KR20120085071A - 냉동 사이클 장치 - Google Patents

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KR20120085071A
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condenser
compressor
refrigeration cycle
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KR1020110006475A
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박준성
오세윤
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은, 압축기에서 나온 냉매가 인젝터를 통과하면서, 급속히 응축되면서 압력이 상승하기 때문에, 한개의 압축기와 인젝터만으로 다단 압축 효과를 낼 수 있는 이점이 있다. 또한, 추가적인 압축기의 설치가 필요하지 않으며, 복수의 압축기를 사용하는 경우보다 전력 소모가 적으므로, 비용 절감 효과가 큰 이점이 있다. 또한, 인젝터로 유입되는 유량을 전자팽창밸브를 이용해 제어함으로써, 난방 부하에 적절하게 냉매 유량을 조절하여 난방 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 유지가 쉬운 이점이 있다.

Description

냉동 사이클 장치{Refrigerant cycle apparatus}
본 발명은 냉동 사이클 장치에 관한 것으로서, 특히 압축기와 인젝터가 직렬로 연결되어, 냉매가 압축기와 인젝터를 차례로 통과하면서 다단 압축될 수 있는 냉동 사이클 장치에 관한 것이다.
일반적으로 냉동 사이클 장치는 공기 조화기 또는 냉장고 등과 같이 냉매를 작동 유체로 하여 주위 공기를 냉각 또는 가열하는 장치로서, 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발되는 과정을 거치게 된다.
냉동 사이클 장치는 냉매가 압축기에 의하여 고온 고압의 기체 상태로 압축된 후, 응축기를 통과하면서 외부로 열을 방출하고, 팽창 과정을 거치면서 저온 저압의 2상 냉매로 변환된다. 그리고, 팽창 과정을 거친 2상 냉매가 외부로부터 열을 흡수하여 기체상태로 증발한 다음 다시 압축기로 유입된다.
냉동 사이클 장치는 냉매가 한번의 압축 과정을 거치는 단일 압축 사이클 또는 두 번 이상의 압축 과정을 거치는 다단 압축 사이클로 구분될 수 있다.
다단 압축 사이클의 경우, 복수의 압축기가 직렬 연결된다. 다단 압축 사이클의 경우, 단일 압축 사이클에 비하여 설정압력으로 압축하기 위한 압축일이 감소됨과 동시에 압축기의 토출온도가 낮아질 수 있기 때문에, 압축기의 압축일이 감소되어 효율이 증가될 수 있는 이점이 있다.
그러나, 난방 능력이나 효율을 높이기 위해 다단 압축 사이클을 수행하고자 할 경우, 압축기가 추가되기 때문에 기구부가 복잡해지고 전력 소모량이 많으며, 운영 및 유지 관리비가 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 구조가 간단하고 비용이 적게 들면서도 난방능력 및 효율을 향상시킬 수 있는 다단 압축 사이클이 가능한 냉동 사이클 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 냉동 사이클 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 응축시키는 응축기와, 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 압축기와 응축기 사이에 배치되고, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 급속히 응축시키고 냉매의 압력을 상승시킨 다음 상기 응축기로 보내는 인젝터를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 응축기에서 나온 냉매 중 일부가 바이패스되어 상기 인젝터로 흡입되도록 안내하는 바이패스 유로를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 인젝터로 흡입되는 냉매의 유량을 조절하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 인젝터로 흡입되는 냉매를 팽창시키는 전자팽창밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 외기의 온도를 감지하는 외기 온도 센서와, 상기 바이패스 유로에 설치되어, 바이패스되는 냉매의 유량을 조절하는 밸브와, 상기 외기 온도 센서에서 전송된 신호에 따라 상기 밸브의 개도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 응축기와 증발기 사이에 배치되어 냉매를 팽창하는 팽창 장치를 더 포함하고, 상기 바이패스 유로는 상기 응축기와 팽창 장치를 연결하는 유로에서 분기되어 형성될 수 있다.
본 발명은, 압축기에서 나온 냉매가 인젝터를 통과하면서, 급속히 응축되면서 압력이 상승하기 때문에, 한개의 압축기와 인젝터만으로 다단 압축 효과를 낼 수 있는 이점이 있다.
또한, 추가적인 압축기의 설치가 필요하지 않으며, 복수의 압축기를 사용하는 경우보다 전력 소모가 적으므로, 비용 절감 효과가 큰 이점이 있다.
또한, 인젝터로 유입되는 유량을 전자팽창밸브를 이용해 제어함으로써, 난방 부하에 적절하게 냉매 유량을 조절하여 난방 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 유지가 쉬운 이점이 있다.
또한, 냉매 유량 조절을 위해 압축기를 제어할 필요가 없게 되므로, 정속 압축기의 사용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 냉매 흐름이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 제어 흐름이 도시된 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 인젝터의 내부가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 몰리에르(Mollier) 선도(P-h선도)가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 난방 운전시 냉매 흐름이 도시된 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 냉동 사이클 장치의 냉방 운전시 냉매 흐름이 도시된 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여, 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치는, 공기조화기나 냉장고 등에 적용될 수 있고, 이하 공기조화기에 적용되는 것으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 냉매 흐름이 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 제어 흐름이 도시된 블록도이다. 도 3은 도 1에 도시된 인젝터의 내부가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 냉동 사이클 장치는, 냉매를 압축하는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에서 나온 냉매를 급속히 응축시키고 냉매의 압력을 상승시키는 인젝터(20)와, 상기 인젝터(20)에서 나온 냉매를 응축시키는 응축기(30)와, 상기 응축기(30)에서 나온 냉매를 팽창시키는 팽창장치(40)와, 상기 팽창장치(40)를 통과한 냉매를 증발시키는 증발기(50)를 포함한다.
상기 압축기(10)는 상기 증발기(50)에서 증발된 냉매를 고온 고압의 상태로 압축한다. 상기 압축기(10)의 일측에는 모터 등의 구동장치(12)가 배치될 수 있다.
상기 압축기(10)의 입구 유로(2)는 상기 증발기(50)와 연결되고, 상기 압축기(10)의 출구 유로(4)는 상기 인젝터(20)의 입구측에 연결된다.
상기 응축기(30)와 상기 증발기(50)는 실내에 설치되어 냉매와 실내 공기를 열교환시키는 실내 열교환기와, 실외에 설치되어 냉매와 실외 공기를 열교환시키는 실외 열교환기를 포함한다. 난방 운전시에는 실내 열교환기가 상기 응축기(30) 역할을 하고, 냉방 운전시에는 실외 열교환기가 상기 증발기(50) 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서는, 냉동 사이클 장치의 난방 운전시에 대해서만 언급하므로, 상기 응축기(30)는 실내 열교환기이고, 상기 응축기(30)의 일측에는 실내 공기를 송풍시키는 실내 팬(32)이 배치된다. 또한, 상기 증발기(50)는 실외 열교환기이고, 상기 증발기(50)의 일측에는 실외 공기를 송풍시키는 실외 팬(52)가 배치된다.
상기 응축기(30)의 입구 유로(6)는 상기 인젝터(20)의 출구측과 연결된다.
상기 응축기(30)의 출구 유로(8)는 상기 팽창장치(40)의 입구측과 연결된다.
상기 팽창장치(40)는 상기 응축기(30)에서 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브이다.
상기 팽창장치(40)에서 팽창된 냉매는 상기 증발기(50)로 유입된다. 상기 증발기(50)의 입구 유로(9)는 상기 팽창장치(40)의 출구측과 연결된다.
상기 증발기(50)의 일측에는 실외 공기의 온도를 감지하기 위한 외기 온도 센서(54)가 설치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 인젝터(20)는 내부의 유체(이하, 냉매)를 빨아내어 배출하는 제트 펌프(jet pump)의 일종으로 이젝터(ejector)와 동일한 원리로 작동한다.
상기 인젝터(20)는 상기 압축기(10)와 상기 응축기(30)사이에 배치되고, 상기 압축기(10)에서 나온 냉매가 유입되는 제 1입구부(21)와 상기 응축기(30)에서 나온 냉매 중 일부가 바이패스되어 유입되는 제 2입구부(22)를 포함한다.
상기 제 1입구부(21)는 상기 압축기(10)의 출구 유로(4)와 연결된다.
본 발명에 따른 냉동 사이클 장치는, 상기 응축기(30)에서 나온 냉매 중 일부를 바이패스시켜 상기 인젝터(20)로 안내하는 바이패스 유로(60)를 더 포함한다.
상기 제 2입구부(22)는 상기 바이패스 유로(60)와 연결된다.
도 3을 참조하면, 상기 인젝터(20)는 상기 제 1입구부(21)로 유입된 냉매를 분출하는 노즐부(25)와, 상기 노즐부(25)에서 나온 냉매와 상기 제 2입구부(22)를 통해 유입된 냉매가 혼합되는 단면 축소부(23)와, 상기 단면 축소부(23)에서 연장 형성된 단면 확대부(24)를 포함한다.
상기 인젝터(20)의 원리를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 압축기(10)에서 나온 고온 고압의 기체 냉매는 상기 제 1입구부(21)를 통해 상기 인젝터(20)로 유입되고, 상기 노즐부(25)를 통해 고속으로 분출된다. 이 때, 상기 노즐부(25) 주변은 상대적으로 저압 또는 음압 상태가 되어, 상기 제 2입구부(22)를 통해 유입되는 냉매가 빨려 들어갈 수 있게 된다.
상기 제 1입구부(21)를 통해 유입된 고온 고압의 기체 냉매와, 상기 제 2입구부(22)를 통해 유입된 액상 또는 액상과 기상이 합해진 2상 냉매는 상기 단면 축소부(23)에서 혼합된 후 상기 단면 확대부(24)를 통해 분출된다.
상기와 같이 상기 인젝터(20)를 통과하는 냉매는 급속한 응축(Condensation shock)이 발생되고, 압력이 상승하게 된다. 따라서, 상기 인젝터(20)는 냉매를 압축시키는 압축기 역할을 할 수 있다. 상기 인젝터(20)에서의 급속한 응축현상이나 압력 상승 현상은 일반적인 현상이다.
상기 바이패스 유로(60)에는 상기 인젝터(20)로 바이패스되는 유량을 제어하기 위한 바이패스 밸브(62)가 설치된다.
상기 바이패스 밸브(62)는 상기 응축기(30)에서 응축된 후 바이패스된 냉매를 팽창시키는 전자 팽창 밸브(EEV)가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 냉동 사이클 장치는, 상기 바이패스 밸브(62)의 개도를 제어하는 제어부(100)를 더 포함한다.
상기 제어부(100)는 상기 외기온도 센서(54)에서 감지된 외기 온도값에 따라 난방 부하를 판단할 수 있다.
상기 제어부(100)는 상기 외기온도 센서(54)에서 전송된 값에 따라 난방 부하를 판단하고, 난방 부하에 따라 상기 바이패스 밸브(62)의 개도를 제어할 수 있다.
즉, 상기 제어부(100)는 외기 온도가 설정 온도보다 낮아 난방 부하가 크다고 판단되면, 상기 바이패스 밸브(62)의 개도를 증가시켜, 상기 인젝터(20)로 유입되는 냉매의 유량을 증가시킬 수 있다. 상기 인젝터(20)로 유입되는 냉매의 유량이 증가하면, 상기 응축기(30)에서 실내 공기와 열교환하는 냉매 유량이 증가되어, 실내 온도를 더 높일 수 있다.
한편, 외기 온도가 설정 온도보다 높아서, 난방 부하가 작다고 판단되면, 상기 바이패스 밸브(62)의 개도를 감소시켜, 상기 인젝터(20)로 유입되는 냉매의 유량을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 몰리에르(Mollier) 선도(P-h선도)가 도시된 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 압축기(10)에서 1단 압축이 이루어지고, 상기 인젝터(20)를 통과하면서 2단 압축이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 바이패스 밸브(62)의 개도의 제어에 따라 'e' 위치를 제어할 수 있다. 그에 따라 과열도에 해당하는 'A'부분을 제어할 수 있다. 즉, 상기 바이패스 밸브(62)를 제어함으로써, 냉매 사이클의 가변이 용이할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면, 다음과 같다.
상기 압축기(10)의 구동시, 상기 압축기(10)는 냉매를 1차적으로 압축한다. 상기 압축기(10)에서 토출된 냉매는 상기 압축기(10)의 출구 유로(4)를 통해 상기 인젝터(20)로 유입된다.
상기 압축기(10)의 출구 유로(4)를 통해 상기 인젝터(20)로 유입된 냉매는 상기 제 1입구부(21)를 통해 상기 인젝터(20)의 노즐부(25)로 유입된다.
이 때, 상기 바이패스 유로(60)를 통해 바이패스된 냉매는 상기 바이패스 밸브(62)를 거쳐 상기 인젝터(20)의 제 2입구부(22)로 유입된다.
상기 인젝터(20)의 노즐부(25)내 냉매는 고속으로 분출되면서, 상기 노즐부(25) 주변이 저압 또는 음압 상태가 된다.
상기 노즐부(25)주변이 저압 또는 음압 상태가 되어, 상기 제 2입구부(22)로 유입된 냉매를 상기 인젝터(20)내부로 빨아들이게 된다.
상기 제 2입구부(22)를 통해 상기 인젝터(20)내부로 빨아들여진 냉매는 상기 노즐부(25)에서 분출된 냉매와 혼합된 후, 상기 단면 확대부(24)를 통해 배출된다.
이 때, 상기 인젝터(20)내로 흡입된 냉매가 급속한 응축(Condensation shock)되면서 압력이 상승하게 된다.
따라서, 상기 인젝터(20)에서 발생되는 급속한 응축 현상에 의해 압력이 상승하기 때문에, 2단 압축 효과를 얻을 수 있다.
상기 인젝터(20)는 압축기와 달리 동력이 요구되지 않으므로, 전력 소모가 크지 않으면서, 난방능력을 향상할 수 있다.
상기 제 2입구부(22)를 통해 유입되는 냉매는 전반적인 냉매 유량을 증가시켜주므로, 난방 능력이 향상될 수 있다.
상기 바이패스 밸브(62)에 의해 상기 제 2입구부(22)로 유입되는 냉매의 유량을 정밀 제어할 수 있으므로, 난방 부하가 큰 경우 냉매 유량의 추가 공급이 용이하고, 제어가 용이하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉동 사이클 장치의 난방 운전시 냉매 흐름이 도시된 도면이다. 도 6은 도 5에 도시된 냉동 사이클 장치의 냉방 운전시 냉매 흐름이 도시된 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉동 사이클 장치는, 실내 열교환기(30)를 포함하는 실내기(I)와, 압축기(10)와 인젝터(20), 실외 열교환기(50)를 포함하는 실외기(O)와, 난방 운전과 냉방 운전을 절환하는 운전절환밸브(70)를 포함하는 것 이외의 구성 및 작용은, 상기 일 실시예와 동일하므로 동일 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 상세 설명은 생략한다.
상기 운전절환밸브(70)는 상기 인젝터(20)의 출구 유로(26)와 연결되고, 상기 압축기(10)의 입구 유로(2)와 연결되며, 상기 실내 열교환기(30)와 제 1냉매 유로(34)로 연결되고, 상기 실외 열교환기(50)와 제 2냉매 유로(56)로 연결된다.
상기 실내 열교환기(30)는 난방 운전시 응축기 역할을 하고, 냉방 운전시 증발기 역할을 한다. 상기 실외 열교환기(50)는 난방 운전시 증발기 역할을 하고, 냉방 운전시 응축기 역할을 한다.
난방 운전은 도 5에 도시된 바와 같이, 냉매가 상기 압축기(10)에서 1차적으로 압축된 후, 상기 인젝터(20)에서 2차적으로 압축된다.
상기 인젝터(20)에서 나온 냉매는 상기 운전절환밸브(70)를 거쳐, 응축기 역할을 하는 상기 실내 열교환기(30)로 유입된다.
상기 실내 열교환기(30)에서 응축되어, 실내를 난방시킨다. 응축된 냉매는 상기 팽창장치(40), 상기 실외 열교환기(50), 상기 운전절환밸브(70)를 차례로 거친 후, 다시 상기 압축기(10)로 순환한다.
상기 실내 열교환기(30)에서 응축된 냉매 중 일부는 상기 바이패스 유로(60)와 바이패스 밸브(62)를 거쳐, 상기 인젝터(20)로 유입될 수 있다.
냉방 운전은 도 6에 도시된 바와 같이, 냉매가 상기 압축기(10)에서 1차적으로 압축된 후, 상기 인젝터(20)에서 2차적으로 압축된다.
상기 인젝터(20)에서 나온 냉매는 상기 운전절환밸브(70)를 거쳐, 응축기 역할을 하는 상기 실외 열교환기(50)로 유입된다.
상기 실외 열교환기(50)를 통과한 냉매는 상기 팽창장치(40), 상기 실내 열교환기(30), 상기 운전 절환밸브(70)를 차례로 거친 후, 다시 상기 압축기(10)로 순환한다.
상기 실외 열교환기(50)에서 응축된 냉매 중 일부는 상기 팽창장치(40)를 통과하고, 나머지는 상기 바이패스 밸브(62)를 통해 상기 인젝터(20)로 유입될 수 있다.
상기 바이패스 밸브(62)의 개도를 제어함에 따라 상기 인젝터(20)로 유입되는 냉매 유량을 제어할 수 있다.
상기와 같이, 상기 인젝터(20)를 이용함으로써, 추가적인 압축기의 설치 없이 다단 압축 효과를 얻을 수 있다.
10: 압축기 20: 인젝터
30: 응축기 40: 팽창장치
50: 증발기 60: 바이패스 유로
62: 바이패스 밸브

Claims (6)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와;
    냉매를 응축시키는 응축기와;
    냉매를 증발시키는 증발기와;
    상기 압축기와 응축기 사이에 배치되고, 상기 압축기에서 토출된 냉매를 급속히 응축시키고 냉매의 압력을 상승시킨 다음 상기 응축기로 보내는 인젝터를 포함하는 냉동 사이클 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축기에서 나온 냉매 중 일부가 바이패스되어 상기 인젝터로 흡입되도록 안내하는 바이패스 유로를 포함하는 냉동 사이클 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 인젝터로 흡입되는 냉매의 유량을 조절하는 밸브를 더 포함하는 냉동 사이클 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 인젝터로 흡입되는 냉매를 팽창시키는 전자팽창밸브를 더 포함하는 냉동 사이클 장치
  5. 2 청구항 2에 있어서,
    외기의 온도를 감지하는 외기 온도 센서와,
    상기 바이패스 유로에 설치되어, 바이패스되는 냉매의 유량을 조절하는 밸브와,
    상기 외기 온도 센서에서 전송된 신호에 따라 상기 밸브의 개도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 냉동 사이클 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 응축기와 증발기 사이에 배치되어 냉매를 팽창하는 팽창 장치를 더 포함하고,
    상기 바이패스 유로는 상기 응축기와 팽창 장치를 연결하는 유로에서 분기되어 형성되는 냉동 사이클 장치.
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