있다.

여기서, 상기 제빙장치는 상기 배출실(130)과 상기 유입실(120)을 서로 연결하되 상기 열교환통로(110)와 구별되는 바이패스관(119)을 더 포함하는 것도 가능하다

상기 바이패스관(119)은 상기 유입실(120)에 유입되는 상기 열매체의 양이 상대적으로 급격히 증가하거나 또는 일부의 상기 열교환통로(110) 내부의 상기 열매체의 유동이 원활하지 않은 경우, 상기 유입실(120)의 상기 열매체를 상기 배출실(130)로 이동시키도록 구비되며, 필요에 따라 개방시키기 위한 밸브(미도시)를 구비하는 것도 가능하다.

상기 지지부재(115)는 상기 열교환통로(110)를 지지하는 역할을 하여, 상기 열교환통로(110)의 길이에 따라 복수 개의 500~900mm 간격으로 배치되어 상기 열교환통로(110)의 처짐을 방지하고, 상기 스크래퍼(200)의 구동 시에 상기 열교환통로(110)의 진동을 억제할 수 있다.

이 때, 상기 지지부재(115)는 상기 열교환통로(110)의 진동으로 인한 제품 간의 진동특성에 의한 파손 또는 결합의 해제 등을 방지하기 위하여 상기 열교환통로(110)에 간극이 발생하지 않도록 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하며, 상기 열교환통로의 보호를 위하여 플라스틱 부재로 구비된다.

한편, 본 발명에 따른 상기 제빙장치는 상기 스크래퍼(200)의 상기 블레이드(220) 끝단과 상기 열교환통로(110) 내면과의 간극이 적고 상기 블레이드(220)의 전면부가 곡면으로 형성되어, 상기 스크래퍼(200)가 회전하게 되면 상기 스크래퍼(200)는 상기 열매체를 상기 열교환통로(110)의 내부면에 인접하도록 밀어내면서 상기 스크래퍼(200)는 상기 열교환통로(110)의 중심으로 수렴하게 된다.

따라서 정지 시에 중력의 영항으로 하부로 가라앉아 있던 상기 스크래퍼(200)가 상기 열교환통로(110)의 중심으로 수렴되어 상기 스크래퍼(200)의 종방향 이동 거리가 매우 적게 되어 구동에 따른 진동의 발생이 최소화된다. 또한, 상기 열교환통로(110)의 이상 막힘 등으로 상기 스크래퍼(200)에 힘이 가해질 경우에도 상기 스크래퍼(200) 외부의 상기 열교환통로(110)가 상기 지지부재(115)에 의하여 고정되므로 진동이 억제 되며 플라스틱 소재의 탄성으로 인하여 진동이 흡수되어 다른 부품으로의 진동 확대를 저감할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 열교환기 110: 열교환통로
120: 유입실 125: 유입구
130: 배출실 135: 배출구
170: 구동유닛 200: 스크래퍼
210: 봉부재 220: 블레이드
300: 안내 플레이트 400: 교반유닛

Claims

냉매가 증발하면서 열에너지를 흡수하는 열교환기;
상기 열교환기의 내부에 횡형으로 설치되어 열매체가 통과하면서 상기 냉매와 열교환되는 복수 개의 열교환통로;
상기 열교환 통로와 연통되고, 상기 열매체가 상기 열교환 통로로 유입되는 유입실;
상기 열교환 통로와 연통되고, 열 교환된 상기 열매체가 상기 열교환 통로에서 배출되는 배출실;
봉형상의 봉부재 및 상기 봉부재의 외부에 나선 형상으로 돌출 형성된 블레이드를 포함하며 상기 열교환 통로 내부에 삽입되되 회전하면서 상기 열매체를 상기 유입실에서 상기 배출실 방향으로 이동시키는 스크래퍼; 및
상기 스크래퍼의 구동력을 제공하는 구동유닛;
를 포함하는 제빙장치.
제1항에 있어서,
상기 스크래퍼는 상기 유입실 또는 상기 배출실 중 적어도 하나의 내부로 연장 형성되는 제빙장치.
제1항에 있어서,
교반유닛을 더 포함하고, 상기 교반유닛은 방사상으로 형성되는 복수 개의 패들을 포함하고, 상기 배출실 또는 상기 유입실 중 적어도 하나에 배치되어 회전하는 경우 상기 열매체의 상 분리에 의한 막힘 현상을 억제하도록 하는 제빙장치.
제2항에 있어서,
상기 블레이드의 단부와 상기 열교환 통로 내부면과의 간극은 0.1mm 이상 0.4mm 이하로 형성되는 제빙장치.
제2항에 있어서,
상기 블레이드의 단면 형상은 일측면은 곡면으로 구비되고, 타측면은 하나의 직선 또는 복수 개의 직선을 조합한 형상 중 적어도 하나의 형상으로 구비되는 제빙장치.
제2항에 있어서,
상기 열교환 통로를 지지하는 적어도 하나의 지지부재를 더 포함하는 제빙장치.
제6항에 있어서,
상기 지지부재는 플라스틱 재질로 구비되는 제빙장치.
제2항에 있어서,
상기 배출실은
상기 열매체를 외부로 배출하도록 형성되는 배출구; 및
상기 열교환 통로에 대하여 기울어진 평판 형상으로 형성되어 상기 배출구 방향으로 상기 열매체가 이동하도록 안내하는 안내 플레이트;
를 더 포함하는 제빙장치.
제8항에 있어서,
상기 안내 플레이트는 상기 스크래퍼의 일부가 관통되도록 배치되는 제빙장치.
제2항에 있어서,
상기 유입실은 외부와 연통되어 상기 열매체를 내부로 유입시키는 하나 또는 하나 이상의 유입구가 형성되고, 상기 유입구가 복수 개 형성되는 경우에 상기 복수 개의 유입구는 상기 유입실을 중심으로 서로 대칭되는 방향에 배치되거나 또는 방사상으로 배치되는 제빙장치.