KR20030023725A

KR20030023725A - 냉동사이클장치

Info

Publication number: KR20030023725A
Application number: KR10-2003-7001383A
Authority: KR
Inventors: 오카자노리호; 니시와키후미토시; 요시다유지; 이코마미츠히로; 하세가와히로시; 신타쿠히데노부
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: US20040123621A1; EP1306629A1; CN1202392C; US6962059B2; EP1306629A4; WO2002010655A1; JP2002048421A; CN1446303A; KR100520583B1

Abstract

본 발명은 사이클 내에 토출된 냉동기유(오일)에 의한 열전달의 저해 및 압력손실의 증대를 방지하고, 소형이고 고효율인, 탄산가스(CO₂)를 이용한 냉동사이클장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

압축기(1), 방열기(2), 감압기(3), 증발기(4)를 차례로 접속하는 배관을 적어도 갖고, 압축기(1), 방열기(2), 감압기(3), 증발기(4) 및 배관 내를 냉매가 순환하는 냉매회로를 구비한 냉동사이클장치에 있어서, 상기 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있고, 상기 냉매회로 내의 오일봉입량을 탄산가스(CO₂) 봉입량의 40중량% 이하 또는 0으로 함으로써, 열교환기에서의 열전달율의 저하 및 압력손실의 증가를 매우 작게 억제할 수 있어, 열교환기의 대형화나 효율저하 등으로의 영향도 거의 없게 되는 것이다.

Description

냉동사이클장치{REFRIGERATION CYCLE DEVICE}

공기조절기, 차량용 에어컨디셔너, 전기(냉동)냉장고, 냉장 또는 냉동창고, 쇼케이스 등에는 압축기, 방열기, 감압기, 증발기 등이 접속되어 이루어지는 냉동사이클장치가 사용되고 있는데, 이 냉동사이클장치 내에 봉입되는 냉매로서는 불소원자를 함유하는 탄화수소류가 이용되어 왔다.

특히 불소원자와 염소원자를 모두 함유하는 탄화수소(HCFC, 하이드로클로로플루오로카본)류는 성능이 좋고, 또한 불연성이며, 인체에 대하여 무독성이기 때문에 냉동사이클장치에 널리 이용되어 왔다.

그러나, HCFC(하이드로클로로플루오로카본)류는 염소원자를 갖고 있기 때문에, 대기에 방출되어 성층권에 도달한 경우에 오존층을 파괴하는 것이 명확하게 되어, 이들 대신에 염소원자를 포함하지 않는 HFC(하이드로플루오로카본)이 사용되고 있지만, 오존층을 파괴하는 성질은 갖지 않지만 대기 중에서의 수명이 길기 때문에 온실효과가 커서, 최근 문제가 되고 있는 지구온난화를 방지하는 데에는 반드시 만족한 냉매라고 할 수는 없다.

상기 할로겐원자를 함유하는 HCFC류나 HFC류 대신에, 오존파괴계수가 제로이면서 지구온난화계수도 할로겐원자를 함유하는 탄화수소류에 비하면 매우 작은 탄산가스(CO₂)를 냉매로서 이용하는 냉동사이클장치의 가능성이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본 특공평 7-18602호 공보에는 탄산가스(CO₂)를 사용한 냉동사이클장치가 제안되어 있다.

여기서, 탄산가스(CO₂)의 임계온도는 31.1℃, 임계압력은 7372kPa이고, 이것을 이용한 냉동사이클장치에서는 도 11을 이용하여 설명하는 천이임계사이클이 될 수 있다.

도 11은 탄산가스(CO₂)를 냉매로서 이용하는 냉동사이클의 몰리에르선도(Mollier diagram)이다. 도면 중의 A-B-C-D-A로 나타내는 바와 같이, 압축기로 기상상태의 CO₂를 압축하는 압축행정(A-B), 이 고온고압의 초임계상태의 CO₂를 방열기(가스냉각기)로써 냉각하는 냉각행정(B-C), 그리고, 감압기에 의해 감압하는 감압행정(C-D), 기액2상상태로 된 CO₂를 증발시키는 증발기의 증발행정(D-A)에 의해, 증발잠열로 공기 등의 외부유체로부터 열을 빼앗아 외부유체를 냉각한다.

도 11에서, 선 (B-C)는 기액의 임계점 CC보다 고압측에 위치하고 있어, 포화액선 및 포화증기선에 교차하는 일은 없다. 즉, 증발행정 (D-A)에서의 포화증기영역(기액2상영역)으로부터 가열증기영역(기상영역)으로의 이행은 HCFC류나 HFC류의 경우와 마찬가지로 행해지지만, 임계점 CC를 넘는 영역(초임계영역)에서는 HCFC류나 HFC류의 경우와 같은 응축행정이 존재하지 않아, CO₂가 액화하지 않고 냉각되는 냉각행정이 된다.

이 때, 탄산가스(CO₂)를 이용한 냉동사이클장치의 작동압력은 저압측 압력은 3.5MPa정도, 고압측 압력은 10MPa 정도가 되기 때문에, HCFC류나 HFC류를 이용한 경우에 비하여, 작동압력이 높아지고, 고압측 압력과 저압측 압력은 HCFC류나 HFC류를 이용한 냉동사이클장치의 약 5∼10배가 된다.

다음에, 냉동사이클장치의 구성에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같은 탄산가스(CO₂)를 이용한 냉동사이클장치는 탄산가스(CO₂)의 임계온도는 31.l℃, 임계압력은 7372kPa이기 때문에, 고압측 회로(압축기의 토출부∼방열기∼감압기의 입구부까지의 냉매회로)가 초임계영역에서 이용되는 구성으로 되어 있고, 일반적인 냉동사이클장치의 구성은 도 13에 나타내는 바와 같이, 냉매를 승압하는 압축기(210), 냉매를 냉각하는 방열기(220), 냉매를 증발압력까지 감압하는 감압기(230), 냉매를 증발시켜 기화하는 증발기(240)를 구비한 주요경로로 구성되어 있다.

이 주요경로에서, 압축기(210)에서 승압된 초임계상태의 냉매는 방열기(220)에서 냉각되고, 감압기(230)에 의해 감압되어 습한 증기가 되며, 증발기(240)에서 기상냉매로 된 후에 압축기(210)로 복귀된다.

이러한 냉동사이클장치를 프레온가스 등을 이용하는 종래의 냉동사이클장치와 동일한 사고방식으로 구성하면, 예를 들면, 차량용 에어컨디셔너에 이용하는 경우, 냉매로서 탄산가스(CO₂)를 500g정도, 압축기(210)의 윤활유로서 냉동기유(오일)를 300g 정도 봉입하는 것이 일반적이다. 즉, 봉입탄산가스(CO₂)량에 대하여 약 60중량%의 오일이 봉입된다.

그러나, 이러한 프레온가스 등을 이용하는 냉동사이클장치와 마찬가지로 다량의 오일을 봉입한 냉동사이클장치에서는 사이클 중에 토출되는 냉동기유(오일)의 양도 많고, 고압측 회로(압축기의 토출부∼방열기∼감압기의 입구부까지의 냉매회로)가 초임계영역이 되어 응축액이 존재하지 않는 탄산가스(CO₂)인 경우, 사이클 중에 토출된 냉동기유(오일)가 방열기(220)의 관내벽에 부착하거나 분무(mist)형상이 되어 비산하는 등, 열전달의 저해 및 압력손실의 증대를 초래하기 때문에, 냉동사이클장치의 대형화나 효율저하의 원인이 된다는 문제점이 발견되었다.

한편, 탄산가스(CO₂)를 냉매로 이용하는 냉동사이클장치의 방열기나 증발기에 이용되는 열교환기의 냉매유로는 고압냉매의 압력에 견디기 위해서, 도 12의 개략구성도에 나타내는 바와 같이, 소구경의 복수의 관통공(21a)으로 구성되는 편평튜브(21)가 이용된다.

여기서, 압축기로부터 CO₂와 함께 오일이 토출되면, 냉매유로, 특히 소구경의 복수의 관통공을 갖는 증발기의 냉매유로에서, 오일이 CO₂의 증발을 저해하는 요인이 되어, 열전달의 저해 및 압력손실의 증대를 초래하기 때문에, 냉동사이클장치의 대형화나 효율저하의 원인이 된다는 문제점이 발견되었다.

본 발명은 탄산가스를 냉매로서 이용하는 냉동기나 공기조절기의 냉동사이클장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 냉동사이클장치의 구성도.

도 2는 냉매로서의 탄산가스(CO₂) 봉입량에 대한 오일의 봉입비율(중량%)을 변화시킨 경우의, 방열기에서의 열전달율의 변화의 일례를 나타내는 도면.

도 3은 냉매로서의 탄산가스(CO₂) 봉입량에 대한 오일의 봉입비율(중량%)을 변화시킨 경우의, 방열기에서의 압력손실의 변화의 일례를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에서의 편평튜브에서의 탄산가스(CO₂)의 증발열전달율과 압력손실의 특성도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에서의 편평튜브에서의 탄산가스(CO₂)의 증발열전달율/압력손실의 특성도.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에서의 편평튜브에서의 탄산가스(CO₂)의 증발열전달율/압력손실의 특성도.

도 7은 본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동사이클장치의 개략구성도.

도 8은 본 발명의 제 3 실시예 또는 제 4 실시예에서의 증발기의 개략구성도.

도 9는 본 발명의 제 3 실시예 또는 제 4 실시예에서의 보조열교환기의 개략구성도.

도 10은 본 발명의 제 4 실시예에서의 냉동사이클장치의 개략구성도.

도 11은 탄산가스(CO₂)를 이용한 냉동사이클의 모식적인 몰리에르선도.

도 12는 본 발명의 제 2 실시예 내지 제 4 실시예에서의 편평튜브의 개략구성도.

도 13은 종래의 냉동사이클장치의 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 41 : 압축기 2, 42 : 방열기

3, 43 : 감압기 4, 44 : 증발기

5 : 선형 모터의 고정자 6 : 선형 모터의 가동자

7 : 피스톤 8 : 실린더

45, 45' : 오일분리기 46, 46' : 보조열교환기

47, 47' : 부감압기 48, 48' : 보조배관

21 : 편평튜브 21a : 관통공

22 : 핀

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 해결하는 것이며, 열교환기에서의 열전달의 저하나 압력손실의 증가를 방지하여, 소형이고 고효율인 탄산가스(CO₂)를 이용한 냉동사이클장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 제 1 발명(청구항 1에 대응)은, 냉매를 승압하는 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되어 상기 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기와,

상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기를 차례로 접속하는 배관을 적어도 갖고, 상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기 및 상기 배관 내를 상기 냉매가 순환하는 냉매회로를 구비한 냉동사이클장치에 있어서,

상기 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있고,

상기 냉매회로 내의 오일의 양은 상기 CO₂봉입량의 40중량% 이하 또는 0인 냉동사이클장치이다.

또, 제 2 발명(청구항 2에 대응)은, 상기 압축기는 선형 모터에 의해 구동하는 선형 압축기인 제 1 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 3 발명(청구항 3에 대응)은, 상기 냉매회로 내의 오일의 양은 0인 제 2 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 4 발명(청구항 4에 대응)은, 상기 오일은 상기 냉동사이클장치의 조립시 이외에는 이용되지 않는 제 1 또는 제 2 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 5 발명(청구항 5에 대응)은, 냉매를 승압하는 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되어 상기 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기와,

상기 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있으며,

상기 증발기는 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 냉매유로로서 갖고,

상기 압축기의 내부를 제외하는 상기 냉매회로의 임의의 일부를 순환하는 오일의 양의 상기 일부를 순환하는 CO₂양에 대한 비율인 오일순환율이 1.5중량% 이하인 냉동사이클장치이다.

또, 제 6 발명(청구항 6에 대응)은, 상기 관통공의 수력상당직경이 0.2mm에서 2.0mm인 제 5 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 7 발명(청구항 7에 대응)은, 상기 방열기의 냉매출구측으로부터 상기 감압기의 입구측까지의 사이에 형성된 방열측 냉매유로와, 상기 증발기의 냉매출구측에서 상기 압축기의 흡입부까지의 사이에 형성된 증발측 냉매유로와의 사이에서 열교환을 행하는 보조열교환기를 추가로 구비하며,

상기 보조열교환기 내의 증발측 냉매유로는 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 갖는 제 1 또는 제 5 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 8 발명(청구항 8에 대응)은, 상기 압축기와 상기 방열기와의 사이에 설치된 제 1 오일분리기와,

상기 제 1 오일분리기와 상기 압축기와의 사이에 설치된 상기 제 1 오일분리기에서 분리되는 오일을 상기 압축기로 귀환시키는 제 1 오일귀환수단을 추가로 구비한 제 5 또는 제 7 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 9 발명(청구항 9에 대응)은, 상기 제 1 오일분리기는 상기 압축기와 일체화되어 있는 제 8 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 10 발명(청구항 10에 대응)은, 상기 방열기의 냉매출구로부터 상기 보조열교환기의 냉매입구까지의 사이에 설치된 제 2 오일분리기와,

상기 제 2 오일분리기와 상기 압축기와의 사이에 설치된 상기 제 2 오일분리기에서 분리되는 오일을 상기 압축기로 귀환시키는 제 2 오일귀환수단을 추가로 구비한 제 5 또는 제 7 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 11 발명(청구항 11에 대응)은, 상기 압축기는 선형 모터에 의해 구동하는 선형 압축기인 제 5 또는 제 7 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 12 발명(청구항 12에 대응)은, 상기 보조열교환기 내의 증발측 냉매유로의 관통공의 수력상당직경은 상기 증발기 출구의 관통공의 수력상당직경 이상인 제 7 발명의 냉동사이클장치이다.

또, 제 13 발명(청구항 13에 대응)은, 상기 보조열교환기 내에서, 상기 방열측 냉매유로도 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 갖는 제 7 발명의 냉동사이클장치이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.

(제 1 실시예)

도 1은 본 발명의 실시예에서의 냉동사이클장치의 구성을 나타낸 것이며, 도 1에서 탄산가스(CO₂)를 냉매로 하여, 이 냉매를 승압하는 압축기(1)와, 이압축기(1)에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기(2)와, 이 방열기(2)보다 냉매하류측에 배치되어, 상기 냉각된 냉매를 증발압력까지 감압팽창하는 감압기(3)와, 이 감압기(3)에서 감압된 냉매를 증발시켜 기화하는 증발기(4)를 차례로 배관으로 접속하여 냉매회로를 구성하고 있다.

또, 압축기(1)는 선형 압축기이고, 고정자(5)와 가동자(6) 등으로 구성되는 선형 모터에 의해 왕복구동되는 피스톤(7)과, 실린더(8) 등으로 구성되어 있다.

이와 같은 선형 압축기는 실린더와 피스톤과는 접촉상태에서의 슬라이딩동작을 필요로 하지만, 회전식 모터를 이용한 종래의 압축기에서 필요하던 축받이가 필요없게 되므로, 종래의 왕복형(reciprocating) 압축기나 회전형 압축기에 비해 압축동작시의 슬라이딩부가 적으면서 그 슬라이딩면에는 이론적으로 거의 하중이 작용하지 않는다는 특징을 갖고 있다.

그 때문에, 본 실시예에서는 선형 압축기(1)를 조립할 때에 약간(수g)의 오일을 슬라이딩부에 도포하는 것만으로, 선형 압축기(1)의 다른 부분 또는 냉매회로 내에는 윤활유로서의 오일을 봉입하지 않고, 지장없이 운전할 수 있다.

따라서, 차량용 에어컨디셔너 등에 본 냉동사이클장치를 이용한 경우, 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 500g 정도 봉입되기 때문에, 탄산가스(CO₂) 봉입량의 0.5중량% 정도의 오일이 냉매회로 내에 존재할 뿐이다.

이상과 같이 구성된 냉동사이클장치에 대하여, 이하에 그 동작을 설명한다.

선형 압축기(1)의 흡입관(9)으로부터 흡입된 냉매(탄산가스)는 실린더(8) 내의 압축실(10)로 유도되고, 선형 모터의 가동자(6)에 접속되어 왕복운동하는 피스톤(7)에 의해 고압(본 실시예에서는 예를 들면, 약 10MPa)까지 압축된 후, 토출관(11)으로부터 토출된다.

이 고온고압의 초임계상태가 된 냉매는 방열기(2)에 들어가 여기에서 방열하여 냉각된다. 그 후, 감압기(3)로 유도되어 증발압력까지 감압되어 저온저압의 습한 증기가 되고, 증발기(5)에서 이곳을 통과하는 공기와 열교환하여 가스형상으로 되는 동시에, 차량용 에어컨디셔너의 경우에는 차내의 공기를 냉각하여 냉방에 제공한 후, 다시 선형 압축기(1)로 복귀된다.

이와 같이, 탄산가스(CO₂) 봉입량의 0.5중량% 정도의 오일(예컨대, 탄산가스(CO₂)가 1000그램이면 오일은 5그램)밖에 봉입하지 않는 경우, 방열기(2)에서 열전달율의 저하나 압력손실의 증대를 초래하지 않고, 탄산가스(CO₂)가 갖는 높은 열전달율을 효율적으로 활용하여 방열기를 소형으로 할 수 있으며, 더구나 압력손실에 의한 성능의 저하를 최소한으로 억제할 수 있는 것이다.

또, 본 실시예에서는 선형 압축기(1)를 이용함으로써, 고압측 회로(압축기(1)의 토출부(토출관(11))∼방열기(2)∼감압기(3)의 입구부까지의 냉매회로)의 압력이 약 10MPa의 초임계영역이 되어 저압측 회로(감압기(3)의 출구부∼증발기(5)∼압축기(1)의 흡입부(흡입관(9))까지의 냉매회로)와의 압력차가 매우 커지는 탄산가스(CO₂)를 냉매로 하는 냉동사이클장치에서도, 압력차가 큰 것에 의한 슬라이딩 부하의 증대 등의 원인으로, 압축기의 기계손실이 증가하는 것을 방지하는 동시에, 신뢰성을 손상시키는 일 없이 운전할 수 있는 것이다.

또, 상기의 설명에서는 탄산가스(CO₂) 봉입량의 0.5중량% 정도의 오일을 봉입하는 것으로 설명을 하였지만, 오일은 냉동사이클장치의 조립시 이외에도 이용하지 않고, 냉동사이클회로 내의 오일의 양을 0으로 한 상태로 하여 운전하도록 해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 선형 압축기는 피스톤 또는 실린더에 표면처리를 실시함으로써, 내구성이 향상되고, 저마찰계수화하여 오일을 이용하지 않고 동작시켜도 된다. 또, 냉매회로를 순환하는 냉매가스를 피스톤과 실린더와의 사이에 고압으로 유입시키는 가스베어링을 채용함으로써 오일을 이용하지 않고 동작시켜도 된다. 또, 피스톤 또는 실린더에 다공성 표면층을 형성함으로써, 다공성 표면층에서 오일을 유지하기 때문에, 극히 적은 오일로 동작시켜도 된다.

또, 오일을 이용하지 않거나 또는 극히 소량으로 할 수 있으면, 사용하는 CO₂와 오일과의 반응이나 특성을 고려할 필요가 없어질 뿐만 아니라, 오일 내로 CO₂가 용해되는 일이 없기 때문에, 사용하는 CO₂냉매량을 감소시킬 수 있다는 부차적인 장점도 있다. 또, 냉매회로 내로 토출된 냉동기유(오일)가 다시 압축기로 되돌아가는 것(오일리턴)을 특별히 고려할 필요가 없다는 부차적인 장점도 있다.

또, 이상의 설명에서는 선형 압축기를 이용하여 구성한 예로 설명하였지만, 그 밖의 형식의 압축기에 대해서도 마찬가지로 실시 가능하다.

예를 들면, 도 13에 나타내는 선형 압축기 이외의 형식으로 동작하는압축기(210), 방열기(220), 감압기(230), 증발기(240)를 갖는 냉동사이클장치에서, 압축기(210)로의 오일의 봉입량(압축기(21)의 조립에 이용하는 오일의 양을 포함함)을 냉동사이클장치에서 형성되어 있는 냉매회로에 봉입하는 탄산가스의 40중량% 이하로 하면 된다.

여기서, 도 2는 냉매로서의 탄산가스(CO₂) 봉입량에 대한 오일의 봉입비율(중량%)을 변화시킨 경우의 방열기에서의 열전달율의 변화의 일례를 나타내는 것이며, 도 3은 냉매로서의 탄산가스(CO₂) 봉입량에 대한 오일의 봉입비율(중량%)을 변화시킨 경우의 방열기에서의 압력손실의 변화의 일례를 나타내는 것이다.

이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 냉동기유(오일)를 봉입할 필요가 있는 왕복형 압축기 등을 이용하는 경우에도 냉매로서의 탄산가스(CO₂) 봉입량에 대한 냉동기유(오일)의 봉입비율을 40중량% 정도보다 적게 함으로써, 방열기에서의 열전달율의 저하는 약 10%, 압력손실의 증가는 약 5%로 매우 작게 억제할 수 있어, 방열기의 대형화나 효율저하 등으로의 영향도 거의 없게 되는 것이다.

(제 2 실시예)

도 4는 증발기를 구성하는 편평튜브로서, 수력상당직경 0.86mm의 형상이 삼각형인 소구경이고 25개의 관통공으로 이루어지는 편평튜브에서의 CO₂의 증발열전달율과 압력손실의 특성도이다.

도 4에서는 횡축은 오일순환량을 냉매(CO₂) 순환량으로 나눈 오일순환율이다. 또, 좌측의 종축은 오일순환율이 0중량%일 때의 열전달율을 100으로 한 열전달율의 백분율이고, 우측의 종축은 오일순환율이 0중량%일 때의 압력손실을 100으로 한 압력손실의 백분율이다. 도 4에는 CO₂의 용해성이 다른 2종류의 오일에 대한 특성을 나타내고 있고, 오일의 종류에 따라 저하의 정도에 차이가 있지만, 열전달율은 오일순환량이 증가함에 따라 저하된다. 또, 압력손실은 오일순환량이 증가함에 따라 증가된다. 또, 불용해성 오일이라도 이들 오일과 동일한 특성이 되리라고 예상된다.

특히, 오일순환율이 1.5중량%보다 큰 경우에는 오일의 종류에 관계없이 열전달율은 극히 저하된다.

따라서, CO₂의 증발열전달율의 저하와 압력손실의 증대를 방지하기 위해서는 편평튜브 내의 오일순환율은 1.5중량% 이하가 바람직한 것이다.

CO₂의 증발열전달율을 향상시키는 동시에, 압력손실을 감소시키기 위해서는 CO₂와 함께 토출되는 오일을 극히 소량으로 하거나, 오일을 전혀 사용하지 않는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다. 즉, 냉매유로가 편평튜브에 드로잉(drawing)가공에 의해 형성된 복수의 관통공으로 이루어지는 증발기를 구비하는 경우에는, 적어도 증발기 입구에서의 오일순환율이 1.5중량% 이하가 되도록 함으로써, 가능한 한 압력손실의 증가를 초래하지 않고 증발열전달율의 저하를 극히 감소시킨 CO₂용 냉동사이클장치를 실현할 수 있다.

또, 증발기 입구로 한정할 필요는 없고, 냉동사이클장치에서, 냉매회로를 형성하는 다른 임의의 부분의 오일순환율이 1.5중량% 이하이면 압력손실의 증가를 초래하지 않고, 증발열전달율의 저하를 극히 감소시킨 CO₂용 냉동사이클장치를 실현할 수 있다. 단, 이 때 냉매회로는 압축기를 생략한 부분으로 한다(즉, 압축기 내의 오일순환율은 1.5중량%보다 커도 됨).

여기서, 도 4에 나타내는 증발열전달율과 압력손실의 특성데이터를 포함하는 여러가지 실험데이터로부터 오일과 CO₂가 순환하는 경우의 편평튜브의 증발열전달율과 압력손실은 다음에 설명하는 상관식에 의한 계산값과 양호하게 일치한다.

즉, 증발열전달율에 대해서는 관내 증발열전달율의 상관식으로서 일반적으로 알려진 Liu-Winterton의 상관식을 핵비등열전달율에 미치는 오일혼합의 영향을 고려한 파라미터 Kf로 수정하고, 강제대류열전달율에 대해서는 액체의 물성값을 냉매와 오일의 혼합물의 값으로 바꾸는 수정을 행하였다.

여기서, h는 증발열전달율, a는 정수, h1은 액상만이 흐른다고 간주한 경우의 강제대류열전달율, hpool은 풀(pool) 비등열전달율, E, S는 각각 강제대류, 핵비등의 정도를 나타내는 파라미터이다.

또, 압력손실에 대해서는 2상류(二相流) 압력손실의 상관식으로서 일반적으로 알려진 Lockhart-Martinelli의 상관식에 액체의 물성값을 냉매와 오일의 혼합물의 값으로 바꾸는 수정을 행하였다.

여기서, △Pf는 액상만이 흐른다고 간주한 경우의 마찰손실이다.

다음에, 도 5, 도 6은 상기의 상관식에 의해 구한 CO₂의 증발열전달율과 압력손실의 특성도이다.

도 5, 도 6에서 횡축은 오일순환량을 냉매순환량으로 나눈 오일순환율이다. 또, 종축은 오일순환율이 0중량%일 때의 열전달율을 100으로 한 열전달율의 비(상기 수학식 1, 수학식 2에 의해 산출)를 오일순환율이 0중량%일 때의 압력손실을 100으로 한 압력손실(상기 수학식 3에 의해 산출)의 비로 나눈 값의 백분율이다. 즉, 오일순환율이 0중량%인 경우에 100이 되고, 오일순환량의 증가에 의해 열전달율의 저하가 크고/크거나 압력손실의 상승이 클수록 100보다 작은 값이 된다.

도 6은 운동점도가 다른 오일에 대한 특성을 나타내며, 종래의 냉동사이클장치에서 이용되는 것과 같은 오일, 예를 들면, 증발기 내에서의 운동점도가 1000에서 5000cSt 정도가 되는 오일(불용해성 오일도 포함한다)에서는 오일순환율이 1.5중량%보다 큰 경우에 열전달율이 극단적으로 저하되는 것을 나타낸다.

또, 도 5는 수력상당직경이 다른 관통공에 대한 특성을 나타내고 있고, 수력상당직경이 0.2mm에서 2.0mm인 경우에는 특히, 오일순환율이 1.5중량%보다 큰 경우에, 열전달율은 극단적으로 저하되는 것을 나타낸다. 또, 관통공의 수나 형상에 관한 영향을 제외한 수력상당직경을 이용한 정리를 이용하고 있기 때문에, 상술한 경향이 증발기에서의 관통공의 수나 관통공의 형상에 상관없이 성립되는 것은 쉽게 상상할 수 있다.

따라서, 도 4의 특성도에서 나타낸 이외의 오일의 종류나 관통공의 형상, 개수이더라도, 관통공의 수력상당직경이 0.2mm에서 2.0mm인 경우에는 CO₂의 증발열전달율의 저하와 압력손실의 증대를 방지하기 위해서는 오일순환율은 1.5중량% 이하가 바람직한 것이다.

(제 3 실시예)

본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동사이클장치의 개략구성을 도 7에 나타낸다. 도 7에서 41은 압축기, 42는 방열기, 43은 감압기, 44는 증발기이고, 이들을 배관접속함으로써 도면 중 화살표방향으로 냉매가 순환하는 냉매회로를 구성하며, 냉매회로 내에는 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있다. 또한, 압축기(41)와 방열기(42)와의 사이에는 오일분리기(45)를 구비하고, 오일분리기(45)에서 분리되는 오일은 오일분리기(45)의 출구를 분기하여 부감압기(47)를 통해 압축기(41)에 배관접속된 보조경로(48)에 의해 압축기(41)로 귀환되는 구성으로 되어 있다. 또, 방열기(42)의 출구에서 감압기(43)의 입구까지의 냉매유로인 방열측 냉매유로와, 증발기(44)의 출구에서 압축기(41)의 흡입부까지의 냉매유로인 증발측 냉매유로에서 열교환을 행하는 보조열교환기(46)를 구비하고 있다. 또, 오일분리기(45)는 본 발명의 제 1 오일분리기에 상당하고, 보조경로(48)는 본 발명의 제 1 오일귀환수단에 상당하며, 보조열교환기(46)는 본 발명의 제 1 보조열교환기에 상당한다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 실시예에 의한 냉동사이클장치의 동작에 대하여 설명한다. 압축기(41)에서 압축(본 실시예에서는 압력은 예컨대, 약 10MPa로 압축함)된 CO₂는 고온고압상태가 되어, 오일분리기(45)에서 압축기(41)로부터 냉매와 함께 토출된 오일을 분리한 후, 방열기(42)로 도입된다. 또, 냉매가 분리된 후의 오일은 보조경로(48)를 통해 압축기(41)로 귀환한다.

방열기(42)에서는 CO₂는 초임계상태이므로, 경우에 따라 기액2상상태로는 되지 않고, 공기나 물 등의 매체로 방열하여, 보조열교환기(46)의 방열기(42)의 출구로부터 감압기(43)의 입구까지의 방열측 냉매유로에서 더욱 냉각된다. 감압기(43)에서는 감압(본 실시예에서는 압력은 예컨대, 약 3.5MPa로 감압함)되어, 저압의 기액2상상태로 되어 증발기(44)로 도입된다. 증발기(44)에서는 공기 등으로부터 흡열하여, 보조열교환기(46)의 증발기(44)의 출구에서 압축기(1)의 흡입부까지의 증발측 냉매유로에서 가스상태가 되어, 다시 압축기(41)로 흡입된다. 이러한 사이클을 반복함으로써 방열기(42)에서 방열에 의한 가열작용, 증발기(44)에서 흡열에 의한 냉각작용을 행한다.

여기서, 보조열교환기(46)에서는 방열기(42)에서 빠져나와 감압기(43)로 향하는 비교적 고온의 냉매와, 증발기(44)에서 빠져나와 압축기(41)로 향하는 비교적저온의 냉매에서 열교환이 행해진다. 이 때문에, 방열기(42)에서 빠져나온 CO₂가 더욱 냉각되어 감압기(43)에서 감압되기 때문에, 증발기(44)의 입구엔탈피가 감소되어 증발기(44)의 입구와 출구에서의 엔탈피차가 커져 흡열능력(냉각능력)이 증대된다.

다음에, 도 8은 본 실시예에 관한 증발기(44)를 구성하는 열교환기(51)의 개략구성도이다. 도 8 중, 52는 CO₂와 공기와의 사이에서 열교환을 행하는 코어부이고, 이 코어부(52)는 CO₂가 유통하는 복수의 알루미늄제의 편평튜브(21) 및 복수의 주름진 형상으로 성형된 알루미늄제의 핀(22)이 편평튜브(21)의 두께방향으로 교대로 적층된 구성으로 되어 있다.

또, 복수의 편평튜브(21)의 길이방향 양단측에는 복수의 편평튜브(21)(도 12에 나타내는 관통공(21a))와 연통하는 내부공간이 형성된 한쌍의 헤더탱크(53)가 편평튜브(21)의 길이방향과 직교하도록 연장되어 설치되어 있다. 헤더탱크(53)는 압출 또는 드로잉가공 또는 다이캐스트법으로 성형되어 있고, 충분한 내압강도를 갖는다. 도 8 중, 54는 헤더탱크(53)의 내부공간을 복수개의 공간으로 구분하는 분리기이다. 또, 55는 압축기(41)의 흡입부에 접속되는 접속파이프이며, 56은 감압기(3)의 출구측에 접속되는 접속파이프이다. 이와 관련하여, 도 8의 실선화살표 및 점선화살표는 CO₂의 흐름을 나타내는 것이며, 하부의 접속파이프(56)로부터 유입되는 CO₂는 분리기(54)를 경계로 하여 헤더탱크(53)를 차례로 경유하면서, 열교환기(51)의 편평튜브(21)의 내부에서 증발하여, 상부의 접속파이프(55)로부터 압축기(41)로 유출된다.

또, 편평튜브(21)에는 도 12와 마찬가지로, 편평튜브(21)의 길이방향으로 관통하고, 냉매유로가 되는 소구경의 복수의 관통공(21a)이 형성되어 있으며, 이들 관통공(21a)은 편평튜브(21)와 일체성형되어 있다. 열교환기(51)에서, 비교적 고압상태의 CO₂가 흐르는 냉매유로를 형성하고 있는 편평튜브(21)는 압출 또는 드로잉가공에 의해 성형되어 있고, 냉매가 유통하는 관통공의 구경을 작게 할 수 있기 때문에 충분한 내압강도를 갖는다. 관통공(21a)의 단면형상은 응력집중을 완화하면서 단면적의 확대를 도모하기 위해 환형 또는 각이 둥근 직사각형으로 되어 있다. 여기서, 열교환기(51)의 유출측의 편평튜브(21)의 관통공의 수력상당직경은 유입측의 편평튜브(21)의 관통공의 수력상당직경 이상으로 되는 것이 CO₂증발시의 압력손실면에서는 바람직하다.

보조열교환기(46)는 도 9에 나타내는 바와 같이, 방열기(42)의 출구에서 감압기(43)의 입구까지의 방열측 냉매유로와, 증발기(44)의 출구에서 압축기(1)의 흡입부까지의 증발측 냉매유로가 편평튜브(21)에 드로잉가공에 의해 형성된 소구경의 복수의 관통공(21a)을 구비하며 CO₂의 흐름방향은 서로 대향하고 있다.

또, 보조열교환기(46)의 증발기(44)의 출구에서 압축기(41)의 흡입부까지의 증발측 냉매유로의 관통공의 수력상당직경은 증발기(44)의 출구의 관통공의 수력상당직경 이상으로 하고 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 증발기(44)의출구경로(path)수와, 보조열교환기(46)의 증발측 냉매유로의 경로수가 동일한 경우에는, 보조열교환기(46)의 증발측 냉매유로의 관통공(21a)의 관직경을 증발기(44)의 출구의 관통공(21a)의 관직경 이상으로 하는 것이다. 이로 인하여, 증발의 건조도가 커짐에 따라 단위길이당 압력손실이 증대하는 악영향을 방지할 수 있다.

이들 구성에 의해, 오일은 방열기(42)나 증발기(44) 및 보조열교환기(46)의 소구경의 복수의 관통공(21a)으로 이루어지는 편평튜브(21)로 유입되는 것이 방지되어, 방열기나 증발기 및 보조열교환기에서, 압력손실의 증가를 초래하지 않고 열전달율의 저하를 감소시킨 CO₂용 냉동사이클장치를 실현할 수 있다.

특히, 증발기에서는, 증발기(44)의 입구에서의 오일순환율이 1.5중량% 이하로 되기 때문에, 가능한 한 압력손실의 증가를 초래하지 않고 증발열전달율의 저하를 극히 감소시킨 CO₂용 냉동사이클장치를 실현할 수 있다.

또, 상기의 설명에서는, 압축기(41)는 통상의 형식으로 동작하는 것으로 설명하였지만, 제 1 실시예의 선형 압축기를 이용해도 된다. 이 경우, 압축기(41)로부터 냉매와 함께 토출되는 오일은 0이거나 극히 소량으로 되기 때문에, 오일분리기(45)나 부감압기(47)나 보조경로(48)를 생략한 구성으로 하여 냉동사이클장치를 실현하는 것이 가능하다.

또, 오일분리기(45)는 압축기(41)와 일체화하여, 압축기(41)에 포함되는 구성이어도 된다. 이 경우, 보조경로(48)를 극히 짧게 하는 것이 가능해져, 냉동사이클장치의 소형화나, 설치성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

(제 4 실시예)

본 발명의 제 4 실시예에서의 냉동사이클장치의 개략구성을 도 10에 나타낸다. 도 10에서는 도 7과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 본 실시예는 제 3 실시예에 나타내는 냉동사이클장치와는 배치가 다른 오일분리기(45') 및 부감압기(47')를 구비한 점이 다르다. 즉, 오일분리기(45')는 방열기(42)의 냉매출구측에 설치되며, 부감압기(47')를 통해 압축기(41)에 배관접속하고 있다. 오일분리기(45')에서 분리되는 오일은 오일분리기(45')의 출구를 분기하여, 부감압기(47')를 통해 압축기(41)에 배관접속된 보조경로(48')에 의해 압축기(41)로 귀환되는 구성으로 되어 있다. 또, 오일분리기(45')는 본 발명의 제 2 오일분리기에 상당하며, 보조경로(48')는 본 발명의 제 2 오일귀환수단에 상당한다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 실시예에 의한 냉동사이클장치의 동작은 기본적으로는 제 3 실시예와 동일하지만, 압축기(41)에서 압축(본 실시예에서는 압력은 예를 들면, 약 10MPa로 압축함)된 CO₂는 오일과 함께 고온고압상태가 되어 방열기(42)에 도입된다. 방열기(42)에서 냉매와 함께 냉각된 오일은 오일분리기(45')에서 냉매와 분리되어, 보조경로(48')를 통해 압축기(41)로 귀환된다. 냉매 이후의 동작은 제 3 실시예와 마찬가지로 행해지기 때문에 설명을 생략한다.

이상의 구성으로 함으로써, 제 3 실시예와 마찬가지로, 오일은보조열교환기(46)나 증발기(44)의 소구경의 복수의 관통공으로 이루어지는 편평튜브로 유입하는 것이 방지되고, 적어도 증발기(44)의 입구에서의 오일순환율이 1.5 중량% 이하로 되기 때문에, 가능한 한 압력손실의 증가를 초래하지 않고 증발열전달율의 저하를 극히 감소시킨 CO₂용 냉동사이클장치를 실현할 수 있다.

또, 상기의 설명에서는, 압축기(41)는 통상의 형식으로 동작하는 것으로 설명하였지만, 제 1 실시예의 선형 압축기를 이용해도 된다. 이 경우, 압축기(41)로부터 냉매와 함께 토출되는 오일은 0이거나 극히 소량으로 되기 때문에, 오일분리기(45')나 부감압기(47')나 보조경로(48')를 생략한 구성으로 하여 냉동사이클장치를 실현하는 것이 가능하다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 냉매로서 탄산가스(CO₂)를 봉입하는 동시에, 상기 압축기의 조립 및 운전 중의 윤활용으로서의 오일봉입량을 탄산가스(CO₂) 봉입량의 40중량% 이하로 하였기 때문에, 방열기나 증발기에서의 열전달율의 저하 및 압력손실의 증가를 매우 작게 억제할 수 있어, 방열기나 증발기의 대형화나 효율저하 등으로의 영향도 거의 없게 되는 것이다.

또, 본 발명은 압축기로서 선형 모터, 피스톤 및 실린더 등으로 구성되는 선형 압축기를 이용했기 때문에, 고압측 회로의 압력이 약 10MPa인 초임계영역으로 되어 저압측 회로와의 압력차가 매우 커지는 탄산가스(CO₂)를 냉매로 하는 냉동사이클장치에서도, 압력차가 큰 것에 의한 슬라이딩 부하의 증대 등의 원인으로, 압축기의 기계손실이 증가되는 것을 막는 동시에, 신뢰성을 손상시키는 일 없이 운전할수 있는 것이다.

또, 본 발명은 압축기의 조립시에 사용한 오일 이외에는 냉동사이클 내에 윤활유 등의 오일을 봉입하지 않기 때문에, 특히 차량용 에너컨디셔너 등에 적용한 경우, 냉동사이클 내로 토출된 냉동기유(오일)가 다시 압축기로 되돌아가는 것(오일귀환)을 고려할 필요가 없어, 설계의 자유도가 커지는 등 실용상 매우 큰 효과를 발휘하는 것이다.

또, 본 발명은 오일분리기 또는 오일을 거의 이용하지 않는 선형 압축기를 이용함으로써, 증발기 입구에서의 오일순환율이 1.5중량% 이하로 되고, 냉매유로가 편평튜브에 형성된 복수의 관통공으로 이루어지는 증발기나 보조열교환기의 증발측 냉매유로에서, 가능한 한 압력손실의 증가를 초래하지 않고 증발열전달율의 저하를 극히 감소시킨 냉동사이클장치를 실현할 수 있다.

상기 구성에 의해, 고압측 회로에서 초임계영역이 되는 탄산가스(CO₂)를 냉매로서 이용한 경우에도 열전달의 저하나 압력손실의 증가를 방지하여, 소형이고 고효율인 냉동사이클장치를 제공할 수 있는 것이다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 열교환기에서의 열전달의 저하나 압력손실의 증가를 방지하여, 소형이고 고효율인 냉동사이클장치를 제공할 수 있다.

Claims

냉매를 승압하는 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되어 상기 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기와,

상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기를 차례로 접속하는 배관을 적어도 갖고, 상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기 및 상기 배관 내를 상기 냉매가 순환하는 냉매회로를 구비한 냉동사이클장치에 있어서,

상기 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있고,

상기 냉매회로 내의 오일의 양은 상기 CO₂봉입량의 40 중량% 이하 또는 0인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 1항에 있어서,

상기 압축기는 선형 모터에 의해 구동하는 선형 압축기인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 2항에 있어서,

상기 냉매회로 내의 오일의 양은 0인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 오일은 상기 냉동사이클장치의 조립시 이외에는 이용되지 않는 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
냉매를 승압하는 압축기와, 상기 압축기에서 승압된 냉매를 냉각하는 방열기와, 상기 방열기보다 냉매하류측에 배치되어 상기 냉각된 냉매를 감압팽창하는 감압기와, 상기 감압기에서 감압된 냉매를 가열하는 증발기와,

상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기를 차례로 접속하는 배관을 적어도 갖고, 상기 압축기, 상기 방열기, 상기 감압기, 상기 증발기 및 상기 배관 내를 상기 냉매가 순환하는 냉매회로를 구비한 냉동사이클장치에 있어서,

상기 냉매로서 탄산가스(CO₂)가 봉입되어 있으며,

상기 증발기는 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 냉매유로로서 갖고,

상기 압축기의 내부를 제외하는 상기 냉매회로의 임의의 일부를 순환하는 오일의 양의 상기 일부를 순환하는 CO₂양에 대한 비율인 오일순환율이 1.5중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 5항에 있어서,

상기 관통공의 수력상당직경이 0.2mm에서 2.0mm인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,

상기 방열기의 냉매출구측으로부터 상기 감압기의 입구측까지의 사이에 형성된 방열측 냉매유로와, 상기 증발기의 냉매출구측에서 상기 압축기의 흡입부까지의 사이에 형성된 증발측 냉매유로와의 사이에서 열교환을 행하는 보조열교환기를 추가로 구비하며,

상기 보조열교환기 내의 증발측 냉매유로는 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 5항 또는 제 7항에 있어서,

상기 압축기와 상기 방열기와의 사이에 설치된 제 1 오일분리기와,

상기 제 1 오일분리기와 상기 압축기와의 사이에 설치된 상기 제 1 오일분리기에서 분리되는 오일을 상기 압축기로 귀환시키는 제 1 오일귀환수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 8항에 있어서,

상기 제 1 오일분리기는 상기 압축기와 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 5항 또는 제 7항에 있어서,

상기 방열기의 냉매출구로부터 상기 보조열교환기의 냉매입구까지의 사이에 설치된 제 2 오일분리기와,

상기 제 2 오일분리기와 상기 압축기와의 사이에 설치된 상기 제 2 오일분리기에서 분리되는 오일을 상기 압축기로 귀환시키는 제 2 오일귀환수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 5항 또는 제 7항에 있어서,

상기 압축기는 선형 모터에 의해 구동하는 선형 압축기인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 7항에 있어서,

상기 보조열교환기 내의 증발측 냉매유로의 관통공의 수력상당직경은 상기 증발기 출구의 관통공의 수력상당직경 이상인 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.
제 7항에 있어서,

상기 보조열교환기 내에서, 상기 방열측 냉매유로도 편평튜브에 형성된 복수의 관통공을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치.