KR20170069897A - 냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치 - Google Patents

냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치(1, 1')에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 압축기와 냉매의 유동 방향으로 상기 압축기 다음에 배치된 열교환기(2), 오일 분리 장치(3, 3') 그리고 분리된 오일을 냉각하기 위한 열교환기를 구비한다. 상기 열교환기(2)는 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 제 1 영역(7)과 오일을 냉각하기 위한 열교환기로서 제 2 영역(8)을 구비하며, 이 경우 오일을 냉각하기 위한 상기 제 2 영역(8)은 상기 열교환기(2)의 내장 부품으로서 형성되어 있다. 상기 열교환기(2)는 적어도 2개의 컬렉터 관(4, 6)을 갖는다. 상기 열교환기(2)의 제 1 영역(7)은 냉매를 안내하기 위한 유동 채널들을 갖고, 상기 열교환기(2)의 제 2 영역(8)은 오일을 안내하기 위한 유동 채널들을 갖는다. 이 경우 상기 유동 채널들은 상기 컬렉터 관(4, 6)들 사이에서 연장된다. 외면에서 상기 유동 채널들은 각각 열을 흡수하는 유체에 의해 관류된다.

Description

냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치 {APPARATUS FOR SEPARATING OIL OF A REFRIGERANT-OIL MIXTURE AND FOR COOLING THE OIL, AND FOR COOLING AND/OR LIQUEFYING THE REFRIGERANT IN A REFRIGERANT CIRCUIT}
본 발명은 냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 냉매 순환계는 압축기와 냉매의 유동 방향으로 상기 압축기 다음에 배치된 열교환기, 오일 분리 장치 그리고 상기 분리된 오일을 냉각하기 위한 열교환기를 갖는다.
오일은 냉매 순환계 내부에서 다수의 기능을 갖는다. 이러한 오일은 한 편으로는 압축기 내부에 배치된 이동식 부품들의 윤활 기능을 위해 사용되고, 따라서 특히 금속 부분으로 형성된 부품들 간의 마찰을 감소시킨다. 이 때문에 압축기의 마멸이 감소된다. 다른 한 편으로 오일에 의해서는 주변에 대한 압축기의 밀봉 그리고 상기 압축기 내부에 있는 냉매의 고압 영역과 저압 영역 간의 내부 밀봉이 향상된다. 냉매 순환계 내부에 있는 오일의 또 다른 기능은, 예를 들면 압축기의 이동식 부품들 간의 마찰로 인해 상기 압축기 내부에서 발생된 열을 흡수 및 방출하는 것이다.
비록 오일은 주로 압축기 내부에서만 필요하기는 하지만, 상기 오일이 또한 냉매 순환계 내부에서 순환하는 상황은 불가피하다. 이 경우 냉매 순환계 내부에서 순환 및 유통되는 오일 양은 다수의 팩터에 의해 좌우된다. 이러한 팩터들에는 무엇보다도 압축기 및 주변 장치, 즉 특히 냉매 순환계의 디자인 또는 구조와 형성, 압축기의 마멸과 관련한 노화와 상태, 작동 조건과 시스템 조건 그리고 냉매와 오일의 혼합성이 속한다.
선행 기술에 공지된 냉매 순환계들에서는, 냉매의 질량 흐름의 1% 내지 15% 사이에서 오일 순환 비율이 변동된다. 냉매와 함께 냉매 순환계를 통해 순환하는 압축기의 오일은 다양한 효과를 갖는다. 따라서 상기 오일은 예를 들면 냉매-오일 혼합물의 품질 그리고 물리적 특성 및 열역학적 특성을 변화시킨다. 오일의 존재는 냉매 순환계의 열교환기들의 효과를 감소시키는데, 그 이유는 오일 막이 추가 절연층과 같이 작용함으로써 열교환기 내부에서 열 전달 표면들이 상기 오일 막으로 덮여 있을 경우 열 전달 및 그와 더불어 열 처리량이 영향을 받기 때문이다. 오일은 경우에 따라서는 소위 냉매 순환계의 오일 트랩(oil trap)들 내에 계속 머물러(keep) 있을 수 있으며, 이때 상기 오일 트랩들은 특히 냉매 속도가 낮은 영역들에 형성된다. 상기 오일 트랩들 내에 모인 오일은, 액체 진동 칼럼과 같이 갑자기 오버플로(overflow)되어 압축기로 리턴될 수 있다. 이러한 경우에는 압력파(pressure wave)가 발생될 수 있으며, 상기 압력파는 재차 유체 고착 현상(hydraulic lock)을 야기한다. 저온 적용예들에서, 냉매 순환계 내부에 있는 오일의 이동 가능성은 저온에서 상대적으로 더 높은 점성 때문에 상당히 제한된다. 압축기 내부에서 오일 레벨 감소는 압축기의 돌이킬 수 없는 기계적 손상을 야기할 수 있다. 또한, 본질적으로 비압축성인 오일은 정도가 미미한 팽창 과정 동안에는 냉각되지 않는다. 오일은 냉매와 혼합되며, 이러한 경우 상기 냉매는 부분적으로 증발한다. 이때 냉매의 일부 냉각 용량, 즉 약 8% 내지 10%는 압축기 오일을 냉각하는데 쓰인다.
US 6,058,727 A호에는 압축기, 응축기, 팽창 부재 및 증발기를 갖는, 공기를 냉각하기 위한 냉매 순환계가 기술된다. 상기 냉매 순환계는 또한 오일 분리기 및 오일 냉각기와 함께, 압축기의 유출구로부터 압축기의 유입구로 오일을 재순환시키기 위한 유동 경로를 구비한다. 가스 상태의 냉매 압축 시 가열된 오일은 압축기로 통하는 유입구 앞에서 냉각된다. 이 경우 열은 오일에서, 압축기로부터 흡인된 냉매로 전달된다. 오일 냉각기는 열교환기 유닛으로서 내부 열교환기를 가지며, 이 경우 상기 열교환기 유닛은 냉매의 어큐뮬레이터 내부에 배치될 수 있다.
US 2010/0251756 A1호 또한 압축기, 응축기, 팽창 부재 및 증발기, 그리고 오일 분리기 및 오일 냉각기와 함께, 압축기의 유출구로부터 압축기의 유입구로 오일을 재순환시키기 위한 유동 경로를 구비한, 공기를 냉각하기 위한 냉매 순환계를 기술한다. 상기 오일 냉각기는 공기-오일 열교환기로서 형성되어 있고, 공기의 유동 방향으로 증발기 다음에 배치되어 있다. 열은 오일에서, 증발기 관류 시 냉각된 공기로 전달된다.
US 6,579,335 B2호에는, 가스를 압축한 후 압축된 가스로부터 오일을 분리하여 상기 오일을 냉각하고, 그리고 상기 오일을 저장하기 위한 부품들을 구비한 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치가 개시된다. 오일은 압축될 가스 상태의 유체와 함께 다시 압축기로 공급된다. 오일 냉각을 위해서는 상기 오일이 열교환기를 통해 안내된다. 이 경우 열은 오일에서, 압축될 가스 상태의 유체로 전달된다. 이어서 가스 상태의 유체가 압축된다. 오일 분리기, 오일 냉각기 및 오일 저장 용기는 하나의 공동 하우징 내에 통합되는 방식으로 배치되어 있다. 오일은 연결 라인을 통해 오일 저장 용기에서 압축기로 안내된다.
종래의 냉매 순환계들의 경우, 냉매-오일 혼합물은 압축기 다음에 배치된 열교환기를 통해 안내된다. 또한, 선행 기술에는 냉매-오일 혼합물이 압축기로부터 배출된 후 냉매 부분과 오일 부분으로 분리되는 것이 공지되어 있다. 분리된 오일은 이어서 냉매 순환계 내에서 순환하는 냉매 또는 증발기 내에서 조화된 공기에 의해 열 전달 시 냉각되는데, 이러한 방식은 냉매 순환계의 효율을 감소시킨다.
본 발명의 과제는, 냉매 순환계 내에서 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는 공간을 크게 차지하지 않는 형태로 설계되어야 하고, 그와 동시에 상기 냉매 순환계의 효율적이면서도 안전한 작동을 가능하게 해야 한다. 그 외에도 상기 장치의 제조, 유지보수 및 조립 측면에서 비용이 최소로 요구되어야 한다.
상기 과제는 독립 청구항의 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.
상기 과제는 냉매 순환계 내에서 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 본 발명에 따른 장치에 의해서 해결된다. 상기 냉매 순환계는 압축기와 냉매의 유동 방향으로 상기 압축기 다음에 배치된 열교환기, 오일 분리 장치 그리고 상기 분리된 오일을 냉각하기 위한 열교환기를 갖는다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 상기 열교환기는 냉매 냉각 및/또는 액화를 위한 제 1 영역과 오일 냉각을 위한 열교환기로서 제 2 영역을 구비한다. 이 경우 상기 오일 냉각을 위한 열교환기의 제 2 영역은 열교환기의 내장 부품으로서 형성되어 있다. 또한, 상기 열교환기는 적어도 2개의 컬렉터 관을 구비한다. 본 발명에 따른 장치의 상기 열교환기의 제 1 영역은 냉매를 안내하기 위한 유동 채널들을 갖고, 상기 열교환기의 제 2 영역은 오일을 안내하기 위한 유동 채널들을 갖는다. 이 경우 상기 유동 채널들은 컬렉터 관들 사이에서 연장되며, 그리고 외면에서 상기 유동 채널들은 각각 열을 흡수하는 유체에 의해 관류된다.
본 발명에 따른 장치를 이용할 경우, 냉매-오일 혼합물로부터 분리된 오일과 냉매가 상이한 질량 흐름들로 서로 분리되어 냉각될 수 있으며, 이 경우 상기 오일과 냉매의 상이한 질량 흐름들은 냉매 순환계의 공동 부품에서 조화된다. 오일과 냉매의 조화는 서로 분리된 2개의 열교환기 내부 영역에서 이루어진다. 냉매와 오일의 상기 두 부분을 냉각하기 위한 잠재적인 추진 물질 그리고 그와 더불어 열을 흡수하는 유체로는 바람직하게 주변의 공기 또는 냉각제 순환계의 냉각제가 사용된다. 자동차 공조 시스템에 냉매 순환계가 사용되는 경우, 냉각제는 예컨대 저온 냉각제 순환계 내부에서 또는 고온 냉각제 순환계 내부에서 순환할 수 있을 것이다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들과 열교환기의 제 2 영역의 유동 채널들은 각각 평면에 배치되어 있다.
본 발명의 제 1의 대안적 실시예에 따르면, 상기 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들과 상기 열교환기의 제 2 영역의 유동 채널들은 하나의 공동 평면을 형성한다. 이 경우 열을 흡수하는 유체는 상기 제 1 영역의 유동 채널들과 제 2 영역의 유동 채널들을 대체로 서로 평행하게 관류한다. 열을 흡수하는 유체에 의해 열교환기의 상이한 영역들의 유동 채널의 외면이 평행하게 관류된다는 것은 상기 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들과 제 2 영역의 유동 채널들이 서로 독립적으로, 즉 예를 들면 열을 흡수하는 유체의 상이한 부분 질량 흐름들에 의해 접촉됨을 의미한다.
본 발명의 제 2의 대안적 실시예에 따르면, 상기 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들과 상기 열교환기의 제 2 영역의 유동 채널들은 상이한 평면들을 형성한다. 상기 평면들은 이격된 상태로 서로 평행하게 배치되어 있다. 이 경우 열을 흡수하는 유체는 상기 제 1 영역의 유동 채널들과 제 2 영역의 유동 채널들을 대체로 차례로 관류한다. 열을 흡수하는 유체에 의해 열교환기의 상이한 영역들의 유동 채널의 외면이 차례로 관류된다는 것은 상기 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들과 제 2 영역의 유동 채널들이 연속적으로 그리고 서로 종속적으로 접촉됨을 의미한다. 열을 흡수하는 유체는 질량 흐름으로서, 이 경우 제일 먼저 제 1 영역의 유동 채널들을 관류한 다음, 후속해서 제 2 영역의 유동 채널들을 관류하거나, 또는 그 반대로 관류한다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에서, 오일 분리 장치는 열교환기의 제 1 컬렉터 관 내부에 통합되는 방식으로 형성되어 있다. 이 경우 상기 제 1 컬렉터 관은 냉매-오일 혼합물을 위한 유입구를 가지며, 그 결과 상기 장치는 냉매-오일 혼합물의 유동 방향으로 압축기 다음에 그리고 오일과 냉매를 조화하기 위한 열교환기의 상이한 영역들 앞에 배치되어 있다.
그 결과 오일이 응축기/가스 냉각기로 작동하는 영역과 오일 냉각기로 작동하는 영역을 갖는 열교환기 내부에서 냉매-오일 혼합물로부터 분리된다. 대안적으로 냉매 순환계 내에서 오일 분리 장치는 열교환기 외부에도, 특히 압축기와 상기 열교환기의 유입구 사이에도 배치될 수 있다.
본 발명의 제 1의 대안적 실시예에 따르면, 상기 오일 분리 장치는 사이클론 분리기(cyclone separator)로 형성되어 있다. 이 경우 냉매-오일 혼합물은 접선 방향으로 상기 장치 내부로 유입된다.
오일 분리 장치는 바람직하게 원뿔대 모양의 벽을 갖는다. 이 경우 상기 벽에 의해 광범위하게 둘러싸인 영역은 유동 방향으로 증가 또는 감소하는, 분리될 냉매-오일 혼합물을 위한 유동 횡단면을 갖는다. 상기 벽은 대안적으로 원통형으로도 형성될 수 있으며, 결과적으로 상기 벽에 의해 광범위하게 둘러싸인 영역은 유동 방향으로 일정한, 분리될 냉매-오일 혼합물을 위한 유동 횡단면을 갖는다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 오일 분리 장치에는 나선형으로 굽은 그리고 경사(도)를 갖는 유동 경로가 형성되어 있다. 상기 유동 경로는 경사 형성에 따라 유동 방향으로 증가 또는 감소하거나 혹은 일정한, 분리될 냉매-오일 혼합물을 위한 유동 횡단면을 갖는다.
본 발명의 제 2의 대안적 실시예에 따르면, 오일 분리 장치는 냉매-오일 혼합물의 유입을 위한 유입구, 배플판, 적어도 하나의 챔버 그리고 냉매를 유도하기 위한 J자형 관을 갖는다. 이 경우 상부 분기 연결부, 하부 분기 연결부 그리고 챔버를 제한하는 상기 배플판은 바람직하게 냉매-오일 혼합물의 유동 방향에 대해 수직으로 상기 유입구 쪽으로 정렬되어 있다. 상기 상부 분기 연결부는 바람직하게 챔버로 이어지며, 이 경우 상기 챔버는 상기 상부 분기 연결부보다 큰 유동 횡단면을 갖는다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 오일 분리 장치는 압축기로 통하는 연결 라인을 폐쇄하기 위한 장치를 구비하며, 그 결과 압축기로 가는 분리된 오일의 질량 흐름이 조절될 수 있다. 조정 및 폐쇄 가능한 상기 압축기로 통하는 연결부는 오일 재순환부 내부에서, 압축기의 유출구에 있는 고압측 냉매와 압축기의 유입구에 있는 저압측 냉매의 발생 가능한 원치 않는 바이패스를 방지한다. 이 경우 상기 압축기로 통하는 연결 라인을 폐쇄하기 위한 장치는 플로트(float)로서 형성되어 있다.
또한, 열교환기의 제 1 영역의 유동 채널들은 바람직하게 납작관(flat tube)으로 형성되어 있고, 그리고 열교환기의 제 2 영역의 유동 채널들은 리브붙이 관(ribbed tube) 또는 납작관으로 형성되어 있다. 한 영역의 인접 배치된 납작관들 사이에는 바람직하게 리브들이 배치되어 있다.
냉매 순환계가 압축식 냉각기의 부품으로뿐만 아니라 열 펌프의 부품으로도 작동될 수 있음으로써, 결과적으로 본 발명에 따른 장치는 압축식 냉각기의 구성 부품으로뿐만 아니라, 특히 자동차 공조 시스템의 열 펌프 시스템의 구성 부품으로도 사용될 수 있다.
상기 장치는 바람직하게 R134a, R1234yf, R744, R600a, R290, R152a, R32 및 이들의 혼합물과 같은 다양한 냉매용으로 사용될 수 있으며, 상기 냉매들에 적합하게 조정될 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 장치는 하기와 같은 추가 장점들을 갖는다:
- 냉매-오일 혼합물이 아닌 냉매와 오일이 서로 분리되어 열교환기를 통과하기 때문에 열교환기들 관류 시 냉매의 압력 손실 감소, 이로 인해 또한
- 냉매 열교환기들 관류 시 오일이 더 이상 냉각 또는 가열될 필요가 없으므로, 시스템, 특히 냉매 순환계 작동 시 효율 및 안정성 증가,
- 오일 양이 최적화되고, 그리고 그와 더불어 최소화되기 때문에 냉매 순환계의 제조, 유지보수 및 작동에 필요한 비용 감소, 그리고
- 전체 냉매 순환계의 소요 면적 감소.
본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면에는 각각 오일을 냉각하기 위한 열교환기를 갖는 냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치가 도시되며, 이 경우 상기 장치는 상기 열교환기의 제 1 컬렉터 관 내부에 형성된, 상기 냉매-오일 혼합물로부터 오일을 분리하기 위한 역학 장치(mechanical device)뿐만 아니라:
도 1: 사이클론 분리기를 갖는, 오일을 분리하기 위한 역학 장치,
도 2: 배플판과 냉매를 유도하기 위한 J자형으로 형성된 관을 갖는, 오일을 분리하기 위한 역학 장치, 그리고
도 3a 내지 도 3c: 냉매-오일 혼합물로부터 오일이 분리된 후 상기 오일을 냉각하기 위한, 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 상이한 영역들을 갖는 열교환기도 구비한다.
냉매-오일 혼합물의 냉매와 오일 두 부분은 분리 장치에 의해 역학적으로 서로 분리된다. 상기 오일은 냉매-오일 혼합물로부터 분리되며, 결과적으로 상기와 같은 분리 후에는 냉매가 많은 부분과 오일이 많은 부분 또는 냉매가 적은 부분이 존재한다. 상기 냉매가 많은 부분은 약어로 냉매로도 표기되고, 그리고 상기 오일이 많은 부분은 약어로 오일로도 표기된다. 이때 상기와 같은 역학적 분리는 추진력(driving force)으로서 관성에 기인하며, 이는 분리될 성분들 사이에서 충분히 큰 밀도차(density difference)를 필요로 한다. 분리된 성분들, 즉 냉매와 오일 사이에서 충분히 큰 밀도차는 냉매 순환계 내부에서, 압축기의 유출구 또는 응축기/가스 냉각기로 작동하는 열교환기의 유입구에 존재한다. 예컨대 냉매 R134a가 사용되는 경우와 같이 임계 이하의 작동에서 또는 이산화탄소가 사용되는 특정 주변 환경에서 냉매가 액화되면, 열교환기는 응축기로 표기된다. 일부 열 전달은 일정한 온도에서 행해진다. 초임계 작동 시 또는 열교환기 내에서 초임계적인 열 방출 시에는 냉매의 온도가 일정하게 감소한다. 이러한 경우에는 열교환기가 가스 냉각기로도 표기된다. 초임계적인 작동은 예컨대 이산화탄소가 냉매로 사용되는 냉매 순환계의 특정 주변 환경 또는 작동 모드에서 발생할 수 있다.
서로 분리된 2개의 성분, 즉 냉매와 오일, 특히 냉매가 많은 부분과 오일이 많은 부분은 각각 응축기/가스 냉각기 관류 시 냉각되며, 이 경우 상기 냉매 부분과 오일 부분은 서로 분리된 방식으로 형성된, 열교환기의 상이한 영역들을 통해 안내된다. 상기 영역들은 상이한 치수를 갖는다. 상대적으로 크게 치수 설계된 영역은 냉매가 많은 부분에 의해 관류되고, 그리고 상대적으로 작게 치수 설계된 영역은 오일이 많은 부분에 의해 관류된다.
도 1은 냉매를 냉각 및/또는 액화하고 그리고 오일을 냉각하기 위한, 응축기/가스 냉각기로 작동하는 열교환기(2) 및 냉매-오일 혼합물(G)로부터 오일을 분리하기 위한 역학 장치(3)를 갖는 냉매 순환계의 냉매-오일 혼합물(G)의 오일을 분리하기 위한 장치(1)를 도시하며, 이때 상기 오일 분리 장치(3)는 상기 열교환기(2)의 제 1 컬렉터 관(4) 내부에 통합되어 있다.
상기 열교환기(2)의 열 전달 표면(5)은 상이한 크기로 치수 설계된 2개의 영역(7, 8)으로 세분되어 있다. 상대적으로 크게 치수 설계된 제 1 영역(7)을 통해서는 냉매가 많은 부분이 흐르며, 이 경우 냉매는 열교환기(2) 관류 시 적어도 대부분이 액화된다. 상대적으로 적게 치수 설계된 제 2 영역(8)을 통해서는 오일이 많은 부분이 흐르며, 상기 오일이 많은 부분은 열교환기(2) 관류 시 냉각된다.
오일 분리기(3)로도 표기되는, 오일 분리 장치(3)는 냉매-오일 혼합물(G)을 위한 유입구를 갖는다. 상기 유입구는 연결 라인(9)을 통해서 도면에는 도시되지 않은, 냉매 순환계의 압축기와 연결되어 있다. 상기 연결 라인(9)은 상기 압축기의 압력 라인에 상응한다. 냉매-오일 혼합물(G)은 연결 라인(9)을 통해 접선 방향으로 장치(3) 내부로 유입된다. 상기 장치(3)는 오일 분리 영역(12)에, 원통형 또는 원뿔대 모양의 벽(13)을 갖는 사이클론 분리기로 형성되어 있다. 그 결과 상기 벽(13)에 의해 광범위하게 둘러싸인 오일 분리 영역(12)은 증가하는, 가늘어지는 또는 감소하는 혹은 일정한, 성분들로 분리될 냉매-오일 혼합물(G)을 위한 유동 횡단면을 갖는다. 상기 유동 횡단면의 형성 또는 변동에 따라, 냉매-오일 혼합물(G)의 유동 속도는 사이클론 분리기(12)의 관류 시 점점 감소되거나, 증가되거나 또는 변동 없이 거의 일정하게 유지된다. 사이클론 분리기(12)의 중앙에는 벽(13)의 중심축(14)에 대해 동축으로 원통형 라인(15)이 배치되어 있으며, 그 결과 분리될 냉매-오일 혼합물(G)을 위한 유동 횡단면은 한 편으로는 라인(15)의 외부 표면에 의해, 그리고 다른 한 편으로는 벽(13)에 의해 제한된다. 그 밖에 라인(15)의 외부 표면과 벽(13) 사이에는 나선형으로 굽은 유동 경로(16)가 형성되어 있다. 상기 유동 경로(16)의 사면 또는 경사 형성에 따라, 재차 분리될 냉매-오일 혼합물(G)을 위한 유동 횡단면 및 그와 더불어 상기 혼합물의 유동 속도가 변동될 수 있다. 상기 유동 횡단면은 유동 방향으로 증가하거나, 가늘어지거나 또는 감소하거나 혹은 일정하게 유지될 수 있다.
장치(3)의 실시예에 따라, 연결 라인(9)은 냉매-오일 혼합물(G)을 위한 유입구로서, 도 1에 따르면 상부 부분에서 또는 하부 부분(도면에는 도시되지 않음)에서 사이클론 분리기(12)로 이어진다. 중심축(14)에 대해 접선 방향으로 배치된 유입구와 사이클론 분리기(12)의 내부 윤곽으로 인해, 냉매-오일 혼합물(G)은 순환 활동 상태로 된다. 이 경우 냉매-오일 혼합물(G)은 작용하는 원심력으로 인해 냉매가 많은 부분과 오일이 많은 부분으로 분리된다. 분리된 냉매가 많은 부분은 상대적으로 더 낮은 밀도로 인해 수직관으로도 표기되는 라인(15)을 통해 상부로 유도된다. 상기 라인(15)으로 통하는 유입구에는, 예를 들면 체 형태로 된 필터 부재(17)가 배치되어 있으며, 그 결과 냉매가 많은 부분이 상기 필터 부재(17)를 통해 수직관(15) 내로 유입된다. 분리된 오일이 많은 부분은 사이클론 분리기(12)로부터 나와 하부로 배출된다. 이때 오일이 많은 부분도 마찬가지로, 특히 체로 형성된 필터 부재(18)를 관통하게 된다.
냉매(KM) 또는 냉매가 많은 부분은 제 1 컬렉터 관(4) 내에 있는 사이클론 분리기(12)로부터 배출된 후 열교환기(2)의 제 1 영역(7)으로 안내되며, 이 경우 냉매(KM)는 제 2 컬렉터 관(6)으로 공급된 다음, 제 2 컬렉터 관(6) 내에서 편향되어 제 1 컬렉터 관(4)으로 리턴된다. 냉매(KM)는 연결 라인(10)을 통해 장치(1)로부터 배출된 다음, 팽창 부재 또는 냉매 순환계의 내부 열교환기로 안내된다. 오일 또는 오일이 많은 부분은 제 1 컬렉터 관(4) 내에 있는 사이클론 분리기(12)로부터 배출된 후 열교환기(2)의 제 2 영역(8)으로 안내되며, 이 경우 오일은 제 2 컬렉터 관(6)으로 공급된 다음, 제 2 컬렉터 관(6) 내에서 편향되어 제 1 컬렉터 관(4)으로 리턴된다. 냉각된 오일이 많은 부분은 제 1 컬렉터 관(4)의 하부 부분에 모인다음, 후속해서 연결 라인(11)을 통해 장치(1)로부터 배출되어, 냉매 순환계의 압축기로 안내된다. 컬렉터 관(4)의 하부 부분은 오일 저장 용기(19)로 형성되어 있다. 상기 오일 저장 용기(19) 내부에는 오일 저장 용기(19)의 폐쇄 부재로서 플로트(20)가 연결 라인(11) 방향으로 형성되어 있다. 상기 플로트(20)는 가이드 부재(21)를 통해 지지되는 방식으로 배치되어 있다. 상기 가이드 부재(21)는 바람직하게 스프링 부재를 가지며, 이 경우 탄성력은 오일 저장 용기(19)를 폐쇄하는 방식으로 플로트(20)에 작용한다. 플로트(20)는, 냉매 순환계의 고압측에서 냉매 순환계의 저압측으로 장치(3)를 통한 냉매 바이패스를 방지하기 위하여, 특히 저장 용기(19) 내부에서 오일 충전 레벨이 낮을 경우, 압축기로 통하는 연결 라인(11)을 폐쇄한다.
냉매 바이패스를 저지하기 위한 플로트(20)의 형성은 냉매-오일 혼합물(G)의 역학적 분리를 위한 하기 모든 실시예에서 동일하다. 상이한 실시예들은 플로트(20) 없이도 형성될 수 있으며, 이러한 경우 냉매 바이패스는 예를 들면 압축기로 통하는 연결 라인(11)의 내부 지름 선택에 의해 제어된다.
도 2에는 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 그리고 오일 냉각하기 위한 열교환기(2) 및 냉매-오일 혼합물(G)로부터 오일을 분리하기 위한 역학 장치(3')를 갖는 냉매 순환계의 냉매-오일 혼합물(G)의 오일을 분리하기 위한 장치(1')가 나타난다. 상기 장치(3')는 상기 열교환기(2)의 제 1 컬렉터 관(4) 내부에 통합되어 있다.
도 2의 냉매-오일 혼합물(2)의 열 전달 및 분리를 위한 장치(1')는 오일 분리 장치(3')의 형성, 특히 오일 분리 영역(22)의 형성에서 도 1의 장치(1)와 구별된다. 냉매 순환계의 압축기를 갖는 연결 라인(9')은 냉매-오일 혼합물(G)의 유입구 또는 공급부로서 상기 오일 분리 영역(22) 내부에 배치된 배플판(23)에 대해 수직으로 정렬되어 있다. 냉매-오일 혼합물(G)은 장치(3') 내로 유입된 후, 상기 배플판(23)의 전면에 부딪친다. 유동 속도 및 유동 방향의 갑작스런 변동에 의해서는, 냉매가 많은 부분과 오일이 많은 부분의 상이한 관성으로 인해 제 1의 냉매가 많은 부분과 제 1의 오일이 많은 부분으로 서로 분리되며, 이때 상기 상이한 관성에 의해서는 상기 두 부분이 방향 변동을 상이하게 수용한다. 상기 제 1의 오일이 많은 부분은 대부분 배플판(23)에서 하부 분기 연결부를 통해 하부로, 오일 분리 영역(22)의 하부로 안내된다. 상기 제 1의 냉매가 많은 부분은 배플판(23)에 부딪친 후 대부분 상부 분기 연결부를 통해 상부로 흐른다. 상기 두 분기 연결부는, 제 1 챔버(24)가 형성된 배플판(23)의 후면에서 재차 결합된다. 상기 제 1 챔버(24)는 이 경우 유동 방향으로 배플판(23) 다음에 형성된, 제 1의 냉매가 많은 부분을 위한 상부 분기 연결부보다 뚜렷하게 더 큰 유동 횡단면을 갖는다. 제 1 챔버(24)로 가는 상부 분기 연결부의 전환 영역에서 유동 횡단면이 증가 및 그로 인해 야기된 유동 속도 감소에 의해서는, 제 2의 오일이 많은 부분이 제 1의 냉매가 많은 부분에서 분리되어 하부로 안내된다.
제 1 챔버(24)는 분리판(26)에 의해 제 2 챔버(25)와 분리된다. 상기 제 2 챔버(25)는 제 1 챔버(24)의 위쪽에 배치되어 있다. 상기 챔버(24, 25)들은 분리판(26) 내부에 형성된 개구를 통해 서로 연결되어 있다. 상기 개구를 통해 제 1 챔버(24)에서 제 2 챔버(25)로 과류되는 제 2의 냉매가 많은 부분으로부터는, 제 2 챔버(25) 관류 시 제 3의 오일이 많은 분이 분리되어 하부로 안내된다. 이와 같은 오일의 추가 분리는 제 2의 냉매가 많은 부분의 수직 관류에 의해 제 2 챔버(25)에 강요된다. 분리된 오일이 많은 부분들은 하부 분기 연결부, 제 1 챔버(24) 및 제 2 챔버(25)를 통해 하부로, 장치(3') 내로 안내되어 결합된 다음, 특히 체로 형성된 필터 부재(18')를 관통하게 된다. 오일이 많은 부분의 추가 유동 경로 및 조화는 도 1의 장치(1)의 설계에 상응한다.
제 2 챔버(25) 관류 시 그대로 유지되는 냉매가 많은 부분은 특히 J자형으로 형성된 관과 예를 들면 체 형태의 필터 부재(17')를 통해 오일 분리 영역(22)으로부터 배출된다. 냉매가 많은 부분의 추가 유동 경로 및 조화는 도 1의 장치(1)의 설계에 상응한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 그리고 오일 냉각하기 위한, 응축기/가스 냉각기로 작동하는 열교환기(2) 및 냉매-오일 혼합물(G)로부터 오일을 분리하기 위한 역학 장치(3, 3')를 갖는 냉매 순환계의 냉매-오일 혼합물(G)의 오일을 분리하기 위한 장치(1, 1')를 도시한다. 상기 열교환기(2)의 제 1 컬렉터 관(4) 내부에 통합된 상기 장치(3, 3')는 도 1 및 도 2에 제시된다.
상기 열교환기(2)는 통합된 오일 냉각기를 갖는 응축기/가스 냉각기로 형성되어 있다. 열교환기(2)의 열 전달 표면(5)은 2개의 부분 표면 및 그와 더불어 상이한 크기로 치수 설계된 2개의 영역(7, 8)으로 세분되어 있다. 역학적 오일 분리기(3, 3') 내부에 있는 냉매-오일 혼합물(G)로부터 오일을 분리한 후, 두 부분, 즉 냉매가 많은 부분과 오일이 많은 부분은 서로 분리되어 냉각 또는 조화된다. 이 경우 냉매가 많은 부분은 상대적으로 크게 치수 설계된 제 1 영역(7)을 통과하며, 이때 냉매는 액화된다. 오일이 많은 부분은 상대적으로 적게 치수 설계된 영역(8)을 통해 안내되고, 그와 동시에 냉각된다.
제 1 영역(7)은 납작관(27)들을 가지며, 이러한 납작관들은 컬렉터 관(4, 6)들 사이에서 연장된다. 냉매가 많은 부분은 바람직하게 다채널 관으로 형성된 납작관(27)들을 통과하게 된다. 인접 배치된 납작관(27)들의 외면의 간극들 내에는 리브들이 형성되어 있다. 제 2 영역(8)은 리브붙이 관(28)들을 구비하고, 이러한 리브붙이 관들 또한 컬렉터 관(4, 6)들 사이에서 연장된다. 오일이 많은 부분은 리브붙이 관(28)들을 통해 안내된다. 상기 열교환기의 영역(7, 8)들에서는 열이 각각 열 전달 표면(5)을 과류하는, 외부 공기로 전달된다.
도 3a에 따른 장치(1, 1')의 실시예의 경우, 열교환기(2)의 영역(7, 8)들 및 그와 더불어 상기 제 1 영역(7)의 납작관(27)과 상기 제 2 영역(8)의 리브붙이 관(28)은 하나의 공동 평면에 배치되어 있다. 주변 공기는 상기 영역(7, 8)들을 통해 평행하게 흐른다.
도 3b에 따른 장치(1, 1')의 실시예의 경우, 열교환기(2)의 영역(7, 8)들 및 그와 더불어 상기 제 1 영역(7)의 납작관(27)과 상기 제 2 영역(8)의 리브붙이 관(28)이 각각 서로 평행하게 정렬된 2개의 평면에 배치되어 있다. 이 경우 제 1 영역(7)의 납잡관(27)들의 단부면들은 컬렉터 관(4, 6)들의 전체 길이에 걸쳐 연장되며, 그 결과 상기 납작관(27)들이 제 1 평면에 배치되어 있다. 오일이 많은 부분에 의해 관류되는 제 2 영역(8)의 리브붙이 관(28)들은 제 2 평면 내에 정렬되어 있으며, 상기 제 2 평면은 납작관(27)들에 의해 형성된 제 1 평면으로부터 이격되어 배치되어 있는데, 즉 외부 공기의 유동 방향으로 제 1 평면 뒤에 또는 제 1 평면 앞에 배치되어 있다. 주변 공기는 이 경우 유동 방향에 따라 차례로, 먼저 제 1 영역(7)의 열 전달 표면을 통과한 다음, 후속해서 제 2 영역(8)의 열 전달 표면을 통과하여 흐르거나 이와 반대로 흐른다.
도 3a 및 도 3b에 따른 실시예들과 달리, 도 3c에 따른 장치(1, 1')의 실시예의 경우, 제 1 영역(7)뿐만 아니라 열교환기(2)의 제 2 영역(8)도 컬렉터 관(4, 6)들 사이에서 연장되는 납작관(29)들로 형성되어 있다. 납작관(27)들을 관통하는 냉매가 많은 부분뿐만 아니라, 결과적으로 오일이 많은 부분 역시 바람직하게는 다채널 관으로 형성된 납작관(29)들을 통해 안내된다. 인접 배치된 납작관(29)들의 간극들 내에는 리브들이 형성되어 있다.
1, 1': 오일을 분리하고 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치
2: 열교환기
3, 3': 오일 분리 장치, 오일 분리기
4: 제 1 컬렉터 관
5: 열 전달 표면
6: 제 2 컬렉터 관
7: 열교환기(2)의 제 1 영역, 응축기/가스 냉각기
8: 열교환기(2)의 제 2 영역, 오일 냉각기
9, 9': 압축기와 연결되는 냉매-오일 혼합물(G)의 연결 라인
10: 냉매 연결 라인
11: 압축기로 통하는 오일 연결 라인
12: 오일 분리 영역, 사이클론 분리기
13: 벽
14: 중심축
15: 라인, 수직관
16: 유동 경로
17, 17': 필터 부재
18, 18': 필터 부재
19: 오일 저장 용기
20: 플로트
21: 플로트(20)의 가이드 부재
22: 오일 분리 영역
23: 배플판
24: 제 1 챔버
25: 제 2 챔버
26: 분리판
27: 납작관
28: 리브붙이 관
29: 납작관
KM: 냉매, 냉매가 많은 부분
Figure pat00001
: 오일, 오일이 많은 부분
G: 냉매-오일 혼합물

Claims (10)

  1. 냉매 순환계 내 냉매-오일 혼합물의 오일을 분리하고 상기 오일을 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치(1, 1')로서, 상기 냉매 순환계가
    - 압축기와 냉매의 유동 방향으로 상기 압축기 다음에 배치된 열교환기(2),
    - 오일 분리 장치(3, 3') 그리고
    - 분리된 오일을 냉각하기 위한 열교환기를 구비하는, 장치(1, 1')에 있어서,
    - 상기 열교환기(2)가 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 제 1 영역(7)과 오일을 냉각하기 위한 제 2 영역(8)을 구비하고, 이 경우 오일을 냉각하기 위한 열교환기로서 상기 제 2 영역(8)은 상기 열교환기(2)의 내장 부품으로서 형성되어 있으며,
    - 상기 열교환기(2)가 적어도 2개의 컬렉터 관(4, 6)을 구비하고, 그리고 상기 열교환기(2)의 제 1 영역(7)이 냉매를 안내하기 위한 유동 채널들을 갖고, 상기 열교환기(2)의 제 2 영역(8)이 오일을 안내하기 위한 유동 채널들을 가지며, 이 경우 상기 유동 채널들은 상기 컬렉터 관(4, 6)들 사이에서 연장되고, 외면에서 각각 열을 흡수하는 유체에 의해 관류되는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(7)의 유동 채널들과 제 2 영역(8)의 유동 채널들이 각각 하나의 평면에 배치된 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(7)의 유동 채널들과 상기 제 2 영역(8)의 유동 채널들이 하나의 공동 평면을 형성하고, 상기 열을 흡수하는 유체는 상기 제 1 영역(7)의 유동 채널들과 제 2 영역(8)의 유동 채널들을 서로 평행하게 관류하는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(7)의 유동 채널들 및 상기 제 2 영역(8)의 유동 채널들이 이격된 상태로 서로 평행하게 배치된 상이한 평면들을 형성하고, 이 경우 상기 열을 흡수하는 유체가 상기 제 1 영역(7)의 유동 채널들과 제 2 영역(8)의 유동 채널들을 차례로 통과하는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오일 분리 장치(3, 3')가 상기 제 1 컬렉터 관(4) 내부에 통합되는 방식으로 형성되어 있고, 상기 제 1 컬렉터 관(4)은 냉매-오일 혼합물을 위한 유입구를 가짐으로써, 상기 오일 분리 장치(3, 3')가 냉매-오일 혼합물의 유동 방향으로 상기 압축기 다음에 그리고 상기 열교환기(2)의 영역(7, 8)들 앞에 배치된 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)로서,
    상기 오일 분리 장치(3)가 사이클론 분리기(cyclone separator)(12)로서 형성되어 있고, 상기 냉매-오일 혼합물은 접선 방향으로 상기 장치(3) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 분리 장치(3)가 원뿔대 모양의 벽(13)을 갖고, 상기 벽(13)에 의해 광범위하게 둘러싸인 영역(12)은 유동 방향으로 증가하거나 또는 감소하는, 분리될 냉매-오일 혼합물을 위한 유동 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 분리 장치(3)가 나선형으로 굽은 유동 경로(16)를 갖고, 상기 유동 경로(16)는 경사를 가짐으로써, 상기 유동 경로(16)의 경사 형성에 따라 유동 방향으로 증가하거나 또는 감소하는 혹은 일정한, 분리될 냉매-오일 혼합물을 위한 유동 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 장치(1')로서,
    상기 오일 분리 장치(3')가 냉매-오일 혼합물의 유입을 위한 유입구, 배플판(23), 적어도 하나의 챔버(24) 그리고 냉매를 유도하기 위한 J자형 관을 갖고,
    - 상기 배플판(23)이 냉매-오일 혼합물의 유동 방향에 수직으로 유입구 쪽으로 정렬되어 있고, 그리고 상부 분기 연결부, 하부 분기 연결부 및 상기 챔버(24)를 제한하며, 그리고
    - 상기 상부 분기 연결부가 상기 챔버(24)로 이어지며, 이때 상기 챔버(24)는 상기 상부 분기 연결부보다 큰 유동 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오일 분리 장치(3, 3')가 상기 압축기로 통하는 연결 라인(11)을 폐쇄하기 위한 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 오일을 분리 및 냉각하기 위한 그리고 냉매를 냉각 및/또는 액화하기 위한 장치.
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