KR20170043054A - 선회류를 이용한 이젝터 - Google Patents

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KR20170043054A
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Abstract

본 발명은 선회류를 이용한 이젝터에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 이젝터는, 고압의 메인 흐름이 인입되는 메인 입구, 상기 메인 입구에 연통되는 노즐부, 상기 노즐부에 연통되는 혼합부, 상기 혼합부에 연통되는 디퓨저, 상기 디퓨저에 연통되는 배출구를 포함하는 이젝터 몸체; 및 상기 이젝터 몸체의 중심에 삽입되며, 중앙의 관통공으로는 저압의 흡입 흐름이 인입되며, 선단부의 외면은 상기 이젝터 몸체의 노즐부와 함께 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동하여 선회류를 형성할 수 있도록 하는 복수의 경사진 통로를 형성하는 흡입 파이프;를 포함한다. 상기 이젝터 몸체의 메인 입구로 인입되는 메인 흐름과 상기 흡입 파이프의 관통공을 통해 인입되는 흡입 흐름은 상기 이젝터 몸체의 혼합부에서 선회하여 혼합되어 상기 디퓨저 및 배출구를 통해 외부로 배출된다.

Description

선회류를 이용한 이젝터{Ejector using swirl flow}
본 발명은 공기조화장치에 사용되는 이젝터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡입되는 냉매가 선회류를 형성하도록 형성된 이젝터와 이를 구비하는 공기조화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 증기 압축식 냉동사이클 장치에 사용되는 감압장치로서, 이젝터(ejector)가 사용될 수 있다. 이러한 이젝터는 냉매를 감압시키는 노즐부를 구비하며, 이 노즐부에서 분사되는 분사 냉매의 흡입작용에 의해 증발기에서 배출되는 기체 상태의 냉매를 흡입하고, 혼합부에서 분사 냉매와 흡입 냉매를 혼합하며, 디퓨저에서 혼합된 냉매의 압력을 상승시켜 외부로 배출하도록 구성된다.
따라서, 감압장치로서 이젝터를 구비하는 냉동사이클장치(이하, 이젝터 방식 냉동사이클이라 한다)에서는 이젝터의 디퓨저에서 발생하는 냉매 승압작용을 이용하여 압축기의 소비동력을 줄일 수 있으며, 감압장치로 팽창밸브를 사용하는 냉동사이클장치보다 사이클의 성적계수(COP)를 상승시킬 수 있다.
직선형 혼합부를 구비하는 종래 기술에 의한 이젝터에서는 직선류인 메인 흐름과 흡입 흐름이 충분히 섞일 수 있도록 충분한 혼합부의 길이를 필요로 한다. 그러나, 혼합부의 길이가 길면 이젝터의 전체 길이가 길어지므로 냉동사이클장치의 크기를 줄이는 것이 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 이젝터의 길이를 줄이기 위해 혼합부의 길이를 줄일 필요가 있다. 이젝터의 노즐부 내부에 선회류를 형성하면, 혼합부의 길이를 줄일 수 있다.
이러한 선회류를 이용하는 이젝터의 일예가 미국 공개특허 US 2015/0033790에 개시되어 있다.
그러나 상술한 특허에 기재된 이젝터에서는 노즐 부분을 통과하면서 선회 방향의 속도 성분이 대부분 없어져 버리고 직선 방향의 속도 성분이 늘어나게 된다. 따라서, 원추형 부재 표면에서의 선회류를 기대하기 어려워 혼합부의 길이를 줄이는 효과를 얻기는 곤란하다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 이젝터로 인입되는 냉매가 혼합부에서 선회류를 형성하도록 함으로써 혼합부의 길이를 줄여 이젝터의 전체 길이를 줄일 수 있는 이젝터에 관련된다.
또한, 본 발명은 선회류를 발생시키는 노즐 홈의 제작이 용이한 이젝터에 관련된다.
본 발명의 일 측면에 따르는 선회류를 이용한 이젝터는, 고압의 메인 흐름이 인입되는 메인 입구, 상기 메인 입구에 연통되는 노즐부, 상기 노즐부에 연통되는 혼합부, 상기 혼합부에 연통되는 디퓨저, 상기 디퓨저에 연통되는 배출구를 포함하는 이젝터 몸체; 및 상기 이젝터 몸체의 중심에 삽입되며, 중앙의 관통공으로는 저압의 흡입 흐름이 인입되며, 선단부의 외면은 상기 이젝터 몸체의 노즐부와 함께 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동하여 선회류를 형성할 수 있도록 하는 복수의 경사진 통로를 형성하는 흡입 파이프;를 포함하며, 상기 이젝터 몸체의 메인 입구로 인입되는 메인 흐름과 상기 흡입 파이프의 관통공을 통해 인입되는 흡입 흐름은 상기 이젝터 몸체의 혼합부에서 선회하여 혼합되어 상기 디퓨저 및 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 상기 흡입 파이프의 선단부의 외면에는 복수의 노즐 홈이 형성되며, 상기 흡입 파이프의 선단부가 상기 이젝트 몸체의 노즐부에 삽입되면, 상기 복수의 노즐 홈과 상기 노즐부의 내면이 복수의 노즐을 형성하고, 상기 메인 흐름은 상기 복수의 노즐을 통해 상기 혼합부로 이동할 수 있다.
또한, 상기 복수의 노즐 홈은 상기 흡입 파이프의 중심선에 대해 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡입 파이프는 상기 이젝터 몸체의 노즐부에 대해 전후로 이동할 수 있도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 이젝터 몸체의 상기 흡입구와 상기 노즐부 사이에는 상기 노즐부의 지름보다 큰 지름을 가지며, 상기 흡입구 및 상기 노즐부와 연통되는 메인 흐름 수용부가 형성되며, 상기 흡인 파이프는 상기 메인 흐름 수용부에서 이동 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부는, 상기 메인 흐름 수용부와 연결되는 부분에 형성되는 제1경사부; 및 상기 혼합부와 연결되는 부분에 형성되는 제2경사부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡입 파이프는, 선단에 마련되며, 상기 노즐부의 제2경사부에 대응하는 경사를 갖는 선단 경사부; 및 상기 선단 경사부로부터 이격되어 형성되며, 상기 노즐부의 제1경사부에 대응하는 경사를 갖는 중간 경사부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡입 파이프의 상기 선단 경사부가 상기 노즐부의 상기 제2경사부와 접촉하면, 상기 복수의 노즐 홈이 차단되어 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동하지 못하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡입 파이프의 선단부의 지름은 상기 흡입 파이프의 다른 부분의 지름보다 작을 수 있다.
또한, 상기 메인 입구는 상기 이젝터 몸체의 중심선에서 편심되게 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 노즐 홈은 3개가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는, 선회류를 이용한 이젝터는, 메인 흐름이 인입되는 메인 입구, 상기 메인 입구에 연결되는 노즐부, 상기 노즐부에 연결되는 혼합부, 상기 혼합부에 연결되는 디퓨저, 및 상기 디퓨저에 연결되는 배출구를 포함하는 이젝터 몸체; 상기 이젝터 몸체의 중심에 길이 방향으로 이동 가능하게 삽입되며, 중앙의 관통공으로는 흡입 흐름이 인입되는 흡입 파이프; 및 상기 흡입 파이프의 선단부의 외면에 형성되며, 상기 흡입 파이프의 선단부가 상기 이젝터 몸체의 노즐부에 삽입되면, 상기 흡입구로 인입되는 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동할 수 있도록 하는 통로를 형성하는 복수의 노즐 홈;을 포함하며, 상기 이젝터 몸체의 메인 입구로 인입되는 메인 흐름은 상기 복수의 노즐 홈을 통해 상기 혼합부로 이동하여 선회류를 형성하며, 상기 흡입 파이프의 관통공을 통해 인입되는 흡입 흐름과 혼합될 수 있다.
이때, 상기 복수의 노즐 홈은 상기 흡입 파이프의 중심선에 대해 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 이젝터 몸체와 일체로 설치되며, 상기 흡입 파이프의 이동을 지지하는 지지부재;를 더 포함하며, 상기 지지부재와 상기 노즐부 사이에는 상기 노즐부의 지름보다 큰 지름을 가지며, 상기 흡입구 및 상기 노즐부와 연통되는 메인 흐름 수용부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부는, 상기 메인 흐름 수용부와 연결되는 부분에 형성되는 제1경사부; 및 상기 혼합부와 연결되는 부분에 형성되는 제2경사부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡입 파이프는, 선단에 마련되며, 상기 노즐부의 제2경사부에 대응하는 경사를 갖는 선단 경사부; 및 상기 선단 경사부로부터 이격되어 형성되며, 상기 노즐부의 제1경사부에 대응하는 경사를 갖는 중간 경사부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 노즐 홈은 상기 선단부의 선단 경사부와 중간 경사부 중 적어도 한 곳에도 형성될 수 있다.
또한, 상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부, 상기 혼합부, 상기 디퓨저, 및 상기 흡입 파이프의 관통공은 일직선으로 배열되며, 상기 메인 입구는 상기 메인 흐름이 상기 흡입 파이프에 대해 접선 방향으로 인입되도록 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터를 사용하는 증기 압축 냉동사이클을 개략적으로 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터를 나타내는 사시도;
도 3은 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 단면 사시도;
도 4는 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 흡입 파이프를 나타내는 사시도;
도 5는 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 평면도;
도 6a 및 도 6b는 도 2의 흡입 파이프에 형성된 복수의 노즐 홈을 나타내는 부분 사시도;
도 7은 도 2의 선회류를 이용한 이젝터를 선 7-7에서 절단하여 나타낸 단면도;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터에서 메인 흐름과 흡입 흐름을 설명하기 위한 단면도;
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터에서 3단계에 의한 압력 강하를 설명하기 위한 부분 단면도;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터의 내부에 선회류가 형성된 것을 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 사진;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터의 내부의 압력 분포를 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 사진;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터에서 혼합부의 길이 변화에 따른 배출되는 혼합 냉매의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 선회류를 이용한 이젝터의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터를 사용하는 증기 압축 냉동사이클을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 증기 압축 냉동사이클장치(100)의 냉매 감압수단으로서 사용된다. 이와 같은 증기 압축 냉동사이클장치(100)는 공기조화장치에 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 압축기(120)는 냉매를 흡입하여 고압의 냉매로 가압하여 토출한다. 압축기(120)로는 스크롤형 압축기, 베인형 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축기(120)의 토출구는 배관(121)을 통해 응축기(130)의 냉매 입구에 접속된다. 응축기(130)는 압축기(120)에서 토출된 고압의 냉매를 냉각 팬(135)으로 냉각시킨다.
응축기(130)의 배출구는 배관(131)을 통해 이젝터(1)의 제1입구(11)에 연결된다.
이젝터(1)의 배출구(60)는 배관(101)을 통해 기액분리기(110)의 인입구에 연결된다. 기액분리기(110)는 액체 출구(112)와 기체 출구(111)를 포함한다. 기액분리기(110)의 기체 출구(111)는 압축기(120)의 냉매 입구에 연결되고, 액체 출구(112)는 배관(115)를 통해 증발기(140)의 입구에 연결된다. 액체 상태의 냉매가 증발기(140)를 통과하는 동안 팬(145)에 의해 공급되는 공기와 열교환을 하여 기체 상태의 냉매가 된다. 증발기(140)에서 차가워진 공기는 팬(145)에 의해 외부로 배출된다.
증발기(140)의 출구는 배관(141)을 통해 이젝터(1)의 제2입구(73)에 연결된다.
기액분리기(110)의 기체 출구(111)에서, 압축기(120)와 응축기(130)를 통해 이젝터(1)의 제1입구(11)를 연결하는 냉매 라인(121,131)은 냉동사이클의 메인 루프를 형성한다. 또한, 기액분리기(110)의 액체 출구(112)에서 증발기(140)를 거쳐 이젝터(1)의 제2입구(73)를 연결하는 냉매 라인(115,141)은 냉동사이클의 보조 루프를 형성한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 단면 사시도이다. 도 4는 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 흡입 파이프를 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 2의 선회류를 이용한 이젝터의 평면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)는 이젝터 몸체(10)와 흡입 파이프(70)를 포함한다.
이젝터 몸체(10)는 메인 입구(11), 메인 흐름 수용부(20), 노즐부(30), 혼합부(40), 디퓨저(50), 배출구(60)를 포함한다. 메인 흐름 수용부(20), 노즐부(30), 혼합부(40), 디퓨저(50), 및 배출구(60)는 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)을 따라 일직선으로 배열된다.
메인 입구(11)는 냉매의 메인 흐름이 인입되는 제1입구를 형성하며, 메인 루프를 형성하는 응축기(130)의 배출구에 연결된 배관(131)이 연결된다. 여기서, 메인 흐름은 응축기(130)에서 배출되어 이젝터(1)로 인입되는 고압의 냉매 흐름을 의미한다. 메인 입구(11)는 이젝터 몸체(10)의 측면에 노즐부(30)와 이격되어 형성된다. 또한, 메인 입구(11)는 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)으로부터 일정 거리(d) 이격되어 형성된다. 즉, 메인 입구(11)의 중심은 도 5에 도시된 바와 같이 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)에 대해 일정 거리(d) 편심되어 있다. 따라서, 메인 입구(11)로 인입되는 메인 흐름은 이젝터 몸체(10)의 중심에 설치된 흡입 파이프(70)에 대해 접선방향으로 메인 흐름 수용부(20)로 인입되므로 흡입 파이프(70)에 충돌하지 않는다.
메인 입구(11)의 바로 아래에는 메인 흐름 수용부(20)가 형성되어 있다. 메인 흐름 수용부(20)에는 메인 입구(11)로 인입된 메인 흐름이 노즐부(30)로 이동하기 전에 머물 수 있도록 형성된다. 메인 흐름 수용부(20)는 원통 형상의 공간으로 형성되며, 그 지름(D1)은 흡입 파이프(70)의 바깥지름(D4)보다 크게 형성된다(도 8 참조).
이젝터 몸체(10)의 후단에는 흡입 파이프(70)를 지지하는 지지부재(13)가 마련된다. 지지부재(13)에는 흡입 파이프(70)의 바깥지름(D4)에 대응하는 관통공(15)이 마련된다. 따라서, 흡입 파이프(70)는 지지부재(13)의 관통공(15)에 삽입된다. 흡입 파이프(70)가 이젝터 몸체(10)에 대해 직선 이동할 수 있도록 설치되는 경우에는 흡입 파이프(70)의 이동은 지지부재(13)에 의해 안내될 수 있다. 지지부재(13)의 관통공(15)의 길이(L1)는 흡입 파이프(70)의 직선 이동을 안정적으로 지지할 수 있도록 정해질 수 있다. 또한, 지지부재(13)는 노즐부(30)의 반대쪽에 설치되어 메인 흐름 수용부(20)를 형성한다.
노즐부(30)는 지지부재(13)의 반대쪽에 마련되며, 노즐부(30)의 내면은 흡입 파이프(70)의 노즐 홈(720)과 함께 메인 흐름이 선회류가 되도록 하는 노즐을 형성한다. 노즐부(30)도 원통 형상의 공간으로 형성되며, 그 지름(D2)은 흡입 파이프(70)의 선단부(720)의 지름(D5)에 대응하는 크기로 형성된다. 또한, 노즐부(30)의 지름(D2)은 메인 흐름 수용부(20)의 지름(D1)보다 작다.
또한, 노즐부(30)의 양단에는 경사부(31,32)가 마련된다. 구체적으로, 메인 흐름 수용부(20)와 연결되는 노즐부(30)의 부분에는 제1경사부(31)가 형성되며, 혼합부(40)와 연결되는 노즐부(30)의 부분에는 제2경사부(32)가 형성된다. 메인 흐름 수용부(20)의 지름(D1)이 노즐부(30)의 지름(D2)보다 크므로, 제1경사부(31)는 대략 원뿔대 형상으로 형성된다. 이때, 원뿔대의 바닥은 메인 흐름 수용부(20)를 향하고, 원뿔대의 상단은 노즐부(30)를 향하므로 제1경사부(31)는 노즐부(30)를 향해 수렴되는 형태로 형성된다.
노즐부(30)의 지름(D2)이 혼합부(40)의 지름(D3)보다 크므로, 제2경사부(32)는 대략 원뿔대 형상으로 형성된다. 이때, 원뿔대의 바닥은 노즐부(30)를 향하고, 원뿔대의 상단은 혼합부(40)를 향하므로 제2경사부(32)는 혼합부(40)를 향해 수렴되는 형태로 형성된다.
혼합부(40)는 흡입 파이프(70)로 흡입되는 저압의 흡입 흐름(suction flow)이 노즐부(30)를 통해 인입되는 메인 흐름과 혼합되는 곳으로서, 원통 형상의 공간으로 형성된다. 여기서, 흡입 흐름은 메인 흐름의 분사에 의해 흡입 파이프(70)로 흡입되는 증발기(140)에서 배출된 기체 상태의 저압의 냉매 흐름을 말한다. 혼합부(40)의 지름(D3)은 노즐부(30)의 지름(D2)보다 작다. 노즐부(30)를 통해 인입되는 메인 흐름은 선회류를 형성하기 때문에, 선회류 중심에 저압이 발생하고 이에 의해 흡입 파이프(70)를 통해 흡입 흐름이 혼합부(40)로 흡입된다. 또한, 혼합부(40) 내에서 메인 흐름의 선회는 메인 흐름과 흡입 흐름 간의 혼합과 에너지 교환을 가속화시키므로 혼합부(40)의 길이(L2)를 직선 형태의 메인 흐름과 흡입 흐름을 혼합하는 종래 기술에 의한 이젝터의 혼합부의 길이보다 짧게 할 수 있다.
디퓨저(diffuser)(50)는 혼합부(40)에서 혼합된 냉매의 속도 에너지를 감소시켜 혼합 냉매의 압력을 상승시키는 승압부의 기능을 한다. 디퓨저(50)는 배출구(60)를 향해 지름이 점점 커지는 원뿔대의 형상으로 형성된다. 즉, 디퓨저(50)는 배출구(60)를 향해 발산되는 형태로 형성된다.
배출구(60)는 디퓨저(50)의 일단에 마련되며, 기액분리기(110)의 입구와 연결된다.
흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)의 중심에 이젝터 몸체(10)의 길이 방향으로 설치되며, 중공(71)의 원형 파이프로 형성된다. 흡입 파이프(70)의 선단부(72)는 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)에 대응하는 형상으로 형성된다. 흡입 파이프(70)의 후단(73)은 증발기(140)에서 배출되는 기체 상태의 냉매가 인입되는 이젝터(1)의 제2입구, 즉 흡입구를 형성한다.
도 4를 참조하면, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 바깥지름(D5)은 흡입 파이프(70)의 다른 부분의 바깥지름(D4)보다 작게 형성된다. 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 바깥지름(D5)은 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 지름(D2)과 대응하는 크기로 결정된다. 예를 들면, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 바깥지름(D5)은 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)에 삽입될 수 있으며, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)와 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30) 사이로 메인 흐름이 통과하지 못하도록 형성될 수 있다.
또한, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)는 2개의 경사부(721,723)를 갖도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)는 흡입 파이프(70)의 선단에 마련되며, 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 제2경사부(32)에 대응하는 경사를 갖는 선단 경사부(721)와 선단 경사부(721)로부터 이격되어 형성되며, 노즐부(30)의 제1경사부(31)에 대응하는 경사를 갖는 중간 경사부(723)를 포함할 수 있다. 선단부(72)의 선단 경사부(721)와 중간 경사부(723) 사이에는 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)와 함께 노즐을 형성하는 원통부(722)가 마련된다.
흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 표면에는 복수의 노즐 홈(720)이 형성된다. 복수의 노즐 홈(720)은 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)에 대해 일정 각도로 경사지게 형성된다. 구체적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이 노즐 홈(720)은 선회각(α) 만큼 이젝터 몸체(10)의 중심선, 즉 흡입 파이프의 중심선(C)에 대해 좌우 방향으로 일정 각도 경사지며, 입사각(β) 만큼 흡입 파이프의 중심선(C)에 대해 상하 방향으로 일정 각도 경사지도록 형성되므로, 노즐 홈(30)을 통과한 메인 흐름은 선회류를 형성하게 된다.
선회각(α)은 흡입 파이프(70)의 선단부(72)에 형성된 노즐 홈(720)이 노즐 홈(720)의 선단을 통과하며 흡입 파이프(70)의 중심선에 평행한 가상의 직선(C1)과 이루는 각을 말한다. 또한, 입사각(β)은 흡입 파이프(70)의 중간 경사부(723)에 형성된 노즐 홈(720)의 부분(g2)이 중간 경사면(723)에 형성된 노즐 홈의 부분(g2)의 선단을 지나며 흡입 파이프(70)의 중심선(C)에 평행한 가상의 직선(C2)과 이루는 각을 말한다.
따라서, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)가 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)에 삽입되면, 흡입 파이프(70)의 복수의 노즐 홈(720)과 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30) 내면이 메인 흐름이 통과하는 복수의 통로, 즉 복수의 노즐을 형성하므로, 메인 흐름은 복수의 노즐을 통해 혼합부(40)로 분사될 수 있다.
다른 실시예로서, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 노즐 홈(720)을 도 6b와 같이 형성할 수도 있다. 도 6b에 도시된 노즐 홈(720)은 흡입 파이프(70)의 선단 경사부(721)에도 형성되어 있다. 따라서, 도 6b에 도시된 노즐 홈(720)은 상술한 도 6a의 노즐 홈(720)이 갖는 선회각(α)과 입사각(β) 외에 제2입사각(β1)을 가질 수 있다. 이때, 제2입사각(β1)은 흡입 파이프(70)의 선단 경사부(721)에 형성된 노즐 홈(720)의 부분(g3)이 선단 경사부(721)에 형성된 노즐 홈(720)의 부분(g3)의 선단을 지나며 흡입 파이프(70)의 중심선(C)에 평행한 가상의 직선(C3)과 이루는 각을 말한다.
복수의 노즐 홈(720)은 흡입 파이프(70)의 선단 경사부(721)가 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 제2경사부(32)와 접촉하면, 복수의 노즐 홈(720)이 차단되어 메인 흐름이 혼합부(40)로 이동하지 못하도록 형성될 수 있다.
또한, 복수의 노즐 홈(720)은 2개 이상으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 이젝터(1)는 3개의 노즐 홈(720)을 갖는다. 따라서, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)가 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)에 삽입되면, 선단부(72)의 노즐 홈(720)의 상부가 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30) 내면에 의해 덮이게 되므로, 도 7과 같이 흡입 파이프(70)의 선단부(72)와 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30) 사이에는 3개의 노즐이 형성된다. 따라서, 메인 흐름 수용부(20)의 메인 흐름은 이 3개의 노즐을 통해 혼합부(40)로 이동하게 된다. 노즐 홈(720)의 단면은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 노즐 홈(720)의 단면은 직사각형, 반원형 등으로 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)는 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 표면에 노즐 홈(720)을 가공하여 메인 흐름이 통과하는 노즐을 형성하므로, 이젝터 몸체(10)에 노즐 홈을 가공하는 것에 비해 가공이 용이한 이점이 있다. 또한, 본 발명은 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 표면에 노즐 홈(720)을 가공하므로, 노즐의 형태를 다양하게 할 수 있으며, 복수의 노즐 홈(720)을 가공하는 것도 용이하다는 이점이 있다.
흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)에 대해 일정한 위치에 고정되도록 설치할 수도 있으나, 외부 조건에 따라 메인 흐름의 유동 압력을 조절할 수 있도록 흡입 파이프(70)를 이젝터 몸체(10)에 대해 이동 가능하게 설치할 수 있다.
이 경우, 흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)을 따라 이젝터 몸체(10)의 길이 방향으로 직선 이동하여, 흡입 파이프(70)의 선단이 노즐부(40)로 접근하거나 노즐부(40)로부터 멀어지게 된다. 이때, 흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)의 메인 흐름 수용부(20)를 관통하여 이동한다.
이를 위해, 흡입 파이프(70)의 후단에는 흡입 파이프(70)를 이젝터 몸체(10)의 중심선(C) 방향으로 직선 이동시킬 수 있는 구동부(80)(도 1 참조)가 마련된다. 구동부(80)는 모터와 직선이동기구로 구성될 수 있다. 구동부(80)로는 흡입 파이프(70)를 직선 이동시킬 수 있는 다양한 구조를 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 흡입 파이프(70)를 이젝터 몸체(10)에 대해 이동할 수 있도록 구성하면, 흡입 파이프(70)의 복수의 노즐 홈(720)과 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 내면에 의해 형성되는 복수의 통로, 즉 복수의 노즐의 길이를 조절할 수 있으므로, 복수의 통로를 통해 인입되는 메인 흐름의 유동 압력을 조절할 수 있다.
이하, 도 1, 도 3, 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
이젝터(1)의 제1입구(11)로는 응축기(130)로부터 고압의 액체 냉매가 인입된다. 고압의 액체 냉매는 이젝터(1)의 제1입구(11)로 인입되는 메인 흐름을 형성한다. 제1입구(11)로 인입된 메인 흐름은 메인 흐름 수용부(20)를 통과하여 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)와 흡입 파이프(70)의 선단부(72) 사이에 형성된 복수의 노즐 홈(720)을 통해 혼합부(40)로 분사된다.
이때, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)에 형성된 복수의 노즐 홈(720)은 이젝터 몸체(10)의 중심선(C)에 대해 경사져 있으므로 이를 통과하여 혼합부(40)로 인입되는 메인 흐름은 선회류를 형성한다. 이젝터 몸체(10)의 내부에 형성되는 선회류의 일 예가 도 10에 도시되어 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)에서 발생하는 선회류를 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 나타낸 사진이다.
이때, 메인 흐름에 의해 형성된 선회류의 중심은 저압이 되므로, 흡입 파이프(70)를 통해 증발기(140)로부터 기체 상의 저압 냉매가 이젝터 몸체(10)의 혼합부(40)로 흡입된다. 흡입 파이프(70)를 통해 흡입되는 기체 상 냉매는 흡입 흐름을 형성한다. 이젝터 몸체(10)의 내부의 압력 분포의 일 예가 도 11에 도시되어 있다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)가 동작할 때, 이젝터(1) 내부의 압력 분포를 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 나타낸 사진이다.
흡입 파이프(70)를 통해 흡입된 흡입 흐름은 이젝터 몸체(10)의 혼합부(40)에서 복수의 노즐 홈(720)을 통해 혼합부(40)로 분사되어 선회하는 복수의 메인 흐름과 혼합된다. 이때, 복수의 메인 흐름은 혼합부(40)에서 선회하므로, 흡입 파이프(70)로 흡입되는 흡입 흐름과 혼합이 잘되며, 에너지 교환이 촉진된다. 따라서, 메인 흐름과 흡입 흐름의 혼합 효율이 증가한다.
이젝터 몸체(10)의 혼합부(40)에서 메인 흐름과 흡입 흐름이 혼합된 혼합 흐름은 디퓨저(50)를 통과하여 배출구(60)를 통해 외부로 배출된다. 혼합 흐름이 디퓨저(50)를 통과하면, 혼합 흐름, 즉 혼합 냉매의 압력이 상승하고, 중심선 근처의 혼합 흐름의 축방향 속도는 감소한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)에서는 메인 흐름이 이젝터 몸체(10)의 혼합부(40)에서 선회하므로 혼합부(40)의 길이(L2)를 짧게 하여도 메인 흐름과 흡입 흐름을 효과적으로 혼합할 수 있다.
또한, 본 발명의 경우에는 최적의 혼합부(40)의 길이(L2)가 존재한다. 혼합부(40)의 길이(L2)가 너무 짧거나 길면 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력이 떨어지게 된다.
혼합부(40)의 길이(L2)에 따른 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력 변화를 측정한 결과가 도 12에 도시되어 있다. 도 12는 이젝터 몸체(10)에서 메인 흐름 수용부(20), 노즐부(30), 디퓨저(50), 및 배출구(60)의 길이는 동일하게 유지하고, 혼합부(40)의 길이(L2)만 변경하였을 때, 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력을 측정한 그래프를 나타낸 것이다. 도 12에서 x축의 길이는 이젝터 전체의 길이를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 선 ①은 혼합부(40)의 길이(L2)가 5mm인 경우로서, 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력이 약 75.8kPa, 즉 약 7.2% 상승한 것을 알 수 있다. 선 ②는 혼합부(40)의 길이(L2)가 20mm인 경우로서, 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력이 약 109.3kPa, 즉 약 10.4% 상승한 것을 알 수 있다. 선 ③은 혼합부(40)의 길이(L2)가 40mm인 경우로서, 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력이 약 104.6kPa, 즉 약 9.96% 상승한 것을 알 수 있다. 선 ④는 혼합부(40)의 길이(L2)가 55mm인 경우로서, 디퓨저(50)에서 배출되는 혼합 흐름의 압력이 약 97.9kPa, 즉 약 9.33% 상승한 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터(1)는 혼합부(40)의 길이(L2)를 약 20mm로 했을 때, 배출되는 혼합 흐름의 압력이 최대로 상승하는 것을 알 수 있다. 만일, 이젝터(1)의 길이를 짧게 하기 위해 혼합부(40)의 길이(L2)를 20mm보다 짧게 한 경우에는 배출되는 혼합 흐름의 압력 상승이 줄어들게 된다는 것을 알 수 있다.
이젝터(1)의 배출구(60)에서 배출된 혼합 흐름인 냉매는 기액분리기(110)로 인입된다. 기액분리기(110)로 인입된 냉매는 기체와 액체로 분리되어 액체 상태의 냉매는 액체 출구(112)를 통해 증발기(140)로 이동한다. 또한, 기체 상태의 냉매는 기체 출구(111)를 통해 압축기(120)로 이동한다.
한편, 흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)에 대해 일정한 위치에 고정된 상태로 설치될 수 있으나, 다른 예로서는 흡입 파이프(70)는 이젝터 몸체(10)에 대해 직선 이동 가능하게 설치될 수 있다. 흡입 파이프(70)가 이동 가능한 경우에는, 냉동 사이클을 제어하는 제어부(미도시)는 흡입 파이프(70)의 위치를 조절하여 메인 흐름의 유동 압력을 제어할 수 있다.
이하, 도 9a, 도 9b, 도 9c를 참조하여, 흡입 파이프(70)가 이젝터 몸체(10)에 대해 이동하는 경우 노즐부(30)에서의 압력 강하에 대해 설명한다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 의한 선회류를 이용한 이젝터에서 3단계에 의한 압력 강하를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 9a의 경우, 흡입 파이프(70)의 선단 경사면(721)이 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 제1경사면(31)에 인접하는 경우에는 메인 흐름은 흡입 파이프(70)의 선단 경사면(721)과 노즐부(30)의 제1경사면(31) 사이의 틈을 통해서만 노즐부(30)로 이동할 수 있으므로, 메인 흐름 수용부(20)에서 노즐부(30)로 인입되는 메인 흐름의 유량이 감소한다. 따라서, 메인 흐름의 1차 압력 강하가 발생한다.
또한, 흡입 파이프(70)가 노즐부(30)로 더 이동하여 흡입 파이프(70)의 선단부(72)가 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)에 삽입된 경우에는, 메인 흐름은 흡입 파이프(70)의 선단부(72)에 형성된 복수의 노즐 홈(720)을 통해서만 노즐부(30)로 이동할 수 있으므로, 메인 흐름의 유량이 더욱 감소하게 되므로 2차로 압력 강하가 발생한다.
끝으로, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)의 선단 경사면(721)이 이젝터 몸체(10)의 노즐부(30)의 제2경사면(32)과 접촉하면, 흡입 파이프(70)의 선단부(72)에 마련된 복수의 노즐 홈(720)이 차단되어 메인 흐름이 노즐부(30)로 이동하는 것이 차단된다. 이에 의해 3차로 압력 강하가 발생한다.
이와 같이, 흡입 파이프(70)가 이젝터 몸체(10)에 대해 이동 가능하게 설치된 경우에는, 흡입 파이프(70)의 위치에 따라 메인 흐름의 압력 변화가 발생하므로 제어부로 흡입 파이프(70)의 위치를 적절하게 조절하면, 외부 환경에 따라 이젝터(1)에서 토출되는 냉매의 압력을 적절하게 조절할 수 있다.
이상에서 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실시될 수 있을 것이다.
1: 이젝터 10; 이젝터 몸체
11; 메인 입구 20; 메인 흐름 수용부
30; 노즐부 31; 제1경사부
32; 제2경사부 40; 혼합부
50; 디퓨저 60; 배출구
70; 흡입 파이프 71; 관통공
72; 선단부 73; 제2입구
100; 증기 압축 냉동사이클 110; 기액분리기
120; 압축기 130; 응축기
140; 증발기 720; 노즐 홈
721; 선단 경사부 722; 원통부
723; 중간 경사부

Claims (19)

  1. 고압의 메인 흐름이 인입되는 메인 입구, 상기 메인 입구에 연통되는 노즐부, 상기 노즐부에 연통되는 혼합부, 상기 혼합부에 연통되는 디퓨저, 상기 디퓨저에 연통되는 배출구를 포함하는 이젝터 몸체; 및
    상기 이젝터 몸체의 중심에 삽입되며, 중앙의 관통공으로는 저압의 흡입 흐름이 인입되며, 선단부의 외면은 상기 이젝터 몸체의 노즐부와 함께 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동하여 선회류를 형성할 수 있도록 하는 복수의 경사진 통로를 형성하는 흡입 파이프;를 포함하며,
    상기 이젝터 몸체의 메인 입구로 인입되는 메인 흐름과 상기 흡입 파이프의 관통공을 통해 인입되는 흡입 흐름은 상기 이젝터 몸체의 혼합부에서 선회하여 혼합되어 상기 디퓨저 및 배출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프의 선단부의 외면에는 복수의 노즐 홈이 형성되며,
    상기 흡입 파이프의 선단부가 상기 이젝트 몸체의 노즐부에 삽입되면, 상기 복수의 노즐 홈과 상기 노즐부의 내면이 복수의 노즐을 형성하고,
    상기 메인 흐름은 상기 복수의 노즐을 통해 상기 혼합부로 이동하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐 홈은 상기 흡입 파이프의 중심선에 대해 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프는 상기 이젝터 몸체의 노즐부에 대해 전후로 이동할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이젝터 몸체의 상기 흡입구와 상기 노즐부 사이에는 상기 노즐부의 지름보다 큰 지름을 가지며, 상기 흡입구 및 상기 노즐부와 연통되는 메인 흐름 수용부가 형성되며,
    상기 흡인 파이프는 상기 메인 흐름 수용부에서 이동 가능한 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부는,
    상기 메인 흐름 수용부와 연결되는 부분에 형성되는 제1경사부; 및
    상기 혼합부와 연결되는 부분에 형성되는 제2경사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프는,
    선단에 마련되며, 상기 노즐부의 제2경사부에 대응하는 경사를 갖는 선단 경사부; 및
    상기 선단 경사부로부터 이격되어 형성되며, 상기 노즐부의 제1경사부에 대응하는 경사를 갖는 중간 경사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프의 상기 선단 경사부가 상기 노즐부의 상기 제2경사부와 접촉하면, 상기 복수의 노즐 홈이 차단되어 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동하지 못하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프의 선단부의 지름은 상기 흡입 파이프의 다른 부분의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 메인 입구는 상기 이젝터 몸체의 중심선에서 편심되게 설치된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐 홈은 3개로 형성된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  12. 메인 흐름이 인입되는 메인 입구, 상기 메인 입구에 연결되는 노즐부, 상기 노즐부에 연결되는 혼합부, 상기 혼합부에 연결되는 디퓨저, 및 상기 디퓨저에 연결되는 배출구를 포함하는 이젝터 몸체;
    상기 이젝터 몸체의 중심에 길이 방향으로 이동 가능하게 삽입되며, 중앙의 관통공으로는 흡입 흐름이 인입되는 흡입 파이프; 및
    상기 흡입 파이프의 선단부의 외면에 형성되며, 상기 흡입 파이프의 선단부가 상기 이젝터 몸체의 노즐부에 삽입되면, 상기 흡입구로 인입되는 상기 메인 흐름이 상기 혼합부로 이동할 수 있도록 하는 통로를 형성하는 복수의 노즐 홈;을 포함하며,
    상기 이젝터 몸체의 메인 입구로 인입되는 메인 흐름은 상기 복수의 노즐 홈을 통해 상기 혼합부로 이동하여 선회류를 형성하며, 상기 흡입 파이프의 관통공을 통해 인입되는 흡입 흐름과 혼합되는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐 홈은 상기 흡입 파이프의 중심선에 대해 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 이젝터 몸체와 일체로 설치되며, 상기 흡입 파이프의 이동을 지지하는 지지부재;를 더 포함하며,
    상기 지지부재와 상기 노즐부 사이에는 상기 노즐부의 지름보다 큰 지름을 가지며, 상기 흡입구 및 상기 노즐부와 연통되는 메인 흐름 수용부가 형성되는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부는,
    상기 메인 흐름 수용부와 연결되는 부분에 형성되는 제1경사부; 및
    상기 혼합부와 연결되는 부분에 형성되는 제2경사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 흡입 파이프는,
    선단에 마련되며, 상기 노즐부의 제2경사부에 대응하는 경사를 갖는 선단 경사부; 및
    상기 선단 경사부로부터 이격되어 형성되며, 상기 노즐부의 제1경사부에 대응하는 경사를 갖는 중간 경사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 노즐 홈은 상기 선단부의 선단 경사부와 중간 경사부 중 적어도 한 곳에도 형성된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 이젝터 몸체의 상기 노즐부, 상기 혼합부, 상기 디퓨저, 및 상기 흡입 파이프의 관통공은 일직선으로 배열되며,
    상기 메인 입구는 상기 메인 흐름이 상기 흡입 파이프에 대해 접선 방향으로 인입되도록 형성된 것을 특징으로 하는 선회류를 이용한 이젝터.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 선회류를 이용한 이젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 냉동사이클장치.

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