KR20130111898A - 열교환기 시험용 공냉 및 수냉 복합 냉각장치 - Google Patents

열교환기 시험용 공냉 및 수냉 복합 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각대상물체의 특성에 따라서 공냉과 수냉을 선택하여 냉각작용을 행할 수 있도록 하여 모든 냉각대상물체에 대하여 공통적으로 편리하게 사용할 수 있게 하고, 수냉장치의 갑작스런 냉각수 부족현상, 냉각수 순환펌프의 고장 등이 발생하여 수냉작용이 불가능하거나 냉각효율아 떨어질 경우에 공냉을 선택하여 냉각작용을 계속하게 함으로써 사용효율을 높이고 제품의 불량을 줄이는 열교환기 시험용 공냉 및 수냉 복합 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명은 냉매를 압축시키는 압축기(10), 압축된 냉매의 열을 방출하여 냉매를 응축시키는 응축기(11), 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(12), 상기 팽창된 냉매를 증발시키면서 열교환에 의하여 냉각매체를 냉각시키는 증발기(13)를 구비하는 냉각장치에 있어서, 상기 증발기(13)와 냉각대상물체(1) 사이에서 냉각대상물체(1)를 냉각하는 매체가 순환하도록 되어 있는 냉각매체배관(20), 상기 증발기(13) 출구 쪽의 냉각매체배관(20)상에 설치되어 있는 물탱크(21), 상기 물탱크(21)의 물을 냉각매체배관(20)을 통하여 순환시키는 순환펌프(22), 상기 증발기(13)의 냉각매체배관(20)의 입구 측에 설치된 유입 삼방밸브(30), 상기 증발기(13)와 물탱크(21) 사이의 냉각매체배관(20)에 설치된 유출 삼방밸브(31), 상기 유입 삼방밸브(30)에 연결되어 있는 공기유입관(32), 상기 유출 삼방밸브(31)와 순환펌프(22)의 하류의 냉각매체배관(20) 사이에 연결되어 있는 공기우회관(33), 상기 냉각대상물체(1)를 통과한 공기를 배기하기 위하여 냉각대상물체(1)의 출구 측에서 분기하여 상기 물탱크(21)로 연결되어 있는 공기배기관(34), 상기 공기배기관(34) 상에 설치되어 있는 개폐밸브(34a), 그리고 상기 순환펌프(22)와, 냉각매체배관(20)과 공기우회관(33)이 만나는 연결부분의 사이에 설치되어 있는 체크밸브(23)를 구비하고 있다.

Description

열교환기 시험용 공냉 및 수냉 복합 냉각장치{Cooling system for test of heat exchange by both cooling air and liquid}
본 발명은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 구성되는 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 냉각대상물체의 특성에 따라서 공냉과 수냉을 선택하여 냉각작용을 행할 수 있도록 하여 모든 냉각대상물체에 대하여 공통적으로 편리하게 사용할 수 있게 하고, 수냉장치의 갑작스런 냉각수 부족현상, 냉각수 순환펌프의 고장 등이 발생하여 수냉작용이 불가능하거나 냉각효율아 떨어질 경우에 공냉을 선택하여 냉각작용을 계속하게 함으로써 사용효율을 높이고 제품의 불량을 줄이는 열교환기 시험용 공냉 및 수냉 복합 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 칠러(chiller)라 불리는 소형의 냉각장치는 냉매를 압축시키는 압축기, 압축된 냉매의 열을 방출하여 냉매를 응축시키는 응축기, 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 상기 팽창된 냉매를 증발시키면서 열교환에 의하여 주위의 열을 빼앗는 증발기를 구비하여 냉각작용을 하는 증기압축식 냉매 사이클을 이용하고 있으며, 생산라인에 배치되어 제조되는 제품에 대하여 냉각작용을 하거나 열교환기 성능 및 내구성 시험을 하는데 많이 사용된다.
이 냉각장치는 상기 증발기에서 냉매가 증발하면서 열교환에 의하여 냉각매체인 공기 또는 물을 냉각시키고, 냉각된 냉각매체는 냉각대상물체로 흐르면서 냉각작용을 한다. 예를 들어, 냉각대상물체가 공냉을 요구하는 제품인 경우에는 증발기에서 냉각매체인 공기를 냉각하고, 이 냉각된 공기가 냉각대상물체 주위를 흐르면서 냉각작용을 한다. 그리고 냉각대상물체가 수냉을 요구하는 제품인 경우에는 증발기에서 냉각매체인 물 또는 부동액을 냉각하여 이 액체를 냉각대상 물체쪽으로 순환시켜 냉각을 행한다.
이러한 냉각장치(칠러)는 급랭으로 생산량을 증대시키고자 할 때, 일정한 온도로 품질을 균일하게 하고 할 때 유익하며, 냉각탑 및 배관이 불필요하여 구성이 간단하고 이동가능하게 콤팩트하게 구성할 수 있어서 좁은 공간에도 용이하게 설치할 수 있다. 또한 절대용수부족으로 인하여 애로사항이 있을 때 유익하게 이용할 수 있으며 유지보수 및 관리가 용이하다는 장점이 있다.
그런데 종래의 냉각장치는 수냉 방식 또는 공냉 방식 중에서 어느 하나의 방식의 냉각작용만을 하도록 되어 있다. 따라서 각 생산제품의 특성에 따라서 전용 냉각장치(칠러)를 구비하여야 한다. 즉, 수냉을 요구하는 제품에는 수냉식 칠러가 구비되고, 공냉을 요구하는 제품에는 공냉식 칠러가 구비되어야 하는 문제가 있다. 따라서 수냉 또는 공냉의 냉각대상물체에 대하여 모두 냉각작용을 행할 수 있는 냉각장치가 필요하다.
또한 수냉식 칠러(chiller)인 경우에 물탱크에 냉각수가 부족하거나 순환펌프가 갑자기 고장이 난 경우에 냉각장치의 효율이 떨어져 생산제품의 불량을 초래하는 경우가 종종 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 냉각장치의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 공냉을 요구하는 제품과 수냉을 요구하는 제품에 대하여 공용으로 사용할 수 있도록 하여 사용상의 편리성을 향상시키고, 수냉장치와 공냉장치 중 어느 한쪽에 고장이 발생하였을 경우에 다른 장치를 이용하여 냉각작용을 계속 수행하게 하여 사용효율을 높이거나 제품의 불량 발생을 줄이는 공냉 및 수냉 복합 냉각장치를 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 냉매를 압축시키는 압축기, 압축된 냉매의 열을 방출하여 냉매를 응축시키는 응축기, 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 상기 팽창된 냉매를 증발시키면서 열교환에 의하여 냉각매체를 냉각시키는 증발기를 구비하는 냉각장치에 있어서, 상기 증발기와 냉각대상물체 사이에서 냉각대상물체를 냉각하는 매체가 순환하도록 되어 있는 냉각매체배관, 상기 증발기 출구 쪽의 냉각매체배관 상에 설치되어 있는 물탱크, 상기 물탱크의 물을 냉각매체배관을 통하여 순환시키는 순환펌프, 상기 증발기의 냉각매체배관의 입구 측에 설치된 유입 삼방밸브, 상기 증발기와 물탱크 사이의 냉각매체배관에 설치된 유출 삼방밸브. 상기 유입 삼방밸브에 연결되어 있는 공기유입관, 상기 유출 삼방밸브와 순환펌프의 하류의 냉각매체배관 사이에 연결되어 있는 공기우회관, 상기 냉각대상물체를 통과한 공기를 배기하기 위하여 냉각대상물체의 출구 측에서 분기하여 상기 물탱크로 연결되어 있는 공기배기관, 상기 공기배기관 상에 설치되어 있는 개폐밸브, 그리고 상기 순환펌프와, 냉각매체배관과 공기우회관이 만나는 연결부분의 사이에 설치되어 있는 체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 또한 상기 순환펌프에서 토출하는 물이 물탱크로 복귀할 수 있게 하는 복귀관과, 상기 복귀관 상에 설치되어 있는 개폐밸브가 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 또한 상기 증발기가 판형 연교환기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 물, 부동액과 같은 액체(이하 단순히 "물"이라 한다)에 의하여 냉각을 행하는 수냉 방식과, 공기와 같은 기체(이하 단순히 "공기"라 한다)에 의하여 냉각을 행하는 공냉 방식을 모두 채용하고 있으므로, 냉각대상 물체인 생산제품의 특성에 따라서 적절한 냉각방식을 선택하여 적용할 수 있다. 따라서 하나의 냉각장치로 다양한 특성의 제품을 냉각할 수 있으며,특히 공냉과 수냉을 번갈아 행하면서 열교환기의 성능 및 내구성을 시험하는데 적합하다. 냉각장치의 설치공간도 작게 되어 사용상의 편리성이 향상된다.
또한 수냉의 냉각장치를 실행하다가 물탱크에 냉각수가 부족하거나 순환펌프가 기 고장이 난 경우에는 공냉식으로 전환하여 냉각작용을 계속해서 수행할 수 있으므로 사용효율이 높게 되고 제품의 불량 발생을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공냉 및 수냉 복합 냉각장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 냉각장치는 냉매를 압축시키는 압축기(10), 압축된 냉매의 열을 방출하여 냉매를 응축시키는 응축기(11), 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(12), 상기 팽창된 냉매를 증발시키면서 주위의 열을 빼앗는 증발기(13)를 구비하고 있다. 상기 응축기(11)와 팽창밸브(12) 사이에는 수분, 이물질을 제거하기 위한 필터드라이어(filter dryer)(15)가 설치되어 있으며, 냉매배관(14)에는 내부를 관찰하는 있는 관찰창(sight glass)(16)이 설치되어 있다. 외부균압관(17)은 증발기(13)를 통과한 냉매의 과열정도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 압축기(10)의 유입측에는 냉매가 저압일 때 차단하는 저압차단스위치(10a)가 설치되어 있고, 압축기(10)의 유출측에는 냉매가 고압일 때 차단하는 고압차단스위치(10b)가 설치되어 있다.
본 발명의 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 물을 순환시키는 수냉을 실행하기 위하여 상기 증발기(13)와 냉각대상물체(1) 사이에서 냉각대상물체(1)를 냉각하는 매체가 순환하도록 되어 있는 냉각매체배관(20), 상기 증발기(13) 출구 쪽의 냉각매체배관(20)상에 설치되어 있는 물탱크(21), 상기 물탱크(21)의 물을 냉각매체배관(20)을 통하여 순환시키는 순환펌프(22)가 구성되어 있다.
물탱크(21)에는 내부의 물의 온도를 측정하기 위한 온도측정기(21a)와 내부의 공기를 배출하기 위한 벤트(vent)(21b)가 구성되어 있다.
또한 물의 압력이 과도하게 높을 때 상기 순환펌프(22)에서 토출하는 물이 물탱크(21)로 복귀할 수 있게 하는 복귀관(24)과, 상기 복귀관(24) 상에 설치되어 있는 개폐밸브(24a)가 구성되어 있다.
본 발명은 또한 공기를 공급하여 공냉을 실행하기 위하여 상기 증발기(13)의 냉각매체배관(20)의 입구 측에 설치된 유입 삼방밸브(30), 상기 증발기(13)와 물탱크(21) 사이의 냉각매체배관(20)에 설치된 유출 삼방밸브(31). 상기 유입 삼방밸브(30)에 연결되어 있는 공기유입관(32), 상기 유출 삼방밸브(31)와 순환펌프(22)의 하류의 냉각매체배관(20) 사이에 연결되어 있는 공기우회관(33), 상기 냉각대상물체(1)를 통과한 공기를 배기하기 위하여 냉각대상물체(1)의 출구 측에서 분기하여 상기 물탱크(21)로 연결되어 있는 공기배기관(34), 상기 공기배기관(34) 상에 설치되어 있는 개폐밸브(34a), 그리고 상기 순환펌프(22)와, 냉각매체배관(20)과 공기우회관(33)이 만나는 연결부분의 사이에 설치되어 있는 체크밸브(23)가 구비되어 있다.
상기 증발기(13)는 전술한 냉매와 물 또는 공기의 냉각매체 사이에 효율적으로 열 교환을 행하여 냉각매체를 냉각시키는 판형 연교환기를 사용하는 것이 바람직하나 다른 형태의 열교환기도 사용할 수 있음은 물론이다.
냉각대상물체(1)의 유입 측 냉각매체배관(20)에는 온도측정기(25), 압력측정기(26) 및 유량계(27)가 설치되어 있다.
냉각대상물체(1)로서 열교환기를 적용하여 열교환기의 성능 및 내구성을 시험할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 공냉 및 수냉 복합 냉각장치는 다음과 같이 작용한다.
증발기(13)에서 유출된 냉매가스는 압축기(10)에서 압축되어 고온, 고압의 냉매가스의 상태로 응축기(11)로 이송된다. 응축기(11)에서는 이를 액상의 냉매로 응축하여 팽창밸브(12)로 이송하는데 필터드라이어(15)에 의하여 수분 및 이물질이 여과된다. 그리고 관찰창(16)을 통하여 냉매배관 내부를 흐르는 냉매의 상태를 관찰할 수 있다.
팽창밸브(12)에서는 액상의 냉매를 단열팽창시켜 저온, 저압의 액가스 혼합물의 형태로 만든다. 이 때 질량기준으로 가스는 약 30%, 액은 약 70%로 유지되며 이 액가스가 증발기(13)를 통과하면서 냉각매체인 물(수냉시) 또는 공기(공냉시)와 열교환을 하여 액상의 냉매는 증발하여 증발기(13)를 빠져 나갈 때는 기상의 냉매만 남는다.
한편, 냉각매체인 물 또는 공기가 다음과 같이 순환된다. 냉각매체로서 물을 이용하여 수냉을 행할 경우에는 물이 냉각매체배관(20)을 통하여 흐르도록 유입 삼방밸브(30)와 유출 삼방밸브(31)를 절환하고 개폐밸브(34a)를 차단한다.
이 상태에서 물탱크(21)의 물을 순환펌프(22)에 의하여 냉각매체배관(20)을 통하여 순환시키는데, 물은 냉각대상물체(1)를 통과하면서 냉각대상물체(1)를 냉각시킨 후 증발기(13)로 유입되어 증발기(13)를 통과하면서 냉매와의 열교환에 의하여 다시 냉각되어 물탱크(21)에 일시 저장된 후 순환을 반복한다.
순환펌프(22)에서 토출되는 물의 압력이 너무 높을 때에는 개폐밸브(24a)를 개방하여 물의 일부를 물탱크(21)로 복귀시킨다.
냉각매체로서 공기를 이용하여 공냉을 행할 경우에는 유입 삼방밸브(30)와 유출 삼방밸브(31)가 절환되고, 개폐밸브(34a)가 개방된다. 공기는 공기유입관(32) 및 유입 삼방밸브(30)를 통하여 증발기(13)로 유입되도록 하고, 증발기(13)에서 냉매와의 열교환에 의하여 냉각된 후 유출되는 공기는 유출 삼방밸브(31)를 통하여 공기우회관(33)으로 흐르게 한다.
이 때 체크밸브(23)의 영향으로 공기는 순환펌프(22) 쪽으로 역류하지 않고 냉각대상물체(1) 쪽으로 흐른다. 공기는 냉각대상물체(1)를 통과하면서 냉각대상물체(1)를 냉각시킨 후 공기배기관(34)을 통하여 물탱크(21)로 들어가 이어서 벤트(21b)를 통하여 외기 중으로 배출된다.
여기서 팽창밸브(12)를 통과하는 냉매의 순환량에 의해 냉각매체인 물 또는 공기의 냉각정도, 즉 냉각장치의 냉각성능이 결정된다. 순환펌프(22)의 운전회전수는 일정하기 때문에 증발기(13)로 유입되는 물의 유량은 일정하다. 따라서 증발기(13)로 공급되는 물의 온도가 높게 되면 증발기(13)에서 처리해야 할 부하가 크기 때문에 필요 냉매순환량은 증가하게 된다.
반대로 증발기(13)로 공급되는 물의 온도가 높게 되면 증발기(13)에서 처리해야 할 부하가 적기 때문에 필요 냉매순환량은 감소하게 된다.
즉 냉각장치의 최적 성능을 확보하기 위해서는 증발기(13)에서의 부하량에 따라 냉매 순환량을 적절히 제어할 필요가 있다.
본 발명에서는 냉매 순환량을 제어할 목적은 팽창밸브(12)로서 전자팽창밸브를 채용하였다. 수냉작용인 경우에는 증발기(13)에서 토출되는 물의 온도를 온도측정기(21a)에서 측정하여 그 온도신호를 제어부로 보내고 제어부는 온도신호에 따라 전자팽창밸브를 제어한다. 공냉작용인 경우에는 증발기(13)에서 토출되는 공기의 온도를 온도측정기(25)에서 측정하여 그 온도신호를 제어부로 보내고 제어부는 온도신호에 따라 전자팽창밸브를 제어한다.
전자팽창밸브는 오리피스, 니들밸브, 스텝모터를 구비하고 있으며, 스텝모터로 공급되는 입력펄스에 따라 니들밸브가 상하운동을 하고, 니들밸브의 상하운동에 따라 오리피스 개구부 면적을 조절함으로써 냉매 순환량을 조절하게 된다.
이와 같이 본 발명의 냉각장치는 물, 부동액과 같은 액체에 의하여 냉각을 행하는 수냉 방식과, 공기와 같은 기체에 의하여 냉각을 행하는 공냉 방식을 모두 채용하고 있다. 따라서 냉각대상 물체인 생산제품의 특성에 따라서 적절한 냉각방식을 선택하여 냉각작용을 할 수 있으므로 하나의 냉각장치로 다양한 특성의 제품을 냉각할 수 있으며, 그에 따라 냉각장치의 설치공간도 작게 된다. 냉각대상물체(1)로서는 열교환기를 설치하여 성능 및 내구성 등 각종 시험을 행할 수 있다.
또한 수냉의 냉각장치를 실행하다가 물탱크에 냉각수가 부족하거나 순환펌프가 고장이 난 경우에는 공냉식으로 전환하여 냉각작용을 계속해서 수행할 수 있으므로 사용의 편리성을 향상하고 제품의 불량을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10: 압축기 10a: 저압차단스위치
10b: 고압차단스위치 11: 응축기
12: 팽창밸브 13: 증발기
14: 냉매배관 15: 필터드라이어
16: 관찰창 17: 외부균압관
20: 냉각매체배관 21: 물탱크
21a: 온도측정기 21b: 벤트(vent)
22: 순환펌프 23: 체크밸브
24: 복귀관 24a: 개폐밸브
25: 온도측정기 26: 압력측정기
27: 유량계
30: 유입 삼방밸브 31: 유출삼방밸브
32: 공기유입관 33: 공기우회관
34: 공기배기관 34a: 개폐밸브

Claims (3)

  1. 냉매를 압축시키는 압축기(10), 압축된 냉매의 열을 방출하여 냉매를 응축시키는 응축기(11), 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(12), 상기 팽창된 냉매를 증발시키면서 열교환에 의하여 냉각매체를 냉각시키는 증발기(13)를 구비하는 냉각장치에 있어서,
    상기 증발기(13)와 냉각대상물체(1) 사이에서 냉각대상물체(1)를 냉각하는 매체가 순환하도록 되어 있는 냉각매체배관(20),
    상기 증발기(13) 출구 쪽의 냉각매체배관(20)상에 설치되어 있는 물탱크(21),
    상기 물탱크(21)의 물을 냉각매체배관(20)을 통하여 순환시키는 순환펌프(22),
    상기 증발기(13)의 냉각매체배관(20)의 입구 측에 설치된 유입 삼방밸브(30),
    상기 증발기(13)와 물탱크(21) 사이의 냉각매체배관(20)에 설치된 유출 삼방밸브(31),
    상기 유입 삼방밸브(30)에 연결되어 있는 공기유입관(32),
    상기 유출 삼방밸브(31)와 순환펌프(22)의 하류의 냉각매체배관(20) 사이에 연결되어 있는 공기우회관(33),
    상기 냉각대상물체(1)를 통과한 공기를 배기하기 위하여 냉각대상물체(1)의 출구 측에서 분기하여 상기 물탱크(21)로 연결되어 있는 공기배기관(34),
    상기 공기배기관(34) 상에 설치되어 있는 개폐밸브(34a), 그리고
    상기 순환펌프(22)와, 냉각매체배관(20)과 공기우회관(33)이 만나는 연결부분의 사이에 설치되어 있는 체크밸브(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉 복합 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순환펌프(22)에서 토출하는 물이 물탱크(21)로 복귀할 수 있게 하는 복귀관(24)과, 상기 복귀관(24) 상에 설치되어 있는 개폐밸브(24a)가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉 복합 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증발기(13)는 판형 연교환기인 것을 특징으로 하는 공냉 및 수냉 복합 냉각장치.
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