KR102246122B1 - 열역학 효율을 증가시키기 위한 냉매 유체와 함께 사용될 수 있는 장치 - Google Patents
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Abstract
냉매 유체 및 상기 냉매 유체와 혼화가능한 윤활제를 포함하도록 의도된 폐쇄형 회로를 포함하는 히트 펌프로서, 상기 폐쇄형 회로는 유체 압축기(1) 및 유체를 상기 유체 압축기로 복귀시키기 위한 복귀 회로를 포함하며, 상기 유체 압축기는 상기 폐쇄형 회로 내에서 유체 유입구와 유체 유출구 간에서 연장되며, 상기 복귀 회로는 상기 폐쇄형 회로 내에서, 상기 유체 압축기에 대해서 상보적으로, 상기 유체 유출구와 상기 유체 유입구 간에서 연장되며, 상기 복귀 회로는 응축기(2), 팽창기(3) 및 증발기(4)를 포함하며, 상기 복귀 회로는 상기 유체 유출구와 상기 응축기 간에서 연장되는 제 1 라인, 상기 응축기와 상기 팽창기 간에서 연장되는 제 2 라인, 상기 팽창기와 상기 증발기 간에서 연장되는 제 3 라인, 및 상기 증발기와 상기 유체 유입구 간에서 연장되는 제 4 라인을 포함하며, 상기 폐쇄형 회로는 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 상기 복귀 회로의 라인의 제 1 폭 확장부(5), 및 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 상기 복귀 회로의 라인의 제 2 폭 확장부(6)를 포함하며, 상기 제 1 폭 확장부(5)는 상기 폐쇄형 회로 내에서 병렬로 된 파이프들(50)을 포함한다.
Description
본 발명은 히트 펌프에 관한 것이며, 특히 히트 펌프의 열역학 효율을 개선하는 것에 관한 것이다.
열 교환기와 압축기 사이에서, 가스 형태로 유체가 내부에 존재하는 히트 펌프의 라인을 확장하는 복수의 파이프들을 통해서 가압된 유체를 순환시킴으로써, 열역학 시스템에서 열을 생성하기 위한 종래 장치가 국제 출원 WO 2009/004124로부터 인지된다.
상기 종래 장치는 열을 생성하기 때문에, 주거지에서 겨울에 보일러로서 사용될 수 있는 히트 펌프를 구성하거나 또는 겨울에 보일러로서 사용될 수 있으면서 여름에는 에어 컨디셔닝 장치로 사용될 수 있는 가역 히트 펌프를 구성하는 것이 종래 기술에서는 어렵게 되어 있다. 이러한 히트 펌프는 열을 생성하기보다는 열을 전달하는 구성이다.
문헌들 WO 2013/164439, US 6189322 및 FR 2860001는 종래 기술로부터의 다른 장치들을 기술한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하는 것이다.
따라서, 본 발명의 일 논의대상은 냉매 유체 및 상기 냉매 유체와 혼화가능한 윤활제를 포함하도록 의도된 폐쇄형 회로를 포함하는 히트 펌프이며, 상기 폐쇄형 회로는 유체 압축기 및 유체를 상기 유체 압축기로 복귀시키기 위한 복귀 회로를 포함하며, 상기 유체 압축기는 상기 폐쇄형 회로 내에서 유체 유입구과 유체 유출구 간에서 연장되며, 상기 복귀 회로는 상기 폐쇄형 회로 내에서, 상기 유체 압축기에 대해서 상보적으로, 상기 유체 유출구와 상기 유체 유입구 간에서 연장되며, 상기 복귀 회로는 응축기, 팽창기 및 증발기를 포함하며, 상기 복귀 회로는 상기 유체 유출구와 상기 응축기 간에서 연장되는 제 1 라인, 상기 응축기와 상기 팽창기 간에서 연장되는 제 2 라인, 상기 팽창기와 상기 증발기 간에서 연장되는 제 3 라인, 및 상기 증발기와 상기 유체 유입구 간에서 연장되는 제 4 라인을 포함하며, 상기 폐쇄형 회로는 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 상기 복귀 회로의 라인의 제 1 폭 확장부, 및 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 상기 복귀 회로의 라인의 제 2 폭 확장부를 포함하며, 상기 제 1 폭 확장부는 상기 폐쇄형 회로 내에서 병렬로 된 파이프들을 포함한다.
일부 실시예들에서,
- 상기 복귀 회로는 상기 제 1 라인 및 상기 제 4 라인으로 구성된 라인들의 제 1 세트, 및 상기 제 2 라인 및 상기 제 3 라인으로 구성된 라인들의 제 2 세트를 포함하며, 상기 제 1 세트는 상기 제 1 폭 확장부를 포함하고, 상기 제 2 세트는 상기 제 2 폭 확장부를 포함하며;
- 상기 제 1 폭 확장부는 상기 제 1 라인 상에 위치하며;
- 상기 제 2 폭 확장부는 상기 제 2 라인 상에 위치하고;
- 상기 냉매 유체는 프레온 족으로부터의 유체이며;
- 상기 프레온 족으로부터의 유체는 R32 프레온, R125 프레온 및 R134a 프레온을 포함하는 혼합물이며;
- 상기 혼합물은 R407C 프레온이며;
- 상기 혼합물은 R407A 프레온이고;
- 상기 윤활제는 합성 오일이며;
- 상기 합성 오일은 폴리올에스테르 오일이며;
- 상기 폴리올에스테르 오일은 ISO VG 32 클래스의 오일이며;
- 상기 ISO VG 32 클래스의 폴리올에스테르 오일은 상표명 Emkarate® RL32-3 MAF을 가지며;
- 상기 제 1 폭 확장부는 수직으로 위치하며;
- 상기 제 1 폭 확장부는 수직으로 위치하며 상승(ascending)하는 유체를 갖는다.
본 발명은 또한 상기 히트 펌프를 사용하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은,
- 상기 윤활제를 상기 폐쇄형 회로 내로 도입하는 단계;
- 상기 폐쇄형 회로를 상기 냉매 유체로 충진하는 단계;
- 상기 냉매 유체를 상기 폐쇄형 회로 내에서, 상기 압축기에 의해서 순환시키는 단계를 포함하며,
상기 방법은 에너지가 절감되게 인클로저(enclosure)를 가열하거나 에어 컨디셔닝하기 위한 것이다.
일 변형예에서, 상기 냉매 유체는 상기 제 1 폭 확장부 내에서 상승(ascending)한다.
본 발명의 이러한 특징들 및 다른 특징들이 예시적으로 주어지는 첨부된 도면들을 참조하여서 이루어지는 다음의 상세한 설명에서 보다 명백하게 확실해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 유리한 실시예에 따른 히트 펌프를 개략적으로 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 유리한 실시예에 따른 히트 펌프를 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 목적을 위해서, 다음과 같은 정의들이 사용된다:
"히트 펌프": 히트 펌프의 증발기와 접촉하여서 소스(또는 히트 싱크)로부터 열을 인출함으로써 상기 히트 펌프에 의해서 냉각된 상기 소스로부터의 열을, 히트 펌프의 응축기와 접촉하여서 소스(또는 히트 소스)로 열을 배출함으로써 상기 히트 펌프에 의해서 가열된 소스로, 전달하기 위한 열역학적 장치. 히트 펌프는 또한 열역학 제 2 법칙에 따라서 히트 싱크로부터 히트 소스로 열을 전달하는 것을 가능하게 하는 외부 에너지 소스에 의해서 동력을 전달받는 압축기 및 이 압축기에 의해서 유체에 부여된 압력을 저감시키기 위한 팽창기를 포함한다. 히트 펌프의 열 교환기들인 응축기 및 증발기는 2 개의 냉매 유체 전달 분기부들 또는 라인들에 의해서 연통되어서 폐쇄형 회로를 형성하며, 이 폐쇄형 회로는 이 회로 내에서 분기부들 중 하나에 직렬로 연결되는 압축기를 포함하며 이 회로 내에서 분기부들 중 다른 하나에 직렬로 연결되는 팽창기를 포함한다. 폐쇄형 유체 회로는 이 회로 내에서 압축기에 의해서 유동하도록 되는 냉매 유체를 기밀하게 함유하며 이 냉매 유체는 특히 증발기로부터 압축기를 통해서 응축기로 순환하며, 응축기로부터 팽창기를 통해서 증발기로 순환한다. 히트 펌프는 증발기 내에서 상기 유체를 증발시킴으로써 히트 싱크로부터 열을 인출하고, 열을 상기 증발기로부터 압축기를 통해서 상기 응축기로 해서 히트 소스로 전달하고, 응축기 내에서 유체를 응축시킴으로써 상기 열을 히트 소스로 부여하도록 구성된다.
"가역 히트 펌프": 알려진 추가 유체 밸브들의 시스템이 제 1 열 교환기에 접촉하는 히트 소스를 제 2 열 교환기와 접촉하는 히트 싱크에 의해서 가열하는 모드로부터, 회로 내의 유체의 순환 방향을 바꿈으로써 또는 유체의 순방 방향과 동일한 방향에 대해서는 그 회로 내의 열 교환기들의 순서를 바꿈으로써 히트 소스를 냉각하는 모드로 이동하는 것을 가능하게 하는, 히트 싱크와 히트 소스 간에서 동작하는 히트 펌프. 가역 히트 펌프는 열의 전달을 요구하지만 열 생성은 요구하지 않는다.
"COP": 성능 계수(coefficient of performance) Q/W, 이 성능 계수는 히트 펌프에 의해서 히트 싱크로부터 히트 소스로 전달되는 열 형태의 에너지 Q와 히트 펌프의 동작을 위해서 필요한 통상적으로 전기적 일의 형태인 일 형태의 에너지 W 간의 에너지 비에 의해서 히트 펌프의 열역학 효율을 특성화한다. 이 성능 계수가 높으면 효율적인 히트 펌프를 나타낸다. 이 계수는 열역학 제 2 법칙과 모순되지 않게 1 보다 클 수 있다.
"프레온": 프레온은 특히 "ASHRAE"(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.)와 같은 다양한 기관들에 의해서 분류되는 CFC들(chlorofluorocarbons)의 통상적 상업적 명명으로서, 프레온은 다음과 같은 넘버링에 의해서 분류된다: 넘버 "abc", 여기서 a = (탄소의 개수) - 1, b = (수소의 개수) + 1 및 c = 불소의 개수. a가 제로이면, 제로는 화학식에서 생략된다. 프레온들은 사용 시에 그들의 화학식에 의해서 식별되거나, "프레온"이라는 글자 뒤에 오는 상기 분류 넘버 abc에 의해서 식별되거나, 문자 F 뒤에 오는 넘버 abc에 의해서 식별되거나, 문자 R 뒤에 오는 넘버 abc에 의해서 식별된다.
사용 시에, 이로써 다음과 같은 프레온이 특히 고려될 것이다:
- 프레온 32 또는 R32 또는 F32으로서 이는 디플루오로메탄( difluorometane)이며;
- 프레온 125 또는 R125 또는 F125로서 이는 펜타플루오로에탄( pentafluoroethane)이며;
- 프레온 134a 또는 F134a 또는 R134a로서 이는 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(1,1,1,2-tetrafluoroethane)이며;
- 프레온 R407C로서 이는 통상적으로 23% R32, 25% R125 및 52% R134a(중량 퍼센트)의 혼합물이며, R407A로서 이는 통상적으로 20% R32, 40% R125 및 40% R134a의 혼합물이며, R407F로서 이는 통상적으로 30% R32, 30% R125 및 40% R134a의 혼합물이다. R32, R125 및 R134의 혼합물들은 모두가 "R407 프레온 족"으로서 지칭될 수 있으며, 이 족의 하위 족은 냉매 유체들 또는 냉각제들의 세트 중에서 모든 프레온들로 구성된다.
"합성 오일들" 또는 "POE 오일들": 특히 상기 히트 펌프에 의해서 사용되는 냉매 유체의 조성에서 R32, R125 및 R134a를 사용하여서 실내를 가열 또는 냉각하기 위한, 히트 펌프의 압축기의 윤활을 위해서 사용되는 합성 폴리올에스테르. 이러한 오일들은 히트 펌프의 증발 및 응축 온도들에서 R32, R125 및 R134a과 완전하게 혼화될 수 있으며 이로써 액체상으로 이러한 프레온들과 혼합된 오일이 히트 펌프의 응축기에서 증발기로 복귀되게 한다. 가스 상태의 프레온들 R32, R125 및 R134a은 이러한 오일들에 녹을 수 있으며 이로써 히트 펌프의 응축기에서 증발기로 이러한 기체 상태의 프레온이 복귀하는 것을 보장하며 특히 히트 펌프의 압축기 및 열 교환기들, 말하자면, 히트 펌프의 증발기 및 응축기인 2 개의 요소들로 구성된 어셈블리 간에서의 프레온이 실려진 오일 미스트의 형태로 오일의 최상의 가능한 전달을 보장한다.
"수직으로 위치됨(positioned vertically)": 이는 히트 펌프에서 정상적인 동작에서, 라인의 폭 확장부 또는 라인의 파이프들에 있어서, 중력에 평행하거나 반평행한(antiparallel) 유동 방향을 규정하는 배향을 말한다. 이러한 개념은 또한 이러한 배향으로 인해서 수직 파이프들에서의 2 상 유동 영역들이 수평의 2 상 유동 영역들에 비해서 우세하게 작용되는 라인 또는 파이프들을 나타낸다. 보다 일반적으로, 상기 개념은 또한 기울어지게 유동하여서 수평이지 않는 라인 또는 파이프들을 나타내기도 한다. 따라서, 이러한 개념은 본 발명의 의미에서는 라인의 폭 확장부 또는 파이프들이 중력장에 대해서 정확하게 평행한 배향으로만 한정되는 것을 말하지 않는다.
폐쇄형 회로는 유체 압축기(1) 및 유체를 압축기로 다시 복귀시키는 복귀 회로를 포함한다. 압축기는 폐쇄형 회로 내에서 유체 유입구와 유체 유출구 간에서 연장되며, 복귀 회로는 폐쇄형 회로 내에서, 압축기에 대해서 상보적으로, 유체 유출구와 유체 유입구 간에서 연장된다. 복귀 회로는 응축기(2), 팽창기(3) 및 증발기(4)를 포함한다. 이로써, 상기 복귀 회로는 유체 유출구와 응축기 간에서 연장하는 제 1 라인, 응축기와 팽창기 간에서 연장하는 제 2 라인, 팽창기와 증발기 간에서 연장하는 제 3 라인, 및 증발기와 유체 유입구 간에서 연장하는 제 4 라인을 포함한다.
본 발명에 따라서, 상기 폐쇄형 회로는 본 회로 내에서 직렬로 된, 복귀 회로의 라인의 제 1 폭 확장부(5)를 포함하며, 이 제 1 폭 확장부는 본 회로 내에서 병렬로 배열된 파이프들(50)을 포함하며, 본 회로는 본 회로 내에서 직렬로 된, 복귀 회로의 라인의 제 2 폭 확장부(6)를 포함한다.
본 발명은 도 1을 참조하여서 예시적으로 이하에서 기술되며, 도 1은 2 개의 라인 폭 확장부들이 제공된 히트 펌프를 나타내며, 이 2 개의 폭 확장부들은 히트 펌프의 응축기(2)와 히트 펌프의 압축기(1)의 유체 유출구 간에서 위치하는 파이프들(50)을 갖는 제 1 라인 폭 확장부(5), 및 히트 펌프의 응축기(2)와 팽창기(3) 간에서 위치하며 복수의 파이프들이 존재하지 않는 제 2 폭 확장부(6)이다. 히트 펌프는 또한 증발기(4)를 갖는다.
예를 들어서, AIRWELL® 브랜드를 가지며 12 kW의 공칭 전력을 갖는 가열용 히트 펌프가 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 15 kW의 전력을 갖는 ANF 50 모델 또는 35 kW의 전력을 갖는 ANF 100 모델의 AIRMEC® 참조 히트 펌프로 수행될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 하나의 제조자 또는 하나의 특정 모델로 한정되지 않는다.
히트 펌프는 가스 및 액체에 대해서 기밀한 폐쇄형 회로를 형성하는 14 밀리미터(14 mm)의 내경을 갖는 구리 라인들의 세트를 사용할 수 있으며, 본 폐쇄형 회로는 대기 중에 놓여있다.
상기 회로 내로 유체 유입구 및 유체 유출구를 갖는 참조번호 ZB38KCE의 압축기가 삽입된다. 폐쇄형 회로를 통해서 압축기 외부로, 압축기의 유체 유출구 또는 배출구로부터 압축기의 유체 유입구 또는 유입부로 유동함으로써, 유체는 폐쇄형 회로 내에서 파이프들(50)을 갖는 제 1 폭 확장부(5), 응축기(2), 파이프들이 없는 제 2 폭 확장부(6), 팽창기(3) 및 증발기(4)가 직렬로 연결된다.
파이프들을 갖는 제 1 폭 확장부는 14 mm의 제 1 라인에 배치되며 라인 또는 제 1 폭 확장부의 내경은 국부적으로 증가한다. 상기 제 1 폭 확장부(5)는 내부 파이프들(50), 예를 들어서, 라인의 제 1 폭 확장부에 의해서 둘러싸인, 내경 5 mm 및 외경 8.5 mm를 갖는 7개의 관들을 포함한다. 폭 확장부의 내경은 관들을 둘러쌀 수 있도록 되며 폭 확장부의 두께는 히트 펌프의 이러한 부분 내의 유체에 대해서 특정된 최대 압력을 견디도록 된다.
폭 확장부의 내경은 관의 외경에 3 배와 동일하게 조밀하게 배열된 7 개의 관들에 대응하며, 즉 25.5 mm이다. 보다 관들의 개수가 많으면, 폭 확장부의 내경은 조밀한 방식으로 유지되는 관들의 외경으로서 도출될 수 있다.
5 mm 관들의 내부 단면적의 총 합은 15 kW 히트 펌프에 대해서는 14 mm 라인의 내부 단면적과 동일하고 35 kW 히트 펌프에 대해서는 상기 내부 단면적이 두 배가 되도록 선택될 것이다.
보다 큰 내부 단면적을 갖는 라인에 폭 확장부가 제공된다면, 파이프들의 직경과 라인의 직경 간의 비는 상기 제 1 실시예의 것과 동일하게 선택될 것이며, 즉 본 실례에서는 그 비는 14 mm/5 mm 또는 2.8이다.
제 1 폭 확장부의 파이프들의 길이는 AERMEC®에서 나오는 히트 펌프에 대해서는 약 22 cm와 동일하게 취해지며 AIRWELL®에서 나오는 히트 펌프에 대해서는 13 cm와 동일하게 취해질 것이다.
공지된 요소인 응축기는 본 회로 내에서 제 1 폭 확장부 이후에 만난다.
제 2 폭 확장부는 냉매 유체 및 오일의 액체 상태에서 동작하도록 설계되며, 예를 들어서, 제 1 폭 확장부와 동일하지만 파이프들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있으며, 파이프들은 제 1 폭 확장부에 추가하여서 본 회로 내에 존재하는 제 2 폭 확장부를 사용하여서 본 발명의 효과를 달성하는데 있어서 필수적인 것으로서는 간주되지 않는다. 제 2 폭 확장부는 하류에서 팽창기 이전에 위치한다. 팽창기는 공지된 요소이며 그의 유입구에서 주로 액체 상태에서 동작하며, 본 발명의 히트 펌프의 정상적인 동작 시에 기체 및 액체의 2 상 혼합물을 생성하도록 설계된다.
팽창기는 하류에 증발기가 연결되며, 증발기는 공지된 요소이다.
사용 시 가열 모드에서, 히트 펌프는 증발기가 가열된 인클로저를 둘러싸는 대기와 접촉하며, 응축기가 인클로저를 가열하는 회로와 접촉한다.
사용 시 냉각 모드에서, 히트 펌프는 증발기가 냉각될 인클로저와 접촉하며, 응축기는 인클로저를 둘러싸는 대기와 접촉한다.
공지된 유체 밸브들은 본 발명에 따른 히트 펌프가 가역적인 경우에, 사용자의 동작으로 인해서, 가열 모드에서 냉각 모드로 전환되는 것이 가능하게 할 수 있다.
모든 히트 펌프들에 대해서 선택된 프레온은 R407C 또는 R407A 프레온이며, 오일은 EMKARATE® RL32-3 MAF 오일이며, 이 오일은 모든 동작 온도들에서 선택된 프레온과 혼화가능하다.
일반적으로, 본 발명의 구현을 위해서, 서로 혼화가능한 냉매 유체 또는 냉각제 및 오일이 사용될 것이다.
특히, R407 지정번호들의 프레온들에 의해서 형성된 냉매 유체 족 및 상기 프레온들의 족과 혼화가능한 오일들이 본 발명에서 사용될 수 있는 유체들의 세트를 구성한다.
파이프들을 갖는 제 1 폭 확장부 및 제 2 폭 확장부로 수정되고 EMKARATE® RL32-3 MAF 오일의 혼합물 및 R32, R125 및 R134a의 혼합물을 사용하여서 동작하는 상업적 히트 펌프에 적용되는 본 발명의 배경이 되는 물리적 현상의 설명과는 무관하게, 다수의 실험들 동안에 본 출원인에 의해서 관찰된 이하의 특정 표시사항들은 본 기술 분야의 당업자에게 사용되어서 냉매 유체들 및 오일의 다른 혼합물들에 본 발명을 구성, 확장 또는 재현하여서 이의 교시사항의 도움으로, 개선된 열역학 효율을 갖는 히트 펌프를 설계하도록 하게 한다.
본 발명의 일반적인 원리가 본원의 출원일에 히트 펌프의 응축기 및 증발기 내에서의 열 교환도를 증가시키게 적합한, 오일의 액적들의 에멀전 형태로 된, 히트 펌프의 오일을 전달하는 능력이 되도록 추정된다. 따라서, 제 1 폭 확장부 및 제 2 폭 확장부인 본 발명의 수단들은 히트 펌프의 열 교환기들(응축기 및 증발기)의 동작을 개선하기에 적합한 형태로 상기 에멀전을 재생 또는 유지하는 것이다.
가스 전달 매체 내에서의 버블들(가스를 함유함)과 동의어로서 취해지는 액적들의 존재 또는 액체 전달 매체 내에서의 "안티버블들(antibubbles)"(가스를 함유하는 오일의 버블들)과 동의어로서 취해지는 액적들의 존재는 히트 펌프의 열교환기들 내에서의 그의 상 변화들 동안에, 열 교환에 도움이 되는, 전달 매체의 응축 또는 상기 전달 매체의 기화를 위한 핵생성 자리들을 제공하는 것으로서 간주된다.
상기 에멀젼은 기체 상에서, 기체 상에서 오일의 "단분산성(monodisperse)" 에멀젼(즉, 공통 값으로 강하게 집중되는 직경치들을 가짐)을 갖는 액적들의 미스트가 되는 것으로서 추정되며, 이러한 액적들은 응축기에 도달하여서 그 내에서 열 교환도를 증가시키는데 충분한 수명을 갖는다. 따라서, 본 발명은 압축기와 응축기 간의 오일의 미스트를 형성하기 위한 제 1 수단을 사용한다. 이로써, 일 특정 수단은 오일 내에서의 가스의 용해성으로 인해서 전달되는 냉매 유체 가스를 흡수한 오일 액적들에 대해서 음의 압력을 부여하여서 보다 세밀한 액적들로 변할 수 있는 액적들 내의 가스 버블들이 발생되게 하는 수단이다.
상기 에멀젼은 액체 상태에서는, 액체 상태로 오일의 "단분산성" 에멀젼을 형성하는 오일의 액적들의 혼합물로서 추정되며 이 액적들은 팽창기에 도달하고 팽창기를 통과하고 증발기에 도달하여서 증발기 내에서 열 교환도를 증가시는데 충분한 수명을 가지며 최종적으로는 시간에 지남에 따라서 정규적으로 압축기로 복귀하며 균일한 직경의 오일 액적들을 갖는 오일의 미스트 형태로 되며 상업적 히트 펌프에 비해서 개선된 윤활 능력에 의해서 그의 등엔트로피 효율을 개선시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 히트 펌프의 COP를 개선하기 위해서, 압축기와 응축기 간의 오일의 미스트를 형성하기 위한 제 1 수단 및 응축기와 압축기 간에서 액체 상태의 오일의 분산성 액적들을 형성하기 위한 제 2 수단을 사용하며, 이러한 액적들은 팽창기를 통과할 시에 미세 액적들 또는 버블들로 변화되어 증발기에 도달하는 것이 가능하다.
이로써, 파이프들을 갖는 제 1 폭 확장부 및 제 2 폭 확장부인 본 발명의 요소들은 본 기술 분야의 당업자에 의해서 상기 목적을 달성하도록 구성될 수 있다.
파이프들을 갖는 폭 확장부만이 임의의 프레온과 함께 그리고 보조 열 소스로서 가스 상태에서 이전에 알려졌다.
따라서, 1 개 또는 2 개의 폭 확장부들, 일 특정 냉매 유체 및 상기 냉매 유체에 혼화가능한 오일을 사용하여서 히트 펌프의 어셈블리의 열역학 효율 개선 또는 COP 개선은 종래 기술에서는 예상되지 않는다. 획득된 효과는 적어도 하나의 폭 확장부가 제공된 히트 펌프를 사용하여서 가열 또는 냉각 용도를 고려하는 것을 가능하게 한다.
이러한 개선사항은 단독으로 제 1 폭 확장부의 경계들에서 온도 증가 없이 달성되며 따라서 이 확장부는 보조 히트 소스로서 작용하지 않는다.
본 발명에 따라서 R407C를 사용하고 파이프들을 갖는 단일 폭 확장부를 사용하여서, IRWELL® 히트 펌프에 대해서 +7℃에서 27%의 COP 증가율을 관측할 수 있었다.
R407A을 사용하여서, 21%의 COP 증가율이 동일한 온도에서 획득되었다.
COP 증가 백분율로서 유사한 결과들이 AERMEC® ANF 50 또는 ANF 100 히트 펌프에 대해서 획득되었다.
그러나, 단일 폭 확장부를 사용할 시에, 이러한 COP 증가 결과는 단일 폭 확장부가 사용되는 때에 +7℃ 미만의 온도에서는 열화되었다. 특히 이러한 방식은 0℃ 온도에서는 실제로 사용할 수 없었으며, COP 증가 정도는 10% 미만이었다.
따라서, -7℃ 내지 +7℃의 확장된 온도 범위에 걸쳐서 COP 증가율을 획득하기 위해서, 제 2 폭 확장부가 제 1 폭 확장부에 부가되었다.
이러한 경우에, AIRWELL® 브랜드 머신의 경우에, 관측된 열적 능력에서의 증가 특징은 또한 본 발명의 "키트"로서 지칭되는 2 개의 폭 확장부들을 사용할 때에는 다음과 같았다:
A) 공칭 12 kW AIRWELL
®
머신 - R407C 및 POE 오일
A.1) 온도 7℃: 제조자 전력 12.72 kW; 키트 사용 시 전력 16.1 kW; COP 증가율 27%
A.2) 온도 0℃: 제조자 전력 10.65 kW; 키트 사용 시 전력 14.24 kW; COP 증가율 34%
A.3) 온도 -7℃: 제조자 전력 8.5 kW; 키트 사용 시 전력 11.67 kW; COP 증가율 37%
B) 공칭 12 kW AIRWELL
®
머신 - R407A 및 POE 오일
B.1) 온도 7℃: 제조자 전력 12.67 kW; 키트 사용 시 전력 15.28 kW; COP 증가율 21%
B.2) 온도 0℃: 제조자 전력 11.09 kW; 키트 사용 시 전력 13.65 kW; COP 증가율 23%
B.3) 온도 -7℃: 제조자 전력 9.03 kW; 키트 사용 시 전력 10.32 kW; COP 증가율 14%
COP 증가 백분율로서 유사한 결과들이 AERMEC® ANF 50 히트 펌프 또는 ANF 100 히트 펌프에 대해서도 획득되었다.
따라서, 2 개의 폭 확장부들을 사용하여서 전체 온도 범위 및 특히 최저 온도들에서도 COP 증가를 보장할 수 있다는 것이 관측되었다. 또한, 본 발명의 일 바람직한 모드에서, R407C 및 이와 혼화가능한 오일, 예를 들어서, 폴리올에스테르 또는 POE 오일을 사용할 수 있다는 것이 관측되었다.
따라서, 이러한 결과들은 히트 펌프 사용 시에 에너지 절감의 차원에서 본 발명의 유용성을 입증하였다.
상기 제 1 모드의 요소들은 보다 자세하게 이하에서 제시된다.
상기 제 1 폭 확장부는 폐쇄형 회로를 따라서 압축기의 유체 유출구로부터 압축기의 유체 유출구로 합류하는 제 1 라인으로 그리고 응축기로 연장하는 그의 길이를 따라서 구성될 수 있으며, 이 길이의 제 1 구역에서는 라인의 내경이 증가하고, 제 2 구역에서는 라인의 내경이 일정하게 되고, 제 3 구역에서는 라인의 내경이 감소할 수 있다.
알려진 방식으로, 제 1 구역에서의 내경 변화는 제 1 콘(cone)에 의해서 달성될 수 있는데 이 콘의 정점 각은 히트 펌프의 정상적인 유체 동작 상태들에 있어서, 히트 펌프를 통해서 이동하는 유체의 유동 라인들의 분리를 발생시키는 것을 가능하게 한다.
알려진 방식으로, 제 3 구역에서의 내경 변화는 제 2 콘에 의해서 달성될 수 있는데 이 콘의 정점 각은 히트 펌프의 정상적인 유체 동작 상태들에 있어서, 히트 펌프를 통해서 이동하는 유체의 유동 라인들의 분리를 발생시키지 못하도록 이루어진다
어느 경우이든, 냉매 유체가 프레온들 및 오일의 혼합물일 때에, 제 1 폭 확장부의 제 2 구역은 유리하게는 수직으로 위치될 것이다. 따라서, 상기 구역은 제 1 폭 확장부에 대해 수직 연통체(chimney) 구성 또는 수직 연통체 또는 수직 덕트 기능을 가질 것이며, 이 구역은 정상적으로는 기체 상태의 냉매 유체 및 오일의 액적들에 대해서 작용한다.
상기 구성은 응축기로의 열 전달은 가능하지만 열이 생성되어서 응축기에 도달되지 못하게 할 것인데 이는 유체가 제 1 폭 확장부를 통과한 후에 프레온과 오일 액적들의 에멀전의 수명을 증가시키고 이들이 응집에도 불구하고 응축기에 도달하게 함으로써 이루어진다.
이러한 수직 구조체는 가스와 함께 전달되는 액적들로서 존재하는 오일 내에 용해가능한 프레온들의 혼합물 또는 프레온에 대해서, 통상적으로 압축기의 배출구에서 압축기에 의해서 생성되는 것과 같으면서 액적들의 직경이 통상적으로 "다분산성(polydisperse)"(즉, 중앙치를 중심으로 큰 편차를 가짐)인 것과 같은, 시간에 지남에 따라서 안정된 가스 및 오일의 에멀젼을 생성 또는 재생하는 것을 일으키는 다수의 동시적 효과들을 가능하게 한다.
이러한 효과들 중에서 다음의 것들이 언급될 수 있다:
- 제 1 콘 내에서의 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창은 오일의 액적들 내에 용해가능한 가스들의 일부가 이 액적들보다 크기가 작으면서 크기가 잘 규정된 미세 액적들로 변화되는 버블들을 형성하는 것을 가능하게 한다.
- 유체의 유동 라인들의 분리는 제 1 콘 내에서 사 공간(dead volume)을 발생시키며 이 사 공간에서는 요동이 발생하여서 제 1 콘 내로 전달되는 액적들을 분리시킨다.
- 수직 관들에 의한 액적들의 분리는, 이 관들을 따라서 파들을 생성함으로써 그리고 이러하 관들을 따라서 관들의 벽들 상의 오일의 막으로부터 미세 액적들의 기포(foam)를 생성함으로써, 막 형태로의 오일의 응축기로의 순환을 저지 또는 억제할 수 있다.
- 수직 관들에 의한 액적들의 분리는 액적들보다는 미세 액적들을 이동시키는 것을 선호함으로써 액적들의 방향 및 액적들의 질량의 콜리메이터(collimator)로서 작용하고, 이로써 액적들의 질량이 이러한 수직 관들을 따라서 자신이 빠져나오지 못하는 것을 선호하며, 수직 관들 내에서 2 상 유체 역학에서 알려진 방식으로 액적들이 미세 액적들의 기포로 변형될 수 있다.
- 관들 및 제 2 콘에 의한 유동의 안정화는 응결 없이 수직 제 1 폭 확장부에 의해서 생성된 액적들의 전달을 가능하게 하며 저압 액적들이 폐쇄형 회로 내에서 제 1 폭 확장부에 후행하는 응축기까지 이동할 수 있게 한다.
냉매 가스 및 오일의 혼합에 대해서, 본 기술 분야의 당업자는 관들의 길이 및 직경을 수정하여서 히트 펌프의 열역학 효율의 증가 또는 선행 기술로부터 알려진 수단에 의해서 측정되는 효율 또는 COP의 증가에 도움이 되는 오일 분리 효과를 달성할 수 있다.
특히, 유체 회로 내에 초기에 도입된 혼합물로부터의 조성을 계산할 시의 변화치는 본 발명의 동작의 표시치일 수 있다. 초기의 도입된 R407C 혼합물의 경우에, 동작 조건들: 외부 온도, 유압 회로의 온도, 팽창기의 조절의 함수로서 시간에 따라서, 압축기의 유출구에서 측정된 혼합물의 조성들에서의 편차들을 관측할 수 있을 것이다. 오일 내에서의 R407C의 성분들의 차별적인 용해도가 가변하기 때문에, 제 1 폭 확장부의 관들 내에 오일이 갇히는 것은 또한 조성 계산 시의 상기 편차를 설명할 수 있다.
그러나, 순환하는 혼합물의 밀도를 또한 변화시키는 이러한 편차는 자체적으로는 COP 증가 및, 동시에 제공되어야 하는 이러한 무거운 혼합물을 이동시키는데 필요한 전력의 증가를 설명하지 못한다. 따라서, 오일 및 프레온들의 상호 용해도의 영향이 R407C, R407A, R407 족의 표준화된 변형들 또는 비표준화된 비율들로 해서 R32, R125 및 R134a의 혼합물을 사용하여서 동작하는 본 발명에 따른 히프 펌프의 다수의 실제적 경우들에 있어서 수직 제 1 폭 확장부의 개발을 위해서 유용한 표시자로서 간주된다.
R32, R125 및 R134a의 혼합물 이외의 다른 특정 프레온은, 응축기의 열적 능력 증가가 제 1 폭 확장부를 상기한 바와 같은 다른 특정 프레온을 사용하여서 동작하는 히트 펌프의 유체 회로 내에 도입할 시에 관측되는 한, 본 발명에 따라서 사용될 수도 있다는 것이 배제되지 않도록 해야 한다.
보다 일반적으로, 상술한 바와 같이, 히트 펌프의 폐쇄형 회로의 동작 온도들에서, 임의의 (프레온 또는 비-프레온) 냉매 유체 및 임의의 가스 상태의 냉매 유체들에 용해가능하고 임의의 액체 냉매 유체들과 혼화가능한 오일 간의 특정 혼합물로서, 상기 특정 혼합물을 사용하여서 동작하는 히트 펌프의 압축기 및 응축기 간의 수직 파이프들을 갖는 제 1 폭 확장부를 도입할 시에 응축기의 열적 능력 증가를 관측하는 것을 가능하게 하는 특정 혼합물이 본 발명의 교시에 따를 것이다.
이러한 증가의 존재 시에, 본 기술 분야의 당업자는 유체 회로 내에서, 관들의 길이 또는 직경을 조절하거나 응축기로부터 제 1 폭 확장부를 분리하는 거리를 조절하여서, 응축기 내에서 관측되는 열적 능력 증가를 최적화할 수 있으며, 상기 열적 능력 증가는 예를 들어서, 응축기와 열적으로 접촉하는 가열 회로로부터 유출되는 고온수의 온도를 측정함으로써 관측된다. 본 기술 분야의 당업자는 또한 정확한 수직성이 응축기의 열적 능력에 대한 효과를 유지관리하면서 오일의 흐름을 하향으로 가능하게 하는 기울기를 관들에 부여하는 각을 구성함으로써 관들의 수직성을 가변시킬 수도 있을 것이다.
본 발명에 따르면서 R32, R125 및 R134a의 혼합물을 사용하는 냉매 유체 및 오일의 쌍들에 대해서, R407C, R407A 및 R407F에 대한 COP의 개선 퍼센티지는 다음과 같다:
| 407C | 407A | 407F | |
| 주변 공기 | COP 증가율 | COP 증가율 | COP 증가율 |
| 7℃ | 27% | 21% | -3% |
| 0℃ | 34% | 23% | 12% |
| -7℃ | 37% | 14% | 3% |
제 1 폭 확장부를 통과하는 가스 상의 프레온들과 같은, 가스 및 오일의 액적들의 형태로 된 오일의 일반적인 냉매 유체, 혼합물에 대해서, 상기 구조는 오일의 액적들을 규칙적으로 분리시켜서 액적들의 수명이 충분하게 안정한 가스 및 액적들의 에멀젼을 형성함하는 수단을 형성하여서, 이러한 액적들이 응축기에 도달하게 하여서 응축기에서의 열 교환능력을 개선하고 히트 펌프의 열역학 효율을 개선하는 핵발생 자리들(nucleation sites)을 형성하게 하도록 설계된다. 오일 및 가스의 기포 혼합물의 경우에, 에멀젼을 형성하기 위한 수단이라는 동일한 전반적인 본 발명의 사상이 파이프들을 갖는 제 1 폭 확장부의 설계에 적용될 것이며, 하지만 하나 이상의 가스들 내의 액적들의 에멀젼 대신에, 제 1 폭 확장부는 가스 또는 가스들 내의 버블들의 에멀젼을 형성하기 위해서 설계될 것이다.
액적들의 에멀젼 및 또한 오일의 버블들의 에멀젼이 제 1 라인에 존재하는 오일 및 프레온들 간의 제 1 폭 확장부에 의해서 형성되는 혼합 모드는 제 1 라인 내의 유체의 동작 온도 및 압력에서 오일 및 프레온들의 상대적인 표면 장력 특성들의 함수로서 포함되어야 한다.
본 발명은 R407C 및 일 특정 EMKARATE® RL32-3 MAF 오일을 수직으로 위치된 제 1 폭 확장부에 의해서 변형되고 제 2 폭 확장부를 갖는 히트 펌프의 폐쇄형 회로 내로 도입함으로써 도입되는 프레온들 R32, R125 및 R134a의 혼합물을 사용하여서 테스트되었다.
동일한 회로 내에서 응축기의 열적 능력 증가를 발생시키는, 임의의 냉매 유체 및 상기 냉매 유체와 혼화가능하고 용해가능한 오일은 본 발명의 교시사항에 따를 것이며, 상기 열적 능력 증가율은 본 발명의 기준이다. 그러나, 본 발명의 결과는 상기 열적 능력 증가가 COP 증가와 동시에 획득되는 때에 획득된다. 따라서, 본 발명의 당업자는 열적 능력 증가를 일으키는 냉매 유체 및 오일의 쌍들 중에서, COP 증가를 일으키는 쌍들을, 제 2 폭 확장부를 도입시킴으로써, 결정할 수 있을 것이다.
특히, 프레온들에 대해서는, 합성 폴리올에스테르 또는 "POE" 오일, 액체 상에서 프레온들과 혼화가능하고 알려진 오일들로서 가스 상의 프레온들이 용해가능한 오일들을 포함하는 족이 프레온들을 사용하는 본 발명의 교시사항에 따를 것이다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 본 발명에 따라서 수정된 상업적 AERMEC® ANF 50 히트 펌프의 동작은 히트 펌프의 압력 및 온도의 차원에서 세부적으로 기술된다.
압축기(ZB38KCE 참조 번호를 가짐)가 사용된다. 상기 압축기는 "소용돌이 형태(Scroll)" 기술을 가지며 압축기는 온도 T = 87℃ 및 압력 P = 18 바에서 EMKARATE® RL32-3 MAF 폴리올에스테르 오일, 가스성 R32, 가스성 R125 및 가스성 R134a의 혼합물을 배출한다.
오일은 전술한 온도들 및 압력들에서 폐쇄형 회로에 걸쳐서 액체 형태로 존재하는 것으로 간주된다.
제 1 폭 확장부는 수직형이며 상승(ascending)하는 유체를 가지며, 제 1 폭 확장부는 유입구에서 압력 P = 18 바 및 온도 T = 84℃를 경험하고, 유출구에서 압력 P = 18 바 및 온도 T = 84℃를 경험한다. R32, R125 및 R134a의 혼합물은 유출구에서 가스 상태로 존재한다. 따라서, 상기 실시예에서 정상적인 동작 시에는 그의 유입구에 대한 제 1 폭 확장부의 유출구에서의 온도 증가는 존재하지 않으며, 상기 폭 확장부는 따라서 히트 소스로서 작용하지 않는다.
상기 응축기는 유입구에서 압력 P = 18 바 및 온도 T = 84℃를 경험하고, 유출구에서 압력 P = 18 바 및 온도 T = 45℃를 경험한다. R32, R125 및 R134a의 혼합물은 유출구에서는 액체이다.
제 2 폭 확장부는 하강하는 수직형이며, 유입구에서 압력 P = 18 바 및 온도 T = 45℃를 경험하며, 유출구에서 P = 18 바 및 T = 45℃를 경험한다. R32, R125 및 R134a의 혼합물은 유출구에서 액체이며, 액체-가스의 2 상 기간들에서는 버블들이 발생한다. 따라서, 상기 실시예에서 정상적인 동작 시에는 그의 유입구에 대한 제 2 폭 확장부의 유출구에서의 온도 증가는 존재하지 않으며, 상기 제 2 폭 확장부는 따라서 히트 소스로서 작용하지 않는다.
팽창기는 유출구에서 P = 7 바 및 T = 13℃를 경험한다. R32, R125 및 R134a 의 혼합물은 유출구에서 액체-가스 2 상 혼합물이다.
증발기는 유입구에서 압력 P = 7 바 및 온도 T = 13℃를 경험한다. R32, R125 및 R134a의 혼합물은 유출구에서 가스성이다.
압축기는 P = 4 바 및 T = 5℃에서 EMKARATE® RL32-3 MAF 오일, R32, R125 및 R134의 혼합물을 흡입한다.
이러한 구성에서, COP 증가는 -7℃ 내지 +7℃의 온도 범위에 걸쳐서, 제 1 실시예에 대해서 상술한 AIRWELL® 브랜드 머신의 것들과 유사하다.
본 발명은 히트 펌프들 및 에어-컨디셔닝 유닛들의 분야에 산업적으로 적용가능하다.
다양한 수정사항들이 첨부된 청구항들에서 기술되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 기술 분야의 당업자에게 접근가능하다.
Claims (15)
- 냉매 유체 및 상기 냉매 유체와 혼화가능한 윤활제를 포함하도록 의도된 폐쇄형 회로를 포함하는 히트 펌프로서, 상기 폐쇄형 회로는 유체 압축기(1) 및 유체를 상기 유체 압축기로 복귀시키기 위한 복귀 회로를 포함하며, 상기 유체 압축기는 상기 폐쇄형 회로 내에서 유체 유입구와 유체 유출구 사이에 연장되고, 상기 복귀 회로는 상기 폐쇄형 회로 내에서, 상기 유체 압축기에 상보적으로, 유체 유출구와 유체 유입구 사이에 연장되며, 상기 복귀 회로는 응축기(2), 팽창기(3) 및 증발기(4)를 포함하며, 상기 복귀 회로는 상기 유체 유출구와 응축기 사이에 연장되는 제 1 라인, 상기 응축기와 팽창기 사이에 연장되는 제 2 라인, 상기 팽창기와 증발기 사이에 연장되는 제 3 라인, 및 상기 증발기와 유체 유입구 사이에 연장되는 제 4 라인을 포함하는, 상기 히트 펌프에 있어서,
상기 폐쇄형 회로는, 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 복귀 회로의 라인의 제 1 폭 확장부(5), 및 상기 폐쇄형 회로 내에서 직렬로 연결된 복귀 회로의 라인의 제 2 폭 확장부(6)를 포함하며, 상기 제 1 폭 확장부(5)는 상기 압축기와 응축기 사이에 윤활제의 미스트를 형성하기 위한 상기 폐쇄형 회로 내에서 병렬로 된 복수의 파이프(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 복귀 회로는 상기 제 1 라인 및 상기 제 4 라인으로 구성된 라인들의 제 1 세트, 및 상기 제 2 라인 및 상기 제 3 라인으로 구성된 라인들의 제 2 세트를 포함하며, 상기 제 1 세트는 상기 제 1 폭 확장부(5)를 포함하고, 상기 제 2 세트는 상기 제 2 폭 확장부(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 폭 확장부(5)는 상기 제 1 라인 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 폭 확장부(6)는 상기 제 2 라인 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 1 항에 있어서,
냉매 유체 및 상기 냉매 유체와 혼화가능한 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 5 항에 있어서,
상기 냉매 유체는 프레온 족으로부터의 유체인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 6 항에 있어서,
상기 프레온 족으로부터의 유체는 R32 프레온, R125 프레온 및 R134a 프레온을 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 7 항에 있어서,
상기 혼합물은 R407C 프레온인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 7 항에 있어서,
상기 혼합물은 R407A 프레온인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 5 항에 있어서,
상기 윤활제는 합성 오일인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 10 항에 있어서,
상기 합성 오일은 폴리올에스테르 오일인 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 폭 확장부(5)는 수직으로 위치하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 폭 확장부(5)는 수직으로 위치하며 상승하는 유체를 갖는 것을 특징으로 하는 히트 펌프. - 제 1 항에 따른 히트 펌프를 사용하는 방법으로서,
- 윤활제를 폐쇄형 회로 내로 도입하는 단계;
- 상기 폐쇄형 회로를 냉매 유체로 충진하는 단계;
- 상기 폐쇄형 회로 내에서 상기 냉매 유체를 상기 압축기에 의해서 순환시키는 단계를 포함하며,
상기 방법은 에너지가 절감되게 인클로저를 가열하거나 에어 컨디셔닝하기 위한 것을 특징으로 하는, 히트 펌프 사용 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 냉매 유체는 상기 제 1 폭 확장부 내에서 상승하는 것을 특징으로 하는, 히트 펌프 사용 방법.
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