KR101391344B1 - 냉각 시스템을 위한 서브-냉각 유닛 및 방법 - Google Patents

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Abstract

매개물질을 냉각시키기 위한 시스템은 시스템에 흐르는 냉매를 가지는 라인, 및 상기 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함한다. 상기 서브-냉각 유닛은 상기 라인에 흐르는 냉매를 냉각시키기 위해 상기 라인으로부터 전환된 냉매 일부를 수용한다. 매개 물질을 냉각시키는 방법이 또한 개시된다.
냉각기, 서브-냉각 유닛, 열 교환기, 냉매

Description

냉각 시스템을 위한 서브-냉각 유닛 및 방법{SUB-COOLING UNIT FOR COOLING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 데이터 프로세싱, 네트워킹 및 텔레통신 장비를 위해 사용된 랙(racks) 및 인클로저(enclosures)에 사용된 냉각 시스템에 관한 것이다.
통신 및 정보 기술 장비는 일반적으로 랙 상에 실장하고 (종종 용어 "랙"에 포함된) 인클로저 내에서의 하우징을 위해 설계된다. 장비 랙(equipment racks)은 장비실뿐만 아니라 상대적으로 작은 배전실 및 대규모의 데이터 센터들의 서버, CPU들, 데이터 프로세싱 장비, 네트워킹 장비, 텔레통신 장비 및 저장 장치들과 같은, 통신 및 정보 기술 장비를 포함하고 정렬하기 위해 사용된다. 장비 랙은 개방 구조일 수 있거나 또는 랙 인클로저 내에서 하우징될 수 있으나, 상기 인클로저를 랙으로 칭할 경우에 포함될 수 있다. 표준 랙은 일반적으로 서버들 및 CPU들과 같은 다수의 장비의 유닛들은, 예를 들면, 상기 랙 안에서, 수직으로 실장되어 쌓이는 프론트 마운팅 레일들(front mounting rails)을 포함한다. 표준 랙은 임의의 정해진 시간에 다양한 제조업자들로부터 컴포넌트들뿐만 아니라 다양한 다른 컴포넌트들(예, 서버 블레이드들)로 간간이 또는 빽빽하게 채워질 수 있다.
대부분 랙-실장 통신 및 정보 기술 장비는 전력을 소비하고 열을 발생시키는 것으로서, 장비 컴포넌트들의 성능, 신뢰성 및 수명에 역효과를 가질 수 있다. 특히, 인클로저 내에 하우징된 랙-실장 장비는 동작중 상기 인클로저의 영역 내에서 생산된 빌드업(build-up) 및 열점들(hot spots)을 가열하는데 특히 취약하다. 장비 랙에 의해 생성된 열량은 동작중 상기 랙에 있는 장비에 의해 끌어낸 전력의 양에 좌우한다. 주어진 랙 또는 인클로저의 열량이 발생할 수 있어, 그에 따라, 수십 와츠에서 약 40,000 와츠까지 상당히 다를 수 있으며, 이러한 상한은 이러한 기술의 끊임없는 발달로 계속 증가할 수 있다.
일부 실시예들에서, 랙-실장 장비는 랙의 정면 또는 공기 흡입면을 따라 공기를 빼내고, 그 컴포넌트들을 통하여 공기를 빼내며, 그 후 상기 랙의 후면 또는 통풍면으로부터 공기를 배출함으로써 냉각된다. 냉각을 위해 충분한 공기를 제공하기 위한 기류 조건들은 랙-실장 컴포넌트들의 다양한 수와 타입 및 랙과 인클로저들의 다양한 구성으로 상당히 변할 수 있다.
장비실 및 데이터 센터는 일반적으로 랙에 시원한 공기를 공급하고 순환시키는 공기 냉각 또는 냉각 시스템이 갖춰져 있다. 하나의 그러한 냉각 시스템은 공기 조절 및 순환 시스템을 용이하게 하기 위해 올림 마루(raised floor)를 사용한다. 그러한 시스템들은 장비실의 올림 마루 아래에 배치된 공기 통로로부터 시원한 공기를 전달하기 위해 일반적으로 개방형 바닥 타일 및 바닥 그릴 또는 통풍구를 사용한다. 개방형 바닥 타일 및 바닥 그릴 또는 통풍구는 일반적으로 장비 랙의 전방부에 위치되고, 나란히 배열된 랙의 열들(rows) 사이의 복도들(aisles)을 따라 위 치된다.
한 냉각 시스템은 2004년 11월 19일 제출된, IT EQUIPMENT COOLING으로 표제된, 공동-계류중인 미국 특허 출원 제 10/993,329호에서 개시되는 것으로서, 현 출원서의 양수인에 의해 소유되며 본원에 참조로서 병합된다. 일 실시예에서, 이러한 시스템은 하나 이상의 주 콘덴싱 모듈, 냉매 배분 섹션, 열 교환기 모듈 섹션, 및 백업 냉매 섹션을 포함한다. 상기 냉매 배분 섹션은 벌크 저장 탱크, 배수/회수 펌프, 다기관 및 호스들을 포함한다. 상기 콘덴싱 모듈(들)은 상기 배분 섹션에 의해 열 교환기 모듈 섹션으로 차가운 액체를 전송하며, 여기서 상기 액체가 IT 장비로 뜨거운 공기에 의한 가스로부터 증류되며, 상기 증기 냉매는 상기 주 콘덴싱 모듈(들)로 복귀된다. 상기 주 콘덴싱 모듈(들)에서, 1차 냉각 부분은 상기 배분 섹션에 의해 상기 열 교환기 모듈 섹션으로 공급하기 위한 액체로 되돌려 가열된 증기 냉매를 냉각시킨다. 상기 1차 콘덴싱 모듈들 중 하나가 고장 나는 경우, 상기 시스템으로의 전력 공급에 실패하지 않았다면 2차 냉각 모듈은 상기 가열된 증기 냉매를 냉각 및 응축시킬 수 있다. 상기 시스템으로의 전력 공급에 실패했다면, 몇몇의 아이스 저장 탱크들을 포함할 수 있는 상기 백업 냉매 섹션은 상기 시스템의 아이스 저장의 고 전력 소비 증기 압축 시스템을 사용하지 않고, 상기 시스템의 아이스 저장소의 소모 또는 배터리 수명의 기간 동안 상기 열 교환기 모듈 섹션으로부터 상기 가열된 냉매를 냉각하도록 지속할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 매개물질(medium)을 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 거기에 흐르는 냉매(coolant)를 갖는 라인, 및 상기 라인과 유체로(in fluid) 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함한다. 상기 서브-냉각 유닛은 상기 라인에 흐르는 냉매를 냉각시키기 위해 상기 라인으로부터 전환된(diverted) 상기 냉매 일부를 수용한다.
상기 시스템의 실시예들은 상기 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 팽창 장치, 상기 라인에 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하기 위해, 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기, 및 상기 전환된 냉매 일부를 상기 라인으로 펌핑하기 위한, 상기 서브-냉각 열 교환기와 유체로 소통하는 서브-냉각 펌프로 이루어진 서브-냉각 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 라인과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛 및 서브-냉각 유닛을 포함한다. 일 실시예에서 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통해 흐르는 액상 냉매의 5% 이하이다. 특정 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통하여 흐르는 액상 냉매의 대략 2%이다. 상기 시스템은 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉매를 냉각시키기 위해 적응된, 상기 라인과 유체로 소통하는 콘덴싱 유닛, 및 액체 상태로 냉매를 펌핑하기 위해 적응된, 상기 라인에 의해 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는, 주 펌프를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 상기 라인으로부터 전환된 상기 냉매 일부를 제어한다.
본 발명의 또 다른 양태는 매개물질을 냉각시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 거기에 흐르는 냉매를 가지는 라인, 및 상기 라인으로부터 냉매 일부를 전환하고 상기 전환된 냉매 일부와 함께 상기 라인을 통해 흐르는 냉매로부터 열을 흡수함으로써 상기 라인을 통해 흐르는 냉매를 냉각시키기 위한 수단에 관한 것이다.
특정 실시예들에서, 상기 라인을 통해 흐르는 냉매를 냉각시키기 위한 수단은 상기 라인으로부터 전환된 상기 냉매 일부를 수용하는, 상기 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함한다. 상기 서브-냉각 유닛은 상기 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 팽창 장치, 상기 라인에 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하기 위한, 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기, 및 전환된 냉매 일부를 상기 라인으로 펌핑하기 위한, 상기 서브-냉각 열 교환기와 유체로 소통하는, 서브-냉각 펌프를 포함한다. 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 라인 및 상기 서브-냉각 유닛과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함한다. 상기 시스템은 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉매를 냉각시키기 위해 적응된, 상기 라인과 유체로 소통하는 콘덴싱 유닛, 및 액체 상태의 냉매를 펌핑하기 위해 적응된, 상기 라인을 거쳐 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 주 펌프를 더 포함한다. 상기 시스템은 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 컨트롤러는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 상기 라인으로부터 전환된 상기 냉매 일부를 제어한다. 일 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통하여 흐르는 액상 냉매의 5% 이하이다. 특정 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통하여 흐르는 액상 냉매의 대략 2%이다.
본 발명의 또 다른 양태는 라인 내의 냉매를 냉각시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 사기 라인을 통하여 흐르는 냉매 일부를 서브-냉각 유닛으로 전환하는 단계, 및 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부와 함께 상기 라인을 통해 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 상기 냉매 일부를 다시 상기 라인으로 펌핑하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 시실예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통하여 흐르는 냉매의 5% 이하이다. 특정 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 라인을 통해 흐르는 냉매의 대략 2%이다.
본 발명의 또 다른 양태는 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉매를 냉각시키기 위해 적응된 콘덴싱 유닛을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 냉매를 펌핑하기 위해 적응된, 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 주 펌프, 및 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 더 포함한다. 상기 서브-냉각 유닛은 상기 콘덴싱 유닛에서 주 펌프로 흐르는 상기 냉매를 냉각시키기 위해 상기 주 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 전환된 냉매 일부를 수용한다.
본 발명의 실시예들은 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 서브-냉각 팽창 장치, 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하기 위해 적응된, 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기, 및 상기 전환된 냉매를 다시 상기 콘덴싱 유닛으로 펌핑하기 위해 적응된 상기 서브-냉각 열 교환기 및 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는, 서브-냉각 펌프를 포함할 수 있다. 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함한다. 상기 시스템은 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 컨트롤러는 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 전환된 상기 냉매 일부를 제어한다. 일 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 냉매 일부는 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 액상 냉매의 5% 이하이다. 특정 실시예에서, 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 상기 냉매 일부는 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 액상 냉매의 대략 2%이다.
본 발명은 하기 도면들, 상세한 설명 및 청구항들의 검토 이후 보다 완전히 이해될 것이다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 여기에 참조로서 병합되는 도면들에 참조번호가 기재되어 있다.
도 1은 콘덴싱 유닛에서 펌프로 흐르는 냉매를 냉각시키기 위해 본 발명의 실시예의 서브-냉각 유닛을 갖는 인클로저 또는 랙을 냉각시키기 위한 시스템의 개략도.
도 2는 냉각 시스템의 냉매를 서브-냉각시키기 위해 본 발명의 실시예의 방법인 흐름도.
단지 예시를 위해, 그리고 대다수 한정하는 것이 아닌 것으로서, 본 발명은 이제 수반하는 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 하기의 설명 또는 도시된 도면들에서 설명하는 장치 소자들 및 구조의 상세설명에 대한 응용만으로 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방법들이 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 전문어 및 기술용어는 설명을 목적으로 하며 이에 국한하는 것으로 간주해서는 안 된다. "포함하는", "이루어진", "구비하는", "함유하는", "수반하는"의 사용과 본원에서 그 변화는 추가적인 항목들뿐만 아니라 그에 따라 열거된 항목들 및 그 상응물을 강조하는 것으로 의도된다.
도면들, 보다 자세하게는 도 1을 참조하면, 일반적으로 10에서, 서재, 장비실 및 데이터 센터를 포함하는, 예를 들면, 전자 장비를 포함하는 공간을 냉각시키기 위한 시스템이 도시된다. 그러한 공간들은 네트워킹, 텔레통신 및 기타 전자 장비를 하우징하기 위해 설계된 인클로저 또는 랙을 하우징하도록 적응된다. 일 실시예에서, 상기 냉각 시스템(10)은 2004년 11월 19일에 출원된, IT EQUIPMENT COOLING으로 표제된, 미국 특허 출원 제 10/993,329호에 개시된 냉각 시스템의 유형으로 사용될 수 있다. 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예들의 상기 냉각 시스템(10)은 펌프로 전달되고 있는 냉매를 더 서브-냉각시키기 위해 콘덴싱 유닛에서 펌프로 냉매 일부를 전환함으로써 전체 냉각 시스템의 효율성 및 신뢰성을 향상시키도록 설계된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 국한하는 것은 아니나, R134A 및 R410A 냉매와 같은 그러한 매개물질(medium) 또는 냉매(coolant)가 주 펌프(12)를 포함하는 폐쇄형 시스템 내에 제공되는 것으로서, 액상 냉매를 펌핑하도록 설계된다. 상기 액상 냉매는 상기 주 펌프(12)에 의해 증가된 압력 하에서 상기 폐쇄형 시스템 내에 배치된다. 일 실시예에서, 상기 주 펌프(12)는 직렬로 배치된 두 개의 원심 펌프들로 구현할 수 있는 것으로서, 예를 들면, 20~25 프사이그(psig) 사이의 상기 냉매의 전체 압력을 증가시킬 수 있다. 상기 실시예에서, 상기 펌프들은 모델번호 제WRD40.5A023호로 오하이오, 데이턴의 타크 인코포레이티드에 의해 판매된 형태일 수 있다. 하지만, 20-25 프사이그로 전체 압력 증가를 달성할 수 있는 단일 펌프가 제공될 수 있으며 본 발명의 범위 내에서 계속 떨어진다.
상기 주 펌프(12)는 팽창 밸브(14)에 증가된 압력하에서 액상 냉매를 전달하는 것으로서, 라인(16)을 거쳐 상기 주 펌프와 유체로 소통한다. 상기 팽창 밸브(14)는 상기 냉매가 상기 팽창 밸브를 통하여 흐른 이후 약간의 압력과 온도 강하를 격도록 상기 냉매를 조절한다. 일 실시예에서, 상기 팽창 밸브(14)는 모델번호 제OJE-9-C-5/8'-5/8" ODF-5'호로 미주리주, 워싱턴의 더 스포란 디비전 오브 파커-해니핀 코포레이션에 의해 판매된 형태일 수 있다.
일단 상기 팽창 밸브(14)를 통해, 상기 냉매가, 저전압 액상/증기 혼합(액상 80%와 증기 20%)의 형태로, 라인(20)을 거쳐 상기 팽창 밸브(14)와 유체로 소통하는 적어도 하나의 증발기 유닛(I)을 통하여 흐른다. 일 실시예에서, 상기 증발기 유닛(18)은 상술한 사실(closet), 장비실 또는 데이터 센터로부터 수취한 뜨거운 공기와 같은, 공간으로부터 열을 흡수하기 위해 적응되는 핀(fin)들을 가지는 관형의 코일 형태를 취할 수 있다. 그러한 증발기 유닛(18)은 미시시피주의 히터레프트 오브 그레나다로부터 제조되어 상업적으로 이용가능한 2열(row)의 25.4mm 마이크로-채널 코일 어셈블리를 갖는 마이크로-채널 증발기일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 증발기 유닛은 상기 증발기 유닛에 전달된 가열된 냉매와 같은, 다른 매개물질로부터 열을 흡수하기 위해 적응될 수 있는 것으로서, 상기 가열된 매개물질은 냉각을 필요로 하는 공간으로부터 얻은 열을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉각을 필요로 하는 공간으로부터의 열부하(heat load)(22)가 상기 증발기 유닛(18)에 적용된다. 상기 열부하(22)로부터의 열은, 상기 증발기 유닛(18)에서 장비 인클로저들로부터 팬(fan)에 의해 유도된(directed) 따뜻한 공기의 형태일 수 있는 것으로서, 상기 증발기 유닛을 통해 이동하는 약간 감소된-압력 냉매를 증발시킨다. 이렇게, 상기 증발기 유닛(18) 내에서 흐르는 상기 증기 냉매의 온도는 라인(20)을 거쳐 상기 증발기 유닛의 흡입구에 진입하는 저 압력 액상/증기 혼합의 온도보다 크다. 상기 온도가 더 크나, 상기 증발기 유닛(18)에 존재하는 상기 증기 냉매의 결과적인 압력은 저 압력 액상/증기 혼합의 압력과 사실상 동일하다.
상기 증기 냉매는, 과열 조건으로, 모델번호 제WTT W9-130호로서 뉴욕, 보헤미아의 WTT 아메리카, 인코포레이티드에 의해 제조된 콘덴싱 유닛과 같은, 콘덴싱 유닛(24)에 상대적으로 낮은 압력 이하로 흐른다. 도시된 바와 같이, 상기 콘덴싱 유닛(24)은 각각 라인들(26, 28)을 거쳐 상기 증발기 유닛(18) 및 상기 주 펌프(12)와 유체로 소통한다. 상기 증발기 유닛(18)으로부터 배출되고 상기 콘덴싱 유닛(24)으로 이동하는 과열 증기 냉매는 라인(26)에서 약간의 압력 손실을 겪는 다. 상기 콘덴싱 유닛(24)은 상기 콘덴싱 유닛에 진입하는 과열 증기 냉매를 냉각시키고 라인(28)을 거쳐 상기 주 펌프(12)로 액체 상태로 냉각된 냉매로 되돌리도록 설계된다. 상기에 논의한 바와 같이, 상기 주 펌프(12)의 설계에 있어서, 상기 냉각 시스템(10)의 요건은 상기 주 펌프(12)에 진입하는 냉매가 액체 상태로 존재하는 것이다.
일 실시예에서, 상기 콘덴싱 유닛(24) 내에서 냉각시키는데 필요한 냉매는 냉각 유닛(chilling unit)의 형태의 열 교환기(30)를 요할 수 있는 것으로, 라인들(32,34)을 거쳐 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 직접 소통하는 냉각수(chilled water)(예, 대략 45℉의 물)를 공급하기 위해 적응된다. 상기 장치는 라인(34)을 거쳐 상기 콘덴싱 유닛(24)에 진입하는 냉각수는 기화된 냉매를 액체 상태로 냉각시키는 그러한 장치이다. 온수(예, 대략 52℉의 물)는 더 냉각시키기 위해 라인(32)을 거쳐 냉각기 플랜트로 반환하여 흐른다. 액상 냉매는 그 후 상기 콘덴싱 유닛(24)에서 상기 주 펌프(12)로 향하게 되며, 여기서 상기 냉매를 펌핑, 팽창, 가열 및 냉각의 순환이 다시 시작된다.
상기 인용발명 제10/993,329호에 개시된 컨트롤러와 같은 컨트롤러(36)가 도 1에 도시된 냉각 시스템(10)의 동작을 제어하도록 구성된다. 라인(28)에서 상기 주 펌프 흡입 조건은 주 펌프(12)와 같은 액상 펌프들이 100% 액체를 필요로 하기 때문에 2-상태 펌프 냉각 시스템들에 있어서 중요하다. 상기 주 펌프(12)의 고장을 막고 효과적으로 실행시키기 위해서는, 서브-냉각 액상 냉매가 바람직하다. 특히, 상기 콘덴싱 유닛(24)은 상기 열 교환기(30)를 거쳐 증기 냉매를 냉각시키고, "허 용가능한" 액상 냉매(액체 상태로 충분히 냉각된 냉매)가 상기 주 펌프(12)로 향하게 되므로, 상기 허용가능한 냉매는 적절히 동작되도록 상기 주 펌프를 위해 충분히 냉각되어 있지 않을 수도 있다. 다른 방법으로는, 상기 주 펌프(12)로 진입하는 모든 냉매는 액체 상태에 있는 것이 바람직하다. 그렇지 않다면, 캐비테이션(cavitation) 및/또는 베이퍼 록(vapor lock)은 상기 주 펌프(12)의 무력화(incapacitation)를 초래할 수 있다. 상기 주 펌프(12)의 고장은 상기 냉각 시스템(10)의 파국적인 고장을 초래할 수 있으며, 이로써 냉각을 필요로 하는 전자 장비의 계속적인 동작을 위태롭게 한다.
종종, 환경적 상황들로 인해, 예를 들면, 상기 주 펌프로 냉매를 전달하기 이전에 상기 냉매가 액체 상태로 있도록 하기 위해 충분한 온도로 상기 콘덴싱 유닛(24)의 배출구 내에서 냉매를 냉각시키는 것이 어렵다. 라인(28) 내에서 상기 콘덴싱 유닛(24)의 배출구의 온도는 거의 상기 열 교환기에 의해 더 냉각을 필요로 하는 냉매의 온도이므로, 때때로 상기 주 펌프(12)로 전달된 냉매의 100%가 액체 상태로 있도록 하기 위해 상기 냉매를 더 서브-냉각시키는 것이 필요하다.
이러한 저온을 이루는 한 방법은 다른, 특대형의 콘덴싱 유닛과 함께, 이를 테면, 수분 냉각기와 같은 개별 냉각 시스템을 제공하는 것이다. 하지만, 그러한 접근방법들은 설치 및 동작에 비용이 많이 들며, 대부분의 응용들에 실용적이지 않다.
도 1을 다시 참조하면, 일반적으로 40으로 나타낸, 본 발명의 실시예의 서브-냉각 유닛을 가진 냉각 시스템(10)이 도시된다. 도시된 바와 같이, 상기 서브-냉 각 유닛(40)은 하기에 설명된 방식으로 상기 냉각 시스템(10)의 이러한 컴포넌트들과 유체로 소통하도록 일반적으로 상기 콘덴싱 유닛(24)과 상기 주 펌프(12) 사이에 배치된다. 특히, 상술한 바와 같이, 상기 콘덴싱 유닛(24)에 의해 냉각된 냉매는 라인(28)을 거쳐 상기 주 펌프(12)로 향하게 된다. 본 발명의 실시예들에 의해, 상기 냉매의 소량이 더 냉각되기 위해 라인(42)에 의해 상기 서브-냉각 유닛(40)으로 전환된다. 일부 실시예들에서, 라인(42)으로 전환된 다량의 냉매는 상기 콘덴싱 유닛(24)에서 상기 주 펌프(12)로 전달된 총 다량의 냉매보다 5% 더 적다. 바람직한 실시예에서, 상기 주 펌프(12)에서 라인(42)으로 전환된 다량의 냉매는 전달된 총 다량의 냉매의 대략 2%이다.
컨트롤러(36)는, 44에서 밸브와 전기 전달되는 것으로서, 상기 주 펌프(12)에서 그리고 상기 서브-냉각 유닛(40) 내에서 상기 냉매의 환경 상황들에 기반하여 전환된 냉매량을 결정하도록 구성될 수 있다. 남아있는 냉매, 이를 테면, 비전환된 냉매는 라인(28)을 거쳐 상기 주 펌프(12)로 흐르는 것을 지속한다. 하기에 보다 상세하게 설명되는 것처럼, 상기 주 펌프(12)로 전달된 냉매는 상기 냉매가 액체 상태로 있도록 하기 위해 (상기 냉각 시스템(10)에 영향을 주는 환경 상황들과 사용된 냉매 종류에 따라) 충분히 차가운 온도로 냉각된다.
전환되기 전에, 상기 냉매는 상기 콘덴싱 유닛(24)과 상기 주 펌프(12) 사이에 배치된 열 교환기(46)를 통하여 상기 콘덴싱 유닛(24)으로부터 흐른다. 일 실시예에서, 상기 열교환기(46)는 동심관(concentric tube)들을 포함하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함한다. 상기 장치는 라인(28)을 거쳐 상기 콘덴싱 유닛(24)에 존재하는 냉매가 상기 동축 콘덴싱 유닛의 내관(도시하지 않음) 내에서 흐르고 라인(42)으로 전환된 냉매가 거기에 상기 내관을 하우징하는 상기 동축 콘덴싱 유닛의 외관(도시하지 않음) 내에서 흐르는 그러한 장치이다. 동축 콘덴싱 유닛들은 종래기술에 잘 공지되어 있으며, 모델번호 제AES003522호로서 텍사스, 와코의 팩클리스 인더스트리즈에 의해 제공된 유형일 수 있다. 하기에 보다 자세히 논의된 것처럼, 라인(28)에 의해 상기 콘덴싱 유닛(24)에서 상기 주 펌프(12)로 흐르는 냉매는 상기 서브-냉각 유닛(40)으로 전환된 냉매에 의해 냉각되는 이러한 동축 콘덴싱 유닛(46) 내에 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 서브-냉각 유닛(40)은 상기 서브-냉각 유닛으로 전환된 냉매의 압력 및 온도를 줄이기 위해 라인(42)에 연결된 서브-냉각 팽창 밸브(48)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 서브-냉각 팽창 밸브(48)는 모세관(capillary tube) 또는 제한적 오리피스(restrictive orifice)로 대체될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 서브-냉각 팽창 밸브는 SJ 팽창 밸브 시리즈로서 미주리주, 워신톤의 스포란 디비전 오브 파커-해니핀에 의해 판매된 유형일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 열 교환기(46)(이를 테면, 동축 콘덴싱 유닛)는 상기 외관을 통해 흐르는 냉매가 상기 내관을 통해 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하도록, 라인(52)을 거쳐 상기 서브-냉각 팽창 밸브(48)로부터 냉매를 수용한다. 라인(28)을 거쳐 상기 주 펌프(12)로 향하는 냉매가 상기 서브-냉각 유닛(40)에 의해 냉각되는 곳이 이 지점에서 이다. 서브-냉각 펌프(54)는 상기 콘덴싱 유닛으로 되돌려 전화된 냉매를 펌핑하기 위해 각각, 라인들(56,58)을 거쳐 상기 서브-냉각 열 교환기(46) 및 상기 콘덴싱 유닛(24)과 유체로 소통된다.
요약하면, "허용가능한" 액상 냉매는 라인(28)을 거쳐 상기 콘덴싱 유닛(24)에서 상기 주 펌프(12)로 향하게 된다. 상기 밸브(44)는, 상기 컨트롤러(36)의 조작하에서, 상기 서브-냉각 유닛(40)의 컴포넌트로 다량의 냉매 중 소량을 전환한다. 상기 밸브(44)는 상기 컨트롤러에 의해 상기 서브-냉각 유닛으로 냉매의 선출량을 보내도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 라인(28)에 의해 상기 주 펌프로 이동하는 다량의 총 냉매의 2%는 상기 서브-냉각 유닛(40)으로 전환될 수 있다. 상기 전환된 냉매는 상기 버스-냉각 팽창 밸브(48)에 의해 팽창되며, 상기 냉매의 압력 및 온도를 상당히 감소시킨다. 상기 서브-냉각 열 교환기(46)는 상기 전환된 서브-냉각 냉매와 함께 상기 주 펌프(12)로 향하는 라인(28) 내의 냉매로부터 열을 제거하고 이로써 상기 주 펌프로 향하고 있는 냉매가 액체 상태로 있도록 설계된다.
일단 상기 열 교환기(46)에 의해 가열되면, 증기 냉매는 상기 액상/증기 서브-냉각 펌프(54)에 의해 압축되며, 각각, 라인들(56,58)을 거쳐 상기 서브-냉각 열 교환기 및 상기 콘덴싱 유닛(24)과 유체로 소통된다. 이 지점에서, 상기 기화된 냉매의 압력은 낮으며, 이로써 상기 증발기(들) 유닛(18)에서 냉매를 운반하는 라인(26)으로 다시 도입하기에 충분한 압력으로 상기 냉매를 압축한다. 특히, 상기 액상/증기 냉매가 라인(58) 내의 압력하에서 제공되며 상기 증발기 유닛(들)(18)로부터 이동하는 증기화된 냉매로 다시 도입되는 라인(26)으로 이동한다. 일 실시예에서, 상기 액상/증기 펌프(54)는 미네소타주의 미니애폴리스의 펌프웍스 인코포레이티드에 의해 제조된 선형 피스톤 펌프이다. 라인(58) 내의 액상/증기 냉매의 압 력은 라인(26)의 증기 냉매의 압력과 사실상 유사하며, 일단 라인(26)으로 다시 도입되면, 상기 냉매는 상기 콘덴싱 유닛(24)으로 이동한다.
따라서, 본 발명의 상기 서브-냉각 유닛(40)은 IT EQUIPMENT COOLING으로 표제된, 미국 특허 번호 제10/993,329호에 개시된 냉각 시스템에 도시되고 설명된 콘덴싱 유닛들 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 서브-냉각 유닛(40)은 주 펌프로 전달되는 냉매를 냉각시키기 위한 폐쇄 시스템 내의 냉매에 좌우한다.
이제 도 2로 다시 돌아가서, 냉각 시스템(10)과 같은, 냉각 시스템 내의 냉매를 서브-냉각시키는 방법이 일반적으로 70에 도시된다. 72에서, 냉매는 주 펌프(12)와 같은, 펌프에 의해 팽창 밸브(14)와 같은, 팽창 장치로 펌핑된다. 74에서, 상기 팽창 장치는 냉매가 열부하를 수용하기 위해 조절되도록 상기 냉매를 팽창한다. 76에서, 전자 장비를 수용하는 공간과 같은, 냉각을 필요로 하는 공간으로부터 적용되는 상기 열부하는 상기 냉매에 적용된다. 상기 냉매에 적용된 열부하는 일반적으로 냉매를 기화시키기에 충분하다. 다음, 78에서, 상기 냉매는 액체 상태로 응축되어 다시 펌프로 향하며, 여기서 사이클이 다시 시작된다.
계속 도 2를 참조하면, 80에서, 냉매 일부가 서브-냉각 유닛(40)과 같은 서브-냉각 유닛으로 전환되며, 상기 펌프로 흐르는 냉매를 서브-냉각시키도록 설계된다. 본 발명의 방법은 선출량, 이를 테면, 상기 콘덴싱 유닛에서 배출하는 냉매의 환경적 상황들에 기초한 상기 주 펌프로 흐르는 냉매의 2%를 전환시킬 수 있다. 82에서, 전환된 냉매의 일부는 상기 펌프로 이동하는 냉매로부터 열을 흡수하기 위해 열 교환기(예, 열 교환기(46))로 들어간다. 상기 열 교환기에 흡수된 열은 상기 펌 프로 흐르는 냉매의 냉각을 더 야기한다. 상기 냉매의 열을 흡수한 후, 전환된 냉매의 일부는 84에서 다시 상기 콘덴싱 유닛으로 펌핑되며, 액상/증기 냉매를 냉각시킨다.
본 발명의 실시예들의 서브-냉각 유닛(40)은 도 1에 도시된 냉각 시스템(10)과 다른 냉각 시스템들이 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 상기 서브-냉각 유닛(40)은 액상 냉매를 펌핑하기 위해 설계된 펌프를 가지는, 냉각이든 또는 가열 시스템이든 임의의 시스템에 사용될 수 있다. 상기 서브-냉각 유닛(40)의 규정(provision)은 그러한 시스템들이 효과적으로 그리고 보다 확실하게 동작하도록 한다.
따라서 본 발명의 적어도 일 실시예에서 기술된 것처럼, 다양한 변경, 변형 및 개량들이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 쉽게 일어날 것이다. 그러한 변경, 변형 및 개량들은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 한다. 따라서, 상술한 설명은 단지 대표적인 방법일 뿐 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 한정은 단지 하기의 청구항들과 그에 상응하는 것으로만 규정된다.

Claims (31)

  1. 매개물질을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 있어서,
    상기 시스템에 흐르는 냉매(coolant)를 가지는 전체 라인;
    액체 상태의 냉매를 펌핑하기 위해 적합한, 상기 전체 라인과 유체로 소통하는 주 펌프;
    냉매를 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉각하기 위해 적합한, 상기 전체 라인을 통해 상기 주 펌프와 유체로 소통하는 콘덴싱 유닛; 및
    냉매를 냉각시키기 위해 상기 전체 라인 중 상기 주 펌프와 상기 콘덴싱 유닛 사이의 라인으로부터 분기되는 냉매의 일부를 수용하는, 상기 주 펌프와 상기 콘덴싱 유닛 사이의 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함하되,
    상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매 일부를 팽창시키는 서브-냉각 팽창 장치, 및 상기 서브-냉각 팽창 장치에 의해 팽창된 냉매로부터 열을 흡수하기 위해 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기를 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매 일부를 펌핑하기 위한, 상기 서브-냉각 열 교환기와 유체로 소통하는, 서브-냉각 펌프를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 서브-냉각 유닛과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 냉매 일부는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인을 통해 흐르는 액상 냉매의 5% 이하인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 냉매 일부는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인을 통해 흐르는 액상 냉매의 2%인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인으로부터 분기되는 상기 냉매 일부를 제어하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  10. 매개물질을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 있어서,
    상기 시스템에 흐르는 냉매를 가지는 전체 라인;
    액체 상태의 냉매를 펌핑하기 위해 적합한, 상기 전체 라인과 유체로 소통하는 주 펌프;
    냉매를 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉각하기 위해 적합한, 상기 전체 라인을 통해 상기 주 펌프와 유체로 소통하는 콘덴싱 유닛; 및
    상기 전체 라인 중 상기 주 펌프와 상기 콘덴싱 유닛 사이의 라인으로부터 냉매 일부를 분기시키고 상기 분기되는 냉매 일부와 상기 분기되는 냉매 일부를 제외한 나머지 냉매로부터 열을 흡수함으로써 상기 주 펌프를 향하여 흐르는 냉매를 냉각시키기 위한 수단을 포함하되,
    상기 냉매를 냉각시키기 위한 수단은 상기 분기되는 냉매 일부를 수용하며 상기 주 펌프와 상기 콘덴싱 유닛 사이의 라인과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함하고,
    상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매 일부를 팽창시키는 서브-냉각 팽창 장치, 및 상기 서브-냉각 팽창 장치에 의해 팽창된 냉매로부터 열을 흡수하기 위해 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기를 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매 일부를 펌핑하기 위해 상기 서브-냉각 열 교환기와 유체로 소통하는, 서브-냉각 펌프를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 서브-냉각 유닛과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인으로부터 분기되는 상기 냉매 일부를 제어하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 냉매 일부는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인을 통해 흐르는 액상 냉매의 5% 이하인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  19. 제 10 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 냉매 일부는 상기 주 펌프에 상기 콘덴싱 유닛을 연결하는 라인을 통해 흐르는 액상 냉매의 2%인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  20. 냉매를 냉각시키는 방법에 있어서,
    사실상 증기 상태의 냉매를 콘덴싱 유닛으로 전달하는 단계;
    냉매를 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉각하는 단계;
    사실상 액체 상태의 냉매를 주 펌프에 전달하는 단계;
    상기 콘덴싱 유닛과 상기 주 펌프 사이에 연결된 라인을 통하여 흐르는 냉매의 일부를, 서브-냉각 팽창 장치 및 서브-냉각 열 교환기를 포함하는 서브-냉각 유닛으로 전환시키는 단계;
    상기 서브-냉각 열 교환기를 포함한 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 증기 상태의 냉매 일부와 함께 상기 콘덴싱 유닛과 상기 주 펌프 사이에 연결된 라인을 통해 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하는 단계; 및
    증기 펌프를 이용하여 상기 증기 상태의 냉매를 상기 콘덴싱 유닛으로 되돌아오게 하는 단계를 포함하는 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 방법.
  21. 삭제
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 상기 냉매 일부는 상기 주 펌프를 향하여 흐르는 냉매의 5% 이하인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 상기 냉매 일부는 상기 주 펌프를 향하여 흐르는 냉매의 2%인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 방법.
  24. 냉매를 사실상 증기 상태에서 사실상 액체 상태로 냉각시키기 위해 적합한 콘덴싱 유닛;
    상기 액체 상태의 냉매를 펌핑하기 위해 적합한, 상기 콘덴싱 유닛과 연결된 라인을 통해 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 주 펌프; 및
    상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 냉매를 냉각시키기 위해 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 분기되는 냉매 일부를 수용하는, 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 서브-냉각 유닛을 포함하되,
    상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매 일부를 팽창시키는 서브-냉각 팽창 장치, 및 상기 서브-냉각 팽창 장치에 의해 팽창된 냉매로부터 열을 흡수하기 위해 상기 서브-냉각 팽창 장치와 유체로 소통하는 서브-냉각 열 교환기를 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  25. 삭제
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛은 상기 분기되는 냉매를 다시 상기 콘덴싱 유닛으로 펌핑하기 위해 적합한, 상기 서브-냉각 열 교환기 및 상기 콘덴싱 유닛과 유체로 소통하는 서브-냉각 펌프를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 서브-냉각 열 교환기는 상기 콘덴싱 유닛 및 상기 서브-냉각 유닛과 유체로 소통하는 동축 콘덴싱 유닛을 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 냉각 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 분기되는 상기 냉매 일부를 제어하는, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  30. 제 24 항에 있어서, 상기 서브 냉각 유닛으로 분기되는 상기 냉매 일부는 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 액상 냉매의 5% 이하인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
  31. 제 24 항에 있어서, 상기 서브-냉각 유닛으로 분기되는 상기 냉매 일부는 상기 콘덴싱 유닛에서 상기 주 펌프로 흐르는 액상 냉매의 2%인, 서브-냉각 유닛을 포함하는 냉각 시스템.
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