KR100331717B1 - 증기압축사이클장치의하이사이드압력을제어하는장치 - Google Patents

증기압축사이클장치의하이사이드압력을제어하는장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플로우 회로에 연결된 가변성 체적 요소에 의해 전이임계 증기 압축 사이클내의 하이 사이드 압력을 변화시키는 장치 및 방법을 제공하는데 있다. 상기 장치는 격실속으로 냉매의 유입이 허용되도록 압축기와 팽창 수단 사이의 위치에서 플로우 회로와 연결 및 연통된 격실을 구비하는 가변성 체적요소(5)와, 적어도 하나 이상의 격실 측면을 형성하고, 격실내에서 냉매의 제 1 및 제 2 체적을 각각 형성하게 되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이를 변위가능한 이동성 간막이 수단을 포함한다.

Description

증기 압축 사이클 장치의 하이 사이드 압력을 제어하는 장치
발명의 영역
본 발명은 초임계(transcritical) 조건하의 폐쇄 회로에서 작용하는 냉매를 사용한 냉동 장치, 공조 유닛, 열 펌프 등과 같은 증기 압축 사이클 장치에 관한 것으로서, 특히 이러한 장치의 하이 사이드 압력(high side pressure)을 가변적으로 제어하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
발명의 배경
본 발명은 유럽 특허 출원 번호 제89910211.5호의 주제인 초임계 증기 압축 장치에 관한 것이다.
표준적인 임계점 이하의 증기 압축 기술은 특정 냉매의 임계치 이하의 조작 압력과 조작 온도를 필요로 한다. 초임계 증기 압축 사이클은 플로 회로(flow circuit)의 하이 사이드에서 임계 압력을 능가한다. 본 발명의 가장 중요한 목적은 환경을 오염시키는 냉매의 대체를 가능하게 하는 장치와 방법을 제공하며, 본 발명의 배경은 표준적인 증기 압축 기술로부터의 발전이라는 관점에서 잘 설명될 것이다.
단일 단(single-stage)의 증기 압축 장치의 기본적인 구성은 압축기, 응축기, 스로틀 밸브 혹은 팽창 밸브, 그리고 증발기로 되어 있다. 이러한 기본적인 구성요소들에는 액체 대 흡입(liquid-to-suction) 열교환기가 부가되어도 좋다.
기본적인 임계 압력 이하의 사이클은 다음과 같이 조작된다. 액체 냉매는 이것의 압력이 스로틀 밸브에서 감소될 때 부분적으로 증발 및 냉각된다. 액체와 증기의 혼합 냉매는 증발기로 유입됨으로써 냉각될 유체로부터 열을 흡수하며, 냉매는 비등하여 완전히 증발한다. 그 다음, 저압의 증기는 압축기로 유인되며, 그곳에서 그 압력은 과열된 증기가 이용 가능한 냉각 매체에 의해 응축될 수 있는 포인트까지 상승하게 된다. 그 다음, 압축된 증기는 응축기로 흘러 들어가서 그 열이 공기, 물 또는 그 밖의 냉각 유체로 전달됨으로써 그곳에서 증기는 냉각되어 액화한다. 그 다음, 이 액체는 스로틀 밸브로 흐른다.
여기서 "초임계 사이클" 라는 용어는 부분적으로 냉매의 임계 압력 이하에서 조작되고, 부분적으로 냉매의 임계 압력 이상으로 조작되는 냉동 사이클을 의미하고 있다. 초임계 영역에서는, 더 이상의 포화 상태가 존재하지 않기 때문에 압력은 다소 온도와 독립적으로 된다. 따라서, 압력은 설계 변경에 따라 자유롭게 선택할 수 있다. 압축기 출구의 하류에서, 냉매는 냉각제를 구비하는 열교환기에 의해 일정한 압력에서 냉각된다. 이러한 냉각은 단일상의 냉매의 밀도를 점진적으로 증가시킨다.
하이 사이드에서 체적의 변화 및/또는 일시적인 냉매의 공급은 그것의 압력에 영향을 미치며, 이 압력은 일시적인 공급과 체적과의 사이의 관계에 의해 결정된다.
이와는 대조적으로, 임계 압력 이하의 장치는 냉매의 임계점 미만에서 조작되며, 이에 따라 응축기에서는 포화 액체와 증기의 2상 상태로 조작된다. 하이 사이드의 체적의 변화가 평형 포화 압력에 직접적으로 영향을 미치지 않는다.
초임계 사이클에서, 하이 사이드 압력은 냉동 능력을 제어하거나 또는 냉동효율을 최적화시키도록 조절될 수 있으며, 이러한 조절은 냉매 공급 및/또는 장치의 하이 사이드의 전체 내부 체적을 조절함으로써 이루어진다.
국제 출원 WO-A-90/07683호 공보에는 초임계 하이 사이드 압력을 제어하기 위한 하나의 선택, 즉 회로의 하이 사이드에서 일시적인 냉매 공급의 변경이 개시되어 있지만, 본 발명은 체적 변경에 기초한 초임계 압력의 제어에 관한 것이다.
또한, 독일 특허 제898 751호에서는, 냉동 능력을 유지하고 압축기의 부작동 중에 로우(low) 사이드 온도 변동을 평정시키기 위해 고압의 액체 축압기(accumulator)를 적용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 개시는, 본 발명의 초임계 하이 사이드 압력의 제어에 비해 상이한 목적과 구성을 구비하며, 임계점 이하의 하이 사이드 압력에서 조작하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적
본 발명의 목적은 초임계 증기 압축 장치의 하이 사이드 압력을 제어하기 위해 상기 장치의 하이 사이드 체적을 변경시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉매의 누출에 따른 영향을 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 초임계 증기 압축 장치의 하이 사이드 체적을 변경하기 위해, 예컨대 자동차의 종래의 유압 장치에 조작 가능하게 연결되는 가변 체적 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 초임계 증기 압축 장치에서 하이 사이드 압력의 최적화 또는 냉동 능력 제어를 위해 어떤 제어 장치에도 일체화 될 수 있는 가변체적 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 초임계 증기 압축 장치가 조작하지 않을 동안 압력을 낮출 수 있는 장치를 제공하여, 이에 의해 로우(low) 사이드가 낮은 공차로 설계될 수 있어 중량과 재료의 절약을 가능하게 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 환경 오염에 심각한 냉매를 사용하지 않고 자동차의 공조를 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적 및 다른 목적들은 첨부된 특허청구 범위 제1항 내지 제9항에 기재된 장치 및 조작 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 사상의 각종 장치의 실시예가 제1도 내지 제4도에 도시되어 있다.
제1도는 압력 용기의 빗금친 부분을 점령하고 있는 장치 외의 매체의 압력변화에 응답하여 이동 가능한 내부의 유연한 막을 포함하는 압력 용기를 갖는 초임계 증기 압축 장치의 개략도이며,
제2도는 가변 체적 요소를 대체한 피스톤을 구비하는 제2 실시예의 개략도이고,
제3도는 압력유로 에워싸인 유연한 호스로 구성되는 가변 체적 요소의 제3 실시예의 개략도이며,
제4a, 4b도는 플로 회로에 각각 고정되거나 또는 협동하게 되는 벨로우즈 형태로 구성되는 가변 체적 요소의 또 다른 실시예의 개략도이다.
양호한 실시예의 설명
제1도는 본 발명에 따른 장치에 설치되고, 본 발명의 방법에 따라 조작되는 초임계 증기 압축 장치의 기본 구성 요소를 도시한 것이다. 장치의 플로 회로에서, 압축기(1)는 가스 냉각기 또는 열교환기(2)로 통한다. 본 발명에 따른 가변 체적 요소(5)는 플로 회로의 하이 사이드, 특히 압축기(1)의 출구와, 통상의 스로틀 밸브(3), 예컨대 도시된 바와 같은 항온 밸브의 입구 사이에 접속되어 있다. 냉매의 흐름은 다시 증발기(4)로 향하고, 그 다음 압축기의 입구로 되돌아간다.
가변 체적 요소(5)는 압축기(1)와 스로틀 밸브(3) 사이에 배치될 수 있지만, 제1도에 대략 도시된 것과 동일하게 배치되지 않아도 된다. 제1도에 도시된 양호한 실시예에 따른 가변 체적 요소(5)는 통상의 압력 용기 구조를 갖는다.
가변 체적 요소(5)는 내부의 유연한 막 또는 종래 구조의 격벽(6)을 포함한다. 상기 막(6)은 가변 체적 요소(5)의 내측을, 상대적인 체적이 막(6)의 위치에 의해 결정되는 불연통의 2개의 격실(7, 8)로 분할시키기 위해 그 가변 체적 요소(5)의 내측 표면으로 이동 가능하게 접촉 또는 연속적으로 되어 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 막 혹은 격벽(6)은 격실(7, 8)의 상대적인 체적을 연속적으로 변화시키도록 가변 체적 요소(5)의 내부를 연속적으로 이동가능하게 되어 있다. 또한, 본 발명의 사상은 막(6)의 불연속적인 이동에도 확대 적용되지만, 막(6)의 위치의 단계가 없는 연속적인 조절은 단계적인 조절에 의해 보다 유연하게 효율적인 제어를 가능하게 된다.
격실(8)은 유압 장치(도시 생략)에 접속되어 있는 밸브(9)와 연통되어 있다. 밸브(9)는 격실(8)내에서 유체, 특히 압력유의 양을 조절할 수 있다. 유연한 막(6)의 움직임을 강요하는데 있어 반드시 압력유 또는 유압 장치를 필요로 하지 않는다. 막(6)에 접속된 기계적 수단 혹은 가변 체적 요소(5)에 접속된 가압 수단, 예컨대 가압 가스가 충만되어 있는 격실(8) 혹은 스프링으로 작동하는 압력, 예컨대 막 또는 격벽(6)의 이동을 위한 수단도 본 발명의 사상내에 속한다.
밸브(9)가 격실(8)로 유입되는 압력유의 제어된 량을 허용할 때, 압력유는 격실(7)의 체적을 감소(조절)시키도록 유연한 막(6)을 압압하여 그것을 밸브(9)로부터 멀어지는 방향으로 압박한다.
격실(7)은 초임계 증기 압축 장치의 플로 회로의 하이 사이드와 연통한다. 압력유가 격실(8)로 유입되어 그것에 의해 격실(7)의 체적이 감소함으로써, 격실(7)내의 냉매는 격실(7)의 체적의 감소에 비례하여 격실(7)로부터 강제로 빠져나가게 된다.
격실(7)로부터의 냉매의 방출은 증기 압축 장치의 하이 사이드 압력을 증가시킨다. 압력유가 격실(8)로부터 밸브(9)를 통해 배출될 때, 격실(8)내의 오일 압력은 낮아져 전술한 바와 같이 밸브(9)로부터 멀어지는 것만큼 더 이상 막(60)을 압압할 수 없게 된다. 막(6)이 밸브(9)에 인접하고 내부의 외주방향으로 이동함에 따라 냉매는 플로 회로로부터 격실(7)속으로 흐르게 된다. 그 다음, 격실(7)의 체적이 증가하는 반면, 격실(8)의 체적은 감소하게 된다. 이 때, 플로 회로의 하이 사이드 압력은 낮아진다.
제2도 내지 제4도는 가변 체적 요소(5)에 대한 변형례를 도시한 것이다. 제1도를 참조하여 전술한 가변 체적 요소(5)에 대한 상술한 설명과 제1도에 도시된 바와 같은 그 기능은 제2도 내지 제4도에 도시된 변형례에도 동일하게 적용될 수 있다.
제2도는 헤드(13)를 구비한 실린더(10)의 형태를 지닌 가변 체적 제어 요소(5)를 도시한 것이다. 피스톤 로드(12)는, 그 일단부가 제어 기구(도시 생략)에 접속되고 그 타단부가 실린더(10)에 밀착되게 끼워지고, 제어 기구의 위치에 응답하여 전후 또는 상하로 이동 가능한 피스톤(11)을 구비하고 있다. 격실(14)은 실린더(10)의 내부에서, 실린더의 헤드(13)와 이 실린더의 헤드(13)를 면하는 피스톤(11)의 표면인 상부와 실린더 헤드(13) 사이의 거리에 의해 형성될 수 있다.
격실(14)은 증기 압축 장치의 플로 회로의 하이 사이드와 연통하여 격실의 체적이 냉매로 충만된다.
제1도 및 제2도에 도시된 변형례에 따른 가변 체적 요소(5)는 압축기(1)와 스로틀 밸브(3) 사이에서 주요 플로 회로로부터 분기되는 위치에 설정된다. 플로 회로의 횡축 또는 일측에서 이러한 변형례의 위치는 변형례의 형상 및 기능의 측면에서 볼 때 조작상 편리하다. 전술한 바와 같이 위치될 때, 도시된 변형례는 주요 플로 회로를 따라 튜브의 체적을 직접적으로 변경시키지 않고 체적 제어의 가능성을 제공한다. 그러나, 제1도 및 제2도에 도시된 실시예들을 압축기(1)와 스로틀 밸브(3) 사이의 주요 플로 회로내에 직접적으로 위치시키는 것도 본 발명의 영역에 포함된다.
제3도에 도시된 실시예는, 가변 체적 요소(5)가 본 발명의 사상에 따라 주요회로의 거의 횡측의 위치에 배치되어도 좋지만, 주요 플로 회로를 따라 직접적으로 위치시켜도 좋다는 가능성을 예시한 것이다. 제3도에는, 가변 체적 요소(5)가 주요 플로 회로의 부분에 접속 및 연통되고, 압력유 혹은 다른 압축된 유체를 담고 있는 밀봉된 격실(16)에 의해 에워싸여 있는 유연한 호스(15)의 형태로 구성되어 있다. 밀폐된 격실(16)은 호스(15)와 주요 플로 회로 사이의 연통을 방해하지 않고, 호스(15)의 내측의 격실(17)과 연통하지 않는다. 격실(16)은 유연하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그 위치에 있어서, 호스(15)는 밸브(18)를 통과하는 압력유로부터의 압력에 의해, 체적을 변경하도록 수축 또는 팽창될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 윤활유가 고이게 되는 것을 막을 수 있는 최상의 방법을 제공한다.
또한, 제4a도 및 제4b도에 도시된 벨로우즈와 같은 다른 형태의 가변 체적 요소도 적용할 수 있다. 가변 체적 요소(5)는 기계적 제어 기구/이동 수단 혹은 외부 매체(도시 생략)로부터의 변동하는 압력에 노출될 경우, 내부 체적[격실(17)]을 변경시킬 수 있는 벨로우즈로 도시되어 있으며, 이 벨로우즈는 플로 회로로부터 분기되어 고정되거나(제4a도 참조) 또는 플로 회로와 일체로된 일부로서 직렬로 배치된다(제4b도 참조).
또한, 본 발명의 사상은 압축기(1)에서 하류로 열교환기(2)를 경유하여 스로틀 밸브(3)까지 연속적으로 냉매를 운반하는 초임계 증기 압축 플로 회로내의 하이사이드 체적을 변경시키는 방법으로도 표현된다. 이 방법은 압축기(1)와 스로틀 밸브(3) 사이에 있어서 플로 회로에 체적 제어 요소(5)를 접속시키는 단계와, 그 가변 체적 요소(5)내에는 격실(7, 14, 17)을 설치하여 이 격실을 플로 회로와 연통시키는 단계와, 이동 가능한 격벽(6, 11, 15)을 가변 제적 요소(5)에 끼워 그 가변체적 요소내의 격실(7, 14, 17)의 적어도 일측을 특정하는 단계와, 격벽(6, 11, 15)이 격실(7, 14, 17)의 제1 체적을 특정하는 제1 위치와 제1 체적보다 큰 제2 체적을 특정하는 제2 위치 사이에서 이동할 수 있게 하는 단계와, 그것이 연통 상태 또는 격벽(6, 11, 15)과 맞물린 상태가 되도록 이동 수단(9, 12, 18)을 접속하는 단계와, 그리고 이동 수단(9, 12, 18)을 조작하여 격벽(6, 11, 15)을 제1 위치 및 제2 위치 사이로 이동시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따른 방법에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 연속적으로 실시된다.
가변 체적 요소(5)의 내부 체적을 제어함으로써, 초임계 증기 압축 장치의 하이 사이드 압력은 제어된다. 이러한 제어는 가변 체적 요소(5)의 냉매를 압출시키는 작용을 하는, 격벽(6, 11, 15)의 기계적 이동의 변경 또는 회로 이외의 가압유체의 양을 변경(즉, 유체는 어떠한 증기압을 보증하지 않음)시킴으로써 영향을 받게 된다. 만약 차량에 탑재될 경우에는 차량의 유체압 기구가 밸브 장치를 경유하여 접속될 수 있다. 이러한 체적 조절 기구는 하이 사이드 압력의 최적화, 냉매 능력의 제어, 그리고 능력의 향상을 위한 모든 제어 방법과 일체로 구성될 수 있다.
정지 기간 또는 부작동시의 압력 감소의 가능성에 대해, 본 발명의 사상은 특히 유리하다. 예컨대, 차량의 에어컨디셔너에 접속될 경우, 본 발명의 가변 체적요소(실시예에 도시된 바와 같이 각종의 형태가 있음)는 에어컨디셔너가 꺼졌을때, 체적을 증대하여 압력을 감소시킬 수 있다. 이것은 엔진룸의 높은 온도가 불활동의 에어컨디셔너로 전달되어 그것에 의해 그 압력이 증가되기 때문에 바람직하다. 본 발명에 따른 가변 체적 요소를 사용함으로써, 에어컨디셔너의 로우 사이드는 저압공차로 설계될 수 있으므로 재료 및 제작비의 절약, 장치의 중량 감소 효과를 가져온다.

Claims (9)

  1. 초임계 하이 사이드(high side) 압력으로 조작되는 회로에 직렬로 접속된 압축기(1), 열교환기(2), 팽창 수단(3), 그리고 증발기(4)로 이루어지는 증기 압축 장치에 있어서의 하이 사이드 압력의 제어 장치에 있어서,
    상기 압축기와 팽창 수단 사이에서 플로 회로에 접속되어 회로와 자유롭게 연통 상태에 있는 격실(7, 14, 17)을 갖는 하나 이상의 가변 체적 요소(5)와,
    상기 격실의 하나 이상의 측면을 특정하는 이동 가능한 격벽 수단으로서, 격실내의 냉매의 제1 체적과 제2 체적을 각각 특정하는 제1 위치와 제2 위치 사이를 이동 가능한 격벽 수단(6, 11, 15)과,
    상기 격실내의 냉매 체적을 변경 및 제어하도록 상기 격벽 수단을 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동시키기 위해 상기 플로 회로 외부에 배치된 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  2. 상기 가변 체적 요소(5)에는 중공부가 형성되고, 상기 격벽은 내측을 나누어 제1 격실(7)과 제2 격실(8)을 형성하도록 내면에 그 주위에서 접속하여 이동 가능한 유연한 막(6)이며, 상기 제1 격실과 제2 격실은 불연통으로 격벽(6)의 위치에 따라 결정되는 상대적인 체적을 가지고 그리고 상기 제2 격실(8)에는 가압 수단이 연통하고 있는 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가변 체적 요소(5)는 중공부를 형성하는 실린더(10)와, 이 실린더내에 꼭 맞게 끼워 맞추고 그 내측을 이동 가능하게 격벽 수단(11)을 형성하는 피스톤(12)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 격실(17)은 이동 가능한 격벽 수단에 의해 완전하게 형성되는 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이동 가능한 격벽 수단은 유연한 호스인 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 이동 가능한 격벽 수단은 벨로우즈 장치인 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  7. 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동 수단은 격벽 수단과 연통하는 유체 압력 또는 공기 압력 수단인 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격벽 수단(6, 11, 15)은 연속적으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 장치.
  9. 냉매를 연속하여 압축기로부터 열교환기를 거쳐 팽창 수단으로 운반하는 흐름 회로의 하이 사이드에서 초임계 압력으로 조작하는 증기 압축 사이클 장치에 있어서의 하이 사이드 압력의 변경을 행하는 제어 방법에 있어서,
    초임계 하이 사이드 압력은 압축기와 팽창 수단 사이에서 흐름 회로에 접속된 한 개 또는 수 개의 가변 체적 요소에 의해 플로 회로의 하이 사이드의 모든 내부 체적이 제어된 변화를 받아 조절되며, 상기 가변 체적 요소는 플로 회로와 자유롭게 연통하는 가변 체적의 격실을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이 사이드 압력의 제어 방법.
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