KR0126550B1 - Trans-critical vapour compression cycle device - Google Patents

Trans-critical vapour compression cycle device

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KR0126550B1
KR0126550B1 KR1019900701990A KR900701990A KR0126550B1 KR 0126550 B1 KR0126550 B1 KR 0126550B1 KR 1019900701990 A KR1019900701990 A KR 1019900701990A KR 900701990 A KR900701990 A KR 900701990A KR 0126550 B1 KR0126550 B1 KR 0126550B1
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로렌첸 구스타프
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몰트 브로리
신벤트 아 에스
로렌첸 구스타프
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Abstract

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Description

[발명의 명칭][Name of invention]

증기압축 사이클의 용량조정방법 및 그 사이클을 포함하는 자동차 공기조화장치Capacity adjusting method of steam compression cycle and vehicle air conditioner including the cycle

[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]

제1도는 종래의(임계미만) 증기압축 사이클장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a conventional (less than critical) steam compression cycle apparatus.

제2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 구성된 트랜스-임계 증기압축 사이클장치의 개략도이다. 이실시예는 증발기 시스템의 일체부분으로서, 냉매를 액체상태로 유지하는 용적을 포함하고 있다.2 is a schematic diagram of a trans-critical vapor compression cycle apparatus constructed in accordance with a preferred embodiment of the present invention. This embodiment is an integral part of the evaporator system and includes a volume for holding the refrigerant in the liquid state.

제3도는 본 발명의 제2실시예에 의해 구성된 트랜스-임계 증기압축 사이클 장치의개략도이다. 이 실시예는 2개의 밸브사이에서 흐름 회로로 직접 연결되는 중간압력 리시버를 포함하고 있다.3 is a schematic diagram of a trans-critical vapor compression cycle apparatus constructed by a second embodiment of the present invention. This embodiment includes an intermediate pressure receiver connected directly to the flow circuit between two valves.

제4도는 본 발명의 제3실시예에 의해 구성된 트랜스-임계 증기압축 사이클장치의 개략도이다. 이 실시예는 냉매를 액체상태로 혹은 초임계상태로 유지하는 특별한 리시버를 포함하고 있다.4 is a schematic diagram of a trans-critical vapor compression cycle apparatus constructed in accordance with a third embodiment of the present invention. This embodiment includes a special receiver that keeps the refrigerant in the liquid state or in the supercritical state.

제5도는 상이한 작동(운전)조건들에서 제2,3 및 4도의 트랜스-임계 증기압축 사이클장치에 있어서의 압력 및 엔탈피의 관계를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between pressure and enthalpy in the trans-critical vapor compression cycle apparatus of the second, third and fourth degrees under different operating conditions.

제6도는 본 발명에 따른 압력 제어방법에 의한 냉동용량의 제어를 나타내는 그래프들이다. 도시한 결과는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 조립한 연구실 실험 시스템에서 측정한 것이다.6 is a graph showing the control of the freezing capacity by the pressure control method according to the present invention. The results shown are measured in a laboratory experimental system assembled according to a preferred embodiment of the present invention.

제7도는 본 발명에 의한 열배제량의 제어에 의해 냉동용량을 제어하는 것을 나타내는 그래프들이다. 도시한 결과는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 조립한 연구실 실험 시스템에서 측정한 것이다.7 is a graph showing control of the freezing capacity by controlling the amount of heat exclusion according to the present invention. The results shown are measured in a laboratory experimental system assembled according to a preferred embodiment of the present invention.

제8도는 이산화탄소를 냉매로서 이용하는 동시에, 다른 하이사이드 압력들에서 작동되는 제2도의 트랜스-임계 증기압축 사이클장치에 있어서의 온도 및 엔탈피의 관계를 나타내는 실험 결과이다.FIG. 8 is an experimental result showing the relationship between temperature and enthalpy in the trans-critical vapor compression cycle apparatus of FIG. 2 operating at different high side pressures while using carbon dioxide as a refrigerant.

[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention

[발명의 분야][Field of Invention]

본 발명은 폐회로에 있어서 트랜스-임계(trans-critical) 조건하에 작동되는 냉매를 이용하는 냉동기, 공기-조화 장치 및 열펌프 등과 같은 증기압축 사이클 장치에 관한 것이며, 특히, 이런 장치의 용량을 조정 및 제어하는 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to steam compression cycle devices such as refrigerators, air-conditioning devices and heat pumps using refrigerants operating under trans-critical conditions in a closed circuit, and in particular, to adjust and control the capacity of such devices. It is about how to.

[발명의 배경][Background of invention]

제1도에는 냉동, 공기조화 또는 열펌프를 목적으로 한 종래의 증기압축 사이클 장치의 주요부를 도시하였다. 이 장치는 압축기(1), 응축 열교환기(2), 스로틀 밸브(3) 및 증발 열교환기(4)로 구성된다. 이들 구성요소는 유동 폐회로에 연결되고, 여기서 냉매가 순환된다. 증기압축 사이클 장치의 작동 원리는 다음과 같다. 냉매 증기의 압력 및 온도는 콘덴서 즉 응축기(2)로 들어가기 전에 압축기(1)에 의해 증대되고, 그후 응축기(2)에서 냉각 및 응축되며, 열을 2차 냉각재로 방출한다. 이런 다음, 고압 액상 냉매는 팽창밸브(3)에 의해 증발압력 및 온도로 교축 즉 스로틀조작(throttle)된다. 증발기(4)에 있어서, 냉매는 비등하며 그 주위로부터 열을 흡수한다. 증발기 출구에서 증기는 압축기로 흡입되어, 사이클이 완료된다.1 shows the main part of a conventional steam compression cycle apparatus for the purpose of refrigeration, air conditioning or heat pump. The apparatus consists of a compressor 1, a condensation heat exchanger 2, a throttle valve 3 and an evaporation heat exchanger 4. These components are connected to a flow closed circuit where the refrigerant is circulated. The principle of operation of the steam compression cycle system is as follows. The pressure and temperature of the refrigerant vapor are increased by the compressor 1 before entering the condenser, condenser 2, and then cooled and condensed in the condenser 2, releasing heat to the secondary coolant. Then, the high pressure liquid refrigerant is throttled or throttled to the evaporation pressure and temperature by the expansion valve 3. In the evaporator 4, the refrigerant boils and absorbs heat from its surroundings. At the outlet of the evaporator, steam is drawn into the compressor, completing the cycle.

통상의 증기압축 사이클장치는 전적으로 서브 임계(sub-critical)압력 즉 임계압력 미만에서 운전 작동되는 냉매(예컨대, R-12, CF2Cl2)를 이용한다. 다수의 다양한 물질 또는 물질의 혼합물을 냉매로서 이용할 수도 있다. 유체의 임계온도는 응축이 발생하기 위한 상한을 설정하므로, 냉매의 선택은 다른 요소와 함께 응축온도에 의한 영향을 받는다. 합리적인 효율을 유지하기 위해서, 임계온도가 응축온도보다 적어도 20∼30K 높은 냉매를 이용하는 것이 통상은 바람직하다. 통상적으로 임계 근사온도는 통상의 시스템의 설계 및 작동에 있어서 피해진다.Conventional steam compression cyclers utilize refrigerants (eg, R-12, CF 2 Cl 2 ) that operate entirely at sub-critical pressures, ie below the critical pressure. Many different materials or mixtures of materials may be used as the refrigerant. Since the critical temperature of the fluid sets an upper limit for condensation to occur, the choice of refrigerant is influenced by the condensation temperature along with other factors. In order to maintain reasonable efficiency, it is usually desirable to use a refrigerant whose critical temperature is at least 20-30K higher than the condensation temperature. Typically critical approximate temperatures are avoided in the design and operation of conventional systems.

이 기술은 문헌중, 예컨대 미국의 가열, 냉동 및 공기조화 기술자 협회 핸드북, 기초 1989 및 냉동 1986(Handbooks of American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc., Fundamentals 1989 and Refrigeration 1986)에 있어서 상세하게 기재되어 있다.This technique is described in detail in the literature, for example in the Handbooks of American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc., Fundamentals 1989 and Refrigeration 1986. It is described.

오늘날 일반적인 냉매[할로카본(halocarbons)]의 오존 파괴 작용에 의해, 이들 냉매의 이용을 축소하거나 제한하는 강력한 국제적 활동을 초래하기에 이르렀으며, 그 결과, 현행기술의 대체기술을 찾아내는 것이 절실한 요구사항이 되고 있다.The ozone depletion of today's common refrigerants (halocarbons) has led to strong international action to reduce or limit the use of these refrigerants, and as a result, there is an urgent need to find alternatives to current technologies. It is becoming.

통상의 증기압축 사이클장치의 용량제어는 주로, 증발기를 통과하는 냉매의 질량유량을 조정함으로써 달성되며, 이는 예컨대 압축기 용량을 스로틀 제어하거나 또는 바이패스 조작함으로써 행해진다. 이들 방법은 더욱 복잡해진 흐름회로, 추가장비나 부속품의 필요성, 부분부하 효율의 저하 및 다른 복잡성 등의 문제가 포함된다.The capacity control of a conventional vapor compression cycle apparatus is mainly achieved by adjusting the mass flow rate of the refrigerant passing through the evaporator, which is done, for example, by throttle control or bypass operation of the compressor capacity. These methods include issues such as more complex flow circuits, the need for additional equipment or accessories, reduced partial load efficiency, and other complexity.

유체 조절장치의 통상 타입은 온도식(thermostatic) 팽창밸브이며, 이것은 증발기 유출구에서의 과열에 의해 제어된다. 작동 조건의 변동에 따르는 적절한 밸브작동은 냉매를 과열시키기 위해 상당한 부분의 증발기를 이용함으로써 달성되며, 그 결과, 열전달계수가 저하하게 된다.A common type of fluid regulator is a thermostatic expansion valve, which is controlled by overheating at the evaporator outlet. Proper valve actuation with variations in operating conditions is achieved by using a substantial portion of the evaporator to overheat the refrigerant, resulting in a lower heat transfer coefficient.

더욱이, 종래의 증기압축 사이클장치의 응축기에 있어서의 열배제(heat rejection)는 주로 일정 온도에서 발생되므로, 열역학적 손실은 열펌프 적용시에 있어서와 같이 큰 온도증가에 의해 2차 냉각재로 열을 부여할때 또는 유용한 2차 냉각재 유량이 작을 때에는, 큰 온도차에 기인하여 발생한다.Moreover, since heat rejection in the condenser of the conventional steam compression cycle apparatus is mainly generated at a constant temperature, the thermodynamic loss imparts heat to the secondary coolant by a large temperature increase as in the heat pump application. When or when the useful secondary coolant flow rate is small, it occurs due to a large temperature difference.

예전에는 트랜스-임계 조건에 있어서의 증기압축 사이클의 작동이 어느 정도는 실행되고 있었다. 40∼50년전 할로카본이 이용되게 되었을 때까지는 CO2가 식량 및 화물용 선박냉동에 있어서, 냉매로서 일반적으로 이용되고 있었다. 그 시스템은 증발 및 응축에 의해 통상은 임계압력 미만에서 운전되도록 설계되어 있었다. 일반적으로는 선박이 열대지역을 통과하는 경우, 냉각용 해수온도는 너무 높아, 정상으로 응축될 수 없어서, 장치는 하이-사이드(high-side)에서 초임계(super-critical)조건으로 작동되는 일이 있었다(CO2에 대한 임계온도∼31℃). 이 상태에서, 냉동용량을 합리적인 수위로 유지하기 위해서 압축기의 유출부에 있어서의 압력이 90∼100bar로 상승되는 포인트까지 하이-사이드에서의 냉매의 충전량을 증대시키드록 실시되었다. CO2에 의한 냉동기술은 고전적 문헌 예컨대, P. Ostertag의 「냉동처리(Kalteprozesse)」(Springer 1933년 발행), 또는 H.J. MacIntire의 「냉동공학」(Wiley 1973년 발행)에 기재되어 있다.In the past, some operations of steam compression cycles under trans-critical conditions were carried out. Until halocarbon became available 40 to 50 years ago, CO 2 was generally used as a refrigerant in food and cargo ship refrigeration. The system was designed to operate normally below the critical pressure by evaporation and condensation. In general, when a vessel passes through a tropical region, the cooling sea water temperature is too high to condense to normal, so that the device operates in high-side super-critical conditions. There was (critical temperature to 31 ° C. for CO 2 ). In this state, in order to maintain the refrigeration capacity at a reasonable level, the filling amount of the refrigerant at the high-side was increased to the point where the pressure at the outlet of the compressor is increased to 90 to 100 bar. Refrigeration techniques by CO 2 are described in classical literature such as "Kalteprozesse" (Springer 1933) by P. Ostertag, or "Refrigeration Engineering" (Hiley 1973) by HJ MacIntire.

종래의 CO2시스템에 있어서의 통상의 실시관행은 별개의 저장 실린더로부터 필요한 특별한 충전량을 추가하는 것이었다. 통상의 방법에 있어서 응축기 다음에 장착되는 리시버는 본 발명이 의도하고 있는 기능을 제공할 수는 없다.A common practice in conventional CO 2 systems has been to add the special filling required from a separate storage cylinder. In a conventional method, a receiver mounted after the condenser may not provide the functionality intended by the present invention.

초임계 하이-사이드 압력에서 작동되는, 소정의 증기압축 사이클장치의 용량 및 효융을 증대시키는 다른방법은, 독일 특허 제278095호(1912년) 명세서에서 공지되어 있다. 이 방법은 초임계 영역에서 중간냉각을 행하는 2-단계 압축을 포함한다. 표준 시스템에 비교하여, 이것은 추가적인 압축기 또는 펌프 및 열교환기의 장착을 필요로 한다.Another method of increasing the capacity and efficiency of a given steam compression cycler, operating at supercritical high-side pressures, is known from the specification of German Patent No. 278095 (1912). This method involves two-stage compression with intermediate cooling in the supercritical region. Compared to standard systems, this requires the installation of additional compressors or pumps and heat exchangers.

W.B Gosney의「냉동이론(Principles of Refrigeration)」(캠브리지대학 1982년 발행)에서는 임계 근사 압력 작동의 몇가지 특성을 나타내고 있다. 여기에서 시사하는 것은, 고압측에 있어서의 냉매 충전량의 증대는 팽창밸브를 일시적으로 차단하고 증발기로부터 어느 정도의 충전량을 이전함으로써 달성될 수 있다는 것이다. 그러나, 이것은 증발기의 액체를 부족하게 하여, 가장 요망되는 시점에서의 용량을 저하시키는 원인이 된다.W.B Gosney's The Principles of Refrigeration (University of Cambridge, 1982) presents some characteristics of critical approximate pressure operation. The implication here is that an increase in the refrigerant charge on the high pressure side can be achieved by temporarily shutting off the expansion valve and transferring some charge from the evaporator. However, this causes a lack of liquid in the evaporator, which causes a decrease in capacity at the most desirable time.

이산화탄소를 냉매로 하여 증기압축 사이클의 하이사이드에서 초임계 압력으로 하는 것도 생각되었지만, 그 냉동 용량의 조정에 관한 아무런 해결책을 찾아낼 수 없었고, 구체화된 일도 없었다.Although it was conceivable to use carbon dioxide as a refrigerant to achieve supercritical pressure at the high side of the vapor compression cycle, no solution could be found for adjusting the refrigeration capacity, and nothing was specified.

[발명의 목적][Purpose of invention]

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술에 있어서의 전술한 문제점 및 불이익을 피하는 동시에, 트랜스-임계 증기압축 사이클장치의 용량을 조정 및 제어할 수 있는 신규의 개량되고 간단하며 효율적인 수단을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel, improved, simple and efficient means capable of adjusting and controlling the capacity of a trans-critical vapor compression cycle apparatus while avoiding the above-mentioned problems and disadvantages in the prior art.

본 발명의 다른 목적은 CFC 냉매의 이용을 피하는 동시에 안전성, 환경 위험요소 및 가격에 있어서 양호한 몇가지의 냉매를 적용할 수 있는, 증기압축 사이클을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a vapor compression cycle, which avoids the use of CFC refrigerants and can apply several refrigerants which are good for safety, environmental hazards and cost.

본 발명의 또 다른 목적은 주로 일정한 냉매의 질량유량에 있어서의 운전 및 밸브조작에 의한 간단한 용량조정을 포함하는, 신규의 용량 제어방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a novel capacity control method, which mainly includes operation at a constant mass flow rate of refrigerant and simple capacity adjustment by valve operation.

더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은 글라이딩 온도(gliding temperature)에 있어서 열을 배제(rejecting)하는 사이클을 제공하고, 2차 냉각재 유량이 작은 경우, 혹은 2차 냉각재가 비교적 고온에서 가열될 때, 열교환 손실을 저감하는 데에 있다.Moreover, another object of the present invention is to provide a cycle for rejecting heat at the gliding temperature, and when the secondary coolant flow rate is small, or when the secondary coolant is heated at a relatively high temperature, heat exchange To reduce the loss.

[발명의 개요][Overview of invention]

본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적들은 장치의 냉동 및 가열용량을 제어함에 있어서, 초임계 상태에서의 열역학적 성질들이 이용되도록 한, 트랜스-임계조건[즉, 초임계 하이사이드 압력, 입계미만 로우사이드(low-side)압력)에 있어서 통상적으로 작동되는 방법을 제공함으로써 달성된다.The above and other objects of the present invention are directed to trans-critical conditions (ie supercritical highside pressure, sub-threshold low) in which thermodynamic properties in the supercritical state are utilized in controlling the refrigeration and heating capacity of the device. By providing a method that is typically operated at low-side pressure.

본 발명은 용량제어를 위한 스로틀조작(throttling)전의 압력 및/또는 온도의 계획적인 이용에 의한 증발기 유입구에 있어서의 비엔탈피(specific enthalpy)의 조정을 포함한다. 용량은 증발기에서의 냉매의 엔탈피 차이를 변동시킴으로써 그리고 스로틀 조작전의 냉매의 비엔탈피를 변화시킴으로써 제어된다. 이것은 초임계 상태에 있어서는 압력 및 온도를 독립적으로 변화시킴으로써 실시될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 이 비엔탈피의 조정은 스로틀 조작전에 압력을 변화시킴으로써 실시된다. 냉매는 가능한 한 유효한 냉각 매체에 의해 냉각되고, 또 압력은 필요한 엔탈피를 부여하도록 조정된다. 다른 실시예는 스로틀 조작전에 냉매 온도의 변화에 의한 엔탈피의 조정을 포함하며, 이는 장치로부터의 열배제를 제어함으로써 행해진다.The present invention involves the adjustment of specific enthalpy at the evaporator inlet by the deliberate use of pressure and / or temperature before throttling for capacity control. The capacity is controlled by varying the enthalpy difference of the refrigerant in the evaporator and by changing the specific enthalpy of the refrigerant before the throttle operation. This can be done by varying the pressure and temperature independently in the supercritical state. In a preferred embodiment, this specific enthalpy is adjusted by changing the pressure before the throttle operation. The refrigerant is cooled by the effective cooling medium as much as possible, and the pressure is adjusted to give the required enthalpy. Another embodiment includes adjusting the enthalpy by changing the refrigerant temperature prior to the throttle operation, which is done by controlling heat removal from the device.

이하, 본 발명에 대해서 첨부도면 제1도∼제8도를 참조하여 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail with reference to FIGS. 1-8.

[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention

본 발명에 따르는 트랜스-임계 증기압축 사이클장치는 임계온도가 열유입구 온도와 열유출구의 평균온도사이에 있는 냉매 및 냉매가 순환되는 작동유체 폐회로를 포함한다.The trans-critical steam compression cycle apparatus according to the present invention includes a refrigerant in which the critical temperature is between the heat inlet temperature and the average temperature of the heat outlet and the working fluid closed circuit in which the refrigerant is circulated.

적절한 작동유체로는 예컨대, 에틸렌(C2H4), 디보란(B2H6), 이산화탄소(CO2), 에탄(C2H6) 및 산화질소(N2O)등이 있다.Suitable working fluids include, for example, ethylene (C 2 H 4 ), diborane (B 2 H 6 ), carbon dioxide (CO 2 ), ethane (C 2 H 6 ), and nitrogen oxides (N 2 O).

작동유체 폐회로는 일체형 저장 세그먼트(segment)를 구비하는 냉매 흐름 루프로 구성되어 있다. 제2도는 저장 세그먼트가 증발기 시스템의 일체 부분인 본 발명의 바람직한 실시예)를 나타낸다. 흐름 회로는 열교환기(11)에 직렬 연결되는 압축기(10)와, 대향류(對向流 : counter flow) 열교환기(12)와, 스로틀 밸브(13)를 포함한다. 스로틀 밸브는 임의의 팽창 장치로 대체될 수 있다. 증발 열교환기(14)와, 액체분리기/리시버(16)와, 대향류 열교환기(12)의 저압축이 스로틀 밸브(13)와 압축기(10)의 유입구(19)의 중간에 유통가능하게 연결되어 있다. 액체 리시버(16)는 증발기 유출구(15)에 연결되고, 또 리시버(16)의 가스상 유출구는 대향류 열교환기(12)에 연결되어 있다.The working fluid closed circuit consists of a refrigerant flow loop with an integral storage segment. 2 shows a preferred embodiment of the invention in which the storage segment is an integral part of the evaporator system. The flow circuit includes a compressor 10 connected in series with the heat exchanger 11, a counter flow heat exchanger 12, and a throttle valve 13. The throttle valve can be replaced with any expansion device. Low compression of the evaporative heat exchanger 14, the liquid separator / receiver 16, and the counterflow heat exchanger 12 is circulated between the throttle valve 13 and the inlet 19 of the compressor 10. It is. The liquid receiver 16 is connected to the evaporator outlet 15 and the gaseous outlet of the receiver 16 is connected to the counterflow heat exchanger 12.

대향류 열교환기(12)는 본 장치의 기능을 달성하기 위해서 절대적으로 필요한 것은 아니지만, 그 효율을 증대시키고 특히 용량증대 요건에 대한 응답속도를 증대시키며 또한, 오일을 압축기로 되돌리는 작용도 한다. 이를 위해 리시버(16)로부터의 액상 라인(제2도의 점선)은 대향류 열교환기(12)의 앞인 점(17)에 있어서, 또는 그 뒤인 점(18)에 있어서, 또는 이들 점사이의 임의의 위치에 있어서 흡인 라인에 연결된다. 액체유량, 즉, 냉매 및 오일은 적절한 통상의 액체유량 제어장치(도시하지 않음)에 의해 제어된다. 소정의 과잉액체냉매를 증기라인에 유입시킴으로써, 증발기 유출구에 있어서의 액체 과잉상태가 달성된다.The counterflow heat exchanger 12 is not absolutely necessary to achieve the function of the apparatus, but increases its efficiency, in particular its response to increasing capacity requirements, and also serves to return oil to the compressor. To this end, the liquid line from the receiver 16 (dotted line in FIG. 2) is at point 17 in front of or opposite to the counterflow heat exchanger 12, or any point between these points. In position it is connected to the suction line. The liquid flow rate, i.e., the refrigerant and the oil, is controlled by a suitable conventional liquid flow rate controller (not shown). By introducing a predetermined excess liquid refrigerant into the steam line, a liquid excess at the evaporator outlet is achieved.

제3도에는 본 발명의 제2실시예를 도시하였는데, 작동 유체 회로의 저장 세그먼트는 밸브(21) 및 스로틀 밸브(13)사이에서, 흐름회로에 통합된 리시버(22)를 포함한다. 유동 회로의 다른 구성요소(10∼14)는 상기 실시예에 있어서의 요소와 동일하지만, 열교환기(12)는 어떠한 중대한 결과를 가져오지 않고도 생략할수 있다. 리시버(22)내의 압력은 흐름회로의 하이사이드 압력 및 로우사이드(low side) 압력의 중간으로유지된다.3 shows a second embodiment of the invention, wherein the storage segment of the working fluid circuit comprises a receiver 22 integrated in the flow circuit, between the valve 21 and the throttle valve 13. The other components 10-14 of the flow circuit are the same as in the above embodiment, but the heat exchanger 12 can be omitted without producing any significant consequences. The pressure in the receiver 22 is maintained in the middle of the high side pressure and the low side pressure of the flow circuit.

제4도에는 본 발명의 제3실시예를 도시하였는데, 작동 유체 회로의 저장 세그먼트는, 압력이 흐름 회로의 하이사이드 압력과 로우사이드 압력 사이로 유지되는 특수한 리시버(25)를 포함한다. 또한, 저장 세그먼트는 흐름 회로의 고압부 및 저압부에 각각 연결되는 밸브(23) 및 밸브(24)를 구비한다.4 shows a third embodiment of the present invention wherein the storage segment of the working fluid circuit comprises a special receiver 25 in which the pressure is maintained between the high side pressure and the low side pressure of the flow circuit. The storage segment also has a valve 23 and a valve 24 connected to the high and low pressure portions of the flow circuit, respectively.

작용에 대해 설명한다. 냉매는 압축기(10)에서 적절한 초임계압력까지 압축되고, 압축기 유출구(20)는 제5도에서 상태 a로서 도시된다. 냉매는 열교환기(11)를 통해 순환되고 거기서 상태 b로 냉각되며, 열을 적절한 냉각재, 예컨대 냉각공기 또는 물로 방출한다. 필요하다면 냉매는 상태 d로 스로틀 조작되기 전에, 내향류 열교환기(12)에서 상태 c로 더욱 냉각될 수도 있다. 스로틀 밸브(13)에서의 압력저하에 의해, 제3도에 상태 d로서 나타낸 바와 같이, 가스/액체의 2-상 혼합물이 형성된다. 냉매는 증발 열교환기(14)에 있어서 액상의 증발에 의해 열을 흡수한다. 증발기 유출구에 있어서의 상태 e로부터 냉매의 증기는 압축기유입구(19)로 유입되기 전에, 대향류 열교환기(12)에서 상대 f까지 과열될 수도 있으며, 압축기 유입구(19)로의 유입에 의해 사이클이 완성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 제2도에 나타내는 것과 같이, 증발기 유출구의 상태 e는 증발기 유출구에 있어서의 액체 과잉상태에 의해, 2상 영역상태에 있게 된다.Explain the action. The refrigerant is compressed in the compressor 10 to an appropriate supercritical pressure, and the compressor outlet 20 is shown as state a in FIG. The refrigerant is circulated through the heat exchanger 11 and cooled there to state b, releasing heat into a suitable coolant, such as cooling air or water. If desired, the refrigerant may be further cooled to state c in inward heat exchanger 12 before throttled to state d. Due to the pressure drop in the throttle valve 13, as shown in FIG. 3 as state d, a two-phase mixture of gas / liquid is formed. The refrigerant absorbs heat by evaporation of the liquid phase in the evaporation heat exchanger (14). From the state e at the evaporator outlet, the vapor of the refrigerant may be superheated from the counterflow heat exchanger 12 to the relative f before entering the compressor inlet 19, and the cycle is completed by the inlet to the compressor inlet 19. do. In the preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the state e of the evaporator outlet is in the two-phase region state due to the excess liquid state at the evaporator outlet.

트랜스-임계 사이클장치의 용량의 조정은 증발기 유입구, 즉 제5도의 점 d에 있어서의 냉매의 상태를 변화시킴으로써 달성된다. 냉매의 단위 질량 유량당 냉동용량, 즉 소정의 냉동 용량은 상태 d 및 상태 e사이의 엔탈피 차이에 해당한다. 이 엔탈피 차는 제5도에 있어서, 엔탈피-압력선도의 수평길이로서 나타내어져 있다.Adjustment of the capacity of the trans-critical cycler is achieved by changing the state of the refrigerant at the evaporator inlet, i.e. point d in FIG. The freezing capacity per unit mass flow rate of the refrigerant, ie the predetermined freezing capacity, corresponds to the enthalpy difference between states d and e. This enthalpy difference is shown in FIG. 5 as the horizontal length of the enthalpy-pressure plot.

스로틀조작은 등엔탈피 과정이므로, 점 d에 있어서의 엔탈피는 점 c에 있어서의 엔탈피와 동일하다. 그결과, 일정 냉매 질량 유량에서의 냉동 용량(kW)은 점 c에 있어서의 엔탈피를 변화시킴으로써 제어될 수있다.Since the throttle operation is an enthalpy process, the enthalpy at point d is the same as the enthalpy at point c. As a result, the refrigeration capacity kW at a constant refrigerant mass flow rate can be controlled by changing the enthalpy at point c.

트랜스-임계 사이클에 있어서 주목해야 할 것은, 고압 단상(single phase)의 냉매 증기가 응축되지는 않지만, 열교환기(11)에 있어서 온도가 저하되는 데에 주목해야 한다. 열교환기(점 b)에서의 냉매의 최종온도는, 대향류가 이용되는 경우, 유입 냉각 공기의 온도 또는 수온보다 몇도 높다. 그리고 고압 증기는 대향류 열교환기(12)에 있어서, 몇도 낮은 점 c까지 냉각될 수 있다. 그러나, 일정한 냉각 공기 또는 물 유입온도에 있어서, 점 c에서의 온도는 하이사이드에 있어서의 압력 수위와는 관계없이 주로 일정하게 된다.Note that in the trans-critical cycle, it should be noted that the refrigerant vapor in the high pressure single phase does not condense, but the temperature drops in the heat exchanger 11. The final temperature of the refrigerant in the heat exchanger (point b) is several degrees higher than the temperature of the inlet cooling air or the water temperature when the counterflow is used. And the high pressure steam can be cooled to a few degrees lower point c in the counterflow heat exchanger 12. However, at a constant cooling air or water inlet temperature, the temperature at point c becomes mostly constant irrespective of the pressure level at the high side.

따라서, 장치 용량의 조정은 점 c에 있어서의 온도가 거의 일정한 상태에서 하이사이드에 있어서의 압력을 변화시킴으로써 달성된다. 임계점 근방에서의 등온선의 곡률은 제5도에 도시한 바와 같이, 압력에 의한 엔탈피의 변화를 가져온다. 제5도는 기준 사이클(a-b-c-d-e-f), 하이사이드 압력이 저하됨에 의한 감소된 용량의 사이클(a'-b'-c'-d'-e-f) 및 하이사이드에 있어서의 고압에 의한 증가된 용량의 사이클(a-b-c-d-e-f)을 나타내고 있다. 증발기압력은 일정하다고 가정된다.Therefore, adjustment of the device capacity is achieved by changing the pressure at the high side in a state where the temperature at point c is almost constant. The curvature of the isotherm near the critical point causes a change in enthalpy due to pressure, as shown in FIG. 5 shows a reference cycle (abcdef), reduced capacity cycle (a'-b'-c'-d'-ef) due to lowering the high side pressure, and increased capacity cycle due to high pressure at the high side. (abcdef) is shown. The evaporator pressure is assumed to be constant.

고압측(고압사이드)의 압력은 고압측이 단상 유체로 충전되어 있으므로, 온도와는 관계가 없다. 압력을 변화시키려면 하이사이드에 있어서의 냉매의 질량을 변동시키는 것, 즉, 하이사이드에 있어서의 순간적인 냉매 충전량의 소정량을, 추가 또는 제거할 필요가 있다. 이들의 변화는 액체의 오버플로우(overflow) 또는 증발기의 건조화를 피하기 위해서 완충장치에 의해 처리되어야만 한다.The pressure on the high pressure side (high pressure side) is independent of temperature because the high pressure side is filled with single phase fluid. In order to change the pressure, it is necessary to change the mass of the refrigerant on the high side, that is, to add or remove a predetermined amount of the instantaneous refrigerant charge amount on the high side. These changes must be handled by a buffer to avoid overflow of the liquid or drying of the evaporator.

제2도에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 하이사이드의 냉매질량은 스로틀 밸브(13)의 열림정도를 일시적으로 감소시킴으로써 증대될 수 있다. 증발기로의 부수적으로 감소되는 냉매 유량에 의해, 증발기 유출구(15)에 있어서의 잉여 액체량은 감소된다. 그러나, 리시버(16)로부터 흡인 라인으로 흐르는 액체 냉매 유량은 일정하다. 그 결과, 리시버에 유입 및 그로부터 유출하는 액체 유량간의 균형은 변화되고, 따라서 리시버의 액체 함량(재고량)은 감소되며, 이에 대응하여 흐름 회로의 고압사이드에서 냉매가 축적된다.In the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the refrigerant mass of the high side can be increased by temporarily decreasing the opening degree of the throttle valve 13. Due to the incidentally reduced refrigerant flow rate to the evaporator, the amount of excess liquid at the evaporator outlet 15 is reduced. However, the liquid refrigerant flow rate flowing from the receiver 16 to the suction line is constant. As a result, the balance between the flow rate of the liquid into and out of the receiver is changed, so that the liquid content (inventory amount) of the receiver is reduced, and correspondingly the refrigerant accumulates at the high pressure side of the flow circuit.

하이사이드의 냉매 충전량의 증대는 압력을 증가시키고, 따라서 냉동 용량의 증대를 동반한다. 이 회로의 저압사이드로부터 고압사이드로의 질량 이송은 냉동 용량과 부하 사이에 균형이 발전될 때까지 계속된다.Increasing the refrigerant charge on the high side increases the pressure, thus accompanied by an increase in refrigeration capacity. Mass transfer from the low pressure side to the high pressure side of this circuit continues until a balance develops between the refrigeration capacity and the load.

냉매의 증발량은 거의 일정하므로, 스로틀 밸브(13)의 개방에 의해 증발기 유출구(15)에 있어서의 잉여액체량이 증대된다. 리시버로 유입되는 액체 유량과, 리시버로부터 흡인 라인으로의 유체 유량과의 차가 축적된다. 그 결과, 냉매 충전량이 흐름 회로의 하이사이드로부터 로우사이드로 이송되어, 리시버에서 액체상태로 저장되고, 하이사이드 충전량이 감소된다. 하이사이드 충전량의 감소, 따라서 압력을 감소시킴으로써, 장치의 용량은 균형을 찾을 때까지 감소된다.Since the amount of evaporation of the refrigerant is almost constant, the amount of excess liquid at the evaporator outlet 15 is increased by opening the throttle valve 13. The difference between the liquid flow rate flowing into the receiver and the fluid flow rate from the receiver to the suction line is accumulated. As a result, the refrigerant charge amount is transferred from the high side to the low side of the flow circuit, stored in the liquid state at the receiver, and the high side charge amount is reduced. By reducing the high side charge, and thus reducing the pressure, the capacity of the device is reduced until a balance is found.

또한, 리시버로부터 압축기 흡인 라인으로의 어느 정도의 액체이송이, 리시버의 액상에서의 윤활제의 축적을 피하기 위해 필요하게 된다.In addition, some amount of liquid transfer from the receiver to the compressor suction line is necessary to avoid the accumulation of lubricant in the liquid phase of the receiver.

제3도에 도시한 본 발명의 제2실시예에 있어서, 하이사이드에서 냉매질량은 증발기로의 충분한 액체 유량을 제공하기 위해서 밸브(21)의 차단 및 스로틀 밸브(13)의 조정을 동시에 행함으로써 증대될 수 있다. 이는 하이사이드로부터 밸브(21)를 매개로 리시버로의 냉매의 유량을 감소시키고, 그 경우, 냉매 질량이 압축기에 의해 로우사이드로부터 하이사이드로 이송된다.In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the refrigerant mass at the high side is controlled by simultaneously shutting off the valve 21 and adjusting the throttle valve 13 to provide a sufficient liquid flow rate to the evaporator. Can be increased. This reduces the flow rate of the refrigerant from the high side to the receiver via the valve 21, in which case the refrigerant mass is transferred from the low side to the high side by the compressor.

하이사이드 충전량의 감소는, 스로틀 밸브(13)를 통과하는 유량을 거의 일정하게 유지하면서 밸브(21)를 개방함으로써 달성된다. 이는 질량을 흐름 회로의 하이사이드로부터 리시버(22)로 이송시킨다.Reduction of the high side filling amount is achieved by opening the valve 21 while maintaining a substantially constant flow rate through the throttle valve 13. This transfers the mass from the high side of the flow circuit to the receiver 22.

제4도에 도시한 본 발명의 제3실시예에 있어서, 하이사이드의 냉매질량은 밸브(24)를 개방하고, 동시에 스로틀 밸브(13)를 통과하는 유량을 감소시킴으로써 증대될 수 있다. 이로써, 냉매 충전량은 스로틀 밸브(13)를 통과하는 유량의 감소에 의해, 고압사이드에 축적된다. 증발기로의 충분한 액체 흐름은 밸브(24)를 개방함으로써 얻어진다.In the third embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the refrigerant mass of the high side can be increased by opening the valve 24 and simultaneously reducing the flow rate through the throttle valve 13. As a result, the refrigerant charge amount is accumulated in the high pressure side by the decrease in the flow rate passing through the throttle valve 13. Sufficient liquid flow to the evaporator is obtained by opening the valve 24.

하이사이드 충전량의 감소는 냉매 충전량의 소정량을 하이사이드에서 리시버로 이송하기 위해 밸브(23)를 개방함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 장치의 용량제어는 밸브(23) 및 밸브(24)를 조정하는 동시에, 스로틀 밸브(13)를 조작함으로써 성취될 수 있다.Reduction of the high side charge amount can be achieved by opening the valve 23 to transfer a predetermined amount of refrigerant charge amount from the high side to the receiver. Thus, capacity control of the device can be achieved by operating the throttle valve 13 while adjusting the valve 23 and the valve 24.

제2도에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예는 만일 밸브만의 조작에 의해 용량제어가 행해지는 간단하다는 이점을 지니고 있다. 더욱이, 본 실시예에 의해 조립된 트랜스-임계 증기압축 사이클장치는 하이사이드의 냉매 충전량, 따라서 냉각 용량의 변화를 동반하는 리시버(16)의 액체 함량의 변화에 의해서 냉각 부하의 변동에 적응할 수 있도록 함으로써, 어느 정도의 자체 조정용량을 지닌다. 더욱이, 증발기 유출구에서 잉여 액체가 있게 되는 작동에 의해 바람직한 열전달 특성이 부여된다.The preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has the advantage that the capacity control is simple if the valve alone is operated. Moreover, the trans-critical vapor compression cycle apparatus assembled according to the present embodiment is adapted to adapt to fluctuations in the cooling load by a change in the liquid content of the receiver 16 accompanied by a change in the refrigerant charge amount on the high side, and thus the cooling capacity. Thus, it has a certain self adjusting capacity. Moreover, the desired heat transfer properties are imparted by the operation of having excess liquid at the evaporator outlet.

제3도에 도시한 제2실시예는 밸브 조작이 단순하다는 이점을 지닌다. 단지 밸브(21)만으로 장치의 하이사이드의 압력을 조정하고, 스로틀 밸브(13)만으로 증발기에의 충분한 공급이 확보된다. 따라서, 통상의 온도식 밸브가 스로틀 조작을 위해 이용된다. 압축기로의 오일의 복귀는 냉매를 리시버를 통해 유동시킴으로써 용이하게 달성된다. 그러나, 이 실시예는 임계압력보다 낮은 하이사이드압력에 있어서는 용량제어기능을 부여하지 않는다. 리시버(22)의 용적은 단자 유출 압력 및 액체라인 압력사이에서 운전될 뿐이므로, 비교적 크게 되어야 한다.The second embodiment shown in FIG. 3 has the advantage of simple valve operation. Only the valve 21 adjusts the pressure of the high side of the apparatus, and the throttle valve 13 alone ensures sufficient supply to the evaporator. Thus, conventional thermostatic valves are used for throttle operation. The return of oil to the compressor is easily accomplished by flowing the refrigerant through the receiver. However, this embodiment does not impart a capacity control function at high side pressures lower than the critical pressure. The volume of the receiver 22 only needs to be relatively large since it only runs between the terminal outlet pressure and the liquid line pressure.

제4도에 도시한 또 다른 실시예는, 안정 상태에서 작동될때, 통상의 증기압축 사이클장치로서 작동된다고 하는 이점을 갖는다. 리시버(25)를 흐름 회로에 연결하는 밸브(23) 및 밸브(24)는 단지 용량 제어중에만 작동된다. 이 실시예는 용량변화중, 3개의 상이한 밸브의 사용을 필요로 한다.Yet another embodiment, shown in FIG. 4, has the advantage that when operated in a steady state, it is operated as a conventional vapor compression cycle apparatus. The valve 23 and the valve 24 connecting the receiver 25 to the flow circuit are only operated during capacity control. This embodiment requires the use of three different valves during capacity change.

후자의 2개의 실시예는 제1의 바람직한 실시예와 비교했을때, 리시버의 압력이 높다고 하는 결점을 갖는다. 그러나, 설계 특성 및 운전 특성에 관한 개개의 시스템 사이의 차이는 그다지 중요한 것은 아니다.The latter two embodiments have the drawback that the pressure of the receiver is high when compared with the first preferred embodiment. However, the differences between the individual systems in terms of design and operating characteristics are not very important.

이제까지 설명한 실시예들에 의해 조립된 트랜스-임계 증기압축 사이클장치는 여러 분야에 적용될 수 있다. 그 기술은 소형 및 중형의 고정식 공기조화 유니트(에어콘 장치)나 가동식 공기조화 유니트, 소형 및 중형 냉동기/냉장장치, 소형 가열 펌프·유니트에 있어서 매우 적합하다. 가장 유망한 적용예의 하나는 자동차용 공기조화장치에 있어서이며, 거기에서는 R12 시스템과 대체할 수 있는, 신규의 비(非)CFC성의 경량이며 효율적인 것을 긴급하게 필요로 하고 있다.The trans-critical vapor compression cycle apparatus assembled by the embodiments described so far may be applied to various fields. The technology is well suited for small and medium-sized fixed air conditioning units (air-con units), movable air-conditioning units, small and medium-sized refrigerators / refrigerators, small heat pumps and units. One of the most promising applications is in automotive air conditioners, where there is an urgent need for new, non-CFC, lightweight and efficient alternatives to R12 systems.

본 발명의 전술한 실시예들은 단지 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 한편, 하이사이드 압력을 주로 일정하게 유지하는 동시에, 스로틀 조작하기 전(상태 c)의 냉매온도를, 냉각공기 또는 물의 순환속도 즉 유량을 변동시켜 조정함으로써 트랜스-임계 사이클장치의 용량의 제어가 가능하다는 것도 알 수 있을 것이다. 냉각 유체, 즉 공기 또는 물의 유량을 감소시킴으로써 스로틀 조작전의 온도는 증대되고, 용량은 저하될 것이다. 냉각 유체의 유량이 증대하면, 스로틀 조작전의 온도가 저하되고, 따라서 장치의 용량이 증대될 것이다. 또한, 압력 및 온도제어를 조합하는 것도 가능하다.The above-described embodiments of the present invention are merely illustrative, and do not limit the present invention. On the other hand, it is possible to control the capacity of the trans-critical cycle apparatus by maintaining the high side pressure mainly constant and adjusting the refrigerant temperature before the throttle operation (state c) by varying the circulation speed of cooling air or water, that is, the flow rate. You can also see that. By reducing the flow rate of the cooling fluid, ie air or water, the temperature before the throttle operation will increase and the capacity will decrease. Increasing the flow rate of the cooling fluid will lower the temperature before the throttle operation, thus increasing the capacity of the device. It is also possible to combine pressure and temperature control.

실시예들(Examples)Examples

냉동 또는 열 펌프에 대한 본 발명의 실제적 적용은, 이산화탄소(CO2)를 냉매로 사용하고 제2도에 도시한 본 발명의 실시예에 따라 조립한 트랜스-임계 증기압축 사이클장치로부터 실험 결과를 얻은, 뒤따르는 실시예들로 설명한다.Practical application of the present invention to refrigeration or heat pumps has obtained experimental results from a trans-critical vapor compression cycle apparatus assembled with carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant and assembled according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It will be described in the following embodiments.

연구실 실험 시스템은 열원으로서 물을 사용하는데, 즉 물은 증발기(14)에서 비등 CO2와 열교환을 함으로써 냉각된다. 물은 또한 냉각재로서도 사용되며, 열교환기(11)에서 CO2에 의해 가열된다. 실험 시스템은 61ccm 왕복동 압축기(10)와 총 용적이 4ℓ인 리시버(16)를 포함한다. 또한 시스템은 제2도에 도시한 바와같이, 리시버로부터 점(17)까지의 액체 라인 연결부 및 대향류 열교환기(12)를 포함한다. 스로틀 밸브(13)는 수동으로 작동된다.The laboratory experimental system uses water as the heat source, ie the water is cooled by heat exchange with boiling CO 2 in the evaporator 14. Water is also used as coolant and is heated by CO 2 in heat exchanger (11). The experimental system includes a 61 ccm reciprocating compressor 10 and a receiver 16 with a total volume of 4 liters. The system also includes a counterflow heat exchanger 12 and a liquid line connection from the receiver to point 17, as shown in FIG. The throttle valve 13 is operated manually.

실예1Example 1

이 실예는 스로틀 밸브(13)의 위치(개방도)를 변화시킴으로써 그리고 이로 인해 흐름 회로의 하이사이드에서의 압력을 변화시킴에 의해 냉동 용량이 어떻게 제어되는가를 보여준다. 하이사이드 압력의 변화에 의해 증발기 유입구에서 냉매의 비엔탈피가 제어되고 결과적으로 일정 질량 유량에서의 냉동 용량이 조정된다.This example shows how the refrigeration capacity is controlled by changing the position (openness) of the throttle valve 13 and thereby changing the pressure at the high side of the flow circuit. The change in high side pressure controls the specific enthalpy of the refrigerant at the evaporator inlet and consequently the refrigeration capacity at a constant mass flow rate.

증발기(14)에 대한 물 유입구 온도는 20℃에서 일정하게 유지되고, 열교환기(11)에 대한 물 유입구 온도는 35℃로 일정하게 유지된다. 물의 순환은 증발기(14)와 열교환기(11) 모두에서 일정하게 유지된다. 압축기는 일정 속도로 작동한다.The water inlet temperature for the evaporator 14 is kept constant at 20 ° C and the water inlet temperature for the heat exchanger 11 is kept constant at 35 ° C. The circulation of water is kept constant in both the evaporator 14 and the heat exchanger 11. The compressor runs at a constant speed.

제6도는 스로틀 밸브(13)가 도면의 상부에 도시한 바와 같이 작동될때, 냉동 용량(Q)의 변동, 압축기의 축일량(w), 하이사이드 압력(PH), CO2질량 유량(m), 증발기 출구에서의 CO2온도(Te), 열교환기(11)출구에서의 CO2온도(Tb) 및 리시버내의 액체 수위(h)를 나타낸다. 스로틀 밸브 위치의 조정은 단지 수동조작에 의한다.6 shows the fluctuation of the refrigerating capacity Q, the axial load of the compressor, the high side pressure PH and the CO 2 mass flow rate m when the throttle valve 13 is operated as shown in the upper part of the figure. indicates the liquid level (h) in the CO 2 temperature (Tb) and the receiver in the CO 2 temperature (Te), the heat exchanger 11, the outlet of the evaporator outlet. Adjustment of the throttle valve position is by manual operation only.

도면에 도시한 바와 같이 냉동 용량(Q)은 스로틀 밸브(13)를 조작함으로써 용이하게 제어된다. 또한 도면으로부터, 안정 상태에서 순환 CO2의 질량 유량(m)은 주로 일정하며 냉각 용량과 관계없다는 것을 분명하게 알 수 있다. 열교환기(11)의 출구에서의 CO2온도(Tb)도 또한 대체로 일정하다. 그래프들은 용량의 변화가 단지 하이사이드 압력(PH)을 변화시킨 결과라는 것을 나타낸다.As shown in the figure, the refrigerating capacity Q is easily controlled by operating the throttle valve 13. It is also clear from the figure that the mass flow rate m of the circulating CO 2 in the stable state is mainly constant and independent of the cooling capacity. The CO 2 temperature Tb at the outlet of the heat exchanger 11 is also generally constant. The graphs show that the change in capacity is simply the result of changing the high side pressure (PH).

또한 선도로부터 알 수 있는 바와 같이, 증가된 하이사이드 압력은 회로의 고압측으로의 CO2충전량 이송에 기인한 리시버 액체 수위(h)의 감소를 수반한다.As can also be seen from the diagram, the increased high side pressure is accompanied by a decrease in the receiver liquid level h due to the transfer of the CO 2 charge to the high pressure side of the circuit.

마지막으로, 용량이 증가하는 동안의 일시적인 기간은 증발기 출구에서의 중요한 과열을 포함하지 않는다는 것, 즉 단지 Te의 소량 변동에 불과하다는 것을 주목할 수 있다.Finally, it can be noted that the temporary period during the increase in capacity does not include significant overheating at the evaporator outlet, ie only a small fluctuation in Te.

실예2Example 2

열교환기(11)에 대한 물 유입구 온도가 더 높은 경우(가령 더 높은 주위 온도), 일정한 냉동 용량을 유지시키기 위해 하이사이드 압력을 증가시키는 것이 필요하다. 표 1은 열교환기(11)에 대한 물 유입구 온도(tw)가 상이한 상태에서 작동된 시험 결과를 나타낸다.If the water inlet temperature for the heat exchanger 11 is higher (eg higher ambient temperature), it is necessary to increase the high side pressure to maintain a constant freezing capacity. Table 1 shows the test results operated in a state where the water inlet temperature tw for the heat exchanger 11 is different.

증발기에 대한 물 유입구 온도는 20℃로 일정하게 유지되고 압축기는 일정속도로 작동한다.The water inlet temperature for the evaporator is kept constant at 20 ° C. and the compressor runs at constant speed.

표 1에 나타난 바와 같이, 냉동 용량은 주위 온도가 상승할때 하이사이드 압력을 증대시킴으로써 대체로 일정하게 유지될 수 있다. 나타난 바와 같이 냉동 질량 유량은 대체로 일정하다. 증가된 하이사이드 압력은 액체 수위란에 표시된 것처럼 리시버 액체 함량의 감소를 동반한다.As shown in Table 1, the refrigeration capacity can be maintained substantially constant by increasing the high side pressure as the ambient temperature rises. As shown, the frozen mass flow rate is generally constant. The increased high side pressure is accompanied by a decrease in the receiver liquid content as indicated in the liquid level column.

[표 1] TABLE 1

실예3Example 3

이 예는 하이사이드 압력을 일정하게 유지시키고 열교환기(11)를 통해 순환하는 냉각재(가령 공기 또는 물)의 유량의 조절에 의해 장치의 용량을 제어하고 조정하기 위한 가능성을 나타낸다.This example shows the possibility to control and adjust the capacity of the device by keeping the high side pressure constant and by adjusting the flow rate of the coolant (eg air or water) circulating through the heat exchanger 11.

제7도는 냉각수의 순환 속도 즉 유량(mw)이 도면의 상부에 도시한 것처럼 조정될때의 냉동 용량(Q)의 변화를 나타낸다. CO2의 질량 유량(m), 하이사이드 압력(PH) 및 열교환기(1l)에 대한 물 유입구 온도(ti)는 일정하게 유지된다. 압축기는 일정 속도로 작동하고 증발기로 유입되는 물의 온도와 흐름 속도는 일정하게 유지된다.FIG. 7 shows the change in the freezing capacity Q when the circulation rate of the cooling water, that is, the flow rate m w , is adjusted as shown in the upper part of the figure. The mass flow rate m of CO 2 , the high side pressure PH and the water inlet temperature ti for the heat exchanger 11 are kept constant. The compressor operates at a constant speed and the temperature and flow rate of the water entering the evaporator are kept constant.

도면에 도시한 바와 같이 냉동 용량은 물의 유량을 변화시킴으로써 용이하게 제어되고 CO2의 질량 유량은 대체로 일정하다.As shown in the figure, the freezing capacity is easily controlled by varying the flow rate of water and the mass flow rate of CO 2 is generally constant.

실예 4Example 4

제8도는 엔트로피/온도 선도에서 트랜스 임계 사이클을 나타낸 그래프이다. 선도에 도시한 사이클은 5개의 상이한 하이사이드 압력들에서 작동하는 동안에 얻은 연구실 실험 시스템에서의 측정치에 기초를 둔다. 증발기 압력은 일정하게 유지되고 냉매는 CO2이다.8 is a graph showing the trans critical cycle in the entropy / temperature plot. The cycle shown in the diagram is based on measurements in a laboratory experimental system obtained during operation at five different high side pressures. The evaporator pressure is kept constant and the refrigerant is CO 2 .

선도는 하이사이드 압력(P)의 변화에 의해 야기된 증발기 유입구에서의 비엔탈피(h)의 변화를 나타내는 용량 제어 원리가 양호하다는 것을 보여준다.The diagram shows that the capacity control principle, which represents the change in specific enthalpy h at the evaporator inlet caused by the change in high side pressure P, is good.

Claims (9)

증기압축 사이클의 고압측(high pressure side)에 있어서는 초임계 압력으로 작동되는 일체형 폐회로를 형성하도록, 직렬 연결된 압축기(10), 냉각기(11), 스로틀(throttling) 수단(13) 및 증발기(14)를 구비하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법에 있어서, 상기 용량 조정은, 상기 폐회로에 설치된 냉매 리시버의 액체 재고량을 변경시킴에 의해, 상기 폐회로의 고압측에서의 순간적인 냉매 충전량을 변화시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법.On the high pressure side of the steam compression cycle, a series-connected compressor 10, cooler 11, throttling means 13 and evaporator 14 are formed to form an integrated closed circuit operated at supercritical pressure. In the capacity adjustment method of the steam compression cycle comprising: the capacity adjustment is performed by changing the instantaneous refrigerant charge amount on the high pressure side of the closed circuit by changing the liquid inventory amount of the refrigerant receiver installed in the closed circuit. To adjust the capacity of a steam compression cycle. 제1항에 있어서, 상기 용량 조정은 초임계 압력의 조정에 기초하며, 용량 조정 수단으로서 스로틀 수단(13)만을 이용하여 증발기(14)와 압측기(10)의 중간에 배치되는 저압 냉매 리시버(16)의 액체 재고량을 변화시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법.The low pressure refrigerant receiver (10) according to claim 1, wherein the capacity adjustment is based on the adjustment of the supercritical pressure, and is arranged between the evaporator (14) and the pressure gauge (10) using only the throttle means (13) as the capacity adjustment means. 16. A capacity adjustment method for a steam compression cycle, characterized by changing the liquid stock amount of 16). 제1항에 있어서, 상기 회로의 고압측에서의 순간적인 냉매 충전량의 변화는, 밸브(21)와 스로틀 수단(13)을 조정하여 밸브(21)와 교축 수단(13) 사이의 회로에 설치된 리시버(22)내의 초임계적으로 가압된 냉매 충전량을 변화시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법.The method according to claim 1, wherein the instantaneous change in the refrigerant charge amount on the high pressure side of the circuit is adjusted by the receiver 21 provided in the circuit between the valve 21 and the throttling means 13 by adjusting the valve 21 and the throttle means 13. A method of adjusting the capacity of a steam compression cycle, which is achieved by varying the amount of supercritically pressurized refrigerant charge in a). 제1항에 있어서, 상기 회로의 고압측에서의 순간적인 냉매 충전량의 변화는, 밸브들(23,24)을 구비하는 파이프들에 의해 상기 회로의 고압측과 저압측에 연결되는 저장장치(25)에 대한 냉매의 충전 또는 저장장치(25)로부터의 냉매의 제거를 계속하여 조정함으로써, 그리고 저장 장치(25)내의 압력을 하이사이드 압력과 로우사이드 압력의 중간으로 유지시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정방법.The method of claim 1, wherein the instantaneous change of refrigerant charge on the high pressure side of the circuit is transferred to a storage device (25) connected to the high and low pressure sides of the circuit by pipes having valves (23, 24). Vapor compression, characterized by continuing to adjust the charging of the refrigerant or removal of the refrigerant from the storage device 25 and by maintaining the pressure in the storage device between the high side pressure and the low side pressure. How to adjust the capacity of the cycle. 제2항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발기의 출구 조건은 증기 및 액체의 2상 혼합물로서 유지되고 추가의 열교환기(12)의 저압 유입구에 액체 잉여량을 제공하며, 상기 열교환기(12)에서 저압냉매는 압축기로 유입되기 전에 고압 냉매로부터의 열에 의해 증발 및 과열되는 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법.5. The heat exchanger according to claim 2, wherein the outlet condition of the evaporator is maintained as a two-phase mixture of vapor and liquid and provides a liquid surplus to the low pressure inlet of a further heat exchanger 12. And the low pressure refrigerant at 12 is evaporated and superheated by heat from the high pressure refrigerant before entering the compressor. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 증기압축 사이클의 용량 조정 방법.The method of any one of claims 1 to 4, wherein the refrigerant is carbon dioxide. 일체형 폐회로를 형성하도록, 직렬 연결된 압축기(10), 냉각기(11), 스로틀 수단(13) 및 증발기(14)를 포함하는 자동차 공기조화 장치에 있어서, 냉매는 폐회로의 고압측에서 초임계 압력으로 압축되고, 상기 교축수단(13)은 증발기(14)와 압축기(10)의 중간에 배치되는 저압 냉매 리시버(16)의 액체 재고량을 변화시킴으로써 초임계 하이사이드 압력의 변화를 생기게하여 장치의 용량을 조정하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 자동차 공기 조화 장치.In an automotive air conditioning apparatus comprising a compressor 10, a cooler 11, a throttle means 13 and an evaporator 14 connected in series to form an integrated closed circuit, the refrigerant is compressed to supercritical pressure on the high pressure side of the closed circuit. The throttling means 13 adjusts the capacity of the apparatus by causing a change in the supercritical high side pressure by changing the liquid stock of the low pressure refrigerant receiver 16 disposed between the evaporator 14 and the compressor 10. Automotive air conditioning apparatus, characterized in that applied to. 제7항에 있어서, 상기 리시버(16)와 연통하는 저압 유입구(17) 및 상기 냉각기(11)의 출구와 연통하는 고압 유입구를 갖는 열교환기(l2)를 추가로 구비하며, 상기 열교환기(12)는 상기 리시버(16)와 상기 압축기(10)의 중간의 상기 회로에 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차 공기 조화 장치.8. The heat exchanger (12) according to claim 7, further comprising a heat exchanger (1) having a low pressure inlet (17) in communication with the receiver (16) and a high pressure inlet in communication with an outlet of the cooler (11). ) Is disposed in the circuit between the receiver (16) and the compressor (10). 제7항 또는 제8항에 있어서, 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 자동차 공기 조화 장치.The vehicle air conditioner according to claim 7 or 8, wherein the refrigerant is carbon dioxide.
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