KR20030009419A - 캐스케이드 냉동시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 캐스케이드 냉동시스템(10)이 제공된다. 이 캐스케이드 냉동시스템은 유동하는 제 1 냉매를 가지는 하부 단계(12)와 유동하는 제 2 냉매를 가지는 상부 단계(14)를 포함하고 있다. 증발기 코일의 입력부는 입력도관에 의해 압축기의 출력부와 연동되어 있고 오퍼레이터 유닛의 출력부는 출력도관에 의해 압축기의 입력부와 연동되어 있다. 바이패스 라인(60)은 입력도관과 연통된 입력부 및 출력도관과 결합된 출력부를 가지고 있다. 바이패스 열교환기(30)는 바이패스 라인을 통하여 유동하는 제 1 냉매와 입력도관을 통하여 유동하는 제 1 냉매 사이의 열교환 관계를 이루게 한다.

Description

캐스케이드 냉동시스템{CASCADE REFRIGERATION SYSTEM}
일반적으로 캐스케이드 냉동시스템은 제어된 환경에서 비교적 저온이 요구되는 경우에 사용된다. 캐스케이드 냉동시스템은 제어될 환경이 있는 챔버 내에 위치된 증발기 코일을 포함한다. 냉매는 종래의 압축기/응축기 시스템에 의해 증발기 코일에 공급된다. 압축기는 증발기 코일로부터 기체 상태의 냉매를 수용하여 그 냉매를 압축한다. 압축열은 응축기에 의해 제거되며 냉매는 액체 상태로 증발기코일의 상류의 팽창밸브로 제공된다. 냉매는 증발기 코일을 통과하면서 기체 상태로 회복되고, 그 결과 증발기 코일이 위치되어 있는 챔버를 냉각시킨다. 캐스케이드 냉동시스템에서, 상부 단계는 응축기를 통과하는 냉매를 냉각시키기 위해 사용된다. 냉매는 상부 단계의 압축기/응축기로부터 배출되어 팽창밸브를 통과한다. 팽창된 냉매는 하부 단계 압축기로부터 배출된 냉매를 냉각시키기 위해 하부 단계 압축기로부터 배출된 냉매와 열교환하는 관계로 응축기에 보내진다. 필요하다면, 부가적인 단계가 캐스케이드 관계로 제공될 수 있다.
예를 들면, 종래 기술의 캐스케이드 냉동시스템이 브릭스(Briggs)의 미국특허제3,590,595호에 개시되어 있다. 브릭스의 특허제3,590,595호는 두 개의 열교환기를 포함하고 있는 2 단계 캐스케이드 냉동시스템을 개시하고 있다. 열교환기는 하부 단계를 통과하여 유동하는 냉매와 상부 단계를 통과하여 유동하는 냉매 사이의 열교환 관계를 성립시킨다. 그러나, 열교환기들 중의 하나가 내부 누출을 일으키면, 하부 단계의 냉매 및 상부 단계의 냉매는 혼합하게 된다는 것을 주의해야 한다. 혼합된 냉매의 처리는 곤란할 뿐아니라 비용이 많이 든다.
본 발명은 대체로 냉동시스템, 특히 챔버로 온도를 제어하는 2 단계 캐스케이드 냉동시스템에 관한 것이다.
여기 제공된 도면은 예시된 실시예의 아래의 기술로부터 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 뿐만아니라 상기의 이점 및 특징이 명확하게 개시되어 있는 본 발명의 바람직한 구성을 예시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동시스템의 개략도이다.
그러므로, 본 발명의 주요 목적 및 특징은 시스템의 하부 및 상부 단계를 통과하여 유동하는 냉매가 혼합하게 될 가능성을 감소시킨 캐스케이드 냉동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 제조하기가 간단하고 값이 싼 캐스케이드 냉동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적 및 특징은 원하는 챔버 내의 환경을 정확하게 제어하는 캐스케이드 냉동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 캐스케이드 냉동시스템이 제공된다. 이 캐스케이드 냉동시스템은 유동하는 제 1 냉매를 가진 하부 단계를 포함하고 있다. 이 하부 단계는 입력부 및 출력부를 가진 압축기와, 입력도관에 의해 압축기의 출력부에 작동적으로 연결되어 있는 입력부 및 출력도관에 의해 압축기의 입력부에 작동적으로 연결되어 있는 출력부를 가진 증발기 유닛을 포함하고 있다. 바이패스 라인이 또한 제공되어 있다. 이 바이패스 라인은 하부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 하부단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가지고 있다. 바이패스 열교환기는 바이패스 라인의 제 1 냉매와 하부 단계의 입력도관의 제 1 냉매 사이의 열교환기 관계를 수행한다.
상부 단계는 또한 유동하는 제 2 냉매를 가지고 있다. 상부 단계는 입력부 및 출력부를 가지는 압축기와, 압축기의 상부 단계의 출력부에 작동적으로 연결되어 있는 입력부 및 출력도관에 의해 상부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결되어 있는 출력부를 가진 응축기 유닛을 포함하고 있다. 제 2 열교환기는 하부 단계의 입력도관을 통하여 유동하는 제 1 냉매와 상부 단계의 출력도관을 통하여 유동하는 제 2 냉매 사이의 열교환기 관계를 수행한다.
상부 단계의 응축기 유닛이 유동하는 제 2 냉매와 유체 공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 것으로 계획하고 있다. 상부 단계는 상부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 제 2 열교환기의 하류의 상부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 1 바이패스 라인을 포함하고 있다. 제 2 냉매의 유동을 제어하기 위해 바이패스 솔레노이드가 상부 단계의 제 1 바이패스 라인에 제공되어 있다.
바이패스 라인의 출력부는 제 2 열교환기의 하류의 하부 단계의 입력도관과 연통되어 있는 것으로 계획하고 있다. 하부 단계의 입력도관은 유동하는 제 1 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 캐스케이드 냉동시스템이 제공된다. 이캐스케이드 냉동시스템은 입력부 및 출력부를 가지는 하부 단계 압축기와 입력부 및 출력부를 가지는 하부 단계 증발기를 포함하고 있다. 하부 단계 입력도관은 하부 단계 압축기의 출력부를 하부 단계 증발기 유닛의 입력부에 작동적으로 연결시킨다. 하부 단계 출력도관은 하부 단계 증발기 유닛의 출력부를 하부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결시킨다. 하부 단계 냉매는 하부 단계 입력도관 및 출력도관을 통하여 하부 단계 압축기와 하부 단계 증발기 유닛 사이에서 유동한다. 제 1 바이패스 라인은 하부 단계 입력도관과 연통된 입력부 및 하부 단계 출력도관과 연통된 출력부를 가지고 있다. 바이패스 열교환기는 제 1 바이패스 라인을 통하여 유동하는 하부 단계 냉매와 하부 단계 입력도관을 통하여 유동하는 하부 단계 냉매 사이의 열교환 관계를 수행한다.
캐스케이드 냉동시스템은 입력부 및 출력부를 가진 상부 단계 압축기와, 입력부 및 출력부를 가진 상부 단계 응축기 유닛을 포함하고 있는 것으로 계획하고 있다. 상부 단계 입력도관은 상부 단계 압축기의 출력부를 상부 단계 응축기 유닛의 입력부에 작동적으로 연결시킨다. 상부 단계 출력도관은 상부 단계 응축기 유닛의 출력부를 상부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결시킨다. 상부 단계 냉매는 상부 단계 입력도관 및 출력도관을 통하여 상부 단계 압축기와 상부 단계 응축기 유닛 사이에서 유동한다. 상부 단계 응축기 유닛은 유동하는 상부 단계 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행한다. 제 2 열교환기는 하부 단계 입력도관내의 하부 단계 냉매와 상부 단계 출력도관내의 상부 단계 냉매 사이의 열교환을 수행한다.
제 2 바이패스 라인은 상부 단계 입력도관과 연통된 입력부 및 제 2 열교환기의 하류의 상부 단계 출력도관과 연통된 출력부를 가지고 있다. 제 2 바이패스 라인내의 제 2 바이패스 솔레노이드는 통과하는 상부 단계 냉매의 유동을 제어한다.
하부 단계 바이패스 밸브는 제 1 바이패스 라인을 하부 단계 입력도관에 연결시킨다. 이 하부 단계 바이패스 밸브는 하부 단계 냉매의 유동을 제어한다. 하부 단계 입력도관은 유동하는 하부 단계 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하기 위해 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 캐스케이드 냉동시스템이 제공된다. 이 캐스케이드 냉동시스템은 유동하는 제 1 냉매를 가진 하부 단계를 포함하고 있다. 이 하부 단계는 입력부 및 출력부를 가진 압축기와 입력도관에 의해 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 압축기의 입력부에 작동적으로 연결된 출력부를 가진 증발기 유닛을 포함하고 있다. 이 캐스케이드 냉동시스템은 또한 유동하는 제 2 냉매를 가진 상부 단계를 포함하고 있다. 이 상부 단계는 입력부 및 출력부를 가진 압축기와 입력도관에 의해 상부 단계 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 상부 단계 압축기의 입력부에 연결된 출력부를 가진 열교환기를 포함하고 있다. 이 열교환기는 하부 단계의 입력도관 내의 제 1 냉매와 상부 단계의 출력도관 내의 제 2 냉매 사이의 열교환을 수행한다. 바이패스 라인은 하부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 상부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가지고 있다. 바이패스 열교환기는 바이패스 라인의 제 1 냉매와 하부 단계의 입력도관의 제 1 냉매 사이의 열교환기 관계를 수행한다.
상부 단계는 입력도관을 통하여 유동하는 제 2 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 응축기 유닛을 더 포함하고 있다. 상부 단계는 또한 상부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 열교환기의 하류의 상부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 1 바이패스 라인을 포함하고 있다. 바이패스 솔레노이드는 통과하는 제 2 냉매의 유동을 제어하기 위해 상부 단계의 제 1 바이패스 라인에 제공되어 있다.
이 바이패스 라인의 입력부는 열교환기의 하류의 하부 단계의 입력도관과 연통되어 있다. 바이패스 밸브는 바이패스 라인을 하부 단계의 입력도관에 연결시킨다. 이 바이패스 밸브는 제 1 냉매의 유동을 제어한다. 하부 단계의 입력도관은 또한 유동하는 제 1 냉매와 유체공급원으로부터의 유체사이의 열교환을 수행하기 위한 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함할 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동시스템이 참고번호 10으로 표시되어 있다. 캐스케이드 냉동시스템(10)은 참고번호 12로 표시된 하부 단계 및 참고번호 14로 표시된 상부 단계를 포함하고 있다. 종래와 같이, 각 단계(12 및 14)가 이하에서 기술된 방법으로 유동하는 각각의 상응하는 냉매를 가지고 있다. 그리고, 도 1의 캐스케이드 냉동시스템은 하부 단계 및 상부 단계만 개시하고 있지만, 다수의 부가적인 단계가 본 발명의 기술영역으로부터 이탈됨이 없이 캐스케이드 관계로 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)는 입력부(18) 및 출력부(20)를 가진 압축기(16)를 포함하고 있다. 압축기(16)의 출력부(20)는 라인(26)에 의해 증발기 코일(24)의 입력부(22)에 연결되어 있다. 차단밸브(28)가 압축기(16)로부터 증발기 코일(24)까지 냉매의 유동을 제어하기 위해 라인(26)내에 제공되어 있다. 종래와 같이, 차단밸브(28)가 냉매의 유동을 허용하는 제 1 개방위치와 냉매의 유동을 방지하는 제 2 폐쇄위치 사이에서 이동가능하게 되어있다.
과열기(29)는 압축기(16)를 빠져나오는 냉매로부터 열을 제거하기 위해 차단밸브(28)의 하류의 라인(26) 주위에 위치되어 있다. 과열기(29)는 라인(35)에 의해 유체공급원 입구(33)에 연결된 입력부(31) 및 라인(41)에 의해 출구(39)에 연결된 출력부(37)를 가지고 있다. 종래와 같이, 유체가 과열기(29)를 통하여, 출구(39)의 바깥쪽으로 유체공급원(33)으로부터 유동한다. 압축기(16)를 빠져나오는 냉매로부터 열을 제거하기 위해 과열기(29)를 통하여 유동하는 유체로서 물을 사용하는 것을 계획하고 있지만, 공기를 포함하여 다른 타입의 유체가 사용될 수있으며, 이는 본 발명의 기술영역을 벗어나지 않는다.
또한 라인(26)은 이하에서 설명하는 이유로 바이패스 열교환기(30) 및 제 2 열교환기(34)를 통과한다. 팽창밸브(36) 및 액체 솔레노이드(38)는 또한 라인(26)내에 제공되어 있다. 라인(26)을 통하여 팽창밸브(36)로 유동하는 냉매는 액체 솔레노이드(38)에 의해 제어된다. 종래와 같이, 액체 솔레노이드(38)의 개방 및 폐쇄가 제어 프로그램에 의해 제어된다.
감온통(sensing bulb)(40)은 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 온도를 모니터하기 위해 증발기 코일(24)의 하류의 라인(50)에 의해 팽창밸브(36)에 작동적으로 연결되어 있다. 유사하게, 라인(56)내의 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 압력을 모니터하기 위해 압력센서(도시되지 않음)가 증발기 코일(24)의 하류의 라인(44 및 46)에 의해 팽창밸브(36)에 작동적으로 연결되어 있다. 종래와 같이, 팽창밸브(36)가 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 온도 및 압력에 응답하여 조절된다. 팽창밸브(36)를 통과하는 냉매는 분배기(42)를 통하여 증발기 코일(24) 속으로 유동한다.
증발기 코일(24)의 출력부(54)는 라인(56)에 의해 압축기(16)의 입력부(18)에 연결되어 있다. 차단밸브(58)는 압축기(16)로의 유체의 유동을 제어하기 위해 라인(56)에 제공되어 있다. 종래와 같이, 차단밸브(58)는 냉매의 유동을 허용하는 제 1 개방위치와 냉매의 유동을 방지하는 제 2 폐쇄위치 사이에서 이동가능하게 되어 있다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)는 열교환기(34)의 하류의라인(24)과 연통된 입력부(62)를 가진 바이패스 라인(60)을 더 포함하고 있다. 바이패스 라인(60) 내의 액체 솔레노이드(64)는 통과하는 냉매의 유동을 제어한다. 종래와 같이, 액체 솔레노이드(64)의 개방 및 폐쇄는 제어프로그램에 의해 제어된다. 압력밸브(65)는 라인(56)내의 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 압력을 모니터하기 위해 라인(67 및 44)에 의해 라인(56)에 연결되어 있는 압력센서(도시되지 않음)를 포함하고 있다. 압력밸브(65)는 사용자의 선택된 압력, 예를 들면 10psi보다 더 작은 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 압력에 응하여 개방되어서, 유체의 유동을 허용한다. 바이패스 라인(60)은 바이패스 열교환기(30)를 통하여 뻗어서 차단밸브(58)의 상류의 라인(56)과 연통되어 있는 출력부(70)에서 종단된다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)는 또한 열교환기(34)의 하류의 라인(26)과 연통된 입력부(72) 및 바이패스 열교환기(30)의 하류의 바이패스 라인(60)과 연통된 출력부(74)를 가진 제 2 바이패스 라인(69)을 포함하고 있다. 팽창밸브(76)는 제 2 바이패스 라인(69)을 통하여 냉매의 유동을 제어한다. 감온통(80)은 라인(82)에 의해 팽창밸브(76)에 작동적으로 연결되어 있고, 증발기 코일(24)을 빠져나오는 냉매의 온도를 모니터하기 위해서 증발기 코일(24)의 하류의 라인(56)에 인접하여 위치되어 있다. 감온통(80)이 라인(56)의 온도의 상승을 감지함에 따라, 팽창밸브(76)는 보다 많은 냉매가 통과하도록 개방된다. 역으로, 감온통(80)에 의해 감지된 온도가 감소함에 따라, 팽창밸브(76)는 냉매의 유동을 제한하도록 폐쇄된다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)는 바이패스 열교환기(30)의 상류의 라인(26)과 연통된 입력부(86)를 가진 제 3 바이패스 라인(84)을 더 포함하고 있다. 제 3 바이패스 라인(84)의 출력부(88)는 라인(96)에 의해 증기탱크(94)의 입력부(92)에 연결되어 있는 덤프압력조절밸브(90)로 연결된다. 증기탱크(94)의 출력부(98)는 라인(100)에 의해 증발기 코일(24)의 하류의 라인(56)에 연결되어 있다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 상부 단계(14)는 입력부(104) 및 출력부(106)를 가진 압축기(102)를 포함하고 있다. 압축기(102)의 출력부(106)는 라인(112)에 의해 응축기 유닛(110)의 제 1 입력부(108)에 연결되어 있다. 차단밸브(114)는 압축기(102)로부터의 냉매의 유동을 제어하기 위해 라인(112) 내에 제공되어 있다. 종래와 같이, 차단밸브(114)는 냉매의 유동을 허용하는 제 1 개방위치와 냉매의 유동을 방지하는 제 2 폐쇄위치 사이에서 이동가능하게 되어 있다.
압축기(102)를 빠져나오는 냉매로부터 열을 제거하기 위하여 응축기 유닛(110)은 차단밸브(114)의 하류의 라인(112) 주위에 위치되어 있다. 응축기 유닛(110)은 라인(115)에 의해 유체공급원 입구(33)에 연결된 제 2 입력부(113) 및 라인(119)에 의해 출구(39)에 연결된 제 2 출력부를 가지고 있다. 종래와 같이, 유체는 응축기 유닛(110)을 통하여, 출구(39) 바깥쪽으로 유체공급원(33)으로부터 유동한다. 상기한 바와 같이, 압축기(102)를 빠져나오는 냉매로부터 열을 제거하기 위해 응축기 유닛(110)을 통하여 유동하는 유체로서 물을 사용하는 것으로 계획하고 있지만, 공기를 포함하여 다른 타입의 유체가 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 기술영역으로부터 벗어나지 않는다.
응축기 유닛(110)의 출력부(116)는 라인(118)에 의해 압축기(102)의 입력부(104)에 연결되어 있다. 차단밸브(121)는 압축기(102)로 들어가는 유체의 유동을 제어하기 위해 라인(118) 내에 제공되어 있다. 종래와 같이, 차단밸브(121)는 냉매의 유동을 허용하는 제 1 개방위치와 냉매의 유동을 방지하는 제 2 페쇄위치 사이에서 이동가능하게 되어 있다.
라인(118)을 통하여 유동하는 냉매와 라인(26)을 통하여 유동하는 냉매 사이의 열교환을 수행하기 위하여, 라인(118)은 차단밸브(119)의 상류의 제 2 열교환기(34)를 통과한다. 라인(118)은 분배기(120), 팽창밸브(122), 그리고 액체 솔레노이드(128)를 더 포함하고 있다. 액체 솔레노이드(128)는 팽창밸브(122)로의 냉매의 유동을 제어한다. 종래와 같이, 액체 솔레노이드(128)의 개방 및 폐쇄는 제어프로그램에 의해 제어된다.
감온통(124)은 라인(126)에 의해 팽창밸브(122)에 작동적으로 연결되어 있으며 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 온도를 모니터하기 위해 열교환기(34)의 하류의 라인(118)에 인접하여 위치되어 있다. 유사하게, 압력센서(도시되지 않음)는 팽창밸브(122)에 포함되어 있으며 라인(118) 내의 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 압력을 모니터하기 위해 라인(125 및 127)에 의해 열교환기(34)의 하류의 라인(118)에 연결되어 있다. 종래와 같이, 팽창밸브(122)는 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 온도 및 압력에 응하여 조절된다. 팽창밸브(122)를 통과하는 냉매는 분배기(120)를 통하여 열교환기(34)속으로 유동한다.
캐스케이드 냉동유닛(10)의 상부 단계(14)는 응축기 유닛(110)의 상류의 라인(112)과 연통된 입력부(132) 및 제 2 열교환기(340의 하류의 출력부(134)를 가진 바이패스 라인(130)을 더 포함하고 있다. 바이패스 라인(130)내의 액체 솔레노이드(136)는 통과하는 냉매의 유동을 제어한다. 종래와 같이, 액체 솔레노이드(136)의 개방 및 폐쇄는 제어프로그램에 의해 제어된다. 라인(118) 내의 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 압력을 모니터하기 위해 압력밸브(138)는 라인(140 및 125)에 의해 라인(118)에 연결된 압력센서(도시되지 않음)를 포함하고 있다. 압력밸브(138)는 사용자의 선택된 압력, 예를 들면 10psi보다 더 작은 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 압력에 응하여 개방되어서, 유체의 유동을 가능하게 한다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 상부 단계에 있어서, 작동시에, 고압 고온의 냉매가 라인(112) 내의 압축기(102)를 빠져나오도록 차단밸브(114 및 121)는 개방되고 압축기(102)는 냉매를 압축한다. 압축기(102)를 빠져나오는 고압 고온의 냉매와 응축기 유닛(110)을 통하여 유동하는 유체 사이에서 열교환이 이루어지는 응축기 유닛(110)을 이 고압 고온의 냉매가 통과하여 냉매로부터 열을 제거하고 냉매는 액체 상태로 변화된다. 냉각된 고압의 냉매는 아래에서 기술하는 이유로, 액체 솔레노이드(128)의 제어하에서 열교환기(34)를 통과하여 압축기(102)로 되돌아 간다. 열교환기(34)를 통과하는 냉매의 온도 및 압력을 조절하기 위해 팽창밸브(122)는 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매의 온도 및 압력에 응하여 조절된다. 바이패스 라인(130)은 열교환기(34)의 하류의 라인(118)을 통하여 유동하는냉매의 적절한 압력을 보장한다.
캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)에 있어서, 고압 고온의 냉매가 압축기(16)를 빠져나와 라인(26)으로 들어가도록 차단밸브(58 및 28)는 개방되고 압축기(16)는 냉매를 압축한다. 라인(26)내의 고압 고온의 냉매는 압축기(16)를 빠져나오는 고압 고온의 냉매와 과열기(29)를 통과하여 유동하는 유체 사이의 열교환이 이루어지는 과열기(29)를 통과하여 이 고압 고온의 냉매로부터 열이 제거된다. 과열기(29)를 통과한 후, 라인(26) 내의 냉매가 소정의 최대압력을 초과하면, 라인(26)내의 압력을 완화하여 기체 상태의 고압 냉매가 증기 탱크(94)로 들어가게 하기 위해 덤프압력조절밸브(90)가 개방된다. 증기 탱크(94)내의 냉매는 천천히 라인(56) 속으로 배출되어 압축기(16)로 되돌아 간다.
대체형태로서, 라인(26)내의 냉각된 고압 냉매는 바이패스 열교환기(30) 및 열교환기(34)를 통과한다. 열교환기(34)내에서는 통과하는 냉매를 응축 온도로 더 냉각시키기 위해 캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)를 통하여 유동하는 냉매와 캐스케이드 냉동시스템(10)의 상부 단계(14)를 통하여 유동하는 냉매 사이에서 열교환이 이루어진다.
게다가, 캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)를 통하여 유동하며 열교환기(34)를 빠져나오는 냉매는 액체 솔레노이드(64)의 제어하에서 바이패스 라인(60)을 통과한다. 압력강하는 압력밸브(65) 전체에 걸쳐서 발생하고 그 결과 바이패스 라인(60) 내의 냉각된 저압 냉매는 바이패스 열교환기(30)를 통하여 유동하여 압축기(16)를 빠져나오는 라인(26) 내의 냉매와 바이패스 라인(60)내의 냉각된 저압 냉매 사이의 열교환을 수행하고 이로 인해 열교환기(34)로 들어가기 전에 라인(26)내의 냉매로부터 부가적인 열을 제거한다. 그 후, 바이패스 라인(60) 내의 냉각된 저압 냉매는 라인(56)으로 유동하여 압축기(16)로 되돌아 간다.
라인(26)내에서 유동하는 냉각된 고압 냉매의 다른 부분은 액체 솔레노이드(38)의 제어하에서 팽창밸브(36)를 향해 유동한다. 증발기 코일을 통과하는 냉매의 온도 및 압력, 그리고 증발기 코일(24)이 위치된 챔버(도시되지 않음)의 온도를 조정하기 위해서 팽창밸브(36)는 증발기 코일(24)을 빠져나가는 냉매의 온도 및 압력에 응하여 조절된다. 주지된 바와 같이, 냉각된 고압 냉매는 증발기 코일(24)내에서 팽창하여 기체 상태로 되돌아 간다.
라인(56) 내의 냉매의 온도가 소정의 온도를 초과하면, 이 냉매는 압축기(16)로 되돌아 올 때 압축기(16)를 손상시킬 수 있다. 따라서, 라인(56) 내의 냉매의 온도는 감온통(80)에 의해 모니터되어 라인(56)내의 냉매의 온도가 한계치를 초과하면, 팽창밸브(76)가 개방되어 열교환기(34)의 하류의 라인(26)내의 냉각된 고압 냉매의 일부분을 제 2 바이패스 라인(69)을 통하여 바이패스 열교환기(30)의 하류의 바이패스 라인(60)으로 유동되게 한다. 그 후, 냉각된 저압 냉매는 바이패스 라인(60)의 출력부(70)를 통하여 라인(56)으로 유동한다.
상기한 바와 같이, 캐스케이드 냉동시스템(10)은 양 측에 동일한 하부 단계 냉매를 가진 바이패스 열교환기(30)를 포함한다. 따라서, 바이패스 열교환기(30) 내에서의 누출은 캐스케이드 냉동시스템(10)의 하부 단계(12)를 통하여 유동하는 냉매와 캐스케이드 냉동시스템(10)의 상부 단계를 통하여 유동하는 냉매가 혼합되는 결과를 초래하지는 않는다. 결론적으로, 캐스케이드 냉동시스템(10)은 상기와 같은 누출이 발생하더라도 계속 작동할 수 있다. 게다가, 바이패스 열교환기(30) 내에서 누출이 발생하면, 양측에서 유동하는 냉매의 혼합이 상기한 바와 같이, 나중에 처리해야 할 어떠한 문제도 초래하지 않는다.
본 발명을 실시하는 다양한 형태는 본 발명으로 간주되는 주제를 명확하게 요구하고 구체적으로 지적하는 이하의 청구항의 영역 내에 있다.

Claims (24)

  1. 2-단계 캐스케이드 냉동시스템에 있어서,
    유동하는 제 1 냉매를 가지고 있으며, 입력부 및 출력부를 가진 압축기와, 입력도관에 의해 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 압축기의 입력부에 작동적으로 연결된 출력부를 가진 증발기 유닛을 포함하고 있는 하부 단계;
    하부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 하부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 도관 바이패스 라인; 그리고
    바이패스 라인의 제 1 냉매와 하부 단계의 입력도관의 제 1 냉매 사이의 열교환 관계를 수행하기 위한 바이패스 열교환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    유동하는 제 2 냉매를 가지고 있으며, 입력부 및 출력부를 가진 압축기와, 상부 단계 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 상부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결된 출력부를 가진 응축기 유닛을 포함하고 있는 상부 단계; 그리고
    하부 단계의 입력도관내의 제 1 냉매와 상부 단계의 출력도관내의 제 2 냉매 사이의 열교환 관계를 수행하기 위한 제 2 열교환기
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 바이패스 라인의 입력부가 제 2 열교환기의 하류의 하부 단계의 입력도관과 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상부 단계의 응축기 유닛은 제 2 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상부 단계가 상부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 제 2 열교환기의 하류의 상부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 1 바이패스 라인을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 2 냉매의 유동을 제어하기 위해 상부 단계의 제 1 바이패스 라인내에 바이패스 솔레노이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 바이패스 라인을 하부단계의 입력도관에 연결시키는 것으로서, 제 1 냉매의 유동을 제어하는 바이패스 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 하부 단계의 입력도관이 제 1 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  9. 2-단계 캐스케이드 냉동시스템에 있어서,
    입력부 및 출력부를 가진 하부 단계 압축기;
    입력부 및 출력부를 가진 하부 단계 증발기 유닛;
    하부 단계 압축기의 출력부를 하부 단계 증발기 유닛의 입력부에 작동적으로 연결시키는 하부 단계 입력도관;
    하부 단계 증발기 유닛의 출력부를 하부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결시키는 하부 단계 출력도관;
    하부 단계 입력도관 및 출력도관을 통하여 하부 단계 압축기와 하부 단계 증발기 유닛 사이에서 유동하는 하부 단계 냉매;
    하부 단계 입력도관과 연통된 입력부 및 하부 단계 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 1 바이패스 라인; 그리고
    제 1 바이패스 라인의 제 1 냉매와 하부 단계 입력도관의 하부 단계 냉매 사이의 열교환 관계를 수행하기 위한 바이패스 열교환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    입력부 및 출력부를 가진 상부 단계 압축기;
    입력부 및 출력부를 가진 상부 단계 응축기 유닛;
    상부 단계 압축기의 출력부를 상부 단계 응축기 유닛의 입력부에 작동적으로 연결시키는 상부 단계 입력도관;
    상부 단계 응축기 유닛의 출력부를 상부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결시키는 상부 단계 출력도관; 그리고
    상부 단계 입력도관 및 출력도관을 통하여 상부 단계 압축기와 제 2 단계 응축기 유닛 사이에서 유동하는 상부 단계 냉매
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상부 단계 응축기 유닛이 상부 단계 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 하부 단계 입력도관 내의 하부 단계 냉매와 상부 단계 출력도관 내의 상부 단계 냉매 사이의 열교환을 수행하기 위한 제 2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1 바이패스 라인의 입력부는 제 2 열교환기의 하류의 하부 단계 입력도관과 연통되는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상부 단계 입력도관과 연통된 입력부 및 제 2 열교환기의 하류의 상부 단계 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 2 바이패스 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상부 단계 냉매의 유동을 제어하기 위해 제 2 바이패스 라인내에 제 2 바이패스 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  16. 제 9 항에 있어서, 제 1 바이패스 라인을 하부 단계 입력도관에 연결시키는 것으로서, 하부 단계 냉매의 유동을 제어하는 하부 단계 바이패스 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  17. 제 9 항에 있어서, 하부 단계 입력도관이 하부 단계 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하기 위한 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  18. 2-단계 캐스케이드 냉동시스템에 있어서,
    유동하는 제 1 냉매를 가지고 있는 하부 단계로서, 입력부 및 출력부를 가진 압축기와, 입력도관에 의해 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 압축기의 입력부에 작동적으로 연결된 출력부를 가진 증발기 유닛을 포함하고 있는 하부 단계;
    유동하는 제 2 냉매를 가지고 있는 상부 단계로서, 입력부 및 출력부를 가진 압축기와, 입력도관에 의해 상부 단계 압축기의 출력부에 작동적으로 연결된 입력부 및 출력도관에 의해 상부 단계 압축기의 입력부에 작동적으로 연결된 출력부를 가진 열교환기를 포함하고 있으며, 이 열교환기는 하부 단계의 입력도관내의 제 1 냉매와 상부 단계의 출력도관내의 제 2 냉매 사이의 열교환을 수행하는 상부 단계;
    하부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 하부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 바이패스 라인; 그리고
    바이패스 라인의 제 1 냉매와 하부 단계의 입력도관의 제 1 냉매 사이의 열교환 관계를 수행하기 위한 바이패스 열교환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상부 단계가 입력도관을 통하여 유동하는 제 2 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하기 위한 응축기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 바이패스 라인의 입력부는 열교환기의 하류의 하부 단계의 입력도관과 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 상부 단계가 상부 단계의 입력도관과 연통된 입력부 및 열교환기의 하류의 상부 단계의 출력도관과 연통된 출력부를 가진 제 1 바이패스 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 제 2 냉매의 유동을 제어하기 위해 상부 단계의 제 1 바이패스 라인내에 바이패스 솔레노이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  23. 제 19 항에 있어서, 바이패스 라인을 하부 단계의 입력도관에 연결시키는 것으로서, 제 1 냉매의 유동을 제어하는 바이패스 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
  24. 제 19 항에 있어서, 하부 단계의 입력도관이 제 1 냉매와 유체공급원으로부터의 유체 사이의 열교환을 수행하기 위한 바이패스 열교환기의 상류의 응축기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 캐스케이드 냉동시스템.
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