KR20240078692A

KR20240078692A - 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클

Info

Publication number: KR20240078692A
Application number: KR1020220161080A
Authority: KR
Inventors: 김봉석; 김수민
Original assignee: (주)하이세이브아시아; 김봉석
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-06-04

Abstract

본 발명은 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클에 관한 것으로, 냉매순환라인의 도중에 구비되는 압축기와, 상기 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 기체냉매를 실외 공기와의 열교환작용으로 응축 액화시키기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축 액화되어 배출되는 냉매액을 일시 저장하기 위한 수액기와, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액을 급속 팽창시키기 위한 팽창밸브를 포함하고 있도록 구성되어 있으며, 상기 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매로 하여금 다른 열교환매체가 가지고 있는 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되어 저온의 기체상태로 변환되어 압축기로 유입되도록 구성되는 냉동싸이클에 있어서,
상기 압축기와 응축기는 압축기에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매가 순환하는 기체냉매 순환관과, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액이 순환하는 냉매액 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 기체냉매 순환관과 냉매액 순환관 각각을 순환하는 고온고압의 기체냉매와 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실외 캐스케이드 열교환기에 의하여 연결되어 있으며,
상기 응축기는 실내 캐스케이드 열교환기의 기체냉매 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 1차 응축기와, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 냉매액 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 2차 응축기가 하나의 응축기 본체에 분리 형성된 상태로 병설되어 있으며,
상기 수액기와 압축기는 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매가 순환하는 안개냉매 순환관과 냉매순환펌프에서 펌핑 공급되는 냉매액이 순환하는 펌핑냉매 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 안개냉매 순환관을 순환하는 안개상태의 냉매와, 상기 펌핑냉매 순환관을 순환하는 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실내 캐스케이드 열교환기에 의해 연결되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발명이다.

Description

프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클{Unit cooler refrigeration cycle using free-cooling}

본 발명은 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실외 온도가 영하의 동절기에는 압축기의 운전은 정지시키고 냉매순환펌프만을 운전시키는 수단으로 냉매를 정상적으로 순환시킬 수 있도록 하는 동시에 실외에 설치된 응축기 및 실내에 설치된 룸쿨러에 서리가 적상되지 않도록 함으로써 냉동싸이클의 열교환효율을 증대시킬 수 있도록 구성되는 프리쿨링 유니트쿨러 냉동싸이클에 관한 것이다.

일반적으로 냉동싸이클은 식품이나 음료 등을 저온에서 장기간 보관하기 위한 냉장고 및 냉동고 또는 높은 외기 온도에 대하여 실내의 온도를 쾌적하게 유지시키기 위한 에어컨 등의 기기에 사용되는 시스템으로 사용되고 있다.

종래의 냉동싸이클은 도 3의 도시와 같이 냉매순환라인(100)의 도중에 마련되어 있는 아북기(110)에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매 눈 응축기(120)로 유입되어 외기와의 열교환작용으로 응축 액화되며, 상이 응축기(120)에서 응축 액화된 냉매액은 수액기(130)에 일시 저장되며, 상기 수액기(130)에 저장되는 냉매액은 팽창밸브(140)로 이송되어 급속 팽창되며, 상기 팽창밸브(140)에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매는 증발기(15)로 공급되어 실내 공기와의 열교환작용으로 실내를 쾌적하게 냉각시키게 되며, 상기 증발기(150)에 공급되는 안개상태의 냉매는 실내 공기로부터 열을 빼앗는 열흡수작용으로 증발하게 되며, 증발되는 저온저압의 기체냉매는 액분리기(160)을 거친 후 압축기(110)로 유입되어 고온고압으로 압축되어 토출되는 작동을 반복 되풀이하도록 구성되어 있다.

그런데 상기와 같은 종래 기술의 냉동싸이클은 외부 온도가 영하의 동절기에도 압축기(110)를 구동시켜서 냉매를 순환시키도록 구성되어 있기 때문에 전기 에너지가 많이 소요되므로 비경제적이라는 것이 문제점으로 지적되어 왔으며, 또한 동절기에 외부 온도가 영하일 때에는 외부에 설치되는 응축기(120)의 냉매코일에 서리가 적상되는 현상이 발생하게 되며, 이같이 냉매코일에 서리가 적상될 경우에는 응축기(120)의 냉매코일을 순환하는 고온고압의 기체냉매가 외부 공기와의 열교환작용이 원활하게 이루어지지 않게 된다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

한편, 컴퓨터 장비가 설치된 데이터 센터, 반도체 등의 생산 장비가 설치된 크린룸, MRI 등의 의료장비가 설치된 병원검사실 등은 별도의 냉각장치를 마련하지 않게 되면 룸 온도가 고온으로 상승하게 되고, 룸 온도가 각종 장비의 동작 온도범위를 벗어나게 되면 이들 장비는 정상적으로 작동하지 않기 때문에 장비 자체의 발열부를 냉각 공기 등으로 직접 냉각시키거나 이들 장비가 설치된 룸의 실내 온도를 적정 온도로 냉방시켜 주어야 한다.

그래서 종래 외기에 의한 프리쿨링과 압축기를 이용한 냉동싸이클을 선택적으로 사용하는 냉열원 장치가 제안된 바 있다.

그러나 종래 냉열원 장치는 냉동싸이클과 프리쿨링 장치가 상호 기능적으로 결합되지 못하고 각기 독립적으로 구성되어 있고, 또한 선택적으로만 운용되도록 구성되어 있다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

등록특허공보 제10-2406775호(2022. 06. 10. 공고) 등록특허공보 제10-1593481호(2016. 02. 12. 공고)

본 발명은 종래 기술에서 나타나는 제반 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 냉동싸이클의 압축기와 응축기 사이에 압축기에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매와 수액기에서 배출되는 냉매액이 열교환하도록 구성되는 실외 캐스케이드 열교환기를 추가 구성하여 실외 온도가 영하 15℃ 이하의 동절기에도 실외에 설치되는 응축기에 서리가 적상되는 현상이 발생되지 않도록 하는 한편, 수액기에서 배출되는 냉매액을 급속 팽창시키는 팽창밸브로부터 공급되는 안개상태의 냉매와 상기 수액기에 저장되는 냉매액을 펌핑 공급하는 냉매순환펌프에 의해 공급되는 냉매액이 열교환하도록 구성되는 실내 캐스케이드 열교환기 및 상기 실내 캐스케이드 열교환기에서 안개상태의 냉매와의 열교환작용으로 열을 빼앗긴 저온의 냉매액이 순환하는 룸쿨러를 추가 구성하는 수단으로, 컴퓨터 장비가 설치된 데이터 센터, 반도체 등의 생산 장비가 설치된 크린룸, MRI 등 의료장비가 설치된 병원검사실 등의 룸을 적정 온도 범위로 냉각시킬 수 있도록 구성되는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클을 제공하는데 목적을 두고 발명한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 추구하기 위한 수단으로서,

냉매순환라인의 도중에 구비되는 압축기와, 상기 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 기체냉매를 실외 공기와의 열교환작용으로 응축 액화시키기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축 액화되어 배출되는 냉매액을 일시 저장하기 위한 수액기와, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액을 급속 팽창시키기 위한 팽창밸브를 포함하고 있도록 구성되어 있으며, 상기 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매로 하여금 다른 열교환매체가 가지고 있는 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되어 저온의 기체상태로 변환되어 압축기로 유입되도록 구성되는 냉동싸이클에 있어서,

상기 압축기와 응축기는 압축기에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매가 순환하는 기체냉매 순환관과, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액이 순환하는 냉매액 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 기체냉매 순환관과 냉매액 순환관 각각을 순환하는 고온고압의 기체냉매와 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실외 캐스케이드 열교환기에 의하여 연결되어 있으며,

상기 응축기는 실내 캐스케이드 열교환기의 기체냉매 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 1차 응축기와, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 냉매액 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 2차 응축기가 하나의 응축기 본체에 분리 형성된 상태로 병설되어 있으며,

상기 수액기와 압축기는 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매가 순환하는 안개냉매 순환관과 냉매순환펌프에서 펌핑 공급되는 냉매액이 순환하는 펌핑냉매 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 안개냉매 순환관을 순환하는 안개상태의 냉매와, 상기 펌핑냉매 순환관을 순환하는 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실내 캐스케이드 열교환기에 의해 연결되어 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실내 캐스케이드 열교환기는 팽창밸브에서 급속 팽창된 안개상태의 냉매가 순환하는 안개냉매 순환관과, 냉매순환펌프에서 펌핑 공급되는 냉매액이 순환하는 펌핑냉매 순환관이 함께 병설되어 있되, 상기 안개냉매 순환관은 그 출구로 배출되는 저온의 기체냉매를 압축기에 유입시키도록 구성되고, 상기 펌핑냉매 순환관의 출구로 배출되는 냉매액은 안개냉매 순환관을 순환하는 안개상태의 냉매와의 열교환작용으로 열을 빼앗긴 저온 상태로 룸쿨러에 공급되어 실내의 온도를 설정된 적정 온도로 냉각시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉매순환라인의 도중에는 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매를 증가된 분량으로 실외 캐스케이드 열교환기에 공급하기 위하여 복수의 압축기가 병렬로 연결되어 있으며, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 펌핑냉매 순환관의 출구에는 증가된 분량으로 배출되는 냉매액이 적정 비율로 분배되어 공급 순환될 수 있도록 하기 위하여 복수의 롬쿨러가 병렬로 연결되어 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수액기의 내부에는 응축기의 본체에 분리 형성되어 있는 1차 및 2차 응축기 각각의 출구라인으로 배출되는 냉매액을 저장하기 위한 상부 저장공간과, 상기 룸쿨러의 회수라인으로 회수되는 냉매액을 저장하기 위한 하부 저장공간을 분리하도록 구성되어 상기 상,하부 저장공간 각각에 저장되는 냉매액이 섞이는 것을 지연시키기 위한 분리격판이 형성되어 있으며, 상기 분리격판의 중심에는 상, 하부 저장공간 각각에 저장되는 냉매액이 서로 연결되게 하는 연결공이 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 압축기와 응축기 사이에 구성되는 실외 캐스케이드 열교환기는 기체냉매 순환관을 순환하는 고온고압의 기체냉매와 냉매액 순환관을 순환하는 냉매액이 서로 열교환하는 열교환작용으로 기체냉매 순환관을 순환하는 고온고압의 기체냉매는 냉매액 순환관을 순환하는 냉매액에 의해 열을 빼앗기는 열방출작용으로 응축 액화되어 1차 응축기로 이송되는 반면에, 냉매액 순환관을 순환하는 냉매액은 기체냉매 순환관을 순환하는 기체냉매로부터 열을 빼앗는 열흡수작용으로 가열되어 2차 응축기로 이송되므로 상기 1차 및 2차 응축기 각각에는 냉매액이 순환하게 되므로 동절기에 외부 온도가 영하로 내려가게 되더라도 상기 1차 및 2차 응축기 각각의 냉매코일에는 서리가 적상되는 현상이 절대 발생하지 않게 되므로 상기 1차 및 2차 응축기 각각을 순환하는 냉매는 외부 온도가 영하로 내려가더라도 상기 1차 및 2차 응축기를 순환하는 냉매액은 외부와의 열교환작용이 정상적으로 이루어지도록 하는 효과가 있다.

또한, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 펌핑냉매 순환관의 출구로 배출되는 저온의 냉매액을 룸쿨러에 공급하여 순환시키는 수단으로 실내의 온도를 설정된 적정 온도로 냉각시킬 수 있도록 함으로써 컴퓨터가 설치된 데이터 센터, 반도체 등을 생산하는 크린룸, 각종 의료장비가 설치된 병원검사실 등의 실내를 적정 온도로 냉각시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉각된 적정 온도를 유지시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 펌핑냉매 순환관의 출구로 베출되는 저온의 냉매액을 식품이나 음료 등을 저장하기 위한 냉장 케이스나 냉장고 등으로 사용되는 룸쿨러에 공급하는 수단으로 식품이나 음료를 저온 상태로 장시간 동안 안전하게 보관할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 동절기에 외부 온도가 영하일 때에는 압축기의 운전을 정지시키고 냉매순환펌프를 운전시키는 작동으로 냉매를 순환시키는 프리쿨링 방식으로 냉동싸이클을 운전할 수 있게 되므로 전기 에너지를 절약할 수 있도록 하는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 냉동싸이클 회로구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 냉동싸이클 회로구성도.
도 3은 종래 기술의 냉동싸이클 회로구성도.

본 발명에 의한 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클에 대한 구체적인 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1의 도시는 본 발명의 바람직한 실시예의 냉동싸이클의 구성 회로도를 도시한 것으로, 폐회로를 구성하는 냉동싸이클의 냉매순환라인(1)의 도중에 마련된 압축기(2)에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매는 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)의 입구(31)로 유입되도록 구성되어 있으며, 상기 기체냉매 순환관(3a)의 출구(32)로 배출되는 냉매는 응축기 본체(4)에 병설되어 있는 1차 응축기(4a)로 유입되어 외기와 열교환작용을 수행하도록 구성되며, 상기 1차 응축기(4a)에서 외기와의 열교환작용으로 응축 액화되는 냉매액은 출구라인(41)으로 배출되어 수액기(5)에 저장되도록 구성되어 있다.

상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)는 압축기(1)에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매가 순환하는 기체냉매 순환관(3a)과 냉매액 순환관(3b)이 함께 병설되는 구조로 구성되어 있으며, 상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)에는 압축기(2)에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매가 입구(31)를 통해 유입되어 순환하게 되며, 상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 냉매액 순환관(3b)에는 상기 수액기(5)에 저장되어 있는 냉매액을 폄핑하는 냉매순환펌프(6)에 의해 펌핑 공급되는 냉매액이 입구(33)를 통해 유입되어 순환하도록 구성되어 있다.

상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)과 냉매액 순환관(3b) 각각은 압축기(2)에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매와 냉매순환펌프(6)에서 펌핑 공급되는 냉매액이 각각 따로따로 순환하면서 열교환작용이 잘 이루어지는 구성으로 병설되어 있으며, 이에 따라 상기 기체냉매 순환관(3a)을 순환하는 고온고압의 기체냉매는 냉매액 순환관(3b)을 순환하는 냉매액으로부터 열을 빼앗기는 열교환작용으로 응축 액화되어 출구(32)로 배출되는 한편, 상기 냉매액 순환관(3b)을 순환하는 냉매액은 고온의 기체냉매로부터 열을 빼앗아 가열되어 출구(34)로 배출되도록 구성되어 있다.

또한 상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)의 출구(32)로 배출되는 냉매액은 하나의 응축기 본체(4)에 분리 형성되어 있는 1차 응축기(4a)로 유입되어 외기와 열교환작용을 수행한 후 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)으로 유입되며, 상기 냉매액 순환관(3b)의 출구(34)로 배출되는 냉매액은 하나의 응축기 본체(4)에 분리 형성되어 있는 2차 응축기(4b)로 유입되어 외기와 열교환작용을 수행한 후 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)으로 유입되며, 이와 같이 상기 1차 및 2차 응축기(4a)(4b) 각각으로 유입되는 냉매액은 외기와의 열교환작용으로 냉각되는 상태로 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)으로 따로따로 유입되어 혼합되는 상태로 저장된다.

상기 수액기(5)의 내부는 분리격판(51)에 의하여 상,하부 저장공간(5a)(5b)으로 구획되어 있으며, 또한 상기 분리격판(51)의 중심에는 상,하부 저장공간(5a)(5b)을 연결하는 연결공(52)이 형성되어 있으며, 이에 따라 상기 1차 및 2차 응축기(4a)(4b) 각각에서 배출되는 냉매액이 상부 저장공간(5a)으로 따로따로 유입되면서 혼합되는데, 이때 상기 상부 저장공간(5a)에 혼합 저장되는 냉매액은 분리격판(51)에 형성되어 있는 연결공(52)을 통해 하부 저장공간(5b)으로 흘러내리게 된다.

따라서 상기 1차 및 2차 응축기(4a)(4b) 각각에서 배출되는 냉매액은 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)으로 따로따로 유입되어 혼합 저장되면서 분리격판(51)에 형성되어 있는 연결공(52)을 통해 하부 저장공간(5b)으로 흘러내리게 되므로 결국 상기 수액기(5)에 저장되는 냉매액은 하부 저장공간(5b)이 가득 채워진 다음에 상부 저장공간(5a)이 채워지는 상태로 저장된다.

한편, 상기 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)에는 제1 및 제2 배출라인(53)(54)이 연결되어 있으며, 상기 제1 배출라인(53)에는 메인 전자밸브(55)와 팽창밸브(7)가 차례대로 형성되어 있으며, 상기 팽창밸브(7)의 출구라인(71)은 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)의 입구(81)에 연결되어 있다.

따라서 상기 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)에 연결되어 있는 제1 배출라인(53)으로 배출되는 냉매액은 개방된 메인 전자밸브(55)를 통과하여 팽창밸브(7)로 유입되어 급속 팽창되며, 상기 팽창밸브(7)에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매는 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)의 입구(81)로 유입되어 순환하게 되며, 상기 안개냉매 순환관(8a)의 출구(82)로 배출되는 기체냉매는 압축기(2)의 입구라인(21)을 통해 압축기(2)로 유입되도록 구성되어 있다.

또한 상기 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)에 연결되어 있는 제2 배출라인(54)에 장설되어 있는 냉매순환펌프(6)에 의해 펌핑되는 냉매액은 펌핑출구라인(61)을 통해 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 냉매액 순환관(3b)의 입구(33)으로 유입되는데, 이때 상기 냉매순환펌프(6)에 의해 펌핑되어 이송되는 냉매액의 전량이 실외 캐스케이드 열교환기(3)측으로 이송되지 않고 일부는 펌핑출구라인(61)의 도중에 연결되어 있는 바이패스라인(62)을 통해 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 펌핑냉매 순환관(8b)의 입구(83)로 유입되어 순환하도록 구성되어 있다. 따라서 상기 냉매순환펌프(6)에서 펌핑되어 펌핑출구라인(61)으로 이송되는 냉매액의 일부는 실외 캐스케이드 열교환기(3)의 냉매액 순환관(3b)으로 유입되는 한편, 펌핑출구라인(61)으로 이송되는 냉매액의 일부는 바이패스라인(62)을 통해 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)으로 유입되어 순환하게 된다.

상기 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)과 펌핑냉매 순환관(8b) 각각에는 팽창밸브(7)에서 급속 팽창된 안개상태의 냉매와 냉매순환펌프(6)에서 펌핑된 냉매액이 각각 따로따로 순환하면서 열교환작용을 수행하게 되며, 이에 따라 상기 안개냉매 순환관(8a)을 순환하는 안개상태의 냉매는 펌핑냉매 순환관(8b)을 순환하는 냉매액으로부터 열을 빼앗는 작용으로 증발하여 저온의 기체냉매로 변하여 출구(82)에 연결되어 있는 압축기(2)의 입구라인(21)을 통해 압축기(2)로 유입되며, 상기 냉매액 순환펌프(8b)를 순환하는 냉매액은 안개냉매 순환관(8a)을 순환하는 안개상태의 냉매에게 열을 빼앗기는 작용으로 저온 상태로 냉각되어 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)를 통해 배출되어 룸쿨러(9)로 유입되므로 상기 룸쿨러(9)는 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)로 배출되는 저온의 냉매액을 냉열원으로 하여 실내를 쾌적한 온도로 냉방하거나 또는 식품이나 음료 등을 냉각시키게 된다.

상기와 같이 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 안개냉매 순환관(8a)의 출구(82)로 배출되는 저온 상태의 기체냉매는 입구라인(21)을 통해 압축기(2)로 유입되어 고온고압으로 압축되어 토출되는 작동을 반복 되풀이하게 되는 한편, 상기 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)를 통해 배출되는 저온의 냉매액은 룸쿨러(9)로 유입되어 순환하면서 실내 공기와의 열교환작용으로 실내 공기를 냉각시키게 되므로 실내를 설정된 온도로 냉방할 수 있으며, 또는 상기 룸쿨러(9)를 식품이나 음료 등을 보관하는 냉장고나 농산물을 저온으로 보관하는 저온창고 등으로 사용할 경우에는 식품이나 음료 및 농산물 등을 장시간 안전하게 냉장 보관할 수 있게 된다.

상기 룸쿨러(9)를 순환하면서 실내 공기와의 열교환작용을 수행한 저온의 냉매액은 출구라인(91)이 연결되어 있는 냉매회수라인(92)을 통해 수액기(5)로 유입되는데, 상기 냉매회수라인(92)에는 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)에 연결되는 상부 연결라인(92a)과 하부 저장공간(5b)에 연결되는 하부 연결라인(92b)이 형성되어 있으며, 상기 상,하부 연결라인(92a)(92b) 각각에는 상,하부 전자밸브(93a)(93b)가 각각 장설되어 있다.

또한 상기 상,하부 연결라인(92a)(92b) 각각에 설치되어 있는 상,하부 전자밸브(93a)(93b) 각각은 압축기(2)를 작동시켜 냉매를 순환시킬 때와 냉매순환펌프(6)를 작동시켜 냉매를 순환시킬 때에 따라 교대적으로 개폐되도록 구성되어 있다. 예를 들어, 상기 압축기(2)의 운전시 냉동싸이클의 냉매순환작동이 정상적으로 작동하게 될 때에는 하부 전자밸브(93b)는 개방되는 반면 상부 전자밸브(93a)는 폐쇄되고, 상기 압축기(2)를 정지시키고 프리쿨링 방식으로 냉동싸이클의 냉매순환작동이 작동하게 될 때에는 하부 전자밸브(93b)는 폐쇄되는 반면 상부 전자밸브(93a)는 개방되도록 구성되어 있다.

따라서 상기 압축기(2)의 운전시에는 룸쿨러(9)를 순환한 후 출구라인(91)으로 배출되는 냉매액은 냉매회수라인(92)을 통해 개방된 하부 전자밸브(93b)가 설치되어 있는 하부 연결라인(92b)을 통해 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)으로 유입되며, 이 경우 하부 저장공간(5b)에 저장되어 있는 냉매액은 하부 연결라인(92b)을 통해 유입되는 냉매액의 유입량 만큼 분리격판(51)에 형성되어 있는 연결공(52)을 통하여 상부 저장공간(5a)으로 이동하게 되므로 상기 룸쿨러(9)를 순환하면서 열교환작용을 수행한 저온의 냉매액은 출구라인(91)으로 배출되어 냉매회수라인(92)과 하부 연결라인(92b)를 통해 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)으로 유입되어 저장되는 작용이 원활하게 이루어지게 되며, 이와는 달리 상기 압축기(2)를 정지시키고 냉매순환펌프(6)가 작동하여 프리쿨링 방식으로 냉동싸이클이 운전하게 될 때에는 룸쿨러(9)를 순환한 후 출구라인(91)으로 배출되는 냉매액은 냉매회수라인(92)으로 이송되어 폐쇄된 하부 전자밸브(93b)가 설치된 하부 연결라인(92b)으로는 이송되지 않고 개방된 항부 전자밸브(93a)가 설치되어 있는 상부 연결라인(92a)을 통해 상부 저장공간(5a)으로 유입되어 저장된다.

한편, 본 발명은 도 2에 도시되어 있는 실시예와 같이 냉동싸이클의 냉매순환라인(1)의 도중에 복수의 압축기(2)를 병렬로 연결 설치하여 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매의 순환량을 증대시킬 수 있으며, 또한 병렬로 설치된 복수의 압축기(2)에서 토출되는 고온고압의 기체냉매가 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 공급 순환량이 증가한 만큼 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)으로 공급 순환하는 냉매액이 증가되며, 이에 따라 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)로 배출되는 저온의 냉매액도 증가하게 되므로 복수의 룸쿨러(9)를 병렬로 연결 설치할 수 있다.

따라서 컴퓨터 장비가 설치된 데이터 센터를 비롯하여 반도체 등의 생산 장비가 설치된 크린룸 및 MRI 등 의료장비가 설치된 병원검사실 등등에 복수의 룸클러(9)를 한대씩 설치하여 쾌적한 적정 온도로 냉방할 수 있으며, 또는 식품이나 음료 등을 보관하는 냉장고 및 채소 등의 농산물을 보관하는 저온창고 등에 룸쿨러(9)를 한대씩 설치하여 냉장 및 냉방할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예 및 다른 실시예의 냉동싸이클의 작용효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 냉동싸이클의 바람직한 실시예는 냉매순환라인(1)의 도중에 형성되어 있는 압축기(2)에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매는 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)의 입구(31)로 유입되어 순환하는 과정에서 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 냉매액 순환관(3b)를 순환하는 냉매액과 열교환작용을 하게 되는데, 이때 냉매액 순환관(3b)을 순환하는 냉매액은 기체냉매 순환관(3a)을 순환하는 고온고압의 기체냉매로부터 열을 빼앗는 열흡수작용으로 가열되어 출구(34)로 배출되는 반면, 기체냉매 순환관(3a)을 순환하는 고온의 기체냉매는 냉매액 순한관(3b)을 순환하는 냉매액에게 열을 빼앗기는 열방출작용으로 응축 액화되어 출구(32)로 배출된다.

상기와 같이 실외 캐스케이드 열교환기(3)에 병설되어 있는 기체냉매 순환관(3a)과 냉매액 순환관(3b) 각각으로 순환하는 기체냉매와 냉매액은 서로 열교환을 하면서 출구(32)(34)를 통해 따로따로 배출되는데, 상기 기체냉매 순환관(3a)을 순환하는 동안 열교환작용으로 응축 액화되는 냉매액은 출구(32)로 배출되는 응축기 본체(4)에 분리 형성되어 있는 1차 응축기(4a)로 유입되어 외기와 열교환작용을 수행하게 되는 한편, 상기 냉매액 순환관(3b)을 순환하는 동안 열교환작용으로 가열되는 냉매액은 출구(34)를 통해 배출되어 응축기 본체(4)에 분리 형성되어 있는 2차 응축기(4b)로 유입되어 외기와 열교환하게 된다.

따라서 상기 실외 캐스케이드 열교환기(3)와 같이 외부에 설치되는 응축기 본체(4)에 분리된 상태로 외부에 설치되는 1차 응축기(4a)와 2차 응축기(4b)에는 냉매액이 순환하는 상태이므로 외부 온도가 영하의 동절기에도 서리가 적상되는 일이 절대 발생하지 않으면서 외기와의 열교환작용이 원활하게 이루어지게 되므로 상기 1차 및 2차 응축기(4a)(4b)를 순환하는 냉매액은 열교환효율이 향상되는 효과가 있다.

상기와 같이 응축기 본체(4)에 분리 형성된 1차 및 2차 응축기(4a)(4b) 각각으로 따로따로 유입되어 외기와의 열교환을 진행한 후 출구라인(41)(42) 각각으로 배출되는 냉매액은 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)으로 유입되어 혼합되는 상태로 저장되며, 상기 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)에 저장되어 있는 냉매액은 제1 및 제2 배출라인(53)(54)으로 배출되는데, 상기 제1 배출라인(53)으로 배출되는 냉매액은 팽창밸브(7)에 의해 급속 팽창되어 실외 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)의 입구(81)를 통해 안개냉매 순환관(8a)으로 유입되어 순환하게 되는 한편, 상기 제2 배출라인(54)으로 배출되는 냉매액은 냉매순환펌프(6)에 의해 펌핑되어 펌핑출구라인(61)이 연결되어 있는 실내 캐스케이드 열교환기(3)의 냉매액 순환관(3b)의 입구(33)로 유입되는데, 이때 상기 냉매순환펌프(6)에 이 펌핑되는 냉매액의 일부만 실외 캐스케이드 열교환기(3)의 냉매액 순환관(3b)으로 유입되어 순환하게 되며, 냉매순환펌프(6)에서 펌핑되는 냉매액의 일부는 펌핑출구라인(61)에 연결되어 있는 바이패스라인(62)을 통해 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)의 입구(83)로 유입되어 펌핑냉매 순환관(8b)을 순환하게 된다.

상기와 같이 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)에는 팽창밸브(7)에서 급속 팽창된 안개상태의 냉매가 순환하는 한편, 펌핑냉매 순환관(8b)에는 파이패스라인(62)을 통해 유입되는 냉매액이 순환하게 된다.

이에 따라 상기 실내 캐스케이드 열교환기(8)에 함께 병설되어 있는 안개냉매 순환관(8a)과 펌핑냉매 순환관(8b) 각각을 따로따로 순환하는 안개상태의 냉매와 냉매액이 서로 열교환작용을 하면서 순환하게 되는데, 이때 상기 안개냉매 순환관(8a)을 순환하는 안개상태의 냉매는 펌핑냉매 순환관(8b)을 순환하는 냉매액으로부터 열을 빼앗는 작용으로 증발하면서 출구(82)쪽으로 이동하게 되므로 상기 안개냉매 순환관(8a)의 출구(82)를 통해서는 안개상태의 냉매가 증발하여 저온의 기체냉매로 변환된 상태로 배출되어 압축기(2)의 입구라인(21)으로 이동하여 압축기(2)로 유입되어 고온고압으로 압축되는 작동을 반복 되풀이하게 된다.

한편, 냉매순환펌프(6)에서 펌핑되어 펌핑출구라인(61)으로 펌핑 이송되는 냉매액의 일부는 바이패스라인(62)을 통해 실외 캐스케이드 열교환기(8)에 병설되어 있는 펌핑냉매 순환관(8b)의 입구(83)로 유입되어 순환하는 과정에서 안개냉매 순환관(8a)을 순환하는 안개상태의 냉매로부터 열을 빼앗기게 되므로 저온(0~5℃) 상태로 냉각되어 출구(84)로 배출되며, 이같이 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)로 배출되는 저온의 냉매액은 룸쿨러(9)에 유입되는데, 상기 룸쿨러(9)가 데이터 센터, 크린룸, 병원검사실 등에 설치되어 있을 경우에는 실내를 쾌적한 상태로 냉방할 수 있으며, 또는 식품이나 음료 등이 보관되는 냉장고, 농산물이 저장되는 저온창고 등에 설치되어 있을 경우에는 식품이나 음료 및 농산물을 저온 상태로 안전하게 장시간 냉장 보관할 수 있다.

또한 상기 룸쿨러(9)의 출구라인(91)으로 배출되는 냉매액은 냉매회수라인(92)을 통해 수액기(5)의 하부 저장공간(5b)으로 유입 저장되며, 상기 수액기(5)의 상부 저장공간(5a)과 하부 저장공간(5b)을 구획하는 분리격판(51)은 1차 및 2차 응축기(4a)(4b) 각각의 출구라인(41)(42)으로 배출되는 냉매액이 상부 저장공간(5a)에 저장되게 하는 동시에 그 중심에 형성되어 있는 연결공(52)을 통해 상부 저장공간(5a)에 저장되는 냉매액이 하부 저장공간(5b)으로 흘러내리게도 하지만, 냉매회수라인(92)으로 회수되는 냉매액이 하부 연결라인(92b)을 통해 유입될 때에는 하부 저장공간(5b)에 저장되어 있는 냉매액이 상부 저장공간(5a)으로 이동되게도 하므로, 이에 따라 상기 룸쿨러(9)를 순환하면서 실내 공기와 열교환작용을 수행하고 출구라인(91)으로 배출되는 냉매액이 냉매회수라인(92)에 연결되어 있는 상,하부 연결라인(92a)(82b)를 통해 수액기(5)의 상,하부 저장공간(5a)(5b)으로 유입되어 저장되는 작용이 원활하게 이루어지게 된다.

또한 본 발명은 봄, 가을, 겨울에 외부 온도가 영상일 때에는 압축기(2)를 정지시킨 상태에서 냉매순환펌프(6)만을 작동시키는 방법으로 냉매순환라인(1)으로 냉매를 순환시킬 수 있을 뿐 아니라 룸쿨러(9)에 냉열원을 순환시킬 수 있으므로 냉동싸이클을 운전하는데 소요되는 전기 에너지를 절약할 수 있으며, 이와는 달리 하절기인 여름 등에 외부 온도가 고온으로 높을 때에는 상기 압축기(2)를 작동시키는 방법으로 냉동싸이클을 정상적으로 운행할 수 있다.

다음, 도 2에 도시된 다른 실시예는 냉매순환라인(1)의 도중에 복수의 압축기(2)를 병렬로 연결하여 구성하는 한편, 실내 캐스케이드 열교환기(8)의 펌핑냉매 순환관(8b)의 출구(84)에 복수의 룸쿨러(9)를 병렬로 연결하여 구성한 실시예로서, 상기와 같은 실시예는 복수의 압축기(2)에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매의 순환량을 증대시켜 공급할 수 있으므로 복수의 룸쿨러(9) 각각으로 저온의 냉매액을 적정량씩 공급하여 순환시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 상기 복수의 룸쿨러(9)는 컴퓨터 장비가 설치된 데이터 센터, 반도체 등의 생산장비가 설치된 크린룸, MRI 등 의료장비가 설치된 병원검사실 등등에 한대씩 설치하여 쾌적한 온도로 냉방할 수 있으며, 또는 식품이나 음료 등을 보관하는 냉장고나 냉장케이스 및 채소 등의 농산물을 저온 보관하기 위한 저온 창고 등에 룸쿨러(9)를 한대씩 설치하여 식품이나 음료 및 각종 농산물을 저온 상태로 장시간 안전하게 냉장 보관할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 냉매순환라인 2 : 압축기
21 : 입구라인 3 : 실외 캐스케이드 열교환기
3a : 기체냉매 순환관 3b : 냉매액 순환관
31,33 : 입구 32,34 : 출구
4 : 응축기 본체 4a : 1차 응축기
4b : 2차 응축기 41,42 : 출구라인
5 : 수액기 5a,5b : 상,하부 저장공간
51 : 분리격판 52 : 연결공
53,54 : 제1 및 제2 배출라인 55 : 메인 전자밸브
6 : 냉매순환펌프 61 : 펌핑출구라인
62 : 바이패스라인 7 : 팽창밸브
71 : 출구라인 8 : 실내 캐스케이드 열교환기
8a : 안개냉매 순환관 3b : 펌핑냉매 순환관
81,83 : 입구 82,84 : 출구
9 : 룸쿨러 91 : 출구라인
92 : 냉매회수라인 92a,92b : 상,하부 연결회로
93 : 체크밸브 93a,93b : 상,하부 전자밸브

Claims

냉매순환라인의 도중에 구비되는 압축기와, 상기 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되는 기체냉매를 실외 공기와의 열교환작용으로 응축 액화시키기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축 액화되어 배출되는 냉매액을 일시 저장하기 위한 수액기와, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액을 급속 팽창시키기 위한 팽창밸브를 포함하고 있도록 구성되어 있으며, 상기 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매로 하여금 다른 열교환매체가 가지고 있는 열을 빼앗는 열교환작용으로 증발되어 저온의 기체상태로 변환되어 압축기로 유입되도록 구성되는 냉동싸이클에 있어서,
상기 압축기와 응축기는 압축기에서 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매가 순환하는 기체냉매 순환관과, 상기 수액기에서 배출되는 냉매액이 순환하는 냉매액 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 기체냉매 순환관과 냉매액 순환관 각각을 순환하는 고온고압의 기체냉매와 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실외 캐스케이드 열교환기에 의하여 연결되어 있으며,
상기 응축기는 실내 캐스케이드 열교환기의 기체냉매 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 1차 응축기와, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 냉매액 순환관의 출구로 배출되는 냉매액이 순환하는 2차 응축기가 하나의 응축기 본체에 분리 형성된 상태로 병설되어 있으며,
상기 수액기와 압축기는 팽창밸브에서 급속 팽창되는 안개상태의 냉매가 순환하는 안개냉매 순환관과 냉매순환펌프에서 펌핑 공급되는 냉매액이 순환하는 펌핑냉매 순환관이 함께 병설되어 있어 상기 안개냉매 순환관을 순환하는 안개상태의 냉매와, 상기 펌핑냉매 순환관을 순환하는 냉매액이 서로 열교환하도록 구성되는 실내 캐스케이드 열교환기에 의해 연결되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클.
제 1 항에 있어서,
상기 실내 캐스케이드 열교환기는 팽창밸브에서 급속 팽창된 안개상태의 냉매가 순환하는 안개냉매 순환관과, 냉매순환펌프에서 펌핑 공급되는 냉매액이 순환하는 펌핑냉매 순환관이 함께 병설되어 있되, 상기 안개냉매 순환관은 그 출구로 배출되는 저온의 기체냉매를 압축기에 유입시키도록 구성되고, 상기 펌핑냉매 순환관의 출구로 배출되는 냉매액은 안개냉매 순환관을 순환하는 안개상태의 냉매와의 열교환작용으로 열을 빼앗긴 저온 상태로 룸쿨러에 공급되어 실내의 온도를 설정된 적정 온도로 냉각시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매순환라인의 도중에는 고온고압으로 압축되어 토출되는 고온고압의 기체냉매를 증가된 분량으로 실외 캐스케이드 열교환기에 공급하기 위하여 복수의 압축기가 병렬로 연결되어 있으며, 상기 실내 캐스케이드 열교환기의 펌핑냉매 순환관의 출구에는 증가된 분량으로 배출되는 냉매액이 적정 비율로 분배되어 공급 순환될 수 있도록 하기 위하여 복수의 롬쿨러가 병렬로 연결되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클.
제 1 항에 있어서,
상기 수액기의 내부에는 응축기의 본체에 분리 형성되어 있는 1차 및 2차 응축기 각각의 출구라인으로 배출되는 냉매액을 저장하기 위한 상부 저장공간과, 상기 룸쿨러의 회수라인으로 회수되는 냉매액을 저장하기 위한 하부 저장공간을 분리하도록 구성되어 상기 상,하부 저장공간 각각에 저장되는 냉매액이 섞이는 것을 지연시키기 위한 분리격판이 형성되어 있으며, 상기 분리격판의 중심에는 상,하부 저장공간 각각에 저장되는 냉매액이 서로 연결되게 하는 연결공이 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클.
제 1 항 또는 제 4항에 있어서,
상기 수액기의 상,하부 저장공간 각각에는 룸쿨러의 출구라인에 연결되어 있는 냉매회수라인으로 냉매액이 유입 저장될 수 있도록 상,하부 연결라인이 연결되어 있으며, 상기 상,하부 연결라인 각각에는 압축기 운전시에는 개방되고 압축기 정지시에는 폐쇄되는 작동을 교대적으로 수행하게 되는 상,하부 전자밸브가 장설되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리쿨링을 이용한 유니트쿨러 냉동싸이클.