KR20060064344A - 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치에 관한 것으로, 압축기와 응축기를 거친 혼합 냉매를 보조 냉매와 이산화탄소 냉매로 분리하고, 분리된 보조 냉매를 이용하여 이산화탄소 냉매를 액화시키는 중간냉각기를 구비함으로써 상대적으로 낮은 압축비의 압축기를 이용하여 영하 50℃ 이하의 저온 냉동 효과를 얻을 수 있도록 하는 냉동장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기를 포함하는 냉매회로로 이루어진 냉동장치로서, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 구비되고, 이산화탄소와 보조 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 그 비중 차를 이용하여 주로 기체상태인 이산화탄소와 주로 액체상태인 보조 냉매로 분리하고, 분리된 보조 냉매를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 액화시켜 이를 상기 팽창밸브로 공급하는 중간냉각기를 포함한다.

냉동장치, 중간냉각기, 이산화탄소, HCFCs, R-141b, 증기압축 냉동사이클

Description

이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치{Refrigerator using mixed refrigerant with carbon dioxide}

도1은 중간냉각기를 구비하는 본 발명의 제1실시예를 도시한 모식도.

도2는 직렬배치된 2개의 중간냉각기를 구비하는 본 발명의 제2실시예를 도시한 모식도.

도3은 이산화탄소의 온도-압력 상태선도.

도4는 상기 제2실시예에 따른 냉동사이클을 도시한 개략적인 모리에르(mollier)선도.

도5는 종래의 단일 냉매 순환식 냉동장치를 도시한 모식도.

도6은 종래의 이원 냉동장치를 도시한 모식도.

10,11,12: 중간 냉각장치 20,21,22: 혼합 냉매 분리기

30,31,32: 중간 열교환기 40,41,42: 보조 팽창밸브

201,211,221: 상부 냉매관 204,214,224: 하부 냉매관

202,212,222: 냉매 이송관 300,310,320: 증발부

본 발명은 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기와 응축기를 거친 혼합 냉매를 보조 냉매와 이산화탄소 냉매로 분리하고, 분리된 보조 냉매를 이용하여 이산화탄소 냉매를 액화시키는 중간냉각기를 구비함으로써 상대적으로 낮은 압축비의 압축기를 이용하여 영하 50℃ 이하의 저온 냉동 효과를 얻을 수 있도록 하는 냉동장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉동장치는 밀폐된 용기 속의 온도를 그 주위의 온도보다 낮게 하기 위해 기계적인 작업을 하거나, 열을 흡수하여 냉동작용을 하는 장치를 말한다.

저온인 냉동장치의 밀폐된 용기 속에서 고온인 주변으로 열을 이동시키는 열펌프의 역할을 하며, 열을 운반하는 동작유체(動作流體)를 냉매(冷媒)라 한다. 냉매로는 최근까지 프레온을 사용했으나 오존층 파괴 문제로 대체물질의 개발이 이루어지고 있으며 일부는 이미 사용되고 있다. 이들 기화하기 쉬운 냉매를 액체로 하여, 그것이 기화할 때 주위로부터 기화열을 빼앗는 현상을 이용한 것이 냉동장치의 원리이다.

가장 널리 사용되고 있는 냉동기는 증기압축식 냉동기로, 이것은 도5에 도시된 바와 같이, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 있다. 전동기로 압축기를 운전하여 기체상태인 냉매를 압축해서 응축기로 보내고, 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각해서 액화한다. 이 액체상태로 된 냉매가 팽창밸브에 서 유량이 조정되면서 감압되어 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화되고, 증발기 주위로부터 열을 흡수하여 용기 속을 냉각한다. 기체로 된 냉매는 다시 압축기로 돌아와서 압축되어 액체상태가 된다. 이와 같이 반복되는 압축·응축·팽창·기화의 4단계 변화를 냉동사이클이라고 한다.

그런데, 일반적인 증기압축식 냉동기로 -50℃ 내지 -60℃ 정도의 저온 냉동효과를 얻는 데는 여러가지 문제점이 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 단일 냉매 순환사이클을 이용할 경우 고압부에서의 냉매 압력이 지나치게 높아 부품의 제작에 많은 제약이 따르고, 압축기에서 냉매의 압축비가 매우 커져야 한다. 압축비를 높이기 위해 이단 압축기를 사용하는 장치가 제안되어 있으나 두개의 압축기가 필요한 점 외에도 에너지 소비가 많다는 문제점이 있다.

저온 냉동장치의 에너지 효율을 개선하기 위해서, 이원 냉동장치가 사용되고 있는데 그 개략적인 구성은 도6에 도시된 바와 같다. 이원 냉동장치는 고온 특성이 우수한 제1 냉매와 저온 특성이 우수한 제2 냉매로 각각의 순환회로를 구성하고, 제1 냉매회로의 증발기 및 제2 냉매회로의 응축기 역할을 수행하는 열교환기를 구비한다. 즉, 제1 냉매가 기화되면서 제2 냉매로부터 열을 빼앗아 응축시키는 구조를 가지는 것이다. 이원 냉동장치는 이러한 구성을 통해서 압축기에서의 에너지 소모를 줄일 수는 있으나, 두개의 압축기를 필요로 하는 점에서 이단 압축식 냉동장치와 같은 문제가 있고, 전체적으로 장치의 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, 종래에 냉장고 등의 냉매로 주로 사용되어 온 프레온(CFC)가스가 오존 층을 파괴하는 물질임이 밝혀진 이래 이에 대한 규제가 점차 강화되고 있다. 1987년 9월 오존층 파괴 물질에 대한 몬트리올 의정서는 1986년을 기준으로 생산과 소비를 동결하고, 1993년 7월부터 1986년을 기준으로 1년 내에 20%를 감축하기로 하였다. 또한 1990년 런던에서 몬트리올 의정서를 보완하여 1995년까지 50%를 감축하고 1997년까지 85%를, 2000년까지는 완전히 생산을 금지하도록 하였다. 또한 파괴력이 적은 CCl₃CH₃는 2005년까지 전폐시키며, 대체용인 HCFC에 대해서도 2040년까지 전폐하도록 하였다.

따라서 오존층 파괴를 방지하고, 환경규제를 만족하기 위해서도 이산화탄소, 탄화수소, 암모니아, 물, 공기와 같은 천연 냉매를 사용할 수 있는 냉동장치의 개발이 더욱 요구된다. 상기 천연 냉매들 중 저온 냉동장치용 냉매로서 가장 주목을 받고 있는 것은 이산화탄소이다. 그러나, 기존의 냉동장치에 이산화탄소 냉매를 사용할 경우 저압측과 고압측에서의 압력 차가 커져 고압축비가 요구되고, 고압측 압력이 지나치게 높아 부품의 제작에 많은 비용과 노력이 소요되는 문제가 있다.

이원 냉동장치를 사용함으로써 압력으로 인한 문제를 극복할 수는 있으나 전술한 바와 같이 장치가 복잡하고 비대해지는 문제를 피할 수 없다. 따라서, 이산화탄소 냉매를 이용해 저온 냉동이 가능하면서도, 일원 냉동사이클을 통해 비교적 작은 압축비로 운용될 수 있는 냉동장치가 요구된다.

상기 제반 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 압축기와 응축기를 거친 혼합 냉매를 보조 냉매와 이산화탄소 냉매로 분리하고, 분리된 보조 냉매를 이용하여 이산화탄소 냉매를 액화시키는 중간냉각기를 구비함으로써 상대적으로 낮은 압축비의 압축기를 이용하여 영하 50℃ 이하의 저온 냉동 효과를 얻을 수 있도록 하는 냉동장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기를 포함하는 냉매회로로 이루어진 냉동장치로서, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 구비되고, 이산화탄소와 보조 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 그 비중 차를 이용하여 주로 기체상태인 이산화탄소와 주로 액체상태인 보조 냉매로 분리하며, 상기 분리된 보조 냉매를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 액화시켜 이를 상기 팽창밸브로 공급하는 중간냉각기를 포함한다.

상기 보조 냉매는, 상기 응축기 출구의 압력조건에 대하여 응축기 주변과 같은 온도에서 액화되고, 액압이 낮아짐에 따라 상기 중간냉각기에서 이산화탄소가 액화되는 온도까지 냉각될 수 있는 것으로, 현재 프레온 가스의 대체 냉매로 사용되고 있는 R-141b, R-142b, HCFC-124 등의 HCFC계열 냉매 또는 HFC-125 등의 HFC계열 냉매 중에서 선택될 수 있다. 다만, 오존층 파괴나 환경문제를 고려하지 않을 경우 CFC(프레온)계열의 냉매 중에서 선택될 수도 있음은 물론이다.

본 발명에 의한 냉동장치는 이상적인 경우 하나의 중간냉각기를 가질 수도 있고, 둘 이상의 중간냉각기가 직렬로 연결된 구조를 가질 수도 있다.

상기 중간냉각기는 이산화탄소 혼합 냉매가 압축기에서 고온, 고압상태로 토출되고 응축기를 거치면서 실온에서 상기 보조 냉매가 먼저 액화되는 점을 이용한다. 먼저 액화된 보조 냉매를 그 비중차를 이용하여 분리하고, 팽창밸브를 통해 감압시킨 상태에서 이산화탄소 냉매 이송관 주변에 분사하여 이산화탄소로부터 증발열을 빼앗는 원리로 이산화탄소를 냉각 및 액화시킨다. 상기 중간냉각기 두개가 직렬로 연결되는 경우에는 1차로 분리되어 냉각된 이산화탄소 혼합 냉매를 2차 분리하여 이산화탄소의 순도를 높이고, 2차로 분리된 보조 냉매를 이용하여 순도 높은 이산화탄소 냉매를 다시 냉각시켜 액화시키게 된다.

이렇게 액화된 냉매가 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 상기 증발기 주변으로부터 열을 빼앗아 다시 기화되면, 상기 중간냉각기로 회귀되도록 하고, 중간냉각기 내에서 기화된 상기 보조 냉매와 다시 혼합되어 압축기로 흡입되도록 한다. 이때, 상기 증발기에서 기화된 이산화탄소 기체는 저온의 포화상태에 가까운 기체로서 상기 중간냉각기 내에서 이산화탄소 냉매 이송관과 열을 교환하면서 온도가 상승되며, 따라서 압력이 어느 정도 상승된 상태에서 압축기로 흡입되므로 요구되는 압축기의 압축비를 낮출 수 있도록 한다.

상기 중간냉각기는 단열된 소정 공간에 혼합 냉매를 공급받고, 공급된 혼합 냉매의 비중 차를 이용하여 상기 공간의 상측으로부터 상대적으로 비중이 작은 이산화탄소를 분리 배출하고, 상기 공간의 하측으로부터 상대적으로 비중이 큰 보조 냉매를 분리 배출하는 혼합 냉매 분리기; 및 상기 분리된 이산화탄소가 이송되는 냉매 이송관을 둘러싸고 외부와 단열된 공간인 증발부에서 보조 냉매를 단열팽창시킴으로써 상기 이산화탄소를 냉각시켜 배출하는 중간 열교환기로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 중간 열교환기는 상기 증발부에서, 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 회귀된 이산화탄소가 상기 증발부 내에서 기화된 보조 냉매와 다시 혼합되도록 하고, 그 후에 압축기로 흡입되도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도1은 중간냉각기를 구비하는 본 발명의 제1실시예를 도시한 모식도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하고, 상기 응축기의 출구측(203)과 상기 팽창밸브의 입구측(223) 사이에 직렬로 연결된 중간냉각기(10)를 포함한다.

상기 중간냉각기(10)는 각각 혼합 냉매 분리기(20)와 중간열교환기(30), 및 보조 팽창밸브(40)를 포함한다. 혼합 냉매 분리기(20)는 내부가 비어 있는 용기 상부와 하부에 각각 연결된 상부 냉매관(201)과 하부 냉매관(204)을 구비하고, 주로 액체상태인 보조 냉매가 분리되어 배출되는 상기 하부 냉매관(204)의 하류측에는 보조 냉매의 액압을 낮추는 보조 팽창밸브(40)를 구비한다. 주로 기체상태인 이산화탄소가 배출되는 상부 냉매관(201)의 하류측에는 중간 열교환기(30)가 구비되는데, 상기 중간 열교환기(30)는 단열된 밀폐용기로서 그 내부를 통과하는 냉매이송관(202)은 상기 상부 냉매관(201)과 연결되어 주로 기체상태인 이산화탄소를 통과 시킨다.

상기 중간 열교환기의 내부에는 상기 보조 팽창밸브를 통과하며 액압이 강하된 보조 냉매가 분사되어 상기 냉매이송관 주위에서 증발면서 증발열을 빼앗아 갈 수 있는 증발부(300)가 제공된다. 또한 상기 중간 열교환기(30)의 증발부(300)에는 증발기를 거쳐 회귀된 냉매 기체가 유입되는 회귀냉매 입구(301)가 구비되고, 이를 통해 회귀된 냉매와 상기 증발부(300)에서 증발된 보조 냉매 기체가 다시 혼합되어 배출되는 회귀냉매 출구(302)가 구비된다.

냉매의 흐름에 따라 본 발명의 냉동장치의 작동과정을 설명하면 다음과 같다. 이산화탄소와 보조 냉매가 혼합된 혼합 냉매가 압축기에서 압축되어 고온, 고압 상태로 되고, 응축기를 거치면서 방열한다. 이때, 혼합 냉매의 온도가 응축기 주변의 온도와 비슷해지면서 끓는점이 상대적으로 높은 보조 냉매가 먼저 액화되고 이산화탄소는 그대로 기체상태를 유지한다. 혼합 냉매 분리기(20) 내에서 주로 액체상태이고 비중이 큰 보조 냉매는 하부 냉매관(204)으로 배출되고, 주로 기체상태이고 비중이 작은 이산화탄소는 상부 냉매관(201)으로 분리되어 배출된다.

상기 상부 냉매관(201)으로 분리된 이산화탄소는 냉매 이송관(202)을 따라 중간 열교환기(30) 내부를 지나고, 상기 하부 냉매관(204)으로 분리된 보조 냉매는 보조 팽창밸브(40)에서 단열팽창 과정을 거쳐 압력과 온도가 강하된 상태로 상기 중간 열교환기(30)의 증발부(300)로 분사된다. 상기 증발부(300) 내에서 액체상태의 보조 냉매는 상기 냉매 이송관(202)으로부터 증발열을 빼앗으며 기화되고, 이로인해 상기 이송관 내의 이산화탄소가 비교적 낮은 압력하에서 액화된다.

액화된 이산화탄소는 팽창밸브를 거치면서 액압과 온도가 강하된 후 증발기로 분사되고, 증발기 주변으로부터 증발열을 흡수하며 기화된다. 기화된 이산화탄소는 다시 상기 중간 열교환기(30)의 회귀냉매 입구(301)로 회귀되고, 상기 증발부(300) 내에서 증발된 보조 냉매 기체와 혼합된 뒤 회귀냉매 출구(302)를 통해 다시 압축기로 흡입된다. 그런데, 냉동장치가 정상상태에 도달했을 때 회귀된 이산화탄소 냉매는 상대적으로 저온(대략 -55℃), 저압 상태이나, 상기 냉매 이송관(202)과 열을 교환하며 온도와 압력이 상승된 상태로 압축기에 흡입되므로, 압축기의 압축비를 감소시킬 수 있다. 이때, 상기 냉매 이송관(202) 내의 이산화탄소 냉매는 회귀냉매와의 열교환으로 더 냉각되어 쉽게 액화될 수 있다.

도3에 도시된 이산화탄소의 온도-압력 상태선도를 보면, 실온인 약 25℃에서 작동되는 응축기에서 이산화탄소를 응축시키려면 대략 6MPa(약 60기압)정도의 높은 압력이 필요한 반면, 본 발명과 같이 중간냉각기를 구비하는 경우는 1.5MPa(약 15기압)정도의 상대적으로 낮은 압력에서 대략 -25℃정도로 냉각시킴으로써 액화시킬 수 있다.

상기 보조 냉매는 1.5MPa정도의 압력일 때 응축기 주변의 온도에서 액화될 수 있는 냉매가 적합하고, 이산화탄소에 비해 증발잠열이 커서 적은 양으로 많은 열을 빼앗아 갈 수 있는 것이 좋다. 또한 오존층파괴가 적어 환경기준에 부합되는 물질이 바람직하다. 따라서 상기 보조 냉매는 CFC계열의 냉매를 대체하기위해 개발된 HFC계열 또는 HCFC계열의 냉매 중에서 냉동장치의 운용 온도 및 압력조건을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.

이산화탄소와 보조 냉매의 혼합비는 냉동장치의 운용 온도 및 압력조건, 보조 냉매의 종류에 따라서 조금씩 차이가 있을 수 있다. 이산화탄소가 주를 이루고, 보조 냉매가 부를 이루도록 하는데, 보조 냉매의 비율이 지나치게 높으면 응축기에서 보조 냉매가 응축되면서 기체상태로 남는 이산화탄소의 압력이 낮아져서 액화에 필요한 온도가 지나치게 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 보조 냉매의 비율이 지나치게 낮으면 먼저 액화된 상기 보조 냉매로 기체상태의 이산화탄소를 충분히 냉각시킬 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 장치가 운용되는 온도와 압력 및 보조 냉매 물질의 증발잠열 등을 종합적으로 고려하여 냉매의 혼합비를 정하여야 한다.

도2는 직렬배치된 2개의 중간냉각기를 구비하는 본 발명의 제2실시예를 도시한 모식도이다. 전체적인 구성은 전술한 제1실시예와 같고, 중간냉각기(10) 2개(11,12)가 연이어 배치되는 점에 차이가 있다. 제1 중간냉각기(11)의 제1 혼합 냉매 분리기(21)에서 1차로 분리된 이산화탄소 혼합 냉매는 제1 중간 열교환기(31) 내의 제1 냉매 이송관(212)을 지나며 액화된 보조 냉매에 의해 냉각된다. 이때, 상기 제1 냉매 이송관(212) 내부는 이산화탄소가 액화될 정도의 저온에 도달하지 않은 상태이다.

이와 같이 제1 중간냉각기에서 1차로 분리되어 냉각된 이산화탄소 혼합 냉매는 제2 중간냉각기(12)의 제2 혼합 냉매 분리기(22)의 입구(213)로 유입되어 위와 같은 과정을 재차 반복하게 된다. 상기 제2 혼합 냉매 분리기(22)에서 분리되어 제2 중간 열교환기(32) 내의 제2 냉매 이송관(222)을 지나는 냉매는 고순도의 이산화 탄소로서 액화된 보조 냉매에 증발열을 빼앗기고 액화되어 팽창밸브(223)의 입구로 유입된다.

그 후 팽창밸브에서 단열된 상태로 감압되어 온도가 더 떨어진 액체상태의 이산화탄소 냉매는 증발기에서 주변의 열을 흡수하여 증발되고, 상기 증발기 주변의 온도를 대략 -55℃정도로 유지시킬 수 있다. 이산화탄소의 삼중점 온도는 -56.56℃로서 그보다 낮은 온도에서는 드라이아이스 입자로 응고되어 냉매의 흐름을 방해할 수 있으므로, 삼중점 온도 부근에서 작동되도록 하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 상기 보조 냉매로 HCFC계열의 R-141b를 사용한다. R-141b (CH₃CCl₂F)는 그 물질안정성 데이터 시트(MSDS)에 따르면 1기압하에서 끓는점이 32℃, 어는점이 -103.5℃ 이다. ODP(CFC-11을 기준으로 한 오존층 파괴지수)값은 0.07 내지 0.1로서 냉매, 발포제, 반도체 공정에서의 세정제 등의 용도에서 CFC(프레온)를 대체할 수 있는 물질이다.

본 실시예에서 R-141b의 혼합비는 4w% 내지 10w%가 바람직하다. 전술한 바와 같이, 상기 R-141b가 차지하는 질량비가 4%보다 작아지면 분리된 이산화탄소 기체가 액화될 때까지 충분히 냉각시킬 수 없고, 10%보다 커지면 보조 냉매인 R-141b가 액화되면서 혼합 냉매의 압력이 그 분압만큼 작아지므로 분리된 이산화탄소 기체를 액화시키기 위해서는 더 낮은 온도까지 냉각시켜야 하는 문제가 생긴다.

R-141b를 대신할 수 있는 보조 냉매의 예로서, 끓는점이 49℃인 HFC-125, 끓는점이 -12℃인 HCFC-124, 같은 HCFC계열이고 끓는점이 -92℃인 R-142b 등이 있다. 뿐만 아니라, 여기서 언급된 물질들 외에 이와 유사한 물리적 특성을 갖는 물질을 보조 냉매로 사용할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명할 것이다.

도4는 상기 제2실시예에 따른 냉동사이클을 도시한 개략적인 모리에르(mollier)선도이다. 이는 혼합 냉매 중 이산화탄소의 상태를 나타낸다. a는 압축기의 출구에서의 상태이다. 이후 고온, 고압의 혼합 냉매는 응축기와 제1 혼합 냉매 분리기를 거치며 이산화탄소와 보조 냉매인 R-141b로 분리되고, 이산화탄소는 제1 중간 열교환기에서 1차로 냉각되어 b상태에 도달하고, 제2 중간냉각기를 거치면서 액화되어 c상태에 도달하게 된다. 이상의 고압부에서 압력이 대략 1.5 내지 2.1MPa이고, 제2 중간 열교환기에서의 압력이 1.5MPa 일때 대략 -25℃의 온도에서 이산화탄소의 액화가 진행된다.

액화된 이산화탄소 냉매는 c~d구간에서 팽창밸브를 거쳐 단열팽창되고, 압력과 온도가 낮아진 상태에서 증발기를 지나며 열을 흡수하여 e상태에 도달하게 된다. 다시 제2 및 제1 중간 열교환기의 증발부에서 냉매 이송관과 열을 교환하고, R-141b 기체와 다시 혼합되어 f상태로 온도와 압력이 상승된 후 압축기로 흡입된다.

이같은 과정을 통해서 본 발명의 제2실시예에 따른 냉동장치는 상기 증발기 주변의 온도를 대략 -55℃ 정도로 냉각시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다

따라서, 본 발명에 의한 이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치는 압축기와 응축기를 거친 혼합 냉매를 보조 냉매와 이산화탄소 냉매로 분리하고, 분리된 보조 냉매를 이용하여 이산화탄소 냉매를 액화시키는 중간냉각기를 구비함으로써 상대적으로 낮은 압축비의 압축기를 이용하여 영하 50℃ 이하의 저온 냉동 효과를 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기를 포함하는 냉매회로로 이루어진 냉동장치로서,

   상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 구비되고, 이산화탄소와 보조 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 그 비중 차를 이용하여 주로 기체상태인 이산화탄소와 주로 액체상태인 보조 냉매로 분리하며, 상기 분리된 보조 냉매를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 액화시켜 액체상태의 이산화탄소 냉매를 상기 팽창밸브로 공급하는 중간냉각기를 포함하는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보조 냉매는,

   상기 응축기 출구의 압력조건에 대하여 응축기 주변과 같은 온도에서 액화되고, 액압이 낮아짐에 따라 상기 중간냉각기에서 이산화탄소가 액화되는 온도까지 냉각되는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 보조 냉매는 HCFC계열 또는 HFC계열의 냉매그룹 중에서 선택된 냉매인,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 보조 냉매는 R-141b인,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 냉동장치는,

   상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 적어도 둘 이상이 직렬로 연결된 제1 및 제2 중간냉각기를 포함하고,

   상기 제1 중간냉각기로부터 1차로 분리되고 냉각된 이산화탄소 냉매를 상기 제2 중간냉각기에서 2차로 분리하고 냉각시키는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,

   상기 중간냉각기는,

   단열된 소정 공간에 혼합 냉매를 공급받고, 공급된 혼합 냉매의 비중 차를 이용하여 상기 공간의 상측으로부터 상대적으로 비중이 작은 이산화탄소를 분리 배출하고, 상기 공간의 하측으로부터 상대적으로 비중이 큰 보조 냉매를 분리 배출하는 혼합 냉매 분리기; 및

   상기 분리된 이산화탄소가 이송되는 관을 둘러싸고 외부와 단열된 증발부에서 보조 냉매를 증발시킴으로써 상기 이산화탄소를 냉각시켜 배출하는 중간 열교환기를 포함하는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 중간 열교환기는,

   상기 증발부에서, 팽창밸브와 증발기를 거쳐 회귀된 이산화탄소와 보조 냉매가 다시 혼합되어 압축기로 흡입되도록 하는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 혼합 냉매는,

   이산화탄소가 질량대비 90% 내지 96% 이고, 그 나머지가 R-141b로 이루어진,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
9. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기를 포함하는 냉매회로로 이루어진 냉동장치로서,

   상기 응축기 출구와 연결되고, 단열된 소정 공간에 이산화탄소와 R-141b가 혼합된 냉매를 공급받고, 공급된 혼합 냉매의 비중 차를 이용하여 상기 공간의 상측으로부터 상대적으로 비중이 작은 성분을 분리 배출하는 제1상부 냉매관과, 상기 공간의 하측으로부터 상대적으로 비중이 큰 성분을 분리 배출하는 제1하부 냉매관을 구비하는 제1 혼합 냉매 분리기;

   상기 제1상부 냉매관을 둘러싸고 외부와 단열된 증발부에서 상기 제1하부 배출관을 통해 분리된 냉매를 증발시킴으로써 상기 제1상부 냉매관을 통해 분리된 냉매를 더 냉각시켜 배출하는 제1 중간 열교환기;

   상기 제1 중간 열교환기로부터 배출된 냉매를 공급받고, 공급된 혼합 냉매의 비중 차를 이용하여 상기 공간의 상측으로부터 상대적으로 비중이 작은 성분을 분리 배출하는 제2상부 냉매관과, 상기 공간의 하측으로부터 상대적으로 비중이 큰 성분을 분리 배출하는 제2하부 냉매관을 구비하는 제2 혼합 냉매 분리기; 및

   상기 제2상부 냉매관을 둘러싸고 외부와 단열된 증발부에서 상기 제2하부 배출관을 통해 분리된 냉매를 단열팽창시킴으로써 상기 제2상부 냉매관을 통해 분리 된 냉매를 더 냉각시켜 배출하는 제2 중간 열교환기를 포함하고,

   상기 제2상부 냉매관으로부터 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 회귀된 냉매 증기는 상기 제1 및 제2 중간 열교환기의 증발부 내에서 팽창된 냉매와 다시 혼합되어 압축기로 흡입되도록 하는,

   이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 압축기 및 응축기는,

    실온의 응축기 출구에서 혼합 냉매 중 R-141b는 주로 액체상태로 존재하고, 이산화탄소는 주로 기체상태로 존재하는 정도의 압력조건을 만족하는,

    이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 압축기는,

    토출압력이 1.5MPa 내지 2.1MPa인,

    이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제2 중간 열교환기는 그 증발부가 상기 증발기의 출구와 연결되어, 증발기를 거쳐 회귀된 냉매 증기가 상기 제2 중간 열교환기의 증발부 내에서 팽창된 냉매와 혼합되고,

    상기 제2 중간 열교환기의 증발부는 상기 제1 중간 열교환기의 증발부로 연결되어, 상기 제2 중간 열교환기로부터 유입된 혼합 냉매가 상기 제1 중간 열교환기의 증발부 내에서 팽창된 냉매와 다시 혼합되어 압축기로 흡입되도록 하는,

    이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.
13. 제9항에 있어서,

    상기 혼합 냉매는,

    이산화탄소가 질량대비 90% 내지 96% 이고, 그 나머지가 R-141b로 이루어진,

    이산화탄소 혼합 냉매를 이용한 냉동장치.

Images