KR101777656B1 - 냉방장치용 압력제어 - Google Patents

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존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
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Abstract

시스템(10)은 응축기(32)와 증발기(66)를 포함한다. 응축기(32)는 작동 유체를 응축시키도록 구성되고, 증발기(66)는 작동 유체를 증발시키도록 구성된다. 상기 시스템(10)은 응축기(32)와 증발기(66) 사이에서 작동 유체를 순환시키도록 구성된 배관을 또한 포함한다. 또한, 시스템은 응축된 작동 유체를 수집하도록 구성된 로우 포인트(low point)(20,46,68)을 포함한다. 컨트롤러(30)는 상기 로우 포인트(20,46,68)의 작동 유체 압력을 기초하여 로우 포인트(20,46,68) 내에 수집된 응축된 작동 유체의 가열을 선택적으로 허용하도록 구성된다.

Description

냉방장치용 압력제어{PRESSURE CONTROL FOR REFRIGERANT SYSTEM}
본 발명은 냉방장치에 관한 것이며, 특히 냉방시스템 내에서의 압력제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
냉매들은 유체들 사이에 열을 전달하기 위해서 사용되며, 다양한 가열, 통기, 공기조화, 및 냉방(HVAC&R) 시스템, 히트펌프, 또는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycles; ORC)과 같은 응용분야에서 채용된다. 냉매는 통상적으로 파이프들, 관 이음쇠들, 밸브들 등을 포함하는 냉매 배관 시스템 내에서 이송된다. 냉매 배관 시스템은 압축기, 터빈, 펌프, 증발기, 응축기 등과 같이 HVAC&R 시스템 내의 장비와 다양한 용기들(vessels) 사이에서 냉매를 이송한다. 상기 냉매 배관 시스템, 용기들 또는 장비에서의 누설은 HVAC&R 시스템 내로 공기가 유입되는 원인을 제공하게 되고 그러한 누설이 대기압보다 낮은 압력하에서 냉각회로의 일부에서 일어나면 HVAC&R 시스템의 효율과 작동성이 저하된다는 사실을 인식하게 되었다. 이러한 누설은 특히 상기 시스템이 작동하지 않는 경우에 히트펌프나 ORC 시스템에서 일어날 수 있다. 또한, 공기로부터 제공되는 습기는 HVAC&R 시스템을 부식시켜서 누설문제를 더욱 악화시키게 된다.
본 발명은 냉방장치의 압력 조절을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "냉방 시스템"은 에너지를 흡수 및/또는 전달하기 위한 작동 유체(예를 들면, 냉매)를 사용하는 임의의 열역학적 시스템을 포함한다. 따라서, 냉방시스템은 HVAC&R 시스템, 히트펌프 시스템, ORC 시스템 등이 될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 냉방 배관 시스템, 용기, 또는 냉방 시스템의 장비 내에서의 누설은 특히 냉매압력이 주위압력보다 낮은 경우에 공기가 진입하는 결과를 초래하게 된다. 공기 진입은 냉방 시스템의 효율과 작동성을 감소시키고, 그 결과 냉방 배관 시스템, 용기들 및/또는 장비의 부식을 초래하게 된다. 또한, 공기가 냉방 회로로 들어가는 경우, 공기를 냉방 시스템 외부로 몰아내는 것이 바람직하다. 불행하게도, 공기를 몰아내는 것은 냉매가 냉방 시스템 밖으로 누설되는 원하지 않는 결과를 초래하게 될 것이다.
냉매압력은 냉방시스템 내로 공기가 진입할 가능성을 감소시키도록 조절될 것임을 알게 되었다. 즉, 냉매압력은 주위압력보다 높게 유지될 것이며, 이에 의해서 냉매시스템 내로 공기를 진입시키기 위한 구동력이 줄어들게 된다. 특히, 냉방시스템은 액체 냉매를 수집하도록 설계된 하나 또는 그 이상의 로우 포인트(low points)를 포함한다. 예를 들면, 중력은 냉방시스템의 하나 또는 그 이상의 로우 포인트들 쪽으로 액체 냉매를 견인할 것이다. 히팅 소스는 하나 또는 그 이상의 로우 포인트 내에 수집된 액체 냉매를 가열하기 위해서 채용될 것이며, 이에 의해서 냉각압력은 주위압력보다 높게 유지되고 냉방시스템 내로 공기가 진입할 가능성이 줄어들게 된다.
본 발명은 냉방시스템 내에서의 압력제어를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 냉방 배관 시스템과 압력 제어 시스템을 구비한 히트펌프 시스템의 일 실시 예의 개략도;
도 2는 본 발명의 양태에 따른 도 1의 히트펌프 시스템의 제 1 구획의 실시 예의 개략도;
도 3a는 본 발명의 양태에 따른 도 1의 히트펌프 시스템의 제 2 구획의 실시 예의 개략도;
도 3b는 본 발명의 양태에 따른 도 1의 히트펌프 시스템의 상기 제 2 구획의 실시 예의 개략도;
도 4는 본 발명의 양태에 따른 도 1의 히트펌프 시스템의 제 3 구획의 실시 예의 개략도; 그리고
도 5는 본 발명의 양태에 따른 도 2~4의 냉방 배관 시스템과 히트펌프 구획들 내에서 압력을 조절하기 위한 방법의 흐름도의 실시 예.
도 1을 참조하면, 도 1은 히트펌프 시스템(10) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이도록 구성된 압력 조절 시스템(12)을 구비한 냉방시스템(예를 들면, 히트펌프 시스템(10))의 실시 예를 나타낸다. 냉방시스템은 압축기(16)(예를 들면, 스크루 압축기) 및 오일 분리기(18) 및/또는 과열기(60)와 같이 상기 압축기(16)의 작동과 연관된 다른 장비를 포함한다. 히트펌프 시스템(10)은 예로서 주어진 것이며 본 발명은 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템, 냉각기 등과 같은 다양한 냉방시스템에 적용될 것이다. 또한, 히트펌프 시스템(10)의 부품들은 구현에 따라서 특유하게 될 것이다. 즉, 열교환기들의 유동 구성과 형식, 압축기들, 펌프들, 밸브 등의 개수와 형식들은 실시 예들 중에서 폭넓게 변한다.
히트펌프 시스템(10)은 히트펌프 시스템(10)의 다양한 부품들 사이에서 작동 유체(예를 들면, R-245fa 또는 R-236fa와 같은 냉매)를 운반하는 냉방 배관 시스템(14)을 포함한다. 예를 들면, 냉매는 냉매를 압축 및 가압하는 압축기(16)로 들어간다. 가압된 냉매는 오일 분리기(18)로 유동하는데, 여기에서 냉매는 압축기(16)의 윤활유로부터 분리된다. 히트펌프 시스템(10)의 몇몇 실시 예들은 압축기(16)를 포함하지는 않는다. 예를 들면, 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템은 액체 냉매를 가압 및 이송하기 위해서 압축기(16) 대신에 펌프를 채용할 것이다. 또한, 몇몇 실시 예들은 오일 분리기(18)를 채용하지 않는다. 한편, 냉매는 오일 분리기(18)를 통하는 것 대신에 압축기(16)의 배출구로부터 밸브(22) 또는 응축기(32)로 직접적으로 유동하게 된다.
도시된 바와 같이, 오일 분리기(18)는 히트펌프 시스템(10)의 로우 포인트(20)에 배치된다. 즉, 오일 분리기(18)는 압축기(16)와 밸브(22) 사이에서 국부적인 최소 높이로 배치된다. 그러므로, 액체 냉매는 특히 히트펌프 시스템이 작동하지 않을 때 중력 흐름에 의해서 오일 분리기(18) 내로 배수된다. 앞서 설명한 바와 같이, 히트펌프 시스템(10) 내로 공기가 진입할 가능성을 감소시키도록 로우 포인트(20) 내에서 냉매의 압력을 모니터링하고 조절하는 것이 바람직할 것이다.
윤활유가 분리배출된 후에, 냉매는 밸브(22)를 통해서 응축기(32)로 유동하고, 여기에서 냉매는 액상으로 응축된다. 응축기(32)는 밸브(22)와 과열기(60) 사이에서 히트펌프 시스템(10)의 로우 포인트(46)에 또한 배치된다. 필요한 경우에 응축기(32)(즉, 로우 포인트(46)) 내에서 수집되는 액체 냉매의 가열을 조절하기 위해서 컨트롤러(30)가 채용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 응축기(32)는 냉각수 배관 시스템(36)에 연결되는 튜브들(34)의 번들을 포함한다. 히트펌프 시스템(10)은 급수원(38)으로부터 배출되는 냉각수(예를 들면, 물)를 냉각수 환수조(water return)(40)로 운반한다. 예를 들면, 급수원(38)으로부터 배출된 물은 튜브들(34)을 통해서 유동하는데, 여기에서 물은 냉매로부터 열을 흡수하고, 이에 의해서 냉매는 액상으로 응축된다. 부수적으로, 온수가 냉각수 환수조(40)로 유동하게 되는데, 여기에서 온수는 냉각탑과 같은 응용장치로 하방향 유동한다.
응축된 냉매는 응축기(32)를 빠져나가고 과열기(60), 밸브(62) 및 계량장치인 열팽창밸브(64)를 통해서 유동한다. 열팽창밸브(64)는 냉매를 기상으로 증발시키는 증발기(66) 내로 유동하는 응축된 냉매의 유동을 계량한다. 그러나, 몇몇 실시 예들은 열팽창밸브(64)를 포함하지 않는다. 냉매는 응축기(32)로부터 증발기(66)로 자유롭게 유동하는 것이 바람직하다. 예를 들면, ORC 시스템은 열팽창밸브(64)를 구비하지 않고 증발기(66)와 응축기(32) 사이에 배치된 터빈을 포함할 것이다.
도시된 바와 같이, 증발기(66)는 팽창밸브(64)와 차단밸브(78)의 과열기(60) 사이에서 히트펌프 시스템(10)의 로우 포인트(68)에 또한 배치된다. 알 수 있는 바와 같이, 히트펌프 시스템(10)의 정상적인 작동과정 동안에, 증발기(66)의 작동조건은 냉매를 기상으로 유지시킨다. 그러나, 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않는 경우에는, 냉매의 온도가 점진적으로 떨어지고, 그 결과 냉매가 액상으로 응축된다. 액체 냉매는 중력에 의해서 증발기(66) 및 로우 포인트(68)로 배수된다. 다시 말해서, 특히 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않는 경우(예를 들면, 프로세스가 뒤바뀐 짧은 시간 동안 또는 작동중단 후 긴 시간이 경과 하는 경우)에는, 히트펌프 시스템(10) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이기 위해서 로우 포인트(68) 내에서 냉매의 압력을 모니터링하고 조절하는 것이 바람직하다.
도시된 바와 같이, 증발기(66)는 튜브들(70)의 번들을 포함하는데, 이들은 추가적인 냉각수 배관 시스템(72)에 연결된다. 증발기(66)의 냉각수 배관 시스템(72)은 응축기(32)의 냉각수 배관 시스템(36)과 유사하다. 즉, 냉각수 배관 시스템(72)은 급수원(74)으로부터 튜브들(70)을 통해서 냉각수(예를 들면, 물)를 운반하는데, 상기 튜브들에서 물은 냉매로 열을 쫓아내어 냉매가 증발하게 된다. 냉각된 물은 냉각수 환수조(76)로 유동하는데, 여기에서 냉각된 물은 공기조화기와 같은 응용장치로 하방향 유동한다.
증발기(66)로부터 나오는 증기화된 냉매는 과열기(60)내로 유동하는데, 여기에서 상기 증발된 냉매는 응축기(32)로부터 나오는 응축된 냉매에 의해서 가열된다. 과열된 냉매는 흡입밸브(78)를 통해서 압축기(16)로 유동하며, 여기에서 히트펌프 사이클이 필수적으로 다시 시작된다. 히트펌프 시스템(10)의 몇몇 실시 예들은 과열기(60)를 포함하지 않음을 알 수 있다. 즉, 증발된 냉매는 증발기(66)의 배출구로부터 과열기(60)를 통해서 보다는 흡입밸브(78)나 압축기(16)로 직접적으로 유동하게 된다.
도시된 바와 같이, 밸브들(22,62,78)은 히트펌프 시스템(10)을 3개의 구획들(80,82,84)로 분할하도록 사용된다. 각각의 구획들(80,82,84)은 중력 유동에 의해 액체 냉매를 수집하기 위해서 적어도 하나의 로우 포인트(예를 들면, 로우 포인트들(20,46,68))을 구비하도록 설계된다. 비록 오일 분리기(18), 응축기(32) 및 증발기(66)는 각각의 로우 포인트(20,46,68)로서 도시되었지만, 히트펌프 시스템(10)은 과열기(60), 압축기(16)와 같이 다른 위치들에서 로우 포인트로 설계되거나, 또는 히트펌프 시스템(10) 내에서 다른 지정된 액체 포켓으로서 설계된다. 예를 들면, 냉매 배관 시스템(14)은 중력 유동에 의해서 액체 냉매를 수집하도록 설계된 유(u)형상을 포함할 것이다. 컨트롤러(30)는 로우 포인트들(20,46,68) 내에서 액체 냉매의 가열을 제어하기 위해 사용될 것이다.
설명한 바와 같이, 컨트롤러(30)는 액체 냉매를 가열하기 위해서 로직을 실행하도록 다양한 부품들을 포함한다. 특히, 컨트롤러(30)는 로우 포인트들(20,46,68) 내에서 수집된 액체 냉매의 선택적인 가열을 가능하게 하기 위해서 명령을 실행하도록 하나 또는 그 이상의 프로세서들(86) 및/또는 메모리(88)와 같은 다른 데이터 처리 회로를 포함한다. 이러한 명령들은 하나 또는 그 이상의 프로세서들(86)에 의해서 실행될 소프트웨어 프로그램에 암호화된다. 또한, 명령어들은 메모리(88)와 같은 유형의 일시적이지 않은(즉, 단순히 신호가 아님) 컴퓨터-판독가능한 매체에 저장될 것이다.
몇몇 실시 예 들에 있어서, 다양한 작동 매개변수들 및 기준치는 하나 또는 그 이상의 프로세서들(88)에 의해서 추후 접근되는 메모리(88) 내에 암호화되거나 저장된다. 예를 들면, 주위압력 센서(90)는 히트펌프 시스템(10) 주위의 주위압력을 탐지한다. 프로세서(86)는 주위압력을 기초로 임계압력을 계산하며, 임계압력은 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 로우 포인트들(20,46,68)을 가열하기 위해서 추후 사용을 위해 메모리(88) 내에 저장된다. 컨트롤러(30)는 각각의 구획들(80,82,84) 내에서 액체 냉매의 가열을 독립적으로 제어한다. 몇몇 실시 예들은 주위 압력 센서(90)를 포함하지 않음을 알 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 기압의 요동은 냉방 시스템 내의 압력 요동에 비해서 작다. 따라서, 기압은 일정하다고 가정되고, 이에 의해서 컨트롤러(30)가 주위 압력 센서(90)없이 작동할 수 있게 된다. 그러나, 높은 고도에 있는 히트펌프 시스템과 같은 몇몇 실시 예들에 있어서 주위 압력 센서(90)는 바람직하고, 압력 기준치는 조정될 것이다.
도 2는 밸브(78) 및 (22) 사이에서 히트펌프 시스템(10)의 구획(80)을 나타낸다. 밸브들(78) 및 (22)은 히트펌프 시스템(10)의 나머지로부터 상기 구획(8))을 격리시키도록 폐쇄된다. 앞서 설명한 바와 같이, 액체냉매는 오일 분리기(18)(즉, 로우 포인트(20)) 내에 수집되고 특히 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않을 때 오일에서 희석된다. 구획(80) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이기 위해서 오일 분리기(18) 내에 수집되는 오일과 액체 냉매의 혼합물을 가열하는 것이 바람직하다. 따라서, 열원(예를 들면, 전기 히터 또는 히팅 코일(26))이 오일 분리기(18)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 히팅 코일(26)은 혼합된 오일과 액체 냉매의 풀(pool)(28) 내에 잠기고, 히팅 코일(26)은 이러한 혼합물에 직접적으로 열을 공급하게 된다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 추가적이거나 대안적인 열원들이 혼합물을 가열하도록 사용될 것이다. 예를 들면, 오일 분리기(18)에 외부적으로 연결되는 히트 트레이싱(48)(예를 들면, 증기 보호 또는 전기 보호)는 오일 분리기(18)를 가열하고, 이에 의해서 오일 분리기(18) 내의 액체 냉매를 가열하게 된다.
컨트롤러(30)는 구획(80)의 작동조건(예를 들면, 압력)을 기초로 히팅 코일(26), 히트 트레이싱(48) 또는 이들 모두를 사용하여 오일 분리기(18)의 선택적인 가열을 가능하게 할 것이다. 설명한 바와 같이, 압력 센서(24)는 오일 분리기(18)에 연결된다. 압력 센서(24)는 냉매 압력의 표시로서 오일 분리기(18) 내의 압력을 탐지한다. 현재 고려되는 실시 예에 있어서, 만약 혼합된 오일과 액체 냉매를 가열하는 것이 바람직한지를 결정하기 위해서 컨트롤러(30)는 압력 센서(24)로부터 탐지된 압력과 메모리(88) 내에 저장된 임계압력을 비교하게 된다. 예를 들면, 탐지된 압력이 임계압력 이하인 경우, 컨트롤러(30)는 히팅 코일(26), 히트 트레이싱(48) 또는 이들 모두가 구획(80) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이기 위해서 냉매와 오일의 혼합물을 선택적으로 가열할 수 있게 한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 임계압력은 적어도 부분적으로 주위압력을 기초로 할 것이며, 이것은 일정하다고 가정하거나 또는 주위압력 센서(90)에 의해서 탐지될 것이다. 예를 들면, 임계압력은 주위압력의 약 100 내지 300, 110 내지 250, 150 내지 200퍼센트 사이와 이들 사이의 모든 하위범위가 될 것이다.
컨트롤러(30)는 상기한 바와 같은 압력-기초 제어 알고리즘에 추가하여 액체 냉매와 오일의 혼합물을 가열하기 위해서 다양한 로직을 실행할 것이다. 예를 들면, 컨트롤러(30)는 냉매의 온도, 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않는 시간 또는 이들의 조합을 기초하여 히팅 코일(26), 히트 트레이싱(48) 또는 이들 모두를 선택적으로 작동하게 한다. 온도-기초 및 시간-기초 제어 알고리즘은 도 3 및 4를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 3a 및 3b는 밸브들(22) 및 (62) 사이에 있는 구획(82)을 나타낸다. 밸브들(22) 및 (62)은 히트펌프 시스템(10)의 나머지로부터 구획(82)을 격리시키도록 폐쇄된다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 밸브(62)는 (도 3b에 도시된 바와 같이) 도 3a에 도시된 밸브(62)에 대하여 낮은 고도를 차지한다. 고도는 밸브(62)가 폐쇄되는 경우에 과열기(60)와 배관 시스템에서 축적된 냉매의 양에 영향을 끼친다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 3b에 또한 도시한 바와 같이 바이패스 밸브(83)는 냉매를 과열기(60)에 대하여 바이패스할 수 있다.
다시, 응축기(32)는 로우 포인트(46)에 배치되어 있기 때문에, 액체 냉매는 중력 유동에 의해서 응축기(32) 내에 수집될 것이다. 그러나, 몇몇 실시 예들에 있어서, 과열기(60)로부터 나오는 냉매는 병목효과로 인하여 응축기(32)로 배수되지 못한다. 예를 들면, 과열기(60)는 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않는 경우에 응축된 냉매를 보유하는 하나 또는 그 이상의 배플들을 구비한 쉘 및 튜브 가열 열교환기가 될 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 액체(응축된 냉매)의 정적인 헤드는 과열기(60)에서 액체 수위를 유지할 것이다. 그럼에도 불구하고, 응축기(32)는 하기에서 설명하는 바와 같이 히트펌프 시스템(10) 내에서 압력 조절을 가능하게 하기 위해서 충분한 수준의 액체를 포함한다.
히트펌프 시스템(10)의 정상적인 작동과정 동안에, 히트펌프 시스템(10) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이기 위해서 액체 냉매의 압력은 충분히 높다(예를 들면, 주위압력보다 높다). 그러나, 히트펌프 시스템(10)이 작동하지 않는 경우에는, 특히 낮은 주위온도하의 환경에서 액체 냉매의 온도와 압력은 점진적으로 감소한다. 따라서, 구획(82) 내로 공기가 진입할 가능성을 줄이기 위해서 응축기(32) 내로 수집되는 액체냉매를 가열하는 것이 바람직하다.
다양한 열원으로부터 열이 제공된다. 예를 들면, 응축기(32)에 외부적으로 연결된 히트 트레이싱(48)은 응축기(32)로 열을 제공하고, 이에 의해서 응축기(32) 내에서 액체 냉매를 가열하게 된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 냉매 배관 시스템(36)로부터 나오는 물은 응축기(32)(즉, 로우 포인트(46)) 내에서 액체 냉매를 가열할 수 있다. 예를 들면, 물은 튜브들(34)을 통해서 급수원(38)으로부터 유동하고 액체냉매로 열을 방출한다. 다시 말해서, 열원은 열전달 유체(예를 들면, 물)를 포함할 것이다.
설명한 바와 같이, 냉각수 배관 시스템(36)은 제어밸브들(42,44)을 또한 포함하는데, 이들은 급수원(38)과 냉각수 환수(40) 사이에서 물 유동경로를 따라서 배치된다. 제어밸브들(42,44)은 응축기(32)로 물이 유동하는 것을 선택적으로 가능하게 하거나 차단하게 된다. 예를 들면, 응축기(32)의 튜브들(34) 상에서 유지보수를 수행하기 위해서는 제어밸브들(42,44)을 폐쇄하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 컨트롤러(30)는 응축기(32)로 물을 유동할 수 있도록 하기 위해서 제어밸브들(42,44)을 개방할 것이다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 컨트롤러(30)는 응축기(34)의 튜브들을 통한 물의 유동을 증가시키기 위해서 펌프(92)를 기동시킬 것이며, 이에 의해서 액체냉매가 가열되는 비율이 증가된다.
현재 고려하고 있는 실시 예에 있어서, 로우 포인트(46) 내에서 액체냉매의 신속한 가열을 가능하게 하기 위해서 냉각수 배관 시스템(36) 내에서 물의 온도를 증가시키는 것이 바람직하다. 이것을 위해서, 냉각수 배관 시스템은 펌프(50)와 열원(예를 들면, 전기히터(52))을 포함한다. 전기히터(52)는 물을 따뜻하게 하고, 펌프(50)는 응축기(32)의 튜브들(34)을 통해서 물을 운반한다. 몇몇 구성에 있어서, 전기히터(52)와 튜브들(34) 사이에서 연속적인 루프(54)를 통해서 물을 재순환할 수 있게 컨트롤러(30)는 제어밸브들(42,44)을 폐쇄한다. 물의 연속적인 재순환 및 가열은 냉각수 배관 루프(36)의 효율을 증가시키고 히트펌프 시스템(10)의 물 소비를 감소시킨다.
압력센서(56)는 응축기(32)에 연결되고, 그래서 컨트롤러(30)는 앞서 설명한 압력-기초 제어 알고리즘을 실행할 것이다. 즉, 컨트롤러(30)는 압력센서(56)에 의해서 탐지된 압력을 기초하여 응축기 내에서 냉매를 가열하기 위하여 히트 트레이싱(48), 냉각수 배관 시스템(36) 또는 이들 모두를 선택적으로 활성화할 수 있다. 도시된 바와 같이, 컨트롤러는 히트 트레이싱(48), 펌프(50) 및 전기 히터(52) 뿐만아니라 압력 센서(56)에 연결된다. 다른 실시 예들에 있어서 추가적이거나 대안적인 열원(예를 들면, 히팅 코일들)이 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
컨트롤러(30)는 상기한 압력-기초 제어 알고리즘에 추가하여 시간-기초 제어 알고리즘을 실행할 것이다. 예를 들면, 만약 히트펌프 시스템(10)이 일정시간동안 작동하지 않으면, 컨트롤러(30)는 응축기(32) 내의 액체 냉매를 가열하기 위하여 물이 냉각수 배관 시스템(36)으로부터 배출될 수 있게 한다. 특히, 컨트롤러(30)는 응축기(32)의 튜브들(34)을 통해서 물이 유동할 수 있게 하기 위하여 제어밸브들(42,44)을 개방하고 펌프(92)를 기동할 것이다. 물 유동은 액체 냉매의 온도와 압력을 증가시킬 것이다. 그러나, 시간지연 후에, 만약 냉매 압력이 임계압력 보다 여전히 낮으면, 앞서 설명한 바와 같이 컨트롤러(30)는 연속적인 루프(54)를 통해서 물이 재순환 할 수 있게 한다. 즉, 컨트롤러(30)는 제어밸브들(42,44)을 폐쇄하고 부수적으로 전기히터(52)와 펌프(50)를 활성화시킨다. 전기히터(52)는 물의 온도를 증가시키고, 이에 의해서 액체냉매가 가열되는 비율을 증가시킨다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 컨트롤러(30)는 물의 온도를 기초하여(즉, 온도-기초 제어) 연속적인 루프(54)를 통해서 물의 재순환을 가능하게 한다. 설명한 바와 같이, 온도센서(58)는 냉각수 배관 시스템(36)에 연결된다. 온도 센서(58)는 냉각수 배관 시스템(36)의 연속적인 루프(54) 내에서 물의 온도를 탐지한다. 만약 탐지된 온도가 임계온도보다 낮으면, 액체냉매를 보다 빠르게 가열하기 위해서 물의 온도를 증가시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 컨트롤러(30)는 탐지된 온도가 임계온도보다 낮은 경우에 연속적인 루프(54)를 통해서 물이 재순환할 수 있게 한다. 임계온도는 적어도 부분적으로 액체 냉매의 포화온도를 기초할 것이다.
도 4는 냉각수 배관 시스템(72) 뿐만아니라 밸브들(62,78) 사이의 구획(84)을 나타낸다. 증발기(66)의 냉각수 배관 시스템(72)은 응축기(32)의 냉각수 배관 시스템(36)과 유사하다. 즉, 냉각수 배관 시스템(72)은 증발기(66)의 튜브들(70)을 통한 물의 유동을 선택적으로 차단 또는 허용하기 위해서 제어밸브들(94,96)을 포함한다. 또한, 냉각수 배관 시스템(72)은 펌프(100)와 전기히터(102)를 구비한 재순환 루프(98)를 포함한다. 또한, 냉각수 배관 시스템(72)은 앞서 설명한 바와 같이 압력-기초, 온도-기초, 또는 시간-기초 제어 알고리즘 또는 이들의 조합을 이행하기 위해서 펌프(104), 압력센서(106), 및 온도센서(108)을 포함한다. 제어 알고리즘의 압력 임계값, 온도 임계값 또는 다른 매개변수들은 냉각수 배관 시스템(36) 및 (72) 사이에서 변할 것이다. 예를 들면, 냉각수 배관 시스템(72)의 압력 임계값은 냉각수 배관 시스템(36)의 압력 임계값보다 높을 것이다.
도 5는 히트펌프 시스템(10)의 로우 포인트들(20,46,68) 내에서 압력을 조절하기 위한 방법(110)의 실시 예를 나타낸다. 압력 센서들(24,56,106)은 각각의 로우 포인트(20,46,68)의 압력을 탐지할 것이다(블록 112). 컨트롤러(30)는 탐지된 압력이 임계압력보다 낮은지를 결정하게 된다(블록 114). 몇몇 실시 예들에 있어서, 임계압력은 가정한(예를 들면, 일정한) 주위압력 또는 주위압력 센서(90)에 의해서 탐지된 주위압력을 기초할 것이다. 또한, 임계압력은 컨트롤러(30)의 메모리(88) 내에 저장될 것이다. 탐지된 압력이 임계압력보다 낮은 경우, 컨트롤러(30)는 열원(예를 들면, 냉각수 배관 시스템(36,72)으로부터 나오는 물, 히트 트레이싱(48), 히팅 코일(26) 및 이들의 조합)을 사용하여 로우 포인트(20,46,68) 내에 수집된 액체 냉매의 가열을 가능하게 한다(블록 116). 시간 지연 후에, 압력 센서들(24,56,106)은 각각의 로우 포인트의 압력을 재탐지할 것이다(블록 118). 컨트롤러(30)는 탐지된 압력이 임계압력보다 낮은지의 여부를 다시 결정하게 된다(블록 120). 만약 탐지된 압력이 임계압력보다 낮으면, 컨트롤러(30)는 추가적인 열원(예를 들면, 전기 히터들(52,102))로부터의 가열을 가능하게 한다(블록 122). 만약 탐지된 압력이 임계압력과 같거나 크면, 프로세스는 필수적으로 다시 시작하게 된다.
본 발명의 단지 몇몇 특징 및 실시 예들이 도시되고 설명되었지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 주제의 새로운 특징 및 장점들로부터 실질적으로 벗어남이 없이 많은 변경들이 가능하다(예를 들면, 크기의 변화, 치수들, 구조물들, 다양한 요소들의 형상과 비율, 매개변수들의 값(예를 들면, 온도, 압력 등), 장착 배열, 재료의 사용, 색채, 배향 등). 프로세스나 방법 단계들의 순서나 차례는 대안적인 실시 예들에 따라서 변화하거나 재순서화될 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진실한 사상 내에서 모든 그러한 변형 및 수정들을 커버할 수 있도록 의도된 것임을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 바람직한 실시 예들의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로서, 실제적인 실행이 모든 특징들이 설명되지는 않는다(즉, 본 발명을 수행하는데 현재 고려되고 있는 베스트 모드와 관계되지 않은것 또는 특허청구범위를 가능하게 하는 것과는 관련이 없는 것). 그러한 실제적인 실행의 개발에 있어서 엔지니어링이나 디자인 프로젝트에 있어서 다양한 실행 특별한 결정이 이루어질 것임을 알 수 있다. 그러한 개발노력은 복잡하고 시간이 소모되지만, 그럼에도 불구하고 과도한 실험없이 본 명세서상에서의 장점을 갖는 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게는 설계, 조립 및 제조의 일상적인 일이 된다.

Claims (20)

  1. 냉방시스템으로서,
    작동 유체를 응축하도록 구성된 응축기;
    작동 유체를 증발시키도록 구성된 증발기;
    상기 응축기와 상기 증발기 사이에서 작동 유체를 순환시키도록 구성된 배관;
    응축된 작동 유체를 수집하도록 구성된 로우 포인트(low point); 및
    상기 로우 포인트의 작동 유체 압력과 임계압력에 기초하여 상기 로우 포인트 내에 수집된 응축된 작동 유체를 선택적으로 가열할 수 있도록 구성된 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 냉방시스템은 유량 제어 장치에 의하여 제 1 구획과 제 2 구획으로 분할되며, 상기 제 1 구획은 상기 로우 포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 로우 포인트의 작동 유체압력을 임계압력보다 높게 유지하도록 구성되고, 상기 임계압력은 적어도 부분적으로 주위압력을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기로부터 나오는 작동 유체를 수용하여 압축하도록 구성된 압축기; 및
    상기 응축기로부터 나오는 작동 유체를 수용하고 상기 증발기 내로 흐르는 작동 유체의 유동을 계량하기 위한 계량장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 응축기를 빠져나가는 작동 유체와 상기 증발기를 빠져나가는 작동 유체 사이에서 열교환을 하도록 구성된 과열기; 및
    작동 유체로부터 윤활유를 분리하도록 구성된 오일 분리기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 로우 포인트은 상기 증발기, 상기 오일 분리기, 상기 과열기, 상기 압축기, 상기 배관의 액체 포켓, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 로우 포인트의 작동 유체 압력을 측정하도록 구성된 압력센서; 및
    상기 로우 포인트 내에서 작동 유체를 가열하도록 구성된 히트 소스 - 상기 컨트롤러는 상기 히트 소스를 선택적으로 활성화하도록 구성됨 -;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 히트 소스는 상기 로우 포인트에 연결된 전기히터, 히트 트레이싱, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 히트 소스는 상기 로우 포인트 내에서 작동 유체와 열교환을 하도록 구성된 열전달 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 로우 포인트 내에서 작동 유체를 가열하도록 구성된 추가적인 히트 소스; 및
    열전달 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도센서 - 상기 컨트롤러는 상기 로우 포인트의 작동 유체압력과 열전달유체의 온도를 적어도 부분적으로 기초하여 상기 응축된 작동 유체를 가열하기 위해서 상기 히트 소스, 상기 추가적인 히트 소스 또는 이들 모두를 선택적으로 활성화하도록 구성됨 -;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 추가적인 히트 소스는 열전달 유체의 온도를 증가시키도록 구성된 전기 히터, 히트 트레이싱(heat tracing) 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 냉방시스템이 일정기간 동안에 작동하지 않는 경우에 열전달 유체가 상기 로우 포인트 내에서 작동 유체와 열교환을 할 수 있도록 구성되고, 상기 컨트롤러는 상기 추가적인 히트 소스가 시간지연 후에 열전달 유체의 온도를 증가시킬 수 있게 활성화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 2 이상의 밸브를 포함하며, 상기 제 2 구획은 응축된 작동 유체를 수집하도록 구성된 추가적인 로우 포인트을 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 로우 포인트의 작동 유체 압력과 상기 추가적인 로우 포인트의 추가적인 작동 유체 압력을 기초하여 상기 로우 포인트과 상기 추가적인 로우 포인트의 가열을 선택적으로 허용하도록 구성되며, 상기 제 2 구획의 추가적인 작동 유체 압력은 상기 제 1 구획의 작동 유체 압력과 다른 것을 특징으로 하는 냉방시스템.
  13. 냉방시스템의 제어를 위한 제어 시스템으로서,
    프로세서에 의해서 실행 가능한 명령들을 적어도 집합적으로 포함하는 하나 또는 그 이상의 유형의 기계판독 가능매체를 포함하며,
    상기 명령은,
    냉매시스템의 로우 포인트 내에서 작동 유체의 작동 유체 압력을 나타내는 신호를 수신하게 하고;
    작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은지를 결정하게 하고; 그리고
    작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은 경우에 히트 소스를 사용하여 상기 로우 포인트 내에서 작동 유체의 가열을 가능하게 하는 명령들을 포함하며,
    상기 냉방시스템은 유량 제어 장치에 의하여 제 1 구획과 제 2 구획으로 분할되며, 상기 제 1 구획은 상기 로우 포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 임계압력은 적어도 부분적으로 주위압력을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 냉매를 가열할 수 있게 하는 상기 명령은,
    시간지연 후에 작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은지를 다시 결정하게 하고; 그리고
    시간지연 후에 작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은 경우에 추가적인 히트 소스를 사용하여 상기 로우 포인트 내에서 작동 유체를 가열할 수 있게 허용하는; 명령들을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 냉방시스템이 상기 시간지연의 기간 중 적어도 일부 동안에 작동하지 않는 경우에 상기 로우 포인트 내에서 냉매의 가열을 가능하게 하는 명령을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  17. 가열, 통기, 공기조화, 또는 냉방 냉매시스템의 제어 방법으로서,
    압력센서를 사용하여 상기 냉매시스템의 로우 포인트 내에서 수집된 작동 유체의 압력을 탐지하는 단계;
    컨트롤러에 의해, 작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은지를 결정하는 단계;그리고
    상기 컨트롤러로부터 전달된 명령을 기초하여 작동 유체 압력이 임계압력보다 낮은 경우에 제 1 히트 소스, 제 2 히트 소스 또는 이들 모두를 사용하여 작동 유체를 선택적으로 가열할 수 있게 허용하는 단계;를 포함하며,
    상기 냉매시스템은 유량 제어 장치에 의하여 제 1 구획과 제 2 구획으로 분할되며, 상기 제 1 구획은 상기 로우 포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매시스템의 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    주위압력을 사용하는 것을 적어도 부분적으로 기초하여 상기 컨트롤러를 이용해서 임계압력을 계산하는 단계; 그리고
    임계압력을 상기 컨트롤러의 메모리 내에 저장하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매시스템의 제어 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 작동 유체의 가열을 선택적으로 가능하게 하는 단계는,
    상기 제 1 히트 소스를 사용하여 작동 유체의 가열을 허용하는 단계 - 상기 제 1 히트 소스는 열전달 유체를 가열함 -;
    온도센서를 사용하여 열전달 유체의 온도를 탐지하는 단계;
    상기 컨트롤러를 사용하여 열전달 유체의 온도가 온도 임계값보다 낮은지를 결정하는 단계; 그리고
    열전달 유체의 온도가 온도 임계값보다 낮은 경우에 상기 제 2 히트 소스를 사용하여 작동 유체의 가열을 허용하는 단계;
    를 포함하는 냉매시스템의 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 작동 유체의 가열을 선택적으로 허용하는 단계는, 상기 냉방시스템이 작동하지 않는 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 냉매시스템의 제어 방법.
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