KR100609168B1

KR100609168B1 - 캐스캐이드 냉동사이클

Info

Publication number: KR100609168B1
Application number: KR1020040088425A
Authority: KR
Inventors: 임형근; 김양규; 김세영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-08-02
Also published as: KR20060039291A

Abstract

본 발명에 따른 캐스캐이드 냉동 사이클은 혼합냉매가 압축되는 압축기; 압축된 상기 혼합냉매가 응축되는 응축기; 응축된 상기 혼합냉매 중에서 액상의 제 2 냉매와, 기상의 제 1 냉매가 분리되어 유출되는 기액분리기; 상기 기액분리기로부터 분리되는 기상의 제 1 냉매 중에 일부 포함되는 제 2 냉매가 액체로 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터; 상기 디플레그메이터를 통과한 기상의 제 1 냉매와, 상기 기액분리기 및 상기 디플레그메이터에서 분리된 뒤에 팽창된 제 2 냉매가 열교환되는 열교환기; 상기 열교환기에서 열교환되어 응축되는 상기 제 1 냉매가 팽창되는 제 1 팽창기; 및 상기 제 1 냉매가 팽창된 뒤에 증발되어, 주위에 저온 환경이 조성되는 증발기가 포함된다.

본 발명에 의해서 ,캐스캐이드 냉동사이클의 혼합 냉매 분리과정이 보다 완벽하게 수행될 수 있기 때문에, 냉동사이클의 성능 계수가 높아지는 장점이 있다.

특히, 비등점이 높은 제 2 냉매의 순도가 높아지도록 함으로써, 비가역손실이 줄어들고, 증발기가 놓이는 저온 분위기의 저온상태가 보다 낮게 조성될 수 있다.

클리멘코, 캐스캐이드, 냉동 사이클

Description

캐스캐이드 냉동사이클{Cascade refrigerating cycle}

도 1은 본 발명의 사상에 따르는 캐스캐이드 냉동사이클의 사이클 흐름도.

도 2는 비등점이 낮은 제 1 냉매의 흐름을 설명하는 도면.

도 3은 상기 기액분리기에 의해서 분리된 비등점이 높은 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면.

도 4는 상기 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 비등점이 높은 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면.

도 5는 제 2 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도.

도 6은 제 1 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 압축기 12 : 응축기 13 : 기액분리기

14 : 디플레그메이터 15 : 열교환기 16 : 제 1 팽창기

17 : 증발기 18 : 제 2 팽창기

본 발명은 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것으로서, 혼합 냉매가 단일의 압 축기에 의해서 압축되고, 연결되는 단일의 냉매관을 통하여 압축이 수행되는 냉동 사이클의 효율이 증진되도록 하는 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 증발기를 보다 저온으로 구성할 수 있는 캐스캐이드 냉동사이클에 관한 것이다.

일반적인 냉동 사이클은 압축, 응축, 팽창, 및 증발로 이루어지고, 상기 증발과정 중에 증발기에서 냉매가 증발되는 중에 열기가 흡수되도록 함으로써, 냉동이 수행된다. 그러나, 일반적인 냉동 사이클로는 영하의 저온 분위기를 얻을 수는 있으나, 영하 100도씨대에 이르는 초저온을 얻지는 못하는 단점이 있다.

이러한 배경하에서 영하 100도씨대 이하의 초 저온을 상업적으로 얻어내기 위하여 제안된 냉동 사이클로는 클리멘코 사이클(kleemenko cycle)이 제안된 바가 있다. 상기 클리멘코 사이클은 제안자의 이름을 딴 냉동 사이클로서 "A.P.Kleemenko"에 의해서 "Proceedings Ⅹth international Congress on refrigeration, copenhagen, 1, 34~39(1959), Pergamon Press, London"인 문헌에 제안된 바가 있으며, 원 플로우 캐스케이스 냉동사이클의 출발점이 된다. 물론, 극 저온을 이루는 냉동 사이클은 다양한 종류가 있을 수 있으나, 본 발명은 상기 클리멘코 사이클의 구조를 개선하는 것에 관하여 주된 관심이 있다.

상기 클리멘코 사이클에 대해서 간단히 설명하면, 비등점이 낮은 제 1 냉매와 비등점이 비교적 높은 제 2 냉매가 혼합된 혼합 냉매가 단일의 압축기에 의해서 압축된 뒤에 응축된다. 응축이 수행되고 난 다음에 상기 제 1 냉매는 기상을 유지하고, 상기 제 2 냉매는 액상으로 변하게 된다. 그 뒤에, 기상의 제 1 냉매와 액상 의 제 2 냉매가 기액분리기를 통과하는 중에 기상의 제 1 냉매와 액상의 제 2 냉매가 분리되고, 각각 다른 관로를 통하여 흐르게 된다.

한편, 상기 제 2 냉매는 계속해서 팽창과 증발을 거친다. 그리고, 상기 제 1 냉매는, 상기 제 2 냉매의 증발과정중에 발생되는 냉기에 의해서 응축이 수행되고, 응축이 완료된 뒤에, 팽창밸브를 통하여 팽창된 뒤에, 증발기에 의해서 증발된다. 그러므로, 제 1 냉매는 상기 증발기를 거치면서 증발되어 외부로부터 열을 흡수하고, 흡수되는 열에 의해서 증발기의 외부는 영하 100도씨에 이르는 초 저온의 환경이 조성되도록 할 수 있다.

요약하면, 상기 클리멘코 사이클은 혼합냉매가 단일의 압축기 및 응축기에 의해서 압축 및 응축되는 것과, 비등점이 낮은 제 1 냉매는, 비등점이 높은 제 2 냉매에 의해서 응축이 수행됨으로써, 상기 제 1 냉매가 증발되는 환경이 초저온의 환경의 분위기로 조성될 수 있는 것에 그 특징이 있다.

그러나, 종래의 클리멘코 사이클의 내부에서 응축기를 거쳐서 응축되는 냉매는, 응축기를 통과한다고 할지라도 비등점이 높은 제 2 냉매가 완전히 응축되지 못하는 문제점이 있다. 그러므로, 응축기를 통과하고 난 뒤라 할지라도, 상기 제 2 냉매에는 기상의 제 2 냉매가 남아있게 되고, 결국에는, 상기 기액분리기에 의해서 액상의 제 2 냉매와 기상의 제 1 냉매가 분리되는 과정 중에, 기상의 제 1 냉매와 함께 기상의 제 2 냉매가 같이 유동되는 문제점이 있다. 약언하면, 기액분리기의 효율이 높지 아니한 단점이 있는 것이다.

이러한 문제점으로 인하여 상기 제 1 냉매가 유동되는 증발기는 초저온에 이 르지 못하고, 온도가 어느 정도 높아지는 단점이 있고, 결국에는 사용자가 원하는 만큼의 초저온 상태를 구현할 수 없는 문제점이 발생된다.

또한, 제 1 냉매와 함께 제 2 냉매가 유동됨으로써, 냉동 사이클 내부의 비가역손실이 높아지는 단점이 있다.

본 발명은 상기되는 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 혼합 냉매의 분리과정이 보다 완벽하게 수행되도록 함으로써, 냉동사이클의 효율이 증진되도록 하는 캐스캐이드 냉동사이클을 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 비등점이 낮은 제 1 냉매의 순도가 높아지도록 함으로써, 비가역손실이 줄어들고, 저온환경의 온도가 보다 낮아지는 장점을 얻을 수 있는 캐스캐이드 냉동사이클을 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캐스캐이드 냉동사이클은 혼합냉매가 압축되는 압축기; 압축된 상기 혼합냉매가 응축되는 응축기; 응축된 상기 혼합냉매 중에서 액상의 제 2 냉매와, 기상의 제 1 냉매가 분리되어 유출되는 기액분리기; 상기 기액분리기로부터 분리되는 기상의 제 1 냉매 중에 일부 포함되는 제 2 냉매가 액체로 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터; 상기 디플레그메이터를 통과한 기상의 제 1 냉매와, 상기 기액분리기 및 상기 디플레그메이터에서 분리된 뒤에 팽창된 제 2 냉매가 열교환되는 열교환기; 상기 열교환기에서 열교환되어 응축되는 상기 제 1 냉매가 팽창되는 제 1 팽창기; 및 상기 제 1 냉매가 팽창된 뒤에 증발되어, 주위에 저온 환경이 조성되는 증발기가 포함된다.

다른 측면에 따른 본 발명의 캐스캐이드 냉동 사이클은 단일의 압축기에 의해서 압축되고 단일의 응축기에 의해서 응축되는 혼합냉매가, 기액분리기에 의해서 분리되어 비등점이 높은 제 2 냉매는 비등점이 낮은 제 1 냉매의 응축용도로 사용되는 캐스캐이드 냉동 사이클에 있어서, 상기 기액분리기로부터 분리되는 상기 제 1 냉매 중에 포함되는 상기 제 2 냉매가, 완벽하게 상기 제 1 냉매로부터 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

제안되는 바와 같은 본 발명의 구성에 의해서 냉동 사이클의 전체적인 효율이 증진되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 냉동사이클의 증발기 측은 보다 낮은 온도가 구현가능하기 때문에, 냉동 사이클의 적용온도범위가 보다 넓어지는 장점이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 제안한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가, 및 위치변경등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 사상에 따르는 캐스캐이드 냉동사이클의 사이클 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 사상이 적용되는 캐스캐이드 냉동사이클은 비등점이 낮은 제 1 냉매와 비등점이 높은 제 2 냉매가 혼합되어 있는 혼합 냉매가 함 께 압축되는 압축기(11)와, 상기 압축기(11)에 의해서 압축된 혼합냉매가 응축되는 응축기(12)와, 응축된 혼합냉매 중에서 비등점이 높은 액상의 제 2 냉매와 비등점이 낮은 기상의 제 1 냉매가 분리되는 기액분리기(13)와, 상기 기액분리기(13)를 통과하는 과정 중에 분리되지 아니한 기상의 제 2 냉매가 다시 한번 액상으로 분리되도록 하는 디프레그메이터(Dephlegmator, 일명 분류응축기, 분류기, reflux condenser)(14)와, 액상의 제 2 냉매가 팽창되는 제 2 팽창밸브(18)와, 팽창된 제 2 냉매와 제 1 냉매가 열교환되어, 상기 제 2 냉매는 증발되고 상기 제 1 냉매는 응축되도록 하는 열교환기(15)와, 열교환에 의해서 응축된 제 1 냉매가 팽창되는 제 1 팽창밸브(16)와, 제 1 냉매가 증발되는 증발기(17)가 포함된다.

상세하게, 상기 제 1 냉매는 비등점이 낮은 냉매이고, 상기 제 2 냉매는 비등점이 높은 냉매이다. 그러므로, 상기 제 2 냉매는 팽창된 뒤에 상기 제 1 냉매를 응축시키도록 하는 열교환유체로서 동작될 수 있다. 예를 들면, 다양한 종류의 질소화합물, 불소화합물의 사용될 수 있고, 다만, 캐스케이스 냉동사이클의 사용 온도에 적합한 종류의 냉매는 물질의 종류는 불문하고 적용될 수 있다.

상세하게, 상기 디플레그메이터(14)로 유입되는 냉매에는 기상의 제 1 냉매와, 기상의 제 2 냉매가 유입된다. 이때, 상기 제 2 냉매는 기액분리기(13)에 의해서 액체로 완전히 분리되지 못한 제 2 냉매로서, 디플레그메이터(14) 내부의 열교환장치에 의해서 완전히 액체로 변환된 뒤에 제 1 냉매와 분리된다. 그리고, 상기 디플레그메이터(14)의 내부에 놓이는 열교환장치로는, 상기 증발기(17)에서 증발되어 저온으로 된 제 1 냉매가 유동되고, 저온의 상기 제 1 냉매에 의해서 제 2 냉매 가 완전히 액상으로 상변화되도록 한다. 한편, 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리됨에도 불구하고 제 1 냉매와 함께 제 2 냉매가 유동되는 것은, 상기 응축기(12)의 온도가 제 2 냉매가 완전히 액체로 응축되기 위해서 요구되는 정도의 저온에 이르지 않기 때문일 수 있다.

설명된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 디플레그메이터(14)는 기액분리기(13)에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매, 다시 말하면, 기상의 제 1 냉매와 함께 기액분리기(13)로부터 토출되는 제 2 냉매가 완전히 액상으로 분리되도록 하는 장치이다. 이로써, 제 2 냉매의 순도는 거의 100%에 이를 수 있다. 이와 같이, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 2 냉매의 순도가 높아지면, 상기 열교환기(15)에 의해서 보다 많은 열이 제 1 냉매와 제 2 냉매의 사이에서 열교환되고, 상기 증발기(17)에 의해서 보다 많은 열이 흡수되고, 증발기가 놓인 환경은 보다 저온환경으로 조성될 수 있다.

이하에서는 각각의 관로 내부를 유동하는 냉매의 흐름을, 제 1 냉매, 기액분리기에 의해서 분리되는 제 2 냉매, 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 순으로 설명한다. 도 2는 상기 제 1 냉매의 흐름을 설명하는 도면이고, 도 3은 상기 기액분리기에 의해서 분리된 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면이고, 도 4는 상기 기액분리기에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 흐름을 설명하는 도면이다. 설명의 편의를 위해서 도 2내지 도 3에서는 어느 한 유체의 냉내 흐름만을 도시한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 비등점이 낮은 제 1 냉매의 유로(1)는 상기 압축기(11)에서 압축되고, 응축기(12)에서 응축된다. 다만, 상기 응축기(12)에 의해서 응축이 되어도 상기 제 1 냉매는 비등점이 낮기 때문에 액상으로 상변화되지 못하고 기상으로 유지되고, 기상의 제 1 냉매는 상기 디플레그메이터(14)로 유입된다. 이때에는 응축되지 아니한 제 2 냉매도 함께 디플레그메이터(14)로 유입될 수 있다.

그리고, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 2 냉매가 완전히 분리된 뒤에, 순수한 제 1 냉매는 열교환기(15)로 유입된다. 물론, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 제 1 냉매가 응축되는 것도 물론이다. 상기 열교환기(15)에 의해서 기상의 제 1 냉매는 열교환이 수행된 뒤에, 제 1 팽창밸브(16)에 의해서 팽창된다. 그리고, 팽창된 뒤에는 증발기(17)로 유입되어 증발기(17)의 주위환경이 저온으로 된다. 상기 증발기(17)의 주위환경이 사용자가 원하는 초저온 환경이 되는 것은 물론이다.

그리고, 상기 증발기(17)에 의해서 소정의 열이 흡수된 뒤에는 상기 디플레그메이터(14)의 열교환장치로 유입되어 디플레그메이터(14) 내부의 저온유체로 동작된다. 이는, 제 1 냉매가 상기 증발기(17)에 의해서 증발된 뒤에도 저온의 냉기가 유지되고 있기 때문이다.

그리고, 제 1 냉매는 디플레그메이터(14)에 의해서 열교환 된 뒤에 제 2 냉매와 함께 다시금 압축기(11)로 유입되는 사이클을 거친다.

또한, 도 3을 참조하여 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리된 제 2 냉매유로(2)의 흐름을 설명하면, 제 2 냉매는 압축기(11) 및 응축기(12)를 거치는 과정은 제 1 냉매와 동일하고 다만, 응축기(12)를 거치는 중에 많은 양의 제 2 냉매가 액화되는 것에 있어서 차이가 있다. 그러므로, 기액분리기(14)로 유입된 뒤에 액상의 제 2 냉매는 액체가 토출되는 관로를 통하여 토출된 뒤에, 상기 제 2 팽창밸브(18)에 팽창된 뒤에, 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환이 수행된다. 상기 열교환기(15)는 제 2 냉매로 볼때는 증발기로서의 역할이 수행되는 것은 용이하게 짐작할 수 있다.

상기 열교환기(15)에 의해서 열교환이 수행되어 제 1 냉매를 응축시킨 뒤에는, 증발기(17)에서 증발된 제 1 냉매와 합하여진 뒤에 압축기(11)로 이동되는 사이클을 이루게 된다.

또한, 도 4를 참조하여 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리되지 아니한 제 2 냉매의 유로(3)를 설명하면, 응축기(12)에 의해서 액체로 상변화된 제 2 냉매와 같이, 압축기(11) 및 응축기(12)를 거친 뒤에, 기액분리기(13)에서 제 1 냉매와 함께 디플레그메이터(14)로 유입된다.

상기 디플레그메이터(14)로 유입된 제 2 냉매는, 상기 디플레그메이터(14) 내부의 열교환 장치에 의해서 완전히 액체로 상변화된 뒤에 기액분리기에 의해서 분리된 제 2 냉매와 합하여진다. 이후에, 제 2 냉매의 흐름은 기액분리기(13)에 의해서 분리된 냉매의 흐름과 마찬가지이다.

설명된 바와 같이, 비등점이 높은 제 2 냉매가 순수한 액체로 상 변화된 뒤에 열교환기의 열교환에 사용되기 때문에, 결국, 증발기(17)에서 증발되는 냉매는 보다 더 저온으로 조성될 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 이와 같이 제 2 냉매의 액 상 순도가 높아질 수 있는 것은, 상기 제 2 냉매가 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 다시 한번 액체로 상 변화되어 사이클 내부를 유동하기 때문이다.

이하에서는 캐스캐이드 냉동사이클 내부를 유동하는 제 1 냉매와 제 2 냉매의 상태를 T-S선도를 참조하여 상세하게 설명한다. 설명이 명확하게 이루어지도록 하기 위하여, 상기 도 1에는 각각의 유로 내부를 유동하는 냉매의 상태가 아라비아 숫자로 지시되어 있고, 상기 아라비아 숫자는 도 5 와 도 6의 아라비아 숫자와 대응되어 각각의 상태가 설명된다.

도 5는 상기 제 2 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도로서, 도 5를 참조하여 제 2 냉매의 유동상태를 설명한다.

먼저, 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환되어 기상으로 변한 제 2 냉매(7 상태)는 제 1 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태), 압축기(11)로 유입된다. 상기 압축기(11)에 의해서 압축된 뒤에는(1 상태), 응축기(12)에 의해서 응축된다(2 상태). 다만, 응축기(12)는 상기 제 2 냉매가 완전히 응축될 수 있을 정도로 저온환경이 조성되기 어렵기 때문에, 제 2 냉매는 습증기의 상태(2 상태)가 유지되고 있다.

그리고, 습증기의 상태에서, 액상의 제 2 냉매는 상기 기액분리기(13)에 의해서 분리되어 바로 제 2 팽창밸브(18)로 유입되지만, 기상의 제 2 냉매는 상기 디플레그메이터(14)로 유입되어 더욱 온도가 낮아져서 완전히 액상의 제 2 냉매로 응축된다(4 상태).

상기 습증기의 제 2 냉매 중에서 액상의 제 2 냉매(2 상태)와, 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 액상으로 변화된 액상의 제 2 냉매(4 상태)는 합하여져서 단일의 제 2 냉매상태(5 상태)로 변화된다. 상기 T-S선도에서 보이는 바와 같이, 상기 5 상태는 상기 2 상태와 상기 4 상태의 어느 사이에 존재하게 된다.

상기 단일의 제 2 냉매상태(5 상태)에서 상기 제 2 팽창밸브(18)를 통하여 팽창되어 온도가 더욱 떨어진 뒤에(6 상태), 상기 열교환기(15)에 의해서 상기 제 1 냉매와 열교환이 수행된다(7 상태). 그리고, 열교환이 수행된 뒤에는 제 1 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태) 압축기(1)로 재유입된다.

설명된 바와 같이, 본원 발명의 캐스캐이드 냉동사이클은 상기 디플레그메이터(14)에 의해서 보다 많은 열이 상기 열교환기(15)에 의해서 열교환될 수 있다.

상세하게는, 디플레그메이터(14) 없는 경우에 기액분리기(13)를 통과한 제 2 냉매의 상태(2 상태)에서 바로 팽창되는 경우(2 상태에서 6-1 상태로 변화)에 비하여, 디플레그메이터(14)에 의해서 분리된 액상의 제 2 냉매(4 상태)와 기액분리기(13)를 통과한 제 2 냉매(2 상태)가 합하여진 제 2 냉매(5 상태)가 팽창되는 경우에(5 상태에서 6 상태로 변화) 비하여, 보다 많은 열이 상기 열교환기(15)에 의해서 흡수될 수 있다. 도 5에서 제 1 흡수열(20)은 흡수열의 증가분을 도시하고 있다.

그리고, 상기 열교환기(15)에 의해서 보다 많은 열이 흡수되는 경우에는, 나아가서 상기 제 1 냉매에 의해서도 보다 많은 열이 방출되기 때문에, 제 1 냉매의 열교환 효율이 증진되는 것은 당연히 예측 가능할 것이다.

도 6은 상기 제 1 냉매의 유동상태를 설명하는 T-S선도로서, 도 6을 참조하여 제 1 냉매의 유동상태를 설명한다.

먼저, 디플레그메이터(14)에 의해서 열교환된 기상의 제 1 냉매(12 상태)는 제 2 냉매와 합하여진 뒤에(13 상태), 압축기(11)로 유입되어 압축된다(1 상태). 압축된 제 1 냉매는 응축기(12)에서 응축되는데(2 상태), 상기 응축기(12)에서 의해서 응축이 되더라도 제 1 냉매는 비등점이 낮기 때문에, 액체로 상변화되지 않고 기체 상태가 유지되어서, 디플레그메이터(14)로 유입된다. 상기 디플레그메이터(14)에서 온도가 더욱 낮아지는데, 다만 디플레그메이터(14)에 의해서 온도가 더 낮아지더라도 제 1 냉매는 기체 상태가 유지된다(8 상태).

이 후에 열교환기(15)를 거치면서 제 2 냉매측으로 열을 빼앗겨서 액체의 상태로 응축되고(9 상태), 제 1 팽창밸브(16)에 의해서 팽창된 뒤에(10 상태), 증발기(17)를 통하는 과정 중에 증발된다(11 상태). 이와 같이, 증발기(17)를 통과하는 과정 중에 증발기(17) 외부의 열을 흡수하기 때문에, 증발기(17) 주변의 열이 흡수되어 저온의 분위기가 조성될 수 있다.

그리고, 증발기(17)에 의해서 증발되고도 남아있는 냉기는 상기 디플레그메이터(14)로 유입되어 제 2 냉매가 완전히 액상으로 변화되도록 한 뒤에(12 상태), 제 2 냉매와 합하여져서(13 상태), 압축기(11)로 재 유입된다. 상기되는 사이클에 의해서 제 1 냉매는 사이클을 순환하게 된다.

한편, 상기 디플레그메이터(14)가 없는 경우에는, 이미 설명된 바와 같이, 상기 제 2 냉매는 완전히 액상으로 유입되지 못하고, 많은 열이 방출되지 못한다. 그러므로, 상기 제 1 냉매는 제 2 냉매와 열교환이 수행되더라도 열교환이 완전히 이루어지기 못하기 때문에, 완전한 액상으로 변하지 못할 수 있다. 그러므로, 습증 기의 상태로 유지되고(9-1 상태), 이 상태에서 제 1 팽창밸브(16)를 통과하는 경우에는 습증기의 상태는 기체가 비교적 많은 상태가 된다(10-1 상태). 그러므로, 상기 증발기(17)를 통과하는 중에도 많은 열이 흡수되지 못하기 때문에, 증발기(17)의 주변은 디플레그메이터(14)가 있는 경우에 비하여 높은 온도가 된다.

결국, 상기 디플레그메이터(14)가 있는 경우에는 디플레그메이터(14)가 없는 경우에 비하여, 제 2 흡수열(21)만큼 많은 열이 증발기(17)를 통하여 흡수된다. 상기 증발기(17)를 통해서 보다 많은 열이 흡수되면, 캐스캐이드 냉동사이클의 성능계수가 높아지는 것은 물론이고, 증발기(17) 주변의 온도가 더욱 낮아지는 장점을 얻을 수 있다.

또한, 상기 제 1 흡수열(20)과 제 2 흡수열(21)은 동일할 수 있다.

한편, 상기 T-S선도는 비가역성이 없는 경우를 가정하여 설명을 하였으며, 비가역성의 상태가 많아짐에 따라서 냉매의 구체적인 상태는 변경될 수 있다. 그리고, 냉매의 상태는 사이클 내부를 순환하면서 액상, 습증기, 기상으로 구분되어 놓일 수 있고, 습증기의 상태인 경우에 기상성분과 액상성분의 함량은 캐스캐이드 냉동사이클의 적용시에, 구체적인 경우에 따라서 달라질 수도 있을 것이다. 그리고, 열교환기의 효율이 증진되도록 하기 위하여 열교환기는 병렬적으로 다수개가 놓일 수도 있다.

제안되는 바와 같은 본 발명에 의해서 캐스케이스 냉동사이클의 혼합 냉매 분리과정이 보다 완벽하게 수행될 수 있기 때문에, 냉동사이클의 성능 계수가 높아 지는 장점이 있다.

특히, 비등점이 낮은 제 2 냉매의 순도가 높아지도록 함으로써, 비가역손실이 줄어들고, 증발기가 놓이는 저온 분위기의 저온상태가 보다 낮게 조성될 수 있기 때문에, 보다 넓은 범위의 저온환경에 캐스캐이드 냉동사이클이 적용될 수 있는 장점이 있다.

Claims

혼합냉매가 압축되는 압축기;

압축된 상기 혼합냉매가 응축되는 응축기;

응축된 상기 혼합냉매 중에서 액상의 제 2 냉매와, 기상의 제 1 냉매가 분리되어 유출되는 기액분리기;

상기 기액분리기로부터 분리되는 기상의 제 1 냉매 중에 일부 포함되는 제 2 냉매가 액체로 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터;

상기 디플레그메이터를 통과한 기상의 제 1 냉매와, 상기 기액분리기 및 상기 디플레그메이터에서 분리된 뒤에 팽창된 제 2 냉매가 열교환되는 열교환기;

상기 열교환기에서 열교환되어 응축되는 상기 제 1 냉매가 팽창되는 제 1 팽창기; 및

상기 제 1 냉매가 팽창된 뒤에 증발되어, 주위에 저온 환경이 조성되는 증발기가 포함되는 캐스캐이드 냉동사이클.
제 1 항에 있어서,

상기 증발기를 통과한 상기 제 1 냉매는 디플레그메이터로 유입되어, 상기 제 2 냉매를 액화시키는 저온 냉기로 동작되는 캐스캐이드 냉동 사이클.
제 1 항에 있어서,

상기 증발기를 통과한 제 1 냉매와, 상기 열교환기에 의해서 열교환된 제 2 냉매는 모여서 상기 압축기로 유입되는 캐스캐이드 냉동 사이클.
제 1 항에 있어서,

상기 기액분리기 및 상기 디플레그메이터에서 분리된 제 2 냉매는 합하여져서 단일의 제 2 팽창기에 의해서 팽창되는 캐스캐이드 냉동 사이클.
단일의 압축기에 의해서 압축되고 단일의 응축기에 의해서 응축되는 혼합냉가, 기액분리기에 의해서 분리되어 비등점이 높은 제 2 냉매는 비등점이 낮은 제 1 냉매의 응축용도로 사용되는 캐스캐이드 냉동 사이클에 있어서,

상기 기액분리기의 기체 출력단에 연하여 설치되며, 상기 기액분리기로부터 분리되는 상기 제 1냉매 중에 포함되는 상기 제 2냉매가, 완전하게 상기 제 1냉매로부터 분리되도록 하기 위한 디플레그메이터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 캐스캐이드 냉동 사이클.
제 5 항에 있어서,

상기 제 2 냉매는 상기 응축기를 통과하는 중에 습증기의 상태인 캐스캐이드 냉동 사이클.
제 5 항에 있어서,

상기 디플레그메이터로 유입되는 제 2 냉매는 기상인 캐스캐이드 냉동 사이 클.
제 5 항에 있어서,

상기 디플레그메이터의 응축냉기는 증발된 뒤의 제 1 냉매가 사용되는 캐스캐이드 냉동 사이클.
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