KR101735623B1

KR101735623B1 - 브레이턴 사이클 냉동기

Info

Publication number: KR101735623B1
Application number: KR1020157022659A
Authority: KR
Inventors: 쇼타 우에다; 아키토 마치다; 미즈오 쿠도; 나오코 나카무라
Original assignee: 마에카와 매뉴팩쳐링 캄파니 리미티드
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-05-15
Also published as: US9863669B2; US20160018134A1; JPWO2014192382A1; RU2631841C2; CN105247299B; EP2940406B1; EP2940406A4; ES2689656T3; EP3153795B1; ES2640631T3; RU2015150778A; CN105247299A; WO2014192382A1; KR20160016748A; JP5985746B2; EP2940406A1; EP3153795A1

Abstract

다단식 압축기를 이용한 브레이턴 사이클을 이용한 냉동기에 있어서, 냉각대상의 열부하 변동에 대하여 냉동능력의 저하를 수반하지 않고, 양호한 응답성을 갖는 브레이턴 사이클 냉동기를 제공하는 것을 목적으로서, 본 발명에 따른 브레이턴 사이클 냉동기(100)는, 냉매라인(101) 상에 다단식 압축기(102a, 102b, 102c)와, 냉각대상의 열부하를 검출하는 온도센서(160)와, 저압라인(109)과 고압라인(110)의 사이에 마련된 버퍼탱크(111)를 구비하고, 밸브(112, 113)의 개도제어에 의해 냉매라인에 있어서의 냉매유량을 제어함으로써, 냉동능력을 조정한다.

Description

브레이턴 사이클 냉동기{BRAYTON CYCLE REFRIGERATION DEVICE}

본 발명은, 냉각대상에 있어서의 열부하 변동에 대하여 냉각능력을 제어가능한 브레이턴 사이클 냉동기의 기술분야에 관한 것이다.

또한, 냉동기에 이용되는 브레이턴 사이클은, 열기관으로서 이용되는 브레이턴 사이클에 대하여 「역브레이턴 사이클」이라 불리는데, 본 명세서는 간단히 「브레이턴 사이클」이라고 칭하기로 한다(「초전도·저온공학 핸드북」 1993 Ohmsha, Ltd.(사단법인 저온공학협회편)을 참조).

압축기나 팽창기와 같은 회전기를 이용하는 냉동사이클의 일종으로서, 브레이턴 사이클을 이용한 냉동기가 알려져 있다. 이러한 냉동사이클에서는, 예를 들어 특허문헌 1이나 특허문헌 2와 같이, 냉매가 흐르는 순환경로 상에 복수단에 걸쳐 압축기나 팽창기를 직렬 배치함으로써, 냉각능력을 향상시키는 것이 있다.

일본특허공개 2003-148824호 공보 일본특허공개 H9-329034호 공보

이런 종류의 냉동기에서는, 냉각대상의 열부하가 변동한 경우, 압축기나 팽창기의 회전수를 제어함으로써, 냉동능력을 열부하에 따라 조정하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 냉동능력을 회전수 제어에 의해 제어한 경우, 회전수의 변화에 수반하여, 냉매의 유량, 압력비, 온도 등과 같은 다른 제어 파라미터에도 변동을 초래한다. 이에 따라, 냉동능력을 열부하에 대응한 소정의 목표값에 수속시킬 때까지 시간을 필요로 하는 경우가 있어, 양호한 응답성을 얻는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

특히 상기 서술한 특허문헌과 같이 다단식의 회전기를 이용한 경우에는, 개개의 압축기의 회전수를 제어하고자 하면, 이에 수반하여 변동하는 제어 파라미터의 수가 많아지고, 상기 서술한 문제점은 보다 한층 현저한 것이 된다.

회전수 제어에 의해 냉동능력의 조정을 행하는 경우에는, 팽창기의 팽창비 및 단열효율이 저하됨으로써, 냉동기의 성적계수(COP)가 악화된다는 문제도 있다. 본 출원인의 검증에 따르면, 회전수를 약 10% 변화시키면, COP는 약 30% 저감되는 것이 발견되었다.

본 발명은 상기 서술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 다단식 압축기를 이용한 브레이턴 사이클을 이용한 냉동기에 있어서, 냉각대상의 열부하 변동에 대하여 효율의 저하를 수반하지 않고, 양호한 응답성을 갖는 브레이턴 사이클 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 브레이턴 사이클 냉동기는 상기 과제를 해결하기 위하여, 냉매라인 상에서 직렬 접속된 다단식의 압축기에 의해 압축된 냉매를 이용하여 냉열을 발생시키는 브레이턴 사이클에 의해 냉매를 냉각하는 브레이턴 사이클 냉동기로서, 냉각대상의 열부하를 검출하는 열부하 검출수단과, 상기 압축기로 압축되기 전의 냉매가 흐르는 저압라인과 상기 압축기로 압축된 후의 냉매가 흐르는 고압라인의 사이에 마련된 버퍼탱크와, 상기 버퍼탱크의 입구에 마련됨으로써, 상기 버퍼탱크로의 냉매유입량을 제어가능한 제1 밸브와, 상기 버퍼탱크의 출구측에 마련됨으로써, 상기 버퍼탱크로부터의 냉매유출량을 제어가능한 제2 밸브와, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 제어수단을 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 열부하 검출수단에 의해 상기 냉각대상에 있어서 열부하의 변동이 검출된 경우에, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 조정함으로써, 상기 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 냉각대상에 있어서 열부하의 변동이 검출된 경우에, 제1 밸브 및 제2 밸브의 개도를 조정함으로써, 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량의 제어에 의해, 냉동능력을 조정할 수 있다. 이러한 냉매의 유량제어에서는, 냉매의 체적유량을 일정하게 하면서 질량유량을 변화시키므로, 압력비나 온도와 같은 다른 제어 파라미터의 변동을 수반하지 않고, 열부하의 변동에 대하여 양호한 응답성이 얻어진다. 또한 냉매의 유량제어에서는, 종래의 회전수 제어로 우려되는 팽창기의 단열효율의 저하를 초래하지 않으므로, 성적계수의 악화를 회피할 수 있다.

또한, 버퍼탱크는 압력차가 있는 저압라인과 고압라인의 사이에 마련되어 있으므로, 고압라인 상에 마련된 제1 밸브를 개폐함으로써, 버퍼탱크와 고압라인의 압력차에 기초하여, 버퍼탱크로의 냉매의 도입을 행할 수 있다. 한편, 저압라인 상에 마련된 제2 밸브를 개폐함으로써, 버퍼탱크와 저압라인의 압력차에 기초하여, 버퍼탱크로부터의 냉매의 배출을 행할 수 있다. 이와 같이, 버퍼탱크를 이용한 유량제어는, 외부로부터의 동력공급을 필요로 하지 않으므로, 에너지효율적으로도 우수하다.

본 발명의 일태양에서는, 상기 고압라인은, 최하류측에 배치된 상기 압축기로부터 냉매가 배출되는 라인이며, 상기 저압라인은, 최상류측에 배치된 상기 압축기에 냉매를 공급하는 라인일 수도 있다.

이 태양에 따르면, 고압라인과 저압라인의 사이의 압력차를 크게 확보할 수 있으므로, 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐제어에 의해, 버퍼탱크로의 냉매의 도입·배출에 의한 유량제어를 용이하게 행할 수 있다.

이 경우, 상기 압축기로 압축된 냉매와 냉각대상을 냉각 후의 냉매를 열교환하는 냉열회수 열교환기를 구비하고, 상기 고압라인은 상기 압축기와 상기 냉열회수 열교환기의 사이로부터 분기되어 있을 수도 있다.

이 태양에 따르면, 냉열회수 열교환기에 있어서 냉각대상을 냉각 후의 냉매에 남은 냉열을 이용하여, 팽창기에 공급되는 고온의 냉매를 예냉함으로써 냉동능력을 향상할 수 있다. 버퍼탱크에 냉매를 도입하여 유량제어하는 경우, 냉열회수 열교환기의 상류측에서부터 분기하여 버퍼탱크에 냉매를 도입함으로써, 냉열회수 열교환기에 공급되는 냉매유량이 적어지므로, 냉열회수 열교환기에 의한 냉매의 냉각을 보다 효과적으로 발휘할 수 있다.

또한 다른 태양에서는, 상기 제어수단은, 상기 열부하 검출수단에 의해 검출된 열부하의 변화율이 미리 설정된 소정값보다 큰 경우, 상기 압축기 및 팽창기의 회전수를 제어한 후에, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 조정할 수도 있다.

이 태양에 따르면, 냉각대상에 있어서 급준한 열부하 변동이 발생한 경우에는, 상기 서술한 밸브의 개도조정에 의한 냉매의 유량제어에 앞서, 압축기 및 팽창기의 회전수를 제어함으로써, 큰 열부하 변동에 대해서도 양호한 응답성이 얻어진다.

또한 다른 태양에서는, 상기 브레이턴 사이클의 냉각부는, 열교환기를 개재하여 냉각대상을 순환하는 2차냉매를 냉각하고, 상기 열부하 검출수단은, 상기 2차냉매가 흐르는 라인 상에 마련된 온도센서일 수도 있다.

이 태양에 따르면, 냉각대상에 있어서의 열부하의 변동을 검출하기 위한 열부하 검출수단을 2차냉매가 흐르는 라인 상에 마련된 온도센서로 함으로써, 냉각대상에 있어서의 열부하의 변동을 신속하게 검출할 수 있으므로, 응답성이 우수한 브레이턴 사이클 냉동기를 실현할 수 있다.

또한 다른 태양에서는, 상기 다단식의 압축기는, 상류측에서부터 차례로 제1 압축기, 제2 압축기 및 제3 압축기가 직렬 접속되어 구성되어 있고, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기는, 제1 전동모터의 출력축 상에 연결되어 있고, 상기 제3 압축기 및 상기 팽창기는, 제2 전동모터의 출력축 상에 연결되어 있을 수도 있다.

이 태양에 따르면, 제1 내지 제3 압축기를 각각 순환경로 상에 직렬로 마련함으로써 다단압축이 가능하게 구성되어 있다. 특히 제1 압축기는 제2 압축기와 함께 제1 전동모터의 출력축 상에 연결됨으로써, 압축기마다 동력원을 마련하는 경우에 비해 구성을 심플화할 수 있다. 제3 압축기도 또한, 팽창기와 함께 제2 전동모터의 출력축 상에 연결됨으로써 구성을 심플화할 수 있는 것에 더하여 팽창기로 회수한 동력이 제3 압축기의 압축동력에 기여함으로써, 효율화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉각대상에 있어서 열부하의 변동이 검출된 경우에, 제1 밸브 및 제2 밸브의 개도를 조정함으로써, 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량의 제어에 의해, 냉동능력을 조정할 수 있다. 이러한 냉매의 유량제어에서는, 냉매의 체적유량을 일정하게 하면서 질량유량을 변화시키므로, 압력비나 온도와 같은 다른 제어 파라미터의 변동을 수반하지 않고, 열부하의 변동에 대하여 양호한 응답성이 얻어진다. 또한 냉매의 유량제어에서는, 종래의 회전수 제어로 우려되는 팽창기의 팽창비 및 단열효율의 저하를 초래하지 않으므로, 성적계수의 악화를 회피할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 브레이턴 사이클 냉동기(이하, 적당히 「냉동기」라고 칭함)(100)의 전체구성을 개념적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 냉동기가 갖는 브레이턴 사이클의 T-S선도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 냉동기에 있어서의 압축기의 압축비와 성적계수비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 열부하의 변동시에 있어서의 컨트롤러의 제어내용을 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 본 실시예에 따른 냉동기에 있어서의 압력센서의 검출값과 각 압축기 및 팽창기에 있어서의 단열효율비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따른 냉동기에 있어서의 압력센서의 검출값과 성적계수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예에 따른 냉동기에 있어서의 압력센서의 검출값과 각 압축기 및 팽창기에 있어서의 단열효율비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 비교예에 따른 냉동기에 있어서의 압력센서의 검출값과 성적계수의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시의 형태를 예시적으로 상세하게 설명한다. 단, 이 실시의 형태에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대배치 등은, 특별히 특정적인 기재가 없는 한 이 발명의 범위를 그것으로만 한정하는 취지는 아니며, 단지 설명예에 불과하다.

도 1은 본 실시예에 따른 브레이턴 사이클 냉동기(이하, 적당히 「냉동기」라고 칭함)(100)의 전체구성을 개념적으로 나타낸 모식도이다. 도 2는 냉동기(100)가 갖는 브레이턴 사이클의 T-S선도이며, 종축이 온도T[K]를 나타내고, 횡축이 엔트로피S[KJ/kgK]를 나타내고 있다. 또한, 도 2(b)는, 도 2(a)의 파선으로 둘러싼 영역을 확대하여 나타낸 것이다.

냉동기(100)에서는, 냉매가 흐르는 순환경로(101) 상에, 냉매를 압축하는 압축기(102)와, 압축된 냉매를 냉각수와 열교환함으로써 냉각하는 열교환기(103)와, 냉각 후의 냉매를 팽창하는 팽창기(104)와, 냉매와 냉각대상의 열교환을 행하는 열교환기로 이루어지는 냉각부(105)와, 냉매의 냉열을 회수하기 위한 냉열회수 열교환기(106)가 차례로 마련되어 있고, 정상순환흐름의 냉동사이클에 의한 향류형 열교환기 방식의 브레이턴 사이클이 형성되어 있다.

또한, 본 실시예에 따른 냉동기(100)에서는, 극저온 상태에서 초전도체를 이용한 초전도기기(도시하지 않음)를 냉각대상으로 하고 있다. 냉각대상인 초전도기기측에서는, 냉각부(105)에 있어서 냉동기(100)에서 이용되는 냉매와 열교환되는 2차냉매로서 액체질소가 이용되고 있다(도 1에서는, 냉각대상 중 냉매인 액체질소가 순환하는 순환경로(150)만을 나타내고 있다). 이에 따라, 초전도기기의 열부하에 의해 승온된 순환경로(150)를 흐르는 액체질소가, 냉동기(100)에 의해 냉각된 순환경로(101)를 흐르는 냉매와 열교환함으로써, 냉각되도록 되어 있다.

그리고, 2차냉매가 흐르는 순환경로(150) 상에는, 냉각대상의 열부하를 검출하는 열부하 검출수단인 온도센서(160)가 마련되어 있다.

또한, 냉동기(100)측의 순환경로(101)를 흐르는 냉매로는, 냉각온도 등에 따라 적당히, 가스의 종류를 선택해도 되고, 예를 들어 헬륨, 네온, 수소, 질소, 공기, 탄화수소 등을 이용하면 된다.

냉동기(100)는, 순환경로(101) 상에 복수 압축기(102a, 102b, 102c)와 열교환기(103a, 103b, 103c)를 구비한다. 열교환기(103a, 103b, 103c)는, 압축기(102a, 102b, 102c)의 하류측에 각각 마련되고, 단열압축에 의해 승온한 냉매를, 냉각수와의 사이에서 열교환함으로써 냉각할 수 있도록 되어 있다.

순환경로(101)를 흐르는 냉매는, 우선 최상류측에 있는 압축기(102a)에 의해 단열압축되어 온도가 상승한 후(도 2(b)의 부호 151에 상당), 하류측에 마련된 열교환기(103a)에 있어서 냉각수와 열교환함으로써 냉각된다(도 2(b)의 부호 152에 상당). 그 후, 냉매는 다시 압축기(102b)에 의해 단열압축되어 온도가 상승한 후(도 2(b)의 부호 153에 상당), 하류측에 마련된 열교환기(103b)에 있어서 냉각수와 열교환함으로써 냉각된다(도 2(b)의 부호 154에 상당). 그리고 또한, 냉매는 다시, 압축기(102c)에 의해 단열압축되어 온도가 상승한 후(도 2b의 부호 155에 상당), 하류측에 마련된 열교환기(103c)에 있어서 냉각수와 열교환함으로써 냉각된다(도 2(b)의 부호 156에 상당).

이와 같이 냉동기(100)에서는, 복수단에 걸쳐 압축기(102)에 의한 단열압축과, 열교환기(103)에 의한 냉각을 반복함으로써 효율향상이 도모되고 있다. 즉, 단열압축과 냉각의 반복을 복수단에 걸쳐 행함으로써, 브레이턴 사이클의 압축공정을 이상적인 등온압축에 근접시키고 있다. 이 단수는 많을수록, 등온압축에 근사해지는데, 단수가 증가하는 것에 따른 압축비의 선택, 장치구성의 복잡화, 운용의 간이성 등을 고려하여 단수를 결정하면 된다.

열교환기(103c)를 통과한 냉매는, 냉열회수 열교환기(106)에 의해 다시 온도가 냉각된 후(도 2(a)의 부호 157에 상당), 팽창기(104)에 의해 단열팽창되고, 냉열을 생성한다(도 2(a)의 부호 158에 상당).

또한, 도 1의 예에서는, 단일의 팽창기(104)를 갖는 냉동기(100)를 나타내고 있는데, 압축기(102)와 마찬가지로, 순환경로(101)에 대하여 직렬로 복수의 팽창기가 마련되어 있을 수도 있다.

팽창기(104)로부터 배출된 냉매는, 냉각부(105)에 있어서, 냉각대상인 초전도기기 내의 순환경로(150)를 흐르는 액체질소와 열교환되고, 열부하에 의해 온도가 상승한다(도 2(a)의 부호 159에 상당).

냉각부(105)에서 승온된 냉매는, 냉열회수 열교환기(106)에 도입되고, 상기 서술한 열교환기(103c)를 통과한 고온의 압축냉매와 열교환함으로써, 남은 냉열을 회수한다. 이에 따라, 냉각대상을 냉각한 후에 냉매에 남아 있는 냉열을 이용하여, 팽창기(104)에 도입되는 냉매의 온도를 저하시킬 수 있으므로, 냉각효율의 향상이 도모되고 있다.

이와 같이 냉동기(100)에서는, 압축기(102)나 팽창기(104)와 같은 복수의 회전기를 이용하여 브레이턴 사이클이 구성되어 있다.

상류측의 2개의 압축기(102a 및 102b)는, 공통의 동력원인 전동기(107a)의 출력축(108a)의 양단에 각각 연결됨으로써, 부품점수를 삭감하고, 적은 설치공간에 부설 가능하게 구성되어 있다. 하류측 압축기(102c) 및 팽창기(104)도 또한, 공통의 동력원인 전동기(107b)의 출력축(108b)의 양단에 각각 연결됨으로써 부품점수를 삭감하고, 적은 설치공간에 부설 가능하게 구성되어 있는데, 이에 더하여, 팽창기(104)로 회수한 동력이 압축기(102c)의 압축동력에 기여함으로써, 효율화가 도모되고 있다.

여기서 도 3은 본 실시예에 따른 냉동기(100)에 있어서의 압축기(102)의 압축비와 성적계수비(COP비)의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프에 따르면, 압축기(102)의 압축비가 약 1.40 부근인 경우에 COP가 최대값을 취하는 것이 해석적으로 나타나 있다. 본 출원인들의 연구에 따르면, 압축비를 약 1.40으로 설정하기 위해서는, 압축기의 단수를 「3」으로 함과 함께, 팽창기의 단수를 「1」로 설정하는 것이 최적인 것이 발견되었다.

다시 도 1로 돌아가서, 브레이턴 사이클을 구성하는 냉매라인인 순환경로(101) 중, 압축기(102)로 압축되기 전의 냉매가 흐르는 저압라인(109)과 상기 압축기로 압축된 후의 냉매가 흐르는 고압라인(110)의 사이에는, 버퍼탱크(111)가 마련되어 있다. 버퍼탱크(111)의 입구측(고압라인(110)측)에는, 이 버퍼탱크(111)로의 냉매유입량을 제어가능한 제1 밸브(112)가 마련되어 있고, 버퍼탱크(111)의 출구측(저압라인(109)측)에는, 이 버퍼탱크(111)로부터의 냉매유출량을 제어가능한 제2 밸브(113)가 마련되어 있다.

제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)는, 본 발명에 따른 제어수단의 일례인 컨트롤러(200)로부터의 제어신호에 기초하여 개도를 조정할 수 있는 전동밸브이며, 브레이턴 사이클을 구성하는 순환경로(101)와 버퍼탱크(111)의 사이에서, 냉매의 유입출을 할 수 있도록 구성되어 있다.

컨트롤러(200)는 냉동기(100)의 동작을 통괄적으로 제어하는 컨트롤 유닛이며, 상기 서술한 온도센서(160)의 검출값에 기초하여, 냉동기(100)의 각 구성요소를 제어함으로써, 냉각대상의 열부하의 변동에 따른 냉동능력의 조정을 행한다.

본 실시예에서는 특히, 온도센서(160)를 2차냉매가 흐르는 순환경로(150) 상에 마련함으로써, 냉각대상에 있어서의 열부하의 변동을 신속히 검출할 수 있으므로, 응답성이 우수한 브레이턴 사이클 냉동기를 실현하고 있다.

또한 최상류측에 배치되어 있는 압축기(102a)의 입구 부근에는, 각 압축기(102)로 압축되기 전의 냉매압력을 검출하기 위한 압력센서(170)가 마련되어 있다. 압력센서(170)의 검출값은, 순환경로(101)를 흐르는 냉매유량에 대응하고 있으며, 상기 서술한 온도센서(160)의 검출값과 마찬가지로, 컨트롤러(200)에 송신되어 각종 제어에 이용되도록 되어 있다.

계속해서 도 4를 참조하여, 냉동기(100)에 있어서의 컨트롤러(200)의 제어내용에 대하여 설명한다. 도 4는 열부하의 변동시에 있어서의 컨트롤러(200)의 제어내용을 나타내는 플로우차트이다.

우선 컨트롤러(200)는 온도센서(160)의 검출값에 기초하여, 냉각대상에 있어서의 열부하의 변동 유무를 판단한다(스텝 S101). 열부하의 변동이 있는 경우(스텝 S101: YES), 컨트롤러(200)는 열부하의 변화율을 산출하고, 그 정부(正負)를 판단한다(스텝 S102). 또한, 열부하의 변동이 없는 경우는(스텝 S101: NO), 스텝 S101로 돌아가서 처리를 반복하여 대기한다.

열부하의 변화율이 정인 경우(스텝 S102: YES), 즉 열부하가 증가하고 있는 경우, 컨트롤러(200)는 제1 밸브(112)를 닫은 상태로 제2 밸브(113)를 열도록 제어한다(스텝 S103). 그러면, 버퍼탱크(111)에는, 버퍼탱크(111) 내와 저압라인(109)의 압력차에 의해, 버퍼탱크(111)에 저류된 냉매가 저압라인(109)에 배출되고, 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량(압력)이 증가한다. 그 결과, 냉각대상의 열부하의 증가에 따라, 냉동기(100)의 냉각능력을 증가하도록 조정한다.

한편, 열부하의 변화율이 부인 경우(스텝 S102: NO), 즉 열부하가 감소하고 있는 경우, 컨트롤러(200)는 제2 밸브(113)를 닫은 상태로 제1 밸브(112)를 열도록 제어한다(스텝 S104). 그러면, 버퍼탱크(111)에는, 고압라인(110)과 버퍼탱크(111) 내의 압력차에 의해, 고압라인(110)을 흐르는 냉매의 일부가 도입되고, 순환경로(101)를 흐르는 냉매유량(압력)이 감소한다. 그 결과, 냉각대상의 열부하의 감소에 따라, 냉동기(100)의 냉각능력을 저하하도록 조정한다.

또한, 제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)는, 이러한 유량제어시에 개도조정이 필요해지므로, 전동밸브를 이용하는 것이 바람직하다.

컨트롤러(200)에 의한 제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)의 개도제어는, 예를 들어 순환경로(101)를 흐르는 냉매유량이 온도센서(160)에 의해 검출된 열부하의 변화율에 대응한 목표유량이 되도록 제어하면 된다. 이때의 목표유량은, 예를 들어 목표유량에 대응하는 각 밸브의 목표개도와 온도센서(160)의 검출값의 변화율의 관계를, 미리 맵으로서 메모리 등의 기억수단에 기억시켜 두고, 온도센서의 실측값과 조합하여, 밸브의 개도제어를 행하도록 하면 된다.

여기서 도 5는 본 실시예에 따른 냉동기(100)에 있어서의 압력센서(170)의 검출값과 각 압축기(102) 및 팽창기(104)에 있어서의 단열효율비의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 6은 압력센서(170)의 검출값과 성적계수(COP)의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 5 및 도 6에서는, 압력센서(170)의 검출값이 170kPa을 기준으로 단열효율비와 COP를 계산한 결과를 나타내고 있다.

이들의 그래프에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉동기(100)에서는, 각 압축기(102)로 압축되기 전의 냉매압력이 변화한 경우에도, 단열효율비와 성적계수(COP)는 함께 대략 일정하게 유지되고, 변화하지 않는다는 결과가 얻어졌다.

한편, 도 7 및 도 8은, 종래와 같이 냉동능력의 조정을 압축기(102) 및 팽창기(104)의 회전수 제어만에 의해 행한 경우에 있어서의 회전수와 단열효율비 및 성적계수(COP)의 관계를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 7 및 도 8은 종래의 회전수 제어를 행한 경우를 나타낸 비교예이다. 또한, 도 7 및 도 8에서는, 100%의 회전수를 기준으로 단열효율비 및 COP를 계산한 결과를 나타내고 있다.

이 경우, 도 7에 나타낸 바와 같이, 회전수의 변동에 수반하여 회전기에 있어서의 단열효율비도 저하되어 있고, 특히 팽창기(104)에 있어서 그 경향이 현저하게 나타나 있다. 또한, 회전수의 변동에 수반하여, 팽창비도 저하된다. 그 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이 COP가 저하되어 있고, 냉동기의 냉동성능이 저하된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 냉동기(100)에서는, 냉각대상에 있어서 열부하의 변동이 검출된 경우에, 제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)의 개도를 조정함으로써, 순환경로(101)를 흐르는 냉매유량을 변화시켜 냉동능력의 제어를 행한다. 이러한 냉매의 유량제어에서는 냉매의 체적유량을 일정하게 하면서 질량유량을 변화시키므로, 압력비나 온도와 같은 다른 제어 파라미터의 변동을 수반하지 않기 때문에, 열부하의 변동에 대하여 신속한 응답성을 얻을 수 있다. 또한 냉매의 유량제어에서는, 종래의 회전수 제어로 우려되는 팽창기의 단열효율의 저하를 초래하지 않으므로, 냉동능력을 일정하게 확보할 수 있다.

또한, 버퍼탱크(111)는, 압력차가 있는 저압라인(109)과 고압라인(110)의 사이에 마련되어 있다. 이에 따라, 고압라인(110) 상에 마련된 제1 밸브(112)를 개폐함으로써, 버퍼탱크(111)와 고압라인(110)의 압력차에 기초하여, 버퍼탱크(111)로의 냉매의 도입을 행할 수 있다. 한편, 저압라인(109) 상에 마련된 제2 밸브(113)를 개폐함으로써, 버퍼탱크(111)와 저압라인(109)의 압력차에 기초하여, 버퍼탱크(111)로부터의 냉매의 배출을 행할 수 있다. 이와 같이, 버퍼탱크(111)에 의한 유량제어는 외부로부터의 동력공급을 필요로 하지 않으므로, 에너지효율도 우수하다.

특히 버퍼탱크(111)는 최하류측에 배치된 압축기(102c)로부터 냉매가 배출되는 고압라인(110)과, 최상류측에 배치된 압축기(102a)에 냉매를 공급하는 저압라인(109)의 사이에 마련됨으로써 압력차를 크게 확보 가능하도록 하고 있으므로, 제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)의 개폐제어에 의해, 버퍼탱크(111)로의 냉매의 도입·배출을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 버퍼탱크(111)가 접속되어 있는 고압라인(110)은 압축기(102c)와 냉열회수 열교환기(106)의 사이로부터 분기되어 있다. 이에 따라, 냉각부(105)에 있어서 냉각대상을 냉각 후의 냉매에 남은 냉열을 이용하여, 팽창기(104)에 공급되는 고온의 냉매를 예냉함으로써 냉동능력을 향상할 수 있다. 버퍼탱크(111)에 냉매를 도입하여 유량제어하는 경우, 냉열회수 열교환기(106)의 상류측에서부터 분기하여 버퍼탱크(111)에 냉매를 도입함으로써, 냉각부(105)로의 냉매유량이 적어지므로, 냉열회수 열교환기(106)에 의한 냉매의 냉각이 보다 효과적으로 얻어진다.

다시 도 1로 돌아가서, 본 실시예에 따른 냉동기(100)에서는, 고압라인(110)으로부터 버퍼탱크(111)를 바이패스하여 저압라인(109)에 접속되는 바이패스라인(114)이 마련되어 있고, 이 바이패스라인(114) 상에는 제3 밸브(115)가 마련되어 있다. 제3 밸브(115)는, 컨트롤러(200)로부터의 제어신호에 기초하여 냉동기(100)의 시동시에 열린 상태로 전환됨으로써, 압축기(102)나 팽창기(104)를 고회전으로 운전하여 예냉을 행하고, 원활한 냉각을 가능하게 한다.

또한, 이러한 시동시의 고회전 운전은, 냉동기(100)에 이용되는 열교환기 등의 냉각속도의 허용범위 내에서 행하면 된다.

순환경로(101)에서는, 정격운전조건으로 가장 밀도가 높아지는 팽창기(104)의 입구부근의 유로에 최소단면이 존재하므로, 예냉시에는 팽창기(104)의 흡입온도가 높아지기 쉽다(냉매밀도가 낮아지기 쉽다). 그러면, 해당 개소에 있어서의 냉매유량이 적어지므로, 이 상태로 회전수를 높이면, 서징 현상이 일어나는 경우가 있다.

이에, 본 실시예의 냉동기에서는, 서징이 발생할 가능성이 높아진 상태가 검출된 경우에는, 제3 밸브(115)를 열도록 제어함으로써, 고압라인(110)으로부터 저압라인(109)으로 냉매를 보내어(버퍼탱크(111)를 바이패스하여) 냉매의 유량을 확보함으로써, 예냉시에 있어서의 압축기(102)의 서징을 방지할 수 있다. 이러한 밸브제어는, 예를 들어, 팽창기(104)의 입구부근에 제2 온도센서(180)를 마련하고, 컨트롤러(200)로 해당 온도센서(180)의 검출값에 기초하여 서징의 발생 가능성이 높다고 판단된 경우에, 제3 밸브(115)를 자동적으로 열림 제어하면 된다.

또한, 이와 같이 제3 밸브(115)도, 컨트롤러(200)에 의한 개도조정이 필요해지므로, 전동밸브를 이용하는 것이 바람직하다.

또한 순환경로(101) 중 압축기(102b)와 압축기(102c)의 사이로부터 버퍼탱크(111)에 분기하는 제2 바이패스라인(116)이 마련되어 있고, 해당 제2 바이패스라인(116) 상에는 제4 밸브(117)가 마련되어 있다. 압축기(102)나 팽창기(104)와 같은 회전기나, 해당 회전기로의 동력공급을 위한 인버터(도시하지 않음)와 같은 제어계에 문제가 생김으로써 어느 하나의 압축기(102)가 정지한 경우, 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량이 감소하고, 다른 압축기(102)에 있어서도 서징을 초래할 가능성이 있다. 이러한 경우, 컨트롤러(200)에 의해 제4 밸브(117)를 개방제어함으로써, 버퍼탱크(111)에 냉매를 방출하는 것에 의해 서징을 방지할 수 있다. 이러한 제4 밸브(117)의 개폐제어는, 예를 들어, 컨트롤러(200)에 있어서 도시하지 않은 센서에 의해 압축기(102) 및 팽창기(104)의 회전수나, 인버터 등의 각종 제어계의 출력을 모니터링함으로써 서징의 검출을 행하고, 회전수의 저하나 에러 신호를 검지한 경우에 서징이 발생했다고 판단하여, 제4 밸브(117)를 개방하도록 제어하면 된다.

또한, 제4 밸브(117)는, 컨트롤러(200)로부터의 개방지령에 대하여 재빠른 응답이 필요하므로 전자밸브를 이용하는 것이 바람직하다. 나아가, 고압라인(110)으로부터 버퍼탱크(111)에 전자밸브(118)를 마련하고, 컨트롤러(200)로부터의 제어신호에 기초하여 개폐함으로써, 어떠한 이상이 생긴 경우에, 고압라인(110)을 흐르는 냉매를 버퍼탱크(111)에 보내도록 구성할 수도 있다.

상기 서술한 제1 내지 제4 밸브는, 예를 들어 냉동기(100)에 있어서 어떠한 이상이 발생하는 등의 긴급사태가 발생한 경우에는, 개폐제어함으로써 순환경로(101)를 흐르는 냉매를 버퍼탱크(111)로 보내도록 할 수도 있다. 이에 따라, 순환경로(101)에 있어서의 냉매압력이 의도하지 않은 상승이나, 압축기(102)에 있어서의 서징을 사전에 회피할 수 있으므로, 안전성이 우수한 냉동기(100)를 실현할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 냉매의 유량이나 압력비를 센서에 의해 모니터링하고, 각종 밸브의 개도를 제어하면 된다.

이러한 서징의 회피를 회전수 제어만으로 행하고자 하면, 회전수의 무단계 제어가 바람직한 것으로 여겨진다. 그러나, 회전수의 무단계 제어를 실시하기 위해서는 장치구성이 복잡해진다고 하는 문제가 있다. 본 실시예의 냉동기(100)에서는, 냉매의 유량제어에 의해 서징회피를 달성할 수 있으므로, 장치구성의 간략화를 도모하면서, 안전성을 향상할 수 있다.

또한, 버퍼탱크(111)는, 냉동기(100)를 정지했을 때, 사이클 중의 냉매의 체적변화를 흡수하는 용도로도 함께 이용할 수도 있다. 공지의 냉동기에 있어서도 이러한 용도의 탱크가 이용되는 경우가 존재하는데, 반대로 말하면, 본 발명에 있어서의 버퍼탱크(11)를 이용한 냉매유량제어는, 이러한 종래부터 이용되어 온 탱크를 병용하여 실현할 수도 있으므로, 비용면에서도 유리하다.

또한 본 실시예에 따른 냉동기(100)에서는 각종 밸브의 개폐제어로 기능할 수 있으므로, 찰동 등에 의한 부품열화가 쉽게 발생하지 않는다. 이에 따라, 장치수명이 길고, 장기간에 걸쳐 내구성, 신뢰성, 건전성을 확보할 수 있다. 또한 밸브의 개폐조작은 극저온상태에 있어서도 실시가 용이하므로, 예를 들어 초전도체 기기와 같이 엄격한 온도환경하에서 이용되는 시스템에도 도입이 가능하다.

또한, 브레이턴 사이클에 있어서의 압축공정에서는 단열압축이 행해지는데, 단열압축을 등온압축으로 치환한, 이른바 에릭슨 사이클에 있어서도, 본 발명을 적용할 수도 있다. 본 실시예에서는, 다단계에 걸쳐서 압축기(102)에 의한 압축가열과 열교환기(103)에 의한 냉각을 반복하여 행하고 있는데, 이 반복회수를 늘림으로써, 실질적으로 등온압축을 실현할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 브레이턴 사이클 냉동기의 압축단수를 늘림으로써 실질적으로 에릭슨 사이클 냉동기로 간주하는 경우도 또한, 본 발명의 범위에 포함된다.

또한 본 실시예에서는 브레이턴 사이클을 이용한 냉동기에 대하여 설명을 행하였으나, 브레이턴 사이클을 이용한 히트펌프장치에 대해서도, 마찬가지로 본 발명을 적용가능하다.

본 발명은, 냉각대상에 있어서의 열부하 변동에 대하여 냉각능력을 제어가능한 브레이턴 사이클 냉동기에 이용할 수 있다.

Claims

냉매라인 상에서 직렬 접속된 다단식의 압축기에 의해 압축된 냉매를 이용하여 냉열을 발생시키는 브레이턴 사이클에 의해 냉매를 냉각하는 브레이턴 사이클 냉동기로서,
냉각대상의 열부하를 검출하는 열부하 검출수단;
상기 압축기로 압축되기 전의 냉매가 흐르는 저압라인과 상기 압축기로 압축된 후의 냉매가 흐르는 고압라인의 사이에 마련된 버퍼탱크;
상기 버퍼탱크의 입구에 마련됨으로써, 상기 버퍼탱크로의 냉매유입량을 제어가능한 제1 밸브;
상기 버퍼탱크의 출구측에 마련됨으로써, 상기 버퍼탱크로부터의 냉매유출량을 제어가능한 제2 밸브; 및
상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 제어수단
을 구비하고,
상기 제어수단은, 상기 열부하 검출수단에 의해 상기 냉각대상에 있어서 열부하의 변동이 검출된 경우에, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 조정함으로써, 상기 브레이턴 사이클을 흐르는 냉매유량을 변화시키고, 상기 냉매유량이 상기 열부하의 변화율에 대응한 목표유량이 되도록 제어하는
것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제1항에 있어서,
상기 고압라인은, 최하류측에 배치된 상기 압축기로부터 냉매가 배출되는 라인이며,
상기 저압라인은, 최상류측에 배치된 상기 압축기에 냉매를 공급하는 라인인 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제2항에 있어서,
상기 압축기로 압축된 냉매와 냉각대상을 냉각 후의 냉매를 열교환하는 냉열회수열교환기를 구비하고,
상기 고압라인은 상기 압축기와 상기 냉열회수 열교환기의 사이로부터 분기되어 있는 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어수단은, 상기 열부하 검출수단에 의해 검출된 열부하의 변화율이 미리 설정된 소정값보다 큰 경우, 상기 압축기 및 팽창기의 회전수를 제어한 후에, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개도를 조정하는 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 브레이턴 사이클의 냉각부는, 열교환기를 개재하여 냉각대상을 순환하는 2차냉매를 냉각하고,
상기 열부하 검출수단은, 상기 2차냉매가 흐르는 라인 상에 마련된 온도센서인 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제4항에 있어서,
상기 다단식의 압축기는, 상류측에서부터 차례로 제1 압축기, 제2 압축기 및 제3 압축기가 직렬 접속되어 구성되어 있고,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기는, 제1 전동모터의 출력축 상에 연결되어 있고,
상기 제3 압축기 및 상기 팽창기는, 제2 전동모터의 출력축 상에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼탱크를 바이패스하여 상기 고압라인으로부터 상기 저압라인에 접속하는 바이패스라인; 및
상기 바이패스라인에 마련된 제3 밸브
를 더 구비하며,
상기 제어수단은, 상기 브레이턴 사이클 냉동기를 시동할 때의 예냉운전시에, 상기 압축기 및 팽창기의 회전수를 증가시키도록 회전수 제어를 행하는 동시에, 상기 제3 밸브를 열어서 상기 버퍼탱크를 바이패스하여 상기 냉매를 상기 고압라인으로부터 상기 저압라인에 도달하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
브레이턴 사이클 냉동기.