KR100527316B1 - 밀폐식 냉동 시스템 - Google Patents

Abstract

포화 또는 과냉 액체가 익스프레서의 팽창기로 공급된다. 흡입 공정이 끝나기 직전 또는 흡입 공정이 완료된 직후에 시작되어, 익스프레서 압축기 토출구의 고압 증기가 진행되는 팽창하에서 트랩 체적을 한정하는 공동으로 공급된다.

Description

밀폐식 냉동 시스템 {CLOSED REFRIGERATION SYSTEM}

모든 밀폐식 냉동 시스템은 압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기를 순차적으로 포함한다. 팽창 장치는 고정 오리피스, 모세관, 열 및 전기 팽창 밸브, 터빈, 그리고 팽창-압축기 또는 익스프레서를 포함한다. 각각의 팽창 장치에서, 적어도 일부 액체 냉매가 증기가 되어 비체적의 상승을 야기하면서 압력 강하가 진행됨에 따라 고압 액체 냉매는 순간적으로 증발된다. 익스프레서에서, 시스템 압축기의 토출구로 고압 냉매 증기를 전달하는 짝 압축기를 구동시키기 위해 체적 증가가 사용되며, 이에 의하여 시스템 용량이 증가된다. 익스프레서에서 이뤄지는 압축 공정은 전기 모터에 의해 구동되지 않고, 액체 냉매를 순간적으로 증발시켜 구동되므로, 전체 냉동 효율이 시스템 용량과 동일한 양만큼 증가한다.

냉동기를 위한 전형적인 작용 압력비에서, 흡입 압력에 대한 토출 압력의 비를 나타내는 압력비(Pr)가 시스템을 제어하기 위해 사용된다. 체적비(Vi)는, 압축시에는 토출 체적에 대한 흡입 체적의 비이며, 팽창시에는 흡입 체적에 대한 토출 체적의 비이다. 액체 팽창에서, Vi는 10 단위이거나 그 이상이다. 동일한 압력비에서, 증기 팽창에서의 Vi는 약 3내지 4에 불과하다. 액체 및 증기 팽창 사이의 불일치의 이유는 온도와 압력의 동일한 조건하에서 증기의 체적은 상응하는 양의 액체 체적의 약 8배이기 때문이다. 또한, 상변화는 액체를 증기로 변환시키기 위한 에너지를 필요로 한다. 팽창기가 예를 들어 10 또는 그 이상의 매우 높은 Vi를 갖는다면, 흡입 공정의 종료점에서 액체가 팽창기의 트랩 체적(trapped volume)을 한정하는 공동을 채울 것이다. 액체가 팽창할 수는 없으므로, 순간적인 상변화, 즉 과냉 액체가 부존재하는 경우나, 순간적인 상변화율이 체적 변화와 일치되지 않는다면, 팽창기는 적절하게 기능을 수행할 수 없다. 팽창기를 위해 Vi 또는 Pr을 현저하게 감소시키기도록 선행 기술의 장치들은 선행 스로틀링(pre-throttling)을 채용하였다. 따라서, 흡입 공정의 끝에서 공동의 체적 내부에 2개의 상이 존재한다. 에너지로부터 어떠한 이용도 이루어지지 않으므로, 선행 스로틀링은 동력을 낭비하게 된다.

로터리 베인 또는 트윈 스크류 팽창-압축기, 또는 익스프레서, 유닛이 공기 조화 및 냉동 시스템에서 상변화를 달성하기 위한 팽창 장치로서 사용된다. 로터리 베인 또는 트윈 스크류 익스프레서는 효율적으로 2 스테이지 장치이고, 제1 스테이지이며 압축기를 구동시키기 위해 동력을 공급하는 팽창기를 구비한다. 상기 압축기가 제2 스테이지이며 이는 시스템 압축기로부터 응축기로 연장되는 토출 라인으로 고압 냉매를 이송한다. 본 발명의 교시에 따라, 액체 냉매가 팽창기의 흡입구로 공급된다. 흡입 공정의 끝에서, 익스프레서 압축기 토출구로부터의 고압 증기가 트랩 체적으로 공급된다. 이는 액체에서 증기로의 팽창에서의 기계적 동력을 완전하게 끌어내도록 허용하면서 팽창기가 적절하게 기능하도록 허용한다. 시동시에는, 토출 라인으로부터의 약간의 고온 고압 가스가 익스프레서의 팽창기로 직접 공급되어 회전이 시작되게 한다.

기계적 동력을 끌어내기 위해 포화 또는 과냉 액체의 증기로의 고효율 팽창을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

익스프레서의 회전 속도 또는 유동 용량을 제어하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.

시동 중에 토출 가스를 직접 익스프레서의 팽창기로 공급하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.

익스프레서의 팽창기로 공급되는 액체를 선행 스로틀링 시켜야 할 필요성을 제거하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다. 이후에 명백해질 이러한 목적들과 다른 목적들은 본 발명에 의해 달성된다.

기본적으로, 포화 또는 과냉 액체가 익스프레서의 팽창기에 공급된다. 흡입 공정이 끝나기 직전 또는 흡입 공정이 완료된 직후에 시작되어, 익스프레서 압축기 토출구로부터의 고압 증기가 진행되는 팽창 하에서 트랩 체적을 한정하는 공동으로 공급된다.

본 발명의 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명에 대해서 참조가 이루어진다.

도1에서, 참조 번호 10은 냉동 또는 공기 조화 시스템을 전체적으로 나타낸다. 압축기(12)에서 시작되어, 시스템(10)은 토출 라인(14), 응축기(16), 라인(18), 익스프레서 형태의 팽창 장치(20), 라인(22), 증발기(24), 흡입 라인(26)을 순차적으로 포함하여 회로를 완성한다. 도2를 참조하면, 익스프레서(20)가 하중 등의 균형을 잡으면서 효율적으로 2 스테이지 장치이도록, 명목상 각각의 회전의 절반은 팽창기로, 명목상 각각의 회전의 반은 압축기로 기능하는 로터리 베인으로 익스프레서(20)가 도시된다. 도시되듯이, 익스프레서(20)는 회전축(A)을 갖는 로터(21)와, 각각 참조 부호 V-1 내지 V-8로 명시된 8개의 대칭적으로 원주 방향으로 이격된 베인을 갖는다. 베인(V-1 내지 V-8)은 원심력에 의해 실린더(20-1)로 한정된 실린더 벽과 밀봉되거나, 필요한 경우나 의도된 경우에는 스프링 편향되어 실린더 벽과 접촉할 수도 있다. 베인 슬롯에서의 공동이 유체를 트랩하고 유체 스프링이 되는 것을 방지하기 위해 각각의 베인의 토출구 측에 홈이 형성될 것이다. 익스프레서(20)의 실린더(20-1)는 축(B)에 대하여 균일한 반지름을 갖는다. 팽창기는 익스프레서(20)의 압축기에 추가하여 증발기(24)로도 공급하므로, 공동(C-4)의 최대 체적으로 한정되는 익스프레서(20)의 팽창기의 토출 체적에 대하여 밀봉된 공동(C-5)으로 한정되는 팽창기(20)의 압축기의 흡입 체적을 감소시키기 위해, 라인(22)과 그 포트(22-1)는 공동(C-4, C-5)에 대해 비대칭이다. 대안으로, 공동(C-4)에서보다 공동(C-5)에서 더 작은 최대 체적이 이루어지도록 실린더(20-1)의 반지름은 변화될 수 있다.

베인(V-1)은 로터(21)의 슬롯으로 완전히 후퇴된 것으로 도시되지만, 실린더(20-1)의 벽과 밀봉 접촉되어 있다. 베인(V-2)은 로터(21)의 슬롯으로부터 약간 연장되며, 실린더(20-1)의 벽과 밀봉 접촉된다. 베인(V-1, V-2), 로터(21), 실린더(20-1)의 벽 사이에서 한정되는 공동(C-1)은 라인(18)을 통해 응축기(16)의 바닥으로부터 고압 액체(포화 또는 과냉) 냉매를 공급받는다. 공동(C-1)에서의 유체 압력이 베인(V-1)보다 베인(V-2)의 보다 넓은 면적에 걸쳐 작용하기 때문에, 도시된 것처럼 시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향으로 공동(C-1)에 유체에 의해 가해지는 힘이 존재한다. 공동(C-2)은 공동(C-1)에 대하여 팽창 공정의 경과된 스테이지에 존재하며, 보다 큰 체적을 갖는다. 비록 공동(C-1)이 라인(18)과의 연결로부터 이동되기 전에 라인(154)과 연결된다면 증기 냉매를 공급받을 수도 있겠지만, 공동(C-1)은 액체 냉매를 공급받는다. 라인(154)과 처음 접촉할 때부터 라인(154)과의 접촉으로부터 이동될 때까지 체적이 증가하면서, 공동(C-2)은 공동(C-2)으로 고압 증기를 공급하는 라인(154)과 유체 연결된다. 따라서, 비록 공동(C-2)이 공동(C-1)보다 크지만, 증가된 체적은 공동(C-1)의 위치에 있을 때 공동(C-2)으로 공급된 액체 냉매의 순간적인 증발에 의하기보다 증기 냉매를 공급받는다. 공동(C-2)에서의 유체 압력이 베인(V-2)보다 베인(V-3)의 보다 넓은 면적에 작용될 수 있으므로, 시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향으로 공동(C-2)에 유체에 의해 가해지는 힘이 존재한다.

공동(C-3)은 공동(C-2)에 대하여 팽창 공정의 경과된 스테이지에 존재하며, 보다 큰 체적을 갖는다. 공동(C-3)이 공동(C-2)의 위치에 있을 때 증기 냉매가 공급되므로, 선행 기술 장치에서의 선행 스로틀링에 대한 요구와 그 결과로 나타나는 동력/효율의 감소없이 팽창 공정이 이루어질 수 있다. 공동(C-3)에서의 유체 압력이 베인(V-3)보다 베인(V-4)의 보다 넓은 면적에 걸쳐 작용하기 때문에, 시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향으로 공동(C-3)에 유체에 의해 가해지는 힘이 존재한다. 공동(C-4)은 팽창 공정의 끝이다. 베인(V-5)이 라인(22)에 노출되자 마자, 저압 냉매 가스의 일부가 베인(V-5)을 지나 공동(C-5)으로 흐르면서, 공동(C-4)으로부터의 저압 액체 냉매가 라인(22)으로 이송된다. 전형적으로, 공동(C-4)에서의 냉매는 액체 상태로 약 70 내지 86%이며, 나머지는 증기 상태일 것이다. 공동(C-5)으로 유입되는 냉매의 증기상 부분은 특정 냉매, 사이클, 시스템 구성에 의해 규정될 것이다. 예를 들어 냉매 134a에 대하여, 재압축되는 증기 질량 유량은 물 냉각기에 대해서는 익스프레서(20)로 유입되는 전체 액체 질량 유량의 6%이며, 공기 냉각기에 대해서는 10%이다. 전형적으로, 재압축되는 증기는 익스프레서(20)에 유입되는 전체 액체 질량 유량의 적어도 5%는 될 것이다. 포트(22-1)의 위치는 공동(C-5)의 고립과 초기 체적을 규정한다. 냉매 134a와 물 냉각기를 가정하면, 공동(C-5)으로 공급되는 증기 냉매는 공동(C-4)으로부터의 전체 냉매의 약 6%이다. 대안으로, 공동(C-4)에서보다 공동(C-5)에서 더 작은 최대 체적을 형성하도록 실린더(20-1)의 반지름은 변화될 수 있다.

공동(C-5)은 압축 공정의 제1 스테이지이며, 포트(22-1)의 위치나 공동(C-5) 영역에서의 실린더(20-1) 벽의 감소된 반경 때문에 최대 체적 위치에 있을 때 공동(C-4)보다 더 작은 체적을 갖는다. 공동(C-4, C-5)에서의 낮은 압력은 다른 공동과 비교해 로터(21)를 회전시키거나 회전 저지시키기 위한 최소한의 작용 힘을 가질 것이지만, 순 힘은 시계 방향일 것이다. 공동(C-6)은 압축의 초기 스테이지에서 압축되는 가스 냉매의 트랩 체적을 나타낸다. 공동(C-6)에서의 유체 압력이 베인(V-7)에서보다 베인(V-6)의 보다 넓은 영역에 작용하므로, 반시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향으로 공동(C-6)에서 유체에 의해 가해지는 힘이 존재한다. 실린더(20-1)의 벽의 감소된 반지름은, 존재한다면, 베인(V-6, V-7)의 유체 힘에 대한 노출을 감소시킨다. 압축되는 감소된 체적은 시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향을 갖는 팽창기에서의 대응되는 힘을 상쇄시키는 것을 방지한다.

공동(C-7)은 압축 공정의 마지막 스테이지이다. 공동(C-7)에서의 유체 압력이 베인(V-8)보다 베인(V-7)의 보다 넓은 영역에 작용하므로, 반시계 방향으로 로터(21)를 움직이게 하는 경향으로 공동(C-7)에 압축된 유체에 의해 가해지는 힘이 존재한다. 로터(21)가 시계 방향으로 회전하도록 챔버(C-2)에서의 보다 높은 압력이 이 힘을 상쇄시킨다. 공동(C-8)은 압축 공정의 토출 스테이지에 존재하고, 라인(150)과 결합되며, 명목상 압축기(12)의 토출 압력에 있게 된다. 공동(C-8)은 라인(14)으로 고압 냉매를 공급하는 라인(150)과 유체 연결된다. 또한, 라인(150)은 제한 라인(152)을 통해 라인(154) 및 공동(C-2)과 연속적으로 유체 연결되는 라인(151)에 압축기 토출 압력으로 증기 냉매를 공급한다. 라인(151)은 밸브(160)를 포함하는 라인(153)을 통해 라인(154) 및 공동(C-2)과 선택적으로 연결된다. 밸브(160)는 그를 통해서 유량을 제어하기 위해 펄스되는 솔레노이드 밸브와 같은 소정의 적절한 형태가 될 수 있다. 액체 높이 센서(162)에 의해 감지되는 응축기(16)에서의 액체 높이에 반응하는 마이크로 프로세서(170)에 의해 솔레노이드 밸브(160)가 제어된다.

작동시에는, 압축기(12)로부터의 고온 고압 냉매가 토출 라인(14)을 통해 응축기(16)로 공급되며, 여기서 냉매 증기는 액체로 응축된다. 응축기(16)의 바닥으로부터의 액체 냉매는 라인(18)을 통해 익스프레서(20)로 공급되며, 여기서 냉매는 공동(C-1 내지 C-4)으로 지시되는 팽창 공정을 지나게 된다. 공동(C-4)으로부터의 저압 액체/증기 냉매 혼합물은 라인(22)을 통해 증발기(24)로 공급되며, 여기서 액체 냉매는 증발하여 소정 공간을 냉각시키며 그 결과로서의 가스 냉매가 흡입 라인(26)을 통해 압축기(12)로 공급되어 사이클을 완성한다. 공동(C-4)으로부터의 냉매 증기의 일부는 익스프레서(20)의 압축기의 공동(C-5)으로 공급된다. 공동(C-5 내지 C-8)에 의해 순차적으로 도시되는 압축 공정에서, 저압 냉매 증기는 토출 라인(14)에서의 압축기(12)의 토출 압력에 대응되는 압력으로 압축된다. 공동(C-8)은 공동(C-8)으로부터의 고압 가스 냉매의 일부를 라인(14)으로 이송하는 라인(150)으로 토출하며, 여기서 응축기(16)로 이송되는 고온 고압 냉매의 양을 효율적으로 증가시켜 시스템(10)의 용량과 효율을 증가시킨다. 라인(150)으로 토출된 공동(C-8)으로부터의 고압 증기 냉매의 일부는 라인(151)으로 유입되어 제한 라인(152)을 통해 라인(154)으로 지나가고 공동(C-2)으로 지나가게 되며, 라인(151)은 고압 액체 냉매 라인(18)과 연결되지 않을 수도 있으며 고압 액체 냉매 라인(18)과 여전히 연결되어 있을 수도 있지만, 연결되어 있지 않은 경우가 많다. 제한 라인(152)은 로터(21)의 최소 회전 속도와 관련된 비율로 공동(C-2)으로 고압 증기 냉매의 흐름을 허용한다. 라인(153)은 제한 라인(152)과 수평이며, 응축기(16)에서의 액체 높이 센서(162)에 의해 감지되는 응축기(16)의 액체 높이에 반응하는 마이크로 프로세서(170)에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브(160)를 포함한다. 로터(21)의 회전 속도는 밸브(160)의 개방 정도에 따라 증가된다. 익스프레서 토출에 추가하여, 공동(C-2)에 공급되는 이러한 고압 증기는 시동 중에 익스프레서(20)를 구동시키기 위해 라인(14, 150)을 통해 압축기(12)의 토출구로부터 이송될 수 있다. 팽창 공정의 공동(C-2) 부분에 냉매 증기가 존재하므로, 팽창기는 적절하게 기능할 수 있으며, 액체에서 증기로 팽창되는 기계적 동력을 완전하게 끌어낼 수 있다.

라인(18)으로부터 공동(C-1)으로 인도하는 고압 액체 흡입 포트(18-1)는 액체에서 기체로의 팽창(Vi)과 일치되며, 증기 공급 포트(154-1)는 동일 압력비에서의 증기 팽창(Vi)과 일치한다. 밸브(160)를 통해 제어되는 고압 증기 유동 용량은 익스프레서(20)의 회전 속도를 제어한다. 로터(21)의 최소 속도와 최소 팽창 유동 용량(시스템(10)의 냉동 용량)은 밸브(160)가 밀폐될 때 발생한다. 밸브(160)는 익스프레서(20)의 유동 용량에 대응하는 로터(21)의 속도를 제어하기 위해 사용된다. 밸브(160)가 완전히 개방될 때, 로터(21)의 속도나 익스프레서(20)의 유동 용량은 최대이다.

정상적으로는, 작동시 라인(150)을 통한 유동은 익스프레서(20)의 압축기 부분의 토출구로부터 토출 라인(14)으로 향한다. 그러나, 시동시에는, 시스템(10)에서의 압력이 적어도 명목상 동일하다고 가정하면, 토출 라인(14)으로 공급되는 압축기(12)의 토출량의 일부가 라인(150)을 통해 익스프레서(20)로 공급될 것이다. 도2로부터 명백한 것처럼, 라인(150)은 공동(C-8)과 유체 연결되며, 여기서는 별다른 영향을 끼치지 못한다. 그러나, 라인(150)은 라인(151, 152, 154)을 통해 공동(C-2)과 유체 연결되어, 전술한 것처럼, 공동(C-2)에서의 압축된 유체는 로터(21)가 시계 방향으로 움직이도록 하여 익스프레서(20)의 시동을 용이하게 하는 경향을 갖는다.

도3을 참조하면, 익스프레서(20')는 도2에 나타난 익스프레서(20)와 균등한 트윈 스크류 로터이다. 익스프레서(20')의 모든 구조물은 도2에 나타난 익스프레서(20)의 균등한 구조물과 동일하게 참조 번호가 붙어있다. 비록 단지 하나의 로터(21')만이 도시되었지만, 공동(C-1 내지 C-4)은 점진적으로 체적이 증가하여 익스프레서의 팽창기 부분을 한정하며, 공동(C-5 내지 C-8)은 점진적으로 체적이 감소하여 팽창기의 압축기 부분을 한정한다. 포트(22-1)의 위치는 공동(C-5)의 밀폐를 지연시켜 공동(C-4)의 최대 밀폐 체적에 대하여 공동(C-5)의 최대 밀폐 체적을 감소시킨다. 필요하거나 요구된다면, 포트(22-1)는 압축 공정에서의 제1 트랩 체적의 밀폐를 지연시켜 공동(C-6)에서 밀폐가 이뤄질 수도 있다.

도4는 전술된 공동(C-1)으로부터 공동(C-8)까지의 위치로 공동이 진행함에 따른 익스프레서(20, 20')의 팽창 및 압축 공정에 대한 그래프도이다. 중앙 영역은 도2에 도시된 위치에서의 공동(C-4, C-5)에 대응하는 저압 액체/증기 토출을 나타낸다.

비록 본 발명의 선호되는 실시예가 도시되고 기술되었지만, 본 기술 분야의 당업자에게는 다른 수정들이 이뤄질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 한정되도록 의도된다.

본 발명의 익스프레서를 사용함으로서, 기계적 동력을 끌어내기 위해 포화 또는 과냉 액체의 증기로의 고효율 팽창을 제공할 수 있다.

또한, 익스프레서의 회전 속도 또는 유동 용량을 제어할 수 있으며, 익스프레서의 팽창기로 공급되는 액체를 선행 스로틀링 시켜야 할 필요성을 제거할 수 있다.

도1은 본 발명을 채용한 냉동 또는 공기 조화 시스템의 개략도이다.

도2는 익스프레서가 로터리 베인(rotary vane) 장치인 도1 시스템의 익스프레서의 간이도이다.

도3은 익스프레서가 트윈 스크류(twin screw) 장치인 도1 시스템의 익스프레서의 간이도이다.

도4는 익스프레서에서의 팽창 및 압축 공정시 체적 변화의 그래프도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 냉동 또는 공기 조화 시스템

20, 20' : 익스프레서

20-1 : 실린더

21 : 로터

V-1 내지 V-8 : 베인

C-1 내지 C-8 : 공동

160 : 밸브

Claims (6)

1. 주 압축기, 토출 라인, 응축기, 익스프레서, 증발기, 흡입 라인을 순차적으로 포함하며,

   상기 익스프레서는 각각의 사이클의 절반 중에 팽창기로서 작동하는 부분과, 각각의 사이클의 나머지 다른 절반 중에 압축기로서 작동하는 부분을 가지며,

   각각의 사이클의 상기 절반에서의 상기 팽창기 부분은 순차적으로 연결된 증가되는 체적의 다수의 트랩 체적부와, 상기 응축기로부터 액체 냉매를 공급하기 위한 수단과, 상기 익스프레서의 상기 압축기로부터 토출 압력을 공급하기 위한 수단과, 상기 증발기와 상기 익스프레서의 상기 압축기로 토출하기 위한 수단을 포함하며,

   각각의 사이클의 상기 나머지 다른 절반에서의 상기 압축기 부분은 각각의 사이클의 상기 나머지 다른 절반에서 체적이 순차적으로 감소되는 다수의 트랩 체적부를 포함하는 밀폐식 냉동 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 팽창기 부분의 최대 트랩 체적은 상기 압축기 부분의 최대 트랩 체적보다 체적면에서 더 큰 밀폐식 냉동 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 익스프레서는 로터리 베인 장치인 밀폐식 냉동 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 익스프레서의 상기 압축기 부분으로부터 상기 팽창기부분의 트랩 체적으로의 상기 토출 압력의 공급을 조절하기 위한 수단을 더 포함하는 밀폐식 냉동 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 익스프레서는 스크류 장치인 밀폐식 냉동 시스템.
6. 제1항에 있어서, 시동 중에 상기 토출 라인을 상기 팽창기 부분으로 연결하기 위한 수단을 더 포함하며, 이에 의하여 시동 상태 중에 상기 익스프레서를 구동시키기 위해 상기 주 압축기가 압축 냉매 증기를 상기 팽창기 부분으로 공급하는 밀폐식 냉동 시스템.