KR20230119412A - 케스케이드냉각기 - Google Patents
케스케이드냉각기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230119412A KR20230119412A KR1020220015527A KR20220015527A KR20230119412A KR 20230119412 A KR20230119412 A KR 20230119412A KR 1020220015527 A KR1020220015527 A KR 1020220015527A KR 20220015527 A KR20220015527 A KR 20220015527A KR 20230119412 A KR20230119412 A KR 20230119412A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- refrigerant
- pressure
- liquid
- cascade
- stage
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 87
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims abstract description 82
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 9
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 7
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims 1
- 244000145845 chattering Species 0.000 abstract description 4
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 7
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B31/00—Compressor arrangements
- F25B31/002—Lubrication
- F25B31/004—Lubrication oil recirculating arrangements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B39/00—Evaporators; Condensers
- F25B39/04—Condensers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
- F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
- F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
- F25B41/31—Expansion valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
- F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
- F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
- F25B2700/04—Refrigerant level
Abstract
케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 증발 냉각부의 냉매 액공급 방식을 만액식(Flooded Type)으로 함으로써 냉각 사이클 효율을 향상시키고, 열교환기의 성능을 향상 시키고, 제어의 단순화로 기기운용이 안정된다. 고단의 증발 냉각부의 냉매액 충진량을 절감할 수 있도록 냉매의 액레벨제어를 서지드럼(Surge Drum,113)에서 하지 않고 액주관(Liquid Leg)에서 제어할 수 있다. 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 저단측 고압부에서 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 출구측의 불응축된 가스상의 냉매를 신속히 제거함으로써 케스케이드 열교환성능을 향상시키고 냉매액 흐름을 원활하게 하기 위한 균압용 관을 설치하고, 저압부의 시스템 압력 변동시 이를 흡수하여 운전의 안정화를 이룰 수 있도록 압력완충탱크로 저압부의 상승압력을 유도하는 균압관을 설치하여 고압부 및 저압부의 압력 변동을 흡수함으로써 기기의 운전을 안정화 한다.
냉각기가 장기간 정지될 때 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 저압부는 주변 환경의 영향을 받게 되며 온도가 변동하면 압력이 변동하여 냉각기 전체 시스템의 설계 운전 조건을 이탈 하게 되어 기기 효율이 저하 하고 빈번한 기동(Chattering)이 일어나 안정적인 운전을 저해하는데 이를 방지하기 위하여 고단 저압 냉각부의 냉매 온도를 일정하게 유지시켜주는(Stand Still) 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 설치한다.
냉각기가 장기간 정지될 때 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 저압부는 주변 환경의 영향을 받게 되며 온도가 변동하면 압력이 변동하여 냉각기 전체 시스템의 설계 운전 조건을 이탈 하게 되어 기기 효율이 저하 하고 빈번한 기동(Chattering)이 일어나 안정적인 운전을 저해하는데 이를 방지하기 위하여 고단 저압 냉각부의 냉매 온도를 일정하게 유지시켜주는(Stand Still) 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 설치한다.
Description
본 발명은 증발온도가 영하 54℃이하인 초저온 냉각기를 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)에 관한 것이다.
케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)는 저단과 고단이 분리되어 독립된 냉각 시스템으로 구성되어 있으며 저단의 부하측에서 증발한 냉매를 흡입하고 압축한 냉매 가스를 응축하는 고단의 증발 냉각부를 일체화 해서 열교환이 이루어지게 하는 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser)가 있어서 상호 연계되고 협력하여 운전되는 냉각기(Refrigerator)이다. 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)는 부하측 증발온도가 영하 약 54도(℃)이하로 매우 낮고 냉매특성상 상온에서의 임계압력이 매우 고압이어서 운전환경의 영향을 보다 많이 받게 된다. 예를 들어서 상온에서의 임계 압력이 R-23는 3.94 Mpa, R-508B는 4.80 Mpa로 보통의 냉매 1.20 Mpa에서 2.0 Mpa 의 것에 비하여 매우 높다. 이에 따라, 설계 및 제작방식에 따라 기기의 효율과 성능뿐만 아니라 운전의 안정성(Stability) 및 내구성(Durability)에서 큰 차이를 보인다.
사단법인 한국냉동공조기술협회, 냉장창고 : 1994, 208-217쪽
일반적으로 초저온 냉각을 위한 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)는 사용 냉매의 특성, 초저온의 운전 특성, 고단과 저단의 상호 연계운전 특성 등으로 기기의 성능 및 효율을 최적화하기 난해하며 운전이 불안정하기 쉽다. 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단 증발 냉각부의 액공급방식 및 여러 장치의 개선을 통하여 기기의 성능을 향상시키고, 안정적인 운전을 기하며, 냉매충진량을 절감하여 환경보전에 기여한다.
케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 증발 냉각부의 냉매 액공급 방식을 만액식(Flooded Type)으로 함으로써 냉각 사이클 효율을 향상시키고, 열교환기의 성능을 향상 시키며, 만액식의 유량 조절이 용이한 액레벨 조절을하여 기기 제어를 단순화 하고 안정적인 운전을 할 수 있다.
고단의 증발 냉각부의 냉매액 충진량을 절감할 수 있도록 냉매의 액레벨제어를 서지드럼(Surge Drum,113)에서 하지 않고 액주관(Liquid Leg)에서 제어할 수 있다.
케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 저단측 고압부에서 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 출구측의 불응축된 가스상의 냉매를 신속히 제거함으로써 케스케이드 열교환성능을 향상시키고 냉매 액 흐름을 원활하게 하기 위한 균압용 관을 설치한다. 저단의 저압부의 시스템 압력 변동시 이를 흡수하여 운전의 안정화를 이룰 수 있도록 압력완충탱크로 저압부의 상승압력을 유도하는 균압관을 설치하여 압력 변동을 흡수함으로써 기기 운전을 안정화 한다.
냉각기가 장기간 정지될 때 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 저압부는 주변 환경의 영향을 받게 되며 온도가 변동하면 압력이 변동하여 냉각기 전체 시스템의 설계 운전 조건을 이탈 하게 되어 기기 효율이 저하 하고 빈번한 기동(Chattering)이 일어나 안정적인 운전을 저해 하는데 이를 방지하기 위하여 고단 저압 냉각부의 냉매 온도를 일정하게 유지시켜주는(Stand Still) 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 설치한다
실시 예에 따르면, 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser)의 고단측 증발 냉각부의 냉매액 공급을 만액식으로 함으로써, 냉각효율(Refrigeration Efficiency)이 개선되고, 케스케이드콘덴서의 열교환성능이 향상되며, 부하 변동에 따른 냉각 반응이 빨라지고 냉매액 공급량의 제어는 용이하게 되어서 기기가 안정적으로 운전된다. 만액식 냉매액 공급량의 제어를 액주관(Liquid Leg)에서 하면 냉매 충진량을 줄일 수 있고 환경보전에도 기여한다. 케스케이드 냉각기의 고단측 저압부의 냉매 온도를 일정하게 유지(Stand Still)시켜주는 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 설치하면 냉각기의 효율이 향상되고 기기 운전이 안정화 된다.
도 1a은 본 발명의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 1b은 본 발명의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 1c은 본 발명의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 2는 기존의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 3a은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 3b은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 3c은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 4는 만액식과 직팽식 냉각사이클(Refrigeration Cycle)의 예시.
도 1b은 본 발명의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 1c은 본 발명의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 2는 기존의 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 시스템 계통도 예시.
도 3a은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 3b은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 3c은 본 발명의 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 설치 예시.
도 4는 만액식과 직팽식 냉각사이클(Refrigeration Cycle)의 예시.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 사례들을 설명한다. 본 기술되는 실시 사례들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시 사례들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 1는 실시 예에 따른 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 계통도이고, 도 2는 기존의 사례에 따른 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 계통도이다. 본 실시 예에서 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)는 냉매 흐름이 독립된 고단과 저단으로 이루어져 있으며, 각 각 역카르노싸이클(Reverse Carnot cycle) 원리로 냉각작용을 한다. 저단은 피냉각물의 냉각부하를 담당하고, 고단은 저단의 응축부하를 담당한다. 고단과 저단은 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 103를 통하여 상호 연계되고 협력하여 운전된다. 역카르노싸이클(Reverse Carnot cycle)을 이용하는 냉각기는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기, 센서와 스위치 및 밸브류 그리고 제어기를 기본 구성요소로 한다. 역카르노싸이클(Reverse Carnot cycle)에서, 압축기는 증발기에서 증발한 냉매가스를 압축하여 고온 고압의 가스를 토출하며, 응축기는 고온 고압의 압축된 가스를 냉각하여 고압의 액화된 냉매로 만드는 열교환기 이고, 팽창밸브는 고압과 저압의 경계점에서 고압의 액화된 냉매를 저압의 포화(Saturated)된 냉매로 만들며, 증발기는 피냉각물체로부터 열을 흡수하여 포화(Saturated)된 냉매를 증발시킴으로써 냉각하는 작용을 하는 열교환기이다. 역카르노싸이클 원리로 작동하는 고단과 저단의 냉각기는 상기의 주요 구성품과 배관과 센서와 스위치 및 밸브류 그리고 제어기는 기존의 통상의 것을 활용하므로 상세의 설명은 생략 한다.
도 1의 실시 예에서, 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 103는 저단측의 압축기 100에서 토출된 냉매 가스를 응축시키 위해서 고단측의 냉각 증발부를 일체(一體)화하여 제작한 열교환기이다.
도 1의 실시 예에서 고단은, 냉매 압축기(Refrigerant Compressor) 108, 유분리기(Oil Seperator) 109, 응축기(Condenser) 110, 고압수액기(High Receiver) 111, 액주관(Liquid Leg) 112, 서지드럼(Surge Drum) 113 등으로 구성된다. 고압수액기(High Receiver) 111는 고단측의 서지드럼(Surge Drum) 113으로의 원활한 액공급을 위한 저장조 역할을 한다. 서지드럼 113은 케스케이드콘덴서에 액을 공급하고, 압축기로 되돌아가는 냉매 중에 액을 분리하여 회수하고 가스성분만을 압축기로 유도함으로써 압축기를 보호하는 기능을 한다. 액주관 112은 서지드럼에서 중력식으로 액을 받아서 케스케이드콘덴서 103의 증발부에 액을 원활히 전달하며, 케스케이드콘덴서에서 증발된 냉매가스를 서지드럼에 유도하는 역할을 한다. 냉매 배관 209는 서지드럼 113에 냉매를 공급하기 위한 배관이다. 전자변 306은 냉동기 운전 및 정지시에 냉매를 공급 및 차단하는 밸브이다. 도 1a의 실시 예는 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 103의 증발부에 냉매액 공급을 서지드럼 113에서 하는 방식으로써, 밸브 307은 서지드럼 113에 공급하는 냉매 유량을 조절하는 자동유량제어밸브이고, 센서 309는 정상운전시 액레벨을 감지하고, 액레벨 스위치 310는 상한의 액레벨을 감지한다. 액레벨컨트롤러 400는 레벨센서 309에 의해 액레벨를 감지하여 자동제어밸브 307을 제어함으로써 서지드럼 113의 액레벨을 조절한다. 액레벨이 상한에 도달할 할 경우에는 스위치 310이 작동하고 레벨컨트롤러 400는 압축기를 정지하여 액압축을 방지함으로써 압축기를 보호한다. 도 1b의 실시 예는 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser) 103의 증발부에 냉매액 공급을 액주관 112에서 하는 방식으로써, 여기서 전자변 306은 냉동기 운전 및 정지시 냉매를 공급 및 차단하는 기능을 하는 동시에 액레벨컨트롤러 400에 의해서 온오프(On-Off) 시간지연제어방법(On-Off Interval Control Method)을 통하여 유량을 제어하는 기능을 하고, 밸브 308은 냉매 순환 량을 수동으로 조절하는 기능을 하며, 유면계 311은 육안으로 액레벨을 확인하기 위한 것이고, 액레벨 센서 312는 액주관 112의 상중하단의 액레벨을 감지한다. 여기서 상단의 것은 레벨 스위치 310과 같이 상한의 액레벨을 감지하여 액레벨컨트롤러 400가 압축기를 정지하여 액압축을 방지함으로써 압축기를 보호하기 위한 것이고, 중간의 것은 정상운전시 액레벨을 감지하여 유량제어밸브를 제어하기 위한 것이며, 하단의 것은 액의 부족을 감지하여 운전자로 하여금 냉매를 보충하도록 알리는 기능을 한다. 상기 액레벨콘트롤러 400은 냉각기 시스템 전체를 제어하는 콘트롤러와 일체형으로 구성될 수 있으며, 또는 액레벨 제어 기능과 압축기 보호 기능을 분리하여 독립되게 제어하고 전체 시스템 콘트롤러에서 이를 통합하여 제어할 수 있다. 상기 액주관 112 및 서지드럼 113에서 액을 공급하고 액레벨을 제어하기 위한 센서 스위치 제어밸브 및 콘트롤러는 본 실시 예 이외에 기존의 다양한 장치와 방법을 사용할 수 있다. 도 1b의 본 실시 예에서, 케스케이드콘덴서 103의 고단측 증발 냉각부의 만액식 냉매 액레벨 제어(Refrigerant Liquid Level Control)를 도 1a에서와 같이 서지드럼(Surge Drum) 113에서 하지 않고 액주관(Liquid Leg) 112에서 실시함으로써 서지드럼(Surge Drum) 113에 충진 되는 분량의 냉매액 충진량을 줄일 수 있다. 이 경우, 서지드럼은 기액분리기(Accummulator) 기능만을 수행하게 된다. 서지드럼 113 및 액주관 112에 있는 윤활유를 연속적으로 압축기로 되돌리기 위해서 배관 209 과 미세하게 유량을 조정할 수 있도록 유량조절밸브 313를 설치한다.
냉각기(Refrigerator) 운전의 효율과 안정성은 냉각 부하를 담당하는 증발기로의 액공급량의 조절 성능에 의해서 크게 좌우 된다. 도 2의 예에서와 같이 직접팽창식에서는 감온통식자동팽창변(Thermal Expansion Valve) 308이나 온도센서 와 압력센서 그리고 그 제어기에 의하여 작동하는 전자팽창변(Electric Expansion Valve)으로 고정밀의 과열도(Super Heating Degree) 제어를 해야 하는데 반하여, 도 1의 실시 예에서의 만액식의 냉매액 공급 방식은 고정밀의 과열도제어가 필요 없이 액레벨(Liquid Level) 제어만으로 이루어지므로 제어가 단순하고 용이해져서 기기를 안정적으로 운용할 수 있다.
도 4의 만액식과 직팽식의 사이클 선도를 보면, 만액식 운전의 경우 증발온도가 직팽식에 비하여 높고 과열도가 적어서 냉각 사이클 효율이 높다. 또한, 만액식 액공급 방식은 직팽식에 비하여 열교환 성능이 우수하므로 보다 적은 크기의 기기 선정이 가능해 진다.
도 1의 실시 예에서 저단은, 냉매 압축기(Refrigerant Compressor) 100, 유분리기(Oil Seperator) 101, 과열냉각기(Desuperheater) 102, 고압수액기(High Receiver) 104, 부하를 담당하는 증발기(Evaporator) 105, 증발기로의 냉매 액을 공급하기 위한 배관 202과 팽창하는 냉매의 유량을 조절하는 감온통식 자동팽창변 300 (또는 전자 팽창변 등 자동제어식 팽창밸브와 이를 제어하기 위한 온도 및 압력 센서류 와 제어기), 액공급을 온오프(On-Off) 제어하는 전자변 312, 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107, 압축기 보호를 위하여 흡입냉매 가스 중의 액체를 분리하는 기액분리기(Accumulator) 106로 구성된다. 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107는 냉매의 부피 팽창을 허용함 으로써 냉각기 시스템내부의 압력상승을 완화하는 역할을 한다. 고압부에는 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107로 상승된 압력을 유도하는 배관 206과 압력조절밸브 303을 설치하고, 저압부에는 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107로 상승된 압력을 유도하는 배관 204과 냉매의 역방향 흐름을 방지하는 역지변 301을 설치하며, 또한 압력완충탱크 107의 압력을 일정 한계 범위 내에서 유지하기 위해 압축기 100의 흡입측 배관 203에 연결 배관 205와 압력조절밸브 302를 설치한다. 압력조절밸브 303은 응축온도 상승 또는 고압측 액온의 상승으로 인한 압력이 설계압력 이상으로 상승하는 것을 방지하며, 압력조절밸브 302는 압축기 100의 운전 압력 과의 차압으로 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107 내의 압력을 설계 운전압력 이하로 유지한다. 이러한 압력 조절을 위한 장치 및 방법은 기존의 다양한 기술을 활용 할 수 있다. 기액분리기(Accumulator) 106에는 누적된 액체 냉매를 압축기가 소손되지 않을 분량으로 일정량 연속적으로 회수할 수 있도록 하는 배관 208과 유량을 과도하지 않게 조절하는 밸브 314가 있다. 과열냉각기(Desuperheater) 102는 압축기의 토출가스를 케스케이드콘덴서 전단계에서 일정량 냉각하는 역할을 하는데 이는 케스케이드콘덴서의 부하를 경감해 주는 역할을 하므로 고단에서의 냉각 부하가 줄어들어서 에너지 절약효과가 있다. 그러나, 사용하는 냉매에 따라서는 과열냉각기(Desuperheater) 102는 에너지 절감 효과가 없거나 설치비용 대비 경제성이 없는 경우에는 도 1c의 실시 예에서와 같이 설치하지 않을 수 있다. 케스케이드콘덴서 103와 액관 201이 있는 고압부와 케스케이드콘덴서 103의 전단(前段)을 연결하는 배관 207를 설치하면 케스케이드콘덴서 103의 전단(前段)과 후단(後段)이 균압을 이루게 되어서 고압부에 있는 불응축가스(Flash Gas)는 신속히 제거되어서 응축된 냉매액의 흐름이 원활해진다. 이에 따라, 케스케이드콘덴서 103내의 냉매 누적량을 줄여주므로 케스케이드콘덴서 103의 압축기에서 토출된 고온가스 측의 전열면적이 확대되어 열교환 성능이 개선되고, 부하측으로 흐르는 냉매의 흐름이 원활해져서 냉매 충진량이 절감(Refrigerant Low Charging) 된다. 쿨러 제상작업, 외기 침입, 및 급격한 물품부하 증가 등의 운전 환경의 변화에 따라 증발기 105 주변의 저압부에서 압력 변동이 발생할 경우 그 압력을 유도하는 배관 204과 냉매의 역흐름을 방지하는 역지변 301을 냉매흡입관 203과 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107에 연결 설치함으로써 압력완충탱크(Fadeout Vessel) 107가 변동한 압력을 흡수하게 하여 기기 운전이 안정화 된다.
고단과 저단의 유분리기 109 과 101는 윤활유와 냉매가 혼합되어 흐르는 구조의 냉각기에서 증발기로의 윤활유 흐름을 최소화하기 위한 것이므로 윤활유가 냉매가스와 혼합하여 흐르는 방식이 아닌 경우와 윤활유의 냉각성능 저하를 감수할 경우에는 설치하지 않을 수 있다.
고압수액기는 액을 저장하고 원활한 냉매액을 공급하는 역할을 하므로 소형의 냉각기에서는 반드시 필요하지는 않다. 따라서, 냉각기의 냉매액 충진량을 최소화하기 위하여 도 1c의 실시 예에서와 같이 냉매가 충진되는 내용적을 최소화 할 수 있도록 고단의 고압수액기 111와 저단의 고압수액기 104의 설치를 각 각 생략할 수 있다.
고단의 저압부는 단열이 되어 있더라도 외기에 노출되어 있어서 냉각기가 장시간 정지될 경우 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)의 고단의 냉매 온도가 변동하고 운전 압력이 변동하면 냉각기 전체 시스템의 설계 운전 조건을 이탈 하게 되고 고단의 냉매압축기 108는 빈번한 기동(Chattering)이 일어난다. 빈번한 기동(Chattering)을 방지하는 기존의 방법으로는 저압부의 운전 온도범위를 크게 설정하는 것이 있는데 이는 증발온도를 낮추는 것이므로 냉동기의 운전 효율을 떨어지게 한다. 고단의 증발냉각부에 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 도 3의 예와 같이 설치하면 냉에너지저장체 내부를 통과하는 냉매와 냉에너지 저장물질간에 열교환이 이루어져서 냉매온도의 변화가 억제(Stand Still Function)되므로 냉각사이클(Refrigeration Cycle)이 효율과 성능을 고려하여 설계된 운전 범위내에서 이루어지게 되어 냉각기 효율이 향상되고 기기 운전은 안정적으로 이루어진다. 이는 저온의 냉동고에서 이미 냉각 완료된 저장품이 에너지 저장체 역할을 하여 증발기가 있는 저압부의 냉매 온도의 변동폭을 완화하여 냉각기 운전이 안정적으로 이루어지는 것과 같은 원리이다. 냉에너지저장물질(Cold Energy Storage Material)은 냉각사이클 설계상의 계획된 온도에서 열의 흡출(吸出)로 액체(Liquid)와 고체(Solid)의 상호 상변화가 일어나도록 조성된 상변화물질(PCM;Phase Changing Material)을 사용한다. 상변화 잠열(Latent Heat)을 이용하면 상변화시에는 온도변화가 없기 때문에 온도변화가 최소화된 운전환경을 조성할 수 있고, 잠열 저장에너지가 현열만을 이용하는 경우보다 매우 크므로 에너지 저장체(Inventory)의 크기도 줄일 수 있다. 도 3a의 실시 예는 액주관에서 냉매액 공급관과 리턴관을 연장하여 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 분리하여 설치하는 방식이고, 도 3b의 실시 예는 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 연장된 액주관(Extended Liquid Leg)에 감싸는 설치 방식이다. 이때, 열교환 성능을 증대시키기 위하여 배관에 전열판(Heat Exchange Plate)를 부착하거나, 설치에 문제가 없고 열교환 성능이 적합하도록 제작된 다양한 열교환기를 사용할 수 있다. 도 3c의 실시 예는 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 케스케이드콘덴서 103와 일체형으로 설치하는 방식이다. 또한, 도 3a, 도 3b, 도 3c 이들의 조합에 의한 설치도 가능하다.
본 고안의 방식 및 장치는 증발온도가 영하 54(℃) 이하의 초저온(Deepfreezing)의 냉각기에서 활용되는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)에 관한 것이다. 따라서, 증발온도가 영하 54(℃) 이하의 다양한 산업용 및 실험용 등의 냉각장치로 활용된다.
Claims (5)
- 고단과 저단은 냉매 흐름이 분리되어 독립된 냉각기로 구성되며, 저단의 압축기에서 토출된 냉매 가스를 응축하기 위한 고단의 냉각 증발부를 일체(一體)화하여 제작한 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser)를 통하여 상호 연계되고 협력하여 제어되는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator) 이며,
고단은 압축기(Refrigerant Compressor), 유분리기(Oil Seperator), 응축기(Condenser), 고압수액기(High Receiver), 액주관(Liquid Leg), 서지드럼(Surge Drum)을 포함하며,
액주관(Liquid Leg) 및 서지드럼(Surge Drum)에 액을 공급하기 위한 배관과 제어 밸브, 액레벨 센서(또는 스위치), 그리고 액레벨을 제어하고 액레벨이 상한 이상에서는 압축기를 정지시키는 액레벨콘트롤러를 포함하고,
액레벨콘트롤러는 냉각기 전체를 제어하는 콘트롤러와 일체형으로 하거나, 또는 액레벨 제어 기능과 압축기 보호 기능을 분리하여 독립하여 제어하고 전체 시스템 콘트롤러에서 이를 통합하여 제어할 수 있음,
액주관(Liquid Leg) 및 서지드럼(Surge Drum)에 있는 윤활유를 연속적으로 압축기로 되돌리기 위한 배관와 유량조절밸브를 포함하고,
저단은 압축기(Refrigerant Compressor), 유분리기(Oil Seperator), 과열냉각기(Desuperheater), 고압수액기(High Receiver), 부하측 증발기(Evaporator), 증발기에 액공급을 위한 배관과 팽창하는 냉매의 유량을 조절하는 감온통식자동팽창변 또는 전자 팽창변 등 자동제어식 팽창밸브와 이를 제어하기 위한 온도 및 압력 센서류 와 제어기, 압력완충탱크(Fadeout Vessel), 기액분리기(Accumulator)를 포함하고,
압력완충탱크(Fadeout Vessel)에는 고압측의 압력을 유도하는 배관 과 압력을 조절하는 밸브, 저압측의 압력을 유도하는 배관과 그 유체의 역방향 흐름을 제한하는 역지변, 압력완충탱크(Fadeout Vessel)의 압력을 일정 한계 범위 내에서 유지하기 위해 압축기의 흡입측에 연결하는 배관과 압력조절밸브를 설치하고,
저단의 기액분리기(Accumulator)에 누적된 액체 냉매를 압축기가 소손되지 않을 분량으로 일정량 연속적으로 압축기로 회수할 수 있도록 하는 배관과 유량조절밸브를 포함하며,
저단에서 과열냉각기(Desuperheater)는 에너지 절감 효과가 없거나 케스케이드콘덴서로 충분한 경우에는 설치하지 않을 수 있으며,
고단과 저단에서, 냉매액 충진량을 최소화 하기 위하여 고단측의 고압수액기와 저단측의 고압수액기를 각 각 설치하지 않을 수 있으며,
고단과 저단에서 유분리기(Oil Seperator)를 설치하지 않을 수 있음,
을 특징으로 하는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator). - 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser)의 고단측 증발 냉각부의 냉매액 공급을 만액식(Flooded Type)으로 하는 것을 특징으로 하는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)
- 청구항 2에 있어서, 만액식 증발 냉각부의 냉매액 충진량을 절감할 수 있도록 냉매 액레벨 제어를 서지드럼(Surge Drum) 위치에서 하지 않고 액주관(Liquid Leg)에서 하는 것을 특징으로 하는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator)
- 고단의 저압부에 냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 설치하여 냉매의 온도를 일정 범위내에 유지하도록 하는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator).
- 청구항 4에 있어서, 냉에너지를 저장하는 물질로써 열의 흡출(吸出)로 액체(Liquid)와 고체(Solid)의 상호 상변화가 일어나는 상변화물질(Phase Changing Material)을 사용 함,
냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)를 냉매 액주관(Liquid Leg)에서 공급관과 리턴관을 연장하여 분리 설치하는 방식,
냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)가 연장된 액주관(Extended Liquid Leg)을 감싸는 설치 방식,
냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)가 케스케이드콘덴서(Cascade Condenser)를 감싸는 설치 방식,
냉에너지저장체(Cold Energy Inventory)의 열교환 성능을 향상시키기 위하여 냉매 배관에 전열판(Heat Exchanging Plate)를 부착하거나 설치에 문제가 없고 열교환 성능이 적합하도록 제작된 열교환기를 사용 함,
을 특징으로 하는 케스케이드냉각기(Cascade Refrigerator).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220015527A KR20230119412A (ko) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 케스케이드냉각기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220015527A KR20230119412A (ko) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 케스케이드냉각기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230119412A true KR20230119412A (ko) | 2023-08-16 |
Family
ID=87848475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220015527A KR20230119412A (ko) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 케스케이드냉각기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230119412A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180085818A (ko) | 2015-12-28 | 2018-07-27 | 삼성전자주식회사 | 자동 제품 매핑 |
-
2022
- 2022-02-07 KR KR1020220015527A patent/KR20230119412A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180085818A (ko) | 2015-12-28 | 2018-07-27 | 삼성전자주식회사 | 자동 제품 매핑 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 사단법인 한국냉동공조기술협회, 냉장창고 : 1994, 208-217쪽 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5613122B2 (ja) | 冷媒の圧力および流量を制御する方法 | |
| JP6292480B2 (ja) | 冷凍装置 | |
| JP2000346472A (ja) | 超臨界蒸気圧縮サイクル | |
| JP5851771B2 (ja) | 超臨界サイクルおよびそれを用いたヒートポンプ給湯機 | |
| JP6264688B2 (ja) | 冷凍装置 | |
| CZ301186B6 (cs) | Parní kompresní zarízení a zpusob jeho provozu | |
| JP2016138714A (ja) | ヒートポンプ | |
| KR101802107B1 (ko) | 냉동시스템 | |
| KR20150076775A (ko) | 이원 냉동 시스템 | |
| JP2012087978A (ja) | 冷凍装置 | |
| JP2008057807A (ja) | 冷凍サイクル及びそれを用いた空気調和機、冷蔵庫 | |
| JP6388260B2 (ja) | 冷凍装置 | |
| JP2011080736A (ja) | 熱交換装置 | |
| KR200246301Y1 (ko) | 냉온수 공급 냉동기 | |
| US6311507B1 (en) | Refrigeration system with minimum pre-set condensing pressure | |
| JP2019143819A (ja) | 冷蔵庫 | |
| US6539732B2 (en) | Refrigeration system and method of operation therefor | |
| KR20230119412A (ko) | 케스케이드냉각기 | |
| JP2011099572A (ja) | 冷凍サイクル装置及びそれを用いた温水暖房装置 | |
| CA3105808A1 (en) | Cooling system with flooded low side heat exchangers | |
| JP2002310497A (ja) | ヒートポンプ給湯機 | |
| CN111033146A (zh) | 膨胀阀控制传感器和使用它的制冷系统 | |
| US20210254865A1 (en) | Apparatus and method for transferring heat | |
| JP2017172898A (ja) | 空調給湯システム | |
| James et al. | Pressure, flow and temperature transients in refrigeration systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |