KR20020091068A - 냉기 냉동 시스템 및 이 시스템용 터보 팽창기 터빈 - Google Patents
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Abstract
냉기 냉동 시스템은 압축기(1), 축열식 이중 공동형 열 교환기(2), 에어 쿨러(4) 및 팬(4)이 내부에 장착된 냉동 챔버(3), 샤프트 상에 팬(7)이 장착된 터보 팽창기(6), 습기 분리기(8), 이중 공동형 열 교환기(9), 물탱크(10) 및 온도 표시기(11)를 포함한다. 열 교환기(9,2)의 전방 챔버, 습기 분리기(8) 및 열 교환기(2)의 제 2 챔버가 연결되어 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 압축기(44) 및 터보 팽창기(49), 이중 챔버 열 교환기(45), 냉동 챔버(46)를 포함하며, 냉동 챔버(46)의 내부에는 팬(48)과 에어 쿨러(47)가 장착되어 있다. 기화 열 교환기(51,45)의 전방 챔버, 습기 분리기(50), 터보 팽창기(49), 에어 쿨러(47) 및 열 교환기(45)의 제 2 챔버가 압축기의 입구와 함께 연결되어 있다. 터빈(66)의 베어링 디스크(67)는 인터 블레이드 보어(69)와 함게 구형되어 있으며, 이 보어(69)는 챔버(70)를 통해 디스크(67)의 자오면와 결합되어 있다. 종방향 마이크로-챔버(71)는 챔버(69)의 표면 상에 형성된다. 마이크로-챔버(71)의 단면의 반경(Rk)은 챔버(70)의 반경(Rch)의 0.1-1.0을 구성하고, 마이크로-챔버(71) 사이의 피치(t)는 2 반경(Rk)을 초과하지 않고, 마이크로-챔버(71)의 높이(h)는 반경(Rk)의 0.2-1.0을 구성한다.
Description
냉각 장치(SU, A, 802740)은 열 교환기에 의해 터보 팽창기와 연결된 압축기, 냉동 챔버 및 열 교환기와 냉동 챔버 사이에 설치된 부가적인 과급기를 포함한다.
상기 장치에는 압축기의 출력부의 기온이 충분히 높아(약 120-140℃) 냉각 장치에 의해 사용된 총 동력을 증가시키는 열 교환기 냉각 시스템이 요구된다. 게다가 소정의 양의 수증기가 있는 경우, 터보 팽창기의 작업 그레이트(working grate)와 노즐의 공동을 초래할 수 있다.
이에 대한 가장 근접한 해결책은 공기 냉각 장치(SU, A, 1290040)가 재생식 열교환기와 함께 동일한 축에 설치된 터보 팽창기 및 압축기 그리고 내부에 팬과 공기 냉각기가 설치된 냉동 챔버를 포함한다.
상기 장치는 약해진 공동 생산도(freeze productivity)에 따른 냉동 챔버 온도 조절 및 경제성의 제한된 변수를 가진다.
터보 휠(SU, A1, 059217)은 블레이드와 인터 블레이드 커낼(inter blade canal)을 구비한 베어링 디스크를 포함하는 것으로 알려져 있는데, 인터 블레이드 커낼은 플루우트(flutes)에 의하여 자오 디스크 면(meridian disk surface)과 결합된 가장 근접한 블래이드의 측면에 의하여 형성되며, 상기 표면은 원의 일 부분으로서 나타나는 횡단면을 가진 종방향 마이크로 커낼을 포함한다.
터빈 유동부(turbine flowing part) 및 특히 작업 휠의 인터 블레이드 커낼의 표면에서 네가티브 작업 온도(negative work temperature)를 가진 습한 공기의 상태에서의 작업 동안, 얼름 박막 효과(ice film effect)를 초래할 수 있다. 게다가 상기 터빈 휠은 상당한 하이드로 손실(hydro losses)을 일으킨다.
본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 공기 냉각 시스템 및 터보 팽창기의 터보 휠에 관한 것이다.
도 1은 공랭 장치 변형체 중 하나의 설계도를 도시한다.
도 2는 이젝터와 함께 공랭 장치를 도시한다.
도 3은 기화 열 교환기에 대한 팬 연결의 방식 중 하나를 가지는 공랭 장치를 도시한다.
도 4는 추가의 열 교환기 및 팬의 그룹을 가지는 공랭 장치를 도시한다.
도 5는 흡수식 습기 분리기, 리시버 및 조절식 밸브를 갖춘 공랭 장치의 변경예 중 하나를 도시한다.
도 6은 흡수식 습기 분리기, 리시버 및 조절식 밸브를 갖춘 공랭 장치의 다른 변경예를 도시한다.
도 7은 터보 팽창기와 연결된 팬의 폐쇄 작업 서클을 갖춘 공랭 장치를 도시한다.
도 8은 터보 팽창기 및 전기 압축기를 갖춘 공랭 장치를 도시한다.
도 9는 터보 팽창기 및 전기 압축기의 종방향 단면도를 도시한다.
도 10은 터보 휠의 종방향 단면도를 도시한다.
도 11은 터빈 휠 인터 블레이드 커낼 입력부의 리머를 도시한다.
본 발명의 기본적인 목적은 주로 기화 냉각에 의하여 장치에서 대응적으로 주변 공기 이슬점 또는 0℃ 까지 기온을 감소시키고 기화 열 교환기 뿐만 아니라 터빈에서 부가적으로 정화(purety)하는 공기 냉각 장치를 발명하는 것이며, 상기 장치의 터보 팽창기 휠의 구성은 상기 장치가 동결기(freezer)에서의 네가티브 온도하에서 그리고 습한 공기 상태에서의 영구적인 작업을 제공하는 것이다.
공기 냉각 장치는 압축기, 제 1 열 교환기, 터보 휠을 구비한 터보 팽창기, 내부에 설치된 제 1 핀과 공기 냉각기를 가진 동결 챔버를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 챔버는 터보 팽창기, 이중 공동형 열 교환기(double cavity heat exchanger) 및 제 1 습기 분리기와 함께 동일한 축에 설치된 제 2 팬을 구비한다. 제 1 열 교환기는 이중 공동으로서 나타나고 기화 열 교환기의 제 1 공동, 제 1 습기 분리기, 터보 팽창기, 공기 냉각기 및 제 1 열교환기의 제 2 공동이 결론적으로 압축기의 입력부에 연결된다.
제공된 장치에서의 이중 공동형 기화 열 교환기(double cavity vaporization heat exchanger)의 이용은 주위 공기의 이슬점 온도까지 공급 공기의 온도를 감소시키는 것을 허용한다. 즉, 예를 들면, 주위 기온이 약 +50℃이고 상대 습도가 약 40%인 경우, 기화 열 교환기의 공기는 온도를 약 +36℃로 감소된다 습도 분리기는 터보 팽창기의 터보 휠로 공급된 습한 공기를 상당히 건조시킬 수 있다.
기화 냉각 프로세스의 일정한 유지에 대해 장치가 기화 열 교환기의 제 2 공동과 연결된 물 탱크를 구비하는 것이 필요하다.
기화 냉각의 프로세스를 강화하고 부가적으로 정화하기 위해, 기화 열 교환기의 제 2 공동의 입력부 및 출력부를 제 2 팬에 의하여 대기와 연결된다.
상기 장치는 이젝터, 제 1 조절 밸브 및 제 2 습기 분리기를 포함할 수 있으며, 이젝터의 수동 노즐(passive nozzle)은 기화 열 교환기의 제 2 공동과 제 1 조절 밸브에 의하여 대기로 연결되고, 이젝터의 능동 노즐(active nozzle)은 제 2 팬 입력부에 연결된다. 모든 이러한 측정부는 기화 열 교환기의 제 2 공동에서 정화하는 것을 허용하여, 온도의 상당한 감소를 초래하는 기온의 기화 냉각의 프로세스를 부가적으로 강화한다.
터보 팽창기로 공급되는 기압 증가로 인해 부가적인 시스템의 동결 생산도를 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해 상기 시스템은 제 3 팬을 포함하며 기화 열 교환기의 제 2 공동의 입력부 및 출력부가 제 3 팬에 의하여 대기에 연결된다. 제 3 팬 입력부는 압축기 출력부와 연결되며 제 2 팬 출력부는 기화 열 교환기 제 1 공동 입력부와 연결된다.
시스템은 제 2 및 제 3 이중 조절 밸브를 구비하며, 열 교환기의 제 1 공동과 압축기 입력부는 제 1 열 교환기와 압축기 입력부의 제 2 공동과 연결되며, 제 2 공동은 제 4 팬에 의해 대기에 연결되며, 제 3 열 교환기의 제 1 공동은 기화 열 교환기의 제 1 공동과 제 2 팬 출력부와 연결되며, 제 2 팬 출력부는 제 5 팬에 의하여 대기에 연결된다. 제 2 조절 밸브는 압축기 입력부와 출력부 사이에 설치된다. 이러한 경우 제 2 열 교환기와 제 4 팬은 컨디셔너(conditioner)로서 사용될 수 있다.
시스템 내부의 부가적인 공기 냉각 및 건조를 위해 상기 장치는 제 4 이중 공동형 열 교환기, 제 6 팬, 및 제 3 습기 분리기를 부가적으로 구비하며, 제 4 열 교환기의 제 1 공동은 제 2 팬 입력부를 구비한 제 3 습기 분리기에 의하여 그리고 압축기 출력부와 연결되며, 제 2 공동은 제 6 팬에 의하여 대기에 연결된다.
부재상의 습기 동결 없이 네가티브 기온의 상태하에서 장치의 효율적인 작업을 제공하기 위해, 상기 장치는 제 1 흡수식 습기 분리기, 제 1 리시버(first receiver), 제 3 및 제 4 조절 밸브, 제 1 및 제 2 역전 밸브(second reverse valve)를 구비하며 제 1 역전 밸브와 제 1 흡수식 습기 분리기는 기화 열 교환기의 제 1 공동과 제 1 열 교환기의 제 1 공동 사이의 압축기 출력부에 제 1 리시버에 의하여 연달아 설치된다. 제 4 조절 밸브는 제 1 역전 밸브와 제 1 흡수식 습기 분리기 사이에 연결되며, 압축기 입력부는 제 3 조절 밸브에 의하여 대기에 부가적으로 연결되며, 제 1 리시버는 제 2 역전 밸브에 의하여 대기와 연결된다.
제안된 장치의 압축기 출력부는 제 1 기화 열 교환기 공동과 연결될 수 있으며, 상기 장치는 열 교환기에 따른 제 5 이중 공동 및 제 7 팬을 구비할 수 있다. 제 5 열 교환기의 제 1 공동은 압축기 출력부와 기화 열 교환기 제 1 공동에 연결되며 제 2 공동은 제 7 팬에 의해 대기에 연결될 수 잇다. 이러한 경우 장치는 대기 공급을 하는 폐쇄 회로를 실행할 수 있다.
상기 장치는 제 2 리시버, 제 2 흡수식 습기 분리기, 제 3 역전 밸브 및 제 4 역전 밸브, 제 5 조절 밸브, 제 6 조절 밸브 및 제 7 조절 밸브를 구비하며, 제 6 조절 밸브는 제 4 역전 밸브와 제 2 흡수식 습기 분리기에 의하여 압축기 입력부와 연결되는 제 1 열 교환기와 제 2 공동 사이에 설치된다. 압축기 출력부는 제 3 역전 밸브, 제 2 리시버 및 제 5 조절 밸브에 의하여 제 2 흡수식 습기 분리기와 제 4 역전 밸브 사이에 부가적으로 연결되며 압축기 출력부는 제 7 조절 밸브에 의하여 대기에 부가적으로 연결된다. 이러한 효과로 인해 특별한 습기 배제가 제공된다.
노이즈 수준을 상당히 감소시키기 위해 상기 장치는 이중 공동형 열 교환기를 따라 제 8 팬 및 제 9 팬을 포함하며, 기화 열 교환기의 제 2 공동은 제 8 팬에 의해 대기에 연결된다. 제 6 열 교환기의 제 1 팬은 제 2 팬의 입력부와 출력부에 연결되며, 제 2 공동은 제 9 팬에 의해 대기에 연결된다.
상기 장치는 제 4 습기 분리기와 동결 어큐뮬레이터를 구비하며, 둘 다 터버 팽창기와 공기 냉각기 사이에 연달아 설치된다. 이 같은 구성은 낮은 온도 유지,즉 동결 챔버의 개방 전방 도어의 상태를 제공한다.
태스크 세트(task set)는 터보 휠을 구비한 터보 팽창기와 압축기를 포함하는 공기 냉각 장치의 구비에 의하여 해결될 수 있으며, 둘다 동일한 축에 설치되며 이중 공동형 기화 열 교환기와 함께, 본 발명에 따라, 내부에 설치된 제 1 팬과 공기 냉각기를 구비한 동결기는 이중 공동형 동결기로서 실시될 수 있다. 제 1 습기 분리기, 터보 팽창기, 공기 냉각기와 제 1 열 교환기의 제 2 공동을 따른 기화 열 교환기의 제 1 공동은 연달아 압축기 입력부에 연결된다.
제 2 실시예로서 상기 장치는 제 10 팬을 구비할 수 있다. 기화 열 교환기의 제 2 공동은 제 10 팬에 의해 대기에 연결될 수 있다. 상기 장치는 제 7 열 교환기와 제 11 팬을 구비할 수 있으며, 제 7 열 교환기의 제 1 공동은 기화 열 교환기의 제 1 공동과 압축기 출력부와 연결될 수 있다. 제 2 공동은 제 11 팬에 의해 대기에 연결될 수 있다. 상기 장치는 기화 열 교환기의 제 2 공동에 설치되는 물 탱크를 구비할 수 있다. 게다가 터보 팽창기와 공기 냉각기 사이에 연달아 설치되는 제 4 습기 분리기와 동결기 축적기를 포함할 수 있다. 상기 장치는 제 8 조절 밸브를 포함할 수 있으며, 압축기 입력부는 제 8 조절 밸브에 의하여 대기와 부가적으로 연결될 수 있다.
터보 팽창기와 전기 압축기와 함께 전기 엔진의 형성은 터보 팽창기와 압축기를 따라 동일한 축에 설치될 수 있다. 상기 엔진은 터보 팽창기를 포함하는 바디, 전기 엔진 및 압축기를 포함하며, 전기 엔진 로터는 베어링에 설치된 축에 외팔보 형식으로 설치된 터빈과 압축 휠로서 실시될 수 있다. 압축기 휠 베어링과전기 엔진 사이의 공동은 재시작 커낼 압축기 입구(restart canal compressor entry)와 연결될 수 있다. 터보 팽창기와 전기 압축기의 이 같은 실시는 장치의 동결 생산도 및 경제성을 증가시킨다.
설치된 태스크(task)는 블레이드를 구비한 베어링 디스크를 포함하며 가장 근접한 블레이드의 측면에 의하여 실시되는 인터 블레이드 커낼은 플루우트에 의하여 디스크의 자오면과 결합된다. 디스크의 자오면은 원의 일부로서의 횡단면을 가진 종방향 마이크로 커낼을 포함한다. 본 발명에 따라 상기 마이크로 커낼 단면이 반경은 약 플루우트 반경의 0.1 내지 1.0이며, 커낼 사이의 피치는 두 개의 마이크로 커낼 반경보다 크지 않으며 커낼 높이는 마이크로 커낼 단면 반경의 0.2 내지 1.0이다.
본 발명에 따라 실시된 터빈 휠은 얼음 형성 상태에서의 효율 상승 뿐만 아니라 인터 블레이드 커낼에서의 스트림 교란 감소에 의해 하이드로 손실을 줄인다.
본 발명을 그 구현의 실시예 및 첨부 도면에 의해 설명한다.
공기 냉각 장치는 압축기(도 1), 축열식 이중 공동형 열 교환기(regenerative double cavity heat exchanger; 2), 에어 쿨러(4) 및 팬(4)이 내부에 장착된 냉동 챔버(freezing chamber; 3), 샤프트 상에 팬(7)이 장착된 터보 팽창기(6), 습기 분리기(moist separator; 8), 이중 공동형 열 교환기(9), 물탱크(10) 및 온도 표시기(11)를 포함한다. 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동, 열 교환기(2)의 제 1 공동, 습기 분리기(8), 터보 팽창기(6), 에어 쿨러(4), 및 열 교환기(2)의 제 2 공동은 압축기 입력부(1)와 순서대로 연결되어 있다. 물탱크(10)는 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동과 연결되어 있다. 온도 표시기(11)는 냉동 챔버(3)의 내부에 장착되어 있다. 기화 열 교환기의 제 2 공동의 입력부 및 출력부는 제 2 팬(7)에 의해 대기와 연결되어 있다.
도 2에 도시된 공냉 장치에는 이젝터(ejector; 12), 조절 밸브(13) 및 습기 분리기(14)가 제공되며, 이젝터(12)의 수동 노즐(passive nozzle)은 압축기(1)의 입력부아 연결되고, 이젝터 디퓨저(ejector diffuser; 12)는 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 및 조절 밸브(13) 모두에 의해 대기와 연결되어 있다. 이젝터(12)의 능동 노즐은 압축기(1)의 출력부와 연결되고, 이젝터 디퓨저(12)는 습기 분리기(14)에 의해 팬(7)의 입력부와 연결된다.
도 3의 공냉 장치에는 팬(15)이 제공되며, 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동 입력부 및 출력부 모두가 압축기(1)의 출력부와 연결된다. 팬(7)의 출력부는 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동의 입력부와 연결된다.
이러한 공냉 장치에는 추가로 이중 공동형 열 교환기(16,17), 팬(18,19) 및 조절 밸브(20)가 제공된다. 열 교환기의 제 1 공동(16)은 열 교환기(2)의 제 2 공동 및 압축기(1)의 입력부와 연결된다. 열 교환기(16)의 제 2 공동은 팬(18)에 의해 대기와 연결되고, 열 교환기(17)의 제 1 공동은 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 팬(7)의 출력부 모두와 연결되는 한편, 열 교환기(17)의 제 2 공동은 팬(19)에 의해 대기와 연결된다. 조절 밸브는 압축기(1)의 입력부와 출력부 사이에 장착된다.
공냉 장치에는 이중 공동형 열 교환기(21), 팬(22) 및 습기 분리기(23)가 제공될 수도 있다. 열 교환기(21)의 제 1 공동은 압축기(1)의 출력부와 연결되며, 그리고 습기 분리기(23)에 의해 대기와 연결된다.
도 5에 도시된 공냉 장치에는 흡수식 습기 분리기(24), 리시버(receiver;25), 조절 밸브(26,27), 및 역전 밸브(reverse valve; 28,29)가 제공된다. 역전 밸브(28) 및 흡수식 습기 분리기(24)는 기화 열 교환기(2)의 제 1 공동 사이에 차례로 장착되며, 압축기(1)의 출력부는 리시버 및 조절 밸브(27)를 통해 역전 밸브와 흡수식 습기 분리기(24) 사이에 연결되어 있다. 압축기(1)의 입력부는 조절 밸브(26)에 의해 추가로 대기와 연결되어 있지만, 리시버(25)는 역전 밸브(29)에 의해 대기와 연결되어 있다.
도 6에 도시된 공냉 장치에서, 압축기(1)의 입력부는 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 연결된다. 이러한 공냉 장치는 이중 공동형 열 교환기(30) 및 팬(31)을 더 포함한다. 열 교환기(30)의 제 1 공동은 압축기(1)의 출력부 및 기화 열 교환기(9) 모두에 연결된다. 열 교환기(30)의 제 2 공동은 팬(31)에 의해 대기와 연결된다.
공냉 장치는 또한 리시버(32), 흡수식 습기 분리기(33), 역전 밸브(34,35), 조절 밸브(36,37,38)를 포함한다. 조절 밸브(37)는 열 교환기(2)의 제 2 공동과 압축기(1)의 입력부 사이에 장착된다. 열 교환기의 제 2 공동은 역전 밸브(35) 및 흡수식 습기 분리기(33) 모두에 의해 압축기(1)의 입력부에 추가로 연결되고, 압축기(1)의 입력부는 역전 밸브(34), 리시버(32) 및 조절 밸브(36)에 의해 흡수식 습기 분리기(33)와 역전 밸브(35) 사이에 추가로 연결되며, 압축기(1)의 입력부는 조절 밸브(38)에 의해 대기와 추가로 연결된다.
도 7에 도시된 공냉 장치는 팬(39,40) 및 이중 공동형 열 교환기(41)를 포함한다. 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동은 팬(39)에 의해 대기와 연결되며, 열 교환기(41)의 제 1 공동은 팬(7)의 입력부 및 출력부 모두와 연결된다. 열 교환기(41)의 제 2 공동은 팬(40)에 의해 대기와 연결된다.
상술한 모든 공냉 장치의 구성은, 터보 팽창기(6)와 에어 쿨러(4) 사이에 차례로 장착된 습기 분리기(42)(도 2) 및 동결 어큐뮬레이터(43)를 포함한다.
다른 양상의 공냉 장치는 압축기(44)(도 8), 이중 공동형 열 교환기(45), 에어 쿨러(47) 및 팬(48)을 포함하는 냉동 챔버(46), 습기 분리기(50) 및 이중 공동형 기화 열 교환기(51)를 포함한다. 압축기(47)는 터보 팽창기(49)와 동축 상에 장착된다. 기화 열 교환기(51)의 제 1 공동, 열 교환기(45)의 제 1 공동, 습기 분리기(50), 터보 팽창기(49), 에어 쿨러(47) 및 열 교환기(45)의 제 2 공동은 순서대로 압축기(44)와 연결된다.
이러한 공냉 장치는 팬(52)을 포함하며, 기화 열 교환기의 제 2 공동이 이러한 팬(52)에 의해 대기와 연결된다.
이러한 공냉 장치는 이중 공동형 열 교환기(53) 및 팬(54) 모두를 포함한다. 열 교환기(53)의 제 1 공동은 압축기(44)의 출력부 및 기화 열 교환기(51)의 제 1 공동과 연결된다. 열 교환기(53)의 제 2 공동은 팬(53)에 의해 대기와 연결된다.
이러한 공냉 장치에는 기화 열 교환기(51)의 제 1 공동과 연결되는 물 탱크(55)가 제공된다.
이러한 공냉 장치는, 도 2의 구성과 유사하게, 터보 팽창기(49) 및 에어 쿨러(47) 사이에 차례로 장착되는 습기 분리기(42) 및 동결 어큐뮬레이터(43)를 포함한다.
이러한 공냉 장치에는 조절 밸브(56)가 제공되는데, 이러한 조절 밸브(56)에 의해 압축기(44)의 입력부가 대기와 연결된다.
이러한 공냉 장치는, 터보 팽창기 및 전기 압축기를 형성하는 터보 팽창기(49) 및 압축기(44) 모두와 함께 동축 상에 장착되는 전기 엔진(57)을 포함한다.
상술한 공냉 장치는 아래와 같이 작동한다.
도 1에 따르면, 대기 공기가 기화 열 교환기(9) 안으로 공급되며, 축열식 열 교환기(2)에서 냉각되어, 습기 분리기(8) 안으로 공급된다. 공기 스팀 응축물은 습기 분리기(8)에 의해 포착되고, 건기(dried air)가 터보 팽창기(6) 안으로 공급되며, 여기서 냉각되어 냉동 챔버(3) 내에 장착된 에어 쿨러(4) 안으로 공급되고, 팬(5)에 의해 내부 용량을 냉각시킨다. 에어 쿨러(4)의 공기가 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동으로 공급된 후, 팬(7)에 의해 물 탱크로부터 기화 열 교환기(9)의 바로 공동 안으로 동시에 물이 공급되고, 대기 공기의 기화 냉각의 프로세스가 발생한다. 즉, 온도 하강이 달성된다. 온도 표시기(11)는 공냉 장치의 작동을 제어하는 마이크로프로세서(도시 안됨)로 임펄스(impulse)를 전송한다. 이러한 마이크로프로세서는 압축기(1) 상에서 전기 엔진에 스위치를 넣고, 필요한 온도까지 냉동 챔버(3)를 냉각시키며, 온도에 도달할 때 엔진에서 스위치를 끊는다.
도 2에 도시된 공냉 장치의 구성에 따르면, 압축된 공기가 수동 노즐에 의해 압축기(1)로부터 이젝터(12)로 공급되고, 대기 공기가 조절 밸브(13) 및 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동을 통해 내부로 펌핑된다. 이러한 공동 내에서 대기 공기의기화 냉각의 과정을 강제하여 그 온도를 상당히 하강시키는 희박(rarefying)이 발생된다. 이젝터 디퓨저(ejector diffuser; 12)로부터 습기 분리기(14) 및 팬(7)을 통해 공기가 흡입된다. 흡기 분리기(14)는 공기로부터의 강하 습기를 포착하여 탱크(10) 안으로 공급한다.
도 3에 도시된 공냉 장치에서, 기화 열 교환기의 제 2 공동은 팬(15)에 의해 독립적인 냉각을 가지는 한편, 압축기(1)의 출력부와 팬(7)과의 연결은 터보 팽창기(6) 안으로 공급되는 공기 압력을 증가시켜 공냉 장치의 냉각 생산성을 향상시킨다.
도 4에 도시된 공냉 장치에서, 팬을 동반한 추가의 열 교환기의 응용은 공냉 장치의 사용 범위를 확장시킨다. 팬(18)을 동반한 열 교환기(16)는 컨디셔너(conditioner)로서 사용될 수 있다. 이들 팬(19,22) 및 습기 분리기(23)를 동반한 열 교환기(17,21)는 시스템 내에 여분의 냉각 및 건조를 발생시킨다. 조절 밸브(20)는 공칭(nominal) 작업 조건 하에서 압축기(1)의 출력부로부터 입력부로의 공기 전달을 제공한다.
도 5에 도시된 냉각 장치의 실행 동안, 대기 공기는 흡수식 습기 분리기(24)를 통과하여 전체적으로 건조되는데, 이러한 습기 분리기(24)는 구성요소의 동결없이 영하의 온도의 조건 하에서 작업하도록 냉각 장치의 능력을 제공한다. 스위치를 끊은 압축기(4)를 가지는 냉각 장치의 작동 동안 즉, "대기(stand by)" 기간 동안, 마이크로프로세서는 조절 밸브(26,27)를 개방하도록 임펄스를 전송하고, 압축된 공기가 리시버(25)로부터 흡수식 습기 분리기(24) 안으로 공급되어 다음의 냉각장치의 작동 사이클을 위한 흡수 능력을 다시 회복시키며, 조절 밸브(26)에 의해 대기와 연결된다.
도 6에 도시된 냉각 장치는 패쇄 작업 사이클을 가지며, 조절 밸브(38)에 의해 공기가 대기로부터 공급된다. 폐쇄 밸브(37)의 조건에서 흡수식 습기 분리기(33)는 시스템 내부에 풀(full) 공기 건조를 제공한다. 흡수식 습기 분리기(33)의 작업 능력의 강화는 밸브(36)가 개방되어 리시버(32)로부터 흡수식 습기 분리기 외부로 압축된 공기가 공급되고 밸브(38)에 의해 대기로 나감으로써, 냉각 장치의 "대기" 동안 효과적이다.
흡수식 습기 분리기(33)를 사용하지 않고 개방 밸브(37)에 의해 건조 공기의 상태에서 냉각 장치의 폐쇄 작업 사이클이 효과적이다. 냉각 장치의 작업 조건에 따라, 마이크로프로세서는 밸브(36,37)를 개방 또는 폐쇄 중 어느 하나를 실행하도록 임펄스를 전달하여, 최적의 작동을 제공한다.
도 7에 도시된 구성에 따르면, 팬(7)과 열 교환기(41) 사이의 연결 조건에서, 팬(7)의 고려된 소음 레벨 감소 작동을 수반한 폐쇄 회로 작업이 제공된다. 열 교환기(41)로부터의 열 배출은 팬(40)에 의해 실행된다. 이 경우, 팬(39)은 기화 열 교환기(9)를 식힌다.
도 9에 도시된 장치의 작동 상태 하에서, 예컨대 전기 엔진으로부터 공급될 때 전기의 상당한 절약이 효과적이다. 터빈 팽창기(9)가 파열되면, 압축기(44) 및 전기 엔진이 터보 팽창기 터빈(49)에 의해 발생되는 나머지 전력을 구동하는 압축기(44)에 대해 필요한 전력의 일부분만을 보충하는 것으로서 터빈이 효과적이다.
상술한 모든 구성에는 습기 분리기(42)(도 2) 및 동결 어큐뮬레이터(43)가 제공되며, 습기 분리기(42)는 시스템 내의 공기 건조를 제공하고, 동결 어큐뮬레이터(43)는 냉동 챔버(3) 내부에 냉기를 축적하는 것을 목적으로 하여, 예컨대 챔버(3) 도어가 장시간 열려 있거나, "대기"의 상태에서 저온의 유지를 제공한다.
도 9에 도시된 터보 팽창기 및 전기 압축기는 전기 엔진(57)이 이미 수반되어 구성된 바디(58)를 포함하며, 터빈 및 압축기 휠(60,61)이 축(59) 상의 외팔보(cantilever)에 장착되어 있다.
축(59)은 예컨대 페탈 타입(petal type)의 방사형 이중 축 가스의 역학적 베어링(62) 내에 장착된다. 압축기 휠의 이러한 베어링(62)과 전기 엔진(57) 사이의 공동(63)은 입력부를 압축기(44) 안으로 재장착한 커낼(canal; 64)에 의해 연결되어 있다. 재장착된 커낼(64)에서 조절 스로틀(65)이 장착된다.
터보 팽창기 및 전기 압축기는 다음과 같이 작동한다.
전기가 공급되면, 전기 엔진(57)은 축(59)을 회전시키는데, 이러한 축(59)은 동시에 회전의 작동 주파수(표준 모델에서는 분당 96000 회전수)까지 전기 엔진 회전자(57)이다. 기계적 에너지가 공기를 압축하는 압축기 휠(61)에 전달된다. 이후, 공냉 장치의 열 교환 시스템에 의해 냉각되는 압축된 가스는 터보 팽창기(49) 안으로 공급되고, 노즐 장치 및 터빈 휠 블레이드(60) 내부 모두에서 팽창된다. 이러한 프로세스는 작동 가스 온도 하강에 의해 발생된다. 즉, 주요한 것이 냉각 장치의 냉각 발생 내에 있는 터빈 기간이다. 압축된 가스의 파워는 터빈 휠(60)의 기계적 파워로 변환되고, 냉각 장치의 열 교환기의 시스템을 통과할 때 압축기휠(61)로 공급된다.
압축기 휠(61)의 출력부에서의 가스 압력은 항상 터빈 휠(60)의 입력부의 가습 압력보다 항상 높다. 고온 가스(압축기에서 압축된 가스)가 터빈 입력부로 통과를 피하기 위해, 압축기(44)의 입력부에 대한 공동(63) 사이의 가스 재시작 커낼(64)을 그 내부의 온도차를 감소시킨다.(고온 가스는 내부 공동, 베어링(62), 전기 엔진(57)의 고정자 및 회전자 사이의 공동에 의해 터빈 입력으로 관통할 수 있다). 이러한 구성은 압축기로부터 터빈으로의 가스 관통을 피하게 한다. 가스 및 역학적 베어링(62) 공동 및 전기 엔진 회전자(57) 냉각의 문제점이 동시에 해결된다.
재시작 커낼(64) 내에 장착된 조절 스로틀(65)은 터보 팽창기 및 전기 압축기가 터빈 내의 압력 차를 최대한 가능하게 하기 위해 회전할 수 있게 한다.
터보 팽창기의 터보 휠(66)은 베어링 디스크(67)(도 10-11)를 포함하며, 블레이드(68)와, 가장 인접한 블레이드(68)의 측면에 의해 형성된 인터 블레이드 커낼(69)은 플루우트(flutes; 70)에 의해 자오 디스크(67)면과 결합한다. 종방향 커낼(71)은 서클의 일부분으로서 작용된 단면을 가지는 이러한 디스크 상에 작용된다. 플루우트(70)의 반경(R1)은 강도 조건 상에서 계산된다.
마이크로 커낼(71) 단면의 반경(Rk)은 반경(Ri)의 약 0.1-1.0이다.
플루우트(70)는 밀(mill)에 의해 블레이드의 양 측면 및 마이크로 커낼(71)로부터 전체 블레이드(68) 길이를 따라 만들어질 수 있으며, 절단부의 엣지는 절단부 반경(d)과 같은 반경으로 라인딩 처리되어 있다.
마이크로 커낼(71) 매개 변수(Rk, R1, t, h, R) 상호 관계는 동결의 경우에 필요한 마이크로 커낼 바닥의 구성을 제공하기 위해 필요하다.
사이클 조건(작동-대기) 하에서의 터빈 작동은 인터 블레이드 커낼 및 그의 용해가 효과적이며, 용해된 얼음이 휠의 표면을 떠나 공기 스팀에 의해 증발하여야 한다. 바로 이러한 목적을 위해, 서클의 일부분으로서 형성된 마이크로 커낼(71)이 생성된다. 협소한 단면에서, 이들은 동일한 반경의 부드러운 커낼을 형성하여, 공기 및 얼음 입자가 이동하는 것을 방해하지 않고 하이드로 손실의 레벨을 감소시킴으로써, 터보 휠 작업 효율을 향상시킨다.
본 발명은 냉각 설비를 형성하기 위해 적용될 때 최상의 유용성이 발견되며, 특히, 냉각기 및 공기조화 시스템에서 뿐만 아니라, 영구 복합물 및 상이한 운송 수단에서 유용하다.
Claims (23)
- 열 교환기(2), 터빈 휠(66)을 갖춘 터보 팽창기(6), 내부에 팬(5) 및 에어 쿨러(4)가 장착된 냉동 챔버(3)를 포함하는 공냉 장치에 있어서,상기 공냉 장치는 상기 터보 팽창기(6)와 함께 동일한 축 상에 장착된 팬(7), 이중 공동형 기화 열 교환기(9) 및 습기 분리기(8)를 포함하며,상기 열 교환기(2)는 이중 공동형 열 교환기로서 구성되어 있으며, 상기 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동, 상기 열 교환기(2)의 제 1 공동, 습기 분리기(8), 터보 팽창기(6), 에어 쿨러(4) 및 상기 열 교환기(2)의 제 2 공동이 압축기(1) 입력부와 순서대로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동과 연결되어 있는 물탱크(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동의 입력부 및 출력부가 상기 팬(7)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공냉 장치는 이젝터(12), 조절 밸브(13) 및 습기 분리기(14)를 포함하며,수동 이젝터(12)의 노즐은 상기 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동과 상기 조절 밸브(13)에 의해 대기와 연결되고, 능동 이젝터(12)의 노즐이 압축기(1)의 출력부와 연결되어 있으며, 이젝터(12) 디퓨저는 상기 습기 분리기(14)에 의해 상기 팬(7)의 입력부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공냉 장치는 팬(15)을 포함하며, 상기 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동의 양 입력부 및 출력부가 상기 팬(15)에 의해 대기와 연결되고, 상기 팬(7)의 입력부는 상기 압축기(1)의 입력부와 연결되며 상기 팬(7)의 출력부는 상기 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 공냉 장치는 이중 공동형 열 교환기(16,17), 팬(18,19), 조절 밸브(20)를 포함하며, 상기 열 교환기(16)의 제 1 공동은 상기 열 교환기(2)의 제 2 공동과 상기 압축기(1)의 입력부와 연결되고, 상기 열 교환기(16)의 제 2 공동은 상기 팬(18)에 의해 대기와 연결되며, 상기 열 교환기(17)의 제 1 공동은 상기 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동, 및 팬(7)의 입력부와 연결되고, 상기 열 교환기(17)의 제 2 공동은 팬(19)에 의해 대기와 연결되며, 상기 조절 밸브(20)는 상기 압축기(1)의 입력부와 출력부 사이에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 이중 공동형 열 교환기(21), 팬(22) 및 습기 분리기(23)가 제공되며,상기 열 교환기(21)의 제 1 공동은 상기 압축기(1)의 출력부와 연결되며, 그리고 상기 습기 분리기(23)에 의해 상기 팬(7)의 입력부와 연결되고, 상기 열 교환기(21)의 제 2 공동은 상기 팬(22)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 흡수식 습기 분리기(24), 리시버(25), 조절 밸브(26,27) 및 역전 밸브(28,,29)가 제공되며,상기 역전 밸브(28) 및 흡수식 습기 분리기(24)는 상기 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 상기 열 교환기(2)의 제 1 공동 사이에 차례로 장착되어 있고, 상기 압축기(1)의 출력부는 상기 리시버(25) 및 조절 밸브(27)에 의해 상기 역전 밸브(28)와 상기 흡수식 습기 분리기(24) 사이에 연결되며, 상기 압축기(1)의 입력부는 상기 조절 밸브(26)에 의해 대기와 추가로 연결되고, 상기 리시버(25)는 상기 역전 밸브(29)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 압축기(1)의 출력부가 상기 기화 열 교환기의 제 1 공동과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 이중 공동형 열 교환기(30) 및팬(31)이 제공되며,상기 열 교환기(30)의 제 1 공동은 상기 압축기(1)의 출력부 및 상기 기화 열 교환기(9)의 제 1 공동과 연결되고, 상기 열 교환기(30)의 제 2 공동은 상기 팬(31)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 10 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 리시버(32), 흡수식 습기 분리기(33), 역전 밸브(34,35) 및 조절 밸브(36,37,38)가 제공되며,상기 조절 밸브(37)는 상기 열 교환기(2)의 제 2 공동과 상기 압축기(1)의 입력부 사이에 장착되고, 상기 열 교환기의 제 2 공동은 상기 역전 밸브(35) 및 상기 흡수식 습기 분리기(33)에 의해 상기 압축기(1)와 추가로 연결되며, 상기 압축기(1)의 출력부는 상기 역전 밸브(34), 상기 리시버(32) 및 조절 밸브(36)에 의해 상기 흡수식 습기 분리기(33)와 상기 역전 밸브(35) 사이에 추가로 연결되고, 상기 압축기(1)의 입력부는 상기 조절 밸브(38)에 의해 대기와 추가로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 팬(39,40) 및 이중 공동형 열 교환기(41)가 제공되며,상기 기화 열 교환기(9)의 제 2 공동은 상기 팬(39)에 의해 대기와 연결되고, 상기 열 교환기(41)의 제 1 공동은 상기 팬(7)의 입력부 및 출력부와 연결되며 상기 열 교환기(41)의 제 2 공동은 상기 팬(40)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터보 팽창기(6)와 에어 쿨러 사이에는 습기 분리기(42) 및 동결 어큐뮬레이터(43)가 차례로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 압축기(44), 상기 압축기와 동축 상에 장착된, 터빈 휠(66)을 갖춘 터보 팽창기(49), 팬(48) 및 에어 쿨러(47)를 포함하는 냉동 챔버(46)를 포함하는 공냉 장치에 있어서,상기 공냉 장치에는 이중 공동형 기화 열 교환기(51) 및 습기 분리기(50)가 제공되며, 열 교환기(45)는 이중 공동형 열 교환기로서 구성되어 있으며, 상기 기화 열 교환기(51)의 제 1 공동, 상기 열 교환기(45)의 제 1 공동, 습기 분리기(50), 터보 팽창기(49), 에어 쿨러(47) 및 상기 열 교환기(45)의 제 2 공동은 상기 압축기(4)의 입력부와 순서대로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 팬(52)이 제공되며, 상기 기화 열 교환기(51)의 제 2 공동이 상기 팬(52)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 이중 공동형 열 교환기(53) 및 팬(54)이 제공되며, 상기 열 교환기(53)의 제 1 공동이 상기 압축기(44)의 출력부 및 상기 기화 열 교환기(51)의 제 1 공동과 연결되고, 상기 열 교환기(53)의 제 2 공동이 상기 팬(54)에 의해 대기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화 열 교환기(51)의 제 2 공동을 따라 물 탱크(55)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터보 팽창기(49)와 에어 쿨러(47) 사이에는 습기 분리기(42) 및 동결 어큐뮬레이터(43)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공냉 장치에는 조절 밸브(56)가 제공되고, 상기 압축기(44)의 입력부가 상기 조절 밸브(56)에 의해 대기와 추가로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 터보팽창기 및 전기 압축기의 형태의 터보 팽창기(49) 및 압축기(44)와 함께 동일 축 상에 장착되어 있는 전기 엔진(57)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 20 항에 있어서, 상기 터보 팽창기 및 상기 전기 압축기는, 터보 팽창기(39) 내측의 바디(58), 전기 엔진(57) 및 압축기(44)를 포함하며, 상기 전기 엔진(57)의 회전자는, 외팔보를 갖춘 터빈과 압축기 휠(60,61)을 가진 축(59) 베어링(62) 내에 장착되는 것으로서 구성되고, 상기 압축기 휠(61)의 베어링(62)과 상기 전기 엔진(57) 사이의 공동(63)은 재시작의 커낼(64)에 의해 압축기(44) 내부의 출력부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 제 21 항에 있어서, 상기 재시작의 커낼(64) 내에 조절 스로틀(65)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉 장치.
- 블레이드(68)를 가지는 베어링 디스크(67)와, 가장 인접한 상기 블레이드(68)의 측면이 플루우트(70)에 의해, 서클의 일부분으로서 단면 절단부를 가지는 종방향 마이크로 커낼(71)을 포함하는 자오선 모양의 디스크 면(67)과 결합됨으로써 형성된 인터 블레이드 커낼(69)을 포함하는 터보 팽창기의 터빈 휠에 있어서,상기 마이크로 커낼(71) 단면적 단부의 반경(Rk)은 상기 플루우트의 반경(Rr)의 0.1 내지 1.0이고, 상기 마이크로 커낼들(71) 사이의 피치(t)는 상기 마이크로 커낼(71)의 반경(Rk)의 2 배 이하이며, 상기 마이크로 커낼(71)의 높이(h)는 상기 마이크로 커낼 단면 절단부의 반경(Rk)의 0.2 내지 1.0인 것을 특징으로 하는 터보 팽창기 터빈 휠.
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